CN102677008B - 在线制备太阳能电池导电极膜层的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种硅基薄膜太阳能电池背电极或前电极在线连续磁控溅射镀膜，属于太阳能技术领域。本发明目的是用阴极靶的电磁体调整磁场极性，使其磁体极性相同或相反。技术特征是在线连续磁控溅射镀膜，在真空腔室内，安装多种靶材的阴极靶装置是平板靶或旋转靶。阴极靶相邻靶位的磁体极性可调。连续磁控溅射镀膜在基板（电池板）表面形成复合膜和金属膜，或金属氧化膜。可获得清晰界定AZO，金属膜，提高了膜层的光学性和电学性，提高了产能，降低了生产成本。

Description

在线制备太阳能电池导电极膜层的装置

技术领域

本发明涉及一种硅基薄膜太阳能电池背电极或前电极在线连续磁控溅射镀膜，属于太阳能技术领域。

背景技术

目前，薄膜太阳能电池的前电极和背电极的加工制造过程，均需要镀制TCO膜层，TCO膜层为透明导电膜，作薄膜太阳能电池芯片（电池板）的电极使用。同时，可以使光线透过，主要指标为透过率和电导率，TCO膜层的透过率越高，光线进入电池越多，电池的短路电流和开路电压越大。提高TCO膜层的电导率，能减少TCO膜层的缺陷，降低电池内的串联电阻，提高并联电阻，增大电池的填充因子，从而有效提高电池的转化效率。硅基薄膜太阳能电池一般应用平衡磁控溅射镀膜技术，特别是背电极（负极）的制作，在电池板（或芯片）PIN结的背电极P层膜表面形成复合膜层，金属氧化膜AZO、金属膜银Ag、铝Al等金属膜层作背电极导电用。磁控溅射镀膜技术，对靶材施加负高压，以靶材作为阴极，基片作为阳极，在靶材与基片之间形成电场，并通过在靶材背面放置磁极提供磁场，利用磁场与电场交互作用，约束电子在靶表面附近螺旋状运行，不断撞击氩气产生离子，所产生的离子在电场作用下撞向靶面溅射出靶材原子，沉积在基片上获得所需的导电薄膜层。工业化的磁控溅射已发展成为连续磁控溅射镀膜，即在一条磁控溅射设备上配备了多个磁控溅射阴极。如薄膜太阳能电池的背电极连续镀膜设备，当电池板（以下称基片）在生产线真空镀膜区域移动过程中连续经过AZO、Ag、Al阴极靶，在电池芯板背电极表面形成所需的复合膜层。虽然磁体材料可以采用永磁铁和电磁材料，但使用永磁铁的缺点是磁体极性调节不方便。为此，采用电磁铁，问题是现有技术忽略了电磁极性对磁场影响。特别是在线生产连续镀膜时，对阴极靶要进行排列组合，而每套磁控溅射阴极靶的结构要相同一致，在此条件下必须考虑相邻阴极装置靶位之间的磁体极性的相互影响和磁场的分布及等立体分布，对膜层的光学和电学性能的影响。

本发明内容

鉴于此，要解决以上所说现有磁控溅射连续镀膜时，对多个阴极靶位排列，相邻阴极靶位之间电磁极性会影响磁场分布，要加以认真研究和合理的利用。

本发明目的在于用阴极靶的电磁体调整磁场极性，调节和控制阴极靶位的极性，使其磁体极性相同或相反，以适应在线太阳能电池电极连续磁控溅射镀复合透明导电膜和金属膜。

本发明的另一目的是通过对磁体的极性设定，使磁控溅射镀膜不仅适合镀电池背电极膜层，还能镀前电极膜层及过渡膜层，膜层界面清晰、膜层性能好。

    本发明技术解决方案的主要技术特征：在线连续磁控溅射镀膜，在真空腔室内，安装由多种靶材构成的阴极靶装置，镀膜区域内排列的阴极靶是平板靶或旋转靶，阴极靶相邻靶位的磁体极性可调；

