CN103311371A - 一体化连续生产薄膜的装置及制膜方法 - Google Patents
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Abstract
一体化连续生产薄膜的装置及制膜方法，属于制膜技术领域。装置主要包括送液装置、电磁控制阀、镀膜装置、电磁转向阀、储液装置、机械泵、废液装置、传送装置、转轴、加热装置。本装置采用液面自由下降的形式代替传统衬底上提或是镀膜容器下降的形式，整个镀膜装置固定不动，避免了镀膜过程中的机械振动，保证了所镀薄膜的均匀性。不仅提高了生产效率，还提高了原料的使用率，降低了工业生产的成本。
Description
技术领域
本发明属于制膜技术领域，涉及一体化连续生产薄膜的装置及制膜方法，尤其适用于太阳能电池吸收层材料的一体化、大规模连续镀膜的制备，专用于制备高性能太阳能电池。
技术背景
目前，太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源，被广泛应用于生活的各个方面，在太阳能产业化中占主导地位的是单晶硅太阳能电池、碲化镉（CdTe）薄膜太阳能电池、和铜铟镓硒（CuIn1-xGaxSe2，简称CIGS）太阳能电池。但是晶体硅太阳能电池成本高，在推广应用中受到制约。非晶硅太阳能电池由于材料本身的缺陷造成光电效率衰退效应，电池稳定性不高。而由于Cd有毒，In和Ga为稀有金属，这些都限制了CdTe和CIGS太阳能电池大规模应用。因此，寻找一种无毒且成本较低的材料是太阳能电池大规模生产的关键。
近几年，四元硫化物铜锌锡硫(Cu2ZnSnS4，简称CZTS)在下一代薄膜太阳能电池中崛起，锌黄锡矿结构的CZTS与黄铜矿结构的CIGS晶体结构相似，具有较高的光吸收系数（>104cm-1），禁带宽度约1.50eV，与太阳能电池所需要的最佳禁带宽相匹配，非常适用于太阳能电池，且各元素在地壳中的含量丰富：Cu（50ppm）、Zn（75ppm）、Sn（2.2ppm）、S（260ppm），用它们取代In、Ga可以大大降低生产成本。因此，CZTS薄膜电池可成为未来主流电池，在今后的光伏领域将得到迅速发展。
制备CZTS的方法主要有真空沉积技术和非真空沉积技术。但是真空沉积技术不仅需要昂贵的设备，而且对原材料造成极大地浪费，难以大面积成膜，导致制造成本过高。迄今为止，真空法制备CZTS薄膜的电池转换效率最高值仅为8.4%，而目前制备铜锌锡硫太阳能电池的效率为11.1%，其制备方法即为即为非真空沉积技术的溶胶-凝胶法。
浸渍提拉法即是一种传统的溶胶-凝胶法。首先将整个洗净的衬底浸入预先制备好的溶胶之中，然后以精确控制的均匀速度将衬底平稳地从溶胶中提拉出来，在粘度和重力作用下衬底表面形成一层均匀的液膜，紧接着溶剂迅速蒸发，于是附着在衬底表面的溶胶迅速凝胶化而形成一层凝胶膜。制备的薄膜需要经过退火才能促进晶粒的长大，制备出具有大尺寸晶粒、致密性好的薄膜，以提高薄膜的载流子迁移率。但是CZTS作为一种四元的硫化物，极易被氧化,大量引入氧原子不仅会取代晶格中硫原子的位置，产生晶格畸变，而且会生成大量的氧空位。氧会在晶界处形成大量的缺陷态,可以充当电子空穴的复合中心，降低载流子的寿命,或者阻碍退火时各元素的相互扩散，抑制CZTS晶粒的生长。从而最终会对整个器件的光电转换效率产生非常不利的影响，故如何控制薄膜在制备过程中不被氧化，也是急需解决的关键问题。
目前的工业提拉镀膜普遍采用的提拉机是采用浸泡提拉的镀膜技术。把需要镀膜的衬底浸入溶液中，通过预先设置的速度，在一定的温度和空气环境下将衬底慢慢上升或是将镀膜容器下降离开衬底。该方法方便，设备简单，但是对于CZTS薄膜来说，这种普遍采用的方法不能进行连续、循环生产，生产效率低，不利于CZTS的大规模地连续生产。
发明内容
本发明要解决的问题是，提供了一体化连续生产薄膜的装置及制膜方法，这种方法区别于传统的提拉方法，这种方法用液面下降的方式代替传统的衬底上升或是镀膜容器下降的方法，并且可采用电脑控制，能直接制备质量优异、效率高的CZTS薄膜。
