一種cigs基薄膜太陽能電池及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及薄膜太陽能電池技術領域，更具體的，本發明提供一種CIGS基薄膜太陽能電池及其制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著全球氣候變暖、生態環境惡化和常規能源的短缺，越來越多的國家開始大力發展太陽能利用技術。太陽能光伏發電是零排放的清潔能源，具有安全可靠、無噪音、無污染、資源取之不盡、建設周期短、使用壽命長等優勢，因而備受關注。銅銦鎵砸(CIGS)是一種直接帶隙的P型半導體材料，其吸收系數高達105/cm，2um厚的銅銦鎵砸薄膜就可吸收90%以上的太陽光。CIGS薄膜的帶隙從1.04eV到1.67eV范圍內連續可調，可實現與太陽光譜的最佳匹配。銅銦鎵砸薄膜太陽電池作為新一代的薄膜電池具有成本低、性能穩定、抗輻射能力強、弱光也能發電等優點，其轉換效率在薄膜太陽能電池中是最高的，已超過20%的轉化率，因此日本、德國、美國等國家都投入巨資進行研究和產業化。
[0003]傳統的CIGS基薄膜太陽能電池的結構如圖1所示。為了提高CIGS基薄膜太陽能電池的開路電壓和短路電流，通常需要光吸收層的結晶顆粒要足夠大。光吸收層為了獲得較為理想的結晶顆粒，其熱處理溫度通常要達到550°C，有時甚至達到600°C，較高的熱處理溫度會使襯底容易翹起變形，且會使膜層之間的界面遭受破壞，較高的熱處理溫度也會造成制造成本的增加；若形成光吸收層的熱處理溫度較低，則光吸收層獲得的結晶顆粒就較小，從而影響了薄膜電池的性能。
[0004]當進行熱處理形成CIGS基薄膜太陽能電池的光吸收層時，鉬背電極層會受到硫族元素的腐蝕而形成一層砸化鉬層或硫化鉬層。在高溫熱處理后會形成較厚的砸化鉬層或硫化鉬層，這會影響其膜層間的歐姆接觸，將會導致電池的串聯電阻升高，使電池的性能下降。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于克服現有技術之不足，本發明通過在背電極層上沉積一層合金膜層，接著再在合金膜層上形成P型光吸收層，使其能夠在較低的熱處理溫度下就可獲得較大的結晶顆粒，同時能夠有效抑制砸化過程中砸化鉬厚度的增長，可減少載流子在該界面處的復合，提高薄膜電池的開路電壓和短路電流，從而提高薄膜太陽能電池的性能。
[0006]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種CIGS基薄膜太陽能電池，其特征在于:包括襯底，覆蓋襯底的背電極層，覆蓋背電極層的合金膜層，覆蓋合金膜層的p型光吸收層，覆蓋P型光吸收層的緩沖層，形成覆蓋緩沖層的透明導電層；所述合金膜層由銀、鉑、鉻和鎵中的至少一種元素與銻元素組成，所述合金膜層的厚度不大于200nm。
[0007]所述合金膜層中沒有含鎵的情況下，所述合金膜層中銻的含量至多為50at%(at%S原子比百分比)。
[0008]所述合金膜層為銻鎵合金膜層時，所述合金膜層中銻的含量至少為50at% ;所述銻鎵合金膜層可形成于P型光吸收層的預制層中，所述預制層為銅銦鎵膜層、銅銦膜層、銅銦鎵砸膜層、銅銦鎵硫膜層或銅銦鎵砸硫膜層。
[0009]所述合金膜層的厚度優選不大于lOOnm。
