CN101622722B - 连续涂覆设备、生产晶态薄膜和太阳电池的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及连续涂覆设备(100)，其包括真空室(110)、物理气相沉积装置(112)和激光结晶系统(122)，真空室(110)具有供给被涂覆的基板(106)的供给开口(102)和卸出被涂覆的基板(106)的卸载开口(104)，物理气相沉积装置(112)涂覆所述基板(106)的表面(126)，激光结晶系统(122)用至少一激光束(124)同时照射所述基板(106)的表面(126)的当前被涂覆的部分区域(130)的至少一子部分区域(132)，激光结晶系统(122)包括运输装置(108)，其在送进方向(136)从所述供给开口(102)至所述卸载开口(104)运输所述基板(106)并且连续地或者非连续地在所述基板的涂覆期间在所述送进方向(136)移动所述基板(106)。

Description

连续涂覆设备、生产晶态薄膜和太阳电池的方法
技术领域
本发明涉及一种连续涂覆设备，具体地用于生产纳米晶、微晶、多晶(polycrystalline)、多晶体(multicrystalline)或者单晶薄膜，以下通常称为晶态薄膜。本发明还涉及生产晶态薄膜的方法并且尤其用于生产硅串联太阳电池。此外，本发明涉及可以使用根据本发明的方法所生产的串连太阳电池。
背景技术
在微电子装置和光伏装置中所使用的半导体器件主要基于半导体材料硅。自从1960年代以来单晶半导体晶片已经被主要使用，并且对应的结构被引入单晶半导体晶片中，单晶半导体晶片逐渐被施加于例如玻璃基板的薄膜所替代。
根据用于这样的薄膜的沉积方法，产生硅的不同的变体，即非晶或者晶态硅。非晶硅的电子性能显著地与晶态硅的电子性能不同。考虑到其光学/电子性能而且还考虑到可能的沉积/生产方法，非晶硅是合适的，尤其对于生产薄膜太阳电池而言。由晶态硅构成的薄膜对于微电子装置和光伏装置两者受到关注。平面屏幕现在已经基于非晶或者多晶硅层而被生产。
已知允许以大面积方式并且具有足够的层厚度地以高成本效益沉积非晶硅层的许多方法。它们包括各种化学气相沉积(CVD)工艺和物理气相沉积(PVD)工艺，例如电子束蒸镀和阴极溅镀。
也已知沉积晶态薄膜的大量方法。但是，通常，生产晶态薄膜的沉积速率太低，以致于不能高成本效益地生产高质量的半导体结构。因而，已知例如由现有技术利用化学气相沉积工艺生产精细晶态硅层。但是，在该情形中，生长速率仅是每分钟几十纳米。利用例如电子束蒸镀或阴极溅镀的高速率方法所生产的薄膜具有非晶微结构并且不易适于电子器件。
生产平面屏幕所需要的多晶硅薄膜具有50和100nm之间的层厚度。这种类型的多晶薄膜可以从非晶硅薄膜通过热作用或通过在高功率激光的帮助下的照射而被生产。通常的激光结晶法是通过下列对应的名称所知的方法：激光区域熔化，受激准分子激光退火(ELA)，连续横向固化(SLS)和细束定向结晶(TDX)。在热方法中也已知固相结晶(SPC)和金属诱导结晶(MIC)和卤素灯和热线退火(HW-CVD)。
因而所要求的工艺温度和玻璃基板类型对于生产成本是重要的。受激准分子激光基结晶法还有离子束辅助沉积(IAD)在低温基板上是可能的，而SPC和MIC要求中温(～400℃-600℃)。例如在A.Aberle，Thin Solid Films(固体薄膜)511，26(2006)中描述了细节。
基于晶态硅的太阳电池的吸收体要求1至2μm的最小层厚度。热结晶非晶硅膜不适于生产具有显著大于～1μm的晶体的晶态硅层。在激光工艺的帮助下，虽然具有大于200nm厚度的薄膜可以被结晶，但是难度在于工艺控制。例如M.A.Crowder等在“Sequential Lateral Solidification of PECVDand Sputter Deposited a-Si Fims”Mat.Res.Soc.Symp.Proc.Vol 621(2000)，Q9.7.1中描述了细节。
JP 09-293680 A公开了其中可替代地，具有100至200nm厚度的由非晶硅构成的薄膜在等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺的帮助下被施加于基板，并且所述薄膜在相同的真空室中在受激准分子激光束的帮助下连续地结晶的批处理方法。在该情形中，激光束被聚焦于基板的位置上并且基板在利用两个辊子引导的带的帮助下在激光束照射下往复运动，使得基板的整个表面逐渐通过激光束而被结晶。
其指出，替代照射膜的一个位置，也可以同时照射二、三或更多的位置。通过往复移动基板，激光束到达基板的各位置。
虽然在图中所示出的可替代方式仅涉及轮流的沉积和照射，但是其清楚地在说明书中指出涂覆和照射两个工艺步骤也可以被同时进行。其还提及了所有类型的CVD工艺，例如光辅助CVD，热辅助CVD和等离子体CVD以及PVD和阴极溅镀也可以被用于层沉积。关于所使用的设备的细节未被指出。
G.等在Proc.Of 21st European Photovoltaic Solar EnergyConference，4-8 September 2006，Dresden，Germany，pages 972 to 975的文章“Diode Laser Crystallized Multicrystalline Silicon Thin Film Solar Cells onGlass”中描述了在所谓分层激光结晶(LLC)工艺的帮助下生产2至5μm厚度的吸收体。第一变体由在玻璃上具有600nm厚度的非晶硅(a-Si)的PECVD沉积进行。该层在真空室中利用激光被结晶。2至5μm厚度的a-Si层连续地利用PECVD沉积于该仔晶层上。在具有几十纳米的厚度的膜的沉积之后的各情形中，在被引导至样品的上方的受激准分子激光的均匀化的光束的帮助下实现结晶，而在工艺中没有打破真空(ISC-CVD，通过低功率激光的室内仔晶结晶)。第二变体由在真空室外利用高功率激光(ESC，外部仔晶结晶)所结晶的仔晶层进行。所描述的第三变体涉及利用对应的10nm薄膜的沉积之后的电子束蒸镀和激光照射的外延层生长。所使用的设备的细节未被指出。
WO 02/19437 A2，归属于上面所指出的文章的作者，其公开了利用电子束蒸镀和后续的激光结晶的用于多晶吸收体的生产的仔晶层的生产。
虽然上面介绍的PVD沉积法代表高质量晶态硅层的量产的有前途的方案，但是适于量产的涂覆设备当前尚未存在。更为甚者，制造具有高晶体质量的大面积硅层并且尤其对于生产高效率的硅太阳电池的必须的工艺步骤的数量仍然非常高。
因而，本发明的目的是提供适于沉积高质量晶态薄膜的连续涂覆设备，生产晶态薄膜和太阳电池的相应的方法并且还有可以利用例如所述方法生产的太阳电池。
发明内容
该目的利用具有主权利要求的特征的连续涂覆设备，利用具有专利权利要求23和45的特征的方法，并且利用具有专利权利要求48的特征的串连太阳电池而实现。在从属权利要求中定义了本发明的优选实施例和发展。
根据本发明，连续涂覆设备包括真空室，真空室具有供给被涂覆的基板的供给开口和卸出被涂覆的基板的卸载开口(通常被布置于对侧)。供给和/或卸载开口可以是闭锁系统的部分。也可以有相邻于供给和/或卸载开口的另一涂覆和/或处理室。
连续涂覆设备的另一部分是布置于真空室中并且起涂覆基板的表面的作用的物理气相沉积装置(也就是进行物理气相沉积法的沉积装置)。该类型的沉积装置可以包括例如电子束蒸镀装置或阴极溅镀装置。也可以考虑热蒸镀装置，其允许以高沉积速率(对比传统CVD法)沉积达到几微米的薄膜。
还提供激光结晶系统，其以这样的方式相关于沉积装置被布置，使得被提供用于激光结晶的激光束可以被引导到利用沉积装置被当前涂覆的基板的表面的部分区域的子部分区域上。因而必然可以在基板表面的部分区域的涂覆期间同时实现沉积于子部分区域上的层的激光结晶。
最后，与现有技术已知的实验室设备脱离，基板旨在供给通过真空室内的涂覆和激光结晶区。为了该目的，本发明提供了运输装置，其在送进方向从供给开口至卸载开口运输基板，且连续和非连续地(例如以步进方式)在基板涂覆期间在送进方向中移动基板。原则上，对于预定的时间期间或者周期性地(如果合适)反转移动方向也可以发生，但是未被涂覆的基板通过供给开口被供给并且通过卸载开口被卸出。
