TWI490029B - 氣體回收系統 - Google Patents

Description

氣體回收系統

本發明係有關於一種氣體回收系統，特別是有關於一種能將硒化氫因熱分解所形成的廢氣進行回收再利用之氣體回收系統。

銅銦鎵硒化物系列的薄膜光電元件是擁有高效率之太陽能電池，而銅銦鎵硒化物(Copper Indium Gallium Selenide CIGS)之太陽能基板的製作，除了蒸鍍製程外，其製成大部分都需經過硒化(Selenization)處理，現今硒化(Selenization)處理商業上量產採用硒化氫(H₂Se)為反應氣體。

以現今例子來說明：當一個銅銦鎵硒化合物層(CIGS)太陽能電池要進行硒化製程時，會將經由濺鍍法(Sputtering)沈積技術在玻璃基板上所形成的含銅、鎵及銦之合金或單體之多層前驅物(Precursors)薄膜堆疊的電池結構送至硒化爐(一種熱處理爐)中，並將硒化氫(H₂Se)氣體通入至硒化爐中，當硒化爐內的溫度被加熱到達400℃以上時，硒化氫(H₂Se)氣體即開始與多層前驅物薄膜發生反應；然而，在CIGS太陽能電池的硒化製程中，還需要將多層薄膜堆疊的電池結構加熱後，才能夠與硒化氫氣體起良好反應，進而得到好的CIGS薄膜層。因硒化爐內的硒化反應，需維持充足的硒化氫氣體分子數目，然通入的硒化氫氣體並不一定能完全與多層前驅物薄膜發生反應，多餘未反應氣體經由除害系統處理後，並無繼續再利用。

一般硒化製程中所使用的硒來源可分為固態硒及氣態二氫化硒(H₂Se)，而以使用氣態二氫化硒者為主流。氣態二氫化硒(H₂Se)具腐蝕性與毒性，經由反應槽高溫裂解產生硒氣態原子進行硒化，但為了提供 足夠並且均勻的硒氣體原子數目，常造成額外的耗費及後續廢棄處理的成本升高。

為了解決上述問題，本發明之一主要目的在於提供一氣體回收系統，藉由其高效率氣體回收方式，經由氣體回收系統使熱裂解後之硒化氫氣體能更有效處理回收再利用。

依據上述目的，本發明提供一種氣體回收系統，其中包括：至少一氣體供給系統，係提供至少一氣體；一氣體供給單元，係與氣體供給系統連接；至少一氣體處理系統，與氣體供給單元連接，其中包括：一氣體反應器，係與氣體供給單元連接；及一氣體還原裝置，係與氣體反應器連接；一氣體分離系統，係與氣體處理系統連接，其中包括：一第一排氣單元，係與氣體還原裝置連接；一純化單元，係與第一排氣單元連接；一第二排氣單元，係與純化單元連接；及一加熱蒸發單元，係與純化單元及氣體供給單元連接。

本發明再一主要目的在於提供一氣體還原裝置，能還原已經使用過之廢棄氣體，不僅能降低成本，更使氣體能更有效運用。

依據上述目的，本發明提供一種氣體還原裝置，包括一氣體還原單元及一氣體導入管，氣體導入管內流通一第一氣體，且氣體還原單元連接氣體導入管，其中氣體還原單元包括：一導管，連接氣體導入管；一還原氣體源，係與導管連接，並提供一第二氣體流通至氣體導入管內；及一微波發射裝置，係發射一微波，並將微波射入至導管內之第二氣體。

藉由本發明所提供之氣體還原裝置與氣體回收系統，使其具有高回收效率之優點，並節省廢氣處理及使用新氣體的成本。

由於本發明係揭露一種氣體回收系統，其中所利用到的一些質量流量控制器、儲存槽、排氣單元、除害裝置、加熱蒸發單元、純化單元，係利用現有技術來達成，故在下述說明中，並不作完整描述。此外，於下述內文中之圖式，亦並未依據實際之相關尺寸完整繪製，其作用僅在表達與本發明特徵有關之示意圖。

