专利名称：制备铜铟镓硒光吸收层的装置和方法
技术领域：
本发明涉及薄膜太阳能电池领域，特别是涉及制备铜铟镓硒光吸收层的装置和方法。
背景技术：
薄膜太阳能电池具有成本低、重量轻和对衬底要求低的优点，便于大规模生产。铜铟镓硒薄膜太阳能电池能够同时兼顾高效率和低成本，在大规模光伏发电上具有可持续发展力，在薄膜光伏电池中具有很大潜力。传统的铜铟镓硒薄膜电池的制备方法一般包括如下步骤在衬底的一侧形成金属背电极层(例如钥电极)；在金属背电极层上形成铜铟镓硒光吸收层(可以采用溅射法或者蒸发法)；在铜铟镓硒光吸收层上形成缓冲层(例如硫化镉)；在缓冲层上形成阻挡层(例如本征氧化锌)；以及在阻挡层表面上形成窗口层以及栅电极等。蒸发法形成铜铟镓硒光吸收层，是在真空中分别加热铜源、铟源、镓源和硒源，使铜、铟、镓、和硒元素同时沉积到衬底上，并使其充分发生化学反应形成优质的铜铟镓硒光吸收层。三步法是蒸发铜铟镓硒薄膜光吸收层的传统方法。包括第一步，分别蒸发铟、镓和硒源，并沉积到衬底上；第二步，蒸发铜、硒，并把衬底加热到到5(KT55(TC左右，在这个温度下，硒化亚铜呈现为液相，会浸润到第一步蒸发的铟、镓和硒中，并生成铜铟镓硒薄膜晶体；待薄膜表面出现富铜相即停止铜沉积；第三步，再一次蒸发少量铟镓硒，与第二步中过量的硒化亚铜反应；得到组分合适的铜铟镓硒光吸收层。三步法制备铜铟镓硒光吸收层能自由控制薄膜成分，电池效率高，但在三步法中铜的沉积量较难控制，即获得的铜膜厚度很难精确控制。
发明内容
基于此，有必要提供一种能精确控制铜的沉积量的制备铜铟镓硒光吸收层的装置和方法。一种制备铜铟镓硒光吸收层的装置，包括真空系统和衬底传动系统，还包括由所述真空系统维持真空的进样室、镀膜室及出样室；所述衬底传动系统包括衬底传动装置和衬底装载装置；所述衬底装载装置用于装载需要制备铜铟镓硒光吸收层的衬底，并通过所述衬底传动装置依次进出于所述进样室、镀膜室及出样室；所述进样室用于将衬底从大气状态下导入镀膜室；所述出样室用于将衬底从真空状态下导出到大气状态；所述镀膜室包括依次相连的第一镀膜室，第二镀膜室，第三镀膜室和第四镀膜室所述第一镀膜室，用于在所述衬底上沉积铟、镓和硒，并维持衬底温度在350^400 0C ；所述第二镀膜室，用于在硒蒸汽的气氛下在所述衬底上沉积铜，并维持所述衬底温度在 55(T650°C ；所述第三镀膜室，用于在硒蒸汽的气氛下在所述衬底上继续沉积铜，并维持所述衬底温度在55(T650°C ;并且还包括蒸发监控装置，所述蒸发监控装置用于监测所述衬底表面温度、并在监测读数快速上升的时候通过所述衬底传动装置把所述衬底送出所述第三镀膜室；所述第四镀膜室，用于在硒蒸汽的气氛下在所述衬底上沉积铟、镓和硒，并维持衬底温度在55(T650°C。在其中一个实施例中，所述镀膜室还包括第一缓冲镀膜室；所述第一缓冲镀膜室，相连于所述第一镀膜室和第二镀膜室之间，用于将沉积有铟、镓和硒的衬底在硒蒸汽的气氛下加热至55(T650°C。 在其中一个实施例中，所述镀膜室还包括第二缓冲镀膜室和第三缓冲镀膜室；所述第二缓冲镀膜室，相连于所述第二镀膜室和第三镀膜室之间，用于在硒蒸汽的气氛下提高从第二镀膜室出来的衬底的移动速度，并维持衬底温度；所述第三缓冲镀膜室，相连于所述第三镀膜室和第四镀膜室之间，用于在硒蒸汽的气氛下降低从所述第三镀膜室出来的衬底的移动速度，并维持衬底温度。在其中一个实施例中，还包括加热室和降温室；所述衬底离开所述进样室后立即进入所述加热室，并预备进入所述镀膜室；所述衬底离开所述镀膜室后立即进入所述降温室，并预备进入所述出样室；所述加热室用于将所述衬底从室温加热到35(T400°C ；所述降温室用于在硒蒸汽的气氛下将所述衬底从55(T650°C降温到25(T300°C。