CN102443779A - 一种制备铜铟镓硒薄膜的等离子体协助硒化工艺及装置 - Google Patents

一种制备铜铟镓硒薄膜的等离子体协助硒化工艺及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种制备铜铟镓硒薄膜的等离子体协助硒化工艺及装置，采用热蒸发Se结合PECVD装置作为独立的等离子体气源系统，同时搭配加热源采用电阻丝加热或卤光灯光照加热的硒化炉对铜铟镓硒前驱体薄膜进行硒化，等离子体气源系统和硒化炉结合部采用热丝管连接以保持等离子体反应活性。

Description

一种制备铜铟镓硒薄膜的等离子体协助硒化工艺及装置
技术领域
本发明涉及一种制备铜铟镓硒薄膜的等离子体协助硒化工艺，属于太阳能发电技术领域。
背景技术
CIGS(铜铟镓硒薄膜薄膜电池)类为代表的新一代薄膜电池由于具有吸收率高、带隙可调、成本低廉、转换率高、弱光性好、性能稳定以及抗辐射能力强等优点，而被公认为是第三代太阳能电池的最佳材料之一，因而已成为当前国际光伏界的研究热点。CIGS电池是以CIGS材料为光吸收层的一类薄膜电池。近年来在其优良性能和巨大需求背景之下，包括美国可再生能源实验室NREL、全球太阳能GSE、壳牌太阳能Shell Solar、日本本田Honda、昭和壳牌石油ShowaShell、德国伍尔特Wurth Solar等全球近50家公司机构投入巨额财力和人力进行研发与生产，2009年全球CIGS电池产能超过660MW，增幅超过300％，显示出良好的发展势头。
在CIGS电池光吸收层材料CIGS薄膜的制备方式中，除了共蒸发制程以外(大面积产业化时均匀性差)，其它方式如溅射制程、非真空涂布或电镀制程均需经过硒化处理。目前，工业界较为流行的硒化路线大致分为两类：快速硒化RTP工艺及H2Se气态源硒化工艺。RTP工艺一般是预蒸发一定量Se，然后快速退火硒化得到CIGS薄膜，可减少In2Se3挥发，但是由于该工艺是近年来才发展起来的新工艺，在薄膜均匀性及玻璃应力克服方面还有待改进，其电池效率也明显低于传统H2Se气态源硒化工艺制备的电池效率，因而当前CIGS薄膜太阳电池生产企业大多还是采用H2Se气体进行硒化。因为H2Se在高温下分解为H2和Se原子，反应活性高，制备出的CIGS薄膜结晶品质高，均匀性好。但是H2Se气体剧毒，且属易燃易爆气体，因而对硒化炉的气密性设计要求非常高，同时需配备监测系统及尾气处理装置。再有，H2Se气体中水汽含量及对设备的腐蚀问题也不容忽视。而最大障碍还是其来源问题，当前高纯H2Se气体几乎都是依赖进口，其价格十分昂贵，每公斤价格接近2万，按年消耗400kg，初步估算一年30MW线光是H2Se气体已近千万，无疑增加了电池成本，同时货源受制于西方国家管制，需要通过美国商务部等相关部门的审批，手续及渠道非常繁琐。因而当前国内外光伏界正积极研发固态源硒化设备及工艺。所谓固态源硒化，即采用加热固态Se粉或颗粒，成为Se蒸气，进而与铜铟镓金属预置层或前驱体发生硒化反应，得到CIGS薄膜。固态源硒化几乎无毒，符合环保要求；同时成本低廉，设备简单，因而可有效降低生产成本。但是，固态源硒化还存在许多缺点，比如简单热蒸发产生的Se蒸气一般为多个Se原子组成Sex(x≥2)大分子团，反应活性不高，因而经常造成金属前驱体硒化不完全，硒化时间过长，硒化温度偏高，硒化过程中Ga的偏聚及MoSe2过厚，反应量不易控制，薄膜均匀性及重复性都比较差，所以制备的电池效率都比较低，虽然早在上世纪末就有固态源硒化工艺报道，但由于存在以上问题，因而至今仍无商业化成功范例。
