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CN111384188A - 薄膜太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

薄膜太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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CN111384188A CN201811613419.9A CN201811613419A CN111384188A CN 111384188 A CN111384188 A CN 111384188A CN 201811613419 A CN201811613419 A CN 201811613419A CN 111384188 A CN111384188 A CN 111384188A
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赵树利
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Shanghai zuqiang Energy Co.,Ltd.
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Beijing Apollo Ding Rong Solar Technology Co Ltd
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Abstract

一种薄膜太阳能电池及其制备方法，该薄膜太阳能电池包括：基板；背电极层，设置在所述基板上；光吸收层，设置在所述背电极层上；缓冲层：设置在所述光吸收层上；窗口层，设置在所述缓冲层上；所述窗口层包括高阻层和透明导电层，所述透明导电层包括透明导电氧化物层及纳米碳材料层。引入碳纳米管替代原有的金属栅极；制备工艺简单，纳米碳材料层和透明导电氧化物层一起作为透明导电层，增强对电流的传输能力，从而达到降低透明导电层的厚度，增大铜铟镓硒子电池宽度，增强光吸收效率，最终提高薄膜太阳能电池光电转换效率。

Description

薄膜太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及光伏技术领域，在一个具体的实施方式中是一种薄膜太阳能电池及其制备方法。
背景技术
为了提高铜铟镓硒太阳能电池的转换效率，在铜铟镓硒太阳能电池中引入金属栅极。因为金属具有更加优良的导电性，在引入金属栅极的同时，可以适当降低氧化铝锌层的厚度，增强光透过率。另外，金属栅极的引入，还可以增大子电池的宽度，减少由于刻划造成的死区面积，提高铜铟镓硒电池有效转换效率。但由于金属不透光，金属栅极的引入一定程度上会减少铜铟镓硒电池的有效面积，虽然可以通过增大子电池的宽度从另一个角度增加电池的有效面积，但确实是减弱了金属栅极的转换效率的提升作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够降低太阳能电池的厚度，且发电效率高的薄膜太阳能电池。
为解决上述问题，本发明提供了一种薄膜太阳能电池，包括：
基板；
背电极层，设置在所述基板上；
光吸收层，设置在所述背电极层上；
缓冲层：设置在所述光吸收层上；
窗口层，设置在所述缓冲层上；
其中，所述窗口层包括高阻层和透明导电层，所述透明导电层包括透明导电氧化物层及纳米碳材料层。
进一步的，所述纳米碳材料层的厚度为5～30nm。
进一步的，所述纳米碳材料层包括：碳纳米管或碳纳米管与金属纳米线组成的复合材料、碳纳米线、碳纳米线与金属纳米线组成的复合材料。
进一步的，所述透明导电氧化物层还包括氧化铝锌层、氧化铟锡层、掺硼氧化锌层中的一种，所述透明导电氧化物层的厚度是100～400nm。
进一步的，所述碳纳米管或所述复合材料形成网络结构。
进一步的，所述纳米碳材料层层叠设置于所述透明导电氧化物层远离所述基板的表面。
进一步的，所述纳米碳材料层为碳纳米管时，所述碳纳米管包覆于所述透明导电氧化物层内。
进一步的，所述光吸收层的材料为铜铟镓硒，铜铟硒，砷化镓中的一种，所述光吸收层的厚度为1～3μm；
所述缓冲层的材料为硫化镉CdS、硫化锌ZnS、硫氧锌化合物Zn(S,O)、锌镁氧化物ZnMgO中的一种，所述缓冲层的厚度为300～500nm；
所述高电阻层的材料为本征氧化锌，厚度为20～50nm；
所述背电极层为钼背电极。
