TW201407800A - 用於太陽能電池的硒化方法及其硒化裝置 - Google Patents

用於太陽能電池的硒化方法及其硒化裝置 Download PDF

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Abstract

一種用於太陽能電池的硒化方法及其硒化裝置，該硒化裝置包含一個加熱腔體、安裝於該加熱腔體上的一個真空機構與一個加壓機構，以及一個氣流循環機構。該加熱腔體包括一個供所述太陽能電池的半成品放置的反應空間，以及一個對該反應空間加熱的加熱部。該加壓機構將硒化反應氣體送入該反應空間。該氣流循環機構安裝在該反應空間內，並使該反應空間內的硒化反應氣體循環流動。藉此使硒化反應氣體能均勻分布，從而與所述半成品均勻地發生硒化反應，同時還可縮短升降溫時間及硒化反應時間，並提升生產速度及生產效率。

Description

用於太陽能電池的硒化方法及其硒化裝置
本發明是有關於一種硒化方法及其硒化裝置，特別是指一種用於太陽能電池的硒化方法及其硒化裝置。
近年來薄膜太陽能電池的研發與應用相當熱門，其中，由於銅銦鎵硒(CIGS)太陽能電池為直接能隙半導體，且具有製作成本較低、光吸收率較高等優點，再加上除了可應用於硬式的玻璃基板之外，也可應用在高分子材料、不鏽鋼、鋁箔或銅箔等可撓式的基板上，因而成為最具發展潛力的薄膜太陽能電池。
一般銅銦鎵硒太陽能電池通常包含一個基板，以及由鄰近而遠離該基板而設置的一個背電極層、一個光吸收層、一個緩衝層與一個透明電極層。其中，該光吸收層就是銅銦鎵硒薄膜，其製造方法相當多種，主要可分為真空製程與非真空製程，而所述真空製程例如共蒸鍍(Co-evaporation)、濺鍍(Sputtering)及硒化法(Selenization)。
所謂的硒化法，是先在背電極層上濺鍍一層材料為銅銦鎵(CuInGa)的前驅物層，接著放入一個常壓或真空的腔體內並通入含有硒元素的硒化反應氣體，如氫化硒(H2Se)，同時在高溫環境下使硒化反應氣體裂解產生硒氣態原子，進而與所述前驅物層產生硒化反應而形成該光吸收層。
在硒化處理時，均勻分布的硒化反應氣體以及均勻受 熱的基板是兩個關鍵的要素，然而在一般硒化裝置的腔體內，硒化反應氣體的流動狀況不理想，導致腔體內的硒化反應氣體分布不均，同時一般硒化裝置的腔體通常維持在常壓或者真空，因此熱傳導與熱對流效果不佳，熱能只能透過熱輻射方式傳遞，導致基板受熱不均勻而無法均勻發生硒化反應，使得該光吸收層品質與轉換效率都不理想。
此外，由於一般硒化裝置的腔體內的導熱效果較差，因此腔體內的升降溫速度慢，往往需要花費時間等待腔體升降溫度，因而增加製程的時間並導致生產速度慢、生產效率低。
因此，本發明之目的，即在提供一種能讓硒化反應均勻發生，並可提升生產速度及生產效率的用於太陽能電池的硒化方法及其硒化裝置。
於是，本發明用於太陽能電池的硒化方法，包含：步驟A：將一個表面形成有一個前驅物層的基板單元放入一個加熱腔體內；步驟B：將該加熱腔體抽真空；步驟C：提升該加熱腔體內的氣流循環性，並將硒化反應氣體通入該加熱腔體內以增加該加熱腔體內的氣壓值，同時增加該加熱腔體內的溫度；及步驟D：持續將硒化反應氣體通入該加熱腔體內，使該加熱腔體內的氣壓值增加至2~6 atm之後進行退火，使硒化反應氣體與該前驅物層反應形成一個光吸收層。
本發明之另一目的，在於提供一種用於太陽能電池的硒化裝置，透過硒化反應氣體使所述太陽能電池的半成品發生硒化反應，而該硒化裝置包含：一個加熱腔體、一個真空機構、一個加壓機構，以及一個氣流循環機構。