首先，請先參閱圖1，係為本發明之氣體回收系統簡化處理程序之功能方塊圖。如圖1所示，氣體回收系統1主要由三部分所組成，包括：一氣體供給系統2、一氣體處理系統3及氣體分離系統5；氣體供給系統2主要為供給氣體(例如：硒化氫)，並將氣體導入至氣體處理系統3中的各個裝置及反應器來進行硒化製程，而使用過之硒化氫氣體再依氣體分離系統5的各操作單元純化氣體，再回收至氣體處理系統3。

接著，請參閱圖2，係為本發明之氣體回收系統處理程序之功能方塊圖。如圖2所示，氣體供給系統2包含：一供給源21及一氣體供給單元23；供給源21提供一種氣體，例如：硒化氫，而其氣體置於鋼瓶或是高壓氣體儲存槽中；本發明之實施方式以硒化氫為例，供給源21亦可提供其它之氣體，例如：氮氣、氬氣等用於稀釋硒化氫氣體濃度之攜帶氣體(carrier gas)。儲存硒化氫之供給源21連接氣體供給單元23；在供給源21之鋼瓶內的蒸氣壓達平衡，於鋼瓶內為高壓狀態時，瓶內之硒化氫為液體，經由閥的開啟，並提供穩定的蒸發熱源，此時硒化氫液體會持續蒸發成為硒化氫氣體。供給源21經由輸送管與氣體供給單元23連接。氣體供給單元23可設定由供給源21輸送來的氣體之流量多寡，並經由與氣體供給單元23連結之質量流量控制器25來控制氣體流量；質量流量控制器25具有可自動控制氣體流量的功能，並且不受系統溫度變化或壓力波動的影響，可保持穩定的流量值，為一穩流裝置。質量流量控制器25與氣體處理系統3連接。

氣體處理系統3包括：一氣體反應器31及一氣體還原裝置35；而當硒化氫氣體輸送至氣體反應器31之前，必須和攜帶氣體例如：氮氣或氬氣， 同時混合後再進入氣體反應器31，以適當濃度與攜帶氣體混合可維持硒化氫在氣體反應器31內的質量與分布的均勻性。

當一個太陽能電池內部的銅銦鎵硒化合物層(CIGS)需要進行硒化製程時，會將鈉鈣玻璃(Soda Lime Glass)基板上所形成的含銅、鎵及銦之合金或單體之多層前驅物(Precursors)薄膜堆疊的電池結構，送至氣體反應器31中，並將硒化氫氣體輸送至氣體反應器31中；此時，氣體反應器31內的溫度會維持在400℃以上，而含銅、鎵及銦之合金或單體之多層前驅物會與硒化氫氣體起良好反應，進而得到好的CIGS薄膜層。以下為硒化反應之熱裂解反應式：H₂Se → HSe^-+H⁺

H₂Se → 2H⁺+Se^2-

當硒化氫氣體熱裂解反應完全時，會形成Se^2-與2H⁺；Se^2-會與銅、鎵及銦之合金或單體之多層前驅物結合成為CIGS薄膜層，2H⁺則會當廢氣排出；另外，如硒化氫熱裂解反應不完全時，會形成HSe^-與H⁺，兩者皆會以廢氣排出。

硒化氫氣體在熱裂解所形成之氣體HSe^-，經由輸送管輸送至第一儲存槽33，此時輸送管溫度維持在160℃以維持硒化氫離子化之氣體；由於與第一儲存槽33連接之氣體還原裝置35需要有一定的處理時間，因此需要配置第一儲存槽33來緩衝氣體之處理。接著，氣體還原裝置35會提供充足的H⁺將第一儲存槽33所輸送來的廢氣中HSe^-形成H₂Se再次回收利用，而詳細步驟會於圖3詳加說明。

