TW201320379A - 化學混浴沉積系統 - Google Patents

Abstract

一種化學混浴沉積系統，用以於具有光電轉換層之背電極基板上形成緩衝層。化學混浴沉積系統包含化學混浴槽、化學液純化裝置及添加裝置。化學混浴槽用來存放緩衝層化學溶液，緩衝層化學溶液之一陽離子及一陰離子用以當背電極基板浸泡於緩衝層化學溶液內時，反應生成緩衝層於光電轉換層上。化學液純化裝置連通於化學混浴槽，用來移除於陽離子及陰離子反應生成緩衝層後所剩餘之陽離子以得到一純化後的溶液。添加裝置用來根據純化後的溶液的一成分比例進行陽離子的補償添加。

Description

化學混浴沉積系統

本發明關於一種化學混浴沉積系統，尤指一種使用化學液純化裝置以針對反應後之緩衝層化學溶液進行純化處理的化學混浴沉積系統。

在傳統的太陽能電池製程中，常見用來形成緩衝層(如硫化鎘、硫化鋅等)於太陽能電池基板上之設計係利用化學混浴沉積法(Chemical Bath Deposition,CBD)，其係將已形成有光電轉換層之太陽能電池基板浸泡於具有可反應生成緩衝層之化學溶液之化學混浴槽中，在浸泡期間，緩衝層即可經由化學溶液中的陽離子(如鎘離子、鋅離子等)以及陰離子(如硫離子等)之反應結合而沉積形成於光電轉換層上。

此外，為了進一步地確保上述緩衝層之形成品質，在此方法中，通常會在形成上述緩衝層之前後使用清洗液將太陽能電池基板沖洗乾淨，以清除殘留於太陽能電池基板上之雜質，藉以確保緩衝層之形成品質以及防止在後續製程中出現雜質摻雜於沉積材料與太陽能電池基板之間的情況發生。

然而，此方法係會產生大量的清洗廢液以及化學廢液，若無適當地回收，則會造成不必要的浪費及污染。美國專利公告號7541067係揭露了額外配置具有分析化學溶液成分功能之溶液槽以連通化學混浴槽，藉此，就可以利用常見之分析方法(如古典滴定分析等)分析出已反應之化學溶液的溶液成分比例，接著再根據分析所得之溶液成分比例，將已反應之化學溶液以溶液成分添加之方式還原至反應前之溶液成分比例，並將其再次導回化學混浴槽中，如此一來，即可達到化學溶液回收再利用之目的。但是由於反應後之化學溶液仍然會處於持續反應狀態，因此上述設計不能精準地分析出已反應之化學溶液的最終溶液成分比例，也就是說，即使透過溶液成分添加之方式，上述設計仍然無法將已反應之化學溶液準確地還原至反應前之化學溶液，如此就會影響到後續緩衝層之形成品質。

本發明之目的之一在於提供一種使用化學液純化裝置以針對反應後之緩衝層化學溶液進行純化處理的化學混浴沉積系統，藉以解決上述之問題。

本發明係揭露一種化學混浴沉積系統，用以於具有一光電轉換層之至少一背電極基板上形成一緩衝層，緩衝層形成於光電轉換層上，化學混浴沉積系統包含一化學混浴槽、一化學液純化裝置，以及一添加裝置。化學混浴槽用來存放一緩衝層化學溶液，緩衝層化學溶液包含一陽離子以及一陰離子，陽離子以及陰離子用以當背電極基板進入化學混浴槽以浸泡於緩衝層化學溶液內時，反應生成緩衝層於光電轉換層上。化學液純化裝置連通於化學混浴槽，用來移除於陽離子以及陰離子反應生成緩衝層後所剩餘之陽離子以得到一純化後的溶液。添加裝置用來根據純化後的溶液的一成分比例進行陽離子的補償添加。

