CN103151260A - 利用强制对流对薄膜装置进行均匀热处理的设备及方法 - Google Patents

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CN103151260A CN2012100133023A CN201210013302A CN103151260A CN 103151260 A CN103151260 A CN 103151260A CN 2012100133023 A CN2012100133023 A CN 2012100133023A CN 201210013302 A CN201210013302 A CN 201210013302A CN 103151260 A CN103151260 A CN 103151260A
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Abstract

本申请提供了一种利用强制对流对薄膜装置进行均匀热处理的设备和方法。所述设备包括：包围填充有工作气体的管状空间的室和设置于室外部的加热器。设备进一步包括装载构造，用于使多个平面状基板经受管状空间中的工作气体。在装载构造的上方和下方设置有隔离件。

Description

利用强制对流对薄膜装置进行均匀热处理的设备及方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2011年1月14日提交的已共同转让的美国临时专利申请第61/432,775号的优先权，该申请的全部内容以引用方式结合于本文以用于所有目的。
技术领域
本发明总体上涉及光伏材料及制造方法。更具体地，本发明提供对薄膜光伏装置进行均匀热处理的方法和设备。仅借助于实例，本发明的实施例包括利用强制对流以提高的温度一致性来对光伏薄膜材料执行有效热处理的方法和设备。
背景技术
人类从最开始就已尝试寻找利用能量的方法。能量呈现的形式诸如石油化学、水力发电、核、风、生物量(biomass，生物质)、太阳能以及诸如木材和煤碳的更原始的形式。在上世纪，现代文明已依靠石油化学能量作为重要能源。石油化学能量包括天然气和石油。天然气包括诸如丁烷和丙烷的较轻形式，通常用于为家庭供热和用作用于烹饪的燃料。石油包括汽油、柴油、和喷气燃料，通常用于交通目的。石油化学的较重形式还可以在一些地方用于对家庭供热。不幸的是，石油化学燃料的供应是有限的，并且基于地球上可获得的量该供应实质上是固定的。另外，随着人们使用石油制品的量越来越多，所以其快速变为稀缺资源，该资源最终将随时间而耗尽。
近来，期望环境清洁的和可再生的能源。清洁能源的实例是水力发电的电力。水力发电电力源自于由诸如内华达州的胡佛坝的水坝产生的水流驱动的发电机。产生的电力用于对加利福尼亚的洛杉矶市的大部分城市供电。清洁的和可再生的能源还包括风、波、生物量等。即，风车将风能转换为更有用形式的能量，诸如电。清洁能源的其他形式包括太阳能。太阳能的具体细节能够从整个本背景技术中找到，并且将在下面更具体地描述。
太阳能技术总体上将来自太阳的电磁辐射转换成其他有用形式的能量。这些其他形式的能量包括热能和电力。对于电力应用，经常使用太阳能电池。虽然太阳能是环境清洁的，并且已在一程度上获得成功，但在其在全世界广泛应用之前还留有许多需要解决的限制。作为实例，一种类型的太阳能电池使用源自于半导体材料锭(ingot，棒)的晶体材料。这些晶体材料可以用于制造光电装置，该光电装置包括将电磁辐射转换为电力的光伏和光二极管装置。但是，晶体材料通常较贵，并且难以大规模制造。另外，由该晶体材料制成的装置通常具有低能量转换效率。其他类型的太阳能电池使用“薄膜”技术来形成光敏材料的薄膜以用于将电磁辐射转换成电力。对于在制造太阳能电池过程中使用薄膜技术，存在有相似的限制。即，效率通常低。另外，膜可靠性通常较低，并且在传统环境应用中不能长时间使用。通常，薄膜难以通过机械方式彼此整体形成。这些传统技术的这些和其他限制能够从整个说明书中找到，并且将在下面更具体地描述。
作为对提高薄膜太阳能电池技术的努力，引入了在具有平面、管状、圆柱形、圆形或其他形状的一定尺寸的基板上制造改进的基于CIGS/CIS的光伏膜叠层的一种或多种工艺。在形成光伏膜叠层时存在多种制造要求，诸如保持基板的结构整体性、控制一个或多个前体层中的成分的化学组成、使所述一个或多个前体层于期望的气态环境中进行适当的反应性热处理、确保反应性热处理期间薄膜材料的一致性和粒度(granularity)等等。特别地，当在具有大形状因数的基板上制造基于薄膜的太阳能装置时，期望在整个基板表面上的温度一致性。虽然过去的传统技术已解决了一些问题，但是它们在多种情况下通常还不够。因此，期望改善用于具有平面形或非平面形形状、固定或易弯曲(flexible，挠性)的基板上处理薄膜光伏装置的设备和方法。
