專利名稱：一種連續(xù)制備銅銦鎵硒硫太陽能電池吸收層的設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于制備光伏新能源材料所用設備技術領域，特別涉及一種連續(xù)制備銅銦 鎵硒硫太陽能電池吸收層的設備。
背景技術：
銅銦硒(CuInSe2，簡稱CISe)系太陽能電池被認為是最具發(fā)展?jié)摿Φ男乱淮∧?太陽能電池，具有高光電轉換效率、低成本、抗輻射能力強、穩(wěn)定性高等優(yōu)點。CISe系太陽能 電池的基本結構是(下)基底\Mo背電極\CISe系吸收層\緩沖層\窗口層\透明電極層 \金屬柵極(上)?；w材料CISe是直接帶隙半導體材料，禁帶寬度1. 04eV,光吸收系數達IO5CnT1量 級。作為太陽能電池的吸收層，禁帶寬度的理想范圍是1. 4eV 1. 6eV，通過向CISe中摻雜 鎵(Ga)、硫(S)元素制備CIGSe、CIGS、CIGSeS可以有效提高吸收層的禁帶寬度，提高CISe 太陽能電池的轉換效率。目前，CIGSeS薄膜主要制備方法有共蒸發(fā)法和預制膜硒化硫化法。 共蒸發(fā)法可以制備得到小面積的高質量CIGSeS薄膜，但是難以制備大面積均勻的CIGSeS 薄膜。預制膜硒化硫化法由于采用了適合于大面積均勻鍍膜的磁控濺射技術而被認為是最 有可能實現大面積均勻制備CIGSeS薄膜的工藝方法。但目前CIGSeS薄膜均在CIGSe薄膜的基礎上經硫化制備得到。在操作過程中， CIGSe薄膜在硫化前會暴露在外界環(huán)境(空氣)中一段時間，使得環(huán)境中的氧、固體顆粒雜 質等破壞了 CIGSe薄膜的表面狀態(tài)，降低了 CIGSeS薄膜的質量，對電池性能造成負面的影 響。因此，本發(fā)明設計了一種可以實現連續(xù)制備具有S成分梯度分布的CIGSeS/CIGSe 復合吸收層的設備——連續(xù)式五室硒化硫化爐，使CIGSeS/CIGSe吸收層薄膜不僅在CISe 材料基礎上提高了禁帶寬度，而且使之沿吸收層厚度方向形成帶隙梯度，增加對太陽光譜 中光能的吸收，提高了 CISe系太陽能電池的光電轉換效率。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種連續(xù)制備銅銦鎵硒硫太陽能電池吸收層(CIGSeS/CIGSe 復合吸收層)的設備，其特征在于該設備主要由預熱室、硒化室、過渡室、硫化室和冷卻室 五個工作室組成，其中，預熱室、硒化室、過渡室、硫化室和冷卻室順次相連，且相鄰的兩個 工作室之間設置插板閥，各工作室外壁均勻排布電阻絲加熱器，使各工作室內溫度均勻，在 加熱器外覆蓋保溫材料，確保設備外壁溫度不超過40°C，在預熱室、過渡室和冷卻室中分別 設有送樣機械手、過渡機械手和取樣機械手，在硒化室和硫化室內分別設有硒化室樣品支 撐平臺和硫化室樣品架支撐平臺，在硒化室和硫化室的底部分別設有硒源加熱槽和硫源加 熱槽，該設備真空系統(tǒng)為機械泵、羅茨泵、分子泵三級抽真空系統(tǒng)。上述設備中，硒化室樣品支撐平臺和硫化室樣品架支撐平臺均為可升降樣品架支 撐平臺。
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硒化室樣品支撐平臺和硫化室樣品架支撐平臺均由氣缸帶動其上升或下降。上述設備中，送樣機械手、過渡機械手和取樣機械手均為四連桿機械手，過渡機械 手能整體旋轉180°。所述四連桿機械手包括機械臂、機械臂轉動軸承、齒輪組、同步齒輪組和樣品架托 臺，所述四連桿機械手由步進電機提供動力，步進電機通過齒輪傳動帶動樣品架托臺往復 運動，實現機械手的伸展和回縮，同步齒輪組保證樣品架托臺運動軌跡為直線。