可提高硒化质量的硒化反应装置及进行硒化反应的方法

摘要

本申请公开了一种可提高硒化质量的硒化反应装置及进行硒化反应的方法，所述可提高硒化质量的硒化反应装置包括一个硒源蒸发室、硒蒸汽流通通道、载气流通通道、混合气体流通通道、反应室；所述利用可提高硒化质量的硒化反应装置进行硒化反应的方法，包括步骤：抽真空；加热棒进行加热；打开微波发生装置，同时加热可加热式匀流板开始反应；反应结束后，腔室一保持继续加热，CIGS基片待温度降至200℃以下，关闭微波发生装置关闭进气阀，同时关闭抽气口；所述可提高硒化质量的硒化反应装置，利用微波发生装置离化硒原子，分散硒的大分子团，提高硒原子能量；该方法不仅可以提高硒的能量，而且可以提高硒蒸汽压及硒蒸汽分布的均匀性，最终提升CIGS电池整体的效率。

说明书

技术领域

本申请涉及一种硒化反应装置，具体为一种可提高硒化质量的硒化反应装置及进行硒化反应的方法，涉及太阳能技术领域。

背景技术

太阳能取之不尽、清洁无污染且随处可得。在当今世界面临能源危机、环境污染、全球变暖的背景下，利用太阳能取代传统能源是解决能源危机的有效途径之一。太阳能电池是一种将太阳能转换为电能的装置。太阳能电池的推广应用关键在于成本的降低。太阳能电池的成本包括材料的消耗、制备仪器、生产耗时和生产耗能。相对单晶硅、多晶硅太阳能电池，薄膜电池其所使用的原材料量很少，故原材料供给的短缺造成价格暴涨的现象发生的概率较低，因此薄膜电池非常有望实现低价高效的目标。其中，铜铟镓硒(CuIn1-xGaxSe2 或者CIGS) 薄膜被看作是所有薄膜太阳电池技术中最有希望实现低价、高效、性能稳定的光伏材料。

CIGS太阳能电池后硒化法制备主要流程可分为：玻璃清洗→Mo溅射→CIGS溅射→硒化→CBD→窗口层溅射→电极印刷。其中硒化是整个过程当中最为核心的技术，硒化效果的好坏直接决定着CIGS电池的成败。目前硒化方式主要有两种，一种是使用硒化氢气体，但硒化氢有剧毒，安全隐患较大。另外一种是使用固态单质硒作为硒源，将硒加热产生硒蒸汽，而后硒蒸汽与CIGS片子反应生成CIGS电池。

然而传统方式中直接使用硒蒸发后的硒蒸汽与CIGS反应，这不仅会造成硒的渗透不足，还会使反应生成的CIGS质量不高，最主要的原因就在于硒原子的能量不足。在硒蒸发出来后，硒是以原子团的形式存在，这不利于硒化反应。同时在硒蒸汽的运输过程当中，传统的方式是直接使用冷的惰性气体，然而冷的惰性气体与热的硒蒸汽相遇，会降低硒蒸汽的温度，导致硒原子团聚现象更加严重。另外气流与基板的平行设计方式会导致气流头端与尾端反应效果不一致。

发明内容

本申请的目的是提供一种可提高硒化质量的硒化反应装置及硒化反应方法。

为解决上述技术问题，本申请采用的技术方案是：

一种可提高硒化质量的硒化反应装置，包括一个硒源蒸发室、硒蒸汽流通通道、载气流通通道、混合气体流通通道、反应室，其中，硒源蒸发室内设有一个用于盛放硒源的腔室一，该腔室一外壁上设置有多组加热棒一；腔室一上连通硒蒸汽流通通道，硒蒸汽流通通道的出口处为喇叭口，硒蒸汽流通通道的出口与载气流通通道的出气口相互平行；硒蒸汽与载气平行流入混合气体流通通道，混合气体流通通道的外壁上设置有多组加热棒二，混合气体流通通道中设置有微波发生装置；混合气体流通通道的出口处设置反应室，反应室内混合气体流通通道的出口处连接一个喇叭罩，喇叭罩罩口处设置有可加热式匀流板，可加热式匀流板下方设置有加热板，加热板上放置CIGS基片；反应室底部开设有抽气口。