发明内容
根据本发明的实施例涉及薄膜光伏材料及制造方法。更具体地，本发明提供一种用于对薄膜材料进行均匀热处理的方法和设备。仅仅借助于示例，本方法和设备利用强制对流来保持具有短运行时间以及提高的温度一致性的温度曲线(temperature profile)，以制造基于薄膜的光伏装置，但是可以理解，本发明可具有其他构造。
在一具体实施例中，本发明提供一种用于对薄膜材料进行均匀反应性热处理的设备。该设备包括：室，包围管状空间，沿轴向从第一端区域水平地延伸至第二端区域附近。管状空间填充有工作气体。该设备包括一个或多个加热器，其设置于室的外部周边处以提供热能用于加热室。该设备进一步包括用于使多个基板经受管状空间中的工作气体的装载构造。多个基板中的每一个在空间上布置为与每个相邻基板之间有一间隔。另外，设备包括设置于装载构造上方的第一隔离件(baffle member)和设置于装载构造下方的第二隔离件。第二隔离件位于第一隔离件下方的一距离处。另外，该设备包括在装载构造前方设置得邻近第一端区域的第三隔离件。此外，该设备包括设置于第三隔离件与装载构造之间的吹送装置。吹送装置面向轴向并具有基本上等于第一隔离件与第二隔离件之间的距离的径向尺寸。
在一具体实施例中，多个基板中的每一个均包括形成于平面形状的钠钙玻璃(soda lime glass)上的包含铜、铟和/或镓物质(species，种类)的薄膜材料。钠钙玻璃基板包括具有从20x20cm至65x165cm的范围的形状因数。所述多个基板被装载于室内以根据预定温度曲线在反应性热处理期间经受至少包含硒化物或硫化物物质的工作气体。在一实施例中，温度曲线的特征在于温度上升阶段和处理阶段。通过利用由吹送装置产生的强制对流，处理阶段被控制为在多个基板上处于不大于20℃的温度范围内。对于处理具有大至65x165cm的形状因数的多个基板来说，从温度上升阶段至处理阶段的过渡时间减少至基本上小于0.75小时。在另一具体实施例中，预定温度曲线包括一个或多个冷却阶段，其中，通过利用强制对流，对流从处理阶段至冷却阶段的运行时间比仅有自然对流实质上减少。
在本发明的可替换实施例中，提供一种利用工作气体的强制对流均匀处理薄膜装置的方法。该方法包括提供沿轴向从第一端区域水平地延伸至第二端区域的管状炉。该方法进一步包括将多个基板装载至炉中以及在多个基板上方设置第一隔离件并在多个基板下方设置第二隔离件。另外，该方法包括在多个基板前方邻近第一端区域设置第三隔离件。该方法进一步包括向炉填充工作气体、以及通过围绕炉设置的一个或多个加热器提供热能以加热炉和工作气体来用于处理所述多个基板。另外，该方法包括操作设置于第三隔离件与多个基板之间的流驱动器，以使工作气体在第一隔离件和第二隔离件之间产生流动通过多个基板的强制对流。
通过根据本发明的实施例可以获得多种优点。具体地，所述方法提供了一种用于对多个基板上的薄膜材料执行反应性热处理的方法以形成用于薄膜PV装置的光伏吸收器。本发明的一些实施例提供一种设备，包括炉，该炉在被加热的管状空间中填充有工作气体以用于使多个基板上的薄膜材料经受从径向施加的热能和通过设置于被装载基板前方(和/或后方)的吹送装置产生的沿轴向的强制对流。根据本发明的一个或多个实施例，基于用于多个基板的预定温度曲线的处理阶段能够从一上升阶段在大大减小的运行时间内到达，并且能够保持具有提高的温度一致性，所述温度一致性的特征在于多个基板中的每一个上的温度变化基本上小于20℃。在本发明的利用炉中的强制对流的可替换实施例中，温度曲线可通过具有较小运行时间的一个或多个冷却阶段实现，同时保持基本上均匀的基板温度。在一具体实施例中，该设备和方法可应用于处理具有大至65x165cm的形状因数的多个基板上的薄膜材料。根据实施例，可获得这些效果中的一个或多个。这些效果和其他效果将在本说明书全文中尤其是在下文中更详细地描述。
附图说明
图1是用于对多个基板上的薄膜材料进行均匀热处理的设备的立体图；
图2是利用示例性强制对流对多个基板上的薄膜材料进行均匀热处理的设备的横截面顶视图；
图3是利用示例性强制对流对多个基板上的薄膜材料进行均匀热处理的设备的横截面侧视图；
图3A是用于增强内部强制对流的流放大器(flow amplifier)的图；
图4A至4D是在一个基板上的温度分布的示例性时间快照(time-shot)；
图5是用于对多个基板上的薄膜材料执行热处理的示例性温度曲线。
具体实施方式
