一种双面吸光硫族化物薄膜太阳能组件的生产方法
【专利摘要】本发明涉及一种双面吸光硫族化物薄膜太阳能组件的生产方法,用于增加现有硫族化物薄膜太阳能组件的效能。其制备流程包括以下几个步骤：采用公知技术真空磁控溅射方法在刚性或柔性透明衬底上镀上底电极、窗口层(一)和缓冲层(一),及后沉积金属或硫族化金属反应层，后在常温环境中,把配制的高纯硫族元素溶液利用常规工艺在金属反应层上沉积硫族元素层，以低温烘烤,形成固化的硫族元素薄膜。在镀上中电极后,再次沉积金属或硫族化金属反应层和沉积硫族元素层。之后经高温退火处理使两个反应层完全转变为多晶的硫族化物半导体薄膜。最后镀上缓冲层(二)、窗口层(二)和上电极便制成双面吸光硫族化物薄膜太阳能电池。本发明是一种成本低廉、生产简单、制备过程环境友好、光电转化效率高，并适合于工业化的双面吸光硫族化物薄膜太阳能组件的生产方法。
【专利说明】一种双面吸光硫族化物薄膜太阳能组件的生产方法
【技术领域】
[0001]本发明属于太阳能电池【技术领域】，尤其涉及一种双面吸光硫族化物薄膜太阳能组件的生产方法。
【背景技术】
[0002]现时人类日常生活所依靠的石化能源；包括煤炭、石油、天然气等，都是由埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成，相对人类使用速度，剩下未开采的石化能源可说是非常有限的。而且在使用石化能源的同时亦会对空气、土地、水源造成污染。面对上述两大问题，人类在这数十年间投入大量资源来研究和开发洁净的可再生能源。其中太阳能电池为可再生能源产业中的重要一员，亦是被誉为最理想能源。主要是因它非常巨大的蕴藏量，大约40分钟照射在地球上的太阳能，足以供全球人类一年能量的消费。可以说，太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。而且更具有绝对干净(无公害)、分布广泛、不受地域限制、可近处发电、获取能源时间短等独特优点。
[0003]而在太阳能电池的产业中，目前实现量产主要是硅系列太阳能电池，但硅机电池有着笨重、吸光波段窄、弱旋旋光性差等缺点。这些缺点会使硅机组件的发电效率极受太阳照射位置的影响(四季、昼夜)。而系统安装商需利用日光追踪技术及可移动支架来增加发电效率，使安装成本高昂，以至目前的太阳能发电的成本仍远远高于石化能源发电成本。为解决硅机电池的限制，发展硫族化物薄膜太阳能电池便成为产业的新方向；硫族化物薄膜电池以高效、重量轻、高稳定性、具弱旋旋光性和抗辐射性等优点而得以青睐，其中以铜铟镓硒(CIGS)为代表，转换效率达20%上，与传统晶硅电池相约。因具重量轻和弱旋旋光性强的优点，硫族化物薄膜组件并不需要日光追踪技术及可移动支架，以至安装成本大幅减少。
[0004]尽管硫族化物薄膜电池能改善太阳照射位置对组件发电效率的影响(四季、昼夜)，使之可以安装在固定支架上，但仍有不少阳光会因表面反射而未被转化成电能。为增加组件的吸光效能，一些研究小组会使用光学减反薄膜优化硫族化物薄膜组件，其原理为通过物理光学的相关理论，计设光学减反薄膜的光波导结构，使其透射波长与硫族化物吸收谱匹配。计设成果会应用在封装材料表面，通过制备光学减反薄膜来提高封装材料的透射效率，实现硫族化物薄膜组件对入射光波的全吸收。另外，亦有研究小组会通过独特的产品设计，如管式铜铟镓硒薄膜组件产品，其原理为通过管式360度的吸光面，增加吸收表面反射阳光的机率，从而提高组件效能。
