用於製作光伏電池結構的方法

2023-11-11 16:00:32

專利名稱：用於製作光伏電池結構的方法
用於製作光伏電池結構的方法本發明涉及一種用於製作光伏電池結構的方法，該光伏電池結構具有兩個電極且 包含至少一個矽化合物層。定義
貫穿本說明書和權利要求，我們理解「矽化合物」是包含矽的材料。除了矽之外，該材料 進一步且另外包含至少一種元素。尤其是，作為示例的氫化矽以及碳化矽歸入該定義。而 且，所述矽化合物可以是易於在光伏電池結構製作中應用的任意材料結構，尤其可以是非 晶或微晶結構。由此我們理解，如果材料結構在非晶基質中包含至少10%體積的、優選地大 於35%體積的晶體，則結構是微晶。光伏太陽能轉換提供這樣的預期提供環境友好的裝置來產生電力。然而，在當前 狀態，由光伏能量轉換單元提供的電能仍明顯比由常規發電站提供的電力更加昂貴。因此， 近年來，更划算地製作光伏能量轉換單元的研發吸引了注意。在製作低成本太陽能電池的 不同方法中，薄膜矽太陽能電池組合了若干有利方面首先，薄膜矽太陽能電池可以基於諸 如等離子體增強化學汽相沉積(PECVD)之類的薄膜沉積技術來製作，且因而提供這樣的預 期與已知沉積技術協同以通過使用過去例如在其他薄膜沉積技術的領域中(諸如在顯示 器製作部門中)實現的經驗來減小製作成本。其次，薄膜矽太陽能電池可以實現高能量轉換 效率，高達10%或更高。第三，用於製作薄膜矽基太陽能電池的主要原始材料是豐富和無毒 的。在用於製作薄膜矽太陽能電池或太陽能電池結構的各種方法中，特別地，由於例 如與單體電池相比太陽能照射譜的更好利用，兩個或多個電池層疊的構思(例如也被稱為 串接構思)提供實現超過10%的能量轉換效率的預期。定義
貫穿本說明書和權利要求，我們理解，以Pin或nip配置的單體光伏電池為光伏電池的 「結構」、由以nip-nip或pin-pin配置的層疊電池組成的光伏電池的結構為具有兩個層疊 電池的串接結構。因此，被組合為形成串接、三層或甚至更高級數的光伏電池結構的單體電池確實 全都包含本徵矽化合物層，尤其是本徵氫化矽層。定義
我們理解，「本徵矽化合物材料」是中性摻雜(g卩，其中負摻雜被正摻雜補償或反之亦 然)的矽化合物或者是沉積時未摻雜的這種矽化合物。所述本徵矽化合物層可以是非晶結構或微晶結構。如果電池的這種本徵層是非晶 的，則電池被稱為非晶型a-Si，如果電池的i_層是微晶結構，則電池被稱為微晶型μ c-Si。 在串接和更高級數的電池結構中，所有的電池可以是a-Si或yc-Si。通常，串接或更高級 數的電池結構提供混合型(a-Si和μ c-Si)的電池，以在光伏電池結構中利用兩種電池類 型的優點。薄膜光伏電池結構包括第一電極、p-i-n或n-i-p結構中的一個或多個層疊的單 體電池以及第二電極。電極是為從電池結構導出(tap off)電流所必須的。
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圖1示出基本的簡單光伏單體電池40。它包含例如玻璃的透明基板41，透明導電 氧化物(TCO)層42沉積在其上且充當電極之一。該層在本領域中也稱為「前接觸」FC。接 下來是電池43的有源層。所例證的電池43在於與TCO相鄰的正摻雜的層44的p-i-n結 構。後續層45是本徵的且最後的層46是負摻雜的。在備選實施例中，描述的層序列p-i-n 可以反轉為n-i-p。