专利名称：用于在光伏模块衬底上薄膜层的高速沉积的系统和方法
技术领域：
本文公开的主题总体涉及用于在衬底上沉积薄膜层的系统和方法，且更特别地涉及用于在光伏模块衬底上沉积多个薄膜层的高吞吐量系统。
背景技术：
薄膜光伏(PV)模块(也称为“太阳电池板”或“太阳能模块”)在行业中正在获得广泛认可和注意，尤其是基于与硫化镉(CdS)配对的碲化镉(CdTe)作为光敏器件的模块。CdTe是具有尤其适合于用来将太阳能(日光)转换成电力的特性的半导体材料。例如，CdTe具有I. 45eV的能带隙，这使得其与历史上用于太阳能电池应用的较低能带隙(I. IeV)的半导体材料相比能够从太阳光谱转换更多能量。此外，CdTe在弱光或扩散光条件下与较低能带隙材料相比更有效地转换能量，且因而与其它常规材料相比在白天或弱光(例如多云)条件下期间有更长的有效转换时间。 典型地，CdTe PV模块包括在CdTe层的沉积之前沉积在玻璃衬底上的多个薄膜层。例如，透明导电氧化物(TCO)层首先沉积在玻璃衬底的表面上，而电阻性透明缓冲物(RTB)层然后涂敷在TCO层上。RTB层可为锌-锡氧化物(ZTO)层并且可称为“ZT0层”。在RTB层上涂敷硫化镉(CdS)层。这些不同的层可以在常规溅射沉积过程中涂敷，溅射沉积过程包括从靶标(即材料源)喷射材料，并将喷射的材料沉积在衬底上以形成薄膜。使用CdTe PV模块的太阳能系统通常被认为是在所产生功率的每瓦成本方面最具成本效益的商业上可获得的系统。然而，尽管CdTe有多种优点，太阳能作为工业或民用动力的补充或主要来源的可持续商业开发和接受取决于大规模并以成本合算的方式生产高效PV模块的能力。与模块的生产相关的资本成本，尤其是用来沉积上述多个薄膜层所需的机械和时间，是主要的商业考虑。因此，在行业内对于用来经济上可行且高效地大规模生产PV模块尤其是基于CdTe的模块的改善的系统存在持续的需求。
发明内容
本发明的多个方面和优点将在以下描述中部分地陈述，或者可从该描述而明显，或者可通过本发明的实践而获悉。总体上提供了一种装置，用于将靶标源材料作为薄膜顺序溅射沉积在光伏模块衬底上。该装置包括加载真空室、第一溅射沉积室以及第二溅射沉积室。加载真空室连接到配置成将加载真空室内的压力降低到初始加载压力的加载真空泵上。第一溅射沉积室包括第一靶标，其可以配置成在衬底上沉积第一薄膜层。第二溅射沉积室包括第二靶标，其可以配置成在衬底上沉积第二薄膜层。输送机系统可操作地设置在该装置内，并配置成以连续布置在受控的速度下将衬底运送进入并通过加载真空室，进入并通过第一溅射沉积室，且进入并通过第二溅射沉积室。第一溅射沉积室和第二溅射沉积室一体地连接，使得被运送通过该装置的衬底被保持在小于大约760TOrr的系统压力下。
还总体上提供了一种方法，用于制造薄膜碲化镉薄膜光伏装置。衬底被运送进入连接到加载真空泵上的加载真空室，且使用该加载真空泵在加载真空室中抽真空，直至在该加载真空室中达到初始加载压力。然后将该衬底从加载真空室转移到包括第一靶标源材料的第一溅射沉积室中，且该第一靶标源材料被溅射以在衬底上形成第一薄膜层。衬底然后被从第一溅射沉积室转移到包括第二靶标源材料的第二溅射沉积室中，且第二靶标源材料被溅射以在第一薄膜层上形成第二薄膜层。衬底被运送通过处于小于大约760Torr的系统压力下的第一溅射沉积室和第二溅射沉积室。参考以下描述和附图，本发明的这些以及其它特征、方面和优点将变得更好理解。结合在此说明书中并构成此说明书的一部分的附示了本发明的实施例，并且与说明一起用于解释本发明的原理。
说明书中针对本领域技术人员陈述了参考附图的本发明的完整且能够实施的公开，包括其最佳模式，其中图I是CdTe光伏模块的横截面视图；图2显示了根据本发明的一个实施例的示例性系统的俯视平面图；图3是衬底承载器构造的一个实施例的透视图；图4是衬底承载器构造的一个备选实施例的透视图；图5是用于在衬底上沉积薄膜的溅射室的一个实施例的示意性视图；以及图6是溅射室的一个备选实施例的示意性视图。本说明书和附图中参考标号的反复使用意图呈现相同或类似的特征或元件。零部件列表10 装置12 衬底14tco 层16rtb 层18硫化镉层20碲化镉层22后接触层24封装玻璃100示例性综合沉积系统101结合的室102 入口槽103入口真空阀106加载真空室108加载真空泵110邻近细真空室111细真空泵112第一溅射沉积室
114 阴极115屏蔽罩Il6功率源117 室壁118等离子场119 室119示例性竖直沉积室
