CN101877372A - 薄膜太阳能电池的背电极膜层 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适合大规模工业在线生产非晶硅太阳能电池背电极连续镀膜的方法及其装置。其技术特征：中频双直筒旋转靶材溅射AZO氧化物透明导电膜加直流平面靶材镀金属膜方法及连续在线镀膜装置，包括气体隔离室、真空泵组和两端真空门阀在内的气体隔离装置，设置在AZO透明氧化物膜层区域与金属膜层区域真空室之间。将单一分离式氧化物镀膜镀膜和金属膜层的镀膜线整合为在线一体机，消除了“串气”现象，技术效果明显，使背电极膜层具高强附着力，成本低，产能高。

Description

薄膜太阳能电池的背电极膜层

技术领域

本发明是公开一种大规模工业连续在线生产太阳能电池，确切的说是一种非晶硅太阳能电池背电极膜层在线镀膜的方法及其装置。

背景技术

太阳能电池是一种可再生能源产品，太阳能电池尤其薄膜型非晶硅太阳能电池，以廉价的玻璃为基底，几乎是材料和器件同时形成，能耗低。从生产的全过程到产品的回收，都不会对环境造成污染。实属低碳经济发展中的绿色节能环保产品。

目前，非晶硅太阳能电池的关键问题在于进一步提高光电转换效率和改善电池稳定性。通常，非晶硅太阳能电池包括有源区或光电转换单元，和设置成前电极透明导电氧化物(TCO)膜层和背电极金属膜层。非晶硅太阳能电池是典型的薄膜型PV器件，具有一个或多个P-I-N结，P-I-N结又有同质结和异质结之分。每个P-I-N结或光电转换单元，都包括P型硅层(正极)，本征I型硅层(有源层)，N型硅层(负极)。一般在玻璃基板透明导电膜前电极或称窗口层上依次沉积P-I-N膜层，根据不同的工艺要求，可先沉积P层，也可逆向先沉积N膜层背电极。

导电氧化物膜TCO/金属复合背反射电极不但可以使源层I光吸收增强，增大短路电流，提高转化效率，而且可以进一步减薄I层，改善电池稳定性。近年来，AZO/金属复合背电极结构已经被众多非晶硅薄膜太阳能电池厂家所采用并已经进入大规模工业生产阶段。关于AZO(氧化铝掺杂的氧化锌透明导电膜)/金属复合背电极结构已经出现在以往专利中，如：CN 101246923A、CN101527337A、CN 101488532A。

工业上生产AZO透明导电膜层和Al、Ag等金属电极膜层一般采用磁控溅射法，虽然磁控溅射法的工艺已经相对成熟，但是仍然存如下问题：1、采用平面靶材通过磁控溅射法进行AZO镀膜，靶材的利用率不高(30％左右)，靶面容易出现中毒等现象；2、采用直流磁控溅射镀AZO膜层溅射效率低，膜层附着力不高；3、镀膜基板表面一般附有一定的杂质和水汽，采用单一直流磁控溅射直接在介质表面镀金属膜层也存在附着力不高的问题，在镀膜前需要一定的加热过程去除杂质水汽等以提高膜层附着力；4、金属膜层和氧化物膜层一般采用分开单独溅射，主要是因为金属镀膜需要严格限制氧气氛存在，而氧化物镀膜往往会在镀膜中析出部分的氧，因此金属与氧化物连续镀膜会影响金属膜层质量。现有公开文件仅提及一个设备里可以完成金属或氧化物镀膜，但并没有实质性的氧化物与金属膜层在线连续镀膜的解决方案。

利用上面提到的平面靶材磁控溅射和直流磁控溅射方法进行AZO镀膜的镀膜速度较金属镀膜要低，所以目前工业生产中普遍应用的是单一镀膜线来进行氧化物镀膜，然后再用另一条镀膜线进行金属膜层的镀膜。占用工作面积大，效率低，产能不大；同时单独镀膜的氧化物与金属膜层都存在附着力低的现象。若采用上述技术，在大规模生产线连续镀氧化物和金属膜，还必须从工艺上及在线装置上加以改进，来消除“串气”现象，以提高电池背电极膜层的质量。

