TW201322472A - 快速加熱處理系統及其硫化方法 - Google Patents

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TW201322472A TW100142510A TW100142510A TW201322472A TW 201322472 A TW201322472 A TW 201322472A TW 100142510 A TW100142510 A TW 100142510A TW 100142510 A TW100142510 A TW 100142510A TW 201322472 A TW201322472 A TW 201322472A
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Shih-Wei Lee
Ming-Hung Lin
Yao-Tsang Tsai
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Axuntek Solar Energy
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Abstract

一種快速加熱處理系統包含一快速加熱處理爐、一背電極基板，以及一遮蓋。快速加熱處理爐包含一反應室以及一加熱裝置。加熱裝置用來產生熱能。背電極基板設置於反應室內且形成有一前趨物層以及一硒物質，硒物質形成於前趨物層上。遮蓋設置於對應背電極基板之硒物質之位置上且形成有一固態硫，以使固態硫與硒物質彼此相對。固態硫係於吸收加熱裝置所產生之熱能後，與硒物質以及前趨物層反應，以形成一光電轉換層。

Description

快速加熱處理系統及其硫化方法
本發明關於一種快速加熱處理系統及其硫化方法，尤指一種使用快速加熱處理方式加熱分別位於遮蓋以及背電極基板上且彼此相對之固態硫以及硒物質之快速加熱處理系統及其硫化方法。
一般常見之利用快速加熱處理(Rapid Thermal Process,RTP)方式以形成銅銦鎵硒硫化合物層的硫化方法有三：使用硫化氫與銅銦鎵硒化合物層進行取代反應、直接加熱固態硫與硒物質以及銅銦鎵疊層，以及通入硫蒸汽以與銅銦鎵硒化合物層進行反應。
在使用硫化氫之硫化方法中，其係使用快速加熱處理方式加熱形成有銅銦鎵硒化合物層之背電極基板至一特定溫度(例如500℃以上)，並通入硫化氫，藉此，即可使硫化氫與銅銦鎵硒化合物層之間產生取代反應，進而形成銅銦鎵硒硫化合物層，此方法的缺點為硫化氫係為有毒氣體以及硫化氫與銅銦鎵硒化合物層之間的取代反應時間過久。
在直接加熱固態硫與硒物質以及銅銦鎵疊層的硫化方法中，由於固態硫會直接與銅銦鎵疊層反應生成銅銦鎵硫化合物層而產生硫擴散太多的現象，因此會導致電流大量下降以及反應速率過快而不易控制的問題。
在使用硫蒸汽之硫化方法中，若是在快速加熱處理製程初期就通入硫蒸汽，就會產生硫蒸汽附著於基板前驅物上，從而造成硫化不均勻的問題；若是在快速加熱過程中通入硫蒸汽，就會導致所通入之硫蒸汽會在不同的溫度下與銅銦鎵硒化合物層進行反應，故亦會造成硫化品質不穩定的問題；而若是改在已加熱至一特定溫度(例如500℃以上)後再通入硫蒸汽，則又會產生硫蒸汽與銅銦鎵硒化合物層之間的反應時間過久的問題。
綜上所述，目前常見之利用快速加熱處理方式以形成銅銦鎵硒硫化合物層的硫化方法均有著不同的製程問題，因此，如何設計出一可縮短製程時間以及具有良好硫化品質的硫化方法即為現今太陽能產業所需努力之重要課題。
本發明之目的之一在於提供一種使用快速加熱處理加熱分別位於遮蓋以及背電極基板上且彼此相對之固態硫以及硒物質之快速加熱處理系統及其硫化方法，藉以解決上述之問題。
