一种光伏电池及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种基于铜基光吸收材料光伏电池。该电池包括了衬底和铜基光吸收材料。该光伏电池还包括沉积在衬底和光吸收层之间的导电层(背电极层)。该导电层与光吸收层电学性质匹配。光伏电池还包括了另一与光吸收层电学性质匹配的导电层。沉积了背电极层的衬底在光伏电池制造过程中进行了退火处理。

A photovoltaic cell and its manufacturing method

The invention discloses a kind of photovoltaic cell based on copper based optical absorption material. The battery consists of a substrate and a copper based optical absorption material. The photovoltaic cell also includes the conductive layer (back electrode layer) deposited between the substrate and the light absorption layer. The conductive layer is matched with the electrical properties of the optical absorption layer. The photovoltaic cells also include another conductive layer that matches the electrical properties of the optical absorption layer. The substrate deposited in the back electrode layer is annealed in the manufacturing process of photovoltaic cells.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种光伏电池及其制造方法
本专利技术是关于一种光伏电池和制造该光伏电池的方法，如基于铜基光吸收材料的电池。技术背景铜基硫属化合物在薄膜光伏科技中，具有重要进展。铜锌锡硫(CZTS,CZTSe或CZTSSe)薄膜太阳能电池，含有地壳中含量高的元素，其制造技术价格低廉。铜锌锡硫是一种四元化合物，含铜(Cu)、锌(Zn)、锡(Sn)、硫(S)或者硒(Se)。铜锌锡硫的化学式为Cu2ZnSn(S,Se)4。根据硫属元素的不同，铜锌锡硫的缩写也不同，如硫属元素为硫，缩写为CZTS；如硫属元素为硒，缩写为CZTSe。若将CZTS和CZTSe混合，可以形成一种具有直接带隙且带隙可调(可调区间约为1.0eV至1.5eV)，光吸收系数高的吸收层。这些性质对于薄膜电池是至关重要的。目前铜锌锡硫光伏电池沉积在镀钼(Mo)的钠钙玻璃基底上，钼层作为背接触电极。通常情况，CZTS(Se)吸收层由含有CZTS(Se)元素的前驱体退火制成。沉积这种材料的主要技术有物理气相沉积，化学气相沉积和溶液法。顶电极层包括了ZnO/AZO,ITO,BZO层和沉积在吸收层上的金属材料。通常，铜锌锡硫太阳能电池还有一层硫化镉缓冲层位于吸收层和顶电极层之间。尽管铜锌锡硫薄膜太阳能电池具有超过其他薄膜太阳能电池的潜力，但是目前其效率仍低于市场上光伏电池的平均效率。铜锌锡硫太阳能电池光电转换效率的世界纪录分别为8％(纯硫化)，9％(纯硒化)和12.6％(硫硒化)。而相较于铜铟镓硒(Cu(In,Ga)Se2(CIGSe))21.7％的转换效率，仍有差距。造成铜锌锡硫太阳能电池效率低原因包括光吸收层、背电极层的结构、化学成分和电学特性未优化，还包括以上问题对光吸收层特性所造成的影响所导致的效率下降。