CN110581074A - 薄膜太阳能电池的组合蒸发和溅射工具 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于薄膜太阳能电池的组合蒸发和溅射工具。一种用于将光伏(PV)材料沉积到柔性衬底上的系统可以包括真空室，该真空室包括蒸发区和溅射区，使得柔性衬底可以通过真空室从放出辊传送到卷取辊。PV膜可以通过在蒸发区中的加热泻流源和在溅射区中的溅射来沉积到柔性衬底上。在一些例子中，加热台被使用来在进入区之一内之前清洁衬底。在一些例子中，硒回收反应器用于冷凝过量的硒以用于随后的去除。

Description

薄膜太阳能电池的组合蒸发和溅射工具
介绍
光伏领域通常涉及将阳光直接转换成DC电功率的多层材料。这种转换的基本机制是由Antoine-César Becquerel于1839年首次观察到并由爱因斯坦在他被授予诺贝尔物理学奖的1905年的开创性科学论文中首次被正确描述的光伏效应。在美国，光伏(PV)设备通俗地被称为太阳能电池或PV电池。太阳能电池通常被配置为p型和n型半导体的协作夹层结构(sandwich)，其中(在夹层结构的一“侧”上)n型半导体材料呈现过量的电子，而(在夹层结构的另一“侧”上)p型半导体材料呈现过量的空穴，每个空穴表示不存在电子。在这两种材料之间的p-n结附近，来自n型层的价电子移动到p型层中的相邻空穴中，在太阳能电池内部产生小的电不平衡。这导致了在形成电子p-n结的冶金结(metallurgical junction)附近的电场。
当入射光子将电池中的电子激发到导带(conduction band)中时，被激发的电子变成从半导体的原子释放，产生自由电子/空穴对。因为如上所述，p-n结在结附近产生电场，所以以这种方式在结附近产生的电子/空穴对趋向于与结分离并移动远离结，其中电子朝着在结的n型侧上的电极移动，且空穴朝着在结的p型侧上的电极移动。这在电池中产生总的电荷不平衡，使得如果在电池的两侧之间提供外部导电路径，电子将沿着外部路径从n型侧移动回到p型侧，产生电流。实际上，可以通过覆盖表面的一部分的导电网格从n型侧的表面处或附近收集电子，同时仍然允许入射光子充分进入电池内。
当适当定位的电触头被包括并且电池(或一系列电池)被包含到闭合电路中时，这种光伏结构形成工作的光伏设备。作为独立设备，单个常规太阳能电池不足以为大多数应用供电。因此，太阳能电池通常通过将一个电池的正面连接到另一个电池的背面而被布置成PV模块或“串”，从而电串联地将单独电池的电压相加在一起。通常，相当大数量的电池串联连接以实现可用电压。然后，因而得到的DC电流可以通过逆变器被馈送，在逆变器中它被转换成在适当频率处的AC电流，该频率被选择以匹配由传统电网提供的AC电流的频率。在美国，这个频率是60赫兹(Hz)，且大多数其他国家提供在50Hz或60Hz处的AC功率。
为商业用途开发的一种特定类型的太阳能电池是“薄膜”PV电池。与其他类型的PV电池例如晶体硅PV电池相比，薄膜PV电池需要较少的光吸收半导体材料来产生工作电池，且因此可以降低处理成本。基于薄膜的PV电池还通过对电极层采用先前开发的沉积技术来提供降低的成本，其中类似的材料在薄膜工业中广泛用于保护、装饰和功能涂层。低成本商业薄膜产品的常见例子包括在基于聚合物的食品包装上的不透水涂层、在建筑玻璃上的装饰涂层、在住宅和商业玻璃上的低辐射热控涂层以及在眼镜上的划痕和抗反射涂层。采用或修改在这些其他领域中开发的技术允许PV电池薄膜沉积技术的开发成本的减少。
此外，薄膜电池表现出高于20％的效率，其比得上或超过最有效的晶体电池的效率。特别是，半导体材料铜铟镓硒(CIGS)是稳定的，具有低毒性，并且真正是薄膜，在工作的PV电池中需要小于2微米的厚度。因此，迄今为止，CIGS似乎展示了对高性能、低成本薄膜PV产品和因而对渗透的大功率发电市场的最大潜力。薄膜PV技术的其他半导体变形包括铜铟硒、铜铟硫、铜铟铝硒和碲化镉。
概述
本公开提供了与光伏材料到柔性衬底上的沉积相关的系统、装置和方法。
在一些实施例中，用于将光伏材料沉积到柔性衬底上的装置可以包括：由外壁限定的真空室；设置在真空室的第一部分中的一系列加热泻流(effusion)源；设置在真空室的第二部分中的溅射装置；以及由放出辊(payout roll)、卷取辊(takeup roll)和一系列辊限定在外壁内的卷材(web)运送路径，该卷材运送路径被配置成靠近该系列加热泻流源和溅射装置而将柔性衬底从放出辊传送到卷取辊。
在一些实施例中，用于将光伏材料沉积到柔性衬底上的装置可以包括：由外壁限定的真空室；设置在真空室的第一部分中的一系列加热泻流源，该系列加热泻流源包括氟化钠源、铜源、铟源和镓源，其中真空室的第一部分被配置为保持在第一真空水平处；设置在真空室的第二部分中的硫化镉溅射装置，其中真空室的第二部分被配置为保持在不同于第一真空水平的第二真空水平处；以及由放出辊、卷取辊和一系列辊限定在真空室内的卷材运送路径，该卷材运送路径被配置成靠近该系列加热泻流源和硫化镉溅射装置而将柔性衬底从放出辊传送到卷取辊。
在一些实施例中，一种用于将光伏材料沉积到柔性衬底上的方法可以包括：沿着在由外壁限定的真空室内的连续的卷材运送路径传送柔性衬底，该卷材运送路径由一系列辊引导从放出辊通过到卷取辊；当在卷材运送路径上时将柔性衬底暴露于一种或更多种材料羽流(plume)，该一种或更多种材料羽流由设置在真空室的第一部分中的一个或更多个相应的加热泻流源产生；以及当在卷材运送路径上时将柔性衬底暴露于溅射装置，该溅射装置设置在真空室的第二部分中。
