[发明专利]一种可调控生长硅薄膜电池陷光结构薄膜的磁控溅射系统

说明书

技术领域

本发明涉及真空镀膜技术领域，特别是涉及一种可调控生长硅薄膜电池陷光结构薄膜的磁控溅射系统，适用于生长透明导电氧化物TCO薄膜，适合应用于硅Si薄膜太阳电池。

背景技术

对于硅薄膜太阳电池来说，为了提高它的性能，目前的关键问题是进一步提高光电转换效率和改善稳定性，其中，加入陷光结构是一种有效的方法。陷光结构通过反射、折射和散射，将入射角度比较单一的光线分散到各个角度，从而增加光在太阳电池中的光程，使入射的太阳光被限制在前电极、背电极之间，从而提高太阳光的收集效率。

硅薄膜太阳电池的厚度很小，例如一般非晶硅薄膜太阳电池的厚度约0.5微米，微晶硅薄膜太阳电池的厚度约1.5微米，由于其材料的不平整性线度过小，使得对光线的折射和反射的影响很弱，所以就需要一个外加的陷光结构。现在非晶硅薄膜太阳电池采用的陷光结构有两种，一种是绒面前电极，另一种是复合背反射电极。

其中，绒面透明前电极一般具有同入射光波长相比拟的凹凸起伏的绒面结构，可以实现对入射太阳光的散射，从而增大入射光在电池中的光程，以增大电池的短路电流，从而提高电池的光电转换效率，该绒面结构一般是由一层透明导电膜构成，如SnO₂或者ZnO等；另外，硅薄膜太阳电池要求透明电极具有极低的光、电损失，高透过率和电导率，以及在氢等离子体轰击下保持较好的稳定性。

而复合背反射电极由一层透明导电膜和一层金属反射层构成复合背反射层(如：ZnO/Ag或ZnO/Al等)，以通过光的干涉增强作用增加背电极对光的反射，使未能被电池吸收而到达背电极的光子被反射到电池的本征吸收层进行再次吸收，从而增加了电池对入射光的收集效率，从而增大短路电流，提高电池的转化效率，而且可以通过进一步减薄本征吸收层，增强内建电场，从而在一定程度上达到了抑制光致衰退，改善电池的稳定性；另外，氧化锌ZnO还可以阻挡金属背电极元素如Ag或Al向太阳电池n+层的扩散，改善界面及电池性能。

新型锌铝氧化物ZnO:Al(ZAO)薄膜价格便宜，源材料丰富，无毒，并且在氢等离子体中稳定性优于掺氟氧化锡(SnO:F)FTO薄膜，同时具有可同FTO相比拟的光电特性，因此在硅基薄膜太阳电池的中有广泛的应用前景。ZnO:Al(ZAO)既可以作为绒面前电极，ZnO/Ag或ZnO/Al又可作为复合背反射电极。

当前，常规磁控溅射技术制备ZnO薄膜的设备装置如图1所示。其中，氩Ar气提供辉光放电的工作气体或溅射气体，镀膜样品放在具有加热器的衬底上，加热器可以实现调节衬底从室温至设定温度的控制，掺Al的ZnO靶材连接电源，提供溅射能量，真空室通常接地。真空室通入Ar气后，通过在靶材上馈入适当功率实现辉光放电，高能Ar+轰击靶材溅射出镀膜组分粒子，从而在基片上生长出ZnO薄膜。

通常情况下，磁控溅射技术生长获得ZnO薄膜，溅射粒子能量较高。在顶衬结构pin型硅薄膜电池领域，需要利用ZnO薄膜作为背反射电极，因此，生长ZnO薄膜时，溅射粒子能量应该适当，既能保证良好的薄膜性能，又对已生长的Si薄膜具有较低损伤。高能粒子轰击作用可以对薄膜产生足够多的缺陷或空洞，影响薄膜电池性能，甚至破坏电池pn结特性。

鉴于常用的ZnO薄膜制备工艺是磁控溅射，因为在溅射过程中，溅射离子的能量较高，高能粒子在衬底上具有较高的迁移能力，使得溅射薄膜与衬底具有良好的附着力，且膜厚可控，重复性好。但是，当其应用于pin型硅薄膜太阳电池背反射电极或底衬结构nip型硅薄膜太阳电池前电极时，通常直接生长的ZnO薄膜对pin型硅薄膜太阳电池的n+层或nip型硅薄膜太阳电池的p+层具有高能的粒子轰击作用，从而严重影响薄膜电池的性能，甚至破坏电池pn结特性。

因此，目前迫切需要开发出一种磁控溅射装置，其既能够生长出性能优良的TCO薄膜，又可以减少溅射过程中靶材产生的高能粒子对硅薄膜太阳电池的轰击作用，保证电池的pn结特性，提高薄膜电池的性能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种可调控生长硅薄膜电池陷光结构薄膜的磁控溅射系统，可以有效地改变靶材表面的磁场强度和分布状态，减少和避免磁控溅射过程中产生的高能粒子对硅薄膜太阳电池的轰击作用，改善透明导电氧化物TCO和硅Si薄膜的界面特性，可以明显提高硅薄膜太阳电池的性能，具有重大的生产实践意义。