專利名稱：用于連續制造金屬薄膜太陽能電池的淀積設備及方法
技術領域：
本發明涉及有機金屬氣體氣相淀積系統，具體涉及一種用于連續制造金屬薄膜太陽能電池的淀積設備及方法。
背景技術：
砷化鎵太陽能電池是所有太陽能電池光電轉換效率最高的品種，且耐溫性好。高效能砷化鎵太陽能電池是將N型砷化鎵材料與P型砷化鎵材料先后淀積在砷化鎵基板上， 兩種異電性材料間的接口能光電轉換使太陽光轉換成電流并輸出，其中砷化鎵太陽能電池的基板材料是砷化鎵晶片。目前傳統的有機金屬氣體氣相淀積系統為圓形真空反應腔室里面的基板加熱平臺一次可裝設39片2吋砷化鎵晶片，在一次基本的制造過程從開始將反應腔室抽至真空、 基板加熱、氣體氣相淀積制程、冷卻，大約需要四小時，也就是在四小時之內可淀積產出 2. 5cmX2. 5cmX3. 1416X39=765. 765cm2 或 1X1X3. 1416X39=122. 5224 平方吋的砷化鎵太陽能電池片。該系統使用的基片材料2吋砷化鎵晶片每片價位在110美元左右等于每平方厘米5. 71美元左右的價位，成本非常高昂，且耗能大產量小，只能用在一些不計較成本的精密儀器及航天設備上使用。如何能降低砷化鎵太陽能電池生產成本，提高產量，使太陽能發電成本降低到每瓦一美元(W/USD)以下，是光伏產業研究創新的最大目標。

發明內容
本發明針對上述現有技術的不足之處，提出一種用于連續制造金屬薄膜太陽能電池的淀積設備及方法，即提供一種用有機金屬氣體氣相淀積方法在金屬薄膜上來連續制造砷化鎵太陽能電池的設備及工藝方法，該方法運用有機金屬氣體氣相淀積方在卷帶式金屬薄膜連續制造砷化鎵太陽能電池的設備和工藝，給光伏產品成本價格帶來徹底的改善，即極大的提高了生產效率，大輻度的降低了砷化鎵太陽能電池制造成本。本發明的目的實現由以下技術方案完成
一種用于連續制造金屬薄膜太陽能電池的淀積設備，其特征在于所述設備包括一個大型真空腔室及其附屬真空排氣裝置；隔絕在所述真空腔室里至少有如下裝置連續性金屬薄膜自動出料展料系統及收料系統；淀積反應區；金屬氣體淀積反應器，及其用于均勻噴灑有機金屬氣體的噴口組合；基材加熱平臺；其中所述淀積反應區位于所述出料展料系統和收料系統之間，所述金屬氣體淀積反應器及其用于噴灑有機金屬氣體的噴口組合位于所述淀積反應區的上方，所述的淀積反應區的下方設置所述加熱平臺。所述的金屬氣體淀積反應器包括至少二套N型有機金屬氣體淀積反應器和至少二套P型有機金屬氣體淀積反應器，各套所述金屬氣體混合反應器在所述真空腔室內的所述淀積反應區的上方依次呈N-P-N-P-N…型依次交錯縱向、間隔分布。所述的金屬氣體淀積反應器包括三套N型有機金屬氣體淀積反應器和兩套P型有機金屬氣體淀積反應器，五套所述金屬氣體混合反應器在所述真空腔室內的所述淀積反應區的上方依次呈N-P-N-P-N型縱向、間隔分布。靠近所述收料系統處的所述真空腔室外壁設置有觀測窗口，并在所述的長型真空腔室內設置有真空計和溫度量測系統用以量測并控制加熱平臺溫度。一種用于連續制造金屬薄膜太陽能電池的淀積方法，涉及權利要求1-4任一項所述設備，其特征在于，所述方法至少包括下列步驟所述連續性金屬薄膜自動出料展料系統以可控制的速度緩緩釋放展開出金屬薄膜，金屬薄膜被拉引經過所述淀積反應區，所述金屬氣體淀積反應器及其用于噴灑有機金屬氣體的噴口組合將混合的有機金屬氣體均勻噴灑至金屬薄膜表面，有機金屬氣體淀積并反應成砷化鎵材料層，金屬薄膜加熱平臺以直接接觸的方式加熱金屬薄膜，被加熱至一個設定的溫度，以便促成有機金屬氣體淀積并反應， 經過連續幾次反應過后已成長數層異電性界面的金屬薄膜被所述收料系統卷收起來。