CN103456830B - 薄膜太阳能电池的制造方法及其制造设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种CIGS薄膜太阳能电池的制造方法及其制造设备，该制造方法包括以下步骤。首先，提供一基板，将基板置入一扩散炉内，于扩散炉内通入第一硒化气体。进行多阶段式加热升温，升温至第一预定温度之后持温第一预定时间，之后抽出第一硒化气体。进行升温以后并且通入第二硒化气体于扩散炉内，在第二预定温度持温第二预定时间，最后在降温过程中抽出第二硒化气体。本发明的CIGS薄膜太阳能电池的制造设备，其包括一扩散炉、一冷却单元、一气体控制单元及一控制接口单元。本发明可减少吸收层膜剥落及解决MoSe2层过厚的问题。

Description

薄膜太阳能电池的制造方法及其制造设备
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池的制造方法及其制造设备，尤其涉及一种CIGS薄膜太阳能电池的硒化的制造方法及其制造设备。
背景技术
太阳能产业是未来的重点产业，而其中又以CIGS薄膜太阳能电池因为具有高转换效率以及近来制造成本的逐渐降低，使得CIGS薄膜太阳能电池发展受到瞩目。CIGS薄膜太阳能电池是使用铜、铟、镓、硒(Cu、In、Ga、Se)作为CIGS薄膜太阳能电池中的吸收层的成分组成，因此称为CIGS薄膜太阳能电池，而CIGS薄膜太阳能电池在实验室环境中已达成了出色的转换率(>19.5%)，因此CIGS薄膜太阳能电池受到业界的重视及关注。
现今而言，多数的CIGS薄膜太阳能电池吸收层是以两种技术所达成：共蒸镀法(co-evaporation)或硒化法(selenization)。共蒸镀法为同时蒸镀铜、铟、镓及硒四种材质，然后使用RTP方式形成吸收层薄膜，但由于四种不同的元素各具有不同的熔点，使得要控制化学计量化合物在一大型基板上的形成较为困难，且利用共蒸镀形成的薄膜其附着力较弱，也是此种工艺上待克服的问题。而硒化法是先将铜、铟及镓溅镀于一基板上形成前驱物膜之后，再将前驱物膜以特定浓度的H2Se或Se蒸气的反应气氛在400℃至600℃的温度下进行硒化反应以形成吸收层。虽然在前驱物膜已经精确控制铜、铟、镓三元金属的比例，但在硒化过程中生成的二元硒化物在反应过程可能会挥发，导致整体的组成偏离计量比。且硒化长晶过程亦可能造成相分离而影响元件性质，如CuInSe2与CuGaSe2分层造成Voc偏低。因此如何控制H2Se浓度，使吸收层成长为单一相、结晶性佳、无孔隙、薄的MoSe2厚度及大面积成份均匀的CIGS吸收层，已成为CIGS薄膜太阳能电池致胜的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种CIGS薄膜太阳能电池的制造方法及其制造设备。CIGS薄膜太阳能电池的制造方法是通过在不同的温度阶段分别通入含不同硒浓度的工艺气体，而达到减少吸收层膜剥落及解决MoSe2层过厚的问题。另外，CIGS薄膜太阳能电池的制造设备，则采用红外线加热器不会因热胀冷缩因素而产生变形。且加热器组成多个加热组，这些加热组可动态调整，使用者可根据需求调整功率分配，达到炉腔内较佳的均温性。并且通过冷却装置，可使得扩散炉冷却效率提高。
本发明实施例提供一种CIGS薄膜太阳能电池的制造方法，其包括以下步骤。首先，提供一基板，将基板置入一扩散炉内，于扩散炉内通入第一硒化气体。进行多阶段式加热升温，升温至第一预定温度之后持温第一预定时间，之后抽出第一硒化气体。进行升温以后并且通入第二硒化气体于扩散炉内，在第二预定温度持温第二预定时间，最后在降温过程中抽出第二硒化气体。
本发明实施例的薄膜太阳能电池的制造方法，优选的，该基板的材质为镀钼的钠玻璃、镀钼的陶瓷基材、镀钼的高分子基材或镀钼的金属基材。
本发明实施例的薄膜太阳能电池的制造方法，优选的，该第一硒化气体含H2Se的浓度大于该第二硒化气体含H2Se的浓度。
本发明实施例的薄膜太阳能电池的制造方法，优选的，该第一硒化气体为含有介于3%至20%的H2Se的惰性气体，该第二硒化气体为含有介于0%至20%的H2Se的惰性气体。
