CN204204871U - 柔性衬底CdTe薄膜太阳能电池 - Google Patents

柔性衬底CdTe薄膜太阳能电池 Download PDF

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苏青峰
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Abstract

本实用新型公开一种柔性衬底CdTe薄膜太阳能电池，其由以下7个部分组合而成：1)、透明的柔性衬底薄膜材料层；2)、在所述柔性衬底薄膜材料层上低温沉积有ZnxCd1-xO形成的透明导电薄膜层；3)、在所述透明导电薄膜层的部分位置上形成负极；4)、设置在所述透明导电薄膜层上的CdS薄膜窗口层，5)、设置在所述CdS薄膜窗口层上的CdTe薄膜吸收层；6)、设置在所述CdTe薄膜吸收层上的背电极金属接触层；7)、设置在所述背电极金属接触层上的柔性薄膜材料封装层。本实用新型具有成本低，效率高和满足不同领域需求的优点，且可以应用于低温工艺的柔性衬底薄膜CdTe薄膜太阳能电池的大批量制备。

Description

柔性衬底CdTe薄膜太阳能电池
技术领域
本实用新型涉及纳米无机化合物能源材料制造工艺技术领域，尤其涉及一种柔性衬底CdTe(碲化镉)薄膜太阳能电池。
背景技术
太阳能作为一种清洁、无污染、取之不尽用之不竭的自然能源，越来越受到人们的重视。太阳能电池可以直接将太阳能转换为电能，在太阳能的直接利用中有很大的优势。人们对太阳能电池的研究，可以分为体太阳能电池和薄膜太阳能电池的研究。体太阳能电池是指用化合物半导体的单晶、多晶锭切片为材料基础制备的太阳能电池。它的致命弱点是材料消耗大，制备工艺复杂，生产成本高。所以，人们更加倾向于薄膜太阳能电池的研究。
在各种类型的薄膜电池中，CdTe薄膜电池由于结构简单，材料易得，制造成本低等优点，发展速度较快。CdTe是一种化合物半导体，在太阳电池中一般作吸收层。由于它的直接带隙为1.45eV左右，与太阳光谱非常匹配，最适合于光电能量转换，是一种良好的PV材料，具有很高的理论效率(28％)，性能很稳定，一直被光伏业界看重。
因此，研究本申请人致力于开发一种低成本，高效率的新型柔性衬底CdTe薄膜太阳能电池。
实用新型内容
本实用新型的目的，就是提出一种低成本，高效率的柔性衬底CdTe薄膜太阳能电池。
本实用新型为解决上述技术问题，提供了一种柔性衬底CdTe薄膜太阳能电池，由以下7个部分组合而成：1)、透明的柔性衬底薄膜材料层；2)、在所述柔性衬底薄膜材料层上低温沉积有ZnxCd1-xO形成的透明导电薄膜层；3)、在所述透明导电薄膜层的部分位置上丝网印刷银浆，形成的用于汇集电流的负极；4)、设置在所述透明导电薄膜层未印刷银浆的位置上的CdS薄膜窗口层，5)、设置在所述CdS薄膜窗口层上的CdTe薄膜吸收层；6)、设置在所述CdTe薄膜吸收层上的背电极金属接触层；7)、设置在所述背电极金属接触层上的柔性薄膜材料封装层，用于对背电极进行密封保护。
较佳的，所述ZnxCd1-xO中的x的值为0.45～0.5。
较佳的，所述透明导电薄膜层的电阻率为2.3×10-3(Ω·cm)。
较佳的，所述CdS薄膜窗口层的厚度为90～110nm的CdS薄膜。
较佳的，所述背电极金属接触层为镍电极或者铝电极或者铜电极或者金电极。
一种上述的柔性衬底CdTe薄膜太阳能电池的制备方法，采用如下的制备步骤：
a、制备透明的柔性衬底薄膜材料层；
b、在所述柔性衬底薄膜材料层上低温沉积ZnxCd1-xO，制备形成透明导电薄膜层；
c、在所述透明导电薄膜层的部分位置上丝网印刷银浆，制备形成用于汇集电流的负极；
