CN119040815B - 一种用于制造高性能太阳能电池的低损伤溅射镀膜设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于制造高性能太阳能电池的低损伤溅射镀膜设备，包括真空腔以及设置在真空腔内的阴极靶、阳极和样品台；所述阳极位于阴极靶和样品台之间；工作时，阳极与阴极之间产生等离子体，受气体离子轰击的靶材将目标原子/分子穿过阳极区形成的开口沉积到样品台表面的样品基底上。本发明通过对溅射镀膜设备中阴极靶、阳极和样品的相对位置进行调整，限制等离子体在阴阳极之间产生，不影响到样品区域，从而能够有效避免溅射镀膜过程对电池片表面以及已沉积材料表面的损伤，进而提高太阳能电池的性能。

Description

一种用于制造高性能太阳能电池的低损伤溅射镀膜设备

技术领域

本发明涉及一种用于制造高性能太阳能电池的低损伤溅射镀膜设备。

背景技术

磁控溅射装置是一种薄膜沉积的重要工具，在光学薄膜、电子器件、光伏电池等领域应用广泛。通过溅射不同材料，可以在样品表面形成特定的结构或改变其化学性质，也可用于表面改性、涂覆保护层等。

最早的磁控溅射装置主要由阴极、阳极和真空腔组成，通过电场来加速电子，从而产生溅射过程。这种装置简单但控制精度较低。随着对溅射过程控制要求的提高，进一步引入磁场来控制电子的运动轨迹，提高溅射的均匀性和效率。这一技术改进使得磁控溅射在微电子、光学等领域得到广泛应用。随着对材料组分复杂性和结构控制要求的增加，发展出了多靶溅射技术，可以在同一真空腔内同时溅射多种材料，实现复合薄膜的制备。为了获得更高的沉积速率和改善薄膜质量，还发展出了高能溅射技术，通过提高电子能量和溅射材料的温度来实现。进一步的，为了在薄膜中引入特定的化学元素或化合物，发展出了反应性溅射技术，可以在溅射过程中引入反应性气体，形成化合物薄膜。

自19世纪末20年代初提出磁控溅射这个概念，到1976年将其投入实际应用，磁控溅射装置经历了从简单结构到复杂控制、从单一材料到复合材料、从均匀沉积到反应性溅射的发展过程，多年来磁控溅射装置的结构均以目标材料(靶材)为阴极，金属基底为阳极并置于阴极靶的对面，样品放置于阳极的正上方或位于阴极和阳极之间，即处于电子束和溅射材料之间的区域。

对于惰性材料、高稳定性材料而言，采用传统的设计可以满足要求。但是，随着材料科学，尤其是太阳能电池的制备要求升级，传统的磁控溅射装置设计已不适用于钙钛矿太阳能电池、非晶硅太阳能电池、晶硅异质结太阳能电池等表界面易受损伤的材料制备。当上述易受损材料在阴阳极之间受到高能电子、离子轰击下，会使电池整体性能快速下降。

发明内容

发明目的：本发明目的旨在提供一种溅射镀膜设备，在制备高性能太阳能电池片过程中，采用该溅射镀膜设备能够有效避免对电池片上已沉积材料的损伤。

技术方案：本发明所述的溅射镀膜设备，包括真空腔以及设置在真空腔内的阴极靶、阳极和样品台；所述阴极靶、阳极和样品台同轴设置；所述阳极位于阴极靶和样品台之间；工作时，阳极与阴极之间产生等离子体，受气体离子轰击的靶材将目标原子/分子穿过阳极区形成的开口沉积到样品台表面的样品上。

