CN102007600B - 太阳电池的热处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种太阳电池的热处理装置。该太阳电池的热处理装置用于进行在形成黄铜矿型太阳电池的光吸收层时进行的硒化处理或者硫化处理，其中，多张太阳电池基板以在板厚方向设有恒定的间隙的方式并列地配置在石英管的内部，所述太阳电池的热处理装置具备：加热机构，该加热机构配置在石英管的外侧部，用于对气氛气体进行加热；以及第一导风板，该第一导风板配置在基板的上部，用于将沿着石英管的内侧面上升的被加热后的气氛气体从上方引导至基板的中心部。

Description

太阳电池的热处理装置
技术领域
本发明涉及在薄膜太阳电池的制造方法、特别是光吸收层成膜时的硒化工序中使用的黄铜矿型(chalcopyrite)太阳电池的热处理装置。
背景技术
黄铜矿型薄膜太阳电池属于薄膜型种类，作为p型的光吸收层具备由以I族、III族、IV族的元素作为构成成分的黄铜矿化合物构成的CIGS层。黄铜矿型薄膜太阳电池由在玻璃基板上具备以下各层的多层层叠构造构成：由Mo金属层构成的作为正极的背面电极层；CIGS光吸收层；n型的缓冲层；以及作为负极的由透明电极层形成的最外表面层。
进而，当太阳光等照射光从该多层层叠构造的表面受光部射入时，在多层层叠构造的p-n结附近，由具有能带隙(band gap)以上的能量的照射光激发而产生一对电子和空穴。激发出的电子和空穴通过扩散到达p-n结部，借助p-n结的内部电场，电子聚集于n区域、空穴聚集于p区域，从而电子和空穴被分离。结果，n区域带负电、p区域带正电，在设于各个区域的电极之间产生电位差。以该电位差作为电动势，当利用导线将各个电极之间连接在一起时就会得到光电流，这就是太阳电池的原理。
作为这种薄膜太阳电池中的CIGS光吸收层的制造方法，能够举出如下的方法：利用溅射等在形成于基板上的背面电极层上形成包含Cu、In和Ga的前体(precursor)，在该前体形成工序之后，进行在硒化气体(H2Se：硒化氢气体)气氛中对形成有前体的基板进行热处理以形成光吸收层的硒化工序(例如参照专利文献1)。在使用该方法进行硒化的情况下，在装置内设置多张所述基板，在利用氮气等惰性气体置换装置内部的气体之后导入硒源，在封入有硒源的状态下升温，以一定温度保持对象物一定时间，由此形成光吸收层。
但是，在该方法中，由于多张基板以多张并排的方式配置，并从基板的侧部或者外周部等进行加热，因此具有以下的问题：(1)根据基板的位置不同而加热变得不充分，并且，(2)构成成分比变得不均匀，无法在(a)每张基板或者(b)基板面内形成均质的CIGS光吸收层，太阳电池的特性变得不均匀。
如果对上述问题点进行具体说明，问题点(1)如下所述。填充的多张基板的外周部主要借助辐射被加热，配置于最外侧的基板受到来自加热源的均匀的热辐射，因此被加热至面内的温度分布良好的状态。但是，来自加热源的辐射几乎都被形成在该配置于外侧的基板上的前体吸收。由此，在配置于从外侧开始第二张以后到中央部的基板中，借助基板内的热传导和流过基板表面的气氛气体的对流进行的加热占据主导地位。此时，热传导具有由前体和基板各自固有的物性值决定的热分布，并且气氛气体自身在装置内部具有温度分布，因此中央部的基板的整体温度比外侧的基板的整体温度低(a)，此外基板面内的温度均匀性差(b)。
并且，问题点(2)如下所述。当导入装置内的硒化氢气体被加热至大约160℃时就分解为氢和硒分子，该硒分子通过与被加热的前体表面接触而被取入膜中。在该反应过程中，在假定装置内的基板温度全都一致的情况下，装置内的硒化氢气体相对于各个基板表面均匀地循环，硒化氢气体与基板表面均匀地接触，由此形成均质的光吸收层。但是，如在(1)中所说明了的那样，在每张基板产生温度差，此外，虽然在装置内被加热的硒化氢气体会在基板与石英管之间产生上升气流，但是，一部分硒化氢气体在上升途中从各个基板之间的间隙下降，一部分硒化氢气体在上升至基板上部之后并不通过基板之间下降而是滞留在基板上部，因此，气氛气体相对于基板表面的循环并不均匀，结果，在基板内具有不均匀的构成成分(b)。