綜上所述，本發明係採用以化學液純化裝置針對緩衝層化學溶液反應生成緩衝層後所剩餘之陽離子進行純化處理之方式，藉此，無論是使用裝置分析或理論計算之方式，由於經過純化處理之緩衝層化學溶液已停止化學反應，因此本發明所提供之化學混浴沉積系統即可更為精準地得知純化後的溶液中的溶液成分比例，以使添加裝置可利用溶液成分補償添加之方式將已反應之緩衝層化學溶液準確地還原至未反應前之緩衝層化學溶液，從而使化學混浴沉積系統可直接使用回收之緩衝層化學溶液以繼續進行於背電極基板上形成緩衝層之成型製程，如此即可發揮化學溶液回收再利用之功效並同時達到確保後續緩衝層之形成品質之目的，進而降低太陽能電池在形成緩衝層上所需耗費之物料成本。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明說明及所附圖式得到進一步的瞭解。

請參閱第1圖，其為根據本發明一實施例之化學混浴沉積系統10之功能方塊示意圖，用以於至少一背電極基板1(於第1圖中顯示一個)之光電轉換層3上形成緩衝層，其中背電極基板1以及於其上所形成之光電轉換層3的設計係常見於先前技術中，簡言之，背電極基板1之基板係可由鈉鈣玻璃(soda-lime glass)所組成以及背電極基板1之背電極係可由鉬、鉭、鈦、釩或鋯之其中之一所組成，而光電轉換層3係可由銅銦鎵硒(CIGS)化合物所組成，但不受此限，也就是說，化學混浴沉積系統10亦可應用於由其他常見應用於太陽能電池上之材質所組成的背電極基板以及光電轉換層上。需注意的是，化學混浴沉積系統10亦可以批次式浸泡之方式以同時在多片背電極基板上形成緩衝層，藉以進一步地提升製程產能。

由第1圖可知，化學混浴沉積系統10包含化學混浴槽12、化學液純化裝置14、分析裝置16，以及添加裝置18。化學混浴槽12用來存放緩衝層化學溶液，緩衝層化學溶液可包含一陽離子以及一陰離子，在此實施例中，陽離子係選自由鋅離子、鎘離子、汞離子、鋁離子、鎵離子、銦離子所組成之群組的至少其中之一，而陰離子則是選自由氧離子、硫離子、硒離子、氫氧根離子所組成之群組的至少其中之一，藉此，陽離子以及陰離子即可用來反應生成相對應之緩衝層(如硫化鎘、硫化鋅、氧化鋅、硒化鎘、硒化鋅、氫氧化鋅、氫氧化鎘、硫化銦或硫化鎘鋅等)於光電轉換層3上。化學液純化裝置14係連通於化學混浴槽12，當完成緩衝層鍍膜程序後，緩衝層化學溶液即可自化學混浴槽12直接導入化學液純化裝置14內，化學液純化裝置14係用來移除於陽離子以及陰離子反應生成緩衝層後所剩餘之陽離子以得到一純化後的溶液，值得一提的是，此純化後的溶液係為不含形成緩衝層所需的陽離子。分析裝置16係用來分析純化後的溶液的一成分比例。添加裝置18用來根據分析裝置16分析所得之成分比例針對純化後的溶液進行陽離子補償添加，其中純化後的溶液可直接導入化學混浴槽12內再進行補償添加程序或可先於一混合槽(圖未示)進行補償添加程序再導回化學混浴槽12內而進行下一次的鍍膜程序，以達到已反應過後之化學溶液可回收再利用之目的。

至於如何使化學混浴槽12所存放之化學溶液可反應生成相對應之化合物層的設計，其係可採用傳統化學混浴沉積方法來實現，簡言之，其係可將整個背電極基板1完全浸入含有金屬陽離子(如鋅離子、鎘離子等)與如氧離子、硫離子、硒離子、氫氧根離子等陰離子的化學溶液中，藉由控制化學溶液的溫度及酸鹼值，使金屬陽離子與上述陰離子產生化學反應，進而使相對應之化合物層(即緩衝層)均勻地沉積在背電極基板1上。

