一种利用溶液法制备铜铟镓硒薄膜太阳能电池中无镉缓冲层的新技术的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于太阳能电池领域，涉及到一种铜铟镓砸(简称CIGS)薄膜太阳能电池器件。
【背景技术】
[0002]一切能量都来自于能源，人类的生活离不开能源。进入21世纪后，人类目前技术可开发的能源资源已将面临严重不足的危机，特别是当今煤炭、石油和天然气等矿石燃料资源日益枯竭，甚至只能维持几十年。因此，必须寻找可持续的替代新能源。另外，煤炭、石油和天然气等矿石燃料在使用过程中，还会带来一系列的环境问题:全球性的温室效应使得全球气温升高，海平面上升；空气污染；干旱，荒漠化；废气、废物、废液大量排放，造成人类环境的严重污染。
[0003]所以寻找清洁的可再生新能源成为当前人类很迫切的任务。在现有的可再生新能源中，太阳能成为最受人们关注的清洁新能源。太阳能具有很多优点，它随处可得，数量巨大；取之不尽，用之不竭；既清洁又安全，无污染，又不会影响生态环境。所以，开发利用太阳能成为世界各国发展清洁新能源的战略决策。
[0004]在现有的太阳能电池技术中，娃基太阳能技术是目如最为成熟的，也是市场占有率最高的，但是受制于高耗能、高污染的制备过程，使其并不能成为最理想的太阳能技术。铜铟镓砸(简称CIGS)薄膜太阳能电池具有光吸收能力强，稳定性好、抗辐照性能好、效率高、成本低，可以做成柔性组件，最适合作为光伏建筑一体化(BIPV)使用等优点，受到了人们关注，是一种很有发展潜力的太阳能电池技术。
[0005]现在CIGS薄膜太阳能电池的理论最高效率为33%，最新报道，现在实验室制备的CIGS薄膜太阳能电池的最高效率可达到21.7 %。为了得到高效的CIGS薄膜太阳能电池，在制备过程中往往使用硫化镉(CdS)作为缓冲层材料，我们知道“镉”是一种有毒的重金属，在CIGS太阳能电池生产过程中，会对操作者形成很大的潜在危害，如果生产过程中产生的废弃物不能得到很好的处理，残留的重金属“镉”会严重污染我们的环境。另外，因为硫化镉薄膜的禁带宽度是2.4eV左右，在短波长波段对太阳光有很强的吸收，限制了 CIGS薄膜太阳能电池效率的进一步提升。
[0006]在这种情形下，人们在努力寻找可以替代硫化镉的材料作为CIGS太阳能电池的缓冲层，其中硫化铟(In2S3)是常见的一种新材料。制备In2S3薄膜常用的技术有化学水浴法(CBD)，原子层沉积法(ALD)，溅射法(Sputtering)，反应离子气相沉积法(ILGAR)，喷雾裂解法(Spray Pyrolysis)等，但是上述方法在制备In2S3薄膜作为CIGS薄膜太阳能电池的缓冲层的过程中，都各有其不足的地方，导致这些方法制备的In2S3薄膜都还不能在实际生产中使用。
[0007]本发明提出了一种新的技术，可以用简单的溶液法制备In2S3薄膜，即把In2S3粉末和硫粉共同溶解在联氨溶剂中，用喷涂/旋涂/刮涂/辊涂等溶液涂布方法在CIGS吸收层上，加热退火后就得到致密的In2S3缓冲层，从而得到高效的CIGS薄膜太阳能电池。本技术尤其适合那些CIGS吸收层也采用溶液涂布方法制备的工艺。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种廉价的、可靠的、容易实现的新方法来制备In2S3薄膜，以取代CdS作为CIGS太阳能电池中的缓冲层，从而避免了重金属“镉”对于操作人员的危害，和对于我们生活环境的污染。为了对本发明的技术方案做更好的说明，本文中采用常用的CIGS太阳能电池器件结构作为例证(如附图1所示)。器件结构包括:
[0009]一衬底(1)，衬底可以是玻璃，也可以是柔性衬底如不锈钢或者聚酰亚胺PI塑料，用于承托CIGS器件。使用之前需要进行清洗处理。
[0010]一金属背电极(2)，一般常用金属钼(Mo)作为背电极，用溅射的办法沉积在玻璃衬底(I)上，可以作为正极导出空穴。
[0011]一吸收层(3)，CIGS吸收层一般沉积在背电极上，用于吸收入射太阳光。CIGS吸收层可以采用溅射后砸化，多元共蒸，电镀，溶液法等沉积技术均可
[0012]一缓冲层(4)，我们采用硫化铟(In2S3)替代硫化镉(CdS)作为缓冲层⑷制作在吸收层(3)上，它既可以和P型的CIGS层形成pn结，有可以作为CIGS层与ZnO层的过渡层，能够缓冲晶格失配和能带台阶。
[0013]一透明电极(5)，常用高阻氧化锌(IZO)和掺铝氧化锌(AZO)作为透明电极(5)制作在缓冲层(4)上，既可以透过太阳光，又可以收集传输电子，作为太阳能电池的负极。
[0014]一金属栅极￠)，常用镍铝(Ni/Al)电极沉积在AZO层上面，可以更有效的收集电子并把电子导出。在实际应用中，大面积的CIGS电池组件产品是不需要金属栅极(6)的，而是用激光刻划的办法在电池组件内部进行串联或者并联，组件表面是看不到金属电极的，这样的组件相比晶硅组件美观大方，更适用于光伏建筑一体化。
