CN102881778B - 一种CdTe薄膜电池的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种专用于CdTe薄膜电池的热处理装置及热处理方法，该热处理装置，包括：石墨舟和石英支架。所述的石英支架是一个长方形框架，长方形框架从前向后分为三个区域，第一区域为样品除湿区域，第二区域为样品热处理区域，第三区域为样品降温区域。石英支架贯通石墨舟中移动，使样品分别在三个区域中完成除湿，热处理，降温。免除了CdTe薄膜和CdCl2源片吸附水分对退火薄膜质量的影响，避免CdCl2残留物污染及CdTe薄膜表面氧化，省去了随后的清洗工序及由此引起的CdTe薄膜太阳能电池转换效率的衰减。
Description
技术领域
本发明涉及CdTe薄膜太阳能电池，具体是指一种CdTe薄膜太阳能电池的热处理方法。
背景技术
薄膜太阳能电池的研究近十年来受到高度重视，其中，n-CdS/p-CdTe异质结多晶薄膜太阳能电池在大面积电池的研制，规模化生产的发展，低的生产成本等方面，显现出其它太阳能电池无法比拟的优势。因此CdTe薄膜太阳电池市场前景被普遍看好，已经成为美、德、日、意等国研究开发的主要对象，在产业化上也取得重要进展，组件生产企业纷纷建立。在应用方面，CdTe/玻璃外形美观，可以用于大面积屋顶材料；CdTe/柔性衬底(如钼箔片、不锈钢和聚酰亚胺等)可以根据不同的安装对象改变衬底的弯曲程度，在光伏与建筑一体化领域应用广泛，近年来CdTe薄膜太阳能电池的市场占有份额大幅增长。
CdTe材料是Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体，直接带隙，能带宽度1.45eV，与太阳光谱匹配较好，CdTe材料的光吸收系数在105cm-1范围，在紫外到825nm(截至波长)的波长范围，只需要几个毫米厚的薄膜就能吸收99％左右的入射电磁辐射，因此CdTe吸收层可以做的很薄。n-CdS能带宽度2.4eV，n-CdS/p-CdTe异质结薄膜太阳能电池的理论转换效率达28％(VOC＝1050mV，ISC＝30.8mA/cm2，FF＝83.7％)，在使用中没有光致衰减，稳定性好。
对于上层配置的CdTe薄膜太阳能电池，其中的退火热处理是制备高效CdTe薄膜太阳能电池关键的一道工艺，作用是：①促进CdS/CdTe的界面扩散，形成CdS1-XTeX界面层,减少界面的晶格失配程度，降低界面缺陷态的浓度，从而提高效率；②使得CdTe薄膜的再结晶和晶粒长大，减少晶界缺陷；③能够钝化缺陷、热激活和提高吸收层的载流子寿命。实验室中通常的CdTe的热处理方法主要有两类，一种是通过在CdTe薄膜表面沉积或者涂敷一层CdCl2，然后在380℃-450℃下热处理30～40分钟；另一种是将CdC12制备在平板石英玻璃表面作为蒸发源，热处理时将CdC12挥发到CdTe薄膜表面，然后在380℃-450℃下热处理30～40分钟。上述工艺过程一般在一个石墨舟中进行，由于CdC12易吸收水汽潮解，影响退火后的薄膜质量，通常在热处理前要对样品和CdCl2源加热去水分。另一方面CdCl2热处理在碲化镉膜面形成了一高阻氧化层和大量的CdCl2残留物。上述氧化膜和CdCl2残留物需要另外的温水浸泡和酸腐蚀才能去除。但是水溶液的引入，很可能导致CdTe薄膜太阳能电池效率的衰减。
发明内容
针对上述CdTe薄膜太阳能电池在热处理中存在的问题，本发明提供了一种专用于CdTe薄膜太阳能电池的热处理装置，以及利用该装置对CdTe薄膜太阳能电池进行热处理的方法。
本发明的一种专用于CdTe薄膜电池的热处理装置，包括：石墨舟和石英支架。
