TWI422045B - Ｃｉｇｓ太陽能電池製程之設備及方法 - Google Patents

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Description

CIGS太陽能電池製程之設備及方法
本揭示內容是有關於一種太陽能電池製程之設備，詳而言之，特別是指一種用於CIGS太陽能電池製程之設備。
由於地球能源短缺與暖化現象的問題日趨嚴重，全世界開始致力於能源開發的研究，太陽能更為箇中首選，而矽是目前最廣泛運用於太陽能電池的材料，但為降低成本與提高光電轉換效率，其中又以CIGS太陽能電池為近年來發展最快速的太陽能電池。
已知用於CIGS太陽能電池製程之設備例如美國專利號碼第7194197號所揭露之Nozzle-based,vapor-phase,plume delivery structure for use in production of thin-film deposition layer，其中該熔融半導體材料必然被牽制於基材傳輸速度，且該設備並無設置足以篩選材料分子之裝置，導致無法控制沉積的均佈性與等效性；又如美國專利號碼第7442413號所揭露之Methods and apparatus for treating a work piece with a vaporous element，其中除上述之問題外，還會產生硒化氫高毒性氣體，且該設備使用一體成型的裝置，除本身體積龐大需要較大的容置空間之外，一但故障則無法以局部替代更換而能繼續運轉；更如美國專利第7635647號所揭露之Atmospheric pressure chemical vapor deposition，其中以掃瞄方式塗佈熔融半導體材料於整個基板範圍，就銅銦鎵硒四種物理性質完全不同的元素而言，雖然基板有持溫設計，但低熔點材料在高溫下較容易蒸散，整個基板的組成不易。
縱使上述之CIGS太陽能電池製程之設備可以達到製作CIGS的功能，但是高反應活性的硒化氫(H2 Se)或硫化氫(H2 S)皆為高毒性氣體，對生態環境或是人身安全上均有其一定的危害存在；另一方面硒或硫之蒸氣易呈現大分子團聚集，在傳統硒蒸氣的使用上所得出的CIGS吸收層仍具有相當高的缺陷濃度，致使品質呈現不穩定性。
有鑑於此，本創作之主要目的是在於增進熱處理的均溫性與基板沉積組成的均勻性，而提高太陽能電池的品質穩定性。
本創作之次要目的在提供一種用於CIGS太陽能電池製程之設備，藉以在製作CIGS太陽能電池的過程中，減少CIGS與鉬(Mo)界面間的孔洞形成，增加電荷載子傳輸管道以及鉬(Mo)與CIGS間的附著性，得以提高太陽能電池的光電轉換效率。
本創作之又一目的在於製造過程中維持一定的真空製程環境，以利隔絕阻斷材料與熱源之流失，不但避免上述資源的浪費，並提高使用過程中之安全性。
本創作之再一目的在於若設備故障需維修時，可以局部替代更換而能延續製造生產，更可以因場地限制而適當調整各腔體之相對位置安置，藉以降低成本並增加設備之便利性。
緣以達成上述目的，本創作所提供之一種用於CIGS太陽能電池製程之設備，其包含一緩衝腔體、一第一腔體、一第二腔體以及一機械裝置。該第一腔體鄰設於該緩衝腔體並具有一鍍膜沉積裝置。該第二腔體鄰設於該緩衝腔體並具有一熱處理裝置，其中，該熱處理裝置包含一基座、一儲存槽、一第一加熱器、一導引管以及一蓋板。該基座用以定位一基板；該儲存槽設於該第二腔體外，用以容置一熔融材料；該第一加熱器用以加熱一預定熔融材料；該導引管一端樞接於該儲存槽，另一端之開口位於第二腔體中並對應於該基板位置；又，該蓋板設置於該導引管位於該第二腔體中之開口端所對應之位置，其中該蓋板更設有一可調式開孔。再者，該機械裝置藉以帶動該基板往復移動於該緩衝腔體、該第一腔體以及該第二腔體之間，便於進行各該腔體之預設製程。
本創作更包含一第二加熱器，環設於該導引管之外側，而該第二加熱器可為一加熱線圈，藉以維持導引管管內之溫度。
