Cigs太陽能光電池及其製備方法

2023-05-06 18:01:51

專利名稱：Cigs太陽能光電池及其製備方法
技術領域：
本發明特別涉及到一種具有新型光子晶體結構CIGS吸收層的薄膜太陽能電池及其製備方法，屬於光電子器件領域，
背景技術：
隨著能源和環境危機的日趨嚴重，尋找新能源正在成為一項亟待解決的任務。太陽光能以其取之不盡，用之不竭，而且清潔無汙染成為最具潛力的技術。其中薄膜太陽能技術近年開始興起，因為其具有重量輕、成本低、易安裝等優點。CIGS(銅(Cu)銦(In)鎵(Ga) 硒( )，簡稱CIGQ則是薄膜太陽能技術中效率最高的00.6% )，其製備過程採用三階段式的沉積方法，形成V型能級結構，可在長波區有更高的外量子效率，從而可提高器件的短路電流，而且還有更高的開路電壓。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，由於溶液法製備的CIGS薄膜的結晶性不高，需要高溫後退火處理過程，這無形中增大了產品的生產成本，另外，CIGS薄膜的結晶度不高，導致其光吸收效率降低，降低了器件的光電流和能量轉換效率。

發明內容
本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種CIGS薄膜太陽能光電池及其製備方法，其採用壓印技術將溶液法製備的CIGS活性層形成具有特殊形狀的光子晶體結構，可有效提高光電池對光的吸收效率，從而增加太陽能的轉換效率，為大規模，低成本的生產CIGS太陽能光電池提供了可能。為實現上述發明目的，本發明採用了如下技術方案一種CIGS太陽能光電池，包括依次形成於導電襯底上的CIGS活性層、η型半導體層、窗口層、透明電極層和採集電極，該η半導體層與CIGS活性層形成PN結，其特徵在於 所述CIGS活性層具有光子晶體結構，其厚度在0. 5 μ m 10 μ m之間。進一步的講，所述CIGS活性層是採用如下工藝製備的首先採用溶液法在導電襯底上覆設CIGS層，再按照設定光子晶體結構採用壓印技術將CIGS層加工成型，最後在 200-1000°C退火形成連續的CIGS活性層。所述光子晶體結構至少選自球面、柱面和環面中的任意一種，其口徑 IOnm-IOOO μ m，其排列方式至少選自立方和六方，其填充因子為100nm-2000nm。所述導電襯底為金屬導電薄膜，其厚度為200-2000nm。所述η型半導體層由II-VI組三元化合物組成，其厚度在20-200nm之間，所述 II-VI組三元化合物至少選自硫化鎘、硫化鋅、硒化鎘、硒化鋅、碲化鎘和碲化鋅中的任意一種以上。所述窗口層的材料至少選自氧化鋅薄膜和摻雜氧化鋅薄膜中的任意一種，其中摻雜元素至少選自鋁、鎵和鎘中的任意一種以上，並且該窗口層厚度為20-200納米。
所述透明電極層的材料至少選自氧化銦錫薄膜和摻鋁、鎵或鎘的氧化鋅薄膜；所述採集電極的材料至少選自鎳、鋁、金、銀、銅、鈦和鉻中的任意一種以上。如上所述CIGS太陽能光電池的製備方法，包括依次在導電襯底上形成CIGS活性層、η型半導體層、窗口層、透明電極層和採集電極的工序，其特徵在於，該方法中在導電襯底上形成CIGS活性層的操作具體為首先採用溶液法在導電襯底上覆設CIGS層，再按照設定光子晶體結構採用壓印技術將CIGS層加工成型，最後在 200-1000°C退火形成連續的CIGS活性層。所述光子晶體結構至少選自球面、柱面和環面，其口徑IOnm-IOOO μ m，其排列方式至少選自立方和六方，其填充因子為100nm-2000nm。所述溶液法至少選自旋塗法、噴塗法和糟模法中的任意一種以上。與現有技術相比，本發明至少具有如下有益效果該CIGS太陽能光電池的CIGS活性層由於具有特定的光子晶體結構，可利用其具有的慢光效應與在空間中複雜的結構，使得光子在太陽能電池中的留滯時間與平均光子路徑增加，同時這種光子晶體結構可增加活性層的粗糙度，增加漫發射，從而起到陷光作用，以達到提升太陽能電池的吸收率之效果； 同時，其製備工藝簡單，成本低廉，並具有良好的可控性。


