CN101882646B - 薄膜太阳能电池沉积夹具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种薄膜太阳能电池沉积夹具，属于太阳能电池技术领域。沉积夹具主要技术特点在于电极板组件具有屏蔽保护，由腰部呈扁平状的信号馈入组件一矩形端面面接触信号馈入口，位于阴极板背面中心区域内下凹矩形面内，馈入射频/甚高频功率电源信号，阳极板接地。阴极板屏蔽罩有通孔，阴极板与屏蔽罩之间绝缘。效果在于以电极板中心面馈入，克服了一点或多点馈入因馈线距离造成的损耗。以射频/甚高频功率电源驱动可获得均匀电场大面积稳定放电，有效的消除驻波和趋肤效应，使产率提高，成本降低。

Description

薄膜太阳能电池沉积夹具
技术领域
本发明公开一种太阳能电池技术，确切的说一种硅基薄膜太阳能电池沉积夹具。
背景技术
目前，硅基薄膜太阳能电池，采用等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)获取单结或多结的光电转换P-I-N膜层，在薄膜太阳能电池制造行业通用这种射频电容耦合平行电极板反应室。行业内通常把具有支撑框架的电极称为“夹具”，并把装在反应室内或腔内进行等离子体化学气相沉积的装置称为“沉积盒”。该夹具被广泛应用于非晶硅、非晶硅锗、碳化硅、氮化硅、氧化硅等材料薄膜的大面积沉积。硅基薄膜太阳能电池是太阳能行业的一个重要分支，夹具成为了该行业的核心设备之一。13.56MHz射频广泛应用于非晶硅基薄膜材料的高速制备，生产效率高、工艺成本低。随着太阳能市场对硅基薄膜技术要求不断提高，微晶、纳米晶硅基薄膜材料受到行业高度关注。但是在微晶环境下，13.56MHz射频波衍生的等离子体浓度小，沉积速率低，沉积足够厚度薄膜所需时间长，背景污染大，从而制备出的薄膜杂质含量高，光电学性能差，严重影响产品品质性能。如何高速沉积成为晶化硅基薄膜技术能够成功服务于产业的关键。
甚高频指频率为13.56MHz的两倍或者更高的合法射频。在行业内，应用较多的甚高频一般为27.12～100MHz的范围。然而，在容性放电模式中，甚高频引发的驻波效应和趋肤效应非常明显，而且随着驱动频率的增加而增强。美国加州大学Berkeley分校的M.A.Lieberman教授对这两种效应做了深入研究。研究结果表明，甚高频PECVD沉积均匀薄膜的临界条件在于激发频率的自由空间波长(λ0)远大于容性放电电极板腔室尺寸因子(X)，趋肤深度(δ)远大于容厚因子(η)o以放电面积1m2为例，60MHz的激发频率下，λ0≈X，δ≈ηo因此在此激发频率下，趋肤和驻波效应非常明显，导致1m2电极板上放电极不均匀。所以如何实现甚高频驱动的均匀大面积放电是晶化硅基薄膜亟待解决的技术难题之一。
这引起了行业的极大兴趣。2003年，美国专利2003/0150562A1公开了平板电容耦合放电中利用磁镜改善甚高频造成的电场不均匀性。2007年，中国专利200710150227.4，200710150228.9，200710150229.3，公开了甚高频电极的三种设计，通过甚高频信号的不同馈入形式，获得均匀电场。所存在的问题：1)VHF-PECVD反应室电极设计结构复杂；2)生产中经常要对反应室不断的清洗、装卸会造成异形电极变形；3)现有专利中的多点馈入结构接触面积较小，要求各个馈入点路径对称，馈入点之间的连接导体与阴极板之间不能有接触，准确的说连接导体需要与阴极板之间隔离屏蔽才能实现有效放电。这些结构设计的实际要求比较苛刻，决定放电均匀程度的因素太多，而且不能满足生产中拆洗等实际需求。因此在行业设备中，单点馈入为主流结构设计，但是由于驻波和趋肤效应，单点馈入结构不能满足馈入高频频率提升的要求。为此，需要对现有夹具的结构原理做实用性的开发研究制造，以面对当前市场需求，降低成本，并同时能处理或沉积多片玻璃的CVD夹具体系，是当前的一个发展趋势。因此，引入有效甚高频馈入模式以满足大批量生产，使其进入工业化产品阶段，对产业发展才会具有重要的实际意义。
发明内容
