CH704653A1 - Sinterofen. - Google Patents

Abstract

Der Sinterofen (1) umfasst eine Heizkammer (3) mit einer Schutzzone. Über eine in die Schutzzone mündende Saugleitung werden aggressive Gase abgesaugt, sodass diese nicht in Kontakt mit den Wänden der Heizkammer (3) gelangen. Die Schutzzone kann durch Schutzwände (17) begrenzt sein, welche innerhalb der Heizkammer (3) ortsfest angeordnet oder durch zwei durch die Heizkammer (3) zu fördernde bandartige Flächengebilde gebildet sind.

Description

[0001] Gegenstand der Erfindung ist ein Sinterofen und ein Verfahren zum thermischen Behandeln von Flächengebilden mit einem Sinterofen gemäss dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 14.

[0002] Bei der Herstellung von Dünnschichtsolarzellen werden auf einem Substrat oder alternativ auf einem transparenten Superstrat wie z.B. Glas sequentiell mehrere dünne Schichten unterschiedlicher Materialien aufgebracht. In der Regel sind zwei dieser Schichten aus unterschiedlichen halbleitenden Materialien gefertigt, von denen eine als Absorberschicht für einfallendes Licht genutzt wird. Solche Absorberschichten können beispielsweise CdTe oder CIS/CIGS - Verbindungen bzw. den Chalkopyriten zugeordnete I-III-VI-Halbleiter umfassen. Die an diese halbleitenden Schichten angrenzenden Schichten sind elektrisch leitend ausgebildet. Dünnschichtsolarzellen, können ein nicht transparentes Substrat wie z.B. eine Folie aus Edelstahl, Titan oder einem anderen Metall oder alternativ eine Polyimidfolie umfassen. In diesem Fall wird in der Regel eine transparente leitende Schicht, beispielsweise eine ZnO:Al-Schicht, als Frontkontakt auf die weiter entfernt vom Substrat ausgebildete obere Halbleiterschicht aufgebracht.

[0003] Es ist bekannt, dass eine oder mehrere der Schichten z.B. durch Verdampfung und Abscheidung oder durch Aufbringen von Pasten mittels Siebdrucktechniken und anschliessendes Trocknen und Sintern erstellt werden können. Bei Cadmiumtellurid-Absorbern können die Halbleiterschichten aktiviert werden, indem sie z.B. mit Cadmiumchlorid CdCl2 behandelt und getempert werden. Dadurch können die Kristallstrukturen, die Qualität der CdTe-CdS-Grenzfläche und die elektrischen Eigenschaften optimiert werden.

[0004] Im Durchlaufverfahren betreibbare Sinteröfen eignen sich hervorragend für eine wirtschaftliche Fertigung von Dünnschichtsolarzellen. Dies gilt besonders dann, wenn die zu behandelnden Materialien bandartig ausgebildet, flexibel und temperaturbeständig sind und kontinuierlich von Rolle zu Rolle durch den Sinterofen gefördert werden können, also beispielsweise bei Dünnschichtsolarzellen mit einem Metallband als Substrat und mit CdTe als Absorberschicht. Je nach Anwendungsfall wird bei der Herstellung derartiger Dünnschichtsolarzellen im Sinterofen mit N2, Formiergas, Selendampf oder Chlorgas in unterschiedlichen Kombinationen und mit unterschiedlichen Konzentrationen gearbeitet. Die Arbeitstemperaturen können Werte im Bereich zwischen etwa 300°C und etwa 1000°C annehmen. Bei derart aggressiven Umgebungsbedingungen bzw. Atmosphären können einerseits die bei Sinteröfen üblichen Stähle angegriffen werden, und andererseits kann Metall des Sinterofens die Umgebung des zu behandelnden Materials kontaminieren und in die Halbleiterschicht des Absorbers eindiffundieren. Durch eine solche Fremddotierung des Absorbers kann die Effizienz der Solarzelle erheblich reduziert oder deren Verwendung als Stromquelle gar verunmöglicht werden. Das aggressive Gasgemisch ist in der Regel toxisch. Es muss daran gehindert werden, aus dem Sinterofen auszutreten und in die Umgebung zu gelangen. In der Regel wird das Gas aus dem Sinterofen abgesaugt und einer Nachbehandlung unterzogen.

