一种具有高结合力吸收层的柔性薄膜太阳电池的制作方法

文档序号:9827262阅读:243来源:国知局
一种具有高结合力吸收层的柔性薄膜太阳电池的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于铜铟镓硒薄膜太阳电池技术领域,特别是涉及一种具有高结合力吸收 层的柔性薄膜太阳电池。
【背景技术】
[0002] 目前,柔性衬底铜铟镓硒(Cu (In,Ga) Se2,简称CIGS)薄膜太阳电池具有质量比功 率高、抗辐射能力强、稳定性好等优势,特别是柔性衬底CIGS薄膜电池,其质量比功率一般 大于600W/kg,而且电池组件适合卷对卷制备和单片集成,在批量生产和降低成本方面具有 很大潜力,应用范围更加广泛(相比于刚性衬底)。目前,制约该类电池性能提高的关键问 题和技术难点是高性能CIGS吸收层的沉积技术。
[0003] CIGS吸收层是该类太阳电池的核心,提高CIGS吸收层结晶质量,优化其光电性质 是实验室中获得高效率CIGS薄膜太阳电池的关键,同时也是商业化生产中提高电池组件 成品率,降低成本的基础。然而,对于柔性衬底,特别是聚酰亚胺塑料衬底(Polyimide,简称 PI衬底),除了吸收层结构和光电性质外,CIGS薄膜与衬底和底电极之间的结合力也是影 响电池性能的重要因素之一。先前有专利(专利号:CN200610016182. 7)给出了柔性CIGS 薄膜太阳电池的典型结构为:柔性衬底/Mo电极层/CIGS吸收层/CdS缓冲层/透明导电窗 口层/Ni-Al栅电极/减反射膜。该专利没有考虑PI衬底上沉积CIGS吸收层的附着性问 题。由于薄膜层之间的热膨胀系数差别较大,如表1所示,在CIGS吸收层生长过程中,PI衬 底受热发生形变,使CIGS薄膜内部积累了较大应力。按照附图1的薄膜电池结构,得到的 CIGS吸收层裂痕较多,甚至出现从Mo/PI衬底上脱落现象,如图3(a)所示。CIGS吸收层在 化学水浴、溅射沉积等后续工艺处理中,脱落问题会更加严重,对电池的性能和成品率造成 很大影响。
[0004] 表1柔性衬底及相关半导体材料的热膨胀系数