特征、功能和优点可以在本公开的各种实施例中独立实现，或者可以在又一些其他实施例中组合，实施例的另外的细节可以参考下面的描述和附图被看到。
附图说明
图1是根据本公开的方面的用于制造薄膜PV电池的说明性卷对卷(reel to reel)系统的示意图。
图2是图1的系统的说明性实施例的等距剖视图。
图3是图2的系统的溅射区的放大等距视图。
图4是图2的系统的第一加热台的放大等距视图。
图5是图2的系统的第二加热台的放大等距视图。
图6是适合于供图1和图2的系统使用的说明性硒回收反应器的等距视图。
图7是图6的设备的立面剖视图。
详细描述
在下面描述并在相关附图中示出用于使用组合溅射和蒸发工具来将光伏材料沉积到柔性衬底上的系统和方法的各种方面和例子。除非另有规定，根据本教导的组合溅射和蒸发工具和/或它的各种部件可以但不要求包含在本文描述、示出和/或合并的结构、部件、功能和/或变形中的至少一个。此外，除非特别排除，结合本教导在本文描述、示出和/或合并的过程步骤、结构、部件、功能和/或变形可以被包括在其他类似的设备和方法中，包括在所公开的实施例之间可互换。各种例子的下面的描述本质上仅仅是说明性的，且决不意欲限制本公开、它的应用或使用。另外，由下面所述的例子和实施例提供的优点本质上是说明性的，且并非所有例子和实施例都提供相同的优点或相同程度的优点。
本详细描述包括紧接着在下面跟随的下列章节：(1)定义；(2)综述；(3)例子、部件和替代方案；(4)优点、特征和益处；以及(5)结论。例子、部件和替代方案章节进一步分为子章节A到D，每个子章节被相应地标记。
定义
下面的定义在本文适用，除非另有指示。
“大体上”意指或多或少地符合特定的尺寸、范围、形状、概念或由该术语修饰的其他方面，使得特征或部件不需要精确地符合。例如，“大体上圆柱形的”的物体意味着该物体类似于圆柱体，但可能具有偏离真实圆柱体的一个或更多个偏差。
“包括(Comprising)”、“包括(including)”和“具有”(及其词形变化)可互换地使用来意指包括但不一定限于，并且是不意欲排除额外的、未详述的元件或方法步骤的开放式术语。
诸如“第一”、“第二”和“第三”的术语用于区分或识别一组的各种成员或类似物，且并不意欲显示序列或数字限制。
“亦称(AKA)”意指“也被称为”，且可以用来指示关于一个或更多个给定元素的替代或相应术语。
“耦合”意指永久地或可释放地连接，无论是直接地还是通过介入部件间接地连接，并且不一定限于物理连接。
综述
总的来说，本公开涉及用于在薄膜PV电池例如CIGS电池的制造中将光伏材料沉积到柔性衬底上的系统和方法。在薄金属箔(例如不锈钢)上的典型的辊对辊(roll-to-roll)沉积方案中，常常首先引入钠(通常来自NaF)的源。可以使用热蒸发方法来应用NaF。类似地，也在真空环境中使用热蒸发来应用接下来的其他元素——铜(Cu)、铟(In)和镓(Ga)。常常使用真空反应共蒸发工艺来沉积Cu、In和Ga，其中硒(Se)的明显过量或过压(overpressure)被保持在生长的膜上。通常，在这些材料的沉积之后，在单独的工具中执行的湿涂覆过程中施加硫化镉(CdS)。
与已知工具和系统的两步骤方法相比，本公开教导用于将CIGS沉积到在公共真空室内的柔性衬底上的组合蒸发和溅射工具。在一些例子中，组合工具包括多区、基于热的杂质控制和/或硒控制系统。这些部件中的每一个以及相关的方法在下面被进一步详细地描述。
例子、部件和替代方案
下面的章节描述了示例性组合蒸发和溅射工具以及相关系统和/或方法的选定方面。在这些章节中的例子旨在进行说明，而不应被解释为限制本公开的整个范围。每个章节可以包括一个或更多个不同的实施例或例子和/或上下文或相关信息、功能和/或结构。
A.说明性组合蒸发和溅射工具
如图1-3所示，该章节描述了用于在薄膜PV电池的制造中使用的说明性组合蒸发和溅射工具10。工具10是在上面的综述中描述的组合工具的例子。
图1是工具10的示意图。图2为工具10的说明性实施例的剖视图。图3是图2的实施例的溅射部分的放大视图。
如在图1中描绘的，柔性衬底12(亦称卷材)从放出辊14行进到卷取辊16，行进穿过在两个辊之间的一系列沉积区域或区，所有这些都被包含在具有外壁20的公共真空室18中。具体地，蒸发区22具有包括使用热蒸发的NaF沉积的第一区域24以及包括铜、镓和铟的蒸汽输送的Cu/In/Ga沉积区域26。沉积区域26包括用于产生从这三种材料得到的蒸汽的羽流的加热泻流源28。这些泻流源中的每一个都可以包括被配置成产生蒸汽羽流的任何合适的装置。例如，泻流源可以包括：(1)外部热控屏蔽件；(2)包含相关的熔融铜、镓或铟的船形器皿(boat)、储器或坩埚(crucible)；(3)盖，其覆盖相关的壳体和储器，并且包含每坩埚一个或更多个蒸汽-喷射喷嘴(或泻流口)以帮助产生蒸汽羽流；以及(4)位于泻流口附近或与泻流口整体地形成的加热器。例如在美国专利号8,202,368中描述了泻流源的合适的例子。
在蒸发区22之后，衬底12行进到溅射区30，在该溅射区中溅射设备32将CdS沉积到衬底12上。CdS(在同一真空系统中)被沉积以在卷材上形成缓冲层或异质结层。溅射设备32可以包括任何合适的装置，其被配置为由于高能气体离子对目标材料的轰击而将CdS颗粒从固体目标材料喷射到衬底12上。例如，可以利用具有一个或更多个CdS目标的一个或更多个双磁控管组件。
