一种搪瓷钢基底薄膜太阳能电池的制备方法与流程

本发明涉及太阳能电池领域，特别地涉及一种搪瓷钢基底薄膜太阳能电池的制备方法。

背景技术：

随着工业的快速发展，能源和环境问题日趋严峻，新型能源越来越受到人们的重视，太阳能作为一种重要的新型能源，安全可靠、无污染、资源取之不尽，成为各国研究的热点。随着太阳能电池的研究，薄膜太阳能电池相较于晶硅及非晶硅电池而言，电池材料用量少，生产流程短，更利于降低成本，现在已经可以进行大规模的成产。其中，薄膜太阳能电池中最受关注的铜铟镓硒(cigs)为直接带隙的p型半导体，其吸收系数高，随着ga含量的调节，cigs的带隙宽度可以在1.02ev与1.68ev范围内连续调节，实现与太阳能光谱的最佳匹配，而且材料性能的稳定、弱光性能好、转换效率高等优点让cigs薄膜太阳能电池最有希望制作成高效低成本的薄膜太阳能电池。因此，如何能够将cigs薄膜太阳能电池制作高效低成本的薄膜太阳能电池是本领域的重要方向。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种搪瓷钢基底薄膜太阳能电池的制备方法，包括：制备搪瓷钢基底；以及在所述搪瓷钢基底上方依次制备吸收层和窗口层；其中，所述搪瓷钢基底的厚度不超过1.5mm。

如上所述的制备方法，其中所述制备搪瓷钢基底的方法包括：提供钢体；在所述钢体两侧提供搪瓷涂层。

如上所述的制备方法，所述提供钢体是铁素体不锈钢或低碳钢，其厚度不超过1mm。

如上所述的制备方法，所述钢体厚度为0.15mm-0.6mm。

如上所述的制备方法，所述搪瓷涂层不含碱性元素。

如上所述的制备方法，所述搪瓷涂层含钾元素，不含钠元素。

如上所述的制备方法，所述搪瓷涂层含钠元素和钾元素，且na/k<1。

如上所述的制备方法，所述搪瓷涂层击穿电压高于1500v。

如上所述的制备方法，在形成所述搪瓷钢基底之后，形成所述吸收层之前利用磁控溅射技术在所述搪瓷钢基底上镀背电极；在所述背电极与所述吸收层之间蒸镀碱性元素层；在形成所述吸收层之后，形成所述窗口层之前利用化学水浴法制备缓冲层；在所述吸收层与所述缓冲层之间蒸镀碱性元素层。

如上所述的制备方法，在所述提供搪瓷钢基底的边缘电镀抗腐蚀材料。

如上所述的制备方法，在所述提供搪瓷钢基底的背面粘贴背板材料。

本发明的公开的薄膜太阳能电池制备方法中，采用搪瓷钢作为基底，具有以下技术效果：

(1)可以从根本上解决高温制备cigs吸收层时基底中的碱性元素向cigs层扩散的问题，降低电势诱导衰减效应(pid)；

(2)搪瓷钢基底耐高温，可以增加cigs吸收层制备温度获得性能优良的吸收层；

(3)搪瓷钢基底在cigs工艺腔中升温和降温的速率快，可以减少cigs工艺腔的尺寸，降低设备的成本；并且搪瓷钢基底在电池生产过程中，无破片风险，降低的了生产过程的损失，节约生产成本。

附图说明

下面，将结合附图对本发明的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：

图1为现有技术中薄膜太阳能电池的结构；

图2为根据本发明一个实施例的薄膜太阳能电池结构示意图；以及

图3为根据本发明一个实施例的薄膜太阳能电池的制备流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。

图1为现有技术中薄膜太阳能电池的结构。如图所示，薄膜太阳能电池的结构为在玻璃基底上外延生长背电极、吸收层、缓冲层以及窗口层。玻璃基底、吸收层和窗口层形成了薄膜太阳能电池的结构。其中，吸收层可以为cigs，作为半导体材料pn结的p型材料。窗口层为可以为透明导电薄膜tco，作为半导体材料pn结的n型材料。本领域技术人员应当理解，以上仅仅实例性的说明了可能应用在薄膜太阳能电池的结构中，本领域中已有的其他结构同样也可以应用。

