CN101964376A - 薄膜太阳能电池光吸收层制程及其设备 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种薄膜太阳能电池光吸收层制程及其设备，该设备为连续式(In-Line)制造设备，其包括：第一制程腔体、第二制程腔体、持温腔体及热处理腔体；该制程包括：准备基板、主成份溅镀、成份补强及高温热处理；本发明可在制备薄膜太阳能电池的光吸收层的过程中，通过连续式(In-Line)的一次性制程，无需将基板在破真空之后移动在不同制造设备之间以提升产出速度，并且可降低整体制程因添购不同设备所支出的成本。
Description
技术领域
本发明是关于一种薄膜太阳能电池光吸收层制程及其设备，尤其是指一种可同时进行光吸收层各成份的沉积，并且缩短制程工站，进而提升薄膜太阳能电池光吸收层整体制造效率的制程及其设备。
背景技术
随着世界各国工业化程度不断地提升，造成了全球原油涵量锐减以及全球气候暖化的剧变，由于原油属消耗性能源，其供给量不足将造成经济上的恐慌与萧条，另一方面，温室效应也促使人类必须重视节能减碳的环保议题，因此，寻求替代能源并扶植替代能源相关产业即成为各国政府努力的目标，在此趋势下，利用太阳能来发电便成为取代传统发电方式的重要选项，太阳能电池产业越来越受到重视。
太阳能电池发电是一种可再生的环保发电方式，发电过程中不会产生二氧化碳等造成温室效应的气体，不会对环境造成污染，若能有效运用，也可解决消耗性能源的问题，但目前太阳能电池发展所面临的瓶颈在于效率与价格。
在光电转换过程中，并非所有的入射光谱都能被太阳能电池所吸收并且完全转换成电流，有一半左右的光谱因能量太低，对电池的输出没有贡献；而在另一半被吸收的光子中，除了产生电子电洞对所需的能量外，约有一半的能量以热的形式释放掉，所以单一太阳能电池的最高效率约在25％左右，目前实验室所发出来的效率，几乎可达到理论值的最高标准，却因制造过程复杂，量产不易，不符合成本效益，这也是目前太阳能电池发展所遭遇到最大的瓶颈，产业界因而极力寻找降低制造成本的方法。
目前所获的成果包括：1、舍弃传统CZ与FZ长晶方式，改用铸造硅晶锭(SiliconIngot Casting)方式；2、不用轮盘锯切割晶锭，改用线锯方式切割，可节省约30％的材料成本；3、利用Edge-defined Film-fed Growth(EGF)的拉晶方法拉出中空八角形柱体，利用雷射切割便可得10×10cm的芯片，可节省材料在切割上的损失；4、采用薄膜技术制得薄膜太阳能电池，此方法可大量节省制造所需的材料，被认为是最具有低成本潜力的方式。
上述薄膜太阳能电池可采用价格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨、金属片等材料作为基板来进行制造，薄膜厚度仅数μm，因此在同一受光面积之下可较硅晶圆太阳能电池大幅减少原料的用量；除了平面之外，也因为具有可挠性而可制作成非平面构造，应用范围相当广泛，可与建筑物结合或是变成建筑体的一部份；在制造上，则可使用各式各样的沉积(deposition)技术，一层又一层地把p型或n型材料长上去，常见的薄膜太阳电池有非晶硅、CuInse2(CIS)、CuInGase2(CIGS)、CdTe等。
以铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池为例，其真空涂布制程可分为蒸镀法(EvaporationDeposition)以及溅镀法(Supptering Deposition)两种。
其中，就蒸镀法而言，被蒸镀物体在加热至接近其熔点的高温时所产生的饱和蒸气压，以进行薄膜沉积，但由于蒸镀法对于合金与化合物沉积的控制不佳，所以对于需依固定比率沉积的铜(Cu)、铟(In)、镓(Ga)、硒(Se)的成份比重控制不易，并且以蒸镀法所沉积的薄膜，其能阶覆盖(Step Coverage)的能力低落，所以蒸镀法制造铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池有其缺点存在。
