CN103560169A - 一种大型太阳能薄膜电池片组件生产工艺及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大型太阳能薄膜电池片组件的生产工艺及设备，其工艺包括：薄膜层的制备；划线；汇流；合片；高压釜加固等步骤。本发明在高真空或者超高真空环境下，用电子束蒸发辅以离子源和修正板装置制备铜铟镓硒（CIGS）制备薄膜太阳能电池片组件，该方法使用非反应性离子源并在真空环境中加入惰性气体作为工作气体、另使用真空沉积的电子束蒸发方式来制备大面积电池片；本工艺使用多位坩埚将缓冲层硫化镉(CdS)或硫化锌（ZnS）、窗口层本征氧化锌（i-ZnO）及铝掺杂氧化锌（AZO）分时一次性地蒸镀至电池基片上来制备铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池。

Description

一种大型太阳能薄膜电池片组件生产工艺及设备
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其是涉及一种大型太阳能薄膜电池片组件的生产工艺及设备。
背景技术
传统的太阳能电池分为晶硅电池和薄膜电池，其中晶硅电池分为单晶硅和多晶硅电池，单晶硅光伏组件的光电转换效率为15-18%，多晶硅光伏组件的光电转换效率为14-17%。薄膜电池分为非晶硅薄膜电池、CdTe 电池(碲化镉薄膜太阳能电池)和CIGS电池(铜铟镓硒薄膜太阳能电池)。在上述三种薄膜太阳能电池中，CIGS电池在薄膜电池中转化效率最高，增加少量的镓可增加它的光吸收能带，使之更贴近太阳光谱，改善电池的电压和效率。
一、CIGS薄膜电池的优点。
1、综合来讲，由于CIGS薄膜电池特有的结构，相较于晶硅电池，在光伏使用技术领域，有以下特点：
1）无硅原材料消耗，降低了材料成本。
目前，主流的光伏组件产品仍以硅为主要原材料，仅仅按照硅原材料的消耗计算，生产1兆瓦晶体硅太阳能电池，需要10-12吨高纯硅，但是如果采用铜铟镓硒薄膜电池就无需消耗硅，且薄膜太阳能电池仅6年的投资回收期，更加体现了其在制造过程中对能源的节约。
2）更强的弱光相应。
由于铜铟镓硒薄膜材料原子排列的无序性，其电子跃迁不再遵守传统的“选择定则”的限制，因此，它的光吸收性远远超过单晶硅材料。
3）更优异的高温性能。
在户外较高温的环境下，铜铟镓硒薄膜电池性能较之单晶硅或者多晶硅更不易受到温度影响。
4）最适合BIPV的应用。
采用双层玻璃封装的刚性薄膜太阳能电池组件，可以根据需要，制作成不同的透光率，部分代替玻璃幕墙，而不锈钢和聚合物衬底的柔性薄膜太阳能电池适用于建筑屋顶等需要造型的部分。将薄膜太阳能电池应用于城市大量的既有和待开发的建筑外立面和屋顶，避免了现有玻璃幕墙的光污染问题，在代替建材的同时发电又节能，将成为未来城市利用光伏发电的主要方向。
2、CIGS薄膜电池相较于其他薄膜电池，具有性能稳定的特点。硅基薄膜电池的不稳定性集中体现在其能量转换效率随辐照时间的延长而变化，直到数百或数千小时后才稳定。光照会提高铜铟镓硒薄膜太阳电池的转换效率，因此此类太阳能电池的工作寿命长。无衰退是铜铟镓硒薄膜太阳电池最为关注的性能指标，单结非晶硅薄膜电池的衰退达到 25%，非晶微晶叠层薄膜电池的衰退为 10%左右。CIGS薄膜电池没有光致衰退效应，只可能出现由于不良封装技术导致的不到10%的衰退影响，这一特点和晶硅电池相同。
二、传统CIGS电池的制备方法。
