专利名称：基于硒等离子体制备铜铟镓硒薄膜及光伏薄膜电池的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及光伏技术领域，尤其涉及一种基于硒等离子体制备铜铟镓硒光伏薄膜 的设备。
背景技术：
铜铟镓硒薄膜太阳能电池具有高的转换效率、低成本、性能稳定并可以大规模工 业化等优点，而成为国际光伏界研究热点之一，即将成为下一代有竞争力的商品化薄膜太 阳能电池。特别随着工艺技术的发展与进步，将成为太阳能电池发展的一个非常重要的方 向。铜铟镓硒薄膜是一种由化合物铜铟镓硒薄膜半导体材料。它的禁带宽度可在 1. 02-1. 7eV之间调节(CuIrvxGaxSe2,0 ^ χ ^ 0. 3) 可见光吸收率高达105/cm，对太阳光 谱的响应覆盖函数高。厚度2 μ m，在500纳米可以吸收99%的太阳光。因此，它已成为光 伏电池中最佳的吸收材料之一。目前，铜铟镓硒光伏薄膜的制备方法已有不少报道，如真空方法溅射法、蒸发法 与非真空方法电化学沉积法，热解喷射发等。目前，非真空方法，实际利用还有很多技术问 题需要克服。而采用真空的方法如共蒸发和溅射金属预置层后硒化已经被产业界所接受。 但目前共蒸发与溅射的设备，沉积时衬底温度一般高于500°C，很难保证在大面积下沉积铜 铟镓硒薄膜的均勻性。基于现有技术的上述缺陷，本领域技术人员渴望一种制备铜铟镓硒薄膜的设备， 通过此设备在低于550°C硒化温度条件下制备材料比例精度高大面积均勻的铜铟镓硒薄膜。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提出一种基于硒等离子体制备铜铟镓硒光伏薄 膜的设备，以克服现有技术的设备沉积时衬底温度过高，无法实现在大面积基片上沉积铜 铟镓硒薄膜的缺陷。为实现上述目的，本发明提出一种制备铜铟镓硒光伏薄膜的设备，包括蒸发源 室；离子源，用以离化工作气体使其处于等离子体态，以向蒸发源室内提供该等离子体；电 子枪，用以蒸发硒材料以于蒸发源室内产生硒蒸气，其坩埚接正偏压，使工作气体在电离过 程中所产生的电子云与硒蒸气相互碰撞，产生硒等离子体；以及蒸发源，置于所述蒸发源室 中，用于在硒等离子体气氛下，分别蒸发铜、铟、镓金属材料，以在基片上沉积铜铟镓硒光伏 薄膜。其中，所述离子源放电电流为0 500A ；放电电压为80 500V。其中，所述电子枪加速电压DC-5 -25KV ；束流为0 4A ；所述坩埚偏压为80 500V。其中，所述蒸发源加热温度≤I8OO0C ；控温精度士0. 1°C。
其中，还包括一薄膜沉积室，位于所述蒸发源室上方，其底部与所述蒸发源室顶部 连接，所述薄膜沉积室底部具有一基片架，所述坩埚位于所述蒸发源室底部并位于所述基 片架的中心位置的正下方，所述坩埚与所述基片架的中心位置连线构成一垂直轴线。其中，所述离子源设置于所述蒸发源室外壁并接入所述蒸发源室，所述电子枪设 置于所述蒸发源室外壁并倾斜接入所述蒸发源室，以使所述电子枪射出的电子朝向所述坩 埚方向，所述电子枪与所述离子源之间成一角度布局，所述蒸发源为多个，所述多个蒸发源 沿所述轴线圆周分布并指向所述基片架的中心位置。