專利名稱：基于磁控濺射技術(shù)沉積太陽能電池用硅薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新能源材料制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于磁控濺射技術(shù)沉積太陽能電池用硅薄膜的方法。
背景技術(shù)：
太陽能資源因其分布不受地域限制、儲(chǔ)量巨大且取之不盡、利用過程無噪聲等優(yōu)勢(shì)已成為一種備受關(guān)注的新能源；在各種太陽能電池中，硅基太陽能電池因具有原料豐富、 無毒且成本低、以及與半導(dǎo)體技術(shù)兼容等優(yōu)點(diǎn)而受到青睞。目前，以單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能電池為代表的電池組件技術(shù)成熟且轉(zhuǎn)換效率高，但制備過程中能量和材料消耗大，成本下降空間以及轉(zhuǎn)換效率提升空間有限，不利于大面積生產(chǎn)。非晶硅薄膜太陽能電池因具有制備過程硅原料和電能源消耗少，成本優(yōu)勢(shì)凸顯，適宜于工業(yè)化大面積生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，近年來產(chǎn)業(yè)發(fā)展提速。目前所研發(fā)及生產(chǎn)的硅基薄膜太陽能電池具有能量返回期短、高溫性能好和弱光/短波響應(yīng)好等特點(diǎn)，且利用其組件建立的并網(wǎng)電站和離網(wǎng)電站擴(kuò)容方便且運(yùn)行維護(hù)成本低。當(dāng)前，產(chǎn)業(yè)界在制備硅基薄膜太陽能電池所用硅薄膜時(shí)均以等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)為制備手段、三烷(硅烷、硼烷、磷烷)等特氣為主要原料，生產(chǎn)過程中安全控制極為嚴(yán)格且工藝流程較為復(fù)雜，同時(shí)所制得的非晶硅薄膜其結(jié)構(gòu)致密度欠佳、氫含量難以精確控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供了一種基于磁控濺射技術(shù)沉積太陽能電池用硅薄膜的方法， 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明方法制備過程無有毒氣體介入，安全可靠，工藝穩(wěn)定，重復(fù)性好，且制得的硅薄膜沉積速率高、致密性好。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種基于磁控濺射技術(shù)沉積太陽能電池用硅薄膜的方法，其特征在于，所制備的硅薄膜厚度為0. 01 μ m 5 μ m，且使用的設(shè)備主要包括磁控濺射設(shè)備，該磁控濺射設(shè)備的真空腔室包括至少一個(gè)工作真空腔室以及連接在所述工作真空腔室兩側(cè)的多個(gè)輔助真空腔室，所述工作真空腔室內(nèi)設(shè)置有高純固體硅靶材，貫通整個(gè)真空腔室水平設(shè)置有工裝架，所述工裝架上連接有驅(qū)動(dòng)裝置；具體包括以下步驟步驟1 選取導(dǎo)電玻璃、不銹鋼片或預(yù)鍍有電極的耐用柔性聚合物材料為基材，對(duì)基材進(jìn)行前清洗處理；步驟2 將步驟1前清洗處理后的基材放置于工裝架上，通過驅(qū)動(dòng)裝置將基材送至磁控濺射設(shè)備的真空腔室中；該工裝架在硅薄膜制備過程中保持速度為lOmm/min 1000mm/min的直線運(yùn)動(dòng)；對(duì)整個(gè)真空腔室進(jìn)行抽真空，使工作真空腔室的本底真空度不大于 6. OXKT3Pa ；步驟3、在基材表面沉積硅薄膜
