專利名稱：一種高效疊層太陽能電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高效疊層太陽能電池及其制備方法，可以極大提高對太陽能 的利用效率和太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，屬于太陽能電池及其制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
太陽電池是直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的元件，其基本構(gòu)造是運用半導(dǎo)體材料構(gòu) 成P-N，光照射在太陽電池上，使半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生空穴一電子對，經(jīng)P-N結(jié)電場 的作用后，積累在P-N結(jié)兩側(cè)的電子(空穴)經(jīng)過電極引出后形成電流。
由于太陽光光譜中的能量分布較寬，現(xiàn)有的任何一種半導(dǎo)體材料都只能吸收 能量比其能隙值高的光子。太陽光中能量較小的光子將透過電池，被背電極金屬 吸收，轉(zhuǎn)變成熱能；高能光子超出能隙寬度的多余能量，則通過光生載流子的能 量熱釋作用傳給電池材料本身的點陣原子,使材料本身發(fā)熱。這些能量都不能通 過光生載流子傳給負(fù)載，變成有效的電能。為了提高對太陽能的利用效率，人們 提出了疊層太陽能電池的概念。將太陽光光譜可以被分成連續(xù)的若干部分，用能 帶寬度與這些部分有最好匹配的材料做成電池，并按能隙從大到小的順序從外向 里疊合起來，讓波長最短的光被最外邊的寬隙材料電池利用,波長較長的光能夠透 射進去讓較窄能隙材料電池利用,這就有可能最大限度地將光能變成電能,這樣的 電池結(jié)構(gòu)就是疊層電池,可以大大提高性能和穩(wěn)定性。疊層太陽能電池的制備通 ?？梢酝ㄟ^兩種方式得到。 一種是機械堆疊法，先制備出兩個獨立的太陽能電池， 一個是高帶寬的,一個則是低帶寬的。然后把高帶寬的堆疊在低帶寬的電池上面; 另一種是一體化的方法,先制備出一個完整的太陽能電池,再在該電池上生長或直 接沉積在第二層電池。根據(jù)相關(guān)理論計算，對于疊層太陽能電池，最佳的頂、底 層太陽能電池的光吸收層的能隙分別為1.7eV和L0eV。
銅銦鎵硒Cu(In,Ga)Se2 (CIGS)薄膜太陽電池，其光吸收效率高、戶外性能 穩(wěn)定，是目前國際上太陽電池的研究重點，實驗室單個電池轉(zhuǎn)換效率高達20%。 銅銦硒化合物具有性能長期穩(wěn)定，抗輻射能力強，制備的電池不存在光致衰退， 被一致認(rèn)為是硅材料的最佳替代者及下一代空間電源的候選者。CIS薄膜的一個 重要特性是具有承受標(biāo)準(zhǔn)配比(i,m和VI族成分的比例)變化的能力，具有可 改變合金成分所帶來的設(shè)計上的靈活性，其能隙可通過用Ga和Al部分取代In, 或用S部分取代Se來進行調(diào)節(jié)。CIGS能隙的可調(diào)節(jié)性還可用來研制多節(jié)、疊層 太陽能電池。通過調(diào)節(jié)Ga的成分比率，CIGS薄膜能隙可調(diào)至leV，低能隙的CIGS 太陽能電池是疊層太陽能電池的底電池的最佳候選者。 由于傳統(tǒng)的一體化的疊層太陽能電池是先制備出一個完整的太陽能電池,再 在該電池上直接沉積在第而層電池。在已制備完畢的電池上再開始制備另一太陽 能電池的各功能層，由于太陽能電池大都對溫度、材料交叉污染十分敏感，而太 陽能電池的制備往往涉及沉積不同材料及高溫工藝。因此這種早期一體化結(jié)構(gòu)的 疊層太陽能電池有局限性、有固有缺陷。 