所述出料展料系統展開金屬薄膜的速度與收料系統卷收金屬薄膜的速度匹配，由此速度來控制成長太陽能電池之厚度。本發明的優點是，降低了生產制造砷化鎵太陽能電池成本，提高了生產效率，可批量化投入生產。與傳統型設備相比，在用來淀積制程的有機金屬氣體成本都類似的情況下， 相差近25倍的生產速度，且基材成本不到傳統基材成本的七百分之一。本發明涉及的有機金屬氣體氣相淀積系統用來連續制造卷帶式金屬薄膜砷化鎵太陽能電池將給光伏產品成本價格上帶來徹底的改善，有機會將太陽能發電成本降低在比一般傳統火力發電每瓦1. 1 美元以下的成本，也就是有機會使其大量推廣，以取代傳統耗能排污(二氧化碳)的火力發電行業。


圖1為本發明真空腔室結構示意圖2為發明金屬薄膜自動出料展料及收料系統結構示意圖； 圖3為本發明N型有機金屬氣體混合反應器工作系統結構示意圖； 圖4為本發明P型有機金屬氣體混合反應器工作系統結構示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖通過實施例對本發明特征及其它相關特征作進一步詳細說明，以便于同行業技術人員的理解
附圖1-4中標號1-20分別表示真空腔室1、金屬薄膜卷出料展料輪軸2、干式真空排氣泵浦3、待淀積金屬薄膜4、N型有機金屬氣體混合反應器5、P型有機金屬氣體混合反應器6、已淀積金屬薄膜7、薄膜表面檢查影像存取窗口 8、金屬薄膜卷收料輪軸9、基材加熱平臺10、有機金屬氣體11、有機金屬氣體12、冷卻水循環系統13、噴嘴組合14、真空計15、基材溫度檢查窗口(石英柱)16、溫度感測輸出點17、信息輸出點18、電力輸入點19、排氣方向 20、尾氣處理機21。如圖1-4所示，本實施例設置一長型的真空腔室1，在其內部進行有機金屬氣體淀積的作業，在長型真空腔室1底部對稱設置兩個與其相連通的真空泵浦3，可以實現快速抽真空，藉由電力輸入點19，控制訊號及其它信息輸入點，以及其它腔內外傳輸配件，包括真空計15、基材溫度檢查窗口(石英柱)16、溫度感測輸出點17、信息輸出點18等，控制真空腔內制程裝置確保制程依照設定的各種條件準確進行制程。而從金屬薄膜表面檢查影像存取窗口 8以攝像記錄已成長砷化鎵材料層表面結構狀況。在長型真空腔室1內兩端部分別架設金屬薄膜卷出料展料輪軸2和金屬薄膜卷收料輪軸9，并將兩輪軸分別連接位于真空腔室1腔體外的可調速動力系統，從而構成連續性金屬薄膜自動出料展料系統及收料系統，金屬薄膜卷出料展料輪軸2和金屬薄膜卷收料輪軸9之間的區域為淀積反應區，位于該區域的金屬薄膜下方均勻間隔布設與金屬薄膜相接觸的可調節溫度的基材加熱平臺10，將金屬薄膜直接觸加熱至一個設定的溫度，以便促成有機金屬氣體淀積并反應，位于該區域的金屬薄膜上方間隔依次設置N型有機金屬氣體混合反應器5、P型有機金屬氣體混合反應器6和N型有機金屬氣體混合反應器5，上述的三個混合反應器分別連通有有機金屬氣體墊積噴嘴組合14，該噴嘴組合14可將混合反應器5 中的混合的有機金屬氣體均勻噴灑至金屬薄膜。本實施例涉及設備在具體生產時，長型真空腔室1內的連續性金屬薄膜自動出料展料系統及收料系統，能以可控制的速度通過金屬薄膜卷出料展料輪軸2緩緩釋放出待淀積金屬薄膜4，在可加熱的淀積反應區，接受有機金屬氣體混合后淀積并反應成砷化鎵材料層，反應過后通過金屬薄膜卷收料輪軸9將已淀積金屬薄膜7卷收起來。其中在可加熱的淀積反應區中，N型有機金屬氣體混合反應器5和P型有機金屬氣體混合反應器6讓可精密控制流量的特殊有機金屬氣體11、12進入并均勻混合，通過噴嘴組合14噴灑進入淀積反應區
