CN111048603B - 一种彩色铜铟镓硒薄膜太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种彩色铜铟镓硒薄膜太阳能电池，包括玻璃基底，玻璃基底顶面由下至上依次层叠有阻挡层、背电极层、铜铟镓硒吸收层、缓冲层与透明导电膜层，其特征在于，所述透明导电膜层是由三层薄膜构成的复合膜层，所述复合膜层由上至下依次为上透明绝缘膜、金属导电膜与下透明绝缘膜；通过常规溅射工艺依次制备各膜层即可得到彩色铜铟镓硒薄膜太阳能电池；采用复合膜层的结构来构成透明导电膜层，只需要改变复合膜层中各膜层的材料与厚度即可实现铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件颜色的改变，不需改变盖板玻璃，从而避免了可见光透过率的减少，能够增加对太阳能的利用效率。

Description

一种彩色铜铟镓硒薄膜太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及薄膜太阳能电池技术领域，具体是一种彩色铜铟镓硒薄膜太阳能电池及其制备方法。

背景技术

随着能源危机及环境污染的日益加剧，如何提高可再生能源比例，调整能源结构成为社会发展的主流。太阳能作为重要的可再生能源，近年来受到广泛的关注并得到快速发展。晶体硅光伏组件作为光伏行业的主流产品，因晶硅原材料生产能耗高并且污染大，电池性能提升空间有限。而铜铟镓硒（以下简称“CIGS”）薄膜太阳能电池具有良好的弱光（散射）效应和较低的温度系数，并且具有长期不衰减的特性，因而发电性能好、发电稳定。生产工艺简单并无污染等优势，被业界评为“太阳能能源的未来”。截止到2016年底，全球累计光伏组件发电装机容量达到258.8GW，其中铜铟镓硒薄膜太阳电池占到了3GW以上，同时年产能超过3GW。

另外，铜铟镓硒薄膜太阳电池组件美观大方，颜色可变，完美的契合了光伏建筑一体化BIPV和屋顶发电。目前，业界针对彩色铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件的工业生产方法，主要采用具有不同色彩的盖板玻璃来实现,不仅增加了成本而且减少了盖板玻璃的透过率,降低了铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件的转换效率。

为了更容易的实现好铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件颜色的改变，人们尝试采用改变铜铟镓硒薄膜太阳能电池结构中各膜层的厚度来实现，该方法颜色变化范围小,颜色品种单一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种彩色铜铟镓硒薄膜太阳能电池及其制备方法，该电池能够方便地改变外观颜色，并且制备工艺简单稳定，重复性好，适合大规模工业化生产。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种彩色铜铟镓硒薄膜太阳能电池，包括玻璃基底，玻璃基底顶面由下至上依次层叠有阻挡层、背电极层、铜铟镓硒吸收层、缓冲层与透明导电膜层，其特征在于，所述透明导电膜层是由三层薄膜构成的复合膜层，所述复合膜层由上至下依次为上透明绝缘膜、金属导电膜与下透明绝缘膜。

