用于形成太陽能電池中的薄膜的裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開的用于形成太陽能電池的裝置包括限定具有襯底支撐件的腔室的外殼。濺射源被配置成在位于襯底支撐件上的襯底的至少一部分表面上方沉積第一類型的顆粒。蒸發(fā)源被配置成在襯底的部分表面上方沉積多個(gè)第二類型的顆粒。在濺射源和蒸發(fā)源之間提供冷卻單元。提供用于根據(jù)蒸發(fā)源發(fā)射出的質(zhì)量通量的速率控制蒸發(fā)源的控制系統(tǒng)。本發(fā)明還公開了用于形成太陽能電池中的薄膜的裝置和方法。
【專利說明】用于形成太陽能電池中的薄膜的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體上涉及光伏領(lǐng)域，具體而言，涉及用于形成太陽能電池或電池板中的薄膜的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]銅銦鎵硒化物(CIGS)是薄膜太陽能電池中常用的吸收層。CIGS薄膜太陽能電池在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了極好的轉(zhuǎn)換效率(> 20% )。通過共蒸鍍或硒化法兩種技術(shù)中的一種來完成最傳統(tǒng)的CIGS沉積。共蒸鍍涉及同時(shí)蒸發(fā)銅、銦、鎵和硒。這四種元素的不同熔點(diǎn)使得控制大襯底上化學(xué)計(jì)量化合物的形成非常困難。此外，當(dāng)采用共蒸鍍時(shí)，膜粘合性非常弱。硒化法涉及兩步工藝。首先，將銅、鎵和銦前體濺射于襯底上。其次，在500攝氏度或更高的溫度下，通過前體與有毒的H2SeM2S反應(yīng)來發(fā)生硒化。因?yàn)檫@兩步反應(yīng)都涉及氣體(Se*H2Se)擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，所以膜組成分布也難于控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用于形成太陽能電池的裝置，包括:
[0004]外殼，限定在其中包括襯底支撐件的腔室；
[0005]濺射源，被配置成在位于所述襯底支撐件上的襯底的表面的至少一部分上方沉積第一類型的顆粒；
[0006]蒸發(fā)源，被配置成在所述襯底的表面的該部分上方沉積多個(gè)第二類型的顆粒；
[0007]冷卻單元，位于所述濺射源`和所述蒸發(fā)源之間；以及
[0008]控制系統(tǒng)，用于根據(jù)所述蒸發(fā)源發(fā)射出的質(zhì)量通量的速率控制所述蒸發(fā)源。
[0009]在可選實(shí)施例中，所述控制系統(tǒng)包括質(zhì)量通量傳感器。
[0010]在可選實(shí)施例中，所述控制系統(tǒng)還包括被連接以接收來自所述質(zhì)量通量傳感器的指示質(zhì)量通量速率的信號(hào)的控制單元，所述控制單元提供輸出信號(hào)以控制所述蒸發(fā)源。
[0011]在可選實(shí)施例中，所述裝置還包括對(duì)所述輸出信號(hào)作出響應(yīng)以調(diào)節(jié)來自所述蒸發(fā)源的質(zhì)量通量的速率的自動(dòng)處理控制閥。
[0012]在可選實(shí)施例中，所述冷卻單元對(duì)所述輸出信號(hào)作出響應(yīng)以調(diào)節(jié)所述冷卻單元上或所述冷卻單元附近的指定位置的溫度。
[0013]在可選實(shí)施例中，所述冷卻單元對(duì)所述輸出信號(hào)作出響應(yīng)以調(diào)節(jié)用于捕獲所述第二類型的顆粒的所述冷卻單元的冷卻功率。
[0014]在可選實(shí)施例中，所述質(zhì)量通量傳感器是石英晶體微天平。
[0015]在可選實(shí)施例中，所述裝置還包括位于所述蒸發(fā)源和所述冷卻單元之間的真空泵，用于從所述腔室位于所述濺射源附近的一部分去除所述第二類型的顆粒，其中，所述冷卻單元具有第一冷凝器，用于冷凝未被所述真空泵去除的剩余的所述第二類型的顆粒。
[0016]在可選實(shí)施例中，所述第一冷凝器被配置成通過具有第一溫度的第一冷卻劑進(jìn)行冷卻，所述冷卻單元還包括位于所述第一冷凝器和所述泵之間的第二冷凝器，所述第二冷凝器被配置成通過溫度低于所述第一溫度的第二冷卻劑進(jìn)行冷卻。
[0017]在可選實(shí)施例中，所述裝置還包括位于所述蒸發(fā)源和所述冷卻單元之間的真空泵，用于從所述腔室位于所述濺射源附近的一部分去除所述第二類型的顆粒，其中:所述襯底支撐件是可旋轉(zhuǎn)的以移動(dòng)所述襯底相繼經(jīng)過所述濺射源和所述蒸發(fā)源；
[0018]所述控制系統(tǒng)包括:質(zhì)量通量傳感器；以及，控制單元，被連接以接收來自所述質(zhì)量通量傳感器的指示質(zhì)量通量速率的信號(hào)，所述控制單元提供輸出信號(hào)以控制所述蒸發(fā)源，并且，所述冷卻單元對(duì)所述輸出信號(hào)作出響應(yīng)以調(diào)節(jié)用于捕獲多余的所述第二類型的顆粒的所述冷卻單元的冷凍功率，以及，所述冷卻單元具有第一冷凝器，用于冷凝未被所述真空泵去除的剩余的所述第二類型的顆粒。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種用于形成太陽能電池的裝置，包括:
[0020]外殼，限定其中包括可旋轉(zhuǎn)襯底支撐件的腔室；
[0021]濺射源，被配置成在位于所述襯底支撐件上的襯底的表面的至少一部分上方沉積第一類型的顆粒；以及
