CN102051599B - 用于在衬底上沉积多种材料的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于在衬底上沉积多种材料的方法和系统。提供了一种用于在衬底(100)上沉积两种或更多种材料的系统(10)。系统(10)包括一个或多个接受器(11)，该一个或多个接受器(11)构造成限定用于分别容纳至少第一材料(13)和第二材料(14)的两个或更多个凹部(12)。第一材料和第二材料(13，14)是不同的。系统(10)进一步包括一个或多个加热器，以加热第一材料(13)和第二材料(14)，以使第一材料和第二材料(13，14)升华，以便在衬底(100)上沉积。还提出了一种用于在衬底(100)上沉积两种或更多种材料的方法。

Description

用于在衬底上沉积多种材料的方法和系统

技术领域

本发明大体涉及用于在衬底上沉积多种材料的方法和系统。更具体而言，本发明涉及用于针对太阳能电池或光伏电池使用共同升华过程在衬底上沉积多种材料的方法和系统。

背景技术

光伏系统(或“太阳能电池”)用来将太阳能转化成电能。由光伏系统产生的功率可提供优于传统系统的许多优点，包括低操作成本、高可靠性、模块性、低制造成本和环境好处。

薄膜太阳能电池具有降低成本的潜力，因为这种电池相对于传统的光伏模块需要少得多的量的半导体材料来产生相当的功率量。目前，一些薄膜太阳能电池采用碲化镉(CdTe)膜，因为CdTe具有1.5eV的直接带隙，并且可提高这种太阳能电池的太阳能转化效率。

在一些应用中，为了改进太阳能电池的各种属性，例如CdTe膜的导电性，可将掺杂剂引入CdTe膜中。但是，由于材料的不同的熔点和蒸汽压力的原因，诸如传统的封闭隔离式升华(CSS)和蒸汽输送(VTM)过程的传统过程不适于使CdTe与其它材料共同沉积。已经呈现的用以使CdTe与其它材料共同沉积的一种过程是共同蒸发。但是，共同蒸发过程在先天上是耗时的，并且可能不适于使CdTe和某些其它材料共同沉积来进行光伏应用。

因此，存在对一种用于在太阳能电池或光伏电池的衬底上共同沉积多种材料的新的和改进的方法和系统的需要。

发明内容

根据本发明的一个实施例，提供了一种用于在衬底上沉积两种或更多种材料的系统。该系统包括一个或多个接受器，该一个或多个接受器构造成限定用于分别容纳至少第一材料和不同于第一材料的第二材料的两个或更多个凹部。该系统进一步包括用于加热第一材料和第二材料来升华、以便在衬底上沉积的一个或多个加热器。

本发明的另一个实施例提供了一种用于在衬底上沉积两种或更多种材料的系统。该系统包括沉积装置、一个或多个接受器，以及一个或多个加热器。沉积装置限定升华区、一个或多个入口，以及与升华区流体连通的一个或多个出口。该一个或多个接受器设置在升华区内，并且限定用于分别容纳至少第一材料和不同于第一材料的第二材料的两个或更多个凹部。该一个或多个加热器构造成以便加热第一材料和第二材料，以使第一材料和第二材料升华。该沉积系统进一步包括一个或多个载体气体源，该一个或多个载体气体源构造成以便通过该一个或多个入口将一种或多种载体气体供应到升华区中，以通过一个或多个出口将第一材料和第二材料的升华气体携带出升华区，以在衬底上沉积。

本发明的另一方面进一步提供了一种用于在衬底上沉积两种或更多种材料的方法。该方法包括：提供一个或多个接受器，其构造成限定用于分别容纳第一材料和不同于第一材料的第二材料的两个或更多个凹部；以及加热第一材料和第二材料，以使第一材料和第二材料升华，以便在衬底上沉积。

附图说明

结合附图，根据随后的详细描述，本公开的以上和其它方面、特征和优点将变得更加显而易见，在附图中：

图1是根据本发明的一个实施例的沉积系统的示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的、在图1中显示的沉积系统的接受器的俯视图的示意图；