[0005] Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sinterofen und ein Verfahren zum Behandeln von Flächengebilden in diesem Sinterofen zu schaffen, welche die schädigende Wirkung von Stoffen auf den Sinterofen selbst und auf die im Sinterofen zu behandelnden Flächengebilde minimieren. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, das effektive Volumen, weiches mit aggressiven Gasen belastet werden kann, zu minimieren. Diese Aufgaben werden gelöst durch einen Sinterofen und durch ein Verfahren zum Behandeln von Flächengebilden in diesem Sinterofen gemäss den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 14. Beim erfindungsgemässen Sinterofen ist innerhalb einer Heizkammer, durch welche die Flächengebilde in einer Förderrichtung hindurch gefördert werden, eine zumindest teilweise von einer Schutzwand begrenzbare Schutzzone ausgebildet, in welche eine Absaugleitung zum Absaugen von Gasen mündet. Die Schutzwand begrenzt ein- oder mehrseitig ein mit aggressiven oder kontaminierten Gasen belastbares effektives Volumen innerhalb der Heizkammer. Die Schutzwand kann beispielsweise innerhalb der Heizkammer ortsfest angeordnet sein. Wird das zu sinternde Flächengebilde als Bandware von Rolle zu Rolle durch den Sinterofen gefördert, so kann die Schutzzone erfindungsgemäss auch durch zwei Bänder begrenzt sein, die parallel bzw. beabstandet zueinander durch den Sinterofen gefördert werden.

[0006] Anhand einiger Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Dabei zeigen <tb>Fig. 1<sep>eine erste Ausführungsform eines Sinterofens, <tb>Fig. 2<sep>eine zweite Ausführungsform eines Sinterofens, <tb>Fig. 3<sep>eine dritte Ausführungsform eines Sinterofens, <tb>Fig. 4<sep>eine vierte Ausführungsform eines Sinterofens.

[0007] Fig. 1 zeigt schematisch einen Sinterofen 1 mit einer Heizkammer 3, die eine Eintrittsöffnung 5 und eine Austrittsöffnung 7 umfasst. Mittels einer Fördereinrichtung 9 sind thermisch zu behandelnde Flächengebilde 11 in einer Förderrichtung F von der Eintrittsöffnung 5 her durch die Heizkammer 3 zur Austrittsöffnung 7 hin förderbar. Bei der Ausgestaltung des Sinterofens 1 gemäss Fig. 1 umfasst die Fördereinrichtung 9 ein motorisch antreibbares, um zwei Rollen 13 umlaufendes endloses Förderband 15. Die Flächengebilde 11 liegen abschnittweise bzw. vereinzelt auf diesem Förderband 15. Innerhalb der Heizkammer 3 ist eine Schutzwand 17 angeordnet, die eine Schutzzone begrenzt. Bei der Ausgestaltung gemäss Fig. 1 ummantelt die Schutzwand 17 einen Abschnitt des oberen Trums des Förderbandes 15 teilweise oder vollständig. In die so begrenzte Schutzzone mündet eine Absaugleitung 19. Mittels einer (nicht dargestellten) Förderpumpe können aggressive Gase, die innerhalb der Schutzzone entstehen und/oder über eine ebenfalls in die Schutzzone mündende Zufuhrleitung 21 in die Schutzzone geleitet werden, aus dieser Schutzzone abgesaugt werden. Ein Kontakt dieser Gase mit den Innenwänden der Heizkammer 3 kann auf diese Weise weitgehend verhindert werden. Die Schutzwand 17 bzw. der Schutzmantel begrenzt das durch aggressive und/oder toxische Gase belastbare effektive Volumen. Dieses ist somit kleiner als gesamte Volumen der Heizkammer 3.

