專利名稱：高轉(zhuǎn)化效率銅銦鎵硒薄膜太陽能電池吸收層的制備設(shè)備及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種銅銦鎵硒薄膜太陽能電池吸收層的制備設(shè)備及其制備方法，屬于太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域。銅銦鎵硒(CIGQ薄膜太陽能電池是多元化合物太陽能電池的一種，它具有轉(zhuǎn)化效率高、穩(wěn)定性好、抗輻照性能好、成本低等優(yōu)點。CIGS是銅銦鎵硒薄膜太陽能電池吸收層化學(xué)成份CuhxGaa_xAe2的縮寫。如附圖1所示，銅銦鎵硒薄膜太陽能電池是多層膜結(jié)構(gòu)組件，其主要結(jié)構(gòu)有基底 (通常是玻璃)、背電極(通常是Mo)、吸收層(p-CIGS)、緩沖層(通常是n-CdS)、透明導(dǎo)電層(通常是本征ZnO及Al摻雜ZnO雙層結(jié)構(gòu))、上電極(通常為Ni/Al)、減反射層(通常是MgF2,不一定要有)。各層膜的結(jié)構(gòu)與特性都將影響CIGS電池的性能。銅銦鎵硒薄膜太陽能電池中吸收層的品質(zhì)直接制約著銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的性能，因而在電池的制備過程中吸收層的制備工藝非常關(guān)鍵。如果薄膜中各元素成分配比不合適，則可能形成CuxSey、InxSey等二元化合物，也可能形成如CMn5Se8, CuIn3Se5, Cu3In5Se9等其他的三元化合物，或者多相混合物，而非所需的Cuh (Ga) Se2化合物。而CIGS 化合物半導(dǎo)體的電學(xué)、光學(xué)性能及能隙寬度與材料的組分比之間也有著十分密切的關(guān)系， CIGS膜層中各種元素的化學(xué)計量比將直接影響銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的穩(wěn)定性和光電轉(zhuǎn)化效率。目前，銅銦鎵硒薄膜太陽能電池吸收層的制備工藝主要有真空法和非真空法兩類，其中真空法主要有共蒸發(fā)法和預(yù)制層硒化法；非真空工藝主要有電沉積法、印刷法等， 非真空工藝路線制備的CIS基電池目前光電轉(zhuǎn)化效率還比較低，迄今為止世界上最高光電轉(zhuǎn)換效率的CIGS基薄膜太陽能電池由美國國家可再生能源實驗室(NREL)制備，采用共蒸發(fā)工藝。共蒸發(fā)可分為一步法、兩步法和三步法。一步法是在基板溫度為450-550°C時，組成CIGS吸收層的全部元素同時蒸發(fā)。在薄膜沉積過程中，調(diào)整各元素的蒸發(fā)速率；以獲得混合均勻、化學(xué)計量比合適的CIGS化合物，整個過程一步完成。該工藝由于涉及的工藝參數(shù)調(diào)整比較復(fù)雜，整個制備過程比較難以控制。美國NREL高轉(zhuǎn)化效率的CIGS薄膜采用的是三步共蒸發(fā)工藝制備的。第一步，基底溫度較低的情況下)蒸發(fā)h、Ga、k形成一層h-Ga-k預(yù)置層，其中控制原子比例 In Ga = 0.7 0. 3, (In+Ga) Se = 2 3 ；第二步，升高基底溫度到 570°C，蒸發(fā) Cu、 %，其目的是為了借助低熔點的Cu2_je在高溫下具有液相般的特性來促進晶粒生長，得到大尺寸且致密的膜層，這兩層復(fù)合可轉(zhuǎn)化為稍微富銅的CIGS ；第三步，保持第二步的基底溫度，蒸發(fā)In、Ga、Se，使多余的Cu2_xk轉(zhuǎn)化成等化學(xué)計量比的CIGS，繼續(xù)蒸發(fā)少量的In、 Ga、Se，可得到稍微貧銅的CIGS ρ型黃銅礦結(jié)構(gòu)，并控制Cu/In+Ga的比例在0. 