用于光伏电池的镜子、光伏电池和光伏模块的制作方法

1.本发明涉及一种用于光伏电池的镜子。本发明还涉及包含该镜子的光伏电池和光伏模块。


背景技术：

2.光伏太阳能是通过光伏板从太阳辐射中产生的电能。这种能源是可再生的，因为光能在人类时间标度上被认为是取之不尽的。
3.光伏电池是该系统的基本电子元件。它利用光电效应将太阳发出的电磁波(辐射)转化为电能。几个相互连接的电池形成光伏太阳能模块，这些模块一起形成太阳能系统。
4.已经开发多种类型的光伏电池以提高光伏电池的效率。目前主要研究的一种途径是实现基于cigs的光伏电池，缩写cigs是指化学式cu(in,ga)(s,se)2。
5.cigs光伏电池通常通过在钠钙玻璃上沉积一层钼来制造。在此沉积过程中，在钼层和cigs层之间的界面处形成一层mose2。
6.钼层对cigs的沉积温度(通常在500℃和600℃之间)具有良好的耐受性。沉积后，该层因此与cigs形成欧姆接触，用于收集电荷(在这种情况下是空穴)。
7.然而，这种层的存在会导致光损耗。这是因为cigs与钼之间的界面处的光反射低，第一次通过cigs后未被吸收而到达该界面的光主要在钼层被吸收。这种吸收的光会损耗，导致光伏电池的效率降低。
8.由于额外的mose2层的形成，在这种镜子和cigs层之间的界面处观察到非辐射复合。这导致太阳能电池的性能下降。
9.通过形成具有梯度组成ga的cigs层来缓解太阳能电池的性能下降，具有梯度组成ga的cigs层具有增加半导体导带的作用，从而将电子推离镜面与cigs层之间的界面以限制非辐射复合。
10.对于cigs薄膜太阳能电池，即厚度小于500nm的电池来说，这些缺点甚至会更难处理，因为光捕获是通过引入纳米结构的镜面来减少cigs层的厚度来实现的。
11.因此，需要一种效率更高的光伏电池。


技术实现要素：

12.为此，本技术说明书描述了一种镜子，特别是用于光伏电池的镜子，包括多层的堆叠体，所述多层沿堆叠方向叠加，所述堆叠体包括第一透明导电氧化物层、第二金属光学反射层以及第三导电氧化物层。
13.根据具体的实施方式，所述镜子具有单独或在技术上可能的任何组合中采用的一个或多个以下特征：
14.‑
所述镜子进一步包括位于第二层与第一层或第三层之间的界面处的至少一个界面层，所述界面层优选由钛或铬制成；
15.‑
所述镜子具有位于第一层和第二层之间的附加层，所述附加层可以是zno:al或
由单独的透明导电氧化物制成的两层形成；
16.‑
第一层具有亚微米结构；
17.‑
第一层由选自ito、sno2f和in2o3:h中的材料制成；
18.‑
第二层由银制成，所述第二层优选具有大于或等于50纳米的厚度；
19.‑
第三层由zno:al制成。
20.本说明书还描述了一种具有如上所述镜子的光伏电池。
21.在一种实施方式中，所述光伏电池进一步包括吸收器，所述吸收器选自i
‑
iii
‑
vi2合金、氧族化合物和锌黄铜矿。
22.本说明书还描述了一种光伏模块，包括至少一个如上所述的光伏电池。
附图说明
23.本发明的特征和优点在参考附图阅读以下描述后将会更清晰，所述描述仅作为非限制性示例，其中：
24.‑
图1是包括含镜子的多层堆叠体的光伏电池的示例的示意图；以及
25.‑
图2是可用于图1的光伏电池的镜子示例的示意图。
具体实施方式
26.光伏电池10参见示意图1。
27.光伏电池是一种将入射的太阳能转化为电能的元件。
28.例如，电池10是cigs薄膜电池。
29.当膜的厚度小于或等于3微米(μm)时，对于电池10来说所述膜被认为是薄的。
30.一般来说，电池10由i
‑
iii
‑
