本發(fā)明涉及太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種銅銦鎵硒薄膜太陽能電池緩沖層的制備系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

隨著全球氣候變暖、生態(tài)環(huán)境惡化和常規(guī)能源的短缺，太陽能已成為各國可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略決策。太陽能電池就是一種將太陽能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，具備超過電能、風(fēng)能等資源的獨(dú)特性能，而有希望成為未來電力行業(yè)的重要支柱。太陽能電池主要分為硅太陽能電池、化合物半導(dǎo)體薄膜電池、有機(jī)聚合物電池、納米晶電池、有機(jī)薄膜電池等。其中，銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池屬于半導(dǎo)體薄膜電池，由于銅銦鎵硒具備直接帶隙結(jié)構(gòu)，并且具有較高的吸收系數(shù)，膜層只需達(dá)到微米級就可全部吸收能量大于銅銦鎵硒薄膜帶寬的入射光，因此銅銦鎵硒薄膜太陽能電池可節(jié)省大量的原料，并且受稀有元素價(jià)格提升和原料短缺的影響相對較小，具有光吸收能力強(qiáng)，放電穩(wěn)定性好、轉(zhuǎn)化效率高，白天發(fā)電時(shí)間長、發(fā)電量高，生產(chǎn)成本低以及能源回收周期短等諸多優(yōu)勢，因而具有廣闊的市場前景。

銅銦鎵硒薄膜太陽能電池主要有窗口層、緩沖層、吸收層、背電極和襯底組成。其中，緩沖層的作用有兩個(gè)：一是作為吸收層的保護(hù)層，防止后續(xù)工藝對吸收層的破壞，二是作為吸收層和窗口層的過渡層，減小晶格失配。緩沖層的制備一般采用化學(xué)沉積法，利用噴嘴將溶液噴射到襯底上通過化學(xué)沉積制備。目前化學(xué)沉積在襯底上生成的薄膜均勻性還有待進(jìn)一步提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是提供一種銅銦鎵硒薄膜太陽能電池緩沖層的制備系統(tǒng)及方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)的不足。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種銅銦鎵硒薄膜太陽能電池緩沖層的制備系統(tǒng)，包括原料輸送子系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)子系統(tǒng)、加熱子系統(tǒng)、清洗子系統(tǒng)，原料輸送子系統(tǒng)包括若干原料輸送裝置、若干超聲波噴嘴，機(jī)械傳動(dòng)子系統(tǒng)包括放卷棍、若干托輥、張力控制棍和收卷棍，加熱子系統(tǒng)包括若干加熱塊，清洗子系統(tǒng)包括沖淋冷卻裝置、最終沖洗裝置、干燥裝置；放卷棍設(shè)在緩沖層反應(yīng)區(qū)之前，若干原料輸送裝置和相應(yīng)的超聲波噴嘴連接，超聲波噴嘴設(shè)在緩沖層反應(yīng)區(qū)前端上方，若干托輥和若干加熱塊間隔設(shè)在緩沖層反應(yīng)區(qū)，沖淋冷卻裝置、最終沖洗裝置、干燥裝置、張力控制輥、收卷棍依次設(shè)在緩沖層反應(yīng)區(qū)之后，沖淋冷卻裝置用水來自最終沖洗后的水。

優(yōu)選地，原料輸送裝置包括儲(chǔ)罐、回流管路、離心泵、過濾器、壓力感應(yīng)器、流量控制器，儲(chǔ)罐出口通過離心泵和過濾器連接，離心泵和過濾器的連接管路上設(shè)閥門；過濾器出口分別和儲(chǔ)罐進(jìn)口、超聲波噴嘴連接，過濾器出口通過回流管路和儲(chǔ)罐進(jìn)口連接，回流管路上設(shè)閥門；過濾器出口和超聲波噴嘴連接管路上設(shè)壓力感應(yīng)器、流量控制器。

