CN210176951U - 一种CdS薄膜化学水浴沉积装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种CdS薄膜化学水浴沉积装置，包括：沉积炉，其一端设置有药剂溢流槽，另一端设置有废液收集系统，所述沉积炉底部设置有沉积床，其上连接有多组可转动的阻液滚轮，所述沉积床上设置有带真空吸附的加热板；柔性不锈钢衬底，其连接在设置于沉积炉两端的收卷机构和放卷机构上并紧贴加热板；所述药剂溢流槽和多组可转动的阻液滚轮均位于柔性不锈钢衬底的上方；溶液储存罐，所述溶液储存罐通过输液管道与药剂溢流槽连接；所述输液管道上依次连接有输出计量泵、高精度流量计、螺旋混药器和快速加热器。本实用新型的一种CdS薄膜化学水浴沉积装置具有降低薄膜针孔数量，提高膜层均匀性和致密性的优点。

Description

一种CdS薄膜化学水浴沉积装置

技术领域

本实用新型属于薄膜制备技术领域，具体涉及一种制备均匀致密CdS薄膜的化学水浴沉积装置。

背景技术

CdS薄膜作为CdTe或CIGS太阳能电池的缓冲层，运用广泛，其制造技术也受到了广泛关注。在现代大规模的工业制造中，通常采用化学水浴沉积法制备CdS薄膜，因为该方法高效、设备成本低、原材料要求低，适合大面积连续商业化量产。然而传统的化学水浴设备，在沉积过程中，液面较深，需要较多的反应溶液，不仅溶液升温速率低，而且在固体与液体界面即衬底的表面，原料中挥发的氨气会产生气泡，这些气泡如果没有实时地离开衬底或膜层表面，挥发于大气中，会使制造的薄膜上有气孔。另外，化学水浴沉积时，CdS的成核过程包含同质成核和异质成核两种，异质成核会在衬底或膜层表面发生络合——分解反应形成CdS薄膜，而同质成核在反应溶液中形成CdS颗粒，而如果以同质成核形成的CdS颗粒沉淀于膜层表面，会被包覆于薄膜内形成缺陷，如果溶液中CdS颗粒浓度较高，还会使膜层疏松、结合力差。由此可见降低反应溶液中的气泡和CdS颗粒质浓度，对制备均匀、致密、针孔少的高质量CdS缓冲层十分重要，所以，必须采用特定的方法或增加特定装置去除反应液中的气泡和同质生成的CdS颗粒。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本实用新型的这些目的和其它优点，提供了一种CdS薄膜化学水浴沉积装置，包括：

沉积炉，其入口端内壁上设置有第一药剂溢流槽和第二药剂溢流槽，出口端设置有废液收集系统，所述沉积炉内壁上连接有多组可转动的阻液滚轮，所述沉积炉底部设置有沉积床，所述沉积床上设置有带真空吸附的加热板；

柔性不锈钢衬底，其紧贴在带真空吸附的加热板上，且所述柔性不锈钢衬底的一端连接在沉积炉出口端的收卷机构上，另一端连接在沉积炉入口端的放卷机构上；所述第一药剂溢流槽、第二药剂溢流槽和多组可转动的阻液滚轮均位于柔性不锈钢衬底的上方，且与柔性不锈钢衬底保持一定间距；

溶液储存罐，其包括CdSO₄溶液储存罐，NH₃·H₂O溶液储存罐、DI水溶液储存罐、SC(NH₂)₂溶液储存罐；所述CdSO₄溶液储存罐、NH₃·H₂O溶液储存罐、DI水溶液储存罐的输液管道均分别与第一输液管道连接，且第一输液管道与第一溢流槽相连，所述第一输液管道上设置有螺旋混药器和第一快速加热器；所述SC(NH₂)₂溶液储存罐，通过第二输液管道与第二溢流槽连接；所述第二输液管道上连接有第二快速加热器；所述CdSO₄溶液储存罐，NH₃·H₂O溶液储存罐、DI水溶液储存罐、SC(NH₂)₂溶液储存罐的输液管道上均连接有输出计量泵和高精度流量计。

