CN104789945B - 一种太阳能电池吸收层的气相输运沉积装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能电池吸收层的气相输运沉积装置，该装置包括进料系统、粉末输送系统、保温加热系统、气化沉积系统及壳体系统，所述进料系统由进料端盖、装料漏斗及螺旋进料腔组成；保温加热系统由陶瓷保温管、石墨纤维板保温层、氮化硼固定支架及圆弧板加热器组成；气化沉积系统由沉积气化腔及流量控制板组成；壳体系统由外部真空腔、衬底及支架组成；沉积气化腔套装在保温加热系统内并置于外部真空腔内，粉末输送系统与沉积气化腔连接，进料系统与粉末输送系统连接。本发明改善了保温加热系统及气化沉积系统，具有温度控制精准、材料利用率高及膜层均匀的优点，并将薄膜电池吸收层材料的应用范围由碲化镉拓宽到铜铟镓硒或铜锌锡硫。

Description

一种太阳能电池吸收层的气相输运沉积装置

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域,尤其是一种太阳能电池吸收层的气相输运沉积装置。

背景技术

21世纪初，太阳能电池主要以硅系太阳能电池为主，超过89%的光伏市场由硅系列太阳能电池所占领，自2003年以来，由于晶体硅太阳能电池的主要原料多晶硅价格快速上涨，导致晶体硅太阳能电池成本过高，因此，业内人士自然而然将目光转向了成本较低的薄膜电池。首先，薄膜太阳能电池可以使用价格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金属等材料作为基板，基板上可生成电压薄膜的厚度仅需数微米，且转换效率最高可达20%以上，其次，薄膜太阳能电池除了平面应用之外，因为具有可挠性，还可以制作成非平面结构，与建筑物结合或是变成建筑体的一部份，应用非常广泛。目前，热门的薄膜电池吸收层材料主要包括碲化镉、铜铟镓硒和铜锌锡硫。薄膜制备工艺分为以下几种：真空蒸发、气相输运、物理气相沉积、磁控溅射、溶胶-凝胶、电化学沉积、金属有机气相沉积、热喷涂和丝网印刷沉积等，前四种方法为目前主流方法，作为实验室及产业化研究的重点方向。由于产业化生产薄膜太阳能电池需要完成大面积的沉积太阳能电池吸收层，现有技术具备高精度沉积太阳能电池吸收层的设备相当少，专利文件CN201442975U，已公开的碲化镉薄膜吸收层制备设备相对简陋，该装置的不足之处主要有：①采用的是石墨管加热方式，石墨管式加热器直径比较小，如果石墨管长度过长，则石墨管的强度不够，如果加大石墨加热管的直径，会造成石墨管的表面积增大而影响加热速度，故此装置无法胜任产业化中的大面积的沉积要求；②仅使用加热装置未考虑保温效果，导致能量在真空腔中损失很大；③如果两边同时进气，虽采用多层反射板来实现束流的均匀，但是可控制性不高，不能有效地改变工艺参数来获得较好的膜层；④进料口有弯曲的管道，输送的粉末容易滞留在石墨管壁上；⑤采用的开槽结构，沉积时会流失很多材料在真空腔体中，一是容易污染真空腔，二是材料利用率低；⑥通常气相输运法可以完成多种高质量的多元化合物的合成，而此装置单单考虑的是碲化镉吸收层的沉积，且沉积气化腔使用的是石英材质，熔点低，不能应用于大多数金属化合物的沉积。另外，在国外专利US6037241、US5945163的技术方案中电阻丝可能会与沉积物接触而造成污染也是很大的问题，其中绝大部分也是采用开槽结构，材料利用率低。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种太阳能电池吸收层的气相输运沉积装置，该装置改善了保温加热系统及气化沉积系统，具有温度控制精准、材料利用率高及膜层均匀的优点，并将薄膜电池吸收层材料的应用范围由碲化镉拓宽到铜铟镓硒或铜锌锡硫。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种太阳能电池吸收层的气相输运沉积装置，其特点是该装置包括进料系统、粉末输送系统、保温加热系统、气化沉积系统及壳体系统，所述气化沉积系统套装于保温加热系统内，保温加热系统置于壳体系统上，粉末输送系统连接气化沉积系统及进料系统；其中：

