製造薄膜太陽能電池的化學浴沉積設備及方法

2023-05-26 10:42:11

專利名稱：製造薄膜太陽能電池的化學浴沉積設備及方法
技術領域：
本發明是關於一種化學浴沉積設備及方法，特別是關於一種製造薄膜太陽能電池的化學浴沉積設備及方法。
背景技術：
在薄膜太陽能電池的工藝中，形成例如CdS、ZnS、InS等所構成的緩衝層的方法，通常利用化學浴沉積(chemical bath deposition)法，因為化學浴沉積法可形成的薄且均勻的薄膜，而且製造成本較低。然而，在化學浴沉積時，例如CdS的成核過程(nucleation)包含⑴均質(homogeneous)成核以及(2)異質(heterogeneous)成核兩種，異質成核會在表面形成CdS,而均質成核在化學浴中形成CdS粒子，如果CdS粒子沉降於處理表面，會被包覆於薄膜內，可能造成組件的缺陷，因此通常化學浴沉積法利用攪拌或垂直放置處理基板的方式，儘量排除該均質成核所形成的粒子或其它雜質粒子。例如美國專利第7704863號公開了利用化學浴沉積法形成ZnS薄膜，其是利用攪拌及垂直放置處理基板的方式進行化學浴沉積。另外，例如美國專利公開第2010/0087027號公開了大量化學浴處理設備，用以形成薄膜太陽能電池的CdS薄膜，該文獻的圖6表示化學浴處理設備的示意圖，也是利用攪拌及垂直放置處理基板的方式進行，但是該文獻的圖6所示的設備，化合物會沉積於基板的兩面，為了只沉積於基板的單面，需要先保護不進行沉積處理的另一面，卻仍然有 大量化學廢棄物的問題。此外，例如美國專利公開第2007/0020400號公開了化學沉積設備及方法，利用微通道噴出混合的反應溶液以及旋轉基板的方式，形成CdS薄膜。然而，上述化學浴沉積過程，在固體-液體的界面，即處理基板的表面，會產生氣泡，該些氣泡如果沒有實時地離開該處理基板的表面(即浮出表面，消失於大氣中)會構成薄膜的氣孔，而成為薄膜的缺陷。雖然攪拌可以產生溶液的擾動，對於位在處理基板的表面的大氣泡或許有些微作用，但對於微氣泡的效果不佳。

發明內容
鑑於上述的發明背景，為了符合產業上的要求，本發明的目的之一在於提供一種製造薄膜太陽能電池的化學浴沉積設備及方法，通過運動機構改變表面張力的方式，可有效地除去固體-液體的界面(即薄膜形成的表面)的氣泡，避免所形成的薄膜包含氣孔(pin hole)，且可避免該均質成核所形成的粒子或其它雜質粒子包裹或沉降於薄膜形成的表面，藉此可形成薄且均勻而無缺陷的薄膜。本發明的目的之一在於提供一種製造薄膜太陽能電池的化學浴沉積設備及方法，通過進行離心運動，粒子會因離心力而脫離處理表面，可避免該均質成核所形成的粒子或其它雜質粒子包裹於薄膜形成的表面，藉此可形成薄且均勻的薄膜。本發明的目的之一在於提供一種製造薄膜太陽能電池的化學浴沉積設備及方法，可只有對基板的單面進行薄膜沉積，另外可減少反應溶液的使用量。為了達到上述目的，根據本發明一實施例，提供一種化學浴沉積設備，用以沉積一薄膜於薄膜太陽能電池用的基材，包括:一機架、一基材託座、一覆蓋罩、一擺動機構以及一離心運動機構。該機架，具有一真空室，該真空室與一真空裝置連接，使該真空室的氣體壓力小於大氣壓力。該基材託座，具有多個第一開口，與該機架的真空室連通，該基材託座隔著一第一密封構件設置於該機架上，該基材託座是用以容置該基材，使該基材的一待處理面對向的面與該基材託座接觸，通過該多個第一開口的真空吸引力而使該基材與該基材託座密合。