优选的是，所述沉积炉出口端设置有第一导向辊；沉积炉入口端设置有第二导向辊。

优选的是，所述沉积炉沿柔性不锈钢衬底移动方向略微倾斜放置。

优选的是，所述第一药剂溢流槽和第二药剂溢流槽的形状被设置为相同大小的中空直三棱柱，所述第一药剂溢流槽的直角面I和第二药剂溢流槽的直角面II与沉积炉底面平行，所述第一药剂溢流槽直角面III上设置有第一药剂溢流口，第二药剂溢流槽的直角面IV上设置有第二药剂溢流口，第一药剂溢流口上连接有第一引流板，第二药剂溢流口上连接有第二引流板。

优选的是，所述阻液滚轮可转动连接方式为通过轴承连接在沉积炉中的固定轴上，且阻液滚轮与反应液表面相接触，与柔性不锈钢衬底保持一定间距。

优选的是，所述阻液滚轮为表面具有网状多孔结构的聚四氟乙烯阻液滚轮、聚醚砜树脂阻液滚轮、聚丙烯阻液滚轮和聚偏氟乙烯阻液滚轮，所述网状多孔结构为规则形状和不规则形状混合组成。

优选的是，所述阻液滚轮被设置成相邻两组中的阻液滚轮交错分布。

优选的是，所述溶液储存罐被设置为CdSO₄溶液储存罐，其内放置有CdSO₄溶液；NH₃·H₂O溶液储存罐，其内放置有NH₃·H₂O溶液；DI水溶液储存罐，其内放置有DI水溶液；SC(NH₂)₂溶液储存罐，其内放置有SC(NH₂)₂溶液。

优选的是，所述CdSO₄溶液储存罐通过第三输液管道与第一输液管道相连，且第三输液管道上靠近CdSO₄溶液储存罐一端依次设置有第二输出计量泵和第二高精度流量计；所述NH₃·H₂O溶液储存罐通过第四输液管道与第一输液管道相连，且第四输液管道上靠近NH₃·H₂O溶液储存罐一端依次设置有第三输出计量泵和第三高精度流量计；所述DI水溶液储存罐通过第五输液管道与第四输液管道相连，进而与第一输液管道相连，且第五输液管道上靠近DI水溶液储存罐一端依次设置有第四输出计量泵和第四高精度流量计；其中，第一输液管道与第一药剂溢流槽斜面相连，且第一输液管道上依次连接有螺旋混药器和第一快速加热器；所述SC(NH₂)₂溶液储存罐通过第二输液管道与第二药剂溢流槽斜面相连，且第二输液管道上靠近SC(NH₂)₂溶液储存罐一端依次连接有第二输出计量泵、第二高精度流量计，靠近第二药剂溢流槽一端设置有第二快速加热器。

优选的是，所述废液收集系统设置在沉积炉出口端，包括吸液刀，其固定于沉积炉出口端内壁上，与柔性不锈钢衬底保持一定间距，所述吸液刀通过废液输送管道连接在废液储存罐上，所述废液储存罐上连接有鼓风机。

本实用新型至少包括以下有益效果：

1、在柔性不锈钢衬底上方设置阻液滚轮，通过挡液滚轮改变反应溶液流向和局部调节反应溶液流速，保证布液均匀；对反应溶液的轻微扰动也有利于加速反应，保证膜层沉积质量，阻液滚轮还可以改变液面张力释放反应液界面的气泡，降低CdS薄膜上的针孔数量。

2、设置阻液滚轮中设有多孔性挡水筛网，能够捕捉同质生成的CdS颗粒或杂质微粒子，使异质反应在衬底表面成为主导，提高CdS膜层的均匀性、致密性、结合力。

3、采用药剂溢流槽向衬底表面溢流化学混合液的方式代替向衬底表面喷淋布液的方式，有效避免了喷头被混合溶液中产生的的CdNH₄、CdNH₄OH等络合物堵塞，保证生产的连续性和布药的均匀性。