將工作真空腔室中持續(xù)通入氬氣和氫氣的混合氣體，其中，氫分壓為0% 60%， 并保證工作真空腔室的工作氣壓為1. OX IO-1Pa 9. 5 X IO-1Pa ；以0. 01A/min 5A/min的速率將硅靶材的靶電流增大至0. 3A 15A后，維持硅靶材的電參數(shù)以進(jìn)行硅薄膜的沉積，沉積時(shí)間為Imin 30min ；或者是，以2W/min 500W/min的速率將硅靶材的靶功率增大至IOOW 2000W后， 維持硅靶材的電參數(shù)以進(jìn)行硅薄膜的沉積，沉積時(shí)間為Imin 30min。步驟1中，對(duì)基材進(jìn)行前處理清洗的具體方法為將基材置于含清洗劑的溶液中， 超聲波清洗或機(jī)械毛刷清洗，除去基材表面的污漬；再將該基體放入去離子水中，超聲波清洗或機(jī)械毛刷清洗，以去除殘留清洗劑，并熱風(fēng)吹干。步驟2中，控制工裝架上基體與硅靶材之間的距離為20mm 200mm。硅靶材為單晶硅靶材或多晶硅靶材。硅靶材為P型、N型或I型。耐用柔性聚合物材料為塑料和樹脂。本發(fā)明方法以磁控濺射技術(shù)為制備手段，以高純固體硅靶材為硅源，通過輝光放電-粒子輸運(yùn)來沉積硅薄膜，基體在表面沉積硅薄膜過程中保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并通過精確控制氫氣的通入量，精確控制了所制備硅薄膜中的氫含量，其工藝簡(jiǎn)單，便于控制，提高了硅薄膜的致密度和沉積速率。另一方面，相比當(dāng)前產(chǎn)業(yè)界所用PECVD設(shè)備多為進(jìn)口且造價(jià)昂貴，同時(shí)硅基薄膜太陽能電池的正負(fù)電極層均采用濺射方法制備，本發(fā)明方法更是取得了可工業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)進(jìn)步，大幅降低產(chǎn)業(yè)的投資門檻，同時(shí)生產(chǎn)流程的減少也明顯降低硅基薄膜太陽能電池組件成本，能推動(dòng)硅基薄膜太陽能電池的民用化進(jìn)程。


圖1為本發(fā)明方法實(shí)施例6制備的太陽能電池用硅薄膜的透視電子顯微形貌圖；圖2為圖1所示硅薄膜截面的衍射花樣分析圖；圖3為圖1所示硅薄膜截面局部區(qū)域的高分辨圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1本實(shí)施例使用的設(shè)備主要包括磁控濺射設(shè)備，該磁控濺射設(shè)備的真空腔室包括至少一個(gè)工作真空腔室以及連接在工作真空腔室兩側(cè)的多個(gè)輔助真空腔室，工作真空腔室內(nèi)設(shè)置有高純固體硅靶材，貫通整個(gè)真空腔室水平設(shè)置有工裝架，工裝架上連接有驅(qū)動(dòng)裝置， 驅(qū)動(dòng)裝置用于驅(qū)動(dòng)工裝架在真空腔室內(nèi)沿真空腔室的走向做持續(xù)直線運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明一種基于磁控濺射技術(shù)沉積太陽能電池用硅薄膜的方法，具體包括以下步驟步驟1 選取導(dǎo)電玻璃作為基材，對(duì)基材進(jìn)行前清洗處理。對(duì)基材進(jìn)行前處理清洗的具體方法為將基材置于含清洗劑的溶液中，超聲波清洗，除去基材表面的污漬；再將該基體放入去離子水中，機(jī)械毛刷清洗，以去除殘留清洗劑， 并熱風(fēng)吹干。步驟2 將步驟1前清洗處理后的基材放置于工裝架上，控制工裝架上基體與硅靶材之間的距離為200mm。通過驅(qū)動(dòng)裝置將基材送至磁控濺射設(shè)備的真空腔室中；該工裝架在硅薄膜制備過程中保持速度為lOOOmm/min的直線運(yùn)動(dòng)；對(duì)整個(gè)真空腔室進(jìn)行抽真空，使工作真空腔室的本底真空度不大于6. OX 10_3!^。硅靶材選用P型單晶硅靶材。步驟3、在基材表面沉積硅薄膜將工作真空腔室中持續(xù)通入氬氣和氫氣的混合氣體，其中，氫分壓為30%，并保證工作真空腔室的工作氣壓為9. 5 X 10 ；采用直流電源供給模式，以2A/min的速率將硅靶材的靶電流增大至IOA后，維持硅靶材的電參數(shù)以進(jìn)行硅薄膜的沉積，沉積時(shí)間為Imin。本實(shí)施例制備的硅薄膜厚度為0. 355 μ m,沉積速率約為355nm/min。