CN105428457B - 一种工业化沉积cigs太阳电池吸收层的方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工业化沉积CIGS太阳电池吸收层的方法及设备，蒸发腔室包括作为放卷室的第一腔室，作为工艺室的第二、三、四腔室，和作为收卷室的第五腔室。蒸发室内上部设置有带动衬底行进的放卷器、倒卷滚轴、收卷器、纠偏系统。第二、三、四腔室中安置有衬底加热背板和蒸发源，Se蒸发源为线性源沿衬底幅宽方向，其余蒸发源沿衬底走带方向呈左右两列均匀分布在衬底下方。通过控制Cu、In、Ga、Se及NaF蒸发先后顺序、蒸发速率，最终薄膜经历富Cu生长过程，在较低温度条件下获得了高结晶质量吸收层；因采用具有内置加热装置的线性Se蒸发源，高活性Se分子均匀分布于衬底周围，利于高质量CIGS薄膜的生成。通过该方法制备的CIGS吸收层成分均匀、结晶质量高、电学性能优，适合于CIGS薄膜太阳电池工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于柔性薄膜太阳电池技术领域，特别是涉及一种工业化沉积CIGS太阳电池吸收层的方法及设备。
背景技术
近年来薄膜太阳电池发展迅速。CIGS薄膜太阳电池由于其效率高、稳定性好、抗辐射能力强等优点，被称为“最有前途的太阳电池”之一，成为研究的焦点。目前，德国太阳能和氢能研究中心(ZSW)研制的实验室小面积(约0.5cm2)CIGS薄膜太阳电池实现了21.7％的转换效率。在工业化生产方面，以玻璃为衬底的CIGS薄膜太阳电池的组件效率已到达10％-15％，其工业化进程在不断加快。
柔性PI(聚酰亚胺)作为衬底的CIGS薄膜太阳电池具有质量轻、可弯曲、质量比功率高、应用范围更广泛等显著优点，因此开展适合于工业化生产的柔性PI衬底CIGS薄膜太阳电池研究极为重要。
目前公知的工业化生产CIGS薄膜太阳电池方法多涉及玻璃衬底的刚性太阳电池。柔性PI衬底耐热温度有限、高温下易变行，这不利于生成结晶质量优、附着性好的CIGS吸收层。工业化生产柔性PI衬底CIGS薄膜太阳电池吸收层研究鲜有报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种以柔性PI为衬底，制备成分均匀、结晶质量高，适用于工业化生产的CIGS薄膜太阳电池吸收层的方法及设备。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种工业化沉积CIGS太阳电池吸收层的设备，蒸发腔室包括作为放卷室的第一腔室，作为工艺室的第二腔室、第三腔室和第四腔室，和作为收卷室的第五腔室；第一腔室、第二腔室、第三腔室、第四腔室、第五腔室依次排列，相邻腔室之间通过不锈钢板隔断，但腔室之间互通；蒸发室内上部设置有带动衬底行进的放卷器、倒卷滚轴、收卷器、纠偏系统，放卷器在第一腔室，收卷器在第五腔室，在第五腔室中还设置有XRF测试仪，第一和第五腔室外连接有抽真空系统；第二腔室、第三腔室和第四腔室的顶部沿着衬底行进方向设置衬底加热背板，衬底加热背板平行安置于衬底上方，第二腔室、第三腔室和第四腔室中安置有蒸发源，第二腔室蒸发源依次为Se、In、Ga、Se蒸发源，第三腔室蒸发源依次为Se、Cu、Se蒸发源，第四腔室蒸发源依次为Se、In、Ga、NaF、Se蒸发源，衬底加热背板与衬底之间安装有热电偶，蒸发源安装有热电偶，热电偶与PID控制器相连接。
所述Se蒸发源为沿衬底幅宽方向的线性源，其余蒸发源沿衬底走带方向呈左右两列均匀分布在衬底下方。
所述Se蒸发源上部为圆柱形管腔，其上分布有等间距的小孔，管腔内置加热装置。
采用上述设备工业化沉积CIGS太阳电池吸收层的方法，包括以下步骤：
(1)使用镀有500-800nm Mo背电极的柔性聚酰亚胺PI为衬底，将衬底Mo膜面向下安装在蒸发腔室卷绕系统内，对蒸发腔室抽真空，待真空度优于1.0×10-3Pa时，将衬底温度加至400-550℃，Cu蒸发源加热至1100-1400℃，In蒸发源加热至900-1200℃，Ga蒸发源加热至900-1200℃,Se蒸发源加热至220-260℃,NaF蒸发源加热至600-800℃；
(2)启动装卷，开始镀膜，衬底通过第二腔室时蒸发沉积In、Ga、Se：衬底温度为400℃，In、Ga、Se在衬底表面形成预制层IGS；
(3)衬底通过第三腔室时蒸发沉积Cu、Se：衬底温度保持在530℃以上，Cu源蒸发的Cu小部分扩散进入IGS薄膜形成CIGS，大部分Cu与Se结合形成CuxSe；
