[发明专利]I‑III‑VI族材料双结薄膜太阳电池的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于薄膜太阳电池技术领域，特别是涉及一种I-III-VI族材料双结薄膜太阳电池的制备方法。

背景技术

目前，市场上应用的太阳电池仍以第一代单晶硅/多晶硅电池为主,但第二代薄膜太阳电池被公认为未来太阳电池发展的主要方向。薄膜太阳电池是指用厚度在微米量级的材料制备成的太阳电池，是大幅度降低太阳电池成本的最有效途径之一。在众多薄膜太阳电池中，I-III-VI族化合物半导体铜铟（镓）硒薄膜太阳电池（又称Cu(In,Ga)Se₂（简称CIGS）薄膜太阳电池）以其转换效率高、长期稳定性好、抗辐射能力强等优点成为光伏界的研究热点，有望成为下一代的廉价太阳电池。无论是哪一代太阳电池，都存在一个能量转化率的极限(31%)，Shockley和Queisser分析了存在转化率极限的原因：(1)当高于带隙能量的光子产生载流子后，载流子多余的能量以声子发射的方式损失掉；(2)低于带隙能量的光子不被吸收。解决这一问题的途径之一就是拓宽光伏材料对太阳光谱能量的吸收范围，如采用多结叠层或多带隙结构，分能量吸收或实现多光子吸收。

叠层太阳电池概念最早是在1955年由Jackson提出的，目前三结GaAs太阳电池效率已超过40%，远远高于传统的单结电池。叠层太阳电池已成功应用于不同材料电池制备，工艺最成熟的就是以GaAs为代表的III-V族化合物多结电池，如由隧道结连接的GaInP/GaInAs/Ge三结电池在454倍聚光条件下转换效率已达41.1%，是目前最高效的太阳电池。另外，对薄膜叠层太阳电池的研究也广受关注，其三结非晶硅叠层太阳电池的基本结构为α-Si/α-SiGe/α-SiGe。通过对非晶硅和非晶锗硅进行氢化处理能得到更加高效的叠层太阳电池，其结构为α-Si:H/α-SiGe:H/α-SiGe:H，目前已取得15.39%的转换效率。

由于利用分配比可以有效地调节光学带隙，因此I-III-VI族黄铜矿化合物半导体在叠层太阳电池领域独具优势。在I-III-VI族化合物半导体体系中，Cu基黄铜矿化合物的光学带隙为0.9-2.9eV，Ag基黄铜矿化合物带隙为0.6-3.1eV，如此宽的光学带隙范围在叠层太阳电池的应用中很有潜力。

现有的涉及薄膜叠层太阳电池整个结构是由多个隧道结串联起来，其结果是整个电池结构只有两个接触或称“两端”。为了获得高效的多晶薄膜叠型太阳电池，顶电池必须有宽带隙半导体材料，以及透明导电材料作为背接触。正因如此，以透明导电氧化物作为背接触变得势在必行。目前公知的I-III-VI族黄铜矿化合物半导体双结薄膜太阳电池，采用宽带隙半导体材料作为顶电池、透明导电氧化物作为背接触，提高了太阳电池的转换效率，但是由于I-III-VI族黄铜矿化合物无法实现隧道结，底电池和顶电池之间的工艺兼容性差，导致底电池和顶电池之间的无法直接内部连接，因此多采用外级联方式，结果整个电池需要三个或四个接触，使得电池制作工艺和电池结构复杂，提高了电池制作及电池的成本。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种电池制作工艺简单，制作成本低，电池结构简单，并且电池转换效率高的I-III-VI族材料双结薄膜太阳电池的制备方法。

本发明如下技术方案是：

I-III-VI族材料双结薄膜太阳电池的制备方法，其特点是：包括以下制备步骤：

步骤1：在玻璃衬底、柔性金属箔衬底或柔性聚酰亚胺衬底上，采用磁控溅射法室温下制备厚度600nm-800nm的背电极Mo薄膜；

步骤2：在背电极Mo上，采用共蒸发的方法制备1.5-2.0μm厚的窄带隙CIGS薄膜作为底电池p型吸收层；

步骤3：在底电池p型吸收层上，采用化学浴的方法生长30-50nm厚的n型CdS薄膜作为底电池n型缓冲层；

步骤4：底电池n型缓冲层上，采用射频磁控溅射法制备50-60nm厚的本征ZnO薄膜作为底电池本征窗口层；

步骤5：在底电池本征窗口层上，采用直流磁控溅射法在底电池先制备一层厚度为300-600nm的透明金属氧化物导电层，再制备一层厚度为30-50nm的纳米金属导电层，两个导电层构成连接层；

步骤6：在连接层的纳米金属导电层上，采用共蒸发的方法制备1-1.5μm的宽带隙CGS薄膜作为顶电池p型吸收层；

步骤7：在顶电池p型吸收层上，采用化学浴的方法生长30-50nm的n型CdS薄膜作为顶电池n型缓冲层；