CN103911586B - 在光伏器件涂覆有金属的玻璃上形成吸收层的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了在光伏器件涂覆有金属的玻璃上形成吸收层的方法和系统，其中，一种用于形成太阳能电池的装置包括限定真空室的外壳、可旋转衬底支撑件、至少一个内加热器和至少一个外加热器。衬底支撑件位于真空室内并且被配置为保持衬底。至少一个内加热器位于真空室的中心和衬底支撑件之间并且被配置为加热衬底支撑件上的衬底的背面。至少一个外加热器位于真空室的外表面和衬底支撑件之间并且被配置为加热衬底支撑件上的衬底的正面。

Description

在光伏器件涂覆有金属的玻璃上形成吸收层的方法和系统
技术领域
本发明总的来说涉及光伏器件，更具体地，涉及用于制造光伏器件的系统和方法。
背景技术
光伏器件(也称为太阳能电池)吸收太阳光并将光能转换为电能。因此，不断发展光伏器件及制造方法以在具有更薄设计的同时提供更高的转换效率。
通过在诸如玻璃的衬底上沉积一层或多层光伏材料的薄膜来形成薄膜太阳能电池。光伏材料的膜厚范围在几纳米到几十微米之间。这种光伏材料用作光吸收剂。光伏器件可进一步包括其他薄膜，诸如缓冲层、背接触层和前接触层。
铜铟镓硒(CIGS)在薄膜太阳能电池中是常用的吸收层。CIGS薄膜太阳能电池在实验室环境中已取得了极好的转换效率(＞20％)。大部分常规CIGS沉积通过以下两种技术中的一种实现：共蒸法或硒化法。共蒸法包括同时蒸发铜、铟、镓和硒。四种元素的不同熔点使得在较大衬底上控制形成定比化合物非常困难。此外，当使用共蒸法时，薄膜粘附非常差。硒化法包括两步工艺。首先，在衬底上溅射铜、镓和铟前体。然后，在温度500℃以上的条件下通过前体与H2Se/H2S发生反应来进行硒化。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于形成太阳能电池的装置，包括：外壳，限定真空室；可旋转衬底支撑件，位于真空室内，并且被配置为保持衬底；至少一个内加热器，位于真空室的中心和衬底支撑件之间，并且被配置为加热衬底支撑件上的衬底的背面；至少一个外加热器，位于外壳和衬底支撑件之间，至少一个外加热器被配置为加热衬底支撑件上的衬底的正面。
优选地，可旋转衬底支撑件包括多个金属柱和连接至多个金属柱的多个金属框，多个金属框中的每一个都包括至少一个固定装置，多个金属柱和多个金属框被配置为保持相应的衬底。
优选地，多个金属框被配置为保持长方形衬底，并且多个金属框和多个金属柱由选自由不锈钢、钛和钼所组成的组中的材料制成。
优选地，多个金属框中的每一个都被配置为沿着衬底的整个长度支持相应的衬底，并且通过多个金属框上的所述至少一个固定装置沿衬底的整个长度来保持每一个衬底边缘。
优选地，每一个相应的衬底均与沿着其长度的一部分与其接触的金属框中的相应金属框附接，并且每一个衬底边缘均通过相应金属框的选定位置上的相应固定装置来保持。
优选地，该装置进一步包括：一个或多个附加加热器，连接至可旋转衬底支撑件中的多个金属框或金属柱，并且被配置为与衬底支撑件一起旋转并在旋转过程中加热相应的衬底。
优选地，一个或多个附加加热器是被配置为发出红外线辐射的加热灯。
优选地，可旋转衬底支撑件的形状是多边形，并且至少一个内加热器被配置为具有圆形形状以在旋转过程中避免衬底支撑件和至少一个内加热器之间的碰撞。
优选地，该装置进一步包括：可旋转滚筒，设置在真空室内并且连接至真空室的顶面或底面，可旋转滚筒具有与衬底支撑件的形状基本相同的形状并且包括与可旋转衬底支撑件连接的支撑梁，其中，可旋转滚筒被配置为使衬底支撑件在真空室内旋转。
优选地，至少一个外加热器附接在真空室的内表面上。
优选地，该装置进一步包括：至少一个溅射源，至少一个溅射源中的每一个都被配置为在衬底的正面上方沉积吸收层的相应第一成分；至少一个蒸发源，设置在真空室内，并且被配置为在衬底的正面上方沉积吸收层的第二成分；以及至少一个隔离泵，至少一个隔离泵中的每一个都被配置为防止来自至少一个蒸发源的材料污染至少一个溅射源，其中，相应的隔离泵设置在至少一个溅射源中的每个溅射源与相邻的至少一个蒸发源中的一个蒸发源之间。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于形成太阳能电池的装置，包括：真空室；具有多边形形状的可旋转衬底支撑件，位于真空室内，并且被配置为保持至少一个衬底；可旋转滚筒，设置在真空室内，可旋转滚筒具有多边形形状并包括支撑梁；至少一个溅射源，被配置为沉积相应的第一成分；至少一个蒸发源，位于真空室内并且被配置为沉积第二成分；至少一个内加热器，至少一个内加热器中的每一个都被配置为加热衬底支撑件上的相应衬底的背面；以及至少一个外加热器，位于真空室的外壳和可旋转衬底支撑件之间，至少一个外加热器被配置为加热衬底支撑件上的衬底的正面。
优选地，可旋转衬底支撑件包括多个金属柱和与多个金属柱附接的多个金属框，多个金属框中的每一个都包括至少一个固定装置，多个金属柱和多个金属框被配置为具有与衬底的形状基本相同的形状。
优选地，该装置进一步包括：一个或多个附加加热器，连接至可旋转衬底支撑件中的多个金属框或金属柱，并且被配置为与衬底支撑件一起旋转并在旋转过程中加热相应的衬底。
