一种卷对卷柔性CIGS吸收层碱金属后处理设备的制作方法

一种卷对卷柔性cigs吸收层碱金属后处理设备
技术领域
1.本发明属于新能源中的太阳能领域，涉及一种柔性太阳能电池片的生产装备，特别涉及一种卷对卷柔性cigs吸收层碱金属后处理设备。


背景技术：

2.规模化柔性铜铟镓硒（cigs）太阳能电池吸收层的生产制备工艺主要分为2种技术路线：共蒸发沉积法和溅射后硒化法。共蒸发沉积法就是利用真空热蒸镀的技术将铜（cu）、铟（in）、镓（ga）、硒（se）四种元素按照特定的比例沉积在柔性衬底上并进行原位反应形成高质量的cigs吸收层，按照镀膜步骤又分为一步法（cu-in-ga-se）、二步法（in-ga-se和cu-se）和三步法（in-ga-se，cu-se和in-ga-se）。溅射后硒化法是通过磁控溅射的技术将cu、in、ga三种金属或cu、in、ga、se四种元素沉积柔性衬底表面，再通过硒化或硫化处理工艺获得高质量的cigs或cigss吸收层。但这两种工艺路线制备的cigs电池均遇到了效率瓶颈，发电效率多在11～15%之间，无法得到进一步的提升。
3.重碱金属后处理工艺（pdt）是近年以来逐渐发展起来的一种获得高光电转化效率的cigs吸收层后处理技术，其核心是利用重碱金属对cigs表面和晶界面缺陷的钝化，同时，通过碱金属与cigs表面cu和ga原子置换，使cigs的表面活化，显著提升cigs电池缓冲层镀膜的均匀性，从而提高电池的开路电压、短路电流、填充因子和光电转化效率。
4.然而，在实际的生产过程中，多数生产企业仅通过对cigs吸收层镀膜设备微小的改造，来实现了cigs-pdt工艺的导入，如20220年5月28日公布的中国专利，公开号为cn111129206a的一种cigs薄膜太阳电池的制备方法，将碱金属在cigs蒸镀前段中混入，也观察到了cigs电池的效率的提升，但是并没有达到实验室碱金属pdt处理的水平，因此开发设计专用的卷对卷pdt设备用于cigs生产线来提升产能和电池效率是大势所趋。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决现有的柔性cigs太阳能电池片的碱金属pdt处理水平不高的问题，尽管现有的cigs吸收层镀膜设备经过微小改造就可以在蒸镀过程中引入了碱金属，实现了cigs-pdt工艺的导入，但是处理效果和产能都受到了限制；本发明提供一种专业的卷对卷柔性cigs吸收层碱金属后处理设备，实现了连续式卷对卷的柔性cigs吸收层的碱金属高水平后处理。
6.本发明解决其技术问题所采用的一种技术方案是：一种卷对卷柔性cigs吸收层碱金属后处理设备，包括真空腔，真空腔内的两侧分别设有放卷轴和收卷轴，放卷轴和收卷轴之间收放输送柔性基板，柔性基板底面有cigs层，放卷轴和收卷轴之间的柔性基板沿输送方向依次设有碱金属前驱体镀膜区、硒化区和冷却区，碱金属前驱体镀膜区的下方设有碱金属源，硒化区下方设有硒源，所述碱金属前驱体镀膜区、硒化区柔性基板上方分别设有上加热器。
7.本装置中，卷对卷传动时，柔性基板从放卷处，以0.1 ~ 2.0 m/min速度，传输到收