本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明：

图1为本实用新型提供的带阻液滚轮的化学水浴设备结构示意图；

图2为本实用新型提供的阻液滚轮与溶液和衬底的位置关系示意图；

图3为本实用新型提供的部分阻液滚轮分布示意图；

图4为本实用新型提供的阻液滚轮结构示意图；

图5为本实用新型提供的供液装置结构示意图；

图6为本实用新型提供的溶液溢流结构示意图；

图7为本实用新型提供的废液收集系统结构示意图；

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1所示，本实用新型提供的一种CdS薄膜化学水浴沉积装置，包括：

沉积炉1，其入口端101内壁上设置有第一药剂溢流槽21和第二药剂溢流槽22，出口端102设置有废液收集系统3，所述沉积炉1内壁上连接有多组可转动的阻液滚轮4，所述沉积炉底部设置有沉积床5，所述沉积床5上设置有带真空吸附的加热板51；

柔性不锈钢衬底6，其紧贴在带真空吸附的加热板51上，且所述柔性不锈钢衬底6的一端连接在沉积炉出口端102的收卷机构71上，另一端连接在沉积炉入口端101的放卷机构72上；所述第一药剂溢流槽21、第二药剂溢流槽22和多组可转动的阻液滚轮4均位于柔性不锈钢衬底6的上方，且与柔性不锈钢衬底6保持一定间距；

溶液储存罐8，其包括CdSO₄溶液储存罐81，NH₃·H₂O溶液储存罐82、DI水溶液储存罐83、SC(NH₂)₂溶液储存罐84；所述CdSO₄溶液储存罐81、NH₃·H₂O溶液储存罐82、DI水溶液储存罐83的输液管道均分别与第一输液管道901连接，且第一输液管道901与第一溢流槽21相连，所述第一输液管道901上设置有螺旋混药器13和第一快速加热器141；所述SC(NH₂)₂溶液储存罐84，通过第二输液管道902与第二溢流槽22连接；所述第二输液管道902上连接有第二快速加热器142；所述CdSO₄溶液储存罐81，NH₃·H₂O溶液储存罐82、DI水溶液储存罐83、SC(NH₂)₂溶液储存罐84的输液管道上均连接有输出计量泵11和高精度流量计12；

工作原理：当启动机器后，所述收卷机构71和放卷机构72相互配合，给予柔性不锈钢衬底6驱动力，使得柔性不锈钢衬底6能够匀速向下运动，柔性不锈钢衬底6从沉积炉入口端101进入后，在收卷机构71的拉力下，柔性不锈钢衬底6贴合加热板滑动，其中，加热板上设置有微孔(未示出)，加热板的下方设置有吸气空腔(未示出)，吸气空腔连接真空泵(未示出)，在真空泵的作用下形成负压，将柔性不锈钢衬底6吸附贴合在加热板上，即带真空吸附的加热板51给予柔性不锈钢衬底6垂直其表面的吸力，使得柔性不锈钢衬底6下表面与带真空吸附的加热板51紧密结合，此时加热板与柔性不锈钢衬底6的热传递效果好，能保证柔性不锈钢衬底6的温度，也可以避免反应溶液污染柔性不锈钢衬底6的下表面；此时，溶液储存罐8上的输出计量泵11从溶液储存罐8中抽取出反应溶液，反应溶液通过高精度流量计12，可以得到其流速，反馈调节输出计量泵11的功率，进而控制反应溶液的输出量，从而使反应溶液能够按照预设的比例混合，其中CdSO₄溶液储存罐81，NH₃·H₂O溶液储存罐82、DI水溶液储存罐83中的溶液经各自连接的管道混合后到达螺旋混药器13，进行充分搅拌后，通过快速加热器14加热，经第一输液管道901到达第一药剂溢流槽21；SC(NH₂)₂溶液储存罐84中的溶液通过第二输液管道902后，经过加热最后到达第二药剂溢流槽22，反应溶液从两个不同的药剂溢流槽2中溢流到柔性不锈钢衬底6上表面混合后开始制备CdS薄膜，此时柔性不锈钢衬底6保持由沉积炉入口端向出口端匀速运动；在成膜过程中，通过阻液滚轮4的吸附作用，去除杂质；并破除柔性不锈钢衬底6膜面与反应溶液界面的气泡，提高CdS薄膜质量，反应溶液通过阻液滚轮4后，反应过剩溶液被沉积炉出口端102的废液收集系统3收集处理，沉积完CdS薄膜的柔性不锈钢衬底6经过喷淋清洗、红外线烘烤、风冷后由收卷系统收卷。

