TWI460305B - 化學水浴法鍍膜設備 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種鍍膜設備，且特別是有關於一種化學水浴法(chemical bath deposition,CBD)鍍膜設備。
近年來由於受到全球氣候變遷、環境污染問題以及資源日趨短缺的影響，在環保意識高漲與能源危機的警訊下刺激了太陽光電產業的蓬勃發展。於各種太陽能電池中，由於硒化銅銦鎵電池(Cu(In,Ga)Se2
,CIGS)具備高轉換效率、穩定性佳、低材料成本、可製成薄膜等優點，因此受到極大的重視。
於硒化銅銦鎵電池(Cu(In,Ga)Se2
,CIGS)中，緩衝層(buffer layer)扮演重要的角色，其除了提供n型材料外，亦可保護吸收層，因此，製作出品質優異的緩衝層將有助於提高CIGS電池的光電轉化效率(photoelectric conversion efficiency)。
緩衝層之製作方式包括濺鍍(sputter)、真空蒸鍍(vacuum evaporation)、化學水浴法(chemical bath deposition,CBD)、熱裂解(spray pyrolosis)等，其中化學水浴法(CBD)因製程簡單、設備價格低，因此為最常使用之方法。然而，化學水浴法(CBD)的製程會消耗大量的化學藥品，且會製造大量的廢液。
請參見第1圖，此圖顯示習知的化學水浴法(CBD)鍍膜設備10，其包括一坩堝11，一上蓋板12與複數個欲鍍膜之基板13，由於基板13垂直地設置於坩堝11中，因此，基板3上下位置的鍍膜會呈現不均勻，再者，此鍍膜設備10需要使用大量的鍍液，且於鍍膜結束後，需要清洗坩堝11。
因此，業界極需提出一種化學水浴法(CBD)之鍍膜設備，此設備可以減少化學藥品的使用量，且製程簡單。
本發明提供一種化學水浴法(chemical bath deposition)鍍膜設備，包括：一第一蓋板與一第二蓋板，其中該第一蓋板與該第二蓋板係對應設置，且該第一蓋板具有至少兩個孔洞(hole)；以及一間隙物(spacer)，設置於該第一蓋板與該第二蓋板之間，其中由該第一蓋板、該第二蓋板與該間隙物構成一鍍膜空間。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
請參見第2圖，本發明提供一種化學水浴法(chemical bath deposition)鍍膜設備20，主要由第一蓋板21、第二蓋板22與間隙物(spacers)23所組成，其中第一蓋板21與第二蓋板22係對應設置，且由第一蓋板21、第二蓋板22與間隙物23構成一鍍膜空間25。
此外，為了提高第一蓋板21與第二蓋板22之密封度，第一蓋板21或第二蓋板22之邊緣具有一凹槽(圖中未顯示)，凹槽有助於將間隙物23鑲嵌於第一蓋板21或第二蓋板22之邊緣，以使第一蓋板21、第二蓋板22與間隙物23所構成之鍍膜空間25可填充溶液(亦可稱為鍍液)，以避免溶液滲流(leaking)。而凹槽之形狀包括圓形、方形或不規則形狀，凹槽之形狀可依據實際應用之需求進行調整，並不限於上述提及之形狀。
第一蓋板21之作用在於避免溶液因揮發而減少，且第一蓋板21具有至少兩個孔洞(hole) 24，其中一個孔洞24a作為鍍液進料孔洞(inlet)，另一孔洞24b作為鍍液出料孔洞(outlet)。當鍍液從進料孔洞注入時，開啟出料孔洞以平衡壓力，以助於溶液從進料孔洞注入。孔洞24之直徑一般為約3-5 mm，此直徑不宜過大，以避免鍍液因蒸發而影響鍍膜品質。
第一蓋板21之材質需具有抗腐蝕、抗酸鹼的功能，例如鋁合金、玻璃、石英、氧化鋁或高分子材質，其中高分子材質例如聚氯乙烯(Poly Vinly Chloride,PVC)、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,PTFE)或聚丙烯(Poly propylene,PP)。於一較佳的實施例中，使用聚四氟乙烯(PTFE)作為第一蓋板21，因為聚四氟乙烯(PTFE)之表面能非常小，因此溶液中的粒子不利於形成於其上，因此鍍膜結束後，容易清洗聚四氟乙烯(PTFE)。
