一種銅銦鎵硒（硫）薄膜的硒化硫化裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于銅銦鎵砸(硫)薄膜的砸化硫化的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種銅銦鎵砸(硫)薄膜的砸化硫化裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]銅銦鎵基薄膜太陽能電池以其轉(zhuǎn)換效率高、弱光性能好、抗輻射性能強以及帶隙可調(diào)等諸多優(yōu)點引起了光伏領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。在2014年底，德國太陽能和氫能源研究中心(ZSff)制備出了轉(zhuǎn)換效率達到21.7%的銅銦鎵砸(CIGS)太陽電池，創(chuàng)下了新的世界紀錄。銅銦砸基薄膜吸收層是銅銦砸基薄膜太陽能電池的核心部分，其材料屬于1-1I1-1V族半導體材料，通過摻入鎵(Ga)以及硫(S)元素并適當調(diào)控元素配比形成的銅銦鎵砸硫(CIGSS)材料可以調(diào)節(jié)帶隙，以提高其光吸收效率。吸收層薄膜的制備方法可分為真空法和非真空法，真空法主要包括三步共蒸法、濺射后砸化法；非真空法主要包括電沉積法、涂敷法、噴涂熱解法等。大面積以及高效電池主要采用真空方法。其中濺射后砸化硫化的辦法在產(chǎn)業(yè)化方面有較好的前景。
[0003]濺射后砸化硫化制備吸收層薄膜的工藝流程主要包括:在鈉鈣玻璃襯底上沉積鉬薄膜形成底電極；沉積銅銦鎵薄膜形成預制層；通過砸化與硫化反應形成銅銦鎵砸硫薄膜。其中砸化硫化過程為核心工藝，反應設備以及反應流程會直接影響所得薄膜的質(zhì)量。
[0004]現(xiàn)有的采用固態(tài)砸源、硫源的砸化硫化設備一般是單溫區(qū)退火爐加熱石英管或者雙溫區(qū)退火爐分別加熱固態(tài)源與樣品部分，低真空度通保護氣體進行砸化或者硫化。單溫區(qū)直接加熱石英管的辦法容易導致砸或者硫蒸汽充滿整個石英管，造成石英管的污染，且單溫區(qū)設備存在恒溫區(qū)分布較小砸或者硫蒸汽會在低溫區(qū)冷凝的問題，難以維持穩(wěn)定的砸硫蒸汽壓，因此砸化硫化效果不穩(wěn)定。雙溫區(qū)退火爐兩溫區(qū)距離較近時難以精確控溫，而兩溫區(qū)距離較遠時蒸汽會在中間位置凝結(jié)，反應部分仍難以獲得穩(wěn)定的蒸汽壓。
[0005]現(xiàn)有的砸化硫化升溫方案一般采用恒定升溫速率升至最高反應溫度的辦法，恒定升溫速率難以保持升溫過程中反應的均勻性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為了解決上述銅銦砸硫薄膜砸化硫化過程中蒸汽壓不穩(wěn)定的技術(shù)問題，提供一種蒸汽壓穩(wěn)定，密封可靠的銅銦鎵砸(硫)薄膜的砸化硫化裝置及方法。
[0007]為了解決上述問題，本發(fā)明按以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的:
[0008]本發(fā)明所述用于銅銦鎵砸(硫)薄膜的砸化硫化裝置，包括石英管、設置在石英管內(nèi)的反應單元、設置在所述石英管外的加熱結(jié)構(gòu)、用于密封所述石英管的管口密封部；所述石英管上設置有與真空栗組連接的連接組件；
[0009]所述反應單元包括坩禍，所述坩禍上設置有用于放置待處理的銅銦鎵砸硫(CIGSS)薄膜以及固態(tài)源的容納腔、用于密封所述坩禍的密封結(jié)構(gòu)；
