CN102738261A - 衬底处理装置、太阳能电池的制造方法及衬底的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种衬底处理装置，所述衬底处理装置用于形成CIS类太阳能电池的光吸收层，进行硒化或硫化处理，其中，具有与石英制的腔室相比易于加工的炉体。另外，本发明提供了与石英制的腔室相比易于加工的腔室。所述衬底处理装置具有：处理室，容纳有多个衬底，所述衬底形成有由铜-铟、铜-镓或铜-铟-镓中的任一种形成的层合膜；反应管，以构成处理室的方式形成；气体供给管，向处理室中导入含硒元素气体或含硫元素气体；排气管，将处理室内的气体排出；及加热部，以包围反应管的方式设置，其中，反应管的基材由不锈钢等金属材料形成。

Description

衬底处理装置、太阳能电池的制造方法及衬底的制造方法
技术领域
本发明涉及衬底处理装置、太阳能电池的制造方法、及衬底的制造方法，特别涉及用于形成硒化物类CIS太阳能电池的光吸收层的衬底处理装置、及使用该衬底处理装置的硒化物类CIS太阳能电池的制造方法、以及衬底的制造方法。
背景技术
硒化物类CIS太阳能电池具有依次层合玻璃衬底、金属背面电极层、CIS类光吸收层、高电阻缓冲层、窗层的结构。其中，ClS类光吸收层通过将铜(Cu)/镓(Ga)、Cu/铟(In)、或Cu-Ga/In中的任一种层合结构硒化而形成。如上所述，硒化物类CIS太阳能电池能够在不使用硅(Si)的条件下形成光吸收系数高的膜，因此具有能使衬底变薄、同时能降低制造成本的特征。
此处，作为进行硒化的装置的一个例子，有专利文献1。专利文献1中公开的硒化装置中，利用保持架以一定的间隔设置多个平板状的对象物，与圆筒状石英腔室(chamber)的长轴方向平行且垂直于其板面，导入硒源，由此进行对象物的硒化。
专利文献1：日本特开2006-186114号公报
发明内容
亦如专利文献1所记载，在进行硒化的衬底处理装置中，使用石英制的腔室(炉体)。但是，石英制的腔室由于其加工困难，所以制造成本高，而且存在具有长时间的交货期的问题。另外，由于非常容易破损，所以其处置困难。特别在CIS太阳能电池中，由于其衬底非常大(专利文献1中300mm×1200mm)，所以必须加大炉体本身，使上述问题变得更显著。
因此，本发明的目的在于提供一种具有与石英制的腔室相比易于加工的炉体的衬底处理装置。另外，提供一种与石英制的腔室相比易于处置的腔室。
根据本发明的一个方案，提供了一种衬底处理装置，具有：处理室，容纳多个衬底，所述衬底形成有由铜-铟、铜-镓、或铜-铟-镓中的任一种形成的层合膜；反应管，以构成上述处理室的方式形成；气体供给管，向上述处理室中导入含硒元素气体或含硫元素气体；排气管，将上述处理室内的气体排出；及加热部，以包围上述反应管的方式设置，其中，上述反应管的基材由金属材料形成。
根据本发明的另一方案，提供一种衬底的制造方法、或CIS类太阳能电池的制造方法，所述制造方法包括下述工序：搬入工序，将形成有层合膜的多个衬底收纳在处理室内，所述层合膜由铜-铟、铜-镓、或铜-铟-镓中的任一种形成，所述处理室在反应管的内部构成，所述反应管的基材由金属材料构成；处理工序，将上述处理室加热，同时向上述处理室内导入含硒元素气体或含硫元素气体，将上述多个衬底硒化、或硫化；及搬出工序，在排出上述处理室内的含硒元素气体或含硫元素气体后，将上述多个衬底搬出。
能够实现与石英制的腔室相比易于加工的炉体。另外，能够实现与石英制的腔室相比易于处置的炉体。
附图说明
[图1]为本发明的第1实施方式的处理炉的侧面剖面图。
[图2]为从图1的纸面左方观察的处理炉的剖面图。
[图3]为说明本发明的第1实施方式的涂膜的图。
[图4]为本发明的涂膜表面的硒化处理后的SEM照片。
