DE102012102000A1 - Systeme und Verfahren zum raschen Abscheiden von Dünnfilmschichten auf Substraten von photovoltaischen Modulen - Google Patents

Systeme und Verfahren zum raschen Abscheiden von Dünnfilmschichten auf Substraten von photovoltaischen Modulen Download PDF

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Abstract

Vorrichtung (100) und Verfahren zum aufeinanderfolgenden Zerstäubungsabscheiden eines Target-Quellenmaterials (114) als ein Dünnfilm auf einem Substrat (12) eines photovoltaischen Moduls werden bereitgestellt. Die Vorrichtung (100) schließt eine erste Zerstäubungs-Abscheidungskammer (112) und eine zweite Zerstäubungs-Abscheidungskammer (128) ein, die integral derart verbunden sind, dass die durch die Vorrichtung (100) transportierten Substrate bei einem Systemdruck gehalten werden, der geringer als etwa (760) Torr ist. Die Lastvakuumkammer (106) ist mit einer Lastvakuumpumpe (108) verbunden, die konfiguriert ist, den Druck innerhalb der Lastvakuumkammer (106) zu einem anfänglichen Lastdruck zu vermindern. Die erste Zerstäubungs-Abscheidungskammer (112) schließt ein erstes Target (114) und die zweite Zerstäubungs-Abscheidungskammer (128) schließt ein zweites Target 114 ein. Ein Förderbandsystem (162) ist operativ innerhalb der Vorrichtung (100) angeordnet und konfiguriert zum Transportieren von Substraten in einer Reihenanordnung in und durch die Lastvakuumkammer (106), in und durch die erste Zerstäubungs-Abscheidungskammer (112) und in und durch die zweite Zerstäubungs-Abscheidungskammer (128) mit einer geregelten Geschwindigkeit.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Der hier beschriebene Gegenstand bezieht sich allgemein auf Systeme und Verfahren zum Abscheiden von Dünnfilmen auf einem Substrat und, mehr im Besonderen, auf ein System zum Abscheiden von mehreren Dünnfilmschichten auf Substraten von photovoltaischen Modulen mit hohem Durchsatz.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Photovoltaische(PV)-Dünnfilmmodule (auch als „Solarplatten“ oder „Solarmodule“ bezeichnet) gewinnen weite Akzeptanz und Interesse in der Industrie, insbesondere Module auf der Grundlage von Cadmiumtellurid (CdTe), gepaart mit Cadmiumsulfid (CdS), als den photoreaktiven Komponenten. CdTe ist ein Halbleitermaterial mit Charakteristika, die besonders geeignet sind für die Umwandlung von solarer Energie (Sonnenlicht) in Elektrizität. So hat z.B. CdTe eine Energiebandlücke von 1,45 eV, was es diesem gestattet, mehr Energie aus dem Solarspektrum umzuwandeln, verglichen mit Halbleitermaterialien geringerer Bandlücke (1,1 eV), die historisch in Solarzellen-Anwendungen eingesetzt wurden. Auch wandelt CdTe Energie wirksamer unter Bedingungen geringen oder diffusen Lichtes um, verglichen mit den Materialien geringer Bandlücke, und hat somit eine längere wirksame Umwandlungszeit über einen Tag oder unter Bedingungen geringen Lichtes (z.B. wolkig), verglichen mit anderen konventionellen Materialien.
  • Typischerweise schließen PV-CdTe-Module mehrere Filmschichten ein, die vor der Abscheidung der CdTe-Schicht auf einem Glassubstrat abgeschieden sind. So wird z.B. eine transparente leitende Oxid(TCO)-Schicht zuerst auf der Oberfläche des Glassubstrates abgeschieden und dann wird eine transparente Puffer-Widerstands(RTB)-Schicht auf der TCO-Schicht aufgebracht. Die RTB-Schicht kann eine Zink-Zinnoxid(ZTO)-Schicht sein und sie kann als eine „ZTO-Schicht“ bezeichnet werden. Eine Cadmiumsulfid(CdS)-Schicht wird auf die RTB-Schicht aufgebracht. Diese verschiedenen Schichten können in einem konventionellen Zerstäubungs-Abscheidungsverfahren aufgebracht werden, das das Auswerfen von Material von einem Target (d.h. der Materialquelle) und das Abscheiden des ausgeworfenen Materials auf dem Substrat zum Bilden des Filmes einschließt.
  • Solare Energiesysteme, die PV-CdTe-Module benutzen, werden allgemein als die kosteneffizientesten der kommerziell erhältlichen Systeme hinsichtlich der Kosten pro Watt der erzeugten Energie anerkannt. Die Vorteile von CdTe, ungeachtet einer kommerziellen Ausbeutung und Akzeptanz der Solarenergie als einer zusätzlichen oder primären Quelle industrieller oder Haushaltsenergie, hängen jedoch von der Fähigkeit ab, effizient PV-Module in einem großen Maßstab und in einer kostenwirksamen Weise zu produzieren. Die mit der Produktion von PV-Modulen verbundenen Kapitalkosten, insbesondere die Maschinerie und die für die Abscheidung der vielen Dünnfilmschichten benötigte Zeit sind von primärer kommerzieller Bedeutung.
  • Es existiert daher weiterhin ein Bedarf in der Industrie an einem verbesserten System zur wirtschaftlich machbaren und effizienten Produktion von PV-Modulen, insbesondere von Modulen auf CdTe-Grundlage, in großem Maßstab.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Aspekte und Vorteile der Erfindung werden teilweise in der folgenden Beschreibung ausgeführt oder sie ergeben sich aus der Beschreibung oder sie werden durch die Ausführung der Erfindung deutlich.
  • Es wird allgemein eine Vorrichtung zur aufeinanderfolgenden Zerstäubungsabscheidung eines Target-Quellenmaterials als ein Dünnfilm auf einem Substrat eines photovoltaischen Moduls bereitgestellt. Die Vorrichtung schließt eine Lastvakuumkammer, eine erste Zerstäubungs-Abscheidungskammer und eine zweite Zerstäubungs-Abscheidungskammer ein. Die Lastvakuumkammer ist mit einer Lastvakuumpumpe verbunden, die konfiguriert ist, den Druck innerhalb der Lastvakuumkammer bis zu einem anfänglichen Lastdruck zu vermindern. Die erste Zerstäubungs-Abscheidungskammer schließt ein erstes Target ein, das konfiguriert sein kann, eine erste Dünnfilmschicht auf einem Substrat abzuscheiden. Die zweite Zerstäubungs-Abscheidungskammer schließt ein zweites Target ein, das konfiguriert sein kann, eine zweite Dünnfilmschicht auf einem Substrat abzuscheiden. Ein Fördersystem ist betriebsmäßig innerhalb der Vorrichtung angeordnet und konfiguriert, mit einer geregelten Geschwindigkeit Substrate in einer Reihenanordnung in und durch die Lastvakuumkammer, in und durch die erste Zerstäubungs-Abscheidungskammer und in und durch die zweite Zerstäubungs-Abscheidungskammer zu transportieren. Die erste Zerstäubungs-Abscheidungskammer und die zweiten Zerstäubungs-Abscheidungskammer sind integral derart verbunden, dass die durch die Vorrichtung transportierten Substrate bei einem Systemdruck gehalten werden, der geringer ist als etwa 760 Torr.
  • Es wird auch allgemein ein Verfahren zum Herstellen einer photovoltaischen Dünnfilm-Cadmiumtellurid-Dünnfilmvorrichtung bereitgestellt. Ein Substrat wird in eine Lastvakuumkammer transportiert, die mit einer Lastvakuumpumpe verbunden ist, und in der Lastvakuumkammer wird unter Einsatz der Lastvakuumpumpe ein Vakuum gezogen, bis in der Lastvakuumkammer ein anfänglicher Lastdruck erreicht ist. Das Substrat wird dann von der Lastvakuumkammer in eine erste Zerstäubungs-Abscheidungskammer übertragen, die ein erstes Target-Quellenmaterial einschließt, und das erste Target-Quellenmaterial wird zum Bilden einer ersten Dünnfilmschicht auf dem Substrat zerstäubt. Das Substrat wird dann von der ersten Zerstäubungs-Abscheidungskammer in eine zweite Zerstäubungs-Abscheidungskammer übertragen, die ein zweites Target-Quellenmaterial einschließt, und das zweite Target-Quellenmaterial wird zur Bildung einer zweiten Dünnfilmschicht auf der ersten Dünnfilmschicht zerstäubt. Das Substrat wird durch die erste Zerstäubungs-Abscheidungskammer und die zweite Zerstäubungs-Abscheidungskammer bei einem Systemdruck transportiert, der geringer als etwa 760 Torr ist.
  • Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die beigefügten Ansprüche besser verstanden. Die beigefügte Zeichnung, die einen Teil dieser Anmeldung bildet, veranschaulicht Ausführungsformen der Erfindung und dient, zusammen mit der Beschreibung, der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Ein vollständige und befähigende Offenbarung der vorliegenden Erfindung, einschließlich der besten Art davon, gerichtet an einen Fachmann, wird in der Beschreibung gegeben, die Bezug nimmt auf die beigefügten Figuren, in denen:
  • 1 eine Querschnittsansicht eines photovoltaischen CdTe-Moduls ist,
  • 2 eine Draufsicht auf ein beispielhaftes System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
  • 3 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Substrat-Trägerkonfiguration ist,
  • 4 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform einer Substrat-Trägerkonfiguration ist,
  • 5 eine diagrammartige Ansicht einer Ausführungsform einer Zerstäubungskammer zum Abscheiden eines Dünnfilms auf einem Substrat ist und
  • 6 eine diagrammartige Ansicht einer alternativen Ausführungsform einer Zerstäubungskammer ist.
  • Die wiederholte Benutzung von Bezugsziffern in der vorliegenden Anmeldung und in der Zeichnung soll die gleichen oder analoge Merkmale oder Elemente repräsentieren.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Es wird nun detailliert Bezug genommen auf Ausführungsformen der Erfindung, von denen eine oder mehrere Beispiele in der Zeichnung veranschaulicht sind. Jedes Beispiel wird als Erläuterung der Erfindung, nicht als Einschränkung der Erfindung, angegeben. Dem Fachmann wird klar sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne den Umfang oder Geist der Erfindung zu verlassen. So können z.B. veranschaulichte oder als Teil einer Ausführungsform beschriebene Merkmale zusammen mit einer anderen Ausführungsform benutzt werden, um noch einen andere Ausführungsform zu ergeben. Es ist daher beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung solche Modifikationen und Variationen abdeckt, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente fallen.
  • In der vorliegenden Offenbarung sollte, wenn eine Schicht als „auf“ oder „über“ einer anderen Schicht oder einem anderen Substrat beschrieben ist, klar sein, dass die Schichten entweder einander direkt berühren oder eine andere Schicht oder ein anderes Merkmal zwischen den Schichten haben, sofern nichts anderes ausdrücklich erläutert ist. Diese Begriffe sollen lediglich die relative Position der Schichten zueinander beschreiben und nicht notwendigerweise „auf“ bedeuten, da die relative Position oberhalb oder unterhalb von der Orientierung der Vorrichtung zum Betrachter abhängt. Obwohl die Erfindung nicht auf irgendeine besondere Filmdicke beschränkt ist, bezieht sich der Begriff „dünn“, der irgendwelche Filmschichten der photovoltaischen Vorrichtung beschreibt, allgemein auf die Filmschicht mit einer Dicke von weniger als etwa 10 Mikrometern („Mikron“ oder „µm“).
  • Es sollte klar sein, dass die hierin erwähnten Bereiche und Grenzen alle Bereiche einschließen, die sich innerhalb der vorgeschriebenen Grenzen befinden (d.h. Unterbereiche). So schließt z.B. ein Bereich von etwa 100 bis etwa 200 auch Bereiche von 110 bis 150, 170 bis 190, 153 bis 162 und 145,3 bis 149,6 ein. Weiter schließt eine Grenze von bis zu etwa 7 auch eine Grenze von bis zu etwa 5, bis zu 3 und bis zu etwa 4,5 ebenso wie Bereiche innerhalb der Grenze ein, wie von etwa 1 bis etwa 5 und von etwa 3,2 bis etwa 6,5.
  • Allgemein gesagt, werden hier Verfahren und Systeme zum Erhöhen der Effizienz und/oder Konsistenz der In-line-Herstellung von photovoltaischen Cadmiumtellurid-Dünnfilmvorrichtungen offenbart. Spezifisch sind eine erste Zerstäubungs-Abscheidungskammer und eine zweite Zerstäubungs-Abscheidungskammer, getrennt durch mindestens eine Puffer-Vakuumkammer, in dem System 100 vorhanden. Die erste Zerstäubungs-Abscheidungskammer, die Vakuumpufferkammer(n) und die zweite Zerstäubungs-Abscheidungskammer sind derart integral verbunden, dass Substrate, die durch die und zwischen diesen Kammern hindurchgehen, nicht der äußeren Atmosphäre ausgesetzt sind. So kann z.B. die erste Zerstäubungs-Abscheidungskammer und die zweite Zerstäubungs-Abscheidungskammer integral derart verbunden sein, dass die Substrate, die durch die Vorrichtung transportiert werden, bei einem Systemdruck gehalten werden, der geringer als etwa 760 Torr ist (z.B. geringer als etwa 250 mTorr, wie etwa 1 mTorr bis etwa 100 mTorr).
  • In einer besonderen Ausführungsform sind integrierte Systeme und Verfahren zur Dünnfilmabscheidung der transparenten Puffer-Widerstands(RTB)-Schicht und der Cadmiumsulfidschicht auf dem Substrat allgemein offenbart. So können z.B. die integrierten Systeme und Verfahren benutzt werden, zuerst die RTB-Schicht auf dem Substrat abzuscheiden. So kann die RTB-Schicht z.B. aus einem RTB-Target (z.B. einem Zinkzinnoxid (ZTO) einschließenden Target) auf eine leitende transparente Oxidschicht auf dem Substrat zerstäubt werden. Das Substrat kann dann von der ersten Zerstäubungskammer in eine Vakuumpufferkammer übertragen werden, um irgendwelche Teilchen von dem Substrat und/oder aus der Kammeratmosphäre zu entfernen, bevor nachfolgende Schichten abgeschieden werden (z.B. irgendwelche überschüssigen Teilchen in der ersten Zerstäubungsatmosphäre). Dann kann die Cadmiumsulfidschicht auf der RTB-Schicht abgeschieden werden, wie durch Zerstäuben eines Cadmiumsulfid einschließenden Targets.
  • Das vorliegende System und Verfahren haben, wie erwähnt, besondere Brauchbarkeit zur Abscheidung mehrerer Dünnfilmschichten bei der Herstellung von PV-Modulen, insbesondere CdTe-Modulen. 1 repräsentiert ein beispielhaftes CdTe-Modul 10, das zumindest teilweise gemäß einer System- und Verfahrens-Ausführungsform hergestellt werden kann, die hierin beschrieben ist. Das Modul 10 schließt eine obere Glasschicht als das Substrat 12 ein, das ein Glas hoher Durchlässigkeit sein kann (z.B. ein Borsilikatglas hoher Durchlässigkeit), ein Fensterglas mit geringem Eisengehalt oder ein anderes Glasmaterial hoher Durchlässigkeit. Das Glas ist im Allgemein dick genug, um eine Stütze für nachfolgende Filmschichten bereitzustellen (z.B. von etwa 0,5 mm bis etwa 10 mm dick) und es ist im Wesentlichen flach, um eine gute Oberfläche zum Bilden der nachfolgenden Filmschichten bereitzustellen.
  • Eine transparente leitende Oxid(TCO)-Schicht 14 ist auf dem Substrat 12 des Moduls 10 in 1 gezeigt. Die TCO-Schicht 14 gestattet das Hindurchgehen von Licht mit minimaler Absorption, während sie auch elektrischem Strom, der durch das Modul 10 erzeugt wird, gestattet, seitwärts zu (nicht gezeigten) opaken Metallleitern zu wandern. Die TCO-Schicht 14 kann eine Dicke zwischen etwa 0,1 µm und etwa 1 µm, z.B. von etwa 0,1 µm bis etwa 0,5 µm, wie von etwa 0,25 µm bis etwa 0,35 µm, aufweisen.
  • Eine transparente Puffer-Widerstands(RTB)-Schicht 16 ist auf der TCO-Schicht 14 gezeigt. Die RTB-Schicht 16 hat im Allgemein einen größeren Widerstand als die TCO-Schicht 14 und kann helfen, das Modul 10 vor chemischen Wechselwirkungen zwischen der TCO-Schicht 14 und den zusätzlichen Schichten zu schützen, die während der Herstellung des Moduls 10 nachfolgend abgeschieden werden. In gewissen Ausführungsformen kann die RTB-Schicht 16 eine Dicke zwischen etwa 0,075 µm und etwa 1 µm, z.B. von etwa 0,1 µm bis etwa 0,5 µm, aufweisen. In besonderen Ausführungsformen kann die RTB-Schicht 16 eine Dicke zwischen etwa 0,08 µm und etwa 0,2 µm, z.B. von etwa 0,1 µm bis etwa 0,15 µm, aufweisen. In besonderen Ausführungsformen kann die RTB-Schicht 16 z.B. eine Kombination von Zinkoxid (ZnO) und Zinnoxid (SnO2) einschließen und wird als eine Zink-Zinnoxid(„ZTO“)-Schicht 16 bezeichnet.
