CN102252307A - 一种用于硒化或硫化处理的可控硒蒸汽或硫蒸汽的产生装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于硒化或硫化处理的高活性可控硒或硫蒸汽的产生装置及方法。本发明将硒或硫蒸汽产生装置的存储功能和加热功能分开，较大的固态硒或硫源储料室可一次加足连续生产所需用量；较小的高温气化室保证了固态硒或硫的快速气化和硒或硫的活性，同时降低了加热能耗；连续送料装置将储料室的固态硒或硫送入到高温气化室产生硒蒸汽，通过控制送料速度实现了对硒或硫蒸汽的通断和浓度的控制。

Description

一种用于硒化或硫化处理的可控硒蒸汽或硫蒸汽的产生装置及方法
技术领域
本发明涉及一种用于硒化或硫化处理的可控硒蒸汽或硫蒸汽的产生装置及方法，特别涉及制备CIGS太阳能电池吸收层时的高活性可控硒蒸汽的制备装置和方法。
背景技术
在太阳能电池中的薄膜电池这一种类，由于在生产制造中所使用的原材料量很少，原材料供给的短缺造成价格暴涨的现象发生的概率较低，因此薄膜电池非常有望实现低价高效的目标。其中，铜铟镓硒(CuIn1-xGaxSe2或者CIGS)薄膜被看作是所有薄膜太阳电池技术中最有希望实现低价、高效、性能稳定的光伏材料。原因主要有以下几点：1)CIGS的带隙可以调控，达到与太阳光谱相匹配的数值；2)CIGS薄膜太阳电池的性能非常稳定，具有很强的抗辐射能力，非常适合作为空间卫星的发电部件；3)CIGS薄膜是一种直接带隙化合物半导体材料，对太阳光的吸收系数很高；4)更重要的是，在各种材料的薄膜电池和薄膜光伏组件中，CIGS薄膜太阳电池都取得了最高的转换效率。
CIGS太阳能电池的关键部分在于吸收层铜铟镓硒薄膜，吸收层的制备方法称为CIGS太阳能电池的技术路线。目前CIGS太阳能电池的主要制备方法有蒸发法、金属预制层后硒化法。蒸发法对仪器要求高，且技术难度高，不利于大规模的工业生产。金属预制层后硒化法是通过溅射法、蒸发法、电沉积、印刷法制备有一定化学计量比的Cu、In、Ga金属预制层，然后在H2Se气氛或Se气氛中热处理(硒化处理)，形成CIGS太阳能电池的吸收层。目前国内外采用金属预制层后硒化法制备CIGS太阳能电池的生产线都是采用的H2Se。原因是H2Se是气体，再生产中可通过控制气压的方式来调节气体浓度，且其提供的Se元素活性高，制备的电池质量高。但是H2Se是一种剧毒气体，对设备和操作要求极为严格，且储存运输不方便。固态Se源法是将固态的Se加热形成Se蒸汽，生产中的尾气可以通过冷却凝结的方式实现Se的回收，且固态Se源安全无毒、方便运输。固态Se源法对设备要求简单，是发展前景很好的新技术。
现有的硒化处理所用的硒化炉都是基于玻璃衬底的分批式封闭硒化炉，对于此种硒化炉，采用HSe气体可以很容易实现气体的通断和气体浓度的控制，能够与电池片的热处理过程协调一致。采用固态Se源，非专利文献中所描述的获得Se蒸汽的方式主要有两种，一是在“Growth of CuInSe2 thin films by high vapour Se treatment of co-sputtered Cu-In alloy in agraphite container，Thin Solid Films 338(1999)13-19”中F.O.Adurodijaa等人将一定量的固态Se和样品一同放入加热炉中，该方法不易控制Se蒸汽的浓度，在热处理后期会出现固态Se过早蒸发掉导致Se压不足的问题。另一种方式是在“硒蒸气硒化法制备CIGS薄膜的影响因子(I)，太阳能学报30(2009)426-428”中韩东麟等人将固态Se源加热与样品基片加热分离，由氩气将在Se源加热炉中形成Se蒸汽载入到高温基片加热区进行反应，Se蒸汽的浓度通过调节Se源加热炉的温度和载气流量来控制。该方法将需要的固态Se粉一次性加到Se源加热炉中，利用控温的方式来调控Se蒸汽的蒸发量，在硒化过程中不能与基片的热处理过程协调。该文中的Se源加热炉既是固态Se的储存容器又是加热容器，大量的Se在密闭的Se源加热炉中，在较高的温度下Se的蒸发量较难控制，容易因压力过大出现危险。
