CN103397305B - 硒化/硫化处理装置 - Google Patents
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Abstract
一种硒化/硫化处理装置，包括反应炉、样片传送机构及离子生成器。反应炉内部开设有反应腔；样片传送机构用于放置并传送沉积有前驱体的样片，所述样片位于所述反应腔顶部；离子生成器设置于所述反应腔的底部，并与所述样片相对，所述离子生成器包括收容壳及射频天线；收容壳上开设有收容槽，所述收容槽用于收容硒源或硫源；射频天线设置于所述收容壳外侧，所述射频天线与外部射频电源电连接，用于产生射频电场以将硒源或硫源电离为硒离子或硫离子。上述硒化/硫化处理装置通过射频天线产生射频电场，以将硒源或硫源电离生成高活性的硒离子或硫离子，提高了硒化或者硫化的质量，制得的太阳能电池吸收层质量较好，进而提高了太阳能电池的转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及光伏发电技术，特别是涉及一种硒化/硫化处理装置。
背景技术
随着常规能源的日益贫乏及环境污染的日渐严重，人类社会的可持续发展与能源、环境三者之间的矛盾也变得更加激烈。利用绿色可再生能源是解决上述矛盾的唯一途径。太阳能发电是绿色可再生能源中一个重要组成部分，其发展潜力巨大。
在各类太阳能电池中，铜铟镓硒（CuIn1-xGaxSe2，CIGS）薄膜太阳能电池具有成本低、性能稳定、抗辐射强、光电转换效率高等优点，被国际上称为下一时代最具有前途的廉价薄膜太阳能电池，是未来太阳能电池的主流产品。
CIGS薄膜太阳能电池的关键工艺是制备铜铟镓硒光吸收层，其主要方法之一是溅射硒化法。溅射硒化法的具体做法包括：首先采用磁控溅射法制备铜铟镓（Cu-In-Ga）金属预制层，然后将金属预置层在硒气氛中退火，硒化生成铜铟镓硒薄膜。
此外，另一种新型薄膜太阳能电池是具有锌黄锡矿结构的铜锌锡硫或者铜锌锡硫硒CZTS（Cu2ZnSnS4、Cu2ZnSnSe4）薄膜太阳能电池，其禁带宽度与半导体太阳电池的最佳禁带宽度1.5eV十分接近，其吸收系数可达到104cm-1。并且，铜、锌、锡、硒在地球上的储量非常丰富，价格便宜，并且都是环境友好元素，不含有毒成分，已经成为当今光伏领域研究的热点领域，有可能成为未来光伏电池的主流产品。
CZTS薄膜太阳能电池的关键工艺是通过溅射法获得CZTS前驱体，其一般为在低温下Cu、ZnS、SnS多靶材共溅射，几种靶材材料混合在衬底上生长成薄膜。也可以使用多靶材Cu、ZnS、SnS2依次溅射，几种靶材材料在衬底上分层沉积生长成薄膜。在获得的前驱体薄膜中Cu、Zn、Sn、S各种元素的量具有合理的化学配比。然后在高温下硫化退火以形成铜锌锡硫薄膜，或者同时硒化和硫化，获得铜锌锡硫硒薄膜。
这种薄膜前驱体的硒化或硫化一般采用硒化氢或硫化氢气体，但硒化氢或硫化氢气体具有剧毒，在运输、保存、使用等方面存在着极大的危险。在传统的太阳能电池制备方法中，一般采用固态硒或固态硫取代剧毒的硒化氢或硫化氢气体，但是固态硒或固态硫在加热过程中形成的硒蒸气或硫蒸气中存在大量的硒原子团Sen(2≤n≤8)或硫原子团Sn(2≤n≤10)，导致了硒或硫的活性差，不易参与反应，造成薄膜内的缺陷较多、不均匀，且重复性不好，直接影响了太阳能电池吸收层的质量，也直接影响了太阳能电池的光电转换效率。
发明内容
基于此，有必要提供一种所制得的太阳能电池吸收层质量较好的硒化/硫化处理装置。
一种硒化/硫化处理装置，包括：
反应炉，其内部开设有反应腔；
样片传送机构，所述样片传送机构用于放置并传送沉积有前驱体的样片，所述样片位于所述反应腔顶部；及
离子生成器，设置于所述反应腔的底部，并与所述样片相对，所述离子生成器包括：
收容壳，其上开设有收容槽，所述收容槽用于收容硒源或硫源；及
