專利名稱：制備銅銦鎵硒薄膜的等離子體協(xié)助硒化裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于太陽能發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種制備銅銦鎵硒薄膜的等離子體協(xié)助硒化裝置。
背景技術(shù)：
CIGS薄膜太陽能電池，是由銅、銦、鎵、硒四種元素構(gòu)成最佳比例的黃銅礦結(jié)晶薄膜太陽能電池，是組成電池板的關(guān)鍵技木。由于該產(chǎn)品具有光吸收能力強、發(fā)電穩(wěn)定性好、轉(zhuǎn)化效率高、白天發(fā)電時間長、發(fā)電量高、生產(chǎn)成本低以及能源回收周期短等諸多優(yōu)勢，CIGS薄膜太陽能電池具有廣闊的應用前景。CIGS薄膜太陽能電池是以CIGS薄膜為光吸收層的ー類薄膜電池。在CIGS薄膜的制備方式及裝置中，主要包括以下幾類共蒸發(fā)制程、濺射制程、非真空涂布制程或電鍍制程。其中，共蒸發(fā)制程具有大面積產(chǎn)業(yè)化時薄膜均勻性差的缺陷；而濺射制程、非真空涂布 制程或電鍍制程均需經(jīng)過硒化處理，因此，這三類裝置具有結(jié)構(gòu)復雜且難以大規(guī)模エ業(yè)化生產(chǎn)的缺陷。エ業(yè)界較為流行的為等離子體協(xié)助硒化裝置，該裝置可有效提高反應氣體活性、降低反應溫度并有效縮短反應時間，例如文獻Journal of Electronic materials,Vol. 37No. 5,2008,755-759 及 Journal of Electrochemical Society,150 (10),2003, C693-C689中米用PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,等離子體增強化學氣相沉積法)技術(shù)均實現(xiàn)了高質(zhì)量ZnO及AZO薄膜的低溫生長，溫度在200°C左右。由于CIGS塊體材料的熔點接近1000°C，CIGS薄膜材料一般最佳硒化溫度都在550°C以上，作為襯底材料使用的普通鈉鈣玻璃的軟化點卻在500°C左右，因而實際生產(chǎn)中很多企業(yè)線上電池板都發(fā)生玻璃翹曲，進而導致良品率偏低。而通過采用PECVD技術(shù)，可有效解決上述問題。專利CN102051603A中公開了ー種CIGS薄膜材料的PECVD硒化工藝及裝置，該專利中提出ー種將前驅(qū)體薄膜作為可加熱陰極，同時配備可加熱并含多孔結(jié)構(gòu)的陽極，通過施加交變高壓進而產(chǎn)生等離子體，通過通入硒蒸汽進行等離子體協(xié)助的原位硒化反應，得到CIGS薄膜。該專利硒化裝置結(jié)構(gòu)設計復雜，原位硒化過程中，最佳起輝氣壓和硒化氣壓控制難于趨于一致，樣品溫度的單一精確控制及薄膜均勻性也難以得到保證，硒化后難免在低溫陽極及其他內(nèi)部產(chǎn)生硒沉積，難于拆卸清洗，交變電壓產(chǎn)生的等離子體還會對CIGS薄膜質(zhì)量產(chǎn)生損傷，因而難以適用于CIGS薄膜電池的大規(guī)模エ業(yè)化生產(chǎn)。

實用新型內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本實用新型提供ー種制備銅銦鎵硒薄膜的等離子體協(xié)助硒化裝置，可以分別精確控制等離子體氣源和硒化的參數(shù)，實現(xiàn)了高質(zhì)量CIGS薄膜材料的低溫生長，還具有硒化裝置結(jié)構(gòu)設計簡單、易清洗、安全以及最終得到的CIGS薄膜的均勻性好的優(yōu)點，因此適用于CIGS薄膜太陽能電池的エ業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。本實用新型采用的技術(shù)方案如下[0008]本實用新型提供ー種制備銅銦鎵硒薄膜的等離子體協(xié)助硒化裝置，包括進氣系統(tǒng)、熱蒸發(fā)爐、等離子體發(fā)生裝置、硒化爐和出氣系統(tǒng)；所述熱蒸發(fā)爐的腔體安裝有第一石英管，所述等離子體發(fā)生裝置的腔體安裝有第二石英管，所述硒化爐的腔體安裝有第三石英管，所述進氣系統(tǒng)、所述第一石英管、所述第二石英管、所述第三石英管和所述出氣系統(tǒng)順次連通。