此外，為了確保上述緩衝層之形成品質以及使化學混浴沉積系統10可具有廢水回收功能，如第1圖所示，化學混浴沉積系統10可另包含預清洗裝置20、後清洗裝置22，以及清洗液純化裝置24。預清洗裝置20用來於背電極基板1進入化學混浴槽12前，清洗背電極基板1，以清除在形成光電轉換層3之過程所殘留於背電極基板1上之雜質，藉以防止不必要之雜質摻雜於光電轉換層3與後續所欲形成之緩衝層之間。後清洗裝置22係用來於背電極基板1離開化學混浴槽12後，清洗背電極基板1，以清除在形成緩衝層之過程所殘留於背電極基板1上之雜質，藉以防止不必要之雜質影響到太陽能電池之後續製程品質。清洗液純化裝置24係連通於預清洗裝置20以及後清洗裝置22，用來純化預清洗裝置20以及後清洗裝置22清洗背電極基板1後所產生之清洗液，並將已純化之清洗液導回預清洗裝置20以及後清洗裝置22，藉以產生清洗液回收再利用之功效。

透過上述配置，化學混浴沉積系統10即可同時具有化學溶液以及清洗液回收再利用之功能，以下係針對化學混浴沉積系統10之化學溶液以及清洗液回收流程進行詳細說明，於此係先假設原本反應前之緩衝層化學溶液之陽離子、陰離子、緩衝劑與氨水之比例為1：3：5：50且已反應過後之緩衝層化學溶液內之陽離子、陰離子、緩衝劑與氨水之比例為0.5：2.5：4.5：40(但不以此為限)，以便後續之說明。

首先，在化學溶液回收方面，當將已清洗乾淨之背電極基板1浸泡於化學混浴槽12之緩衝層化學溶液內時，此時，緩衝層就會經由緩衝層化學溶液中所包含的陽離子以及陰離子之反應結合而形成於背電極基板1之光電轉換層3上，舉例來說，若是陽離子為鎘離子，陰離子為硫離子，則在背電極基板1浸泡於化學混浴槽12之緩衝層化學溶液內的期間，光電轉換層3上即可形成有由硫化鎘所組成且分佈均勻之緩衝層。

接下來，化學液純化裝置14會針對已反應過後之緩衝層化學溶液中之限量試劑(即陽離子)進行純化處理，而由上述假設可知，此時，已反應過後之緩衝層化學溶液內之陽離子、陰離子、緩衝劑與氨水之比例係為0.5：2.5：4.5：40，因此，化學液純化裝置14就會利用化學純化方式以將陽離子之比例從0.5降為0，藉以使緩衝層化學溶液不再持續進行反應以得到一純化後的溶液。至於化學液純化裝置14所使用之化學純化方式，其係常見於先前技術中，如加熱處理、酸鹼處理、氧化還原處理等，故於此不再贅述。換句話說，在此實施例中，化學液純化裝置14係可選用一加熱處理裝置、一酸鹼處理裝置，或一氧化還原處理裝置的至少其中之一，以進行上述之化學純化處理。

在完成上述緩衝層化學溶液之純化後，分析裝置16即可針對純化後的溶液進行化學分析，此時，由上述可知，由於純化後的溶液已停止化學反應，因此，分析裝置16即可準確地分析出純化後的溶液內之陽離子、陰離子、緩衝劑與氨水之比例係為0：2.5：4.5：40。接著，添加裝置18即可根據上述分析裝置16分析所得之溶液成分比例，針對純化後的溶液進行陽離子的補償添加，藉以使純化後的溶液內之陽離子、陰離子、緩衝劑與氨水之比例可從0：2.5：4.5：40還原至未反應前的1：3：5：50以進行下一次的鍍膜程序。化學混浴沉積系統10可以藉由純化、分析以及陽離子添加處理而可不需額外使用新的緩衝層化學溶液的情況下，繼續進行於背電極基板上形成緩衝層之成型製程，如此一來，即可達到化學溶液回收再利用之目的，從而降低太陽能電池在形成緩衝層上所需耗費之物料成本。

