CN106340570B - 一种用于制作透明导电氧化物薄膜的镀膜设备及镀膜方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于制作透明导电氧化物（TCO）薄膜的镀膜设备及镀膜方法，其中，所述镀膜设备在同一台真空设备中同时集成有离子镀膜源及溅射镀膜源。本发明结合离子镀膜和溅射镀膜的特点，把两种镀膜有效地融合，针对器件中对TCO薄膜的不同需求，可以在不暴露大气的条件下，连续制备具有不同光学性质和电学性质的TCO薄膜，获得高速的沉积速率，同时降低薄膜沉积过程中对衬底和器件表面所引起的损伤。本发明尤其适合高效率薄膜硅/晶体硅异质结太阳电池的正面和背面连续、低损伤制备TCO薄膜以及各种薄膜太阳电池中连续制备不同TCO薄膜，且本发明的设备和方法可适用于多种具有不同性能的TCO材料。
Description
技术领域
本发明属于薄膜制备领域，涉及一种用于制作透明导电氧化物薄膜的镀膜设备及镀膜方法。
背景技术
光电转换器是接受光照射产生电信号的半导体器件。为了提高光电转换器件对入射光的吸收效率，通常在器件接受光照射的表面制作降低光反射的光学薄膜，即减反射薄膜，对应英语中的Anti Reflection Coating，简称ARC薄膜。为了提高器件对光生载流子的收集效率，通常采用光透过率高和导电性好的透明导电氧化物薄膜(TCO薄膜)作为表面减反射薄膜，即透明导电减反射薄膜。太阳电池也是一种光电转换器件，把太阳光能直接转换成电能，是一种清洁可再生能源。
太阳电池有很多种类，目前以硅基材料的太阳电池为主流，包括晶体硅太阳电池和薄膜硅太阳电池。太阳电池的发展方向主要集中在高效率化和低成本化两个大方向上，提高光电转换效率不仅可以降低单位发电量的制作成本，还可以降低安装和占用土地的成本，是太阳电池的主要发展方向，也是光伏企业提高竞争力的焦点所在。
晶体硅/薄膜硅异质结太阳电池是一种高效太阳电池技术，以下简称晶体硅异质结太阳电池，也称HIT电池或者SHJ电池，分别对应英语中的Heterojunction withIntrinsic Thin-layer和Silicon Heterojunction，在中国多使用后者。SHJ电池的基本结构如图1所示。该电池以n型单晶硅片为基板，首先对其进行化学清洗和表面制绒，使表面形成提高光吸收的凹凸结构，也就是通常所说的表面陷光金字塔结构，再次经过化学清洗后形成清洁的表面。然后利用等离子体化学气相沉积(PECVD)、金属热催化化学气相沉积(Cat-CVD)、热丝化学气相沉积(Hot-wire CVD)等方法在硅片前表面沉积本征硅基薄膜(包括本征非晶硅、非晶硅氧，或者微晶、纳米晶等)和n型掺杂硅基薄膜(包括本征非晶硅、非晶硅氧，或者微晶、纳米晶等)叠层，在背面沉积本征硅基薄膜和p型掺杂硅基薄膜(包括本征非晶硅、非晶硅氧，或者微晶、纳米晶等)叠层，然后在两面沉积TCO薄膜，再通过丝网印刷或者电镀等金属化技术制作金属电极，形成具有对称结构的双面受光太阳电池。SHJ电池中也可以把p型掺杂硅基薄膜放在前表面，n型掺杂硅基薄膜放在背面，形成与图1相反的倒装结构，其基本原理和制作工艺相同。此外，SHJ太阳电池也可以用p型单晶硅片为基体，其制备流程跟n型单晶硅片为基板一致。SHJ太阳电池中，本征非晶硅和掺杂非晶硅薄膜叠层对晶体硅表面形成良好的钝化，分离并且收集光生载流子，因此，非晶硅薄膜是SHJ电池的重要组成部分，其结构和特性对太阳电池的转换效率和稳定性至关重要。但是，由于非晶硅薄膜的厚度非常薄，通常只有5至10纳米，薄膜内的横向导电能力很差，通常在前表面和背面沉积具有良好导电性的TCO减反射薄膜增强对载流子的收集能力，因此，TCO薄膜对提高转换效率和电池的稳定也非常重要。
