在缓冲层沉积期间的溶液遏制制造技术

公开了用于在基底幅材上形成硫属化物的薄膜层的改进的方法和装置。包含硫属化物层的反应物的溶液可实质上被遏制到幅材的前表面，控制反应的边界并避免了硫属化物在背侧上的不希望有的沉积。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请是2009年3月4日提交的美国专利申请序列号12/397,863的部分继续，该专利申请根据美国法典35篇第119条和可适用的外国和国际法律要求2008年3月5日提交的美国临时专利申请序列号61/068,458的优先权，每个申请特此通过引用被全部并入。背景光生伏打学的领域通常涉及将太阳光直接转换成DC电功率的多层材料。这个转换的基本机制是由爱因斯坦在他被授予诺贝尔物理学奖金的1905学术科学论文中首先正确地描述的光生伏打(或光电)效应。在美国，光生伏打(PV)器件通俗地被称为太阳能电池。太阳能电池一般被配置为p型和n型半导体的协作夹层结构，其中n型半导体材料(在夹层结构的一“侧”上)展示电子的过量，而p型半导体材料(在夹层结构的另一“侧”上)展示空穴的过量，其中每个表示电子的缺乏。在这两种材料之间的p-n结附近，来自n型层的价电子移动到p型层中的邻近空穴内，在太阳能电池内部产生小的电气不平衡。这导致在结的邻近区域中的电场。当入射光子将电池中的电子激发到导带内时，所激发的电子从半导体的原子被释放，产生自由电子/空穴对。因为如上所述，p-n结在结的邻近区域中产生电场，在结附近以这种方式产生的电子/空穴对倾向于分离并远离结移动，电子朝着n型侧移动以及空穴朝着结的p型侧移动。这在电池中产生总电荷不平衡，使得如果外部导电路径设置在电池的两侧之间，则电子将沿着外部路径从n型侧移动回到p型侧，产生电流。实际上，可通过引导覆盖表面的一部分的网格来从n型侧的表面处或附近收集电子，同时仍然允许通过入射光子充分接近电池。当适当定位的电气触头被包括且电池(或一系列电池)合并到封闭电路内时，这样的光生伏打结构形成工作PV器件。作为独立的器件，单个常规太阳能电池不足以给大部分应用供电。作为结果，太阳能电池通常通过将一个电池的前面连接到另一电池的后面而布置到PV模块或“串”内，从而将单独电池的电压电气串联地加一起。一般，相当大数量的电池串联连接以实现可用电压。因而产生的DC电流然后可通过逆变器被馈送，其中它在适当的频率下转换成AC电流，其被选择成匹配由常规电网供应的AC电流的频率。在美国，这个频率是60赫兹(Hz)，且大部分其它国家提供在50Hz或60Hz下的AC功率。为商业用途发展的一个特定类型的太阳能电池是“薄膜”PV电池。与其它类型的PV电池例如晶体硅PV电池比较，薄膜PV电池需要更少的光吸收材料来创建工作电池，且因此可减小处理成本。基于薄膜的PV电池也通过使用广泛用在保护性、装饰性和功能涂层的薄膜工业中的以前发展的沉积技术来提供改进的成本。低成本商业薄膜产品的常见例子包括在基于聚合物的食物包装上的能渗透水的涂层、在建筑玻璃上的装饰性涂层、在住宅和商业玻璃上的低发射率热控制涂层和在眼镜上的刮擦和抗反射涂层。采用或修改在这些其它领域中发展的技术允许在PV电池薄膜沉积技术的发展成本中的减小。此外，薄膜电池、特别是使用铜铟联硒化物、铜铟铝联硒化物或铜铟镓联硒化物的太阳光吸收体层的那些薄膜电池展示接近20％的效率，其比得上或超过最有效的晶体硅的效率。特别是，铜铟镓联硒化物(CIGS)是稳定的，具有低毒性，且是真正薄的膜，需要在工作PV电池中的小于两微米的厚度。作为结果，到此为止，CIGS看起来展示对高性能、低成本薄膜PV产品和因而对渗透大量发电市场的最大可能性。薄膜PV材料可沉积在刚性玻璃基底上或柔性基底上。玻璃基底相对廉价，通常具有与CIGS或其它吸收体层相对紧密地匹配的热膨胀系数，并允许真空沉积系统的使用。然而，这样的刚性基底遭受各种缺点，例如对处理设备的相当大的占地面积的需要和材料短缺、特殊重载操纵设备、基底破裂的高度可能性、由于玻璃的重量和娇弱而引起的增加的装运成本
