专利名称：一种用于硅薄膜电池陷光结构研究的物理气相沉积设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及真空镀膜技术领域，特别是涉及一种用于硅薄膜电池陷光结构研究的物理气相沉积设备，适用于生长透明导电氧化物TCO薄膜及金属电极层，然后应用于硅Si薄膜太阳电池。
背景技术：
对于硅薄膜太阳电池来说，为了提高它的性能，目前的关键问题是进一步提高光
电转换效率和改善稳定性，其中，加入陷光结构是一种有效的方法。陷光结构通过反射、折
射和散射，将入射角度比较单一的光线分散到各个角度，从而增加光在太阳电池中的光程，
使入射的太阳光被限制在前电极、背电极之间，从而提高太阳光的收集效率。 硅薄膜太阳电池的厚度很小，例如一般非晶硅薄膜太阳电池的厚度约0. 5微米，
微晶硅薄膜太阳电池的厚度约1. 5微米，由于其材料的不平整性线度过小，使得对光线的
折射和反射的影响很弱，所以就需要一个外加的陷光结构。现在非晶硅薄膜太阳电池采用
的陷光结构有两种，一种是绒面前电极，另一种是复合背反射电极。 其中，绒面透明前电极一般具有同入射光波长相比拟的凹凸起伏的绒面结构，可以实现对入射太阳光的散射，从而增大入射光在电池中的光程，以增大电池的短路电流，从而提高电池的光电转换效率，该绒面结构一般是由一层透明导电膜构成，如Sn02或者ZnO等；另外，硅薄膜太阳电池要求透明电极具有极低的光、电损失，高透过率和电导率，以及在氢等离子体轰击下保持较好的稳定性。 而复合背反射电极由一层透明导电膜和一层金属反射层构成复合背反射层(如Zn0/Ag或Zn0/Al等)，以通过光的干涉增强作用增加背电极对光的反射，使未能被电池吸收而到达背电极的光子被反射到电池的本征吸收层进行再次吸收，从而增加了电池对入射光的收集效率，从而增大短路电流，提高电池的转化效率，而且可以通过进一步减薄本征吸收层，增强内建电场，从而在一定程度上达到了抑制光致衰退，改善电池的稳定性；另外，氧化锌Zn0还可以阻挡金属背电极元素如Ag或Al向太阳电池n+层的扩散，改善界面及电池性能。 新型锌铝氧化物ZnO:Al (ZA0)薄膜价格便宜，源材料丰富，无毒，并且在氢等离子体中稳定性优于掺氟氧化锡(Sn0:F)FT0薄膜，同时具有可同FT0相比拟的光电特性，因此在硅基薄膜太阳电池的中有广泛的应用前景。Zn0:Al(ZA0)既可以作为绒面前电极，Zn0/Ag或Zn0/Al又可作为背反射电极。 当前，常用的ZA0薄膜制备工艺是磁控溅射，因为在溅射过程中，溅射离子的能量较高，高能粒子在衬底上具有较高的迁移能力，使得溅射薄膜与衬底具有良好的附着力，且膜厚可控，重复性好。通常实验室磁控溅射技术生长ZAO薄膜采用单室沉积技术(即整个实验过程在一个真空室完成)，因此样品的尺寸面积小，镀膜效率较低，无法适应大面积产业化的实验需求，并且在无法控制ZA0薄膜的具体生长过程。 因此，目前迫切需要开发出一种镀膜装置，可以进行大面积的镀膜，提高镀膜的效率，以适应大面积产业化的实验需求，并且可以控制薄膜的具体生长过程。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于硅薄膜电池陷光结构研究的物理气相沉 积设备，该设备可以对样品进行大面积的镀膜，提高镀膜的效率，以适应大面积产业化的实 验需求，并且可以控制薄膜的具体生长过程，操作简洁且可靠稳定，可以明显提高硅薄膜太 阳电池的性能，具有重大的生产实践意义。 为此，本发明提供了一种用于硅薄膜电池陷光结构研究的物理气相沉积设备，包 括真空的溅射室1和装片室2，所述溅射室1和装片室2之间设置有闸板阀20，所述溅射室 1内设置有第一靶材11和第二靶材12，所述第一靶材11和第二靶材12的底部分别与外接 电源30的阴极相连接，所述溅射室1内与所述第一靶材11和第二靶材12相对应的位置上 设置有衬底13，所述衬底13与加热器14相连接，所述衬底13与外接电源30的阳极相连 接，所述衬底13上用于放置待镀膜的样品； 所述装片室2内设置有具有多层结构的样品架21，所述装片室2外壁上与所述样 品架21相对应的位置上插入有样品推拉杆22。 优选地，所述溅射室1和装片室2外壁上分别开有至少一个抽气口 16，所述抽气口 16与外部的抽气系统相连接。 优选地，所述溅射室1外还设置有等离子体发射谱检测仪15，所述等离子体发射
