CN201758134U - 制备太阳能电池背电极膜层的装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开一种大规模工业在线生产非晶硅太阳能电池背电极连续镀膜装置。其特征在于在线装置包括中频磁控溅射真空镀膜室和直流磁控溅射真空联线镀膜装置，在其镀制电池背电极AZO透明氧化物膜层与金属膜层区域之间设有气体隔离装置，包括气体隔离室、真空泵组及隔离室两端真空门阀连接真空泵组抽气，保证隔离室内真空度达10-3Pa以下。该装置消除了“串气”效果明显，使背电极膜层具高强附着力，降低了生产成本。

Description

制备太阳能电池背电极膜层的装置 
技术领域
本实用新型公开一种制造太阳能电池背电极膜层的装置，特别是一种在线连续生产非晶硅太阳能电池背电极膜层的装置，属于太阳能技术领域。 
技术背景
太阳能电池是一种可再生能源产品，太阳能电池尤其薄膜型非晶硅太阳能电池，以廉价的玻璃为基底，几乎是材料和器件同时形成，能耗低。从生产的全过程到产品的回收，都不会对环境造成污染。实属低碳经济发展中的绿色节能环保产品。 
目前，非晶硅太阳能电池的关键问题在于进一步提高光电转换效率和改善电池稳定性。通常，非晶硅太阳能电池包括有源区或光电转换单元，和设置成前电极透明导电氧化物(TCO)膜层和背电极金属膜层。非晶硅太阳能电池是典型的薄膜型PV器件，具有一个或多个P-I-N结，P-I-N结又有同质结和异质结之分。每个P-I-N结或光电转换单元，都包括P型硅层(正极)，本征I型硅层(有源层)，N型硅层(负极)。一般在玻璃基板透明导电膜前电极或称窗口层上依次沉积P-I-N膜层，根据不同的工艺要求，可先沉积P层，也可逆向先沉积N膜层背电极。 
导电氧化物膜TCO/金属复合背反射电极不但可以使源层I光吸收增强，增大短路电流，提高转化效率，而且可以进一步减薄I层，改善电池稳定性。近年来，AZO/金属复合背电极结构已经被众多非晶硅薄膜太阳能电池厂家所采用并已经进入大规模工业生产阶段。关于AZO(氧化铝掺杂的氧化锌透明导电膜)/金属复合背电极结构已经出现在以往专利中，如：CN 101246923A、CN101527337A CN101488532A。 
工业上生产AZO透明导电膜层和Al、Ag等金属电极膜层一般采用磁控溅射法，虽然磁控溅射法的工艺已经相对成熟，但是仍然存如下问题：1、采用平面靶材通过磁控溅射法进行AZO镀膜，靶材的利用率不高(30％左右)，靶面容易出现中毒等现象；2、采用直流磁控溅射镀AZO膜层溅射效率低，膜层附着力不高；3、镀膜基板表面一般附有一定的杂质和水汽，采用单一直流磁控溅射直接在介质表面镀金属膜层也存在附着力不高的问题，在镀膜前需要一定的加热过程去除杂质水汽等以提高膜层附着力；4、金属膜层和氧化物膜层一般采用分开单独溅射，主要是因为金属镀膜需要严格限制氧气氛存在，而氧化物镀膜往往会在镀膜中析出部分的氧，因此金属与氧化物连续镀膜会影响金属膜层质量。现有公开文件仅提及一个设备里可以完成金属或氧化物镀膜，但并没有实质性的解决方案。 
利用上面提到的平面靶材磁控溅射和直流磁控溅射方法进行AZO镀膜的镀膜速度较金属镀膜要低，所以目前工业生产中普遍应用的是单一镀膜线来进行氧化物镀膜，然后再用另一条镀膜线进行金属膜层的镀膜。占用工作面积大，效率低，产能不大；同时单独镀膜的氧化物与金属膜层都存在附着力低的现象。若采用上述技术，在大规模生产线连续镀氧化物和金属膜，还必须从工艺上及在线装置上加以改进，来消除“串气”现象，以提高电池背电极膜层的质量。 