中国专利CN200810053051中提供了一种制备高活性硒源的方法和装置。该方法是将固态Se源置于密闭罐底部加热产生Se蒸汽与通入的H2气在等离子体辉光放电的作用下生成H2Se气体或高活性Se蒸汽。该方法的问题同样是大量固态Se同时置于加热炉中，Se蒸汽的蒸发量难以控制，容器中压力过大容易出现危险。在吸收层制备过程中，该装置不能及时地对H2Se或Se蒸汽实现灵活的通断控制及气压控制。
发明内容
为了解决现有固态Se源的加热装置和方法对Se蒸汽量的控制较困难和将大量的Se一次装载到加热炉中而导致因压力过大会产生危险的问题，本发明提供一种用于硒化或硫化处理的可控硒蒸汽或硫蒸汽的产生装置及方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现，一种用于硒化或硫化处理的可控硒蒸汽或硫蒸汽的产生装置，包括设有储料室进料口和储料室出料口的储料室、设有送料装置进料口和送料装置出料口的连续送料装置、设有气化室进料口和气体出口的高温气化室，所述储料室出料口与送料装置进料口相连，送料装置出料口与气化室进料口相连。
所述的一种用于硒化或硫化处理的可控硒蒸汽或硫蒸汽的产生装置，所述的储料室进料口可开启和密闭。
所述的一种用于硒化或硫化处理的可控硒蒸汽或硫蒸汽的产生装置，在储料室的上部设有储料室惰性气体进气口。
所述的一种用于硒化或硫化处理的可控硒蒸汽或硫蒸汽的产生装置，所述的连续送料装置的送料方式为推杆送料或螺杆送料，送料杆与一用于驱动送料杆的电动传动装置连接。
所述的一种用于硒化或硫化处理的可控硒蒸汽或硫蒸汽的产生装置，送料装置与高温气化室的连接处设有水冷装置。
所述的一种用于硒化或硫化处理的可控硒蒸汽或硫蒸汽的产生装置，所述的高温气化室外侧包覆有加热控温装置。
所述的一种用于硒化或硫化处理的可控硒蒸汽或硫蒸汽的产生装置，所述的高温气化室上部设有气化室惰性气体进气口。
一种使用上述可控硒蒸汽或硫蒸汽的产生装置产生可控硒蒸汽或硫蒸汽的方法，包括以下步骤：
1)、将固态硫或硒的粉状或颗粒状原料由储料室进料口加入至储料室中，再密闭储料室进料口；
2)、通过储料室惰性气体进气口和气化室惰性气体进气口向装置内通入惰性气体，将气化室加热，温度为800～1000℃；
3)、启动连续送料装置，将固态硫或硒粉或颗粒连续送入气化室中；
4)、固态硫或硒粉或颗粒在气化室中经高温气化，所产生的硫或硒蒸汽由通入的惰性气体通过气体出口载出气化室。
所述的产生可控硒蒸汽或硫蒸汽的方法，所述步骤3)中是通过控制送料速度来实现控制硫、硒蒸汽的目的。
本发明的技术效果在于，1、将固态硒或硫源加热炉的硒或硫源储存和加热气化功能分开，采用较大的固态硒或硫源储料室和较小的加热气化室，既可以储存满足连续生产所需的大量固态硒或硫源又不会对所有固态硒或硫加热，减少了生产能耗、增加了生产的安全性。2、连续送料装置将固态硒或硫连续地送到气化室产生硒或硫蒸汽，然后由惰性气体载入到硒化反应炉中，通过对送料速率的调节实现了对硒或硫蒸汽的可控性，即对硒或硫浓度和硒或硫蒸汽通断的控制。3、气化室的高温保证了通入的固态硒或硫能很快的气化，同时高温使硒或硫的活性提高。本发明不仅适用于CIGS太阳能电池真空硒化工艺，更适用于连续化硒化或硫化生产。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
其中1为固态硒源或硫源，2为储料室，3为连续送料装置，4为送料通道腔，5为送料杆，6为电动传动装置，7为气化室，8为加热装置，9为气化室惰性气体进气口，10为储料室惰性气体进气口，11为水冷装置，12为气体出口。
具体实施方式
