Способ и устройство для модификации наружных поверхностей плоских субстратов
Изобретение относится к области односторонней мокрохимической модификации наружных поверхностей субстратов. Нанесение покрытия на плоский субстрат (2) выполняют с применением находящейся в емкости (3) для обработки жидкости (F). Химические компоненты осаждаются на поверхность субстрата с образованием стойкого слоя посредством соответствующего управления температурой. Нагрев предназначенной для нанесения покрытия нижней стороны субстрата, необходимый для образования желаемого слоя, осуществляется с помощью по меньшей мере одного подходящего нагревательного средства (11). Нагревательное средство нагревает субстрат (2) с его верхней стороны до необходимой температуры. Верхняя сторона не предназначена для нанесения покрытия. Во время обработки верхнюю сторону субстрата не смачивают нагревающей жидкостью и не осуществляют удерживания субстрата (2) сверху или его защиты. Техническим результатом изобретения является гомогенность и непрерывность нанесения покрытия на плоских субстратах. 11 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение касается односторонней мокрохимической модификации наружных поверхностей субстратов вообще, а точнее, нанесения одностороннего мокрохимического покрытия на плоские субстраты. В частности, настоящее изобретение касается способа, а также устройства для нанесения покрытия на субстраты в рамках производства тонкопленочных элементов или модулей для солнечных батарей из стекла, металла или полимерного материала металлическими соединениями, такими как, например, сульфид кадмия или сульфид цинка.
Для нанесения покрытия на плоские поверхности из уровня техники известно множество самых разных способов и устройств, выбор которых, прежде всего, зависит от вида и толщины желаемого покрытия, а также от свойств, или, соответственно, структуры предназначенного для нанесения покрытия субстрата. Например, различают осаждение токопроводящих или обесточенных слоев, а также осаждение из газообразной или жидкой фазы, и высоко- и низкотемпературные способы. В частности, при производстве элементов для солнечных батарей происходит сначала многократное нанесение покрытия на структуры носителей или соответственно субстратов, таких как, например, стеклянные панели, чтобы придать элементам необходимую прочность, а также желаемые свойства. В особенно многообещающем способе используют так называемые слои CIS, которые отличаются высокой абсорбцией света. Для этого обычно на субстрат с одной стороны сначала наносят задний контакт, чаще всего из молибдена (Mo), с толщиной слоя от 0,5 до 1 мкм, а затем слой толщиной 1-2 мкм из медно-индиевого сульфида, медно-индиевого диселенида, медно-галлиевого сульфида или медно-галлиевого диcеленида (обозначаемого общим обозначением CI(G)S(Se)), перед тем как эту соответствующим образом модифицированную сторону субстрата во время заключительного шага покрывают так называемым сульфидным буферным слоем. В качестве исходных материалов при этом обычно используют соединения, содержащие кадмий или цинк и соли, такие как, например, сульфат или, соответственно, ацетат кадмия или цинка, а также тиомочевина (THS, CH4N2S) и аммиак (NH4OH), которые сначала хранят отдельно и только незадолго перед нанесением покрытия смешивают друг с другом с желаемой пропорцией. Образующийся при нанесении покрытия тонкий слой CdS, или, соответственно, ZnS, который в общем случае имеет толщину от 30 до 90 нм, и, в частности, от 30 до 60 нм, по своей структуре, толщине и химическому составу для достижения оптимального коэффициента полезного действия должен быть как можно более гомогенным и прочно держаться на предварительно нанесенном слое CI(G)S(Se). Предназначенные для нанесения покрытия субстраты имеют при этом характерные размеры 1200 мм в длину и 600 мм в ширину, а также 3 мм в толщину, в то время как толщина самой совокупности покрытий лежит только в диапазоне от нанометрового до микрометрового. В будущем, однако, для оптимизации затрат желательны поверхности субстратов еще большей площади.
Известно, что эффективное осаждение CdS или ZnS на наружной поверхности субстрата может происходить только в определенном диапазоне температур, который находится примерно между комнатной температурой, или, соответственно, 30°, и примерно 95°. Поэтому при использовании мокрохимических способов нанесения покрытия с применением емкости для обработки необходимо следить за тем, чтобы управление температурой, находящейся в ванне, жидкости как в целом, так и в области контакта с предназначенной для обработки поверхностью происходило аккуратно, чтобы достигалась необходимая для выделения желаемого осадка минимальная температура примерно от 20 до 30°, однако температура раствора жидкости не поднималась настолько, чтобы это могло привести к описанным в уровне техники нежелательным реакциям (например, образованию коллоидов), которые ставят под угрозу результат нанесения покрытия и влекут за собой повышенный расход жидкости, а также, соответственно, необходимость последующих обрабатывающих шагов, таких как, например, для очистки. Чтобы противостоять этой проблематике, в уровне техники, например, разработаны альтернативы, при которых предназначенная для нанесения покрытия сторона субстрата не переносится больше в ванну для нанесения покрытия, а смачивается жидкостью вручную или автоматически. Для создания как можно более равномерной, поддерживающей реакцию температуры субстрат, например, не предназначенной для нанесения покрытия стороной переносится в темперированную соответствующим образом водяную ванну и кладется на ее наружную поверхность. После того, как субстрат достаточно нагрелся до своей предназначенной для обработки верхней стороны, сверху на наружную поверхность субстрата наносят содержащий химические компоненты жидкий химический состав, благодаря чему индуцируется образование желаемого слоя.