根据本发明的实施例涉及薄膜光伏材料及制造方法。更具体地，本发明的实施例提供利用强制对流以更短运行时间和提高的温度一致性来对薄膜材料进行热处理的方法和设备。仅示例性地，本方法和结构适用于在具有大形状因数的一定形状的基板上制造用于太阳能装置的基于铜铟镓硒化物的薄膜光伏吸收器，但可以理解，本发明可具有其他构造。
图1是根据本发明实施例的用于对多个基板上的薄膜材料进行均匀热处理的设备的立体图。如图所示，用于对多个基板上的薄膜材料进行均匀热处理的设备100包括炉管(管状的炉室)110。在具体的实施例中，炉管110可构造成其管轴线190沿水平方向对齐，但是也可应用其他定向。炉管110在从第一端区域111延伸至第二端区域112的管状本体中包围空间体积115。在一实施例中，第一端区域111耦接于盖件或室门120，该盖件或室门打开以用于向炉管110中装载工作样本或将工作样本卸载出炉管110之外，并且关闭以用于使被包围的空间体积115处于填充有工作气体的特定加压化学环境中。在一实施中，工作气体(加上任意载送气体)能够通过耦接于炉管110的一个或多个气体供应模块(未示出)填充。当室门密封炉管时，工作气体能够保持具有设计用于对位于其中的任意工作样本进行反应性热处理的适当压力范围和组分范围。
在另一实施中，如图1中的实例所示，设备100中的待处理工作样本为通过室门120装载的位于多个基板140上的薄膜材料。如图所示的多个基板140为矩形平面形状，但是它们可以是许多其他形状，包括圆柱形或半球管形或甚至是可柔性弯曲的形状和其他形状。用于制造薄膜太阳能电池的优选类型的基板由具有用于不同应用的多种形状因数的钠钙玻璃制成。例如，多个基板140中的一个可以是具有20x20cm的形状因数的方形形状。在另一实例中，基板140具有20x50cm的形状因数。在某些实施例中，具有65x165cm的形状因数的基板用于制造薄膜铜-铟-镓-二硒化物(CIGS)太阳能模块。在一具体实施例中，多个基板140以在各个相邻对之间在空间上布置有间隔141的装载构造装载，允许形成在每个基板上的薄膜材料(不能明确地看出)暴露于并经受空间体积115内的用于相应热处理的工作气体。间隔141还提供用于任意对流经过的空间通道。不同于该间隔布置，根据每个基板的具体形状和形状因数，装载构造能够附加地具有特征：由长度标度(scale)145、宽度标度146(在图1中仅示出其一半)和高度标度147限定的物理范围。在具有矩形平面形状的多个基板的实例中，长度标度145对应于每个基板的长度，高度标度147对应于基板的宽度，并且宽度标度146对应于具有特定相邻间隔的多个基板的空间分布。假设多个基板140的物理定向是沿竖直方向的。物理定向示出作为竖直方向的实例，以方便加热工作气体在相邻的间隔内的自然对流。一旦产生强制对流通过多个基板的每个相邻的间隔，装载构造的物理定向便不是限制元素。但是，如在稍后的截面中所示，对于平行装载的多个平面基板，可增加两个隔离板以覆盖(以较小间隙)边缘区域，以便用于将对流限制在装载构造的物理范围内。
附加地，如图1所示，设备100包括一个或多个加热器150，所述加热器围绕炉管110外部周边设置并用于提供热能来加热管状本体。在特别的实施例中，炉管110由基本上热传导的材料制成，从而使得管状本体110能够快速被加热，管状本体随后通过热辐射加热管状本体内的工作气体和其他结构件。例如，炉管110由从第一端区域111至第二端区域112的石英材料制成，石英材料是良好的热导体并且对于红外区域中的辐射来说相对不透明。石英材料在升高的温度下对于工作气体来说还是基本上化学惰性的好材料。在另一具体的实施例中，一个或多个加热器150布置成具有设置于管状本体110周围的多个加热元件以形成一个加热区或沿轴向190一个紧邻另一个的多个加热区。在一实例中，一个或多个加热器包括缠绕在炉管110周围的多个电力加热带。每个加热带的电力供应能够是可独立控制的，以用于调节向特定加热区传递的热能，从而允许在热处理过程期间对炉管内的温度一致性进行更精确的控制。在一可替换实施例中，设备100还包括分布在炉管110周围的用于冷却管状本体的一个或多个冷却元件(图1中未示出)，以用于执行与热处理过程相关联的一个或多个冷却阶段。相似地，一个或多个冷却元件可构造成提供具有相对独立的控制的区域冷却。对于利用区域加热/冷却来对薄膜材料进行均匀热处理的更多细节可在于2010年8月17日提交的美国专利申请第12/858,342号和于2010年7月23日提交的另一美国专利申请第61/367,208号中找到，这两件申请均共同转让给StionCorporation、SanJose，并且这两件申请作为引用结合以用于所有目的。
