CN102272950A - 用于薄膜与晶圆基太阳能应用的微晶硅合金 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种形成太阳能电池的方法和设备。使用含碳、氧和氮的掺杂结晶半导体合金作为薄膜太阳能电池的光捕捉加强层和电荷收集层。半导体合金层的形成是通过提供半导体源化合物和共同组成源化合物至处理腔室、以及离子化气体以沉积层至基板上。合金层能提供改善的折射率控制、宽光学能带隙和高导电率。

Description

用于薄膜与晶圆基太阳能应用的微晶硅合金
技术领域
本发明的实施例大体上涉及太阳能电池及其形成方法。特别地，本发明的实施例涉及形成于薄膜与结晶太阳能电池中的波长选择反射层。
背景技术
结晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池为两种太阳能电池。结晶硅太阳能电池一般采用单晶基板(即纯硅单晶基板)或多晶硅基板(即多晶或聚硅)。附加膜层沉积在硅基板上，以增进光获量、形成电路并保护装置。薄膜太阳能电池使用沉积在合适的基板上的材料薄层构成一或多个p-n结。合适的基板包括玻璃、金属和聚合物基板。
为扩展太阳能电池的经济用途，必须改善效率。太阳能电池效率与入射光转换成有用电力的比率有关。为了能用于更多应用，太阳能电池效率必须高于目前最好性能约15％。随着能量成本提高，需要有改良的薄膜太阳能电池和在工厂环境中形成这样的薄膜太阳能电池的方法与设备。
发明内容
本发明的实施例提供了形成太阳能电池的方法。一些实施例提供一种制造太阳能电池的方法，包含在基板上形成导电层、以及在导电层上形成p型结晶半导体合金层。本发明一些实施例还包括非晶态或本征型半导体层、n型掺杂之非晶态或结晶层、缓冲层、变性掺杂层和导电层。第二导电层可形成在n型结晶层上。
替代实施例提供了一种形成太阳能电池的方法，包含在基板上形成导电层、在导电层上形成第一掺杂结晶半导体合金层、以及在第一掺杂结晶半导体合金层上形成第二掺杂结晶半导体合金层。一些实施例还包括未掺杂的非晶态或结晶半导体层、缓冲层、变性掺杂层和导电层。一些实施例还包括在串接结结构中的第三和第四掺杂结晶半导体合金层。
另一些实施例提供了一种形成太阳能电池的方法，包含在半导体基板上形成反射层、以及在反射层上形成结晶结，其中反射层包含一或多个结晶半导体合金层。
本发明的实施例更提供了光伏装置，包含反射层，其置于第一p-i-n结与第二p-i-n结间且内含多个穿孔，其中该多个穿孔的每一穿孔是通过在第二p-i-n结形成于反射层上之前，移除反射层的部分材料而形成。
本发明的实施例更提供形成太阳能电池装置的方法，包含在基板的表面形成第一p-i-n结，在第一p-i-n结上形成第一反射层，其中第一反射层选择性地将波长约550纳米(nm)至约800nm的光反射回第一p-i-n结，以及在第一反射层上形成第二p-i-n结。
本发明的实施例更提供一种用以形成太阳能电池的自动化与整合系统，包含适于沉积p型含硅层至基板表面的第一沉积腔室、适于沉积本征型含硅层和n型含硅层至基板表面的第二沉积腔室、适于沉积n型反射层至基板表面的第三沉积腔室、适于在n型反射层中形成多个穿孔的构图腔室、以及适于在第一沉积腔室、第二沉积腔室、第三沉积腔室与构图腔室间传送基板的自动化输送装置。
本发明的实施例更提供一种用以形成太阳能电池的自动化与整合系统，其包含第一集群工具及第二集群工具，该第一集群工具包含至少一适于沉积p型含硅层至基板表面的处理腔室、至少一适于沉积本征型含硅层至基板表面的处理腔室及至少一适于沉积n型含硅层至基板表面的处理腔室，该第二集群工具包含至少一适于沉积n型反射层至基板表面的处理腔室及适于在第一与第二集群工具间传送基板的自动化输送装置。
附图说明
为使本发明的上述特征更明显易懂，可配合参考实施例说明，其部分如附图中所示。
图1为根据本发明一实施例的串接结薄膜太阳能电池的侧视图，具有波长选择反射层置于结间；
图2为根据本发明一实施例的单结薄膜太阳能电池的侧视图；
图3为根据本发明一实施例的串接结薄膜太阳能电池的侧视图，具有波长选择反射层置于结间；
图4为根据本发明另一实施例的串接结薄膜太阳能电池的侧视图；
