CN101882647A - 一种硅基薄膜太阳能电池活动夹具 - Google Patents

一种硅基薄膜太阳能电池活动夹具 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硅基薄膜太阳能电池活动夹具，属于太阳能电池技术领域。活动夹具主要技术特点在于支撑框架是一个具有侧框架接地的活动式框架，支撑框架上安装电极板所构成夹具，在夹具或夹具阵列之间设有防干扰的屏蔽装置。由腰部呈圆柱面的信号馈入组件三角形端面接触信号馈入口，位于阴极板背平面中心区域内下凹三角形面内，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

一种硅基薄膜太阳能电池活动夹具
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可推入真空室的活动夹具。
背景技术
目前，硅基薄膜太阳能电池，采用等离子体增强化学气相沉积技术(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。由电极板组件或电极板构成电极阵列在反应室内进行等离子体化学气相沉积。行业内通常把具有支撑框架的电极称为“夹具”，将该装置安装在腔室内进行等离子体化学气相沉积的装置又称为“沉积盒”即所说的反应室。
射频电容耦合平行板电极反应室广泛应用于非晶硅、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，所采用的平行电极板容性放电模式是太阳能电池行业的核心技术之一。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。但是在微晶工艺环境下，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的两倍或者更高倍的合法射频。在行业内，应用较多的甚高频一般为27.12～200MHz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。)以放电面积1m2为例，60MHz的激发频率下，λ0≈X，δ≈η。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技术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。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。但现存在的问题是：1)VHF-PECVD反应室电极设计结构复杂；2)仍需要继续改进的理由是生产中经常对反应室及电极不断的装卸和清洗，都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，需要对现有沉积夹具和电极朝实用性方面作进一步开发和改进，面对当前市场需求，使质量提高，成本降低。同时，对于处理或沉积多片玻璃的CVD夹具体系，也是一个发展趋势。因此，对于能满足大批量生产，采用有效甚高频馈入模式的工业化产品开发和设计，对产业发展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：平行电极板和信号馈入组件，还包括支撑框架，其特征在于所说的支撑框架是一个具有侧框架接地的活动式框架及绝缘屏蔽装置：
信号馈入组件由腰部和头部形成一个圆柱面阶梯状的导电体，其一端面呈三角形与电极板面接触连接的馈入口；位于
电极板的阴极板背平面中心区域下凹的三角形内；及
馈入射频/甚高频功率电源信号的电极板的屏蔽层接地。
方案还包括：活动式框架其侧框架底部安装滑动装置，其支撑框架上安装电极板构成夹具，在夹具或夹具阵列之间设有防干扰的屏蔽装置。
所说屏蔽绝缘装置是在电极板的阴极板上绝缘层的金属外壳屏蔽罩接地；在其屏蔽罩上开有通孔。
所说的阴极板屏蔽是在金属外壳的屏蔽罩与阴极板的背面之间有绝缘材料层。信号馈入组件的屏蔽绝缘包括外表金属屏蔽层和金属馈入芯的绝缘层。
阴极板的屏蔽罩包括陶瓷绝缘层、屏蔽层，屏蔽罩覆盖整个阴极板背面和侧面。
方案的夹具阵列包括：由多套电极板及支撑框架的组配形成的具有一定放电间距的电极阵列或由该电极阵列形成的夹具阵列。信号馈入组件包括金属馈入芯是射频/甚高频馈线构成导电体，其腰部有耐高温陶瓷绝缘层。
本发明夹具面馈入模式的解决方案是：由平行电极板和信号馈入组件构成电极板装在支撑框架上，信号馈入组件的一端面呈三角形，以面馈入模式将射频/甚高频功率电源信号传输到馈入口位于电极板平面中心区域下凹的三角形面内放电，形成由支撑框架承托的电极阵列放电；
信号馈入组件由腰部和头部形成一个阶梯形导电体。
所说的电极阵列，包括由安装在支撑框架上的电极板和信号馈入组件构成夹具放电，夹具阵列中夹具与夹具形成的腔室之间设有防干扰的金属屏蔽网。
所说夹具阵列由多套的馈入组件和配套电极板以面馈入方式连接配套使用的电极板，形成具有一定放电间距的电极阵列。
