CN107012498A - 一种多层膜电化学沉积设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多层膜电化学沉积设备及方法，所述设备包括电沉积腔和多个电沉积液存储装置，每个电沉积液存储装置的两端分别设有电沉积液出口和电沉积液入口，每个电沉积液出口和电沉积液入口处均设有阀门，电沉积腔的两端分别与多个的电沉积液出口和电沉积液入口连通，电沉积腔内固定有阴极材料和阳极材料，阴极材料和阳极材料之间连接有电压源。本发明的电沉积腔同时连通多种电沉积液存储装置，可以通过依次切换电沉积腔与不同电沉积液存储设备的连通使不同电沉积液流经阴极材料和阳极材料之间来完成多层膜的镀制，整个过程无需移动阴极材料和阳极材料，无需更换电沉积设备，避免多层膜接口在电镀设备传送过层中产生污染。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，尤其涉及一种制造多层膜组件的设备及方法，具体涉及一种多层膜电化学沉积设备及方法。
背景技术
薄膜太阳能电池是一种多层膜组件，该组件结构典型包含正电极层、P-N异质结和背电极层，为方便说明，以碲化镉薄膜太阳能电池为例，正电极层使用透明导电氧化物玻璃基板，P-N异质结由P型碲化镉吸收层和N型硫化镉窗口层组成，背电极层由背接触层和金属背电极组成。
美国专利US20110290641 A1公开了一种使用快速化学电沉积法来沉积太阳能电池中吸收层的设备及方法，其中，当基板和对电极相距一公分以内时，在之间使用大量连续的电镀液液流可以有效的提升电镀效率来完成薄膜电镀，以碲化镉薄膜太阳能电池为例，在透明导电氧化物玻璃上沉积硫化镉薄膜后使用透明导电氧化物玻璃/硫化镉为导电基板来和对电极维持在一公分以内时，在之间使用大量连续的电镀液液流可以高速电化学沉积碲化镉薄膜，经过沉积后退火参杂和背金属电极的沉积后可以形成碲化镉薄膜太阳能电池。
使用上述美国专利US20110290641 A1所描述的设备及方法来完成多层薄膜电镀时，需要多台设备，且在沉积薄膜与薄膜之间需要将基板暴露到设备外，此过程容易增加额外的操作时间且易造成基板表面的污染和伤害。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种多层膜电化学沉积设备及方法，在单一电化学沉积腔体内不移动阴极材料和阳极材料的情况下完成电沉积，从而避免多层膜接口污染、节省设备成本和免除不必要的载卸步骤。
本发明是通过如下技术方案实现的：提供一种多层膜电化学沉积设备，所述设备包括电沉积腔和多个电沉积液存储装置，每个电沉积液存储装置的两端分别设有电沉积液出口和电沉积液入口，每个电沉积液出口和电沉积液入口处均设有阀门，所述电沉积腔的两端分别与多个电沉积液存储装置的电沉积液出口和电沉积液入口连通，所述电沉积腔内固定有阴极材料和阳极材料，所述阴极材料和阳极材料之间连接有电压源。
本发明的电沉积腔同时连通多种电沉积液存储装置，电沉积腔内放置阴极材料和阳极材料，可以通过依次切换电沉积腔与不同电沉积液存储设备的连通使不同电沉积液流经阴极材料和阳极材料之间来完成多层膜的镀制，整个过程无需移动阴极材料和阳极材料，无需更换电沉积设备，可以避免多层膜接口在电镀设备传送过层中产生污染的情况发生，且减少电化学工艺时间和对电沉积设备的数量需求，节省成本。
优选的，所述阴极材料和阳极材料之间的距离小于1cm。当阴极材料和阳极材料之间的距离在1 cm以内时，在阴极材料和阳极材料之间使用大量连续的电沉积液可以有效提升电沉积效率。
优选的，所述电沉积液存储装置和所述电沉积腔的连接管路上设有传送泵。通过传送泵来控制电沉积液的流动。
本发明还提供一种多层膜电化学沉积方法，应用于上述的设备，所述方法包括如下步骤：
S101：将准备好的阴极材料和阳极材料分别放置于所述电沉积腔内；
S102：打开第一种电沉积液存储装置的电沉积液出口和入口处的阀门，并打开电压源在阴极材料和阳极材料之间通入工作电压，使第一种电沉积液流经阴极材料和阳极材料之间进行第一层膜的电化学沉积；