在光电转换器件和太阳电池领域，一般采用磁控溅射镀膜技术制作TCO薄膜。磁控溅射镀膜根据其使用电源和电路结构不同可分为交流磁控溅射和直流磁控溅射。交流磁控溅射又根据交流电源的频率分为脉冲电源和射频电源，射频也就是Radio Frequency，简称RF，由于电源以及从电源到电极的馈入电路复杂，电源成本高，一般用于难以溅射的磁性材料或者导电性差的电介质材料或者对薄膜质量有特殊需求的设备中。但是，由于磁控溅射的等离子体中的高能粒子对器件表面具有轰击，对衬底产生损伤，直接影响器件的性能，甚至影响TCO薄膜本身的质量。
在SHJ电池的制作工艺中，由于电池特殊的双面对称结构，前表面和背面都需要制作高性能的TCO薄膜，有些研发机构和生产厂商使用在半导体行业广泛使用的磁控溅射镀膜设备，并且把溅射源安装在相反的方向，通过移动电池样品，在不暴露大气、不翻转样品的条件下，在同一台真空设备中实现对前表面和背面的连续镀膜(如图2所示)。因为TCO靶材的导电性好，为了提高产出速率，降低设备价格和运行成本，一般使用直流磁控溅射制作TCO薄膜。但是，用磁控溅射方法、尤其使用直流磁控溅射方法制作SHJ电池的转换效率偏低，分布范围较广。这主要是磁控溅射镀膜的等离子体中的高能粒子对已经制备的非晶硅薄膜叠层产生轰击，破坏原有的非晶硅结构，甚至导致非晶硅薄膜的结晶化，破坏非晶硅薄膜对晶体硅表面的钝化效果，最终降低电池的转换效率。采用磁控溅射镀膜虽然可以在不破坏真空的条件下对双面受光的SHJ电池的前表面和背面连续镀膜，解决翻转硅片所造成的主要问题，但是，由于电池的转换效率低，在追求高效率的背景下，磁控溅射镀膜并没有获得广泛的应用。
为了解决磁控溅射镀膜中等离子体对器件表面的轰击和损伤，有些场合使用离子镀膜技术，尤其针对SHJ太阳电池对TCO薄膜制作过程中的低损伤技术需求，日本住友重机械工业株式会社(Sumitomo Heavy Industries,Ltd.)研究开发了独特的反应性等离子体沉积设备(Reactive Plasma Deposition:RPD)。该设备利用电子束发生装置产生高密度电子束，经过磁场和电场的调制和加速后使氩气和氧气产生电离，形成具有很强反应性的等离子体，电子束和离子束经过偏转线圈的调制后偏转近90度轰击靶材，加热靶材使金属氧化物产生升华，在衬底表面形成镀膜。实验证明，利用RPD设备可大幅度降低等离子体中高能粒子对衬底表面的轰击和损伤，提高TCO薄膜制作工艺对非晶硅薄膜的适应性，使SHJ电池性能和产出率大幅度提高。RPD与RF磁控溅射的比对结果证明，在同样条件下，利用RPD制备的TCO薄膜具有更好的晶体结构，对非晶硅薄膜具有更低的损伤，可以提高SHJ电池转换效率0.3％以上。但是，由于离子源的结构和镀膜条件限制，一般把靶材设置在衬底的下方，衬底镀膜面朝下，也就是通常所说的Face down方式。对于两面都需要制作TCO薄膜的光电转换器件和双面受光SHI太阳电池，在完成对一面的镀膜后，必须翻转样品才能实现对另一面的镀膜，在利用RPD对SHJ电池制作TCO薄膜过程中也必须对SHJ电池进行翻转处理(如图3所示)，不仅增加了设备的构造，而且翻转机构会增加SHJ电池表面的机械损伤甚至破损的概率，造成SHJ性能下降，甚至影响SHJ电池的长期可靠性，不利于提高转换效率，降低成本。另外，RPD方法只能是用于具有升华镀膜特性的金属氧化物材料，例如，掺锡氧化铟(ITO)，掺钨氧化铟(IWO)等。对不易升华的材料则不能使用，例如，掺铝氧化锌(AZO)等。因此，RPD方法限制了设备对材料的选择范围。
综上所述，在SHJ太阳电池的TCO薄膜制作工艺中，有的选择磁控溅射镀膜设备和方法，在不需对电池片进行翻转的条件下，在同一台真空设备中连续对前表面和背面进行TCO镀膜；有的则选择离子镀膜中的RPD设备和方法，在对其中一面镀膜后，对电池片进行翻转，然后对另一面镀膜。但是，由于磁控溅射镀膜中等离子体轰击损伤对非晶硅薄膜的影响，导致电池的转换效率偏低。而RPD设备中，必须对电池进行翻转才能实现对前表面和背面的镀膜，虽然在TCO镀膜过程中对非晶硅薄膜的轰击和损伤小，电池转换效率明显提高，但是，存在设备结构复杂和运行成本高的缺点。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于制作透明导电氧化物薄膜的镀膜设备及镀膜方法，用于解决现有技术中镀膜质量低、镀膜成本高的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于制作透明导电氧化物薄膜的镀膜设备，其中，所述镀膜设备在同一台真空设备中同时集成有离子镀膜源及溅射镀膜源。
