在線製備太陽能電池導電極膜層的製作方法
2023-06-14 04:53:36
專利名稱：在線製備太陽能電池導電極膜層的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種矽基薄膜太陽能電池背電極或前電極在線連續磁控濺射鍍膜，屬於太陽能技術領域。
背景技術：
目前，薄膜太陽能電池的前電極和背電極的加工製造過程，均需要鍍制TCO膜層，TCO膜層為透明導電膜，作薄膜太陽能電池晶片(電池板)的電極使用。同時，可以使光線透過，主要指標為透過率和電導率，TCO膜層的透過率越高，光線進入電池越多，電池的短路電流和開路電壓越大。提高TCO膜層的電導率，能減少TCO膜層的缺陷，降低電池內的串聯電阻，提高並聯電阻，增大電池的填充因子，從而有效提高電池的轉化效率。矽基薄膜太陽能電池一般應用平衡磁控濺射鍍膜技術，特別是背電極(負極)的製作，在電池板(或晶片)PIN結的背電極P層膜表面形成複合膜層，金屬氧化膜AZ0、金屬膜銀Ag、鋁Al等金屬膜層作背 電極導電用。磁控濺射鍍膜技術，對靶材施加負高壓，以靶材作為陰極，基片作為陽極，在靶材與基片之間形成電場，並通過在靶材背面放置磁極提供磁場，利用磁場與電場交互作用，約束電子在靶表面附近螺旋狀運行，不斷撞擊氬氣產生離子，所產生的離子在電場作用下撞向靶面濺射出靶材原子，沉積在基片上獲得所需的導電薄膜層。工業化的磁控濺射已發展成為連續磁控濺射鍍膜，即在一條磁控濺射設備上配備了多個磁控濺射陰極。如薄膜太陽能電池的背電極連續鍍膜設備，當電池板(以下稱基片)在生產線真空鍍膜區域移動過程中連續經過AZ0、Ag、Al陰極靶，在電池芯板背電極表面形成所需的複合膜層。雖然磁體材料可以採用永磁鐵和電磁材料，但使用永磁鐵的缺點是磁體極性調節不方便。為此，採用電磁鐵，問題是現有技朮忽略了電磁極性對磁場影響。特別是在線生產連續鍍膜時，對陰極靶要進行排列組合，而每套磁控濺射陰極靶的結構要相同一致，在此條件下必須考慮相鄰陰極裝置靶位之間的磁體極性的相互影響和磁場的分布及等立體分布，對膜層的光學和電學性能的影響。本
發明內容
鑑於此，要解決以上所說現有磁控濺射連續鍍膜時，對多個陰極靶位排列，相鄰陰極靶位之間電磁極性會影響磁場分布，要加以認真研究和合理的利用。本發明目的在於用陰極靶的電磁體調整磁場極性，調節和控制陰極靶位的極性，使其磁體極性相同或相反，以適應在線太陽能電池電極連續磁控濺射鍍複合透明導電膜和
金屬膜。本發明的另一目的是通過對磁體的極性設定，使磁控濺射鍍膜不僅適合鍍電池背電極膜層，還能鍍前電極膜層及過渡膜層，膜層界面清晰、膜層性能好。本發明技術解決方案的主要技術特徵在線連續磁控濺射鍍膜，在真空腔室內，安裝由多種靶材構成的陰極靶裝置，鍍膜區域內排列的陰極靶是平板靶或旋轉靶，陰極靶相鄰靶位的磁體極性可調；
磁體由外環和中間電磁體勵磁線圈接直流電源正負極調節磁體極性。
電池基板通過真空腔室內陰極靶鍍膜區和過渡區連續磁控濺射鍍膜；在基板(電池板)表面形成複合膜和金屬膜，或金屬氧化膜。使陰極靶排列的電磁體極性和磁場強度可調，通過匹配外環和中間磁體的勵磁線圈的匝數或磁體的截面積調節磁通量。電池板在真空腔室內陰極靶鍍膜區連續鍍膜，在電池板基板表面形成複合膜層和或金屬膜。對矽基薄膜太陽能電池的背電極磁控濺射鍍複合膜和金屬膜或對電池前電極鍍透明導電膜、複合膜。在陰極靶的靶位上裝靶材、水冷背板，陰極靶裝置由外環電磁體、中間電磁體構成。將外環和中間電磁體的勵磁線圈接直流電源的正負極，以調節磁體極性。陰極靶的靶材作為陰極，基片作為陽極進行排列組合形成磁控濺射鍍膜陣列。陰極靶可為平面靶或旋轉靶，在靶材與基片之間形成電場，靶座承託靶材由背面電磁體提供磁場。實施本發明的積極效果實現了本發明的目的，通過電磁體的極性設定，不僅應用於在線生產矽基薄膜太陽能電池背電極膜層也適應前電極膜層。通過陰極靶裝置的設定，由單面鍍到雙面鍍，提高了產能，降低了生產成本。