  • Die CdS-Schicht 18 ist auf der ZTO-Schicht 16 des Moduls 10 von 1 gezeigt. Die CdS-Schicht 18 ist eine n-Typ-Schicht, die allgemein Cadmiumsulfid (CdS) einschließt, aber auch andere Materialien einschließen kann, wie Zinksulfid, Cadmiumzinksulfid usw. und Mischungen davon ebenso wie Dotierungsmittel und andere Verunreinigungen. Die CdS-Schicht 18 kann Sauerstoff bis zu etwa 25 Atomprozent, z.B. von etwa 5 bis etwa 20 Atomprozent, einschließen. Die CdS-Schicht 18 kann eine weite Bandlücke (z.B. von etwa 2,25 eV bis etwa 2,5 eV, wie etwa 2,4 eV) aufweisen, um es dem größten Teil der Strahlungsenergie (z.B. Solarstrahlung) zu gestatten, hindurchzugehen. Als solche wird die Cadmiumsulfidschicht 18 als eine transparente Schicht auf der Vorrichtung 10 angesehen.
  • Die CdTe-Schicht 20 ist auf der Cadmiumsulfidschicht 18 bei dem beispielhaften Modul 10 von 1 gezeigt. Die CdTe-Schicht 20 ist ein p-Typ-Schicht, die allgemein Cadmiumtellurid (CdTe) einschließt, aber auch andere Materialien einschließen kann. Als die p-Typ-Schicht des Moduls 10 ist die CdTe-Schicht 20 die photovoltaische Schicht, die mit der CdS-Schicht 18 (d.h., der n-Typ-Schicht) in Wechselwirkung tritt, um Strom aufgrund der Absorption von Strahlungsenergie durch Absorbieren des größten Teiles der in das Modul gelangenden Strahlungsenergie aufgrund seines hohen Absorptionskoeffizienten zu produzieren und Elektron-Lochpaare zu erzeugen. Die CdTe-Schicht 20 kann eine eingestellte Bandlücke aufweisen, um Strahlungsenergie zu absorbieren (z.B. von etwa 1,4 eV bis etwa 1,5 eV, wie etwa 1,45 eV), um die maximale Anzahl von Elektron-Loch-Paaren mit dem höchsten elektrischen Potenzial (Spannung) bei Absorption von Strahlungsenergie zu erzeugen. Elektronen können von der p-Typ-Seite (d.h., der CdTe-Schicht 20) über den Übergang zu der n-Typ-Seite (d.h., der CdS-Schicht 18) wandern und umgekehrt können Löcher von der n-Typ-Seite zur p-Typ-Seite passieren. Der zwischen der CdS-Schicht 18 und der CdTe-Schicht 20 gebildete p-n-Übergang bildet eine Diode, in der die Ladungsunausgeglichenheit zur Erzeugung eines elektrischen Feldes führt, der den p-n-Übergang überspannt. Konventioneller Strom kann nur in einer Richtung fließen und trennt die durch Licht induzierten Elektron-Loch-Paare.
  • Die Cadmiumtellurid-Schicht 20 kann nach irgendeinem bekannten Verfahren gebildet werden, wie Dampftransport-Abscheidung, chemische Dampfabscheidung (CVD), Sprühpyrolyse, Elektroabscheidung, Zerstäuben, Engraum-Sublimation (CSS) usw. In besonderen Ausführungsformen kann die CdTe-Schicht 20 eine Dicke zwischen etwa 0,1 µm und etwa 10 µm, wie von etwa 1 µm bis etwa 5 µm, aufweisen.
  • Eine Reihe von Behandlungen nach der Bildung kann auf die ausgesetzte Oberfläche der CdTe-Schicht 20 angewendet werden. Diese Behandlungen können die Funktionalität der CdTe-Schicht 20 einstellen und ihre Oberfläche für die nachfolgende Haftung an der (den) rückwärtigen Kontaktschicht(en) 22 vorbereiten. So kann z.B. die Cadmiumtelluridschicht 20 bei erhöhten Temperaturen (z.B. von etwa 350°C bis etwa 500°C, wie von etwa 375°C bis etwa 424°C) für eine genügende Zeit (z.B. von etwa 1 bis 10 Minuten) erhitzt werden, um eine p-Typ-Qualitätsschicht aus Cadmiumtellurid zu erzeugen. Ohne durch eine Theorie gebunden sein zu wollen, wird angenommen, dass das Erhitzen der Cadmiumtelluridschicht 20 (und des Moduls 10) die normalerweise leicht p-Typ-dotierte oder sogar n-Typ-dotierte CdTe-Schicht 20 in eine stärkere p-Typ-Schicht umwandelt, die einen relativ geringen spezifischen Widerstand aufweist. Zusätzlich kann die CdTe-Schicht 20 während des Erhitzens rekristallisieren und einem Kornwachstum unterliegen.
  • Zusätzlich kann Kupfer zu der CdTe-Schicht 20 hinzugegeben werden. Zusammen mit einer geeigneten Ätzung kann die Zugabe von Kupfer zu der CdTe-Schicht 20 eine Oberfläche aus Kupfertellurid (Cu2Te) auf der CdTe-Schicht 20 bilden, um einen elektrischen Kontakt geringen Widerstandes zwischen der Cadmiumtelluridschicht 20 (d.h. der p-Typ-Schicht) und (einer) rückwärtigen Kontaktschicht(en) 22 zu erhalten.
  • Die rückwärtige Kontaktschicht 22 dient allgemein als der rückwärtige elektrische Kontakt mit Beziehung auf die gegenüberliegende TCO-Schicht 14, die als der vordere elektrische Kontakt dient. Die rückwärtige Kontaktschicht 22 kann in einer Ausführungsform in direktem Kontakt mit und auf der CdTe-Schicht 20 gebildet werden. Die rückwärtige Kontaktschicht 22 wird geeigneterweise aus einem oder mehreren gut leitfähigen Materialien hergestellt, wie elementarem Nickel, Chrom, Kupfer, Zinn, Aluminium, Gold, Silber, Technetium oder Legierungen oder Mischungen davon. Zusätzlich kann die rückwärtige Kontaktschicht 22 eine einzelne Schicht oder sie kann eine Vielzahl von Schichten sein. In einer besonderen Ausführungsform kann die rückwärtige Kontaktschicht 22 Graphit einschließen, wie eine Schicht aus Kohlenstoff, der auf der p-Schicht abgeschieden ist, gefolgt von einer oder mehreren Schichten aus Metall, wie den oben angegebenen Metallen. Die rückwärtige Kontaktschicht 22, wenn sie aus einem oder mehreren Metallen hergestellt oder zusammengesetzt ist, wird geeigneterweise durch eine Technik aufgebracht, wie Zerstäuben oder Metallverdampfen. Wird sie aus einer Graphit- und Polymermischung oder aus einer Kohlenstoffpaste hergestellt, dann wird die Mischung oder Paste nach irgendeinem geeigneten Verfahren zum Ausbreiten der Mischung oder Paste auf die Halbleitervorrichtung aufgebracht, wie Siebdrucken, Sprühen oder mittels eines „Abstreich“-Messers. Nach dem Aufbringen der Graphitmischung oder Kohlenstoffpaste kann die Vorrichtung erhitzt werden, um die Mischung oder Paste in die leitende rückwärtige Kontaktschicht umzuwandeln. Eine Kohlenstoffschicht, wenn eine solche benutzt wird, kann eine Dicke von etwa 0,1 µm bis etwa 10 µm, z.B. von etwa 1 µm bis etwa 5 µm, aufweisen. Eine Metallschicht des rückwärtigen Kontaktes, wenn eine solche dafür benutzt oder Teil der rückwärtigen Kontaktschicht 22 ist, kann eine Dicke von etwa 0,1 µm bis etwa 1,5 µm aufweisen.
