用于薄膜太阳能电池的元素掺杂方法及薄膜太阳能电池技术

本发明专利技术涉及光电领域，尤其涉及一种用于薄膜太阳能电池的元素掺杂方法及通过该方法制得的薄膜太阳能电池。用于薄膜太阳能电池的元素掺杂方法，其在待掺杂的膜层表面放置含掺杂元素的粉末，使所述待掺杂的膜层的温度达到150～300℃并保持1～30min，然后移除剩余在所述待掺杂的膜层表面的所述粉末。用薄膜太阳能电池的元素掺杂方法制备的薄膜太阳能电池，包括玻璃基板、透明导电氧化物层、窗口层、吸光层和背电极层，其特点是所述吸光层表面和内部被掺杂所述元素。本发明专利技术可实现对掺杂量的有效控制，从而提高电池的开路电压,短路电流和填充因子,并且提高电池的转换效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光电领域，尤其涉及一种薄膜太阳能电池的元素掺杂方法及通过该方法制得的薄膜太阳能电池。
技术介绍
薄膜太阳能电池由多层薄膜材料依次镀在基板表面形成，例如其结构可能为玻璃基板、透明导电氧化物(TCO )层、半导体层和背电极层，其中的半导体层一般包括窗口层和吸光层。各层薄膜材料使用相同或不同的镀膜方法形成.例如透明导电层可以使用APCVD或PVD镀膜，吸光层可以使用PVD或VTD镀膜，背电极可以采用PVD或印刷镀膜，在不同的薄膜中可以掺杂不同的元素来提高电池的性能。吸光层中金属或非金属元素掺杂，特别是铜的掺杂对电池的性能非常重要。适量的惨杂可以提闻电池的开路电压、短路电流和填充因子，从而提闻电池的转换效率；过量的掺杂可能使过量元素富集在窗口层和吸光层的界面上，影响PN结的性能，导致电池效率下降，长期稳定性降低，也可能会造成透明导电层和背电极之间的短路。现有的技术无法对掺杂量进行有效控制。传统薄膜太阳能电池生产采用PVD法在吸光层上镀一层金属铜膜，或使用铜盐溶液浸泡方法来进行掺杂(US20100212731，2010-8-26)。薄膜太阳能电池所需的铜掺杂浓度很低，约在Ippm 5ppm。采用PVD法的铜膜厚度很容易超量，多余的金属铜将在室温情况下缓慢持续扩散，而且均匀度也难以控制。采用铜盐溶液问题在于由于半导体吸光层是多晶结构，晶体颗粒小，晶粒界面分布密度高且疏松，铜盐中的自由铜离子可以通过晶粒界面迅速向下层扩散，造成膜层界面和晶粒界面上的富集，导致电池性能降低。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种可对掺杂量进行有效控制的用于薄膜太阳能电池的元素掺杂方法。本专利技术的目的之二是提供一种可对掺杂量进行有效控制的用于薄膜太阳能电池的元素掺杂方法制备的薄膜太阳能电池。本专利技术的第一技术目的是通过以下技术方案得以实现的 用于薄膜太阳能电池的元素掺杂方法，其特点是在待掺杂的膜层表面放置含掺杂元素的粉末，使所述待掺杂的膜层的温度达到150 300°C并保持I 30min，然后移除剩余在所述待掺杂的膜层表面的所述粉末。所述放置可以是铺或撒。在待掺杂的膜层表面铺上或撒上含掺杂元素的粉末，所述含掺杂元素的粉末与待掺杂的膜层表面自由接触，但没有粘结。所述含掺杂元素的粉末在所述温度下热处理扩散，热处理扩散完成后将粉末移去。本专利技术的粉末扩散法可以通过控制温度和时间来调节掺杂浓度。因为粉末以固态与待掺杂层相接触，掺杂元素扩散只能从表面到内部逐渐进行，没有自由离子通过晶粒界面快速扩散；而且由于多余的粉末完全除去，掺杂完成后便没有多余扩散源在低温下缓慢但持续扩散，从而可实现对待掺杂膜层的恰当掺杂，实现对掺杂量的有效控制，从而提高电池的开路电压，短路电流和填充因子，并且提高电池的转换效率。本专利技术所述的掺杂元素包括铜Cu、磷P、铺Sb、铟In、秘B1、砷As、招Al、钠Na、氮N、氯Cl等。本专利技术的掺杂过程可以在受控气氛下进行，如空气，氧气，氮气，氦气，氢气或混合气体。作为本专利技术技术方案的一种优选，所述掺杂元素为铜，所述含掺杂元素的粉末为含铜的无机盐或有机盐粉末或金属铜粉末。铜是一种对薄膜电池性能很重要的元素。铜掺杂有两个目的形成欧姆接触和增加受子浓度。理想状态为铜元素在所掺杂层内部均匀分布提供受子，在表面略富集以帮助欧姆接触的形成。在薄膜太阳能电池中可以对一层或多层薄膜进行铜掺杂。作为本专利技术技术方案的进一步优选，所述含铜的无机盐或有机盐粉末为CuCl、CuCl2, CuSO4, Cu (NO3) 2、CuC2O4, Cu (C6H4NO2) 2、Cu (CH3COO)2 中的一种或两种以上粉末的混合物。作为本专利技术技术方案的一种优选，所述移除方法包括吹除、吸除或清洗。作为本专利技术技术方案的一种优选，所述待掺杂的膜层的温度保持在180 240°C,时间为I IOmin。本专利技术的第二技术目的是通过以下技术方案得以实现的 用薄膜太阳能电池的元素掺杂方法制备的薄膜太阳能电池，包括玻璃基板、透明导电氧化物层、窗口层、吸光层和背电极层，其特点是在所述吸光层表面和内部被掺杂所述元素。因为所述粉末以固态与待掺杂层(吸光层)相接触，扩散只能从表面到内部逐渐进行，没有自由离子可以通过晶粒界面快速扩散。