CN204271113U - 一种柔性衬底上共蒸发制备高结合力吸收层的装置 - Google Patents

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乔在祥
赵彦民
李微
张超
杨亦桐
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Abstract

本实用新型涉及一种柔性衬底上共蒸发制备高结合力吸收层的装置。本实用新型属于铜铟镓硒薄膜太阳电池技术领域。一种柔性衬底上共蒸发制备高结合力吸收层的装置，其特点是：柔性衬底上共蒸发制备高结合力吸收层的装置中真空蒸发腔室整体呈长方体形状，真空蒸发腔室一侧配置有抽真空机构，另一侧安装有电离规，用于测试腔室的压强，真空蒸发腔室上部安装有衬底加热机构，柔性衬底固定于衬底加热机构下方，真空蒸发腔室中自左至右均匀分布安装有5个蒸发源，第二个到第五个蒸发源上方均安装有挡板，每个蒸发源装有加热机构。本实用新型具有能够获得高结合力CIGS吸收层，能够有效提高柔性CIGS薄膜太阳电池的性能和成品率等优点。

Description

一种柔性衬底上共蒸发制备高结合力吸收层的装置
技术领域
本实用新型属于铜铟镓硒薄膜太阳电池技术领域，特别是涉及一种柔性衬底上共蒸发制备高结合力吸收层的装置。
背景技术
目前，柔性衬底铜铟镓硒(Cu(In,Ga)Se2，简称CIGS)薄膜太阳电池具有质量比功率高、抗辐射能力强、稳定性好等优势，特别是柔性衬底CIGS薄膜电池，其质量比功率一般大于600W/kg，而且电池组件适合卷对卷制备和单片集成。
获得高效率CIGS薄膜太阳电池的关键是提高CIGS吸收层结晶质量，优化其光电性质，是商业化生产中提高电池组件成品率，降低成本的基础。然而，对于柔性衬底，特别是聚酰亚胺塑料衬底(Polyimide，简称PI衬底)，除了吸收层结构和光电性质外，CIGS薄膜与衬底和底电极之间的结合力也是影响电池性能的重要因素之一。薄膜层之间的结合力与材料的热膨胀系数和内部应力有关。由于PI衬底、Mo电极和CIGS吸收层之间的热膨胀系数差别较大，在CIGS吸收层生长过程中，PI衬底受热发生形变，使CIGS薄膜内部积累了较大应力，容易导致吸收层开裂，甚至脱落，从而影响电池的性能和成品率。
先前有专利(专利号：CN201210464942.6和专利号：CN201210495682)提出了在柔性衬底上制备小面积CIGS吸收层的方法和装置，专利(专利号：CN201210035806)提出了卷对卷制备大面积CIGS薄膜的方法和装置。这些专利在PI衬底/Mo薄膜上直接沉积CIGS吸收层，沉积装置没有沉积应力缓冲层的功能。实验结果证明，按照上述专利提出的电池结构和制备方法沉积的CIGS薄膜与衬底和底电极的结合力较差，吸收层裂痕较多，部分吸收层甚至出现脱落现象。这将导致柔性CIGS薄膜太阳电池性能下降，甚至失效。CIGS吸收层在化学水浴、溅射沉积等后续工艺处理中，脱落问题会更加严重，对电池的性能和成品率造成很大影响。
发明内容
本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种柔性衬底上共蒸发制备高结合力吸收层的装置。
本实用新型的目的是提供一种能够获得高结合力CIGS吸收层，有效避免了柔性衬底上的CIGS薄膜因内应力而开裂、甚至脱落等问题，能够有效提高柔性CIGS薄膜太阳电 池的性能和成品率等特点的柔性衬底上共蒸发制备高结合力吸收层的装置。
本实用新型柔性衬底上共蒸发制备高结合力吸收层的装置所采取的技术方案是：
一种柔性衬底上共蒸发制备高结合力吸收层的装置，其特点是：柔性衬底上共蒸发制备高结合力吸收层的装置中真空蒸发腔室整体呈长方体形状，真空蒸发腔室一侧配置有抽真空机构，另一侧安装有电离规，用于测试腔室的压强，真空蒸发腔室上部安装有衬底加热机构，柔性衬底固定于衬底加热机构下方，真空蒸发腔室中自左至右均匀分布安装有5个蒸发源，第二个到第五个蒸发源上方均安装有挡板，每个蒸发源装有加热机构。
本实用新型柔性衬底上共蒸发制备高结合力吸收层的装置还可以采用如下技术方案：
所述的柔性衬底上共蒸发制备高结合力吸收层的装置，其特点是：每个蒸发源内装有测量温度的热电偶。
所述的柔性衬底上共蒸发制备高结合力吸收层的装置，其特点是：长方体真空蒸发腔室整体为不锈钢板无缝焊接结构，表面无缝焊接有水冷管路。
本实用新型具有的优点和积极效果是：
柔性衬底上共蒸发制备高结合力吸收层的装置由于采用了本实用新型全新的技术方案，与现有技术相比，本实用新型具有以下特点：
1、本实用新型设计了专门用于沉积应力缓冲层的真空腔室。在沉积CIGS吸收层之前，首先沉积一定厚度的IGS应力缓冲层，其热膨胀系数与PI衬底和CIGS材料之间的差别较小，与Mo电极的结合力比CIGS吸收层强。当PI衬底受热发生形变时，IGS层有效缓解了CIGS薄膜成核、结晶过程中积累的内部应力，获得了高结合力的CIGS吸收层，避免了柔性衬底上的CIGS薄膜因内应力而开裂、甚至脱落的问题。
2、本实用新型设计了专门用于沉积应力缓冲层的真空腔室。其中包括NaF蒸发源，在沉积缓冲层的同时可以蒸发NaF，得到含Na的IGS应力缓冲层。Na原子通过扩散进入后续沉积的铜铟镓硒薄膜中，可以改善吸收层的电学性质。同时避免了单独沉积NaF层对CIGS薄膜与PI/Mo衬底结合力的影响。
