專利名稱：太陽(yáng)電池的熱處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在薄膜太陽(yáng)電池的制造方法、特別是光吸收層成膜時(shí)的硒化工序中使 用的黃銅礦型(chalcopyrite)太陽(yáng)電池的熱處理裝置。
背景技術(shù)：
黃銅礦型薄膜太陽(yáng)電池屬于薄膜型種類，作為ρ型的光吸收層具備由以I族、III 族、IV族的元素作為構(gòu)成成分的黃銅礦化合物構(gòu)成的CIGS層。黃銅礦型薄膜太陽(yáng)電池由在 玻璃基板上具備以下各層的多層層疊構(gòu)造構(gòu)成由Mo金屬層構(gòu)成的作為正極的背面電極 層；CIGS光吸收層；η型的緩沖層；以及作為負(fù)極的由透明電極層形成的最外表面層。進(jìn)而，當(dāng)太陽(yáng)光等照射光從該多層層疊構(gòu)造的表面受光部射入時(shí)，在多層層疊構(gòu) 造的ρ-η結(jié)附近，由具有能帶隙(band gap)以上的能量的照射光激發(fā)而產(chǎn)生一對(duì)電子和空 穴。激發(fā)出的電子和空穴通過擴(kuò)散到達(dá)Ρ-η結(jié)部，借助Ρ-η結(jié)的內(nèi)部電場(chǎng)，電子聚集于η區(qū) 域、空穴聚集于P區(qū)域，從而電子和空穴被分離。結(jié)果，η區(qū)域帶負(fù)電、P區(qū)域帶正電，在設(shè)于 各個(gè)區(qū)域的電極之間產(chǎn)生電位差。以該電位差作為電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)利用導(dǎo)線將各個(gè)電極之間連 接在一起時(shí)就會(huì)得到光電流，這就是太陽(yáng)電池的原理。作為這種薄膜太陽(yáng)電池中的CIGS光吸收層的制造方法，能夠舉出如下的方法利 用濺射等在形成于基板上的背面電極層上形成包含Cu、In和Ga的前體(precursor)，在該 前體形成工序之后，進(jìn)行在硒化氣體(H2Se:硒化氫氣體)氣氛中對(duì)形成有前體的基板進(jìn)行 熱處理以形成光吸收層的硒化工序(例如參照專利文獻(xiàn)1)。在使用該方法進(jìn)行硒化的情況 下，在裝置內(nèi)設(shè)置多張所述基板，在利用氮?dú)獾榷栊詺怏w置換裝置內(nèi)部的氣體之后導(dǎo)入硒 源，在封入有硒源的狀態(tài)下升溫，以一定溫度保持對(duì)象物一定時(shí)間，由此形成光吸收層。但是，在該方法中，由于多張基板以多張并排的方式配置，并從基板的側(cè)部或者 外周部等進(jìn)行加熱，因此具有以下的問題(1)根據(jù)基板的位置不同而加熱變得不充分，并 且，(2)構(gòu)成成分比變得不均勻，無法在(a)每張基板或者(b)基板面內(nèi)形成均質(zhì)的CIGS光 吸收層，太陽(yáng)電池的特性變得不均勻。如果對(duì)上述問題點(diǎn)進(jìn)行具體說明，問題點(diǎn)(1)如下所述。填充的多張基板的外周 部主要借助輻射被加熱，配置于最外側(cè)的基板受到來自加熱源的均勻的熱輻射，因此被加 熱至面內(nèi)的溫度分布良好的狀態(tài)。但是，來自加熱源的輻射幾乎都被形成在該配置于外側(cè) 的基板上的前體吸收。由此，在配置于從外側(cè)開始第二張以后到中央部的基板中，借助基板 內(nèi)的熱傳導(dǎo)和流過基板表面的氣氛氣體的對(duì)流進(jìn)行的加熱占據(jù)主導(dǎo)地位。此時(shí)，熱傳導(dǎo)具 有由前體和基板各自固有的物性值決定的熱分布，并且氣氛氣體自身在裝置內(nèi)部具有溫度 分布，因此中央部的基板的整體溫度比外側(cè)的基板的整體溫度低(a)，此外基板面內(nèi)的溫度 均勻性差(b)。