CN110739370B - 一种柔性cigs太阳能电池片硒源加氢增强硒反应活性的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性CIGS太阳能电池片硒源加氢增强硒反应活性的系统，包括硒源、氢气储罐、气体自动混合装置及混合气输出管道，所述气体自动混合装置包含硒蒸气控制阀门、氢气控制阀门及气体输送管道，硒源的硒蒸汽出口连接硒蒸气控制阀门的入口，氢气储罐的氢气出口连接氢气控制阀门的入口，硒蒸气控制阀门的出口连接气体输送管道的硒蒸气入口，氢气控制阀门的出口连接气体输送管道的氢气入口，气体输送管道的出口连接混合气输出管道的入口，硒蒸气控制阀门与氢气控制阀门联动。本发明能实现硒蒸汽和氢气的自动并均匀混合，能有效打开团簇Se并生成少量硒化氢，增加反应活性，减少薄膜的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及铜铟镓硒薄膜电池生产技术领域，特别涉及一种柔性CIGS太阳能电池片硒源加氢增强硒反应活性的系统。
背景技术
在制备高效率的CIGS薄膜太阳能电池的结构中，采用共蒸发的方法制备的CIGS吸收层是整个电池的核心膜层。在沉积过程中，Se源对膜层的影响是最重大的，薄膜中如果缺Se的话，形成硒空位缺陷会导致薄膜的导电类型发生变化，由P型转变为N型，这样会导致整个电池彻底失去作用。在共蒸发法过程产生的Se蒸汽温度在200-300 ℃，此条件下的Se蒸汽都是以原子团簇的形式存在，团簇原子数在5以上，甚至更大，这种团簇Se在形成共价键时，反应能量和化学活性都较低，生成的吸收层薄膜质量很差，及其容易出现硒空位缺陷。在后硒化法中使用硒化氢作为硒源，反应活性较高，但是其本身具有毒害性，不利于物料的保存和使用，风险较大；当前共蒸发采用Se源蒸发坩埚：在坩埚内放置硒源，外部缠绕加热丝或加热板，通过电加热来实现硒蒸气的产生和喷发。
若在共蒸发法过程产生的Se蒸汽中简单混入氢气，则氢气无法影响Se蒸汽的原子团簇，对吸收层薄膜质量改善有限，同时，由于没有合适的混合控制系统，Se蒸汽和氢气反应会产生大量的硒化氢，虽然硒化氢能提高反应活性，但大量的硒化氢存在毒性大，易燃易爆的较大安全隐患，不适合工业化生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种柔性CIGS太阳能电池片硒源加氢增强硒反应活性的系统，能实现硒蒸气和氢气的自动并均匀混合，能有效打开团簇Se并生成少量硒化氢，增加反应活性，减少薄膜的缺陷。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种柔性CIGS太阳能电池片硒源加氢增强硒反应活性的系统，包括硒源、氢气储罐、气体自动混合装置及混合气输出管道，所述气体自动混合装置包含硒蒸气控制阀门、氢气控制阀门及气体输送管道，硒源的硒蒸气出口连接硒蒸气控制阀门的入口，氢气储罐的氢气出口连接氢气控制阀门的入口，硒蒸气控制阀门的出口连接气体输送管道的硒蒸气入口，氢气控制阀门的出口连接气体输送管道的氢气入口，气体输送管道的出口连接混合气输出管道的入口，硒蒸气控制阀门与氢气控制阀门联动；
系统的运行工艺如下：
加热硒源产生硒蒸气，随着硒蒸气控制阀门的入口处的硒蒸气压的增大，从而推动硒蒸气控制阀门，硒蒸气进入气体输送管道中，随着硒蒸气控制阀门的入口处的压力不断增大，当达到工艺设定蒸气压时，氢气控制阀门的氢气通道导通，氢气进入到气体输送管道中和硒蒸气混合,最后随着硒源加热的关闭，硒蒸气控制阀门的入口处的硒蒸气压的减小，硒蒸气控制阀门和氢气控制阀门关闭，硒蒸气和氢气停止混合。
在CIGS晶体生长的过程中，Se的量对晶体的质量有很大的影响。200-300℃条件下产生的硒蒸气原子团簇严重，利用率低，反应活性差，造成薄膜质量的下降，影响电池的整体效率。本发明在硒蒸气中添加一定比例的氢气，来减少原子团簇、增加反应活性，减少薄膜的缺陷。
本发明通过控制氢气：硒蒸气的混合比例，使得氢气与硒蒸气碰撞，从而降低Se原子的团簇，Se原子的团簇减少，Se原子在金属表面的分布会更均匀，与金属的结合更充分，从而从物理层面提升Se的利用率，改善成膜质量，同时氢气与硒蒸气碰撞过程中生成少量H2Se，从而提高硒的反应活性，从而从化学层面提升Se的利用率，改善成膜质量。本发明通过物理和化学层面的共同作用，从而提升Se的利用率，改善成膜质量。
