I-III-VI族材料双结薄膜太阳电池的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种I-III-VI族材料双结薄膜太阳电池的制备方法，步骤包括：衬底上依次制备背电极Mo、底电池p型吸收层、底电池n型缓冲层、底电池本征窗口层、连接层、顶电池p型吸收层、顶电池n型缓冲层、顶电池本征窗口层、顶电池导电窗口层和电极层。本发明专利技术采用连接层将底电池和顶电池直接内部连接，实现了底电池和顶电池的内部串联连接，简化了电池结构和电池制作工艺，降低了电池的制作成本；采用超薄纳米金属Mo在透明金属氧化物与顶电池吸收层之间进行过渡，即解决了两者直接接触引起的反结现象，又发挥了Mo薄膜利于生长I-III-VI族材料的优势。

【技术实现步骤摘要】
I-III-VI族材料双结薄膜太阳电池的制备方法
本专利技术属于薄膜太阳电池
，特别是涉及一种I-III-VI族材料双结薄膜太阳电池的制备方法。
技术介绍
目前，市场上应用的太阳电池仍以第一代单晶硅/多晶硅电池为主,但第二代薄膜太阳电池被公认为未来太阳电池发展的主要方向。薄膜太阳电池是指用厚度在微米量级的材料制备成的太阳电池，是大幅度降低太阳电池成本的最有效途径之一。在众多薄膜太阳电池中，I-III-VI族化合物半导体铜铟(镓)硒薄膜太阳电池(又称Cu(In,Ga)Se2(简称CIGS)薄膜太阳电池)以其转换效率高、长期稳定性好、抗辐射能力强等优点成为光伏界的研究热点，有望成为下一代的廉价太阳电池。无论是哪一代太阳电池，都存在一个能量转化率的极限(31％)，Shockley和Queisser分析了存在转化率极限的原因：(1)当高于带隙能量的光子产生载流子后，载流子多余的能量以声子发射的方式损失掉；(2)低于带隙能量的光子不被吸收。解决这一问题的途径之一就是拓宽光伏材料对太阳光谱能量的吸收范围，如采用多结叠层或多带隙结构，分能量吸收或实现多光子吸收。叠层太阳电池概念最早是在1955年由Jackson提出的，目前三结GaAs太阳电池效率已超过40％，远远高于传统的单结电池。叠层太阳电池已成功应用于不同材料电池制备，工艺最成熟的就是以GaAs为代表的III-V族化合物多结电池，如由隧道结连接的GaInP/GaInAs/Ge三结电池在454倍聚光条件下转换效率已达41.1％，是目前最高效的太阳电池。另外，对薄膜叠层太阳电池的研究也广受关注，其三结非晶硅叠层太阳电池的基本结构为α-Si/α-SiGe/α-SiGe。通过对非晶硅和非晶锗硅进行氢化处理能得到更加高效的叠层太阳电池，其结构为α-Si:H/α-SiGe:H/α-SiGe:H，目前已取得15.39％的转换效率。由于利用分配比可以有效地调节光学带隙，因此I-III-VI族黄铜矿化合物半导体在叠层太阳电池领域独具优势。在I-III-VI族化合物半导体体系中，Cu基黄铜矿化合物的光学带隙为0.9-2.9eV，Ag基黄铜矿化合物带隙为0.6-3.1eV，如此宽的光学带隙范围在叠层太阳电池的应用中很有潜力。现有的涉及薄膜叠层太阳电池整个结构是由多个隧道结串联起来，其结果是整个电池结构只有两个接触或称“两端”。为了获得高效的多晶薄膜叠型太阳电池，顶电池必须有宽带隙半导体材料，以及透明导电材料作为背接触。正因如此，以透明导电氧化物作为背接触变得势在必行。目前公知的I-III-VI族黄铜矿化合物半导体双结薄膜太阳电池，采用宽带隙半导体材料作为顶电池、透明导电氧化物作为背接触，提高了太阳电池的转换效率，但是由于I-III-VI族黄铜矿化合物无法实现隧道结，底电池和顶电池之间的工艺兼容性差，导致底电池和顶电池之间的无法直接内部连接，因此多采用外级联方式，结果整个电池需要三个或四个接触，使得电池制作工艺和电池结构复杂，提高了电池制作及电池的成本。
技术实现思路