圖1為本發明CIGS薄膜太陽能光電池的結構示意圖，其中導電襯底1、CIGS活性層2、η型半導體層3、窗口層4、透明電極層5、金屬採集電極6。
具體實施例方式下面結合附圖及一較佳實施例對本發明的技術方案作進一步的說明。參閱圖1，該CIGS薄膜太陽能光電池包括導電襯底1 ；CIGS活性層2，該CIGS活性層2是利用溶液/壓印法製作在導電襯底1上的，主要作為吸光層；η型半導體層3，該η型半導體層3是利用CBD或者真空沉積法(包括熱蒸發，濺射等不同的物理氣相沉積和化學氣相沉積方法)製作在CIGS活性層2上的，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4，該窗口層製作在η型半導體層上，用來保護N型半導體層；透明電極層5，該透明電極層製作在窗口層上；金屬採集電極6，該採集電極製作在透明電極層上，具有採集光生光流的作用。前述導電襯底1採用金屬導電薄膜，其通常為鉬電極，厚度200-2000納米，但不局限於鉬，也包括其他適用金屬材料，如鋁、鈦、銅和不鏽鋼等。該導電襯底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，通常情況下該活性層的厚度在0. 5-10微米之間，然後利用壓印技術將CIGS活性層按照特定的光子晶體結構成型，其包括球面，柱面，環面等，口徑10納米-1000微米，排列方式包括立方，六方等；填充因子100納米到2000納米，最後200-1000度高溫退火形成連續的CIGS活性層。CIGS活性層2上面的η型半導體層3是採用CBD或者真空沉積法製備的，該功能層是為了與CIGS層形成有效的ρη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(CcK)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。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。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。1.製備CIGS先驅體的工藝如下(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， 0. 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°C，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°C並加入10毫升的甲苯。最後加入乙醇，離心分離出來納米先驅體，按所需濃度分散到甲苯中作為CIGS的先驅體。(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 :0. 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 0. 9475克硒和6毫升無水聯氨。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。3.在鈉鈣玻璃上用真空沉積得方法製備鉬電極，其厚度在800納米左右。4.將過濾後的具有一定化學組分比的溶液(溶液先驅體中銅銦鎵硒的比例分別為1 0.7 0.3 幻或者納米先驅體以800轉/分鐘的轉速旋塗在金屬襯底上，低溫退火後(室溫_330°C)，採用納米壓印技術，按照晶格常數、口徑、排列方式、填充因子等參數， 製備光子晶體陣列薄膜，最後再高溫(250-1000°C )退火30分鐘，使前驅體反應結晶，形成連續的CIGS膜。5.採用CBD方法製作η型硫化鎘層6.然後再用濺射真空沉積法製備氧化鋅薄膜和氧化銦錫透明電極。7.最後用熱蒸發製備鎳/鋁採集電極。該CIGS太陽能光電池的CIGS活性層採用溶液/壓印法製備，具有特定的光子晶體結構，可利用其具有的慢光效應與在空間中複雜的結構，使得光子在太陽能電池中的留滯時間與平均光子路徑增加，同時這種光子晶體結構可增加活性層的粗糙度，增加漫發射， 從而起到陷光作用，以達到提升太陽能電池的吸收率之效果。以上僅以一較佳實施例對本發明的技術方案進行了介紹，但對於本領域的一般技術人員，依據本發明實施例的思想，應能在具體實施方式
