一种薄膜太阳能电池氟化钾膜层沉积和扩散装置及其方法与流程

本发明涉及太阳能技术，尤其涉及薄膜太阳能电池氟化钾膜层沉积和扩散装置及其方法。

背景技术：

铜铟镓硒太阳能电池具有生产成本低、污染小、不衰退、弱光性能好等显著特点，光电转换效率居各种薄膜太阳能电池之首，接近于晶体硅太阳能电池，而成本则是晶体硅电池的三分之一，被国际上称为新型薄膜太阳能电池，但是其对工艺和制备条件的要求较高。

具体地说，铜铟镓硒薄膜太阳能电池由四层薄膜组成，在基片上的第一层薄膜为底电极，通常使用的是钼。第二层为铜铟镓硒薄膜，称为吸收层。这层是用来转换所吸收的光子为自由电子，它是决定电池转换效率最关键的膜层。第三层为联接层(即硫化隔层)，第四层为顶电极(TCO)。

近期的研究表明，在铜铟镓硒电池的吸收层加入钾元素，会减少硫化镉层与铜铟镓硒交界处的电子复合，极大地改善P-N结的质量，会提高Voc和FF(电压和填充因子)，从而提高电池的转换效率。

目前采用加入氟化钾的方式有两种，第一种采用高温蒸发氟化钾，使氟化钾高温进行蒸发，基片在滚轮的带动下向前运动时吸附在吸收层上面，然后进行后序的热处理，这种方法虽然可行，能使钾元素渗入吸收层上面，但是设备复杂，使用的成本高，且不容易控制氟化钾的挥发量，存在着不足，第二种是采用溅射法，利用带电离子在电磁场的作用下获得足够的能量，轰击靶材，从靶材表面被贱射出来的氟化钾射向吸收层，在吸收层上形成薄膜，但是溅射法存在的问题是靶材容易吸水，不容易保持干燥，同样存在着不足，不能灵活的满足生产的需求。

综上所述，针对现有技术的问题，特别需要薄膜太阳能电池氟化钾膜层沉积和扩散装置及其方法，以解决现有技术的不足。

技术实现要素：

本发明的目的是提供薄膜太阳能电池氟化钾膜层沉积和扩散装置及其方法，通过采用液化的氟化钾喷洒在吸收层上，干燥后进行后热处理，较大地简化了装置的设计与制造，同时也简化了氟化钾的膜层沉积工艺。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是，

一种薄膜太阳能电池氟化钾膜层沉积和扩散装置，包括有氟化钾喷洒腔，氟化钾喷洒腔连接后热处理腔；

氟化钾喷洒腔的一侧在电池基片移动方向上方安装有将雾状氟化钾液体直接均匀的喷洒在电池基片上的铜铟镓硒吸收层的氟化钾溶液喷嘴，氟化钾溶液喷嘴呈线形分布；

后热处理腔在电池基片移动方向的上下两端安装有高温加热器。

进一步，氟化钾喷洒腔的另一侧上下两端均安装有在电池基片经氟化钾溶液喷嘴均匀喷洒氟化钾后进行干燥的水蒸气挥发加热器，氟化钾液体经水蒸气挥发加热器后在铜铟镓硒吸收层上形成厚度为5纳米-30纳米的氟化钾固体膜层。

进一步，后热处理腔设置有便于在硒气氛中使钾离子扩散进入铜铟镓硒吸收层的硒蒸气喷口，硒蒸气喷口呈线形分布。

进一步，氟化钾膜层沉积装置依次设置的进片腔、高温硒化/硫化腔、硒化/硫化冷却腔，氟化钾喷洒腔、后热处理腔、冷却出片腔内部均安装有便于基片移动的滚轮，进片腔、高温硒化/硫化腔、硒化/硫化冷却腔、氟化钾喷洒腔、后热处理腔、冷却出片腔均安装有隔离阀门。

进一步，硒化/硫化冷却腔、氟化钾喷洒腔、后热处理腔、冷却出片腔的顶部均安装有保护气体进口，硒化/硫化冷却腔、氟化钾喷洒腔、后热处理腔、冷却出片腔的底部均安装有排气口。

本发明还提供了一种薄膜太阳能电池氟化钾膜层沉积和扩散方法，电池基片在硒化/硫化冷却腔完成硒化工艺或硒化/硫化工艺的电池基片的铜铟镓硒吸收层进入氟化钾喷洒腔，氟化钾喷洒腔内的线性氟化钾溶液喷嘴喷洒出雾状氟化钾液体，电池基片在滚轮的带动下进行直线移动，氟化钾液体在铜铟镓硒吸收层上均匀的形成一层氟化钾液体层，氟化钾液体层经过水蒸气挥 发加热器可以将喷洒后有液膜快速烘干，氟化钾液体层挥发水分形成氟化钾膜层后，电池基片进入后热处理腔进行加温热处理，硒蒸气喷口喷出硒蒸气，让基片在硒气氛中使钾离子扩散至整个铜铟镓硒吸收层，电池基片在后热处理腔内往复移动，使电池基片有较好的热均匀性，也含有较好的硒沉积均匀性，改善铜铟镓硒晶粒之间晶界的结合状态，减少了电子的复合，电池基片最后通过冷却出片腔将电池基片冷却，使电池基片冷却至90度以下，完成氟化钾膜层喷涂工艺。

