CN106148898A - 具有优化的热排放特性的孔板 - Google Patents

Abstract

提出一种具有优化的热排放特性的孔板。在用于对基底进行CSS涂覆的系统中，在具有升华的材料的被加热的坩埚与待涂覆的基底之间布置有孔板，其中，孔板在朝向坩埚和/或基底的侧上具有表面结构和/或涂覆部和/或遮盖部，其朝向坩埚提高了热排放和/或朝向基底减少了热排放。

Description

具有优化的热排放特性的孔板

技术领域

本发明的主题是针对在CSS法中使用的在坩埚与基底之间经改进的孔板，该孔板尤其用在对CdTe薄层太阳能电池或者半成品的制造，并且通过优化的热排放特性有益于对基底进行均匀涂覆。

背景技术

在根据现有技术制造薄层太阳能电池时，在基底，通常是玻璃上施布有透明的前接触层或者前接触层序列(例如TCO，transparent conducting oxide)。在该前接触层上沉积有由纯的或经改型的CdS(硫化镉)构成的层，随后将CeTe层(碲化镉)沉积到该层上。然后实现涂覆后接触层或者后接触层序列。

根据现有技术，施布CdS层常常以CSS法(Close spaced sublimation)来实现，其中，具有预备的前接触层的玻璃基底在真空中在具有CdS的坩埚上方运动。该坩埚被加热并且使待气相喷镀的原料(CdS)从坩埚中蒸发(升华)，并且凝聚在基底的前接触层上，该前接触层相较于坩埚保持在较低的温度上。

随后的施布CdTe层同样优选借助CSS法来实现。

所述的处理方法以及还有以后的清洗、退火和封装步骤根据现有技术假设已知，并且不再详细阐述。还假设了施布防反射层和保护层(例如，背侧薄板或背侧玻璃)。

在CdS沉积的CSS工艺中力求，尽可能将CdS层设计得要薄，以便限制该层引起的太阳能电池的光学性能的退化。然而同时必须确保，CdS层没有缺陷(孔眼，pin holes)，由于这些缺陷可能会导致前接触部与CdTe层之间短路。根据现有技术，优选用60nm至200nm的CdS层厚度来满足这两个要求。

在CdTe沉积时，对层同样力求具有尽可能恒定的厚度。CdTe的层厚度优选在2000nm至10000nm，特别优选在3000nm至5000nm。

在大规模的使用中，通过如下方式实现施布CdS层和CdTe层，即，加热具有预备的前接触层(其朝向坩埚的方向)的基底，并且以恒定的速度引导越过坩埚开口，从而构造出均匀厚度的CdS或CeTe层。在CSS法中，基底具有温度T1，在该温度下，待施布的材料(CeS或CeTe)凝聚在基底表面上。为了使材料从坩埚中蒸发，在该坩埚中存在着温度T2，在该温度下，待施布的材料升华。该温度T2明显高于基底的温度T1。

该工艺根据现有技术在相继串联的、被加热的真空室内实施，基底在由滚轮、传送带构成的传送系统上或在传送框架中运动穿过真空室，该传送框架在基底的侧边缘上支撑基底。

研究表明，在CSS法中，对气相喷镀的材料的吸附和解吸附力求达到平衡。该平衡依赖于基底温度(准确的说是气相喷镀的层的温度)。因此，为了达到所力求的层厚度，对基底温度进行精确调节是必要的。

然而，当基底在坩埚上方运动时，基底的温度由于来自坩埚的热入射而升高。这可以实现直至如下程度，即，在该程度中，降低了对待施布的材料的沉积，或者甚至反之亦然，并且因此使得待沉积的材料或者先前沉积的材料层重新蒸发。在当前现有技术中，热量必须经由基底背侧导走(冷却)。随着朝向坩埚的基底侧越来越多的加温的结果导致在各个层厚度区段上出现变化的温度。然而要求的是，所有层沉积(从首先的纳米到最后的微米)都要在受限的温度范围中执行。

此外，在涂覆活动期间内，也就是从填满坩埚直至原料在坩埚中被完全蒸发，必须对坩埚温度进行微调，以确保恒定的涂覆率(例如，起始例如是640℃，结束是680℃)。与之相关地，在活动进程中(由于坩埚的变化的热辐射)基底温度发生不期望的变化。因此力求，减少坩埚与基底之间的热关联。

