CN111662004A - 薄膜太阳能电池钢化炉及钢化方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种薄膜太阳能电池钢化炉，该薄膜太阳能电池钢化炉，包括：样片传输机构以及沿样片传输方向依次通过阀门连通的上片区、第一缓冲室、第一加热室、第二加热室、冷却室和下片区；以及，用于将第一缓冲室、第一加热室、第二加热室和冷却室抽成真空的真空系统；用于向第一缓冲室、第一加热室、第二加热室和冷却室充保护气体的送气系统；第一加热室和第二加热室内设置有位于样片传输机构上下两侧的上加热系统和下加热系统。本申请解决了相关技术中钢化设备和钢化工艺会导致薄膜太阳能电池中的光吸收层被氧化以及因应力释放和热膨胀不同导致薄膜损坏的问题。
Description
技术领域
本申请涉及钢化技术领域，具体而言，涉及一种薄膜太阳能电池钢化炉及钢化方法。
背景技术
建筑光伏一体化是光伏应用的重要形式和发展趋势。技术层面需要解决光伏组件符合建筑关于强度、抗风压方面的要求。薄膜太阳能电池是光伏技术的一种，具有外观均一，可透光，阴影效应低的优点，是建筑光伏一体化的组件选择之一。
但是，常规的薄膜太阳能电池采用的基底玻璃是热增强玻璃，不符合建筑钢化玻璃的要求。薄膜太阳能电池的基础工艺是在基底玻璃上通过真空镀膜等工艺依次沉积功能层，形成半导体PN结及正负电极结构。依据膜层顺序与基材的关系，分为substrate和superstrate结构。在镀膜的过程中会有玻璃加热和降温的过程，但是加热的温度低于玻璃钢化的处理温度，降温速度也低于玻璃钢化工艺。因此基材玻璃的工艺处理只能属于热增强，达不到钢化玻璃的要求。基材镀膜及后续组件内电路划线刻蚀等工艺完成后，通过层压或高压釜合片工艺贴合封装，在基材的一侧通过胶片粘接一片钢化玻璃进行保护。但是这种夹胶玻璃因为其中一片玻璃不是钢化玻璃，依然不符合建筑要求。
如果基材采用钢化玻璃，在薄膜工艺过程中的加热退火过程会破坏钢化。如果镀膜后采用传统的钢化设备和工艺，存在如下问题：
薄膜太阳能电池中的光吸收层为半导体材料，非透明背电极为金属，在高温下会与空气中的氧气产生氧化反应，进而导致薄膜太阳能电池功能失效甚至结构性损坏；
在加热初期中薄膜的应力释放以及玻璃的应力释放会导致薄膜的皴裂甚至脱落；在加热中后段薄膜的热膨胀与玻璃不同会导致薄膜的损坏甚至脱落。
针对相关技术中钢化设备和钢化工艺会导致薄膜太阳能电池中的光吸收层被氧化以及因应力释放和热膨胀不同导致薄膜损坏的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种薄膜太阳能电池钢化炉及钢化方法，以解决相关技术中钢化设备和钢化工艺会导致薄膜太阳能电池中的光吸收层被氧化以及因应力释放和热膨胀不同导致薄膜损坏的问题。
为了实现上述目的，本申请提供了一种薄膜太阳能电池钢化炉，该薄膜太阳能电池钢化炉，包括：样片传输机构以及沿样片传输方向依次通过阀门连通的上片区、第一缓冲室、第一加热室、第二加热室、冷却室和下片区；以及，用于将所述第一缓冲室、第一加热室、第二加热室和冷却室抽成真空的真空系统；用于向所述第一缓冲室、第一加热室、第二加热室和冷却室充保护气体的送气系统；其中，所述第一加热室的加热温度为100℃-300℃，所述第二加热室的加热温度为600℃-800℃；所述第一加热室和所述第二加热室内设置有位于样片传输机构上下两侧的上加热系统和下加热系统；所述冷却室内设置有位于样片传输机构上下两侧的上冷却系统和下冷却系统。
进一步的，还包括设于所述冷却室与所述下片区之间的第二缓冲室，所述第二缓冲室的两端分别与所述冷却室与所述下片区通过阀门连接，第二缓冲室与所述真空系统和送气系统的输出端连接。
进一步的，上加热系统和下加热系统均包括加热装置以及热偶；所述上冷却系统和下冷却系统均包括气体喷嘴以及与所述气体喷嘴连通的喷管，所述喷管延伸出所述冷却室并连通设置有气体发生器。
根据本申请的另一方面提供一种应用薄膜太阳能电池钢化炉的钢化方法，包括如下步骤：
