CN203270030U - 一种硫化镉化学水浴镀膜反应器 - Google Patents

一种硫化镉化学水浴镀膜反应器 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种平板CIGS太阳能电池用硫化镉化学水浴镀膜反应器。本实用新型的硫化镉化学水浴镀膜反应器包括：硫化镉反应器、化学水浴槽、热水循环管道、热水循环加热装置及反应镀液配制装置；进一步，硫化镉反应器包括：注液管、排液管、密封件及两片基片，两基片之间的距离为1~5mm。本实用新型的超薄型的硫化镉反应器把镉化学反应镀液的用量降低到极点，因此，本实用新型降低了成本；大大减少镉污染；节省了运行费和镉渣后处理费；相对可节约工序能耗60%左右；加热速度加快，使工序节拍加快，可提高原有设备产能；镀膜工艺条件更加易于控制，更加均匀化，提高了硫化镉镀膜质量；拆装操作方便；更有利于工艺设备的小型化。

Description

一种硫化镉化学水浴镀膜反应器
技术领域
本实用新型涉及太阳能电池制备领域，具体涉及一种用于平板CIGS太阳能电池的硫化镉化学水浴镀膜反应器。 
背景技术
硫化镉薄膜在铜铟镓硒太阳能电池的各层薄膜中是十分重要的一层，属于N型半导体，通过镉离子在铜铟镓硒CIGS界面上的扩散形成电池的PN结。 
硫化镉薄膜是通过化学水浴镀膜技术，在已镀有CIGS薄膜的基片上镀膜形成。现有的硫化镉薄膜化学水浴镀膜技术在制作平板CIGS太阳能电池的过程中，不论尺度大小，是先将配制好的常温反应镀液（通常使用的反应镀液为醋酸镉、硫脲、氨和去离子水，其配比为0.5～2/4～12/35～140/1500～4000，配制精度±1～3%，硫脲过量）注入一个能装入多块平板CIGS太阳能电池基片的反应槽，再装入已镀有CIGS薄膜的基片，在反应槽外部的化学水浴槽内通入65～95℃热水加热反应镀液，达到反应温度后反应槽内开始镀膜，通过控制反应终点可以获得高质量的薄膜，镀膜后的废液外排至后续镉处理系统。为了使基片跟反应镀液充分反应，生长硫化镉薄膜的时间很长，如果反应镀液的液面很低，则与空气的界面产生的界面效应明显。界面效应不仅使得基板自身不能生长硫化镉薄膜，而且还会使基片上已有的CIGS薄膜脱落，因此，为了防止界面效应，需要大量的反应镀液。 
上述技术和装置虽然能够得到需要的薄膜，操作也较简单，但是由于化学反应镀液只能一次性使用，浸泡式反应器的反应镀液用量大，反应镀液的镉利用率只有5～20%，一般废液镉浓度高达150～180mg/l，镉和其他的化学产物全部排至后部的镉处理系统。鉴于镉在环境中会给动植物的生存带来巨大危害，必须严格处理至符合国家相应的排放标准方可，使得CIGS太阳能电池生产企业的镉处理负担重，资金投入大，形成在技术、管理及经营等多方面需要进一步解决的难题。 
实用新型内容
本实用新型针对现有技术中存在的问题，采用超小型反应器结构，大幅度降低反应镀液的用量，使反应镀液的镉利用率提高到50～70%，大大减少了镉外排量和后续镉处理系统的处理负荷。 
本实用新型的目的在于提供一种用于平板CIGS太阳能电池的硫化镉化学水浴镀膜反应器。 
本实用新型的用于平板CIGS太阳能电池的硫化镉化学水浴镀膜反应器包括：硫化镉反应器、化学水浴槽、热水循环系统及反应镀液配制装置；其中，硫化镉反应器放置在化学水浴槽中；化学水浴槽与热水循环系统相连接；进一步，硫化镉反应器包括：注液管、排液管、密封件及两片基片；其中，基片的一面镀有铜铟镓硒薄膜，两片基片的镀有铜铟镓硒薄膜的面相对放置；两片基片的两端分别设置有密封件；注液管和排液管分别通过密封件伸入至两片基片中；反应镀液配制装置与注液管相连接。 
