CN105914262A - 一种薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺 - Google Patents

一种薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺，包括：提供表面形成有吸收层的薄膜太阳能电池，配置反应溶液，采用化学水浴法将所述反应溶液沉积于所述吸收层表面形成缓冲层，之后将所述缓冲层置于水溶液中进行浸泡处理，最后取出，用氮气吹干。本发明缓冲层后处理工艺可以改善缓冲层表面平整度，减少缓冲层表面絮状物，增加与上层窗口层的接触面积与晶格匹配，减少载流子在缓冲层/窗口层界面的复合，可提高薄膜太阳能电池的短路电流密度1.0‑2.0mA/cm2，提高电池转换效率绝对值1‑3％。由于浸泡处理所采用的氨水、异丙醇、醋酸铵等本身为常规试剂，可重复利用，工艺成本低、设备简单可靠、操作安全、适用于工业化生产。

Description

一种薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺
技术领域
本发明属于光伏材料新能源技术领域，具体涉及一种薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺。
背景技术
铜铟镓硒(Cu(In,Ga)Se2：CIGS)薄膜太阳能电池是实验室转换效率最高，最有发展前景的薄膜太阳能电池之一。它具有光学禁带可调，适合于调整和优化禁带宽度；具有非常高的光吸收系数，制备的太阳能电池只有数微米，降低了原材料的消耗与减轻了电池的重量；电池使用寿命长，无光致衰退效应，在弱光条件下性能依然良好，在空间应用中也具有非常良好的抗干扰、抗辐射能力等多方面的优点。2014年，德国太阳能与氢能研究中心将CIGS薄膜太阳能电池实验室转换效率提高到21.7％，超越多晶硅20.4％的转换效率；产业化方面，德国Manz集团于2015年将组件转换效率提高到15.9％，功率达104.8W，Manz CIGSfab生产线生产成本已经降低到每瓦2.5元以下，显示了CIGS薄膜太阳能电池具有广阔的发展前景。
在CIGS薄膜太阳能电池中，缓冲层是位于吸收层和窗口层之间的关键位置，可以解决吸收层与缓冲层、缓冲层与窗口层间的晶格能带匹配，增加电池耗尽区的宽度，减少隧道效应，提高接触势垒，覆盖CIGS吸收层表面，减少界面态，保护吸收层表面，避免在溅射窗口层时损伤CIGS吸收层，对太阳能电池器件的转换效率有非常重要的影响。硫化镉、硫化锌、碲化镉等II-VI族化合物材料广泛用作薄膜太阳能电池的缓冲层。目前实验室获得最高效率的CIGS薄膜太阳能电池缓冲层材料为化学水浴法制备的硫化镉。但化学水浴法制备的硫化镉、硫化锌缓冲层表面絮状物较多，表面不平整，导致与窗口层之间的晶格匹配度较低，制约太阳能电池的光电转换效率。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺，用于解决现有技术中制备的薄膜太阳能电池缓冲层表面絮状物较多，表面不平整，导致与窗口层之间的晶格匹配度较低的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺，所述后处理工艺至少包括：
提供表面形成有吸收层的薄膜太阳能电池，配置反应溶液，采用化学水浴法将所述反应溶液沉积于所述吸收层表面形成缓冲层，之后将所述缓冲层置于水溶液中进行浸泡处理，最后取出，用氮气吹干。
作为本发明薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺的一种优化的方案，所述吸收层为铜铟镓硒、铜铟硒、铜铟镓硒硫、铜锌锡硫、铜锌锡硒或者铜锌锡硫硒。
作为本发明薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺的一种优化的方案，形成的所述缓冲层为硫化镉或硫化锌。
作为本发明薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺的一种优化的方案，所述配置的反应溶液为镉源、硫源、络合剂的水溶液或者锌源、硫源、络合剂的水溶液，将所述反应溶液混合，采用化学水浴法沉积形成所述缓冲层。
作为本发明薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺的一种优化的方案，所述镉源为碘化镉、氯化镉或者硫酸镉中的一种或多种，镉源溶液的浓度为1.0～5.0umol/L。
