CN110364579A - 一种柔性内联式cigs太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性内联式CIGS太阳能电池和制备方法,包括:柔性衬底;背保护层沉积在柔性衬底的下表面;绝缘层,其采用磁控溅射的方法制备在柔性衬底上方;阻挡层采用溅射的方法制备在绝缘层上方;背电极层用溅射的方法制备在阻挡层上方;CIGS吸收层用三步共蒸、溅射硒化方法制备在背电极层上方;缓冲层采用化学水浴工艺制备在CIGS吸收层上方;窗口层用溅射的方法制备在缓冲层上方;前电极层采用溅射的方法制备在窗口层上方;多组刻线,每组刻线包括P1刻线、P2刻线和P3刻线,每组刻线对不同的功能膜层进行刻划,实现了电池内部串联。本发明提高了电池的有效发电面积和电池的效率,产品的质量高、成本低,有利于商业化规模生产。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域,更具体地说,本发明涉及一种柔性内联式CIGS太阳能电池及其制备方法。
背景技术
由于CIGS太阳能电池需要经过500℃以上的高温硒化,所以其衬底就需要耐高温,不锈钢箔具有的柔性和耐高温等特性非常适合制备柔性CIGS太阳能电池,在柔性CIGS电池商业化制造领域得到了普遍采用。目前柔性衬底的CIGS太阳能电池子电池集成互联技术业内普遍采用外部连接方式。外联方式需要在电池片上采用丝网印刷或其它技术制备金属栅线将电流收集引出至Busbar,然后再通过Busbar将子电池的正极和下一片子电池的负极焊接起来,实现子电池互联。该方式的缺陷是死区面积大,占到整个电池面积的6~8%,组件效率损失非常高;同时丝网印刷及Busbar焊接工艺复杂,工艺重复性差,需要消耗大量的银浆,因此电池制造成本下降空间非常小。
本发明提供的柔性衬底CIGS太阳能电池,内部采用集成子电池互联的方式,通过使用波长为1064nm、532nm等波长的亚纳秒激光结合机械划线技术进行电池内部串联,避免了在子电池表面制备栅线收集电流,也无需在子电池之间额外使用Busbar实现子电池的正负极串接,大大降低了电池的“死区”面积,降低了工艺难度,提高电池组件效率的同时,也降低了电池生产成本。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷,并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点,提供了一种柔性内联式CIGS太阳能电池,包括:
柔性衬底;
用以防止硒蒸汽腐蚀衬底的背保护层,其沉积在柔性衬底的下表面;
用以保护柔性衬底不受激光损伤的绝缘层,其采用反应磁控溅射的方法制备在衬底上方;阻挡层,其采用直流溅射的方法制备在绝缘层上方;
背电极层,其采用直流溅射的方法制备在阻挡层上方;CIGS吸收层,其采用三步共蒸、溅射硒化方法制备在背电极层上方;缓冲层,其采用化学水浴工艺制备在CIGS吸收层上方;
窗口层,其采用脉冲直流溅射的方法制备在缓冲层上方;前电极层,其采用脉冲直流溅射的方法制备在窗口层上方;
多组刻线,每组刻线包括P1刻线、P2刻线和P3刻线,其中P1刻线采用卷对卷亚纳秒激光下打光方式将阻挡层和背电极层完全刻断,P1刻线一直刻划到绝缘层表面,使第一道刻线P1刻线两侧的子电池完全绝缘,同时对绝缘层不造成损伤;P2刻线采用卷对卷机械刻线将CIGS吸收层、缓冲层两层薄膜完全刻断,P2刻线下端刻划至背电极层上表面,保证P2刻线两侧的子电池通过P2刻线沟槽接触导通,且P2刻线与P1刻线是平行设置;P3刻线采用卷对卷机械刻线将前电极层、窗口层、缓冲层以及CIGS吸收层完全刻划刻断,其下端刻划至背电极层上表面,保证P3刻线两侧的子电池的前电极完全断开,同样的,P3刻线与P1刻线保持平行。
优选的是,其中,所述柔性衬底为耐高温柔性衬底;背保护层为和柔性衬底结合较好且在高温下特性比较稳定的涂层;绝缘层为氮化铝绝缘层、二氧化硅绝缘层、二氧化钛绝缘层、氧化锌绝缘层、氮化硅绝缘层和三氧化二铝绝缘层中的一种;阻挡层为铬阻挡层、铝阻挡层、钛阻挡层、铬镍合金阻挡层或者钨钛合金阻挡层中的一种;背电极层为和CIGS晶格匹配好,高温下特性稳定,导电性好、反光性好的金属涂层;缓冲层为和CIGS晶格匹配度较好的化合物薄膜层;窗口层为高阻高透光薄膜层;前电极层为透明导电氧化物薄膜。
优选的是,其中,所述柔性衬底为柔性不锈钢衬底或柔性聚酰亚胺衬底;背保护层为背钼保护层,背电极层为背钼电极层,缓冲层为硫化镉缓冲层或硫化铟缓冲层,窗口层为i-ZnO窗口层,前电极层为ITO前电极层、AZO前电极层、FTO前电极层中的一种。