在本发明的一有利的实施例变体中，多个电子束蒸镀装置和/或多个阴极溅镀装置垂直于送进方向相互相邻布置。根据该措施，相对宽的基板也可以被涂覆。不用说，多个PVD装置也可以在送进方向中被接连地布置。
本发明的另一有利的变体在于以下的事实：运输装置具有移动装置，该移动装置在位于涂覆平面中并且以对于送进方向的一角度(优选垂直)延伸的方向移动基板。因而可以既对于当前被涂覆的部分区域也对于当前被激光结晶系统所照射的基板表面的子部分区域独立于送进方向被选择。
在最简单的情形中，激光结晶系统以固定方式形成。换句话说，激光束，或者如果合适，通过激光结晶系统发出的激光束以位置固定的方式被引导到基板上。仅在送进方向，或者如果合适，以对于送进方向的一角度(具体垂直)的方向移动基板，导致被暴露于激光束或者多个激光束的子部分区域的改变。例如以蜿蜒的方式进行基板的移动是有利的。
替代或者添加于利用运输装置的基板的移动，也可以提供结晶所需的激光束或者多个激光束进行移动。为了这个目的，激光结晶系统自身可以具有可以在至少一方向移动的一或更多的激光束移动装置，以便独立于基板的移动而在当前被涂覆的部分区域上指引被引导到基板上的至少一激光束。
根据该布置，在线性方向中仅提供一个移动就足够。随着基板尺寸的增加，则需要实现至少一激光束移动装置，使得它可以在以对于彼此的一角度(优选垂直)延伸的两个方向移动，在该情形中优选一个方向与送进移动方向一致。具体地，激光束描述蜿蜒的路径是有利的。也可以考虑在弯曲的移动路径上的移动。但是，后者的移动，归因于其复杂性，通常仅当其由于工艺技术原因时才会被考虑。
一个优选实施例变体提供了激光束移动装置，其具有线性移动至少一激光束移动装置的线性电动机。
原则上，可以移动整个激光结晶系统。但是，为了保持被移动的质量小，仅移动单独的光学器件更为有利。本发明的一个具体的有利的配置的区别在于其简单性和要被移动的质量的大量的最小化，其提供了至少一激光束移动装置以具有将至少一激光束偏转到至少一子部分区域上的可移动镜。该合适的布置，或者，如果恰当，多个这样的偏转镜使得可以将激光束或者多个激光束引导到基板上的各希望的位置。
替代基板和/或激光结晶系统或其光学部件的线性移动装置，激光结晶系统可以具有至少一激光角度扫描器，至少一激光角度扫描器可以围绕至少一轴旋转，以便从不同的方向将至少一激光束引导到基板上。这样的扫描器的区别的事实在于，在基板上激光束的当前碰撞位置或多个激光束的的多个当前碰撞位置的非常快速的改变是可能的。这由基板上的碰撞位置的大的改变可以以小的角度改变来实现的事实引起。虽然几厘米振幅的基板和/或激光结晶系统或其光学器件的振荡移动被限制为几赫兹的频率，但是激光束的角度扫描移动在机械镜或全息扫描器的情形中可以具有几千赫兹的频率，并且在声光扫描器的情形中可以具有兆赫兹范围的频率。
在本发明的一具体的有利的变体中，提供了可以围绕至少一第二轴旋转的至少一激光角度扫描器。采用单激光束，给定相对于彼此的轴的合适的布置(假定没有其它障碍)，可以照射基板上的各位置而基板自身无需被移动。
优选激光结晶系统具有分配给至少一激光角度扫描器并且可以围绕至少一轴旋转的至少一另一激光角度扫描器，以便将至少一激光束引导到至少一激光角度扫描器上。
在本发明的一具体的有利的实施例变体中，至少一成像物镜被提供，以便以这样的方式将至少一激光束成像于基板表面上，使得被激光束所照射的子部分区域的轮廓和尺寸保持基本不变，如果至少一激光束从不同方向被引导到基板上。独立于照射方向的就轮廓和尺寸而言的激光斑点的产生(通常以焦点的形式)对于在基板的各位置上设定激光结晶所需的预定能量或功率密度分布是可行的。如果斑点尺寸(焦点尺寸)根据照射角度而被改变，则有在基板区上非均匀结晶的风险。更甚者，部分激光能量可能不贡献于基板的结晶。
激光角度扫描器和/或另一激光角度扫描器的一个变体可以具有一个或多个电流镜或扫描器，从而以不同的方式偏转至少一激光束。旋转多边形扫描器也可以被使用以替代一或二维电流扫描器。多边形扫描器可以以非常高的旋转速度工作，使得它们的扫描速度能够大于1000Hz。扫描器的另一变体是声-光扫描器和全息扫描器。前者允许高扫描速度，例如，并且后者允许激光束的不同的焦点。
本发明的另一实施例变体包括产生同时照射多个子部分区域的多个激光束的多路装置的使用。多个子部分区域的同时照射具有的优点是，对于相同的斑点扫描速度，基板的送进速度或者沉积速度或者是两者都可以被增加。所有措施都导致产量增加或者由于对于光学系统部件的较少的严格要求引起的成本降低。
在最简单的情形中，该种类型的多路装置可以包括将激光束细分为多个激光束的束细分装置。屋脊棱镜(roof prism)或多棱镜以及折射元件是这样的束细分装置的实例。假定例如基板表面形成其上激光束或多个激光束被成像的场平面，则所述棱镜优选被布置在光瞳平面中。
根据本发明的连续涂覆设备的另一变体包括沉积测量装置以及开环和/或闭环控制装置，沉积测量装置测量通过气相沉积装置所沉积的材料的沉积速率和/或沉积量，开环和/或闭环控制装置根据被测量的沉积速率和/或被测量的沉积量，开环和/或闭环控制运输装置和/或激光束移动装置的移动，并且因而用于界定当前引导(对应的)激光束于其上的基板上的位置。作为替代或添加，开环和/或闭环控制装置也可以被用于根据被测量的沉积速率和/或被测量的沉积量，开环和/或闭环控制在基板上的至少一激光束的当前强度。
根据本发明的连续涂覆设备的一个有利的实施例包括层厚度测量装置，作为上述沉积测量装置的替代或者作为添加的功能模块，以测量层厚度改变和/或沉积于基板上的层厚度，例如利用在一或更多波长的反射或透射，采用椭圆光度法(ellipsometry)或者轮廓曲线测量法(profilometry)。上述开环和/或闭环控制装置或相应的开环和/或闭环控制装置，根据该本发明的变体被提供，用于根据被测量的层厚度的改变和/或测量的层厚度，实现开环和/或闭环控制运输装置和/或激光束移动装置的移动，和/或的在基板上的至少一激光束的当前强度。开环和/或闭环控制运输装置和/或激光束移动装置的移动界定了基板上的对应的子部分区域的当前位置，也就是说，当前引导对应的激光束于其上的基板上的位置。
不用说，本发明不仅涉及作为整体系统的连续涂覆设备，而且对于本领域的技术人员直接显见的是，上述激光结晶系统的变体也可以通过其自己工作，既独立于涂覆设备，或者作为批处理设备的部分。
根据本发明的生产纳米-、微米-、多晶-、多晶体-、或单晶薄膜的方法，它完全实现了上面所定义的目的，包括下列方法步骤：
a)将要被涂覆的基板在送进方向供给入真空室，
b)在基板的表面的部分区域上物理气相沉积一层，且利用至少一激光束而同时连续地或不连续地在送进方向移动基板，同时至少部分熔化并随后结晶诱导照射基板的表面的当前被涂覆的部分区域的至少一子部分区域，
c)从真空室在送进方向卸出所述被涂覆的基板。
在该情形中，物理气相沉积的方法子步骤优选包括电子束蒸镀或阴极溅镀。在该情形中，有利的是物理气相沉积以大于100nm/min、优选大于1000nm/min、非常优选大于2000nm/min的层增长速率进行。因此沉积速率与传统CVD工艺显著不同。既便通过等离子增强化学气相沉积(PECVD)沉积的层的生长速率也至多在上述定义的值的范围的下限。
由于通常PVD工艺并且具体地电子束蒸镀和溅镀的可能的高沉积速率，可以在方法步骤b)期间在送进方向以大于0.5m/min、优选大于2m/min的平均速度移动基板，根据可获得的商用高功率激光器。生产量因而可以被显著地增加，这导致生产成本的显著的减小。
在一有利的方法变体中，在方法步骤b)期间基板在位于涂覆平面中并且垂直于送进方向的方向移动。涂覆的当前位置和激光诱导结晶的基板的当前位置都可以以这种方式被连续地界定。
优选，在方法步骤b)期间基板在位于涂覆平面中并且垂直于送进方向的方向或者在送进方向以振荡方式被移动。基板的各希望的部分多次受到(给定对应适配的送进速度)涂覆和激光诱导结晶工艺。在该情形中，激光束或多个激光束的能量密度可以选择性地设置，使得仅新被施加的材料浅薄地熔化，即在一个循环期间所施加的层在其整个层厚度熔化，或者在先前的循环中所施加的一或更多的层甚至被完全熔化或者熔化部分其层厚度。
振荡移动优选以200至500mHz的频率周期实现。在该情形中，有利的是，前向移动发生得非常慢并且后向移动(例如沿相同的路径)发生得非常快，也就是说，例如以小于1/100或1/1000的前向移动的时间。如果基板上的不同的区在前向和后续移动期间被照射，例如，如果激光束以蜿蜒的路径行进于基板上，则不改变移动的速度通常更为有利。