射频天线，设置于所述收容壳外侧，所述射频天线与外部射频电源电连接，用于产生射频电场以将硒源或硫源电离为硒离子或硫离子。
在其中一个实施例中，还包括第一网格电极及第二网格电极，所述第一网格电极及所述第二网格电极设置于所述样片与所述离子生成器之间，所述第一网格电极与所述第二网格电极相互平行，且所述第一网格电极较所述第二网格电极更靠近所述离子生成器，所述第一网格电极及所述第二网格电极间产生由所述第二网格电极指向所述第一网格电极的电场，所述硒离子或硫离子经过所述电场加速后射向所述样片。
在其中一个实施例中，所述第一网格电极及所述第二网格电极的网格为圆形或多边形结构，所述第一网格电极接地，所述第二网格电极与外部电源的正极电连接。
在其中一个实施例中，所述离子生成器还包括加热机构，所述加热机构设置于所述收容壳外侧，并与所述射频天线相独立，所述加热机构用于对硒源或硫源进行加热。
在其中一个实施例中，所述收容壳为一端开口的盒体，所述射频天线为平面螺旋状结构，并设置于所述收容壳底部外侧，所述加热机构为环状结构，并围绕于所述收容壳周围。
在其中一个实施例中，所述收容壳为一端开口的盒体，所述射频天线为弹簧状结构，并围绕于所述收容壳周围，所述加热机构设置于所述收容壳底部外侧。
在其中一个实施例中，还包括进气管及抽真空管，所述进气管及所述抽真空管均与所述反应腔相导通。
在其中一个实施例中，所述样片传送机构上还设有样片加热器。
在其中一个实施例中，所述离子生成器为多个，且多个所述离子生成器并列设置，所述样片传送机构可滑动地设置于所述反应腔的腔壁上，并位于所述反应腔的顶部。
在其中一个实施例中，所述样片传送机构包括放卷滚轮及收卷滚轮，所述放卷滚轮及所述收卷滚轮均设置于所述反应炉外，所述样片为柔性薄膜，所述柔性薄膜的两端分别卷绕于所述放卷滚轮及所述收卷滚轮，并穿设所述反应炉，所述放卷滚轮转动以将所述柔性薄膜传送至所述收卷滚轮，所述收卷滚轮转动以使所述柔性薄膜卷绕于其外侧。
上述硒化/硫化处理装置，与传统的硒化/硫化处理装置相比，至少具有以下优点：
首先，上述硒化/硫化处理装置通过射频天线产生射频电场，以将硒源或硫源电离，生成高活性的硒离子或硫离子，提高了硒化或者硫化的质量，制得的太阳能电池吸收层结构致密，结晶充分、重复性好，进而提高了太阳能电池的光电转换效率。
此外，上述硒化/硫化处理装置中设有第一网格电极及第二网格电极，第一网格电极与第二网格电极间产生加速电场，使得硒离子或硫离子加速飞向样片，避免了大量硒蒸气或硫蒸气环绕样片，并不受控制地在温度稍低的位置进行沉积，污染反应炉，简化了清洁反应炉的操作，节约了人力成本。
最后，上述硒化/硫化处理装置均采用固态的硒颗粒或硫颗粒作为硒源或硫源，以取代剧毒的硒化氢或硫化氢气体，保证了人身安全。
附图说明
图1为本发明较佳实施例中的硒化/硫化处理装置的结构图；
图2为图1所示硒化/硫化处理装置一实施例的离子生成器的结构图；
图3为另一实施例的硒化/硫化处理装置的结构图；
图4为再一实施例的硒化/硫化处理装置的结构图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1，本发明较佳实施例中的硒化/硫化处理装置100，包括反应炉110、进气管120、抽真空管130、样片传送机构140、离子生成器150、第一网格电极160及第二网格电极170。
反应炉110内部开设有反应腔112。抽真空管130与反应腔112相导通，外部真空泵（图未示）可通过抽真空管130对反应腔112抽真空。进气管120与反应腔112相导通。氩气可通过进气管120通入并在反应腔112中维持一定的稳定气压。此外，还可通过进气管120向反应腔112内通入一定的氩气或氩气与氢气的混合气体，以促进生成更多的硒离子或硫离子。
