一種cigs/cgs雙結(jié)疊層薄膜太陽電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種CIGS/CGS雙結(jié)疊層薄膜太陽電池，包括一個窄帶隙的銅銦鎵硒底電池和一個寬帶隙的銅鎵硒頂電池，其特點(diǎn)是：所述底電池和頂電池由連接層內(nèi)部串聯(lián)成為一體；所述連接層由位于底電池的透明金屬氧化物導(dǎo)電層和位于頂電池的納米金屬導(dǎo)電層構(gòu)成；所述銅鎵硒頂電池的導(dǎo)電窗口層包括ITO復(fù)合導(dǎo)電薄膜層和ITO薄膜層，所述銅鎵硒頂電池的導(dǎo)電窗口層和電極層的表面具有氮化硅減反射層。本發(fā)明采用了透明金屬氧化物與納米金屬薄膜的組合作為底電池和頂電池的連接層，解決了底電池和頂電池之間的工藝兼容性問題，實(shí)現(xiàn)了底電池和頂電池之間的內(nèi)部電學(xué)連接，簡化了電池制作工藝，降低了電池的制作成本，電池結(jié)構(gòu)簡單，同時導(dǎo)電窗口層透光率和電導(dǎo)率高且鈍化效果好，串聯(lián)電阻小，有效提高了薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
【專利說明】
一種GIGS/GGS雙結(jié)疊層薄膜太陽電池
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于薄膜太陽電池技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種CIGS/CGS雙結(jié)疊層薄膜太陽電池。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，市場上應(yīng)用的太陽電池仍以第一代單晶硅/多晶硅電池為主，但第二代薄膜太陽電池被公認(rèn)為未來太陽電池發(fā)展的主要方向。薄膜太陽電池是指用厚度在微米量級的材料制備成的太陽電池，是大幅度降低太陽電池成本的最有效途徑之一。在眾多薄膜太陽電池中，1-1I1-VI族化合物半導(dǎo)體銅銦(鎵)砸薄膜太陽電池(又稱Cu( In，Ga)Se2(簡稱CIGS)薄膜太陽電池)以其轉(zhuǎn)換效率高、長期穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)成為光伏界的研究熱點(diǎn)，有望成為下一代的廉價太陽電池。無論是哪一代太陽電池，都存在一個能量轉(zhuǎn)化率的極限(31% ) ,Shockley和Queisser分析了存在轉(zhuǎn)化率極限的原因:(I)當(dāng)高于帶隙能量的光子產(chǎn)生載流子后，載流子多余的能量以聲子發(fā)射的方式損失掉；(2)低于帶隙能量的光子不被吸收。解決這一問題的途徑之一就是拓寬光伏材料對太陽光譜能量的吸收范圍，如采用多結(jié)疊層或多帶隙結(jié)構(gòu)，分能量吸收或?qū)崿F(xiàn)多光子吸收。
[0003]疊層太陽電池概念最早是在1955年由Jackson提出的，目前三結(jié)GaAs太陽電池效率已超過40%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的單結(jié)電池。疊層太陽電池已成功應(yīng)用于不同材料電池制備，工藝最成熟的就是以GaAs為代表的II1-V族化合物多結(jié)電池，如由隧道結(jié)連接的GaInP/GalnAs/Ge三結(jié)電池在454倍聚光條件下轉(zhuǎn)換效率已達(dá)41.1 %，是目前最高效的太陽電池。另外，對薄膜疊層太陽電池的研究也廣受關(guān)注，其三結(jié)非晶硅疊層太陽電池的基本結(jié)構(gòu)為a-Si/a-SiGe/a-SiGe。通過對非晶硅和非晶鍺硅進(jìn)行氫化處理能得到更加高效的疊層太陽電池，其結(jié)構(gòu)為(1^:!1/€[-3丨66:!1/€[^66:!1，目前已取得15.39%的轉(zhuǎn)換效率。