为了达到对已蒸发的待施布的材料进行尽可能均匀的分布，常常在坩埚与基底之间布置有孔板。已蒸发的待施布的材料可以突破过该孔板，其中，使待施布的材料的分布均匀化。为了确保原料连续突破过孔板，对该孔板进行主动加热，以防原料冷凝。优选借助电阻加热器来实现加热，该加热要么直接地要么间接地实施。在的文献第4章第25-27页中详细地对孔板的性能、CSS法和工艺流程进行了阐述。

在第4.2节第28页中解释了“主要的改型方案是，使用涂覆有3mm厚FTO(SnO2:F)的玻璃基底，在该玻璃基底上还必须匹配蒸镀时的温度曲线，以便避免CeS层由于过长时间加热而再蒸发”。

因此，在文献中已经显露出，在CSS法中对基底(准确的说是已气相喷镀的原料)过于强烈的热加温是有问题的。

发明内容

因此，提出如下任务，即，在CSS法中减少对在坩埚上方的基底的热加温。

根据本发明，所提出的任务利用根据权利要求1的装置来解决。该装置的有利实施方式在回引的从属权利要求中公开。

根据现有技术，孔板以面式且平坦地实施并且在坩埚开口与基底之间且与该基底平行地布置。当前使用的孔板是由均质的原料(例如，石墨、钼)制成。孔板的厚度在3mm至10mm的范围内，优选约为5mm。孔眼均匀地也或者按照改善涂覆均质性的图案分布在孔板中。用于系统和孔板的外廓尺寸的实施方案或者为了设计这些孔眼所需的计算同样在的文献中获得。具有区分性的特征是，孔眼在孔板边沿上的数量大多会增加，这是因为多数材料在坩埚中部被蒸发，并且必须通过边沿区域中的更多的孔眼数量来对此进行补偿。然而，除了孔板中孔眼的数量外也可以改变孔眼直径。根据现有技术的孔板在所有的空间方向上(不仅是基底的方向而且也在坩埚的方向上)具有相同的热性能，特别是具有相同的热排放性能。

根据本发明的系统设置，将基底布置在具有与方向有关的热性能的孔板上部。尤其地，相较于朝向坩埚的方向，孔板应当在朝向基底的方向上具有更小的热排放能力。孔眼外廓尺寸和孔眼布置方案可以采用现有技术。

不同的热排放能力通过在孔板的朝向坩埚和/或基底的侧上的不同的原料又或者通过不同的原料性能(表面结构)来达到。热排放能力被确定为热排放度(在此：排放度)。对热排放度的测量借助根据现有技术的措施来实现。因此，例如使用到发射温度计(热电堆)、辐射热测量计或者量子探测器。

在第一优选实施方式中，孔板的朝向坩埚的侧具有粗糙的表面结构，而朝向基底的侧是光滑的或者甚至是经抛光的。粗糙化例如可以通过喷砂来生成。

在另一优选实施方式中，用具有比孔板原料更高的排放度的原料对孔板的朝向坩埚的侧进行涂覆。

在又一优选实施方式中，用具有比孔板原料更低的排放度的原料对孔板的朝向基底的侧进行涂覆。

另一优选实施方式设置，用具有比孔板原料更高的排放度的原料对孔板的朝向坩埚的侧进行涂覆，并且用具有比孔板原料的更低的排放度的原料对孔板的朝向基底的侧进行涂覆。

优选实施方式设置，孔板多层地、优选两层或三层地制成，其中，具有低排放度的原料朝向基底。为了减少穿过孔板的热传导，有利的改进方案在这些层的至少两个之间具有自由空间，又或者在这些层的至少两个之间具有隔热材料的布置方案。

上面提到的用于提高在坩埚侧上的热排放度的措施可以与用于降低在基底侧上的热排放度的措施根据技术上的要求进行组合，并且反之亦然。

关于热排放度的数据可以从向公众开放的参考材料或者数据库中获得。同样地，测量措施在现有技术中提供。

在优选实施方式中，孔板由具有如下原料厚度的石墨构成，该原料厚度优选在3mm至10mm的范围中，特别优选在4mm至8mm的范围中，并且十分特别优选在5mm至7mm的范围中。

