CN108511535A - 一种太阳能电池片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种太阳能电池片及其制备方法，属于太阳能电池技术领域，其中太阳能电池片包括基板以及形成在基板上的透明导电层，透明导电层包括层叠设置的金属层和第一透明薄膜层，通过在透明导电层中设置电阻率更低的金属层，来降低透明导电层的电阻率，使太阳能电池工作时电流损失少，同时低电阻率金属层的存在可以降低透明导电层的厚度，提高光透过率，进而提高太阳能电池的光电转换效率。

Description

一种太阳能电池片及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，特别是涉及一种太阳能电池片及其制备方法。
背景技术
自从1974年Wanger等制备出了世界上第一个薄膜太阳能电池以来，薄膜太阳能电池以其在日光曝晒下性能稳定、抗辐射能力强，转化效率提升空间大、可沉积在柔性衬底上等优点，受到了光伏产业研究者的广泛关注。现有的薄膜太阳能电池的结构是在玻璃等廉价衬底上沉积6层或以上化合物半导体和金属薄膜材料，其主要结构包括：衬底、底电极、吸收层、缓冲层、窗口层、透明导电层以及顶电极。
其中透明导电层最大的功能是将吸收层中产生的电流导出，其电阻率越低，电流导出过程损失越小，电池的性能越好。现有技术中为了降低透明导电层的电阻率，一方面，在制备透明导电层如AZO时，将衬底加热到300℃以上，但要在大面积玻璃上维持这个均匀的温度是非常困难的，温差经常会造成玻璃片的扭曲；另一方面，由于电阻率与厚度成反比，通过加厚透明导电层如AZO的厚度来降低电阻率，但这样又会增加成本，同时降低太阳能电池对太阳能的利用率。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种太阳能电池片及其制备方法，以提供降低透明导电层的电阻率，同时提高太阳能电池的光电转换效率。
本发明公开了一种太阳能电池片，所述太阳能电池片包括：
基板以及形成在所述基板上的透明导电层，所述透明导电层包括层叠设置的金属层和第一透明薄膜层。
可选地，所述透明导电层还包括第二透明薄膜层，所述金属层设置在所述第一透明薄膜层和所述第二透明薄膜层之间，所述第一透明薄膜层靠近所述基板设置。
可选地，所述第一透明薄膜层的材料包括ITO、FTO、AZO和类金刚石中的至少一种，所述第二透明薄膜层的材料包括ITO、FTO、AZO和类金刚石中的至少一种。
可选地，当所述第一透明薄膜层和所述第二透明薄膜层的材料为类金刚石时，所述第一透明薄膜层和所述第二透明薄膜层的厚度大于或等于10nm，且小于或等于100nm。
可选地，所述金属层的材料包括Cu、Au、Al和Ag中至少一种。
可选地，所述金属层的厚度大于或等于5nm，且小于或等于15nm。
可选地，所述基板包括：
衬底，以及依次形成在所述衬底一侧的支撑层、背电极层、吸收层、缓冲层和窗口层。
可选地，所述支撑层的材料包括Mo、Cr、Cu、Ni、NiCr合金、Nb、氮化物和氧化物中至少一种。
可选地，所述太阳能电池片还包括：形成在所述透明导电层背离所述基板一侧的顶电极层。
为了解决上述问题，本发明还公开了一种太阳能电池片的制备方法，所述制备方法包括：
提供基板；
在所述基板上形成透明导电层，所述透明导电层包括层叠设置的金属层和第一透明薄膜层。
可选地，所述透明导电层还包括第二透明薄膜层，在所述基板上形成透明导电层的步骤，包括：
在所述基板上依次形成所述第一透明薄膜层、所述金属层和所述第二透明薄膜层。
可选地，所述第一透明薄膜层和所述第二透明薄膜层的材料均为类金刚石，在所述基板上依次形成所述第一透明薄膜层、所述金属层和所述第二透明薄膜层的步骤，包括：
在所述基板上通过化学气相沉积法形成所述第一透明薄膜层；
在所述第一透明薄膜层上通过磁控溅射法形成所述金属层；
在所述金属层上通过化学气相沉积法形成所述第二透明薄膜层。
可选地，所述提供基板的步骤，包括：
提供衬底，
在所述衬底的一侧依次形成支撑层、背电极层、吸收层、缓冲层和窗口层。
可选地，所述制备方法还包括：在所述透明导电层背离所述基板的一侧形成顶电极层。
与现有技术相比，本发明包括以下优点：
与传统的非金属透明导电层相比，增设了金属层的透明导电层电阻率更低，太阳能电池工作时电流损失少；同时低电阻率金属层的存在可以降低透明导电层的厚度，提高光透过率至94％，进而提高太阳能电池的光电转换效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本申请一实施例提供的一种太阳能电池片的剖面结构示意图；