参照图1，设备100进一步包括分别设置于炉管110内用于有目的地限制或约束炉管中的对流的第一隔离件131和第二隔离件132。在一具体的实施例中，第一隔离件131和第二隔离件132是分别位于多个基板140的装载构造的上方和下方的两个矩形板。板131位于平行于轴向190的基本上水平面中，并且与和基板装载构造相关联的物理范围的顶部具有小间隙。如图1所示，板131设置于竖直地平行装载的多个基板140的顶部边缘上方至少一距离处。相似地，板132设置在平行于轴向190的水平平面处，并且与多个基板的底部边缘隔开一间隙距离。当然，在装载构造的底部处总是存在支撑夹具(未示出)，第二隔离件132可构造成装配于由特定支撑夹具允许的用于装载基板的空间内。第二隔离件132定位于第一隔离件131下方的一距离处，并且在某些实施例中，基本上彼此平行。由于两个板分别设置成与基板装载构造具有较小间隙，因此两个隔离件之间的距离基本上等于或稍大于与装载构造相关联的物理范围的高度标度147。在功能上，两个板提供空间布置用于至少部分地限制沿炉管110的轴向190通过多个基板140流动的任意对流。具有空间限制的强制对流有助于确定多个基板中的每个上的流速曲线(velocity profile，流速剖面)，其相应地与保持用于对基板上的薄膜材料进行处理的温度曲线相关联。在另一具体实施例中，每个第一隔离件131和第二隔离件由这样的材料制成，该材料是基本上热传导的并且能够由加热管状本体110通过热辐射而快速地加热。在一实例中，第一隔离件131和第二隔离件132两者均由石英材料制成。虽然第一和第二隔离件的主要作用是用于在基板装载构造内引导对流以便进行有效热处理，但是无疑也可应用其他类型的材料。在利用强制对流时，当基板装载构造不具有优选的方向时，强制对流优选地通过分别设置于处于装载构造的多个基板的邻近边缘的两个隔离件限制。位于装载构造的最外位置处的两个基板自然地用作用于在装载构造的物理范围内引导强制对流的引导件。经过相邻基板之间的间隔的对流的更多详细描述能够在本说明书全文中找到，尤其是能够在下述部分中找到。
再参照图1，设备100包括方法100，其起始于设置于第一端区域111与具有和多个基板140的装载构造相关联的物理范围的侧部区域之间的第三隔离件133。第三隔离件133包括两个或者更多个盘形板，基本上覆盖管状本体110的大部分内部横截面，除了与炉管110内壁的较小周边缝隙之外。例如，该两个或者更多个盘形板耦接于用于支撑和装载多个基板140的架式夹具。当基板通过室门120装载于空间体积115中的装载构造中时，这些盘形板设置于它们的位置中。周边缝隙简单地允许这些板沿循耦接的架式夹具自由移动。通过覆盖横截面区域的大部分，第三隔离件133能够有效地阻止加热工作气体至达冷却室门120。室门120通常被保持为冷的(通过内部水管冷却)且为室温或室温之下，以用于避免与工作气体反应，并且确保位于炉管110的室门120与第一端区域111之间的真空密封材料不会产生由热引发的损坏。第三隔离件133也由石英材料制成，该石英材料对于红外辐射来说是不透明的，并且可用作有效的辐射阻挡件。在具有在空间上布置成一个与相邻的另一个之间有缝隙的n个盘形板的实例中，热能的仅1/(n+1)部分可通过。另外，第三隔离件将对流基本上约束在空间体积115内的基板装载构造的物理范围内，这有助于提高温度一致性。在特别的实施例中，设备100还包括月牙形隔离件134以覆盖与内壁的下部的周边缝隙。月牙形隔离件134阻止由室门120冷却的任意工作气体回流返回至空间体积115，因为冷却的气体转变方向沿炉管的下部流动。用于提高处理区域中的温度一致性的月牙隔板的功能的更多细节可在于2010年8月17日提交的、名称为“Method and Structure For Processing Thin FilmPV Cells with Improved Temperature Uniformity”的美国专利申请第12/858,342号中找到，该申请共同转让给StionCorporation、SanJose，并且这两件申请作为引用结合以用于所有目的。
在一具体的实施例中，设备100包括吹送装置(blower，吹风装置)160，吹送装置设置于第三隔离件133与和多个基板140的装载构造相关联的物理范围之间。例如，吹送装置160是机动的轴向风扇或是均面向轴向190的多个轴向风扇的组合。轴向风扇可构造成调节风扇速度以用于产生沿轴向190具有期望的低速的强制对流。吹送装置160进一步构造成具有的径向尺寸基本上等于第一隔离件131与第二隔离件132之间的距离(或高度标度147)，从而使得强制对流被限制于与装载构造相关联的物理范围内。当多个基板处于装载构造中时，强制对流能够通过相邻基板之间的间隔。当然，可以有多种变型、替换方式和改变。例如，邻近第二端区域112可安装有第二吹送装置160B，以用于进一步调节通过基板的对流的流速，以便提供附加的改进。
