CN103346173A - 一种柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池组件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池组件，由柔性基板、双层Mo金属背电极、铜铟镓硒薄膜吸收层、CdS缓冲层、本征ZnO薄膜阻挡层和透明导电掺铝ZnO薄膜窗口层组成并依次形成叠层结构，其制备过程中在不同层面分别划出三条刻槽。本发明的优点是：适合卷对卷工艺规模化制备大面积柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池组件，满足实际应用中对光伏组件电压和电流的要求，实现了柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池的内部串联，组件具有不短路有效面积大，同时提高生产效率，降低生产成本。

Description

一种柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池组件及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳电池技术领域，特别是涉及一种柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池组件及其制备方法。
背景技术
铜铟镓硒薄膜太阳电池具有高转换效率、抗辐照能力强，不衰减等性能优点，是国际光伏界研究和投资的热点，是最具发展前景的薄膜太阳电池之一。CIGS薄膜太阳电池属于第二代光伏电池，以多晶CIGS材料为电池的吸收层，自七十年代以来取得了迅速的发展，目前CIGS薄膜太阳电池的最高实验室效率已经达到20.4%，与多晶硅电池的转换效率接近，是所有薄膜电池中转换效率最高的。柔性CIGS薄膜电池具有高质量功率比、适合卷对卷规模化生产和单片集成等优势，此外还具有柔性、可折叠和不怕摔碰等物理特性，可用于航天航空、地面曲面建筑物和移动电站等领域，其商业发展前景受到广泛关注。
小面积CIGS薄膜太阳电池采用Ni/Al栅电极收集电流，而对于大面积电池来说，为了消除栅线带来的遮光损失，提高光伏电池的美观程度，适应实际应用中对电源电压和电流的要求，一般采用划线的方式将大面积CIGS薄膜电池分割成单体子电池，通过内部串联的方式形成CIGS薄膜太阳电池组件。玻璃衬底CIGS薄膜电池组件采用激光划线的方式从背面切割背电极，形成薄膜电池组件的基础，但是聚酰亚胺或者柔性金属材料不透明，激光难以穿过柔性基板，不能采用背面切割背电极的方法划线，而采用正面机械划线的方式切割背电极，机械刀头会陷入柔性基板内部，同时产生大量碎片残留在刻槽中，造成组件子电池短路。因此需要针对柔性基板CIGS薄膜太阳电池组件的特点，研发新型柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池组件及其制备方法。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在的问题，提供一种柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池组件及其制备方法。
本发明的技术方案：
一种柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池组件，由柔性基板、双层Mo金属背电极、铜铟镓硒薄膜吸收层、CdS缓冲层、本征ZnO薄膜阻挡层和透明导电掺铝ZnO薄膜窗口层组成并依次形成叠层结构，各层的厚度为：双层Mo金属背电极中第一层Mo薄膜厚度为200-300nm、第二层Mo薄膜厚度为300-1200nm、铜铟镓硒薄膜吸收层1-3μm、CdS缓冲层50-100nm、本征ZnO薄膜阻挡层50-100nm、透明导电掺铝ZnO薄膜窗口层300-800nm。
一种所述柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池组件的制备方法，步骤如下：
1）将柔性基板超声清洗吹干后，采用直流磁控溅射法沉积金属背电极，然后从背电极正面远处发射激光束，激光束焦点落到背电极表面，在惰性气体氮气或氩气保护下划出第一条刻槽；
2）刻有第一条刻槽的背电极超声清洗、吹干后，采用多源共蒸发法或溅射预制层后硒化法制备铜铟镓硒薄膜吸收层，基板加热温度为350-550oC；
3）接着采用化学水浴法制备CdS缓冲层；
4）再采用高频磁控溅射法制备本征ZnO薄膜阻挡层，然后采用机械刀头在第一条刻槽旁划出第二条刻槽，刻槽深度到背电极表面，同时采用高压干燥气体空气或氮气吹掉划线过程中产生的残渣和碎片；
5）在现有多层膜和第二条刻槽上采用孪生对靶直流磁控溅射法沉积透明导电薄膜形成窗口层，然后采用机械刀头在第二条刻槽旁边划出第三条刻槽，刻槽深度到背电极表面，同时采用高压干燥气体空气或氮气吹掉划线过程中产生的残渣和碎片。
所述柔性基底材料为聚酰亚胺、不锈钢箔、Mo箔、Cu箔、Al箔或Ti箔。
