[发明专利]一种基于连续蒸发工艺制备梯度带隙光吸收层的方法和装置

摘要

本发明公开了一种基于连续蒸发工艺制备梯度带隙光吸收层的方法和装置，该方法和装置基于连续蒸发工艺，通过控制Ga、In和Cu等金属蒸发源的蒸发速率，设计各元素的蒸发顺序以及工艺流程，可在柔性衬底以及刚性衬底上连续制备出具有合适带隙梯度的大面积CIGS吸收层。同时，通过设计连续蒸发的工艺流程可控制元素扩散等薄膜生长过程，能够制备出具有较好结晶质量的CIGS薄膜，提高柔性CIGS薄膜太阳电池的性能。相比于先前的专利，该方法涉及工艺步骤少，技术方案简单，得到的CIGS薄膜带隙梯度结构简单、连续，而且易于实现吸收层的连续化沉积。

主权项

一种基于连续蒸发工艺制备梯度带隙光吸收层的装置，其特征在于，包括三个沉积腔室、真空阀门和抽真空系统，抽真空系统(17)位于装置两端，用于维持装置镀膜时腔室的真空度，在沉积腔室与抽真空系统之间安装真空阀门(16)；三个沉积腔室从左向右依次为第一腔室(8)、第二腔室(9)和第三腔室(10)，三个沉积腔室之间通过不锈钢板焊接，使用Mo金属板对相邻箱体进行隔离，Mo板高度高于蒸发源的位置而低于柔性衬底的位置；在所述第一腔室(8)中自左至右均匀分布四列不同金属元素的蒸发源，每列为同一种金属元素，两个对称倾斜摆放的圆柱状蒸发源，分布于衬底幅宽方向两侧的边沿处，对应在每个蒸发源的下面有一个蒸发源加热器；自左至右的蒸发源称作第一腔室Ga源(20)、第一腔室In源(22)、第一腔室Se源(24)；对应的加热器为第一腔室Ga源加热器(21)、第一腔室In源加热器(23)、第一腔室Se源加热器(25)；在所述第二腔室(9)中自左至右均布固装四列不同种类材料的蒸发源，每列为同一种类、两个对称倾斜摆放的圆柱状蒸发源，分布于衬底幅宽方向两侧的边沿处，对应在每个蒸发源的下面有一个蒸发源加热器；自左至右的蒸发源称作第二腔室Se源(26)、第二腔室Ga源(30)、第二腔室In源(32)、第二腔室Cu源(28)；对应的加热器为第二腔室Se源加热器(27)、第二腔室Ga源加热器(31)、第二腔室In源加热器(33)、第二腔室Cu源加热器(29)；在所述第三腔室(10)中自作至右均布固装三列不同种类材料的蒸发源，每列为同一种类、两个对称倾斜摆放的圆柱状蒸发源，分布于衬底幅宽方向两侧的边沿处，对应在每个蒸发源的下面有一个蒸发源加热器；自左至右的蒸发源称作第三腔室Ga源(34)、第三腔室In源(36)、第三腔室NaF蒸发源(38)，第三腔室Se蒸发源(40)；对应的加热器为第三腔室Ga源加热器(35)、第三腔室In源加热器(37)、第三腔室NaF源加热器(39)、第三腔室Se源加热器(41)；以上各蒸发源上均固装有测量温度的热电偶，将测量的信号反馈给位于沉积薄膜室外面的PID程序控制器，由PID程序控制器控制对应加热装置是否启动，以此控制各蒸发源的蒸发速率以及升温速率；整个沉积腔室上部分别架有两个位于同一平面且相互平行的滚轴作为始端滚轴(11)和终端滚轴(12)，始端滚轴上有卷状镀有Mo电极的不锈钢、钛箔或聚酰亚胺塑料作为柔性衬底(15)，柔性衬底的外端头固装于终端滚轴表面，两滚轴之间的柔性衬底形成水平平面，镀有Mo电极的一面位于水平平面的下方，柔性衬底行进时，始端滚轴和终端滚轴形成卷对卷转动；衬底上方安装有衬底加热装置，分别是第一腔室衬底加热装置(13)，第二腔室衬底加热装置(14)和第三腔室衬底加热装置(18)；在第一与第二腔室，以及第二和第三腔室之间分别安装有原位X荧光光谱装置(19)，用于在线检测IGS薄膜的厚度和Ga含量，以及薄膜沉积过程中的Max[Cu/(In+Ga)]，并根据测试结果反馈电信号给蒸发源加热控制系统，用于控制各金属蒸发源蒸发速率。