阅读说明：本技术 一种微型聚光太阳能电池及其制备方法 (Miniature concentrating solar cell and preparation method thereof ) 是由 王岚 于 2018-12-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及太阳能电池技术领域,具体涉及一种微型聚光太阳能电池及其制备方法,所述微型聚光太阳能电池包括：衬底、太阳能微电池单元和聚光透镜,所述太阳能微电池单元包括依次设置的背电极、吸收层、缓冲层、窗口层和透明绝缘层；其中所述太阳能微电池单元设置于所述衬底上；所述聚光透镜设置于所述太阳能微电池单元吸收光线的一侧,与所述太阳能微电池单元对应设置。本发明的微型聚光太阳能电池为一体化设计,增加了入射光强,节省了稀有金属用量,提高了电池转换效率。(The invention relates to the technical field of solar cells, in particular to a miniature concentrating solar cell and a preparation method thereof, wherein the miniature concentrating solar cell comprises: the solar micro-battery unit comprises a back electrode, an absorption layer, a buffer layer, a window layer and a transparent insulating layer which are sequentially arranged; wherein the solar microcell unit is disposed on the substrate; the condensing lens is arranged on one side of the solar micro-battery unit, which absorbs light, and is arranged corresponding to the solar micro-battery unit. The miniature concentrating solar cell is integrally designed, so that the incident light intensity is increased, the consumption of rare metals is saved, and the cell conversion efficiency is improved.)

一种微型聚光太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种微型聚光太阳能电池及其制备方法。

背景技术

近年来，薄膜太阳能电池成为光伏行业的发展趋势，它具有节省材料、提高生产速率、降低运输成本等优势。铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池具有高光吸收系数、高转化效率、高稳定性、抗辐射能力和可调的禁带宽度等优势，最高效率可达22.9％，具有非常好的应用前景。但是CIGS薄膜电池中的铟和镓属于稀有金属，地球储量低且价格昂贵，严重制约了CIGS电池的大规模生产。因此，尽可能节省制备CIGS吸收层所需的材料是业界的重要研究课题。

目前节省吸收层材料的的主要方法是制备超薄吸收层，即在垂直方向上降低吸收层的厚度，众所周知，传统薄膜CIGS太阳能电池吸收层的厚度为2－3μm，而以节省吸收层材料为目的的超薄CIGS太阳能电池吸收层的厚度则低于1μm。但该超薄CIGS太阳能电池量子效率低，对太阳光谱吸收能力变弱，尤其是对长波波段的吸收能力大幅降低，导致短路电流密度降低，电池转换效率降低；此外，背电极与吸收层界面载流子复合率增加，导致电池开路电压和填充因子降低。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的降低吸收层厚度会引起电池转换效率降低的缺陷，从而提供一种在水平方向减少吸收层材料的微型聚光太阳能电池及其制备方法。

为此，本发明的技术方案如下：

一种微型聚光太阳能电池，包括：

衬底；

太阳能微电池单元，包括依次设置的背电极、吸收层、缓冲层、窗口层和透明绝缘层；其中所述太阳能微电池单元设置于所述衬底上；

聚光透镜，设置于所述太阳能微电池单元吸收光线的一侧，与所述太阳能微电池单元对应设置。

可选地，所述衬底包括：金属导热基板，和设置在金属导热基板上的玻璃衬底；所述背电极设置在玻璃衬底上。

可选地，所述背电极之间的间距为1－2mm，所述背电极为沉积在玻璃衬底上的一层Mo，厚度为500－1000nm。

可选地，所述吸收层为CIGS吸收层，设置于所述背电极上，所述CIGS吸收层的厚度为2－3μm；

所述缓冲层为n型缓冲层，所述缓冲层的材料为CdS、In₂S₃或Zn(O，S)；所述缓冲层的厚度为30－50nm。

可选地，所述窗口层包括透明高阻层和透明导电层；所述透明高阻层的材料为本征氧化锌或氧化铝；所述透明导电层的材料为掺铝氧化锌、掺锡氧化铟、掺锑氧化锡中的一种；所述窗口层厚度为500－1000nm；所述透明高阻层的厚度为40－60nm。

所述透明绝缘层设置在衬底、太阳能微电池单元及聚光透镜的间隙，所述透明绝缘层为透明电绝缘材料，用于支撑所述聚光透镜，并将所述聚光透镜与所述太阳能微电池单元进行绝缘隔离。

可选地，所述聚光透镜的直径大于等于所述太阳能微电池单元之间的间距；所述聚光透镜的直径为1.8－2.2mm，折射率为1.5－2.5。优选地，所述聚光透镜的直径为2mm。优选地，所述聚光透镜的折射率为1.5。

