CN106684178B - 一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池缓冲层的制备系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池缓冲层的制备系统，包括原料输送子系统、机械传动子系统、加热子系统、清洗子系统，原料输送子系统包括若干原料输送装置、若干超声波喷嘴，机械传动子系统包括放卷辊、若干托辊、张力控制辊和收卷辊，加热子系统包括若干加热块，清洗子系统包括冲淋冷却装置、最终冲洗装置、干燥装置。本发明还公开其制备方法。将原料输送子系统、机械传动子系统、加热子系统、清洗子系统集于一体，保证高纯度的反应溶液可控供应给超声波喷嘴，超声波喷嘴将反应溶液均匀喷洒在柔性衬底上，随着衬底向温度高的区域卷进，这些化学物质因为加热而反应完全，最终制备厚度可控的均匀的具有良好光电性能的缓冲层。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其是涉及一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池缓冲层的制备系统及方法。
背景技术
随着全球气候变暖、生态环境恶化和常规能源的短缺，太阳能已成为各国可持续发展的重要战略决策。太阳能电池就是一种将太阳能转化成电能的装置，具备超过电能、风能等资源的独特性能，而有希望成为未来电力行业的重要支柱。太阳能电池主要分为硅太阳能电池、化合物半导体薄膜电池、有机聚合物电池、纳米晶电池、有机薄膜电池等。其中，铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池属于半导体薄膜电池，由于铜铟镓硒具备直接带隙结构，并且具有较高的吸收系数，膜层只需达到微米级就可全部吸收能量大于铜铟镓硒薄膜带宽的入射光，因此铜铟镓硒薄膜太阳能电池可节省大量的原料，并且受稀有元素价格提升和原料短缺的影响相对较小，具有光吸收能力强，放电稳定性好、转化效率高，白天发电时间长、发电量高，生产成本低以及能源回收周期短等诸多优势，因而具有广阔的市场前景。
铜铟镓硒薄膜太阳能电池主要有窗口层、缓冲层、吸收层、背电极和衬底组成。其中，缓冲层的作用有两个：一是作为吸收层的保护层，防止后续工艺对吸收层的破坏，二是作为吸收层和窗口层的过渡层，减小晶格失配。缓冲层的制备一般采用化学沉积法，利用喷嘴将溶液喷射到衬底上通过化学沉积制备。目前化学沉积在衬底上生成的薄膜均匀性还有待进一步提高。
发明内容
本发明目的是提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池缓冲层的制备系统及方法，以解决现有技术的不足。
本发明采用以下技术方案：
一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池缓冲层的制备系统，包括原料输送子系统、机械传动子系统、加热子系统、清洗子系统，原料输送子系统包括若干原料输送装置、若干超声波喷嘴，机械传动子系统包括放卷辊 、若干托辊、张力控制辊 和收卷辊 ，加热子系统包括若干加热块，清洗子系统包括冲淋冷却装置、最终冲洗装置、干燥装置；放卷辊 设在缓冲层反应区之前，若干原料输送装置和相应的超声波喷嘴连接，超声波喷嘴设在缓冲层反应区前端上方，若干托辊和若干加热块间隔设在缓冲层反应区，冲淋冷却装置、最终冲洗装置、干燥装置、张力控制辊、收卷辊 依次设在缓冲层反应区之后，冲淋冷却装置用水来自最终冲洗后的水。
优选地，原料输送装置包括储罐、回流管路、离心泵、过滤器、压力感应器、流量控制器，储罐出口通过离心泵和过滤器连接，离心泵和过滤器的连接管路上设阀门；过滤器出口分别和储罐进口、超声波喷嘴连接，过滤器出口通过回流管路和储罐进口连接，回流管路上设阀门；过滤器出口和超声波喷嘴连接管路上设压力感应器、流量控制器。