基片上已经镀有铜铟镓硒薄膜，两片基片的铜铟镓硒薄膜相对放置，两片基片之间的距离按反应镀液设计浓度和基片尺度确定，一般为1～5mm，形成狭缝。两片基片的两端设置有密封件，密封件不仅将两片基片固定，而且将两片基片的内部空间密封，从而与化学水浴槽中的水浴热水隔离。密封件上设置有注液孔和排液孔，注液管和排液管分别通过注液孔和排液孔插进密封件伸入至两片基片中，反应镀液通过注液管注入至两片基片的之间的狭缝。硫化镉反应器放置在化学水浴槽中，化学水浴槽内盛放有水浴热水，水浴热水采用热水循环系统将温度维持在65～85℃±1℃之间。热水循环系统包括热水循环注水管道、热水循环加热装置和热水循环回水管道，水浴热水从热水循环加热装置通过热水循环注水管道流入化学水浴槽内，通过热水循环回水管道流回热水循环加热装置，从而保证化学水浴槽内的水浴热水的温度稳定均衡。 
进一步，本实用新型还包括真空注排液装置，真空注排液装置与排液管相连接，从而能够采用真空注入或排出反应镀液。 
进一步，本实用新型还包括两片固定板，两片固定板分别设置在两片基片的外侧，两片固定板与两端的密封件构成固定框。 
采用本实用新型的硫化镉化学水浴镀膜反应器的硫化镉薄膜的镀膜方法包括以下步骤： 
1）将两片镀有铜铟镓硒薄膜的基片相对放置，两端分别用密封件固定，两片基片之间 
的距离按反应镀液设计浓度和基片尺度确定，一般为1～5mm，形成硫化镉反应器； 
2）将按设计比例配制的反应镀液通过注液管，均匀注入两片基片之间的狭缝中，要求 
反应镀液不混浊、注满且无气泡，采用通常的直接注液方法从通过注液管注入反应镀液 
或利用真空注排液装置的负压作用自排液管排气同时自注液管注入反应镀液均可； 
3）将反应器放入化学水浴槽内的水浴热水中视设计反应镀液浓度和热水设定温度停留 
3～30分钟，期间水浴热水采用热水循环加热装置以及热水循环注水管道热水循环回水管 
道将温度维持在65～85℃±1℃； 
4）反应完成后取出反应器，将反应废液自排液管排出，采用通常的直接排液方法或利 
用真空注排液装置的负压作用将反应废液自排液管排出； 
5）分解硫化镉反应器，取出基片，完成硫化镉薄膜的化学水浴镀膜过程。 
本实用新型的优点： 
本实用新型的特点在于超薄型的硫化镉反应器把镉化学反应镀液的用量降低到极点，由此带来的好处有：（一）由于反应镀液用量的减少带来的成本降低；（二）由于反应镀液的镉利用率提高到50%以上使镉排放量大大降低，从而把镉污染大大减少；（三）镉排放量的降低使生产系统镉处理环保设施运行负荷大大减轻，节省了运行费和镉渣后处理费；（四）反应镀液量减少使水浴加热消耗的热量减少，相对可节约工序能耗60%左右；（五）超薄的硫化镉反应器使加热速度加快，使工序节拍加快，可提高原有设备产能；（六）反应速度加快的直接结果是使大面积基片镀膜工艺条件更加易于控制，更加均匀化，提高了硫化镉镀膜质量；（七）硫化镉反应器拆装操作方便；（八）更有利于工艺设备的小型化。 
附图说明
图1为本实用新型的硫化镉化学水浴镀膜反应器的一个实施例的剖面图； 
图2为本实用新型的硫化镉化学水浴镀膜反应器的一个实施例的硫化镉反应器的剖面图； 
图3为本实用新型的硫化镉化学水浴镀膜反应器的一个实施例的侧视图。 
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本实用新型做进一步说明。 
如图1所示，本实施例的硫化镉化学水浴镀膜反应器包括：硫化镉反应器4、真空注排液装置1、化学水浴槽2、热水循环注入管道7、热水循环回水管道5、热水循环加热装置6及反应镀液配制装置8；其中，硫化镉反应器4放置在化学水浴槽2中；化学水浴槽2通过热水循环注入管道7和热水循环回水管道5与热水循环加热装置6相连接，化学水浴槽2内盛放有水浴热水3。如图2所示，硫化镉反应器4包括：注液管41、排液管42、密封件43、两片基片44及两片固定板46；其中，基片44的一面镀有铜铟镓硒薄膜，两片基片44的镀有铜铟镓硒薄膜的面相对放置；两片基片44的两端分别设置有密封件43；两片固定板46分别设置在两片基片44的外侧；注液管41和排液管42分别通过密封件43伸入至两片基片44 之间的狭缝中，两片基片44之间的狭缝中装有反应镀液45。 