其中，所述离子源设置于所述蒸发源室内，所述电子枪倾斜设置于所述蒸发源室 内，以使所述电子枪射出的电子朝向所述坩埚方向，所述电子枪与所述离子源之间成一角 度布局，所述蒸发源为多个，所述多个蒸发源沿所述轴线圆周分布并指向基片架中心位置。其中，所述蒸发源较佳为3至7个。其中，基片上沉积铜铟镓硒光伏薄膜的温度为25 500°C。而且，为实现上述目的，本发明还提出一种制备铜铟镓硒光伏薄膜电池的设备，包 括上述的制备铜铟镓硒光伏薄膜的设备。本发明的效果本发明的设备采用悬浮偏压电子枪与强流离子源组合工作，制备硒等离子气氛环 境，利用硒离化后活性增强，降低了硒化温度。并且，在硒等离子体气氛背压环境下，采用高 精度阻热蒸发源蒸镀铜、铟、镓材料，在加热到硒化温度的大面积基片上制备了高质量多晶 铜铟镓硒薄膜，材料比例精度高、均勻多晶，克服了现有技术的设备无法制备大面积均勻的 铜铟镓硒薄膜的缺陷。
图1为本发明铜铟镓硒光伏薄膜制备设备示意图； 图2为本发明铜铟镓硒光伏薄膜制备设备A-A’处的剖视图； 图3为本发明铜铟镓硒光伏薄膜制备设备蒸发源室部分的仰视示意图 其中，附图标记
2.基片架
5.高精度阻热蒸发源 8.烘烤系统 30.过渡室
1.强流离子源 4.气动真空锁 7.悬浮偏压电子枪 20.薄膜沉积室
3.石英晶体测厚探头 6.悬浮偏压坩埚 10.蒸发源室 40.可加热基片拖动装置
具体实施例方式本发明中是采用悬浮偏压电子枪、强流离子源、高精度阻热蒸发源相结合制备大 面积铜铟镓硒光伏薄膜的设备，于其中，本发明是利用悬浮偏压电子枪与强流离子源相结 合制备硒等离子体。本发明首先提出了一种制备硒等离子体的设备，图1为本发明铜铟镓硒光伏薄膜 制备设备示意图；图2为本发明铜铟镓硒光伏薄膜制备设备A-A’处的剖视图，如图1及图 2所示，该设备包括一蒸发源室10、一悬浮偏压电子枪7、一强流离子源1以及高精度阻热 蒸发源5。其中，所述强流离子源1 (型号为QLL-120)，用以将工作气体离化，使工作气体处于等离子态，以向蒸发源室内提供该等离子体，强流离子源1放电电流为0 500A ；放电电 压为80 500V ；所述悬浮偏压电子枪7用以蒸发硒材料以于蒸发源室10内产生硒蒸气，其 悬浮偏压坩埚6接正偏压，使工作气体在电离过程中所产生的电子云在悬浮偏压坩埚6接 正偏压电场的作用下与硒蒸气相互碰撞，使硒离化产生硒等离子体。悬浮偏压电子枪7加 速电压DC-5 -25KV ；束流为0 4A ；悬浮偏压电子枪7的坩埚偏压为80 500V。进一步，基于上述，本发明提出了制备铜铟镓硒光伏薄膜的设备，包括一蒸发源室10，其中，蒸发源室10为真空环境，极限真空度为5 X IO-4Pa,工作真空 度为 2 X ICT2Pa l(T3Pa。强流离子源1 (型号为QLL-120)，用以将工作气体离化，使工作气体处于等离子 态，以向蒸发源室内提供该等离子体；其中，强流离子源1放电电流为O 500A ；放电电压 为80 500V，所述工作气体较佳为惰性气体。悬浮偏压电子枪7，用以于蒸发源室10内蒸发硒材料产生硒蒸气，其悬浮偏压坩 埚6接正偏压，使工作气体在电离过程中所产生的电子云与硒蒸气相互碰撞，产生硒等离 子体；其中，悬浮偏压电子枪7的加速电压DC-5 -25KV ；束流为0 4A ；悬浮偏压电子枪 7的悬浮偏压坩埚6的偏压为80 500V。