在上述技术方案中，如图1所示，所述沉积炉出口端102设置有第一导向辊73；沉积炉入口端101设置有第二导向辊74。采用这种方式，收卷机构71对柔性不锈钢衬底6提供向下的拉力，第一导向辊73和第二导向辊74对位于沉积炉两端外的柔性不锈钢衬底6两端提供支撑力，使其受力更加均匀，避免柔性不锈钢衬底6因自身重力而变形，对成膜质量产生影响。

在上述技术方案中，如图1和图6所示，所述沉积炉1沿柔性不锈钢衬底6移动方向略微倾斜放置，采用这种方式，使沉积炉1沿柔性不锈钢衬底6移动方向略微倾斜，可以有效防止反应溶液倒流，避免反应后的溶液污染膜层。

在上述技术方案中，如图6所示，所述第一药剂溢流槽21和第二药剂溢流槽22的形状被设置为相同大小的中空直三棱柱，所述第一药剂溢流槽21的直角面I23和第二药剂溢流槽22的直角面II24与沉积炉底面平行，所述第一药剂溢流槽直角面III25上设置有第一药剂溢流口27，第二药剂溢流槽22的直角面IV26上设置有第二药剂溢流口28，第一药剂溢流口27上连接有第一引流板207，第二药剂溢流口28上连接有第二引流板208，在这种技术方案中，采用中空直三棱柱作为药剂溢流槽，可以在中空直三棱柱中缓存少量反应溶液，避免成膜过程中反应溶液表面有太大的波动，同时，防止反应溶液因储存时间过长而发生反应；开设与沉积炉底面平行的药剂溢流口，可有效避免反应溶液中生成的络合物堵塞药剂溢流口，确保溢流出的反应溶液的量相同，确保溶液分布的均匀性；在药剂溢流口设置的引流板可以有效避免反应溶液飞溅，提高CdS薄膜质量。

在上述技术方案中，如图3所示，所述阻液滚轮41可转动连接方式为通过轴承连接在沉积炉中的固定轴42上，且阻液滚轮41与反应液表面61相接触，与柔性不锈钢衬底6保持一定间距，在这种技术方案中，阻液滚轮41与液体接触面有粘滞阻力，阻液滚轮借助液体的流动来实现自身的转动。

在上述技术方案中，如图4所示，所述阻液滚轮41为表面具有网状多孔结构的聚四氟乙烯阻液滚轮、聚醚砜树脂阻液滚轮、聚丙烯阻液滚轮和聚偏氟乙烯阻液滚轮，所述网状多孔结构为规则形状和不规则形状混合组成；所述规则形状为圆形、长方形、菱形、三角形等。采用这种技术方案，阻液滚轮41在转动过程中，可以改变反应溶液流向和局部调节反应溶液流速，改变液面张力，有效释放衬底膜面与反应溶液界面的气泡，降低所形成的CdS薄膜针孔数量；阻液滚轮中的网状多孔结构还能有效捕捉、吸附、过滤掉因同质反应在溶液中生成的CdS颗粒和杂质微粒子，降低反应溶液中沉淀到柔性不锈钢衬底膜层的CdS或杂质微粒子浓度，从而提高CdS膜层的均匀性和致密性；采用耐酸碱的聚四氟乙烯、聚醚砜树脂、聚丙烯、聚偏氟乙烯制造阻液滚轮，避免材料与反应溶液发生反应，产生新的杂质。

