TWI479671B - 用於執行薄膜光伏材料的反應熱處理的方法和裝置 - Google Patents

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Description

用於執行薄膜光伏材料的反應熱處理的方法和裝置
本申請要求2011年2月3日提交的、標題為“Method and Apparatus for Performing Reactive Thermal Treatment of Thin Film PV Material(用於執行薄膜PV材料的反應熱處理的方法和裝置)”的美國臨時申請第61/439，079號的權利。將該申請的整個公開結合於此作為參考。
本發明涉及光伏材料及製造方法。更具體地，本發明提供了用於執行薄膜光伏材料的反應熱處理的方法和裝置，以及提供了用於在反應熱處理期間提高溫度均勻性並減短加工時間的方法和裝置。
能量來自於例如石油化工產品、水力電氣、原子能、風力、生物質、太陽能的形式、以及更原始的形式，例如木材和煤炭。在過去的世紀中，現代文明依靠石油化工能量作為重要的能量來源。石油化工能量包括氣體和石油。氣體包括較輕的形式，例如丁烷和丙烷，通常用於家庭取暖和用作烹飪燃料。氣體還包括通常用於運輸目的的汽油、柴油、以及噴氣燃料。在一些地方，較重形式的石油化工產品也可用於家庭取暖。
近來，有助於環境清潔且可再生的能源是令人期待的。一種清潔能源是太陽能。通常，太陽能技術將來自太陽的電磁輻射轉換成其他形式的能量。雖然太陽能是環境清潔的，並且也已取得了一定的成功，但還有很多限制需要克服，以便能夠在整個世界廣泛地應用太陽能。例如，一種太陽能電池使用了取自半導體材料的結晶材料。這些結晶材料可以用於製造光電子器件，所述光電子器件包括將電磁輻射轉換成電力的光伏器件和光電二極體器 件。不過，結晶材料比較昂貴並且難於大規模獲利；並且由這種結晶材料製成的器件的能量轉換效率較低。其他類型的太陽能電池採用“薄膜”技術形成光敏材料的薄膜，以用於將電磁輻射轉換成電能。使用薄膜技術也存在類似限制。此外，薄膜的可靠性通常較差，並且不能長時間地應用於常規環境應用中。通常，很難使薄膜機械地相互結合在一起。
作為改進薄膜太陽能電池技術方面的努力，已經開發出了在具有平面、管狀、柱形、環形或其他形狀的襯底上製造先進的基於CIS和/或CIGS的光伏薄膜堆疊的工藝。在形成光伏薄膜堆疊方面還有各種製造挑戰，例如，保持襯底材料的結構完整、控制一個或多個前驅層中成分的化學組成、在反應氣體環境中執行所述一個或多個前驅層的適當熱處理、確保反應熱處理期間襯底上的薄膜材料的均勻性和顆粒性，等等。特別地，當在大尺寸襯底上製造基於薄膜的光伏器件時，期望在整個襯底表面上具有溫度均勻性。因此期望具有改進的系統和方法，以用於在平面的或非平面形狀的、固定的或柔性的襯底上加工薄膜光伏器件。
本發明提供了用於薄膜太陽能電池的熱處理的方法和裝置，其具有改進的溫度均勻性和減少的加工時間。該方法和裝置提供了雙門蓋，以用於，增強反應熱處理過程中的傳導和對流冷卻以及襯底溫度均勻性。本發明提供了用於執行薄膜光伏器件的反應熱處理的裝置。該裝置包括具有管形體的爐，該管形體由加熱器和冷卻裝置環繞。該管形體從第一端至第二端包圍出了內部空間。第一門結構利用第一板覆蓋第一端，該第一板面向內部空間。第一板耦接至門結構中的第一盤管。爐的相對端處設置有類似結構。此外，該裝置包括爐中的可移除機架夾具。該機架夾具允許一批襯底從爐的任一端裝載到內部空間中。設置在內部空間中的隔板件控制內部對流。
優選地，爐由石英製成，石英基本為化學惰性的且具有良好的熱傳導性。利用機架夾具裝載襯底，其中每個襯底的尺寸在約20cm至156cm的範圍內。較大的工業薄膜襯底保持在一個加工溫度下，以用於反應氣體環境中的退火。通過石英體的熱傳導和利用門結構導致的受控對流的綜合作用使得加工階段在156cm那麼大的襯底和更大襯底上的溫度變化通常不超過10℃。