进一步的，上透明绝缘膜与下透明绝缘膜为透明氧化物薄膜、透明氮化物薄膜或透明氮氧化物薄膜。

进一步的，所述上透明绝缘膜与下透明绝缘膜为掺铝氧化锌、掺镓氧化锌、氧化锌、掺氟氧化锡、氧化铟锡、氧化锡、二氧化硅、氮化硅、二氧化钛、氮氧化钛。

进一步的，所述金属导电膜为钼、银、铜、金、钴、镍、铬、钛、钽、铝、铟、铂、钯或以上的金属合金。

本发明还提供一种彩色铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

S1、采用溅射工艺在玻璃基底上沉积阻挡层；

S2、采用溅射工艺在阻挡层上沉积背电极层；

S3、利用激光刻划工艺将背电极层划开，分隔背电极层；

S4、在背电极层上制备铜铟镓硒吸收层；

S5、在铜铟镓硒吸收层上制备缓冲层，形成太阳能电池PN结；

S6、利用激光刻划工艺刻划第二道划线，分隔PN结，提供前后电极连接通道；

S7、采用溅射工艺沉积下透明绝缘膜，下透明绝缘膜为透明氧化物薄膜或透明氮化物薄膜；

S8、采用溅射工艺沉积金属导电膜；

S9、采用溅射工艺沉积上透明绝缘膜，上透明绝缘膜为透明氧化物薄膜或透明氮化物薄膜，得到权利要求1所述的彩色铜铟镓硒薄膜太阳能电池。

本发明的有益效果是：

一、采用复合膜层的结构来构成透明导电膜层，只需要改变复合膜层中各膜层的材料与厚度即可实现铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件颜色的改变，不需改变盖板玻璃，从而避免了可见光透过率的减少，能够增加对太阳能的利用效率。

二、太阳能电池外观颜色容易调节，且制备简单。

三、不需采用颜色盖板玻璃，同时能够减少了透明导电膜的厚度，降低了材料消耗，减少了生产成本，有利于工业推广应用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明的示意图；

图2是本发明实施例一制得的铜铟镓硒薄膜太阳能电池颜色指示图；

图3是本发明实施例二制得的铜铟镓硒薄膜太阳能电池颜色指示图；

图4是本发明实施例三制得的铜铟镓硒薄膜太阳能电池颜色指示图；

图5是本发明实施例四制得的铜铟镓硒薄膜太阳能电池颜色指示图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种彩色铜铟镓硒薄膜太阳能电池，包括玻璃基底1，玻璃基底1顶面由下至上依次层叠有阻挡层2、背电极层3、铜铟镓硒吸收层4、缓冲层5与透明导电膜层，所述透明导电膜层是由三层薄膜构成的复合膜层，所述复合膜层由上至下依次为上透明绝缘膜8、金属导电膜7与下透明绝缘膜6。

上透明绝缘膜8与下透明绝缘膜6为透明氧化物薄膜或透明氮化物薄膜，作为优选的，所述上透明绝缘膜8与下透明绝缘膜6为掺铝氧化锌、氧化锌、二氧化硅、氮化硅或二氧化钛，金属导电膜7为钼、银、铜、金、钴、镍或铬。

实施例一

本发明还提供一种彩色铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

S1、采用溅射工艺在2.1mm厚钠钙玻璃基底1上沉积阻挡层2，阻挡层2为90nm厚度的氮化硅；

S2、采用溅射工艺在阻挡层上沉积背电极层3；背电极层3为450nm厚度的钼；

S3、利用激光刻划工艺刻画第一道划线P1，将背电极层3划开，分隔背电极层；

S4、利用三步共蒸发法、电镀后硒化、共溅射硒化法或溅射后硒化法等常规方法在背电极层3上制备厚度1400nm的铜铟镓硒吸收层4；

S5、依次采用化学水浴法沉积硫化镉缓冲层，然后采用溅射法沉积高阻层本证氧化锌材料，形成厚度100nm的缓冲层5，形成太阳能电池PN结；

S6、利用激光刻划工艺刻划第二道划线P2，分隔PN结，提供前后电极连接通道；

S7、采用溅射工艺沉积下透明绝缘膜6，下透明绝缘膜6为厚度100nm的掺铝氧化锌薄膜；

S8、采用溅射工艺沉积金属导电膜7，金属导电膜7为厚度5nm的银膜层；

S9、采用溅射工艺沉积上透明绝缘膜8，上透明绝缘膜8为厚度100nm的掺铝氧化锌薄膜，得到彩色铜铟镓硒薄膜太阳能电池。

对制得的太阳能电池，采用分光光度计测得掺铝氧化锌/金属银层/掺铝氧化锌三明治结构透明导电氧化物薄膜层透过率达83.8%(波长380-1200nm)，采用霍尔效应测试仪测得电阻率为1.7×10^-4Ω·cm，并采用椭偏仪测量各个膜层的光学性能，得到各膜层的折射率n和消光系数k值，结合图2所示，结合光学模拟软件TFCalc 3.5，得到铜铟镓硒薄膜太阳能电池的颜色，国际照明学会（CIE）标准L*=53.7；a*=8.03；b*=10.61。

