CN103572195B - 气体回收系统及气体还原装置 - Google Patents
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Abstract
本发明有关一种气体回收系统，包含至少一气体供给系统、气体处理系统、气体分离系统。其中气体供给系统包含：气体供给单元、供给源；气体处理系统包含：气体反应器、气体还原装置；气体分离系统包含：第一排气单元、纯化单元、第二排气单元及加热蒸发单元；使用气体回收系统可避免气体不必要的浪费形成有害废弃物，因此气体能更有效运用，进而降低成本。本发明亦提供一种气体还原装置。
Description
技术领域
本发明有关于一种气体回收系统，特别是有关于一种能将硒化氢因热分解所形成的废气的气体回收系统。
背景技术
铜铟镓硒化物系列的薄膜光电元件是拥有高效率的太阳能电池，铜铟镓硒化物(CopperIndiumGalliumSelenideCIGS)，其太阳能的基板制作，除了蒸镀制程外，其制程大部分都需经过硒化(Selenization)处理，现今硒化(Selenization)处理商业上量产采用硒化氢(H2Se)为反应气体。
以现今例子来说明：当一个铜铟镓硒化合物层(CIGS)太阳能电池要进行硒化制程时，经由溅镀法(Sputtering)沉积技术在玻璃基板上所形成的含铜、镓及铟的合金或单体的多层前驱物(Precursors)薄膜堆栈的电池结构送至硒化炉(一种热处理炉)中，并将硒化氢(H2Se)气体通入至硒化炉中，当硒化炉内的温度被加热到达400℃以上时，硒化氢(H2Se)气体即开始与多层前驱物薄膜发生反应；然而，在CIGS太阳能电池的硒化制程中，还需要将多层薄膜堆栈的电池结构加热后，才能够与硒化氢气体起良好反应，进而得到好的CIGS薄膜层。因硒化炉内的硒化反应，需维持充足的硒化氢气体分子数目，故通入硒化氢气体反应并不能完全与多层前驱物薄膜发生反应，多余未反应气体经由除害系统处理后，并无继续再利用。
一般硒化制程中所使用硒来源可分为固态硒，气态二氢化硒(H2Se)方式来获得，但以使用气态二氢化硒为主流。使用气态二氢化硒(H2Se)具侵腐蚀性与毒性，经由反应槽高温裂解产生硒气态原子进行硒化，但为了提供足够并且均匀的硒气体原子数目，常造成额外的耗费及后续废弃处理的成本升高。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的一主要目的在于提供一气体回收系统，通过其高效率气体回收方式，经由气体回收系统使热裂解后的硒化氢气体能更有效处理回收再利用。
依据上述目的，本发明提供一种气体回收系统，其中包括：至少一气体供给系统，其中包含：一供给源，提供至少一气体；一气体供给单元，与气体供给源连接；至少一气体处理系统，与气体供给系统连接，其中包括：一气体反应器，与气体供给单元连接；及一气体还原装置，与气体反应器连接；一气体分离系统，与气体处理系统连接，其中包括：一第一排气单元，与气体还原装置连接；一纯化单元，与第一排气单元连接；一第二排气单元，与纯化单元连接；及一加热蒸发单元，与纯化单元及气体供给单元连接。
本发明再一主要目的在于提供一气体还原装置，能还原已经使用过的废弃气体，不仅能降低成本，更使气体能更有效运用。
依据上述目的，本发明提供一种气体还原装置，包括一气体还原单元及一气体导入管，气体导入管内流通一第一气体，且气体还原单元连接气体导入管，其中气体还原单元的特征在于：气体还原单元包括：一导管，连接气体导入管；一还原气体源，与导管连接，并提供一第二气体流通至气体导入管内；及一微波发射装置，发射一微波，并将微波射入至导管内的第二气体。
通过本发明所提供的气体还原装置与气体回收系统，使其具有高回收效率的优点，并节省废气处理及使用新气体的成本。
附图说明
图1为本发明的气体回收系统简化处理程序的功能方块图；
图2为本发明的回收系统处理程序的功能方块图；
图3为本发明的气体还原装置的示意图；
图4为本发明的气体还原装置另一实施例示意图；
图5为本发明的气体还原装置再另一实施例示意图气体回收系统；
图6为本发明气体回收系统另一实施例示意图。
主要元件符号说明
1气体回收系统
2气体供给系统
21供给源
23气体供应系统
25、25’质量流量控制器
3、3’气体处理系统
31气体反应器
33第一储存槽
35、35’、35n气体还原装置
