一種碲化鎘薄膜制備方法及其使用的裝置制造方法
【專利摘要】一種碲化鎘薄膜制備方法及其使用的裝置，包括將單質(zhì)碲加熱氣化后形成碲蒸汽、以及將單質(zhì)鎘加熱氣化后形成鎘蒸汽；用攜帶氣體分別運載所述碲蒸汽和所述鎘蒸汽并將所述碲蒸汽和鎘蒸汽混合均勻得到碲鎘混合蒸汽；所述攜帶氣體再將所述碲鎘混合蒸汽攜帶至襯底。本發(fā)明以碲、鎘單質(zhì)作為原料，采用碲、鎘單質(zhì)獨立蒸發(fā)源，通過氣相分子混合方法制備碲化鎘薄膜的方法。這樣不僅降低了碲化鎘太陽電池的生產(chǎn)成本，而且也把高純碲化鎘原料制備和碲化鎘薄膜制備工藝有機的結合到了一起。
【專利說明】一種碲化鎘薄膜制備方法及其使用的裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種碲化鎘薄膜制備方法及其使用的裝置，屬于碲化鎘薄膜太陽能電池【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隨著當今世界人口和經(jīng)濟的增長、能源資源的日益匱乏、環(huán)境的日益惡化以及人們對電能需求量越來越大，太陽能的開發(fā)和利用已經(jīng)在全球范圍內(nèi)掀起了熱潮。這非常有利于生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展、造福子孫后代，因此世界各國競相投資研究開發(fā)太陽能電池。太陽能電池是一種利用光生伏特效應將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件。太陽能電池種類繁多，其中重要的一類為碲化鎘薄膜太陽電池。
[0003]碲化鎘薄膜太陽電池是以碲化鎘(CdTe)為吸收層的一種化合物半導體薄膜太陽電池。因其具有成本低、效率高、穩(wěn)定性好以及抗輻射能力強等優(yōu)點，而具有廣闊的市場應用前景，得到人們極大的重視。碲化鎘的理論效率為28%，但是目前碲化鎘薄膜太陽能電池的最高轉(zhuǎn)化效率為17.3%，大面積組件(1.2X0.6m2)的轉(zhuǎn)化效率為13.4%，在商業(yè)上業(yè)已取得了成功。
[0004]碲化鎘薄膜太陽電池的一般結構為:玻璃/透明導電膜/窗口層/吸收層/背接觸層/背電極層構成的層疊結構。玻璃襯底主要對電池起支撐、防止污染和入射太陽光的作用。透明導電膜(TC0層)，主要起的是透光和導電的作用。窗口層(如CdS)為η型半導體，與P型碲化鎘構成ρη結。碲化鎘吸收層是碲化鎘薄膜太陽電池的主體吸光層，與η型的窗口層形成的ρη結是整個電池核心部分。背接觸層和背電極層使金屬電極與碲化鎘形成歐姆接觸，用以引出電流。
[0005]目前,締化鎘薄膜的制備方法主要有近空間升華法(Close Space Sublimation,CSS)、氣相輸運沉積法(Vapor Transport Deposition,VTD)等。近空間升華法的原理是在真空環(huán)境下，采用不同的保護氣氛，將碲化鎘粉末原料沉積在石墨或石英玻璃上作為源，然后高溫使源蒸發(fā)成氣相分子，氣相分子通過氣相擴散機制，擴散到溫度較低的硫化鎘襯底表面，實現(xiàn)碲化鎘薄膜的制備。目前利用近空間升華法制備的小面積碲化鎘薄膜太陽電池的效率已經(jīng)達到16%,大面積組件已經(jīng)達到11%。
[0006]氣相輸運沉積法的原理是將碲化鎘粉末通過預熱的惰性氣體載入真空室，并在滾筒式蒸發(fā)室中充分氣化為飽和氣體，然后通過蒸發(fā)室的開口噴涂打破較冷的玻璃基板上形成過飽和氣體并凝結成薄膜。
