專利名稱：柔性薄膜太陽能光電池及其大規(guī)模連續(xù)自動化生產(chǎn)方法
技術領域：
本發(fā)明屬于新能源技術領域，涉及一種新型柔性化合物薄膜太陽能光電池及其 大規(guī)模連續(xù)自動化生產(chǎn)方法，特別涉及以銅銦鎵硒(CIGS)、銅銦鋁硫(CIAS)、銅銦鎵硫硒 (CIGSS)作為光吸收層半導體材料的化合物光電池大規(guī)模連續(xù)化的生產(chǎn)方法。
背景技術：
以銅銦鎵硒(CIGQ為代表的，以其化合物半導體為光吸收層的薄膜太陽能光電 池，具有制造成本低，光電轉換率高，使用壽命長，抗幅射性強和弱光發(fā)電性能好，可卷曲的 優(yōu)良特性被國際上公認為最有發(fā)展前景的第三代太陽能光電池。目前正處在大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化 的前期。關于光電池的膜層結構，有著諸多的報導，但總結起來一般為減反射膜、金屬柵 電極、透明電極層、窗口層、過渡層、光吸收層、金屬背電極、襯底。多年的諸多研發(fā)主要是對 各功能膜層的改進和光電效率的提高，如專利US3978510報導以CTS為吸收層，CdS為窗口 層；專利US4335266報導以CTGS作吸收層；專利US4611091中提出以CdZnS，ZnSe和CdSe 為窗口層，專利W097/22152提出在玻璃基材上用氧化鋅鋁作上電極，用氧化鋅作窗口層， 硫化鎘作緩沖層，因鎘有毒性，因此盡量少用以減少污染。后來專利CN12300031A報導用氧 化鋅作窗口層，用氧化銦餳(ITO)作上電極；專利021040737提到用硫化鋅作窗口層，但使 用的是化學鍍法，使用的玻璃基材，這會帶來電解液污水處理問題。在成膜工藝上，研究和生產(chǎn)方法較多，如磁控濺射法、共蒸發(fā)法、電鍍法、噴涂法、 印刷法，但實現(xiàn)量產(chǎn)的還是以磁控濺射法和共蒸發(fā)法為主流，在玻璃基材上做的較多，在柔 性基材上做的很少，目前我國尚是空白。在使用生產(chǎn)設備上目前國際上還都是分段式生為主，雖然也有報導采用由卷到 卷，即由基材卷到產(chǎn)品卷的連續(xù)生產(chǎn)，但這只是局部的，而且只是制備吸收層工序生產(chǎn)過程 的連續(xù)，而對光電池制造中的其他工序仍是分段生產(chǎn)。因此，如何實現(xiàn)由基材卷到光電池成 品卷即卷到卷的完全連續(xù)自動化生產(chǎn)成為該技術領域亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述背景技術的不足和缺陷，本發(fā)明提供以下技術方案一種柔性薄膜太陽 能光電池，其特征在于所述柔性薄膜太陽能光電池的膜層結構是從上到下依次為減反 射層、透明上電極層、隔離層、窗口層、保護層、吸收層、反射層、金屬背電極層、絕緣層、基材 層和助焊層，所述減反射層材料為氟化鎂，所述透明上電極層材料為氧化鋅鋁，所述隔離層 材料為本征氧化鋅，所述保護層材料為硫或鋅，所述窗口層材料為硫化鋅，所述吸收層材料 為銅銦鎵硒或者銅銦鋁硫，所述反射層材料為鋁，所述金屬背電極層材料為銅鉬鈉合金，所 述絕緣層材料為氧化鈦，所述基材層材料為不銹鋼箔、銅箔、鋁箔鈦箔或者聚酰亞胺薄膜， 所述助焊層材料為餳。一種制造權利要求1所述旳柔性薄膜太陽能光電池的大規(guī)模連續(xù)自動化生產(chǎn)方法，其特征在于所述制造方法包括以下步驟A、將所述基材經(jīng)輝光放電等離子凈化后，在其表面通過交流中頻磁控濺射法形成 所述絕緣層；B、在所述絕緣層上用銅-鉬-氟化鈉旋轉靶通過直流濺射法形成所述金屬背電極 層；C、反射層是在所述背電極層上，采用金屬鋁靶通過直流磁控濺射法制成反射膜 層；D、在所述的反射層上，用銅銦鎵硒四元合金靶直流磁控濺射法形成所述吸收層， 所述吸收層為P型半導體；Ejf D步驟中所得到的材料在350 550°C下進行固態(tài)、光催化硒化和重結晶，同 