[发明专利]一种铜铟镓硒硫薄膜的硒化硫化装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于铜铟镓硒硫薄膜的硒化硫化的技术领域，具体涉及一种铜铟镓硒硫薄膜的硒化硫化装置及方法。

背景技术

铜铟镓基薄膜太阳能电池以其转换效率高、弱光性能好、抗辐射性能强以及带隙可调等诸多优点引起了光伏领域的广泛关注。在2014年底，德国太阳能和氢能源研究中心(ZSW)制备出了转换效率达到21.7％的铜铟镓硒(CIGS)太阳电池，创下了新的世界纪录。铜铟硒基薄膜吸收层是铜铟硒基薄膜太阳能电池的核心部分，其材料属于I-III-IV族半导体材料，通过掺入镓(Ga)以及硫(S)元素并适当调控元素配比形成的铜铟镓硒硫(CIGSS)材料可以调节带隙，以提高其光吸收效率。吸收层薄膜的制备方法可分为真空法和非真空法，真空法主要包括三步共蒸法、溅射后硒化法；非真空法主要包括电沉积法、涂敷法、喷涂热解法等。大面积以及高效电池主要采用真空方法。其中溅射后硒化硫化的办法在产业化方面有较好的前景。

溅射后硒化硫化制备吸收层薄膜的工艺流程主要包括：在钠钙玻璃衬底上沉积钼薄膜形成底电极；沉积铜铟镓薄膜形成预制层；通过硒化与硫化反应形成铜铟镓硒硫薄膜。其中硒化硫化过程为核心工艺，反应设备以及反应流程会直接影响所得薄膜的质量。

现有的采用固态硒源、硫源的硒化硫化设备一般是单温区退火炉加热石英管或者双温区退火炉分别加热固态源与样品部分，低真空度通保护气体进行硒化或者硫化。单温区直接加热石英管的办法容易导致硒或者硫蒸汽充满整个石英管，造成石英管的污染，且单温区设备存在恒温区分布较小硒或者硫蒸汽会在低温区冷凝的问题，难以维持稳定的硒硫蒸汽压，因此硒化硫化效果不稳定。双温区退火炉两温区距离较近时难以精确控温，而两温区距离较远时蒸汽会在中间位置凝结，反应部分仍难以获得稳定的蒸汽压。

现有的硒化硫化升温方案一般采用恒定升温速率升至最高反应温度的办法，恒定升温速率难以保持升温过程中反应的均匀性。

发明内容

本发明为了解决上述铜铟硒硫薄膜硒化硫化过程中蒸汽压不稳定的技术问题，提供一种蒸汽压稳定，密封可靠的铜铟镓硒硫薄膜的硒化硫化装置及方法。

为了解决上述问题，本发明按以下技术方案予以实现的：

本发明所述用于铜铟镓硒硫薄膜的硒化硫化装置，包括石英管、设置在石英管内的反应单元、设置在所述石英管外的加热结构、用于密封所述石英管的管口密封部；所述石英管上设置有与真空泵组连接的连接组件；

所述反应单元包括坩埚，所述坩埚上设置有用于放置待处理的铜铟镓硒硫(CIGSS)薄膜以及固态源的容纳腔、用于密封所述坩埚的密封结构；

所述坩埚包括底壁和与底壁形成上方设有开口的容纳腔的侧壁；所述坩埚上设置有用于将所述容纳腔分隔成若干反应腔的分隔壁，所述分隔壁上设置有若干连接相邻反应腔的连通槽，所述连通槽设置在所述底壁的上方。

进一步地，所述坩埚为方形，所述分隔壁为两个，两个分隔壁均与所述坩埚中的一侧壁平行设置。

进一步地，所述密封结构包括中部密封盖和顶部密封盖，所述中部密封盖密封所述容纳腔的开口，所述顶部密封盖设置在所述中部密封盖上，并密封所述中部密封盖与坩埚之间的间隙。

进一步地，为了更好地加热石英管，还包括套设在所述石英管外的隔热罩。

进一步地，所述加热结构设置在所述隔热罩上，所述加热结构包括若干红外灯管，所述红外灯管上下两排平行设置，所述石英管设置在两排红外灯管之间。

进一步地，所述管口密封部包括与所述石英管管口配合的密封法兰、设置在密封法兰上的密封圈。

进一步地，所述连接组件包括设置在石英管上阀门，所述阀门一端与石英管连接，另一端与真空泵组连接。

进一步地，所述固态源为硒源、或硫源、或混合源。

进一步地，所述坩埚、中部密封盖、顶部密封盖为高导热材料制成，所述隔热罩为绝热材料制成。

根据权利铜铟镓硒硫薄膜的硒化硫化装置进行的硒化硫化方法，包括以下步骤：

S1、将定量的待处理的铜铟镓硒硫薄膜、以及固态源分别放置在坩埚内单独的反应腔内；

S2、利用中部密封盖密封坩埚的容纳腔，再将顶部密封盖密封中部密封盖与坩埚之间的间隙，形成反应单元；

S3、将反应单元关入石英管内对应加热结构的位置，密封石英管，并通过连接组件抽真空至1×10^-3Pa或以下；

S4、保持真空状态，打开加热结构，加热反应单元至100℃～200℃，维持此温度10min～15min；