CN103008168B - 沉积薄膜的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种薄膜沉积装置，包括：沉积装置，包括上盖和衬底，所述上盖与所述衬底之间形成用于承装溶液的沉积室；加热系统，包括承载热液的热液承载装置和与所述热液承载装置相连的用于加热热液的加热装置，所述衬底固定在所述热液承载装置上，且所述热液承载装置内的热液与所述衬底的一个表面相接触；反应液供应装置，包括反应液承载装置和进料管，所述进料管的一端与所述反应液承载装置连通，另一端穿过所述上盖，用于将所述反应液承载装置中的反应液输送至所述衬底的另一个表面上。在上述薄膜沉积装置中，由于镀膜只在衬底的一面进行，而另一面保持清洁，防止污染，节省了反应液，提高了反应液的利用率。本发明还提供一种薄膜沉积的方法。

Description

沉积薄膜的装置和方法

技术领域

本发明涉及薄膜太阳能电池领域，特别是涉及沉积薄膜的装置和方法。

背景技术

太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。具有绿色可再生能源，具有无污染、无地域限制、全天候利用等优点。其中薄膜太阳能电池采用价格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨和金属片等不同材料作为衬底，形成可产生电压的薄膜厚度仅需数微米，同时、转换效率较高。

水浴法是一种常见的制备薄膜的方法，具体为将衬底完全沉浸在阳离子和阴离子先驱溶液中，当溶液中离子浓度的乘积超过它们的溶度积时，便会在衬底上沉积制得需要的化合物薄膜。在水浴法制备硫化镉薄膜的过程中需要对先驱溶液或者衬底进行加热。由于水浴法需要完全把衬底沉浸到反应液中，需要的反应液比较多且利用率极低，造成溶液大量浪费，故而成本高，同时也增加了后续废液处理、回收的成本。

发明内容

基于此，有必要提供一种反应液利用率较高的薄膜沉积装置和方法。

一种薄膜沉积装置，包括：

沉积室；

加热系统，包括承载热液的热液承载装置和与所述热液承载装置相连的用于加热热液的加热装置，所述衬底固定在所述热液承载装置上，且所述热液承载装置内的热液与所述衬底的一个表面相接触；及

反应液供应装置，包括反应液承载装置和进料管，所述进料管的一端与所述反应液承载装置连通，另一端穿过所述上盖，用于将所述反应液承载装置中的反应液输送至所述衬底的另一个表面上。

在其中一个实施例中，还包括清洗装置，所述清洗装置包括清洗液承载装置和与所述清洗液承载装置相连的清洗液输送管道，所述清洗液输送管道穿过所述上盖后与所述衬底相对，用于将所述清洗液承载装置内的清洗液喷淋到所述衬底上。

在其中一个实施例中，还包括与所述热液承载装置相连的摇晃装置，用于摇晃所述热液承载装置以使反应液充分混合并与所述衬底充分接触。

在其中一个实施例中，所述反应液供应装置还包括溶液量取器和连通所述溶液量取器与所述反应液承载装置的连通管。

在其中一个实施例中，所述加热装置还包括热液加热装置和液体泵，所述液体泵驱动热液在所述热液加热装置与所述热液承载装置之间循环。

在其中一个实施例中，所述沉积装置中设置监测所述衬底的温度的测温元件。

在其中一个实施例中，所述热液承载装置的侧壁设置有突出部，所述上盖和所述衬底分别与所述突出部相抵，在所述上盖与所述突出部相抵的部位设置有第一密封件，在所述衬底与所述突出部相抵的部位设置有第二密封件。

在其中一个实施例中，在所述突出部上设置有用于固定所述衬底在所述突出部上的密封固定装置。

在其中一个实施例中，所述进料管的数量为两个或两个以上；所述清洗液输送管道的数量为两个或两个以上。

一种沉积薄膜的方法，包括：

提供上述的薄膜沉积装置；

开启所述加热装置，对所述热液承载装置的热液加热，并使所述热液对所述衬底进行加热；

将所述反应液承载装置中的反应液通过所述进料管输送至所述沉积室，在所述衬底的另一个表面沉积薄膜，得到形成有薄膜的衬底；及

提起所述上盖，排出废液后取出所述形成有薄膜的衬底。

上述的薄膜沉积装置和方法中，衬底设置在沉积装置中，在衬底的一个表面下设置有用于加热衬底的加热装置。通过进料管连接反应液供应装置和沉积装置，进料管一端的管口与衬底的另一个表面相对，用于将反应液喷洒在衬底的另一个表面上。沉积薄膜时，热液承载装置中的热液对衬底的一个表面进行加热后，通过进料管将反应液输送至衬底上，在衬底的另一个表面沉积薄膜，完成薄膜沉积过程。由于镀膜只在衬底的一面进行，而另一面保持清洁，节省了反应液，提高了反应液的利用率，同时防止衬底另一面的污染。

