一种多元化合物薄膜太阳能电池及其制备方法

摘要

本发明公开了一种多元化合物薄膜太阳能电池，包括衬底和设置于衬底上的背电极、吸收层，背电极和吸收层之间还设有高掺杂层，高掺杂层为p型掺杂的导电层，其与吸收层之间形成背面电场；还提供了一种制备方法，通过磁控溅射方法在衬底上形成背电极；通过磁控溅射或者化学气相沉积的方法在背电极上形成高掺杂层，其中的高掺杂层为p型掺杂的导电层；在高掺杂层上通过磁控溅射、金属源共蒸发的方法形成多元化合物半导体材料吸收层；在吸收层依次形成缓冲层、窗口层和正面电极，制得多元化合物薄膜太阳能电池。本发明通过在背电极和吸收层之间增加p型掺杂的高掺杂层，其与吸收层之间形成背面电场，从而减少吸收层生长时间，提高生产效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种薄膜太阳能电池技术领域。更具体地讲，涉及一种多元化合物薄膜太阳能电池及其制备方法。

背景技术

表面复合是影响短路电流和开路电压的重要因素，为了减少太阳能电池的背表面的光生载流子复合速率，常常采用增加背面电场和背面钝化层的方法，其中背面钝化层往往是绝缘物质，如SiO₂，SiNx。由于背电极层的需要，在太阳能电池的背面不能全部使用绝缘物质钝化。需要用到背面电场的方法，既能减少背面载流子复合，又能增加导电连接。在p型晶硅电池中常常采用在硅片背面印刷Al金属，并高温烧结后形成合金的方法来形成背面电场。

另外，在CIGS电池的形成过程中也有通过增加靠近背电极处的吸收层的带隙的方法来减小背面复合。如提高靠近背电极处的Ga含量的方法。但是，由于CIGS是一种缺陷本征掺杂的p型半导体，采用引入其他杂质的掺杂方式不适用于CIGS，所以很难形成高掺杂p+型的背电场来达到减少背面复合的目的。因此，需要一种减少背面复合的背电场结构和制作方法，来提升CIGS薄膜太阳能电池的效率。

发明内容

为了减少CIGS薄膜太阳电池的背面复合，本发明提供了一种多元化合物薄膜太阳能电池及其制备方法。

所采用技术方案如下所述：

一方面，本发明提供了一种多元化合物薄膜太阳能电池，包括衬底和设置于衬底上的背电极、吸收层、缓冲层、窗口层，所述背电极和吸收层之间还设有高掺杂层，所述高掺杂层为p型掺杂的导电层，其与所述吸收层之间形成背面电场。

所述高掺杂层由具有宽带隙的半导体材料制成，例如，禁带宽度为3.4eV的半导体材料。

所述的高掺杂层为ZnO：N其掺杂材料为N掺杂浓度在10¹⁷-10¹⁸cm^-3，电阻率在10^-4-10^-5Ω.cm，厚度为0.1-1μm。

所述高掺杂层形成粗糙度为100nm-200nm的纹理化结构。

衬底为柔性衬底，其耐高温400摄氏度，厚度为10μm-100μm。

所述衬底为金属箔或聚酰亚胺，其厚度为30-50μm。

所述衬底与所述背电极之间设有阻挡层，所述阻挡层为具有导电性和耐温性能的过渡金属或者过渡金属氮化物，厚度为0.1μm-0.5μm。

所述吸收层为Cu(In，Ga)Se₂或Cu(In，Ga)(S，Se)₂半导体材料吸收层，其厚度为0.5μm-2μm，所述吸收层中Ga的含量从受光面至所述衬底方向呈梯度增加分布。

所述的吸收层中的Ga/(Ga+In)在20％-80％间变化。

所述的窗口层包括第一窗口层和第二窗口层，所述第一窗口层设置于所述缓冲层上，其为本征的透明导电氧化物层，所述第二窗口层为n型掺杂的透明导电氧化物层。

另一方面，本发明还提供了一种多元化合物薄膜太阳能电池的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤一，通过磁控溅射方法在衬底上形成背电极；