該加熱腔體包括一個供所述半成品放置的反應空間，以及一個圍繞並對該反應空間加熱的加熱部。該真空機構安裝在該加熱腔體上，並對該反應空間抽氣。該加壓機構安裝在該加熱腔體上，並將硒化反應氣體送入該反應空間。該氣流循環機構安裝在該反應空間內，並使該反應空間內的硒化反應氣體循環流動。
本發明之有益功效在於：在該加熱腔體內充填高壓且循環流動的硒化反應氣體，前述創新的設計，使硒化反應氣體能均勻分布並幫助導熱，而所述半成品也能均勻受熱並均勻地發生硒化反應，有助於製作出品質良好的太陽能電池，同時還可縮短升降溫時間及硒化反應時間，並提升生產速度及生產效率。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
參閱圖1、2，本發明硒化裝置的較佳實施例，透過硒化反應氣體8對數個太陽能電池的半成品7進行硒化處理，以利於後續製作出完整的太陽能電池。每一個半成品7都包括一個基板單元71，以及一個設置在該基板單元71上 的前驅物層72。而每一個基板單元71具有一個基板本體711，以及一個設置於該基板本體711與該前驅物層72之間的背電極層712。
所述背電極層712以濺鍍方式將鉬(Mo)沉積在所述基板本體711上而形成，而所述前驅物層72可透過電鍍、濺鍍或蒸鍍等方式沉積在所述背電極層712上，並且所述前驅物層72的材料可為銅銦鎵(CuInGa)或者銅銦(CuIn)。此外，該硒化反應氣體8可為硒化氫(H2Se)或硒化氫與硫化氫(H2S)的混合。
本實施例的硒化裝置包含一個加熱腔體1、安裝於該加熱腔體1上的一個真空機構2與一個加壓機構3，以及安裝於該加熱腔體1內的一個固定座單元4與一個氣流循環機構5。
本實施例的加熱腔體1包括一個開口部11、一個與該開口部11間隔的安裝部12、一個連接於該開口部11與該安裝部12之間的加熱部13，以及一個由該開口部11、該安裝部12與該加熱部13共同圈圍而成並供所述半成品7放置的反應空間14。
在本實施例中，該開口部11為蓋板門的形式，並可供所述半成品7進出該反應空間14。而該加熱部13具有一個圍繞該反應空間14的內壁131、一個與該內壁131間隔的外壁132，以及一個設置在該內壁131與該外壁132之間並可對該反應空間14加熱的熱源模組133。其中，該內壁131為石英管的形式，而該熱源模組133為熱電阻式加熱器 ，然而在實施上不以本實施例所揭露的形式為限制。至於該熱源模組133如何被驅動而對該反應空間14進行加熱非本發明改良的重點，不再說明。
本實施例的真空機構2例如一個幫浦，是安裝在該加熱腔體1的安裝部12上，並對該反應空間14抽氣。而該加壓機構3也安裝在該安裝部12上，並將硒化反應氣體8送入該反應空間14。由於該真空機構2如何對該反應空間14抽氣，以及該加壓機構3如何對該反應空間14通氣皆非本發明改良的重點，也不再說明。
本實施例的固定座單元4安裝於該反應空間14內，並包括數個沿著一個第一方向61延伸並設置在該加熱部13上的第一支架42、數個沿著一個第二方向62延伸並架設在所述第一支架42上的第二支架43，以及一個沿著該第一方向61延伸並架設在所述第二支架43上的固定板41。其中，該第一方向61垂直該第二方向62，而所述半成品7是直立地放置於該固定板41上。
本實施例的氣流循環機構5安裝在該反應空間14內，並使該反應空間14內的硒化反應氣體8循環流動。該氣流循環機構5包括一個可轉動地安裝於該安裝部12上的風扇51，以及一個安裝於該固定板41的一端且位於該風扇51與所述半成品7之間的導流座52。該導流座52具有一個供硒化反應氣體8流動於所述半成品7與該風扇51之間的導流通道521，該導流通道521具有一個朝向所述半成品7且口徑較大的大徑開口522，以及一個朝向該風扇51且口徑 較小的小徑開口523。由於該風扇51如何被驅動而轉動非本發明改良的重點，不再詳述。