此外，第一蓋板21亦對第二蓋板22提供一壓力，此壓力可避免鍍液滲露(leaking)，以提高第一蓋板21與第二蓋板22之密合性(seal-tightness)。
第二蓋板22可以是欲鍍膜之基板，其材質包括一玻璃基板、不銹鋼基板或聚亞醯胺(polyimide,PI)基板。再者，亦可於第一蓋板21之內表面上設置另一欲鍍膜之基板，此時，若第二蓋板22亦放置一欲鍍膜之基板，則可同時鍍兩片基板。此處需注意的是，鍍膜基板可以是第二蓋板或另外設置於第一蓋板之上，本領域人士可依據實際應用之需求作調整，然而，鍍膜基板之放置位置並不以此為限，各種鍍膜基板之設計變化皆在本發明所保護之範圍內。
間隙物23之作用在於使第一蓋板21與第二蓋板22之間可以密合，間隙物23之材質需具有彈性、抗酸鹼與低表面能(low surface energy)的功能，其材質包括橡膠(rubber)、矽膠(silicone)或聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,PTFE)。於一較佳實施例中，使用直徑為約60 mm~200 mm，厚度為約2 mm~15 mm的O型橡膠密封圈(簡稱O-ring)作為間隙物。
此處需注意的是，本發明鍍膜溶液之高度取決於間隙物23之高度，而間隙物23之高度為約2-10 mm，因此，可有效地減少溶液的使用量，以減少廢液的產生。
請參見第3圖，本發明之化學水浴法(chemical bath deposition)鍍膜設備20尚包括一加熱器26，設置於第二蓋板22之下。於另一實施例中，若第一蓋板21之內表面上設置另一欲鍍膜之基板，則加熱器可設置於第一蓋板之上。加熱器26之作用在於提供鍍膜時所需之溫度，加熱器26可以是一般習知之加熱器或者是可提供熱源之物質，例如可將熱傳導係數高的材質(如不銹鋼或銅塊)泡入熱水中，待溫度穩定後取出作為熱源。
此處需注意的是，由於第二蓋板22本身可以是欲鍍膜之基板，因此將加熱器26直接設置於第二蓋板22之下，鍍膜時係直接加熱基板，相較於習知技術(直接加熱溶液)，除了節省能源外也縮短鍍膜的時間。
此外，第一蓋板21內亦可包括一磁性物質，當第一蓋板21置於加熱器26之上時，第一蓋板21中的磁性物質會吸引加熱器26，因此可提供壓力，以增加第一蓋板21與第二蓋板22之間的密封性，更可有效避免溶液滲露的問題。
此外，本發明之化學水浴法(chemical bath deposition)鍍膜設備尚包括一搖晃設備27，請參見第3圖，搖晃設備27可直接設置於加熱器26之下，或者於另一實施例中，此加熱搖晃設備27可直接設置於第二蓋板22之下。於又一實施例中，亦可設置兼具搖晃功能與加熱功能之設備於第二蓋板22之下。搖晃設備27可以以順時針旋轉(forward spin)、逆時針旋轉(reverse spin)、震動(shaking)、自轉(rotation)或公轉(revolution)的方式轉動，用以提高鍍膜之均勻性。
本發明提供另一實施例，請參見第4圖，此實施例與第2圖之差別在於，第4圖中之第一蓋板21的外部邊緣(outer edge)具有一延伸部分(extension portion) 21a，其中延伸部分21a接觸間隙物23，延伸部分21a具有長度L與寬度D，延伸部分21a之長度L可視所需鍍液之高度而調整，而延伸部分21a之寬度D也可依照間隙物23之大小而調整，若使用較小的間隙物23時，可減少間隙物23與第一蓋板21或第二蓋板23之接觸面積，因此，可提高第一蓋板21與第二蓋板23之間的密封性。
鍍膜的過程中，首先將鍍液從孔洞24中注入，之後藉由控制鍍膜的時間與溫度，得到想要的膜厚，接著，於鍍膜結束後，可從孔洞24a中通入空氣、氬氣、氮氣或去離子水，以清洗第一蓋板21與第二蓋板23，清洗過程所產生的廢液則從另一孔洞24b中排出，此清洗過程簡單，能減少製程成本。
