CN103320774A

CN103320774A - 一种化学水浴沉积硫化镉薄膜的方法及装置

Info

Publication number: CN103320774A
Application number: CN2013102967791A
Authority: CN
Inventors: 张宁; 张涛; 余新平; 张至树; 徐刚
Original assignee: Beijing Sifang Automation Co Ltd
Current assignee: Beijing Sifang Automation Co Ltd
Priority date: 2013-07-15
Filing date: 2013-07-15
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2033-07-15
Also published as: CN103320774B

Abstract

本发明公开了一种化学水浴沉积硫化镉薄膜的方法及装置，所述方法包括以下步骤：（1）清洗衬底并吹干；（2）安装衬底；（3）预热衬底；（4）配置溶液；（5）反应沉积；（6）后续处理：将镀膜衬底用去离子水冲洗，然后吹干或烘干。所述装置包括反应容器和恒温箱，漫淋槽、衬底、专用夹具和传输装置均置于恒温箱内，反应溶液流经加热器后注入漫淋槽，专用夹具与衬底底部设有传输装置。本发明不采用恒温水浴装置、搅拌装置和超声波辅助沉积，适于连续化生产，提高了生产效率并且对衬底仅单面镀膜，改善了衬底镀膜后的美观度，沉积的硫化镉薄膜均匀且致密，成膜质量高，满足薄膜太阳能电池缓冲层需要。

Description

一种化学水浴沉积硫化镉薄膜的方法及装置

技术领域

本申请属于薄膜太阳能电池技术领域，具体涉及一种采用化学水浴沉积硫化镉薄膜的方法及装置，主要用于铜铟镓硒薄膜太阳能电池制备技术。

背景技术

铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池具有光谱响应范围宽、光电转换效率高、发电效益好、无衰退、抗辐射、寿命长、成本低等特点。经过近30年的研究和发展，其光电转化效率为所有已知薄膜太阳能电池中最高，已成为最有发展前途的光伏电池技术之一。作为缓冲层，硫化镉薄膜与CIGS吸收层薄膜共同构成p-n结，对CIGS薄膜太阳能电池性能改善起着十分重要的作用。化学水浴法是目前制备硫化镉薄膜最常用的方法之一。但是传统的化学水浴法往往需要恒温水浴装置并采用机械搅拌或者超声波辅助沉积，能耗较高，不适于连续化生产，并且由于衬底全部浸在反应溶液中，会在不需要沉积的衬底背面也生长出薄膜，影响美观。

发明内容

本申请的目的是提供一种化学水浴沉积硫化镉薄膜的方法及装置。相比传统的化学水浴法，本发明不采用恒温水浴装置、搅拌装置和超声波辅助沉积，可用于连续化生产，提高了生产效率并且仅对衬底单面镀膜，改善了衬底镀膜后的美观度，沉积的硫化镉薄膜均匀且致密，成膜质量高，满足CIGS薄膜太阳能电池缓冲层需要。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：

一种化学水浴沉积硫化镉薄膜的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）清洗衬底：将衬底清洗干净，然后吹干；

（2）安装衬底：将衬底置于夹具上，并将衬底与水平面之间的夹角设定在3°～60°之间；

（3）预热衬底：将衬底通过恒温箱加热，将恒温箱内环境温度维持在55～90℃之间以预热衬底，使得预热后的衬底温度与设定的溶液反应温度之间的温差控制在±10℃以内；

（4）配置溶液：将镉盐、氨水、缓冲剂、硫脲、去离子水按一定比例混合制成反应溶液，然后兑入反应容器中；

（5）反应沉积：用水泵将反应溶液抽出，反应溶液流经加热器并被快速加热至反应温度60～85℃之间，采用漫淋方式使反应溶液在衬底上均匀铺展并持续流过，在化学反应的作用下，硫化镉薄膜生长至所需厚度，总的反应时间为10～50min；

