CN101821854B - 动态控制微晶硅生长期间的温度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明大体包括一种在微晶硅沉积期间用以动态控制太阳能电池基板的温度的方法。在非晶硅/微晶硅串接太阳能电池中，微晶硅可以使用比非晶硅更高的功率密度来沉积，并且被沉积到比非晶硅更厚的厚度。所施加的功率密度越高，沉积速度越快，但沉积温度可能也会增加。在高温时，掺杂质扩散进入太阳能电池的本征层且破坏太阳能电池的可能性更大。通过动态控制载座的温度，基板以及因此掺杂质都可以被维持在掺杂质会扩散进入本征层的温度以下的实质恒定温度。动态温度控制允许微晶硅能以高功率密度来沉积而不会破坏太阳能电池。
Description
发明背景
发明领域
本发明的实施例大体涉及在微晶硅沉积期间，动态控制太阳能电池基板的温度的方法。
相关技术说明
光伏装置(photovoltaic device；PV)或太阳能电池是将太阳光转换成直流(DC)电功率的装置。PV或太阳能电池可以是单一接合或多接合，而每一接合区具有一p掺杂区、一本征区以及一n掺杂区以形成p-i-n结构。本征区可以由非晶硅来形成，但非晶硅无法像微晶硅一样使用宽的太阳光光谱。
另一方面，当微晶硅使用比非晶硅更宽的太阳光光谱时，微晶硅具有比非晶硅更低的吸收系数且因而无法以同非晶硅一样快速地沉积。通过增加功率密度，可以增加微晶硅的沉积速度，但更高的功率密度通常致使更高的处理温度。较高的处理温度可能不是有利的，这是因为相邻层中的掺杂质可能会扩散进入其它层且破坏太阳能电池。
由于微晶硅得以使用更宽的太阳光光谱，若微晶硅可以在更快速的速度下被沉积而不破坏太阳能电池，那么是有利的。因此，该领域中需要能够在更快速的速度下沉积微晶硅而不破坏太阳能电池的方法。
发明概述
本发明大体包括一种在微晶硅沉积期间，用以动态控制太阳能电池基板的温度的方法。在非晶硅/微晶硅串接(tandem)太阳能电池中，可以使用比非晶硅更高的功率密度以及比非晶硅更厚的厚度来沉积微晶硅。所施加的功率密度越高，沉积速度越快，但沉积温度可能也会增加。在高温时，掺杂质扩散进入太阳能电池的本征层且破坏太阳能电池的可能性更大。通过动态控制载座(susceptor)的温度，基板以及因此掺杂质都可以维持在一基本上恒定的温度，该温度数值低于掺杂质会扩散进入本质层的温度。动态温度控制允许以高功率密度来沉积微晶硅而不会破坏太阳能电池。
在一实施例中，公开了一种太阳能电池形成方法。此方法包括：将一基板维持在一基本上恒定的温度，同时动态控制一载座的温度，该基板被放置在该载座上。该动态控制依序地实质包括：加热该载座长达第一时段；同时加热该载座且冷却该载座长达第二时段；以及冷却该载座长达第三时段。
在另一实施例中，公开了一种太阳能电池形成方法。此方法包括：在放置于一载座上的基板上方沉积一硅层，同时将该基板维持在一基本上恒定的温度且改变该载座的温度。
在另一实施例中，公开了一种太阳能电池形成方法。此方法包括：向一载座提供加热输出，以加热该载座至第一温度；渐渐地减少到该载座的加热输出，以降低该载座的温度至第二温度；渐渐地减少到该载座的加热输出，同时渐渐地增加到该载座的冷却输出，以降低该载座的温度至第三温度；以及向该载座提供一基本上恒定的冷却输出，以将该载座基本上维持在该第三温度。
附图简要说明
本发明的前述特征、详细说明可以通过参照实施例而更加了解，其中一些实施例绘示在附图中。然而，应了解，附图仅绘示本发明的典型实施例，因而不会限制本发明范围，本发明允许其它等效的实施例。
图1为根据本发明一个实施例的一双串接太阳能电池的示意图。
图2为一具有多个处理腔室的处理系统的实施例的俯视图。
图3为一PECVD腔室的实施例的截面图，其中太阳能电池的一或多个膜可以在该PECVD腔室内被沉积。
图4A-4C为显示根据本发明实施例在微晶硅沉积期间基板与载座的温度的图表。
图5为根据本发明的一个实施例的动态温度控制工艺的流程图。
为了促进了解，附图中相同的元件符号用来指定相同的元件。可以理解，一实施例中的元件可以有利地被用在其它实施例中而不需赘述。
详细说明