所述機械臂由前臂(靠近樣品架托臺一側)、后臂(靠近齒輪組一側)兩部分組 成，前、后臂通過所述機械轉動軸承軸連接實現機械臂的伸、縮；所述齒輪組、所述同步齒輪 組通過螺紋-螺桿連接分別實現所述機械臂前、后臂的固定；所述樣品架托臺和所述同步 齒輪組通過螺紋-螺桿連接固定。該設備本底真空可達1. OX l(T3Pa。上述設備各工作室工作溫度范圍是預熱室25°C 500°C，硒化室25°C 600°C， 過渡室25°C 400°C，硫化室25°C 500°C，冷卻室25°C 400°C。本發(fā)明的有益效果為采用連續(xù)式五室硒化硫化爐可制備出具有S成分梯度分布 的CIGSeS/CIGSe復合吸收層，使得該吸收層不僅在CISe基礎上提高了帶隙，而且使之沿吸 收層厚度方向形成帶隙梯度，增加對太陽光譜中光能的吸收，提高了 CISe系太陽能電池的 光電轉換效率。本發(fā)明可以使得銅銦硒(CuInSe2，簡稱CISe)系薄膜太陽能電池的制造工藝簡單， 制造成本低，操作穩(wěn)定性好，生產效率高，為制備高光電轉換效率、大面積CISe系太陽能電 池提供了便捷和設備保證。
圖1是五室硒化硫化爐示意圖；圖2是機械手初始位置示意圖；圖3是機械手伸展后位置示意圖；圖4是樣品架傳遞過程示意圖；圖中標號1-預熱室，2-硒化室，3-過渡室，4-硫化室，5-冷卻室，6_取樣機械手，7_插板 閥，8-硫化室樣品架支撐平臺，9-硫源加熱槽，10-過渡機械手，11-硒化室樣品支撐平臺， 12-硒源加熱槽，13-送樣機械手，21-機械臂，22-齒輪組，23-機械臂轉動軸承，24-樣品架 托臺，25-同步齒輪組，26-樣品架。
具體實施例方式本發(fā)明提供了一種可連續(xù)制備CIGSeS/CIGSe復合吸收層的設備，下面結合具體 實施方式對本發(fā)明進一步進行說明實施例1一種連續(xù)制備銅銦鎵硒硫太陽能電池吸收層的設備，如圖1所示，該設備主要由 預熱室1、硒化室2、過渡室3、硫化室4和冷卻室5五個工作室組成，其中，預熱室1、硒化室 2、過渡室3、硫化室4和冷卻室5順次相連，且相鄰的兩個工作室之間設置插板閥7，各工作室外壁均勻排布電阻絲加熱器，使各工作室內溫度均勻，在加熱器外覆蓋保溫材料，確保設 備外壁溫度不超過40°C，在預熱室1、過渡室3和冷卻室5中分別設有送樣機械手13、過渡 機械手10和取樣機械手6，在硒化室2和硫化室4內分別設有硒化室樣品支撐平臺11和硫 化室樣品架支撐平臺8，在硒化室2和硫化室4的底部分別設有硒源加熱槽12和硫源加熱 槽9，硒源為固態(tài)單質硒，硫源為固態(tài)單質硫，該設備真空系統(tǒng)為機械泵、羅茨泵、分子泵三 級抽真空系統(tǒng)，該設備本底真空可達1. OX 10_3Pa。上述設備中，硒化室樣品支撐平臺11和硫化室樣品架支撐平臺8均為可升降樣品 架支撐平臺。硒化室樣品支撐平臺11和硫化室樣品架支撐平臺8均由氣缸帶動其上升或下降。上述設備中，送樣機械手13、過渡機械手10和取樣機械手6均為四連桿機械手，過 渡機械手10能整體旋轉180°。所述四連桿機械手包括機械臂21、機械臂轉動軸承23、齒輪組22、同步齒輪組25 和樣品架托臺24，所述四連桿機械手由步進電機提供動力，步進電機通過齒輪傳動帶動樣 品架托臺24往復運動，實現機械手的伸展和回縮，同步齒輪組保證樣品架托臺運動軌跡為直線。所述機械臂21由前臂(靠近樣品架托臺24—側)、后臂(靠近齒輪組22—側)兩 部分組成，前、后臂通過所述機械轉動軸承23軸連接實現機械臂的伸、縮；所述齒輪組22、 所述同步齒輪組25通過螺紋-螺桿連接分別實現所述機械臂21前、后臂的固定；所述樣品 架托臺24和所述同步齒輪組25通過螺紋-螺桿連接固定。機械手初始位置示意圖如2所示，機械手伸展后位置示意圖如圖3所示。