Detaillierter Prozess zur Herstellung von CIGS-Folien mit Pulverbeschichtung

Schritt 1: Vorbereitung des Vorläuferpulvers

Das ist die Grundlage des gesamten Prozesses. Normalerweise gibt es zwei Wege:

1. Direkte Verwendung von Monomer- oder Legierungspulvern aus kommerziell gekauftem Cu, In, Ga und Se. Diese Pulver müssen eine hohe Reinheit (in der Regel > 99,99%) und eine geeignete Partikelgröße (in der Regel auf Mikron- oder Submikron-Ebene) haben.

2. Selbstsynthese von CIGS-Vorläuferpulver: Vorsynthese von (CuInGa) Se₂-Pulver mit einem spezifischen chemischen Dosierungsverhältnis durch Co-Niedersetzungsmethode, Kugelschleifenlegierung usw. Diese Methode ermöglicht eine bessere Kontrolle der Komponentengemäßigkeit der Endfolie.

Schritt 2: Zubereitung

Dies ist einer der wichtigsten technischen Aspekte. Das Vorläuferpulver wird mit bestimmten Lösungsmitteln und Additiven gemischt und zu einer stabilen, homogenen und beschichtungsfähigen Masse gemahlen.

• Lösungsmittel: Häufig verwendete Lösungsmittel sind:

• Deionisiertes Wasser: Kosten zui niedrig, zui umweltfreundlich.

• Organische Lösungsmittel: wie Ethanol, Isopropanol usw., schnell flüchtig und leicht zu trocknen.

• Bindemittel: Fügen Sie eine geringe Menge (z. B. 1-5 Gew.-%) organischer oder anorganischer Bindemittel (z. B. Ethylcellulose, Acrylharz usw.) hinzu, um die Haftfähigkeit der Pulse zu erhöhen und zu verhindern, dass der getrocknete Film vom Grund abfällt oder reißt.

• Dispersionsmittel: Fügen Sie Dispersionsmittel (z. B. Fischöl, Rizinusöl usw.) hinzu, um zu verhindern, dass Pulverpartikel sich in der Pulse wiedervereinen, um eine gleichmäßige Zusammensetzung sicherzustellen.

• Gleichkeitsmittel: Verbesserung der Oberflächeneinheit der beschichteten Membranschicht.

• Verfahren: Nach dem Mischen der oben genannten Komponenten in einem bestimmten Verhältnis in eine Kugelmühle oder Planetenkugelmühle für mehrere Stunden bis Dutzende von Stunden geschliffen werden, bis eine hochgleichmäßige und stabile Masse erhalten wird.

Schritt 3: Basisvorbereitung und Reinigung

• Basiswahl: Zui häufig verwendet Basis ist Natrium-Calcium-Glas mit Molybden (Mo) Rückelektrode bedeckt. Die Mo-Schicht wird in der Regel durch Magnetronsputtern als Rückkontakt und Elektrode der CIGS-Folie hergestellt.

• Basisreinigung: Verwenden Sie Aceton, Ethanol, deionisiertes Wasser usw. in der Ultraschallreinigungsmaschine, um die Basis aufeinander zu reinigen, um Oberflächenvereinigungen, Fette und Partikel zu entfernen, um eine gute Feuchtigkeit und Haftung der Pulse zu gewährleisten.

Schritt 4: Pulp-Beschichtung / Druck

Die fertige Masse wird durch eine spezifische Beschichtungstechnik auf die Mo-Basis abgelegt. Häufig verwendete Methoden sind:

• Siebdruck: Zui häufig verwendete Methode. Durch die Siebplatte kann das Pulp auf den Boden gedruckt werden, um das Muster und die Dicke der Folie genau zu kontrollieren.

• Krabber Beschichtung: Einfache Ausrüstung, geeignet für große Flächen, kontinuierliche Beschichtung.

• Tintenstrahldruck: Eine berührungslose, digitale Technologie, die feine Muster ermöglicht, aber hohe Effizienz und Pulse-Anforderungen erfüllt.

Nach der Beschichtung entsteht eine feuchte Vorläuferfilm, die eine große Menge an organischen Stoffen enthält.

Schritt 5: Trocknen und Verbrennen

1. Trocknen: Bei relativ niedrigen Temperaturen (z. B. 100-200 °C) wird die beschichtete Probe in eine Heißplatte oder einen Ofen gelegt, so dass das Lösungsmittel in der Pulse langsam flüchtigt. Dieser Prozess erfordert eine Kontrolle der Erwärmungsgeschwindigkeit, um zu vermeiden, dass der Film durch eine schnelle Trocknung Risse oder "Peeling" entsteht.

2. Vorverbrennung / Entklebung: In einer inerten Atmosphäre (z. B. Stickstoff, Argon) oder in einer reduktiven Atmosphäre (z. B. Stickstoff-Wasserstoff-Mischung) wird die Temperatur auf etwa 300-400 ° C erhöht, so dass organische Bindemittel, Dispersionsmittel und andere Zusatzstoffe in der Pulse thermisch aufgebaut und vollständig flüchtig entfernt werden. Dieser Schritt ist von entscheidender Bedeutung, da es, wenn organische Substanzen zurückbleiben, die nachfolgende Selenierungsqualität und die Leistung des Endgerätes erheblich beeinträchtigen kann.