Поэтому из уровня техники известны, прежде всего, такие установки, у которых жидкий химический состав, обеспечивающий желаемое покрытие субстратов, наносят на структуры носителей с одной стороны сверху.
Такого рода установки имеют, однако, ряд недостатков. Так, например, часто является нежелательным, чтобы наряду с верхней стороной обрабатывающей жидкостью смачивались также кромки субстрата. Для этого необходимы соответственно требующие высоких затрат или, соответственно, прецизионные техники нанесения, чтобы избежать бокового стекания обрабатывающей жидкости. Для этой цели используют чаще всего окружные кольцевые уплотнения, которые также должны гарантировать, что обрабатывающая жидкость не попадет в водяную ванну, что приводит к загрязнению водяной ванны. Далее, верхняя сторона с нанесенной жидкостью должна быть ограждена от окружающей среды, чтобы исключить загрязнение субстрата, а также опасность для пользователя. Также должно быть в любое время гарантировано точное дозирование обрабатывающей жидкости с возможностью воспроизведения, так как в ином случае может получиться разная толщина слоя и/или выраженные в различной степени и поэтому негомогенные слои, что может негативным образом повлиять на функциональные свойства, такие как, например, коэффициент полезного действия изделия, полученного позднее этим способом. Возможные избыточные количества обрабатывающей жидкости должны отводиться и очищаться, или удаляться. К тому же при использовании водяной ванны для нагрева повышение температуры происходит только относительно медленно, так как температура воды из-за возрастающего образования пузырей и пара должна быть ощутимо ниже 100°C, и таким образом количество подводимого тепла ограничено. Кроме того, смоченная водой из водяной ванны сторона субстрата после обработки снова должна быть высушена, что требует дополнительной стадии обработки несет в себе риск обусловленного сушкой отложения нежелательных веществ. Наконец, такие установки осуществляют производство так называемым «батч» - способом, то есть периодическим пакетным способом, что ограничивает пропускную способность и, в частности, нежелательно при производстве высоких и максимальных объемов партий изделий. Результатом этой периодической обработки является, в частности, также большая трудоемкость механических операций и манипулирования жидкостью, которая ведет к соответственно высоким затратам и увеличению продолжительности обработки.
Поэтому задача настоящего изобретения заключается в разработке способа и устройства для односторонней мокрохимической модификации наружных поверхностей, такой как, в частности, нанесение покрытия на плоские субстраты, с помощью которых преодолеваются проблемы уровня техники. В соответствии с изобретением способ, а также устройство должны гарантировать максимальную гомогенность и иметь возможность использоваться непрерывно, т.е. в рамках процесса «инлайн», на плоских субстратах, без смачивания не предназначенной для обработки стороны нагревающей жидкостью во время обработки. Кроме того, способ должен делать возможной одностороннюю модификацию наружных поверхностей или нанесение покрытия, без удерживания субстрата, например, вакуумным держателем, сверху или без его защиты перед смачиванием обрабатывающей жидкостью.
Для решения этой задачи предлагается способ по главному пункту 1, а также устройство по пункту 12. Предпочтительные формы осуществления являются объектами соответствующих зависимых пунктов, последующего описания, а также фигур.
Изобретение касается способа односторонней мокрохимической модификации наружных поверхностей субстратов, такой как, например, одностороннее мокрохимическое нанесение покрытия на практически плоский субстрат, такой как, например, стеклянная, металлическая и/или пластмассовая панель или, соответственно, пленка, с применением находящейся в емкости для обработки жидкости, химические компоненты которой при соответствующем управлении температурой могут осаждаться на поверхности субстрата с образованием стойкого слоя. Нагрев предназначенной для нанесения покрытия нижней стороны субстрата, необходимый для образования желаемого слоя, осуществляют в соответствии с изобретением не с помощью обрабатывающей жидкости, а с помощью по меньшей мере одного надлежащего средства, которое находится, предпочтительным образом, вне жидкости или емкости для обработки и которое в состоянии нагреть субстрат до необходимой температуры. В соответствии с изобретением предусмотрено, что не предназначенная для обработки верхняя сторона во время обработки не смачивается нагревающей жидкостью, поэтому она не контактирует ни с обрабатывающей жидкостью, ни с другой нагревающей жидкостью для передачи тепла. Так как в соответствии с изобретением, предпочтительным образом, не происходит никакого смачивания не предназначенной для обработки стороны, отпадает также связанная с этим необходимость последующего удаления жидкости или, соответственно, сушки не предназначенной для обработки стороны субстрата. Далее, в соответствии с изобретением предусмотрено, что во время обработки не происходит ни удерживание сверху, ни защита субстрата, так что субстрат лежит по меньшей мере только на соответствующей подложке устройства по изобретению, и можно обойтись без использования держателя, такого как, например, вакуумный зажимной патрон.
При желании в соответствии с изобретением модификация или нанесение покрытия на нижнюю сторону может происходить, включая окружную кромку.