优选的是,其中,所述每组的P1刻线、P2刻线和P3刻线,其中,P2刻线位于P1刻线和P2刻线之间,相邻两条P2刻线的间距为5000~6000um,每组刻线中的P1刻线与P2刻线间距为100~150um,每组刻线中的P3刻线与P1刻线间距为200~260um,相邻两条P3刻线间距也为5000~6000um。
优选的是,其中,所述每组刻线之间采用平行的间隔设置。
优选的是,其中,电池组件四周采用激光或机械刻线技术刻一圈绝缘线,绝缘线刻划掉绝缘层上方所有膜层。
优选的是,其中,所述绝缘层采用加厚的设置。
优选的是,其中,柔性内联式CIGS太阳能电池制备方法包括以下步骤:
步骤一、在厚度为20~150um的柔性衬底上制备1500~2000nm厚的绝缘层,制备方法为反应磁控溅射方法,使用的溅射靶材材质为铝,并且在溅射时通入N2和Ar的混合气体,溅射时的本底真空度小于等于5.0×10﹣3Pa,功率密度为0.1~20W/cm2,工作气压为0.1~10Pa,不锈钢衬底温度为20~400℃,溅射时间为5~20min,N2流量为10~30sccm,Ar流量为90~150sccm;
步骤二、在绝缘层上采用直流溅射的方法制备厚度为50~200nm的阻挡层,制备使用的靶材是铬靶,制备过程中通入Ar,溅射时的本底真空度小于等于5.0×10﹣3Pa,溅射功率3~6kW,工作气压为0.5~0.8Pa,不锈钢衬底温度为20~400℃,溅射时间为5~10min,Ar流量为100~150sccm;
步骤三、在阻挡层上采用直流溅射的方法制备厚度为300nm~700nm的背电极层,制备使用的靶材是钼靶,制备过程中通入Ar,溅射时的本底真空度小于等于5.0×10﹣3Pa,溅射功率为3~10kW,工作气压为0.5~0.8Pa,不锈钢衬底温度为20~400℃,溅射时间为5~10min,Ar流量为100~200sccm;
步骤四、采用波长为1064nm或532nm的卷对卷亚纳秒激光下打光方式对已经制备的阻挡层和背电极层进行刻划,形成第一道划线P1刻线,划线宽度为40~80um,P1刻线一直划到绝缘层上表面,使P1刻线两侧的子电池阻挡层和背电极层完全绝缘,同时不能损伤底部的绝缘层,所使用的亚纳秒激光脉冲宽度为600~2000皮秒,光束模式为TEM00重复频率为10kHZ~100kHZ,激光功率为0.5~3W,刻线速度为1200mm/s;
步骤五、在背电极层上采用三步共蒸方法制备厚度为1500~2400nm的CIGS吸收层,本底真空度小于等于5.0×10﹣4Pa,第一步蒸发铟、镓、硒,衬底温度300~350℃,镓源温度900~1200℃、铟源温度700~1100℃,硒源温度300~450℃;第二步蒸发铜、硒,衬底温度480~580℃,铜源蒸发温度1200~1500℃,硒源蒸发温度300~450℃;第三步蒸发铟、镓、硒,衬底温度450~550℃,镓源温度900~1200℃、铟源温度700~1100℃,硒源温度300~450℃;沉积时间5~10min;
步骤六、在CIGS吸收层上采用化学水浴工艺制备50nm厚的缓冲层,化学水浴使用的氨水浓度为10~26wt%,硫酸镉浓度0.1~1wt%,硫脲浓度3~8wt%,纯水流量1000~1500ml/min,氨水流量600~1200ml/min,硫脲流量3000~3600ml/min,硫酸镉流量350ml~600ml,药液预热温度30~60℃,水浴反应温度50至80℃,水浴沉积时间3min~10min;
步骤七、采用卷对卷机械刻划方式完成第二道刻线P2刻线,P2刻线宽度为50~110um,P2刻线将缓冲层、CIGS吸收层完全刻断,并且不损伤背电极层表面,实现子电池背电极和下个子电池前电极的连通,第二道刻线P2刻线与第一道刻线P1刻线保持平行,线间距为90~140um,采用碳化钨刻针进行刻线,刻针针头直径为50~110um,刻划的线速度为1200~2000mm/s;
步骤八、缓冲层上采用脉冲直流溅射工艺沉积20~100nm厚的窗口层,在窗口层上采用相同的方式沉积50~150nm厚的前电极层,溅射时的本底真空度小于等于5.0×10﹣4Pa,功率为3~5kW,工作气压为0.1~1Pa,不锈钢衬底温度为20~200℃,溅射时间为5~10min,O2流量为20~30sccm,Ar流量为100~150sccm,沉积ITO的本底真空度小于等于5.0×10﹣ 4Pa,功率3~6kW,工作气压为0.1~1Pa,不锈钢衬底温度为20~200℃,溅射时间为5~10min,02流量为5~6sccm,Ar流量为100~150sccm,H2流量为10~20sccm;
