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Nip-nip薄膜光伏結構的製作方法

2023-05-29 07:26:31

專利名稱:Nip-nip薄膜光伏結構的製作方法
技術領域:
本發明的實施例大體上涉及一種光伏結構以及形成該光伏結構的方法與設備。更 具體地,本發明的實施例涉及一種薄膜多結光伏結構以及形成該光伏結構的方法與設備。
背景技術:
光伏(PV)結構是使太陽光轉化為直流(DC)電功率的器件。PV結構可以是每個結 都具有P摻雜區、本徵區和η摻雜區的單結或者多結。在單結PV結構中,只有能量等於或大於電池材料的帶隙的光子被吸收並轉化為 電能。低能量的光子不被利用;因此單結電池相對地效率較低。由於存在更多的PIN結來 吸收光子,多結電池更有效率。通常的薄膜多結PV結構為PIN-PIN。在PIN-PIN製造工藝中,通常沉積有源吸收 矽層到玻璃基板上。因此,PIN-PIN PV結構製造通過雷射劃片(Iaserscribing)技術實現 了在單個PV模塊中的各個單獨電池的簡化、製造和互連。然而,在某些行業中,鋼化玻璃(tempered glass)的上表面(面對太陽的表面) 通常優選用於PV面板的保護。由於PIN-PIN工藝要求基板材料作為暴露於太陽的表面,這 增加了 PIN-PIN PV結構製造的複雜度和成本,並且製造鋼化玻璃使其達到薄膜沉積工藝所 需的平整度水平是非常困難的。另外,不能在回火工藝(tempering process)之後切割鋼 化玻璃,這妨礙了製造大的PV面板以及隨後將這些面板切割成特定用途所需的較小尺寸。 因此,如果需要PIN-PIN PV面板的鋼化玻璃保護,則必須在沉積工藝之後將鋼化玻璃片加 到基板的表面。此外,PIN-PIN工藝需要高純度(低鐵)玻璃基板的使用,這是因為基板必須允許 太陽光譜的所有波長(特別是短波長)的高透過,以儘可能地提高多結PV結構的效率。因此,存在對改進的薄膜多結PV結構以及在製造廠環境中形成該PV結構的方法 與設備的需求。

發明內容
本發明大體上包括薄膜多結PV結構以及形成該PV結構的方法與設備。特別地, 本發明包括改進的NIP-NIP結構以及形成該NIP-NIP結構的方法與設備。在一實施例中,一種形成薄膜多結光伏結構的方法包括選擇半透明或透明基板, 在所述基板上方形成第一透明導電氧化物層,在所述第一透明導電氧化物層上方形成第一 NIP結,在所述第一 NIP結上方形成第二 NIP結,在所述第二 NIP結上方形成第二透明導電 氧化物層,在所述第二透明導電氧化物層上方施加頂部封裝層,以及在所述基板下方形成 反射層。形成所述第一 NIP結包括形成η型矽層,在所述η型矽層上方形成本徵型微晶矽 層,以及在所述本徵型微晶矽層上方形成P型矽層。形成所述第二 NIP結包括形成η型矽 層,在所述η型矽層上方形成本徵型非晶矽層,以及在所述本徵型非晶矽層上方形成ρ型矽 層。
在一實施例中,一種薄膜多結光伏結構包括半透明或透明基板,形成在所述基板 上方的第一透明導電氧化物層,形成在所述第一透明導電氧化物層上方的第一 NIP結,形 成在所述第一 NIP結上方的第二 NIP結,形成在所述第二 NIP結上方的第二透明導電氧化 物層,在所述第二透明導電氧化物層上方施加的頂部封裝層,以及形成在所述基板下方的 反射層。所述第一 NIP結包括m型矽層,形成在所述η型矽層上方的本徵型微晶矽層,以 及形成在所述本徵型微晶矽層上方的P型矽層。所述第二 NIP結包括η型矽層,形成在所 述η型矽層上方的本徵型非晶矽層,以及形成在所述本徵型非晶矽層上方的ρ型矽層。在一實施例中,一種形成薄膜多結光伏結構的方法包括選擇半透明或透明基板, 在所述基板上方形成第一透明導電氧化物層,進行透過所述基板的第一雷射劃片處理,其 中所述第一透明導電氧化物層的窄條被融化,在所述第一透明導電氧化物層上方形成第一 NIP結,在所述第一NIP結上方形成第二NIP結,進行透過所述基板的第二雷射劃片處理,其 中所述第一和第二 NIP結的第一窄條被融化,在所述第二 NIP結上方形成第二透明導電氧 化物層,進行透過所述基板的第三雷射劃片處理,其中所述第一和第二 NIP結的第二窄條 被融化,覆蓋所述第一和第二 NIP結的第二窄條的第二透明導電氧化物層的窄條被移除, 在所述第二透明導電氧化物層上方施加頂部封裝層,以及在所述基板下方形成反射層。形 成所述第一 NIP結包括形成η型矽層,在所述η型矽層上方形成本徵型微晶矽層,以及在 所述本徵型微晶矽層上方形成P型矽層。形成所述第二NIP結包括形成η型矽層,在所述 η型矽層上方形成本徵型非晶矽層,以及在所述本徵型非晶矽層上方形成P型矽層。在一實施例中,一種用於形成薄膜多結光伏結構的設備包括形成第一NIP結的 第一系統,以及在所述第一 NIP結上方形成第二 NIP結的第二系統。所述第一系統包括沉 積η型矽層的η-腔室以及沉積ρ型矽層的ρ-腔室。所述第二系統包括沉積η型矽層的 η-腔室以及沉積ρ型矽層的P-腔室。在一實施例中,一種用於形成薄膜多結光伏結構的設備包括形成第一 NIP結的 第一系統,以及在所述第一 NIP結上方形成第二 NIP結的第二系統。所述第一系統包括沉 積η型矽層、本徵型微晶矽層和ρ型矽層的腔室。所述第二系統包括沉積η型矽層、本徵型 非晶矽層和P型矽層的腔室。