88-0. 92這個狹小的范圍內(nèi)。樣品隨后在蒸發(fā)Se的同時冷卻到400°C，關(guān)閉Se再冷卻到室溫。德國伍爾特(mirth solar)也采用共蒸發(fā)進行了小規(guī)模生產(chǎn)。但是共蒸發(fā)工藝難以實現(xiàn)大面積均勻性很好的成膜，且重復(fù)性也難以控制，因此不適合大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。共蒸發(fā)的優(yōu)點是可以獲得混合均勻且化學(xué)計量比合適的CIGS膜層，前提是要能精確控制每一種蒸發(fā)物的蒸發(fā)速率及分布，這對于大面積來說實現(xiàn)起來比較困難。
預(yù)制層硒化法主要步驟包括1)預(yù)制膜制備工藝，主要通過磁控濺射、蒸發(fā)法等方法制備Cu、In (Ga)合金預(yù)制膜或Cu、In (Ga)、Se的混合物膜。2、硒化工藝，主要通過在含硒的氣氛下(包括硒源和硒化氫源)對預(yù)制膜進行退火。退火溫度一般控制在400 600 "C。
目前所采用預(yù)制層制備工藝要么采用堆積式結(jié)構(gòu)，即先做一層銅膜，再做一層銦膜(鎵膜)，或者再做一層硒膜，每層膜厚均有幾百納米甚至上千納米；要么采用Cuhfe混合材料靶濺射，但由于混合材料存在選擇性濺射，很難實現(xiàn)預(yù)制層中各元素成分的精確控制及原子量級的混合。如專利號為ZL200510011858. 9、授權(quán)公告號為Cm00413097C、授權(quán)公告日為2008年8月20日、名稱為“銅銦鎵硒或銅銦鎵硫薄膜太陽能電池吸收層的制備方法”的專利公開了一種銅銦鎵硒或銅銦鎵硫太陽能電池吸收層的制備方法，即采用Cuh 合金靶和Cufei合金靶，或采用Cuhfei合金靶作為靶材，用真空磁控濺射技術(shù)制備Cuhfei 的金屬預(yù)制層。硒化反應(yīng)或硫化反應(yīng)在另外一個真空室中進行，先將硒源或硫源均勻升溫， 在金屬預(yù)制層表面蒸發(fā)上一層硒或硫，再通過商鎢燈照射加熱金屬預(yù)制層，發(fā)生硒化或硫化反應(yīng)，最終得到銅銦鎵硒或銅銦鎵硫太陽能電池吸收層。
專利申請?zhí)枮?00910006531.0、公開號為CN101740660A
公開日為2010年6月16日、名稱為“銅銦鎵硒太陽能電池、其吸收層薄膜及該薄膜的制備方法、設(shè)備”的專利申請公開了一種銅銦鎵硒太陽能電池吸收層薄膜的制備方法，第一步先沉積銅、銦、鎵三元金屬薄膜，再蒸鍍上一層硒薄膜形成納米量級的銅銦鎵硒薄膜結(jié)構(gòu)，重復(fù)上述步驟10 50次； 第二步再將疊加起來的銅銦鎵硒吸收層薄膜做快速退火處理，即得到微米量級的多晶銅銦鎵硒薄膜。
專利申請?zhí)枮?01010118290. 1，公開號為CN101789469A
公開日為2010年7月沘日、名稱為“銅銦鎵硒硫薄膜太陽電池光吸收層的制備方法”的專利申請公開了一種銅銦鎵硒硫太陽能電池吸收層薄膜的制備方法，即首先采用磁控濺射法在基片沉積Cu膜，然后采用蒸發(fā)法沉積h-Ga膜，形成Cu-In-Ga合金膜(分層，也是合金)，再次將Cu-In-Ga合金膜與固態(tài)義源或氣態(tài)源反應(yīng)生成銅銦鎵硒(CKS)薄膜，最后將CIGS薄膜與固態(tài) S單質(zhì)或氣態(tài)H2S源反應(yīng)生成銅銦鎵硒硫(CIGSS)吸光層薄膜。
