[發(fā)明專利]一體化連續(xù)生產(chǎn)薄膜的裝置及制膜方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310239651.1
• 申請(qǐng)日: 2013-06-17
• 公開（公告）號(hào): CN103311371A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 汪浩;鄭慧娟;栗曉辰;孫玉繡;劉晶冰;嚴(yán)輝;朱滿康
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L31/18
• 分類號(hào): H01L31/18
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于制膜技術(shù)領(lǐng)域，涉及一體化連續(xù)生產(chǎn)薄膜的裝置及制膜方法，尤其適用于太陽(yáng)能電池吸收層材料的一體化、大規(guī)模連續(xù)鍍膜的制備，專用于制備高性能太陽(yáng)能電池。

技術(shù)背景

目前，太陽(yáng)能作為一種取之不盡、用之不竭的可再生清潔能源，被廣泛應(yīng)用于生活的各個(gè)方面，在太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)化中占主導(dǎo)地位的是單晶硅太陽(yáng)能電池、碲化鎘（CdTe）薄膜太陽(yáng)能電池、和銅銦鎵硒（CuIn_1-xGa_xSe₂，簡(jiǎn)稱CIGS）太陽(yáng)能電池。但是晶體硅太陽(yáng)能電池成本高，在推廣應(yīng)用中受到制約。非晶硅太陽(yáng)能電池由于材料本身的缺陷造成光電效率衰退效應(yīng)，電池穩(wěn)定性不高。而由于Cd有毒，In和Ga為稀有金屬，這些都限制了CdTe和CIGS太陽(yáng)能電池大規(guī)模應(yīng)用。因此，尋找一種無(wú)毒且成本較低的材料是太陽(yáng)能電池大規(guī)模生產(chǎn)的關(guān)鍵。

近幾年，四元硫化物銅鋅錫硫(Cu₂ZnSnS₄，簡(jiǎn)稱CZTS)在下一代薄膜太陽(yáng)能電池中崛起，鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)的CZTS與黃銅礦結(jié)構(gòu)的CIGS晶體結(jié)構(gòu)相似，具有較高的光吸收系數(shù)（>10⁴cm^-1），禁帶寬度約1.50eV，與太陽(yáng)能電池所需要的最佳禁帶寬相匹配，非常適用于太陽(yáng)能電池，且各元素在地殼中的含量豐富：Cu（50ppm）、Zn（75ppm）、Sn（2.2ppm）、S（260ppm），用它們?nèi)〈鶬n、Ga可以大大降低生產(chǎn)成本。因此，CZTS薄膜電池可成為未來(lái)主流電池，在今后的光伏領(lǐng)域?qū)⒌玫窖杆侔l(fā)展。

制備CZTS的方法主要有真空沉積技術(shù)和非真空沉積技術(shù)。但是真空沉積技術(shù)不僅需要昂貴的設(shè)備，而且對(duì)原材料造成極大地浪費(fèi)，難以大面積成膜，導(dǎo)致制造成本過高。迄今為止，真空法制備CZTS薄膜的電池轉(zhuǎn)換效率最高值僅為8.4%，而目前制備銅鋅錫硫太陽(yáng)能電池的效率為11.1%，其制備方法即為即為非真空沉積技術(shù)的溶膠-凝膠法。

浸漬提拉法即是一種傳統(tǒng)的溶膠-凝膠法。首先將整個(gè)洗凈的襯底浸入預(yù)先制備好的溶膠之中，然后以精確控制的均勻速度將襯底平穩(wěn)地從溶膠中提拉出來(lái)，在粘度和重力作用下襯底表面形成一層均勻的液膜，緊接著溶劑迅速蒸發(fā)，于是附著在襯底表面的溶膠迅速凝膠化而形成一層凝膠膜。制備的薄膜需要經(jīng)過退火才能促進(jìn)晶粒的長(zhǎng)大，制備出具有大尺寸晶粒、致密性好的薄膜，以提高薄膜的載流子遷移率。但是CZTS作為一種四元的硫化物，極易被氧化,大量引入氧原子不僅會(huì)取代晶格中硫原子的位置，產(chǎn)生晶格畸變，而且會(huì)生成大量的氧空位。氧會(huì)在晶界處形成大量的缺陷態(tài),可以充當(dāng)電子空穴的復(fù)合中心，降低載流子的壽命,或者阻礙退火時(shí)各元素的相互擴(kuò)散，抑制CZTS晶粒的生長(zhǎng)。從而最終會(huì)對(duì)整個(gè)器件的光電轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生非常不利的影響，故如何控制薄膜在制備過程中不被氧化，也是急需解決的關(guān)鍵問題。

目前的工業(yè)提拉鍍膜普遍采用的提拉機(jī)是采用浸泡提拉的鍍膜技術(shù)。把需要鍍膜的襯底浸入溶液中，通過預(yù)先設(shè)置的速度，在一定的溫度和空氣環(huán)境下將襯底慢慢上升或是將鍍膜容器下降離開襯底。該方法方便，設(shè)備簡(jiǎn)單，但是對(duì)于CZTS薄膜來(lái)說(shuō)，這種普遍采用的方法不能進(jìn)行連續(xù)、循環(huán)生產(chǎn)，生產(chǎn)效率低，不利于CZTS的大規(guī)模地連續(xù)生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的問題是，提供了一體化連續(xù)生產(chǎn)薄膜的裝置及制膜方法，這種方法區(qū)別于傳統(tǒng)的提拉方法，這種方法用液面下降的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的襯底上升或是鍍膜容器下降的方法，并且可采用電腦控制，能直接制備質(zhì)量?jī)?yōu)異、效率高的CZTS薄膜。