作为解决这种问题点的技术，存在在反应炉中设置电动风扇以强制地使气氛气体对流的技术(例如参照专利文献2)。一般情况下，在黄铜矿型太阳电池的基板的生产中，需要大约650℃的硒化工序或者硫化工序。并且，这种工序的反应炉所使用的材料需要利用具有高温下的耐硒特性的物质制作。
但是，在使用电动风扇的情况下，风扇的材质需要具有耐硒腐蚀性，并且，旋转轴需要具有密封耐久性、特别是相对于处理温度、摩擦热、腐蚀气体等的耐久性。
专利文献1：日本特开2006-196771号公报
专利文献2：日本特开2006-186114号公报
发明内容
因此，鉴于上述问题点，本发明的目的在于提供一种通过促进装置内的温度的均匀性、气氛气体循环的均匀性，从而能够得到高品质的CIGS光吸收层的黄铜矿型太阳电池的热处理装置。
本发明的黄铜矿型太阳电池的热处理装置用于进行在形成黄铜矿型太阳电池的光吸收层时进行的硒化处理或者硫化处理，其特征在于，多张太阳电池基板以在板厚方向设有恒定的间隙的方式并列地配置在石英管的内部，所述黄铜矿型太阳电池的热处理装置具备：加热机构，该加热机构配置在所述石英管的外侧部，用于对气氛气体进行加热；以及第一导风板，该第一导风板配置在所述基板的上部，用于将沿着所述石英管的内侧面上升的被加热后的气氛气体从上方引导至所述基板的中心部，所述第一导风板形成为如下的形状：该第一导风板的端部与所述石英管的内侧面相切，并且，该第一导风板的截面从端部朝向中心部而向上方描绘弧且中心部朝向下方。
根据本发明，能够利用简单的结构促进气氛气体的对流，能够积极地对气体温度容易变低的基板中心部送入被加热后的气体，因此能够降低基板间温度的差，能够形成高品质的CIGS光吸收层，由此，能够实现太阳电池的性能的提高和均匀化。并且，本发明的黄铜矿型太阳电池的热处理装置能够利用不具有驱动机构的简单的结构实现，因此能够提高装置的长期可靠性。
附图说明
图1是示意性地示出本发明的太阳电池的热处理装置的一个实施方式的纵剖主视图。
图2是示意性地示出本发明的太阳电池的热处理装置的一个实施方式的横剖俯视图。
图3的(b)是示意性地示出本发明的太阳电池的热处理装置的上部的纵剖主视图，(a)是本发明中的第一导风板的俯视图，(c)是本发明中的流量调节板的俯视图。
标号说明
1…石英管；2…基板；3…加热机构；4…气体导入管；5…气体加热装置；6…第一导风板；7、9、11、14…孔；8…上部加热器；10…风量调节板；12…第二导风板；13…第三导风板；15…第四导风板；16…辅助加热器(boost heater)；17…下部加热器。
具体实施方式
以下，使用附图对本发明的黄铜矿型太阳电池的热处理装置的实施方式进行具体说明。图1是示意性地示出本发明的太阳电池的热处理装置的一个实施方式的纵剖主视图，图2是示意性地示出本发明的太阳电池的热处理装置的一个实施方式的横剖俯视图。如图1和图2所示，在本发明的黄铜矿型太阳电池的热处理装置中，在石英管1内的石英舟上，以在板厚方向设有恒定的间隙的方式并列地配置有多张太阳电池基板2。进而，用于对气氛气体进行加热的加热机构3以包围石英管1的外侧部、例如石英管1的外周的方式配置。石英管1内的气氛气体由以这种方式配置的加热机构3加热而对流。
此处，石英管1内的气氛气体是硒化气体(H2Se：硒化氢气体)，例如从贯穿到热处理装置的下部的气体导入管4导入。优选导入的硒化氢气体由设置在石英管1的外部的气体加热装置5预加热。这样，由于气体被加热而被导入，因此容易在热处理装置内产生上升气流，能够促进对流。并且，供给的硒化氢气体通过加热被活性化，以预先分离成氢和硒分子的状态被供给至处理槽内，因此能够起到缩短与前体反应的反应时间的效果。