[图5]为说明由本发明的涂膜和反应炉的基材的线膨胀系数不同所产生的效果的图。
[图6]为本发明的第2实施方式的处理炉的侧面剖面图。
符号说明
10：处理炉、20：玻璃衬底、30：处理室、100：反应管、101：基材、102：涂膜、110：密封盖、120：集流腔、200：炉体加热部、210：盖加热部、300：气体供给管、310：排气管、400：内壁、410：保持盒、420：设置台。
具体实施方式
<第1实施方式>
以下，一边参照附图一边说明本发明的实施方式。图1表示在进行本发明的硒化处理的衬底处理装置中组装的处理炉10的侧面剖面图。另外，图2表示从图1的纸面左侧观察的处理炉的剖面图。
处理炉10具有由不锈钢等金属材料形成的炉体即反应管100。反应管100为中空的圆筒状，具有一端封闭、另一端开口的结构。由反应管100的中空部分形成处理室30。在反应管100的开口侧，与反应管100同心圆状地设置有两端开口的圆筒状的集流腔120。在反应管100与集流腔120之间设置有作为密封构件的的O形环(图中未示出)。
在集流腔120的未设有反应管100的开口部上设置有可动性的密封盖110。密封盖110由不锈钢等金属材料形成，其一部份插入集流腔120的开口部中，形成凸型形状。在可动性的密封盖110和集流腔120之间设置有作为密封构件的O形环(图中未示出)，进行处理时，密封盖110气密性地封闭反应管100的开口侧。
在反应管100的内部设置有用于载置保持盒(cassette)410的内壁400，所述保持盒410中保持有多个玻璃衬底(例如30～40片)，所述玻璃衬底形成有含有铜(Cu)、铟(In)、镓(Ga)的层合膜。内壁400形成如图3所示的结构，即，其一端固定在反应管100的内周面上，并且在反应管100的中心部通过设置台420载置保持盒410。内壁400的构成为：以夹持保持盒410的方式，一对构件在其两端连接，从而使其强度变高。如图1所示，保持盒410在玻璃衬底20的两端具有保持构件，所述保持构件能够以立起状态且横向排列的方式保持多个玻璃衬底20。另外，两端的保持构件通过设置在其下面侧的一对固定棒固定，且使多个玻璃衬底的下端的侧面部向反应室内露出。需要说明的是，固定保持盒410两端的固定棒也设置在两端的保持构件的上端侧，可以提高保持盒410的强度。
另外，以包围反应管100的方式设置炉体加热部200，形成一端封闭、另一端开口的中空的圆筒状。另外，在密封盖110的与反应管100相对侧的侧面上设置有盖加热部210。通过上述炉体加热部200和盖加热部210将处理室30内加热。需要说明的是，炉体加热部200通过图中未示出的固定部被规定在反应管100上，盖加热部210通过图中未示出的固定部被固定在密封盖110上。另外，为了保护耐热性低的O形环，在密封盖110或集流腔120上设置图中未示出的水冷却的冷却机构。
在集流腔120设置气体供给管300，用于供给作为含硒元素气体(硒化源)的氢化硒(以下称作“H2Se”)。由气体供给管300供给的H2Se从气体供给管300、经过集流腔120与密封盖110之间的间隙被供给至处理室30。另外，在气体供给管300的相对侧的集流腔120上设置有排气管310。处理室30内的气体通过集流腔120和密封盖110之间的间隙从排气管310排出。需要说明的是，通过上述冷却机构被冷却的地方冷却至150℃以下时，在该部分未反应的硒冷凝，因此优选将温度控制在150℃～170℃左右。
其中，本发明的反应管100由不锈钢等金属材料形成。与石英相比，不锈钢等金属材料易于加工。因此，能够容易地制造在进行CIS类太阳能电池的硒化处理的衬底处理装置中所使用的大型反应管100。因此，能够增加可容纳在反应管100内的玻璃衬底的数量，能够降低CIS类太阳能电池的制造成本。