時用氬氣帶入硒、硫蒸氣，在其表面形成銅銦鎵硒硫薄膜層，此時由于硫的作用在吸收層表 面形成緩沖防護層，在硒化硫化后的吸收層上通過脈沖磁控濺射法形成硫化鋅膜層，得到 所述窗口層，所述窗口層為N型半導體；F、在所述窗口層上通過交流中頻磁控濺射法形成所述隔離層，所述隔離層為納米 級本征氧化鋅隔離層；G、在所述隔離層上用含2%鋁的氧化鋅靶材通過交流磁控濺射法形成所述透明上 電極層；H、將G步驟得到的大面積產(chǎn)品進行橫向切割，劃分成內(nèi)部串聯(lián)的多個子電池單 元，再用氟化鎂靶材通過交流中頻磁控濺射法形成所述減反射層。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述背電極材料為銅鉬鈉合金，所述銅鉬鈉合金包 括0. 2%氟化鈉。作為本發(fā)明的又一種優(yōu)選方案，窗口層材料為硫化鋅，所述窗口層硫化鋅是通過 脈沖RF磁控濺射法來制作產(chǎn)生。作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，步驟H中所述對大面積產(chǎn)品進行切割，通過將預 先制作好的金屬格柵放置于所要進行切割的產(chǎn)品表面，所述金屬柵格擋住需要切割的位 置，經(jīng)過進行濺射鍍膜后在需要切割的位置就自然形成切割線。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其優(yōu)點在于1.本發(fā)明柔性薄膜太陽能光電池質量好，轉換率高，光電池膜層結構先進合理，生 產(chǎn)成本低，通過自行研制的并首創(chuàng)性的使用了銅銦鎵硒四元合金靶材和銅鉬鈉合金靶材， 簡化和加快了生產(chǎn)制程。2.本發(fā)明制造柔性薄膜太陽能光電池的方法，通過在密閉設備中連續(xù)生產(chǎn)，克服 了現(xiàn)有技術設備活性結晶鍍膜層接觸導滾從而受破壞和分段生產(chǎn)接觸空氣被氧化而使質 量下降的向題，也提高了產(chǎn)品質量和光電轉換效率。3.本發(fā)明在光電池制備工藝上有重大創(chuàng)新背景技術對光電池制備中的窗口層， 即N型半導體，是采用硫化鎘，因鎘有毒，造成環(huán)境污染影響使用；本發(fā)明使用了硫化鋅，不 但降低了成本而且徹底消除了污染和毒性問題；在制備工藝上，本發(fā)明采用脈沖磁控濺法 代替了目前工藝中所采用的液相化學鍍法，消除了化學鍍膜法電鍍液廢水污染，提高了生 產(chǎn)效率，達到了生產(chǎn)線的全連續(xù)化。4.在膜層結構上比現(xiàn)有技術新增了反射層、防護層、絕緣層和助焊層。其良好作用是使透過吸收層的未被吸收的光，再反射到吸收層多次吸收，提高了光吸收率和電池效 率，降低了光電池的溫升；而防護層的加入可使CIGS收層表面受到保護，不致在大功率濺 射時表面受損，提高了產(chǎn)品良品率；新增絕緣層是為了很好的完成電池的內(nèi)部子電池的分 割和串聯(lián)；新增助焊層是為了封裝引電極線時方便焊接提高效率。5.在生產(chǎn)線中，采用輝光放電等離子凈化技術，替代了現(xiàn)有技術中使用的基材用 純凈水超聲波清洗技術，節(jié)約了用水和-整套洗水循環(huán)凈化處埋設備。


圖1為本發(fā)明光電池大規(guī)模連續(xù)自動化生產(chǎn)線設備流程圖。圖1中標號為01-進料室011--放料卷
012-除塵器013--焊接機
014.-狹縫隔離閥02-輝光放電等離子凈化室
021-輝光等離子凈化器03-絕緣層磁控濺射室
031-控溫器04-背電極濺射室
041.-柵格042--平面導軌
05-反射層真空濺射室06-吸收層銅銦鎵硒成膜室
061-探頭062--銅銦鎵硒四元合金靶
07-硒化室071--保溫反射板
072.-冷卻套073--硒化爐
074.-加熱器075--氣體導管
076-冷卻真空室08-硫化鋅脈沖濺射室
