CN108866515B - 一种薄膜太阳能电池吸收层的沉积掺杂装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种薄膜太阳能电池吸收层的沉积掺杂装置，包括沉积室、第一供给机构、第二供给机构和蒸发加热机构，沉积室内设置有容器，容器用于接收第一供给机构向沉积室中输送的源材料，沉积室上设置用于将源材料加热成源材料蒸气的沉积加热件，第二供给机构将掺杂材料输送至蒸发加热机构加热成掺杂材料蒸气，掺杂材料蒸气通过蒸气管输送入沉积室，蒸气管上设置有第三开关，源材料蒸气和掺杂材料蒸气从沉积室中输出沉积在基底上。本发明将沉积和掺杂一体化，可进行源材料的沉积，也可进行扩散掺杂，设备简单、结构紧凑，掺杂加热温度低，有效避免出现晶格缺陷，不会导致掺杂材料再分布，保障薄膜太阳能电池吸收层具有良好稳定的性能。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池制作技术领域，尤其涉及一种薄膜太阳能电池吸收层的沉积掺杂装置。
背景技术
太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。薄膜太阳能电池是缓解能源危机的新型光伏器件，薄膜太阳能电池可以使用在价格低廉的陶瓷、石墨、金属片等不同材料当基板来制造，形成可产生电压的薄膜厚度仅需数μm，薄膜电池太阳电池除了平面之外，也因为具有可挠性可以制作成非平面构造其应用范围大，可与建筑物结合或是变成建筑体的一部份，应用非常广泛。
碲化镉薄膜太阳能电池，禁带宽度为1.45eV，光谱效应与太阳光谱相匹配，吸收系数高，弱光效应好，95％的光子可以在厚1um的吸收层被吸收，理论转换效率高，研究发现通过对碲化镉薄膜掺入第ⅤA主族元素(元素P、As、Sb、Bi)及第ⅥA主族(元素S、Se)可以改变其体缺陷的化学结构，调节碲化镉禁带宽度、增大载流子浓度与寿命从而提高转换效率。
目前的掺杂技术主要有高温扩散和离子注入，传统的高温扩散方式中，施主或受主杂质原子的半径一般都比较大，它们要直接进入半导体晶格的间隙中去非常困难；只有当晶体中出现有晶格空位后，杂质原子才有可能进去占据这些空位，并从而进入到晶体。为了让晶体中产生出大量的晶格空位，所以，就必须对晶体加热，让晶体原子的热运动加剧，以使得某些原子获得足够高的能量而离开晶格位置、留下空位，也因此扩散温度较高，高温扩散掺杂难以控制掺杂浓度和杂质分布状况。离子注入掺杂虽然可以在低温下进行，但离子注入设备系统复杂，操作维护成本高昂，生产效率低，需要把杂质原子电离成离子，并用强电场加速、让这些离子获得很高的动能，然后再直接轰击晶体、会产生大量的晶格缺陷，高温处理会引起杂质再分布。
发明内容
本发明所要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术进行改进，提供一种薄膜太阳能电池吸收层的沉积掺杂装置，解决目前技术中薄膜太阳能电池吸收层的掺杂方式难以精确控制掺杂状况，容易出现晶格缺陷，影响薄膜太阳能电池性能的问题。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案是：