应用中频磁控溅射双直筒旋转靶材进行AZO氧化物镀膜可以最大程度的提高镀膜溅射速度。基于直筒旋转靶材的特殊性能可以最大幅度提高靶材的利用率到70％以上并同时避免靶材表面中毒现象；中频溅射旋转靶材可以在直筒旋转靶材特性基础上进一步提高溅射速度，中频溅射所具有的等离子辅助溅射的特性可以帮助提高溅射原子的能量，从而提高镀膜时膜层温度并增加膜层致密 性，减少膜层缺陷，提高膜层与基材之间的附着力，最终提高AZO膜层的光电性能。 
中频磁控溅射溅射直筒旋转靶材进行AZO氧化物镀膜可以显著提高镀膜速度，但是在溅射AZO靶材的时候在镀膜真空室内会有一定量氧原子存在。在工艺调节过程中为了调节AZO膜层光电性能也会通部分氧气进入真空室。而在进行金属膜层镀膜的时候真空室内氧原子的存在会大幅度降低膜层性能，所以金属镀膜要严格限制氧气的存在。这样，在实现AZO膜层与金属膜层在线连续镀膜时，就会遇到AZO镀膜室内氧有可能漂移到金属镀膜室，出现严重“串气”现象从而对金属镀膜工艺影响的问题。如上所述现有技术难以避免和消除此“串气”现象。 
在单一金属镀膜过程中，电池基板若不能进行彻底的水洗烘干，会造成基板表面附有一定的杂质和水汽，影响了金属膜层的附着力。在传统实际生产操作中，镀膜前在过渡室和缓冲室内装加热器预热基板进行脱气。在预烘过程中基板走速降低，影响了产能，同时膜层附着力不能明显的改善。因此，如何降低AZO金属氧化物的镀膜成本，提高镀膜速度及性能，同时为了产能的考虑与金属膜层进行在线连续镀膜是目前需要解决的几个问题。 
发明内容
通过以上分析，本实用新型针对现有技术存在的不足，电池背电极膜层在线生产的“串气”问题。目的在于将现有生产线加以整合利用，将单一分离式氧化物膜层镀膜和金属膜层的镀膜整合为一体。降低AZO透明导电氧化物膜的生产成本，增加背电极光电性能和膜层附着力，提高产能。 
本发实用新型的技术解决方案是：在线装置包括中频磁控溅射真空镀膜室和直流磁控溅射真空联线镀膜装置，在其镀制电池背电极AZO透明氧化物膜层与金属膜层区域之间设有气体隔离装置。该隔离装置由气体隔离室、真空泵组和两端真空门阀组成。隔离室连接真空泵组抽气，保证隔离室内真空度达10-3Pa以下。
本实用新型的装置适用于采用中频直筒旋转磁控溅射加直流平面磁控溅射真空连续镀膜法镀制透明导电氧化物膜层和金属导电膜层，其中AZO氧化物膜层采用中频旋转磁控溅射镀膜法镀膜；金属导电层采用直流平面磁控溅射镀膜法镀膜。在加快各膜层沉积速度的同时提高了整个背电极层对于底层沉积了非晶硅的玻璃基板的表面附着力。 
本实用新型的中频磁控溅射真空镀膜室和直流磁控溅射真空联线镀膜装置包括前端进料室、过渡真空室、缓冲室、中频旋转磁控溅射镀膜室、气体隔离装置、直流磁控溅射镀膜室和后端缓冲室、过渡真空室和出料室。中频旋转真空磁控溅射镀室设置有中频双直筒旋转靶材磁控溅射镀膜装置，中频电源的两个输出端各接到一个靶上。旋转双靶磁控溅射镀膜装置采用两个竖直直筒靶材，每个靶材依据自身竖直中轴线进行自转溅射。 
实用新型的气体隔离装置中由气体隔离室、真空泵组和前后真空门阀组成。隔离室前端通过真空门阀接中频旋转磁控溅射AZO镀膜室，隔离室后端通过真空门阀连接直流磁控溅射金属镀膜室。气体隔离室连接真空泵组进行抽气；真空门阀只有在气体隔离室内真空度达到10-3Pa以下才会开启从而保证两端镀膜室的气氛独立性。 
采用中频旋转靶材溅镀AZO透明导电氧化物。该旋转靶材与传统的平面靶材相比较具有利用率高，靶中毒几率低，长时间稳定运行，开腔维护周期长等优点；同时，中频溅射靶材与传统直流溅射靶材相比具有溅射速度快，有离子辅助沉积效果，膜层附着力高等优点。解决了传统分离式单一氧化物与金属分开镀膜，重复建设用地多，成本高，效率低等问题。 
本实用新型积极效果： 
使中频旋转靶材与AZO透明导电氧化物的镀膜过程中，提高了镀膜速度、靶材利用率，增强了电极各膜层附着力；隔离装置内真空门阀在隔离室真空度达到10-3Pa以下开启，消除了“串气”；氧化物与金属膜层的连续镀膜，解决了金属镀膜必须经过一段时间的预烘烤的问题，巧妙利用氧化物镀膜前和镀膜过程产生的膜层温度和等离子清洗效果，帮助基板进行脱气和清洗，快捷方便的解决了金属镀膜附着力不好的问题； 
