CN103898479A - 一种卷对卷高效制备硫化镉薄膜的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种卷对卷高效制备硫化镉薄膜的装置，包括：将柔性的衬底平铺输送的输送机构，进行沉积反应的沉积箱，与沉积箱相接的溶液加热循环机构，洗刷衬底的滚筒洗刷机构，烘干衬底的烘干装置；所述沉积箱、滚筒洗刷机构和烘干装置沿着衬底的输送方向依次设置。本发明还涉及一种卷对卷高效制备硫化镉薄膜的方法，包括衬底展开、溶液配置、溶液加热、反应沉积、衬底的输、衬底的清洗、洁净的衬底的输送、表面烘干、衬底收起步骤。本发明具有结构简单、可连续化、批量化生产的优点，属于薄膜太阳能电池制造工艺技术领域。

Description

一种卷对卷高效制备硫化镉薄膜的装置和方法
技术领域
本发明涉及薄膜太阳能电池制造工艺，具体的说，涉及一种卷对卷制备柔性铜铟镓硒薄膜太阳能电池的硫化镉缓冲层薄膜的制备装置和方法。
背景技术
铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池因为具有高转换效率及低材料制造成本等优点，因此被视为未来最有发展潜力的薄膜太阳能电池种类之一。CIGS薄膜太阳能电池是一种层状结构的薄膜电池，一般由衬底、背电极、CIGS吸收层、缓冲层、透明导电氧化层以及正面金属电极等部分组成，其中缓冲层的作用是为了与P型的CIGS吸收层形成P-N结从而分离光生载流子。目前，缓冲层有CdS，ZnS，Zn(O,S,OH)等材料，但是还没有在性能上能超过CdS系的缓冲层。而且研究表明，掺入Cd对太阳能电池性能的提高起着至关重要的作用。
CdS薄膜制备的方法多种多样，如：CBD、真空蒸发、分子束外延、近空间升华、电镀、喷涂热分解、溅射等。迄今为止，基于CBD-CdS法制作的太阳能电池效率最高，而且设备要求简单，不像真空蒸发、分子束外延、溅射等方法需要昂贵的真空设备。
由于铜铟镓硒薄膜太阳能电池是由多层薄膜叠加而成，每一层薄膜的制备方法可能都不一样；制备单一层薄膜的方法，甚至步骤也不尽相同，容易造成生产工艺上的不连续。所使用的衬底若为柔性衬底，则加大了制备的难度。传统单一块状的生产模式始终制约产业化的需要。因而要实现大规模、高效率、连续化的生产是目前所面临的挑战。
发明内容
针对现有技术中存在的制备硫化镉缓冲层薄膜生产不连续、步骤不连贯、效率低等技术问题，本发明的目的是：提供一种高品质、高效率、连续化、低成本、产业化模式的卷对卷高效制备硫化镉薄膜的装置和方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种卷对卷高效制备硫化镉薄膜的装置，包括：将柔性的衬底平铺输送的输送机构，进行沉积反应的沉积箱，与沉积箱相接的溶液加热循环机构，洗刷衬底的滚筒洗刷机构，烘干衬底的烘干装置；所述沉积箱、滚筒洗刷机构和烘干装置沿着衬底的输送方向依次设置。
输送机构包括：位于衬底输送路线首端和尾端的、将衬底缠绕成卷的卷筒，位于衬底输送路线中的、导引衬底的输送方向的多个导辊，将衬底定位在沉积箱和烘干装置中的多个调整辊。
沉积箱内均匀分布有若干个超声波震荡器。
溶液加热循环机构包括：依次相接的第一流量控制器、水泵、三通阀、混合箱、蛇形盘管换热器、保温容器、第二流量控制器；第一流量控制器和第二流量控制器分别与沉积箱相接；三通阀的另一端通入溶液。
衬底的正面为硫化镉薄膜，滚筒洗刷机构与衬底的背面相接触。
烘干装置的前后两端各设有一个调整辊，衬底穿过烘干装置。