在其中一个实施例中，所述加热室包括第一加热室和第二加热室；所述第一加热室用于将所述衬底从室温加热到25(T300°C;所述第二加热室用于将所述衬底从25(T300°C加热到 350^4000C ；所述降温室包括第一降温室和第二降温室；所述第一降温室用于在硒蒸汽的气氛下将所述衬底从55(T650°C降温到35(T40(TC ;所述第二降温室用于将所述衬底从35(T400°C降温到 25(T300°C。在其中一个实施例中，在所述第三镀膜室中，所述衬底传动装置驱动所述衬底装载装置往复运动。一种制备铜铟镓硒光吸收层的方法，包括如下步骤提供上述的制备铜铟镓硒光吸收层的装置；加热并保持衬底温度在35(T40(TC ;衬底以第一设定速度通过所述第一镀膜室，在所述衬底上蒸发沉积铟、镓和硒；根据铜铟镓硒合金的化学配比计算所需要的铜的沉积量，记为X ；加热并保持所述衬底温度在55(T600°C ;所述衬底以第二设定速度通过所述第二镀膜室，在硒蒸汽的气氛下在所述衬底上蒸发沉积铜，沉积量是X的809^90% ；保持衬底温度在55(T60(TC ;所述衬底以第三设定速度通过所述第三镀膜室，在硒蒸汽的气氛下在所述衬底上继续蒸发沉积铜，当所述衬底表面温度监测读数快速上升的时候停止沉积铜，并将所述衬底送出所述第三镀膜室；保持所述衬底温度在55(T600°C ;所述衬底以第四设定速度通过所述第四镀膜室，在所述衬底上继续蒸发沉积铟、镓和硒；在硒蒸汽的氛围下降低所述衬底温度。在其中一个实施例中，在将铜、铟、镓和硒分别蒸发沉积在所述衬底上的过程中，分别实时监测衬底温度并通过监测结果反馈调节加热温度。在其中一个实施例中，所述衬底以所述第三设定速度在所述第三镀膜室内往复运动。
在其中一个实施例中，所述第三设定速度高于所述第二设定速度上述制备铜铟镓硒光吸收层的装置和方法中，将镀铜膜过程分成两个部分进行，以衬底在第二镀膜室中以较慢的速度移动进行镀膜，由于蒸发源的蒸发速率一定，因此可以快速沉积一部分的铜；以便控制镀膜速度；衬底从第二镀膜室中出来后以较快的速度进入第三镀膜室，并在第三镀膜室快速来回运动，慢速沉积剩下的制备铜铟镓硒光吸收层的所需要的铜。通过实时监测，在铜的沉积量达到理论所需铜的沉积量的时候，快速关闭铜蒸发源，实现了精确控制铜的沉积量。在精确控制铜的沉积量的条件下制备铜铟镓硒光吸收层，同时镀膜效率较高。
图1为一实施方式制备铜铟镓硒光吸收层装置结构示意图；图2为预热过渡室的结构剖面示意图；图3为第一镀膜室结构剖面不意图；图4为一实施方式的制备铜铟镓硒光吸收层方法的流程图。
具体实施例方式下面结合实施方式及附图，对制备铜铟镓硒光吸收层的装置和方法作进一步的详细说明。请参阅图1和图2，一实施方式的制备铜铟镓硒光吸收层的装置100，包括真空系统(图未示)和由真空系统维持真空并依次相连的进样室10、第一加热室20、第二加热室30、镀膜室40、第一降温室50、第二降温室60及出样室70，还包括衬底传动装置80和衬底装载装置90构成的衬底传动系统。衬底传动装置80包括工作导轨82、传动轴84、返回轨道86、平移车88和平移架89。返回导轨86的两端与工作导轨82的两端分别通过在工作导轨82两端的两个平移架89相连，并构成一个闭合回路，两个平移车88分别活动安装在所述两个平移架89上。工作导轨82依次穿设于进样室10、第一加热室20、加热室30、镀膜室40、第一降温室50、第二降温室60及出样室70。衬底装载装置90通过传动轴84在工作导轨82上移动，并通过其中一个平移车89移动到返回导轨86，再通过另一个平移车89返回工作导轨82。进样室10中配置有罗茨泵机组12，用于抽气和充气，进样室10与大气之间装配门阀14，用于隔离进样室10与大气的气氛，其他的腔室之间也可以设置门阀14。