单晶硅薄膜组件的制备方法.pdf

本发明涉及单晶硅薄膜组件的制备方法。一种单晶硅薄膜组件的制备方法，其主要特点包括有如下步骤：(1)基底抛光；(2)用静电除尘枪对抛光后的基底清洗，速度为1-5s/cm2，并采用惰性气体防止氧化；(3)单晶硅薄膜制备，将经抛光清洗后的基底放入真空室体，采用直流脉冲磁控溅射制备单晶硅薄膜，靶材为99.99％的高纯硅块体，溅射时功率密度为1-10W/cm2，靶和基底的距离为50-300mm，镀膜时，真空室体的温度为100-160℃，在工件和真空室体间加占空比为40-80％的200-1000V的直流偏压，磁场强度300～500Gs；沉积厚度为0.5-5μm。(4)导电透明电极制备。本发明的优点是在低温下进行，不需二次退火热处理，工艺过程简单，便于硅膜工业化生产。

1.  一种单晶硅薄膜组件的制备方法，其特征包括有如下步骤：
(1)基底抛光：将基底表面的粗糙度通过抛光达到0.1-0.8μm；
(2)基底清洗，将抛光后的基底，用静电除尘枪清洗，气体为惰性气体，压力为1-10Mpa；速度为1-5s/cm²；
(3)单晶硅薄膜制备，将经抛光清洗后的基底放入真空室体，采用直流脉冲磁控溅射制备单晶硅薄膜，靶材为99.99％的高纯硅块体，溅射时功率密度为1-10W/cm²，靶和基底的距离为50-300mm，镀膜时，真空室体的温度为100-160℃，在工件和真空室体间加占空比为40-80％的200-1000V的直流偏压，磁场强度300～500Gs；沉积厚度为0.5-5μm；
(4)导电透明电极制备，在单晶硅薄膜表面镀制导电透明电极；选用纯度为99.99％的氧化锌和纯度为99.99％的氧化铝混合烧结成直流溅射靶，其中氧化铝含量为6～10％质量分数，将两靶相对放置，靶间距为40～70mm左右；将镀好的单晶硅薄膜置于高于两靶上边缘3～10cm的位置，镀膜面朝向对靶；溅射前本底真空为2～5×10^-2Pa，将纯度为99.999％的氩气通过阀门充入工作室，直至气压达到1～5Pa，开启溅射电源，沉积厚度为200～500nm。

2.  如权利要求1所述的单晶硅薄膜组件的制备方法，其特征还包括有如下步骤：
(5)减反射保护膜制备，在导电透明电极或者单晶硅薄膜和梳状电极上制备减反射膜：开启氟化镁蒸发电源，蒸发电流为1500～1800A，电压为6～10V，时间为50～100s。

3.  如权利要求1所述的单晶硅薄膜组件的制备方法，其特征是所述的抛光工序为依次用250号、400-600号、800-1000号、1200-1500号砂布打磨，抛光的过程中基体温度为180℃以下。