Особенно предпочтительным образом способ по изобретению может использоваться в рамках производства тонкопленочных элементов или модулей для солнечных батарей из стекла, металла и/или полимерного материала, причем, предпочтительным образом, водная обрабатывающая жидкость включает сульфат или, соответственно, ацетат кадмия или цинка, а также сернистый источник, такой как, например, тиомочевина (THS, CH4N2S) и источник азота, такой как, например, аммиак (NH4OH). Наиболее предпочтительным образом используют обрабатывающую жидкость, в которой концентрации участников реакции составляют примерно 0,1 моль/л сульфата кадмия или, соответственно, цинка, макс. 1 моль/л THS и примерно 16 моль/л аммиака. Такого рода обрабатывающие жидкости известны в уровне техники и могут быть легко приготовлены специалистом.
Однако способ не ограничивается ни этими обрабатывающими жидкостями, ни этим применением. Наряду с нанесением покрытия на твердый панельный материал, способ по изобретению может также использоваться для нанесения покрытия на гибкий рулонный или, соответственно, пленочный материал, такой как, например, полимидные пленки или полосы из нержавеющей стали. В качестве материалов, наряду с вышеназванными, рассматриваются также их многослойные комбинации друг с другом и с другими традиционными в фотовольтаике элементарными или сложными полупроводниками. Например, способ по изобретению может также использоваться при изготовлении органических светодиодов (OLED).
Специалисту ясно, что настоящее изобретение пригодно для нанесения как обесточенного, так для токопроводящего покрытия на плоские субстраты указанного рода, даже если обесточенное покрытие в настоящем случае является предпочтительным.
Чтобы добиться нанесения покрытия с возможно более высоким и постоянным качеством, химический состав и/или температура обрабатывающей жидкости по одной из предпочтительных форм осуществления способа непрерывно контролируется и при необходимости корректируется.
Для контроля химического состава обрабатывающей жидкости используют, в зависимости от применения, соответствующие надлежащие средства, такие как, например, сенсоры, которые особенно предпочтительным образом соединены с устройством регулирования. Это устройство регулирования управляет соответственно подачей участников реакции в обрабатывающей жидкости. Альтернативно или дополнительно из жидкости, предпочтительным образом в определенные моменты времени периода обработки или также между последовательной обработкой нескольких субстратов, могут забираться пробы для определения соответствующих пропорций смеси и/или концентраций участников реакции, так что на основании результатов можно осуществлять корректировку.
Для контроля желаемого диапазона температур обрабатывающей жидкости, как, в частности, для поддержания предусмотренной целью применения максимальной температуры, могут также использоваться соответствующие надлежащие средства, такие как, например, сенсоры, которые, в свою очередь, особенно предпочтительным образом соединены с другим устройством регулирования, с помощью которого можно управлять, например, клапанами сборной емкости с охлажденной обрабатывающей жидкостью.
По другой предпочтительной форме осуществления субстрат лежит на соответствующем транспортировочном средстве и своей предназначенной для нанесения покрытия нижней стороной во время обработки непрерывно транспортируется по жидкости или сквозь нее. Транспортировка осуществляется при этом особенно предпочтительным образом так, что с обрабатывающей жидкостью контактирует исключительно нижняя сторона субстрата. По этой форме осуществления способ может использоваться в рамках непрерывного производства «инлайн» для обработки более крупных объемов партий изделий при сравнительно малом времени цикла.
По другой предпочтительной форме осуществления способа для субстрата используют несколько нагревательных средств, управление теплоотдачей которых субстрату или мощностью которых может происходить взаимонезависимо. Это управление может происходить путем простого включения и выключения соответствующих средств, путем регулировки величины воздействующего на субстрат количества тепла или мощности, и/или путем размещения соответствующих заслонок или, соответственно, фильтров на траектории лучей.
В случае статической обработки без транспортировочного средства или при остановленном транспортировочном средстве нижнюю сторону субстрата в ходе нанесения на нее покрытия предпочтительным образом равномерно нагревают до различных температур, благодаря чему может быть достигнут особенно хороший результат нанесения покрытия. В соответствии с изобретением удалось показать, что покрытие, нанесенное на субстрат, на нижнюю сторону которого во время обработки действуют различные температуры, соответствует даже самым высоким требованиям к качеству, и притом, в частности, тогда, когда в начале обработки на нижнюю сторону субстрата действуют более низкие температуры, а при дальнейшем ходе обработки - более высокие температуры. Таким образом, в результате получают более тонкое и равномерное осаждение на предназначенной для нанесения покрытия поверхности субстрата, чем при температуре реакции, остающейся постоянной. В случае обработки с непрерывной транспортировкой субстрата управление нагревательными средствами происходит предпочтительным образом взаимонезависимо, таким образом, что предназначенная для нанесения покрытия нижняя сторона субстрата во время ее транспортировки по жидкости или сквозь нее нагревается различным образом, и поэтому в направлении транспортировки проходит или испытывает изменение температур по заданному графику. Так, соответствующая мощность нагревательных средств может быть также отрегулирована так, что они, если смотреть в направлении транспортировки емкости для обработки, соответственно в различных ее местах отдают субстрату или индуцируют в нем количества тепла различной интенсивности, так что, например, в начале ванны подводится низкая, а в средней области ванны полная тепловая мощность. Таким образом, описанный выше эффект от воздействия различных температур на нижнюю сторону субстрата может быть также обеспечен при непрерывном режиме процесса. В противоположность устройствам из уровня техники, у которых прохождение графика температур при нагреве, если вообще и можно обеспечить, то только в очень ограниченной степени, и притом с соответственно долгим временем реакции, в соответствии с изобретением происходит быстрая и хорошо управляемая на месте теплоотдача субстрату или, соответственно, тепловая индукция в нем.