351气体还原单元
3511导管
3513腔体
3515第一磁场线圈
3517第二磁场线圈
353气体导入管
357微波发射装置
3571发射管
359介电层材料
5气体分离系统
51第一排气单元
52第二排气单元
53除害装置
55纯化单元
57加热蒸发单元
58第二储存槽
60还原气体源
具体实施方式
由于本发明是揭露一种气体回收系统，其中所利用到的一些质量流量控制器、储存槽、排气单元、除害装置、加热蒸发单元、纯化单元，是利用现有技术来达成，故在下述说明中，并不作完整描述。此外，于下述内文中的图式，亦并未依据实际的相关尺寸完整绘制，其作用仅在表达与本发明特征有关的示意图。
首先，请先参阅图1，为本发明的气体回收系统简化处理程序的功能方块图。如图1所示，气体回收系统1主要由三部分所组成，包括：一气体供给系统2、一气体处理系统3及气体分离系统5；气体供给系统2主要为供给气体(例如：硒化氢)，并将气体导入至气体处理系统3中的各个装置及反应器来进行硒化制程，而使用过的硒化氢气体再依气体分离系统5的各操作单元纯化气体，再回收至气体处理系统3。
接着，请参阅图2，为本发明的气体回收系统处理程序的功能方块图。如图2所示，气体供给系统2包含：一供给源21及一气体供给单元23；供给源21提供一种气体，例如：硒化氢，而其气体置于钢瓶或是高压气体储存槽中；本发明的实施方式以硒化氢为例，供给源21亦可提供其它的气体，例如：氮气、氩气等用于稀释硒化氢气体浓度的携带气体(carriergas)。储存硒化氢的供给源21连接气体供应单元23；在供给源21的钢瓶内的蒸气压达平衡，于钢瓶内为高压状态时，瓶内的硒化氢为液体，经由阀的开启，并提供稳定的蒸发热源，此时硒化氢液体会持续蒸发成为硒化氢气体。供给源21经由输送管与气体供应单元23连接。气体供应单元23可设定由供给源21输送来的气体的流量多寡，并经由与气体供应单元23连结的质量流量控制器25来控制气体流量；质量流量控制器25具有可自动控制气体流量的功能，并且不受系统温度变化或压力波动的影响，可保持稳定的流量值，为一稳流装置。质量流量控制器25与气体处理系统3连接。
气体处理系统3包括：一气体反应器31及一气体还原装置35；而当硒化氢气体输送至气体反应器31之前，必须和携带气体例如：氮气或氩气，同时混合后再进入气体反应器31，混合两者气体的适当浓度可维持硒化氢在气体反应器31内的质量与分布的均匀性。
当一个太阳能电池内部的铜铟镓硒化合物层(CIGS)需要进行硒化制程时，会将钠钙玻璃(SodaLimeGlass)基板上所形成的含铜、镓及铟的合金或单体的多层前驱物(Precursors)薄膜堆栈的电池结构，送至气体反应器31中，并将硒化氢气体输送至气体反应器31中；此时，气体反应器31内的温度会维持在400℃以上，而含铜、镓及铟的合金或单体的多层前驱物会与硒化氢气体起良好反应，进而得到好的CIGS薄膜层。以下为硒化反应的热裂解反应式：
H2Se→HSe-+H+
H2Se→2H++Se2-
当硒化氢气体热裂解反应完全时，会形成Se2-与2H+；Se2-会与铜、镓及铟的合金或单体的多层前驱物结合成为CIGS薄膜层，2H+则会当废气排出；另外，如硒化氢热裂解反应不完全时，会形成HSe-与H+，两者皆会以废气排出。
硒化氢气体在热裂解所形成的气体HSe-，经由输送管输送至第一储存槽33，此时输送管温度维持在160℃以维持硒化氢离子化的气体；由于与第一储存槽33连接的气体还原装置35需要有一定的处理时间，因此需要配置第一储存槽33来缓冲气体的处理。接着，气体还原装置35会提供充足的H+将第一储存槽33所输送来的废气中HSe-形成H2Se再次回收利用，而详细步骤会于图3详加说明。
再接着，由气体还原装置35处理完的气体H2Se，会输送至气体分离系统5，其中气体分离系统5包括：第一排气单元51、纯化单元55、第二排气单元52及一加热蒸发单元57；而处理完的气体H2Se会先输送至第一排气单元51；第一排气单元51内具可抽气及压缩的压缩机，将待纯化的H2Se气体送入纯化单元55以纯化硒化氢气体浓度；而未符合排放标准的废弃气体则由除害装置53处理，后续会再加以说明。