图2示出了本申请一实施例提供的另一种太阳能电池片的剖面结构示意图；
图3示出了本申请一实施例提供的一种太阳能电池片包括第二透明薄膜层的剖面结构示意图；
图4示出了本申请一实施例提供的一种基板的剖面结构示意图；
图5示出了本申请一实施例提供的一种太阳能电池片的制备方法的步骤流程示意图；
图6示出了本申请一实施例提供的一种透明导电层的制备方法的步骤流程示意图；
图7示出了本申请一实施例提供的一种提供基板的步骤流程示意图；
图8示出了本申请一实施例提供的一种包括顶电极层的太阳能电池片的剖面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本申请一实施例提供了一种太阳能电池片，参照图1和图2，该太阳能电池片可以包括：基板11以及形成在基板11上的透明导电层12，透明导电层12包括层叠设置的金属层121和第一透明薄膜层122。
具体的，金属层121可以靠近基板11设置，如图1所示；或者第一透明薄膜层122靠近基板11设置，如图2所示。
第一透明薄膜层122的材料可以为以下透明导电材料中的至少一种：ITO、FTO、AZO和类金刚石等。第一透明薄膜层122的材料不仅限于这几种，凡是透明的导电材料都在本实施例的保护范围之内。
本实施例提供的太阳能电池片，通过在透明导电层中设置电阻率更低的金属层，来降低透明导电层的电阻率，使太阳能电池工作时电流损失少，同时可以减薄第一透明薄膜层的厚度，进而提高太阳能电池对太阳能的利用率。
对于第一透明薄膜层122靠近基板11设置的情况，为了避免金属层121发生氧化，上述的透明导电层12还可以包括第二透明薄膜层123，金属层121设置在第一透明薄膜层122和第二透明薄膜层123之间，第一透明薄膜层122靠近基板11设置。
具体的，第二透明薄膜层123的材料可以为以下透明导电材料中的至少一种：ITO、FTO、AZO和类金刚石等。第二透明薄膜层123的材料与第一透明薄膜层122的材料可以相同，也可以不同，例如，第一透明薄膜层122和第二透明薄膜层123的材料可以均为AZO，也可以第一透明薄膜层122的材料为AZO，第二透明薄膜层123的材料为ITO等。
由于类金刚石具有较高的透过率，因此优选第一透明薄膜层122和第二透明薄膜层123的材料均为为类金刚石，此时第一透明薄膜层122和第二透明薄膜层123的厚度可以大于或等于10nm，且小于或等于100nm，例如第一透明薄膜层122的厚度可以为30nm，第二透明薄膜层123的厚度可以为40nm等。当第一透明薄膜层122和第二透明薄膜层123的材料为ITO、FTO或AZO时，厚度可以为50-200nm，优选150nm。
金属层121的材料可以为以下电阻率较低的材料中至少一种：银(电阻率1.59Ω.m)、Cu(电阻率为1.68Ω.m)、Au(电阻率为2.4Ω.m)、Al(电阻率为2.65Ω.m)等，可以为纯金属或合金。金属层121的厚度可以大于或等于5nm，且小于或等于15nm，例如10nm。
本实施例提供的透明导电层的总厚度不超过0.1μm，与传统结构中透明导电层的厚度0.5μm-1.5μm相比，厚度大大减薄，从而使透明导电层的透过率提高，达到94％，这样可以使更多的太阳光照到基板，增加太阳能电池对太阳能的利用率，提高转化效率；同时因为厚度减薄可以使生产效率更高。
参照图4，基板11可以包括衬底111，以及依次形成在衬底111一侧的支撑层112、背电极层113、吸收层114、缓冲层115和窗口层116。
具体的，衬底111的材料可以是脱脂的钙钠玻璃，也可以是不锈钢或有机高分子物等柔性材料，其厚度可以为0.55mm。
支撑层112的材料可以是Mo、Cr、Cu、Ni、NiCr合金、Nb等金属层，也可以是氮化物，如氮化硅，氮化钛，氮化铌等，也可以是氧化物，如氧化钛，氧化锌，氧化锡，氧化硅、掺铝氧化锌等，支撑层112的材料可以是以上列出材料中的一种或几种的混合物。支撑层112的设置是为了提高背电极层113的附着力，其厚度可以为0.02μm。
背电极层113的材料可以是钼，厚度可以为0.5μm。
吸收层114可以为CIGS层，厚度可以为2μm，各元素原子比例分别为Cu占23.5％、In占19.5％、Ga占7％、Se占50％。
缓冲层115可以为CdS层，厚度为0.04μm。
窗口层116可以为i-ZnO层即本征ZnO半导体膜层，厚度可以为0.05μm。
在实际应用中，参照图8，上述实施例中的太阳能电池片还可以包括设置在透明导电层12背离基板11一侧的顶电极层81，其材料可以为铝等，厚度可以为0.05μm。