所述载气流通通道的外壁上设置有多组加热棒三。

所述腔室一外侧壁上还设置有用于实时监控硒源蒸发室内温度的热电偶一。

所述CIGS基片上设置有用于实时监控CIGS基片温度的热电偶二。

所述混合气体流通通道为石英管。

一种利用可提高硒化质量的硒化反应装置进行硒化反应的方法，包括以下步骤：

步骤一、将硒粉放入腔室一处，CIGS基片放在加热板上；关闭腔室一，关闭载气流通通道的进气阀，打开抽气口处的出气阀，开始抽真空，真空度达到1Pa以下；

步骤二、关闭出气阀，打开进气阀，进行充气；当气压达到装置内外气压平衡，关闭进气阀，打开抽气阀，抽真空，如此反复三次；

步骤三、抽气约半小时后，打开载气流通通道的进气阀，通载气；打开加热棒一、加热棒二、热棒三进行加热；设定加热棒一的温度为300~380℃，设定加热棒三的温度为300~380℃，设定加热棒二的温度为350~450℃；同时加热板也开始加热，加热板的最高设定温度为560℃；

步骤四、热电偶一监控硒源蒸发室内温度达到230℃后，打开微波发生装置，同时加热式匀流板加热至350℃，开始反应；

步骤五、反应结束后，关闭加热板，腔室一保持继续加热，CIGS基片处自然降温，待温度降至200℃以下，关闭微波发生装置，接着关闭加热棒一，待腔室一温度降至230℃，关闭进气阀，同时关闭抽气口。

步骤三中加热板为温度梯度加热，先加热至130~180℃，反应10~30分钟，然后再升至300~400℃，反应10~30分钟，最后升至500~560℃，反应10~30分钟。

步骤五后还包括：

步骤六、待CIGS基片与腔室一冷却至室温，通入气体，打开反应室，取出样品。

本申请采用上述结构后，具有如下技术效果：

本申请所述的可提高硒化质量的硒化反应装置，采用微波离化硒原子，分散硒的大分子团，提高硒原子能量；传统方式中惰性气体是不加热的，本设计方案中加热惰性气体可以更好的保持硒蒸汽流的能量；本装置中两股气流交汇的方式采用了平行交汇，取消了传统的垂直交汇；使用可加热式匀流板提高硒蒸汽分布的均匀性；本申请硒化反应腔室小，小腔室不但可以让硒蒸汽快速充满整个腔体，同时也带来了成本上的节约。

本申请所述的可提高硒化质量的硒化反应方法不仅可以提高硒的能量，而且可以提高硒蒸汽压及硒蒸汽分布的均匀性，同时还可以提高硒的利用率，最终提升CIGS电池整体的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1显示了本申请所述可提高硒化质量的硒化反应装置的结构；

图中：101、腔室一；102、加热棒一；103、热电偶一；104、硒蒸汽流通通道的出口；105、载气流通通道；106、混合气体流通通道；107、加热棒三；108、微波发生装置；109、加热棒二；110、喇叭罩；111、可加热式匀流板；112、CIGS基片；113、加热板；114、热电偶二；115、抽气口。

具体实施方式

为使本申请的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本申请实施例对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，本申请所述一种可提高硒化质量的硒化反应装置，整体为真空密闭形式，腔体材料具有隔热保温功能。

本申请所述一种可提高硒化质量的硒化反应装置，包括一个硒源蒸发室、硒蒸汽流通通道、载气流通通道105、混合气体流通通道106、反应室，其中，硒源蒸发室内设有一个用于盛放硒源的腔室一101，该腔室一101外壁上设置有多组加热棒一102，所述腔室一101外侧壁上还设置有用于实时监控硒源蒸发室内温度的热电偶一103，加热棒一102主要用于加热硒粉，产生硒蒸汽，热电偶一103可以实时监控硒源内部温度。

腔室一101上连通硒蒸汽流通通道，硒蒸汽流通通道的出口104处为喇叭口，硒蒸汽流通通道的出口104与载气流通通道105的出气口相互平行；硒蒸汽与载气平行射入混合气体流通通道106，混合气体流通通道106的外壁上设置有多组加热棒二109，混合气体流通通道106中设置有微波发生装置108；混合气体流通通道106的出口处设置反应室，反应室内混合气体流通通道106的出口处连接一个喇叭罩110，喇叭罩110罩口处设置有可加热式匀流板111，可加热式匀流板111下方设置有加热板113，加热板113上放置CIGS基片112。

