CN107299335A - 一种水浴法沉积薄膜的热气及反应液循环利用的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种水浴法沉积薄膜的热气及反应液循环利用的装置及方法，所述装置包括反应槽体、热气循环鼓风装置、抽气单元、进气单元和加热装置，反应槽体包括反应槽及反应槽上盖；热气循环鼓风装置位于反应槽体外部，包含用于热气循环的热气循环鼓风机、用于调整气量的风门、用于测量风压的压力表、用于分气的多管路气排；抽气单元设置于反应槽体两侧上方，包括抽气孔、抽气管、抽气风量调节阀门、耐热风管和管束；进气单元设置于反应槽体下方，包括进气孔、进气管、进气风量调节阀门、耐热风管和管束；加热装置位于反应槽正上方；反应槽上部装有加热器，通过辐射加热方式将反应液加热；然后将柔性衬底通过输送装置输送至反应槽内的反应液上，实现薄膜沉积。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种新型环保的太阳能电池制造中的缓冲层薄膜的制备方法，特别是一种适用于铜铟镓硒柔性薄膜电池无污染的水浴法沉积薄膜的热气及反应液循环利用的装置及方法，属于第二代太阳能电池生产制作技术领域的重要部分。
背景技术
在未来的20到25年内，石油产量将达到高峰，之后便会开始下滑。开发中国家的发展，将加速石油消耗，全世界将面临石油能源耗竭、成本高昂及环保问题。因此，再生能源如太阳能电池的发展及需求与日俱增，在未来数十年内扮演重要角色。
铜铟镓硒(Cu(In，Ga)Se2，简称CIGS) 薄膜太阳能电池具有低成本、高效率、稳定性好等优点，是公认的最具有发展和市场潜力的第二代太阳能电池；采用CIGS吸收层的光伏模组可以高效的将光能直接转换为电能，目前小面积电池的研发效率世界纪录达到22.6%，组件效率达到16.5%，是目前公认的最具有前景的一种低成本高效率的光伏技术。
铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制作成本中，缓冲层的成本约占电池成本的20%，因此缓冲层扮演相当重要的角色，制作缓冲层的方法很多，其中化学水浴沉积法使用最普遍，其优点为设备和工艺简单，成本低廉，成膜均匀致密；但水浴法中的原料之一氨水在高温条件下极易损失，导致原料浪费和废气处理等一系列问题，限制了水浴法制备薄膜的发展和应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种结构组成简单，使用操作方便，节省成本，提高工作效率，能大幅缩短柔性衬底和反应液加热所需要的时间，热能能够充分再利用从而达到节能省电效果的水浴法沉积薄膜的热气及反应液循环利用的装置及方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种水浴法沉积薄膜的热气及反应液循环利用的装置，包括反应槽体、热气循环鼓风装置、抽气单元、进气单元和加热装置，所述的反应槽体包括反应槽及反应槽上盖；所述述热气循环鼓风装置位于反应槽体外部，包含用于热气循环的热气循环鼓风机、用于调整气量的风门、用于测量风压的压力表、用于分气的多管路气排；
所述抽气单元设置于反应槽体两侧上方，包括抽气孔、抽气管、抽气风量调节阀门、 耐热风管和管束；所述进气单元设置于反应槽体两侧下方，包括进气孔、进气管、进气风量调节阀门、 耐热风管和管束；且抽气单元与进气单元对应成对出现；
所述加热装置位于反应槽正上方，以便用于均匀加热衬底和反应液。
作为优选：所述的反应槽入口处高度高于出口处高度，便于反应液由于重力作用快速回流；所述的反应槽宽度比衬底宽度窄，以便衬底搭在反应槽两侧且只有衬底正面与反应液接触，便于实现单层镀膜；
