专利名称：基于磁控溅射技术沉积太阳能电池用硅薄膜的方法
技术领域：
本发明属于新能源材料制造技术领域，具体涉及一种基于磁控溅射技术沉积太阳能电池用硅薄膜的方法。
背景技术：
太阳能资源因其分布不受地域限制、储量巨大且取之不尽、利用过程无噪声等优势已成为一种备受关注的新能源；在各种太阳能电池中，硅基太阳能电池因具有原料丰富、 无毒且成本低、以及与半导体技术兼容等优点而受到青睐。目前，以单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池为代表的电池组件技术成熟且转换效率高，但制备过程中能量和材料消耗大，成本下降空间以及转换效率提升空间有限，不利于大面积生产。非晶硅薄膜太阳能电池因具有制备过程硅原料和电能源消耗少，成本优势凸显，适宜于工业化大面积生产等优点，近年来产业发展提速。目前所研发及生产的硅基薄膜太阳能电池具有能量返回期短、高温性能好和弱光/短波响应好等特点，且利用其组件建立的并网电站和离网电站扩容方便且运行维护成本低。当前，产业界在制备硅基薄膜太阳能电池所用硅薄膜时均以等离子体增强化学气相沉积(PECVD)为制备手段、三烷(硅烷、硼烷、磷烷)等特气为主要原料，生产过程中安全控制极为严格且工艺流程较为复杂，同时所制得的非晶硅薄膜其结构致密度欠佳、氢含量难以精确控制。
发明内容
本发明的目的是提供了一种基于磁控溅射技术沉积太阳能电池用硅薄膜的方法， 与现有技术相比，本发明方法制备过程无有毒气体介入，安全可靠，工艺稳定，重复性好，且制得的硅薄膜沉积速率高、致密性好。本发明所采用的技术方案是，一种基于磁控溅射技术沉积太阳能电池用硅薄膜的方法，其特征在于，所制备的硅薄膜厚度为0. 01 μ m 5 μ m，且使用的设备主要包括磁控溅射设备，该磁控溅射设备的真空腔室包括至少一个工作真空腔室以及连接在所述工作真空腔室两侧的多个辅助真空腔室，所述工作真空腔室内设置有高纯固体硅靶材，贯通整个真空腔室水平设置有工装架，所述工装架上连接有驱动装置；具体包括以下步骤步骤1 选取导电玻璃、不锈钢片或预镀有电极的耐用柔性聚合物材料为基材，对基材进行前清洗处理；步骤2 将步骤1前清洗处理后的基材放置于工装架上，通过驱动装置将基材送至磁控溅射设备的真空腔室中；该工装架在硅薄膜制备过程中保持速度为lOmm/min 1000mm/min的直线运动；对整个真空腔室进行抽真空，使工作真空腔室的本底真空度不大于 6. OXKT3Pa ；步骤3、在基材表面沉积硅薄膜
将工作真空腔室中持续通入氩气和氢气的混合气体，其中，氢分压为0% 60%， 并保证工作真空腔室的工作气压为1. OX IO-1Pa 9. 5 X IO-1Pa ；以0. 01A/min 5A/min的速率将硅靶材的靶电流增大至0. 3A 15A后，维持硅靶材的电参数以进行硅薄膜的沉积，沉积时间为Imin 30min ；或者是，以2W/min 500W/min的速率将硅靶材的靶功率增大至IOOW 2000W后， 维持硅靶材的电参数以进行硅薄膜的沉积，沉积时间为Imin 30min。步骤1中，对基材进行前处理清洗的具体方法为将基材置于含清洗剂的溶液中， 超声波清洗或机械毛刷清洗，除去基材表面的污渍；再将该基体放入去离子水中，超声波清洗或机械毛刷清洗，以去除残留清洗剂，并热风吹干。步骤2中，控制工装架上基体与硅靶材之间的距离为20mm 200mm。硅靶材为单晶硅靶材或多晶硅靶材。硅靶材为P型、N型或I型。耐用柔性聚合物材料为塑料和树脂。本发明方法以磁控溅射技术为制备手段，以高纯固体硅靶材为硅源，通过辉光放电-粒子输运来沉积硅薄膜，基体在表面沉积硅薄膜过程中保持运动状态，并通过精确控制氢气的通入量，精确控制了所制备硅薄膜中的氢含量，其工艺简单，便于控制，提高了硅薄膜的致密度和沉积速率。另一方面，相比当前产业界所用PECVD设备多为进口且造价昂贵，同时硅基薄膜太阳能电池的正负电极层均采用溅射方法制备，本发明方法更是取得了可工业化应用的技术进步，大幅降低产业的投资门槛，同时生产流程的减少也明显降低硅基薄膜太阳能电池组件成本，能推动硅基薄膜太阳能电池的民用化进程。