上述設備各工作室工作溫度范圍是預熱室25°C 500°C，硒化室25°C 600°C， 過渡室25°C 400°C，硫化室25°C 500°C，冷卻室25°C 400°C。制備CIGSeS/CIGSe復合薄膜過程中，通過機械手和樣品架支撐平臺的配合動作 實現樣品在各工作室間的傳送，以機械手送樣過程為例(取樣過程的動作順序與之相反) 說明樣品的傳送過程，如圖4所示。當送樣機械手13伸展(圖4-a所示)，直至將樣品架 26運送至樣品架支撐平臺11的正上方(圖4-b所示)時，樣品架支撐平臺11上升，將樣品 架26托起直至離開機械手的樣品架托臺(24)(圖4-c所示)，然后機械手回縮(圖4-d所 示)，返回至最初位置，完成送樣過程。設備工作過程如下制備CIGSeS/CIGSe復合薄膜時，以銅銦鎵(CuInGa)合金預制膜為樣品，將樣品放 置在特制的鈦合金樣品架上，再放入本發(fā)明的設備(五室硒化硫化爐)中進行硒化硫化。 其中，CuInGa合金預制膜基底為鈉鈣玻璃，在基底上先濺射一層Mo背電極，再在金屬鉬背 電極上采用中頻交流磁控濺射的方法制備CuInGa合金預制膜，CuInGa合金預制膜可采用 CuIn, CuGa雙靶濺射工藝制備或者采用CuInGa單靶濺射工藝制備。首先，利用三級抽真空系統(tǒng)對設備進行抽真空，待各工作室真空度達到 1.0X ICT3Pa后，向各工作室內充入載氣，加熱各工作室至適當溫度。待各工作室達到設定溫 度后，打開預熱室1，將樣品架放置在預熱室1中送樣機械手13的樣品架托臺上，關閉預熱 室1，開始預熱。放入樣品后需對預熱室1進行抽真空，待真空度達到1. OX ICT3Pa后，向預 熱室1中充入與硒化室2平衡的載氣。樣品預熱一定時間后，打開預熱室1和硒化室2間
5的插板閥，通過送樣機械手13將樣品架傳送至硒化室2。在氣缸的帶動下，硒化室樣品架支 撐平臺11升起將樣品架帶離送樣機械手13的托臺，然后送樣機械手13返回至預熱室1，關 閉預熱室1和硒化室2間的插板閥，硒化開始。硒化結束后，打開硒化室2和過渡室3間的 插板閥，過渡機械手10伸至硒化室2中，在氣缸的帶動下，硒化室樣品架支撐平臺11下降 將樣品架回放至過渡機械手10的托臺上，然后過渡機械手10返回至過渡室3，關閉過渡室 3和硒化室2間的插板閥，硒化結束。在過渡室3中，過渡機械手10整體旋轉180°，然后 打開過渡室3和硫化室4間的插板閥，通過過渡機械手10將樣品架運送至硫化室4，在氣缸 的帶動下，硫化室樣品架支撐平臺8升起將樣品架帶離過渡機械手10的托臺，然后過渡機 械手10返回至過渡室，關閉過渡室3和硫化室4間的插板閥，硫化開始。硫化一定時間后， 打開冷卻室5和硫化室4間的插板閥，冷卻機械手6伸至硫化室中，在氣缸的帶動下，硫化 室樣品架支撐平臺8下降將樣品架回放在冷卻機械手6的托臺上，然后冷卻機械手6返回 至冷卻室，關閉冷卻室5和硫化室4間的插板閥，硫化結束，待樣品冷卻至適當溫度后，取出 樣品，完成連續(xù)的硒化硫化工藝。實施例2以銅銦鎵(CuInGa)合金預制膜為樣品，采用實施例1的設備進行硒化硫化，制備 銅銦鎵硒硫太陽能電池吸收層。選用預熱溫度200°C，硒化溫度450°C，硒化時間lOmin，硒源溫度550°C，硫化溫度 400°C，硫化時間5min，硫源溫度400°C的工藝參數制備CIGSeS/CIGSe復合薄膜，工作載氣 為高純N2。操作流程如下1)、采用三級抽真空系統(tǒng)，抽各工作室真空至1. OX 10_3Pa。2)、向各工作室充入工作載氣高純N2。3)、加熱各工作室至預設溫度預熱室200°C，硒化室450°C，硫化室400°C，硒源溫 度550°C，硫源溫度400°C。4)、打開預熱室，放入已放置樣品的樣品架。5)、預熱IOmin后，將樣品架傳送至硒化室，開始硒化。