磁体由外环和中间电磁体励磁线圈接直流电源正负极调节磁体极性。

电池基板通过真空腔室内阴极靶镀膜区和过渡区连续磁控溅射镀膜；在基板（电池板）表面形成复合膜和金属膜,或金属氧化膜。

使阴极靶排列的电磁体极性和磁场强度可调，通过匹配外环和中间磁体的励磁线圈的匝数或磁体的截面积调节磁通量。电池板在真空腔室内阴极靶镀膜区连续镀膜，在电池板基板表面形成复合膜层和或金属膜。对硅基薄膜太阳能电池的背电极磁控溅射镀复合膜和金属膜或对电池前电极镀透明导电膜、复合膜。在阴极靶的靶位上装靶材、水冷背板，阴极靶装置由外环电磁体、中间电磁体构成。将外环和中间电磁体的励磁线圈接直流电源的正负极，以调节磁体极性。阴极靶的靶材作为阴极，基片作为阳极进行排列组合形成磁控溅射镀膜阵列。阴极靶可为平面靶或旋转靶，在靶材与基片之间形成电场，靶座承托靶材由背面电磁体提供磁场。

实施本发明的积极效果：实现了本发明的目的，通过电磁体的极性设定，不仅应用于在线生产硅基薄膜太阳能电池背电极膜层也适应前电极膜层。通过阴极靶装置的设定，由单面镀到双面镀，提高了产能，降低了生产成本。

附图说明

图1、是本发明的真空腔室剖面示意图。

图2、是本发明的磁体结构示意图。

图3、是本发明中相邻阴极靶位磁体极性相同时，磁力线及等离子体分布示意图。

图4、是本发明中相邻阴极靶位磁体极性相反时，磁力线及等离子体分布示意图。

图5、是本发明阴极靶位中相对磁极极性相反时的磁力线及等离子体分布示意图。

图6、是本发明阴极靶位中相对磁极极性相同时的磁力线及等离子体分布示意图。

图7、是本发明实施例1单侧面镀膜，阴极靶可以两侧排布，对基片双侧面镀膜。

图8、是本发明实施例2的结构示意图。

图9、是图8的磁力线及等离子体分布示意图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明的原理：见图1-2，本发明阴极装置主要包括磁体、励磁线圈、靶材4、水冷背板5和靶座10，磁体包括磁轭3、中间磁体6和外环磁体8，中间磁体6上绕有中间磁体励磁线圈7，外环磁体8其上绕外环磁体励磁线圈9，中间磁体励磁线圈7和外环磁体励磁线圈9外接直流电源，中间磁体6和外环磁体8安装在磁轭3上，水冷背板5位于靶材4的背面，一起固定在靶托10上，形成阴极装置，阴极装置安装在真空腔室1的维修门2上，便于安装和检修。靶座10，磁力线11，等离子体12，基片13是磁控溅镀膜装置的阳极。为进一步说明相邻阴极靶位间电磁体对极性的相互影响，见图3，选择单侧镀膜，两组独立的阴极靶位极性相同时，靶位间磁力线11不闭合，等离子体12分别在各自靶位形成一个闭合的等离子体区。见图4，相邻阴极靶位磁极极性相反，两组靶位间磁力线11闭合，磁场合而为一，范围得以扩展，于是在两组阴极靶位上方，形成一个敞开式、共同的等离子体区12。 见图5、是本发明阴极靶位中相对磁极极性相反时的磁力线及等离子体分布示意图。双侧镀膜时，当相对阴极装置的磁体极性相反时，外环部分磁力线相互吸引，等离子体区闭合。