[0008] Vorzugsweise ist der von der Schutzwand 17 begrenzte freie Querschnitt entlang der Förderrichtung F nicht konstant. Wie in Fig. 1 dargestellt, kann z.B. der Abstand zwischen der Oberseite der Schutzwand 17 und dem Flächengebilde 11 in einem ersten Abschnitt nahe der Eintrittsöffnung 5 der Heizkammer 3 einen Wert AI aufweisen, der grösser ist als der Abstandswert A2 in einem daran angrenzenden längeren Abschnitt. Im Bereich der Absaugleitung 19 vergrössert sich der Abstand der Schutzwand 17 wieder auf einen Wert A3. Im hintersten Abschnitt hat die Schutzwand 17 zumindest an einer Stelle einen minimalen Abstand A4. Bei einer derartigen Ausbildung der Schutzwand 17 ist das mit aggressiven Gasen belastbare effektive Volumen minimal. Die Querschnitte und Längen der einzelnen Abschnitte und die Saugleistung der Förderpumpe sind so aufeinander abgestimmt, dass bei aktiver Förderpumpe keine Gase aus der Schutzzone austreten können. Vorzugsweise sind die von der Eingangsseite und der Ausgangsseite her über die Absaugleitung 19 abgeführten Volumenströme etwa ähnlich gross. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass einzelne Abschnitte der Schutzzone z.B. aufgrund unterschiedlicher Formgebung und/oder unterschiedlicher Oberflächenrauigkeiten der Schutzwand 17 unterschiedliche Strömungswiderstände bzw. Druckabfallkoeffizienten aufweisen. Innerhalb der Schutzzone können eine oder mehrere Absaugleitungen 19 und/oder eine oder mehrere Zufuhrleitungen 21 mit je einer oder mehreren Mündungsöffnungen in unterschiedlicher Weise angeordnet sein. Insbesondere können auf diese Weise innerhalb der Schutzzone mehrere Bereiche geschaffen werden, in denen die Zufuhr und Abfuhr von Gasen jeweils unabhängig von den anderen Bereichen erfolgt (nicht dargestellt). Der oder die im Betrieb auftretenden Gasströme können in oder entgegen der Förderrichtung F der Fiächengebilde 11 oder guer dazu gerichtet sein. Abhängig von der jeweiligen Konfiguration der Zufuhrleitungen 21 und der Absaugleitungen 19 können innerhalb der Schutzzone unterschiedliche Kombinationen von Gasströmungen mit gleichen oder unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten erzeugt werden. Vorzugsweise sind die Schutzwände 17 aus einem inerten Material gefertigt. Alternativ können auch Materialien eingesetzt werden, die den zu behandelnden Materialien der Flächengebilde 11 entsprechen. Bei einer zweiten Ausgestaltung des Sinterofens 1 gemäss Fig. 2umfasst die Fördereinrichtung 9 anstelle eines Förderbandes 15 eingangsseitig und ausgangsseitig je eine Welle 14a, 14b, von denen zumindest die stromabwärts angeordnete Welle 14b motorisch antreibbar ist. Die stromaufwärts angeordnete Welle 14a kann ebenfalls motorisch antreibbar ausgebildet sein und ist vorzugsweise mit einer Bremsvorrichtung ausgerüstet (nicht dargestellt). Das Flächengebilde 11 ist als langes Band ausgebildet, welches von einer auf die eingangsseitige Welle 14a aufgesetzten Vorratsspule 16a auf uf die ausgangsseitige Welle 14b aufgesetzte Aufnahmespule 16b umgespult wird, wobei der dazwischen liegende Bereich des Flächengebildes 11 zwischen den beiden Spulen 16a, 16b gespannt oder mit einem leichten Durchhang gehalten werden kann. Vorzugsweise sind entlang der beiden Längskanten des Flächengebildes 11 innerhalb der Heizkammer 3 Lagerstellen, Führungsschienen oder andere Führungsmittel ausgebildet (nicht dargestellt). Diese stützen oder führen das Flächengebilde 11 beim Transport durch den Sinterofen 1. In der Regel ist dies problemlos möglich, da die Flächengebilde 11 entlang ihrer Längskanten schmale unbeschichtete Substratstreifen umfassen. Bei einer dritten Ausführungsform des Sinterofens 1 gemäss Fig. 3 umfasst die Fördereinrichtung 9 ein zweites Paar von Wellen 14a`, 14b`, und ein zweites zu