優(yōu)選的，所述進氣系統(tǒng)為不銹鋼進氣管；所述出氣系統(tǒng)為不銹鋼出氣管。優(yōu)選的，所述進氣系統(tǒng)還包括第一閥門；所述第一閥門安裝在所述不銹鋼進氣管的進氣管ロ處。 優(yōu)選的，在所述第一石英管的管內(nèi)放置有石墨坩堝。優(yōu)選的，在所述第二石英管和所述第三石英管之間還安裝有熱絲管；所述熱絲管的進ロ端與所述第二石英管連通，所述熱絲管的出口端與所述第三石英管連通。優(yōu)選的，在所述第二石英管和所述第三石英管的相接處還安裝有第二閥門。優(yōu)選的，在所述第三石英管的管內(nèi)安裝有插槽。優(yōu)選的，在所述第三石英管的出ロ端安裝有壓カ表。優(yōu)選的，在所述第三石英管的出ロ端還連通有冷阱。優(yōu)選的，所述冷阱包括內(nèi)管和外管；所述內(nèi)管內(nèi)置在所述外管的內(nèi)部；所述外管連通有進水口和出水ロ ；所述內(nèi)管的進管ロ與所述第三石英管的出口端連通，所述內(nèi)管的出管ロ與所述出氣系統(tǒng)連通。本實用新型的有益效果如下本實用新型提供的制備銅銦鎵硒薄膜的等離子體協(xié)助硒化裝置具有以下優(yōu)點(I)將蒸發(fā)硒結(jié)合等離子體發(fā)生裝置作為獨立的等離子體氣源，從而將等離子體氣源系統(tǒng)與硒化裝置分離，分別進行溫度及氣壓等參數(shù)的精確控制；(2)硒化溫度明顯低于傳統(tǒng)硒化溫度，實現(xiàn)了對銅銦鎵硒前驅(qū)體薄膜的低溫硒化，并且配合硒化爐中三段式的硒化技術(shù)エ藝，可確保CIGS薄膜的均勻性。(3)通過冷阱對硒化后的剰余氣體進行冷卻，一方面避免了高毒氣體對外界環(huán)境的污染；另一方面，還可以回收冷阱內(nèi)冷卻得到的原材料，從而可以回收再利用硒蒸汽，具有節(jié)約成本的優(yōu)點。(4)整個設備具有成本低廉、制作過程及操作簡單的優(yōu)點。

圖I為本實用新型提供的制備銅銦鎵硒薄膜的等離子體協(xié)助硒化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實用新型提供的制備銅銦鎵硒薄膜的等離子體協(xié)助硒化裝置中插槽的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實用新型提供的制備銅銦鎵硒薄膜的等離子體協(xié)助硒化裝置中冷阱的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型進行詳細說明[0028]如圖I所示，本實用新型提供的制備銅銦鎵硒薄膜的等離子體協(xié)助硒化裝置，包括進氣系統(tǒng)I、熱蒸發(fā)爐2、等離子體發(fā)生裝置3和硒化爐4和出氣系統(tǒng)5 ;熱蒸發(fā)爐2的腔體安裝有第一石英管21，等離子體發(fā)生裝置3的腔體安裝有第二石英管31，硒化爐4的腔體安裝有第三石英管41，進氣系統(tǒng)I、第一石英管21、第二石英管31和第三石英管41和出氣系統(tǒng)5順次連通。其中，進氣系統(tǒng)I可以為不銹鋼進氣管；出氣系統(tǒng)5可以為不銹鋼出氣管。在第一石英管21的管內(nèi)放置有石墨坩堝，石墨坩堝用于放置硒粉或硒顆粒。在第二石英管31和第三石英管41之間還安裝有熱絲管6 ;熱絲管6的進ロ端與第二石英管31連通，熱絲管6的出ロ端與第三石英管41連通。如圖2所示，在第三石英管41的管內(nèi)安裝有插槽7，插槽7用于固定銅銦鎵硒前驅(qū)體薄膜，插槽的材料可以為石墨、Mo、W或Ta，根據(jù)實際使用需要以及第三石英管截面積的大小，可一次性放置幾十甚至幾百片銅銦鎵硒前驅(qū)體薄膜。。在第三石英管41的出口端安裝有壓カ表8，為使用方便，壓カ表可以為數(shù)顯壓カ表。另外，在第三石英管41的出ロ端還可以連通有冷阱9。如圖3所不，冷講9包括內(nèi)管91和外管92 ;內(nèi)管91內(nèi)置在外管92的內(nèi)部；夕卜管92連通有進水口 93和出水ロ 94 ;內(nèi)管91的進管ロ與第三石英管41的出口端連通，內(nèi)管91的出管ロ與出氣系統(tǒng)5連通?！