[0022]蒸發(fā)源，位于所述腔室中并且被配置成在所述襯底的表面的該部分上方沉積多個(gè)第二類型的顆粒，所述蒸發(fā)源具有包括中間區(qū)域和兩個(gè)端部區(qū)域的孔，所述孔在所述端部區(qū)域的寬度大于在所述中間區(qū)域的寬度。
[0023]在可選實(shí)施例中，所述端部區(qū)域的寬度大約是所述中間區(qū)域的寬度的兩倍。
[0024]在可選實(shí)施例中，所述孔還包括位于所述中間區(qū)域和每個(gè)相應(yīng)的端部區(qū)域之間的相應(yīng)的漸縮區(qū)域。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，還提供了一種方法，包括:
[0026]在腔室內(nèi)的支撐件上支撐襯底；
[0027]在所述襯底的表面的至少一部分上方濺射來自濺射源的第一類型的顆粒；
[0028]在所述襯底的所述表面的該部分上方沉積來自蒸發(fā)源的第二類型的顆粒；
[0029]冷卻所述腔室位于所述濺射源和所述蒸發(fā)源之間的區(qū)域；以及
[0030]根據(jù)所述蒸發(fā)源發(fā)射出的質(zhì)量通量的速率控制所述蒸發(fā)源。
[0031]在可選實(shí)施例中，所述方法還包括:測(cè)量所述蒸發(fā)源發(fā)射出的質(zhì)量通量的速率；以及，根據(jù)所測(cè)量的質(zhì)量通量的速率控制自動(dòng)處理控制閥以調(diào)整所述蒸發(fā)源發(fā)射出的質(zhì)量通量。
[0032]在可選實(shí)施例中，所述方法還包括:測(cè)量所述蒸發(fā)源發(fā)射出的質(zhì)量通量的速率；以及，控制所述腔室位于所述濺射源和所述蒸發(fā)源之間的區(qū)域的溫度以減少或消除所述第二類型的顆粒對(duì)所述濺射源的污染。
[0033]在可選實(shí)施例中，所述測(cè)量包括測(cè)量由于在石英晶體上沉積所述第二類型的顆粒而引起的石英晶體諧振器的頻率變化。
[0034]在可選實(shí)施例中，所述腔室具有位于所述濺射源和所述蒸發(fā)源之間的排氣泵，所述區(qū)域包括位于所述濺射源和所述蒸發(fā)源之間的第一區(qū)域和位于所述第一區(qū)域和所述排氣泵之間的第二區(qū)域，并且所述冷卻包括:充分冷卻所述第一區(qū)域以冷凝所述第二類型的顆粒并阻止所述第二類型的顆粒污染所述濺射源；以及，冷卻所述第二區(qū)域以冷凝所述排氣泵附近的任何水蒸汽。[0035]在可選實(shí)施例中，將所述第二區(qū)域的溫度冷卻至低于所述第一區(qū)域的溫度。
[0036]在可選實(shí)施例中，所述控制步驟包括:如果通過所述蒸發(fā)源發(fā)射出的質(zhì)量通量的速率大于目標(biāo)質(zhì)量通量速率，則降低所述區(qū)域的溫度，而如果所述蒸發(fā)源發(fā)射出的質(zhì)量通量的速率小于所述目標(biāo)質(zhì)量通量速率，則升高所述區(qū)域的溫度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]圖1是材料沉積裝置的平面圖。
[0038]圖2是示出圖1的濺射源、冷卻單元、泵和蒸發(fā)源的相對(duì)位置的示意圖。
[0039]圖3是用于控制圖1的蒸發(fā)源的控制系統(tǒng)的示意圖。
[0040]圖4是圖1的蒸發(fā)源的狹槽的正視圖。
[0041]圖5是使用圖1至圖4的裝置的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042]預(yù)期結(jié)合附圖一起閱讀實(shí)施例的這種描述，所述附圖被認(rèn)為是整個(gè)書面說明書的一部分。在說明書中，相對(duì)術(shù)語諸如“下”、“上”、“水平”、“垂直”、“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“頂部”和“底部”及其派生詞(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)應(yīng)該被解釋為是指如隨后所述的或者如論述中的附圖所示的方位。這些相對(duì)術(shù)語是為了便于描述，并不要求在具體方位上構(gòu)造或操作裝置。除非另有明確描述，關(guān)于接合、連接等的術(shù)語(諸如“連接”和“互連”)是指其中一個(gè)結(jié)構(gòu)直接或通過插入結(jié)構(gòu)間接地固定或接合至另一結(jié)構(gòu)的關(guān)系以及兩者都是可移動(dòng)的或剛性的接合或關(guān)系。
[0043]圖1是根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例的CIGS太陽能電池形成裝置200的實(shí)例的示意俯視圖。裝置配置為用于在太陽能電池或太陽能電池板襯底上沉積第一類型的顆粒和第二類型的顆粒的交替層。
[0044]在各個(gè)實(shí)施例中。裝置200可以包括限定真空腔室的外殼205?？尚D(zhuǎn)襯底支撐件220被配置成將多個(gè)襯底230保持在多個(gè)表面222上。第一濺射源235被配置成在多個(gè)襯底230中的每一個(gè)的至少一部分表面上方沉積多個(gè)第一類型的吸收層顆粒。蒸發(fā)源240被配置成在多個(gè)襯底230中的每一個(gè)的至少一部分表面上方沉積多個(gè)第二類型的吸收層顆粒。