进一步，氟化钾液体层的厚度可由改变电池基片移动速度，或基片往复移动，或调节喷嘴的喷射量，或调节氟化钾溶液的浓度来改变。

进一步，氟化钾液体层在快速烘干时电池基片的温度控制在200度以下。

进一步，电池基片在后热处理腔内的温度控制在300～500℃之间，热处理时间控制在5分钟-50分钟。

进一步，后热处理腔内的气体为真空腔体，真空度在≤200Torr，后热处理腔内的气体为保护气体氛围，即1个大气压±0.1大气压的保护气体气压，保护气体采用氮气，后热处理腔内的氧气含量控制在小于10PPM。

进一步，电池基片进入氟化钾喷洒腔前后还包含有以下步骤，电池基片在进片腔向前移动进入高温硒化/硫化腔，高温硒化/硫化腔的温度为400度-600度，高温硒化/硫化腔完成后进入硒化/硫化冷却腔，完成的铜铟镓硒吸收层进入氟化钾喷涂腔，氟化钾膜层沉种装置各腔体内部采用的保护气体均为氮气，通过排气口的排放，冷却出片腔有保护气体及冷却功能，将电池基片冷却至90度以下，完成铜铟镓硒吸收层的加工，其中，工作时氟化钾膜层沉种装置各腔体内氧的含量降低到100PPM之下，而高温硒化/硫化腔和后热处理腔的氧含量要小于10PPM。

本发明的优点在于，本产品结构简单，在铜铟镓硒电池的吸收层表层加入钾元素，克服了现有方法中在铜铟镓硒电池的吸收层加入钾元素的缺陷，通过在铜铟镓硒吸收层后立即进入氟化钾喷洒腔内，通过线性液体喷嘴，基片的直接移动，氟化钾液体均匀的沉积在基片上，通过加温干燥，形成固体膜层。腔内有氮气保护气体的进出管道，使腔内的含氧量尽可能降低，基片然后进入后处理腔，加温热处理，腔内也有保护气体保护。待钾元素扩散至 铜铟镓硒吸收层内后，基片进入冷却腔，设计新颖，是一种很好的创新方案，很有市场推广前景。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的线型氟化钾溶液喷嘴的结构示意图。

图3是本发明的线形硒蒸气喷口的结构示意图。

图中100-进片腔，110-高温硒化/硫化腔，120-硒化/硫化冷却腔，130-氟化钾喷洒腔，140-后热处理腔，150-冷却出片腔，160-电池基片，170-隔离阀门，180-排气口，190-保护气体进口，200-滚轮，131-氟化钾溶液喷嘴，132-水蒸气挥发加热器，141-硒蒸气喷口，142-高温加热器。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1、图2所示，本发明提出的一种薄膜太阳能电池氟化钾膜层沉积和扩散装置，包括有氟化钾喷洒腔130，氟化钾喷洒腔130连接后热处理腔140；

氟化钾喷洒腔130的一侧在电池基片160移动方向上方安装有将雾状氟化钾液体直接均匀的喷洒在电池基片160上的铜铟镓硒吸收层的氟化钾溶液喷嘴131，氟化钾溶液喷嘴131呈线形分布，氟化钾喷洒腔130的另一侧上下两端均安装有在电池基片160经氟化钾溶液喷嘴131均匀喷洒氟化钾后进行干燥的水蒸气挥发加热器132，氟化钾液体经水蒸气挥发加热器131后在铜铟镓硒吸收层上形成厚度为5纳米-30纳米氟化钾固体膜层；氟化钾溶液喷嘴的数量可以根据实际需求进行灵活调节。

氟化钾溶液在电池基片上喷洒完毕之后可以通过水蒸气挥发加热气进行烘干，同样也可以直接的进入高温加热器完成后序工艺，但是，通过水蒸气挥发加热器使氟化钾形成固体膜层还加容易控制，确保产品的完整性能，本发明实施例采取对氟化钾溶液进行水蒸气挥发形成氟化钾固体膜层。