如图1所述，薄膜太阳能电池的结构还包括碱性元素层，其位于背电极和吸收层以及吸收层和缓冲层之间。其中，碱性元素层可以为xf的化合物，x为碱性元素，包括但不限于纳、钾、铷或铯等。增加碱性元素层可以提高电池的转换效率。

玻璃基底是高透光的，具有良好的透光性更加容易实现电池转换的效率。但是玻璃基底中含有大量的碱性元素，在后续的高温cigs工艺腔室中制备cigs吸收层时，玻璃基底中的碱性元素非常容易扩散至cigs吸收层。由于碱性元素的问题，电池组件可能会出现电势诱导衰减(pid)效应。当然将图1结构上的基底与背电极之间增加镀层si3n4，希望可以减少玻璃基底碱性元素的扩散，但是不能从根本上解决问题。

图2为根据本发明一个实施例的薄膜太阳能电池结构示意图。与图1实施例相比，图2实施的背电极、吸收层、缓冲层以及窗口层相同或者类似，这里不太赘述。

如图2所示，将玻璃基底替换成搪瓷钢基底，可以减少基底中的扩散元素扩散到吸收层，进而影响薄膜太阳能电池的性能。根据本发明一个实施例，搪瓷钢基底可以不含碱性元素或者含有低钠的碱性元素。根据本发明一个实施例，搪瓷钢基底可以包括钢体和搪瓷涂层。其中，钢体包括但不限于不锈钢、低碳钢等等，搪瓷涂层要致密、绝缘性优良，具体性能参数可为：(1)不含碱性元素；(2)可以含有碱性元素，但含钾不含钠；(3)含钠元素和钾元素，但是钠元素与钾元素的比值na/k<1。上述搪瓷涂层性能的选取优先等级为：性能(1)优于性能(2)优于性能(3)。

如本领域技术人员所理解，钠钙玻璃的转换温度在540℃～550℃之间，极大的限制了cigs吸收层制备的工艺温度。根据本发明一个实施例，搪瓷钢基底可以承受大于600℃的高温，即可以满足高温基础上制备性能更优良的cigs吸收层。并且搪瓷钢基底不含有碱性元素或者含有低钠的碱性元素。在高温cigs工艺腔室中制备cigs吸收层时，基底中的碱性元素钾会阻碍钠元素扩散到cigs吸收层。

根据本发明一个实施例，搪瓷钢基底的热膨胀系数可以满足cigs吸收层与背电极之间的热膨胀系数匹配，可以在高温情况下制备优良性能的cigs吸收层。并且搪瓷钢在升温和降温的过程中，其升降速率均比玻璃的升降速率快，有利于减缩升温和降温过程的时间，可以减小cigs工艺腔室的尺寸，降低生产设备的成本。

如本领域技术人员所了解，薄膜太阳能电池在制作过程中，在很大程度上电池制作成本很大部分都需要花费在玻璃基底和封装玻璃上。根据本发明一个实施例，搪瓷钢可以实现卷对卷的生产，在价格上搪瓷钢会有极大的优势，采用搪瓷钢做基底，可大幅度的降低cigs薄膜太阳能电池的生产成本。有利于太阳能电池的批量生产。

如本领域技术人员所了解，为达到薄膜太阳能组件应用的强度，玻璃基底需要厚一些(通常为3mm左右)。根据本发明一个实施例，搪瓷钢基底的厚度不超过1.5mm。相比较与玻璃基底而言，搪瓷钢基底更加的薄、质量也更轻，有利于减轻电池的整体重量，还可以增加薄膜太阳能电池的应用范围。并且在搪瓷钢基底上制作电池其他结构的过程中并不存在破片的风险，安全可靠。

根据本发明一个实施例，搪瓷钢基底在长期的薄膜太阳能电池的应用过程中，抗腐蚀性能较弱。可以对搪瓷钢的边缘进行电镀抗腐蚀性能较强的材料。包括但不限于锌、锡、铬、镍等材料。操作简单、成本较低。

根据本发明一个实施例，为防止薄膜太阳能电池存在漏电风险、降低电池转换效率。搪瓷钢的搪瓷涂层表面要致密、绝缘性能要好，并且不能有孔洞。根据本发明另外一些实施例，还可以对搪瓷钢的背面涂层进行保护，可以采用eva胶粘贴背板材料。对搪瓷钢进行保护，降低电池漏电风险。