在本發明的可選實施例中，提供了用於以增強的溫度均勻性執行光伏材料的反應熱處理的方法。該方法包括提供爐，該爐在第一端蓋與第二端蓋之間包圍出管狀空間，以用於將一個或多個襯底容納在其中。接著，將爐加熱至加工溫度範圍，並且保持溫度變化小於10攝氏度，以用於執行襯底的反應熱處理。接著，對爐進行冷卻以便以每分鐘1度的速率或更快地將襯底的溫度從加工溫度範圍降低至接近室溫。
本方法提供了薄膜前體的反應熱處理，以在較大的玻璃襯底上形成光伏器件的吸收體。優選地，用於在反應氣體環境中執行熱處理的裝置要求爐本身是化學惰性的並且能夠熱傳導。在具體實施例中，該裝置是具有端蓋的石英管，以用於促進其中的工作氣體的對流。必要地，利用隔板件保持襯底周圍的工作氣體。端蓋對稱地設置有內置式熱交換器結構，以保持冷卻板既用作殘留顆粒的冷阱又用作散熱片。因此，該較大襯底可以設置在爐管中且保持在具有較高溫度均勻性的加工溫度範圍內。這使得能夠在改進的溫度均勻性下執行工作氣體與襯底上的前驅材料之間的反應，從而以較高的轉化效率形成光伏吸收體。
本發明提供了用於在具有改進的溫度均勻性的襯底上加工薄膜太陽能電池的方法和裝置。該方法和結構應用於在玻璃襯底上製造銅銦鎵硒化物薄膜光伏器件，但本發明也可以用於其他工藝中。
圖1是用於在大面板襯底上加工薄膜光伏材料的裝置的一個實施例的橫截面圖。如所示的，在沿著中心平面從第一端部區域115至第二端部區域116剖切而來的橫截面圖中，示出了用於執行熱處理的加工腔室100。該腔室100是包圍出內部空間111的管形爐。圖1中矩形的寬度是管形爐的直徑。管形體110由安裝在殼體結構190中的加熱件160和冷卻件170環繞。加熱件160可以是具有適當流體的電阻加熱帶或管。
優選地，管形體110是具有良好熱傳導性的材料，其中加熱件160與管形體110接觸，以便熱能能夠直接傳導至爐。例如，腔室100可為石英的，石英對反應氣體具有耐受性並且是良好的熱導體。可以採用其他技術來加熱石英管形體。此外，可以通過在石英管形體的外部周圍流動的冷卻氣體來提供冷卻件。這使得能夠按照熱加工的需要控制爐腔室100的溫度。
在圖1中，腔室100包括兩個端蓋(或閘結構)120A和120B，這兩個端蓋分別構造成用於覆蓋第一端115和第二端116。端蓋120A和120B中的每一個都包括面向爐內部的板1201和耦接至板1201的內部盤管結構1210。在一個實施例中，端蓋是真空系統中使用的常規金屬，例如不銹鋼、鋁、以及類似物。盤管結構1210提供了熱交換器，該熱交換器能夠使流體冷卻劑從入口1211到出口1212迴圈。通過採用流動的水冷卻劑可以按照預期冷卻所述板1201。
兩個端蓋120A和120B被設計成密封所述腔室100以形成真空系統。端蓋120A或120B中的任一個都可包括真空管：一個管1221，用於將預期氣體物質從外部源供應至腔室內部空間111中；以及一個管1222，所述管1222連接至真空泵以便在加工之前清空腔室或者在加工之後清理該腔室。在加工中，工作氣體包括硒化物氣體或硫化物氣體，通常混合有惰性氣體以作為運載氣體。通常採用硒物質和硫物質在反應熱處理工藝中形成薄膜光伏材料。