behandelndes Flächengebilde II1, welches von einer zweiten Vorratsspule 16a` auf eine zweite Aufnahmespule 16b` umgespult wird und innerhalb der Heizkammer 3 parallel oder allgemein beabstandet zum ersten Flächengebilde 11 geführt wird. Die beiden Flächengebilde 11`, 11` begrenzen die dazwischen liegenden Schutzzone und haben demnach die Wirkung von Schutzwänden 17, 17`. Falls die Flächengebilde 11, 11` beschichtete Substrate umfassen, sind die beschichteten Seiten der Schutzzone zugewandt. Optional können die beiden Stirnseiten durch weitere (nicht dargestellte) Schutzvorrichtungen, die nur einen geringen Abstand zu den Längskanten der Flächengebilde 11, 11` aufweisen, überdeckt werden. Vorzugsweise sind die beiden Flächengebilde 11, 11` innerhalb der Heizkammer 3 oder zumindest in einem Teil der Heizkammer 3 durch seitliche Längsführungen (nicht dargestellt) geführt. Fig. 4 zeigt eine weitere Anordnung, bei der die Flächengebilde 11, 11` zwischen der jeweiligen Vorratsspule 16a, 16a` und der jeweiligen Aufnahmespule 16b, 16b` im Bereich der Eintrittsöffnung 5 und der Austrittsöffnung 7 der Heizkammer 3 um Umlenkrollen 23a, 23a`, 23b, 23b` geführt sind. Dies ermöglicht es, die beiden Flächengebilde 11, 11` im Inneren der Heizkammer 3 in einem geringen gegenseitigen Abstand A vorzugsweise parallel zueinander zu führen. Die entsprechenden Führungsmittel innerhalb der Heizkammer 3 sind nicht dargestellt. In den Bereichen zwischen den eingangsseitigen Führungsrollen 23a, 23a` und der Eintrittsöffnung 5 sowie zwischen den ausgangsseitigen Führungsrollen 23b, 23b` und der Austrittsöffnung 7 weitet sich der Zwischenraum zwischen den Flächengebilden 11, 11` zu den Vorratsspulen 16a, 16a` bzw. zu den Aufnahmespulen 16b, 16b` hinauf. Die Zufuhrleitung 21 und die Absaugleitung 19 erstrecken sich innerhalb der Heizkammer 3 quer zur Förderrichtung F in diese vergrösserten Zwischenräume und haben vorzugsweise mehrere verteilt angeordnete und dem Inneren der Heizkammer 3 zugewandte Austrittsöffnungen (nicht dargestellt). Die Absaugleitung 19 und vorzugsweise auch die Zufuhrleitung 21 sind nach aussen durch eine Blende 25a, 25b abgeschirmt, derart, dass die freie Querschnittfläche bei der Austrittsöffnung 7 bzw. der Eintrittsöffnung 5 verringert wird. Dadurch kann eine Verbesserung des Gasflusses von der Zufuhrleitung 21 zur Absaugleitung 19 bzw. eine Verbesserung des Wirkungsgrades erreicht werden. Alternativ oder zusätzlich zur seitlichen Führung der Flächengebilde 11, 11` kann der gegenseitige Abstand A der Flächengebilde 11, 11` auch an einer oder mehreren Stellen sensorisch überwacht und mittels einer Steuerung auf vorgebbare Werte geregelt werden, indem beispielsweise die Zugspannung bei mindestens einem der Flächengebilde 11, 11` durch den Antrieb und/oder die Bremsvorrichtung angepasst wird. In diesem Fall können die Flächengebilde 11, 11` einen durch die Schwerkraft verursachten und durch die wirkende Zugkraft veränderbaren Durchhang aufweisen (nicht dargestellt). Alternativ können die Flächengebilde 11, 11` bei entsprechender Ausgestaltung des Sinterofens 1 auch vertikal durch diesen Sinterofen 1 gefördert werden, wobei die Wellen 14a, 14a`, 14b, 14b` vorzugsweise in Richtung der wirkenden Schwerkraft ausgerichtet sind. Während des Betriebs des Sinterofens 1 werden Gase innerhalb der Schutzzone über die Absaugleitung 19 abgesaugt. Der leichte Unterdruck innerhalb der Schutzzone sorgt dafür, dass keine oder nur geringe Mengen aggressiver Gase in die angrenzenden Bereiche der Schutzzone gelangen können. Aufgrund des minimal gehaltenen effektive Volumens der Schutzzone muss vergleichsweise wenig Gas über die Absaugleitung 19 abgesaugt und aufbereitet werden. Auch die Zufuhr von Gasen über die Zufuhrleitung 21 ist vergleichsweise niedrig.