雖然預(yù)制層硒化法被認(rèn)為是目前大面積制備銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的最有效方法，但由于該方法制備出的Cdnfei薄膜為堆積式結(jié)構(gòu)，膜層內(nèi)部化學(xué)成分在膜厚方向是不均勻的，硒化時的擴散作用雖然弱化了這種不均勻性，但是它的存在仍然會使這種方法制造的電池的轉(zhuǎn)換效率(實驗室14% 士)低于共蒸發(fā)法實驗室樣品的轉(zhuǎn)換效率(20% 士)， 而工業(yè)生產(chǎn)中轉(zhuǎn)換效率就更低。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種新的銅銦鎵硒薄膜太陽能電池吸收層的制備設(shè)備方案及相應(yīng)的制備方法，以克服上述共蒸發(fā)難以精確控制及大面積均勻性不好的缺陷和預(yù)制層硒化法膜層內(nèi)部化學(xué)成分在膜厚方向不均勻的缺陷。使用這種方案和方法可以得到更趨近于理論 CIGS吸收層各元素化學(xué)計量比的吸收層薄膜，并且易于控制，可重復(fù)性大大提高，因此得到CN 102534491 A
高光電轉(zhuǎn)換效率的銅銦鎵硒(CIGQ薄膜太陽能電池。電池光電轉(zhuǎn)換效率的提高可以使電池單位發(fā)電量的制造成本和電廠運行成本都得到降低，可以推進太陽能替代化石能源的進程，造福人類。本發(fā)明設(shè)備的真空室分為兩個真空區(qū)域，其中一側(cè)為濺射區(qū)，另一側(cè)為蒸發(fā)區(qū)。所述濺射靶材為制備CIGS吸收層所需的Cu、In、Ga元素單組分材料，也可以是兩種或三種元素的合金材料或拼接體，濺射靶和靶材種類的數(shù)量均不少于兩種。所述蒸發(fā)源為制備CIGS 吸收層所需的％源或S源。這種分區(qū)成膜可以避免％或S氣氛對金屬或合金靶材的污染， 影響金屬或合金靶材濺射的可控性、重復(fù)性。本發(fā)明特點之一是被鍍工件(鍍膜基底)成圓筒狀排布設(shè)置，濺射靶材和％或S 蒸發(fā)源分布在工件被鍍面一側(cè)，工件與靶材(包括％或3蒸發(fā)源)之間相對高速旋轉(zhuǎn)，在完成整個吸收層必要的膜層厚度的過程中，旋轉(zhuǎn)圈數(shù)要大于500。這種高速旋轉(zhuǎn)可使得所得 CIGS各膜層均勻混合，類似于共蒸發(fā)工藝，而不像傳統(tǒng)工藝的堆疊結(jié)構(gòu)。理論上“理想的” 旋轉(zhuǎn)速度為以每旋轉(zhuǎn)一周工件上生長一個分子層厚度膜層的速度；而實際的“足夠高”的旋轉(zhuǎn)速度指最慢的可行的經(jīng)濟的速度，在這個速度下，所成膜層在膜厚方向造成的成分不均勻性在硒化后得出電池光電轉(zhuǎn)換效率較適宜速度成膜得到的結(jié)果無明顯下降。所述工件與靶材(包括％蒸發(fā)源)之間的關(guān)系有兩種設(shè)計第一種見附圖2，工件在內(nèi)靶材(包括％蒸發(fā)源)在外的方式，這種方式鍍膜時靶材(包括％或3蒸發(fā)源) 相對于鍍膜機真空室靜止，工件架在靶材(包括％或3蒸發(fā)源)內(nèi)側(cè)相對于鍍膜機真空室旋轉(zhuǎn)，這種方式適用于單體機玻璃或柔性基底吸收層的制備；第二種見附圖3，工件在外靶材(包括義或S蒸發(fā)源)在內(nèi)的方式，這種方式鍍膜時工件相對于鍍膜機真空室靜止，靶材(包括％或3蒸發(fā)源)在工件內(nèi)側(cè)相對于鍍膜機真空室旋轉(zhuǎn)，這種方式適用于間歇連續(xù)式柔性基底吸收層的制備。