CN102220565B

CN102220565B - 一种用于硅薄膜电池陷光结构研究的化学气相沉积设备

Info

Publication number: CN102220565B
Application number: CN201110156698A
Authority: CN
Inventors: 陈新亮; 赵颖; 张晓丹; 任慧志; 张德坤; 魏长春; 张建军; 耿新华
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2011-06-13
Filing date: 2011-06-13
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2031-06-13
Also published as: CN102220565A

Abstract

一种用于硅薄膜电池陷光结构研究的化学气相沉积设备，包括镀膜装置和气体管路，镀膜装置包括镀膜室和装片室，镀膜室内设有衬底、加热器和带筛孔的气盒，装片室设有内部的层式样品架、侧面样品推动杆和顶部的层式样品架升降机构，镀膜室和装片室分别通过管道与真空泵组抽气管道连接；在O₂/CO₂、B₂H₆和Ar气携带H₂O气或DEZn的气体管路中分别设有控制气体通断的气动阀、流量计、压力表、针阀、水密封储罐和DEZn密封储罐并通过管道进入镀膜室。本发明的优点：该化学气相沉积设备，可对样品进行大面积的镀膜并实现源材料的多种选择，提高镀膜效率；可控制薄膜的具体生长过程，操作简单且可靠稳定，提高硅薄膜太阳电池的性能，具有重大的生产实践意义。

Description

一种用于硅薄膜电池陷光结构研究的化学气相沉积设备

技术领域

本发明涉及真空镀膜技术领域，特别是涉及一种用于硅薄膜电池陷光结构研究的化学气相沉积设备，适用于生长透明导电氧化物TCO薄膜，然后应用于硅Si薄膜太阳电池。

背景技术

对于硅薄膜太阳电池来说，为了提高它的性能，目前的关键问题是进一步提高光电转换效率和改善稳定性，其中，加入陷光结构是一种有效的方法。陷光结构通过反射、折射和散射，将入射角度比较单一的光线分散到各个角度，从而增加光在太阳电池中的光程，使入射的太阳光被限制在前电极、背电极之间，从而提高太阳光的收集效率。

硅薄膜太阳电池的厚度很小，例如一般非晶硅薄膜太阳电池的厚度约0.5微米，微晶硅薄膜太阳电池的厚度约1.5微米，由于其材料的不平整性线度过小，使得对光线的折射和反射的影响很弱，所以就需要一个外加的陷光结构。现在非晶硅薄膜太阳电池采用的陷光结构有两种，一种是绒面透明前电极，另一种是复合背反射电极。

其中，绒面透明前电极具有同入射光波长相比拟的凹凸起伏的绒面结构，可以实现对入射太阳光的散射，增大入射光在电池中的光程，以增大电池的短路电流，从而提高电池的光电转换效率。该绒面结构一般是由一层透明导电膜构成，如SnO₂或ZnO等；另外，硅薄膜太阳电池要求透明电极具有极低的光、电损失、高透过率和电导率，以及在氢等离子体轰击下保持较好的稳定性。

而复合背反射电极是由一层透明导电膜和一层金属反射层构成复合背反射层，如：ZnO/Ag或ZnO/Al等，通过光的干涉增强作用增加背电极对光的反射，使未能被电池吸收而到达背电极的光子被反射到电池的本征吸收层进行再次吸收，从而增加了电池对入射光的收集效率、增大短路电流、提高电池的转化效率。而且可以通过进一步减薄本征吸收层，增强内建电场，从而在一定程度上达到了抑制光致衰退，改善电池的稳定性。另外，氧化锌ZnO还可以阻挡金属背电极元素如Ag或Al向太阳电池n+层的扩散，改善界面及电池性能。

新型硼掺杂氧化锌ZnO:B(BZO)薄膜价格便宜，源材料丰富，主体源材料无毒，并且在氢等离子体中稳定性优于掺氟氧化锡(SnO:F)FTO薄膜，同时具有可同FTO相比拟的光电特性，因此在硅基薄膜太阳电池的中有广泛的应用前景。硼掺杂氧化锌的ZnO:B(BZO)可以作为绒面前电极，ZnO/Ag或ZnO/Al可作为背反射电极。