實(shí)施例2本實(shí)施例使用的設(shè)備同實(shí)施例1。本發(fā)明一種基于磁控濺射技術(shù)沉積太陽能電池用硅薄膜的方法，具體包括以下步驟步驟1 選取不銹鋼片作為基材，對(duì)基材進(jìn)行前清洗處理。對(duì)基材進(jìn)行前處理清洗的具體方法為將基材置于含清洗劑的溶液中，機(jī)械毛刷清洗，除去基材表面的污漬；再將該基體放入去離子水中，超聲波清洗，以去除殘留清洗劑， 并熱風(fēng)吹干。步驟2 將步驟1前清洗處理后的基材放置于工裝架上，控制工裝架上基體與硅靶材之間的距離為200mm。通過驅(qū)動(dòng)裝置將基材送至磁控濺射設(shè)備的真空腔室中；該工裝架在硅薄膜制備過程中保持速度為lOOOmm/min的直線運(yùn)動(dòng)；對(duì)真空腔室進(jìn)行抽真空，使工作真空腔室的本底真空度不大于6. OX 10_3!^。硅靶材選用P型多晶硅靶材。步驟3、在基材表面沉積硅薄膜將工作真空腔室中持續(xù)通入氬氣和氫氣的混合氣體，其中，氫分壓為30%，并保證工作真空腔室的工作氣壓為9. 5 X 10 ；采用射頻電源供給模式，以200W/min的速率將硅靶材的靶功率增大至1400W后， 維持硅靶材的電參數(shù)以進(jìn)行硅薄膜的沉積，沉積時(shí)間為lmin。本實(shí)施例制備的硅薄膜厚度為0. 036 μ m,沉積速率約為3. 6nm/min。實(shí)施例3本實(shí)施例使用的設(shè)備同實(shí)施例1。本發(fā)明一種基于磁控濺射技術(shù)沉積太陽能電池用硅薄膜的方法，具體包括以下步驟步驟1 選取耐用柔性聚合物材料為基材，具體選用預(yù)鍍有電極的塑料為基材，對(duì)基材進(jìn)行前清洗處理。對(duì)基材進(jìn)行前處理清洗的具體方法為將基材置于含清洗劑的溶液中，超聲波清洗，除去基材表面的污漬；再將該基體放入去離子水中，超聲波清洗，以去除殘留清洗劑，并熱風(fēng)吹干。步驟2 將步驟1前清洗處理后的基材放置于工裝架上，控制工裝架上基體與硅靶材之間的距離為100mm。通過驅(qū)動(dòng)裝置將基材送至磁控濺射設(shè)備的真空腔室中；該工裝架在硅薄膜制備過程中保持速度為500mm/min的直線運(yùn)動(dòng)；對(duì)整個(gè)真空腔室進(jìn)行抽真空，使工作真空腔室的本底真空度不大于6. OX 10_3Pa。硅靶材選用I型(即本征型)單晶硅靶材。步驟3、在基材表面沉積硅薄膜將工作真空腔室中持續(xù)通入氬氣，此時(shí)氫分壓為0%，并保證工作真空腔室的工作氣壓為 6. 5 X IO^1Pa ；采用直流電源供給模式，以0. 01A/min的速率將硅靶材的靶電流增大至0. 3A后， 維持硅靶材的電參數(shù)以進(jìn)行硅薄膜的沉積，沉積時(shí)間為20min。本實(shí)施例制備的硅薄膜厚度為0. 012 μ m,沉積速率約為0. 6nm/min。實(shí)施例4本實(shí)施例使用的設(shè)備同實(shí)施例1。本發(fā)明一種基于磁控濺射技術(shù)沉積太陽能電池用硅薄膜的方法，具體包括以下步驟步驟1 選取導(dǎo)電玻璃作為基材，對(duì)基材進(jìn)行前清洗處理。對(duì)基材進(jìn)行前處理清洗的具體方法為將基材置于含清洗劑的溶液中，機(jī)械毛刷清洗，除去基材表面的污漬；再將該基體放入去離子水中，超聲波清洗，以去除殘留清洗劑， 并熱風(fēng)吹干。步驟2 將步驟1前清洗處理后的基材放置于工裝架上，控制工裝架上基體與硅靶材之間的距離為110mm。通過驅(qū)動(dòng)裝置將基材送至磁控濺射設(shè)備的真空腔室中；該工裝架在硅薄膜制備過程中保持速度為400mm/min的直線運(yùn)動(dòng)；對(duì)整個(gè)真空腔室進(jìn)行抽真空，使工作真空腔室的本底真空度不大于6. OX 10_3!^。硅靶材選用I型多晶硅靶材。步驟3、在基材表面沉積硅薄膜將工作真空腔室中持續(xù)通入氬氣，此時(shí)氫分壓為0%，并保證工作真空腔室的工作氣壓為 4. OXKT1Pa ；采用射頻電源供給模式，以2W/min的速率將硅靶材的靶功率增大至IOOW后，維持硅靶材的電參數(shù)以進(jìn)行硅薄膜的沉積，沉積時(shí)間為20min。