用于在對溫度敏感的基板上熱管理高溫過程的系統和方法
【專利說明】用于在對溫度敏感的基板上熱管理高溫過程的系統和方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本專利申請是2014年I月8日提交的美國專利申請N0.14/150, 376的繼續申請，該美國專利申請要求2013年I月9日提交的美國臨時專利申請N0.61/750，709的優先權權益。上述專利申請中的每一者都以引用方式并入本文。
【背景技術】
[0003]光伏裝置響應于入射光而生成電流。如今常用的一類光伏裝置基于晶體硅太陽能吸收層。晶體硅光伏裝置包括例如厚硅晶片。這些晶片易碎并且無法在不冒損壞風險的情況下彎曲，因此，晶片必須設置在剛性基板上，諸如大面積剛性玻璃基板。雖然晶體硅光伏裝置可實現相對高的效率，但是它們通常昂貴而笨重。另外，它們缺乏柔性，因此難以在非平面應用中或在經受彎曲的應用中的使用。此外，它們的重量阻止了一些屋頂應用。
[0004]因此，對于開發可能比晶體硅光伏裝置更薄、更輕且更便宜的“薄膜”光伏裝置存在極大的興趣。另外，薄膜光伏裝置通常將耐至少一定的撓曲，從而可能允許使用柔性基板，以使得光伏裝置為柔性的。柔性光伏裝置可有利地適形于非平坦表面和/或用于經受彎曲撓曲的應用。
[0005]圖1顯示了常規薄膜光伏裝置100的剖視圖，該薄膜光伏裝置100包括設置在基板104上的薄膜疊堆102。光伏疊堆102包括第一電接觸層106，諸如鉬層，其設置在基板104的第一或前外表面108上。太陽能吸收層110設置在第一電接觸層106上，并且異質結配對層112設置在太陽能吸收層110上。第二電接觸層114，諸如導電氧化物層，通常設置在異質結配對層112上。太陽能吸收層110和異質結配對層112 —起形成P-N光伏結，其響應于入射光生成電流。第一電接觸層106和第二電接觸層114提供光伏結的電接口。可能的太陽能吸收層材料的一些例子包括基于砸的硫屬化物，諸如銅-銦-聯砸化物(CIS)，或其合金。CIS合金的一些例子包括銅-銦-鎵-聯砸化物(CIGS)、銀-銅-銦-鎵-聯砸化物(AgCIGS)和銅-銦-鎵-銷-聯砸化物(CIGAS)。用其他VI族元素諸如硫或碲替代太陽能吸收器中的砸或使砸形成合金在某些應用中也是有吸引力的。可能的異質結配對層材料的一些例子包括硫化鎘、金屬氧化物或它們的合金。通常將額外的層諸如緩沖層和/或應力消除層添加到光伏裝置100。例如，有時將金屬層諸如鉬層118設置在基板104的后外表面116上以提供應力消除并耗散靜電。
[0006]許多光伏裝置包括多個光伏電池，它們電串聯和/或并聯以滿足應用的電壓和/或電流要求。通常期望多個光伏電池單片集成在共用基板上。單片集成可使得能夠在裝置設計期間自定義裝置輸出電壓和輸出電流額定值，從而使得裝置可以針對其預期應用而定制。另外，相對于非單片集成的光伏裝置，單片集成通過減小相鄰光伏電池之間的間距以及通過減少或消除使用分立的母線來連接相鄰的電池而促進了小裝置尺寸和令人愉悅的美觀性。
[0007]然而，單片集成需要裝置基板的外表面諸如基板104的外表面108 (圖1)為介電的。具體地講，表面必須為介電的以允許相鄰的光伏電池通過電池隔離劃線(有時稱為“P1”劃線)而電分離。如果基板外表面相反地為導電的，或如果Pi劃線穿透表面電介質到達導電基板，則相鄰的光伏電池將一起電短路，從而使得Pl劃線無效。包括使用電池隔離劃線的單片集成技術的一些例子在授予Misra的美國專利申請公布N0.2008/0314439中公開，該專利申請公布以引用方式并入本文。
[0008]介電表面可通過向導電柔性基板諸如金屬箔施加介電涂層而在該基板上獲得。然而，該方法可能難以實現，因為介電涂層必須沒有缺陷，諸如小孔，以防止光伏電池電短路。另外，介電涂層易于在基板上進行薄膜沉積期間以及在單片集成圖案化過程期間損壞。