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120缓冲真空室121缓冲真空122承载器123缓冲真空泵124加热室126加热元件127加热器元件128第二溅射室140出口缓冲真空室142第一出口锁止室143第一出口锁止压力系统146 出口阀147 出口槽150后处理输送机152加载模块153自动机械154 出口阀155供应输送机156致动器160返回输送机152受控输送机系统166控制器170框架构件171加载系统
具体实施例方式现在将详细参照本发明的实施例，其一个或更多示例在图中图示。各示例作为本发明的解释而非本发明的限制提供。实际上，对于本领域技术人员将会明显的是可以在本发明中做出多种更改和变型而不背离本发明的范围或精神。例如，作为一个实施例的一部分图示或描述的特征可以与另一个实施例一起使用以产生又另一个实施例。因此，其意图在于本发明覆盖此类更改和变型，只要它们落入所附权利要求及其等价物的范围内。在本公开中，当层被描述为在另一个层或衬底“上面”或“上方”时，除非另外明确指出，应理解这些层可以或者直接彼此接触，或者在这些层之间有另一个层或特征。因此，这些用语只是用来描述这些层彼此的相对位置，而不一定意味着“在顶上”，因为上或下的相对位置取决于装置对于观察者的定向。此外，尽管本发明不限于任何特定的膜厚度，但描述光伏装置的任何膜层的用语“薄”通常指具有小于大约10微米(“microns”或“ym”)的厚度的膜层。应该理解的是本文提及的范围和极限包括位于所述极限内的所有范围(即子集)。例如，从大约100到大约200的 范围也包括从110到150、170到190、153到162以及145. 3到149. 6的范围。此外，直至大约7的极限也包括直至大约5、直至3以及直至大约
4.5的极限，以及处于该极限内的范围，诸如从大约I到大约5，以及从大约3. 2到大约6. 5。总体而言，当前公开的方法和系统用于增加在线生产碲化镉薄膜光伏装置的效率和/或一致性。具体而言，系统100中存在由至少一个缓冲真空室隔开的第一溅射沉积室和第二溅射沉积室。第一溅射沉积室、真空缓冲室以及第二溅射沉积室一体地相互连接，使得通过并位于这些室之间的衬底不暴露于外部大气。例如，第一溅射沉积室和第二溅射沉积室可以一体地连接，使得被运送通过该装置的衬底被保持在小于大约760Torr (例如，小于大约250mTorr,诸如大约ImTorr到大约IOOmTorr)的系统压力下。在一个特定实施例中，总体上公开了用于在衬底上进行电阻性透明缓冲物(RTB)层和硫化镉层薄膜沉积的整体系统和方法。例如，整体系统和方法可以用于首先将RTB层沉积在衬底上。例如，RTB层可以从RTB靶标(例如，包括锌锡氧化物(ZTO)靶标)溅射到衬底上的导电性透明氧化物层上。衬底然后可以从第一溅射室运送到真空缓冲室以便在沉积后续层之前从衬底和/或室气氛去除任何颗粒(例如，在第一溅射气氛中的任何过量颗粒)。然后，可以诸如通过溅射包括硫化镉的溅射靶标在RTB层上沉积硫化镉层。如所提及的，本系统和方法对于在PV模块尤其是CdTe模块的制造中沉积多个薄膜层具有特别的有用性。图I呈现了可以至少部分地根据本文所述的系统和方法实施例制造的示例性CdTe模块10。模块10包括作为衬底12的顶部玻璃薄板，其可为高透光性玻璃(例如，高透光性硼硅酸盐玻璃)、低铁浮法玻璃或其它高透明玻璃材料。该玻璃通常足够厚以便给后续的薄膜层提供支撑(例如，从大约0. 5mm到大约IOmm厚)，并且是大体上平坦的以提供用于形成后续薄膜层的良好表面。图I中在模块10的衬底12上显示了透明导电氧化物(TCO)层14。TCO层14允许光以最小的吸收通过，同时还允许由模块10产生的电流从旁边前行至不透明的金属导体(未示出)。TCO层14可具有大约0. Iiim和大约I Pm之间的厚度，例如从大约0. Iiim到大约0. 5um,诸如从大约0. 25um到大约0. 35 u m。在TCO层14上显示了电阻性透明缓冲物(RTB)层16。此RTB层16通常比TCO层14更具电阻性并且可以帮助保护模块10免于在模块10的处理期间TCO层14和后续沉积的附加层之间的化学反应。在某些实施例中，RTB层16可以具有大约0.075 iim和大约I Pm之间的厚度，例如从大约0. Iiim到大约0. 5 iim。在特定实施例中，RTB层16可以具有大约0. 08iim和大约0. 2iim之间的厚度，例如从大约0. Iiim到大约0. 15 Um0在特定实施例中，RTB层16可以包括例如氧化锌(ZnO)和氧化锡(SnO2)的组合物，并且被称为锌-锡氧化物(“ZT0”)层16。CdS层18显示在图I的模块10的ZTO层16上。CdS层18是n型层，其通常包括硫化镉(CdS)但也可包括其他材料，诸如硫化锌、硫化锌镉等以及它们的混合物，以及掺杂剂和其它杂质。CdS层18可包括按原子百分比直至大约25%的氧，例如按原子百分比从大约5%到大约20%。层18可具有宽能带隙(例如从大约2. 25eV到大约2. 5eV，诸如大约