又，該第二腔體之內壁與外壁間形成之封閉空間係為真空，當該基板於該第二腔體內進行熱處理時，藉由該封閉空間之真空狀態，得以阻絕內外環境之熱交換所造成的影響。其中該緩衝腔體、第一腔體以及第二腔體均為真空，且各該腔體間之連通處各設有一真空閥門，使該基板移動於各該腔體間能維持在一定的壓力狀態下進行各腔體之預定製程。
依據上述實施方式之一種用於CIGS太陽能電池製程之設備，其中該熱處理裝置之基座為旋動式，藉以控制設置於該基座上之基板得以變動位置；該儲存槽包含一投料孔，得以適時進行補充製程所需之物料，該儲存槽之熔融材料可為硒(Se)或硫(S)二者擇一；又該第一加熱器可為一加熱線圈，藉以加熱該熔融材料。
更何況本創作之該熱處理裝置之該蓋板具有可調式開孔，而該可調式開孔係為複數個陣列孔洞，且該蓋板也可包含一加熱線圈，用以加熱該蓋板，配合上述該基座為旋動式亦可具有一加熱器之設計，藉以促使該熔融材料可均佈沉積於該基板上。上述該可調式開孔可為開關式開孔，意指可供使用者配合使用過程的狀態開啟或關閉，最初該可調式開孔會保持常閉狀態，當該基板於該第二腔體定位並開始進行熱處理時，始開啟該可調式開孔並讓硒蒸氣通過沉積於該基板；待沉積完成時便關閉該可調式開孔以停止硒蒸氣繼續溢出，使該熔融材料回流儲存槽內而節省原物料的浪費。
依據上述實施方式之一種用於CIGS太陽能電池製程之設備，其中熱處理裝置包含一隔熱槽，係環設於儲存槽與該導引管接近該儲存槽一端之外側；又，該隔熱槽之外側更可環設一冷卻管，因該儲存槽與其外側之加熱器的溫度極高，該隔熱槽與該冷卻管之設置可降低高溫影響鄰近設備之作業或因過熱而損壞，更可避免人員加料或維修時發生燙傷等危險。
而本創作之設備，其中該緩衝腔體包含一溫度調整裝置，藉以調整該基板溫度升降於一預定溫度。
再者，依據本創作之另一實施方式，係提供一種用於CIGS太陽能電池製程之方法，其步驟包含：
(a)藉由一機器裝置將一基板移動至一第一真空腔體，經由一鍍膜沉積方式形成一含鉬(Mo)之下電極於基板上；
(b)藉由該機器裝置將(a)完成之該基板移動至一第二真空腔體，使一熔融材料透過一熱處理方式，穿過一蓋板之孔洞而沉積一薄膜於該下電極上；
(c)藉由該機器裝置又將(b)完成之該基板移動至該第一真空腔體，使一第一前驅層與一第二前驅層沉積於該薄膜上；以及
(d)藉由該機器裝置再將(c)完成之該基板移動至該第二真空腔體，並進行熱處理而形成含有CIGS之光吸收層。
此處的熱處理，係利用溫度的效應來促進堆疊沉積各層中元素的擴散與化合反應，藉使含鉬(Mo)之薄膜與硒(Se)反應來達成歐姆性接觸(ohmic contact)，減少熱處理後所形成之光吸收層與下電極間之孔洞殘留，又因配合活化氣氛的氛圍，可使該吸收層完全與氣氛反應，藉此增進吸收層組成均勻性。
依據上述實施步驟，其中鍍膜沉積方式可為原子層沉積、化學氣相沉積、金屬-有機化學氣相沉積或物理氣相沉積等，其中以物理氣象沉積之效果最佳；又，該熱處理方式可選自電子束、離子束、電漿共振裝置或熱裂解等方式，其中又以電漿共振裝置和熱裂解之效果最佳。
又本創作之方法，其中熔融材料可為硒(Se)或硫(S)，則該薄膜係為包含鉬(Mo)與硒(Se)，或為鉬(Mo)與硫(S)之化合物；且，依據上述實施方式，其中該蓋板之該些孔洞係為均佈於該蓋板上之陣列孔洞。
為能更清楚地說明本創作之CIGS太陽能電池結構，茲舉較佳實施例並配合圖示詳細說明如後。
請參照第1圖，其繪示依照本創作內容的一種用於CIGS太陽能電池製程之設備示意圖。該設備包含一緩衝腔體100、一第一腔體200、一第二腔體300以及一機械裝置400。該第一腔體200鄰設於緩衝腔體100並具有一鍍膜沉積裝置220。該第二腔體300鄰設於緩衝腔體100並具有一熱處理裝置310。該熱處理裝置310主要包含一基座311、一儲存槽312、一第一加熱器315、一導引管318以及一蓋板320。該基座311用以定位一基板500。該儲存槽312設於第二腔體300外，用以容置一熔融材料314；該第一加熱器315用以加熱該熔融材料314。該導引管318之一端樞接儲存槽312，另一端之開口位於該第二腔體300中；蓋板320設置於導引管318位於第二腔體300中之開口端所對應處，其中蓋板320更設有一可調式開孔；而該機械裝置400用以帶動該基板500往復移動於該緩衝腔體100、該第一腔體200以及該第二腔體300間。