參看其中的一些在附圖中示出的實施例,可獲得能夠具體地理解本發明的上述特 徵的方式、即對上文所簡要概括的本發明的更具體的描述。然而應當注意到,附圖僅示出了 本發明的典型實施例,由於本發明還允許其它等同效果的實施例,因此附圖並不被認為是 對發明範圍的限制。圖1是朝向光或太陽輻射的多結PV結構的特定實施例的示意圖。圖2是還包括η型非晶矽緩衝層的圖1的多結PV結構的示意圖。圖3是還包括ρ型微晶矽接觸層的圖1的多結PV結構的示意圖。圖4是等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)腔室的一實施例的簡要截面圖,在該 PECVD腔室中可以沉積PV結構的一或多層薄膜。圖5是具有多個處理腔室的處理系統的一實施例的簡要俯視圖。
具體實施例方式
本發明大體上包括薄膜多結PV結構以及形成該PV結構的方法與設備。具體地,本發明包括改進的NIP-NIP結構以及形成該NIP-NIP結構的方法與設備。
NIP-NIP結構涉及比PIN-PIN結構困難的製造工藝,然而NIP-NIP結構具有以更高 的沉積速率實現更高的轉換效率的可能性,實現了比PIN-PIN結構低的每瓦特成本。在現有的NIP-NIP PV製造中,利用金屬基板或塗覆金屬的基板來形成背電接觸和 提供提高PV模塊的光俘獲效率所需的背反射面。在該金屬面上沉積有源吸收矽層,這造成 了在不損害電池性能的前提下,將面板分成互連的多個電池的困難。本發明的某些實施例是NIP-NIP PV結構,這些實施例能夠在不損害電池性能的前 提下,利用更簡單的PIN-PIN雷射劃片製造工藝來將結構分為互連的多個電池。這是通過 分離背電接觸和背反射層的功能來實現。在本發明的實施例中,背接觸功能由透明導電氧化物(TCO)層提供,該TCO層在 PIN-PIN器件結構中執行前接觸(front contact)TCO層的功能。背反射功能由單獨的反射 塗層提供,在執行雷射劃片工藝之後塗覆該塗層到基板。圖1是朝向光或太陽輻射101的多結PV結構100的實施例的示意圖。PV結構100 包括半透明或透明基板102,例如玻璃基板、聚合物基板或其它合適的基板,在基板上方形 成了一些薄膜。在本實施例中,基板102可以是比相應的PIN-PIN結構所需的基板純度低、 價格便宜的基板,例如標準的廉價玻璃基板。這是因為在NIP-NIP結構中,光並不通過基板 102進入器件,於是太陽光譜的較短波長的光沒有必要透過基板102。與此相反,光必須通 過玻璃基板進入PIN-PIN結構;因此基板必須是高純度、低鐵的玻璃,以讓太陽光譜的較短 波長的光能夠透過。PV結構100還包括形成在基板102上方的第一透明導電氧化物(TCO)層110、形成 在第一 TCO層110上方的第一 NIP結120、形成在第一 NIP結120上方的第二 NIP結130、 形成在第二 NIP結130上方的第二 TCO層140、形成在第二 TCO層140上方的頂部封裝層 (top encapsulation layer) 150以及在與第一 TCO層110相對的一側形成在基板102下方 的反射層160。頂部封裝層150可以包括諸如聚乙烯醇縮丁醛(PVB)的光學聚合樹脂。另外,可 以在切割PV結構100為適當的尺寸之前或之後,附加保護層170至頂部封裝層150。保護 層170可以是高純度、低鐵的玻璃,如果需要可以是鋼化玻璃。反射層160可以包括Al、Ag、Ti、Cr、Au、Cu、Pt及其合金或其組合。或者,反射層 160可以包括諸如白色或銀色反射塗層的其它反射材料。此外,保護塗層180可以形成在反 射層160下方。第一 TCO層110和第二 TCO層140各自都可以包括氧化錫、氧化鋅、氧化銦鋅、錫 酸鎘及其組合或者其它合適材料。TCO材料還可以包括額外的摻雜物或成份。例如,氧化鋅 可以另外包括諸如鋁、鎵、硼的摻雜物以及其它合適的摻雜物。氧化鋅優選包含5%或更低 的摻雜原子百分比,更優選包含2. 5%或更低的鋁原子百分比。此外,在特定實例中,可由玻 璃製造商提供已經含有了第一 TCO層110的基板102。第一 NIP結120可以包括形成在第一 TCO層110上方的η型微晶或非晶矽層122、 形成在η型微晶或非晶矽層122上方的本徵型微晶矽層124以及形成在本徵型微晶矽層124上方的ρ型微晶或非晶矽層126。在一些特定實施例中,可以形成η型微晶或非晶矽層 122的厚度為約100 A至約400 Α。在一些特定實施例中,可以形成本徵型微晶矽層124的厚 度為約10,000 A至約30,000 Α。在一些特定實施例中,可以形成P型微晶或非晶矽層126的 厚度為約100 A至約400 Ao