实施例二

本发明提供一种彩色铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

S1、采用溅射工艺在2.1mm厚钠钙玻璃基底1上沉积阻挡层2，阻挡层2为90nm厚度的氮化硅；

S2、采用溅射工艺在阻挡层上沉积背电极层3；背电极层3为450nm厚度的钼；

S3、利用激光刻划工艺刻画第一道划线P1，将背电极层3划开，分隔背电极层；

S4、利用三步共蒸发法、电镀后硒化、共溅射硒化法或溅射后硒化法等常规方法在背电极层3上制备厚度1400nm的铜铟镓硒吸收层4；

S5、依次采用化学水浴法沉积硫化镉缓冲层，然后采用溅射法沉积高阻层本证氧化锌材料，形成厚度100nm的缓冲层5，形成太阳能电池PN结；

S6、利用激光刻划工艺刻划第二道划线P2，分隔PN结，提供前后电极连接通道；

S7、采用溅射工艺沉积下透明绝缘膜6，下透明绝缘膜6为厚度100nm的掺铝氧化锌薄膜；

S8、采用溅射工艺沉积金属导电膜7，金属导电膜7为厚度5nm的铜膜层；

S9、采用溅射工艺沉积上透明绝缘膜8，上透明绝缘膜8为厚度100nm的掺铝氧化锌薄膜，得到彩色铜铟镓硒薄膜太阳能电池。

对制得的太阳能电池，采用分光光度计测得掺铝氧化锌/金属铜层/掺铝氧化锌三明治结构透明导电氧化物薄膜层透过率达82.4%(波长380-1200nm)，采用霍尔效应测试仪测得电阻率为8.3×10^-5Ω·cm，并采用椭偏仪测量各个膜层的光学性能，得到各膜层的折射率n和消光系数k值，结合图3所示，结合光学模拟软件TFCalc 3.5，得到铜铟镓硒薄膜太阳能电池的颜色，国际照明学会（CIE）标准L*=46.65；a*=17.51；b*=-2.4。

实施例三

本发明提供一种彩色铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

S1、采用溅射工艺在2.1mm厚钠钙玻璃基底1上沉积阻挡层2，阻挡层2为90nm厚度的氮化硅；

S2、采用溅射工艺在阻挡层上沉积背电极层3；背电极层3为450nm厚度的钼；

S3、利用激光刻划工艺刻画第一道划线P1，将背电极层3划开，分隔背电极层；

S4、利用三步共蒸发法、电镀后硒化、共溅射硒化法或溅射后硒化法等常规方法在背电极层3上制备厚度1400nm的铜铟镓硒吸收层4；

S5、依次采用化学水浴法沉积硫化镉缓冲层，然后采用溅射法沉积高阻层本证氧化锌材料，形成厚度100nm的缓冲层5，形成太阳能电池PN结；

S6、利用激光刻划工艺刻划第二道划线P2，分隔PN结，提供前后电极连接通道；

S7、采用溅射工艺沉积下透明绝缘膜6，下透明绝缘膜6为厚度50nm的掺铝氧化锌薄膜；

S8、采用溅射工艺沉积金属导电膜7，金属导电膜7为厚度1nm的铝膜层；

S9、采用溅射工艺沉积上透明绝缘膜8，上透明绝缘膜8为厚度50nm的掺铝氧化锌薄膜，得到彩色铜铟镓硒薄膜太阳能电池。

对制得的太阳能电池，采用分光光度计测得掺铝氧化锌/金属铝层/掺铝氧化锌三明治结构透明导电氧化物薄膜层透过率达81.7%(波长380-1200nm)，采用霍尔效应测试仪测得电阻率为1.92×10^-4Ω·cm，并采用椭偏仪测量各个膜层的光学性能，得到各膜层的折射率n和消光系数k值，结合图4所示，结合光学模拟软件TFCalc 3.5，得到铜铟镓硒薄膜太阳能电池的颜色，国际照明学会（CIE）标准L*=14.74；a*=38.26；b*=-46.1。

