硒氣壓可控的銅銦鎵硒薄膜硒化裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本專利屬于光電材料新能源領(lǐng)域，涉及薄膜太陽電池材料，具體是指一種用于制 備銅銦鎵硒系列太陽電池的吸收層一一銅銦鎵硒薄膜的硒化裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 銅銦鎵硒（CIGS)系列薄膜太陽電池以其廉價、高效、高穩(wěn)定性和抗輻射性等優(yōu)點(diǎn) 被譽(yù)為最有前途的太陽能電池之一。其基本結(jié)構(gòu)是：襯底/金屬背電極/吸收層/緩沖層 /窗口層/透明電極層/金屬柵狀電極/減反射層。其中，CIGS吸收層材料的制備是電池 制作過程中最為核心的問題。目前，CIGS吸收層常用金屬預(yù)置層后硒化法制備，即先采用 真空磁控濺射、加熱蒸發(fā)或電沉積法在鍍Mo的鈉鈣玻璃襯底上根據(jù)化學(xué)式配比量沉積Cu、 In、Ga的合金或疊層膜，然后在高溫硒氣氛下進(jìn)行退火，通過硒化反應(yīng)制備CIGS薄膜。目 前硒化方法主要分為硒化氫硒化和固態(tài)源硒化兩種方式。硒化氫硒化法制備的CIGS太陽 電池吸收層具有更好的性能，但由于硒化氫有劇毒，對設(shè)備和實(shí)際操作的要求非常高。固態(tài) 源硒化法因操作簡單，逐漸被國內(nèi)外研宄者和生產(chǎn)企業(yè)廣泛采用。固態(tài)源硒化過程中，硒氣 壓非常關(guān)鍵，硒氣壓過高會造成大量的硒分子團(tuán)簇，使CIGS薄膜表面硒濃度過高，膜層粗 糙疏松；硒氣壓過低會造成硒化不透徹，影響晶粒生長。硒氣壓直接影響硒化效果，因此要 求在硒化過程中有效地控制硒氣壓。
[0003] 固態(tài)源硒化法通常是在硒化腔體內(nèi)放置密閉石墨盒，再將硒粉和等待硒化的樣品 置于石墨盒內(nèi)，加熱硒化腔體后，可以在封閉的勻熱空間里得到非常大的硒蒸氣壓，獲得比 較好的硒化效果。密閉的石墨盒內(nèi)，硒氣壓受溫度影響。常規(guī)的石墨盒只有一個上蓋，高溫 階段硒蒸氣大量揮發(fā)，石墨盒內(nèi)的硒氣壓一直上升，達(dá)到一定的數(shù)值，甚至可能頂翻蓋子， 硒蒸氣完全溢出，整個過程中硒氣壓不能得到很好的控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對上述已有技術(shù)存在的問題，本專利的目的是提供一種可控制硒氣壓的制備銅 銦鎵硒薄膜的硒化裝置，從而實(shí)現(xiàn)CIGS薄膜固態(tài)源硒化過程中對硒氣壓的控制。
[0005] 本專利采用的硒化裝置由石英腔體、真空系統(tǒng)、氣體流量控制系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和石 墨盒構(gòu)成。其中：
[0006] 所述的石墨盒上為密閉盒體，盒內(nèi)凹槽裝有硒粉，盒底平面放置待硒化樣品；除了 常規(guī)的上蓋以外，還在上蓋中間開孔，并在此開孔中放置一個圓錐體型小蓋子，通過改變小 蓋子質(zhì)量和開孔面積調(diào)節(jié)石墨盒內(nèi)的硒氣壓；
[0007] 所述的石英腔體為可放置石墨盒的石英管；
[0008] 所述的真空系統(tǒng)包括真空泵、真空計(jì)和連接管道；
[0009] 所述的氣體流量控制系統(tǒng)包括進(jìn)氣接口及精密針閥，可通入惰性氣體并控制其流 量大??；
[0010] 所述的加熱系統(tǒng)由上下兩排均勻間隔分布在石英腔體周圍的鹵素?zé)艄芙M成；
[0011] 石英腔體內(nèi)放置石墨盒，兩端設(shè)有密封裝置，且均裝有閥門，其一端連接真空系 統(tǒng)，另一端連接氣體流量控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)石英腔體兩端的閥門，可以控制真空系統(tǒng)的抽 氣速率和氣體流量控制系統(tǒng)的氣體流量，進(jìn)而調(diào)節(jié)石英腔體內(nèi)的氣壓大小。