作为本发明薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺的一种优化的方案，所述锌源为氯化锌、氢氧化锌或硫酸锌中的一种或多种，锌源溶液的浓度为1.0～5.0umol/L。
作为本发明薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺的一种优化的方案，所述硫源为硫脲、硫化钠或硫代乙酰胺中的一种或多种，硫源溶液的浓度为20.0umol/L-0.1mol/L。
作为本发明薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺的一种优化的方案，所述络合剂为氨水、醋酸铵、氯化铵、硝酸铵或硫酸铵中的一种或多种，络合剂溶液的浓度为0.1～3.0mol/L。
作为本发明薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺的一种优化的方案，配置的所述反应溶液混合后的pH值为9.5～12.0。
作为本发明薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺的一种优化的方案，反应温度为25～80℃，反应时间为5～40min，沉积过程中采用电动搅拌、磁力搅拌及超声振荡中的一种或多种组合的搅拌方式进行搅拌。
作为本发明薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺的一种优化的方案，形成的所述缓冲层的厚度为20～200nm。
作为本发明薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺的一种优化的方案，进行所述浸泡处理的水溶液为氨水、异丙醇或醋酸铵中的一种或多种的混合溶液。
作为本发明薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺的一种优化的方案，所述水溶液的浓度为5～15mol/L，浸泡时间为5～20min。
如上所述，本发明的薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺，包括：提供表面形成有吸收层的薄膜太阳能电池，配置反应溶液，采用化学水浴法将所述反应溶液沉积于所述吸收层表面形成缓冲层，之后将所述缓冲层置于水溶液中进行浸泡处理，最后取出，用氮气吹干。本发明缓冲层后处理工艺可以改善缓冲层表面平整度，减少缓冲层表面絮状物，增加与上层窗口层的接触面积与晶格匹配，减少载流子在缓冲层/窗口层界面的复合，可提高薄膜太阳能电池的短路电流密度1.0-2.0mA/cm2，提高电池转换效率绝对值1-3％。由于浸泡处理所采用的氨水、异丙醇、醋酸铵等为常规试剂，可重复利用，工艺成本低、设备简单可靠、操作安全、适用于工业化生产。
附图说明
图1为本发明提供的薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺的流程示意图。
图2为本发明提供的薄膜太阳能电池吸收层结构示意图。
图3为本发明提供的薄膜太阳能电池缓冲层结构示意图。
图4为本发明提供的薄膜太阳能电池整体结构示意图。
图5为未进行后处理工艺的缓冲层表面SEM照片。
图6为本发明进行后处理工艺后的缓冲层表面SEM照片。
图7为采用本发明所述工艺制备的CIGS薄膜太阳能电池与缓冲层无后处理工艺制备的CIGS薄膜太阳能电池I-V曲线和电池输出参数对比图。
元件标号说明
S1～S5 步骤
1 衬底
2 背电极层
3 吸收层
4 缓冲层
5 窗口层
51 本征透明氧化物层
52 透明导电氧化物层
6 电极层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本发明提供一种薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺，所述后处理工艺至少包括以下步骤：
S1，提供表面形成有吸收层的薄膜太阳能电池；
S2，配置沉积缓冲层的反应溶液；
S3，采用化学水浴法将所述反应溶液沉积于所述吸收层表面形成缓冲层；
S4，将所沉积的缓冲层置于水溶液中进行浸泡处理；
S5，取出，用氮气吹干。
下面根据附图详细介绍本发明的薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺。
首先执行步骤S1，提供表面形成有吸收层的薄膜太阳能电池。