图3是根据本发明的另一个实施例的、图1所示的沉积系统的接受器的俯视图的示意图；

图4是图1所示的沉积系统的接受器上的凹部的俯视图；

图5是图1所示的沉积系统的接受器上的凹部的截面图；

图6是配备有多个热电偶的沉积系统的示意图；

图7是采用了多个隔热层的沉积系统的示意图；

图8是具有多个在空间上隔开的接受器的沉积系统的示意图；

图9是示出了沉积系统的另一种构造的示意图；

图10是示出了沉积系统的又一种构造的示意图；以及

图11是示出了沉积系统的另一种构造的示意图。

部件列表

10沉积系统

11接受器

12凹部

13第一材料

14第二材料

15盖

16开口

17第一热电偶

18第二热电偶

19监测装置

20隔热层

21电阻加热器

22电源

23线圈

24，30沉积装置

25升华区

26下部开口

28扩散元件

31升华区

32入口

33出口

34入口通道

35出口通道

36载体气体

37，38方向

39，45混合区

40第一沉积元件

41第一升华区

42第二沉积元件

43第二升华区

44混合元件

46第一通路

47第二通路

48第一入口

49第二入口

50上壁

51侧壁

52第一升华区

53第二升华区

54第一载体气体

55第二载体气体

100衬底

110上表面

具体实施方式

本文参照附图对本公开的实施例进行了描述。在随后的描述中，没有详细描述众所周知的功能或结构，以便避免以不必要的细节使本公开不清楚。

图1示出了构造成在衬底100上沉积两种或更多种不同的材料的沉积系统10的示意图。在一些应用中，材料可在衬底100上沉积，以形成太阳能电池或光伏电池。备选地，沉积系统10可用来制造其它装置。

取决于具体应用，可采用各种各样的衬底100。在一个非限制性实例中，衬底100包括玻璃层(未显示)，其中透明的传导性氧化物(TCO)层沉积在该玻璃层上。玻璃层的非限制性实例包括硼硅酸盐玻璃、低碱玻璃、碱石灰玻璃、低铁玻璃和类似的材料。TCO层的非限制性实例包括锡氧化物和铟锡氧化物。

在其它非限制性实例中，衬底100可包括聚合物层，其中金属层沉积在聚合物层上。在一个实例中，聚合物层可包含聚酰亚胺，而金属层可包含钼。另外，在某些应用中，衬底100可包括其它适当的材料，例如不锈钢层，其中钼层沉积在该不锈钢层上。

关于图1所示的实例，系统10包括限定多个凹部12的接受器11。凹部12从接受器11的上表面110向下延伸，并且在空间上彼此隔开，以容纳第一材料13和第二材料14。第一材料13和第二材料14交替地设置在接受器11上。

在一些应用中，接受器11可由导热材料形成。导热材料的非限制性实例包括石墨、钨、碳化硅(SiC)涂覆的石墨以及高温金属和合金，例如不锈钢和合金钢。第一材料13和第二材料14可包括碲化镉(CdTe)、碲(Te)、碲化锌(ZnTe)、砷(As)、氯化镉(CdCl2)、硫化镉(CdS)、包含针对CdTe的掺杂剂的其它材料以及它们的组合。掺杂剂的非限制性实例可包括银(Ag)、铜(Cu)、金(Au)、铋(Bi)、锑(Sb)、砷(As)、磷(P)和氮(N)。在一个实例中，第一材料13包括碲化镉(CdTe)，并且与第二材料14不同。

应当注意，图1-11所示的布置仅是说明性的。图1-11中的相同标号可指示类似的元件。在一些实例中，可采用不止一个接受器11，以及/或者不止两种材料可容纳在相应的凹部12中，以在衬底100上沉积。

对于一些布置来说，各个凹部12可为格室(cell)的形式，从而如图2所示，多个在空间上隔开的格室12可在接受器11上布置成矩阵，以便形成两个或更多个格室列。在一些实例中，各个格室可具有长方形或圆柱形形状，而且同一列中的格室可用来接收相同的材料。

备选地，各个凹部12可为沟的形式，从而如图3所示，多个沟12可分布在接受器11上，以容纳相应的第一材料和第二材料，第一材料和第二材料可交替地设置。在一些实例中，各个沟可具有长方形或弧形截面。