和在安装中的困难。作为结果，玻璃基底的使用对大体积、高产量、多层功能薄膜材料例如光电池的商业制造不是最佳的。相反，薄膜柔性基底的辊到辊过程允许紧凑、较不昂贵的真空系统和已经对其它薄膜工业发展的非特殊化设备的使用。基于PV电池的薄柔性基底材料也展示对快速加热和冷却和对大热梯度的相对高的耐受性(导致在处理期间的破裂或故障的低可能性)，需要相对低的装运成本并展示比基于刚性基底的电池更大的安装容易性。可在薄膜PV电池中使用的特定类型的N型半导体材料在化学的领域中被称为硫属化物。硫属化物是由至少一个硫属元素离子和至少另一个阳电元素例如金属组成的化学化合物。在现有技术中例如在为了所有目的特此通过引用被并入本公开中的McCandless等人的美国专利号6,537,845中描述了形成硫属化物的薄膜。然而，形成具有期望厚度和均匀性的硫属化物膜在技术上保持有挑战性，且改进是需要的。从历史上看，一个或多个薄膜硫属化物缓冲层的形成常常通过相对低效的循环过程继续，该循环过程包括将在含水容器中的基底加热到升高的温度，添加金属盐并在金属盐中混合，以及然后添加含硫属元素的组分并在含硫属元素的组分中混合。在规定温度下在规定时间之后，反应完成，基底被移除，所使用的溶液被发送到废物处理，含反应物的溶液被涂敷到幅材，且容器被清洗用于下一反应。此外，将含反应物的溶液涂敷到幅材的现有方法一般导致硫属化物在幅材的期望(“前”或“顶”)表面之上以及也在幅材的另一(“后”或“底”)表面的至少一部分之上的沉积，需要至少一个清洗步骤来从后表面移除材料。这一般使用酸性溶液完成，酸性溶液必须谨慎地被控制和完全被移除以避免对期望薄膜层的损坏并避免由残留酸的存在激活的长期腐蚀问题。此外，当反应物溶液到达基底的背侧时，因为整个基底浸没在反应物溶液的浴槽中或因为涂敷到基底的顶侧的溶液在顶侧上未充分被遏制，移除在基底的背部和/或任何加热元件上形成的所有过多的硫属化物可能很难或不可能。这可影响到达基底的顶部的热的数量。例如，在基底的下侧上积聚的硫属化物可影响基底的热容量及其导热率，且在加热器上积聚的
硫属化物可影响加热器的发射率和/或导热率。此外，这些影响在基底的整个宽度上可以是非均匀的。在基底的下侧上和/或在布置在基底的那一侧上的任何加热元件上的这样的不合需要的硫属化物沉积可导致拙劣地控制的基底温度和具有不合需要的特征的硫属化物缓冲层的相应形成。例如，如果到达基底的顶表面的热的数量由于在基底之下的硫属化物形成而减小，则这可导致在顶表面上的不合需要地薄的硫属化物缓冲层的形成。类似地，如果到达基底的顶表面的热的数量由于在基底之下的不均匀的硫属化物形成而不均匀，则这可导致在顶表面上的不合需要地非均匀的硫属化物缓冲层的形成。这些效应可能由于在基底之下的不可预测和不受控制的硫属化物形成而难以控制。在本领域中已知在辊到辊过程中在基底幅材上沉积硫属化物层并例如通过在垂直轨之上垂挂幅材边缘来升高基底幅材的横向边缘以提高溶液遏制。然而，这一般导致在幅材上的不合需要的压曲力，使维持在沉积区中的期望程度的平坦度变得很难。