再者，就溅镀法而言，在真空环境中利用具有动能的粒子撞击靶材，使得靶材粒子附着于基板上形成薄膜，在铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池制程中，以铜镓(CuGa)靶及铟(In)靶进行溅镀而在基板上形成具铜(Cu)、铟(In)、镓(Ga)的薄膜，接着，需要破真空后进入一高温气氛炉以进行硒化(Selenization)步骤，接着，再进入一退火炉以进行快速热退火(Rapid Thermal Annealing)步骤，以溅镀法进行的铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池制程，一方面由于制程工站多，需要经过溅镀腔体、高温气氛炉以及退火炉等工站，所以制程效率不佳，另一方面，不同的制程设备以徒增成本支出，再者，该进行硒化步骤的高温气氛炉中，导入的是含有剧烈毒性的硒化氢(H2Se)，因此对于作业员工的工作安全也有负面影响存在。
发明内容
本发明人鉴于现有技术薄膜太阳能电池制程所产生的缺失，积极着手从事研究，以期可以解决上述问题，经过不断的试验及努力，终于开发出本发明。
本发明的主要目的在于提供一种可同时进行光吸收层各成份的沉积，并且缩短制程工站，进而提升薄膜太阳能电池光吸收层整体制造效率的制程及其设备。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术手段是：包括复数个相互连结的腔体以及设置在各腔体的传动装置的连续式(In-Line)制造设备，该复数个腔体至少包括：第一制程腔体，具有至少一加热组件以及至少一溅镀靶材；第二制程腔体，连结于该第一制程腔体，具有至少一加热组件以及至少一溅镀靶材；持温腔体，连结于该第二制程腔体，具有至少一加热组件；热处理腔体，连结于该持温腔体，具有至少一加热组件。
该设备更包括一连结于该第一制程腔体之前的进料预热腔体，该进料预热腔体具有至少一加热组件；
该设备更包括一连结于该热处理腔体的出料腔体；
该第一制程腔体的溅镀靶材是为四元化合物靶或三元化合物靶；
该第二制程腔体的溅镀靶材是为铟硒(InSe)靶、硒(Se)靶、铟(In)靶或硫化铟(InS)靶；
该加热组件是微波加热器或红外线加热器；
该进料预热腔体、第一制程腔体、第二制程腔体以及持温腔体的加热组件是微波加热器；
该热处理腔体的加热组件是红外线加热器；
该四元化合物靶是铜铟镓硒(CIGS)四元化合物靶；
该三元化合物靶是铜铟镓(CIG)三元化合物靶；
一种使用制造设备的薄膜太阳能电池光吸收层制程，其至少包括：准备基板；主成份溅镀，包括：开启第一制程腔体以及第二制程腔体之加热组件；使用该第一制程腔体之溅镀靶材进行溅镀；利用该传动装置将该基板往复传送于该第一制程腔体以及第二制程腔体之间；成份补强，包括：开启该持温腔体之加热组件；使用该第二制程腔体之溅镀靶材进行溅镀；利用该传动装置将该基板往复传送于该第一制程腔体、第二制程腔体以及持温腔体之间；高温热处理，包括：开启该热处理腔体之加热组件；利用该传动装置将该基板传送于该热处理腔体中；
该制程更包括进行于主成份溅镀之前的一进料预热阶段；
该制程更包括进行于高温热处理之后的一卸载出料阶段；
该进料预热阶段的加热温度约为200℃；
该制程主成份溅镀阶段的制程温度介于200℃至400℃之间；
该成份补强阶段的制程温度介于200℃至250℃之间；
该高温热处理阶段的热处理温度介于400℃至700℃之间。
本发明采用的技术手段带来的有益效果是本发明的薄膜太阳能电池光吸收层制程及其设备，透过三元或四元化合物的溅镀靶材，将薄膜太阳能电池光吸收层的各成份以溅镀的方式进行薄膜沉积，并且进行易散失成份的补强动作，之后，经过该热处理腔体进行高温热处理的程序；在制备薄膜太阳能电池的光吸收层时，便可在本发明的制造设备中进行连续式(In-Line)的一次性制程，而无需将基板在破真空之后移动在不同的制造设备之间，不仅可提升产出速度而彰显制程效率，也可降低整体制程因添购不同设备所支出的成本。
附图说明
图1是本发明的薄膜太阳能电池光吸收层制造设备示意图。
图2是本发明的薄膜太阳能电池光吸收层制造流程图。
【主要组件符号说明】
(11)进料预热腔体 (111)加热组件
(12)第一制程腔体 (121)加热组件
(122)溅镀靶材 (13)第二制程腔体
(131)加热组件 (132)溅镀靶材
(14)持温腔体 (141)加热组件
(15)热处理腔体 (151)加热组件
(16)出料腔体 (A)准备基板
(B)进料预热 (C)主成份溅镀