（6）后续处理：通过传输装置将夹具与镀膜衬底同时移至另一位置，采用去离子水冲洗，然后将清洗后的衬底移至干燥装置内进行吹干或烘干。

基于上述的化学水浴沉积硫化镉薄膜的方法，还进一步包括以下优选方案：

上述的一种化学水浴沉积硫化镉薄膜的方法，其特征在于：在步骤（4）中，所述镉盐为硫酸镉、乙酸镉、氯化镉、碘化镉等的一种；所述缓冲剂为氯化铵、硫酸铵、乙酸铵等的一种。

上述的一种化学水浴沉积硫化镉薄膜的方法，其特征在于：在步骤（4）中，所述镉盐产生的Cd²⁺浓度为0.5～8mM；氨水浓度为0.1～1M；所述铵盐产生的NH₄ ⁺浓度为0～50mM；所述硫脲的浓度为5～100mM。

上述的一种化学水浴沉积硫化镉薄膜的方法，其特征在于：在步骤（5）中，所述反应溶液的加热速率≥10℃/s。

本申请还公开了一种化学水浴沉积硫化镉薄膜的装置，其特征在于:

所述装置包括反应容器2、水泵3、出液管4、恒温箱15、漫淋槽6、夹具13；

在所述反应容器2内兑入配置好的反应溶液；

恒温箱15内设置有漫淋槽6、夹具13，所述漫淋槽6溢出口的一边槽体截面为弧面，所述夹具13的一倾斜面用于放置待沉积硫化镉薄膜的衬底7，并使得衬底上沿伸入漫淋槽6溢出口下方；

通过水泵3和出液管4将反应容器2中的反应溶液注入至恒温箱5内的漫淋槽6中。

基于本申请公开的化学水浴沉积硫化镉薄膜的装置，其还可以进一步包括以下优选方案：

所述装置还进一步包括加热器5、阀门16和恒温箱自带的温度控制器，加热器5和阀门16均安装在出液管4上；

通过所述加热器5加热反应溶液至反应温度，通过水泵3和阀门16调节反应溶液1的压力和流量；

通过温度控制器将恒温箱内环境维持在预定温度以加热衬底并维持反应溶液的反应温度。

所述衬底与所述夹具之间通过橡胶衬垫密封，以防反应溶液流至所述衬底背面；所述衬底与水平面之间的夹角可通过调节杆调整；所述衬底是玻璃、不锈钢、聚酰亚胺的一种。

所述夹具底部设有传输装置；在反应沉积时，所述夹具与设置在夹具斜面上的衬底既可由所述传输装置带动同时连续移动，也可保持静止不动；其中，所述传输装置由传动轮12和导轨11构成，传动轮12安装在夹具底部，导轨设置在恒温箱的底面上。

所述装置还包括废液槽10，其槽口邻接在衬底下沿，使反应后的废弃溶液经废液槽10流向废液收集装置。

本发明的有益结果是：采用漫淋的方式制备硫化镉薄膜，通过调整水泵压力、节流阀门和衬底与水平面的夹角调节反应溶液流经衬底表面的流量和流速，可以尽可能地减少反应原料用量。本发明不采用恒温水浴装置、搅拌装置和超声波辅助沉积，结构比较简单，能耗较低。在反应沉积时，衬底既可连续移动也可保持静止不动，便于工艺调整，适合连续化生产，提高了生产效率，通过水流冲刷避免了薄膜中气泡的形成以及大颗粒在薄膜表面的吸附；反应沉积后，衬底可不从夹具上取下便立即进行清洗、吹干等后续处理过程，保证了镀膜的均匀性和致密性，成膜质量高，满足CIGS薄膜太阳能电池缓冲层需要。另外，在反应沉积时，对衬底仅单面镀膜，改善了衬底镀膜后的美观度。