所述的抽气管与抽气风量调节阀门中间由耐热风管连结, 并与耐热风管的两头使用管束固定；所述的进气管与进气风量调节阀门中间由耐热风管连结, 并与耐热风管的两头使用管束固定；
所述的加热装置固定于反应槽上盖且位于反应槽正上方，与衬底上表面距离约为10mm-500mm。
作为优选：所述的反应槽体配置有包含有反应液混药箱、反应液抽水泵的加药系统以及用于衬底输运的衬底输运装置；所述抽气孔和进气孔数量为1-99个；所述抽气孔和进气孔形状为圆形、 椭圆形、正方型、长方形孔及多边形孔的一种；所述加热装置为红外线加热板加热器、铠装加热器、灯管加热器的一种。
一种利用所述的装置进行水浴法沉积薄膜的热气及反应液循环利用的方法，所述的方法是：
将反应所需的药剂按一定配比在反应液混药箱混匀，通过反应液抽水泵将配制反应液抽至反应槽，将反应槽上盖的加热装置开启，同时通过输送装置将柔性衬底传送至反应槽开始反应，加热过程中产生的热气包含极易挥发的氨气，经抽气单元的抽气孔抽出至热气循环鼓风机装置的抽气管，再到热气循环鼓风机，然后经由热气循环鼓风机到进气单元的进气孔，最后返回反应槽循环利用，达到节约原料、避免热气处理的目的。
作为优选：加热过程中氨水产生的氨气及热气由反应槽下部两侧上方的抽气单元上的抽气孔抽出，通过抽气管，耐热风管以及抽气风量调节阀门再到反应槽外部的多管路气排，最后再经由耐热风管接至热气循环鼓风机的抽气入口，抽出来的氨气及热气再由热气循环鼓风机的热气吹出口吹出，经由耐热风管接至进气单元前段的多管路气排，再由耐热风管接至反应槽下部两侧下方的进气单元上，最后由进气单元上面之进气孔吹出返回反应槽，以此实现氨气回收循环再利用。
配制反应液常温时由反应液抽水泵抽至反应槽入口，反应液由反应槽出口回流至反应液混药箱还可以继续循环使用。
本发明利用反应槽上盖上的加热装置对反应槽上的柔性衬底及反应液加热，加热过程中产生的热气由反应槽体两侧的热气循环利用装置抽气单元抽出，再经由反应槽体两侧的热气循环利用装置进气单元吹入，在反应槽体内形成热对流循环，使柔性衬底表面温度更加均匀，故与衬底下表面接触的反应液温度会迅速升高，达到沉积效果, 不但热能充分再利用, 且大幅缩短加热所需的时间。
本发明中配制反应液常温时由反应液抽水泵抽至反应槽入口，反应液由反应槽出口回流至反应液混药箱还可以继续循环使用, 达到节省成本的目的。
本发明中反应液温度由加热装置通过柔性衬底加热至反应温度，因此与柔性衬底接触的反应液温度高，而与反应槽体接触的温度相对较低，这种方式减少反应液与槽体的异质反应，更利于槽体清洗，以此实现工业化长时间大面积的薄膜生产。
本发明主要是针对现有化学水浴沉积法技术不足，导致化学水浴沉积法使用的原料之一氨水在高温条件下极易损失，不但造成原料浪费而且还衍生废气处理问题，提供一种水浴法沉积薄膜的热气及反应液循环利用装置及方法，它将反应槽内产生的热气抽出再通入反应槽中实现氨气回收循环再利用、节省成本的目的。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和益处：
一般的加热器是利用辐射热能通过空气分子直接对柔性衬底及反应液加热，但因其是从发热源起传递，必然造成柔性衬底受热不均匀的现象。自然热传递速度较慢，不但延长了加热所需要的时间，同时也因为热能容易散失而更耗电，通过本发明提供一种水浴法沉积薄膜的热气及反应液循环利用方法及装置，循环的热气可以在槽里内产生热对流让柔性衬底更均匀地受热，大幅缩短柔性衬底和反应液加热所需要的时间，热能充分再利用而达到节能省电的效果。
本发明中反应槽体入口处比出口处略高，此设计可以使反应液由于重力作用快速回流，以快速回流代替反应液搅拌，避免反应过程中氨气溢出时引起的沉积层不均匀的缺点。
