全溶液法製備cigs太陽能光電池的製作方法
2023-05-04 21:05:56
全溶液法製備cigs太陽能光電池的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種CIGS太陽能光電池，其包括：導電襯底；CIGS活性層，n型半導體層，該n半導體層製作在所述CIGS活性層上，並與之形成pn結；窗口層，該窗口層製作在所述n型半導體層用來保護所述N型半導體層；透明電極層，該透明電極層製作在所述窗口層上；採集電極，該採集電極製作在所述透明電極層上。該CIGS太陽能光電池的製備採用全溶液法，整個器件活性層的製備都可用非真空卷對卷的方式來進行，比如噴塗、列印、印刷等。這一發明將極大的降低CIGS太陽能電池的生產成本，對其產業化的發展提供了強有力的手段。
【專利說明】全溶液法製備ClGS太陽能光電池
【技術領域】
[0001] 本發明屬於光電子器件領域，涉及到一種新的銅（Cu)銦（In)鎵（Ga)硒（Se)(簡 稱：CIGS)薄膜太陽能電池以及這種薄膜電池的製備方法。
【背景技術】
[0002] 隨著能源危機的日趨嚴重，可再生能源越來越受到人們的重視。而其中，太陽光能 以其取之不盡，清潔無汙染成為最具潛力的技術。矽基太陽能技術是目前最為成熟的，也是 市場佔有率最高的，但是受制於高耗能、高汙染的製備過程，使其並不能成為最理想的太陽 能技術。近年來，薄膜太陽能技術開始興起，具有重量輕、成本低、易安裝等優點。CIGS則是 薄膜太陽能技術中效率最高的（20. 1% )，其製備過程主要是真空沉積方法。不過由於CIGS 是多元化合物，如利用真空沉積技術，不管是濺射/硒化，還是共蒸發，都有過程複雜，難規 模化的問題。最近NAN0S0LAR和IBM的研究組分別開發了利用溶液法來製備CIGS活性膜 的技術。這類技術不需要真空蒸鍍設備，大大減低製作成本，而且容易規模化。但是在這 類技術裡，窗口層的製備仍是需要依靠真空沉積的方法。這裡，我們報告了一種利用溶液法 來製備氧化鋅窗口層的新方法，並結合CIGS和η型半導體層的溶液製備法，從而實現了全 溶液法來製備CIGS太陽能光電池，為大規模的製備高轉換效率，低成本的CIGS太陽能光電 池提供了可能。
【發明內容】
[0003] 針對上述現有技術的不足，本發明要解決的技術問題是CIGS薄膜太陽能電池全 溶液的製備方法。
[0004] 為解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案：
[0005] -種CIGS太陽能光電池，其包括：導電襯底；CIGS活性層，該CIGS活性層製備在 所述導電襯底上，主要作為吸光層，η型半導體層，該η半導體層製作在所述CIGS活性層上， 並與之形成pn結，可有效增大光生激子的解離和輸出；窗口層，該窗口層製作在所述η型半 導體層用來保護所述Ν型半導體層；透明電極層，該透明電極層製作在所述窗口層上；採集 電極，該採集電極製作在所述透明電極層上，具有採集光生光流的作用。
[0006] 優選的，所述導電襯底為金屬導電薄膜，其選用鑰、鋁、鈦、銅或不鏽鋼，厚度為 200-2000 納米。
[0007] 優選的，所述CIGS活性層的厚度在0. 5-10微米之間。
[0008] 優選的，所述η型半導體層厚度在20 - 200nm之間，為硫化鎘、硫化鋅、硒化鎘、硒 化鋅、締化鎘、締化鋅、或其他II-VI組三元化合物。
[0009] 優選的，所述窗口層材料選用氧化鋅或摻雜氧化鋅薄膜，摻雜元素為鋁、鎵或鎘， 厚度為20-200納米。
[0010] 優選的，所述透明電極層為氧化銦錫薄膜或摻鋁、鎵、鎘的氧化鋅薄膜。
[0011] 優選的，所述採集電極選用鎳、鋁、金、銀、銅、鈦、鉻中的一種或多種。
[0012] 本發明還公開了一種上述CIGS太陽能光電池的製備方法，其中CIGS活性層通過 溶液法製作在導電襯底上，厚度為〇. 1-10微米。最後在200-1000度的環境下高溫退火形 成CIGS的連續膜。
[0013] 優選的，所述溶液法包括旋塗法、噴塗法、糟模法。
[0014] 優選的，η型半導體層採用CBD的方法製作在CIGS活性層（2)上，形成pn結，使 光生激子解離和輸出。