除上述鍍膜步驟外，於鍍膜之前尚可以特定化學物質清洗基板表面或改變基板表面之化學組成。例如，於製作CIGS太陽能電池之緩衝層(buffer layer)之前，可使用溴水(bromine water)蝕刻以改變基板表面型態(surface morphology)，或使用氰酸鉀(potassium cyanate,KCN)浸泡以改變基板表面化學組成，然而溴水和氰酸鉀皆為劇毒物質，透過本發明之鍍膜設備將毒化物質侷限於區域空間中，可大幅減少毒化物使用量。
此處需注意的是，於習知技術中，通常使用坩堝承載鍍液，因此，鍍膜除了形成於基板外，亦會形成於坩堝上，所以，每次鍍膜結束後，都要清洗坩堝。而本發明藉由第一蓋板、第二蓋板與間隙物之特殊設計，可以不需使用坩堝，鍍膜大多數會形成於欲鍍膜之基板上(如第二蓋板)，因此，可有效提高鍍液使用率，進而減少鍍液之使用量，且不需額外複雜清洗坩堝的製程。
綜上所述，本發明提供之化學水浴法(CBD)鍍膜設備具有下述優點：
(1) 利用第一蓋板、間隙物與第二蓋板之設計，可有效提高鍍液使用率，進而減少鍍液之使用量，並減少廢液之產生。
(2) 可直接加熱於欲鍍膜之基板，除了節省能源外也縮短鍍膜的時間。
(3) 由於不需使用坩堝，可簡化清洗的過程，節省製程時間及成本。
【實施例】
實施例1
鍍液之配方：0.00185 M的硫酸鎘(Cadmium sulfate,CdSO4
)、1.5 M的氨水(ammonia,NH4
OH)、0.075 M的硫脲(thiourea,(NH2
)2
CS)。
鍍膜之設備請參見第3圖，其中第二蓋板22之面積為50 cm2
，間隙物23之直徑為約80 mm，間隙物23之厚度為約6 mm，溶液之高度為約3 mm。
鍍膜流程：
(1) 將第二蓋板(材質為玻璃基板)22置於加熱器26上；
(2) 將間隙物23與第一蓋板21(材質為聚四氟乙烯(PTFE)覆蓋於第二蓋板22之上；
(3) 將鍍液經由孔洞24注入鍍膜空間25中；
(4) 開始鍍膜，於70℃下進行鍍膜，鍍膜時間為約20分鐘，可得到硫化鎘(CdS)膜厚為約80 mm，鍍膜時間為約40分鐘，可得到硫化鎘(CdS)膜厚為約100 nm。
(5)鍍膜結束後，從進料孔洞24a中通入去離子水，從出料孔洞24b中排出廢液，以清洗鍍膜設備20。
實施例2
實施例2
與實施例1
之鍍膜設備大致上相同，差別在於實施例2
增加一搖晃設備27(詠欣(YSC. Company)orbital shaker ts-500)。
第5A、5B圖分別顯示實施例1(無搖晃設備)與實施例2(有搖晃設備)於70℃鍍膜30分鐘後之鍍膜表面圖，兩圖相比，第5B圖(實施例2)鍍膜表面比第5A圖(實施例1)鍍膜表面更為均勻(uniform)，另外於第5C、5D圖分別為第5A、5B圖之顯微鏡圖(放大倍率100倍)，由圖中可觀察到實施例1之鍍膜表面有些許的孔洞(hole)，而實施例2之鍍膜表面相當平滑(smooth)，由此可知，鍍膜設備另外搭配搖晃設備時，更可提高鍍膜之品質。
雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10．．．化學水浴法(CBD)鍍膜設備
11．．．坩堝
12．．．上蓋板
13．．．基板
20．．．化學水浴法(CBD)鍍膜設備
21．．．第一蓋板
22．．．第二蓋板
23．．．間隙物
24．．．孔洞
24a．．．進料孔洞
24b．．．出料孔洞
25．．．鍍膜空間
26．．．加熱器
27．．．搖晃設備
第1圖為一剖面圖，用以說明習知的化學水浴法鍍膜設備。
第2~3圖為一系列剖面圖，用以說明本發明一實施例的化學水浴法鍍膜設備。
第4圖為一剖面圖，用以說明本發明另一實施例的化學水浴法鍍膜設備。
第5A-5B圖為鍍膜表面圖，用以說明依據本發明之鍍膜設備所製得之薄膜。
第5C-5D圖為顯微鏡圖，用以說明依據本發明之鍍膜設備所製得之薄膜。
20．．．化學水浴法(CBD)鍍膜設備