CIGS薄膜电池制备方法有：多元共蒸发法、硒化法及磁控溅射法。具体的说，在国内外制备CIGS电池的多层膜结构这种，通常包括基片/背电极/吸收法/缓冲层/窗口层/减反射层/上电极。其中背电极多沉积钼层作为背电极，吸收层多采用多元共蒸发法、硒化法或者磁控溅射法，这些方法各自存在缺点和不足：
1、多元共蒸发法：被沉积合金组分控制困难，光转化效率不高。目前多元共蒸发法是沉积铜铟镓硒薄膜使用最广泛的方法。该法使用了铜（Cu）、铟（In）、镓（Ga）和硒（Se）蒸发源提供成膜时所需要的四种元素并实时监测薄膜厚度及蒸发源的蒸发速率等参数，对薄膜生长进行了必要的监控，另在化学计量与晶体结构方面，铜铟镓硒【CU（In，Ga）Se2，CIGS】在很大程度上可以自己产生，并进一步形成P型材料。然而，不同材料的蒸汽压不同，这个限制使得想控制被沉积合金的最后组分具有任意精度变得十分困难。
2、硒化法：该法是在已沉积好的钼（Mo）背电极薄膜上沉积铜铟镓（Cu-In-Ga）合金预制层，然后通入硒化氢（H2Se）对铜铟镓（Cu-In-Ga）合金预制层进行后处理；业界普遍使用的硒化法，工艺非常复杂，硒化温度高（550℃以上），能耗大，生产安全性低，薄膜生成后多余的硒化氢（H2Se）气体难以处理，投资成本高，生产成本亦高。
 3、磁控溅射工艺：是利用气体高温放电产生离子，其中正离子在电场作用下高速轰击已建立好的跑道磁场的阴极靶体，将被轰击出的阴极靶体原子或分子以很高的速度飞向基片表面，并在基片上沉积成薄膜。该工艺除了耗能的缺陷外，国内普遍钠钙玻璃在450℃以上表面会呈微熔状态，而在550℃以上玻璃基片会产生形变，不利于薄膜生长进行，因此，将已镀有膜层的基片进行退火处理极不利于产业化生产。  
三、现有技术中铜铟镓硒薄膜电池的缺点：光伏转化效率低，技术先进的厂家能达到12%；镀膜面积小，现有技术下，能达到的最大镀膜面积为600×1000×4mm，难以克服的技术难题在于随着镀膜面积的增大，对镀膜均匀性要求越高，而现有的修整板结构无法满足大面积镀膜均匀性的需要。        
发明内容
本发明的目的在于提供一种在高真空或者超高真空环境下，用电子束蒸发辅以离子源和自动修整板装置制备铜铟镓硒薄膜太阳能电池片组件的生产工艺及设备，采用的技术方案是：一种大型太阳能薄膜电池片组件的生产工艺，其特征在于：所述生产工艺包括以下步骤：
Ⅰ、薄膜层的制备：
1）钼膜层基片的形成：在基片表面上，首先在1.5×10-1Pa气压下蒸发沉积0.2-0.5um的Mo层，使Mo与所述基片具有良好的结合力；然后在1.0×10-2Pa气压下蒸发沉积0.8-1um的Mo层，最终在所述基片上形成钼膜层基片；
2）薄膜电池P-N结中P型部分的形成：在1.5×10-3Pa气压、150-200℃条件下，用电子束蒸发所需膜料并开启对应的离子源，制备1.5-2.1um薄膜厚度的铜铟镓硒层以形成薄膜电池P-N结中P型部分；
3）薄膜电池P-N结中N型部分的形成：在1.5×10-3Pa气压、150-200℃条件下，在所述铜铟镓硒层上，用电子束蒸发所需膜料并开启对应的离子源，制备0.05um厚度的硫化镉或者硫化锌膜层以形成薄膜电池P-N结中N型部分；
4）本征氧化锌膜层的形成：在1.5×10-3Pa气压、150-200℃条件下，用电子束蒸发所需膜料并开启对应的离子源，制备0.05um薄膜厚度的本征氧化锌膜层；
5）铝掺杂膜层的形成：在1.5×10-3Pa气压、150-200℃条件下，用电子束蒸发所需膜料并开启对应的离子源，制备0.1.5um薄膜厚度的铝掺杂膜层；
6）减反膜层及引电极的制备：在1.5×10-3Pa气压、150-200℃条件下，用电子束蒸发所需膜料并开启对应的离子源，制备0.1-1.5um的氟化镁，然后引会流层镍及铝薄膜厚度作为减反膜层及引电极；