图2是根据本发明实施例利用示例性强制对流对多个基板上的薄膜材料进行均匀热处理的设备的横截面顶视图。如图所示，炉管110包括基本上平行于轴向190和竖直方向(从纸面向外)装载的多个平面基板140，每个相邻的基板之间具有隔离缝隙141。该装载构造仅为实例。但是无疑也可应用其他基板定向，也可以应用其他形状的基板而不会不当地限制本文的权利要求。在该实例中，轴向风扇或吹送装置160在被装载的基板140的前方邻近于第一端区域111设置。轴向风扇160产生具有由箭头表示的示例性流速曲线的且沿轴向190穿过所有隔离缝隙141的强制对流。具体地，在风扇160的区域161内的流速构造成基本上一致。在对流流入隔离缝隙141之后，流速由于通过多个基板140的装载构造的边缘的泄漏而变得不太一致。例如，邻近基板装载构造的入口区域162处，邻近中心部分的流速比邻近两个边缘部分的流速大。沿轴向从区域163、164朝向出口区域165，流速曲线可以较小的量逐渐变化并再次变得均匀。对流从第二端区域112通过炉管110的内壁与位于装载构造的两个相对侧处的两个基板之间的空间区域166而循环。如图所示，设置于风扇160前方的多个隔离件133处于这样的位置，以用于基本上约束来自区域166的循环对流并引导该对流返回至风扇160。当然，可以有多种变型、可替换方式和改变。例如，风扇160可构造成在风扇区域161内设定初始非均匀流速曲线和在区域162、163或164中获得更均匀的流速曲线。流速的大小可以调节，以便在达到稳定处理阶段的更短运行时间和在处理阶段内的温度变化方面获得优化的性能。在另一实例中，风扇或吹送装置160总体上是流驱动器。在特定的实例中，风扇160构造成为一个或多个流放大器，流放大器可形成有自由移动部件并由设计成用于反应性热环境的化学惰性材料制成。
图3是根据本发明实施例利用示例性强制对流对多个基板上的薄膜材料进行均匀热处理的设备的横截面侧视图。如图所示，图2中的相同炉管110从侧部观看，其中基板(以虚线的矩形示出)沿竖直方向191装载。在图3中，对流被示出邻近装载构造的中心部位于两个基板的隔离缝隙内。仍然在该侧视图中，两个隔离板131和132被视为分别与基板的顶边缘上方或底边缘下方隔开一小间隙的两个直线部。箭头仍用于表示在基板上沿轴向190在多个区域162、163、164、和165中的流速。仍然，由于边缘区域的泄漏，在由两个隔离板131和132限定的物理范围内的流速曲线示出了一些不一致性。在邻近中心轴线处，速率比边缘区域的速率相对较大。
正如上段所指出的，流速曲线可通过重新构造吹送装置160调节以具有轴向风扇的组合，其中风扇速度范围被分别控制。虽然发现流速曲线与基板温度一致性之间存在一些相关性，但是它对于减少从温度上升阶段到达稳定处理阶段的运行时间来说不是重要因素。在对流退出在两个隔离件之间的限定区域之后，在该侧视图中，对流还通过炉管110的内壁与两个隔离件131和132之间的区域167循环。当循环流邻近吹送装置160的前侧时，通过设置于第一端区域111中的多个盘形板133而基本上防止该流漏出到室门区域121。盘形板133还基本上减少从空间体积115至室门区域121的热辐射的通过。例如，对于使用n个盘形板，可能热辐射的仅1/(n+1)部分传输通过。该结构有助于将加热工作气体保持在空间体积115中并且保持室门为冷的(这对于确保良好的真空密封和用作杂质吸收板来说是需要的)。盘形隔离件还强制循环流从空间区域167流回到吹送装置160的区域161，以形成稳定的对流而其载送的热能不损失很多。还应注意的是，在内壁的下部处安装有第四隔离件134，以阻挡由冷室门冷却的较小量的工作气体泄漏回到空间体积115，即使其由于盘形板133与炉管110的内壁之间的窄周边缝隙而实质上是较小量的气体。当然，可以有多种变型、可替换方式和改变。例如，可邻近第二端区域112安装另一吹送装置160B，以便在从162至165的整个所限定物理区域对流速曲线提供附加调节以用于获得提高的温度一致性和缩短的运行时间。在另一实例中，吹送装置160是构造成为一个或多个流放大器的流驱动器，流放大器可形成为不具有自由移动部件并由特别设计成用于反应性热环境的化学惰性材料制成。
