射頻裂解硒蒸氣裝置的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于薄膜太陽電池中制作銅銦鎵硒薄膜用裝置制作技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種射頻裂解硒蒸氣裝置的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]柔性襯底銅銦鎵硒(Cu (In，Ga) Se2，簡稱CIGS)薄膜太陽電池具有質(zhì)量比功率高、抗輻射能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，廣泛適用于各領(lǐng)域，被認(rèn)為是最有前途的光伏器件之一。柔性CIGS薄膜太陽電池適合卷對卷制備和單片集成，在批量生產(chǎn)和降低成本方面具有很大潛力。目前，制約該類電池性能提高的關(guān)鍵問題和技術(shù)難點(diǎn)是CIGS薄膜的沉積技術(shù)。制備CIGS薄膜的方法有很多，其中，多元共蒸發(fā)法是制備CIGS薄膜最廣泛和最成功的方法。2012年，瑞士聯(lián)邦技術(shù)學(xué)院(EMPA)使用共蒸發(fā)方法在柔性襯底上制備的CIGS薄膜太陽電池效率達(dá)到20.4%，逼近了多晶硅太陽電池轉(zhuǎn)換效率的世界紀(jì)錄。
[0003]多元共蒸發(fā)工藝是由銅、銦、鎵、硒各元素以氣態(tài)形式在襯底處反應(yīng)，化合形成CudnxGa1JSe2多晶材料，其中硒元素的蒸發(fā)流量，以及原子或分子的化學(xué)活性直接影響化合反應(yīng)速率，在CIGS薄膜生長過程中起到非常關(guān)鍵的作用。普通Se源蒸發(fā)出來的硒蒸氣是由各種不同大小的Sen (n ^ 5)原子團(tuán)組成，過大的η值降低了分子團(tuán)簇中硒原子與其他金屬原子的有效接觸面積，直接導(dǎo)致其化學(xué)活性降低，使得硒元素利用率低，造成硒元素與銦和鎵元素化合反應(yīng)不充分，不僅生長的CIGS薄膜成分比例和結(jié)晶質(zhì)量不理想，而且在批量沉積大面積CIGS薄膜時，增加了真空沉積系統(tǒng)維護(hù)頻率，增加了電池的制作成本。
[0004]經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，申請?zhí)枮?0112053906L 7、公開號為CN202373561U、名稱為“大面積卷對卷柔性襯底表面噴射裂解硒源用裝置”的發(fā)明專利，包括硒源蒸發(fā)室和真空腔室內(nèi)的襯底，其特點(diǎn)是:所述硒源蒸發(fā)室的蒸氣出口通過管路連接有高溫裂解室；所述高溫裂解室腔體內(nèi)壁上固裝有兩層及以上布滿孔徑小于0.5mm的多孔柵板。該發(fā)明將高溫裂解硒蒸氣的方法應(yīng)用于CIGS薄膜共蒸發(fā)沉積工藝中，由Sen (η彡5)大原子團(tuán)裂解為Sen (η〈5)小原子團(tuán)，增加了高活性Se2的數(shù)量，提高了硒元素的反應(yīng)活性，裂解后的硒蒸氣充分參與其他各元素的化合反應(yīng)，提高了 CIGS薄膜成膜質(zhì)量。但是，由于Sen蒸氣在500°C以上的較高溫度下腐蝕裂解裝置，縮短了高溫裂解硒蒸氣裂解裝置的使用壽命，影響了 CIGS薄膜的連續(xù)化生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題而提供一種硒元素利用率高，硒元素與銦和鎵元素化合反應(yīng)充分，在襯底上形成的CIGS薄膜結(jié)晶質(zhì)量好、制作產(chǎn)品的設(shè)備使用壽命長，電池制作成本低，適用于大、小面積CIGS薄膜生產(chǎn)的射頻裂解硒蒸氣裝置的制備方法。
[0006]本發(fā)明包括如下技術(shù)方案::