Claims (15)

1. Sinterofen (1) zum thermischen Behandeln von Flächengebilden (11, 11`), umfassend eine Heizkammer (3) mit einer Eintrittsöffnung (5) und einer Austrittsöffnung (7) und eine Fördervorrichtung (9) zum Fördern der Flächengebilde (11,11`) in einer Förderrichtung F von der Eintrittsöffnung (5) her durch die Heizkammer (3) zur Austrittsöffnung (7) hin, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Heizkammer (3) eine zumindest teilweise begrenzbare Schutzzone ausgebildet ist, und dass eine Saugleitung (19) zum Absaugen von Gasen in diese Schutzzone mündet.

2. Sinterofen (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzzone durch mindestens eine Schutzwand (17) begrenzt ist.

3. Sinterofen (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzwand (17) die Schutzzone zumindest teilweise ummantelt.

4. Sinterofen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Fördervorrichtung (9) ein um zwei Rollen (13) umlaufendes endloses Förderband (15) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das die Flächengebilde (11) fördernde Trum des Förderbandes (15) durch die Schutzzone hindurchgeführt ist.

5. Sinterofen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Fördereinrichtung (9) eine eingangsseitige Welle (14a) zum Aufnehmen einer Vorratsspule (16a) und eine ausgangsseitige Welle (14b) zum Aufnehmen einer Aufnahmespule (16b) umfasst, und wobei das Flächengebilde (11) von der Vorratsspule (16a) auf die Aufnahmespule (16b) umspulbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächengebilde (11) innerhalb der Heizkammer (3) durch die Schutzzone hindurchführbar und/oder zum einseitigen Begrenzen der Schutzzone nutzbar ist.

6. Sinterofen (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung (9) eingangsseitig eine zweite Welle (14a`) zum Aufnehmen einer zweiten Vorratsspule (16a`) und eine zweite ausgangsseitige Welle (14b`) zum Aufnehmen einer zweiten Aufnahmespule (16b`) umfasst, wobei ein zweites Flächengebilde (11`) von der zweiten Vorratsspule (16a`) auf die zweite Aufnahmespule (16b`) umspulbar ist, und dass die Schutzzone durch zwei sich gegenüberliegende Abschnitte der beiden Flächengebilde (11, 11` innerhalb der Heizkammer (3) begrenzbar ist.

7. Sinterofen (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Heizkammer (3) Führungsmittel zum Führen mindestens eines der Flächengebilde (11, 11`) ausgebildet sind.

8. Sinterofen (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Schutzzone Mittel zum Beeinflussen des Strömungswiderstandes bzw. des Druckabfallkoeffizienten beim Absaugen von Gasen über die Absaugleitung (19) vorgesehen sind.

9. Sinterofen (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Beeinflussen des Strömungswiderstandes bzw. des Druckabfallkoeffizienten den freien Querschnitt der Schutzzone vorgebende Formen der Schutzwand (17) und/oder Blenden (25, 25 ́) umfassen.

10. Sinterofen (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Blende (25, 25 ́) zwischen der Austrittsöffnung (7) oder der Eintrittsöffnung (5) und der nächstgelegenen Mündungsöffnung der Absaugleitung (19) oder einer Zufuhrleitung (21) angeordnet ist.

11. Sinterofen (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächengebilde (11, 11`) um zwischen den Vorratsspulen (16a, 16av) und den Aufnahmespulen (16b, 16b`) angeordnete Umlenkrollen (23a, 23a`, 23b, 23b`) -herumgeführt sind, derart, dass der Abstand A zwischen den Flächengebilden (11, 11 ́) im Bereich zwischen den Umlenkrollen (23a, 23`, 23b, 23b`) minimal ist und sich in den daran anschliessenden Bereichen zu den Vorratsrollen (16a, 16a`) und zu den Aufnahmerollen (16b, 16b`) hin aufweitet.

12. Sinterofen (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mündungsbereiche von Zufuhrleitungen (21) und Absaugleitungen (19) ausserhalb des Bereichs mit minimalem Abstand A der Flächengebilde (11, 11 ́) ausgebildet sind.

13. Sinterofen (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachsen der Wellen (14a, 14b, 14a`, 14b`) in Richtung der wirkenden Schwerkraft ausgerichtet sind.

14. Verfahren zum thermischen Behandeln von Flächengebilden (11, 11`) mit einem Sinterofen (1) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächengebilde (11, 11`) mittels der Fördereinrichtung (9) durch die Heizkammer (3) und durch die Schutzzone gefördert werden, und dass innerhalb der Schutzzone Gase über die Saugleitung (19) abgesaugt werden, derart, dass aggressive Gase daran gehindert werden, aus der Schutzzone auszutreten.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei zwei Flächengebilde (11, 11`) durch die Heizkammer (3) gefördert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächengebilde (11, 11`) beabstandet zueinander durch die Heizkammer (3) geführt werden und so die Schutzzone begrenzen.