步骤二，通过磁控溅射或者化学气相沉积的方法在背电极上形成高掺杂层，其中的高掺杂层为p型掺杂的导电层；

步骤三，在高掺杂层上通过磁控溅射、金属源共蒸发的方法形成多元化合物半导体材料吸收层；

步骤四，在吸收层上通过磁控溅射或者化学水浴的方法形成缓冲层；

步骤五，在缓冲层上通过磁控溅射或者化学气相沉积的方法形成具有宽带隙半导体材料制成的窗口层；

步骤六，在窗口层上通过丝网印刷或者带掩膜电镀的方法形成正面电极，制得所述多元化合物薄膜太阳能电池。

所述步骤一中的衬底为柔性衬底，首先通过磁控溅射方法在柔性衬底上形成阻挡层，再通过磁控溅射方法在衬底上形成背电极。

所述步骤二中还包括退火步骤，其具体方法是：在背电极上形成高掺杂层，并将其置于氮气环境下或者真空环境下退火，其退火温度400℃-600℃。

还包括对退火后的高掺杂层进行表面处理，采用等离子体刻蚀或者湿法刻蚀方法，在高掺杂层的表面形成粗糙度为100nm-200nm的纹理化结构。

本发明相对于现有技术具有如下有益效果：

A.本发明通过在背电极和吸收层之间增加高掺杂层，其中的高掺杂层为p型掺杂的导电层，其与吸收层之间形成背面电场，由于高掺杂层为宽带隙的半导体材料，能阻挡少子扩散到背面，从而减少背面复合的作用；同时还可以选择合适的高掺杂层材料和制备方式，使得在背电极和吸收层之间形成高散射率的结构，对长波长的光起到好的散射效果，使吸收层多次吸收散射的光线，提高电池效率，且有利于减薄吸收层，节约吸收层材料，从而减少吸收层生长时间，提高生产效率。

B.本发明将电池衬底采用耐高温柔性材料，电池可以应用于曲面，使其应用范围更广。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明提供的电池膜层示意图；

图2是本发明提供的电池实例示意图；

图3是本发明提供的电池另一实例示意图。

图中：1-衬底；2-阻挡层；3-背电极；4-高掺杂层；5-吸收层；6-缓冲层；7-窗口层，71-第一窗口层，72-第二窗口层；8-正面电极。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，本发明提供了一种多元化合物薄膜太阳能电池，包括衬底1和设置于衬底1上的背电极3、高掺杂层4、吸收层5、缓冲层6、窗口层7和正面电极8，阳光从正面电极8一侧入射，高掺杂层4设置于背电极3和吸收层5之间，高掺杂层4为p型掺杂的导电层，其与吸收层5之间形成背面电场。这里的p型掺杂的导电层为具有宽带隙3.4eV的半导体材料制成。

其中的背电极3具有良好导电性和耐温性能，比如钼，铜，银。厚度在0.5-1μm。

本发明优选的高掺杂层4为ZnO：N，其掺杂材料为N，掺杂浓度在10¹⁷-10¹⁸cm^-3，电阻率在10^-4-10^-5Ω.cm，厚度为0.1-1μm，禁带宽度为3.4eV。

为了提高其散射能力，在高掺杂层的表面上使用等离子体刻蚀或者湿法刻蚀的方式，形成粗糙度为100nm-200nm纹理化结构。

优选地，可以将衬底做成柔性衬底，其厚度为10-100μm；所采用的衬底材料可以为耐高温400摄氏度的柔性材料，但不限于金属箔或聚酰亚胺，其厚度进一步优选为30-50μm。

另外，为防止衬底杂质在高温过程中扩散到电池中，本发明在衬底1和背电极3之间还设有阻挡层2，阻挡层2为具有导电性和耐温性能的过渡金属或过渡金属氮化物，比如Ti，Cr，TiN，ZrN等单层或多层，厚度为0.1-0.5μm，如图2所示。

其中的吸收层优选为Cu(In，Ga)Se₂或Cu(In，Ga)(S，Se)₂半导体材料吸收层，其厚度为0.5μm-2μm，所述吸收层中Ga的含量从受光面至所述衬底方向呈梯度增加分布，这样可以减少光生载流子界面复合。吸收层中的Ga/(Ga+In)优选在20％-80％间变化。