本发明的具体的有利变体提供了至少一激光束，从而以独立于或者不独立于方法步骤b)期间基板的移动的方式，在当前被涂覆的部分区域上被引导。结果，对应的激光束在基板的表面上被扫描，不仅归因于基板自身的移动，而且还由于激光束的移动。
尤其有利的是，至少一激光束在基板的送进方向或者以对于送进方向的一角度(优选直角)在当前被涂覆的部分区域上被引导。
还有利的是周期性地实现移动。根据对应的沉积速率，200至500mHz或者甚至更高的扫描速率是有利的。在该情形中，也可以是有利的是，前向移动发生得非常慢并且后向移动发生得非常快，也就是说小于前向移动的时间的1/1000或1/100000。可能实用的是，对于要被照射的基板仅在装置的前向移动期间，而不在所述装置的后向移动期间，将激光束引导于基板上。如果激光以脉冲方式工作，则仅必须当心后向移动精确地发生于不发出激光脉冲的死时间内。
当然，如果激光束以蜿蜒的路径在基板上引导则是不同的。基板上的行进的激光斑点的恒定的速度在该情形中是优选的。
已经证明是尤其有利的是，至少一激光束被引导到其上精确地沉积预定的层厚度，例如50nm和1000nm之间，优选100nm和500nm之间，非常优选100nm和300nm之间的基板上的位置。该操作可以根据上述解释被重复多次直至达到最终的层厚度。在该情形中沉积和激光结晶的交替无需必须以恒定周期实现。本发明的具体的有利的变体包括，在小层厚度的生长之后激光结晶基板上的最底部的层，并且一旦生长一定结晶的层厚度，则在另一激光结晶开始之前，利用PVD法沉积较厚的层。尤其有利的是，上层的激光结晶用低激光注量进行，以便避免下面的层的熔化和掺杂的混合。因而，有利的是，例如，采用低激光注量结晶μc-Si电池的最后n型层，即集电器层，以便避免与下面的i或p型层的掺杂混合。
在方法步骤b)期间基板的温度优选保持恒定，例如200℃和400℃之间(根据所使用的玻璃基板)。这可以被实现，一方面，利用基板的附加的热学加热和/或冷却，和/或通过对应的激光注量的适配。
上面描述的方法原则上适用于以实质上任何希望的材料涂覆基板。归因于在电子和光伏装置中的大的场，所述方法无疑优选被适于硅。
激光束或者多个激光束优选具有150和800nm之间的波长。通常，利用一或多个单波长的激光照射基板是足够的。然而，也可以使用不同波长的激光。对应的激光束可以被同时或者相继地被引导到基板的相同的位置或相同多个位置。
根据本发明，激光波长取决于单独的方法步骤的不同的工艺窗口和被生产的电子部件的不同的对应的结构。如果假定生产a-Si/μc-Si串联太阳电池，则所使用的激光波长具体地取决于不同串联电池类型的硅微结构。沉积的Si微结构和形貌，即a-Si或者已经结晶的μc-Si，与波长一起确定吸收长度，因而与激光功率、脉冲持续时间(如果恰当也是无限的，当使用CW激光时)、时间脉冲分布、硅层上的激光束分布和其时间上改变的反射率R(Ra-si≠Rμc-Si≠R液体Si)一起，确定在硅层中的3维温度分布。受激准分子激光发射的在例如193nm、248nm、351nm具有典型脉冲持续时间≈20nsec的吸收长度是几个纳米，而来自于二极管泵浦固态激光器(DPSSL)的光，例如倍频Nd:YLF、Nd:YAG、或Nd:YVO4激光，在532nm，在明显更大的吸收长度内被吸收，并且因而在深度上更均匀地加热层。较低激光功率每cm2(即激光注量)对于生产薄(仔晶)层是需要的，例如根据SLS2法。因而，根据本发明，尤其高能效的是，首先利用受激准分子激光结晶薄仔晶层，并且随后利用具有较长波长(例如DPSSL)的激光在进一步的步骤中结晶沉积于仔晶层上的较厚的a-Si层。在上面介绍的串连电池的情形中，例如发出具有短吸收长度的光的受激准分子激光器可以再次被用于最终的薄n掺杂集电极层。
对于下面描述的利用“自传播液体层”的激光结晶，脉冲的长波激光是有利的，以便在层的深度中产生温度分布，这使得“液体层”的传播尽可能长，并且因而在工艺结束之前为了能量的原因在每个结晶步骤产生尽可能大的层厚度。根据本发明，Si层的预热(例如，利用卤素灯)结合UV受激准分子激光在此也是可能的，尽管随后仅采用经受住这些温度的玻璃基板。如果恰当，另外的扩散阻挡也可以被提供，以便避免来自基板的杂质和掺杂扩散进入太阳电池或在电池内。
根据层厚度和波长，对于薄仔晶层和具有“自传播液体层”的方法，激光注量是大约150-500mJ/cm2，对于在“完全熔化”或“接近完全熔化”状态的较厚层(100-500nm)的结晶，激光注量则是≈500-1500mJ/cm2，这里“完全熔化”涉及a-Si层并不涉及预先结晶的下面的μc-Si或者PECVDa-Si层。
对于连续涂覆设备的高产量和低生产成本尤其有利的是，在a-Si或熔化的Si层反射之后利用多个镜将激光照射再次反射回到相同的位置，从而在相同的工艺条件下增加功率或者减小所需要的激光功率。由于根据入射角和波长的熔化的硅≈50％的高反射率，设备的效率可以通过该“束循环”来增加。
根据专利权利要求45，本发明还涉及生产硅串连太阳电池的方法，所述硅串连太阳电池包括基于非晶硅的至少一太阳能电池和基于晶态硅的至少一太阳能电池，其被一个置于另一个之上，所述方法包括下列两个方法步骤：
A)在透明基板上提供基于非晶硅的太阳能电池，
B)生产基于晶态硅的太阳能电池。
在该情形，根据本发明，方法步骤B)包括下列方法子步骤：
aa)提供或施加p掺杂，或者在替代的实施例中，n掺杂的选择性的非晶或晶态硅层，
bb)选择性地提供或施加由本征晶态硅构成的仔晶层和/或缓冲层，
cc)在物理气相工艺的帮助下沉积非晶硅层，
dd)在激光结晶工艺的帮助下结晶在所述物理气相工艺的帮助下所生产的非晶硅层，
ee)选择性地多次重复方法子步骤cc)和dd)，
ff)选择性地施加或提供n掺杂硅层，或者在替代的实施例中，p掺杂的选择性的非晶或晶态硅层，
gg)利用激光结晶工艺，选择性地结晶所述非晶n掺杂，或者在替代的实施例中，p掺杂的硅层，
hh)沉积导电接触。
选择性地，氢钝化可以在最后的激光结晶之后和/或完成基于晶态硅的太阳电池之后进行。
根据本发明，方法子步骤cc)至ee)优选根据在先前部分中所描述的方法进行。
在一有利的实施例变体中，方法步骤a)包括下列方法子步骤：
i)在所述透明基板上沉积透明导电层，
ii)沉积p掺杂，或者在替代的实施例中，n掺杂的非晶硅层，
iii)选择性地沉积本征非晶硅层，
iv)沉积非晶n掺杂硅层，或者在替代实施例中，p掺杂的硅层。
优选实施例的串连太阳电池或多太阳电池包括基于非晶硅的至少一太阳能电池和基于基于纳米-，微米-，多晶、或微晶硅的至少一太阳能电池，其被单片地一个置于另一个之上，其中所述基于晶态硅的太阳能电池具有本征硅层，其特征在于所述本征硅层具有20nm和5μm之间的晶粒直径的微晶。
附图说明
现将参考附图更详细地描述本发明。在各图中所示出的相同或者功能相同的构成部分被提供以相同的参考符号。在图中：
图1示出了根据本发明的涂覆基板和后续被沉积的层的激光结晶的连续涂覆设备的基本图，
图2示出了从下面的根据图1的连续涂覆设备中的基板，
图3示出了根据本发明的具有激光结晶装置的第一实施例变体的连续涂覆设备，
图4示出了根据本发明的具有激光结晶装置的第二实施例变体的连续涂覆设备，
图5示出了根据本发明的具有激光结晶装置的第三实施例变体的连续涂覆设备，
图6示出了根据本发明的具有激光结晶装置的第四实施例变体的连续涂覆设备，
图7示出了根据本发明的具有激光结晶装置的第五实施例变体的连续涂覆设备，
图8示出了根据本发明的a:Si/μc-Si串连太阳电池，
图9示出了根据本发明的生产根据图8的晶态硅串连太阳电池的方法的第一实例，
图10示出了根据本发明的生产根据图8的晶态硅串连太阳电池的方法的第二实例，
图11示出了根据本发明的生产根据图8的晶态硅串连太阳电池的方法的第三实例，
图12示出了根据本发明的生产根据图8的晶态硅串连太阳电池的方法的第四实例，
图13示出了根据本发明的生产根据图8的晶态硅串连太阳电池的方法的第五实例，
图14示出了根据本发明的生产根据图8的晶态硅串连太阳电池的方法的第六实例，
图15示出了根据本发明的生产根据图8的晶态硅串连太阳电池的方法的第七实例。
具体实施方式