[0045]在本文描述的實(shí)施例中，為了保持穩(wěn)定的濺射速度，濺射源235的濺射靶材237沒有被來自蒸發(fā)源240的硒蒸汽污染。在一些實(shí)施例中，冷卻單元位于濺射源235和蒸發(fā)源240之間。在一些實(shí)施例中，通過蒸發(fā)源發(fā)出的代表質(zhì)量通量(mass flux)的質(zhì)量通量速率反饋信號(hào)用于控制蒸發(fā)源240的物料運(yùn)送速率。在一些實(shí)施例中，蒸發(fā)源240具有孔，該孔被配置成在襯底上提供基本均一的膜厚度。
[0046]在一些實(shí)施例中，第一隔離泵252被配置成將蒸發(fā)源240與第一濺射源235隔離。在一些實(shí)施例中，第二濺射源235被配置成在多個(gè)襯底230中的每一個(gè)的至少一部分表面上方沉積多個(gè)第三類型的吸收層顆粒。第二隔離泵被配置成將蒸發(fā)源240與第二濺射源235隔離。
[0047]在圖1的實(shí)施例中，裝置200包括可旋轉(zhuǎn)滾筒210、含有多個(gè)加熱器217的加熱裝置215、隔離擋板270、裝載鎖閉裝置的腔室(load lock chamber) 282、未裝載鎖閉裝置的腔室284、監(jiān)視器260以及位于第一濺射源235和第二濺射源235的每一個(gè)中的濺射靶材237。隔離擋板270被配置成阻止蒸發(fā)源240發(fā)射出的蒸汽抵達(dá)并污染濺射源235的濺射靶材237。在一些實(shí)施例中，裝置200包括緩沖層沉積源265。在示出的實(shí)施例中，沿著外殼205的內(nèi)圍表面設(shè)置緩沖層沉積源265。在一些實(shí)施例中，在真空腔室的子腔室中設(shè)置緩沖層沉積源265。在一些實(shí)施例中，緩沖層沉積源265被配置成在吸收層上方沉積η型緩沖層，例如硫化鎘(CdS)緩沖層或ZnS-O緩沖層。緩沖層可以包含任何合適的緩沖層材料。
[0048]在圖1的實(shí)施例中，第一和第二隔離泵是真空泵252，被配置成分別將第一濺射源235和第二濺射源235與蒸發(fā)源240隔離。在一些實(shí)施例(未示出)中，一個(gè)或多個(gè)隔離泵252被配置成維持蒸發(fā)源240子腔室(未示出)中的壓力低于真空腔室中的壓力。隔離泵252可以被配置成從真空室疏散第二類型的吸收層顆粒(由蒸發(fā)源240發(fā)射出的)，阻止第二類型的吸收層顆粒擴(kuò)散到濺射靶材237內(nèi)，以及阻止第二類型的吸收層顆粒污染兩個(gè)濺射源235。在一些實(shí)施例中，裝置200可以包括裝載/未裝載襯底的腔室255和后處理腔室280。在各個(gè)實(shí)施例中，后處理腔室280可以被配置用于CIGS電池的后處理，例如，冷卻CIGS電池。
[0049]在各個(gè)實(shí)施例中，外殼205的形狀可以為多邊形。例如，在圖1中，外殼205是八邊形。在各個(gè)實(shí)施例中，外殼205具有構(gòu)建在真空室的一側(cè)或多側(cè)上的一個(gè)或多個(gè)可移動(dòng)出入口(door)。外殼205可以由不銹鋼或其他金屬和用于鼓式涂布機(jī)外殼(drum coaterhousing)的合金組成。例如，外殼205可以限定高度約為2.4m(2.3m至2.5m)，長(zhǎng)度和寬度約為9.8m(9.7m至9.9m)的單個(gè)真空室。
[0050]在一些實(shí)施例中，太陽能電池形成裝置200包括被配置成將多個(gè)襯底230保持在多個(gè)表面222上的可旋轉(zhuǎn)襯底支撐件220，其中多個(gè)表面222中的每一個(gè)都面向真空室的內(nèi)表面設(shè)置。在一些實(shí)施例中，多個(gè)襯底230中的每一個(gè)都包含合適的材料，諸如玻璃。在其他實(shí)施例中，多個(gè)襯底230中 的一個(gè)或多個(gè)包含柔性材料。在一些實(shí)施例中，柔性材料包括不銹鋼。在其他實(shí)施例中，柔性材料包括塑料。在各個(gè)實(shí)施例中，可旋轉(zhuǎn)襯底支撐件220的形狀為多邊形。例如，在示出的實(shí)施例中，多個(gè)襯底230保持在基本為八邊形形狀的可旋轉(zhuǎn)襯底支撐件220中的多個(gè)表面222上。在其他實(shí)施例中，例如，襯底支撐件220可以是矩形形狀。任何合適的形狀可以用于可旋轉(zhuǎn)襯底支撐件220。
[0051]如圖1所示，襯底支撐件220可以繞真空腔室中的軸旋轉(zhuǎn)。圖1示出可旋轉(zhuǎn)襯底支撐件220的順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。在其他實(shí)施例中，襯底支撐件220被配置成以逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。在各個(gè)實(shí)施例中，可旋轉(zhuǎn)襯底支撐件220可操作地連接至驅(qū)動(dòng)軸、發(fā)動(dòng)機(jī)或其他驅(qū)使相對(duì)于真空腔室的表面旋轉(zhuǎn)的機(jī)械裝置。在一些實(shí)施例中，襯底支撐件220以例如在約5和200RPM (如3和205RPM)之間的速率旋轉(zhuǎn)。在各個(gè)實(shí)施例中，對(duì)可旋轉(zhuǎn)襯底支撐件220的旋轉(zhuǎn)速率進(jìn)行選擇以使多個(gè)襯底230上的吸收元件的過量沉積最小化。在一些實(shí)施例中，襯底支撐件以約80RPM(如，75-85RPM)的速率旋轉(zhuǎn)。在一些實(shí)施例中，裝置200包括設(shè)置在真空腔室內(nèi)并連接至真空腔室的第一表面的可旋轉(zhuǎn)滾筒210。如圖1所示，可旋轉(zhuǎn)滾筒210可以設(shè)置在真空腔室內(nèi)。在示出的實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)滾筒210可操作地連接至襯底支撐件220。如示出的，可旋轉(zhuǎn)滾筒210具有與襯底支撐件220的形狀相對(duì)應(yīng)的形狀。然而，可旋轉(zhuǎn)滾筒也可以具有任何合適的形狀。