Особенно предпочтительным образом управление нагревательными средствами происходит так, что упомянутый выше график температур в случае непрерывной транспортировки субстрата остается практически постоянным в расположенной перпендикулярно к направлению транспортировки плоскости сечения субстрата по всей ее ширине, и, в частности, в области его предназначенной для нанесения покрытия нижней стороны. Предпочтительным образом, отклонение температуры в области нижней стороны субстрата должно составлять ±1% или меньше.
Вместо непосредственного управления нагревательными средствами возможно излучение ими в любое время неизменного количества тепла, которое, однако, с помощью других средств, таких как заслонки или фильтры, может быть ослаблено и/или сконцентрировано с помощью зеркал или линз так, что на предназначенной для нанесения покрытия наружной поверхности субстрата получится желаемое распределение тепла.
По другой форме осуществления по меньшей мере одно нагревательное средство для субстрата выбирают из группы, состоящей из тепловых излучателей, теплоносителей, тепловых индукторов и их комбинаций. В то время как тепловые излучатели не имеют непосредственного контакта с субстратом, и тепло передается субстрату исключительно через излучение, предпочтительным образом, в длинноволновом инфракрасном диапазоне, теплоносители, к которым, наряду с твердыми телами, относятся также газы, такие как, например, горячий воздух, находятся в непосредственном физическом контакте с не предназначенной для обработки верхней стороной, где они отдают субстрату тепло в процессе теплопередачи. Наконец, тепловые индукторы отдают не само тепло, а передают, например, излучением, количество энергии, которое затем трансформируется в субстрате или на его наружной поверхности в тепловую энергию, для чего субстрат должен содержать соответствующие поглотители. Поэтому хотя эти тепловые индукторы не отдают тепло как таковое, они полностью попадают в группу нагревательных средств согласно изобретению, так как они также вызывают желаемый нагрев предназначенной для модификации или нанесения покрытия стороны субстрата. Поэтому настоящие общие и предпочтительные рассуждения о количестве, расположении и управлении по меньшей мере одним нагревательным средством обязательно относятся также к тепловым индукторам. В соответствии с изобретением предпочтительными являются тепловые излучатели и тепловые индукторы, а также их комбинации, потому что только эти средства позволяют обеспечить избирательный нагрев нижней стороны субстрата через тело субстрата, а именно, в частности, тогда, когда излучение улавливается соответствующим поглотителем, который находится на предназначенной для обработки нижней стороне субстрата, а через остальное тело субстрата проходит практически беспрепятственно.
Применительно к тепловым излучателям это имеет место, например, у покрытых с одной стороны металлом стеклянных субстратов, которые используются при производстве элементов солнечных батарей. Если такого рода элементы или модули включают в случае по меньшей мере частично прозрачного субстрата также отражающий и/или поглощающий, например, металлический слой, который расположен между субстратом и создаваемым сульфидным слоем, таким как, например, слой CdS или ZnS, то поглощение теплового излучения, которое поступает с не предназначенной для обработки стороны и проходит чрез тело субстрата по меньшей мере частично осуществляется самим отражающим и/или поглощающим слоем. При этом этот слой нагревается, благодаря чему тепло предоставляется в распоряжение прямо там, то есть непосредственно на предназначенной для обработки нижней стороне субстрата. Одновременно этот слой предотвращает проникновение теплового излучения в обрабатывающую жидкость, что в соответствии с изобретением является особенно желательным, так как иначе индуцированный теплом процесс реакции внутри жидкости также мог бы произойти в другом месте, а не непосредственно на наружной поверхности субстрата. В случае не прозрачного для теплового излучения материала субстрата использование местного поглощения невозможно; здесь субстрат необходимо нагревать целиком.
Поэтому, предпочтительным образом, по меньшей мере один тепловой излучатель выбирают из группы, состоящий из длинноволновых инфракрасных излучателей, инфракрасных лазеров и микроволновых приборов.
По меньшей мере один теплоноситель выбирают, предпочтительным образом, из группы, состоящей из нагреваемых панелей, вальцов, роликов, полос, матов и пленок.
Как уже рассматривалось выше, необходимое для осаждения тепло в соответствии с изобретением может также вырабатываться, или обеспечиваться посредством индукции, такой как, например, электромагнитная индукция. Под электромагнитной индукцией понимают возникновение электрического напряжения вдоль петли провода вследствие изменения магнитного потока, например, при наведении, предпочтительным образом, низкочастотного поля переменного тока. Это изменение потока может быть вызвано изменением положения или формы петли провода в магнитном поле, и/или изменением силы или направления магнитного поля. Благодаря индуцированному напряжению возникает ток, который приводит к желательному нагреву петли провода (индуктивный нагрев вихревым током). Кольцо провода, содержащееся в соответствии с изобретением в предназначенном для модификации субстрате, может состоять из одной или нескольких частей и иметь любую форму, а также быть составной частью или наслоенным на субстрате компонентом. Так, тепловые индукторы могут применяться в соответствии с изобретением для модификации или нанесения покрытия на чисто металлические субстраты, а также на субстраты с нанесенными электропроводящими материалами как на всей поверхности, так и на части поверхности, как, в частности, в виде полос или точек.
