[發明專利]一種銅銦鎵硒薄膜的硒化處理裝置、方法及銅銦鎵硒薄膜器件

有效

• 申請號: 201310018690.9
• 申請日: 2013-01-17
• 公開（公告）號: CN103088301A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發明（設計）人: 王文忠;王志;段東平
• 申請（專利權）人: 中國科學院過程工程研究所
• 主分類號: C23C14/24
• 分類號: C23C14/24;C23C14/54;C23C14/06;H01L31/032
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 鞏克棟

技術領域

本發明涉及太陽能電池制備領域，具體地說，涉及一種銅銦鎵硒薄膜的硒化處理裝置、方法及銅銦鎵硒薄膜器件。

背景技術

銅銦鎵硒（簡稱CIGS）薄膜太陽能電池材料屬于I-III-VI族半導體材料，通過調整CIGS四種元素的配比，以Ga代替CIGS材料中的部分In，形成CuIn_1-xGa_xSe₂結構，能隙可以在1.04～1.68eV之間連續可調，為制備Ga組分調控的銅銦鎵硒薄膜疊層電池提供了重要的理論依據，電池組件的光電轉換效率可以達到20.3%。用于制備高光電轉化效率CIGS薄膜太陽能電池的主要方法包括：共蒸發法、金屬合金預制層硒化法和電沉積法，其中后兩種方法容易制備大面積CIGS器件，但通過金屬合金預制層硒化法和電沉積法制備的CIGS薄膜一般結晶性較差，晶粒數量多、尺寸小，需要熱處理來提高結晶度、改善表面形貌和增大晶粒尺寸，熱處理一般包括：真空退火、惰性氣體退火和硒氣氛退火三種方法，其中硒氣氛退火對于調整CIGS薄膜晶體的元素比例、增大晶體尺寸及增加CuIn_1-xGa_xSe₂結構的含量，效果顯著，被科研單位和生產企業廣泛采用。

劉云等在雙溫區管式爐中，將硒源和CIGS基片分別放置于石英管的兩個溫區，在真空條件下進行硒化處理，硒源區域控溫在180～210℃，CIGS基片區域控制溫度在400～550℃，硒化處理后，經磁控濺射制備的金屬預制層晶粒明顯增大，表面結構平滑，但作者采用真空條件硒化，硒蒸氣壓力不夠穩定，此外硒源和CIGS基片沒有封閉，硒蒸氣會揮發到整個石英管，并在低溫區凝固，硒化工藝不穩定，CIGS薄膜容易出現針孔。

蔣方丹采用真空蒸發的方法進行CIGS預制層的硒化，由于使用鹵鎢燈和電熱絲分別加熱硒源和CIGS基片，硒源和CIGS基片距離較近，硒源和CIGS基片的溫度控制不準確，硒化工藝過程不夠穩定，而且這種方法難以同時硒化處理多個CIGS基片。

Mirasano在管式加熱爐中硒化處理CIGS器件，作者采用封閉式硒化單元，在一定惰性氣體壓力下高溫硒化處理CIGS器件，在整個硒化單元內硒蒸氣比較均勻，但作者使用單溫區管式爐，硒源和CIGS器件的溫度相同，難以調整CIGS薄膜中各金屬元素的比例，對CIGS薄膜成分的優化效果不夠理想。

因此，目前制備CIGS薄膜器件的方法中，存在硒化工藝不穩定，薄膜容易出現針孔、難以同時硒化處理多個CIGS基片，不能批量處理等問題。

發明內容

本發明的目的在于針對現有問題的不足，提出了一種銅銦鎵硒薄膜的硒化處理裝置、方法及銅銦鎵硒薄膜器件。

為達此目的，本發明采用以下技術方案：

本發明的目的之一在于提供一種銅銦鎵硒薄膜的硒化處理裝置，所述裝置包括石英管，所述石英管內部設有硒化單元，所述硒化單元包括通過隔熱材料相連接的硒源凹槽和CIGS薄膜凹槽，兩凹槽上方設有防護罩，所述防護罩與兩凹槽之間形成密閉空間。

本發明所述的硒化單元中分開設置硒源凹槽和CIGS薄膜凹槽，兩凹槽通過隔熱材料連接，從而使硒源和CIGS薄膜在硒化處理時分開放置，可以分別控制硒源和CIGS薄膜的溫度，利于調整CIGS薄膜中各金屬元素的比例，對CIGS薄膜成分的優化效果更加理想。本發明通過防護罩使硒化單元內部形成密閉空間，使硒蒸氣僅充滿硒化單元內部，而避免揮發到整個石英管，硒化工藝更加穩定，CIGS薄膜不會出現針孔。

本發明所述防護罩采用隔熱材料制成。優選地，所述隔熱材料采用多孔陶瓷和/或多孔玻璃。

本發明所述硒源凹槽和CIGS薄膜凹槽采用良導熱材料制成。本領域技術人員可以從現有技術中獲知所述的良導熱材料。所述良導熱材料優選采用石墨、鉬或不銹鋼中的一種或至少兩種的組合。采用良導熱材料制備硒源凹槽和CIGS薄膜凹槽，能夠使兩凹槽內的傳熱效率更高，利用溫度的精確控制。

本發明所述石英管兩端設有密封裝置。優選地，所述密封裝置選用硅橡膠或氟橡膠墊圈進行密封，并且石英管兩端均設有閥門。

本發明所述石英管與惰性氣源相連接。優選地，所述石英管一端連接真空泵，另一端連接惰性氣源。優選地，所述惰性氣源中惰性氣體為高純氬氣或高純氮氣。本發明使用惰性氣體對石英管保護，可以防止硒蒸氣高溫氧化。高純氣體是指利用現代提純技術能達到的某個等級純度的氣體。本發明所述“高純氬氣或高純氮氣”指純度等于或高于99.999%的氬氣或氮氣。