尽管真空存在于整个室18中，但是内部真空隔离壁被包括以将室分开，使得不同水平的真空和/或温度或者不同的气体种类可以被保持在不同的子室中。具体而言，第一内部真空隔离壁34使放出辊和卷取辊与蒸发区22和溅射区30分开。第二内部真空隔离壁36使蒸发区22与溅射区30分开。壁34和36在图1中被示意性地描绘，并且可以包括任何数量的多个壁部分、布置、间断等。在衬底12需要穿过内部真空隔离壁之一的每个位置处，传导(conductance)槽(即，传导槽38A、38B、38C和38D)可以被包括以允许衬底12从室18的一部分传输到另一部分。传导槽38A-38D(亦称传导限制物)被配置为限制气体原子从一侧到另一侧的有效移动。通常，用于在蒸发区22中蒸发的高真空通常小于约0.001帕斯卡(Pa)，而用于在溅射区30中溅射的较低真空通常为约1Pa。
已知的工艺需要用于Cu、In和Ga沉积的真空和用于CdS沉积的湿涂覆工艺使得必须使用单独的工具。这也导致在涂覆步骤之间的空气暴露，这导致在CIGS表面上的污染或氧化物的形成，污染或氧化物(a)难以去除，以及(b)降低太阳能电池转换效率。根据本教导的沉积工具在真空环境中组合了两个沉积步骤，从而消除了氧化物层的形成并导致更高的转换效率。
标准两步骤工艺(即真空沉积然后湿涂覆)也可能需要重绕卷材，引起潜在的机械损坏。在本公开的系统中，在两个涂覆步骤之间没有机械地接触表面的情况下形成p-n结。这避免在施加CdS涂层之前机械地损坏易损的CIGS表面。
在标准两步骤工艺中，两个单独的涂覆步骤因需要卷材的两个单独的趟次(pass)以接收两个涂层而增加生产周期时间。在单趟次的情况下将两个涂覆步骤组合成一个工具缩短了生产周期时间。此外，当需要两个单独的CIGS和CdS过程时，很难或不可能获得关于p-n结的质量的过程内信息。然而，当p-n结在单趟次期间在一个工具中形成时，结质量的原位诊断可用于主动提供关于产品的质量的反馈控制。
继续参考图1，多区杂质控制可以合并到工具10中以使在一些区域或区中某些元素的选择性包含成为可能，同时在同一真空系统内的其他区域中排除那些元素。具体地，加热台可以与一个或更多个选定传导槽组合地安装并紧邻一个或更多个选定传导槽安装，以有意地从生长表面去除不希望有的物质并进一步防止在随后的沉积步骤中例如通过水蒸汽或Se的解吸来重新引入杂质。在这个例子中，热由紧挨在蒸汽隔离传导槽38A前面的加热台40和紧接在槽38C之后的加热台42施加。关于传导槽38A，热由加热台40施加以在衬底12通过传导限制物以进行NaF沉积之前立即从卷材解吸水。关于传导槽38C，衬底12刚刚离开蒸发区22的包括Se蒸汽的一部分。通过加热台42的附近的加热元件来从衬底清除掉过量冷凝的Se，且然后衬底进入传导隔离的溅射设备32内以用于CdS沉积。
CIGS是一种薄膜PV半导体材料系统，其是柔性的(例如，从带隙和组成方面来说)，并且是坚固的(例如，给出良好的太阳能电池性能，尽管多晶结构存在晶界和缺陷)。然而，当杂质和界面条件被控制和/或改善时，获得增加的效率。在大不相同的真空环境中沉积大不相同的化合物的方法中，在不同的界面处保持最佳的条件和纯度变得很难。例如，在目前描述的薄金属箔上的辊对辊沉积方案中，例如使用热蒸发来首先引入钠源。在NaF沉积期间额外水蒸汽的存在可能是有问题的，例如干扰在界面处的粘附特性或减小NaF沉积速率。
可以通过其中含钠化合物被施加同时排除Se和H2O的连续的阶段来增强具有CdS层的高质量CIGS的形成。如在图1中所描绘的，NaF沉积区域24可以通过内部真空隔离壁44与CIGS沉积区域26的Se隔离。NaF沉积阶段后面是在存在Se过压的情况下Cu、In、Ga、其他金属以及可能碱性化合物的受控沉积，以及后面再次是CdS沉积，其需要去除作为蒸汽或冷凝固体的Se。对于关于多区杂质控制系统的额外细节和例子，见下文和章节B。
在钠沉积后，后续的CIGS形成包括在Cu、In和Ga沉积期间硒的过压。关于CdS溅射的特别关注的例子是在CdS沉积期间或之前由Se产生的残留污染的可能性。例如，这种污染可包括刚好在CdS生长之前在CIGS表面上的一层冷凝的Se。
再次参考图1，硒控制系统因此可以合并到工具10中以减少未反应的Se的负面影响。如上面所提到的，使用一种工艺来沉积Cu、In和Ga，在该工艺中，Se的明显过量或过压被维持在生长的膜上。在没有本文描述的Se控制系统的工具中，Se可以在真空室的整个相对大的体积中自由地流动，包括进入相关的真空泵内。这导致对Se的过量输送以维持在膜上的显著过压的需要。
如在图1和其他地方中所示的，本公开的工具将Se限制到在主真空室内部的较小区域(即，CIGS区域26)。蒸汽流限制物(即传导槽38B和38C)允许过量Se的逸出，同时将Se蒸汽限制到维持期望的Se过压和提高Se利用率的程度。在区域26内的Se压力可以是1至4毫托。
在标准CIGS沉积区域中必须除去的未反应的Se的体积很高，且可以使用真空泵被处理。涡轮分子泵、扩散泵、旋转叶片泵和其他真空泵能够排出Se蒸汽。然而，这可能导致泵或泵油的Se污染，并且泵可能因必须去除的Se的体积而无法承受。
为了解决这个问题，本公开的工具10可以包括硒回收反应器46。相应的硒回收反应器46可以与每个泻流源28相关联。硒回收反应器46包括在高温外壳中的封闭的泻流源以及非常接近开口的一个或更多个主动冷却的表面(例如，小于约50℃)，该开口控制逸出的Se蒸汽。逸出反应区的Se蒸汽被冷凝成在冷却表面上的固体Se，有效地通过冷凝被泵送。冷凝的固体Se可以随后被机械地去除，例如用于进一步处理和/或再循环。对于关于硒回收反应器46的实施例的额外描述，见章节C。