应用中频磁控溅射双直筒旋转靶材进行AZO氧化物镀膜可以最大程度的提高镀膜溅射速度。基于直筒旋转靶材的特殊性能可以最大幅度提高靶材的利用率到70％以上并同时避免靶材表面中毒现象；中频溅射旋转靶材可以在直筒旋转靶材特性基础上进一步提高溅射速度，中频溅射所具有的等离子辅助溅射的特性可以帮助提高溅射原子的能量，从而提高镀膜时膜层温度并增加膜层致密性，减少膜层缺陷，提高膜层与基材之间的附着力，最终提高AZO膜层的光电性能。

中频磁控溅射溅射直筒旋转靶材进行AZO氧化物镀膜可以显著提高镀膜速度，但是在溅射AZO靶材的时候在镀膜真空室内会有一定量氧原子存在。在工艺调节过程中为了调节AZO膜层光电性能也会通部分氧气进入真空室。而在进行金属膜层镀膜的时候真空室内氧原子的存在会大幅度降低膜层性能，所以金属镀膜要严格限制氧气的存在。这样，在实现AZO膜层与金属膜层在线连续镀膜时，就会遇到AZO镀膜室内氧有可能漂移到金属镀膜室，出现严重“串气”现象从而对金属镀膜工艺影响的问题。如上所述现有技术难以避免和消除此“串气”现象。

在单一金属镀膜过程中，电池基板若不能进行彻底的水洗烘干，会造成基板表面附有一定的杂质和水汽，影响了金属膜层的附着力。在传统实际生产操作中，镀膜前在过渡室和缓冲室内装加热器预热基板进行脱气。在预烘过程中基板走速降低，影响了产能，同时膜层附着力不能明显的改善。

因此，如何降低AZO金属氧化物的镀膜成本，提高镀膜速度及性能，同时为了产能的考虑与金属膜层进行在线连续镀膜是目前需要解决的几个问题。

发明内容

根据以上分析，本发明主要解决目前太阳能电池背电极膜层在线生产的“串气”问题。目的在于改变背电极生产的工艺和装置，对现有单线镀膜机采用的方法和装备进一步改进和提高，将单一分离式氧化物镀膜和金属膜层的镀膜机整合为一体。来降低AZO透明导电氧化物膜的生产成本，提高太阳能电池背电极光电性能和膜层附着力，提高产能，实现AZO层的在线大规模连续镀膜。

本发明解决氧化物/金属膜层背电极在线连续镀膜特点是：

在线制备太阳能电池背电极膜层，采用包括至少中频双直筒旋转靶材和直流平面靶材在内的磁控溅射方法，溅射透明导电氧化物膜层和金属导电膜层，其步骤：

(a)前室沉积非晶硅PIN膜层的玻璃基板进入连续镀膜装置，经前端处理，进入氧化物磁控溅射镀膜区内，在非晶硅PIN膜层上用旋转磁控溅射靶材镀背电极的AZO透明氧化物膜层；

(b)该玻璃基板通过位于氧化物镀膜区与金属膜层镀膜区之间的气体隔离装置，进入金属镀膜区内用平面磁控溅射靶材镀金属导电膜层。依次镀制各种金属导电膜层，从而完成包含有AZO透明导电氧化物膜层和金属导电膜层的多层背电极膜层镀膜。所述步骤(b)中的金属导电层是包含有Ag、Al、Ni等金属膜层在内的多层金属导电膜层。根据实际需要可以是如下多层金属膜层：单一Al层；Al/Ni叠层；Ag/Al叠层；Ag/Ni叠层；Ag/Al/Ni叠层等。

采用中频直筒旋转磁控溅射加直流平面磁控溅射连续镀膜法镀制透明导电氧化物膜层和金属导电膜层，其中AZO氧化物膜层采用中频磁控溅射双直筒旋转AZO靶材镀膜；金属导电层采用直流磁控溅射平面靶材镀膜。在加快各膜层沉积速度的同时提高了整个背电极层对于底层沉积了非晶硅的玻璃基板的表面附着力。