一种薄膜太阳能电池吸收层的沉积掺杂装置，其特征在于，包括沉积室、第一供给机构、第二供给机构和蒸发加热机构，所述的沉积室内设置有容器，所述的容器用于接收第一供给机构向沉积室中输送的源材料，沉积室上设置用于将源材料加热成源材料蒸气的沉积加热件，所述的第二供给机构将掺杂材料输送至蒸发加热机构加热成掺杂材料蒸气，掺杂材料蒸气通过连接在蒸发加热机构与沉积室之间的蒸气管输送入沉积室，蒸气管上设置有第三开关，源材料蒸气和掺杂材料蒸气从沉积室中输出沉积在基底上。本发明所述的薄膜太阳能电池吸收层的沉积掺杂装置将源材料加热升华成源材料蒸气从而可以沉积在基底上，并且将掺杂材料也预先加热升华成掺杂材料蒸气，掺杂材料蒸气通入沉积室后通过扩散掺杂在基底上，将沉积和掺杂一体化，在第三开关关闭时可单独进行源材料的沉积，在第三开关打开时可进行扩散掺杂，设备简单、结构紧凑，分别将源材料、掺杂材料进行加热升华，可精确的分别控制加热温度，节约加热功耗，在实现源材料沉积的同时引入掺杂材料，相对传统的高温扩散和离子注入方式而言，所需的加热温度较低，不会导致原子获得过高的能量而离开晶格位置、留下空位，有效避免出现晶格缺陷，不会导致掺杂材料再分布，加工功耗低，有效降低生产成本，保障薄膜太阳能电池吸收层具有良好稳定的性能。
进一步的，所述的容器设置在沉积室的底部，所述的蒸气管从沉积室的底部通入，所述的沉积加热件设置在沉积室的底侧，确保沉积加热件能高效的对容器内的源材料进行加热，使得源材料能快速的升华为蒸气，同时掺杂材料蒸气从沉积室底部通入，沉积加热件也能保障掺杂材料蒸气的温度，避免掺杂材料蒸气凝结，从而保障掺杂的均匀性，确保能有效的提高薄膜太阳能电池吸收层的转化效率。
进一步的，所述的沉积室外部还设置有罩住沉积加热件的防止热量散热的隔热层，降低热损失，提高热能利用效率，降低加工能耗。
进一步的，所述的沉积室顶部开口，基底的导电面朝向沉积室的顶部开口，沉积室中的热量对基底进行辐射加热。
进一步的，在基底上方还设置对基底进行加热的基底加热件，使得基底能均匀的加热到450～600℃，确保掺杂材料蒸气与源材料蒸气能良好的沉积在基底上。
进一步的，所述的基底与基底加热件之间还设置了用于隔离的隔板，确保基底加热均匀，也避免基底温度不均影响沉积均匀性。
进一步的，所述的蒸发加热机构包括用于从第二供给机构接收掺杂材料的加热腔室、用于将掺杂材料加热成掺杂材料蒸气的掺杂加热件和用于暂存掺杂材料蒸气的掺杂蒸气腔室，所述的掺杂蒸气腔室通过蒸气管连接至沉积室，结构简单，能稳定高效的将掺杂材料加热升华成蒸气，可以精确的控制掺杂材料升华所需的温度，效率高，节约能耗。
进一步的，所述的加热腔室上还设置有冷却装置，根据需要进行冷却。
进一步的，所述的第一供给机构包括第一料斗和第一气体罐，所述的第一料斗和第一气体罐都连接在与沉积室连接的第一输送管上，并且第一料斗上设置用于调节进料量的第一开关，所述的第一气体罐上设置了用于调节气体流速的第一阀门；所述的第二供给机构包括第二料斗和第二气体罐，所述的第二料斗和第二气体罐都连接在与蒸发加热机构连接的第二输送管上，并且第二料斗上设置用于调节进料量的第二开关，所述的第二气体罐上设置了用于调节气体流速的第二阀门，结构简单，可以灵活调节源材料和掺杂材料的送料量，从而精确的控制掺杂厚度和掺杂浓度，保障能有效薄膜太阳能电池吸收层的转化效率。
进一步的，所述的沉积室上连接有若干个第一供给机构，所述的蒸发加热机构上连接有若干个第二供给机构，使得源材料和掺杂材料的送料量可以更加灵活的进行调节，并且确保加工能够长效稳定的持续进行。
与现有技术相比，本发明优点在于：
本发明所述的薄膜太阳能电池吸收层的沉积掺杂装置将沉积和掺杂一体化，可进行源材料的沉积，也可进行扩散掺杂，设备简单、结构紧凑，分别将源材料、掺杂材料进行加热升华，可精确的分别控制加热温度，相对传统的高温扩散和离子注入方式而言，所需的掺杂加热温度较低，不会导致原子获得过高的能量而离开晶格位置、留下空位，有效避免出现晶格缺陷，不会导致掺杂材料再分布，保障薄膜太阳能电池吸收层具有良好稳定的性能；
能有效提高沉积、掺杂的均匀性，能灵活、精确控制掺杂厚度和浓度，加工功耗低，有效降低生产成本。
附图说明
图1为薄膜太阳能电池吸收层的沉积掺杂装置的结构示意图。
