一种SHJ太阳电池的TCO导电膜镀膜装置论文和设计-石建华

全文摘要

本实用新型公开了一种SHJ太阳电池的TCO导电膜镀膜装置，涉及太阳能电池制造技术领域，包括真空室，所述真空室内设置有机械输送装置，所述机械输送装置的上方设置有阴极结构，所述阴极结构包括阴极装置，所述阴极装置垂直于所述机械输送装置的传输方向设置，所述阴极装置的两侧分别设置有两套独立控制的工艺气体控制系统。该镀膜装置改变了传统的镀膜工艺，可实现同靶材同设备条件下差异化镀膜设计，提高SHJ太阳电池的光电转化效率，其成本低、稳定性高，与现有镀膜技术兼容，具有广泛的应用前景和经济价值。

主设计要求

1.一种SHJ太阳电池的TCO导电膜镀膜装置，其特征在于，包括真空室（301），所述真空室（301）内设置有机械输送装置（306），所述机械输送装置（306）的上方设置有阴极结构，所述阴极结构包括阴极装置（210），所述阴极装置（210）垂直于所述机械输送装置（306）的传输方向设置，所述阴极装置（210）的两侧分别设置有两套独立控制的工艺气体控制系统。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种SHJ太阳电池的TCO导电膜镀膜装置，其特征在于，所述阴极装置（210）包括至少一个阴极或者至少一个阴极组，所述阴极组为两个或者两个以上阴极按孪生排列的方式设置。

3.根据权利要求1所述的一种SHJ太阳电池的TCO导电膜镀膜装置，其特征在于，所述工艺气体控制系统包括供气板，所述供气板上均匀交叉排布设置有工艺气匀气装置（231,232）和氧气匀气装置（221,222），所述工艺气匀气装置（231,232）和氧气匀气装置（221,222）均包含若干加工在所述供气板内的供气通道和若干加工在供气板一侧的出气孔，所述出气孔用于使所述供气通道与所述供气板的外界连通。

4.根据权利要求3所述的一种SHJ太阳电池的TCO导电膜镀膜装置，其特征在于，所述工艺气匀气装置（231,232）的一端设置有用于控制其供气通道通断及供气流量的控制阀门a（233），所述氧气匀气装置（221,222）的一端设置有用于控制其供气通道通断及供气流量的控制阀门b（223）。

5.根据权利要求4所述的一种SHJ太阳电池的TCO导电膜镀膜装置，其特征在于，所述出气孔沿所述阴极装置（210）长度方向上均匀分布，所述出气孔的大小从靠近所述控制阀门a（233）或控制阀门b（223）的一端起沿所述阴极装置（210）的长度方向依次增大。

6.根据权利要求1所述的一种SHJ太阳电池的TCO导电膜镀膜装置，其特征在于，还包括TCO靶材（302），所述TCO靶材（302）设置于所述阴极装置（210）和所述机械输送装置（306）之间。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及太阳电池制备技术领域，具体为一种SHJ太阳电池的TCO导电膜镀膜装置。

背景技术

太阳电池发电（光伏发电）具有地域差异小、储量巨大、安全、无污染、资源永不枯竭等特点，已成为21世纪新能源和可再生能源技术的主力军。截至2018年底，全球累积装机量已超过400GW，成为新能源的主力军。

SHJ太阳电池（silicon heterojunction solar cell）是一种高效太阳电池技术，也称HITR电池。该电池以n型单晶硅片为基板，在基板的前表面依次设置本征硅基薄膜、n型掺杂硅基薄膜叠层和氧化物透明导电薄膜（TCO），在基板的背面依次设置本征硅基薄膜、p型掺杂硅基薄膜叠层和氧化物透明导电薄膜（TCO），从而形成具有对称结构的双面受光太阳电池。在SHJ太阳电池中，非晶硅薄膜优异的钝化品质使电池具有很高的开路电压。然而，由于非晶硅薄膜导电性很差，故在非晶硅薄膜表面上必须覆盖一层TCO导电膜用于充分收集传递到非晶硅薄膜的光生载流子，同时TCO导电膜还具有表面减反射功能，可以减低表面反射损失。因此， TCO导电膜对提高电池的转换效率和稳定非常重要。