为了实现上述的目的，本发明的一体化连续生产薄膜的装置，如结构示意图1所示，主要包括送液装置（1）、电磁控制阀（2、4）、镀膜装置、电磁转向阀（7）、储液装置（5）、机械泵（6）、废液装置（8）、传送装置、转轴（10）、加热装置以及连接各部件的管道；镀膜装置包括：镀膜装置上盖（301）、镀膜装置箱体（302）、进液口（304）、循环进液口（305），镀膜装置箱体的两端均有开口和相应的镀膜装置仓门（303）（两个），镀膜装置仓门303可将两端的开口封闭；传送装置包括：传送带（901）、可固定衬底（903）的夹具（902），夹具（902）固定在传送带（901）上；加热装置包括：烘干箱（1101）、与烘干箱（1101）并排的退火箱（1103）、退火箱（1103）内的载物台（1105），烘干箱两端设有开口并有相应的烘干箱仓门1102（两个），烘干箱仓门可将烘干箱两端的开口的封闭，烘干箱（1101）与退火箱（1103）之间开有通口并有相应的退火箱仓门（1104），退火箱仓门可将烘干箱（1101）与退火箱（1103）之间的通口封闭；送液装置的底部与镀膜装置的进液口连接，镀膜装置箱体（302）的底端设有出液口与储液装置（5）连通，储液装置（5）底端设有出水口与机械泵（6）的一端相连，机械泵（6）的另一端通过电磁转向阀（7）与镀膜装置的循环进液口（305）连接形成循环回路，电磁转向阀（7）的第三端与废液装置（8）连接，在镀膜装置和储液装置之间有电磁控制阀（4），送液装置（1）与镀膜装置的进液口（2）；传送带（901）能够通过镀膜装置箱体两端的开口将固定有衬底（903）的夹具（902）送至镀膜装置箱体（302）内，传送带（901）经转轴（10）导向从烘干箱的开口进入烘干箱内，从烘干箱另一开口出来的传送带（901）直接进入镀膜装置的开口，形成循环的传送带（901）。
转轴（10）为两叉状，在两叉端均安装有滑轮，两滑轮之间的距离d大于夹具、衬底，可使夹具、衬底从叉间通过。
所述设备的送液装置、镀膜装置、储液装置、废液装置以及加热装置都固定不动，避免了在镀膜过程中的任何机械振动。
所述的储液装置的底部可以为平底、锥底或圆底结构，优选锥底结构，在锥底处设计有一直径为15mm±1mm的出水口。锥底结构的储液瓶更有利于液体从下部流出从而顺利流到管路当中，这种结构可以使储液瓶中的液体全部被机械泵推入镀膜容器中。
所述装置采用了溶液液面自由下降的方式代替了传统提拉机采用使衬底上升、或是镀膜容器下降的方式对衬底进行镀膜。
所述的储液装置通过电磁转向阀与镀膜装置的循环进液口或是废液装置相连，实现了溶液的循环利用。
所述的装置通过传送装置将衬底循环于镀膜装置、烘干仓与退火仓之间，保证了薄膜的一体化大规模连续生产。
所述的送液容器、镀膜装置、镀膜装置、废液装置、阀门、机械泵、加热装置以及连接各部件的管道均采用耐腐蚀材料。
采用上述装置进行镀膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）传送带（901）将衬底（903）置于镀膜装置箱体（302）内，关闭镀膜装置的两个仓门（303），打开电磁控制阀（2），使送液装置（1）中的镀液进入镀膜装置箱体（302）内直至浸没衬底（903）；
（2）打开电磁控制阀（4）使镀膜装置箱体（302）得镀液滴入储液装置（5）中，从而使镀膜装置箱体（302）的液面不断下降对衬底（903）进行镀膜；
（3）传送带（901）将步骤（2）的衬底送至烘干箱（1101），关闭烘干箱仓门1102（两个）和退火箱仓门（1104）进行烘干；
（4）开启机械泵（6）使储液装置（5）中的镀液从循环进液口（305）进入镀膜装置箱体（302），不断循环镀膜和烘干，直到达到所需厚度；
（5）烘干结束后，卸载夹具（902）并打开退火箱仓门（1104），将衬底（903）推入退火箱中的载物台（1105）上，再关闭退火箱仓门（1104），由真空泵（1106）对退火箱进行抽真空，并在退火箱中完成退火。
所述电磁控制阀（2）、（4）控制液体的流速使每分钟液面下降1-20cm。
所述传送带（901）运行的速度由数字电脑控制，其运行速度为每分钟0-100cm，即运行或暂停。
所述传送带（901）贯穿镀膜装置和加热装置，形成环状结构。