可选地，所述离子镀膜源及溅射镀膜源的镀膜方向相同，以在待镀膜基板的同一表面形成透明导电氧化物薄膜叠层结构。
可选地，所述离子镀膜源及溅射镀膜源的镀膜方向相反，以分别在待镀膜基板的不同表面形成透明导电氧化物薄膜。
可选地，所述离子镀膜源及溅射镀膜源的中心线重叠，以同时在待镀膜基板的不同表面形成透明导电氧化物薄膜；或者所述离子镀膜源及溅射镀膜源的中心线错开且平行，以依次在待镀膜基板的不同表面形成透明导电氧化物薄膜。
可选地，所述待镀膜基板用于制作半导体光电转换器件或者薄膜硅/晶体硅异质结双面太阳能电池器件。
可选地，利用所述离子镀膜源形成的透明氧化物薄膜与利用所述溅射镀膜源形成的透明氧化物薄膜的材料相同或者不同。
可选地，所述离子镀膜源及溅射镀膜源设于所述真空设备的同一真空腔室内；或者所述离子镀膜源及溅射镀膜源设于所述真空设备的两个独立的真空腔室内，且这两个独立的真空腔室通过隔板阀分开。
可选地，所述离子镀膜源包括反应性等离子体沉积离子镀膜源及电子束蒸镀离子镀膜源中的一种或多种；所述溅射镀膜源包括平面靶磁控溅射镀膜源、旋转靶磁控溅射镀膜源及对向靶材磁控溅射镀膜源中的一种或多种，且包括直流溅射镀膜源及交流溅射镀膜源中的一种或多种；所述交流溅射镀膜源包括交流脉冲溅射镀膜源及射频交流溅射镀膜源中的一种或多种。
可选地，所述透明导电氧化物薄膜的材料包括掺锡氧化铟、掺铝氧化铟、掺钨氧化铟、掺钛氧化铟、掺铯氧化铟、掺铝氧化锌、掺镓氧化锌及掺铝镓氧化锌中的一种或多种。
本发明还提供一种镀膜方法，所述镀膜方法在不暴露大气的条件下，利用集成于同一台真空设备中的离子镀膜源及溅射镀膜源对待镀膜基板进行镀膜，在所述待镀膜基板表面形成透明导电氧化物薄膜或透明导电氧化物薄膜叠层结构。
可选地，依次利用离子镀膜源、溅射镀膜源在所述待镀膜基板的同一表面进行镀膜，得到透明导电氧化物薄膜叠层结构。
可选地，依次利用交流溅射镀膜源、直流溅射镀膜源在所述待镀膜基板的同一表面进行镀膜，得到透明导电氧化物薄膜叠层结构。
可选地，依次利用对向靶材磁控溅射镀膜源、平面靶磁控溅射镀膜源或者旋转靶磁控溅射镀膜源在所述待镀膜基板的同一表面进行镀膜，得到透明导电氧化物薄膜叠层结构。
可选地，同时或者依次利用离子镀膜源、溅射镀膜源在所述待镀膜基板的不同表面进行镀膜，分别在所述待镀膜基板的不同表面得到透明导电氧化物薄膜或者透明导电氧化物薄膜叠层结构。
可选地，利用所述离子镀膜源形成的透明氧化物薄膜与利用所述溅射镀膜源形成的透明氧化物薄膜的材料相同或者不同。
可选地，所述待镀膜基板用于制作半导体光电转换器件或者薄膜硅/晶体硅异质结双面太阳能电池器件。
可选地，所述离子镀膜源及溅射镀膜源设于所述真空设备的同一真空腔室内；或者所述离子镀膜源及溅射镀膜源设于所述真空设备的两个独立的真空腔室内，且这两个独立的真空腔室通过隔板阀分开。
可选地，所述离子镀膜源包括反应性等离子体沉积离子镀膜源及电子束蒸镀离子镀膜源中的一种或多种；所述溅射镀膜源包括平面靶磁控溅射镀膜源、旋转靶磁控溅射镀膜源及对向靶材磁控溅射镀膜源中的一种或多种，且包括直流溅射镀膜源及交流溅射镀膜源中的一种或多种；所述交流溅射镀膜源包括交流脉冲溅射镀膜源及射频交流溅射镀膜源中的一种或多种。
可选地，所述透明导电氧化物薄膜的材料包括掺锡氧化铟、掺铝氧化铟、掺钨氧化铟、掺钛氧化铟、掺铯氧化铟、掺铝氧化锌、掺镓氧化锌及掺铝镓氧化锌中的一种或多种。