优选地，超声波喷嘴包括喷嘴本体，喷嘴本体上端设置多个溶液进孔，上端两侧分别设置超声波发生部件，超声波发生部件包括超声波发生器和超声波换能器，超声波发生器和超声波换能器电连接，超声波换能器设置在喷嘴本体内部；喷嘴本体下端设置若干溶液出孔，以每列溶液出孔计数，分为n孔、n-1孔、n-2 孔，溶液出孔按若干列n孔–若干列n-1孔–若干列n-2孔-若干列n-1孔–若干列n孔在喷嘴本体下端排列，各列数相同或不相同，其中，n为大于等于3的自然数；喷嘴本体两侧端分别设置支撑头。
优选地，放卷辊 和收卷辊 底部均有导轨；放卷辊 和收卷辊 处还分别设有放卷纠偏器和收卷纠偏器，根据来料不同使收放卷辊左右移动，进行纠偏。
优选地，缓冲层反应区若干托辊和若干加热块间隔设置，加热块内设有加热管和热电偶；缓冲层反应区两侧分别设有侧边，侧边使得衬底两侧有翘起，托辊两侧设有压轮，压轮隔着衬底压在托辊上，压在衬底翘起与水平接触的位置。
优选地，冲淋冷却装置为水刀清洗，单面冲淋；最终冲洗装置为水刀清洗，正反两面冲洗；干燥装置为风刀干燥，正反两面吹风。
一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池缓冲层的制备方法，包括如下步骤：沉积了背电极、吸收层的柔性衬底放卷后在缓冲层反应区上按设定的速度卷进，反应溶液由原料输送装置输送到超声波喷嘴，再喷洒在衬底上，加热块加热到设定的反应温度，在衬底上进行化学反应沉积薄膜，沉积完成后再经过冲淋冷却、最终冲洗、干燥，之后收卷。
优选地，反应溶液分别为硫脲溶液、超纯水、硫酸镉溶液、氨水溶液，硫脲溶液、超纯水、硫酸镉溶液、氨水溶液分别存储在相应的原料输送装置中，硫脲溶液直接通入相应的超声波喷嘴，超纯水、硫酸镉溶液、氨水溶液混合后再通入相应的超声波喷嘴；各溶液通入超声波喷嘴前由相应过滤器过滤，压力由相应回流管路上的阀门控制，流量由相应流量控制器控制，各溶液按设定的流速分别喷洒至柔性衬底上；超纯水在混合喷洒前先进行预热。
优选地，冲淋冷却为单面冲淋，用水来自后续最终冲洗后的水；最终冲洗分为两步，分别为前步最终冲洗和后步最终冲洗，两步均为正反面冲洗，前步最终冲洗用水为后步最终冲洗后的水，后步最终冲洗用水为超纯水；采用风刀干燥，正反两面吹风。
优选地，还包括废水处理步骤，制备过程中的废水包括冲淋冷却后的废水、前步最终冲洗后的废水、混合反应液管道的废水，废水依次经MVR设备、吹脱设备、一体化污水处理设备处理，MVR设备使得废水中的重金属镉完全分离到浓缩液中，离心分离出固体的镉盐，出水中不含镉，只有氨氮；经过吹脱，除去 95％以上的氨氮；然后再经过一体化污水处理设备，氨氮低于25mg/L，完全达标排放。
本发明的有益效果：
1、本发明将原料输送子系统、机械传动子系统、加热子系统、清洗子系统集于一体，保证高纯度的反应溶液可控供应给超声波喷嘴，超声波喷嘴将反应溶液均匀喷洒在沉积了背电极、吸收层的柔性衬底上，随着衬底向温度高的区域卷进，这些化学物质因为加热而反应完全，最终制备厚度可控的均匀的具有良好光电性能的缓冲层。
2、目前喷嘴溶液出孔直径较小，容易发生堵塞，本发明在喷嘴本体上端两侧分别设置超声波发生部件，使溶液在喷嘴里面充分振动，避免喷嘴阻塞，可以保持长时间喷洒均匀。目前溶液出孔在喷嘴下端均匀排布，在实际成产中，衬底中间部分受到喷嘴中间喷洒溶液的影响，还受到两边喷洒溶液的影响，而两边只受到各自所在边和中间的影响，溶液喷洒在衬底上分布不均匀，中间多，两边少，沉积的膜不均匀，本发明溶液出孔按若干列n孔–若干列n-1孔–若干列n-2孔 -若干列n-1孔–若干列n孔在喷嘴本体下端排列，可以有效减弱中间的影响，使得喷洒的溶液分布均匀。本发明通过设置超声波发生部件和改变溶液出孔排列，使得溶液喷洒更流畅，喷射的液体在衬底表面分布更均匀，保持了衬底表面液体的均匀性，充分提高了化学喷射沉积薄膜的均匀性。