【发明内容】

[0007] 本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种具有高结合力吸收层的柔 性薄膜太阳电池。
[0008] 本发明的目的是提供一种能够获得高结合力CIGS吸收层,有效避免了柔性衬底 上的CIGS薄膜因内应力而开裂、甚至脱落等问题,改善了吸收层电学性质等特点的具有高 结合力吸收层的柔性薄膜太阳电池。
[0009] 本发明具有高结合力吸收层的柔性薄膜太阳电池结构为:柔性衬底/Mo电极层/ 应力缓冲层/CIGS吸收层/CdS缓冲层/透明导电窗口层/Ni-Al栅电极/减反射膜。相比 于已有专利公开的柔性CIGS薄膜太阳电池结构,该结构的特点是在CIGS吸收层与Mo电极 层之间设计了一个应力缓冲层,提高了柔性衬底上生长的CIGS吸收层的结合力,有效避免 了吸收层的脱落问题,能够提高柔性CIGS薄膜太阳电池的性能和成品率。
[0010] 本发明柔性CIGS薄膜太阳电池包含多层结构,如附图1所示。采用柔性衬底(包 括PI衬底,金属衬底等),其上结构依次为:Mo底电极(厚度约为0. 5~1 μ m);应力缓冲 层(In1 x, Gax) 2Se3薄膜(厚度约为IOOnm~1000 nm,简称IGS) ;p型CIGS吸收层(厚度在 1~3μπι之间);n型CdS缓冲层(厚度约为50nm) ;i-Zn0层和ZnO = Al窗口层(厚度分别 为50nm和300~500nm) ;Ni/Al金属栅电极。对于小面积CIGS薄膜太阳电池,为了减小因 电池表面反射而造成的光吸收损失,提高电池性能,在上述电池结构的表面沉积一层厚度 约为IOOnm的MgF 2减反射层,如附图2所示。
[0011] 制备应力缓冲层(In1 x,GaJ2Se3薄膜(简称IGS薄膜)的具体工艺为:整个腔室 的背景真空压强达到I X 10 4Pa,在CIGS薄膜吸收层沉积之前,采用共蒸发In、Ga和Se元 素沉积IGS薄膜。沉积过程中,衬底温度在350°C~480°C之间范围内保持恒定,蒸发腔 室中始终保持足够的Se气氛,以保证沉积到衬底上的In、Ga元素与Se元素充分反应,形 成(111 1;!,6&:!)2363相。6&、111蒸发源的温度分别恒定为 9001:-11001:、8001:-10001:, Se蒸发源在250°C~350°C范围内保持恒定。薄膜沉积速率约为15nm/min,得到厚度约为 IOO-1000 nm的(In1 x, GaJ2Se3薄膜(0. 2〈x〈0. 8),然后沉积CIGS吸收层。IGS薄膜沉积过 程中腔室的真空压强保持在I X 10 3Pa左右。
[0012] 本发明具有高结合力吸收层的柔性薄膜太阳电池所采取的技术方案是:
[0013] -种具有高结合力吸收层的柔性薄膜太阳电池,其特点是:具有高结合力吸收层 的柔性薄膜太阳电池包含多层结构,多层结构依次为柔性衬底、Mo电极层、应力缓冲层、 CIGS吸收层、CdS缓冲层、透明导电窗口层、Ni-Al栅电极,CIGS吸收层与Mo电极层之间设 有应力缓冲层,提高柔性衬底生长的CIGS吸收层的结合力。
[0014] 本发明具有高结合力吸收层的柔性薄膜太阳电池还可以采用如下技术方案:
[0015] 所述的具有高结合力吸收层的柔性薄膜太阳电池,其特点是:具有高结合力吸收 层的柔性薄膜太阳电池包含多层结构,在电池结构的表面沉积一层MgF 2减反射层。
[0016] 所述的具有高结合力吸收层的柔性薄膜太阳电池,其特点是:MgF2减反射层厚度 为 9〇-110nm。
[0017] 所述的具有高结合力吸收层的柔性薄膜太阳电池,其特点是:Mo电极层厚度为 0· 5~1 μ m,p型CIGS吸收层厚度为1~3 μ m,η型CdS缓冲层厚度为45-55nm。
[0018] 所述的具有高结合力吸收层的柔性薄膜太阳电池,其特点是:应力缓冲层为 (In1 x,GaJ2Se3 薄膜 0· 2〈χ〈0· 8 应力缓冲层。
[0019] 所述的具有高结合力吸收层的柔性薄膜太阳电池,其特点是:(? x,GaJ2Se3薄膜 应力缓冲层厚度为IOOnm~lOOOnrn。
[0020] 本发明具有的优点和积极效果是:
[0021] 具有高结合力吸收层的柔性薄膜太阳电池由于采用了本发明全新的技术方案,与 现有技术相比,本发明具有以下特点:
[0022] 1、本发明在CIGS吸收层和底电极Mo之间设计一层IGS应力缓冲层。在沉积CIGS 吸收层之前,首先沉积一定厚度的IGS应力缓冲层,其热膨胀系数与PI衬底和CIGS材料之 间的差别较小,与Mo电极的结合力比CIGS吸收层强。当PI衬底受热发生形变时,IGS层 有效缓解了 CIGS薄膜成核、结晶过程中积累的内部应力,获得了高结合力的CIGS吸收层, 避免了柔性衬底上的CIGS薄膜因内应力而开裂、甚至脱落的问题,如附图3所示。
[0023] 2、本发明在CIGS吸收层和底电极Mo之间设计一层IGS应力缓冲层,在沉积缓冲 层的同时可以蒸发NaF,得到含Na的IGS薄膜。Na原子通过扩散进入后续沉积的铜铟镓硒 薄膜中,改善了吸收层的电学性质。同时避免了单独沉积NaF层对CIGS薄膜与PI/Mo衬底 结合力的影响。
【附图说明】
[0024] 图1是具有高结合力吸收层的柔性CIGS薄膜太阳电池结构;
[0025] 图2是具有高结合力吸收层的小面积柔性CIGS薄膜太阳电池结构;
[0026] 图中:1_栅电极;2-i-Zn0&Zn0:Al窗口层;3-n型CdS缓冲层;4-CIGS吸收层; 5-IGS应力缓冲层;6-Mo底电极;7-柔性衬底;8-减反射层。
[0027] 图3是PI衬底/Mo结构上沉积的CIGS吸收层外观形貌的照片,(a)图中CIGS薄 膜直接沉积在PI衬底/Mo电极上,(b)图中在CIGS薄膜与PI衬底/Mo电极结构之间设计 了 IGS应力缓冲层。
【具体实施方式】
[0028] 为能进一步了解本发明的
【发明内容】
、特点及功效,兹例举以下实施例,并配合附图 详细说明如下:
[0029] 实施例1
[0030] -种具有高结合力吸收层的柔性薄膜太阳电池,参阅附图1。大面积柔性铜铟镓硒 薄膜太阳电池的结构包括:柔性衬底7、Mo底电极6、IGS应力缓冲层5、CIGS吸收层4、CdS 缓冲层3、i-Zn0&Zn0:Al窗口层2、Ni-Al栅电极1,其中柔性衬底
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