请参阅图1和图2，其中图2为第一加热室20的剖面结构示意图，在第二加热室30、第三缓冲室460和第二降温室60也具有相同剖面结构。第一加热室20，配置有用于抽气的分子泵21，在第一加热室20的腔体两侧装有加热器22。本实施例中，加热器22为铠装加热器，在别的实施例中，加热器22也可以是红外灯管加热器、石墨加热器、感应加热器等。衬底传动装置80将安装有衬底的衬底装载装置90从进样室10传送到第一加热室20后，加热器22将衬底及其附近气氛加热到15(T200°C，在第一加热室20的腔体内部安装有温控控制系统24和温度控制系统26，用于控制衬底及其附近气氛温度处于15(T20(TC。第二加热室30，配置有用于抽气的分子泵(图未示)，在第二加热室30的腔体两侧装有加热器22，本实施例中，加热器22为铠装加热器。衬底传动装置80将安装有衬底的衬底装载装置90从第一加热室20传送到第二加热室30后，加热器22将衬底及其附近气氛温度加热到35(T400°C，第二加热室30的腔体内安装有温控控制系统24和温度控制系统26，用于控制衬底及其附近气氛温度处于35(T400°C。当温度达到35(T400°C时，温度控制系统26探测到温度并反馈给温控控制系统26，温控控制系统26收到指令后控制加热器22的加热温度，从而保证衬底其附近气氛温度处于35(T40(TC。镀膜室40包括依次相连的第一镀膜室410、第一缓冲镀膜室420，第二镀膜室430， 第二缓冲镀膜室440，第三镀膜室450，第三缓冲镀膜室460及第四镀膜室470。请参阅图1和图3。第一镀膜室410，与第二加热室30相连，第一镀膜室410的腔体一侧装有铟镓硒蒸发源组412，铟镓硒蒸发源组412为分别蒸发铟、镓和硒的铟、镓和硒蒸发源。以下的蒸发源组与此类似。铟镓硒蒸发源组412可以有一组或一组以上。当为多组同时工作时可以提高生产效率。以下的实施例中有多组蒸发源时也具有同样的功能。腔体的另一侧装有加热器22，本实施例中，加热器22为红外加热器，将衬底及其附近气氛温度加热到35(T400°C。如图3所示，其中图3为第一镀膜室410的剖面结构示意图，在第一缓冲镀膜室420、第二镀膜室430和第三镀膜室450也具有相同结构。腔体内部安装温控控制系统24和温度控制系统26，用于控制衬底其附近气氛温度处于35(T400°C。衬底传动装置80将安装有衬底的衬底装载装置90从加热室30传送到第一镀膜室410后，开启铟镓硒蒸发源组412，铟镓硒蒸发源组412蒸发出的铟镓硒料沉积到衬底上，形成硒化铟和硒化镓混合薄膜。第一镀膜室410腔体内部安装有膜厚控制系统414，膜厚控制系统414通过精确控制蒸发速率来控制膜厚。其工作原理是膜厚控制系统414的测试仪在线监测蒸发源蒸发速率V，衬底传动装置80控制衬底装载装置90的传输速度S，蒸发源能够在衬底上形成有效沉积的有效长度L是固定值，因此镀膜厚度T=V*L/S。通过测试蒸发源蒸发速率V，再设定衬底装载装置90的传输速度S，就可以有效的控制镀膜厚度T。将蒸发源蒸发速率V乘以蒸发时间就可以获得镀膜厚度T，蒸发时间即为衬底走过蒸发有效长度L的时间。此过程中膜厚控制在广1. 5微米。第一缓冲镀膜室420，与第一镀膜室410相连，第一缓冲镀膜室420的腔体一侧装有硒蒸发源422，硒蒸发源422可以有一组及以上。另一侧装有加热器22，将衬底及其附近气氛温度加热至55(T650°C，然后通过第一缓冲镀膜室420腔室内的温度控制系统24和温控控制系统26控制衬底及其附近气氛温度处于55(T650°C。衬底传动装置80将安装有衬底的衬底装载装置90从第一镀膜室410传送到第一缓冲镀膜室420后，硒蒸发源422蒸发出硒料沉积到上述硒化铟和硒化镓混合薄膜上。