一种金属预制层合金化设备及方法技术

本发明专利技术是一种金属预制层合金化设备及方法。本发明专利技术的金属预制层合金化设备，为真空热处理设备，包括有密闭容器，置于密闭容器内的等离子体及衬底加热装置，衬底和密闭容器内的另一导电极组成等离子体辉光的两个电极，密闭容器的侧壁设有抽真空通道及设有通入H2和Ar气的通道，且密闭容器内设有控温系统。本发明专利技术金属预制层的合金化处理方法是将通过溅射、蒸发、电沉积等方法制备的金属预制层在真空或惰性气体保护环境下，以较高温进行热退火处理使金属间充分化合为合金相并消除薄膜内应力，得到元素分布均匀的金属预制层的过程。本发明专利技术提供的等离子体辅助合金化工艺可实现低温下金属间的充分化合，提高硒化等后续处理效果和薄膜附着力，还可修饰改善表面。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是，特别涉及一种提高溅射、蒸发或电沉积制备金属预制层合金化效果的工艺，亦可用于装饰材料的表面处理，属于金属预制层合金化设备及方法的创新技术。
技术介绍
CIGS薄膜太阳电池具有稳定性高、抗辐射、吸收效率高等优势，可以使用价格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金属片等不同材料当基板来制造，形成可产生电压的薄膜厚度仅需数μ m，因此在同一受光面积之下可较硅晶圆太阳能电池大幅减少原料的用量(厚度可低于硅晶圆太阳能电池90%以上)，目前转换效率最高以可达20.9%。金属预制层的合金化处理就是将溅射、蒸发或电沉积方法制备的金属预制层在真空条件下或惰性气体保护环境下，进行热退火处理。不同薄膜材料的热膨胀系数不同，在硒气氛中进行热处理时由于热膨胀使得薄膜内存在应力，导致薄膜附着力变差；金属预制层合金化不充分会使得在其硒化制备CIGS薄膜过程出现中CGS与CIS两相分离现象，Ga不能有效掺入CIS晶格中而不能提高薄膜带隙，还会使薄膜内晶粒细碎缺陷增多，影响器件效率。因此，金属预制层的合金化过程对电池器件至关重要。 在真空或惰性气体保护环境下合金化热处理，低温处理的预制层元素扩散不充分，而高温处理使得衬底或背电极中的元素向薄膜内扩散，且长时间较高温度处理容易导致薄膜脱落。 由于金属预制层是由多层金属膜层叠加组成，每层金属薄膜的热膨胀系数不同，在硒化过程中薄膜体积发生变化，导致附着力变差；另外元素化合不充分影响最终器件效率。因此，要提高金属预制层附着力，改善薄膜质量，提高改善金属预制层合金化程度是目前需要解决的关键问题。
技术实现思路
本专利技术型的目的在于考虑上述问题而提供一种可在相对较低温度下热处理预制层，达到高温处理的元素充分化合的效果的金属预制层合金化设备。 本专利技术的另一目的在于提供一种操作简单，处理效果好的金属预制层合金化方法。本专利技术的等离子体可对表面形貌起到一定刻蚀作用，使之表面积更大，在后续硒化过程中，更有利于Se掺入。 本专利技术的技术方案是:本专利技术的金属预制层合金化设备，为真空热处理设备，包括有密闭容器，置于密闭容器内的等离子体及衬底加热装置，衬底和密闭容器内的另一导电极组成等离子体辉光的两个电极，密闭容器的侧壁设有抽真空通道及设有通入H2和Ar气的通道，且密闭容器内设有控温系统。 本专利技术的金属预制层合金化方法，采用等离子体辅助合金化工艺。 本专利技术的金属预制层合金化方法，具体包括如下步骤: 1)在以Mo为背电极的衬底上分层溅射、蒸发或电沉积叠层金属预制层；2)将制备好的叠层金属预制层放置于金属预制层合金化设备中，通过密闭容器侧壁设有的抽真空通道实现抽真空至10?3Pa以下，并通过衬底加热装置对衬底进行加热升温；3)衬底和密闭容器内的另一导电极组成等离子体辉光的两个电极，通过密闭容器侧壁设有的通入H2和Ar气的通道在两个电极之间通入H2和Ar气作为辉光气体，调整密闭容器内的气体流量比例和气体压强，开等离子体，进行辉光处理；4)步骤3)结束后进行后续工艺或取出。 本专利技术针对现有技术中存在的金属预制层在真空或惰性气体保护下的合金化过程中低温元素扩散不充分、高温附着力变差等问题，提供一种快速低温高效充分的合金化设备及方法。本专利技术可在相对较低温度下热处理预制层，达到高温处理的元素充分化合的效果，并且等离子体可对表面形貌起到一定刻蚀作用，使之表面积更大，在后续硒化过程中，更有利于Se掺入。本专利技术是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的金属预制层合金化设备及方法。 【附图说明】图1为本专利技术金属预制层合金化设备的结构示意图； 图2是250°C无等离子体辅助金属预制层合金化的SEM表面和截面图图3是250°C有等离子体辅助金属预制层合金化的SEM表面和截面图图4是250°C无等离子体辅助金属预制层合金化后硒化的SEM表面和截面图图5是250°C有等离子体辅助金属预制层合金化后硒化的SEM表面和截面图 【具体实施方式】下面将结合附图和【具体实施方式】对本专利技术作进一步详细阐述。 实施例本专利技术的金属预制层合金化设备的结构示意图如图1所示，包括有密闭容器，置于密闭容器内的等离子体及衬底加热装置，衬底和密闭容器内的另一导电极组成等离子体辉光的两个电极，密闭容器的侧壁设有抽真空通道及设有通入H2和Ar气的通道，且密闭容器内设有控温系统。上述控温系统包括有设置在密闭容器的温度传感器及温度控制装置，温度传感器的信号输出端与温度控制装置的信号输入端连接，温度控制装置的信号输出端与衬底加热装连接。 本专利技术金属预制层合金化方法，采用等离子体辅助合金化工艺。 本专利技术金属预制层合金化方法，具体包括如下步骤:1)在以Mo为背电极的衬底上分层溅射、蒸发或电沉积叠层金属预制层；2)将制备好的叠层金属预制层放置于金属预制层合金化设备中，通过密闭容器侧壁设有的抽真空通道实现抽真空至10?3Pa以下，并通过衬底加热装置对衬底进行加热升温；3)衬底和密闭容器内的另一导电极组成等离子体辉光的两个电极，通过密闭容器侧壁设有的通入H2和Ar气的通道在两个电极之间通入H2和Ar气作为辉光气体，调整密闭容器内的气体流量比例和气体压强，开等离子体，辉光处理；4)步骤3)结束后进行后续工艺或取出。 上述等离子体采用使气体辉光放电的等离子体工艺。 上述等离子体采用高频、中频、射频工艺。 上述釆用H2和Kr气作为辉光气体的气体流量范围为O?lOOOSccm，压强范围为 O?1000Pa0 上述叠层金属预制层是铜铟(CuIn)金属预制层、铜镓(CuGa)金属预制层、铜铟镓(CuInGa)金属预制层、铜锌(CuZn)金属预制层、铜锡(CuSn)金属预制层、铜锌锡(CuZnSn)金属预制层中的任一种。 上述合金化处理时间为2min?60min。 上述合金化处理温度为50°C?500°C。 [0021 ] 本专利技术叠层金属预制层可用于制备太阳能电池。 本专利技术的金属预制层合金化方法，可分别在衬底加热前、衬底加热中、衬底加热后对衬底进行等离子体处理。本专利技术可使不同金属元素间充分化合，薄膜与衬底间的附着力提闻。 如图2至图5所示，以加工出结晶致密、大尺寸晶粒附着力良好的薄膜为例，图中所示的薄膜与衬底之间的空隙是测试导致的，不是薄膜本身附着力差的体现。 本专利技术的具体实施例如下:实施例1:本专利技术金属预制层合金化方法，包括如下步骤I)先采用电化学沉积法(或溅射法)分别在Cu、In或Ga溶液中电沉积(或溅射)制备Cu层、In层、Ga层。 2)将制备好的预制层放置于真空热处理设备中，抽真空至6Pa以下。 3)分别在衬底升温前、升温过程中、升温结束后通入H2和Ar气，打开等离子体辉光，恒温持续20min。 4)合金化热处理结束后，关掉等离子体辉光，开硒源，衬底温度升至500°C以上，开始硒化，硒化时间在lOmin。 本专利技术所得到的预制层以及后硒化薄膜表面更致密，纵向元素分布更均匀，与衬底之间的附着力更好，低温热处理更降低了能源消耗。 实施例2:I)先采用电化学沉积法(或溅射法)衬底分别在Cu、In或Ga溶液中电沉积(或溅射)制备Cu层、In层、Ga层0 2)将制备好的预制层放置于真空热处理设备中，抽真空本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属预制层合金化设备，其特征在于为真空热处理设备，包括有密闭容器，置于密闭容器内的等离子体及衬底加热装置，衬底和密闭容器内的另一导电极组成等离子体辉光的两个电极，密闭容器的侧壁设有抽真空通道及设有通入H2和Ar气的通道，且密闭容器内设有控温系统。