該覆蓋罩，具有至少一第二開口，作為一反應溶液的入口及出口，其中該覆蓋罩隔著一第二密封構件設置於該基材上，該覆蓋罩與該基材之間形成一容置空間，用以容納該反應溶液。該擺動機構，用以驅動該機架進行搖擺，以產生該反應溶液相對該基材的運動，但維持該反應溶液覆蓋該基材。該離心運動機構，用以驅動該機架進行離心運動，以產生該反應溶液相對該基材的運動，但維持該反應溶液覆蓋該基材；其中，該容置空間的溫度被控制於一預定的範圍內。根據本發明另一實施例，提供一種化學浴沉積方法，包括:提供一基材，設置於該基材託座上，其中該基材具有一第一表面及與該第一表面對向的一第二表面；提供一基材託座，將該基材設置於該基材託座上，使該基材的該第一表面貼附於該基材託座上而露出該第二表面，作為被處理面；提供一覆蓋罩，設置於該基材上，使該覆蓋罩與該基材構成一容置空間；提供一反應溶液 ，從該覆蓋罩的一開口注入該容置空間中，使該基材的被處理面接觸該反應溶液；以及通過一搖擺機構及一離心運動機構，驅動該基材託座進行搖擺及離心運動，以產生該反應溶液相對該基材的運動,但維持該反應溶液覆蓋該基材。根據本發明的化學浴沉積設備及方法，例如可應用於製造薄膜太陽能電池的如CdS, ZnS, InS等所構成的緩衝層，通過低溫工藝、低成本的設備、簡單的工藝以及減少反應溶液的使用量，形成薄且均勻的薄膜，可只有對基板的單面進行薄膜沉積，薄膜的缺陷少而提高薄膜太陽能電池的效率及降低薄膜太陽能電池的製造成本。


圖1為現有的薄膜太陽能電池的製造步驟；圖2為根據本發明一實施例的化學浴沉積設備的示意圖；圖3a和圖3b為根據本發明一實施例的化學浴沉積設備的示意圖；圖4為根據本發明一實施例的化學浴沉積設備的機架進行離心運動的俯視示意圖；圖5為根據本發明另一實施例的化學浴沉積設備的機架進行離心運動的俯視示意圖；圖6為根據本發明另一實施例的化學浴沉積設備的機架進行離心運動的俯視示意圖；圖7a和圖7b為根據本發明一實施例的化學浴沉積設備的覆蓋罩的示意圖；圖8為根據本發明一實施例的化學浴沉積方法的流程圖。主要組件符號說明:S10-S76:工藝步驟
100機架110基材託座120基材132第一密封構件134第二密封構件140真空裝置150真空室200覆蓋罩210第二開口215凹槽220反應溶液400擺動機構的擺動軸500化學浴沉積設備`
具體實施例方式有關本發明的前述及其它技術內容、特點與功效，在以下配合附圖的一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如:上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。此外，「A層(或組件)設置於B層(或組件)上」的用語，並不限定為A層直接貼覆接觸B層表面的態樣，例如A層與B層中間尚間隔其它迭層亦為該用語所涵蓋範圍。圖標中，相同的組件是以相同的符號表不。現有的薄膜太陽能電池的製造步驟，例如圖1所示，包含步驟SlO:提供基板；步驟S20:形成電極層；步驟S30:形成吸收層；步驟S40:形成緩衝層(buffer layer or windowlayer);以及步驟S50:形成其它層及封裝。其中，步驟S40:形成緩衝層，使用化學浴沉積法(chemical bath deposition),形成例如CdS、ZnS、InS等所構成的緩衝層。步驟S50,例如包含形成ZnO層、Al層、AR層(抗反射層)等，最後進行封裝。