[0007]近空間升華法和氣相輸運沉積法制備碲化鎘薄膜的原料一直采用高純度(5n)碲化鎘粉末，每公斤成本在4000元以上，這成為進一步降低碲化鎘薄膜太陽電池成本的最大障礙。而且高純度(5n) CdTe粉末制備過程也是有高純碲、鎘單質(zhì)蒸發(fā)化合過程。近空間升華法和氣相輸運沉積法制備碲化鎘薄膜的反應方程式如下:
[0008]2CdTe(s) — 2Cd (g)+Te2 (g)。
[0009]襯底表面的反應方程式為:[0010]2Cd (g) +Te2 (g) — 2CdTe (s)。
[0011]這樣碲化鎘薄膜制備過程就存在與碲化鎘粉末制備過程相重復的過程，從而延長了產(chǎn)業(yè)鏈，造成很大資源和能源浪費。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明目的是提供一種碲化鎘薄膜制備方法及其使用的裝置。
[0013]為達到上述目的，本發(fā)明采用的第一種技術方案是:一種制備碲化鎘薄膜的裝置，包括用于加熱以氣化單質(zhì)碲的第一原料加熱腔和用于加熱以氣化單質(zhì)鎘的第二原料加熱腔；所述第一原料加熱腔設有用于把所述第一原料加熱腔內(nèi)氣化的碲蒸汽和攜帶氣體導出的第一氣體導出管；所述第二原料加熱腔設有用于把所述第二原料加熱腔內(nèi)氣化的鎘蒸汽和攜帶氣體導出的第二氣體導出管；所述第一氣體導出管和第二氣體導出管均連通至一氣體混合裝置；所述氣體混合裝置的出口朝向一襯底設置。
[0014]在一較佳實施例中，所述第一原料加熱腔和第二原料加熱腔各自設有電阻加熱裝置或者鹵素燈。
[0015]在一較佳實施例中，所述氣體混合裝置為一管路，該管路具有至少一彎曲段，該彎曲段的角度為銳角。
[0016]在一較佳實施例中，所述氣體混合裝置設有電阻加熱裝置或者鹵素燈。
[0017]在一較佳實施例中，所述第一原料加熱腔和第二原料加熱腔設于真空腔室內(nèi)。
[0018]為達到上述目的，本發(fā)明采用的第二種技術方案是:一種碲化鎘薄膜的制備方法，包括將單質(zhì)碲加熱氣化后形成碲蒸汽、以及將單質(zhì)鎘加熱氣化后形成鎘蒸汽；用攜帶氣體分別運載所述碲蒸汽和所述鎘蒸汽并將所述碲蒸汽和鎘蒸汽混合均勻得到碲鎘混合蒸汽；所述攜帶氣體再將所述碲鎘混合蒸汽攜帶至襯底。
[0019]在一較佳實施例中,所述攜帶氣體選自氮氣、氦氣、氬氣。
[0020]在一較佳實施例中，所述碲和鎘兩者之間的摩爾比為1: 0.9?1.1。
[0021]在一較佳實施例中，所述碲和鎘均為粒徑小于或等于150目的粉末顆粒。
[0022]由于上述技術方案運用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有下列優(yōu)點和效果:
[0023]本發(fā)明針對CdTe薄膜太陽電池原料采用高純碲化鎘，成本較高，高純碲化鎘粉末原料制備和碲化鎘薄膜沉積工藝相重疊的不足之處，提出了相對廉價的以碲、鎘單質(zhì)作為原料，采用碲、鎘單質(zhì)獨立蒸發(fā)源，通過氣相分子混合方法制備碲化鎘薄膜的方法。這樣不僅降低了碲化鎘太陽電池的生產(chǎn)成本，而且也把高純碲化鎘原料制備和碲化鎘薄膜制備工藝有機的結合到了一起。這樣更加縮短了碲化鎘薄膜太陽電池產(chǎn)業(yè)鏈的長度，極大降低了生產(chǎn)制造過程中的能耗，更有利于產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]附圖1是碲鎘單質(zhì)沉積薄膜系統(tǒng)側面示意圖。