本发明还提供一种薄膜太阳能电池的制备方法，
在基板上依次形成背电极层、光吸收层、缓冲层、高阻层、窗口层；
所述窗口层包括高阻层和透明导电层，所述高阻层位于所述缓冲层与所述透明导电层之间；
所述透明导电层包括透明导电氧化物层及纳米碳材料层，其中所述纳米碳材料层包括碳纳米管或碳纳米管与金属纳米线组成的复合材料。
进一步的，喷涂或旋涂所述纳米碳材料层至透明导电氧化物层表面，合成所述透明导电层。
本发明实施例所涉及的薄膜太阳能电池及薄膜太阳能电池组件的制作方法，本发明的透明导电层包括透明导电氧化物层及纳米碳材料层，相比于现有技术中的单一透明导电氧化物，透明导电氧化物层及纳米碳材料层一起作为透明导电层，可以增强对电流的传输能力，从而达到降低透明导电层的厚度，增大薄膜太阳能电池电池宽度，增强光吸收效率，最终提高薄膜太阳能电池光电转换效率，同时该制备工艺简单。
附图说明
图1是本发明中薄膜太阳能电池的结构示意图；
图2为本发明中太阳能电池的制备方法的流程图。
附图标记：
1、基板，2、背电极，3、光吸收层，4、缓冲层，5、窗口层；
51、高阻层，52、透明导电层；
521、透明导电氧化物层，522、纳米碳材料层。
在一个具体的实施方式中实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合在一个具体的实施方式中实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
第一实施方式
图1是本发明中薄膜太阳能电池的结构示意图。
一种薄膜太阳能电池，包括：
基板；
背电极层，设置在所述基板上；
光吸收层，设置在所述背电极上；
缓冲层：设置在所述光吸收层上；
窗口层，设置在所述缓冲层上；
其中，所述窗口层包括高阻层和透明导电层，所述透明导电层包括透明导电氧化物层及纳米碳材料层。
通过光吸收层和缓冲层形成p-n结，该p-n结在太阳光能的激发作用下，形成新的空穴-电子对，形成内建电场，接通电路后就形成电流。
在一个具体的实施方式中的，基板、背电极层、光吸收层、缓冲层、高阻层、透明导电氧化物层和纳米碳材料层依次层叠设置。
基板可以选用浮法玻璃基板，可以是不锈钢薄膜、聚酰亚胺薄膜等。
在一个优选的实施例中，纳米碳材料层包括：碳纳米管、碳纳米管与金属纳米线组成的复合材料、碳纳米线、碳纳米线与金属纳米线组成的复合材料；
在一个具体的实施方式中，所述纳米碳材料层可以是碳纳米管与铝(Al)或银(Ag)组成的复合材料；
在一个具体的实施方式中，所述纳米碳材料层可以是碳纳米线与铝(Al)或银(Ag)组成的复合材料；
在一个具体的实施方式中，所述纳米碳材料层可以是碳纳米管与铜组成由于纳米碳材料层为半导体材料层，具有良好的透光性和导电性，在确保光电转化率的前提下可以降低薄膜太阳能电池的厚度。原有的采用金属栅极时期厚度为800～1000nm，而采用纳米碳材料层时，只需要200～500nm；降低成本，还能降低薄膜太阳能电池的应力，提高其柔韧性。
由于复合碳纳米材料是碳纳米管与金属纳米线组成，增加了金属纳米线，进一步的提高了导电性，也就能够提高光电转化率。
在一个优选的实施例中，所述纳米碳材料层可以为碳纳米线或碳纳米线与金属纳米线的复合材料。
在一个优选的实施例中，纳米碳材料层为网络结构。
在一个具体的实施方式中的，所述碳纳米管或所述复合材料形成网络结构。
纳米碳材料层的厚度为5～30nm，可以是5nm、10nm、15nm、20nm，或者30nm。
当纳米碳材料层为碳纳米管时，所述碳纳米管包覆于所述透明导电氧化物层内。
在一个具体的实施方式中的，背电极层，为钼背电极，其材料为钼，利用真空磁控溅射方法在基板上制备背电极层；在制备的过程中，真空溅射气压保持在为0.1～1.0Pa；背电极层的厚度为300～500nm，可以是300nm、350nm、400nm、450nm，或者500nm。
背电极层太厚，成本较高，且膜层的应力形变增大；背电极层太薄，导电性较差；背电极层取这个厚度范围，既可以控制薄膜太阳能电池的的成本和应力，又保证了背电极层的导电性。
在一个具体的实施方式中的，光吸收层的材料为铜铟镓硒(CIGS)、铜铟硒(CIS)和砷化镓(GaAs)中的一种，利用共蒸发方法在背电极层远离基板的一面上制备铜铟镓硒薄膜；光吸收层的厚度为1～3.0μm，可以是1μm、1.5μm、2μm、2.4μm、2.8μm，或者3.0μm。
在一个在一个具体的实施方式中的实施方式中，所述光吸收层可以采用先溅射后硒化的方式制备。