目前，通常采用磁控溅射镀膜技术制备SHJ太阳电池的TCO导电膜。而从上述SHJ太阳电池的基本结构中可以看出，其前表面和后表面覆盖有导电类型完全相反的两种非晶硅薄膜，这使得其前表面和后表面的物理接触特性差异很大，采用统一的镀膜工艺，两种不同类型的非晶硅薄膜和TCO导电膜的功函数失配差异很大，很难实现良好的欧姆接触，严重影响SHJ太阳电池的输出效率。现有技术中，传统的镀膜装置在镀膜时真空箱内为统一的气体氛围，其功能单一，无法实现差异性镀膜。而为了解决上述难题，通常需要在设备中设计多腔室的多靶位阴极结构，在不同靶位上安装不同掺杂浓度的TCO靶材或者不同工艺条件来制备TCO导电膜叠，从而在起始层优化界面接触特性、终止层优化导电特性。该方法在一定程度上可以实现良好的界面传输，但其设备结构及工艺过程相对复杂，制约了太阳电池制造企业的设备选型及成本控制，严重阻碍了高效SHJ太阳电池的商业化推广及应用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种SHJ太阳电池的TCO导电膜镀膜装置，可改变传统的镀膜工艺，实现同靶材同设备条件下差异化镀膜设计，提高SHJ太阳电池的光电转化效率，其成本低、稳定性高，与现有镀膜技术兼容，具有广泛的应用前景和经济价值。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种SHJ太阳电池的TCO导电膜镀膜装置，包括真空室，所述真空室内设置有机械输送装置，所述机械输送装置的上方设置有阴极结构，所述阴极结构包括阴极装置，所述阴极装置垂直于所述机械输送装置的传输方向设置，所述阴极装置的两侧分别设置有两套独立控制的工艺气体控制系统。

进一步的，所述阴极装置包括至少一个阴极或者至少一个阴极组，所述阴极组为两个或者两个以上阴极按孪生排列的方式设置。

进一步的，所述工艺气体控制系统包括供气板，所述供气板上均匀交叉排布设置有工艺气匀气装置和氧气匀气装置，所述工艺气匀气装置和氧气匀气装置均包含若干加工在所述供气板内的供气通道和若干加工在供气板一侧的出气孔，所述出气孔用于使所述供气通道与所述供气板的外界连通。

进一步的，所述工艺气匀气装置的一端设置有用于控制其供气通道通断及供气流量的控制阀门a，所述氧气匀气装置的一端设置有用于控制其供气通道通断及供气流量的控制阀门b。

进一步的，所述出气孔沿所述阴极装置长度方向上均匀分布，所述出气孔的大小从靠近所述控制阀门a或控制阀门b的一端起沿所述阴极装置的长度方向依次增大。

进一步的，还包括TCO靶材，所述TCO靶材设置于所述阴极装置和所述机械输送装置之间。

本实用新型的有益效果是：

该SHJ太阳电池的TCO导电膜镀膜装置在真空室的阴极装置两侧设置工艺气体控制系统，该工艺气体控制系统包含有独立控制的氧气匀气装置和工艺气匀气装置，使得其镀膜工艺改变了传统的阴极供气形式，结合阴极区氧等离子体的区域差异性特点，针对SHJ太阳电池中P型和N型非晶硅薄膜对TCO导电膜的特殊要求，可实现同靶材同设备条件下差异化镀膜设计，在保持量产效率和成品率的前提下，连续制备具有不同功能层的TCO导电膜堆，使用氧等离子体调控薄膜堆界面有效功函数，优化非晶硅薄膜\/TCO界面接触特性，使SHJ太阳电池的光电转化效率最大化。

上述工艺气体控制系统主要由供气板组成，供气板上均匀交叉排布设置有工艺气匀气装置和氧气匀气装置。上述匀气装置均包含若干加工在所述供气板内的供气通道和若干加工在供气板一侧的出气孔。其结构简单，制作成本低。在匀气装置的端部设置有控制阀门，通过控制阀门实现其内的工艺气和氧气的流量控制，从而实现上述差异化的供气形式，操作简单。上述出气孔沿所述阴极装置长度方向上均匀分布，且从靠近控制阀门的一端起孔径依次增大，可以使同一匀气装置中各出气孔排出气体相对均匀，确保制件均匀镀膜。