硒化氢气体由第一排气单元51输送至纯化单元55；纯化单元55内部具有一冷凝装置(未显示)，并将冷凝装置温度设置为-40℃～-80℃；当硒化氢气体通过冷凝装置时，利用硒化氢熔点(meltingpoint)为-65.73℃的特性，使液态硒化氢液化，使液态硒化氢与其余未形成液体的气体分离；接着，将液态硒化氢输送至第二储存槽58，而其余气体则经由第二排气单元52处理。第二储存槽58与加热蒸发单元57连接，其作用在于，加热蒸发单元57处理液态硒化氢形成气态硒化氢需要有一定的时间，因此需要配置第二储存槽58来缓冲处理；加热蒸发单元57具有一加热器(未显示)，加热器可提供稳定的热源，会对输送进来的液态硒化氢加热，而因硒化氢的沸点(boilingpoint)为-41.25℃，因此加热蒸发单元57温度设定只要高于-41.25℃，即可使液态硒化氢汽化形成硒化氢气体，即加热器可提供液态硒化氢蒸发时所需要的热能。再接着，将汽化形成的硒化氢气体输送至气体供应单元23以供循环再利用，其硒化氢气体有效回收可达50％以上，具有相当良好的循环回收的功效。
此外，本系统使用的硒是具有毒性，需做适当处理后，才可排放置外界，因此需要做一处理有害物质的设备；在上述所提及的第一排气单元51及一第二排气单元52，经由输送管连结至一除害装置53，除害装置53中具有吸附硒元素的物质，例如：氢氧化铜Cu(OH)2或氢氧化钙Ca(OH)2，可与硒元素反应形成硒化铜CuSe或硒化钙CaSe，剩余无害的气体则可安全排放。
另外，当气体回收系统1需进行设备维护或暂停供应回收的硒化氢而需终止整体反应时，其储存于第二储存槽58内部的液态硒化氢，会经由加热蒸发单元57，将第二储存槽58内部的液态硒化氢完全加热为硒化氢气体；而纯化系统55则停止冷凝装置的运作，使硒化氢气体直接经由第二排气单元52输送至除害装置53，以处理未循环完成的硒化氢气体。
本发明各系统单元连接的输送管为不锈钢材质，且外层包覆一保温棉，利用保温棉热传导系数低的特性，降低输送管内的热量传导至管外；但本发明并不对输送管的材质加以限制。再接着，请参阅图3，是为本发明的气体还原装置的示意图。如图3所示，气体还原装置35包括：一气体还原单元351及一气体导入管353，并且气体还原单元351连接气体导入管353，其中气体导入管353位于气体还原单元351下方，而在此叙述的气体导入管353，即是前述所提及的输送管，其中输送的是夹带着携带气体例如：氮气或氩气；与含有HSe-的废弃气体，其废弃气体流动方向如图3所示，由A端输送至B端；气体还原单元351包括：一导管3511，连接气体导入管353；一还原气体源60，与导管3511连接；一微波发射装置357，发射一微波至导管3511内，本发明经由配置一发射管3571来发射微波，其中导管3511贯穿发射管3571，并在内部输送氢气，而微波发射装置357经由发射管3571将微波射入至导管3511内部的氢气而产生等离子体，并利用电子回旋共振(ElectronCyclotronResonance；ECR)加强等离子体密度；离子源是由微波发射装置357发射微波，其微波的频率在800MHz以上，经由一发射管3571射入导管3511内的氢气，使导管3511内的氢气离子化形成H+；在此要强调的是，本实施例的导管3511的材质为金属的材质，但本发明并无特别对导管3511的材料加以限制，而导管3511内部的管壁进一步配置一介电层材料359，例如：三氧化二铝(Al2O3)，此介电层材料359能帮助微波易于射入导管3511内。
另外，发射管3571外壁配置多个第一磁场线圈3515，其所产生的磁场可使电子的回旋频率与微波频率同调而产生共振，以产生高能的电子撞击导管3511内部的气体。前述硒化氢在气体反应器31中热裂解所形成的气体HSe-，经由气体导入管353(输送管)输送过气体还原装置35时，还原气体源60会将氢气，注入至导管3511中，并经由微波发射装置357发射微波，由发射管3571对导管3511内的氢气进行离子化反应形成H+；发射管3571外壁的磁场线圈3515引导H+朝下方的气体导入管353移动，其过程中避免与管壁碰撞，而因导管3511中的离子化的H+其压力较气体导入管353大，因此H+会由高压往低压处打入导管3511中，而气体导入管353中流通的HSe-会与H+反应还原形成硒化氢(H2Se)，使硒化氢可利用上述气体回收系统1。其还原成硒化氢的反应式如下：
HSe-+H+→H2Se
