太阳能电池纳米晶硅薄膜的物理气相沉积装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了太阳能电池纳米晶硅薄膜的物理气相沉积装置及其方法，涉及能源新材料领域中太阳能电池纳米晶硅薄膜的制作方法；本发明专利技术是基于真空镀膜机采用物理气相沉积（ＰＶＤ）方法沉积纳米晶硅薄膜。其目的是这样实现的：一是设计沉积硅薄膜的真空镀膜机的配置，二是采用离子束方法沉积纳米晶硅薄膜、气相掺杂制备薄膜硅太阳能电池ＰＩＮ结构的完整工艺。本发明专利技术获得纳米至微米尺度的结晶硅薄膜，对于提高硅太阳能电池的光电转换效率，解决非晶硅太阳电池光衰的技术难题和大规模地面应用有重大意义，对于解决制约硅太阳能电池发展的瓶颈，即硅材料的供应，发展节能型高效硅太阳能电池也有重大应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及能源新材料领域中太阳能电池纳米晶硅薄膜的制作方法；具体地说，涉及一种等离子体离子束沉积太阳能电池纳米晶硅薄膜的物理气相沉积(PVD)方法。
技术介绍
非晶硅(a-Si∶H)薄膜太阳能电池，近几年在基础理论研究和生产技术方面都有长足的进步，光电转换效率不断提高，成为地面推广应用太阳能电池的重要方面。(陈光华、邓金祥编著，新型电子薄膜材料，化学工业出版社)。非晶硅的材料结构不同于完美的单晶体，它的微观结构是一种共价键无规网络，短程有序，长程无序，没有晶格周期性。由于在非晶硅中存在有大量的氢原子，饱和了硅原子的悬挂键，使非晶硅成为一种亚稳态半导体材料，光电性能得到较大的改善。非晶硅太阳能电池遇到一个重大技术难题是光衰问题，至今尚未彻底解决。非晶硅薄膜经过长时间强光照射后，它的光电特性出现明显的衰退现象。普遍认为，非晶硅中的大量氢原子，在受到光照后会产生氢扩散，氢释放等，产生新的复合中心和陷阱中心，改变了光照前硅中氢的键合方式，从而使非晶硅的光电性能变差。制备非晶硅薄膜，通常采用辉光放电化学气相沉积(PCVD)，这种沉积方法很难获得不含氢的、结晶品质优良的结晶硅薄膜。结晶硅的禁带宽度比非晶硅窄，可以提高长波响应，更有效利用太阳光能，理论光电转换效率比非晶硅高。结晶硅薄膜太阳能电池，比单晶硅和铸造多晶硅太阳能电池有更多的优越性。相同功率的太阳能电池，单晶硅和铸造硅电池对硅材料的消耗量比结晶硅薄膜大100倍以上。硅材料是一种高耗能产品，目前供不应求，我国目前多依靠进口，市场价格高涨。纳米晶硅薄膜被公认为是高效、低耗的最理想的太阳能电池材料。制备不含氢的硅薄膜，就能从源头上消除非晶太阳能电池光衰的原因。获得缺陷态密度低，结晶品质优良的纳米晶硅薄膜，是提高太阳能电池光电转换效率要解决的关键技术问题。离子源是近几年真空镀膜逐渐应用较多的先进镀膜辅助方法，在制备光学膜、硬质膜、耐蚀膜中显著提高了膜层的质量。我国学者杨会生等在离子源中通入碳氢化合物，用于沉积类金刚石(DLC)薄膜取得良好的效果。(孙书龙、杨会生、王燕斌等，真空科学与技术，第23卷，第3期，2003年6月)本专利技术将离子源用于纳米晶硅薄膜的沉积，不存在理论上的障碍。通常沉积非晶硅薄膜，采用氢稀释硅烷辉光放电方法，让硅烷激发并化学分解，它的能量状态大约为1-10eV，生成含氢的非晶硅。当硅烷、硼烷或磷烷等气体通过离子源时，受到离子源中电场、磁场的激发，可以达到100-1000eV甚至更高的能量状态。在如此之高的能态下，足以使它们分子中氢原子全部离化，分别生成带正电荷的硅离子Si+、磷离子P+和硼离子B+，它们各自在基片负偏置电压作用下，在电场中被加速，以较高的动能飞向基片，形成掺杂的结晶致密的硅薄膜。该膜不含氧，结晶品质接近冶金硅。反观硅烷SiH4辉光放电PCVD沉积微晶硅薄膜，由于硅烷受激发的能量状态较低，与非晶硅相比，虽然晶粒尺寸有增长，但仍然含有较高比率的氢原子，这种硅薄膜制作太阳能电池不能根本解决光衰问题。辉光放电沉积微晶硅，受激发的硅原子团，在电场中能量状态低，它的运动状态是漂移行为，在沉积过程中迁移、扩散能力都很差，不可能避免膜中形成大量晶格缺陷，这种高缺陷的无规网络，须用氢原子来饱和悬挂键，它又离不开氢原子，于是这样的硅薄膜制作太阳能电池方法大大限制了光电转换效率和使用寿命的提高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术沉积硅薄膜的缺陷和不足，提供一种，即提供一种可应用于工业生产的不含氢，结晶品质优良的硅薄膜纳米材料的沉积方法，以获得高效率、低成本、地面大面积应用的太阳能电池，解决制约太阳能电池发展的瓶颈，即硅材料的供应问题。