图1为本发明方法实施例6制备的太阳能电池用硅薄膜的透视电子显微形貌图；图2为图1所示硅薄膜截面的衍射花样分析图；图3为图1所示硅薄膜截面局部区域的高分辨图。
具体实施例方式实施例1本实施例使用的设备主要包括磁控溅射设备，该磁控溅射设备的真空腔室包括至少一个工作真空腔室以及连接在工作真空腔室两侧的多个辅助真空腔室，工作真空腔室内设置有高纯固体硅靶材，贯通整个真空腔室水平设置有工装架，工装架上连接有驱动装置， 驱动装置用于驱动工装架在真空腔室内沿真空腔室的走向做持续直线运动。本发明一种基于磁控溅射技术沉积太阳能电池用硅薄膜的方法，具体包括以下步骤步骤1 选取导电玻璃作为基材，对基材进行前清洗处理。对基材进行前处理清洗的具体方法为将基材置于含清洗剂的溶液中，超声波清洗，除去基材表面的污渍；再将该基体放入去离子水中，机械毛刷清洗，以去除残留清洗剂， 并热风吹干。步骤2 将步骤1前清洗处理后的基材放置于工装架上，控制工装架上基体与硅靶材之间的距离为200mm。通过驱动装置将基材送至磁控溅射设备的真空腔室中；该工装架在硅薄膜制备过程中保持速度为lOOOmm/min的直线运动；对整个真空腔室进行抽真空，使工作真空腔室的本底真空度不大于6. OX 10_3!^。硅靶材选用P型单晶硅靶材。步骤3、在基材表面沉积硅薄膜将工作真空腔室中持续通入氩气和氢气的混合气体，其中，氢分压为30%，并保证工作真空腔室的工作气压为9. 5 X 10 ；采用直流电源供给模式，以2A/min的速率将硅靶材的靶电流增大至IOA后，维持硅靶材的电参数以进行硅薄膜的沉积，沉积时间为Imin。本实施例制备的硅薄膜厚度为0. 355 μ m,沉积速率约为355nm/min。实施例2本实施例使用的设备同实施例1。本发明一种基于磁控溅射技术沉积太阳能电池用硅薄膜的方法，具体包括以下步骤步骤1 选取不锈钢片作为基材，对基材进行前清洗处理。对基材进行前处理清洗的具体方法为将基材置于含清洗剂的溶液中，机械毛刷清洗，除去基材表面的污渍；再将该基体放入去离子水中，超声波清洗，以去除残留清洗剂， 并热风吹干。步骤2 将步骤1前清洗处理后的基材放置于工装架上，控制工装架上基体与硅靶材之间的距离为200mm。通过驱动装置将基材送至磁控溅射设备的真空腔室中；该工装架在硅薄膜制备过程中保持速度为lOOOmm/min的直线运动；对真空腔室进行抽真空，使工作真空腔室的本底真空度不大于6. OX 10_3!^。硅靶材选用P型多晶硅靶材。步骤3、在基材表面沉积硅薄膜将工作真空腔室中持续通入氩气和氢气的混合气体，其中，氢分压为30%，并保证工作真空腔室的工作气压为9. 5 X 10 ；采用射频电源供给模式，以200W/min的速率将硅靶材的靶功率增大至1400W后， 维持硅靶材的电参数以进行硅薄膜的沉积，沉积时间为lmin。本实施例制备的硅薄膜厚度为0. 036 μ m,沉积速率约为3. 6nm/min。实施例3本实施例使用的设备同实施例1。本发明一种基于磁控溅射技术沉积太阳能电池用硅薄膜的方法，具体包括以下步骤步骤1 选取耐用柔性聚合物材料为基材，具体选用预镀有电极的塑料为基材，对基材进行前清洗处理。对基材进行前处理清洗的具体方法为将基材置于含清洗剂的溶液中，超声波清洗，除去基材表面的污渍；再将该基体放入去离子水中，超声波清洗，以去除残留清洗剂，并热风吹干。步骤2 将步骤1前清洗处理后的基材放置于工装架上，控制工装架上基体与硅靶材之间的距离为100mm。通过驱动装置将基材送至磁控溅射设备的真空腔室中；该工装架在硅薄膜制备过程中保持速度为500mm/min的直线运动；对整个真空腔室进行抽真空，使工作真空腔室的本底真空度不大于6. OX 10_3Pa。硅靶材选用I型(即本征型)单晶硅靶材。步骤3、在基材表面沉积硅薄膜将工作真空腔室中持续通入氩气，此时氢分压为0%，并保证工作真空腔室的工作气压为 6. 