然後層44被η-摻雜且層46被ρ摻雜。最後，電池結構包含也稱為「後接觸」BC的背接觸層47，其可以由氧化鋅、氧化錫 或ITO製成且通常設置有反射層48。備選地，背接觸可以由金屬材料實現，該金屬材料可以 組合背反射器48和後接觸47的物理屬性。圖1中，用於說明目的，箭頭指示入射光。對於串接光伏電池結構，在本領域中已知將對較短波長譜敏感的a-Si單體電池 與利用太陽能譜的較長波長的μ c-Si電池組合。然而，像a-Si/a-Si或μ c-Si/μ c_Si或 其他的組合可以用於光伏和尤其是太陽能電池結構。用於說明目的，圖2示出光伏串接電 池結構。和圖1的電池一樣，它包含基板41以及作為第一電極的透明導電氧化物TCO層44， 該層如所述的那樣也被稱為前接觸FC或前電極。電池結構還包含例如氫化矽43的第一電 池，其後者包含三層44、45和46，像圖1的實施例中所述的層。還提供作為第二電極的背接 觸層47以及反射層48。根據圖2且如至今描述的結構的屬性和需求已經結合圖1的上下 文予以描述。該電池結構還包含例如氫化矽51的第二電池。後者包含三層52、53、M，它們 分別是正摻雜、本徵和負摻雜層且形成第二電池的P-i-n結構。如圖2所示，電池51可以 位於前接觸層42和電池43之間，但是備選地，兩個電池43和51可以關於它們的順序被反 轉，得到層和電池結構42、43、51、47。再次用於說目的，箭頭指示入射光。從入射光的方向 考慮，一般提到「頂電池」(更靠近入射光)和「底電池」。在圖2的示例中，電池51因而是 頂電池且電池53是底電池。在這種串接電池結構中，通常電池43和51均是a-si型的或 者電池51是a-Si型而電池43是μ c-Si型的。對於工業製作如上所述和例證的光伏電池結構，重複性是重要的先決條件。大量 的不同層必需一層一層地層疊。由此，針對沉積一層而建立的處理環境可能明顯不同於針 對沉積下一隨後層的處理環境。在一個沉積室中執行，這使在沉積第一所述層之後和在傳 到沉積下一隨後層之前處理環境的耗時的重新調節是必需的。因此，通常優選地在一個層 沉積室中執行第一層的沉積，且將沉積了所述層的產品傳輸到另一室以用於沉積下一層， 從而去除了相同室中重新調節工藝環境的必要性。由此，這種傳輸通常在環境空氣中執行。 這明顯簡化了整體製作廠，且改善了建立各個沉積裝置的相互協作的靈活性。而且，必須考慮，在製作光伏電池結構的過程中，可能希望在應用另一覆蓋基板或 塗層之前中間地保存具有未覆蓋矽化合物層的電池結構的中間產品。當例如基於與應用於 製作中間產品的所有處理完全不同的工藝來應用附加覆蓋時，可能出現這種需要或希望。 因而，在整體製作中可能希望將具有無覆蓋矽化合物層的中間產品長時間地暴露於環境空 氣。對環境空氣的任何暴露導致主要通過氧化效應影響產品的仍未覆蓋的表面。因 此，在整體製作工藝中執行對環境空氣的暴露，在那裡這種氧化效應至少對光伏電池結構 的所得的光伏特性無害，或者甚至在那裡，環境空氣暴露的這種效應改善光伏電池結構特 性。因而，可以說，結構製作期間層表面的環境空氣暴露通常是希望的。例如，從J. Loeffler 等人的 「Amorphous and micromorph silicon tandem cells with high open-circuitvoltage」，Solar Energy Materials and Solar Cells 87(2005)251-259 已知在沉積光伏 電池結構的寬能隙i_層和沉積μ c-Si η層之間引入第一空氣間隔，且在沉積所述μ C-Si η層和沉積μ c-Si ρ層之間引入第二空氣間隔。