[发明专利]经由磁约束获得的带电微粒耗尽等离子体的薄膜沉积

说明书

技术领域

本发明涉及使用中间等离子体来沉积薄膜材料。更特别地，本发明涉及使用中间磁控的等离子体来沉积薄膜。最特别地，本发明涉及由通过等离子体的磁操纵获得的带电微粒耗尽沉积介质来沉积光伏材料。

背景技术

对于化石燃料的耗竭和对环境的影响的担心已经激发了开发可选能源的强烈兴趣。在社会寻求以经济上具有竞争力并且环保的方式开发生成并储存能量的新方法时，已经在例如电池、燃料电池、氢生成和储存、生物质、风力、藻类和太阳能等领域做出了重大投资。最终的目标是使得社会对化石燃料的依赖度最小化并且以使得温度气体生成最小化的经济上具有竞争力的方式来实现这些。

专家们已经得出结论，为了避免全球变暖的严重后果，需要将CO₂的保持在550ppm或更小的水平。为了满足该目标，基于世界能源使用的当前项目，到2050年世界将需要17TW的无碳能源，到2100年需要33TW的无碳能源.基于来自可用无碳能源的期望能量供给，太阳能被认为是减少温室排放物的最切实可行的方案。

然而，除非太阳能在成本方面与化石燃料具有竞争力，否则社会将缺乏消除对化石燃料的依赖的动机并且抑制将在有益于地解决全球变暖所需的规模上采用太阳能。结果是，当前在制造方面的努力旨在降低由光伏材料和产品生成的能量的单位成本(每千瓦-小时的成本)。

降低光伏产品的能量的单位成本的通用策略是：(1)降低加工成本，以及(2)提高光伏效率。在降低加工成本方面的努力涉及到识别低成本光伏擦剂了并且提高加工速度。由于晶质硅以批量形式的广泛可供应性，晶质硅为当前主流的光伏材料。然而，因为晶质硅为间接间隙材料，晶质硅具有对太阳能的弱吸收力。结果，由晶质硅制成的光伏模块厚、硬并且不易于接受轻重量的薄膜产品。

具有较强的太阳光谱吸收力的材料正在积极的研发以用于光伏产品。代表性材料包括CdS、CdSe、CdTe、ZnTe、CIGS(Cu-In-Ga-Se及其相关合金)、有机材料(包括有机染料)以及TiO₂。因为这些材料的高太阳吸收效率允许使用薄膜进行光伏操作，这些材料提供了降低材料成本的前景，从而减小了制造器件所需的材料的体积。无定形硅(及其氢化形式和/或氟化形式)为用于轻重量的、高效和柔性薄膜光伏产品的另一极具吸引力的光伏材料。

用于提高加工速度和吞吐量的方法包括：(1)提高用于制造光伏器件的不同材料和层的固有沉积率，以及(2)采用连续的而不是分批的制造过程。S.R.Ovshinsky已经率先提出了基于无定形、非晶质、微晶质、聚合晶质或合成材料生成薄膜、柔性大面积太阳能电池板所需的自动化且连续的制造技术。

用于降低来自光伏产品的能量的单位成本的第二个通用方法是提高光伏效率。如上所述，能够通过选择活性光伏材料来提高光伏效率。还能够通过光伏产品的设计来提高效率。效率不仅取决于光伏材料的特性(吸收效率、量子效率、载流子寿命和载流子移动性)，而且取决于周围的器件结构。光生电荷载流子需要从光伏材料中进行高效地提取并且递送到光伏产品的外触头从而为外负荷提供电力。为了使性能最大化，需要恢复光生载流子的最高可能的部分并且使得与将光生载流子输送到外触头相关的能量损失最小化。因此，期望使得光伏电流和电压二者都最大化。

当前的等离子体沉积型光伏材料存在的一个问题是处于沉积状态的高浓度固有缺陷的存在。固有缺陷包括在光伏材料的能带隙内形成电子状态的结构缺陷。中间间隙状态通过用作耗尽由吸收的太阳光产生的自由载流子的浓度的非辐射再结合中心而减损太阳能转换效率。由光伏材料递送的外部电流也相应地减少。

已经观察到，在无定形硅基光伏的沉积率增大时，固有缺陷的浓度增大。为了提高光伏效率，需要在现有技术中降低等离子体沉积的速度。认为降低的沉积率抑制了沉积材料中的缺陷的形成或者提供足够的时间以允许形成的缺陷均衡到更加规则的键合构造中。

本领域对由于与固有缺陷相关联的再结合过程在不损害光伏效率的情况下以高沉积率制备薄膜光伏材料的方法存在需要。实现高光伏效率所需的低沉积率限制了常规等离子体沉积过程的经济竞争力。期望的是研发出在不损害品质的情况下以高沉积率生成光伏材料、尤其是任何晶质或非晶质形式的含硅材料的新型沉积过程。

发明概述