再接著，由氣體還原裝置35處理完之氣體H₂Se，會輸送至氣體分離系統5，其中氣體分離系統5包括：第一排氣單元51、純化單元55、第二排氣單元52及一加熱蒸發單元57；而處理完之氣體H₂Se會先輸送至第一排氣單元51；第一排氣單元51內具可抽氣及壓縮之壓縮機，將待純化之H₂Se氣體送入純化單元55以純化硒化氫氣體濃度；而未符合排放標準之 廢棄氣體則由除害裝置53處理，後續會再加以說明。

硒化氫氣體由第一排氣單元51輸送至純化單元55；純化單元55內部具有一冷凝裝置(未顯示)，並將冷凝裝置溫度設置為-40℃~-80℃；當硒化氫氣體通過冷凝裝置時，利用硒化氫熔點(melting point)為-65.73℃之特性，使氣態硒化氫液化，使液態硒化氫與其餘未形成液體之氣體分離；接著，將液態硒化氫輸送至第二儲存槽58，而其餘氣體則經由第二排氣單元52處理。第二儲存槽58與加熱蒸發單元57連接，其作用在於，加熱蒸發單元57處理液態硒化氫形成氣態硒化氫需要有一定的時間，因此需要配置第二儲存槽58來緩衝處理；加熱蒸發單元57具有一加熱器(未顯示)，加熱器可提供穩定的熱源，會對輸送進來之液態硒化氫加熱，而因硒化氫之沸點(boiling point)為-41.25℃，因此加熱蒸發單元57溫度設定只要高於-41.25℃，即可使液態硒化氫汽化形成硒化氫氣體，即加熱器可提供液態硒化氫蒸發時所需要的熱能。再接著，將汽化形成之硒化氫氣體輸送至氣體供給單元23以供循環再利用，其硒化氫氣體有效回收可達50%以上，具有相當良好之循環回收之功效。

此外，本系統使用之硒是具有毒性，需做適當處理後，才可排放至外界，因此需要做一處理有害物質之設備；在上述所提及之第一排氣單元51及一第二排氣單元52，經由輸送管連結至一除害裝置53，除害裝置53中具有吸附硒元素之物質，例如：氫氧化銅Cu(OH)₂或氫氧化鈣Ca(OH)₂，可與硒元素反應形成硒化銅CuSe或硒化鈣CaSe，剩餘無害之氣體則可安全排放。

另外，當氣體回收系統1需進行設備維護或暫停供應回收硒化氫而需終止整體反應時，其儲存於第二儲存槽58內部之液態硒化氫，會經由加熱蒸發單元57，將第二儲存槽58內部之液態硒化氫完全加熱為硒化氫氣體；而純化單元55則停止冷凝裝置之運作，使硒化氫氣體直接經由第二排氣單元52輸送至除害裝置53，以處理未循環完成之硒化氫氣體。

本發明各系統單元連接之輸送管為不鏽鋼材質，且外層包覆一保溫棉，利用保溫棉熱傳導係數低之特性，降低輸送管內之熱量傳導至管外；但本發明並不對輸送管之材質加以限制。再接著，請參閱圖3，係為本發明之氣體還原裝置之示意圖。如圖3所示，氣體還原裝置35包括：一氣體還原單元351及一氣體導入管353，並且氣體還原單元351連接氣體導入管353，其中氣體導入管353位於氣體還原單元351下方，而在此敘述之氣體導入管353，即是前述所提及之輸送管，其中輸送的是夾帶著攜帶氣體例如：氮氣或氬氣；與含有HSe^-之廢棄氣體，其廢棄氣體流動方向如圖3所示，由A端輸送至B端；氣體還原單元351包括：一導管3511，連接氣體導入管353；一還原氣體源60，與導管3511連接；一微波發射裝置357，發射一微波至導管3511內，本發明經由配置一發射管3571來發射微波，其中導管3511貫穿發射管3571，並在內部輸送氫氣，而微波發射裝置357經由發射管3571將微波射入至導管3511內部之氫氣而產生電漿，並利用電子迴旋共振(Electron Cyclotron Resonance；ECR)加強電漿密度；離子源是由微波發射裝置357發射微波，其微波之頻率在800MHz以上，經由一發射管3571射入導管3511內之氫氣，使導管3511內之氫氣離子化形成H⁺；在此要強調的是，本實施例之導管3511之材質為金屬之材質，但本發明並無特別對導管3511之材料加以限制，而導管3511內部之管壁進一步配置一介電層材料359，例如：三氧化二鋁(Al₂O₃)，此介電層材料359能幫助微波易於射入導管3511內。