本發(fā)明特點之二是精確的膜厚控制系統(tǒng)。在濺射成膜系統(tǒng)中，功率與沉積速率成比較好的線性關(guān)系，即使不是非常嚴(yán)格的線性關(guān)系，其過程的重復(fù)性和時間的穩(wěn)定性也非常好，因此按本發(fā)明提供的方法在吸收層中控制Cu、In、Ga元素的理想化學(xué)計量比是可以方便實現(xiàn)的。理想吸收層％元素的控制是本發(fā)明控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。在義元素的控制中我們使用了我們自行研制的工件架上膜厚和沉積速率測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)探頭置于工件架上， 在鍍膜過程中可以實時測量膜層厚度和成膜速率。由于Cu、Irufe元素使用濺射成膜，易于控制，該成膜速率測控系統(tǒng)的任務(wù)主要是用于％元素的蒸發(fā)控制，使其沉積速率匹配于 Cu、In, Ga元素的沉積速率，進而得到化學(xué)計量比和均勻性都理想的吸收層薄膜。使用本發(fā)明設(shè)備可實現(xiàn)以下四種CIGS吸收層制備工藝第一種，先用濺射方法得到化學(xué)計量比和均勻性都理想的Cuhfe1預(yù)制層，從鍍膜室取出，送入專用的真空硒化爐中在％的氣氛下進行硒化處理；第二種，先用濺射方法得到化學(xué)計量比和均勻性都理想的 CuInGa膜層，再在Cuhfe1膜層外用蒸發(fā)的方法沉積一層％層，或者將Cuhfe1分成幾個階段成膜，每個階段的Cdnfe1成膜后進行％元素的成膜，在全部預(yù)制層完成后再將工件從鍍膜室取出，送入熱處理爐中進行硒化處理；第三種，鍍膜前將工件加熱到適當(dāng)溫度，同時進行Cuhfe元素的濺射鍍膜和％元素的蒸發(fā)鍍膜，待膜層鍍完后，再升溫到硒化溫度，使膜層發(fā)生硒化反應(yīng)，制得吸收層；第四種，鍍膜前將工件加熱到適當(dāng)溫度，同時進行Cuhfe1元素的濺射鍍膜和％元素的蒸發(fā)鍍膜，待膜層鍍完后，將工件從鍍膜室取出，送入熱處理爐中進行硒化處理。


圖1為CIGS薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明的具體實施方式
提供的銅銦鎵硒薄膜太陽能電池吸收層的制備設(shè)備的方案一結(jié)構(gòu)示意圖(工件在內(nèi)靶材在外)；
圖3為本發(fā)明的具體實施方式
提供的銅銦鎵硒薄膜太陽能電池吸收層的制備設(shè)備的方案二結(jié)構(gòu)示意圖(工件在外靶材在內(nèi))；
圖4為制備設(shè)備的方案一實際鍍膜機的俯視示意圖5為硒導(dǎo)出裝置示意圖。
具體實施方式
本具體實施方式
提供了一種銅銦鎵硒薄膜太陽能電池吸收層的制備設(shè)備及其制備方法，如圖2 圖5所示，銅銦鎵硒薄膜太陽能電池吸收層的制備設(shè)備包括鍍膜機，所述鍍膜機包括真空室1、工件架2、濺射靶3和硒蒸發(fā)器4，濺射靶3和硒蒸發(fā)器4相對應(yīng)的設(shè)置在真空室1內(nèi)，工件架2為圓筒狀設(shè)置在真空室1內(nèi)且朝向濺射靶3的濺射區(qū)12和硒蒸發(fā)器4的蒸發(fā)區(qū)11。所述濺射靶3的材質(zhì)為制備CIGS吸收層所需的Cu、In、Ga元素單組分材料，也可以是兩種或三種元素的合金材料或拼接體，濺射靶和靶材種類的數(shù)量均不少于兩種。所述蒸發(fā)源為制備CIGS吸收層所需的％源或S源。這種分區(qū)成膜可以避免義或S氣氛對金屬或合金靶材的污染，影響金屬或合金靶材濺射的可控性、重復(fù)性。