图2和图3描绘了作为上述工具10的例子的组合蒸发和溅射工具100的方面。除非另有指示，工具100的元件大体上与关于工具10的相应元件描述的一样。图2是工具100的侧斜视图，使真空室104的外壁102的一部分被切掉以展示内部部件。实际上，外壁102大体上包围真空室104的全部。如关于工具10所述的，工具100包括都被包含在外壁102内的蒸发区106和溅射区108。图3是从装置的相对侧截取的工具的溅射区108的等距视图。描绘了没有硒回收反应器例如反应器46的工具100。然而，工具100可以包括一个或更多个硒回收反应器，并且适合于包含在工具100中的反应器46的例子在下面关于章节C被进一步描述。
继续参考图1和图2，衬底或卷材110从在工具100的上部子室114中的放出辊112馈给。张力和方向控制由沿着卷材110的路径的多个辊116促成。卷材110从上部子室114经由第一传导槽120穿过第一内壁118转移到蒸发区106内。在这个转移之前，卷材110通过第一加热台122。第一加热台122被配置成使水蒸汽从卷材去除，并且包括沿着卷材110的路径设置在衬底的相对面上的加热元件。见章节B。
蒸发区106的第一区域包括NaF蒸发区域124。如上所述，区域124通过第二内壁126与蒸发区106的其他区域隔离(例如，从区域124排除Se)。使用例如泵送技术，可以在蒸发区106的这个和其它区域中保持近似大约0.001Pa或更小的真空，同时在室104内的其它地方保持更低的真空水平。NaF蒸发区域124包括NaF源128，其被配置为当卷材110转移而经过源时通过喷射NaF羽流来沉积。在一些下面和周围的支撑结构被移除的情况下描绘这个和其他源。
卷材110然后继续通过在壁126中的第二传导槽130并经过布置在沉积区域134中的各种加热的铜、铟和镓泻流源132，大体上如关于工具10所述的一样。当在蒸发区106中时执行对卷材110和在其上的生长膜的质量相关分析可能是有益的。因此，一个或更多个设备可以沿着路径并相邻于卷材110设置。例如，如在图2中所描绘的，x射线荧光(XRF)设备136可以被包括在两个沉积区域之间，例如大致在区106的中途点处。XRF设备136可以包括被配置为执行XRF的非破坏性光谱分析以确定例如在卷材110上的膜的元素组成的任何合适的设备。
卷材110经由第三传导槽138穿过内壁118继续前进。如上所述，卷材110暴露于蒸发区106中的硒。过量的Se在进入溅射区108之前使用设置在蒸发区的出口处的第二加热台140来从卷材被去除。如同第一加热台122一样，相邻于卷材110的表面设置相对的加热元件。见章节B。
卷材110然后继续进入溅射区108内，溅射区108在主室104内被保持在大约1Pa。溅射区108包括溅射装置142，其可以包括被配置为使用溅射工艺将CdS沉积到卷材110上的任何合适的设备。现在参考图3，卷材110通过第四传导槽144(亦称进给槽)进入装置142内。在这个例子中，一对顺序的双磁控管组件146、148被容纳在外壳150中，并被内部隔板152分离。外壳150可以包括被配置为保持足够的溅射气体压力并防止室104的其他部分被CdS污染的任何合适的壳体。该溅射区以及其他选定区可以被独立地泵送，提供由传导狭缝限制的气体的排空。
在该例子中，组件146和148每个对应于两个5英寸×52英寸的CdS目标，并且使用相应的双极脉冲DC电源来运行。隔板152促使针对每个组件的单独的压力和气体混合物。当一种或更多种气体(例如氩、O2和/或H2)被连续引入以促进溅射过程时，在溅射目标周围的区域被保持在中度真空。使用第一气体歧管154和第二气体歧管156来将气体馈送到隔板的每一侧内。装置142还包括被配置成防止电流穿过在卷材110上的膜的相应对的阳极棒158。被配置为在溅射区108中保持适当温度的加热器160可以耦合到外壳150的背板或与外壳150的背板集成在一起。
卷材110通过第五传导槽162(亦称出料槽)离开溅射区108。在改变上部室114内的辊116之一的方向之后，卷材经过第二XRF设备164，其被配置为在CdS溅射之后再次对卷材110执行质量分析。根据需要，可以在第二XRF设备164之前或之后包括额外的计量166和监控。然后将卷材卷绕到卷取辊168上，用于运送和/或进一步处理。上检修门170可以位于放出辊和卷取辊上方，以便于例如使用起重机或其他提升设备来装载和卸载辊。
B.说明性加热系统
如图4-图5所示，该章节描述了工具100的加热台122和140。在图4中，加热台122包括相邻于卷材110的前表面174设置的第一蛇形加热元件172和相邻于卷材的后表面178设置的第二蛇形加热元件176。加热元件172和176被配置成将局部温度升高到当卷材110经过时水蒸汽将从卷材110蒸发的水平。第一内壁118在加热台122之后围绕辊116弯曲，使得辊116遮挡大部分第一传导槽120，并且卷材110以一角度穿过在辊下方的槽。
在图5中，加热台140包括第三蛇形加热元件，其包括相邻于卷材110的前表面174设置的第一蛇形加热元件180和相邻于卷材的后表面178设置的第二蛇形加热元件182。加热元件180和182被配置成将局部温度升高到当卷材110经过时Se蒸汽将从卷材110被清除的水平(例如，高达大约400℃)。