在本申请另一实施例中，还提供了一种太阳能电池片的制备方法，参照图5，该制备方法可以包括：
步骤501：提供基板。
步骤502：在基板上形成透明导电层，透明导电层包括层叠设置的金属层和第一透明薄膜层。
具体地，第一透明薄膜层的制备工艺可以根据其材料确定，例如当第一透明薄膜层的材料为类金刚石时，可以通过化学气相沉积法形成，当第一透明薄膜层的材料为ITO、FTO或AZO时，可以通过磁控溅射法形成。
金属层的制备可以使用磁控溅射装置，放电气体为Ar气，溅射压力为0.5Pa，使用直流(DC)电源在基板或第一透明薄膜层上沉积得到金属层。制备完成金属层和第一透明薄膜层的太阳能电池片的剖面结构示意图如图1或2所示。
本实施例提供的太阳能电池片的制备方法，通过在透明导电层中形成电阻率更低的金属层，来降低透明导电层的电阻率，使太阳能电池工作时电流损失少，同时可以减薄第一透明薄膜层的厚度，提高广投射率，进而提高太阳能电池对太阳能的利用率；另外，在透明导电层的制备过程不需升温，使工艺更加简单，成本降低，避免基板在高温下发生扭曲。
在实际应用中，当透明导电层还包括第二透明薄膜层时，上述步骤502可以包括：
在基板上依次形成第一透明薄膜层、金属层和第二透明薄膜层，如图3所示。
当第一透明薄膜层和第二透明薄膜层的材料均为类金刚石时，参照图6，上述在基板上依次形成第一透明薄膜层、金属层和第二透明薄膜层的步骤，可以进一步包括：
步骤601：在基板上通过化学气相沉积法形成第一透明薄膜层。
具体地，第一透明薄膜层的制备可以采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术，在基板上制备类金刚石膜层，溅射压力为0.5Pa，厚度可以大于或等于10nm，且小于或等于100nm，例如可以为30nm。
步骤602：在第一透明薄膜层上通过磁控溅射法形成金属层。
具体地，使用磁控溅射装置，放电气体为Ar气，溅射压力为0.5Pa，直流(DC)电源在第一透明薄膜层上沉积如银金属等，厚度可以大于或等于5nm，且小于或等于15nm，例如可以为10nm。
步骤603：在金属层上通过化学气相沉积法形成第二透明薄膜层。
具体地，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术，在金属层上制备类金刚石膜层，溅射压力为0.5Pa，厚度可以大于或等于10nm，且小于或等于100nm，例如可以为40nm。
具体地，参照图7，上述步骤501可以进一步包括：
步骤701：提供衬底。
具体地，衬底111可以是脱脂的钙钠玻璃，也可以是不锈钢或有机高分子物等柔性材料，其厚度可以为0.55mm。
步骤702：在衬底的一侧依次形成支撑层、背电极层、吸收层、缓冲层和窗口层。
具体地，支撑层可以使用磁控溅射装置，放电气体为Ar气，溅射压力为0.5Pa，直流(DC)电源在衬底上沉积如Nb作为支撑层，厚度可以为0.02μm。
背电极层可以使用磁控溅射装置，放电气体为Ar气，溅射压力为0.5Pa，直流(DC)电源在支撑层上沉积如Mo层等，厚度可以为0.5μm。
吸收层可以在背电极层上沉积CIGS膜层，例如在真空蒸镀的装置的腔室中分别配置Cu、In、Se、Ga作为蒸镀源。当腔室内的真空度达到2×10-4Pa时加热上述蒸镀源，使其分别达到1100℃、780℃、950℃、280℃，采用三步共蒸法在背电极层上形成CIGS层。形成CIGS层的具体步骤为：第一步将基底(包括衬底、支撑层和背电极层)温度维持在400的℃同时，蒸发In、Ga和Se以使其沉积；第二步将衬底温度维持在500℃的同时，蒸发Cu和Se以使其沉积；第三步将衬底温度维持在520℃的同时，蒸发In、Ga和Se以使其沉积。获得的吸收层即CIGS膜层厚度为2μm，各元素原子比例为Cu(23.5％)、In(19.5％)、Ga(7％)、Se(50％)。需要注意的是，吸收层不但可以采用三步共蒸法制备，还可以采用磁控溅射法沉积。
缓冲层可以为CdS层，可以利用化学水浴法CBD在吸收层CIGS层上形成，厚度可以为0.04μm。需要注意的是，缓冲层不但可以采用CBD法制备，还可以采用磁控溅射法制备。
窗口层可以采用磁控溅射法制备，采用磁控溅射装置，放电气体为Ar气，溅射压力为0.5Pa，射频(RF)电源在缓冲层上沉积窗口层如本征i-ZnO层，厚度可以为0.05μm。根据以上制备方法得到的基板的剖面结构示意图如图4所示。
在实际应用中，上述太阳能电池片的制备方法还可以包括：在透明导电层背离基板的一侧形成顶电极层。