[0025]附圖2是碲鎘單質(zhì)沉積薄膜系統(tǒng)俯視示意圖。
[0026]以上附圖中，1、第一原料加熱腔；2、第二原料加熱腔；3、第一氣體導出管；4、第二氣體導出管；5、氣體混合裝置；6、襯底；7、氣體混合裝置的加熱裝置；8、第一攜帶氣體入口 ；9、第二攜帶氣體入口?！揪唧w實施方式】
[0027]下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述:
[0028]實施例一、一種碲化鎘薄膜制備方法及其使用的裝置
[0029]參見附圖1和附圖2所示:一種制備碲化鎘薄膜的裝置，該裝置由兩套獨立的蒸發(fā)源(蒸發(fā)源結構與現(xiàn)有的氣相輸運沉積法中使用的蒸發(fā)源結構相同)組成，其中的一套蒸發(fā)源用來蒸發(fā)單質(zhì)碲，另一套蒸發(fā)源用來蒸發(fā)單質(zhì)鎘。本發(fā)明也與現(xiàn)有的氣相輸運沉積法相同，將蒸發(fā)源置于真空環(huán)境(圖中未示出)下。本發(fā)明的裝置包括襯底6均位于真空環(huán)境中，真空度在10?IOOOPa之間。
[0030]蒸發(fā)單質(zhì)碲的蒸發(fā)源包括用于加熱以氣化單質(zhì)碲的第一原料加熱腔1，所述第一原料加熱腔I設有用于把所述第一原料加熱腔I內(nèi)氣化的碲蒸汽和攜帶氣體導出的第一氣體導出管3 ;第一原料加熱腔I還設有第一攜帶氣體入口 8用以將攜帶氣體引入至第一原料加熱腔I內(nèi)。
[0031]蒸發(fā)單質(zhì)鎘的蒸發(fā)源包括用于加熱以氣化單質(zhì)鎘的第二原料加熱腔2 ;所述第二原料加熱腔2設有用于把所述第二原料加熱腔2內(nèi)氣化的鎘蒸汽和攜帶氣體導出的第二氣體導出管4 ;第二原料加熱腔2還設有第二攜帶氣體入口 9用以將攜帶氣體引入至第二原料加熱腔2內(nèi)。
[0032]所述第一氣體導出管3和第二氣體導出管4均連通至一氣體混合裝置5 ;連通方式可以為:1、氣體混合裝置5的一端設有兩個進氣口，該兩個進氣口分別與第一氣體導出管3和第二氣體導出管4連通。2、氣體混合裝置5的一端設有一個進氣口，第一氣體導出管3和第二氣體導出管4均接入至該進氣口。所述氣體混合裝置5的出口朝向一襯底6設置，襯底6設置在襯底承載結構上。氣體混合裝置5的結構可以為一管路，該管路呈折線形狀(W形狀)，至少折一段，折線的角度為銳角。蒸發(fā)汽化的碲蒸汽和鎘蒸汽經(jīng)過攜帶氣體攜帶進氣體混合裝置5，進行混合，為保證混合均勻，氣體混合裝置5做成銳角彎曲形狀，確保氣相分子進過多次彈射，碰撞達到充分混合程度。然后經(jīng)由攜帶氣體攜帶到襯底6表面，形成過飽和氣體，從而在襯底6表面沉積出CdTe薄膜。
[0033]所述第一原料加熱腔I和第二原料加熱腔2各自設有電阻加熱裝置或者鹵素燈，用來提供能量以蒸發(fā)單質(zhì)碲和單質(zhì)鎘形成蒸汽。
[0034]所述氣體混合裝置5設有氣體混合裝置的加熱裝置7，具體可以是電阻加熱裝置或者齒素燈。用來向碲蒸汽和鎘蒸汽提供能量從而使之保持在氣體狀態(tài)而隨著攜帶氣體向所屬襯底6的方向移動。
[0035]第一原料加熱腔1、第二原料加熱腔2以及氣體混合裝置5可以采用石英、陶瓷等耐高溫的材質(zhì)制成。