卷处，运行时控制卷的张力在5~20kg张力区间。已经蒸镀了cigs吸收层的柔性基板在传送过程中先经过碱金属前驱体镀膜区在cigs吸收层表面进行碱金属蒸镀，而后经过硒化区进行硒化处理，实现对cigs表面和晶界面的缺陷的钝化，同时，通过碱金属与cigs表面cu和ga原子置换，使cigs的表面活化，显著提升cigs电池缓冲层镀膜的均匀性，从而提高电池的开路电压、短路电流、填充因子和光电转化效率。碱金属前驱体镀膜区的柔性基板表面温度控制在100~200℃，硒化区内的温度在200~600℃内可调，冷却区温度低于硒化区温度且在100-300℃内可调。经csf碱金属pdt处理制备的cigs电池与未经pdt处理的cigs电池对比，经pdt处理的cigs电池器件开路电压（voc）、填充因子（ff）、短路电流密度（j
sc
）有明显提升，分别提升15.2% 、11.9%和6.7%，电池器件的效率（eff）由12.75%提升至17.55%，cigs薄膜电池的转换效率得到了明显提升。
8.作为优选，所述碱金属前驱体镀膜区、硒化区下方分别设有遮罩，所述遮罩采用石墨板、不锈钢板、钼板、钛板或陶瓷板构成。碱金属前驱体镀膜区采用封闭式设计，可以有效的防止naf、kf、rbf、csf等化合物蒸发时溢出到设备的其他区域，尤其是kf、rbf、csf等，在空气中极易吸水，对设备腐蚀性极强，对人体的危害也非常大，采用封闭的镀膜区极大的改善了设备的交叉污染问题，有效的保障了操作人员的安全。硒化区采用隧道式的结构，隧道结构的两端也封闭形成相对密封的腔体，能够有效的减少se气氛的流失。冷却区可选择是否设置遮罩。
9.作为优选，所述硒化区下方设有下加热器，下加热器与柔性基板下表面高差0.1～0.3m；上加热器和下加热器均为板式加热器。硒化区采用上下两层的板式加热器，上下均可进行温控，提升该区域内温度可控性，从而保持硒蒸气的羽流稳定，减少硒在腔壁上的附着沉积。
10.作为优选，所述冷却区的柔性基板上方设置冷却板。
11.作为优选，所述碱金属源为沿柔性基板宽度方向设置的线性源，所述碱金属源包括条形的坩埚，坩埚内装有碱金属，坩埚上方扣设有坩埚盖，坩埚盖中心开设有狭缝，坩埚盖顶面于狭缝两侧布设有加热管，坩埚、盖锅盖以及加热管的外侧包覆有保温材料，保温材料外侧包设有外壳，坩埚盖顶面在狭缝位置设置凸台，狭缝上口伸出之外壳之上。碱金属源采用线性源，横向分布更加均匀，坩埚与坩埚盖之间设计有密封槽，能够起到对坩埚内部蒸气密封的作用，避免其外溢使破坏源的保温材料和加热管，源的使用寿命更长。坩埚盖的材质为石墨，其导热系数大，使用加热管在坩埚盖上部加热，可以使得坩埚的内的物料受热更加均匀，采用上加热也可以很好的避免源喷口狭缝的堵塞。
12.作为优选，所述碱金属源为naf、kf、rbf、csf中的一种或多种。
13.作为优选，所述硒源包括硒罐，硒罐外绕设有螺旋加热器，硒罐顶部连接有沿柔性基板宽度方向设置的线性硒源管，线性硒源管顶面开设有线性喷口，线性硒源管下方设置有条形加热器。螺旋式加热器给硒罐加热，使内部的硒蒸发产生硒蒸气，进入线性硒源管，线性硒源管设有线性喷口，条形加热器可以对线性硒源管进行加热，使硒蒸气进一步裂解成小分子硒蒸气，增加反应活性。
14.作为优选，所述硒源下方设置有重力传感器，硒源和重力传感器之间设有双层绝热板，双层绝热板包括上下两块绝热板，上下两块绝热板之间设有水冷管，所述水冷管与双层绝热板无接触。重力传感器可以实时的测试反馈硒源（硒罐）重量，为了防止高温对重力
传感器的损伤，因此设计一个双层绝热板，两层板之间嵌入循环的水冷管，可以对下面的重力传感器进行保护。双层绝热板包含了上下两层绝热板以及两层绝热板之间的支撑杆，水冷管与两层绝热板以及支撑杆均无任何接触，防止循环水的震动影响传感器的测试精度，同时也防止循环水的震动影响硒源产生的硒蒸气羽流的稳定。