该实用新型具有低成本、高稳定性的优势、与现有SHJ太阳电池的TCO导电膜镀膜方法完全兼容的特点，其不仅适用于SHJ太阳能电池，同时也适用于对TCO导电膜薄膜有特殊要求的其他光电半导体器件镀膜，在太阳电池制备领域具有广泛的应用前景和经济价值。

附图说明

图1为现有技术中SHJ太阳能电池的基本结构示意图；

图2为本实用新型一种SHJ太阳电池的TCO导电膜镀膜装置的结构示意图及工作原理图；

图3为阴极结构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本实用新型的技术方案，但本实用新型的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，为现有技术中的SHJ太阳能电池。在制作时，该太阳能电池是以n型单晶硅片101为基板，首先对其进行表面制绒和化学清洗，形成清洁的金字塔限光结构；然后利用等离子体化学气相沉积（PECVD）、金属热催化化学气相沉积（Cat-CVD）、热丝化学气相沉积（Hot-wire CVD）等方法在硅片101前表面沉积本征硅基薄膜102和n型掺杂硅基薄膜103叠层，在其背面沉积本征硅基薄膜102和p型掺杂硅基薄膜104叠层；然后在n型掺杂硅基薄膜103叠层和p型掺杂硅基薄膜104叠层上沉积氧化物透明导电薄膜（TCO）105；再通过丝网印刷或者电镀等金属化技术制作金属电极106，形成具有对称结构的双面受光太阳电池。

在该SHJ太阳电池中，n型掺杂硅基薄膜103叠层和p型掺杂硅基薄膜104叠层的物理接触特性差异很大，在镀膜后两者和氧化物透明导电薄膜（TCO）105的功函数失配差异很大，很难实现良好的欧姆接触，严重影响SHJ太阳电池的输出效率。

现有技术中，TCO导电膜的镀膜过程通常由真空镀膜机完成，其主要包括真空室和辅助抽气系统，在进行TCO导电膜的镀膜时，先在真空室内安装阴极靶材并放置待镀膜工件，利用辅助抽气系统营造真空环境；其后向真空室内充入氩气，之后在轰击电极间通电产生辉光放电效应，从而电离氩离子轰击靶材表面，将靶材原子轰击出来沉降到工件表面完成镀膜。现有的真空镀膜机为实现TCO导电膜的差异性镀膜，通常需要在设备中设计多靶位阴极结构，在不同靶位上安装不同掺杂浓度的TCO靶材来制备TCO导电膜叠，从而在起始层优化界面接触特性、终止层优化导电特性。这导致设备结构及工艺过程复杂，镀膜成本高，严重阻碍了高效SHJ太阳电池的商业化推广及应用。

为解决上述问题，本实用新型提供一种SHJ太阳电池的TCO导电膜镀膜装置及镀膜工艺，该装置的主体结构与现有技术中的真空镀膜机结构类似，其具体结构如图2所示，包括真空室301，真空室301内设置有机械输送装置306，机械输送装置306的上方设置有阴极结构。该机械输送装置306选用传统的传送带等输送设备，用于带动制件在镀膜区内移动。该阴极结构包括阴极装置210，阴极装置210垂直于机械输送装置306的传输方向设置，阴极装置201和机械输送装置306之间设置有TCO靶材302。阴极装置210的两侧分别设置有两套独立控制的工艺气体控制系统。

利用该装置实施TCO导电膜的镀膜工艺是对传统的溅射镀膜工艺进行改进，在镀膜时，分别调节上述两套工艺气体控制系统可提供差异化的氧气流量，在阴极装置210两侧形成氧含量不同的等离子体区，制件随机械输送装置306移动时先后在两个氧含量不同的等离子体区内溅射镀膜。在实施时，太阳电池片制件304通过载盘305在机械输送装置306的带动下向前移动。制件304先进入的等离子体区域内的氧离子对硅片非晶硅表面进行表面修饰处理，同时在薄膜生长初期形成富氧或者贫氧的TCO薄膜种子层，从而调控TCO薄膜与非晶硅薄膜的界面接触特性；制件304后进入的等离子体区域内的氧离子调控TCO薄膜的表面特性使得TCO与金属电极形成良好的欧姆接触。在上述TCO导电膜镀膜过程中，可形成一种自然的种子层、过渡层和主导层的TCO叠层结构303，其物理性能和导电性能更好。

