專利名稱：制備CdTe薄膜的方法及熱蒸發設備的制作方法
技術領域：
本申請涉及薄膜太陽能電池領域。更具體來說，本申請涉及制備CdTe薄膜的方法以及熱蒸發設備。
背景技術：
多年的研究表明CdTe多晶薄膜是一種高效、廉價、穩定的光伏器件材料。CdTe多晶薄膜是直接帶隙材料，帶隙為4. 5eV，具有良好的光電性質和化學性質，因此成為制備高效率、低成本的多晶薄膜太陽能電池的良好吸收層材料。制備CdTe多晶薄膜的技術較多，有近空間升華技術、電沉積、絲網印刷技術、物理氣相沉積、元素氣相沉積、噴涂熱分解技術等，其中，近空間升華技術(CSS)具有沉積速率高、設備簡單、生產成本低等優點。目前，在許多國家，CdTe薄膜太陽能電池已經由實驗階段走向規模工業化生產。據 報道，利用近空間升華技術制備的小面積CdTe電池的效率已經達到16%，大面積組件已經達到11%。事實上，CdTe電池的理論效率可達28-29%，還存在著較大的技術提升空間。在現有技術中，通常采用如下方式來制備CdTe多晶薄膜。如圖I所示，在步驟101，首先獲得高純CdTe粉末。然后，如步驟102所示，采用近空間升華法將CdTe粉末沉積在石墨或石英玻璃上以作為源。隨后，如步驟103所示，在真空環境下，采用不同的保護氣氛，將源沉積在CdS襯底上面。最后，在步驟104中，形成CdTe多晶薄膜。然而，需要指出的是，現有高純CdTe粉末的合成方法多是將混合均勻的Te或Cd高純單質密封在抽了真空的石英瓶內，并進而加熱實現合成，最后粉碎成所需要的粉末。由于加熱合成這一步驟需要非常嚴格的環境和過程控制，因此要獲得高純的CdTe粉末價格較高(每公斤在4000元以上)，而這成為了降低CdTe電池成本的很大障礙。因此，需要一種成本更為低廉、改進的制備CdTe薄膜的方法和設備。

發明內容
本申請的目的之一在于提供一種成本更為低廉、改進的制備CdTe薄膜的方法和設備。根據本申請的一個方面，提供了一種制備CdTe薄膜的方法，包括準備單質Cd和Te ;將所述Cd和Te平鋪于熱蒸發設備的熱蒸發源上；對所述熱蒸發源進行加熱，以產生Cd蒸汽和Te蒸汽；在所述熱蒸發設備內的CdS襯底上形成CdTe薄膜?？蛇x地，所述方法還包括在將所述Cd和Te平鋪于熱蒸發設備的熱蒸發源上之前，將所述Cd和Te粉碎?？蛇x地，所述方法還包括將粉碎后的Cd和Te按一定比例混合?？蛇x地，按照CdTe的化學計量比、即Cd/Te摩爾比為I: I的方式將所述Cd和Te混合。可選地，粉碎后的Cd和Te單質的粒徑小于100目?？蛇x地，將所述Cd和Te均勻地平鋪于所述熱蒸發源上，平鋪面積大于將要在其上形成CdTe薄膜的CdS襯底的面積。可選地，在對所述熱蒸發源進行加熱時，使所述CdS襯底和所述熱蒸發源之間的距離保持大于3mm?？蛇x地，在對所述熱蒸發源進行加熱時，使所述CdS襯底和所述熱蒸發源之間的距離保持大于15mm?？蛇x地，對所述熱蒸發源進行加熱采用兩段式升溫方法，所述兩段式升溫方法包括先使所述熱蒸發源的溫度升至100-300攝氏度，保溫10-25分鐘，然后再升溫至500-900攝氏度。可選地，在蒸發源溫度大于600攝氏度時，使所述CdS襯底溫度保持為350-450攝氏度。