(4)衬底通过第四腔室时蒸发沉积In、Ga、Se及NaF：衬底温度保持在530℃以上，In、Ga、Se与剩余的CuxSe反应生成CIGS；最后蒸发NaF，完成吸收层的后掺Na工艺；
(5)衬底通过第五腔室，XRF测试仪进行在线测试与分析，最终由收卷器完成卷绕，实现Roll-to-Roll工艺。
所述步骤(2)中蒸发的In、Ga总量占整个吸收层In、Ga蒸发总量的10％，Se保持过量蒸发。
所述步骤(4)中沉积的In、Ga总量为整个CIGS薄膜总量的90％，Se始终保持过量的蒸发。
本发明的有益效果是：
1.本发明以柔性PI为衬底，通过控制Cu、In、Ga、Se蒸发先后顺序、蒸发速率，最终薄膜经历富Cu生长过程，在较低温度条件下获得了高结晶质量吸收层。
2.本发明采用在蒸发工艺过程最后蒸发NaF，Na原子通过扩散分布于CIGS晶界处，起到钝化缺陷的作用，改善了吸收层的电学性能,进而有助于CIGS薄膜太阳电池转换效率的提高，电池效率平均提高20％以上。
3.本发明因采用具有内置加热装置的线性Se蒸发源，高活性Se分子均匀分布于衬底周围，利于高质量CIGS薄膜的生成。
附图说明
图1是本发明沉积太阳电池吸收层蒸发腔室侧视示意图；
图2是本发明蒸发腔室各蒸发源俯视示意图。
图中：1-第一腔室；2-第二腔室；3-第三腔室；4-第四腔室；5-第五腔室；6、7、8、9-不锈钢隔断；10-放卷器；11-倒卷滚轴；12、24-抽真空系统；13、14、15-衬底加热背板；16-Se蒸发源；17、20-In蒸发源；18、21-Ga蒸发源；19-Cu蒸发源；22-NaF蒸发源；23-收卷器；25-XRF测试仪。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
如图1、2所示，本实施例沉积CIGS太阳电池吸收层的设备，蒸发腔室包括作为放卷室的第一腔室1，作为工艺室的第二腔室2、第三腔室3和第四腔室4，和作为收卷室的第五腔室5，第一腔室1、第二腔室2、第三腔室3、第四腔室4、第五腔室5依次排列，相邻腔室之间通过不锈钢板6、7、8、9隔断，但腔室之间互通。蒸发室内上部设置有带动衬底行进的放卷器10、倒卷滚轴11、收卷器23、纠偏系统(图中未示)，放卷器10位于第一腔室1，收卷器23位于第五腔室5，在第五腔室5中还设置有XRF测试仪25，第一腔室1和第五腔室5外侧连接有抽真空系统12、24，第二腔室2、第三腔室3和第四腔室4的顶部沿着衬底行进方向设置衬底加热背板13、14、15，衬底加热背板平行安置于衬底上方，第二腔室2、第三腔室3和第四腔室4中安置有蒸发源，第二腔室2蒸发源依次为Se、In、Ga、Se蒸发源，第三腔室3蒸发源依次为Se、Cu、Se蒸发源，第四腔室4蒸发源依次为Se、In、Ga、NaF、Se蒸发源，衬底加热背板与衬底之间安装有热电偶，蒸发源安装有热电偶，热电偶与PID控制器相连接。
所述Se蒸发源16为线性源，沿衬底幅宽方向，其余蒸发源沿衬底走带方向呈左右两列均匀分布在衬底下方。
所述Se蒸发源16上部为圆柱形管腔，其上分布有等间距的小孔，管腔内置加热装置。
本实施例沉积CIGS太阳电池吸收层的方法，包括以下步骤：
(1)使用镀有500-800nm Mo背电极的柔性聚酰亚胺PI为衬底，幅宽为300mm，将衬底Mo膜面向下安装在蒸发腔室卷绕系统内，通过抽真空系统12、24对蒸发腔室抽真空，待真空度优于1.0×10-3Pa时，将衬底加热背板13、14、15加热至400-550℃，Cu蒸发源19加热至1100-1400℃，In蒸发源17、20加热至900-1200℃，Ga蒸发源18、21加热至900-1200℃,Se蒸发源16加热至220-260℃,NaF蒸发源22加热至600-800℃；
(2)启动装卷，开始镀膜，镀膜速率为60mm/min，衬底通过第二腔室2时蒸发沉积In、Ga、Se：衬底加热背板13加热温度为400℃，In蒸发源17保持在1000℃，Ga蒸发源18保持在1000℃,Se蒸发源16保持在250℃，In、Ga、Se在衬底表面形成约400nm厚度预制层IGS，此时In、Ga蒸发量约为吸收层In、Ga蒸发总量的10％；
(3)衬底通过第三腔室3时蒸发沉积Cu、Se：衬底加热背板14加热温度保持在530℃以上，Cu蒸发源19保持在1300℃，Se蒸发源保持在250℃，Cu源蒸发的Cu小部分扩散进入IGS薄膜形成CIGS，大部分Cu与Se结合形成CuxSe，此过程完成整个吸收层Cu含量的沉积；