2.4eV)以便允许最多辐射能量(例如太阳辐射)通过。因而，硫化镉层18被认为是装置10上的透明层。CdTe层20显示在图I的示例性模块10中的硫化镉层18上。CdTe层20是p型层，其通常包括碲化镉(CdTe)，但是也可包括其他材料。作为模块10的p型层，CdTe层20是与CdS层18 (即n型层)反应的光伏层，以通过由于其高吸收系数吸收进入模块10的大部分辐射能量并产生电子空穴对而从辐射能量的吸收产生电流。CdTe层20可具有定制为吸收辐射能量的能带隙(例如从大约I. 4eV到大约I. 5eV，诸如大约I. 45eV)以在吸收辐射能量后产生具有最高电势(伏特)的最大数量的电子空穴对。电子可从P型侧(即CdTe层20)行进越过联接部至n型侧(即CdS层18)，且相反地，空穴可以从n型侧传至p型侧。、因此，在CdS层18和CdTe层20之间形成的p_n结形成二极管，其中电荷失衡导致形成跨越该P_n结的电场。允许常规电流仅沿一个方向流动并分离光致电子空穴对。碲化镉层20可通过任何已知方法形成，诸如蒸气运输沉积、化学蒸气沉积(CVD)、喷雾热分解、电子沉积、溅射、封闭空间升华(CSS)等。在特定实施例中，CdTe层20可以具有大约0. I ii m和大约10 ii m之间的厚度,例如从大约Ium到大约5 y m。对CdTe层20的暴露表面可以应用一系列后形成处理。这些处理可以调整CdTe层20的功能性，并使其表面为后续粘附到后接触层22上做好准备。例如，碲化镉层20可以在升高的温度(例如，从大约350°C到大约500°C，诸如从大约375°C到大约424°C )下退火足够的时间(例如，从大约I分钟到大约10分钟)以产生一定数量的p型碲化镉层。在不希望受理论束缚的情况下，据信碲化镉层20 (以及模块10)的退火将通常轻微p型掺杂或者甚至n型掺杂的CdTe层20转化成具有相对较低电阻系数的更强的p型层。此外，CdTe层20在退火期间可以再结晶并且经历晶粒生长。此外，可以将铜添加至CdTe层20。与合适的蚀刻一起，向CdTe层20添加铜可以在CdTe层20上形成碲化铜(Cu2Te)表面，以便在碲化镉层20 (即p型层)和后接触层22之间形成低电阻性电接触。后接触层22通常用作与相对的用作前电触点的TCO层14相关的后电触点。后接触层22可以形成在CdTe层20上，并且在一个实施例中与CdTe层20直接接触。后接触层22合适地由一种或更多高度导电性的材料制成，例如元素镍、铬、铜、锡、铝、金、银、锝或它们的合金或混合物。此外，后接触层22可为单个层或者可为多个层。在一个特定实施例中，后接触层22可包括石墨，诸如沉积在p层上的一层碳，后续一个或更多金属层，诸如以上所述的金属。后接触层22如果由一种或更多金属制成或构成，则其被合适地通过诸如溅射或金属蒸发的技术涂敷。如果其由石墨或聚合物混合物，或者由碳膏制成，则该混合物或碳膏通过用于涂抹该混合物或膏的任何合适的方法涂敷到半导体装置上，诸如丝印、喷雾或者通过“刮粉”刀。在涂敷了石墨混合物或碳膏后，该装置可被加热以便将混合物或膏转换成导电性后接触层。如果使用碳层，厚度可为从大约0. Iym到大约lOiim，例如从大约Iiim到大约5 Pm。如果使用金属层的后触点用于后接触层22或作为后接触层22的一部分，该金属层厚度可从大约0. I ii m到大约I. 5 ii m。
在图I的实施例中，在后接触层22上显示了封装玻璃24。在示例性模块10中可包括其他部件(未示出)，诸如汇流条、外部走线、激光蚀刻等。模块10可分成多个单个的电池，其通常串联连接以便获得期望电压，诸如通过电气走线连接。该系列连接的电池的每一端都可以附接到合适的导体上，诸如导线或汇流条上，以便将光伏产生的电流引导至用于连接到使用所产生电力的装置或其它系统上的常规位置。用于获得该系列连接的电池的常规手段是对模块10进行激光划线以便将该装置分成通过相互连接而连接起来的一系列电池。同样，电气走线也可连接到PV模块10的正极端子和负极端子上以提供引出线来利用由PV模块10产生的电流。