[0036]一種碲化鎘薄膜的制備方法，在第一原料加熱腔I內(nèi)將單質(zhì)碲加熱氣化后形成碲蒸汽、以及在第二原料加熱腔2內(nèi)將單質(zhì)鎘加熱氣化后形成鎘蒸汽；用攜帶氣體將所述碲蒸汽從第一氣體導出管3導出，用攜帶氣體將所述鎘蒸汽從第二氣體導出管4導出，導出后的碲蒸汽和鎘蒸汽進入氣體混合裝置5，在氣體混合裝置5內(nèi)，所述碲蒸汽和鎘蒸汽會混合均勻得到碲鎘混合蒸汽；所述攜帶氣體再將所述碲鎘混合蒸汽攜帶至襯底6。所述攜帶氣體未氦氣，攜帶氣體還可以是氮氣、氦氣、氬氣或者是他們的混合物，并且運載碲蒸汽和鎘蒸汽的攜帶氣體可以是種類相同或者不同。
[0037]所述碲和鎘兩者之間的摩爾比為1:1。單質(zhì)鎘和單質(zhì)碲在加入至原料加熱腔之前，首先將高純Cd塊和Te塊分別經(jīng)過碾壓粉碎，并且通過150目過篩，然后按照Cd/Te摩爾比為1:1的比例，分別添置于獨立蒸發(fā)源中。然后抽取腔室真空，真空度10?IOOOPa之間。結合碲鎘單質(zhì)不同飽和蒸汽壓和升華溫度，兩個蒸發(fā)源均需采取較高溫度600?700°C之間，保證碲、鎘單質(zhì)蒸發(fā)的同步性。
[0038]上述實施例只為說明本發(fā)明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種制備碲化鎘薄膜的裝置，其特征在于:包括用于加熱以氣化單質(zhì)碲的第一原料加熱腔和用于加熱以氣化單質(zhì)鎘的第二原料加熱腔；所述第一原料加熱腔設有用于把所述第一原料加熱腔內(nèi)氣化的碲蒸汽和攜帶氣體導出的第一氣體導出管；所述第二原料加熱腔設有用于把所述第二原料加熱腔內(nèi)氣化的鎘蒸汽和攜帶氣體導出的第二氣體導出管；所述第一氣體導出管和第二氣體導出管均連通至一氣體混合裝置；所述氣體混合裝置的出口朝向一襯底設置。
2.根據(jù)權利要求1所述的制備碲化鎘薄膜的裝置，其特征在于:所述第一原料加熱腔和第二原料加熱腔各自設有電阻加熱裝置或者鹵素燈。
3.根據(jù)權利要求1所述的制備碲化鎘薄膜的裝置，其特征在于:所述氣體混合裝置為一管路，該管路具有至少一彎曲段，該彎曲段的角度為銳角。
4.根據(jù)權利要求1所述的制備碲化鎘薄膜的裝置，其特征在于:所述氣體混合裝置設有電阻加熱裝置或者鹵素燈。
5.根據(jù)權利要求1所述的制備碲化鎘薄膜的裝置，其特征在于:所述第一原料加熱腔和第二原料加熱腔設于真空腔室內(nèi)。
6.一種碲化鎘薄膜的制備方法，包括將單質(zhì)碲加熱氣化后形成碲蒸汽、以及將單質(zhì)鎘加熱氣化后形成鎘蒸汽；用攜帶氣體分別運載所述碲蒸汽和所述鎘蒸汽并將所述碲蒸汽和鎘蒸汽混合均勻得到碲鎘混合蒸汽；所述攜帶氣體再將所述碲鎘混合蒸汽攜帶至襯底。
7.根據(jù)權利要求6所述的碲化鎘薄膜的制備方法，其特征在于:所述攜帶氣體選自氮氣、氦氣、氬氣。
8.根據(jù)權利要求6所述的碲化鎘薄膜的制備方法，其特征在于:所述碲和鎘兩者之間的摩爾比為1: 0.9?1.1。
9.根據(jù)權利要求6所述的碲化鎘薄膜的制備方法，其特征在于:所述碲和鎘均為粒徑小于或等于150目的粉末顆粒。
【文檔編號】C23C14/24GK103489957SQ201210197215
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2012年6月15日 優(yōu)先權日:2012年6月15日
【發(fā)明者】劉志強, 蔣猛 申請人:無錫尚德太陽能電力有限公司