一种延长柔性CIGS电池组件寿命并降低成本的方法与流程

一种延长柔性cigs电池组件寿命并降低成本的方法
技术领域
1.本发明涉及太阳能电池生产技术领域，特别涉及一种延长柔性cigs电池组件寿命并降低成本的方法。


背景技术：

[0002][0003]
超薄柔性铜铟镓硒(cigs)太阳能电池具有轻、柔、薄的特点，可弯曲卷绕，抗冲击性能好，能与各种形状的物体表面进行一体化集成实现自供电功能，在移动电力、便携式消费电子、穿戴式电子设备等领域具有广泛的应用前景。传统晶硅电池由于本身物理特性，只能适用于全国30％左右的分布式应用场景，主要为地面电站的开发。新一代柔性cigs薄膜太阳能技术由于其形态和技术特性可广泛和建材及各种物体表面无缝整合，主要定位为城市及军用光伏，可达成95％以上的场景应用。充分利用柔性薄膜太阳能电池轻薄柔的特性，可和城市各种设施实现一体化结合，有效解决了当下新能源深层次应用的难点。
[0004]
对于户外使用的光伏发电组件一般要求具有25年的使用寿命，且电性能衰减不低于初始功率的80％，为此对超薄柔性的封装技术提出了更高的要求。如图1所示，自然环境中的水汽、氧气、二氧化碳、紫外线等会侵蚀cigs电池组件的部件，导致其封装材料老化、 na离子偏距流失、mo/ag电极氧化和tco薄膜的腐蚀等问题，会使cigs光电转化效率显著下降。
[0005]
传统的解决方案是使用高阻隔高光透的阻隔膜作为封装前膜，一般要求在38℃
ꢀ‑
100％rh条件下具有≤1
×
10-4
g/(
㎡
·
day)的水汽透过率，由于该类型的高阻隔膜技术被少数的外国公司垄断，如日本三菱、美国3m公司等，因此导致柔性组件的封装成本具高不下，严重制约了柔性组件的行业的发展，因此，现阶段急需要国内突破柔性cigs封装的科学和技术问题，实现低成本的柔性cigs组件批量化生产。


技术实现要素：

[0006]
本发明的目的在于提供一种延长柔性cigs电池组件寿命并降低成本的方法，柔性 cigs电池组件的户外寿命可以大幅提升至25年以上，同时柔性组件的封装成本可以缩减至原来的1/5。
[0007]
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种延长柔性cigs电池组件寿命并降低成本的方法，(1)cigs芯片生产：在cigs芯片生产过程中提高碱金属的掺杂量，使得碱金属的掺杂量≥1
×
10
17
个原子/cm3；(2)cigs芯片预封装：cigs芯片丝网印刷电极并串联焊接后，以cigs芯片作为衬底，在 cigs芯片上表面采用原子层沉积、分子束外延、低温等离子体增强化学的气相沉积、高精度纳米涂布中的一种沉积钝化层；(3)cigs芯片封装；沉积钝化层后进行旁路二极管焊接，然后进行封装形成封装电
池片，所述封装电池片的封装结构为：由上至下依次为上封装氟膜(1)、第一上封装胶膜(2)、上封装阻水膜(3)、第二上封装胶膜(4)、cigs芯片(5)、第一下封装胶膜(6)、绝缘背板(7)、第二下封装胶膜(8)、金属箔背板(9)，上封装氟膜和金属箔背板之间区域的外侧设有侧封装膜(10)。
[0008]
如图2所示，cigs晶体中碱金属含量越高，电池效率就越高。假设cigs电池内部碱金属年流失量为1
×
10
15
个原子/cm3/年，25年的碱金属流失量为2.5
×
10
16
个原子/cm3，因此在cigs组件户外使用时，吸收层中的碱金属含量越高，电池片的效率损失就越少。
[0009]
基于上述原理我们在cigs电池生产过程中，使碱金属的掺杂量≥1
×
10
17