图2呈现了根据本发明的方面的用于在被输送通过系统100的PV模块衬底12 (图3和4)上沉积多个薄膜层的示例性综合沉积系统100的一个示例性实施例。应该指出的是该系统100不被如本文更详细所述的任何特定类型的薄膜或薄膜沉积方法所限。在一个实施例中，该系统100可用于通过溅射沉积而连续地在TCO层14上沉积RTB层16且然后在RTB层16上沉积CdS层18。图2中所示的综合沉积系统100包括加载真空室106、第一溅射室112、真空缓冲 室120以及第二溅射室128。这些室的每一个都整体地彼此相互连接，使得通过该系统100的衬底12在集成的真空101内被保护免受外部环境影响。换言之，系统100的室112、120和128被直接集成在一起，使得离开一个室的衬底12立刻直接进入邻近的区段，而不暴露于室内大气下。因此，衬底12可以被保护免于外部污染物被引入薄膜，从而产生更加一致且有效的装置。当然，在系统100内也可包括其他中间室，只要系统整体地保持相互连接到系统100的其它室上。通过将这些沉积室集成到单个系统中，当与分离的沉积系统相比时，在碲化镉薄膜装置的制造过程中，可以减少溅射层(例如RTB层和CdS层)的沉积所需的能耗。例如，一旦在加载真空室106中抽出加载真空，不需要存在附加的加载真空室，因为贯穿第一溅射室112、真空缓冲室120以及第二溅射室128该系统压力都可以保持低于大气压力(即大约760Torr)。例如，在某些实施例中，该系统压力可以保持低于250Tor，诸如大约3mTorr到大约lOOTorr。在一个特定的实施例中，该系统压力可以保持低于初始加载真空压力(例如，小于大约250mTorr)。例如，在一个实施例中，该系统压力贯穿第一溅射室112、真空缓冲室120以及第二溅射室128 (以及位于之间的任何室)大致恒定。图示的系统100包括加载系统171，其中衬底12被加载到承载器122上并随后被输送进加载真空室106。衬底12可被自动机械153从供应输送机155加载进处于加载位152上的承载器122。例如，机器人或其它自动机械可用于此过程。在一个备选实施例中，衬底12可以手动地加载到承载器122上。如图2中所示，单个衬底12首先通过入口槽102进入加载真空室106。第一入口槽102限定可以关闭以将加载真空室106内的内部气氛与外部环境分离的活板103。加载真空室106被连接到配置成抽吸加载真空室106内的加载压力的加载真空泵108上。具体地，加载真空泵108可以将加载真空室106内的压力降低到大约ImTorr到大约250mTorr的初始加载压力。衬底12然后可以从加载真空室106传入连接到细真空泵111上的细真空室110，细真空泵111可以将压力降低到增大的真空。例如，细真空室110可以将压力降低到大约lxlO_7Torr至大约lxlO_4Torr，并且随后在系统100内的后续室中(例如在溅射沉积室112内)用惰性气体(例如IS气)回填至沉积压力(例如，大约IOmTorr到大约IOOmTorr)。在所示的实施例中，与邻近设置的竖直衬底12相关联的各个承载器122被控制以便以受控的、恒定的线性速度输送衬底12通过系统，从而确保薄膜均匀地沉积在衬底12的表面上。另一方面，承载器122和衬底12以逐步的方式被引入并引出系统100。在这点上，加载真空室106和细真空室110配有真空锁止阀154以及相关的控制器156。此外，在入口处还包括非真空模块，用于将承载器122载入系统100，并相对于外部大气缓冲承载器122。例如，参看图2，系统100包括多个邻近设置的竖直处理模块。这些模块的第一个(即加载真空室106)限定入口真空阀103，其例如可为由相关致动器156致动的选通型狭 缝阀或旋转挡板阀。初始阀103打开且承载器122被从加载模块152输送到加载真空室106中。然后关闭入口阀103。在这点上，“粗”真空泵108从大气泵吸至毫托范围内的初始“粗”真空。粗真空泵162例如可为具有罗茨型鼓风机的爪式机械泵。在泵吸至限定的交叉压力后，加载真空室106和邻近细真空室110之间的阀154被打开，且承载器122被运送到细真空室110中。室106和110之间的阀154随后关闭，加载真空室106被排空，且初始阀103被打开以接纳进入该模块的下一个承载器122。“高”或“细”真空泵111在细真空室110中抽吸升高的真空，且细真空室110可用生产气体回填以匹配下游处理室中的条件。细真空泵111例如可为构造成用来将模块泵吸至大约小于或等于9X10_5torr的低温泵或涡轮分子泵的组合。