3、本发明缓冲层反应区两侧分别设有侧边，侧边使得柔性衬底两侧有翘起，避免溶液外漏，不仅避免污染设备，而且提高了原料利用率。托辊两侧设有压轮，压轮隔着衬底压在托辊上，压在衬底翘起与水平接触的位置，可以保证翘起的部分与侧边接触的更紧密，同时保证衬底水平，没有折痕翘起部分，同时也可以使衬底受热均匀。
附图说明
图1为本发明系统示意图。
图2为原料输送装置结构示意图。
图3为本发明的用于化学喷射沉积的超声波喷嘴的结构示意图。
图4为本发明的用于化学喷射沉积的超声波喷嘴的俯视图。
图5为本发明的用于化学喷射沉积的超声波喷嘴的仰视图。
图6为本发明缓冲层反应区示意图。
图7为本发明缓冲层反应区侧边示意图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池缓冲层的制备系统，如图1所示，包括原料输送子系统、机械传动子系统、加热子系统、清洗子系统，原料输送子系统包括若干原料输送装置、若干超声波喷嘴，机械传动子系统包括放卷辊 、若干托辊、张力控制辊 和收卷辊 ，加热子系统包括若干加热块，清洗子系统包括冲淋冷却装置、最终冲洗装置、干燥装置；放卷辊 设在缓冲层反应区之前，若干原料输送装置和相应的超声波喷嘴连接，超声波喷嘴设在缓冲层反应区前端上方，若干托辊和若干加热块间隔设在缓冲层反应区，冲淋冷却装置、最终冲洗装置、干燥装置、张力控制辊、收卷辊 依次设在缓冲层反应区之后，冲淋冷却装置用水来自最终冲洗后的水。
如图2所示，原料输送装置包括储罐、回流管路、离心泵、过滤器、压力感应器、流量控制器，储罐出口通过离心泵和过滤器连接，离心泵和过滤器的连接管路上设阀门；过滤器出口分别和储罐进口、超声波喷嘴连接，过滤器出口通过回流管路和储罐进口连接，回流管路上设阀门；过滤器出口和超声波喷嘴连接管路上设压力感应器、流量控制器。四种溶液通过回流管路上的阀门来控制供应超声波喷嘴的供给压力,在进超声波喷嘴前通过流量控制器控制流量。设有过滤器，可以进一步纯化，减少杂质对产品的影响，对半导体产品来说具有非常重要的意义。
所述超声波喷嘴，如图3至图5所示，包括喷嘴本体1，喷嘴本体1上端设置溶液进孔2，上端两侧分别设置超声波发生部件5，超声波发生部件5包括超声波发生器和超声波换能器，超声波发生器和超声波换能器电连接，超声波换能器设置在喷嘴本体1内部。超声波发生器作用是把市电转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，驱动超声波换能器工作。超声波换能器的功能是将输入的电功率转换成机械功率(即超声波)再传递出去，而自身消耗很少的一部分功率。超声波发生部件5的设置使溶液在喷嘴里面充分振动，避免喷嘴阻塞，可以保持长时间喷洒均匀。喷嘴本体1下端设置若干溶液出孔3，喷嘴本体1两侧端分别设置支撑头4。以每列溶液出孔3计数，分为n孔、n-1孔、n-2孔，溶液出孔3按若干列n孔–若干列n-1孔–若干列n-2孔-若干列n-1孔–若干列n孔在喷嘴本体下端排列，各列数相同或不相同。其中，n为大于等于3的自然数。溶液出孔3按若干列n孔–若干列n-1孔–若干列n-2孔-若干列n-1孔–若干列n 孔在喷嘴本体1下端排列，这样可以有效减弱中间的影响，可以使得两边喷出的溶液比中间多，适当加大两边喷射流量，减弱中间的流量，而两边的溶液在衬底上可以向中间流动，这样使得液体在两边和中间分布的更均匀，使得溶液喷洒分布均匀。通过设置超声波发生部件5和改变溶液出孔3排列，使得溶液喷洒更流畅，喷射的液体在衬底表面分布更均匀，保持了衬底表面液体的均匀性，充分提高了化学喷射沉积薄膜的均匀性。