  • In der Ausführungsform von 1 ist ein einkapselndes Glas 24 auf der rückwärtigen Kontaktschicht 22 gezeigt. Andere (nicht gezeigte) Komponenten können in dem beispielhaften Modul 10 eingeschlossen sein, wie Sammelleitungen, externe Drähte, Laserätzungen usw. Das Modul 10 kann in eine Vielzahl individueller Zellen unterteilt werden, die im Allgemeinen in Reihe verbunden sind, um eine erwünschte Spannung zu erzielen, wie durch eine Verbindung mit elektrischen Drähten. Jedes Ende der Reihe verbundener Zellen kann an einem geeigneten Leiter angebracht werden, wie einem Draht oder einer Sammelleitung, um den photovoltaisch erzeugten Strom zu geeigneten Stellen zur Verbindung mit einer Vorrichtung oder einem anderen System zu dirigieren, die bzw. das den erzeugten Strom benutzt. Ein geeignetes Mittel zum Erzielen der in Reihe verbundenen Zellen ist das Schneiden des Moduls 10 mittels Laser, um die Vorrichtung in eine Reihe von Zellen zu unterteilen, die durch Zwischenverbindungen verbunden sind. Es können auch elektrische Drähte mit positiven und negativen Enden des PV-Moduls 10 verbunden sein, um Leitungsdrähte bereitzustellen, um den durch das PV-Modul 10 erzeugten elektrischen Strom nutzbar zu machen.
  • 2 repräsentiert ein beispielhaftes integriertes Abscheidungssystem 100 gemäß Aspekten der Erfindung zum Abscheiden von mehreren Dünnfilmschichten auf PV-Modulsubstraten 12 (3 und 4), die durch das System 100 befördert werden. Es ist zu bemerken, dass das System 100 nicht durch irgendeine besondere Art von Dünnfilm oder Dünnfilm-Abscheidungsverfahren beschränkt ist, wie detaillierter hierin beschrieben werden wird. In einer Ausführungsform kann das System 100 benutzt werden, um durch Zerstäubungsabscheidung nacheinander die RTB-Schicht 16 über der TCO-Schicht 14 und dann die CdS-Schicht 18 über der RTB-Schicht 16 abzuscheiden.
  • Das in 2 gezeigte integrierte Abscheidungssystem 100 schließt eine Lastvakuumkammer 106, eine erste Zerstäubungskammer 112, eine Vakuumpufferkammer 120 und eine zweite Zerstäubungskammer 128 ein. Jede der Kammern ist integral derart miteinander verbunden, dass die Substrate, die durch das System 100 hindurchgehen, innerhalb des integrierten Vakuums 111 im Wesentlichen vor der äußeren Umgebung geschützt sind. Mit anderen Worten, die Kammern 112, 120 und 128 des Systems 100 sind direkt derart miteinander integriert, dass ein Substrat 12, das aus einer Kammer austritt, ohne der Raumatmosphäre ausgesetzt zu sein, unmittelbar direkt in den benachbarten Abschnitt eintritt. Die Substrate 12 können somit vor äußeren in die Dünnfilme eingeführten Verunreinigungen geschützt werden, was zu gleichmäßigeren und wirksameren Vorrichtungen führt. Es können natürlich auch andere Zwischenkammern in dem System 100 eingeschlossen sein, solange das System integral mit den anderen Kammern des Systems 100 verbunden bleibt.
  • durch die Integration dieser Abscheidungskammern zu einem einzigen System kann der Energieverbrauch für die Abscheidung der zerstäubten Schichten (z.B. einer RTB-Schicht und einer CdS-Schicht) verringert werden, verglichen mit getrennten Abscheidungssystemen während der Herstellung einer Cadmiumtellurid-Dünnfilmvorrichtung. Nachdem das Lastvakuum einmal an die Lastvakuumkammer 106 gelegt ist, gibt es keinen weiteren Bedarf für zusätzliche Lastvakuumkammern, da der Systemdruck unterhalb des atmosphärischen Druckes (d.h. etwa 760 Torr) in der ersten Zerstäubungskammer 112, der Vakuumpufferkammer 120 und der zweiten Zerstäubungskammer 128 bleiben kann. In gewissen Ausführungsformen kann der Systemdruck z.B. unter 250 Torr bleiben, wie etwa 3 mTorr bis etwa 100 Torr. In einer besonderen Ausführungsform kann der Systemdruck unterhalb des anfänglichen Lastvakuumdruckes (z.B. weniger als etwa 250 mTorr) bleiben. In einer Ausführungsform kann der Systemdruck z.B. durch die erste Zerstäubungskammer 112, die Vakuumpufferkammer 120 und die zweite Zerstäubungskammer 128 (und irgendwelche dazwischen angeordneten Kammern) konstant bleiben.
  • Das dargestellte System 100 schließt ein Beladungssystem 171 ein, worin Substrate 12 auf Träger 122 geladen und dann in die Lastvakuumkammer 106 befördert werden. Die Substrate können in einer Ladestation 152 durch eine automatisierte Maschine 153 von dem Zufuhr-Förderband 155 in die Träger geladen werden. So können z.B. Roboter oder andere automatisierte Maschinen für dieses Verfahren benutzt werden. In einer alternativen Ausführungsform können die Substrate 12 manuell auf die Träger 122 geladen werden.
  • Wie in 2 gezeigt, treten die einzelnen Substrate 12 zuerst durch den Eintrittsschlitz 102 in die Lastvakuumkammer 106 ein. Der erste Eintrittsschlitz 102 definiert eine Klappe 103, die sich schließen kann, um die interne Atmosphäre innerhalb der Lastvakuumkammer 106 von der äußeren Umgebung zu trennen. Die Lastvakuumkammer 106 ist mit einer Lastvakuumpumpe 108 verbunden, die konfiguriert ist, einen Lastdruck innerhalb der Lastvakuumkammer 106 einzustellen. Spezifisch kann die Lastvakuumpumpe 108 den Druck innerhalb der Lastvakuumkammer 106 bis zu einem anfänglichen Lastdruck von etwa 1 mTorr bis etwa 250 mTorr verringern.
  • Die Substrate 12 können dann von der Lastvakuumkammer 106 in die Feinvakuumkammer 110 gelangen, die mit einer Feinvakuumpumpe 111 verbunden ist, die den Druck zu einem größeren Vakuum vermindern kann. So kann (können) z.B. die Feinvakuumkammer(n) 110 den Druck zu etwa 1 × 10–7 Torr bis etwa 1 × 10–4 Torr verringern und dann mit einem Inertgas (z.B. Argon) in einer nachfolgenden Kammer innerhalb des Systems 100 (z.B. innerhalb der Zerstäubungs-Abscheidungskammer 112) bis zu einem Abscheidungsdruck (z.B. etwa 10 mTorr bis etwa 100 mTorr) wieder gefüllt werden.
  • In der gezeigten Ausführungsform werden die mit den benachbart angeordneten vertikalen Substraten verbundenen einzelnen Träger 122 geregelt, um die Substrate 12 mit einer geregelten konstanten linearen Geschwindigkeit durch das System zu befördern, um eine gleichmäßige Abscheidung des Dünnfilmes auf der Oberfläche der Substrate 12 sicherzustellen. Andererseits werden die Träger 122 und Substrate 112 in einer stufenweisen Art in das und aus dem System befördert. In dieser Hinsicht sind die Lastvakuumkammer 106 und die Feinvakuumkammer 110 mit Vakuum-Sperrventilen 154 mit dazugehörigen Reglern 156 versehen. Es können auch Nichtvakuum-Module am Eingang zum Laden der Träger 122 in das System 100 und Puffern der Träger 122 mit Bezug auf die äußere Atmosphäre eingeschlossen sein.
  • Bezugnehmend auf 2 schließt das System 100 z.B. eine Vielzahl von benachbart angeordneten vertikalen Behandlungsmodulen ein. Ein erstes dieser Module (d.h., die Lastvakuumkammer 106) definiert ein Eintritts-Vakuumventil 103, das z.B. ein torartiges Schlitzventil oder ein Rotationsklappenventil sein kann, das durch ein dazugehöriges Betätigungsglied 156 betätigt wird. Das anfängliche Ventil 103 ist offen und ein Träger 122 wird von dem Lastmodul 152 in die Lastvakuumkammer 106 befördert. Das Eintrittsventil 103 wird dann geschlossen. Zu diesem Zeitpunkt pumpt die „Roh“-Vakuumpumpe 108 vom Atmosphärendruck bis zu einem anfänglichen „Roh“-Vakuum im Millitorrbereich. Di Roh-Vakuumpumpe 162 kann z.B. eine mechanische Klauenpumpe mit einem Rootsgebläse sein. Nach dem Pumpen bis zu einem definierten Querdruck wird das Ventil 154 zwischen der Lastvakuumkammer 106 und einer benachbarten Feinvakuumkammer 110 geöffnet und der Träger 122 wird in die Feinvakuumkammer 110 befördert. Das Ventil 154 zwischen den Kammern 106 und 110 wird dann geschlossen, die Lastvakuumkammer 106 wird gelüftet und das anfängliche Ventil 103 wird zur Aufnahme des nächsten Trägers 122 in das Modul geöffnet. Eine „Hoch“- oder „Fein“-Vakuumpumpe 111 legt ein höheres Vakuum an die Feinvakuumkammer 110 und die Feinvakuumkammer 110 kann dann mit einem Prozessgas wieder gefüllt werden, um an die Bedingungen in den stromabwärts befindlichen Bearbeitungskammern anzupassen. Die Feinvakuumpumpe 111 kann z.B. eine Kombination von Cryopumpen oder Molekularturbopumpen sein, die konfiguriert sind zum Pumpen des Moduls bis zu weniger als etwa oder gleich 9 × 10–5 Torr. Schließlich wird das Ventil 154 zwischen der Feinvakuumkammer 110 und der integrierten Kammer 101 geöffnet und der Träger 122 wird in das erste Modul der integrierten Kammer 101 befördert (z.B. einer wahlweisen Heizkammer 124 oder der ersten Zerstäubungskammer 119).