(4)衬底通过第四腔室4时蒸发沉积In、Ga、Se及NaF：衬底加热背板15保持在530℃以上，In蒸发源20保持在1200℃，Ga蒸发源21保持在1200℃,Se蒸发源保持在240℃，In、Ga、Se与剩余的CuxSe反应生成CIGS；此过程In、Ga蒸发量约为吸收层In、Ga蒸发量的90％；最后保持700℃蒸发NaF，完成吸收层的后掺Na工艺；
(5)衬底通过第五腔室5，XRF测试仪25进行在线测试与分析，最终由收卷器完成卷绕，实现Roll-to-Roll工艺。
本发明以柔性PI为衬底，通过控制Cu、In、Ga、Se蒸发先后顺序、蒸发速率，最终薄膜经历富Cu生长过程，在较低温度条件下获得了高结晶质量吸收层。本发明采用在蒸发工艺过程最后蒸发NaF，Na原子通过扩散分布于CIGS晶界处，起到钝化缺陷的作用，改善了吸收层的电学性能,进而有助于CIGS薄膜太阳电池转换效率的提高，电池效率平均提高20％以上。本发明采用具有内置加热装置的线性Se蒸发源，高活性Se分子均匀分布于衬底周围，利于高质量CIGS薄膜的生成。该方法制备的吸收层厚度约为2.5μm，成分合理、均匀：幅宽方向Cu/(In+Ga)平均值为0.9，均匀性为±8％；Ga/(In+Ga)平均值为0.29，均匀性为±6％。薄膜结晶质量高，适合于CIGS薄膜太阳电池工业化生产。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。
Claims (6)
1.一种工业化沉积CIGS太阳电池吸收层的设备，其特征在于，蒸发腔室包括作为放卷室的第一腔室，作为工艺室的第二腔室、第三腔室和第四腔室，和作为收卷室的第五腔室；第一腔室、第二腔室、第三腔室、第四腔室、第五腔室依次排列，相邻腔室之间通过不锈钢板隔断，但腔室之间互通；蒸发室内上部设置有带动衬底行进的放卷器、倒卷滚轴、收卷器、纠偏系统，放卷器在第一腔室，收卷器在第五腔室，在第五腔室中还设置有XRF测试仪，第一和第五腔室外连接有抽真空系统；第二腔室、第三腔室和第四腔室的顶部沿着衬底行进方向设置衬底加热背板，衬底加热背板平行安置于衬底上方，第二腔室、第三腔室和第四腔室中安置有蒸发源，第二腔室蒸发源依次为Se、In、Ga、Se蒸发源，第三腔室蒸发源依次为Se、Cu、Se蒸发源，第四腔室蒸发源依次为Se、In、Ga、NaF、Se蒸发源，衬底加热背板与衬底之间安装有热电偶，蒸发源安装有热电偶，热电偶与PID控制器相连接。
2.根据权利要求1所述的工业化沉积CIGS太阳电池吸收层的设备，其特征在于，所述Se蒸发源为沿衬底幅宽方向的线性源，其余蒸发源沿衬底走带方向呈左右两列均匀分布在衬底下方。
3.根据权利要求1所述的工业化沉积CIGS太阳电池吸收层的设备，其特征在于，所述Se蒸发源上部为圆柱形管腔，其上分布有等间距的小孔，管腔内置加热装置。
4.采用权利要求1的设备工业化沉积CIGS太阳电池吸收层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)使用镀有500－800nm Mo背电极的柔性聚酰亚胺PI为衬底，将衬底Mo膜面向下安装在蒸发腔室卷绕系统内，对蒸发腔室抽真空，待真空度优于1.0×10－3Pa时，将衬底温度加至400－550℃，Cu蒸发源加热至1100－1400℃，In蒸发源加热至900－1200℃，Ga蒸发源加热至900－1200℃，Se蒸发源加热至220－260℃，NaF蒸发源加热至600－800℃；
步骤(2)启动装卷，开始镀膜，衬底通过第二腔室时蒸发沉积In、Ga、Se：衬底温度为400℃，In、Ga、Se在衬底表面形成预制层IGS；
步骤(3)衬底通过第三腔室时蒸发沉积Cu、Se：衬底温度保持在530℃以上，Cu源蒸发的Cu小部分扩散进入IGS薄膜形成CIGS，大部分Cu与Se结合形成CuxSe；
步骤(4)衬底通过第四腔室时蒸发沉积In、Ga、Se及NaF：衬底温度保持在530℃以上，In、Ga、Se与剩余的CuxSe反应生成CIGS；最后蒸发NaF，完成吸收层的后掺Na工艺；
步骤(5)衬底通过第五腔室，XRF测试仪进行在线测试与分析，最终由收卷器完成卷绕，实现Roll－to－Roll工艺。
5.根据权利要求4所述的工业化沉积CIGS太阳电池吸收层的方法，其特征在于，所述步骤(2)中蒸发的In、Ga总量占整个吸收层In、Ga蒸发总量的10％，Se保持过量蒸发。
6.根据权利要求4所述的工业化沉积CIGS太阳电池吸收层的方法，其特征在于，所述步骤(4)中沉积的In、Ga总量为整个CIGS薄膜总量的90％，Se始终保持过量的蒸发。
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