【发明内容】
[0005]本发明为增加现有硫族化物薄膜太阳能组件的效能，提供了一种独特、成本低廉、生产简单、制备过程环境友好、光电转化效率高，并适合于工业化的双面吸光硫族化物薄膜太阳能组件的生产方法。
[0006]本发明为解决公知技术中存在的技术问题所釆用的技术方案是:硫族化物薄膜太阳能电池/组件，为多层结构，包括透明衬底、底电极、窗口层(一)、缓冲层(一)、吸收层(一)、中电极、吸收层(二)、缓冲层(二)、窗口层(二)、上电极、封装膜和透明面板。
[0007]硫族化物薄膜太阳能电池吸收层制备方法，其制备工艺流程包括以下几个步骤:
[0008](I)硫族元素溶液的配制；
[0009]溶质为:高纯硫族元素粉未(纯度>99.99% ),硫族元素可以是但不限于硫和硒。
[0010]溶剂为:酮类、醇类、胺类等有机溶剂，也可以混合使用
[0011]粘度调节剂与溶剂的质量比为1:5?30 ;
[0012]所说的粘度调节剂为:纤维素或乙基纤维素
[0013]将高纯硫族元素粉未按0.01?5M的浓度溶于溶剂，也可采用混合硫族元素或混合溶剂，并添加粘度调节剂，室温充分搅拌>12小时，形成稳定的前驱体溶液。通过添加或减少溶剂的用量，将溶液中硫族元素浓度控制在0.01?5M。
[0014](2)衬底和底电极的制备；
[0015]衬底可以为玻璃、刚性和柔性的透明材料或聚合膜
[0016]底电极材料可以为透明导电氧化物等
[0017]采用常规的高真空气相法工艺，如热蒸发、磁控溅射和分子束外延等在衬底上制备
[0018]底电极薄膜，薄膜厚度由组件要求而定。
[0019](3)窗口层(一)的制备；
[0020]窗口层可以氧族化金属、金属可以是但不限于锌。
[0021]采用常规的高真空气相法工艺，如热蒸发、磁控溅射和分子束外延等在衬底上制备
[0022]窗口层薄膜，薄膜厚度由组件要求而定。
[0023](4)缓冲层(一)的制备；
[0024]缓冲层可以硫族化金属、金属可以是但不限于镉和锌。
[0025]采用化学浴沉积法制备在硫族化物薄膜半导体薄膜上制备缓冲层，薄膜厚度由组件要求而定。
[0026](5)金属或硫族化金属反应基片(一)的制备
[0027]金属可以是但不限于铜、锌、锡、铟、镓。
[0028]采用常规的高真空气相法工艺，如热蒸发、磁控溅射和分子束外延等在底电极薄膜
[0029]上沉积金属或硫族化金属反应层。反应层厚度为0.6_2um。
[0030](6)硫族元素薄膜(一)的制备
[0031]在常温的环境中，把配制的高纯硫族元素溶液利用常规的成膜工艺，如喷雾沉积、喷墨打印、模缝涂布、或刮涂法在金属反应层上沉积硫族元素层，后以低温烘烤，形成固化的硫族元素薄膜，薄膜厚度由组件要求而定。
[0032](7)中电极的制备；
[0033]中电极材料可以为钥、钛和透明导电氧化物等。
[0034]采用常规的高真空气相法工艺，如热蒸发、磁控溅射和分子束外延等在衬底上制备
[0035]窗口层和上电极薄膜，薄膜厚度由组件要求而定。
[0036](8)金属或硫族化金属反应基片(二)的制备
[0037]金属可以是但不限于铜、锌、锡、铟、镓。
[0038]采用常规的高真空气相法工艺，如热蒸发、磁控溅射和分子束外延等在底电极薄膜
[0039]上沉积金属或硫族化金属反应层。反应层厚度为0.6_2um。
[0040](9)硫族元素薄膜(二)的制备