图1和2示出了根据本发明的从不同视角的连续涂覆设备100的基本构造。图1示出了侧视图(yz平面)，并且图2示出了从下面的视图(xy平面)。连续涂覆设备100被具体化为真空设备并且因而包括真空室110。真空室110具有相对布置的供给开口102和卸载开口104。相邻于供给和/或卸载开口102，104，在各情形中可以存在闭锁系统和/或另一工艺室，具体地是另一真空室(未被示出)。
在图1和2中被示出的连续涂覆设备100的另一构成部分是具有运输辊子的基板支架108。基板支架108一方面用于基板106的放置，另一方面也作为运输装置以便在送进方向136从供给开口102至卸载开口104运输具有边长度l和宽度b的基板106。
电子束蒸镀装置112的蒸镀器坩锅116被布置在基板支架108下面。假定硅118位于蒸镀器坩锅116中，硅可以利用电子束114被蒸发并且以大致地定向的气相喷雾120沉积于面对坩锅116的基板106的表面126上。替代电子束蒸镀装置112，也可以提供阴极溅镀装置，在该情形阴极溅镀装置更适于位于基板106上方。
从图1和2的图显见，气相喷雾120仅定向于基板106的表面126的部分区域130之上。由于基板106在送进方向136中移动，通过装置112沉积于基板106之上的层厚度在部分区域130内从面对供给开口102的基板106侧至面对卸载开口104的部分区域130侧增加(线性地给定恒定送进速度)。已经到达最终层厚度的层位于已经自气相喷雾120出现的基板106的部分上。已经被完全涂覆的对应的部分区域在图中通过参考符号134而识别。
图还示出了用磷(n型导电)或硼(p型导电)掺杂的两个泻流单元(effusion cells)138、144。泻流单元138、144不是设备的必需的构成部分。它们可以在本发明的典型实施例中选择性地被连接。它们或者电加热或者用电子束的帮助加热。泻流单元138，144以这样的方式设计，使得掺杂原子利用在空间狭窄定义的气相喷雾142、148中的几何遮蔽和间隙定界而碰撞于基板的窄(几厘米宽)部分区域上。与送进方向136横向，泻流单元138，144大致具有基板106的宽度b。
提供了根据本发明激光结晶系统122。所述激光结晶系统122的光学器件位于真空室110外。所述激光结晶系统122发出激光束124。所述激光束124通过真空室110中的室窗128被引导于基板106的表面126之上的位置，此后被称为子部分区域132。所述子部分区域132是部分的位于定向的气相喷雾120中当前被涂覆的部分区域130，并且如果恰当，当前被涂覆的部分区域130坐落于基板106的表面120的被定向的气相喷雾142，148中。
根据本发明，在层沉积过程中，利用基板106的合适的移动和/或激光束124的合适的移动，激光束124在同时被涂覆的部分区域130上被重复地引导，和/或其层厚度的至少部分材料熔化。当被熔化的材料冷却时，发生结晶从而形成具有精细或粗晶粒结构的层，即被晶界所分离的Si微晶。
图3示出了根据本发明的具有激光结晶系统122的第一实施例变体的涂覆设备200。基本图披露了具有供给和卸载开口102、104和室窗128的真空室110。
设备200的构成部分是，除激光结晶系统122以外，图1和2中所示出的类型的运输装置(在此未示出)以及PVD涂覆装置(相似地未示出)(如果合适与泻流单元一起)。
在根据图3的该实施例变体中，激光结晶系统122包括3个激光器202、204、206。激光器202、204和206发出具有300瓦功率、300赫兹脉冲频率和每脉冲1焦耳的激光能量的激光束254、256、258。
激光束254、256、258被分别引导到二维单级匀化器208、210、212上。分别从匀化器208、210、212输出侧上发出的被均匀化的激光束260、262、264碰撞于所谓四方棱镜(quad prism)214、216、218上，这里它们被分别细分为具有对应的减小能量的4个部分束。4个这些细分的激光束例如被提供以参考符号264、266、268和270。这些12个细分的激光束264、266、268，270通过各自具有两个电流镜230、232的两维电流扫描器228和被布置于室窗平面中的物镜238而被分别引导到基板106的表面206上。电流镜230、232的旋转轴234、236相对于彼此取向，使得被电流扫描器228所偏转的各激光束240、242、272、274、276、278可以在基板纵向244和基板横向246在基板106的表面226上方移动。
12个激光束240、242、272、274、276、278的每个在实例中产生对应的7cm×7cm的点尺寸，在基板106的表面226上工作距离为50cm。各激光点可以被引导至基板226的表面126的20cm×20cm的部分场248、250、252上。
对于在PECVD a-Si层上在激光结晶的开始时产生具有较少的每cm2晶界的较大的微晶的下述的SLS2或TDX2法，需要连续地在正交方向例如在x和y方向激光束的线聚焦。使用根据本图3的光学系统通过分离激光束并且利用多个匀化器产生不同的束分布是可能的，所述多个匀化器即用于在x方向(扫描方向x和y)线聚焦的一个匀化器，用于在y方向(扫描方向x和y)线聚焦的另一匀化器，以及用于所描述的正方形激光分布的一个匀化器。但是，围绕匀化器的束方向的旋转，尤其地在SLS和ELA结合的情形，或者利用棱镜或平面镜的束分布的旋转是可能的。在任何情形中激光的激光功率分离必须与单独工艺的工艺要求匹配。作为替代，SLS2法可以采用SLS开槽掩模进行，尽管具有较低的效率。作为替代，并且与该连续构思偏离，可以旋转基板以实施SLS2或TDX2法。
图4示出了根据本发明的连续涂覆设备300的另一典型实施例。具有供给开口102和卸载开口104的真空室110再次被示意性地描绘。在真空室110的内部也有基板106，基板106在运输装置(未示出)的帮助下可以在送进方向136从供给开口102移动至卸载开口104。PVD涂覆装置(未示出)也被布置于真空室110内。在本情形中也设定了布置于基板106上方但是未被描绘的溅镀装置。
通过在真空室110的盖中的室窗128(未示出)，可以通过由激光结晶装置122所产生的激光点132而照射基板表面320。
在本典型实施例中，激光结晶装置122包括每个具有300瓦功率、300赫兹重复率和1焦耳的脉冲能量的3个激光器302、304、306。激光302、304、306以同步和间歇方式脉冲，使得所述布置以900赫兹的有效总脉冲速率照射基板106的表面。
由3个激光器302、304、306发出的激光束308、310、312被送到二维单级匀化器314输入侧。在布置在光瞳平面318(场平面坐落于基板表面上)中的屋脊棱镜316的帮助下，被匀化器314所均匀化的激光束322被细分为具有对应的减小的激光功率两个部分光束324，326，并且在不同方向被偏转。
各部分激光束324、326经由一维电流扫描器328、330被引导到成像物镜332、334上，其在基板106上产生激光束分布132。基板106上的激光束分布尺寸在本典型实施例中是10cm×10cm。电流扫描器328、330分别使激光束分布132可以在送进方向136或者相反于送进方向136被移动。对应的移动方向在图中通过提供以参考符号336、338的箭头表示。在该情形，两个激光束分布132的每个可以扫描半个基板长度l。为了能够将激光束分布132引导到基板表面的各个位置上，根据本发明，可以使得基板106自身能够垂直于送进方向136往复运动。往复移动的可能性在图中又以双头箭头346示出。
根据图4的设备还使得可以同时进行不同的工艺，例如SLS、SLS2和ELA，通过旋转束分布(匀化器)，产生不同的束分布(例如线性和矩形)和/或提供两个扫描器328、330之间的不同的激光功率分布，例如通过移位屋脊棱镜316。
图5示出了根据本发明的具有激光结晶装置122的第三实施例变体的另一连续涂覆设备400。
连续涂覆设备400又包括具有供给开口102和卸载开口104的真空室110，通过供给开口102，可以在送进方向136供给基板106，通过卸载开口104可以在送进方向136卸出基板106。连续涂覆设备400的构成部分又是PVD涂覆装置(未示出)，它可以被布置于基板106的上面或者下面。在该方面，连续涂覆装置400与根据图4的设备相同。
