[实用新型]一种用于多阶段硒化硫化制备铜铟镓硒硫薄膜的装置

说明书

一种用于多阶段进行硒化硫化制备铜铟镓硒硫薄膜的装置，包括一个具有三温区的管式炉、两个蒸发腔室、一个反应腔室和三个与基底相连的推拉杆，推拉杆中安装有进气管道和排气管道，作用是炉腔内载气的供应和废气的处理。通过以下三个阶段就可以实现同时或多阶段的硒化、硫化反应：反应阶段，将抽屉状的基底推入蒸发腔室和反应腔室，令混合气体从蒸发腔室流向反应腔室进行反应；排气阶段，令混合气体从反应腔室回流到蒸发腔室，并从蒸发腔室排出；基底冷却阶段，通过推拉杆将基底拉至炉腔内的冷却区域进行冷却。其中，在排气阶段使混合气体回流，更大程度地减少硒蒸汽、硫蒸气在反应腔室和管道内的冷凝，避免阻塞管道。

技术领域

本实用新型涉及一种用于多阶段硒化硫化制备铜铟镓硒硫薄膜的装置，特别涉及一种需要分别控制硒、硫供应量且减少硒、硫在反应腔室和管道内冷凝的装置结构。

背景技术

太阳能不仅是一种清洁可再生能源，而且还具有储量丰富的优势，所以对太阳能的开发和利用是符合可持续发展观的。太阳能电池的发明就是使用太阳能的实例之一，而薄膜太阳能电池的制备因为使用材料少，更是具有低成本的优势；其中铜铟镓硒(CIGS)便是一种比较具有前景的材料，尤其是因为它高效稳定且带隙可调的特点，使CIGS太阳能电池成为研究的重要方向。CIGS是一种黄铜矿结构的直接带隙半导体材料，In和Ga在黄铜矿结构中占据相同位置，研究发现当In、Ga含量变化时会CIGS材料的带隙宽度，从而有效地控制带隙分布。除此之外，CIGS材料也具有高的吸收系数(10⁵cm^-1)，只需要厚度1μm左右的CIGS薄膜就可以吸收绝大多数的入射光。

CIGS层作为CIGS太阳能电池的吸收层，已经开发出了很多制备方法，主要可分为真空法和溶液法。最普遍的真空法是共蒸发法和溅射后硒化的方法，这两种方法制备出的薄膜都具有结晶度高的优势，往往能获得效率更高的电池器件，但因为使用了真空设备，制备成本相对较高；而溶液法具有低成本优势，并且也具有制备出稳定、高效太阳能电池的潜力，例如：旋涂、电沉积、丝网印刷、喷墨沉积等，缺点则是相较于真空法制备出的薄膜，溶液法的薄膜可能会因为有机添加剂未完全去除导致结晶性普遍较差，晶粒尺寸相对较小，但可以通过改进制备工艺(预退火)来减少薄膜中的有机残留物。另外，真空法和溶液法都可以相对方便的控制不同元素在吸收层中的含量；真空法可以控制各组分蒸发速率、溅射速率以及制备时间来控制薄膜的各成分含量；溶液法则是控制浆料的组分、镀膜次数、镀膜顺序，来获得不同成分分布的预制层。

研究发现CIGS层的双梯度带隙更有利于提高电池性能(doi:10.7567/jjap.57.08rc08)，

靠近背电极处的宽带隙，有利于形成背电场，促进载流子的收集，吸收层中间位置窄带隙有利于长波光的吸收，靠近缓冲层处的宽带隙有利于提高开路电压。目前，最容易实现CIGS带隙双梯度分布的制备方法是共蒸发法，因为在制备过程中，In具有比Ga更快的扩散速率，导致更容易形成中间富铟而两侧富Ga的CIGS薄膜，从而实现了带隙双梯度分布(doi:10.1149/1.2208011)。而在其它的尤其涉及到硒化的CIGS制备方法中很难出现双梯度带隙分布，原因是在硒化过程中发生了Ga向背电极聚集，导致靠近背电极富Ga出现宽带隙，靠近缓冲层富In出现窄带隙(doi:10.1002/pip.1246)。因此，实现CIGS层上表面宽带隙可以进一步改善电池性能。

S掺杂同样是调节CIGS带隙宽度的一种方法，形成的铜铟镓硒硫(CIGSeS)中S/Se的比例越大，带隙宽度越大(申杏粉.CIGS吸收层的带隙调控及其光电特性[D].河南大学,2019.)。现有研究发现，硒化程度越低，越有利于S的掺杂(doi：

10.1016/j.tsf.2008.10.127)，而蒸发温度、载气流速、反应时间等都是控制硒化程度的关键因素(doi：10.1063/1.3141755)。因此，需要设计一个可以连续或同时进行硒化、硫化，且硒化、硫化程度可控的装置。

实用新型内容