[0012] 本專利的特征在于，石墨盒上除了常規(guī)的上蓋以外，還在上蓋中間開孔，并在此開 孔中放置一個圓錐體型小蓋子。通過改變小蓋子質(zhì)量和開孔面積可以調(diào)節(jié)石墨盒內(nèi)的硒氣 壓。設(shè)小蓋子的質(zhì)量為m，石墨盒上放置小蓋子的開孔面積為S，石英腔體內(nèi)的氣壓為匕，則 石墨盒內(nèi)的最尚砸氣壓？_為
[0013]
[0014] 其中？^可以通過調(diào)節(jié)真空泵的抽氣速率和氣體流量控制系統(tǒng)的惰性氣體流量來 調(diào)節(jié)。因此石墨盒內(nèi)的最高硒氣壓由小蓋子質(zhì)量、開孔面積和石英腔體內(nèi)氣壓共同決定。在 硒化過程中，隨著溫度的升高，石墨盒凹槽內(nèi)的硒粉大量蒸發(fā)為硒蒸氣，充滿整個石墨盒， 硒氣壓也不斷增大。當(dāng)硒氣壓超過最大壓力？_時，硒蒸氣會頂起石墨盒上方的小蓋子，并 從小蓋子與石墨盒上蓋之間的間隙中溢出，石墨盒內(nèi)的硒氣壓隨之下降。當(dāng)硒氣壓降至Pmax 以下時，小蓋子將回落到石墨盒上，由此形成一個保持相對穩(wěn)定的硒氣壓的機(jī)制。
[0015] 本專利的優(yōu)點(diǎn)是：在CIGS薄膜固態(tài)源硒化過程中，通過在石墨盒上增加一個調(diào)節(jié) 壓力的小蓋子，實(shí)現(xiàn)了對硒氣壓的控制，從而提高了硒化過程的可控性、穩(wěn)定性和重復(fù)性。
【附圖說明】
[0016] 圖1為石墨盒的結(jié)構(gòu)示意圖，其中（a)為俯視圖，（b)為側(cè)視圖。
[0017] 圖2為硒化裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖中：1_硒粉；2-待硒化樣品；3-石墨盒；4-石墨盒上蓋；5-石墨盒小蓋子；6-石 英腔體；7-鹵素?zé)艄埽?-密封法蘭；9-過濾網(wǎng)；10-抽氣調(diào)節(jié)閥；11-真空泵。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本專利的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)說明：
[0020] 如圖1所示，硒粉1和待硒化樣品2 (采用磁控派射法，在玻璃襯底上制備CuInGa 前驅(qū)體）分別被放置于石墨盒3的盒內(nèi)凹槽和盒底平面上。石墨盒3上除了與其緊密貼合 的上蓋4 (上蓋4與石墨盒3之間的接觸面為磨口工藝，其密封性良好）以外，還在上蓋4 中間開孔，并放置一個上大下小的圓錐體型小蓋子5。本實(shí)例采用的小蓋子5的質(zhì)量m為 l〇g，石墨盒3上放置小蓋子5的開孔面積S為0.lcm2,石英腔體內(nèi)的氣壓匕控制為200Pa， 則石墨盒內(nèi)的最尚砸氣壓？_為：
[0021]
[0022] 本實(shí)例的CIGS薄膜硒化裝置如圖2所示。裝有硒粉和待硒化樣品的石墨盒（如 圖1所示）被放置在石英腔體6中，鹵素?zé)艄?分上下兩排均勻間隔分布在石英腔體6周 圍，并用隔熱材料包裹。石英腔體6兩端裝有密封法蘭8, 一端連接氣體流量控制系統(tǒng)，通 入氮?dú)?，另一端連接真空泵11。過濾網(wǎng)9用于過濾進(jìn)入真空泵11的硒蒸氣，抽氣調(diào)節(jié)閥10 用來調(diào)節(jié)真空泵11的抽氣速率，進(jìn)而調(diào)節(jié)石英腔體內(nèi)的氣壓大小。
[0023] 具體的硒化步驟如下：
[0024] 1.用分析天平稱取高純硒粉1，用量：0. 1-2克。
[0025] 2.將硒粉1均勻地灑在石墨盒3的盒內(nèi)凹槽，將待硒化樣品2放在石墨盒3的盒 底平面上，蓋上石墨盒上蓋4。將石墨盒3放入石英腔體6中，并裝好石英腔體6兩端的密 封法蘭8。