如圖2所示，標(biāo)記為1的是真空室，工件架2與真空室1同心，濺射靶3和硒蒸發(fā)器4固定在真空室1的內(nèi)壁上，濺射靶3和硒蒸發(fā)器4靜止不動，工件架2轉(zhuǎn)動。
如圖3所示，標(biāo)記為1的是真空室，濺射靶3和硒蒸發(fā)器4固定在一個圓筒形支架 14的外壁上，濺射靶3和硒蒸發(fā)器4隨圓筒形支架14轉(zhuǎn)動，標(biāo)記7是圓筒形支架14的轉(zhuǎn)動方向，工件架2設(shè)置在濺射靶3和硒蒸發(fā)器4的外側(cè)，標(biāo)記為6的是柔性工件，標(biāo)記8是柔性工件間歇輸送方向。
如圖4所示，標(biāo)記為1的是真空室，工件架2與真空室1同心，濺射靶3和硒蒸發(fā)器4固定在真空室1的內(nèi)壁上，濺射靶3和硒蒸發(fā)器4靜止不動，鍍膜機包括兩臺分子泵9， 所述兩臺分子泵9分別與真空室1內(nèi)的濺射區(qū)12和蒸發(fā)區(qū)11相連通，標(biāo)記10是工件架轉(zhuǎn)動方向。
如圖5所示，硒蒸發(fā)器4還包括金屬管6和兩個電極13，所述金屬管6與硒蒸發(fā)器 4的出口相連通，金屬管6的兩個端部封死，金屬管6的管壁上開有小孔10，所有小孔10的截面積之和小于硒蒸發(fā)器4出口的截面積，金屬管6的兩端接有電極13。
如圖4所示，鍍膜機是一臺真空室直徑1680mm，真空室高度1250mm的立式箱式鍍膜機。鍍膜機配置的濺射靶和硒蒸發(fā)源(硒蒸發(fā)器)分布在旋轉(zhuǎn)工件架的外側(cè)，工件架直徑1380mm，濺射均勻區(qū)范圍為高度680mm，工件架轉(zhuǎn)速可以達到100轉(zhuǎn)/分。
在實施例中，使用的是Cu單組分靶材、CuGa合金靶材、In單組分靶材三種濺射靶材，靶為998mm長的直流平面靶，靶材表面距工件表面60mm。
工件架總體呈圓筒狀，圓筒狀外表面可以裝夾剛性的玻璃和柔性不銹鋼板，圓筒的內(nèi)外設(shè)置遠紅外加熱裝置，加熱裝置可以使被鍍工件溫度升高到600攝氏度。
濺射區(qū)與％蒸發(fā)區(qū)進行真空隔離(即在濺射區(qū)與％蒸發(fā)區(qū)之間設(shè)置相對的高真空區(qū)域，降低濺射區(qū)與％蒸發(fā)區(qū)之間相互影響的程度)，設(shè)置兩個隔離區(qū)，對應(yīng)著每個隔離區(qū)有兩臺抽速為3500升/秒的渦輪分子泵進行抽氣。
如圖5所示，Se蒸發(fā)區(qū)設(shè)置有一個％蒸發(fā)器，制作小面積樣品時蒸發(fā)器％的出口直接對向工件架即可；需要制作大面積樣品時，需要在蒸發(fā)器義的出口加裝一個義的導(dǎo)出裝置。這個導(dǎo)出裝置主體是一段金屬管，金屬管與蒸發(fā)器義的出口相連，金屬管端部封死， 管壁開有小孔，所有小孔截面積之和要小于蒸發(fā)器％的出口的截面積，在金屬管的兩端接有電極，在蒸發(fā)硒的過程中給金屬管通電，由于金屬管電阻的存在，金屬管會被加熱，適當(dāng)調(diào)節(jié)電流使％蒸汽不會在金屬管的內(nèi)側(cè)凝結(jié)并且從小孔溢出。