[0052]在各個(gè)實(shí)施例中，裝置200包括第一濺射源235，被配置成在多個(gè)襯底230中的每一個(gè)的至少一部分表面上方沉積多個(gè)第一類型的吸收層顆粒。如圖1所示，第一濺射源235可以設(shè)置在襯底支撐件220和外殼之間的真空腔室內(nèi)。第一濺射源235可以連接至真空腔室的表面。例如，第一濺射源235可以是磁控管、離子束源、RF產(chǎn)生器或被配置成在多個(gè)襯底230中的每一個(gè)的至少一部分表面上方沉積多個(gè)第一類型的吸收層顆粒的任何合適的濺射源。在一些實(shí)施例中，第一濺射源235包括多個(gè)濺射靶材237中的至少一個(gè)。第一濺射源235使用濺射氣體。在一些實(shí)施例中，采用氬氣實(shí)施濺射。其他濺射氣體包括氪、氙、氖和類似的惰性氣體。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以容易選擇出與靶材材料對(duì)應(yīng)的合適的濺射氣體。
[0053]在圖1中，在各個(gè)實(shí)施例中，第一濺射源235被配置成在多個(gè)襯底230中的每一個(gè)的至少一部分表面上方沉積多個(gè)第一類型的吸收層顆粒(例如銅(Cu))，而第二濺射源235被配置成在多個(gè)襯底230中的每一個(gè)的至少一部分表面上方沉積第三類型的吸收層顆粒(例如，銦(In))。在一些實(shí)施例中，第一濺射源235被配置成在多個(gè)襯底230中的每一個(gè)的至少一部分表面上方沉積多個(gè)第一類型的吸收層顆粒(例如，銅(Cu))和第三類型的吸收層顆粒(例如，鎵(Ga))。在一些實(shí)施例中，第一濺射源235包括一個(gè)或多個(gè)銅鎵濺射靶材237，而第二濺射源235包括一個(gè)或多個(gè)銦濺射靶材237。例如，第一濺射源235可以包括兩個(gè)銅鎵濺射靶材而第二濺射源235可以包括兩個(gè)銦濺射靶材。在一些實(shí)施例中，銅鎵濺射靶材237包含具有約70-80% (例如，69.5-80.5% )的銅和約20-30% (例如，19.5-30.5% )的鎵的材料。在各個(gè)實(shí)施例中，太陽能電池形成裝置200具有第一銅:鎵濃度的第一銅鎵濺射靶材237和第二銅:鎵濃度的第二銅鎵濺射靶材237，以用于漸變組分濺射。例如，第一銅鎵濺射靶材可以包括具有65%的銅和35%的鎵的材料以控制單層沉積至第一梯度鎵濃度，而第二銅鎵濺射靶材可以包括具有85%的銅和15%的鎵的材料以控制單層沉積至第二梯度鎵濃度。多個(gè)濺射靶材237可以是任何合適的尺寸。例如，多個(gè)濺射靶材237的寬可以約為15cm(例如14_16cm)以及高約為1.9m(例如1.8-2.0m)。
[0054]在一些實(shí)施例中，被配置成在多個(gè)襯底230中的每一個(gè)的至少一部分表面上方沉積多個(gè)銦吸收層顆粒的濺射源235可以摻雜有鈉(Na)。例如，濺射源235的銦濺射靶材237可以摻雜有鈉(Na)元素。在`一些實(shí)施例中，濺射源235是具有約2%-10%的鈉(例如，
1.95% -10.1%的鈉)的鈉摻雜的銅源。在各個(gè)實(shí)施例中，銦濺射源235可以摻雜有其他堿性元素，例如鉀。在其他實(shí)施例中，裝置200可以包含多個(gè)銅鎵濺射源235和多個(gè)鈉摻雜的銦濺射源235。例如，太陽能電池形成裝置可以具有65: 35的銅鎵濺射源235和85: 15的銅鎵濺射源235，以用于漸變組分濺射。
[0055]在各個(gè)實(shí)施例(未示出)中，裝置200包括蒸發(fā)源240，被配置成發(fā)射出蒸汽以在多個(gè)襯底230中的每一個(gè)的至少一部分表面上方沉積多個(gè)第二類型的吸收層顆粒。在各個(gè)實(shí)施例中，第二類型是無毒元素硒。第二類型可以包括任何合適的蒸發(fā)源材料。在各個(gè)實(shí)施例中，蒸汽凝結(jié)在一個(gè)或多個(gè)襯底230上。例如，蒸發(fā)源240可以是蒸發(fā)皿、坩堝、細(xì)絲線圈、電子束蒸發(fā)源或任何合適的蒸發(fā)源240。在一些實(shí)施例中，蒸發(fā)源240設(shè)置在真空腔室210的第一子腔室中。在示出的實(shí)施例中，第一濺射源235和第二濺射源235設(shè)置在真空腔室的相對(duì)側(cè)上并且沿真空腔室的周邊(perimeter)與蒸發(fā)源240的距離基本相等。
[0056]在包括多個(gè)濺射源235和多個(gè)蒸發(fā)源240的一些實(shí)施例中，裝置200包括將蒸發(fā)源中的每一個(gè)與濺射源235中的每一個(gè)隔離的多個(gè)隔離泵252。[0057]太陽能電池形成裝置200可以包括位于加熱裝置215中的一個(gè)或多個(gè)加熱器117以加熱在可旋轉(zhuǎn)襯底支撐件220的多個(gè)表面222上設(shè)置的多個(gè)襯底230。在示出的實(shí)施例中，在可旋轉(zhuǎn)襯底支撐件220的內(nèi)表面周圍設(shè)置加熱裝置215。在一些實(shí)施例中，可以在可旋轉(zhuǎn)滾筒210的內(nèi)表面周圍設(shè)置加熱裝置215。在各個(gè)實(shí)施例中，襯底支撐件220可以圍繞加熱裝置215旋轉(zhuǎn)。在一些實(shí)施例中，在可旋轉(zhuǎn)滾筒210的外表面周圍設(shè)置加熱裝置215。在一些實(shí)施例中，可以將加熱裝置215連接至真空腔室的表面。加熱裝置215可以旋轉(zhuǎn)。在其他實(shí)施例中，加熱裝置215配置成是固定的。一個(gè)或多個(gè)加熱器217可以包括但不限于紅外線加熱器、鹵素?zé)艏訜崞?、電阻加熱器或用于在沉積工藝期間加熱襯底230的任何合適的加熱器。在一些實(shí)施例中，加熱裝置215可以加熱襯底至大約300和550攝氏度(例如295和555攝氏度)之間的溫度。
