專利名稱：一種銅銦鎵硒薄膜電池控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種銅銦鎵硒薄膜電池控制系統(tǒng)，尤其涉及一種共蒸發(fā)法制備銅銦鎵硒薄膜工藝中的控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著人類對化石能源(石油、煤、天然氣)等的大量開采和消耗，地球資源出現(xiàn)嚴(yán)重不足，大量CO2排放引起全球氣候變暖，達(dá)到了臨界狀態(tài)。為緩解能源緊張與隨之而來的環(huán)境問題，研究開發(fā)新的、可再生的替代能源成為當(dāng)前的迫切需要。太陽能的清潔性和取之不竭性特點(diǎn)，使其成為綠色新能源的重要組成部分，尤其是光伏電池，具有陸路和空間應(yīng)用雙重優(yōu)勢，更成為今后能源領(lǐng)域中重要的研究方向。銅銦鎵硒(CIGS)化合物薄膜太陽電池以其轉(zhuǎn)換效率高、長期穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)成為全球光伏界先進(jìn)太陽能電池。在CIGS薄膜的制備過程中，工藝流程的精確控制是制約薄膜質(zhì)量的關(guān)鍵，特別是要實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，就必須要具有穩(wěn)定、可靠的控制系統(tǒng)。但是，在實(shí)驗(yàn)室成果向市場轉(zhuǎn)化的過程中，實(shí)驗(yàn)室中分散工藝、手工制備的小面積組件與生產(chǎn)中連續(xù)工藝、自動(dòng)控制的大面積組件其技術(shù)要求相差甚遠(yuǎn)。國外在共蒸發(fā)薄膜制備中，通過精確控制蒸發(fā)源蒸發(fā)速率實(shí)現(xiàn)了大面積組件的批量生產(chǎn)。但采用蒸發(fā)速率實(shí)時(shí)測控技術(shù)，使得整個(gè)系統(tǒng)成本提高，控制復(fù)雜。因此，設(shè)計(jì)研究低成本的共蒸發(fā)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量大面積組件生產(chǎn)，是太陽能電池行業(yè)一直關(guān)注的重要問題。在CIGS大面積組件的批量生產(chǎn)中，共蒸發(fā)制備CIGS薄膜工藝通過精確控制蒸發(fā)源蒸發(fā)速率來實(shí)現(xiàn)，蒸發(fā)速率的控制通常采用原子吸收法或熒光光譜法。這種控制系統(tǒng)使用的蒸發(fā)源速率閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)備投資大、成本高，其精確度要求極其嚴(yán)格，控制難度很大。研究、設(shè)計(jì)國內(nèi)低成本共蒸發(fā)控制系統(tǒng)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。采用原子吸收法精確控制蒸發(fā)源蒸發(fā)速率所使用的監(jiān)測裝置，即原子吸收光譜儀主要由特征譜光源、原子化系統(tǒng)、光電檢測器、電子放大系統(tǒng)四個(gè)部分組成，其原理是:利用能發(fā)出特征譜的光源，待測元素原子化后可以吸收這一特征譜，通過測定特征輻射被吸收的大小，得出被測元素的含量。根據(jù)工藝需求的最優(yōu)元素配比設(shè)定光譜儀相關(guān)參數(shù)，光譜儀在線實(shí)時(shí)檢測各成分含量，即元素配比，并將其反饋給控制器，控制器通過調(diào)整各蒸發(fā)源溫度改變它們的蒸發(fā)速率，以期得到預(yù)想的元素配比。但是，原子吸收光譜儀價(jià)格很高，導(dǎo)致設(shè)備投資增大，同時(shí)，該閉環(huán)控制系統(tǒng)對精確度的要求極其嚴(yán)格，系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本很高，且控制難度很大。