一种卷对卷高效制备硫化镉薄膜的方法，使用一种卷对卷高效制备硫化镉薄膜的装置，包括如下步骤：a.衬底展开：将成卷的衬底通过输送机构展开；b.溶液配置：用于沉积反应的溶液的配置；c.溶液加热：溶液通过溶液加热循环机构加热；d.反应沉积：溶液注入沉积箱，在衬底上均匀流动，在衬底的正面生长出硫化镉薄膜；e.衬底的输送：衬底从反应沉积工序移至清洗工序；f.衬底的清洗：对衬底的背面进行清洗，得到洁净的衬底；g.洁净的衬底的输送：将洁净的衬底输送至烘干工序；h.表面烘干：通过烘干装置烘干衬底两面的水分，固化表面；i.衬底收起：将衬底缠绕成卷。
步骤a中，展开的衬底同时置于沉积箱、滚筒洗刷机构和烘干装置中。
步骤c中，加热的温度为60-90℃；步骤d中，反应时间为8-30min。
步骤d至i连续进行。
总的说来，本发明具有如下优点：
（1）本发明结构简单，在保证了高质量的硫化镉缓冲层薄膜的情况下，实现了连续化、规模化的加工，弥补了现有技术的步骤或工艺脱节的问题。有效提高生产效率，制备的薄膜质量均匀。
（2）本发明可以衔接制备每一层薄膜的卷对卷装置，尤其是类似CIGS太阳能电池这种多层薄膜结构的情况，包括卷对卷的磁控溅射装置，卷对卷的真空蒸发装置以及卷对卷的非真空旋涂装置等。
（3）本发明利用柔性衬底卷筒的方法，可以将半成品在制备其余薄膜所需的卷对卷装置上面进行安装，就像更换“胶卷”一样，进而实现步骤或工艺的连续和规模化的生产，为大规模生产提供了条件。改变了以往需将大片卷状长条的柔性衬底进行裁剪以符合下一道工序设备要求的情况。
附图说明
图1是一种卷对卷高效制备硫化镉薄膜的装置的结构示意图。
其中，11和14是卷筒，12是导辊，13是调整辊，21是沉积箱，22是超声波震荡器，31是第一流量控制器，32是水泵，33是三通阀，34是混合箱，35是蛇形盘管换热器，36是保温容器，37是第二流量控制器，4是滚筒洗刷机构，5是烘干装置。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
图1所示，一种卷对卷高效制备硫化镉薄膜的装置，包括：将柔性的衬底平铺输送的输送机构，进行沉积反应的沉积箱，与沉积箱相接的溶液加热循环机构，洗刷衬底的滚筒洗刷机构，烘干衬底的烘干装置；沉积箱、滚筒洗刷机构和烘干装置沿着衬底的输送方向依次设置。
输送机构包括：位于衬底输送路线首端和尾端的、将衬底缠绕成卷的卷筒，位于衬底输送路线中的、导引衬底的输送方向的多个导辊，将衬底定位在沉积箱和烘干装置中的多个调整辊。调整辊成对设置，一对调整辊位于沉积箱内的前后两端，将衬底平铺拉紧在沉积箱中，从而衬底的正面与沉积箱内的溶液接触；一对调整辊位于烘干装置的前后两端，将衬底平铺拉紧在烘干装置中实现双面烘干。
沉积箱内均匀分布有若干个超声波震荡器，对溶液进行超声波震荡，在衬底的正面（即图中朝向下方的面）生成硫化镉薄膜。
溶液加热循环机构包括：依次相接的第一流量控制器、水泵、三通阀、混合箱、蛇形盘管换热器、保温容器、第二流量控制器；第一流量控制器和第二流量控制器分别与沉积箱相接；三通阀的另一端通入配好的溶液。
衬底的正面为硫化镉薄膜，滚筒洗刷机构与衬底的背面相接触，洗刷非沉积表面，图中为衬底的上表面。滚筒可设置一个、两个或多个。滚筒洗刷的材料是橡胶或塑料。
烘干装置的前后两端各设有一个调整辊，衬底穿过烘干装置，烘干装置对衬底的正反两面进行烘干。
一种卷对卷高效制备硫化镉薄膜的方法，使用一种卷对卷高效制备硫化镉薄膜的装置，具体包括以下几个步骤：
（1）卷筒衬底展开：将柔性的衬底置于输送机构上；
（2）溶液配制：将醋酸镉、硫脲、乙酸镉、乙酸铵、氨水、去离子水按一定比例混合制成反应溶液，然后装于混合箱中。