图5A-5B为根据本发明一实施例的串接结薄膜太阳能电池的侧视图，具有波长选择反射层置于结间；
图6A-6B为根据本发明一实施例，置于结间的波长选择反射层的放大图；
图7为根据本发明一实施例的设备的截面图；
图8为根据本发明另一实施例的设备的平面图；以及
图9为根据本发明一实施例的部分生产线的平面图，内设图7及图8的设备。
为助于理解，各图中相同的组件符号尽可能代表相似的组件。应理解某一实施例的组件和特征结构当可并入其它实施例，在此不另外详述。
须注意的是，虽然附图公开了本发明的特定实施例，但其并非用以限定本发明的精神与范围，本领域的普通技术人员当可作各种变动与修改而得到等效实施例。
具体实施方式
薄膜太阳能电池一般是以许多不同方式将多种膜或层放置在一起而组成。大部分用于此装置的膜含有半导体元素，其包含硅、锗、碳、硼、磷、氮、氧、氢等。不同的膜特征包括结晶度、掺杂物种类、掺杂物浓度、膜折射率、膜消光系数、膜透明度、膜吸收率和导电率。一般来说，这些膜大多是利用化学气相沉积工艺形成，其包括若干离子化程度或等离子体形成。
用于太阳能电池的膜
光伏工艺期间一般是由块体半导体层(如含硅层)产生电荷。块体层有时也称为本征层，以区别其与太阳能电池中的各种掺杂层。本征层可有任何预定结晶度，此将影响其光吸收特性。例如，非晶态本征层(如非晶态硅)通常会吸收来自不同结晶度的本征层(如微晶硅)的不同波长光。基于此原因，大部分的太阳能电池使用两种层，以产生最宽的可吸收特性。在一些例子中，本征层作为两种不同层型间的缓冲层，使两层间的光学性质或电气特性平缓转变。
硅和其它半导体可形成不同结晶度的固体。本质无结晶度的固体为非晶态，具微量结晶度的硅称为非晶态硅。完全结晶硅称为结晶、多晶或单晶硅。多晶硅为形成许多由晶界隔开的晶粒的结晶硅。单晶硅为硅的单一结晶。具有部分结晶度的固体，结晶分率约5％至约95％，被称为纳米晶或微晶，其一般是指悬浮于非晶相的晶粒尺寸。具有大晶粒的固体称为微晶，具有小晶粒的固体则称为纳米晶。应注意“结晶硅”一词可指具有任何晶相类型的硅，包括单晶和纳米晶硅。
图1为多重结太阳能电池100的一实施例的示意图，其定位朝向光源或太阳辐射101。太阳能电池100包含基板102，例如玻璃基板、聚合物基板、金属基板或其它合适的基板，且在其上形成有薄膜。太阳能电池100还包含一形成在基板102上的第一透明导电氧化物(TCO)层104、一形成于第一TCO层104上的第一p-i-n结126。在一配置中，一波长选择反射(WSR)层112形成于第一p-i-n结126上。一第二p-i-n结128形成于第一p-i-n结126上，一第二TCO层122形成于第二p-i-n结128上，且一金属背层124形成于第二TCO层122上。在一实施例中，WSR层112置于第一p-i-n结126与第二p-i-n结128之间，且配置成具有改善光散射的膜性质并于所形成的太阳能电池100中产生电流。此外，WSR层112亦提供一良好的p-n穿隧结，其具有高导电率和影响其穿透与反射性质的适当能带隙范围，藉以增进形成太阳能电池的光转换效率。WSR层112将进一步详述于后。
为了经由加强光捕捉而改善光吸收，可利用湿式、等离子体、离子和/或机械处理来选择性织构基板和/或形成于其上的一或多层薄膜。例如，在图1所示的实施例中，第一TCO层104经织构，且后续沉积其上的薄膜大致依循底下表面的形貌。
第一TCO层104和第二TCO层122各自包含氧化锡、氧化锌、氧化铟锡、锡酸镉、其组合物或其它合适材料。应理解TCO材料还可包括附加掺杂物和成分。例如，氧化锌更包括掺杂物，例如铝、镓、硼和其它合适掺杂物。氧化锌优选地包含5原子％或以下的掺杂物，更优选地包含2.5原子％或以下的铝。在一些例子中，基板102由玻璃制造商提供且已形成第一TCO层104。
第一p-i-n结126包含p型非晶态硅层106、形成于p型非晶态硅层106上的本征型非晶态硅层108、和形成于本征型非晶态硅层124上的n型微晶硅层110。在一些实施例中，p型非晶态硅层106的形成厚度为约60埃
Figure BPA00001389587200041
至约
Figure BPA00001389587200042