2GaCl3 +3 + AsH3 = 2GaAs(s) +6 HClw+ H2(g)。進入P型有機金屬氣體混合反應器6的有機金屬氣體11為2 GaCl3 +3 H2 ；有機金屬氣體12為SiH4+ AsH3+ H2,來淀積P型電性砷化鎵層，其中有機金屬氣體在氣體混合器與P型參雜氣體SiH4充份混合后送入反應區，氣體混合器保持在室溫250C。因此正電性砷化鎵層一P型砷化鎵層之淀積反應 2GaCl3 +3 + AsH3 = 2GaAs(s) +6 HCl (g) + H2(g)。+正電性參雜氣體SiH4ig)。進入N型有機金屬氣體混合反應器5的有機金屬氣體11為2 GaCl3 +3 H2 ；有機金屬氣體12為=Zn(C2H5)2 + AsH3+ H2,來淀積N型電性砷化鎵層，其中有機金屬氣體在氣體混合器與N型參雜氣體Si(C2H5)2充份混合后送入反應區，氣體混合器保持在室溫250C。
因此負電性砷化鎵層一N型砷化鎵層之淀積反應 2GaCl3 +3 + AsH3 = 2GaAs(s) +6 HCl (g) + H2(g)。+負電性參雜氣體Zn(C2H5)2。上述一個N型與P型砷化鎵材料層之間形成一異電性接口層，顯然本實施例中依次間隔設置的N-P-N-P型反應器布設方式，形成了兩個異電層界面。如欲形成三個接口層可再增加一層P型砷化鎵材料層即N-P-N-P，則其反應區內的反應器布設方式可采用間隔設置的N-P-N-P型反應器布設方式。在形成第三個以后的介面層，因為增加的光電轉換效率非常有限，比起所增加消耗的有機金屬氣體費用已不符合經濟原則，所以通常頂多作三個異電性介面層。讓混合的有機金屬氣體，均勻噴灑至金屬薄膜的有機金屬氣體墊積噴嘴組合14，與之配套必須有一閉路冷卻水循環系統13，以防止已混合的砷化鎵材料過早淀積反應。本實施例涉及設備的傳動系統將真空腔室1腔體外可調速動力系統傳導入真空腔內來驅動連續性金屬薄膜自動出料展料系統及收料系統，即為金屬薄膜卷出料展料輪軸 2和金屬薄膜卷收料輪軸9提供動力，排氣方向20為各干式真空幫浦排氣集中方向，并送交尾氣處理機21將其中所含剩余未反應之砷化鎵去除盡凈，使排氣不污染環境，達到環保要求。本實施例與目前傳統技術相比，例如目前傳統的有機金屬氣體氣相淀積系統為圓形真空反應腔室里面的基材加熱平臺一次可裝設39片2吋砷化鎵芯片，一次基本的制程從開始抽真空，加熱，淀積制程，冷卻，大約四小時，也就是在四小時之內可淀積產出 2. 5cmX2. 5cmX3. 1416X39=765. 765cm2 平方公分或 1X1X3. 1416X39=122. 5224 平方吋的砷化鎵太陽能電池片。而本實施例的淀積系統可在四小時之內產制出卷帶式金屬薄膜砷化鎵電池片在 45cmX IOOcmX 4=18, OOOcm2 =2752平方吋，其產量大幅增加25倍。傳統的有機金屬氣體氣相淀積系統使用的基片材料2吋砷化鎵芯片每片價位在 110美元，等于每平方公分5. 71美元，非常高的價位。而本實施例以成本非常低廉的金屬薄膜，以不銹鋼薄膜，厚度0. 26mm的不銹鋼薄板3. 2平方公尺面積，重量才有1公斤，每公斤20美元，平均每平方公分不到0. 07分美元成本，也就是金屬薄膜基材只有砷化鎵芯片1/700之成本。因此本發明與傳統型技術相比，用在淀積制程的有機金屬氣體成本都類似的情況下，相差近25倍的生產速度，配上不到七百分之一價位的基材成本，使用本發明技術方案構造的有機金屬氣體氣相淀積系統用來連續制造卷帶式金屬薄膜砷化鎵太陽能電池，將給光伏產品成本價格帶來徹底的改善，有機會將太陽能發電成本降低在比一般傳統火力發電每瓦1. 1美元以下的成本，也就是有機會實現大量推廣，以取代傳統耗能排污(二氧化碳) 的火力發電行業。