可选地，所述微型聚光太阳能电池包括多个太阳能微电池单元，多个太阳能微电池单元设置为矩形阵列。

可选地，所述太阳能微电池单元的宽度为50－100μm。

可选地，所述聚光透镜设置有若干个，并与所述太阳能微电池单元一一对应。

可选地，所述衬底材料选自玻璃、不锈钢或聚酰亚胺。

可选地，所述聚光透镜为凸透镜。

可选地，所述太阳能微电池单元的背电极为金属钼，厚度为0.5－1μm。

可选地，所述太阳能微电池单元的透明绝缘层材料为二氧化硅，厚度为1500－2000μm。

本发明还提供一种上述所述的微型聚光太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

S1，在衬底上制备太阳能微电池单元，在所述太阳能微电池单元的背电极上设置电流栅线；

S2，在所述太阳能微电池单元上设置聚光透镜。

优选地，S1中在衬底上制备太阳能微电池单元的步骤为：在衬底上形成背电极，所述背电极为矩形阵列；在所述背电极上依次设置吸收层、缓冲层、窗口层和透明绝缘层。

优选地，所述吸收层采用选择性沉积法沉积在所述背电极上；

所述选择性沉积法为带有掩模板的PVD法、电沉积法或打印法。

优选地，所述吸收层的沉积方法为在背电极上沉积铟颗粒，在铟颗粒上依次沉积铜和镓，然后硒化处理，即得所述吸收层；

所述铟颗粒粒径为50－100μm。

本发明技术方案，具有如下优点：

1、本发明提供的一种微型聚光太阳能电池，包括衬底；太阳能微电池单元，包括依次设置的背电极、吸收层、缓冲层、窗口层和透明绝缘层，其中所述背电极设置于所述衬底上；聚光透镜，设置于所述太阳能微电池单元吸收光线的一侧，与所述太阳能微电池单元对应设置。聚光透镜的聚焦作用可以大幅度提高入射光强，增加太阳能微电池单元的光吸收，从而提高短路电流和开路电压，增加电池转换效率；太阳能微电池单元矩形阵列在现有薄膜太阳能电池的基础上减少了水平方向所需材料的用量，极大程度的节约了成本；聚光透镜虽然增加了入射光强，但是会导致电池温度较高，而小面积的微电池单元可以将聚集的热量尽快耗散，直接达到被动冷却的效果；而且将聚光透镜集成到电池器件中，这种一体化的设计节省了外围材料且简单易安装，节约了成本。

2、本发明提供的微型聚光太阳能电池，所述聚光透镜设置有若干个，并与所述太阳能微电池单元一一对应。这种设置可以保证每个太阳能微电池单元的效率一致，避免单位面积光强不均导致的单元效率不同，材料消耗不同的情况。

3、本发明提供的微型聚光太阳能电池，其中吸收层的形成方法采用选择性沉积法，这种自底向上的制备方法，比传统的自顶向下的方法节省材料，并且通过分步沉积铟、铜、镓，然后硒化的方法，可以严格控制每一步的材料的沉积量从而精准控制膜层各元素含量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明

具体实施方式

或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明微型聚光太阳能电池结构示意图；

图2是本发明太阳能微电池单元矩形阵列排布示意图；

图3是太阳能电池的I－V曲线图；

图中附图标记表示为：1－太阳能微电池单元矩形阵列，2－衬底，3－背电极，4－吸收层，5－缓冲层，6－透明高阻层，7－透明导电层，8－透明绝缘层，9－透明电绝缘材料，10－聚光透镜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明的太阳能电池及其制备方法进一步地详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。