[0010]所述p型光吸收層為p型銅銦鎵砸、p型銅銦鎵硫、p型銅銦鎵砸硫、p型銅銦鎵招砸、P型銅銦鎵鋁硫、p型銅銦鎵鋁砸硫、p型銅銦鋁砸硫、p型銅銦鋁砸、p型銅銦鋁硫、p型銅銦砸硫、P型銅銦硫或P型銅銦砸中的一種，所述P型光吸收層中含有堿元素，所述P型光吸收層中優選含有鈉。
[0011]進一步的，在緩沖層與透明導電層之間插入一層具有高電阻率的氧化鋅膜層，所述具有高電阻率的氧化鋅膜層選自本征氧化鋅膜層、具有電阻率為0.08 Ω cm至95 Ω cm的摻雜氧化鋅膜層或它們的組合。所述具有高電阻率的氧化鋅膜層可采用磁控濺射法沉積、真空蒸發法沉積或化學氣相沉積法沉積
[0012]進一步的，在襯底與背電極層之間插入一層電介質材料層；所述電介質材料層選自氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化鈦、氧化鈦、氮氧化鈦、氮氧化鋯、氧化鋯、氮化鋯、氮化鋁、氧化鋁、氧化硅鋁、氮化硅鋁、氮氧化硅鋁、鋅錫氧化物或它們的混合物組成；所述電介質材料層或由硅、鋯和鈦中的至少一種元素與鉬組成的至少兩種元素的氧化物、氮化物或氮氧化物組成；當襯底為玻璃基板時，所述電介質材料層可由一含有L1、K中至少一種元素的堿過濾層替代，該堿過濾層包含L1、K中的至少一種元素和S1、A1、0三種元素。所述電介質材料層采用磁控濺射沉積或真空蒸發法沉積。
[0013]所述襯底為玻璃基板、聚酰亞胺板、鋁薄板、鈦薄板或不銹鋼板中的一種；所述背電極層為Mo層、Ti層、Cr層、Cu層或ΑΖ0層中的至少一種，所述背電極層優選為Mo層，所述背電極層中含有氧，所述背電極層中也可含有堿元素；所述緩沖層為硫化鎘、氧化鋅、硫化鋅、砸化鋅、硫砸化鋅、硫砸化銦、砸化銦、硫化銦或鋅鎂氧化物中的至少一種；所述透明導電層選用銀基透明導電膜、氧化銦摻雜錫(ΙΤ0)、氧化鋅摻雜鋁(ΑΖ0)、氧化鋅摻雜鎵(GZ0)、氧化鋅摻雜銦(ΙΖ0)、氧化錫摻雜氟(FT0)、氧化錫摻雜碘、氧化錫摻雜銻(ΑΤ0)或石墨稀中的至少一種。
[0014]本發明提供一種CIGS基薄膜太陽能電池的制備方法，其特征在于:在一襯底上沉積背電極層，在背電極層上真空沉積合金膜層，在合金膜層上形成Ρ型光吸收層，在Ρ型光吸收層上沉積緩沖層，在緩沖層上沉積透明導電層；所述合金膜層由銀、鉑、鉻和鎵中的至少一種元素與銻元素組成，所述合金膜層的厚度不大于200nm。
[0015]使用磁控濺射法沉積背電極層；使用磁控濺射法或真空蒸鍍法沉積合金膜層；使用磁控濺射后砸化工藝、共蒸發工藝、反應濺射沉積工藝或直接濺射沉積工藝制備P型光吸收層；使用化學水浴法、濺射法或者M0CVD法沉積緩沖層；使用磁控濺射法或者真空蒸鍍法沉積透明導電窗口層。
[0016]與現有技術相比本發明具有以下優點:
[0017]1、本發明通過在合金膜層上形成ρ型光吸收層，能夠使在相對較低的熱處理溫度下就能獲得結晶顆粒較大的光吸收層，可提高薄膜電池的短路電流；使用相對較低的熱處理溫度來形成光吸收層，使薄膜太陽能電池的各膜層的界面相對良好，從而減少了載流子在界面的復合，提高了薄膜太陽能電池的性能。
[0018]2、本發明通過在合金膜層上形成ρ型光吸收層，使光吸收層的熱處理溫度相對較低，可使用應變點較低的玻璃基板作為襯底，因而可降低制造成本。
[0019]3、本發明通過在合金膜層上形成ρ型光吸收層，能夠有效抑制形成ρ型光吸收層的熱處理過程中砸化鉬層或硫化鉬層厚度的過度增長，因而可降低薄膜太陽能電池的串聯電阻，提尚薄I旲太陽能電池的性能。