进而，在本实施方式中，如图3所示，反应管100的至少暴露在处理室30内的气氛中的表面，在形成反应管100的基材101的不锈钢等金属材料上形成与不锈钢等金属材料相比硒化耐性高的涂膜。对于广泛使用的不锈钢等金属材料，在H2Se等气体被加热至200℃以上时，由于非常高的反应性而发生腐蚀，但如本实施方式所述，通过形成硒化耐性高的涂膜，能够抑制由H2Se等气体引起的腐蚀，因此能够使用广泛使用的不锈钢等金属材料，能够降低衬底处理装置的制造成本。需要说明的是，作为上述硒化耐性高的涂膜，可以举出以陶瓷作为主要成分的涂膜，例如可以举出氧化铬(CrxOy：x、y为1以上的任意数)、氧化铝(AlxOy：x、y为1以上的任意数)、氧化硅(SixOy：x、y为1以上的任意数)各自单独或混合物、或以碳作为主要成分的涂膜、例如碳化硅(SiC)、类金刚石(DLC)。
另外，本实施方式的涂膜102由多孔状的膜形成。由此，能够灵活地追随反应管100的由不锈钢等金属材料形成的基材101与涂膜102的线膨胀系数的不同所引起的热膨胀·收缩。结果，即使重复进行热处理，也能最小限度地控制涂膜上裂纹的产生。需要说明的是，期望涂膜以2～200μm的厚度形成，优选以50～120μm的厚度形成。另外，期望基材101与涂膜102的线膨胀系数的偏差为20％以下，优选为5％以下。
另外，密封盖110、集流腔120、气体供给管300及排气管310也可以同样地在暴露于硒化源中的部分形成上述涂膜。但是，对于为了保护O形环等而被冷却机构冷却至200℃以下的部分，由于不锈钢等金属材料即使与硒化源接触也不反应，所以可以不涂布。
接下来，针对使用本实施方式的处理炉进行的CIS类太阳能电池的制造方法的一部分、即衬底的制造方法进行说明。
首先，在保持盒410内准备30片至40片玻璃衬底，所述玻璃衬底形成有含有铜(Cu)、铟(In)、镓(Ga)的层合膜，在可动性的密封盖110从集流腔120脱离的状态下，将保持盒410搬入处理室30内(搬入工序)。保持盒的搬入例如如下进行：通过图中未示出的搬入搬出装置的臂支承保持盒下部，在举起的状态下将保持盒410移动至处理室30内，到达规定的位置后，使所述臂向下方移动，将保持盒410载置在设置台420上。
之后，用氮气等惰性气体置换处理室30内(置换工序)。用惰性气体对处理室30内的气氛进行置换后，在常温的状态下，从气体供给管300导入用惰性气体稀释至1～20％(优选2～10％)的H2Se气体等硒化源。接下来，在封入上述硒化源的状态下、或在通过从排气管310排出一定量气体使上述硒化源为一定量流量的状态下，以每分钟3～15℃的速度升温至400～550℃，优选450℃～550℃。升温至规定温度后，保持10～180分钟，优选保持20～120分钟，由此进行硒化处理，形成CIS类太阳能电池的光吸收层(形成工序)。
之后，从气体供给管300导入惰性气体，对处理室30内的气氛进行置换，另外，降温至规定温度(降温工序)。降温至规定温度后，通过使密封盖110移动，将处理室30开口，用图中未示出的搬入搬出装置的臂将保持盒410搬出(搬出工序)，由此结束一系列的处理。
在不锈钢(SUS304)的基材上形成本发明的涂膜，作为加速试验，在比实际进行的硒化处理高的650℃下进行10次硒化处理，之后的涂膜表面的SEM照片示于图4。可知如上所述通过重复热处理而产生几μm～几十μm的微小裂纹，但从外观上看完全没有剥离的征兆，作为涂膜充分发挥作用。
进而，为了调查涂膜的硒化耐性的寿命，对反复进行硒化处理时的界面及涂膜中蓄积或由氧化膜向硒化膜变化时的Se量进行评价。图5表示将硒化处理循环数与界面及涂膜中蓄积或由氧化膜向硒化膜变化时的Se量进行比较的图。