钼背电极中的缺陷传播进入铜锌锡硫吸收层也会导致光电转换效率降低。钼电极通常沉积在钠钙玻璃上。一般用成本低廉的沉积方法，如溅射。溅射沉积的钼具有大量结构缺陷，这些缺陷会进入电池整体结构，并影响电池效率。在钼背电极/铜锌锡硫吸收层界面，化学成分不稳定也会影响电池效率。这种不稳定是源于退火处理前驱体过程中，吸收层的分解和硫化钼和/或硒化钼的生长。硫化钼和/或硒化钼的生成会产生位于光吸收材料禁带深层的缺陷，这将导致大量的电流损失。因此对于铜锌锡硫太阳能电池，光吸收材料/背电极区域的性质需要改善。
技术实现思路
本专利技术提供了多个具有优势的实施方案。这些方案是关于铜基硫属化合物太阳能电池和生成该种电池的方法。本专利技术的实施方案还提供了热处理背电极的铜基硫属化合物太阳能电池，该处理改善背电极结构和吸收层的表面形貌。实施方案同时也提供了一种经过热处理背电极的光伏电池制造方法。本专利技术实施方案的其他优点还包括在背电极区引入一层中间层，这将能减少二次相的产生。在光吸收材料/背电极界面形成的金属硫化物或金属硒化物能保持或改善电池的串联电阻。在第一方面，本专利提供了一种光伏电池包括：衬底材料；铜基光吸收材料；沉积在衬底和光吸收材料之间的第一导电层，该层与光吸收材料电学性质匹配；沉积另一种与光吸收材料电学匹配的第二导电层；第一导电层在光伏电池的制造过程中经过退火处理。在第二方面，本专利提供了一种光伏电池包括：衬底材料；铜基光吸收材料；沉积在衬底和光吸收材料之间的第一导电层，该层与光吸收材料电学性质匹配；含有金属材料的中间层，位于光吸收层和第一导电层中间；另一种与光吸收材料电学匹配的第二导电层；其中金属材料用于减少二次相的生成，因为在吸收层/背电极界面形成了金属硫化物或金属硒化物。在第三方面，本专利提供了一种光伏电池包括：衬底材料；铜基光吸收材料；含有非金属材料的中间层，位于光吸收层和第一导电层中间；另一种与光吸收材料电学匹配的第二导电层；添加这层非金属材料后，电池的串联电阻不会大幅提高。在一些实施方案中，光伏电池包括了一层沉积在光吸收材料和第一导电层之间的中间层。中间层作用是减少光吸收材料和第一导电层界面二次相的形成，如金属硫化物和金属硒化物的形成。中间层还可以用于减少吸收层/背电极区域孔洞的形成，或者降低光伏电池的串联电阻，或者是上述两者的共同作用。中间层的表面或经过化学处理。相较于未经化学处理的中间层表面，该处理使其表面形貌得以改善。在某些实施方案中，中间层含有金属材料，如合金、银、金或金银合金。金属层厚度为3nm到50nm。在某些实施方案中，在生产光伏电池的过程或能够使部分金属层与光吸收层掺合。掺合过程可能发生在光伏电池退火处理过程中。而且金属材料的原子进入光吸收材料可能会影响光吸收层的掺杂浓度。在某些实施方案中，中间层含有非金属材料。该材料的电阻为100μΩcm或者更低。而且非金属材料在温度低于800℃时，为化学惰性，不与金属层反应。在某些实施方案中，非金属层含有半导体材料，如含硼化钛或硼化锆。在其他实施方案中，非金属材料还可以为导电氧化物材料，如厚度超过5nm的氧化钼。非金属材料层的厚度在5nm到80nm之间。实施方案中，光伏电池的衬底为钠钙玻璃，也可以是金属箔或者柔性聚酰亚胺。本专利技术的实施方案中，光伏电池的某些层是通过退火进行热处理。在某些实施方案中，背电极自身通过快速退火过程进行热处理。在其他实施方案中，背电极层和中间层在光伏电池制作过程中进行热处理。同样沉积了背电极层的衬底，相较退火前，退火后背电极层或含有少量的物理缺陷。退火处理使得背电极层表面可能含有大量的成核中心。在某些实施方案中，衬底含有钠。在背电极/衬底退火过程中衬底中的钠扩散进入背电极层。钠还可以扩散穿过背电极层，进入光吸收层。钠从背电极扩散进入光吸收层这一过程可能发生在对光吸收层退火过程—硫化过程中。光吸收层钠的浓度为900ppm。实施方案中，铜基光吸收材料是铜锌锡硫。但是铜基光吸收材料也可以是铜锌锗锡硫属化合物或银铜锌锡硫属化合物。