图3A是根据本发明实施例用于增强内部强制对流的流放大器的简化图。如图所示，流放大器160设置于图1-3中的吹送装置160的位置中，目的用于移除如叶片的移动部件并获得在炉110引导强制对流161的相同功能。流放大器160利用康达(Coanda)效应，以利用来自喷嘴的较小高速流体以用于获得内部对流的放大。流放大器160A具有限定通过其中的内部流动通道12的翼型本体11。通道12在横向部分中具有圆形形状，并包括入口部分12a、出口部分12b和中部部分12c。翼型本体11可由两个单独的邻近出口的部分11a和邻近入口的部分11b形成，所述两个单独的部分通过螺钉或其他适合的装置组合，不可压缩垫圈4在它们的接合区域中。垫圈14设定为用于控制部分11a与部分11b之间的缝隙的宽度，形成喷嘴通道15。喷嘴通道15连接于气体入口17，该气体入口构造成连接被加压在50至100psig的压缩气体(例如，纯净氮气)的外部源。不同的流动通道12a、12b、和12c分别构造成具有一定弯曲、拐角结构、角度和其他几何特征，以便通过基于康达效应从入口17通过喷嘴15引入具有高速率的外部气体射流来获得对通过主通道的对流的适当流速放大效果。使用这种或其他相似种类的不具有移动部分的流放大器的好处在于，减少了对炉中部件的不期望的涂覆或者反应损坏，并且使在反应性热处理下这些部件对光伏材料的污染的可能性最小化。在一具体的实施例中，吹送装置160包括流放大器160，其布置成覆盖位于多个装载基板140的端部区域前方的基本上横向的区域。
图4A至4D是根据本发明实施例从多个基板的装载构造中选择的一个基板上的温度分布的示例性时间快照。利用如图1-3所描述的设备，通过设定在处于装载构造的多个平面基板前方的吹送装置产生强制对流，如图1-3所示，基本上平行于每个相邻基板之间的间隔。在泵送、净化、和工作气体填充后，通过按照预定程序起始温度上升阶段(从时间＝0)，设备处于操作状态，以接近用于处理阶段的设定点。图4A-4D是当到达设定点(例如，425℃)时并在用于到达处理阶段的停留(dwell，停顿)时间段内在时间点(例如，t1＝32分钟)拍摄的快照图像。该时间点被选择为示例，因为其趋于为这样的时刻，在该时刻，在所述多个基板上温度变化可几乎到达最大增量T(delta T)。吹送装置构造成以10m/s的流动速度来操作机动风扇。
特别地，图4示出了设置在邻近装载构造的物理范围的边缘的一个基板441(或第一基板)的温度分布。如图所示，表面区域410的温度基本上均匀(为425℃)。图4B示出了另一基板443(从边缘的第三基板)的温度分布，其中，如等高线图(contour map)所示，从区域413至区域423存在较小温度变化(变量T为约25℃)。相似地，图4C以等高线图示出了对于定位在靠近装载构造的中心的基板445的温度分布，还示出在区域415和区域425上的温度差异(变量T)。图4D示出了定位在早先描述的装载构造的中心位置处的基板448的温度等高线图，显示出区域418和428上的温度差异(变量T)。当然，如图所示，根据位置并更特别地根据流动通过的对流(虽然加热区布局和独立控制也是限制因素)，具有均匀温度的表面区域的尺寸和形状必然从一个基板到另一个基板变化。例如，对于具有20x50cm的形状因数的基板，利用10m/s的风扇速度，最大变量T为约25℃，如此处所示。当风扇速度减少至3m/s，最大变量T可为约100℃。当仅利用自然对流时，最大变量T可大到200℃。因此，强制对流对提高基板温度一致性的效果是显著的。可以有多种变型、替换方式和改变。例如，超过该时间点，设备在用于接近处理阶段的过渡时间段中以均匀温度操作，在过渡时间段期间，强制对流进一步大大提高整个基板温度一致性，并且有助于缩短用于到达稳定处理阶段的运行时间。在一实施中，对于具有20x50cm的形状因数的基板，为达到均匀处理温度而停留的运行时间从利用自然对流的1小时缩短至当通过利用具有适当风扇速度的强制对流时的仅约10分钟。即使对于具有大至65x165cm的形状因数的基板，如果适当地利用强制对流，为达到均匀处理温度而停留的运行时间也可缩短为小于45分钟。另外，使用根据一个或多个实施例的利用强制对流的设备和方法，所有基板在处理阶段期间的温度范围也可以基本上从大于25℃减少至小于10℃。
图5是根据本发明特定实施例用于对多个基板上的薄膜材料执行热处理的示例性温度曲线。作为实例，温度曲线500应用于在包含气态硒/硫物质(例如，硒化氢气体，用作工作气体)且混合有纯净氮气和较小量的氢气(作为载送气体)的环境中处理形成于基于玻璃的基板上的铜-铟-镓薄膜叠层。具有大至65x165cm的形状因数的基板被装载到位于夹具上的由石英材料制成的炉管中。电力加热器设置于炉管周围以用于加热炉和炉内的气体。在基板的前方，通过风扇以10m/s操作吹送装置以用于产生沿轴向流动通过基板的强制对流(以约848CFM)。如图所示，根据编程为用于在接近第一处理阶段(具有期望的处理温度Tp＝425℃)之前实现一设定点Ts的预定温度上升阶段R1，加热器从时间t＝0启动以加热炉和基板。在时间t1处，加热器被控制用于为达到均匀处理阶段P1而停留，并且基板温度差值异可为约30℃。在运行时间tr之后在时间t2处，处理阶段P1到达基本上均匀的温度Tp，其中每个基板上的铜-铟-镓的薄膜叠层在硒化气体环境内被以反应方式退火(anneal)，并且与气态硒化物质反应以形成CIGS薄膜光伏吸收器材料。如在实例中所示，运行时间tr＝t2-t1为仅约45分钟。在处理阶段P1(约30-80分钟)中，Tp的变化范围被限于10℃内。在处理阶段P1期间，基板内的温度一致性甚至更好，其中变量T仅为小于5℃。