15.作为优选，所述真空腔包括真空内腔和设置在真空内腔两端的耳室，所述放卷轴和收卷轴分别设置在两耳室中，碱金属前驱体镀膜区、硒化区和冷却区设置在真空内腔中；耳室外侧设置有可开合的耳室盖，耳室和真空内腔之间设置有可开合的闸板阀。为实现设备在不破真空的条件下上下料，采用双耳室设计，分别为上卷和下卷的耳室，上卷耳室内为放卷轴，下卷耳室内为收卷轴，每个耳室根部配备有闸板阀；上卷时，关闭上卷耳室的闸板阀，开盖装卷，装好后耳室关盖抽真空，真空度达到2
×
10-5
torr以下时，打开闸板阀进行生产运行；下卷时，关闭下卷耳室闸板阀，开盖换卷，换好后耳室关盖抽真空，真空度达到2
×
10-5
torr以下时，打开闸板阀进行生产运行；通过这种方式实现了设备主体不破真空的条件下上下料，使设备可以在不间断的情况下进行物料切换，显著提升了设备的运行效率。
16.作为优选，所述硒化区下方均匀设置3～5个硒源。
17.作为优选，放卷轴和收卷轴之间设有若干输送辊，沿放卷轴和收卷轴之间的柔性基板依次沿各输送辊输送；碱金属前驱体镀膜区、硒化区和冷却区的交界处均设置输送辊。
18.本发明有益效果如下：1、采用隧道式的硒化腔设计和上下双加热的方式，显著提高硒化温度可控性和均匀性，解决传统卷对卷过程中硒化气氛流失的问题，降低生产过程中的硒耗量。2、通过设计卷对卷上下料区域的耳室，可以实现设备在不破真空的条件下上下料，极大的延长了连续生产运行时间，有效提高设备的稼动率。3、硒源在线余量可检测，能够实时的查看硒料的余量，为合理安排设备的生产和保养时间提供数据依据。4、采用封闭蒸发腔设计，使污染区和非污染区相互隔绝，尤其避免氟化物对设备其他区域的污染，有效保障设备pm工作人员的安全。5、通过管式线性碱金属蒸发源，提高碱金属镀膜的均匀性，同时一体化结构设计提高了线性蒸发源的稳定性和长时间运行的可靠性。6、本设备实现了带有cigs吸收层的柔性基底的碱金属后处理工艺，pdt处理效果好，可以有效提升了太阳能电池片的性能。
附图说明
19.下面结合附图对本发明进一步说明。
20.图1是本发明的一种收放卷结构示意图。
21.图2是本发明的一种设备结构示意图。
22.图3是本发明的一种碱金属源俯视结构示意图。
23.图4是本发明图3中的碱金属源剖面结构示意图。
24.图5是本发明的一种硒源结构示意图。
25.图6是本发明的pdt处理前后cigs电池i-v曲线对比图图中 ：1、放卷轴，2、收卷轴，3、输送辊，4、碱金属前驱体镀膜区，5、硒化区，6、冷却区，7、碱金属源，8、硒源，9、遮罩，10、上加热板，11、冷却板，12、下加热板，13、耳室，14、耳室盖，15、闸板阀，16、支撑柱，17、真空内腔，18、扩散泵，19、柔性基底，20、坩埚，21、坩埚盖，22、狭缝，23、碱金属，24、加热管，25、保温材料，26、外壳，27、硒罐，28、螺旋加热器，29、线性
硒源管，30、线性喷口，31、条形加热器，32、双层绝热板，33、水冷管，34、重力传感器。
具体实施方式
26.下面通过具体实施例并结合附图对本发明进一步说明。
