[发明专利]一种CuInSe2基薄膜太阳能电池

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及CuInSe₂基薄膜太阳能电池。

背景技术

目前，商品化的太阳能电池主要包括：硅基晶片电池、薄膜太阳能电池和砷化镓基聚光太阳能电池，其中，CuInSe₂基薄膜太阳能电池因其生产成本低、转换效率高、弱光性能好、抗辐射能力强、无光致衰退以及可淀积在柔性基底上等特点，被国际上称为“下一时代最有前途的新型薄膜太阳能电池”。

CuInSe₂基薄膜太阳能电池的结构发展主要经历了三个阶段。1976年，Kazmerski等制备出第一个CuInSe₂薄膜太阳能电池，其结构为：玻璃基底/Mo电极/低电阻CuInSe₂/高电阻CuInSe₂/高电阻CdS/低电阻CdS/栅格电极。1981年，Boeing等在前人研究基础上，制备出光电转换效率达为9.4％的CuInSe₂薄膜太阳能电池，其结构为：陶瓷基底/Mo/CuInSe₂/高电阻Cd_xZn_(1-x)S/ZnO/栅格电极，自此，CuInSe₂薄膜太阳能电池引起人们的广泛注意。此后，人们在Boeing器件的基础上，对CuInSe₂基薄膜太阳能电池的结构进行了大量的研究和优化设计，并得到结构为：玻璃基底/Mo/Cu(InGa)Se₂/CdS/高电阻ZnO/低电阻ZnO/MgF₂/栅格电极的薄膜太阳能电池，其最高转换效率为19.6％，为各类薄膜太阳能电池之首。

在30多年的发展历程中，CuInSe₂基薄膜太阳能电池的结构研究和优化设计主要集中在以下四个方面：

1.通过同族元素替位掺杂方式增大CuInSe₂材料的光学带隙，以提高电池的开路电压和转换效率；

2.用其它宽禁带薄膜或其组合替代Cd_xZn_1-xS，减少Cd含量，增加短波光的透过率，增加电池的短波响应和短路电流；

3.用钠钙玻璃、不锈钢或聚合物替代陶瓷或硼硅玻璃作为电池的基底；

4.引入CuInSe₂基吸收层带隙渐变技术，提高器件的开路电压和载流子收集效率；

其中，对CuInSe₂吸收层结构优化方面的研究，主要包括以下几个方面：

1.用Ag、Au部分替代Cu原子，或Al、Ga部分替代In原子，或S、Te部分替代Se原子，以此增大光学带隙，提高转换效率。

2.在Mo薄膜表面形成CuGaSe₂富集层，以此增大CuInSe₂与Mo薄膜的附着力，降低界面缺陷态密度。

3.使Ga含量从CuInSe₂/Mo界面到CuInSe₂/CdS界面逐渐下降，通过带隙渐变提高载流子收集效率。

4.使S含量从CuInSe₂/Mo界面到CuInSe₂/CdS界面逐渐增加，通过带隙渐变提高载流子收集效率。

5.通过费米能级的变化构造同质结光电池，以此降低CuInSe₂/CdS界面的复合。

虽然CuInSe₂基薄膜太阳能电池的研究获得了巨大的成功，但当前的器件结构仍存在以下两个方面的问题：

1.由于Ga、S等元素对CuInSe₂薄膜材料电子能带结构的影响不同，单一元素组分渐变的方法只能提高一种载流子的收集效率，对器件转换效率的贡献十分有限；

2.耗尽区是主要的光电转换区，但耗尽区的厚度仅为0.1-0.5μm(0偏压)，远小于CuInSe₂膜层的厚度1.5-2μm，因此CuInSe₂层对入射光的利用率还不够高。

发明内容

本发明提供了一种CuInSe₂基薄膜太阳能电池，其光电转换层和反射层由Al、Ga、S共掺杂的多层梯度膜构成，通过层间电荷迁移实现对各层材料的导带底和价带顶的调控，形成更优的p-n结能带结构，以提高器件的长波响应和光生载流子的收集效率，从而提高器件的光电转换效率。