图6是本发明阴极靶位中相对磁极极性相同时的磁力线及等离子体分布示意图，外环部分磁力线相互排斥，等离子体区域拉长。

图7是连续磁控溅射镀膜，在同一真空腔室内安装多个不同靶材构成磁控溅射阴极靶装置，基片作为阳极与磁控溅射阴极靶构成镀膜装置，基板在真空镀膜腔室内可连续的在组合式排列阴极靶区域内镀单一膜层，在靶与靶交叉区域内镀过度膜层。在基片表面形成复合膜层，因此连续磁控溅射镀膜设备具有结构简单、镀膜效率高等优点，但连续镀膜设备必须考虑相邻阴极装置的磁体极性的相互影响对膜层性能的影响。单侧镀膜时，邻阴极装置的磁体极性相同时，磁力线在相邻区域内相互排斥，等离子体分别在各自靶位上形成闭合的等离子体区，在基片经过两组阴极靶相连接区域时，会在基片表面形成界限清晰的各自靶材的膜层，当相邻阴极装置的磁体极性相反时，磁力线在相邻区域内相互吸引，磁场范围合二为一，磁场范围得以扩展，于是形成一个敞开式、共同的等离子体区，在基片经过两组阴极连接区域时，会在基片表面形成两种靶材的混合膜层。当相对阴极装置的磁体极性相同时,根据对膜层组合的要求不同，有些要求膜层界限清晰，有些要求膜层存在过渡的混合膜层，因此要根据膜层要求和多阴极的组合方式进行磁体的极性设定，使得相邻或相对的阴极装置的磁体的极性相同或相反。

图8详见本发明实施例2， NiCr合金靶402、Ag金属靶4＇＇、NiCr合金靶402、TiO2陶瓷靶401，配备五个平面阴极装置离线连续磁控溅射镀膜设备的阴极装置单侧排布。

实施例1

见图6，本实施例制备硅基薄膜太阳能电池组件的背电极制作，在线连续磁控溅射镀膜的磁控溅射阴极靶双侧排布，每侧配备三个平面阴极装置，靶材4＇为AZO、Ag银靶材4＇＇，铝Al靶材4＇＇＇均为矩形，阴极接DC磁控溅射电源，实现理想稳定的增反效果。清晰界定AZO膜层的光学、电学以及物理常数，如折射率n、电阻率ρ以及膜层厚度等。要求AZO膜层形成时膜层独立，减少过渡层出现，因此，要求装有靶材4＇AZO与装有Ag靶材4＇＇的相邻外环磁体8的磁极极性相同。金属背电极易于实现反射率，为增强两种金属膜层结合力，为形成两种金属膜层混合的过渡层，因此要求装有靶材Ag4＇＇与Al4＇＇＇的相邻外环磁体8极性相反，阴极接DC磁控溅射电源。为实现稳定的增反效果，清晰界定AZO膜层的光学、电学以及物理常数，折射率n、电阻率ρ以及膜层厚度等，防止AZO镀膜时对金属靶产生污染，要求AZO成膜层独立，减少过渡层的出现，装靶材AZO4＇与装有靶材银Ag4＇＇的相邻外环磁体8极性相同。金属背电极易于实现反射率，为增强两种金属膜层结合力，可通过获得过渡层实现，即形成两种金属膜层混合的过渡层，因此要求装有银靶材Ag4＇＇与装有靶材Al4＇＇＇的相邻外环磁体8的磁极极性相反；同时考虑相对磁极极性影响，AZO4＇、Ag4＇＇、Al4＇＇＇侧外环磁体8的磁极极性应与AZO4＇、Ag4＇＇、Al4＇＇＇相同。通过调整励磁线圈电源，图9磁力线11分布和等离子体12分布如图3所示，两组独立的阴极靶位极性相同时，靶位间磁力线11不闭合，等离子体12分别在各自靶位形成一个闭合的等离子体区。当基片13经过AZO和Ag的相邻交叉区域磁力线11呈分离状况，形成各自独立的等离子体12区域，所镀膜层材料互不混合，获得彼此独立的AZO膜层和Ag膜层；当基片13经过Ag和Al的相邻交叉区域磁力线11呈融合状况，形成共同的等离子体12区域，所镀膜层材料发生混合，获得Ag和Al的混合膜层，满足工艺要求。