本发明中，所提供的薄膜太阳能电池吸收层的结构如图2所示，包括衬底1、背电极层2、吸收层3。其中的衬底1可以是钠钙玻璃、低Fe玻璃、太阳能浮法玻璃、不锈钢箔、Ti箔、Al箔、Mo箔、Cu箔、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂(PET)或者他适合的衬底。所述背电极层2为Mo层，可以采用直流磁控溅射真空沉积，厚度为0.1-2μm。所述吸收层3可采用蒸发、溅射后硒化或纳米涂覆等方式制备，所述吸收层厚度为0.5-3μm。所述吸收层的材料可以是铜铟镓硒吸收层、或与铜铟镓硒吸收层类似的铜铟硒、铜铟镓硒硫、铜锌锡硫、铜锌锡硒、铜锌锡硫硒等。
然后执行步骤S2，配置沉积缓冲层的反应溶液。
若缓冲层为硫化镉，配置镉源、硫源、络合剂的水溶液；若缓冲层为硫化锌，配置锌源、硫源、络合剂的水溶液。所述的镉源为碘化镉、氯化镉及硫酸镉中选择出至少一种，优选碘化镉，配置碘化镉溶液浓度1.0umol/L-5.0umol/L；所述的锌源为氯化锌，氢氧化锌及硫酸锌中选择出至少一种，优选硫酸锌，配置硫酸锌溶液浓度1.0umol/L-5.0umol/L；所述的硫源为硫脲、硫化钠及硫代乙酰胺中选择出至少一种，优选硫脲，配置硫脲溶液浓度20.0umol/L-0.1mol/L；所述的络合剂为氨水、醋酸铵、氯化铵、硝酸铵和硫酸铵中选择出至少一种，优选氨水，配置氨水溶液浓度0.1mol/L-3.0mol/L。当然，所述缓冲层也可以是其他合适的材料。
接着执行步骤S3，采用化学水浴法将所述反应溶液沉积于所述吸收层表面形成缓冲层。
将步骤S2配置的反应溶液混合，采用化学水浴法将缓冲层沉积于吸收层表面。混合后的反应溶液pH值为9.5-12.0，反应温度为25-80℃，反应时间为5-40min，搅拌采用电动搅拌、磁力搅拌或超声振荡，优选电动搅拌，转速为200-2000r/min。沉积于吸收层表面的缓冲层厚度为20-200nm。所述的薄膜太阳能电池缓冲层结构如图3所示。
接着执行步骤S4，将所沉积的缓冲层置于水溶液中进行浸泡处理。
配置氨水、异丙醇或醋酸铵中的一种或多种的混合溶液。作为浸泡处理用的水溶液，配置水溶液的浓度为5mol/L-15mol/L，将S3制备的缓冲层置于水溶液中浸泡5-20min。
最后再执行步骤S5，取出，用氮气吹干。
至此，薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺完成。如图5为未进行后处理工艺的缓冲层表面SEM照片；图6为本发明进行后处理工艺后的缓冲层表面SEM照片。经过对比发现，进行后处理工艺后的缓冲表面絮状物大大减少，缓冲层表面平整度得到改善，有利于提高薄膜太阳能电池的短路电流与转换效率。
在所述薄膜太阳能电池缓冲层处理后，再进行后续工艺完成薄膜太阳能电池的制作。电池的结构如图4所示，包括衬底1、背电极层2、吸收层3、缓冲层4、窗口层5和电极层6。电池制备过程为：依次在处理后的缓冲层表面沉积窗口层5(依次包括沉积本征透明氧化物层51和透明导电氧化物窗口层52)和电极层6等膜层，完成薄膜太阳能电池的制备。
本发明提供一种薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺，可以改善缓冲层表面平整度，减少缓冲层表面絮状物，增加与上层窗口层的接触面积与晶格匹配，减少载流子在缓冲层/窗口层界面的复合，提高薄膜太阳能电池的短路电流与转换效率。该工艺方法设备简单可靠，操作安全，浸泡溶液可重复利用，工艺成本低、适用于工业化生产。
下面通过具体实施例详细地说明本发明薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺，以下实施例均以铜铟镓硒(CIGS)吸收层为例进行说明。
实施例1
步骤一、将钠钙玻璃作为衬底，进行超声清洗，然后用纯氮气吹干装入磁控溅射真空腔室，脱水去气，采用直流磁控溅射沉积双层Mo背电极层，厚度为0.6um；
步骤二、将制备有Mo背电极层的衬底装入真空室，待真空度优于1×10-3Pa后，采用CuGa合金靶(Ga含量at.25％)和In靶材共溅射沉积CuInGa(CIG)金属预制层，厚度为0.6um；
步骤三、将制备有金属预制层的衬底装入硒化炉内，采用H2Se作为硒源，400℃硒化30min，580℃氮气气氛中退火30min，然后自然冷却，制备得到CIGS吸收层，厚度为1.2um；
步骤四、配置1.5umol/L的碘化镉溶液，75umol/L的硫脲溶液，0.5mol/L的氨水溶液，采用化学水浴法制备缓冲层硫化镉。反应溶液的pH值为10.5，反应温度为25-50.5℃，反应时间为10min，搅拌采用电动搅拌，转速为1000r/min，制备得到硫化镉缓冲层的厚度为50nm；
步骤五、配置10mol/L的氨水溶液，将步骤四制得的硫化镉缓冲层放入配置的氨水溶液中浸泡5min，取出，用氮气吹干；
步骤六、采用磁控溅射沉积80nm厚的i-ZnO和500nm厚的ZnO:Al窗口层；