谱检测仪15的检测头位于所述溅射室1内。 优选地，所述溅射室1内还装有线性离子源17。 优选地，所述第一耙材11为锌铝Zn-Al合金耙材或者氧化锌ZnO陶瓷耙材，所述 第二靶材12为铝Al靶材，所述衬底13为薄膜太阳电池。 优选地，所述衬底13位于所述第一靶材11和第二靶材12的正上方，所述第一靶 材11和第二靶材12之间设置有隔离板。 优选地，所述衬底13与加热器14可在第一靶材11和第二靶材12的上方进行往 复运行。 优选地，所述溅射室1中具有一个可左右往返运行的小车，该小车上设置有所述 加热器14和用于放置衬底13的样品托。 优选地，所述样品架21的顶部与一个升降装置23相连接。 由以上本发明提供的技术方案可见，与常规的磁控溅射设备相比较，本发明提供 的一种用于硅薄膜电池陷光结构研究的物理气相沉积设备，该设备可以对样品进行大面积 的镀膜，提高镀膜的效率，以适应大面积产业化的实验需求，并且可以控制薄膜的具体生长 过程，操作简洁且可靠稳定，可以明显提高硅薄膜太阳电池的性能，具有重大的生产实践意 义。
图1为本发明提供的一种用于硅薄膜电池陷光结构研究的物理气相沉积设备的 结构示意图。
具体实施例方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本 发明作进一步的详细说明。 图1为本发明提供的一种用于硅薄膜电池陷光结构研究的物理气相沉积设备的 结构示意图。 参见图l，本发明提供了一种用于硅薄膜电池陷光结构研究的物理气相沉积设备， 本发明是新型的利用大面积磁控溅射技术来制备硅薄膜太阳电池陷光结构薄膜的设备，该 设备包括真空密封的溅射室1和装片室2，所述溅射室1和装片室2之间设置有闸板阀20， 所述闸板阀20用于通断所述溅射室1和装片室2之间的连接； 在本发明中，溅射室1和装片室2这两个真空室的极限真空都优于8X 10-5Pa，从 而保证了磁控溅射的工艺重复性。 所述溅射室1内设置有第一靶材11和第二靶材12，所述第一靶材11和第二靶材 12是磁控溅射用的靶材； 在本发明中，所述第一靶材11为锌铝Zn-Al合金靶材或者氧化锌ZnO陶瓷靶材， 所述第二靶材12为铝Al靶材，所述第一靶材11和第二靶材12之间设置有隔离板，所述两 个靶材既可以进行前电极的沉积，也可以进行ZnO/Ag或ZnO/Al背反射电极的沉积。
参见图l，所述第一靶材11和第二靶材12的底部分别与外接电源30的阴极相连 接，从而所述第一靶材11和第二靶材12作为阴极靶材使用，由外接电源30来输入镀膜用 的功率； 所述溅射室1内与所述第一靶材11和第二靶材12相对应的位置上设置有衬底 13，所述衬底13与加热器14相连接，所述衬底13与外接电源30的阳极相连接，所述衬底 13上用于放置待镀膜的样品，且通过所述加热器14可以对衬底13上的样品进行加热；
具体实现上，所述衬底13优选为薄膜太阳电池，所述衬底13优选为位于所述第一 靶材11和第二靶材12的正上方；所述衬底13与加热器14可以在第一靶材11和第二靶材 12的上方进行一体往复运行； 具体实现上，在所述溅射室1中具有一个可左右往返运行的小车，该小车上设置 有所述加热器14和用于放置衬底13的样品托，因此将衬底13放置入样品托后，随着小车 的左右往返运行，该衬底13与加热器14可以在第一靶材11和第二靶材12的上方进行一 体左右往复运行。 此外，所述溅射室1外还设置有等离子体发射谱检测仪(PEM) 15，所述等离子体发 射谱检测仪15的检测头位于所述溅射室1内，从而PEM可以在线监测和控制溅射过程中的 氧分压，从而实时控制被溅射靶面的氧化状态，以保证薄膜材料中的氧含量，实现保证薄膜 材料的质量。 