CN103628043A - 用于太阳能电池的硒化方法及其硒化装置 - Google Patents

用于太阳能电池的硒化方法及其硒化装置 Download PDF

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Abstract

一种用于太阳能电池的硒化方法及其硒化装置，该硒化装置包含一个加热腔体、安装于该加热腔体上的一个真空机构与一个加压机构，以及一个气流循环机构。该加热腔体包括一个供所述太阳能电池的半成品放置的反应空间，以及一个对该反应空间加热的加热部。该加压机构将硒化反应气体送入该反应空间。该气流循环机构安装在该反应空间内，并使该反应空间内的硒化反应气体循环流动。从而使硒化反应气体能均匀分布，而与所述半成品均匀地发生硒化反应，同时还可缩短升降温时间及硒化反应时间，并提升生产速度及生产效率。

Description

用于太阳能电池的硒化方法及其硒化装置
技术领域
本发明涉及一种硒化方法及其硒化装置，特别是涉及一种用于太阳能电池的硒化方法及其硒化装置。
背景技术
近年来薄膜太阳能电池的研发与应用相当热门，其中，由于铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池为直接能隙半导体，且具有制作成本较低、光吸收率较高等优点，再加上除了可应用于硬式的玻璃基板之外，也可应用在高分子材料、不锈钢、铝箔或铜箔等可挠式的基板上，因而成为最具发展潜力的薄膜太阳能电池。
一般铜铟镓硒太阳能电池通常包含一个基板，以及由邻近而远离该基板而设置的一个背电极层、一个光吸收层、一个缓冲层与一个透明电极层。其中，该光吸收层就是铜铟镓硒薄膜，其制造方法相当多种，主要可分为真空制程与非真空制程，而所述真空制程例如共蒸镀(Co-evaporation)、溅镀(Sputtering)及硒化法(Selenization)。
所谓的硒化法，是先在背电极层上溅镀一层材料为铜铟镓（CuInGa）的前驱物层，接着放入一个常压或真空的腔体内并通入含有硒元素的硒化反应气体，如硒化氢（H2Se），同时在高温环境下使硒化反应气体裂解产生硒气态原子，进而与所述前驱物层产生硒化反应而形成该光吸收层。
在硒化处理时，均匀分布的硒化反应气体以及均匀受热的基板是两个关键的要素，然而在一般硒化装置的腔体内，硒化反应气体的流动状况不理想，导致腔体内的硒化反应气体分布不均，同时一般硒化装置的腔体通常维持在常压或者真空，因此热传导与热对流效果不佳，热能只能通过热辐射方式传递，导致基板受热不均匀而无法均匀发生硒化反应，使得该光吸收层的质量与转换效率都不理想。
此外，由于一般硒化装置的腔体内的导热效果较差，因此腔体内的升降温速度慢，往往需要花费时间等待腔体升降温度，因而增加制程的时间并导致生产速度慢、生产效率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能让硒化反应均匀发生，并可提升生产速度及生产效率的用于太阳能电池的硒化方法及其硒化装置。
本发明用于太阳能电池的硒化方法，包含：步骤A：将一个表面形成有一个前驱物层的基板单元放入一个加热腔体内；步骤B：将该加热腔体抽真空；步骤C：提升该加热腔体内的气流循环性，并将硒化反应气体通入该加热腔体内以增加该加热腔体内的气压值，同时增加该加热腔体内的温度；步骤D：持续将硒化反应气体通入该加热腔体内，使该加热腔体内的气压值增加至2~6atm之后进行退火，使硒化反应气体与该前驱物层反应形成一个光吸收层。
本发明所述的用于太阳能电池的硒化方法，在步骤D中，持续将硒化反应气体通入该加热腔体内，使该加热腔体内的气压值增加并维持在5atm。
本发明所述的用于太阳能电池的硒化方法，该前驱物层的材料为铜铟镓或铜铟，而硒化反应气体为硒化氢或硒化氢与硫化氢的混合。
本发明所述的用于太阳能电池的硒化方法，在步骤D中，退火温度为500~600℃，并在持温40~60分钟之后停止对该加热腔体加热。
本发明的另一个目的，在于提供一种用于太阳能电池的硒化装置，通过硒化反应气体使所述太阳能电池的半成品发生硒化反应，而该硒化装置包含一个加热腔体，以及一个安装在该加热腔体上的真空机构，该加热腔体包括一个供所述半成品放置的反应空间，以及一个围绕并对该反应空间加热的加热部，而该真空机构对该反应空间抽气。该硒化装置还包含一个安装在该加热腔体上并将硒化反应气体送入该反应空间的加压机构，以及一个安装在该反应空间内并使该反应空间内的硒化反应气体循环流动的气流循环机构。
本发明所述的用于太阳能电池的硒化装置，该气流循环机构包括一个可转动地安装于该反应空间内的风扇，以及一个位于该风扇与所述半成品之间的导流座，该导流座具有一个供硒化反应气体流动于所述半成品与该风扇之间的导流通道。
本发明所述的用于太阳能电池的硒化装置，该导流座的导流通道具有一个朝向所述半成品的大径开口，以及一个朝向该风扇且口径小于该大径开口的小径开口。
本发明所述的用于太阳能电池的硒化装置，该硒化装置还包含一个安装于该加热腔体的反应空间内的固定座单元，该固定座单元包括一个供所述半成品放置且供该导流座安装的固定板。