[0015] 優選的，窗口層採用納米顆粒或者溶膠-凝膠的方法製作在η型半導體層（3)上， 形成pn結，使光生激子解離和輸出。
[0016] 上述技術方案具有如下有益效果：該CIGS太陽能光電池的CIGS活性層，η型半導 體層和窗口層的製備均採用溶液法，具有便宜快捷的優點，極大的降低了太陽能電池的生 產成本。
[0017] 上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段， 並可依照說明書的內容予以實施，以下以本發明的較佳實施例並配合附圖詳細說明如後。 本發明的【具體實施方式】由以下實施例及其附圖詳細給出。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發明實施例的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0019] 下面結合附圖對本發明的優選實施例進行詳細介紹。
[0020] 如圖1所示，為CIGS太陽能光電池的結構示意圖。該器件包括：導電襯底1 ;CIGS 活性層2,該CIGS活性層2是用三溶液法製作在導電襯底1上的；η型半導體層3,該η型 半導體層3是利用CBD沉積法製作在CIGS活性層2上的；窗口層4,該半導體層是利用溶 液法將納米顆粒或者溶膠-凝膠製作在η型半導體層3上的；透明電極層5 ;和金屬採集電 極6。
[0021] 所述的導電襯底1為金屬導電薄膜，通常為鑰電極厚度200-2000納米但不局限於 鑰，也包括其他適用金屬材料，如鋁、鈦、銅和不鏽鋼等。導電襯底1上面是採用溶液法（泛 指一切塗料法，如旋塗法，噴塗法，糟模法等）製備的CIGS活性層2。如用旋塗法，通過控 制旋塗速度、溶液濃度和不同的旋塗次數便可以改變該CIGS活性層2的厚度，通常情況下 該緩衝層的厚度在〇. 1-10微米之間。CIGS活性層2上面的η型半導體層3是採用CBD或 者納米顆粒/溶膠-凝膠溶液法製備的，該功能層是為了與CIGS層形成有效的pn結，從而 提高光生激子的分離和輸出，該η型半導體層3的厚度通常情況下在20 - 200納米之間， 該η型半導體層3-般為硫化鎘（CdS)材料，但不局限於此，也包括其他η型半導體，例如 硫化鋅、硒化鎘、硒化鋅、碲化鎘、碲化鋅，以及其他II-VI組三元化合物。η型半導體層3上 面是窗口層4和透明電極層5。窗口層4的材料選用氧化鋅或摻雜氧化鋅薄膜，摻雜元素為 鋁、鎵或鎘，厚度為20-200納米，是採用納米顆粒/溶膠-凝膠溶液法製備的。透明電極層 為氧化銦錫薄膜或摻鋁、鎵、鎘的氧化鋅薄膜。最後是金屬採集電極6, 一般是鎳/鋁，但不 局限於此，還包括其他金屬，包括金、銀、銅、鈦、鉻等。
[0022] 下面以旋塗法為例對上述CIGS太陽能光電池的製備方法進行詳細介紹。
[0023] 1.製備CIGS先驅體的工藝如下：
[0024] (1)納米先驅體：將12毫升的0LEYLAMIN，1. 5毫摩的氯化銅和1. 0毫摩的氯化銦， 〇. 5毫摩的氯化鎵放入100毫升容積的三頸反應瓶。在氬氣保護下升溫到130度，保持30 分鐘。然後將反應溫度升高到225度，並迅速注入含有1摩爾硫的3毫升0LEYLAMINE。反 應30分鐘後，冷卻到60度並加入10毫升的甲苯。最後加入毫升乙醇，離心分離出來，按所 需濃度分散到甲苯中作為CIGS的先驅體。
[0025] (2)溶液先驅體：先製備四種不同的先驅體，然後按照所需要不同的元素組成比 混合成最終的溶液先驅體。先驅體A 955克硫化銅，0. 3848克硫和12毫升無水聯氨；先 驅體B :1. 8661克硒化銦，0. 3158克硒和12毫升無水聯氨；先驅體C :0. 4183克鎵，0. 9475 克硒和12毫升無水聯氨；先驅體D 9475克硒和6毫升無水聯氨。
[0026] 2.將鈉鈣玻璃在清洗劑中反覆清洗，然後再經過去離子水，丙酮和異丙醇溶液浸 泡並超聲各15分鐘，最後用氮氣吹乾並經過紫外臭氧處理15分鐘。
[0027] 3.用真空沉積得方法製備鑰電極800納米左右。
[0028] 4.將過濾後的具有一定化學組分比的溶液以800轉/分鐘的轉速旋塗在金屬襯底 上，低溫退火後（150-350度），再重複同樣的旋塗過程，達到所需的厚度，其化學組分比分 別為：Cu^IrihGaAiSey。完成全部旋塗後，最後再高溫（250-550度）退火30分鐘，使前 驅體反應結晶，形成連續CIGS膜。
