CN101958371B - 铜铟镓硒薄膜太阳能电池制备装置 - Google Patents
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Abstract
一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池制备装置，包括进样室，与进样室真空连接的铜铟镓硒蒸发室和样品运转室，与样品运转室真空连接的钼溅射室、激光光刻室、铜铟镓溅射室、硒化室及氧化锌溅射室，上述各室之间安装有隔离阀板。铜铟镓硒薄膜太阳能电池制备装置还包括与样品运转室相连的过渡室和与过渡室相连且处于常压下的电化学反应室。上述铜铟镓硒薄膜太阳能电池制备装置将整个铜铟镓硒太阳能电池制备模块整合到一起，实现玻璃衬底进样，太阳能电池产品出样的流水线作业。由于绝大部分制备室之间真空相连，可减少或降低样品制备过程中暴露在空气中引起的氧化和杂质污染问题，提高产品质量。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池制备装置。
【背景技术】
铜铟镓硒(Cu(In，Ga)Se2，简称CIGS)薄膜太阳能电池具有低成本、高效率、稳定性好等优点，是公认的最具有发展和市场潜力的第二代太阳能电池。人们对其研究兴起于上个世纪八十年代初，经过近三十年的发展，铜铟镓硒薄膜太阳能电池的理论研究以及制备工艺取得了可喜的成果，目前其最高实验室光电转化效率达到20.3％，是目前转化效率最高的薄膜光伏电池。
传统的铜铟镓硒薄膜电池的制备方法一般包括如下步骤：在玻璃衬底的一侧形成金属背电极层；在金属背电极层上形成铜铟镓硒光吸收层；在铜铟镓硒光吸收层上形成缓冲层；在缓冲层上形成阻挡层；及在阻挡层表面形成窗口层。上述制备过程中除缓冲层外的每一步骤一般都在真空条件下进行。然而，当样品从一个生长室转移到另一生长室时常常会因为暴露在空气中而引发氧化、杂质污染等问题，导致最终形成的铜铟镓硒薄膜太阳能电池的质量不高。
CN101764181A公开了一种磁控溅射和共蒸发法组合工艺制备铜铟镓硒软体太阳能电池的方法。该方法包括：在张力卷绕机的拖动下，展为带箔，均速通过真空隔离窄缝伐进入等离子辉光放电真空室，进行清洗，依次通过真空隔离窄缝伐进入真空溅镀Mo室，在带箔正、背两面溅镀Mo膜、再通过真空隔离窄缝伐进入真空溅镀Cr室，在带箔正面溅镀Cr背电极膜，再通过真空隔离窄缝伐，进入真空缓冲室，进行缓冲调正后，再通过真空隔离窄缝伐，进入四元共蒸室，通过铜、铟、镓、硒(Cu，In，Ga，Se)四元素发生器，提供的四元素源，在共蒸室内500-560℃氮气中共蒸CIGS半导体P结吸收膜后，再通过真空隔离窄缝伐，进入真空冷却室，在氮气中冷却250℃以下，再通过真空隔离窄缝伐，进入n结真空溅射室，溅镀In-S或Zn-S半导体n结膜、再通过真空隔离窄缝伐进入真空溅镀室，溅镀I-ZnO过渡层膜，再通过真空隔离窄缝伐进入真 空溅镀室，溅镀AL:ZnO或ITO透明导电膜、由真空隔离窄缝伐封闭，由后涨力卷绕机，卷绕为卷材；而后由剪切机切为块状，再跟随已溅射膜后的带箔上，用丝网印刷银浆上电极，再用超声波焊机焊接电极、并封装EVA保护膜，通过检测合格即完成了太阳能光电池组件的制备。然而，上述工艺制备的铜铟镓硒太阳能电池的缓冲层采用溅镀ZnS的方式形成，而ZnS本身形成pn节的能力较差，目前高效电池普遍采用CdS缓冲层；且上述工艺不包含提高电池开路电压的重要的激光光刻划线步骤，必然导致加工产品的质量不高。
【发明内容】
基于此，有必要提供一种制备质量较高的铜铟镓硒薄膜太阳能电池的装置。
一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池制备装置，包括进样室，与进样室真空连接的铜铟镓硒蒸发室和样品运转室，与样品运转室真空连接的钼溅射室、激光光刻室、铜铟镓溅射室、硒化室及氧化锌溅射室。铜铟镓硒薄膜太阳能电池制备装置还包括与样品运转室相连的过渡室和与过渡室相连且处于常压下的电化学反应室，上述各室之间安装有隔离阀板。