本发明所述的用于太阳能电池的硒化装置，该加热腔体还包括分别设置在该加热部的相反两侧且与该加热部共同圈围该反应空间的一个安装部与一个开口部，该风扇、该真空机构及该加压机构安装于该安装部，所述半成品通过该开口部进出该反应空间。
本发明的有益效果在于：在该加热腔体内充填高压且循环流动的硒化反应气体，通过前述创新的设计，使硒化反应气体能均匀分布并帮助导热，而所述半成品也能均匀受热并均匀地发生硒化反应，有助于制作出质量良好的太阳能电池，同时还可缩短升降温时间及硒化反应时间，并提升生产速度及生产效率。
附图说明
图1是一个俯视剖视示意图，显示本发明硒化装置的一个较佳实施例的使用状态，图中该硒化装置对数个太阳能电池的半成品进行硒化处理；
图2是一个流程示意图，显示所述半成品的一个前驱物层与硒化反应气体发生硒化反应而形成一个光吸收层；
图3是一个流程方块图，说明本发明硒化方法的一个较佳实施例；
图4是该较佳实施例进行前半段步骤的一个制造流程示意图；
图5是该较佳实施例进行后半段步骤的一个制造流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
参阅图1、2，本发明硒化装置的较佳实施例，通过硒化反应气体8对数个太阳能电池的半成品7进行硒化处理，以利于后续制作出完整的太阳能电池。每一个半成品7都包括一个基板单元71，以及一个设置在该基板单元71上的前驱物层72。而每一个基板单元71具有一个基板本体711，以及一个设置于该基板本体711与该前驱物层72之间的背电极层712。
所述背电极层712以溅镀方式将钼（Mo）沉积在所述基板本体711上而形成，而所述前驱物层72可通过电镀、溅镀或蒸镀等方式沉积在所述背电极层712上，并且所述前驱物层72的材料可为铜铟镓（CuInGa）或者铜铟（CuIn）。此外，该硒化反应气体8可为硒化氢（H2Se）或硒化氢与硫化氢（H2S）的混合。
本实施例的硒化装置包含一个加热腔体1、安装于该加热腔体1上的一个真空机构2与一个加压机构3，以及安装于该加热腔体1内的一个固定座单元4与一个气流循环机构5。
本实施例的加热腔体1包括一个开口部11、一个与该开口部11间隔的安装部12、一个连接于该开口部11与该安装部12之间的加热部13，以及一个由该开口部11、该安装部12与该加热部13共同圈围而成并供所述半成品7放置的反应空间14。
在本实施例中，该开口部11为盖板门的形式，并可供所述半成品7进出该反应空间14。而该加热部13具有一个围绕该反应空间14的内壁131、一个与该内壁131间隔的外壁132，以及一个设置在该内壁131与该外壁132之间并可对该反应空间14加热的热源模组133。其中，该内壁131为石英管的形式，而该热源模组133为热电阻式加热器，然而在实施上不以本实施例所公开的形式为限制。至于该热源模组133如何被驱动而对该反应空间14进行加热非本发明改良的重点，不再说明。
本实施例的真空机构2例如是一个泵，安装在该加热腔体1的安装部12上，并对该反应空间14抽气。而该加压机构3也安装在该安装部12上，并将硒化反应气体8送入该反应空间14。由于该真空机构2如何对该反应空间14抽气，以及该加压机构3如何对该反应空间14通气皆非本发明改良的重点，也不再说明。
本实施例的固定座单元4安装于该反应空间14内，并包括数个沿着一个第一方向61延伸并设置在该加热部13上的第一支架42、数个沿着一个第二方向62延伸并架设在所述第一支架42上的第二支架43，以及一个沿着该第一方向61延伸并架设在所述第二支架43上的固定板41。其中，该第一方向61垂直该第二方向62，而所述半成品7是直立地放置于该固定板41上。
本实施例的气流循环机构5安装在该反应空间14内，并使该反应空间14内的硒化反应气体8循环流动。该气流循环机构5包括一个可转动地安装于该安装部12上的风扇51，以及一个安装于该固定板41的一端且位于该风扇51与所述半成品7之间的导流座52。该导流座52具有一个供硒化反应气体8流动于所述半成品7与该风扇51之间的导流通道521，该导流通道521具有一个朝向所述半成品7的大径开口522，以及一个朝向该风扇51且口径小于该大径开口522的小径开口523。由于该风扇51如何被驱动而转动非本发明改良的重点，不再详述。
需要说明的是，该导流通道521的大径开口522朝向所述半成品7的设计，可以有效地收集通过所述半成品7的硒化反应气体8，方便该风扇51抽吸，从而形成良好的气流循环，但在实施上，该导流座52的结构不限于此。
参阅图2、3、4、5，本发明硒化方法的较佳实施例为制造所述太阳能电池的工序中的其中一个制程，在进行该硒化方法前，会先在所述太阳能电池的半成品7的基板单元71上沉积所述前驱物层72，接着才对所述前驱物层72进行硒化处理。而该硒化方法包含以下步骤：