系统10进一步包括用于加热接受器11的一个或多个加热器，例如图5所示的电阻加热器21。在某些实例中，可采用其它适当的加热器，包括但不限于卤素灯和射频加热器，它们可由本领域技术人员容易地实现。

在操作中，该一个或多个加热器加热接受器11，从而在相应的凹部12中的第一材料13和第二材料14被加热到某个温度，以同时升华。然后，两种升华气体在朝衬底100传输期间混合在一起，以便以膜的形式在衬底100上沉积，这称为共同升华过程。

在一些实例中，在凹部12中的第一材料13和第二材料14可被加热到相同的温度。在其它实例中，第一材料13和第二材料14可被加热到不同的温度。

另外，在一些应用中，在操作中，衬底100相对于接受器(一个或多个)11可为固定的。备选地，衬底100可相对于接受器(一个或多个)11运动。衬底100可被预热到比第一材料13和第二材料14的相应的加热温度更低的温度。

可使用各种技术来将第一材料和第二材料加热到不同的温度。例如，对于用于接收两种材料的相应的凹部12而言，几何结构可不同。因此，当一个或多个加热器设置在接受器11下方以加热凹部12时，由于热梯度的原因，具有更大的深度的凹部12比具有更浅的深度的凹部接收更多热能。这样，第一材料和第二材料就被加热到不同的温度。

在其它实例中，可相对于其它凹部的导热性来增强凹部的一个子集的导热性。例如，系统10可采用设置在相应的凹部12的周边上和/或设置在相应的凹部12中的一种或多种材料，以便起作用来例如从一个或多个加热器中吸收更多热能。例如，一种或多种吸热材料(例如钛)可设置在容纳第一材料13的凹部12的周围，从而第一材料13被加热到比第二材料14更高的温度，以进行升华。

在所示实施例中，系统10进一步采用了多个盖15，多个盖15设置在用于容纳第二材料14的凹部12中的相应的一些上。各个盖15限定与凹部12流体连通的开口16。

图4和5示出了其上设置有一个盖的一个凹部的俯视图和截面图。如图4和5所示，凹部12具有圆柱形形状，并且开口16与凹部12流体连通，从而在升华过程期间，可通过移动盖15来调节开口16的尺寸，以便调节第二材料14的升华蒸气压力。在一些实例中，盖15可设置在或可不设置在第一材料凹部12上。

在一些应用中，系统10可采用一个或多个热监测装置来监测凹部12的温度。如图6中描绘的那样，多个第一热电偶17和第二热电偶18延伸到接受器11中，并且设置在凹部12的下方，以探测其上的温度，以便监测第一材料13和第二材料14的温度。

如以上描绘的那样，在一些实例中，用于容纳第一材料和第二材料的凹部12可被加热到相同的温度。但是，对于许多应用来说，容纳第一材料和/或第二材料的凹部12被加热到不同的温度。

在某些应用中，第一热电偶17和第二热电偶18可连接到监测装置19上，以监测各个凹部12的温度。在其它实例中，可使用两个或更多个监测装置。另外，在一些实施例中，监测装置(一个或多个)可操作性地连接到加热器(一个或多个)上，以提供反馈来进行热控制。

对于某些布置，为了对各个凹部12的温度进行独立控制且避免来自相邻凹部12的干扰，可在接受器11上设置隔热装置。例如，可提供一个或多个隔热层，以更好地热隔离凹部中的相应的一些凹部与相邻的凹部。

图7是采用了多个隔热层20的系统10的示意图。如图7所示，系统10包括限定在接受器11上以容纳第一材料13和第二材料14的多个凹部12。隔热层20设置在接受器11的两端处，并且位于每两个相邻凹部12之间，以进行热隔离。

隔热装置的非限制性实例包括聚苯乙烯、聚亚安酯、聚苯乙烯泡沫和陶瓷材料。对于所示布置，隔热层20进一步设置在接受器11的底面(未标示)上，以降低通过接受器11的底面的热对流。在其它实例中，没有在接受器11的底面上采用隔热装置。