本发明实施例的薄膜太阳能电池的制造方法，优选的，该第一预定温度范围介于400至500℃之间，该第二预定温度范围介于500至600℃之间。
本发明实施例的薄膜太阳能电池的制造方法，优选的，该第一预定时间范围介于20至40分钟之间，该第二预定时间范围介于3至30分钟之间。
本发明实施例另提供一种CIGS薄膜太阳能电池的制造设备，其包括一扩散炉、一冷却单元、一气体控制单元及一控制接口单元。扩散炉其包括一外炉膛、一内炉膛及多个红外线加热器。内炉膛设置于外炉膛内，内炉膛内部形成有一炉腔。红外线加热器设置于外炉膛上，红外线加热器具有加热段及连接于加热段的固定段，红外线加热器的加热段位于外炉膛内，红外线加热器的固定段固定于外炉膛外。冷却单元设置于扩散炉中，冷却单元具有冷却管路。气体控制单元与炉腔内部达成互相通连，气体控制单元具有气体管路及气体系统。控制接口单元电性连接该扩散炉、冷却单元及气体控制单元，该控制接口单元用以控制扩散炉、冷却单元及气体控制单元。
本发明实施例的薄膜太阳能电池的制造设备，优选的，该红外线加热器弯折成U型，且该红外线加热器具有一加热段及连接于该加热段两端的两固定段。
本发明实施例的薄膜太阳能电池的制造设备，优选的，该内炉膛至少一端形成有开口，该开口配置有一金属领圈，该气体管路连接于该金属领圈。
本发明实施例的薄膜太阳能电池的制造设备，优选的，所述多个红外线加热器分别以电热丝设于石英管内所构成，该电热丝连接有电线。
本发明实施例的薄膜太阳能电池的制造设备，优选的，所述多个红外线加热器区分为多个加热组，所述多个加热组分别电性连接于一功率分配卡，所述多个加热组设有控温点，所述功率分配卡电性连接于该控制接口单元，以电动控制方式动态的调整所述多个加热组的功率分配。
本发明实施例的薄膜太阳能电池的制造设备，优选的，该冷却单元还包括一鼓风机，该鼓风机设置于该外炉膛内，以加速冷却该扩散炉内部的温度。
本发明实施例的薄膜太阳能电池的制造设备，优选的，该薄膜太阳能电池的制造设备还包括设置一警报单元，该警报单元位于该扩散炉内部，用以检测温度、毒气及压力。
本发明实施例的薄膜太阳能电池的制造设备，优选的，该气体控制单元还包括设置一冷凝器，其连接于该气体管路，该冷凝器用以收集及处理反应之后的残气。
本发明的有益效果在于，综上所述，本发明CIGS薄膜太阳能电池的制造方法主要利用两阶段式的进气与抽气，达到减少吸收层膜剥落及解决MoSe2层过厚的问题，而产生更好效能的CIGS薄膜太阳能电池。CIGS薄膜太阳能电池的制造设备是通过红外线加热器作为加热工件的热源，这些红外线加热器不会因热胀冷缩而产生变形，不会造成坍塌、损坏，也不会有固定上的问题。再者，红外线加热器在断电后，较不会有余热，所以冷却效率较佳。
为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1为本发明的CIGS薄膜太阳能电池的制造方法升温的曲线图。
图2为本发明的CIGS薄膜太阳能电池的制造方法的流程图。
图3为本发明的CIGS薄膜太阳能电池的元件效率的量测图。
图4为本发明的CIGS薄膜太阳能电池的制造设备的立体示意图。
图5为本发明的CIGS薄膜太阳能电池的制造设备局部构造的立体示意图。
图6为本发明的CIGS薄膜太阳能电池的制造设备的剖面示意图。
图7为本发明的红外线加热器的立体示意图。
图8为本发明的加热组控制的方框示意图。
图9为本发明的CIGS薄膜太阳能电池的制造设备的方框示意图。
其中，附图标记说明如下：
TA第一预定温度
TB第二预定温度
TC第一加热温度
TD第二加热温度
t1第一预定时间
t2第二预定时间
1外炉膛
11脚架
2内炉膛
21炉腔
22开口
23金属领圈
24座体
3红外线加热器
31电热丝
32石英管
33电线
3a加热段
3b固定段
4固定装置
41夹持件
42固定件
43支架
5冷却单元
51冷却管路
52鼓风机
6加热组
61功率分配卡
7气体控制单元
71气体管路
8控制接口单元
