CN204315592U - 一种化合物薄膜太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种化合物薄膜太阳能电池，其依次包括衬底、背电极层、吸收层、缓冲层、窗口层和电极层，所述缓冲层为具有带隙梯度的CdSO缓冲层，所述CdSO缓冲层的带隙由所述吸收层至所述窗口层逐渐增加。本实用新型用具有带隙梯度的CdSO缓冲层替代CdS缓冲层，CdSO缓冲层的带隙由吸收层至窗口层逐渐增加，形成梯度带隙，这样底部为O含量较少的CdS，可用于减少与吸收层晶格失配，而上层CdSO带隙逐渐增加，则有利于通过短波光，使太阳能电池的短波光谱响应增加。

Description

一种化合物薄膜太阳能电池

技术领域

本实用新型涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种化合物薄膜太阳能电池。

背景技术

随着经济社会的发展，人们对能源的需求也与日俱增。由于常规化石能源储量有限，且污染环境。因此，发展利用新的清洁能源就成为解决常规能源匮乏，环境污染的唯一途径。由于太阳能取之不尽用之不竭，清洁无污染，是未来最理想最可持续的可再生能源。太阳能电池直接将光能转变为电能，是太阳能利用的一种重要方式。

铜铟镓硒(CIGSe)薄膜太阳能电池具有高光吸收系数、高转化效率、可调的禁带宽度、高稳定性、较强的抗辐射能力等优点，目前转换效率已经超过多晶硅电池，并仍在不断获得新突破，是一种非常有发展潜力的薄膜太阳能电池。另一种铜基化合物铜锌锡硫(CZTS)电池与CIGSe电池结构相同，制备方法相似，但是所采用的原材料如锌(Zn)、锡(Sn)和硫(S)更廉价且储量丰富，因此，CZTS被认为是一种很有前途的新型薄膜太阳能电池材料。

在CIGSe和CZTS电池中，通常采用CdS作为缓冲层，来减少吸收层与窗口层的晶格和带隙失配。但是CdS缓冲层的禁带宽度只有2.4eV，会对高能光子产生吸收，从而减少CIGSe或CZTS电池的短波光谱响应，影响电池的短路电流和转换效率。为了解决这个问题就需要找到一种禁带宽度更大，同时能够调节吸收层与窗口层的晶格失配的缓冲层材料。

实用新型内容

为了解决现有技术中所存在的吸收层与窗口层之间晶格失配的技术问题，提高太阳能电池的短波光谱响应，本实用新型提供了一种化合物薄膜太阳能电池。

所采用技术方案如下所述：

一种化合物薄膜太阳能电池，其依次包括衬底、背电极层、吸收层、缓冲层、窗口层和电极层，所述缓冲层为具有带隙梯度的CdSO缓冲层，所述CdSO缓冲层的带隙由所述吸收层至所述窗口层逐渐增加。

所述CdSO缓冲层中的氧含量在远离所述吸收层的方向上呈逐渐递增。

所述吸收层为铜铟硒(CISe)吸收层、铜铟镓硒(CIGSe)吸收层、铜铟镓硫硒(CIGSSe)吸收层、铜铟镓硫(CIGS)吸收层、铜铟硫(CIS)吸收层、铜锌锡硫(CZTS)吸收层、铜锌锡硫硒(CZTSSe)吸收层、铜锌锡硒(CZTSe)吸收层中的一种，所述吸收层的厚度为0.5-3μm。

窗口层包括本征透明氧化物层和透明导电氧化物层，所述本征透明氧化物层的厚度为30-100nm，所述透明导电氧化物层的厚度为200-1500nm。

所述本征透明氧化物层为i-ZnO层或i-SnO₂层。

所述的透明导电氧化物层为掺铝氧化锌(ZnO∶Al)、掺镓氧化锌(ZnO∶Ga)、掺硼氧化锌(ZnO∶B)、掺氢氧化锌(ZnO∶H)、掺氟氧化锡(SnO₂∶F)和掺锡氧化铟(In₂O₃∶Sn)中的一种。

本实用新型相对于现有技术具有如下有益效果：

本实用新型将具有带隙梯度的CdSO缓冲层替代CdS缓冲层，CdSO缓冲层的带隙由吸收层至窗口层逐渐增加，形成梯度带隙，这样底部为O含量较少的CdS，可用于减少与吸收层晶格失配，而上层CdSO带隙逐渐增加，则有利于通过短波光，使太阳能电池的短波光谱响应增加。