具体实施方式
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，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开的一种薄膜太阳能电池吸收层的沉积掺杂装置，一体化的进行沉积、掺杂加工，沉积、掺杂所需温度低，加工方便，掺杂控制简单、精确，掺杂浓度及深度可控，不会造成晶格缺陷，保障薄膜太阳能电池吸收层良好的性能，生产成本低。
如图1所示，一种薄膜太阳能电池吸收层的沉积掺杂装置，主要包括沉积室1、第一供给机构2、第二供给机构3和蒸发加热机构4，第一供给机构2向沉积室1输送源材料(碲镉粉料)，第二供给机构3向蒸发加热机构4输送掺杂材料，掺杂材料在蒸发加热机构4中加热升华得到掺杂材料蒸气，然后将掺杂材料蒸气输送到沉积室1内进行扩散掺杂。
第一供给机构2和第二供给机构3采用同类结构，第一供给机构2包括第一料斗21和第一气体罐22，第一料斗21内添加碲镉粉料，所述的第一料斗21和第一气体罐22都连接在与沉积室1连接的第一输送管23上，并且第一料斗21上设置用于调节进料量的第一开关24，所述的第一气体罐22上设置了用于调节气体流速的第一阀门25，通过气流将碲镉粉料输送入沉积室1内；所述的第二供给机构3包括第二料斗31和第二气体罐32，第二料斗31内添加掺杂材料，所述的第二料斗31和第二气体罐32都连接在与蒸发加热机构4连接的第二输送管33上，并且第二料斗31上设置用于调节进料量的第二开关34，所述的第二气体罐32上设置了用于调节气体流速的第二阀门35，通过气流将掺杂材料输送入蒸发加热机构4内；沉积室1上可以连接有若干个第一供给机构2，蒸发加热机构4上也可以连接有若干个第二供给机构3，方便调节送料量，在其中一个第一供给机构2、第二供给机构3出现故障时，可通过其他的第一供给机构2、第二供给机构3进行送料，保障生产能够正常的持续进行，避免生产停滞。
在本实施例中，沉积室1的底部设置有若干个容器11，容器11用于接收第一供给机构2向沉积室1中输送的源材料，容器11采用的是坩埚舟，碲镉粉料装置在容器11内，在沉积室1的底侧设置沉积加热件12，沉积加热件12将容器11内的碲镉粉料加热到500-700℃从而形成碲镉蒸气，沉积室1的顶部开口，基底5的导电面朝向沉积室1的顶部开口，碲镉蒸气从顶部开口输出沉积在基底5上，在基底5上方还设置对基底5进行加热的基底加热件51，并且基底5与基底加热件51之间还设置了用于隔离的隔板52，避免基底5与基底加热件51直接接触，提高加热的均匀性，并且由于基底5位于沉积室顶部开口处，沉积室中的热量可以对基底进行辐射加热，从而降低基底加热件51所需的功耗，为了保证稳定良好的沉积效果，通过基底加热件51和沉积室1的辐射作用维持基底5的温度在450-600℃。
蒸发加热机构4与沉积室1之间通过蒸气管44连接，在蒸发加热机构4内产生的掺杂材料蒸气通过蒸气管44输送入沉积室1内，并且蒸气管44上设置有第三开关45，通过控制第三开关45的开断来实现单独进行源材料的沉积和扩散掺杂的状态转换，当第三开关45打开时，掺杂材料蒸气进入到沉积室1内，然后从沉积室1的顶部开口输出到基底5上实现扩散掺杂，在本实施例中，蒸气管44从沉积室1的底部通入，沉积加热件12也能保障掺杂材料蒸气的温度，避免掺杂材料蒸气凝结，从而保障掺杂的均匀性。为了降低热损失，提高能源利用效率，在沉积室1外部设置了罩住沉积加热件12的防止热量散热的隔热层13。
