Cigs基薄膜太阳能电池及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及薄膜太阳能电池技术领域，尤其涉及一种CIGS基薄膜太阳能电池及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着全球气候变暖、生态环境恶化和常规能源的短缺，越来越多的国家开始大力发展太阳能利用技术。太阳能光伏发电是零排放的清洁能源，具有安全可靠、无噪音、无污染、资源取之不尽、建设周期短、使用寿命长等优势，因而备受关注。铜铟镓砸(CIGS)是一种直接带隙的P型半导体材料，其吸收系数高达105/cm，2um厚的铜铟镓砸薄膜就可吸收90%以上的太阳光。CIGS薄膜的带隙从1.04eV到1.67eV范围内连续可调，可实现与太阳光谱的最佳匹配。铜铟镓砸薄膜太阳电池作为新一代的薄膜电池具有成本低、性能稳定、抗辐射能力强、弱光也能发电等优点，其转换效率在薄膜太阳能电池中是最高的，已超过20%的转化率，因此日本、德国、美国等国家都投入巨资进行研宄和产业化。
[0003]CIGS基薄膜太阳能电池构成为:顺序地形成在衬底上形成金属背电极层、在其上形成具有黄铜矿结构的P型光吸收层、还有由η型高电阻缓冲层、η型透明导电膜形成的窗Π层。
[0004]目前，CIGS基薄膜太阳能电池中的背电极一般为金属Mo导电层，这种金属背电极具有较好的导电性和耐砸、硫腐蚀的能力，P型半导体光吸收层层叠于钼电极层上，钼电极层与P型光吸收层接触，钼电极层作为电池的“ + ”极。然而，金属背电极层与P型光吸收层界面处存在很高的由界面原子不饱和悬挂键和界面材料晶格失配导致的缺陷态密度，这些大量存在的缺陷能级是载流子发生复合的通路。电子作为P型半导体中的少子，当出现在这一界面附近时，很容易被缺陷能级俘获，通过缺陷能级跃迀到价带与空穴复合，降低了载流子收集效率，从而使薄膜太阳能电池的开路电压较低，从而影响薄膜电池的光电转化效率。
[0005]现有的CIGS基薄膜太阳能电池制备工艺也是导致上述缺陷的主要原因，具体示例如下:
制备工艺I
在一衬底为钠妈玻璃上采用磁控派射沉积500nm的金属钼电极层；接着在金属钼电极层上采用磁控溅射沉积铜铟镓金属预制层，然后将其放入到加热炉中进行砸化热处理，从而形成厚度为1.Sum的具有黄铜矿结构的铜铟镓二砸光吸收层；在光吸收层上采用化学浴(CBD)方法沉积50nm的CdS膜层作为缓冲层；在缓冲层上采用磁控溅射沉积40nm的本征ZnO膜层；接着在本征ZnO膜层上采用磁控溅射沉积SOOnm的AZO膜层。经测试，薄膜电池的开路电压623mV。
[0006]制备工艺2
在一衬底为钠钙玻璃上采用磁控溅射沉积500nm的金属钛电极层；接着在金属钛电极层上采用磁控溅射沉积铜铟镓金属预制层，然后将其放入到加热炉中进行先砸化后硫化热处理，从而形成厚度为2.0um的具有黄铜矿结构的铜铟镓二砸硫光吸收层；在光吸收层上采用化学浴(CBD)方法沉积40nm的ZnS膜层作为缓冲层；在缓冲层上采用磁控溅射沉积50nm的本征ZnO膜层；接着在本征ZnO膜层上采用磁控派射沉积800nm的AZO膜层。经测试，薄膜电池的开路电压635mV。
[0007]从上述两种常用制备工艺制得的薄膜电池可见其开路电压均较低，甚至不超过635mV0
【发明内容】