步骤九、采用卷对卷机械划刻方式完成第三道刻线P3刻线,P3刻线宽为30~70um,同样采用刻针刻线,碳化钨刻针直径为30~70um,刻划时的线速度为1200~2000mm/s,P3刻线将前电极层、窗口层、缓冲层、铜CIGS吸收层四层薄膜完全刻断,并且不损伤背电极层表面,实现子电池前电极的完全绝缘,第三道刻线P3刻线与第一道刻线P1刻线保持平行,两条线间距为245um;到此为止,完成CIGS太阳能电池组件子电池的内联。
优选的是,其中,为了避免将绝缘层损伤,激光通过聚焦透镜进行聚焦后,经过扩束镜进行扩束,然后经过激光整形透镜,将激光能量从高斯分布整形为平顶分布,最后再次进行聚焦透镜将激光聚焦,得到能量均匀分布的平顶光束,利用该平顶光束将背电极层、阻挡层刻断。
本发明至少包括以下有益效果:提供一种柔性衬底表面绝缘阻挡层AlN(该绝缘阻挡层也可以是SiO2、Al2O3、TiO2、ZnO、Si3N4或TiN中一层或多层复合化合物绝缘薄膜),阻挡CIGS高温制程中衬底中的杂质离子向CIGS吸收层扩散,抑制低能级缺陷态生成,提高载流子寿命。另外该阻挡层在高温制程后,仍能保持其优异的绝缘特性,实现柔性衬底与CIGS太阳能电池背电极层的绝缘,为刻线方式实现CIGS内部集成子电池互联提供了前提保障,在柔性衬底正面制备较厚的绝缘阻挡层,有利于对第一道刻线实施激光刻线,避免高能激光损伤柔性衬底;柔性衬底太阳能电池组件的内部集成互联三道刻线的刻划,实现太阳能电池组件的子电池内联,避免了密集的栅线及Busbar造成的死区面积大、原材料成本高等弊端,从而提高了组件效率;降低了设备、人员以及原材料成本。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现,部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明:
图1为本发明提供的柔性内联式CIGS太阳能电池结构示意图;
图2为本发明提供的柔性内联式CIGS太阳能电池局部剖视结构示意图;
图3为本发明提供的柔性内联式CIGS太阳能电池的俯视图。
具体实施方式:
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明,以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解,本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1-3所示:本发明的一种柔性内联式CIGS太阳能电池,包括:
柔性衬底2;
用以防止硒蒸汽腐蚀衬底的背保护层1,其镀在柔性衬底2的下表面;
用以保护柔性衬底不受激光损伤的绝缘层3,其采用反应磁控溅射的方法制备在衬底2上方;阻挡层4,其采用直流溅射的方法制备在绝缘层3上方;
背电极层5,其采用直流溅射的方法制备在阻挡层4上方;CIGS吸收层6,其采用三步共蒸、溅射硒化方法制备在背电极层5上方;缓冲层7,其采用化学水浴工艺制备在CIGS吸收层6上方;
窗口层8,其采用脉冲直流溅射的方法制备在缓冲层7上方;前电极层9,其采用脉冲直流溅射的方法制备在窗口层8上方;
多组刻线,每组刻线包括P1刻线13、P2刻线14和P3刻线15,其中P1刻线13采用卷对卷亚纳秒激光下打光方式将阻挡层4和背电极层5完全刻断,P1刻线13下端刻划至绝缘层3上表面,使P1刻线两侧的子电池完全绝缘,同时保证对氧化铝绝缘层不能造成损伤;P2刻线14采用卷对卷机械刻线将CIGS吸收层6、缓冲层7两层薄膜完全刻断,P2刻线14下端刻划至背电极层5上表面,保证前电极和背电极通过P2刻线沟槽接触导通,且P2刻线14与P1刻线13是平行设置;P3刻线15采用卷对卷机械刻线线将前电极层9、窗口层8、缓冲层7以及CIGS吸收层6完全刻划刻断,P3刻线下端刻划至背电极层5上表面,并且不伤及背电极层表面,保证P3刻线两侧的子电池前电极完全断开,同样的,P3刻线15与P1刻线13保持平行。
工作原理:通过P1刻线13、P2刻线14和P3刻线15对不同的膜层进行刻划,实现子电池内部串联,在本柔性内联式CIGS太阳能电池工作时,整个太阳能电池一端作为正极,另一端为负极,电池正极与负极之间连接需要供电的元器件,电流从正极流出电池,从负极流回电池,前电极层与背电极层之间的电流方向为从背电极层流向前电极层,在太阳能电池内部,由于P1刻线、P2刻线和P3刻线的刻断效果,电流在各层未刻断的部分之间流动;缓冲层7有效的缓解窗口层与CIGS吸收层之间的能带不连续,另外由于缓冲层具有较高的透光性和较高的电阻,可使可见光有效透过缓冲层7,从而被CIGS吸收层吸收;窗口层要求具有较高的透光性,该层可以增加太阳能电池的开路电压,提高电池特性,阻挡层4能阻隔衬底2中的杂质离子透过背电极层5扩散到CIGS吸收层6中,避免杂质离子对太阳能电池工作产生影响;前电极层要求具有高透光和高导电性,用于收集电流。