所述进料系统由进料端盖、装料漏斗、螺旋进料腔及螺旋轴组成，进料端盖上设有端盖阀门，装料漏斗上设有出料口，螺旋进料腔上设有进口及出口；所述螺旋轴设于螺旋进料腔内，装料漏斗的出料口与螺旋进料腔的进口连接，进料端盖设于装料漏斗的顶端；

所述粉末输送系统为一端设有气阀、另一端设有出料接口的输料管道，输料管道上一侧设有进料接口；

所述保温加热系统由陶瓷封口环、陶瓷保温管、石墨纤维板保温层、氮化硼固定支架及圆弧板加热器组成，圆弧板加热器间隔设置在环形的氮化硼固定支架上，陶瓷封口环设于氮化硼固定支架的一端，陶瓷保温管套装在氮化硼固定支架的外层，石墨纤维板保温层包裹在陶瓷保温管的外层；

所述气化沉积系统由沉积气化腔及流量控制板组成，其中，沉积气化腔由石墨筒及石墨U形连通管组成，石墨筒为两端封闭且筒壁沿轴向设有流量控制板槽的筒状体，石墨U形连通管的一端敞口、另一端封闭且封闭段的管壁上设有小孔；所述石墨U形连通管设于石墨筒内且石墨U形连通管的敞口端由石墨筒的一封闭端伸出，流量控制板搁置于石墨筒的流量控制板槽上；

所述壳体系统由外部真空腔、衬底及支架组成，外部真空腔为一密闭的腔体，其顶部设有抽气口阀门，一侧面上设有波纹管及波纹连接管口，支架上设有衬底隔挡；支架设于外部真空腔内，衬底设于支架的衬底隔挡上；

所述沉积气化腔的石墨筒套装在保温加热系统的氮化硼固定支架及陶瓷封口环内，且陶瓷封口环设于石墨筒与石墨纤维板保温层之间并将氮化硼固定支架的一端封闭，气化沉积系统连同保温加热系统置于外部真空腔内，且石墨筒的流量控制板槽朝下置于支架上，粉末输送系统的输料管道设于波纹连接管口内，且输料管道的出料接口与沉积气化腔石墨U形连通管的敞口端连接，进料系统螺旋进料腔的出口与输料管道的进料接口连接。

所述的流量控制板上设有非均匀分布的阵列孔。

本发明改善了保温加热系统及气化沉积系统，具有温度控制精准、材料利用率高及膜层均匀的优点，并将薄膜电池吸收层材料的应用范围由碲化镉拓宽到铜铟镓硒或铜锌锡硫。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明气化沉积腔的结构示意图；

图4为图3的A—A截面示意图；

图5为本发明圆弧板加热器的结构示意图；

图6为本发明流量控制板的结构示意图；

图7为本发明实施薄膜电池吸收层的沉积过程示意图；

图8为图7的B—B截面示意图；

图9为三台本发明装置实施薄膜电池吸收层的沉积过程示意图。

具体实施方式

实施例1

以碲化镉材料太阳能电池吸收层的沉积为例，参照实际工作过程对本发明进一步说明如下：

参阅图1～图5：

a)、抽真空，

在外部真空腔1的抽气口阀门101上连接真空泵，将粉末输送系统的气阀6关闭，将进料系统进料端盖2上的端盖阀门21关闭，打开抽气口阀门101，对外部真空腔1及气化沉积系统的沉积气化腔15开始抽真空，真空度为10^-2Pa；