[0058]如圖1所示，裝置200可以包括設(shè)置在至少一個(gè)蒸發(fā)源240周圍的至少一個(gè)隔離擋板270。隔離擋板270可以被配置成將蒸發(fā)源材料的蒸汽引至多個(gè)襯底230的表面的特定部分。隔離擋板270可以被配置成將蒸發(fā)源材料的蒸汽引開為遠(yuǎn)離濺射源235。隔離擋板270和一個(gè)或多個(gè)隔離泵252減少了蒸發(fā)源材料對(duì)一個(gè)或多個(gè)濺射源235的污染。隔離擋板270可以由諸如不銹鋼或其他類似的金屬和金屬合金的材料組成。在一些實(shí)施例中，隔離擋板270是一次性的。在其他實(shí)施例中，隔離擋板270是可清潔的。
[0059]如圖1和圖2所示，在濺射源235和蒸發(fā)源240之間提供冷卻單元292。在一些實(shí)施例中，在濺射源235和隔離(真空)泵252之間提供冷卻單元292。如圖2所示，冷卻單元292具有第一冷凝器292a，用于冷凝來自蒸發(fā)源240的沒有被真空泵252去除的剩余的顆粒。在一些實(shí)施例中，第一冷凝器292a包括筒或管293和用于增加第一冷凝器292a和來自蒸發(fā)源240的顆粒之間的熱傳遞的多個(gè)鰭狀件294。筒或管293輸送具有第一溫度的冷卻劑。在一些實(shí)施例中，第一冷凝器中的冷卻劑是冷凍水。在其他實(shí)施例中，使用其他類型的冷卻劑。
[0060]一些實(shí)施例包括位于濺射源235和泵252之間的單個(gè)冷凝器292a。在其他實(shí)施例中，具有第一冷凝器292a的冷卻單元292還包括位于第一冷凝器292a和泵252之間的第二冷凝器292b。第二冷凝器292b可用`于冷凝冷卻單元292附近的任何水蒸汽，以及去除任何剩余的第二材料顆粒(例如，硒)。第二冷凝器292b被配置成通過第二冷卻劑進(jìn)行冷卻，該第二冷卻劑的溫度低于第一冷凝器中第一冷卻劑的第一溫度。例如，第二冷凝器中的冷卻劑可以將溫度冷卻至0°C _80°C的范圍內(nèi)。因此，第二冷凝器具有與對(duì)應(yīng)的第一冷凝器的冷卻劑入口和冷卻劑出口分開的冷卻劑入口和冷卻劑出口。第二冷凝器的筒或管295的配置與第一冷凝器292a的配置可以相同或不同。例如，在圖2的實(shí)例中，第二冷凝器292b的筒295比第一冷凝器的筒293具有更多的轉(zhuǎn)彎。在一些實(shí)施例中，第二冷凝器被配置為不具有鰭狀件，如圖2所示。在其他實(shí)施例(未示出)中，第二冷凝器具有用于增加熱傳遞的多個(gè)鰭狀件。
[0061]在一些實(shí)施例中，在滾筒內(nèi)部提供另一冷卻器件218。
[0062]如圖3所示，在一些實(shí)施例中，提供反饋控制系統(tǒng)400，其用于基于通過蒸發(fā)源240發(fā)射出的質(zhì)量通量速率控制蒸發(fā)源240。控制系統(tǒng)400包括設(shè)置在蒸發(fā)源240的歧管(manifold) 298的正面的質(zhì)量通量傳感器290。在一些實(shí)施例中，質(zhì)量通量傳感器290是石英晶體微天平(QCM)。QCM290通過響應(yīng)于由于聲諧振器的表面的膜沉積導(dǎo)致的質(zhì)量增加或去除來測(cè)量的石英晶體諧振器的頻率的變化，從而來測(cè)量單位面積的質(zhì)量通量。QCM290輸出代表質(zhì)量通量速率的信號(hào)291a。在一些實(shí)施例中，傳感器290輸出直接來自石英諧振器的信號(hào)，并且在外部實(shí)施質(zhì)量流率的計(jì)算(例如，通過控制單元296)。在其他實(shí)施例中，通量傳感器290包括用于實(shí)施計(jì)算的專用處理器或硬件，并且輸出與質(zhì)量流率成比例的數(shù)字或模擬信號(hào)。
[0063]控制系統(tǒng)400還包括被連接以從質(zhì)量通量傳感器290接收指示質(zhì)量通量速率的信號(hào)的控制單元296?？刂茊卧?96根據(jù)接收信號(hào)291a提供輸出信號(hào)291b以控制蒸發(fā)源。在一些實(shí)施例中，信號(hào)291a是通量傳感器290的石英諧振器輸出的模擬信號(hào)；控制器296基于信號(hào)291a的諧振頻率計(jì)算質(zhì)量通量速率。在其他實(shí)施例中，控制器296具有用于根據(jù)輸入信號(hào)291a確定質(zhì)量通量速率的表。在其他實(shí)施例中，信號(hào)291a是數(shù)字信號(hào)，控制器通過將信號(hào)291a乘以常數(shù)來確定質(zhì)量通量速率。
[0064]在各個(gè)實(shí)施例中，來自質(zhì)量通量速率傳感器的反饋291a可以用于單獨(dú)控制APC閥297、單獨(dú)控制冷卻單元292或同時(shí)控制APC閥297和冷卻單元292。
[0065]在各個(gè)實(shí)施例中，控制單元296可以是程序控制通用處理器、嵌入式處理器或?qū)Ｓ眉呻娐?ASIC)。