vi2合金制成。
31.例如，元素周期表的i族元素是铜，元素周期表的iii族元素是铟、镓和/或铝，vi族元素是硒和/或硫。
32.一组互连的电池10形成光伏模块。
33.电池10具有多层的组件12。
34.组件12中的层是平面层。
35.所述多层沿堆叠方向叠加。所述堆叠方向由图1中的z轴表示，并且在说明书的其余部分称为z堆叠方向。
36.根据图1中所示的示例，所述多层的组件包括堆叠在衬底s上的五层。
37.在这种情况下，衬底s由玻璃制成，特别是钠钙玻璃。
38.或者，所述衬底s由钢或高分子材料制成。
39.现在从上到下描述组件12的五层，最上层是首先与入射光相互作用的层。
40.第一层c1是窗口层。
41.第一层c1具有第一厚度e1。
42.根据定义，层的厚度是层沿堆叠方向z的尺寸。
43.例如，第一厚度e1介于150纳米(nm)和400nm之间。
44.当量x大于或等于数值a 且小于或等于数值b时，所述量x介于a和b两值之间。
45.在所示的情况下，第一厚度e1等于250nm。
46.第一层c1由第一材料m1制成。
47.在一个具体的示例中，第一材料m1是透明导电氧化物。首字母缩写词tco通常用于此类材料，代表“透明导电氧化物”。
48.或第一材料m1为al:zno。
49.在另一个实施方式中，所述堆叠体具有位于第一层c1上方的抗反射层。
50.第二层c2为第二窗口层。
51.第二层c2具有第二厚度e2。
52.例如，第二厚度e2介于10nm和100nm之间。
53.在所示的情况下，第二厚度e2等于50nm。
54.第二层c2由第二材料m2制成。
55.在一个具体的示例中，第二材料m2是本征zno。
56.第三层c3用作缓冲层。
57.第三层c3具有第三厚度e3。
58.例如，第三厚度e3介于10nm和50nm之间。
59.在图示的情况下，第三厚度e3等于30nm。
60.第三层c3由第三材料m3制成。
61.在一个具体的示例中，第三材料m3为cds。
62.或第三材料m3为zn(s,o,oh)。
63.第四层c4是活性层。
64.第四层c4通常称为吸收器。
65.第四层c4具有第四厚度e4。
66.第四厚度e4小于或等于3μm。
67.例如，第四厚度e4介于100nm和1000nm之间。
68.在所示的情况下，第四厚度e4等于500nm。
69.第四层c4由第四材料m4制成，所述第四材料在所提出的示例中为cigs。
70.第五层c5是被标记为14的镜子。
71.在这种情况下，第五层c5是平面镜。
72.第五层c5具有第五厚度e5。
73.例如，第五厚度e5介于50nm和1μm之间。
74.第五层c5是多个子层的堆叠体，其在图2中更详细地示出。
75.在所提出的示例中，第五子层c5包括形成沿堆叠方向z叠加的多层堆叠体的六个子层。
76.现从上到下描述形成第五层c5的六个子层，最上层是首先与入射光相互作用并与第六层c6接触的层。
77.第一子层sc1提供与第四层c4的欧姆接触。
78.因此，第一子层sc1充当传导电荷的保护子层。
79.因此，第一子层sc1提供电功能，即收集电荷和传导电流的功能。
80.第一子层sc1还用作扩散屏障并确保镜子14的稳定性。
81.特别地，第一子层sc1具有防止银的聚结、氧化和硫化的特性。
82.特别地，第一子层sc1由透明材料制成。
83.第一子层sc1由氧化铟锡制成。
84.氧化铟锡是氧化铟(iii)(in2o3)和氧化锡(iv)(sno2)的混合物。这种材料也称为锡掺杂氧化铟或ito。缩写ito代表“氧化铟锡”。
85.一般来说，第一子层sc1由上述透明导电氧化物或tco材料制成。