本发明的中频磁控溅射加直流磁控溅射真空联线镀膜装置包括前端进料室、过渡真空室、缓冲室、中频旋转磁控溅射镀膜室、气体隔离装置、直流磁控溅射镀膜室和后端缓冲室、过渡真空室和出料室。中频旋转真空磁控溅射镀膜室设置有中频直筒旋转双靶磁控溅射镀膜装置，中频电源的两个输出端各接到一个靶上；旋转双靶磁控溅射镀膜装置采用至少两个竖直直筒靶材，每个靶材依据自身竖直中轴线进行自转溅射。

实现本发明的气体隔离装置由气体隔离室、真空泵组和前后真空门阀组成。隔离室前端通过真空门阀接中频旋转磁控溅射AZO镀膜室，隔离室后端通过真空门阀连接直流磁控溅射金属镀膜室。气体隔离室连接真空泵组进行抽气；真空门阀只有在气体隔离室内真空度达到10^-3Pa以下才会开启从而保证两端镀膜室的气氛独立性。

本发明中，采用中频旋转靶材溅镀AZO透明导电氧化物。该旋转靶材与传统的平面靶材相比较具有利用率高，靶中毒几率低，长时间稳定运行，开腔维护周期长等优点；同时，中频溅射靶材与传统直流溅射靶材相比具有溅射速度快，有离子辅助沉积效果，膜层附着力高等优点。解决了传统分离式单一氧化物与金属分开镀膜，重复建设用地多，成本高，效率低等问题。

本发明所产生的积极效果：

1、将中频旋转靶材系统应用与AZO透明导电氧化物的镀膜过程中，提高了镀膜速度，提高了靶材利用率，利用中频溅射特点引入等离子辅助镀膜机制，增强了电极各膜层附着力；

2、通过在氧化物镀膜室与金属镀膜室之间设置一个气体隔离室，隔离室加装真空泵组抽气，同时在气体隔离室两端配有真空门阀，门阀只有在隔离室真空度达到10^-3Pa以下才会开启，保证了气氛隔离效果，减少甚至解决了联通的氧化物镀膜室与金属镀膜室之间不同气氛的互相影响，尽可能保持各自要求的工作状态的独立性，实现了AZO氧化物膜层和金属电极膜层的连续镀膜；

3、通过氧化物与金属膜层的连续镀膜，解决了金属镀膜必须经过一段时间的预烘烤的问题，巧妙利用氧化物镀膜前和镀膜过程产生的膜层温度和等离子清洗效果，帮助基板进行脱气和清洗，快捷方便的解决了金属镀膜附着力不好的问题；

4、实现了AZO氧化物膜层与金属电极膜层的在线连续镀膜，提高了生产效率，降低了场地利用面积，与两条独立镀膜线镀膜相比节约了大量人力水电等生产成本，显著提高产能。

附图说明

图1、是本发明在线连续制备太阳能电池背电极膜层装置的工作原理图。

图2、是一种单机中频双靶旋转磁控溅射背电极AZO透明导电氧化物层连续镀膜装置示意图。

图3、是一种单机直流平面磁控溅射背电极膜层连续镀膜装置示意图。

图4、是图1中气体隔离装置示意图

图1中进料室103、前过渡室104、前缓冲室105、氧化物镀膜室106是一种中频直筒旋转磁控溅射镀膜装置，气体隔离室107、金属镀膜室108是一种直流平面磁控溅射镀膜装置、后缓冲室109、后过渡室110、出料室111。

结合图1详细说明本发明工作原理，一种中频直筒旋转磁控溅射加直流平面磁控溅射真空连续镀背电极膜层装置包括若干真空室，从入口到出口依次分别是：进料室103、前过渡室104、前缓冲室105、氧化物镀膜室106、气体隔离室107、金属镀膜室108、后缓冲室109、后过渡室110、出料室111。利用真空泵组将真空镀膜溅射镀膜系统(包括镀膜缓冲室105、109和镀膜室106、108)抽真空至10^-4Pa以下，通入氩气等工作气体。气体隔离室107内采用真空泵抽真空至10^-3Pa以下，各门阀102保持真空度。打开中频靶电源和直流靶电源开始起辉溅射(所述真空泵组和电源在图1中未标出)。