在吸收层中引入银或锗元素具有以下优势，如控制吸收层禁带宽度和改善晶粒质量，和提升吸收层少数载流子寿命。实施方案中，光伏电池包括介于光吸收层和第二导电层间的第三导电层，这层含有硫化镉。实施方案中，第一导电层含有合适的金属材料或透明导电氧化物。这里使用的是钼。实施方案中，第一导电层含有金属材料，并且在光伏电池的制作过程中，衬底和第一导电层进行退火处理。部分背电极材料被氧化。实施方案中，光电电池有一个或多个以下特征：开路电压高于600mv；短路电流密度高于10mA/cm2；填充因子高于40％；串联电阻低于40Ohm/cm2；旁路电阻高于1.5kOhm/cm2；在第四部分，本专利提供了一种制造光伏电池的方法，包括以下步骤：提供衬底；沉积背电极层，并退火处理；在退火处理后的背电极层上沉积铜基光吸收材料，并沉积与光吸收材料电学匹配的第二层导电材料。在第五方面，本专利提供了一种制造光伏电池的方法，步骤如下：沉积一层导电材料；在导电材料上沉积金属材料；在金属材料上沉积铜基光吸收层；沉积与光吸收材料电学匹配的第二层导电材料；金属层用于减少背电极层硫化物或硒化物的生成。实施方案中，还包括以下步骤：提供衬底；在衬底上沉积背电极层；在背电极层上沉积金属材料，并退火处理。首先在背电极层上沉积金属材料层，然后在金属层上沉积铜基吸收层。在形成吸收层的过程中，一部分金属材料与吸收层掺合。实施方案中，方法还本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光伏电池，其特征在于，包括：衬底；铜基光吸收层；置于衬底和光吸收层间的导电层，其电学性质应与光吸收层相匹配；另一种与光吸收材料电学匹配的第二导电层，其电学性质应与光吸收层相匹配；第一导电层在光伏电池的制造过程中经过退火处理。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.12.04 AU 2013904714;2013.12.04 AU 2013904715;1.一种光伏电池，其特征在于，包括：衬底；铜基光吸收层；置于衬底和光吸收层间的导电层，其电学性质应与光吸收层相匹配；另一种与光吸收材料电学匹配的第二导电层，其电学性质应与光吸收层相匹配；第一导电层在光伏电池的制造过程中经过退火处理。2.根据权利要求1所述的光伏电池，其特征在于，所述退火处理为快速热退火。3.根据权利要求1或2所述的光伏电池，其特征在于，第一层在退火后，较退火前相比，应具有较低的物理缺陷密度。4.根据权利要求1-3任一项所述的光伏电池，其特征在于，第一导电层表面具有大量成核中心，所述成核中心是在对衬底/第一导电层结构退火时生成的。5.根据权利要求1-4任一项所述的光伏电池，其特征在于，所述衬底含有钠，且在对衬底/第一导电层结构进行退火处理时，钠从衬底扩散进入第一导电层。6.根据权利要求1-5任一项所述的光伏电池，其特征在于，均在其光吸收层和第一导电层材料之间沉积了一层中间层；所述中间层能减少在光吸收层/背电极层界面，二次相如金属硫化物或金属硒化物的形成。7.根据权利要求6所述的光伏电池，其特征在于，所述间层还能减少光吸收层/第一导电层界面区域孔洞的形成。8.根据权利要求6或7所述的光伏电池，其特征在于，所述中间层还能减少光伏电池的串联电阻。9.根据权利要求6-8任一项所述的光伏电池，其特征在于，所述中间层在进行表面化学处理后，较处理前相比，其表面形貌有所改善。10.根据权利要求8或9所述的光伏电池，其特征在于，第一层在退火后，较退火前相比，具有较低的物理缺陷密度。11.根据权利要求6-10任一项所述的光伏电池，其特征在于，所述中间层含有金属材料。12.根据权利要求11所述的光伏电池，其特征在于，所述金属材料包括合金、银、金或金银合金。13.根据权利要求11或12所述的光伏电池，其特征在于，其部分金属材料在生产光伏电池的过程中与光吸收层结合。14.根据权利要求18所述的光伏电池，其特征在于，所述金属材料的原子扩散进入光吸收层材料，改变了光吸收层材料掺杂浓度和曲线浓度。