優(yōu)選地，超聲波噴嘴包括噴嘴本體，噴嘴本體上端設(shè)置多個(gè)溶液進(jìn)孔，上端兩側(cè)分別設(shè)置超聲波發(fā)生部件，超聲波發(fā)生部件包括超聲波發(fā)生器和超聲波換能器，超聲波發(fā)生器和超聲波換能器電連接，超聲波換能器設(shè)置在噴嘴本體內(nèi)部；噴嘴本體下端設(shè)置若干溶液出孔，以每列溶液出孔計(jì)數(shù)，分為n孔、n-1孔、n-2孔，溶液出孔按若干列n孔–若干列n-1孔–若干列n-2孔-若干列n-1孔–若干列n孔在噴嘴本體下端排列，各列數(shù)相同或不相同，其中，n為大于等于3的自然數(shù)；噴嘴本體兩側(cè)端分別設(shè)置支撐頭。

優(yōu)選地，放卷棍和收卷棍底部均有導(dǎo)軌；放卷棍和收卷棍處還分別設(shè)有放卷糾偏器和收卷糾偏器，根據(jù)來料不同使收放卷輥?zhàn)笥乙苿?dòng)，進(jìn)行糾偏。

優(yōu)選地，緩沖層反應(yīng)區(qū)若干托輥和若干加熱塊間隔設(shè)置，加熱塊內(nèi)設(shè)有加熱管和熱電偶；緩沖層反應(yīng)區(qū)兩側(cè)分別設(shè)有側(cè)邊，側(cè)邊使得襯底兩側(cè)有翹起，托輥兩側(cè)設(shè)有壓輪，壓輪隔著襯底壓在托輥上，壓在襯底翹起與水平接觸的位置。

優(yōu)選地，沖淋冷卻裝置為水刀清洗，單面沖淋；最終沖洗裝置為水刀清洗，正反兩面沖洗；干燥裝置為風(fēng)刀干燥，正反兩面吹風(fēng)。

一種銅銦鎵硒薄膜太陽能電池緩沖層的制備方法，包括如下步驟：沉積了背電極、吸收層的柔性襯底放卷后在緩沖層反應(yīng)區(qū)上按設(shè)定的速度卷進(jìn)，反應(yīng)溶液由原料輸送裝置輸送到超聲波噴嘴，再噴灑在襯底上，加熱塊加熱到設(shè)定的反應(yīng)溫度，在襯底上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)沉積薄膜，沉積完成后再經(jīng)過沖淋冷卻、最終沖洗、干燥，之后收卷。

優(yōu)選地，反應(yīng)溶液分別為硫脲溶液、超純水、硫酸鎘溶液、氨水溶液，硫脲溶液、超純水、硫酸鎘溶液、氨水溶液分別存儲(chǔ)在相應(yīng)的原料輸送裝置中，硫脲溶液直接通入相應(yīng)的超聲波噴嘴，超純水、硫酸鎘溶液、氨水溶液混合后再通入相應(yīng)的超聲波噴嘴；各溶液通入超聲波噴嘴前由相應(yīng)過濾器過濾，壓力由相應(yīng)回流管路上的閥門控制，流量由相應(yīng)流量控制器控制，各溶液按設(shè)定的流速分別噴灑至柔性襯底上；超純水在混合噴灑前先進(jìn)行預(yù)熱。

優(yōu)選地，沖淋冷卻為單面沖淋，用水來自后續(xù)最終沖洗后的水；最終沖洗分為兩步，分別為前步最終沖洗和后步最終沖洗，兩步均為正反面沖洗，前步最終沖洗用水為后步最終沖洗后的水，后步最終沖洗用水為超純水；采用風(fēng)刀干燥，正反兩面吹風(fēng)。