根据本发明的又一方面，提供了一种用于形成太阳能电池的方法，包括：提供固定在真空室内的可旋转衬底支撑件上的衬底，衬底具有正面和背面，正面被设置为面向真空室的内表面，可旋转衬底支撑件具有多边形的形状并且包括多个金属柱和金属框；旋转衬底支撑件；使用至少一个内加热器和至少一个外加热器同时加热衬底，内加热器面向衬底的背面，并且至少一个外加热器被配置为在旋转过程中加热衬底的正面。
优选地，该方法进一步包括：在衬底的正面的上方形成吸收层，包括由至少一个溅射源在衬底的正面上方沉积吸收层的相应第一成分并且由设置在真空室内的蒸发源在衬底的正面上方沉积吸收层的第二成分；其中，至少一个隔离泵设置在至少一个溅射源中的每个溅射源与相邻的至少一个蒸发源中的一个蒸发源之间，并且至少一个隔离泵用于防止来自至少一个蒸发源的材料污染至少一个溅射源。
优选地，衬底的背面包括玻璃层并且正面包括沉积在玻璃层上方的金属层；沉积吸收层中的相应第一成分，包括由第一溅射源沉积铜和镓以及由第二溅射源的沉积铟；以及沉积吸收层的第二成分包括由蒸发源沉积硒。
优选地，根据预定曲线使用至少一个内加热器和至少一个外加热器同时对衬底进行加热，以使衬底与可旋转衬底支撑件中的多个金属柱或金属框之间的温度差最小化。
优选地，该方法，进一步包括：使用连接至可旋转衬底支撑件中的多个金属框或金属柱的一个或多个附加加热器加热衬底，一个或多个附加加热器与衬底支撑件一起旋转。
优选地，该方法进一步包括：在形成吸收层之后，用惰性导电气体冷却衬底和真空室。
附图说明
当结合附图阅读时，根据以下详细描述最好理解本发明。需要强调的是，根据惯例，附图中的各个部件不一定按比例绘制。相反，为了清楚，各个部件的尺寸可任意增大或减小。在说明书和附图中，类似参考数字表示类似部件。
图1是根据一些实施例的用于形成包括至少一个内加热器和至少一个外加热器的太阳能电池的装置的平面图。
图2是根据一些实施例的用于形成包括至少三个溅射源、至少一个蒸发源、至少一个内加热器和至少一个外加热器的太阳能电池的装置的平面图。
图3A和图3B示出了根据一些实施例的包括多个金属柱和金属框的部分衬底支撑件的实例，该衬底支撑件被配置为保持相应的衬底。
图4A和图4B示出了根据一些实施例的衬底沿着其整个长度被金属框保持的衬底的平面图和截面图。
图5A至图5C示出了根据一些实施例的衬底沿着其长度的一部分通过位于金属框同侧的至少一个固定装置与金属框接触连接的实例的一个平面图和两个截面图。
图6A至图6C示出了根据一些实施例的衬底沿着其长度的一部分通过位于金属框两侧的至少一个固定装置与金属框接触连接的实例的一个平面图和两个截面图。
图7A是示出在一些实施例中具有至少一个内加热器和至少一个外加热器的结构的实例的俯视图，至少一个内部加热和至少一个外加热器被配置为从衬底的背面和正面加热衬底。
图7B是示出根据一些实施例的图7A中衬底的一部分放大的截面图，其示出了涂覆在玻璃衬底上的金属层。
图8是示出根据一些实施例的示出连接至可旋转衬底支撑件中的金属框或金属柱的一个或多个附加加热器的装置的部分实例的示意图。
图9是示出根据一些实施例的用于制造太阳能电池的方法的实例的流程图，其包括从衬底的正面和背面同时加热衬底；
图10是示出一些实施例中在衬底正面的上方形成吸收层的方法的实例的流程图。
具体实施方式
预期结合附图阅读示例性实施例的这种描述，所述附图被认为是整个书面说明书的一部分的。在说明书中，相关的术语诸如“下”、“上”、“水平的”、“垂直的”、“在...上方”、“在...下方”、“向下”、“向上”、“顶部”和“底部”以及它们的派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应被解释为是指如随后所述的或如论述中的附图所示出的方向。这些相关术语是为了便于描述，并不要求在特定的方向上构造或操作装置。除非另有明确描述，否则关于接合、连接等的术语(诸如“连接的”和“互连的”)是指结构被直接地或通过中介机构间接地固定或接合至另一结构以及两者都是可移动的或刚性的接合或关系。
玻璃(诸如钠钙玻璃)可用作薄膜太阳能电池中的衬底。通常，可在衬底上方分别沉积背接触层、由光伏材料构成的光吸收层、缓冲层以及前接触层。用于沉积在玻璃上方的背接触层的适合材料的实例包括但不限于铜、镍、钼(Mo)或任何其他金属或导电材料。用于光吸收层的适合材料的实例包括但不限于碲化镉(CdTe)、铜铟镓硒(CIGS)以及非晶硅(α-Si)。根据用于吸收层的光伏材料的类型，缓冲层可以是n型或p型半导体材料，包括但不限于CdS和ZnS。前接触层是诸如铟锡氧化物(ITO)的透明导电材料。
发明人已确定当在加热条件下在衬底上方沉积后续层时，温度的不均匀性会引起衬底(特别是覆有金属的玻璃衬底)变形甚至破裂。引起这种温度变化的因素包括但不限于衬底和背接触层之间的材料差异；以及衬底和接触衬底的衬底保持架之间的材料差异。发明人已确定作为背接触层涂覆在玻璃上的金属层可反射热同时玻璃吸收真空室内的热量，并且可引起衬底中不均匀的温度分布。真空室内的衬底支持架和其他结构材料通常是金属。不同的热膨胀系数(CTE)会恶化该问题，从而引起衬底的变形、弯曲、破裂或其他损伤。
在一些实施例中，本发明提供了用于形成太阳能电池的装置和方法，其中对诸如玻璃的衬底加热而没有引起破裂或变形，并且可在衬底上方形成吸收层。例如，根据本发明的一些实施例，在接近其玻璃转换温度的温度下加热衬底时，可在涂覆有金属的玻璃衬底上方沉积良好的吸收层。这种装置和方法适合于使用衬底(诸如包括较大玻璃板的不同大小的玻璃)来形成太阳能电池或其他光伏器件。