[0026] 3.打開真空泵11和抽氣調(diào)節(jié)閥10,將石英腔體6內(nèi)氣壓抽至0.IPa以下，然后打 開氣體流量控制系統(tǒng)，通入氮?dú)?。調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁亢驼婵毡?1抽速，將石英腔體6內(nèi)氣壓控 制在200Pa左右。
[0027] 4.打開鹵素?zé)艄?的控制電源，按照CIGS薄膜硒化加熱過程加熱石英腔體6和石 墨盒3。通常的加熱過程為，首先加熱至270°C并保持10分鐘，使硒粉1蒸發(fā)成硒蒸氣并充 滿石墨盒3 ;在升溫至500°C并保持30分鐘，使硒蒸汽與待硒化樣品2放生高溫硒化反應(yīng)。
[0028] 5.硒化完成后，關(guān)閉鹵素?zé)艄?,待石英腔體6和石墨盒3冷卻至室溫后，關(guān)閉真 空泵11和氣體流量控制系統(tǒng)。
[0029] 6.打開密封法蘭8,從石英腔體6中取出石墨盒3。
[0030]調(diào)整小蓋子5的質(zhì)量、開孔面積S和石英腔體內(nèi)的氣壓匕，可以改變石墨盒內(nèi)的最 高硒氣壓P_，從而得到不同的硒化條件。本實(shí)施例可制備出硒化均勻的CIGS薄膜樣品，繼 續(xù)在此樣品上制備后續(xù)功能層，可得到了高效的CIGS薄膜太陽能電池。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種硒氣壓可控的銅銦鎵硒薄膜硒化裝置，由石英腔體、真空系統(tǒng)、氣體流量控制系 統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和石墨盒構(gòu)成，其特征在于： 所述的石墨盒上為密閉盒體，盒內(nèi)凹槽裝有硒粉，盒底平面放置待硒化樣品；除了常規(guī) 的上蓋以外，還在上蓋中間開孔，并在此開孔中放置一個圓錐體型小蓋子，通過改變小蓋子 質(zhì)量和開孔面積調(diào)節(jié)石墨盒內(nèi)的硒氣壓； 所述的石英腔體為可放置石墨盒的石英管； 所述的真空系統(tǒng)包括真空泵、真空計(jì)和連接管道； 所述的氣體流量控制系統(tǒng)包括進(jìn)氣接口及精密針閥，可通入惰性氣體并控制其流量大 ??； 所述的加熱系統(tǒng)由上下兩排均勻間隔分布在石英腔體周圍的鹵素?zé)艄芙M成； 石英腔體內(nèi)放置石墨盒，兩端設(shè)有密封裝置，且均裝有閥門，其一端連接真空系統(tǒng)，另 一端連接氣體流量控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)石英腔體兩端的閥門，可以控制真空系統(tǒng)的抽氣速 率和氣體流量控制系統(tǒng)的氣體流量，進(jìn)而調(diào)節(jié)石英腔體內(nèi)的氣壓大小。
【專利摘要】本專利公開了一種可控制硒氣壓的制備銅銦鎵硒薄膜的硒化裝置，該硒化裝置由石英腔體、真空系統(tǒng)、氣體流量控制系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和石墨盒構(gòu)成，其特征在于，石墨盒上除了常規(guī)的上蓋以外，還在上蓋中間開孔，并在此開孔中放置一個圓錐體型小蓋子，通過改變小蓋子質(zhì)量和開孔面積可以調(diào)節(jié)石墨盒內(nèi)的硒氣壓。本專利的優(yōu)點(diǎn)在于：裝置提高了銦鎵硒薄膜固態(tài)源硒化過程的可控性、穩(wěn)定性和重復(fù)性。
【IPC分類】C01B19/00, H01L31/18, H01L21/67
【公開號】CN204680681
【申請?zhí)枴緾N201520372503
【發(fā)明人】褚君浩, 孫雷, 馬建華, 姚娘娟, 江錦春
【申請人】中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
【公開日】2015年9月30日
【申請日】2015年6月2日