b)、加料，

准备真空筒式碲化镉粉料包，将其连接到进料系统的进料端盖2上，打开端盖阀门21，实施加料，当碲化镉粉材料进入装料漏斗3，装料完成，关闭端盖阀门21；

c)、开始加温，开启保温加热系统的圆弧板加热器14的电源，开始对气化沉积系统加热，加热温度；

d)、薄膜电池吸收层的沉积，

参阅图1、图2、图6、图7及图8，当沉积气化腔15内的温度达到设定的工作温度时，即碲化镉粉适合的气化温度，开始进料，开启螺旋轴5的电机，碲化镉粉从装料漏斗3的出料口、通过螺旋进料腔4的进口41进入螺旋进料腔4，再从螺旋进料腔4的出口42进入输料管道7，最后从输料管道7的出料接口进入沉积气化腔15的石墨U形连通管152的敞口端，此时，将粉末输送系统的气阀6打开，向内充入一定流量的惰性气体，碲化镉粉会随着气流沿着石墨U形连通管152流动，此时，碲化镉粉会充分气化后充填整个石墨U形连通管152，并从管壁上的小孔流入石墨筒151内，不同孔径的小孔可以保证碲化镉粉相对均匀地进入石墨筒151内，石墨筒151也是一个匀气腔，进一步使气化的碲化镉粉均匀，最后通过搁置于石墨筒151的流量控制板18上的阵列孔自上而下喷出沉积到衬底16上，薄膜电池吸收层的沉积完毕。

e)、沉积结束后，关闭螺旋轴5的电机，停止进料，将粉末输送系统的气阀6打开,给沉积气化腔15充气，充气5-10分钟后，断开保温加热系统的圆弧板加热器14的电源，最后关闭粉末输送系统的气阀6，待下次工作。

f)、如需更换材料，只需关闭进料系统进料端盖2上的端盖阀门21，将准备好的真空筒式粉末原料包连接到进料系统的进料端盖2上，实施加料，当材料进入装料漏斗3，装料完成，关闭端盖阀门21，更换材料的工序完成。

实施例2

以完成铜铟镓硒太阳能电池吸收层的沉积，根据实际操作过程对本发明做进一步说明：

参阅图1、图2、图7、图8及图9，将三台本发明以平行位置设置，打开3套装置进料系统的进料端盖2，分别将真空筒式铜粉料包，真空筒式铟粉料包和真空筒式镓粉料包加入装料漏斗3内，关闭端盖阀门21，按实施例1的操作步骤进行操作即可。

由于适合三种金属的气化温度不同，加温时，只需对保温加热系统圆弧板加热器14的工作温度实施对应设定，三种金属气化后会混合形成多元化合物沉积到衬底16上。

本发明所产生的技术效果：

本发明沉积气化腔15采用的是石墨材质，熔点高，适用于大多数的金属材料和金属化合物，本发明在结构上也做了较大的创新，一是石墨筒151做成了两端封闭且筒壁沿轴向设有流量控制板槽153的筒状体，不会影响石墨加热；二是保温加热系统由两层保温层构成，里面一层采用的是陶瓷保温层11，外面包裹石墨纤维板保温层12，这种双层保温结构使得保温效果明显提高；三是圆弧板加热器14采用一定宽度石墨圆弧板拼装，不用担心加热石墨管的直径限制，而且热功率可以根据圆弧宽度调整，可以保证具有足够的热功率以沉积熔点较高的金属材料和金属合金，同时为保证圆弧板加热器14不相互触及，圆弧板加热器14间隔设置在环形的氮化硼固定支架13上，并对其位置实施固定。

本发明沉积气化腔15由石墨筒151及石墨U形连通管152组成，石墨U形连通管152的一端敞口、另一端封闭且封闭段的管壁上设有小孔；所述石墨U形连通管152设于石墨筒151内且石墨U形连通管152的敞口端由石墨筒151的一封闭端伸出，流量控制板18搁置于石墨筒151的流量控制板槽153上，这个结构相对比较密封，不会让石墨加热组件与沉积物接触；同时石墨U形连通管152可以增加气体的流动路径，可以保证石墨U形连通管152内的未气化粉末有充足时间的气化时间，不会造成堵塞；其次，由于这种石墨U形连通管152双管结构的直径较小，气体会充分充填石墨U形连通管152后从小孔流出，根据气体的流量随流向逐渐减弱的原则对应设计小孔的孔径大小，保证沿轴向从小孔流出的气体分布相对均匀的进入石墨筒151，石墨筒151的作用是使气体在轴向的分布进一步均匀。

最后气体通过流量控制板18上阵列设置的孔自上而下喷出，而流量控制板18一方面可以控制沉积速度，另一方面流量控制板18上分布的阵列孔可进一步使喷出的气体变得均匀，从而使沉积在衬底16上的薄膜均匀性更加好。