6)、硒化IOmin后，將硒化室中的樣品經由過渡室傳送至硫化室，開始硫化。7)、硫化5min后，將樣品傳送至冷卻室，完成硒化硫化工藝。對制備得到的CIGSeS/CIGSe復合薄膜進行X射線衍射分析(XRD)、X射線熒光光 譜分析(XRF)、掃描電子顯微鏡(SEM)觀察分析，發(fā)現采用連續(xù)式五室硒化硫化爐成功制備 出結構為黃銅礦相、成分比例為Cu/(In+Ga) = 0. 95，S/(S+Se) = 0. 2、晶粒大小在1 μ m左 右的理想的適合制備太陽能電池的CIGSeS/CIGSe復合薄膜。實施例3以銅銦鎵(CuInGa)合金預制膜為樣品，采用實施例1的設備進行硒化硫化，制備 銅銦鎵硒硫太陽能電池吸收層。選用預熱溫度300°C，硒化溫度550°C，硒化時間20min，硒源溫度550°C，硫化溫度 500°C，硫化時間lOmin，硫源溫度450°C的工藝參數制備CIGSeS/CIGSe復合薄膜。操作流 程如下1)、采用三級抽真空系統(tǒng)，抽各工作室真空至1. OX 10_3Pa。2)、向各工作室充入工作載氣高純N2。
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3)、加熱各工作室至預設溫度預熱室300°C，硒化室550°C，硫化室500°C，硒源溫 度550°C，硫源溫度450°C。4)、打開預熱室門，放入已放置樣品的樣品架。5)、預熱IOmin后，將樣品架傳送至硒化室，開始硒化。6)、硒化20min后，將硒化室中的樣品經由過渡室傳送至硫化室，開始硫化。7)、硫化IOmin后，將樣品傳送至冷卻室，完成硒化硫化工藝。對制備得到的CIGSeS/CIGSe復合薄膜進行X射線衍射分析(XRD)、X射線熒光光 譜分析(XRF)、掃描電子顯微鏡(SEM)觀察分析，發(fā)現采用連續(xù)式五室硒化硫化爐成功制備 出結構為黃銅礦相、成分比例為Cu/(In+Ga) = 0. 96，S/(S+Se) = 0. 25、晶粒大小在1. 2ym 左右的理想的適合制備太陽能電池的CIGSeS/CIGSe復合薄膜。實施例4以銅銦鎵(CuInGa)合金預制膜為樣品，采用實施例1的設備進行硒化硫化，制備 銅銦鎵硒硫太陽能電池吸收層。選用預熱溫度400°C，硒化溫度500°C，硒化時間lOmin，硒源溫度550°C，硫化溫度 500°C，硫化時間lOmin，硫源溫度500°C的工藝參數制備CIGSeS/CIGSe復合薄膜。操作流 程如下1)、采用三級抽真空系統(tǒng)，抽各工作室真空至1.0X10-3Pa。2)、向各工作室充入工作載氣高純N2。3)、加熱各工作室至預設溫度預熱室400°C，硒化室500°C，硫化室500°C，硒源溫 度550°C，硫源溫度500°C。4)、打開預熱室門，放入已放置樣品的樣品架。5)、預熱IOmin后，將樣品架傳送至硒化室，開始硒化。6)、硒化IOmin后，將硒化室中的樣品由由過渡室傳送至硫化室，開始硫化。7)、硫化Imin后，將樣品傳送至冷卻室，完成硒化硫化工藝。對制備得到的CIGSeS/CIGSe復合薄膜進行X射線衍射分析(XRD)、X射線熒光光 譜分析(XRF)、掃描電子顯微鏡(SEM)觀察分析，發(fā)現采用連續(xù)式五室硒化硫化爐成功制備 出結構為黃銅礦相、成分比例為Cu/(In+Ga) = 0. 95，S/(S+Se) = 0. 34、晶粒大小在1. 5ym 左右的理想的適合制備太陽能電池的CIGSeS/CIGSe復合薄膜。
權利要求