激光结晶装置122的第三实施例变体被描绘为图的图5中的连续涂覆设备400的另一构成部分。如在先前的典型实施例中，所述激光结晶装置122包括具有300瓦功率、300赫兹重复率和1焦耳/脉冲的脉冲能量的3个激光器402、404、406。激光器402、404、406被同步并且在各情形中以激光器402、404、406的总周期持续时间的1/3的时间间隔发射激光脉冲。通过所述激光器402、404、406发射的激光束408、410、412又引导到二维单或二级匀化器414上。被所述匀化器414所均匀化的激光束416随后碰撞于在布置于对应于设定在基板区上的场平面的光瞳平面420中的屋脊棱镜418上。所述屋脊棱镜418将均匀化的激光束416细分为2个部分激光束428、430并且在各情形中在不同的方向偏转它们。2个部分激光束428、430分别碰撞于束扩展装置424、426上。例如在本典型实施例中提供具有20cm长度的变形透镜。被扩展的激光束432、432又碰撞于布置在结合于真空室100的上或下部的室窗128中的各圆柱透镜物镜上(或者替代地在圆柱反射镜物镜上)，并且在各情形中两个圆柱透镜436、438，和440、442一个布置于另一个之后。这些圆柱透镜物镜以减小的方式将各均匀化激光束432、434成像于基板106的表面126上，在各情形中，形成具有界定的均匀化束分布444、446的拉长的照射线。
在本典型实施例中，照射线444、446精确地对应于送进方向的基板长度l的一半。在实践中，照明线444、446的长度将被精确地选择，使得它们共同对应于被暴露于PVD装置112的气相喷雾120的基板106的表面的部分区域130的长度。假定50cm的工作距离，聚焦于基板表面上的照射线444、446的宽度是50μm。为了暴露基板106的整个表面于两个照射线444、446的激光照射，基板106又可以垂直于其送进方向136在其整个宽度b上被往复移动。通过由参考符号448识别的双头箭头指示移动能力。
图6示出了根据本发明的连续涂覆装置500的另一典型实施例。如在上面的实例中所描述的，也示意性地概述其具有供给开口102和卸载开口104的真空室110以及激光结晶装置122。基板106的移动方向通过由参考符号136识别的箭头指示。设备没有示出存在的PVD涂覆装置和室窗，穿过该室窗基板106的表面126利用激光束被结晶。
激光结晶装置122也包括每个具有300瓦的功率，300赫兹的脉冲频率和1J/脉冲的激光能量的3个激光器502、504、506。通过所述激光器502、504、506发出的激光束508、510、512在对应的二维单或二级匀化器514、518的帮助下相互独立地被均匀化，并且在其均匀化之后，被分别送到偏转镜520、522、524。这些偏转镜520、522、524扩展激光束532、534、536至坐落于室窗128中的圆柱透镜布置526的尺寸。所述圆柱透镜布置526聚焦激光束532、534、536，从而在基板上的场平面530中形成等距离布置的线。为了该目的，圆柱透镜布置526包括14×6＝84圆柱透镜。84个圆柱透镜被不同地弯曲，使得基板中的所有焦点具有相同的几何形状和相同的强度分布，即20cm×36μm均匀的线分布。该实施例变体的区别事实在于没有可移动的部件存在并且设备可以被容易地缩放。仅需一个大的室窗并且设备的尺寸总体相对大。
图7示出了根据本发明的连续涂覆设备700的另一典型实施例。附图的图也披露了真空室110，该真空室110具有用于基板106的供给开口102和卸载开口104，并且具有通过其可接入激光的室窗128，该激光用于结晶沉积于基板106上的层。基板106通过运输装置(在此未被示出)在y方向从供给开口102至卸载开口104运输。移动方向在图7中通过由参考符号136所识别的箭头标记。
这里的设备未示出PVD涂覆系统，该PVD涂覆系统以与在图1中所示出的实施例变体相似的方式，可以包括在x方向布置的多个电子束蒸镀装置112。
激光结晶装置122在本情形中被描述。它包括2个激光器702、704，其也可以是不同的激光类型，即受激准分子激光和DPSSL(二极管泵浦固态激光器)，具有不同波长的CW或脉冲激光。由激光720、704发出的激光束706、708在匀化器710、712的帮助下被均匀化并且在x方向在光学单元(未在此示出)的帮助下扩展。被扩展的激光束718、720在偏转镜714、716的帮助下被引导到基板106上。室窗12之前的聚焦光学单元(在此同样未被示出)聚焦被偏转的激光束726、728于基板106的表面上。两个偏转镜714、716可以在y方向被线性移动。在附图的图中线性移动能力通过由参考符号722、724识别的双头箭头指示。在涂覆期间在这些线性可移动偏转镜714、716的帮助下，穿过室窗128引导到基板上的激光束726、728可以被引导到基板106的表面的不同位置上。
以下的表1总结了在整个基板表明上引导激光束的各种可能性。
表1照明通过根据本发明的连续涂覆设备的基板上的不同位置的机械布置
Figure G200880006315XD00181
表1的第一行和第一列分别指定用于在对应的方向移动激光束的装置。假定基板的送进方向是y方向。
概括起来，在各空间方向x或y，激光束可以是固定的(列2，行2)，在机械线性扫描器的帮助下优选线性地移动(列3，行3)或者在角度扫描器的帮助下以不同的角度被引导于基板上(列4，行4)。如果忽略基板的移动，则通过排列产生基板照射的9种变体。
如果另外考虑在x和/或y方向移动基板的可能性(仅在x方向移动，在x和v方向移动)，则变体的数量加倍。此外，存在仅用一个均匀化的激光分布或用多个均匀化的激光分布照射基板表面的可能性。
上面描述的类型的设备可以被用于生产a-Si:H/μc-Si串连太阳电池的晶态硅太阳电池，采用例如在图8中所示出的结构，以未完全符合其比例的方式。在图8中所示出的串连电池800包括太阳光侧(hv)上a-Si:H太阳电池812和后部下晶态硅太阳电池822。所述a-Si:H太阳电池812直接相邻于例如由硼硅酸盐玻璃802构成的透明基板。800nm厚的SnO2层起前电极的作用。相邻于所述层的是具有大约10nm、250nm和30nm的层厚度的pin结构806、808、810。替代pin层顺序，a-Si-H电池也可以具有pn结构。pin结构中相似地由晶态硅构成的后部太阳电池822直接相邻于30nm厚的a-Si:H太阳电池812的n导电类型层810。所述p-、i-、和n型层的厚度是10nm、1.5μm和30nm。背电极通过具有800nm和2μm的层厚度的ZnO:Al、Ag/Al层顺序而形成。假定高结晶度和低的晶界密度，替代μc-Si电池的pin结构的pn也是可能的。
所述a-Si:H太阳电池812可以例如被如下生产：首先透明电极804被施加于具有1.4mm通常层厚度的玻璃基板802，例如，在阴极溅镀法的帮助下。10nm厚并且高度p掺杂的发射极层随后被施加，优选通过PECVD法。相同的方法也可以被用于沉积大约250nm厚的本征a-Si:H层808并且随后具有30nm厚度的n掺杂的集电极层810。从现有技术已知多个改进的对应的涂覆设备并且不是本发明的主题。这种类型的设备可以被布置于示意性描绘并上述的连续涂覆设备100、200、300、400、500、700的输入侧的上流，直接地通过闭锁系统。
存在生产第二太阳电池822的各种可能性-基于根据本发明的串连结构800的晶态材料，通过非晶硅层的PVD沉积和后续的所述层的激光结晶。
下面参考附图的图9解释第一方法实例。图9示出了在PECVD法的帮助下氢钝化非晶硅太阳电池812的完成之后和在高速PVD法(例如电子束蒸镀或溅镀)的帮助下在完成的a-Si:H太阳电池上另一非晶硅层827的沉积之后的层构造(层顺序：玻璃802上的TCO 804、p-Si 806、i-Si 808、n-Si 810)。
在第一变体中，假定非晶硅层827具有对应于晶态硅太阳电池的PIN结构的总层厚度的层厚度，这就是说1.5μm。在n掺杂a-Si层810的区中，非晶硅层827可以已经具有p掺杂杂质原子，例如在利用高速PVD法从另外的泻流单元(比较关于图1和2的解释)的a-Si层的沉积期间伴随沉积的硼。以对应的方式，n掺杂原子，例如磷，可以在上层片的沉积期间被添加。也可以，但是不是高成本效率的，随后在离子植入法的帮助下进行最后的n型层的对应的掺杂。非晶硅层827的对应的区，在其结晶之后，趋向于形成晶态太阳电池822的p和n导电区。
