一種金屬預(yù)制層合金化設(shè)備及方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種金屬預(yù)制層合金化設(shè)備及方法。本發(fā)明的金屬預(yù)制層合金化設(shè)備，為真空熱處理設(shè)備，包括有密閉容器，置于密閉容器內(nèi)的等離子體及襯底加熱裝置，襯底和密閉容器內(nèi)的另一導(dǎo)電極組成等離子體輝光的兩個電極，密閉容器的側(cè)壁設(shè)有抽真空通道及設(shè)有通入H2和Ar氣的通道，且密閉容器內(nèi)設(shè)有控溫系統(tǒng)。本發(fā)明金屬預(yù)制層的合金化處理方法是將通過濺射、蒸發(fā)、電沉積等方法制備的金屬預(yù)制層在真空或惰性氣體保護環(huán)境下，以較高溫進行熱退火處理使金屬間充分化合為合金相并消除薄膜內(nèi)應(yīng)力，得到元素分布均勻的金屬預(yù)制層的過程。本發(fā)明提供的等離子體輔助合金化工藝可實現(xiàn)低溫下金屬間的充分化合，提高硒化等后續(xù)處理效果和薄膜附著力，還可修飾改善表面。
【專利說明】一種金屬預(yù)制層合金化設(shè)備及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種金屬預(yù)制層合金化設(shè)備及方法，特別涉及一種提高濺射、蒸發(fā)或電沉積制備金屬預(yù)制層合金化效果的工藝，亦可用于裝飾材料的表面處理，屬于金屬預(yù)制層合金化設(shè)備及方法的創(chuàng)新技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002]CIGS薄膜太陽電池具有穩(wěn)定性高、抗輻射、吸收效率高等優(yōu)勢，可以使用價格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金屬片等不同材料當基板來制造，形成可產(chǎn)生電壓的薄膜厚度僅需數(shù)μ m，因此在同一受光面積之下可較硅晶圓太陽能電池大幅減少原料的用量(厚度可低于硅晶圓太陽能電池90%以上)，目前轉(zhuǎn)換效率最高以可達20.9%。金屬預(yù)制層的合金化處理就是將濺射、蒸發(fā)或電沉積方法制備的金屬預(yù)制層在真空條件下或惰性氣體保護環(huán)境下，進行熱退火處理。不同薄膜材料的熱膨脹系數(shù)不同，在硒氣氛中進行熱處理時由于熱膨脹使得薄膜內(nèi)存在應(yīng)力，導(dǎo)致薄膜附著力變差；金屬預(yù)制層合金化不充分會使得在其硒化制備CIGS薄膜過程出現(xiàn)中CGS與CIS兩相分離現(xiàn)象，Ga不能有效摻入CIS晶格中而不能提高薄膜帶隙，還會使薄膜內(nèi)晶粒細碎缺陷增多，影響器件效率。因此，金屬預(yù)制層的合金化過程對電池器件至關(guān)重要。
[0003]在真空或惰性氣體保護環(huán)境下合金化熱處理，低溫處理的預(yù)制層元素擴散不充分，而高溫處理使得襯底或背電極中的元素向薄膜內(nèi)擴散，且長時間較高溫度處理容易導(dǎo)致薄膜脫落。
[0004]由于金屬預(yù)制層是由多層金屬膜層疊加組成，每層金屬薄膜的熱膨脹系數(shù)不同，在硒化過程中薄膜體積發(fā)生變化，導(dǎo)致附著力變差；另外元素化合不充分影響最終器件效率。因此，要提高金屬預(yù)制層附著力，改善薄膜質(zhì)量，提高改善金屬預(yù)制層合金化程度是目前需要解決的關(guān)鍵問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明型的目的在于考慮上述問題而提供一種可在相對較低溫度下熱處理預(yù)制層，達到高溫處理的元素充分化合的效果的金屬預(yù)制層合金化設(shè)備。
[0006]本發(fā)明的另一目的在于提供一種操作簡單，處理效果好的金屬預(yù)制層合金化方法。本發(fā)明的等離子體可對表面形貌起到一定刻蝕作用，使之表面積更大，在后續(xù)硒化過程中，更有利于Se摻入。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是:本發(fā)明的金屬預(yù)制層合金化設(shè)備，為真空熱處理設(shè)備，包括有密閉容器，置于密閉容器內(nèi)的等離子體及襯底加熱裝置，襯底和密閉容器內(nèi)的另一導(dǎo)電極組成等離子體輝光的兩個電極，密閉容器的側(cè)壁設(shè)有抽真空通道及設(shè)有通入H2和Ar氣的通道，且密閉容器內(nèi)設(shè)有控溫系統(tǒng)。