附图说明
图1是本实用新型在柔性衬底上共蒸发制备高结合力吸收层的装置结构示意图；
图中：9-真空蒸发腔室，10-衬底加热装置，11-柔性衬底，12-抽真空系统，13-电离规，14-Se蒸发源，15-Ga蒸发源，16-Ga蒸发源挡板，17-In蒸发源，18-In蒸发源挡板，19-Cu蒸发源，20-Cu蒸发源挡板，21-NaF蒸发源，22-NaF蒸发源挡板。
图2具有高结合力吸收层的小面积柔性CIGS薄膜太阳电池结构；
图中：1-栅电极；2-窗口层i-ZnO&ZnO:Al；3-n型CdS缓冲层；4-CIGS吸收层；5-IGS应力缓冲层；6-Mo电极层；7-柔性衬底；8-减反射层。
具体实施方式
为能进一步了解本实用新型的实用新型内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
参阅附图1和图2。
实施例1
一种柔性衬底上共蒸发制备高结合力吸收层的装置，适用于以低温共蒸发工艺为技术路线，所述柔性衬底包括金属箔片，如Ti箔片、不锈钢片、Cu箔片等，衬底厚度为50-100μm；或者为塑料衬底，如聚酰亚胺(PI)等，衬底厚度为25-50μm。在柔性衬底/Mo薄膜上沉积小面积CIGS吸收层。按照附图2所示的结构制备小面积柔性CIGS薄膜太阳电池。
一种柔性衬底上共蒸发制备高结合力吸收层的装置，如图1所示。装置中真空蒸发腔室9整体呈长方体形状，使用#316不锈钢板，通过无缝焊接工艺制成；在真空腔体表面无缝焊接了水冷管路，通入的冷水温度在10℃左右。真空腔室右侧配置有抽真空系统12，左侧安装了电离规13，用于测试腔室的压强。真空腔室上部安装有衬底加热装置10，柔性衬底11固定于衬底加热系统下方约1cm处。
真空腔室中自左至右均匀分布安装5个不同蒸发源，依次为Se蒸发源14，Ga蒸发源15，In蒸发源17，Cu蒸发源19，NaF蒸发源21，第二个到第五个蒸发源上方均安装有挡板，依次为Ga蒸发源挡板16，In蒸发源挡板18，Cu蒸发源挡板20，NaF蒸发源挡板22。每个蒸发源中包含了加热系统和测量温度的热电偶，将测量的信号反馈给位于沉积薄膜室外面的PID程序控制器，由PID程序控制器控制对应加热装置是否启动，以此控制各蒸发源的蒸发速率以及升温速率。
采用附图1所示的装置制备高结合力吸收层薄膜，具体工艺如下：首先，使用磁控溅射的方法在柔性衬底上沉积0.6μm-1μm厚的Mo背电极。在沉积CIGS薄膜前，在Mo薄膜上共蒸发In、Ga和Se沉积(In1-x,Gax)2Se应力缓冲层，该层膜的厚度约为100nm-1000nm。沉积过程中，腔室的真空压强保持在1×10-3Pa左右，衬底温度在350℃～450℃之间范围内保持恒定，腔室中始终保持足够的Se气氛，以保证沉积到衬底上的In、Ga元素与Se元素充分反应，形成(In1-x,Gax)2Se3相0.2<x<0.8。Ga、In蒸发源的温度分别恒定为800℃-1000℃、 700℃-900℃，Se蒸发源在220℃～280℃范围内保持恒定。在沉积缓冲层的同时蒸发NaF，蒸发温度为600℃-800℃。IGS薄膜沉积速率约为40nm/min，得到合适厚度的、含Na的IGS应力缓冲层，同时关闭In蒸发源挡板18、Ga蒸发源挡板16和NaF蒸发源挡板22，Se继续保持恒定蒸发速率。然后在IGS薄膜上沉积CIGS吸收层。使衬底温度升温至400℃-500℃之间，并保持恒定，同时打开Cu、Ga和In蒸发源挡板20、16和18，Cu、Ga和In蒸发温度分别为1100-1300℃、800℃-1000℃和700℃-9000℃。Se蒸发源在220℃～280℃范围内保持恒定，以保证足够的Se饱和蒸汽压。CIGS薄膜的沉积速率约为40nm/min。当CIGS薄膜厚度达到约2μm时关闭Cu、Ga和In蒸发源的挡板20、16和18，衬底在Se气氛下以10℃/min的速率降温；直至衬底温度低于250℃后关闭Se蒸发源，衬底自然降低到室温。在CIGS吸收层生长过程中，Na原子通过IGS应力缓冲层扩散进入CIGS薄膜中，使CIGS吸收层的载流子浓度从3×1016cm-3提高到2×1017cm-3(提高了近7倍)，显著改善了该层薄膜的电学性质，相应CIGS薄膜电池的开路电压提高了10％，填充因子提高了10％-20％。同时，这种通过IGS应力缓冲层掺入Na的方式避免了单独沉积NaF层对CIGS薄膜与PI/Mo衬底结合力的影响。
在CIGS吸收层上依次用化学水浴法沉积50nm厚度的CdS缓冲层，用射频磁控溅射法沉积i-ZnO/ZnO:Al窗口层，两层薄膜的厚度分别为50nm和300nm。最后蒸发Ni-Al栅电极，Ni和Al的厚度分别为0.05μm和3μm，最后采用蒸发工艺沉积厚度约为100nm的MgF2减反射层，得到小面积柔性CIGS薄膜太阳电池。与实施例1的结果相同，一定厚度的IGS缓冲层有效改善了CIGS吸收层在PI衬底/Mo薄膜上的附着性，避免了CIGS吸收层的脱落问题。
本实施例具有所述的能够获得高结合力CIGS吸收层，有效避免了柔性衬底上的CIGS薄膜因内应力而开裂、甚至脱落等问题，能够有效提高柔性CIGS薄膜太阳电池的性能和成品率等积极效果。

