專利名稱:一種柔性襯底上卷對卷制備高結合力吸收層的裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種柔性襯底上卷對卷制備高結合力吸收層的裝置。本實用新型屬于銅銦鎵硒薄膜太陽電池【技術領域】。一種柔性襯底上卷對卷制備高結合力吸收層的裝置，包括沉積應力緩沖層的腔室、沉積CIGS薄膜的腔室、真空閥門、抽真空機構，抽真空機構通過真空閥門連通真空室；真空室上部有兩個位于同一平面且相互平行的滾軸作為柔性卷狀襯底放卷端滾軸和收卷端滾軸，襯底上方安裝有襯底加熱裝置；沉積應力緩沖層的腔室和沉積CIGS薄膜的腔室，自左至右均勻分布安裝四列蒸發(fā)源，每個蒸發(fā)源的下面有一個蒸發(fā)源加熱器。本實用新型具有能夠獲得高結合力CIGS吸收層，能夠有效提高柔性CIGS薄膜太陽電池的性能和成品率等優(yōu)點。
【專利說明】一種柔性襯底上卷對卷制備高結合力吸收層的裝置

【技術領域】
[0001]本實用新型屬于銅銦鎵硒薄膜太陽電池【技術領域】，特別是涉及一種柔性襯底上卷對卷制備高結合力吸收層的裝置。

【背景技術】
[0002]目前，柔性襯底銅銦鎵硒(Cu (In, Ga) Se2,簡稱CIGS)薄膜太陽電池具有質量比功率高、抗輻射能力強、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，特別是柔性襯底CIGS薄膜電池，其質量比功率一般大于600W/kg,而且電池組件適合卷對卷制備和單片集成。
[0003]實驗室中獲得高效率CIGS薄膜太陽電池的關鍵是提高CIGS吸收層結晶質量，優(yōu)化其光電性質，這也是商業(yè)化生產中提高電池組件成品率，降低成本的基礎。然而，對于柔性襯底，特別是聚酰亞胺塑料襯底(Polyimide，簡稱PI襯底)，除了吸收層結構和光電性質夕卜，CIGS薄膜與襯底和底電極之間的結合力也是影響電池性能的重要因素之一。薄膜層之間的結合力與材料的熱膨脹系數和內部應力有關。由于PI襯底、Mo電極和CIGS吸收層之間的熱膨脹系數差別較大，在CIGS吸收層生長過程中，PI襯底受熱發(fā)生形變，使CIGS薄膜內部積累了較大應力，容易導致吸收層開裂，甚至脫落，從而影響電池的性能和成品率。
[0004]先前有專利(專利號:CN201210464942.6和專利號:CN201210495682)提出了在柔性襯底上制備小面積CIGS吸收層的方法和裝置，專利(專利號:CN201210035806)提出了卷對卷制備大面積CIGS薄膜的方法和裝置。這些專利在PI襯底/Mo薄膜上直接沉積CIGS吸收層，沉積裝置沒有沉積應力緩沖層的功能。實驗結果證明，按照上述專利提出的電池結構和制備方法沉積的CIGS薄膜與襯底和底電極的結合力較差，吸收層裂痕較多，部分吸收層甚至出現脫落現象，如圖3(a)所示。這將導致柔性CIGS薄膜太陽電池性能下降，甚至失效，如圖3 (a)所示。CIGS吸收層在化學水浴、濺射沉積等后續(xù)工藝處理中，脫落問題會更加嚴重，對電池的性能和成品率造成很大影響。