榱朔謩e精確控制等離子體氣源和硒化參數(shù)，還包括第一閥門和第二閥門；其中，第一閥門安裝在不銹鋼進氣管的進氣管ロ處；第二閥門安裝在第二石英管31和第三石英管41的相接處。本實用新型提供的制備銅銦鎵硒薄膜的等離子體協(xié)助硒化裝置的工作過程為(I)為了獨立精確控制等離子體氣源和硒化參數(shù)，關(guān)閉第二閥門，并打開第一閥門，通過第一閥門向進氣系統(tǒng)輸送載氣，進氣系統(tǒng)再將載氣輸送到第一石英管內(nèi)；本步驟中，載氣在進入進氣系統(tǒng)前，可以預先經(jīng)過混氣罐混勻，并通過質(zhì)量流量計控制載氣的流量。并且，載氣的成分可以根據(jù)實際需要進行調(diào)整，可以為氬氣/氫氣混合氣，其中，氫氣所占比例可以為或10%等。(2)在第一石英管的管內(nèi)預先放置石墨坩堝，石墨坩堝放置有一定量的硒粉或硒顆粒，例如1克左右；當載氣到達第一石英管后，加熱石墨坩堝，使石墨坩堝的溫度維持在250°C左右，因此，在該溫度下，硒粉或硒顆粒變?yōu)橐簯B(tài)硒，并產(chǎn)生一定量硒蒸汽，通過載氣的攜帯作用，將硒蒸汽導入等離子體發(fā)生裝置內(nèi)的第二石英管內(nèi)；(3)等離子體發(fā)生裝置一般可以為高頻的紫銅線圈，通過施加可變高頻電壓，進而使第二石英管內(nèi)氣體離化，產(chǎn)生等離子體，使載入的硒蒸汽大分子團分解為高活性的硒原子，部分與氫氣反應得到高活性氫化硒，進而產(chǎn)生包含氫化硒、硒原子、氫氣及氬的高活性等離子體。其中，等離子體發(fā)生裝置可采用150W功率。(4)關(guān)閉第一閥門，并打開第二閥門，等離子體發(fā)生裝置產(chǎn)生的高活性等離子體經(jīng)過熱絲管輸送到硒化爐內(nèi)置的第三石英管內(nèi)。本實用新型中，采用熱絲管的目的為防止高活性等離子體在管道內(nèi)冷卻沉積，從而喪失反應活性。(5)在第三石英管的管內(nèi)預先安裝有石墨插槽，石墨插槽用于固定銅銦鎵硒前驅(qū)體薄膜，當導入高活性等離子體后，控制硒化爐內(nèi)的溫度，維持硒化爐內(nèi)溫度250°C 10分鐘，然后快速升溫到420°C，維持硒蒸汽壓在650托左右，并反應10分鐘，最后以25°C /min降溫速率冷卻，得到高質(zhì)量的CIGS薄膜。本實用新型中，硒化溫度明顯低于傳統(tǒng)硒化溫度，從而實現(xiàn)了對銅銦鎵硒前驅(qū)體薄膜的低溫硒化，并且配合硒化爐中三段式的硒化技術(shù)エ藝，可確保CIGS薄膜的均勻性。(6)將硒化后的剩余氣體通過冷阱浄化后排到外界。冷阱對硒化后的剰余氣體進行冷卻，使硒蒸汽等有毒氣體冷卻在冷阱內(nèi)，一方面避免了高毒氣體對外界環(huán)境的污染；另ー方面，還可以回收冷阱內(nèi)冷卻得到的原材料，從而可以回收再利用硒蒸汽，具有節(jié)約成本的優(yōu)點。綜上所述，本實用新型提供的制備銅銦鎵硒薄膜的等離子體協(xié)助硒化裝置，具有以下優(yōu)點(I)將蒸發(fā)硒結(jié)合等離子體發(fā)生裝置作為獨立的等離子體氣源，從而將等離子體氣源系統(tǒng)與硒化裝置分離，分別進行溫度及氣壓等參數(shù)的精確控制；(2)硒化溫度明顯低于傳統(tǒng)硒化溫度，實現(xiàn)了對銅銦鎵硒前驅(qū)體薄膜的低溫硒化，并且配合硒化爐中三段式的硒化技術(shù)エ藝，可確保CIGS薄膜的均勻性。(3)通過冷阱對硒化后的剰余氣體進行冷卻，一方面避免了高毒氣體對外界環(huán)境的污染；另一方面，還可以回收冷阱內(nèi)冷卻得到的原材料，從而可以回收再利用硒蒸汽，具有節(jié)約成本的優(yōu)點。(4)整個設備具有成本低廉、制作過程及操作簡單的優(yōu)點。以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視本實用新型的保護范圍。