并且，問題點(diǎn)(2)如下所述。當(dāng)導(dǎo)入裝置內(nèi)的硒化氫氣體被加熱至大約160°C時(shí) 就分解為氫和硒分子，該硒分子通過與被加熱的前體表面接觸而被取入膜中。在該反應(yīng)過 程中，在假定裝置內(nèi)的基板溫度全都一致的情況下，裝置內(nèi)的硒化氫氣體相對(duì)于各個(gè)基板表面均勻地循環(huán)，硒化氫氣體與基板表面均勻地接觸，由此形成均質(zhì)的光吸收層。但是，如 在(1)中所說明了的那樣，在每張基板產(chǎn)生溫度差，此外，雖然在裝置內(nèi)被加熱的硒化氫氣 體會(huì)在基板與石英管之間產(chǎn)生上升氣流，但是，一部分硒化氫氣體在上升途中從各個(gè)基板 之間的間隙下降，一部分硒化氫氣體在上升至基板上部之后并不通過基板之間下降而是滯 留在基板上部，因此，氣氛氣體相對(duì)于基板表面的循環(huán)并不均勻，結(jié)果，在基板內(nèi)具有不均 勻的構(gòu)成成分(b)。作為解決這種問題點(diǎn)的技術(shù)，存在在反應(yīng)爐中設(shè)置電動(dòng)風(fēng)扇以強(qiáng)制地使氣氛氣體 對(duì)流的技術(shù)(例如參照專利文獻(xiàn)2)。一般情況下，在黃銅礦型太陽(yáng)電池的基板的生產(chǎn)中，需 要大約650°C的硒化工序或者硫化工序。并且，這種工序的反應(yīng)爐所使用的材料需要利用具 有高溫下的耐硒特性的物質(zhì)制作。但是，在使用電動(dòng)風(fēng)扇的情況下，風(fēng)扇的材質(zhì)需要具有耐硒腐蝕性，并且，旋轉(zhuǎn)軸 需要具有密封耐久性、特別是相對(duì)于處理溫度、摩擦熱、腐蝕氣體等的耐久性。專利文獻(xiàn)1 日本特開2006-196771號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2 日本特開2006-186114號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
因此，鑒于上述問題點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種通過促進(jìn)裝置內(nèi)的溫度的均 勻性、氣氛氣體循環(huán)的均勻性，從而能夠得到高品質(zhì)的CIGS光吸收層的黃銅礦型太陽(yáng)電池 的熱處理裝置。本發(fā)明的黃銅礦型太陽(yáng)電池的熱處理裝置用于進(jìn)行在形成黃銅礦型太陽(yáng)電池的 光吸收層時(shí)進(jìn)行的硒化處理或者硫化處理，其特征在于，多張?zhí)?yáng)電池基板以在板厚方向 設(shè)有恒定的間隙的方式并列地配置在石英管的內(nèi)部，所述黃銅礦型太陽(yáng)電池的熱處理裝置 具備加熱機(jī)構(gòu)，該加熱機(jī)構(gòu)配置在所述石英管的外側(cè)部，用于對(duì)氣氛氣體進(jìn)行加熱；以及 第一導(dǎo)風(fēng)板，該第一導(dǎo)風(fēng)板配置在所述基板的上部，用于將沿著所述石英管的內(nèi)側(cè)面上升 的被加熱后的氣氛氣體從上方引導(dǎo)至所述基板的中心部。根據(jù)本發(fā)明，能夠利用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)促進(jìn)氣氛氣體的對(duì)流，能夠積極地對(duì)氣體溫度 容易變低的基板中心部送入被加熱后的氣體，因此能夠降低基板間溫度的差，能夠形成高 品質(zhì)的CIGS光吸收層，由此，能夠?qū)崿F(xiàn)太陽(yáng)電池的性能的提高和均勻化。并且，本發(fā)明的黃 銅礦型太陽(yáng)電池的熱處理裝置能夠利用不具有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，因此能夠提高 裝置的長(zhǎng)期可靠性。