[0015]本发明的主要技术特点就是在沉积完CIGS吸收层之后，用溶液涂布法制备In2S3薄膜作为缓冲层，其中涂布的方法包括喷涂/旋涂/刮涂/辊涂/狭缝涂布等，可以代替CdS缓冲层，得到高效的CIGS太阳能电池，并且这种工艺可以很容易的整合到卷对卷技术制备柔性CIGS薄膜太阳能电池的工艺中，特别是适合那些CIGS吸收层也采用溶液涂布方法制备的工艺。
【附图说明】
[0016]为进一步说明本发明的内容以及特点，以下结合附图对本发明作详细的描述，并给出具体的实施例证。其中图1是CIGS薄膜太阳能电池的结构示意图。
【具体实施方式】
[0017]上述说明仅是本发明技术方案的概述，为使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下结合具体的实施例证进行具体说明如下:
[0018]1.配制前驱物溶液。把高纯度的In2S3材料和硫粉(纯度都高于99.9% )加入到无水联氨溶剂中，并进行搅拌使之溶解。溶液中In2S3的摩尔浓度是0.01-1M，硫的摩尔浓度是0-5M，溶液中实际的摩尔浓度根据所采用的涂布方法的实际需要来确定。
[0019]2.利用溶液涂布法制备缓冲层In2S3,把制备好的前驱物溶液涂布到已经沉积好背电极和吸收层的衬底上，涂布的方法包括喷涂/旋涂/刮涂/辊涂/狭缝涂布等，均可。
[0020]3.涂布完成之后，在空气或者惰性气氛下50-600摄氏度退火，从而得到厚度于20-200nm的致密的In2S3缓冲层。
[0021]在实际操作中，可以根据需要，变化In2S3和硫粉的比例，来微调缓冲层的半导体特性与吸收层相匹配。
[0022]实验证明，采用本发明提出的溶液涂布技术所制备的In2S3缓冲层，简单可靠，容易实现，不会产生含有重金属镉的有毒废料，更为节能环保。采用本发明技术制备的CIGS薄膜太阳能电池，与使用CdS作为缓冲层制备的CIGS薄膜太阳能电池，性能差不多。
[0023]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实施例证而已，并不用于限制本发明，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，可能在【具体实施方式】及应用范围上进行修改，本说明书的内容不应理解为对本发明的限制。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。
【主权项】
1.本专利提出一种新的制备CIGS薄膜太阳能电池中无镉缓冲层的技术:即用简单的溶液涂布法制备硫化铟(In2S3)薄膜作为缓冲层。先把In2S3粉末和硫粉共同溶解在联氨溶剂中，用喷涂/旋涂/刮涂/辊涂等溶液涂布方法在CIGS吸收层上，加热退火后就得到致密的In2S3缓冲层，从而得到高效的CIGS薄膜太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的利用溶液法的制备CIGS薄膜太阳能电池中无镉缓冲层In2S3的技术，其特征在于，使用联氨作为作为溶剂，把In2S3粉末和硫粉共同溶解在联氨溶剂中。溶液中In2S3的摩尔浓度是0.01-1M，硫的摩尔浓度是0-5M，溶液中实际的摩尔浓度根据所采用的涂布方法的实际需要来确定。
3.根据权利要求1所述的利用溶液法的制备CIGS薄膜太阳能电池中无镉缓冲层In2S3的技术，其特征在于，利用涂布法把溶解有In2S3和硫粉的联氨溶液均匀的涂敷到CIGS吸收层上，喷涂/旋涂/刮涂/辊涂等溶液涂布方法都包含在内。
4.根据权利要求1所述的利用溶液法的制备CIGS薄膜太阳能电池中无镉缓冲层In2S3的技术，其特征在于，利用涂布法把溶解有In2S3和硫粉的联氨溶液均匀的涂敷到CIGS吸收层上，之后在空气或者惰性气氛下进行退火，退火温度为50-600摄氏度。
5.根据权利要求1所述的利用溶液法的制备CIGS薄膜太阳能电池中无镉缓冲层In2S3的技术，其特征在于，利用涂布法把溶解有In2S3和硫粉的联氨溶液均匀的涂敷到CIGS吸收层上，之后在空气或者惰性气氛下进行退火。得到In2S3缓冲层的厚度在20-200nm之间。
【专利摘要】铜铟镓硒(简称CIGS)薄膜太阳能电池由于其诸多优点，成为最有发展潜力的太阳能电池技术。在CIGS制备过程中，常常使用有毒的硫化镉(CdS)作为缓冲层，容易对环境造成污染，本发明提出一种新的制备CIGS薄膜太阳能电池中无镉缓冲层的技术：即用简单的溶液涂布法制备硫化铟(In2S3)薄膜作为缓冲层。先把In2S3粉末和硫粉共同溶解在联氨溶剂中，用喷涂/旋涂/刮涂/辊涂等溶液涂布方法在CIGS吸收层上，加热退火后就得到致密的In2S3缓冲层，从而得到高效的CIGS薄膜太阳能电池。本发明是一种不使用重金属镉、成本低廉、容易控制、高效，而且适合于工业化生产的CIGS薄膜太阳能电池中缓冲层的制备技术。
【IPC分类】H01L31-18
【公开号】CN104576837
【申请号】CN201510036465
【发明人】刘德昂, 谢承智, 钱磊
【申请人】苏州瑞晟纳米科技有限公司
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月26日