本發明係揭露一種快速加熱處理系統，包含一快速加熱處理爐、一背電極基板，以及一遮蓋。快速加熱處理爐包含一反應室以及一加熱裝置。加熱裝置用來產生熱能。背電極基板設置於反應室內且形成有一前趨物層以及一硒物質，硒物質形成於前趨物層上。遮蓋設置於對應背電極基板之硒物質之位置上且形成有一固態硫，以使固態硫與硒物質彼此相對。固態硫係於吸收加熱裝置所產生之熱能後，與硒物質以及前趨物層反應以形成一光電轉換層於背電極基板上。
本發明另揭露一種用來於一背電極基板上形成一光電轉換層的硫化方法，背電極基板上形成有一前趨物層，硫化方法包含分別形成一硒物質以及一固態硫於前趨物層以及一遮蓋上、以該硒物質以及該固態硫彼此相對之方式將該背電極基板以及該遮蓋設置於一快速加熱處理爐內，以及加熱固態硫以與硒物質以及前趨物層反應以形成光電轉換層於背電極基板上。
綜上所述，本發明係利用將沉積有固態硫之遮蓋設置於與沉積有硒物質以及前趨物層之背電極基板相對的位置上並使用快速加熱處理方式進行快速加熱的設計，以產生具有較低製程溫度且較短反應時間之硫化製程。如此一來，本發明所提供之硫化方法即可解決先前技術中所提及之反應時間過長的問題以及具有可不需使用有毒氣體(即硫化氫)的優點。除此之外，相較於直接加熱固態硫與硒物質以及銅銦鎵疊層的硫化製程以及通入硫蒸汽之硫化製程，本發明亦可防止因硫擴散太多所造成之電流大量下降以及反應速率過快而不易控制的情況發生以及解決硫化不均勻的問題，從而提昇光電轉換層的形成品質，並進一步地節省太陽能電池在形成硒物質與固態硫上所需耗費之製程時間。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的實施方式及所附圖式得到進一步的瞭解。
請參閱第1圖，其為根據本發明一實施例之快速加熱處理系統10之內部示意圖。快速加熱處理系統10係應用於太陽能電池之硫化製程中，由第1圖可知，快速加熱處理系統10包含快速加熱處理爐12、背電極基板14，以及遮蓋16。
快速加熱處理爐12係可為一般常見應用於太陽能電池之硫化製程的快速加熱設備，如第1圖所示，快速加熱處理爐12包含反應室18以及至少一加熱裝置20(於第1圖中顯示二個)。加熱裝置20係設置於反應室18內，用來加熱反應室18以提高反應室18內溫度或直接加熱背電極基板14藉以可產生硫化反應之溫度，從而在背電極基板14上反應形成光電轉換層，其中加熱裝置20可採用常見應用於快速加熱處理製程中的加熱設備，如加熱燈管、石英燈、高溫腔等。至於快速加熱處理爐12之其他相關元件設計，其係常見於先前技術中，故於此不再贅述。
一般來說，背電極基板14係由基板22以及背電極24所組成，基板22係可由鈉鈣玻璃(soda-lime glass)所組成，而背電極基板14之背電極24係可由鉬、鉭、鈦、釩或鋯之其中之一所組成。在此實施例中，於背電極基板14上另形成有前趨物層26以及硒物質28，硒物質28係形成於前趨物層26上，前趨物層26係由銅、銦與鎵物質組成，例如可為銅-鎵合金與銦疊層、銅-鎵-銦合金或銅、銦與鎵之疊層等。
接著請參閱第1圖以及第2圖，第2圖為第1圖之沉積有固態硫30之遮蓋16設置於沉積有硒物質28之背電極基板14之上方的示意圖，由第1圖以及第2圖可知，遮蓋16係較佳地採用開放式遮蓋架之設計以設置於背電極基板14之上方，且對應硒物質28之位置上方形成有固態硫30，以使固態硫30與硒物質28上下相對，需注意的是，只要是利用遮蓋16設置於對應背電極基板14之硒物質28的位置上之方式以使固態硫30與硒物質28彼此相對(例如左右相對等)的設計，均可為本發明所採用之。另外，在此實施例中，遮蓋16係較佳地由吸熱材質(如石墨等)所組成，藉以達到遮蓋16可充分且快速地吸收加熱裝置20所產生之熱量的效果，但不受此限，其亦可採用其他常見應用於硫化製程中之材質，如玻璃陶瓷、石英等，至於採用何種材質，其端視快速加熱處理系統10之實際製程需求而定。藉此，固態硫30即可在吸收加熱裝置20所產生之熱能後，與硒物質28以及前趨物層26反應，以形成光電轉換層。