【發(fā)明內容】

[0005]本實用新型為解決公知技術中存在的技術問題而提供一種柔性襯底上卷對卷制備高結合力吸收層的裝置。
[0006]本實用新型的目的是提供一種能夠獲得高結合力CIGS吸收層，有效避免了柔性襯底上的CIGS薄膜因內應力而開裂、甚至脫落等問題，能夠有效提高柔性CIGS薄膜太陽電池的性能和成品率等特點的柔性襯底上卷對卷制備高結合力吸收層的裝置。
[0007]本實用新型柔性襯底上卷對卷制備高結合力吸收層的裝置，包含兩個相互連通的真空腔室，第一個腔室用于沉積(Irvx, GaJ2Se3 (簡稱IGS)應力緩沖層，第二個腔室用于沉積CIGS薄膜。通過制備應力緩沖層，在柔性襯底上獲得了具有高結合力的CIGS吸收層，避免了薄膜脫落問題，能夠有效提高柔性CIGS薄膜太陽電池的性能和成品率。
[0008]本實用新型柔性襯底上卷對卷制備高結合力吸收層的裝置所采取的技術方案是:
[0009]一種柔性襯底上卷對卷制備高結合力吸收層的裝置，其特點是:柔性襯底上卷對卷制備高結合力吸收層的裝置包括沉積應力緩沖層的腔室、沉積CIGS薄膜的腔室、真空閥門、抽真空機構，抽真空機構通過真空閥門連通真空室；真空室上部有兩個位于同一平面且相互平行的滾軸作為柔性卷狀襯底放卷端滾軸和收卷端滾軸，襯底上方安裝有襯底加熱裝置，襯底加熱裝置分為沉積應力緩沖層的腔室襯底加熱裝置和沉積CIGS薄膜的腔室襯底加熱裝置；沉積應力緩沖層的腔室自左至右均勻分布安裝四列蒸發(fā)源，每個蒸發(fā)源的下面有一個蒸發(fā)源加熱器；沉積CIGS薄膜的腔室自左至右均勻分布安裝四列蒸發(fā)源，每個蒸發(fā)源的下面有一個蒸發(fā)源加熱器。
[0010]本實用新型柔性襯底上卷對卷制備高結合力吸收層的裝置還可以采用如下技術方案:
[0011]所述的柔性襯底上卷對卷制備高結合力吸收層的裝置，其特點是:抽真空機構位于真空室兩端，沉積應力緩沖層的腔室、沉積CIGS薄膜的腔室與抽真空機構之間安裝有真空閥門。
[0012]所述的柔性襯底上卷對卷制備高結合力吸收層的裝置，其特點是:沉積應力緩沖層的腔室自左至右均勻分布安裝的四列蒸發(fā)源，每列為兩個對稱傾斜擺放的圓柱狀蒸發(fā)源，分布于襯底幅寬方向兩側的邊沿處。
[0013]所述的柔性襯底上卷對卷制備高結合力吸收層的裝置，其特點是:沉積CIGS薄膜的腔室自左至右均勻分布安裝的四列蒸發(fā)源，每列為兩個對稱傾斜擺放的圓柱狀蒸發(fā)源，分布于襯底幅寬方向兩側的邊沿處。
[0014]本實用新型具有的優(yōu)點和積極效果是:
[0015]柔性襯底上卷對卷制備高結合力吸收層的裝置由于采用了本實用新型全新的技術方案，與現有技術相比，本實用新型具有以下特點:
[0016]1、本實用新型設計了專門用于沉積應力緩沖層的真空腔室。在沉積CIGS吸收層之前，首先沉積一定厚度的IGS應力緩沖層，其熱膨脹系數與PI襯底和CIGS材料之間的差別較小，與Mo電極的結合力比CIGS吸收層強。當PI襯底受熱發(fā)生形變時，IGS層有效緩解了 CIGS薄膜成核、結晶過程中積累的內部應力，獲得了高結合力的CIGS吸收層，避免了柔性襯底上的CIGS薄膜因內應力而開裂、甚至脫落的問題，如附圖3所示。
[0017]2、本實用新型設計了專門用于沉積應力緩沖層的真空腔室。其中包括NaF蒸發(fā)源，在沉積緩沖層的同時可以蒸發(fā)NaF，得到含Na的IGS應力緩沖層。Na原子通過擴散進入后續(xù)沉積的銅銦鎵硒薄膜中，可以改善吸收層的電學性質。同時避免了單獨沉積NaF層對CIGS薄膜與PI/Mo襯底結合力的影響。

【附圖說明】

[0018]圖1是本實用新型在柔性襯底上卷對卷制備高結合力吸收層的裝置結構示意圖；
[0019]圖中:9_沉積應力緩沖層的腔室(稱為第一室)；10-沉積CIGS薄膜的腔室(稱為第二室)；11-放卷端滾軸；12-收卷端滾軸；13-第一室對應襯底加熱器；14-第二室對應襯底加熱器；15-柔性襯底；16-真空閥門；17-抽真空系統；18-第一室Ga蒸發(fā)源；19_第一室Ga源加熱器；20_第一室In蒸發(fā)源；21_第一室In源加熱器；22_第一室NaF蒸發(fā)源；23-第一室NaF源加熱器；24_第一室Se蒸發(fā)源；25_第一室Se源加熱器；26_第二室Se蒸發(fā)源；27-第二室Se源加熱器；28_第二室Cu蒸發(fā)源；29_第二室Cu源加熱器；30_第二室Ga蒸發(fā)源；31_第二室Ga源加熱器；32_第二室In蒸發(fā)源；33_第二室In源加熱器。
[0020]圖2具有高結合力吸收層的柔性CIGS薄膜太陽電池結構；
[0021]圖中:1-柵電極；2-窗口層1-Zn0&Zn0:Al ;3_n型CdS緩沖層；4_CIGS吸收層；5-1GS應力緩沖層；6-Mo電極層；7_柔性襯底；8_柔性CIGS薄膜太陽電池。
[0022]圖3是PI襯底/Mo結構上沉積的CIGS吸收層外觀形貌的照片，(a)圖中CIGS薄膜直接沉積在PI襯底/Mo電極上，(b)圖中在CIGS薄膜與PI襯底/Mo電極結構之間設計T (Irvx, GaJ2Se3薄膜 0.2<x<0.8 應力緩沖層。

