一种生长硅基薄膜及高效硅基薄膜太阳能电池的PECVD设备

摘要

一种生长硅基薄膜及高效硅基薄膜太阳能电池的PECVD设备，包括沉积腔体、气路控制系统、电控系统、真空机组。沉积腔体由位于沉积腔体中间位置的生长腔体(1)和位于生长腔体(1)两侧的进出片室(2)构成。进出片室(2)装有手动开、闭的活动门。进出室(2)配有多片样片自动装卸架。生长腔体(1)内装有四组沉积用平行板电容式电极，每组平行板电容式电极由上下两个对称布置的电极板组成，每组平行板电容式电极之间设有垂直安装的挡板。真空机组由机械泵(3)、冷凝过滤器(4)、废气处理装置(5)组成。电控系统的PLC控制器控制硅基薄膜及硅基薄膜太阳能电池生长过程。本发明制备的硅基薄膜不均匀性＜3％(采用红外透射谱方法测试并计算)，硅基薄膜太阳能电池转换效率＞9％(测试光源：AM1.5；1000W/M2)。

说明书

技术领域

本发明涉及制备硅基薄膜类材料及硅基薄膜太阳能电池的设备，特别涉及采用PECVD法制备硅基薄膜类材料及高效率硅基薄膜太阳能电池的设备。

背景技术

目前，世界面临能源紧缺和环境恶化，可再生能源发展速度大大加快。晶体硅太阳电池由于受到原材料供应的限制，使得硅薄膜太阳电池受到重视。但目前制备硅薄膜太阳电池的研发及生产设备成本较高，严重制约了其发展速度。市场上急需低成本的硅薄膜电池研发、生产设备。

中国专利CN2404215提供了一种非晶硅薄膜太阳能电池制作PECVD装置。如图1所示，由七个真空室、真空获得装置、气路和尾气处理组成。七个真空室为长方体形，线列式排列，气动闸板阀隔离，设有轨道小车及导轨，三个反应室及过渡室设电容耦合电极板；气路分9路进气，三个反应室各设3组，与质量流量控制器MFC连接；尾气处理通过三套增压泵、机械泵机组把有毒气体分流；真空获得是在反应室I及两侧过渡室接涡轮分子泵和离子泵，反应室P与进片室及反应室N与出片室间均接涡轮分子泵。它具有真空隔离、连续淀积效果。它实际上是属于采用分子泵机组的研发设备，对当时的薄膜电池技术水平而言，是相当适宜的；当时薄膜太阳电池的有缘层采用纯非晶硅材料且沉积时间较长(30～40分钟)，由于工艺技术水平的限制，必须保证有缘层中没有N型、P型、O₂等杂质所带来的污染，为此采取了两种方法：其一，采用分子泵机组，使生长腔体的极限真空尽量高；其二，两反应室间再增加一个隔离室。此种方法，对当时的技术来说是上选。其缺点是：每增加一个隔离室，至少要增加15～20万元费用，而用途仅是减少可能带来的杂质污染；2.延长了生长周期；3.增加了操作过程的复杂性。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种低成本、可靠性好的用于生长硅基薄膜及高效硅基薄膜太阳能电池的PECVD设备。本发明制备的硅基薄膜均匀性好，电池转换效率高，可用于制备非晶及微晶、单结及多结硅基薄膜太阳能电池。

本发明主要由沉积腔体、气路控制系统、电控系统、真空机组组成。

沉积腔体与气路控制系统、电控系统、真空机组分别连接。其中气路控制系统为生长腔体提供生长用气体；生长用气体通过阀门、质量流量计进入生长腔体。其中电控系统分别与沉积腔体、气路控制系统、真空机组进行连接并实施控制，电控系统对沉积腔体的控制主要是样片传送、生长压力、功率、样片加热温度等；电控系统对气路控制系统的控制主要是阀门开关时间、气体流量等；电控系统对真空机组的控制主要是机械泵启动、停止时间。其中真空机组与沉积腔体的连接，主要是为沉积腔体提供真空；真空机组与废气管路的连接，是为排除管路中的废气。

沉积腔体由进出片室及生长腔体构成。生长腔体位于沉积腔体的中间位置，进出片室位于生长腔体两侧。沉积腔体制造材料为316L不锈钢。沉积腔体整体外部形状为卧式圆柱形或长方形。沉积腔体两侧的进出片室装有活动门，以便装取样片。沉积腔体正面装有金属观察窗，操作人员可通过金属观察窗对生长腔体内部工作状态进行观测。沉积腔体背面，即与金属观察窗对应面，装有抽气口，用来维持沉积腔体真空。沉积腔体下面，装有陶瓷封装引线电极接口及气路控制系统接口，陶瓷封装引线电极接口用以连接射频电源，气路控制系统接口用以通入生长用气体。