在硒蒸汽气氛中，可以补充在加热过程中硒化铟和硒化镓混合薄膜上的硒的析出，从而保证硒化铟和硒化镓混合薄膜上硒的量。第二镀膜室430，与第一缓冲镀膜室420相连，第二镀膜室430的腔体一侧装有铜硒蒸发源组432，铜硒蒸发源组432可以有一组及以上，另一侧装有加热器22，通过第二镀膜室430腔室内的温控控制系统24和温度控制系统26控制衬底及其附近气氛温度处于550^650 0C。衬底传动装置80将安装有衬底的衬底装载装置90从第一缓冲镀膜室420传送到第二镀膜室430后，铜硒蒸发源组432蒸发出铜硒料沉积到上述硒化铟和硒化镓混合薄膜上，同时相互反应形成铜铟镓硒金属预制层。腔体内部安装膜厚控制系统414，膜厚控制系统414探测到铜硒蒸发源组432的瞬时蒸发速率，再把信息反馈给铜硒蒸发源组432，并通过控制蒸发源的温度从而控制其蒸发速率。为了在保证镀膜效率的基础上确保蒸发量的精度，以及弥补漂移误差所带来的膜厚精度控制问题，将镀铜膜的过程分成两个部分进行。在第二镀膜室430快速地镀上一部分铜，然后在第三镀膜室慢速精确地镀上剩下的铜。由于蒸发源的蒸发速率一定，当衬底装载装置90以较慢的速度运行时，能够实现较快的完成镀膜，反之亦反。因此，在第二镀膜室430中，通过控制衬底装载装置90以较慢的速度来回移动，快速镀上一部分铜。其中的铜的沉积量为制备铜铟镓硒光吸收层的所需铜的沉积量X的80% 90%。即铜膜厚度为铜铟镓硒光吸收层中 铜膜厚度的80% 90%，这样可以控制第二镀膜室430中的铜的沉积量不会达到X。第二缓冲镀膜室440，与第二镀膜室430相连，第二缓冲镀膜室440的腔体一侧装有硒蒸发源442，硒蒸发源442可以有一组或一组以上，另一侧装有加热器22。通过第二缓冲镀膜室440腔室内的温控控制系统24和温度控制系统26控制衬底及其附近气氛温度处于55(T650°C。衬底传动装置80将安装有衬底的衬底装载装置90从第二镀膜室430传送到第二缓冲镀膜室440后，硒蒸发源442蒸发出硒料沉积到上述衬底的铜铟镓硒金属预制层上；在硒蒸汽气氛中，补充加热过程中硒铜铟镓硒金属预制层上的硒的析出，从而保证铜铟镓硒金属预制层上硒的量。衬底装载装置90进入第二缓冲镀膜室440后，开始提速，以提速后的速度快速进入第三镀膜室450，以便在第三镀膜室450能慢速地进行沉积铜膜。第三镀膜室450，与第二缓冲镀膜室440相连。第三镀膜室450的腔体一侧装有铜硒蒸发源组452，铜硒蒸发源组452可以有一组及或一组以上。腔体的另一侧装有加热器22，通过第三镀膜室450腔室内的温控控制系统24和温度控制系统26腔体内部气氛温度处于55(T650°C之间。衬底传动装置80将安装有衬底的衬底装载装置90从第二缓冲镀膜室440传送到第三镀膜室450后，控制衬底装载装置90在第三镀膜室450内在第三镀膜室450快速来回振荡移动，铜硒蒸发源组452蒸发出铜硒料沉积到上述铜铟镓硒金属预制层上，同时相互反应形成铜铟镓硒薄膜。同理，由于蒸发源的蒸发速率一定，当衬底装载装置90以较快的速度运行时，能够实现较慢的完成镀膜。第三镀膜室450中铜的沉积量为制备铜铟镓硒光吸收层的所需铜的沉积量X的109^20%。此过程中，通过膜厚控制系统414测试衬底上的镀膜厚度。由于衬底装载装置90来回移动速度比较快，铜蒸汽以较慢速度在样片表面一层一层地薄薄地沉积，同时通过蒸发监控装置(图未示)监测衬底表面的温度变化，一旦发现监控读数快速上升，则快速关闭铜硒蒸发源组452，同时衬底装载装置90被快速送出第三镀膜室450。