S103：当沉积完第一层薄膜后关闭电压源和第一种电沉积液存储装置的电沉积液出口和入口处的阀门，打开第二种电沉积液存储装置的电沉积液出口和入口处的阀门，并通过电压源在阴极材料和阳极材料之间通入第二种工作电压，使第二种电沉积液流经阴极材料和阳极材料之间进行第二层膜的电化学沉积；
S104：重复步骤S103，直至多层薄膜全部沉积完成，关闭电压源和所有电沉积液存储设备的电沉积液出口和入口处的阀门。
本发明实施例提供的技术方案可以包含以下有益效果：
本发明提供一种多层膜电化学沉积设备，所述设备包括电沉积腔和多个电沉积液存储装置，每个电沉积液存储装置的两端分别设有电沉积液出口和电沉积液入口，每个电沉积液出口和电沉积液入口处均设有阀门，所述电沉积腔的两端分别与多个电沉积液存储装置的电沉积液出口和电沉积液入口连通，所述电沉积腔内固定有阴极材料和阳极材料，所述阴极材料和阳极材料之间连接有电压源。本发明的电沉积腔同时连通多种电沉积液存储装置，可以通过依次切换电沉积腔与不同电沉积液存储设备的连通使不同电沉积液流经阴极材料和阳极材料之间来完成多层膜的镀制，整个过程无需移动阴极材料和阳极材料，无需更换电沉积设备，可以避免多层膜接口在电镀设备传送过层中产生污染的情况发生，减少电沉积时间和对电沉积设备的数量需求，节省成本。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见的，对于本领域技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的第一种多层膜电化学沉积设备的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的第一种多层膜电化学沉积设备的结构示意图。
图中所示：电沉积腔10、阴极材料11、阳极材料12、电压源13、第一种电沉积液存储装置20、第一种电沉积液出口21、第一种电沉积液入口22、第二种电沉积存储装置30、第二种电沉积液出口31、第二种电沉积液入口32、阀门40、传送泵50、第三种电沉积液存储装置60、第三种电沉积液出口31、第三种电沉积液入口62。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案,下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护范围。
实施例1
参见图1，所示为本发明实施例提供的第一种多层膜电化学沉积设备的结构示意图。
由图1可知，所述设备包括电沉积腔10和两个电沉积液存储装置20和30，第一种电沉积液存储装置20的两端分别设有第一种电沉积液出口21和第一种电沉积液入口22，第二种电沉积液存储装置30的两端分别设有第二种电沉积液出口31和第二种电沉积液入口32，每个电沉积液出口和电沉积液入口处均设有阀门40，所述电沉积腔10的两端分别与第一种电沉积液出口21、第二种电沉积液出口31和第一种电沉积液入口22、第二种电沉积液入口32连通，所述电沉积腔10内固定有阴极材料11和阳极材料12，所述阴极材料11和阳极材料12之间连接有电压源13。
本实施例提供的设备用来沉积玻璃/透明导电氧化层/硫化镉/碲化镉/背电极的碲化镉薄膜太阳电池中的硫化镉/碲化镉多层膜。其中，阴极材料11为透明导电氧化层玻璃基板，第一种电沉积液存储装置20中存储的为硫化镉电沉积液，第二种电沉积液存储装置30中存储的为碲化镉电沉积液，沉积过程如下：
S101：将准备好的透明导电氧化层玻璃基板和二氧化钛阳极材料分别固定于电沉积腔10内，且透明导电氧化层玻璃基板和阳极材料之间的距离为0.5cm；