工件架上的測厚探頭在高度上正對著蒸發(fā)器k的出口。
按上述銅銦鎵硒薄膜太陽能電池吸收層的制備設(shè)備可以實現(xiàn)以下四種制備方法
第一種方法①將鍍過Mo電極層的玻璃裝入鍍膜機真空室(固定在工件架上)， ②關(guān)閉真空室門抽真空，開啟工件轉(zhuǎn)動O轉(zhuǎn)/分)，③真空室本底壓強達到5*10_3Pa，在濺射區(qū)導(dǎo)入Ar氣(流量800SCCM)，準(zhǔn)備開始鍍膜(鍍膜前將工件轉(zhuǎn)速提高到100轉(zhuǎn)/分)，④按事先設(shè)計的功率參數(shù)開啟濺射靶，觀察沉積速率并將其控制在工藝設(shè)計值范圍內(nèi)，⑤ 待Cuhfe1膜層厚度達到600nm，關(guān)閉濺射靶，⑥真空室充氣，將工件從鍍膜室取出，⑦將工件送入熱處理爐中進行硒化處理，使膜層發(fā)生硒化反應(yīng)，制得吸收層。
第二種方法①將鍍過Mo電極層的玻璃裝入鍍膜機真空室(固定在工件架上)， ②關(guān)閉真空室門抽真空并加溫，開啟工件轉(zhuǎn)動O轉(zhuǎn)/分)，③工件溫度達到250攝氏度，真空室本底壓強達到5*10_3Pa，在濺射區(qū)導(dǎo)入Ar氣(流量800SCCM)，準(zhǔn)備開始鍍膜(鍍膜前將工件轉(zhuǎn)速提高到100轉(zhuǎn)/分)，④按事先設(shè)計的功率參數(shù)開啟濺射靶，觀察沉積速率并將其控制在工藝設(shè)計值范圍內(nèi)，⑤待Cuhfe膜層厚度達到200nm時，關(guān)閉濺射靶，預(yù)熱％蒸發(fā)器，然后加大％蒸發(fā)器的加熱功率，沉積士340nm的％層，關(guān)閉％蒸發(fā)器，⑥再重復(fù)④、⑤ 步驟兩次，⑦真空室充氣，將工件從鍍膜室取出，⑧將工件送入熱處理爐中進行硒化處理， 使膜層發(fā)生硒化反應(yīng)，制得吸收層。
第三種方法①將鍍過Mo電極層的玻璃裝入鍍膜機真空室(固定在工件架上)， ②關(guān)閉真空室門抽真空并加溫，開啟工件轉(zhuǎn)動O轉(zhuǎn)/分)，③工件溫度達到550攝氏度，真空室本底壓強達到5*10_3Pa，在濺射區(qū)導(dǎo)入Ar氣(流量800SCCM)，預(yù)熱k蒸發(fā)器，準(zhǔn)備開始鍍膜，④鍍膜前將工件轉(zhuǎn)速提高到100轉(zhuǎn)/分，按事先設(shè)計的功率參數(shù)開啟濺射靶，并加大義蒸發(fā)器的加熱功率，觀察沉積速率并將其控制在工藝設(shè)計值范圍內(nèi)(Cuhfe1組分的沉積速率是事先知道的，在事先設(shè)計的相同的濺射功率參數(shù)下會很好地再現(xiàn)這一沉積速率， 再加上事先設(shè)計的％的沉積速率，就是現(xiàn)在要獲得的01 四種組分總的沉積速率)，⑤待厚度達到1600nm，關(guān)閉濺射靶，再沉積IOOnm的％層，關(guān)閉％蒸發(fā)器，⑥降低轉(zhuǎn)速到2 轉(zhuǎn)/分鐘，關(guān)閉加熱，使工件降溫到250攝氏度，⑦真空室充氣，將工件從鍍膜室取出，制得吸收層。