尽管加热台122和140在图2和图3中被描绘，但是更多或更少(包括零)的加热台可以存在。在一些例子中，一个或更多个加热台可以耦合到工具100的其他部件或者集成到工具100的其他部件中。例如，加热台可以集成到溅射区的外壳150的隔离部分中。
C.说明性硒控制系统
如图6-图7所示，该章节描述了说明性硒回收反应器200。硒回收反应器200是上面所述的硒回收反应器46的例子。
图6是Se回收反应器200的等距视图，以及图7是反应器200的端部立面剖视图。每个这样的反应器被放置在卷材110的路径中，卷材110穿过相邻于加热器204的上部加热器外壳202。源(例如Cu、Ga、In)206被包含在卷材下方的封闭外壳208中。封闭外壳208还包含通常在1至4毫托的压力下的Se气体210。
反应器200还包括横向冷凝器212和214。每个横向冷凝器包括导向结构216和一个或更多个冷却的冷凝表面218。Se气体210通过在卷材110的侧面上的间隙离开封闭外壳208，并由结构216引导至冷凝表面。由于冷凝结构218的相对非常低的温度，Se蒸汽冷凝并凝固。尽管其他材料也可以是合适的，但是在该例子中的冷凝结构218包括不锈钢，因为该材料相对于Se是不起反应的，并且具有合适的传导性以促进冷凝。在一些例子中，冷凝结构218被冷却到小于大约25℃。在一些例子中，冷凝结构218被冷却到小于约50℃。冷凝的固体Se可以被机械地去除。小心防止Se层变得太厚，使得冷凝被延迟。例如，固体Se层可以保持小于约1-2mm。
D.说明性组合和附加例子
本章节描述了用于使用组合溅射和蒸发工具来将半导体膜沉积到柔性衬底上的系统和方法的额外方面和特征，其没有限制地被呈现为一系列段落，一些或所有段落可为了清楚和效率而用字母数字表示。这些段落中的每一个可以以任何合适的方式与一个或更多个其他段落和/或与来自本申请中的其他地方的公开内容组合。下面的一些段落明确地引用并进一步限制其他段落，没有限制地提供一些合适的组合的例子。
A0.一种用于将光伏材料沉积到柔性衬底上的装置，该装置包括：
真空室，其由外壁限定；
一系列加热泻流源，其设置在真空室的第一部分中；
溅射装置，其设置在真空室的第二部分中；以及
卷材运送路径，其由放出辊、卷取辊和一系列辊限定在外壁内，该卷材运送路径被配置成靠近该系列加热泻流源和溅射装置而将柔性衬底从放出辊传送到卷取辊。
A1.根据A0所述的装置，还包括设置在真空室内并使真空室的第一部分与真空室的第二部分分离的第一内壁。
A2.根据A1所述的装置，还包括穿过第一内壁的一个或更多个传导槽，该一个或更多个传导槽中的每一个被配置成允许柔性衬底传输，同时限制气体的连通。
A3.根据A0所述的装置，其中在真空室的第一部分中的第一真空水平显著高于在真空室的第二部分中的第二真空水平。
A4.根据A0所述的装置，还包括在放出辊之后和在进入真空室的第一部分内之前相邻于卷材运送路径设置的第一加热台，其中第一加热台被配置成将柔性衬底加热到足以蒸发水蒸汽的水平。
A5.根据A0所述的装置，还包括在真空室的第一部分之后和在第二部分之前相邻于卷材运送路径设置的第二加热台，其中第二加热台被配置成将柔性衬底加热到足以从柔性衬底清除掉硒的水平。
A6.根据A5所述的装置，其中第二加热台被配置成将柔性衬底加热到大约400摄氏度。
A7.根据A0所述的装置，还包括一个或更多个硒回收反应器，一个或更多个硒回收反应器中的每一个包括容纳硒气体和加热泻流源中的一个的外壳，其中外壳耦合到包括冷凝表面的硒冷凝器，该冷凝表面主动冷却到足以冷凝硒气体的水平。
A8.根据A7所述的装置，其中冷凝表面包括不锈钢。
A9.根据A7所述的装置，其中冷凝表面被主动冷却到小于大约50摄氏度。
A10.根据A9所述的装置，其中冷凝表面被主动冷却到小于大约25摄氏度。
A11.根据A7所述的装置，其中卷材运送路径穿过一个或更多个硒回收反应器。
A12.根据A0所述的装置，其中该系列加热泻流源被配置成将铜、铟和镓沉积到柔性衬底上。
A13.根据A0所述的装置，其中溅射装置被配置成沉积硫化镉。
B0.一种用于将光伏材料沉积到柔性衬底上的装置，该装置包括：
真空室，其由外壁限定；
一系列加热泻流源，其设置在真空室的第一部分中，该系列加热泻流源包括氟化钠源、铜源、铟源和镓源，其中真空室的第一部分被配置为保持在第一真空水平处；
硫化镉溅射装置，其设置在真空室的第二部分中，其中真空室的第二部分被配置为保持在不同于第一真空水平的第二真空水平处；以及
卷材运送路径，其由放出辊、卷取辊和一系列辊限定在真空室内，该系列辊被配置成靠近该系列加热泻流源和溅射装置而将柔性衬底从放出辊传送到卷取辊。
B1.根据B0所述的装置，还包括设置在真空室内并使真空室的第一部分与真空室的第二部分分离的第一内壁。
B2.根据B1所述的装置，还包括穿过第一内壁的一个或更多个传导槽，该一个或更多个传导槽中的每一个被配置成允许柔性衬底传输，同时限制气体的连通。
B3.根据B0所述的装置，其中第一真空水平显著高于第二真空水平。
B4.根据B3所述的装置，其中第一真空水平不大于约0.001帕斯卡，以及第二真空水平为约1帕斯卡。
B5.根据B0所述的装置，还包括在放出辊之后和在进入真空室的第一部分内之前相邻于卷材运送路径设置的第一加热台，其中第一加热台被配置成将柔性衬底加热到足以蒸发水蒸汽的水平。
B6.根据B0所述的装置，还包括在真空室的第一部分之后和在第二部分之前相邻于卷材运送路径设置的第二加热台，其中第二加热台被配置成将柔性衬底加热到足以从柔性衬底清除掉硒的水平。
B7.根据B6所述的装置，其中第二加热台被配置成将柔性衬底加热到大约400摄氏度。