在优选的实施例中，还包括设于样品运转室内的样品传递装置，样品传递装置包括导轨、活动设于导轨上的载物车及与载物车相连的磁力杆，以实现样品的装载、运输及卸载。
在优选的实施例中，还包括与磁力杆相连的波纹管调整机构，用于调整样品的位置。
在优选的实施例中，铜铟镓硒蒸发室上均匀分布设有五个束源炉，每相邻二束源炉之间所形成的夹角为40度。
在优选的实施例中，铜铟镓硒蒸发室上还设有束流装置，用于测量各个束源炉内束源的束流压强。
在优选的实施例中，还包括设于铜铟镓硒蒸发室内的样品架。该样品架包括承载台、与承载台相连的直线轴承和转动轴承。通过直线轴承和转动轴承旋转，实现承载台的自身旋转及沿垂直方向上下移动。
在优选的实施例中，样品架还包括设于承载台的加热器和热电偶，加热器 用于加热承载台，热电偶用于测量承载台上样品的温度。
在优选的实施例中，硒化室包括硒膜蒸镀室和与硒膜蒸镀室相连的石英管，和设于石英管外的红外加热灯箱，用于使石英管内的样品快速升温。
在优选的实施例中，过渡室上安装有抽真空装置。
上述铜铟镓硒薄膜太阳能电池制备装置将整个铜铟镓硒太阳能电池制备模块整合到一起，实现玻璃衬底进样，太阳能电池产品出样的流水线作业。由于绝大部分制备室之间真空相连，可减少或降低样品制备过程中暴露在空气中引起的氧化和杂质污染问题，提高产品质量。
【附图说明】
图1为一实施例的铜铟镓硒薄膜太阳能电池制备装置的立体图；
图2为图1所示进样室和铜铟镓硒蒸发室的立体图；
图3为图2所示磁力传递杆和波纹管调整机构的立体图；
图4为图1所示样品架的立体图；
图5为图1所示样品传递装置的立体图；
图6为图1所示硒化室的立体图；
图7为图1所示红外加热灯箱的立体图。
【具体实施方式】
下面将结合附图及实施例对铜铟镓硒薄膜太阳能电池制备装置作进一步的详细说明。
请参阅图1，一实施例的铜铟镓硒薄膜太阳能电池制备装置100由多个相连的制备室组成。这些制备室包括进样室10、与进样室10真空连接的铜铟镓硒蒸发室11和样品运转室12、与样品运转室12真空连接的钼溅射室13、激光光刻室14、铜铟镓溅射室15、硒化室16及氧化锌溅射室19。铜铟镓硒薄膜太阳能电池制备装置100还包括与样品运转室12相连的过渡室18和与过渡室18相连且处于常压下的电化学反应室17。由于绝大部分制备室之间真空相连，可减少或降低样品制备过程中暴露在空气中引起的氧化和杂质污染问题，提高产品质 量。
在基于上述系统结构设计及物理思想的前提下，下面将对每一制备室的具体结构进行分别说明，但应该注意的是，本申请并不对整个装置及每一制备室的制作方法或使用方法作任何限定。
请一并参阅图2和图3，进样室10与铜铟镓硒蒸发室11真空相连。真空相连的含义是指进样室10与铜铟镓硒蒸发室11相通，且两室的真空度相同或相近。进样室10的作用是能够保证铜铟镓硒蒸发室11内束源的纯度和防止其被氧化。进样室10和铜铟镓硒蒸发室11之间安装有具隔离功能的隔离阀板。进样室10除进样口是用氟橡胶作为密封材料，其余部件均采用金属材料制成。进样室10包括进样真空室101、与真空室101相连的磁力传递杆102和位于真空室101和磁力传递杆102之间的波纹管调整机构103。真空室101上还设有分子泵104，可使真空室101内的真空度达到5×10-8Torr。磁力传递杆102端部还设有样品托盘105。波纹管调整机构103的作用是使样品传递时的位置对准。
铜铟镓硒蒸发室11本底真空能达到5×10-10Torr。铜铟镓硒蒸发室11底部的球型封头111上设有五个束源炉112。该五个束源炉112均匀分布在球型封头111上，共同环绕形成一个类似于锥台的形状，且每相邻二束源炉112之间所形成的夹角约为40度。五个束源炉112分别存放五个束源，分别为铜、铟、镓源和两个硒源。通过确定束源布局、束源发射口与衬底间的距离及衬底法线和束源轴线之间的夹角，可保证在100mm×100mm的矩形玻璃衬底上获得均匀生长的薄膜。铜铟镓硒蒸发室11的底部安装束源炉112的位置还设有五个隔离板，用于将各个束源隔离开，防止束源间的相互扩散和反应。铜铟镓硒蒸发室11的柱形外壁上还设有用于维持真空的离子泵的抽气通道113和束流装置114。束流装置114由超高真空或者高真空束流规作为探测部件，用于测量各个束源的束流压强。各自的压强数值和相应的束源温度值构成各个束源的生长速率。各自的束流压强比值经过换算和相应的物理测定的校正，可以制备出所需要的化学组份配比的铜铟镓硒薄膜。铜铟镓硒蒸发室11内还设有与波纹管调整机构103相配合的样品架20(见图4)。