15.根据权利要求6-10任一项所述的光伏电池，其特征在于，所述中间层包括非金属材料。16.根据权利要求15所述的光伏电池，其特征在于，所述非金属材料电阻率小于等于100μΩ·cm。17.根据权利要求15或16所述的光伏电池，其特征在于，在温度低于800℃情况下，非金属材料不与金属材料反应。18.根据权利要求15-17任一项所述的光伏电池，其特征在于，所述非金属层含有半导体材料。19.根据权利要求18所述的光伏电池，其特征在于，所述非金属层含有硼化钛或硼化锆20.根据权利要求15-17任一项所述的光伏电池，其特征在于，所述非金属层含有导电氧化物材料。21.根据权利要求20所述的光伏电池，其特征在于，其非金属层含有超过5nm的氧化钼层。22.一种光伏电池，其特征在于，包含：铜基光吸收层；一种电学性质与光吸收材料相匹配并且可以和光吸收材料形成p-n结的第一材料；一种置于第一材料的部分第二表面和光吸收层部分第二表面之间的含金属层中间层材料；另一种电学性质与光吸收材料相匹配的导电材料；金属中间层能减少在光吸收层/背电极层界面，二次相如金属硫化物或金属硒化物的形成。23.根据权利要求22所述的光伏电池，其特征在于，所述中间层还可以用于减少吸收层背电极区域孔洞的形成。24.根据权利要求22或23所述的光伏电池，其特征在于，所述中间层还能降低光伏电池的串联电阻。25.权利要求22至24中所述任一光伏电池，中间层的表面或经过化学处理。相比较未经化学处理的中间层表面，该处理使其表面形貌得以改善。26.根据权利要求22-25任一项所述的光伏电池，其特征在于，所述金属材料包括合金、银、金或金银合金。27.根据权利要求22-26任一项所述的光伏电池，其特征在于，部分金属材料在生产光伏电池的过程中与光吸收层结合。28.根据权利要求27所述的光伏电池，其特征在于，所述光吸收层在生产光伏电池的过程中进行退火处理，并在退火处理过程中，部分金属材料与光吸收层结合。29.根据权利要求27或28所述的光伏电池，其特征在于，金属材料的原子扩散进入光吸收层材料，改变了光吸收层材料掺杂浓度和曲线浓度。30.根据权利要求22-29任一项所述的光伏电池，其特征在于，衬底/背电极层结构在生产光伏电池的过程中进行退火处理。31.根据权利要求22-29任一项所述的光伏电池，其特征在于，其衬底/背电极层/中间材料结构在生产光伏电池的过程中进行退火处理。32.根据权利要求30或31所述的光伏电池，其特征在于，所述退火处理为快速热退火过程。33.根据权利要求30-32任一项所述的光伏电池，其特征在于，其衬底/背电极层在退火后，较退火前相比，应具有较低的物理缺陷密度。34.根据权利要求30-33任一项所述的光伏电池，其特征在于，第一导电层表面具有大量成核中心，所述这些成核中心是在对衬底/第一导电层结构退火时生成的。35.根据权利要求30-34任一项所述的光伏电池，其特征在于，其衬底含有钠，且在对衬底/第一导电层结构进行退火处理时，钠从衬底扩散进入第一导电层。36.一种光伏电池，其特征在于，包含：铜基光吸收材料；一种电学性质与光吸收材料相匹配并且可以和光吸收材料形成p-n结的第一材料；一种置于第一材料的部分第二表面和光吸收层部分第二表面之间的含非金属材料的中间层材料。另一种电学性质与光吸收材料相匹配的导电材料；相较于未添加非金属中间层的光伏电池，添加这层非金属材料后，电池的串联电阻不会大幅提高。37.根据权利要求36所述光伏电池，其特征在于，所述中间层能抑制在光吸收层/背电极层界面，二次相如金属硫化物或金属硒化物的形成。38.根据权利要求36或37所述的光伏电池，其特征在于，中间层还可以用于减少吸收层/背电极区域孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝晓静，刘芳洋，崔洪涛，
申请(专利权)人：新南创新有限公司，国电新能源技术研究院，
类型：发明
国别省市：澳大利亚,AU