[0010]所述坩禍包括底壁和與底壁形成上方設有開口的容納腔的側(cè)壁；所述坩禍上設置有用于將所述容納腔分隔成若干反應腔的分隔壁，所述分隔壁上設置有若干連接相鄰反應腔的連通槽，所述連通槽設置在所述底壁的上方。
[0011]進一步地，所述坩禍為方形，所述分隔壁為兩個，兩個分隔壁均與所述坩禍中的一側(cè)壁平行設置。
[0012]進一步地，所述密封結(jié)構(gòu)包括中密封蓋和頂部密封蓋，所述中部密封蓋密封所述容納腔的開口，所述頂部密封蓋設置在所述中部密封蓋上，并密封所述中部密封蓋與坩禍之間的間隙。
[0013]進一步地，為了更好地加熱石英管，還包括套設在所述石英管外的隔熱罩。
[0014]進一步地，所述加熱結(jié)構(gòu)設置在所述隔熱罩上，所述加熱結(jié)構(gòu)包括若干紅外燈管，所述紅外燈管上下兩排平行設置，所述石英管設置在兩排紅外燈管之間。
[0015]進一步地，所述管口密封部包括與所述石英管管口配合的密封法蘭、設置在密封法蘭上的密封圈。
[0016]進一步地，所述連接組件包括設置在石英管上閥門，所述閥門一端與石英管連接，
另一端與真空栗組連接。
[0017]進一步地，所述固態(tài)源為砸源、或硫源、或混合源。
[0018]進一步地，所述坩禍、中部密封蓋、頂部密封蓋為高導熱材料制成，所述隔熱罩為絕熱材料制成。
[0019]一種銅銦鎵砸(硫)薄膜的砸化硫化方法，包括以下步驟:
[0020]S1、將定量的待處理的銅銦鎵砸硫薄膜、以及固態(tài)源分別放置在坩禍內(nèi)單獨的反應腔內(nèi)；
[0021]S2、利用中部密封蓋密封坩禍的容納腔，再將頂部密封蓋密封中部密封蓋與坩禍之間的間隙，形成反應單元；
[0022]S3、將反應單元關(guān)入石英管內(nèi)對應加熱結(jié)構(gòu)的位置，密封石英管，并通過連接組件抽真空至1X10 3Pa或以下；
[0023]S4、保持真空狀態(tài)，打開加熱結(jié)構(gòu)，加熱反應單元至100°C?200°C，維持此溫度1min ?15min ；
[0024]S5、繼續(xù)加熱反應單元至220°C?240°C，維持此溫度1min?15min ；
[0025]S6、繼續(xù)加熱反應單元至300°C?350°C，維持此溫度1min?15min ；
[0026]S7、繼續(xù)加熱反應單元至450°C?550°C，維持此溫度1min?30min ；
[0027]S8、關(guān)閉加熱器，自然降溫至200°C或200°C以下，打開石英管，取出反應單元。
[0028]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0029](I)本發(fā)明在坩禍內(nèi)設置分隔壁，將容納腔分隔成若干反應腔，將銅銦鎵砸硫薄膜與固態(tài)源放置在不同的反應腔內(nèi)，通過加熱結(jié)構(gòu)將固態(tài)源汽化成蒸汽，并通過連通槽進入放置銅銦鎵砸硫薄膜的反應腔，進行砸化或硫化，保持反應蒸汽壓均勻，確保了反應的穩(wěn)定性。
[0030](2)采用石英管內(nèi)密閉的反應單元，采用雙層密封蓋，減少蒸汽的泄漏，反應時蒸汽壓穩(wěn)定，確保了反應質(zhì)量。
[0031](3)采用紅外燈管加熱反應單元，反應單元采用高導熱材料，溫度控制精確，且反應單元溫度分布均勻，確保了反應的質(zhì)量，反應單元可重復使用，節(jié)約成本。
[0032](4)本發(fā)明采用真空砸化硫化技術(shù)，不使用保護氣氛，操作簡單、過程安全。
[0033](5)采用階段升溫的方法，進一步提高了砸化硫化的反應均勻性，改善處理后的薄膜的表面粗糙度，提升產(chǎn)品質(zhì)量。