需要說明的是，該導流通道521的大徑開口522朝向所述半成品7的設計，可以有效地收集通過所述半成品7的硒化反應氣體8而方便該風扇51抽吸，從而形成良好的氣流循環，但在實施上，該導流座52的結構不限於此。
參閱圖2、3、4、5，本發明硒化方法的較佳實施例為製造所述太陽能電池的工序中的其中一個製程，在進行該硒化方法前，會先在所述太陽能電池的半成品7的基板單元71上沉積所述前驅物層72，接著才對所述前驅物層72進行硒化處理。而該硒化方法包含以下步驟：
(1)進行步驟91：開啟該硒化裝置的加熱腔體1的開口部11，並將所述半成品7放入該反應空間14內，其中，所述半成品7是如圖4所示地平行該第一方向61，並間隔且直立地擺放於該固定板41上，使兩兩相互間隔的所述半成品7之間所界定出的間隙70的延伸方向平行該第一方向61。然後，關閉該開口部11以封閉該反應空間14。
進一步說明的是，本實施例是一次將數個半成品7放入該反應空間14內進行硒化處理，以節省製造時間，但在實施上，也可以只針對一個半成品7進行硒化處理。此外，本實施例將所述半成品7以平行該第一方向61的方式放置，使所述間隙70直線地對應該導流通道521的大徑開口522，以利硒化反應氣體8循環流動，但實施上所述半成品7的擺放方式依需求而定，不需限制。
(2)進行步驟92：啟動該真空機構2對該反應空間14抽真空，在本實施例中，待該反應空間14的氣壓值為0.01 torr時，就可以進行下一個步驟。
(3)進行步驟93：關閉該真空機構2並啟動該氣流循環機構5而驅動該風扇51轉動，藉以提升該反應空間14的氣流循環性。接著啟動該加壓機構3，並將硒化反應氣體8通入該反應空間14以增加該加熱腔體1內的氣壓值，同時驅動該加熱腔體1的加熱部13加熱，以增加該反應空間14的溫度。
此時，該風扇51會抽吸位於所述間隙70與該導流座52的導流通道521內的硒化反應氣體8，造成氣體流動，並將抽吸而來的硒化反應氣體8連同該加壓機構3所通入的硒化反應氣體8一起吹向該加熱部13。受到該加熱部13加溫後的硒化反應氣體8則流往所述半成品7，並通過所述間隙70入流該導流通道521，而再次被吸往該風扇51。
(4)進行步驟94：持續將硒化反應氣體8通入該反應空間14，使該反應空間14內的氣壓值增加至2~6 atm，較佳可使該反應空間14內的氣壓值維持在5 atm。在此同時，將該反應空間14的溫度增加至250℃之後持溫10分鐘以上，以對所述半成品7進行硒化預熱。
接著將該反應空間14的溫度增加至450℃之後持溫20分鐘以上，使硒化反應氣體8裂解形成硒與硫的氣態原子，並擴散至所述前驅物層72內而進行硒化反應。最後將該反應空間14的溫度增加至500~600℃，並持溫40~60分鐘 進行硫化退火，使硒與硫和所述前驅物層72發生黃銅礦反應而再結晶形成如圖2所示的光吸收層73，所述光吸收層73的材料為銅銦鎵硒(CIGS)或銅銦硒(CIS)且為黃銅礦結構。之後，停止對該反應空間14加熱。
需要說明的是，實施時可以藉由調整所述前驅物層72與硒化反應氣體8中的鎵、銦、銅、硒與硫之間的比例，來調整所述光吸收層73的能隙寬與材料特性，所以在材料的選用上依需求而定。
(5)進行步驟95：待該反應空間14內的溫度降至120℃以下，就可以關閉該風扇51，並啟動該真空機構2將硒化反應氣體8排出該反應空間14之外。