（1）进行步骤91：开启该硒化装置的加热腔体1的开口部11，并将所述半成品7放入该反应空间14内，其中，所述半成品7是如图4所示地平行该第一方向61，并间隔且直立地摆放于该固定板41上，使两两相互间隔的所述半成品7之间所界定出的间隙70的延伸方向平行该第一方向61。然后，关闭该开口部11以封闭该反应空间14。
进一步说明的是，本实施例是一次将数个半成品7放入该反应空间14内进行硒化处理，以节省制造时间，但在实施上，也可以只针对一个半成品7进行硒化处理。此外，本实施例将所述半成品7以平行该第一方向61的方式放置，使所述间隙70直线地对应该导流通道521的大径开口522，以利硒化反应气体8循环流动，但实施上所述半成品7的摆放方式依需求而定，不需限制。
（2）进行步骤92：启动该真空机构2对该反应空间14抽真空，在本实施例中，待该反应空间14的气压值为0.01torr时，就可以进行下一个步骤。
（3）进行步骤93：关闭该真空机构2并启动该气流循环机构5而驱动该风扇51转动，借以提升该反应空间14的气流循环性。接着启动该加压机构3，并将硒化反应气体8通入该反应空间14以增加该加热腔体1内的气压值，同时驱动该加热腔体1的加热部13加热，以增加该反应空间14的温度。
此时，该风扇51会抽吸位于所述间隙70与该导流座52的导流通道521内的硒化反应气体8，造成气体流动，并将抽吸而来的硒化反应气体8连同该加压机构3所通入的硒化反应气体8一起吹向该加热部13。受到该加热部13加温后的硒化反应气体8则流往所述半成品7，并通过所述间隙70流入该导流通道521，而再次被吸往该风扇51。
（4）进行步骤94：持续将硒化反应气体8通入该反应空间14，使该反应空间14内的气压值增加至2~6atm，较佳可使该反应空间14内的气压值维持在5atm。在此同时，将该反应空间14的温度增加至250℃之后持温10分钟以上，以对所述半成品7进行硒化预热。
接着将该反应空间14的温度增加至450℃之后持温20分钟以上，使硒化反应气体8裂解形成硒与硫的气态原子，并扩散至所述前驱物层72内而进行硒化反应。最后将该反应空间14的温度增加至500~600℃，并持温40~60分钟进行硫化退火，使硒与硫和所述前驱物层72发生反应而再结晶形成如图2所示的光吸收层73，所述光吸收层73的材料为铜铟镓硒（CIGS）或铜铟硒（CIS）且为黄铜矿结构。之后，停止对该反应空间14加热。
需要说明的是，实施时可以通过调整所述前驱物层72与硒化反应气体8中的镓、铟、铜、硒与硫之间的比例，来调整所述光吸收层73的能隙宽与材料特性，所以在材料的选用上依需求而定。
（5）进行步骤95：待该反应空间14内的温度降至120℃以下，就可以关闭该风扇51，并启动该真空机构2将硒化反应气体8排出该反应空间14之外。
（6）进行步骤96：待该反应空间14内的气压值降低至1torr以下时，关闭该真空机构2而停止抽气，并启动该加压机构3将气体如氮气（N2）通入该反应空间14内。当该反应空间14内的气压值增加至100torr以上时，就可以关闭该加压机构3，并开启该加热腔体1的开口部11而将所述半成品7取出。需要说明的是，本实施例的加压机构3除了可以将硒化反应气体8通入该反应空间14来发生硒化反应之外，也可将如氮气的气体通入该反应空间14来破该加热腔体1的真空。
在此之后，可在所述半成品7的光吸收层73上依序溅镀缓冲层、透明电极层等膜层，便可完成所述太阳能电池的制造。
综上所述，本发明通过该气流循环机构5使该反应空间14内的硒化反应气体8均匀地受热且均匀地分布，相较于一般硒化装置只能靠热辐射的方式传递热能，本发明还可以通过硒化反应气体8的热传导与热对流，快速地将该加热部13所发出的热能均匀地传送到每一个半成品7。就发明人实验的结果，每一个半成品7的温度差可缩小在3℃内，而该反应空间14内的局部区域的温度差也可缩小在10℃内。此外，优异的导热效果，更可缩短耗费在等待升降温的时间，相较于一般硒化处理需要耗费4~5小时，本发明硒化方法可在3小时内完成，并提高生产效率15%以上。
进一步说明的是，只要能提升硒化反应气体8的气流循环性，就可以达成本发明的目的，至于该反应空间14内的气流动向，乃因制程需求、该气流循环机构5设置的位置，以及所述半成品7的摆放方式等因素而有所改变，因此不以本实施例所公开的形式为限制。
另一方面，本发明通过该加压机构3将硒化反应气体8持续地通入该反应空间14内，以增加该反应空间14的气压值并提高硒化反应气体8的浓度，从而可提升硒化反应气体8与所述前驱物层72的反应速率，并缩短反应时间。
需要说明的是，该反应空间14内的气压值维持在2~6atm的范围内进行硒化反应为佳。若气压值小于2atm时，硒化反应气体8的浓度过低，因而降低硒化反应速率及热能传导效果。若气压值大于6atm时，又会因为过度的硒化反应，使所述半成品7的光吸收层73内的元素比例失衡，而影响所述光吸收层73的能隙宽与材料特性。
由以上说明可知，本发明通过该气流循环机构5与该加压机构3创新的设置，使硒化反应气体8能均匀分布并帮助导热，而所述半成品7也能均匀受热并均匀地发生硒化反应，因而可制造出质量优异且转换效率高的光吸收层73，同时还可缩短制程时间并提升生产速度及生产效率。