27.实施例：一种卷对卷柔性cigs吸收层碱金属后处理设备，如图1、2所示。本装置包括真空腔，真空腔两侧分别设置扩散泵18。真空腔内的两侧分别设有放卷轴1和收卷轴2，放卷轴和收卷轴之间设有若干输送辊3，放卷轴1和收卷轴2之间沿各输送辊3输送柔性基板19，柔性基板底面有cigs层。放卷轴1和收卷轴2之间的柔性基板19沿输送方向依次设有碱金属前驱体镀膜区4、硒化区5和冷却区6，碱金属前驱体镀膜区4的下方设有碱金属源7，硒化区5下方设有硒源8，碱金属前驱体镀膜区、硒化区和冷却区的交界处均设置输送辊3。所述碱金属前驱体镀膜区的柔性基板19上方设有上加热器10。硒化区的柔性基板19上方设有上加热器10，硒化区下方设有下加热器12，下加热器与柔性基板下表面高差0.1～0.3m；上加热器和下加热器均为板式加热器。冷却区6的柔性基板19上方设有冷却板11。碱金属前驱体镀膜区4、硒化区5下方分别设有遮罩9，所述遮罩采用石墨板、不锈钢板、钼板、钛板或陶瓷板构成。碱金属前驱体镀膜区4的遮罩为封闭式设计，硒化区5的遮罩两端设有挡板，呈封闭的隧道式设计。冷却区6可以根据需求选择是否设置遮罩，本例中冷却区也设置遮罩9。
28.如图2所示，真空腔包括真空内腔17和设置在真空内腔两端的耳室13，所述放卷轴1和收卷轴2分别设置在两耳室13中，碱金属前驱体镀膜区4、硒化区5和冷却区6设置在真空内腔17中；耳室13外侧设置有可开合的耳室盖14，耳室和真空内腔之间设置有可开合的闸板阀15。
29.如图3、4所示，碱金属源7为沿柔性基板宽度方向设置的线性源。所述碱金属源7包括条形的坩埚20，坩埚内装有碱金属23，坩埚上方扣设有坩埚盖21，坩埚盖中心开设有狭缝22，坩埚盖顶面于狭缝两侧布设有加热管24，坩埚、盖锅盖以及加热管的外侧包覆有保温材料25，保温材料外侧包设有外壳26，外壳采用金属材质，坩埚盖顶面在狭缝位置设置凸台，使狭缝22上口伸出之外壳26之上。本例中，采用碱金属csf作为碱金属源。
30.如图2所示，硒化区设置3个硒源，硒源设置在遮罩上，同时下加热板也设置在遮罩上。如图5所示，硒源8包括硒罐27，硒罐27外绕设有螺旋加热器28，硒罐顶部连接有沿柔性基板宽度方向设置的线性硒源管29，线性硒源管顶面开设有线性喷口30，线性硒源管下方设置有条形加热器31。硒源在硒罐27下方设置有重力传感器34，硒源和重力传感器之间设有双层绝热板32，双层绝热板包括上下两块绝热板，上下两块绝热板之间设有支撑杆，上下两块绝热板之间设有水冷管33，所述水冷管与上下两块绝热板以及支撑杆均无接触。
31.采用双耳室设计，分别为上卷和下卷的耳室，上卷耳室内为放卷轴，下卷耳室内为收卷轴，每个耳室根部配备有闸板阀；上卷时，关闭上卷耳室的闸板阀，开盖装卷，装好后耳室关盖抽真空，真空度达到2
×
10-5
torr以下时，打开闸板阀进行生产运行；下卷时，关闭下卷耳室闸板阀，开盖换卷，换好后耳室关盖抽真空，真空度达到2
×
10-5
torr以下时，打开闸板阀进行生产运行；通过这种方式实现了设备主体不破真空的条件下上下料，使设备可以在不间断的情况下进行物料切换，显著提升了设备的运行效率。
32.如表1及图6所示，经csf碱金属pdt处理前后的cigs电池的iv性能的对比，图6中，横坐标为开路电压（voc），纵坐标为短路电流密度（j
sc
），ff=p
max
/（voc
×jsc
），p
max
为最大功
率值。经pdt处理的cigs电池器件开路电压（voc）、填充因子（ff）、短路电流密度（j
sc
）有明显提升，分别提升15.2% 、11.9%和6.7%，电池器件的效率（eff）由12.75%提升至17.55%，cigs薄膜电池的转换效率得到了明显提升。表1 csf-pdt处理前后cigs电池性能变化 voc（mv）jsc（ma/cm2）ff（%）eff（%）处理前602.331.8066.5612.75pdt处理后694.133.9474.5017.55提升率 15.2% 6.7% 11.9% 37.6%