優(yōu)選地，還包括廢水處理步驟，制備過程中的廢水包括沖淋冷卻后的廢水、前步最終沖洗后的廢水、混合反應(yīng)液管道的廢水，廢水依次經(jīng)MVR設(shè)備、吹脫設(shè)備、一體化污水處理設(shè)備處理，MVR設(shè)備使得廢水中的重金屬鎘完全分離到濃縮液中，離心分離出固體的鎘鹽，出水中不含鎘，只有氨氮；經(jīng)過吹脫，除去95％以上的氨氮；然后再經(jīng)過一體化污水處理設(shè)備，氨氮低于25mg/L，完全達(dá)標(biāo)排放。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明將原料輸送子系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)子系統(tǒng)、加熱子系統(tǒng)、清洗子系統(tǒng)集于一體，保證高純度的反應(yīng)溶液可控供應(yīng)給超聲波噴嘴，超聲波噴嘴將反應(yīng)溶液均勻噴灑在沉積了背電極、吸收層的柔性襯底上，隨著襯底向溫度高的區(qū)域卷進(jìn)，這些化學(xué)物質(zhì)因?yàn)榧訜岫磻?yīng)完全，最終制備厚度可控的均勻的具有良好光電性能的緩沖層。

2、目前噴嘴溶液出孔直徑較小，容易發(fā)生堵塞，本發(fā)明在噴嘴本體上端兩側(cè)分別設(shè)置超聲波發(fā)生部件，使溶液在噴嘴里面充分振動(dòng)，避免噴嘴阻塞，可以保持長時(shí)間噴灑均勻。目前溶液出孔在噴嘴下端均勻排布，在實(shí)際成產(chǎn)中，襯底中間部分受到噴嘴中間噴灑溶液的影響，還受到兩邊噴灑溶液的影響，而兩邊只受到各自所在邊和中間的影響，溶液噴灑在襯底上分布不均勻，中間多，兩邊少，沉積的膜不均勻，本發(fā)明溶液出孔按若干列n孔–若干列n-1孔–若干列n-2孔-若干列n-1孔–若干列n孔在噴嘴本體下端排列，可以有效減弱中間的影響，使得噴灑的溶液分布均勻。本發(fā)明通過設(shè)置超聲波發(fā)生部件和改變?nèi)芤撼隹着帕?，使得溶液噴灑更流暢，噴射的液體在襯底表面分布更均勻，保持了襯底表面液體的均勻性，充分提高了化學(xué)噴射沉積薄膜的均勻性。

3、本發(fā)明緩沖層反應(yīng)區(qū)兩側(cè)分別設(shè)有側(cè)邊，側(cè)邊使得柔性襯底兩側(cè)有翹起，避免溶液外漏，不僅避免污染設(shè)備，而且提高了原料利用率。托輥兩側(cè)設(shè)有壓輪，壓輪隔著襯底壓在托輥上，壓在襯底翹起與水平接觸的位置，可以保證翹起的部分與側(cè)邊接觸的更緊密，同時(shí)保證襯底水平，沒有折痕翹起部分，同時(shí)也可以使襯底受熱均勻。

附圖說明

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)示意圖。

圖2為原料輸送裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明的用于化學(xué)噴射沉積的超聲波噴嘴的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明的用于化學(xué)噴射沉積的超聲波噴嘴的俯視圖。

圖5為本發(fā)明的用于化學(xué)噴射沉積的超聲波噴嘴的仰視圖。

圖6為本發(fā)明緩沖層反應(yīng)區(qū)示意圖。

圖7為本發(fā)明緩沖層反應(yīng)區(qū)側(cè)邊示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

一種銅銦鎵硒薄膜太陽能電池緩沖層的制備系統(tǒng)，如圖1所示，包括原料輸送子系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)子系統(tǒng)、加熱子系統(tǒng)、清洗子系統(tǒng)，原料輸送子系統(tǒng)包括若干原料輸送裝置、若干超聲波噴嘴，機(jī)械傳動(dòng)子系統(tǒng)包括放卷棍、若干托輥、張力控制棍和收卷棍，加熱子系統(tǒng)包括若干加熱塊，清洗子系統(tǒng)包括沖淋冷卻裝置、最終沖洗裝置、干燥裝置；放卷棍設(shè)在緩沖層反應(yīng)區(qū)之前，若干原料輸送裝置和相應(yīng)的超聲波噴嘴連接，超聲波噴嘴設(shè)在緩沖層反應(yīng)區(qū)前端上方，若干托輥和若干加熱塊間隔設(shè)在緩沖層反應(yīng)區(qū)，沖淋冷卻裝置、最終沖洗裝置、干燥裝置、張力控制輥、收卷棍依次設(shè)在緩沖層反應(yīng)區(qū)之后，沖淋冷卻裝置用水來自最終沖洗后的水。