本发明通过以上对现有晶化硅基薄膜亟待解决的技术难题的分析，旨在解决甚高频电源驱动的高速沉积膜层的均匀性和一致性问题。所提出的技术解决方案包括电极板组件、信号馈入组件及支撑框架，其特征在于带屏蔽罩的电极板组件安装在支撑框架内形成放电的夹具阵列，信号馈入组件的一端面接触连接电极板组件的馈入口，馈入射频/甚高频功率电源信号，该馈入口设置在带屏蔽罩电极板组件的阴极板背面中心区域内凹的矩形面上。信号馈入组件是阶梯形条状的信号馈入带，它还包括腰部和信号馈入面是矩形的头部。信号馈入带是射频铜质导带，其腰部外壳是带陶瓷绝缘层的屏蔽层。
本发明的解决方案还包括带屏蔽罩电极板组件的屏蔽罩覆盖整个阴极板背面和侧面，电极板组件的阴极板与屏蔽罩之间空置一定间隙或填充平板绝缘材料。在阴极板屏蔽罩上对应位于阴极板的馈入口开有通孔，避免信号馈入组件穿过该通孔接触到阴极板屏蔽罩。
解决方案中的支撑框架包括上固定板、下固定板、侧框架。阳极板还包括接地体，导槽及基片装卸构件。阴极板与导槽之间绝缘。
本发明的解决方案还包括方法，由甚高频27.12～100MHz的合法频率驱动的沉积室夹具的信号馈入模式，其特征在于带屏蔽罩的电极板组件安装在支撑框架内形成放电的电极板组件阵列，信号馈入组件包括阶梯形条状的信号馈入带，其一端以面接触连接馈入口，馈入射频/甚高频功率电源信号至电极板组件带屏蔽罩的阴极板背面的中心区域内凹的矩形面馈入口，在支撑框架内放电，形成具有一定放电空间的电极板组件阵列。夹具阵列包括电极板阵列。信号馈入组件腰部带外壳屏蔽绝缘，头部信号馈入端面是矩形，对应于阴极板背面中心区域馈入口是内凹的矩形面。
信号馈入的方法还包括在阴极板屏蔽罩上开有通孔，当信号馈入组件穿过通孔到馈入口时，避免与阴极板屏蔽罩接触。
实施本发明所产生的积极效果主要是区别于插槽式阴极板侧面馈入方式，能够获得更大放电面积、更高均匀度的稳定放电，接入电容小，夹具之间射频干扰小，驻波和趋肤效应小。本发明适用于27.12MHz～200MHz区间任何法定频率的甚高频电源的大面积均匀放电，提高了生产率，降低了电池成本。
附图说明
图1、是本发明的夹具剖视示意图。
图2、是支撑框架结构示意图。
图3、是信号馈入组件(以下简称馈入带)201结构示意图。
图4、是阴极板203结构示意图。
图5、阴极板屏蔽罩204结构示意图。
图6、是本发明实施例1结构示意图。
图7、是本发明实施例2结构示意图。
图8、是本发明实施例3结构示意图。
图1-7中，夹具02包括电极板组件、信号馈入组件及支撑框架。电极板组件包括阳极板208，阴极板203与阴极板屏蔽罩204之间有绝缘条207。信号馈入组件包括腰部和信号馈入面201-1是矩形的头部，其腰部扁平带有陶瓷绝缘套202，其矩形馈入面201-1面接触位于阴极板背面中心区域内下凹矩形面内的馈入口203-1，馈入射频/甚高频功率电源信号。支撑框架由上固定板214，下固定板221，侧框架216构成，上固定板214和下固定板221上均有接地金属导槽209。夹具02在真空室01内放电，将P-I-N膜层沉积在基片206上。真空室01上有气体系统接入口101，电源系统接入口102，真空室活动门103，真空系统接入口105。
本发明矩形面馈入的夹具设计实现了以上提出的发明任务。克服了现有多点馈入对晶化硅基薄膜VHF-PECVD沉积技术难以克服的诸多问题，如反应室电极结构复杂；电极易变形、接触面积较小；各馈入点之间路径距离要求完全对称以及完全屏蔽等。而本发明的面馈入夹具设计不存在这些问题，能获取均匀电场大面积腔室放电等问题，同时，对于处理或沉积多片玻璃的CVD夹具体系，采用有效甚高频面馈入模式，取得了工业化生产可操作工艺，能够满足硅基薄膜太阳能电池大批量生产的需要。
本发明贡献还在于基本解决了甚高频电源驱动的高速沉积膜层的均匀性和一致性问题。夹具02包括电极板组件、信号馈入组件及支撑框架。支撑框架由上固定板214，下固定板221，侧框架216构成，上固定板214和下固定板221上均有接地金属导槽209。电极板组件包括阳极板208，阴极板203与阴极板屏蔽罩204之间有绝缘条207，阴极板屏蔽罩204与阳极板208接地。信号馈入组件201包括带有陶瓷绝缘层202的腰部和头部矩形馈入面201-1，其腰部扁平便于安装，信号馈入损耗少，头部矩形馈入面201-1面接触位于阴极板背面中心区域内下凹矩形面内的馈入口203-1，馈入射频/甚高频功率电源信号。另一个头是201-3连接射频/甚高频功率电源负极和功率电源匹配器(未画出)，呈阶梯状，其一端面呈矩形与电极板面接触连接的馈入口构成电极板组件在接地装置的夹具内，均具有有绝缘屏蔽保护装置(未画出)。