B8.根据B0所述的装置，还包括一个或更多个硒回收反应器，一个或更多个硒回收反应器中的每一个包括容纳硒气体和加热泻流源中的一个的外壳，其中外壳耦合到包括冷凝表面的硒冷凝器，该冷凝表面主动冷却到足以冷凝硒气体的水平。
B9.根据B8所述的装置，其中冷凝表面包括不锈钢。
B10.根据B8所述的装置，其中冷凝表面被主动冷却到小于大约50摄氏度。
B11.根据B10所述的装置，其中冷凝表面被主动冷却到小于大约25摄氏度。
B12.根据B8所述的装置，其中卷材运送路径穿过一个或更多个硒回收反应器。
C0.一种用于将光伏材料沉积到柔性衬底上的方法，该方法包括：
沿着在由外壁限定的真空室内的连续的卷材运送路径传送柔性衬底，卷材运送路径由一系列辊引导而从放出辊通过到卷取辊；
当在卷材运送路径上时将柔性衬底暴露于一种或更多种材料羽流，一种或更多种材料羽流由设置在真空室的第一部分中的一个或更多个相应的加热泻流源产生；以及
当在卷材运送路径上时将柔性衬底暴露于溅射装置，溅射装置设置在真空室的第二部分中。
C1.根据C0所述的方法，还包括：
将真空室的第一部分保持在比真空室的第二部分更高的真空下。
C2.根据C1所述的方法，其中真空室的第一部分保持在小于约0.001帕斯卡处，以及真空室的第二部分保持在约1帕斯卡处。
C3.根据C0所述的方法，其中柔性衬底包括不锈钢箔。
C4.根据C0所述的方法，还包括：
在真空室的第一部分内保持硒(Se)的过压；以及
通过将选定表面主动冷却至小于约50摄氏度来冷凝过量的Se。
C5.根据C4所述的方法，其中选定表面相邻于一个或更多个加热泻流源，并且包括不锈钢。
C6.根据C0所述的方法，还包括使柔性衬底通过在真空室的第一部分之后的加热台；以及将柔性衬底加热到足以从柔性衬底去除Se的温度。
C7.根据C6所述的方法，其中柔性衬底被加热到大约400摄氏度。
C8.根据C0所述的方法，还包括在使柔性衬底进入真空室的第一部分内之前加热柔性衬底以去除水蒸汽。
C9.根据C0所述的方法，其中真空室的第一部分通过内壁与真空室的第二部分分离，内壁具有在其中形成的传送槽。
优点、特征和益处
本文描述的组合蒸发和溅射工具的不同实施例和例子提供了优于已知解决方案的几个优点。例如，本文描述的说明性实施例和例子允许薄膜PV材料的沉积，而不需要在CdS步骤和Cu/In/Ga步骤之间的空气暴露。因此，防止了污染或氧化物层的形成，并且可以经历更高的转换效率。
此外，除了其他益处之外，本文描述的说明性实施例和例子还形成p-n结，而不在两个涂覆步骤之间机械地接触表面。这避免了在CdS涂层被施加之前机械地损坏易损的CIGS表面。
此外，除了其他益处之外，本文描述的说明性实施例和例子还通过在一个工具中组合两个涂覆步骤来缩短生产周期时间。
此外，除了其他益处之外，本文描述的说明性实施例和例子还允许对结质量的原位诊断以主动提供关于产品的质量的反馈控制。
此外，除了其他益处之外，本文描述的说明性实施例和例子还通过包括多区杂质控制(例如，加热台以从卷材中蒸发水蒸汽和/或Se)来提供改善的质量。
此外，除了其他益处之外，本文描述的说明性实施例和例子还通过使用一个或更多个硒回收反应器使Se冷凝来减少未反应的Se的负面影响。
此外，除了其他益处之外，本文所述的说明性实施例和例子还通过在同一真空室中包括两个涂覆步骤来避免在操作之间的真空泵送装载锁的机械复杂性。
没有已知的系统或设备可以执行这些功能。然而，并非本文描述的所有实施例和例子都提供相同的优点或相同程度的优点。
结论
上面阐述的本公开可包括具有独立效用的多个不同的例子。虽然这些例子中的每个在其优选形式中被公开，但如在本文公开和示出的其特定实施例不应在限制性的意义上进行考量，因为很多变化是可能的。在章节标题在本公开中被使用的程度上，这样的标题仅用于组织目的。本公开的主题包括本文公开的各种要素、特征、功能和/或特性的所有新颖和非显而易见的组合和子组合。所附的权利要求特别指出被视为新颖和非显而易见的某些组合和子组合。特征、功能、要素和/或特性的其它组合和子组合可在要求本申请或相关申请的优先权的申请中被要求保护。不管在范围上是比原始权利要求更宽、更窄、相同还是不同，这样的权利要求也都被视为被包括在本公开的主题内。
本公开的方面可以在以下一个或更多个实施例中实现：
1)一种用于将光伏材料沉积到柔性衬底上的装置，所述装置包括：
真空室，其由外壁限定；
一系列加热泻流源，其设置在所述真空室的第一部分中，所述真空室的第一部分被保持在小于0.001帕斯卡的第一压力水平处；
溅射装置，其设置在所述真空室的第二部分中，所述真空室的第二部分被保持在大约1帕斯卡的第二压力水平处；
第一真空隔离壁，其使所述真空室的所述第一部分与所述真空室的所述第二部分分离；以及
卷材运送路径，其由放出辊、卷取辊和一系列辊限定在所述外壁内，所述卷材运送路径被配置成靠近所述一系列加热泻流源、通过在所述第一真空隔离壁中形成的第一传导槽并靠近所述溅射装置而将柔性衬底从所述放出辊传送到所述卷取辊。
2)根据1)所述的装置，其中所述外壁是使所述真空室与放出辊和卷取辊分离的第二真空隔离壁，所述放出辊和卷取辊被配置为通过在所述第二真空隔离壁中形成的相应的第二传导槽和第三传导槽将所述柔性衬底运送进入所述真空室内和从所述真空室运送出。
3)根据1)所述的装置，其中所述第二压力水平比所述第一压力水平大至少一千倍。