附图说明

为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中

图1为本实用新型所提供的一种化合物薄膜太阳能电池结构示意图。

图中1-衬底；2-背电极层；3-吸收层；4-缓冲层；5-窗口层，51-本征透明氧化物层；52-透明导电氧化物层；6-电极层。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，本实用新型提供了一种化合物薄膜太阳能电池，其依次包括衬底1、背电极层2、吸收层3、缓冲层4、窗口层5和电极层6，缓冲层4为具有带隙梯度的CdSO缓冲层，CdSO缓冲层的带隙由吸收层3至窗口层5逐渐增加。缓冲层4中带隙的增加与CdSO缓冲层4中氧含量有关，CdSO缓冲层4中的氧含量在远离吸收层3的方向上呈逐渐递增，从而形成底层氧含量少，上层氧含量多，可同时调节与吸收层3的晶格失配，并提高太阳电池的短波响应。

衬底1包括玻璃衬底、金属衬底和聚合物衬底。其中的玻璃衬底包括钠钙玻璃、低Fe玻璃、太阳能浮法玻璃以及其他适合的玻璃；金属衬底包括不锈钢箔，Al箔，Mo箔，Cu箔及其他适合的金属；聚合物衬底为聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂(PET)及其他适合的聚合物。

其中的背电极层2采用直流磁控溅射真空沉积，这里采用的Mo背电极层2，其厚度为0.1-2μm。

其中的吸收层3可以为铜铟硒(CISe)，铜铟镓硒(CIGSe)，铜铟镓硫硒(CIGSSe)，铜铟镓硫(CIGS)，铜铟硫(CIS)，铜锌锡硫(CZTS)，铜锌锡硫硒(CZTSSe)，铜锌锡硒(CZTSe)中的一种，所述吸收层3的厚度为0.5-3μm。这里优选采用铜铟镓硒(CIGSe)和铜锌锡硫(CZTS)吸收层。

其中的窗口层5包括本征透明氧化物层51和透明导电氧化物层52，本征透明氧化物层51的厚度为30-100nm，透明导电氧化物层52的厚度为200-1500nm。

其中的本征透明氧化物层51为i-ZnO层或i-SnO₂层；透明导电氧化物层52为掺铝氧化锌(ZnO∶Al)、掺镓氧化锌(ZnO∶Ga)、掺硼氧化锌(ZnO∶B)、掺氢氧化锌(ZnO∶H)、掺氟氧化锡(SnO₂∶F)和掺锡氧化铟(In₂O₃∶Sn)中的一种。

另外，电极层6为Ni/Al双层电极层，采用热蒸发或电子束蒸发法制备，厚度为0.5-4μm。

上述具有带隙梯度的CdSO缓冲层4采用射频(RF)磁控溅射法制备，靶材为纯度大于99.99％的CdS靶，其具体制备步骤如下：

步骤一、将制备完成的衬底1/Mo背电极层2/吸收层3多层材料，用纯氮气吹扫干净，装入真空室；

步骤二、待真空度优于1×10^-3Pa后，通入氩气(Ar)，开始沉积薄膜，溅射气压为0.1-10Pa，随着薄膜生长，开始通入并逐渐增加氧气(O₂)量，O₂/Ar的流量比为0-10％，CdSO缓冲层4总的O含量原子比为0-30％，厚度为10-100nm。

实施例一：

一种化合物薄膜太阳能电池，结构包括钠钙玻璃衬底1、Mo背电极层2、CIGSe吸收层3、具有带隙梯度的CdSO缓冲层4、窗口层5和镍铝(Ni/Al)电极层6，结构如图1所示，制备步骤如下：

