CN101140866A

CN101140866A - 多晶硅薄膜及其组件的制备方法

Info

Publication number: CN101140866A
Application number: CNA2007100188877A
Authority: CN
Inventors: 范多旺; 王成龙; 范多进; 令晓明; 孔令刚
Original assignee: DACHENG AUTOMATION ENGINEERING Co Ltd LANZHOU; Lanzhou Jiaotong University
Current assignee: Lanzhou Dacheng Technology Co., Ltd.
Priority date: 2007-10-09
Filing date: 2007-10-09
Publication date: 2008-03-12
Anticipated expiration: 2027-10-09
Also published as: CN100517572C

Abstract

本发明涉及多晶硅薄膜的制备及其太阳能电池使用的多晶硅薄膜的组件的形成方法。一种多晶硅薄膜制备方法，其主要特点包括有如下步骤：A.基底清洗；B.多晶硅薄膜制备，将高纯硅作为靶材，当真空室体内压强抽到2×10^－4Pa后，向真空室体充入氩气，真空室体内压强达到0.5～5Pa时，在基底的工件车和真空室体间加200～1000V的偏压，占空比为45～80％；磁场强度300～500Gs，开始磁控溅射镀膜，在基片铝膜表面形成多晶硅薄膜；基片温度为25～30℃，镀膜时，真空室体温度为25～30℃。本发明的优点是，可在常温下直接得到高结晶度的多晶硅薄膜，使得硅衬底薄膜的制备与结晶在真空条件下同步完成，大大降低了多晶硅薄膜大规模制备的成本。其工艺简单，可批量生产。

Description

多晶硅薄膜及其组件的制备方法

技术领域：

本发明涉及多晶硅薄膜的制备及其太阳能电池使用的多晶硅薄膜的组件的形成方法。

背景技术：

硅晶太阳能电池价格昂贵，而硅原料成本占据了硅晶太阳能电池成本的50％～60％。因此降低太阳能电池成本，行之有效的办法就是减少硅材料的消耗。光伏产业正积极探索一系列研究方案，其中最为有效的就是采用较薄的硅衬底。目前，由于受切割工艺的限制，太阳能电池的硅晶衬底厚度大约为200～300μm，而厚度小于100μm硅衬底制备技术正处于研发中。最新的研究结果表明厚度为1μm的单晶或多晶硅膜就具有较好的光电转换效率。因此薄膜太阳能电池成为太阳能电池发展的最有潜力的方向之一。由于受材料、效率以及稳定性的限制，多晶硅薄膜太阳能电池成为目前最具有实用价值和市场潜力的发展方向之一。考虑到工业生产的实际需要，目前研究主要集中在寻找大规模生产过程中既要提高效率又要降低成本问题上的契合点。目前多采用高温化学气相沉积法，该方法具有薄膜生长速率快，薄膜结晶质量好等优点，然而这种方法需要选择耐热的衬底材料，一般要求超过1400℃，所以需要热稳定性很好的衬底，这些耐高温的衬底材料多为非金属材料；又因为薄膜沉积与结晶需分步进行，因此有杂质污染的危险，同时由于适合该方法制备多晶硅太阳能电池的高温衬底是绝缘体，需研究出新的金属接触。因此现有的多晶硅薄膜太阳能电池制备方法不适应于大规模高效率工业生产的需要。

发明内容：

本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种可在常温下制备多晶硅薄膜及其组件的制备方法，使得硅衬底薄膜的制备与结晶在真空条件下同步完成，无需常规退火处理，保证多晶硅薄膜的质量的同时降低了多晶硅薄膜太阳能电池大规模制备的成本，提高薄膜太阳能电池转化效率。