4)根据1)所述的装置，还包括在所述放出辊之后和在进入所述真空室的所述第一部分内之前相邻于所述卷材运送路径设置的第一加热台，其中所述第一加热台被配置成将所述柔性衬底加热到足以蒸发水蒸汽的水平。
5)根据1)所述的装置，还包括在所述真空室的所述第一部分之后和在所述第二部分之前相邻于所述卷材运送路径设置的第二加热台，其中所述第二加热台被配置成将所述柔性衬底加热到足以从所述柔性衬底清除掉硒的水平。
6)根据5)所述的装置，其中所述第二加热台被配置成将所述柔性衬底加热到大约400摄氏度。
7)根据1)所述的装置，还包括一个或更多个硒回收反应器，所述一个或更多个硒回收反应器中的每一个包括容纳硒气体和所述一系列加热泻流源中的一个加热泻流源的外壳，其中所述外壳耦合到包括冷凝表面的硒冷凝器，所述冷凝表面被主动冷却到足以冷凝所述硒气体的水平。
8)根据7)所述的装置，其中所述冷凝表面包括不锈钢。
9)根据7)所述的装置，其中所述冷凝表面被主动冷却到小于大约50摄氏度。
10)根据7)所述的装置，其中所述卷材运送路径穿过所述一个或更多个硒回收反应器。
11)一种用于将光伏材料沉积到柔性衬底上的装置，所述装置包括：
真空室，其由外壁限定；
一系列加热泻流源，其设置在所述真空室的第一部分中，所述一系列加热泻流源包括氟化钠源、铜源、铟源和镓源，其中所述真空室的所述第一部分被配置为保持在第一真空水平处；
硫化镉溅射装置，其设置在所述真空室的第二部分中，其中所述真空室的所述第二部分被配置为保持在不同于所述第一真空水平的第二真空水平处；
真空隔离壁，其设置在所述真空室的所述第一部分和第二部分之间，被配置为在所述真空室的所述第一部分和第二部分中保持不同的真空水平，并且包括第一传导槽；以及
卷材运送路径，其由放出辊、卷取辊和一系列辊限定在所述真空室内，所述卷材运送路径被配置成靠近所述一系列加热泻流源和所述硫化镉溅射装置并通过所述第一传导槽而将柔性衬底从所述放出辊传送到所述卷取辊。
12)根据11)所述的装置，其中所述第一真空水平对应于小于0.001帕斯卡的第一压力，并且所述第二真空水平对应于至少一千倍于所述第一压力的第二压力。
13)根据12)所述的装置，还包括第二传导槽，所述第二传导槽穿过所述外壁并被配置为允许所述柔性衬底传输，同时限制气体的连通。
14)根据11)所述的装置，还包括在所述放出辊之后和在进入所述真空室的所述第一部分内之前相邻于所述卷材运送路径设置的第一加热台，其中所述第一加热台被配置成将所述柔性衬底加热到足以蒸发水蒸汽的水平。
15)根据11)所述的装置，还包括在所述真空室的所述第一部分之后和在所述第二部分之前相邻于所述卷材运送路径设置的第二加热台，其中所述第二加热台被配置成将所述柔性衬底加热到足以从所述柔性衬底清除掉硒的水平。
16)根据11)所述的装置，还包括一个或更多个硒回收反应器，所述一个或更多个硒回收反应器中的每一个包括容纳硒气体和所述一系列加热泻流源中的一个加热泻流源的外壳，其中所述外壳耦合到包括不锈钢冷凝表面的硒冷凝器，所述不锈钢冷凝表面被主动冷却到足以冷凝所述硒气体的水平。
17)一种用于将光伏材料沉积到柔性衬底上的方法，所述方法包括：
沿着在由外壁限定的真空室内的连续的卷材运送路径传送柔性衬底，所述卷材运送路径由一系列辊引导从放出辊通过到卷取辊；
当所述柔性衬底在所述卷材运送路径上时将所述柔性衬底暴露于一种或更多种材料羽流，所述一种或更多种材料羽流由设置在所述真空室的第一部分中的一个或更多个相应的加热泻流源产生，所述真空室的所述第一部分被保持在小于0.001帕斯卡的第一压力处；
使所述柔性衬底穿过在真空隔离壁中形成的传导槽，所述真空隔离壁使所述真空室的所述第一部分与所述真空室的第二部分分离，所述真空室的所述第二部分被保持在大约1帕斯卡的第二压力处；以及
当所述柔性衬底在所述卷材运送路径上时将所述柔性衬底暴露于溅射装置，所述溅射装置设置在所述真空室的所述第二部分中。
18)根据17)所述的方法，还包括：
在所述真空室的所述第一部分内保持硒(Se)的过压；以及
通过将选定表面主动冷却至小于大约50摄氏度来冷凝过量的Se，其中所述选定表面相邻于所述一个或更多个相应的加热泻流源并且包括不锈钢。
19)根据17)所述的方法，还包括使所述柔性衬底通过在所述真空室的所述第一部分之后的加热台；以及将所述柔性衬底加热到足以从所述柔性衬底去除Se的温度。
20)根据17)所述的方法，还包括在使所述柔性衬底进入所述真空室的所述第一部分内之前加热所述柔性衬底以去除水蒸汽。

Claims (20)

1.一种用于将光伏材料沉积到柔性衬底上的装置，所述装置包括：
真空室，其由外壁限定；
一系列加热泻流源，其设置在所述真空室的第一部分中，所述真空室的第一部分被保持在小于0.001帕斯卡的第一压力水平处；
溅射装置，其设置在所述真空室的第二部分中，所述真空室的第二部分被保持在大约1帕斯卡的第二压力水平处；
第一真空隔离壁，其使所述真空室的所述第一部分与所述真空室的所述第二部分分离；以及
卷材运送路径，其由放出辊、卷取辊和一系列辊限定在所述外壁内，所述卷材运送路径被配置成靠近所述一系列加热泻流源、通过在所述第一真空隔离壁中形成的第一传导槽并靠近所述溅射装置而将柔性衬底从所述放出辊传送到所述卷取辊。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述外壁是使所述真空室与放出辊和卷取辊分离的第二真空隔离壁，所述放出辊和卷取辊被配置为通过在所述第二真空隔离壁中形成的相应的第二传导槽和第三传导槽将所述柔性衬底运送进入所述真空室内和从所述真空室运送出。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二压力水平比所述第一压力水平大至少一千倍。