如上述图4所说明的那样，在SUS304上形成的涂膜虽产生微小裂纹，但完全没有出现剥离的征兆，在图5中，在450℃下进行处理至1000次，也完全未出现剥离的征兆。界面的Se显示出饱和倾向，可以推定即使进行与上述相比更多次的硒化处理，增加的程度也很少。如果考虑一年的运转率，则图5的A中1000次的结果相当于批量生产中进行约1年硒化处理时的结果。此处，虽然仅验证至处理次数达1000次，但由于之后即使增加处理次数，涂布的状态也未见变化，所以原理上可以推定有几倍的寿命。
<第2实施方式>
接下来，使用图6说明图1及图2所示的处理炉10的其他实施方式。图6中，对与图1及图2具有相同功能的构件赋予同一编号。另外，此处主要针对与第1实施方式不同之处进行说明。
与仅载置一个保持多个玻璃衬底20的保持盒410的第1实施方式不同，图6所示的第2实施方式中，不同之处在于，在与多个玻璃衬底的表面平行的方向上并排配置多个保持盒410(此处为3个)。
本发明中，不使用现有的石英制的反应管，而使用不锈钢等金属材料作为反应管100的基材。因此，即使将反应管100大型化，与石英制相比，其成型也容易，另外，与石英制相比，其成本的增加也比较小。因此，能增加一次可处理的玻璃衬底20的数量，能降低CIS类太阳能电池的制造成本。
另外，通过使用不锈钢等金属材料作为反应管的基材，与石英制的反应管相比，也易于处理，能够使反应管大型化。
对于第1实施方式及第2实施方式的本发明，能够实现以下所述效果中的至少一个。
(1)通过在反应管100的基材101上使用不锈钢等金属材料，反应管100的大型化变得容易，能够增加一次可处理的衬底的数量。
(2)在上述(1)中，通过在反应管100的基材101上形成硒化耐性高的涂膜102，能够使用腐蚀性高的硒源进行处理，能够降低CIS类太阳能电池的制造成本。
(3)在上述(2)中，通过多孔状地形成涂膜102，能够抑制由基材101与涂膜102的线膨胀系数的不同而引起的涂膜的剥离。
(4)在上述(2)中，通过使涂膜102与基材101的线膨胀系数的偏差为20％以下、优选为5％以下，能够延长维修周期。
(5)在上述(1)～(4)的任一项中，在反应管100内，在与玻璃衬底20的表面平行的方向上并排配置多个保持盒410，所述保持盒410中保持有多个玻璃衬底20，由此能增加一次可处理的玻璃衬底的数量，能降低CIS类太阳能电池的制造成本。
以上，使用附图说明了本发明的实施方式，但只要不脱离本发明的主旨，就可以进行各种改变。例如，上述实施方式中对下述方案进行了说明，即，对形成有含有铜(Cu)、铟(In)、镓(Ga)的层合膜的多个玻璃衬底进行硒化处理，但本发明并不限定于此，也可以对形成有铜(Cu)/铟(In)或铜(Cu)/镓(Ga)等的多个玻璃衬底进行硒化处理。另外，本实施方式中，虽然提及了与金属材料的反应性高的硒化，但在CIS类太阳能电池中，也可以变更为硒化处理，或者在硒化处理后供给含硫元素气体进行硫化处理。此时，也可以通过使用本实施方式的大型反应炉来增加一次可硫化处理的片数，因此能够实现制造成本的下降。
最后，如下所示附记本发明的优选的主要方案。
(1)一种衬底处理装置，具有：处理室，容纳有多个衬底，所述衬底形成有由铜-铟、铜-镓或铜-铟-镓中的任一种形成的层合膜；反应管，以构成上述处理室的方式形成；气体供给管，向上述处理室中导入含硒元素气体或含硫元素气体；排气管，将上述处理室内的气体排出；加热部，以包围上述反应管的方式设置，其中，上述反应管的基材由金属材料形成。
(2)如上述(1)中所述的衬底处理装置，其中，上述反应管在上述处理室侧的表面中，至少暴露在上述含硒元素气体或含硫元素气体中的表面具有涂膜，所述涂膜由与上述金属材料相比对上述含硒元素气体的耐腐蚀性、或对上述含硫元素气体的耐腐蚀性高的材料形成。