  • die Substrate 12 werden dann von der Lastvakuumkammer 106 und der Feinvakuumkammer 110 in die erste Zerstäubungs-Abscheidungskammer 112 und zweite Zerstäubungskammer 128 befördert. Zwischen der ersten Zerstäubungs-Abscheidungskammer 112 und der zweiten Zerstäubungskammer 128 befindet sich eine Puffervakuumkammer 120, die mit der Puffervakuumpumpe 123 verbunden ist, die konfiguriert ist, irgendwelche restlichen Teilchen aus der Atmosphäre und/oder den Substraten 12 zu entfernen, die hindurchgehen. Die Puffervakuumkammer 120 kann eine Querverunreinigung zwischen der ersten Zerstäubungs-Abscheidungskammer 112 und der zweiten Zerstäubungskammer 128 verhindern. In einer Ausführungsform kann eine Rückfüll-Gasöffnung, konfiguriert zur Abgabe eines Inertgases an die Dampfabscheidungskammer innerhalb der Puffervakuumpumpe 122 eingeschlossen sein. In einer besonderen Ausführungsform kann die Puffervakuumkammer 120 Schlitzventile auf ihrem Eintrittsschlitz und/oder ihrem Austrittsschlitz einschließen, um weiter ein Kreuzverunreinigung zwischen der ersten Zerstäubungs-Abscheidungskammer 112 und der zweiten Zerstäubungskammer 128 zu verhindern.
  • Die Zerstäubungsabscheidung schließt im Allgemeinen das Auswerfen von Material von einem Target, das die Materialquelle ist, und das Abscheiden des ausgeworfenen Materials auf dem Substrat zum Bilden des Filmes ein. DC-Zerstäuben schließt im Allgemeinen das Anlegen eines Gleichstromes an ein Metalltarget (d.h. die Kathode), das innerhalb der Zerstäubungskammer nahe dem Substrat (d.h. der Anode) angeordnet ist, ein, um eine Gleichstromentladung zu bilden. Die Zerstäubungskammer kann eine reaktionsfähige Atmosphäre aufweisen (z.B. Schwefel zusätzlich zu Sauerstoff, Stickstoff usw. einschließen), die ein Plasmafeld zwischen dem Metalltarget und dem Substrat bildet. Andere Inertgase (z.B. Argon usw.) können auch vorhanden sein. Der Druck der reaktionsfähigen Atmosphäre kann für das Magnetronzerstäuben zwischen etwa 1 mTorr und etwa 20 mTorr liegen. Der Druck kann für das Diodenzerstäuben sogar höher sein (z.B. von etwa 25 mTorr bis etwa 100 mTorr). Werden beim Anlegen der Spannung Metallatome vom Target freigesetzt, dann scheiden sich die Metallatome auf der Oberfläche des Substrates ab. Enthält die Atmosphäre z.B. Sauerstoff, dann können die vom Metalltarget freigesetzten Metallatome eine Metalloxidschicht auf dem Substrat bilden. Der an das Quellmaterial gelegte Strom kann in Abhängigkeit von der Größe des Quellenmaterials, der Größe der Zerstäubungskammer, dem Ausmaß der Oberfläche des Substrates und anderen Variablen variieren. In einigen Ausführungsformen kann der angelegte Strom von etwa 2 Ampere bis etwa 20 Ampere betragen. Das RF-Zerstäuben schließt andererseits das Anregen einer kapazitiven Entladung durch Anlegen eines Wechselstromes (AC) oder eines Radiofrequenz(RF)-Signals zwischen dem Target (z.B. eines keramischen Quellenmaterials) und dem Substrat ein. Die Zerstäubungskammer kann eine inerte Atmosphäre aufweisen (z.B. eine Argonatmosphäre), die reaktive Materialien (z.B. Sauerstoff, Stickstoff usw.) enthalten kann, die für das Magnetronzerstäuben einen Druck zwischen etwa 1 mTorr und etwa 20 mTorr aufweisen, dies aber nicht braucht. Der Druck kann für das Diodenzerstäuben höher sein (z.B. von etwa 25 mTorr bis etwa 100 mTorr).
  • Wie gezeigt, schließt jede der ersten Zerstäubungs-Abscheidungskammer 112 und der zweiten Zerstäubungskammer 128 allgemein ein Target 114 ein, das mit einer Energiequelle 116 (z.B. einer DC- oder RF-Energiequelle) über Drähte 117 verbunden ist. Die Energiequelle 116 ist konfiguriert, Energie (z.B. DC-, RF- oder impulsförmige DC-Energie) zu der Zerstäubungs-Abscheidungskammer 112 zu liefern und zu regeln. Wie in den 5 und 6 gezeigt, legt die Energiequelle 116 eine Spannung an das Target 114 (das als die Kathode wirkt), um ein Spannungspotenzial zwischen dem Target 114 und einer durch die Abschirmungen 115 und die Kammerwandungen 170 gebildeten Anode zu erzeugen, sodass die Substrate 12 sich innerhalb der Magnetfelder befinden, die dazwischen gebildet werden. Obwohl nur eine einzige Energiequelle 116 für jedes Target 114 gezeigt ist, kann das Spannungspotenzial durch den Gebrauch mehrerer Energiequellen realisiert werden, die miteinander gekoppelt sind.
  • Die Substrate 12 sind allgemein innerhalb der Zerstäubungs-Abscheidungskammer 112 derart angeordnet, dass eine Dünnfilmschicht (z.B. eine RTB-Schicht oder eine CdS-Schicht) auf der Oberfläche der Substrate 12 gebildet wird, die dem Target 114 gegenüberliegen. Ein Plasmafeld 118 wird erzeugt, nachdem die Zerstäubungsatmosphäre gezündet ist und in Abhängigkeit von dem Spannungspotenzial zwischen dem Target 116 und den als eine Anode wirkenden Kammerwandungen 110 aufrechterhalten. Das Spannungspotenzial verursacht, dass die Plasmaionen innerhalb des Plasmafeldes 118 zum Target 114 hin beschleunigt werden und Atome aus dem Target 114 zur Oberfläche des Substrates 12 hin ausgeworfen werden. Das Target 114 (das auch als Kathode bezeichnet werden kann) wirkt als das Quellenmaterial für die Bildung der Dünnfilmschicht auf der Oberfläche des Substrates 12, die dem Target 114 gegenüberliegt.
  • Ein Zerstäubungsatmosphären-Regelsystem 119 kann die Zerstäubungsatmosphäre innerhalb der Zerstäubungs-Abscheidungskammer 112 regeln, wie zu dem Zerstäubungsdruck (z.B. etwa 10 bis etwa 25 mTorr) reduzieren. Allgemein kann das Zerstäubungsatmosphären-Regelsystem 119 ein Inertgas (z.B. Argon) in der Zerstäubungs-Abscheidungskammer 112 bereitstellen. Wahlweise kann die Zerstäubungsatmosphäre auch Sauerstoff einschließen, was es Sauerstoffteilchen des Plasmafeldes 118 gestattet, mit den ausgeworfenen Targetatomen unter Bildung einer Dünnfilmschicht zu reagieren, die Sauerstoff einschließt. Ein Zerstäubungsvakuum 121 kann auch eingeschlossen sein, um den Druck in der Zerstäubungskammer 112 zu regeln.
  • Die Zerstäubungs-Abscheidungskammer 112 kann z.B. zum Bilden einer Cadmiumsulfidschicht auf dem Substrat benutzt werden. In dieser Ausführungsform kann das Target 114 ein Keramiktarget, wie aus Cadmiumsulfid, sein. In einigen Ausführungsformen kann außerdem eine Mehrzahl von Targets 114 benutzt werden. Eine Mehrzahl von Targets 114 kann besonders brauchbar sein zum Bilden einer Schicht, die mehrere Arten von Materialien einschließt (z.B. durch Cozerstäuben).