圖1是示意性地示出本發(fā)明的太陽(yáng)電池的熱處理裝置的一個(gè)實(shí)施方式的縱剖主 視圖。圖2是示意性地示出本發(fā)明的太陽(yáng)電池的熱處理裝置的一個(gè)實(shí)施方式的橫剖俯 視圖。圖3的(b)是示意性地示出本發(fā)明的太陽(yáng)電池的熱處理裝置的上部的縱剖主視 圖，(a)是本發(fā)明中的第一導(dǎo)風(fēng)板的俯視圖，(c)是本發(fā)明中的流量調(diào)節(jié)板的俯視圖。標(biāo)號(hào)說明
L···石英管；2…基板；3…加熱機(jī)構(gòu)；4…氣體導(dǎo)入管；5…氣體加熱裝置；6…第一 導(dǎo)風(fēng)板；7、9、11、14…孔；8…上部加熱器；10…風(fēng)量調(diào)節(jié)板；12…第二導(dǎo)風(fēng)板；13…第三導(dǎo) 風(fēng)板；15…第四導(dǎo)風(fēng)板；16…輔助加熱器(boost heater) ；17…下部加熱器。
具體實(shí)施例方式以下，使用附圖對(duì)本發(fā)明的黃銅礦型太陽(yáng)電池的熱處理裝置的實(shí)施方式進(jìn)行具體 說明。圖1是示意性地示出本發(fā)明的太陽(yáng)電池的熱處理裝置的一個(gè)實(shí)施方式的縱剖主視 圖，圖2是示意性地示出本發(fā)明的太陽(yáng)電池的熱處理裝置的一個(gè)實(shí)施方式的橫剖俯視圖。 如圖1和圖2所示，在本發(fā)明的黃銅礦型太陽(yáng)電池的熱處理裝置中，在石英管1內(nèi)的石英舟 上，以在板厚方向設(shè)有恒定的間隙的方式并列地配置有多張?zhí)?yáng)電池基板2。進(jìn)而，用于對(duì) 氣氛氣體進(jìn)行加熱的加熱機(jī)構(gòu)3以包圍石英管1的外側(cè)部、例如石英管1的外周的方式配 置。石英管1內(nèi)的氣氛氣體由以這種方式配置的加熱機(jī)構(gòu)3加熱而對(duì)流。此處，石英管1內(nèi)的氣氛氣體是硒化氣體(H2Se 硒化氫氣體)，例如從貫穿到熱處 理裝置的下部的氣體導(dǎo)入管4導(dǎo)入。優(yōu)選導(dǎo)入的硒化氫氣體由設(shè)置在石英管1的外部的氣 體加熱裝置5預(yù)加熱。這樣，由于氣體被加熱而被導(dǎo)入，因此容易在熱處理裝置內(nèi)產(chǎn)生上升 氣流，能夠促進(jìn)對(duì)流。并且，供給的硒化氫氣體通過加熱被活性化，以預(yù)先分離成氫和硒分 子的狀態(tài)被供給至處理槽內(nèi)，因此能夠起到縮短與前體反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間的效果。并且，圖3的(b)是示意性地示出本發(fā)明的太陽(yáng)電池的熱處理裝置的上部的縱剖 主視圖，(a)是本發(fā)明中的第一導(dǎo)風(fēng)板6的俯視圖，(c)是本發(fā)明中的流量調(diào)節(jié)板的俯視圖。 如圖1和圖3 (b)所示，在本發(fā)明的黃銅礦型太陽(yáng)電池的熱處理裝置中，第一導(dǎo)風(fēng)板6配置 在石英管1的上部，沿著石英管1的內(nèi)側(cè)面上升的被加熱的氣氛氣體從上方被引導(dǎo)至基板 2的中心部而不會(huì)滯留。第一導(dǎo)風(fēng)板6例如形成為如下的形狀端部與石英管1的內(nèi)側(cè)面 相切，并且，截面從端部朝向中心部而向上方描繪弧，且中心部朝向下方。通過形成為這種 形狀，能夠?qū)⒀刂⒐?的內(nèi)側(cè)面上升的氣氛氣體引導(dǎo)至基板2的中心部。