圖I、是本發明的真空腔室剖面示意圖。圖2、是本發明的磁體結構示意圖。圖3、是本發明中相鄰陰極靶位磁體極性相同時，磁力線及等離子體分布示意圖。圖4、是本發明中相鄰陰極靶位磁體極性相反時，磁力線及等離子體分布示意圖。圖5、是本發明陰極祀位中相對磁極極性相反時的磁力線及等離子體分布示意圖。圖6、是本發明陰極靶位中相對磁極極性相同時的磁力線及等離子體分布示意圖。圖7、是本發明實施例I單側面鍍膜，陰極靶可以兩側排布，對基片雙側面鍍膜。圖8、是本發明實施例2的結構示意圖。圖9、是圖8的磁力線及等離子體分布示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖進一步說明本發明的原理見圖1-2，本發明陰極裝置主要包括磁體、勵磁線圈、靶材4、水冷背板5和靶座10，磁體包括磁軛3、中間磁體6和外環磁體8，中間磁體6上繞有中間磁體勵磁線圈7，外環磁體8其上繞外環磁體勵磁線圈9，中間磁體勵磁線圈7和外環磁體勵磁線圈9外接直流電源，中間磁體6和外環磁體8安裝在磁軛3上，水冷背板5位於靶材4的背面，一起固定在靶託10上，形成陰極裝置，陰極裝置安裝在真空腔室I的維修門2上，便於安裝和檢修。靶座10，磁力線11，等離子體12，基片13是磁控濺鍍膜裝置的陽極。為進一步說明相鄰陰極靶位間電磁體對極性的相互影響，見圖3，選擇單側鍍膜，兩組獨立的陰極靶位極性相同時，靶位間磁力線11不閉合，等離子體12分別在各自靶位形成一個閉合的等離子體區。見圖4，相鄰陰極靶位磁極極性相反，兩組靶位間磁力線11閉合，磁場合而為一，範圍得以擴展，於是在兩組陰極靶位上方，形成一個敞開式、共同的等離子體區12。見圖5、是本發明陰極靶位中相對磁極極性相反時的磁力線及等離子體分布示意圖。雙側鍍膜時，當相對陰極裝置的磁體極性相反時，外環部分磁力線相互吸引，等離子體區閉合。
圖6是本發明陰極靶位中相對磁極極性相同時的磁力線及等離子體分布示意圖，外環部分磁力線相互排斥，等離子體區域拉長。圖7是連續磁控濺射鍍膜，在同一真空腔室內安裝多個不同靶材構成磁控濺射陰極靶裝置，基片作為陽極與磁控濺射陰極靶構成鍍膜裝置，基板在真空鍍膜腔室內可連續的在組合式排列陰極靶區域內 鍍單一膜層，在靶與靶交叉區域內鍍過度膜層。在基片表面形成複合膜層，因此連續磁控濺射鍍膜設備具有結構簡單、鍍膜效率高等優點，但連續鍍膜設備必須考慮相鄰陰極裝置的磁體極性的相互影響對膜層性能的影響。單側鍍膜時，鄰陰極裝置的磁體極性相同時，磁力線在相鄰區域內相互排斥，等離子體分別在各自靶位上形成閉合的等離子體區，在基片經過兩組陰極靶相連接區域時，會在基片表面形成界限清晰的各自靶材的膜層，當相鄰陰極裝置的磁體極性相反時，磁力線在相鄰區域內相互吸引，磁場範圍合二為一，磁場範圍得以擴展，於是形成一個敞開式、共同的等離子體區，在基片經過兩組陰極連接區域時，會在基片表面形成兩種靶材的混合膜層。當相對陰極裝置的磁體極性相同時L根據對膜層組合的要求不同，有些要求膜層界限清晰，有些要求膜層存在過渡的混合膜層，因此要根據膜層要求和多陰極的組合方式進行磁體的極性設定，使得相鄰或相對的陰極裝置的磁體的極性相同或相反。圖8詳見本發明實施例2，NiCr合金靶402、Ag金屬靶4 ' '、NiCr合金靶402、Ti02陶瓷靶401，配備五個平面陰極裝置離線連續磁控濺射鍍膜設備的陰極裝置單側排布。實施例I