本實(shí)施例制備的硅薄膜厚度為0. 01 μ m，沉積速率約為0. 5nm/min。實(shí)施例5本實(shí)施例使用的設(shè)備同實(shí)施例1。本發(fā)明一種基于磁控濺射技術(shù)沉積太陽能電池用硅薄膜的方法，具體包括以下步驟步驟1 選取不銹鋼片作為基材，對(duì)基材進(jìn)行前清洗處理。對(duì)基材進(jìn)行前處理清洗的具體方法為將基材置于含清洗劑的溶液中，超聲波清洗，除去基材表面的污漬；再將該基體放入去離子水中，機(jī)械毛刷清洗，以去除殘留清洗劑， 并熱風(fēng)吹干。步驟2 將步驟1前清洗處理后的基材放置于工裝架上，控制工裝架上基體與硅靶材之間的距離為20mm。通過驅(qū)動(dòng)裝置將基材送至磁控濺射設(shè)備的真空腔室中；該工裝架在硅薄膜制備過程中保持速度為lOmm/min的直線運(yùn)動(dòng)；對(duì)整個(gè)真空腔室進(jìn)行抽真空，使工作真空腔室的本底真空度不大于6. OX 10_3!^。硅靶材選用N型多晶硅靶材。
步驟3、在基材表面沉積硅薄膜將工作真空腔室中持續(xù)通入氬氣和氫氣的混合氣體，其中，氫分壓為60%，并保證工作真空腔室的工作氣壓為1. OX KT1I^a ；采用直流電源供給模式，以5A/min的速率將硅靶材的靶電流增大至15A后，維持硅靶材的電參數(shù)以進(jìn)行硅薄膜的沉積，沉積時(shí)間為30min。本實(shí)施例制備的硅薄膜厚度為5 μ m,沉積速率約為500nm/min。實(shí)施例6本實(shí)施例使用的設(shè)備同實(shí)施例1。本發(fā)明一種基于磁控濺射技術(shù)沉積太陽能電池用硅薄膜的方法，具體包括以下步驟步驟1 選取耐用柔性聚合物材料為基材，具體選用預(yù)鍍有電極的樹脂為基材，對(duì)基材進(jìn)行前清洗處理。對(duì)基材進(jìn)行前處理清洗的具體方法為將基材置于含清洗劑的溶液中，超聲波清洗，除去基材表面的污漬；再將該基體放入去離子水中，機(jī)械毛刷清洗，以去除殘留清洗劑， 并熱風(fēng)吹干。步驟2 將步驟1前清洗處理后的基材放置于工裝架上，控制工裝架上基體與硅靶材之間的距離為30mm。通過驅(qū)動(dòng)裝置將基材送至磁控濺射設(shè)備的真空腔室中；該工裝架在硅薄膜制備過程中保持速度為lOmm/min直線運(yùn)動(dòng)；對(duì)整個(gè)真空腔室進(jìn)行抽真空，使工作真空腔室的本底真空度不大于6. OX 10_3!^。硅靶材選用N型單晶硅靶材。步驟3、在基材表面沉積硅薄膜將工作真空腔室中持續(xù)通入氬氣和氫氣的混合氣體，其中，氫分壓為50%，并保證工作真空腔室的工作氣壓為1. 2 X 10 ；采用射頻電源供給模式，以500W/min的速率將硅靶材的靶功率增大至2000W后， 維持硅靶材的電參數(shù)以進(jìn)行硅薄膜的沉積，沉積時(shí)間為30min。本實(shí)施例制備的硅薄膜厚度為1. 5 μ m，沉積速率約為50nm/min。如圖1所示，硅薄膜的截面形貌致密，未看到孔洞等缺陷，同時(shí)薄膜與基體結(jié)合良好。如圖2所示，為對(duì)圖1的硅薄膜截面進(jìn)行電子衍射花樣分析圖，可看到此時(shí)硅薄膜雖整體為非晶態(tài)，但是薄膜中Si(Ill)晶面的衍射環(huán)已依稀可見，說明硅薄膜中局部包含有納米硅晶粒，薄膜中硅原子的有序化程度比較高，這也間接證明了硅薄膜的致密性較好。對(duì)圖1 的硅薄膜的截面局部區(qū)域進(jìn)行高分辨照片分析，如圖3所示，能看出硅薄膜的微觀結(jié)構(gòu)中原子雖長程無序排列，但仍排列緊密，同時(shí)可看到硅原子的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)。如下表所示，為本發(fā)明方法與現(xiàn)有PECVD法制備太陽能電池用硅薄膜的工藝特點(diǎn)比較
權(quán)利要求