[0008]本发明要解决的技术问题，在于提供一种具备在光吸收层与背电极层之间易于形成点接触的CIGS基薄膜太阳能电池，依次包括衬底、金属背电极层、P型光吸收层、缓冲层和η型透明导电膜层，所述金属背电极层与P型光吸收层之间还包括一层绝缘薄膜层，所述绝缘薄膜层上分布多个不规则孔洞。
[0009]进一步地，所述的绝缘薄膜层为氧化硅薄膜层、氮化硅薄膜层或者氮氧化硅薄膜层O
[0010]进一步地，所述衬底为玻璃基板、聚酰亚胺板、铝薄板或不锈钢板；所述背电极层可为Mo层、Ti层或它们的组合；所述P型光吸收层为化合物半导体构成，所述化合物为铜铟镓砸、铜铟镓砸硫、铜铟镓硫、铜铟销砸、铜铟销硫、铜铟销砸硫、铜铟砸硫、铜铟砸、铜铟硫、铜铟铝镓砸、铜铟铝镓硫或铜铟铝镓砸硫；所述缓冲层为硫化镉、氧化锌、硫化锌、砸化锌、硫化铟、硫砸化铟或锌镁氧化物中的一种或两种以上；所述η型透明导电膜层为氧化铟掺杂锡、氧化锌掺杂硼、氧化锌掺杂铝、氧化锌掺杂镓、氧化锌掺杂铟、氧化锡掺杂氟、氧化锡掺杂锑中的一种或两种以上透明导电氧化物膜层，或者为金属基透明导电膜层。
[0011]进一步地，可在衬底与金属背电极层之间插入一层阻挡层，在缓冲层与η型透明导电层之间插入一层本征氧化锌膜层或一层具有高电阻率的掺杂氧化锌膜层，在η型透明导电层上可沉积一减反射膜层。
[0012]进一步地，所述的绝缘薄膜层的厚度不大于500nm。
[0013]一种CIGS基薄膜太阳能电池的制造方法，包括如下步骤:
步骤I，在衬底上形成金属背电极层；
步骤2，在金属背电极层上沉积一层含有硅和铝的氧化物薄膜层、或沉积一层含有硅和铝的氮化物薄膜层、或沉积一层硅和铝的氮氧化物薄膜层，采用无机酸溶液或碱的水溶液对所述薄膜层进行浸渍；
步骤3，对所述薄膜层进行清洗、干燥，由此形成一层分布多个不规则孔洞的绝缘薄膜层；
步骤4，在绝缘薄膜层上形成具有黄铜矿结构的P型光吸收层；
步骤5，在P型光吸收层上形成缓冲层；
步骤6，在缓冲层上形成η型透明导电层。
[0014]进一步地，所述绝缘薄膜层为氧化硅薄膜层、氮化硅薄膜层或者氮氧化硅薄膜层。
[0015]进一步地，所述无机酸为盐酸，所述碱的水溶液为氢氧化钠的水溶液。
[0016]进一步地，所述的硅和铝的氧化物薄膜层、硅和铝的氮化物薄膜层、硅和铝的氮氧化物薄膜层采用磁控溅射沉积或真空蒸发沉积。
[0017]进一步地，所述步骤2，在金属背电极层上沉积一层含有氧化硅和三氧化钼的混合薄膜层，采用氨水或碱的水溶液对所述混合薄膜层进行浸渍；所述步骤3，对所述薄膜层进行清洗、干燥，由此形成一层分布多个不规则孔洞的绝缘薄膜层，所述绝缘薄膜层为氧化硅薄膜层。
[0018]进一步地，所述步骤2中的氧化硅和三氧化钼的混合薄膜层采用磁控溅射沉积或蒸发沉积。
[0019]本发明通过在金属背电极层与P型光吸收层之间形成一层分布有很多个不规则孔洞的绝缘薄膜层。因此，金属背电极层与P型光吸收层的接触面积大幅减少，能够实现点接触。通过这些点接触，金属背电极层与P型光吸收层之间的界面中的载流子的再结合速度大幅降低，通过入射光生成的载流子不会再结合而高效的到达各电极。进一步，分布有很多个不规则孔洞的绝缘薄膜层材料的折射率小于光吸收层的折射率的情况下，绝缘薄膜层作为BSR (Back Surface Reflector)构造而发挥功能，使薄膜太阳能电池的光电转换效率进一步提高。因此本发明的优点是薄膜太阳能电池的开路电压得到提高，从而光电转换效率得以提高。