在此过程中，表面温度下降意味着随着铜膜的沉积达到理论厚度时，有铜的液相析出到薄膜表面，薄膜的成份由CuIXxGa(1_x)Se2 (CIGS)的贫铜状态突然转换到富铜状态，呈现一种CIGS和CuxSe的混合相，衬底表面出现液态的CuxSe相，这种CuxSe会散发更多的热量，导致衬底测温装置的读数上升。第三缓冲镀膜室460，与第三镀膜室450相连。第三缓冲镀膜室460的腔体一侧装有硒蒸发源462，硒蒸发源462可以有一组或一组以上。另一侧装有加热器22，通过第三缓冲镀膜室460腔室内的温控控制系统24和温度控制系统26控制衬底及其附近气氛温度处于55(T650°C。衬底传动装置80将安装有衬底的衬底装载装置90从第三镀膜室450传送到第三缓冲镀膜室460后，硒蒸发源462蒸发出硒料沉积到衬底的铜铟镓硒薄膜上。第三缓冲镀膜室460腔体内部安装有膜厚控制系统414。膜厚控制系统414根据衬底上镀膜厚度控制硒蒸发源103的蒸发速率，衬底装载装置90离开第三缓冲镀膜室460后，开始降速，以较为缓慢的速度进入第四镀膜室470。第四镀膜室470，与第三缓冲镀膜室460相连，第四镀膜室470腔体一侧装有铟镓硒蒸发源组472，铟镓硒蒸发源组472可以有一组或一组以上，另一侧装有加热器22，通过第四镀膜室470腔室内的温控控制系统24和温度控制系统26控制腔体内部气氛温度处于550^650 0C。衬底传动装置80将安装有衬底的衬底装载装置90从第三缓冲镀膜室460传送到第四镀膜室470后，铟镓硒蒸发源组472蒸发出铟镓硒料将沉积到上述铜铟镓硒薄膜上。通过膜厚控制系统414控制蒸发的铟镓硒的蒸发量，可以消耗衬底样片上过量的铜，形成优质铜铟镓硒薄膜吸收层。 第一降温室50与第四镀膜室470相连，第一降温室50的腔体一侧装有硒蒸发源52，硒蒸发源52可以有一组或一组以上。另一侧装有加热器22，通过第一降温室50腔室内的温控控制系统24和温度控制系统26控制腔体内部气氛温度降低到25(T300°C，衬底传动装置80将安装有衬底的衬底装载装置90从第四镀膜室470传送到第一降温室50后，硒蒸发源52蒸发出硒料将沉积到衬底的铜铟镓硒光吸收层上，硒蒸汽气氛可以补充降温过程中铜铟镓硒光吸收层硒元素析出。在腔体内的膜厚控制系统414用于控制蒸发镀膜膜厚，可以精确通过控制硒蒸发速率来控制膜厚度。第二降温室60与第一降温室50相连，出样室与第二降温室60相连。衬底传动装置80将安装有衬底的衬底装载装置90从第一降温室50传送至第二降温室60和出样室70出来。获得优质铜铟镓硒薄膜吸收层。请参阅图4，一实施方式的制备铜铟镓硒光吸收层的方法，包括S101、提供上述的制备铜铟镓硒光吸收层的装置100，包括真空系统(图未示)和由真空系统维持真空并依次相连的进样室10、第一加热室20、第二加热室30、镀膜室40、第一降温室50、第二降温室60及出样室70，还包括衬底传动装置80和衬底装载装置90构成的衬底传动系统。衬底传动装置80包括工作导轨82、传动轴84、返回轨道86、平移车88和平移架89。返回导轨86的两端与工作导轨82的两端分别通过在工作导轨82两端的两个平移架89相连，并构成一个闭合回路，两个平移车88分别活动安装在所述两个平移架89上。工作导轨82依次穿设于进样室10、第一加热室20、第二加热室30、镀膜室40、第一降温室50、第二降温室60及出样室70。衬底装载装置90通过传动轴84在工作导轨82上移动，并通过其中一个平移车89移动到返回导轨86，再通过另一个平移车89返回工作导轨82。镀膜室40包括依次相连的第一镀膜室410、第一缓冲镀膜室420，第二镀膜室430，第二缓冲镀膜室440，第三镀膜室450，第三缓冲镀膜室460及第四镀膜室470。