结合图2说明单机中频双靶旋转磁控溅射背电极AZO透明导电氧化物层连续镀膜的工作原理：将前期沉积有非晶硅膜层的玻璃基板放置在镀膜基片装载架上，在进料室103准备进料，通过前过渡室104室、前缓冲室105进入氧化物镀膜室106，在镀膜室106内通过中频双靶旋转磁控溅射靶材沉积AZO膜层。之后真空门阀102开启，基片架依次通过后缓冲室109、后过渡室110、出料室111完成镀透明导电氧化物膜层过程。

结合图3说明单机直流平面磁控溅射背电极金属膜层连续镀膜的工作原理。将前期依次沉积有非晶硅层、透明导电氧化物膜层的玻璃基板放置在镀膜基片装载架上，在进料室103准备进料，通过前过渡室104室、前缓冲室105进入金属镀膜室108，在镀膜室108内通过直流平面磁控溅射靶材沉积金属膜层。之后真空门阀102开启，基片架依次通过后缓冲室109、后过渡室110、出料室111完成镀金属膜层过程。

具体实施方式

以下结合具体实施例及附图进一步说明本发明。

实施例1

参考图1，薄膜太阳能电池上的透明导电氧化物/金属膜层背电极在线连续镀膜制备方法：

(a)将前期沉积有非晶硅膜层的玻璃基板放置在镀膜基片装载架上，在进料室103准备进料。

(b)载有玻璃衬底的基片架由进料室103进入真空镀膜系统，依次通过进料室103、前过渡室104、前缓冲室105进入氧化物镀膜室106。在镀膜室106内通过中频双靶旋转磁控溅射靶材沉积AZO膜层。之后真空门阀102开启，基片架进入气体隔离室107。

(c)气体隔离室107前后真空门阀关闭，基片架在气体隔离室做短暂停留抽真空，直至隔离室内真空度达到10^-3Pa以下，开启真空门阀，基片架前进进入金属镀膜腔室。

(d)在镀膜室108内通过直流平面磁控溅射靶材沉积金属Al膜层。之后真空门阀开启，基片架依次通过后缓冲室109、后过渡室110、出料室111完成镀膜过程。

镀膜过程结束后，前期沉积有非晶硅膜层的玻璃基片上沉积有AZO膜层和金属Al膜层。

实施例2

薄膜太阳能电池上的透明导电氧化物/金属膜层背电极在线连续镀膜制备方法，它包括以下工艺步骤：

(a)将前期沉积有非晶硅膜层的玻璃基板放置在镀膜基片装载架上，在103进料室准备进料。

(b)载有玻璃衬底的基片架由进料室103进入真空镀膜系统，依次通过进料室103、前过渡室104、前缓冲室105进入氧化物镀膜室110。在镀膜室106内通过中频双靶旋转磁控溅射靶材沉积AZO膜层。之后真空门阀102开启，基片架进入气体隔离室107。

(c)气体隔离室107前后真空门阀关闭，基片架在气体隔离室做短暂停留抽真空，直至隔离室内真空度达到10^-3Pa以下，开启真空门阀，基片架前进进入金属镀膜腔室。

(d)在镀膜室108内通过直流平面磁控溅射靶材依次沉积金属Ag膜层和金属Al膜层。之后真空门阀开启，基片架依次通过后缓冲室109、后过渡室110、出料室111完成镀膜过程。

镀膜过程结束后，前期沉积有非晶硅膜层的玻璃基片上依次沉积有AZO膜层、金属Ag膜层和Al膜层。

实施例3

薄膜太阳能电池上的透明导电氧化物/金属膜层背电极在线连续镀膜制备方法，它包括以下工艺步骤：

(a)将前期沉积有非晶硅膜层的玻璃基板放置在镀膜基片装载架上，在103进料室准备进料。

(b)载有玻璃衬底的基片架由进料室103进入真空镀膜系统，依次通过进料室103、前过渡室104、前缓冲室105进入氧化物镀膜室110。在镀膜室106内通过中频双靶旋转磁控溅射靶材沉积AZO膜层。之后真空门阀102开启，基片架进入气体隔离室107。