  • Wahlweise können die Substrate 12 in und durch eine Heizkammer 124 übertragen werden, die vor jeder der ersten Zerstäubungs-Abscheidungskammer 112 und der zweiten Zerstäubungskammer 128 angeordnet ist, wie in 2 gezeigt. Die Heizkammer 124 kann ein Heizelement 126 einschließen, das zum Erhitzen der Substrate von dem Eintreten in die Zerstäubungskammer 112 und/oder 128 bis auf eine Zerstäubungstemperatur konfiguriert ist, wie etwa 50°C bis etwa 250°C, was von den Parametern der Zerstäubungsabscheidung abhängt. In einer alternativen Ausführungsform kann die Zerstäubungskammer 112 und/oder 128 statt oder zusätzlich zu der Heizkammer 124 wahlweise Heizvorrichtungen 127 einschließen, die zum Erhitzen der Substrate 12 innerhalb der Zerstäubungskammer 112 und/oder 128 konfiguriert sind (wie in 5 gezeigt).
  • Um das System 100 zu verlassen, können die Substrate 12 durch eine wahlweise Ausgangs-Puffervakuumkammer 140 gehen, die mit einem Puffervakuum 121 verbunden ist. Die Substrate 12 können dann durch eine Reihe von Ausgangsventilen 154 hindurchgehen, die durch unabhängige Motoren 156 geregelt sind, um das System 100 zu verlassen, während das Vakuum innerhalb der integrierten Kammer 101 aufrechterhalten wird. Die Träger 122 und Substrate 12 können durch das Ventil 154 zwischen der Ausgangs-Puffervakuumkammer 140 und in die erste Austritts-Riegelkammer 142 gehen, die mit einem ersten Austritts-Riegeldrucksystem 143 verbunden ist. Das Ventil 154 kann dann geschlossen und die erste Austritts-Riegelkammer 142 bis zu einem „rohen“ Austrittsdruck belüftet werden. Dann kann das Ventil 154 zwischen der ersten Austritts-Riegelkammer 142 und der zweiten Austritts-Riegelkammer 144 geöffnet und die Substrate hindurchbefördert werden. Das Ventil 154 zwischen der ersten Austritts-Riegelkammer 142 und der zweiten Austritts-Riegelkammer 144 kann dann geschlossen und die zweite Austritts-Riegelkammer 144 zum Atmosphärendruck belüftet werden. Das Austrittsventil 146 kann dann geöffnet und die Träger 122 können durch den Austrittsschlitz 147 aus dem System 100 entfernt werden. Die Substrate 12 können dann von dem Träger 122 entfernt und auf einem Nachbehandlungs-Förderband 150 für eine weitere Behandlung mittels einem Maschinenarm 153 angeordnet werden. Die Träger 122 können dann mittels eines Rückführungs-Förderbandes 160 zum Beginn des Systems 100 zurückgeführt werden.
  • Die Träger 122 können mit einem oder mehreren Substraten beladen in das System 100 eingeführt werden. In der in den 2 und 6 gezeigten Ausführungsform können die Träger 122 für eine gleichzeitige Abscheidung auf Substraten, die Rücken an Rücken angeordnet sind, konfiguriert sein.
  • Jede der Kammern kann ein unabhängig angetriebenes und geregeltes Förderbandsystem 162 zum Bewegen der Substratträger 122 in einer geregelten Weise durch die entsprechenden Kammern einschließen. In besonderen Ausführungsformen können die Förderbänder 162 Walzenförderbänder, Gurtförderbänder und Ähnliche sein. Die Förderbänder 162 für jede der entsprechenden Kammern können mit einem (in der Figur nicht gezeigten) unabhängigen Antrieb versehen sein.
  • Die verschiedenen Substrate können in den Trägern 122 vertikal orientiert sein, um die Substrate 12 in einer vertikalen Orientierung durch das System 100 zu befördern. Bezugnehmend auf 4 ist ein beispielhafter Träger 122 als eine aus Rahmenteilen 170 hergestellte Rahmenstruktur gezeigt. Die Rahmenteile 170 definieren Aufnahmepositionen für die Substrate 12, sodass die Substrate 12 innerhalb des Trägers 122 (mit Bezug auf ihre Längsachse) horizontal oder vertikal empfangen werden. Es sollte klar sein, dass der Träger durch irgendeine Art von Rahmenstruktur oder -teile definiert sein kann, um eines oder mehrere Substrate 12 in einer vertikalen Orientierung durch die Bearbeitungsseiten zu tragen. In der Ausführungsform der 4 ist der Träger 122 zur Aufnahme von zwei Substraten 12 in einer horizontalen Position konfiguriert. Es sollte jedoch klar sein, dass die mehreren Substrate 12 auch derart angeordnet sein könnten, dass sich die Längsachse der entsprechenden Substrate in einer vertikalen Position befindet. Irgendeine Orientierung der Substrate 12 innerhalb des Trägers 122 ist innerhalb des Umfangs und Geistes der Erfindung vorgesehen. Die Rahmenteile 124 können einen offenen Rahmen definieren, in dem die Substrate 12 im Wesentlichen innerhalb einer „Fensteröffnung“ empfangen werden, die durch die Träger 122 definiert wird. In einer alternativen Ausführungsform können die Träger 122 eine rückwärtige Platte definieren, gegen die die Substrate 12 gelegt sind.
  • Die in 5 gezeigte Ausführungsform des Trägers 122 ist zur Aufnahme von vier Substraten 12 konfiguriert, wobei sich Paare der Substrate 12 in einer Rücken-an-Rücken-Beziehung befinden. Ein Paar der Substrate 12 ist z.B. in dem oberen Rahmenteil des Trägers 122 angeordnet und ein zweites Paar der Substrate 12 ist in dem unteren Rahmenteil des Trägers 122 angeordnet. Die Konfiguration von 5 kann benutzt werden, wenn vier oder mehr der Substrate 12 gleichzeitig in dem System behandelt werden, wie detaillierter unten mit Bezug auf die in 7 veranschaulichte Abscheidungsvorrichtung beschrieben.
  • Unter Bezugnahme auf 2 kann das System 100 mit mindestens zwei vertikalen Zerstäubungskammern für aufeinanderfolgende Abscheidung einer Zink-Zinnoxid(ZTO)-Schicht auf den hindurchbeförderten Substraten und dann einer Cadmiumsulfid(CdS)-Schicht auf der ZTO-Schicht konfiguriert sein. Der Betrieb der Vakuum-Zerstäubungskammern ist dem Fachmann bekannt und muss nicht detailliert hierin beschrieben werden.
  • 5 zeigt eine allgemeine schematische Querschnittsansicht einer beispielhaften vertikalen Abscheidungskammer 119. Eine Energiequelle 116 ist konfiguriert, DC- oder RF-Energie der Kammer 119 zuzuführen und sie zu regeln. Im Falle einer DC-Kammer 119 legt die Energiequelle 116 eine Spannung an die Kathode 114, um ein Spannungspotenzial zwischen der Kathode 114 und einer Anode zu erzeugen. In der dargestellten Ausführungsform wird die Anode durch die Abschirmung 115 und die Kammerwand 117 definiert. Die Glassubstrate 12 werden durch den Träger 122 derart gehalten, dass sie im Allgemeinen der Kathode 114 (die auch das Target-Quellenmaterial ist) gegenüberliegen. Ein Plasmafeld 118 wird erzeugt, nachdem die Zerstäubungsatmosphäre gezündet ist und in Abhängigkeit von dem Spannungspotenzial zwischen der Kathode und der Anode aufrechterhalten. Das Spannungspotenzial verursacht, dass Plasmaionen innerhalb des Plasmafeldes 118 auf die Kathode 114 hin beschleunigt werden, was das Auswerfen von Atomen aus der Kathode 114 zur Oberfläche der Substrate 12 hin verursacht. Die Kathode 114 ist das „Target“ und ist durch das Quellenmaterial für die Bildung der besonderen Art von Dünnfilm definiert, der auf der Oberfläche der Substrate 12 erwünscht ist. So kann z.B. die Kathode 114 ein Metalllegierungs-Target sein, wie elementares Zinn, elementares Zink oder Mischungen verschiedener Metalllegierungen. Sauerstoff in der Kammer 166 reagiert mit den ausgeworfenen Targetatomen unter Bildung einer Oxidschicht auf den Substraten 12, wie einer ZTO-Schicht.
  • Eine Cadmiumsulfid(CdS)-Dünnfilmschicht kann in einer RF-Zerstäubungskammer 119 (5) durch Anlegen eines Wechselstromes (AC) oder eines Radiofrequenz(RF)-Signals zwischen einem keramischen Target-Quellenmaterial und den Substraten 12 in einer im Wesentlichen inerten Atmosphäre gebildet werden.
