CN101880868A - 一种硅基薄膜太阳能电池的沉积盒 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种活动式硅基薄膜太阳能电池沉积盒，属于太阳能电池技术领域。沉积盒主要技术特点电极阵列至少一组阴极板和一块阳极板安装在活动腔室内。由腰部呈扁平状的信号馈入组件一圆形端面接触信号馈入口，位于阴极板背平面中心区域内下凹圆形面内，馈入射频/甚高频功率电源信号，阳极板接地。阴极板屏蔽罩有通孔，阴极板与屏蔽罩之间绝缘。效果在于以电极板中心面馈入，克服了一点或多点馈入因馈线距离造成的损耗。以射频/甚高频功率电源驱动可获得均匀电场大面积稳定放电，有效的消除驻波和趋肤效应，使产率提高，成本降低。

Description

一种硅基薄膜太阳能电池的沉积盒
技术领域
本发明公开一种太阳能电池技术，确切的说一种由甚高频电源(27.12MHz～100MHz)驱动的硅基薄膜太阳能电池的沉积盒。
背景技术
目前，硅基薄膜太阳能电池，采用等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)获取单结或多结的光电转换P-I-N膜层，在薄膜太阳能电池制造行业通用这种射频电容耦合平行电极板反应室。由电极板组件构成电极板阵列在反应室内进行等离子体化学气相沉积。射频电容耦合平行板电极反应室广泛应用于非晶硅、非晶硅锗、碳化硅、氮化硅、氧化硅等材料薄膜的大面积沉积。行业内通常把具有支撑框架的电极称为“夹具”，将该装置安装在腔室内进行等离子体化学气相沉积的装置又称为“沉积盒”。硅基薄膜太阳能电池是太阳能行业的一个重要分支，所采用的平行电极板容性放电模式是太阳能电池行业的核心技术之一。13.56MHz射频广泛应用于非晶硅基薄膜材料的高速制备，生产效率高、工艺成本低。随着太阳能市场对硅基薄膜技术要求不断提高，微晶、纳米晶硅基薄膜材料受到行业高度关注。但是在微晶工艺环境下，13.56MHz射频波衍生的等离子体浓度小，沉积速率低，沉积足够厚度薄膜所需时间长，背景污染大，从而制备出的薄膜杂质含量高，光电学性能差，严重影响产品品质性能。如何高速沉积成为晶化硅基薄膜技术能够成功服务于产业的关键。
甚高频指频率为13.56MHz的两倍或者更高倍的合法射频。在行业内，应用较多的甚高频一般为27.12～200MHz的范围。然而，在容性放电模式中，甚高频引发的驻波效应和趋肤效应非常明显，而且随着驱动频率的增加而增强。
美国加州大学Berkeley分校的M.A.Lieberman教授对这两种效应做了深入研究。研究结果表明，甚高频PECVD沉积均匀薄膜的临界条件在于激发频率的自由空间波长(λ0)远大于容性放电电极板腔室尺寸因子(X)，趋肤深度(δ)远大于容厚因子(ηo)以放电面积1m2为例，60MHz的激发频率下，λ0≈X，δ≈η。因此在此激发频率下，趋肤和驻波效应非常明显，导致1m2电极板上放电极不均匀。所以如何实现甚高频驱动的均匀大面积放电是晶化硅基薄膜技术亟待解决的技术难题之一，这引起了行业的极大兴趣。2003年，美国专利2003/0150562A1公开了平板电容耦合放电中利用磁镜改善甚高频造成的电场不均匀性。中国专利200710150227.4，200710150228.9，200710150229.3，公开了甚高频电极的三种设计，通过甚高频信号的不同馈入形式，获得均匀电场。但现存在的问题是：1)VHF-PECVD反应室电极设计结构复杂；2)仍需要继续改进的理由是生产中经常对反应室及电极不断的清洗、装卸都会造成异形电极变形；3)现有专利中的多点馈入结构接触面积较小，要求各个馈入点路径对称，馈入点之间的连接导体与阴极板之间不能有接触，准确的说连接导体需要与阴极板之间隔离屏蔽才能实现有效放电。这些结构设计的实际要求比较苛刻，决定放电均匀程度的因素太多，而且不能满足生产中拆洗等实际需求。因此在行业设备中，单点馈入为主流结构设计，但是由于驻波和趋肤效应，单点馈入结构不能满足馈入高频频率提升的要求。为此，需要对现有沉积夹具和电极朝实用性方面作进一步开发和改进，面对当前市场需求，使质量提高，成本降低。同时，对于处理或沉积多片玻璃的CVD沉积盒体系，也是一个发展趋势。因此，对于能满足大批量生产，采用有效甚高频馈入模式的工业化产品开发和设计，对产业发展具有重要的实际意义。