用于将掺杂材料加热升华为蒸气的蒸发加热机构4主要包括用于从第二供给机构3接收掺杂材料的加热腔室41，在加热腔室41底部设置用于将掺杂材料加热成掺杂材料蒸气的掺杂加热件42，在加热腔室41上部为用于暂存掺杂材料蒸气的掺杂蒸气腔室43，掺杂蒸气腔室43再通过蒸气管44连接至沉积室1的底部，并且加热腔室41上还设置有冷却装置46。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种薄膜太阳能电池吸收层的沉积掺杂装置，其特征在于，包括沉积室(1)、第一供给机构(2)、第二供给机构(3)和蒸发加热机构(4)，所述的沉积室(1)内设置有容器(11)，所述的容器(11)用于接收第一供给机构(2)向沉积室(1)中输送的源材料，沉积室(1)上设置用于将源材料加热成源材料蒸气的沉积加热件(12)，所述的第二供给机构(3)将掺杂材料输送至蒸发加热机构(4)加热成掺杂材料蒸气，掺杂材料蒸气通过连接在蒸发加热机构(4)与沉积室(1)之间的蒸气管(44)输送入沉积室(1)，蒸气管(44)上设置有第三开关(45)，源材料蒸气和掺杂材料蒸气从沉积室(1)中输出沉积在基底(5)上，所述的第一供给机构(2)包括第一料斗(21)和第一气体罐(22)，所述的第一料斗(21)和第一气体罐(22)都连接在与沉积室(1)连接的第一输送管(23)上，并且第一料斗(21)上设置用于调节进料量的第一开关(24)，所述的第一气体罐(22)上设置了用于调节气体流速的第一阀门(25)；所述的第二供给机构(3)包括第二料斗(31)和第二气体罐(32)，所述的第二料斗(31)和第二气体罐(32)都连接在与蒸发加热机构(4)连接的第二输送管(33)上，并且第二料斗(31)上设置用于调节进料量的第二开关(34)，所述的第二气体罐(32)上设置了用于调节气体流速的第二阀门(35)，所述的容器(11)设置在沉积室(1)的底部，所述的蒸气管(44)从沉积室(1)的底部通入，所述的沉积加热件(12)设置在沉积室(1)的底侧。
2.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池吸收层的沉积掺杂装置，其特征在于，所述的沉积室(1)外部还设置有罩住沉积加热件(12)的防止热量散热的隔热层(13)。
3.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池吸收层的沉积掺杂装置，其特征在于，所述的沉积室(1)顶部开口，基底(5)的导电面朝向沉积室(1)的顶部开口。
4.根据权利要求3所述的薄膜太阳能电池吸收层的沉积掺杂装置，其特征在于，在基底(5)上方还设置对基底(5)进行加热的基底加热件(51)。
5.根据权利要求4所述的薄膜太阳能电池吸收层的沉积掺杂装置，其特征在于，所述的基底(5)与基底加热件(51)之间还设置了用于隔离的隔板(52)。
6.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池吸收层的沉积掺杂装置，其特征在于，所述的蒸发加热机构(4)包括用于从第二供给机构(3)接收掺杂材料的加热腔室(41)、用于将掺杂材料加热成掺杂材料蒸气的掺杂加热件(42)和用于暂存掺杂材料蒸气的掺杂蒸气腔室(43)，所述的掺杂蒸气腔室(43)通过蒸气管(44)连接至沉积室(1)。
7.根据权利要求6所述的薄膜太阳能电池吸收层的沉积掺杂装置，其特征在于，所述的加热腔室(41)上还设置有冷却装置(46)。
8.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池吸收层的沉积掺杂装置，其特征在于，所述的沉积室(1)上连接有若干个第一供给机构(2)，所述的蒸发加热机构(4)上连接有若干个第二供给机构(3)。
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