(1)使第一加热室、第二加热室和冷却室处于真空状态；
(2)将薄膜太阳能电池原片送入第一缓冲室中，并使第一缓冲室处于真空状态；
(3)将薄膜太阳能电池原片送入第一加热室，使薄膜太阳能电池原片的薄膜侧和玻璃侧分别加热至第一温度和第二温度，加热时间为第一设定时间；
(4)将加热后的薄膜太阳能电池原片送入第二加热室，使薄膜太阳能电池原片的薄膜侧和玻璃侧加热至第三温度和第四温度，加热时间为第二设定时间；
(5)将加热后的薄膜太阳能电池原片送入冷却室进行冷却。
进一步的，步骤(1)具体为：先关闭第一加热室和第二加热室之间的阀门以及第二加热室与冷却室之间的阀门，再通过真空系统将第一加热室、第二加热室和冷却室抽成真空状态，然后分别向第一加热室、第二加热室和冷却室充入保护气体，并调节第一加热室和第二加热室的压力至1.2×105Pa-1.4×105Pa，调节冷却室的压力至1.0×105Pa。
进一步的，步骤(2)具体为：第一缓冲室和第一加热室之间的阀门关闭，薄膜太阳能电池原片通过上片区内的样片传输机构送入第一缓冲室内，关闭第一缓冲室与上片区之间的阀门，通过真空系统使第一缓冲室处于真空状态，通过送气系统向第一缓冲室内充入保护气体并调节压力至与第一加热室平衡。
进一步的，步骤(3)中薄膜太阳能电池原片通过样片传输机构送入第一加热室内，所述第一温度为200℃-240℃，所述第二温度为180℃-220℃，所述第一设定时间为100s-200s。
进一步的，步骤(4)中薄膜太阳能电池原片通过样片传输机构送入第二加热室内，所述第二温度为660℃-700℃，所述第二温度为640℃-680℃，所述第二设定时间为50s-200s。
进一步的，步骤(5)具体为：薄膜太阳能电池原片送入冷却室后通过上冷却系统和下冷却系统分别对薄膜太阳能电池原片的上下两侧进行冷却，冷却时间为100s-200s。
进一步的，还包括：(6)通过真空系统使第二缓冲室处于真空状态，然后将经冷却室冷却后的薄膜太阳能电池原片送入第二缓冲室并关闭第二缓冲室与冷却室之间的阀门，打开第二缓冲室与下片区之间的阀门，并将薄膜太阳能电池原片送至下片区。
进一步的，步骤(6)中薄膜太阳能电池原片进入第二缓冲室前，先通过送气系统向第二缓冲室内送入保护气体，以使第二缓冲室与冷却室气压平衡。
在本申请实施例中，采用真空环境和低温应力释放的方式，通过阀门依次连通设置上片区、第一缓冲室、第一加热室、第二加热室、冷却室和下片区，并通过真空系统可将第一缓冲室、第一加热室、第二加热室和冷却室抽成真空状态，通过送气系统向第一缓冲室、第一加热室、第二加热室和冷却室内充入保护气体来调节压力，第一加热室采用低温加热，第二加热室采用高温加热，并利用上加热系统和下加热系统分别对薄膜太阳能电池原片的两侧进行不同温度的加温，实现了使薄膜太阳能电池原片在无氧环境中钢化，并且使应力逐渐释放，降低因热膨胀不同带来的影响的技术效果，从而解决了相关技术中钢化设备和钢化工艺会导致薄膜太阳能电池中的光吸收层被氧化以及因应力释放和热膨胀不同导致薄膜损坏的问题。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例的结构示意图；
其中，1上片区，2样片传输机构，3第一缓冲室，4第一加热室，5上加热系统，6第二加热室，7送气系统，8上冷却系统，9冷却室，10第二缓冲室，11下片区，12下冷却系统，13真空系统，14下加热系统。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。
在本申请中，术语“上”、“下”、“内”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