一體化疊層電池的結(jié)構(gòu)需要優(yōu)化、簡化， 結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)使頂、底層太陽能電池各功能層的制備能不受彼此干擾、順利進行， 同時還需要盡量簡化工藝、降低成本，制備出高效價廉的太陽能電池，從而使得 太陽能電池能最終得到廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一在于提供一種光譜吸收范圍寬，光吸收利用效率高，光電 轉(zhuǎn)換效高的高效疊層太陽能電池。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種高效疊層太陽能電池的制備方法，它可使 頂、底層太陽能電池各功能層的制備能彼此不受干擾，并優(yōu)化頂層、底層太陽能 電池，簡化相關(guān)工藝，極大地提高疊層太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，提高太陽能 電池的質(zhì)量和性能。
本發(fā)明提供的高效疊層太陽能電池，由頂層太陽能電池和底層太陽能電池的 透明電極用密封膠黏結(jié)而成，或者頂層和底層共用同一塊玻璃基板，從頂層太陽 電池引出一對電極，同時從底層太陽電池引出另一對電極，構(gòu)成四個終端結(jié)構(gòu)的 疊層太陽能電池。實現(xiàn)對太陽能電池的最佳匹配，極大的提高太陽能電池的光電 轉(zhuǎn)換效率，提高太陽能電池的質(zhì)量和性能。
本發(fā)明提供的高效疊層太陽能電池，其中頂層太陽能電池是用寬禁帶 Cd^ZnJe薄膜作光吸收層制成的太陽電池，Cd"ZnxTe薄膜的禁帶寬度在1.7eV 左右，x值為0.65 0.75，主要吸收太陽光能譜中波長較短的光。
本發(fā)明提供的高效疊層太陽能電池，其中頂層太陽能電池還可以是用寬禁帶 CuGaSe2 (CGS)薄膜作光吸收層制成的太陽電池，CuGaSe2 (CGS)薄膜的禁 帶寬度在1.7eV左右，主要吸收太陽光能譜中波長較短的光。
本發(fā)明提供的高效疊層太陽能電池，其中底層太陽能電池是用Cu(In,Ga)Se2 (CIGS)薄膜作光吸收層制成的太陽電池，Cu(In,Ga)Se2 (CIGS)薄膜的禁帶寬 度在1.0eV左右，用于吸收太陽光能譜中波長較長的光。
本發(fā)明提供的高效疊層太陽能電池，其中密封膠為環(huán)氧樹脂。
本發(fā)明提供的CdZnTe/CIGS高效疊層太陽能電池的制備方法，包括以下幾 個步驟
(1) 底層太陽能電池的制備按照制作CIGS太陽能電池的濺射后硒化法， 制備出單層窄帶隙CIGS薄膜太陽電池；
(2) 單層寬禁帶薄膜(Cd^ZnxTe)太陽能電池的制備；
(3) 窄禁帶CIGS太陽能薄膜電池作為底層，玻璃一面的朝下；寬禁帶
CdZnTe薄膜太陽能電池作為頂層，玻璃一面朝上，用密封劑把頂層和底層面對 面密封起來；
(4)分別從頂層電池和底層電池個引出一對電極，形成高效疊層太陽能電池。
本發(fā)明提供的CGS/CIGS高效疊層太陽能電池的制備方法，包括以下幾個步
驟
(1) 底層太陽能電池的制備按照制作CIGS太陽能電池的濺射后硒化法， 在同一玻璃基片上同時制備出底層寬帶隙CGS和頂層窄帶隙CIGS薄膜太陽電 池；
(2) 利用磁控濺射在分別在頂層和底層ZnO: Al上制備金屬Al電極作為 頂層太陽能電池的上電極和底層太陽能電池的背電極，形成高效疊層太陽能電 池。
本發(fā)明的高效疊層太陽能電池結(jié)構(gòu)基本特征在于
(1) 由兩層帶隙不同的電池疊加而成，頂層是利用寬禁帶CdkZnxTe薄膜 作光吸收層制成的太陽能電池，底層是用窄禁帶Cu(In,Ga)Se2 (CIGS)薄膜作光 吸收層制成的太陽能電池。Cd^ZnxTe薄膜的禁帶寬度在1.7eV左右，主要吸收 太陽光能譜中波長較短的光；Cu(In,Ga)Se2 (CIGS)薄膜的禁帶寬度在1.0左右， 用于吸收太陽光能譜中波長較長的光。