本发明大体包括一种在微晶硅沉积期间用以动态控制太阳能电池基板的温度的方法。在非晶硅/微晶硅串接太阳能电池中，可以使用比非晶硅更高的功率密度以及比非晶硅更厚的厚度来沉积微晶硅。所施加的功率密度越高，沉积速度越快，但沉积温度可能也会增加。在高温时，掺杂质扩散进入太阳能电池的本征层且破坏太阳能电池的可能性更大。通过动态控制载座的温度，基板以及因此掺杂质都可以维持在一基本上恒定的温度，该温度数值低于掺杂质会扩散进入本征层的温度。动态温度控制允许以高功率密度来沉积微晶硅而不会破坏太阳能电池。
本发明，如下所述，可以在获自美国加州圣大克劳拉市(Santa Clara)的应用材料公司(Applied Materials，Inc.)的PECVD系统中实施。可以理解，本发明可以在其它等离子体处理腔室中实施，包括来自其它制造商的处理腔室。
图1为根据本发明的一个实施例的一双串接太阳能电池(dual tandem solar cell)100的示意图。由于本征微晶硅层118而能够使用的较宽的太阳光光谱，双串接太阳能电池相对于单一接合非晶硅太阳能电池是有利的。此外，与单一接合本征非晶硅太阳能电池相比，由于具有两个不同能隙结构的两个接合的串联连接，该太阳能电池具有改善的电流。
图上显示太阳能电池100，其中基板104面对太阳102。太阳能电池100包含一顶电池106与一底电池108。顶电池106能够在底电池108之前被沉积到基板104上。顶电池106可以在第一透明导电氧化物(transparent conductive oxide；TCO)层105上方沉积，TCO层105可以沉积在基板104上。透明导电氧化物层可以存在于顶电池106与基板104之间。背侧电极可以在底电池108之后沉积到太阳能电池100上。选择性界面层可以存在于顶电池106与底电池108之间。第二TCO层125与金属背层130可以沉积在底电池108上方。一旦顶电池106与底电池108都沉积在基板104上，可以倒转太阳能电池，因此基板104会比顶电池106与底电池108更靠近太阳102。为了通过减少光反射来改善光吸收，可以通过湿式、等离子体、离子和/或机械工艺而任选地使基板和/或一或多个形成于基板上的薄膜被纹理化。
第一TCO层105与第二TCO层125各可包含氧化锡、氧化锌、铟锡氧化物、锡酸镉、上述组合、或其它适当的材料。应当了解，TCO材料也可以包括其它的掺杂质与成分。例如，氧化锌可以进一步包括掺杂质，诸如铝、镓、硼、与其它适当的掺杂质。在一个实施例中，氧化锌包含5原子百分比或更少的掺杂质。在另一实施例中，氧化锌包含2.5原子百分比或更少的铝。在某些情况中，基板104可以由玻璃制造商来提供而已具有第一TCO层105。
顶电池106可以包含一p掺杂层110、一本征层112以及一n掺杂层114。p掺杂层110可包含掺杂有选自元素周期表第III族元素的硅基材料。在一个实施例中，p掺杂层110可包含掺杂硼的硅。n掺杂层114可包含掺杂有选自元素周期表第V族元素的硅基材料。在一个实施例中，n掺杂层114可包含掺杂磷的硅。经掺杂的硅膜110、114可以包含非晶硅、多晶硅或微晶硅，而具有介于约5nm与约50nm之间的厚度。在一个实施例中，p掺杂层110可以被形成为介于约
与约
之间的厚度。在一个实施例中，n掺杂层114可以被形成为介于约
与约
之间的厚度。可以在相同的处理腔室内沉积整个顶电池106。在一个实施例中，可以在各自的腔室中沉积p掺杂层110、本征层112与n掺杂层114。在另一实施例中，p掺杂层110可以在第一腔室中沉积，而本征层112与n掺杂层114可以在第二腔室中沉积。顶电池106的各层可以通过PECVD工艺来沉积。
本征层112可以包含本征非晶硅。本征层112可以被沉积为约
至约
的厚度。在另一实施例中，本征层112可以被形成为介于约与约
之间的厚度。在一个实施例中，本征层112可以被沉积为约的厚度。可以在约200℃温度使用约0.1W/cm2的功率密度(即基板单位面积的功率)来沉积本征层112。
底电池108可以包含一p掺杂层116、一本征层118以及一n掺杂层120。在一个实施例中，可以在相同的腔室中沉积p掺杂层116、本征层118与n掺杂层120。在另一实施例中，可以在各自的腔室中沉积p掺杂层116、本征层118与n掺杂层120。在又另一实施例中，p掺杂层116可以在第一腔室中沉积，而本征层118与n掺杂层120可以在第二腔室中沉积。p掺杂层116与n掺杂层120可以相当于是前述对于顶电池106描述的那些。在某些实施例中，p掺杂层116可以被形成为介于约