其中，在500～1000V的电压范围内，样品台与阳极的垂直距离为不大于5cm；样品台与阳极的距离会随着电压的变化进行适应性调整。

其中，阴极靶可根据样品尺寸设计为不同形状，如圆形或矩形；阴极靶可以采用磁控靶，也可以采用非磁控靶。阳极的材料不限定于金属，可以是导电氧化物或导电高分子材料。

其中，在阳极和阴极靶之间设有用于在镀膜初期覆盖阳极区开口的可移动挡板。

其中，所述阳极呈环形；环形开口的面积不小于样品台上表面的面积；阳极通过连接支架固定在真空腔内。

其中，所述可移动挡板通过转动组件转动或通过拉杆组件横向移动。

其中，所述阳极包括多块导电板，多块导电板组成的阳极为中心对称结构，多块导电板形成的阳极区开口面积不小于样品台上表面的面积。

其中，所述多块导电板分别通过对应转动组件或拉杆组件带动移动，使多块导电板之间形成阳极区开口或使阳极区开口闭合。

其中，当样品台为金属制样品台时，样品台与外部电源连接使样品台接地或输入负电压。通过对样品台输入-50～0V的电压，进一步防止电子轰击样品表面；

其中，在样品台周围加入环形的磁约束线圈。在样品台周围还可以加入环形的磁约束线圈，当线圈中导入电流，在样品台上方形成外加磁场，以进一步控制等离子体区域。

其中，所述样品台为可转动样品台。样品台可以通过支座固定在真空腔内；也可以相对真空腔转动，转动的样品台能够增强镀膜的均匀性。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著的优点：本发明通过对溅射镀膜设备中阴极靶、阳极和样品的相对位置进行调整，限制等离子体在阴阳极之间产生，不影响样品区域，从而能够有效避免溅射镀膜过程对电池片上已沉积材料的损伤，进而提高太阳能电池的性能。

附图说明

图1为实施例1采用固定式阳极的低损伤溅射镀膜设备的结构设计图；

图2为实施例1中环形阳极的俯视图；

图3为实施例1中连接杆与真空腔的连接示意图；

图4为连接杆与挡板的连接示意图I；

图5为连接杆与挡板的连接示意图II；

图6为实施例2采用活动式阳极(闭合状态)低损伤溅射镀膜设备的结构设计图；

图7为实施例2中活动阳极闭合时的俯视图；

图8为实施例2采用活动式阳极(打开状态)低损伤溅射镀膜设备的结构设计图；

图9为实施例2中活动阳极打开时的俯视图；

图10为拉杆与真空腔的连接示意图；

图11为实施例3采用活动式阳极(闭合状态)低损伤溅射镀膜设备的结构设计图；

图12为实施例3采用活动式阳极(打开状态)低损伤溅射镀膜设备的结构设计图；

图13为使用传统溅射设备制备的非晶氧化硅表面的微观结构图；

图14为使用本发明实施例2装置制备的非晶氧化硅表面的微观结构图；

图15为使用传统溅射设备与本发明实施例2设备制备晶硅太阳能电池的光电转换效率对比；

图16为使用传统溅射设备与本发明实施例2设备制备钙钛矿太阳能电池的光电转换效率对比。

具体实施方式

实施例1

如图1～2所示，本发明低损伤溅射镀膜设备，包括不锈钢真空腔1以及设置在真空腔1内的阴极靶2、阳极10和样品台6，阴极靶2、阳极10和样品6台同轴设置；在不锈钢真空腔1中，阴极靶2采用圆形磁控靶，阴极靶2上连有阴极电源线3、循环冷却水进水管4和循环冷却水出水管5；阴极靶2通过阴极电源线3与外部电源连接，阴极靶2通过循环冷却水进水管4和循环冷却水出水管5与外部储水池连通。样品台6底部固连有转轴81，转轴81通过轴承密封件与真空腔1底板固连且转轴81穿出真空腔1与电机8驱动端固定连接；样品台6内部设置有加热电阻丝与温度控制器9；样品台6放置于阴极靶2的正下方。

在500～1000V的电压范围内，样品台6与阳极10的距离为不大于5cm。

本实施例以圆环形铜板为阳极10，阳极10通过阳极电源线11与外部电源连接。在环形阳极10的上方设有可移动挡板13。

如图4所示，挡板13为圆形挡板，转动组件包括与挡板连接的连接杆14，连接杆14一端与挡板13固定连接，连接杆14另一端伸出真空腔1且与真空腔1顶盖通过密封圈和紧固螺母固定连接，由限位横杆限制挡板13的进一步向下移动；当需要转动挡板13时，将限位横杆拉出，松开紧固螺母，转动连接杆14，带动挡板转动。需要露出环形开口101时，带动挡板13朝着靠近真空腔1侧壁方向旋转180°；需要覆盖环形开口101时，反向旋转连接杆14，带动挡板13朝着远离真空腔1侧壁方向移动180°。其中，挡板呈圆形，直径大于阴极靶直径，挡板13的直径也大于环形开口101的直径；环形开口101的面积不小于样品台6上表面的面积。

如图3所示，在真空腔1顶盖内侧壁上开有与连接杆14直径一致的限位孔，在真空腔1顶盖外侧壁上开有与紧固螺母通过内外螺纹相互配合固定连接的凹槽，凹槽带内螺纹，紧固螺母内环为光滑面套设在连接杆14上，紧固螺母外环带外螺纹，凹槽内还嵌入有O型密封圈和垫圈，连接杆14通过紧固螺母与真空腔1顶盖固定连接。

装置工作时，等离子体区域在阴极靶2与阳极10之间产生，靶材12受到离子轰击后将表层污染物与目标材料沉积至挡板13表面，0～60秒后，转动连接杆14，将阳极10上方的挡板13移开，目标材料穿过环形开口101沉积至样品台6表面的样品上。不锈钢真空腔1在对应挡板13位置处设有透明有机玻璃制成的观察窗口，通过观察窗口判断挡板13是否被移开。