在某些实施例中，本征型非晶态硅层108的形成厚度为约至约
Figure BPA00001389587200051
在某些实施例中，n型微晶硅层110的形成厚度为约
Figure BPA00001389587200052
至约
一般配置WSR层112于第一p-i-n结126与第二p-i-n结128间，以具有一些预定膜性质。在此配置下，WSR层112主动作为具有预定折射率或折射率范围的中间反射体，以反射来自太阳能电池100的光入射边所接收的光。WSR层112还当作结层，其增加第一p-i-n结126对短波长至中间波长光(如280nm至800nm)的吸收及改善短路电流，进而提高量子与转换效率。WSR层112更具有对于中间波长至长波长光(如500nm至1100nm)的高膜透射率，以协助光穿透到形成于结128中的层。另外，通常期望WSR层112尽量不吸收光，而将预定波长的光(如短波长)反射回第一p-i-n结126的各层，并让预定波长的光(如长波长)穿透到第二p-i-n结128中的各层。此外，WSR层112可具有预定能带隙和高膜导电率，以有效传导所产生的电流及容许电子从第一p-i-n结126流向第二p-i-n结128，并避免阻断所产生的电流。WSR层112期望将短波长光反射回第一p-i-n结126，同时容许实质上所有的长波长的光通过第二p-i-n结128。通过形成对预定波长有高膜透射率、低膜光吸收率、预定能带隙性质(如宽能带隙范围)和高导电率的WSR层112，可改善整体太阳能电池转换效率。
在一实施例中，WSR层112为一种具有n型或p型掺杂物配置于WSR层112内的微晶硅层。在一例示实施例中，WSR层112为一种具有n型掺杂物配置于WSR层112内的n型微晶硅合金。配置于WSR层112内的不同掺杂物也会影响WSR层的膜光学性质和电性，例如能带隙、结晶分率、导电率、透明度、膜折射率、消光系数等。在一些例子中，一或多种掺杂物可掺杂到WSR层112的不同区域，以有效控制及调整膜能带隙、功函数、导电率、透明度等。在一实施例中，控制WSR层112以具有约1.4至约4的折射率、至少约2电子伏特(eV)的能带隙和高于约0.3S/cm的导电率。
在一实施例中，WSR层112包含n型掺杂的硅合金层，例如氧化硅(SiOx、SiO2)、碳化硅(SiC)、氮氧化硅(SiON)、氮化硅(SiN)、氮化碳硅(SiCN)、碳氧化硅(SiOC)、氮化碳氧硅(SiOCN)等。在一示例实施例中，WSR层112为n型SiON或SiC层。
第二p-i-n结128包含p型微晶硅层114，且在一些情况下包含选择性p-i缓冲型本征非晶态硅(PIB)层116，其形成于p型微晶硅层114上。接着，一本征型微晶硅层118形成于p型微晶硅层114上，且一n型非晶态硅层120形成于本征型微晶硅层118上。在某些实施例中，p型微晶硅层114的形成厚度为约
Figure BPA00001389587200061
至约
Figure BPA00001389587200062
在某些实施例中，p-i缓冲型本征非晶态硅(PIB)层116的形成厚度为约
Figure BPA00001389587200063
至约
Figure BPA00001389587200064
在某些实施例中，本征型微晶硅层118的形成厚度为约
Figure BPA00001389587200065
至约
Figure BPA00001389587200066
在某些实施例中，n型非晶态硅层120的形成厚度为约至约
Figure BPA00001389587200068
金属背层124包括选自由铝(Al)、银(Ag)、钛(Ti)、铬(Cr)、金(Au)、铜(Cu)、铂(Pt)、其合金和其组合物所组成群组的材料，但不以此为限。可进行其它工艺来形成太阳能电池100，例如雷射切割工艺。其它膜、材料、基板和/或封装可设于金属背层124上，以完成太阳能电池装置。形成的太阳能电池可内接成模块，其进而连接成阵列。