9警报单元
具体实施方式
请参考图1及图2所示，本发明提供一种CIGS薄膜太阳能电池的制造方法，亦即为一种薄膜太阳能电池的制造方法，其包括以下步骤。首先，如步骤S100所示，提供一基板，而该基板的材质可为镀钼(Mo)的钠玻璃、镀钼的陶瓷基材、镀钼的高分子基材或镀钼的金属基材，然而基板的材质并不加以限定。之后，如步骤S102所示，将基板放置于高温设备内，在本发明中的高温设备为扩散炉。接下来，降低扩散炉内氧气的含量，可经过抽气、灌氮气、再抽气、再灌氮气直到扩散炉内的氧气含量低于10ppm以下，才于扩散炉内通入第一硒化气体。其中，所通入的第一硒化气体可为含有介于3%至20%的H2Se的惰性气体，然而，本发明较佳实施例的第一硒化气体是为含有5%的H2Se的氩气(Ar)。
接下来，如步骤S104所示，进行多阶段式加热升温的工艺，目的是使得扩散炉内的温度均匀，其包括以下步骤。先加热升温到第一加热温度TC之后持温3至10分钟，第一加热温度TC范围介于100至180℃之间，然而，在本发明中较佳实施例是升温到140℃之后持温5分钟。再来，继续加热升温到第二加热温度TD之后持温5至20分钟，第二加热温度TD范围介于200至300℃之间，然而，在本发明中较佳实施例是升温到250℃之后持温10分钟。
如步骤S106所示，升温至第一预定温度TA之后持温第一预定时间t1，其中第一预定温度TA范围介于400至500℃之间，第一预定时间t1范围介于20至40分钟之间，然而，在本发明中较佳实施例是升温到450℃之后持温20分钟。之后，如步骤S108所示，在持温第一预定时间t1之后抽出第一硒化气体，亦可在第一预定时间t1的区间内抽出第一硒化气体，然而抽出第一硒化气体的时间点并不加以限定。
如步骤S110所示，通入第二硒化气体于扩散炉内，且在第二预定温度TB持温第二预定时间t2。其中，第二硒化气体为含有介于0%至20%的H2Se的惰性气体，在本发明中较佳实施例的第二硒化气体是为含有1.5%的H2Se的氩气，因此基本上第一硒化气体含H2Se的浓度是大于第二硒化气体含H2Se的浓度。然而，通入第二硒化气体的时间点，可选择性地在升温至第二预定温度TB之前通入，亦可在升温至第二预定温度TB之后，于第二预定时间t2的区间内通入，并不限定通入第二硒化气体的时间点。其中第二预定温度TB范围介于500至600℃之间，第二预定时间t2范围介于3至30分钟之间，然而，在本发明中较佳实施例是升温到550℃之后持温10分钟。
最后，如步骤S112所示，进行降温的工艺，且在降温过程中抽出第二硒化气体。然而，在本发明中较佳实施例为550℃至350℃的降温过程，控制在每分钟降温3℃，降温至500℃时将残留的第二硒化气体抽走。降温至350℃时启动冷却设备提高降温速率，且不控制降温速率，在本发明中冷却设备可为鼓风机，以加速降温的速率。降温至100℃以下后，进行通入氮气及抽真空，重复至少3次以确保无H2Se的残留，再开启炉门取出样品。
通过本发明CIGS薄膜太阳能电池的制造方法所得到的样品，先经由化学浴(CBD,ChemicalBathDeposition)产生CdS缓冲层，再以RF溅镀上100nmi-ZnO及400nmAZO的薄膜，之后网印低温银胶当作上电极，在120℃下烘干10分钟后，进行元件效率的I-V量测。I-V量测是在照度100mW/cm2下进行，试片温度控制在25℃，扫描范围由-0.1～0.7V，以二极式进行量测。如图3所示，即为量测的I-V曲线图，其元件的开路电压(Voc)为0.54V，短路电流密度(Jsc)为30.2mA/cm2，填充因子(FF)为0.61，整体效率为9.9%。
由于，在本发明中采用两阶段式的进气及抽气的方式，以及在第二预定温度TB时，第二硒化气体含H2Se的浓度低于第一硒化气体含H2Se的浓度，因此可达到减少吸收层膜剥落及解决MoSe2层过厚的问题。更进一步地说，由于H2Se在高温下会分解成H2与Se，但过多的Se会导致吸收层膜容易剥落，并且与钼(背电极层)形成过厚的MoSe2层，而造成电池效能降低。本发明在不同反应阶段分别给予不同的反应气氛浓度，也就是通过两阶段式的进气及抽气的方式，较低反应温度时给予较高的H2Se反应气氛浓度，较高反应温度时再通入较低但足够吸收层反应的H2Se反应气氛浓度，如此作法可解决吸收层膜剥落及MoSe2层过厚的问题，进而做出高转换效率的CIGS薄膜太阳能电池。