21．．．第一蓋板
22．．．第二蓋板
23．．．間隙物
24．．．孔洞
24a．．．進料孔洞
24b．．．出料孔洞
25．．．鍍膜空間
Claims (20)
- 一種化學水浴法/chemical bath deposition鍍膜設備，包括：一第一蓋板與一第二蓋板，其中該第一蓋板與該第二蓋板係對應設置，該第二蓋板為一欲鍍基板，且該第一蓋板具有至少兩個孔洞(hole)；一間隙物(spacer)，設置於該第一蓋板與該第二蓋板之間，其中由該第一蓋板、該第二蓋板與該間隙物構成一鍍膜空間，且該第二蓋板在鍍膜期間為水平地設置，並且在鍍膜製程完成之後，該第二蓋板可自該第一蓋板下方移開；以及一加熱器，其中該加熱器設置於該第二蓋板之下。
- 如申請專利範圍第1項所述之化學水浴法鍍膜設備，尚包括一搖晃設備，設置於該加熱器之下。
- 如申請專利範圍第1項所述之化學水浴法鍍膜設備，尚包括一搖晃設備，設置於該第二蓋板之下。
- 如申請專利範圍第1項所述之化學水浴法鍍膜設備，其中該第一蓋板或該第二蓋板之邊緣具有一凹槽(groove)，且該間隙物係設置於該凹槽中。
- 如申請專利範圍第1項所述之化學水浴法鍍膜設備，其中該第一蓋板之材質包括鋁合金、玻璃、石英、氧化鋁或高分子材質。
- 如申請專利範圍第5項所述之化學水浴法鍍膜設備，其中該高分子材質包括聚氯乙烯(Poly Vinly Chloride,PVC)、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,PTFE)或聚丙烯 (Poly propylene,PP)。
- 如申請專利範圍第4項所述之化學水浴法鍍膜設備，其中該凹槽之形狀包括圓形、方形或不規則形狀。
- 如申請專利範圍第1項所述之化學水浴法鍍膜設備，其中該第一蓋板內尚包括一磁性物質。
- 如申請專利範圍第1項所述之化學水浴法鍍膜設備，其中該間隙物之材質包括橡膠(rubber)、矽膠(silicone)或聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,PTFE)。
- 如申請專利範圍第1項所述之化學水浴法鍍膜設備，其中該第二蓋板之材質包括玻璃基板、不銹鋼基板或聚亞醯胺(polyimide,PI)基板。
- 如申請專利範圍第1項所述之化學水浴法鍍膜設備，其中該至少兩個孔洞設置於該間隙物之間的該第一蓋板內，且包括一第一孔洞用以接收鍍膜用之一溶液，以及一第二孔洞用以排出該溶液。
- 如申請專利範圍第1項所述之化學水浴法鍍膜設備，尚包括於該第一蓋板之內表面上設置另一欲鍍基板。
- 如申請專利範圍第1項所述之化學水浴法鍍膜設備，其中該間隙物環設於該第一蓋板周圍，並與該第二蓋板接觸，以使該第一蓋板、該間隙物及該第二蓋板形成該鍍膜空間。
- 如申請專利範圍第1項所述之化學水浴法鍍膜設備，其中該第一蓋板具有一重量，且藉由該第一蓋板的重量將該間隙物與該第二蓋板密封，以使該第一蓋板、該間隙物及該第二蓋板形成該鍍膜空間。
- 如申請專利範圍第1項所述之化學水浴法鍍膜設備，其中該間隙物為該鍍膜空間的一側壁或該側壁的一部分。
- 如申請專利範圍第1項所述之化學水浴法鍍膜設備，其中該第一蓋板並未接觸該第二蓋板。
- 如申請專利範圍第1至16中任一項所述之化學水浴法鍍膜設備，其中該第一蓋板之外部邊緣(outer edge)具有一延伸部分(extension portion)，其中該延伸部分接觸該間隙物。
- 如申請專利範圍第17項所述之化學水浴法鍍膜設備，其中該延伸部分及該間隙物為該鍍膜空間的該側壁。
- 如申請專利範圍第1至16中任一項所述之化學水浴法鍍膜設備，其中該第一蓋板為該鍍膜空間的一頂壁，該間隙物為該鍍膜空間的該側壁，且該第二蓋板為該鍍膜空間的一底壁。
- 如申請專利範圍第19項所述之化學水浴法鍍膜設備，其中該第一蓋板包括一平面蓋板。
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