另外，请接着参阅图4，为本发明气体还原装置另一实施例示意图，如图4所示，在导管3511与气体导入管353之间进一步配置一腔体3513，并在腔体3513周围配置多个第二磁场线圈3517；本实施例的配置，可加强导管3511射出H+的密度并防止其扩散，另外亦可防止H+互相撞击形成氢气，并加速与HSe-还原为硒化氢的速度；而其它元件的实施方式如图3所述，不再加以赘述。
接着，请参阅图5，为本发明的气体还原装置再另一实施例示意图，如图5所示，在气体回收系统1中，配置多个气体还原装置35、35’...35n，通过多个气体还原装置35，使其还原气体能力越快，对于气体回收系统1中处理大量的HSe-使其还原为硒化氢，具有更好的处理效率；而每一气体还原装置35其运作方式与上述图3及图4相同，故不再加以赘述。
再接着，请参阅图6，是为本发明气体回收系统另一实施例示意图，如图6所示，在气体回收系统1中配置多组气体处理系统3、3’...，并配置各自的质量流量控制器25、25’...，介此来同时处理多个铜铟镓硒化合物层(CIGS)太阳能电池进行硒化制程，有效缩短制程的时间；而其余元件配置及作用及每组气体处理系统3皆与上述相同，故不再加以赘述。
虽然本发明以前述的较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉相像技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的专利保护范围须视本说明书所附的申请专利范围所界定为准。
Claims (14)
1.一种气体回收系统，其特征在于，包括：
至少一气体供给系统，其中包含：
一供给源，提供至少一气体；及
一气体供给单元，与该供给源连接；
至少一气体处理系统，与该气体供给系统连接，其中包括：
一气体反应器，与该气体供给单元连接；及
一气体还原装置，与该气体反应器连接，该气体还原装置，使一第一气体与离子化的一第二气体反应，形成H2Se，以回收利用，其中该第一气体为含有HSe-的废弃气体，该第二气体为氢气；
一气体分离系统，与该气体处理系统连接，其中包括：
一第一排气单元，与该气体还原装置连接；
一纯化单元，与该第一排气单元连接；
一第二排气单元，与该纯化单元连接；及
一加热蒸发单元，与该纯化单元及该气体供给单元连接。
2.根据权利要求1所述的气体回收系统，其特征在于，该气体供给系统进一步包含至少一质量流量控制器。
3.根据权利要求1所述的气体回收系统，其特征在于，该气体处理系统进一步包含一除害装置，与该第一排气单元及该第二排气单元连接。
4.根据权利要求1所述的气体回收系统，其特征在于，该气体处理系统进一步包含一第一储存槽，该第一储存槽与该气体反应器及该气体还原装置连接。
5.根据权利要求4所述的气体回收系统，其特征在于，该气体分离系统进一步包含一第二储存槽，该第二储存槽是与该纯化单元及该加热蒸发单元连接。
6.根据权利要求4所述的气体回收系统，其特征在于，该第一储存槽内部存放一气体。
7.根据权利要求5所述的气体回收系统，其特征在于，该第二储存槽内部存放一液体。
8.一种气体还原装置，包括一气体还原单元及一气体导入管，该气体导入管内流通一第一气体，该第一气体是含有HSe-的废弃气体，且该气体还原单元连接该气体导入管，其中该气体还原单元的特征在于：
该气体还原单元包括：
一导管，连接该气体导入管；
一还原气体源，与该导管连接，并提供一第二气体流通至该气体导入管内，其中该第二气体为氢气；及
一微波发射装置，发射一微波，并将该微波射入至该导管内的该第二气体，该微波使该第二气体离子化；及
其中，该气体还原装置特征在于，使该第一气体与离子化的该第二气体反应，形成H2Se，以再次回收利用。
9.根据权利要求8所述的气体还原装置，其特征在于，该微波发射装置进一步包含一发射管，且该气体还原单元的导管垂直贯穿该发射管。
10.根据权利要求9所述的气体还原装置，其特征在于，该发射管的外壁面进一步配置一第一磁场线圈。
11.根据权利要求8所述的气体还原装置，其特征在于，该导管的材料为一金属材料。
12.根据权利要求8所述的气体还原装置，其特征在于，该导管内进一步配置一介电层材料。
13.根据权利要求8所述的气体还原装置，其特征在于，该导管与该气体导入管间进一步配置一腔体。
14.根据权利要求13所述的气体还原装置，其特征在于，该腔体的外壁面进一步配置一第二磁场线圈。
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