生长腔体采用单室4组电极方式，单室是指只有一个生长腔体，样片生长过程是在同一个腔体内完成；4组电极方式是指腔体中有4组用于生长硅基薄膜及硅基薄膜太阳能电池的平行板电容式电极，可以实现不同材料的生长。生长腔体与进出片室间用气动插板阀隔离。生长腔体内的四组平行板电容式电极，每组平行板电容式电极由上下两个对称布置的电极板组成；其中的平行板电容式电极上电极板为阳极，带有为样片加热的加热器，加热器采用屏蔽式，既可提高加热均匀性又可适应不同频率电源需求；每组平行板电容式电极的上电极板上方四周都装有匀气整流罩，以使平行板电容式上电极板附近的真空度及气流方向保持匀衡一致，提高硅基薄膜均匀性，实现较高的硅基薄膜太阳能电池转换效率。平行板电容式电极的下电极板为阴极，带有进气匀气装置；平行板电容式电极的下电极板周围装有屏蔽罩，用以实现等离子体辉光的聚焦。需生长硅基薄膜的样片由程控运载小车运载至所需位置，程控运载小车可连续移动且可按需定位。相邻两组平行板电容式电极之间设有挡板，挡板垂直安装于相邻两组平行板电容式电极之间，以避免相邻两组平行板电容式电极之间的等离子交叉短路。挡板宽度与生长腔体(1)内径相匹配，高度为生长腔体高度的二分之一，装在生长腔体上半部分，其制作材料为316L不锈钢。进出片室样片装卸通过PLC电控系统进行控制，由程控运载小车及多片样片自动装卸架共同实现样片的自动装卸。

真空机组由机械泵、冷凝过滤、废气处理装置等组成。冷凝过滤装置通过不锈钢波纹管连接在生长腔体及机械泵之间，冷凝过滤装置的冷却方式采用水冷，以解决机械泵油蒸汽对沉积腔体的污染及废气排放问题。废气处理装置通过不锈钢波纹管连接在机械泵之后，用于解决有毒及可燃气体降解问题，以减少对环境造成的污染。

气路控制系统主要用于实现对生长气体流量的控制。主要部件包括质量流量计、单向阀、气动截止阀、管路。由气瓶供给的气源，经过减压器、质量流量计、单向阀、气动截止阀进入生长腔体中相对应的平行板电容式电极的下电极板中，再通过平行板电容式电极下电极板的进气匀气装置进入生长腔体；气路控制系统各个部件间通过不锈钢管路进行连接，气路控制系统控制信号由电控系统(PLC)提供。

电控系统主要由PLC控制器组成，PLC控制器本身带有基本操作程序，基本操作程序中设有可变参数，可变参数由操作人员通过屏幕进行设定，设定的参数通过PLC控制器对被控制部件进行控制。

本发明采用此种将生长腔体连通的结构，在生长硅基薄膜类材料及硅基薄膜太阳能电池过程中，不会带来N型、P型等杂质的污染，是基于总结20年设备使用实际经验，对设备部件、工艺进行不断优化，获得较好的实验数据的基础上最终确立的。经过多年深入研究，事实证明P型杂质的污染，在含量较低时(ppm量级)对薄膜电池的有缘层，实际上是有贡献的，而不是早期认为的那样--造成缺陷。本发明采用机械泵机组，不采用分子泵机组，也是基于与以上类似的原因。本发明可简化沉积腔体加工工艺，减少设备组件数量，降低装配复杂度及制造成本。

附图说明

图1为中国专利CN2404215七室线列式PECVD设备外形图，图中：上下电极板升降机构10，进片室11，过渡室12，P型生长室13，I型生长室14，N型生长室15，出片室16，分子泵21，离子泵22，插板阀23；