等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术借助辉光放电(等离子体)使含有薄膜组分的气态物质发生化学反应，从而实现薄膜低温生长。采用等离子体技术，可有效提高反应气体活性，降低反应温度，并有效缩短反应时间。如文献Journal of Electronic materials，Vol.37 No.5，2008，755-759及Journal of ElectrochemicalSociety，150(10)，2003，C693-C689中采用PECVD技术均实现了高质量ZnO及AZO薄膜的低温生长(T＝200℃左右)。而CIGS块体材料的熔点接近1000℃，CIGS薄膜材料一般最佳硒化温度都在550℃以上，作为衬底材料使用的普通钠钙玻璃的软化点却在500℃左右，因而实际生产中很多企业线上电池板都发生玻璃翘曲，导致良品率偏低。如果采用PECVD技术，便可有效解决上述问题，而CIGS薄膜的PECVD低温生长技术却鲜有报道。专利CN102051603A中提公布了一种CIGS薄膜材料的PECVD硒化装置及工艺。该专利中提出一种将前驱体薄膜作为可加热阴极，同时配备可加热并含多孔结构的阳极，通过施加交变高压进而产生等离子体，通过通入Se蒸气进行等离子体协助的原位硒化反应，得到CIGS薄膜。该专利硒化装置结构设计复杂，原位硒化过程中，最佳起辉气压和硒化气压控制难于趋于一致，样品温度的单一精确控制及薄膜均匀性也难以得到保证，硒化后难免在低温阳极及其他内部产生Se沉积，难于拆卸清洗，交变电压产生的等离子体还会对CIGS薄膜质量产生损伤，因而难以适用于CIGS薄膜电池的大规模工业化生产。
发明内容
本发明的目的是：提供一种制备铜铟镓硒薄膜的等离子体协助硒化工艺及装置。它可以分别精确控制等离子体起源和硒化参数，从而实现高质量CIGS薄膜材料的低温生长，可进一步缩短制备周期。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种制备铜铟镓硒薄膜的等离子体协助硒化工艺，其特点是：采用热蒸发Se结合PECVD装置(等离子体发生装置)作为独立的等离子体气源系统，同时搭配加热源采用电阻丝加热或卤光灯光照加热的硒化炉对铜铟镓硒前驱体薄膜进行硒化，等离子体气源系统和硒化炉结合部采用热丝管连接以保持等离子体反应活性。
上述的制备铜铟镓硒薄膜的等离子体协助硒化工艺，包括以下步骤：
a、在硒化炉的插槽内放置待硒化的铜铟镓硒前驱体薄膜；
b、Ar/H2(氩气/氢气)混合气经质量流量计，以5～100Sccm的流量进入热蒸发炉，加热源采用电阻丝加热或卤光灯光照加热，在热蒸发炉中加热固态Se源到200～400℃，使之成为Se(硒)蒸气，通过载气进入PECVD装置，进而使石英管内气体离化，产生等离子体，使载入的Se蒸气大分子团分解为高活性的Se原子，部分与H2反应得到高活性H2Se，进而产生包含H2Se、Se原子、H2及Ar+的高活性等离子体；
c、产生的等离子体经热丝管进入硒化炉中，热丝管用于防止等离子体温度降低，冷却沉积，丧失活性。
d、硒化炉采用PID程控系统精确控制炉子温度，加热源可采用电阻丝加热或卤光灯光照加热，对插槽内放置的待硒化铜铟镓硒前驱体薄膜进行硒化，得到铜铟镓硒薄膜；