如上所述，本发明的用于制作透明导电氧化物薄膜的镀膜设备及镀膜方法，具有以下有益效果：本发明结合离子镀膜和溅射镀膜的特点，把两种镀膜有效地融合，针对器件中对TCO薄膜的不同需求，可以在不暴露大气的条件下，连续制备具有不同光学性质和电学性质的TCO薄膜，获得高速的沉积速率，同时降低薄膜沉积过程中对衬底和器件表面所引起的损伤。本发明尤其适合高效率薄膜硅/晶体硅异质结太阳电池的正面和背面连续、低损伤制备TCO薄膜以及各种薄膜太阳电池中连续制备不同TCO薄膜，且本发明的设备和方法可适用于掺锡氧化铟(ITO)、掺钨氧化铟(IWO)、掺钛氧化铟(ITiO)、掺铯氧化铟(ICO)、掺铝氧化锌(AZO)、掺镓氧化锌(GZO)等各种具有不同性能的TCO材料。
附图说明
图1显示为现有技术中双面受光晶体硅/薄膜硅异质结太阳电池的基本结构示意图。
图2显示为现有技术中使用常规溅射镀膜制作晶体硅/薄膜硅异质结太阳电池中TCO薄膜的设备结构示意图。
图3显示为现有技术中使用常规反应性等离子体沉积设备制作晶体硅/薄膜硅异质结太阳电池中TCO薄膜的设备结构示意图。
图4显示为利用本发明的镀膜设备制作TCO薄膜时安放光电转换器件样品的样品架结构示意图。
图5显示为图4中椭圆虚线框所示区域的样品承载单元的结构示意图。
图6显示为本发明把离子镀膜和溅射镀膜结合对同一表面制作TCO薄膜叠层的镀膜设备结构示意图。
图7显示为本发明把离子镀膜和溅射镀膜结合对同一样品的前表面和背面连续制作TCO薄膜的设备结构示意图。
图8为本发明把离子镀膜、交流溅射和直流溅射镀膜进行组合对同一样品的前表面和背面连续制作TCO薄膜的镀膜设备结构示意图。
图9为本发明把离子镀膜、对向靶材溅射和直流溅射镀膜进行组合对同一样品的前表面和背面连续制作TCO薄膜的镀膜设备结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图4至图9。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明的用于制作透明导电氧化物薄膜的镀膜设备和镀膜方法适用于在待镀膜基板表面形成各种透明导电氧化物材料，包括但是不限于掺锡氧化铟(ITO)、掺钨氧化铟(IWO)、掺钛氧化铟(ITiO)、掺铯氧化铟(ICO)、掺铝氧化锌(AZO)、掺铝镓氧化锌(AGZO)等具有不同熔点或者升华温度的金属氧化物陶瓷材料。所述待镀膜基板用于制作半导体光电转换器件或者薄膜硅/晶体硅异质结双面太阳能电池器件。
本发明的用于制作透明导电氧化物薄膜的镀膜设备和镀膜方法在制作透明导电氧化物薄膜(以下简称TCO薄膜)时，为了方便待镀膜基板的传送，同时避免TCO薄膜沉积在电池的侧面造成前表面和背面短路，把一个或者多个待镀膜基板(以下简称样品)放置在图4所示的样品架里，其中，图5显示为图4中椭圆虚线框所示区域的样品承载单元的结构示意图。所述样品架中设有至少一个与样品尺寸相匹配的开孔，开孔的特点为两层结构，上层开孔的尺寸比样品的外形尺寸略大，保证样品能够沉入开孔内，下层开孔的尺寸比样品的外形尺寸略小，形成对硅片的支撑，防止硅片掉落，同时，下层开孔对镀膜面起到掩膜的作用，防止TCO薄膜沉积在样品的侧面，甚至环绕到背面，造成前表面和背面短路，或者在背面边缘形成沉积，影响TCO薄膜的均匀性。
实施例一
本实施例针对在光电转换器件或者太阳能电池受光的前表面连续制作低损伤、高品质TCO薄膜叠层的设备和方法进行说明。
请参阅图6，显示为本实施例所采用的用于制作透明导电氧化物薄膜的镀膜设备的结构示意图。该设备由离子镀膜源和溅射镀膜源两个部分组成，分别安装在两个独立的真空腔室内，两个腔室之间通过隔板阀分开。所述离子镀膜源和溅射镀膜源的镀膜方向相同，可以通过移动样品架在不同真空和气体氛围条件下连续制作不同材料的TCO薄膜叠层，或者相同材料不同结构的TCO薄膜叠层。