此外，术语“设置”、“设有”、“连接”、“固定”等应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如图1所示，本申请实施例提供了一种薄膜太阳能电池钢化炉，该薄膜太阳能电池钢化炉，包括：样片传输机构2以及沿样片传输方向依次通过阀门连通的上片区1、第一缓冲室3、第一加热室4、第二加热室6、冷却室9和下片区11；以及，用于将第一缓冲室3、第一加热室4、第二加热室6和冷却室9抽成真空的真空系统13；用于向第一缓冲室3、第一加热室4、第二加热室6和冷却室9充保护气体的送气系统7；其中，第一加热室4和第二加热室6内设置有位于样片传输机构2上下两侧的上加热系统5和下加热系统14；冷却室9内设置有位于样片传输机构2上下两侧的上冷却系统8和下冷却系统12。
本实施例中，上片区1、第一缓冲室3、第一加热室4、第二加热室6、冷却室9和下片区11通过阀门依次连接并沿样片传输方向依次设置，为便于表述将上片区1与第一缓冲室3之间的阀门设为阀一，第一缓冲室3和第二加热室6之间的阀门设为阀二，第一加热室4和第二加热室6之间的阀门设为阀三，第二加热室6和冷却室9之间的阀门设为阀四，冷却室9和下片区11之间的阀门设为阀五，各个阀门可采用气缸传动或类似机械自动化系统，此处不做赘述；
样片传输机构2用于将薄膜太阳能电池原片送入各个处理区域，此处样片传输机构2可采用相关技术中的传送结构，例如辊轮传动系统等等，在准备进行薄膜太阳能电池原片钢化前至少关闭阀二和阀五，使得第一加热室4、第二加热室6、冷却室9共同处于密闭状态，此时通过真空系统13将第一加热室4、第二加热室6、冷却室9抽至真空，真空系统13可采用相关技术中的真空发生器，为降低达到真空的难度，可将阀三和阀四一起关闭，从而分别对各个区域进行抽真空，真空发生器可采用旋片泵；
当第一加热室4、第二加热室6和冷却室9达到真空要求后，可利用送气系统7向第一加热室4、第二加热室6和冷却室9充入保护气体，以使其内部压力达到使用要求，保护气体可为干燥N2、Ar气等，此时第一加热室4、第二加热室6和冷却室9内的真空度和压力均达到使用要求，然后可将薄膜太阳能电池原片放入上片区1，打开阀一，由样片传输机构2送入第一缓冲室3，然后关闭阀一，此时再通过真空系统13将第一缓冲室3抽成真空，通过送气系统7向第一缓冲室3内充入保护气体以使第一缓冲室3内的压力和第一加热室4压力平衡，最后再将阀二打开，通过样片传输机构2将薄膜太阳能电池原片送入第一加热室4，由于第一加热室4的温度低于第二加热室6的温度，且两个加热室内内均采用上加热系统5和下加热系统14，可实现对薄膜太阳能电池原片两侧不同温度的加热，本实施例中以薄膜侧朝上为例，第一加热室4内的上加热温度为220℃，下加热温度为200℃，在一定时间内对薄膜太阳能电池原片低温加热，并使两侧加热温度不同，降低其内部应力释放过程产生的干扰，防止薄膜的皴裂甚至脱落；
薄膜太阳能电池原片在第一加热室4内加热完毕后打开阀三，将薄膜太阳能电池原片送入第二加热室6，高温加热室中上加热680℃，下加热660℃，达到钢化温度，使得薄膜太阳能电池原片在高温加热室内钢化，并且通过上加热系统5和下加热系统14降低玻璃和薄膜热膨胀不同带来的影响，防止薄膜脱落，由于在整个加热过程中，第一加热室4和第二加热室6处于真空密闭状态，即加热过程中不会产生氧化反应；
经第二加热室6加热后的薄膜太阳能电池原片在打开阀四后送入冷却室9，由于薄膜太阳能电池原片两侧的温度不同，因此采用不同的降温强度的降温系统，即上冷却系统8和下冷却系统12，下冷却系统12的降温强度高于上冷却系统8的10％-20％，以使薄膜太阳能电池原片两侧的温度接近(温差小于20℃)，在冷却室9内使薄膜太阳能电池原片充分冷却，完成钢化工序，最后在打开阀五，并将薄膜太阳能电池原片送至下片区11。
如图1所示，还包括设于冷却室9与下片区11之间的第二缓冲室10，第二缓冲室10的两端分别与冷却室9与下片区11通过阀门连接，第二缓冲室10与真空系统13和送气系统7的输出端连接。