本发明提供了区域照射a-Si层827的表面，该a-Si层827的表面利用具有相对低注量的激光束834的PVD产生。在该情形，激光的注量以这样的方式被选择，使得仅有a-Si层827的上层片被熔化。在所述上层片的冷却期间，根据冷却速率和熔融物的过冷，产生结晶，从而形成精细晶粒的纳米晶态硅828(nc-Si)。在纳米晶硅828/熔融物830的界面在结晶过程期间所释放的相变结晶热经由熔融物830/a-Si832的相界而散逸。由于晶态硅的熔点Tm，c-Si是大约1460℃并且因而高于非晶硅的熔点Tm，a-Si，非晶硅的熔点Tm，a-Si仅是1200℃，所以位于熔融物830/a-Si 832的相界的非晶硅根据温度而进一步熔化。后果是熔化区830从被照射的表面829在a-Si电池812的方向发展。有利地选择激光束834的作用的注量和持续时间和激光束834波长，激光束834波长确定了吸收长度并且因而确定了温度分布，使得熔化区830精确地发展直至与非晶硅电池812的界面。当使用长波532nm激光时，典型的激光注量是100-1500mJ/cm2，假定≈100-1500nm的a-Si层厚度。通常对于将要被熔化的非晶硅层以热学或者激光诱导的方式加热至接近熔点的温度是有利的。此外，在薄p型层814之后也可以产生从PECVD至PVD涂覆的改变。
在第二变体中，假定非晶硅层827具有仅对应于部分，例如20nm至100nm的硅太阳电池的pin结构的总层厚度的层厚度。通过对应地施加在先前段落中所描述的方法，可以产生仔晶层以避免具有许多竞争的微晶和晶界的自发成核现象，或产生缓冲层以限制熔化前沿发展进入PECVD a-Si电池。形成c-Si太阳电池所要求的其余的层厚度可以利用相同的沉积和激光结晶方法或者其它方法而被沉积于所述仔晶层上，尤其是下面描述的一种方法。对于本领域的技术人员不言自明的是，上述方法也可以被重复地施加于在具有合适的层厚度的层的沉积之后的各情形中。
下面参考附图的图10描述第二方法实例。图10示出了利用PECVD法(或者一些其它的合适的方法)生产氢钝化非晶硅太阳电池812(层顺序：玻璃802上的TCO 804、p-Si 806、i-Si 808、n-Si 810)之后并且在由纳米晶硅构成的缓冲层814的沉积之后的层结构。nc-Si层814优选在同一涂覆设备中如并且通过与a-Si:H太阳电池812的单独层806、808、810相似的工艺而生产。如果假定单独的层在PECVD的帮助下被生产，则在PECVD工艺的帮助下生产缓冲层也是有利的。利用PECVD生产nc-Si层的可能的工艺参数从文献中足以获知。
缓冲层的厚度被选择，使得一方面，在后续的工艺步骤期间，下面的a-Si电池812不被毁坏，并且另一方面，总的工艺持续时间被最小化。在根据图10的典型实施例中，缓冲层814根据掺杂和厚度被精确地选择，使得在完成的串连结构800中，它精确地对应于pin-c-Si太阳电池822的p型层814。
如在根据图9的典型实施例中，a-Si层827随后利用PVD工艺，例如阴极溅镀以高沉积速率被施加于所述缓冲层814。PVD a-Si层827随后在整个区上利用具有低注量的激光束834照射，以在涉及图9的上面的节所描述的方式。从表面829发展至缓冲层829的熔化区830形成有精细晶粒纳米晶态膜的形式。该变体的优点是，缓冲层814起熔化区830的进一步发展的阻挡的作用-这取决于熔化区830温度分布是可能的，因为所述晶态层的熔点又比非晶硅层的温度高200K。在缓冲层814和a-Si 832的界面的层的混合实际上不发生，假定位于底部的PECVD nc-Si层814具有足够的结晶度。
实验调查已经示出生产p掺杂nc-Si层814的PECVD工艺需要非常精密的工艺控制以便保持nc-Si层814的基体中的非晶材料部分足够地小并且，从而如果熔化区830接触缓冲层814，避免相混合出现于界面区。这是更加可以应用的，因为激光束834的作用的注量和持续时间必须被选择得足够大以便确保整个a-Si层832的完全晶态，既便硅的沉积速率在PVD工艺期间受到某些波动。在第三方法实例中，因而，为了增加工艺公差，要求不仅利用PECVD沉积p-Si层814，而且还沉积几个纳米，如果恰当数十纳米的未掺杂的nc-硅。这样就有效地避免了在后续工艺步骤中i和p型区的相互混合。图11与根据图10的方法对比而示出了该情形。较厚的PECVD nc-Si层通过在附图的图中的参考符号816被识别。
下面参考附图的图12解释第四方法实例。图12同样示出了氢钝化非晶硅太阳电池812(层顺序：玻璃802上的TCO 804，p-Si 806、i-Si 808、n-Si810)的完成之后和在上述典型实施例的描述中所使用的类型的缓冲层816沉积之后的层结构，缓冲层816即晶态p-Si层814和薄晶态i-Si层834。
离开上述典型实施例，i-Si层不为精细晶粒。通过在沉积i-Si层的PECVD工艺期间相应地改变SiH4:H比率，可以生产具有几十纳米直径的具有优选的(110)表面法线织构的微晶。这跟随着例如在高速率PVD法(例如电子束蒸镀和溅镀)的帮助下沉积大约50-100nm厚度的非晶硅膜，和后续的采用熔化整个a-Si层厚度的高激光能量的激光结晶，使得在后续的冷却期间形成外延晶态层。这个例如100nm厚的a-Si层的沉积和后续的通过激光照射834的完全熔化(称作：“完全熔化状态”)的过程被重复直至到达层836的希望的最终厚度。采用较高的激光注量，较长的脉冲持续时间和/或较长波长的激光，熔融物的较长的冷却时间并且因而每结晶步骤较高的层厚度是可能的。
替代外延层生长，非外延层生长也可以产生具有足够的层质量的晶态层。因而，例如与图9至11关联所描述的方法具有独立地发展的熔化区(称作“自发展液体层”、低激光注量、长波激光、热预处理)可以产生足够良好的结果。作为另一非外延法，可以使用所谓“部分”熔化法，其中PVD沉积的层在其厚度上仅被部分熔化，并且自发结晶开始以形成非常小的纳米微晶。与此相关的方法是同样可能的“成核状态”，其中结晶发生于特别添加的成核中心。在最后介绍的两个方法中，仔晶层834具有尤其大的微晶不是必须的。因而，H浓度对SiH4浓度的具体的适应以便增加微晶尺寸不是必须的。图13概略示出了根据图12的层结构但是具有上层836的非外延生长。
现将参考图14解释第六方法实例。图14示出了在氢钝化非晶硅太阳电池812(层顺序：玻璃802上的TCO 804、p-Si 806、i-Si 808、n-Si 810)完成之后和利用PVD法(例如阴极溅镀或者电子束蒸镀)沉积大约50nm至100nm的薄非晶硅层836的沉积之后的将要被生产的串连太阳电池800的层结构。所述硅层836利用在说明书的引言中所介绍的SLS法被结晶。所述方法涉及以脉动方式在将要被结晶的表面上方引导具有宽度达到几十微米和长度为几分米的线性照射线838’、838。具体而言，各时间上直接地后续的激光脉冲838在层854的表面上产生照射线，其从时间上直接先前的激光脉冲838’移位了照射线838’、838的宽度。图14示出了两个时间上直接连续的激光脉冲840’、840穿过聚焦透镜842’、842的束路径。透镜842、842’的移动方向在图14中由被提供以参考符号844的箭头所指示。
各激光脉冲838’、838在膜的整个厚度上在对应的碰撞位置熔化非晶硅层(“完全熔化状态”)。在冷却的过程中，被熔化的材料固化并且从对应的边结晶。结晶方向由图中的箭头846所识别。在线宽的中心相互接触的微晶848’，848形成晶界850’、850，它们在层表面法线的方向被提高。给定的几百纳米的宽度，在该方法期间出现的拉长的例如3μm长的微晶具有照射线宽度的大约一半的尺寸。
如果相对于方向844又随后横向进行所述方法，则导致大约3μm×3μm的微晶。该方法在文献中被称作SLS2法。在生产具有大微晶的第一层之后，还可以使用“完全熔化状态”中的ELA法的另一外延层的生长。
层沉积和后续的使用ELA、SLS或SLS2法的激光结晶被重复地实现，直至到达大约1.5μm的希望的最终厚度。
下面参考图15解释第七方法实例。图15示出了在氢钝化非晶硅太阳电池812(层顺序：玻璃802上的TCO 804、p-Si 806、i-Si 808、n-Si 810)的完成之后和利用PVD法(例如阴极溅镀或电子束蒸镀)的大约50nm至100nm的薄非晶硅层836的沉积之后的要被生产的串连太阳电池800的层构造。