接著，請同時參閱第1圖、第2圖以及第3圖，第3圖為使用第1圖之快速加熱處理系統10以於背電極基板14上形成光電轉換層之硫化方法的流程圖。該方法包含有下列步驟。
步驟200：分別形成硒物質28以及固態硫30在前趨物層26以及遮蓋16上；步驟202：將背電極基板14設置於反應室18內且將遮蓋16設置於背電極基板14之上方，以使硒物質28以及固態硫30上下相對；步驟204：加熱固態硫30以與硒物質28以及前趨物層26反應以形成光電轉換層。
於此針對上述步驟進行詳細說明。首先，在完成在背電極基板14上之背電極24以及前趨物層26之成型後，如第2圖所示，可分別將硒物質28以及固態硫30形成在前趨物層26以及遮蓋16上(步驟200)，其中，基板22與背電極24、前趨物層26之相關製程係常見於先前技術中，簡言之，其係可使用一濺鍍機或其他技術在基板22上進行背電極24之成型，並接著使用薄膜沉積技術(例如濺鍍法)在背電極24上進行前趨物層26之成型，繼而可藉由蒸鍍方式等沉積硒物質28於前趨物層26上以形成一疊層。另一方面，固態硫30可藉由塗佈(coating)或噴塗(spray)技術等形成一層硫薄膜於遮蓋16上。
接下來，其係可將已沉積有硒物質28以及前趨物層26之背電極基板14設置於反應室18內，且將已沉積有固態硫30之遮蓋16設置於背電極基板14之上方(步驟202)，以使硒物質28以及固態硫30彼此相對(如第1圖所示)，亦即遮蓋16與背電極基板14彼此之間有一間距D，此外，特別可將硒物質28以及固態硫30以正相對方式設置，而會有更佳的反應效果。另外，以硒物質28以及固態硫30彼此相對之方式將背電極基板14以及遮蓋16設置於快速加熱處理爐12之反應室18內的步驟係可不限於步驟202所述之順序，也就是說，亦可先完成將已沉積有固態硫30之遮蓋16設置於背電極基板14之上方的步驟後，再將背電極基板14以及遮蓋16一同設置於快速加熱處理爐12之反應室18內。
最後，其係可啟動加熱裝置20以產生熱能(其加熱速率約為2℃/sec至5℃/sec)，藉以使遮蓋16上之固態硫30與背電極基板14上之硒物質28以及前趨物層26產生化學反應之溫度，藉以使固態硫30與硒物質28以及前趨物層26可反應形成相對應之光電轉換層。
透過上述步驟，在開始升溫到持溫的過程中，硒物質28除了與前趨物層26反應形成銅銦鎵硒結構層外，於此反應時間之同時，固態硫30將被加熱以形成氣態硫，並擴散至間距D之距離，以與硒物質28及前趨物層26反應形成一銅銦鎵硒硫薄膜於銅銦鎵硒結構層之表面而完成光電轉換層之製作，相較於先前技術先形成銅銦鎵硒結構層後再於高溫下(約515℃)以硫化方法取代銅銦鎵硒結構中之硒以形成銅銦鎵硒硫薄膜，本發明可於較低的製程溫度(約485℃)下同時產生銅銦鎵硒硫薄膜與銅銦鎵硒結構層。如此一來，本發明所提供之硫化方法不僅可有效地縮短固態硫30與硒物質28以及前趨物層26之反應時間，藉以解決先前技術中所提及之反應時間過長的問題，同時亦可降低形成光電轉換層所需之製程溫度以及具有可不需使用有毒氣體(如硫化氫)的優點。
除此之外，由於前趨物層26內之鎵元素與硫結合之速度為大於與硒結合之速度，透過硒物質28與固態硫30彼此相對之設計可延遲硫與鎵之結合，相較於直接加熱固態硫與硒物質以及銅銦鎵疊層的硫化方法，本發明除了可防止因固態硫擴散太多所造成之電流大量下降以及反應速率過快而不易控制的情況發生之外，亦可利用同時間分別進行硒物質28與固態硫30之薄膜沉積製程的設計，以取代在疊層硫化方法中需依序形成固態硫與硒物質在銅銦鎵疊層上的設計，如此即可節省太陽能電池在形成硒物質與固態硫上所需耗費之製程時間。另一方面，相較於通入硫蒸汽之硫化方法，由於此設計係可使固態硫30在高溫下所產生之硫氣氛均勻地接觸硒物質28，因此本發明也可解決硫化不均勻的問題，從而提昇光電轉換層的形成品質。