（3）溶液加热：溶液进入蛇形盘管换热器加热至70℃，然后流入到保温容器中；
（4）反应沉积：用水泵将溶液输入到沉积箱中，控制两端的第一、第二流量控制器调节流量，控制超声波震荡器的频率，使溶液在衬底上均匀的流动，生长出高质量的硫化镉薄膜；反应时间为10min；
（5）硫化镉柔性衬底向前运动：输送机构将沉积硫化镉的一段衬底移至下一个工序；
（6）非沉积表面的清洗：用若干个滚筒清洗非沉积表面的杂质或污垢；
（7）洁净柔性衬底向前运动：输送机构将洁净的衬底移至下一个工序；
（8）表面烘干：用烘干装置烘干两面的水份，固化表面；
（9）卷筒衬底收起：将制备好的柔性衬底卷起，备用。
上述整个过程（包括沉积过程、清洗过程和烘干过程）连续进行，中途无间断。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种卷对卷高效制备硫化镉薄膜的装置，其特征在于：包括：
-将柔性的衬底平铺输送的输送机构，
-进行沉积反应的沉积箱，
-与沉积箱相接的溶液加热循环机构，
-洗刷衬底的滚筒洗刷机构，
-烘干衬底的烘干装置；
所述沉积箱、滚筒洗刷机构和烘干装置沿着衬底的输送方向依次设置。
2.按照权利要求1所述的一种卷对卷高效制备硫化镉薄膜的装置，其特征在于：所述输送机构包括：
-位于衬底输送路线首端和尾端的、将衬底缠绕成卷的卷筒，
-位于衬底输送路线中的、导引衬底的输送方向的多个导辊，
-将衬底定位在沉积箱和烘干装置中的多个调整辊。
3.按照权利要求1所述的一种卷对卷高效制备硫化镉薄膜的装置，其特征在于：所述沉积箱内均匀分布有若干个超声波震荡器。
4.按照权利要求1所述的一种卷对卷高效制备硫化镉薄膜的装置，其特征在于：所述溶液加热循环机构包括：依次相接的第一流量控制器、水泵、三通阀、混合箱、蛇形盘管换热器、保温容器、第二流量控制器；第一流量控制器和第二流量控制器分别与沉积箱相接；三通阀的另一端通入溶液。
5.按照权利要求1所述的一种卷对卷高效制备硫化镉薄膜的装置，其特征在于：所述衬底的正面为硫化镉薄膜，滚筒洗刷机构与衬底的背面相接触。
6.按照权利要求2所述的一种卷对卷高效制备硫化镉薄膜的装置，其特征在于：所述烘干装置的前后两端各设有一个调整辊，衬底穿过烘干装置。
7.一种卷对卷高效制备硫化镉薄膜的方法，其特征在于：使用权利要求1至6中任一项所述的一种卷对卷高效制备硫化镉薄膜的装置，包括如下步骤：
a.衬底展开：将成卷的衬底通过输送机构展开；
b.溶液配置：用于沉积反应的溶液的配置；
c.溶液加热：溶液通过溶液加热循环机构加热；
d.反应沉积：溶液注入沉积箱，在衬底上均匀流动，在衬底的正面生长出硫化镉薄膜；
e.衬底的输送：衬底从反应沉积工序移至清洗工序；
f.衬底的清洗：对衬底的背面进行清洗，得到洁净的衬底；
g.洁净的衬底的输送：将洁净的衬底输送至烘干工序；
h.表面烘干：通过烘干装置烘干衬底两面的水分，固化表面；
i.衬底收起：将衬底缠绕成卷。
8.按照权利要求7所述的一种卷对卷高效制备硫化镉薄膜的方法，其特征在于：所述步骤a中，展开的衬底同时置于沉积箱、滚筒洗刷机构和烘干装置中。
9.按照权利要求7所述的一种卷对卷高效制备硫化镉薄膜的方法，其特征在于：所述步骤c中，加热的温度为60-90℃；步骤d中，反应时间为8-30min。
10.按照权利要求7所述的一种卷对卷高效制备硫化镉薄膜的方法，其特征在于：所述步骤d至i连续进行。
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