在一个具体的实施方式中的，缓冲层的材料为硫化镉(CdS)、硫化锌(ZnS)、硫氧锌化合物Zn(S,O)、锌镁氧化物(ZnMgO)中的一种，利用化学水浴沉积方法(CBD)在光吸收层远离背电极层的一面上沉积一层硫化镉薄膜；缓冲层的厚度为300～500nm，可以是300nm、250nm、400nm、450nm，或者500nm。
硫化镉(CdS)、硫化锌(ZnS)、硫氧锌化合物Zn(S,O)和锌镁氧化物(ZnMgO)均可以作为缓冲层的材料。现在技术中普遍采用的是硫化镉(CdS)，但是会产生镉污染问题；用硫氧锌化合物Zn(S,O)或锌镁氧化物(ZnMgO)可以避免镉污染问题，有利于铜铟镓硒产业化推广。
在一个具体的实施方式中的，高电阻层的材料为本征氧化锌，利用真空磁控溅射方法在缓冲层远离光吸收层的一面上沉积一层本征氧化锌(i-ZnO)薄膜；高电阻层的厚度为20～50nm，可以是20nm、25nm、30nm、40nm、45nm，或者50nm
在一个具体的实施方式中的，透明导电氧化物层还包括氧化铝锌层(AZO)和氧化铟锡层(ITO)，所述透明导电氧化物层的厚度是100～400nm，可以是100nm、150nm、200nm、300nm，或者400nm。
第二实施方式
图2为本发明中太阳能电池的制备方法的流程图。
一种薄膜太阳能电池的制备方法，
在基板上依次形成背电极层、光吸收层、缓冲层、窗口层；
所述窗口层包括高阻层和透明导电层，所述高阻层位于所述缓冲层与所述透明导电层之间；
在所述透明导电层远离所述背电极层的表面制备透明导电层，所述透明导电层包括透明导电氧化物层及纳米碳材料层，其中所述纳米碳材料层包括碳纳米管或碳纳米管与金属纳米线组成的复合材料。
优选的，喷涂或旋涂所述纳米碳材料层至透明导电氧化物层表面，合成所述窗口层。
应当理解的是，本发明的上述在一个具体的实施方式中实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种薄膜太阳能电池，其特征在于，包括：
基板；
背电极层，设置在所述基板上；
光吸收层，设置在所述背电极层上；
缓冲层：设置在所述光吸收层上；
窗口层，设置在所述缓冲层上；
其中，所述窗口层包括高阻层和透明导电层，所述透明导电层包括透明导电氧化物层及纳米碳材料层。
2.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述纳米碳材料层的厚度为5～30nm。
3.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述纳米碳材料层包括：碳纳米管或碳纳米管与金属纳米线组成的复合材料、碳纳米线、碳纳米线与金属纳米线组成的复合材料。
4.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述透明导电氧化物层还包括氧化铝锌层、氧化铟锡层、掺硼氧化锌层中的一种，所述透明导电氧化物层的厚度是100～400nm。
5.如权利要求3所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述碳纳米管或所述复合材料形成网络结构。
6.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述纳米碳材料层层叠设置于所述透明导电氧化物层远离所述基板的表面。
7.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述纳米碳材料层为碳纳米管时，所述碳纳米管包覆于所述透明导电氧化物层内。
8.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述光吸收层的材料为铜铟镓硒、铜铟硒和砷化镓中的一种，所述光吸收层的厚度为1～3μm；
所述缓冲层的材料为硫化镉、硫化锌、硫氧锌化合物、锌镁氧化物中的一种，所述缓冲层的厚度为300～500nm；
所述高电阻层的材料为本征氧化锌，厚度为20～50nm；
所述背电极层为钼背电极。
9.一种薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，
在基板上依次形成背电极层、光吸收层、缓冲层、窗口层；
所述窗口层包括高阻层和透明导电层，所述高阻层位于所述缓冲层与所述透明导电层之间；
所述透明导电层包括透明导电氧化物层及纳米碳材料层，其中所述纳米碳材料层包括碳纳米管或碳纳米管与金属纳米线组成的复合材料。
10.如权利要求9的薄膜太阳能电池的制作方法，其特征在于，
喷涂或旋涂所述纳米碳材料层至透明导电氧化物层表面，合成所述透明导电层。
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