Quy trình công nghệ chi tiết chuẩn bị màng CIGS bằng cách sơn tĩnh điện

Bước 1: Chuẩn bị bột predrome

Đây là nền tảng của toàn bộ quá trình. Thông thường có hai loại đường:

1. Sử dụng trực tiếp bột đơn chất hoặc hợp kim của Cu, In, Ga, Se mua thương mại. Những loại bột này cần có độ tinh khiết cao (thường>99,99%) và kích thước hạt thích hợp (thường ở cấp micron hoặc submicron).

2. Tự tổng hợp bột tiền chất CIGS: Bột Se₂ (CuInGa) với tỷ lệ đo hóa học cụ thể đã được tổng hợp trước bằng phương pháp đồng kết tủa, hợp kim hóa bóng và các phương pháp khác. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt hơn tính đồng nhất thành phần của bộ phim cuối cùng.

Bước 2: Chuẩn bị bùn

Đây là một trong những liên kết kỹ thuật quan trọng nhất. Bột predrome được trộn với các dung môi và phụ gia cụ thể và nghiền thành bùn ổn định, đồng nhất và phù hợp để phủ.

• Dung môi: Các dung môi thường được sử dụng bao gồm:

• Nước khử ion: chi phí zui thấp, zui thân thiện với môi trường.

• Dung môi hữu cơ: chẳng hạn như ethanol, isopropanol, v.v., dễ bay hơi và dễ khô.

• Chất kết dính: Thêm một lượng nhỏ (ví dụ: 1-5 wt%) chất kết dính hữu cơ hoặc vô cơ (ví dụ: ethyl cellulose, nhựa acrylic, v.v.) để tăng độ bám dính của bùn và ngăn chặn màng sau khi sấy khô rơi ra khỏi cơ sở hoặc nứt.

• Chất phân tán: Chất phân tán (như dầu cá, dầu thầu dầu, v.v.) được thêm vào để ngăn các hạt bột kết tụ trong bùn, đảm bảo thành phần đồng nhất.

• San lấp mặt bằng: Cải thiện độ phẳng bề mặt của lớp màng sau khi phủ.

• Quy trình: Sau khi trộn các thành phần trên theo tỷ lệ nhất định, hãy đặt chúng vào máy nghiền bi hoặc máy nghiền bi hành tinh trong vài giờ đến hàng chục giờ nghiền cho đến khi bạn có được bùn ổn định và đồng đều cao.

Bước 3: Chuẩn bị nền và làm sạch

• Lựa chọn cơ sở: Cơ sở thường được sử dụng cho zui là thủy tinh natri-canxi được phủ bằng điện cực lưng molypden (Mo). Lớp Mo thường được chuẩn bị bằng cách phún xạ magnetron như là tiếp xúc trở lại và điện cực cho phim CIGS.

• Làm sạch cơ sở: sử dụng acetone, ethanol, nước khử ion, v.v. trong máy làm sạch siêu âm lần lượt làm sạch cơ sở, loại bỏ các chất gây ô nhiễm bề mặt, dầu mỡ và các hạt để đảm bảo độ ẩm và độ bám dính tốt của bùn.

Bước 4: Sơn bùn/In

Các bùn được xây dựng được lắng đọng vào cơ sở Mo thông qua các kỹ thuật phủ cụ thể. Phương pháp thường dùng là:

• In màn hình: Phương pháp thường được sử dụng bởi zui. Mẫu và độ dày của bộ phim có thể được kiểm soát chính xác bằng cách cạo bùn lên bề mặt bằng phiên bản màn hình lụa.

• Scraper Coating: Thiết bị đơn giản, phù hợp với diện tích lớn, lớp phủ liên tục.

• In phun: Một công nghệ kỹ thuật số, không tiếp xúc, có thể đạt được các mẫu tốt, nhưng hiệu quả và yêu cầu bùn cao hơn.

Những gì được hình thành sau khi áp dụng là một bộ phim ẩm ướt, có chứa một lượng lớn các chất hữu cơ.

Bước 5: Sấy khô và đốt trước

1. Sấy khô: Ở nhiệt độ tương đối thấp (chẳng hạn như 100-200 ° C), mẫu được phủ được đặt trong một tấm nóng hoặc lò nướng để dung môi trong bùn bay hơi từ từ. Quá trình này đòi hỏi phải kiểm soát tốc độ nóng lên để tránh các vết nứt hoặc "bong tróc" của màng do khô nhanh.

2. Pre-Burn/Exhaust: Trong một bầu không khí trơ (ví dụ: nitơ, argon) hoặc giảm (ví dụ: hỗn hợp nitơ-hydro), nhiệt độ được tăng lên khoảng 300-400 ° C, cho phép các chất phụ gia như chất kết dính hữu cơ, chất phân tán trong bùn phân hủy nhiệt và loại bỏ hoàn toàn dễ bay hơi. Bước này rất quan trọng và nếu chất hữu cơ còn lại, nó có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng selenizing tiếp theo và hiệu suất của thiết bị cuối cùng.

Bước 6: Selenization và xử lý nhiệt

Đây là bước cốt lõi nhất trong toàn bộ quá trình, với mục đích tạo ra phản ứng hóa học và sự phát triển hạt của màng tiền chất để tạo thành một lớp hấp thụ CIGS kết tinh tốt với cấu trúc đồng thau.