S102：打开第一种电沉积液存储装置20的电沉积液出口21和入口22处的阀门40，打开传送泵50，并打开电压源13在透明导电氧化层玻璃基板和阳极材料12之间通入工作电压，使大量连续的硫化镉电沉积液流经透明导电氧化层玻璃基板和阳极材料12之间，在透明导电氧化层玻璃基板上沉积硫化镉薄膜，此时，第二种电沉积液存储装置30的电沉积液出口31和入口32处的阀门40均为关闭的；
S103：当沉积完硫化镉薄膜后关闭电压源13和第一种电沉积液存储装置20的电沉积液出口21和入口22处的阀门40并关闭传送泵50，此时基板已成为玻璃/透明导电氧化层/硫化镉基板，然后打开第二种电沉积液存储装置30的电沉积液出口31和入口32处的阀门40，并通过电压源13在玻璃/透明导电氧化层/硫化镉基板和二氧化钛阳极材料12之间通入第二种工作电压，使碲化镉电沉积液流经玻璃/透明导电氧化层/硫化镉基板和阳极材料12之间进行碲化镉薄膜的电化学沉积；
S104：碲化镉薄膜沉积完成后，关闭电压源13、传送泵50和所有电沉积液存储设备的电沉积液出口和入口处的阀门，取出沉积玻璃/透明导电氧化层/硫化镉/碲化镉基板，进行退火参杂和背金属电极沉积后可形成碲化镉薄膜太阳电池。
实施例2
参见图2，所示为本发明实施例提供的第二种多层膜电化学沉积设备的结构示意图。
由图2可知，所述设备包括电沉积腔10和三个电沉积液存储装置20、30和60，第一种电沉积液存储装置20的两端分别设有第一种电沉积液出口21和第一种电沉积液入口22，第二种电沉积液存储装置30的两端分别设有第二种电沉积液出口31和第二种电沉积液入口32，第三种电沉积液存储装置60的两端分别设有第三种电沉积液出口61和第三种电沉积液入口62，每个电沉积液出口和电沉积液入口处均设有阀门40，所述电沉积腔10的两端分别与第一种电沉积液出口21、第二种电沉积液出口31、第三种电沉积液出口61和第一种电沉积液入口22、第二种电沉积液入口32、第三种电沉积液入口62连通，所述电沉积腔10内固定有阴极材料11和阳极材料12，所述阴极材料11和阳极材料12之间连接有电压源13。
本实施例提供的设备可以用来沉积玻璃/透明导电氧化层/硫化镉/碲化镉/碲化锌/背电极的碲化镉薄膜太阳电池中的硫化镉/碲化镉/碲化锌多层膜，其中，阴极材料11为透明导电氧化层玻璃基板，第一种电沉积液存储装置20中存储的为硫化镉电沉积液，第二种电沉积液存储装置30中存储的为碲化镉电沉积液，第三种电沉积液存储装置60中存储的为碲化锌电沉积液，沉积过程如下：
S101：将准备好的透明导电氧化层玻璃基板和二氧化钛阳极材料分别固定于电沉积腔10内，且透明导电氧化层玻璃基板和阳极材料之间的距离为0.7mm；
S102：打开第一种电沉积液存储装置20的电沉积液出口21和入口22处的阀门40，打开传送泵50，并打开电压源13在透明导电氧化层玻璃基板和阳极材料12之间通入工作电压，使大量连续的硫化镉电沉积液流经透明导电氧化层玻璃基板和阳极材料12之间，在透明导电氧化层玻璃基板上沉积硫化镉薄膜，此时，第二种电沉积液存储装置30的电沉积液出口31和入口32处的阀门40均为关闭的；且第三种电沉积液存储装置60的电沉积液出口61和入口62处的阀门40均为关闭的；
S103：当沉积完硫化镉薄膜后关闭电压源13和第一种电沉积液存储装置20的电沉积液出口21和入口22处的阀门40并关闭传送泵50，此时基板已成为玻璃/透明导电氧化层/硫化镉基板，然后打开第二种电沉积液存储装置30的电沉积液出口31和入口32处的阀门40，打开传送泵50，并通过电压源13在玻璃/透明导电氧化层/硫化镉基板和二氧化钛阳极材料12之间通入第二种工作电压，使碲化镉电沉积液大量连续的流经玻璃/透明导电氧化层/硫化镉基板和阳极材料12之间进行碲化镉薄膜的电化学沉积；
S104：当沉积完碲化镉薄膜后关闭电压源13和第二种电沉积液存储装置30的电沉积液出口31和入口32处的阀门40并关闭传送泵50，此时基板已成为玻璃/透明导电氧化层/硫化镉/碲化镉基板，然后打开第三种电沉积液存储装置60的电沉积液出口61和入口62处的阀门40，打开传送泵50，并通过电压源13在玻璃/透明导电氧化层/硫化镉/碲化镉基板和二氧化钛阳极材料12之间通入第三种工作电压，使碲化锌电沉积液大量连续的流经玻璃/透明导电氧化层/硫化镉/碲化镉基板和阳极材料12之间进行碲化锌薄膜的电化学沉积；