一種連續(xù)制備銅銦鎵硒硫太陽能電池吸收層的設備，其特征在于該設備主要由預熱室(1)、硒化室(2)、過渡室(3)、硫化室(4)和冷卻室(5)五個工作室組成，其中，預熱室(1)、硒化室(2)、過渡室(3)、硫化室(4)和冷卻室(5)順次相連，且相鄰的兩個工作室之間設置插板閥(7)，各工作室外壁均勻排布電阻絲加熱器，使各工作室內溫度均勻，在加熱器外覆蓋保溫材料，確保設備外壁溫度不超過40℃，在預熱室(1)、過渡室(3)和冷卻室(5)中分別設有送樣機械手(13)、過渡機械手(10)和取樣機械手(6)，在硒化室(2)和硫化室(4)內分別設有硒化室樣品支撐平臺(11)和硫化室樣品架支撐平臺(8)，在硒化室(2)和硫化室(4)的底部分別設有硒源加熱槽(12)和硫源加熱槽(9)，該設備真空系統(tǒng)為機械泵、羅茨泵、分子泵三級抽真空系統(tǒng)。
2.根據權利要求1所述的一種連續(xù)制備銅銦鎵硒硫太陽能電池吸收層的設備，其特征 在于所述硒化室樣品支撐平臺(11)和硫化室樣品架支撐平臺(8)均為可升降樣品架支撐D ο
3.根據權利要求1或2所述的一種連續(xù)制備銅銦鎵硒硫太陽能電池吸收層的設備，其 特征在于所述硒化室樣品支撐平臺(11)和硫化室樣品架支撐平臺(8)均由氣缸帶動其上 升或下降。
4.根據權利要求1所述的一種連續(xù)制備銅銦鎵硒硫太陽能電池吸收層的設備，其特征 在于所述送樣機械手(13)、過渡機械手(10)和取樣機械手(6)均為四連桿機械手，過渡 機械手(10)能整體旋轉180°。
5.根據權利要求4所述的一種連續(xù)制備銅銦鎵硒硫太陽能電池吸收層的設備，其特征 在于所述四連桿機械手包括機械臂(21)、機械臂轉動軸承(23)、齒輪組(22)、同步齒輪組 (25)和樣品架托臺(24)，所述四連桿機械手由步進電機提供動力，步進電機通過齒輪傳動 帶動樣品架托臺(24)往復運動，實現機械手的伸展和回縮，同步齒輪組保證樣品架托臺運 動軌跡為直線。
6.根據權利要求5所述的一種連續(xù)制備銅銦鎵硒硫太陽能電池吸收層的設備，其特征 在于所述機械臂(21)由前臂、后臂兩部分組成，前、后臂通過所述機械轉動軸承(23)軸連 接實現機械臂的伸、縮；所述齒輪組(22)、所述同步齒輪組(25)通過螺紋-螺桿連接分別 實現所述機械臂(21)前、后臂的固定；所述樣品架托臺(24)和所述同步齒輪組(25)通過 螺紋-螺桿連接固定。
7.根據權利要求1所述的一種連續(xù)制備銅銦鎵硒硫太陽能電池吸收層的設備，其特征 在于所述設備本底真空可達1. OX 10_3Pa。
8.根據權利要求1所述的一種連續(xù)制備銅銦鎵硒硫太陽能電池吸收層的設備，其特征 在于所述設備各工作室工作溫度范圍是預熱室25°C 50(TC，硒化室25V 60(TC，過 渡室25°C 400°C，硫化室25°C 500°C，冷卻室25°C 400°C。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于制備光伏新能源材料所用設備技術領域的一種連續(xù)制備銅銦鎵硒硫太陽能電池吸收層的設備。該設備為連續(xù)式五室硒化硫化爐，預熱室、硒化室、過渡室、硫化室和冷卻室順次相連，采用連續(xù)式五室硒化硫化爐可制備出具有S成分梯度分布的CIGSeS/CIGSe復合吸收層，使得該吸收層不僅在CISe基礎上提高了帶隙，而且使之沿吸收層厚度方向形成帶隙梯度，增加對太陽光譜中光能的吸收，提高了CISe系太陽能電池的光電轉換效率。本發(fā)明可以使得銅銦硒系薄膜太陽能電池的制造工藝簡單，制造成本低，操作穩(wěn)定性好，生產效率高，為制備高光電轉換效率、大面積CISe系太陽能電池提供了便捷和設備保證。
文檔編號H01L31/18GK101916794SQ20101021694
公開日2010年12月15日 申請日期2010年6月25日 優(yōu)先權日2010年6月25日
發(fā)明者劉江, 匡周, 宋軍, 莊大明, 張弓, 李春雷, 趙運章 申請人:清華大學;張家港保稅區(qū)華冠光電技術有限公司