e、硒化后的尾气经过由配有冷却水系统的金属钢套冷阱，有效降低尾气温度，使Se蒸气冷凝，便于回收再利用及清洗，最后剩余的尾气则通过真空系统抽出管外。
前述的制备铜铟镓硒薄膜的等离子体协助硒化工艺中，所述Ar/H2混合气中，H2所占体积比为1％～15％，其优选比例为5％。
前述的制备铜铟镓硒薄膜的等离子体协助硒化工艺中，所述d步骤中，硒化过程分为预热、硒化和冷却三阶段，其中预热温度为200～400℃(优选250℃)，持续时间为10min，硒化温度为300～500℃(优选400～450℃)，持续时间为10min，且硒化温度高于预热温度，以硒化温度高于预热温度200℃左右最佳，冷却阶段采用25℃/min降温速率，维持Se饱和蒸气压在100～1000托(优化400～700托)。
前述的制备铜铟镓硒薄膜的等离子体协助硒化工艺中，所述插槽为石墨、Mo(钼)、W(钨)或Ta(钽)材料的插槽。
前述的制备铜铟镓硒薄膜的等离子体协助硒化工艺中，它还包括，将热蒸发炉中固态Se源替换成S源，其它装置及条件不变，重复步骤a、b、c、d和e的操作，对硒化后的铜铟镓硒薄膜进行硫化。即其它参数均不变，各阶段对Se的参数控制变为对S的参数控制。
实现前述工艺的一种制备铜铟镓硒薄膜的等离子体协助硒化装置，其特点是：包括依次相连的进气系统、进气不锈钢气管、热蒸发炉、PECVD装置、热丝管、硒化炉、金属钢套冷阱和尾气出气端口的出气不锈钢气管组成，各部件与热蒸发炉、PECVD装置和硒化炉的石英管连成相通的腔体；且硒化炉上还设有真空压力表，硒化炉的石英管内设有固定铜铟镓硒前驱体薄膜的插槽。
前述的制备铜铟镓硒薄膜的等离子体协助硒化装置中，所述插槽为石墨、Mo、W或Ta材料的插槽。可一次性放置几十—几百片铜铟镓硒前驱体薄膜，视具体石英管腔体大小而定。
前述的制备铜铟镓硒薄膜的等离子体协助硒化装置中，金属钢套冷阱外设有冷却水系统。
与现有技术相比，本发明针对当前CIGS工业界普遍存在的硒化难题以及缺乏可靠的硒化装置，本发明将蒸发Se结合PECVD发生器作为独立的等离子体气源系统，从而将等离子体气源系统与硒化装置分离开来，分别进行温度及气压等参数的精确控制，再通过载气，经热丝管导出进入硒化炉，可实现对铜铟镓硒前驱体薄膜的低温硒化；且配合硒化炉中三段式的硒化技术工艺，可确保薄膜的均匀性；同时添置独特的金属钢套冷阱装置，不但设备成本低廉，而且制做过程及操作简单。因此本发明可分别精确控制等离子体起源和硒化参数，便于实现高质量CIGS薄膜材料的低温生长，可进一步缩短制备周期，同时避免高毒气体，可充分回收再利用源材料，便于炉内装置清洗。以本发明的方法及装置对CuInGa合金前躯体薄膜进行硒化，硒化后的薄膜更加紧密、硒化更完全，相对于单纯Se蒸气硒化时间可缩短1小时，硒化温度也可降低50摄氏度以上。
附图说明
图1为本发明工艺曲线图；
图2为本发明装置的结构示意图；
图3为本发明金属钢套冷阱的结构示意图；
图4为本发明插槽的结构示意图。
图5为本发明实施例PECVD硒化后CIGS薄膜的断面SEM图。
附图中的标记：
1-进气不锈钢气管，2-石英管，3-热蒸发炉，4-PECVD装置，5-热丝管，6-硒化炉，7-真空压力表，8-金属钢套冷阱，9-出气不锈钢气管，10-插槽，11-金属内管，12-金属外管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明，但并不作为对本实用新型限制的依据。