本发明方法是单层镀膜，衬底只有正面接触，所以柔性衬底比反应槽体略宽，搭在槽体两侧，通过两端的输送装置实现衬底与反应槽内反应液接触，沉积一定厚度的薄膜；薄膜厚度由反应的时间控制，即输送装置的输送速度控制。
附图说明
图1为本发明所述的一种水浴法沉积薄膜的反应液循环利用装置示意图；
图2为本发明所述的一种水浴法沉积薄膜的热气循环利用装置示意图；
图3为本发明所述的一种水浴法沉积薄膜的热气循环利用装置的热循环示意图。
附图标记说明：1:反应槽体，101反应槽，102反应槽上盖，2:热气循环鼓风装置，201:热气循环鼓风机，202:风门，203:压力表，204:多管路气排，3:抽气单元，301:抽气孔，302:抽气管，303: 抽气风量调节阀门，304: 耐热风管，305:管束，4:进气单元，401:进气孔，402:进气管，403:进气风量调节阀门，5:加热装置，6:衬底，7:反应液，8:反应液混药箱，9:反应液抽水泵，10:输运装置。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
图1-3所示，本发明所述的一种水浴法沉积薄膜的热气及反应液循环利用的装置，包括反应槽体1、热气循环鼓风装置2、抽气单元3、进气单元4和加热装置5，所述的反应槽体1包括反应槽101及反应槽上盖102；所述述热气循环鼓风装置2位于反应槽体1外部，包含用于热气循环的热气循环鼓风机201、用于调整气量的风门202、用于测量风压的压力表203、用于分气的多管路气排204；
所述抽气单元3设置于反应槽体两侧上方，包括抽气孔301、抽气管302、抽气风量调节阀门303、 耐热风管304和管束305；所述进气单元4设置于反应槽体两侧下方，包括进气孔401、进气管402、进气风量调节阀门403、 耐热风管304和管束305；且抽气单元与进气单元对应成对出现；
所述加热装置5位于反应槽正上方，以便用于均匀加热衬底6和反应液7。
图中所示，所述的反应槽101入口处高度高于出口处高度，便于反应液由于重力作用快速回流；所述的反应槽101宽度比衬底6宽度窄，以便衬底6搭在反应槽101两侧且只有衬底正面与反应液接触，便于实现单层镀膜；
所述的抽气管302与抽气风量调节阀门303中间由耐热风管304连结, 并与耐热风管304的两头使用管束305固定；所述的进气管402与进气风量调节阀门403中间由耐热风管304连结, 并与耐热风管304的两头使用管束305固定；
所述的加热装置5固定于反应槽上盖102且位于反应槽101正上方，与衬底6上表面距离约为10mm-500mm。
本发明所述的反应槽体1配置有包含有反应液混药箱8、反应液抽水泵9的加药系统以及用于衬底输运的衬底输运装置10；所述抽气孔和进气孔数量为1-99个；所述抽气孔和进气孔形状为圆形、 椭圆形、正方型、长方形孔及多边形孔的一种；所述加热装置5为红外线加热板加热器501、铠装加热器502、灯管加热器503的一种。
一种利用所述的装置进行水浴法沉积薄膜的热气及反应液循环利用的方法，所述的方法是：
将反应所需的药剂按一定配比在反应液混药箱8混匀，通过反应液抽水泵9将配制反应液7抽至反应槽101，将反应槽上盖102的加热装置5开启，同时通过输送装置10将柔性衬底6传送至反应槽101开始反应，加热过程中产生的热气包含极易挥发的氨气，经抽气单元3的抽气孔301抽出至热气循环鼓风机装置的抽气管302，再到热气循环鼓风机201，然后经由热气循环鼓风机201到进气单元4的进气孔401，最后返回反应槽101循环利用。
本发明在加热过程中，氨水产生的氨气及热气由反应槽下部两侧上方的抽气单元3上的抽气孔301抽出，通过抽气管302，耐热风管304以及抽气风量调节阀门303再到反应槽外部的多管路气排204，最后再经由耐热风管304接至热气循环鼓风机201的抽气入口，抽出来的氨气及热气再由热气循环鼓风机201的热气吹出口吹出，经由耐热风管304接至进气单元4前段的多管路气排204，再由耐热风管37接至反应槽下部两侧下方的进气单元4上，最后由进气单元4上面之进气孔401吹出返回反应槽；