除非另有明确指明，否则本发明中提及的衬底的“正面”将被理解为光吸收层沉积在其上的一面。以下提及的衬底的“背面”将被理解为与光吸收层沉积在其上的一面相反的另一面。提及“衬底”将被理解为具有背接触层的衬底或没有背接触层的衬底，例如涂覆有金属的玻璃衬底。当衬底是涂覆有金属的玻璃时，“背面”是玻璃层，而“正面”是沉积在玻璃层上方用作背接触层的金属层。
图1是用于形成太阳能电池的装置100的平面图。根据一些实施例，装置100包括限定真空室105的外壳、可旋转衬底支撑件120、至少一个内加热器117和至少一个外加热器118。
如图所示，装置100包括限定真空室的外壳105。在一些实施例中，外壳105的形状可为多边形。例如，如图1所示，外壳105的形状可以是八边形。在一些实施例中，外壳105在真空室的一侧或多侧建有一个或多个可移动门。限定真空室105的外壳可由不锈钢或其他金属和合金构成。例如，外壳105可限定高度约为2.4m(2.3m到2.5m)且长度和宽度约为9.8m(9.7m到9.9m)的单个真空室。在本发明中，“真空室”105或限定真空室的“外壳”105将被理解为包含相同的含义。
装置100包括可旋转衬底支撑件120。在一些实施例中，衬底支撑件120被配置为在面向真空室的内表面的多个表面122的每一个表面上都保持衬底130。在一些实施例中，用于衬底130的适合材料的实例包括但不限于玻璃和涂覆有金属的玻璃。在一些实施例中，可旋转衬底支撑件120的形状是多边形。例如，如图1所示，多个衬底130被保持在基本是八边形的可旋转衬底支撑件120的多个表面122上。诸如长方形或正方形的任何其他适合的形状可用于可旋转衬底支撑件120。
在一些实施例中，可旋转衬底支撑件120包括多个金属柱121以及连接至多个金属柱121的多个金属框124。多个金属框124中的每一个金属框还可在边缘中包括至少一个固定装置123。金属柱121和金属框124被配置为保持相应的衬底130。
图3A和图3B示出了根据一些实施例的包括多个金属柱121和多个金属框124的部分衬底支撑件120的实例，其被配置为保持相应的衬底130。衬底130可以是任何形状。在一些实施例中，金属框124被配置为保持长方形的衬底130。如图3A所示，金属框124可以以一片的形式将一个相应的衬底130固定在中间。如图3B所示，可用多个金属框124保持衬底。用于金属框124和金属柱121的适合材料的实例可以是任何金属。在一些实施例中，金属框124和金属柱121由选自由不锈钢、钛和钼所组成的组中的材料制成。
可以以不同的组合对金属柱121和金属框124进行配置来保持衬底130。在一些实施例中，多个金属框124中的每一个都被配置为沿着相应衬底130的整个长度来支持衬底130，并通过多个金属框124上的至少一个固定装置沿其整个长度来固定每一个衬底的边缘。图4A和图4B示出了沿衬底整个长度由金属框124保持的衬底的平面图和截面图。
在其他实施例中，每个相应的衬底130都与沿着其长度的一部分与其接触的金属框124中的相应一个连接，并且每一个衬底边缘都通过相应金属框124上选定位置的相应固定装置123来保持。图5A至图5C示出了衬底130沿着其长度的一部分通过位于金属框124同侧的至少一个固定装置与金属框124接触连接的实例的一个平面图和两个截面图。图5B和图5C分别示出了沿着图5A所示的剖面线5B-5B和5C-5C截取的截面。在这个实例中，所有固定装置123都位于金属框124的一侧。图6A至图6C示出了衬底130沿着其长度的一部分通过金属框124两侧的至少一个固定装置与金属框124接触连接的另一实例的一个平面图和两个截面图。图6B和图6C分别示出了沿着图6A所示的剖面线6B-6B和6C-6C截取的截面。在这个实例中，一些固定装置123位于金属框124的一侧，而其他一些固定装置123位于金属框124的另一侧。为了说明的目的，图4A至图4B、图5A至图5C以及图6A至图6C都示出了一片式金属框124。可旋转衬底支撑件120可包括多个金属框124。
返回参见图1，在一些实施例中，衬底支撑件120可绕着真空室内的轴旋转。图1示出了可旋转衬底支撑件120顺时针方向旋转。在一些实施例中，衬底支撑件120被配置为按逆时针方向旋转。在一些实施例中，可旋转衬底支撑件120可操作地连接至驱动轴、电机或从真空室的表面驱动旋转的其他机械装置。衬底支撑件120能以例如约5至100RPM之间(例如，3至105RPM)的速度旋转。在一些实施例中，选择旋转速度以最小化衬底130上方的吸收部件的过量沉积。在一些实施例中，衬底支撑件120以约80RPM(例如，75至85RPM)的速度旋转。
在一些实施例中，装置100还包括可旋转滚筒110，其设置在真空室105内并连接至真空室105的顶面或底面。可旋转滚筒110还可包括与可旋转衬底支撑件120连接的支撑梁111。可旋转滚筒110通过支撑梁111可操作地连接至衬底支撑件120，并且被配置为使衬底支撑件120在真空室105内旋转。在一些实施例中，可旋转滚筒110具有与衬底支撑件120的形状基本相同的形状。在其他实施例中，可旋转滚筒110可具有任何适合的形状。