[0004]由于利用分配比可以有效地調(diào)節(jié)光學(xué)帶隙，因此1-1I1-VI族黃銅礦化合物半導(dǎo)體在疊層太陽電池領(lǐng)域獨(dú)具優(yōu)勢。在1-1I1-VI族化合物半導(dǎo)體體系中，Cu基黃銅礦化合物的光學(xué)帶隙為0.9-2.9eV，Ag基黃銅礦化合物帶隙為0.6-3.leV，如此寬的光學(xué)帶隙范圍在疊層太陽電池的應(yīng)用中很有潛力。
[0005]現(xiàn)有的涉及薄膜疊層太陽電池整個結(jié)構(gòu)是由多個隧道結(jié)串聯(lián)起來，其結(jié)果是整個電池結(jié)構(gòu)只有兩個接觸或稱“兩端”。為了獲得高效的多晶薄膜疊型太陽電池，頂電池必須有寬帶隙半導(dǎo)體材料，以及透明導(dǎo)電材料作為背接觸。正因如此，以透明導(dǎo)電氧化物作為背接觸變得勢在必行。目前公知的1-1I1-VI族黃銅礦化合物半導(dǎo)體雙結(jié)薄膜太陽電池，實(shí)現(xiàn)了頂電池采用寬帶隙半導(dǎo)體材料、透明導(dǎo)電氧化物作為背接觸，提高了太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，但是由于1-1I1-VI族黃銅礦化合物無法實(shí)現(xiàn)隧道結(jié)，底電池和頂電池之間的工藝兼容性差，底電池和頂電池之間的無法直接內(nèi)部連接，多采用外級聯(lián)方式，結(jié)果整個電池需要三個或四個接觸，使得電池結(jié)構(gòu)復(fù)雜，提高了電池的制作成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題而提供一種結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低，并且電池轉(zhuǎn)換效率高的一種CIGS/CGS雙結(jié)疊層薄膜太陽電池。
[0007]本發(fā)明如下技術(shù)方案是:
[0008]一種CIGS/CGS雙結(jié)疊層薄膜太陽電池，包括一個窄帶隙的銅銦鎵砸底電池和一個寬帶隙的銅鎵砸頂電池，其特點(diǎn)是:所述底電池和頂電池由連接層內(nèi)部串聯(lián)成為一體;所述連接層由位于底電池的透明金屬氧化物導(dǎo)電層和位于頂電池的納米金屬導(dǎo)電層構(gòu)成;所述銅鎵砸頂電池的導(dǎo)電窗口層包括ITO復(fù)合導(dǎo)電薄膜層和ITO薄膜層，所述銅鎵砸頂電池的導(dǎo)電窗口層和電極層的表面具有氮化娃減反射層。
[0009]本發(fā)明還可以采用如下技術(shù)措施:
[00?0] 所述透明金屬氧化物導(dǎo)電層為300-600nm厚的Al、Ga或In摻雜ZnO形成的TCO薄膜之一種，或ITO薄膜;所述納米金屬導(dǎo)電層為厚度30-50nm的Mo薄膜。
[0011 ]所述窄帶隙的銅銦鎵砸底電池自下至上包括600nm-800nm厚的Mo薄膜作為背電極Mol、I.5-2.Ομπι厚的CIGS薄膜作為底電池P型吸收層、30-50nm的η型CdS薄膜作為底電池η型緩沖層和50-60nm厚的本征氧化鋅薄膜底電池本征窗口層構(gòu)成的銅銦鎵砸與硫化鎘異質(zhì)結(jié)電池。