配制反应液7常温时由反应液抽水泵8抽至反应槽101入口，反应液由反应槽101出口回流至反应液混药箱7还可以继续循环使用。
加热过程中产生的热气包含极易挥发的氨气, 通过热气循环利用装置将气体抽出再通入回反应槽中，以此实现氨气回收循环再利用、节省成本的目的, 并且循环的热气可以在槽里内产生热对流让柔性衬底均匀地受热, 热能充分再利用而达到节能省电之效果。本发明不采用恒温水浴、搅拌装置等，适用于连续自动化生产线，达到生产效率要求；且单面镀膜改善了衬底镀膜后的均匀度，美观度，节约原料。
实施例1
（1）柔性衬底准备: 选用厚度为50μm的聚酰亚胺薄膜（PI）作为柔性薄膜太阳能电池组件的衬底，衬底上采用测控溅射法和真空热蒸发法镀上均匀的0.5μm的Mo层和1.5μm CIGS层，将衬底固定于传输装置上。
（2）配制反应液: 将硫酸锌、氨水、硫脲、肼、超纯水按一定比例混合制成反应液，然后加入混药箱中。其中反应液中Zn2+浓度0.02M；氨水浓度为1M，硫脲浓度为0.01M，肼浓度为0.15M。
（3）热气循环利用装置：关闭热气循环利用装置，反应槽内气体无循环直接排出。
（4）沉积ZnS：将反应液通过反应液抽水泵抽至反应槽，流量设定3~10 L/min，加热板温度设定为350℃，反应槽体宽度约为350 mm，长度约为6 m，柔性衬底输送速度为0.1~1.5 m/min，30min在反应槽后端即得到ZnS薄膜。
如若热气循环利用装置未开启，热气未做回收，直接排出；由于高温下反应液中氨水挥发较快，约30 min后反应液PH值由12.5降至10，则需要补一定量的氨水；使用温度测量仪器针对柔性衬底下表面测量，纵向温差均值为8度，柔性衬底下表面温度不够均匀；反应槽内反应液的温度加热时间15分钟达到50℃。
实施例2
（1）柔性衬底准备：同实施例1。
（2）配制反应液: 同实施例1。
（3）热气循环利用装置：开启热气循环利用装置，热抽风风压设定为3~5 KPa，反应槽内气体开始回收循环。
（4）沉积ZnS：将反应液通过反应液抽水泵抽至反应槽，流量设定3~10 L/min，加热板温度设定为350℃，反应槽体宽度约为350 mm，长度约为6 m，柔性衬底输送速度为0.1~1.5 m/min，30min在反应槽后端即得到均匀厚度的高质量的ZnS薄膜。
如若热气循环利用装置开启，热气做回收循环，不直接排出，约30 min后，反应液PH值稳定在11.5左右，仍能满足反应需求，无需另补氨水；使用温度测量仪器针对柔性衬底下表面测量，纵向温差均值为3度，柔性衬底下表面温度较均匀；反应槽内反应液的温度加热时间10分钟达到50℃，而此时衬底下表面温度可达85℃，此温度完全达到ZnS薄膜的反应要求。
综上所述，本发明透过一种水浴法沉积ZnS薄膜的热气及反应液循环利用方法及装置，可有效回收氨气，氨气回收率高达60%，而且减少废气处理，更环保、节能；并使柔性衬底纵向温差均值改善了5度，使柔性衬底下表面温度更均匀；而反应液加热所需时间节省了5分钟，有效改善加热所需的时间，达到节能省电之效果。
以上所述实例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制。本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.一种水浴法沉积薄膜的热气及反应液循环利用的装置，包括反应槽体（1）、热气循环鼓风装置（2）、抽气单元（3）、进气单元（4）和加热装置（5），其特征在于所述的反应槽体（1）包括反应槽（101）及反应槽上盖（102）；所述述热气循环鼓风装置（2）位于反应槽体（1）外部，包含用于热气循环的热气循环鼓风机（201）、用于调整气量的风门（202）、用于测量风压的压力表（203）、用于分气的多管路气排（204）；
