[发明专利]一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池的陷光结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光伏技术开发领域，具体涉及一种适合于提高铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池效率的陷光结构及其制备方法。

背景技术

低碳环保是人类可持续发展的必由之路，尤其是近期“雾霾”成为了网上出现频率最高的词语，在2月12日的国务院常务会议上，李克强总理直接开门见山的说：“要打一场治理雾霾的攻坚战和持久战。”这个仅仅是一个侧面写照，种种方面直接反映出人类需要发展新能源来替代现有的化石能源。从目前的能源分布来看，在可预见的未来，太阳能光伏发电将会在新能源领域中占据非常重要的一席之地。目前光伏市场产品中主要分为晶体硅太阳能电池和薄膜太阳能电池，其中晶体硅太阳能电池占据着将近85%的市场份额，尽管硅元素在地壳中的含量很好，但是从目前市场反馈的硅提纯技术来看需要耗费大量的能源来提纯，甚至带来环境的污染，从这个角度来看，晶体硅太阳能电池的“绿色环保”也是需要打个折扣的。而薄膜太阳能电池主要是包含硅基薄膜太阳能电池、碲化镉薄膜太阳能电池、铜铟镓硒薄膜太阳能电池三类，其中铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池是20世纪80年代后半期由铜铟锡(CIS)发展而来，将镓(Ga)取代铜铟锡(CIS)中的部分铟(In)，形成铜铟镓硒(以下简称CIGS)四元化合物。

在薄膜太阳能电池市场中，CIGS作为吸收层的薄膜太阳能电池是最有发展前途的一种，CIGS是直接带隙的半导体材料，具体优异的太阳能光谱响应特性，吸收系数可达10^-5cm^-1，理论光电转换效率可达30%。在实验室研究阶段， 2008年3月，美国可再生能源实验室(NREL)采用共蒸发CIGS的工艺在0.5-1cm²单元面积上获得了高达19.9%的光电转换效率；2010年8月，德国太阳能和氢能研究中心(ZSW)研究的CIGS太阳能的光电转换效率达20.3%，基本接近现有获得的多晶硅太阳能电池的最高效率。

在产业化研究开发方面，2008年9月，日本产业技术综合研究所在面积为10cm x10cm的CIGS太阳能电池小型模组上取得了15.9%的光电转换效率；2010年12月，CIGS薄膜太阳能电池组件制造商Miasolé研发的大面积组件(面积达1m²)的效率达到15.7%，已经证实为目前商业化薄膜组件中的最高效率。

在结构上，CIGS薄膜太阳能电池的典型结构为多层膜结构，整个结构包括基片衬底、钼(Mo)导电层、CIGS(或是CZTS或是CIS)吸收层、CdS过渡层、i-ZnO异质结n型层、AZO窗口层、MgF2反射层和Ni-Al电极层，其中吸收层CIGS是CIGS薄膜太阳能电池的核心。

目前CIGS薄膜太阳能电池的技术研发领域最主要体现在以下两方面：

1.在提高光电转换效率的同时，降低电池/组件成本，该领域技术目前主要是掌握在德国、日本和美国等几个国家对应的研究机构和企业。由于In、Ga材料非常昂贵，而且每年开采量及其储量均有限，目前世界年开采量为300吨/年，尤其是随着2011年以来液晶显示屏行业的迅猛发展，导致In的价格急剧攀升。为了降低CIGS电池的成本，欧美日相关研究机构和企业开始了超薄电池的研究开发，减小吸收层CIGS的厚度。美国NREL研究过不同CIGS吸收层厚度时对应的电池光电转换效率，在1umCIGS吸收层的基础上制备的小面积电池效率最高为17.16%，而在吸收层为0.75um，电池的效率降低为12.5%；美国EPV取得CIGS吸收层厚度仅为0.47um时，电池的光电转换效率为9.9%；日本Shell Solar研究的CIGS吸收层厚度为1um时，电池效率为12.8%；

2.鉴于CIGS薄膜太阳能电池是目前所有薄膜太阳能电池中效率最高的，而薄膜太阳能电池本身具备的在建筑一体化和终端消费品市场中应用的优势，因此采用柔性材料替代硬质钠钙玻璃也是目前CIGS领域中的研究热点之一。其中，柔性基底主要包含耐高温的聚酰亚胺(PI)材料、不锈钢衬底、钛、钼、铜等金属衬底。采用柔性基底可与目前市场上Roll-to-Roll 技术相结合，美国NREL采用共蒸发法，在不锈钢柔性衬底上制备出了小面积CIGS电池的效率为17.5%；2011年5月瑞士联邦材料科学与技术实验室在聚酰亚胺PI衬底上制备出了转换效率为18.7%的CIGS电池。

从目前的技术研究开发进展和现状来看，关于CIGS薄膜太阳能电池的技术研发至少还存在如下缺点：