另外，發射管3571外壁配置複數個第一磁場線圈3515，其所產生的磁場可使電子的回旋頻率與微波頻率同調而產生共振，以產生高能的電子撞擊導管3511內部之氣體。前述硒化氫在氣體反應器31中熱裂解所形成之氣體HSe^-，經由氣體導入管353(輸送管)輸送至氣體還原裝置35時，還原氣體源60會將氫氣注入導管3511中，並經由微波發射裝置357發射微波，由發射管3571對導管3511內的氫氣進行離子化反應形成H⁺；發射管 3571外壁之磁場線圈3515引導H⁺朝下方之氣體導入管353移動，其過程中避免與管壁碰撞，而因導管3511中的離子化的H⁺其壓力較氣體導入管353大，因此H⁺會由高壓往低壓處打入氣體導入管353中，而氣體導入管353中流通的HSe^-會與H⁺反應還原形成硒化氫(H₂Se)，而所形成的硒化氫則可提供上述氣體回收系統1再次循環使用。其還原成硒化氫之反應式如下：HSe^-+H⁺ → H₂Se

另外，請接著參閱圖4，系為本發明氣體還原裝置另一實施例示意圖，如圖4所示，在導管3511與氣體導入管353之間進一步配置一腔體3513，並在腔體3513周圍配置複數個第二磁場線圈3517；本實施例之配置，可加強導管3511射出H⁺之密度並防止其擴散，另外亦可防止H⁺互相撞擊形成氫氣，並加速與HSe^-還原為硒化氫之速度；而其它元件之實施方式如圖3所述，不再加以贅述。

接著，請參閱圖5，系為本發明之氣體還原裝置再另一實施例示意圖，如圖5所示，在氣體回收系統1中，配置複數個氣體還原裝置35、35'...35ⁿ，藉由多個氣體還原裝置35，使其還原氣體能力越快，對於氣體回收系統1中處理大量的HSe^-使其還原為硒化氫，具有更好的處理效率；而每一氣體還原裝置35其運作方式與上述圖3及圖4相同，故不再加以贅述。

再接著，請參閱圖6，系為本發明氣體回收系統另一實施例示意圖，如圖6所示，在氣體回收系統1中配置多組氣體處理系統3、3'...，並配置各自之質量流量控制器25、25'...，藉此來同時處理多個銅銦鎵硒化合物層(CIGS)太陽能電池進行硒化製程，有效縮短製程之時間；而其餘元件配置及作用及每組氣體處理系統3皆與上述相同，故不再加以贅述。

雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利 範圍所界定者為準。

1‧‧‧氣體回收系統

2‧‧‧氣體供給系統

21‧‧‧供給源

23‧‧‧氣體供給單元

25、25'‧‧‧質量流量控制器

3、3'‧‧‧氣體處理系統

31‧‧‧氣體反應器

33‧‧‧第一儲存槽

35、35'、35ⁿ‧‧‧氣體還原裝置

351‧‧‧氣體還原單元

3511‧‧‧導管

3513‧‧‧腔體

3515‧‧‧第一磁場線圈

3517‧‧‧第二磁場線圈

353‧‧‧氣體導入管

357‧‧‧微波發射裝置

3571‧‧‧發射管

359‧‧‧介電層材料

5‧‧‧氣體分離系統

51‧‧‧第一排氣單元

52‧‧‧第二排氣單元

53‧‧‧除害裝置

55‧‧‧純化單元

57‧‧‧加熱蒸發單元

58‧‧‧第二儲存槽

60‧‧‧還原氣體源

圖1 係為本發明之氣體回收系統簡化處理程序之功能方塊圖；圖2 係為本發明之回收系統處理程序之功能方塊圖；圖3 係為本發明之氣體還原裝置之示意圖；圖4 係為本發明之氣體還原裝置另一實施例示意圖；圖5 係為本發明之氣體還原裝置再另一實施例示意圖氣體回收系統；圖6 系為本發明氣體回收系統另一實施例示意圖。