由于冷却室9的空间较大，而冷却室9需要处于真空环境，为避免对冷却室9频繁的抽气和充气，导致能耗较大的问题，在冷却室9与下片区11之间增设第二缓冲室10，冷却室9和第二缓冲室10之间的阀门设为阀五，第二缓冲室10和下片区11之间的阀门设为阀六，薄膜太阳能电池原片在送入第二缓冲室10前，阀五和阀六均处于关闭状态，通过真空系统13将第二缓冲室10抽成真空，通过送气系统7向第二缓冲室10内充入保护气体以使气压和冷却室9平衡，然后打开阀五，将薄膜太阳能电池原片送入第二缓冲室10，再关闭阀五，打开阀六将薄膜太阳能电池原片送入下片区11，通过第二缓冲室10的设置，使得仅需对第二缓冲室10进行抽气和充气，降低能耗，提高加工效率。
如图1所示，上加热系统5和下加热系统14均包括加热装置以及热偶，因为薄膜的红外线吸收不同与玻璃，需要不同的热辐射来调节，加热装置可采用电加热，通过热偶可监测薄膜太阳能电池两侧的温度；上冷却系统8和下冷却系统12均包括气体喷嘴以及与气体喷嘴连通的喷管，喷管延伸出冷却室9并连通设置有气体发生器，因为薄膜太阳能电池原片两侧的热辐射能力的不同，需要不同的降温调节；送气系统7包括气泵以及与气泵输出端连通的送气管道，送气管道与第一缓冲室3、第二缓冲室10、第一加热室4、第二加热室6、冷却室9连通；真空系统13包括真空发生器以及与真空发生器输出端连通的抽气管道，抽气管道与第一缓冲室3、第一加热室4、第二加热室6、冷却室9和第二缓冲室10连通，本实施例中涉及与钢化炉内部电路连接的地方均采用引线法兰进行安装，上加热系统5和下加热系统14的温度控制利用热偶+温度仪表+PID控制。
如图1所示，根据本申请的另一方面提供一种应用薄膜太阳能电池钢化炉的钢化方法，包括如下步骤：
(1)通过真空系统13使第一加热室4、第二加热室6和冷却室9处于真空状态；
(2)将薄膜太阳能电池原片送入第一缓冲室3中，并使第一缓冲室3处于真空状态；
(3)将薄膜太阳能电池原片送入第一加热室4，使薄膜太阳能电池原片的薄膜侧和玻璃侧分别加热至第一温度和第二温度，加热时间为第一设定时间；
(4)将加热后的薄膜太阳能电池原片送入第二加热室6，使薄膜太阳能电池原片的薄膜侧和玻璃侧加热至第三温度和第四温度，加热时间为第二设定时间；
(5)将加热后的薄膜太阳能电池原片送入冷却室9进行冷却。
如图1所示，步骤(1)具体为：先关闭第一加热室4和第二加热室6之间的阀门以及第二加热室6与冷却室9之间的阀门，再通过真空系统13将第一加热室4、第二加热室6和冷却室9抽成真空状态，然后通过送气系统7分别向第一加热室4、第二加热室6和冷却室9充入保护气体，并调节第一加热室4和第二加热室6的压力至1.3×105Pa，调节冷却室9的压力至1.0×105Pa。
如图1所示，步骤(2)具体为：第一缓冲室3和第一加热室4之间的阀门关闭，薄膜太阳能电池原片通过上片区1内的样片传输机构2送入第一缓冲室3内，关闭第一缓冲室3与上片区1之间的阀门，通过真空系统13使第一缓冲室3处于真空状态，通过送气系统7向第一缓冲室3内充入保护气体并调节压力至与第一加热室4平衡。
如图1所示，步骤(3)中薄膜太阳能电池原片通过样片传输机构2送入第一加热室4内，第一温度为220℃，第二温度为200℃，第一设定时间为150s。
如图1所示，步骤(4)中薄膜太阳能电池原片通过样片传输机构2送入第二加热室6内，第二温度为680℃，第二温度为660℃，第二设定时间为100s。
如图1所示，步骤(5)具体为：薄膜太阳能电池原片送入冷却室9后通过上冷却系统8和下冷却系统12分别对薄膜太阳能电池原片的上下两侧进行冷却，冷却时间为150s。
如图1所示，还包括：(6)通过真空系统13使第二缓冲室10处于真空状态，然后将经冷却室9冷却后的薄膜太阳能电池原片送入第二缓冲室10并关闭第二缓冲室10与冷却室9之间的阀门，打开第二缓冲室10与下片区11之间的阀门，并将薄膜太阳能电池原片送至下片区11。
如图1所示，步骤(6)中薄膜太阳能电池原片进入第二缓冲室10前，先通过送气系统7向第二缓冲室10内送入保护气体，以使第二缓冲室10与冷却室9气压平衡。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种薄膜太阳能电池钢化炉，其特征在于，包括：
样片传输机构以及沿样片传输方向依次通过阀门连通的上片区、第一缓冲室、第一加热室、第二加热室、冷却室和下片区；以及，
