TW201424028A - 太陽能電池吸收層之快速熱處理加壓系統及其方法 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種太陽能電池吸收層之快速熱處理加壓系統及其方法，其中，該快速熱處理加壓系統係包括一快速熱處理設備、一均壓層與一加壓物，其中，該均壓層係覆蓋並均壓該太陽能電池吸收層，該加壓物係置於均壓層之上，以施加壓力於太陽能電池吸收層，進而使得該太陽能電池吸收層可於該快速熱處理設備執行一吸收層燒結處理時保持其平整性與緻密性。相較於習知技術，本發明之技術可將加熱時間由數十分鐘到數小時縮短至數十、數百秒，且持溫時間可由30分鐘縮短至7分鐘，因此可大幅縮減太陽能電池吸收層之燒結時間。

Description

太陽能電池吸收層之快速熱處理加壓系統及其方法

本發明係關於一種快速熱處理加壓系統，尤指可用於燒結銅銦鎵硒太陽能電池吸收層之一種太陽能電池吸收層之快速熱處理加壓系統及其方法。

太陽能電池依材料種類者分為矽晶太陽能電池、化合物太陽能電池、有機太陽能電池等。其中，III-V族化合物太陽能電池應用於太陽能電池時，可以使用單接面(Singlejunction)或是多接面(Multijunction)結構。單接面結構製作較容易，目前以砷化鎵(GaAs)型化合物太陽能電池的能源轉換效率26.1±0.8%最高。多接面結構因有不同元素可以搭配組合，因此可形成多種能隙組成的太陽能電池，所得的能源轉換效率也較單接面結構高，以GaInP/GaAs/Ge組成的多接面結構太陽能電池所得能源轉換效率32±1.5%最高，但是III-V族化合物太陽能電池所需的材料成本仍較高。

銅銦鎵硒(Cu/In/Ga/Se,CIGS)太陽能電池也是化合物太陽能電池中的一種，其使用直接能隙半導體材料，能隙值介於1.04 eV到1.68 eV之間，具有很高的光吸收係數，吸光範圍廣泛，長期照光穩定性佳，材料製造成本低且轉換 效率佳，因此銅銦鎵硒太陽能電池為目前最具發展潛力的太陽能電池。目前製備銅銦鎵硒太陽能電池之吸收層大多採用真空製程，然而真空製程設備昂貴且維修不易，生產成本高，且不易大面積化，因此目前的研究朝向非真空製程發展，以利商業化銅銦鎵硒太陽能電池。

非真空製程製備銅銦鎵硒吸收層包含電鍍(electrodeposition)、噴霧熱解法(spray pyrolysis)及塗佈法(paste coating)。傳統的塗佈方式有網印法(screen printing)、刮刀塗佈法(doctor blade coating)、噴霧(spraying)、旋轉塗佈(spin-coating)等。由於塗佈法製程簡單、快速、適合大面積塗佈與連續式捲撓傳輸(roll-to-roll)技術之特性且設備成本低，應用於銅銦鎵硒吸收層製備十分具有發展的潛力。然而塗佈法之應用必須先製備漿料，由於吸收層的厚度約1-2 μm，所以漿料中的粒子粒徑需遠小於1 μm，且要能均勻的分散於漿料之中。而漿料中多含有有機黏著劑，在燒結過程中，有機溶劑的去除所導致的空隙，使得吸收層產生孔洞。此外，燒結吸收層時，係將吸收層置於高溫爐在500℃下持溫30分鐘進行燒結，其中，由於升溫時間需數十分鐘至數小時，高溫爐方能升溫至設定溫度且持溫時間冗長，故此製程過於耗時。

因此，由上述可知於塗佈法係具有製程升溫時間過於冗長及容易產生孔洞等問題，故易造成銅銦鎵硒太陽能電 池之吸收層電性不佳與量產太陽能電池時影響生產速度。

因此，如何能提供一種快速熱處理加壓方法，除可快速量產太陽能電池外，並能使製備出的銅銦鎵硒太陽能電池之吸收層達到緻密化，避免有機溶劑與黏著劑去除時所產生之孔洞造成銅銦鎵硒太陽能電池之電性下降，實為一重要課題。

本發明之主要目的，在於提供一種太陽能電池吸收層之快速熱處理加壓系統，係以一加壓物均壓塗佈有一太陽能電池吸收層之一基板並配合利用快速熱處理系統進行吸收層之燒結，可縮短習知技術之加熱時間由數十分鐘到數小時至數十、數百秒，且持溫時間可由30分鐘縮短至7分鐘，因此能夠大幅縮減太陽能電池吸收層之燒結時間。並且，藉由使用一均壓層覆蓋並均壓該太陽能電池吸收層，亦可防止太陽能電池吸收層與加壓物之間產生相互沾黏之現象。

