射频裂解硒蒸气装置的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于薄膜太阳电池中制作铜铟镓硒薄膜用装置制作技术领域，特别是涉及一种射频裂解硒蒸气装置的制备方法。
【背景技术】
[0002]柔性衬底铜铟镓硒(Cu (In，Ga) Se2，简称CIGS)薄膜太阳电池具有质量比功率高、抗辐射能力强、稳定性好等优势，广泛适用于各领域，被认为是最有前途的光伏器件之一。柔性CIGS薄膜太阳电池适合卷对卷制备和单片集成，在批量生产和降低成本方面具有很大潜力。目前，制约该类电池性能提高的关键问题和技术难点是CIGS薄膜的沉积技术。制备CIGS薄膜的方法有很多，其中，多元共蒸发法是制备CIGS薄膜最广泛和最成功的方法。2012年，瑞士联邦技术学院(EMPA)使用共蒸发方法在柔性衬底上制备的CIGS薄膜太阳电池效率达到20.4%，逼近了多晶硅太阳电池转换效率的世界纪录。
[0003]多元共蒸发工艺是由铜、铟、镓、硒各元素以气态形式在衬底处反应，化合形成CudnxGa1JSe2多晶材料，其中硒元素的蒸发流量，以及原子或分子的化学活性直接影响化合反应速率，在CIGS薄膜生长过程中起到非常关键的作用。普通Se源蒸发出来的硒蒸气是由各种不同大小的Sen (n ^ 5)原子团组成，过大的η值降低了分子团簇中硒原子与其他金属原子的有效接触面积，直接导致其化学活性降低，使得硒元素利用率低，造成硒元素与铟和镓元素化合反应不充分，不仅生长的CIGS薄膜成分比例和结晶质量不理想，而且在批量沉积大面积CIGS薄膜时，增加了真空沉积系统维护频率，增加了电池的制作成本。
[0004]经检索发现，申请号为20112053906L 7、公开号为CN202373561U、名称为“大面积卷对卷柔性衬底表面喷射裂解硒源用装置”的发明专利，包括硒源蒸发室和真空腔室内的衬底，其特点是:所述硒源蒸发室的蒸气出口通过管路连接有高温裂解室；所述高温裂解室腔体内壁上固装有两层及以上布满孔径小于0.5mm的多孔栅板。该发明将高温裂解硒蒸气的方法应用于CIGS薄膜共蒸发沉积工艺中，由Sen (η彡5)大原子团裂解为Sen (η〈5)小原子团，增加了高活性Se2的数量，提高了硒元素的反应活性，裂解后的硒蒸气充分参与其他各元素的化合反应，提高了 CIGS薄膜成膜质量。但是，由于Sen蒸气在500°C以上的较高温度下腐蚀裂解装置，缩短了高温裂解硒蒸气裂解装置的使用寿命，影响了 CIGS薄膜的连续化生产。
【发明内容】
[0005]本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种硒元素利用率高，硒元素与铟和镓元素化合反应充分，在衬底上形成的CIGS薄膜结晶质量好、制作产品的设备使用寿命长，电池制作成本低，适用于大、小面积CIGS薄膜生产的射频裂解硒蒸气装置的制备方法。
[0006]本发明包括如下技术方案::
[0007]射频裂解硒蒸气装置的制备方法，包括制作屏蔽Se源裂解区域的裂解反应壳体，裂解反应壳体底部制作通过Se输入管路通向裂解反应壳体的Se原料罐，Se输入管路上带有Se管路阀门；裂解反应壳体顶部制作裂解Se源喷嘴，其特点是还包括以下制作步骤:
[0008]⑴裂解反应壳体中垂直方向安装相互平行的底电极板和顶电极板；
[0009]⑵将Cl可调电容器、电阻和射频电源并联，其中一端与电感和可调电容器串联后连接到裂解反应壳体中的顶电极板上，另一端连接到裂解反应壳体上并接地，形成RC振荡电路；
[0010](3)将⑵中的RC振荡电路用电路屏蔽壳体与外面隔离；
[0011]⑷在裂解反应壳体的底部密封安装带有Ar管路阀门的Ar气管，完成射频裂解硒蒸气装置的制作过程。
[0012]本发明还可以采用如下技术措施:
[0013]所述Se输入管路外周包有加热丝。
[0014]本发明具有的优点和积极效果:
[0015]1、本发明在共蒸发沉积CIGS薄膜过程中，通过采用RC振荡电路产生频率射频电场，在射频电场中通入Ar气，Ar气在射频电场的作用下形成等离子体的区域作为Se源裂解区域；无需高温加热，等离子体可将硒蒸气中的大原子团Sen (n ^ 5)撞击裂解为小原子团Sen (η < 5)或Se2分子或Se原子，不仅有效提高了硒蒸气的化学活性，促进了小原子团Sen与蒸发的Cu、In、Ga元素之间的反应，改善了 CIGS薄膜结晶质量和化学成份比例及分布均匀，而且有效提高了硒原料的利用率，降低了电池的生产成本，避免了高温环境下硒蒸气对裂解装置的腐蚀，延长了裂解硒源装置的使用寿命长。
[0016]2、本发明通过控制Se源裂解区域的输出功率控制等离子体密度，有效控制了硒蒸气的裂解效果。