附图说明

图1为一实施方式薄膜沉积装置的结构示意图；

图2为一实施方式的薄膜沉积方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施方式及附图，对薄膜沉积装置和方法作进一步的详细说明。

请参阅图1，一实施例的薄膜沉积装置100包括沉积装置110、加热系统120、反应液供应装置130和清洗装置140。沉积装置110用于在衬底上沉积薄膜。加热系统120设置在沉积装置110的底部，用于加热衬底。反应液供应装置130用于输送反应液至衬底表面，通过沉积装置110在衬底的表面上形成薄膜。清洗装置140用于在镀膜前后清洗衬底。

沉积装置110包括上盖111、衬底112。本实施例中，衬底112为平板长方形型，上盖111罩设在衬底112上方形成了一个可以盛放溶液的沉积室113。在沉积室113内可以设置与衬底112接触的测温元件117，用于实时监测衬底112表面的温度，方便控制加热装置的加热温度。本实施例中，测温元件117为热电偶。在热电偶的表面镀有聚四氟乙烯，以防止在沉积薄膜过程中电热偶与反应液发生反应，污染反应液并损坏热电偶。在上盖111上开设有管道接口11和进料管接口12，在其他的实施例中，也可以在上盖111上直接开设用于使管道穿过的孔。

加热系统120用于加热衬底112。为了使得衬底112受热更加均匀，本实施例中的加热系统120的供热介质为热液。更进一步地，加热系统120包括热液承载装置122和加热装置124。

热液承载装置122在本实施例中为一个用于承装加热衬底112的热液21的槽。衬底112固定在热液承载装置122上。当热液承载装置122内充满热液21时，可以均匀地接触衬底112的一个表面，根据衬底112的温度需要设定加热温度，从而温和而均匀地加热衬底112。本实施例中，热液承载装置122的两个相对侧壁上分别设置向内延伸形成两个突出部22，上盖111和衬底112的两端分别固定安装在突出部22上，使得突出部22较好地支撑上盖111和衬底12。更进一步地，上盖111与突出部22相抵的部位可以设置第一密封件114，用于密封上盖111，使上盖111与衬底112形成一个密封的空间，更好地存储反应液，并防止在高温下反应液的挥发，确保化学反应正常进行。同时，衬底112与突出部22相抵的部位设置有第二密封件115，本实施例中，第二密封件115为密封圈，用于将衬底112密封于热液承载装置122的突出部22上。更进一步地，可以在衬底112与突出部22设置用于夹紧固定衬底112在突出部22上的衬底密封固定装置116，用于将衬底112夹紧固定在热液承载装置122上。防止热液承载装置122内的热液21溢出至沉积室113内，污染衬底112或反应液。在其他的实施例中，也可以在热液承载装置122的侧壁上开设固定槽，衬底112的两端嵌入到该固定槽内固定住。

热液承载装置122的底部还设置有摇晃装置118。摇晃装置118既能够将热液承载装置122连同固定其上的沉积装置110在水平面上晃动，还能使热液承载装置122连同固定其上的沉积装置110相对水平面以一定角度倾斜。在沉积过程中，晃动沉积装置110可以使得沉积室113中的反应液更加均匀和充分地与衬底112接触，在衬底112表面沉积的薄膜更均匀，进而提高沉积的薄膜的质量。在热液承载装置122的一个侧壁开设有废液出口24，用于排出废液或者清洗衬底后的液体。在镀膜完成后排出废液过程中或者清洗过程中，通过摇晃装置118使沉积室113倾斜一定的小角度，以便废液或者清洗过程中的废水更顺利的排出。