Claims (3)

1.一种柔性衬底上共蒸发制备高结合力吸收层的装置，其特征是：柔性衬底上共蒸发制备高结合力吸收层的装置中真空蒸发腔室整体呈长方体形状，真空蒸发腔室一侧配置有抽真空机构，另一侧安装有电离规，用于测试腔室的压强，真空蒸发腔室上部安装有衬底加热机构，柔性衬底固定于衬底加热机构下方，真空蒸发腔室中自左至右均匀分布安装有5个蒸发源，第二个到第五个蒸发源上方均安装有挡板，每个蒸发源装有加热机构。
2.根据权利要求1所述的柔性衬底上共蒸发制备高结合力吸收层的装置，其特征是：每个蒸发源内装有测量温度的热电偶。
3.根据权利要求1或2所述的柔性衬底上共蒸发制备高结合力吸收层的装置，其特征是：长方体真空蒸发腔室整体为不锈钢板无缝焊接结构，表面无缝焊接有水冷管路。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN105633212A (zh) * 2015-12-29 2016-06-01 中国电子科技集团公司第十八研究所 一种基于一步共蒸发工艺制备梯度带隙光吸收层的方法和装置
CN110752141A (zh) * 2018-07-23 2020-02-04 北京铂阳顶荣光伏科技有限公司 一种太阳能电池cigs吸收层的制备方法

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