因此，為了達成本發明之主要目的，本案之發明人係提出一種快速熱處理加壓系統，係包括：一快速熱處理設備，係至少具有一腔體，且表面網版印刷有一太陽能電池吸收層的一基板係置於該腔體內的一載台之上；一均壓物，係置於該基板之上，用以覆蓋並均壓該太 陽能電池吸收層；以及一加壓物，係置於該快速熱處理設備之一腔體內，並具有一加壓物重量，其中，該加壓物係設置於該均壓物之上，以施加壓力於該太陽能電池吸收層，進而使得太陽能電池吸收層可於該快速熱處理設備執行一吸收層燒結處理時保持其平整性與緻密性。

本發明之另一目的，在於提供一種太陽能電池吸收層之快速熱處理加壓方法，係可提高非真空製程中網版印刷之太陽能電池吸收層的平整性與緻密性；並且，此方法利用快速熱處理系統(rapid thermal annealing system,RTA)燒結太陽能電池吸收層，在燒結過程中施以一均壓於太陽能電池吸收層，係可解決習知技術以非真空製備太陽能電池吸收層所存在之燒結時間冗長的缺點。

因此，為了達成本發明之另一目的，本案之發明人係提出一種太陽能電池吸收層之快速熱處理加壓方法，係包括以下步驟：(1)藉由網版印刷將一太陽能電池吸收層塗佈於一基板之表面；(2)將該基板置於一快速熱處理設備的一載台上；(3)使用一均壓物覆蓋並均壓該太陽能電池吸收層；(4)將具有一加壓物重量的一加壓物置於該均壓物之上，以施加壓力於該太陽能電池吸收層； (5)將該載台、該加壓物與該基板送入該快速熱處理設備的一腔體之中，並以一腔體升溫速率及一腔體升溫時間加熱該腔體；以及(6)以一燒結溫度及一燒結時間對塗佈於基板表面的太陽能電池吸收層進行一吸收層燒結處理。

為了能夠更清楚地描述本發明所提出之一種太陽能電池吸收層之快速熱處理加壓系統及其方法，以下將配合圖式，詳盡說明本發明之實施例。

請參閱第一圖，係本發明之一種太陽能電池吸收層之快速熱處理加壓系統的架構圖，如第一圖所示，該太陽能電池吸收層之快速熱處理加壓系統1係包括：一快速熱處理設備11、一均壓物13以及一加壓物12，其中，快速熱處理設備係至少具有一腔體111，且表面網版印刷有一太陽能電池吸收層21的一基板2係置於該腔體內的一載台113之上。該均壓物13係置於該基板2之上，用以覆蓋並均壓該太陽能電池吸收層21，且該加壓物12係置於該快速熱處理設備11之腔體111內，並具有一加壓物重量。於此，請另外參閱第二圖，係快速熱處理設備之腔體的內部架構圖，如第一圖與第二圖所示，當載台113、加壓物12、均壓物13與基板2被送入快速熱處理設備11之腔體111之後，便可控制腔體111內部的遠紅外線加熱管112以對 塗佈於該基板2表面之一太陽能電池吸收層21進行一吸收層燒結處理；並且，藉由該加壓物12均壓該基板2，係可使得該太陽能電池吸收層21於執行該吸收層燒結處理時保持其平整性與緻密性。

於此，必須特別說明的是，於本發明之中，該加壓物12可為耐高溫陶瓷或者耐高溫金屬，但不以此為限；如第一圖與第二圖的架構中，加壓物12係為砝碼(即，具有特定重量之耐高溫金屬)。另，該均壓物13為一片狀物，片狀物之平整表面可覆蓋並均壓太陽能電池吸收層21，且不會與太陽能電池吸收層21互相沾黏；如第一圖與第二圖的架構中，加壓物12係為載(蓋)玻片。

上述係已清楚說明本發明之太陽能電池吸收層之快速熱處理加壓系統1，接著，下述將繼續說明用於太陽能電池之吸收層製備的方法。請繼續參閱第一圖與第二圖，並請參閱第三圖，係一種太陽能電池吸收層之快速熱處理加壓方法的流程圖。如第三圖所示，本發明之太陽能電池吸收層之快速熱處理加壓方法主要包括6個步驟如下：