3.  如权利要求1所述的单晶硅薄膜组件的制备方法，其特征是所述的惰性气体为氩气。

4.  如权利要求1所述的单晶硅薄膜组件的制备方法，其特征是所述的基底材料为镁合金或是氧化镁。

单晶硅薄膜组件的制备方法
技术领域：
本发明涉及太阳能电池使用的单晶硅薄膜组件的形成方法。
背景技术：
硅晶太阳能电池价格昂贵，而硅原料成本占据了硅晶太阳能电池成本的50％～60％。因此降低太阳能电池成本，行之有效的办法就是减少硅材料的消耗。光伏产业正积极探索一系列研究方案，其中最为有效的就是采用较薄的硅衬底。目前，由于受切割工艺的限制，太阳能电池的硅晶衬底厚度大约为200～300μm，而厚度小于100μm硅衬底制备技术正处于研发中。最新的研究结果表明厚度为1μm的单晶或多晶硅膜就具有较好的光电转换效率。因此薄膜太阳能电池成为太阳能电池发展的最有潜力的方向之一。由于受材料、效率以及稳定性的限制，多晶硅薄膜太阳能电池成为目前最具有实用价值和市场潜力的发展方向之一。考虑到工业生产的实际需要，目前研究主要集中在寻找大规模生产过程中既要提高效率又要降低成本问题上的契合点。目前多采用高温化学气相沉积法，该方法具有薄膜生长速率快，薄膜结晶质量好等优点，然而这种方法需要选择耐热的衬底材料，一般要求超过1400℃，所以需要热稳定性很好的衬底，这些耐高温的衬底材料多为非金属材料；又因为薄膜沉积与结晶需分步进行，因此有杂质污染的危险，同时由于适合该方法制备多晶硅太阳能电池的高温衬底是绝缘体，需研究出新的金属接触。因此现有的多晶硅薄膜太阳能电池制备方法不适应于大规模高效率工业生产的需要。同时多晶硅薄膜在光电转换效能方面与单晶硅薄膜存在一定差距。
单晶硅薄膜用于太阳能电池时，它呈现出优异的能量转换效率，安全性，稳定性和其它类似性能；然而，不利的是成本高。作为太阳能电池的超纯硅，将可以利用半导体工业生产中的低于标准的硅。但是硅衬底的成本比率仍然很高，另外，半导体工业的剩余硅也变得短缺，难以满足太阳能电池工业中快速增长的硅消耗。因此当单晶硅制得衬底可以用由其制得的薄膜替代时，原料供应和成本问题将得到解决。
传统单晶硅薄膜的制备方法。
(1)氧离子注入法：
将氧离子注入到单晶硅衬底中，然后进行热处理，由此得到由单晶硅、二氧化硅和单晶硅衬底组成的多层结构。该方法存在单晶硅表面上产生很多缺陷，且离子注入成本高。
(2)氢离子注入法：
将氢离子(H+和H-)注入到单晶硅衬底中后，将该衬底粘附到支撑衬底上，进行热处理；由此可形成亚微米厚度的单晶硅薄膜。该方法由于注入的氢只能达到亚微米级的深度，且热处理需要在1000℃或者更高的温度下进行热处理，因此存在膜层较薄和难以找到可以满足热膨胀系数需要的廉价衬底。
此外，还有多孔硅法、熔融再结晶法和利用具有不同元素组分牺牲层的外延剥离法等，这些方法中得到的薄膜层仅是多晶硅薄膜，处理能量转换效率较底外，且存在大量的制造步骤，工艺复杂。
发明内容：
本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种单晶硅薄膜组件的制备方法。以解决传统单晶硅薄膜组件的制备方法之缺陷，从而解决太阳能电池用单晶硅薄膜组件的原料及成本问题。
本发明的目的可以通过采用以下技术方案来实现：一种单晶硅薄膜组件的制备方法，其主要特点包括有如下步骤：
(1)基底抛光：将基底表面的粗糙度通过抛光达到0.1-0.8μm；
(2)基底清洗，将抛光后的基底，用静电除尘枪清洗，气体为惰性气体，压力为1-10Mpa；速度为1-5s/cm²；
(3)单晶硅薄膜制备，将经抛光清洗后的基底放入真空室体，采用直流脉冲磁控溅射制备单晶硅薄膜，靶材为99.99％的高纯硅块体，溅射时功率密度为1-10W/cm²，靶和基底的距离为50-300mm，镀膜时，真空室体的温度为100-160℃，在工件和真空室体间加占空比为40-80％的200-1000V的直流偏压，磁场强度300～500Gs；沉积厚度为0.5-5μm。
(4)导电透明电极制备，在单晶硅薄膜表面镀制透明电极；选用纯度为99.99％的氧化锌和纯度为99.99％的氧化铝混合烧结成直流溅射靶，其中氧化铝含量为6～10％质量分数，将两靶相对放置，靶间距为40～70mm左右；将镀好的单晶硅薄膜置于高于两靶上边缘3～10cm的位置，镀膜面朝向对靶；溅射前本底真空为2～5×10^-2Pa，将纯度为99.999％的氩气通过阀门充入工作室，直至气压达到1～5Pa，开启溅射电源，沉积厚度为200～500nm。
(5)减反射保护膜制备，在导电透明电极或者单晶硅薄膜和梳状电极上制备减反射膜：开启氟化镁蒸发电源，蒸发电流为1500～1800A，电压为6～10V，时间为50～100s。
所述的基底材料为镁合金或是氧化镁。