在一种情形下，可以利用离子镀膜源对样品表面轰击损伤小的特点，先利用离子镀膜源进行TCO薄膜沉积，以降低TCO薄膜制备过程中对器件表面的损伤，获得高质量的TCO界面特性，然后在利用溅射镀膜源进行TCO薄膜沉积，获得所需要的薄膜厚度。图6中通过水平虚线箭头示出了样品架的移动方向。
在另一种情形下，也可利用溅射镀膜的等离子体轰击和刻蚀作用对器件表面进行处理，首先利用溅射镀膜源进行TCO沉积，对表面材料进行改性处理，提高界面质量和器件性能，然后利用离子镀膜源进行TCO薄膜沉积，获得所需要的薄膜厚度。
具体的，离子镀膜源为低损伤离子镀膜源，包括但是不限于反应性等离子体沉积(Reactive Plasma Deposition，RPD)镀膜源、电子束蒸镀(Ion-Beam Deposition)镀膜源等基于利用电子束定向轰击靶材进行镀膜的薄膜制备方式和设备。溅射镀膜源包括但是不限于直流磁控溅射镀膜源和交流磁控溅射镀膜源，靶材可以选择平面靶材或者旋转靶材。其中，交流磁控溅射镀膜源包括但是不限于使用交流脉冲的磁控溅射镀膜源、射频(RadioFrequency，简称RF)磁控溅射镀膜源、以及更高频率交流电源的磁控溅射镀膜源的溅射方式和设备，但是，从设备构造的复杂性和镀膜的均匀性考虑，一般采用RF射频溅射镀膜源。
作为示例，待镀膜基板用于制作SHJ电池，其表面已完成非晶硅薄膜的制备。
作为示例，所述离子镀膜源采用反应性等离子体沉积离子镀膜源(简称RPD镀膜源)，镀膜方向自下向上，其通过对离子束的偏转把高强度的离子束照射在TCO靶材上，使TCO靶材升华形成镀膜，这样可以充分降低TCO镀膜中高能粒子轰击以及等离子体对硅片表面非晶硅薄膜产生的轰击损伤。本实施例中，RPD镀膜源的靶材为掺钨氧化铟(IWO)，氧化钨的掺杂浓度为3％。
作为示例，所述磁控溅射镀膜源采用直流磁控溅射镀膜源，镀膜方向自下向上，与RPD相同，阴极和靶材采用高效率的旋转靶。本实施例中，直流磁控溅射镀膜源的靶材为掺钛氧化铟(ITiO)，氧化钛的掺杂浓度为1％。
作为示例，TCO薄膜的基本制作方法如下：把需要镀膜的SHJ电池样品安装在图4所示的样品架里，镀膜面朝下。利用样品传送机构把样品架传送到RPD镀膜腔室。通过气体导入系统向真空前室内导入氩气和氧气，启动RDD镀膜源对SHJ电池表面进行镀膜，IWO的镀膜厚度为10nm。镀膜结束后停止气体供应，打开两个腔室之间的隔板阀，把样品架移动至直流磁控溅射镀膜源，关闭隔板阀后，通过气体导入系统向溅射镀膜腔室内导入氩气和氧气，启动溅射镀膜对SHJ电池表面进行镀膜，ITiO镀膜的厚度为70nm，IWO和ITiO的总厚度约为80nm。镀膜结束后停止气体供应，将样品架移出真空室，完成镀膜。
本发明的镀膜设备及镀膜方法将RPD离子镀膜源和溅射镀膜源进行组合，在SHJ电池的同一表面制作TCO薄膜叠层，一方面通过RPD离子镀膜有效降低TCO薄膜制作过程中对SHJ电池表面已经沉积的非晶硅薄膜叠层的影响，另一方面，可以有效调节TCO薄膜的电学和光学特性，同时还可以降低设备投资和运行成本，对提高SHJ电池性能指标、降低电池制作过程的综合成本具有非常重要的意义。
需要指出的是，本实施例中离子镀膜源和溅射镀膜源安装在不同的真空腔室中，但是在其它实施例中，离子镀膜源和溅射镀膜源也可以选择安装在同一个真空腔室中(未图示)，其要点是利用离子溅射和溅射镀膜的不同特点在SHJ电池表面连续制作具有不同性质的TCO薄膜叠层，降低TCO制作过程中对非晶硅薄膜的损伤，提高非晶硅和TCO薄膜之间的界面质量，最终提高电池的转换效率。
实施例二
本实施例针对在光电转换器件或者太阳能电池的两面连续制作TCO薄膜或薄膜叠层的设备和方法进行说明。
请参阅图7，显示为本实施例所采用的用于制作透明导电氧化物薄膜的镀膜设备的结构示意图。该设备由离子镀膜源和溅射镀膜源两个部分组成，所述离子镀膜源和溅射镀膜源的镀膜方向相反，分别安装在两个独立的真空腔室内，两个腔室之间通过隔板阀分开，可以在不暴露大气的条件下，依次在光电转换器件或者太阳能电池的前表面和背面制备TCO薄膜，避免由于对器件进行翻转所造成的设备结构增加以及对光电转换半导体器件或者太阳电池器件表面和器件本身的损伤，甚至破损。