  • Obwohl in den 5 und 6 einzelne Energiequellen gezeigt sind, sollte es allgemein klar sein, dass mehrere Energiequellen zusammen mit einer entsprechenden Targetquelle zum Erzeugen der erwünschten Zerstäubungsbedingungen innerhalb der Kammer 166 gekoppelt werden können.
  • 5 veranschaulicht ein Heizelement 127 innerhalb der Kammer 119. Irgendeine Art oder Konfiguration von Heizelementen kann innerhalb der Kammer 119 konfiguriert sein, um eine erwünschte Abscheidungstemperatur und -Atmosphäre innerhalb der Kammer aufrechtzuerhalten.
  • In der Ausführungsform von 5 ist das vertikale Abscheidungsmodul 128 zum Abscheiden einer Dünnfilmschicht auf der Seite der Substrate 12 konfiguriert, die zum Target-Quellenmaterial 114 hin orientiert sind. 6 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei der die Kammer 119 duale Zerstäubungssysteme zum Aufbringen eines Dünnfilmes auf den nach außen gerichteten Oberflächen der Rücken an Rücken angeordneten Substrate 12, die in den Trägern 122 gesichert sind, wie der oben mit Bezug auf 4 veranschaulichten und beschriebenen Träger 122-Konfiguration einschließt. Mit dem in 6 veranschaulichten vertikalen Abscheidungsmodul 119 werden vier Substrate gleichzeitig zur Abscheidung einer besonderen Dünnfilmschicht darauf behandelt.
  • Das System 100 in 2 wird durch eine Vielzahl miteinander verbundener Kammern definiert, wie oben erläutert, wobei jede der Kammern einer besonderen Funktion dient. Die entsprechenden Förderbänder, die mit den einzelnen Modulen konfiguriert sind, werden auch hinsichtlich verschiedener Funktionen geregelt, ebenso wie die Ventile 154 und die dazugehörigen Betätigungsglieder 156. Für Regelzwecke kann jede der einzelnen Kammern einen dazugehörigen Regler 166 aufweisen, der damit konfiguriert ist, um die einzelnen Funktionen des entsprechenden Moduls zu regeln.
  • Es sollte klar sein, dass, obwohl die Abscheidungskammern 119 in besonderen Ausführungsformen hierin als Zerstäubungs-Abscheidungsmodule beschrieben sind, die Erfindung nicht auf diesen besonderen Abscheidungsprozess beschränkt ist. Die vertikalen Abscheidungskammern 119 können als irgendeine geeignete Art von Behandlungskammer konfiguriert sein, wie eine chemische Dampfabscheidungskammer, thermische Verdampfungskammer, physikalische Dampfabscheidungskammer usw. In den hierin beschriebenen besonderen Ausführungsformen kann die erste Abscheidungskammer zur Abscheidung einer ZTO-Schicht konfiguriert sein und die zweite Abscheidungskammer kann zur Abscheidung einer CdS-Schicht auf der ZTO-Schicht konfiguriert sein. Jede Kammer 119 kann mit vier wassergekühlten DC-Magnetrons konfiguriert sein. Wie oben erwähnt, kann jede Kammer 119 auch ein oder mehrere Vakuumpumpen einschließen, die auf den rückwärtigen Kammern zwischen jedem Kathodenpaar montiert sind.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst auch verschiedene Verfahrens-Ausführungsformen zum Abscheiden mehrerer Dünnfilmschichten auf einem Substrat eines photovoltaischen(PV)-Moduls. Die Verfahren können mit den verschiedenen Systemausführungsformen, die oben beschrieben sind, oder mittels irgendeiner anderen Konfiguration geeigneter Systemkomponenten ausgeführt werden. Es sollte klar sein, dass die Verfahrens-Ausführungsformen gemäß der Erfindung nicht auf die hierin beschriebenen Systemkonfiguration beschränkt sind.
  • In einer besonderen Ausführungsform schließt das Verfahren das Transportieren der Substrate in eine Lastvakuumkammer ein, die mit einer Lastvakuumpumpe verbunden ist, um in der Lastvakuumkammer ein Vakuum unter Benutzung der Lastvakuumpumpe einzustellen, bis ein anfänglicher Lastdruck in der Lastvakuumkammer erreicht ist. Wahlweise kann das Substrat in und durch eine Puffervakuumkammer und/oder eine Heizkammer, wie oben mit Bezug auf 2 erläutert, transportiert werden. Das Substrat kann dann aus der Lastvakuumkammer in eine erste Zerstäubungs-Abscheidungskammer übertragen werden, die ein erstes Target-Quellenmaterial (z.B. Zink und Zinn oder ein Zink/Zinnoxid einschließen), wobei das erste Target-Quellenmaterial zur Bildung einer ersten Dünnfilmschicht (z.B. einer transparenten Puffer-Widerstandsschicht) auf dem Substrat zerstäubt werden kann. Das Substrat kann dann aus der ersten Zerstäubungs-Abscheidungskammer in eine zweite Zerstäubungs-Abscheidungskammer überführt werden, die ein zweites Target-Quellenmaterial (z.B. Cadmiumsulfid) einschließt, wo das zweite Targetquellenmaterial unter Bildung einer zweiten Dünnfilmschicht (z.B. einer CdS-Schicht) auf der ersten Dünnfilmschicht zerstäubt werden kann. Das Substrat kann dann durch die Lastvakuumkammer, die erste Zerstäubungs-Abscheidungskammer und die zweite Zerstäubungs-Abscheidungskammer bei einem Systemdruck transportiert werden, der geringer als etwa 760 Torr ist. Wahlweise können die Substrate in und durch eine Puffervakuumkammer transportiert werden, wie oben mit Bezug auf 2 erläutert.
  • Das Verfahren kann das Bewegen der Träger und der daran angebrachten Substrate in und aus Vakuumkammern stufenweise einschließen z.B. durch eine Reihe von Vakuumverriegelungen, und doch die Träger und die daran befestigten Substrate während des Abscheidungsverfahrens mit einer kontinuierlichen linearen Geschwindigkeit durch die Vakuumkammern befördern.
  • Diese Beschreibung benutzt Beispiele zum Offenbaren der Erfindung, einschließlich der besten Art und auch, um es einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung auszuführen, einschließlich des Herstellens und Benutzens irgendwelcher Vorrichtungen oder Systeme und des Ausführens irgendwelcher dazugehöriger Verfahren. Der patentierbare Umfang der Erfindung wird durch die Ansprüche definiert und kann andere Beispiele einschließen, die sich dem Fachmann ergeben. Solche anderen Beispiele sollen in den Umfang der Ansprüche fallen, wenn sie Strukturelemente einschließen, die sich nicht vom Wortlaut der Ansprüche unterscheiden oder wenn sie äquivalente Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden zum Wortlaut der Ansprüche einschließen.