(3)如上述(2)所述的衬底处理装置，其中，上述涂膜为以陶瓷作为主要成分的涂膜、或以碳作为主要成分的涂膜。
(4)如上述(2)或(3)中的任一项所述的衬底处理装置，其中，上述涂膜为多孔状的膜。
(5)如上述(2)～(4)中任一项所述的衬底处理装置，其中，上述涂膜与上述反应管的基材的金属材料的线膨胀系数的偏差为20％以下。
(6)如上述(5)所述的衬底处理装置，其中，上述涂膜与上述反应管的基材的金属材料的线膨胀系数的偏差为5％以下。
(7)如上述(1)～(6)中任一项所述的衬底处理装置，其中，上述反应管的基材的金属材料为不锈钢。
(8)如上述(1)～(7)中任一项所述的衬底处理装置，其中，在与上述多个衬底的表面相平行的方向上，配置多个上述保持盒。
(9)一种衬底的制造方法或CIS类太阳能电池的制造方法，包括下述工序：搬入工序，将形成有层合膜的多个衬底收纳到处理室内，所述层合膜由铜-铟、铜-镓、或铜-铟-镓中的任一种形成，所述处理室在反应管的内部构成，所述反应管的基材由金属材料构成；处理工序，加热上述处理室，同时向上述处理室内导入含硒元素气体或含硫元素气体，将上述多个衬底硒化或硫化；搬出工序，将上述处理室内的含硒元素气体或含硫元素气体排出后，将上述多个衬底搬出。

Claims (10)

1.一种衬底处理装置，具有：
处理室，容纳多个衬底，所述衬底形成有由铜-铟、铜-镓或铜-铟-镓中的任一种形成的层合膜；
反应管，以构成所述处理室的方式形成；
气体供给管，向所述处理室中导入含硒元素气体或含硫元素气体；
排气管，将所述处理室内的气体排出；及
加热部，以包围所述反应管的方式设置，
其中，所述反应管的基材由金属材料形成。
2.如权利要求1所述的衬底处理装置，其中，所述反应管的靠所述处理室侧的表面中的、至少暴露在所述含硒元素气体或含硫元素气体中的表面具有涂膜，所述涂膜由与所述金属材料相比对所述含硒元素气体的耐腐蚀性、或对所述含硫元素气体的耐腐蚀性高的材料形成。
3.如权利要求2所述的衬底处理装置，其中，所述涂膜是以陶瓷作为主要成分的涂膜、或者是以碳作为主要成分的涂膜。
4.如权利要求2所述的衬底处理装置，其中，所述涂膜为多孔状的膜。
5.如权利要求2所述的衬底处理装置，其中，所述涂膜与所述反应管的基材的金属材料的线膨胀系数的偏差为20％以下。
6.如权利要求5所述的衬底处理装置，其中，所述涂膜与所述反应管的基材的金属材料的线膨胀系数的偏差为5％以下。
7.如权利要求1所述的衬底处理装置，其中，所述反应管的基材的金属材料为不锈钢。
8.如权利要求1所述的衬底处理装置，其中，在与所述多个衬底的表面相平行的方向上配置有多个所述保持盒。
9.一种CIS类太阳能电池的制造方法，包括下述工序：
搬入工序，将形成有层合膜的多个衬底收纳到处理室内，所述层合膜由铜-铟、铜-镓、或铜-铟-镓中的任一种形成，所述处理室在反应管的内部构成，所述反应管的基材由金属材料构成；
处理工序，加热所述处理室，并且向所述处理室中导入含硒元素气体或含硫元素气体，将所述多个衬底硒化或硫化；及
搬出工序，将所述处理室内的含硒元素气体或含硫元素气体排出后，将所述多个衬底搬出。
10.一种衬底的制造方法，包括下述工序：
搬入工序，将形成有层合膜的多个衬底收纳到处理室内，所述层合膜由铜-铟、铜-镓、或铜-铟-镓中的任一种形成，所述处理室在反应管的内部构成，所述反应管的基材由金属材料构成；
处理工序，加热所述处理室，并且向所述处理室中导入含硒元素气体或含硫元素气体，将所述多个衬底硒化或硫化；
搬出工序，将所述处理室内的含硒元素气体或含硫元素气体排出后，将所述多个衬底搬出。
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