本发明尤其适合双面受光SHJ电池表面TCO薄膜的制备。因为SHJ电池前表面与背面对TCO薄膜的要求不同，其中，SHJ电池前表面要求TCO薄膜具有更好的光学透过率兼备良好的导电性，使入射光能够更好地透过TCO薄膜被晶体硅吸收，从而提高入射光在晶体硅中产生的光生载流子密度；而背面重点要求TCO薄膜具有更好的导电性、兼具良好的透过率，降低电池的串联电阻。
本实施例中，可以通过移动样品架在不翻转样品的条件下在SHJ电池两面连续沉积具有不同性质的TCO薄膜。镀膜源的靶材可以是相同的TCO材料、也可以是不同的TCO材料。
作为示例，所述离子镀膜源镀膜方向自下向上，所述溅射镀膜源镀膜方向自上而下。
需要指出的是，本实施例中离子镀膜源和溅射镀膜源安装在不同的真空腔室中，但是在其它实施例中，所述离子镀膜源和溅射镀膜源也可以选择安装在同一个真空腔室中。在一种情形下，所述离子镀膜源及溅射镀膜源的中心线重叠，以同时在待镀膜基板的不同表面形成透明导电氧化物薄膜。在另一种情形下，所述离子镀膜源及溅射镀膜源的中心线也可以错开且平行，以依次在待镀膜基板的不同表面形成透明导电氧化物薄膜。
此外，离子镀膜源或溅射镀膜源的数量可以为多个，以形成TCO薄膜叠层。其中，多个离子镀膜源可以设置于同一真空腔室内，也可以设于不同真空腔室内；多个溅射镀膜源可以设置于同一真空腔室内，也可以设于不同真空腔室内。
本发明的镀膜设备及镀膜方法把溅射镀膜源和离子镀膜源安装在同一真空设备的两个相反方向，在不暴露大气的条件下，对两面受光SHJ太阳电池的前表面和背面连续进行镀膜，制备具有不同光学和电学性质的TCO薄膜或者TCO薄膜叠层，可以避免由于镀膜源的单一性所造成的对TCO薄膜选择性的限制以及由于对器件进行翻转所造成的设备结构增加或者由于翻转对光电转换半导体或者太阳电池器件表面以及器件本身的损伤，甚至破损。
实施例三
本实施例与实施例二不同之处在于，溅射镀膜源采用射频溅射镀膜源和直流溅射镀膜源进行组合。
请参阅图8，显示为本实施例所采用的用于制作透明导电氧化物薄膜的镀膜设备的结构示意图。该设备由离子镀膜源和溅射镀膜源两个部分组成，分别安装在两个独立的真空腔室内，两个腔室之间通过隔板阀分开。
作为示例，所述离子镀膜源采用RPD镀膜源，镀膜方向自下而上，靶材选用掺钨氧化铟(IWO)，氧化钨的掺杂浓度为3％。
作为示例，溅射镀膜源采用射频溅射镀膜源和直流溅射镀膜源进行组合，所述射频溅射镀膜源和直流溅射镀膜源位于同一真空腔室内，且镀膜方向均自上向下，与RPD相反。溅射镀膜源首先采用射频磁控溅射镀膜源，阴极和靶材采用镀膜效率高的旋转溅射靶，利用射频溅射降低溅射镀膜过程中对硅片表面沉积非晶硅的轰击损伤，射频溅射的靶材为掺钛氧化铟(ITiO)，氧化钛的掺杂浓度为1％。在射频溅射附近设置直流溅射镀膜源，阴极和靶材同样采用旋转靶，射频溅射的靶材同样为ITiO，氧化钛的掺杂浓度为1％。在利用交流溅射制备初期的低损伤TCO薄膜后，利用直流磁控溅射进一步制备TCO薄膜，使之达到所要求的厚度，同时，利用直流溅射的等离子体对初期的TCO薄膜进行改性处理，进一步提高TCO薄膜的质量。射频溅射和直流溅射制作TCO的厚度由靶材和两种溅射镀膜源的速度确定，最终使设备在相同的样品移动速度下，连续实现对电池的两个表面的镀膜，并且使TCO的厚度达到设计的要求。
作为示例，SHJ电池的制作方法为：把需要镀膜的SHJ电池样品安装在图4所示的样品架里，利用样品传送机构把样品架传送到RPD镀膜腔室，通过气体导入系统向真空前室内导入氩气和氧气，启动RDD镀膜源对SHJ电池表面进行镀膜，IWO的镀膜厚度为80nm。镀膜结束后停止气体供应，打开两个腔室之间的隔板阀，把样品架移动至溅射镀膜源，关闭隔板阀后，通过气体导入系统向溅射镀膜腔室内导入氩气和氧气，同时启动射频溅射镀膜源和直流溅射镀膜源对SHJ电池表面进行镀膜，射频溅射镀膜的厚度为10nm，直流溅射镀膜的厚度为70nm，ITiO薄膜的总厚度为80nm。镀膜结束后停止气体供应，将样品架移出真空室，完成镀膜。