样片传送机构140用于放置并传送沉积有前驱体的样片200，当样片200放置于样片传送机构140上时，样片200位于反应腔112的顶部。样片传送机构140上还设有样片加热器142，用来对样片200进行加热。样片加热器142通过加热控制器（图未示）进行精确设定，可以使样片200按照设定的温度曲线升温、维持与降温。
离子生成器150设置于反应腔112的底部，并与样片200相对。离子生成器150包括收容壳152、射频天线154、加热机构156及冷却机构158。
收容壳152一端开口的盒体。收容壳152上开设有收容槽152a，收容槽152a用于收容硒源或硫源。硒源一般为硒颗粒，硫源一般为硫颗粒。
射频天线154设置于收容壳152底部外侧，射频天线154与外部射频电源（图未示）电连接。射频天线154用于产生射频电场以将硒源或硫源电离为硒离子或硫离子。
加热机构156设置于收容壳152外侧的底部或者侧壁，并与射频天线154相独立，加热机构156用于对硒源或硫源进行加热。具体的，加热机构156对作为硒源或硫源的硒颗粒或硫颗粒进行加热，使其融化为液态，以促进硒蒸气或硫蒸气的形成。射频天线154产生射频电场，以使硒蒸气或硫蒸气电离为硒离子或硫离子。
冷却机构158设置于收容壳152外侧，用于对射频天线154进行冷却。
具体在本实施例中，射频天线154为平面螺旋状结构，并设置于收容壳152底部外侧，加热机构156为环状结构，并围绕于收容壳152周围。可以理解，请一并参阅图2，在其它实施例中，射频天线154为弹簧状结构，并围绕于收容壳152周围，加热机构156设置于收容壳152底部外侧。
需要指出的是，在上述离子生成器150中，加热机构156可以省略，射频天线154直接将固态的硒或硫电离成硒离子或硫离子。请再次参阅图1，样片200与离子生成器150之间间隔10～50厘米。第一网格电极160及第二网格电极170设置于样片200与离子生成器150之间，第一网格电极160与第二网格电极170相互平行，且第一网格电极160较第二网格电极170更靠近离子生成器150。第一网格电极160及第二网格电极170间产生由第二网格电极170指向第一网格电极160的电场。射频天线154产生的射频电场使得硒源或硫源产生硒离子或硫离子，硒离子或硫离子经过电场加速后射向样片200。
在硒化/硫化处理装置100中加入第一网格电极160及第二网格电极170，使得离子生成器150与样片200之间形成由第二网格电极170指向第一网格电极160的电场，由离子生成器150生成的带负电的硒离子或硫离子经过电场加速后射向样片200，以硒化或硫化样片200上沉积的前驱体。
具体在本实施例中，第一网格电极160及所述第二网格电极170的网格为圆形或多边形结构。第一网格电极160接地，第二网格电极170与外部电源的正极电连接，以使第一网格电极160与第二网格电极170之间形成由第二网格电极170指向第一网格电极160的电场。可以理解，第一网格电极160及第二网格电极170还可采用其它方式与外部电源进行电连接，只需满足第二网格电极170的电势高于第一网格电极160即可。
请一并参阅图3，为了流水化作业，以及硒化或硫化同时进行的需要，离子生成器150可为多个，且多个离子生成器150并列设置。样片传送机构140可滑动地设置于反应腔112的腔壁上，并位于反应腔112的顶部。具体的，反应腔112的顶部的腔壁上可设有滑轨，样片传送机构140可滑动地设置于滑轨上，样片200放置于样片传送机构140上，并随样片传送机构140依次经过各个离子生成器150的上方。
请一并参阅图4，需要指出的是，为了进一步满足流水化作业的需求，样片200可为柔性薄膜。样片传送机构140包括放卷滚轮140a及收卷滚轮140b。放卷滚轮140a及收卷滚轮140b均设置于反应炉110外，柔性薄膜的两端分别卷绕于放卷滚轮140a及收卷滚轮140b，并穿设反应炉110。柔性薄膜位于离子生成器150的上方，离子生成器150生成的硒离子或硫离子射向柔性薄膜并发生硒化或硫化反应。放卷滚轮140a转动以将柔性薄膜传送至收卷滚轮140b，收卷滚轮140b转动以使柔性薄膜卷绕于其外侧。