具有如下原料的涂覆部优选在100nm至0.1mm的厚度范围内，特别优选在150nm至50μm的范围内并且十分特别有选在300nm至10μm的范围内，这些原料具有不同于孔板原料的排放度。在朝向坩埚的方向，涂覆部可以实施为黑化部(SiC，石墨)。在朝向基底的方向，涂覆部可以实施为亮化部(Al₂O₃)或者镜面部。适用于涂覆的原料不对工艺进行污染。这些原料常常是具有天然粗糙度的氧化的或陶瓷的原料。此类原料优选是：Al₂O₃、SiC或高温石墨。

在另一优选实施方式中实施由上面提到的原料厚度的石墨制成的孔板，并且在朝向基底的方向上配设有面式放置的且具有与孔板相对应的开口的板。该板优选由钼制成，并且在此优选具有0.05mm至1.5mm的厚度，特别优选0.075mm至1.25mm的厚度，并且十分特别优选0.1mm至1mm的厚度。在优选的实施方式中，该板的开口大于孔板的开口。因此，有利地防止了由于凝聚在板上的涂覆原料遮盖住开口。此外，优选的是，为此加热该板(直接或间接)。在其它有利实施方式中，在孔板与板之间存在有自由空间(1mm至3mm)，其中，孔板和/或板具有局部的间隔保持器，该间隔保持器负责孔板和板保持恒定的间距。优选使用的实施方式将间隔保持器设置为围绕开口的围边。在此特别有利的是，围绕开口确保有导热的接触部，该导热的接触部使板的温度，尤其是在开口的区域内与孔板的温度相符。这有利于，避免涂覆原料淤积在板的开口区域内。该实施方式的进一步改进方案在自由空间中具有热抑制原料。例如碳纤维或玻璃纤维可以用作热抑制原料。如此构造的多层式的孔板具有有利减少了的热传导。

附图说明

图1示意性示出根据本发明的在具有呈颗粒状的待蒸发的材料(31)的坩埚(3)上方的孔板的实施方式的系统。在此，孔板(2)由本来的孔板(2)和布置在该孔板上的板(21)构成，该板通过间距(22)与本来的孔板(2)隔开。在孔板(2)上部示出了在其空间分布中均匀化的已蒸发的材料(33)。随后，该材料凝聚在以速度(11)连续运动的基底下侧上；

图2a示意性示出根据本发明的具有在朝向基底的侧上的涂覆部(24)的孔板(2)，该侧相较于孔板(2)的朝向坩埚的未涂覆的侧具有更低的热排放度；

图2b示意性示出根据本发明的具有在朝向坩埚的侧上的涂覆部(25)的孔板(2)，该侧相较于孔板(2)的朝向基底的未涂覆的侧具有更高的热排放度；

图2c示意性示出根据本发明的具有在朝向基底的侧上的涂覆部(24)和在朝向坩埚的侧上的涂覆部(25)的孔板(2)。在朝向基底的侧上的涂覆部(24)相较于孔板(2)的未经涂覆的原料具有更低的热排放度，而在朝向坩埚的侧上的涂覆部(25)相较于孔板(2)的未经涂覆的原料具有更高的热排放度。

具体实施方式

具有外廓尺寸(1600mm×1200mm×3.2mm)的基底(1)涂覆以作为透明的前接触层的厚度为250nm的由氧化铟锡(ITO)构成的层。

然后，将具有向下取向的前接触层的基底(1)引入到一系列的真空室中或引入到具有不同区段但连续的真空室中。基底在第一真空室(第一区段)中被加热到500℃的温度。这借助合适的加热装置来实现，而静止在传送装置(未示出)上的基底(1)由该传送装置运动穿过第一真空室(或者真空室的第一区段)。基底到达紧接着的真空室(或者紧接着的区段)并且继续由传送装置(运动速度1.5m/min)以0.5cm的间距在具有呈颗粒状的CdS(31)的坩埚(3)上方运动。坩埚(3)达到基底(1)的整个宽度(垂直于传送方向(11))，并且沿着传送方向(11)延伸了17cm的长度。坩埚(3)中的CdS(31)被加热到620℃并且升华。上升的气体(32)突破过6mm厚度的孔板(22)并且凝聚在基底(1)的前接触层上。在上升的气态的CdS(32)突破过孔板(2)的开口(23)时，该上升的气态的CdS在空间分布中在孔板(2)上部均匀化。孔板(2)由5mm原料厚度的石墨构成，并且具有直径3mm的圆形的开口(23)。在朝向坩埚的侧上，孔板(2)被粗糙化。朝向基底的侧具有1mm的钼板(21)，该钼板具有与孔板(2)相对应的开口。由于有钼板(21)，所以被加热的孔板(2)没有直接辐射到基底(1)上。位于孔板(2)与基底(1)之间的钼板(21)屏蔽住基底。因为孔板(2)的下侧被粗糙化，所以实现了孔板(2)的高热优选的辐射朝向坩埚(3)返回。孔板(2)的石墨部分的上侧是光滑的，并且将已经非常少的热量传递到布置在该孔板上方的钼板(21)上。