信号馈入组件腰部是圆柱状馈入带有耐高温陶瓷绝缘层，金属馈入芯是射频/甚高频馈线构成导电体。
本发明实施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。
克服了现有技术多点馈入结构接触面积较小，要求各个馈入点路径对称，本发明的面馈入实现了完全隔离屏蔽，避免了馈入信号的连接导体与阴极板之间不能有接触。只有各放电体和信号馈入组件带完全隔离屏蔽，防止信号干扰完全隔离屏蔽才能实现有效放电。
虽然，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。对于多点式馈入，因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，难以满足生产中拆洗等实际需求。
附图说明
图1、是本发明的活动夹具原理的剖视图。
图2、是支撑框架结构示意图。
图3、是圆柱体信号馈入组件(以下简称馈入组件或馈入带)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电极板立式结构示意图。
图7、是本发明实施例2基片为24片，12个阴极板，6个阳极板。
图8、是本发明实施例3夹具阵列结构示意图。
图1-8中，夹具02包括电极板和支撑框架，电极板包括阳极板208，阴极板203与阴极板屏蔽罩204之间有绝缘条207，馈入带201三角形端面201-1面接触位于阴极板背面中心区域下凹三角形面内的馈入口203-1，馈入射频/甚高频功率电源信号，馈入带201腰部带有陶瓷绝缘套202。支撑框架由上固定板214，下固定板221，侧框架216底部安装有接地金属滚轮218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，真空系统接入口105，轨道104。
本发明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，尤其高效利用阳极板双工作面，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放置在真空室01内，夹具02包括平行电极板和屏蔽装置，平行电极板的阴极板203和阳极板208，馈入口203-1是三角形，信号馈入组件201的一端面201-1是三角形，馈入组件201呈阶梯状包括腰部圆柱体和一端面201-1是三角形与馈入口203-1位于具有屏蔽罩204的阴极板203中间区域下凹的三角面对应，腰部采用圆柱体结构便于屏蔽。另一个头是201-3连接射频/甚高频功率电源负极和功率匹配器(未画出)，其一端面呈三角形与电极板面接触连接的馈入口构成电极板在侧框架接地的活动式框架内，均具有有绝缘屏蔽保护装置(未画出)。接地金属导槽209具有导电接地和固定作用。
具体实施方式
以下结合附图1-8进一步说明本发明夹具02的工作原理。夹具02由支撑框架及电极板构成，支撑框架包括下固定板221，上固定板214，侧框架216底部安装接地金属活动轮218，上固定板214和下固定板221上均有接地金属导槽209。电极板包括阳极板208，阴极板203与阴极板屏蔽罩204之间有绝缘条207，阴极板203的背面中心区域下凹三角形面内有射频/甚高频功率电源信号馈入口203-1，馈入带201由腰部和头部形成一个圆柱面阶梯状的导电体，其一端面201-1呈三角形与馈入口203-1面接触；其腰部带有陶瓷绝缘层202。多套电极板及支撑框架的组配形成的具有一定间距放电的电极阵列或由该电极阵列形成的夹具阵列，夹具阵列中夹具之间设有防干扰的金属屏蔽网。夹具或夹具阵列在真空室01内放电，真空室01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活动门，真空室01内安装有轨道104。
实施例1：
电极板为立式，阴极板馈入口为三角形，馈入组件为圆柱体。
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活动夹具，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活动门。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02的电源接头相连，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，馈入带201的头部三角形馈入面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与电源接头相连接，馈入带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，使得馈入带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的支撑框架内，将夹具02沿轨道104推入真空室01内，关好真空室01上的活动门，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：