请参阅图4，样品架20包括承载台21、与承载台21相连的直线轴承23和 转动轴承25。承载台21用于承载实验样品。通过步进电机分别带动直线轴承23和转动轴承25旋转，实现承载台21的自身旋转及沿垂直方向上下移动。样品架20还包括设于承载台21下方的加热器27和热电偶29。加热器27可将承载台21上的样品加热至800℃。热电偶29安装在以加热器27为中心面，与样品相对应的位置上，用于测量样品温度。
请再次参阅图1，样品运转室12大致为圆筒，其与进样室10真空相连。样品运转室12内设有样品传递装置121(见图5)。
请一并参阅图5，样品传递装置121包括导轨122和由电机驱动可在导轨122上移动的载物车123。样品运转室12与每一制备室相对应的地方均设有一个磁力杆102(见图3)。通过磁力杆102的伸缩移动，可以将样品从载物车123上卸下并运送到每一制备室内，每一制备步骤完成后，还可将样品从该制备室内取出并重新装载入载物车123，然后载物车123沿导轨122移动到下一制备室进行后续制备步骤。可以理解，在其他实施例中，样品传递装置121也可为可移动的机械手。
请再次参阅图1，钼溅射室13为双靶位磁控溅射室，其与样品运转室12真空相连。
激光光刻室14与样品运转室12真空相连，用来对在钼溅射室13内沉积的钼电极进行光刻处理。
铜铟镓溅射室15与样品运转室12真空相连，其为三靶位磁控溅射室，可采用DC和RF两种溅射模式。溅射室本底真空可以达到5.0×10-7Torr。采用可以法向移动的矩形靶材设计，可以改变靶基距。
请参阅图6和图7，硒化室16与样品运转室12真空相连，用来硒化在铜铟镓溅射室15内溅射沉积的铜铟镓膜。硒化室16包括硒膜蒸镀室161和与硒膜蒸镀室161相连的石英管163。在硒化过程中，在80-200℃的低温区易产生硒化亚铜相(Cu2Se)，导致p-n区反转，严重影响制备的铜铟镓硒膜的质量。因此，硒化室16的石英管163外还设有一个可在导轨164移动的红外加热灯箱165。红外加热灯箱165具有一个容纳石英管163的加热腔166，且在加热腔166的周围设有多个红外加热管167，用以将石英管163内的样品温度在五分钟内升高到 500℃，从而避免硒化时硒化亚铜低温相的出现，获得高质量的铜铟镓硒膜。石英管163与硒膜蒸镀室161之间采用采用双向威尔逊密封水冷部件168，用于降低加热石英管163时对硒膜蒸镀室161产生的不良影响。
电化学反应室17与样品运转室12相连，主要用于在铜铟镓硒薄膜上通过化学水浴法形成CdS缓冲层。电化学反应室17内处于常压状态。
过渡室18连接样品运转室12与电化学反应室17，以使处于常压状态的电化学反应室17与处于真空状态的样品运转室12良好地过渡。过渡室18与样品运转室12与电化学反应室17之间分别安装有隔离阀板。过渡室18上还安装有抽真空装置。样品从样品运转室12进入过渡室18之前，首先使用该抽真空装置将过渡室18内气体抽出。待过渡室18的真空度与样品运转室12相同时，打开二者之间的隔离阀板，样品进入过渡室18，关闭该隔离阀板，使过渡室18恢复至常压状态。再打开过渡室18与电化学反应室17之间的隔离阀板，使样品进入电化学反应室17内进行电化学反应。反应完毕后，进行反向操作，即可将镀有缓冲层的样品重新进入处于真空状态的样品运转室12内，以进行后续制备步骤。
氧化锌溅射室19与样品运转室12真空相连，其内部有三靶位结构，用于在电化学反应室17所形成CdS缓冲层上溅射形成氧化锌透明电极。
钼溅射室13、激光光刻室14、铜铟镓溅射室15、硒化室16、氧化锌溅射室19及出样室20与样品运转室12相连处各设有具隔离功能的隔离阀板，以使各室工作时为相互隔绝的独立环境，防止相互污染。
