CN100541824C - 一种机械叠层AlSb/CIS薄膜太阳电池 - Google Patents
一种机械叠层AlSb/CIS薄膜太阳电池 Download PDFInfo
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Abstract
一种机械叠层AlSb/CIS薄膜太阳电池,属于一种半导体薄膜太阳电池的结构设计,它是由AlSb顶电池机械叠合在CIS底电池上而成的双结四端薄膜太阳电池。其中AlSb顶电池,指的是在Corning 7459玻璃上先沉积n型掺铝氧化锌导电层,然后沉积氧化锌高阻层,再沉积硫化镉缓冲层,随后沉积锑化铝吸收层以及碳纳米管涂层作为透明导电层,最后,沉积镍/铝栅线而制成的太阳电池;而CIS底电池,指的是在Soda lime玻璃上沉积钼,然后沉积吸收层硒铟铜,再沉积缓冲层硫化镉,随后沉积高阻氧化锌和掺铝氧化锌,最后沉积与顶电池相同形状和大小的镍/铝栅线而制成的太阳电池。采用上述结构的叠层电池,可以选择性地吸收和转化太阳光谱的不同区域的能量,扩展光谱响应的范围,有效地提高薄膜太阳电池的转换效率。
Description
技术领域
本发明属于一种半导体薄膜太阳电池的结构设计,特别涉及一种机械叠层的薄膜太阳电池。
背景技术
单结结构的薄膜太阳电池,只能吸收和转换特定光谱范围的太阳光,光电转换效率不高。如果用不同能隙宽度(Eg)的材料,按其大小从上而下叠合成双结或多结太阳电池,可以选择性吸收和转换太阳光谱的不同区域的能量,就能大大提高薄膜太阳电池的转换效率。
美国可再生能源实验室(NREL)的Coutts等人(见Proceedings of the 12th PhotovoltaicScience and Engineering Conference,Cheju Island,Korea,2001:277)计算了在AM1.5,100mW/cm2,25℃条件下,双结叠层多晶薄膜太阳电池的效率可达28%,其中顶电池和底电池吸收层的能隙分别要满足1.7eV和1.1eV。由于适宜的底电池吸收层能隙为1.1eV,正好与CuInSe2(CIS)的能隙接近,而且CIS作为吸收层的电池(简称CIS电池)的制备工艺也比较成熟,因此,双结薄膜叠层电池中底电池常选用CIS电池,这种底电池的结构一般为:玻璃/Mo/CIS/ZnO或玻璃/Mo/CIS/CdS/TCO,但上述结构的底电池效率通常不高。对顶电池而言,要求吸收层的能隙比较宽,因此选择的范围主要集中在I-III-VI和II-VI族化合物半导体材料中,如Ag(InGa)Se2(1.7eV),CuGaSe2(1.6eV),CdSe(1.7eV)等,这些材料的能隙接近1.7eV,虽然前两者已经分别在日本的青山学院大学(Aoyama Gakuin University)和美国的NREL获得了9.3%(见Proceedings of the 2005 Spring MRS,2005)和10.2%(见Proceedings of the 31stIEEE PVSEC,Lake Buena Vista,Florida,2005:299)的单结电池效率,但存在如下缺点:
1.这类三元或多元化合物制备困难,很难控制化学配比。
2.尤其是这类三元或多元化合物材料作为顶电池的吸收层,需得把不透明的背接触换成透明的背接触材料,如透明导电氧化物薄膜(TCO),但制备的高温过程导致Ga2O3的形成及TCO中组分的缺失,严重影响器件的性能,从而使效率大大降低。
对于II-VI族化合物半导体材料CdSe,虽然能隙大小很适宜于制作顶电池,但材料本身吸收系数不高,因此,以CdSe作为吸收层的电池(简称CdSe电池),其转换效率不高,如美国的南佛里达大学(University of South Florida)仅仅获得了1.9%的效率(见Proceedings of the 19thEuropean Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition,Paris,France,2004:1651)。值得一提的是,美国的NREL采用II-VI族化合物半导体CdTe作为双结机械叠层电池中顶电池的吸收层,并采用CIS作为底电池的吸收层,获得了15.31%的叠层电池转换效率(见Prog Photovolt:Res Appl,2006,14:471),但该结构也存在明显的不足。首先,CdTe作为顶电池的吸收层,其能隙偏小;其次,CdTe的功函数很高,很难与后面的金属直接形成欧姆接触,通常需加复杂的复合层形成透明背接触,如ZnTe:Cu/ITO、CuxTe/ITO。