本实用新型的硫化镉化学水浴镀膜反应器的硫化镉薄膜的镀膜方法包括以下步骤： 
1）将两片镀有铜铟镓硒薄膜的基片44相对放置，两端分别用密封件43固定，两片基片之间的距离为1～5mm，形成硫化镉反应器； 
2）按照醋酸镉、硫脲、氨和去离子水配比为1/8/70/2500的比例配制反应镀液，将反应镀液通过注液管41，采用真空注入方式均匀注入两片基片44之间的狭缝中，要求反应镀液不混浊、注满且无气泡； 
3）将反应器放入化学水浴槽2内的水浴热水3中视设计反应镀液浓度和热水设定温度停留10分钟，期间水浴热水3采用热水循环加热装置6以及热水循环注水管道7热水循环回水管道5将温度维持在80℃恒温； 
4）反应完成后取出反应器4，将反应废液自排液管42排出，采用通常的直接排液方法或利用真空注排液装置1的负压作用将反应废液自排液管42排出； 
5）分解硫化镉反应器，取出基片，清洗两片基片并收集清洗液，完成硫化镉薄膜的化学水浴镀膜过程。 
硫化镉CdS生成的反应原理： 
a）醋酸镉、硫脲、氨和去离子水的化学式： 
NH3+H2O→NH4 ++OH— 
Cd(CH3COO)2 
SC(NH2)2 
H2O 
b）配液过程： 
Cd(CH3COO)2----0.4g+H2O----400g 
SC(NH2)2------------3g+H2O----500g 
NH4OH-------------27g+H2O-----73g 
合计： 
0.4+3+27+400+500+73=1003.4g（1000ml） 
c）比例： 
Cd(CH3COO)2/总量=0.0004---1 
SC(NH2)2/总量=0.003---------7.5 
NH4OH/总量=0.027-----------67.5 
H2O/总量=0.97--------------2425 
d）镉比例： 
Cd/(CH3COO)2=112/118=0.5 
1000ml溶液中镉总含量为0.4/2=0.2g，溶液中含镉比例为0.2/1000=0.0002=0.02%。 
对比例 
通常300×300尺寸两块基片，采用现有技术制作硫化镉CdS薄膜至少需要镀膜药液1000ml以上。 
制成的CdS薄膜的厚度50nm，CdS薄膜的密度按5g/cm2计算。 
两块300×300尺寸基片，CdS薄膜的总质量0.045g，其中Cd与S质量之比为112/32，因此，基片CdS薄膜的总镉质量为0.035g。 
1000ml药液中镉总含量为0.2g，实际镉利用率仅为0.035/0.2=0.175=17.5%。 
考虑到反应器壁成膜对废液镉浓度的影响（基片相背放置），其外排废液的镉浓度可达到140mg/l。 
实施例一 
本实施例中两块300×300尺寸基片，两片基片之间的距离为2mm，设计硫化镉薄膜厚50nm，两片基片总用镉量35mg。反应镀液180ml，1000ml药液中镉总含量为0.2g，180ml反应镀液总含量为0.2×0.18=0.036g，实际镉利用率为0.035/0.036=0.972=97.2%。 
测定基片的结果为：硫化镉薄膜的厚度48nm，合计形成薄膜总镉量33.6mg；180ml废液镉浓度6mg/l，外排镉量1.1mg；基片和硫化镉反应器清洗液镉浓度1.2mg/l，外排清洗水量2000ml，外排镉量1.3mg；总外排镉量2.4mg，总外排含镉废水2180ml，平均外排镉浓度1.1mg/l。经计算整个化学水浴镀膜过程的镉利用率为93%，远高于现有技术1～2%的利用率。 
实施例二 