在上述技术方案中，如图3所示，所述阻液滚轮41被设置成相邻两组中的阻液滚轮交错分布，采用这种方式，能够节省成本，且可以高效释放气泡、消除杂质。

在上述技术方案中，如图5所示，所述溶液储存罐被设置为CdSO₄溶液储存罐81，其内放置有CdSO₄溶液；NH₃·H₂O溶液储存罐82，其内放置有NH₃·H₂O溶液；DI水溶液储存罐83，其内放置有DI水溶液；SC(NH₂)₂溶液储存罐84，其内放置有SC(NH₂)₂溶液，将反应溶液分开存储，保证反应溶液的质量，避免反应溶液混合后产生络合物，堵塞供液管道。

在上述技术方案中，如图1和图5所示，所述CdSO₄溶液储存罐81通过第三输液管道903与第一输液管道901相连，且第三输液管道903上靠近CdSO₄溶液储存罐81一端依次设置有第二输出计量泵112和第二高精度流量计122；所述NH₃·H₂O溶液储存罐82通过第四输液管道904与第一输液管道901相连，且第四输液管道904上靠近NH₃·H₂O溶液储存罐82一端依次设置有第三输出计量泵113和第三高精度流量计123；所述DI水溶液储存罐83通过第五输液管道905与第四输液管道904相连，进而与第一输液管道901相连，且第五输液管道905上靠近DI水溶液储存罐83一端依次设置有第四输出计量泵114和第四高精度流量计124，其中，第一输液管道901与第一药剂溢流槽21斜面相连，且第一输液管道901上依次连接有螺旋混药器13和第一快速加热器141；所述SC(NH₂)₂溶液储存罐84通过第二输液管道102与第二药剂溢流槽22斜面相连，且第二输液管道902上靠近SC(NH₂)₂溶液储存罐84一端依次连接有第一输出计量泵111、第一高精度流量计121，靠近第二药剂溢流槽22一端设置有第二快速加热器142；其中，采用这种方式，输出计量泵从溶液储存罐中抽出反应溶液，经过高精度流量计，能够得到反应溶液的实时供应量，进而可以按照生产比例对输出计量泵进行调节，控制液体最终的供应量；在生产过程中将其混合能有效减少络合物的产生，使用螺旋混药器使混合溶液充分混合，可保证生产质量。

在上述技术方案中，如图7所示，所述废液收集系统3设置在沉积炉出口端102，包括吸液刀31，其固定于沉积炉出口端内壁上，与柔性不锈钢衬底6保持一定间距，所述吸液刀31通过废液输送管道32连接在废液储存罐33上，所述废液储存罐33上连接有鼓风机34。在这种技术方案中，废液储存罐43中的废液输送管道32一端置于废液液面以下，鼓风机34将废液储存罐33中的气体吸走，让整个系统形成负压，使得吸液刀31将反应过剩溶液吸走，通过废液输送管道32输送到废液储存罐33中，做进一步的处理。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本实用新型的说明的。对本实用新型的CdS薄膜化学水浴沉积装置的应用、修改和变化对领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种CdS薄膜化学水浴沉积装置，其特征在于，包括：

沉积炉，其入口端内壁上设置有第一药剂溢流槽和第二药剂溢流槽，出口端设置有废液收集系统，所述沉积炉的内壁上连接有多组可转动的阻液滚轮，所述沉积炉底部设置有沉积床，所述沉积床上设置有带真空吸附的加热板；

柔性不锈钢衬底，其紧贴在带真空吸附的加热板上，且所述柔性不锈钢衬底的一端连接在沉积炉出口端的收卷机构上，另一端连接在沉积炉入口端的放卷机构上；所述第一药剂溢流槽、第二药剂溢流槽和多组可转动的阻液滚轮均位于柔性不锈钢衬底的上方，且与柔性不锈钢衬底保持一定间距；