如图5所示，本实施例中挡板13也可以为两块拼合的矩形挡板，两块挡板分别由对应的连接杆带动旋转，当需要将两块拼合的挡板打开形成开口时，两块挡板朝着相反方向分别旋转180°即可，两块挡板形成的开口的面积大于环形开口101的面积。

实施例2

如图6～9所示，本发明低损伤溅射镀膜设备，包括不锈钢真空腔1以及设置在真空腔1内的阴极靶2、阳极10和样品台6，阴极靶2、阳极10和样品6台同轴设置；在真空腔1中，阴极靶2采用圆形磁控靶，阴极靶2上连有阴极电源线3、循环冷却水进水管4和循环冷却水出水管5；阴极靶2通过阴极电源线3与外部电源连接，阴极靶2通过循环冷却水进水管4和循环冷却水出水管5与外部储水池连通。样品台6通过支座7固定在真空腔1内；样品台6内部设置有加热电阻丝与温度控制器9；样品台6放置于阴极靶2的正下方。

在500～1000V的电压范围内，样品台6与阳极10的距离为不大于5cm。

本实施例采用两块矩形铜板作为阳极10，同时也作为镀膜初期的挡板，阳极10通过阳极电源线11与外部电源连接。

装置工作时，等离子体区域在阴极靶2与阳极10之间产生，靶材12受到离子轰击后将表层污染物与目标材料沉积至阳极10表面，0～60秒后，通过拉杆组件将两块横向拼合在一起的矩形铜板移动至打开(分离)状态，目标材料穿过阳极区形成的开口102沉积至样品台6表面的样品上。不锈钢真空腔1在对应阳极10位置处设有透明有机玻璃制成的观察窗口，通过观察窗口判断阳极10是否被移开。或者本实施例直接采用透明有机玻璃真空腔。

拉杆组件包括与矩形铜板连接的拉杆8，每个矩形铜板与三个拉杆8连接(其中两个拉杆8与铜板的上表面连接，一个拉杆8与铜板的下表面连接)，拉杆8一端与矩形铜板固定连接，拉杆8另一端伸出真空腔1且与真空腔1侧壁通过密封圈和紧固螺母固定连接；松开紧固螺母(松开的程度为能够拉动拉杆即可)，拉动拉杆8，带动两块矩形铜板相对移动，即同时朝着靠近真空腔侧壁方向移动；或者推动拉杆8，带动两块矩形铜板相向移动，即同时朝着远离真空腔侧壁方向移动。

如图10所示，在真空腔1内侧壁上开有直径比拉杆8直径大4mm的限位孔，在限位孔与拉杆8之间套上壁厚2mm的绝缘陶瓷套筒，在真空腔外侧壁上开有与紧固螺母通过内外螺纹相互配合固定连接的凹槽，凹槽带内螺纹，紧固螺母内环为光滑面，在螺母内环与拉杆8之间也套上壁厚2mm的绝缘陶瓷套筒套；外环带外螺纹，从而紧固螺母将拉杆固定在真空腔侧壁上，凹槽内还嵌入有O型密封圈和垫圈，拉杆8通过紧固螺母与真空腔1侧壁固定连接；当松开紧固螺母，手动将拉杆8相对真空腔1进行水平向移动，拉杆8表面涂有绝缘橡胶涂层。

实施例3

如图11～12所示，本发明低损伤溅射镀膜设备，包括不锈钢真空腔1以及设置在真空腔1内的阴极靶2、阳极10和样品台6，阴极靶2、阳极10和样品6台同轴设置；在不锈钢真空腔1中，阴极靶2采用圆形磁控靶，阴极靶2上连有阴极电源线3、循环冷却水进水管4和循环冷却水出水管5；阴极靶2通过阴极电源线3与外部电源连接，阴极靶2通过循环冷却水进水管4和循环冷却水出水管5与外部储水池连通。样品台6通过支座7固定在真空腔1内；本实施例采用金属制样品台6，将样品台6通过电源线16与外部电源连接，对样品台6输入-50～0V的电压，样品台6内部设置有加热电阻丝与温度控制器9；样品台6放置于阴极靶2的正下方。

在500～1000V的电压范围内，样品台6与阳极10的距离为不大于5cm。

本实施例采用两块矩形铜板作为阳极10，同时也作为镀膜初期的挡板，阳极10通过阳极电源线11与外部电源连接。本实施例在样品台6外周还设有磁约束装置，磁约束装置包括筒状支架15以及环绕在筒状支架15上的电磁线圈14，往磁约束装置中的电磁线圈14中通电，从而在样品台6上方输入磁场13，以进一步控制等离子体区域。