【技术特征摘要】
1.一种金属预制层合金化设备，其特征在于为真空热处理设备，包括有密闭容器，置于密闭容器内的等离子体及衬底加热装置，衬底和密闭容器内的另一导电极组成等离子体辉光的两个电极，密闭容器的侧壁设有抽真空通道及设有通入H2和Ar气的通道，且密闭容器内设有控温系统。2.一种金属预制层合金化方法，其特征在于采用等离子体辅助合金化工艺。3.根据权利要求2所述的金属预制层合金化方法，其特征在于包括如下步骤: 1)在以Mo为背电极的衬底上分层溅射、蒸发或电沉积叠层金属预制层； 2)将制备好的叠层金属预制层放置于金属预制层合金化设备中，通过密闭容器侧壁设有的抽真空通道实现抽真空至10?3Pa以下，并通过衬底加热装置对衬底进行加热升温； 3)衬底和密闭容器内的另一导电极组成等离子体辉光的两个电极，通过密闭容器侧壁设有的通入H2和Ar气的通道在两个电极之间通入H2和Ar气作为辉光气体，调整密闭容器内的气体流量比例和气体压强，开等离子体，进行辉光处理； 4)步骤3)结束后进行后续工艺或取出。4....

【专利技术属性】
技术研发人员：梁元敏，钟福回，曾海峰，吴明想，孙超卫，
申请(专利权)人：阳江市汉能工业有限公司，阳江汉能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44