第二 NIP結130可以包括形成在ρ型微晶或非晶矽層126上方的η型微晶或非晶 矽層132、形成在η型微晶或非晶矽層132上方的本徵型非晶矽層134以及形成在本徵型 非晶矽層134上方的ρ型非晶矽層136。在一些特定實施例中,可以形成η型微晶或非晶 矽層132的厚度為約100 A至約400 Α。在一些特定實施例中,可以形成本徵型非晶矽層134 的厚度為約1,500 A至約3,500 Α。在一些特定實施例中,可以形成P型非晶矽層的厚度為 約60 A至約300 Α。太陽輻射101被NIP結130、120的本徵層吸收並轉化為電子-空穴對。在P型層 與η型層之間產生的、跨越本徵層延展的電場使電子流向η型層並使空穴流向ρ型層,從而 產生電流。第二 NIP結130包括本徵型非晶矽層134,第一 NIP結120包括本徵型微晶矽層 124。由於非晶矽具有比微晶矽大的帶隙,所以將這些本徵層堆疊為使得太陽輻射101首先 照到本徵型非晶矽層134,隨後照到本徵型微晶矽層124。沒有被第二 NIP結130吸收的太 陽輻射繼續照到第一 NIP結120上。因此,由於多結PV結構俘獲了更多的太陽輻射光譜, 所以多結PV結構100比相應的單結更有效率。為了改善光的吸收,可以在沉積反射層160到基板102上之前,在與反射層160相 鄰的側面上,通過溼法、等離子體、離子和/或機械處理來粗糙化基板102。為了進一步改善 光的吸收,還可以粗糙化第二 TCO層140的與第二 NIP結130相對的側面。一方面,多結PV電池10不需要在第二 NIP結130與第一 NIP結120之間的額外 的導電隧道,這是因為第二 NIP結130的η型微晶矽層132與第一 NIP結120的ρ型微晶 矽層126具有足夠的導電性來提供隧道結,以允許電子從第二 NIP結130流至第一 NIP結 120。此外,第二 NIP結130的非晶矽層更加耐氧的腐蝕,例如空氣中的氧氣,所以可以 提供提高的電池效率。氧可以腐蝕矽膜並形成雜質,這降低了薄膜讓電子/空穴傳輸通過 的能力。然而,由於在製造時微晶層形成在非晶矽層下面,所以可以提供改善了的晶界控 制,從而可以提高氧汙染的控制。另外,由於在高沉積速率下可以生產出高質量的微晶膜從而降低成本,因此在微 晶膜的沉積期間需要高的射頻(RF)功率。然而,如果在多層矽沉積順序中在錯誤的時間出 現過熱,則高功率可能導致基板溫度過高並降低PV結構的能量轉換效率。本發明的實施例 允許給生長厚微晶矽層的沉積工藝施加高功率,而不會造成在本徵微晶矽層124之後沉積 的關鍵的硼摻雜(P型)層的過熱。圖2是還包括η型非晶矽緩衝層133的圖1的多結PV電池100的示意圖,η型非 晶矽緩衝層133形成在η型微晶矽層132和本徵型非晶矽層134之間。在一些特定實施例 中,可以形成η型非晶矽緩衝層133的厚度為約10 A至約200 Α。η型非晶矽緩衝層133可 以幫助減輕出現在本徵型非晶矽層134與η型微晶矽層132之間的帶隙偏移。因此,由於 增強的電流收集,可以改善電池效率。圖3是還包括ρ型微晶矽接觸層138的圖1的多結PV電池100的示意圖,ρ型微晶矽接觸層138形成在第二 TCO層140與ρ型非晶矽層136之間。在一些特定實施例中, 可以形成P型微晶矽接觸層138的厚度為60 A至約300 Ao P型微晶矽接觸層138可以幫 助實現與TCO層的低阻接觸。因此,由於提高了本徵型非晶矽層134與第二 TCO層140之 間的電流,可以改善電池效率。另外,圖3的多結PV電池100還可包括如圖2中所描述的 形成在本徵型非晶矽層134與η型微晶半導體層132之間的η型非晶矽緩衝層133。在本發明的實施例中,可以利用與用於產生和互連多結PIN電池的技術類似的激 光劃片技術,以在單個PV模塊中產生和互連各個單獨的多結NIP電池。此外,與沉積到金 屬基板上的現有技術的NIP結構不同,在本發明的實施例中,由於本發明的實施例分離了 背電接觸(110)和背反射層(160)的功能,所以可以在沉積反射層160之前,透過基板102 進行雷射劃片。如圖1-3中所示出,首先沉積第一 TCO層110到基板102上。然後,在形成第一溝糟Pl期間,可用例如約1064nm的長波長雷射透過基板102融化TCO層110。然後,沉積第 一 NIP結120,在第一 NIP結120沉積之後沉積第二 NIP結130。然後,可用例如約532nm 的短波長雷射透過基板P2形成第二溝糟P2。然後沉積第二 TCO層140。隨後,用例如約 532nm的短波長雷射形成第三溝糟P3。圖4是等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)腔室400的一實施例的示意截面圖, 在該PECVD腔室中可以沉積諸如圖1-3中所示的PV結構100的PV電池的一或多層膜。一 種合適的等離子體增強化學氣相沉積腔室可從位於加州聖塔克拉拉市的應用材料公司獲 得。應當理解,可以利用其它沉積腔室、包括來自其它製造商的沉積腔室來實施本發明。腔室400 —般包括室壁402、底部404、噴頭410和基板支撐件430,這些累積地限 定了工藝容積406。