高精度阻热蒸发源5，置于所述蒸发源室10中，用于在硒等离子体气氛下，分别蒸 发铜、铟、镓金属材料，以在基片上沉积铜铟镓硒光伏薄膜；其中，高精度阻热蒸发源5的加 热温度彡18000C ；控温精度士0. 1°C。薄膜沉积室20，位于蒸发源室10上方，其底部与所述蒸发源室10顶部连接，用于 在基片上沉积铜铟镓硒薄膜。薄膜沉积室20为真空环境，极限真空度为5 X IO-4Pa,工作真 空度为2X10_2Pa 10_3Pa;薄膜沉积室20内置烘烤系统8，后面安装分子泵抽气系统，烘 烤系统8可将薄膜沉积环境加热到室温 500°C。薄膜沉积室20底部具有一基片架2，所 述悬浮偏压坩埚6位于所述蒸发源室10底部并位于所述基片架2的中心位置的正下方，所 述悬浮偏压坩埚6与所述基片架2的中心位置连线构成一垂直轴线。过渡室30，通过气动真空锁4与所述薄膜沉积室20侧面连接，用于在保持蒸发源 室10和薄膜沉积室20真空环境下，装卸被镀基片。可加热基片拖动装置40，与所述过渡室30侧面连接，用于加热被镀基片和拖动被 镀基片在薄膜沉积室20往复运动，使被镀基片沉积上铜铟镓硒薄膜。图3为本发明铜铟镓硒光伏薄膜制备设备蒸发源室部分的仰视示意图，如图3所 示，并结合图1及图2，所述悬浮偏压电子枪7、强流离子源11、高精度阻热蒸发源5为圆周 向心布局。其中，作为一较佳实施方式，所述强流离子源1设置于所述蒸发源室10外壁并 接入蒸发源室10，所述悬浮偏压电子枪7设置于所述蒸发源室10外壁并倾斜接入所述蒸发 源室10，以使所述悬浮偏压电子枪7射出的电子朝向所述悬浮偏压坩埚6方向，以蒸发硒材 料产生硒蒸气。所述悬浮偏压电子枪7与所述强流离子源1之间成一角度布局，较佳为90 度，使得所述悬浮偏压电子枪7产生的硒蒸气可以与所述强流离子源1电离工作气体产生 的电子云发生碰撞，产生硒等离子体。所述高精度阻热蒸发源5为多个，较佳为3 7个， 更佳为5个，所述多个高精度阻热蒸发源5沿所述轴线圆周分布并指向基片架中心位置。并且，上述较佳实施例中，所述强流离子源1也可以设置于所述蒸发源室10内，并 且所述悬浮偏压电子枪7倾斜设置于所述蒸发源室10内，使得所述悬浮偏压电子枪7射出
5的电子朝向所述悬浮偏压坩埚6方向，所述悬浮偏压电子枪7与所述强流离子源1之间成 一角度布局，较佳为90度。其中，基片架2可以加热，加热温度为室温 600°C ；其中，基片架2可安装石英晶体测厚仪石英晶体测厚探头3，用于动态膜厚测量， 对单元材料和多元材料成膜速率、成膜厚度进行标定。其中，通过上述设备沉积铜铟镓硒薄膜，沉积时所述基片的温度在25°C 600°C 之间可调。其中，本发明的上述设备采用强流离子源1加悬浮电子枪7方法沉积金属Se。并 利用高精度阻热蒸发源5 (本设备选用分子束外延气源炉作为高精度阻热蒸发源)，分别蒸 发Cu、In、Ga三禾中元素。并且，本发明上述设备中基片尺寸300X300mm,可镀制基片种类包括玻璃、聚酰亚 胺薄膜和金属薄板，于其上可沉积大面积铜铟镓硒光伏薄膜。