[0012]所述寬帶隙的銅鎵砸頂電池自下至上包括1-1.5μπι厚的CGS薄膜作為頂電池P型吸收層、30-50nm厚的η型CdS薄膜作為頂電池η型緩沖層、50-60nm厚的本征ZnO薄膜作為頂電池本征窗口層、頂電池導(dǎo)電窗口層和2-4μηι厚的Al作為電極層以及100-200nm厚的氮化娃減反射層構(gòu)成的銅鎵砸與硫化鎘異質(zhì)結(jié)電池，其中所述頂電池導(dǎo)電窗口層包括10-30nm厚的ITO復(fù)合導(dǎo)電薄膜層和30-80nm厚的ITO薄膜層。
[0013]所述ITO復(fù)合導(dǎo)電薄膜層中ITO: 二氧化硅:氮化硅的摩爾比為1:0.01?0.3:0.01
?0.3o
[0014]本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果:
[0015]本發(fā)明通過透明金屬氧化物與納米金屬薄膜的組合作為底電池和頂電池的連接層，解決了底電池和頂電池之間的工藝兼容性問題，實(shí)現(xiàn)了底電池和頂電池之間的內(nèi)部電學(xué)連接，簡化了電池制作工藝，降低了電池的制作成本，電池結(jié)構(gòu)簡單;本發(fā)明采用了超薄納米金屬M(fèi)o在透明金屬氧化物與頂電池吸收層之間進(jìn)行過渡，即解決了兩者直接接觸引起的反結(jié)現(xiàn)象，又發(fā)揮了 Mo薄膜利于生長1-1I1-VI族材料的優(yōu)勢;本發(fā)明頂電池吸收層采用了低溫工藝沉積方法，有效降低了頂電池制備工藝對底電池性能的影響;本發(fā)明頂電池的導(dǎo)電窗口層的透光率和電導(dǎo)率高且鈍化效果好，串聯(lián)電阻小，且氮化硅減反射層的存在有效提高了光吸收，進(jìn)而有效提高了薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明制備的CIGS/CGS雙結(jié)疊層薄膜太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖中的標(biāo)號分別為:1_背電極Mo;2-底電池P型吸收層；3-底電池η型緩沖層;4-底電池本征窗口層;5-連接層;6-頂電池P型吸收層;7-頂電池η型緩沖層;8-頂電池本征窗口層;9-頂電池導(dǎo)電窗口層;10-電極層;11 -氮化硅減反射層。
【具體實(shí)施方式】
[0018]為能進(jìn)一步公開本發(fā)明的
【發(fā)明內(nèi)容】
、特點(diǎn)及功效，特例舉以下實(shí)例并結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)說明如下。
[0019]—種CIGS/CGS雙結(jié)疊層薄膜太陽電池，包括一個窄帶隙的銅銦鎵砸底電池和一個寬帶隙的銅鎵砸頂電池。
[0020]本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)是:
[0021]所述底電池和頂電池由連接層5內(nèi)部串聯(lián)成為一體;所述連接層由位于底電池的透明金屬氧化物導(dǎo)電層和位于頂電池的納米金屬導(dǎo)電層構(gòu)成，所述銅鎵砸頂電池的導(dǎo)電窗口層9包括ITO復(fù)合導(dǎo)電薄膜層和ITO薄膜層，所述銅鎵砸頂電池的導(dǎo)電窗口層和電極層的表面具有氮化娃減反射層11;所述透明金屬氧化物導(dǎo)電層為300-600nm厚的Al、Ga或In摻雜ZnO形成的TCO薄膜之一種，或ITO薄膜;所述納米金屬導(dǎo)電層為厚度30-50nm的Mo薄膜;所述窄帶隙的銅銦鎵砸底電池自下至上包括600nm-800nm厚的Mo薄膜作為背電極Mol、1.5-2.0μm厚的CIGS薄膜作為底電池P型吸收層2、30-50nm的η型CdS薄膜作為底電池η型緩沖層3和50-60nm厚的本征氧化鋅薄膜底電池本征窗口層4構(gòu)成的銅銦鎵砸與硫化鎘異質(zhì)結(jié