图5还示出了可进行温度曲线500，以开始用于接近第二处理阶段P2的另一温度上升阶段R2。强制对流方法和相应的设备仍然在减少为达到均匀处理温度而停留的运行时间和在第二处理阶段P2内的温度变化方面提供相当大的提高。图5中未示出，温度曲线500包括一个或多个冷却阶段以使基板返回至邻近140℃或更低的温度。在一个或多个实施例中描述的设备，例如，图1中的设备100，还包括一个或多个冷却元件，所述冷却元件在空间上设置于管状本体周围，用于提供在空间上受控制的冷却功率以减少炉和炉内的基板的温度。通过设置在处于装载构造的多个基板前方(或之后)的吹送装置产生的强制对流还可有助于大大减少冷却时间。在第一冷却阶段，冷却时间可被缩减10％，并且在第二冷却阶段(在温度下降至低于玻璃应变点之后)，冷却时间甚至可被缩减50％或更多。同时，所有基板上的温度一致性被保持得很好，低于50℃。另外，对于本领域技术人员来说可以理解，可有多种变型、改变和替换方式。
虽然已利用具体实施例描述了本发明，但应该理解的是，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可对本发明所使用的方法进行多种改变、修改和变型。例如，管状炉仅示出为示例。本发明还可以应用被构造成对以多种定向装载的多个成型基板进行热处理的其他形状的炉结构。相应地，可以调整隔离结构的形状和位置以控制对流。相似地，可适配吹送装置或多个吹送装置以用于相应的基板装载构造，以产生具有期望流速曲线的适当强制对流。另外，虽然上述实施例被应用于Cu-In-G薄膜材料的反应性热处理以在基于玻璃的基板上形成铜-铟-二硒化物(CIS)和/或铜-铟-镓-二硒化物(CIGS)光伏吸收器，但是当然，基于热处理的其他薄膜也可以从本发明的一个或多个实施例中受益，而这不脱离所附权利要求的范围。根据实施例，本方法还可应用于基于硅的光伏装置。

Claims (23)

1.一种对薄膜材料进行均匀热反应处理的设备，所述设备包括：
室，包围一管状空间，沿轴向从第一端区域水平地延伸至第二端区域附近，所述管状空间填充有工作气体；
至少一个加热器，设置于所述室的外部周边处以提供热能用于加热所述室；
装载构造，用于使多个基板经受所述管状空间中的所述工作气体，所述多个基板中的每一个均在空间上布置为与每个相邻基板有一间隔；
第一隔离件，设置于所述装载构造上方；
第二隔离件，设置于所述装载构造下方，所述第二隔离件位于所述第一隔离件下方一距离处；
第三隔离件，在所述装载构造前方设置得邻近所述第一端区域；以及
吹送装置，设置于所述第三隔离件与所述装载构造之间，所述吹送装置面向所述轴向并且具有的径向尺寸基本上等于所述第一隔离件与所述第二隔离件之间的距离。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述室包含石英材料，所述石英材料对于由所述至少一个加热器提供的热能来说是基本上热传导的并且对于至少包含气态硒化物物质的工作气体来说是化学惰性的。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，处于所述装载构造中的所述多个基板中的每一个均包括覆在钠钙玻璃基板上面的至少包含铜、铟或镓物质的薄膜材料，所述薄膜材料经受与所述气态硒化物物质的反应以形成光伏吸收器材料。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述钠钙玻璃基板包括具有选自20x20cm、20x50cm或65x165cm的形状因数的平面形状。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一隔离件和所述第二隔离件包括矩形板，所述矩形板平行于所述轴向设置，分别在所述多个基板的所述装载构造的上方和下方具有间隙。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第三隔离件包括两个或更多个盘形板，所述盘形板垂直于所述轴向设置，所述盘形板基本上阻挡所述室的除与所述室的内壁之间有周边间隙缝隙之外的横截面。