根據本申請的另一個方面，提供了一種制備CdTe薄膜的熱蒸發設備，包括熱蒸發源，在所述熱蒸發源上平鋪準備好的單質Cd和Te ;加熱裝置，對所述熱蒸發源進行加熱，以產生Cd蒸汽和Te蒸汽；以及CdS襯底，在所述CdS襯底上形成CdTe薄膜。與現有技術相比，本申請至少具有如下優點第一，在本申請中，采用價格較低的單質原料來取代原來的化合物原料，使得成本更為低廉；第二，由于Cd和Te的飽和蒸汽壓不同，使用現有技術化合物粉末的方法制備出的源一般為略富碲的源，而本申請中使用單質來制備CdTe薄膜并根據需要調整單質的配比，從而實現富碲、富鎘或嚴格配比的源；第三，本申請直接使用Cd和Te單質來形成CdTe薄膜，省略了現有技術中將CdTe原料沉積在石墨或石英玻璃上作為源這個步驟，并且將原來CdTe原料合成工藝與CdTe薄膜制備工藝結合起來，使得整個工藝流程大為簡化。


圖I是現有技術中制備多晶CdTe薄膜的方法示意 圖2是根據本申請的一個實施例、制備CdTe薄膜的方法示意 圖3是根據本申請的另一個實施例、制備CdTe薄膜的方法示意 圖4是按照圖3所示的方法制備的CdTe薄膜的XRD圖譜；
圖5是根據本申請的一個實施例所制備的CdTe薄膜與根據現有技術所制備的CdTe薄膜之間的XRD對比圖。
具體實施例方式下面介紹的是本發明的多個可能實施例中的一些，旨在提供對本發明的基本了解，并不旨在確認本發明的關鍵或決定性的要素或限定所要保護的范圍。容易理解，根據本發明的技術方案，在不變更本發明的實質精神下，本領域的一般技術人員可以提出可相互替換的其它實現方式。因此，以下具體實施方式
以及附圖僅是對本發明的技術方案的示例性說明，而不應當視為本發明的全部或者視為對本發明技術方案的限定或限制。圖2是根據本申請的一個實施例、制備CdTe薄膜的方法示意圖。以下詳細說明圖2所示的制備CdTe薄膜的方法。在步驟201，準備單質Cd和Te。單質Cd和Te優選地為高純單質，這樣，可以避免在形成的CdTe薄膜中摻雜其它元素，提高CdTe薄膜的質量。在一個具體的實現中，金屬Cd的純度大于或等于99. 99%，單質Te的純度大于或等于99. 99%，即為4N材質。在步驟202，將單質Cd和Te粉碎。可以采用球磨或其他方法將單質Cd和Te粉碎，使得粉末粒徑小于100目。但是，步驟202并不是必需的。如果原料單質為小于100目的粉末狀原料，則可以跳過這個步驟。在步驟203，將粉碎后的Cd和Te按一定比例混合。與步驟202相似，步驟203也是可選的步驟。在一個具體實現中，將粉碎好的單質粉末按照CdTe的化學計量比(Cd/Te摩爾比為I :1)或非化學計量比、通過球磨或其他方法進行充分的混合。由于Cd和Te的飽和蒸汽壓不同，使用現有技術CdTe化合物粉末一般僅能制備出略富碲的源，而在本申請中，可以調整單質Cd和Te的配比，從而實現富碲、富鎘或嚴格配比的源，這樣可以滿足更多的應用需要。·盡管上文示出了先將單質Cd和Te粉碎，然后將粉碎好的粉末按照一定比例混合的技術方案，但本領域技術人員容易明白，也可以先配比單質Cd和Te，然后再對其進行粉碎。接著，在步驟204，將Cd和Te平鋪于熱蒸發設備的熱蒸發源上?？梢圆捎脤Ｓ霉ぞ吖纹降姆椒?，將Cd和Te粉末平鋪于蒸發源上。應盡可能將混合粉末鋪勻，這樣可以保證制備的CdTe薄膜的膜厚均勻。在步驟205中，對熱蒸發源進行加熱，以產生Cd蒸汽和Te蒸汽。在一個具體實現中，使將在其上形成CdTe薄膜的CdS襯底與熱蒸發源之間的距離保持為大于已報道過CSS方法中CdS襯底和熱蒸發源之間的距離。