考慮到環境空氣暴露對暴露的層表面的影響，必需考慮這種影響極大地依賴於佔 優勢的環境空氣條件。因而，與在具有精確控制的處理環境的沉積室中執行的處理步驟相 對照，這種暴露呈現了不可控的處理步驟。在整體製作序列引入不可控的處理步驟(即對環 境空氣的所述暴露)對光伏電池結構的重複性造成不利影響。本發明的目的是彌補所述缺
點ο這通過製作一種光伏電池結構的方法實現，該光伏電池結構具有兩個電極且包含 至少一個矽化合物層，該方法包含
在對於所述一個矽化物層的載體結構上沉積所述矽化合物層，導致矽化合物層的 一個表面擱置在載體結構上，且矽化合物層的第二表面不被覆蓋，
在預定含氧氛圍中處理矽化合物層的第二表面，由此使得所述矽化合物層的所述 第二表面富集氧，以及
將所述富集的第二表面暴露於環境空氣。通過在預定含氧氛圍中處理矽化合物層的所述未覆蓋表面，針對所述表面建立了 良好控制的工藝步驟，其使得所述表面基本對後序環境空氣暴露免疫或者如果這種環境空 氣暴露在所述處理之前應用則「壓倒」環境空氣暴露的影響。例如，通過將覆蓋的基板從沉積室卸載到環境空氣，基板通常仍處於明顯高於環 境或室溫的溫度。依賴於佔優勢的環境空氣條件，在矽層的未覆蓋表面上發生不可預測的 氧化效應。這種氧化效應依賴於諸如氣壓、溫度或空氣溼度、暴露時間之類的不同環境空氣 條件，尤其是氣壓、溫度和溼度是不可控的。所述效應還依賴於佔優勢的基板溫度。如果根 據本發明，含氧氛圍中的處理步驟優選地在執行將表面暴露於環境空氣的步驟之前以良好 預定和控制的方式執行，則發現環境空氣暴露的剩餘影響可以減小到可忽略。而且，在良好控制的條件下，在建立所述工藝之前的環境空氣暴露的影響通常可 以通過控制的暴露步驟被重寫而變得可忽略。因而，通過根據本發明的方法，通過調節處理參數精確控制新處理工件的氧化，使 得不管相應表面是否暴露於環境空氣，產生用於工業生產的重複性結果。由此，應當考慮，通過根據本發明引入所述處理步驟，在光伏電池結構的工業製作 期間靈活地利用環境空氣暴露變得可能。在根據本發明的方法的一個實施例中，通過在預定時間期間將第二表面暴露於包 含氧的預定氣體氛圍，執行所述處理。在另一實施例中，所述氣體氛圍保持在高於環境壓力 的壓力。而且，在一個實施例中，在預定時間期間第二表面暴露於的氣體氛圍保持在高於環 境溫度的溫度。仍在根據本發明的方法的又一實施例中，通過將第二表面暴露於包含氧的預定氣 流達預定時間，執行所述處理。仍在根據本發明的方法的又一實施例中，通過將表面暴露於使用含氧自由基的熱 催化工藝達預定時間量，執行所述處理。仍在根據本發明的方法的又一實施例中，其中第二表面暴露於包含氧的預定氣體氛圍，且在預定時間期間，所述氣體通過等離子體放電激勵。由此且在另一實施例中，在包 含(X)2的氛圍氣體中建立所述等離子體放電。仍在根據本發明的方法的又一實施例中，含氧氛圍處於真空壓力。仍在根據本發明的方法的又一實施例中，第二表面的所述處理通過溼法處理來執 行。仍在根據本發明的方法的又一實施例中，在第二表面暴露於環境空氣之後在第二 表面上沉積另一層。由此，在一個實施例中，這種另一層是矽化合物。通過本發明，不管在結構的製作期間是否存在環境空氣氛圍暴露，可以明顯改善 光伏電池結構製作的重複性。現在將進一步例證本發明及其實施例。由此，描述用於在預定含氧氛圍中處理矽 化合物的未覆蓋第二表面的不同方法。在下文中，具有未覆蓋的一個矽化合物層的載體結構將被稱為「工件」。a)在提升的溫度下和在環境壓力下在含氧氛圍中氧化