具体地，可以使用磁控溅射装置，放电气体为Ar气，溅射压力为0.5Pa，直流(DC)电源在透明导电层上沉积顶电极层如Al层，厚度可以为0.05μm。完成制备顶电极层的太阳能电池片的剖面结构示意图如图8所示。
本申请实施例提供了一种太阳能电池片及其制备方法，其中太阳能电池片包括基板以及形成在基板上的透明导电层，透明导电层包括层叠设置的金属层和第一透明薄膜层，通过在透明导电层中设置电阻率更低的金属层，来降低透明导电层的电阻率，使太阳能电池工作时电流损失少，同时低电阻率金属层的存在可以降低透明导电层的厚度，提高光透过率，进而提高太阳能电池的光电转换效率。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种太阳能电池片及其制备方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (14)

1.一种太阳能电池片，其特征在于，所述太阳能电池片包括：
基板以及形成在所述基板上的透明导电层，所述透明导电层包括层叠设置的金属层和第一透明薄膜层。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池片，其特征在于，所述透明导电层还包括第二透明薄膜层，所述金属层设置在所述第一透明薄膜层和所述第二透明薄膜层之间，所述第一透明薄膜层靠近所述基板设置。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池片，其特征在于，所述第一透明薄膜层的材料包括ITO、FTO、AZO和类金刚石中的至少一种，所述第二透明薄膜层的材料包括ITO、FTO、AZO和类金刚石中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的太阳能电池片，其特征在于，当所述第一透明薄膜层和所述第二透明薄膜层的材料为类金刚石时，所述第一透明薄膜层和所述第二透明薄膜层的厚度大于或等于10nm，且小于或等于100nm。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池片，其特征在于，所述金属层的材料包括Cu、Au、Al和Ag中至少一种。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池片，其特征在于，所述金属层的厚度大于或等于5nm，且小于或等于15nm。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池片，其特征在于，所述基板包括：
衬底，以及依次形成在所述衬底一侧的支撑层、背电极层、吸收层、缓冲层和窗口层。
8.根据权利要求7所述的太阳能电池片，其特征在于，所述支撑层的材料包括Mo、Cr、Cu、Ni、NiCr合金、Nb、氮化物和氧化物中至少一种。
9.根据权利要求1所述的太阳能电池片，其特征在于，所述太阳能电池片还包括：
形成在所述透明导电层背离所述基板一侧的顶电极层。
10.一种太阳能电池片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供基板；
在所述基板上形成透明导电层，所述透明导电层包括层叠设置的金属层和第一透明薄膜层。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述透明导电层还包括第二透明薄膜层，在所述基板上形成透明导电层的步骤，包括：
在所述基板上依次形成所述第一透明薄膜层、所述金属层和所述第二透明薄膜层。
12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述第一透明薄膜层和所述第二透明薄膜层的材料均为类金刚石，在所述基板上依次形成所述第一透明薄膜层、所述金属层和所述第二透明薄膜层的步骤，包括：
在所述基板上通过化学气相沉积法形成所述第一透明薄膜层；
在所述第一透明薄膜层上通过磁控溅射法形成所述金属层；
在所述金属层上通过化学气相沉积法形成所述第二透明薄膜层。
13.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述提供基板的步骤，包括：
提供衬底，
在所述衬底的一侧依次形成支撑层、背电极层、吸收层、缓冲层和窗口层。
14.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：
在所述透明导电层背离所述基板的一侧形成顶电极层。
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