CIGS薄膜電池制備薄膜工藝中采用的三步共蒸發(fā)法下的工藝流程及控制原理如下:第一步:將基片溫度保持在某一穩(wěn)定值Tl，共蒸發(fā)沉積銦、鎵、硒，沉積一定時(shí)間，生成(IivxGax) 2Se3預(yù)直層。第二步:將基片溫度從Tl升為T2，然后改為恒功率控制基片加熱，使基片溫度保持恒定。蒸發(fā)沉積銅和硒，逐步與(IrvxGax)2Se3預(yù)置層發(fā)生反應(yīng)形成CIGS。反應(yīng)開始后，基片上薄膜成份逐漸從(IrvxGax)2Se3變?yōu)镃IGS，這兩種組分的物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)都比較小，所以基片可以維持恒溫狀態(tài)。當(dāng)薄膜中銅和硒含量達(dá)到反應(yīng)式所需量時(shí)，若繼續(xù)沉積，則反應(yīng)終止，薄膜生成新的CuxSe液相?！〤uxSe生成就表明銅的含量開始過剩。由于基片溫度是恒功率控制在T2,CuxSe是低熔點(diǎn)導(dǎo)電物質(zhì)，其熔點(diǎn)低于T2，與CIGS相及(IrvxGax) 2Se3相比較，薄膜表面由固相轉(zhuǎn)變成液相，薄膜熱傳輸系數(shù)發(fā)生巨變，薄膜自身不僅需要吸收大量熱能，液相薄膜向外熱輻射也較大，就影響了基片已建立的熱平衡，導(dǎo)致基片溫度快速下降。此時(shí)可判定薄膜已富銅，停止第二步蒸發(fā)。第三步:保持第二步的基底溫度，再蒸發(fā)沉積銦、鎵、硒一定時(shí)間，使表面形成輕微富銦層。為了消除第二步中產(chǎn)生的多余的CuxSe,第三步再沉積一定量的銦、鎵、硒，將CuxSe反應(yīng)生成CIGS，并形成表面光滑富銦的CIGS薄膜。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型目的在于一種銅銦鎵硒薄膜電池控制系統(tǒng)，尤其涉及一種共蒸發(fā)法制備銅銦鎵硒薄膜工藝中的控制系統(tǒng)。通過溫度變化為控制特征的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了銅銦鎵硒薄膜電池制備工藝低成本，以及通過控制系統(tǒng)直接影響系統(tǒng)制備CIGS薄膜的質(zhì)量。本實(shí)用新型的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種銅銦鎵硒薄膜電池控制系統(tǒng)，包括真空室、蒸發(fā)源、基片、加熱模塊和控制系統(tǒng)，其特征在于所述控制系統(tǒng)僅包括溫度控制系統(tǒng)。所述的控制系統(tǒng)為通過蒸發(fā)速率與溫度的函數(shù)關(guān)系協(xié)同控制蒸發(fā)速率的溫度控制系統(tǒng)。通過函數(shù)關(guān)系將溫度與蒸發(fā)速率兩個(gè)控制變量聯(lián)系在一起，從溫度即可得知蒸發(fā)速率，從而將現(xiàn)有技術(shù)中的速率、溫度雙控制簡化為本實(shí)用新型的溫度控制。本實(shí)用新型打破現(xiàn)有技術(shù)中通過精確控制蒸發(fā)源蒸發(fā)速率實(shí)現(xiàn)薄膜電池生產(chǎn)的現(xiàn)狀，利用在整個(gè)CIGS薄膜共蒸發(fā)生長過程中溫度控制貫穿于整個(gè)控制的特點(diǎn)，僅通過溫度控制系統(tǒng)對蒸發(fā)源和基片溫度的分析和控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對薄膜制備的有效控制。所述的溫度控制系統(tǒng)包括紅外測溫儀和在線掃描式紅外測溫儀。在所述真空室內(nèi)對應(yīng)共蒸發(fā)“三步法”的第一、二和三步區(qū)域的加熱模塊下方分別設(shè)置了 一個(gè)紅外測溫儀進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)控。在所述真空室內(nèi)對應(yīng)共蒸發(fā)“三步法”的第二和三步區(qū)域之間，加熱模塊的下方設(shè)置在線掃描式紅外測溫儀。降溫點(diǎn)通過此在線掃描式紅外測溫儀的測量來進(jìn)行判斷。