所述抽气单元（3）设置于反应槽体两侧上方，包括抽气孔（301）、抽气管（302）、抽气风量调节阀门（303）、 耐热风管（304）和管束（305）；所述进气单元（4）设置于反应槽体两侧下方，包括进气孔（401）、进气管（402）、进气风量调节阀门（403）、 耐热风管（304）和管束（305）；且抽气单元与进气单元对应成对出现；
所述加热装置（5）位于反应槽正上方，以便用于均匀加热衬底（6）和反应液（7）。
2.根据权利要求1所述水浴法沉积薄膜的热气及反应液循环利用的装置，其特征在于所述的反应槽（101）入口处高度高于出口处高度，便于反应液由于重力作用快速回流；所述的反应槽（101）宽度比衬底（6）宽度窄，以便衬底（6）搭在反应槽（101）两侧且只有衬底正面与反应液接触，便于实现单层镀膜；
所述的抽气管（302）与抽气风量调节阀门（303）中间由耐热风管（304）连结, 并与耐热风管（304）的两头使用管束（305）固定；所述的进气管（402）与进气风量调节阀门（403）中间由耐热风管（304）连结, 并与耐热风管（304）的两头使用管束（305）固定；
所述的加热装置（5）固定于反应槽上盖（102）且位于反应槽（101）正上方，与衬底（6）上表面距离约为10mm-500mm。
3.根据权利要求1或2所述水浴法沉积薄膜的热气及反应液循环利用的装置，其特征在于所述的反应槽体（1）配置有包含有反应液混药箱（8）、反应液抽水泵（9）的加药系统以及用于衬底输运的衬底输运装置（10）；所述抽气孔和进气孔数量为1-99个；所述抽气孔和进气孔形状为圆形、 椭圆形、正方型、长方形孔及多边形孔的一种；所述加热装置（5）为红外线加热板加热器（501）、铠装加热器（502）、灯管加热器（503）的一种。
4.一种利用权利要求1或2或3所述的装置进行水浴法沉积薄膜的热气及反应液循环利用的方法，其特征在于所述的方法是：将反应所需的药剂按一定配比在反应液混药箱（8）混匀，通过反应液抽水泵（9）将配制反应液（7）抽至反应槽（101），将反应槽上盖（102）的加热装置（5）开启，同时通过输送装置（10）将柔性衬底（6）传送至反应槽（101）开始反应，加热过程中产生的热气包含极易挥发的氨气，经抽气单元（3）的抽气孔（301）抽出至热气循环鼓风机装置的抽气管（302），再到热气循环鼓风机（201），然后经由热气循环鼓风机（201）到进气单元（4）的进气孔（401），最后返回反应槽（101）循环利用。
5.根据权利要求4所述水浴法沉积薄膜的热气及反应液循环利用的方法，其特征在于：加热过程中氨水产生的氨气及热气由反应槽下部两侧上方的抽气单元（3）上的抽气孔（301）抽出，通过抽气管（302），耐热风管（304）以及抽气风量调节阀门（303）再到反应槽外部的多管路气排（204），最后再经由耐热风管（304）接至热气循环鼓风机（201）201的抽气入口，抽出来的氨气及热气再由热气循环鼓风机（201）的热气吹出口吹出，经由耐热风管（304）接至进气单元（4）前段的多管路气排（204），再由耐热风管（37）接至反应槽下部两侧下方的进气单元（4）上，最后由进气单元（4）上面之进气孔（401）吹出返回反应槽；
配制反应液（7）常温时由反应液抽水泵（8）抽至反应槽（101）入口，反应液由反应槽（101）出口回流至反应液混药箱（7）还可以继续循环使用。
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