爐腔室100被指定用於執行襯底上的薄膜材料的熱處理。通過打開相應的門結構或端蓋120A或120B，可以從第一端部區域115或第二端部區域116中的任一個裝載襯底。襯底101可以裝載在船體結構138中，船體結構138插在爐腔室的內部空間111中。襯底101通常是指定用於在其上形成薄膜光伏器件的大玻璃面板或其他材料。襯底通常是尺寸大至156cm的方形玻璃襯底。通常對每個襯底進行預處理以形成疊置在玻璃表面上的薄膜堆疊。在薄膜堆疊的頂部上可以形成薄膜前驅材料，例如利用各種沉積或摻雜技術混合的銅物質、銦物質、鎵物質、和/或鈉摻雜物。在一個實施例中，期望銅-銦-鎵混合前體與硒或硫氣體物質反應以形成薄膜光伏吸收體。裝載有襯底101的船體結構138由腔室內部的機架夾具135支撐。在一個實施例中，利用軸132使得機架夾具135經由門結構可以移除。在另一個實施例中，通過與裝置100相關聯的自動裝載機(未示出)裝載和卸載機架夾具135。內部空間中的機架夾具135和船體結構138暴露在反應工作氣體中，所以它們優選是化學惰性的。在一種實施中，它們都是石英材料。
爐腔室100還可包括靠近端部115和116的隔板。這些隔板件有助於將加熱氣體保持在內部空間中(襯底在該內部空間中得以處理)，同時有助於將冷卻氣體保持在靠近端蓋的區域111A和111B中。所述隔板包括：第一組隔板140，所述第一組隔板140基本覆蓋管形體的大部分橫截面積區域；以及覆蓋下部邊緣部分的隔板141。隔板140為盤形的並且設置成靠近管形內部空間的中部。隔板141為月牙形，以部分地覆蓋盤形隔板的下部邊緣部分。在靠近另一端116處，一組盤形隔板150覆蓋管形體橫截面，並且月牙形隔板151附接至管形爐體。所有這些隔板都能夠是石英的。
如此處使用的，“月牙形”表示“當從圓形盤的邊緣上去除另一圓形的一部分時產生的形狀，以使得剩下的形狀是由兩個直徑不同的圓弧封閉而成的，這兩個圓弧在兩點處相交。”例如，可 以在例如http：//en.wikipedia.org/wiki/crescent的公共資訊網站中查到對於“月牙形”的一些說明和定義。
通常，襯底為平面形，例如，類似玻璃板。通常尺寸為20×20cm的方塊玻璃，20×50cm的矩形玻璃，65×156cm的矩形玻璃。該玻璃通常為廣泛用於太陽能電池的襯底的鈉鈣玻璃。當然，該襯底也可以由其他材料製成，所述其他材料包括熔融石英、石英、或其他。取決於應用，襯底可以是其他平面形狀的，包括矩形、方形、盤形，以及非平面形狀，例如杆狀、管狀、半圓柱瓦片形、或均勻的柔性箔。
襯底通常具有由早期工藝形成的覆蓋層。例如，可利用濺射技術在襯底表面上形成前驅層，所述前驅層包括銅物質、銦物質、和/或銦-鎵物質。在隨後的反應熱處理過程中，在爐管中的氣體環境中通過反應處理前驅層，該爐管中容納有硒化物物質、或硫化物物質、以及氮物質。當加熱爐管時，氣態硒和前驅層中的銅-銦-鎵物質反應。該反應熱處理的結果是，前驅層被轉化成光伏薄膜堆疊，該光伏薄膜堆疊含有銅銦(鎵)聯硒(CIGS)化合物，其是p-型半導體並且用作用於形成光伏電池的吸收層。在由Robert Wieting於2009年5月14日提交的、標題為“Method and System for Selenization in Fabricating CIGS/CIS Solar Cells(在製造CIGS/CIS太陽能電池中用於硒化處理的方法和系統)”、申請系列號為61/178，459的美國專利申請(轉讓給San Jose的Stion公司)中，可以發現用於形成薄膜太陽能電池的CIGS光伏薄膜堆疊的熱處理工藝的進一步描述，並且將該申請結合於此作為參考。
圖2是示出了根據本發明實施例的用於對流控制的隔板件的橫截面圖。在垂直於管軸線的橫截面中示出了爐管210，其與爐結構100基本相同。通過中心軸232(該中心軸可以耦接至端蓋120A或120B以及機架夾具135)安裝盤形隔板240。可以平行地設置不止一個盤形隔板240，儘管只有一個是可見的。盤形隔板240覆蓋了大部分橫截面面積。通過將加熱的工作氣體保持在爐的設 置有襯底的中心區域111中，隔板240提供對內部熱轉移的控制。每個隔板240都有助於防止熱輻射損失。利用平行設置的四個隔板240(它們彼此之間有一定間隙)，消除了超過98%的因輻射造成的熱損失，從而改進了內部空間的中心區域中的溫度均勻性。