/cm3，这时柔性cigs电池碱金属流失带来的效率衰降就微乎其微了。本发明将cigs电池用高碱金属含量掺杂，提供了预流失量，减少碱金属(如li、na、k、rb、cs)流失对cigs芯片效率的影响，从而提高cigs电池组件的长期使用的稳定性。
[0010]
本发明使用低温原子层沉积(ald)技术(衬底温度≤200℃)在柔性cigs表面沉积一层3-10nm厚度的钝化层，实现对cigs电池表面的钝化，从而减少水汽对cigs电池pn 结的性能的破坏。如图3所示，除了cigs电池表面被完美的钝化外，使用ald技术可以很好在cigs的晶界处填充钝化涂层，从而有效阻隔水汽对cigs晶界的腐蚀。其他相似低温纳米镀膜技术包括分子束外延(mbe)、低温等离子体增强化学的气相沉积(pecvd)技术、高精度纳米涂布技术也同样适用。
[0011]
柔性cigs电池组件的成本最大部分在于封装环节，因此，如何降低封装成分是降低 cigs电池组件制作成本的关键，因此，本发明改进了封装结构，增加了侧封装膜、绝缘背板、金属箔背板，并对侧漏加强使用了防水密封胶。同时，由于对户外25年水汽透过率的高要求，高阻隔性能的阻隔膜(上封装阻水膜)的成本居高不下，如何用低成本的阻隔膜实现高阻隔性能的阻隔膜的功能是本发明需要解决的问题的关键，通过技术人员的不断探索，发现在采用低成本的阻隔膜时，对第二上封装胶膜和第一下封装胶膜进行改进，添加特殊的干燥剂成分，能够不影响封装胶膜的性能，吸收低成本阻隔膜透过的多余水汽又不影响到cigs芯片，从而大大降低了封装成本。这样可以采用低成本的1
×
10-3
g/(
㎡
·
day)的水汽透过率的阻隔膜整体封装，也能起到高成本的1
×
10-4
g/(
㎡
·
day)的水汽透过率的阻隔膜的整体封装效果。
[0012]
作为优选，所述碱金属选自li、na、k、rb、cs中的一种或几种。
[0013]
作为优选，所述钝化层的厚度为3-10nm。
[0014]
作为优选，所述钝化层的材料为al2o3、tio2、hfo2、zro2中的一种或几种，或所述钝化层的材料为al2o3、tio2、hfo2、zro2中的一种或几种与环氧类有机材料形成的复合材料，其中环氧类有机材料的占比为30-50wt％。环氧类有机材料如缩水甘油胺型环氧树脂、双酚f型环氧树脂、氰酸酯树脂。
[0015]
作为优选，沉积钝化层时，控制衬底温度≤200℃。
[0016]
作为优选，所述第二上封装胶膜至第二下封装胶膜的层叠区域的外侧设有防水密封胶 (11)，防水密封胶外侧连接侧封装膜。
[0017]
作为优选，所述第二上封装胶膜中添加有干燥剂，干燥剂用量为1g/m
2-100g/m2。更优选干燥剂用量为25g/m
2-30g/m2。
[0018]
作为优选，所述第一下封装胶膜中添加有干燥剂，干燥剂用量为1g/m
2-100g/m2。更
0.5μm，最终控制cigs中0.82≤cu/(in+ga)≤0.95，0.2≤ga/(in+ga)≤0.4。
[0043]
第五步：第三次沉积碱金属前驱体(naf、kf、rbf、csf中的一种)，厚度：10～30nm。
[0044]
最终碱金属掺杂量≥1
×
10
17
个原子/cm3。
[0045]
(3)在铜铟镓硒光吸收层上沉积cds缓冲层；cds缓冲层的厚度为30-70nm。
[0046]
(4)在cds缓冲层上沉积高阻i-zno层和zno:al窗口层，形成铜铟镓硒太阳能电池； i-zno层和zno:al窗口层总厚度控制在110-250nm。
[0047]
生产的具体细节可以参考申请人在先申请文本cn112531078a中的记载描述。
[0048]
实施例1：一种延长柔性cigs电池组件寿命并降低成本的方法，(1)cigs芯片生产：在cigs芯片生产过程中提高碱金属的掺杂量，使得碱金属的掺杂量为1
