Processo detalhado para a preparação de filmes CIGS com revestimento em pó

Primeiro passo: preparação do pó precursor

É a base de todo o processo. Geralmente existem dois caminhos:

1. Use pó monogênico ou de liga de Cu, In, Ga, Se comprado diretamente no mercado. Estes pós precisam ter uma alta pureza (geralmente > 99,99%) e tamanho de partícula adequado (geralmente na escala de mícrons ou sub-mícrons).

2. Auto-síntese de pó precursor CIGS: pó (CuInGa) Se₂ com uma relação química específica é pré-sintetizado por meio do método de co-sedimentação, liga de molinho esférico e outros métodos. Este método permite controlar melhor a uniformidade da composição do filme final.

Segunda etapa: preparação de pasta

É um dos aspectos técnicos mais importantes. O pó precursor é misturado com solventes e aditivos específicos e moído para formar uma pasta estável, uniforme e adequada para revestimento.

• Solvente: Os solventes mais utilizados incluem:

• Água deionizada: baixo custo zui, ambiental zui.

• Solvente orgânico: como etanol, isopropanol, etc., a velocidade de volátilidade é rápida e fácil de secar.

• Ligantes: Adicione pequenas quantidades (por exemplo, 1-5% em peso) de ligantes orgânicos ou inorgânicos (por exemplo, celulose etílica, resina acrílica, etc.) para aumentar a adesividade da pasta e evitar que a película fina caia ou rache do fundo após a secagem.

• Dispersor: Adicione um dispersor (como óleo de peixe, óleo de rícino, etc.) para evitar que as partículas de pó se reunirem na pasta, garantindo que os ingredientes sejam uniformes.

• Planificante: melhora a uniformidade da superfície da camada de membrana após o revestimento.

• Processo: Depois de misturar os componentes acima em uma certa proporção, coloque-os em um moinho de bolas ou um moinho de bolas planetárias para moagem por horas a dezenas de horas até obter uma pasta altamente uniforme e estável.

3º passo: Preparação e limpeza da base

• Seleção da base: a base comumente usada é o vidro de sódio e cálcio coberto com eletrodos de molibdênio (Mo). A camada de Mo é geralmente preparada por sputtering magnetrônico como contato de trás e eletrodo para a película CIGS.

• Limpeza da base: Use acetona, etanol, água deionizada, etc. para limpar a base sequencialmente na máquina de limpeza por ultra-som, removendo poluentes da superfície, óleos e partículas para garantir uma boa umidificação e adesão da pasta.

4ª etapa: revestimento de pasta / impressão

A pasta preparada é depositada no fundo Mo através de uma técnica de revestimento específica. Os métodos mais utilizados são:

• Serigrafia: método comumente usado. O rastreamento da pasta no fundo da tela permite controlar com precisão o padrão e a espessura da película.

• Revestimento de raspadura: equipamento simples, adequado para grandes áreas, revestimento contínuo.

• Impressão a jato de tinta: uma tecnologia digital sem contato que permite desenhos finos, mas exige eficiência e pasta elevadas.

Após o revestimento, é formada uma camada úmida de precursor que contém uma grande quantidade de matéria orgânica.

5º passo: Secação e pré-queima

1. Secação: Em temperaturas relativamente baixas (por exemplo, 100-200 ° C), a amostra revestida é colocada em uma placa quente ou forno para que o solvente na pasta se volátile lentamente. Este processo requer o controle da taxa de aquecimento para evitar que a película se torne rachadura ou "descarte" devido à secagem rápida.

2. Pré-queima / desgelagem: na atmosfera inerte (por exemplo, nitrogênio, argão) ou atmosfera redutiva (por exemplo, mistura de nitrogênio e hidrogênio), elevar a temperatura para cerca de 300-400 ° C, para que os aditivos como ligantes orgânicos, dispersores e outros na pasta se decomponham térmicamente e sejam removidos totalmente volátiis. Esta etapa é crítica e, se houver resíduos de matéria orgânica, pode afetar gravemente a qualidade de selenização subsequente e o desempenho do dispositivo final.

Passo 6: selenização e tratamento térmico

Esta é a etapa mais central de todo o processo, com o objetivo de fazer com que a película precursora reaga químicamente e o crescimento do grão para formar uma camada de absorção CIGS bem cristalizada com uma estrutura mineral de latão.

