[发明专利]半导体薄膜太阳能电池的制造系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及光伏太阳能电池制造技术领域，具体涉及一种半导体薄膜太阳能电池，特别是铜铟镓硒薄膜太阳能电池的制造系统和制造方法。

背景技术

随着能源消耗的不断增加，作为能源的主要来源，石油和煤炭的大量使用所导致的二氧化碳排放严重地污染生态环境，而且石油和煤炭资源也面临枯竭的境地，因此，寻求低碳排放而又取之不尽的可再生能源变得越来越紧迫，基于光伏效应的太阳能电池正是这样一种可再生新能源。当前，人们对太阳能的开发和利用日趋重视，市场对更大面积、更轻更薄且生产成本更低的新型太阳能电池的需求日益增加。在这些新型太阳能电池中，近年来开发出来的基于硅材料的合金薄膜太阳能电池，例如非晶硅和碲化镉薄膜太阳能电池，以其用硅量少、低成本、低能耗和高量产等特性，已成为太阳能电池发展的新趋势和新热点。虽然薄膜太阳能电池具有上述优势，但是非晶硅薄膜太阳能电池有光电转换效率低和稳定性欠佳等缺点；而碲化镉薄膜太阳能电池则有环保要求对镉金属的使用限制。

近年来，学术界又研制出了基于半导体铜铟镓硒等化合物(CuInGaSe₂，CIGS)的薄膜太阳能电池。铜铟镓硒薄膜太阳能电池具有生产成本低、污染小、不衰退、性能稳定、抗辐射能力强、弱光性能好等特点，光电转换效率居各种薄膜太阳能电池之首，接近于目前市场主流产品晶体硅太阳能电池的转换效率，而成本则是晶体硅电池的三分之一，被国际上称为“下一时代非常有前途的新型廉价薄膜太阳能电池”。此外，该电池具有柔和、均匀的黑色外观，是对外观有较高要求场所的理想选择，如大型建筑物的玻璃幕墙等，在现代化高层建筑等领域有很大市场，无论是在地面阳光发电还是在空间微小卫星动力电源的应用上具有广阔的市场前景。

铜铟镓硒化合物吸收薄膜的制造方法大体可分为两种，共蒸发法和预制体薄膜+硒化二步法。共蒸发法是直接一步的方法制备出高质量并有能带梯度的黄铜矿结构的CIGS晶体薄膜。然而，为了获得高质量的CIGS薄膜，共蒸发一步法实质上涉及了形成In(Ga)₂Se₃，富铜CIGS及少铜CIGS三个阶段，最终达到铜原子百分比为23.5％，铟原子百分比为19.5％，镓原子百分比为7％，硒原子百分比为50％的CIGS薄膜。显然，共蒸发法不仅要求随时间而变的精准的蒸发速度配比，而且要求玻璃基板被加热到420～600℃，对温度控制的要求苛刻，因为每当铜源温度波动20℃时，会导致50％铜蒸发速度的变化，难以形成大规模低成本量产。

另一种方法，预制体薄膜+硒化二步法是在玻璃基片保持在室温的情况下制得含铜、铟、镓的前驱体薄膜，然后把玻璃基片加热到400～600℃下进行硒化反应形成CIGS多晶薄膜。该方法较共蒸发法更简便易于大规模生产控制。在该方法中，前驱体薄膜可以采用热蒸发，或磁控溅射，或是纳米油墨涂覆等方法连续制备。硒化反应通常是在真空或惰性气氛室中，采用硒化氢或硒蒸气作为反应气体，于400～600℃下进行。为了增加产量，多片预制体基片可进行间歇式一次硒化或把多片预制体分别置于叠层式硒化腔体中进行。无论采用何种硒化反应方式，以往的硒化过程在真空腔室中都要经历一个升温和降温的过程，通过调节炉体内的电加热功率来控制炉体内温度，炉体温度变化可表现为一条经历升温、恒温和降温的工艺曲线，如150℃(恒温5分钟)、320℃(恒温5分钟)、420℃(恒温15分钟)和550℃(恒温15分钟)。这种升降温方式虽然简便易于实现，但升温和降温过程会有很大的温度冲击和波动，恒温过程中的温度稳定性和平稳性较差，而且升降温都需要很长时间，无法做到快速连续生产，每一个升/降温周期还会带来额外的能量损耗。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种半导体薄膜太阳能电池的制造系统和方法，能够在热化学反应生成化合物薄膜的过程中提供连续、平稳的变温反应条件，特别适合于高量产、连续、平稳地制造铜铟镓硒多晶薄膜太阳能吸收层。

一方面，本发明提供了一种半导体薄膜太阳能电池的制造系统，包括：

具有复数个固定温区的通道式多温区加热装置；

由复数个可调节气氛的热化学反应容器组成的生产线；以及

旋转机构和控制部件，所述控制部件控制所述旋转机构驱动所述生产线上的热化学反应容器顺序通过所述通道式多温区加热装置的复数个固定温区。

可选的，所述生产线固定不动，所述控制部件控制所述旋转机构驱动所述通道式多温区加热装置沿着生产线移动。

可选的，所述通道式多温区加热装置固定不动，所述控制部件控制所述旋转机构驱动生产线移动。