CN103184439A - 制造薄膜太阳能电池的化学浴沉积设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种化学浴沉积设备，用以沉积一薄膜于薄膜太阳能电池用的基材，包括：一机架、一基材托座、一覆盖罩、一摆动机构以及一离心运动机构。通过摇摆机构及离心运动机构，驱动该基材托座进行摇摆及离心运动，以产生该反应溶液相对该基材的运动，但维持该反应溶液覆盖该基材。本发明的化学浴沉积设备及方法可应用于制造薄膜太阳能电池的如CdS、ZnS、InS等所构成的缓冲层，通过低温工艺、低成本的设备、简单的工艺以及减少反应溶液的使用量，形成薄且均匀的薄膜，可只有对基板的单面进行薄膜沉积，薄膜的缺陷少而提高薄膜太阳能电池的效率及降低薄膜太阳能电池的制造成本。
Description
技术领域
本发明是关于一种化学浴沉积设备及方法，特别是关于一种制造薄膜太阳能电池的化学浴沉积设备及方法。
背景技术
在薄膜太阳能电池的工艺中，形成例如CdS、ZnS、InS等所构成的缓冲层的方法，通常利用化学浴沉积(chemical bath deposition)法，因为化学浴沉积法可形成的薄且均匀的薄膜，而且制造成本较低。
然而，在化学浴沉积时，例如CdS的成核过程(nucleation)包含(1)均质(homogeneous)成核以及(2)异质(heterogeneous)成核两种，异质成核会在表面形成CdS，而均质成核在化学浴中形成CdS粒子，如果CdS粒子沉降于处理表面，会被包覆于薄膜内，可能造成组件的缺陷，因此通常化学浴沉积法利用搅拌或垂直放置处理基板的方式，尽量排除该均质成核所形成的粒子或其它杂质粒子。
例如美国专利第7704863号公开了利用化学浴沉积法形成ZnS薄膜，其是利用搅拌及垂直放置处理基板的方式进行化学浴沉积。另外，例如美国专利公开第2010/0087027号公开了大量化学浴处理设备，用以形成薄膜太阳能电池的CdS薄膜，该文献的图6表示化学浴处理设备的示意图，也是利用搅拌及垂直放置处理基板的方式进行，但是该文献的图6所示的设备，化合物会沉积于基板的两面，为了只沉积于基板的单面，需要先保护不进行沉积处理的另一面，却仍然有大量化学废弃物的问题。
此外，例如美国专利公开第2007/0020400号公开了化学沉积设备及方法，利用微通道喷出混合的反应溶液以及旋转基板的方式，形成CdS薄膜。
然而，上述化学浴沉积过程，在固体-液体的界面，即处理基板的表面，会产生气泡，该些气泡如果没有实时地离开该处理基板的表面(即浮出表面，消失于大气中)会构成薄膜的气孔，而成为薄膜的缺陷。虽然搅拌可以产生溶液的扰动，对于位在处理基板的表面的大气泡或许有些微作用，但对于微气泡的效果不佳。
发明内容
鉴于上述的发明背景，为了符合产业上的要求，本发明的目的之一在于提供一种制造薄膜太阳能电池的化学浴沉积设备及方法，通过运动机构改变表面张力的方式，可有效地除去固体-液体的界面(即薄膜形成的表面)的气泡，避免所形成的薄膜包含气孔(pin hole)，且可避免该均质成核所形成的粒子或其它杂质粒子包裹或沉降于薄膜形成的表面，藉此可形成薄且均匀而无缺陷的薄膜。
本发明的目的之一在于提供一种制造薄膜太阳能电池的化学浴沉积设备及方法，通过进行离心运动，粒子会因离心力而脱离处理表面，可避免该均质成核所形成的粒子或其它杂质粒子包裹于薄膜形成的表面，藉此可形成薄且均匀的薄膜。
本发明的目的之一在于提供一种制造薄膜太阳能电池的化学浴沉积设备及方法，可只有对基板的单面进行薄膜沉积，另外可减少反应溶液的使用量。