另一种实例中,所述柔性衬底2为耐高温柔性衬底;背保护层1为和柔性衬底结合较好且在高温下特性比较稳定的涂层;绝缘层3为氮化铝绝缘层、二氧化硅绝缘层、二氧化钛绝缘层、氧化锌绝缘层、氮化硅绝缘层和三氧化二铝绝缘层中的一种;阻挡层4为铬阻挡层、铝阻挡层、钛阻挡层、铬镍合金阻挡层或者钨钛合金阻挡层中的一种;背电极层5为和CIGS晶格匹配好,高温下特性稳定,导电性好、反光性好的金属涂层;缓冲层7为和CIGS晶格匹配度较好的化合物薄膜层;窗口层8为高阻高透光薄膜层;前电极层9为透明导电氧化物薄膜。
另一种实例中,所述柔性衬底2为柔性不锈钢衬底或柔性聚酰亚胺衬底;背保护层1为背钼保护层,背电极层5为背钼电极层,缓冲层7为硫化镉缓冲层或硫化铟缓冲层,窗口层8为i-ZnO窗口层,前电极层9为ITO前电极层、AZO前电极层、FTO前电极层中的一种。
另一种实例中,所述每组的P1刻线13、P2刻线14和P3刻线15,其中,P2刻线14位于P1刻线13和P2刻线15之间,相邻两条P2刻线14的间距为5000~6000um,每组刻线中的P1刻线13与P2刻线14间距为100~150um,每组刻线中的P3刻线15与P1刻线13间距为200~260um,相邻两条P3刻线15间距也为5000~6000um。
另一种实例中,所述每组刻线之间采用平行的间隔设置。
另一种实例中,通过P1刻线13、P2刻线14和P3刻线15对不同的膜层进行刻划,实现了电池内部串联,电池组件四周采用激光或机械刻线技术刻划一圈绝缘线12,避免因边缘短路造成电池性能下降;
另一种实例中,所述绝缘层3采用加厚的设置,其作用为:阻挡CIGS高温制备过程中,柔性衬底中的杂质离子向CIGS吸收层扩散,抑制低能级缺陷态生成,提高载流子寿命,另外该阻挡层在高温制成后,仍能保持其优异的绝缘性,实现不锈钢箔与CIGS太阳能电池背电极层的绝缘,为刻线方式实现CIGS内部集成子电池互联提供流入前提保障,在柔性衬底正面制备较厚的绝缘阻挡层层,有利于对第一道刻线实施激光刻线,避免高能激光损伤柔性衬底。
另一种实例中,为了避免将绝缘层3损伤,激光通过聚焦透镜进行聚焦后,经过扩束镜进行扩束,然后经过激光整形透镜,将激光能量从高斯分布整形为平顶分布,最后再次进行聚焦透镜将激光聚焦,得到能量均匀分布的平顶光束,利用该平顶光束将背电极层、阻挡层刻断。
实施例1:
步骤一、在厚度为30um的柔性不锈钢衬底上制备1500nm厚的氮化铝绝缘层,制备方法为反应磁控溅射方法,使用的溅射靶材材质为铝,并且在溅射时通入N2和Ar的混合气体,溅射时的本底真空度小于等于5.0×10﹣3Pa,功率密度为0.1W/cm2,工作气压为0.1Pa,不锈钢衬底温度为20℃,溅射时间为5min,N2流量为10~30sccm,Ar流量为90sccm;
步骤二、在绝缘层上采用直流溅射的方法制备厚度为100nm的铬阻挡层,制备使用的靶材是铬靶,制备过程中通入Ar,溅射时的本底真空度小于等于5.0×10﹣3Pa,溅射功率3kW,工作气压为0.5Pa,不锈钢衬底温度为20℃,溅射时间为5min,Ar流量为100sccm;
步骤三、在铬阻挡层上采用直流溅射的方法制备厚度为300nm的背钼电极层,制备使用的靶材是钼靶,制备过程中通入Ar,溅射时的本底真空度小于等于5.0×10﹣3Pa,溅射功率为3kW,工作气压为0.5Pa,不锈钢衬底温度为20℃,溅射时间为5min,Ar流量为100sccm;
步骤四、采用波长为1064nm的卷对卷亚纳秒激光下打光方式对已经制备的铬阻挡层和背钼电极层进行刻划,形成第一道划线P1刻线,划线宽度为45um,P1刻线一直划到绝缘层上表面,使P1刻线两侧的子电池阻挡层和背钼电极层完全绝缘,同时不能损伤底部的氮化铝绝缘层,所使用的亚纳秒激光脉冲宽度为600皮秒,光束模式为TEM00重复频率为10kHZ,激光功率为0.5W,刻线速度为1200mm/s;
步骤五、在背钼电极层上采用三步共蒸方法制备厚度为1800nm的CIGS吸收层,本底真空度小于等于5.0×10﹣4Pa,第一步蒸发铟、镓、硒,衬底温度300℃,镓源温度900℃、铟源温度700℃,硒源温度300℃;第二步蒸发铜、硒,衬底温度480℃,铜源蒸发温度1200℃,硒源蒸发温度300℃;第三步蒸发铟、镓、硒,衬底温度450℃,镓源温度900℃、铟源温度700℃,硒源温度300℃;沉积时间5min;