发明内容
本发明的目的是为了消除上述不足或缺陷,进一步改进双结叠层薄膜太阳电池的结构设计,提出一种以AlSb作顶电池(简称AlSb顶电池),而以CIS作底电池的AlSb/CIS双结叠层太阳电池结构,选择性地吸收和转化太阳光谱的不同波段的能量,从而获得更高的光电转换效率。
为实现本发明目的,本发明的技术方案是:把AlSb作为吸收层的顶电池直接叠合在CIS作为吸收层的底电池之上,形成双结四端的机械叠层薄膜太阳电池。所谓AlSb作为吸收层的顶电池(简称AlSb顶电池),指的是在玻璃衬底和吸收层AlSb间顺序添加ZnO:Al导电层、ZnO高阻层和CdS缓冲层,并在吸收层AlSb后增加碳纳米管(CNT)涂层作透明背接触层,最后制作Ni/Al栅线这样结构的太阳电池;所谓CIS作为吸收层的底电池(简称CIS底电池),指的是在玻璃衬底和吸收层CIS间沉积Mo作背电极,然后,在吸收层CIS上顺序制备CdS缓冲层、ZnO高阻层、ZnO:Al导电层以及制作与AlSb顶电池形状和大小相同的Ni/Al栅线而制成的太阳电池。
由于AlSb薄膜的能隙~1.65eV,CIS薄膜的能隙~1.1eV,与Coutts等人提出的高效双结叠层电池的条件非常吻合。另外,AlSb的功函数不高,约3.65eV,作为一种优异的光伏材料,其理论转换效率较高(~28%)。而CIS作底电池可在900nm~1300nm有良好的光谱响应。因此,AlSb/CIS双结叠层电池,可以有效扩展光谱响应,提高薄膜太阳电池的光电转换效率。
附图说明
图1为机械叠层AlSb/CIS薄膜太阳电池的结构示意图。
图2为机械叠层AlSb/CIS薄膜太阳电池的安装示意图。
图1和图2中的符号表示是:G1为Corning 7059玻璃,G2为Soda lime玻璃,Z1为掺铝氧化锌(ZnO:Al),Z为氧化锌(ZnO),B为硫化镉(CdS),A为锑化铝(AlSb),A2为硒铟铜(CIS),T为碳纳米管涂层,M为镍/铝(Ni/Al),M2为钼(Mo),S为支柱,AIR为空气。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
AlSb薄膜的能隙~1.65eV,CIS薄膜的能隙~1.1eV,满足高效双结叠层电池的基本条件,因此我们选择这两种材料作双结叠层电池的顶电池和底电池,并把二者上下叠合在一起。
在图1中,AlSb(A)顶电池的结构为Corning 7059玻璃(G1)/掺铝氧化锌(Z1)/氧化锌(Z)/硫化镉(B)/锑化铝(A)/碳纳米管涂层(T)/Ni/Al(M),即首先在Corning 7059玻璃(G1)上沉积0.3~0.5μm的n型掺铝氧化锌(Z1)导电层,然后沉积~50nm氧化锌(Z)高阻层,再沉积~50nm硫化镉(B)缓冲层,随后沉积2~8μm锑化铝(A)吸收层以及100~500nm的碳纳米管涂层(T)作为透明导电层,最后,顺序沉积~50nm的镍和~3μm的铝组成镍/铝(M)栅线。而CIS(A2)底电池的结构为Soda lime玻璃(G2)/钼(M2)/硒铟铜(A2)/硫化镉(B)/氧化锌(Z)/掺铝氧化锌(Z1)/镍/铝(M),即首先在Soda lime玻璃(G2)上沉积钼(M2)约1~2μm,然后沉积2~4μm的吸收层硒铟铜(A2),再沉积~50nm的缓冲层硫化镉(B),随后沉积~50nm高阻氧化锌(Z)和0.3~0.5μm掺铝氧化锌(Z1),最后沉积与顶电池相同形状、大小及厚度分别为~50nm的镍和~3μm铝的镍/铝(M)栅线。图2示出了AlSb/CIS叠层电池机械叠合的情况,首先,分别在AlSb(A)顶电池和CIS(A2)底电池的掺铝氧化锌(Z1)透明导电层和金属电极钼(M2)上焊铟(In),并接出引线作为顶电池的负极(-)和底电池的正极(+),分别从AlSb(A)顶电池和CIS(A2)底电池的镍/铝(M)栅线接出引线作为顶电池的正极(+)和底电池的负极(-),然后把AlSb(A)顶电池置于CIS(A2)底电池的三个高度相同的绝缘支柱(1~8mm)上,对准AlSb(A)顶电池和CIS(A2)底电池镍/铝(M)栅线使之能重合,最后,固定AlSb(A)顶电池和CIS(A2)底电池,这样,就制成了双结四端的AlSb/CIS机械叠层电池。