所述溅射室1的前端外壁开有两个抽气口 16，所述装片室2的前端外壁开有一个 抽气口 16，所述抽气口 16与外部的抽气系统相连接，因此，所述溅射室1通过所述抽气口 16与外部的抽气系统相连接，可以通过运行抽气系统，使得溅射室1和装片室2内形成真空 条件； 参见图l，所述溅射室1内还装有线性离子源17，所述线性离子源17与外部电源 30相连接，可以对沉积薄膜之前的衬底13进行离子预处理，改善衬底13表面形貌，从而增加衬底上样品的薄膜的附着力，改善薄膜性能，同时还可以进行离子辅助溅射，进一步改善薄膜性能。 所述装片室2内设置有具有四层结构的样品架21，所述样品架21的顶部与所述衬底13位于同一平面上，所述样品架21上可放置四个待镀膜的样品，所述装片室2外壁上与所述样品架21相对应的位置上插入有样品推拉杆22，所述样品推拉杆22与所述装片室2外壁密封连接，所述样品推拉杆22可贯穿所述装片室2的外壁进行左右移动，即所述样品推拉杆22可控制插入到所述装片室2内部的长度，从而可以在衬底13向右移动到样品架21旁边时，将样品架21上的一个样品推入到衬底13上，然后在衬底13向左移动后样品进入到溅射室1内； 需要说明的是，因为本发明的装片室2对样品采用依次多片装入的技术，一次可以装入四个样品基片，从而大大提高了镀膜实验的工作效率； 所述样品架21的顶部与一个升降装置23相连接，所述升降装置23用于升降样品架21，从而可以调整位于样品架21不同层上样品的高度，通过升降来控制样品架21不同层上的样品位于样品推拉杆22的正左侧，从而样品推拉杆22可以将不同层高度上的样品推入到衬底13上； 具体实现上，所述升降装置23可以为一个升降气缸； 对于本发明，如上所述，由于样品基片在装片室2的样品架21和溅射室1的小车间衬底13之间的交接采用样品推拉杆22输送的方式，因此可靠性高。
下面说明一下运用本发明进行样品镀膜的实现过程 首先，通过抽气口 16，将溅射室1和装片室2分别预抽好真空，打开闸板阀20利用样品推拉杆22将样品架21其中的一个样品送入溅射室l，关闭闸板阀20，使衬底13处于往复运行状态进行溅射镀膜，同时等离子体发射谱检测仪PEM检测氧分压以及等离子发射谱等信息以控制工艺稳定性，在样品溅射镀膜完成后，打开闸板阀20，控制衬底13向右移动靠近样品架21，借助样品推拉杆22取出样品至装片室2中的样品架21中，关闭闸板阀20 ;样品架21上的其他样品也按照上述方法依次进行溅射镀膜。 需要说明的是，本发明在真空条件下进行镀膜，可以提高膜层的致密度、纯度、沉积速率和与附着力。 需要说明的是，在反应磁控溅射制备ZAO薄膜过程中，通常需要通入适量氧气。反应溅射过程具有三种工作模式金属模式、氧化模式和过渡模式。过渡模式可以获得良好的既透明又导电的高质量氧化锌ZnO薄膜。若反应溅射Zn-Al合金靶过程中，氧气较少则处于金属模式，薄膜透明性能差；而若反应溅射过程中，氧气较多则处于氧化模式，薄膜导电性能差。园此，氧气量的多少影响靶材表面的氧化状态，适量的氧气02可保证靶材(包括第一靶材11和第二靶材12)表面处于良好的溅射状态，防止靶中毒等效应造成的反应磁控溅射过程不稳定现象。 图1中的等离子体发射谱检测仪PEM中配备测量氧分压的检测器和闭环反馈回路，通过设置适当的过渡模式区域工作点，实时实现进入真空室02流量调节，检测并控制氧分压处于稳定状态，从而实时控制被溅射靶面的氧化状态，以保证材料中的氧含量，从而保证薄膜材料的质量。 对于等离子体发射谱检测仪PEM，在反应溅射过程中，放电等离子体发射谱的谱线位置取决于靶材料、气体组分和化合物组成等；而谱线强度则与放电参数即溅射工艺过程 状态有关，其是反应溅射过程控制变量。 对于本发明，由于采用双真空室技术，装片预烘烤和溅射分别在不同的真空室即 (装片室2和溅射室1)进行，两室间有矩形闸板阀。溅射室l不暴露大气，防止其中的两个 靶材暴露大气被氧化，同时防止了溅射室1因暴露大气而出现预抽困难的问题，每天预抽 真空的时间很短；而装片室2相对较小，室内又不镀膜，腔壁很干净，预抽真空时间也很短。