通過閥門408可以進入工藝容積,從而運送諸如基板102的基板進出腔 室400。基板支撐件430包括用於支撐基板的基板接收面432和連接到舉升系統436以上 升和下降基板支撐件430的導杆434。可選用地,遮蔽件433位於基板102邊緣的上方。舉 升銷438可移動地穿過基板支撐件430設置以將基板移向以及移離基板接收面432。基板 支撐件430還可包括加熱和/或冷卻部件439以使基板支撐件430保持在所需溫度。基板 支撐件430還可包括接地裝置431以提供在基板支撐件430邊緣的RF接地。接地裝置的 例子在2000年2月15日授權給Law等人的美國專利6,024,044以及2006年12月20日 遞交的Park等人的美國專利申請11/613,934中公開,在與本公開一致的程度上援引這兩 份專利的全部內容作為參考。由懸架414在噴頭410的邊緣將噴頭410連接到背板412。噴頭410還可由一或 多個中央支撐體416連接到背板以幫助防止噴頭410的下凹和/或控制噴頭410的直度/ 曲度。氣源420連接到背板412,以通過背板412和通過噴頭410提供氣體至基板接收面 432。真空泵409連接到腔室400,以將工藝容積406控制在所需的壓力。RF功率源422連 接到背板412和/或噴頭410,以提供RF功率給噴頭410,由此在噴頭和基板支撐件之間 產生電場,從而在噴頭410和基板支撐件430之間由氣體生成等離子體。可以利用多種RF 頻率,例如約0. 3MHz至約200MHz的頻率。在一實施例中,以13. 56MHz的頻率提供RF功率 源。噴頭的例子在以下專利文件中公開2002年11月12日授權給White等人的美國專利 6,477,980、2006年11月17日公開的Choi等人的美國專利公開2005/0251990以及2006 年3月23日公開的Keller等人的美國專利公開2006/0060138,在與本公開一致的程度上援弓I這些專利的全部內容作為參考。還可在氣源與背板之間連接遠程等離子體源424,例如電感耦合遠程等離子體源。在處理基板之間,可將清潔氣體提供給遠程等離子體源424,以生成遠程等離子體並用該遠 程等離子體來清潔腔室部件。還可由提供給噴頭的RF功率源422來激發清潔氣體。適合 的清潔氣體包括NF3、F2和SF6,但並不限制於這些氣體。遠程等離子體源的例子在1998年 8月4日授權給Shang等人的美國專利5,788,778中公開,在與本公開一致的程度上援引該 專利作為參看。用於一或多層矽層、例如圖1-3中的PV結構的一或多層矽層的沉積方法可以包括 在圖4的處理腔室或其它合適腔室中的如下沉積參數。將具有10,OOOcm2或10,OOOcm2以 上、優選具有40,OOOcm2或40,OOOcm2以上、更優選具有55,OOOcm2或55,OOOcm2以上表面積 的基板提供至腔室。在處理之後,切割基板以形成較小的PV電池。在一實施例中,可將加熱和/或冷卻部件439設定為在沉積時提供約400°C或更低 的基板支撐件溫度,最好是提供約100°C至約300°C的溫度,例如約200°C的溫度。在沉積時,放置在基板接收面432上的基板的上表面與噴頭410之間的距離可以 在約400mils與約1,200mils之間,最好是在約400mils與約800mils之間。提供矽基氣體和氫基氣體用於矽膜的沉積。適合的矽基氣體包括矽烷(SiH4)、乙 矽烷(Si2H6)、四氟化矽(SiF4)、四氯化矽(SiCl4)、二氯甲矽烷(SiH2Cl2)及其組合,但不限 制於這些氣體。適合的氫基氣體包括氫氣(H2),但不限制於該氣體。ρ型矽層的ρ型摻雜 物包括III族元素,例如硼或鋁。最好是用硼作為P型摻雜物。含硼源的例子包括三甲基 硼(TMB或B (CH3) 3)、乙硼烷(B2H6)、BF3、B (C2H5) 3以及類似的化合物。最好是用TMB作為ρ 型摻雜物。η型矽層的η型摻雜物包括V族元素,例如磷、砷或銻。最好是用磷作為η型摻 雜物。含磷源的例子包括磷化氫以及類似的化合物。通常與諸如氬、氦和其它適合的化合 物的載氣、或者一些氫基氣體一起來提供摻雜物。在本文所公開的處理方式中,提供了氫氣 的總流速。因此,若與摻雜物一起來提供氫氣,則單獨將其餘的氫氣提供給腔室。沉積諸如圖1-3的矽層122的η型微晶矽層的特定實施例包括按約100 1或更 高的比例提供氫氣與矽烷的氣體混合物。可以按約0. lsccm/L至約0. 8sccm/L的流速提供 矽烷。可以按約30sccm/L至約250sccm/L的流速提供氫氣。可以按約0. 0005sccm/L至約 0. 004sccm/L的流速提供磷化氫。即,若按在載氣中0. 5%的摩爾或體積濃度提供磷化氫, 則按約0. lsccm/L至約0. 8sccm/L的流速提供摻雜物/載氣混合物。本公開中的流速表示 為每腔室內容積的seem。腔室內容積被限定為氣體可以佔據的腔室內部的容積。例如,腔 室400的腔室內容積為由背板412與腔室的室壁402和底部404所限定的容積減去被噴頭 組件(即,包括噴頭410、懸架414、中央支撐體415)和基板支撐組件(即,基板支撐件430、 接地裝置431)所佔據的容積。