5 X IO^1Pa ；采用直流电源供给模式，以0. 01A/min的速率将硅靶材的靶电流增大至0. 3A后， 维持硅靶材的电参数以进行硅薄膜的沉积，沉积时间为20min。本实施例制备的硅薄膜厚度为0. 012 μ m,沉积速率约为0. 6nm/min。实施例4本实施例使用的设备同实施例1。本发明一种基于磁控溅射技术沉积太阳能电池用硅薄膜的方法，具体包括以下步骤步骤1 选取导电玻璃作为基材，对基材进行前清洗处理。对基材进行前处理清洗的具体方法为将基材置于含清洗剂的溶液中，机械毛刷清洗，除去基材表面的污渍；再将该基体放入去离子水中，超声波清洗，以去除残留清洗剂， 并热风吹干。步骤2 将步骤1前清洗处理后的基材放置于工装架上，控制工装架上基体与硅靶材之间的距离为110mm。通过驱动装置将基材送至磁控溅射设备的真空腔室中；该工装架在硅薄膜制备过程中保持速度为400mm/min的直线运动；对整个真空腔室进行抽真空，使工作真空腔室的本底真空度不大于6. OX 10_3!^。硅靶材选用I型多晶硅靶材。步骤3、在基材表面沉积硅薄膜将工作真空腔室中持续通入氩气，此时氢分压为0%，并保证工作真空腔室的工作气压为 4. OXKT1Pa ；采用射频电源供给模式，以2W/min的速率将硅靶材的靶功率增大至IOOW后，维持硅靶材的电参数以进行硅薄膜的沉积，沉积时间为20min。本实施例制备的硅薄膜厚度为0. 01 μ m，沉积速率约为0. 5nm/min。实施例5本实施例使用的设备同实施例1。本发明一种基于磁控溅射技术沉积太阳能电池用硅薄膜的方法，具体包括以下步骤步骤1 选取不锈钢片作为基材，对基材进行前清洗处理。对基材进行前处理清洗的具体方法为将基材置于含清洗剂的溶液中，超声波清洗，除去基材表面的污渍；再将该基体放入去离子水中，机械毛刷清洗，以去除残留清洗剂， 并热风吹干。步骤2 将步骤1前清洗处理后的基材放置于工装架上，控制工装架上基体与硅靶材之间的距离为20mm。通过驱动装置将基材送至磁控溅射设备的真空腔室中；该工装架在硅薄膜制备过程中保持速度为lOmm/min的直线运动；对整个真空腔室进行抽真空，使工作真空腔室的本底真空度不大于6. OX 10_3!^。硅靶材选用N型多晶硅靶材。
步骤3、在基材表面沉积硅薄膜将工作真空腔室中持续通入氩气和氢气的混合气体，其中，氢分压为60%，并保证工作真空腔室的工作气压为1. OX KT1I^a ；采用直流电源供给模式，以5A/min的速率将硅靶材的靶电流增大至15A后，维持硅靶材的电参数以进行硅薄膜的沉积，沉积时间为30min。本实施例制备的硅薄膜厚度为5 μ m,沉积速率约为500nm/min。实施例6本实施例使用的设备同实施例1。本发明一种基于磁控溅射技术沉积太阳能电池用硅薄膜的方法，具体包括以下步骤步骤1 选取耐用柔性聚合物材料为基材，具体选用预镀有电极的树脂为基材，对基材进行前清洗处理。对基材进行前处理清洗的具体方法为将基材置于含清洗剂的溶液中，超声波清洗，除去基材表面的污渍；再将该基体放入去离子水中，机械毛刷清洗，以去除残留清洗剂， 并热风吹干。步骤2 将步骤1前清洗处理后的基材放置于工装架上，控制工装架上基体与硅靶材之间的距离为30mm。通过驱动装置将基材送至磁控溅射设备的真空腔室中；该工装架在硅薄膜制备过程中保持速度为lOmm/min直线运动；对整个真空腔室进行抽真空，使工作真空腔室的本底真空度不大于6. OX 10_3!^。硅靶材选用N型单晶硅靶材。步骤3、在基材表面沉积硅薄膜将工作真空腔室中持续通入氩气和氢气的混合气体，其中，氢分压为50%，并保证工作真空腔室的工作气压为1. 2 X 10 ；采用射频电源供给模式，以500W/min的速率将硅靶材的靶功率增大至2000W后， 维持硅靶材的电参数以进行硅薄膜的沉积，沉积时间为30min。本实施例制备的硅薄膜厚度为1. 5 μ m，沉积速率约为50nm/min。如图1所示，硅薄膜的截面形貌致密，未看到孔洞等缺陷，同时薄膜与基体结合良好。如图2所示，为对图1的硅薄膜截面进行电子衍射花样分析图，可看到此时硅薄膜虽整体为非晶态，但是薄膜中Si(Ill)晶面的衍射环已依稀可见，说明硅薄膜中局部包含有纳米硅晶粒，薄膜中硅原子的有序化程度比较高，这也间接证明了硅薄膜的致密性较好。对图1 的硅薄膜的截面局部区域进行高分辨照片分析，如图3所示，能看出硅薄膜的微观结构中原子虽长程无序排列，但仍排列紧密，同时可看到硅原子的团簇结构。如下表所示，为本发明方法与现有PECVD法制备太阳能电池用硅薄膜的工艺特点比较