在本實(shí)施方 式中，第一導(dǎo)風(fēng)板6的平面的外周呈圓狀，但是，只要能夠?qū)夥諝怏w引導(dǎo)至基板2的中心 部即可，也可以為多邊形狀等。進(jìn)一步，如圖3的(a)所示，也可以在第一導(dǎo)風(fēng)板6的端部附近設(shè)有供上升的氣氛 氣體通過的孔7，如圖1和圖3的(b)所示，利用上部加熱器8對(duì)通過該孔7后的氣氛氣體 進(jìn)行加熱，并通過中心孔9將該氣氛氣體送入基板2的中心部，能夠更良好地形成CIGS光 吸收層。并且，在本發(fā)明中，如圖1、圖3的(b)以及(C)所示，優(yōu)選在基板2與第一導(dǎo)風(fēng)板 6之間設(shè)置流量調(diào)節(jié)板10。根據(jù)該流量調(diào)節(jié)板10，通過任意地設(shè)定孔11的圖案，能夠?qū)⑸?升的氣氛氣體均勻地送入至基板2上。進(jìn)一步，在本發(fā)明中，優(yōu)選在基板2的側(cè)面與加熱機(jī)構(gòu)3之間以離開基板2和加熱 機(jī)構(gòu)3的方式配置第二導(dǎo)風(fēng)板12。通過形成為這種結(jié)構(gòu)，能夠促進(jìn)被加熱的氣氛氣體沿著 石英管1的內(nèi)側(cè)面上升，并且能夠抑制氣氛氣體在上升過程中從各個(gè)基板之間的間隙下降 的情況，進(jìn)一步，通過遮蔽基板的側(cè)面的加熱機(jī)構(gòu)3的直接輻射，能夠降低基板的中心部與 側(cè)面附近之間的溫度差。并且，在本發(fā)明中，優(yōu)選以從板厚方向夾著多張基板2的方式設(shè)置第三導(dǎo)風(fēng)板13。
5該第三導(dǎo)風(fēng)板13能夠遮蔽加熱機(jī)構(gòu)3對(duì)多張基板2的板厚方向的最外側(cè)的基板的直接輻 射，能夠降低最外側(cè)的基板與第二張以后的基板之間的溫度差。但是，通過利用第二導(dǎo)風(fēng)板 12和第三導(dǎo)風(fēng)板13覆蓋基板2的整周，基于輻射的加熱消失，因此存在加熱器的容量不足， 有可能無法得到目標(biāo)溫度分布(profile)。因此，第三導(dǎo)風(fēng)板13以任意的圖案開設(shè)有孔14， 從而能夠進(jìn)行利用直接輻射的溫度控制。進(jìn)一步，在本發(fā)明中，優(yōu)選在基板2的下部設(shè)置第四導(dǎo)風(fēng)板15。如圖1所示，該第 四導(dǎo)風(fēng)板15形成為如下的形狀截面從中心部朝向端部而向下方描繪弧，且端部朝向石英 管1的內(nèi)周面。通過形成為這種形狀，能夠?qū)⒃诨?之間下降的氣氛氣體引導(dǎo)至石英管 1的內(nèi)周面，能夠促進(jìn)氣氛氣體的對(duì)流。上述第一 第四導(dǎo)風(fēng)板具備高溫下的耐硒特性，且能夠遮蔽加熱機(jī)構(gòu)的直接輻 射，因此優(yōu)選是由紅外線無法透射的不透明石英制成的部件。并且，在本發(fā)明中，優(yōu)選在石英管1的內(nèi)側(cè)面的下部配置輔助加熱器16。根據(jù)該結(jié) 構(gòu)，通過在石英管1的內(nèi)側(cè)面的下部進(jìn)一步對(duì)氣氛氣體進(jìn)行加熱，能夠促進(jìn)氣氛氣體沿著 石英管1的內(nèi)側(cè)面上升，能夠使氣氛氣體的對(duì)流更加良好。并且，為了進(jìn)一步促進(jìn)在基板2 之間下降的氣氛氣體的朝向石英管1的內(nèi)周面的對(duì)流，還可以在上述的第四導(dǎo)風(fēng)板15的中 央部設(shè)置孔，在利用下部加熱器17對(duì)通過該孔后的氣氛氣體進(jìn)行加熱之后將該氣氛氣體 引導(dǎo)至輔助加熱器16。