步骤六、在CIGS吸收层上采用化学水浴工艺制备50nm厚的硫化镉缓冲层,化学水浴使用的氨水浓度为19wt%,硫酸镉浓度0.1wt%,硫脲浓度3wt%,纯水流量1000ml/min,氨水流量600ml/min,硫脲流量3000ml/min,硫酸镉流量350ml,药液预热温度300℃,水浴反应温度50℃,水浴沉积时间3min;
步骤七、采用卷对卷机械刻划方式完成第二道刻线P2刻线,P2刻线宽度为70um,P2刻线将硫化镉缓冲层、CIGS吸收层完全刻断,并且不损伤背钼电极层表面,实现子电池背电极和下个子电池前电极的连通,第二道刻线P2刻线与第一道刻线P1刻线保持平行,线间距为115um,采用碳化钨刻针进行刻线,刻针针头直径为70um,刻划的线速度为1200mm/s;
步骤八、硫化镉缓冲层上采用脉冲直流溅射工艺沉积30nm厚的i-ZnO窗口层,在i-ZnO窗口层上采用相同的方式沉积120nm厚的前电极层,溅射时的本底真空度小于等于5.0×10﹣4Pa,功率为3kW,工作气压为0.1Pa,不锈钢衬底温度为20℃,溅射时间为5min,O2流量为20sccm,Ar流量为100sccm,沉积ITO的本底真空度小于等于5.0×10﹣4Pa,功率3kW,工作气压为0.1Pa,不锈钢衬底温度为20℃,溅射时间为5min,02流量为5sccm,Ar流量为100sccm,H2流量为10sccm;
步骤九、采用卷对卷机械划刻方式完成第三道刻线P3刻线,P3刻线宽为50um,同样采用刻针刻线,碳化钨刻针直径为50um,刻划时的线速度为1200mm/s,P3刻线将ITO前电极层、i-ZnO窗口层、硫化镉缓冲层、铜CIGS吸收层四层薄膜完全刻断,并且不损伤背钼电极层表面,实现子电池前电极的完全绝缘,第三道刻线P3刻线与第一道刻线P1刻线保持平行,两条线间距为245um;到此为止,完成CIGS太阳能电池组件子电池的内联。
实施例2:
步骤一、在厚度为40um的柔性不锈钢衬底上制备1800nm厚的绝缘层,制备方法为反应磁控溅射方法,使用的溅射靶材材质为铝,并且在溅射时通入N2和Ar的混合气体,溅射时的本底真空度小于等于5.0×10﹣3Pa,功率密度为10W/cm2,工作气压为8Pa,不锈钢衬底温度为100℃,溅射时间为10min,N2流量为20sccm,Ar流量为100sccm;
步骤二、在氮化铝绝缘层上采用直流溅射的方法制备厚度为100nm的铬阻挡层,制备使用的靶材是铬靶,制备过程中通入Ar,溅射时的本底真空度小于等于5.0×10﹣3Pa,溅射功率5kW,工作气压为0.5~0.8Pa,不锈钢衬底温度为100℃,溅射时间为8min,Ar流量为120sccm;
步骤三、在铬阻挡层上采用直流溅射的方法制备厚度为500nm的背钼电极层,制备使用的靶材是钼靶,制备过程中通入Ar,溅射时的本底真空度小于等于5.0×10﹣3Pa,溅射功率为5kW,工作气压为0.6Pa,不锈钢衬底温度为100℃,溅射时间为6min,Ar流量为150sccm;
步骤四、采用波长为1064nm的卷对卷亚纳秒激光下打光方式对已经制备的铬阻挡层和背钼电极层进行刻划,形成第一道划线P1刻线,划线宽度为45um,P1刻线一直划到绝缘层上表面,使P1刻线两侧的子电池阻挡层和背钼电极层完全绝缘,同时不能损伤底部的氮化铝绝缘层,所使用的亚纳秒激光脉冲宽度为1000皮秒,光束模式为TEM00重复频率为50kHZ,激光功率为2W,刻线速度为1200mm/s;
步骤五、在背钼电极层上采用三步共蒸方法制备厚度为1800nm的CIGS吸收层,本底真空度小于等于5.0×10﹣4Pa,第一步蒸发铟、镓、硒,衬底温度320℃,镓源温度1000℃、铟源温度1000℃,硒源温度400℃;第二步蒸发铜、硒,衬底温度500℃,铜源蒸发温度1300℃,硒源蒸发温度400℃;第三步蒸发铟、镓、硒,衬底温度500℃,镓源温度1000℃、铟源温度1000℃,硒源温度400℃;沉积时间8min;
步骤六、在CIGS吸收层上采用化学水浴工艺制备50nm厚的硫化镉缓冲层,化学水浴使用的氨水浓度为20wt%,硫酸镉浓度0.2wt%,硫脲浓度4wt%,纯水流量1200ml/min,氨水流量1000ml/min,硫脲流量3200ml/min,硫酸镉流量400ml,药液预热温度50℃,水浴反应温度60℃,水浴沉积时间5min;
步骤七、采用卷对卷机械刻划方式完成第二道刻线P2刻线,P2刻线宽度为70um,P2刻线将硫化镉缓冲层、CIGS吸收层完全刻断,并且不损伤背钼电极层表面,实现子电池背电极和下个子电池前电极的连通,第二道刻线P2刻线与第一道刻线P1刻线保持平行,线间距为115um,采用碳化钨刻针进行刻线,刻针针头直径为70um,刻划的线速度为1800mm/s;