一种制备铜铟镓硒薄膜的等离子体协助硒化工艺，采用热蒸发Se结合PECVD装置作为独立的等离子体气源系统，同时搭配加热源采用电阻丝加热或卤光灯光照加热的硒化炉对铜铟镓硒前驱体薄膜进行硒化，等离子体气源系统和硒化炉结合部采用热丝管连接以保持等离子体反应活性。
其具体包括以下步骤：
a、在硒化炉6的插槽10内放置待硒化的铜铟镓硒前驱体薄膜；
b、Ar/H2混合气经质量流量计，以5～100Sccm的流量进入热蒸发炉3，加热源采用电阻丝加热或卤光灯光照加热，在热蒸发炉3中加热固态Se源到200～400℃，使之成为Se蒸气，通过载气进入PECVD装置4，进而使石英管2内气体离化，产生等离子体，使载入的Se蒸气大分子团分解为高活性的Se原子，部分与H2反应得到高活性H2Se，进而产生包含H2Se、Se原子、H2及Ar+的高活性等离子体；
c、产生的等离子体经热丝管5进入硒化炉6中，热丝管5用于防止等离子体温度降低，冷却沉积，丧失活性。
d、硒化炉采用PID程控系统精确控制炉子温度，加热源可采用电阻丝加热或卤光灯光照加热，对插槽10内放置的待硒化铜铟镓硒前驱体薄膜进行硒化，得到铜铟镓硒薄膜；
e、硒化后的尾气经过由配有冷却水系统的金属钢套冷阱8，有效降低尾气温度，使Se蒸气冷凝，便于回收再利用及清洗，最后剩余的尾气则通过真空系统抽出管外。
所述Ar/H2混合气中，H2所占比例为1％～15％。
所述d步骤中，硒化过程分为预热、硒化和冷却三阶段，如图1所示的T1、T2和T3，其中预热温度为200～400℃(优选250℃)，持续时间为10min，硒化温度为300～500℃(优选400～450℃)，持续时间为10min，且硒化温度高于预热温度，以硒化温度高于预热温度200℃左右最佳，冷却阶段采用25℃/min降温速率，维持Se饱和蒸气压在100～1000托(优选400～700托)。
所述插槽10为石墨、Mo、W或Ta材料的插槽。
一种制备铜铟镓硒薄膜的等离子体协助硒化装置，如图2所示，包括依次相连的进气系统、进气不锈钢气管1、热蒸发炉3、PECVD装置4、热丝管5、硒化炉6、金属钢套冷阱8和尾气出气端口的出气不锈钢气管9组成，各部件与热蒸发炉3、PECVD装置4和硒化炉6的石英管连成相通的腔体；且硒化炉6上还设有真空压力表7，硒化炉6的石英管2内设有固定铜铟镓硒前驱体薄膜的插槽10。所述插槽10为石墨、Mo、W或Ta材料的插槽，结构如图4所示。所述金属钢套冷阱8外设有冷却水系统，如图3所示，包括金属内管11和金属外管12，冷却水的流动方向如图中箭头所示。
实施例1。按一定比例的Ar/H2混合气(H2占5％)，即载气，经混气罐混匀以后，通过质量流量计控制流量，由进气端1不锈钢气管导入载气。载气进入石英管2，到达热蒸发炉3，在热蒸发炉中放置一石墨坩埚，内置一定量Se粉或颗粒(1g左右)，同时加热石墨坩埚，使其温度维持在250℃，使Se粉或颗粒变成液态Se，并产生一定量Se蒸气，通过载气，导入等离子体发生器4中。等离子体发生器一般可为高频的紫铜线圈，通过施加可变高频电压，进而使石英管内气体离化，产生等离子体，使载入的Se蒸气大分子团分解为高活性的Se原子，部分与H2反应得到高活性H2Se，进而产生包含H2Se、Se原子、H2及Ar+的高活性等离子体。等离子体发生器可采用150W功率，产生的高活性等离子体再经过热丝管5流到硒化炉中。这里采用热丝管是为防止高活性的等离子体在此管道中冷却沉积，从而丧失反应活性。在硒化炉中放置石墨插槽，在放入等离子体Se源后维持在250℃10分钟，然后快速升温到420℃(明显比传统硒化温度低)，维持Se蒸气压在650托左右，并反应10分钟，最后以25℃/min降温速率冷却，得到高质量的CIGS薄膜。过剩Se饱和蒸气经冷阱冷凝在金属钢套之内，便于回收再利用及清洗。