該緩衝腔體100包含一基座110及一溫度調整裝置120。該基座110用以承載並定位該基板500，當該基板500藉由該機械裝置400移動置入該緩衝腔體100時，可依照需求，操作該溫度調整裝置120之加熱該基板500或是冷卻該基板500達一預定溫度，其中，例如該加熱器可為一加熱線圈，該冷卻器可為冷水管路。
又該第一腔體200為一真空腔體，且與緩衝腔體100連通的一側具有一真空閥門201。該第一腔體200中具有一基座210以及一鍍膜沉積裝置220。該基板500藉由該機械裝置400置入該第一腔體200並定位於該基座210上；該鍍膜沉積裝置220可儲存至少一種鍍膜材料，可選擇不同材料進行鍍膜沉積，其中，該鍍膜沉積方式可為原子層沉積設備、化學氣相沉積設備、金屬-有機化學氣相沉積或物理氣相沉積等。本揭示內容一實施例之鍍膜沉積裝置220設有三種鍍膜材料-鉬(Mo)、銦(In)以及銅鎵合金(CuGa)，且為物理氣相沉積方式。
更請多參照第2圖，係繪示第1圖CIGS太陽能電池製程之設備之第二腔體300之放大示意圖。該第二腔體300係為真空腔體，且與該緩衝腔體100間亦設有一真空閥門301。該第二腔體300之內壁302與外壁303間形成之封閉空間304係為真空，藉此，當該基板500在該第二腔體300內進行製程時，可進一步控制腔體內部條件之穩定，並避免內部作業受外在環境的影響。該第二腔體300之熱處理裝置310之該儲存槽312上設有一投料孔313，供使用者將熔融材料314置入儲存槽312中或於製程進行中補充該材料，其中該熔融材料314可為硒(Se)或硫(S)，而本揭示內容之熔融材料314為硒(Se)。又，該第一加熱器315為一加熱線圈，係環繞在儲存槽312外，且持續提供熱源來加熱該儲存槽312中的硒(Se)，使硒(Se)維持在260℃-380℃的溫度下持續蒸發硒蒸氣；該硒蒸氣會進入該導引管318，並經過該導引管318並通過其位於該第二腔體300之出口而到達該基座311上的該基板500沉積。
特別的是，該導引管318之外側可設有一第二加熱器319，該第二加熱器319可為一加熱線圈並環繞於該導引管318外側。由於熔融硒受熱蒸發成硒蒸氣可能為一較大的分子團，若直接沉積於基板500上，可能導致硒膜沉積不均勻。倘若藉由該導引管318外側的第二加熱器319，在硒蒸氣進入導引管318後，提供500-700℃的熱源進行二次加熱，促使硒蒸氣分子團受熱相互撞擊或是撞擊導引管318內壁，造成該分子團裂解成為更小的分子團，其中，小分子團因質量較輕且移動速度較快，較早抵達出口而散佈至基板500，而分子團質量較重者，便會下沉或滯留於導引管318下端，待吸收能量足夠裂解成小分子團時，再快速抵達出口，藉此篩選出較小的硒蒸氣分子團沉積至基板500上。
另外，該熱處理裝置310更包含一隔熱槽316及一冷卻管317。該隔熱槽316環設於該儲存槽312之該第一加熱器315以及該導引管318位於該儲存槽312端之第二加熱器319外側，而該冷卻管317則環設於該隔熱槽316外。該冷卻管317內可導入冷水，藉以隔絕該儲存槽312和該導引管318與外界環境之接觸，藉使該熱處理所需之硒蒸氣分子團不受外部環境影響而依循該導引管318之路徑方向抵達該基座311上的該基板500沉積，此時該儲存槽312及該第一加熱器315本身與週遭溫度極高，該隔熱槽312可避免鄰近設備或人員之損傷。
再配合參照第3A、3B以及4圖，其中第3A、3B圖繪示本創作之一種用於CIGS太陽能電池製程之設備兩實施例中之該導引管318之該蓋板320之示意圖，第4圖則繪示基座311之示意圖。該導引管318更包含一蓋板320，其裝設在導引管318位於第二腔體300中之開口端所對應處，其中，該蓋板320上具有複數個陣列孔洞321。特別的是，蓋板320上之可調式開孔可為開關式開孔，其意指可供使用者配合使用過程的狀態開啟或關閉；舉例來說，當停止沉積於該基板500動作時，可關閉該可調式開孔以使該熔融材料停止溢出並回流該儲存槽312內。