值得一提的是，使硒物質28以及固態硫30彼此相對之設計係可不限於上述實施例使用遮蓋16以開放式遮蓋架之設計設置於背電極基板14之上方的方式，也就是說，其亦可改採用密閉式容置之設計。舉例來說，請參閱第4圖，其為根據本發明另一實施例之快速加熱處理系統100之內部示意圖。於此實施例中所提及之元件編號與上述實施例中所提及之元件編號相同者，表示具有相似之結構及功能，於此不再贅述。由第4圖可知，快速加熱處理系統100包含快速加熱處理爐12、背電極基板14、遮蓋16，以及容置殼體102。容置殼體102係連接於遮蓋16，用來與遮蓋16共同形成密閉空間104以容置背電極基板14，藉以使利用快速加熱處理爐12於背電極基板14上形成光電轉換層之製程可在密閉環境下完成。至於相關硫化方法之描述，其係可參照上述實施例類推。
舉例來說，請同時參閱第4圖以及第5圖，第5圖為第4圖之遮蓋16以及容置殼體102於共同容置背電極基板14後被傳輸至快速加熱處理爐12之反應室18內的示意圖，簡言之，在將硒物質28以及固態硫30形成在前趨物層26以及遮蓋16上之後，可先將背電極基板14設置於容置殼體102內，且將遮蓋16設置於背電極基板14之上方並連接於容置殼體102，以共同形成密閉空間104以容置背電極基板14。接著，即可將容置有背電極基板14之容置殼體102以及遮蓋16傳輸(例如使用傳輸帶傳送)至快速加熱處理爐12之反應室18內。最後，其係可啟動加熱裝置20以產生熱能，藉以使固態硫30與硒物質28以及前趨物層26可反應形成相對應之光電轉換層。如此一來，如上述實施例所述，此實施例所提供之硫化方法係可有效地縮短固態硫與硒物質以及前趨物層之反應時間，藉以解決先前技術中所提及之反應時間過長的問題，以及降低形成光電轉換層所需之製程溫度與具有可不需使用有毒氣體(如硫化氫)的優點，除此之外，透過如第5圖所示之將容置殼體102以及遮蓋16傳輸至快速加熱處理爐12之反應室18內的方式，本發明亦可進一步地具有硫化製程可自動化以及提昇快速加熱處理系統之產能的優點。
同樣地，以硒物質28以及固態硫30彼此相對之方式將背電極基板14以及遮蓋16設置於快速加熱處理爐12之反應室18內的步驟可不限於如第5圖所示之順序，也就是說，亦可先完成將裝載有背電極基板14之容置殼體102傳輸至快速加熱處理爐12之反應室18內之步驟後，再將遮蓋16設置於背電極基板14之上方並連接於容置殼體102，以共同形成密閉空間104容置背電極基板14。
相較於先前技術，本發明係利用將沉積有固態硫之遮蓋設置於與沉積有硒物質以及前趨物層之背電極基板相對的位置上並使用快速加熱處理爐進行快速加熱的設計，以產生具有較低製程溫度且較短反應時間之硫化製程。如此一來，本發明所提供之硫化方法可解決先前技術中所提及之反應時間過長、固態硫擴散太多所造成之電流大量下降與反應速率過快而不易控制的情況發生以及硫化不均勻的問題，且具有可不需使用有毒氣體(如硫化氫)的優點。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10、100．．．快速加熱處理系統
12．．．快速加熱處理爐
14．．．背電極基板
16．．．遮蓋
18．．．反應室
20．．．加熱裝置
22．．．基板
24．．．背電極
26．．．前趨物層
28．．．硒物質
30．．．固態硫
102．．．容置殼體
104．．．密閉空間
D．．．間距
第1圖，其為根據本發明一實施例之快速加熱處理系統之內部示意圖。
第2圖為第1圖之沉積有固態硫之遮蓋設置於沉積有硒物質之背電極基板之上方的示意圖。
第3圖為使用第1圖之快速加熱處理系統以於背電極基板上形成光電轉換層之硫化方法的流程圖。
第4圖為根據本發明另一實施例之快速加熱處理系統之內部示意圖。
第5圖為第4圖之遮蓋以及容置殼體於共同容置背電極基板後被傳輸至快速加熱處理爐之反應室內的示意圖。
10．．．快速加熱處理系統
12．．．快速加熱處理爐
14．．．背電極基板
16．．．遮蓋
18．．．反應室
20．．．加熱裝置
22．．．基板
24．．．背電極
26．．．前趨物層
