CN107731956B - 一种薄膜太阳能电池吸收层制备工艺控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄膜太阳能电池吸收层制备工艺控制方法，所述工艺控制方法通过输入装置、信号采集装置、信号反馈控制装置实现工艺控制，所述工艺控制方法包括以下步骤：S1，根据生产参数要求，输入装置上设置输入控制变量和标定量；S2，设置信号采集装置采集输入装置的光学信号并传输至信号反馈控制装置；S3，信号反馈控制装置将光学信号转换成输出控制变量与标定量对比，判断并形成模拟信号指令传输至输入装置；S4，输入装置根据模拟信号指令判断调整输入控制变量，并重复步骤S2、S3。本发明提供的工艺控制方法实现闭环控制生产过程，实时自动调整参数，响应速度高，实现吸收层均匀性的控制，保证工艺稳定性和精确性，提高电池芯片的良品率。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜太阳能电池领域，涉及一种多元化合物薄膜太阳能电池吸收层制备工艺控制方法。
背景技术
薄膜太阳能电池，因其绿色环保，作为第二代太阳能技术替代传统晶硅电池，有广阔的市场前景。薄膜太阳能电池技术，一般采用多元化合物半导体作为吸收层，如CIGSSe（铜铟镓硫硒）、CIGS（铜铟镓硒）、CZTS（铜锌锡硫）、CZTSe（铜锌锡硒）等。此类薄膜太阳能电池吸收层规模制备的关键在于：1、吸收层各元素原子配比及梯度分布的实现；2、吸收层各元素原子配比及梯度分布的精确自动控制。
现有工业化的吸收层成膜制备工艺中，主流技术路线为多元共蒸发发和溅射硒化法。其吸收层各元素原子配比及梯度分布的实现和控制原理为：根据吸收层膜层厚度及元素原子配比和梯度分布要求，按照仿真模型预置各分布层的不同比例金属溅射或者蒸发源。控制各输入变量实际值在设定值附近，按照一定的频率取样离线探测各元素在总的吸收层上的量比和其在基底上的分布均匀性。
目前成膜制备工艺的本质是在线控制和调整的均是输入控制变量，而实际膜层的元素原子配比及在各膜层的梯度分布这一输出控制变量并没有得到实时的检测和调节，而仅仅是通过一定频率的离线探测 才能获得，但目前通用的如X射线荧光光谱探测方法仅仅只能获得各元素在总的吸收层上的量比，无法测得在吸收层各分布膜层的元素量比，从而无法获得精确的梯度分布，也无法对均匀性进行调节，是一种不完善、响应慢的控制方法。
因此寻求一种能够在线实时检测吸收层各分布膜层的元素原子配比和梯度分布等输出控制变量，实时反馈并调节各溅射源或者蒸发源的溅射功率、蒸发速率等输入控制变量来精确控制吸收层厚度方向上各元素原子配比及梯度分布的闭环控制方法对于薄膜太阳能电池吸收层规模制备极具意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种薄膜太阳能电池吸收层制备工艺控制方法，解决在线实时检测并同步精准控制的闭环控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明一种薄膜太阳能电池吸收层制备工艺控制方法，所述工艺控制方法通过输入装置、信号采集装置和信号反馈控制装置实现对太阳能电池吸收层制备工艺的控制，所述工艺控制方法包括以下步骤：S1，所述输入装置包括金属源和非金属源，根据薄膜太阳能电池吸收层膜层厚度及元素梯度分布要求，分别设置各分布层金属源和非金属源的输入控制变量，并设置各分布层输出控制变量标定值；S2，所述信号采集装置包括纵向光学检测器和横向光学检测器，所述纵向光学检测器采集分布层金属源的金属元素和非金属源的非金属元素的光学信号，所述横向光学检测器采集各分布层累积非金属元素和金属元素的光学信号，并将所述光学信号传输至信号反馈控制装置；S3，所述信号反馈控制装置设置有信号转换及反馈单元和控制单元，所述信号转换及反馈单元将接收到的光学信号通过计算处理转换为输出控制变量，并将输出控制变量传递给控制单元，控制单元判断与输入装置设置的输出控制变量标定值比对，并判断输出控制变量值与输出控制变量标定值的偏差大小，信号转换及反馈单元将判断结果转换为模拟信号指令传输至输入装置；S4，若步骤S3判断输出控制变量值与输出控制变量标定值的偏差在工艺允许偏差范围内，则输出模拟信号指令保持输入控制变量不变，否则输入装置根据模拟信号指令重置输入控制变量，重复步骤S2、S3至输出控制变量值与输出控制变量标定值的偏差在工艺允许偏差范围内。本发明中信号采集装置包括但不限于各类基于原子吸收光谱、原子发射光谱原理的检测器；本发明通过输入装置设置太阳能电池吸收层制备的输入控制变量，信号采集装置不间断监测太阳能电池吸收层上金属元素和非金属元素的含量及非金属元素的均匀度，信号采集装置输出的光学强度信号传输至信号反馈装置，信号反馈装置将输出的光强模拟信号转换为输出控制变量与标定值比对，根据比对结果形成模拟信号指令传输至输入装置从而调节输入控制变量，使输入装置、信号采集装置、信号转换及反馈装置形成一个闭环监控***，实现在线实时监测和输入控制变量的调整，无需取样离线探测，提高生产效率和生产质量。