[0041]在常温的环境中，把配制的高纯硫族元素溶液利用常规的成膜工艺，如喷雾沉积、喷墨打印、模缝涂布、或刮涂法在金属反应层上沉积硫族元素层，后以低温烘烤，形成固化的硫族元素薄膜，薄膜厚度由组件要求而定。
[0042](10)高温退火处理
[0043]将沉积有底电极、金属或硫族化金属和硫族元素薄膜的基片置于可分段程序控温的高温炉中，真空密封，然后快速、均匀的升温，使得基片所在区域温度控制在200-1000°C，依据预制反应层的厚度，进行5-60min的处理，使反应层完全转变为多晶的硫族化物半导体薄膜。
[0044](11)缓冲层(二)的制备；
[0045]缓冲层可以硫族化金属、金属可以是但不限于镉和锌。
[0046]采用化学浴沉积法制备在硫族化物薄膜半导体薄膜上制备缓冲层，薄膜厚度由组件要求而定。
[0047](12)窗口层(二)和上电极的制备；
[0048]窗口层可以氧族化金属、金属可以是但不限于锌。
[0049]上电极材料可以透明导电氧化物等。
[0050]采用常规的高真空气相法工艺，如热蒸发、磁控溅射和分子束外延等在衬底上制备
[0051 ] 窗口层和上电极薄膜，薄膜厚度由组件要求而定。
[0052](13)封装膜和透明面板的制备
[0053]封装膜可以为刚性和柔性的透明防水材料或聚合膜，可以是但不限于EVA，ETFE。
[0054]透明面板材料可以为玻璃、刚性和柔性的透明材料或聚合膜。
[0055]采用常规的高温层压工艺作封装，封装膜的厚度由组件要求而定。
[0056](14)组件刻划制备工艺
[0057]因应不同组件的设计，上述电池组件生产过程包括刻划制备工艺。
[0058]采用常规的机械/激光刻划制备工艺，刻划工艺参数、步骤、划线的深度宽度由组件要求而定
[0059]本发明的有益效果体现在:
[0060](I)独特的双面吸光硫族化物薄膜太阳能组件设计，使组件有着两边的吸光面，增加吸收表面反射阳光的机率，从而提高组件效能。另因应不同的地理条件，配合不同的安装角度，可增加整个太阳能组件系统的发电效率。
[0061](2)硫族元素溶液配制和薄膜制备过程都是在常温环境中进行，设备简单，质量控制简易，成本低廉；
[0062](3)采用了非真空液相法工艺，相对现有的硫族化物薄膜太阳能组件生产工艺，原料利用率高，而且所制备的薄膜成分均匀性好，表面平整度高，有利于生产大面积高质量的硫族化物薄膜组件。
【专利附图】
【附图说明】
[0063]图1是本发明提供的双面吸光组件的结构示意图。
[0064]图2是正面(A)和反面(B)Cu2ZnSnSe4太阳能电池器件的电流电压特性曲线。
【具体实施方式】
[0065]下面结合附图和实施例对本发明的【具体实施方式】作进一步的详细说明:
[0066](I)采用高纯硒粉，选取乙二胺为溶剂，并按粘度调节剂与溶剂的质量比为1:10添加纤维素，磁力搅拌12小时，形成稳定的溶液。溶液中Se原子的浓度控制在2M。
[0067](2)利用溅射的方法在玻璃衬底上分别沉积氧化铟锡底电极和ZnO窗口层(一)薄膜厚度分别为1200nm和500nm。
[0068](3)利用化学浴沉积法制备硫化镉缓冲层(一)，薄膜厚度为50nm。
[0069](4)利用溅射的方法在钥电极上按次序镀上锌/锡/铜金属薄膜(一)，薄膜厚度分别为 200/200/350nm。
[0070](5)采用模缝涂布法在锌/锡/铜金属反应基片涂上配制的高纯硒溶液，然后在150°C下烘烤10分钟。
[0071](6)利用溅射的方法沉积中电极钥，钥厚度为0.5um。