本实施例中两块300×300尺寸基片，两片基片之间的距离为2.5mm，设计硫化镉薄膜厚50nm，两片基片总用镉量35mg。 
反应镀液225ml，1000ml药液中镉总含量为0.2g，180ml反应镀液总含量为0.2×0.225=0.045g，实际镉利用率为0.035/0.045=0.778=77.8%。 
考虑到反应器的外壁成膜对废液镉浓度仅有不大的影响（基片相向放置，自身形成反应器壁），其外排废液的镉含量约为总量的15%，外排浓度为30mg/l。 
实施例三 
本实施例中两块300×300尺寸基片，两片基片之间的距离为3mm，设计硫化镉薄膜厚50nm，两片基片总用镉量35mg。 
反应镀液270ml，1000ml药液中镉总含量为0.2g，270ml反应镀液总含量为0.2×0.27=0.054g，实际镉利用率为0.035/0.054=0.648=64.8%。 
考虑到反应器的外壁成膜对废液镉浓度仅有不大的影响（基片相向放置，自身形成反应器壁），其外排废液的镉含量约为总量的25%，外排浓度为50mg/l。 
上述理论计算因反应器容积误差影响，精度约为80%。 
最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本实用新型，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限于实施例所公开的内容，本实用新型要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。 

Claims (7)

1.一种硫化镉化学水浴镀膜反应器，所述硫化镉化学水浴镀膜反应器为用于平板CIGS太阳能电池的硫化镉化学水浴镀膜反应器，其特征在于，所述硫化镉化学水浴镀膜反应器包括：硫化镉反应器（4）、化学水浴槽（2）、热水循环系统及反应镀液配制装置（8）；其中，所述硫化镉反应器（4）放置在化学水浴槽（2）中；所述化学水浴槽（2）与热水循环系统相连接；进一步，所述硫化镉反应器（4）包括：注液管（41）、排液管（42）、密封件（43）及两片基片（44）；其中，基片（44）的一面镀有铜铟镓硒薄膜，所述两片基片（44）的镀有铜铟镓硒薄膜的面相对放置；所述两片基片（44）的两端分别设置有密封（43）件；所述注液管（41）和排液管（42）分别通过密封件（43）伸入至两片基片（44）中；所述反应镀液配制装置（8）与注液管（41）相连接。
2.如权利要求1所述的硫化镉化学水浴镀膜反应器，其特征在于，所述两片基片（44）之间的距离为1~5mm。
3.如权利要求1所述的硫化镉化学水浴镀膜反应器，其特征在于，所述化学水浴槽（2）内盛放有水浴热水（3），所述水浴热水（3）的温度在65~85℃±1℃之间。
4.如权利要求1所述的硫化镉化学水浴镀膜反应器，其特征在于，所述热水循环系统包括热水循环注水管道（7）、热水循环加热装置（6）和热水循环回水管道（5），水浴热水从所述热水循环加热装置（6）通过所述热水循环注水管道（7）流入化学水浴槽（2）内，通过所述热水循环回水管道（5）流回所述热水循环加热装置（6）。
5.如权利要求1所述的硫化镉化学水浴镀膜反应器，其特征在于，所述密封件（43）上设置有注液孔和排液孔，所述注液管（41）和排液管（42）分别通过注液孔和排液孔插进所述密封件（43）伸入至两片基片（44）中。
6.如权利要求1所述的硫化镉化学水浴镀膜反应器，其特征在于，还包括真空注排液装置（1），所述真空注排液装置（1）与所述排液管（42）相连接。
7.如权利要求1所述的硫化镉化学水浴镀膜反应器，其特征在于，还包括两片固定板（46），所述两片固定板（46）分别设置在所述两片基片（44）的外侧。
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