与约
之间的厚度。在某些实施例中，n掺杂层120可以被形成为介于约与约
之间的厚度。
另一方面，本征层118可以包括本征微晶硅。微晶硅比非晶硅具有低得多的吸收系数。因此，本征微晶硅层118必须比本征非晶硅层112明显地更厚。在一个实施例中，本征微晶硅层118的厚度可以是介于约
与约
之间。在另一实施例中，本征微晶硅层118的厚度可以是介于约1μm与约2μm之间。由于本征微晶硅层118比本征非晶硅层112明显更厚，本征微晶硅层118需要比本征非晶硅层112明显更久的时间来沉积。
金属背层130可以包括，但不受限于，选自由Al、Ag、Ti、Cr、Au、Cu、Pt、它们的合金、或上述组合所构成组的材料。可以执行其它工艺来形成太阳能电池100，例如激光切割工艺(laser scribing process)。可以在金属背层130上方提供其它的膜、材料、基板和/或封装以完成太阳能电池100。多个太阳能电池100可以彼此连接以形成模块，所述模块可以接着彼此连接以形成阵列。
图2为一具有多个处理腔室231-237的处理系统200的实施例的俯视图，其中该些处理腔室231-237为诸如图3的PECVD腔室300或其它能够沉积硅膜的适当的腔室。处理系统200包括一传送腔室220，传送腔室220耦接至一真空负载闭锁腔室210与处理腔室231-237。负载闭锁腔室210允许在系统外面的外界环境与传送腔室220和处理腔室231-237内的真空环境之间传送基板。负载闭锁腔室210包括一或多个可抽空区域，其中该可抽空区域容纳一或多个基板。可抽空区域在将基板送进系统200期间被抽低压力，并且在将基板退出系统200期间被排气。传送腔室220内设置有至少一个真空机械手臂222，真空机械手臂222适于在负载闭锁腔室210与处理腔室231-237之间传送基板。图2显示七个处理腔室231-237；然而，系统200可以具有任何适当数量的处理腔室231-237。
图3为一PECVD腔室300的实施例的截面图，其中可以在该PECVD腔室300内沉积太阳能电池(例如图1的太阳能电池100)的一或多个膜。适当的PECVD腔室可以获得自美国加州Santa Clara的应用材料公司(Applied Materials，Inc.)。应理解，可以使用其它沉积腔室(包括来自其它制造商的沉积腔室)来实施本发明。
腔室300大体包括多个壁302、一底部304、一喷洒头310以及一基板支撑件330，它们限定一工艺容积306。通过阀308进入工艺容积，因此基板301可以被传送进出腔室300。基板支撑件330包括一基板接收表面332用于支撑基板301，以及一杆334，该杆耦接至一升降系统336以升高或降低该基板支撑件330。可以任选地在基板301的周围的上方设置一遮蔽框架333。多个抬升梢338可移动地设置穿过基板支撑件330，以将基板301移动至基板接收表面332和自该表面332移动。基板支撑件330也可以包括加热元件340和/或冷却元件339，以将基板支撑件330维持在希望的温度。基板支撑件330也可以包括接地带331，以在基板支撑件330的周围提供RF接地。
喷洒头310在周围通过一悬挂件314耦接至一背板312。喷洒头310也可以通过一或多个中心支撑件316耦接至背板，以避免喷洒头310下垂和/或控制喷洒头310的笔直性/弯曲性。一气体源320耦接至背板312，以经由背板312和经由喷洒头310提供气体到基板接收表面332。一真空泵309耦接至腔室300，以将工艺容积306控制在希望的压力。一RF功率源322耦接至背板312和/或至洒头310，以向喷洒头310提供RF功率，从而在喷洒头310与基板支撑件330之间建立一电场，因此可以由介于喷洒头310与基板支撑件330之间的气体产生一等离子体。可以使用多种RF频率，例如介于约0.3MHz与约200MHz之间的频率。在一个实施例中，RF功率源具有13.56MHz的频率。