工件在環境壓力暴露於含氧的氛圍，比如例如，空氣、純氧、氮氣/氧氣氣體混合物、H2O 或者包含其他有機物或含氧化合物的氣體混合物。溫度保持在50°C和300°C之間，由此優 選地在100°C和200°C之間。暴露的持續時間在1小時和10小時之間。處理工件的暴露可 以確定為暴露時間(分鐘)和溫度(攝氏度)的乘積。我們將其稱為「暴露率」的該值基本上 必須保持在5000和30，000之間。如果在暴露時間期間溫度變化，則可以通過溫度進程的時間積分來計算暴露率。如果而且壓力相對於環境壓力降低或升高，則作為一般的規則，可以說，對於每 10%的壓力增加或者壓力減小，與針對原先設定的壓力(例如，環境壓力)計算的暴露率相 比，暴露率分別增加或減小10%。因而，可以說，針對環境壓力計算的暴露率將與壓力偏離於 這種環境壓力的變化成比例地變化。b)氣流處理
執行所述工件的處理另一可能方法是通過熱氧化氣流。這可以通過將工件暴露於加熱 的氣流實現，這例如通過向例如烤箱中的工件的待處理表面上或沿著該表面引導諸如空氣 的熱氧化氣體的風扇實現。C)暴露於氧自由基
根據本發明執行工件的處理的另一可能性是將工件暴露於一氛圍，該氛圍中，含氧自 由基的形成通過在如在所謂的熱線反應器中使用的熱催化沉積系統中的設置中添加如本 領域技術人員已知的含氧自由基源(例如催化劑)的源來增強。此處包含有機物或含氧化合 物的氣體混合物在催化劑的表面上和/或通過在氣相中的二次反應來催化分解。d)暴露於具有等離子放電的氛圍
執行矽化合物層的第二表面即工件的所述處理的另一可能性是在處理室內產生等離 子體放電，由此在所述室內建立包含充當氧自由基的源的氣體或氣體混合物(例如02、CO2, H2O或包含其他有機物或含氧化合物的氣體混合物)的氛圍。等離子體放電可以實現為例 如Rf-、Hf-、VHF-、DC-放電，由此例如通過微波放電。這種處理步驟可以直接跟在可能在 相同處理室中的最後層沉積步驟之後。在這種等離子體處理期間的壓力可以處於0. 01和 100 mbar之間的範圍內，優選地設置在0.3 mbar和1 mbar之間的值。等離子體的功率密度優選地選擇為5和2500 mff/cm2 (相對於電極表面)之間，且優選地選擇為15和100 mff/ cm2之間。而且，優點是在與用於沉積其表面被處理的該矽化合物層的相同溫度下操作工 件。由此可以避免加熱或冷卻循環。用於這種基於等離子體處理的處理時間可以在2秒和 600秒之間變化，且優選地調整為持續2和15秒之間。在這種處理的一個示例中，工件保 留在處理室中，其中沉積了最後的矽化合物層。在這種層沉積之後，CO2氣體流到室內。發 現，每分鐘且每平方米電極面積0. 05至50標準升的流量、由此優選地每分鐘且每平方米電 極面積0. 1至5標準升的流量是用於所述處理的良好選擇。在含(X)2的氣體氛圍中點燃和 產生的等離子體從二氧化碳釋放氧，這基本上產生一氧化碳和氧自由基。氧自由基與待處 理的矽化合物表面相互作用。建立2秒和2分鐘之間的等離子體處理的短持續時間，甚至 2秒和30秒之間的更短持續時間。