步骤一、将钠钙玻璃衬底1进行超声清洗，然后用纯氮气吹干装入磁控溅射真空室内，脱水去气；

步骤二、采用直流磁控溅射沉积Mo背电极层2，厚度为1μm；

步骤三、将制备有Mo背电极层2的衬底1用去离子水清洗干净，用纯氮气吹干，装入真空室；

步骤四、待真空度高于1×10^-3Pa后，采用共蒸发法沉积CIGSe吸收层3，厚度为2μm；

步骤五、将制备完成的玻璃衬底1/Mo背电极层2/CIGSe吸收层3多层材料，用纯氮气吹扫干净，装入真空室；

步骤六、待真空度优于1×10^-3Pa后，通入氩气(Ar)，开始沉积薄膜，溅射气压为2Pa。随后开始通入氧气(O₂)，并逐渐增加氧气流量，使O₂/Ar的流量比在0-5％变化，CdSO缓冲层4的厚度为50nm；

步骤七、采用磁控溅射沉积80nm厚的i-ZnO和800nm厚的ZnO∶Al窗口层5；

步骤八、采用电子束蒸发法沉积3μm厚的Ni/Al电极层6。

实施例一中太阳能电池的短波光谱响应提高，短路电流密度提高0.5-1mA/cm²。

实施例二

一种化合物薄膜太阳能电池，结构包括低Fe玻璃衬底1、Mo背电极层2、CZTS吸收层3、具有带隙梯度的CdSO缓冲层4、窗口层5和镍铝(Ni/Al)电极层6，结构如图1所示，制备步骤如下：

步骤一、将低Fe玻璃衬底1进行超声清洗，然后用纯氮气吹干装入磁控溅射真空室内，脱水去气；

步骤二、采用直流磁控溅射沉积Mo背电极层2，厚度为1μm；

步骤三、将制备有Mo背电极层2的衬底1用去离子水清洗干净，用纯氮气吹干；

步骤四、采用溶胶凝胶方法沉积CZTS吸收层3，厚度为1.5μm；

步骤五、将制备完成的玻璃衬底1/Mo背电极层2/CZTS吸收层3多层材料，用纯氮气吹扫干净，装入真空室；

步骤六、待真空度优于1×10^-3Pa后，通入氩气(Ar)，开始沉积薄膜，溅射气压为2Pa。随后开始通入氧气(O₂)，并逐渐增加氧气流量，使O₂/Ar的流量比在0-5％变化，CdSO缓冲层4的厚度为50nm；

步骤七、采用磁控溅射沉积80nm厚的i-ZnO和800nm厚的ZnO∶Al窗口层5；

步骤八、采用电子束蒸发法沉积3μm厚的Ni/Al电极层6。

实施例二中太阳能电池的短波光谱响应提高，短路电流密度提高0.5-1mA/cm²。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种化合物薄膜太阳能电池，其依次包括衬底、背电极层、吸收层、缓冲层、窗口层和电极层，其特征在于，所述缓冲层为具有带隙梯度的CdSO缓冲层，所述CdSO缓冲层的带隙由所述吸收层至所述窗口层逐渐增加。

2.根据权利要求1所述的化合物薄膜太阳能电池，其特征在于，所述CdSO缓冲层中的氧含量在远离所述吸收层的方向上呈逐渐递增。

3.根据权利要求1所述的化合物薄膜太阳能电池，其特征在于，所述吸收层为铜铟硒(CISe)吸收层、铜铟镓硒(CIGSe)吸收层、铜铟镓硫硒(CIGSSe)吸收层、铜铟镓硫(CIGS)吸收层、铜铟硫(CIS)吸收层、铜锌锡硫(CZTS)吸收层、铜锌锡硫硒(CZTSSe)吸收层、铜锌锡硒(CZTSe)吸收层中的一种，所述吸收层的厚度为0.5-3μm。

4.根据权利要求3所述的化合物薄膜太阳能电池，其特征在于，窗口层包括本征透明氧化物层和透明导电氧化物层，所述本征透明氧化物层的厚度为30-100nm，所述透明导电氧化物层的厚度为200-1500nm。

5.根据权利要求4所述的化合物薄膜太阳能电池，其特征在于，所述本征透明氧化物层为i-ZnO层或i-SnO₂层。

6.根据权利要求4所述的化合物薄膜太阳能电池，其特征在于，所述的透明导电氧化物层为掺铝氧化锌(ZnO：Al)、掺镓氧化锌(ZnO：Ga)、掺硼氧化锌(ZnO：B)、掺氢氧化锌(ZnO：H)、掺氟氧化锡(SnO₂：F)和掺锡氧化铟(In₂O₃：Sn)中的一种。