图2本发明组成结构框图；

图3沉积腔体及真空机组连接结构框图，图中：生长腔体1、进出片室2、机械泵3、冷凝过滤器4、废气处理装置5；

图4沉积腔体结构示意图，沉积腔体由进出片室2及生长腔体1构成；

图5多片样片自动装卸架结构示意图；

图6样片托板与程控运载小车位置示意图；

图7程控运载小车结构及传动方式示意图；

图8平行板电容式电极下电极板结构示意图；

图9平行板电容式电极上电极板结构示意图；

图10位于平行板电容式电极上电极板上的匀气整流罩结构示意图；

图11两组相邻的平行板电容式电极间挡板位置示意图；

图12气路控制系统。

图13硅基薄膜太阳能电池转换效率曲线。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。

如图2所示，本发明由沉积腔体、气路控制系统、电控系统、真空机组组成，电控系统对沉积腔体、气路控制系统、真空机组实施控制。

沉积腔体与真空机组连接方式如图3所示；冷凝过滤器4分别与生长腔体1、进出片室2、机械泵3、废气管路连接。机械泵3与废气处理装置5、冷凝过滤器4采用直径50mm的不锈钢波纹管连接。图3中最左侧机械泵用于废气排放，它通过直径50mm的不锈钢波纹管与冷凝过滤器4连接，冷凝过滤器4通过不锈钢管与气路控制系统中废气排放管路连接。

气路控制系统、电控系统与沉积腔体的排列位置，应方便操作人员操作及视场地情况而定。但真空机组必须与气路控制系统、沉积腔体、电控系统分房间放置，避免可能造成的机械泵油蒸汽污染；真空机组与沉积腔体间连接管应尽量短；气路控制系统、电控系统可放置便于操作的任何位置。

本发明沉积腔体由进出片室2及生长腔体1组成，如图4所示。沉积腔体外形为卧式长方体或圆柱体，沉积腔体内的形状与沉积腔体外部形状一致，制造材料为316L不锈钢。沉积腔体两端为样片进出室2。进出片室2有手动开、闭的活动门，以方便样片装取。样片进出室2配有多片样片自动装卸架，如图5所示。程控运载小车及多片样片自动装卸架构成多片样片自动装卸机构，多片样片自动装卸架分为多层，可同时放置多块样片托板，样片托板用于放置样片。多片样片自动装卸架的层与层之间留有用于运载小车移动的位置空间。每层下方侧壁有与样片托板凸边对应的凹槽。层与层间为保证水平度，采用固定连接方式。多片样片自动装卸架的最上层上装有可使多片样片自动装卸架上下移动的升降轴，最上层的四个角上装有保持垂直及水平的定位轴。图5仅画出有4个样片托板位置的多片样片自动装卸架，以下以图5所示的4个位置说明多片自动装卸架的工作过程，多片样片自动装卸架一次可装满4块样片托板，样片托板以水平方向放置，样片托板与样片托板间以上下排列方式放置于多片自动装卸架中；多片样片自动装卸架可在垂直方向上下移动，实现与传送样片的程控运载小车的对接，将样片托板从多片样片自动装卸架上取下，把样片托板传送到生长腔体1中的相应位置，实现连续工作。

如图6所示，样片托板与程控运载小车交接时，样片托板上的定位孔的垂线与程控运载小车上定位销的垂线相重合。当运载小车到达交接位置时，多片样片自动装卸架将样片托板放下，程控运载小车的定位销嵌入样片托板上的定位孔后，程控运载小车沿水平方向移动，将样片托板带走。程控运载小车外形为长方形，中间位置开有方孔，方孔大小与样片托板尺寸对应。

程控运载小车结构及传动方式如图7所示。程控运载小车装有与样片托板定位孔对应的定位销；程控运载小车装有4只水平方向定位轴承及4只垂直方向定位轴承，定位轴承与沉积腔体内安装的定位轨道配合，实现水平方向及垂直方向定位；程控运载小车放在安装在沉积腔体上的主动力齿轮上，主动力齿轮与程控运载小车上的齿条相配合，使程控运载小车获得行走动力，由于安装在沉积腔体上的主动力齿轮将程控运载小车托住，使得程控运载小车上的定位轴承与安装在沉积腔体上的定位轨道顶紧，确保了程控运载小车行走的方向的稳定。当程控运载小车从多片样片自动装卸架上取走样片托板时，程控运载小车沿水平方向移动，进入到带有样片托板的多片样片自动装卸架下面，对准位置后停住；自动装卸架向下移动，使样片托板的定位孔嵌入程控运载小车上的定位销中后停止；程控运载小车沿水平方向向生长腔体1移动，将样片托板由多片样片自动装卸架中取走，程控运载小车继续移动，进入生长腔体1后等待进行下一步工作。当程控运载小车将样片托板放回多片样片自动装卸架时，工作过程反之。

如图4所示，生长腔体1包括四组平行板电容式电极，四组平行板电容式电极均匀分布于生长腔体1中；每组平行板电容式电极由上下两个对称布置的电极板组成，且上下电极板面积相等，相邻两组平行板电容式电极之间的水平间距与平行板电容式电极板边长或直径相等。