可提供給噴頭約lOOmW/cm2至約900mW/cm2的RF功率。腔 室的壓力可以保持在約ITorr與約IOOTorr之間,優選在約3Torr與約20Torr之間,更優 選在約4Τοπ·與約12T0rr之間。η型微晶矽層的沉積速率為約50 A/min或更高。η型微 晶矽層具有約20%至約80%的結晶率,最好為約50%至約70%。沉積諸如圖1-3的矽層122的η型非晶矽層的特定實施例包括按約20 1或更低 的比例提供氫氣與矽氣體。可以按約lsccm/L至約lOsccm/L的流速提供矽烷。可以按約 4sccm/L至約50sccm/L的流速提供氫氣。可以按約0. 0005sccm/L至約0. 0075sccm/L的流速提供磷化氫。即,若按在載氣中0. 5%的摩爾或體積濃度提供磷化氫,則按約0. lsccm/L 至約1. 5sccm/L的流速提供摻雜物/載氣混合物。可提供給噴頭約15mW/cm2至約250mW/ cm2的RF功率。腔室的壓力可以保持在約0. ITorr與約20Torr之間,最好在約0. 5Torr與 約4T0rr之間。η型非晶矽層的沉積速率為約200 A/min或更高。
沉積諸如圖1-3的矽層124的本徵型微晶矽層的特定實施例包括按為1 20至 1 200的比例提供矽烷與氫氣的氣體混合物。可以按約0. 5sccm/L至約5sCCm/L的流速 提供矽烷。可以按約40sCCm/L至約400sCCm/L的流速提供氫氣。在特定實施例中,在沉積 時矽烷流速可從第一流速上升至第二流速。在特定實施例中,在沉積時氫氣流速可從第一 流速下降至第二流速。可提供給噴頭約300mW/cm2或更高的RF功率,最好提供600mW/cm2 或更高的RF功率。在特定實施例中,在沉積時功率密度可從第一功率密度下降至第二功率 密度。腔室的壓力保持在約ITorr與約IOOTorr之間,優選在約3Torr與約20Torr之間, 更優選在約4T0rr與約i2T0rr之間。本徵型微晶矽層的沉積速率為約200 A/min或更高, 最好為約500 A/min。沉積微晶本徵層的方法與設備在2006年6月23日遞交的美國專利 申請11/426,127中公開,名稱為「沉積用於光伏器件的微晶矽膜的方法與設備」,在與本公 開一致的程度上援引該專利的全部內容作為參考。微晶矽本徵層具有約20%至約80%的 結晶率,最好為約55%至約75%的結晶率。沉積諸如圖1-3的矽層126的ρ型微晶矽層的特定實施例包括按約200 1或更 高的比例提供氫氣與矽烷的氣體混合物。可以按約0. lsccm/L至約0. 8sccm/L的流速提供 矽烷。可以按約60sccm/L至約500sccm/L的流速提供氫氣。可以按約0. 0002sccm/L至約 0. 0016sccm/L的流速提供三甲基硼。即,若按在載氣中0. 5%的摩爾或體積濃度提供三甲 基硼,則按約0. 04sccm/L至約0. 32sccm/L的流速提供摻雜物/載氣混合物。可提供給噴 頭約50mW/cm2至約700mW/cm2的RF功率。腔室的壓力保持在約ITorr與約IOOTorr之間, 優選在約3Torr與約20Torr之間,更優選在約4Torr與約12Torr之間。ρ型微晶矽層的沉 積速率為約10 A/min或更高。P型微晶矽層具有約20%至約80%的結晶率,最好為約50% 至約70%的結晶率。沉積諸如圖1-3的矽層132的η型微晶矽層的特定實施例包括按約100 1或 更高的比例提供氫氣與矽烷的氣體混合物。可以按在約0. lsccm/L與約0. 8sccm/L與約 250sccm/L之間的流速提供矽烷。可以按約0. 0005sccm/L至約0. 004sccm/L的流速提供 磷化氫。即,若按在載氣中0.5%的摩爾或體積濃度提供磷化氫,則按約0. lsccm/L至約 0. 8sccm/L的流速提供摻雜物/載氣。可提供給噴頭約lOOmW/cm2至約900mW/cm2的RF功 率。腔室的壓力保持在約ITorr與約IOOTorr之間,優選在約3Torr與約20Torr之間,更 優選在約4T0rr與約12ΤΟΠ·之間。η型微晶矽層的沉積速率為約50 A/min或更高。η型 微晶矽層具有約20%至約80%的結晶率,最好為約50%至約70%的結晶率。沉積諸如圖2的矽層133的η型非晶矽緩衝層的特定實施例包括按約20 1或更 低的比例提供氫氣與矽氣體。可以按約lsccm/L至約lOsccm/L的流速提供矽烷。可以按約 4sccm/L至約50sccm/L的流速提供氫氣。可以按約0. 0005sccm/L至約0. 0075sccm/L的流 速提供磷化氫。即,若按在載氣中0. 5%的摩爾或體積濃度提供磷化氫,則按約0. lsccm/L 至約1. 5sccm/L的流速提供摻雜物/載氣混合物。可提供給噴頭約15mW/cm2至約250mW/ cm2的RF功率。腔室的壓力保持在約0. ITorr與約20Torr之間,最好在約0. 5Torr與約4Torr之間。