[0072](7)利用溅射的方法在钥电极上按次序镀上锌/锡/铜金属薄膜(二)，薄膜厚度分别为 200/200/350nm。
[0073](8)采用模缝涂布法在锌/锡/铜金属反应基片涂上配制的高纯硒溶液，然后在150°C下烘烤10分钟。
[0074](9)将沉积有钥/锌/锡/铜/硒薄膜的基片置于可分段程序控温的高温炉中，真空密封，在500°C下退火处理硒化30分钟得到共两层的Cu2ZnSnSe4化合物半导体薄膜。
[0075](10)利用化学浴沉积法制备硫化镉缓冲层(二)，薄膜厚度为50nm。
[0076](11)溅射的方法在硫化镉上分别沉积ZnO窗口层和氧化铟锡上电极薄膜厚度分别为 50nm 和 1200nm。
[0077]图1是本发明提供的双面吸光组件的结构示意图。该基片包括一(I)透明衬底，⑵底电极，⑶窗口层/缓冲层/吸收层(一)，⑷中电极，(5)吸收层/缓冲层/窗口层(二)，(6)上电极。在此基础上制备的双面Cu2ZnSnSe4太阳能电池的开路电压为540mV、550mV，短路电流密度为15.36mA/cm2、15.71mA/cm2，填充因子为71%、72%，光电转化效率为5.93%、6.31%。图2正面(A)和反面(B) Cu2ZnSnSe4太阳能电池器件的电流电压特性曲线。
[0078]以上所述的具体施例，对本发明的目的、技术方案和积极的效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则之内所做的任何修和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种双面吸光硫族化物薄膜太阳能组件的生产方法，其特征在于步骤如下:§八硫族元素溶液的配制溶质为:高纯硫族元素粉末(纯度>99.99% )，硫族元素可以是但不限于硫和硒；溶剂为:酮类、醇类、胺类等有机溶剂，也可以混合使用，并添加粘度调节剂；室温充分搅拌>12小时，形成稳定的前驱体溶液。通过添加或减少溶剂的用量，将溶液中硫族元素浓度控制在0.0l?5M ; § B在衬底上制备底电极，衬底可以为玻璃、刚性和柔性的透明材料或聚合膜；底电极材料可以透明导电氧化物等；采用常规的高真空气相法工艺，如热蒸发、磁控溅射和分子束外延等在衬底上制备底电极薄膜；§ C在底电极上制备窗口层(一)；窗口层(一)可以氧族化金属、金属可以是但不限于锌；采用常规的高真空气相法工艺，如热蒸发、磁控溅射和分子束外延等在衬底上制备窗口层和上电极薄膜。§D在窗口层(一)上制备缓冲层(一)；缓冲层(一)可以硫族化金属、金属可以是但不限于镉和锌；采用化学浴沉积法制备在硫族化物薄膜半导体薄膜上制备缓冲层。§E在缓冲层(一)上制金属或硫族化金属反应薄膜(一)；金属可以是但不限于铜、锌、锡、铟、镓；采用常规的高真空气相法工艺，如热蒸发、磁控溅射和分子束外延等在底电极薄膜上沉积金属或硫族化金属反应层。反应层厚度为0.6-2um。§F在金属反应层(一)制备硫族元素薄膜；在常温的环境中，把配制的高纯硫族元素溶液利用常规的成膜工艺，如喷雾沉积、喷墨打印、模缝涂布、或刮涂法在金属反应层上沉积硫族元素层，后以低温烘烤，形成固化的硫族元素薄膜。§ G在硫族元素薄膜(一)上制备中电极，中电极材料可以为钥、钛和透明导电氧化物等；采用常规的高真空气相法工艺，如热蒸发、磁控溅射和分子束外延等在衬底上制备底电极薄膜；§ H在中电极上制金属或硫族化金属反应薄膜(二)；金属可以是但不限于铜、锌、锡、铟、镓；采用常规的高真空气相法工艺，如热蒸发、磁控溅射和分子束外延等在底电极薄膜上沉积金属或硫族化金属反应层。