[0007]射頻裂解硒蒸氣裝置的制備方法，包括制作屏蔽Se源裂解區(qū)域的裂解反應(yīng)殼體，裂解反應(yīng)殼體底部制作通過Se輸入管路通向裂解反應(yīng)殼體的Se原料罐，Se輸入管路上帶有Se管路閥門；裂解反應(yīng)殼體頂部制作裂解Se源噴嘴，其特點(diǎn)是還包括以下制作步驟:
[0008]⑴裂解反應(yīng)殼體中垂直方向安裝相互平行的底電極板和頂電極板；
[0009]⑵將Cl可調(diào)電容器、電阻和射頻電源并聯(lián)，其中一端與電感和可調(diào)電容器串聯(lián)后連接到裂解反應(yīng)殼體中的頂電極板上，另一端連接到裂解反應(yīng)殼體上并接地，形成RC振蕩電路；
[0010](3)將⑵中的RC振蕩電路用電路屏蔽殼體與外面隔離；
[0011]⑷在裂解反應(yīng)殼體的底部密封安裝帶有Ar管路閥門的Ar氣管，完成射頻裂解硒蒸氣裝置的制作過程。
[0012]本發(fā)明還可以采用如下技術(shù)措施:
[0013]所述Se輸入管路外周包有加熱絲。
[0014]本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果:
[0015]1、本發(fā)明在共蒸發(fā)沉積CIGS薄膜過程中，通過采用RC振蕩電路產(chǎn)生頻率射頻電場，在射頻電場中通入Ar氣，Ar氣在射頻電場的作用下形成等離子體的區(qū)域作為Se源裂解區(qū)域；無需高溫加熱，等離子體可將硒蒸氣中的大原子團(tuán)Sen (n ^ 5)撞擊裂解為小原子團(tuán)Sen (η < 5)或Se2分子或Se原子，不僅有效提高了硒蒸氣的化學(xué)活性，促進(jìn)了小原子團(tuán)Sen與蒸發(fā)的Cu、In、Ga元素之間的反應(yīng)，改善了 CIGS薄膜結(jié)晶質(zhì)量和化學(xué)成份比例及分布均勻，而且有效提高了硒原料的利用率，降低了電池的生產(chǎn)成本，避免了高溫環(huán)境下硒蒸氣對裂解裝置的腐蝕，延長了裂解硒源裝置的使用壽命長。
[0016]2、本發(fā)明通過控制Se源裂解區(qū)域的輸出功率控制等離子體密度，有效控制了硒蒸氣的裂解效果。
[0017]3、本發(fā)明在射頻裂解硒源裝置的蒸氣輸出端增加了加熱裝置，確保硒的小原子團(tuán)在裂解裝置內(nèi)輸運(yùn)的過程中不會因?yàn)槟芰炕驕囟鹊慕档投匦陆Y(jié)合成大原子團(tuán)，進(jìn)一步提高了硒蒸氣的化學(xué)活性，廣泛應(yīng)用于各種沉積CIGS薄膜的制作。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明制作的射頻裂解硒蒸氣裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2是圖1應(yīng)用于小型蒸發(fā)腔室共蒸發(fā)沉積CIGS薄膜系統(tǒng)示意圖；
[0020]圖3是圖1應(yīng)用于卷對卷蒸發(fā)沉積CIGS薄膜系統(tǒng)示意圖；
[0021]圖4是普通Se蒸發(fā)源制備的CIGS薄膜剖面形貌圖；
[0022]圖5是圖1裝置產(chǎn)生的Se蒸發(fā)源制備的CIGS薄膜剖面形貌圖；
[0023]圖6是采用本發(fā)明制備裝置裂解Se源和普通Se蒸發(fā)源制備CIGS薄膜的XRD對比圖譜。
[0024]圖中，1-Se原料罐，2-Se管路閥門，3_Se輸入管路，4_加熱絲，5_裂解反應(yīng)殼體，6-Ar管路閥門，7-Ar氣管，8-底電極板，9-頂電極板，10-等離子體，11-C2可調(diào)電容器，12-電感，13-C1可調(diào)電容器，14-電阻，15-射頻電源，16-電路屏蔽殼體，17-裂解Se源噴嘴，18-Se源裂解區(qū)域，19-Cu蒸發(fā)源，20_Ga蒸發(fā)源，21-1n蒸發(fā)源，22-蒸發(fā)源擋板，23-分子泵，24-襯底，25-襯底加熱器，26-小型蒸發(fā)腔室，27-支架，28-襯底放卷端，29-襯底收卷端,30-腔室壁,31-卷對卷蒸發(fā)腔室。