在坩埚中有规律地填满CdS颗粒的框架内，也对以能摘除的方式放置在坩埚上的孔板(2)进行清洗，并且清除掉沉积物。

当基底(1)经过坩埚(3)时，前接触层具有完全的(除了在置放部位上)、均匀的由具有65nm厚度的CdS构成的层(未示出)。在施布该CdS层之后，根据现有技术实现对基底(1)的进一步加工。为此，基底(1)在500℃的情况下被运送到紧接着的处理室中。因此从现在起，同样以CSS法并且在使用根据本发明的孔板(2)的情况下，施布具有5000nm厚度的CdTe层。然后，利用根据现有技术的方法实现施布一个后接触层或若干个后接触层。在此，后接触层由匹配层和本来的接触层组成的层序列构成。在此，匹配层由通过NP腐蚀CdTe层形成的Te(50nm)构成，然后，将作为本来的接触层的Mo层(250nm)沉积到匹配层上。

然后，根据现有技术实现另外的加工步骤。

引用的非专利文献

Mathias博士论文“对CeTe-CdS异质太阳能电池的材料学研究”，耶拿大学，2009年，

http://www.db-thueringen.de/servlets/DerivateServlet/Derivate-18406/H％ C3％A4drich/Dissertation.pdf(链接状态2013年11月26日)

附图标记列表

1 基底

11 基底的运动方向

2 孔板

21 板

22 在孔板与板之间的间距

23 孔板中的开口

24 孔板基底侧的涂覆部

25 孔板坩埚侧的涂覆部

3 坩埚

31 待气相喷镀的材料的颗粒

32 升华的待气相喷镀的材料从颗粒中上升

33 突破过孔板后的升华的待气相喷镀的材料

Claims (10)

1.一种用于对基底进行CSS涂覆的系统，所述系统具有被加热的坩埚，所述坩埚具有进行升华的材料和开口，所述开口指向布置在所述开口之前的或引导经过所述开口的待涂覆的基底，其中，在基底与坩埚开口之间并且以遮盖住所述整个坩埚开口的方式布置有具有开口的孔板，其特征在于，所述孔板在朝向所述坩埚和/或所述基底的侧上具有表面结构和/或涂覆部和/或遮盖部，其相较于没有表面结构和/或涂覆部和/或遮盖部的孔板，朝向所述坩埚提高了热排放和/或朝向所述基底的减少了热排放。

2.根据权利要求1所述的用于对基底进行CSS涂覆的系统，其特征在于，所述表面结构是所述孔板的朝向所述坩埚的侧的粗糙化的表面。

3.根据权利要求1所述的用于对基底进行CSS涂覆的系统，其特征在于，所述涂覆部是所述孔板的朝向所述坩埚的侧的黑化的表面。

4.根据权利要求1所述的用于对基底进行CSS涂覆的系统，其特征在于，在布置具有与所述孔板相对应的开口的遮盖板的情况下所述遮盖部存在于所述孔板的朝向所述坩埚的侧上。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于对基底进行CSS涂覆的系统，其特征在于，所述表面结构是所述孔板的朝向所述基底的侧的经抛光的表面。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的用于对基底进行CSS涂覆的系统，其特征在于，所述涂覆部是所述孔板的朝向所述基底的侧的具有Al₂O₃的亮化部或镜面部。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的用于对基底进行CSS涂覆的系统，其特征在于，在布置具有与孔板相对应的开口的遮盖板的情况下所述遮盖部存在于所述孔板的朝向所述基底的侧上。

8.根据权利要求4或6所述的用于对基底进行CSS涂覆的系统，其特征在于，在遮盖部与孔板之间存在有自由空间。

9.根据权利要求8所述的用于对基底进行CSS涂覆的系统，其特征在于，利用隔热材料填充所述自由空间，其中，空出所述开口的区域和孔板和遮盖部。

10.根据权利要求9所述的用于对基底进行CSS涂覆的系统，其特征在于，所述隔热材料是碳纤维或玻璃纤维。