当硒蒸汽产生后，往上逸出，经过喇叭口改道后与载气流通通道105处进入的载气，如惰性气体氩气等相遇，一同进入混合气体流通通道106，优选地，混合气体流通通道106为石英管。

载气流通通道105内的惰性气体经加热棒三107的加热，温度与硒蒸汽相同。硒蒸汽由惰性气体带动在混合气体流通通道106内流动，经过微波发生装置108处，硒蒸汽内部的硒团聚大分子团被打散，硒原子成硒离子。在整个石英管内部流动时，为了防止硒蒸汽冷凝，在石英管管壁上缠绕有加热棒二109，保证运输过程中不冷凝。混合气体继续往下到达喇叭罩110处，在喇叭罩110下方装有可加热式匀流板111，可将硒蒸汽更加均匀的分布在整个反应室内，反应室底部开设有抽气口115；可加热式匀流板111连接有加热装置，可被加热。硒蒸汽经过可加热式匀流板111到达CIGS基片112，CIGS基片112放置在加热板113上，所述CIGS基片112上设置有用于实时监控CIGS基片112温度的热电偶二114。

本申请装置的设计原理如下：

CIGS后硒化法制备过程中，使用固态硒硒化效果比使用硒化氢气体硒化效果差的原因在于硒的形态。固态硒蒸发后，硒以Se6等大的原子团存在，而硒化氢气体中硒是以硒离子的形式存在。所以如果将固态硒蒸发后的硒蒸汽变成硒离子流，那么硒化效果同样会达到使用硒化氢的硒化效果，甚至更好。

微波在PECVD中已经较为广泛的使用，而且微波是无极放电模式，有利于设备的简化。通入氩气，在微波的作用下，产生辉光放电，同时电离的氩离子、电子向硒及硒的大原子团撞击，将大原子团分散，硒原子也被离化成硒离子，硒原子的能量被提高，有利于后续的反应。

气流的交汇方式。来源于汽车高速公路的设计灵感，两股气流交汇最妥当的就是平行入射，垂直交汇时量股气流将会互相冲击，造成气流的紊乱，而平行入射交汇则没有这个问题。两股气流始终会非常的平稳交汇、融合在一起。

可加热式匀流板111的使用。可加热式匀流板111的作用主要体现着在使入射气流在经过可加热式匀流板111后变的更加均匀。当气流从上往下流动时，不使用可加热式匀流板111，气体将会在入射口处密度达到最高，而在反应室的四周密度最小，这不利于反应均匀的进行；而使用可加热式匀流板111后，气体将会均匀的充满整个反应室，提高硒蒸汽的分布均匀性。

本申请所述一种利用可提高硒化质量的硒化反应装置进行硒化反应的方法，包括以下步骤：

步骤一、将硒粉放入腔室一101处，CIGS基片112放在加热板113上；关闭腔室一101，关闭载气流通通道105的进气阀，打开抽气口115处的出气阀，开始抽真空，真空度达到1Pa以下；

步骤二、关闭出气阀，打开载气流通通道105的进气阀，进行充气；当气压达到装置内外气压平衡，关闭该进气阀，打开抽气阀，抽真空，如此反复3次；

步骤三、抽气约半小时后，打开载气流通通道105的进气阀，通入载气；加热棒一102、加热棒二109、热棒三107进行加热；设定加热棒一102的温度为300~380℃，设定热棒三107的温度未300~380℃，设定加热棒二109的温度为350~450℃；同时加热板113也开始加热，加热板113的最高设定温度为560℃；

步骤四、热电偶一103监控硒源蒸发室内温度达到230℃后，打开微波发生装置108，同时加热式匀流板111加热至350℃，开始反应；

步骤五、反应结束后，关闭加热板113，腔室一101保持继续加热，CIGS基片112处自然降温，待温度降至200℃以下，关闭微波发生装置108，接着关闭加热棒一102，待腔室一101温度降至230℃，关闭进气阀，同时关闭抽气口115。

优选地，所述步骤三中加热板113为温度梯度加热，先加热至130~180℃，反应10~30分钟，然后再升至300~400℃，反应10~30分钟，最后升至500~560℃，反应10~30分钟。

进一步地，步骤五后还包括：

步骤六、待CIGS基片112与腔室一101冷却至室温，通入气体，打开反应室，取出样品。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。