【具體實(shí)施方式】
[0025]為能進(jìn)一步公開本發(fā)明的
【發(fā)明內(nèi)容】
、特點(diǎn)及功效，特例舉以下實(shí)例并結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)說明如下:
[0026]射頻裂解硒蒸氣裝置的制備方法，包括制作屏蔽Se源裂解區(qū)域的裂解反應(yīng)殼體，裂解反應(yīng)殼體底部制作通過Se輸入管路通向裂解反應(yīng)殼體的Se原料罐，Se輸入管路上帶有Se管路閥門；裂解反應(yīng)殼體頂部制作裂解Se源噴嘴，其特點(diǎn)是還包括以下制作步驟:
[0027]⑴裂解反應(yīng)殼體中垂直方向安裝相互平行的底電極板和頂電極板；
[0028]⑵將Cl可調(diào)電容器、電阻和射頻電源并聯(lián)，其中一端與電感和可調(diào)電容器串聯(lián)后連接到裂解反應(yīng)殼體中的頂電極板上，另一端連接到裂解反應(yīng)殼體上并接地，形成RC振蕩電路；
[0029](3)將⑵中的RC振蕩電路用電路屏蔽殼體與外面隔離；
[0030]⑷在裂解反應(yīng)殼體的底部密封安裝帶有Ar管路閥門的Ar氣管，完成射頻裂解硒蒸氣裝置的制作過程。
[0031]所述Se輸入管路外周包有加熱絲。
[0032]1、采用本方法制作的射頻裂解硒蒸氣裝置在小型蒸發(fā)腔室裂解Se源共蒸發(fā)沉積CIGS薄膜的過程:
[0033]用外周包有加熱絲4的Se輸入管路3，通過Se管路閥門2將Se原料罐I和Se源裂解區(qū)域18中裂解反應(yīng)殼體5的下端連接為一體；裂解反應(yīng)殼體中裝有垂直方向相互平行的底電極板8和頂電極板9 ;裂解反應(yīng)殼體5的下面還有通過Ar管路閥門6通向Se源裂解區(qū)域內(nèi)的Ar氣管7 ;裂解反應(yīng)殼體的上面連接有通向Se源裂解區(qū)域的裂解Se源噴嘴17，Se源裂解區(qū)域的一側(cè)有置于電路屏蔽殼體16內(nèi)的RC振蕩電路；所述RC振蕩電路包括Cl可調(diào)電容器13、電阻14和射頻電源15并聯(lián)后的一端與電感12和C2可調(diào)電容器11串聯(lián)后連接到裂解反應(yīng)殼體中的頂電極板上；C1可調(diào)電容器、電阻和射頻電源并聯(lián)后的另一端連接到裂解反應(yīng)殼體上并接地，形成如附圖1所示的射頻裂解硒蒸氣裝置。
[0034]本發(fā)明制成的射頻裂解硒蒸氣裝置用于小型蒸發(fā)腔室中制備CIGS薄膜，將射頻裂解硒蒸氣裝置中包有加熱絲4的部分Se輸入管路3、SeSe源裂解區(qū)域18、裂解Se源噴嘴17置入如附圖2所示小型蒸發(fā)腔室26中；小型蒸發(fā)腔室的腔室壁30頂部固裝一個固定襯底24和位于襯底上面襯底加熱器25的支架27，腔室壁側(cè)面通有一個分子泵23，小型蒸發(fā)腔室中置有上面有蒸發(fā)源擋板22、下面有加熱器的Cu蒸發(fā)源19、Ga蒸發(fā)源20和In蒸發(fā)源21 ；Se原料罐I和Se管路閥門2位于小型蒸發(fā)腔室的外面。
[0035]工作時，將聚酰亞胺(PI)襯底或玻璃襯底固定于小型蒸發(fā)腔室的支架上，裂解Se源噴嘴距襯底下面的垂直距離約為1cm ;通過襯底上面的襯底加熱器將襯底加熱至400-500 0C，并保持溫度恒定；通過Cu蒸發(fā)源19、Ga蒸發(fā)源20和In蒸發(fā)源下面各自的加熱器分別加熱Cu蒸發(fā)源、Ga蒸發(fā)源和In蒸發(fā)源；其中，Cu蒸發(fā)源溫度在1200-1300°C范圍內(nèi)并保持恒定、In蒸發(fā)源溫度在800-900°C范圍內(nèi)并保持恒定、Ga蒸發(fā)源溫度在900_1000°C范圍內(nèi)并保持恒定；加熱Se原料罐至200-300°C，使罐內(nèi)的Se源料蒸發(fā)，形成大原子團(tuán)Sen(n ^ 5)蒸氣；將連接Se原料罐與