步骤八、硫化镉缓冲层上采用脉冲直流溅射工艺沉积30nm厚的i-ZnO窗口层,在i-ZnO窗口层上采用相同的方式沉积120nm厚的ITO前电极层,溅射时的本底真空度小于等于5.0×10﹣4Pa,功率为4kW,工作气压为0.8Pa,不锈钢衬底温度为100℃,溅射时间为8min,O2流量为15sccm,Ar流量为120sccm,沉积ITO的本底真空度小于等于5.0×10﹣4Pa,功率5kW,工作气压为0.8Pa,不锈钢衬底温度为100℃,溅射时间为8min,02流量为5sccm,Ar流量为150sccm,H2流量为15sccm;
步骤九、采用卷对卷机械划刻方式完成第三道刻线P3刻线,P3刻线宽为50um,同样采用刻针刻线,碳化钨刻针直径为50um,刻划时的线速度为2000mm/s,P3刻线将ITO前电极层、i-ZnO窗口层、硫化镉缓冲层、铜CIGS吸收层四层薄膜完全刻断,并且不损伤背钼电极层表面,实现子电池前电极的完全绝缘,第三道刻线P3刻线与第一道刻线P1刻线保持平行,两条线间距为245um;到此为止,完成CIGS太阳能电池组件子电池的内联。
实施例3:
步骤一、在厚度为50um的柔性不锈钢衬底上制备2000nm厚的氮化铝绝缘层,制备方法为反应磁控溅射方法,使用的溅射靶材材质为铝,并且在溅射时通入N2和Ar的混合气体,溅射时的本底真空度小于等于5.0×10﹣3Pa,功率密度为20W/cm2,工作气压为10Pa,不锈钢衬底温度为400℃,溅射时间为20min,N2流量为30sccm,Ar流量为150sccm;
步骤二、在氮化铝绝缘层上采用直流溅射的方法制备厚度为100nm的铬阻挡层,制备使用的靶材是铬靶,制备过程中通入Ar,溅射时的本底真空度小于等于5.0×10﹣3Pa,溅射功率6kW,工作气压为0.8Pa,不锈钢衬底温度为400℃,溅射时间为10min,Ar流量为150sccm;
步骤三、在铬阻挡层上采用直流溅射的方法制备厚度为700nm的背钼电极层,制备使用的靶材是钼靶,制备过程中通入Ar,溅射时的本底真空度小于等于5.0×10﹣3Pa,溅射功率为10kW,工作气压为0.8Pa,不锈钢衬底温度为400℃,溅射时间为10min,Ar流量为200sccm;
步骤四、采用波长为1064nm的卷对卷亚纳秒激光下打光方式对已经制备的铬阻挡层和背钼电极层进行刻划,形成第一道划线P1刻线,划线宽度为45um,P1刻线一直划到氮化铝绝缘层上表面,使P1刻线两侧的子电池铬阻挡层和背钼电极层完全绝缘,同时不能损伤底部的氮化铝绝缘层,所使用的亚纳秒激光脉冲宽度为2000皮秒,光束模式为TEM00重复频率为100kHZ,激光功率为3W,刻线速度为1200mm/s;
步骤五、在钼背钼电极层上采用三步共蒸发的方法制备厚度为1800nm的CIGS吸收层,本底真空度小于等于5.0×10﹣4Pa,第一步蒸发铟、镓、硒,衬底温度350℃,镓源温度1200℃、铟源温度1100℃,硒源温度450℃;第二步蒸发铜、硒,衬底温度580℃,铜源蒸发温度1500℃,硒源蒸发温度450℃;第三步蒸发铟、镓、硒,衬底温度550℃,镓源温度1200℃、铟源温度1100℃,硒源温度450℃;沉积时间10min;
步骤六、在CIGS吸收层上采用化学水浴工艺制备50nm厚的硫化镉缓冲层,化学水浴使用的氨水浓度为26%,硫酸镉浓度0.4%,硫脲浓度5%,纯水流量1500ml/min,氨水流量1200ml/min,硫脲流量3600ml/min,硫酸镉流量600ml,药液预热温度60℃,水浴反应温度80℃,水浴沉积时间10min;
步骤七、采用卷对卷机械刻划方式完成第二道刻线P2刻线,P2刻线宽度为70um,P2刻线将硫化镉缓冲层、CIGS吸收层完全刻断,并且不损伤背钼电极层表面,实现子电池背电极和下个子电池前电极的连通,第二道刻线P2刻线与第一道刻线P1刻线保持平行,线间距为115um,采用碳化钨刻针进行刻线,刻针针头直径为70um,刻划的线速度为2000mm/s;
步骤八、硫化镉缓冲层上采用脉冲直流溅射工艺沉积30nm厚的i-ZnO窗口层,在i-ZnO窗口层上采用相同的方式沉积120nm厚的ITO电极层,溅射时的本底真空度小于等于5.0×10﹣3Pa,功率为5kW,工作气压为1Pa,不锈钢衬底温度为200℃,溅射时间为10min,O2流量为30sccm,Ar流量为150sccm,沉积ITO的本底真空度小于等于5.0×10﹣4Pa,功率6kW,工作气压为1Pa,不锈钢衬底温度为200℃,溅射时间为10min,02流量为6sccm,Ar流量为150sccm,H2流量为20sccm;