【具體實施方式】
[0023]為能進一步了解本實用新型的實用新型內容、特點及功效，茲例舉以下實施例，并配合附圖詳細說明如下:
[0024]參閱附圖1、圖2和圖3。
[0025]實施例1
[0026]一種柔性襯底上卷對卷制備高結合力吸收層的裝置，適用于以卷對卷共蒸發(fā)工藝為技術路線，所述柔性襯底包括金屬箔片，如Ti箔片、不銹鋼片、Cu箔片等，襯底厚度為50-100 μ m ;或者為塑料襯底，如聚酰亞胺(PI)等，襯底厚度為25-50 μ m。在柔性襯底/Mo薄膜上沉積大面積CIGS吸收層。按照附圖2所示的結構制備大面積柔性CIGS薄膜太陽電池。
[0027]柔性襯底上卷對卷制備高結合力吸收層的裝置整體呈長方體形狀，使用#316不銹鋼板，通過無縫焊接工藝制成；在真空腔體表面無縫焊接了水冷管路，通入的冷水溫度在10°C左右。裝置包括兩個沉積腔室、真空閥門和抽真空系統。兩個沉積腔室(從左向右)分別為沉積應力緩沖層腔室9 (簡稱第一室)和沉積CIGS薄膜的腔室10 (簡稱第二室)。抽真空系統17位于裝置兩端，用于維持裝置鍍膜時腔室的真空度。在第一、二室與抽真空系統之間安裝真空閥門16。真空室上部有兩個位于同一平面且相互平行的滾軸作為放卷端滾軸11和收卷端滾軸12，放卷端滾軸上安裝了整卷鍍有Mo電極的柔性襯底15(如不銹鋼、鈦箔或聚酰亞胺塑料等)，卷狀襯底的兩端分別固裝于放卷端滾軸11和收卷端滾軸12，兩滾軸之間的柔性襯底形成水平平面，鍍有Mo電極的一面位于水平平面的下方，柔性襯底移動時，放卷端滾軸和收卷端滾軸形成卷對卷轉動。襯底上方安裝有襯底加熱裝置，分別是第一室襯底加熱裝置13，第二室襯底加熱裝置14。
[0028]第一室作為沉積(In1- Gax)2Se3(簡稱IGS)應力緩沖層腔室，自左至右均勻分布安裝四列不同蒸發(fā)源，每列為同一種元素或化合物、兩個對稱傾斜擺放的圓柱狀蒸發(fā)源；分布于襯底幅寬方向兩側的邊沿處，對應在每個蒸發(fā)源的下面有一個蒸發(fā)源加熱器；自左至右的蒸發(fā)源稱作第一室Ga蒸發(fā)源18、第一室In蒸發(fā)源20、第一室NaF蒸發(fā)源22、第一室Se蒸發(fā)源24 ;對應的加熱器為第一室Ga源加熱器19、第一室In源加熱器21、第一室NaF源加熱器23、第一室Se源加熱器25。其中，NaF源22用于在IGS應力緩沖層中摻入堿金屬素。
[0029]第二腔室作為CIGS薄膜沉積腔室，自左至右均勻分布安裝四列不同蒸發(fā)源，每列為同一種元素、兩個對稱傾斜擺放的圓柱狀蒸發(fā)源；分布于襯底幅寬方向兩側的邊沿處，對應在每個蒸發(fā)源的下面有一個蒸發(fā)源加熱器；自左至右的蒸發(fā)源稱作第二室Se蒸發(fā)源26、第二室Cu蒸發(fā)源28、第二室Ga蒸發(fā)源30、第二室In蒸發(fā)源32 ;對應的加熱器為第二室Se源加熱器27、第二室Cu源加熱器29、第二室Ga源加熱器31、第二室In源加熱器33。
[0030]以上各蒸發(fā)源上均固裝有測量溫度的熱電偶，將測量的信號反饋給位于沉積薄膜室外面的PID程序控制器，由PID程序控制器控制對應加熱裝置是否啟動，以此控制各蒸發(fā)源的蒸發(fā)速率以及升溫速率。