另外，利用本发明的设备完成铜铟镓硒光伏薄膜的制备过程如下将蒸发源室 10、薄膜沉积室20、过渡室30由分子泵抽气系统抽真空至8X 10_4Pa，开启薄膜沉积室20内 的烘烤系统8，加热到室温 500°C可调，开启基片架加热器对基片加热，加热温度室温 600°C可调，然后通过强流离子源1充气口通入工作气体，较佳为惰性气体，如Ar气，真空 度维持在2 X ICT2Pa 10_3Pa，开启悬浮偏压电子枪7坩埚偏压80 500V，开启强流离子 源1，放电电流为0 500A，维持强流离子源正常放电，开启悬浮偏压电子枪7，加速电压 DC-5 -25KV ；束流0 4A，用以蒸发硒材料产生硒蒸气，其悬浮偏压坩埚6接正偏压，使 工作气体在电离过程中所产生的电子云在悬浮偏压坩埚6接正偏压电场的作用下与硒蒸 气相互碰撞，使硒离化产生硒等离子体。进一步，在硒等离子体气氛下，开启高精度阻热蒸 发源5 (本设备选用分子束外延气源炉作为高精度阻热蒸发源)分别蒸发Cu、IruGa三种元 素，在被镀基片上形成铜铟镓硒光伏薄膜。并且，本发明通过扫描电子显微镜(SEM，Cambridge S-360，美国)观测薄膜的表 面。由扫描电镜测定表明利用本发明的设备制得的铜铟镓硒薄膜均为纳米粒子组成，它们 的直径分别为10 100纳米左右，而且粒子分布均勻。本发明中制备的薄膜结构由X-射线衍射仪(Ri gata/Max-C)确定，X-射线衍射 图谱表明得到的薄膜结构。本发明采用诱导偶合等离子体发射光谱(ICP) (P-4010, Hitachi Co.，Japan) (ICP,自制)等表征薄膜的化学组成。由上述方法制备的铜铟镓硒光伏薄膜，经ICP测定表 明Cu，In，Ga和Se元素的存在。更进一步，本发明制备的铜铟镓硒光伏薄膜，可以组装成薄膜光伏电池，本发明也 提出了一种制备铜铟镓硒光伏薄膜电池的设备，其中，利用上述本发明提出的制备铜铟镓 硒光伏薄膜的设备制备铜铟镓硒光伏薄膜。并且，在制得的铜铟镓硒光伏薄膜的基础上制 备铜铟镓硒光伏薄膜电池的设备为本领域常用的现有技术知识，此处不再详细论述。以下通过具体实施例，说明利用本发明的上述设备制备硒等离子体、铜铟镓硒光 伏薄膜的实施例。实例1本发明中，将蒸发源室、薄膜沉积室、过渡室由分子泵抽气系统抽真空至
68 X 10_4Pa，开启薄膜沉积室内烘烤系统，加热到300°C，开启基片架加热器对基片加热，加热 温度3500C，然后通过强流离子源充气口通入Ar气，真空度维持在1 X 10_2Pa，开启悬浮偏压 电子枪坩埚偏压120V，开启强流离子源，放电电流为60A，维持强流离子源正常放电，开启 悬浮偏压电子枪，加速电压DC-6KV ；束流0. 5A，用以蒸发硒材料产生硒蒸气，其悬浮坩埚接 正偏压，使工作气体在电离过程中所产生的电子云在悬浮坩埚接正偏压电场的作用下与硒 蒸气相互碰撞，使硒离化产生硒等离子体。进一步，在硒等离子体气氛下，开启分子束外延 气源炉，分别蒸发Cu、In、Ga三种元素，在被镀基片上形成铜铟镓硒光伏薄膜。其中，通过诱导偶合等离子体发射光谱(ICP) (P-4010,Hitachi Co. ,Japan) (ICP， 自制)等表征薄膜的化学组成。由上述方法制备的铜铟镓硒光伏薄膜，经ICP测定表明Cu， In和Se元素的存在，而且它们摩尔比为1 1.01 2.0。实例2将蒸发源室、薄膜沉积室、过渡室由分子泵抽气系统抽真空至8X10_4Pa，开启薄 膜沉积室内烘烤系统，加热到350°C，开启基片架加热器对基片加热，加热温度490°C，然后 通过强流离子源充气口通入Ar气，真空度维持在1 X IO-2Pa,开启悬浮偏压电子枪坩埚偏压 150V，开启强流离子源，放电电流为70A，维持强流离子源正常放电，开启悬浮偏压电子枪， 加速电压DC-6KV ；束流0. 