7.根据权利要求6所述的设备，进一步包括月牙形状的第四隔离件，所述第四隔离件接触所述两个或更多个盘形板中的至少一个以覆盖与所述室的内壁的下部之间的周边缝隙的一部分。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述吹送装置包括一个或多个机动风扇，用于产生所述工作气体的沿所述轴向流动通过所述多个基板的每个间隔的强制对流。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述吹送装置包括一个或多个流放大器，所述流放大器由化学惰性材料制成且不具有移动部件，并且所述流放大器被布置成覆盖所述多个基板的端部区域前方的基本上横向的部分。
10.根据权利要求8所述的设备，其中，所述强制对流与所述多个基板中的每个上的流速曲线相关联，所述流速曲线确定基于一预定温度曲线达到一处理阶段的运行时间，所述预定温度曲线在所述多个基板中的每个基板上具有的最大温度变化基本上小于20℃。
11.根据权利要求10所述的设备，进一步包括第二吹送装置，所述第二吹送装置位于所述装载构造后面邻近所述第二端区域，所述第二吹送装置面向所述轴向，以用于调节所述多个基板中的每个基板上的与所述强制对流相关联的所述流速曲线。
12.一种利用工作气体的强制对流对薄膜装置进行均匀热处理的方法，所述方法包括：
提供沿轴向从第一端区域水平地延伸至第二端区域的管状的炉；
将多个基板装载至所述炉中；
在所述多个基板上方设置第一隔离件并在所述多个基板下方设置第二隔离件；
在所述多个基板前方邻近所述第一端区域设置第三隔离件；
向所述炉填充工作气体；
从围绕所述炉设置的一个或多个加热器提供热能以加热所述炉和所述工作气体；以及
操作设置于所述第三隔离件与所述多个基板之间的流驱动器，以产生所述工作气体的流动通过所述第一隔离件和所述第二隔离件之间的所述多个基板的强制对流。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述炉、所述第一隔离件和所述第二隔离件均由石英材料制成，所述石英材料至少是热传导的且对于所述工作气体来说是化学惰性的。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，装载多个基板的步骤包括将所述多个基板中的每个设置为处于在各相邻基板之间均具有一间隔的构造中。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述构造包括所述多个基板的空间分布，所述空间分布具有的长度基本上等于范围从20cm至165cm的所述多个基板中的一个基板的长度，具有的高度基本上等于范围从20cm至65cm的所述多个基板中的一个基板的宽度，并且具有的宽度由所述多个基板的总数量和各相邻基板之间的所述间隔确定。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一隔离件和所述第二隔离件中的每一个均包括矩形板，所述矩形板由对于所述热能来说是基本上热传导的且对于所述工作气体来说是化学惰性的材料制成。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，设置所述第一隔离件和所述第二隔离件的步骤包括将所述多个基板限制在两个所述矩形板之间，并具有用于引导所述工作气体的所述强制对流的基本上较小的间隙。
18.根据权利要求12所述的方法，其中，从围绕所述炉设置的一个或多个加热器提供热能的步骤包括加热沿轴向围绕炉本体的一个或多个区。
19.根据权利要求12所述的方法，其中，设置所述第三隔离件的步骤包括设置两个或更多个盘形板，所述盘形板在空间上布置为彼此之间有一缝隙，以覆盖横截面区域的大部分，以基本上阻挡被加热的工作气体到达所述第一端部区域外。
20.根据权利要求12所述的方法，其中，操作所述流驱动器的步骤包括确定所述强制对流通过所述多个基板的每个间隔的流速曲线，以保持用于处理具有从20x20cm至65x165cm的范围的形状因数的所述多个基板的预定温度曲线。
21.根据权利要求12所述的方法，其中，操作所述流驱动器的步骤进一步包括将一个或多个流放大器布置在所述多个基板的端部区域前面的横向部分中。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，所述预定温度曲线的特征在于处理阶段之前的温度上升阶段，在所述处理阶段中，所述多个基板中的每个基板上的处理温度变化基本上小于20℃，并且从所述温度上升阶段到所述处理阶段的过渡时间等于或基本上小于0.75小时。
23.根据权利要求12所述的方法，进一步包括操作邻近所述第二端区域设置的第二流驱动器，以用于调节通过所述多个基板的每个间隔的所述强制对流的所述流速曲线。
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