加热装置124包括热液加热装置125和液体泵126和输液管128。热液加热装置125在本实施例中为一个能够承载并加热热液的槽。输液管128将热液加热装置125、液体泵126与热液承载装置122首尾相连形成了一个热液循环流动的循环系统。热液加热装置125根据衬底112的温度需要对加热液体加热并将其维持在设定的温度。液体泵126驱动热液经输液管128在热液承载装置122和热液加热装置125之间循环，并维持热液承载装置122中热液21的液面高度。由于热液21处于循环状态，可以使热液21的温度恒定并同时防止热液承载装置122内尤其是衬底112的下表面形成气泡造成热液面不平稳造成衬底112受热不均匀。采用热液直接加热衬底112，且保持循环流动的恒温液体直接接触衬底112的一个表面，使得衬底112的温度均匀性有较大的提高。由于衬底112温度影响着沉积的薄膜厚度的均匀性，在衬底112的温度均匀性较好的情况下可以提高薄膜的厚度均匀性。更进一步地，当加热温度要求不超过100℃，可以用水做加热介质，达到降低成本的效果。当然，当衬底112的温度要求高于100℃时，可以根据温度需要采用其他的液体，如硅油、石蜡油等作为加热介质。当然，在别的实施例中，加热装置124也可以是直接设置在衬底112底部的加热套、加热管等用于加热的装置。

反应液供应装置130包括反应液承载装置132和进料管134。进料管134的一端与反应液承载装置132连通，进料管134的另一端穿过上盖111的进料管接口12与沉积装置110连接。进料管134用于把反应液承载装置132中的反应液输送到沉积室113中，喷洒在衬底112的另一个表面。沉积薄膜时，衬底112的只有一个表面接触到反应液，不需要镀膜的那个表面不与反应液接触，因此可以避免一般水浴法沉积薄膜时将整个衬底112置于反应液中造成反应液的浪费；同时节省了对不需要沉积薄膜的表面进行后续处理。进料管134的数量可以为一个或多个，当有多个时，对应在上盖111的进料管接口12也开设有多个，均匀设置在上盖111上。同时使用时，可以提高沉积薄膜的速度。在本实施例中，反应液供应装置130还可以设置溶液量取器136和连通管138，连通管138连通溶液量取器136与反应液承载装置132。溶液量取器136的形状类似注射器，并刻有刻度。溶液量取器136的数量可以根据需要设置多个，每个溶液量取器136承装一种物质，然后根据工艺的需要量取合适的剂量输送到反应液承载装置132中配制成反应液。在沉积薄膜的过程中，可以更好地实现溶液的自动化配制。当然，在别的实施例中，也可以直接将配置好的反应液直接注入反应液承载装置中132，再通过进料管134把反应液输送到沉积室113中。

清洗装置140用于在沉积薄之前和之后的清洗衬底112。包括清洗液承装装置（图未示）、清洗液输送管道142和设置在清洗液输送管道142的端口处的喷嘴144，喷嘴144穿过上盖111的管道接口11与沉积装置110连接。喷嘴144可以有一个或者多个，当为多个时，在上盖111的开设多个与之对应的管道接口11，多个管道接口11均匀设置在上盖111上，同时使用时，可以更快速、有效地清洗衬底。清洗液可以为去离子水，使得洗清效果更好。清洗过程中，提起上盖111，通过摇晃装置118倾斜沉积池113，使得废液从废液出口24流出。

请参阅图2，一实施方式的沉积薄膜的方法，包括：

S101、提供上述的薄膜沉积装置100；包括沉积装置110，加热系统120和反应液供应装置130。沉积装置110包括上盖111、衬底112，衬底112与上盖111形成的用于承装溶液的沉积室113。加热系统120设置在衬底112的底部，用于加热衬底，包括热液承载装置122、与热液承载装置122相连通的加热装置124。反应液供应装置130包括反应液承载装置132和进料管134，进料管134一端与反应液承载装置132连通，另一端穿过上盖111与沉积装置110连通，用于输送反应液至衬底112。

S102、开启加热装置124，对热液承载装置122的热液加热，并使所述热液对衬底112进行加热。

本实施例中，加热装置124的供热介质为热液，采用热液来直接加热衬底112的一个表面，恒温的热液直接接触衬底112，衬底112的温度均匀性有较大的提高。由于衬底112温度影响着沉积的薄膜厚度的均匀性，在衬底112的温度均匀性较好的情况下可以提高薄膜的厚度均匀性。