整體來講，基片由進(jìn)片口進(jìn)入傳送系統(tǒng)后，傳動(dòng)過程中利用加熱模塊進(jìn)行加熱，同時(shí)進(jìn)行銅銦鎵硒蒸發(fā)源的蒸鍍，按照先蒸發(fā)鎵銦硒、再蒸發(fā)銅硒、最后補(bǔ)蒸銦鎵硒的流程進(jìn)行薄膜生長，蒸鍍完成后從出片口傳出?；砻鏈囟炔扇》墙佑|式測量，在第一、二、三步分別設(shè)置了一個(gè)紅外測溫儀進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)控；降溫點(diǎn)的判斷使用單獨(dú)設(shè)置在第二步與第三步之間的在線掃描式紅外測溫儀來測量，檢測其降溫點(diǎn)的確切位置，并由上位機(jī)做出相關(guān)控制。整個(gè)系統(tǒng)通過不斷調(diào)整蒸發(fā)源及基片的溫度段而形成不同的組合，最后達(dá)到對薄膜成份的最優(yōu)控制。所述加熱模塊采用加熱器熱輻射的方式。所述基片表面溫度采取非接觸式測量。在長方體形狀的真空室中，按蒸發(fā)序列設(shè)有鎵、銦、銅、硒蒸發(fā)源，薄膜蒸鍍過程以溫度為控制變量，其原理為:第一步蒸發(fā)鎵銦硒，將基片溫度控制在某一穩(wěn)定值Tl，沉積一定時(shí)間；第二步蒸發(fā)銅硒，將基片溫度從Tl升為T2，然后改為恒功率控制基片加熱，使基片溫度保持恒定進(jìn)行沉積，當(dāng)基片溫度出現(xiàn)快速下降時(shí)，停止第二步蒸發(fā)；第三步補(bǔ)蒸銦鎵硒，保持第二步的基片溫度，再蒸發(fā)沉積銦、鎵、硒一定時(shí)間。在薄膜沉積控制的過程中，蒸發(fā)速率直接受蒸發(fā)源溫度的影響，當(dāng)溫度升高時(shí)，各元素的蒸發(fā)速率變快，溫度降低時(shí)，蒸發(fā)速率減慢。薄膜厚度的變化與第一步各蒸發(fā)源的蒸發(fā)溫度直接相關(guān)，也就是第一步?jīng)Q定了整個(gè)流程中薄膜的厚度；薄膜成份的判斷可由第二步降溫點(diǎn)出現(xiàn)后第三步的蒸發(fā)時(shí)間來判斷，要使銅、銦、鎵之比控制在一定的范圍內(nèi)；薄膜的晶相結(jié)構(gòu)也直接與基片的溫度有關(guān)。因此，薄膜沉積系統(tǒng)中溫度的變化與薄膜多種特性相關(guān)性非常密切，通過精確控制各相關(guān)源與基片溫度的變化，就可達(dá)到對薄膜質(zhì)量的調(diào)整。本實(shí)用新型以“三步法”線性源共蒸發(fā)制備銅銦鎵硒薄膜設(shè)備為背景，以薄膜制備工藝和控制要求為基礎(chǔ)，從薄膜制備的低成本控制出發(fā)，設(shè)計(jì)以溫度這個(gè)簡單的測控元素為控制因子，以薄膜質(zhì)量為控制目標(biāo)的共蒸發(fā)薄膜制備控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對共蒸發(fā)薄膜成份、帶隙梯度分布和厚度均勻性等的控制，降低設(shè)備關(guān)鍵部件的成本和控制的難度，達(dá)到對基片上沉積薄膜成份的閉環(huán)控制。

圖1是本實(shí)用新型的銅銦鎵硒薄膜電池控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面通過實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，但不限于實(shí)施例的內(nèi)容。一種銅銦鎵硒薄膜電池控制系統(tǒng)，如圖1，包括真空室12、蒸發(fā)源6、7、8、9、基片1、加熱模塊2和溫度控制系統(tǒng)。所述的溫度控制系統(tǒng)包括紅外測溫儀4和在線掃描式紅外測溫儀5。在所述真空室12內(nèi)對應(yīng)共蒸發(fā)“三步法”的第一、二和三步區(qū)域的加熱模塊2下方分別設(shè)置了一個(gè)紅外測溫儀4進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)控。在所述真空室12內(nèi)對應(yīng)共蒸發(fā)“三步法”的第二和三步區(qū)域之間，加熱模塊2的下方設(shè)置在線掃描式紅外測溫儀5。