4A，用以蒸发硒材料产生硒蒸气，其悬浮坩埚接正偏压，使工作气 体在电离过程中所产生的电子云在悬浮坩埚接正偏压电场的作用下与硒蒸气相互碰撞，使 硒离化产生硒等离子体。进一步，在硒等离子体气氛下，开启分子束外延气源炉，分别蒸发 Cu、In、Ga三种元素，在被镀基片上形成铜铟镓硒光伏薄膜。实例3本发明中，将蒸发源室、薄膜沉积室、过渡室由分子泵抽气系统抽真空至 8X10_4Pa，开启薄膜沉积室内烘烤系统，加热到50°C，开启基片架加热器对基片加热，加热 温度25°C，然后通过强流离子源充气口通入Ar气，真空度维持在2 X 10_2Pa，开启悬浮偏压 电子枪坩埚偏压120V，开启强流离子源，放电电流为100A，维持强流离子源正常放电，开启 悬浮偏压电子枪，加速电压DC-5KV ；束流0. 5A，用以蒸发硒材料产生硒蒸气，其悬浮坩埚接 正偏压，使工作气体在电离过程中所产生的电子云在悬浮坩埚接正偏压电场的作用下与硒 蒸气相互碰撞，使硒离化产生硒等离子体。进一步，在硒等离子体气氛下，开启分子束外延 气源炉，分别蒸发Cu、In、Ga三种元素，在被镀基片上形成铜铟镓硒光伏薄膜。实例4本发明中，将蒸发源室、薄膜沉积室、过渡室由分子泵抽气系统抽真空至 8 X 10_4Pa，开启薄膜沉积室内烘烤系统，加热到420°C，开启基片架加热器对基片加热，加热 温度5000C，然后通过强流离子源充气口通入Ar气，真空度维持在2 X 10_2Pa，开启悬浮偏压 电子枪坩埚偏压120V，开启强流离子源，放电电流为100A，维持强流离子源正常放电，开启 悬浮偏压电子枪，加速电压DC-5KV;束流0. 5A，用以蒸发硒材料产生硒蒸气，其悬浮坩埚接 正偏压，使工作气体在电离过程中所产生的电子云在悬浮坩埚接正偏压电场的作用下与硒 蒸气相互碰撞，使硒离化产生硒等离子体。进一步，在硒等离子体气氛下，开启分子束外延 气源炉，分别蒸发Cu、In、Ga三种元素，在被镀基片上形成铜铟镓硒光伏薄膜。综上所述，本发明的设备采用悬浮电子枪与强流离子源相结合制备硒等离子体， 在硒等离子体背压环境下，结合高精度阻热蒸发源热蒸发铜、铟、镓金属以制备在薄膜太阳能电池中作为光伏吸收层的铜铟镓硒薄膜。采用本发明的设备能够降低制备铜铟镓硒光伏 薄膜的衬底温度至500°C以下，比目前溅射或蒸发后硒化等其它方法制备铜铟镓硒光伏薄 膜的衬底温度低，使得薄膜沉积时衬底不易变形，实现大面积下沉积铜铟镓硒薄膜的均勻 性。另外，本发明的设备采用悬浮电子枪、强流离子源、高精度阻热蒸发法相结合制备大面 积铜铟镓硒光伏薄膜，其设备可靠，使用性能稳定。并且，本发明制备的铜铟镓硒薄膜能应 用于薄膜光伏电池。 当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟 悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变 形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