溶液储存罐，其包括CdSO₄溶液储存罐，NH₃·H₂O溶液储存罐、DI水溶液储存罐、SC(NH₂)₂溶液储存罐；所述CdSO₄溶液储存罐、NH₃·H₂O溶液储存罐、DI水溶液储存罐的输液管道均分别与第一输液管道连接，且第一输液管道与第一溢流槽相连，所述第一输液管道上设置有螺旋混药器和第一快速加热器；所述SC(NH₂)₂溶液储存罐，通过第二输液管道与第二溢流槽连接；所述第二输液管道上连接有第二快速加热器；所述CdSO₄溶液储存罐，NH₃·H₂O溶液储存罐、DI水溶液储存罐、SC(NH₂)₂溶液储存罐的输液管道上均连接有输出计量泵和高精度流量计。

2.如权利要求1所述的CdS薄膜化学水浴沉积装置，其特征在于，所述沉积炉出口端设置有第一导向辊；沉积炉入口端设置有第二导向辊；所述沉积炉沿柔性不锈钢衬底移动方向略微倾斜放置。

3.如权利要求1所述的CdS薄膜化学水浴沉积装置，其特征在于，所述第一药剂溢流槽和第二药剂溢流槽的形状被设置为相同大小的中空直三棱柱，所述第一药剂溢流槽的直角面I和第二药剂溢流槽的直角面II与沉积炉底面平行，所述第一药剂溢流槽直角面III上设置有第一药剂溢流口，第二药剂溢流槽的直角面IV上设置有第二药剂溢流口，第一药剂溢流口上连接有第一引流板，第二药剂溢流口上连接有第二引流板。

4.如权利要求1所述的CdS薄膜化学水浴沉积装置，其特征在于，所述阻液滚轮可转动连接方式为通过轴承连接在沉积炉中的固定轴上，且阻液滚轮与反应液表面相接触，与柔性不锈钢衬底保持一定间距。

5.如权利要求4所述的CdS薄膜化学水浴沉积装置，其特征在于，所述阻液滚轮为表面具有网状多孔结构的聚四氟乙烯阻液滚轮、聚醚砜树脂阻液滚轮、聚丙烯阻液滚和聚偏氟乙烯阻液滚轮，所述网状多孔结构为规则形状和不规则形状混合组成。

6.如权利要求5所述的CdS薄膜化学水浴沉积装置，其特征在于，所述阻液滚轮被设置成相邻两组中的阻液滚轮交错分布。

7.如权利要求1所述的CdS薄膜化学水浴沉积装置，其特征在于，所述溶液储存罐被设置为CdSO₄溶液储存罐，其内放置有CdSO₄溶液；NH₃·H₂O溶液储存罐，其内放置有NH₃·H₂O溶液；DI水溶液储存罐，其内放置有DI水溶液；SC(NH₂)₂溶液储存罐，其内放置有SC(NH₂)₂溶液；所述CdSO₄溶液储存罐通过第三输液管道与第一输液管道相连，且第三输液管道上靠近CdSO₄溶液储存罐一端依次设置有第二输出计量泵和第二高精度流量计；所述NH₃·H₂O溶液储存罐通过第四输液管道与第一输液管道相连，且第四输液管道上靠近NH₃·H₂O溶液储存罐一端依次设置有第三输出计量泵和第三高精度流量计；所述DI水溶液储存罐通过第五输液管道与第四输液管道相连，进而与第一输液管道相连，且第五输液管道上靠近DI水溶液储存罐一端依次设置有第四输出计量泵和第四高精度流量计；其中，第一输液管道与第一药剂溢流槽斜面相连，且第一输液管道上依次连接有螺旋混药器和第一快速加热器；所述SC(NH₂)₂溶液储存罐通过第二输液管道与第二药剂溢流槽斜面相连，且第二输液管道上靠近SC(NH₂)₂溶液储存罐一端依次连接有第二输出计量泵、第二高精度流量计，靠近第二药剂溢流槽一端设置有第二快速加热器。

8.如权利要求1所述的CdS薄膜化学水浴沉积装置，其特征在于，所述废液收集系统设置在沉积炉出口端，包括吸液刀，其固定于沉积炉出口端内壁上，与柔性不锈钢衬底保持一定间距，所述吸液刀通过废液输送管道连接在废液储存罐上，所述废液储存罐上连接有鼓风机。

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