)電池;所述寬帶隙的銅鎵砸頂電池自下至上包括1-1.5μπι厚的CGS薄膜作為頂電池P型吸收層6、30-50nm厚的η型QlS薄膜作為頂電池η型緩沖層7、50_60nm厚的本征ZnO薄膜作為頂電池本征窗口層8、頂電池導(dǎo)電窗口層9和2-4μπι厚的Al作為電極層10以及100-200nm厚的氮化硅減反射層11構(gòu)成的銅鎵砸與硫化鎘異質(zhì)結(jié)電池，其中所述頂電池導(dǎo)電窗口層9包括10-30nm厚的ITO復(fù)合導(dǎo)電薄膜層和30-80nm厚的ITO薄膜層;所述ITO復(fù)合導(dǎo)電薄膜層中ΙΤ0: 二氧化硅:氮化硅的摩爾比為1:0.01?0.3:0.01?0.3。
[0022]—種CIGS/CGS雙結(jié)疊層薄膜太陽電池的制備過程:
[0023]步驟I:直流磁控濺射法在襯底上制備背電極Mo:
[0024]⑴室溫下，先采用本底真空為〈5X 10-3Pa，工作壓強(qiáng)為l_2Pa的高氣壓、濺射功率為60W的低功率，在柔性聚酰亞胺襯底上直流磁控濺射沉積Mo，沉積時間為60min，襯底上形成第一層厚度為0.05-0.Ιμπι的Mo薄膜；
[0025]⑵采用本底真空為〈5X10_3Pa，工作壓強(qiáng)為0.2-0.4?&的低氣壓、濺射功率為150￥的高功率，在第一層Mo薄膜上直流磁控濺射沉積Mo，沉積時間為150min，形成第二層Mo薄膜，兩層Mo薄膜形成總厚度為600-800nm的雙層Mo薄膜作為背電極Mol ；
[0026]步驟2:三步法在背電極Mo上制備底電池P型吸收層:
[0027](I)第一步:襯底溫度加熱至380-400°C，在背電極Mo上蒸發(fā)90%的In、Ga和Se元素形成(In0.7Ga0.3)2Se3預(yù)置層，Se/(In+Ga)流量比大于3，各蒸發(fā)源的溫度設(shè)定如下:TIn =810 °C ,TGa = 850 °C，TSe = 240 °C，蒸發(fā)時間為12-15min;
[0028]⑵第二步:將襯底溫度升至450-550V，在預(yù)置層上蒸發(fā)Cu和Se元素，各蒸發(fā)源的溫度設(shè)定如下:TCu = 1050°C ,TSe = 240°C，直至出現(xiàn)降溫點(diǎn)結(jié)束Cu的蒸發(fā)；
[0029]⑶第三步:保持襯底溫度為450-550°C，蒸發(fā)In、Ga和Se元素，各蒸發(fā)源的溫度設(shè)定如下:TIn = 810°C ,TGa = 850°C，TSe = 240°C，蒸發(fā)時間為2_3min;背電極Mo上形成I.5_2.0μm厚的窄帶隙CIGS薄膜作為底電池P型吸收層2;
[0030]步驟3:化學(xué)浴法(CBD)在底電池P型吸收層上制備底電池η型緩沖層:選用(CH3C00) 2Cd = 0.00IM，SC (ΝΗ2) 2 = 0.0IM，CH3C00NH4 = 0.03M，NH40H=0.003M 配制成反應(yīng)溶液;將反應(yīng)溶液的PH值調(diào)節(jié)為8-9，水浴溫度為600C-70°C，水浴時間為30min，在底電池p型吸收層上生長30-50nm厚的η型CdS薄膜作為底電池η型緩沖層3;
[0031 ]步驟4:射頻磁控濺射法在底電池η型緩沖層上制備底電池本征窗口層:
[0032]設(shè)置本底真空為〈8 X 10_4Pa，調(diào)節(jié)02:Ar比為80:1，工作壓強(qiáng)為0.7-0.8Pa，濺射功率密度為2.0-2.5ff/cm2，濺射時間為20_40min;在底電池η型緩沖層上射頻磁控濺射50-60nm厚的本征ZnO薄膜作為底電池本征窗口層4 ；
[0033]步驟5:射頻磁控濺射法在底電池本征窗口層上制備連接層:
[0034]⑴底電池本征窗口層上制備透明金屬氧化物導(dǎo)電層