×
10
17
个原子/cm3；所述碱金属为na。
[0049]
(2)cigs芯片预封装：cigs芯片丝网印刷电极并串联焊接后，以cigs芯片作为衬底，在cigs芯片上表面采用ald技术沉积钝化层；所述钝化层的厚度为3nm。所述钝化层的材料为al2o3。采用ald技术沉积钝化层时，控制衬底温度≤200℃。
[0050]
(3)cigs芯片封装；沉积钝化层后进行旁路二极管焊接，然后进行封装形成封装电池片，所述封装电池片的封装结构为：由上至下依次为上封装氟膜1(厚度50μm的etfe 膜)、第一上封装胶膜2(厚度0.5mm的eva膜)、上封装阻水膜3(厚度100μm的pet 膜，1
×
10-3
g/(
㎡
·
day)的水汽透过率)、第二上封装胶膜4(厚度0.5mm的eva膜)、cigs 芯片5、第一下封装胶膜6(厚度0.5mm的eva膜)、绝缘背板7(pet，厚度0.15mm)、第二下封装胶膜8(厚度0.5mm的eva膜)、金属箔背板9(总厚度30μm，金属箔采用10μ m铝箔材料)，上封装氟膜和金属箔背板之间区域的外侧设有侧封装膜10(厚度0.5mm的eva 膜)。所述第二上封装胶膜至第二下封装胶膜的层叠区域的外侧设有防水密封胶11(丁基胶， 1mm厚)，防水密封胶外侧连接侧封装膜(图4)。
[0051]
所述第二上封装胶膜中添加有分子筛干燥剂(13x apg分子筛)，干燥剂用量为 30g/m2。
[0052]
所述第一下封装胶膜中添加有硅胶干燥剂，干燥剂用量为35g/m2。
[0053]
实施例2：一种延长柔性cigs电池组件寿命并降低成本的方法，(1)cigs芯片生产：在cigs芯片生产过程中提高碱金属的掺杂量，使得碱金属的掺杂量为3
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个原子/cm3；所述碱金属为k。
[0054]
(2)cigs芯片预封装：cigs芯片丝网印刷电极并串联焊接后，以cigs芯片作为衬底，在cigs芯片上表面采用ald技术沉积钝化层；所述钝化层的厚度为10nm。所述钝化层的材料为tio2。采用ald技术沉积钝化层时，控制衬底温度≤200℃。
[0055]
(3)cigs芯片封装；沉积钝化层后进行旁路二极管焊接，然后进行封装形成封装电池片，所述封装电池片的封装结构为：由上至下依次为上封装氟膜1(厚度20μm的etfe 膜)、第一上封装胶膜2(厚度0.5mm的eva膜)、上封装阻水膜3(厚度150μm的pet 膜，1
×
10-3
g/(
㎡
·
day)的水汽透过率)、第二上封装胶膜4(厚度0.5mm的eva膜)、cigs 芯片5、第一下封装胶膜6(厚度0.5mm的eva膜)、绝缘背板7(pet，厚度0.15mm)、第二下封装胶膜8(厚度0.5mm的eva膜)、金属箔背板9(总厚度50μm，金属箔采用20μ m不锈钢箔材料)，上封装氟膜和金属
箔背板之间区域的外侧设有侧封装膜10(厚度0.5mm 的eva膜)。所述第二上封装胶膜至第二下封装胶膜的层叠区域的外侧设有防水密封胶11(丁基胶，1mm厚)，防水密封胶外侧连接侧封装膜(图4)。
[0056]
所述第二上封装胶膜中添加有硅胶干燥剂，干燥剂用量为28g/m2。
[0057]
所述第一下封装胶膜中添加有分子筛干燥剂(13x apg分子筛)，干燥剂用量为 30g/m2。
[0058]
实施例3：一种延长柔性cigs电池组件寿命并降低成本的方法，(1)cigs芯片生产：在cigs芯片生产过程中提高碱金属的掺杂量，使得碱金属的掺杂量为5
×
10
17
个原子/cm3；所述碱金属为na。