发明内容
本发明目的旨在解决甚高频电源驱动的放电不均匀性问题，而提供一种可获得均匀电场的大面积VHF-PECVD沉积室使用一种全新概念设计的电极板组件构成的电极阵列，以适用于产业化的大面积VHF-PECVD电极板多片阵列。
本发明为实现以上任务提出沉积盒的技术解决方案：包括电极板组件、信号馈入组件和腔室，其特征在于还包括阴极板屏蔽罩，所说的腔室是一个带滚轮的活动式腔室，该腔室内安装由电极板构成的电极阵列，馈入口位于电极板的阴极板背面中心区域内的下凹的圆形或半圆形面内，在其圆形或半圆形的馈入口内面接触连接信号馈入组件接射频/甚高频功率电源信号的负极，以面接触连接馈入信号组件的半圆形或圆形端面，阴极板的屏蔽罩上开有通孔，阴极板与屏蔽罩之间绝缘，所说的电极阵列至少一组阴极板和一块阳极板；
解决方案所述沉积盒所说的一组阴极板和一块阳极板，是指由阳极板的两个面分别朝向对称放置的阴极板的有效放电工作面。阴极板是单面放电，阴极板的屏蔽罩包括陶瓷绝缘层、屏蔽层，屏蔽罩覆盖整个阴极板背面和侧面。
所说的电极由多套带屏蔽罩的阴极板与多套接地的阳极板，构成一定间距放电的电极阵列。
屏蔽罩，还包括射频/甚高频功率电源信号馈入至阴极板背面的中心位置及四周侧面的屏蔽。信号馈入组件包括铜质馈入芯体和绝缘层和外表屏蔽层。
所说信号馈入组件由腰部和头部构成，外形呈Z字形，腰部有耐高温陶瓷绝缘层，金属馈入芯是射频/甚高频馈线构成的导电体，其导电体的另一端接射频/甚高频功率电源信号的阴极输出口和功率电源匹配器。
本发明的解决方案在于方法，一种由电极板组件、馈入组件和腔室构成的信号馈入模式，其特征在于活动式滚轮腔室内安装由电极板构成的电极阵列，电极阵列至少一组阴极板和一块阳极板，馈入口位于电极板的阴极板背面中心区域内的下凹的圆形或半圆形面内，在其圆形或半圆形面内面接触连接馈入组件；电极板的信号以面馈入方式馈入，馈入组件的一端半圆形面接触连接阴极板的圆形或半圆形面馈入口，馈入射频/甚高频功率电源信号。
方案由多套馈入组件和电极板组件以面馈入方式将射频/甚高频功率电源信号馈入到电极板馈入口，形成具有一定放电间距的电极阵列。
所说的馈入组件是一个呈Z字形的金属带，腰部有耐高温陶瓷绝缘层，金属馈入芯是射频/甚高频馈线构成导电体。
馈入组件的导电体另一端接射频/甚高频功率电源信号在内的阴极输出口和功率电源匹配器。
本发明沉积盒所产生的积极有益效果，区别于插槽式阴极板侧面馈入方式，在沉积盒内能够获得更高均匀度和更大放电面积的稳定放电，接入电容小，实际放电功率大，电极板阵列之间射频干扰小。也区别于单室沉积***的阴极板中心点式馈入，接入电容小、驻波和趋肤效应小，可集成阵列式多室沉积，极大提高生产效率。因此，通过优化甚高频电源馈入形式、电极板的结构，解决射频/甚高频大面积放电均匀性问题，也是晶化硅基薄膜高速高效制备技术的前提。本发明适用于任何功率、27.12MHz～200MHz区间任何法定频率的甚高频电源的大面积均匀放电。这种结构能够适用于多片沉积***，大大提高产率和降低了电池成本。该发明突破常规电极设计技术的限制，有效的消除了甚高频引发的驻波和趋肤效应，达到适用于均匀放电的工业化应用水平。
图1、是本发明沉积盒剖视图。
图2、是本发明沉积盒腔室示意图。
