[发明专利]太阳能电池用化合物薄膜的制备方法

说明书

 

技术领域

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种太阳能电池用光电薄膜材料的制备方法。

技术背景

当前传统的化石燃料日益短缺或枯竭，尤其是人类发展对温室气体排放的控制与对低碳经济的倡导，使得发展可再生能源变得更为迫切。太阳能由于清洁、无污染，且取之不尽，用之不竭，已成为各国可持续发展能源战略的重要组成部分。太阳电池，作为太阳能一种有效的利用手段，具有广阔的发展前景。目前商业化的太阳能电池主要为晶硅太阳能电池，此类太阳能电池生产工艺成熟、转化效率高、稳定性强，然而此类电池效率几乎达到极限，成本降低空间极小；并且在硅料提纯与电池片加工的过程中高能耗、高污染，不符合我国绿色经济、低碳政策的范畴。薄膜太阳电池，由于成本优势，在光伏发电方面始终受到国家的重点支持。最近国家关于产能过剩和清洁生产的政策也使得发展低成本、新型薄膜太阳电池成为未来国际光伏产业的必然趋势。目前最具有实用前景的薄膜电池主要有非晶硅薄膜太阳电池、碲化镉薄膜太阳电池和铜铟镓硒薄膜太阳电池。其中非晶硅薄膜太阳电池和碲化镉薄膜太阳电池已经商业化，但从工业生产和电池应用的要求来看，问题还远未得到令人满意的解决，仍有许多的工作要做。对于非晶硅而言，电池效率低的问题还没有得到根本的解决，最近几年来一直徘徊不前，单结电池的效率一直停滞在6.0%左右，而且存在严重的光致衰减。双结叠层结构使电池的稳定性得到提高，但效率的提高远不理想，一般处于6.5%~7.0%范围内，并带来了一定的附加成本。非晶/微晶叠层电池的确提高了电池的稳定性和效率（8.0%~9.5%），但相应生产线的产能大幅度下降，消弱了成本优势。对于碲化镉薄膜电池而言，硫化镉、碲化镉、复合背接触层等三层薄膜的沉积和后处理是获得高效率的关键技术，目前该技术还不够成熟；另外碲化镉薄膜太阳电池开路电压过低的问题依然没有得到很好的解决，加之碲资源稀缺，镉元素有毒，使得此类薄膜电池难于成为下一代太阳能电池的主流产品。铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳电池，因效率高、成本低、稳定性好、抗辐射能力强、寿命长等优良特性，一直受到国际研究机构的重视和产业化推进。2008年由美国国家可再生能源实验室(NREL)研制的小面积CIGS薄膜太阳电池光电转换效率已达到19.9%，是当时各类薄膜太阳电池的最高纪录。2010年4月德国太阳能和氢能研究机构（ZSW）宣布其所研制的小面积铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳电池的光电转化效率为20.1％，刷新了由NREL保持了16年的记录，并在同年8月再创新高，达到了20.3％的光电转化效率。但是，以上这些高效率的获得都是来源于真空蒸发铜铟镓硒（CIGS）膜层[见M.Venkatachalam，M.D.Kannan，N.Muthukumarasamy，et al.，“Investigations on electron beam evaporated Cu(In_0.85Ga_0.15)Se₂ thin film solar cells”，Solar Energy 83，1652–1655 (2009)]和水浴制备CdS或ZnS膜层[见Liudmila Larina，Dong Hyeop Shin，Nikolay Tsvetkov，and Byung Tae Ahn，“Growth of ultrathin Zn compound buffer layer by a chemical bath deposition for Cu(In，Ga)Se₂ solar cells”，Journal of The Electrochemical Society，156 (11)，D469-D473 (2009); R. N. Bhattacharya，M. A. Contreras，B. Egaas，et al.，“High efficiency thin-film CuIn_1?xGa_xSe₂ photovoltaic cells using a Cd_1?xZn_xS buffer layer”，Applied physics letters 89，253503 (2006)]。由于工艺复杂、重复性差、周期长等缺陷，这些工艺技术是不适宜于连续性、高产能、低成本的工业化生产的。一些企业，例如美国的Solyndra和Nanosolar，采用浆料印刷技术实现CIGS薄膜电池的规模化生产，由于生产工艺和成本问题，在光伏电池市场上还难以形成竞争优势。