Тепловые индукторы обладают аналогичными преимуществами, как и тепловые излучатели, причем при наличии металлического субстрата (например, металлической пластины или пленки) происходит объемный нагрев, в противоположность чему при наличии одного только металлического слоя на остальном неэлектропроводящем субстрате нагревается исключительно этот металлический слой. В частности, во втором случае не происходит ни нагрев остальной части материала субстрата, ни обрабатывающей жидкости, если не считать первичного нагрева при контакте металлического слоя с остальным субстратом и обрабатывающей жидкостью. Однако последний очень незначителен из-за очень эффективной выработки тепла. Выработка тепла посредством индукции имеет, крое того, ряд дополнительных преимуществ. Так, возможно очень точное дозирование подводимого количества тепла, тепло подводится особенно быстро и с высоким коэффициентом полезного действия, возможен также нагрев находящихся в глубине слоев, поскольку окружающий материал прозрачен для индукционного излучения.
По меньшей мере один тепловой индуктор выбирают, предпочтительным образом, из группы, состоящей из электромагнитных индукционных катушек и электромагнитных индукторов.
В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение относится к устройству для осуществления способа по изобретению.
Устройство по изобретению для односторонней мокрохимической модификации наружных поверхностей, такой как, в частности, нанесение одностороннего мокрохимического покрытия на практически плоские субстраты, включает по меньшей мере одну емкость для обработки, в которую помещается обрабатывающая жидкость по меньшей мере одно надлежащее средство для нагрева предназначенной для нанесения покрытия нижней стороны субстрата до температуры, необходимой для образования желаемого слоя, а также по меньшей мере одно средство для укладывания и установки в нужное положение субстрата предназначенной для обработки стороной вниз, причем устройство не включает средств, с помощью которых возможно удерживание субстрата сверху или его защита. По меньшей мере одно нагревательное средство выбирают, предпочтительным образом, из группы, состоящей из тепловых излучателей, теплоносителей, тепловых индукторов и их комбинаций, причем по меньшей мере один тепловой излучатель особенно предпочтительным образом выбирают из группы, состоящей из длинноволновых инфракрасных излучателей, инфракрасных лазеров и микроволновых приборов, в то время как по меньшей мере один теплоноситель особенно предпочтительным образом выбирают из группы, состоящей из нагреваемых панелей, вальцов, роликов, полос, матов и пленок, и по меньшей мере один тепловой индуктор, предпочтительным образом, выбирается из группы, состоящей из электромагнитных индукционных катушек и электромагнитных индукторов. Предпочтительным образом, устройство по изобретению включает по меньшей мере один тепловой излучатель или тепловой индуктор, но причем в соответствии с изобретением может также включать по меньшей мере один теплоноситель. Разумеется, возможны также комбинации указанных нагревательных средств.
По меньшей мере одно нагревательное средство может при этом располагаться как вне, так и внутри емкости для обработки или обрабатывающей жидкости. Однако в целях защиты нагревательного средства предпочтительным является расположение вне емкости для обработки или обрабатывающей жидкости. С другой стороны, предпочтительным может быть расположение нагревательного средства внутри емкости для обработки или обрабатывающей жидкости, чтобы, например, по возможности сократить путь между нагревательным средством и предназначенной для нанесения покрытия нижней стороной субстрата, или потому что исключительный нагрев предназначенной для нанесения покрытия нижней стороны субстрата невозможен, так как остальной материал субстрата непрозрачен для теплового или, соответственно, инфракрасного излучения. Здесь использование индукторов является особенно предпочтительным, так как обрабатывающая жидкость, в которую они, по желанию, могут быть также погружены, не является индуктивно нагреваемой, так что температура обрабатывающей жидкости, несмотря на расположение нагревательного средства внутри нее, не изменяется, или изменяется только незначительно. Поэтому в соответствии с изобретением при расположении по меньшей мере одного нагревательного средства внутри емкости для обработки или обрабатывающей жидкости необходимо обеспечить применение только таких средств, как, в частности, тепловые индукторы, при активации которых нагрев обрабатывающей жидкости сверх определенной меры практически не происходит, или практически не индуцируется или, соответственно, не индуцируются описанные в уровне техники нежелательные реакции (например, образование коллоидов).
По одной из предпочтительных форм емкость для обработки выполнена таким образом, что область наружной поверхности обрабатывающей жидкости, контактирующая с субстратом, по своей величине приблизительно соответствует области предназначенного для нанесения покрытия субстрата, так что возможно одновременное нанесение покрытия на всю поверхность субстрата. Размер емкости может по меньшей мере ненамного превосходить ширину субстрата, если субстрат должен покрываться полностью (по всей поверхности) до края. Альтернативно емкость может быть по меньшей мере ненамного, предпочтительным образом, приблизительно на 0,8 см меньше ширины субстрата, если субстрат не должен подвергаться обработке в краевой зоне соответствующей ширины.