第四種方法①將鍍過Mo電極層的玻璃裝入鍍膜機真空室(固定在工件架上)， ②關(guān)閉真空室門抽真空并加溫，開啟工件轉(zhuǎn)動O轉(zhuǎn)/分)，③工件溫度達到250攝氏度，真空室本底壓強達到5*10_3Pa，在濺射區(qū)導(dǎo)入Ar氣(流量800SCCM)，預(yù)熱％蒸發(fā)器，準(zhǔn)備開始鍍膜，④鍍膜前將工件轉(zhuǎn)速提高到100轉(zhuǎn)/分，按事先設(shè)計的功率參數(shù)開啟濺射靶，并加大 Se蒸發(fā)器的加熱功率，觀察沉積速率并將其控制在工藝設(shè)計值范圍內(nèi)(Cuhfei組分的沉積速率是事先知道的，在事先設(shè)計的相同的濺射功率參數(shù)下會很好地再現(xiàn)這一沉積速率，再加上事先設(shè)計的％的沉積速率，就是現(xiàn)在要獲得的01 四種組分總的沉積速率)，⑤ 待厚度達到1600nm，關(guān)閉濺射靶，再沉積士 IOOnm的k層，關(guān)閉k蒸發(fā)器，⑥真空室充氣， 將工件從鍍膜室取出，⑦將工件送入熱處理爐中進行硒化處理，使膜層發(fā)生硒化反應(yīng)，制得吸收層。 以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種銅銦鎵硒薄膜太陽能電池吸收層的制備設(shè)備，包括鍍膜機，所述鍍膜機包括真空室、工件架、濺射靶和硒蒸發(fā)器，其特征在于真空鍍膜設(shè)備的被鍍工件(鍍膜基底)成圓筒狀排布設(shè)置，濺射靶材和蒸發(fā)源分布在工件被鍍面一側(cè)(內(nèi)側(cè)或外側(cè))，工件與靶材(包括蒸發(fā)源)之間相對高速旋轉(zhuǎn)，在完成整個吸收層必要的膜層厚度的過程中，旋轉(zhuǎn)圈數(shù)要大于500。所述濺射靶材為制備CIGS吸收層所需的Cu、In、Ga元素單組分材料，也可以是兩種或三種元素的合金材料或拼接體，濺射靶和靶材種類的數(shù)量均不少于兩種。所述蒸發(fā)源為制備CIGS吸收層所需的％源或S源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能電池吸收層的制備設(shè)備，其特征在于，所述的鍍膜機采用工件在內(nèi)靶材(包括義或S蒸發(fā)源)在外的方式，這種方式鍍膜時靶材(包括義或 S蒸發(fā)源)相對于鍍膜機真空室靜止，工件架在靶材(包括％或S蒸發(fā)源)內(nèi)側(cè)相對于鍍膜機真空室旋轉(zhuǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能電池吸收層的制備設(shè)備，其特征在于，所述的鍍膜機采用工件在外靶材(包括％或3蒸發(fā)源)在內(nèi)的方式，這種方式鍍膜時工件相對于鍍膜機真空室靜止，靶材(包括％或S蒸發(fā)源)在工件內(nèi)側(cè)相對于鍍膜機真空室旋轉(zhuǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能電池吸收層的制備設(shè)備，其特征在于，所述的鍍膜機使用膜厚和沉積速率測控系統(tǒng)對工件架上的膜厚和沉積速率進行測量，該系統(tǒng)探頭置于工件架上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能電池吸收層的制備設(shè)備，其特征在于，所述的鍍膜機包含兩個鍍膜區(qū)域，其中一側(cè)為濺射區(qū)，另一側(cè)為蒸發(fā)區(qū)，濺射區(qū)與蒸發(fā)區(qū)通過設(shè)置高真空區(qū)域進行真空隔離，以避免％或S對金屬靶材的污染。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能電池吸收層的制備設(shè)備，其特征在于，所述的鍍膜機 Se或S蒸發(fā)器出口導(dǎo)出裝置的特征是主體是一段金屬管，金屬管與蒸發(fā)器％的出口相連，金屬管端部封死，管壁開有小孔，所有小孔截面積之和要小于蒸發(fā)器％的出口的截面積，在金屬管的兩端接有電極，在蒸發(fā)硒的過程中給金屬管通電，由于金屬管電阻的存在， 金屬管會被加熱，適當(dāng)調(diào)節(jié)電流使％蒸汽不會在金屬管的內(nèi)側(cè)凝結(jié)并且從小孔溢出。