(D)成份补强 (E)高温热处理
(F)卸载出料
具体实施方式
请参考图1所示，本发明的薄膜太阳能电池光吸收层制造设备，在本实施例中，是用于制造铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池的光吸收层，该制造设备是为包括复数个相互连结的腔体以及设置在各腔体的传动装置(图中未示)的连续式(In-Line)制造设备，在本实施例中，该复数个腔体至少包括：
进料预热腔体11，具有一加热组件111；
第一制程腔体12，是连结在该进料预热腔体11，具有一加热组件121以及二溅镀靶材122；
第二制程腔体13，连结在该第一制程腔体12，具有一加热组件131以及二溅镀靶材132；
持温腔体14，连结在该第二制程腔体13，具有一加热组件141；
热处理腔体15，连结在该持温腔体14，具有二加热组件151；
出料腔体16，连结在该热处理腔体15。
其中，该加热组件111、121、131、141、151为微波加热器或红外线加热器，在本实施例中，该加热组件111、121、131、141均为微波加热器，该加热组件151则为红外线加热器；再者，该第一制程腔体12的溅镀靶材122为铜铟镓硒(CIGS)四元化合物靶或铜铟镓(CIG)三元化合物靶，在本实施例中，该溅镀靶材(122)是为铜铟镓硒(CIGS)四元化合物靶；另外，该第二制程腔体(13)的溅镀靶材(132)是为铟硒(InSe)靶、硒(Se)靶、铟(In)靶或硫化铟(InS)靶，在本实施例中，该溅镀靶材(132)是为铟硒(InSe)靶。
请参考图1及图2所示，本发明的薄膜太阳能电池光吸收层制程，使用于上述的薄膜太阳能电池光吸收层制造设备，该制程在本实施例中用于制造铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池的光吸收层，其包括：
准备基板(A)，该基板(图中未示)为玻璃、塑料、陶瓷、石墨或金属片，在本实施例中，为一玻璃基板；
进料预热(B)，包括：
开启该进料预热腔体11的加热组件111，该加热组件111是微波加热器；
利用该传动装置将该基板传送于该进料预热腔体11中进行预热，本阶段的加热温度为200℃；
主成份溅镀c，包括：
开启该第一制程腔体12以及第二制程腔体13的加热组件121、131，该加热组件121、131是微波加热器；
使用该第一制程腔体12的溅镀靶材122进行溅镀，该溅镀靶材122是铜铟镓硒(CIGS)四元化合物靶，将铜(Cu)、铟(In)、镓(Ga)、硒(Se)沉积在该基板上以形成铜铟镓硒(CIGS)薄膜；
利用该传动装置将该基板往复传送于该进料预热腔体11、第一制程腔体12以及第二制程腔体13之间以进行薄膜沉积，本阶段的制程温度介于200℃至400℃之间；
成份补强(D)，包括：
开启该持温腔体14的加热组件141，该加热组件141是微波加热器；
使用该第二制程腔体13的溅镀靶材132进行溅镀，该溅镀靶材132是铟硒(InSe)靶，虽然在主成份溅镀(C)步骤中已形成铜铟镓硒(CIGS)薄膜，但由于铟(In)、硒(Se)成份并不稳定且极易散失，因此需要通过该铟硒(InSe)靶的溅镀而再次将铟(In)、硒(Se)成份沉积于铜铟镓硒(CIGS)薄膜上，以进行补强的动作；
利用该传动装置将该基板往复传送于该第一制程腔体12、第二制程腔体13以及持温腔体14之间以进行铟(In)、硒(Se)成份的补强，本阶段的制程温度介于200℃至250℃之间；
高温热处理(E)，包括：
开启该热处理腔体15的加热组件151，该加热组件151是红外线加热器，可达到实时升温的效果；
利用该传动装置将该基板传送于该热处理腔体15中以进行高温热处理的动作，在本实施例中，该高温热处理为一快速热退火(Rapid Thermal Annealing)程序，本阶段的热处理温度介于400℃至700℃之间，透过该红外线加热器迅速将温度提升，使得沉积于铜铟镓硒(CIGS)薄膜上的铟(In)、硒(Se)补强成份确切地扩散进入铜铟镓硒(CIGS)薄膜结晶结构中，进而获得铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池的光吸收层。卸载出料(F)，包括：利用该传动装置将该基板传送于该出料腔体15卸载后离开出料腔体15完成制程。