在步驟S40後以及步驟S50前，可進行例如衝洗(rinse)以及乾燥等步驟，在化學浴的溼式工藝後，準備進行例如濺鍍等的乾式工藝。本發明的化學浴沉積設備，可應用於步驟S40的緩衝層的形成。更進一步，本發明的化學浴沉積設備，特別適合應用於任何化學浴沉積過程中有氣泡產生的反應步驟。圖2表示根據本發明一實施例的化學浴沉積設備的示意圖。本發明的化學浴沉積設備500，用以沉積一薄膜於薄膜太陽能電池用的基材120，包括:機架100、基材託座110、覆蓋罩200、搖擺機構400 ( 所在位置是指擺動機構的擺動軸，未顯示其機械驅動裝置)400以及離心運動機構(未圖示)。機架100，具有一真空室150，該真空室與真空裝置140 (例如真空泵)連接，使該真空室的氣體壓力小於大氣壓力。該基材託座110，具有多個第一開口，與該機架100的真空室150連通，該基材託座110隔著第一密封構件132設置於該機架100上，該基材託座110是用以容置該基材，使該基材的一待處理面對向的面與該基材託座接觸，如此該待處理面可與反應溶液220接觸，通過該多個第一開口(未圖示，第一開口是分布設置於該基材託座上)的真空吸引力而使該基材與該基材託座密合。該覆蓋罩200，具有第二開口 210，作為反應溶液220的入口及出口。該覆蓋罩200隔著第二密封構件134設置於該基材120上，該覆蓋罩與該基材之間形成一容置空間，用以容納該反應溶液220。擺動機構400，用以驅動該機架進行搖擺，以產生該反應溶液相對該基材的運動，但維持該反應溶液覆蓋該基材。圖3a和圖3b表示根據本發明一實施例的化學浴沉積設備的示意圖，其中圖3a表示傾斜角度為O的狀態；圖3b表示傾斜一特定角度的狀態。如圖3a和圖3b所示， 所在位置是指擺動機構400的擺動軸，以基材託座在水平面的一任意軸，作為一擺動軸，使該基材託座以該搖擺軸進行上下搖擺，只要維持該反應溶液覆蓋該基材。圖3b表示進行搖擺時的某一傾斜角度。離心運動機構是用以驅動該機架進行離心運動，是以該機架在水平面的幾何中心作為基準點，使該基準點沿一橢圓移動，而使該機架在水平面重複繞行一橢圓運動，以產生該反應溶液相對該基材的運動，但維持該反應溶液覆蓋該基材。圖4表示根據本發明一實施例的化學浴沉積設備的機架進行離心運動的俯視示意圖。例如，標記1-5表示該機架的沿橢圓運動的軌跡。該橢圓運動是在水平面上進行，而搖擺運動則使該機架上下傾斜晃動。再者，離心運動機構，可以該機架在水平面的幾何中心作為中心點，使機架在水平面進行自轉的運動，如圖5所示。更進一步，離心運動機構可以該機架在水平面的幾何中心作為中心點，使機架在水平面進行自轉的運動，且以該機架在水平面的幾何中心作為一基準點，使該基準點沿一橢圓移動，而使該機架在水平面重複繞行該橢圓運動，如圖6所示。圖4-圖6中，箭號表示運動的方向。 再者，該容置空間的溫度被控制於一預定的範圍內。例如覆蓋罩可以還具備一加熱器，與一溫度控制器連接，控制該容置空間的溫度，以提高反應溶液的溫度，促進反應速率，提高沉積速度。此外，該機架可以還包括一加熱板，設置靠近該基材託座，用以加熱該基材。例如該加熱板可整合於該基材託座內，如此可以加熱基材。反應溶液220，可使用現有的反應溶液，例如美國專利公開第2010/0087027、2011/0111129號等揭露的溶液或者其它文獻揭露的溶液。於一實施例，反應溶液220可由包含硫脲(thiourea)及去離子水的溶液與包含硫酸鎘或硫酸鋅、氨及去離子水的溶液混合所構成。