按照其中铜铟镓硒层的制备工艺的不同，铜铟镓硒薄膜太阳能电池制备装置100可以实现两套不同的铜铟镓硒太阳能电池制备工艺流程，分别为：
(1)共蒸发方法：
进料室进料→钼电极磁控溅射沉积→钼电极的激光光刻处理→铜铟镓硒共蒸沉积→硫化镉电化学处理→氧化锌基阻挡层沉积→铜铟镓硒的激光光刻处理→氧化锌基透明电极磁控溅射沉积→进料室出料。
(2)磁控溅射方法：
进料室进料→钼电极磁控溅射沉积→钼电极的激光光刻处理→铜铟镓三源 磁控溅射沉积→硒化处理→硫化镉电化学处理→氧化锌基阻挡层沉积→铜铟镓硒的激光光刻处理→氧化锌基透明电极磁控溅射沉积→进料室出料。
可以理解，样品运转室12远离进样室10的一端还可设有一出料室，使完成氧化锌基透明电极磁控溅射沉积后的样品从出料室出料。
上述铜铟镓硒薄膜太阳能电池制备装置100将整个铜铟镓硒太阳能电池制备模块整合到一起，整个过程由电脑程序化控制，实现玻璃衬底进样，太阳能电池模块出样的流水线作业。由于各个制备室之间真空相连，可减少或降低样品制备过程中暴露在空气中引起的氧化和杂质污染问题。实验证明，通过上述装置可生长100×100mm2大面积均匀的铜铟镓硒薄膜，光电转换效率达到10％～13％，以实现国内铜铟镓硒太阳能电池研制方面新的突破，也给进一步提高铜铟镓硒太阳能光伏电池的效率带来新机会。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池制备装置，其特征在于：包括进样室，与该进样室真空连接的铜铟镓硒蒸发室和样品运转室，与该样品运转室真空连接的钼溅射室、激光光刻室、铜铟镓溅射室、硒化室及氧化锌溅射室，该铜铟镓硒薄膜太阳能电池制备装置还包括与该样品运转室相连的过渡室和与该过渡室相连且处于常压下的电化学反应室，上述各室之间安装有隔离阀板。
2.根据权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池制备装置，其特征在于：还包括设于该样品运转室内的样品传递装置，该样品传递装置包括导轨、活动设于该导轨上的载物车及与该载物车相连的磁力杆，以实现样品的装载、运输及卸载。
3.根据权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池制备装置，其特征在于：还包括与该磁力杆相连的波纹管调整机构，用于调整样品的位置。
4.根据权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池制备装置，其特征在于，该铜铟镓硒蒸发室上均匀分布设有五个束源炉，每相邻二束源炉之间所形成的夹角为40度。
5.根据权利要求4所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池制备装置，其特征在于，该铜铟镓硒蒸发室上还设有束流装置，用于测量各个束源炉内束源的束流压强。
6.根据权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池制备装置，其特征在于：还包括设于该铜铟镓硒蒸发室内的样品架，该样品架包括承载台、与该承载台相连的直线轴承和转动轴承，通过该直线轴承和该转动轴承旋转，实现该承载台的自身旋转及沿垂直方向上下移动。
7.根据权利要求6所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池制备装置，其特征在于：该样品架还包括设于该承载台的加热器和热电偶，该加热器用于加热该承载台，该热电偶用于测量该承载台上样品的温度。
8.根据权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池制备装置，其特征在于：该硒化室包括硒膜蒸镀室和与该硒膜蒸镀室相连的石英管，和设于该石英管外的红外加热灯箱，用于使石英管内的样品快速升温。