在图7的所示实例中，系统10进一步包括设置在用于容纳第二材料14的凹部12上的多个盖15，以及用于加热相应的凹部12的电阻加热器21。在一些实例中，一个或多个盖15可设置在或可不设置在用于容纳第一材料13的一个或多个凹部12上。电阻加热器21包括线圈23。在所示实例中，线圈23设置在各个凹部12的周围。系统10进一步包括为线圈23提供的、构造成以便使电流通过线圈23来加热凹部12的电源22。

在所示实例中，线圈23在接收第一材料13的凹部12上具有比在接收第二材料14的凹部12上的那些(匝)更多的匝。这样，就可分开来加热第一材料13和第二材料14，并且第一材料13可被加热到比第二材料14更高的温度。在其它实例中，缠绕在第一材料凹部12的周围的线圈的匝数可等于或小于缠绕在第二材料凹部12的周围的那些。

此外，图7所示的示例性系统10还采用了构造成分别监测第一材料13和第二材料14的温度的多个第一热电偶17和第二热电偶18。在一些实例中，一个或多个监测装置19还可操作性地连接到第一热电偶17和第二热电偶18上，并且另外可操作性地连接到加热器21上，以提供反馈来进行热控制。

图8是具有多个在空间上隔开的接受器的系统10的示意图。如图8所示，系统10包括用于容纳第一材料和第二材料的多个在空间上隔开的接受器11，以及限定具有下部开口26的升华区25的沉积装置24。在空间上隔开的接受器11设置在升华区25内。衬底100设置在沉积装置24的下方。

类似地，系统10可包括用于加热接受器11的一个或多个加热器。在一些实例中，加热器(一个或多个)可设置在沉积装置24的外部。在其它实例中，加热器(一个或多个)可设置在升华区25内，以及/或者设置在沉积装置23的上壁50和/或侧壁51内，以加热接受器11。

在操作中，第一材料13和第二材料14在某个温度处升华。由于沉积装置24的温度高于第一材料13和第二材料14被加热到的温度，所以第一材料13和第二材料14的升华气体不会在沉积装置24的内表面上沉积，并且沿向下方向传输，以在衬底100上沉积，如由虚线箭头所指示的那样。

在图8的所示实例中，系统10进一步包括扩散元件28，以用于扩散，并且因此用于使升华气体更加均匀地分布在衬底100上。在某些应用中，可采用不止一个扩散元件28。类似地，在沉积期间，扩散元件(一个或多个)28的温度也可高于第一材料和第二材料被加热到的温度，从而升华气体在衬底100上沉积，而不在扩散元件(一个或多个)28上沉积。

对于所示布置，衬底100设置在沉积装置24的下方。采用了不止两个在空间上隔开的接受器11，而且各个接受器11限定凹部12。在其它实例中，衬底100也可设置在升华区25内，并且位于上壁50和接受器11之间。系统10可采用两个接受器，并且各个接受器11可限定不止一个凹部12。

另外，对于图1-7中的布置，系统10也可采用沉积装置来容纳接受器(一个或多个)11，该沉积装置可类似于图8所示的沉积装置24，但是可限定上部开口，从而衬底100就设置在接受器(一个或多个)11的上方，以进行沉积。类似于图8所示的扩散元件28的一个或多个扩散元件也可设置在衬底100和接受器(一个或多个)11之间。

上述升华和沉积过程可在各种各样的环境中执行，例如，在大气环境中或者在存在气体(例如氧气、氢气、氮气、氯气、惰性气体以及它们的组合)的情况下。惰性气体的非限制性实例包括氩气和氦气。

图9是系统10的另一种构造的示意图。如图9所示，系统10包括限定升华区31的沉积装置30，以及均设置在升华区31的第一升华区52和第二升华区53内的两个接受器11。升华装置30进一步限定入口32、入口通道34、出口33，以及与升华区31流体连通的出口通道35。衬底100面向出口33。

对于图9的所示实例，系统10进一步包括载体气体源(未显示)和一个或多个加热器(未显示)。载体气体源构造成以便通过入口32和入口通道34将载体气体供应到升华区31中。该一个或多个加热器构造成以便加热第一材料13和第二材料14，并且使第一材料13和第二材料14升华，而且该一个或多个加热器可设置在升华装置30的外部，设置在接受器11的周围，以及/或者设置在限定升华区31的一个或多个壁(未标示)内。