阴极板馈入口为三角形，馈入组件为圆柱体。
图7使用的夹具同实施例1。本实施例采用立式沉积室，由6个阳极板208与12个阴极板203组成12对电极，两个阴极板203共用一个阳极板208。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)打开真空室的活动门，将夹具02沿轨道104推入真空室01内，关好活动门。
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，打开真空室的活动门，推出夹具02，在室温中冷却TCO玻璃。
实施例3：
电极板为立式，阴极板馈入口为三角形，馈入组件为圆柱体，夹具之间设有防干扰屏蔽装置(未画出)。
图8使用夹具同实施例1。本实施例采用6个夹具02，可同时镀24片基片。每个夹具02中2个阴极板203共用1个阳极板208组成2对电极，可同时镀膜4片基片206。
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6个夹具02中的基片位置，膜面朝外，玻璃面朝电极板。
b)打开真空室的活动门，将夹具02沿轨道104推入真空室01内，关好真空室活动门。
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，打开真空室活的动门，推出夹具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)

1.一种硅基薄膜太阳能电池活动夹具，包括由平行电极板和信号馈入组件及支撑框架，其特征在于支撑框架是一个具有侧框架接地的活动式框架，还包括绝缘屏蔽装置：
信号馈入组件由腰部和头部形成一个圆柱体阶梯状的导电体，其一端面呈三角形与电极板面接触连接的馈入口；位于
电极板的阴极板背平面中心区域下凹的三角形内；及
馈入射频/甚高频功率电源信号的电极板的屏蔽层接地。
2.根据权利要求1所述的一种硅基薄膜太阳能电池活动夹具，其特征在于所说的支撑框架上安装电极板所构成的夹具；在夹具或夹具阵列之间设有防干扰的屏蔽装置。
3.根据权利要求1所述的一种硅基薄膜太阳能电池活动夹具，其特征在于所说屏蔽绝缘装置包括
在所说电极板的阴极板上绝缘层的金属外壳屏蔽罩接地；
在其屏蔽罩上开有通孔。
4.根据权利要求1所述的一种硅基薄膜太阳能电池活动夹具，其特征在于所说的阴极板屏蔽是在金属外壳的屏蔽罩与阴极板的背面之间有绝缘材料层。
5.根据权利要求1所述的一种硅基薄膜太阳能电池活动夹具，其特征在于所说信号馈入组件的屏蔽绝缘包括外表金属屏蔽层和金属馈入芯的绝缘层。
6.根据权利要求1所述的一种硅基薄膜太阳能电池活动夹具，其特征在于所说阴极板的屏蔽罩包括陶瓷绝缘层、屏蔽层，屏蔽罩覆盖整个阴极板背面和侧面。
7.根据权利要求2所述的一种硅基薄膜太阳能电池活动夹具，其特征在于所说的夹具阵列包括：由多套电极板及支撑框架的组配形成的具有一定间距放电的电极阵列或由该电极阵列形成的夹具阵列。
8.根据权利要求1所述的一种硅基薄膜太阳能电池活动夹具，其特征在于所说的信号馈入组件包括金属馈入芯是射频/甚高频馈线构成导电体，其腰部有陶瓷绝缘层。
9.根据权利要求1所述的一种硅基薄膜太阳能电池活动夹具，其特征在于所说信号馈入组件的另一端接射频/甚高频功率电源信号的阴极输出口和功率电源匹配器。
10.一种硅基薄膜太阳能电池活动夹具电源馈入方法，
包括平行电极板和信号馈入组件，其特征在于支撑框架上安装电极板的放电模式，所说的信号馈入组件的一端面呈三角形，以面馈入模式将射频/甚高频功率电源信号传输到馈入口位于电极板的阴极板背平面中心区域下凹的三角形内，并形成支撑框架内电极阵列放电；
信号馈入组件由腰部和头部形成一个阶梯形导电体。
11.根据权利要求10所述的一种硅基薄膜太阳能电池活动夹具电源馈入方法，其特征在于所说的电极阵列，包括由安装在支撑框架内的电极板和信号馈入组件构成夹具放电，夹具阵列中夹具与夹具形成的腔室之间设有防干扰的金属屏蔽网。
12.根据权利要求11所述的一种硅基薄膜太阳能电池活动夹具电源馈入方法，其特征在于所说的其特征在于所说夹具阵列由多套的馈入组件和配套电极板以面馈入方式连接配套使用的电极板，形成具有一定放电间距的电极阵列。
13.根据权利要求11所述的一种硅基薄膜太阳能电池活动夹具电源馈入方法，其特征在于所说的信号馈入组件腰部是圆柱体馈入带有陶瓷绝缘层，金属馈入芯是射频/甚高频馈线构成导电体。
14.根据权利要求11所述的一种硅基薄膜太阳能电池活动夹具电源馈入方法，其特征在于所说的馈入组件的导电体另一端接高频/甚高频功率电源信号的阴极输出口和功率电源匹配器。
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