一远程等离子体源324(例如电感式耦接的远程等离子体源)也可以耦接在气体源320与背板312之间。在多个基板的处理之间，可以提供一清洁气体到远程等离子体源324，从而产生一远程等离子体并提供它用来清洁腔室部件。清洁气体可以进一步由被提供到喷洒头的RF功率源322所激发。适当的清洁气体包括但不受限于NF3、F2与SF6。
通过增加功率密度，可以增加微晶硅的沉积速度。在一个实施例中，可以使用约1W/cm2的功率密度来沉积本征微晶硅层118。功率密度越高，则处理温度越高。当处理温度为约240℃或更高时，p掺杂层110中的硼掺杂质可能会扩散进入本征非晶硅层112且劣化太阳能电池性能。所以，将基板的温度维持在低于240℃是有利的。通过如本文所述来提供动态温度控制，基板温度可以维持在低于240℃的预定、基本上恒定的温度。
图4A-4C为显示根据本发明实施例在微晶硅沉积期间基板与载座的温度的图表。在图4A-4C的各图中，以约
的沉积速度同时施加1.2W/cm2的功率密度来沉积微晶硅以在约25分钟内沉积约2μm的微晶硅。在图4A中，没有主动加热或冷却基板，但是由于等离子体，载座温度从约180℃的起初数值升高至约220℃，如线402所示。另一方面，由于等离子体，基板从在沉积开始时约180℃升高至约240℃，如线404所示。基板达到了一温度，在该温度下，顶电池的p掺杂硅层中的硼会扩散进入顶电池的本征非晶硅层，并且因而劣化太阳能电池效能。
图4B显示在本征微晶硅层沉积工艺期间基板与载座的温度，其中通过向载座提供加热和/或冷却，使载座温度保持为180℃的恒定温度(如线408所示)。通过将载座控制在约180℃的恒定温度，基板温度会从180℃的起初温度升高至约220℃，如线406所示。因此，通过将载座温度保持在恒定温度，可控制基板温度以维持在低于硼会扩散进顶电池的非晶硅层的阈值温度。
沉积期间基板温度越高，本征微晶硅膜的质量越佳。因此，在图4B绘示的实施例中，基板温度的改变使得微晶硅在遍布整个本征微晶硅层具有变化的或不同等级的质量。图4C绘示了用来沉积本征微晶硅层的一最佳的沉积条件。如图4C所示，基板温度保持在220℃的恒定值，如线410所示。另一方面，载座开始于220℃的温度，但接着渐渐降低至约180℃的温度，如线412所示。此恒定温度220℃低于硼会扩散进入顶电池的非晶硅层的阈值，足够高以形成高质量的本征微晶硅膜，以及恒定从而使得遍布整个底电池具有实质相同质量的本征微晶硅。
通过控制载座温度来实现恒定的基板温度。图5为动态温度控制工艺的流程图500。在图4C的区域A中，载座起初被加热到220℃的温度，以开始进行微晶硅沉积(步骤502)。应当了解，尽管温度220℃被选择作为示范目的，此温度可以由使用者来选择。所选择的温度应低于掺杂质会扩散进入相邻层的温度，由此避免相邻层的污染以及潜在的太阳能电池装置失效。在一个实施例中，此温度可以介于约180℃与约235℃之间。在另一实施例中，此温度可以介于约195℃与205℃之间。
一旦沉积工艺开始，处理腔室内形成一等离子体，在没有温度补偿时，等离子体会随着沉积工艺进行而使基板温度升高。为了补偿等离子体引起的加热，通过减少输送到载座的加热输出的量可以降低载座温度。因此，通过同时增加来自等离子体的热与减少来自载座的热，基板维持在基本上恒定的温度(步骤504)。
热电耦可以用来测量基板温度。从热电耦到控制器的实时反馈系允许由载座对基板加热和/或冷却的基本上瞬时的温度调整。所以，任何由热电耦监测到的偏离所选择沉积温度的偏差可以启始来自载座对于加热或冷却量的响应。
最后，等离子体的热以比可以仅仅通过向载座施加较少的加热输出来减少载座供应的热的速度更快的速度来开始加热基板。等离子体加热速度大于载座减少速度所在的转折点界定了区域A与区域B之间的分界。
在区域B内，输送到载座的加热输出渐渐地被减少，同时输送到载座的冷却输出被启始且渐渐增加(步骤506)。对载座所增加的冷却以及减少的加热基本上平衡了等离子体对基板提供的加热，并且持续地降低载座温度。最后，提供到载座的加热输出达到零，从而使载座没有向基板添加任何热。反而，提供到载座的冷却输出允许载座从等离子体与基板抽出热，从而将基板维持在基本上恒定的温度。到载座的加热输出等于零所在的转折点界定了区域B与区域C之间的分界。在一个实施例中，输送到载座的加热输出可以在区域B完全地被去除，同时可以因而调整输送到载座的冷却输出，以将基板维持在基本上恒定的温度。