所述混合气输出管道中混合气体的摩尔比为氢气：硒蒸气=0.03-0.2:1。
作为优选，所述混合气输出管道中混合气体的摩尔比为氢气：硒蒸气=0.05-0.1:1。
作为优选，硒蒸气控制阀门与氢气控制阀门连通，硒蒸气控制阀门包含阀体、阀芯、密封圈和隔瓣，阀芯包括推杆、第一堵头和弹簧，弹簧套设在推杆上，氢气控制阀门包含阀体、第二堵头和密封圈，推杆的一端连接第一堵头，推杆的另一端依次穿过硒蒸气控制阀门的阀体和氢气控制阀门的阀体并连接第二堵头。
作为优选，所述推杆为实心杆，推杆连接第二堵头的端部间隔设置有若干氢气通孔。间隔的距离约1.5mm。
作为优选，氢气通孔的孔径范围在1-5mm。孔径指半径。
本发明的特点在于能严格控制硒蒸气与氢气的实时混合比例，硒源加热随着蒸气压的增大，推动推杆使得第一个氢气通孔导通氢气，硒蒸气与氢气混合比例控制良好，随着蒸气压进一步增大，推杆继续移动，第二个氢气通孔导通氢气，这样氢气的量能完全匹配硒蒸气的量，实现硒蒸气与氢气的实时精准混合，防止产生过多的硒化氢。
本发明孔洞的半径和位置设计方案原理如下：
当Se的蒸汽压一定时，对硒蒸气控制阀门的力F=P·S，其中P为蒸汽压，S为第一堵头面积；同时根据胡克定律F=kx，其中k为弹簧材料的弹性系数，x为其形变量，得到x=P·S/k，以此来确定孔洞的位置。
再利用PV=n0RT来计算单位时间内Se的物质的量，其中P为蒸汽压，V为体积，n0为物质的量，R为气体常数，T为温度，单位为K；根据两种气体的摩尔比n=(0.05-0.1)·n0，可得到单位时间内H2的物质的量n，根据公式：V=n·Vm，其中Vm为气体摩尔体积，得到H2的体积V，再有V=S·v，其中S为孔洞面积，v为H2流速，其中流速v=F/m=P·S/n·M，可得到孔洞面积S2=n2·Vm·M/P，其中M是气体摩尔质量，P是气体压强，最后得到孔洞的半径r。
综上所述：孔洞位置x=P·S/k，孔洞半径r=( n2·Vm·M/P·π2)1/4
以上为孔洞位置和半径的确定，可根据不同的工艺要求和制程来调节不同的孔位置和半径。
作为优选，气体输送管道与混合气输出管道的连接处设置有涡旋腔。
作为优选，硒源加热至200-300℃。升温速率在5-10℃/min。
作为优选，工艺设定的蒸气压为100-600pa。在共蒸发工艺中，当Se蒸发温度在200-300℃时，硒蒸气控制阀门入口处的蒸气压会达到100-600pa。
本发明的有益效果是：
1.通过一种自动混合装置实现Se蒸汽和H2的混合；
2.通过一定比例的气体混合、碰撞，降低Se原子的团簇，并生成少量H2Se，提高硒的反应活性；
3.过程中产生的少量H2Se易控制（比例10%以下，基本在4-6%），不会对环境和操作人员产生危害。
附图说明
图1是本发明的系统生产的CIGS薄膜表面形貌的SEM图。
图2是现有工艺生产的CIGS薄膜表面形貌的SEM图。
图3是本发明的一种结构示意图。
图4是本发明气体自动混合装置的一种结构示意图。
图5是本发明推杆端部的一种结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。
本发明中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
实施例：
如图3、图4所示的一种柔性CIGS太阳能电池片硒源加氢增强硒反应活性的系统，包括硒源1、氢气储罐2、气体自动混合装置3及混合气输出管道4，所述气体自动混合装置包含硒蒸气控制阀门31、氢气控制阀门32及气体输送管道33，硒源的硒蒸气出口连接硒蒸气控制阀门的入口34，氢气储罐的氢气出口连接氢气控制阀门的入口35，硒蒸气控制阀门的出口连接气体输送管道的硒蒸气入口，氢气控制阀门的出口连接气体输送管道的氢气入口，气体输送管道的出口连接涡旋腔5的入口，涡旋腔的出口连接混合气输出管道的入口，硒蒸气控制阀门与氢气控制阀门联动；硒蒸气控制阀门包含阀体、阀芯、密封圈36和隔瓣37，阀芯包括推杆38、第一堵头39和弹簧310，弹簧套设在推杆上，氢气控制阀门包含阀体、第二堵头311和密封圈，推杆的左端连接第一堵头，推杆的右端依次穿过硒蒸气控制阀门的阀体和氢气控制阀门的阀体并连接第二堵头。所述推杆为实心杆，推杆右端间隔设置有若干氢气通孔（图5），本实施例中，氢气通孔312有四个，从右到左孔径（半径）递增，分别孔径为1mm，2mm，3mm，4mm，相邻氢气通孔间隔距离为1.5mm。