d、在所述透明导电薄膜层的部分位置上制备CdS薄膜窗口层，所述CdS薄膜窗口层与所述负极不直接接触；
e、在所述CdS薄膜窗口层上制备CdTe薄膜吸收层；
f、在所述CdTe薄膜吸收层上制备背电极金属接触层；
g、在所述背电极金属接触层上制备柔性薄膜材料封装层，用于对背电极进行密封保护；
h、获得柔性衬底CdTe薄膜太阳能电池。
较佳的，所述步骤b中所述透明导电薄膜层采用ZnxCd1-xO低温沉积工艺，所述透明导电薄膜层采用反应式磁控溅射方法制备，靶材为Zn/Cd按照一定比例组成的合金，Zn和Cd的纯度分别达到99.99％以上。
在沉积形成透明导电薄膜层之前，先将所述柔性衬底薄膜材料层用超声波乙醇清洗10min，再用去离子水超声清洗10min，最后用氮气吹干；沉积时，所述柔性衬底薄膜材料层的温度为200℃，沉积室背景压强小于5×10-3Pa，溅射电压400V，沉积时间15min。
较佳的，所述步骤d中的所述CdS薄膜窗口层采用化学沉积法制备工艺，制作CdS薄膜采用的化学药品包括醋酸氨、醋酸镉、氨水和硫脲，控制化学反应时间、温度，使所述透明导电薄膜层上面均匀淀积一层厚度约为90～110nm的CdS薄膜，并用CdCl2涂覆在CdS上，并加热到350℃～400℃进行退火处理。
较佳的，所述步骤e中所述的CdTe薄膜吸收层采用电解淀积工艺，将含有Cd2+及HTeO2+的电解液进行化学还原反应，从而得到Cd和Te并淀积形成CdTe薄膜；在电解淀积过程中，得到厚度为3μm的薄膜，并用CdCl2涂覆在CdTe上，并加热到350℃～400℃进行退火处理。
较佳的，所述步骤f中首先对所述CdTe薄膜吸收层的表面进行化学刻蚀，再高浓度掺杂背接触材料，所述背接触材料是CdS/CdTe/ZnTe：Cu,所述CdS/CdTe/ZnTe：Cu的成膜厚度为45～55nm：45～55nm，形成欧姆接触，提高太阳能薄膜电池性能。
综上所述，本实用新型柔性衬底CdTe薄膜太阳能电池及其制备方法具有如下有益效果：
1、本实用新型所开发的新型柔性衬底CdTe薄膜太阳能电池，具有成本低，效率高和满足不同领域需求的优点。
2、本实用新型采用柔性衬底，实现太阳能电池可以在一定的角度内弯折，以此满足不同场合的需求，适用范围广。
3、本实用新型所开发的新型柔性衬底CdTe薄膜太阳能电池制备方法，有效的降低了工艺的复杂度和制造成本，具有成膜质量好、工艺简单和价格低廉的优点，是一种制备高质量柔性衬底CdTe薄膜太阳电池的有效的方法。
4、本实用新型具体的通过采用ZnxCd1-xO低温沉积工艺，降低工艺的复杂度；CdS薄膜窗口层采用化学沉积法(CBD)制备工艺，成本低廉；CdTe薄膜吸收层采用电解淀积工艺，制作CdTe背电极金属接触时，形成欧姆接触，进一步有效提高太阳能薄膜电池的性能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明：
图1为具体实施例柔性衬底CdTe薄膜太阳能电池的结构示意图。
附图标号说明：
柔性衬底薄膜材料层1，透明导电薄膜层2，负极3，CdS薄膜窗口层4，CdTe薄膜吸收层5，背电极金属接触层6，柔性薄膜材料封装层7。
具体实施方式
本实施例公开了一种柔性衬底CdTe薄膜太阳能电池，其由7个部分组合而成，这7个部分分别为柔性衬底薄膜材料层1、透明导电薄膜层2、负极3、CdS薄膜窗口层4、CdTe薄膜吸收层5、背电极金属接触层6和柔性薄膜材料封装层7。
如图1所示，本实施例具体为底层设置透明的柔性衬底薄膜材料层1；在柔性衬底薄膜材料层1上低温沉积有ZnxCd1-xO形成的透明导电薄膜层2；在透明导电薄膜层2的部分位置上丝网印刷银浆，形成的用于汇集电流的负极3；4)、设置在透明导电薄膜层2未印刷银浆的位置上的CdS薄膜窗口层4；设置在CdS薄膜窗口层4上的CdTe薄膜吸收层5；设置在CdTe薄膜吸收层5上的背电极金属接触层6；设置在背电极金属接触层6上的柔性薄膜材料封装层7，用于对背电极进行密封保护。