例如，使CdS襯底和熱蒸發源之間的距離保持大于3mm。更優選地，使CdS襯底和熱蒸發源之間的距離保持大于15mm。這樣，可以保證蒸汽單質在蒸發到CdS襯底上前，經過與氬氣或其他保護氣體分子的多次碰撞，從而促使碲鎘單質蒸汽充分混合均勻。在另一個具體實現中,在氮氣氣氛或其他保護氣氛(如氬氣、氦氣等惰性氣體)下，真空度保持在100至IOOOPa之間，采用兩段式升溫方法對熱蒸發源進行加熱。所述兩段式升溫方法包括先使所述熱蒸發源的溫度升至100-300攝氏度，保溫10-25分鐘，然后再升溫至500-900攝氏度。其中，保溫10至25分鐘可以把Cd和Te粉料之中的水蒸氣等雜質充分排出，保證形成OdTe薄膜的純度。在步驟206中，在CdS襯底上形成CdTe薄膜。在一個具體實現中，當蒸發源溫度大于600攝氏度時，將CdS襯底溫度保持在350至450攝氏度，這樣可以有利于碲化鎘晶粒的快速形成，加快生長出碲化鎘薄膜。至此，CdTe薄膜的制備方法基本完成。盡管上文提到“兩段式升溫方法”，但是本領域技術人員可以理解，對熱蒸發源的升溫方式不限于兩段式，而是可以是三段式、或者更多段式。而且，這里描述的“升溫”一詞應作廣義理解。即，本文所述的升溫方法可以根據需要包括升溫、降溫、保溫或其組合的過程。參考圖3，圖3示出了根據本申請的另一個實施例、制備CdTe薄膜的方法示意圖。其中，將高純Cd塊和Te塊分別經過碾壓粉碎(步驟301 )，并通過150目過篩(步驟302 )，然后按照Cd/Te摩爾比為I :1的比例，通過研磨的方法進行混合(步驟303)，將混合后的Cd和Te平鋪于熱蒸發設備的熱蒸發源上(步驟304)，采用兩段式升溫方法來對蒸發源進行加熱(步驟305):將蒸發源從室溫加熱至150攝氏度，并在氮氣(或其他保護氣氛)下保溫20分鐘，然后再加熱至600攝氏度。另一方面，將要在其上形成CdTe薄膜的CdS襯底加熱至400攝氏度，并且保溫10分鐘，然后再降至室溫。最后，在CdS襯底上形成CdTe薄膜(步驟306)。在對碲鎘單質蒸發時，碲鎘單質蒸汽分子雖然向上運動，但也會向四周擴散，從而形成倒錐形的擴散趨勢。這樣有可能導致邊緣處碲鎘單質分子的數量可能小于中間區域，使得形成的CdTe薄膜的中間區域比邊緣要厚。針對該問題，可以將平鋪面積設置為大于CdS襯底面積，使得只取蒸發源中間部分蒸鍍的薄膜，保證膜厚的均勻性。圖4是按照圖3所示的方法制備的CdTe薄膜的XRD圖譜。從圖4中可見，碲化鎘的特征峰齊全，沒有其他雜質峰出現，為多晶碲化鎘。圖5是根據本申請的一個實施例所制備的CdTe薄膜與根據現有技術所制備的CdTe薄膜之間的XRD對比圖。其中，軌跡501示出了根據現有技術所制備的CdTe薄膜的XRD圖譜，而軌跡502示出了根據本申請的一個實施例所制備的CdTe薄膜的XRD圖譜。通·過對比可以看出，兩種方法的特征峰一致，并且利用碲鎘單質做源制備的CdTe薄膜比碲化鎘化合物源制備的CdTe薄膜在(111)面擇優取向更加明顯。(111)面擇優取向明顯至少說明以下兩點第一，成膜晶粒發育完全，晶粒粒徑大，薄膜的電學性能較好；第二，膜層厚度達到了 2微米以上，因為只有膜層厚度到達了 2微米以上才有如此強烈的衍射峰(注碲化鎘電池一般要求膜厚為5微米左右)。