实施例2。按一定比例的Ar/H2混合气(H2占10％)，经混气罐混匀以后，通过质量流量计控制流量，由进气端1不锈钢气管导入载气。载气进入石英管2，到达热蒸发炉3，在热蒸发炉中放置一石墨坩埚，内置一定量Se粉或颗粒(1g左右)，同时加热石墨坩埚，使其温度维持在380℃，使Se粉或颗粒变成液态Se，并产生一定量Se蒸气，通过载气，导入等离子体发生器4中。等离子体发生器一般可为高频的紫铜线圈，通过施加可变高频电压，进而使石英管内气体离化，产生等离子体，使载入的Se蒸气大分子团分解为高活性的Se原子，部分与H2反应得到高活性H2Se，进而产生包含H2Se、Se原子、H2及Ar+的高活性等离子体。等离子体发生器可采用200W功率，产生的高活性等离子体再经过热丝管5流到硒化炉中。这里采用热丝管是为防止高活性的等离子体在此管道中冷却沉积，从而丧失反应活性。在硒化炉中放置石墨插槽，在放入等离子体Se源后维持在250℃10分钟，然后快速升温到500℃(明显比传统硒化温度低)，维持Se蒸气压在650托左右，并反应10分钟，最后以25℃/min降温速率冷却，得到高质量的CIGS薄膜。过剩Se饱和蒸气经冷阱冷凝在金属钢套之内，便于回收再利用及清洗。
实施例3。在硒化后需进行的硫化处理。按一定比例的Ar/H2混合气(H2占15％)，经混气罐混匀以后，通过质量流量计控制流量，由进气端1不锈钢气管导入载气。载气进入石英管2，到达热蒸发炉3，在热蒸发炉中放置一石墨坩埚，内置一定量S粉或颗粒(1g左右)，同时加热石墨坩埚，使其温度维持在300℃，使S粉或颗粒变成液态S，并产生一定量S蒸气，通过载气，导入等离子体发生器4中。等离子体发生器一般可为高频的紫铜线圈，通过施加可变高频电压，进而使石英管内气体离化，产生等离子体，使载入的S蒸气大分子团分解为高活性的S原子，部分与H2反应得到高活性H2S，进而产生包含H2S、S原子、H2及Ar+的高活性等离子体。等离子体发生器可采用300W功率，产生的高活性等离子体再经过热丝管5流到硒化炉中。这里采用热丝管是为防止高活性的等离子体在此管道中冷却沉积，从而丧失反应活性。在硒化炉中放置石墨插槽，在放入等离子体S源后维持在250℃10分钟，然后快速升温到450℃(明显比传统硒化温度低)，维持S蒸气压在650托左右，并反应10分钟，最后以25℃/min降温速率冷却，得到高质量的铜铟镓硫CIGS薄膜。过剩S饱和蒸气经冷阱冷凝在金属钢套之内，便于回收再利用及清洗。
图5为使用本发明方法和装置硒化后CIGS薄膜断面SEM图，具体硒化条件为450℃硒化CuInGa合金前躯体薄膜。从图中可看出硒化薄膜非常致密、完全。比单纯Se蒸气硒化时间(近1小时)短、硒化温度(550℃左右)更低。

Claims (10)

1.一种制备铜铟镓硒薄膜的等离子体协助硒化工艺，其特征在于：采用热蒸发Se结合PECVD装置作为独立的等离子体气源系统，同时搭配加热源采用电阻丝加热或卤光灯光照加热的硒化炉对铜铟镓硒前驱体薄膜进行硒化，等离子体气源系统和硒化炉结合部采用热丝管连接以保持等离子体反应活性。