本发明的目的可以通过采用以下技术方案来实现：一种多晶硅薄膜制备方法，其主要特点包括有如下步骤：

A.基底清洗，在超声清洗机中用清洗液和纯净水的混合液对基底进行表面清洗；

B.多晶硅薄膜制备，将高纯硅作为靶材，当真空室体内压强抽到2×10^-4Pa后，向真空室体充入氩气，真空室体内压强达到0.5～5Pa时，在安装基底的工件车和真空室体间加200～1000V的偏压，占空比为45～80％；磁场强度300～500Gs，开始磁控溅射镀膜，在基片铝膜表面形成多晶硅薄膜；基片温度为25～30℃，镀膜时，真空室体温度为25～30℃。

所述的多晶硅薄膜制备方法的基底的材料为玻璃、金属材料或是塑料柔性材料。

所述的基底的材料为非铝材料时，在步骤A与B之间有铝膜电极制备步骤，将清洗好的基底放入真空室蒸镀铝膜。所述的铝膜电极制备步骤，采用真空热蒸镀的方法，真空度为5×10^-4～9×10^-4Pa，沉积厚度为0.8～5μm；为保证能在塑料等低熔点基底上高速沉积铝电极，蒸发电流为4000～4500A，沉积速率为10～300nm/s。

所述的多晶硅薄膜制备方法的多晶硅薄膜制备步骤，所述的靶材为Czochralski-Si、多晶硅或非晶硅，靶材硅的纯度须在99.99％以上。

所述的多晶硅薄膜制备步骤中的磁控溅射为直流脉冲磁控溅射，磁控溅射的功率为12000～16000W，功率密度为10～13W/cm2。

所述的多晶硅薄膜制备步骤中靶与基片的距离为50～500mm。

所述的多晶硅薄膜沉积厚度为1～5μm。

所述的多晶硅薄膜的组件，其主要有如下步骤：

B.铝膜电极制备，将清洗好的基片底放入真空室蒸镀铝膜。所述的铝膜电极制备步骤，采用真空热蒸镀的方法，真空度为5×10^-4～9×10^-4Pa，沉积厚度为0.8～5μm；为保证能在塑料等低熔点基底上高速沉积铝电极，蒸发电流为4000～4500A，沉积速率为10～300nm/s；

C.多晶硅薄膜制备，将高纯硅作为靶材，将真空室体内压强抽到2×10^-4Pa后，向真空室体充入氩气，真空室体内压强达到0.5～5Pa时，在安装基底的工件车和真空室体间加200～1000V的偏压，占空比为45～80％；磁场强度300～500Gs，开始磁控溅射镀膜，在基片铝膜表面形成多晶硅薄膜；基片温度为25～30℃，镀膜时，真空室体温度为25～30℃；

D.导电透明电极或梳状电极制备，在多晶硅薄膜表面镀制导电透明电极或者梳状电极；选用纯度为99.99％的氧化锌和纯度为99.99％的氧化铝混合烧结成直流溅射靶，其中氧化铝含量为6～10％质量分数，将两靶相对放置，靶间距为40～70mm左右；将镀好的多晶硅薄膜膜层朝向两靶，放在高于两靶上边缘3～10cm的位置；溅射前本底真空为2～5×10^-2Pa，将纯度为99.999％的氩气通过阀门充入工作室，直至气压达到1～5Pa，开启溅射电源，逐渐升高功率至系统起辉，继续通入氩气；沉积厚度为200～500nm；

E.减反射保护膜制备，在导电透明电极或者多晶硅薄膜和梳状电极上制备减反射膜。电阻蒸发氟化镁，蒸发电流为1500～1800A，电压为6～10V，时间为50～100S。

本发明的有益效果是，本发明的多晶硅薄膜及其组件制备以高纯硅为靶材，采用磁控溅射外加偏压的方法制备多晶硅薄膜，可在常温下直接得到高结晶度的多晶硅薄膜，使得硅衬底薄膜的制备与结晶在真空条件下同步完成，无需后续退火处理，因此避免了杂质污染的危险，保证了多晶硅薄膜的品质，同时大大降低了多晶硅薄膜大规模制备的成本。其工艺简单，可批量生产。