在AlSb(A)顶电池中,采用p型碳纳米管涂层(T)作上述叠层电池中顶电池的透明背接触,主要原因是通常的透明导电膜为n型,如果直接沉积在p型吸收层上作背接触,会产生与主结相反的结,阻碍载流子的输运;如果选取常用的p型透明导电膜,其载流子浓度则比常见的n型透明导电膜低一到两个数量级。由于碳纳米管涂层(T)具有较高电导率和透明度,在800~1500nm的波段内,碳纳米管涂层(T)具有40%~50%的透过率(见Appl Phys Lett,2007,90:243503),因此非常适宜于制作顶电池的透明背接触层,尤其重要的是,碳纳米管涂层(T)的导电类型为p型,与主结的n型层作用,会使p型吸收层AlSb(A)的耗尽区变宽,有利于提高电池的开路电压和填充因子,增大器件的效率。在AlSb(A)顶电池和CIS(A2)底电池中,都采用了硫化镉(B)作为缓冲层,硫化镉(B)可以是纳米结构也可以不是纳米结构,其作用包括两个方面:一方面,可以改善氧化锌(Z)与吸收层AlSb(A)或CIS(A2)的晶格匹配,减少界面态密度,另一方面,对AlSb(A)顶电池和CIS(A2)底电池的能带结构也有修饰作用,使陡变结变为缓变结。这样,极大改进了薄膜叠层电池的结构,从而改善了叠层电池的性能,极大提高薄膜叠层电池的效率。
实施例一:
1制备CIS(A2)底电池
1.1在Soda lime玻璃(G2)上,用纯度99.999%的钼靶,在本底真空~10-4Pa、工作气体为氩、溅射气压~1Pa、溅射功率20~300W的条件下,首先直流溅射钼(M2),厚度0.1~0.5μm,然后改变溅射气压为~0.1Pa,再溅射厚度约0.9~1.5μm的钼(M2);
1.2取出溅射后的样品Soda lime玻璃(G2)/钼(M2),在真空度~10-4Pa,采用铜、铟、硒三源(纯度都为99.99%)共蒸发法制备CIS(A2),在样品温度300℃时,调整铜、铟、硒的速度比(0.3~0.7)∶(0.8~1.2)∶(2.2~2.6),沉积出厚度0.5~1.5μm富铜CIS,随后调整样品温度为450℃,调整速度比为(0.1~0.5)∶(0.8~1.2)∶(1.8~2.2),再沉积出贫铜CIS 1.5~2.5μm;
1.3待样品Soda lime玻璃(G2)/钼(M2)/CIS(A2)冷却后取出,采用化学水浴法制备缓冲层材料硫化镉(B),所用药品均为分析纯试剂,采用二次去离子水配制,各成分的浓度为[CdCl2]=0.0012M,[NH3H2O]=0.1M,[(NH2)2CS]=0.004M,[NH4Cl]=0.02M,沉积硫化镉薄膜时,把样品垂直放入密闭容器中,加入镉盐、铵盐和氨水,当反应温度保持在约82℃时,再加入硫脲,沉积过程中PH值约8.5~8.8,转子以适当的速度转动,沉积时间10~30分钟,厚度约~50nm,取出沉积后的样品,去离子水清洗,再用氮气吹干;
1.4接着,再把上述Soda lime玻璃(G2)/钼(M2)/CIS(A2)/硫化镉(B)样品放入溅射室,本底真空~10-4Pa,室温下,先在氩氧气氛下(氧气浓度1%~3%),工作气压~1Pa,溅射功率20~300W,射频溅射氧化锌靶(99.999%),沉积高阻氧化锌(Z)~50nm,改变工作气体为氩,调整工作气压~0.1Pa,射频溅射掺铝氧化锌靶(其中Al2O3的重量百分比1%~4%),沉积掺铝氧化锌(Z1)0.35~0.55μm;
1.5最后,取出结构为Soda lime玻璃(G2)/钼(M2)/硒铟铜(A2)/硫化镉(B)/氧化锌(Z)/掺铝氧化锌(Z1)的样品,在真空~10-4Pa,借助栅线掩膜,电子束蒸发法顺序沉积镍~50nm和铝~3μm组成的镍/铝(M)栅线,其中镍、铝源纯度99.99%,通过栅线接出引线,完成结构为Soda lime玻璃(G2)/钼(M2)/硒铟铜(A2)/硫化镉(B)/氧化锌(Z)/掺铝氧化锌(Z1)/镍/铝(M)栅线的底电池制备。另外,在钼(M2)上制作3个高度相同(1~8mm)的绝缘支柱(S),用来支撑AlSb(A)顶电池。