2.根据权利要求1所述的制备铜铟镓硒薄膜的等离子体协助硒化工艺，其特征在于，包括以下步骤：
a、在硒化炉(6)的插槽(10)内放置待硒化的铜铟镓硒前驱体薄膜；
b、Ar/H2混合气经质量流量计，以5～100Sccm的流量进入热蒸发炉(3)，加热源采用电阻丝加热或卤光灯光照加热，在热蒸发炉(3)中加热固态Se源到200～400℃，使之成为Se蒸气，通过载气进入PECVD装置(4)，进而使石英管(2)内气体离化，产生等离子体，使载入的Se蒸气大分子团分解为高活性的Se原子，部分与H2反应得到高活性H2Se，进而产生包含H2Se、Se原子、H2及Ar+的高活性等离子体；
c、产生的等离子体经热丝管(5)进入硒化炉(6)中，热丝管(5)用于防止等离子体温度降低，冷却沉积，丧失活性。
d、硒化炉采用PID程控系统精确控制炉子温度，加热源可采用电阻丝加热或卤光灯光照加热，对插槽(10)内放置的待硒化铜铟镓硒前驱体薄膜进行硒化，得到铜铟镓硒薄膜；
e、硒化后的尾气经过由配有冷却水系统的金属钢套冷阱(8)，有效降低尾气温度，使Se蒸气冷凝，便于回收再利用及清洗，最后 剩余的尾气则通过真空系统抽出管外。
3.根据权利要求2所述的制备铜铟镓硒薄膜的等离子体协助硒化工艺，其特征在于：所述Ar/H2混合气中，H2所占体积比为1％～15％。
4.根据权利要求2所述的制备铜铟镓硒薄膜的等离子体协助硒化工艺，其特征在于：所述Ar/H2混合气中，H2所占体积比为5％。
5.根据权利要求2所述的制备铜铟镓硒薄膜的等离子体协助硒化工艺，其特征在于：所述d步骤中，硒化过程分为预热、硒化和冷却三阶段，其中预热温度为200～400℃，持续时间为10min，硒化温度为300～500℃，持续时间为10min，且硒化温度高于预热温度，冷却阶段采用25℃/min降温速率，维持Se饱和蒸气压在100～1000托。
6.根据权利要求5所述的制备铜铟镓硒薄膜的等离子体协助硒化工艺，其特征在于：所述d步骤中，硒化过程分为预热、硒化和冷却三阶段，其中预热温度为250℃，持续时间为10min，硒化温度为400～450℃，持续时间为10min，且硒化温度高于预热温度，冷却阶段采用25℃/min降温速率，维持Se饱和蒸气压在400～700托。
7.根据权利要求2所述的制备铜铟镓硒薄膜的等离子体协助硒化工艺，其特征在于：所述插槽(10)为石墨、Mo、W或Ta材料的插槽。
8.根据权利要求2、3、4、5、6或7所述的制备铜铟镓硒薄膜的等离子体协助硒化工艺，其特征在于：它还包括，将热蒸发炉(3)中固态Se源替换成S源，其它装置及条件不变，重复步骤a、b、c、d和e的操作，对硒化后的铜铟镓硒薄膜进行硫化。
9.一种制备铜铟镓硒薄膜的等离子体协助硒化装置，其特征在于：包括依次相连的进气系统、热蒸发炉(3)、PECVD装置(4)、热丝管(5)、硒化炉(6)和金属钢套冷阱(8)，各部件与热蒸发炉(3)、 PECVD装置(4)和硒化炉(6)的石英管(2)连成相通的腔体；硒化炉(6)的石英管(2)内设有固定铜铟镓硒前驱体薄膜的插槽(10)。
10.根据权利要求7所述的制备铜铟镓硒薄膜的等离子体协助硒化装置，其特征在于：所述插槽(10)为石墨、Mo、W或Ta材料的插槽。 
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