86.例如，根据其他变体，第一子层sc1由sno2:f或in2o制成。
87.第二子层sc2用于传导电流。
88.第二子层sc2也用作扩散屏障并确保镜子14的稳定性。
89.特别地，第二子层sc2由透明材料制成。
90.优选地，第二子层sc2由与第一子层sc1不同的材料制成，或者具有不同的形态(颗粒尺寸)。因此，在第二子层sc2的颗粒边界处的物质的残余扩散将不太可能扩散到第一子层sc1的颗粒边界。
91.第二子层sc2由zno:al制成。
92.一般来说，可以使用任何tco材料来制造第二子层sc2。
93.第二子层sc2的厚度介于20nm和300nm之间。
94.第三子层sc3用作界面层或结合层。
95.第三子层sc3提高了第二子层sc2和第四子层sc4之间的粘合力。
96.第三子层sc3由ti制成。
97.因此，第三子层sc3由金属材料制成。
98.特别地，可以使用铬cr来形成第三子层sc3。
99.第三子层sc3的厚度介于0.5nm和5nm之间。
100.特别地，第三子层sc3具有小于1纳米的厚度以限制入射光的吸收。
101.第四子层sc4是反射子层，特别是对于波长在400nm和1.2μm之间的入射光，其对应于可见光和近红外光范围。
102.根据所提出的示例，第四子层sc4提供两种不同的功能：电学功能和光学功能。
103.在所描述的情况下，电学功能是为在光伏电池10的边缘处的电流收集提供横向导电性。
104.光学功能是将入射光反射到第四子层sc4上。
105.第四子层sc4由ag制成。
106.一般来说，形成第四子层sc4的材料是金属材料。
107.特别地，可以使用au、cu或al来形成第四子层sc4。
108.第四子层sc4的厚度介于50nm和200nm之间。
109.优选地，第四子层sc4的厚度在100nm至150nm之间。
110.在所提出的示例中，与第三子层sc3相同的注释也适用于第五子层sc5，这里不再重复。唯一的区别是第五子层sc5提高了第四子层sc4和第六子层sc6之间的粘合力，而不是第二子层sc2和第四子层sc4之间的粘合力。
111.此外，对于图2的情况，第三子层sc3和第五子层sc5是相同的。
112.然而，第五子层sc5的厚度可以远大于1nm，因为第五子层sc5没有光学功能。
113.第六子层sc6由zno:al制成。
114.这种材料更常被称为azo，它代表“铝掺杂的氧化锌”。
115.一般来说，第六子层sc6由tco材料制成。
116.特别地，在一个实施方式中，第六子层sc6由ito制成。
117.而在又一实施方式中，形成第六子层sc6的材料为不具有透明性质的导电材料。
118.特别地，可以考虑诸如ti之类的材料。
119.第六子层sc6的厚度介于20nm和300nm之间。
120.优选地，七个厚度的总和小于500纳米。
121.下面描述层堆叠体的操作。
122.电池10上的入射光通过第一层c1和第二层c2，这确保了传输到其他层的部分最大化。
123.然后活性层c4吸收入射光。
124.逃向镜子14的光被反射然后再次被活性层c4吸收。
125.申请人进行的测试表明：与钼镜14相比，所述镜子14实现的性能对应于改进的效率。
126.这是因为镜子14具有比钼层更好的反射。
127.所提出的镜子14在500℃及以上的温度下也是稳定的。
128.此外，镜子14还适于与吸收器形成欧姆接触。
129.此外，镜子14容易与形成电池10的其他层同时制造。
130.在制造过程中，不同的层相互叠加。
131.特别地，镜子14可以通过易于实施的沉积技术来获得，包括溅射或电子蒸发技术。
132.在第四层c4的沉积过程中，温度优选小于或等于500℃。