进一步地，所述金属源包括金属溅射源和金属蒸发源，所述非金属源包括非金属蒸发源。本发明采用一般太阳能电池吸收层制备装置，适用于同类产品的生产使用。
再进一步地，所述非金属源设置有纵向输入单元，所述横向光学检测器采集纵向输入单元的非金属元素的光学信号。在非金属源上设置纵向输入单元扩大了非金属元素在太阳能电池吸收层表面的喷射范围，有利于提高非金属元素在吸收层上的分布均匀度，同时通过横向光学检测器监测实时反馈各分布层金属元素和非金属元素的分布情况，且纵向输入单元和非金属源的窗口或角位移控制器包括但不限于一般的步进电机和伺服电机。
再进一步地，所述横向光学检测器设置3个检测探头，分别对应监测纵向输入单元的上部、中部和下部。横向光学检测器用于监测非金属元素的分布均匀度，由于非金属元素以蒸汽形态进入镀膜腔室，吸收层上中下的温度不均匀容易造成非金属元素分布不均匀，因此设置3个检测探头对应检测纵向输入单元的上部、中部和下部，保证监测结果的准确度，提高产品的质量。
再进一步地，所述金属源的输入控制变量定义为各分布层不同金属比例的溅射功率或蒸发速率，所述非金属源的输入控制变量定义为各分布层的阀门开度，所述纵向输入单元的输入控制变量定义为各分布层开口窗开口度。
再进一步地，所述信号反馈控制装置包括信号反馈控制装置α和信号反馈控制装置β，所述信号反馈控制装置α接收纵向光学检测器采集的光学信号，并将光学信号通过计算处理转换为输出控制变量，所述输出控制变量定义为Rp（k）=
，所述公式中W为非金属元素i的光学信号值，Wm为金属元素j的光学信号值， Rp(k)为非金属元素和金属元素的光学信号比值。
再进一步地，所述信号反馈控制装置β接收横向光学检测器采集的光学信号，并将光学信号通过计算处理转换为输出控制变量，所述输出控制变量定义为∆TB=Wt-Wb， ∆CE=Wm-
(Wt+Wb)，所述公式中∆TB为纵向输出装置两端非金属元素信号强度偏差，∆CE为纵向输出装置中部与两端的非金属元素信号强度偏差，Wt为纵向输出装置顶部的非金属元素光学信号值，Wb为纵向输出装置底部的非金属元素光学信号值，Wm为纵向输出装置中部的非金属元素光学信号值。
再进一步地，所述信号反馈控制装置α将纵向光学检测器采集的光学信号值计算转换为实际输出控制变量Rp（k）与标定值进行比对，并将比对结果转换为模拟信号指令反馈给金属源调节溅射功率或蒸发速率，非金属蒸发源调节阀门开度，所述信号反馈控制装置β将横向光学检测器采集的光学强度信号值计算转换为实际输出控制变量∆TB和 ∆CE分别与输出控制变量标定值进行比对，并将比对结果转换为模拟信号指令反馈给纵向输入单元，调节控制开口窗开口度的均匀性。
再进一步地，所述信号反馈控制装置α和信号反馈控制装置β设置有控制单元，所述控制单元控制信号反馈控制装置α和信号反馈控制装置β在反馈调节过程中产生的信号传输偏差。控制单元通过设置增益阈值、积分和取样周期，对信号反馈单元α和信号反馈单元β调节过程中的波动进行PI控制，提高响应速度，消除稳态误差。所述信号反馈单元α、信号反馈单元β和控制单元包括但不限于单片机、AD/DA数据采集转换器，软件仿真控制等。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
第一、闭环控制，操作简单。本发明由输入装置设置输入控制变量和输出控制变量标定值，通过信号采集装置采集金属元素和非金属元素的光学信号传输至信号反馈控制装置，信号反馈控制装置的信号转换及反馈单元对信号进行信号转换，控制单元对转换后的信号进行分析判断，信号转换及反馈单元将分析结果形成模拟调节信号反馈至输入装置，形成一个闭环循环控制***；现有太阳能电池吸收层制备过程中各元素原子配比及梯度分布的实现和控制需要通过人员控制输入变量实际值在标定值附近，生产操作复杂繁琐，本发明通过工艺参数设置即可实现生产及监测调节同步进行，简化操作步骤，提高生产效率。