於步驟(S1)中，係藉由網版印刷將一太陽能電池吸收層21塗佈於一基板2之表面；於此，太陽能電池吸收層21之原材料為由銅銦鎵硒粉末、銀銦鎵硒粉末或銅銦硒粉末所調製而成之銅銦鎵硒漿料、銀銦鎵硒漿料或銅銦硒漿料，其中該太陽能電池吸收層漿料係具有特定的黏稠度， 使其得以透過網版印刷而被塗佈於該基板2之表面。另，該基板2則可為鈉玻璃基板或可撓性基板；於此，必須特別說明的是，該太陽能電池吸收層21之原材料並不限制必須為上述三種，並且也不限制基板2必須為上述兩種。以銅銦鎵硒(CIGS)粉末與鈉玻璃基板為例，可利用網版印刷的方式將調製好之銅銦鎵硒漿料塗佈於鈉玻璃基板上，則步驟(S1)即可完成。

接著，於步驟(S2)與步驟(S3)中，係將該基板2置於一快速熱處理設備11的一載台113上，並使用一均壓物13覆蓋並均壓該太陽能電池吸收層21；其中，由於該太陽能電池吸收層21具有特定的黏稠度，因此，均壓物13並不會與該太陽能電池吸收層21互相沾黏，這是本發明之其一特色。繼續地，於步驟(S4)中，係將具有一加壓物重量的一加壓物12置於該均壓物13之上，以施加壓力於該太陽能電池吸收層21；其中，該加壓物12為砝碼，其具有至少200克的加壓物重量。同樣地鈉玻璃基板為例，將由步驟(S1)所製得之塗佈有CIGS漿料之鈉玻璃基板置於快速熱處理設備11的載台113之上，然後將重達200克的砝碼置於鈉玻璃基板之上，以藉由砝碼本身的重量均壓鈉玻璃基板表面之CIGS太陽能電池吸收層。於此，必須特別強調的是，步驟(S4)所使用之加壓物12並不限定為砝碼，亦可為其它耐高溫陶瓷或耐高溫金屬；並且，加壓物重量係 以不同的太陽能電池吸收層21之面積大小而決定，並非限制為200克。

繼續地，於步驟(S5)中，係將該該載台113、該加壓物12、該均壓物13、與該基板2送入該快速熱處理設備11的腔體111之中，並以一腔體升溫速率及一腔體升溫時間，加熱該腔體111；最後，於步驟(S6)中，係以一燒結溫度及一燒結時間對塗佈於基板2表面的太陽能電池吸收層21進行燒結。同樣地鈉玻璃基板為例，於載台113、砝碼、載(蓋)玻片、與鈉玻璃基板被送入腔體111後，並對塗佈於該鈉玻璃基板表面的CIGS太陽能電池吸收層進行該吸收層燒結處理之時，該腔體升溫速率之最大值為50℃/sec，該腔體升溫時間至少為1分鐘，該燒結溫度至少為500℃，且該燒結時間至少為7分鐘；如此，藉由砝碼(加壓物12)均壓鈉玻璃基板表面的CIGS太陽能電池吸收層，係使得該CIGS太陽能電池吸收層於執行該吸收層燒結處理時，可同時保持其平整性與緻密性，避免孔洞的產生。

請參閱第四A圖與第四B圖，係分別為以本發明之快速熱處理加壓系統、習知技術所製得之CIGS太陽能電池吸收層的顯微結構圖。如第四A圖與第四B圖所示，相較於以習知技術所製得之CIGS太陽能電池吸收層，透過本發明之快速熱處理加壓系統所製得之CIGS太陽能電池吸收層係顯示出明顯較佳的平整性與緻密性，並且未產生任何孔 洞。並且，如下列表一所示，以本發明之快速熱處理加壓系統所製得之CIGS太陽能電池吸收層，其載子濃度為1.23×1015 cm3、載子遷移率為26.21 cm2/V-s，其所顯示出的電性也明顯優於以習知技術所製得之CIGS太陽能電池吸收層。

如此，藉由上述之說明，本發明之太陽能電池吸收層之快速熱處理加壓系統及其方法係已經完整且清楚地被揭露；並且，經由上述，吾人可得知本發明係具有下列之優點：

1.本發明係於非真空的環境下以網版印刷的方式塗佈銅銦鎵硒(CIGS)吸收層，並搭配均壓層及加壓物之使用，藉由快速熱處理系統進行銅銦鎵硒吸收層之燒結；故，相較於習用技術，本發明之加熱時間可由數十分鐘縮短至數小時至數十、數百秒，且持溫時間可由30分鐘縮短至7分鐘，因此銅銦鎵硒吸收層之燒結時間係可被大幅縮 減。

2.承上述第1點，由於本發明係於燒結過程中放置一重物於銅銦鎵硒吸收層之上，以利用該重物均壓該銅銦鎵硒吸收層，藉此方式提高燒結銅銦鎵硒吸收層之緻密性與平整性，更可有效降低銅銦鎵硒吸收層之孔洞率。