於一實施例，覆蓋罩可更具有一凹槽，位於該覆蓋罩的下緣，該凹槽中填充有多孔性材料，用以捕捉微粒子。圖7a和圖7b為根據本發明一實施例的化學浴沉積設備的覆蓋罩的不意圖，圖7a表不側視圖，圖7b表不俯視圖。圖7b中，斜線區域表不凹槽215,圖7a中凹槽215設置於覆蓋罩200的下緣的周圍，於其中可填充例如乾淨及不與反應溶液產生反應的金屬絨、玻璃絨、玻璃纖維等多孔性材料，反應溶液220因離心運動及搖擺運動而流入凹槽215中，反應溶液220中的微粒子可被該些多孔性材料捕捉而無法再度回到基板的被處理表面。於另一實施例，凹槽215與篩網的組合，可有效地捕捉微粒子。第一密封構件132的實施，例如可通過O形環及凹槽來實現，例如第二密封構件134可通過O形環來實現，以達到液體密封的目的，亦即反應溶液220被緊密地密封於該容置空間中，不滲漏。於一實施例，基材120為製造薄膜太陽能電池過程中的基板，例如氧化的矽基板、可撓性基板、CIGS基板等。
擺動機構及離心運動機構可將機架上下左右搖擺晃動，以達到消除氣泡的功效。擺動機構可通過擺動軸以及旋轉馬達來實施，離心運動機構可通過例如螺杆等的位移裝置來實施。根據本發明另一實施例，提供一種化學浴沉積方法，圖8表示根據本發明一實施例的化學浴沉積方法的流程圖，同時參考圖2，該方法包括:步驟S71:提供基材120，設置於該基材託座110上，其中該基材120具有一第一表
面及與該第一表面對向的一第二表面；步驟S72:提供一基材託座，將該基材設置於該基材託座110上，使該基材的該第一表面貼附於該基材託座110上而露出該第二表面，作為被處理面；步驟S73:提供覆蓋罩200，設置於該基材120上，使該覆蓋罩200與該基材120構
成一容置空間；步驟S74:提供反應溶液220，從該覆蓋罩200的開口 210注入該容置空間中，使該基材120的被處理面接觸該反應溶液220 ;以及步驟S75:通過搖擺機構400及離心運動機構，驅動該基材託座進行搖擺及離心運動，以產生該反應溶液相對該基材的運動，但維持該反應溶液覆蓋該基材。步驟S76:重複步驟S75的動作，直至在該基材的被處理面形成一預定厚度的薄膜。

具體地，反應溶液220，可使用現有的反應溶液，例如美國專利公開第2010/0087027號揭露的溶液或者其它文獻揭露的溶液。於一實施例，反應溶液可由包含硫脲(thiourea)及去離子水的溶液與包含硫酸鎘或硫酸鋅、氨及去離子水的溶液混合所構成。於一實施例，覆蓋罩可更具有一凹槽，位於該覆蓋罩的下緣，該凹槽中填充有多孔性材料，用以捕捉微粒子。該凹槽可利用上述的例子實施，例如圖7所示的凹槽215，於其中填充乾淨及不與反應溶液產生反應的金屬絨、玻璃絨、玻璃纖維等多孔性材料。或者，凹槽215與篩網的組合，可有效地捕捉微粒子。以下，以實施例更具體地說明本發明的化學浴沉積設備及方法。實施例1:添加硫酸鎘(CdS04)、氫氧化銨、硫脲及去離子水，混合均勻，製備包含濃度0.0015M的硫酸鎘(CdSO4)、濃度1.5M的氫氧化銨、濃度0.0075M的硫脲的反應溶液(參考美國國家再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory)報告NREL/CP-520-31013, October 2011)。