具体实施时，工艺气体控制系统包括供气板，供气板上均匀交叉排布设置有工艺气匀气装置和氧气匀气装置，工艺气匀气装置和氧气匀气装置均包含若干加工在供气板内的供气通道和若干加工在供气板一侧的出气孔，出气孔用于使供气通道与供气板的外界连通。具体的，先接触制件的等离子区一侧设置工艺气匀气装置232和氧气匀气装置222，后接触制件的等离子区一侧设置有工艺气匀气装置231和氧气匀气装置221，其结构如图3所示，图3所示亦为图2中阴极装置210的仰视示意图。在实施时，上述工艺气匀气装置中通入氩气、水汽的混合气体或通入氩气、氢气的混合气体，氧气匀气装置中通入氧气，这些气体分别流经对应的供气通道后由出气孔排出。在工艺气匀气装置的一端设置有用于控制其供气通道通断及供气流量的控制阀门a233，氧气匀气装置221,222的一端设置有用于控制其供气通道通断及供气流量的控制阀门b223，通过对各阀门a233和阀门b223进行控制，可以分别控制各匀气装置内工艺气体或氧气的量，从而获得差异化的氧气流量，实现上述工艺过程。

在具体实施时，TCO导电膜的制备工作气压范围在0.1~2Pa之间，功率密度1-20KW\/m。当制件上待镀膜面为P型非晶硅薄膜时，机械输送装置306的传输方向上先接触到的等离子体区域设置为高氧离子浓度区，其氧气供给>3%，从而可增加TCO导电膜的功函数，改善P型非晶硅薄膜\/TCO界面功函数失陪现象，获得良好的欧姆接触。当制件上待镀膜面为N型非晶硅薄膜时，机械输送装置306的传输方向先接触到的等离子体区域设置为低氧离子浓度区，其氧气供给<3%，从而可减小TCO导电膜的功函数，改善N型非晶硅薄膜\/TCO界面功函数失陪现象，获得良好的欧姆接触。通过差异化的供气方式，可实现同靶材同设备条件下差异化镀膜设计，在保持量产效率和成品率的前提下，连续制备具有不同功能层的TCO导电膜堆，使用氧等离子体调控薄膜堆界面的有效功函数，优化非晶硅薄膜\/TCO界面接触特性，使SHJ太阳电池的光电转化效率最大化。

进一步的，出气孔沿阴极装置210长度方向上均匀分布，出气孔的大小从靠近控制阀门a233或控制阀门b223的一端起沿阴极装置210的长度方向依次增大，通过对出气孔大小进行特定的设计，可以使同一匀气装置中各出气孔排出气体相对均匀，确保制件均匀镀膜。

进一步的，上述阴极装置210包括至少一个阴极或者至少一个阴极组，阴极组为两个或者两个以上阴极按孪生排列的方式设置。当阴极装置选用孪生排列的阴极组时，可针对每个阴极选择合适的材质，使得等离子体区材料元素可在1-N种连续变化，实现多种不同TCO材料叠层的覆膜。每个阴极两侧均设置上述工艺气控制系统，通过对各阴极的工艺气控制系统进行调控，可以在镀膜区域实现氧离子浓度的连续渐变，使得沿机械输送装置306的传输方向等离子体区氧离子浓度可以在0-50%连续变化，结合上述镀膜材质的选择，可以获得更佳的镀膜效果。

进一步的，上述阴极选用平面阴极或选择阴极均可，上述阴极组选用平面阴极、旋转阴极或者两者的组合均可，可与现有技术中的SHJ太阳能电池的TCO导电膜镀膜方法完全兼容，同时，该镀膜工艺不仅适用于SHJ太阳能电池，同时也适用于对TCO导电膜薄膜有特殊要求的其他光电半导体器件镀膜，适用于包括氧化铟、氧化锡、氧化镉、氧化钨、氧化钼、氧化钒、氧化钛、掺锡氧化铟、掺铝氧化铟、掺钨氧化铟、掺钛氧化铟、掺铯氧化铟、掺铝氧化锌、掺镓氧化锌及掺铝镓氧化锌中的一种或多种镀膜。在太阳能电池制备技术领域具有广泛的应用前景和经济价值。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。

设计图

一种SHJ太阳电池的TCO导电膜镀膜装置论文和设计

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