[0059]
(2)cigs芯片预封装：cigs芯片丝网印刷电极并串联焊接后，以cigs芯片作为衬底，在cigs芯片上表面采用ald技术沉积钝化层；所述钝化层的厚度为6nm。所述钝化层的材料为al2o3。采用ald技术沉积钝化层时，控制衬底温度≤200℃。
[0060]
(3)cigs芯片封装；沉积钝化层后进行旁路二极管焊接，然后进行封装形成封装电池片，所述封装电池片的封装结构为：由上至下依次为上封装氟膜1(厚度50μm的etfe 膜)、第一上封装胶膜2(厚度0.5mm的eva膜)、上封装阻水膜3(厚度250μm的pet 膜，1
×
10-3
g/(
㎡
·
day)的水汽透过率)、第二上封装胶膜4(厚度0.5mm的eva膜)、cigs 芯片5、第一下封装胶膜6(厚度0.5mm的eva膜)、绝缘背板7(pet，厚度0.15mm)、第二下封装胶膜8(厚度0.5mm的eva膜)、金属箔背板9(厚度50μm，金属箔采用15μm 铝箔材料)，上封装氟膜和金属箔背板之间区域的外侧设有侧封装膜10(厚度0.5mm的eva 膜)。所述第二上封装胶膜至第二下封装胶膜的层叠区域的外侧设有防水密封胶11(丁基胶， 1mm厚)，防水密封胶外侧连接侧封装膜(图4)。所述第二上封装胶膜中添加有分子筛干燥剂(13x apg分子筛)，干燥剂用量为27.5g/m2。
[0061]
所述第一下封装胶膜中添加有分子筛干燥剂(13x apg分子筛)，干燥剂用量为 27.5g/m2。
[0062]
上表所示的是不同水汽透过率的阻隔膜(上封装阻水膜)，户外使用不同时间的水蒸气透过量的计算表。
[0063]
当阻隔膜的水汽透过率≈1
×
10-4
g/(
㎡
·
day)时，不同时间的水汽透过率时最小的。这时组件的寿命最长可以达到25～35年的寿命。cigs电池能够容忍的水汽透过量约为1g/m2。当然这个等级的阻隔膜成本较高。
[0064]
当阻隔膜的水汽透过率≈1
×
10-3
g/(
㎡
·
day)时，水蒸气的透过率比1
×
10-4
提高
了10 倍。这时柔性cigs组件的寿命可能连5年都无法达到，就严重衰减了，这时如果在靠近cigs 电池片的胶膜(第二上封装胶膜和第一下封装胶膜)中添加分子筛或硅胶干燥剂，就可以大量的吸收透过阻隔膜的水汽，从而保护cigs电池免于被水汽腐蚀。
[0065]
对于阻隔膜的水汽透过率≈1
×
10-2
g/(
㎡
·
day)时，水汽透过率就是1
×
10-4
阻隔膜的 100倍了，这时通过加入干燥剂，最高可以提高组件寿命达到5年或10年以上。
[0066]
加速老化试验：加速老化测试标准依据iec61215-2：2016，mqt 13湿热老化试验进行，测试方法：保持组件样品在85℃，85％rh，保持1000h。
[0067]
图5a为1
×
10-4
阻隔膜经过1000h湿热老化试验的组件图片，阻隔膜覆盖区的电池片未发生腐蚀。图5b为1
×
10-3
阻隔膜结合加干燥剂的胶膜(实施例2)，经过1000h湿热老化试验的组件图片，阻隔膜覆盖区的电池片未发生腐蚀。图6为1
×
10-3
阻隔膜结合不加干燥剂的胶膜，经过1000h湿热老化试验的组件图片，阻隔膜覆盖区的电池片发生严重腐蚀，通体变成黑色。
[0068]
经过上述对比，1
×
10-3
阻隔膜结合加干燥剂的胶膜封装技术能够达到1
×
10-4
阻隔膜的技术水平，1
×
10-3
阻隔膜是1
×
10-4
阻隔膜成本的五分之一左右，表明本发明的封装方案可以实现封装效果接近，封装材料的成本显著降低。
[0069]
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。