图3、图1中信号馈入组件201结构示意图。
图4、是本发明图1中阴极板203结构示意图。
图5、是图1中阴极板屏蔽罩204结构示意图。
图6、是本发明实施例1结构示意图。
图7、是本发明实施例2结构示意图。
图8、是本发明实施例3结构示意图。
图1-8中，沉积盒02由信号馈入组件201，绝缘屏蔽层202，阴极板203，阴极板屏蔽罩204，基片206，绝缘条207，阳极板208，接地金属导槽209，下后门板211，上后门板212，气体腔214，前门板215，侧框架216，车轮218，气体管道220，下底板221等构成在真空室01气相沉积沉积。真空室01内有气体***接入口101，电源***接入口102，真空室活动门103，轨道104，真空***接入口105。
本发明的沉积盒以面馈入方式实现了以上提出的发明任务。克服了现有多点馈入对晶化硅基薄膜VHF-PECVD沉积技术难以克服的诸多问题，如反应室电极结构复杂；电极易变形、接触面积较小；各馈入点之间路径距离要求完全对称以及完全屏蔽等。而本发明的面馈入沉积盒设计不存在这些问题，能获取均匀电场大面积腔室放电等问题，尤其高效利用阳极板双工作面，同时，对于处理或沉积多片玻璃的CVD沉积盒体系，采用有效甚高频面馈入模式，取得了工业化生产可操作工艺，能够满足硅基薄膜太阳能电池大批量生产的需要。
本发明贡献还在于基本解决了甚高频电源驱动的高速沉积膜层的均匀性和一致性问题。沉积盒02放置在真空室01内，沉积盒02包括电极板、信号馈入组件、腔室和阴极板屏蔽罩204。平行电极板的阴极板203和阳极板208，馈入口203-1是圆形，信号馈入组件201呈阶梯状包括腰部和一端面201-1是半圆形与馈入口203-1位于具有屏蔽罩204的阴极板203中间区域下凹的圆面对应，其腰部扁平便于安装，信号馈入损耗少，另一个头是201-3连接射频/甚高频功率电源负极和功率电源匹配器(未画出)，呈阶梯状，其一端面呈半圆形与电极板面接触连接的馈入口构成电极板组件在接地装置的沉积盒内，均具有绝缘屏蔽保护装置(未画出)。
具体实施方式
实施例1：
电极板为立式，阴极板馈入口为圆形，信号馈入组件腰部扁平，馈入面为半圆形。
结合图1-6说明本实施例工作原理。沉积盒02中，两个阴极板203共用一个阳极板208。气相沉积***主要由气相沉积室、气体***、电源***、真空***、加热***、控制***等组成，气体***主要是提供气相沉积的各种所需气体和气体管路，电源***主要是提供沉积时所需要的电离成等离子体状态的高频或甚高频电源，真空***主要是提供沉积时抽取真空状态用设备及管路，加热***主要是给气相沉积室加热，控制***主要是对沉积过程及参数进行控制，而气相沉积室是实现将气体沉积在基片206上并完成镀膜的装置。气体沉积室主要由真空室01、带滚动轮218的沉积盒02接地。真空室01用来实现真空状态，沉积盒02用来实现等离子放电，将P-I-N膜层沉积在基片206上。沉积盒02包括阴极板203、阴极板屏蔽罩204、绝缘条207、阳极板208、信号馈入组件201、屏蔽层202、下底板221、气体腔214、接地金属导槽209、前门板215、上后门板212、下后门板211、侧框架216、车轮218、组成。侧框架216由不锈钢方通焊接成四边形框架，在框架上固定有矩形挂耳216-4，将气体腔214与下底板221连接在侧框架216上下两边成一整体，在气体腔214与下底板221相对面上相对应位置上连接有接地金属导槽209，用来固定阳极板208和阴极板203、阴极板屏蔽罩204，阳极板208直接***金属导槽209内并与槽接触，使阴极板屏蔽罩204与金属导槽209接触，阴极板203与阴极板屏蔽罩204之间加装绝缘条207使其不能接触。