通過使用這種本發(fā)明的熱處理裝置，能夠適當(dāng)?shù)刂圃禳S銅礦型太陽(yáng)電池。作為該 制造方法，能夠舉出具備以下工序的制造方法首先利用濺射法在形成于基板上的背面電 極層上形成包含Cu、In和Ga的前體的前體形成工序；在H2Se氣體氣氛中對(duì)形成有前體的 基板進(jìn)行熱處理而形成CIGS光吸收層的硒化工序；在CIGS光吸收層上形成η型的緩沖層 的緩沖層形成工序；以及在緩沖層上形成透明電極層的透明電極層形成工序。對(duì)使用本發(fā)明的熱處理裝置進(jìn)行的CIGS光吸收層的硒化工序進(jìn)行更詳細(xì)的說 明。一邊通過未圖示的排氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)作使熱處理裝置內(nèi)保持50 95kPa的減壓狀態(tài)，一邊 利用氣體導(dǎo)入管4在預(yù)定時(shí)間使熱處理裝置內(nèi)流入預(yù)定流量的H2Se氣體，以此作為第一硒 化工序。此時(shí)，優(yōu)選使輔助加熱器動(dòng)作，并對(duì)裝置內(nèi)供給在預(yù)加熱室被加熱至大約100°C 2000C的H2Se氣體。由此，能夠在裝置底部產(chǎn)生更積極的上升氣流，結(jié)合導(dǎo)風(fēng)板的效果，能 夠促進(jìn)氣氛氣體循環(huán)，能夠得到使基板的溫度均勻化的效果。接著，在上述的H2Se氣體導(dǎo)入完畢后，一邊保持50 95kPa的減壓狀態(tài)，一邊利 用加熱機(jī)構(gòu)3使內(nèi)部溫度升溫至250°C 450°C。進(jìn)而，在保持這些溫度條件和壓力條件的 狀態(tài)下利用氣體導(dǎo)入管4在預(yù)定時(shí)間使熱處理裝置內(nèi)流入預(yù)定流量的H2Se氣體，以此作為 第二硒化工序。該工序是為了使In、Cu以及Ga各個(gè)成分在形成于基板2上的由In層和 Cu-Ga層的層疊構(gòu)造形成的光吸收層前體內(nèi)擴(kuò)散并取入Se成分而設(shè)置的。此時(shí)的時(shí)間例如 優(yōu)選為大約10 120分鐘。在第二硒化工序中也借助輔助加熱器的動(dòng)作、通過供給預(yù)加熱氣體產(chǎn)生的上升氣 流、以及導(dǎo)風(fēng)板的效果來促進(jìn)氣氛氣體循環(huán)，特別是能夠得到使升溫途中的基板溫度均勻 化的效果，因此能夠縮短到基板的溫度均勻化為止的時(shí)間，此外，通過使預(yù)加熱溫度在H2Se 氣體的分解溫度即160°C以上，從而能夠供給預(yù)先分解為氫和硒分子的氣體，前體對(duì)Se成 分的取入活性化，因此預(yù)料能夠獲得縮短硒化所需要的時(shí)間的效果。進(jìn)一步，借助導(dǎo)風(fēng)板的效果，含有硒的氣氛氣體在各個(gè)基板表面的氣流均勻化，由此，前體對(duì)Se的取入量均勻化。接著，一邊保持50 95kPa的減壓狀態(tài)，一邊利用加熱機(jī)構(gòu)3使內(nèi)部溫度升溫至 大約500°C 650°C。進(jìn)而，保持該狀態(tài)大約10 120分鐘，以此作為第三硒化工序。該工 序是為了使通過此前進(jìn)行的In、Cu以及Ga的各個(gè)成分的擴(kuò)散和Se成分的取入而進(jìn)一步均 勻化了的光吸收層前體結(jié)晶，以穩(wěn)定地得到內(nèi)部膜構(gòu)造的再配置而設(shè)置的。然后，使加熱機(jī) 構(gòu)3的加熱溫度逐漸下降，在冷卻至室溫后，將通過直到第三硒化工序?yàn)橹沟墓ば蛐纬捎?光吸收層的基板2取出，從而完成CIGS光吸收層。在第三硒化工序中，借助輔助加熱器和導(dǎo)風(fēng)板的效果促進(jìn)內(nèi)部循環(huán)，由此使結(jié)晶 化和各個(gè)成分的再配置均勻地進(jìn)展，能夠形成均質(zhì)的CIGS光吸收層，能夠使太陽(yáng)電池特性 均勻化。