所述的单晶硅薄膜组件的制备方法，其特征是所述的抛光工序为依次用250号、400-600号、800-1000号、1200-1500号砂布打磨，抛光的过程中基体温度为180℃以下。
所述的单晶硅薄膜组件的制备方法所述的惰性气体为氩气。
本发明制备的装置，见同日申请的单/多晶硅薄膜制备装置。
本发明的有益效果是，在低温下进行，不需二次退火热处理，工艺过程简单，便于硅膜生产。
附图说明：
图1：本发明单硅晶薄膜组件的结构示意简图；
图2：为本发明实施例单晶硅薄膜的XRD图。
具体实施方式：
以下结合所示之最佳实施例作进一步详述：
见图1，给出了本发明多晶硅薄膜组件的一种具体结构示意图。该组件的结构为基底(A)；单晶硅薄膜(C)；导电透明电极或梳状电极(D)；减反射保护膜(E)。
实施例1：一种单晶硅薄膜组件的制备方法，其主要特点包括有如下步骤：
(1)镁合金基底抛光：将镁合金基底表面的粗糙度通过抛光达到0.1-0.8μm；抛光工序为依次用250号、400-600号、800-1000号、1200-1500号砂布打磨，抛光的过程中基体温度为180℃以下。
(2)镁合金基底清洗，抛光后的镁合金基底，用静电除尘枪清洗，气体为氩气，压力为1-10Mpa；速度为1-5s/cm²；采用惰性气体可防止氧化，并能将材料表面的浮尘去除。
(3)单晶硅薄膜制备，经机械抛光，氩气冲洗的基底，须在短时间(3分钟)内尽快放入真空室体，开始抽真空，以防表面再次氧化。采用直流脉冲磁控溅射制备单晶硅薄膜，靶材为99.99％的高纯硅块体，溅射时功率密度为1-10W/cm2，靶和基底的距离为50-300mm，镀膜时，真空室体的温度为100-160℃，在工件和真空室体间加占空比为40-80％的200-1000V的直流偏压，磁场强度300～500Gs；沉积厚度为0.5-5μm。
进入真空室后的工艺过程为：
1.预抽真空，真空度到2×10^-4Pa；
2.加热，真空室体温度在120℃左右，不低于100℃、高于160℃；
3.充入氩气，调节压力到0.3-2Pa；
4.关闭加热电源，停止加热；
5.开偏压，调节直流脉冲电压200-1000V，占空比为：40-80％
6.开始镀膜，靶电源电压200-400V，电流40-100A，磁控靶功率密度在1-10W/cm²。靶与基底距离在50-300mm之间。
7.镀制一定厚度后，关闭靶电源，偏压电源，继续充入氩气，室体压强1Pa左右，室体温度冷却到50℃后，关闭氩气，充气开门。
见图2，在XRD下观察单晶硅薄膜的结晶情况。从XRD衍射图中可以看出，除镁的衍射峰外，只有Czochralski单晶硅的衍射峰。
(4)导电透明电极制备，在单晶硅薄膜表面镀制导电透明电极；选用纯度为99.99％的氧化锌和纯度为99.99％的氧化铝混合烧结成直流溅射靶，其中氧化铝含量为6～10％质量分数，将两靶相对放置，靶间距为40～70mm左右；将镀好的单晶硅薄膜放在高于两靶上边缘3～10cm的位置，镀膜面朝向对靶；溅射前本底真空为2～5×10^-2Pa，将纯度为99.999％的氩气通过阀门充入工作室，直至气压达到1～5Pa，开启溅射电源，沉积厚度为200～500nm。
实施例2：一种单晶硅薄膜组件的制备方法，其主要特点包括有如下步骤：
(1)氧化镁基底抛光：将氧化镁基底表面的粗糙度通过抛光达到0.1-0.8μm；抛光工序为依次用250号、400-600号、800-1000号、1200-1500号砂布打磨，抛光的过程中基体温度为180℃以下。
(2)氧化镁基底清洗，抛光后的氧化镁基底，用静电除尘枪清洗，气体为氩气，压力为1-10Mpa；速度为1-5s/cm²；采用惰性气体可防止氧化，并将材料表面的浮尘去除。
(3)单晶硅薄膜制备，经机械抛光，氩气冲洗的基底，须在短时间(3分钟)内尽快放入真空室体，开始抽真空，以防表面再次氧化。采用直流脉冲磁控溅射制备单晶硅薄膜，靶材为99.99％的高纯硅块体，溅射时功率密度为1-10W/cm²，靶和基底的距离为50-300mm，镀膜时，真空室体需加热，温度为100-160℃，在工件和真空室体间加占空比为40-80％的200-1000V的直流偏压，磁场强度300～500Gs；沉积厚度为0.5-5μm。
(4)导电透明电极制备，在单晶硅薄膜表面镀制导电透明电极；选用纯度为99.99％的氧化锌和纯度为99.99％的氧化铝混合烧结成直流溅射靶，其中氧化铝含量为6～10％质量分数，将两靶相对放置，靶间距为40～70mm左右；将镀好的单晶硅薄膜放在高于两靶上边缘3～10cm的位置，镀膜面朝向对靶；溅射前本底真空为2～5×10^-2Pa，将纯度为99.999％的氩气通过阀门充入工作室，直至气压达到1～5Pa，开启溅射电源，沉积厚度为200～500nm。
(5)减反射保护膜制备，在导电透明电极或者单晶硅薄膜和梳状电极上制备减反射膜：开启氟化镁蒸发电源，蒸发电流为1500～1800A，电压为6～10V，时间为50～100s。