阳极板208和阴极板屏蔽罩204通过与金属导槽209接触再与下底板221接触实现接地。在阴极板203背部中心区域有下凹的圆形馈入口203-1，信号馈入组件201腰部和头部构成外形呈Z字形状，其头部半圆形端面与阴极板背部中心区域下凹的圆形馈入口203-1面接触连接馈入射频/甚高频电源信号至阴极板。在阴极板屏蔽罩204中间相应馈入口203-1位置开有孔204-1，使得电源馈入组件201从阴极板203引出时不与阴极板屏蔽罩204接触，电源馈入组件201另一端通过孔201-3与电源接头205相连接，腰部有耐高温陶瓷绝缘层202，以防与阴极板屏蔽罩204接触，信号馈入组件201为导电性良好的铜，前门板215在将基片206装入沉积盒02内后，将其上边的挂钩215-2挂在侧框架216上的挂耳216-1上，下边***Z形插片216-2内，使得沉积盒02内部形成一个较为密闭的空间。将沉积盒02沿轨道104推入真空室01内，使沉积盒02上固定的气体管道220上入口与真空室01上的气体***接入口101伸入真空室01内部的管口对接，关好真空室01上的真空室活动门103，通过真空***先抽真空到理想状态，再进行通气沉积工艺，完成气相沉积镀膜。
实施例2：
电极板为立式，阴极板馈入口为圆形，信号馈入组件腰部扁平，馈入面为半圆形，阴极板与屏蔽罩绝缘，阴极板屏蔽罩上开有通孔。
图7使用沉积盒同实施例1。可同时镀膜8片基片206。2个阴极板203共用1个阳极板208，由2个阳极板208与4个阴极板203组成4对电极，可同时镀膜8片基片206。具体步骤如下：
a)将8块带有600nm厚透明导电膜的玻璃基片206(1640mm×707mm×3mm)放置于沉积盒02中的基片位置，膜面朝外，玻璃面朝电极板。
b)打开真空室活动门103，将沉积盒02沿轨道104推入真空室01内，关好真空室01的真空室活动门103。
c)真空抽到5.0×10-4Pa之后，通入氩气，当腔内压力达到60Pa时，打开40.68MHz甚高频电源，以400W功率放电清洗腔室2分钟，关闭电源。
d)之后抽高真空至5.0×10-4Pa左右，用氩气清洗两次。
e)按照5slpm通入混和气(硅烷加氢气)，当腔内气压达到60Pa，打开40.68MHz甚高频电源，以400W功率放电，沉积微晶硅本征层40分钟。
f)关闭电源，抽高真空。
g)充入氮气至大气压，打开真空室活动门103，推出沉积盒02，在室温中冷却TCO玻璃。
采用这种馈入形式，可以实现40.68MHz甚高频电源的均匀电场，在1640mm×707mm(长×宽)的TCO玻璃上能够沉积膜厚不均匀度为5％左右的微晶硅薄膜，微晶度可调。
实施例3：
电极板为立式，阴极板馈入口为圆形，信号馈入组件腰部扁平，馈入面为半圆形，阴极板与屏蔽罩绝缘，阴极板屏蔽罩上开有通孔。
图8使用沉积盒同实施例1。可同时镀膜24片基片206。2个阴极板203共用1个阳极板208，由6个阳极板208与12个阴极板203组成12对电极，可同时镀膜24片基片206。具体步骤如下：
a)将24块带有600nm厚透明导电膜的玻璃基片206(1640mm×707mm×3mm)放置于沉积盒02中的基片位置，膜面朝外，玻璃面朝电极板。
b)打开真空室活动门103，将沉积盒02沿轨道104推入真空室01内，关好真空室01的真空室活动门103。
c)真空抽到5.0×10-4Pa之后，通入氩气，当腔内压力达到60Pa时，打开40.68MHz甚高频电源，以400W功率放电清洗腔室2分钟，关闭电源。
d)之后抽高真空至5.0×10-4Pa左右，用氩气清洗两次。
e)按照5slpm通入混和气(硅烷加氢气)，当腔内气压达到60Pa，打开40.68MHz甚高频电源，以400W功率放电，沉积微晶硅本征层40分钟。
f)关闭电源，抽高真空。