步骤九、采用卷对卷机械划刻方式完成第三道刻线P3刻线,P3刻线宽为50um,同样采用刻针刻线,碳化钨刻针直径为50um,刻划时的线速度为2000mm/s,P3刻线将ITO电极层、i-ZnO窗口层、硫化镉缓冲层、铜CIGS吸收层四层薄膜完全刻断,并且不损伤背钼电极层表面,实现子电池前电极的完全绝缘,第三道刻线P3刻线与第一道刻线P1刻线保持平行,两条线间距为245um;到此为止,完成CIGS太阳能电池组件子电池的内联。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上,但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用,它完全可以被适用于各种适合本发明的领域,对于熟悉本领域的人员而言,可容易地实现另外的修改,因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下,本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (9)
1.一种柔性内联式CIGS太阳能电池,其特征在于,包括:
柔性衬底;
用以防止硒蒸汽腐蚀衬底的背保护层,其沉积在柔性衬底的下表面;
用以保护柔性衬底不受激光损伤的绝缘层,其采用反应磁控溅射的方法制备在衬底上方;阻挡层,其采用直流溅射的方法制备在绝缘层上方;
背电极层,其采用直流溅射的方法制备在阻挡层上方;CIGS吸收层,其采用三步共蒸、溅射硒化方法制备在背电极层上方;缓冲层,其采用化学水浴工艺制备在CIGS吸收层上方;
窗口层,其采用脉冲直流溅射的方法制备在缓冲层上方;前电极层,其采用脉冲直流溅射的方法制备在窗口层上方;
多组刻线,每组刻线包括P1刻线、P2刻线和P3刻线,其中P1刻线采用卷对卷亚纳秒激光下打光方式将阻挡层和背电极层完全刻断,P1刻线一直刻划到绝缘层表面,使第一道刻线P1刻线两侧的子电池完全绝缘,同时对绝缘层不造成损伤;P2刻线采用卷对卷机械刻线将CIGS吸收层、缓冲层两层薄膜完全刻断,P2刻线下端刻划至背电极层上表面,保证P2刻线两侧的子电池通过P2刻线沟槽接触导通,且P2刻线与P1刻线是平行设置;P3刻线采用卷对卷机械刻线将前电极层、窗口层、缓冲层以及CIGS吸收层完全刻划刻断,其下端刻划至背电极层上表面,保证P3刻线两侧的子电池的前电极完全断开,同样的,P3刻线与P1刻线保持平行。
2.如权利要求1所述的柔性衬底内联式太阳能电池,其特征在于,所述柔性衬底为耐高温柔性衬底;背保护层为和柔性衬底结合较好且在高温下特性比较稳定的涂层;绝缘层为氮化铝绝缘层、二氧化硅绝缘层、二氧化钛绝缘层、氧化锌绝缘层、氮化硅绝缘层和三氧化二铝绝缘层中的一种;阻挡层为铬阻挡层、铝阻挡层、钛阻挡层、铬镍合金阻挡层或者钨钛合金阻挡层中的一种;背电极层为和CIGS晶格匹配好,高温下特性稳定,导电性好、反光性好的金属涂层;缓冲层为和CIGS晶格匹配度较好的化合物薄膜层;窗口层为高阻高透光薄膜层;前电极层为透明导电氧化物薄膜。
3.如权利要求1所述的柔性内联式CIGS太阳能电池,其特征在于,所述柔性衬底为耐高温,性能稳定的材料,比如柔性不锈钢衬底或柔性聚酰亚胺衬底;背保护层为背钼保护层,背电极层为背钼电极层,缓冲层为硫化镉缓冲层或硫化铟缓冲层,窗口层为i-ZnO窗口层,前电极层为ITO前电极层、AZO前电极层、FTO前电极层中的一种。
4.如权利要求1所述的柔性内联式CIGS太阳能电池,其特征在于,所述每组的P1刻线、P2刻线和P3刻线,其中,P2刻线位于P1刻线和P2刻线之间,相邻两条P2刻线的间距为5000~6000um,每组刻线中的P1刻线与P2刻线间距为100~150um,每组刻线中的P3刻线与P1刻线间距为200~260um,相邻两条P3刻线间距也为5000~6000um。
5.如权利要求1所述的柔性内联式CIGS太阳能电池,其特征在于,所述每组刻线之间采用平行的间隔设置。
6.如权利要求1所述的柔性内联式CIGS太阳能电池,其特征在于,电池组件四周采用激光或机械刻线技术刻一圈绝缘线,绝缘线刻划掉绝缘层上方所有膜层。
7.如权利要求1所述的柔性内联式CIGS太阳能电池,其特征在于,所述绝缘层采用加厚的设置。
8.一种如权利要求1~7任一项所述的柔性内联式CIGS太阳能电池,其特征在于,其制备方法包括以下步骤:
步骤一、在厚度为20~150um的柔性衬底上制备1500~2000nm厚的绝缘层,制备方法为反应磁控溅射方法,使用的溅射靶材材质为铝,并且在溅射时通入N2和Ar的混合气体,溅射时的本底真空度小于等于5.0×10﹣3Pa,功率密度为0.1~20W/cm2,工作气压为0.1~10Pa,不锈钢衬底温度为20~400℃,溅射时间为5~20min,N2流量为10~30sccm,Ar流量为90~150sccm;