最后，细真空室110和集成室101之间的阀154被打开，且承载器122被运送到集成室101 (例如,可选的加热室124或第一溅射室119)的第一模块中。衬底12然后从加载真空室106和细真空室110输送至第一溅射沉积室112和第二溅射室128。在第一溅射沉积室112和第二溅射室128之间是缓冲真空室120，其连接到构造成从通过其中的气氛和/或衬底12除去任何沉积颗粒的缓冲真空泵123上。因而，缓冲真空室120可以抑制第一溅射沉积室112和第二溅射室128之间的交叉污染。在一个实施例中，构造成提供达蒸汽沉积温度的惰性气体的回填气体端口可以包括在真空缓冲泵122内。在一个特定的实施例中，缓冲真空室120可以在其入口狭缝和/或其出口狭缝上包括狭缝阀，以进一步抑制第一溅射沉积室112和第二溅射沉积室128之间的交叉污染。溅射沉积通常包括从靶标喷射材料，靶标为材料源，并将喷射的材料沉积到衬底上以形成膜。DC溅射通常包括对在溅射室内定位在衬底(即阳极)附近的金属靶标(即阴极)施加直流电以形成直流放电。溅射室可以有反应性气氛(例如，除了氧、氮等之外还包括硫)，其形成金属靶标和衬底之间的等离子场。也可存在其他的惰性气体(例如氩等)。对于磁控溅射该反应性气氛的压力可在大约ImTorr和大约20mTorr之间。该压力对于二极管派射可以甚至更高(例如从大约25mTorr到大约IOOmTorr)。当应用电压后金属原子从靶标释放时，金属原子沉积在衬底的表面上。例如，当该气氛包含氧时，从金属靶标释放的金属原子可以在衬底上形成金属氧化物层。应用在原材料上的电流可以根据源材料的尺寸、溅射室的尺寸、衬底的表面面积的数量以及其它变量而变化。在一些实施例中，施加的电流可从大约2amps到大约20amps。相反,RF派射包括通过在祀标(例如陶瓷性源材料)和衬底之间施加交流(AC)或射频(RF)信号而激发电容性放电。溅射室可以具有惰性气氛(例如氩气氛)，其可包含或者可不包含具有在大约ImTorr到大约20mTorr之间的压力的反应性物类(例如，氧、氮等)以便进行磁控溅射。同样，该压力对于二极管溅射可以甚至更高(例如从大约25mTorr到大约IOOmTorr)。如图所示，第一溅射沉积室112和第二溅射沉积室128的每一个通常都包括经由导线117连接到电源116 (例如，DC或RF功率源)上的靶标114。功率源116配置成控制并向溅射沉积室112供应功率(例如，DC, RF或脉冲DC功率)。如图5和6中所示，功率源116对靶标114(充当阴极)施加电压以在靶标114和由屏蔽罩115以及室壁117形成的阳极之间形成电压势，使得衬底12处于形成在其间的磁场内。尽管对于每个靶标114仅示出了单个功率源116，但电压势可通过使用联接在一起的多个功率源而实现。衬底12通常定位在溅射沉积室112内，使得在面向靶标114的衬底12的表面上形成薄膜层(例如，RTB层或CdS层)。一旦点燃溅射气氛，即形成等离子场118，并且其响应于靶标114和充当阳极的室壁110之间的电压势而维持。电压势导致等离子场118内的等离子体离子向着靶标114加速，从而导致来自靶标114的原子向着该表面喷射到衬底12上。因而，靶标114(同样也可称为阴极)充当用于在面向靶标114的衬底12的表面上形 成薄膜层的源材料。溅射气氛控制系统119可以控制溅射沉积室112内的溅射气氛，诸如降低至溅射压力(例如大约10到大约25mTorr)。通常,溅射气氛控制系统119可以向溅射沉积室112提供惰性气体(例如氩气)。可选地，溅射气氛还可以包括氧，从而允许等离子场118的氧微粒与喷射的靶标原子反应以形成包括氧的薄膜层。还可以包括溅射真空121以控制溅射室112内的压力。例如，可利用溅射沉积室112来在衬底上形成硫化镉层。在此实施例中，靶标114可为陶瓷靶标，诸如硫化镉的陶瓷靶标。此外，在一些实施例中，可利用多个靶标114。多个靶标114对于形成包括若干类型材料的层(例如共溅)会尤其有用。可选地，衬底12可运送进入并通过定位在第一溅射沉积室112和第二溅射室128的任一个之前的加热室124，如图I中所示。加热室124可包括加热元件126，加热元件126配置成在衬底进入溅射室112和/或128之前将衬底12加热至溅射温度，诸如大约50°C到大约250°C，其取决于溅射沉积的参数。在一个备选实施例中，溅射室112和/或128可以可选地包括加热器127，加热器127配置成替代加热室124内的衬底12或作为加热室124内的衬底12的附加而加热溅射室112和/或128内的衬底12 (如图5中所示)。