S102、加热并保持衬底温度在35(T400°C ;衬底以第一设定速度通过第一镀膜室410，在衬底上蒸发沉积铟、镓和硒；根据铜铟镓硒合金的化学配比计算所需要的铜的沉积量，记为X。衬底依次从进样室10进入第一加热室20及第二加热室30进行预处理后，以第一设定速度传送至第一镀膜室410，并在第一镀膜室410以第一设定速度做往复运动。开启铟、镓和硒的蒸发源，在衬底温度为35(T400°C，喷射铟、镓和硒，在经过预处理的衬底上沉积铟、镓和硒，在衬底上形成硒化铟薄膜和硒化镓薄膜。薄膜厚度控制在f1. 5微米左右。在将铜、铟、镓和硒分别蒸发沉积在衬底上的过程中，分别实时监测衬底温度并通过监测结果反馈调节控制加热温度。S103、加热并保持衬底温度在55(T600°C ;衬底以第二设定速度通过第二镀膜室430，在硒蒸汽的气氛下在所述衬底上蒸发沉积铜，沉积量是X的809^90%。衬底从第一镀膜室410出来后，经过第一缓冲镀膜室420后，以第二设定速度进入第二镀膜室430并在第二镀膜室430中做往复运动，开启铜的蒸发源，在衬底上沉积硒铜，启动加热器，将衬底温度加热到55(T650°C。开 启铜和硒的蒸发源，在衬底温度为55(T650°C下沉积铜和硒，铜和硒与衬底上已经形成的硒化铟和硒化镓的混合薄膜发生反应，形成铜铟镓硒金属预制层。在这个镀膜过程中铜的蒸发量为保证在衬底能够的沉积量为所需铜的沉积量X的809^90%，即获得的薄膜中铜的含量为所需铜的摩尔量的809^90%。由于精确控制铜量是影响铜铟镓硒太阳能电池转换效率的最重要参数。而铜的沉积量由铜源的蒸发量来控制，镀膜前根据化学配比的理论值计算出所需铜的沉积量X。在保证效率的基础上同时保证铜沉积量的精度。为此，将铜膜的沉积分成两部分，在该步骤中在衬底以第一速度的移动过程中快速沉积所需铜的沉积量X的809^90%。使得所需铜总蒸发量不会达到X。在薄膜的形成过程中，始终保持蒸发硒并且保持过量，这是因为硒蒸发温度在20(r300°C之间，生长过程中衬底的温度常常高于这个温度，如此时温度为55(T650°C，衬底上形成硒化铟薄膜和硒化镓薄膜中会有硒的溢出。保持在硒蒸汽的氛围中进行反应，有利于薄膜的生长。S104、保持衬底温度在55(T600°C;衬底以第三设定速度通过第三镀膜室450，在硒蒸汽的气氛下在衬底上继续蒸发沉积铜，当衬底表面温度监测读数快速上升的时候停止沉积铜，并将衬底送出第三镀膜室450。在沉积了一部分铜膜后，还需要沉积剩下的铜。由于已经沉积的铜膜是在衬底以较慢的速度移动实现较快的镀膜。在沉积剩下的铜的过程中，需要慢速镀膜以便于精确控制沉积量。因此，需要将衬底的移动速度提高。具体为将原来的衬底的移动速度从第二速度提高到第三速度。然后传送至第三镀膜室450，在形成有铜铟镓硒金属预制层的衬底以第三速度的移动过程中，开启铜和硒的蒸发源，在衬底温度为55(T650°C，在形成有铜铟镓硒金属预制层的衬底上沉积铜和硒，与铜铟镓硒金属预制层反应得到铜铟镓硒薄膜，其中铜的沉积量为所需铜的沉积量的109^20%。在此过程中，在形成有铜铟镓硒金属预制层的衬底上沉积铜和硒的过程中，在监测到形成有铜铟镓硒金属预制层的衬底的薄膜表面温度读数快速上升时立即停止镀膜。衬底上薄膜表面温度读数快速上升说明薄膜表面为金属相，意味着有过量的铜溢出。这是由于当Cu的不断加入正在沉积的薄膜中时，在衬底的表面温度的转变点前后，薄膜的成份由CIGS的贫铜状态突然转换到富铜状态，呈现一种CIGS和CuxSe的混合相，衬底表面出现液态的CuxSe相，这种硒化亚铜会散发更多的热量，导致衬底的测温装置的读数上升。