雖然圖5以對比的方式示出了按照本發明和現有技術制備的碲化鎘薄膜的XRD圖譜，但此圖只是示意性的，而非用來對本申請進行任何限制。進一步，本申請還提供了一種制備CdTe薄膜的熱蒸發設備，包括熱蒸發源，其中在所述熱蒸發源上平鋪準備好的單質Cd和Te ;加熱裝置，用于對所述熱蒸發源進行加熱，以產生Cd蒸汽和Te蒸汽；以及CdS襯底，其中在所述CdS襯底上形成CdTe薄膜。在一個具體實現中，熱蒸發設備還包括在將所述Cd和Te平鋪于熱蒸發設備的熱蒸發源上之前，將所述Cd和Te粉碎的裝置。粉碎后的Cd和Te單質的粒徑至少小于100目。在另一個具體的實現中，熱蒸發設備還包括將粉碎后的Cd和Te按一定比例混合的裝置。混合的比例可以根據需要來設定。例如，可以按照CdTe的化學計量比、即Cd/Te摩爾比為I: I的方式將Cd和Te混合。在又一個具體實現中，Cd和Te均勻地平鋪于所述熱蒸發源上，平鋪面積大于所述CdS襯底的面積。在又一個具體實現中，在加熱裝置對熱蒸發源進行加熱時，使CdS襯底和熱蒸發源之間的距離保持大于3mm。更優選地，使CdS襯底和熱蒸發源之間的距離保持大于15mm。在又一個具體實現中，加熱裝置采用兩段式升溫方法對所述熱蒸發源進行加熱。該兩段式升溫方法包括先使所述熱蒸發源的溫度升至100-300攝氏度，保溫10-25分鐘，然后再升溫至500-900攝氏度。在蒸發源溫度大于600攝氏度時，所述CdS襯底的溫度為350-450攝氏度。在又一個具體實現中，加熱裝置采用三段或更多段式升溫方法對熱蒸發源進行加熱。以上例子主要說明了本申請的制備CdTe薄膜的方法和設備。盡管只對其中一些具體實施例進行了描述，但是本領域普通技術人員應當了解，本發明可以在不偏離其主旨與范圍內以許多其他的形式實施。因此，所展示的例子與實施方式被視為示意性的而非限制性的，在不脫離如所附各權利要求所定義的本申請精神及范圍的情況下，本申請可能涵蓋各種的修改與替換。綜上所述，本申請的CdTe薄膜制備方法和設備采用了價格較低的單質原料(碲和 鎘)來取代原來的化合物原料，使成本降低。又由于采用單質原料，可以通過調整配比來實現富碲、富鎘或嚴格配比的源，以滿足多種應用需要。本申請的CdTe薄膜制備方法和設備還直接使用Cd和Te單質來形成CdTe薄膜，省略了現有技術中將CdTe原料沉積在石墨或石英玻璃上作為源這個步驟，并且將原來CdTe原料合成工藝與CdTe薄膜制備工藝結合起來，使得整個工藝流程大為簡化。
權利要求
1.一種制備CdTe薄膜的方法，包括 準備單質Cd和Te ； 將所述Cd和Te平鋪于熱蒸發設備的熱蒸發源上； 對所述熱蒸發源進行加熱，以產生Cd蒸汽和Te蒸汽； 在所述熱蒸發設備內的CdS襯底上形成CdTe薄膜。
2.如權利要求I所述的方法，還包括在將所述Cd和Te平鋪于熱蒸發設備的熱蒸發源上之前，將所述Cd和Te粉碎。
3.如權利要求2所述的方法，還包括將粉碎后的Cd和Te按一定比例混合。
4.如權利要求3所述的方法，其中按照CdTe的化學計量比、即Cd/Te摩爾比為I:I的方式將所述Cd和Te混合。
5.如權利要求2所述的方法，其中，粉碎后的Cd和Te單質的粒徑小于100目。
6.如權利要求I所述的方法，其中將所述Cd和Te均勻地平鋪于所述熱蒸發源上，平鋪面積大于將要在其上形成CdTe薄膜的CdS襯底的面積。
7.如權利要求I所述的方法，其中在對所述熱蒸發源進行加熱時，使所述CdS襯底和所述熱蒸發源之間的距離保持大于3mm。