步骤七、采用蒸发法沉积3um厚的Ni/Ag双层电极层。
采用上述方法制备的CIGS薄膜太阳能电池与现有技术制备的CIGS薄膜太阳能电池相比，短路电流密度提升1.62mA/cm2，电池的转换效率绝对值提高1.97％，如图7所示，实线表示本实施例制备的CIGS薄膜太阳能电池；虚线表示缓冲层无后处理工艺制备的CIGS薄膜太阳能电池的IV曲线。
实施例2
步骤一、将钠钙玻璃进行超声清洗，然后用纯氮气吹干装入磁控溅射真空腔室，脱水去气，采用直流磁控溅射沉积双层Mo背电极层，厚度为0.6um；
步骤二、将制备有Mo背电极层的衬底装入真空室，待真空度优于1×10-3Pa后，采用CuGa合金靶(Ga含量at.25％)和In靶材共溅射沉积CuInGa(CIG)金属预制层，厚度为0.6um；
步骤三、将制备有金属预制层的衬底装入硒化炉内，采用H2Se作为硒源，400℃硒化30min，580℃氮气气氛中退火30min，然后自然冷却，制备得到CIGS吸收层，厚度为1.2um；
步骤四、配置1.5umol/L的硫酸锌溶液，75umol/L的硫脲溶液，0.5mol/L的氨水溶液，采用化学水浴法制备缓冲层硫化锌。反应溶液的pH值为10.5，反应温度为25-50.5℃，反应时间为10min，搅拌采用电动搅拌，转速为1000r/min，制备得到硫化锌缓冲层的厚度为50nm；
步骤五、配置10mol/L的氨水溶液，将步骤四制得的硫化锌缓冲层放入配置的氨水溶液中浸泡5min，取出，用氮气吹干；
步骤六、采用磁控溅射沉积80nm厚的i-ZnO和500nm厚的ZnO:Al窗口层；
步骤七、采用蒸发法沉积3um厚的Ni/Ag双层电极层。
采用上述方法制备的CIGS薄膜太阳能电池与现有技术制备的CIGS薄膜太阳能电池相比，短路电流密度提升1.0-2.0mA/cm2，电池的转换效率绝对值可提高1-3％。
实施例3
步骤一、将钠钙玻璃进行超声清洗，然后用纯氮气吹干装入磁控溅射真空腔室，脱水去气，采用直流磁控溅射沉积双层Mo背电极层，厚度为0.6um；
步骤二、将制备有Mo背电极层的衬底装入真空室，待真空度优于1×10-3Pa后，采用CuGa合金靶(Ga含量at.25％)和In靶材共溅射沉积CuInGa(CIG)金属预制层，厚度为0.6um；
步骤三、将制备有金属预制层的衬底装入硒化炉内，采用H2Se作为硒源，400℃硒化30min，580℃氮气气氛中退火30min，然后自然冷却，制备得到CIGS吸收层，厚度为1.2um；
步骤四、配置1.5umol/L的碘化镉溶液，75umol/L的硫脲溶液，0.5mol/L的氨水溶液，采用化学水浴法制备缓冲层硫化镉。反应溶液的pH值为10.5，反应温度为25-50.5℃，反应时间为10min，搅拌采用电动搅拌，转速为1000r/min，制备得到硫化镉缓冲层的厚度为50nm；
步骤五、配置10mol/L的异丙醇溶液，将步骤四制得的硫化镉缓冲层放入配置的异丙醇溶液中浸泡5min，取出，用氮气吹干；
步骤六、采用磁控溅射沉积80nm厚的i-ZnO和500nm厚的ZnO:Al窗口层；
步骤七、采用蒸发法沉积3um厚的Ni/Ag双层电极层。
采用上述方法制备的CIGS薄膜太阳能电池与现有技术制备的CIGS薄膜太阳能电池相比，短路电流密度提升1.0-2.0mA/cm2，电池的转换效率绝对值可提高1-3％。
实施例4
步骤一、将钠钙玻璃进行超声清洗，然后用纯氮气吹干装入磁控溅射真空腔室，脱水去气，采用直流磁控溅射沉积双层Mo背电极层，厚度为0.6um；
步骤二、将制备有Mo背电极层的衬底装入真空室，待真空度优于1×10-3Pa后，采用CuGa合金靶(Ga含量at.25％)和In靶材共溅射沉积CuInGa(CIG)金属预制层，厚度为0.6um；
步骤三、将制备有金属预制层的衬底装入硒化炉内，采用H2Se作为硒源，400℃硒化30min，580℃氮气气氛中退火30min，然后自然冷却，制备得到CIGS吸收层，厚度为1.2um；
步骤四、配置1.5umol/L的碘化镉溶液，75umol/L的硫脲溶液，0.5mol/L的氨水溶液，采用化学水浴法制备缓冲层硫化镉。反应溶液的pH值为10.5，反应温度为25-50.5℃，反应时间为10min，搅拌采用电动搅拌，转速为1000r/min，制备得到硫化镉缓冲层的厚度为50nm；
步骤五、配置10mol/L的醋酸铵溶液，将步骤四制得的硫化镉缓冲层放入醋酸铵溶液中浸泡5min，取出，用N2吹干；
步骤六、采用磁控溅射沉积80nm厚的i-ZnO和500nm厚的ZnO:Al窗口层；
步骤七、采用蒸发法沉积3um厚的Ni/Ag双层电极层。
