[实用新型]一种铜铟镓硒薄膜电池控制系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种铜铟镓硒薄膜电池控制系统，尤其涉及一种共蒸发法制备铜铟镓硒薄膜工艺中的控制系统。

背景技术

随着人类对化石能源(石油、煤、天然气)等的大量开采和消耗，地球资源出现严重不足，大量CO₂排放引起全球气候变暖，达到了临界状态。为缓解能源紧张与随之而来的环境问题，研究开发新的、可再生的替代能源成为当前的迫切需要。太阳能的清洁性和取之不竭性特点，使其成为绿色新能源的重要组成部分，尤其是光伏电池，具有陆路和空间应用双重优势，更成为今后能源领域中重要的研究方向。铜铟镓硒(CIGS)化合物薄膜太阳电池以其转换效率高、长期稳定性好、抗辐射能力强等优点成为全球光伏界先进太阳能电池。

在CIGS薄膜的制备过程中，工艺流程的精确控制是制约薄膜质量的关键，特别是要实现批量化生产，就必须要具有稳定、可靠的控制系统。但是，在实验室成果向市场转化的过程中，实验室中分散工艺、手工制备的小面积组件与生产中连续工艺、自动控制的大面积组件其技术要求相差甚远。国外在共蒸发薄膜制备中，通过精确控制蒸发源蒸发速率实现了大面积组件的批量生产。但采用蒸发速率实时测控技术，使得整个系统成本提高，控制复杂。因此，设计研究低成本的共蒸发控制系统，实现高质量大面积组件生产，是太阳能电池行业一直关注的重要问题。

在CIGS大面积组件的批量生产中，共蒸发制备CIGS薄膜工艺通过精确控制蒸发源蒸发速率来实现,蒸发速率的控制通常采用原子吸收法或荧光光谱法。这种控制系统使用的蒸发源速率闭环控制系统的设备投资大、成本高，其精确度要求极其严格，控制难度很大。研究、设计国内低成本共蒸发控制系统具有非常广阔的应用前景。采用原子吸收法精确控制蒸发源蒸发速率所使用的监测装置，即原子吸收光谱仪主要由特征谱光源、原子化系统、光电检测器、电子放大系统四个部分组成，其原理是：利用能发出特征谱的光源，待测元素原子化后可以吸收这一特征谱，通过测定特征辐射被吸收的大小，得出被测元素的含量。根据工艺需求的最优元素配比设定光谱仪相关参数，光谱仪在线实时检测各成分含量，即元素配比，并将其反馈给控制器，控制器通过调整各蒸发源温度改变它们的蒸发速率，以期得到预想的元素配比。但是，原子吸收光谱仪价格很高，导致设备投资增大，同时，该闭环控制系统对精确度的要求极其严格，系统设计成本很高，且控制难度很大。

CIGS薄膜电池制备薄膜工艺中采用的三步共蒸发法下的工艺流程及控制原理如下:

第一步：将基片温度保持在某一稳定值T1，共蒸发沉积铟、镓、硒，沉积一定时间，生成(In_1-xGa_x)₂Se₃预置层。

第二步：将基片温度从T1升为T2，然后改为恒功率控制基片加热，使基片温度保持恒定。蒸发沉积铜和硒，逐步与(In_1-xGa_x)₂Se₃预置层发生反应形成CIGS。

反应开始后，基片上薄膜成份逐渐从(In_1-xGa_x)₂Se₃变为CIGS，这两种组分的物质导热系数都比较小，所以基片可以维持恒温状态。当薄膜中铜和硒含量达到反应式所需量时，若继续沉积，则反应终止，薄膜生成新的Cu_xSe液相。

一旦Cu_xSe生成就表明铜的含量开始过剩。由于基片温度是恒功率控制在T2，Cu_xSe是低熔点导电物质，其熔点低于T2，与CIGS相及(In_1-xGa_x)₂Se₃相比较，薄膜表面由固相转变成液相，薄膜热传输系数发生巨变，薄膜自身不仅需要吸收大量热能，液相薄膜向外热辐射也较大，就影响了基片已建立的热平衡，导致基片温度快速下降。此时可判定薄膜已富铜，停止第二步蒸发。

第三步：保持第二步的基底温度，再蒸发沉积铟、镓、硒一定时间，使表面形成轻微富铟层。为了消除第二步中产生的多余的Cu_xSe，第三步再沉积一定量的铟、镓、硒，将Cu_xSe反应生成CIGS，并形成表面光滑富铟的CIGS薄膜。

实用新型内容