如圖2所示，原料輸送裝置包括儲(chǔ)罐、回流管路、離心泵、過濾器、壓力感應(yīng)器、流量控制器，儲(chǔ)罐出口通過離心泵和過濾器連接，離心泵和過濾器的連接管路上設(shè)閥門；過濾器出口分別和儲(chǔ)罐進(jìn)口、超聲波噴嘴連接，過濾器出口通過回流管路和儲(chǔ)罐進(jìn)口連接，回流管路上設(shè)閥門；過濾器出口和超聲波噴嘴連接管路上設(shè)壓力感應(yīng)器、流量控制器。四種溶液通過回流管路上的閥門來控制供應(yīng)超聲波噴嘴的供給壓力,在進(jìn)超聲波噴嘴前通過流量控制器控制流量。設(shè)有過濾器，可以進(jìn)一步純化，減少雜質(zhì)對產(chǎn)品的影響，對半導(dǎo)體產(chǎn)品來說具有非常重要的意義。

所述超聲波噴嘴，如圖3至圖5所示，包括噴嘴本體1，噴嘴本體1上端設(shè)置溶液進(jìn)孔2，上端兩側(cè)分別設(shè)置超聲波發(fā)生部件5，超聲波發(fā)生部件5包括超聲波發(fā)生器和超聲波換能器，超聲波發(fā)生器和超聲波換能器電連接，超聲波換能器設(shè)置在噴嘴本體1內(nèi)部。超聲波發(fā)生器作用是把市電轉(zhuǎn)換成與超聲波換能器相匹配的高頻交流電信號，驅(qū)動(dòng)超聲波換能器工作。超聲波換能器的功能是將輸入的電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率(即超聲波)再傳遞出去，而自身消耗很少的一部分功率。超聲波發(fā)生部件5的設(shè)置使溶液在噴嘴里面充分振動(dòng)，避免噴嘴阻塞，可以保持長時(shí)間噴灑均勻。噴嘴本體1下端設(shè)置若干溶液出孔3，噴嘴本體1兩側(cè)端分別設(shè)置支撐頭4。以每列溶液出孔3計(jì)數(shù)，分為n孔、n-1孔、n-2孔，溶液出孔3按若干列n孔–若干列n-1孔–若干列n-2孔-若干列n-1孔–若干列n孔在噴嘴本體下端排列，各列數(shù)相同或不相同。其中，n為大于等于3的自然數(shù)。溶液出孔3按若干列n孔–若干列n-1孔–若干列n-2孔-若干列n-1孔–若干列n孔在噴嘴本體1下端排列，這樣可以有效減弱中間的影響，可以使得兩邊噴出的溶液比中間多，適當(dāng)加大兩邊噴射流量，減弱中間的流量，而兩邊的溶液在襯底上可以向中間流動(dòng)，這樣使得液體在兩邊和中間分布的更均勻，使得溶液噴灑分布均勻。通過設(shè)置超聲波發(fā)生部件5和改變?nèi)芤撼隹?排列，使得溶液噴灑更流暢，噴射的液體在襯底表面分布更均勻，保持了襯底表面液體的均勻性，充分提高了化學(xué)噴射沉積薄膜的均勻性。

放卷棍和收卷棍底部均有導(dǎo)軌，可以自由滑動(dòng)。放卷棍和收卷棍處還分別設(shè)有放卷糾偏器和收卷糾偏器，根據(jù)來料不同使收放卷輥?zhàn)笥乙苿?dòng)，進(jìn)行糾偏。糾偏器主要通過電子眼來感應(yīng)收放卷的位置，當(dāng)感應(yīng)卷的位置有變化時(shí)，可以反饋給系統(tǒng)，使得收放卷輥在導(dǎo)軌上左右移動(dòng)作出相應(yīng)的變化，保證放卷水平位置一樣，收卷水平位置也一樣，這樣可以保證收卷整齊。