28．．．硒物質
30．．．固態硫
D．．．間距

Claims (15)

  1. 一種快速加熱處理系統，包含：一快速加熱處理爐，包含：一反應室；以及一加熱裝置，用來產生熱能；一背電極基板，設置於該反應室內且形成有一前趨物層以及一硒物質，該硒物質形成於該前趨物層上；以及一遮蓋，設置於對應該背電極基板之該硒物質之位置上且形成有一固態硫，以使該固態硫與該硒物質彼此相對；其中該固態硫係於吸收該加熱裝置所產生之熱能後，與該硒物質以及該前趨物層反應，以形成一光電轉換層。
  2. 如請求項1所述之快速加熱處理系統，其中該遮蓋係設置於該背電極基板之上方，以使該固態硫與該硒物質上下相對。
  3. 如請求項1所述之快速加熱處理系統，其中該固態硫正相對於該硒物質。
  4. 如請求項1所述之快速加熱處理系統，另包含：一容置殼體，連接於該遮蓋，用來與該遮蓋形成一密閉空間以容置該背電極基板。
  5. 如請求項1所述之快速加熱處理系統，其中該遮蓋係由吸熱材質所組成。
  6. 如請求項5所述之快速加熱處理系統，其中該遮蓋係由石墨材質所組成。
  7. 如請求項1所述之快速加熱處理系統，其中該前趨物層係由銅、銦與鎵物質組成。
  8. 如請求項1所述之快速加熱處理系統，其中該光電轉換層為一銅銦鎵硒結構，且該銅銦鎵硒結構表面具有一銅銦鎵硒硫薄膜。
  9. 一種用來於一背電極基板上形成一光電轉換層的硫化方法，該背電極基板上形成有一前趨物層，該硫化方法包含：分別形成一硒物質以及一固態硫於該前趨物層以及一遮蓋上；以該硒物質以及該固態硫彼此相對之方式將該背電極基板以及該遮蓋設置於一快速加熱處理爐內；以及加熱該固態硫以與該硒物質以及該前趨物層反應以形成該光電轉換層。
  10. 如請求項9所述之硫化方法，其中以該硒物質以及該固態硫彼此相對之方式將該背電極基板以及該遮蓋設置於該快速加熱處理爐內的步驟包含：將該背電極基板設置於該快速加熱處理爐內；以及將該遮蓋設置於對應該背電極基板之該硒物質的位置上，以使該硒物質以及該固態硫彼此相對。
  11. 如請求項9所述之硫化方法，其中以該硒物質以及該固態硫彼此相對之方式將該背電極基板以及該遮蓋設置於該快速加熱處理爐內的步驟包含：將該遮蓋設置於對應該背電極基板之該硒物質的位置上，以使該硒物質以及該固態硫彼此相對；以及將該背電極基板以及該遮蓋設置於該快速加熱處理爐內。
  12. 如請求項9所述之硫化方法，其中以該硒物質以及該固態硫彼此相對之方式將該背電極基板以及該遮蓋設置於該快速加熱處理爐內的步驟包含：提供一容置殼體；將該背電極基板設置於該容置殼體內；將該遮蓋設置於對應該背電極基板之該硒物質的位置上，以使該硒物質以及該固態硫彼此相對；連接該容置殼體以及該遮蓋，以形成一密閉空間容置該背電極基板；以及傳輸容置有該背電極基板之該容置殼體以及該遮蓋至該快速加熱處理爐內。
  13. 如請求項9所述之硫化方法，其中以該硒物質以及該固態硫彼此相對之方式將該背電極基板以及該遮蓋設置於該快速加熱處理爐內的步驟包含：提供一容置殼體；將該背電極基板設置於該容置殼體內；傳輸容置有該背電極基板之該容置殼體至該快速加熱處理爐內；將該遮蓋設置於對應該背電極基板之該硒物質的位置上，以使該硒物質以及該固態硫彼此相對；以及連接該容置殼體以及該遮蓋，以形成一密閉空間容置該背電極基板。
  14. 如請求項9所述之硫化方法，其中以該硒物質以及該固態硫彼此相對之方式將該背電極基板以及該遮蓋設置於該快速加熱處理爐內的步驟包含：將該遮蓋設置於該背電極基板之上方，以使該硒物質以及該固態硫上下相對。
  15. 如請求項9所述之硫化方法，其中以該硒物質以及該固態硫彼此相對之方式將該背電極基板以及該遮蓋設置於該快速加熱處理爐內的步驟包含：以該固態硫正相對於該硒物質之方式將該背電極基板以及該遮蓋設置於該快速加熱處理爐內。
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