在另一個實施例中，每個盤形隔板240在其週邊邊緣與爐管210的內壁之間都具有環形間隙211。該間隙211允許工作氣體的以可控方式從中心區域111到端蓋區域111A的對流(見圖1)。因為中心區域111處的氣體溫度相對較高，並且端蓋(例如120A)相對較冷，因此較熱氣體會向上流動，形成了從間隙211的上部部分上方的中心區域111至較冷區111A且通過間隙211的下部部分返回的流動。在一個實施例中，月牙形隔板241被安裝成使內壁的下部部分與盤形隔板240中至少一個接觸。在這種結構中，如圖2中所示，月牙形隔板241具有弧形形狀，並且具有與爐管210的內壁相同的曲率。當提供月牙形隔板241與一個盤形隔的板240之間的接觸時，月牙形隔板241的高度擋住了間隙211的下部部分。因此，擋住了通過間隙211下部部分的對流，從而改變了整個內部對流。雖然圖2中示出了對稱的圓形爐管，但也可以取決於實施例採用具有對稱和或甚至不對稱設置形狀的隔板的其他幾何結構。
襯底被裝載在爐管內部空間中支撐在機架夾具上的船體結構中。通常每個襯底都豎直地設置且與其他襯底平行，以便於工作氣體循環。如圖1中所示，靠近兩個端蓋的盤形隔板將內部空間分隔為中心區域111和兩個端部區域111A和111B。由加熱件加熱爐管，特別是在中心區111中，以便熱處理襯底。隨著襯底和中心區域中的工作氣體溫度的升高，工作氣體在襯底之間流動，特別是向上流動。端蓋板可以保持較冷，以用於處理目的。此外，盤形隔板240提供這兩個區域之間的熱輻射屏障。這產生了橫穿隔板的溫降。從中心區域至端蓋區域的溫降，以及盤形隔板240的週邊邊緣與爐管的環形內壁之間的間隙允許對流在中心區域 111與端部之間的流動。相對較熱的氣體通過間隙的上部部分朝向端蓋板流動，在這裡較熱氣體得以冷卻，以使其大部分通過間隙的下部部分回流。
在升溫階段以及在加工溫度下的處理階段期間，限制冷對流，以使得襯底周圍的溫度更均勻。通過可選地提供月牙形隔板241，使間隙的下部部分基本被擋住，該下部部分是冷氣體的主要路徑。冷氣體主要被保持在端蓋區域中，但冷氣體可以穿過月牙形隔板間隙上方的較高部分處的間隙，在這裡，會使這些氣體變得更溫熱。在一個實施例中，隔板241的弧長是爐管周長的一半或者更小，例如是該爐管周長的40%或更小，然而，取決於應用，該弧長可以是爐管周長的50%至66%，或者更大。通過減少對流，加熱氣體保持在中心區域中，加速了加熱操作。
然而，在溫度冷卻階段(通常在處理階段之後)，希望具有增強的對流流動。通過以下步驟實現爐管的冷卻：首先利用熱傳導冷卻管形體，然後在工作氣體與端蓋板之間增強的熱交換的情況下通過內部對流冷卻爐內部的工作氣體。通過使用管形體110周圍的冷卻件170(見圖1)實現冷卻。例如，冷卻件170是氣體分配器，其能夠向爐管的外殼提供冷氣，以冷卻管形體110。冷卻的爐體會使得內部的工作氣體和襯底冷卻。此外，通過施加穿過門結構中的盤管的冷卻流體，可以冷卻端蓋120A、120B上的面板，所述盤管連接至外部熱交換器。
實現冷卻的另一種方法是，增強對流流動以使中心區域內的較暖工作氣體更快地朝向較冷的面板移動，然後返回至中心區域。因此，可選地，可以移動月牙形隔板以再次打開間隙的下部部分。當然，可以使用其他方法改變對流以加快冷卻。利用兩個門結構形成了相對於所裝載襯底的對稱設置，並且除了能得到更快的冷卻速率之外，還有助於提高襯底上的溫度均勻性。
在另一個實施例中，冷面板用作冷阱，以用於吸收反應熱處理 工藝期間形成的未反應的剩餘顆粒。在這樣的示例中，工作氣體包括硒化氫氣體或硫化氫氣體。當溫度升高至約為420℃的加工溫度範圍時，硒化氫氣體可經受熱裂解，並且分解為氫氣和硒顆粒。一部分硒顆粒可能沒有完全與襯底上的前驅材料反應，並且因此被工作氣體流夾帶。從襯底表面或前驅材料混合物中還會釋放出其他氣體或顆粒，包括未反應顆粒。不希望這些顆粒沉積在襯底表面上，因為這樣會使得光伏吸收體降級。通過在加工保持階段保持冷卻，端蓋的面板成為用於這種未反應顆粒的主要吸收位置。