[0020]4、本發明的合金膜層的沉積采用磁控濺射沉積，能夠實現大面積均勻成膜，與CIGS基薄膜電池的生產工藝相匹配，可實現大規模連續生產。
【附圖說明】
[0021]圖1為傳統的CIGS基薄膜太陽能電池的結構示意圖；
[0022]圖2為本發明的CIGS基薄膜太陽能電池的一種結構示意圖；
[0023]圖3為本發明的CIGS基薄膜太陽能電池的另一種結構示意圖。
[0024]圖中數字說明:1-襯底，21-電介質材料層，2-背電極層，31-合金膜層，3_p型光吸收層，4-緩沖層，5-本征氧化鋅膜層，6-透明導電層，7-減反射膜層。
【具體實施方式】
[0025]下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。
[0026]本發明的一種CIGS基薄膜太陽能電池，其結構示意圖如圖2所示，通過在襯底上采用濺射法沉積背電極層鉬層，接著在鉬層上采用濺射法沉積一層合金膜層，接著在合金膜層上采用濺射法沉積銅銦鎵預制層，接著將預制層進行砸化和/或硫化熱處理形成P型光吸收層，接著在P型光吸收層上采用水浴法沉積硫化鎘膜層作為緩沖層，接著在緩沖層上采用濺射法沉積本征氧化鋅膜層，接著在本征氧化鋅膜層上采用濺射法沉積ΑΖ0膜層作為透明導電層。
[0027]以下涉及的實施例，均是在干凈的襯底表面上依次形成各膜層。襯底所使用的鈉鈣玻璃不是高應變點玻璃。
[0028]實施例1
[0029]在襯底為鈉鈣玻璃上采用磁控濺射沉積500nm的金屬鉬電極層；接著在鉬背電極層上采用磁控濺射沉積30nm的銻鎵合金膜層，銻鎵合金膜層中含50at%的銻；接著在銻鎵合金膜層上形成2.0um厚的具有黃銅礦結構的ρ型銅銦鎵砸膜層，形成所述ρ型銅銦鎵砸膜層的熱處理溫度為520°C ;接著在ρ型銅銦鎵砸膜層上采用化學浴(CBD)方法沉積45nm的CdS膜層作為緩沖層；在緩沖層上采用磁控濺射沉積40nm的本征ZnO膜層；接著在本征ZnO膜層上采用磁控派射沉積600nm的ΑΖ0膜層。
[0030]ρ型銅銦鎵砸膜層形成后，鈉鈣玻璃襯底沒有出現翹起變形；通過測試，ρ型銅銦鎵砸膜層的晶粒顆粒尺寸至少為lum以上；觀察薄膜太陽能電池的截面，在鉬電極層與ρ型銅銦鎵砸膜層之間的砸化鉬層很薄，只有幾十個納米厚；通過測試，薄膜太陽能電池的短路電流為32.5mA/cm2;薄膜太陽能電池的開路電壓為0.656V。
[0031]實施例2
[0032]在襯底為鈉鈣玻璃上采用磁控濺射沉積500nm的金屬鉬電極層；接著在鉬背電極層上采用磁控濺射沉積lOOnm的銻鎵合金膜層，銻鎵合金膜層中含65at%的銻；接著在銻鎵合金膜層上形成2.0um厚的具有黃銅礦結構的ρ型銅銦鎵砸膜層，形成所述ρ型銅銦鎵砸膜層的熱處理溫度為520°C;接著在ρ型銅銦鎵砸膜層上采用化學浴(CBD)方法沉積45nm的CdS膜層作為緩沖層；在緩沖層上采用磁控濺射沉積40nm的本征ZnO膜層；接著在本征ZnO膜層上采用磁控派射沉積600nm的AZ0膜層。
[0033]ρ型銅銦鎵砸膜層形成后，鈉鈣玻璃襯底沒有出現翹起變形；通過測試，ρ型銅銦鎵砸膜層的晶粒顆粒尺寸至少為lum以上；觀察薄膜太陽能電池的截面，在鉬電極層與ρ型銅銦鎵砸膜層之間的砸化鉬層很薄，只有幾十個納米厚；通過測試，薄膜太陽能電池的短路電流為33.1mA/cm2;薄膜太陽能電池的開路電壓為0.65IV。
[0034]實施例3
[0035]在襯底為鈉鈣玻璃上采用磁控濺射沉積500nm的金屬鉬電極層；接著在鉬背電極層上采用磁控濺射