权利要求
1.一种基于磁控溅射技术沉积太阳能电池用硅薄膜的方法，其特征在于，所制备的硅薄膜厚度为0. 01 μ m 5 μ m，且使用的设备主要包括磁控溅射设备，该磁控溅射设备的真空腔室包括至少一个工作真空腔室以及连接在所述工作真空腔室两侧的多个辅助真空腔室，所述工作真空腔室内设置有高纯固体硅靶材，贯通整个真空腔室水平设置有工装架，所述工装架上连接有驱动装置；具体包括以下步骤步骤1 选取导电玻璃、不锈钢片或预镀有电极的耐用柔性聚合物材料为基材，对基材进行前清洗处理；步骤2 将步骤1前清洗处理后的基材放置于工装架上，通过驱动装置将基材送至磁控溅射设备的真空腔室中；该工装架在硅薄膜制备过程中保持速度为lOmm/min IOOOmm/ min的直线运动；对整个真空腔室进行抽真空，使工作真空腔室的本底真空度不大于 6. OXKT3Pa ；步骤3、在基材表面沉积硅薄膜将工作真空腔室中持续通入氩气和氢气的混合气体，其中，氢分压为0% 60%，并保证工作真空腔室的工作气压为1. OX KT1Pa 9. 5 X KT1Pa ；以0. OlA/min 5A/min的速率将硅靶材的靶电流增大至0. 3A 15A后，维持硅靶材的电参数以进行硅薄膜的沉积，沉积时间为Imin 30min ；或者是，以2W/min 500W/min的速率将硅靶材的靶功率增大至IOOW 2000W后，维持硅靶材的电参数以进行硅薄膜的沉积，沉积时间为Imin 30min。
2.按照权利要求1所述基于磁控溅射技术沉积太阳能电池用硅薄膜的方法，其特征在于，步骤1中，对基材进行前处理清洗的具体方法为将基材置于含清洗剂的溶液中，超声波清洗或机械毛刷清洗，除去基材表面的污渍；再将该基体放入去离子水中，超声波清洗或机械毛刷清洗，以去除残留清洗剂，并热风吹干。
3.按照权利要求1所述基于磁控溅射技术沉积太阳能电池用硅薄膜的方法，其特征在于，步骤2中，控制工装架上基体与硅靶材之间的距离为20mm 200mm。
4.按照权利要求1或2或3所述基于磁控溅射技术沉积太阳能电池用硅薄膜的方法， 其特征在于，所述硅靶材为单晶硅靶材或多晶硅靶材。
5.按照权利要求或2或3所述基于磁控溅射技术沉积太阳能电池用硅薄膜的方法，其特征在于，所述硅靶材为P型、N型或I型。
6.按照权利要求1或2或3所述基于磁控溅射技术沉积太阳能电池用硅薄膜的方法， 其特征在于，所述耐用柔性聚合物材料为塑料和树脂。
全文摘要
本发明一种基于磁控溅射技术沉积太阳能电池用硅薄膜的方法，所制备的硅薄膜厚度为0.01μm～5μm，使用的设备为磁控溅射设备，包括以下步骤选取基材，进行前清洗处理；放置于工装架上，送至磁控溅射设备的真空腔室中；工装架在硅薄膜制备过程中保持直线运动，对整个真空腔室进行抽真空；持续通入氩气和氢气的混合气体，并保证工作气压一定；将硅靶材的靶电流增大至0.3A～15A后，或者将硅靶材的靶功率增大至100W～2000W后，维持硅靶材的电参数以进行硅薄膜的沉积，沉积时间为1min～30min。本发明方法制备过程无有毒且危险气体介入、工艺稳定、安全可靠、重复性好，且制得的硅薄膜沉积速率高、致密性好。
文档编号C23C14/35GK102260853SQ201110188670
公开日2011年11月30日 申请日期2011年7月7日 优先权日2011年7月7日
发明者李春月, 李洪涛, 牛毅, 蒋百灵 申请人:西安理工大学