在区域C内，冷却输出可以在微晶硅沉积期间持续地被提供到载座(步骤508)。在区域C开始时可以少量增加输送到载座的冷却输出，这是因为等离子体会持续增加处理腔室的温度；但是，一旦等离子体达到了稳定状态温度，输送到载座的冷却输出可以维持基本上恒定，以将基板维持在基本上恒定的温度与将载座维持在基本上恒定的温度。在区域C中的沉积时间可以大于在区域A中的沉积时间。
一或多个热电耦可以设置在处理腔室中和/或内嵌在载座内以提供基板的实时温度测量，从而使控制器能够控制到载座的加热输出与冷却输出。实时反馈允许了载座的动态温度控制，以将基板维持在基本上恒定的温度。
载座的动态温度控制允许基板在本征微晶硅沉积期间维持在基本上恒定的温度。可以预先选择沉积温度，以最佳化膜质量与微晶硅的沉积速度，而不会劣化太阳能电池。载座的动态温度控制足以使得太阳能电池中利用本征微晶硅相对于非晶硅的优点比任何产能缺点更重要。
尽管前述说明着重在本发明的实施例，在不悖离本发明的基本范围，可以理解出本发明的其它与进一步实施例，并且本发明的范围是由所附权利要求来决定。
Claims (11)
1.一种太阳能电池形成方法，包括：
将一基板维持在一基本上恒定的温度，同时在沉积一微晶硅层期间动态控制一载座的温度，该基板放置在该载座上，该动态控制依序地实质包括：
加热该载座长达第一时段；
同时加热该载座且冷却该载座长达第二时段，其中同时加热该载座且冷却该载座包括：减少向该载座的加热输出；及增加向该载座的冷却输出；以及
冷却该载座长达第三时段。
2.根据权利要求1的方法，还包括：
对一控制器提供多个实时基板温度测量；以及
响应该些测量，动态控制该载座的温度。
3.根据权利要求1的方法，还包括：
形成一顶部p-i-n接合区，该顶部p-i-n接合区包含一第一p掺杂层、一非晶硅层与一第一n掺杂层；以及
形成一底部p-i-n接合区，该底部p-i-n接合区包含一第二p掺杂层、一微晶硅层与一第二n掺杂层，其中该维持与该动态控制是在形成该微晶硅层期间执行。
4.一种太阳能电池形成方法，包括：
在放置于一载座上的基板上方沉积一微晶硅层，同时将该基板维持在一基本上恒定的温度且改变该载座的温度，其中改变该载座的温度依序地包括：
加热该载座长达第一时段；
同时加热该载座且冷却该载座长达第二时段，其中同时加热该载座且冷却该载座包括：减少向该载座的加热输出；及增加向该载座的冷却输出；以及
冷却该载座长达第三时段。
5.根据权利要求4的方法，还包括：
形成一顶部p-i-n接合区，包括：
在该基板上方沉积一第一p掺杂层；
以第一功率密度在该第一p掺杂层上方沉积一非晶硅层达第一厚度；以及
在该非晶硅层上方沉积一第一n掺杂层；以及
形成一底部p-i-n接合区，包括：
在该第一n掺杂层上方沉积一第二p掺杂层；
以第二功率密度在该第二p掺杂层上方沉积该微晶硅层达第二厚度，同时将该基板维持在一基本上恒定的温度且改变该载座的温度；以及
在该微晶硅层上方沉积一第二n掺杂层。
6.根据权利要求4的方法，还包括：
对一控制器提供多个实时基板温度测量；以及
根据该些测量，改变该载座的温度。
7.一种太阳能电池形成方法，包括：
向一载座提供加热输出，以加热该载座至第一温度以及加热该载座上放置的基板至第二温度；
减少向该载座的加热输出，以降低该载座的温度至第三温度，同时将该基板维持在该第二温度；
减少向该载座的加热输出，同时增加向该载座的冷却输出，以降低该载座的温度至第四温度，同时将该基板维持在该第二温度；
向该载座提供一基本上恒定的冷却输出，以将该载座实质地维持在该第四温度，同时将该基板维持在该第二温度；以及
在放置于该载座上的基板上方沉积一硅层。
8.根据权利要求7的方法，其中在降低该载座的温度至第三温度的期间，该冷却输出实质为零。
9.根据权利要求7的方法，其中该硅层是微晶硅层。
10.根据权利要求9的方法，其中该微晶硅层沉积在一非晶硅层上方，该非晶硅层沉积在该基板上方。
11.根据权利要求7的方法，其中在向该载座提供基本上恒定的冷却输出期间，该加热输出实质为零。
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