本专利技术是基于真空镀膜机采用物理气相沉积(PVD)方法沉积纳米晶硅薄膜。其目的是这样实现的一是设计沉积硅薄膜的真空镀膜机的配置，二是采用离子束方法沉积纳米晶硅薄膜、气相掺杂制备薄膜硅太阳能电池PIN结构的完整工艺。一、装置本装置即一种基于真空镀膜机的配置如图1，真空镀膜机由真空室3、炉门4、抽气口5、工件架6、基片烘烤加热器7、配套电源和控制系统等组成。在真空室3中，共设置8套等离子体气体离子源在炉门4和抽气口5处分别设置第一辅助源1.1和第二辅助源1.2；在真空室3内靠外壁处，以炉门4和抽气口5中点连线为对称轴，右边设置有第一沉积源2.1、第二沉积源2.2、第三沉积源2.3，左边设置有第四沉积源2.4、第五沉积源2.5、第六沉积源2.6。第二沉积源2.2、第五沉积源2.5为沉积n型结晶硅用，其余四套沉积源用于沉积P型和i层结晶硅用。沉积i层结晶硅时，掺入微量的硼会显著改善电池的特性。在真空室3中央的φ450mm的圆上，设置有烘烤加热基片的电加热器7。在熟练掌握本专利技术的基本技术之后，也可采用多反应室分离技术，以适应更高档的叠层太阳能电池的生产。二、方法如图2，在不锈钢基片8上，依次沉积金属底电极F，n型掺杂硅薄膜C，i层本征硅薄膜D，P型掺杂硅薄膜E，金属上电极B，ITO透明导电膜A；如图3，在玻璃基片9上，依次沉积ITO透明导电膜A，P型掺杂硅薄膜E，i层本征硅薄膜D，n型掺杂硅薄膜C，金属底电极F。(1)n型掺杂硅薄膜C的制备将表面经抛光处理和化学清洗的基片放置于真空室3中的工件架6上，按真空镀膜机的工艺规范操作，沉积硅薄膜。在第二沉积源2.2和第五沉积源2.5中通入氩稀释的硅烷气(SiH4)和磷烷气(PH3)，控制掺杂比率为PH3∶SiH4＝0.1～1％，调控沉积压力、离子源阳极电压、基片温度和旋转速率等，在基片上有掺磷的n型结晶硅析出，第一辅助源1.1和第二辅助源1.2实时轰击生长的硅薄膜，促使硅原子有序排列、致密生长，结晶硅的晶粒尺度为纳米至微米级。控制n型结晶硅层的厚度为200-300nm。(2)i层本征硅薄膜的制备开启第一辅助源1.1和第二辅助源1.2，采用离子束对n型硅薄膜进行物理清洗，控制阳极电压为450-500V，清除硅薄膜表面的浮尘和键合不牢的原子。然后开通第一沉积源2.1、第三沉积源2.3、第四沉积源2.4和第六沉积源2.6，通入硅烷气(SiH4)，控制沉积压力、离子源阳极电压、基片温度和旋转速率，在n型结晶硅上面生长本征结晶硅；启动第一辅助源1.1和第二辅助源1.2实时轰击硅薄膜，促进晶粒生长。它的晶粒尺度为纳米至微米级，控制i层硅薄膜的厚度为1.4～2.0μm。结晶硅薄膜的光学、电学参数如吸收系数α、暗电导σ、光学带隙Eg等，都与硅薄膜的沉积工艺有很大的关系，要根据结晶硅薄膜的实测光学、电学参数来设计每层硅薄膜的精确厚度。(3)p型掺杂硅薄膜的制备开通第一辅助源1.1和第二辅助源1.2，采用离子束对结晶硅薄膜表面进行清洗，控制阳极电压为450-500V，除去浮尘和键合不牢的原子。然后开启第一沉积源2.1和第四沉积源2.4，或者第三沉积源2.3和第六沉积源2.6，沉积P型结晶硅，控制掺硼比率为B2H6∶SiH4＝0.1～2％，控制压力、离子源阳极电压、基片温度和旋转速率，在I层结晶硅表面生长P型结晶硅，同时采用第一辅助源1.1和第二辅助源1.2适时轰击硅薄膜表面，促进硅原子有序化生长。它的晶粒尺度为纳米至微米级，控制P型硅薄膜的厚度为100-150nm左右。(4)按照制备非晶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太阳能电池纳米晶硅薄膜的物理气相沉积装置，包括真空镀膜机，真空镀膜机由真空室（３）、炉门（４）、抽气口（５）、工件架（６）、加热器（７）、配套电源和控制系统等组成；其特征在于：在炉门（４）和抽气口（５）处分别设置第一辅助源（１． １）和第二辅助源（１．２）；在真空室（３）内靠外壁处，以炉门（４）和抽气口（５）中点连线为对称轴，右边设置有第一沉积源（２．１）、第二沉积源（２．２）、第三沉积源（２．３），左边设置有第四沉积源（２．４）、第五沉积源（２．５）、第六 沉积源（２．６）；在真空室３中央设置有加热器（７）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴大维，吴越侠，徐建平，
申请(专利权)人：吴大维，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]