又，該熱處理裝置310之該基座311為旋轉式，因此設置於該基座311上之該基板500，必然隨著該基座311旋轉，更由於該些孔洞321為陣列式均佈於該蓋板320上且其分佈範圍恰與該基板500尺寸相對應，促使硒蒸氣通過該陣列孔洞321向外散佈時，必然增加沉積於該基板500之均勻效果。
而且，該蓋板320更包含一加熱線圈322，使硒蒸氣靠近該蓋板320之陣列孔洞321時亦可再度受熱，避免因為接觸該蓋板320而產生凝結並可保持硒蒸氣分子團的活性；同時該加熱線圈322產生之熱源亦可藉由輻射方式傳送至該基座311表面，此時若該基座311增設一加熱器311a(第4圖)，便可交互作用形成一立體熱場，再配合前述之第二腔體300之封閉空間304之隔熱設計，得以減少大面積基板500熱處理製程時，因該基板500邊緣溫度的降低所造成沉積的不均勻性。
請再參照第5圖，乃依照本揭示內容另一實施方式之CIGS太陽能電池製程之方法之步驟流程圖，並請配合參照第1圖，其步驟如下：步驟610：藉由一機器裝置將一基板移動至一第一腔體，經由一鍍膜沉積方式形成一含鉬(Mo)之下電極於基板上，其中該下電極之材料為鉬(Mo)。
步驟620：藉由該機器裝置將步驟610完成之該基板移動至一第二腔體，使一熔融材料透過一熱處理方式，穿過一蓋板之陣列孔洞而沉積一薄膜於該下電極上，其中該熔融材料為硒(Se)，而沉積於該下電極上為硒薄膜。
步驟630：藉由該機器裝置又將步驟620完成之該基板移動至該第一腔體，使一第一前驅層與一第二前驅層沉積於該硒薄膜上，其中該第一前驅層為銦(In)薄膜，而該第二前驅層為銅鎵合金(CuGa alloy)薄膜。
步驟640：藉由該機器裝置再將步驟630完成之該基板移動至該第二腔體，進行一熱處理而形成含有CIGS之光吸收層。
由上述步驟610-640，即可完成CIGS太陽能電池製程。其中該鍍膜沉積方式可選自原子層沉積、化學氣相沉積、金屬-有機化學氣相沉積或物理氣相沉積等方式，而該熱處理氣氛活化方式則可為電子束、離子束、電漿共振裝置或熱裂解等方式。
又請參照第6圖，其為一透過第5圖之CIGS太陽能電池製程之方法製造出的CIGS太陽能電池之照片。由該照片可知，將下電極510沉積於基板後，透過沉積一硒薄膜，再將第一前驅層520沉積於其上，大幅減少了下電極510與第一前驅層520的孔洞。
雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．緩衝腔體
110．．．基座
120．．．溫度調整裝置
200．．．第一腔體
201．．．真空閥門
210．．．基座
220．．．鍍膜沉積裝置
300．．．第二腔體
301．．．真空閥門
302．．．內壁
303．．．外壁
304．．．封閉空間
310．．．熱處理裝置
311．．．基座
312．．．儲存槽
313．．．投料孔
314．．．熔融材料
315．．．第一加熱器
316．．．隔熱槽
317．．．冷卻管
318．．．導引管
319．．．第二加熱器
320．．．蓋板
321．．．陣列孔洞
322．．．加熱線圈
400．．．機械裝置
410．．．移動軌道
420．．．手臂裝置
500．．．基板
510．．．背電極
520．．．第一前驅層
610-640．．．步驟
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：
第1圖是係繪示依照本揭示內容一實施方式的一種CIGS太陽能電池製程之設備之示意圖。
第2圖係繪示依照第1圖CIGS太陽能電池製程之設備之第二腔體之放大示意圖。
第3A圖係繪示CIGS太陽能電池製程之設備另一實施例之第1圖導引管之蓋板之示意圖。
第3B圖係繪示CIGS太陽能電池製程之設備另一實施例之第1圖導引管之蓋板之示意圖。
第4圖係繪示依照第1圖CIGS太陽能電池製程之設備之第二腔體之基座之示意圖。
第5圖係繪示依照本揭示內容另一實施方式之CIGS太陽能電池製程之方法之步驟流程圖。
第6圖係為一透過第5圖之CIGS太陽能電池製程之方法製造出的CIGS太陽能電池之照片。
100．．．緩衝腔體
110．．．基座
120．．．溫度調整裝置