下面结合具体实施例说明本发明生长绒面结构透明导电氧化物TCO薄膜和复合 TC0/A1背反射电极的过程，最后实现将TC0薄膜和复合TC0/A1背反射电极应用于Si薄膜 太阳电池；
实施例1 利用本发明所提供的磁控溅射设备来生长复合Zn0/Al背反射电极薄膜的具体制 造过程 首先，利用磁控溅射技术，借助高纯度Zn-Al合金靶(即第一靶材11)作为溅射靶 材，以及高纯度02作为气源材料，衬底13为薄膜太阳电池，生长氧化锌Zn0薄膜，其中，掺 杂剂Al (Al掺在Zn-Al合金靶材中，即属于靶材中的组分)重量百分比含量为1_2%，所生 长的氧化锌ZnO薄膜的厚度为100nm，其上放置有样品基片的衬底13的温度为200°C ;
然后，借助高纯度的铝Al靶(即第二靶材12)作为溅射靶材，以及高纯度氩Ar气 作为溅射气体，在上面生长的ZnO薄膜基础上继续生长Al薄膜，该Al薄膜的厚度为100nm， 其上放置有样品基片的衬底13的温度为室温即可。 对于本发明，所生成的复合ZnO/Al背反射电极应用于硅薄膜太阳电池，可将短路 电流密度提高0. 3-1. 0mA，电池转换效率提高0. 3-1. 0%。
下面说明一下磁控溅射技术的基本原理 在阴阳两电极间施加高压，Ar气电离，并释放电子e (其中，Ar+轰击阴极靶材溅射 出粒子，e电子飞向基片)。e电子在加速电场作用下获得高能量分离出Ar+和二次电子； 电场作用下靶表面电子在正交磁场作用下做螺旋线运动，延长运动路径，且束缚在靶材表 面等离子区，增强同工作气体Ar的碰撞几率，电离出大量Ar+，实现磁控溅射"低温高速"沉 积薄膜的特性。 对于上述实施例l，具体镀膜的实现过程为通过抽气口 16，将装片室2和溅射室 1分别预抽好真空，打开闸板阀20利用样品推拉杆22将样品架21上的一个样品送入溅射 室l，关闭闸板阀20，将衬底13加热至实验温度，然后使衬底13处于往复运行状态下溅射 镀膜，在溅射镀膜完成后，打开闸板阀20，借助样品推拉杆22取出样品至装片室2中，关闭 闸板阀20。样品架21上的其他样品按照上述方法依次进行溅射镀膜。
实施例2 利用此磁控溅射设备生长绒面结构ZnO-TCO薄膜前电极薄膜的具体制造过程
首先，利用磁控溅射技术，借助高纯度Al或Ga掺杂ZnO陶瓷靶，或Zn-Al合金靶 (可以在第一靶材11或第二靶材12的位置上)来作为溅射靶材，以及高纯度02作为气源 材料，在玻璃衬底上生长ZnO薄膜，掺杂剂重量百分比含量为1-2 % ，所生长的ZnO薄膜厚 度为1000nm，放置样品基片的衬底13的温度范围为150-350°C;所生长的ZnO薄膜结构为 glass/Zn0薄膜；
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然后，基于薄膜结构各向异性特征，借助湿法刻蚀技术，利用醋酸CH3C00H或者 盐酸HC1溶液刻蚀氧化锌Zn0薄膜的表面，制造出粗糙绒面结构，具体薄膜特征尺寸为 500-1000nm，平均粗糙度o ms = 80_120nm。 ZnO薄膜电阻率可达 2. 0 X 10—4 Q cm，方块电 阻为3-10欧姆，薄膜的可见光范围透过率优于85%。 对于上述实施例2，具体镀膜的实现过程为通过抽气口 16，将装片室2和溅射室 1分别预抽好真空，打开闸板阀20利用样品推拉杆22将样品架21上的一个样品送入溅射 室1中，关闭闸板阀20，将衬底13加热至实验温度，然后使衬底13处于往复运行状态下溅 射镀膜，在溅射镀膜完成后，打开闸板阀20，借助样品推拉杆22取出样品至装片室2中，然 后关闭闸板阀20。样品架21上的其他样品按照上述方法依次进行溅射镀膜。
对于本发明，利用本发明提供的新型大面积磁控溅射装置特别适合生长ZnO/Al 背反射电极和绒面结构ZnO薄膜，并应用于硅基薄膜太阳电池。 本发明由于采用分室(即样品室和溅射室)溅射技术且大面积多片生长薄膜技术
可以有效提高镀膜效率，适应大面积产业化实验需求，此外，借助等离子发射谱控制测量仪