圖3是示出了用於執行光伏器件的反應熱處理的方法的簡圖。該方法的步驟包括：1.開始；2.提供具有兩個端蓋的爐管；3.將襯底放入爐管中並且密封端蓋；4.從兩個端蓋中的任一個供應工作氣體；5.使溫度升高至加工溫度範圍；6.通過爐的傳導以及端蓋引起的工作氣體的對流兩者保持該加工溫度範圍；7.通過傳導和對流以將溫度降低至室溫來冷卻爐，；8.執行其他步驟9.結束。
如所示，以上方法提供了在反應氣體環境中處理薄膜光伏材料的改進技術。在優選實施例中，該方法採用具有端蓋的石英爐管，以提供穩定的加熱和冷卻，還通過控制熱傳導和內部對流兩者使得溫度以更快的速度升高。兩個端蓋可以保持冷卻，提供用於剩餘顆粒的冷阱，以及用於引起良好內部對流的熱交換板。
如所示的，用於在反應熱處理中處理光伏材料的方法400開始於步驟402，該步驟包括準備具有薄膜前驅材料的襯底。薄膜前驅材料包括銅物質、銦物質、或鎵物質(以及有時還包括鈉物質)的混合物。方法400接下來是步驟404，提供作為加工裝置的爐管。接著(在步驟406)裝載襯底，並且使端蓋密封爐。通常襯底裝載在襯底支撐件(或船形結構)中，然後將襯底支撐件插入由機架夾具支撐的爐管中。襯底裝載過程還可以用於安裝隔板，該隔板用於根據需要改變內部對流。
在密封爐之後，方法400包括步驟408，通過穿過端蓋的管道供應工作氣體。在步驟408中，方法400提供了爐管內部空間中的氣態環境，該氣態環境準備執行具有預定溫度曲線(temperature profile)的反應熱處理過程。將工作氣體從氣體供應裝置供應至爐管，該氣體供應裝置例如為連接至爐管端蓋的閥或噴射器。工作氣體通常包括計畫與襯底上疊放的薄膜前體材料反應的化學前體物質。工作氣體包括運載氣體，例如氮、氦、氬、以及其他氣體。當然，該氣體步驟通常在清洗過程之前，以用於在引入工作氣體之前製備真空，或者在過程結束之後清理爐。
方法400包括步驟410，以升高襯底溫度。緊接著升溫階段，方法400包括步驟412，用於通過利用傳導和對流兩者控制熱轉移來保持加工溫度，如上所述的。
接下來，方法400包括步驟414，通過傳導和對流將溫度從加工溫度範圍降低至接近室溫來冷卻爐。在一個示例中，能夠以每分鐘1度或者每分鐘3度或者更快的速度冷卻襯底，同時仍然保持較大襯底上的適度的均勻溫度。
接著，根據本發明的一個實施例，之後可以具有其他步驟416，利用氮氣清理腔室，並且去除所有反應氣體，以操作該已處理的襯底，用於在大尺寸襯底上製造光伏器件的後續其他工藝。
圖4是示出了根據本發明一個實施例的爐管中溫度曲線的示 意圖。溫度曲線500被描繪成襯底溫度的圖表，該襯底溫度隨經過的時間而變化。在該同一示意圖中還標出了襯底上的最大溫度變化。該溫度曲線包括第一溫度升高階段R1，用於將加熱件的溫度從室溫升高至預定設定點Ts。接著開始第一處理階段P1，以使襯底溫度接近加工溫度範圍。例如，第一升高階段在時間t1達到設定點，在這之後，襯底溫度在t2升高至大約為425℃的第一加工溫度範圍。熱處理過程(其中，溫度基本保持在Tp)持續至時間t3。接著，第二升溫階段R2使溫度升得更高，在時間t4達到第二處理階段P2。在P2期間，襯底在該第二加工溫度(例如約510℃)下經受進一步熱處理，直到時間t5，以完成用於形成光伏吸收體材料的反應退火過程。在一個實施例中，以每分鐘約4-5度的速率執行升溫階段R1和R2。爐執行該升溫階段，同時保持襯底上的溫度變化小於40℃。因此，襯底(例如玻璃材料)承受了較小的熱應力。