如图1所示，为本发明微型聚光太阳能电池结构示意图；包括：

衬底2；

太阳能微电池单元，包括依次设置的背电极3、吸收层4、缓冲层5、窗口层和透明绝缘层8；其中，所述太阳能微电池单元设置于所述衬底2上；

聚光透镜10，设置于所述太阳能微电池单元吸收光线的一侧，与所述太阳能微电池单元对应设置。

聚光透镜10的聚焦作用可以大幅度提高入射光强，增加太阳能微电池单元的光吸收，从而提高短路电流和开路电压，增加电池转换效率；太阳能微电池单元设置有若干个，且间隔分布于所述衬底上。所述太阳能微电池单元呈矩形阵列式分布。太阳能微电池单元矩形阵列1在现有薄膜太阳能电池的基础上减少了水平方向所需材料的用量，极大程度的节约了成本；聚光透镜10虽然增加了入射光强，但是会导致电池温度较高，而小面积的微电池单元可以将聚集的热量尽快耗散，直接达到被动冷却的效果；并且将聚光透镜10集成到电池器件中，这种一体化的设计节省了外围材料且简单易安装，节约了成本。所述聚光透镜的直径大于等于所述太阳能微电池单元之间的间距；所述太阳能微电池单元的宽度为50－100μm。所述聚光透镜设置有若干个，并与所述太阳能微电池单元一一对应。这种设定可以保证一个太阳能微电池单元对应一个聚光透镜10，从而保证每个太阳能微电池单元的效率一致，避免单位面积光强不均导致的单元效率不同，材料消耗不同的情况。所述衬底2、太阳能微电池单元及聚光透镜10的间隙填充有透明电绝缘材料9。透明电绝缘材料9用来支撑聚光透镜10，并将所述聚光透镜与所述太阳能微电池单元进行绝缘隔离，同时与聚光透镜10相配合，使得抵达吸收层的光为光路聚焦点的最大光强。所述聚光透镜的材料不做具体限定，只要不损害本发明的效果可任意选择，例如可选择不同光折射率的材料，与透明绝缘层相匹配，以更利于光路聚焦，所述聚光透镜的尺寸以及到太阳能微电池单元的距离可在一定范围内调整，以达到最佳的光路聚焦效果，可选地，所述聚光透镜到所述太阳能微电池单元的距离为1.5－2㎜。所述聚光透镜10为凸透镜，所述聚光透镜10的折射率为1.5－2.5，优选地，所述聚光透镜10的折射率为1.5。所述聚光透镜的直径为1.8－2.2mm，优选地，所述聚光透镜的直径为2mm。

本发明所述衬底2包括：金属导热基板，和设置在金属导热基板上的玻璃衬底；所述背电极设置在玻璃衬底上。衬底2的材料没有特别的限定，只要不损害本发明的效果可任意选择；优选地，所述衬底2材料选自玻璃、不锈钢或聚酰亚胺；优选地，所述金属导热基板为铜或其它优良导热体，厚度为1－2mm。本发明太阳能微电池单元的背电极3材料没有特别的限定，只要不损害本发明的效果可任意选择；优选地，所述太阳能微电池单元的背电极3为金属钼，厚度为0.5－1μm，优选地采用磁控溅射法进行沉积；优选地还包括用激光烧蚀钼表面使其图案化的步骤，以使其形成条状结构；所述背电极之间的间距为1－2mm。本发明太阳能微电池单元的吸收层4为CIGS吸收层，厚度为2－3μm。所述太阳能微电池单元的缓冲层5为n型缓冲层，其材料为硫化镉、In₂S₃或Zn(O,S)，厚度为30－50nm。所述缓冲层的制备方法不做具体限定。优选地，所述缓冲层可采用化学水浴沉积法制备硫化镉缓冲层。所述太阳能微电池单元的窗口层厚度为500－1000nm，包括透明高阻层6和透明导电层7；透明高阻层6材料为本征氧化锌或氧化铝，厚度为40－60nm；透明导电层7材料为掺铝氧化锌、掺锡氧化铟、掺锑氧化锡中的一种。所述窗口层的制备方法不做具体限定，优选地所述窗口层采用磁控溅射法进行沉积得到。所述透明绝缘层8材料为二氧化硅，厚度为1500－2000μm。优选地，所述透明电绝缘材料9与透明绝缘层8材料一致。

本发明还提供一种微型聚光太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

S1，在衬底2上制备太阳能微电池单元，在所述太阳能微电池单元的背电极3上设置电流栅线；

S2，在所述太阳能微电池单元上设置聚光透镜10。

其中，S1中在衬底2上制备太阳能微电池单元的步骤为：在衬底2上形成背电极3，所述背电极3为矩形阵列；在所述背电极3上依次形成吸收层4、缓冲层5、窗口层和透明绝缘层8。

所述吸收层4的形成方法为选择性沉积法；这种自底向上的制备方法，比传统的自顶向下的方法节省材料，并且通过分步沉积铟、铜、镓，然后硒化的方法，可以严格控制每一步的材料的沉积量从而精准控制膜层各元素含量。

所述选择性沉积法为带有掩模板的PVD法、电沉积法或打印法。优选地，所述吸收层4的沉积方法为在背电极3沉积铟颗粒，在铟颗粒上依次沉积铜和镓，然后硒化处理，即得到吸收层4。优选地，所述铟颗粒粒径为50－100μm。