9.根据权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池制备装置，其特征在于：该过渡室上安装有抽真空装置。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Effective date of registration: 20200630 Address after: Office building of Shenzhen Institute of advanced technology A-207 518000 in Guangdong city of Shenzhen province Nanshan District City Road No. 1068 Chinese Academy of Shenzhen University Academy of Sciences Patentee after: Shenzhen advanced science and technology Cci Capital Ltd. Address before: 1068 No. 518055 Guangdong city in Shenzhen Province, Nanshan District City Xili University School Avenue Patentee before: SHENZHEN INSTITUTES OF ADVANCED TECHNOLOGY CHINESE ACADEMY OF SCIENCES |
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Effective date of registration: 20201029 Address after: 519000 the 12 floor of A District, No. 1, Port Road, Tangjia Bay, Zhuhai High-tech Zone, Guangdong. Patentee after: ZHUHAI INSTITUTE OF ADVANCED TECHNOLOGY CHINESE ACADEMY OF SCIENCES Co.,Ltd. Address before: Office building of Shenzhen Institute of advanced technology A-207 518000 in Guangdong city of Shenzhen province Nanshan District City Road No. 1068 Chinese Academy of Shenzhen University Academy of Sciences Patentee before: Shenzhen advanced science and technology Cci Capital Ltd. |
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Effective date of registration: 20210421 Address after: Room 1102, building 5, Longyuan intelligent industrial park, No.2, hagongda Road, Tangjiawan Town, high tech Zone, Zhuhai City, Guangdong Province, 519000 Patentee after: Zhuhai Zhongke advanced technology industry Co.,Ltd. Address before: 519000 the 12 floor of A District, No. 1, Port Road, Tangjia Bay, Zhuhai High-tech Zone, Guangdong. Patentee before: ZHUHAI INSTITUTE OF ADVANCED TECHNOLOGY CHINESE ACADEMY OF SCIENCES Co.,Ltd. |