2制备AlSb(A)顶电池
2.1在Corning 7059玻璃(G1)上,先射频溅射掺铝氧化锌(Z1)0.35~0.55μm,随后射频溅射高阻氧化锌(Z)~50nm,这两个过程与步骤1.4顺序相反,工作条件和参数与步骤1.4中的相同;
2.2取出结构为Corning 7059玻璃(G1)/掺铝氧化锌(Z1)/氧化锌(Z)的样品,按照步骤1.3化学水浴法制备~50nm缓冲层硫化镉(B);
2.3接着,把步骤2.2的样品放入真空室(~10-5Pa),把样品加热到550℃,利用Sb和Al双源(纯度都为99.999%)共蒸发Sb和Al,速率比2~4,沉积AlSb(A)厚度2~8μm,随后冷却到70℃时再充入空气,当真空度5×104Pa,停止充气,10~20分钟后,逐步升高温度至180℃,抽真空至10-4Pa,停止加热,自然冷却10~20小时后,取出样品;
2.4随后,把碳纳米管均匀分散到1%的CH3(CH2)11OSO3Na水溶液中(碳纳米管浓度为1~2mg/ml)形成悬胶,然后用活塞空气刷把悬胶直接喷涂在步骤2.3中的样品上形成碳纳米管涂层(T),喷涂过程中保持样品温度为100℃,最后用去离子水清洗,并在空气中干燥,于是获得结构为Corning 7059玻璃(G1)/掺铝氧化锌(Z1)/氧化锌(Z)/锑化铝(A)/碳纳米管涂层(T)的样品;
2.5最后,把步骤2.4中的样品,放入真空室,采用电子束蒸发沉积与底电池形状和大小相同的镍/铝(M)栅线(镍~50nm,铝~3μm),由栅线接出引线,其工艺参数及流程与步骤1.5完全同,于是制作出结构为Corning 7059玻璃(G1)/掺铝氧化锌(Z1)/氧化锌(Z)/硫化镉(B)/锑化铝(A)/碳纳米管涂层(T)/镍/铝(M)的顶电池;
3制备AlSb/CIS机械叠层电池
分别在AlSb(a)顶电池和CIS(A2)底电池的透明导电层掺铝氧化锌(Z1)和金属电极钼(M2)上焊铟(In)(纯度99.999%),接出引线作为顶电池的负极(-)和底电池的正极(+),分别从AlSb(A)顶电池和CIS(A2)底电池的镍/铝(M)栅线接出引线作为顶电池的正极(+)和底电池的负极(-),然后把AlSb(A)顶电池置于CIS(A2)底电池的三个高度相同的绝缘支柱(1~8mm)上,对准AlSb(A)顶电池和CIS(A2)底电池镍/铝(M)栅线,最后,固定AlSb(A)顶电池和CIS(A2)底电池,这样,就制成了双结四端AlSb/CIS机械叠层电池。
实施例二:
把实施例一中步骤1.3和步骤2.2中~50nm缓冲层硫化镉(B)的制备方法改为射频溅射法,以获得纳米结构的缓冲层硫化镉(B)。其中CdS靶纯度99.99%,本底真空~10-4Pa,工作气体为氩氧(氧1%~2%),工作气压1~2Pa,溅射功率30~100W,在上述条件下,沉积~1小时,可获得纳米结构的缓冲层硫化镉(B)。其他的工艺不改变,与实施例一相同。同样,可制得缓冲层硫化镉(B)为纳米结构的双结四端的AlSb/CIS机械叠层电池。
Claims (5)
1.一种薄膜太阳电池,其结构为AlSb/CIS,其特征是:AlSb作为吸收层的顶电池直接叠合在CIS作为吸收层的底电池之上,形成双结四端的机械叠层薄膜太阳电池。
2.根据权利要求1所述的薄膜太阳电池,其特征是:所述的AlSb作为吸收层的顶电池为以下结构,在玻璃衬底和吸收层AlSb之间依次为ZnO:Al导电层、ZnO高阻层和CdS缓冲层,在吸收层AlSb后为碳纳米管涂层,最后为Ni/Al栅线。
3.根据权利要求1所述的薄膜太阳电池,其特征是:所述的CIS作为吸收层的底电池为以下结构,在玻璃衬底和吸收层CIS之间为Mo背电极,在吸收层CIS后依次为CdS缓冲层、ZnO高阻层、ZnO:Al导电层以及与AlSb顶电池相同形状和大小的Ni/Al栅线。
4.根据权利要求1所述的薄膜太阳电池,其特征是:AlSb作为吸收层的顶电池和CIS作为吸收层的底电池叠合时,二者的Ni/Al栅线要对齐。
5.根据权利要求2和3所述的薄膜太阳电池,其特征是:CdS缓冲层可以为纳米结构,也可以为非纳米结构。
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