当前，常用的ZnO薄膜制备工艺是磁控溅射和金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术。相比于磁控溅射技术，除了维持或者获得良好的电学性能之外，MOCVD技术生长的ZnO-TCO薄膜具有绒面结构、较高的可见光和近红外区域透过率以及高的镀膜速率，且易于实现大面积推广应用。通常实验室生长ZnO薄膜采用单室沉积技术(即整个实验过程在一个真空室完成)，因此样品的尺寸面积小，镀膜效率较低，无法适应大面积产业化的需求，并且无法控制ZnO薄膜的具体生长过程。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术分析和存在问题，提供一种用于硅薄膜电池陷光结构研究的化学气相沉积设备，该设备可以对样品进行大面积的镀膜、提高镀膜的效率，以适应大面积产业化的实验需求，并且可以控制薄膜的具体生长过程，操作简单且可靠稳定，可以明显提高硅薄膜太阳电池的性能，具有重大的生产实践意义。

本发明的技术方案：

一种用于硅薄膜电池陷光结构研究的化学气相沉积设备，包括镀膜装置和气体管路部分，气体管路部分包括O₂/CO₂气管路、Ar气携带H₂O气管路、B₂H₆气体管路和Ar气携带DEZn气管路，镀膜装置为由镀膜室和装片室构成的箱体式密封容器，镀膜室和装片室之间设有用来分隔或接通的闸板阀，镀膜室内设有衬底、加热器和气盒并上下间隔排列，衬底用于放置待镀膜的样品，用于加热衬底的加热器通过导线与箱体外的电源连接，气盒为上面设有筛孔的封闭盒体，气盒通过管道分别与四条气体管路连接，镀膜室的顶部通过管道与真空泵组抽气管道连接并设有控制蝶阀和真空闸板阀，镀膜室的底部通过管道与真空泵组抽气管道连接；装片室内设有层式样品架，样品架的顶层与镀膜室内的衬底位于同一平面上，装片室的侧面设有样品推动杆，样品推拉杆与样品架的顶层位于同一平面上用于将样品架上的待镀膜样品推到衬底上，装片室的顶部设有升降机构并通过升降杆与层式样品架连接，升降机构的升降杆和样品推动杆与箱体结合处均设有真空密封组件，装片室的底部通过管道与真空泵组抽气管道连接并设有通断控制的闸板阀；O₂/CO₂气管路和Ar气携带H₂O气管路为两条并联的气体管路，O₂/CO₂气管路包括O₂/CO₂气进口管、进口气动阀1、流量计和出口气动阀2并通过管道串联连接后进入镀膜室的顶部，流量计的进、出口通过管道并联有气动阀3，Ar气携带H₂O气管路包括Ar气进口管、进口气动阀、流量计、水密封储罐、针阀和出口气动阀5并通过管道串联连接后进入镀膜室内的气盒，其中Ar气管路进入水密封储罐的进口管通过进气阀1伸入水密封储罐的液相中，携带出的气体经出气阀2导出，出口管从水密封储罐的气相引出并设有压力表，流量计的进、出口通过管道并联有气动阀6，上述两条气体管路在两个流量计出口管道之间设有连接管道并设有气动阀7；B₂H₆气体管路和Ar气携带DEZn气管路为两条并联的气体管路，B₂H₆气体管路包括B₂H₆气进口管、进口气动阀8、流量计和出口气动阀9并通过管道串联连接后与进入镀膜室内气盒的管道相接，流量计的进、出口通过管道并联有气动阀10，Ar气携带DEZn气管路包括Ar气进口管、进口气动阀11、流量计、DEZn密封储罐、针阀、气动阀12和出口气动阀9并通过管道串联连接后在针阀后与上述同一条进入镀膜室内气盒的管道相接，其中Ar气管路进入DEZn密封储罐的进口管通过进气阀3伸入DEZn密封储罐的液相中，携带出的气体经出气阀4导出，出口管从DEZn密封储罐的气相引出并设有压力表，流量计的进、出口通过管道并联有气动阀13，在上述两条气体管路(即B₂H₆气路和DEZn气路)的并联处通过管道与真空泵抽气管道连接并设有气动阀14和电磁阀门控制。水密封储罐并联有气动阀15，DEZn密封储罐并联有气动阀16。

所述镀膜室内气盒上面筛孔的孔径为1.0mm-2.0mm，孔间距为3.0mm-20.0mm。

所述装片室内的层式样品架为四层。

本发明的优点是：与常规的化学气相沉积设备相比较，本发明提供的该化学气相沉积设备，可对样品进行大面积的镀膜并实现源材料的多种选择；可提高镀膜的效率，以适应大面积产业化的实验需求；并且可以控制薄膜的具体生长过程，操作简单且可靠稳定，可以明显提高硅薄膜太阳电池的性能，具有重大的生产实践意义。