權(quán)利要求1.ー種制備銅銦鎵硒薄膜的等離子體協(xié)助硒化裝置，其特征在于，包括進氣系統(tǒng)、熱蒸發(fā)爐、等離子體發(fā)生裝置、硒化爐和出氣系統(tǒng)；所述熱蒸發(fā)爐的腔體安裝有第一石英管，所述等離子體發(fā)生裝置的腔體安裝有第二石英管，所述硒化爐的腔體安裝有第三石英管，所述進氣系統(tǒng)、所述第一石英管、所述第二石英管、所述第三石英管和所述出氣系統(tǒng)順次連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備銅銦鎵硒薄膜的等離子體協(xié) 助硒化裝置，其特征在干，所述進氣系統(tǒng)為不銹鋼進氣管；所述出氣系統(tǒng)為不銹鋼出氣管。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備銅銦鎵硒薄膜的等離子體協(xié)助硒化裝置，其特征在干，所述進氣系統(tǒng)還包括第一閥門；所述第一閥門安裝在所述不銹鋼進氣管的進氣管ロ處。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備銅銦鎵硒薄膜的等離子體協(xié)助硒化裝置，其特征在干，在所述第一石英管的管內(nèi)放置有石墨坩堝。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備銅銦鎵硒薄膜的等離子體協(xié)助硒化裝置，其特征在干，在所述第二石英管和所述第三石英管之間還安裝有熱絲管；所述熱絲管的進ロ端與所述第ニ石英管連通，所述熱絲管的出ロ端與所述第三石英管連通。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備銅銦鎵硒薄膜的等離子體協(xié)助硒化裝置，其特征在干，在所述第二石英管和所述第三石英管的相接處還安裝有第二閥門。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備銅銦鎵硒薄膜的等離子體協(xié)助硒化裝置，其特征在干，在所述第三石英管的管內(nèi)安裝有插槽。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備銅銦鎵硒薄膜的等離子體協(xié)助硒化裝置，其特征在干，在所述第三石英管的出ロ端安裝有壓カ表。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備銅銦鎵硒薄膜的等離子體協(xié)助硒化裝置，其特征在干，在所述第三石英管的出ロ端還連通有冷阱。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備銅銦鎵硒薄膜的等離子體協(xié)助硒化裝置，其特征在干，所述冷阱包括內(nèi)管和外管；所述內(nèi)管內(nèi)置在所述外管的內(nèi)部；所述外管連通有進水口和出水ロ ；所述內(nèi)管的進管ロ與所述第三石英管的出口端連通，所述內(nèi)管的出管ロ與所述出氣系統(tǒng)連通。
專利摘要本實用新型提供一種制備銅銦鎵硒薄膜的等離子體協(xié)助硒化裝置，包括進氣系統(tǒng)、熱蒸發(fā)爐、等離子體發(fā)生裝置、硒化爐和出氣系統(tǒng)；所述熱蒸發(fā)爐的腔體安裝有第一石英管，所述等離子體發(fā)生裝置的腔體安裝有第二石英管，所述硒化爐的腔體安裝有第三石英管，所述進氣系統(tǒng)、所述第一石英管、所述第二石英管、所述第三石英管和所述出氣系統(tǒng)順次連通。因此，可以分別精確控制等離子體氣源和硒化的參數(shù)，實現(xiàn)了高質(zhì)量CIGS薄膜材料的低溫生長，還具有硒化裝置結(jié)構(gòu)設計簡單、易清洗、安全以及最終得到的CIGS薄膜的均勻性好的優(yōu)點，因此適用于CIGS薄膜太陽能電池的工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。
文檔編號C23C16/455GK202499904SQ20122012462
公開日2012年10月24日 申請日期2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月29日
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