[0008]本發(fā)明的金屬預(yù)制層合金化方法，采用等離子體輔助合金化工藝。
[0009]本發(fā)明的金屬預(yù)制層合金化方法，具體包括如下步驟: 1)在以Mo為背電極的襯底上分層濺射、蒸發(fā)或電沉積疊層金屬預(yù)制層；
2)將制備好的疊層金屬預(yù)制層放置于金屬預(yù)制層合金化設(shè)備中，通過密閉容器側(cè)壁設(shè)有的抽真空通道實現(xiàn)抽真空至10?3Pa以下，并通過襯底加熱裝置對襯底進行加熱升溫；
3)襯底和密閉容器內(nèi)的另一導(dǎo)電極組成等離子體輝光的兩個電極，通過密閉容器側(cè)壁設(shè)有的通入H2和Ar氣的通道在兩個電極之間通入H2和Ar氣作為輝光氣體，調(diào)整密閉容器內(nèi)的氣體流量比例和氣體壓強，開等離子體，進行輝光處理；
4)步驟3)結(jié)束后進行后續(xù)工藝或取出。
[0010]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的金屬預(yù)制層在真空或惰性氣體保護下的合金化過程中低溫元素擴散不充分、高溫附著力變差等問題，提供一種快速低溫高效充分的合金化設(shè)備及方法。本發(fā)明可在相對較低溫度下熱處理預(yù)制層，達到高溫處理的元素充分化合的效果，并且等離子體可對表面形貌起到一定刻蝕作用，使之表面積更大，在后續(xù)硒化過程中，更有利于Se摻入。本發(fā)明是一種設(shè)計巧妙，性能優(yōu)良，方便實用的金屬預(yù)制層合金化設(shè)備及方法。
[0011]

【專利附圖】

【附圖說明】
圖1為本發(fā)明金屬預(yù)制層合金化設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是250°C無等離子體輔助金屬預(yù)制層合金化的SEM表面和截面圖圖3是250°C有等離子體輔助金屬預(yù)制層合金化的SEM表面和截面圖圖4是250°C無等離子體輔助金屬預(yù)制層合金化后硒化的SEM表面和截面圖圖5是250°C有等離子體輔助金屬預(yù)制層合金化后硒化的SEM表面和截面圖

【具體實施方式】
下面將結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細闡述。
[0012]實施例
本發(fā)明的金屬預(yù)制層合金化設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，包括有密閉容器，置于密閉容器內(nèi)的等離子體及襯底加熱裝置，襯底和密閉容器內(nèi)的另一導(dǎo)電極組成等離子體輝光的兩個電極，密閉容器的側(cè)壁設(shè)有抽真空通道及設(shè)有通入H2和Ar氣的通道，且密閉容器內(nèi)設(shè)有控溫系統(tǒng)。上述控溫系統(tǒng)包括有設(shè)置在密閉容器的溫度傳感器及溫度控制裝置，溫度傳感器的信號輸出端與溫度控制裝置的信號輸入端連接，溫度控制裝置的信號輸出端與襯底加熱裝連接。
[0013]本發(fā)明金屬預(yù)制層合金化方法，采用等離子體輔助合金化工藝。
[0014]本發(fā)明金屬預(yù)制層合金化方法，具體包括如下步驟:
1)在以Mo為背電極的襯底上分層濺射、蒸發(fā)或電沉積疊層金屬預(yù)制層；
2)將制備好的疊層金屬預(yù)制層放置于金屬預(yù)制層合金化設(shè)備中，通過密閉容器側(cè)壁設(shè)有的抽真空通道實現(xiàn)抽真空至10?3Pa以下，并通過襯底加熱裝置對襯底進行加熱升溫；
3)襯底和密閉容器內(nèi)的另一導(dǎo)電極組成等離子體輝光的兩個電極，通過密閉容器側(cè)壁設(shè)有的通入H2和Ar氣的通道在兩個電極之間通入H2和Ar氣作為輝光氣體，調(diào)整密閉容器內(nèi)的氣體流量比例和氣體壓強，開等離子體，輝光處理；