  • Vorrichtung 100 und Verfahren zum aufeinanderfolgenden Zerstäubungsabscheiden eines Target-Quellenmaterials 114 als ein Dünnfilm auf einem Substrat 12 eines photovoltaischen Moduls werden bereitgestellt. Die Vorrichtung 100 schließt eine erste Zerstäubungs-Abscheidungskammer 112 und eine zweite Zerstäubungs-Abscheidungskammer 128 ein, die integral derart verbunden sind, dass die durch die Vorrichtung 100 transportierten Substrate bei einem Systemdruck gehalten werden, der geringer als etwa 760 Torr ist. Die Lastvakuumkammer 106 ist mit einer Lastvakuumpumpe 108 verbunden, die konfiguriert ist, den Druck innerhalb der Lastvakuumkammer 106 zu einem anfänglichen Lastdruck zu vermindern. Die erste Zerstäubungs-Abscheidungskammer 112 schließt ein erstes Target 114 und die zweite Zerstäubungs-Abscheidungskammer 128 schließt ein zweites Target 114 ein. Ein Förderbandsystem 162 ist operativ innerhalb der Vorrichtung 100 angeordnet und konfiguriert zum Transportieren von Substraten in einer Reihenanordnung in und durch die Lastvakuumkammer 106, in und durch die erste Zerstäubungs-Abscheidungskammer 112 und in und durch die zweite Zerstäubungs-Abscheidungskammer 128 mit einer geregelten Geschwindigkeit.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Vorrichtung
    12
    Substrat
    14
    TCO-Schicht
    16
    RTB-Schicht
    18
    Cadmiumsulfidschicht
    20
    Cadmiumtelluridschicht
    22
    rückwärtige Kontaktschicht
    24
    einkapselndes Glas
    100
    beispielhaftes integriertes Abscheidungssystem
    101
    integrierte Kammer
    102
    Eintrittsschlitz
    103
    Eintrittsvakuumventil
    106
    Lastvakuumkammer
    108
    Lastvakuumpumpe
    110
    benachbarte Feinvakuumkammer
    111
    Feinvakuumkammer
    112
    erste Zerstäubungs-Abscheidungskammer
    114
    Kathode
    115
    Abschirmung
    116
    Energiequelle
    117
    Kammerwand
    118
    Plasmafeld
    119
    Kammer
    119
    beispielhafte vertikale Abscheidungskammer
    120
    Puffervakuumkammer
    121
    Puffervakuum
    122
    Träger
    123
    Puffervakuumpumpe
    124
    Heizkammer
    126
    Heizelement
    127
    Heizelement
    128
    zweite Zerstäubungskammer
    140
    Austritts-Puffervakuumkammer
    142
    erste Austritts-Riegelkammer
    143
    erstes Austrittsriegel-Drucksystem
    146
    Austrittsventil
    147
    Austrittsschlitz
    150
    Nachbearbeitungs-Förderband
    152
    Lastmodul
    153
    automatisierte Maschine
    154
    Austrittsventile
    155
    Zufuhrförderband
    156
    Betätigungsvorrichtung
    160
    Rückführungs-Förderband
    162
    geregeltes Förderbandsystem
    166
    Regler
    170
    Rahmenteile
    171
    Beladungssystem

Claims (15)

  1. Vorrichtung (100) zum aufeinanderfolgenden Zerstäubungsabscheiden eines Target-Quellenmaterials (114) als ein Dünnfilm auf einem Substrat (12) eines photovoltaischen Moduls, wobei die Vorrichtung (100) umfasst: eine Lastvakuumkammer (106), die mit einer Lastvakuumpumpe (108) verbunden ist, die konfiguriert ist, den Druck innerhalb der Lastvakuumkammer (106) zu einem anfänglichen Lastdruck zu vermindern, eine erste Zerstäubungs-Abscheidungskammer (112), die ein erstes Target (114) umfasst, eine zweite Zerstäubungs-Abscheidungskammer (128), die ein zweites Target (114) umfasst, und ein Förderbandsystem (162), das betriebsmäßig innerhalb der Vorrichtung (100) angeordnet und konfiguriert ist zum Transportieren von Substraten (12) in einer Reihenanordnung in und durch die Lastvakuumkammer (106), in und durch die erste Zerstäubungs-Abscheidungskammer (112) und in und durch die zweite Zerstäubungs-Abscheidungskammer (128) in einer geregelten Geschwindigkeit, wobei die erste Zerstäubungs-Abscheidungskammer (112) und die zweite Zerstäubungs-Abscheidungskammer (128) integral derart verbunden sind, dass die Substrate (12), die durch die Vorrichtung (100) transportiert werden, bei einem Systemdruck gehalten werden, der geringer als etwa 760 Torr ist.
  2. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, weiter umfassend: eine Heizkammer (124), die zwischen der Lastvakuumkammer (106) und der ersten Zerstäubungs-Abscheidungskammer (112) angeordnet ist, wobei die Heizkammer (124) konfiguriert ist, die Substrate (12) auf eine erste Zerstäubungs-Abscheidungstemperatur zu erhitzen, bevor sie in die erste Zerstäubungs-Abscheidungskammer (112) eintreten.
  3. Vorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend: mehrere Heizkammern (124), die zwischen der Lastvakuumkammer (106) und der ersten Zerstäubungs-Abscheidungskammer (112) angeordnet ist, wobei die mehreren Heizkammern (124) konfiguriert sind, die Substrate (12) auf eine Zerstäubungstemperatur zu erhitzen, bevor sie in die erste Zerstäubungs-Abscheidungskammer (112) eintreten.
  4. Vorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend: eine Vakuumpufferkammer (120), die zwischen der ersten Zerstäubungs-Abscheidungskammer (112) und der zweiten Zerstäubungs-Abscheidungskammer (128) angeordnet ist, wobei die Vakuumpufferkammer (120) mit einer Puffervakuumpumpe (123) verbunden ist, die konfiguriert ist, den Druck innerhalb der Vakuumpufferkammer (120) auf einen Pufferdruck zu verringern.
  5. Vorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend: eine Feinvakuumkammer(110), die mit einer Feinvakuumpumpe (111) verbunden ist, wobei die Feinvakuumkammer (110) zwischen der Lastvakuumkammer (106) und der ersten Zerstäubungs-Abscheidungskammer (112 angeordnet ist, um den Druck innerhalb der ersten Zerstäubungs-Abscheidungskammer (112) während der Abscheidung zu verfeinern.
  6. Vorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin das erste Target (114) Zink und Zinn umfasst.
  7. Vorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin das zweite Target (114) Cadmiumsulfid umfasst.
  8. Verfahren zum Herstellen einer photovoltaischen Dünnfilm-Cadmiumtellurid-Dünnfilmvorrichtung (10), wobei das Verfahren umfasst: Transportieren eines Substrates (12) in eine Lastvakuumkammer (106), die mit einer Lastvakuumpumpe (108) verbunden ist, Anlegen eines Vakuums in der Lastvakuumkammer (106) unter Benutzung der Lastvakuumpumpe (108) bis ein anfänglicher Lastdruck in der Lastvakuumkammer (106) erreicht ist, Transportieren des Substrates (12) von der Lastvakuumkammer (106), in eine erste Zerstäubungs-Abscheidungskammer (112), worin die erste Zerstäubungs-Abscheidungskammer (112) ein erstes Target-Quellenmaterial (114) umfasst, Zerstäuben des ersten Target-Quellenmaterials (114) zum Bilden einer ersten Dünnfilmschicht auf dem Substrat, Transportieren des Substrates (12) von der ersten Zerstäubungs-Abscheidungskammer (112) in eine zweite Zerstäubungs-Abscheidungskammer (128), wobei die zweite Zerstäubungs-Abscheidungskammer (128) ein zweites Target-Quellenmaterial (114) umfasst, und Zerstäuben des zweiten Target-Quellenmaterials (114) zum Bilden einer zweiten Dünnfilmschicht auf der ersten Dünnfilmschicht, worin das Substrat (12) durch die erste Zerstäubungs-Abscheidungskammer (112) und die zweite Zerstäubungs-Abscheidungskammer (128) transportiert wird, während sie unter einem Systemdruck bleibt, der geringer als etwa 760 Torr ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, worin das erste Target-Quellenmaterial (114) zum Bilden einer transparenten Puffer-Widerstandsschicht (16) auf dem Substrat (12) zerstäubt wird, und worin das zweite Target-Quellenmaterial (114) zur Bildung einer Cadmiumsulfidschicht (18) auf der transparenten Puffer-Widerstandsschicht (16) zerstäubt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, worin das erste Target-Quellenmaterial (114) Zink und Zinn umfasst.
  11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, worin das zweite Target-Quellenmaterial (114) Cadmiumsulfid umfasst.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, weiter umfassend: Transportieren des Substrates (12) von der Lastvakuumkammer (106) in eine Heizkammer (124), die zwischen der Lastvakuumkammer (106) und der ersten Zerstäubungs-Abscheidungskammer (112) angeordnet ist, und Erhitzen des Substrates (12) innerhalb der Heizkammer (124) auf eine erste Zerstäubungs-Abscheidungstemperatur vor dem Eintreten in die erste Zerstäubungs-Abscheidungskammer (112).
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, weiter umfassend: Transportieren des Substrates (12) von der Lastvakuumkammer (106) in und durch eine Reihe von Heizkammern (124), die nacheinander zwischen der Lastvakuumkammer (106) und der ersten Zerstäubungs-Abscheidungskammer (112) angeordnet sind, und Erhitzen des Substrates (12) innerhalb der mehreren Heizkammern (124) auf eine Zerstäubungs-Abscheidungstemperatur vor dem Eintreten in die erste Zerstäubungs-Abscheidungskammer (112).
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, weiter umfassend: Transportieren des Substrates (12) in und durch eine Puffervakuumkammer (120), die zwischen der ersten Zerstäubungs-Abscheidungskammer (112) und der zweiten Zerstäubungs-Abscheidungskammer (128) angeordnet ist, wobei die Puffervakuumkammer (120) mit einer Puffervakuumpumpe (121) verbunden ist, die konfiguriert ist, den Druck innerhalb der Puffervakuumkammer (120) zu einem Pufferdruck zu verringern.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, worin der anfängliche Lastdruck etwa 1 mTorr bis etwa 100 mTorr beträgt.
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