实施例3中的拉杆组件与实施例2中相同，唯一不同之处为在拉杆8上设有凸起作为限位部件。装置工作时，等离子体区域在阴极靶2与阳极10之间产生，靶材12受到离子轰击后将表层污染物与目标材料沉积至阳极10表面，0～60秒后，拉动拉杆101，将两块横向拼合在一起的矩形铜板移动至打开(分离)状态，目标材料穿过阳极区形成的开口102沉积至样品台6表面的样品上。本实施例的真空腔1上没有设置观察窗口，因此在拉杆8上设有凸起作为限位部件，拉动拉杆8时，到达凸起位置即可停止继续往外拉动。

使用传统磁控溅射设备进行晶硅太阳能电池钝化层非晶氧化硅材料溅射：安装氧化硅靶材；在样品台放入单晶硅样品基底；开启电源；打开循环水；检查气阀，确保气阀关闭，打开真空泵抽真空至气压值为10^-4Pa；保持抽真空，打开氩气气体阀，使真空腔内气压维持在3×10^-1Pa左右；打开直流电源，调节功率至100W，开启射频电源开关，腔体内开始起辉，镀膜开始；镀膜时间为10min；镀膜结束，关闭直流电源，关闭气体阀，打开真空阀破除真空，待温度降低至<100℃后，关闭总电源；图12为上述使用传统溅射设备制备的非晶氧化硅表面，通过图12可知，得到的样品材料表面粗糙且多缺陷。

使用实施例2设备进行晶硅太阳能电池钝化层非晶氧化硅材料溅射：安装氧化硅靶材；在样品台6上放入单晶硅样品基底；开启电源；打开循环水；检查气阀，确保气阀关闭，打开真空泵抽真空至气压值为10^-4Pa；保持抽真空，打开氩气气体阀，使真空腔内气压维持在3*10^-1Pa左右；确保两块矩形铜板闭合，打开直流电源，调节功率至100W，开启射频电源开关，腔体内开始起辉；等待1min，待靶材表面污染物去除之后，向两侧同时拉动拉杆8，将两块矩形铜板移动至打开(分离)状态，目标材料穿过阳极区形成的开口102沉积至样品台6表面的样品上，镀膜开始；镀膜时间为10min；镀膜结束，关闭直流电源，关闭气体阀，打开真空阀破除真空，向两侧同时推动拉杆8，将两块矩形铜板闭合，待温度降低至<100℃后，关闭总电源。图13为上述使用实施例2设备制备的非晶氧化硅表面，通过图13可知，材料表面光滑、致密、缺陷少。

将图13和图14的样品分别制备晶硅太阳能电池，得到晶硅太阳能电池的光电转换效率如图15所示；使用传统溅射设备与本发明实施例2设备制备的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率如图16所示，说明采用本发明设备制备的太阳能电池的光电转换效率显著提升。

Claims (4)

1.一种非晶氧化硅太阳能电池钝化层的制备方法，其特征在于：所述方法采用如下设备制备而成，所述设备包括真空腔（1）以及设置在真空腔（1）内的阴极靶（2）、阳极（10）和样品台（6）；所述阳极（10）位于阴极靶（2）和样品台（6）之间；工作时，阳极（10）与阴极之间产生等离子体，受气体离子轰击的靶材将目标原子/分子穿过阳极区形成的开口沉积到样品台（6）表面的样品上；

其中，在500~1000V的电压范围内，样品台（6）与阳极（10）的距离为不大于5cm；所述阳极（10）为两块矩形铜板，两块矩形铜板组成的阳极（10）为中心对称结构，两块矩形铜板形成的阳极区开口面积不小于样品台（6）上表面的面积；所述两块矩形铜板分别通过对应的拉杆组件带动移动，使两块矩形铜板之间形成阳极区开口或使阳极区开口闭合；

所述制备方法具体过程如下：安装氧化硅靶材；在样品台（6）上放入单晶硅样品基底；开启电源；打开循环水；检查气阀，确保气阀关闭，打开真空泵抽真空至气压值为10^-4 Pa；保持抽真空，打开氩气气体阀，使真空腔内气压维持在3×10^-1 Pa，确保两块矩形铜板闭合，打开直流电源，调节功率至100 W，开启射频电源开关，腔体内开始起辉；等待1min，待靶材表面污染物去除之后，向两侧同时拉动拉杆（8），将两块矩形铜板移动至打开状态，目标材料穿过阳极区形成的开口（102）沉积至样品台（6）表面的样品上，镀膜开始；镀膜时间为10min。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：当样品台（6）为金属制样品台时，样品台（6）与外部电源连接使样品台（6）接地或输入负电压。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：在样品台（6）周围加入环形的磁约束线圈（14）。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述样品台（6）为可转动样品台。