本发明另提供一种CIGS薄膜太阳能电池的制造设备，亦即为一种薄膜太阳能电池的制造设备，其包括一扩散炉、一冷却单元5、一气体控制单元7及一控制接口单元8。
请参考图4至图7所示，本发明的扩散炉其包括有一外炉膛1、一内炉膛2及多个红外线加热器3，外炉膛1为一中空体，外炉膛1的形状并不限制，可为圆形、多边形、方形或其他各种适当的形状，在本实施例中的外炉膛1为多边形。外炉膛1主要是以耐火材料（绝缘层）制成，外炉膛1至少一端形成开口状，以便置入内炉膛2。外炉膛1可连接有适当的脚架11，可用以支撑及架高外炉膛1位于适当的高度，但脚架11的构造并不限制。
内炉膛2为一中空体，可以是石英管或其他材料所制成，内炉膛2设置于外炉膛1内，内炉膛2内部形成有一炉腔21。内炉膛2至少一端形成有一开口22，开口22与炉腔21相连通，以便经由开口22将工件放置于炉腔21内。开口22可配置有一金属领圈23，金属领圈23上也可设置适当的炉门（图略），可用以开放及封闭开口22。内炉膛2可以耐火砖等制成的至少二座体24支撑设置于外炉膛1内。
红外线加热器3的构造及形状并不限制，在本实施例中红外线加热器3分别以电热丝（如钨丝）31设于石英管32内所构成（如图7所示），电热丝31连接有适当的电线33，于电热丝31通电后石英管32即可发出含有热能的红外线。每一红外线加热器3具有加热段3a及连接于加热段3a的固定段3b，在本实施例中红外线加热器3弯折成“U”型，其具有一加热段3a及连接于加热段3a两端的固定段3b。
所述多个红外线加热器3设置于外炉膛1上，并予以适当的固定，所述多个红外线加热器3的加热段3a位于外炉膛1内，且加热段3a与外炉膛1内壁间隔有适当的距离，所述多个红外线加热器3的两固定段3b固定于外炉膛1外。如图5所示，所述多个红外线加热器3的两固定段3b伸出于外炉膛1外，并利用多个固定装置4予以固定，所述多个固定装置4的构造并不限制。在本实施例中，每一固定装置4包含有一夹持件41及一固定件42，夹持件41为“U”型的弹片，其一端固定于设置在外炉膛1外壁的支架43上，夹持件41另一端可作张开及夹合的动作，用以夹持红外线加热器3的固定段3b，并利用穿设于夹持件41另一端的固定件（如螺丝）42予以锁固，使每一红外线加热器3的两固定段3b得以固定于相对应的固定装置4，以便利用所述多个固定装置4将所述多个红外线加热器3固定设置于外炉膛1上。
当红外线加热器3通电后可发出含有热能的红外线，可利用红外线对内炉膛2及置于内炉膛2的炉腔21内的工件加热，并将反应气体导入扩散炉中进行预定的工艺。
本发明利用红外线加热器3作为加热工件的热源，红外线加热器3的固定段3b可伸出于外炉膛1外，利用设置于外炉膛1外的固定装置4予以固定，所述多个红外线加热器3以石英管32构成，不会因热胀冷缩而产生变形，不会造成坍塌、损坏，也不会有固定上的问题。再者，红外线加热器3在断电后，较不会有余热，冷却效率较佳，且红外线加热器3加热速度快，均温性也较佳。
另，请参考图8所示，本发明亦可将所述多个红外线加热器3区分为多个加热组6，所述多个加热组6分别电性连接于一功率分配卡61，所述多个加热组6并设有适当的控温点（图略），可多个加热组6共用一控温点。所述功率分配卡61电性连接于一控制接口单元8，从而可利用电控方式动态的调整所述多个加热组6的功率分配，藉以构成一动态调温装置。所述多个加热组6各自独立、可各自调整，所述多个加热组6可利用电控方式动态的调整，制造者及使用者皆可根据需求调整功率分配，达到炉腔21内部较佳的均温性。这里的电控方式则为电动控制的方式。