本发明系统的运行工艺如下：加热硒源产生硒蒸气，硒源以10℃的升温速率加热至200-300℃，随着硒蒸气控制阀门的入口处的硒蒸气压的增大，从而推动硒蒸气控制阀门，硒蒸气进入气体输送管道中，随着硒蒸气控制阀门的入口处的压力不断增大，从而推动阀杆前进，当达到100pa左右蒸气压时（温度在200℃左右），阀杆最右端的氢气通孔导通，氢气进入到气体输送管道中和硒蒸气汇合并进入涡旋腔进行充分的碰撞混合，经过涡旋腔后进入混合气输出管道输出，混合气输出管道中混合气体的摩尔比为氢气：硒蒸气=0.03-0.2:1，优选0.05-0.1:1；随着蒸气压上升至600 pa（温度在300℃左右），阀杆右端的氢气通孔都逐步导通，硒蒸气与氢气的通量正相关；最后随着硒源加热的关闭，硒蒸气控制阀门的入口处的硒蒸气压的减小，推杆在弹簧的作用下收回，硒蒸气控制阀门和氢气控制阀门关闭，硒蒸气和氢气停止混合。
本发明的系统生产的CIGS薄膜表面形貌的SEM图（1万倍放大）如图1，现有工艺生产的CIGS薄膜表面形貌的SEM图（1万倍放大）如图2，对比可知，现有工艺生产的CIGS薄膜表面出现较多的硒空位缺陷，而本发明则没有，本发明的系统能够克服CIGS薄膜表面的缺陷。此外，现有工艺硒的利用率在30%左右，本发明的系统硒的利用率在60%以上，本发明的系统硒的利用率是现有工艺的两倍以上。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
Claims (9)
1.一种柔性CIGS太阳能电池片硒源加氢增强硒反应活性的系统，其特征在于，包括硒源、氢气储罐、气体自动混合装置及混合气输出管道，所述气体自动混合装置包含硒蒸气控制阀门、氢气控制阀门及气体输送管道，硒源的硒蒸气出口连接硒蒸气控制阀门的入口，氢气储罐的氢气出口连接氢气控制阀门的入口，硒蒸气控制阀门的出口连接气体输送管道的硒蒸气入口，氢气控制阀门的出口连接气体输送管道的氢气入口，气体输送管道的出口连接混合气输出管道的入口，硒蒸气控制阀门与氢气控制阀门联动；
系统的运行工艺如下：
加热硒源产生硒蒸气，随着硒蒸气控制阀门的入口处的硒蒸气压的增大，从而推动硒蒸气控制阀门，硒蒸气进入气体输送管道中，随着硒蒸气控制阀门的入口处的压力不断增大，当达到工艺设定蒸气压时，氢气控制阀门的氢气通道导通，氢气进入到气体输送管道中和硒蒸气混合,最后随着硒源加热的关闭，硒蒸气控制阀门的入口处的硒蒸气压的减小，硒蒸气控制阀门和氢气控制阀门关闭，硒蒸气和氢气停止混合。
2.根据权利要求1所述的一种柔性CIGS太阳能电池片硒源加氢增强硒反应活性的系统，其特征在于：所述混合气输出管道中混合气体的摩尔比为氢气：硒蒸气=0.03-0.2:1。
3.根据权利要求2所述的一种柔性CIGS太阳能电池片硒源加氢增强硒反应活性的系统，其特征在于：所述混合气输出管道中混合气体的摩尔比为氢气：硒蒸气=0.05-0.1:1。
4.根据权利要求1所述的一种柔性CIGS太阳能电池片硒源加氢增强硒反应活性的系统，其特征在于：硒蒸气控制阀门与氢气控制阀门连通，硒蒸气控制阀门包含阀体、阀芯、密封圈和隔瓣，阀芯包括推杆、第一堵头和弹簧，弹簧套设在推杆上，氢气控制阀门包含阀体、第二堵头和密封圈，推杆的一端连接第一堵头，推杆的另一端依次穿过硒蒸气控制阀门的阀体和氢气控制阀门的阀体并连接第二堵头。
5.根据权利要求4所述的一种柔性CIGS太阳能电池片硒源加氢增强硒反应活性的系统，其特征在于：所述推杆为实心杆，推杆连接第二堵头的端部间隔设置有若干氢气通孔。
6.根据权利要求5所述的一种柔性CIGS太阳能电池片硒源加氢增强硒反应活性的系统，其特征在于：氢气通孔的孔径范围在1-5mm。
7.根据权利要求1所述的一种柔性CIGS太阳能电池片硒源加氢增强硒反应活性的系统，其特征在于：气体输送管道与混合气输出管道的连接处设置有涡旋腔。
8.根据权利要求1所述的一种柔性CIGS太阳能电池片硒源加氢增强硒反应活性的系统，其特征在于：硒源加热至200-300℃。
9.根据权利要求1所述的一种柔性CIGS太阳能电池片硒源加氢增强硒反应活性的系统，其特征在于：工艺设定的蒸气压为100-600pa。
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