7.使用權(quán)利要求1 6任一權(quán)利要求所述設(shè)備制備銅銦鎵硒太陽能電池吸收層的方法，其特征在于，先用濺射方法得到化學(xué)計量比和均勻性都理想的Ci^nfe1預(yù)制層，從鍍膜室取出，送入專用的真空硒化爐中在％的氣氛下進行硒化處理。
8.使用權(quán)利要求1 6任一權(quán)利要求所述設(shè)備制備銅銦鎵硒太陽能電池吸收層的方法，其特征在于，先用濺射方法得到化學(xué)計量比和均勻性都理想的Cuhfei膜層，再在 Cdnfe1膜層外用蒸發(fā)的方法沉積一層％層，或者將Cdnfe1分成幾個階段成膜，每個階段的 Cuhfe1成膜后進行％元素的成膜，在全部預(yù)制層完成后再將工件從鍍膜室取出，送入熱處理爐中進行硒化處理。
9.使用權(quán)利要求1 6任一權(quán)利要求所述設(shè)備制備銅銦鎵硒太陽能電池吸收層的方法，其特征在于，鍍膜前將工件加熱到550攝氏度，同時進行Cuhfe1元素的濺射鍍膜和％ 元素的蒸發(fā)鍍膜，成膜的同時膜層發(fā)生硒化反應(yīng)，制得吸收層。
10.使用權(quán)利要求1 6任一權(quán)利要求所述設(shè)備制備銅銦鎵硒太陽能電池吸收層的方法，其特征在于，鍍膜前將工件加熱到250攝氏度，同時進行Cuhfe1元素的濺射鍍膜和％元素的蒸發(fā)鍍膜，待膜層鍍完后，將工件從鍍膜室取出，送入熱處理爐中進行硒化處理。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種銅銦鎵硒薄膜太陽能電池吸收層的制備設(shè)備及其制備方法。本發(fā)明關(guān)鍵特征是被鍍工件(鍍膜基底)成圓筒狀排布設(shè)置，濺射靶材和Se或S蒸發(fā)源分布在工件被鍍面一側(cè)，工件與靶材(包括Se或S蒸發(fā)源)之間相對高速旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明另一個特征是精確的膜厚和成膜速率控制系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)可以在濺射工藝中精確地得到Cu、In、Ga元素化學(xué)計量比趨于理論值的膜層。使用本發(fā)明的設(shè)備和方法可以得到更趨近于理論CIGS吸收層各元素化學(xué)計量比的吸收層薄膜，并且易于控制，可重復(fù)性大大提高，因此能夠得到高光電轉(zhuǎn)換效率的銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池。電池光電轉(zhuǎn)換效率的提高可以使電池單位發(fā)電量的制造成本和電廠運行成本都得到降低，可以推進太陽能替代化石能源的進程。
文檔編號C23C14/34GK102534491SQ20111031929
公開日2012年7月4日 申請日期2011年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月19日
發(fā)明者戰(zhàn)永剛, 郭杏元 申請人:深圳市三海光電技術(shù)有限公司