在一些实施例中，装置100还包括至少一个内加热器117和至少一个外加热器118。在一些实施例中，至少一个内加热器117位于真空室105的中心和衬底支撑件120之间，并且被配置为面向衬底130的背面并对衬底支撑件120上的衬底130的背面进行加热。在一些实施例中，至少一个内加热器117可从背面对整个衬底130加热。在一些实施例中，至少一个内加热器117被配置为当衬底支撑件120旋转时对保持在可旋转衬底120上的多个衬底130加热。至少一个内加热器117可具有任何适合的形状。在一些实施例中，可旋转衬底支撑件120的形状是多边形，并且至少一个内加热器117被配置为具有圆形形状以避免衬底支撑件120和至少一个内加热器117之间发生任何碰撞。在其他实施例中，至少一个内加热器117具有与衬底支撑件120的形状基本相同的形状。在一些实施例中，可旋转的衬底支撑件120的形状是多边形，并且至少一个内加热器117具有与衬底支撑件120的形状基本相同的形状。例如，如图1所示，至少一个内加热器117具有基本是八边形的配置。
在一些实施例中，至少一个内加热器117被设置为与衬底支撑件120的边界附近保持基本一致的距离。在一些实施例中，至少一个内加热器117被设置在可旋转衬底支撑件120的内表面和可旋转滚筒110之间。至少一个内加热器117的电源可延伸穿过可旋转滚筒110的表面。在一些实施例中，衬底支撑件120可在至少一个内加热器117周围旋转。在一些实施例中，至少一个内加热器117可连接至真空室105的顶面或底面。至少一个内加热器117可以是可旋转的。在其他实施例中，至少一个内加热器117不可以旋转。至少一个内加热器117可包括但不限于红外线加热器、卤素灯加热器、电阻加热器或在沉积工艺期间用于加热衬底130的任何适合的加热器。在一些实施例中，至少一个内加热器117可将衬底130加热至约在295℃至655℃之间的温度(例如，300℃至650℃)。
根据一些实施例，至少一个外加热器118位于真空室105(外壳)的外表面(或壳)与衬底支撑件120之间，并且被配置为对衬底支撑件120上的衬底130的正面加热。在一些实施例中，至少一个外加热器118连接在真空室105的内表面上。至少一个外加热器118可被配置为在衬底支撑件120旋转期间从衬底130的正面加热衬底130。
至少一个外加热器118可包括但不限于红外线加热器、卤素灯加热器、电阻加热器或在沉积工艺中用于加热衬底130的任何适合的加热器。在一些实施例中，至少一个外加热器118可将衬底130加热至约在295℃至655℃之间的温度(例如，300℃至650℃)。
在一些实施例中，至少一个外加热器118被配置为当通过至少一个内加热器117加热衬底130时同时加热衬底130。从至少一个外加热器118发出的热量缓解了衬底130内温度的不均匀性。例如，参见图7A至图7B，当衬底130是一块正面涂覆有金属(用作太阳能电池的背接触层)的玻璃时，金属层可将来自至少一个内加热器117的热量反射至玻璃层。图7A是示出被配置为从衬底130的背面和正面加热衬底的至少一个内加热器117和至少一个外加热器118的实例的俯视图。图7B是图7A中的部分衬底130的放大截面图。如图7B所示，玻璃衬底的正面覆有金属层124，其将是太阳能电池的背接触层。衬底130的背面122是玻璃。金属层124反射来自背面122的热量，背面122将吸收这些额外热量。至少一个外加热器118被配置为产生额外的热量以在衬底130上保持均匀的温度分布。该实例仅用于说明的目的。可以以其他方式使用至少一个外加热器118。
在一些实施例中，至少一个内加热器117或至少一个外加热器118被配置为根据预定加热曲线加热衬底130。例如，在一些实施例中，可使用具有不同加热速率的阶梯形加热曲线。在一些实施例中，至少一个内加热器117和至少一个外加热器118都被配置为根据预定加热曲线来工作。在一些实施例中，加热曲线包括从室温开始逐步加热衬底直至达到最后的高温而不是直接加热。每一加热步骤都可有100℃的间隔并且在该温度保持5分钟。因此，衬底中心和边缘之间的温度差值可被最小化。在一些实施例中，至少一个内加热器117被配置为按照程序运行，该程序在加热过程中根据衬底130的实际温度来提供自动调节。
在一些实施例中，装置100还包括冷却元件115。冷却元件115被配置为例如在两个操作之间或者在多个新衬底130被加载在可旋转衬底支撑件120上之前冷却真空室105内的温度。例如，在沉积工艺之后，内室壁的温度可达到700℃以上。在一些实施例中，冷却元件115是具有诸如水的冷却剂的线圈系统。根据本发明的一些实施例，装置100还可被配置为在真空室105内引入诸如氮气的导电冷却气体。可单独使用或同时使用在真空室105内使用气体的冷却方法和使用具有冷却剂的线圈冷却的方法。
在一些实施例中，装置100进一步包括一个或多个连接至可旋转衬底支撑件120中的多个金属框124或金属柱121的附加加热器119。附加加热器119被配置为与衬底支撑件120一起旋转并且在旋转期间加热相应的衬底130。附加加热器119的实例包括但不限于红外线加热器、卤素灯加热器、电阻加热器或在沉积工艺期间用于加热衬底130的任何适合的加热器。在一些实施例中，附加加热器119可以是被配置为发出红外线的加热灯。