附图说明：

图1：本发明多硅晶薄膜组件的结构示意简图；

图2：本发明实施例1的多晶硅薄膜XRD图(不锈钢基底)；

图3：本发明实施例2的多晶硅薄膜XRD图(铝合金基底)。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进一步具体的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明制备的装置，见同日申请的单/多晶硅薄膜制备装置。

实施例1：一种多晶硅薄膜制备方法。

以不锈钢为基片。

A.基底清洗，在超声清洗机中用清洗液和纯净水的混合液对基底进行表面清洗；经过超声清洗5分钟，静电除尘枪吹干。

B.铝膜电极制备，将清洗好的基片底放入真空室蒸镀铝膜。所述的铝膜电极制备步骤，采用真空热蒸镀的方法，真空度为5×10^-4，沉积厚度为3μm；蒸发电流为4000～4500A，沉积速率为10～300nm/s。

C.在同一真空室内采用直流脉冲磁控溅射制备多晶硅薄膜，靶材为99.99％的多晶硅块体，将真空室体内压强抽到2×10^-4Pa后，向真空室体充入氩气，真空室体内压强达到0.5～5Pa时，溅射时功率密度为10W/cm²，靶和基底的距离为300mm，基体温度为25～30℃，镀膜时，真空室体不需加热，温度为25～30℃，在工件车和真空室体间加占空比为60％的800V的直流偏压，沉积厚度为2μm，在XRD下观察多晶硅薄膜的结晶情况，见图2。

从图2XRD衍射图中可以看出，图中除了Al(111)和Al(220)外还出现了Si(111)，Si(220)，Si(311)明显的衍射峰。

实施例2：一种多晶硅薄膜制备方法。

以铝合金A380为基底，正面经机械抛光后，超声清洗5分钟后，静电除尘枪吹干，放入真空室内工件架上，采用直流脉冲磁控溅射制备多晶硅薄膜，靶材为99.99％的多晶硅块体，溅射时功率密度为12W/cm²，靶和基底的距离为500mm，基体温度为25～30℃，镀膜时，真空室体不需加热，温度为25～30℃，在工件车和真空室体间加占空比为50％的500V的直流偏压，沉积厚度为2.5m，在XRD下观察多晶硅薄膜的结晶情况，见图3。

从图3XRD衍射图中可以看出，图中除了Al(111)和Al(220)外还出现了Si(111)，Si(220)，Si(311)明显的衍射峰。

实施例3：一种多晶硅薄膜组件的制备方法。

图1给出了本发明多晶硅薄膜组件的一种具体结构示意图。由图1可见，该非铝基底的结构为基片(A)；铝膜电极(B)；多晶硅薄膜(C)；导电透明电极或梳状电极(D)；减反射保护膜(E)。

A.基底清洗，在超声清洗机中用清洗液和纯净水的混合液对基底进行表面清洗。

B.铝膜电极制备，将清洗好的基底放入真空室蒸镀铝膜。

C.多晶硅薄膜制备，将高纯硅作为靶材，将真空室体内压强抽到2×10-4Pa后，向真空室体充入氩气，真空室体内压强达到0.5～5Pa时，在工件车和真空室体间加200～1000V的偏压，占空比为45～80％；磁场强度300～500Gs，开始磁控溅射镀膜，在基片铝膜表面形成多晶硅薄膜；基片温度为25～30℃，镀膜时，真空室体温度为25～30℃。

D.导电透明电极或梳状电极制备，在多晶硅薄膜表面镀制导电透明电极或者梳状电极；选用纯度为99.99％的氧化锌和纯度为99.99％的氧化铝混合烧结成直流溅射靶，其中氧化铝含量为6～10％质量分数，将两靶相对放置，靶间距为40～70mm左右；将镀好的多晶硅薄膜膜层朝向两靶，放在高于两靶上边缘3～10cm的位置；溅射前本底真空为2～5×10^-2Pa，将纯度为99.999％的氩气通过阀门充入工作室，直至气压达到1～5Pa，开启溅射电源，逐渐升高功率至系统起辉，继续通入氩气；沉积厚度为200～500nm。