(PEM)可实现薄膜控制生长。在一般工艺范围内，磁控溅射技术直接制备的ZAO薄膜结构趋
于002峰择优生长，薄膜断面呈现柱状生长模式，表面平整，粗糙度小，因此，利用薄膜各项
异性特性，借助稀释盐酸等溶液刻蚀薄膜表面，即后腐蚀技术制造绒面结构。 本发明采用双室即样品室和溅射室分别放置样品和进行镀膜，其中样品室的样品
架上可以同时放置四片样品，借助样品推拉杆依次将样品送入溅射室进行溅射镀膜，在等
溅射镀膜完毕后再将样品送回样品室冷却；本发明在溅射过程中借助等离子发射谱控制测
量仪(PEM)实现薄膜控制生长，镀膜样品在两个靶材上方的运行轨道上可往复运动。 综上所述，与常规的磁控溅射设备相比较，本发明提供的一种用于硅薄膜电池陷
光结构研究的物理气相沉积设备，该设备可以对样品进行大面积的镀膜，提高镀膜的效率，
以适应大面积产业化的实验需求，并且可以控制薄膜的具体生长过程，操作简洁且可靠稳
定，可以明显提高硅薄膜太阳电池的性能，具有重大的生产实践意义。 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
权利要求
一种用于硅薄膜电池陷光结构研究的物理气相沉积设备，其特征在于，包括真空的溅射室(1)和装片室(2)，所述溅射室(1)和装片室(2)之间设置有闸板阀(20)，所述溅射室(1)内设置有第一靶材(11)和第二靶材(12)，所述第一靶材(11)和第二靶材(12)的底部分别与外接电源(30)的阴极相连接，所述溅射室(1)内与所述第一靶材(11)和第二靶材(12)相对应的位置上设置有衬底(13)，所述衬底(13)与加热器(14)相连接，所述衬底(13)与外接电源(30)的阳极相连接，所述衬底(13)上用于放置待镀膜的样品；所述装片室(2)内设置有具有多层结构的样品架(21)，所述装片室(2)外壁上与所述样品架(21)相对应的位置上插入有样品推拉杆(22)。
2. 如权利要求l所述的物理气相沉积设备，其特征在于，所述溅射室(1)和装片室(2) 外壁上分别开有至少一个抽气口 (16)，所述抽气口 (16)与外部的抽气系统相连接。
3. 如权利要求l所述的物理气相沉积设备，其特征在于，所述溅射室(1)外还设置有等 离子体发射谱检测仪(15)，所述等离子体发射谱检测仪(15)的检测头位于所述溅射室(1) 内。
4. 如权利要求l所述的物理气相沉积设备，其特征在于，所述溅射室(1)内还装有线性 离子源(17)。
5. 如权利要求l所述的物理气相沉积设备，其特征在于，所述第一靶材(11)为锌铝 Zn-Al合金靶材或者氧化锌ZnO陶瓷靶材，所述第二靶材(12)为铝A1靶材，所述衬底(13) 为薄膜太阳电池。
6. 如权利要求l所述的物理气相沉积设备，其特征在于，所述衬底(13)位于所述第一 靶材(11)和第二靶材(12)的正上方，所述第一靶材(11)和第二靶材(12)之间设置有隔 离板。
7. 如权利要求1至6中任一项所述的物理气相沉积设备，其特征在于，所述衬底(13) 与加热器(14)可在第一靶材(11)和第二靶材(12)的上方进行往复运行。
8. 如权利要求7所述的物理气相沉积设备，其特征在于，所述溅射室(1)中具有一个可 左右往返运行的小车，该小车上设置有所述加热器(14)和用于放置衬底(13)的样品托。
9. 如权利要求1至6中任一项所述的物理气相沉积设备，其特征在于，所述样品架 (21)的顶部与一个升降装置(23)相连接。
全文摘要
本发明公开了一种用于硅薄膜电池陷光结构研究的物理气相沉积设备，该设备可以对样品进行大面积的镀膜，提高镀膜的效率，以适应大面积产业化的实验需求，并且可以控制薄膜的具体生长过程，操作简洁且可靠稳定，可以明显提高硅薄膜太阳电池的性能，具有重大的生产实践意义。
文档编号C23C14/34GK101705473SQ20091022869
公开日2010年5月12日 申请日期2009年11月25日 优先权日2009年11月25日
发明者李林娜, 耿新华, 薛俊明, 赵颖, 陈新亮 申请人:南开大学