实施例1

在玻璃衬底上用磁控溅射法沉积一层Mo，厚度为500nm，作为电池背电极；

用激光烧蚀金属钼层使其图案化，形成矩形宽度为100μm，矩形间距为2000μm的矩形阵列，在背电极上设置电流栅线，将各个太阳能微电池单元串联起来；

在钼电极上用电沉积法依次沉积铟、铜和镓，再硒化得到2μm厚度的CIGS吸收层；其中，铟颗粒粒径为80μm；

在CIGS吸收层上用化学水浴沉积法制作硫化镉缓冲层，厚度50nm；

在缓冲层上用磁控溅射法先沉积一层厚度40nm的本征氧化锌(IZO)，再沉积一层厚度500nm的掺铝氧化锌(AZO)；

在透明导电层上用PVD(物理气相沉积)法沉积二氧化硅透明绝缘层，厚度为1500μm；

即得到形成于衬底上的太阳能微电池单元矩形阵列。

在太阳能微电池单元上制作聚光透镜，聚光透镜直径为2mm，折射率为1.5；并在衬底、太阳能微电池单元及聚光透镜的间隙填充透明电绝缘材料二氧化硅；即得微型聚光太阳能电池。

实施例2

在玻璃衬底上用磁控溅射法沉积一层Mo，厚度为1000nm，作为电池背电极；

用激光烧蚀金属钼层使其图案化，形成矩形宽度为80μm，矩形间距为2100μm的矩形阵列，在背电极上设置电流栅线，将各个太阳能微电池单元串联起来；

在钼电极上用电沉积法依次沉积铟、铜和镓，再硒化得到2.5μm厚度的CIGS吸收层；其中，铟颗粒粒径为80μm；

在CIGS吸收层上用化学水浴沉积法制作硫化镉缓冲层，厚度40nm；

在缓冲层上用磁控溅射法先沉积一层厚度50nm的氧化铝，再沉积一层厚度600nm的掺铝氧化锌(AZO)；

在透明导电层上用PVD(物理气相沉积)法沉积二氧化硅透明绝缘层，厚度为1800μm；

即得到形成于衬底上的太阳能微电池单元矩形阵列。

在太阳能微电池单元上制作聚光透镜，聚光透镜直径为2.1mm，折射率为2.0；并在衬底、太阳能微电池单元及聚光透镜的间隙填充透明电绝缘材料二氧化硅；即得微型聚光太阳能电池。

实施例3

在玻璃衬底上用磁控溅射法沉积一层Mo，厚度为800nm，作为电池背电极；

用激光烧蚀金属钼层使其图案化，形成矩形宽度为50μm，矩形间距为1800μm的矩形阵列；

在钼电极上用电沉积法依次沉积铟、铜和镓，再硒化得到3μm厚度的CIGS吸收层；其中，铟颗粒粒径为50μm；

在CIGS吸收层上用化学水浴沉积法制作硫化镉缓冲层，厚度30nm；

在缓冲层上用磁控溅射法先沉积一层厚度60nm的本征氧化锌(IZO)，再沉积一层厚度800nm的掺锡氧化铟；

在透明导电层上用PVD(物理气相沉积)法沉积二氧化硅透明绝缘层，厚度为2000μm；

即得到形成于衬底上的太阳能微电池单元矩形阵列。

在太阳能微电池单元上制作聚光透镜，聚光透镜直径为2.2mm，折射率为1.7；并在衬底、太阳能微电池单元及聚光透镜的间隙填充透明电绝缘材料二氧化硅；即得微型聚光太阳能电池。

实施例4

在不锈钢衬底上用磁控溅射法沉积一层Mo，厚度为900nm，作为电池背电极；

用激光烧蚀金属钼层使其图案化，形成矩形宽度为50μm，矩形间距为2000μm的矩形阵列；

在钼电极上用电沉积法依次沉积铟、铜和镓，再硒化得到2μm厚度的CIGS吸收层；其中，铟颗粒粒径为50μm；

在CIGS吸收层上用化学水浴沉积法制作硫化镉缓冲层，厚度30nm；

在缓冲层上用磁控溅射法先沉积一层厚度50nm的本征氧化锌(IZO)，再沉积一层厚度600nm的掺锑氧化锡；

在透明导电层上用PVD(物理气相沉积)法沉积二氧化硅透明绝缘层，厚度为1500μm；

即得到形成于衬底上的太阳能微电池单元矩形阵列。

在太阳能微电池单元上制作聚光透镜，聚光透镜直径为1.8mm，折射率为2.5；并在衬底、太阳能微电池单元及聚光透镜的间隙填充透明电绝缘材料二氧化硅；即得微型聚光太阳能电池。

对比例1

与实施例1相比，不设置聚光透镜，其他步骤及参数同实施例1。

实验例1

将实施例1、实施例2和对比例1备得到的太阳能电池，在100mW/cm²光照强度下，用Keithley SMU 2400 source meter(Cleveland，OH，USA)测得太阳能电池的I－V曲线图，如图3所示，可以看出，在相同电压时，对比例1制备得到的太阳能电池输出电流最小，实施例1和实施例2测得的短路电流基本相同，都达到了对比例1短路电流的6倍左右，说明采用本发明的技术方案，成功实现了水平方向减少材料而不影响电池性能，极大程度上节约了成本。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。