E.减反射保护膜制备，在导电透明电极或者多晶硅薄膜和梳状电极上制备减反射膜。开启氟化镁蒸发电源，蒸发电流为1500～1800A，电压为6～10V，时间为50～100S。

实施例4：一种多晶硅薄膜组件的制备方法。

以铝合金A380为基底。

其步骤A、C与实施例2相同，步骤D、E与实施例4相同。

Claims

1.一种多晶硅薄膜制备方法，其特征包括有如下步骤：

B.多晶硅薄膜制备，将高纯硅作为靶材，当真空室体内压强抽到2×10^-4Pa后，向真空室体充入氩气，真空室体内压强达到0.5～5Pa时，在安装基底的工件车和真空室体间加200～1000V的偏压，占空比为45～80％；磁场强度300～500Gs；开始磁控溅射镀膜，在基底表面形成多晶硅薄膜；基底温度为25～30℃，镀膜时，真空室体温度为25～30℃。

2.如权利要求1所述的多晶硅薄膜制备方法，其特征是所述的基底的材料为玻璃、金属材料或是塑料柔性材料。

3.如权利要求2所述的多晶硅薄膜制备方法，其特征是所述的基底的材料为非铝材料时，在步骤A与B之间有铝膜电极制备步骤，将清洗好的基底放入真空室蒸镀铝膜，所述的铝膜电极制备步骤，采用真空热蒸镀的方法，真空度为5×10^-4～9×10^-4Pa，沉积厚度为0.8～5μm；蒸发电流为4000～4500A，沉积速率为10～300nm/s。

4.如权利要求1所述的多晶硅薄膜制备方法，其特征是所述的多晶硅薄膜制备步骤中，所述的靶材为Czochralski-Si、多晶硅或非晶硅，靶材硅的纯度须在99.99％以上。

5.如权利要求1或2或3或4所述的多晶硅薄膜制备方法，其特征是所述的多晶硅薄膜制备步骤中的磁控溅射为直流脉冲磁控溅射，磁控溅射的功率为12000～16000W，功率密度为10～13W/cm²。

6.如权利要求5所述的多晶硅薄膜制备方法，其特征是所述的多晶硅薄膜制备步骤中靶与基片的距离为50～500mm。

7.如权利要求1所述的多晶硅薄膜制备方法，其特征是所述的多晶硅薄膜沉积厚度为1～5μm。

8.如权利要求1至7所述的多晶硅薄膜的组件的制备方法，其特征在于有如下步骤：

B.铝膜电极制备，将清洗好的基底放入真空室蒸镀铝膜；

C.多晶硅薄膜制备，将高纯硅作为靶材，当真空室体内压强抽到2×10^-4Pa后，向真空室体充入氩气，真空室体内压强达到0.5～5Pa时，在安装基底的工件车与真空室体之间加200～1000V的偏压，占空比为45～80％；磁场强度300～500Gs，开始磁控溅射镀膜，在基片铝膜表面形成多晶硅薄膜；基片温度为25～30℃，镀膜时，真空室体温度为25～30℃；

D.导电透明电极或梳状电极制备，在多晶硅薄膜表面镀制导电透明电极或者梳状电极；选用纯度为99.99％的氧化锌和纯度为99.99％的氧化铝混合烧结成直流溅射靶，其中氧化铝含量为6～10％质量分数，将两靶相对放置，靶间距为40～70mm左右；将镀好的多晶硅薄膜膜层朝向两靶，放在高于两靶上边缘3～10cm的位置；溅射前本底真空为2～5×10^-2Pa，将纯度为99.999％的氩气通过阀门充入工作室，直至气压达到1～5Pa，开启溅射电源，继续通入氩气；沉积厚度为200～500nm；

E.减反射保护膜制备，在导电透明电极或者多晶硅薄膜和梳状电极上制备减反射膜：开启氟化镁蒸发电源，蒸发电流为1500～1800A，电压为6～10V，时间为50～100s。