AZO氧化物膜层与金属电极膜层的在线连续镀膜，产能显著提高降低了场地使用面积，节约了人力、水电等生产成本。 
附图说明
图1、是本实用新型在线连续制备太阳能电池背电极膜层装置的工作原理图。 
图2、是一种单机中频双靶旋转磁控溅射背电极AZO透明导电氧化物层连续镀膜装置示意图。 
图3、是一种单机直流平面磁控溅射背电极膜层连续镀膜装置示意图。 
图4、是图1中气体隔离装置107示意图。 
图1中进料室103、前过渡室104、前缓冲室105、氧化物镀膜室106是一种中频直筒旋转磁控溅射镀膜装置，气体隔离室107、金属镀膜室108是一种直流平面磁控溅射镀膜装置、后缓冲室109、后过渡室110、出料室111。 
结合图1详细说明本实用新型工作原理，一种中频直筒旋转磁控溅射加直流平面磁控溅射真空连续镀背电极膜层装置包括若干真空室，从入口到出口依次分别是：进料室103、前过渡室104、前缓冲室105、氧化物镀膜室106、气 体隔离室107、金属镀膜室108、后缓冲室109、后过渡室110、出料室111。利用真空泵组将真空镀膜溅射镀膜系统(包括镀膜缓冲室105、109和镀膜室106、108)抽真空至10-4Pa以下，通入氩气等工作气体。气体隔离室107内采用真空泵抽真空至10-3Pa以下，各门阀102保持真空度。打开中频靶电源和直流靶电源开始起辉溅射(所述真空泵组和电源在图1中未标出)。 
结合图2，说明单机中频双靶旋转磁控溅射背电极AZO透明导电氧化物层连续镀膜的工作原理：将前期沉积有非晶硅膜层的玻璃基板放置在镀膜基片装载架上，在进料室103准备进料，通过前过渡室104室、前缓冲室105进入氧化物镀膜室106，在镀膜室106内通过中频双靶旋转磁控溅射靶材沉积AZO膜层。之后真空门阀102开启，基片架依次通过后缓冲室109、后过渡室110、出料室111完成镀透明导电氧化物膜层过程。 
结合图3说明单机直流平面磁控溅射背电极金属膜层连续镀膜的工作原理。将前期依次沉积有非晶硅层、透明导电氧化物膜层的玻璃基板放置在镀膜基片装载架上，在进料室103准备进料，通过前过渡室104室、前缓冲室105进入金属镀膜室108，在镀膜室108内通过直流平面磁控溅射靶材沉积金属膜层。之后真空门阀102开启，基片架依次通过后缓冲室109、后过渡室110、出料室111完成镀金属膜层过程。 
具体实施方式
以下结合具体实施例及附图进一步说明本实用新型。 
实施例1 
参考图1，薄膜太阳能电池上的透明导电氧化物/金属膜层背电极在线连续镀膜制备方法： 
(a)将前期沉积有非晶硅膜层的玻璃基板放置在镀膜基片装载架上，在 进料室103准备进料。 
(b)载有玻璃衬底的基片架由进料室103进入真空镀膜系统，依次通过进料室103、前过渡室104、前缓冲室105进入氧化物镀膜室106。在镀膜室106内通过中频双靶旋转磁控溅射靶材沉积AZO膜层。之后真空门阀102开启，基片架进入气体隔离室107。 
(c)气体隔离室107前后真空门阀关闭，基片架在气体隔离室做短暂停留抽真空，直至隔离室内真空度达到10-3Pa以下，开启真空门阀，基片架前进进入金属镀膜腔室。 
(d)在镀膜室108内通过直流平面磁控溅射靶材沉积金属Al膜层。之后真空门阀开启，基片架依次通过后缓冲室109、后过渡室110、出料室111完成镀膜过程。 
镀膜过程结束后，前期沉积有非晶硅膜层的玻璃基片上沉积有AZO膜层和金属Al膜层。 
实施例2 
薄膜太阳能电池上的透明导电氧化物/金属膜层背电极在线连续镀膜制备方法，它包括以下工艺步骤： 