为了达到上述目的，根据本发明一实施例，提供一种化学浴沉积设备，用以沉积一薄膜于薄膜太阳能电池用的基材，包括：一机架、一基材托座、一覆盖罩、一摆动机构以及一离心运动机构。该机架，具有一真空室，该真空室与一真空装置连接，使该真空室的气体压力小于大气压力。该基材托座，具有多个第一开口，与该机架的真空室连通，该基材托座隔着一第一密封构件设置于该机架上，该基材托座是用以容置该基材，使该基材的一待处理面对向的面与该基材托座接触，通过该多个第一开口的真空吸引力而使该基材与该基材托座密合。该覆盖罩，具有至少一第二开口，作为一反应溶液的入口及出口，其中该覆盖罩隔着一第二密封构件设置于该基材上，该覆盖罩与该基材之间形成一容置空间，用以容纳该反应溶液。该摆动机构，用以驱动该机架进行摇摆，以产生该反应溶液相对该基材的运动，但维持该反应溶液覆盖该基材。该离心运动机构，用以驱动该机架进行离心运动，以产生该反应溶液相对该基材的运动，但维持该反应溶液覆盖该基材；其中，该容置空间的温度被控制于一预定的范围内。
根据本发明另一实施例，提供一种化学浴沉积方法，包括：提供一基材，设置于该基材托座上，其中该基材具有一第一表面及与该第一表面对向的一第二表面；提供一基材托座，将该基材设置于该基材托座上，使该基材的该第一表面贴附于该基材托座上而露出该第二表面，作为被处理面；提供一覆盖罩，设置于该基材上，使该覆盖罩与该基材构成一容置空间；提供一反应溶液，从该覆盖罩的一开口注入该容置空间中，使该基材的被处理面接触该反应溶液；以及通过一摇摆机构及一离心运动机构，驱动该基材托座进行摇摆及离心运动，以产生该反应溶液相对该基材的运动，但维持该反应溶液覆盖该基材。
根据本发明的化学浴沉积设备及方法，例如可应用于制造薄膜太阳能电池的如CdS、ZnS、InS等所构成的缓冲层，通过低温工艺、低成本的设备、简单的工艺以及减少反应溶液的使用量，形成薄且均匀的薄膜，可只有对基板的单面进行薄膜沉积，薄膜的缺陷少而提高薄膜太阳能电池的效率及降低薄膜太阳能电池的制造成本。
附图说明
图1为现有的薄膜太阳能电池的制造步骤；
图2为根据本发明一实施例的化学浴沉积设备的示意图；
图3a和图3b为根据本发明一实施例的化学浴沉积设备的示意图；
图4为根据本发明一实施例的化学浴沉积设备的机架进行离心运动的俯视示意图；
图5为根据本发明另一实施例的化学浴沉积设备的机架进行离心运动的俯视示意图；
图6为根据本发明另一实施例的化学浴沉积设备的机架进行离心运动的俯视示意图；
图7a和图7b为根据本发明一实施例的化学浴沉积设备的覆盖罩的示意图；
图8为根据本发明一实施例的化学浴沉积方法的流程图。
主要组件符号说明：
S10-S76：工艺步骤
100 机架
110 基材托座
120 基材
132 第一密封构件
134 第二密封构件
140 真空装置
150 真空室
200 覆盖罩
210 第二开口
215 凹槽
220 反应溶液
400 摆动机构的摆动轴
500 化学浴沉积设备
具体实施方式
有关本发明的前述及其它技术内容、特点与功效，在以下配合附图的一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。此外，“A层(或组件)设置于B层(或组件)上”的用语，并不限定为A层直接贴覆接触B层表面的态样，例如A层与B层中间尚间隔其它迭层亦为该用语所涵盖范围。图标中，相同的组件是以相同的符号表示。
现有的薄膜太阳能电池的制造步骤，例如图1所示，包含步骤S10：提供基板；步骤S20：形成电极层；步骤S30：形成吸收层；步骤S40：形成缓冲层(buffer layer or windowlayer)；以及步骤S50：形成其它层及封装。其中，步骤S40：形成缓冲层，使用化学浴沉积法(chemical bath deposition)，形成例如CdS、ZnS、InS等所构成的缓冲层。步骤S50，例如包含形成ZnO层、Al层、AR层(抗反射层)等，最后进行封装。在步骤S40后以及步骤S50前，可进行例如冲洗(rinse)以及干燥等步骤，在化学浴的湿式工艺后，准备进行例如溅镀等的干式工艺。
本发明的化学浴沉积设备，可应用于步骤S40的缓冲层的形成。更进一步，本发明的化学浴沉积设备，特别适合应用于任何化学浴沉积过程中有气泡产生的反应步骤。
图2表示根据本发明一实施例的化学浴沉积设备的示意图。本发明的化学浴沉积设备500，用以沉积一薄膜于薄膜太阳能电池用的基材120，包括：机架100、基材托座110、覆盖罩200、摇摆机构400(
所在位置是指摆动机构的摆动轴，未显示其机械驱动装置)400以及离心运动机构(未图示)。