而且由于多余的粉末完全除去，掺杂完成后便没有多余粉末在低温下缓慢但持续扩散，因此本专利技术的薄膜太阳能电池中的待掺杂的元素可得到有效控制，在所述吸光层中均匀分布。采用本专利技术的粉末扩散方法制备的薄膜太阳能电池与传统薄膜太阳能电池相比，串联电阻可以降低50%以上，漏电电阻可以增加50 300%以上，电池填充因子提高5 10%，开路电压增加2 5%，电池转换效率提高5 15%。作为本专利技术技术方案的一种优选，所述掺杂元素为铜，所述含掺杂元素的粉末为含铜的无机盐或有机盐粉末或金属铜粉末。作为本专利技术技术方案的进一步优选，所述含铜的无机盐或有机盐粉末为CuCl、CuCl2, CuSO4, Cu (NO3)2> CuC2O4, Cu (C6H4NO2)2、Cu (CH3COO)2 中的一种或两种以上粉末。作为本专利技术技术方案的进一步优选，所述透明半导体氧化物层为FT0、MO、ΙΤ0,CTO或其他透光性好的导电氧化物。本专利技术所述窗口层和吸光层中的半导体化合物可以是元素周期表中2-6族或3-5族半导体化合物。作为本专利技术技术方案的一种优选，所述窗口层和所述吸光层中的半导体化合物为Zn。、ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS、CdSe, CdTe、CIGS、MgO, MgS, MgSe、MgTe、HgO, HgS, HgSe,HgTe、MnO、MnS、MnTe、InSb、TiN、TiP、TiAs或TiSb的一种或两种以上组成的一层或两层以上结构。本专利技术所述背电极层可以是任何具有良好导电性的材料薄膜。作为本专利技术技术方案的一种优选，所述背电极层是Au、Ag、Cu、Al、Cr、N1、V、Mo、5墨以及它们的氧化物、氮化物、碳化物中的一种或两种以上组成的一层或两层以上结构。作为本专利技术技术方案的进一步优选，所述透明半导体氧化物层为FT0，所述窗口层为CdS，所述吸光层为CdTe，所述背电极层为Μο0χ、Α1和Cr组成的三层结构。附图说明图1是薄膜太阳能电池结构示意 图2是半导体吸光层的多晶结构和晶粒界面在薄膜太阳能电池中的示意 图3是传统工艺中采用溶液作为扩散源的掺杂过程示意图 图4是本专利技术提出的采用粉末作扩散源的掺杂过程示意图。具体实施例方式以下结合附图对本专利技术作进一步详细说明。如图1所示，薄膜太阳能电池包括玻璃基板100、透明导电氧化物层110、窗口层120、吸光层130和背电极层140。如图2所示，半导体吸光层130是多晶结构，晶粒界面分布密度高且疏松。 如图3所示，当传统工艺采用溶液来提供扩散源时，A为掺杂元素离子，溶液中的离子可以通过晶粒界面快速扩散并富集在晶粒界面和窗口层120和吸光层130界面上，造成电池性能下降。图4显示了本专利技术的工作机理，粉末以固态与半导体吸光层130相接触，粉末粒径较大，没有自由离子，因此可防止粉末通过晶粒界面快速向下扩散，粉末扩散只能从表面到内部逐渐进行。粉末扩散后在晶粒内部以掺杂元素离子A或原子存在，元素掺杂浓度在本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于薄膜太阳能电池的元素掺杂方法，其特征在于：在待掺杂的膜层表面放置含掺杂元素的粉末，使所述待掺杂的膜层的温度达到150～300℃并保持1～30min，然后移除剩余在所述待掺杂的膜层表面的所述粉末。

【技术特征摘要】
1.用于薄膜太阳能电池的兀素掺杂方法，其特征在于在待掺杂的膜层表面放置含掺杂元素的粉末，使所述待掺杂的膜层的温度达到150 300°C并保持I 30min，然后移除剩余在所述待掺杂的膜层表面的所述粉末。2.根据权利要求1所述的用于薄膜太阳能电池的元素掺杂方法，其特征在于所述元素为铜，所述粉末为含铜的无机盐或有机盐粉末或金属铜粉。3.根据权利要求2所述的用于薄膜太阳能电池的元素掺杂方法，其特征在于所述含铜的无机盐或有机盐粉末为 CuCl、CuCl2、CuSO4, Cu (NO3) 2、CuC2O4, Cu (C6H4NO2) 2、Cu (CH3COO) 2中的一种或两种以上粉末的混合物。4.根据权利要求1-3任一项所述的用于薄膜太阳能电池的元素掺杂方法，其特征在于所述移除方法包括吹除、吸除或清洗。5.根据权利要求4所述的用于薄膜太阳能电池的元素掺杂方法，其特征在于所述待掺杂的膜层的温度保持在180 240°C，时间为I lOmin。6.如权利要求1所述的用于薄膜太阳能电池的元素掺杂方法制备的薄膜太阳能电池，包括玻璃基板、透明导电氧化物层、窗口层、吸光层和背电极层，其特征在于所述吸光层表面和内部被掺杂所述元素。7.根据权利要求6所述的薄膜太阳能电池，其特征在于所述元素为铜，所述粉末为含铜的无机盐或有机盐粉末或金属铜粉末...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅芳，赵军，
申请(专利权)人：上方能源技术杭州有限公司，
类型：发明
国别省市：