1.一種基于磁控濺射技術(shù)沉積太陽能電池用硅薄膜的方法，其特征在于，所制備的硅薄膜厚度為0. 01 μ m 5 μ m，且使用的設(shè)備主要包括磁控濺射設(shè)備，該磁控濺射設(shè)備的真空腔室包括至少一個(gè)工作真空腔室以及連接在所述工作真空腔室兩側(cè)的多個(gè)輔助真空腔室，所述工作真空腔室內(nèi)設(shè)置有高純固體硅靶材，貫通整個(gè)真空腔室水平設(shè)置有工裝架，所述工裝架上連接有驅(qū)動(dòng)裝置；具體包括以下步驟步驟1 選取導(dǎo)電玻璃、不銹鋼片或預(yù)鍍有電極的耐用柔性聚合物材料為基材，對(duì)基材進(jìn)行前清洗處理；步驟2 將步驟1前清洗處理后的基材放置于工裝架上，通過驅(qū)動(dòng)裝置將基材送至磁控濺射設(shè)備的真空腔室中；該工裝架在硅薄膜制備過程中保持速度為lOmm/min IOOOmm/ min的直線運(yùn)動(dòng)；對(duì)整個(gè)真空腔室進(jìn)行抽真空，使工作真空腔室的本底真空度不大于 6. OXKT3Pa ；步驟3、在基材表面沉積硅薄膜將工作真空腔室中持續(xù)通入氬氣和氫氣的混合氣體，其中，氫分壓為0% 60%，并保證工作真空腔室的工作氣壓為1. OX KT1Pa 9. 5 X KT1Pa ；以0. OlA/min 5A/min的速率將硅靶材的靶電流增大至0. 3A 15A后，維持硅靶材的電參數(shù)以進(jìn)行硅薄膜的沉積，沉積時(shí)間為Imin 30min ；或者是，以2W/min 500W/min的速率將硅靶材的靶功率增大至IOOW 2000W后，維持硅靶材的電參數(shù)以進(jìn)行硅薄膜的沉積，沉積時(shí)間為Imin 30min。
2.按照權(quán)利要求1所述基于磁控濺射技術(shù)沉積太陽能電池用硅薄膜的方法，其特征在于，步驟1中，對(duì)基材進(jìn)行前處理清洗的具體方法為將基材置于含清洗劑的溶液中，超聲波清洗或機(jī)械毛刷清洗，除去基材表面的污漬；再將該基體放入去離子水中，超聲波清洗或機(jī)械毛刷清洗，以去除殘留清洗劑，并熱風(fēng)吹干。
3.按照權(quán)利要求1所述基于磁控濺射技術(shù)沉積太陽能電池用硅薄膜的方法，其特征在于，步驟2中，控制工裝架上基體與硅靶材之間的距離為20mm 200mm。
4.按照權(quán)利要求1或2或3所述基于磁控濺射技術(shù)沉積太陽能電池用硅薄膜的方法， 其特征在于，所述硅靶材為單晶硅靶材或多晶硅靶材。
5.按照權(quán)利要求或2或3所述基于磁控濺射技術(shù)沉積太陽能電池用硅薄膜的方法，其特征在于，所述硅靶材為P型、N型或I型。
6.按照權(quán)利要求1或2或3所述基于磁控濺射技術(shù)沉積太陽能電池用硅薄膜的方法， 其特征在于，所述耐用柔性聚合物材料為塑料和樹脂。
全文摘要
本發(fā)明一種基于磁控濺射技術(shù)沉積太陽能電池用硅薄膜的方法，所制備的硅薄膜厚度為0.01μm～5μm，使用的設(shè)備為磁控濺射設(shè)備，包括以下步驟選取基材，進(jìn)行前清洗處理；放置于工裝架上，送至磁控濺射設(shè)備的真空腔室中；工裝架在硅薄膜制備過程中保持直線運(yùn)動(dòng)，對(duì)整個(gè)真空腔室進(jìn)行抽真空；持續(xù)通入氬氣和氫氣的混合氣體，并保證工作氣壓一定；將硅靶材的靶電流增大至0.3A～15A后，或者將硅靶材的靶功率增大至100W～2000W后，維持硅靶材的電參數(shù)以進(jìn)行硅薄膜的沉積，沉積時(shí)間為1min～30min。本發(fā)明方法制備過程無有毒且危險(xiǎn)氣體介入、工藝穩(wěn)定、安全可靠、重復(fù)性好，且制得的硅薄膜沉積速率高、致密性好。
文檔編號(hào)C23C14/35GK102260853SQ201110188670
公開日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2011年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月7日
發(fā)明者李春月, 李洪濤, 牛毅, 蔣百靈 申請(qǐng)人:西安理工大學(xué)