S105、保持衬底温度在55(T600°C;衬底以第四设定速度通过第四镀膜室470，在衬底上继续蒸发沉积铟、镓和硒。开启铟、镓和硒的蒸发源，在衬底温度为55(T650°C下蒸发出铟、镓和硒，沉积到铜铟镓硒薄膜上，消耗衬底上过量的铜，形成组分合适的铜铟镓硒薄膜。S106、在硒蒸汽的氛围下降低衬底温度。衬底完成蒸发镀膜过程后，衬底传动装置80将衬底装载装置90送进第一降温室50和第二降温室60，将温度降到25(T300°C。在降温过程中一直需要处于硒蒸汽的环境中，有少量硒蒸发到薄膜上防止薄膜中硒流失。衬底降温后，对第二降温室60进行抽气，使其气压与第一降温室50的气压平衡，打开第一降温室50与第二降温室60之间的门阀14，衬底传动装置80的传动轴84将衬底装载装置90送进出样室70。关闭出样室70与第二降温室60之间的门阀，使用充气装置对出样室70进行充气，使其与大气压保持平衡，打开出样
室与大气之间门阀14，衬底传动装置80将衬底装载装置90从出样室70送到平移车88上。平移车88通过平移架89平移到返回导轨86，再通过另一个平移车89返回工作导轨82的端口，取出镀膜完成的衬底，在衬底装载装置90上安装新的衬底，再次开始镀膜。上述制备铜铟镓硒光吸收层的装置和方法中，将镀铜膜过程分成两个部分进行，以衬底在第二镀膜室中以较慢第二设定速度的速度移动进行镀膜，由于蒸发源的蒸发速率一定，因此可以快速沉积一部分的铜；以便控制镀膜速度；然后经过第二缓冲过渡室将衬底的从较慢的第二速度提高到较快的第三速度，然后衬底以较快的第三设定速度在第三镀膜室快速来回运动，慢速沉积剩下的制备铜铟镓硒光吸收层的所需要的铜。通过实时监测，在铜的沉积量达到理论所需铜的沉积量的时候，即监测到衬底表面温度快速上升的时候立即关闭铜蒸发源，实现了精确控制铜的沉积量。在精确控制铜的沉积量的条件下制备铜铟镓硒光吸收层，同时镀膜效率较高。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
权利要求
1.一种制备铜铟镓硒光吸收层的装置，包括真空系统和衬底传动系统，还包括由所述真空系统维持真空的进样室、镀膜室及出样室；所述衬底传动系统包括衬底传动装置和衬底装载装置；所述衬底装载装置用于装载需要制备铜铟镓硒光吸收层的衬底，并通过所述衬底传动装置依次进出于所述进样室、镀膜室及出样室；所述进样室用于将衬底从大气状态下导入镀膜室；所述出样室用于将衬底从真空状态下导出到大气状态；其特征在于，所述镀膜室包括依次相连的第一镀膜室，第二镀膜室，第三镀膜室和第四镀膜室所述第一镀膜室，用于在所述衬底上沉积铟、镓和硒，并维持衬底温度在35(T40(TC ；所述第二镀膜室，用于在硒蒸汽的气氛下在所述衬底上沉积铜，并维持所述衬底温度在 550^650 0C ；所述第三镀膜室，用于在硒蒸汽的气氛下在所述衬底上继续沉积铜，并维持所述衬底温度在55(T650°C ;并且还包括蒸发监控装置，所述蒸发监控装置用于监测所述衬底表面温度、并在监测读数快速上升的时候通过所述衬底传动装置把所述衬底送出所述第三镀膜室；所述第四镀膜室，用于在硒蒸汽的气氛下在所述衬底上沉积铟、镓和硒，并维持衬底温度在 55(T650°C。
2.根据权利要求1所述的制备铜铟镓硒光吸收层的装置，其特征在于，所述镀膜室还包括第一缓冲镀膜室；所述第一缓冲镀膜室，相连于所述第一镀膜室和第二镀膜室之间，用于将沉积有铟、镓和硒的衬底在硒蒸汽的气氛下加热至55(T650°C。
3.根据权利要求2所述的制备铜铟镓硒光吸收层的装置，其特征在于，所述镀膜室还包括第二缓冲镀膜室和第三缓冲镀膜室；所述第二缓冲镀膜室，相连于所述第二镀膜室和第三镀膜室之间，用于在硒蒸汽的气氛下提高从第二镀膜室出来的衬底的移动速度，并维持衬底温度；所述第三缓冲镀膜室，相连于所述第三镀膜室和第四镀膜室之间，用于在硒蒸汽的气氛下降低从所述第三镀膜室出来的衬底的移动速度，并维持衬底温度。