如圖6所示，緩沖層反應(yīng)區(qū)若干托輥和若干加熱塊間隔設(shè)置，加熱塊內(nèi)設(shè)有加熱管和熱電偶。如圖7所示，緩沖層反應(yīng)區(qū)兩側(cè)分別設(shè)有側(cè)邊，側(cè)邊使得襯底兩側(cè)有1-2cm翹起，避免溶液外漏，不僅避免污染設(shè)備，而且提高了原料利用率。托輥兩側(cè)設(shè)有壓輪，壓輪隔著襯底壓在托輥上，壓在襯底翹起與水平接觸的位置，可以保證翹起的部分與側(cè)邊接觸的更緊密，同時(shí)保證襯底水平，沒有折痕翹起部分，同時(shí)也可以使襯底受熱均勻。

沖淋冷卻裝置為水刀清洗，單面沖淋；最終沖洗裝置為水刀清洗，正反兩面沖洗；干燥裝置為風(fēng)刀干燥，正反兩面吹風(fēng)。

一種銅銦鎵硒薄膜太陽能電池緩沖層的制備方法，包括如下步驟：沉積了背電極、吸收層的柔性襯底放卷后在緩沖層反應(yīng)區(qū)上按0.9-1.0m/min的速度卷進(jìn)，反應(yīng)溶液由原料輸送裝置輸送到超聲波噴嘴，再噴灑在襯底上，一個(gè)用于噴灑濃度為0.1-1mol/L的硫脲溶液，另一個(gè)用于噴灑超純水、硫酸鎘、氨水的混合液，硫酸鎘濃度是0.01-0.1mol/L，氨水濃度為1-15mol/L。硫脲溶液噴灑的流速為100-1000ml/min，超純水、硫酸鎘、氨水的混合液噴灑的流速為100-500ml/min。加熱塊加熱到350-450℃，在襯底上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)沉積薄膜，反應(yīng)5-10min完成沉積后再經(jīng)過沖淋冷卻、最終沖洗、干燥，之后收卷。超純水在混合噴灑前先進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為50-80℃。

沉積的產(chǎn)品帶有一定的溫度和反應(yīng)的副產(chǎn)物，需要預(yù)處理，在冷卻沖淋區(qū)先進(jìn)行冷卻預(yù)沖洗，水刀清洗，單面沖淋，沖洗掉大的雜質(zhì)，水的來源是后步最終沖洗區(qū)沖洗的水。預(yù)處理后到最終沖洗區(qū)，分兩步，均為水刀清洗，正反兩面沖洗；前步是后步最終沖洗區(qū)的水循環(huán)利用沖洗，后步是超純水沖洗，補(bǔ)充新水。最終沖洗完成后，經(jīng)過風(fēng)刀干燥，正反兩面吹風(fēng)，到達(dá)收卷輥。

本發(fā)明制備方法還包括廢水處理步驟，制備過程中的廢水包括沖淋冷卻后的廢水、前步最終沖洗后的廢水、混合反應(yīng)液管道的廢水，廢水依次經(jīng)MVR設(shè)備、吹脫設(shè)備、一體化污水處理設(shè)備處理，MVR設(shè)備使得廢水中的重金屬鎘完全分離到濃縮液中，離心分離出固體的鎘鹽，出水中不含鎘，只有氨氮；經(jīng)過吹脫，除去95％以上的氨氮；然后再經(jīng)過一體化污水處理設(shè)備，氨氮低于25mg/L，完全重金屬零排放，其它達(dá)標(biāo)排放。

本發(fā)明通過用于化學(xué)噴射沉積的超聲波噴嘴將硫脲溶液，超純水、硫酸鎘、氨水的混合液均勻噴灑在沉積了背電極Mo、吸收層CIGS的柔性襯底上，隨著襯底向溫度高的區(qū)域卷進(jìn)，這些化學(xué)物質(zhì)因?yàn)榧訜岫磻?yīng)完全，最終制備厚度可控的均勻的具有良好光電性能的cds緩沖層。

以上通過具體的和優(yōu)選的實(shí)施例詳細(xì)的描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，本發(fā)明并不局限于以上所述實(shí)施例，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。