此外，吸收层的材料还可以是CZTS半导体材料。

缓冲层6为n型半导体材料，与吸收层构成pn结。可以为CdS，ZnS等，厚度在30-500nm范围。

窗口层7为不掺杂和n型掺杂的复合导电层，具有宽带隙的半导体材料。可以为透明导电氧化物，如本征ZnO和ZnO：Al，或者本征ZnO和In₂O₃：Sn等。厚度分别为30-500nm和200-1000nm。

正面电极8为导电金属材料，如铜，银，铝等，厚度在1-50μm。

另外。本发明还提供了形成这种铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制作流程，具体描述如下：

实施例1

【101】通过磁控溅射方法在衬底1上形成背电极3。

通过磁控溅射的方法，采用钼靶，在气压为0.1-10Pa，工艺气体为氩气制备厚度为500-700nm的钼作为背电极。

【102】通过磁控溅射或者化学气相沉积的方法在背电极3上形成高掺杂层4，其中的高掺杂层为p型掺杂的导电层。

在钼背电极上，通过磁控溅射方法，采用ZnO靶，在气压为0.1-10Pa，工艺气体NH₃气，制备ZnO：N，厚度为500-1000nm。

【103】在高掺杂层4上通过磁控溅射、金属源共蒸发的方法形成Cu(In，Ga)Se₂半导体材料吸收层5。

在p型ZnO：N上，通过磁控溅射的方法，采用Cu，In，Ga合金靶，在气压0.1-10Pa，Se气氛下形成Cu(In，Ga)Se₂半导体材料吸收层。合金靶的Cu/(In+Ga)、Ga/(In+Ga)呈梯度变化，可以根据工艺表现进行优化。Cu(In，Ga)Se₂半导体材料厚度在500-1000nm。

【104】在吸收层5上通过磁控溅射或者化学水浴的方法形成硫化镉缓冲层6。

具体地，在Cu(In，Ga)Se₂上通过磁控溅射的方法，采用CdS靶，在气压0.1-10Pa，Ar，O₂，H₂气氛下形成CdS缓冲层。缓冲层厚30-80nm。

【105】在缓冲层6上通过磁控溅射或者化学气相沉积的方法形成具有宽带隙半导体材料制成的窗口层7。

在缓冲层上通过磁控溅射方法，采用ZnO和ZnO：Al靶，在Ar气氛下形成ZnO的第一窗口层和ZnO：Al第二窗口层。第一窗口层的厚度为200-400nm，第二窗口层的厚度为400-600nm。

【106】在窗口层7上通过丝网印刷或者带掩膜电镀的方法形成正面电极8，制得多元化合物薄膜太阳能电池。

在窗口层上通过丝网印刷方法形成Cu正面电极，电极厚度20μm。

实施例2

为了阻挡金属离子扩散到CIGS层中，在实施例1的基础上还增加了阻挡层的制备，阻挡层2设置于衬底1与背电极3之间，这里的衬底1优选采用不锈钢衬底，如图3所示。在厚度为30-50μm的不锈钢衬底上通过磁控溅射的方法，采用金属钛靶，在气压为0.1-10Pa下，工艺气体为氩气，制备厚度为300-500nm的金属钛阻挡层。

实施例3

与实施例2不同的是，为了提高掺杂层中的掺杂N的浓度，在步骤二中还对所制备的高掺杂层4在N₂气氛下退火30-60min，退火的温度控制在400-600℃，得到p型ZnO：N，掺杂浓度在5×10¹⁷-1×10¹⁸cm^-3范围，电阻率在10^-4-10^-5Ω.cm。

实施例4

与实施例3不同的是，在步骤二中还增加了对高掺杂层4表面进行处理的工艺。使用等离子体刻蚀对p型ZnO：N层进行表面处理，得到粗糙度为100-200nm的纹理化结构，可以提高高掺杂层的表面散射率，使其具有更好的对光的散射能力。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。