(6)進行步驟96：待該反應空間14內的氣壓值降低至1 torr以下時，關閉該真空機構2而停止抽氣，並啟動該加壓機構3將氣體如氮氣(N2)通入該反應空間14內。當該反應空間14內的氣壓值增加至100 torr以上時，就可以關閉該加壓機構3，並開啟該加熱腔體1的開口部11而將所述半成品7取出。需要說明的是，本實施例的加壓機構3除了可以將硒化反應氣體8通入該反應空間14來發生硒化反應之外，也可將如氮氣的氣體通入該反應空間14來破該加熱腔體1的真空。
在此之後，可在所述半成品7的光吸收層73上依序濺鍍緩衝層、透明電極層等膜層，便可完成所述太陽能電池的製造。
綜上所述，本發明藉由該氣流循環機構5使該反應空 間14內的硒化反應氣體8均勻地受熱且均勻地分布，相較於一般硒化裝置只能靠熱輻射的方式傳遞熱能，本發明還可以透過硒化反應氣體8的熱傳導與熱對流，快速地將該加熱部13所發出的熱能均勻地傳送到每一個半成品7。就發明人實驗的結果，每一個半成品7的溫度差可縮小在3℃內，而該反應空間14內的局部區域的溫度差也可縮小在10℃內。此外，優異的導熱效果，更可縮短耗費在等待升降溫的時間，相較於一般硒化處理需要耗費4~5小時，本發明硒化方法可在3小時內完成，並提高生產效率大於15%。
進一步說明的是，只要能提升硒化反應氣體8的氣流循環性，就可以達成本發明的目的，至於該反應空間14內的氣流動向，乃因製程需求、該氣流循環機構5設置的位置，以及所述半成品7的擺放方式等因素而有所改變，因此不以本實施例所揭露的形式為限制。
另一方面，本發明透過該加壓機構3將硒化反應氣體8持續地通入該反應空間14內，以增加該反應空間14的氣壓值並提高硒化反應氣體8的濃度，從而可提升硒化反應氣體8與所述前驅物層72的反應速率，並縮短反應時間。
需要說明的是，該反應空間14內的氣壓值維持在2~6atm的範圍內進行硒化反應為佳。若氣壓值小於2 atm時，硒化反應氣體8的濃度過低，因而降低硒化反應速率及熱能傳導效果。若氣壓值大於6 atm時，又會因為過度的硒化反應，使所述半成品7的光吸收層73內的元素比例失 衡，而影響所述光吸收層73的能隙寬與材料特性。
由以上說明可知，本發明透過該氣流循環機構5與該加壓機構3創新的設置，使硒化反應氣體8能均勻分布並幫助導熱，而所述半成品7也能均勻受熱並均勻地發生硒化反應，因而可製造出品質優異且轉換效率高的光吸收層73，同時還可縮短製程時間並提升生產速度及生產效率。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1‧‧‧加熱腔體
11‧‧‧開口部
12‧‧‧安裝部
13‧‧‧加熱部
131‧‧‧內壁
132‧‧‧外壁
133‧‧‧熱源模組
14‧‧‧反應空間
2‧‧‧真空機構
3‧‧‧加壓機構
4‧‧‧固定座單元
41‧‧‧固定板
42‧‧‧第一支架
43‧‧‧第二支架
5‧‧‧氣流循環機構
51‧‧‧風扇
52‧‧‧導流座
521‧‧‧導流通道
522‧‧‧大徑開口
523‧‧‧小徑開口
61‧‧‧第一方向
62‧‧‧第二方向
7‧‧‧半成品
70‧‧‧間隙
71‧‧‧基板單元
711‧‧‧基板本體
712‧‧‧背電極層
72‧‧‧前驅物層
73‧‧‧光吸收層
8‧‧‧硒化反應氣體
91~96‧‧‧步驟
圖1是一個俯視剖視示意圖，顯示本發明硒化裝置的一個較佳實施例的使用狀態，圖中該硒化裝置對數個太陽能電池的半成品進行硒化處理；圖2是一個流程示意圖，顯示所述半成品的一個前驅物層與硒化反應氣體發生硒化反應而形成一個光吸收層；圖3是一個流程方塊圖，說明本發明硒化方法的一個較佳實施例；圖4是該較佳實施例進行前半段步驟的一個製造流程示意圖；及圖5是該較佳實施例進行後半段步驟的一個製造流程示意圖。