请参考图9所示，本发明的CIGS薄膜太阳能电池的制造设备，亦即为薄膜太阳能电池的制造设备，其更包括一冷却单元5、一气体控制单元7、一控制接口单元8及一警报单元9。冷却单元5则包括冷却管路51及鼓风机52，其中，冷却管路51设置于外炉膛1的外部，并且环绕所述多个红外线加热器3，由于冷却管路51内部具有循环冷却水，可用以协助降温。鼓风E机52则设置于外炉膛1与内炉膛2之间(如图6所示)，并连通于扩散炉外，当进行降温时，鼓风机52可以加速冷却扩散炉内部的温度。
气体控制单元7则与炉腔21内部达成互相通连，气体控制单元7具有气体管路71及气体系统(图略)，气体系统具有进气及抽气的功能，亦即气体系统内可装有要进行反应的气体以及可进行抽气的装置，且气体管路71连接于该金属领圈23(如图6所示)，因此气体系统可通过气体管路71将反应气体通入于炉腔21内部，亦可通过气体管路71将炉腔21内部的气体予以抽出，或是进行抽真空的工艺。该气体控制单元7还包括设置一冷凝器(Coldtrap)(图略)，其连接于该气体管路71，冷凝器用以收集及处理反应之后的残气，以降低反应气体对设备的损害。控制接口单元8则是用以控制扩散炉、冷却单元5及气体控制单元7，作为控制反应进行的操作接口，也即控制接口单元8电性连接扩散炉、冷却单元5及气体控制单元7，控制接口单元8上有可进行操作及显示的装置，以供使用者进行操作。
扩散炉内亦可设置一警报单元9，用以检测于反应过程中的温度、毒气及压力是否异常，并且可于反应发生异常时发出警告。亦可电性连接控制接口单元8，当反应发生异常时可通过控制接口单元8，即时停止反应的进行，达到保护的功能。
综上所述，本发明具有下列诸项优点：
本发明CIGS薄膜太阳能电池的制造方法，通过两阶段式的进气及抽气的方式，以及在温度较高时，气体所通入H2Se的浓度较低但仍足够吸收层反应，因此可达到减少吸收层膜剥落及解决MoSe2层过厚的问题，容易制作出高效能的CIGS薄膜太阳能电池。
本发明CIGS薄膜太阳能电池的制造设备，主要是利用红外线加热器作为加热工件的热源，所述多个红外线加热器不会因热胀冷缩而产生变形，在断电后较不会产生余热。且加热组各自独立、可各自调整，所述多个加热组可利用电控方式动态的调整，使用者可根据需求调整功率分配，达到炉腔内部较佳的均温性。
惟以上所述仅为本发明的较佳实施例，非意欲局限本发明的专利保护范围，故举凡运用本发明说明书及附图内容所为的等同变化，均同理皆包含于本发明的权利保护范围内，合予陈明。

Claims (5)

1.一种薄膜太阳能电池的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一基板；
将该基板置入一扩散炉内，于该扩散炉内通入第一硒化气体；
进行多阶段式加热升温，升温至第一预定温度之后持温第一预定时间；
抽出该第一硒化气体，之后进行升温；
通入第二硒化气体于该扩散炉内，该第一硒化气体含H2Se的浓度大于该第二硒化气体含H2Se的浓度；
在第二预定温度持温第二预定时间；以及
进行降温且在降温过程中抽出该第二硒化气体。
2.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池的制造方法，其特征在于，该基板的材质为镀钼的钠玻璃、镀钼的陶瓷基材、镀钼的高分子基材或镀钼的金属基材。
3.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池的制造方法，其特征在于，该第一硒化气体为含有介于3％至20％的H2Se的惰性气体，该第二硒化气体为含有介于0％至20％的H2Se的惰性气体。
4.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池的制造方法，其特征在于，该第一预定温度范围介于400至500℃之间，该第二预定温度范围介于500至600℃之间。
5.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池的制造方法，其特征在于，该第一预定时间范围介于20至40分钟之间，该第二预定时间范围介于3至30分钟之间。
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