用于将所述第一缓冲室、第一加热室、第二加热室和冷却室抽成真空的真空系统；
用于向所述第一缓冲室、第一加热室、第二加热室和冷却室充保护气体的送气系统；其中，
所述第一加热室的加热温度为100℃-300℃，所述第二加热室的加热温度为600℃-800℃；
所述第一加热室和所述第二加热室内设置有位于样片传输机构上下两侧的上加热系统和下加热系统。
2.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池钢化炉，其特征在于，还包括设于所述冷却室与所述下片区之间的第二缓冲室，所述第二缓冲室的两端分别与所述冷却室与所述下片区通过阀门连接，第二缓冲室与所述真空系统和送气系统的输出端连接；
所述冷却室内设置有位于样片传输机构上下两侧的上冷却系统和下冷却系统。
3.一种应用如权利要求2所述的薄膜太阳能电池钢化炉的钢化方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)使第一加热室、第二加热室和冷却室处于真空状态；
(2)将薄膜太阳能电池原片送入第一缓冲室中，并使第一缓冲室处于真空状态；
(3)将薄膜太阳能电池原片送入第一加热室，使薄膜太阳能电池原片的薄膜侧和玻璃侧分别加热至第一温度和第二温度，加热时间为第一设定时间；
(4)将加热后的薄膜太阳能电池原片送入第二加热室，使薄膜太阳能电池原片的薄膜侧和玻璃侧加热至第三温度和第四温度，加热时间为第二设定时间；
(5)将加热后的薄膜太阳能电池原片送入冷却室进行冷却。
4.根据权利要求3所述的薄膜太阳能电池钢化方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：先关闭第一加热室和第二加热室之间的阀门以及第二加热室与冷却室之间的阀门，再通过真空系统将第一加热室、第二加热室和冷却室抽成真空状态，然后分别向第一加热室、第二加热室和冷却室充入保护气体，并调节第一加热室和第二加热室的压力至1.2×105Pa-1.4×105Pa，调节冷却室的压力至1.0×105Pa。
5.根据权利要求4所述的薄膜太阳能电池钢化方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：第一缓冲室和第一加热室之间的阀门关闭，薄膜太阳能电池原片通过上片区内的样片传输机构送入第一缓冲室内，关闭第一缓冲室与上片区之间的阀门，通过真空系统使第一缓冲室处于真空状态，通过送气系统向第一缓冲室内充入保护气体并调节压力至与第一加热室平衡。
6.根据权利要求3所述的薄膜太阳能电池钢化方法，其特征在于，所述步骤(3)中薄膜太阳能电池原片通过样片传输机构送入第一加热室内，所述第一温度为200℃-240℃，所述第二温度为180℃-220℃，所述第一设定时间为100s-200s。
7.根据权利要求6所述的薄膜太阳能电池钢化方法，其特征在于，所述步骤(4)中薄膜太阳能电池原片通过样片传输机构送入第二加热室内，所述第二温度为660℃-700℃，所述第二温度为640℃-680℃，所述第二设定时间为50s-200s。
8.根据权利要求3所述的薄膜太阳能电池钢化方法，其特征在于，所述步骤(5)具体为：薄膜太阳能电池原片送入冷却室后通过上冷却系统和下冷却系统分别对薄膜太阳能电池原片的上下两侧进行冷却，冷却时间为100s-200s。
9.根据权利要求3所述的薄膜太阳能电池钢化方法，其特征在于，还包括：
(6)通过真空系统使第二缓冲室处于真空状态，然后将经冷却室冷却后的薄膜太阳能电池原片送入第二缓冲室并关闭第二缓冲室与冷却室之间的阀门，打开第二缓冲室与下片区之间的阀门，并将薄膜太阳能电池原片送至下片区。
10.根据权利要求9所述的薄膜太阳能电池钢化方法，其特征在于，所述步骤(6)中薄膜太阳能电池原片进入第二缓冲室前，先通过送气系统向第二缓冲室内送入保护气体，以使第二缓冲室与冷却室气压平衡。
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