所述加热装置温度及时间的设定由电脑控制，烘干箱（1101）温度为100-180℃，退火箱（1103）温度为200-600℃，退火时间为10-120min。
本发明的工作原理：
镀膜装置中承载着衬底和镀膜溶液，通过传送装置将衬底固定在镀膜容器内，并可以充分浸泡在溶液中，当打开阀门时，溶液按照一定的速度流入到储液装置，在这个过程中由于镀膜容器中液面自由下降使得衬底能平稳地镀膜。当镀膜装置中的溶液全部流入储液装置，即已经镀完一层膜时，可以通过开动机械泵将溶液重新分配到镀膜装置中，以便下一次镀膜。通过传送装置将衬底传送到烘干仓，进行烘干处理，当薄膜镀到所需厚度时，通过卸载夹具将衬底放入退火仓，进行适当条件的退火处理（烘干箱与退火箱均设置加热装置）。重复操作，进行连续生产。
本发明的优点在于：本装置采用液面自由下降的形式代替传统衬底上提或是镀膜容器下降的形式，整个镀膜装置固定不动，避免了镀膜过程中的机械振动，保证了所镀薄膜的均匀性。不仅提高了生产效率，还提高了原料的使用率，降低了工业生产的成本。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明
图1为本发明的结构示意图：送液装置1、电磁控制阀2、电磁控制阀4、储液装置5、机械泵6、电磁转向阀7、废液装置8、转轴10、加热装置以及连接各部件的管道组成，镀膜装置包括：镀膜装置盖301、镀膜装置箱体302、镀膜装置箱体的两端均有镀膜装置仓门303（两个）、进液口304、循环进液口305；传送装置包括：传送带901、可固定衬底903的夹具902、；加热装置包括：烘干仓1101、烘干仓门1102（两个）、与烘干仓1101并排的退火仓1103、退火仓门1104、载物台1105、真空泵1106、惰性气瓶1107。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步的说明
本实施例选用的送液装置、镀膜装置、储液装置、废液装置、传送装置以及连接各部件的管道，均采用耐腐蚀材料。
实施例1：一体化连续生产薄膜的装置及制膜方法
第一步：如图1所示，按照本发明的技术方案安装好生产装置，之间的各种管路均为能拆卸并能保证密封安装。送液装置1的底部与镀膜装置的进液口304连接，镀膜装置3的出液口通过导液管与储液装置5连接，在镀膜装置和储液装置5之间有电磁控制阀4，储液装置5与机械泵6的一端相连，机械泵6的另一端通过电磁转向阀7与镀膜装置3的循环进液口305连接或者废液装置8相连，镀膜装置左右两边各开有大小适宜的左仓门303，加热装置由烘干仓1101和退火仓1103两个部分组成，烘干仓1101上下两端各开有大小适宜的仓门1102，退火仓1103与真空泵1106、惰性气瓶1107相连，传送带贯穿于镀膜装置和加热装置，整个装置与数字电脑连接在一起。按照这个顺序搭接设备；
第二步：将衬底903安装在传送带901上，布置好管路，打开镀膜仓门303，并将衬底传送到镀膜装置中，关闭镀膜仓门303；
第三步：打开阀门2，让溶液从送液装置1经过进液口304按照每分钟液面下降1-20cm的速度流入镀膜装置中；
第四步：保持一定时间后，调控电磁控制阀4，使液体以每分钟液面下降1-20cm的速度流入储液装置5，以达到控制提拉速度的效果；
第五步：待镀膜装置中的溶液全部流入储液装置5中后，启动传送装置，将镀好的衬底传送到烘干仓1101，调节烘干仓1101的温度为100-180℃，同时从左侧传送新的衬底到镀膜装置3；
第五步：打开机械泵6，调控电磁转向阀7，使储液装置5的溶液通过循环进液口305进入镀膜装置3。重复步骤四、五。
第六步：当衬底镀到所需的厚度时，打开退火仓门1104，卸载夹具902，使衬底到达载物台1105；
第七步：关闭退火仓门1104，打开真空泵1106,对退火仓抽真空，然后打开惰性气瓶1107，通过数控设定温度为200-600℃，对薄膜进行退火处理；