至於上述分析裝置16所使用之化學分析方式，其係常見於先前技術中，如古典滴定分析、自動滴定、氧化還原滴定、酸鹼滴定、管柱層析、原子吸收光譜分析、紫外線-可見光光譜分析等，故於此不再贅述。換句話說，在此實施例中，分析裝置16係可選用一古典滴定分析裝置、一自動滴定裝置、一氧化還原滴定裝置、一酸鹼滴定裝置、一管柱層析裝置、一原子吸收光譜分析裝置，以及一紫外線-可見光光譜分析裝置所組成之群組的至少其中之一，以進行上述之化學分析。需注意的是，分析裝置16係可選擇性地以線上分析方式或離線取樣分析方式進行緩衝層化學溶液之分析。

在清洗液回收方面，在預清洗裝置20或後清洗裝置22完成清洗背電極基板1之流程後，其所產生之清洗液可導流至清洗液純化裝置24以開始進行純化處理，此時，清洗液純化裝置24即可利用常見於先前技術中之清洗液純化處理方式，如離子交換樹脂純化、逆滲透薄膜透析、電解純化、氧化還原處理等，意即清洗液純化裝置24係可選用一離子交換樹脂純化裝置、一逆滲透薄膜透析裝置、一電解純化裝置，以及一氧化還原處理裝置所組成之群組的至少其中之一，以進行上述之清洗液純化處理。

舉例來說，若是清洗液純化裝置24係為一離子交換樹脂純化裝置，則預清洗裝置20以及後清洗裝置22清洗背電極基板1後所產生之清洗液就會通過清洗液純化裝置24之樹脂床(其可為酸床與鹼床之組合或是為酸鹼混合床)，以產生殘留於清洗液中的陰離子(如鎘離子、銨離子等)以及陽離子(如鎘離子、銨離子等)可被樹脂床吸附去除的效果。另外，在清洗液通過樹脂床之前，亦可選擇性配置有可過濾掉不溶物的過濾設備，其係具有阻擋不溶物通過之作用。最後在經過導電度測試以確定殘留於清洗液中之陰/陽離子已去除乾淨後，即可將清洗液導回預清洗裝置20以及後清洗裝置22，藉此，化學混浴沉積系統10就可以再直接使用經過純化處理之清洗液而可不需額外使用新的清洗液的情況下，進行後續背電極基板之清洗流程，如此一來，即可達到清洗液回收再利用之目的，從而產生降低太陽能電池在清洗背電極基板上上所需耗費之清洗液成本。

值得一提的是，上述分析裝置16係可為一可省略之配置，藉以簡化化學混浴沉積系統10之設計，也就是說，上述添加裝置18所據以進行純化後的溶液之成分比例以補償添加係可不限於使用分析裝置16之儀器分析方式而產生，其亦可改採用理論計算方式計算而得。至於採用何種方式，其端視化學混浴沉積系統10之實際應用需求而定。

相較於先前技術，本發明係採用以化學液純化裝置針對緩衝層化學溶液反應生成緩衝層後所剩餘之陽離子進行純化處理之方式，藉此，無論是使用裝置分析或理論計算之方式，由於經過純化處理之緩衝層化學溶液已停止化學反應，因此本發明所提供之化學混浴沉積系統即可更為精準地得知純化後的溶液中的溶液成分比例，以使添加裝置可利用溶液成分補償添加之方式將純化後的溶液準確地還原至未反應前之緩衝層化學溶液，從而使化學混浴沉積系統可直接使用回收之緩衝層化學溶液以繼續進行於背電極基板上形成緩衝層之成型製程，如此即可發揮化學溶液回收再利用之功效並同時達到確保後續緩衝層之形成品質之目的，進而降低太陽能電池在形成緩衝層上所需耗費之物料成本。另外，由上述可知，本發明亦可額外配置有清洗液純化裝置，以使化學混浴沉積系統可直接使用經過純化處理之清洗液進行後續背電極基板之清洗流程，藉此，亦可達到清洗液回收再利用之目的，從而降低太陽能電池在清洗背電極基板上所需耗費之清洗液成本。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