机架100，具有一真空室150，该真空室与真空装置140(例如真空泵)连接，使该真空室的气体压力小于大气压力。该基材托座110，具有多个第一开口，与该机架100的真空室150连通，该基材托座110隔着第一密封构件132设置于该机架100上，该基材托座110是用以容置该基材，使该基材的一待处理面对向的面与该基材托座接触，如此该待处理面可与反应溶液220接触，通过该多个第一开口(未图示，第一开口是分布设置于该基材托座上)的真空吸引力而使该基材与该基材托座密合。该覆盖罩200，具有第二开口210，作为反应溶液220的入口及出口。该覆盖罩200隔着第二密封构件134设置于该基材120上，该覆盖罩与该基材之间形成一容置空间，用以容纳该反应溶液220。
摆动机构400，用以驱动该机架进行摇摆，以产生该反应溶液相对该基材的运动，但维持该反应溶液覆盖该基材。图3a和图3b表示根据本发明一实施例的化学浴沉积设备的示意图，其中图3a表示倾斜角度为0的状态；图3b表示倾斜一特定角度的状态。如图3a和图3b所示，
所在位置是指摆动机构400的摆动轴，以基材托座在水平面的一任意轴，作为一摆动轴，使该基材托座以该摇摆轴进行上下摇摆，只要维持该反应溶液覆盖该基材。图3b表示进行摇摆时的某一倾斜角度。
离心运动机构是用以驱动该机架进行离心运动，是以该机架在水平面的几何中心作为基准点，使该基准点沿一椭圆移动，而使该机架在水平面重复绕行一椭圆运动，以产生该反应溶液相对该基材的运动，但维持该反应溶液覆盖该基材。图4表示根据本发明一实施例的化学浴沉积设备的机架进行离心运动的俯视示意图。例如，标记1-5表示该机架的沿椭圆运动的轨迹。该椭圆运动是在水平面上进行，而摇摆运动则使该机架上下倾斜晃动。再者，离心运动机构，可以该机架在水平面的几何中心作为中心点，使机架在水平面进行自转的运动，如图5所示。更进一步，离心运动机构可以该机架在水平面的几何中心作为中心点，使机架在水平面进行自转的运动，且以该机架在水平面的几何中心作为一基准点，使该基准点沿一椭圆移动，而使该机架在水平面重复绕行该椭圆运动，如图6所示。图4-图6中，箭号表示运动的方向。
再者，该容置空间的温度被控制于一预定的范围内。例如覆盖罩可以还具备一加热器，与一温度控制器连接，控制该容置空间的温度，以提高反应溶液的温度，促进反应速率，提高沉积速度。此外，该机架可以还包括一加热板，设置靠近该基材托座，用以加热该基材。例如该加热板可整合于该基材托座内，如此可以加热基材。
反应溶液220，可使用现有的反应溶液，例如美国专利公开第2010/0087027、2011/0111129号等揭露的溶液或者其它文献揭露的溶液。于一实施例，反应溶液220可由包含硫脲(thiourea)及去离子水的溶液与包含硫酸镉或硫酸锌、氨及去离子水的溶液混合所构成。
于一实施例，覆盖罩可更具有一凹槽，位于该覆盖罩的下缘，该凹槽中填充有多孔性材料，用以捕捉微粒子。图7a和图7b为根据本发明一实施例的化学浴沉积设备的覆盖罩的示意图，图7a表示侧视图，图7b表示俯视图。图7b中，斜线区域表示凹槽215，图7a中凹槽215设置于覆盖罩200的下缘的周围，于其中可填充例如干净及不与反应溶液产生反应的金属绒、玻璃绒、玻璃纤维等多孔性材料，反应溶液220因离心运动及摇摆运动而流入凹槽215中，反应溶液220中的微粒子可被该些多孔性材料捕捉而无法再度回到基板的被处理表面。于另一实施例，凹槽215与筛网的组合，可有效地捕捉微粒子。
第一密封构件132的实施，例如可通过O形环及凹槽来实现，例如第二密封构件134可通过O形环来实现，以达到液体密封的目的，亦即反应溶液220被紧密地密封于该容置空间中，不渗漏。
于一实施例，基材120为制造薄膜太阳能电池过程中的基板，例如氧化的硅基板、可挠性基板、CIGS基板等。
摆动机构及离心运动机构可将机架上下左右摇摆晃动，以达到消除气泡的功效。
摆动机构可通过摆动轴以及旋转马达来实施，离心运动机构可通过例如螺杆等的位移装置来实施。
根据本发明另一实施例，提供一种化学浴沉积方法，图8表示根据本发明一实施例的化学浴沉积方法的流程图，同时参考图2，该方法包括：