具体实施方式
实施例1：
电极板为立式，阴极板矩形馈入口设置在带屏蔽罩电极板组件的阴极板背面中心区域内凹的矩形面上，信号馈入组件包括扁平腰部和信号馈入面是矩形的头部。
以下结合附图1-6进一步说明本发明的具体实施方式。
本发明薄膜太阳能电池的沉积夹具，使用甚高频功率电源，工作频率(27.12～100MHz)。真空室01用来实现真空状态，其上有气体系统接入口101，电源系统接入口102，真空系统接入口105，真空室01前面安装有可以打开的真空活动门103。夹具02是在真空环境下放电，基片206在大面积均匀电场腔室内，沉积p-i-n异质结叠层膜，形成薄膜太阳能电池芯板或称芯片，适合投入大批量生产。夹具02上固定的气体管道220上入口与真空室01上的气体系统接入口101伸入真空室01内部的管口对接，电源线一端与夹具的电源接头205相连，另一端电源线接甚高频电源系统的接入口102。阴极板203与阴极板屏蔽罩204之间有绝缘条207，信号馈入组件201的头部矩形馈入面201-1与阴极板203背面馈入口203-1面接触连接，馈入射频/甚高频功率电源信号，馈入带另一端上的通孔201-3与电源接头205相连接，信号馈入组件201腰部外壳是陶瓷绝缘层202，以防与阴极板屏蔽罩204接触。阴极板屏蔽罩204上对应位于阴极板的馈入口203-1开有通孔204-1，使得信号馈入组件201从阴极板203引出时不与阴极板屏蔽罩204接触，馈入带201为导电性良好的金属片铜，阴极板屏蔽罩204和阳极板208接地。将前工序镀制的基片206放置在夹具02的腔室内，将夹具02放置在真空室01内，关好真空室01上的真空室活动门103，通过真空系统先抽真空到理想状态，通入氩气，当腔内压力达到60Pa时，打开甚高频电源，放电清洗腔室，关闭电源。之后抽高真空至5.0×10-4Pa左右，通入氩气清洗腔室。按照5slpm通入工艺气体，进行沉积工艺，完成气相沉积镀膜。
实施例2：
阴极板矩形馈入口设置在带屏蔽罩电极板组件的阴极板背面中心区域内凹的矩形面上，信号馈入组件包括扁平腰部和信号馈入面是矩形的头部。
图7使用的夹具同实施例1。本实施例采用立式沉积室，由12个阳极板208与12个阴极板203组成12对电极，可同时镀膜24片基片206。具体步骤如下：
a)将24块带有600nm厚透明导电膜的玻璃基片206(1640mm×707mm×3mm)放置于夹具02中的24个基片位置，膜面朝外，玻璃面朝电极板。
b)打开真空室活动门103，将夹具02放置在真空室01内，关好真空室01的真空室活动门103。
c)真空抽到5.0×10-4Pa之后，通入氩气，当腔内压力达到60Pa时，打开40.68MHz甚高频电源，以400W功率放电清洗腔室2分钟，关闭电源。
d)之后抽高真空至5.0×10-4Pa左右，用氩气清洗两次。
e)按照5slpm通入混和气(硅烷加氢气)，当腔内气压达到60Pa，打开40.68MHz甚高频电源，以400W功率放电，沉积微晶硅本征层40分钟。
f)关闭电源，抽高真空。
g)充入氮气至大气压，打开真空室活动门103，移出夹具02，在室温中冷却TCO玻璃。
实施例3：
阴极板矩形馈入口设置在带屏蔽罩电极板组件的阴极板背面中心区域内凹的矩形面上，信号馈入组件包括扁平腰部和信号馈入面是矩形的头部。
图8使用夹具同实施例1。本实施例采用卧式沉积室，由一个阳极板208与一个阴极板203组成1对电极，可同时镀膜2片基片206。
a)将2块带有600nm厚透明导电膜的玻璃基片206(1640mm×707mm×3mm)放置于夹具02中的两个基片位置，膜面朝外，玻璃面朝电极板。
b)打开真空室活动门103，将夹具02放置在真空室01内，关好真空室01的真空室活动门103。
