一種水浴法沉積薄膜的熱氣及反應液循環利用的裝置及方法與流程

本發明涉及的是一種新型環保的太陽能電池制造中的緩沖層薄膜的制備方法，特別是一種適用于銅銦鎵硒柔性薄膜電池無污染的水浴法沉積薄膜的熱氣及反應液循環利用的裝置及方法，屬于第二代太陽能電池生產制作技術領域的重要部分。

背景技術：

在未來的20到25年內，石油產量將達到高峰，之后便會開始下滑。開發中國家的發展，將加速石油消耗，全世界將面臨石油能源耗竭、成本高昂及環保問題。因此，再生能源如太陽能電池的發展及需求與日俱增，在未來數十年內扮演重要角色。

銅銦鎵硒(cu(in，ga)se2，簡稱cigs)薄膜太陽能電池具有低成本、高效率、穩定性好等優點，是公認的最具有發展和市場潛力的第二代太陽能電池；采用cigs吸收層的光伏模組可以高效的將光能直接轉換為電能，目前小面積電池的研發效率世界紀錄達到22.6%，組件效率達到16.5%，是目前公認的最具有前景的一種低成本高效率的光伏技術。

銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的制作成本中，緩沖層的成本約占電池成本的20%，因此緩沖層扮演相當重要的角色，制作緩沖層的方法很多，其中化學水浴沉積法使用最普遍，其優點為設備和工藝簡單，成本低廉，成膜均勻致密；但水浴法中的原料之一氨水在高溫條件下極易損失，導致原料浪費和廢氣處理等一系列問題，限制了水浴法制備薄膜的發展和應用。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有技術存在的不足，而提供一種結構組成簡單，使用操作方便，節省成本，提高工作效率，能大幅縮短柔性襯底和反應液加熱所需要的時間，熱能能夠充分再利用從而達到節能省電效果的水浴法沉積薄膜的熱氣及反應液循環利用的裝置及方法。

本發明的目的是通過如下技術方案來完成的，一種水浴法沉積薄膜的熱氣及反應液循環利用的裝置，包括反應槽體、熱氣循環鼓風裝置、抽氣單元、進氣單元和加熱裝置，所述的反應槽體包括反應槽及反應槽上蓋；所述述熱氣循環鼓風裝置位于反應槽體外部，包含用于熱氣循環的熱氣循環鼓風機、用于調整氣量的風門、用于測量風壓的壓力表、用于分氣的多管路氣排；

所述抽氣單元設置于反應槽體兩側上方，包括抽氣孔、抽氣管、抽氣風量調節閥門、耐熱風管和管束；所述進氣單元設置于反應槽體兩側下方，包括進氣孔、進氣管、進氣風量調節閥門、耐熱風管和管束；且抽氣單元與進氣單元對應成對出現；

所述加熱裝置位于反應槽正上方，以便用于均勻加熱襯底和反應液。

作為優選：所述的反應槽入口處高度高于出口處高度，便于反應液由于重力作用快速回流；所述的反應槽寬度比襯底寬度窄，以便襯底搭在反應槽兩側且只有襯底正面與反應液接觸，便于實現單層鍍膜；

所述的抽氣管與抽氣風量調節閥門中間由耐熱風管連結,并與耐熱風管的兩頭使用管束固定；所述的進氣管與進氣風量調節閥門中間由耐熱風管連結,并與耐熱風管的兩頭使用管束固定；

所述的加熱裝置固定于反應槽上蓋且位于反應槽正上方，與襯底上表面距離約為10mm-500mm。

作為優選：所述的反應槽體配置有包含有反應液混藥箱、反應液抽水泵的加藥系統以及用于襯底輸運的襯底輸運裝置；所述抽氣孔和進氣孔數量為1-99個；所述抽氣孔和進氣孔形狀為圓形、橢圓形、正方型、長方形孔及多邊形孔的一種；所述加熱裝置為紅外線加熱板加熱器、鎧裝加熱器、燈管加熱器的一種。