实施例2

见图7本实施例为制作离线低辐射镀膜单银Low-E玻璃时，连续磁控溅射镀膜设备的阴极装置单侧排布，配备五个平面阴极装置，依次为TiO2陶瓷靶（401）、NiCr合金靶（402）、Ag金属靶（403）、NiCr合金靶（402）、TiO2陶瓷靶（401），阴极分别接DC磁控溅射电源。TiO2/NiCr/Au-Ag/NiCr/TiO2复合膜结构，多层膜由于在层与层之间发生光的干涉现象，根据每层膜的光学及电学特性，形成具有较高的近红外线反射，实现隔热保温的作用。所以在制作复合膜时，需清晰界定每个膜层的光学常数，如折射率n、电阻率ρ以及膜层厚度等，实现特定的光学要求，所以要求每个膜层形成时膜层独立，因此要求五个平面阴极装置相邻外环磁体8的磁极极性相同，根据要求通过调整励磁线圈电源，如图7，使得磁力线11分布线和等离子体12分布如图3所示，当基片13连续经过所述的五个平面阴极装置时，相邻交叉区域磁力线11呈分离状况，形成各自独立的等离子体12区域，所镀膜层材料互不混合。

Claims (10)

1.一种在线制备太阳能电池导电极膜层的装置，其特征在于：在线连续磁控溅射镀膜，在真空腔室内，安装多种靶材构成阴极靶装置所形成的阴极靶连续镀膜区域和过渡区域；且镀膜区域内排列的阴极靶是平板靶或旋转靶，阴极靶相邻靶位的磁体极性可调； 磁体由外环和中间电磁体励磁线圈接直流电源正负极调节磁体极性；匹配外环和中间磁体的励磁线圈的匝数或磁体的截面积调节磁通量；电池基片通过真空腔室内阴极靶镀膜区和过渡区连续磁控溅射镀膜；在基片表面形成复合膜和金属膜,或金属氧化膜，所述真空腔室内制备硅基薄膜太阳能电池的背电极，在线连续磁控溅射镀膜的磁控溅射阴极靶双侧排布，每侧配备三个平面阴极装置。

2.根据权利要求1所述在线制备太阳能电池导电极膜层的装置，其特征在于所述三个平面阴极装置的靶材为金属氧化靶材AZO、银靶材Ag，铝靶材Al，均为矩形，阴极接DC磁控溅射电源。

3.根据权利要求2所述在线制备太阳能电池导电极膜层的装置，其特征在于所述硅基薄膜太阳能电池的背电极膜层，是AZO金属氧化透明复合膜和是银Ag，铝Al金属膜，其膜层界面清晰。

4.根据权利要求2所述在线制备太阳能电池导电极膜层的装置，其特征在于所述基片在AZO和Ag的相邻交叉区域磁控溅射镀膜获得彼此独立的AZO膜层和Ag膜层。

5.根据权利要求2所述在线制备太阳能电池导电极膜层的装置，其特征在于所述基片在银Ag和铝Al的相邻交叉区域磁控溅射镀膜，获得Ag和Al的混合膜层。

6.根据权利要求1所述在线制备太阳能电池导电极膜层的装置，其特征在于所述过渡区是组合式阴极靶位交叉区，使得相邻或相对的阴极装置的磁体的极性相同或相反，连续磁控溅射镀混合膜层。

7.根据权利要求2所述在线制备太阳能电池导电极膜层的装置，其特征在于磁控溅射阴极靶是平面靶或旋转靶，阴极板两侧排布，对基片双侧面镀膜。

8.根据权利要求1所述在线制备太阳能电池导电极膜层的装置，其特征在于在阴极靶的靶位上装靶材、水冷背板，所述阴极靶电磁体由外环电磁体和中间电磁体构成。

9.根据权利要求1所述在线制备太阳能电池导电极膜层的装置，其特征在于连续磁控溅射镀膜，阴极靶靶位单侧排布，配五个平面阴极靶位，依次为陶瓷靶TiO2、合金靶NiCr、金属靶银Ag、合金靶NiCr、陶瓷靶TiO2，阴极分别接DC磁控溅射电源。

10.根据权利要求1所述在线制备太阳能电池导电极膜层的装置，其特征在于所述外环和中间磁体电磁铁，通过匹配励磁线圈的匝数控制外环和中间磁体端面的磁通量相等。

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