附图说明：

图1为本发明化学水浴沉积硫化镉薄膜方法流程示意图；

图2为本发明沉积硫化镉薄膜装置结构示意图；

图3为图2中A-A断面的剖视图；

图4为本发明实施例所制备的硫化镉薄膜的表面形貌图；

图5为本发明实施例所制备的硫化镉薄膜的透过率图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

图1所示为本发明化学水浴沉积硫化镉薄膜方法流程示意图，本发明公开的化学水浴沉积硫化镉薄膜的方法包括以下步骤：

（1）清洗衬底：将衬底清洗干净，然后吹干；

（2）安装衬底：将衬底置于夹具上，将衬底与水平面之间的夹角设定在3°～60°之间；

（4）配置溶液：将镉盐、氨水、缓冲剂、硫脲、去离子水按一定比例混合制成反应溶液，然后兑入反应容器中；所述镉盐为硫酸镉、乙酸镉、氯化镉、碘化镉等的一种；所述缓冲剂为氯化铵、硫酸铵、乙酸铵等的一种；所述镉盐产生的Cd²⁺浓度为0.5～8mM；氨水浓度为0.1～1M；所述铵盐产生的NH₄ ⁺浓度为0～50mM；所述硫脲的浓度为5～100mM；

（5）反应沉积：用水泵将反应溶液抽出，反应溶液流经加热器并被快速加热至反应温度60～85℃之间，反应溶液的加热速率≥10℃/s，采用漫淋方式使反应溶液在衬底上均匀铺展并持续流过，在化学反应的作用下，硫化镉薄膜生长至所需厚度，总的反应时间为10～50min；反应后的废弃溶液流向废液收集装置；

下面介绍本发明化学水浴沉积硫化镉薄膜装置实施例。

图2所示为本发明沉积硫化镉薄膜装置结构示意图。所述装置包括反应容器2、水泵3、出液管4、恒温箱15、漫淋槽6、夹具13。漫淋槽6、衬底7、专用夹具13和传输装置均置于恒温箱15内，恒温箱自带温度控制器。加热器5和阀门16均安装在出液管4上。将镉盐、氨水、缓冲剂、硫脲、去离子水按一定比例混合配制成反应溶液1兑入反应容器2中。将清洗、吹干后的衬底7置于夹具13上，通过调节杆9设定衬底与水平面之间的夹角。漫淋槽6溢出口的一边槽体截面为弧面，衬底上沿伸入漫淋槽6溢出口下方。衬底7与夹具13之间通过橡胶衬垫14密封以防反应溶液流至衬底背面。衬底7可以是玻璃、不锈钢、聚酰亚胺等材质。加热恒温箱15，通过温度控制器和四周的加热器将恒温箱15内环境维持在预订温度以加热衬底7并维持反应温度。采用水泵3将反应溶液1抽出，通过水泵3和阀门16调节反应溶液1的压力和流量，反应溶液1经出液管4流经加热器5被快速加热至反应温度后注入漫淋槽6，然后不断溢出并在衬底7上均匀铺展并持续流过8，在化学反应的作用下，硫化镉薄膜生长至所需厚度。反应后的废弃溶液经废液槽10流向废液收集装置，废液槽10的槽口邻接在衬底7下沿以便于废液收集。夹具13底部设有传输装置，由传动轮12和导轨11构成。传动轮12安装在夹具13底部，导轨11设置在恒温箱15的底面上。在反应沉积时，夹具13与设置在夹具斜面上的衬底7既可由传输装置带动同时连续移动，也可保持静止不动。在反应结束后，通过传输装置将夹具13与镀膜后衬底7同时移至另一位置，用去离子水冲洗，然后将清洗后的衬底7移至干燥装置内进行吹干或烘干。

图3所示为图2中A-A断面的剖视图。在反应沉积时，反应溶液1从衬底7上均匀铺展并持续流过，衬底7与夹具13之间通过橡胶衬垫14密封以防反应溶液流至衬底背面。

下面结合本发明化学水浴沉积硫化镉薄膜方法实施例作进一步说明。

实施例：

（1）清洗衬底：将纳钙玻璃衬底清洗干净，然后吹干；

（2）安装衬底：将衬底置于夹具上，将衬底与水平面之间的夹角设定在15°；

（3）预热衬底：加热恒温箱，将衬底温度预热至75℃±10℃以内；

（4）配置溶液：将2mM硫酸镉、0.5mM氨水、20mM氯化铵、30mM硫脲和去离子水混合制成反应溶液，然后兑入反应容器中；

（5）反应沉积：用水泵将反应溶液抽出，反应溶液流经加热器并以20℃/s被快速加热至反应温度75℃，然后流经漫淋槽并不断溢出；反应溶液在衬底上均匀铺展并持续流过，总的反应时间为30min；