Ⅱ、划线：在薄膜层上划线形成小电池片；
Ⅲ、汇流：将划线后形成的小电池片导线汇流；
Ⅳ、合片：具有薄膜的基片、PVB胶合膜与背板基片复合在一起制成薄膜电池组件；
Ⅴ、薄膜基片与背板基片中间放置PVB胶膜：然后将溢出表片的PVB胶膜去除；
Ⅵ、高压釜加固：将涂好PVB胶膜的薄膜电池片组件放入高压釜加压固化，得到成品薄膜电池片组件。
本发明的技术特征还有：所述薄膜电池组件的尺寸大于600×1000mm 。
本发明的技术特征还有：所述薄膜电池组件的尺寸为1400×1100mm。
本发明的技术方案还有：一种大型太阳能薄膜电池片组件生产设备，其特征在于：所述生产设备包括镀膜机组、划线机组、汇流条焊接机组、合片层压机组和全自动清洗机，其中镀膜机组包括进片室、前过渡室、一个以上镀膜室、后过渡室和出片室，所述进片室和出片室配有低真空系统，所述前过渡室、镀膜室和后过渡室配有高真空系统，在传动部件带动下，基片依次经过所述镀膜机组的各个部分。
本发明的技术特征还有：所述镀膜室包括电子束蒸发装置、位于电子束蒸发装置上部的修正板装置，所述修正板装置包括修正板电机及在所述电机带动下转动的修正板支架，所述修正板安装在所述支架上。
本发明的技术特征还有：所述电子束蒸发装置包括坩埚、位于所述坩埚中的蒸发料、离子源和电子枪。
本发明的技术特征还有：所述电子束蒸发装置还包括自动补料系统，所述自动补料系统包括料筒、送料电机，送料电机通过传动部件与蜗轮连接，所述蜗轮与蜗杆连接，所述料筒的出口位于所述蜗杆的上方，在所述蜗杆靠近端部的位置开有出料口，所述出料口正对坩埚。
本发明的技术特征还有：所述进片室、前过渡室、一个以上镀膜室、后过渡室和出片室的前后各装有一个插板阀。
本发明的技术特征还有：所述进片室、前过渡室、一个以上镀膜室、后过渡室和出片室的前后两侧各装有一片活动板；所述插板阀包括气缸和活塞杆；所述活动板连接在所述活塞杆上。
本发明的有益效果在于：本发明公开了一种在高真空或者超高真空环境下，用电子束蒸发辅以离子源和修正板装置制备铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池片组件的工艺方法，该方法使用非反应性离子源并在真空环境中加入惰性气体作为工作气体、另使用真空沉积的电子束蒸发方式来制备大面积电池片；本工艺使用多位坩埚将缓冲层硫化镉(CdS)或硫化锌（ZnS）、窗口层本征氧化锌（i-ZnO）及铝掺杂氧化锌（AZO）分时一次性地蒸镀至电池基片上来制备铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池，当然，本发明亦可采用相同的方法，用来制备减反射层及镍-铝（Ni-AL）上电极。
本发明利用在高真空或超高真空室的环境下，所产生的高能电子束流轰击水冷坩埚（石墨坩埚）中被蒸材料的表面使其在加热、熔化、蒸发的同时，使离子源及镀膜工作气体在激发电场的作用下（直流或高频）产生辉光放电，在蒸发源和基片之间产生等离子体，施以低压时，等离子体中的荷电粒子会轰击基片表面，起到清洗作用，膜料分子或原子蒸发后经过离子体时，会部分离化，离化后的膜料离子射入基片表面参与成膜运动，而未离化的中性膜料粒子靠惯性沉积于基片表面，以保持沉积膜表面始终清洁，有利于膜的生长和膜间粘附性的提高。