为了离开系统100，衬底12可以被通过连接到缓冲真空121的可选的出口缓冲真空室140。衬底12然后可以通过由独立电机156控制的一系列出口阀154以离开系统100，同时保持集成室101内的真空。因而，承载器122和衬底12可以通过出口缓冲真空室140之间的阀154并进入连接到第一出口锁止压力系统143上的第一出口锁止室142。阀154然后可以被关闭，且第一出口锁止室142排空至“粗”出口压力。然后，第一出口锁止室142和第二出口锁止室144之间的阀154可以被打开且衬底12被输送通过其中。第一出口锁止室142和第二出口锁止室144之间的阀154然后可以关闭，并且第二出口锁止室144被排空至大气压力。出口阀146然后可以被打开，且通过出口槽147从系统100去除承载器122。衬底12可以从承载器122去除，并放置在后处理输送机150上以通过机械臂153进一步处理。承载器122然后可以经由返回输送机160返回至系统100的起点。承载器122可均具有加载在其上被引入系统100的一个或更多衬底。在图2和6中所示的实施例中，承载器122可配置成用于同时沉积定位成背靠背的衬底12。
各个室均可包括独立驱动且控制的输送机系统162，用于以受控的方式将衬底承载器122移动通过相应的室。在特定的实施例中,输送机162可为棍子型输送机、带式输送机等。用于各相应室的输送机162可设有独立的驱动器(图中未图示)。各种衬底12可以竖直定向以便承载器122以竖直定向将衬底12输送通过系统100。参看图4，示例性的承载器122图示为由框架构件170制成的框式结构。框架构件170限定对于衬底12的接纳位置，使得衬底12水平或者竖直地接纳(相对于它们的纵轴线)在承载器122内。应该理解的是承载器122可由任何方式的框架结构或构件限定，以便以竖直的定向承载一个或更多衬底12通过加工侧。在图4的实施例中，承载器122配置成用于接纳水平位置上的两个衬底12。应该容易理解的是也可设置多个衬底12，使得相应衬底的纵轴线处于竖直位置上。承载器122内的衬底12的任何定向均设想为在本发明的范围和精神内。框架构件124可限定开口型框架，其中衬底12大体上接纳在由承载器122限定的“窗户开口”内。在一个备选实施例中，承载器122可限定背板，衬底12抵靠其设置。图5中所示的承载器122的实施例配置成用于接纳四个衬底112，其中衬底12的 对成背靠背关系。例如，一对衬底12设置在承载器112的上框架部分中，而第二对衬底12设置在承载器112的下框架部分中。当四个或更多衬底12在系统100中被同时处理时，可使用图5的构造，如以下相对于图7中所示的沉积装置更详细描述的那样。再次参看图2，系统100可特别配套至少两个竖直溅射室，用于在输送通过其中的衬底上后续沉积锌-锡氧化物(ZTO)层且然后在ZTO层上沉积硫化镉(CDS)层。真空溅射室的操作对于本领域技术人员是公知的并且不需要在本文详细描述。图5显示了示例性竖直沉积室119的总体示意性横截面视图。功率源116配置成控制并供应到室119的DC或RF功率。在DC室119的情况下，功率源116对阴极114施加电压从而在阴极114和阳极之间产生电压势。在图示的实施例中，阳极由屏蔽罩115以及室壁117限定。玻璃衬底12由承载器122保持成大致与阴极114相对(其也是靶标源材料)。一旦点燃溅射气氛，即形成等离子场118，并且其响应于阴极114和阳极之间的电压势而维持。电压势导致等离子场118内的等离子体离子向着阴极114加速，从而导致来自阴极114的原子向着衬底12的表面喷射。因而，阴极114是“靶标”且由用于期望在衬底12的表面上形成特定类型的薄膜的源材料限定。例如，阴极114可为金属合金靶标，诸如元素锡、元素锌或不同金属合金的混合物。室166中的氧与喷射的靶标原子反应以在衬底12上形成氧化物层，诸如ZTO层。可在RF溅射室119中(图5)通过在基本惰性气氛中在陶瓷靶标源材料和衬底12之间施加交流(AC)或射频(RF)信号形成硫化镉(CdS)薄膜层。尽管在图5和6中图示了单个功率源，但通常可以理解的是可将多个功率源与相应的靶标源联接在一起以在室166内生成期望的溅射条件。图5图示了室119内的加热器元件127。在室119内可配置任何方式或构造的加热器元件，以在室内维持期望的沉积温度和气氛。在图5的实施例中，竖直沉积模块128配置成用于在朝向靶标源材料114定向的衬底12的侧面上沉积薄膜层。图6图示了一个实施例，其中室119包括用于将薄膜涂敷到固定到承载器122中的背靠背的衬底12的向外面向表面上的双溅射系统，承载器诸如以上关于图4图示并描述的承载器122构造。