第二、实时自动调整工艺参数，响应速度快。本发明形成闭环控制***，信号采集装置实时采集产品金属元素和非金属元素的光学强度信号，信号反馈控制装置对实时采集到的信号转换分析后反馈至输入装置，调整工艺参数，无需操作人员按一定时间间隔取样离线检测，再根据检测结果调整工艺参数，提高生产线发现和解决产品质量问题的响应速度，降低劣品率。
第三、实现太阳能电池吸收层梯度分布和均匀性控制，提高产品的品质。太阳能电池吸收层规模制备一般为多步成膜，现有工艺离线探测采用X射线荧光光谱探测，仅仅能测量在总的吸收层上的元素量比和分布均匀性，无法监控并调节在各个分布层的元素量比和分布均匀性，无法监控并调节在吸收层厚度方向上的元素梯度分布，导致产品的不良率高；本发明采用基于原子吸收光谱、原子发射光谱原理的检测仪器，设置纵向监测和横向监测，纵向监测各吸收层金属元素、非金属元素的含量及横向检测非金属元素均匀度，实现对太阳能电池吸收层元素量比及元素分布均匀性控制，提高产品的品质。
附图说明
下面结合附图说明对发明作进一步说明。
图1为本发明薄膜太阳能电池吸收层制备工艺控制方法示意图；
图2为本发明薄膜太阳能电池吸收层制备工艺控制方法的吸收层原子分布图。
附图标记说明：11、金属源；12、非金属源；21、纵向光学检测器；22、横向光学检测器；31、信号反馈控制装置α；32、信号反馈控制装置β；4、控制单元。
具体实施方式
如图1和图2所示，一种薄膜太阳能电池吸收层制备工艺控制方法，其特征在于：所述工艺控制方法的通过输入装置、信号采集装置和信号反馈控制装置控制，所述工艺控制方法具体实施步骤如下：
S1，在镀膜腔室内设置3个等距并列的金属源11，金属源为中频孪生铜铟镓旋转靶材，金属源11之间的底部设置非金属源12，非金属源为硒罐，非金属源12的喷嘴通过歧管连接至纵向输入装置13，所述纵向输入装置13置于成膜腔体内，根据薄膜太阳能电池吸收层膜层厚度及元素梯度分布要求，设置金属源11在各分布层不同金属比例的溅射功率为15kw，镀膜基材传动速率为25英寸/分钟，非金属源12在各分布层的阀门开度为42%，纵向输入装置13在各分布层开口窗开口度为61%，并分别设置各个输入控制量标定值；
S2，设置纵向光学检测器21采集分布层金属源溅射的铜铟镓和非金属源蒸发的硒的光学信号，监测位置为太阳能电池吸收层中间位置；设置横向光学检测器22设置3个探头，分别对应监测纵向输出装置13的上部、中部和下部三个位置，采集各分布层累积非金属元素和金属元素的光学信号，纵向光学检测器21将采集到的光学信号传输至信号反馈控制装置α31，横向光学检测器将光学信号传输至信号反馈控制装置β32。
S3，所述信号反馈控制装置α31将接收到的光学信号通过信号转换公式Rp（k）=
计算转换为输出控制变量，与各分布层输出控制变量Rp（k）标定值比对，信号反馈控制装置β32将接收到的光学信号通过信号转换公式∆TB=Wt-Wb， ∆CE=Wm-
(Wt+Wb)计算转换为输出控制变量，与标定值0比对，并判断输出控制变量值与各个标定值的偏差大小，将判断结果转换为模拟信号指令传输至信号输入装置；
S4，步骤S3所述信号反馈控制装置α31和信号反馈控制装置β32判断输出控制变量值与输出控制控制变量标定值的偏差在工艺允许偏差10%以内，所述金属源11、非金属源12和纵向输入单元13的输入控制变量保持不变，若所述信号反馈控制装置判断输出控制变量值与输出控制变量标定值的偏差在工艺允许偏差10%以外，所述金属源11、非金属原12和纵向输入单元13根据模拟信号指令调节输入控制变量，重复步骤S2、步骤S3至吸收膜层厚度及元素梯度分布符合要求；所述信号反馈控制装置α31和信号反馈控制装置β32分别与控制单元4连接，控制单元4设置增益阈值为5，为调整信号转换及反馈装置反馈调节偏差的步幅；设置积分值为0.3，对之前所有周期的误差总和进行偏量修正；设置取样周期为0.3，为控制单元4对信号转换及反馈装置进行偏差调整的周期，通过控制单元4调整信号转换及反馈装置的波动，提高响应速度，并消除稳态误差。
由上可知，本发明提供的工艺控制方法将复杂的多输入、输出节点进行处理，以相对简单的方式进行精确的自动闭环控制，提高了响应度、精确度，通过实现闭环实时监控，提高生产效率，保证产品质量并降低成本。