4.根据权利要求1所述的装置，还包括在所述放出辊之后和在进入所述真空室的所述第一部分内之前相邻于所述卷材运送路径设置的第一加热台，其中所述第一加热台被配置成将所述柔性衬底加热到足以蒸发水蒸汽的水平。
5.根据权利要求1所述的装置，还包括在所述真空室的所述第一部分之后和在所述第二部分之前相邻于所述卷材运送路径设置的第二加热台，其中所述第二加热台被配置成将所述柔性衬底加热到足以从所述柔性衬底清除掉硒的水平。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述第二加热台被配置成将所述柔性衬底加热到大约400摄氏度。
7.根据权利要求1所述的装置，还包括一个或更多个硒回收反应器，所述一个或更多个硒回收反应器中的每一个包括容纳硒气体和所述一系列加热泻流源中的一个加热泻流源的外壳，其中所述外壳耦合到包括冷凝表面的硒冷凝器，所述冷凝表面被主动冷却到足以冷凝所述硒气体的水平。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述冷凝表面包括不锈钢。
9.根据权利要求7所述的装置，其中所述冷凝表面被主动冷却到小于50摄氏度。
10.根据权利要求7所述的装置，其中所述卷材运送路径穿过所述一个或更多个硒回收反应器。
11.一种用于将光伏材料沉积到柔性衬底上的装置，所述装置包括：
真空室，其由外壁限定；
一系列加热泻流源，其设置在所述真空室的第一部分中，所述一系列加热泻流源包括氟化钠源、铜源、铟源和镓源，其中所述真空室的所述第一部分被配置为保持在第一真空水平处；
硫化镉溅射装置，其设置在所述真空室的第二部分中，其中所述真空室的所述第二部分被配置为保持在不同于所述第一真空水平的第二真空水平处；
真空隔离壁，其设置在所述真空室的所述第一部分和第二部分之间，被配置为在所述真空室的所述第一部分和第二部分中保持不同的真空水平，并且包括第一传导槽；以及
卷材运送路径，其由放出辊、卷取辊和一系列辊限定在所述真空室内，所述卷材运送路径被配置成靠近所述一系列加热泻流源和所述硫化镉溅射装置并通过所述第一传导槽而将柔性衬底从所述放出辊传送到所述卷取辊。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述第一真空水平对应于小于0.001帕斯卡的第一压力，并且所述第二真空水平对应于至少一千倍于所述第一压力的第二压力。
13.根据权利要求12所述的装置，还包括第二传导槽，所述第二传导槽穿过所述外壁并被配置为允许所述柔性衬底传输，同时限制气体的连通。
14.根据权利要求11所述的装置，还包括在所述放出辊之后和在进入所述真空室的所述第一部分内之前相邻于所述卷材运送路径设置的第一加热台，其中所述第一加热台被配置成将所述柔性衬底加热到足以蒸发水蒸汽的水平。
15.根据权利要求11所述的装置，还包括在所述真空室的所述第一部分之后和在所述第二部分之前相邻于所述卷材运送路径设置的第二加热台，其中所述第二加热台被配置成将所述柔性衬底加热到足以从所述柔性衬底清除掉硒的水平。
16.根据权利要求11所述的装置，还包括一个或更多个硒回收反应器，所述一个或更多个硒回收反应器中的每一个包括容纳硒气体和所述一系列加热泻流源中的一个加热泻流源的外壳，其中所述外壳耦合到包括不锈钢冷凝表面的硒冷凝器，所述不锈钢冷凝表面被主动冷却到足以冷凝所述硒气体的水平。
17.一种用于将光伏材料沉积到柔性衬底上的方法，所述方法包括：
沿着在由外壁限定的真空室内的连续的卷材运送路径传送柔性衬底，所述卷材运送路径由一系列辊引导从放出辊通过到卷取辊；
当所述柔性衬底在所述卷材运送路径上时将所述柔性衬底暴露于一种或更多种材料羽流，所述一种或更多种材料羽流由设置在所述真空室的第一部分中的一个或更多个相应的加热泻流源产生，所述真空室的所述第一部分被保持在小于0.001帕斯卡的第一压力处；
使所述柔性衬底穿过在真空隔离壁中形成的传导槽，所述真空隔离壁使所述真空室的所述第一部分与所述真空室的第二部分分离，所述真空室的所述第二部分被保持在大约1帕斯卡的第二压力处；以及
当所述柔性衬底在所述卷材运送路径上时将所述柔性衬底暴露于溅射装置，所述溅射装置设置在所述真空室的所述第二部分中。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：
在所述真空室的所述第一部分内保持硒(Se)的过压；以及
通过将选定表面主动冷却至小于50摄氏度来冷凝过量的Se，其中所述选定表面相邻于所述一个或更多个相应的加热泻流源并且包括不锈钢。
19.根据权利要求17所述的方法，还包括使所述柔性衬底通过在所述真空室的所述第一部分之后的加热台；以及将所述柔性衬底加热到足以从所述柔性衬底去除Se的温度。
20.根据权利要求17所述的方法，还包括在使所述柔性衬底进入所述真空室的所述第一部分内之前加热所述柔性衬底以去除水蒸汽。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115011944B (zh) * 2022-08-10 2022-10-18 怡通科技有限公司 蒸发磁控溅射多用镀膜机

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