[发明专利]具有基于聚硅氮烷的包封层的太阳能电池

说明书

本发明涉及黄铜矿太阳能电池，包括基材和光伏层状结构。特别是涉及具有铜-铟-硫化物(CIS)或铜-铟-镓-硒化物(CIGSe)型光伏层状结构的薄膜太阳能电池。

此外，本发明涉及制备黄铜矿基太阳能电池的方法。在该方法的范畴内，所述太阳能电池设置有包封层，其通过使聚硅氮烷和添加剂的溶液在20-1000℃，特别是80-200℃范围内的温度下硬化而产生。

鉴于缺乏化石资源，光伏技术作为可更新并且有利环境的能源具有重大意义。太阳能电池将阳光转化为电流。在太阳能电池中晶体硅或非晶硅大多用作光吸收半导体材料。硅的使用带来巨大的成本。与之相反，可以用低得多的成本制备具有由黄铜矿材料，如铜-铟-硫化物(CIS)或铜-铟-镓-硒化物(CIGSe)构成的吸收体的薄膜太阳能电池。

为了迅速推广光伏技术，通常需要改善光伏发电的费效比。为此值得期待的是，提高太阳能电池的效率和使用寿命。太阳能电池的效率被定义为电功率(即电压和光电流之积)与入射光功率之比。此外，效率与渗入吸收层并有助于产生电子-空穴对的光子的数量成正比。在太阳能电池表面反射的光子对光电流没有贡献。相应地，可以通过减少太阳能电池表面的光反射来提高效率。太阳能电池的使用寿命可以通过改善对于由气候造成的降解过程的保护而得到延长。通过渗入的水或水蒸气，使降解过程加速。因此，为了将太阳能电池与水蒸气隔离，现有技术中使用由层复合体组成的包封，该层复合体包括玻璃和EVA以及任选的PVA和其他聚合物薄膜。

但是，现有技术中用于包封的材料具有缺点。特别是玻璃导致高的组件重量，这例如对顶部结构提出高的要求，并且PVA和PVB在光作用下与痕量水一起释放损害太阳能电池功能的酸。前侧扩散阻挡或者包封层的效用在人工气候室中借助于根据DIN EN 61646的加速老化试验来测试。包封的太阳能组件在85℃以及85％相对空气湿度下贮存超过1000h，并定期按照其电特征进行分析，并由此测定降解。

已知的是，为了前侧面包封太阳能电池，使用SiO_x层。这类SiO_x层由气相通过CVD法如微波等离子体增强气相沉积(MWPECVD)和PVD法如磁控溅射来沉积。这些真空技术方法与高昂的成本相关，并且另外还有以下缺点：由此制备的层具有较低的粘附性和机械强度。此外，CVD法需要使用高度易燃气体(SiH₄，CH₄，H₂)和毒性气体(NH₃)。

作为用于黄铜矿太阳能电池的基材材料，使用玻璃或由金属或聚酰亚胺构成的薄膜。玻璃在许多方面被证明是有利的，因为其是电绝缘的，具有光滑的表面并且在制备黄铜矿吸收体层期间提供钠，所述钠从玻璃扩散入吸收体层，并且作为掺杂物改善吸收体层的性质。玻璃的缺点在于其重量大以及缺乏柔韧性。特别地，由于其刚性，不能以低成本的辊对辊方法(Rolle zu Rolle Verfahren)涂覆。由金属或塑料构成的薄膜型基材比玻璃轻并且是柔性的，使得其适于通过低成本的辊对辊方法进行制备。但是，由于金属薄膜或塑料薄膜的特性，其对黄铜矿层复合体的性质产生不良影响，并且也不具有用于吸收体掺杂的钠沉积物。由于升高的温度(有时超过500℃)(在太阳能电池制备期间基材暴露于该温度)，优选使用由钢或钛构成的金属膜。

为了将太阳能电池整体连接到钛膜或钢膜上，必须使光伏层状结构或后触点与基材薄膜电绝缘。为此，将由电绝缘材料构成的层施加到该金属基材薄膜上。此外，该电绝缘层应起到扩散阻挡作用，以便阻止损害吸收体层的金属离子扩散。例如，铁原子提高黄铜矿吸收体层中载流子(电子和空穴)的复合率，由此减少光电流。硅氧化物(SiO_x)适于作为绝缘的和阻止扩散的阻挡层的材料。

现有技术已知的是，主要由SiO_x或SiN_x组成的保护层以及包封层用于电子器件以及基于硅或其他半导体材料的太阳能电池。

US 7,067,069公开了用于硅基太阳能电池的由SiO₂构成的绝缘包封层，其中，SiO₂层通过施加聚硅烷以及随后在100-800℃，优选300-500℃的温度下的硬化来制备。

US 6,501,014B1涉及一种物品，特别是具有由硅酸盐类材料构成的具有透明、耐热和耐候性保护层的基于非晶硅的太阳能电池。该保护层以简单的方式在使用聚硅氮烷的条件下来制备。在基于聚硅氮烷的保护层和光伏层状体系之间布置柔性橡胶状粘合层或者缓冲体层。