(a)将前期沉积有非晶硅膜层的玻璃基板放置在镀膜基片装载架上，在103进料室准备进料。 
(b)载有玻璃衬底的基片架由进料室103进入真空镀膜系统，依次通过进料室103、前过渡室104、前缓冲室105进入氧化物镀膜室110。在镀膜室106内通过中频双靶旋转磁控溅射靶材沉积AZO膜层。之后真空门阀102开启，基片架进入气体隔离室107。 
(c)气体隔离室107前后真空门阀关闭，基片架在气体隔离室做短暂停留 抽真空，直至隔离室内真空度达到10-3Pa以下，开启真空门阀，基片架前进进入金属镀膜腔室。 
(d)在镀膜室108内通过直流平面磁控溅射靶材依次沉积金属Ag膜层和金属Al膜层。之后真空门阀开启，基片架依次通过后缓冲室109、后过渡室110、出料室111完成镀膜过程。 
镀膜过程结束后，前期沉积有非晶硅膜层的玻璃基片上依次沉积有AZO膜层、金属Ag膜层和Al膜层。 
薄膜太阳能电池上的透明导电氧化物/金属膜层背电极在线连续镀膜制备方法，它包括以下工艺步骤： 
(a)将前期沉积有非晶硅膜层的玻璃基板放置在镀膜基片装载架上，在103进料室准备进料。 
(b)载有玻璃衬底的基片架由进料室103进入真空镀膜系统，依次通过进料室103、前过渡室104、前缓冲室105进入氧化物镀膜室110。在镀膜室106内通过中频双靶旋转磁控溅射靶材沉积AZO膜层。之后真空门阀102开启，基片架进入气体隔离室107。 
(c)气体隔离室107前后真空门阀关闭，基片架在气体隔离室做短暂停留抽真空，直至隔离室内真空度达到10-3Pa以下，开启真空门阀，基片架前进进入金属镀膜腔室。 
(d)在镀膜室108内通过直流平面磁控溅射靶材依次沉积金属Al膜层和金属Ni膜层。之后真空门阀开启，基片架依次通过后缓冲室109、后过渡室110、出料室111完成镀膜过程。 
镀膜过程结束后，前期沉积有非晶硅膜层的玻璃基片上依次沉积有AZO膜层、金属Al膜层和Ni膜层。 

Claims (8)

1.一种制备薄膜太阳能电池背电极膜层的装置，其特征在于装置包括中频磁控溅射真空镀膜室和直流磁控溅射真空联线镀膜装置，在其镀制电池背电极AZO透明氧化物膜层区域与金属膜层区域之间设有气体隔离装置。
2.根据权利要求1所述的一种制备薄膜太阳能电池背电极膜层的装置，其特征在于中频磁控溅射真空镀膜室内有中频双直筒旋转靶材磁控溅射镀膜装置，该镀膜装置的中频电源输出端接在双直筒旋转靶材上。
3.根据权利要求1所述的一种制备薄膜太阳能电池背电极膜层的装置，其特征在于所述的气体隔离装置，由气体隔离室、真空泵组和两端真空门阀组成。
4.根据权利要求3所述的一种制备薄膜太阳能电池背电极膜层的装置，其特征在于所述的气体隔离装置中的隔离室，在其前端，由真空门阀接中频旋转磁控溅射AZO镀膜室，隔离室后端由真空门阀接直流磁控溅射金属镀膜室。
5.根据权利要求3所述的一种制备薄膜太阳能电池背电极膜层的装置，其特征在于所述的隔离室连接真空泵组抽气，保证隔离室内真空度达10-3Pa以下。
6.根据权利要求1所述的一种制备薄膜太阳能电池背电极膜层的装置，其特征在于所述中频磁控溅射真空镀膜室和直流磁控溅射真空联线镀膜装置还包括前端进料室、过渡真空室、缓冲室、中频旋转磁控溅射镀膜室、气体隔离装置、直流磁控溅射镀膜室和后端缓冲室、过渡真空室和出料室。
7.根据权利要求2所述的一种制备薄膜太阳能电池背电极膜层的装置，其特征在于所述中频双直筒旋转靶材磁控溅射镀膜装置内竖直安装的两个直筒靶材，每个靶材以自身竖直中轴线自转溅射。
8.根据权利要求3所述的一种制备薄膜太阳能电池背电极膜层的装置，其特征在于所述气体隔离室连接真空泵组抽气；真空门阀在气体隔离室真空度达到10-3Pa以下开启工作。 
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