步骤S71：提供基材120，设置于该基材托座110上，其中该基材120具有一第一表面及与该第一表面对向的一第二表面；
步骤S72：提供一基材托座，将该基材设置于该基材托座110上，使该基材的该第一表面贴附于该基材托座110上而露出该第二表面，作为被处理面；
步骤S73：提供覆盖罩200，设置于该基材120上，使该覆盖罩200与该基材120构成一容置空间；
步骤S74：提供反应溶液220，从该覆盖罩200的开口210注入该容置空间中，使该基材120的被处理面接触该反应溶液220；以及
步骤S75：通过摇摆机构400及离心运动机构，驱动该基材托座进行摇摆及离心运动，以产生该反应溶液相对该基材的运动，但维持该反应溶液覆盖该基材。
步骤S76：重复步骤S75的动作，直至在该基材的被处理面形成一预定厚度的薄膜。
具体地，反应溶液220，可使用现有的反应溶液，例如美国专利公开第2010/0087027号揭露的溶液或者其它文献揭露的溶液。于一实施例，反应溶液可由包含硫脲(thiourea)及去离子水的溶液与包含硫酸镉或硫酸锌、氨及去离子水的溶液混合所构成。
于一实施例，覆盖罩可更具有一凹槽，位于该覆盖罩的下缘，该凹槽中填充有多孔性材料，用以捕捉微粒子。该凹槽可利用上述的例子实施，例如图7所示的凹槽215，于其中填充干净及不与反应溶液产生反应的金属绒、玻璃绒、玻璃纤维等多孔性材料。或者，凹槽215与筛网的组合，可有效地捕捉微粒子。
以下，以实施例更具体地说明本发明的化学浴沉积设备及方法。
实施例1：
添加硫酸镉(CdSO4)、氢氧化铵、硫脲及去离子水，混合均匀，制备包含浓度0.0015M的硫酸镉(CdSO4)、浓度1.5M的氢氧化铵、浓度0.0075M的硫脲的反应溶液(参考美国国家再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory)报告NREL/CP-520-31013，October 2011)。先将基材120设置于基材托座上，将覆盖罩200设置于该基材120上，使该覆盖罩200与该基材120构成一容置空间，通过O形环(第一密封构件及第二密封构件)，使该容置空间密封。
将制备的反应溶液由覆盖罩200的开口210注入容置空间，与基材120接触。加热基材120的加热器，设定为75℃。容置空间中的反应溶液，加热至60℃。进行离心运动及摇摆运动12分钟后，取出基板，量测所得的镀膜，得到膜厚约60nm的CdS膜。
于一实施例，基材120可为制造薄膜太阳能电池过程中的基板，例如氧化的硅基板、可挠性基板、CIGS基板等。
综上所述，根据本发明的化学浴沉积设备及方法，例如可应用于制造薄膜太阳能电池的如CdS、ZnS、InS等所构成的缓冲层，通过低温工艺、低成本的设备、简单的工艺以及减少反应溶液的使用量，形成薄且均匀的薄膜，可只有对基板的单面进行薄膜沉积，薄膜的缺陷少而提高薄膜太阳能电池的效率及降低薄膜太阳能电池的制造成本。
以上虽以特定实施例说明本发明，但并不因此限定本发明的范围，只要不脱离本发明的要旨，所属技术领域的一般技术人员了解在不脱离本发明的意图及范围下可进行各种变形或变更。另外本发明的任一实施例或权利要求范围不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明的权利范围。
Claims (19)
1.一种化学浴沉积设备，用以沉积一薄膜于薄膜太阳能电池用的基材，包括：
一机架，具有一真空室，所述真空室与一真空装置连接，使所述真空室的气体压力小于大气压力；
一基材托座，具有多个第一开口，与所述机架的真空室连通，所述基材托座隔着一第一密封构件设置于所述机架上，所述基材托座是用以容置所述基材，使所述基材的一待处理面对向的面与所述基材托座接触，通过所述多个第一开口的真空吸引力而使所述基材与所述基材托座密合；
一覆盖罩，具有至少一第二开口，作为一反应溶液的入口及出口，其中，所述覆盖罩隔着一第二密封构件设置于所述基材上，所述覆盖罩与所述基材之间形成一容置空间，用以容纳所述反应溶液；