[0017]3、本发明在射频裂解硒源装置的蒸气输出端增加了加热装置，确保硒的小原子团在裂解装置内输运的过程中不会因为能量或温度的降低而重新结合成大原子团，进一步提高了硒蒸气的化学活性，广泛应用于各种沉积CIGS薄膜的制作。
【附图说明】
[0018]图1是本发明制作的射频裂解硒蒸气装置结构示意图；
[0019]图2是图1应用于小型蒸发腔室共蒸发沉积CIGS薄膜系统示意图；
[0020]图3是图1应用于卷对卷蒸发沉积CIGS薄膜系统示意图；
[0021]图4是普通Se蒸发源制备的CIGS薄膜剖面形貌图；
[0022]图5是图1装置产生的Se蒸发源制备的CIGS薄膜剖面形貌图；
[0023]图6是采用本发明制备装置裂解Se源和普通Se蒸发源制备CIGS薄膜的XRD对比图谱。
[0024]图中，1-Se原料罐，2-Se管路阀门，3_Se输入管路，4_加热丝，5_裂解反应壳体，6-Ar管路阀门，7-Ar气管，8-底电极板，9-顶电极板，10-等离子体，11-C2可调电容器，12-电感，13-C1可调电容器，14-电阻，15-射频电源，16-电路屏蔽壳体，17-裂解Se源喷嘴，18-Se源裂解区域，19-Cu蒸发源，20_Ga蒸发源，21-1n蒸发源，22-蒸发源挡板，23-分子泵，24-衬底，25-衬底加热器，26-小型蒸发腔室，27-支架，28-衬底放卷端，29-衬底收卷端,30-腔室壁,31-卷对卷蒸发腔室。
【具体实施方式】
[0025]为能进一步公开本发明的
【发明内容】
、特点及功效，特例举以下实例并结合附图进行详细说明如下:
[0026]射频裂解硒蒸气装置的制备方法，包括制作屏蔽Se源裂解区域的裂解反应壳体，裂解反应壳体底部制作通过Se输入管路通向裂解反应壳体的Se原料罐，Se输入管路上带有Se管路阀门；裂解反应壳体顶部制作裂解Se源喷嘴，其特点是还包括以下制作步骤:
[0027]⑴裂解反应壳体中垂直方向安装相互平行的底电极板和顶电极板；
[0028]⑵将Cl可调电容器、电阻和射频电源并联，其中一端与电感和可调电容器串联后连接到裂解反应壳体中的顶电极板上，另一端连接到裂解反应壳体上并接地，形成RC振荡电路；
[0029](3)将⑵中的RC振荡电路用电路屏蔽壳体与外面隔离；
[0030]⑷在裂解反应壳体的底部密封安装带有Ar管路阀门的Ar气管，完成射频裂解硒蒸气装置的制作过程。
[0031]所述Se输入管路外周包有加热丝。
[0032]1、采用本方法制作的射频裂解硒蒸气装置在小型蒸发腔室裂解Se源共蒸发沉积CIGS薄膜的过程:
[0033]用外周包有加热丝4的Se输入管路3，通过Se管路阀门2将Se原料罐I和Se源裂解区域18中裂解反应壳体5的下端连接为一体；裂解反应壳体中装有垂直方向相互平行的底电极板8和顶电极板9 ;裂解反应壳体5的下面还有通过Ar管路阀门6通向Se源裂解区域内的Ar气管7 ;裂解反应壳体的上面连接有通向Se源裂解区域的裂解Se源喷嘴17，Se源裂解区域的一侧有置于电路屏蔽壳体16内的RC振荡电路；所述RC振荡电路包括Cl可调电容器13、电阻14和射频电源15并联后的一端与电感12和C2可调电容器11串联后连接到裂解反应壳体中的顶电极板上；C1可调电容器、电阻和射频电源并联后的另一端连接到裂解反应壳体上并接地，形成如附图1所示的射频裂解硒蒸气装置。
[0034]本发明制成的射频裂解硒蒸气装置用于小型蒸发腔室中制备CIGS薄膜，将射频裂解硒蒸气装置中包有加热丝4的部分Se输入管路3、SeSe源裂解区域18、裂解Se源喷嘴17置入如附图2所示小型蒸发腔室26中；小型蒸发腔室的腔室壁30顶部固装一个固定衬底24和位于衬底上面衬底加热器25的支架27，腔室壁侧面通有一个分子泵23，小型蒸发腔室中置有上面有蒸发源挡板22、下面有加热器的Cu蒸发源19、Ga蒸发源20和In蒸发源21 ；Se原料罐I和Se管路阀门2位于小型蒸发腔室的外面。
[0035]工作时，将聚酰亚胺(PI)衬底或玻璃衬底固定于小型蒸发腔室的支架上，裂解Se源喷嘴距衬底下面的垂直距离约为1cm ;通过衬底上面的衬底加热器将衬底加热至400-500 0C，并保持温度恒定；通过Cu蒸发源19、Ga蒸发源20和In蒸发源下面各自的加热器分别加热Cu蒸发源、Ga蒸发源和In蒸发源；其中，Cu蒸发源温度在1200-1300°C范围内并保持恒定、In蒸发源温度在800-900°C范围内并保持恒定、Ga蒸发源温度在900_1000°C范围内并保持恒定；加热Se原料罐至200-300°C，使罐内的Se源料蒸发，形成大原子团Sen(n ^ 5)蒸气；将连接Se原料罐与