并且，图3的(b)是示意性地示出本发明的太阳电池的热处理装置的上部的纵剖主视图，(a)是本发明中的第一导风板6的俯视图，(c)是本发明中的流量调节板的俯视图。如图1和图3(b)所示，在本发明的黄铜矿型太阳电池的热处理装置中，第一导风板6配置在石英管1的上部，沿着石英管1的内侧面上升的被加热的气氛气体从上方被引导至基板2的中心部而不会滞留。第一导风板6例如形成为如下的形状：端部与石英管1的内侧面相切，并且，截面从端部朝向中心部而向上方描绘弧，且中心部朝向下方。通过形成为这种形状，能够将沿着石英管1的内侧面上升的气氛气体引导至基板2的中心部。在本实施方式中，第一导风板6的平面的外周呈圆状，但是，只要能够将气氛气体引导至基板2的中心部即可，也可以为多边形状等。
进一步，如图3的(a)所示，也可以在第一导风板6的端部附近设有供上升的气氛气体通过的孔7，如图1和图3的(b)所示，利用上部加热器8对通过该孔7后的气氛气体进行加热，并通过中心孔9将该气氛气体送入基板2的中心部，能够更良好地形成CIGS光吸收层。
并且，在本发明中，如图1、图3的(b)以及(c)所示，优选在基板2与第一导风板6之间设置流量调节板10。根据该流量调节板10，通过任意地设定孔11的图案，能够将上升的气氛气体均匀地送入至基板2上。
进一步，在本发明中，优选在基板2的侧面与加热机构3之间以离开基板2和加热机构3的方式配置第二导风板12。通过形成为这种结构，能够促进被加热的气氛气体沿着石英管1的内侧面上升，并且能够抑制气氛气体在上升过程中从各个基板之间的间隙下降的情况，进一步，通过遮蔽基板的侧面的加热机构3的直接辐射，能够降低基板的中心部与侧面附近之间的温度差。
并且，在本发明中，优选以从板厚方向夹着多张基板2的方式设置第三导风板13。该第三导风板13能够遮蔽加热机构3对多张基板2的板厚方向的最外侧的基板的直接辐射，能够降低最外侧的基板与第二张以后的基板之间的温度差。但是，通过利用第二导风板12和第三导风板13覆盖基板2的整周，基于辐射的加热消失，因此存在加热器的容量不足，有可能无法得到目标温度分布(profile)。因此，第三导风板13以任意的图案开设有孔14，从而能够进行利用直接辐射的温度控制。
进一步，在本发明中，优选在基板2的下部设置第四导风板15。如图1所示，该第四导风板15形成为如下的形状：截面从中心部朝向端部而向下方描绘弧，且端部朝向石英管1的内周面。通过形成为这种形状，能够将在基板2之间下降的气氛气体引导至石英管1的内周面，能够促进气氛气体的对流。
上述第一～第四导风板具备高温下的耐硒特性，且能够遮蔽加热机构的直接辐射，因此优选是由红外线无法透射的不透明石英制成的部件。
并且，在本发明中，优选在石英管1的内侧面的下部配置辅助加热器16。根据该结构，通过在石英管1的内侧面的下部进一步对气氛气体进行加热，能够促进气氛气体沿着石英管1的内侧面上升，能够使气氛气体的对流更加良好。并且，为了进一步促进在基板2之间下降的气氛气体的朝向石英管1的内周面的对流，还可以在上述的第四导风板15的中央部设置孔，在利用下部加热器17对通过该孔后的气氛气体进行加热之后将该气氛气体引导至辅助加热器16。
通过使用这种本发明的热处理装置，能够适当地制造黄铜矿型太阳电池。作为该制造方法，能够举出具备以下工序的制造方法：首先利用溅射法在形成于基板上的背面电极层上形成包含Cu、In和Ga的前体的前体形成工序；在H2Se气体气氛中对形成有前体的基板进行热处理而形成CIGS光吸收层的硒化工序；在CIGS光吸收层上形成n型的缓冲层的缓冲层形成工序；以及在缓冲层上形成透明电极层的透明电极层形成工序。