[0066]在一些實(shí)施例中，自動(dòng)過程控制閥297對(duì)控制器296的輸出信號(hào)291b作出響應(yīng)以調(diào)節(jié)來自蒸發(fā)源240的質(zhì)量通量的速率?？刂茊卧?96的輸出信號(hào)291b被配置成根據(jù)測(cè)量的質(zhì)量流率操作閥297。閥297將規(guī)定通量的蒸汽傳送至歧管298以實(shí)現(xiàn)至一個(gè)或多個(gè)孔口 298ο的分配并因而朝襯底發(fā)射。在一些實(shí)施例中，控制算法使用簡(jiǎn)單的比例控制，或比例積分微分(PID)控制方法。在其他實(shí)施例中，APC閥297在測(cè)量的質(zhì)量通量小于設(shè)定點(diǎn)速率時(shí)使用第一速率，而在測(cè)量的質(zhì)量通量在設(shè)定點(diǎn)速率以上時(shí)使用第二速率。在一些實(shí)施例中，具有滯后現(xiàn)象以避免APC閥297的連續(xù)轉(zhuǎn)換。
[0067]在一些實(shí)施例中， 閥297包含位于表面(暴露于來自蒸發(fā)源240的蒸汽下)上的材料，諸如鈦或鉭合金。在一些實(shí)施例中，閥297購(gòu)自SVTAssociates USA,Eden Prairie,MN，包括N0.5017758閥，隔膜和N0.5017756焊件，閥波紋管組件。
[0068]在一些實(shí)施例中，冷卻單元292對(duì)輸出信號(hào)291c作出響應(yīng)以調(diào)節(jié)位于冷卻單元292上或附近的指定位置的溫度。例如，溫度傳感器可以放置在冷凝器292b上。通過調(diào)節(jié)冷卻單元的溫度，可以調(diào)整對(duì)來自蒸發(fā)源的蒸汽的去除?；谫|(zhì)量流率反饋的冷凝器溫度的控制可以用于替換基于質(zhì)量流率反饋的APC閥297的控制或與其結(jié)合使用。溫度傳感器可以是但不限于熱電偶、電熱調(diào)節(jié)器、電阻式溫度檢測(cè)器等。
[0069]在其他實(shí)施例中，冷卻單元292對(duì)輸出信號(hào)作出響應(yīng)以調(diào)節(jié)用于捕獲蒸發(fā)源發(fā)射出的顆粒的冷卻單元的制冷功率，以阻止濺射靶材237的污染。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，不是基于質(zhì)量通量反饋直接控制APC閥297，而是控制單元296可以調(diào)整供應(yīng)給冷卻劑泵299的功率量。通過改變泵壓力，使通過(一個(gè)或多個(gè))冷凝器292的冷卻劑的流速變化。可選或另外地，控制單元可以根據(jù)通量傳感器輸入信號(hào)291a控制向蒸發(fā)源240供應(yīng)的功率。
[0070]通過提供質(zhì)量通量速率反饋信號(hào)291a并且使用該信號(hào)來控制冷卻，可以調(diào)整對(duì)來自蒸發(fā)源240的蒸汽(第二類型的顆粒)的去除。因此，如果信號(hào)291a指示測(cè)量的質(zhì)量通量速率小于期望的設(shè)定點(diǎn)值，可以減弱冷卻(即，第一冷凝器292a的溫度升高)。相反，只要維持滿意的質(zhì)量通量速率，可以增強(qiáng)冷卻(即，第一冷凝器292a的溫度降低)以進(jìn)一步減少濺射靶材237污染的可能性，和/或進(jìn)一步從腔室去除任何剩余的水蒸汽。
[0071]如上所述，圖1和圖4示出了質(zhì)量通量速率反饋信息用于控制冷卻單元292的實(shí)施例。在一些實(shí)施例中，來自質(zhì)量通量傳感器290的質(zhì)量通量速率反饋用于提供蒸發(fā)源的微調(diào)控制，以促進(jìn)濺射材料(例如，CIG)和通過蒸發(fā)源240發(fā)射出的蒸汽(例如，硒)之間的完全反應(yīng)。質(zhì)量通量速率反饋可以用于控制蒸發(fā)源，其與基于質(zhì)量通量速率反饋控制冷卻單元292分開或相結(jié)合。因此，在一些實(shí)施例中，質(zhì)量通量速率反饋用于控制蒸發(fā)源240，而不控制冷卻單元292。在其他實(shí)施例中，質(zhì)量流率反饋用于控制冷卻單元292，而不控制蒸發(fā)源240。在其他實(shí)施例中，反饋用于控制蒸發(fā)源240和冷卻單元292。
[0072]再次參照?qǐng)D1，在一些實(shí)施例中，裝置200可以包括一個(gè)或多個(gè)原位監(jiān)視器260以監(jiān)視工藝參數(shù)，諸如溫度、腔室壓力、膜厚度或任何合適的工藝參數(shù)。在各個(gè)實(shí)施例中，裝置200可以包括裝載鎖閉裝置的腔室282和/或未裝載鎖閉裝置的腔室284。在本發(fā)明的實(shí)施例中，裝置200可以包括裝置200中原位配置的具有真空破除器(vacuum break)的緩沖子腔室255 (例如，緩沖層沉積子腔室)。在一些實(shí)施例中，裝置200中原位配置的具有真空破除器的緩沖層沉積子腔室255包括濺射源(未示出)，其包括一個(gè)或多個(gè)濺射靶材(未示出)。在各個(gè)實(shí)施例中，裝置200包括濺射源(未示出)，其設(shè)置在真空腔室的子腔室中并且被配置成在襯底支撐件230中的多個(gè)襯底230中的每一個(gè)的表面上方沉積緩沖層。在各個(gè)實(shí)施例中，裝置200包括隔離泵252以將緩沖層濺射源與蒸發(fā)源和/或吸收層單層濺射源隔離。例如，緩沖層材料可以包括無毒的ZnS-O或CdS。