本发明将利用高电压（8～10KV）加速并聚焦的电子束直接轰击蒸发源表面，当功率达10KW时，可将熔点在3000℃左右的难熔金属（或非金属）熔化、蒸发到基片上并辅以离子源或修正板装置，以保持基片上的沉积膜表面始终清洁，避免了常规电阻加热蒸发时钨丝加热蒸发物而产生的离子对蒸发膜层的污染，并且热能得到充分利用。电子束控制灵活，容易获得均匀薄膜，它的蒸镀质量往往比常规方法高，可易于蒸发难熔金属（如Mo、Pt、Ir）或者介质等薄膜，而难熔金属膜往往用其它方法难以获得。
本设备中修正板装置保证了镀膜均匀性，解决了连续大面积沉积薄膜的技术问题；基片经低真空的进片室和过渡室进入到具有高真空环境的镀膜室中，保证了镀膜工艺要求的真空条件；自动补料系统的设计符合长时间连续生产的需要。
附图说明
附图1 为镀膜机组结构示意图，附图2是附图1的俯视图，附图3是修正板装置结构示意图，附图4是自动补料系统10结构示意图,附图5是加温装置结构示意图，附图6是附图5的B-B视图。其中1是进片室，2是前过渡室，3是镀膜室，4是后过渡室，5是出片室，6是超高真空系统，7是修正板装置，8是修正板支架，9是坩埚，10是自动补料系统，11是料筒，12是送料电机， 13是蜗轮，14是蜗杆，15是出料口，16是进料口，17是插板阀，18是气缸，19是活塞杆，20是烘烤板，21是加热管，22是固定卡子，23是感应开关，24是离子源，25是电子枪，26是传动电机，27是观察视窗，30是支架，31是调整杆，32是支撑座，33是连接筒，34是修正板传动轴，35是修正板电机，36是修正板减速器，37是O型密封圈，40是补料系统传动轴。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行说明。本发明公开了一种大型太阳能薄膜电池片组件的生产工艺，该生产工艺包括以下步骤：
Ⅰ、薄膜层的制备：
1）钼膜层基片的形成：在基片表面上，首先在1.5×10-1Pa气压下蒸发沉积0.2-0.5um的Mo层，使Mo与所述基片具有良好的结合力；然后在1.0×10-2Pa气压下蒸发沉积0.8-1um的Mo层，最终在所述基片上形成钼膜层基片；
2）薄膜电池P-N结中P型部分的形成：在1.5×10-3Pa气压、150-200℃条件下，用电子束蒸发所需膜料并开启对应的离子源，制备1.5-2.1um薄膜厚度的铜铟镓硒层以形成薄膜电池P-N结中P型部分；
3）薄膜电池P-N结中N型部分的形成：在1.5×10-3Pa气压、150-200℃条件下，在铜铟镓硒层上，用电子束蒸发所需膜料并开启对应的离子源，制备0.05um厚度的硫化镉或者硫化锌膜层以形成薄膜电池P-N结中N型部分；
4）本征氧化锌膜层的形成：在1.5×10-3Pa气压、150-200℃条件下，用电子束蒸发所需膜料并开启对应的离子源，制备0.05um薄膜厚度的本征氧化锌膜层；
5）铝掺杂膜层的形成：在1.5×10-3Pa气压、150-200℃条件下，用电子束蒸发所需膜料并开启对应的离子源，制备0.1.5um薄膜厚度的铝掺杂膜层；
6）减反膜层及引电极的制备：在1.5×10-3Pa气压、150-200℃条件下，用电子束蒸发所需膜料并开启对应的离子源，制备0.1-1.5um的氟化镁，然后引会流层镍及铝薄膜厚度作为减反膜层及引电极；
Ⅱ、划线：在1400*1100*4mm基片表面薄膜层上划线6mm尺寸有180条形成小电池片；
Ⅲ、汇流：将步骤2中形成的小电池片通过铝带串联完成汇流操作；
Ⅳ、合片：将薄膜基片PVB胶合膜与背板基片复合在一起制成薄膜电池组件；
Ⅴ、薄膜基片与背板基片中间放置PVB胶膜：然后将溢出表片的PVB胶膜去除；
Ⅵ、高压釜加固：将涂好PVB胶膜的薄膜电池片组件放入高压釜加压固化，得到成品薄膜电池组件。