1．．．背電極基板

3．．．光電轉換層

10．．．化學混浴沉積系統

12．．．化學混浴槽

14．．．化學液純化裝置

16．．．分析裝置

18．．．添加裝置

20．．．預清洗裝置

22．．．後清洗裝置

24．．．清洗液純化裝置

第1圖為根據本發明一實施例之化學混浴沉積系統之功能方塊示意圖。

1．．．背電極基板

3．．．光電轉換層

10．．．化學混浴沉積系統

12．．．化學混浴槽

14．．．化學液純化裝置

16．．．分析裝置

18．．．添加裝置

20．．．預清洗裝置

22．．．後清洗裝置

24．．．清洗液純化裝置

Claims (10)

1. 一種化學混浴沉積系統，用以於具有一光電轉換層之至少一背電極基板上形成一緩衝層，該緩衝層形成於該光電轉換層上，該化學混浴沉積系統包含：一化學混浴槽，用來存放一緩衝層化學溶液，該緩衝層化學溶液包含一陽離子以及一陰離子，該陽離子以及該陰離子用以當該背電極基板進入該化學混浴槽以浸泡於該緩衝層化學溶液內時，反應生成該緩衝層於該光電轉換層上；一化學液純化裝置，連通於該化學混浴槽，用來移除於該陽離子以及該陰離子反應生成該緩衝層後所剩餘之陽離子以得到一純化後的溶液；以及一添加裝置，用來根據該純化後的溶液的一成分比例進行該陽離子的補償添加。
2. 如請求項1所述之化學混浴沉積系統，另包含：一分析裝置，用來分析該純化後的溶液以產生該成分比例。
3. 如請求項2所述之化學混浴沉積系統，其中該分析裝置係選自由一古典滴定分析裝置、一自動滴定裝置、一氧化還原滴定裝置、一酸鹼滴定裝置、一管柱層析裝置、一原子吸收光譜分析裝置，以及一紫外線-可見光光譜分析裝置所組成之群組的至少其中之一。
4. 如請求項2所述之化學混浴沉積系統，其中該分析裝置係用來以線上分析方式或離線取樣分析方式進行該純化後的溶液之分析。
5. 如請求項1所述之化學混浴沉積系統，其中該陽離子係選自由鋅離子、鎘離子、汞離子、鋁離子、鎵離子、銦離子所組成之群組的至少其中之一。
6. 如請求項1所述之化學混浴沉積系統，其中該陰離子係選自由氧離子、硫離子、硒離子、氫氧根離子所組成之群組的至少其中之一。
7. 如請求項1所述之化學混浴沉積系統，其中該化學液純化裝置係為一加熱處理裝置、一酸鹼處理裝置，或一氧化還原處理裝置的至少其中之一。
8. 如請求項1所述之化學混浴沉積系統，另包含：一預清洗裝置，用來於該背電極基板進入該化學混浴槽前，清洗該背電極基板；一後清洗裝置，用來於該背電極基板離開該化學混浴槽後，清洗該背電極基板；以及一清洗液純化裝置，連通於該預清洗裝置以及該後清洗裝置，用來純化該預清洗裝置以及該後清洗裝置清洗該背電極基板後所產生之清洗液，並將該清洗液導回該預清洗裝置以及該後清洗裝置。
9. 如請求項1所述之化學混浴沉積系統，其中該清洗液純化裝置係選自一離子交換樹脂純化裝置、一逆滲透薄膜透析裝置、一電解純化裝置，以及一氧化還原處理裝置所組成之群組的至少其中之一。
10. 如請求項1所述之化學混浴沉積系統，其中該純化後的溶液係於直接導入該化學混浴槽內以進行該陽離子的補償添加。