故本发明的薄膜太阳能电池光吸收层制程及其设备，透过将主成份溅镀、成份补强以及高温热处理等制造程序整合于本发明的制程及设备中，通过连续式(In-Line)制造设备达成一次性制程，取代了传统将基板先于溅镀腔体沉积薄膜后，再于高温气氛炉进行硒化，接着再进入退火炉退火的制造方式，不仅增进了生产速度，在设备支出方面亦获大幅缩减而有助于成本控制；惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例，当不能以此限定本发明实施的范围；凡依本发明申请专利范围及创作说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。
Claims (17)
1.薄膜太阳能电池光吸收层制造设备，包括复数个相互连结的腔体以及设置在各腔体的传动装置的连续式(In-Line)制造设备，该复数个腔体至少包括：
第一制程腔体，具有至少一加热组件以及至少一溅镀靶材；
第二制程腔体，连结于该第一制程腔体，具有至少一加热组件以及至少一溅镀靶材；
持温腔体，连结于该第二制程腔体，具有至少一加热组件；
热处理腔体，连结于该持温腔体，具有至少一加热组件。
2.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池光吸收层制造设备，其特征在于该设备更包括一连结于该第一制程腔体之前的进料预热腔体，该进料预热腔体具有至少一加热组件。
3.根据权利要求2所述的薄膜太阳能电池光吸收层制造设备，其特征在于该设备更包括一连结于该热处理腔体的出料腔体。
4.根据权利要求3所述的薄膜太阳能电池光吸收层制造设备，其特征在于该第一制程腔体的溅镀靶材是为四元化合物靶或三元化合物靶。
5.根据权利要求3所述的薄膜太阳能电池光吸收层制造设备，其特征在于该第二制程腔体的溅镀靶材是为铟硒(InSe)靶、硒(Se)靶、铟(In)靶或硫化铟(InS)靶。
6.根据权利要求3所述的薄膜太阳能电池光吸收层制造设备，其特征在于该加热组件是微波加热器或红外线加热器。
7.根据权利要求3所述的薄膜太阳能电池光吸收层制造设备，其特征在于该进料预热腔体、第一制程腔体、第二制程腔体以及持温腔体的加热组件是微波加热器
8.根据权利要求3所述的薄膜太阳能电池光吸收层制造设备，其特征在于该热处理腔体的加热组件是红外线加热器。
9.根据权利要求4所述的薄膜太阳能电池光吸收层制造设备，其特征在于该四元化合物靶是铜铟镓硒(CIGS)四元化合物靶。
10.根据权利要求4所述的薄膜太阳能电池光吸收层制造设备，其特征在于该三元化合物靶是铜铟镓(CIG)三元化合物靶。
11.一种使用制造设备的薄膜太阳能电池光吸收层制程，其至少包括：准备基板；主成份溅镀，包括：
开启第一制程腔体以及第二制程腔体之加热组件；
使用该第一制程腔体之溅镀靶材进行溅镀；
利用该传动装置将该基板往复传送于该第一制程腔体以及第二制程腔体之间；
成份补强，包括：
开启该持温腔体之加热组件；
使用该第二制程腔体之溅镀靶材进行溅镀；
利用该传动装置将该基板往复传送于该第一制程腔体、第二制程腔体以及持温腔体之间；
高温热处理，包括：
开启该热处理腔体之加热组件；
利用该传动装置将该基板传送于该热处理腔体中。
12.根据权利要求11所述的薄膜太阳能电池光吸收层制程，其特征在于该制程更包括进行于主成份溅镀之前的一进料预热阶段。
13.根据权利要求11所述的薄膜太阳能电池光吸收层制程，其特征在于该制程更包括进行于高温热处理之后的一卸载出料阶段。
14.根据权利要求12所述的薄膜太阳能电池光吸收层制程，其特征在于该进料预热阶段的加热温度为200℃。
15.根据权利要求12所述的薄膜太阳能电池光吸收层制程，其特征在于该主成份溅镀阶段的制程温度介于200℃至400℃之间。
16.根据权利要求12所述的薄膜太阳能电池光吸收层制程，其特征在于该成份补强阶段的制程温度介于200℃至250℃之间。
17.根据权利要求12所述的薄膜太阳能电池光吸收层制程，其特征在于该高温热处理阶段的热处理温度介于400℃至700℃之间。
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2009
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