实施例四

本发明提供一种彩色铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

S1、采用溅射工艺在2.1mm厚钠钙玻璃基底1上沉积阻挡层2，阻挡层2为90nm厚度的氮化硅；

S2、采用溅射工艺在阻挡层上沉积背电极层3；背电极层3为450nm厚度的钼；

S3、利用激光刻划工艺刻画第一道划线P1，将背电极层3划开，分隔背电极层；

S4、利用三步共蒸发法、电镀后硒化、共溅射硒化法或溅射后硒化法等常规方法在背电极层3上制备厚度1400nm的铜铟镓硒吸收层4；

S5、依次采用化学水浴法沉积硫化镉缓冲层，然后采用溅射法沉积高阻层本证氧化锌材料，形成厚度100nm的缓冲层5，形成太阳能电池PN结；

S6、利用激光刻划工艺刻划第二道划线P2，分隔PN结，提供前后电极连接通道；

S7、采用溅射工艺沉积下透明绝缘膜6，下透明绝缘膜6为厚度30nm的掺铝氧化锌薄膜；

S8、采用溅射工艺沉积金属导电膜7，金属导电膜7为厚度15nm的钼膜层；

S9、采用溅射工艺沉积上透明绝缘膜8，上透明绝缘膜8为厚度30nm的掺铝氧化锌薄膜，得到彩色铜铟镓硒薄膜太阳能电池。

对制得的太阳能电池，采用分光光度计测得掺铝氧化锌/金属钼层/掺铝氧化锌三明治结构透明导电氧化物薄膜层透过率达80%(波长380-1200nm)，采用霍尔效应测试仪测得电阻率为9×10^-5Ω·cm，并采用椭偏仪测量各个膜层的光学性能，得到各膜层的折射率n和消光系数k值，结合图5所示，结合光学模拟软件TFCalc 3.5，得到铜铟镓硒薄膜太阳能电池的颜色，国际照明学会（CIE）标准L*=37.88；a*=16；b*=-5。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (2)

1.一种彩色铜铟镓硒薄膜太阳能电池，包括玻璃基底，玻璃基底顶面由下至上依次层叠有阻挡层、背电极层、铜铟镓硒吸收层、缓冲层与透明导电膜层，其特征在于，所述透明导电膜层是由三层薄膜构成的复合膜层，所述复合膜层由上至下依次为上透明绝缘膜、金属导电膜与下透明绝缘膜；

所述上透明绝缘膜与下透明绝缘膜为掺铝氧化锌、掺镓氧化锌、氧化锌、掺氟氧化锡、氧化锡、二氧化硅、氮化硅、二氧化钛、氮氧化钛，厚度为50-100nm；

所述金属导电膜为钼、铜、金、钴、镍、铬、钛、钽、铝、铟、铂、钯或以上的金属合金。

2.根据权利要求1所述的一种彩色铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采用溅射工艺在玻璃基底上沉积阻挡层；

S2、采用溅射工艺在阻挡层上沉积背电极层；

S3、利用激光刻划工艺将背电极层划开，分隔背电极层；

S4、在背电极层上制备铜铟镓硒吸收层；

S5、在铜铟镓硒吸收层上制备缓冲层，形成太阳能电池PN结；

S6、利用激光刻划工艺刻划第二道划线，分隔PN结，提供前后电极连接通道；

S7、采用溅射工艺沉积下透明绝缘膜，下透明绝缘膜为透明氧化物薄膜或透明氮化物薄膜；

S8、采用溅射工艺沉积金属导电膜；

S9、采用溅射工艺沉积上透明绝缘膜，上透明绝缘膜为透明氧化物薄膜或透明氮化物薄膜，得到权利要求1所述的彩色铜铟镓硒薄膜太阳能电池。

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