• Môi trường selenized: Các mẫu đã được đốt trước được đặt trong một bầu không khí có chứa hơi selenium (Se) để xử lý nhiệt.

• Nguồn Selenium:

• Nguồn selen rắn: mẫu được đặt trong một ống thạch anh kín với bột selen đơn chất, được niêm phong hoặc liên tục đi qua khí trơ sau khi hút chân không, sau đó được đun nóng.

• Các nguồn selen dạng khí: chẳng hạn như khí H₂Se, nhưng khí này rất độc và yêu cầu cao về thiết bị và an toàn, và hiện ít được sử dụng hơn.

• Hơi selen: Trong lò ống, selen đơn chất được làm nóng riêng bằng cách sử dụng một nguồn bay hơi, tạo ra hơi selen và vận chuyển nó lên bề mặt mẫu bằng khí trơ như N₂ làm khí mang.

• Hệ thống xử lý nhiệt:

• Nhiệt độ nóng lên: Nhiệt độ selen hóa ở một tốc độ nhất định, thường là từ 500 ° C đến 600 ° C.

• Cách nhiệt: Giữ nhiệt ở nhiệt độ selenized trong một khoảng thời gian (thường là 10-60 phút), cho phép các yếu tố khuếch tán đầy đủ, phản ứng và hạt phát triển.

• Làm mát: Làm mát với lò hoặc kiểm soát tốc độ làm mát đến nhiệt độ phòng sau khi phản ứng kết thúc.

Trong quá trình này, Cu, In, Ga trong tiền chất phản ứng với hơi Se để tạo ra các tinh thể CIGS có hoạt tính quang điện. Kiểm soát chính xác nhiệt độ selen hóa, thời gian và áp suất riêng phần selen hóa là chìa khóa để có được bộ phim CIGS hiệu suất cao.

Bước 7: Hậu xử lý và hoàn thành thiết bị

Sau khi selenization, lớp hấp thụ CIGS thu được. Sau đó cần phải hoàn thành việc chuẩn bị toàn bộ thiết bị theo quy trình của pin mặt trời CIGS tiêu chuẩn:

1. Lớp đệm lắng đọng: Một lớp CdS mỏng (khoảng 50nm) thường được lắng đọng thông qua bồn tắm hóa học (CBD) hoặc sử dụng các chất thay thế không chứa cadmium (ví dụ: ZnS, In₂S₃).

2. lắng đọng lớp cửa sổ: lắng đọng ZnO (i-ZnO) và kẽm oxit nhôm (AZO) như các lớp cửa sổ dẫn điện trong suốt bằng các phương pháp như phún xạ hoặc lắng đọng hơi hóa học hữu cơ kim loại (MOCVD).

3. Chuẩn bị điện cực: Dây lưới thu Ni/Al được tạo ra trên AZO bằng cách bốc hơi nhiệt hoặc phún xạ.

4. Scratch&Packing: Các tấm pin diện tích lớn được chia thành các tế bào riêng lẻ và được đóng gói nhiều lớp để tạo thành một mô-đun pin mặt trời hoàn chỉnh.

Lợi thế công nghệ và thách thức

• Ưu điểm:

• Chi phí thấp: Chi phí đầu tư và vận hành thiết bị thấp hơn nhiều so với phương pháp bốc hơi chân không.

• Tỷ lệ sử dụng vật liệu cao: tỷ lệ sử dụng vật liệu của phương pháp sơn bùn có thể vượt quá 90%.

• Dễ dàng diện tích lớn: Các công nghệ như in màn hình là lý tưởng cho sản xuất quy mô lớn, diện tích lớn.

• Linh hoạt trong các thành phần: Dễ dàng kiểm soát chính xác tỷ lệ đo hóa học của bộ phim bằng cách điều chỉnh công thức bùn.

• Thách thức:

• Dư lượng chất hữu cơ: Nếu quá trình đốt trước không được kiểm soát đúng cách, dư lượng chất hữu cơ sẽ hình thành tạp chất carbon, dẫn đến tăng điện trở loạt của thiết bị và giảm hiệu suất.

• Độ dày của màng: So với phương pháp chân không, màng được chuẩn bị bằng bột có thể dễ tạo ra lỗ chân lông hơn, ảnh hưởng đến sự ổn định và hiệu quả của thiết bị.

• Kích thước và khối lượng hạt: Thông thường kích thước hạt nhỏ hơn phương pháp chân không, ranh giới hạt nhiều hơn, có thể dẫn đến tăng hợp chất.

• Khả năng tái tạo: tính đồng nhất của bùn, sự ổn định của quá trình phủ đòi hỏi khả năng tái tạo cao giữa các lô.

tổng kết

Phương pháp sơn tĩnh điện là một kỹ thuật chuẩn bị màng CIGS chi phí thấp với tiềm năng ji. Quy trình công nghệ của nó là rõ ràng, cốt lõi là tính đồng nhất của bùn, kiểm soát khuyết tật trong quá trình sấy trước khi đốt và tối ưu hóa chất lượng tinh thể trong quá trình selenization. Mặc dù hiện tại hiệu quả chuyển đổi của nó thường thấp hơn một chút so với các phương pháp bốc hơi chân không hàng đầu, nó vẫn là một trong những hướng quan trọng trong công nghiệp hóa công nghệ quang điện CIGS do những lợi thế to lớn của nó trong kiểm soát chi phí và sản xuất hàng loạt.