200．．．第一腔體
201．．．真空閥門
210．．．基座
220．．．鍍膜沉積裝置
300．．．第二腔體
301．．．真空閥門
310．．．熱處理裝置
311．．．基座
312．．．儲存槽
313．．．投料孔
314．．．熔融材料
315．．．第一加熱器
316．．．隔熱槽
317．．．冷卻管
318．．．導引管
319．．．第二加熱器
320．．．蓋板
400．．．機械裝置
410．．．移動軌道
420．．．手臂裝置
500．．．基板

Claims (17)

  1. 一種用於CIGS太陽能電池製程之設備，包含：一緩衝腔體，該緩衝腔體包含一溫度調整裝置；一第一腔體，鄰設於該緩衝腔體並具有一鍍膜沉積裝置；一第二腔體，鄰設於該緩衝腔體並具有一熱處理裝置，其中該熱處理裝置包含：一基座，用以定位一基板；一儲存槽，設於該第二腔體外，用以容置一熔融材料；一第一加熱器，用以加熱該熔融材料；一導引管，該導引管之一端樞接於該儲存槽，另一端位於該第二腔體中；一第二加熱器，位於該導引管之外側，且其加熱溫度與該第一加熱器相異；及一蓋板，該蓋板設置於該導引管位於該第二腔體中之開口端所對應處，其中該蓋板更包含一加熱線圈及一可調式開孔；以及一機械裝置，用以帶動該基板往復移動於該緩衝腔體、該第一腔體以及該第二腔體間。
  2. 如請求項1所述之一種用於CIGS太陽能電池製程之設備，其中該第二加熱器為一加熱線圈。
  3. 如請求項1所述之一種用於CIGS太陽能電池製程之設備，其中該第二腔體之內壁與外壁間形成之封閉空間，係為真空。
  4. 如請求項1所述之一種用於CIGS太陽能電池製程之設備，其中該緩衝腔體、該第一腔體以及該第二腔體係為真空腔體。
  5. 如請求項1所述之一種用於CIGS太陽能電池製程之設備，其中該緩衝腔體、該第一腔體以及該第二腔體間對應連通處樞設一真空閥門。
  6. 如請求項1所述之一種用於CIGS太陽能電池製程之設備，其中該熱處理裝置之該基座為旋動式。
  7. 如請求項1所述之一種用於CIGS太陽能電池製程之設備，其中該基座更設有一加熱器。
  8. 如請求項1所述之一種用於CIGS太陽能電池製程之設備，其中該儲存槽包含一投料孔。
  9. 如請求項1所述之一種用於CIGS太陽能電池製程之設備，其中該儲存槽之熔融材料為硒(Se)或硫(S)。
  10. 如請求項1所述之一種用於CIGS太陽能電池製程之設備，其中該第一加熱器為一加熱線圈。
  11. 如請求項1所述之一種用於CIGS太陽能電池製程之設備，其中該可調式開孔係呈陣列式分佈。
  12. 如請求項1所述之一種用於CIGS太陽能電池製程之設備，其中該熱處理裝置更包含：一隔熱槽，該隔熱槽係環設於該儲存槽與該導引管接近儲存槽一端之外側。
  13. 如請求項12所述之一種用於CIGS太陽能電池製程之設備，其中該熱處理裝置更包含：一冷卻管，該冷卻管係環設於該隔熱槽之外側。
  14. 一種用於CIGS太陽能電池製程之方法，其步驟包含：(a)藉由一機器裝置將一基板移動至一第一腔體，經由一鍍膜沉積方式形成一含鉬(Mo)之下電極於該基板上；(b)藉由該機器裝置將(a)完成之該基板移動至一第二腔體，使一熔融材料透過一熱處理方式，穿過一蓋板之複數個陣列式排列之可調式孔洞而沉積一薄膜於該下電極上；(c)藉由該機器裝置又將(b)完成之該基板移動至該第 一腔體，使一第一前驅層與一第二前驅層沉積於該薄膜之上；以及(d)藉由該機器裝置再將(c)完成之該基板移動至該第二腔體，並進行熱處理而形成含有CIGS之光吸收層。
  15. 如請求項14所述之一種用於CIGS太陽能電池製程之方法，其中該鍍膜沉積方式可為原子層沉積、化學氣相沉積、金屬-有機化學氣相沉積或物理氣相沉積。
  16. 如請求項14所述之一種用於CIGS太陽能電池製程之方法，其中該熱處理方式可為電子束、離子束、電漿共振裝置或熱裂解。
  17. 如請求項14所述之一種用於CIGS太陽能電池製程之方法，其中熔融材料為硒(Se)或硫(S)。
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