图8是装置100中的可旋转衬底支撑件120的部分实例的示意图。根据一些实施例，图8示出了一个或多个附加加热器119连接至可旋转衬底支撑件120中的金属框124或金属柱121。附加加热器119可设置在相应金属框124或金属柱121的每一个边缘上。在一些实施例中，附加加热器119仅位于金属框124或金属柱121的顶部边缘或底部边缘。在一些实施例中，附加加热器119仅位于金属框124或金属柱121的侧边缘。在一些实施例中，附加加热器119既位于金属框124或金属柱121的顶部边缘或底部边缘也位于侧边缘。在一些实施例中，附加加热器119的不同组合被配置为提供不同的加热区域。由附加加热器119发出的热量可用于补偿被金属柱121或金属框124吸收的热量。附加加热器119还可根据预定加热曲线或者根据真空室105内的衬底130的实际温度提供自动响应的计算机程序工作。在加热过程中，附加加热器119可配合至少一个内加热器117和至少一个外加热器118。
返回参见图1，在一些实施例中，装置100进一步包括至少一个溅射源135、至少一个蒸发源140以及至少一个隔离泵152。至少一个溅射源135中的每一个都被配置为沉积相应的第一成分。在一些实施例中，相应的第一成分是衬底130正面上方的吸收层的一种成分。至少一个蒸发源140设置在真空室105内并且被配置为沉积第二成分。在一些实施例中，第二成分是衬底130正面上方的吸收层的一种成分。至少一个隔离泵152中的每一个都被配置为防止来自至少一个蒸发源140的材料污染至少一个溅射源135。在一些实施例中，相应的隔离泵152被设置在至少一个溅射源135中的每一个溅射源和相邻的至少一个蒸发源140中的一个蒸发源之间。
至少一个溅射源135可设置在限定真空室105的外壳上。例如，溅射源135可以是磁控管、离子束源、RF发生器或被配置为在衬底130上方沉积吸收层的相应第一成分的任何适合的溅射源。每一个溅射源135都包括至少一个溅射靶137。溅射源135可使用溅射气体。在一些实施例中，用氩气进行溅射。其他可能的溅射气体包括氪气、氙气、氖气以及类似的惰性气体。
如图1所示，装置100可包括至少两个溅射源135。具有至少一个溅射靶137的每个溅射源135都被配置为在衬底130的正面上方沉积吸收层的相应第一成分的一部分。吸收层的每个相应第一成分可具有不同的化学组成。在一些实施例中，至少两个溅射源135被设置为相互相邻。在其他一些实施例中，至少两个溅射源135被设置在相互分隔的两个位置。例如，在图1中，第一溅射源135和第二溅射源135被设置在真空室105的相对两侧并且围绕真空室105边界与蒸发源140基本等距。
在一些实施例中，第一溅射源135被配置为在衬底130表面的至少一部分上方沉积吸收层的第一成分中的第一种原子(例如铜(Cu))。第二溅射源135被配置为在衬底130表面的至少一部分上方沉积吸收层的第一成分中的第二种原子(例如铟(In))。在一些实施例中，第一溅射源135被配置为在衬底130的至少一部分上方沉积吸收层的第一成分中的第一种原子(例如铜(Cu))和第三种原子(例如镓(Ga))。在一些实施例中，第一溅射源135包括一个或多个铜-镓溅射靶137，并且第二溅射源135包括一个或多个铟溅射靶137。例如，第一溅射源135可包括两个铜-镓溅射靶，并且第二溅射源135可包括两个铟溅射靶。在一些实施例中，铜-镓溅射靶137包括具有约70％到80％(例如69.5到80.5％)铜以及约20％到30％(例如19.5％到30.5％)镓的材料。在一些实施例中，装置1))具有第一铜∶镓浓度配比的第一铜-镓溅射靶137和第二铜∶镓浓度配比的第二铜-镓溅射靶137来用于梯度组合溅射。例如，第一铜-镓溅射靶可包括65％铜和35％镓的材料以控制单层沉积达到第一梯度镓浓度，并且第二铜-镓溅射靶可包括85％铜和15％镓的材料以控制单层沉积达到第二梯度镓浓度。多个溅射靶137可以具有任何适合的尺寸。例如，多个溅射靶137可以约15cm宽(例如14至16cm)且约1.9m高(例如1.8至2.0m)。
在一些实施例中，被配置为在每个衬底130的至少一部分上方沉积多个吸收层铟原子的溅射源135可掺有钠(Na)。例如，溅射源135的铟溅射靶137可掺有钠(Na)元素。掺有钠的铟溅射靶137可避免或最小化太阳能电池中的碱式硅酸盐层。因为钠被直接引入吸收层，所以这种改进可使太阳能电池的制造成本更低。在一些实施例中，溅射源135是具有约2％到10％之间的钠(例如1.95％至10.1％的钠)的掺钠铜源。在一些实施例中，铟溅射源135可掺有其他碱性元素，诸如钾。在其他实施例中，装置100可包括多个铜-镓溅射源135和多个掺钠铟溅射源135。例如，装置100可具有用于梯度组合溅射的65∶35的铜-镓溅射源135和85∶15的铜-镓溅射源135。
在一些实施例中，蒸发源140被配置为在每个衬底130的至少一部分上方沉积吸收层的第二成分。在一些实施例中，吸收层的第二成分包括硒，并且可包括任何适合的蒸发源材料。在一些实施例中，蒸发源140被配置为产生这种蒸发源材料的蒸汽。蒸汽可凝结在衬底130上。例如，蒸发源140可是蒸发舟、坩锅、线圈、电子束蒸发源或任何适合的蒸发源140。在一些实施例中，蒸发源140被设置在真空室105的第一子室中。在一些实施例中，源材料的蒸汽可在凝结在衬底130上方之前例如使用电离放电器被电离以提高反应率。