本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种电池制作工艺简单，制作成本低，电池结构简单，并且电池转换效率高的I-III-VI族材料双结薄膜太阳电池的制备方法。本专利技术如下技术方案是：I-III-VI族材料双结薄膜太阳电池的制备方法，其特点是：包括以下制备步骤：步骤1：在玻璃衬底、柔性金属箔衬底或柔性聚酰亚胺衬底上，采用直流磁控溅射法室温下制备厚度600nm-800nm的背电极Mo薄膜；步骤2：在背电极Mo上，采用共蒸发的方法制备1.5-2.0μm厚的窄带隙CIGS薄膜作为底电池p型吸收层；步骤3：在底电池p型吸收层上，采用化学浴的方法生长30-50nm厚的n型CdS薄膜作为底电池n型缓冲层；步骤4：底电池n型缓冲层上，采用射频磁控溅射法制备50-60nm厚的本征ZnO薄膜作为底电池本征窗口层；步骤5：在底电池本征窗口层上，采用射频磁控溅射法在底电池先制备一层厚度为300-600nm的透明金属氧化物导电层，再制备一层厚度为30-50nm的Mo纳米金属导电层，两个导电层构成连接层；步骤6：在连接层的纳米金属导电层上，采用共蒸发的方法制备1-1.5μm的宽带隙CGS薄膜作为顶电池p型吸收层；步骤7：在顶电池p型吸收层上，采用化学浴的方法生长30-50nm的n型CdS薄膜作为顶电池n型缓冲层；步骤8：在顶电池n型缓冲层上，采用射频磁控溅射法制备50-60nm厚的本征ZnO薄膜作为顶电池本征窗口层；步骤9：在顶电池本征窗口层上，采用射频磁控溅射法法制备厚度为400-600nm的Al掺杂ZnO形成的ZAO薄膜或ITO薄膜作为顶电池导电窗口层；步骤10：在顶电池导电窗口层上，采用直流磁控溅射法制备厚度为2-4μm的Al作为电极层，形成由连接层将步骤1-步骤4制成的CIGS/CdS异质结底电池和步骤6-步骤7制成的CGS/CdS异质结顶电池串联成一体的I-III-VI族材料双结薄膜太阳电池。本专利技术还可以采用如下技术措施：所述连接层中的透明金属氧化物导电层为Al、Ga或In掺杂ZnO构成的TCO薄膜，或ITO薄膜之一种；连接层中的纳米金属导电层为Mo薄膜。本专利技术具有的优点和积极效果：1、本专利技术通过采用纳米金属薄膜与透明金属氧化物电极层组合作为连接层，将窄带隙CIGS底电池和宽带隙CGS顶电池直接内部连接，解决了底电池和顶电池之间的不兼容的问题，实现了底电池和顶电池之间的内部串联连接，具有相同的短路电流；各电池及连接层均采用在衬底上直接沉积的方法，简化了电池制作工艺，降低了电池的制作成本，简化了电池结构。2、本专利技术采用了超薄纳米金属Mo在透明金属氧化物与顶电池吸收层之间进行过渡，即解决了两者直接接触引起的反结现象，又发挥了Mo薄膜利于生长I-III-VI族材料的优势；3、本专利技术顶电池吸收层采用了低温工艺沉积方法，有效降低了顶电池制备工艺对底电池性能的影响。附图说明图1是本专利技术制备的I-III-VI族材料双结薄膜太阳电池结构示意图。图中的标号分别为：1-背电极Mo；2-底电池p型吸收层；3-底电池n型缓冲层；4-底电池本征窗口层；5-连接层；6-顶电池p型吸收层；7-顶电池n型缓冲层；8-顶电池本征窗口层；9-顶电池导电窗口层；10-电极层。具体实施方式为能进一步公开本专利技术的
技术实现思路
、特点及功效，特例举以下实例并结合附图进行详细说明如下。本专利技术I-III-VI族材料双结薄膜太阳电池的制备过程：步骤1：直流磁控溅射法在衬底上制备背电极Mo：⑴室温下，先采用本底真空为<5×10-3Pa，工作压强为1-2Pa的高气压、溅射功率为60W的低功率，在柔性聚酰亚胺衬底上直流磁控溅射沉积Mo，沉积时间为60min，衬底上形成第一层厚度为0.05-0.1μm的Mo薄膜；⑵采用本底真空为<5×10-3Pa，工作压强为0.2-0.4Pa的低气压、溅射功率为150W的高功率，在第一层Mo薄膜上直流磁控溅射沉积Mo，沉积时间为150min，形成第二层Mo薄膜，两层Mo薄膜形成总厚度为600-800nm的双层Mo薄膜作为背电极Mo1；步骤2：三步法在背电极Mo上制备底电池p型吸收层：(1)第一步：衬底温度加热至380-400℃，在背电极Mo上本文档来自技高网...