放卷辊 和收卷辊 底部均有导轨，可以自由滑动。放卷辊 和收卷辊 处还分别设有放卷纠偏器和收卷纠偏器，根据来料不同使收放卷辊左右移动，进行纠偏。纠偏器主要通过电子眼来感应收放卷的位置，当感应卷的位置有变化时，可以反馈给系统，使得收放卷辊在导轨上左右移动作出相应的变化，保证放卷水平位置一样，收卷水平位置也一样，这样可以保证收卷整齐。
如图6所示，缓冲层反应区若干托辊和若干加热块间隔设置，加热块内设有加热管和热电偶。如图7所示，缓冲层反应区两侧分别设有侧边，侧边使得衬底两侧有1-2cm翘起，避免溶液外漏，不仅避免污染设备，而且提高了原料利用率。托辊两侧设有压轮，压轮隔着衬底压在托辊上，压在衬底翘起与水平接触的位置，可以保证翘起的部分与侧边接触的更紧密，同时保证衬底水平，没有折痕翘起部分，同时也可以使衬底受热均匀。
冲淋冷却装置为水刀清洗，单面冲淋；最终冲洗装置为水刀清洗，正反两面冲洗；干燥装置为风刀干燥，正反两面吹风。
一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池缓冲层的制备方法，包括如下步骤：沉积了背电极、吸收层的柔性衬底放卷后在缓冲层反应区上按0.9-1.0m/min的速度卷进，反应溶液由原料输送装置输送到超声波喷嘴，再喷洒在衬底上，一个用于喷洒浓度为0.1-1mol/L的硫脲溶液，另一个用于喷洒超纯水、硫酸镉、氨水的混合液，硫酸镉浓度是0.01-0.1mol/L，氨水浓度为1-15mol/L。硫脲溶液喷洒的流速为 100-1000ml/min，超纯水、硫酸镉、氨水的混合液喷洒的流速为100-500ml/min。加热块加热到350-450℃，在衬底上进行化学反应沉积薄膜，反应5-10min完成沉积后再经过冲淋冷却、最终冲洗、干燥，之后收卷。超纯水在混合喷洒前先进行预热，预热温度为50-80℃。
沉积的产品带有一定的温度和反应的副产物，需要预处理，在冷却冲淋区先进行冷却预冲洗，水刀清洗，单面冲淋，冲洗掉大的杂质，水的来源是后步最终冲洗区冲洗的水。预处理后到最终冲洗区，分两步，均为水刀清洗，正反两面冲洗；前步是后步最终冲洗区的水循环利用冲洗，后步是超纯水冲洗，补充新水。最终冲洗完成后，经过风刀干燥，正反两面吹风，到达收卷辊。
本发明制备方法还包括废水处理步骤，制备过程中的废水包括冲淋冷却后的废水、前步最终冲洗后的废水、混合反应液管道的废水，废水依次经MVR设备、吹脱设备、一体化污水处理设备处理，MVR设备使得废水中的重金属镉完全分离到浓缩液中，离心分离出固体的镉盐，出水中不含镉，只有氨氮；经过吹脱，除去95％以上的氨氮；然后再经过一体化污水处理设备，氨氮低于25mg/L，完全重金属零排放，其它达标排放。
本发明通过用于化学喷射沉积的超声波喷嘴将硫脲溶液，超纯水、硫酸镉、氨水的混合液均匀喷洒在沉积了背电极Mo、吸收层CIGS的柔性衬底上，随着衬底向温度高的区域卷进，这些化学物质因为加热而反应完全，最终制备厚度可控的均匀的具有良好光电性能的cds缓冲层。
以上通过具体的和优选的实施例详细的描述了本发明，但本领域技术人员应该明白，本发明并不局限于以上所述实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池缓冲层的制备系统，其特征在于，包括原料输送子系统、机械传动子系统、加热子系统、清洗子系统，原料输送子系统包括若干原料输送装置、若干超声波喷嘴，机械传动子系统包括放卷辊 、若干托辊、张力控制辊 和收卷辊 ，加热子系统包括若干加热块，清洗子系统包括冲淋冷却装置、最终冲洗装置、干燥装置；放卷辊 设在缓冲层反应区之前，若干原料输送装置和相应的超声波喷嘴连接，超声波喷嘴设在缓冲层反应区前端上方，若干托辊和若干加热块间隔设在缓冲层反应区，冲淋冷却装置、最终冲洗装置、干燥装置、张力控制辊、收卷辊 依次设在缓冲层反应区之后，冲淋冷却装置用水来自最终冲洗后的水；