3.承上述第1點，此外，由於該太陽能電池吸收層之原材料係由銅銦鎵硒粉末、銀銦鎵硒粉末或銅銦硒粉末所調製而成之銅銦鎵硒漿料、銀銦鎵硒漿料或銅銦硒漿料，該太陽能電池吸收層漿料係具有特定的黏稠度，使其得以透過網版印刷而被塗佈於該基板之表面；並且，由於該太陽能電池吸收層具有特定的黏稠度，因此，均壓物並不會與該太陽能電池吸收層互相沾黏。

必須強調的是，上述之詳細說明係針對本發明可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

1‧‧‧太陽能電池吸收層之快速熱處理加壓系統

11‧‧‧快速熱處理設備

12‧‧‧加壓物

111‧‧‧腔體

112‧‧‧遠紅外線加熱管

21‧‧‧太陽能電池吸收層

2‧‧‧基板

113‧‧‧載台

13‧‧‧均壓層

S1~S6‧‧‧方法步驟

第一圖係本發明之一種太陽能電池吸收層之快速熱處理加壓系統的架構圖；第二圖係快速熱處理設備之腔體的內部架構圖；第三圖係本發明之一種太陽能電池吸收層之快速熱處理加壓方法的流程圖； 第四A圖係以本發明之快速熱處理加壓系統所製得之CIGS太陽能電池吸收層的顯微結構圖；以及第四B圖係習知技術所製得之CIGS太陽能電池吸收層的顯微結構圖。

1‧‧‧太陽能電池吸收層之快速熱處理加壓系統

11‧‧‧快速熱處理設備

12‧‧‧加壓物

111‧‧‧腔體

113‧‧‧載台

21‧‧‧太陽能電池吸收層

2‧‧‧基板

13‧‧‧均壓層

Claims (10)

1. 一種太陽能電池吸收層之快速熱處理加壓系統，係包括：一快速熱處理設備，係至少具有一腔體，且表面網版印刷有一太陽能電池吸收層的一基板係置於該腔體內的一載台之上；一均壓物，係置於該基板之上，用以覆蓋並均壓該太陽能電池吸收層；以及一加壓物，係置於該快速熱處理設備之一腔體內，並具有一加壓物重量，其中，該加壓物係設置於該均壓物之上，以施加壓力於該太陽能電池吸收層，進而使得太陽能電池吸收層可於該快速熱處理設備執行一吸收層燒結處理時保持其平整性與緻密性。
2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池吸收層之快速熱處理加壓系統，其中該基板可為下列任一種：鈉玻璃基板與可撓性基板。
3. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池吸收層之快速熱處理加壓系統，其中該加壓物為可為下列任一種：耐高溫陶瓷與耐高溫金屬。
4. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池吸收層之快速熱處理加壓系統，其中該太陽能電池吸收層之原材料可 為下列任一種：銅銦鎵硒漿料、銀銦鎵硒漿料與銅銦硒漿料。
5. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能電池吸收層之快速熱處理加壓系統，其中該均壓物為一片狀物。
6. 一種太陽能電池吸收層之快速熱處理加壓方法，係包括以下步驟：(1)藉由網版印刷將一太陽能電池吸收層塗佈於一基板之表面；(2)將該基板置於一快速熱處理設備的一載台上；(3)使用一均壓物覆蓋並均壓該太陽能電池吸收層；(4)將具有一加壓物重量的一加壓物置於該均壓物之上，以施加壓力於該太陽能電池吸收層；(5)將該載台、該加壓物、該均壓物與該基板送入該快速熱處理設備的一腔體之中，並以一腔體升溫速率及一腔體升溫時間加熱該腔體；以及(6)以一燒結溫度及一燒結時間對塗佈於基板表面的太陽能電池吸收層進行一吸收層燒結處理。
7. 如申請專利範圍第6項所述之太陽能電池吸收層之快速熱處理加壓方法，其中該基板可為下列任一種：鈉玻璃基板與可撓性基板。
8. 如申請專利範圍第6項所述之太陽能電池吸收層之快速熱處理加壓方法，其中該加壓物可為下列任一種：耐高溫陶瓷與耐高溫金屬。
9. 如申請專利範圍第6項所述之太陽能電池吸收層之快速熱處理加壓方法，其中該太陽能電池吸收層之原材料可為下列任一種：銅銦鎵硒漿料、銀銦鎵硒漿料與銅銦硒漿料。
10. 如申請專利範圍第6項所述之太陽能電池吸收層之快速熱處理加壓方法，其中，對塗佈於該基板表面的該太陽能電池吸收層進行該吸收層燒結處理之時，該腔體升溫速率之最大值為50℃/sec，該腔體升溫時間至少為1分鐘，該燒結溫度至少為500℃，且該燒結時間至少為7分鐘。