因而，通过图6中图示的竖直沉积模块119，四个衬底被同时处理以在其上沉积特定的薄膜层。图2中的系统100由多个相互连接的室限定，如以上所述，且各个室用于特定的功能。配套单个模块的相应的输送机以及阀154和相关的致动器156也适当地控制用于各种功能。出于控制目的，单个室的每一个均可具有与其配套的相关的控制器166，以控制相应模块的单个功能。应该容易理解的是，尽管本文在特定实施例中将沉积室119描述为溅射沉积模块，但本发明不限于此特定的沉积方法。竖直沉积室119可配置为任何其它合适类型的加工室，诸如化学蒸气沉积室，热沉积室，物理蒸气沉积室等。在本文所述的特定实施例中，第一沉积室可配置用于沉积ZTO层而第二沉积室可配置用于在ZTO层上沉积CdS层。各室119可配套有四个DC水冷磁电管。如上所述，各室119还可包括安装在各个阴极对之间的后室上的真空泵。
本发明还包括用于在光伏(PV)模块衬底上沉积多个薄膜层的各种方法实施例。这些方法可用上述各种系统实施例或通过合适系统部件的任何其它构造来实施。因而应该理解的是根据本发明的方法实施例不限于本文所述的系统构造。在一个特定实施例中，该方法包括将衬底运送进入连接到加载真空泵上的加载真空室，以使用该加载真空泵在加载真空室中抽真空，直至在该加载真空室中达到初始加载压力。可选地，衬底可以运送进入并通过以上相对于图2所述的缓冲真空室和/或加热室。衬底然后可从加载真空室运送进入包括第一靶标源材料(例如，包括锌和锡或锌/锡氧化物)的第一溅射沉积室，在此处第一靶标源材料可以被溅射以在衬底上形成第一薄膜层(例如，电阻性透明缓冲层)。衬底然后可以被从第一溅射沉积室转移到包括第二靶标源材料(例如硫化镉)的第二溅射沉积室中，在此处第二靶标源材料可以被溅射以在第一薄膜层上形成第二薄膜层(例如，CdS层)。衬底被运送通过处于小于大约760TOrr的系统压力下的加载真空室、第一溅射沉积室和第二溅射沉积室。可选地，衬底可以运送进入并通过以上相对于图2所述的缓冲真空室。该方法可包括在沉积过程期间使承载器以及附接的衬底以逐步方式移入和移出真空室，例如通过一系列真空锁，而以连续的线性速度将承载器和附接的衬底输送通过真空室。此书面说明书使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例包括无异于权利要求的字面语言的结构性元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等同结构元件，则它们意在处于权利要求的范围内。
权利要求
1.一种用于将靶标源材料(114)作为薄膜顺序溅射沉积在光伏模块衬底(12)上的装置(100)，所述装置(100)包括 加载真空室(106)，其连接到配置成将所述加载真空室(106)内的压力降低到初始加载压力的加载真空泵(108)上； 第一溅射沉积室(112)，其包括第一靶标(114)； 第二溅射沉积室(128)，其包括第二靶标(114);以及 输送机系统(162)，其可操作地设置在所述装置(100)内，并配置成用于按串联布置以受控的速度运送衬底(12)进入并通过加载真空室(106)、进入并通过所述第一溅射沉积室(112)、以及进入并通过所述第二溅射沉积室(128)，其中所述第一溅射沉积室(112)和所述第二溅射沉积室(128) —体地连接，使得被运送通过所述装置(100)的所述衬底(12)被保持在小于大约760Torr的系统压力下。
2.如权利要求I所述的装置(100)，其特征在于，所述装置还包括 定位在所述加载真空室(106)和所述第一溅射沉积室(112)之间的加热室(124)，其中所述加热室(124)配置成在所述衬底(12)进入所述第一溅射沉积室(112)之前将所述衬底(12)加热至第一溅射沉积温度。
3.如权利要求I所述的装置(100)，其特征在于，所述装置还包括 定位在所述加载真空室(106)和所述第一溅射沉积室(112)之间的多个加热室(124)，其中所述多个加热室(124)配置成在所述衬底(12)进入所述第一溅射沉积室(112)之前将所述衬底(12)加热至溅射温度。
4.如权利要求I所述的装置(100)，其特征在于，所述装置还包括 定位在所述第一溅射沉积室(112)和所述第二溅射沉积室(128)之间的真空缓冲室(120)，其中所述真空缓冲室(120)连接到配置成将所述真空缓冲室(120)内的压力降低到缓冲压力的缓冲真空泵(123)上。