先將基材120設置於基材託座上，將覆蓋罩200設置於該基材120上，使該覆蓋罩200與該基材120構成一容置空間，通過0形環(第一密封構件及第二密封構件)，使該容置空間密封。將製備的反應溶液由覆蓋罩200的開口 210注入容置空間，與基材120接觸。加熱基材120的加熱器，設定為75°C。容置空間中的反應溶液，加熱至60°C。進行離心運動及搖擺運動12分鐘後，取出基板，量測所得的鍍膜，得到膜厚約60nm的CdS膜。於一實施例，基材120可為製造薄膜太陽能電池過程中的基板，例如氧化的矽基板、可接性基板、CIGS基板等。綜上所述，根據本發明的化學浴沉積設備及方法，例如可應用於製造薄膜太陽能電池的如CdS、ZnS、InS等所構成的緩衝層，通過低溫工藝、低成本的設備、簡單的工藝以及減少反應溶液的使用量，形成薄且均勻的薄膜，可只有對基板的單面進行薄膜沉積，薄膜的缺陷少而提高薄膜太陽能電池的效率及降低薄膜太陽能電池的製造成本。 以上雖以特定實施例說明本發明，但並不因此限定本發明的範圍，只要不脫離本發明的要旨，所屬技術領域的一般技術人員了解在不脫離本發明的意圖及範圍下可進行各種變形或變更。另外本發明的 任一實施例或權利要求範圍不須達成本發明所揭露的全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明的權利範圍。
權利要求
1.一種化學浴沉積設備，用以沉積一薄膜於薄膜太陽能電池用的基材，包括: 一機架，具有一真空室，所述真空室與一真空裝置連接，使所述真空室的氣體壓力小於大氣壓力； 一基材託座，具有多個第一開口，與所述機架的真空室連通，所述基材託座隔著一第一密封構件設置於所述機架上，所述基材託座是用以容置所述基材，使所述基材的一待處理面對向的面與所述基材託座接觸，通過所述多個第一開口的真空吸引力而使所述基材與所述基材託座密合； 一覆蓋罩，具有至少一第二開口，作為一反應溶液的入口及出口，其中，所述覆蓋罩隔著一第二密封構件設置於所述基材上，所述覆蓋罩與所述基材之間形成一容置空間，用以容納所述反應溶液； 一擺動機構，用以驅動該機架進行搖擺，以產生所述反應溶液相對所述基材的運動，但維持所述反應溶液覆蓋所述基材；以及 一離心運動機構，用以驅動所述機架進行離心運動，以產生所述反應溶液相對所述基材的運動，但維持所述反應溶液覆蓋所述基材； 其中，所述容置空間的溫度被控制於一預定的範圍內。
2.如權利要求1所述的化學浴沉積設備，其中，所述機架還包括一加熱板，設置靠近所述基材託座，用以加熱所述基材。
3.如權利要求1所述的化學浴沉積設備，其中，所述覆蓋罩還具備一加熱器，與一溫度控制器連接，控制所述容置空間的溫度。
4.如權利要求1所述 的化學浴沉積設備，其中，所述反應溶液是由包含硫脲及去離子水的溶液與包含硫酸鎘或硫酸鋅、氨及去離子水的溶液混合所構成，且所述薄膜為CdS或ZnS所構成。
5.如權利要求1所述的化學浴沉積設備，其中，所述反應溶液在所述基材的被處理面形成一薄膜時會產生氣泡。
6.如權利要求1所述的化學浴沉積設備，其中，所述基材為製造薄膜太陽能電池過程中的基板。
7.如權利要求1所述的化學浴沉積設備，其中，所述離心運動機構是以所述機架在水平面的幾何中心作為一基準點，使所述基準點沿一橢圓移動，而使所述機架在水平面重複繞行所述橢圓運動。
8.如權利要求1所述的化學浴沉積設備，其中，所述離心運動機構是以所述機架在水平面的幾何中心作為中心點，使所述機架在水平面進行自轉的運動。