[0009]可替代地，可將介電基板與單片集成一起使用。然而，很少有柔性基板材料既為介電的又能夠經受與薄膜層沉積相關的高溫加工。一種可能的柔性介電基板材料為柔性玻璃。然而，柔性玻璃基板仍處于其開發階段并且不能用于大量生產應用。另一種柔性介電基板材料為聚酰亞胺。薄聚酰亞胺基板廣泛普及并且一些配方通常可短時間(諸如30分鐘或更短)承受高達450°C的加工溫度。
[0010]圖2示出了現有技術CIGS沉積區200，其能夠分別在具有厚度230以及相對的前外表面218和后外表面228的柔性聚酰亞胺基板202上形成CIGS太陽能吸收層。基板202已在前外表面218上預制有電接觸層(未示出)，其中該接觸層類似于圖1的層106。類似于圖1的層118的應力消除層(未示出)任選地設置在后外表面228上。沉積區200包括多個源，這些源分別發出隨后設置在基板202的正面210中的金屬羽狀物212、214、216。在該系統中，三個源204、206和208將金屬元素設置到基板202的前外表面218上；這些元素通常包括銅、銦和鎵中的一者或多者。砸歧管220在基板202的正面210中向沉積區200提供砸蒸氣222。設置在基板202背后226的基板加熱器224向基板202的后外表面228提供輻射熱。區外殼和真空泵(未示出)維持沉積區200中的真空。給定正確的熱力學環境，從源204、206、208發射到基板202的前外表面218上的銅、銦和鎵一起在存在砸蒸氣222的情況下反應以在基板前外表面218上形成CIGS層的前體或整個CIGS層。
[0011]金屬源204、206、208向前外表面218提供一定的熱。此外，有時將額外的加熱器(未示出)設置在基板202的正面210中以增強早期沉積運行穩定性并防止元素冷凝和再蒸發。這些額外的加熱器，如果存在的話，將一定程度地對前外表面218加熱。然而，基板加熱器224 (其對基板后外表面228加熱)提供使得能夠進行CIGS沉積所需的大部分熱能。由于由源204、206和208提供的不同程度的加熱，基板加熱器224可能需要相對于彼此不同的設定點，以實現所需的基板202溫度。如本領域所已知，CIS/CIGS沉積需要高基板溫度，并且光伏裝置效率通常取決于基板溫度。例如，通常需要超過500°C的基板溫度以獲得最高效率的CIS/CIGS光伏裝置。另外，研宄已顯示了在薄膜沉積期間增加Se熱能的潛在優點，諸如通過使用Se爐或裂化器，以減小共蒸發CIGS過程期間Se蒸發物團簇尺寸。(參見例如 M.Kawamura et al.，“Cu (InGa) Se2thin_film solar cells grown with crackedselenium，，，Journal of Crystal Growth, vol.311, January 15, 2009, pp.753-756 (M.Kawamura等人，“通過裂化的砸生長的Cu (InGa) Se2薄膜太陽能電池”，《晶體生長雜志》，第311卷，2009年I月15日，第753-756頁))。雖然剛性玻璃基板能夠耐這些溫度，但是柔性聚酰亞胺基板在升高的溫度下降解，從而限制了聚酰亞胺基板上的CIS/CIGS沉積過程。另夕卜，聚酰亞胺基板很容易受吸收水蒸汽的影響，而水蒸汽隨后可在CIS/CIGS制造期間受熱時釋放。除非極其小心以確保聚酰亞胺基板在電接觸層沉積前正確脫氣，否則水分可在基板加熱期間被捕獲在第一電接觸層下，從而可能導致PV裝置開裂和起泡。開裂和起泡可顯著損害光伏裝置性能和/或制造良率。

【發明內容】

[0012]在一個實施例中，用于在具有相對的前外表面和后外表面的柔性聚酰亞胺基板上沉積一個或多個薄膜層的方法包括以下步驟:(a)加熱柔性聚酰亞胺基板，以使得柔性聚酰亞胺基板的前外表面的溫度