隔离泵152被配置为防止来自至少一个蒸发源140的材料污染至少一个溅射源135。在一些实施例中，相应的隔离泵152设置在至少一个溅射源135中的一个溅射源和相邻的至少一个蒸发源140中的一个蒸发源之间。在图1的实施例中，隔离泵152是真空泵。在一些实施例中(未示出)，隔离泵152中的一个或多个被配置为保持子室内蒸发源140内的压力低于真空室105内的压力。隔离泵152可被配置为从真空室105中疏散第二成分的吸收层粒子(由蒸发源140发出)，防止这些粒子扩散到溅射靶137，并且防止这些粒子污染两个溅射源135。
在包括多个溅射源135和/或多个蒸发源140的实施例中，装置100可包括多个隔离源以使每个蒸发源140都与每个溅射源135隔离。例如，在第一溅射源135和第二溅射源135设置在真空室105的相对两侧并且蒸发源140在真空室105的边界上设置在两个溅射源135之间的实施例中，装置100可包括设置在第一溅射源135与蒸发源140之间的第一隔离泵152和设置在第二溅射源135与蒸发源140之间的第二隔离泵152。在示出的实施例中，装置100包括设置在蒸发源140和两个溅射源135中的一个之间的隔离泵152。
如图1所示，装置100可包括设置在蒸发源140周围的隔离挡板170。隔离挡板170可被配置为将蒸发源材料的蒸汽引向衬底130的特定位置。隔离挡板170可被配置为引导蒸发源材料的蒸汽远离溅射源135。装置100除一个或多个隔离源以外可包括隔离挡板170以使蒸发源材料对一个或多个溅射源135的污染最小化。例如，隔离挡板170可由诸如不锈钢或其他类似的金属和金属合金材料组成。在一些实施例中，隔离挡板170是一次性的。在其他实施例中，隔离挡板170是可清洗的。
在一些实施例中，装置100可包括装载/卸载衬底室182、缓冲室155、后处理室180和卸载锁(unload lock)184。在各个实施例中，后处理室180可被配置成用于太阳能电池的后处理，诸如冷却太阳能电池。
在一些实施例中，装置100可包括一个或多个现场监测器件(未示出)以监测工艺参数，诸如温度、室压、薄膜厚度或任何适合的工艺参数。
图1的装置100还可用于形成具有不同吸收膜的太阳能电池，例如，铜-锌-锡-硫-硒(CTZSS)吸收膜。在一些实施例中，通过进一步提供用作靶137的锡、铜、锌或铜/锌靶，在装置100内形成多个CZTSS吸收层。蒸发源140可将硫、硒或硫和硒两者用作源材料。此外，另一个蒸发源140可用于单独提供硒和硫源材料。
图2是根据一些实施例的用于形成太阳能电池的装置200的平面图。装置200包括至少两个(例如，三个)溅射源135、至少一个蒸发源140、至少一个内加热器和至少一个外加热器。在图2中，类似参考数字表示类似元件，并且为了简洁，不再重复以上参照图1提供的结构的描述。至少两个(例如，三个)溅射源135被配置为沉积三种不同的组成以用作衬底130正面上方的吸收层的相应第一成分。例如，第一溅射源135被配置为沉积来自包括铜和/或镓的第一溅射靶137的铜和镓。第二溅射源135被配置为沉积来自包括铟的第二溅射靶137的铟。在一些实施例中，铜和铟可沉积在两个不同的第一溅射源135中。
图9是示出根据一些实施例的用于制造太阳能电池的方法900的实例的流程图，该方法包括从衬底的正面和背面同时加热衬底。
在该示例性方法900的步骤910中，首先提供衬底130，然后将其固定在用于形成太阳能电池的装置的真空室105内的可旋转衬底支撑件120上。例如，可使用上述装置100或200。衬底130具有正面和背面。图1中描述了衬底130和用于保持衬底130的结构的实例。在一些实施例中，可旋转衬底支撑件120的形状是多边形并且包括多个金属柱121和多个金属框124。如图3A至3B、图4A至4B、图5A至5C和图6A至6C所述，金属柱121和金属框124被配置为保持衬底130。如图7A至7B所示，在一些实施例中，衬底130的正面被设置为面向真空室105的内表面。
在步骤920中，旋转衬底支撑件120。在一些实施例中，如图1所述，衬底支撑件120以一定速度连续旋转。在一些实施例中，衬底支撑件120间歇地旋转。
步骤930包括使用图1所述的至少一个内加热器117和至少一个外加热器118同时加热衬底130。内加热器117面向衬底130的背面并且从衬底130的背面加热衬底130。在一些实施例中，至少一个外加热器被配置为在旋转过程中加热衬底的正面。在一些实施例中，根据预定温度曲线，使用至少一个内加热器117和至少一个外加热器118同时加热衬底130。在一些实施例中，如图1所述，根据预定温度曲线，至少一个内加热器117或至少一个外加热器118或者两者加热衬底。在一些实施例中，预定温度曲线用于使衬底和可旋转衬底支撑件中的多个金属柱或金属框之间的温度差值最小化。在一些实施例中，至少一个内加热器117或至少一个外加热器118或者两者都基于根据真空室105内的衬底130的实际温度提供自动响应的程序工作。
在一些实施例中使用步骤936，但是在其他实施例中步骤936被省略。在一些实施例中，方法900进一步包括使用连接至可旋转衬底支撑件120中的多个金属柱或金属框的一个或多个附加加热器119来加热衬底130。如图1所述，附加加热器119的实例包括但不局于发出红外辐射的加热灯，例如IR灯。在一些实施例中，一个或多个附加加热器119随着衬底支撑件120旋转。
在步骤940中，如上所述，在衬底130的正面上方形成吸收层。在一些实施例中，在衬底130的正面上方形成吸收层的步骤(在步骤940中)包括由至少一个溅射源135在衬底130正面上方沉积吸收层的相应第一成分以及由设置在真空室105内的蒸发源140在衬底130正面上方沉积吸收层的第二成分。在沉积第二成分时，图1所述的至少一个隔离泵152用于防止来自至少一个蒸发源140的材料污染至少一个溅射源135。