8.如權利要求7所述的方法，其中在對所述熱蒸發源進行加熱時，使所述CdS襯底和所述熱蒸發源之間的距離保持大于15mm。
9.如權利要求I所述的方法，其中對所述熱蒸發源進行加熱采用兩段式升溫方法。
10.如權利要求9所述的方法，其中所述兩段式升溫方法包括先使所述熱蒸發源的溫度升至100-300攝氏度，保溫10-25分鐘，然后再升溫至500-900攝氏度。
11.如權利要求I所述的方法，其中在蒸發源溫度大于600攝氏度時，使所述CdS襯底溫度保持為350-450攝氏度。
12.如權利要求I所述的方法，其中對所述熱蒸發源進行加熱采用三段或更多段式升溫方法。
13.一種制備CdTe薄膜的熱蒸發設備，包括 熱蒸發源，在所述熱蒸發源上平鋪準備好的單質Cd和Te ； 加熱裝置，對所述熱蒸發源進行加熱，以產生Cd蒸汽和Te蒸汽；以及 CdS襯底，在所述CdS襯底上形成CdTe薄膜。
14.如權利要求13所述的熱蒸發設備，還包括在將所述Cd和Te平鋪于熱蒸發設備的熱蒸發源上之前，將所述Cd和Te粉碎的裝置。
15.如權利要求14所述的熱蒸發設備，還包括將粉碎后的Cd和Te按一定比例混合的裝置。
16.如權利要求15所述的熱蒸發設備，其中按照CdTe的化學計量比、即Cd/Te摩爾比為1:1的方式將所述Cd和Te混合。
17.如權利要求14所述的熱蒸發設備，其中，粉碎后的Cd和Te單質的粒徑小于100目。
18.如權利要求13所述的熱蒸發設備，其中所述Cd和Te均勻地平鋪于所述熱蒸發源上，平鋪面積大于所述CdS襯底的面積。
19.如權利要求13所述的熱蒸發設備，其中在所述加熱裝置對所述熱蒸發源進行加熱時，使所述CdS襯底和所述熱蒸發源之間的距離保持大于3mm。
20.如權利要求19所述的熱蒸發設備，其中所述加熱裝置在對所述熱蒸發源進行加熱時，使所述CdS襯底和所述熱蒸發源之間的距離保持大于15mm。
21.如權利要求13所述的熱蒸發設備，其中所述加熱裝置采用兩段式升溫方法對所述熱蒸發源進行加熱。
22.如權利要求21所述的熱蒸發設備，其中所述兩段式升溫方法包括先使所述熱蒸發源的溫度升至100-300攝氏度，保溫10-25分鐘，然后再升溫至500-900攝氏度。
23.如權利要求13所述的熱蒸發設備，其中在蒸發源溫度大于600攝氏度時，所述CdS襯底的溫度為350-450攝氏度。
24.如權利要求13所述的熱蒸發設備，其中所述加熱裝置采用三段或更多段式升溫方法對所述熱蒸發源進行加熱。
全文摘要
本申請提供了一種制備CdTe薄膜的方法及熱蒸發設備。根據本申請的一個實施例，一種制備CdTe薄膜的方法包括準備單質Cd和Te；將所述Cd和Te平鋪于熱蒸發設備的熱蒸發源上；對所述熱蒸發源進行加熱，以產生Cd蒸汽和Te蒸汽；在所述熱蒸發設備內的CdS襯底上形成CdTe薄膜。本申請通過采用價格較低的單質原料(碲和鎘)來取代原來的化合物原料，使成本降低。同時，本申請將原來CdTe原料合成工藝與CdTe薄膜制備工藝結合起來，使得整個工藝流程大大簡化。
文檔編號C23C14/06GK102978572SQ201110263460
公開日2013年3月20日 申請日期2011年9月7日 優先權日2011年9月7日
發明者劉志強, 蔣猛 申請人:無錫尚德太陽能電力有限公司, 四川尚德太陽能電力有限公司