（6）后续处理：反应结束后，通过传输装置将夹具与镀膜衬底同时移至另一位置，采用去离子水冲洗，然后将清洗后的衬底移至干燥装置内吹干。

图4所述为实施例所制备的硫化镉薄膜的表面形貌图，可见实施例所制备的硫化镉薄膜致密，晶粒较大。图5所示为明实施例所制备的硫化镉薄膜的透过率图，可见实施例所制备的硫化镉薄膜透过率较高，经计算其Eg在2.41eV，适合用于CIGS薄膜太阳能电池缓冲层。

以上给出的实施例用以说明本发明和它的实际应用，并非对本发明作任何形式上的限制，任何一个本专业的技术人员在不偏离本发明技术方案的范围内，依据以上技术和方法作一定的修饰和变更当视为等同变化的等效实施例。

Claims

1.一种化学水浴沉积硫化镉薄膜的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）清洗衬底：将衬底清洗干净，然后吹干；

2.根据权利要求1所述的化学水浴沉积硫化镉薄膜的方法，其特征在于：

在步骤（4）中，所述镉盐为硫酸镉、乙酸镉、氯化镉、碘化镉中的一种；所述缓冲剂为氯化铵、硫酸铵、乙酸铵中的一种。

3.根据权利要求1或2所述的化学水浴沉积硫化镉薄膜的方法，其特征在于：

在步骤（4）中，所述镉盐产生的Cd²⁺浓度为0.5～8mM；氨水浓度为0.1～1M；所述铵盐产生的NH₄ ⁺浓度为0～50mM；所述硫脲的浓度为5～100mM。

4.根据权利要求1所述的化学水浴沉积硫化镉薄膜的方法，其特征在于：

在步骤（5）中，所述反应溶液的加热速率≥10℃/s。

5.一种化学水浴沉积硫化镉薄膜的装置，其特征在于:

所述装置包括反应容器、水泵、出液管、恒温箱、漫淋槽、夹具；

在所述反应容器内兑入配置好的反应溶液；

恒温箱内设置有漫淋槽、夹具，所述漫淋槽溢出口的一边槽体截面为弧面，所述夹具的一倾斜面用于放置待沉积硫化镉薄膜的衬底，并使得衬底上沿伸入漫淋槽溢出口下方；

通过水泵和出液管将反应容器中的反应溶液注入至恒温箱内的漫淋槽中。

6.根据权利要求5所述的化学水浴沉积硫化镉薄膜的装置，其特征在于:

所述装置还进一步包括加热器、阀门和恒温箱自带的温度控制器，加热器和阀门均安装在出液管上；

通过所述加热器加热反应溶液至反应温度，通过水泵和阀门调节反应溶液的压力和流量；

7.根据权利要求5或6所述的化学水浴沉积硫化镉薄膜的装置，其特征在于：

8.根据权利要求5或6所述的化学水浴沉积硫化镉薄膜的装置，其特征在于：

所述夹具底部设有传输装置；在反应沉积时，所述夹具与设置在夹具斜面上的衬底既可由所述传输装置带动同时连续移动，也可保持静止不动；其中，所述传输装置由传动轮和导轨构成，传动轮安装在夹具底部，导轨设置在恒温箱的底面上。

9.根据权利要求5或6所述的化学水浴沉积硫化镉薄膜的装置，其特征在于：

所述装置还包括废液槽，其槽口邻接在衬底下沿，使反应后的废弃溶液经废液槽流向废液收集装置。