在階段P2之後，該加工需要第一冷卻階段C1。優選以相對緩慢的冷卻速率執行第一冷卻過程。以每分鐘約0.5度下降的冷卻速率(或者更慢)，當溫度達到約430℃時，直到時間t6都使玻璃保持足夠的粘性以釋放內部應力。在該點之後，玻璃不會再具有更多的殘餘應變，所以溫度的進一步下降不會導致損壞。接著，開始加速的冷卻階段C2，以每分鐘1至3度進行冷卻。該加快的冷卻速率能夠實質上減短處理時間並且提高生產率。
雖然利用特定實施例描述了本發明，但應該理解的是，在不背離所附的權利要求限定的本發明的精神和範圍的前提下，可以做出各種改變、修改、以及變型。例如，雖然示出了管狀爐，但也可以使用其他形狀的爐和隔板。此外，雖然以上實施例應用於形成CIS和/或CIGS光伏器件的反應熱處理，其也可以用於其他熱處理。
100‧‧‧腔室
101‧‧‧襯底
110‧‧‧管形體
111‧‧‧內部空間
111A‧‧‧區域
111B‧‧‧區域
115‧‧‧第一端部區域
116‧‧‧第二端部區域
120A‧‧‧端蓋
120B‧‧‧端蓋
132‧‧‧軸
135‧‧‧機架夾具
138‧‧‧船體結構
140‧‧‧隔板
141‧‧‧隔板
150‧‧‧盤形隔板
160‧‧‧加熱件
170‧‧‧冷卻件
190‧‧‧殼體結構
200
210‧‧‧爐管
211‧‧‧環形間隙
232‧‧‧中心軸
240‧‧‧盤形隔板
241‧‧‧月牙形隔板
1201‧‧‧板
1210‧‧‧盤管結構
1211‧‧‧入口
1212‧‧‧出口
1221‧‧‧管
1222‧‧‧管
圖1是用於在大面板襯底上加工薄膜光伏材料的裝置的橫截 面圖；圖2是示出了用於對流控制的隔板件的橫截面圖；圖3是示出了用於執行光伏器件的反應熱處理的方法的簡圖；以及圖4是示出了用於加工襯底的溫度曲線的示例圖表。
100‧‧‧腔室
101‧‧‧襯底
110‧‧‧管形體
111‧‧‧內部空間
111A‧‧‧區域
111B‧‧‧區域
115‧‧‧第一端部區域
116‧‧‧第二端部區域
120A‧‧‧端蓋
120B‧‧‧端蓋
132‧‧‧軸
135‧‧‧機架夾具
138‧‧‧船體結構
140‧‧‧隔板
141‧‧‧隔板
150‧‧‧盤形隔板
151‧‧‧月牙形隔板
160‧‧‧加熱件
170‧‧‧冷卻件
190‧‧‧殼體結構
1201‧‧‧板
1210‧‧‧盤管結構
1211‧‧‧入口
1212‧‧‧出口
1221‧‧‧管
1222‧‧‧管

Claims (16)

  1. 一種用於執行薄膜光伏器件的反應熱處理的裝置，所述裝置包括：爐，所述爐具有本體和相關聯的加熱和冷卻裝置，所述本體為一管狀本體，並從第一端至第二端包圍一內部空間；第一門結構，所述第一門結構被構造成通過面對所述內部空間的第一板覆蓋所述第一端，所述第一板被耦接至所述第一門結構中的第一盤管；第二門結構，所述第二門結構被構造成通過面向所述內部空間的第二板覆蓋所述第二端，所述第二板被耦接至所述第二門結構中的第二盤管；機架夾具，所述機架夾具設置在所述爐中，所述機架夾具能夠在所述內部空間中支撐一批襯底；第一多個隔板件和第二多個隔板件，所述第一多個隔板件設置在所述第一板附近，所述第二多個隔板件設置在所述第二板附近，所述第一多個隔板件和所述第二多個隔板件包括耦接至所述機架夾具的盤形隔板件以控制所述內部空間中的內部對流；以及二個月牙形隔板件，每一所述月牙形隔板件具有的寬度和弧長大於所述管狀本體的半個周長，並且所述二個月牙形隔板件分別被設置在所述管狀本體的靠近所述第一端和所述第二端的下半部分上以覆蓋所述盤形隔板的下部邊緣部分。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中，所述盤形隔板件具有的直徑小於所述管狀本體的內直徑，從而提供環繞所述盤形隔板件的週邊邊緣的間隙，所述間隙在所述管狀本體的下部部分處被所述月牙形隔板件阻擋。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的裝置，進一步包括：進氣口，所述進氣口耦接至所述第一門結構和所述第二門結構中的至少一個，所述進氣口用於至少通過所述間隙將工作氣體引入所述內部空間中；以及出氣口，所述出氣口連接至泵以便能夠清理所述爐。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的裝置，其中，所述相關聯的加熱和冷卻裝置對所述內部空間提供受控的熱能傳遞。