S103、将反应液承载装置132中的反应液通过进料管134输送至沉积室113，在衬底112的另一个表面沉积薄膜，得到形成有薄膜的衬底112。

由于衬底112的一个表面与热液承载装置122的热液接触，另一个表面暴露在沉积室113中，通过进料管134将反应液喷洒在衬底112的另一个表面上，进行镀膜。而不需要镀膜的表面不与反应液接触，因此可以节约反应液，提高反应液的利用率。同时，只在需要沉积薄膜的衬底112的一面进行镀膜，使得衬底112的不需要镀膜的表面不会被反应液污染，节省了后续的处理过程，提高了效率。

S104、提起上盖111，排出废液后取出形成有薄膜的衬底112。

根据薄膜厚度的需要，可以重复操作步骤S104和S105。然后取出衬底112，进行其他后续处理。在完成一个衬底112的薄膜沉积后，将另一个新的衬底112装入沉积装置110中，进行下一个衬底112的薄膜沉积。

上述的薄膜沉积装置和方法中，衬底112设置在沉积装置110中，在衬底112的设置有用于加热衬底的加热系统120，加热介质为恒温热液。通过进料管134连接反应液供应装置130和沉积装置110，进料管134一端的管口与衬底112的一个表面相对，用于将反应液喷洒在衬底112的一个表面上。沉积薄膜时，加热系统120对衬底112的一个表面进行加热后，通过进料管134将反应液输送至衬底另一个表面上，仅在衬底112的一面沉积薄膜，完成薄膜沉积过程。不需要镀膜的一面保持清洁，防止污染，节省化学反应液，提高了反应液的利用率。同时，采用流动恒温的液体直接接触衬底112加热的方式，衬底112的温度均匀性将大大提高，从而制备的薄膜的厚度均匀性也将进一步调高。更进一步，当衬底112需要的温度小于100℃时，直接采用水做热液，成本低、绿色环保。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种薄膜沉积装置，其特征在于，包括：

沉积装置，包括上盖和衬底，所述上盖与所述衬底之间形成用于承装溶液的沉积室；

加热系统，包括承载热液的热液承载装置和与所述热液承载装置相连的用于加热热液的加热装置，所述衬底固定在所述热液承载装置上，且所述热液承载装置内的热液与所述衬底的一个表面相接触；所述热液承载装置的侧壁设置有突出部，所述上盖和所述衬底分别与所述突出部相抵，在所述上盖与所述突出部相抵的部位设置有第一密封件，在所述衬底与所述突出部相抵的部位设置有第二密封件；及

反应液供应装置，包括反应液承载装置和进料管，所述进料管的一端与所述反应液承载装置连通，另一端穿过所述上盖，用于将所述反应液承载装置中的反应液输送至所述衬底的另一个表面上。

2.根据权利要求1所述的薄膜沉积装置，其特征在于，还包括清洗装置，所述清洗装置包括清洗液承载装置和与所述清洗液承载装置相连的清洗液输送管道，所述清洗液输送管道穿过所述上盖后与所述衬底相对，用于将所述清洗液承载装置内的清洗液喷淋到所述衬底上。

3.根据权利要求1所述的薄膜沉积装置，其特征在于，还包括与所述热液承载装置相连的摇晃装置，用于摇晃所述热液承载装置以使反应液充分混合并与所述衬底充分接触。

4.根据权利要求1所述的薄膜沉积装置，其特征在于，所述反应液供应装置还包括溶液量取器和连通所述溶液量取器与所述反应液承载装置的连通管。

5.根据权利要求1所述的薄膜沉积装置，其特征在于，所述加热装置还包括热液加热装置和液体泵，所述液体泵驱动热液在所述热液加热装置与所述热液承载装置之间循环。

6.根据权利要求1所述的薄膜沉积装置，其特征在于，所述沉积装置中设置监测所述衬底的温度的测温元件。

7.根据权利要求1所述的薄膜沉积装置，其特征在于，在所述突出部上设置有用于固定所述衬底在所述突出部上的密封固定装置。

8.根据权利要求2所述的薄膜沉积装置，其特征在于，所述进料管的数量为两个或两个以上；所述清洗液输送管道的数量为两个或两个以上。

9.一种沉积薄膜的方法，其特征在于，包括：

提供权利要求1中所述的薄膜沉积装置；

开启所述加热装置，对所述热液承载装置的热液加热，并使所述热液对所述衬底进行加热；

将所述反应液承载装置中的反应液通过所述进料管输送至所述沉积室，在所述衬底的另一个表面沉积薄膜，得到形成有薄膜的衬底；及

提起所述上盖，排出废液后取出所述形成有薄膜的衬底。