[0073]圖1的裝置200還可以用于形成具有不同吸收膜(例如銅鋅錫硫硒(CZTSS)吸收膜)的太陽能電池。在一些實(shí)施例中，通過進(jìn)一步提供錫、銅、鋅或銅/鋅靶材作為靶材237，在裝置200中形成許多CZTSS吸收層。蒸發(fā)源240可以使用硫、硒或硫和硒兩者作為源材料。此外，另一蒸發(fā)源240可以用于單獨(dú)提供硒源材料和硫源材料。
[0074]圖4示出一些實(shí)施例的另一特征。發(fā)明人得到狹槽的形狀可能影響沉積在襯底230上的硒的均勻性。例如，如果蒸發(fā)源240的孔為矩形，通過從蒸發(fā)源240發(fā)射的蒸汽所形成的膜在端部可能比中間薄。如圖4所`示，腔室200中的蒸發(fā)源240被配置成在襯底230的一部分表面上方沉積多個(gè)顆粒。蒸發(fā)源240具有孔241，其具有中間區(qū)域241C和兩個(gè)端部區(qū)域241E?？?41在端部區(qū)域241E的寬度大于在中間區(qū)域241C的寬度。在圖4的實(shí)例中，端部區(qū)域的寬度We大約是中間區(qū)域的寬度Wc的兩倍。
[0075]在其他實(shí)施例中，We/Wc的比值可能不同于圖4的比值2: I。ffe/ffc的比值可以大于2或介于I和2之間。只要通過蒸發(fā)源241沉積的膜的最終膜厚度在中部大于端部，可以進(jìn)一步增加We/Wc的比值以改善厚度均勻性。相反，如果通過蒸發(fā)源241沉積的膜的厚度在中部比端部薄，可以降低We/Wc的比值以改善厚度均勻性。
[0076]在圖4的實(shí)例中，孔241具有位于中部區(qū)域241C和端部區(qū)域241E之間的漸縮區(qū)域(tapered region) 241T。漸縮區(qū)域241T避免孔的寬度的分段不連續(xù),從而膜厚度變化平穩(wěn)。在一些實(shí)施例中，漸縮區(qū)域241T具有直邊，如圖4所示。在其他實(shí)施例中，漸縮區(qū)域241T具有平滑曲邊，從而孔寬度的變化率沿著孔241的長(zhǎng)度連續(xù)變化。
[0077]上述裝置的部件可以彼此用于各種組合。例如，在一些實(shí)施例中，圖4的孔241用于圖1的裝置中。在其他實(shí)施例中，圖1的裝置具有帶矩形孔的蒸發(fā)源240。在一些實(shí)施例中，具有圖4的孔241的蒸發(fā)源240與圖2的冷卻單元292和圖3的反饋控制一起使用。在其他實(shí)施例中，具有圖4的孔241的蒸發(fā)源240與圖2的冷卻單元292 —起使用，但沒有與圖3所示的冷卻單元的反饋控制一起使用。在其他實(shí)施例中，具有圖4的孔241的蒸發(fā)源240與圖3的質(zhì)量通量反饋控制一起使用，但沒有與冷卻單元292 —起使用。
[0078]圖5是使用圖1至圖4的裝置的方法的實(shí)例的流程圖。
[0079]在步驟500中，在位于室內(nèi)的旋轉(zhuǎn)支撐件上支撐襯底。在一些實(shí)施例中，在旋轉(zhuǎn)支撐件上支撐多個(gè)襯底。
[0080]在步驟502中，在襯底的至少一部分表面上方濺射來自濺射源的第一類型的顆粒。
[0081]在步驟504中，在襯底的該部分表面上方沉積來自蒸發(fā)源的第二類型的顆粒。
[0082]在步驟506中，測(cè)量由于在石英晶體上沉積第二類型的顆粒導(dǎo)致的石英晶體諧振器的頻率的變化。
[0083]在步驟508中，根據(jù)頻率變化確定由蒸發(fā)源發(fā)射出的質(zhì)量通量的速率。
[0084]在步驟510中，根據(jù)所檢測(cè)的質(zhì)量通量的速率對(duì)自動(dòng)過程控制閥進(jìn)行控制以調(diào)節(jié)由蒸發(fā)源發(fā)射出的質(zhì)量通量。
[0085]在步驟512中，根據(jù)蒸發(fā)源發(fā)射出的質(zhì)量通量的速率控制蒸發(fā)源。
[0086]在步驟514中，對(duì)位于濺射源和蒸發(fā)源之間的腔室的第一區(qū)域進(jìn)行冷卻以冷凝來自蒸發(fā)源的顆粒。通過控制位于濺射源和蒸發(fā)源之間的腔室的第一區(qū)域的溫度，該方法可以使第一區(qū)域足夠冷卻以冷`凝第二類型的顆粒并且基本阻止第二類型的顆粒污染濺射源；因此，該方法可以減少或消除第二類型的顆粒(來自蒸發(fā)源)對(duì)濺射源的污染。
[0087]在步驟516中，將位于第一區(qū)域和排氣泵之間的第二區(qū)域的溫度冷卻至低于第一區(qū)域的溫度以冷凝位于排氣泵附近的任何水蒸汽。
[0088]在步驟518中，確定所檢測(cè)的質(zhì)量通量速率是否大于用于實(shí)現(xiàn)第一材料和第二材料之間完全反應(yīng)的目標(biāo)質(zhì)量通量速率。如果檢測(cè)的質(zhì)量通量速率大于目標(biāo)，則實(shí)施步驟520。否則，實(shí)施步驟518。
[0089]在步驟520中，如果通過蒸發(fā)源發(fā)射出的質(zhì)量通量的速率大于目標(biāo)質(zhì)量通量速率，則降低第一區(qū)域的溫度。
[0090]在步驟522中，確定所檢測(cè)的質(zhì)量通量速率是否小于用于第一材料和第二材料之間完全反應(yīng)的目標(biāo)質(zhì)量通量速率。如果檢測(cè)的質(zhì)量通量速率小于目標(biāo)，則實(shí)施步驟524。否貝U，執(zhí)行在步驟526終止。
[0091]在步驟524中，如果蒸發(fā)源發(fā)射出的質(zhì)量通量的速率小于目標(biāo)質(zhì)量通量速率,則升高第一區(qū)域的溫度。