4)步驟3)結(jié)束后進行后續(xù)工藝或取出。
[0015]上述等離子體采用使氣體輝光放電的等離子體工藝。
[0016]上述等離子體采用高頻、中頻、射頻工藝。
[0017]上述釆用H2和Kr氣作為輝光氣體的氣體流量范圍為O?lOOOSccm，壓強范圍為
O?1000Pa0
[0018]上述疊層金屬預(yù)制層是銅銦(CuIn)金屬預(yù)制層、銅鎵(CuGa)金屬預(yù)制層、銅銦鎵(CuInGa)金屬預(yù)制層、銅鋅(CuZn)金屬預(yù)制層、銅錫(CuSn)金屬預(yù)制層、銅鋅錫(CuZnSn)金屬預(yù)制層中的任一種。
[0019]上述合金化處理時間為2min?60min。
[0020]上述合金化處理溫度為50°C?500°C。
[0021 ] 本發(fā)明疊層金屬預(yù)制層可用于制備太陽能電池。
[0022]本發(fā)明的金屬預(yù)制層合金化方法，可分別在襯底加熱前、襯底加熱中、襯底加熱后對襯底進行等離子體處理。本發(fā)明可使不同金屬元素間充分化合，薄膜與襯底間的附著力提聞。
[0023]如圖2至圖5所示，以加工出結(jié)晶致密、大尺寸晶粒附著力良好的薄膜為例，圖中所示的薄膜與襯底之間的空隙是測試導(dǎo)致的，不是薄膜本身附著力差的體現(xiàn)。
[0024]本發(fā)明的具體實施例如下:
實施例1:
本發(fā)明金屬預(yù)制層合金化方法，包括如下步驟
I)先采用電化學(xué)沉積法(或濺射法)分別在Cu、In或Ga溶液中電沉積(或濺射)制備Cu層、In層、Ga層。
[0025]2)將制備好的預(yù)制層放置于真空熱處理設(shè)備中，抽真空至6Pa以下。
[0026]3)分別在襯底升溫前、升溫過程中、升溫結(jié)束后通入H2和Ar氣，打開等離子體輝光，恒溫持續(xù)20min。
[0027]4)合金化熱處理結(jié)束后，關(guān)掉等離子體輝光，開硒源，襯底溫度升至500°C以上，開始硒化，硒化時間在lOmin。
[0028]本發(fā)明所得到的預(yù)制層以及后硒化薄膜表面更致密，縱向元素分布更均勻，與襯底之間的附著力更好，低溫熱處理更降低了能源消耗。
[0029]實施例2:
I)先采用電化學(xué)沉積法(或濺射法)襯底分別在Cu、In或Ga溶液中電沉積(或濺射)制備Cu層、In層、Ga層0
[0030]2)將制備好的預(yù)制層放置于真空熱處理設(shè)備中，抽真空至SPa以下。
[0031]3)分別在襯底升溫前、升溫過程中、升溫結(jié)束后通入H2和Ar氣，打開等離子體輝光，恒溫持續(xù)60min。
[0032]4)合金化熱處理結(jié)束后，關(guān)掉等離子體輝光，開硒源，襯底溫度升至250°C，開始硒化，硒化時間在60min。
[0033]本發(fā)明所得到的預(yù)制層以及后硒化薄膜表面更致密，縱向元素分布更均勻，與襯底之間的附著力更好，低溫熱處理更降低了能源消耗。
[0034]實施例3:
I)先采用電化學(xué)沉積法(或濺射法)襯底分別在Cu、In或Ga溶液中電沉積(或濺射)制備Cu層、In層、Ga層0
[0035]2)將制備好的預(yù)制層放置于真空熱處理設(shè)備中，抽真空至1Pa以下。
[0036]3)分別在襯底升溫前、升溫過程中、升溫結(jié)束后通入H2和Ar氣，打開等離子體輝光，恒溫持續(xù)30min。
[0037]4)合金化熱處理結(jié)束后，關(guān)掉等離子體輝光，開硒源，襯底溫度升至30(TC，開始硒化，硒化時間在30min。
[0038]本發(fā)明所得到的預(yù)制層以及后硒化薄膜表面更致密，縱向元素分布更均勻，與襯底之間的附著力更好，低溫熱處理更降低了能源消耗。
[0039]實施例4:
I)先采用電化學(xué)沉積法(或濺射法)襯底分別在Cu、In或Ga溶液中電沉積(或濺射)制備Cu層、In層、Ga層0
[0040]2)將制備好的預(yù)制層放置于真空熱處理設(shè)備中，抽真空至3Pa以下。
[0041]3)分別在襯底升溫前、升溫過程中、升溫結(jié)束后通入H2和Ar氣，打開等離子體輝光，恒溫持續(xù)40min。