[0029] 5.採用CBD或者納米顆粒/溶膠-凝膠方法製作η型硫化鎘層
[0030] 6.採用納米顆粒/溶膠-凝膠方法製作窗口層
[0031] 製備氧化鋅溶液的工藝如下：
[0032] (1)納米顆粒溶液：緩慢的將化學計量比相同的羥化四甲胺的乙醇溶液（0. 55Μ) 滴加到二水醋酸鋅的二甲基亞碸溶液中，連續攪拌反應一個小時，然後離心分離出來。
[0033] (2)溶膠-凝膠溶液：配製0.02Μ的二水醋酸鋅的甲醇溶液，充分溶解後即成氧化 鋅的溶膠-凝膠溶液。
[0034] 7.然後再用濺射真空沉積法製備氧化銦錫透明電極。
[0035] 8.最後用熱蒸發製備鎳/鋁採集電極。
[0036] 該CIGS太陽能光電池採用全溶液的製備方法具有便宜快捷的優點，對其產業化 的發展提供了強有力的手段。
[0037] 以上對本發明實施例所提供的一種全溶液法製備銅銦鎵硒薄膜太陽能光電池進 行了詳細介紹，對於本領域的一般技術人員，依據本發明實施例的思想，在【具體實施方式】及 應用範圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制，凡依本 發明設計思想所做的任何改變都在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1. 一種CIGS太陽能光電池，其特徵在於，其包括： 導電襯底； CIGS活性層，該CIGS活性層製備在所述導電襯底上，主要作為吸光層，η型半導體層， 該η半導體層製作在所述CIGS活性層上，並與之形成ρη結，可有效增大光生激子的解離和 輸出； 窗口層，該窗口層製作在所述η型半導體層用來保護所述Ν型半導體層；透明電極層， 該透明電極層製作在所述窗口層上； 採集電極，該採集電極製作在所述透明電極層上，具有採集光生光流的作用。
2. 根據權利要求1所述的CIGS太陽能光電池，其特徵在於：所述導電襯底為金屬導電 薄膜，其選用鑰、鋁、鈦、銅或不鏽鋼，厚度為200-2000納米。
3. 根據權利要求1所述的CIGS太陽能光電池，其特徵在於：所述CIGS活性層的厚度 在0.5-10微米之間。
4. 根據權利要求1所述的CIGS太陽能光電池，其特徵在於：所述η型半導體層厚度在 20 - 200nm之間，為硫化鎘、硫化鋅、硒化鎘、硒化鋅、碲化鎘、碲化鋅、或其他II-VI組三元 化合物。
5. 根據權利要求1所述的CIGS太陽能光電池，其特徵在於：所述窗口層材料選用氧化 鋅或摻雜氧化鋅薄膜，摻雜元素為錯、鎵或鎘，厚度為20-200納米。
6. 根據權利要求1所述的CIGS太陽能光電池，其特徵在於：所述透明電極層為氧化銦 錫薄膜或摻鋁、鎵、鎘的氧化鋅薄膜。
7. 根據權利要求1所述的CIGS太陽能光電池，其特徵在於：所述採集電極選用鎳、鋁、 金、銀、銅、鈦、鉻中的一種或多種。
8. -種CIGS太陽能光電池的製備方法，其特徵在於，CIGS活性層通過溶液法製作在 導電襯底上，厚度為〇. 1-10微米。最後在200-1000度的環境下高溫退火形成CIGS的連續 膜。
9. 根據權利要求8所述的CIGS太陽能光電池的製備方法，其特徵在於：所述溶液法包 括旋塗法，噴塗法，糟模法。
10. 根據權利要求8所述的CIGS太陽能光電池的製備方法，其特徵在於：n型半導體層 採用CBD或者真空沉積的方法製作在CIGS活性層（2)上，形成ρη結，使光生激子解離和輸 出。
11. 根據權利要求8所述的CIGS太陽能光電池的製備方法，其特徵在於：窗口材料採 用噴塗/旋塗/列印法將氧化鋅納米顆粒或者溶膠-凝膠溶液製作在η型半導體襯底上， 厚度為10-1000納米。最後在20-1000度的環境下高溫退火，形成緻密的ΖηΟ薄膜。
【文檔編號】H01L31/18GK104157738SQ201410407245
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月19日 優先權日:2014年8月19日
【發明者】錢磊, 謝承智, 劉德昂, 章婷, 楊一行, 馮宗寶 申請人:蘇州瑞晟納米科技有限公司