一種利用所述的裝置進行水浴法沉積薄膜的熱氣及反應液循環利用的方法，所述的方法是：

將反應所需的藥劑按一定配比在反應液混藥箱混勻，通過反應液抽水泵將配制反應液抽至反應槽，將反應槽上蓋的加熱裝置開啟，同時通過輸送裝置將柔性襯底傳送至反應槽開始反應，加熱過程中產生的熱氣包含極易揮發的氨氣，經抽氣單元的抽氣孔抽出至熱氣循環鼓風機裝置的抽氣管，再到熱氣循環鼓風機，然后經由熱氣循環鼓風機到進氣單元的進氣孔，最后返回反應槽循環利用，達到節約原料、避免熱氣處理的目的。

作為優選：加熱過程中氨水產生的氨氣及熱氣由反應槽下部兩側上方的抽氣單元上的抽氣孔抽出，通過抽氣管，耐熱風管以及抽氣風量調節閥門再到反應槽外部的多管路氣排，最后再經由耐熱風管接至熱氣循環鼓風機的抽氣入口，抽出來的氨氣及熱氣再由熱氣循環鼓風機的熱氣吹出口吹出，經由耐熱風管接至進氣單元前段的多管路氣排，再由耐熱風管接至反應槽下部兩側下方的進氣單元上，最后由進氣單元上面之進氣孔吹出返回反應槽，以此實現氨氣回收循環再利用。

配制反應液常溫時由反應液抽水泵抽至反應槽入口，反應液由反應槽出口回流至反應液混藥箱還可以繼續循環使用。

本發明利用反應槽上蓋上的加熱裝置對反應槽上的柔性襯底及反應液加熱，加熱過程中產生的熱氣由反應槽體兩側的熱氣循環利用裝置抽氣單元抽出，再經由反應槽體兩側的熱氣循環利用裝置進氣單元吹入，在反應槽體內形成熱對流循環，使柔性襯底表面溫度更加均勻，故與襯底下表面接觸的反應液溫度會迅速升高，達到沉積效果,不但熱能充分再利用,且大幅縮短加熱所需的時間。

本發明中配制反應液常溫時由反應液抽水泵抽至反應槽入口，反應液由反應槽出口回流至反應液混藥箱還可以繼續循環使用,達到節省成本的目的。

本發明中反應液溫度由加熱裝置通過柔性襯底加熱至反應溫度，因此與柔性襯底接觸的反應液溫度高，而與反應槽體接觸的溫度相對較低，這種方式減少反應液與槽體的異質反應，更利于槽體清洗，以此實現工業化長時間大面積的薄膜生產。

本發明主要是針對現有化學水浴沉積法技術不足，導致化學水浴沉積法使用的原料之一氨水在高溫條件下極易損失，不但造成原料浪費而且還衍生廢氣處理問題，提供一種水浴法沉積薄膜的熱氣及反應液循環利用裝置及方法，它將反應槽內產生的熱氣抽出再通入反應槽中實現氨氣回收循環再利用、節省成本的目的。

本發明與現有技術相比，具有以下優點和益處：

一般的加熱器是利用輻射熱能通過空氣分子直接對柔性襯底及反應液加熱，但因其是從發熱源起傳遞，必然造成柔性襯底受熱不均勻的現象。自然熱傳遞速度較慢，不但延長了加熱所需要的時間，同時也因為熱能容易散失而更耗電，通過本發明提供一種水浴法沉積薄膜的熱氣及反應液循環利用方法及裝置，循環的熱氣可以在槽里內產生熱對流讓柔性襯底更均勻地受熱，大幅縮短柔性襯底和反應液加熱所需要的時間，熱能充分再利用而達到節能省電的效果。

本發明中反應槽體入口處比出口處略高，此設計可以使反應液由于重力作用快速回流，以快速回流代替反應液攪拌，避免反應過程中氨氣溢出時引起的沉積層不均勻的缺點。

本發明方法是單層鍍膜，襯底只有正面接觸，所以柔性襯底比反應槽體略寬，搭在槽體兩側，通過兩端的輸送裝置實現襯底與反應槽內反應液接觸，沉積一定厚度的薄膜；薄膜厚度由反應的時間控制，即輸送裝置的輸送速度控制。