[0042]4)合金化熱處理結(jié)束后，關(guān)掉等離子體輝光，開硒源，襯底溫度升至40(TC，開始硒化，硒化時間在40min。
[0043]本發(fā)明所得到的預(yù)制層以及后硒化薄膜表面更致密，縱向元素分布更均勻，與襯底之間的附著力更好，低溫熱處理更降低了能源消耗。
[0044]上述實施例是本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所做的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為有效的等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種金屬預(yù)制層合金化設(shè)備，其特征在于為真空熱處理設(shè)備，包括有密閉容器，置于密閉容器內(nèi)的等離子體及襯底加熱裝置，襯底和密閉容器內(nèi)的另一導(dǎo)電極組成等離子體輝光的兩個電極，密閉容器的側(cè)壁設(shè)有抽真空通道及設(shè)有通入H2和Ar氣的通道，且密閉容器內(nèi)設(shè)有控溫系統(tǒng)。
2.一種金屬預(yù)制層合金化方法，其特征在于采用等離子體輔助合金化工藝。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的金屬預(yù)制層合金化方法，其特征在于包括如下步驟: 1)在以Mo為背電極的襯底上分層濺射、蒸發(fā)或電沉積疊層金屬預(yù)制層； 2)將制備好的疊層金屬預(yù)制層放置于金屬預(yù)制層合金化設(shè)備中，通過密閉容器側(cè)壁設(shè)有的抽真空通道實現(xiàn)抽真空至10?3Pa以下，并通過襯底加熱裝置對襯底進行加熱升溫； 3)襯底和密閉容器內(nèi)的另一導(dǎo)電極組成等離子體輝光的兩個電極，通過密閉容器側(cè)壁設(shè)有的通入H2和Ar氣的通道在兩個電極之間通入H2和Ar氣作為輝光氣體，調(diào)整密閉容器內(nèi)的氣體流量比例和氣體壓強，開等離子體，進行輝光處理； 4)步驟3)結(jié)束后進行后續(xù)工藝或取出。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金屬預(yù)制層合金化方法，其特征在于上述等離子體采用使氣體輝光放電的等離子體工藝。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的金屬預(yù)制層合金化方法，其特征在于上述等離子體采用高頻、中頻、射頻工藝。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金屬預(yù)制層合金化方法，其特征在于上述采用H2和Ar氣作為輝光氣體的氣體流量范圍為O?lOOOSccm，壓強范圍為O?lOOOOPa。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金屬預(yù)制層合金化方法，其特征在于上述疊層金屬預(yù)制層是銅銦(CuIn)金屬預(yù)制層、銅鎵(CuGa)金屬預(yù)制層、銅銦鎵(CuInGa)金屬預(yù)制層、銅鋅(CuZn)金屬預(yù)制層、銅錫(CuSn)金屬預(yù)制層、銅鋅錫(CuZnSn)金屬預(yù)制層中的任一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金屬預(yù)制層合金化方法，其特征在于上述合金化處理時間為2min ?60mino
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金屬預(yù)制層合金化方法，其特征在于上述合金化處理溫度為50。。?500。。。
10.一種金屬預(yù)制層的應(yīng)用，其特征在于上述疊層金屬預(yù)制層用于制備太陽能電池。
【文檔編號】C23C14/58GK104278251SQ201410476832
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月16日
【發(fā)明者】梁元敏, 鐘?；? 曾海峰, 吳明想, 孫超衛(wèi) 申請人:陽江市漢能工業(yè)有限公司, 陽江漢能科技有限公司