9.如權利要求1所述的化學浴沉積設備，其中，所述離心運動機構是以所述機架在水平面的幾何中心作為中心點，使所述機架在水平面進行自轉的運動，且以所述機架在水平面的幾何中心作為一基準點，使所述基準點沿一橢圓移動，而使所述機架在水平面重複繞行所述橢圓運動。
10.如權利要求1所述的化學浴沉積設備，其中，所述擺動機構是以所述機架在水平面的一任意軸，作為一擺動軸，使所述機架以所述搖擺軸進行上下搖擺。
11.如權利要求1所述的化學浴沉積設備，其中，所述覆蓋罩還具有一凹槽，位於所述覆蓋罩的下緣，所述凹槽中填充有多孔性材料，用以捕捉微粒子。
12.一種化學浴沉積方法，包括: 提供一基材，設置於所述基材託座上，其中，所述基材具有一第一表面及與所述第一表面對向的一第二表面； 提供一基材託座，將所述基材設置於所述基材託座上，使所述基材的所述第一表面貼附於所述基材託座上而露出所述第二表面，作為被處理面； 提供一覆蓋罩，設置於所述基材上，使所述覆蓋罩與所述基材構成一容置空間； 提供一反應溶液，從所述覆蓋罩的一開口注入所述容置空間中，使所述基材的被處理面接觸所述反應溶液；以及 通過一擺動機構及一離心運動機構，驅動所述基材託座進行搖擺及離心運動，以產生所述反應溶液相對所述基材的運動，但維持所述反應溶液覆蓋所述基材。
13.如權利要求12所述的方法，其中，所述離心運動機構是以所述機架在水平面的幾何中心作為一基準點，使所述基準點沿一橢圓移動，而使所述機架在水平面重複繞行所述橢圓運動。
14.如權利要求12所述的方法，其中，所述離心運動機構是以所述機架在水平面的幾何中心作為中心點，使所述機架在水平面進行自轉的運動。
15.如權利要求12所述的方法，其中，所述離心運動機構是以該機架在水平面的幾何中心作為中心點，使所述機架在水平面進行自轉的運動，且以所述機架在水平面的幾何中心作為一基準點，使所述基準點沿一橢圓移動，而使所述機架在水平面重複繞行所述橢圓運動。
16.如權利要求12所 述的方法，其中，所述擺動機構是以所述基材託座在水平面的一任意軸，作為一擺動軸，使所述基材託座以所述搖擺軸進行上下搖擺。
17.如權利要求12所述的方法，其中，所述反應溶液是由包含硫脲及去離子水的溶液與包含硫酸鎘或硫酸鋅、氨及去離子水的溶液混合所構成，且所述薄膜為CdS或ZnS所構成。
18.如權利要求12所述的方法，其中，所述基材為製造薄膜太陽能電池過程中的基板。
19.如權利要求12所述的方法，其中，所述覆蓋罩具有一凹槽，位於所述覆蓋罩的下緣，所述凹槽中填充有多孔性材料，用以捕捉微粒子。
全文摘要
本發明涉及一種化學浴沉積設備，用以沉積一薄膜於薄膜太陽能電池用的基材，包括一機架、一基材託座、一覆蓋罩、一擺動機構以及一離心運動機構。通過搖擺機構及離心運動機構，驅動該基材託座進行搖擺及離心運動，以產生該反應溶液相對該基材的運動，但維持該反應溶液覆蓋該基材。本發明的化學浴沉積設備及方法可應用於製造薄膜太陽能電池的如CdS、ZnS、InS等所構成的緩衝層，通過低溫工藝、低成本的設備、簡單的工藝以及減少反應溶液的使用量，形成薄且均勻的薄膜，可只有對基板的單面進行薄膜沉積，薄膜的缺陷少而提高薄膜太陽能電池的效率及降低薄膜太陽能電池的製造成本。
文檔編號H01L31/18GK103184439SQ20121007222
公開日2013年7月3日 申請日期2012年3月19日 優先權日2011年12月30日
發明者謝育和, 陳彥良, 鄭昌泰, 張寶元 申請人:純化科技股份有限公司