S105：碲化锌薄膜沉积完成后，关闭电压源13、传送泵50和所有电沉积液存储设备的电沉积液出口和入口处的阀门，取出沉积玻璃/透明导电氧化层/硫化镉/碲化镉/碲化锌基板进行退火参杂和背金属电极沉积后及可以形成碲化镉薄膜太阳电池。
其中碲化锌使用为背接口材料可以减少和背电极之间的载子再结合以提升效率。
实施例3
本实施例提供的多层膜电化学沉积设备的结构和实施例2中相同，不同的是，本实施例用于沉积玻璃/透明导电氧化层/硫化镉/硒碲化镉/碲化镉/背电极的碲化镉薄膜太阳电池中的硫化镉/硒碲化镉/碲化镉多层膜，第一种电沉积液存储装置20中存储的为硫化镉电沉积液，第二种电沉积液存储装置30中存储的为硒碲化镉电沉积液，第三种电沉积液存储装置60中存储的为碲化镉电沉积液，沉积方法同实施例2相同。
本实施例中，硫化镉/硒碲化镉/碲化镉多层膜在后退火工艺中接口会产生原子交互扩散以形成能带阶梯，其中硒碲化镉的硒碲含量可以控制得以让能带比碲化镉低，其中０＜硒／（硒＋碲）＜0.8，一方面可以减少材料间的晶粒大小不匹配以减少晶格缺陷，另一方面可以避免碲硒化镉时产生能带比碲化镉高的化合物，减少碲化镉能带可以增加吸光率以提升效率，并且产生内建电场来分离电子电洞对以减少载子再结合。
本发明提供的设备可以用于沉积基板/负电极/多层膜/正电极的薄膜多层膜组件中的多层膜，其中，负电极和正电极的位置可以交换，即本发明的设备可以用于沉积基板/负电极/多层膜/正电极的薄膜多层膜组件中的多层膜，也可以用于沉积基板/正电极/多层膜/负电极的薄膜多层膜组件中的多层膜。
当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。
Claims (4)
1.一种多层膜电化学沉积设备，其特征在于，所述设备包括电沉积腔（10）和多个电沉积液存储装置，每个电沉积液存储装置的两端分别设有电沉积液出口和电沉积液入口，每个电沉积液出口和电沉积液入口处均设有阀门（40），所述电沉积腔（10）的两端分别与多个电沉积液存储装置的电沉积液出口和电沉积液入口连通，所述电沉积腔（10）内固定有阴极材料（11）和阳极材料（12），所述阴极材料（11）和阳极材料（12）之间连接有电压源（13）。
2.根据权利要求1所述的多层膜电化学沉积设备，其特征在于，所述阴极材料（11）和阳极材料（12）之间的距离小于1cm。
3.根据权利要求2所述的多层膜电化学沉积设备，其特征在于，所述电沉积液存储装置（20）和所述电沉积腔（10）的连接管路上设有传送泵（50）。
4.一种多层膜电化学沉积方法，应用于权利要求1-3任一项所述的设备，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S101：将准备好的阴极材料（11）和阳极材料（12）分别放置于所述电沉积腔（1）内；
S102：打开第一种电沉积液存储装置的电沉积液出口和入口处的阀门，并打开电压源（13）在阴极材料（11）和阳极材料（12）之间通入工作电压，使第一种电沉积液流经阴极材料（11）和阳极材料（12）之间进行第一层膜的电化学沉积；
S103：当沉积完第一层薄膜后关闭电压源（13）和第一种电沉积液存储装置的电沉积液出口和入口处的阀门，打开第二种电沉积液存储装置的电沉积液出口和入口处的阀门，并通过电压源（13）在阴极材料（11）和阳极材料（12）之间通入第二种工作电压，使第二种电沉积液流经阴极材料（11）和阳极材料（12）之间进行第二层膜的电化学沉积；
S104：重复步骤S103，直至多层薄膜全部沉积完成，关闭电压源（13）和所有电沉积液存储设备的电沉积液出口和入口处的阀门（40）。
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