【附圖說明】
[0034]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細的說明，其中:
[0035]圖1是本發(fā)明所述用于銅銦鎵砸(硫)薄膜的砸化硫化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖2是本發(fā)明所述用于銅銦鎵砸(硫)薄膜的砸化硫化裝置中反應單元的結(jié)構(gòu)分解圖；
[0037]圖3是本發(fā)明所述用于銅銦鎵砸(硫)薄膜的砸化硫化裝置中坩禍的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖4是本發(fā)明所述用于銅銦鎵砸(硫)薄膜的砸化硫化方法中反應時溫度控制示意圖。
【具體實施方式】
[0039]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優(yōu)選實施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0040]實施例一
[0041]如圖1?圖3所示，本發(fā)明所述用于銅銦鎵砸(硫)薄膜的砸化硫化裝置，包括石英管3、設置在石英管3內(nèi)的反應單元5、設置在所述石英管3外的隔熱罩1、用于加熱所述石英管3的加熱結(jié)構(gòu)、用于密封所述石英管3的管口密封部，所述石英管3上設置有與真空栗組連接的連接組件。
[0042]所述反應單元包括坩禍8、用于密封所述坩禍8的中部密封蓋7、頂部密封蓋6，所述坩禍8包括底壁81、與底壁81形成容納腔的側(cè)壁82，所述底壁81上設置有用于將所述容納腔分隔成若干反應腔的分隔壁83，所述分隔壁83上設置有用于連通相鄰反應腔的連通槽84，所述連通槽84的深度小于所述分隔壁83的高度。本實施例中，所述坩禍8為方形，所述底壁上設置有兩個分隔壁83，所述分隔壁83與其中兩側(cè)壁82平行。本實施例中的所述分隔壁83上設置有5個連通槽84，但本發(fā)明中每個分隔壁83上的連通槽84不局限于5個，也可以根據(jù)實際需要，設置I個、2個、3個、4個、6個、7個、8個等多個連通槽84。所述分隔壁83與側(cè)壁82的距離小于兩分隔壁83之間的距離，所述分隔壁83與所述側(cè)壁82之間的反應腔為固態(tài)源位置85，用于放置固態(tài)源，兩分隔壁83之間的反應腔為CIGSS薄膜位置86，用于放置銅銦鎵砸硫薄膜，所述固態(tài)源包括砸源、或硫源、或混合源。但本發(fā)明的坩禍8不局限于方形，也可以是圓形，分隔壁83與側(cè)壁82平行設置，形成兩個圓形反應腔，也可以是平行四邊形、五邊形等其它的幾何形狀。所述反應單元5上還設置有用于將所述反應單元5放置至石英管3的加熱部位的傳遞桿4。
[0043]所述中部密封蓋7設置在所述坩禍8上，并用于密封所述容納腔，所述頂部密封蓋6設置在所述中部密封蓋7上，并且于密封所述坩禍8與中部密封蓋7之間的間隙，減少砸蒸汽或硫蒸汽的泄漏。
[0044]所述加熱結(jié)構(gòu)包括若干紅外燈管2，現(xiàn)行設置兩排所述紅外燈管2，所述紅外燈管2設置在所述隔熱罩I上，所述石英管3設置在兩排紅外燈管2之間，使得受熱均勻。
[0045]所述連接組件為閥門，所述閥門的一端與石英管密封連接，另一端與真空栗組連接。所述管口密封部件為與所述石英管3的管口配合的密封法蘭、設置密封法蘭上的密封圈，所述密封法蘭為不銹鋼法蘭，所述密封圈為氟硅膠圈。
[0046]所述隔熱罩I為絕熱材料制成，如多孔陶瓷材料制成、或者莫來石制成。
[0047]所述坩禍8、中部密封蓋7、頂部密封蓋6均采用高導熱材