太阳辐射101主要由p-i-n结126、128的本征层108、118吸收并转换成电子空穴对。p型层106、114与n型层110、120间产生延伸越过本征层108、118的电场，促使电子流向n型层110、120，而空穴流向p型层106、114，因而产生电流。由于非晶态硅和微晶硅吸收不同波长的太阳辐射101，故第一p-i-n结126包含本征型非晶态硅层108，且第二p-i-n结128包含本征型微晶硅层118。如此，形成的太阳能电池100将捕捉更多部分的太阳辐射光谱而更有效率。因非晶态硅的能带隙比微晶硅大，因此按照先让太阳辐射101照射本征型非晶态硅层108并穿过WSR层112，然后照射本征型微晶硅层118的方式堆栈非晶态硅和本征微晶层的本征层108、118。未被第一p-i-n结126吸收的太阳辐射持续穿过WSR层112，并继续行进至第二p-i-n结128。
本征型非晶态硅层108可通过提供氢气与硅烷气体比率约20∶1或以下的混合气体沉积而得。硅烷气体的供应流速为约0.5每分钟标准毫升/公升(sccm/L)至约7sccm/L。氢气的供应流速为约5sccm/L至约60sccm/L。约15毫瓦/平方厘米(mW/cm2)至约250mW/cm2的射频(RF)功率供给莲蓬头。腔室压力维持在约0.1托(Torr)至约20托之间，例如约0.5托至约5托。本征型非晶态硅层108的沉积速度为约100埃/分钟
Figure BPA00001389587200069
或以上。在一示例实施例中，本征型非晶态硅层108以约12.5∶1的氢气与硅烷比沉积。
p-i缓冲型本征非晶态硅(PIB)层116可通过提供氢气与硅烷气体比率约50∶1或以下的混合气体沉积而得，例如小于约30∶1，例如约20∶1至约30∶1，如约25∶1。硅烷气体的供应流速为约0.5sccm/L至约5sccm/L，例如约2.3sccm/L。氢气的供应流速为约5sccm/L至约80sccm/L，例如约20sccm/L至约65sccm/L，如57sccm/L。约15mW/cm2至约250mW/cm2的RF功率(如约30mW/cm2)供给莲蓬头。腔室压力维持在约0.1托至约20托之间，优选地约0.5托至约5托，例如约3托。PIB层的沉积速度为约
Figure BPA00001389587200071
或以上。
本征型微晶硅层118可通过提供氢气与硅烷气体比率约20∶1至约200∶1的混合气体沉积而得。硅烷气体的供应流速为约0.5sccm/L至约5sccm/L。氢气的供应流速为约40sccm/L至约400sccm/L。在某些实施例中，硅烷流速在沉积期间从第一流速上升到第二流速。在某些实施例中，氢气流速在沉积期间从第一流速下降成第二流速。在约1托至约100托的腔室压力下，优选地约3托至约20托，更优选地约4托至约12托，施加约300mW/cm2或以上之RF功率(优选地600mW/cm2或以上)通常会以约或以上的速度(优选地约
Figure BPA00001389587200073
)沉积具有结晶分率约20％至约80％(优选地约55％至约75％)的本征型微晶硅层。在一些实施例中，沉积期间将施加RF功率的功率密度从第一功率密度提高到第二功率密度是有利的。
在另一实施例中，本征型微晶硅层118可以多个步骤沉积，各自具有不同结晶分率。在一实施例中，例如，氢气与硅烷比率按四个步骤从100∶1减少成95∶1、90∶1和85∶1。在一实施例中，硅烷气体的供应流速为约0.1sccm/L至约5sccm/L，例如约0.97sccm/L。氢气的供应流速为约10sccm/L至约200sccm/L，例如约80sccm/L至约105sccm/L。在具有多个步骤的沉积(如四个步骤)的例示实施例中，第一步骤的氢气流速可先为约97sccm/L，然后在后续处理步骤中逐渐减少成约92sccm/L、88sccm/L和83sccm/L。在约1托至约100托的腔室压力下(如约3托至约20托，例如约4托至约12托，例如约9托)，施加约300mW/cm2或以上的RF功率(如约490mW/cm2)将以约
Figure BPA00001389587200074
或以上的速度(如约
Figure BPA00001389587200075
)沉积本征型微晶硅层。