  5. 申請專利範圍第4項所述的裝置，其中，控制所述爐以提供一溫度曲線，所述溫度曲線具有以第一速率將溫度從室溫升高至加工溫度的升溫階段、將加工溫度保持在室溫之上達一退火時間的保持階段、以及以第二速率使溫度從加工溫度降低的冷卻階段。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的裝置，其中，每個所述第一板和所述第二板均被連接以接收來自外部熱交換器的流體冷卻劑且還吸收未反應顆粒。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的裝置，其中，在所述保持階段，所述第一板和所述第二板均被冷卻以使得所述內部空間中的一批襯底能夠保持在溫度變化小於10攝氏度的加工溫度下。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的裝置，其中，所述第一板和所述第二板均是金屬的且被冷卻至基本室溫。
  9. 申請專利範圍第1項所述的裝置，其中，所述爐能夠容納一批玻璃襯底，所述玻璃襯底的至少一個尺寸不大於165cm。
  10. 一種用於執行光伏材料的反應熱處理的方法，所述方法包括：提供爐，所述爐在第一端蓋與第二端蓋之間包圍一空間；將至少一個襯底引入到所述空間中；向所述空間中供應工作氣體； 使所述工作氣體和所述至少一個襯底的溫度升高至加工溫度；以使溫度變化小於10攝氏度的方式保持所述加工溫度以利用所述工作氣體執行所述至少一個襯底的熱處理；以及利用傳導和對流冷卻所述爐，以便以每分鐘至少1度的速率將所述至少一個襯底的溫度從所述加工溫度降低至接近室溫。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中，所述爐包括石英管，所述石英管的長度至少約為2米，直徑至少約為1米，所述石英管具有靠近所述管的至少一個加熱件以及至少一個冷卻件。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中，所述至少一個襯底包括具有覆於上方的薄膜前體的玻璃板，所述薄膜前體包括銅物質、銦物質、以及鎵物質中的至少一種。
  13. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中，所述工作氣體包括硒化物氣體、硫化物氣體、以及氮氣中的至少一種。
  14. 如申請專利範圍第11項所述的方法，其中，升高所述工作氣體的溫度的步驟包括利用傳導和對流。
  15. 如申請專利範圍第11項所述的方法，其中，保持所述加工溫度的步驟包括：鄰近所述爐設置加熱件；靠近所述第一端蓋和所述第二端蓋兩者引入多個隔板以控制對流流動；以及將所述第一端蓋和所述第二端蓋保持在低於所述爐的中心部分的溫度下，從而將所述至少一個襯底上的溫度變化降低至小於10攝氏度。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的方法，其中，將所述第一端蓋和所述第二端蓋保持在較低溫度下的步驟包括將所述第一端 蓋和所述第二端蓋兩者基本保持在室溫，以加強所述爐中的對流。
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