采用上述方法制备的CIGS薄膜太阳能电池与现有技术制备的CIGS薄膜太阳能电池相比，短路电流密度提升1.0-2.0mA/cm2，电池的转换效率绝对值可提高1-3％。
综上所述，本发明提供一种薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺，包括：提供表面形成有吸收层的薄膜太阳能电池，配置反应溶液，采用化学水浴法将所述反应溶液沉积于所述吸收层表面形成缓冲层，之后将所述缓冲层置于水溶液中进行浸泡处理，最后取出，用氮气吹干。本发明缓冲层后处理工艺可以改善缓冲层表面平整度，减少缓冲层表面絮状物，增加与上层窗口层的接触面积与晶格匹配，减少载流子在缓冲层/窗口层界面的复合，可提高薄膜太阳能电池的短路电流密度1.0-2.0mA/cm2，提高电池转换效率绝对值1-3％。由于浸泡处理所采用的氨水、异丙醇、醋酸铵等为常规试剂，可重复利用，工艺成本低、设备简单可靠、操作安全、适用于工业化生产。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (13)

1.一种薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺，其特征在于，所述后处理工艺至少包括：
提供表面形成有吸收层的薄膜太阳能电池，配置反应溶液，采用化学水浴法将所述反应溶液沉积于所述吸收层表面形成缓冲层，之后将所述缓冲层置于水溶液中进行浸泡处理，最后取出，用氮气吹干。
2.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺，其特征在于：所述吸收层为铜铟镓硒、铜铟硒、铜铟镓硒硫、铜锌锡硫、铜锌锡硒或者铜锌锡硫硒。
3.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺，其特征在于：形成的所述缓冲层为硫化镉或硫化锌。
4.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺，其特征在于：所述配置的反应溶液为镉源、硫源、络合剂的水溶液或者锌源、硫源、络合剂的水溶液，将所述反应溶液混合，采用化学水浴法沉积形成所述缓冲层。
5.根据权利要求4所述的薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺，其特征在于：所述镉源为碘化镉、氯化镉或者硫酸镉中的一种或多种，镉源溶液的浓度为1.0～5.0umol/L。
6.根据权利要求4所述的薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺，其特征在于：所述锌源为氯化锌、氢氧化锌或硫酸锌中的一种或多种，锌源溶液的浓度为1.0～5.0umol/L。
7.根据权利要求4所述的薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺，其特征在于：所述硫源为硫脲、硫化钠或硫代乙酰胺中的一种或多种，硫源溶液的浓度为20.0umol/L-0.1mol/L。
8.根据权利要求4所述的薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺，其特征在于：所述络合剂为氨水、醋酸铵、氯化铵、硝酸铵或硫酸铵中的一种或多种，络合剂溶液的浓度为0.1～3.0mol/L。
9.根据权利要求4所述的薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺，其特征在于：配置的所述反应溶液混合后的pH值为9.5～12.0。
10.根据权利要求4所述的薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺，其特征在于：反应温度为25～80℃，反应时间为5～40min，沉积过程中采用电动搅拌、磁力搅拌及超声振荡中的一种或多种组合的搅拌方式进行搅拌。
11.根据权利要求1或4所述的薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺，其特征在于：形成的所述缓冲层的厚度为20～200nm。
12.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺，其特征在于：进行所述浸泡处理的水溶液为氨水、异丙醇或醋酸铵中的一种或多种的混合溶液。
13.根据权利要求12所述的薄膜太阳能电池缓冲层后处理工艺，其特征在于：所述水溶液的浓度为5～15mol/L，浸泡时间为5～20min。
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