附图说明

附图为该化学气相沉积设备示意图。

具体实施方式

实施例：

附图为本发明提供的一种用于硅薄膜电池陷光结构研究的化学气相沉积设备的流程示意图。

在该实施例中，镀膜装置为由镀膜室和装片室构成的箱体式密封容器，整体尺寸为长110cm×宽50cm×高50cm，其中镀膜室和装片室的尺寸均为长50cm×宽50cm×高50cm，镀膜室和装片室之间的闸板部分尺寸为长10cm×宽50cm×高50cm。镀膜室内衬底和加热器均为独立控制的构件，衬底的平面尺寸为长22cm×宽22cm，衬底温度为100-300℃，加热器的平面尺寸为长26cm×宽26cm，加热器采用铠装加热丝，热电偶采用k型，加热器采用两区域补偿均匀加热，功率范围均为100-2000W。气盒的尺寸为长26cm×宽26cm×高5cm，气盒上面筛孔的孔径为1.5mm、孔间距为10mm，衬底、加热器和气盒的间距分别为30mm、100mm。装片室内的层式样品架为四层，每层的平面尺寸为长26cm×宽26cm、层间距为5cm，装片室顶部的升降机构采用升降电机，升降机构的升降杆和样品推动杆与箱体结合处均设有密封组件；镀膜室顶部的真空泵抽气管道和装片室底部的真空泵抽气管道用来抽背景真空，背景真空度由于2×10^-2Pa，镀膜室底部的真空泵抽气管道用来抽镀膜真空，镀膜反应压力为20-800Pa。

在该实施例的气体管路中，气体管道均采用四分之一英寸不锈钢管，流量计的型号为MKS或DK系列，气动阀的型号为Airticip系列，水密封储罐的容量为200-500g，DEZn密封储罐的容量为200-500g；B₂H₆气和DEZn气的并联气体管路上的真空泵抽气管道用来抽取实验进行反应前及反应后的气体，抽取后真空度为2×10^-2Pa；四条气体管路中，O₂/CO₂气体的流量为0-300sccm、B₂H₆气体的流量为0-200sccm、Ar气的流量为0-500sccm。

该实施例的工作程序：

该设备是利用MOCVD技术，以高纯度DEZn作为锌源、H₂O气或O₂/CO₂气作为氧源、高纯度B₂H₆作为掺杂剂气源材料，衬底为玻璃，生长氧化锌ZnO薄膜，工作步骤如下：

1)开启镀膜室底部的真空闸板阀和真空泵真空泵组和装片室底部的真空闸板阀和真空泵真空泵组抽背景真空；

2)利用推拉杆将样品送至衬底上，关闭两室间的闸板，开启加热器的电源给衬底加热；

3)关闭抽背景真空的闸板阀，开启镀膜室顶部的蝶阀和真空泵组抽镀膜真空并通过蝶阀控制真空室反应压力；同时，开启B₂H₆气和Ar气携带DEZn气管路的并联气体管路上的真空泵抽气管道的气动阀及电磁阀门抽管道真空，分别开启并调节B₂H₆气和Ar气携带DEZn气管路两条并联气体管路上的进口气动阀8、气动阀12、进气气动阀11、进气阀3、出气阀4和和出口气动阀9并通过流量计和压力表的显示根据镀膜工艺要求控制气体流量，通过通入B₂H₆气体会合入DEZn气体实现掺杂；同时根据镀膜工艺要求开启并调节O₂/CO₂气管路和Ar气携带H₂O气管路上的进口气动4阀、进气阀1、出气阀2和气动阀12并通过流量计和压力表的显示控制气体压力及流量，上述气体通过镀膜室中气盒的筛孔喷射到衬底上样品的表面并发生化学反应生成均匀的ZnO薄膜；

4)该样品镀膜完成后，开启两室间的闸板，利用样品推拉杆将样品从衬底上退回到样品架，利用装片室顶部的升降机构将样品架提升，并利用推动杆将样品架第二层的样品送至衬底上，关闭两室间的闸板，进行下一轮的样品镀膜，依此重复进行，直至完成样品架上全部样品的镀膜工作。

利用本发明所提供的MOCVD设备生长绒面结构ZnO薄膜的具体实例：利用MOCVD技术，借助高纯度DEZn和H₂O作为源材料，以及高纯度B₂H₆作为掺杂剂气源材料，衬底为玻璃，生长氧化锌ZnO薄膜，其中，所生长的氧化锌ZnO薄膜的厚度为1500nm，其上放置有样品基片的衬底温度为150℃。将采用本设备所生成的绒面结构ZnO薄膜应用于硅薄膜太阳电池，可提高短路电流密度0.3-1.0mA/cm²和太阳电池转换效率0.5-1.0％。