后热处理腔140在电池基片160移动方向的上下两端安装有高温加热器142。

如图3所示，后热处理腔140设置有便于在硒气氛中使钾离子扩散进入铜铟镓硒吸收层的硒蒸气喷口141，硒蒸气喷口141呈线形分布。使硒蒸气能够均匀的喷洒在铜铟镓硒吸收层的表面，可以根据实际的需求，来调节硒蒸气喷口的数量。

后热处理方式可以通过有硒蒸气氛围内完成对铜铟镓硒吸收层的处理，这样氟化钾更容易在铜铟镓硒吸收层进行融合，当然，也可以采用无硒蒸气氛围的环境完成铜铟镓硒吸收层的处理，本发明采取的实施例为通过有硒蒸气氛围的环境对铜铟镓硒吸收层进行处理。

另外，氟化钾膜层沉积装置依次设置的进片腔100、高温硒化/硫化腔110、硒化/硫化冷却腔120，氟化钾喷洒腔130、后热处理腔140、冷却出片腔150内部均安装有便于基片移动的的滚轮200，进片腔100、高温硒化/硫化腔110、硒化/硫化冷却腔120、氟化钾喷洒腔130、后热处理腔140、冷却出片腔150均安装有隔离阀门170。硒化/硫化冷却腔120、氟化钾喷洒腔130、后热处理腔140、冷却出片腔150的顶部均安装有保护气体进口190，硒化/硫化冷却腔120、氟化钾喷洒腔130、后热处理腔140、冷却出片腔150的底部均安装有排气口180。

本发明的工作原理：电池基片首先进入进片腔100，然后进入高温硒化/硫化腔110。为了控制高温硒化/硫化腔110、硒化/硫化冷却腔120内的氧气含量，这两个腔采用保护气体排出氧气的方式，也可采用真空的方式排出氧气。当基片完成硒化/硫化工艺后，打开硒化/硫化冷却腔的隔离阀门，基片进入硒化/硫化冷却腔。该腔内采用保护气体排出氧气的方式，这样与以后工艺的各个腔体保持一致的保护气体排氧装置。保护气体使用氮气。该腔内设有保护气体进口190，排气口180。将电池基片160(已完成铜铟镓硒吸收层工艺)的温度降至90℃以下后，同时气压控制在1个大气压左右，打开氟化钾喷洒腔的隔离阀门，电池基片160进入氟化钾喷洒腔130。喷洒腔设有线性氟化钾溶液喷嘴131，氟化钾喷洒腔内的线性氟化钾溶液喷嘴喷洒出雾状氟化钾液体，电池基片在滚轮的带动下进行直线移动，氟化钾液体在铜铟镓 硒吸收层上均匀的形成一层氟化钾液体层，氟化钾液体层经过水蒸气挥发加热器可以将喷洒后有液膜快速烘干，控制氟化钾的厚度可以采用调节氟化钾溶液的浓度，或调节氟化钾溶液喷嘴131喷出量，或调节基片移动速度，或往复移动基片，都能够控制溶液沉积在基片上的量。喷洒腔带有保护气体进口190，排气口180，氟化钾喷洒腔内压力控制在1个大气压±0.1大气压内。氟化钾喷洒腔还装有上下电加热器，将基片快速烘干，氟化钾液体层在快速烘干时电池基片的温度控制在200度以下。

烘干后的电池基片进入下一腔体后热处理腔140。后热处理腔140装置有上下电加热器，电池基片的温度控制在300℃至500℃之间。基片在腔内依靠滚轮200的不同方向的转动，保持往复移动。腔内还装置有硒蒸气喷口141，工艺需要时喷入硒蒸气使基片在硒蒸气环境中热处理。使电池基片有较好的热均匀性，也含有较好的硒沉积均匀性，改善铜铟镓硒晶粒之间晶界的结合状态，减少了电子的再复合量，后热处理腔的压力也是由进气口的保护气体与排气口控制，压力控制在1个大气压±0.1大气压，氧气的含量小于10PPM，后热处理腔内的气体也可以为真空腔体，真空度在≤200Torr，基片在腔内完成了5至50分钟的热处理工艺后，可打开冷却出片腔150隔离阀门，基片进入出片腔冷却至小于200℃后，通过冷却出片腔将电池基片导出。冷却出片腔也有保护气体进口与排气口，从而保证该腔内的低含氧量。

该发明将氟化钾的喷洒腔与硒化/硫化腔后的冷却腔连接在一起，形成吸收层后立即进入氟化钾喷洒腔内，通过线性液体喷嘴，基片的直接移动，氟化钾液体均匀的沉积在基片上，通过加温干燥，形成固体膜层。腔内有氮气保护气体的进出管道，使腔内的含氧量尽可能降低。基片然后进入后处理腔，加温热处理，腔内也有保护气体保护。待钾元素扩散至铜铟镓硒吸收层内后，基片进入冷却腔，设计新颖，是一种很好的创新方案，很有市场推广前景。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。