在其它实施例中，所述直流溅射镀膜源也可使用具有高电导率的掺锡氧化铟(ITO)靶材，沉积ITiO和ITO薄膜叠层，兼顾光学和电学特性。也可同时使用ITO靶材，或者其他TCO靶材，其原理和方法完全相同。
本发明的镀膜设备及镀膜方法在利用溅射镀膜源对于两面受光的SHJ太阳电池进行TCO镀膜时，把交流溅射镀膜源和直流溅射镀膜源进行组合，首先利用交流溅射镀膜源进行TCO镀膜，降低溅射镀膜对非晶硅薄膜所造成的损伤以及结构破坏，然后利用直流溅射镀膜源连续对同一表面进行TCO镀膜，制备相同材料、但是具有不同结构，或者不同材料的TCO薄膜叠层，可以提高薄膜沉积速度和产出率。
实施例四
本实施例与实施例三不同之处在于，采用对向靶材磁控溅射源(Facing-TargetSputtering，FTS)代替射频磁控溅射源制作初期的TCO薄膜。与射频溅射相比，对向靶材溅射设备可以更进一步降低轰击损伤对非晶硅薄膜的影响。
请参阅图9，显示为本实施例所采用的用于制作透明导电氧化物薄膜的镀膜设备的结构示意图。该设备由离子镀膜源和溅射镀膜源两个部分组成，分别安装在两个独立的真空腔室内，两个腔室之间通过隔板阀分开。在其它实施例中，RPD镀膜源和溅射镀膜源也可以安装在同一个真空腔室中，并不影响设备的构造和镀膜的基本方法，在此不再赘述。
作为示例，所述离子镀膜源采用RPD镀膜源，镀膜方向自下而上；溅射镀膜源采用对向靶材磁控溅射源和直流溅射镀膜源进行组合，镀膜方向均自上而下。
本发明的镀膜设备及镀膜方法在利用溅射镀膜源对于两面受光的SHJ太阳电池进行TCO镀膜时，把对向靶材溅射镀膜源和一般溅射镀膜源(平面靶磁控溅射镀膜源或旋转靶磁控溅射镀膜源)进行组合，首先利用对向靶材磁控溅射镀膜源进行TCO镀膜，降低溅射镀膜对非晶硅薄膜所造成的损伤以及结构破坏，然后利用一般溅射镀膜源连续对同一表面进行镀膜，制备相同材料、但是具有不同结构，或者不同材料的透明导电氧化物薄膜叠层，可以提高薄膜沉积速度和产出率。
综上所述，本发明的用于制作透明导电氧化物薄膜的镀膜设备及镀膜方法结合离子镀膜和溅射镀膜的特点，把两种镀膜有效地融合，针对器件中对TCO薄膜的不同需求，可以在不暴露大气的条件下，连续制备具有不同光学性质和电学性质的TCO薄膜，获得高速的沉积速率，同时降低薄膜沉积过程中对衬底和器件表面所引起的损伤。本发明尤其适合高效率薄膜硅/晶体硅异质结太阳电池的正面和背面连续、低损伤制备TCO薄膜以及各种薄膜太阳电池中连续制备不同TCO薄膜，且本发明的设备和方法可适用于掺锡氧化铟(ITO)、掺钨氧化铟(IWO)、掺钛氧化铟(ITiO)、掺铯氧化铟(ICO)、掺铝氧化锌(AZO)、掺镓氧化锌(GZO)等各种具有不同性能的TCO材料。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (15)
1.一种用于制作透明导电氧化物薄膜的镀膜设备，其特征在于，所述镀膜设备在同一台真空设备中同时集成有离子镀膜源及溅射镀膜源；所述离子镀膜源及溅射镀膜源的镀膜方向相反，其中，所述离子镀膜源位于待镀膜基板的正面的下方，所述溅射镀膜源位于所述待镀膜基板的背面的上方，其中，所述待镀膜基板置于样品架里，所述样品架中设有与所述待镀膜基板尺寸相匹配的开孔，所述开孔为两层结构，上层开孔的尺寸比所述待镀膜基板的外形尺寸略大，下层开孔的尺寸比所述待镀膜基板的外形尺寸略小，在不翻转所述待镀膜基板的条件下，以分别在所述待镀膜基板的不同表面形成所述透明导电氧化物薄膜。
2.根据权利要求1所述的用于制作透明导电氧化物薄膜的镀膜设备，其特征在于：所述离子镀膜源及溅射镀膜源的中心线重叠，以同时在待镀膜基板的不同表面形成透明导电氧化物薄膜；或者所述离子镀膜源及溅射镀膜源的中心线错开且平行，以依次在待镀膜基板的不同表面形成透明导电氧化物薄膜。