一种制备铜铟镓硒光伏薄膜的设备，其特征在于，包括蒸发源室；离子源，用以离化工作气体使其处于等离子体态，以向蒸发源室内提供该等离子体；电子枪，用以蒸发硒材料以于蒸发源室内产生硒蒸气，其坩埚接正偏压，使工作气体在电离过程中所产生的电子云与硒蒸气相互碰撞，产生硒等离子体；以及蒸发源，置于所述蒸发源室中，用于在硒等离子体气氛下，分别蒸发铜、铟、镓金属材料，以在基片上沉积铜铟镓硒光伏薄膜。
2.根据权利要求1所述的制备铜铟镓硒光伏薄膜的设备，其特征在于，所述离子源放 电电流为0 500A ；放电电压为80 500V。
3.根据权利要求1所述的制备铜铟镓硒光伏薄膜的设备，其特征在于，所述电子枪加 速电压DC-5 -25KV ；束流为0 4A ；所述坩埚偏压为80 500V。
4.根据权利要求1所述的制备铜铟镓硒光伏薄膜的设备，其特征在于，所述蒸发源加 热温度彡18000C ；控温精度士0. 1°C。
5.根据权利要求1所述的制备铜铟镓硒光伏薄膜的设备，其特征在于，还包括一薄膜 沉积室，位于所述蒸发源室上方，其底部与所述蒸发源室顶部连接，所述薄膜沉积室底部具 有一基片架，所述坩埚位于所述蒸发源室底部并位于所述基片架的中心位置的正下方，所 述坩埚与所述基片架的中心位置连线构成一垂直轴线。
6.根据权利要求5所述的制备铜铟镓硒光伏薄膜的设备，其特征在于，所述离子源设 置于所述蒸发源室外壁并接入所述蒸发源室，所述电子枪设置于所述蒸发源室外壁并倾斜 接入所述蒸发源室，以使所述电子枪射出的电子朝向所述坩埚方向，所述电子枪与所述离 子源之间成一角度布局，所述离子源为多个，所述多个离子源沿所述轴线圆周分布并指向 所述基片架的中心位置。
7.根据权利要求5所述的制备铜铟镓硒光伏薄膜的设备，其特征在于，所述离子源设 置于所述蒸发源室内，所述电子枪倾斜设置于所述蒸发源室内，以使所述电子枪射出的电 子朝向所述坩埚方向，所述电子枪与所述离子源之间成一角度布局，所述蒸发源为多个，所 述多个蒸发源沿所述轴线圆周分布并指向基片架中心位置。
8.根据权利要求6所述的制备铜铟镓硒光伏薄膜的设备，其特征在于，所述蒸发源为3 至7个。
9.根据权利要求1所述的制备铜铟镓硒光伏薄膜的设备，其特征在于，基片上沉积铜 铟镓硒光伏薄膜的温度为25 500°C。
10.一种制备铜铟镓硒光伏薄膜电池的设备，其特征在于，包括权利要求1至9中任意 一项所述的制备铜铟镓硒光伏薄膜的设备。
全文摘要
本发明公开了一种基于硒等离子体制备铜铟镓硒薄膜及光伏薄膜电池的设备，利用悬浮偏压电子枪、强流离子源、高精度阻热蒸发源组合制备铜铟镓硒光伏薄膜，包括蒸发源室；离子源，用以离化工作气体使其处于等离子体态，以向蒸发源室内提供该等离子体；电子枪，用以蒸发硒材料以于蒸发源室内产生硒蒸气，其坩埚接正偏压，使工作气体在电离过程中所产生的电子云与硒蒸气相互碰撞，产生硒等离子体；及蒸发源，置于所述蒸发源室中，用于在硒等离子体气氛下，分别蒸发铜、铟、镓金属材料，以在基片上沉积铜铟镓硒光伏薄膜。采用该设备降低了铜铟镓硒薄膜生长过程中硒化温度，提高了铜铟镓硒薄膜各种材料比例精度，实现了大面积均匀制备铜铟镓硒薄膜。
文档编号H01L31/18GK101958360SQ200910089398
公开日2011年1月26日 申请日期2009年7月17日 优先权日2009年7月17日
发明者何整风, 傅正文 申请人:何整风