第八步：当经过一定的循环后，通过电磁转向阀7将储液装置5的液体排向废液装置8，然后通过送液装置1向镀膜装置3送入新鲜的溶液，保证整个装置的连续、循环进行。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一体化连续生产薄膜的装置，其特征在于，主要包括送液装置（1）、电磁控制阀（2、4）、镀膜装置、电磁转向阀（7）、储液装置（5）、机械泵（6）、废液装置（8）、传送装置、转轴（10）、加热装置以及连接各部件的管道；镀膜装置包括：镀膜装置上盖（301）、镀膜装置箱体（302）、进液口（304）、循环进液口（305），镀膜装置箱体的两端均有开口和相应的镀膜装置仓门（303）（两个），镀膜装置仓门303可将两端的开口封闭；传送装置包括：传送带（901）、可固定衬底（903）的夹具（902），夹具（902）固定在传送带（901）上；加热装置包括：烘干箱（1101）、与烘干箱（1101）并排的退火箱（1103）、退火箱（1103）内的载物台（1105），烘干箱两端设有开口并有相应的烘干箱仓门1102（两个），烘干箱仓门可将烘干箱两端的开口的封闭，烘干箱（1101）与退火箱（1103）之间开有通口并有相应的退火箱仓门（1104），退火箱仓门可将烘干箱（1101）与退火箱（1103）之间的通口封闭；送液装置的底部与镀膜装置的进液口连接，镀膜装置箱体（302）的底端设有出液口与储液装置（5）连通，储液装置（5）底端设有出水口与机械泵（6）的一端相连，机械泵（6）的另一端通过电磁转向阀（7）与镀膜装置的循环进液口（305）连接形成循环回路，电磁转向阀（7）的第三端与废液装置（8）连接，在镀膜装置和储液装置之间有电磁控制阀（4），送液装置（1）与镀膜装置的进液口（2）；传送带（901）能够通过镀膜装置箱体两端的开口将固定有衬底（903）的夹具（902）送至镀膜装置箱体（302）内，传送带（901）经转轴（10）导向从烘干箱的开口进入烘干箱内，从烘干箱另一开口出来的传送带（901）直接进入镀膜装置的开口，形成循环的传送带（901）。
2.按照权利要求1的装置，其特征在于，送液装置、镀膜装置、储液装置、废液装置以及加热装置都固定不动。
3.按照权利要求1的装置，其特征在于，储液装置的底部为平底、锥底或圆底结构。
4.按照权利要求1的装置，其特征在于，储液装置的底部为锥底结构，在锥底处设计有一直径为15mm±1mm的出水口。
5.按照权利要求1的装置，其特征在于，转轴（10）为两叉状，在两叉端均安装有滑轮，两滑轮之间的距离d大于夹具、衬底，可使夹具、衬底从叉间通过。
6.采用权利要求1的装置进行镀膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）传送带（901）将衬底（903）置于镀膜装置箱体（302）内，关闭镀膜装置的两个仓门（303），打开电磁控制阀（2），使送液装置（1）中的镀液进入镀膜装置箱体（302）内直至浸没衬底（903）；
（2）打开电磁控制阀（4）使镀膜装置箱体（302）的镀液滴入储液装置（5）中，从而使镀膜装置箱体（302）的液面不断下降对衬底（903）进行镀膜；
（3）传送带（901）将步骤（2）的衬底送至烘干箱（1101），关闭烘干箱仓门1102（两个）和退火箱仓门（1104）进行烘干；
（4）开启机械泵（6）使储液装置（5）中的镀液从循环进液口（305）进入镀膜装置箱体（302），不断循环镀膜和烘干，直到达到所需厚度；
（5）烘干结束后，卸载夹具（902）并打开退火箱仓门（1104），将衬底（903）推入退火箱中的载物台（1105）上，再关闭退火箱仓门（1104），由真空泵（1106）对退火箱进行抽真空，并在退火箱中完成退火。
7.按照权利要求6的方法，其特征在于，所述电磁控制阀（2）、（4）控制液体的流速使每分钟液面下降1-20cm。
8.按照权利要求6的方法，其特征在于，所述传送带（901）运行的速度由数字电脑控制，其运行速度为每分钟0-100cm，即运行或暂停。
9.按照权利要求6的方法，其特征在于，所述传送带（901）贯穿镀膜装置和加热装置，形成环状结构。
10.按照权利要求6的方法，其特征在于，所述加热装置温度及时间的设定由电脑控制，烘干箱（1101）温度为100-180℃，退火箱（1103）温度为200-600℃，退火时间为10-120min。
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