權利要求
1.一種用于連續制造金屬薄膜砷化鎵太陽能電池的有機金屬氣體氣相淀積設備，其特征在于所述設備包括一個大型真空腔室及其附屬真空排氣裝置；隔絕在所述真空腔室里至少有如下裝置連續性金屬薄膜自動出料展料系統及收料系統；淀積反應區；金屬氣體淀積反應器，及其用于均勻噴灑有機金屬氣體的噴口組合；基材加熱平臺；其中所述淀積反應區位于所述出料展料系統和收料系統之間，所述金屬氣體淀積反應器及其用于噴灑有機金屬氣體的噴口組合位于所述淀積反應區的上方，所述的淀積反應區的下方設置所述加熱平臺。
2.根據權利要求1所述的一種用于連續制造金屬薄膜砷化鎵太陽能電池的有機金屬氣體氣相淀積設備，其特征在于所述的金屬氣體淀積反應器包括至少二套N型有機金屬氣體淀積反應器和至少二套P型有機金屬氣體淀積反應器，各套所述金屬氣體混合反應器在所述真空腔室內的所述淀積反應區的上方依次呈N-P-N-P-N…型依次交錯縱向、間隔分布。
3.根據權利要求2所述的一種用于連續制造金屬薄膜砷化鎵太陽能電池的有機金屬氣體氣相淀積設備，其特征在于所述的金屬氣體淀積反應器包括三套N型有機金屬氣體淀積反應器和兩套P型有機金屬氣體淀積反應器，五套所述金屬氣體混合反應器在所述真空腔室內的所述淀積反應區的上方依次呈N-P-N-P-N型縱向、間隔分布。
4.根據權利要求1所述的一種用于連續制造金屬薄膜砷化鎵太陽能電池的有機金屬氣體氣相淀積設備，其特征在于靠近所述收料系統處的所述真空腔室外壁設置有觀測窗口，并在所述的長型真空腔室內設置有真空計和溫度量測系統用以量測并控制加熱平臺溫度。
5.一種用于連續制造金屬薄膜砷化鎵太陽能電池的有機金屬氣體氣相淀積方法，涉及權利要求1-4任一項所述設備，其特征在于，所述方法至少包括下列步驟所述連續性金屬薄膜自動出料展料系統以可控制的速度緩緩釋放展開出金屬薄膜，金屬薄膜被拉引經過所述淀積反應區，所述金屬氣體淀積反應器及其用于噴灑有機金屬氣體的噴口組合將混合的有機金屬氣體均勻噴灑至金屬薄膜表面，有機金屬氣體淀積并反應成砷化鎵材料層，金屬薄膜加熱平臺以直接接觸的方式加熱金屬薄膜，被加熱至一個設定的溫度，以便促成有機金屬氣體淀積并反應，經過連續幾次反應過后已成長數層異電性界面的金屬薄膜被所述收料系統卷收起來。
6.根據權利要求5所述的一種用于連續制造金屬薄膜砷化鎵太陽能電池的有機金屬氣體氣相淀積方法，其特征在于所述出料展料系統展開金屬薄膜的速度與收料系統卷收金屬薄膜的速度匹配，由此速度來控制成長太陽能電池之厚度。
全文摘要
本發明涉及有機金屬氣體氣相淀積系統，具體涉及一種用于連續制造金屬薄膜砷化鎵太陽能電池的有機金屬氣體氣相淀積設備及方法,所述設備包括一個大型真空腔室及其附屬真空排氣裝置；隔絕在所述真空腔室里至少有如下裝置連續性金屬薄膜自動出料展料系統及收料系統；淀積反應區；金屬氣體淀積反應器，及其用于均勻噴灑有機金屬氣體的噴口組合；基材加熱平臺；其中所述淀積反應區位于所述出料展料系統和收料系統之間，所述金屬氣體淀積反應器及其用于噴灑有機金屬氣體的噴口組合位于所述淀積反應區的上方，所述的淀積反應區的下方設置所述加熱平臺。該設備采用卷帶式金屬薄膜連續制造砷化鎵太陽能電池，極大的提高了生產效率，大輻度的降低了砷化鎵太陽能電池制造成本。
文檔編號C23C16/30GK102424958SQ201110365540
公開日2012年4月25日 申請日期2011年11月17日 優先權日2011年11月17日
發明者陳聰茂 申請人:陳聰茂