所述第一条刻槽的宽度为30-50μm，激光源功率为9W或25W，激光束波长为532nm或1064nm，频率为14-30kHz，电流为20-28A，激光划线速度为200-300mm/s；第二条和第三条刻槽的宽度为50-100μm，机械划线速度为150-300mm/s。
所述第一条与第二条、第二条与第三条的刻槽间距均为50-200μm。
本发明的优点：1）适合卷对卷工艺规模化制备大面积柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池组件，满足实际应用中对光伏组件电压和电流的要求，同时提高生产效率，降低生产成本；2）在惰性气体保护下，采用激光光束正面切割背电极的方式划开第一条刻槽，惰性气体可以降低激光对基板的损伤，同时清除第一条刻槽中的金属熔渣，保证金属背电极中刻槽完全被划开，背电极间的绝缘性良好； 3）第二条和第三条刻槽划线时，高压干燥气体可吹除刻槽中的残渣和碎片，刻槽宽度均匀一致，组件子电池之间的电学绝缘性好。
附图说明
图1为柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池组件的结构示意图。
图中：1.柔性基板    2.金属背电极   3.铜铟镓硒薄膜吸收层  
4.CdS缓冲层   5.本征ZnO薄膜阻挡层   6.透明导电薄膜窗口层   
7.第一条刻槽   8.第二条刻槽   9.第三条刻槽
图2为柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池组件第一条刻槽的光学显微图片。
图3为柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池组件的光学显微图片。
具体实施方式
本发明提供了一种低成本、技术传承性好柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池组件的制备方法，为了进一步阐述本发明的内容和特点，现结合附图和具体实施方式详细说明。
实施例1：
一种柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池组件，如图1所示，由聚酰亚胺柔性基板1、双层Mo金属背电极2、铜铟镓硒薄膜吸收层3、CdS缓冲层4、本征ZnO薄膜阻挡层5和透明导电掺铝ZnO薄膜窗口层6组成并依次形成叠层结构，各层的厚度为：聚酰亚胺柔性基板为25μm、双层Mo金属背电极中第一层Mo薄膜厚度为300nm、第二层Mo薄膜厚度为600nm、铜铟镓硒薄膜吸收层2μm、CdS缓冲层60nm、本征ZnO薄膜阻挡层80nm、透明导电掺铝ZnO薄膜窗口层500nm。
所述柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池组件的制备方法，步骤如下：
1）将厚度为25μm的聚酰亚胺柔性基板超声清洗吹干后，采用直流磁控溅射法依次制备双层Mo背电极，第一层Mo薄膜溅射气压为2Pa，第二层Mo薄膜溅射气压为0.2Pa，然后从背电极正面远处发射激光束，激光束焦点落到背电极表面，在氮气保护下划出宽度为40μm的第一条刻槽，第一条刻槽两边相邻背电极之间的电阻大于40MΩ，激光源功率为9W，激光束波长为532nm，频率为18kHz，电流为28A，激光划线速度为200mm/s；
2）将刻有第一条刻槽的背电极超声清洗、吹干后，采用多源共蒸发法制备铜铟镓硒薄膜吸收层，基板加热温度为450oC；
3）接着采用化学水浴法制备CdS缓冲层，水浴温度为80oC；
4）再采用高频磁控溅射法制备本征ZnO薄膜阻挡层，然后采用机械刀头以300mm/s的划线速度在距离第一条刻槽100μm的位置划出第二条刻槽，第二条刻槽的宽度为60μm，刻槽深度到背电极表面，同时采用高压干燥空气吹掉划线过程中产生的残渣和碎片；
5）在现有多层膜和第二条刻槽上采用孪生对靶直流磁控溅射法沉积透明导电薄膜形成窗口层，然后采用机械刀头以300mm/s的划线速度在距离第二条刻槽150μm的位置划出第三条刻槽，第三条刻槽的宽度为70μm，刻槽深度到背电极表面，同时采用高压干燥空气吹掉划线过程中产生的残渣和碎片。
图2为柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池组件第一条刻槽的光学显微图片，图中可见：刻槽的边缘平滑、深度一致、宽度均匀，降低了电池组件的面积损失，实现了柔性基底背电极的正面划线，工艺可靠性高，操作方便可行，提高了柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池组件的生产效率。
实施例2：
一种柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池组件，如图1所示，由不锈钢箔柔性基板1、双层Mo金属背电极2、铜铟镓硒薄膜吸收层3、CdS缓冲层4、本征ZnO薄膜阻挡层5和透明导电掺铝ZnO薄膜窗口层6组成并依次形成叠层结构，各层的厚度为：不锈钢箔柔性基板厚度为100μm、双层Mo金属背电极中第一层Mo薄膜厚度为100nm、第二层Mo薄膜厚度为900nm、铜铟镓硒薄膜吸收层1.5μm、CdS缓冲层80nm、本征ZnO薄膜阻挡层60nm、透明导电掺铝ZnO薄膜窗口层350nm。