其中，超声波喷嘴包括喷嘴本体，喷嘴本体上端设置多个溶液进孔，上端两侧分别设置超声波发生部件，超声波发生部件包括超声波发生器和超声波换能器，超声波发生器和超声波换能器电连接，超声波换能器设置在喷嘴本体内部；喷嘴本体下端设置若干溶液出孔，以每列溶液出孔计数，分为n孔、n-1孔、n-2孔，溶液出孔按若干列n孔–若干列n-1孔–若干列n-2孔-若干列n-1孔–若干列n孔在喷嘴本体下端排列，各列数相同或不相同，其中，n为大于等于3的自然数；喷嘴本体两侧端分别设置支撑头；
缓冲层反应区若干托辊和若干加热块间隔设置，加热块内设有加热管和热电偶；缓冲层反应区两侧分别设有侧边，侧边使得衬底两侧有翘起，托辊两侧设有压轮，压轮隔着衬底压在托辊上，压在衬底翘起与水平接触的位置。
2.根据权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池缓冲层的制备系统，其特征在于，原料输送装置包括储罐、回流管路、离心泵、过滤器、压力感应器、流量控制器，储罐出口通过离心泵和过滤器连接，离心泵和过滤器的连接管路上设阀门；过滤器出口分别和储罐进口、超声波喷嘴连接，过滤器出口通过回流管路和储罐进口连接，回流管路上设阀门；过滤器出口和超声波喷嘴连接管路上设压力感应器、流量控制器。
3.根据权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池缓冲层的制备系统，其特征在于，放卷辊 和收卷辊 底部均有导轨；放卷辊 和收卷辊 处还分别设有放卷纠偏器和收卷纠偏器，根据来料不同使收放卷辊左右移动，进行纠偏。
4.根据权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池缓冲层的制备系统，其特征在于，冲淋冷却装置为水刀清洗，单面冲淋；最终冲洗装置为水刀清洗，正反两面冲洗；干燥装置为风刀干燥，正反两面吹风。
5.利用权利要求1-4任一权利要求所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池缓冲层的制备系统制备铜铟镓硒薄膜太阳能电池缓冲层的方法，其特征在于，包括如下步骤：沉积了背电极、吸收层的柔性衬底放卷后在缓冲层反应区上按设定的速度卷进，反应溶液由原料输送装置输送到超声波喷嘴，再喷洒在衬底上，加热块加热到设定的反应温度，在衬底上进行化学反应沉积薄膜，沉积完成后再经过冲淋冷却、最终冲洗、干燥，之后收卷。
6.根据权利要求5所述的制备铜铟镓硒薄膜太阳能电池缓冲层的方法，其特征在于，反应溶液分别为硫脲溶液、超纯水、硫酸镉溶液、氨水溶液，硫脲溶液、超纯水、硫酸镉溶液、氨水溶液分别存储在相应的原料输送装置中，硫脲溶液直接通入相应的超声波喷嘴，超纯水、硫酸镉溶液、氨水溶液混合后再通入相应的超声波喷嘴；各溶液通入超声波喷嘴前由相应过滤器过滤，压力由相应回流管路上的阀门控制，流量由相应流量控制器控制，各溶液按设定的流速分别喷洒至柔性衬底上；超纯水在混合喷洒前先进行预热。
7.根据权利要求5所述的制备铜铟镓硒薄膜太阳能电池缓冲层的方法，其特征在于，冲淋冷却为单面冲淋，用水来自后续最终冲洗后的水；最终冲洗分为两步，分别为前步最终冲洗和后步最终冲洗，两步均为正反面冲洗，前步最终冲洗用水为后步最终冲洗后的水，后步最终冲洗用水为超纯水；采用风刀干燥，正反两面吹风。
8.根据权利要求5所述的制备铜铟镓硒薄膜太阳能电池缓冲层的方法，其特征在于，还包括废水处理步骤，制备过程中的废水包括冲淋冷却后的废水、前步最终冲洗后的废水、混合反应液管道的废水，废水依次经MVR设备、吹脱设备、一体化污水处理设备处理，MVR设备使得废水中的重金属镉完全分离到浓缩液中，离心分离出固体的镉盐，出水中不含镉，只有氨氮；经过吹脱，除去95％以上的氨氮；然后再经过一体化污水处理设备，氨氮低于25mg/L，完全达标排放。
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