[0031]采用附圖1所示的裝置制備高結合力吸收層薄膜，具體工藝如下:首先，柔使用磁控濺射的方法在柔性襯底上沉積0.8 μ m厚的Mo背電極。在第一室中，卷對卷蒸發(fā)沉積IGS應力緩沖層，該層膜的厚度約為lOOnm-lOOOnm。沉積過程中，第一腔室的真空壓強保持在lX10_3Pa左右，襯底溫度在350°C?480°C之間范圍內保持恒定，襯底以50mm/min的速度依次通過Ga和In蒸發(fā)源，腔室中始終保持足夠的Se氣氛，以保證沉積到襯底上的In、Ga元素與Se元素充分反應,形成(In1-Gax)2SeJgc Ga、In蒸發(fā)源的溫度分別恒定為900°C-1100°C、800°C-1000°C，Se蒸發(fā)源在250°C?350°C范圍內保持恒定?？梢栽诔练e緩沖層的同時蒸發(fā)NaF，蒸發(fā)溫度為600°C -800°C。薄膜沉積速率約為20nm/min，得到合適厚度的IGS薄膜。然后，襯底進入第二室，在IGS薄膜上進行CIGS吸收層沉積。第二腔室的真空壓強保持在IXlO-3Pa左右，襯底溫度在400°C _480°C之間恒定，襯底以20mm/min的速度依次通過Cu、Ga和In蒸發(fā)源，各源的蒸發(fā)溫度為1200-1400°C、900°C -1100°C和800°C -1000°C。Se蒸發(fā)源在250°C?350°C范圍內保持恒定，以保證足夠的Se飽和蒸汽壓。銅銦鎵硒薄膜的沉積速率約為50nm/min。最終得到厚度為1.5-2 μ m的CIGS吸收層。如附圖3所示的實驗結果，設計一定厚度的IGS緩沖層有效改善了 CIGS吸收層在PI襯底/Mo薄膜上的附著性，避免了 CIGS吸收層的脫落問題。通過改進IGS薄膜厚度，優(yōu)化了 CIGS薄膜生長和結晶過程。
[0032]按照附圖2所示的電池結構，在CIGS吸收層上依次用卷對卷化學水浴法沉積50nm厚度的CdS緩沖層，用卷對卷射頻磁控濺射法沉積1-Zn0/Zn0:Al窗口層，兩層薄膜的厚度分別為50nm和500nm。最后使用卷對卷絲網印刷工藝制備Ag或Al柵電極，Ag或Al厚度為2 μ m，得到大面積柔性CIGS薄膜太陽電池。
[0033]本實施例具有所述的能夠獲得高結合力CIGS吸收層，有效避免了柔性襯底上的CIGS薄膜因內應力而開裂、甚至脫落等問題，能夠有效提高柔性CIGS薄膜太陽電池的性能和成品率等積極效果。
【權利要求】
1.一種柔性襯底上卷對卷制備高結合力吸收層的裝置，其特征是:柔性襯底上卷對卷制備高結合力吸收層的裝置包括沉積應力緩沖層的腔室、沉積CIGS薄膜的腔室、真空閥門、抽真空機構，抽真空機構通過真空閥門連通真空室；真空室上部有兩個位于同一平面且相互平行的滾軸作為柔性卷狀襯底放卷端滾軸和收卷端滾軸，襯底上方安裝有襯底加熱裝置，襯底加熱裝置分為沉積應力緩沖層的腔室襯底加熱裝置和沉積CIGS薄膜的腔室襯底加熱裝置；沉積應力緩沖層的腔室自左至右均勻分布安裝四列蒸發(fā)源，每個蒸發(fā)源的下面有一個蒸發(fā)源加熱器；沉積CIGS薄膜的腔室自左至右均勻分布安裝四列蒸發(fā)源，每個蒸發(fā)源的下面有一個蒸發(fā)源加熱器。2.根據權利要求1所述的柔性襯底上卷對卷制備高結合力吸收層的裝置，其特征是:抽真空機構位于真空室兩端，沉積應力緩沖層的腔室、沉積CIGS薄膜的腔室與抽真空機構之間安裝有真空閥門。3.根據權利要求1或2所述的柔性襯底上卷對卷制備高結合力吸收層的裝置，其特征是:沉積應力緩沖層的腔室自左至右均勻分布安裝的四列蒸發(fā)源，每列為兩個對稱傾斜擺放的圓柱狀蒸發(fā)源，分布于襯底幅寬方向兩側的邊沿處。4.根據權利要求1或2所述的柔性襯底上卷對卷制備高結合力吸收層的裝置，其特征是:沉積CIGS薄膜的腔室自左至右均勻分布安裝的四列蒸發(fā)源，每列為兩個對稱傾斜擺放的圓柱狀蒸發(fā)源，分布于襯底幅寬方向兩側的邊沿處。
【文檔編號】H01L31-18GK204265827SQ201420687853
【發(fā)明者】王赫, 喬在祥, 趙彥民, 李微, 張超, 楊亦桐, 王勝利, 楊立 [申請人]中國電子科技集團公司第十八研究所