133.这避免了在第一ito子层sc1和第四层c4之间的界面处形成ga2o3氧化物。这种ga2o3层的存在会降低电池10的性能。
134.避免这种问题的另一种方法是在第一ito子层sc1和第四层c4之间插入al2o3层，al2o3层是薄层，通常为3nm。
135.因此，所提出的电池10的制造与大规模生产兼容。
136.镜子14允许第四层c4的厚度减小2倍而不改变第四层c4的吸收。其结果是，电池10的电流密度增加。
137.还应注意的是，镜子14与其他吸收材料兼容。
138.特别地，镜子14可以与用于吸收器的氧族化合物材料一起使用。
139.氧族化合物是由氧族元素家族的化学元素获得两个电子形成的负离子的名称。氧族元素对应于元素周期表第16列中的元素，其包括硫和硒。
140.例如，氧族化合物材料为cu(in,ga)se2、cuinse2、cugase2和cuinte22。
141.在另一种情况下，镜子14与用于吸收器的锌黄铜矿材料一起使用。
142.锌黄铜矿材料是i2‑
ii
‑
iv
‑
vi4形式的四元半导体和四方晶体结构，例如铜
‑
锌
‑
锡
‑
硒化物(cztse)和cztsse
‑
硫化物
‑
硒化物合金。
143.例如，锌黄铜矿材料是czts(cu2znsns4)。
144.具体的示例是cu2znsns4(也称为czts)。
145.镜子14还与多种类型的衬底兼容，例如，玻璃、柔性钢(例如，不锈钢)或聚合物(例
如，聚酰亚胺)。
146.其他堆叠选项也可以获得相同的益处。
147.例如，有趣的是考虑到没有第三子层c3和第五子层c5的堆叠体。
148.在这种情况下，可以考虑ito/zno:al/ag/zno:al堆叠体。
149.举例来说，第一子层sc1的厚度为30nm，第二子层sc2的厚度为30nm，第四子层sc4的厚度为100nm，第六子层sc6的厚度为30nm。
150.总厚度小于300nm，这是钼镜获得的最小尺寸。
151.根据另一具体示例，不存在第二子层sc2。
152.在又一示例中，第六子层sc6的材料为另一种氧化物。
153.在这种情况下，第六sc6子层起到相同的热稳定性和扩散屏障的作用。
154.在特定实施方式中，第二子层sc2由不同tco材料制成的两层形成。
155.这种设计提高了镜子14在高温下的稳定性。
156.可以考虑其他变体来改善光捕获。
157.具体地，根据一个实施方式，镜子14被构造为亚微米级。
158.例如，这种亚微米结构化是通过仅结构化第一子层sc1来实现的。
159.在这种情况下，制造镜子14的方法包括在平面衬底上沉积每个子层，然后通过光刻技术蚀刻第一子层sc1，然后进行等离子体或化学蚀刻。
160.这种结构化镜子14增加了吸收器中的光路。在完美反射平面镜的情况下，增加最多可达2倍，在结构镜的情况下，增加可超过2倍。
161.因此，这种镜子14适于形成包括吸收器的光电装置的部分。特别地，这种镜子14也适用于有源光电装置，例如，光发射器。
162.对于这样的适应性，镜子14包括衬底s以及三个子层，即透明导电氧化物的第一子层sc1、金属光学反射的第四子层sc4和第六导电氧化物子层sc6就足够。
163.通过定义相对于衬底s的顺序，靠近衬底s的层是下层，而远离衬底s的层是上层。从上到下，镜子14包括第一子层sc1、第四子层sc4和第六子层sc6。这尤其意味着第六子层sc6位于第四子层sc4和衬底s之间。
164.镜子14与吸收器形成欧姆接触。这种接触是金属/半导体接触，其允许电流流过(电荷收集)而无电阻损耗。换句话说，所述欧姆接触确保了电流i与电压v是成正比的。