見圖6，本實施例製備矽基薄膜太陽能電池組件的背電極製作，在線連續磁控濺射鍍膜的磁控濺射陰極靶雙側排布，每側配備三個平面陰極裝置，靶材4 '為AZ0、Ag銀靶材4'丨，鋁Al靶材4'丨丨均為矩形，陰極接DC磁控濺射電源，實現理想穩定的增反效果。清晰界定AZO膜層的光學、電學以及物理常數，如折射率n、電阻率P以及膜層厚度等。要求AZO膜層形成時膜層獨立，減少過渡層出現，因此，要求裝有靶材4 ' AZO與裝有Ag靶材4'丨的相鄰外環磁體8的磁極極性相同。金屬背電極易於實現反射率，為增強兩種金屬膜層結合力，為形成兩種金屬膜層混合的過渡層，因此要求裝有靶材Ag4'丨與A14'丨丨的相鄰外環磁體8極性相反，陰極接DC磁控濺射電源。為實現穩定的增反效果，清晰界定AZO膜層的光學、電學以及物理常數，折射率n、電阻率P以及膜層厚度等，防止AZO鍍膜時對金屬靶產生汙染，要求AZO成膜層獨立，減少過渡層的出現，裝靶材AZ04丨與裝有靶材銀Ag4'丨的相鄰外環磁體8極性相同。金屬背電極易於實現反射率，為增強兩種金屬膜層結合力，可通過獲得過渡層實現，即形成兩種金屬膜層混合的過渡層，因此要求裝有銀靶材Ag4' 』與裝有靶材A14' 』 '的相鄰外環磁體8的磁極極性相反；同時考慮相對磁極極性影響，AZ04' >Ag4 ' ' >A14 '''側外環磁體8的磁極極性應與AZ04 ' >Ag4 ''、AU'丨'相同。通過調整勵磁線圈電源，圖9磁力線11分布和等離子體12分布如圖3所示，兩組獨立的陰極靶位極性相同時，靶位間磁力線11不閉合，等離子體12分別在各自靶位形成一個閉合的等離子體區。當基片13經過AZO和Ag的相鄰交叉區域磁力線11呈分離狀況，形成各自獨立的等離子體12區域，所鍍膜層材料互不混合，獲得彼此獨立的AZO膜層和Ag膜層；當基片13經過Ag和Al的相鄰交叉區域磁力線11呈融合狀況，形成共同的等離子體12區域，所鍍膜層材料發生混合，獲得Ag和Al的混合膜層，滿足工藝要求。
實施例2
見圖7本實施例為製作離線低輻射鍍膜單銀Low-E玻璃時，連續磁控濺射鍍膜設備的陰極裝置單側排布，配備五個平面陰極裝置，依次為Ti02陶瓷靶(401 )、NiCr合金靶(402)、Ag金屬靶(403)、NiCr合金靶(402)、Ti02陶瓷靶(401)，陰極分別接DC磁控濺射電源。Ti02/NiCr/Au-Ag/NiCr/Ti02複合膜結構，多層膜由於在層與層之間發生光的幹涉現象，根據每層膜的光學及電學特性，形成具有較高的近紅外線反射，實現隔熱保溫的作用。所以在製作複合膜時，需清晰界定每個膜層的光學常數，如折射率n、電阻率P以及膜層厚度等，實現特定的光學要求，所以要求每個膜層形成時膜層獨立，因此要求五個平面陰極裝置相鄰外環磁體8的磁極極性相同，根據要求 通過調整勵磁線圈電源，如圖7，使得磁力線11分布線和等離子體12分布如圖3所示，當基片13連續經過所述的五個平面陰極裝置時，相鄰交叉區域磁力線11呈分離狀況，形成各自獨立的等離子體12區域，所鍍膜層材料互不混