所述的石英支架是一个长方形框架，框架长度方向两端横条的两头各超出石英支架宽度1mm，用于防止石英支架在石墨舟内移动过位。框架的长度方向末端横条中间设有一推动石英支架在石墨舟内移动的手柄。
长方形框架内置有相互平行的四根内横条，将长方形框架从前向后分为三个区域，第一区域为样品除湿区域，第二区域为样品热处理区域，第三区域为样品降温区域。样品热处理区域和样品降温区域各由两条内横条划分组成，样品热处理区域和样品降温区域之间间隔50～100mm，离开样品热处理区域前50～100mm为样品除湿区域。
所述的石墨舟由石墨舟体和石墨盖板组成，石墨舟体为方形盒状，石墨舟体上部内壁四周有一L型的止口，用于搁置待热处理的样品，石墨舟体下部相对二侧壁开有一长方形的窗口，用于石英支架贯通其中移动。
在样品热处理区域和样品降温区域的两内横条上各设置有堵块，堵块的大小要与石墨舟体下部的长方形窗口的尺寸相匹配。并使当石英支架在推入样品热处理区域或样品降温区域时，堵块正好堵住长方形窗口。样品热处理区域的两内横条上设置的堵块上还开有几个用于气体流通的小孔。
样品热处理区域的两内横条内侧还用于搁置CdCl2源片。并使置于石墨舟内的待热处理样品表面和CdCl2源片表面的距离保持在2mm～3mm。
利用上面所述的装置对CdTe薄膜电池进行热处理，其步骤如下：
A将待热处理样品表面朝下搁置在石墨舟体的L型的止口上，将CdCl2源片源面朝上放在石英支架的样品热处理区域的两内横条内侧上，然后将石英支架推入石墨舟体的长方形窗口内，并使石英支架的样品除湿区域在石墨舟体的热处理样品下面，石墨舟两侧面的长方形窗口敞开，保持畅通，安装好后将其放入热处理炉内。
B对热处理炉抽真空，而后持续通入干燥空气或Ar:O2＝4:1的混合气体，维持在0.75atm～1atm，快速升温到100℃～150℃，保温5～10分钟。
C然后将石英支架的样品热处理区域推入石墨舟体的热处理样品下面，并使堵块正好分别堵住石墨舟体左右两侧面的长方形窗口，气体通过堵块上的通气孔在石墨舟体内流通，退火温度380℃～450℃，保温30～40分钟，完成高温热处理。
D当炉内温度降低到350℃以下时，将石英支架的样品降温区域推入石墨舟体的热处理样品下面，并使堵块正好分别堵住石墨舟体左右两侧面的长方形窗口，停止通入气体，机械泵抽真空，在低真空下完成降温过程，降到室温。
本发明的显著特点在于：
1.采用本发明的热处理装置可以一次完成中温去除水分，高温退火和降温过程，避免了CdCl2残留物污染及CdTe薄膜表面氧化。
2.由于CdTe薄膜表面在退火后没有CdCl2残留物污染和氧化，在随后的电池工艺中省去了清洁CdTe薄膜表面的工序，同时由于避免了水溶液的引入，从而降低了由此引起的CdTe薄膜太阳能电池转换效率的衰减。
附图说明
图1为本发明的一种专用于CdTe薄膜电池的热处理装置的结构示意图。
图2为本发明的石墨舟的侧面结构示意图。
图3为本发明的石英支架的平面图,图中的虚线为样品除湿区域和样品热处理区域之间的间隔划分线。
图4为本发明的石英支架上安装好堵块和CdCl2源片的平面图。
图5为本发明的堵块平面图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作详细说明：
本发明的一种专用于CdTe薄膜电池的热处理装置，包括：石墨舟1和石英支架2。
所述的石英支架2是一个长方形框架，框架长度方向两端横条201的两头各超出石英支架宽度1mm，用于防止石英支架在石墨舟内移动过位。框架的长度方向末端横条中间设有一推动石英支架在石墨舟内移动的手柄202。