利用本设备在真空条件下进行镀膜，可以提高膜层的致密度、纯度、沉积速率和与附着力；此种技术生长的ZnO薄膜可实现直接绒面结构生长，并且具有低电阻率，高的可见光及近红外区域透过率。该设备由于采用双真空室技术，装片和镀膜分别在不同的真空室即装片室和镀膜室进行，镀膜室和装片室的极限真空优于10^-2Pa，保证工艺重复性。装片室和镀膜室之间设有矩形闸板，装片和镀膜分隔两室，镀膜室不暴露大气，防止真空室暴露大气被污染，同时防止了镀膜室因暴露大气而出现预抽困难的问题，每天预抽真空的时间很短；而装片室不镀膜，真空腔壁清洁纯净，预抽真空时间也很短。另外，样品室的样品架上可以同时放置四片样品，借助样品推拉杆依次将样品送入镀膜室进行镀膜，在等镀膜完毕后再将样品送回样品室冷却，可极大地提高镀膜效率，有利于推向大面积产业化应用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于硅薄膜电池陷光结构研究的化学气相沉积设备，其特征在于：包括镀膜装置和气体管路部分，气体管路部分包括O₂/CO₂气管路、Ar气携带H₂O气管路、B₂H₆气体管路和Ar气携带DEZn气管路，镀膜装置为由镀膜室和装片室构成的箱体式密封容器，镀膜室和装片室之间设有用来分隔或接通的闸板阀，镀膜室内设有衬底、加热器和气盒并上下间隔排列，衬底用于放置待镀膜的样品，用于加热衬底的加热器通过导线与箱体外的电源连接，气盒为上面设有筛孔的封闭盒体，气盒通过管道分别与四条气体管路连接，镀膜室的顶部通过管道与真空泵组抽气管道连接并设有控制蝶阀和真空闸板阀，镀膜室的底部通过管道与真空泵组抽气管道连接；装片室内设有层式样品架，样品架的顶层与镀膜室内的衬底位于同一平面上，装片室的侧面设有样品推动杆，样品推拉杆与样品架的顶层位于同一平面上用于将样品架上的待镀膜样品推到衬底上，装片室的顶部设有升降机构并通过升降杆与层式样品架连接，升降机构的升降杆和样品推动杆与箱体结合处均设有真空密封组件，装片室的底部通过管道与真空泵组抽气管道连接并设有通断控制的闸板阀；O₂/CO₂气管路和Ar气携带H₂O气管路为两条并联的气体管路，O₂/CO₂气管路包括O₂/CO₂气进口管、进口气动阀1、流量计和出口气动阀2并通过管道串联连接后进入镀膜室的顶部，流量计的进、出口通过管道并联有气动阀3，Ar气携带H₂O气管路包括Ar气进口管、进口气动阀、流量计、水密封储罐、针阀和出口气动阀5并通过管道串联连接后进入镀膜室内的气盒，其中Ar气管路进入水密封储罐的进口管通过进气阀1伸入水密封储罐的液相中，携带出的气体经出气阀2导出，出口管从水密封储罐的气相引出并设有压力表，流量计的进、出口通过管道并联有气动阀6，上述两条气体管路在两个流量计出口管道之间设有连接管道并设有气动阀7；B₂H₆气体管路和Ar气携带DEZn气管路为两条并联的气体管路，B₂H₆气体管路包括B₂H₆气进口管、进口气动阀8、流量计和出口气动阀9并通过管道串联连接后与进入镀膜室内气盒的管道相接，流量计的进、出口通过管道并联有气动阀10，Ar气携带DEZn气管路包括Ar气进口管、进口气动阀11、流量计、DEZn密封储罐、针阀、气动阀12和出口气动阀9并通过管道串联连接后在针阀后与上述同一条进入镀膜室内气盒的管道相接，其中Ar气管路进入DEZn密封储罐的进口管通过进气阀3伸入DEZn密封储罐的液相中，携带出的气体经出气阀4导出，出口管从DEZn密封储罐的气相引出并设有压力表，流量计的进、出口通过管道并联有气动阀13，在上述两条气体管路(即B₂H₆气路和DEZn气路)的并联处通过管道与真空泵抽气管道连接并设有气动阀14和电磁阀门控制。水密封储罐并联有气动阀15，DEZn密封储罐并联有气动阀16。

2.根据权利要求1所述用于硅薄膜电池陷光结构研究的化学气相沉积设备，其特征在于：所述镀膜室内气盒上面筛孔的孔径为1.0mm-2.0mm，孔间距为3.0mm-20.0mm。

3.根据权利要求1所述用于硅薄膜电池陷光结构研究的化学气相沉积设备，其特征在于：所述装片室内的层式样品架为四层。