本发明沉积气化腔15还可提高材料的利用率，由于沉积气化腔15的石墨筒151为两端封闭且筒壁沿轴向设有流量控制板槽153的筒状体，若衬底16宽度加宽，只需将石墨筒151轴向变长就可以将对应的沉积宽度变宽，材料利用率可以能提高到75%，且沉积的衬底16宽度可达到1.5m，为实现工业化生产提供良好保证；其次，使衬底16以一定的速度相对于石墨筒151移动，就会形成连续沉积镀膜，大大提高了生产效率，而沉积膜层的厚度可由衬底16的移动速度和流量控制板18阵列孔的分布予以控制；三是可按石墨筒151上流量控制板18的流量分布状态，对流量控制板18的阵列孔设置为非均匀分布，这个对应的调节可以让沉积的膜层均匀性更好。

本发明输料管道7的出料接口与沉积气化腔15石墨U形连通管152的敞口端为直线连接，其间没有折弯，不会造成管壁的物料沉积，清洁也更为方便。

本发明为了使石墨材质的沉积气化腔15与外部真空腔1之间的位置可以微调，在外部真空腔1的一侧面上设有波纹连接管口8、波纹连接管口8上设有波纹管9，这种微调可以在不改变外部真空腔1位置的同时将沉积气化腔15固定到最合适位置，尤其是采用多套本发明以平行位置设置时，完成铜铟镓硒太阳能电池吸收层的沉积，使衬底16与多套本发明的位置相互兼顾，沉积在衬底16上的薄膜均匀性更加好。

Claims (4)

1.一种太阳能电池吸收层的气相输运沉积装置，其特征在于它包括进料系统、粉末输送系统、保温加热系统、气化沉积系统及壳体系统，所述气化沉积系统套装于保温加热系统内，保温加热系统置于壳体系统上，粉末输送系统连接气化沉积系统及进料系统；其中：

所述进料系统由进料端盖（2）、装料漏斗（3）、螺旋进料腔（4）及螺旋轴（5）组成，螺旋轴（5）设于螺旋进料腔（4）内，装料漏斗（3）与螺旋进料腔（4）连接，进料端盖（2）设于装料漏斗（3）顶端；

所述粉末输送系统为一端设有气阀（6）、另一端设有出料接口的输料管道（7），输料管道（7）管身上设有进料接口；

所述保温加热系统由陶瓷封口环（10）、陶瓷保温管（11）、石墨纤维板保温层（12）、氮化硼固定支架（13）及圆弧板加热器（14）组成，圆弧板加热器（14）间隔设置在氮化硼固定支架（13）上，陶瓷封口环（10）设于氮化硼固定支架（13）的一端，陶瓷保温管（11）套装于氮化硼固定支架（13）的外层，石墨纤维板保温层（12）包裹在陶瓷保温管（11）的外层；

所述气化沉积系统由沉积气化腔（15）及流量控制板（18）组成，流量控制板（18）设于沉积气化腔（15）内；

所述壳体系统由外部真空腔（1）、衬底（16）及支架（17）组成，支架（17）设于外部真空腔（1）内，衬底（16）设于支架（17）上；

所述沉积气化腔（15）由石墨筒（151）及石墨U形连通管（152）组成，石墨筒（151）为两端封闭且筒壁沿轴向设有流量控制板槽(153)的筒状体，石墨U形连通管（152）的一端敞口、另一端封闭且封闭段的管壁上设有小孔；所述石墨U形连通管（152）设于石墨筒（151）内且石墨U形连通管（152）的敞口端由石墨筒（151）的一封闭端伸出；

所述外部真空腔（1）为一密闭的腔体，其顶部设有抽气口阀门（101），一侧面上设有波纹管（9）及波纹连接管口（8）。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述进料端盖（2）上设有端盖阀门（21）；装料漏斗（3）上设有出料口；螺旋进料腔（4）上设有进口（41）及出口（42）。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述支架（17）上设有衬底隔挡。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于流量控制板（18）上设有非均匀分布的阵列孔；流量控制板（18）搁置于石墨筒（151）的流量控制板槽（153）上。