同时，以前的系统使用压紧机构例如一个或多个轮子来保持幅材与下层表面例如传导加热器接触。然而，这在基底上产生局部热点，导致在硫属化物中的不合需要的不均匀性。在本领域中也已知纵向地倾斜整个幅材以控制在幅材上的反应物溶液的深度。然而，这些现有系统不提供在沉积区的各种部分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种将薄膜硫属化物缓冲层沉积到柔性基底上的方法，包括：通过在布置在沉积区内的支承表面上滑动基底材料的幅材来经过所述沉积区输送所述幅材；将含金属的溶液和含硫属元素的溶液沉积到所述幅材的顶表面上，所述含金属的溶液包含从由铜、银、金、锌、镉、汞、铅、硼、铝、镓、铟和铊组成的组中选择的金属，以及所述含硫属元素的溶液包含从由氧、硫、硒和碲组成的组选择的硫属元素；相对于所述幅材的中心部分提升所述幅材的横向边缘部分，以将所述含金属的溶液的至少一部分和所述含硫属元素的溶液的至少一部分实质上遏制在所述幅材的所述顶表面上；以及使用布置在所述幅材的中心部分之下的固定位置中的多个磁铁来保持所述幅材的所述中心部分实质上平坦。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.12.16 US 14/108,1931.一种将薄膜硫属化物缓冲层沉积到柔性基底上的方法，包括：通过在布置在沉积区内的支承表面上滑动基底材料的幅材来经过所述沉积区输送所述幅材；将含金属的溶液和含硫属元素的溶液沉积到所述幅材的顶表面上，所述含金属的溶液包含从由铜、银、金、锌、镉、汞、铅、硼、铝、镓、铟和铊组成的组中选择的金属，以及所述含硫属元素的溶液包含从由氧、硫、硒和碲组成的组选择的硫属元素；相对于所述幅材的中心部分提升所述幅材的横向边缘部分，以将所述含金属的溶液的至少一部分和所述含硫属元素的溶液的至少一部分实质上遏制在所述幅材的所述顶表面上；以及使用布置在所述幅材的中心部分之下的固定位置中的多个磁铁来保持所述幅材的所述中心部分实质上平坦。2.如权利要求1所述的方法，其中通过使所述幅材在多个成角度的圆柱体上通过来提升所述幅材的所述横向边缘部分。3.如权利要求2所述的方法，其中所述成角度的圆柱体配置成随着所述幅材的运动旋转。4.如权利要求2所述的方法，其中所述成角度的圆柱体由低摩擦材料构造，并配置成当所述幅材移动时维持固定旋转位置。5.如权利要求1所述的方法，其中所述支承表面包括配置成减小在所述支承表面和所述幅材之间的接触的面积的多个凹槽。6.如权利要求1所述的方法，还包括提供在所述支承表面的至少部分和所述幅材之间的液体静力支承表面。7.如权利要求6所述的方法，其中所述支承表面包括配置成减小在所述支承表面和所述幅材之间的接触的面积的多个凹槽，以及其中所述液体静力支承表面由布置在所述凹槽内的水形成。8.一种将薄膜硫属化物缓冲层沉积到柔性基底上的方法，包括：通过在布置在沉积区内的支承表面上滑动薄膜基底材料的幅材来经过所述沉积区输送所述幅材；将含金属的溶液和含硫属元素的溶液沉积到所述幅材的顶表面上，所述含金属的溶液包含从由铜、银、金、锌、镉、汞、铅、硼、铝、镓、铟和铊组成的组中选择的金属，以及所述含硫属元素的溶液包含从由氧、硫、硒和碲组成的组选择的硫属元素；相对于所述幅材的中心部分提升所述幅材的横向边缘部分，以将所述含金属的溶液的至少一部分和所述含硫...

【专利技术属性】
技术研发人员：杰弗里·S·布里特，斯科特·奥尔布赖特，乌尔斯·朔普，沃尔特·施托斯，达伦·韦赖贝伊，
申请(专利权)人：环球太阳能公司，
类型：发明
国别省市：美国;US