等離子體能量被設置在15和100 mff/cm2電極表面之間 的水平，由此優選地處於25和50 mff/cm2之間的水平。因為通過等離子體激勵的含氧氣體氛圍實現處理步驟，導致短的處理時間且可以 應用在與沉積最後矽化合物層(其表面稍後暴露於環境空氣)相同的處理室內，所以這種實 現所述處理至少在當今是優選的。一般而言，應當注意，對於環境空氣的較長的持續暴露且鑑於產出率或者整體處 理，可以根據本發明利用持續較長的處理步驟來處理工件，且如果僅建立對環境空氣的短 時間暴露，則這種處理被選擇為僅持續短時間，比如例如，含氧氛圍中的等離子體輔助處理。e)溼法處理
還可以通過溼法處理步驟執行工件的所述處理。由此，工件例如通過在充滿液體的容 器中對工件的沉浸或者浸蘸操作(這導致表面氧化)而暴露於這種溼法處理，導致表面氧 化。這可以例如通過水池、包含過氧化氫的溶液、有機溶劑或酒精或其他有機或含氧化合物 的溶液中的池子來實現。這種溼法處理的持續時間依賴於液體的成分及其溫度。例如，在 溫度為60°C的去離子水中，相應的處理持續2和60分鐘之間，通常5和30分鐘之間。通過本發明，可以通過以精確控制的方式在含氧氛圍中處理矽化合物表面來防止 這種表面暴露於環境空氣的不可控影響，不管該含氧氛圍是液體還是氣體。
權利要求
1.一種用於製作光伏電池結構的方法，該光伏電池結構具有兩個電極且包含至少一個 矽化合物層，該方法包含 在對於所述一個矽化物層的載體結構上沉積所述矽化合物層，導致所述矽化合物 層的一個表面擱置在所述載體結構上，所述矽化合物層的第二表面不被覆蓋， 在預定含氧氛圍中處理所述矽化合物層的第二表面，由此使得所述矽化合物層的 所述第二表面富集氧， 將所述富集的第二表面暴露於環境空氣。
2.根據權利要求1所述的方法，其中通過在預定時間期間將所述第二表面暴露於包含 氧的預定氣體氛圍來執行所述處理。
3.根據權利要求2所述的方法，其中所述氣體氛圍處於高於環境壓力的壓力。
4.根據權利要求2或3所述的方法，其中所述氣體氛圍處於高於環境溫度的溫度。
5.根據權利要求1所述的方法，其中通過將所述第二表面暴露於包含氧的預定氣流達 預定時間來執行所述處理。
6.根據權利要求1所述的方法，其中通過將所述表面暴露於使用含氧自由基的熱催化 工藝達預定時間量來執行所述處理。
7.根據權利要求2所述的方法，由此通過等離子體放電激勵所述氛圍的氣體。
8.根據權利要求7所述的方法，所述氛圍的所述氣體包含C02。
9.根據權利要求2、4至7中任一項所述的方法，所述氛圍處於真空壓力。
10.根據權利要求1所述的方法，所述處理是溼法處理。
11.根據權利要求1至9中任一項所述的方法，還包含在所述暴露於環境之後在所述第 二表面上沉積另一層。
12.根據權利要求11所述的方法，所述另一層是矽化合物。
全文摘要
在光伏電池製作的框架中，在載體結構上沉積矽化合物層。一方面通過結合這種矽化合物層的環境空氣暴露來增加製作靈活性，且另一方面通過使得待暴露於環境空氣的所述矽化合物層的表面富集氧而防止這種環境空氣暴露導致的重複性的惡化。
文檔編號H01L31/18GK102113138SQ200980130406
公開日2011年6月29日 申請日期2009年7月27日 優先權日2008年8月1日
發明者邁爾 J., 庫皮希 M., 貝納格利 S., 羅舍克 T. 申請人:歐瑞康太陽Ip股份公司(特呂巴赫)