• Ambiente de selenização: amostras pré-queimadas são colocadas em uma atmosfera contendo vapor de selênio (Se) para tratamento térmico.

• Fonte de selênio:

• Fonte de selênio em estado sólido: Coloque a amostra em um tubo de quartzo fechado, juntamente com o pó de selênio monogênero, que é bombeado a vácuo, selado ou continuamente transportado para o gás inerte e, em seguida, aquecido.

• Fonte gaseosa de selênio: como o gás H2 Se, mas o gás é altamente tóxico, o equipamento e os requisitos de segurança são altos e agora são menos usados.

• Vapor de selênio: Em um forno tubular, o selênio monopólico é aquecido separadamente usando uma fonte de evaporação, gerando vapor de selênio e transportando-o para a superfície da amostra com um gás inerte, como N₂, como veículo.

• Sistema de tratamento térmico:

• Aquecimento: aquecer a uma temperatura de selenização a uma certa taxa, geralmente entre 500 ° C - 600 ° C.

• Isolamento: aquecer a temperatura de selenização por um período de tempo (geralmente 10-60 minutos) para que os elementos se espalhem, reagam e cresçam completamente.

• Refrigeração: Após o fim da reação, resfriar com o forno ou controlar a velocidade de resfriamento até a temperatura ambiente.

Neste processo, os vapores de Cu, In, Ga e Se do precursor reagem para gerar cristais CIGS fotoelétricamente ativos. O controle preciso da temperatura, tempo e pressão parcial de selenização é fundamental para obter um filme CIGS de alto desempenho.

Etapa 7: Pós-processamento e conclusão do dispositivo

Após selenização, a camada de absorção CIGS é obtida. Em seguida, é necessário concluir a preparação de todo o dispositivo de acordo com o processo padrão de células solares CIGS:

1. Deposição de camada tampão: geralmente por meio de uma camada fina de CdS (cerca de 50 nm) depositada em banho de água químico (CBD) ou usando alternativas sem cádmio (como ZnS, In₂S3).

2. Deposição de camada de janela: Deposição de ZnO (i-ZnO) e óxido de alumínio-zinco (AZO) dopado como camada de janela condutora transparente por meio de métodos como pulverização ou deposição em fase química orgânica metálica (MOCVD).

3. Preparação do eletrodo: fabricação de linhas de rede de eletrodo conjunto Ni / Al em AZO por evaporação térmica ou pulverização.

4. Fragmentação e embalagem: dividir uma grande área de bateria em uma única bateria e encapsular em laminação para formar um módulo solar completo.

Vantagens e desafios tecnológicos

• Vantagens:

• Baixo custo: o investimento no equipamento e os custos operacionais são muito menores do que o método de evaporação a vácuo.

• Alta utilização de materiais: a utilização de materiais com revestimento de pasta pode exceder 90%.

• Fácil de dimensionar em grandes áreas: tecnologias como impressão de tela são perfeitas para produção em grande escala e em grande área.

• Composição flexível: é fácil controlar com precisão a quantidade química do filme ajustando a fórmula da pasta.

• Desafios:

• Resíduos orgânicos: se o processo de pré-queima for mal controlado, os resíduos orgânicos formarão impurezas de carbono, o que levará ao aumento da resistência em série do dispositivo e à diminuição do desempenho.

• Densidade do filme: o filme preparado pelo método em pó pode gerar poros mais fáceis do que o método de vácuo, afetando a estabilidade e eficiência do dispositivo.

• Tamanho e massa do grão: geralmente o tamanho do grão é menor do que o método de vácuo, com mais limites cristalinos, o que pode levar a um aumento do composto.

• Reprodutividade: a uniformidade da pasta e a estabilidade do processo de revestimento exigem uma alta reprodutividade entre lotes.

Resumo

O método de revestimento em pó é uma tecnologia de preparação de película CIGS de baixo custo com potencial. Seu processo é claro e o núcleo é a uniformidade da pasta, o controle de defeitos durante o processo de secagem e pré-queima e a otimização da qualidade do cristal durante o processo de selenização. Embora atualmente sua eficiência de conversão geralmente seja ligeiramente inferior aos métodos de evaporação de vácuo de ponta, continua a ser uma das principais direções da industrialização da tecnologia fotovoltaica CIGS devido a suas enormes vantagens no controle de custos e produção em massa.