(c)气体隔离室107前后真空门阀关闭，基片架在气体隔离室做短暂停留抽真空，直至隔离室内真空度达到10^-3Pa以下，开启真空门阀，基片架前进进入金属镀膜腔室。

(d)在镀膜室108内通过直流平面磁控溅射靶材依次沉积金属Al膜层和金属Ni膜层。之后真空门阀开启，基片架依次通过后缓冲室109、后过渡室110、出料室111完成镀膜过程。

镀膜过程结束后，前期沉积有非晶硅膜层的玻璃基片上依次沉积有AZO膜层、金属Al膜层和Ni膜层。

Claims (10)

1.一种薄膜太阳能电池背电极膜层的制备方法，其特征是：在线制备太阳能电池背电极膜层，采用包括至少磁控溅射旋转靶材和平面靶材在内磁控溅射透明导电氧化物膜层和金属导电膜层，其步骤：

(a)由前室沉积非晶硅PIN膜层的玻璃基板进入连续镀膜装置，经前端处理，进入氧化物磁控溅射镀膜区内，在非晶硅PIN膜层上用旋转磁控溅射靶材镀背电极AZO透明氧化物膜层；

(b)该玻璃基板通过位于氧化物镀膜区与金属膜层镀膜区之间的气体隔离装置，进入金属镀膜区内用平面磁控溅射靶材镀金属导电膜层。

2.根据权利要求1所述的一种制备薄膜太阳能电池背电极膜层的方法，其特征在于所说的AZO氧化物/金属背电极膜层，在各自区域真空室内，采用直筒旋转磁控溅射靶材制备AZO氧化物膜层，用平面磁控溅射靶材制备金属导电膜层。

3.根据权利要求1所述的一种薄膜太阳能电池背电极膜层的制备方法，其特征在于所说的步骤(a)中的背电极AZO氧化物膜层是采用双直筒旋转AZO靶材中频磁控溅射法镀膜。

4.根据权利要求1所述的一种薄膜太阳能电池背电极膜层的制备方法，其特征在于所说的步骤(b)中背电极的导电层是采用直流磁控溅射法溅射平面靶材制备金属膜层。

5.根据权利要求4所述的一种薄膜太阳能电池背电极膜层的制备方法，其特征在于，所述步骤(b)中采用直流磁控溅射法溅射平面靶材制备的金属膜层是含有Ag、Al、Ni金属膜层在内的多层金属导电膜，包括单一膜层或复合叠加膜层。

6.一种薄膜太阳能电池背电极膜层的制备装置，其特征在于在线装置包括

中频磁控溅射真空镀膜室和直流磁控溅射真空镀膜室，在其镀制电池背电极AZO透明氧化物膜层与金属膜层真空镀膜室之间设有气体隔离装置。

7.根据权利要求6所述的一种薄膜太阳能电池背电极膜层的制备装置，其特征在于中频磁控溅射真空镀膜室内有中频双直筒旋转靶材磁控溅射镀膜装置，该装置的中频电源输出端接双直筒旋转靶材上。

8.根据权利要求6所述的一种薄膜太阳能电池背电极膜层的制备装置，其特征在于所述的气体隔离装置，包括气体隔离室、真空泵组和两端真空门阀。

9.根据权利要求8所述的一种薄膜太阳能电池背电极膜层的制备装置，其特征在于所述的气体隔离装置中的隔离室，在其前端，由真空门阀接中频旋转磁控溅射AZO镀膜室，隔离室后端由真空门阀接直流磁控溅射金属镀膜室。

10.根据权利要求6所述的一种薄膜太阳能电池背电极膜层的制备装置，其特征在于所述的隔离室连接真空泵组抽气，保证隔离室内真空度达10^-3Pa以下。

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