(2) 用密封膠將高效疊層太陽電池的頂層和底層的透明電極面對面結(jié)合起 來，構(gòu)成一個體化疊層太陽電池。
(3) 用四個終端結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的一體化疊層電池的兩個終端結(jié)構(gòu)，從頂層 太陽電池引出一對電極，同時從底層太陽電池引出另一對電極。
(4) 頂層是利用寬禁帶化合物半導(dǎo)體CuGaSe2 (CGS)薄膜作光吸收層制 成的太陽能電池，底層是用窄禁帶Cu(In,Ga)Se2 (CIGS)薄膜作光吸收層制成的 太陽能電池。CuGaSe2薄膜的禁帶寬度在1.7eV左右，主要吸收太陽光能譜中波 長較短的光；Cu(In,Ga)Se2 (CIGS)薄膜的禁帶寬度在1.0左右，用于吸收太陽 光能譜中波長較長的光。
(5) 上述CGS/CIGS疊層太陽能電池，頂層CGS電池和底層CIGS電池是 利用一塊雙面FTO玻璃同時進行各自功能薄膜層的制備，該疊層電池的連接方 式共用同一塊玻璃基板，并從頂層和底層太陽電池各自引出一對電極構(gòu)成四個終 端結(jié)構(gòu)的一體化疊層太陽能電池。
通過調(diào)節(jié)頂層光吸收層及低層光吸收層的厚度，可以使得疊層太陽能電池的 光電轉(zhuǎn)換效率在25% 30%之間。
本發(fā)明高效疊層太陽能電池有效地改善單個太陽能電池光譜吸收范圍窄，光 吸收利用效率低的問題，有效地提高了太陽能電池對光譜的吸收效率，提高了光 電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明提出的利用密封劑把頂、低電池的透明導(dǎo)電層面對面密封起
來，制作一體化疊層太陽能電池的方法和工藝，使得頂、低電池能夠被各自獨立 制備出來，彼此不受影響，克服了傳統(tǒng)的一體化的疊層太陽能電池的局限性、和 固有缺陷。另一方面，本發(fā)明提出在雙面FTO玻璃上制備疊層電池的結(jié)構(gòu)和制
備工藝可以讓頂、底層太陽能電池同時進行相關(guān)薄膜層的制備及高溫處理過程， 只需一步高溫處理，避免了高溫工藝對溫度敏感層的影響，克服了傳統(tǒng)的一體化 疊層電池所面臨的高溫工藝?yán)Ь场６翼?、底層太陽能電池同時制備，簡化了工
藝、降低了成本，可制備出高效太陽能電池，其光電轉(zhuǎn)換效率可高達25% 30 %。


圖1是本發(fā)明提供的高效疊層太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是底層CIGS薄膜太陽電池結(jié)構(gòu)； 圖3是頂層CdZnTe薄膜太陽電池結(jié)構(gòu)；
圖4是利用雙面FTO玻璃制備的CGS/CIGS高效疊層太陽能電池結(jié)構(gòu)示意
圖5是疊層太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率與頂層CGS光吸收層及低層CIGS光 吸收層的厚度的關(guān)系。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方法作進一步說明。
本發(fā)明提供的高效疊層太陽電池由下而上，它主要包括窄禁帶Cu(In,Ga)Se2 光吸收層(能隙約為1.0eV)、窗口層1、透明電極、寬禁帶化合物半導(dǎo)體光吸 收層(能隙約為1.7eV)、窗口層2。
下面結(jié)合一個具體實施例對本發(fā)明所述的一體化疊層太陽能制作工藝方法 進行說明
實施例l: CdZnTe/CIGS疊層太陽能電池的制備
1、 窄禁帶Cu(In，Ga)Se2 (CIGS)薄膜太陽電池的制作