上述硒化/硫化处理装置100，与传统的硒化/硫化处理装置相比，至少具有以下优点：
首先，上述硒化/硫化处理装置100通过射频天线154产生射频电场，以将硒源或硫源电离，生成高活性的硒离子或硫离子，提高了硒化或者硫化的质量，制得的太阳能电池吸收层结构致密，结晶充分、重复性好，进而提高了太阳能电池的光电转换效率。
此外，上述硒化/硫化处理装置100中设有第一网格电极160及第二网格电极170，第一网格电极160与第二网格电极170间产生加速电场，使得硒离子或硫离子加速飞向样片200，避免了大量硒蒸气或硫蒸气环绕样片200，并不受控制地在温度稍低的位置进行沉积，污染反应炉110，简化了清洁反应炉110的操作，节约了人力成本。
最后，上述硒化/硫化处理装置100均采用固态的硒颗粒或硫颗粒作为硒源或硫源，以取代剧毒的硒化氢或硫化氢气体，保证了人身安全。
以上所述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)
1.一种硒化/硫化处理装置，其特征在于，包括：
反应炉，其内部开设有反应腔；
样片传送机构，所述样片传送机构用于放置并传送沉积有前驱体的样片，所述样片位于所述反应腔顶部；及
离子生成器，设置于所述反应腔的底部，并与所述样片相对，所述离子生成器包括：
收容壳，其上开设有收容槽，所述收容槽用于收容硒源或硫源；及
射频天线，设置于所述收容壳外侧，所述射频天线与外部射频电源电连接，用于产生射频电场以将硒源或硫源电离为硒离子或硫离子；
所述硒化/硫化处理装置还包括第一网格电极及第二网格电极，所述第一网格电极及所述第二网格电极设置于所述样片与所述离子生成器之间，所述第一网格电极与所述第二网格电极相互平行，且所述第一网格电极较所述第二网格电极更靠近所述离子生成器，所述第一网格电极及所述第二网格电极间产生由所述第二网格电极指向所述第一网格电极的电场，所述硒离子或硫离子经过所述电场加速后射向所述样片。
2.根据权利要求1所述的硒化/硫化处理装置，其特征在于，所述第一网格电极及所述第二网格电极的网格为圆形或多边形结构，所述第一网格电极接地，所述第二网格电极与外部电源的正极电连接。
3.根据权利要求1所述的硒化/硫化处理装置，其特征在于，所述离子生成器还包括加热机构，所述加热机构设置于所述收容壳外侧，并与所述射频天线相独立，所述加热机构用于对硒源或硫源进行加热。
4.根据权利要求3所述的硒化/硫化处理装置，其特征在于，所述收容壳为一端开口的盒体，所述射频天线为平面螺旋状结构，并设置于所述收容壳底部外侧，所述加热机构为环状结构，并围绕于所述收容壳周围。
5.根据权利要求3所述的硒化/硫化处理装置，其特征在于，所述收容壳为一端开口的盒体，所述射频天线为弹簧状结构，并围绕于所述收容壳周围，所述加热机构设置于所述收容壳底部外侧。
6.根据权利要求1所述的硒化/硫化处理装置，其特征在于，还包括进气管及抽真空管，所述进气管及所述抽真空管均与所述反应腔相导通。
7.根据权利要求1所述的硒化/硫化处理装置，其特征在于，所述样片传送机构上还设有样片加热器。
8.根据权利要求1所述的硒化/硫化处理装置，其特征在于，所述离子生成器为多个，且多个所述离子生成器并列设置，所述样片传送机构可滑动地设置于所述反应腔的腔壁上，并位于所述反应腔的顶部。
9.根据权利要求1所述的硒化/硫化处理装置，其特征在于，所述样片传送机构包括放卷滚轮及收卷滚轮，所述放卷滚轮及所述收卷滚轮均设置于所述反应炉外，所述样片为柔性薄膜，所述柔性薄膜的两端分别卷绕于所述放卷滚轮及所述收卷滚轮，并穿设所述反应炉，所述放卷滚轮转动以将所述柔性薄膜传送至所述收卷滚轮，所述收卷滚轮转动以使所述柔性薄膜卷绕于其外侧。
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