反应层厚度为0.6-2um。§ I在金属反应层(二)制备硫族元素薄膜(二)；在常温的环境中，把配制的高纯硫族元素溶液利用常规的成膜工艺，如喷雾沉积、喷墨打印、模缝涂布、或刮涂法在金属反应层上沉积硫族元素层，后以低温烘烤，形成固化的硫族元素薄膜(二)。§J将沉积金属或硫族化金属和硫族元素薄膜的基片置于可分段程序控温的高温炉中，真空密封，然后快速、均匀的升温，使得基片所在区域温度控制在200-1000°C，依据预制反应层的厚度，进行5-60min的处理，使反应层完全转变为多晶的硫族化物半导体薄膜。§K在硫族化物半导体薄膜制备缓冲层(二)；缓冲层(二)可以硫族化金属、金属可以是但不限于镉和锌；采用化学浴沉积法制备在硫族化物薄膜半导体薄膜上制备缓冲层。§1在缓冲层(二)上制备窗口层(二)和上电极；窗口层(二)可以氧族化金属、金属可以是但不限于锌；上电极材料可以为透明导电氧化物等；采用常规的高真空气相法工艺，如热蒸发、磁控溅射和分子束外延等在衬底上制备窗口层和上电极薄膜。
2.根据权利要求1的一种双面吸光硫族化物薄膜太阳能组件的生产方法，其特征在于:所说的硫族元素可以是但不限于硫和硒。
3.根据权利要求1的一种双面吸光硫族化物薄膜太阳能组件的生产方法，其特征在于:所说的溶剂可以是酮类、醇类、胺类等有机溶剂，也可以混合使用。
4.根据权利要求1的一种双面吸光硫族化物薄膜太阳能组件的生产方法，其特征在于:所说的衬底可以为玻璃、刚性和柔性的透明材料或聚合膜。
5.根据权利要求1的一种双面吸光硫族化物薄膜太阳能组件的生产方法，其特征在于:所说的底电极材料可以透明导电氧化物等。
6.根据权利要求1的一种双面吸光硫族化物薄膜太阳能组件的生产方法，其特征在于:所说的中电极材料可以为钥、钛和透明导电氧化物等。
7.根据权利要求1的一种双面吸光硫族化物薄膜太阳能组件的生产方法，其特征在于:所说的反应基片材料可以是金属或硫族化金属；金属可以是但不限于铜、锌、锡、铟、镓。
8.根据权利要求1的一种双面吸光硫族化物薄膜太阳能组件的生产方法，其特征在于:步骤§ B、§ C、§ E、§ G、§ H和§ L制备底电极、金属或硫族化金属薄膜(一 / 二)、中电极、窗口层(一/ 二)和上电极的高真空气相法工艺为热蒸发、磁控派射和分子束外延。
9.根据权利要求1的一种双面吸光硫族化物薄膜太阳能组件的生产方法，其特征在于:步骤§ E、§ F、§ !1和§ I制备金属或硫族化金属反应薄膜和硫族元素薄膜的非真空液相工艺为旋涂法、流延法、喷雾沉积法、提拉法、丝网印刷法、喷墨打印法、滴注成膜法、滚涂法、模缝涂布法、平棒涂布法、毛细管涂布法、逗号涂布法或凹版涂布法。
10.根据权利要求1的一种双面吸光硫族化物薄膜太阳能组件的生产方法，其特征在于:步骤§ J所述的高温退火温度为200-1000°C。
11.根据权利要求1的一种双面吸光硫族化物薄膜太阳能组件的生产方法，其特征在于:所说的目标多晶硫族化物半导体薄膜的厚度为0.5?3um。
【文档编号】H01L31/18GK104377271SQ201410568172
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年10月22日 优先权日:2014年10月22日
【发明者】谢承智, 刘德昂, 钱磊 申请人:苏州瑞晟纳米科技有限公司