(l)按照制作CIGS太陽電池的濺射后硒化法，制備出單層窄帶隙CIGS薄膜 太陽電池。(2)玻璃襯底依次用丙酮、酒精、去離子水分別超聲清洗15分鐘，再 用純氮吹干。利用磁控濺射系統(tǒng)濺射一層1 P m左右的金屬鉬作為電池的背電極； (3)在鉬薄膜上通過濺射銅銦合金靶，鍍上一層約0.6ym的銅銦預(yù)制層，然后 利用兩步法硒化，第一步硒化溫度為20(TC，時間25mins,第二步硒化溫度為450 °C，時間25mins，得到能隙為l.OeV的銅銦硒薄膜，厚度在0.8um之間；(4) 利用水浴法制備厚度約50nm的CdS; (5)利用磁控濺射一層厚度約1000nm的 ITO作為透明導(dǎo)電層。濺射壓強0.5Pa，濺射功率200W，薄膜具有非常好的透光率， 約卯％ 。 CdS/ITO可視為圖的窗口層1 。
2、 寬禁帶薄膜(Cd^ZrixTe)太陽電池的制作
利用水浴法標(biāo)準(zhǔn)工藝在FTO玻璃上制備厚度約50nm的CdS，形成 CdS/Sn02:F/玻璃結(jié)構(gòu)，CdS薄膜層可視圖1中的窗口層2; (2)利用金屬有機化學(xué) 氣相沉積MOCVD方法在圖1中的窗口層2上制備出寬禁帶寬度的Cdl-xZnxTe 薄膜.。用H2作為載氣，二甲基鎘(DMCd)、 二乙基鋅(DEZn)、 二異丙基碲(DIPTe) 分別作為隔Cd、鋅Zn、碲Te源，以CdS/Sn02:F/玻璃為基片，通過精確控制基 片溫度、DMCd， DEZn， DIPTe的流量、以及DMCd/DEZn和(DMCd + DEZn)/DIPTe 的摩爾比值，后者簡稱為II/VI比值，獲得帶寬在1.7eV左右的CdhZnxTe薄膜。 沉積過程中，基片的溫度為400C， DMCd的流量固定在1.5xlO — 5 mol/min， II/VI比值為1.4，DMCd/DEZn的摩爾比值為1.25， &的流量為4.51/min。 (3)最 后利用磁控濺射一層厚度約1000nm的ITO作為透明導(dǎo)電層。濺射壓強0.5Pa,濺 射功率200W,薄膜具有非常好的透光率，約卯％。
3、 用密封劑把兩個薄膜電池的透明導(dǎo)電層面對面密封起來，形成一個疊層 結(jié)構(gòu)電池。窄禁帶CIGS太陽薄膜電池作為下層電池，玻璃一面的朝下；寬禁帶 CdZnTe薄膜太陽作為上層電池，玻璃一面朝上。
4、 分別從頂層太陽能電池和底層太陽能電池引出一對電極，制備成高效疊 層太陽能電池。
實施例2: CGS/CIGS疊層太陽能電池
按照制作CIGS系列太陽電池的濺射后硒化法，同時制備出寬帶隙CGS和 窄帶隙CIGS薄膜太陽電池。(l)將一雙面FTO玻璃襯底依次用丙酮、酒精、去 離子水分別超聲清洗15分鐘，再用氮氣吹干；(2)首先在雙面FTO玻璃的上 Sn02:F膜層上利用通過濺射銅鎵合金靶，鍍上一層約0.6 u m的銅鎵預(yù)制層，然 后在雙面FTO玻璃的下Sn02:F膜層上通過濺射銅銦合金靶,鍍上一層約0.6 y m 的銅銦預(yù)制層，最后利用兩步法對銅鎵預(yù)制層、銅銦預(yù)制層同時進行硒化，第一 步硒化溫度為250。C，時間30mins，第二步硒化溫度為40(TC，時間30mins,得到 CuGaSe2、 CuInSe2薄膜，厚度為0.8 u m之間；(3)利用水浴法同時在CGS、 CIGS 薄膜上制備厚度約50nm的CdS; (4)利用磁控濺射在雙面CdS膜層上制備厚 度約50 nm的本征i-ZnO，緊接著用磁控濺射制備300nm厚的摻雜ZnO: Al作為 透明導(dǎo)電層。濺射壓強O.l — lPa,濺射功率200W,薄膜具有非常好的透光率，約 90%; (5)將一個掩膜板放在頂層ZnO: Al上，利用磁控濺射在頂、底層ZnO: Al上制備金屬Al電極，分別作為頂電池的上電極(柵極)和底層電池的背電極。 通過調(diào)節(jié)頂層光吸收層及低層光吸收層的厚度，可以使得疊層太陽能電池的光電 轉(zhuǎn)換效率在25% 30%之間。