η型非晶矽緩衝層的沉積速率為約200 A/min或更高。沉積諸如圖1-3的矽層134的本徵型非晶矽層的特定實施例包括按約20 1或 更低的比例提供氫氣與矽烷的氣體混合物。可以按約0. 5sccm/L至約7sCCm/L的流速提供 矽烷。可以按約5sCCm/L至約60SCCm/L的流速提供氫氣。可提供給噴頭約15mW/cm2至約 250mff/cm2的RF功率。腔室的壓力保持在約0. ITorr與約20Torr之間,最好在約0. 5Torr 與約5T0rr之間。本徵型非晶矽層的沉積速率為約loo A/min或更高。沉積諸如圖1-3的矽層136的ρ型非晶矽層的特定實施例包括按約20 1或更 低的比例提供氫氣與矽烷的氣體混合物。可以約lsccm/L至約lOsccm/L的流速提供矽烷。 可以按約5sccm/L至約60sccm/L的流速提供氫氣。可以按約0. 005sccm/L至約0. 05sccm/ L的流速提供三甲基硼。即,若按在載氣中0. 5%的摩爾或體積濃度提供三甲基硼,則按約 lsccm/L至約10sccm/L的流速提供摻雜物/載氣混合物。可以按約lsccm/L至約15sccm/ L的流速提供甲烷。可提供給噴頭約15mW/cm2至約200mW/cm2的RF功率。腔室的壓力保持 在約0. ITorr與約20Torr之間,最好在約ITorr與約4Torr之間。ρ型非晶矽層的沉積速 率為約100 A/min或更高。可利用甲烷或諸如C3H8、C4H10或C2H2的其它含碳化合物來改善 P型非晶矽層的窗口(window)特性(即,降低太陽輻射的吸收)。因此,本徵層可吸收更多 的太陽輻射,從而改善電池效率。沉積諸如圖3的接觸層138的ρ型微晶矽接觸層的特定實施例包括按約200 1 或更高的比例提供氫氣與矽烷的氣體混合物。可以按約0. lsccm/L至約0. 8sccm/L的流速 提供矽烷。可以按約60sCCm/L至約500sCCm/L的流速提供氫氣。可以按約0. 0002sccm/ L至約0. 0016sccm/L的流速提供三甲基硼。即,若按在載氣中0. 5%的摩爾或體積濃度提 供三甲基硼,則按約0. 04sccm/L至約0. 32sccm/L的流速提供摻雜物/載氣混合物。可提 供給噴頭約50mW/cm2至約700mW/cm2的RF功率。本公開中的RF功率表示為每基板面積提 供給電極的瓦特。例如,對於提供給噴頭以處理具有220cmX 260cm尺寸的基板的10,385W 的RF功率,該RF功率應為10,385W/(220cmX260cm) = 180mW/cm2。腔室的壓力保持在約 ITorr與約IOOTorr之間,優選在約3Torr與約20Torr之間,更優選在約4Torr與約12Torr 之間。ρ型微晶矽接觸層的沉積速率為約10 A/min或更高。ρ型微晶矽接觸層具有約20% 至約80%的結晶率,最好為約50%至約70%的結晶率。圖5是具有多個處理腔室531-537的處理系統500的一實施例的頂面示意圖,這 些處理腔室為例如圖4的PECVD腔室400或其它能夠沉積矽膜的適合腔室。處理系統500 包括連接到負載鎖定室510與處理腔室531-537的傳輸室520。負載鎖定室510讓基板能 夠在系統外部的周圍環境與傳輸室520和處理腔室531-537的內部的真空環境之間傳輸。 負載鎖定室510包括容納基板的一或多個可抽真空區。在運送基板進入系統500時,對可 抽真空區抽氣,在運送基板離開系統500時,令可抽真空區通氣。傳輸室520具有設置在 其中的至少一個真空機械手522,該真空機械手522適合於在負載鎖定室510與處理腔室 531-537之間傳輸基板。圖5中示出了 7個處理腔室;然而該系統可以具有任何適當數量 的處理腔室。在本發明的特定實施例中,一個系統500被配置為沉積多結PV電池的包含本徵型 微晶矽層的第一 NIP結,例如圖1-3中的第一 NIP結120。處理腔室531-537中的一個被 配置為沉積第一 NIP結的η型矽層,而其餘的處理腔室531-537都被配置為沉積本徵型微晶矽層和P型矽層。可以在相同腔室中沉積第一 NIP結的本徵型微晶矽層和P型矽層,而 在沉積步驟之間不必進行任何的鈍化處理。在特定實施例中,與在單個腔室中形成本徵型 微晶矽層和P型矽層的時間相比,用處理腔室形成η型矽層的處理基板的時間大約快4倍 或4倍以上,更好地可快6倍或6倍以上。因此,在該系統的特定實施例中,為了沉積第一 NIP結,η-腔室與i/p-腔室的比為1 4或更高,更好地為1 6或更高。包括提供處理 腔室的等離子體清潔的時間的系統的生產能力為每小時約3個基板或更高,更好地為每小 時5個基板或更高。在本發明的其它實施例中,處理腔室531-537的每個都被配置為沉積第一NIP結 的η型矽層、本徵型微晶矽層以及ρ型矽層。在另外的其它實施例中,第一專用處理腔室被 配置為沉積η型矽層,第二專用腔室被配置為沉積本徵型微晶矽層,第三專用處理腔室被 配置為沉積P型矽層。在本發明的其它實施例中,處理腔室531-537中的一個被配置為沉積第一NIP結 的P型矽層,而其餘的處理腔室531-537都被配置為沉積η型矽層和本徵型微晶矽層。