以上所述的实施方式仅是对本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种薄膜太阳能电池吸收层制备工艺控制方法，其特征在于：
所述工艺控制方法通过输入装置、信号采集装置和信号反馈控制装置实现对太阳能电池吸收层制备工艺的控制，所述工艺控制方法包括以下步骤：
S1，所述输入装置包括金属源（11）和非金属源（12），根据薄膜太阳能电池吸收层膜层厚度及元素梯度分布要求，分别设置各分布层金属源（11）和非金属源（12）的输入控制变量，并设置各分布层输出控制变量标定值；
S2，所述信号采集装置包括纵向光学检测器（21）和横向光学检测器（22），所述纵向光学检测器（21）采集分布层金属源（11）的金属元素和非金属源（12）的非金属元素的光学信号，所述横向光学检测器（22）采集各分布层累积非金属元素和金属元素的光学信号，并将所述光学信号传输至信号反馈控制装置；
S3，所述信号反馈控制装置设置有信号转换及反馈单元和控制单元，所述信号转换及反馈单元将接收到的光学信号通过计算处理转换为输出控制变量，并将输出控制变量传递给控制单元，控制单元判断与输入装置设置的输出控制变量标定值比对，并判断输出控制变量值与输出控制变量标定值的偏差大小，信号转换及反馈单元将判断结果转换为模拟信号指令传输至输入装置；
S4，若步骤S3判断输出控制变量值与输出控制变量标定值的偏差在工艺允许偏差范围内，则输出模拟信号指令保持输入控制变量不变，否则输入装置根据模拟信号指令重置输入控制变量，重复步骤S2、S3至输出控制变量值与输出控制变量标定值的偏差在工艺允许偏差范围内；
所述金属源（11）的输入控制变量定义为各分布层不同金属比例的溅射功率或蒸发速率，所述非金属源（12）的输入控制变量定义为各分布层的阀门开度，纵向输入单元（13）的输入控制变量定义为各分布层开口窗开口度；
所述信号反馈控制装置包括信号反馈控制装置α（31）和信号反馈控制装置β（32），所述信号反馈控制装置α（31）接收纵向光学检测器（21）采集的光学信号，并将光学信号通过计算处理转换为输出控制变量，所述输出控制变量定义为Rp（k）=Wi/Wmj，
其中，
Wi为非金属元素i的光学信号值；
Wmj为金属元素j的光学信号值；
Rp(k)为非金属元素和金属元素的光学信号比值；
所述信号反馈控制装置β（32）接收横向光学检测器（22）采集的光学信号，并将光学信号通过计算处理转换为输出控制变量，所述输出控制变量定义为∆TB=Wt-Wb， ∆CE=Wm-1/2(Wt+Wb)，
其中：
∆TB为纵向输出装置两端非金属元素信号强度偏差；
∆CE为纵向输出装置中部与两端的非金属元素信号强度偏差；
Wt为纵向输出装置顶部的非金属元素光学信号值；
Wb为纵向输出装置底部的非金属元素光学信号值；
Wm为纵向输出装置中部的非金属元素光学信号值；
所述信号反馈控制装置α（31）将纵向光学检测器（21）采集的光学信号值计算转换为实际输出控制变量Rp（k）与标定值进行比对，并将比对结果转换为模拟信号指令反馈给金属源（11）调节溅射功率或蒸发速率，非金属源（12）调节阀门开度，所述信号反馈控制装置β（32）将横向光学检测器（22）采集的光学强度信号值计算转换为实际输出控制变量∆TB和 ∆CE分别与输出控制变量标定值进行比对，并将比对结果转换为模拟信号指令反馈给纵向输入单元（13），调节控制开口窗开口度的均匀性。
2.根据权利要求1所述的一种薄膜太阳能电池吸收层制备工艺控制方法，其特征在于：
所述金属源（11）包括金属溅射源和金属蒸发源，所述非金属源（12）包括非金属蒸发源。
3.根据权利要求1所述的一种薄膜太阳能电池吸收层制备工艺控制方法，其特征在于：
所述非金属源（12）设置有纵向输入单元（13），所述横向光学检测器（22）采集纵向输入单元（13）的非金属元素的光学信号。
4.根据权利要求1或权利要求3所述的一种薄膜太阳能电池吸收层制备工艺控制方法，其特征在于
所述横向光学检测器（22）设置3个检测探头，分别对应监测纵向输入单元（13）的上部、中部和下部。
5.根据权利要求1所述的一种薄膜太阳能电池吸收层制备工艺控制方法，其特征在于：
所述信号反馈控制装置α（31）和信号反馈控制装置β（32）设置有控制单元（4），所述控制单元（4）控制信号反馈控制装置α（31）和信号反馈控制装置β（32）在反馈调节过程中产生的信号传输偏差。
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