如图8所示，平行板电容式电极的下电极板为阴极，阴极装有进气匀气装置，进气匀气装置为沉积用气体进入生长腔体1的通路，是平行板电容式电极的下电极板组成的重要部分，起着匀气的作用。平行板电容式电极的下电极板通过螺纹方式与馈入射频电源阴极相连接。进气匀气装置采用金属铝材料制作，其上均匀分布矩阵方式排列的圆形通孔，且孔与孔间间距、孔与下电极板边缘距离保持一致，否则不利于薄膜均匀性的提高。平行板电容式电极的下电极板四周有接地屏蔽层，屏蔽层外形与平行板电容式电极的下电极板外形相似，包围在平行板电容式电极的下电极板周围，屏蔽层与平行板电容式电极的下电极板之间留有间隙，间隙用聚四氟材料进行填充，且屏蔽层与平行板电容式电极的下电极板高度应在同一水平面内，以实现等离子辉光的聚焦。

如图9所示，平行板电容式电极的上电极板为阳极，加热器镶嵌在由钼材料制作的平行板电容式电极的上电极板中，加热器由温控装置控制，采用钼材料的目的是提高加热均匀性。平行板电容式电极的上电极板加热器结构为中间套有加热管的长方体；加热管分为三层：最外层是接地的不锈钢屏蔽层，中心为加热丝，不锈钢屏蔽层与加热丝之间为绝缘层。平行板电容式电极的上电极板即阳极正上方有匀气整流罩，如图10所示，其外形与平行板电容式电极的上电极板相似，匀气整流罩外形类似上大下小的空心“金字塔”，下底和上底皆为正方形，下底正方形大于上底正方形，可使气流向上汇聚收缩；匀气整流罩的作用是保证排气气流的均匀，以提高生长薄膜的均匀性，是提高电池效率的方法之一。

在生长腔体1内两组相邻的平行板电容式电极之间设有挡板，如图11所示，挡板位于两组相邻平行板电容式电极之间，采用垂直安装方式，以避免相邻两组平行板电容式电极极之间的等离子交叉短路；挡板宽度与生长腔体内径相匹配，高度为生长腔体高度的二分之一，装在生长腔体1上半部分，其制作材料为316L不锈钢。需生长样片由程控运载小车从多片样片自动装卸架上卸下后，运至生长位置，程控运载小车停在生长位置，且与平行板电容式电极的上极板距离约1mm，以便于热传导及提高加热均匀性。

气路控制系统包括：质量流量计、电磁阀、气动阀、单向阀等，如图12所示。共有七路气体，分成4组，并分别对应于4组平行板电容式电极；气体经过单向阀、气动阀、质量流量计、电磁阀进入平行板电容式电极，再经过进气匀气装置进入生长腔体1；单向阀的作用是防止气体向气瓶方向反向流动，气动阀的作用是关断质量流量计进气口气体，质量流量计的作用是控制气体流量，电磁阀的作用是将生长腔体与气路系统分割开；各部件之间通过不锈钢管路连接；不锈钢管路应采用内抛光管；拐弯处应采用一次成形转接头，不锈钢管路与一次成形转接头的连接必须采用焊接方式连接；单向阀、气动阀、质量流量计、电磁阀的连接处应采用VCR面密封方式连接。来自电控系统PLC控制器的控制信号对气动阀、质量流量计、电磁阀等部件按设定参数进行实时控制。

电控系统主要由PLC控制器组成，用以控制气路系统、沉积腔体、真空机组等。气路系统根据电控系统提供各种参数为生长硅基薄膜所用气体进行配置。沉积腔体通过电控系统提供的设定参数：等离子辉光放电强度、压力、温度等，完成生长硅基薄膜过程。真空机组完成生长过程气压控制及废气排放。

真空机组用来维持沉积腔体真空环境，其与各部分间的连接结构，如图3所示，由机械泵3、冷凝过滤器4、废气处理装置5等组成。冷凝过滤器4安装在机械泵3与沉积腔体之间，以减少油蒸汽对硅基薄膜沉积腔体的污染。机械泵3出气口处装有废气处理装置5，废气处理装置5内采用碱液喷林过滤法处理废气，可实现对环境的保护。另一路机械泵3未与沉积腔体连接，如图12所示，是为排放管路中废气而设计；当生长完样片后，剩于气体已经没有利用价值；若通过生长腔体1排放，其一会缩短单向阀、气动阀、质量流量计、电磁阀等部件使用寿命；其二由于单向阀、气动阀、质量流量计、电磁阀等部件对气体流量的限制，会延长排气时间，增加水电等消耗；其三还可延长与生长腔体1连接机械泵的维修周期，提高设备稳定性，进而提高生长的硅基薄膜及硅基薄膜太阳能电池的性能。