По одной из предпочтительных форм осуществления изобретения устройство включает также по меньшей мере одно впускное отверстие, через которое обрабатывающая жидкость, предпочтительным образом, непрерывно втекает в емкость для обработки, а также по меньшей мере одну переливную кромку, через которую обрабатывающая жидкость отводится из емкости и, предпочтительным образом, может направляться в сборную емкость. В зависимости от высоты гребня переливной кромки, получается различное количество стекающей из емкости обрабатывающей жидкости. Для транспортировки жидкости может применяться, предпочтительным образом, циркуляционный насос. Глубина ванны емкости для обработки может составлять, предпочтительным образом, от 1 мм до 40 мм, и особенно предпочтительным образом может быть регулируемой. Кроме того, глубина ванны в направлении транспортировки может быть выполнена с клинообразным подъемом и/или спуском. Благодаря этому в емкости для обработки могут создаваться различные и обладающие преимуществами, в зависимости от цели применения, условия потока. Кроме того, они могут регулироваться путем повышения или уменьшения производительности наноса, так что можно противодействовать нежелательному изменению химического состава жидкости непосредственно в области наружной поверхности субстрата. В сборную емкость, в которой или над которой, предпочтительным образом, находится емкость для обработки, собирается избыточная обрабатывающая жидкость, и особенно предпочтительным образом передается в соответствующий циркуляционный контур, так что достигается по возможности малый расход обрабатывающей жидкости.
По одной из предпочтительных форм осуществления устройство включает также сенсоры, которые регистрируют химический состав и/или температуру обрабатывающей жидкости и при необходимости могут передавать данные подключенному устройству регулирования, причем это устройство предпочтительным образом включено в устройство или функционально подчинено ему. Это устройство регулирования сравнивает соответственно измеренное фактическое значение с заложенным номинальным значением (значениями) и при необходимости регулирует химический состав или, соответственно, температуру обрабатывающей жидкости, например, управляя клапанами сборной емкости с охлажденной обрабатывающей жидкостью. По одной из предпочтительных форм осуществления устройство по изобретению включает также по меньшей мере одно средство для перемешивания обрабатывающей жидкости, которое выбрано из группы, включающей тормозящий поток, конвекцию, ультразвук и/или сопла. Для гомогенного результата особенно важно, чтобы химический состав и концентрация обрабатывающей жидкости в емкости для обработки в каждом месте наружной поверхности субстрата были по возможности одинаковы. Для этого указанная втекающая в емкость для обработки обрабатывающая жидкость должна хорошо перемешиваться, что предпочтительным образом происходит с использованием соответствующих средств. Это предпринимаемое в необходимом случае выравнивание концентрации в ванне может осуществляться, например, путем температурной конвекции, а также предпочтительным образом, например, с помощью ультразвуковых передатчиков и/или сопел, которые в надлежащем устройстве по изобретению особенно предпочтительным образом имеются в большом количестве и обеспечивают равномерное распределение втекающей жидкости.
По одной из предпочтительных форм устройства по изобретению по меньшей мере одно средство для укладки субстрата выполнено в виде по меньшей мере одного средства для транспортировки субстрата во время обработки. Как уже упоминалось для случая без транспортировки субстрата во время обработки, это или, соответственно, эти средства выполнены так, что они располагают субстрат предназначенной для обработки стороной вниз, т.е. субстрат лежит на транспортировочном средстве и может транспортироваться по обрабатывающей жидкости или сквозь нее. Соответствующая какая-либо защита не предназначенной для обработки стороны субстрата при этом не предусмотрена или не является необходимой. Желательно, чтобы установка субстрата в нужном положении происходила при этом на такой высоте над обрабатывающей жидкостью, чтобы предотвращалось по меньшей мере значительное смачивание кромок субстрата.
Особенно предпочтительным образом по меньшей мере одно надлежащее транспортное средство по изобретению может быть выбрано из группы, состоящей из транспортировочных роликов, транспортировочных лент и транспортировочных ремней, причем это средство, предпочтительным образом, может обеспечивать скорость транспортировки субстрата примерно от 10 см/мин до 3,0 м/мин, и особенно предпочтительным образом от 1,2 до 1,5 м/мин. Благодаря естественному тормозящему обтеканию предназначенной для нанесения покрытия наружной поверхности может обеспечиваться или по меньшей мере поддерживаться перемешивание жидкости, находящейся в ванне, без дополнительных вспомогательных средств. В случае выступания субстрата с двух сторон за край емкости этот край субстрата может предпочтительным образом служить для транспортировочного средства поверхностью для укладки. По одной из особенно предпочтительных форм осуществления транспортировочного средства в форме транспортировочной ленты она может также служить средством для уплотнения, предотвращающим нежелательное смачивание окружной кромки и/или верхней стороны субстрата. Кроме того, благодаря этому можно избежать бокового переливания обрабатывающей жидкости в сборную емкость. Путем предпочтительной адаптации по изобретению высоты гребня переливной кромки к изменяющимся скоростям транспортировки возможно регулирование расхода обрабатывающей жидкости.
В случае намеренной непрерывной транспортировки субстрата во время обработки емкость для обработки, предпочтительным образом, выполняется так, что ее ширина, то есть ее горизонтальное протяжение перпендикулярно направлению транспортировки, приблизительно соответствовала ширине предназначенного для нанесения покрытия субстрата, так чтобы покрытие могло наноситься на субстрат одновременно по всей его поверхности. Если желательно оставить необработанную краевую зону, то имеют силу соответствующие предыдущие пояснения для случая обработки без транспортировки.
По одной из предпочтительных форм осуществления устройство по изобретению включает также несколько взаимонезависимо управляемых нагревательных средств для субстрата, а также устройство управления для отдельной настройки этих средств. Соответственно этому отдельная настройка позволяет создавать зоны с различной отдачей субстрату тепла или мощности, в то время как он нагревается нагревательными средствами. Эти зоны субстрат проходит во время транспортировки, так что каждое место на нижней стороне субстрата в соответствии с изобретением проходит или испытывает изменение температур по заданному графику. При этом, однако, необходимо гарантировать, чтобы температурный график был достаточно постоянным в расположенной перпендикулярно к направлению транспортировки плоскости сечения субстрата, в частности, на его нижней стороне, предназначенной для нанесения покрытия.