[0035]本底真空為〈8 X 10-4Pa，工作壓強(qiáng)為0.4-0.6Pa，濺射功率密度為2.5-2.8ff/cm2，濺射時間為100-150min，在底電池本征窗口層上射頻磁控濺射Al摻雜ZnO薄膜，底電池本征窗口層上形成厚度300-600nm的ZAO薄膜作為透明金屬氧化物導(dǎo)電層；
[0036]⑵明金屬氧化物導(dǎo)電層制備納米金屬導(dǎo)電層
[0037]本底真空為〈5X10_3Pa，工作壓強(qiáng)為0.2-0.8?&，濺射功率為120-1301，濺射時間為1min，在ZAO薄膜上射頻磁控派射厚度為30-50nm的Mo薄膜作為納米金屬導(dǎo)電層；
[0038]透明金屬氧化物導(dǎo)電層和納米金屬導(dǎo)電層即構(gòu)成底電池和頂電池的連接層5;
[0039]步驟6:三步法在連接層上制備頂電池P型吸收層:
[0040]⑴第一步:連接層的Mo薄膜上蒸發(fā)Ga2Se3預(yù)置層襯底溫度380±10°C時，TGa = 850°C，TSe = 240°C，在Mo薄膜上蒸發(fā)90 %的Ga和Se元素，蒸發(fā)時間為10-12min，Se/(In+Ga)流量比大于3，Mo薄膜上形成Ga2Se3預(yù)置層；
[0041 ]⑵第二步:將襯底溫度升至450 ± 10 °C，TCu= 1050 V，TSe = 240 V，在Ga2Se3預(yù)置層上蒸發(fā)Cu和Se元素，蒸發(fā)時間為8-10min;
[0042]⑶第三步:保持襯底溫度為450 ± 10°C，TGa = 850°C，TSe = 240 V，在第二步基礎(chǔ)上再蒸發(fā)Ga和Se元素，蒸發(fā)時間為2-3min;Mo薄膜上共蒸發(fā)出1-1.5μηι的寬帶隙CGS薄膜作為頂電池P型吸收層6;
[0043]步驟7:化學(xué)浴法在頂電池P型吸收層上制備頂電池η型緩沖層:選用(CH3⑶0)2Cd=0.00IM，SC (NH2) 2 = 0.0IM，CH3C00NH4 = 0.03M，NH40H=0.003M 配制成反應(yīng)溶液；將反應(yīng)溶液的PH值調(diào)節(jié)為8-9，水浴溫度為60°C_70°C，水浴時間為30min，在頂電池P型吸收層上生長30-50nm的η型CdS薄膜作為頂電池η型緩沖層7;
[0044]步驟8:射頻磁控濺射法在頂電池η型緩沖層上制備頂電池本征窗口層:
[0045]設(shè)置本底真空為〈8 X 10-4Pa，調(diào)節(jié)02: Ar比為80:1，工作壓強(qiáng)為0.8Pa，濺射功率密度為2.0-2.5ff/cm2，濺射時間為25_35min;在頂電池η型緩沖層上射頻磁控濺射厚度為50-60nm的ZnO薄膜作為頂電池本征窗口層8 ；
[0046]步驟9:射頻磁控濺射法在頂電池本征窗口層上制備頂電池導(dǎo)電窗口層:
[0047]設(shè)置本底真空為〈8 X 10-4Pa，工作壓強(qiáng)為0.4-0.6Pa，濺射功率密度為2.5-2.8W/0112，派射時間為120-150111；[11，在頂電池本征窗口層上射頻磁控派射10-30111]1厚的11'0復(fù)合導(dǎo)電薄膜層和30-80nm厚的ITO薄膜層作為頂電池導(dǎo)電窗口層9，其中所述ITO復(fù)合導(dǎo)電薄膜層中ITO: 二氧化硅:氮化硅的摩爾比為1: 0.01?0.3:0.01?0.3;
[0048]步驟1:直流磁控濺射法在頂電池導(dǎo)電窗口層上制備電極層:
[0049]設(shè)置本底真空為〈5 X 10-3Pa，工作壓強(qiáng)為0.6Pa，濺射功率密度為2W/cm2，濺射時間為50-80min，在頂電池導(dǎo)電窗口層上直流磁控濺射厚度為2-4μπι的Al作為電極層10;