09-隔離層濺射室091--本征氧化鋅旋轉靶
10-上電極濺射室11-激光劃線室
12-減反射膜真空鍍室13-餳真空濺射室
14-出料室141--捲卷
142.-襯紙卷
具體實施例方式下面結合附圖對本實用新型的較佳實施例進行詳細闡述，以使本實用新型的優(yōu)點 和特征能更易于被本領域技術人員理解，從而對本實用新型的保護范圍做出更為清楚明確 的界定。如圖1所示的一種柔性薄膜太陽能光電池連續(xù)自動化生產(chǎn)設備流程圖，由圖中 可以看到是一臺連續(xù)完整的真空生產(chǎn)系統(tǒng)，該實施例中所選用的基材為銅箔，基材厚度為 0. 05 0. 1mm，基材從進料室01中的放料卷011開始，通過導向滾順序前進，其前進速率為 0. 8m/min,經(jīng)過除塵器012除塵，焊接器013焊接后，通過狹縫隔離閥014進入輝光放電等 離子凈化室02，輝光放電等離子凈化室02中的輝光等離子凈化器021對基材進行凈化，基 材凈化后進入絕緣層磁控濺射室03采用氧化鈦旋轉靶進行濺射，該濺射室的工藝條件是 溫度230°C，真空度1. 6X10_4Pa，濺射時充氬氣后的真空度為2. 6Pa，交流中頻濺射的功率密度為3W/cm2，濺射成的氧化鈦絕緣層厚度為0. 3 μ m?；慕^緣層濺射完成后經(jīng)控溫器031 冷卻后進入背電極濺射真空室04，該濺射室的工藝條件同前一個濺射室，在背電極濺射真 空室04中安裝有柵格041，濺射形成的背電極層厚度為0. 3 μ m，基材經(jīng)過銅鉬鈉旋轉合金 靶完成背電極濺射后在表面形成劃線，接著基材通過平面導軌042送入反射層真空濺射室 05，該濺射室的工藝條件同前一個濺射室，通過直流磁控濺射成厚50nm鋁反射層。完成反 射層濺射后進入吸收層銅銦鎵硒成膜室06，該濺射室的工藝條件同前一個濺射室，吸收層 銅銦鎵硒成膜室06通過銅銦鎵硒四元合金靶062完成吸收層成膜，在吸收層銅銦鎵硒成膜 室06中安裝有在線監(jiān)測探頭061，該吸收層的厚度為2 μ m，該層的膜厚均勻，膜的成分嚴格 控制在原子比為銅(銦+鎵)硒=1 1 2，其中銦鎵=7 3。基材完成吸收層 濺射后進入硒化室07，硒化室07中具有保溫反射板071、冷卻套072以及傳輸帶有硒蒸汽 和硫蒸汽的氬氣導管075，硒化室07外側連接有硒化爐073和加熱器074，硒化爐073的硒 經(jīng)過加熱后進入硒化室07，基材在硒化室07中進行硒化，基材在550°C的溫度下經(jīng)過20 30min在具有硒蒸汽和硫蒸汽的氬氣環(huán)境中完成固態(tài)硒化和重結晶，并在CIGS膜層上形成 50nm的硫保護層膜，該硫保護膜層的厚度為50nm。然后經(jīng)過冷卻真空室076冷卻后進入硫 化鋅脈沖賤射室08進行硫化鋅層鍍膜，該濺射室工藝條件為溫度230°C、真空度為2. 6Pa、 功率密度為3W/cm2，基材在硫化鋅鍍膜室，采用硫化鋅雙圓柱旋轉靶脈沖濺射法濺射成厚 度0. 5 μ m硫化鋅膜層。基材完成硫化鋅鍍膜后進入隔離層濺射室09，工藝條件同前一濺射 室，通過本征氧化鋅旋轉靶進行濺射形成150nm的隔離層，完成隔離層濺射后，基材進入上 電極濺射室10，在上電極濺射室10中采用氧化鋅鋁雙圓柱旋轉靶通過交流中頻磁控濺射 法制成厚0. 3 μ m上電極層，基材完成上電極濺射后進入激光劃線室11，激光劃線室11中安 裝的多個激光劃線機頭對基材進行劃線，將經(jīng)過多次濺射成膜一層一層疊加起來的大片光 電池橫向劃線，分割成內(nèi)部串聯(lián)的許多小電池。接著基材進入減反射膜真空鍍膜室12，該濺 射室的工藝條件同前一個濺射室，在減反射膜真空鍍膜室12中使用氟化鎂雙圓柱旋轉靶 材采用交流中頻磁控濺射法制備0. 3 μ m減反射層，基材完成減反射層濺射后進入餳真空 濺射室13，在餳真空濺射室13采用直流磁控濺射法制成在基材背面的厚度為0. 8 μ m金屬 餳助焊層，至此整個光電池制程完成，光電池制程完成后進入出料室14，在出料室14中采 用捲卷機141進行光電池的成卷收集，同時通過襯紙卷142同步輸送襯紙，使得收集成卷的 光電池上貼有保護膜襯紙。