如图1所示，将固态硒源或硫源1通过可开启和密闭的储料室进料口加入储料室2中，固态硒源或硫源1为粉状或颗粒状，储料室2下端的储料室出料口与连续送料装置3的送料通道腔4的送料装置进料口相连，送料通道腔4内为送料杆5，送料方式可以为推杆送料或螺旋杆送料，优选螺旋杆送料方式，并且可以通过控制与送料杆5相连的电动传动装置6的转速实现送料的快慢，继而实现对硒或硫蒸汽的控制。送料装置出料口与气化室7的气化室进料口相连，送料装置将储料室中的固态硒或硫连续的送入到气化室7中，气化室底部有可控温的加热装置8。在储料室上部有储料室惰性气体进气口10，在送料装置外侧与气化室相连处配有水冷装置11，水冷装置保证送料装置不会因热传递而升温，否则固态硫或硒会在送料通道腔中融化而发生堵塞。气化室的上方有气化室惰性气体进气口9。气化室的气体出口12与反应炉的反应腔相通。
实施例1：
针对开放式连续硒化炉：
1、将储料室惰性气体入口10打开，通入惰性气体，使连通腔体内的空气排净。
2、将气化室气体入口9打开，同时将水冷装置11打开。
3、打开控温加热装置8，使气化室温度升到800～1000℃。
4、启动送料装置，将固态硒由储料室连续送到气化室。
5、固态硒在高温下产生硒蒸汽，由惰性气体通过气体出口12载入到硒化反应腔。
通过调节送料速率实现对硒蒸汽供应量的控制。
实施例2：
针对封闭分批式硒化炉：
1、启动硒化炉的真空泵，将腔内抽真空，以达到排空目的。
2、打开水冷装置11。
3、打开控温加热装置8，使气化室7升到800～1000℃。
4、打开气体入口10，通入惰性气体。
5、启动送料装置，将固态硒源由储料室2送入到气化室7。
通过控制送入气化室7固态硒源的量，来调节硒化反应腔的硒压。
实施例3：
针对连续硫化炉：
1、将储料室惰性气体入口10打开，通入惰性气体，使连通腔体内的空气排净。
2、将气化室气体入口9打开，同时将水冷装置11打开。
3、打开控温加热装置8，使气化室温度升到800～1000℃。
4、启动送料装置，将固态硫由储料室连续送到气化室。
5、固态硫在高温下产生硫蒸汽，由惰性气体通过气体出口12载入到硫化反应腔。通过调节送料速率实现对硫蒸汽供应量的控制。

Claims (9)

1.一种用于硒化或硫化处理的可控硒蒸汽或硫蒸汽的产生装置，其特征在于，包括设有储料室进料口和储料室出料口的储料室、设有送料装置进料口和送料装置出料口的连续送料装置、设有气化室进料口和气体出口的气化室，所述储料室出料口与送料装置进料口相连，送料装置出料口与气化室进料口相连。
2.根据权利要求1所述的一种用于硒化或硫化处理的可控硒蒸汽或硫蒸汽的产生装置，其特征在于，所述的储料室进料口可开启和密闭。
3.根据权利要求1所述的一种用于硒化或硫化处理的可控硒蒸汽或硫蒸汽的产生装置，其特征在于，在储料室的上部设有储料室惰性气体进气口。
4.根据权利要求1所述的一种用于硒化或硫化处理的可控硒蒸汽或硫蒸汽的产生装置，其特征在于，所述的连续送料装置的送料方式为推杆送料或螺杆送料，送料杆与一用于驱动送料杆的电动传动装置连接。
5.根据权利要求1所述的一种用于硒化或硫化处理的可控硒蒸汽或硫蒸汽的产生装置，其特征在于，送料装置与气化室的连接处设有水冷装置。
6.根据权利要求1所述的一种用于硒化或硫化处理的可控硒蒸汽或硫蒸汽的产生装置，其特征在于，所述的气化室外侧包覆有加热控温装置。
7.根据权利要求1所述的一种用于硒化或硫化处理的可控硒蒸汽或硫蒸汽的产生装置，其特征在于，所述的气化室上部设有气化室惰性气体进气口。
8.一种使用如权利要求1-7中任一所述的可控硒蒸汽或硫蒸汽的产生装置产生可控硒蒸汽或硫蒸汽的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、将固态硫或硒的粉状或颗粒状原料由储料室进料口加入至储料室中，再密闭储料室进料口；
2)、通过储料室惰性气体进气口和气化室惰性气体进气口向装置内通入惰性气体，将气化室加热，温度为800～1000℃；
3)、启动连续送料装置，将固态硫或硒粉或颗粒连续送入气化室中；
4)、固态硫或硒粉或颗粒在气化室中经高温气化，所产生的硫或硒蒸汽由通入的惰性气体通过气体出口载出气化室。
9.根据权利要求8所述的产生可控硒蒸汽或硫蒸汽的方法，其特征在于，所述步骤3)中是通过控制送料速度来实现控制硫、硒蒸汽的目的。
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