对使用本发明的热处理装置进行的CIGS光吸收层的硒化工序进行更详细的说明。一边通过未图示的排气机构的动作使热处理装置内保持50～95kPa的减压状态，一边利用气体导入管4在预定时间使热处理装置内流入预定流量的H2Se气体，以此作为第一硒化工序。此时，优选使辅助加热器动作，并对装置内供给在预加热室被加热至大约100℃～200℃的H2Se气体。由此，能够在装置底部产生更积极的上升气流，结合导风板的效果，能够促进气氛气体循环，能够得到使基板的温度均匀化的效果。
接着，在上述的H2Se气体导入完毕后，一边保持50～95kPa的减压状态，一边利用加热机构3使内部温度升温至250℃～450℃。进而，在保持这些温度条件和压力条件的状态下利用气体导入管4在预定时间使热处理装置内流入预定流量的H2Se气体，以此作为第二硒化工序。该工序是为了使In、Cu以及Ga各个成分在形成于基板2上的由In层和Cu-Ga层的层叠构造形成的光吸收层前体内扩散并取入Se成分而设置的。此时的时间例如优选为大约10～120分钟。
在第二硒化工序中也借助辅助加热器的动作、通过供给预加热气体产生的上升气流、以及导风板的效果来促进气氛气体循环，特别是能够得到使升温途中的基板温度均匀化的效果，因此能够缩短到基板的温度均匀化为止的时间，此外，通过使预加热温度在H2Se气体的分解温度即160℃以上，从而能够供给预先分解为氢和硒分子的气体，前体对Se成分的取入活性化，因此预料能够获得缩短硒化所需要的时间的效果。进一步，借助导风板的效果，含有硒的气氛气体在各个基板表面的气流均匀化，由此，前体对Se的取入量均匀化。
接着，一边保持50～95kPa的减压状态，一边利用加热机构3使内部温度升温至大约500℃～650℃。进而，保持该状态大约10～120分钟，以此作为第三硒化工序。该工序是为了使通过此前进行的In、Cu以及Ga的各个成分的扩散和Se成分的取入而进一步均匀化了的光吸收层前体结晶，以稳定地得到内部膜构造的再配置而设置的。然后，使加热机构3的加热温度逐渐下降，在冷却至室温后，将通过直到第三硒化工序为止的工序形成有光吸收层的基板2取出，从而完成CIGS光吸收层。
在第三硒化工序中，借助辅助加热器和导风板的效果促进内部循环，由此使结晶化和各个成分的再配置均匀地进展，能够形成均质的CIGS光吸收层，能够使太阳电池特性均匀化。

Claims (4)

1.一种黄铜矿型太阳电池的热处理装置，该黄铜矿型太阳电池的热处理装置用于进行在形成黄铜矿型太阳电池的光吸收层时进行的硒化处理或者硫化处理，其特征在于，
多张太阳电池基板以在板厚方向设有恒定的间隙的方式并列地配置在石英管的内部，
所述黄铜矿型太阳电池的热处理装置具备：
加热机构，该加热机构配置在所述石英管的外侧部，用于对气氛气体进行加热；以及
第一导风板，该第一导风板配置在所述基板的上部，用于将沿着所述石英管的内侧面上升的被加热后的气氛气体从上方引导至所述基板的中心部，
所述第一导风板形成为如下的形状：该第一导风板的端部与所述石英管的内侧面相切，并且，该第一导风板的截面从端部朝向中心部而向上方描绘弧且中心部朝向下方。
2.根据权利要求1所述的黄铜矿型太阳电池的热处理装置，其特征在于，
所述黄铜矿型太阳电池的热处理装置具备第二导风板，该第二导风板以离开所述基板和所述加热机构的方式配置在所述基板的侧面与所述加热机构之间，促进所述被加热后的气氛气体的沿着所述石英管的内侧面的上升，并遮蔽所述加热机构在所述基板的侧面的直接辐射。
3.根据权利要求1所述的黄铜矿型太阳电池的热处理装置，其特征在于，
所述黄铜矿型太阳电池的热处理装置具备辅助加热器，该辅助加热器配置在所述石英管的内侧面的下部，促进所述被加热后的气氛气体的沿着所述石英管的内侧面的上升。
4.根据权利要求1所述的黄铜矿型太阳电池的热处理装置，其特征在于，
所述黄铜矿型太阳电池的热处理装置具备预先对导入所述石英管内的气氛气体进行加热的机构。
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