降溫點(diǎn)通過此在線掃描式紅外測溫儀5的測量來進(jìn)行判斷。整體來講，基片I由進(jìn)片口 10進(jìn)入傳送系統(tǒng)后，傳動(dòng)過程中利用加熱模塊2進(jìn)行加熱，同時(shí)進(jìn)行蒸發(fā)源6、7、8、9的蒸鍍，按照先蒸發(fā)蒸發(fā)源鎵8、蒸發(fā)源銦7、蒸發(fā)源硒9，再蒸發(fā)蒸發(fā)源銅6、蒸發(fā)源硒9，最后補(bǔ)蒸蒸發(fā)源銦7、蒸發(fā)源鎵8、蒸發(fā)源硒9流程進(jìn)行薄膜生長，蒸鍍完成后從出片口 11傳出?；琁表面溫度采取非接觸式測量，在第一、二、三步分別設(shè)置了一個(gè)紅外測溫儀4進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)控；降溫點(diǎn)的判斷使用單獨(dú)設(shè)置在第二步與第三步之間的在線掃描式紅外測溫儀5來測量，檢測其降溫點(diǎn)的確切位置，并由上位機(jī)做出相關(guān)控制。整個(gè)系統(tǒng)通過不斷調(diào)整蒸發(fā)源6、7、8、9及基片I的溫度段而形成不同的組合，最后達(dá)到對薄膜成份的最優(yōu)控制。所述加熱模塊2采用加熱器熱輻射的方式。
權(quán)利要求1.一種銅銦鎵硒薄膜電池控制系統(tǒng)，包括真空室、蒸發(fā)源、基片、加熱模塊和控制系統(tǒng)，其特征在于所述控制系統(tǒng)僅包括溫度控制系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅銦鎵硒薄膜電池控制系統(tǒng)，其特征在于所述的控制系統(tǒng)為通過蒸發(fā)速率與溫度的函數(shù)關(guān)系協(xié)同控制蒸發(fā)速率的溫度控制系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅銦鎵硒薄膜電池控制系統(tǒng)，其特征在于所述的溫度控制系統(tǒng)包括紅外測溫儀和在線掃描式紅外測溫儀。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的銅銦鎵硒薄膜電池控制系統(tǒng)，其特征在于在所述真空室內(nèi)對應(yīng)共蒸發(fā)“三步法”的第一、二和三步區(qū)域的加熱模塊下方分別設(shè)置了一個(gè)紅外測溫儀。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的銅銦鎵硒薄膜電池控制系統(tǒng)，其特征在于在所述真空室內(nèi)對應(yīng)共蒸發(fā)“三步法”的第二和三步區(qū)域之間，加熱模塊的下方設(shè)置在線掃描式紅外測溫儀。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅銦鎵硒薄膜電池控制系統(tǒng)，其特征在于所述加熱模塊采用加熱器熱輻射的方式。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種銅銦鎵硒薄膜電池控制系統(tǒng)，尤其涉及一種共蒸發(fā)法制備銅銦鎵硒薄膜工藝中的控制系統(tǒng)，其包括真空室、蒸發(fā)源、基片、加熱模塊和控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)僅包括溫度控制系統(tǒng)。本實(shí)用新型通過溫度變化為控制特征的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了銅銦鎵硒薄膜電池制備工藝低成本，以及通過控制系統(tǒng)直接影響系統(tǒng)制備CIGS薄膜的質(zhì)量。
文檔編號(hào)C23C14/54GK203007382SQ20122073467
公開日2013年6月19日 申請日期2012年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月27日
發(fā)明者于素豪 申請人:漢能科技有限公司