可 以在P型矽層的專用腔室中沉積P型矽層之前,在相同腔室中沉積第一 NIP結的η型矽層 和本徵型微晶矽層,而在沉積步驟之間不必進行任何的鈍化處理。在本發明的特定實施例中,一個系統500被配置為沉積多結PV電池的包含本徵型 非晶矽層的第二 NIP結,例如圖1-3中的第二 NIP結130。處理腔室531-537中的一個被配 置為沉積第二 NIP結的η型矽層,而其餘的處理腔室531-537都被配置為沉積本徵型非晶 矽層和P型矽層。可以在相同腔室中沉積第二 NIP結的本徵型非晶矽層和ρ型矽層,而在 沉積步驟之間不必進行任何的鈍化處理。因此,通過負載鎖定室510進入系統的基板被真 空機械手送入沉積η型層的專用腔室、被真空機械手送入沉積本徵型矽層和P型矽層的處 理腔室以及被真空機械手傳回到負載鎖定室510。在特定實施例中,與在單個腔室中形成本 徵型非晶矽層和P型矽層的時間相比,用處理腔室形成η型矽層的處理基板的時間大約快 4倍或4倍以上,更好地可快6倍或6倍以上。因此,在特定實施例中,η-腔室與i/p-腔室 的比為1 4或更高,更好地為1 6或更高。包括提供處理腔室的等離子體清潔的時間 的系統的生產能力為每小時約10個基板或更高,更好地為每小時20個基板或更高。在本發明的其它實施例中,處理腔室531-537的每個都被配置為沉積第二 NIP結 的η型矽層、本徵型非晶矽層以及ρ型矽層。在另外的其它實施例中,第一專用處理腔室被 配置為沉積η型矽層,第二專用腔室被配置為沉積本徵型非晶矽層,第三專用處理腔室被 配置為沉積P型矽層。在本發明的其它實施例中,處理腔室531-537中的一個被配置為沉積第一 NIP結 的P型矽層,而其餘的處理腔室531-537都被配置為沉積本徵型非晶矽層和η型矽層。可 以在相同腔室中沉積第一 NIP結的η型矽層和本徵型非晶矽層,而在沉積步驟之間不必進 行任何的鈍化處理。在特定實施例中,由於本徵型微晶矽層的厚度比本徵型非晶矽層厚,所以與用於 沉積包含本徵型微晶矽層的第一 NIP結的系統500的生產能力相比,用於沉積包含本徵型 非晶矽層的第二 NIP結的系統500的生產能力大約為其2倍或2倍以上。因此,適合於沉 積包含本徵型非晶矽層的第二 NIP結的單個系統500可以與適合於沉積包含本徵型微晶矽 層的第一 NIP結的兩個或更多的系統500相配。一旦在第一系統中在第一基板上形成了第一 NIP結,則將基板暴露於周圍環境(即,解除真空)並傳輸至第二系統。在沉積第一 NIP 結的第一系統和第二 NIP結之間不必對基板進行溼法或幹法清洗。
儘管前文所述涉及了本發明的實施例,但是在不脫離本發明的基本範圍的情況下,可以設計出本發明的其它或進一步的實施例,而本發明的範圍由隨後的權利要求所確定。
權利要求
一種形成薄膜多結光伏結構的方法,包括選擇半透明基板;在所述基板上方形成第一透明導電氧化物層;在所述第一透明導電氧化物層上方形成第一NIP結,包括形成n型矽層;在所述n型矽層上方形成本徵型微晶矽層;以及在所述本徵型微晶矽層上方形成p型矽層;在所述第一NIP結上方形成第二NIP結,包括形成n型矽層;在所述n型矽層上方形成本徵型非晶矽層;以及在所述本徵型非晶矽層上方形成p型矽層;在所述第二NIP結上方形成第二透明導電氧化物層;在所述第二透明導電氧化物層上方施加頂部封裝層;以及在所述基板下方形成反射層。
2.根據權利要求1所述的方法,其中形成所述第二NIP結還包括在所述η型矽層和所 述本徵型非晶矽層之間形成η型非晶矽緩衝層,其中形成所述第二 OTP結還包括在所述ρ 型矽層上方形成P型微晶矽接觸層。
3.根據權利要求1所述的方法,其中所述第一NIP結在包括第一處理腔室和第二處 理腔室的第一處理系統中形成,其中所述第一 NIP結的η型層在所述第一處理系統的第一 處理腔室中形成,所述第一 NIP結的本徵型層和ρ型層在所述第一處理系統的第二處理腔 室中形成,其中所述第二 NIP結在包括第一處理腔室和第二處理腔室的第二處理系統中形 成,其中所述第二 NIP結的η型層在所述第二處理系統的第一處理腔室中形成,所述第二 NIP結的本徵型層和ρ型層在所述第二處理系統的第二處理腔室中形成。
4.根據權利要求1所述的方法,其中所述第一NIP結在包括第一處理腔室和第二處 理腔室的第一處理系統中形成,其中所述第一 NIP結的η型層和本徵型層在所述第一處理 系統的第一處理腔室中形成,所述第一 NIP結的ρ型層在所述第一處理系統的第二處理腔 室中形成,其中所述第二 NIP結在包括第一處理腔室和第二處理腔室的第二處理系統中形 成,其中所述第二 NIP結的η型層和本徵型層在所述第二處理系統的第一處理腔室中形成, 所述第二 NIP結的ρ型層在所述第二處理系統的第二處理腔室中形成。
5.根據權利要求1所述的方法,其中所述第一NIP結在包括處理腔室的第一處理系統 中形成,其中所述第一 NIP結的η型層、本徵型層和ρ型層在所述第一處理系統的處理腔室 中形成,其中所述第二 NIP結在包括處理腔室的第二處理系統中形成,其中所述第二 NIP結 的η型層、本徵型層和ρ型層在所述第二處理系統的處理腔室中形成。