附圖說明

圖1為本發明所述的一種水浴法沉積薄膜的反應液循環利用裝置示意圖；

圖2為本發明所述的一種水浴法沉積薄膜的熱氣循環利用裝置示意圖；

圖3為本發明所述的一種水浴法沉積薄膜的熱氣循環利用裝置的熱循環示意圖。

附圖標記說明：1:反應槽體，101反應槽，102反應槽上蓋，2:熱氣循環鼓風裝置，201:熱氣循環鼓風機，202:風門，203:壓力表，204:多管路氣排，3:抽氣單元，301:抽氣孔，302:抽氣管，303:抽氣風量調節閥門，304:耐熱風管，305:管束，4:進氣單元，401:進氣孔，402:進氣管，403:進氣風量調節閥門，5:加熱裝置，6:襯底，7:反應液，8:反應液混藥箱，9:反應液抽水泵，10:輸運裝置。

具體實施方式

下面結合附圖并通過實施例對本發明作進一步的說明，以下實施例是對本發明的解釋而本發明并不局限于以下實施例。

圖1-3所示，本發明所述的一種水浴法沉積薄膜的熱氣及反應液循環利用的裝置，包括反應槽體1、熱氣循環鼓風裝置2、抽氣單元3、進氣單元4和加熱裝置5，所述的反應槽體1包括反應槽101及反應槽上蓋102；所述述熱氣循環鼓風裝置2位于反應槽體1外部，包含用于熱氣循環的熱氣循環鼓風機201、用于調整氣量的風門202、用于測量風壓的壓力表203、用于分氣的多管路氣排204；

所述抽氣單元3設置于反應槽體兩側上方，包括抽氣孔301、抽氣管302、抽氣風量調節閥門303、耐熱風管304和管束305；所述進氣單元4設置于反應槽體兩側下方，包括進氣孔401、進氣管402、進氣風量調節閥門403、耐熱風管304和管束305；且抽氣單元與進氣單元對應成對出現；

所述加熱裝置5位于反應槽正上方，以便用于均勻加熱襯底6和反應液7。

圖中所示，所述的反應槽101入口處高度高于出口處高度，便于反應液由于重力作用快速回流；所述的反應槽101寬度比襯底6寬度窄，以便襯底6搭在反應槽101兩側且只有襯底正面與反應液接觸，便于實現單層鍍膜；

所述的抽氣管302與抽氣風量調節閥門303中間由耐熱風管304連結,并與耐熱風管304的兩頭使用管束305固定；所述的進氣管402與進氣風量調節閥門403中間由耐熱風管304連結,并與耐熱風管304的兩頭使用管束305固定；

所述的加熱裝置5固定于反應槽上蓋102且位于反應槽101正上方，與襯底6上表面距離約為10mm-500mm。

本發明所述的反應槽體1配置有包含有反應液混藥箱8、反應液抽水泵9的加藥系統以及用于襯底輸運的襯底輸運裝置10；所述抽氣孔和進氣孔數量為1-99個；所述抽氣孔和進氣孔形狀為圓形、橢圓形、正方型、長方形孔及多邊形孔的一種；所述加熱裝置5為紅外線加熱板加熱器501、鎧裝加熱器502、燈管加熱器503的一種。

一種利用所述的裝置進行水浴法沉積薄膜的熱氣及反應液循環利用的方法，所述的方法是：

將反應所需的藥劑按一定配比在反應液混藥箱8混勻，通過反應液抽水泵9將配制反應液7抽至反應槽101，將反應槽上蓋102的加熱裝置5開啟，同時通過輸送裝置10將柔性襯底6傳送至反應槽101開始反應，加熱過程中產生的熱氣包含極易揮發的氨氣，經抽氣單元3的抽氣孔301抽出至熱氣循環鼓風機裝置的抽氣管302，再到熱氣循環鼓風機201，然后經由熱氣循環鼓風機201到進氣單元4的進氣孔401，最后返回反應槽101循環利用。