Claims (9)

1.一种用于太阳能电池的硒化方法，包含：
步骤A：将一个表面形成有一个前驱物层的基板单元放入一个加热腔体内；
步骤B：将该加热腔体抽真空；
其特征在于，该硒化方法还包含：
步骤C：提升该加热腔体内的气流循环性，并将硒化反应气体通入该加热腔体内以增加该加热腔体内的气压值，同时增加该加热腔体内的温度；
步骤D：持续将硒化反应气体通入该加热腔体内，使该加热腔体内的气压值增加至2~6atm之后进行退火，使硒化反应气体与该前驱物层反应形成一个光吸收层。
2.根据权利要求1所述的用于太阳能电池的硒化方法，其特征在于：在步骤D中，持续将硒化反应气体通入该加热腔体内，使该加热腔体内的气压值增加并维持在5atm。
3.根据权利要求2所述的用于太阳能电池的硒化方法，其特征在于：该前驱物层的材料为铜铟镓或铜铟，而硒化反应气体为硒化氢或硒化氢与硫化氢的混合。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的用于太阳能电池的硒化方法，其特征在于：在步骤D中，退火温度为500~600℃，并在持温40~60分钟之后停止对该加热腔体加热。
5.一种用于太阳能电池的硒化装置，通过硒化反应气体使所述太阳能电池的半成品发生硒化反应，而该硒化装置包含一个加热腔体，以及一个安装在该加热腔体上的真空机构，该加热腔体包括一个供所述半成品放置的反应空间，以及一个围绕并对该反应空间加热的加热部，而该真空机构对该反应空间抽气；其特征在于，该硒化装置还包含一个安装在该加热腔体上并将硒化反应气体送入该反应空间的加压机构，以及一个安装在该反应空间内并使该反应空间内的硒化反应气体循环流动的气流循环机构。
6.根据权利要求5所述的用于太阳能电池的硒化装置，其特征在于：该气流循环机构包括一个可转动地安装于该反应空间内的风扇，以及一个位于该风扇与所述半成品之间的导流座，该导流座具有一个供硒化反应气体流动于所述半成品与该风扇之间的导流通道。
7.根据权利要求6所述的用于太阳能电池的硒化装置，其特征在于：该导流座的导流通道具有一个朝向所述半成品的大径开口，以及一个朝向该风扇且口径小于该大径开口的小径开口。
8.根据权利要求7所述的用于太阳能电池的硒化装置，其特征在于：该硒化装置还包含一个安装于该加热腔体的反应空间内的固定座单元，该固定座单元包括一个供所述半成品放置且供该导流座安装的固定板。
9.根据权利要求6至8中任一权利要求所述的用于太阳能电池的硒化装置，其特征在于：该加热腔体还包括分别设置在该加热部的相反两侧且与该加热部共同圈围该反应空间的一个安装部与一个开口部，该风扇、该真空机构及该加压机构安装于该安装部，所述半成品通过该开口部进出该反应空间。
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