一摆动机构，用以驱动该机架进行摇摆，以产生所述反应溶液相对所述基材的运动，但维持所述反应溶液覆盖所述基材；以及
一离心运动机构，用以驱动所述机架进行离心运动，以产生所述反应溶液相对所述基材的运动，但维持所述反应溶液覆盖所述基材；
其中，所述容置空间的温度被控制于一预定的范围内。
2.如权利要求1所述的化学浴沉积设备，其中，所述机架还包括一加热板，设置靠近所述基材托座，用以加热所述基材。
3.如权利要求1所述的化学浴沉积设备，其中，所述覆盖罩还具备一加热器，与一温度控制器连接，控制所述容置空间的温度。
4.如权利要求1所述的化学浴沉积设备，其中，所述反应溶液是由包含硫脲及去离子水的溶液与包含硫酸镉或硫酸锌、氨及去离子水的溶液混合所构成，且所述薄膜为CdS或ZnS所构成。
5.如权利要求1所述的化学浴沉积设备，其中，所述反应溶液在所述基材的被处理面形成一薄膜时会产生气泡。
6.如权利要求1所述的化学浴沉积设备，其中，所述基材为制造薄膜太阳能电池过程中的基板。
7.如权利要求1所述的化学浴沉积设备，其中，所述离心运动机构是以所述机架在水平面的几何中心作为一基准点，使所述基准点沿一椭圆移动，而使所述机架在水平面重复绕行所述椭圆运动。
8.如权利要求1所述的化学浴沉积设备，其中，所述离心运动机构是以所述机架在水平面的几何中心作为中心点，使所述机架在水平面进行自转的运动。
9.如权利要求1所述的化学浴沉积设备，其中，所述离心运动机构是以所述机架在水平面的几何中心作为中心点，使所述机架在水平面进行自转的运动，且以所述机架在水平面的几何中心作为一基准点，使所述基准点沿一椭圆移动，而使所述机架在水平面重复绕行所述椭圆运动。
10.如权利要求1所述的化学浴沉积设备，其中，所述摆动机构是以所述机架在水平面的一任意轴，作为一摆动轴，使所述机架以所述摇摆轴进行上下摇摆。
11.如权利要求1所述的化学浴沉积设备，其中，所述覆盖罩还具有一凹槽，位于所述覆盖罩的下缘，所述凹槽中填充有多孔性材料，用以捕捉微粒子。
12.一种化学浴沉积方法，包括：
提供一基材，设置于所述基材托座上，其中，所述基材具有一第一表面及与所述第一表面对向的一第二表面；
提供一基材托座，将所述基材设置于所述基材托座上，使所述基材的所述第一表面贴附于所述基材托座上而露出所述第二表面，作为被处理面；
提供一覆盖罩，设置于所述基材上，使所述覆盖罩与所述基材构成一容置空间；
提供一反应溶液，从所述覆盖罩的一开口注入所述容置空间中，使所述基材的被处理面接触所述反应溶液；以及
通过一摆动机构及一离心运动机构，驱动所述基材托座进行摇摆及离心运动，以产生所述反应溶液相对所述基材的运动，但维持所述反应溶液覆盖所述基材。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述离心运动机构是以所述机架在水平面的几何中心作为一基准点，使所述基准点沿一椭圆移动，而使所述机架在水平面重复绕行所述椭圆运动。
14.如权利要求12所述的方法，其中，所述离心运动机构是以所述机架在水平面的几何中心作为中心点，使所述机架在水平面进行自转的运动。
15.如权利要求12所述的方法，其中，所述离心运动机构是以该机架在水平面的几何中心作为中心点，使所述机架在水平面进行自转的运动，且以所述机架在水平面的几何中心作为一基准点，使所述基准点沿一椭圆移动，而使所述机架在水平面重复绕行所述椭圆运动。
16.如权利要求12所述的方法，其中，所述摆动机构是以所述基材托座在水平面的一任意轴，作为一摆动轴，使所述基材托座以所述摇摆轴进行上下摇摆。
17.如权利要求12所述的方法，其中，所述反应溶液是由包含硫脲及去离子水的溶液与包含硫酸镉或硫酸锌、氨及去离子水的溶液混合所构成，且所述薄膜为CdS或ZnS所构成。
18.如权利要求12所述的方法，其中，所述基材为制造薄膜太阳能电池过程中的基板。
19.如权利要求12所述的方法，其中，所述覆盖罩具有一凹槽，位于所述覆盖罩的下缘，所述凹槽中填充有多孔性材料，用以捕捉微粒子。
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