及應用範圍上進行改變。故而，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，包括依次形成於導電襯底上的CIGS活性層、η型半導體層、窗口層、透明電極層和採集電極，該η半導體層與CIGS活性層形成PN結，其特徵在於 所述CIGS活性層具有光子晶體結構，其厚度在0. 5 μ m 10 μ m之間。
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CIGS活性層是採用如下工藝製備的首先採用溶液法在導電襯底上覆設CIGS層，再按照設定光子晶體結構採用壓印技術將CIGS層加工成型，最後在200-1000°C退火形成連續的CIGS活性層。
3.根據權利要求1或2所述的CIGS太陽能光電池，其特徵在於所述光子晶體結構至少選自球面、柱面和環面中的任意一種，其口徑IOnm-IOOO μ m，其排列方式至少選自立方和六方，其填充因子為100nm-2000nm。
4.根據權利要求1或2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，其厚度為200-2000nm。
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η型半導體層由II-VI 組三元化合物組成，其厚度在20-200nm之間，所述II-VI組三元化合物至少選自硫化鎘、硫化鋅、硒化鎘、硒化鋅、碲化鎘和碲化鋅中的任意一種以上。
6.根據權利要求1所述的CIGS太陽能光電池，其特徵在於所述窗口層的材料至少選自氧化鋅薄膜和摻雜氧化鋅薄膜中的任意一種，其中摻雜元素至少選自鋁、鎵和鎘中的任意一種以上，並且該窗口層厚度為20-200納米。
7.根據權利要求1所述的CIGS太陽能光電池，其特徵在於所述透明電極層的材料至少選自氧化銦錫薄膜和摻鋁、鎵或鎘的氧化鋅薄膜；所述採集電極的材料至少選自鎳、鋁、 金、銀、銅、鈦和鉻中的任意一種以上。
8.如權利要求1所述CIGS太陽能光電池的製備方法，包括依次在導電襯底上形成 CIGS活性層、η型半導體層、窗口層、透明電極層和採集電極的工序，其特徵在於，該方法中在導電襯底上形成CIGS活性層的操作具體為首先採用溶液法在導電襯底上覆設CIGS層，再按照設定光子晶體結構採用壓印技術將CIGS層加工成型，最後在 200-1000°C退火形成連續的CIGS活性層。
9.根據權利要求8所述的CIGS太陽能光電池的製備方法，其特徵在於所述光子晶體結構至少選自球面、柱面和環面，其口徑IOnm-IOOO μ m,其排列方式至少選自立方和六方， 其填充因子為100nm-2000nm。
10.根據權利要求8所述的CIGS太陽能光電池的製備方法，其特徵在於所述溶液法至少選自旋塗法、噴塗法和糟模法中的任意一種以上。
全文摘要
本發明公開了一種CIGS太陽能光電池及其製備方法，包括依次形成於導電襯底上的CIGS活性層、n型半導體層、窗口層、透明電極層和採集電極，該n半導體層與CIGS活性層形成PN結，該CIGS活性層具有光子晶體結構，其厚度在0.5μm～10μm之間；其製備方法包括依次在導電襯底上形成前述結構層的工序，其中，在導電襯底上形成CIGS活性層的操作具體為首先採用溶液法在導電襯底上覆設CIGS層，再按照設定光子晶體結構採用壓印技術將CIGS層加工成型，最後在200-1000℃退火形成連續的CIGS活性層。本發明太陽能光電池因具有光子晶體結構的CIGS活性層，對光的吸收效率和轉換效率得以大幅提高，且製備工藝簡單，成本低廉，並具有良好的可控性，使大規模、低成本的生產CIGS太陽能光電池成為可能。
文檔編號H01L31/0352GK102263145SQ20111024680
公開日2011年11月30日 申請日期2011年8月26日 優先權日2011年8月26日
發明者劉德昂, 張智恆, 章婷, 謝承智, 錢磊, 顧龍棣 申請人:蘇州瑞晟太陽能科技有限公司