1‧‧‧氣體回收系統

2‧‧‧氣體供給系統

21‧‧‧供給源

23‧‧‧氣體供給單元

25‧‧‧質量流量控制器

3‧‧‧氣體處理系統

31‧‧‧氣體反應器

33‧‧‧第一儲存槽

35‧‧‧氣體還原裝置

5‧‧‧氣體分離系統

51‧‧‧第一排氣單元

52‧‧‧第二排氣單元

53‧‧‧除害裝置

55‧‧‧純化單元

57‧‧‧加熱蒸發單元

58‧‧‧第二儲存槽

Claims (12)

1. 一種氣體回收系統，係用於處理硒化氫因熱裂解產生的廢氣並進行回收再利用，其中包括：至少一氣體供給系統，其中包含：一供給源，係提供至少一包含硒化氫之氣體；及一氣體供給單元，係與該供給源連接；至少一氣體處理系統，與該氣體供給系統連接，其中包括：一氣體反應器，係與該氣體供給單元連接，用於進行一硒化製程之硒化氫熱裂解反應；及一氣體還原裝置，係與該氣體反應器連接，該氣體還原裝置包括一氣體還原單元及一氣體導入管，該氣體導入管內流通一包含硒化氫熱裂解反應形成的廢氣之第一氣體，且該氣體還原單元連接該氣體導入管，其中，該氣體還原單元進一步包括：一導管，連接該氣體導入管；一還原氣體源，係與該導管連接，並提供一包含氫離子之第二氣體流通至該氣體導入管內；及一微波發射裝置，係發射一微波，並將該微波射入至該導管內之該包含氫離子之第二氣體；及一氣體分離系統，係與該氣體處理系統連接，其中包括：一第一排氣單元，係與該氣體還原裝置連接；一純化單元，係與該第一排氣單元連接；一第二排氣單元，係與該純化單元連接； 一除害裝置，係與該第一排氣單元及該第二排氣單元連接；及一加熱蒸發單元，係與該純化單元及該氣體供給單元連接。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之氣體回收系統，其中該氣體供給系統進一步包含至少一質量流量控制器。
3. 根據申請專利範圍第1項所述之氣體回收系統，其中該氣體處理系統進一步包含一第一儲存槽，該第一儲存槽係與該氣體反應器及該氣體還原裝置連接。
4. 根據申請專利範圍第3項所述之氣體回收系統，其中該氣體分離系統進一步包含一第二儲存槽，該第二儲存槽係與該純化單元及該加熱蒸發單元連接。
5. 根據申請專利範圍第3項所述之氣體回收系統，其中該第一儲存槽內部係存放一氣體。
6. 根據申請專利範圍第4項所述之氣體回收系統，其中該第二儲存槽內部係存放一液體。
7. 根據申請專利範圍第1項所述之氣體回收系統，其中該微波發射裝置進一步包含一發射管，且該氣體還原單元之導管垂直貫穿該發射管。
8. 根據申請專利範圍第7項所述之氣體回收系統，其中該發射管之外壁面進一步配置一第一磁場線圈。
9. 根據申請專利範圍第1項所述之氣體回收系統，其中該導管之材料為一金屬材料。
10. 根據申請專利範圍第1項所述之氣體回收系統，其中該導管內進一步配置一介電層材料。
11. 根據申請專利範圍第1項所述之氣體回收系統，其中該導管與該氣體導入管間進一步配置一腔體。
12. 根據申請專利範圍第11項所述之氣體回收系統，其中該腔體之外壁面進一步配置一第二磁場線圈。