5.如权利要求I所述的装置(100)，其特征在于，所述装置还包括 连接到细真空泵(111)上的细真空室(110)，其中所述细真空室(110)定位在所述加载真空室(106)和所述第一溅射沉积室(112)之间，以便在沉积期间改善所述第一溅射沉积室(112)内的压力。
6.如权利要求I所述的装置(100)，其特征在于，所述第一靶标(114)包括锌和锡。
7.如权利要求I所述的装置(100)，其特征在于，所述第二靶标(114)包括硫化镉。
8.—种制造薄膜碲化镉薄膜光伏装置(10)的方法，所述方法包括 运送衬底(12)进入连接到加载真空泵(108)上的加载真空室(106)； 使用所述加载真空泵(108)在所述加载真空室(106)中抽吸真空，直至在所述加载真空室(106)中达到初始加载压力； 从所述加载真空室(106)将所述衬底(12)运送进入第一溅射沉积室(112)，其中所述第一溅射沉积室(112)包括第一靶标源材料(114)； 溅射所述第一靶标源材料(114)以在所述衬底上形成第一薄膜层； 从所述第一溅射沉积室(112)将所述靶标(12)运送进入第二溅射沉积室(128)，其中所述第二溅射沉积室(128)包括第二靶标源材料(114);以及 溅射所述第二靶标源材料(114)以在所述第一薄膜层上形成第二薄膜层；其中所述衬底(12)被运送通过所述第一溅射沉积室(112)和所述第二溅射沉积室(128)，同时保持在小于大约760Torr的系统压力下。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一靶标源材料(114)包括被溅射以在所述衬底(12)上形成电阻性透明缓冲物层(16)，且其中所述第二靶标源材料(114)被溅射以在所述电阻性透明缓冲物层(16)上形成硫化镉层(18)。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一靶标源材料(114)包括锌和锡。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第二靶标源材料(114)包括硫化镉。
12.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括 从所述加载真空室(106)将所述衬底(12)运送进入定位在所述加载真空室(106)和所述第一溅射沉积室(106)之间的加热室(124);以及 在所述衬底(12)进入所述第一溅射沉积室(106)之前在所述加热室(124)内将所述衬底(12)加热至第一溅射沉积温度。
13.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括 从所述加载真空室(106)将所述衬底(12)运送进入并通过顺序地定位在所述加载真空室(106)和所述第一溅射沉积室(112)之间的一系列加热室(124);以及 在所述衬底(12)进入所述第一溅射沉积室(112)之前在多个所述加热室(124)内将所述衬底(12)加热至溅射沉积温度。
14.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括 运送所述衬底(12)进入并通过定位在所述第一溅射沉积室(112)和所述第二溅射沉积室(128)之间的真空缓冲室(120)，其中所述真空缓冲室(120)连接到配置成将所述真空缓冲室(120)内的压力降低到缓冲压力的缓冲真空泵(121)上。
15.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述初始加载压力为大约ImTorr到大约IOOmTorr0
全文摘要
本发明涉及用于在光伏模块衬底上薄膜层的高速沉积的系统和方法，具体而言，提供了用于将靶标源材料作为薄膜顺序溅射沉积在光伏模块衬底上的装置和方法。该装置包括第一溅射沉积室和第二溅射沉积室，它们一体地连接，使得被运送通过该装置的衬底被保持在小于大约760Torr的系统压力下。加载真空室连接到配置成将加载真空室内的压力降低到初始加载压力的加载真空泵上。第一溅射沉积室包括第一靶标，而第二溅射沉积室包括第二靶标。输送机系统可操作地设置在该装置内，并配置成以连续布置在受控的速度下将衬底运送进入并通过加载真空室，进入并通过第一溅射沉积室，且进入并通过第二溅射沉积室。
文档编号C23C14/06GK102677004SQ20121008155
公开日2012年9月19日 申请日期2012年3月14日 优先权日2011年3月14日
发明者R·W·布莱克 申请人:初星太阳能公司