具体的，本实施例选用的ZnxCd1-xO中的x的值为0.45～0.5，如x选用0.5，则形成Zn0.5Cd0.5O，形成的透明导电薄膜层2的电阻率为2.3×10-3(Ω·cm)。CdS薄膜窗口层4的厚度为90～110nm的CdS薄膜。背电极金属接触层6为镍电极或者铝电极或者铜电极或者金电极。
当然了，技术人员还可以根据实际情况进行适当调整，如形成的所述透明导电薄膜层的电阻率调整了2.3×10-3(Ω·cm)左右的其他数值等，此处不再赘述。
本实施例还提出了一种上述的柔性衬底CdTe薄膜太阳能电池的制备方法，具体采用如下的制备步骤：
a、制备透明的柔性衬底薄膜材料层；
b、在所述柔性衬底薄膜材料层上低温沉积ZnxCd1-xO，制备形成透明导电薄膜层；
c、在所述透明导电薄膜层的部分位置上丝网印刷银浆，制备形成用于汇集电流的负极；
d)、在所述透明导电薄膜层的部分位置上制备CdS薄膜窗口层，所述CdS薄膜窗口层与所述负极不直接接触；
e)、在所述CdS薄膜窗口层上制备CdTe薄膜吸收层；
f)、在所述CdTe薄膜吸收层上制备背电极金属接触层；
g)、在所述背电极金属接触层上制备柔性薄膜材料封装层，用于对背电极进行密封保护；
h)、获得柔性衬底CdTe薄膜太阳能电池。
具体的，本实施例所述步骤b中所述透明导电薄膜层采用ZnxCd1-xO低温沉积工艺，所述透明导电薄膜层采用反应式磁控溅射方法制备，靶材为Zn/Cd按照一定比例组成的合金，Zn和Cd的纯度分别达到99.99％以上。
在沉积形成透明导电薄膜层之前，先将所述柔性衬底薄膜材料层用超声波乙醇清洗10min，再用去离子水超声清洗10min，最后用氮气吹干；沉积时，所述柔性衬底薄膜材料层的温度为200℃，沉积室背景压强小于5×10-3Pa，溅射电压400V，沉积时间15min。
本实施例所述步骤d中的所述CdS薄膜窗口层采用化学沉积法制备工艺，制作CdS薄膜采用的化学药品包括醋酸氨、醋酸镉、氨水和硫脲，控制化学反应时间、温度，使所述透明导电薄膜层上面均匀淀积一层厚度约为90～110nm的CdS薄膜，并用CdCl2涂覆在CdS上，并加热到350℃～400℃进行退火处理。
本实施例的所述步骤e中所述的CdTe薄膜吸收层采用电解淀积工艺，将含有Cd2+及HTeO2+的电解液进行化学还原反应，从而得到Cd和Te并淀积形成CdTe薄膜；在电解淀积过程中，得到厚度为3μm的薄膜，并用CdCl2涂覆在CdTe上，并加热到350℃～400℃进行退火处理。
本实施例的所述步骤f中首先对所述CdTe薄膜吸收层的表面进行化学刻蚀，再高浓度掺杂背接触材料，所述背接触材料是CdS/CdTe/ZnTe：Cu,所述CdS/CdTe/ZnTe：Cu的成膜厚度为45～55nm：45～55nm，形成欧姆接触，提高太阳能薄膜电池性能。
示例性的，本实施例所述步骤d中的CdS薄膜窗口层采用化学沉积法(CBD)制备工艺，制作CdS薄膜采用的化学药品为醋酸氨、醋酸镉、氨水、硫脲等。控制化学反应时间、温度等，使ZnxCd1-xO组成的导电膜上面均匀淀积一层厚度约为90～110nm的CdS薄膜，并用CdCl2涂覆在CdS上，并加热到350℃～400℃进行退火处理。
上述化学沉积总的化学反应式为：
Cd(NH3)4 2++SC(NH2)2+2OH-→CdS+CH2N2+2H2O+4NH3；
由于CdS溶度积很小，极易产生CdS沉淀。因此，只有控制好Cd2+，S2-的分解速度，才能生成均匀、致密的薄膜。