4.根据权利要求1所述的制备铜铟镓硒光吸收层的装置，其特征在于，还包括加热室和降温室；所述衬底离开所述进样室后立即进入所述加热室，并预备进入所述镀膜室；所述衬底离开所述镀膜室后立即进入所述降温室，并预备进入所述出样室；所述加热室用于将所述衬底从室温加热到35(T400°C ；所述降温室用于在硒蒸汽的气氛下将所述衬底从55(T650°C降温到25(T300°C。
5.根据权利要求4所述的制备铜铟镓硒光吸收层的装置，其特征在于，所述加热室包括第一加热室和第二加热室；所述第一加热室用于将所述衬底从室温加热到25(T30(TC;所述第二加热室用于将所述衬底从25(T300°C加热到35(T400°C ；所述降温室包括第一降温室和第二降温室；所述第一降温室用于在硒蒸汽的气氛下将所述衬底从55(T650°C降温到35(T400°C ;所述第二降温室用于将所述衬底从35(T400°C降温到 25(T300°C。
6.根据权利要求1所述的制备铜铟镓硒光吸收层的装置，其特征在于，在所述第三镀膜室中，所述衬底传动装置驱动所述衬底装载装置往复运动。
7.一种制备铜铟镓硒光吸收层的方法，其特征在于，包括如下步骤提供如权利要求1所述的制备铜铟镓硒光吸收层的装置；加热并保持衬底温度在35(T40(TC ;衬底以第一设定速度通过所述第一镀膜室，在所述衬底上蒸发沉积铟、镓和硒；根据铜铟镓硒合金的化学配比计算所需要的铜的沉积量，记为 X ;加热并保持所述衬底温度在55(T60(TC ;所述衬底以第二设定速度通过所述第二镀膜室，在硒蒸汽的气氛下在所述衬底上蒸发沉积铜，沉积量是X的809Γ90% ；保持衬底温度在55(T60(TC ;所述衬底以第三设定速度通过所述第三镀膜室，在硒蒸汽的气氛下在所述衬底上继续蒸发沉积铜，当所述衬底表面温度监测读数快速上升的时候停止沉积铜，并将所述衬底送出所述第三镀膜室；保持所述衬底温度在55(T600°C ;所述衬底以第四设定速度通过所述第四镀膜室，在所述衬底上继续蒸发沉积铟、镓和硒；在硒蒸汽的氛围下降低所述衬底温度。
8.根据权利要求7所述的制备铜铟镓硒光吸收层的方法，其特征在于，在将铜、铟、镓和硒分别蒸发沉积在所述衬底上的过程中，分别实时监测衬底温度并通过监测结果反馈调节加热温度。
9.根据权利要求7所述的制备铜铟镓硒光吸收层的方法，其特征在于所述衬底以所述第三设定速度在所述第三镀膜室内往复运动。
10.根据权利要求7所述的制备铜铟镓硒光吸收层的方法，其特征在于所述第三设定速度高于所述第二设定速度。
全文摘要
一种制备铜铟镓硒光吸收层的装置，包括真空系统和衬底传动系统，由真空系统维持真空的进样室、镀膜室及出样室；衬底传动系统包括衬底传动装置和衬底装载装置；镀膜室包括第一镀膜室，用于在衬底上沉积铟、镓和硒，并维持衬底温度在350~400℃；第二镀膜室，用于在硒蒸汽的气氛下在衬底上沉积铜，并维持衬底温度在550~650℃；第三镀膜室，用于在硒蒸汽的气氛下在衬底上继续沉积铜，并维持衬底温度在550~650℃；蒸发监控装置，蒸发监控装置用于监测衬底表面温度、衬底在监测读数快速上升的时候离开第三镀膜室；第四镀膜室，用于在硒蒸汽的气氛下在衬底上沉积铟、镓和硒，并维持衬底温度在550~650℃。本发明还提供一种制备铜铟镓硒光吸收层的方法。
文档编号C23C14/24GK103022249SQ20121053559
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月12日 优先权日2012年12月12日
发明者陈旺寿, 肖旭东, 张撷秋, 刘壮, 顾光一, 杨春雷, 宋秋明 申请人:深圳先进技术研究院, 香港中文大学