【技术保护点】
I?III?VI族材料双结薄膜太阳电池的制备方法，其特征在于：包括以下制备步骤：步骤1：在玻璃衬底、柔性金属箔衬底或柔性聚酰亚胺衬底上，采用磁控溅射法室温下制备厚度600nm?800nm的背电极Mo薄膜；步骤2：在背电极Mo上，采用共蒸发的方法制备1.5?2.0μm厚的窄带隙CIGS薄膜作为底电池p型吸收层；步骤3：在底电池p型吸收层上，采用化学浴的方法生长30?50nm厚的n型CdS薄膜作为底电池n型缓冲层；步骤4：底电池n型缓冲层上，采用射频磁控溅射法制备50?60nm厚的本征ZnO薄膜作为底电池本征窗口层；步骤5：在底电池本征窗口层上，采用直流磁控溅射法在底电池先制备一层厚度为300?600nm的透明金属氧化物导电层，再制备一层厚度为30?50nm的纳米金属导电层，两个导电层构成连接层；步骤6：在连接层的纳米金属导电层上，采用共蒸发的方法制备1?1.5μm的宽带隙CGS薄膜作为顶电池p型吸收层；步骤7：在顶电池p型吸收层上，采用化学浴的方法生长30?50nm的n型CdS薄膜作为顶电池n型缓冲层；步骤8：在顶电池n型缓冲层上，采用射频磁控溅射法制备50?60nm厚的本征ZnO薄膜作为顶电池本征窗口层；步骤9：在顶电池本征窗口层上，采用直流磁控溅射法制备厚度为400?600nm的Al掺杂ZnO形成的ZnAO薄膜或ITO薄膜作为顶电池导电窗口层；步骤10：在顶电池导电窗口层上，采用直流磁控溅射法制备厚度为2?4μm的Al作为电极层，形成由连接层将步骤1?步骤4制成的CIGS/CdS异质结底电池和步骤6?步骤7制成的CGS/CdS异质结顶电池串联成一体的I?III?VI族材料双结薄膜太阳电池。...

【技术特征摘要】
1.I-III-VI族材料双结薄膜太阳电池的制备方法，其特征在于：包括以下制备步骤：步骤1：在玻璃衬底、柔性金属箔衬底或柔性聚酰亚胺衬底上，采用直流磁控溅射法室温下制备厚度600nm-800nm的背电极Mo薄膜；步骤2：在背电极Mo上，采用共蒸发的方法制备1.5-2.0μm厚的窄带隙CIGS薄膜作为底电池p型吸收层；步骤3：在底电池p型吸收层上，采用化学浴的方法生长30-50nm厚的n型CdS薄膜作为底电池n型缓冲层；步骤4：底电池n型缓冲层上，采用射频磁控溅射法制备50-60nm厚的本征ZnO薄膜作为底电池本征窗口层；步骤5：在底电池本征窗口层上，采用射频磁控溅射法在底电池先制备一层厚度为300-600nm的透明金属氧化物导电层，再制备一层厚度为30-50nm的Mo纳米金属导电层，两个导电层构成连接层；步骤6：在连接层的纳米金属导电层上，采用共蒸发的方法制备1-1.5μm的宽带隙CGS薄膜作为顶电池p型吸收层；步...

【专利技术属性】
技术研发人员：李微，杨立，杨盼，闫礼，赵彦民，冯金晖，乔在祥，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十八研究所，
类型：发明
国别省市：