g)充入氮气至大气压，打开真空室活动门103，推出沉积盒02，在室温中冷却TCO玻璃。
采用这种馈入形式，可以实现40.68MHz甚高频电源的均匀电场，在1640mm×707mm(长×宽)的TCO玻璃上能够沉积膜厚不均匀度为4.8％左右的微晶硅薄膜。
以上结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，尤其是馈入组件及阴极板的形状，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (12)

1.一种硅基薄膜太阳能电池的沉积盒，包括电极板组件、信号馈入组件和腔室，其特征在于还包括阴极板屏蔽罩，所说的腔室是一个带滚轮的活动式腔室，该腔室内安装由电极板构成的电极阵列，馈入口位于电极板组件的阴极板背面中心区域内下凹的圆形或半圆形面内，在其圆形或半圆形的馈入口内面接触连接的信号馈入组件接射频/甚高频功率电源信号的负极，
所说的信号馈入组件其端面是半圆形或圆形；
所说的阴极板的屏蔽罩上开有通孔，
阴极板与屏蔽罩之间绝缘；
所说的电极阵列至少一组阴极板和一块阳极板。
2.根据权利要求1所述的一种硅基薄膜太阳能电池的沉积盒，其特征在于所说的一组阴极板和一块阳极板，由阳极板的两个面分别朝向对称放置的阴极板的有效放电工作面。
3.根据权利要求1所述的一种硅基薄膜太阳能电池的沉积盒，其特征在于所说的信号馈入组件包括铜质馈入芯体和绝缘层和外表屏蔽层。
4.根据权利要求1所述的一种硅基薄膜太阳能电池的沉积盒，其特征在于所说的阴极板是单面放电，阴极板的屏蔽罩包括陶瓷绝缘层、屏蔽层，屏蔽罩覆盖整个阴极板背面和侧面。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种硅基薄膜太阳能电池的沉积盒，其特征在于所说的电极是由多套带屏蔽罩的阴极板与多套接地的阳极板，构成一定间距放电的电极阵列。
6.根据权利要求5所述的一种硅基薄膜太阳能电池的沉积盒，其特征在于所说的阴极板屏蔽罩，还包括射频/甚高频电源功率信号馈入至阴极板背面的中心位置及四周侧面的屏蔽。
7.根据权利要求5所述的一种硅基薄膜太阳能电池的沉积盒，其特征在于所说的信号馈入组件由腰部和头部构成外形呈Z字形状，腰部有陶瓷绝缘层，金属馈入芯是射频/甚高频馈线构成导电体。
8.根据权利要求1所述的一种硅基薄膜太阳能电池的沉积盒，其特征在于所说的信号馈入组件的另一端接射频/甚高频功率电源信号的阴极输出口和功率电源匹配器。
9.一种硅基薄膜太阳能电池的沉积盒的信号馈入方法，由电极板组件、馈入组件在腔室的信号馈入模式，其特征在于带有活动式滚轮的腔室内安装由电极板组件构成的电极阵列，电极阵列至少一组阴极板和一块阳极板；
馈入口位于电极板的阴极板背面中心区域内的下凹的圆形或半圆形面内，在其口内面接触连接馈入组件；
信号馈入模式是面馈入；
馈入组件的一端半圆形或圆形面接触连接阴极板的圆形或半圆形面馈入口；
馈入射频/甚高频功率电源信号；
电极板的阴极板屏蔽罩和阳极板接地。
10.根据权利要求9所述的一种硅基薄膜太阳能电池的沉积盒的信号馈入方法，其特征在于所说电极由多套馈入组件和电极板组件以面馈入方式将射频/甚高频功率电源信号馈入到电极板馈入口，形成具有一定放电间距的电极阵列。
11.根据权利要求9所述的一种硅基薄膜太阳能电池的沉积盒的信号馈入方法，其特征在于所说的Z字形馈入组件腰部有陶瓷绝缘层，金属馈入芯是射频/甚高频馈线构成导电体。
12.根据权利要求11所述的一种硅基薄膜太阳能电池的沉积盒的信号馈入方法，其特征在于所说的馈入组件的导电体另一端接射频/甚高频功率电源信号的阴极输出口和功率电源匹配器。
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