權(quán)利要求
1.一種黃銅礦型太陽(yáng)電池的熱處理裝置，該黃銅礦型太陽(yáng)電池的熱處理裝置用于進(jìn)行 在形成黃銅礦型太陽(yáng)電池的光吸收層時(shí)進(jìn)行的硒化處理或者硫化處理，其特征在于，多張?zhí)?yáng)電池基板以在板厚方向設(shè)有恒定的間隙的方式并列地配置在石英管的內(nèi)部，所述黃銅礦型太陽(yáng)電池的熱處理裝置具備加熱機(jī)構(gòu)，該加熱機(jī)構(gòu)配置在所述石英管的外側(cè)部，用于對(duì)氣氛氣體進(jìn)行加熱；以及第一導(dǎo)風(fēng)板，該第一導(dǎo)風(fēng)板配置在所述基板的上部，用于將沿著所述石英管的內(nèi)側(cè)面 上升的被加熱后的氣氛氣體從上方引導(dǎo)至所述基板的中心部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的黃銅礦型太陽(yáng)電池的熱處理裝置，其特征在于，所述黃銅礦型太陽(yáng)電池的熱處理裝置具備第二導(dǎo)風(fēng)板，該第二導(dǎo)風(fēng)板以離開所述基板 和所述加熱機(jī)構(gòu)的方式配置在所述基板的側(cè)面與所述加熱機(jī)構(gòu)之間，促進(jìn)所述被加熱后的 氣氛氣體的沿著所述石英管的內(nèi)側(cè)面的上升，并遮蔽所述加熱機(jī)構(gòu)在所述基板的側(cè)面的直 接輻射。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的黃銅礦型太陽(yáng)電池的熱處理裝置，其特征在于，所述黃銅礦型太陽(yáng)電池的熱處理裝置具備輔助加熱器，該輔助加熱器配置在所述石英 管的內(nèi)側(cè)面的下部，促進(jìn)所述被加熱后的氣氛氣體的沿著所述石英管的內(nèi)側(cè)面的上升。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的黃銅礦型太陽(yáng)電池的熱處理裝置，其特征在于，所述黃銅礦型太陽(yáng)電池的熱處理裝置具備預(yù)先對(duì)導(dǎo)入所述石英管內(nèi)的氣氛氣體進(jìn)行 加熱的機(jī)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種太陽(yáng)電池的熱處理裝置。該太陽(yáng)電池的熱處理裝置用于進(jìn)行在形成黃銅礦型太陽(yáng)電池的光吸收層時(shí)進(jìn)行的硒化處理或者硫化處理，其中，多張?zhí)?yáng)電池基板以在板厚方向設(shè)有恒定的間隙的方式并列地配置在石英管的內(nèi)部，所述太陽(yáng)電池的熱處理裝置具備加熱機(jī)構(gòu)，該加熱機(jī)構(gòu)配置在石英管的外側(cè)部，用于對(duì)氣氛氣體進(jìn)行加熱；以及第一導(dǎo)風(fēng)板，該第一導(dǎo)風(fēng)板配置在基板的上部，用于將沿著石英管的內(nèi)側(cè)面上升的被加熱后的氣氛氣體從上方引導(dǎo)至基板的中心部。
文檔編號(hào)H01L31/04GK102007600SQ20098011331
公開日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2009年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月17日
發(fā)明者平野祐一, 德永圭哉, 米澤諭, 越前谷剛, 長(zhǎng)崎仁志 申請(qǐng)人:本田技研工業(yè)株式會(huì)社