[发明专利]具有基于聚硅氮烷的阻挡层的太阳能电池

说明书

本发明涉及黄铜矿太阳能电池，包括基材、光伏层状结构和处于二者之间的介电阻挡层。在所述基材和光伏层状结构之间设置的介电阻挡层是电绝缘的，并且使所述光伏层状结构屏蔽于由所述基材扩散出来并损害太阳能电池效率的外来原子。本发明的太阳能电池特别是具有铜-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，本发明涉及黄铜矿基太阳能电池的制备方法。在该方法的范畴内，厚度在100-3000nm范围内的阻挡层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，一方面提高太阳能电池的效率，另一方面降低生产成本。

通过整体连接可以提高黄铜矿太阳能电池组件的效率。具有整体连接的太阳能电池组件由多个在基材上彼此相邻布置的分开的太阳能电池组成，其以串联的方式彼此电连接。为了整体连接，根据预置的模式，首先划分后触点，其次划分光伏层状结构——通常以条带状。后触点的结构化——所谓的P1节段——以电绝缘基材为先决条件。所述P1节段优选如此实施：沿预定的分隔线借助于聚焦激光束蒸发后触点。

作为黄铜矿太阳能电池的载体材料，使用玻璃或由金属或聚酰亚胺构成的基材薄膜。在此，玻璃被证明是有利的，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，玻璃基材不能以低成本的辊对辊方法(Rolle zu Rolle Verfahren)涂覆。

玻璃的另一缺点在于，在以后太阳能电池的使用中，还有钠扩散入黄铜矿吸收体层，其中，在较长的时间段内累积的浓度可以达到一个值，在该值下尤其通过持续的微晶生长而损害黄铜矿吸收体层。

由金属或塑料构成的膜型基材比玻璃轻，并且特别是柔性的，因此其适于通过低成本的辊对辊方法用于制备太阳能电池。但是，视其特性而定，金属薄膜或塑料膜对黄铜矿层复合体的性质产生不良影响，并且还不提供用于吸收体掺杂的钠沉积物。由于升高的温度(有时＞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基材或钢基材上，必须在基材和光电吸收体之间置入电绝缘层。此外，该绝缘层应起到扩散阻挡作用，以便阻止损害吸收体层的来自基材的金属离子扩散。例如，由钢扩散的铁原子提高黄铜矿吸收体层中的载流子(电子和空穴)的复合率，由此减少光电流。

在众多的硅基电子器件和由非晶硅或微晶硅构成的太阳能电池中，将硅氧化物(SiO_x)用作绝缘层或介电层的材料。在如硅片的基材上由气相或液相沉积此类SiO_x层。优选通过CVD、微波等离子体增强CVD(MWPECVD)、PVD(磁控溅射)或溶胶-凝胶法进行沉积。

CVD和PVD法由于昂贵的真空技术装置而与高昂的成本相关，其中所产生的SiO_x层在一些基材材料上，特别是在金属上具有低的粘附性和低的机械强度。此外，气相沉积法需要使用高度易燃的和/或有毒的气体，如SiH₄、CH₄、H₂、NH₃。

借助溶胶-凝胶法制备的SiO_x层在金属基材上也具有低的粘附性。此外，溶胶-凝胶材料的耐久性如此低，以至于即使在短暂贮存时独特的材料性质也可能发生显著变化，并且由此制备的层的质量剧烈波动。

此外，现有技术公开了SiO_x层，其由聚硅氮烷产生，并且在太阳能电池中用于钝化目的或用于包封。

例如，US 7,396,563公开了借助PA-CVD沉积介电的且钝化的聚硅氮烷层，其中，使用聚硅烷作为CVD前体。

US 4,751,191教导了借助PA-CVD沉积用于太阳能电池的聚硅氮烷层。所获得的聚硅氮烷层以光刻技术结构化，并用于掩蔽金属触点以及用作防反光层。