[0092]在一些實(shí)施例中，用于形成太陽能電池的裝置包括:限定腔室的外殼，腔室包括位于其中的襯底支撐件。濺射源被配置成用于在位于襯底支撐件上的襯底的至少一部分表面上方沉積第一類型的顆粒。蒸發(fā)源被配置成用于在襯底的所述部分表面上方沉積多個(gè)第二類型的顆粒。在濺射源和蒸發(fā)源之間提供冷卻單元。提供用于根據(jù)蒸發(fā)源發(fā)射出的質(zhì)量通量的速率控制蒸發(fā)源的控制系統(tǒng)。
[0093]在一些實(shí)施例中，用于形成太陽能電池的裝置包括限定腔室的外殼，室包括位于其中的可選擇襯底支撐件。濺射源被配置成用于在位于襯底支撐件上的襯底的至少一部分表面上方沉積第一類型的顆粒。位于腔室中的蒸發(fā)源被配置成用于在襯底的所述部分表面上方沉積多個(gè)第二類型的顆粒。蒸發(fā)源具有包括中間區(qū)域和兩個(gè)端部區(qū)域的孔?？自诙瞬繀^(qū)域的寬度大于在中間區(qū)域的寬度。
[0094]在一些實(shí)施例中，一種方法包括在腔室內(nèi)的支撐件上支撐襯底；在襯底的至少一部分表面上方濺射來自濺射源的第一類型的顆粒；在襯底的所述部分表面上方沉積來自蒸發(fā)源的第二類型的顆粒；冷卻位于濺射源和蒸發(fā)源之間的腔室的區(qū)域；以及根據(jù)蒸發(fā)源發(fā)射出的質(zhì)量通量的速率控制蒸發(fā)源。
[0095]雖然通過示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明主旨，但其不限于此。相反地，所附權(quán)利要求應(yīng)當(dāng)被廣泛地解釋為包括對(duì)本領(lǐng)域的技`術(shù)人員來說顯而易見的其他變化和實(shí)施例。
【權(quán)利要求】
1.一種用于形成太陽能電池的裝置，包括: 外殼，限定在其中包括襯底支撐件的腔室； 濺射源，被配置成在位于所述襯底支撐件上的襯底的表面的至少一部分上方沉積第一類型的顆粒； 蒸發(fā)源，被配置成在所述襯底的表面的該部分上方沉積多個(gè)第二類型的顆粒； 冷卻單元，位于所述濺射源和所述蒸發(fā)源之間；以及 控制系統(tǒng)，用于根據(jù)所述蒸發(fā)源發(fā)射出的質(zhì)量通量的速率控制所述蒸發(fā)源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述控制系統(tǒng)包括質(zhì)量通量傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述控制系統(tǒng)還包括被連接以接收來自所述質(zhì)量通量傳感器的指示質(zhì)量通量速率的信號(hào)的控制單元，所述控制單元提供輸出信號(hào)以控制所述蒸發(fā)源。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，還包括對(duì)所述輸出信號(hào)作出響應(yīng)以調(diào)節(jié)來自所述蒸發(fā)源的質(zhì)量通量的速率的自動(dòng)處理控制閥。
5.一種用于形成太陽能電池的裝置，包括: 外殼，限定在其中包括可旋轉(zhuǎn)襯底支撐件的腔室； 濺射源，被配置成在位于所述襯底支撐件上的襯底的表面的至少一部分上方沉積第一類型的顆粒；以及 蒸發(fā)源，位于所述腔室中并且被配置成在所述襯底的表面的該部分上方沉積多個(gè)第二類型的顆粒，所述蒸發(fā)源具有包括中間區(qū)域和兩個(gè)端部區(qū)域的孔，所述孔在所述端部區(qū)域的寬度大于在所述中間區(qū)域的寬度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中，所述端部區(qū)域的寬度大約是所述中間區(qū)域的寬度的兩倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中，所述孔還包括位于所述中間區(qū)域和每個(gè)相應(yīng)的端部區(qū)域之間的相應(yīng)的漸縮區(qū)域。
8.一種方法，包括: 在腔室內(nèi)的支撐件上支撐襯底； 在所述襯底的表面的至少一部分上方濺射來自濺射源的第一類型的顆粒； 在所述襯底的所述表面的該部分上方沉積來自蒸發(fā)源的第二類型的顆粒； 冷卻所述腔室位于所述濺射源和所述蒸發(fā)源之間的區(qū)域；以及 根據(jù)所述蒸發(fā)源發(fā)射出的質(zhì)量通量的速率控制所述蒸發(fā)源。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括: 測(cè)量所述蒸發(fā)源發(fā)射出的質(zhì)量通量的速率；以及 根據(jù)所測(cè)量的質(zhì)量通量的速率控制自動(dòng)處理控制閥以調(diào)整所述蒸發(fā)源發(fā)射出的質(zhì)量通量。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括: 測(cè)量所述蒸發(fā)源發(fā)射 出的質(zhì)量通量的速率；以及 控制所述腔室位于所述濺射源和所述蒸發(fā)源之間的區(qū)域的溫度以減少或消除所述第二類型的顆粒對(duì)所述濺射源的污染。
【文檔編號(hào)】C23C14/06GK103805942SQ201310035357
【公開日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2013年1月29日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月9日
【發(fā)明者】鄧?guó)P山, 趙應(yīng)誠(chéng), 楊智仁 申請(qǐng)人:臺(tái)積太陽能股份有限公司