步骤二、在绝缘层上采用直流溅射的方法制备厚度为50~200nm的阻挡层,制备使用的靶材是铬靶,制备过程中通入Ar,溅射时的本底真空度小于等于5.0×10~3Pa,溅射功率3~6kW,工作气压为0.5~0.8Pa,不锈钢衬底温度为20~400℃,溅射时间为5~10min,Ar流量为100~150sccm;
步骤三、在阻挡层上采用直流溅射的方法制备厚度为300nm~700nm的背电极层,制备使用的靶材是钼靶,制备过程中通入Ar,溅射时的本底真空度小于等于5.0×10﹣3Pa,溅射功率为3~10kW,工作气压为0.5~0.8Pa,不锈钢衬底温度为20~400℃,溅射时间为5~10min,Ar流量为100~200sccm;
步骤四、采用波长为1064nm或532nm的卷对卷亚纳秒激光下打光方式对已经制备的阻挡层和背电极层进行刻划,形成第一道划线P1刻线,划线宽度为40~80um,P1刻线一直划到绝缘层上表面,使P1刻线两侧的子电池阻挡层和背电极层完全绝缘,同时不能损伤底部的绝缘层,所使用的亚纳秒激光脉冲宽度为600~2000皮秒,光束模式为TEM00重复频率为10kHZ~100kHZ,激光功率为0.5~3W,刻线速度为1200mm/s;
步骤五、在背电极层上采用三步共蒸方法制备厚度为1500~2400nm的CIGS吸收层,本底真空度小于等于5.0×10﹣4Pa,第一步蒸发铟、镓、硒,衬底温度300~350℃,镓源温度900~1200℃、铟源温度700~1100℃,硒源温度300~450℃;第二步蒸发铜、硒,衬底温度480~580℃,铜源蒸发温度1200~1500℃,硒源蒸发温度300~450℃;第三步蒸发铟、镓、硒,衬底温度450~550℃,镓源温度900~1200℃、铟源温度700~1100℃,硒源温度300~450℃;沉积时间5~10min;
步骤六、在CIGS吸收层上采用化学水浴工艺制备50nm厚的缓冲层,化学水浴使用的氨水浓度为10~26wt%,硫酸镉浓度0.1~1wt%,硫脲浓度3~8wt%,纯水流量1000~1500ml/min,氨水流量600~1200ml/min,硫脲流量3000~3600ml/min,硫酸镉流量350ml~600ml,药液预热温度30~60℃,水浴反应温度50至80℃,水浴沉积时间3min~10min;
步骤七、采用卷对卷机械刻划方式完成第二道刻线P2刻线,P2刻线宽度为50~110um,P2刻线将缓冲层、CIGS吸收层完全刻断,并且不损伤背电极层表面,实现子电池背电极和下个子电池前电极的连通,第二道刻线P2刻线与第一道刻线P1刻线保持平行,线间距为90~140um,采用碳化钨刻针进行刻线,刻针针头直径为50~110um,刻划的线速度为1200~2000mm/s;
步骤八、缓冲层上采用脉冲直流溅射工艺沉积20~100nm厚的窗口层,在窗口层上采用相同的方式沉积50~150nm厚的前电极层,溅射时的本底真空度小于等于5.0×10﹣4Pa,功率为3~5kW,工作气压为0.1~1Pa,不锈钢衬底温度为20~200℃,溅射时间为5~10min,O2流量为20~30sccm,Ar流量为100~150sccm,沉积ITO的本底真空度小于等于5.0×10﹣4Pa,功率3~6kW,工作气压为0.1~1Pa,不锈钢衬底温度为20~200℃,溅射时间为5~10min,02流量为5~6sccm,Ar流量为100~150sccm,H2流量为10~20sccm;
步骤九、采用卷对卷机械划刻方式完成第三道刻线P3刻线,P3刻线宽为30~70um,同样采用刻针刻线,碳化钨刻针直径为30~70um,刻划时的线速度为1200~2000mm/s,P3刻线将前电极层、窗口层、缓冲层、铜CIGS吸收层四层薄膜完全刻断,并且不损伤背电极层表面,实现子电池前电极的完全绝缘,第三道刻线P3刻线与第一道刻线P1刻线保持平行,两条线间距为245um;到此为止,完成CIGS太阳能电池组件子电池的内联。
9.如权利要求8所述的柔性内联式CIGS太阳能电池的制备方法,其特征在于,为了避免将绝缘层损伤,激光通过聚焦透镜进行聚焦后,经过扩束镜进行扩束,然后经过激光整形透镜,将激光能量从高斯分布整形为平顶分布,最后再次进行聚焦透镜将激光聚焦,得到能量均匀分布的平顶光束,利用该平顶光束将背电极层、阻挡层刻断。
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