Schritt 6: Selenierung und Wärmebehandlung

Dies ist der zentralste Schritt im gesamten Prozess, der darauf abzielt, die Vorläuferfilm chemisch zu reagieren und das Kornwachstum zu ermöglichen, um eine gut kristallisierte CIGS-Absorptionsschicht mit Messingstruktur zu bilden.

• Selenierte Umgebung: Die vorverbrannte Probe wird in einer Atmosphäre mit Selen (Se)-Dampf zur Wärmebehandlung gestellt.

• Selen Quellen:

• Festkörperliche Selenquelle: Die Probe wird zusammen mit Monoselenpulver in ein geschlossenes Quarzrohr gelegt, im Vakuum versiegelt oder kontinuierlich in das Inertgas geleitet und dann erhitzt.

• Gasische Selenquelle: wie H₂Se-Gas, aber dieses Gas ist sehr giftig, hat hohe Anforderungen an die Ausrüstung und die Sicherheit und wird jetzt weniger verwendet.

• Selendampf: In einem Rohrofen wird das Monomer-Selen mit einer Verdampfungsquelle separat erhitzt, Selendampf erzeugt und mit einem Inertgas wie N₂ als Trägergas auf die Probenoberfläche transportiert.

• Wärmebehandlungssystem:

• Erwärmung: Erwärmung auf Selenierungstemperatur mit einer gewissen Geschwindigkeit, in der Regel zwischen 500 ° C - 600 ° C.

• Isolierung: Wärme eine gewisse Zeit (in der Regel 10-60 Minuten) bei der Selenierungstemperatur auf, damit das Element vollständig verbreitet, reagiert und das Korn wächst.

• Abkühlung: Nach Beendigung der Reaktion wird der Ofen abgekühlt oder die Kühlgeschwindigkeit auf Raumtemperatur gesteuert.

Dabei reagieren Cu-, In-, Ga- und Se-Dampfe in den Vorläufern, um optisch aktive CIGS-Kristalle zu erzeugen. Die genaue Kontrolle der Selenierungstemperatur, der Zeit und des Selenpartitionsdrucks ist der Schlüssel zu einer leistungsstarken CIGS-Folie.

Schritt 7: Nachbearbeitung und Fertigstellung des Geräts

Nach Selenierung erhält man eine CIGS-Absorptionsschicht. Anschließend ist die Vorbereitung des gesamten Geräts nach dem Standard-CIGS-Solarzellenprozess erforderlich:

1. Pufferschichtabsetzung: Normalerweise wird eine dünne Schicht CdS (ca. 50 nm) durch chemisches Wasserbad (CBD) abgelegt oder cadmiumfreie Alternativen (z. B. ZnS, In2 S3) verwendet.

2. Fensterschicht-Ablagerung: Ablagerung von typischem ZnO (i-ZnO) und dopiertem Aluminiumzinkoxid (AZO) als transparente leitfähige Fensterschicht durch Spritzen oder Methoden wie Metall-organische chemische Gasphase-Ablagerung (MOCVD).

3. Elektrodenvorbereitung: Herstellung von Ni/Al-Satz-Elektrodengriddleitungen auf AZO durch Wärmeverdampfung oder Spritzen.

4. Fragmentierung und Verpackung: Großflächige Batteriestücke werden in einzelne Batterien aufgeteilt und laminiert, um ein vollständiges Solarzellmodul zu bilden.

Technische Vorteile und Herausforderungen

• Vorteile:

• Niedrige Kosten: Die Anlageinvestitionen und Betriebskosten sind deutlich niedriger als die Vakuumverdampfungsmethode.

• Hohe Materialausnutzung: Die Materialausnutzung der Zellstoffbeschichtung kann über 90% betragen.

• Einfach großflächig zu skalieren: Technologien wie der Siebdruck eignen sich hervorragend für die Großserienproduktion.

• Flexible Komponenten: Es ist einfach, die chemischen Dosierungsverhältnisse der Dünnfolie durch die Anpassung der Masseformelung genau zu steuern.

• Herausforderungen:

• Organische Rückstände: Wenn der Vorverbrennungsprozess falsch kontrolliert wird, bilden organische Rückstände Kohlenstoffverschmutzungen, die zu einem erhöhten seriellen Widerstand des Geräts und einer geringeren Leistung führen.

• Dichte der Folie: Im Vergleich zur Vakuummethode können Pulverfilme eher Poren erzeugen, die die Stabilität und Effizienz des Geräts beeinflussen.

• Korngröße und -masse: Normalerweise ist die Korngröße kleiner als die Vakuummethode und die Kristallgrenze ist größer, was zu einer Verbundzunahme führen kann.

• Wiederholbarkeit: Die Gleichmäßigkeit der Pulse und die Stabilität des Beschichtungsprozesses stellen hohe Anforderungen an die Wiederholbarkeit zwischen den Chargen dar.

Zusammenfassung

Die Pulverbeschichtung ist eine kostengünstige CIGS-Folienzubereitungstechnik mit hohem Potenzial. Der Prozessprozess ist klar und im Kern liegt die Homogenität der Pulse, die Fehlerkontrolle beim Trocknen und Vorbrennen sowie die Optimierung der Kristallqualität beim Selenieren. Obwohl seine Umwandlungseffizienz derzeit in der Regel etwas niedriger ist als die Spitzenvakuumverdampfungsmethoden, ist es aufgrund seiner großen Vorteile bei der Kostenkontrolle und der Massenproduktion immer noch eine der wichtigen Richtungen der Industrialisierung der CIGS-Photovoltaik-Technologie.