c)真空抽到5.0×10-4Pa之后，通入氩气，当腔内压力达到60Pa时，打开40.68MHz甚高频电源，以400W功率放电清洗腔室2分钟，关闭电源。
d)之后抽高真空至5.0×10-4Pa左右，用氩气清洗两次。
e)按照5slpm通入混和气(硅烷加氢气)，当腔内气压达到60Pa，打开40.68MHz甚高频电源，以400W功率放电，沉积微晶硅本征层40分钟。
f)关闭电源，抽高真空。
g)充入氮气至大气压，打开真空室活动门，移出夹具02，在室温中冷却TCO玻璃。
以上结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，尤其是馈入组件及阴极板的形状，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (14)

1.一种薄膜太阳能电池沉积夹具，包括电极板组件、信号馈入组件及支撑框架，其特征在于带屏蔽罩的电极板组件安装在支撑框架内形成放电的夹具阵列，信号馈入组件的一端面接触连接电极板组件的馈入口，馈入射频/甚高频功率电源信号，该馈入口设置在带屏蔽罩电极板组件的阴极板背面中心区域内凹的矩形面上，所说的信号馈入组件是阶梯形条状的信号馈入带，它还包括带有陶瓷绝缘层的腰部和信号馈入面是矩形的头部。
2.根据权利要求1所述的一种薄膜太阳能电池沉积夹具，其特征在于所说的信号馈入组件是一个腰部带外壳屏蔽绝缘的信号馈入带，其一端头部是矩形的馈入面。
3.根据权利要求1或2所述的一种薄膜太阳能电池沉积夹具，其特征在于所说的信号馈入带是射频铜质导带，其腰部外壳是带陶瓷绝缘层的屏蔽层。
4.根据权利要求1所述的一种薄膜太阳能电池沉积夹具，其特征在于所说的馈入口，位于完全屏蔽的阴极板背面中心区域内凹的矩形面上，在阴极板与屏蔽罩之间空置一定间隙或填充平板绝缘材料。
5.根据权利要求1所述的一种薄膜太阳能电池沉积夹具，其特征在于所说带屏蔽罩电极板组件的屏蔽罩覆盖整个阴极板背面和侧面，电极板组件的阴极板与屏蔽罩之间空置一定间隙或填充平板绝缘材料。
6.根据权利要求1所述的一种薄膜太阳能电池沉积夹具，特征在于所说的阴极板，在其屏蔽罩上对应位于阴极板的馈入口开有通孔，避免信号馈入组件穿过该通孔接触到阴极板屏蔽罩。
7.根据权利要求6所述的一种薄膜太阳能电池沉积夹具，特征在于所说屏蔽罩的外层为金属壳与阴极板背面之间的绝缘层是陶瓷绝缘层。
8.根据权利要求1所述的一种薄膜太阳能电池沉积夹具，特征在于所说的电极板组件包括阳极板，该阳极板还包括接地体，导槽及基片装卸构件。
9.根据权利要求1所述的一种薄膜太阳能电池沉积夹具，特征在于所说的支撑框架包括上固定板、下固定板、侧框架。
10.一种薄膜太阳能电池沉积夹具的功率电源信号馈入方法，所说夹具包括电极板组件、信号馈入组件及支撑框架构成，其特征在于带屏蔽罩的电极板组件安装在支撑框架内形成放电的电极板组件阵列，信号馈入组件包括阶梯形条状的信号馈入带，信号馈入组件包括带有陶瓷绝缘层的扁平腰部和信号馈入面是矩形的头部，信号馈入带的一端以面接触连接馈入口，馈入射频/甚高频功率电源信号至电极板组件带屏蔽罩的阴极板背面的中心区域内凹的矩形面馈入口，在支撑框架内放电，形成具有一定放电空间的电极板组件阵列。
11.根据权利要求10所述的一种薄膜太阳能电池沉积夹具的功率电源信号馈入方法，其特征在于所说的夹具包括电极板阵列。
12.根据权利要求10所述的一种薄膜太阳能电池沉积夹具的功率电源信号馈入方法，其特征在于所说信号馈入组件是一个腰部带外壳屏蔽绝缘的，腰部和头部构成弯曲形条状馈入带，其头部信号馈入端面是矩形。
13.根据权利要求10或11所述的一种薄膜太阳能电池沉积夹具的功率电源信号馈入方法，其特征在于所说的信号馈入组件的面馈入的矩形头所对应的电极板组件的馈入口是内凹的矩形面。
14.根据权利要求10所述的一种薄膜太阳能电池沉积夹具的功率电源信号馈入方法，其特征在于所说的阴极板的屏蔽罩，在其上开有通孔，当信号馈入组件穿过其通孔时，避免与阴极屏蔽罩接触。
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