所述柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池组件的制备方法，步骤如下：
1）将厚度为25μm的聚酰亚胺柔性基板超声清洗吹干后，采用直流磁控溅射法依次制备双层Mo背电极，第一层Mo薄膜溅射气压为5Pa，第二层Mo薄膜溅射气压为0.2Pa，然后从背电极正面远处发射激光束，激光束焦点落到背电极表面，在氮气保护下划出宽度为35μm的第一条刻槽，第一条刻槽两边相邻背电极之间的电阻大于40MΩ，激光源功率为25W，激光束波长为1064nm，频率为30kHz，电流为20A，激光划线速度为300mm/s；
2）将刻有第一条刻槽的背电极超声清洗、吹干后，采用多源共蒸发法制备铜铟镓硒薄膜吸收层，基板加热温度为400oC；
3）接着采用化学水浴法制备CdS缓冲层，水浴温度为80oC；
4）再采用高频磁控溅射法制备本征ZnO薄膜阻挡层，然后采用机械刀头以200mm/s的划线速度在距离第一条刻槽50μm的位置划出第二条刻槽，第二条刻槽的宽度为60μm，刻槽深度到背电极表面，同时采用高压干燥氮气吹掉划线过程中产生的残渣和碎片；
5）在现有多层膜和第二条刻槽上采用孪生对靶直流磁控溅射法沉积透明导电薄膜形成窗口层，然后采用机械刀头以200mm/s的划线速度在距离第二条刻槽100μm的位置划出第三条刻槽，第三条刻槽的宽度为70μm，刻槽深度到背电极表面，同时采用高压干燥氮气吹掉划线过程中产生的残渣和碎片。
图3为柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池组件的光学显微图片，图中可见：第二条和第三条刻槽内无残渣碎片，宽度基本一致，深度无明显变化，刻槽间距较小，组件的无效面积较低，实现了柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池的内部串联。
以上实施案例是本发明的几种实施方法，旨在详细和具体说明本发明的内容，不能理解为专利保护范围的限制。同时应当指明，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明的构思基础上，进行的各种修改和变化均在本专利的保护范围。

Claims (5)

1.一种柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池组件，其特征在于：由柔性基板、双层Mo金属背电极、铜铟镓硒薄膜吸收层、CdS缓冲层、本征ZnO薄膜阻挡层和透明导电掺铝ZnO薄膜窗口层组成并依次形成叠层结构，各层的厚度为：双层Mo金属背电极中第一层Mo薄膜厚度为200-300nm、第二层Mo薄膜厚度为300-1200nm、铜铟镓硒薄膜吸收层1-3μm、CdS缓冲层50-100nm、本征ZnO薄膜阻挡层50-100nm、透明导电掺铝ZnO薄膜窗口层300-800nm。
2.一种如权利要求1所述柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池组件的制备方法，其特征在于步骤如下：
1）将柔性基板超声清洗吹干后，采用直流磁控溅射法沉积金属背电极，然后从背电极正面远处发射激光束，激光束焦点落到背电极表面，在惰性气体氮气或氩气保护下划出第一条刻槽；
2）刻有第一条刻槽的背电极超声清洗、吹干后，采用多源共蒸发法或溅射预制层后硒化法制备铜铟镓硒薄膜吸收层，基板加热温度为350-550oC；
3）接着采用化学水浴法制备CdS缓冲层；
4）再采用高频磁控溅射法制备本征ZnO薄膜阻挡层，然后采用机械刀头在第一条刻槽旁划出第二条刻槽，刻槽深度到背电极表面，同时采用高压干燥气体空气或氮气吹掉划线过程中产生的残渣和碎片；
5）在现有多层膜和第二条刻槽上采用孪生对靶直流磁控溅射法沉积透明导电薄膜形成窗口层，然后采用机械刀头在第二条刻槽旁边划出第三条刻槽，刻槽深度到背电极表面，同时采用高压干燥气体空气或氮气吹掉划线过程中产生的残渣和碎片。
3.根据权利要求2所述柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池组件的制备方法，其特征在于：所述柔性基底材料为聚酰亚胺、不锈钢箔、Mo箔、Cu箔、Al箔或Ti箔。
4.根据权利要求2所述柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池组件的制备方法，其特征在于：所述第一条刻槽的宽度为30-50μm，激光源功率为9W或25W，激光束波长为532nm或1064nm，频率为14-30kHz，电流为20-28A，激光划线速度为200-300mm/s；第二条和第三条刻槽的宽度为50-100μm，机械划线速度为150-300mm/s。
5.根据权利要求2所述柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池组件的制备方法，其特征在于：所述第一条与第二条、第二条与第三条的刻槽间距均为50-200μm。
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