图10是示出了在衬底正面的上方形成吸收层的方法实例的流程图。在一些实施例中，衬底130包括衬底背面的玻璃层和沉积在衬底正面上位于玻璃层上方的金属层。沉积吸收层中相应第一成分的步骤(在图9的步骤940中)包括图10的实例中的至少三个步骤。这些步骤包括：由第一溅射源135沉积铜和镓(步骤942)；以及由第二溅射源135沉积铟(步骤944)。在步骤948中，沉积吸收层中的第二成分的步骤包括由蒸发源140沉积硒。
返回参见图9，在一些实施例中，该方法还包括在形成太阳能电池中的吸收层或任何其他层之后用惰性导电气体对衬底130和真空室105进行冷却的步骤950。
本发明提供了一种用于形成太阳能电池的装置和方法。根据一些实施例，用于形成太阳能电池的装置包括：限定真空室的外壳、可旋转衬底支撑件、至少一个内加热器和至少一个外加热器。真空室内的可旋转衬底支撑件被配置为保持衬底。至少一个内加热器位于真空室的中心和衬底支撑件之间，并且被配置为加热衬底支撑件上的衬底的背面。至少一个外加热器位于外壳和衬底支撑件之间，并且被配置为加热衬底支撑件上的衬底的正面。在一些实施例中，至少一个外加热器附接在真空室的内表面上。在一些实施例中，该装置还包括被配置为使衬底支撑件在真空室内旋转的可旋转滚筒。在一些实施例中，本发明的装置进一步包括至少一个溅射源、至少一个蒸发源以及至少一个隔离泵。在一些实施例中，该装置进一步包括一个或多个附加加热器，其连接至可旋转衬底支撑件中的多个金属框或金属柱。附加加热器被配置为与衬底支撑件一起旋转并且在旋转过程中加热相应的衬底。
根据一些实施例，本发明提供了用于形成太阳能电池的装置，该装置包括真空室、可旋转衬底支撑件、可旋转滚筒、至少一个溅射源、至少一个蒸发源、至少一个内加热器和至少一个外加热器。真空室内的可旋转衬底支撑件具有被配置为保持至少一个衬底的多边形形状。可旋转滚筒设置在真空室内。至少一个溅射源被配置为沉积相应的第一成分，例如衬底正面上方的吸收层的相应第一成分。至少一个蒸发源设置在真空室内并且被配置为沉积第二成分，例如，衬底正面上方的吸收层的第二成分。每一个内加热器都面向相应衬底的背面，并且被配置为加热该衬底。至少一个外加热器设置在真空室的外表面(壳)和可旋转衬底支撑件之间，并且被配置为在旋转过程中加热至少一个衬底的正面。在一些实施例中，该装置进一步包括一个或多个附加加热器，其连接至可旋转衬底支撑件中的多个金属框或金属柱。一个或多个附加加热器被配置为与衬底支撑件一起旋转并且在旋转过程中加热相应的衬底。在一些实施例中，该装置还包括至少一个隔离泵。至少一个隔离泵设置在至少一个溅射源中的每一个溅射源和相邻的至少一个蒸发源中的一个蒸发源之间，并且被配置为防止来自蒸发源的材料污染溅射源。
本发明还提供了一种形成太阳能电池的方法。首先提供衬底，然后将其固定在真空室内的可旋转衬底支撑件上。衬底的正面被设置为面向真空室的内表面。该方法进一步包括：旋转衬底支撑件；使用至少一个内加热器和至少一个外加热器同时加热衬底；以及在衬底正面上方形成吸收层。内加热器面向衬底的背面并且从衬底背面加热衬底。至少一个外加热器被配置为在旋转过程中加热衬底正面。在衬底正面上方形成吸收层包括由至少一个溅射源在衬底正面上方沉积吸收层的相应第一成分；并且由位于真空室内的蒸发源在衬底正面上方沉积吸收层的第二成分。在一些实施例中，衬底包括在正面涂覆有金属层的玻璃层。沉积吸收层的相应第一成分包括由至少两个不同的溅射源分别沉积铜、镓和铟。沉积吸收层中的第二成分包括由蒸发源沉积硒。
在一些实施例中，该方法进一步包括使用与可旋转衬底支撑件中的多个金属框或金属柱连接的一个或多个附加加热器来加热衬底。一个或多个附加加热器与衬底支撑件一起旋转。在一些实施例中，该方法还包括在形成吸收层之后用惰性导电气体冷却衬底和真空室。
虽然已根据示例性实施例描述了本发明主题，但是并不局限于此。相反，所附权利要求应被更广泛地解释以包括本领域技术人员可做出的其他变化和实施例。

Claims (15)

1.一种用于形成太阳能电池的装置，包括：
外壳，限定真空室；
可旋转衬底支撑件，位于所述真空室内，并且被配置为保持衬底，所述可旋转衬底支撑件包括多个金属柱和连接至所述多个金属柱的多个金属框，所述多个金属框中的每一个都包括至少一个固定装置，所述多个金属柱和所述多个金属框被配置为保持相应的衬底；
至少一个内加热器，位于所述真空室的中心和所述可旋转衬底支撑件之间，并且被配置为加热所述可旋转衬底支撑件上的衬底的背面；
至少一个外加热器，位于所述外壳和所述可旋转衬底支撑件之间，所述至少一个外加热器被配置为加热所述可旋转衬底支撑件上的衬底的正面；以及