6.根據權利要求1所述的方法,其中所述第一NIP結在包括第一處理腔室、第二處理 腔室和第三處理腔室的第一處理系統中形成,其中所述第一 NIP結的η型層在所述第一處 理系統的第一處理腔室中形成,所述第一 NIP結的本徵型層在所述第一處理系統的第二處 理腔室中形成,所述第一 NIP結的ρ型層在所述第一處理系統的第三處理腔室中形成,其中 所述第二 NIP結在包括第一處理腔室、第二處理腔室和第三處理腔室的第二處理系統中形 成,其中所述第二 NIP結的η型層在所述第二處理系統的第一處理腔室中形成,所述第二NIP結的本徵型層在所述第二處理系統的第二處理腔室中形成,所述第二 NIP結的ρ型層在 所述第二處理系統的第三處理腔室中形成。
7. 一種薄膜多結光伏結構,包括 半透明基板;形成在所述基板上方的第一透明導電氧化物層; 形成在所述第一透明導電氧化物層上方的第一 NIP結,包括 η型矽層;形成在所述η型矽層上方的本徵型微晶矽層;以及 形成在所述本徵型微晶矽層上方的P型矽層; 形成在所述第一 NIP結上方的第二 NIP結,包括 η型矽層;形成在所述η型矽層上方的本徵型非晶矽層;以及 形成在所述本徵型非晶矽層上方的P型矽層; 形成在所述第二 NIP結上方的第二透明導電氧化物層; 在所述第二透明導電氧化物層上方施加的頂部封裝層;以及 形成在所述基板下方的反射層。
8.根據權利要求7所述的光伏結構,其中所述第二NIP結還包括在所述η型矽層和所 述本徵型非晶矽層之間的η型非晶矽緩衝層,其中所述第二 NIP結還包括在所述ρ型矽層 上方的P型微晶矽接觸層。
9. 一種形成薄膜多結光伏結構的方法,包括 選擇半透明基板;在所述基板上方形成第一透明導電氧化物層;透過所述基板進行第一雷射劃片處理,其中所述第一透明導電氧化物層的窄條被融化;在所述第一透明導電氧化物層上方形成第一 NIP結,包括 形成η型矽層;在所述η型矽層上方形成本徵型微晶矽層;以及 在所述本徵型微晶矽層上方形成P型矽層; 在所述第一 NIP結上方形成第二 NIP結,包括 形成η型矽層;在所述η型矽層上方形成本徵型非晶矽層;以及 在所述本徵型非晶矽層上方形成P型矽層;透過所述基板進行第二雷射劃片處理,其中所述第一和第二 NIP結的第一窄條被融化;在所述第二 NIP結上方形成第二透明導電氧化物層;透過所述基板進行第三雷射劃片處理,其中所述第一和第二 NIP結的第二窄條被融 化,覆蓋所述第一和第二 NIP結的第二窄條的第二透明導電氧化物層的窄條被移除; 在所述第二透明導電氧化物層上方施加頂部封裝層;以及 在所述基板下形成反射層。
10.根據權利要求9所述的方法,其中形成所述第二NIP結還包括在所述η型矽層和 所述本徵型非晶矽層之間形成η型非晶矽緩衝層,其中形成所述第二 OTP結還包括在所述 P型矽層上方形成接觸層。
11.形成薄膜多結光伏結構的設備,包括形成第一 NIP結的第一系統,包括沉積η型矽層的η-腔室;以及沉積P型矽層的P-腔室;以及在所述第一 NIP結上方形成第二 NIP結的第二系統,包括沉積η型矽層的η-腔室;以及沉積P型矽層的P-腔室。
12.根據權利要求11所述的設備,其中所述第一系統的ρ-腔室還沉積本徵型微晶矽 層,其中所述第二系統的P-腔室還沉積本徵型非晶矽層,其中所述第一系統中的η-腔室與 P-腔室的比為1 4或更高,其中所述第二系統中的η-腔室與ρ-腔室的比為1 4或更 高,其中所述第二系統與所述第一系統的比為1 2或更高。
13.根據權利要求11所述的設備,其中所述第一系統的η-腔室還沉積本徵型微晶矽 層,其中所述第二系統的η-腔室還沉積本徵型非晶矽層,其中所述第一系統中的ρ-腔室與 η-腔室的比為1 4或更高,其中所述第二系統中的ρ-腔室與η-腔室的比為1 4或更 高,其中所述第二系統與所述第一系統的比為1 2或更高。
14.根據權利要求11所述的設備,其中所述第一系統還包括沉積本徵型微晶矽層的 i_腔室,其中所述第二系統還包括沉積本徵型非晶矽層的i_腔室,其中所述第二系統與所 述第一系統的比為1 2或更高。
15.形成薄膜多結光伏結構的設備,包括形成第一 NIP結的第一系統,包括沉積η型矽層、本徵型微晶矽層和ρ型矽層的腔室;以及在所述第一 NIP結上方形成第二 NIP結的第二系統,包括沉積η型矽層、本徵型非晶矽 層和P型矽層的腔室,其中所述第二系統與所述第一系統的比為1 2或更高。
全文摘要
提供了一種薄膜多結光伏結構以及形成該光伏結構的方法與設備。該光伏結構包括形成在半透明基板上方的第一和第二NIP結。
文檔編號H01L31/042GK101803039SQ200880106346
公開日2010年8月11日 申請日期2008年10月21日 優先權日2007年10月22日
發明者崔壽永, 約翰·M·懷特 申請人:應用材料股份有限公司

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