替代在图14中示意性地概述的SLS法，图15示出了所谓TDXTM法。该方法，以相似于SLS法的方式，涉及以脉动的方式在要被结晶的层854的上引导具有几微米的宽度和几分米的长度的线性照射线838’、838。离开SLS法，各时间上直接后续的激光脉冲838在层854的表面上产生照射线，该照射线从时间上直接在先激光脉冲838’移动了小于照射线838’、838的宽度的一半。图15示出了两个直接时间上连续的激光脉冲840’、840穿过聚焦透镜842’、842的束路径。透镜842、842’的移动方向在图15中通过被提供以参考符号814的箭头所指示。
各激光脉冲838’、838在膜的整个厚度上熔化非晶硅层和利用时间上在先激光脉冲已经被结晶的对应的层(“完全熔化状态”)。在冷却的过程中，被熔化的材料固化并且又从对应的边缘结晶。由于被结晶的端层从在激光束838’，838的移动方向844的结晶方向846被结晶的部分层形成，所以在横向方向形成非常长的微晶。给定几百纳米的宽度，在该方法期间出现的微晶具有几十至几百微米的尺寸。
如果相对于方向844又随后横向进行所述方法，则根据本发明，导致大约10μm×10μm至100μm×100μm的微晶。该方法在文献中被称作TDX2法。如在SLS2法中，另一层生长可以受到利用ELA，即垂直结晶，或者利用SLS或TDX，即横向结晶的激光结晶来实现，直至达到大约1.5μm的希望的最终厚度。
由上述方法所产生的所有的层在激光结晶之后优选经历氢钝化。
通过利用泻流单元的磷的蒸镀、以及在送进方向划界涂覆区至几cm的宽度的几何分区和后续的激光结晶，生产所述n型层820(比较图1)。
透明电极也沉积于该n导电类型层上。在本典型实施例中，溅镀上铝掺杂的氧化锌824。由Ag/Al构成的金属背区接触通过例如电子束蒸镀而被施加。
参考符号清单
100 连续涂覆设备
102 供给开口
104 卸载开口
106 基板
108 具有运输辊子的基板支架
110 真空室
112 电子束蒸镀装置
114 电子束
116 蒸镀器坩锅
118 硅
120 引导气相喷雾
122 激光结晶(照射)系统
124 激光束
126 基板表面
128 室窗口
130 当前涂覆部分区域
132 当前照射的子部分区域，激光束分布
134 已经被涂覆的部分区域
136 送进方向
138 泻流单元
140 间隙
142 气相喷雾
144 泻流单元
146 间隙
148 气相喷雾
200 连续涂覆设备
202 激光器
204 激光器
206 激光器
208 二维单级匀化器
210 二维单级匀化器
212 二维单级匀化器
214 四方棱镜
216 四方棱镜
218 四方棱镜
220 光瞳平面
222 光瞳平面
224 光瞳平面
226 场平面
228 二维电流扫描器
230 电流镜
232 电流镜
234 旋转轴
236 旋转轴
238 扫描物镜
240 激光束
242 激光束
244 第一扫描方向
246 第二扫描方向
248 场
250 场
252 场
254 激光束
256 激光束
258 激光束
260 均匀化的激光束
262 均匀化的激光束
264 细分的激光束
266 细分的激光束
268 细分的激光束
270 细分的激光束
272 场平面中成像的激光束
274 场平面中成像的激光束
276 场平面中成像的激光束
278 场平面中成像的激光束
300 连续涂覆设备
302 激光器
304 激光器
306 激光器
308 激光束
310 激光束
312 激光束
314 二维单级匀化器
316 屋脊棱镜
318 光瞳平面
320 场平面
322 均匀化的激光束
324 细分的激光束
326 细分的激光束
328 一维电流扫描器
330 一维电流扫描器
332 扫描物镜
334 扫描物镜
336 电流扫描器的扫描方向
338 电流扫描器的扫描方向
340 场
342 场
344 场
346 基板支架的扫描方向
400 连续涂覆设备
402 激光器
404 激光器
406 激光器
408 激光束
410 激光束
412 激光束
414 二维二级匀化器
416 均匀化的激光束
418 屋脊棱镜
420 光瞳平面
422 场平面
424 变形物镜
426 变形物镜
428 细分并且被偏转的激光束
430 细分并且被偏转的激光束
432 在一方向被扩展并且在一方向被聚焦的激光束
434 在一方向被扩展并且在一方向被聚焦的激光束
436 圆柱透镜
438 圆柱透镜
440 圆柱透镜
442 圆柱透镜
444 具有短和长轴的照明线
446 具有短和长轴的照明线
448 基板支架的扫描方向
500 连续涂覆设备
502 激光器
504 激光器
506 激光器
508 激光束
510 激光束
512 激光束
514 二维二级匀化器
516 二维二级匀化器
518 二维二级匀化器
520 反射器
522 反射器
524 反射器
526 圆柱透镜布置
528 线焦点
530 场平面
532 激光束
534 激光束
536 激光束
700 连续涂覆设备
702 激光器
704 激光器
706 激光束
708 激光束
710 匀化器
712 匀化器
714 扫描镜
716 扫描镜
718 均匀化的激光束
720 均匀化的激光束
722 扫描方向
724 扫描方向
726 激光束
728 激光束
800 串连太阳电池
802 玻璃基板
804 透明电极(SnO2)
806 a-Si(p掺杂)
808 a-Si(未掺杂)
810 a-Si(n掺杂)
812 a-Si太阳电池(顶电池)
814 μc-Si(p掺杂)
816 仔晶层
818 μc-Si(未掺杂)
820 μc-Si(n掺杂)
822 μc-Si太阳电池(底电池)
824 透明电极(ZnO2:Al)
826 金属背电极(Ag/Al)
828 纳米晶硅
830 熔化区
832 a-Si
834 激光束
836 薄非晶硅层
838 线性照明线
840 激光脉冲
842 透镜
844 移动方向
846 移动方向
848 相遇的微晶
b   基板宽度
l   基板长度
hv  光能

Claims (52)

1.连续涂覆设备(100、200、300、400、500、700)，包括：
真空室(110)，具有供给被涂覆的基板(106)的供给开口(102)和卸出所述被涂覆的基板(106)的卸载开口(101)，
物理气相沉积装置(112)，涂覆所述基板(106)的表面(126)，
激光结晶系统(122)，同时用至少一激光束(124)照射所述基板(106)的表面(126)，
包括运输装置(108)，其在送进方向(136)从所述供给开口(102)至所述卸载开口(104)运输所述基板(106)并且连续地或者非连续地在所述基板的涂覆期间在所述送进方向(136)移动所述基板(106)，
物理气相沉积装置(112)被配置使得气相喷雾仅定向于所述基板(106)的表面(126)的部分区域(130)之上，且
激光结晶系统(122)被配置使得所述激光束(124)被引导到所述基板(106)的表面(126)的子部分区域(132)，其是当前被涂覆的部分区域(130)。
2.根据权利要求1的连续涂覆设备，其特征在于所述物理气相沉积装置(112)包括至少一电子束蒸镀装置(112)或至少一阴极溅镀装置。
3.根据权利要求2的连续涂覆设备，其特征在于多个电子束蒸镀装置(112)和/或多个阴极溅镀装置垂直于所述送进方向(136)相互相邻布置。
4.根据权利要求1、2或3的连续涂覆设备，其特征在于所述运输装置(108)具有移动装置，该移动装置在位于涂覆平面中并且垂直于所述送进方向(136)的方向(546)移动所述基板(106)。
5.根据权利要求1、2或3的连续涂覆设备，其特征在于照射所述至少一子部分区域(132)的所述激光结晶系统(122)以固定方式形成。
6.根据权利要求1、2或3的连续涂覆设备，其特征在于所述激光结晶系统(122)具有可以在至少一方向(244、246)移动的至少一激光束移动装置，以便在所述当前被涂覆的部分区域(130)上引导至少一所述激光束(240、242)，独立于所述基板(106)的移动。
7.根据权利要求6的连续涂覆装置，其特征在于所述至少一激光束移动装置可以在相互垂直的两个方向(244、246)被移动。
8.根据权利要求6的连续涂覆设备，其特征在于所述至少一激光束移动装置具有线性移动所述至少一激光束移动装置的线性电动机。
9.根据权利要求6的连续涂覆装置，其特征在于所述至少一激光束移动装置具有将所述至少一激光束(726、728)偏转到所述至少一子部分区域(132)上的镜(714、716)。