權(quán)利要求
1.一種高效疊層太陽能電池，其特征在于由頂層太陽能電池和底層太陽能電池的透明電極用密封膠黏結(jié)而成，或頂層和底層共用同一塊玻璃基板，從頂層太陽電池引出一對電極，同時從底層太陽電池引出另一對電極，構(gòu)成四個終端結(jié)構(gòu)的高效疊層太陽能電池。
2. 如權(quán)利要求1所述的高效疊層太陽能電池，其特征在于頂層太陽能電池 是用寬禁帶CcUZnxTe薄膜作光吸收層制成的太陽電池，Cd^ZnJb薄膜的禁帶 寬度在1.7eV左右，x值為0.65 0.75，主要吸收太陽光能譜中波長較短的光。
3. 如權(quán)利要求1所述的高效疊層太陽能電池，其特征在于頂層太陽能電池 是用寬禁帶CuGaSe2 (CGS)薄膜作光吸收層制成的太陽電池，CuGaSe2 (CGS) 薄膜的禁帶寬度在1.7eV左右，主要吸收太陽光能譜中波長較短的光。
4. 如權(quán)利要求1所述的高效疊層太陽能電池，其特征在于底層太陽能電池 是用Cu(In,Ga)Se2(CIGS)薄膜作光吸收層制成的太陽電池，Cu(In,Ga)Se2(CIGS) 薄膜的禁帶寬度在l.OeV左右，用于吸收太陽光能譜中波長較長的光。
5. 如權(quán)利要求1所述的高效疊層太陽能電池，其特征在于密封膠為環(huán)氧樹脂。
6. 如權(quán)利要求2所述的高效疊層太陽能電池的制備方法，其特征在于包括 以下步驟(1) 底層太陽能電池的制備按照制作CIGS太陽能電池的濺射后硒化法， 制備出單層窄帶隙CIGS薄膜太陽電池；(2) 單層寬禁帶薄膜(Cd^ZnxTe)太陽能電池的制備；(3) 窄禁帶CIGS太陽能薄膜電池作為底層，玻璃一面的朝下；寬禁帶 CdZnTe薄膜太陽能電池作為頂層，玻璃一面朝上，用密封劑把頂層和底層面對 面密封起來；(4) 分別從頂層電池和底層電池個引出一對電極，形成高效疊層太陽能電池。
7. 如權(quán)利要求3所述的高效疊層太陽能電池的制備方法，其特征在于包括 以下步驟(1) 底層太陽能電池的制備按照制作CIGS太陽能電池的濺射后硒化法，在同一玻璃基片上同時制備出底層寬帶隙CGS和頂層窄帶隙CIGS薄膜太陽電 池；(2) 利用磁控濺射在分別在頂層和底層ZnO: Al上制備金屬Al電極作為 頂層太陽能電池的上電極和底層太陽能電池的背電極，形成高效疊層太陽能電 池。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高效疊層太陽能電池及其制備方法，可以極大提高對太陽能的利用效率和太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，屬于太陽能電池及其制備技術(shù)領(lǐng)域。由頂層太陽能電池和底層太陽能電池的透明電極用密封膠黏結(jié)而成，或者頂層和底層共用同一塊玻璃基板，從頂層太陽電池引出一對電極，同時從底層太陽電池引出另一對電極，構(gòu)成四個終端結(jié)構(gòu)的疊層太陽能電池。實現(xiàn)對太陽能電池的最佳匹配，極大的提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，提高太陽能電池的質(zhì)量和性能。本發(fā)明高效疊層太陽能電池有效地改善單個太陽能電池光譜吸收范圍窄，光吸收利用效率低的問題，有效地提高了太陽能電池對光譜的吸收效率，提高了光電轉(zhuǎn)換效率，其光電轉(zhuǎn)換效率可高達25％～30％。
文檔編號H01L31/18GK101097968SQ20071004279
公開日2008年1月2日 申請日期2007年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月27日
發(fā)明者卓 孫, 褚家寶, 許修兵, 陳奕衛(wèi), 黃素梅 申請人:華東師范大學(xué)