[0020]本发明的制备工艺的优点是可以很容易的在金属背电极层与P型光吸收层之间形成一层分布有很多个不规则孔洞的绝缘薄膜层，并与薄膜太阳能电池的制造工艺相匹配。因此，通过本发明能够在薄膜太阳能电池的金属背电极层与P型光吸收层之间简单的实现点接触。
【附图说明】
[0021]下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
[0022]图1为本发明的CIGS基薄膜太阳能电池结构的结构示意图；
图2为本发明的CIGS基薄膜太阳能电池的背电极层的结构示意图。
[0023]附图标记说明
1:衬底；2:金属背电极层；3:绝缘薄膜层；4:p型光吸收层；5:缓冲层；6:n型透明导电膜层。
【具体实施方式】
[0024]请参阅图1和2，是本发明的一种CIGS基薄膜太阳能电池，依次包括衬底、金属背电极层、P型光吸收层、缓冲层和η型透明导电膜层，该金属背电极层与P型光吸收层之间还包括一层绝缘薄膜层，该绝缘薄膜层上分布多个不规则孔洞。该绝缘薄膜层为氧化硅薄膜层、氮化硅薄膜层或者氮氧化硅薄膜层，绝缘薄膜层的厚度不大于500nm。
[0025]该衬底为玻璃基板、聚酰亚胺板、铝薄板或不锈钢板；该背电极层可为Mo层、Ti层或它们的组合；该P型光吸收层为化合物半导体构成，该化合物为铜铟镓砸、铜铟镓砸硫、铜铟镓硫、铜铟销砸、铜铟销硫、铜铟销砸硫、铜铟砸硫、铜铟砸、铜铟硫、铜铟销镓砸、铜铟铝镓硫或铜铟铝镓砸硫；该缓冲层为硫化镉、氧化锌、硫化锌、砸化锌、硫化铟、硫砸化铟或锌镁氧化物中的一种或两种以上；该η型透明导电膜层为氧化铟掺杂锡、氧化锌掺杂硼、氧化锌掺杂铝、氧化锌掺杂镓、氧化锌掺杂铟、氧化锡掺杂氟、氧化锡掺杂锑中的一种或两种以上透明导电氧化物膜层，或者为金属基透明导电膜层。
[0026]可在衬底与金属背电极层之间插入一层阻挡层，在缓冲层与η型透明导电层之间插入一层本征氧化锌膜层或一层具有高电阻率的掺杂氧化锌膜层，在η型透明导电层上可沉积一减反射膜层。
[0027]通过本发明可实现金属背电极层与P型光吸收层的点接触，因而可降低少子的复合，提高薄膜电池的开路电压，从而提高薄膜电池的转换效率。再者，由于P型光吸收层材料的折射率约在3.0，而氧化硅、氮化硅和氮氧化硅材料的折射率在1.5-2.0之间，所以由此形成的分布有很多个无规则孔洞的绝缘层具备背面反射(BSR)功能，这样就可使更多的光被P型光吸收层吸收，从而可提高薄膜电池的转换效率。
[0028]上述CIGS基薄膜太阳能电池的制备方法如下:
方法I
步骤I，在衬底上形成金属背电极层；
步骤2，在金属背电极层上沉积一层含有硅和铝的氧化物薄膜层、或沉积一层含有硅和铝的氮化物薄膜层、或沉积一层硅和铝的氮氧化物薄膜层，其中硅的氧化物、氮化物或氮氧化物的含量为20°/『90%，采用无机酸溶液或碱的水溶液对所述薄膜层进行浸渍；
步骤3，对所述薄膜层进行清洗、干燥，由此形成一层分布多个不规则孔洞的绝缘薄膜层，该绝缘薄膜层为氧化硅薄膜层、氮化硅薄膜层或者氮氧化硅薄膜层；
步骤4，在绝缘薄膜层上形成具有黄铜矿结构的P型光吸收层；
步骤5，在P型光吸收层上形成缓冲层；
步骤6，在缓冲层上形成η型透明导电层。
[0029]方法2
步骤I，在衬底上形成金属背电极层；
步骤2，在金属背电极层上沉积一层含有氧化硅和三氧化钼的混合薄膜层，其中氧化硅的含量为20%~90%，采用氨水或碱