[0050]步驟11:PECVD法在導(dǎo)電窗口層和電極層的表面沉積氮化硅減反射層11，即完成如圖1所示由連接層將步驟1-步驟4制成的CIGS/CdS異質(zhì)結(jié)底電池和步驟6-步驟10制成的CGS/CdS異質(zhì)結(jié)頂電池的內(nèi)部串聯(lián)成一體的雙結(jié)疊層薄膜太陽電池。
[0051]盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的【具體實(shí)施方式】，上述的【具體實(shí)施方式】僅僅是示意性的，并不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以作出很多形式。這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種CIGS/CGS雙結(jié)疊層薄膜太陽電池，包括一個窄帶隙的銅銦鎵砸底電池和一個寬帶隙的銅鎵砸頂電池，其特征在于:所述底電池和頂電池由連接層內(nèi)部串聯(lián)成為一體;所述連接層由位于底電池的透明金屬氧化物導(dǎo)電層和位于頂電池的納米金屬導(dǎo)電層構(gòu)成;所述銅鎵砸頂電池的導(dǎo)電窗口層包括ITO復(fù)合導(dǎo)電薄膜層和ITO薄膜層，所述銅鎵砸頂電池的導(dǎo)電窗口層和電極層的表面具有氮化娃減反射層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種CIGS/CGS雙結(jié)疊層薄膜太陽電池，其特征在于:所述透明金屬氧化物導(dǎo)電層為300-600nm厚的Al、Ga或In摻雜ZnO形成的TCO薄膜之一種，或ITO薄膜；所述納米金屬導(dǎo)電層為厚度30-50nm的Mo薄膜。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種CIGS/CGS雙結(jié)疊層薄膜太陽電池，其特征在于:所述窄帶隙的銅銦鎵砸底電池自下至上包括60011111-80011111厚的10薄膜作為背電極101,1.5-2.0ym厚的CIGS薄膜作為底電池P型吸收層、30-50nm的η型CdS薄膜作為底電池η型緩沖層和50-60nm厚的本征氧化鋅薄膜底電池本征窗口層構(gòu)成的銅銦鎵砸與硫化鎘異質(zhì)結(jié)電池。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種CIGS/CGS雙結(jié)疊層薄膜太陽電池，其特征在于:所述寬帶隙的銅鎵砸頂電池自下至上包括1-1.5μπι厚的CGS薄膜作為頂電池P型吸收層、30-50nm厚的η型CdS薄膜作為頂電池η型緩沖層、50_60nm厚的本征ZnO薄膜作為頂電池本征窗口層、頂電池導(dǎo)電窗口層和2-4μηι厚的Al作為電極層以及100_200nm厚的氮化娃減反射層構(gòu)成的銅鎵砸與硫化鎘異質(zhì)結(jié)電池，其中所述頂電池導(dǎo)電窗口層包括10-30nm厚的ITO復(fù)合導(dǎo)電薄膜層和30-80nm厚的ITO薄膜層。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種CIGS/CGS雙結(jié)疊層薄膜太陽電池，其特征在于:所述ITO復(fù)合導(dǎo)電薄膜層中ITO: 二氧化硅:氮化硅的摩爾比為1: 0.01?0.3:0.01?0.3。
【文檔編號】H01L31/02GK105870210SQ201610232094
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月13日
【發(fā)明人】黃廣明
【申請人】黃廣明