一个或多个附加加热器，连接至所述可旋转衬底支撑件中的所述多个金属框或所述多个金属柱，并且被配置为与所述可旋转衬底支撑件一起旋转并在旋转过程中加热相应的衬底。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个金属框被配置为保持长方形衬底，并且所述多个金属框和所述多个金属柱由选自由不锈钢、钛和钼所组成的组中的材料制成。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个金属框中的每一个都被配置为沿着衬底的整个长度支持相应的衬底，并且通过所述多个金属框上的所述至少一个固定装置沿衬底的整个长度来保持每一个衬底边缘。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，每一个相应的衬底均与沿着其长度的一部分与其接触的所述多个金属框中的相应金属框附接，并且每一个衬底边缘均通过相应金属框的选定位置上的相应固定装置来保持。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一个或多个附加加热器是被配置为发出红外线辐射的加热灯。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述可旋转衬底支撑件的形状是多边形，并且所述至少一个内加热器被配置为具有圆形形状以在旋转过程中避免所述可旋转衬底支撑件和所述至少一个内加热器之间的碰撞。
7.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
可旋转滚筒，设置在所述真空室内并且连接至所述真空室的顶面或底面，所述可旋转滚筒具有与所述可旋转衬底支撑件的形状相同的形状并且包括与所述可旋转衬底支撑件连接的支撑梁，
其中，所述可旋转滚筒被配置为使所述可旋转衬底支撑件在所述真空室内旋转。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个外加热器附接在所述真空室的内表面上。
9.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
至少一个溅射源，所述至少一个溅射源中的每一个都被配置为在所述衬底的正面上方沉积吸收层的相应第一成分；
至少一个蒸发源，设置在所述真空室内，并且被配置为在所述衬底的正面上方沉积所述吸收层的第二成分；以及
至少一个隔离泵，所述至少一个隔离泵中的每一个都被配置为防止来自所述至少一个蒸发源的材料污染所述至少一个溅射源，
其中，相应的隔离泵设置在所述至少一个溅射源中的每个溅射源与相邻的所述至少一个蒸发源中的一个蒸发源之间。
10.一种用于形成太阳能电池的装置，包括：
真空室；
具有多边形形状的可旋转衬底支撑件，位于所述真空室内，并且被配置为保持至少一个衬底，其中，所述可旋转衬底支撑件包括多个金属柱和与所述多个金属柱附接的多个金属框，所述多个金属框中的每一个都包括至少一个固定装置，所述多个金属柱和所述多个金属框被配置为具有与所述衬底的形状相同的形状；
可旋转滚筒，设置在所述真空室内，所述可旋转滚筒具有多边形形状并包括支撑梁；
至少一个溅射源，被配置为沉积相应的第一成分；
至少一个蒸发源，位于所述真空室内并且被配置为沉积第二成分；
至少一个内加热器，所述至少一个内加热器中的每一个都被配置为加热所述可旋转衬底支撑件上的相应衬底的背面；
至少一个外加热器，位于所述真空室的外壳和所述可旋转衬底支撑件之间，所述至少一个外加热器被配置为加热所述可旋转衬底支撑件上的衬底的正面；以及
一个或多个附加加热器，连接至所述可旋转衬底支撑件中的所述多个金属框或所述多个金属柱，并且被配置为与所述可旋转衬底支撑件一起旋转并在旋转过程中加热相应的衬底。
11.一种用于形成太阳能电池的方法，包括：
提供固定在真空室内的可旋转衬底支撑件上的衬底，所述衬底具有正面和背面，所述正面被设置为面向所述真空室的内表面，所述可旋转衬底支撑件具有多边形的形状并且包括多个金属柱和多个金属框；
旋转所述可旋转衬底支撑件；
使用至少一个内加热器和至少一个外加热器同时加热所述衬底，所述至少一个内加热器面向所述衬底的背面，并且所述至少一个外加热器被配置为在旋转过程中加热所述衬底的正面；
使用连接至所述可旋转衬底支撑件中的所述多个金属框或所述多个金属柱的一个或多个附加加热器加热所述衬底，所述一个或多个附加加热器与所述可旋转衬底支撑件一起旋转。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
在所述衬底的正面的上方形成吸收层，包括：
由至少一个溅射源在所述衬底的正面上方沉积吸收层的相应第一成分；并且
由设置在所述真空室内的至少一个蒸发源在所述衬底的正面上方沉积所述吸收层的第二成分；
其中，至少一个隔离泵设置在所述至少一个溅射源中的每个溅射源与相邻的所述至少一个蒸发源中的一个蒸发源之间，并且所述至少一个隔离泵用于防止来自所述至少一个蒸发源的材料污染所述至少一个溅射源。
13.根据权利要求12所述的方法，其中
所述衬底的背面包括玻璃层并且正面包括沉积在所述玻璃层上方的金属层；
沉积吸收层中的相应第一成分，包括：
由第一溅射源沉积铜和镓；和
由第二溅射源的沉积铟；以及
沉积所述吸收层的第二成分包括由所述至少一个蒸发源沉积硒。
14.根据权利要求11所述的方法，其中
根据预定曲线使用所述至少一个内加热器和所述至少一个外加热器同时对所述衬底进行加热，以使所述衬底与所述可旋转衬底支撑件中的多个金属柱或多个金属框之间的温度差最小化。
15.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：
在形成吸收层之后，用惰性导电气体冷却所述衬底和所述真空室。
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