權利要求
1.一種柔性薄膜太陽能光電池，其特征在于所述柔性薄膜太陽能光電池的膜層結構 是從上到下依次為減反射層、透明上電極層、隔離層、窗口層、保護層、吸收層、反射層、金 屬背電極層、絕緣層、基材層和助焊層，所述減反射層材料為氟化鎂，所述透明上電極層材 料為氧化鋅鋁，所述隔離層材料為本征氧化鋅，所述窗口層材料為硫化鋅，所述吸收層材料 為銅銦鎵硒或銅銦鋁硫，所述反射層材料為鋁，所述金屬背電極層材料為銅鉬鈉合金，所述 絕緣層材料為氧化鈦，所述基材層材料為不銹鋼箔、銅箔、鋁箔、鈦箔或者聚酰亞胺薄膜，所 述助焊層材料為餳。
2.一種制造權利要求1所述旳柔性薄膜太陽能光電池的大規(guī)模連續(xù)自動化生產(chǎn)方法， 其特征在于所述制造方法包括以下步驟A、將所述基材經(jīng)輝光放電、等離子凈化后，在其表面通過交流中頻磁控濺射法形成所 述絕緣層；B、在所述絕緣層上用銅-鉬-氟化鈉旋轉靶通過直流濺射法形成所述金屬背電極層；C、在所述金屬背電極上，用金屬鋁靶采用直流磁控濺射形成所述的反射層；D、在所述金屬反射層上，用銅銦鎵硒四元合金靶直流磁控濺射法形成所述吸收層，所 述吸收層為P型半導體；E、將D步驟中所得到的材料在350 550°C下進行固態(tài)光催化硒化和重結晶，同時用氬 氣帶入硫蒸氣，在其表面形成銅銦鎵硒硫薄膜層，其表面形成緩沖保護層，在硒化硫化后的 吸收層上通過脈沖磁控濺射法形成硫化鋅膜層，得到所述窗口層，所述窗口層為N型半導 體；F、在所述窗口層上通過交流中頻磁控濺射法形成所述隔離層，所述隔離層為納米級本 征氧化鋅隔離層；G、在所述隔離層上用含2%鋁的氧化鋅靶材通過交流磁控濺射法形成所述透明上電極層；H、將G步驟得到的大面積產(chǎn)品進行橫向切割，劃分成內(nèi)部串聯(lián)的多個電池單元，再用 氟化鎂靶材，通過交流中頻磁控濺射法形成所述減反射層。
3.根椐權利要求1所述旳柔性薄膜太陽能光電池，其特征在于所述背電極材料為銅 鉬鈉合金，所述銅鉬鈉合金包括0. 2%氟化鈉。
4.根椐權利要求1所述的柔性薄膜太陽能光電池，其特征在于所述窗口層材料為硫 化鋅，所述窗口層硫化鋅是通過脈沖RF磁控濺射法來制作產(chǎn)生。
5.根據(jù)權利要求2所述的柔性薄膜太陽能光電池的大規(guī)模連續(xù)自動化生產(chǎn)方法，其特 征在于步驟H中所述對大面積產(chǎn)品進行劃線切割，是通過將預先制作好的金屬格柵放置 于所要進行切割的產(chǎn)品表面，所述金屬柵格擋住需要劃線切割的位置，經(jīng)過濺射鍍膜后在 需要切割的位置就自然形成切割線。
全文摘要
本發(fā)明提供一種柔性薄膜太陽能光電池及其大規(guī)模連續(xù)自動化生產(chǎn)方法。所述光電池膜層結構依次為減反射層、透明上電極層、隔離層、窗口層、保護層、吸收層、反射層、金屬背電極層、絕緣層、基材層、助焊層。減反射層材料為氟化鎂，透明上電極層材料為氧化鋅鋁，隔離層材料為本征氧化鋅，窗口層材料為硫化鋅，保護層材枓為硫或鋅，吸收層材料為CIGS或CIAS，反射層材料為鋁，金屬背電極層材料為銅鉬鈉合金，絕緣層材料為氧化鈦，基材層材料為不銹鋼、銅、鋁箔或者聚酰亞胺薄膜。其生產(chǎn)方式是通過多種濺射法在連續(xù)自動化生產(chǎn)線上密閉的環(huán)境中逐層濺射成多膜層結構；本發(fā)明生產(chǎn)方法是一個高效率、高質量、低成本的大規(guī)連續(xù)自動化生產(chǎn)的方法。
文檔編號H01L31/18GK102110732SQ20101056641
公開日2011年6月29日 申請日期2010年11月30日 優(yōu)先權日2010年11月30日
發(fā)明者張錚震 申請人:蘇州新區(qū)科興威爾電子有限公司