图3为根据本发明一个实施例的薄膜太阳能电池的制备流程图。如图所示，薄膜太阳能电池的制造方法300包括如下步骤：在步骤301，提供搪瓷钢基底。根据本发明一个实施例，由于搪瓷钢基底包括钢体和搪瓷涂层，可以在钢体的两侧制备搪瓷涂层，形成搪瓷钢基底。根据本发明一个实施例，钢体的厚度不超过1mm，优选为0.15mm～0.6mm，双面搪瓷涂层的总厚度不超过0.5mm，并且绝缘性要优，击穿电压高于1500v，表面组织致密，无孔洞结构。

在步骤302，在搪瓷钢基底上提供背电极。根据本发明一个实施例，可以采用磁控溅射技术对清洗后的搪瓷基底进行钼层镀膜，形成薄膜太阳能电池的背电极。根据本发明一个实施例，钼层的厚度可以为200nm～500nm，镀层薄膜的方块电阻为500mω～1000mω。

在步骤303，后续工艺在背电极上提供碱性元素层。根据本发明一个实施例，可以采用蒸镀的方式制备碱性元素层。根据本发明一个实施例，碱性化合物为xf。其中，x代表为碱性元素，包括但不限于na、k、rb或cs等。

在步骤304，在碱性元素层上提供吸收层。根据本发明一个实施例，可以采用共蒸发技术蒸镀铜、铟、镓、硒形成cigs吸收层。根据本发明一个实施例，吸收层的厚度可以是1.8μm～2.5μm。根据本发明一个实施例，吸收层中铜元素与第三族元素的比例在0.75～1之间。根据本发明一个实施例，吸收层中的镓元素与第三族元素的比例在0.25～0.5之间。

在步骤305，后续工艺在吸收层上提供碱性元素层。该碱性元素层与上述步骤303中的碱性元素层组成以及处理工艺相同，故不在赘述。根据本发明一个实施例，碱性元素层的厚度可以是5nm～20nm。根据本发明一个实施例，制备后处理的碱性元素层，通过碱性元素扩散性强的特点可以在cigs吸收层形成xigs薄膜层，进而可以改变整个吸收层表面的成分，通过离子交换改变整个吸收层的电池结构。通过xigs薄膜层的形成，减少了层间载流子的表面复合，对缓冲层的厚度要求降低，进而减少电池的生产成本。根据本发明一个实施例，通过后续工艺制备的碱性元素层可以增大电池的开路电压，进而可以提高电池的转换效率。

在步骤306，在碱性元素层上提供缓冲层，根据本发明一个实施例，可以采用化学水浴法制备缓冲层。根据本发明一个实施例，缓冲层可以是硫化镉。根据本发明一个实施例，缓冲层的厚度可以是20nm～80nm。

在步骤307，在缓冲层上提供窗口层。根据本发明一个实施例，可以采用磁控溅射技术制备窗口层。根据本发明一个实施例，窗口层可以是本征氧化锌(i-zno)以及铝掺杂氧化锌(azo)。根据本发明一个实施例，窗口层也可以作为太阳能电池的前电极。根据本发明一个实施例，azo的厚度可以是700nm～1200nm。根据本发明一个实施例，窗口层的薄膜方块电阻可以是3ω～20ω。

在步骤308，对电池结构的后处理，根据本发明一个实施例，可以在搪瓷钢的边缘电镀抗腐蚀材料。以提高电池在使用过程中的抗腐蚀性能。根据本发明一个实施例，在搪瓷钢背面涂层粘贴背板材料，对搪瓷钢背面进行保护，降低电池漏电的风险。

本发明的公开的薄膜太阳能电池的制备方法中，采用搪瓷钢作为基底(可以不含碱性元素或者含有低钠的碱性元素)，可以从根本上解决高温制备cigs吸收层时，基底中的碱性元素向cigs层扩散，降低pid效应。搪瓷钢基底耐高温，可以增加cigs吸收层制备温度获得性能优良的吸收层。搪瓷钢基底在cigs工艺腔中升温和降温的速率快，可以减少cigs工艺腔的尺寸，降低设备的成本。并且搪瓷钢基底在电池生产过程中，无破片风险，降低的了生产过程的损失，节约生产成本。

上述实施例仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本发明公开的范畴。