本發明在加熱過程中，氨水產生的氨氣及熱氣由反應槽下部兩側上方的抽氣單元3上的抽氣孔301抽出，通過抽氣管302，耐熱風管304以及抽氣風量調節閥門303再到反應槽外部的多管路氣排204，最后再經由耐熱風管304接至熱氣循環鼓風機201的抽氣入口，抽出來的氨氣及熱氣再由熱氣循環鼓風機201的熱氣吹出口吹出，經由耐熱風管304接至進氣單元4前段的多管路氣排204，再由耐熱風管37接至反應槽下部兩側下方的進氣單元4上，最后由進氣單元4上面之進氣孔401吹出返回反應槽；

配制反應液7常溫時由反應液抽水泵8抽至反應槽101入口，反應液由反應槽101出口回流至反應液混藥箱7還可以繼續循環使用。

加熱過程中產生的熱氣包含極易揮發的氨氣,通過熱氣循環利用裝置將氣體抽出再通入回反應槽中，以此實現氨氣回收循環再利用、節省成本的目的,并且循環的熱氣可以在槽里內產生熱對流讓柔性襯底均勻地受熱,熱能充分再利用而達到節能省電之效果。本發明不采用恒溫水浴、攪拌裝置等，適用于連續自動化生產線，達到生產效率要求；且單面鍍膜改善了襯底鍍膜后的均勻度，美觀度，節約原料。

實施例1

（1）柔性襯底準備:選用厚度為50μm的聚酰亞胺薄膜（pi）作為柔性薄膜太陽能電池組件的襯底，襯底上采用測控濺射法和真空熱蒸發法鍍上均勻的0.5μm的mo層和1.5μmcigs層，將襯底固定于傳輸裝置上。

（2）配制反應液:將硫酸鋅、氨水、硫脲、肼、超純水按一定比例混合制成反應液，然后加入混藥箱中。其中反應液中zn2+濃度0.02m；氨水濃度為1m，硫脲濃度為0.01m，肼濃度為0.15m。

（3）熱氣循環利用裝置：關閉熱氣循環利用裝置，反應槽內氣體無循環直接排出。

（4）沉積zns：將反應液通過反應液抽水泵抽至反應槽，流量設定3~10l/min，加熱板溫度設定為350℃，反應槽體寬度約為350mm，長度約為6m，柔性襯底輸送速度為0.1~1.5m/min，30min在反應槽后端即得到zns薄膜。

如若熱氣循環利用裝置未開啟，熱氣未做回收，直接排出；由于高溫下反應液中氨水揮發較快，約30min后反應液ph值由12.5降至10，則需要補一定量的氨水；使用溫度測量儀器針對柔性襯底下表面測量，縱向溫差均值為8度，柔性襯底下表面溫度不夠均勻；反應槽內反應液的溫度加熱時間15分鐘達到50℃。

實施例2

（1）柔性襯底準備：同實施例1。

（2）配制反應液:同實施例1。

（3）熱氣循環利用裝置：開啟熱氣循環利用裝置，熱抽風風壓設定為3~5kpa，反應槽內氣體開始回收循環。

（4）沉積zns：將反應液通過反應液抽水泵抽至反應槽，流量設定3~10l/min，加熱板溫度設定為350℃，反應槽體寬度約為350mm，長度約為6m，柔性襯底輸送速度為0.1~1.5m/min，30min在反應槽后端即得到均勻厚度的高質量的zns薄膜。

如若熱氣循環利用裝置開啟，熱氣做回收循環，不直接排出，約30min后，反應液ph值穩定在11.5左右，仍能滿足反應需求，無需另補氨水；使用溫度測量儀器針對柔性襯底下表面測量，縱向溫差均值為3度，柔性襯底下表面溫度較均勻；反應槽內反應液的溫度加熱時間10分鐘達到50℃，而此時襯底下表面溫度可達85℃，此溫度完全達到zns薄膜的反應要求。

綜上所述，本發明透過一種水浴法沉積zns薄膜的熱氣及反應液循環利用方法及裝置，可有效回收氨氣，氨氣回收率高達60%，而且減少廢氣處理，更環保、節能；并使柔性襯底縱向溫差均值改善了5度，使柔性襯底下表面溫度更均勻；而反應液加熱所需時間節省了5分鐘，有效改善加熱所需的時間，達到節能省電之效果。

以上所述實例僅表達了本發明的一種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發明專利的范圍的限制。本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。