1‧‧‧加熱腔體
11‧‧‧開口部
12‧‧‧安裝部
13‧‧‧加熱部
131‧‧‧內壁
132‧‧‧外壁
133‧‧‧熱源模組
14‧‧‧反應空間
2‧‧‧真空機構
3‧‧‧加壓機構
4‧‧‧固定座單元
41‧‧‧固定板
42‧‧‧第一支架
43‧‧‧第二支架
5‧‧‧氣流循環機構
51‧‧‧風扇
52‧‧‧導流座
521‧‧‧導流通道
522‧‧‧大徑開口
523‧‧‧小徑開口
61‧‧‧第一方向
62‧‧‧第二方向
7‧‧‧半成品

Claims (9)

  1. 一種用於太陽能電池的硒化方法，包含：步驟A：將一個表面形成有一個前驅物層的基板單元放入一個加熱腔體內；步驟B：將該加熱腔體抽真空；步驟C：提升該加熱腔體內的氣流循環性，並將硒化反應氣體通入該加熱腔體內以增加該加熱腔體內的氣壓值，同時增加該加熱腔體內的溫度；及步驟D：持續將硒化反應氣體通入該加熱腔體內，使該加熱腔體內的氣壓值增加至2~6 atm之後進行退火，使硒化反應氣體與該前驅物層反應形成一個光吸收層。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之用於太陽能電池的硒化方法，其中，在步驟D中，持續將硒化反應氣體通入該加熱腔體內，使該加熱腔體內的氣壓值增加並維持在5 atm。
  3. 依據申請專利範圍第2項所述之用於太陽能電池的硒化方法，其中，該前驅物層的材料為銅銦鎵或銅銦，而硒化反應氣體為硒化氫或硒化氫與硫化氫的混合。
  4. 依據申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述之用於太陽能電池的硒化方法，其中，在步驟D中，退火溫度為500~600℃，並在持溫40~60分鐘之後停止對該加熱腔體加熱。
  5. 一種用於太陽能電池的硒化裝置，透過硒化反應氣體使 所述太陽能電池的半成品發生硒化反應，而該硒化裝置包含：一加熱腔體，包括一個供所述半成品放置的反應空間，以及一個圍繞並對該反應空間加熱的加熱部；一真空機構，安裝在該加熱腔體上，並對該反應空間抽氣；一加壓機構，安裝在該加熱腔體上，並將硒化反應氣體送入該反應空間；及一氣流循環機構，安裝在該反應空間內，並使該反應空間內的硒化反應氣體循環流動。
  6. 依據申請專利範圍第5項所述之用於太陽能電池的硒化裝置，其中，該氣流循環機構包括一個可轉動地安裝於該反應空間內的風扇，以及一個位於該風扇與所述半成品之間的導流座，該導流座具有一個供硒化反應氣體流動於所述半成品與該風扇之間的導流通道。
  7. 依據申請專利範圍第6項所述之用於太陽能電池的硒化裝置，其中，該導流座之導流通道具有一個朝向所述半成品且口徑較大的大徑開口，以及一個朝向該風扇且口徑較小的小徑開口。
  8. 依據申請專利範圍第7項所述之用於太陽能電池的硒化裝置，還包含一個安裝於該加熱腔體之反應空間內的固定座單元，該固定座單元包括一個供所述半成品放置且供該導流座安裝的固定板。
  9. 依據申請專利範圍第6項至第8項中任一項所述之用於 太陽能電池的硒化裝置，其中，該加熱腔體還包括分別設置在該加熱部的相反兩側且與該加熱部共同圈圍該反應空間的一個安裝部與一個開口部，該安裝部供該風扇、該真空機構及該加壓機構安裝，而該開口部供所述半成品進出該反應空間。
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