[发明专利]一种用于硒化处理的高活性硒源的产生方法及装置和应用

说明书

【技术领域】

本发明属于光伏发电及薄膜太阳电池技术领域，具体涉及多元化合物半导体材料特别是铜铟镓硒类薄膜材料制备中的高活性硒源的产生方法、装置以及应用。

【背景技术】

光伏发电既无噪音，又无污染，维护简单，资源分布广和永不枯竭等特点，工作寿命可达20～30年，是一种理想的清洁可再生能源。在当今矿物资源日渐贫乏和环境污染给人类社会可持续发展带来巨大压力的情况下，太阳能发电被认为是二十一世纪最重要的新能源，其发展潜力巨大。

在各种太阳电池中，薄膜电池由于其自身具备的耗材少，制造成本低，适用于柔性衬底等优点，是未来光伏产业的发展趋势。铜铟硒(简称CIS或CIGS)薄膜太阳电池以其成本低、性能稳定、抗辐射能力强、光电转换效率高(是目前各种薄膜太阳电池之首)，接近于目前市场主流产品晶体硅太阳电池转换效率，成本却是其1/2至1/3，在阴雨天光强下输出功率高于其它任何种类的太阳电池，被国际上称为下一时代最有前途的廉价太阳电池之一，有可能成为未来光伏电池的主流产品。以轻质柔性基片为衬底的铜铟硒电池不但保持着玻璃衬底太阳电池的优良性能，而且功率重量比超过1000W/Kg，无论是空间还是地面都具有非常广阔的市场前景。

铜铟镓硒薄膜是CIGS电池的核心材料，由铜、铟、镓、硒构成的多元化合物半导体材料，其元素配比是决定材料性能的主要因素。将铜铟镓硒薄膜制备的技术方法称为它的技术路线。目前主要分为“多元分步蒸发法”和“金属预置层后硒化法”两种技术路线，而且都已经实现了10MW以上的规模化生产，其他方法都是在这两类基础上发展起来的。由溅射法、蒸发法、电化学法、印刷法等制备的Cu，In，Ga金属预置层，在Se气氛或含有Se气氛中进行热处理(又称为硒化处理)，最终形成硒化物半导体材料，用来作为铜铟镓硒薄膜太阳电池吸收层。

在硒化工艺中，需要硒源提供硒气氛，硒化氢、固态硒是目前硒源的主要提供者。这两种源各有其自身的优缺点。硒化氢在常温下以气体的形式存在，在一定条件下能分解为氢气和硒原子，从而提供了高活性的硒原子，制备的薄膜均匀，重复性好，是目前应用的最多的硒源，国外采用后硒化技术路线的铜铟硒太阳电池生产路线所使用的硒源几乎都是硒化氢，其优点十分显著。但是，硒化氢是一种剧毒气体，人体吸入微量就会出现严重反应，甚至造成人员伤亡。因此运输储存困难，价格昂贵，对设备和工艺要求极为严格，使用时需要非常谨慎。

固态硒源就是加热固体硒，产生硒蒸汽，价格低廉且无毒，容易保存和运输。在使用中硒蒸汽内含有大量的硒原子链Se_n(2≤n≤8)，活性差，不容易参与反应，容易在薄膜表面形成脱附过程，造成薄膜的缺陷多、不均匀，重复性不好。由于硒蒸汽中含有大量不参与反应的硒原子，使用中造成硒材料的浪费较大。因此，固态硒源一直未能在CIGS太阳电池生产中作为硒化处理的硒源。

【发明内容】

本发明目的是克服现有硒源中的硒化氢和固态硒存在的上述不足，提供一种用于硒化处理的高活性硒源的产生方法及装置。

为实现上述目的，本发明首先提供了一种用于硒化处理的高活性硒源的产生方法，该方法包括：

第一、将固态硒加热蒸发产生硒蒸汽；

第二、向上步产生的硒蒸汽中并入氢气，或氢气与氩气的混合气体；

第三、将上步混合气体进行等离子体辉光分解与合成，得到硒化氢及高活性的固态硒硒气氛。

在第一步中固态硒加热蒸发温度为220℃到550℃之间。

第二步中并入的氢气与氩气的气体流量比为1∶10到10∶1之间。

第三步等离子体辉光分解与合成中，使用交流电源或直流脉冲电源产生等离子体使气体离化，由此分解硒蒸汽中的硒原子链，使硒原子与氢气反应产生硒化氢，以及高活性硒气氛的单原子硒。

其次，本发明提供了一种上述高活性硒源产生方法所使用的硒源产生装置，该装置包括一个密闭反应罐，反应罐内的下部放置固态硒源，反应罐外周与固态硒源对应位置为加热装置，在固态硒源上方的反应罐侧壁上设有一个用于通入氢气或氢气与氩气混合气体的气体输入端口，位于该气体输入端口上方的反应罐内设置与激励电源连接的阳极和阴极辉光电极，反应罐内位于辉光电极上方的部分构成硒化氢和高活性固态硒硒气氛反应腔，反应罐顶部设有用于向硒化反应室输出硒化氢及高活性硒气氛的气体输出端口。

所述的激励电源为交流电源或直流脉冲电源。

本发明还提供了上述方法产生的高活性硒源的应用：