本薄膜电池片组件的尺寸大于600×1000mm ，并可大至薄膜电池片组件的尺寸为1400×1100mm。
铜铟镓硒层中铜铟镓硒各元素重量百分比为22.85%：7.76%：48.74%：20.65%。
本工艺与多元共蒸发法相比，本工艺可将铜铟镓硒（CIGS）的粉末按合适的当量比，制成合金后再在高真空或超高真空室的环境下，用电子束辅以离子源或自动修正板装置的方法，一步蒸发至已镀有钼（Mo）层的基片上。这样，控制被沉积合金的最后组分就变得十分简单了。
本工艺与硒化法相比，本工艺所使用的在高真空或超高真空室的环境下，用电子束辅以离子源或低电感天线装置的物理方法将铜铟镓硒（CIGS）合金一步共蒸至已镀有钼（Mo）层的基片上，工艺十分简单，成膜温度（150～200℃）低，能耗省，生产安全性高，除了使用Ar、N2等高纯度气体外并无其它含毒气体，环保系数高，投资成本低，生产成本亦低，生产效率高，能在各种形状的表面获得均匀的薄膜，与基片之间也不存在残余热应力，界面结合良好，并可在高真空或超高真空室的低温（150～200℃）条件下，实现可调控沉积速率、厚度、多元组分及结构的可持续性大面积薄膜沉积，且可用较少的投资获得较高质量的薄膜镀层，以上优点，实非硒化法所能比拟。
本工艺与采用350～650℃高温的磁控溅射工艺相比，本工艺所采用的在高真空或超高真空室的环境下，用电子束辅以离子源或自动修正板装置的方法除了真空室的环境温度（40～200℃）较低，可大幅减少能耗外，也不需要将已镀有膜层的基片进行退火处理，工艺较为简单。
本发明公开了一种薄膜电池片组件生产设备，包括镀膜机组、划线机组、汇流条焊接机组、合片层压机组和全自动清洗机，其中镀膜机组包括进片室1、前过渡室2、一个以上镀膜室3、后过渡室4和出片室5，进片室1和出片室5配有高真空系统，前过渡室2、镀膜室3和后过渡室4配有超高真空系统，在传动部件带动下，基片位于电子束蒸发装置的上方、依次经过镀膜机组的各个部分完成蒸发镀膜过程。
镀膜室中设有电子束蒸发装置、位于电子束蒸发装置上部的修正板装置和加温装置，修正板装置包括修正板电机35及在修正板电机35带动下转动的修正板支架8，修正板安装在支架8上。电子束蒸发装置包括坩埚9、位于坩埚9中的蒸发离子源、电子枪和自动补料系统。自动补料系统包括料筒11、送料电机12，送料电机12通过传动部件与蜗轮13连接，蜗轮13与蜗杆14连接，料筒11的出口位于蜗杆14的上方，在蜗杆14靠近端部的位置开有出料口15，出料口15正对坩埚9。
为了实现基片从进片室1向出片室5方向的移动，在进片室1、前过渡室2、一个以上镀膜室3、后过渡室4和出片室5的前后各装有一个插板阀17，该插板阀17连接在对应的活动板上，每个插板阀17包括气缸18和活塞杆19。当检测部件检测到基片到适当位置后，发出检测信号，插板阀17在气缸18带动下通过活塞杆19的移动打开活动板，基片输出。基片输出后，插板阀17立即关闭，从而保证了镀膜机组的真空度要求。
加温装置包括烘烤板20和加热管21，加热管21通过固定卡子22固定在烘烤板上。通过加热管21保证镀膜过程的温度要求。
本实施例中采用了24位坩埚，该24位坩埚中依次盛放有二氧化硅原料、钼层原料、铜铟镓硒层所用合成料、硫化镉或者硫化锌料、氧化锌料、铝氧化锌料、氟化镁料。

Claims (9)

1.一种大型太阳能薄膜电池片组件的生产工艺，其特征在于：所述生产工艺包括以下步骤：
Ⅰ、薄膜层的制备：
1）钼膜层基片的形成：在基片表面上，首先在1.5×10-1Pa气压下蒸发沉积0.2-0.5um的Mo层，使Mo与所述基片具有良好的结合力；然后在1.0×10-2Pa气压下蒸发沉积0.8-1um的Mo层，最终在所述基片上形成钼膜层基片；