石英支架2内置有四根内横条203，样品热处理区域和样品降温区域各由两条内横条203划分组成，样品热处理区域4和样品降温区域5之间间隔50～100mm，目的是要保证样品热处理时工作气体能在石墨舟内流通。样品除湿区域3和样品热处理区域4之间也间隔50～100mm，目的是要保证样品除湿时，湿气能挥发。
所述的石墨舟由石墨舟体101和石墨盖板102组成，石墨舟体为方形盒状，石墨舟体上部内壁四周有一L型的止口103，用于搁置待热处理的样品，石墨舟体下部相对二侧壁开有一长方形窗口104，用于石英支架贯通其中移动。
在样品热处理区域4和样品降温区域5的两内横条203上各设置有堵块6，堵块的大小要与石墨舟体下部的长方形窗口104的尺寸相匹配。并使当石英支架在推入样品热处理区域4或样品降温区域5时，堵块正好堵住长方形窗口104。样品热处理区域4的两内横条上设置的堵块6上还开有几个用于流通气体的小孔601。
样品热处理区域4的两内横条203内侧还用于搁置CdCl2源片。并且使置于石墨舟内的待热处理的样品表面和CdCl2源片表面的距离保持在2mm～3mm。
利用上述热处理装置热处理CdTe薄膜太阳能电池的方法，其步骤如下：
A将待热处理样品7表面朝下搁置在石墨舟体的L型的止口103上，将CdCl2源片8表面朝上放在石英支架的样品热处理区域4的两内横条203内侧上，然后将石英支架2推入石墨舟体的长方形窗口104内，并使石英支架的样品除湿区域在石墨舟体的待热处理样品下面，石墨舟两侧面的长方形窗口敞开，保持畅通，安装好后将其放入热处理炉内。
B对热处理炉抽真空，而后持续通入干燥空气或Ar:O2＝4:1的混合气体，维持在0.75atm～1atm，快速升温到100℃～150℃，保温5～10分钟。此时，同时去除了CdTe薄膜表面和CdCl2源片所含的水分。
C然后将石英支架的样品热处理区域4推入石墨舟体的待热处理样品下面，并使堵块6正好分别堵住石墨舟体左右两侧面的长方形窗口104，气体通过堵块上的通气孔601在石墨舟体内流通，退火温度380℃～450℃，保温30～40分钟，完成高温热处理。
D当炉内温度降低到350℃以下时，将石英支架的样品降温区域5推入石墨舟体的热处理样品下面，并使堵块正好分别堵住石墨舟体左右两侧面的长方形窗口，停止通入气体，机械泵抽真空，在低真空下完成降温过程，降到室温，取出样品。
Claims (1)
1.一种CdTe薄膜电池的热处理方法，该方法采用一个由石英支架(2)和石墨舟体(1)构成的专用装置进行热处理，其特征在于步骤如下：
§A将待热处理样品(7)表面朝下搁置在石墨舟体的L型的止口(103)上，将CdCl2源片(8)源面朝上放在石英支架的样品热处理区域(4)的两内横条(203)内侧上，然后将石英支架(2)推入石墨舟体的长方形窗口(104)内，并使石英支架的样品除湿区域(3)在石墨舟体的待热处理样品下面，石墨舟两侧面的长方形窗口敞开，保持畅通，安装好后将其放入热处理炉内；
§B对热处理炉抽真空，而后持续通入干燥空气或Ar:O2＝4:1混合气体，维持在0.75atm～1atm，快速升温到100℃～150℃，保温5～10分钟；
§C然后将石英支架的样品热处理区域(4)推入石墨舟体的待热处理样品下面，并使堵块(6)正好分别堵住石墨舟体左右两侧面的长方形窗口(104)，气体通过堵块上的通气孔(601)在石墨舟体内流通，退火温度380℃～450℃，保温30～40分钟，完成高温热处理；
§D待炉内温度降低到350℃以下时，将石英支架的样品降温区域(5)推入石墨舟体的热处理样品下面，并使堵块正好分别堵住石墨舟体左右两侧面的长方形窗口(104)，停止通入气体，机械泵抽真空，在低真空下完成降温过程，降到室温，取出样品。
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