下面为通过试验得到的不同温度下的成膜速度对比表：
温度(℃) 成膜速度(nm/min) 出现沉淀时间(min)
55 0.28 15
65 2.5 10
75 2.9 7
85 7 4
通过试验，得到当温度较低时，化学反应速度较慢，在沉积时间一定的情况下，生产的薄膜稀疏，不够致密，有较多的针孔缺陷存在；当温度偏高时，反应速度快，溶液中存在大量的CdS粒子，并形成沉淀物，导致薄膜形貌很差，颗粒不均匀。
综上，本实施例我们优选CdS薄膜窗口层成膜的工艺温度为65℃左右。
示例性的，本实施例的所述步骤e的CdTe薄膜吸收层采用电解淀积工艺，将含有Cd2+及HTeO2+的电解液进行化学还原反应，从而得到Cd和Te并淀积形成CdTe薄膜。电解淀积过程中，控制电解时间、温度、溶液浓度等，得到厚度为3μm左右的薄膜，并用CdCl2涂覆在CdTe上，并加热到350℃～400℃进行退火处理。
电解淀积工艺是电解还原及淀积反应，可以由以下三个化学反应式表示：
HTeO2++3H++4e-→Te+2H2O
Cd2++2e-→Cd
Te+Cd→CdTe
退火处理的过程实际上是CdTe再结晶的过程，通过退火处理，CdTe的小晶粒消失，连带着CdTe与CdS的界面结构也变得比较有秩序。
退火过程的化学反应式为：
CdTe(s)+CdCl2(s)→2Cd(g)+Cl2(s)→CdTe(s)+CdCl2(s)
CdCl2在化学反应中起到了催化剂的作用。
示例性的，本实施例在所述步骤f制作CdTe背电极金属接触时，首先对CdTe薄膜表面进行化学刻蚀，再高浓度掺杂背接触材料。本实用新型采用的背接触材料是CdS/CdTe/ZnTe：Cu,他们的成膜厚度分别为45～55nm：45～55nm，形成欧姆接触，提高太阳能薄膜电池性能。
综上所述，本实施例的柔性衬底CdTe薄膜太阳能电池，采用柔性衬底制作薄膜太阳能电池，透明导电膜采用ZnxCd1-xO低温沉积工艺，CdS薄膜窗口层采用化学沉积法(CBD)制备工艺，CdTe薄膜吸收层采用电解淀积工艺，具有成本低廉，设备投入低、效率高、应用范围广的特点。本实施例的制备方法可以应用于低温工艺的柔性衬底薄膜CdTe薄膜太阳能电池的大批量制备。
以上述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种柔性衬底CdTe薄膜太阳能电池，其特征在于，由以下7个部分组合而成：
1)、透明的柔性衬底薄膜材料层；
2)、在所述柔性衬底薄膜材料层上低温沉积有ZnxCd1-xO形成的透明导电薄膜层；
3)、在所述透明导电薄膜层的部分位置上丝网印刷银浆，形成的用于汇集电流的负极；
4)、设置在所述透明导电薄膜层的未印刷银浆的位置上的CdS薄膜窗口层；
5)、设置在所述CdS薄膜窗口层上的CdTe薄膜吸收层；
6)、设置在所述CdTe薄膜吸收层上的背电极金属接触层；
7)、设置在所述背电极金属接触层上的柔性薄膜材料封装层，用于对背电极进行密封保护。
2.如权利要求1所述的柔性衬底CdTe薄膜太阳能电池，其特征在于：所述ZnxCd1-xO中的x的值为0.45～0.5。
3.如权利要求1或2所述的柔性衬底CdTe薄膜太阳能电池，其特征在于：所述透明导电薄膜层的电阻率为2.3×10-3Ω·cm。
4.如权利要求1或2所述的柔性衬底CdTe薄膜太阳能电池，其特征在于：所述CdS薄膜窗口层的厚度为90～110nm的CdS薄膜。
5.如权利要求1或2所述的柔性衬底CdTe薄膜太阳能电池，其特征在于：所述背电极金属接触层为镍电极或者铝电极或者铜电极或者金电极。
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