3.根据权利要求1所述的用于制作透明导电氧化物薄膜的镀膜设备，其特征在于：所述待镀膜基板用于制作半导体光电转换器件或者薄膜硅/晶体硅异质结双面太阳能电池器件。
4.根据权利要求1所述的用于制作透明导电氧化物薄膜的镀膜设备，其特征在于：利用所述离子镀膜源形成的透明氧化物薄膜与利用所述溅射镀膜源形成的透明氧化物薄膜的材料相同或者不同。
5.根据权利要求1所述的用于制作透明导电氧化物薄膜的镀膜设备，其特征在于：所述离子镀膜源及溅射镀膜源设于所述真空设备的同一真空腔室内；或者所述离子镀膜源及溅射镀膜源设于所述真空设备的两个独立的真空腔室内，且这两个独立的真空腔室通过隔板阀分开。
6.根据权利要求1所述的用于制作透明导电氧化物薄膜的镀膜设备，其特征在于：所述离子镀膜源包括反应性等离子体沉积离子镀膜源及电子束蒸镀离子镀膜源中的一种或多种；所述溅射镀膜源包括平面靶磁控溅射镀膜源、旋转靶磁控溅射镀膜源及对向靶材磁控溅射镀膜源中的一种或多种，且包括直流溅射镀膜源及交流溅射镀膜源中的一种或多种；所述交流溅射镀膜源包括交流脉冲溅射镀膜源及射频交流溅射镀膜源中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的用于制作透明导电氧化物薄膜的镀膜设备，其特征在于：所述透明导电氧化物薄膜的材料包括掺锡氧化铟、掺铝氧化铟、掺钨氧化铟、掺钛氧化铟、掺铯氧化铟、掺铝氧化锌、掺镓氧化锌及掺铝镓氧化锌中的一种或多种。
8.一种镀膜方法，其特征在于：在不暴露大气的条件下，利用集成于同一台真空设备中的离子镀膜源及溅射镀膜源对待镀膜基板进行镀膜，在所述待镀膜基板表面形成透明导电氧化物薄膜或透明导电氧化物薄膜叠层结构，其中，同时或者依次利用离子镀膜源、溅射镀膜源在所述待镀膜基板的不同表面进行镀膜，其中，所述离子镀膜源位于所述待镀膜基板的正面的下方，所述溅射镀膜源位于所述待镀膜基板的背面的上方，在不翻转所述待镀膜基板的条件下，分别在所述待镀膜基板的不同表面得到透明导电氧化物薄膜或者透明导电氧化物薄膜叠层结构。
9.根据权利要求8所述的镀膜方法，其特征在于：依次利用交流溅射镀膜源、直流溅射镀膜源在所述待镀膜基板的同一表面进行镀膜，得到透明导电氧化物薄膜叠层结构。
10.根据权利要求8所述的镀膜方法，其特征在于：依次利用对向靶材磁控溅射镀膜源、平面靶磁控溅射镀膜源或旋转靶磁控溅射镀膜源在所述待镀膜基板的同一表面进行镀膜，得到透明导电氧化物薄膜叠层结构。
11.根据权利要求8所述的镀膜方法，其特征在于：利用所述离子镀膜源形成的透明氧化物薄膜与利用所述溅射镀膜源形成的透明氧化物薄膜的材料相同或者不同。
12.根据权利要求8所述的镀膜方法，其特征在于：所述待镀膜基板用于制作半导体光电转换器件或者薄膜硅/晶体硅异质结双面太阳能电池器件。
13.根据权利要求8所述的镀膜方法，其特征在于：所述离子镀膜源及溅射镀膜源设于所述真空设备的同一真空腔室内；或者所述离子镀膜源及溅射镀膜源设于所述真空设备的两个独立的真空腔室内，且这两个独立的真空腔室通过隔板阀分开。
14.根据权利要求8所述的镀膜方法，其特征在于：所述离子镀膜源包括反应性等离子体沉积离子镀膜源及电子束蒸镀离子镀膜源中的一种或多种；所述溅射镀膜源包括平面靶磁控溅射镀膜源、旋转靶磁控溅射镀膜源及对向靶材磁控溅射镀膜源中的一种或多种，且包括直流溅射镀膜源及交流溅射镀膜源中的一种或多种；所述交流溅射镀膜源包括交流脉冲溅射镀膜源及射频交流溅射镀膜源中的一种或多种。
15.根据权利要求8所述的镀膜方法，其特征在于：所述透明导电氧化物薄膜的材料包括掺锡氧化铟、掺铝氧化铟、掺钨氧化铟、掺钛氧化铟、掺铯氧化铟、掺铝氧化锌、掺镓氧化锌及掺铝镓氧化锌中的一种或多种。
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