По одной из предпочтительных форм осуществления необходимый нагрев субстрата в отдельных областях происходит только тогда, когда он находится над наружной поверхностью обрабатывающей жидкости. Для этого может быть предусмотрено, предпочтительным образом по меньшей мере одно средство для определения положения субстрата, которое служит для целенаправленной настройки нагревательного средства, причем настройке подлежат только те нагревательные средства, под или над которыми субстрат находится в данный момент. Таким образом можно добиться того, чтобы не происходило нежелательного нагрева непокрытой ванны. Средства для определения положения субстрата, предпочтительным образом, выбираются из группы, состоящей из механических сенсоров, оптических сенсоров и сенсоров, которые соединены с транспортировочным устройством. Последние, не проводя конкретного измерения, сообщают об ожидаемом положении субстрата управлению, которое затем, со своей стороны, осуществляет соответствующее включение нагревательного средства.
По одной из предпочтительных форм осуществления, устройство по изобретению включает также средство для охлаждения обрабатывающей жидкости. Чтобы противодействовать описанным выше нежелательным эффектам нагрева обрабатывающей жидкости при теплоотдаче наружной поверхности субстрата, можно активно или пассивно охлаждать обрабатывающую жидкость по одной из предпочтительной форм осуществления. В качестве пассивного охлаждения могут быть, например, предусмотрены выполненные с возможностью обтекания обрабатывающей жидкостью ребра охлаждения. Впрочем, их коэффициент полезного действия зависит от температуры окружающей среды и поэтому, в частности, ограничен при небольших разностях температур. Поэтому предпочтительными являются активные системы охлаждения, у которых посредством теплообменников, которые, например, приводятся в действие электричеством, из обрабатывающей жидкости могут отводиться большие количества тепла. Особенно предпочтительным образом эти теплообменники могут быть расположены в контуре циркуляции жидкости так, что вытекающая из емкости для обработки жидкость проходит через теплообменник, прежде чем возвратиться в емкость. Наиболее предпочтительным образом эта возвращенная, уже охлажденная жидкость попадает сначала в смесительный бак, в котором при необходимости происходит восстановление желаемого химического состава, так что в емкость для обработки поступает хорошо темперированная и свежая обрабатывающая жидкость.
Чтобы добиться особенно равномерного действия нагревательного средства на субстрат, устройство по изобретению по другой предпочтительной форме осуществления может включать также устройство предварительного нагрева, которое нагревает субстрат непосредственно перед процессом нанесения покрытия до заданной температуры. Благодаря этому, например, в достаточной степени возможна компенсация влияния различных температур окружающей среды. При этом особенно предпочтительной является такая настройка температуры предварительного нагрева, которая соответствует упомянутой выше оптимальной стартовой температуре процесса нанесения покрытия.
Кроме того, устройство по изобретению может включать устройство предварительной очистки, которое непосредственно перед процессом нанесения покрытия и соответственно перед стадией предварительного нагрева осуществляет стадию очистки, например для очистки фильтра, если это необходимо.
После нанесения покрытия с помощью опционально включенного в приспособление устройства отделения жидкости с наружной поверхности субстрата может при необходимости удаляться имеющаяся избыточная обрабатывающая жидкость, что, например, может происходить посредством воздушного потока.
Кроме того, устройство может включать устройство для промывки и/или сушки, при этом к описанным выше стадиям способа добавляется еще один процесс помывки и/или сушки субстрата.
Наконец, устройство по изобретению может также включать одно или несколько кантовательных устройств для проведения стадий переворота, если сначала субстрат подводится к наносимому покрытию предназначенной для покрытия стороной вверх, и/или после нанесения покрытия должен быть переведен в это положение. Использующееся для этого устройство должно обеспечивать возможность быстрого, надежного и не приводящего к повреждениям переворота субстрата.
Способ и устройство по изобретению были пояснены на примере одностороннего мокрохимического нанесения покрытия на плоские субстраты. Однако, ясно, что как способ по изобретению, так и устройство по изобретению могут использоваться для односторонней мокрохимической модификации наружных поверхностей плоских субстратов вообще, без изменения существенных отличительных особенностей изобретения.
На чертеже схематически представлены основные отличительные особенности устройства 1 по изобретению для односторонней мокрохимической модификации наружных поверхностей, такой как, в частности, нанесение покрытия на плоские субстраты.
Также показан плоский субстрат 2, который частично находится над емкостью 3 для обработки. Емкость 3 для обработки наполнена обрабатывающей жидкостью F. Кроме того, емкость 3 для обработки расположена в емкости 4 для охлаждения. Емкость 4 для охлаждения наполнена охлаждающей жидкостью K, которая служит для того, чтобы температура в емкости 3 для обработки соответствовала номинальной температуре, при этом она забирает и отводит тепло из емкости 3 для обработки. Соответствующими изображенными на чертеже посредством тонких линий трубопроводами 5 емкость 3 для обработки соединена со смесительным баком 6. Этот смесительный бак питается от нескольких резервуаров 7, в которых находятся компоненты обрабатывающей жидкости F. Желаемая температура охлаждения охлаждающей жидкости K поддерживается с помощью охлаждающего средства 8, с которым она соединена гидравлически. Также гидравлически соединены охлаждающее средство 8 и смесительный бак 6, так что возможно темперирование находящейся в смесительном баке 6 свежей обрабатывающей жидкости F. Избыточная или отработанная обрабатывающая жидкость F может стекать из емкости 3 для обработки через слив 9.
