[发明专利]可移式等离子箱单室大批量镀膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及到大型光伏器件的工业生产方法。特别涉及到一种极大地提高了生产力并降低了成本的大面积薄膜硅光伏模板的制造方法。

背景技术

近年来，薄膜光伏器件和大面积模板的开发已受到世界范围的广泛关注。尤其是氢化非晶硅(a-Si)和纳米晶硅(nc-Si)，在如光伏建筑一体化的应用中显示了可发挥举足轻重作用的巨大潜力。在低于260℃的相当低温下形成的薄膜硅光电转换器件(俗称太阳能光伏电池和模板)的一个重要特征是使用良好成熟的工业镀膜设备和程序，通过在大面积廉价基板上沉积硅半导体和电接触膜层，来同时达到降低生产成本和提高器件性能的目的。施加在同一玻璃基板上的不同薄膜的激光划线成型工艺，允许多个太阳能电池元件在薄膜沉积过程中直接形成集成式的大面积光伏模板，减少了加工步骤也改善了产品的可靠性。薄膜硅光伏模板的生产中普遍采用的可靠和行之有效的先进设备包括等离子体增强化学气相沉积(PECVD)和磁控溅射设备，这两者都可以规模化处理可与一平方米大小或更大尺寸建筑玻璃相比的大面积基板。然而一个巨大的挑战是这种高精密度真空镀膜的硬件成本和复杂运作成本居高不下，这也使得整体生产成本中的人力和维修费用十分可观。为求简便，以下提到的薄膜硅代表氢化非晶硅、纳米晶硅、及其薄膜硅的合金例如非晶硅锗。

太阳能电池是多层器件，各不同层在整个结构中具有不同特点、发挥专门的作用。因此，一个典型的薄膜太阳能电池具有通过掺杂而形成p型特征(正极或空穴)和n型特征(负极和电子)的外层和一个本征或非掺杂的中间层，通常叫做i层。由p型、i型和n型薄膜组成的薄膜太阳能电池和相关大面积光伏模板被称为p-i-n型光伏电池，它们通常用PECVD过程在低温下制成。掺杂层p层和n层在吸收层或i层之中产生一个内置电场。基于硅的i层负责吸收入射光并直接将它转换成电能。

一个完整的太阳能电池是将p-i-n型硅半导体层夹在薄膜导电电极和支撑材料之间而形成。图1显示了一个由具有优良结构和化学稳定性的透明盖板1、透明导电氧化物(TCO)电极2、p层6、i层8、n层9、另一个TCO薄膜22、一个金属膜45、密封黏合剂46和背保护和/或支撑板21组成的单结太阳能电池。操作中，太阳光如箭头所示从前盖板或基板1的外面射入太阳能电池。p层6选用的材料通常是一种硼掺杂的宽光能带隙的非晶硅合金，例如非晶硅碳或纳米晶硅。太阳能电池吸收层i层8(也被称为光伏转换层)由基于硅的本征薄膜(特别包括非晶硅、纳米晶硅和非晶硅锗)组成。磷掺杂的n层19通常是由非晶硅和/或纳米晶硅制成。前透明电极2一般由氟掺杂的氧化锡(SnO₂:F)或者铝掺杂的氧化锌(ZnO:Al)组成。TCO 22通常由ZnO:Al组成，它和金属膜45一起作为器件的光反射体和背电接触(反射电极)。TCO层2和22通过镀膜技术例如常压化学气相沉积法(APCVD)或磁控溅射形成。因为本征i层8相当薄(非晶硅小于450纳米，纳米晶硅小于2500纳米)，前电极2如图1所示，被特意制作成具有一个绒面(纹理表面)，用来散射入射光，从而帮助i层8吸收不易被捕获的长波光子(红光和红外光)。

使用薄膜硅光伏器件的一个重要考虑是它在持续太阳光照射下的稳定性。因为与非晶硅有关的材料的光伏转换能力随着光曝时间而衰退(著名的Staebler-Wronski效应，即S-W效应)，必须限制p-i-n型光伏电池中本征i层的厚度，以确保器件的长期性能。当纳米晶硅用作为p-i-n型光伏电池的本征i层(吸收层)时，这种担心基本上被消除了。然而，相对于非晶硅合金i层，纳米晶硅i层必须被做地相当厚(比如2000纳米)，以便吸收足够的光来产生高输出功率。同时，形成纳米晶硅i层的等离子体镀膜条件也要苛刻得多，需要使用更昂贵的真空镀膜设备，更长的镀膜时间，因而具有较低的生产量和颇高的成本。