八
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權利要求
1.一種在線製備太陽能電池導電極膜層，其特徵在於在線連續磁控濺射鍍膜，在真空腔室內，安裝多種靶材構成陰極靶裝置所形成的陰極靶連續鍍膜區域和過渡區域；且鍍膜區域內排列的陰極靶是平板靶或旋轉靶，陰極靶相鄰靶位的磁體極性可調；磁體由外環和中間電磁體勵磁線圈接直流電源正負極調節磁體極性；匹配外環和中間磁體的勵磁線圈的匝數或磁體的截面積調節磁通量；電池基片通過真空腔室內陰極靶鍍膜區和過渡區連續磁控濺射鍍膜；在基片表面形成複合膜和金屬膜，或金屬氧化膜。
2.根據權利要求I所說的在線製備太陽能電池導電極膜層，其特徵在於所說的真空腔室內製備矽基薄膜太陽能電池的背電極，在線連續磁控濺射鍍膜的磁控濺射陰極靶雙側排布，每側配備三個平面陰極裝置，金屬氧化靶材為AZO、銀靶材Ag，鋁靶材Al均為矩形，陰極接DC磁控濺射電源。
3.根據權利要求2所說的在線製備太陽能電池導電極膜層，其特徵在於所說的矽基薄膜太陽能電池的背電極膜層，是AZO金屬氧化透明複合膜和是銀Ag，鋁Al金屬膜，其膜層界面清晰。
4.根據權利要求2所說的在線製備太陽能電池導電極膜層，其特徵在於所說的基片在AZO和Ag的相鄰交叉區域磁控濺射鍍膜獲得彼此獨立的AZO膜層和Ag膜層。
5.根據權利要求2所說的在線製備太陽能電池導電極膜層，其特徵在於所說的基片在銀Ag和鋁Al的相鄰交叉區域磁控濺射鍍膜，獲得Ag和Al的混合膜層。
6.根據權利要求I所說的在線製備太陽能電池導電極膜層，其特徵在於所說的過渡區是組合式陰極靶位交叉區，使得相鄰或相對的陰極裝置的磁體的極性相同或相反，連續磁控濺射鍍混合膜層。
7.根據權利要求2所說的在線製備太陽能電池導電極膜層，其特徵在於磁控濺射陰極靶是平面靶或旋轉靶，陰極板兩側排布，對基片雙側面鍍膜。
8.根據權利要求I所說的在線製備太陽能電池導電極膜層，其特徵在於在陰極靶的靶位上裝靶材、水冷背板，所說的陰極靶電磁體由外環電磁體和中間電磁體構成。
9.根據權利要求I所說的在線製備太陽能電池導電極膜層，其特徵在於連續磁控濺射鍍膜，陰極靶靶位單側排布，配五個平面陰極靶位，依次為陶瓷靶Ti02、合金靶NiCr、金屬靶銀Ag、合金靶NiCr、陶瓷靶Ti02，陰極分別接DC磁控濺射電源。
10.根據權利要求I所說的在線製備太陽能電池導電極膜層，其特徵在於所說外環和中間磁體電磁鐵,通過匹配勵磁線圈的匝數控制外環和中間磁體端面的磁通量相等。
全文摘要
本發明涉及一種矽基薄膜太陽能電池背電極或前電極在線連續磁控濺射鍍膜，屬於太陽能技術領域。發明目的用陰極靶的電磁體調整磁場極性，使其磁體極性相同或相反。技術特徵，在線連續磁控濺射鍍膜，在真空腔室內，安裝多種靶材的陰極靶裝置是平板靶或旋轉靶。陰極靶相鄰靶位的磁體極性可調。連續磁控濺射鍍膜在基板(電池板)表面形成複合膜和金屬膜,或金屬氧化膜。可獲得清晰界定AZO，金屬膜，提高了膜層的光學性和電學性，提高了產能，降低了生產成本。
文檔編號H01L31/0224GK102677008SQ201210147698
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月14日 優先權日2012年5月14日
發明者劉志斌, 宋光耀, 李毅, 翟宇寧 申請人:深圳市創益科技發展有限公司