在操作中，一个或多个加热器加热接受器11，以使第一材料13和第二材料14升华。第一材料和第二材料可被加热到相同或不同的温度，以进行升华。载体气体源将载体气体36供应到升华区31中，以通过出口通道35和出口33将升华气体携带出升华区31。随后，第一材料和第二材料在衬底100上持续地沉积，同时衬底100沿方向37运动，方向37与消耗的载体气体的方向38相反。

在所示实例中，在朝向出口33运动的同时，升华气体在出口通道35中混合，出口通道35因此作为混合区，且从而提高衬底100上的沉积的质量。在一些应用中，可不采用出口通道35。载体气体36可充满第一材料13和第二材料14的升华气体，以有利于在衬底100上沉积。衬底100可沿与消耗的载体气体相同的方向运动，或者可为固定的。

另外，升华装置30和衬底100的温度可分别比第一材料13和第二材料14的加热温度更高和更低，以有利于第一材料和第二材料在衬底100上沉积。

在某些应用中，为了避免污染两种升华气体，载体气体可首先携带在较低的温度处升华的材料的升华气体。然后该载体气体携带在较高的温度处升华的材料的升华气体。例如，如果第二材料比第一材料在更低的温度处升华，则载体气体首先携带第二材料的升华气体，而然后携带第一材料的升华气体。

在所示实例中，提供了两个接受器。在其它实例中，可采用不止两个接受器来容纳相应的第一材料和第二材料。因此，例如，在操作中，载体气体可经过容纳第二材料的所有的接受器，且然后经过容纳第一材料的所有的接受器。另外，系统10可包括或可不包括设置在一个或两个接受器11中的相应的接受器11上的一个或多个盖15。

图10是示出了具有两个入口32的系统10的构造的示意图。图10中的布置类似于图9所示的布置。这两个布置的不同在于，图10所示的系统10包括两个入口32，并且出口33设置在两个接受器11之间。

对于图10所示的构造，在操作中，第一载体气体54和第二载体气体55从入口32传送进入升华区31中，以携带第一材料和第二材料的相应的升华气体。然后，升华气体在限定在两个接受器11之间的混合区39中混合，并且传送离开升华区31，以在运动的衬底100上沉积。

类似地，可采用不止两个接受器，并且可在接受器11中的相应的接受器11上提供一个或多个盖。第一载体气体54和第二载体气体55可为相同或不同的气体。第一载体气体和第二载体气体的非限制性实例包括惰性气体，例如氩气和氦气。

对于图10的所示实例，混合区和升华区31在空间上是交迭的。第一升华区和第二升华区在空间上也是交迭的。在某些实例中，混合区可在空间上与升华区31隔开。第一升华区和第二升华区也可在空间上彼此隔开。

对于图11所示的示例性布置，沉积装置30包括限定第一升华区41的第一沉积元件40、限定第二升华区43的第二沉积元件42，以及限定混合区45的混合元件44。第一通路46和第二通路47在混合区和相应的第一升华区41与第二升华区43之间提供流体连接。第一入口48和第二入口49设置在第一元件40和第二元件42上，以与相应的升华区41、43流体连通，通过它们，第一载体气体和第二载体气体传送进入升华区41、43中，以携带相应的升华气体。

在图11的所示实例中，第一升华区41、第二升华区43和混合区45彼此在空间上是隔开的。因此，在操作中，第一材料和第二材料在相应的升华区41、43中升华。然后，第一载体气体和第二载体气体(未显示)通过相应的通路48、49将相应的升华气体携带到混合区45中，以进行混合。随后，混合的升华气体从出口33传送离开混合区，以在运动的衬底100上沉积。

对于图10和11所示的布置，在一些应用中，衬底100可为固定的。在升华过程期间，第一载体气体和第二载体气体也可充满第一材料13和第二材料14的升华气体，以有利于随后在衬底100上沉积。

另外，对于一些实例，可采用不止两个沉积元件和/或不止两个接受器。在接受器中的相应的接受器上可采用或可不采用一个或多个盖来调节一种或多种升华气体的压力。在其它应用中，可通过改变通路48、49中的一个或多个的气体流阻力来调节混合区45中的一种或多种升华气体的蒸气压力。