Высота уровня обрабатывающей жидкости может настраиваться с помощью гребня, который расположен на впускном отверстии (10A) и на выполненном в виде переливной кромки (10B) выпускном отверстии емкости 3 для обработки.
Над емкостью 3 для обработки и вместе с тем над субстратом 2 расположены нагревательные средства 11. Необходимые для их эксплуатации электрические кабели и т.д. для наглядности не представлены, как и, предпочтительным образом, имеющиеся устройства управления или регулировки и пр., а также насосы, необходимые для нагнетания обрабатывающей жидкости F или охлаждающей жидкости K.
При движении субстрата 2 вперед в направлении транспортировки 12 он нагревается с не предназначенной для нанесения покрытия стороны. При этом получается, в зависимости от длительности воздействия и величины мощности поглощенного излучения, график температур 13, который показан штриховой линией. Предпочтительным образом график температур при этом постоянен по всей ширине субстрата 2, причем ширина субстрата проходит перпендикулярно к плоскости чертежа.
Для лучшего перемешивания обрабатывающей жидкости F во время прохождения субстрата 2, а также для отвода возможных нежелательных нагретых посредством субстрата 2 близких к наружной поверхности частей обрабатывающей жидкости F под емкостью 3 для обработки расположено средство 14 для перемешивания, которое на фигуре выполнено в виде ультразвукового излучателя.
Список позиций
1 - устройство
2 - субстрат
3 - емкость для обработки
4 - емкость для охлаждения
5 - трубопроводы
6 - смесительный бак
7 - резервуар
8 - охлаждающее средство
9 - слив
10A - впускное отверстие
10B - переливная кромка
11 - нагревательное средство
12 - транспортировочное устройство
13 - график температур
14 -средство для перемешивания
F - обрабатывающая жидкость, жидкость
K - охлаждающая жидкость
1. Способ односторонней мокрохимической модификации наружных поверхностей, такой как, в частности, нанесение покрытия на плоский субстрат (2) с применением находящейся в емкости (3) для обработки жидкости (F), причем химические компоненты осаждаются на поверхность субстрата с образованием стойкого слоя посредством соответствующего управления температурой, в котором нагрев предназначенной для нанесения покрытия нижней стороны субстрата, необходимый для образования желаемого слоя, осуществляется с помощью по меньшей мере одного подходящего нагревательного средства (11), которое нагревает субстрат (2) с его верхней стороны, которая не предназначена для нанесения покрытия, до необходимой температуры, и в котором во время обработки верхнюю сторону субстрата не смачивают нагревающей жидкостью и не осуществляют удерживания субстрата (2) сверху или его защиты.
2. Способ по п.1, при котором субстрат (2) включает стекло, металл и/или полимерный материал, и нанесение покрытия происходит в рамках производства тонкопленочных элементов или модулей для солнечных батарей, и при котором обрабатывающая жидкость (F) содержит сульфат или ацетат кадмия или цинка соответственно.
3. Способ по п.1, при котором химический состав и/или температуру обрабатывающей жидкости (F) непрерывно контролируют и при необходимости корректируют.
4. Способ по из п.1, при котором субстрат (2) своей предназначенной для нанесения покрытия нижней стороной во время обработки лежит на соответствующем транспортировочном средстве и непрерывно транспортируется по жидкости (F) или сквозь нее.
5. Способ по п.1, при котором для субстрата (2) используют несколько нагревательных средств (11), управление мощностью которых может происходить взаимонезависимо.
6. Способ по п.1, при котором нижняя сторона субстрата в ходе нанесения на нее покрытия равномерно нагревается до различных температур.
7. Способ по п.5, при котором управление нагревательными средствами (11) происходит взаимонезависимо таким образом, что предназначенная для нанесения покрытия нижняя сторона субстрата во время ее транспортировки по жидкости (F) или сквозь нее подвергается воздействию или испытывает воздействие заданного профиля температур (13) по направлению (12) транспортировки.
8. Способ по п.7, при котором профиль (13) температур остается практически постоянным в расположенной перпендикулярно направлению (12) транспортировки плоскости сечения субстрата (2).
9. Способ по п.1, при котором нагревательное средство или, соответственно, средства (11) для субстрата (2) выбирают из группы, состоящей из тепловых излучателей, теплопереносящих устройств, тепловых индукторов и их комбинаций.
10. Способ по п.9, при котором тепловой излучатель или тепловые излучатели выбирают из группы, состоящей из длинноволновых инфракрасных излучателей, инфракрасных лазеров и микроволновых приборов.
11. Способ по п.9, при котором теплопереносящее устройство или теплопереносящие устройства выбирают из группы, состоящей из нагреваемых панелей, вальцов, роликов, полос, матов и пленок.
12. Способ по п.9, при котором тепловой индуктор или тепловые индукторы выбирают из группы, состоящей из электромагнитных индукционных катушек и электромагнитных индукторов.