10.根据权利要求1、2或3的连续涂覆装置，其特征在于所述激光结晶系统(122)具有可以围绕至少一轴(234、236)旋转的至少一激光角度扫描器(228)，以便从不同方向将所述至少一激光束(240、242、272、274、276、278)引导到所述基板(106)上。
11.根据权利要求10的连续涂覆设备，其特征在于所述至少一激光角度扫描器(228)可以围绕至少一第二轴(236)旋转。
12.根据权利要求10的连续涂覆设备，其特征在于所述激光结晶系统(122)具有分配给所述至少一激光角度扫描器(230)并且可以围绕至少一轴(236)旋转的至少一另一激光角度扫描器(232)，以便将所述至少一激光束(240、242)引导到所述至少一激光角度扫描器(230)上。
13.根据权利要求10的连续涂覆设备，其特征在于至少一成像物镜(332、334)被提供，以便成像所述至少一激光束(324、326)于所述至少一子部分区域(132)上，使得如果所述至少一激光束(324、326)从不同方向被引导到所述基板(106)上，则其轮廓和尺寸基本保持不变。
14.根据权利要求10的连续涂覆设备，其特征在于所述至少一激光角度扫描器(230)和/或所述至少一另一激光角度扫描器(232)具有电流镜(232)，以便以不同的方式偏转所述至少一激光束(240、242)。
15.根据权利要求1、2或3的连续涂覆设备，其特征在于提供产生同时照射多个子部分区域(132、444、446、528)的多个激光束(264、266、268、270)的多路装置(214、216、316、418、526)。
16.根据权利要求15的连续涂覆设备，其特征在于所述多路装置(214、216、316、418、526)设置为将激光束(260、262、264、322、416、532、534、536)细分为多个激光束(264、266、268、270、324、326、428、430)的束细分装置(214、216、316、418、526)。
17.根据权利要求16的连续涂覆设备，其特征在于所述束细分装置包括屋脊棱镜(214、216、218、316、418)。
18.根据权利要求17的连续涂覆设备，其特征在于所述屋脊棱镜(214、216、218、316、418)被布置于光瞳平面(220、222、224、318、420)中。
19.根据权利要求1、2或3的连续涂覆设备，其特征在于提供沉积测量装置以及开环和/或闭环控制装置，所述沉积测量装置测量通过气相沉积装置(112)所沉积的材料(118)的沉积速率和/或沉积量，所述开环和/或闭环控制装置根据所述测量的沉积速率和/或所述测量的沉积量，开环和/或闭环控制所述基板(106)上的子部分区域(132)的当前位置和/或所述基板(106)上的所述至少一激光束(124)的当前强度。
20.根据权利要求1、2或3的连续涂覆设备，其特征在于提供层厚度测量装置以及开环和/或闭环控制装置，层厚度测量装置测量层厚度改变和/或沉积于基板(106)上的层厚度，开环和/或闭环控制装置根据所述测量的层厚度改变和/或所述测量的层厚度，开环和/或闭环控制所述基板(106)上的子部分区域(132)的当前位置和/或所述基板(106)上至少一激光束(124)的当前强度。
21.根据权利要求1、2或3的连续涂覆设备，其特征在于提供镜，所述镜将从子部分区域(132)反射之后的激光束(124)反射回子部分区域(132)或者在所述基板(106)上包含所述子部分区域(132)的区域上。
22.生产纳米-、微米-、多晶-、多晶体-或单晶薄膜的方法，包含下列方法步骤：
a)将要被涂覆的基板(106)在送进方向(136)供给入真空室(110)，
b)连续地或不连续地在送进方向(136)移动所述基板(106)，而同时进行在所述基板(106)的表面(126)的部分区域(130)上的一层物理气相沉积和利用至少一激光束(124)激光结晶所述基板(106)的表面(126)的当前被涂覆的部分区域(130)的至少一子部分区域(132)，
c)从所述真空室(110)在所述送进方向(136)卸出所述被涂覆的基板(106)。
23.根据权利要求22的方法，其特征在于所述物理气相沉积包括电子束蒸镀或阴极溅镀。
24.根据权利要求22和23任一的方法，其特征在于所述物理气相沉积以大于100nm/min的层生长速率进行。
25.根据权利要求24的方法，其特征在于所述物理气相沉积以大于1000nm/min的层生长速率进行。
26.根据权利要求25的方法，其特征在于所述物理气相沉积以大于2000nm/min的层生长速率进行。
27.根据权利要求22至23之一的方法，其特征在于所述基板(106)在方法步骤b)期间在送进方向(136)以大于0.5m/min的速度移动。
28.根据权利要求27的方法，其特征在于所述基板(106)在方法步骤b)期间在送进方向(136)以大于2m/min的速度移动。
29.根据权利要求22至23之一的方法，其特征在于所述基板(106)在方法步骤b)期间在位于涂覆平面中并且垂直于所述送进方向(136)的方向(346、448)移动。
30.根据权利要求29的方法，其特征在于所述基板在方法步骤b)期间在位于涂覆平面中并且垂直于所述送进方向(136)的方向(346、448)移动。
31.根据权利要求30的方法，其特征在于振荡移动以200至500mHz的频率周期性地实现。
32.根据权利要求22至23之一的方法，其特征在于所述至少一激光束(132)以取决于或独立于方法步骤b)期间所述基板(106)的移动的方式，在所述当前被涂覆的部分区域(130)上引导。
33.根据权利要求32的方法，其特征在于所述至少一激光束(132)在所述基板(106)的送进方向(136)，在所述当前被涂覆的部分区域(130)上引导。
34.根据权利要求32的方法，其特征在于所述至少一激光束(132)以对于所述基板(106)的送进方向(136)的一角度，在所述当前被涂覆的部分区域(130)上引导。
35.根据权利要求34的方法，其特征在于所述角度是直角。
36.根据权利要求32的方法，其特征在于所述至少一激光束(132)相继地以对于基板(106)的送进方向(136)的两个不同的角度，在所述当前被涂覆的部分区域(130)上引导。
37.根据权利要求36的方法，其特征在于所述两个不同的角度相差90°。
38.根据权利要求22至23之一的方法，其特征在于所述至少一激光束(124)被引导到其上已经精确地沉积预定层厚度的基板(106)的位置。
39.根据权利要求35的方法，其特征在于所述预定层厚度在50nm和1000nm之间。
40.根据权利要求39的方法，其特征在于所述预定层厚度在100nm和500nm之间。
41.根据权利要求40的方法，其特征在于所述预定层厚度在100nm和300nm之间。
42.根据权利要求38的方法，其特征在于所述至少一激光束(124)被引导到基板(106)的位置(132、444、446)，在用所述至少一激光束(124)照射之后在所述位置上已经精确地沉积另一预定层厚度。
43.根据权利要求42的方法，其特征在于所述预定的层厚度在50nm和1000nm之间。
44.根据权利要求43的方法，其特征在于所述预定的层厚度在100nm和500nm之间。
45.根据权利要求44的方法，其特征在于所述预定的层厚度在100nm和300nm之间。
46.根据权利要求22至23之一的方法，其特征在于所述基板(106)的温度在方法步骤b)期间保持恒定。
47.根据权利要求46的方法，其特征在于所述基板的温度在100℃和500℃之间。
48.根据权利要求47的方法，其特征在于所述基板的温度在200℃和400℃之间。
49.根据权利要求22至23之一的方法，其特征在于所述基板(106)在方法步骤b)中被涂覆以硅(118)。
50.根据权利要求22至23之一的方法，其特征在于所述激光束具有100nm和700nm之间的波长。
51.根据权利要求50的方法，其特征在于所述激光束具有150nm和600nm之间的波长。
52.根据权利要求22至23之一的方法，其特征在于所述激光束(124)在所述基板(106)上具有在脉冲激光的情形的100mJ/cm2至1500mJ/cm2的激光注量，或者在CW激光的情形根据所述基板(106)上的激光束分布(124)的扫描速度的等效强度。
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