2）薄膜电池P-N结中P型部分的形成：在1.5×10-3Pa气压、150-200℃条件下，用电子束蒸发所需膜料并开启对应的离子源，制备1.5-2.1um薄膜厚度的铜铟镓硒层以形成薄膜电池P-N结中P型部分；
3）薄膜电池P-N结中N型部分的形成：在1.5×10-3Pa气压、150-200℃条件下，在所述铜铟镓硒层上，用电子束蒸发所需膜料并开启对应的离子源，制备0.05um厚度的硫化镉或者硫化锌膜层以形成薄膜电池P-N结中N型部分；
4）本征氧化锌膜层的形成：在1.5×10-3Pa气压、150-200℃条件下，用电子束蒸发所需膜料并开启对应的离子源，制备0.05um薄膜厚度的本征氧化锌膜层；
5）铝掺杂膜层的形成：在1.5×10-3Pa气压、150-200℃条件下，用电子束蒸发所需膜料并开启对应的离子源，制备0.1.5um薄膜厚度的铝掺杂膜层；
6）减反膜层及引电极的制备：在1.5×10-3Pa气压、150-200℃条件下，用电子束蒸发所需膜料并开启对应的离子源，制备0.1-1.5um的氟化镁，然后引会流层镍及铝薄膜厚度作为减反膜层及引电极；
Ⅱ、划线：在薄膜层上划线形成小电池片；
Ⅲ、汇流：将划线后形成的小电池片导线汇流；
Ⅳ、合片：具有薄膜的基片、PVB胶合膜与背板基片复合在一起制成薄膜电池组件；
Ⅴ、薄膜基片与背板基片中间放置PVB胶膜：然后将溢出表片的PVB胶膜去除；
Ⅵ、高压釜加固：将涂好PVB胶膜的薄膜电池片组件放入高压釜加压固化，得到成品薄膜电池片组件。
2.按照权利要求1所述生产工艺制成的薄膜电池片组件，其特征在于：所述薄膜电池组件的尺寸大于600×1000mm 。
3.按照权利要求2所述的生产工艺制成的薄膜电池片组件，其特征在于：所述薄膜电池组件的尺寸为1400×1100mm。
4.一种大型太阳能薄膜电池片组件生产设备，其特征在于：所述生产设备包括镀膜机组、划线机组、汇流条焊接机组、合片层压机组和全自动清洗机，其中镀膜机组包括进片室、前过渡室、一个以上镀膜室、后过渡室和出片室，所述进片室和出片室配有低真空系统，所述前过渡室、镀膜室和后过渡室配有高真空系统，在传动部件带动下，基片依次经过所述镀膜机组的各个部分。
5.按照权利要求4所述的太阳能薄膜电池片组件生产设备，其特征在于：所述镀膜室包括电子束蒸发装置、位于电子束蒸发装置上部的修正板装置，所述修正板装置包括修正板电机及在所述电机带动下转动的修正板支架，所述修正板安装在所述支架上。
6.按照权利要求5所述的太阳能薄膜电池片组件生产设备，其特征在于：所述电子束蒸发装置包括坩埚、位于所述坩埚中的蒸发料、离子源和电子枪。
7.按照权利要求6所述的太阳能薄膜电池片组件生产设备，其特征在于：所述电子束蒸发装置还包括自动补料系统，所述自动补料系统包括料筒、送料电机，送料电机通过传动部件与蜗轮连接，所述蜗轮与蜗杆连接，所述料筒的出口位于所述蜗杆的上方，在所述蜗杆靠近端部的位置开有出料口，所述出料口正对坩埚。
8.按照权利要求5所述的太阳能薄膜电池片组件生产设备，其特征在于：所述进片室、前过渡室、一个以上镀膜室、后过渡室和出片室的前后各装有一个插板阀。
9.按照权利要求8所述的太阳能薄膜电池片组件生产设备，其特征在于：所述进片室、前过渡室、一个以上镀膜室、后过渡室和出片室的前后两侧各装有一片活动板；所述插板阀包括气缸和活塞杆；所述活动板连接在所述活塞杆上。
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