本发明的工作过程如下：

本发明通过PECVD(等离子化学气相沉积)技术，生长非晶及微晶、单结及多结硅基薄膜太阳能电池。除将样片托板放入或取出进出片室2的操作外，皆由PLC控制器自动完成操作过程。在本发明设备中进出片室2，没有作具体规定，原因是：对于生长不同硅基薄膜或硅基薄膜太阳能电池而言，生长顺序是不同的，进出片方向也会不同。

第一步：将清洗干净的样片，装在样片托板上，把样片托板带有样片的一面朝下，插入多片样片自动装卸架的样片托板凹槽中，关上进出片室2的活动门并抽真空。

第二步：启动PLC控制器，设定参数(PLC程序中只有可变参数需要用户，如每次生长样片的时间、需用混合气体比例等；而不变参数一般不需从新设定，如程控运载小车与样片交接等)并等待。PLC首先读要取进出片室2真空度参数值，此值为标准定值，并以此为执行下一步工作校准参考点(10Pa)；当进出片室2真空度达到10Pa时，PLC开始工作。

PLC将户设定参数嵌入程序，并开始运行程序；程序运行过程中，PLC会定期将读取到的实时参数值与标准参考点值相比较，若满足条件则程序继续运行，否则程序等待，待满足条件后继续运行。程序运行过程中的校准值，主要是参考真空度参数值及用户设定值，用户设定值优先级最高。如当程控运载小车要移动到插板阀另一侧时，生长腔体1的真空度应大于100Pa，进出片室2真空度应小于10Pa，100Pa、10Pa皆为校准值。

第三步：当PLC确认生长腔体1的真空度应大于100Pa、进出片室2真空度应小于10Pa时，给气路控制系统发出指令，打开氢气气路，给生长腔体1充入氢气进行样片转移，此时生长腔体1的压力应不小于100 Pa、进出片室2的真空度应小于10Pa，进出片室2与生长腔体1间的气动插板阀打开；PLC发出下一步指令，多片样片自动装卸架移动到设定位置，程控运载小车进入进出片室2，并对准位置，多片样片自动装卸架垂直下移，使程控运载小车定位销嵌入样片托板定位孔中并锁住；依据PLC指令，程控运载小车沿水平方向向生长腔体1移动，定位在设定位置后，气动插板阀关闭，转移用氢气关闭，开始对生长腔体1抽真空；当生长腔体1真空度达到0.1Pa时，依据PLC指令，上电极板加热器开始工作，待达到设定温度后；依据PLC指令，打开需用气体管路，通入相应生长用混合气体，待压力达到设定参数后；依据PLC指令，射频电源启动，开始生长硅基薄膜。若需生长多层硅基薄膜，根据设定参数重复此过程即可。生长完硅基薄膜后，依据PLC指令，关闭气体管路，将剩余气体通过废气管路由机械泵排空；当生长腔体1真空度达到0.1Pa时，依据PLC指令，关闭机械泵与生长腔体间阀门，打开氢气管路，给生长腔体1冲入氢气，待压力达到100Pa时，进行下一步工作。

第四步：当进出片室2的压力达到10Pa、生长腔体1压力大于100Pa时，依据PLC指令，生长完的样片开始向进出片室2转移，当进出片室2与生长腔体1间气动插板阀打开，多片样片自动装卸架移动到设定位置，程控运载小车载着生长完的带有样片的样片托板进入进出片室2，样片托板边缘的凸边嵌入到多片样片自动装卸架的凹槽中并对准位置，多片样片自动装卸架垂直上移，将样片托板提离程控运载小车，程控运载小车沿水平方向向生长腔体1移动，待程控运载小车进入生长腔体1后，气动插板阀关闭，转移用氢气关闭。

第五步：待进出片室2内样片温度降至室温后，给进出片室2内冲入干燥氮气；当压力达到大气压时，将进出片室2门打开，取出样片，关门、抽真空。

以上五步完成一个样片的全生长工艺流程。

对采用本发明设备所制备的硅基薄膜，用红外透射谱法进行了厚度测量并计算。在100X100mm²面积上，取5点，分别在4个角、及对角线焦点，测量结果如下：其不均匀性＜3％。

对采用本发明设备所制备的硅基薄膜太阳能电池，在AM1.5；1000W/M²光源下进行的测量结果如下图：电池转换效率＞9％，如图13所示。