虽然已经在典型的实施例中对本公开进行了说明和描述，但是本公开不意在限于所示细节，因为可在不以任何方式偏离本公开的精神的情况下作出各种修改和替代。这样，通过使用仅常规实验，本领域技术人员可想到本文所公开的公开内容的另外的修改和等效物，而且相信所有这种修改和等效物都在随后的权利要求书限定的本公开的精神和范围之中。

Claims (10)

1.一种用于在衬底(100)上沉积两种或更多种材料的系统(10)，所述系统(10)包括：

一个或多个接受器(11)，构造成限定用于分别容纳至少第一材料(13)和不同于所述第一材料(13)的第二材料(14)的两个或更多个凹部(12)；以及

一个或多个加热器，用于加热所述第一材料(13)和所述第二材料(14)来同时升华，且两种升华气体在朝所述衬底(100)传输期间混合在一起，以在所述衬底(100)上沉积。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述一个或多个接受器(11)中的各个限定所述两个或更多个凹部(12)。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一材料(13)和所述第二材料(14)被分别加热到不同的温度。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括一个或多个盖(15)，所述一个或多个盖(15)可动地设置在所述凹部(12)中的相应的一些凹部(12)上，并且构造成以便调节第一蒸发材料和第二蒸发材料中的一个或多个的蒸气压力。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述一个或多个加热器中的各个包括电阻加热器(21)，其中，所述电阻加热器(21)包括设置在所述凹部(12)中的一个或多个的周围的线圈(23)，其中，所述系统(10)进一步包括电源(22)，该电源(22)构造成以便通过所述线圈(23)传递电流以加热所述第一材料和第二材料(13，14)中的一个或多个，并且其中，设置在容纳所述第一材料(13)的凹部(12)的周围的线圈(23)比设置在容纳所述第二材料(14)的凹部(12)的周围的线圈(23)具有更多匝。

6.一种用于在衬底(100)上沉积两种或更多种材料的系统(10)，所述系统(10)包括：

沉积装置(24，30)，限定了升华区(31)、一个或多个入口(32)以及与所述升华区(31)流体连通的一个或多个出口(33)；

一个或多个接受器(11)，设置在所述升华区(31)内，并且限定用于分别容纳至少第一材料(13)和不同于所述第一材料(13)的第二材料(14)的两个或更多个凹部(12)；

一个或多个加热器，用于加热所述第一材料(13)和所述第二材料(14)，以使所述第一材料和第二材料(13，14)同时升华，且两种升华气体在朝所述衬底(100)传输期间混合在一起；以及

一个或多个载体气体源，构造成以便通过所述一个或多个入口(32)将一种或多种载体气体(36)供应到所述升华区(31)中，以通过所述一个或多个出口(33)将所述第一材料和第二材料(13，14)的升华气体携带出所述升华区(31)，以在所述衬底(100)上沉积。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述沉积装置(24，30)进一步包括构造成以便在所述升华气体在所述衬底(100)上沉积之前混合所述升华气体的混合区(39，45)，其中，所述升华区(31)包括构造成分别容纳所述第一材料和第二材料(13，14)的第一升华区(41)和第二升华区(43)，其中，所述混合区(39，45)设置在所述第一升华区和第二升华区(41，43)之间，并且其中，所述混合区(39，45)在空间上与所述第一升华区和第二升华区(41，43)交迭。

8.一种用于在衬底(100)上沉积两种或更多种材料的方法，所述方法包括：

提供一个或多个接受器(11)，该一个或多个接受器(11)构造成限定用于分别容纳第一材料(13)和不同于所述第一材料(13)的第二材料(14)的两个或更多个凹部(12)；以及

加热所述第一材料(13)和所述第二材料(14)，以使所述第一材料(13)和所述第二材料(14)同时升华，且两种升华气体在朝所述衬底(100)传输期间混合在一起，以便在所述衬底(100)上沉积。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括将所述第一材料(13)和所述第二材料(14)交替地设置在相应的凹部(12)上，并且其中，所述一个或多个接受器(11)中的各个限定所述两个或更多个凹部(12)。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一材料(13)和所述第二材料(14)被分别加热到不同的温度。