电荷收集一般是由掺杂半导体层提供，例如掺杂p型或n型掺杂物的硅层。p型掺杂物通常为第III族元素，例如硼或铝。n型掺杂物通常为第V族元素，例如磷、砷或锑。在多数实施例中，硼作为p型掺杂物，磷作为n型掺杂物。通过把含硼或含磷化合物纳入反应混合物中，可将掺杂物添加到上述p型和n型层106、110、114、120。合适的硼和磷化合物一般包含饱和与不饱和低级硼烷和膦寡聚物(phosphine oligomers)。一些合适的硼化合物包括三甲基硼(B(CH3)3或TMB)、二硼烷(B2H6)、三氟化硼(BF3)和三乙基硼(B(C2H5)3或TEB)。膦是最常见的磷化合物。掺杂物通常伴随载气供应，例如氢气、氦气、氩气和其它合适气体。若以氢气作为载气，则其增加反应混合物的总氢气量，故氢气比率包括用于掺杂物的载气的氢气。
掺杂物通常当作惰性气体的稀释气体混合，例如，载气中提供约0.5％摩尔或体积浓度的掺杂物。如果在1.0sccm/L的载气中供应0.5％体积浓度的掺杂物，则产生的掺杂物流速为0.005sccm/L。掺杂物供给到反应腔室的流速为约0.0002sccm/L至约0.1sccm/L，此视预定掺杂程度而定。一般来说，掺杂物浓度维持在约1018个原子/立方厘米至约1020个原子/立方厘米之间。
在一实施例中，p型微晶硅层114可通过提供氢气与硅烷气体比率约200∶1或以上的混合气体沉积而得，例如1000∶1或以下，例如约250∶1至约800∶1，另一实例为约601∶1或约401∶1。硅烷气体的供应流速为约0.1sccm/L至约0.8sccm/L，例如约0.2sccm/L至约0.38sccm/L。氢气的供应流速为约60sccm/L至约500sccm/L，例如约143sccm/L。TMB的供应流速为约0.0002sccm/L至约0.0016sccm/L，例如约0.00115sccm/L。如果在载气中供应0.5％摩尔或体积浓度的TMB，则掺杂物/载气混合物的供应流速为约0.04sccm/L至约0.32sccm/L，例如约0.23sccm/L。在约1托至约100托的腔室压力下，优选地约3托至约20托，更优选地约4托至约12托，例如约7托或约9托，施加约50mW/cm2至约700mW/cm2的RF功率，如约290mW/cm2至约4400mW/cm2将以约或以上的速度(如约
Figure BPA00001389587200082
或以上)沉积具有微晶层结晶分率约20％至约80％(优选地约50％至约70％)的p型微晶硅层。
在一实施例中，p型非晶态硅层106可通过提供氢气与硅烷气体比率约20∶1或以下的混合气体沉积而得。硅烷气体的供应流速为约1sccm/L至约10sccm/L。氢气的供应流速为约5sccm/L至约60sccm/L。三甲基硼的供应流速为约0.005sccm/L至约0.05sccm/L。如果在载气中供应0.5％摩尔或体积浓度的三甲基硼，则掺杂物/载气混合物的供应流速为约1sccm/L至约10sccm/L。在约0.1托至约20托的腔室压力下，优选地约1托至约4托，施加约15mW/cm2至约200mW/cm2的RF功率将以约或以上的速度沉积p型非晶态硅层。
在一实施例中，n型微晶硅层110可通过提供氢气与硅烷气体比率约100∶1或以上的混合气体沉积而得，例如约500∶1或以下，例如约150∶1至约400∶1，如约304∶1或约203∶1。硅烷气体的供应流速为约0.1sccm/L至约0.8sccm/L，例如约0.32sccm/L至约0.45sccm/L，如约0.35sccm/L。氢气的供应流速为约30sccm/L至约250sccm/L，例如约68sccm/L至约143sccm/L，如约71.43sccm/L。膦的供应流速为约0.0005sccm/L至约0.006sccm/L，例如约0.0025sccm/L至约0.015sccm/L，如约0.005sccm/L。换言之，如果在载气中供应0.5％摩尔或体积浓度的膦，则掺杂物/载气的供应流速为约0.1sccm/L至约5sccm/L，例如约0.5sccm/L至约0.3sccm/L，如约0.9sccm/L至约1.008sccm/L。在约1托至约100托的腔室压力下，优选地约3托至约20托，更优选地约4托至约12托，例如约6托或约9托，施加约100mW/cm2至约900mW/cm2的RF功率(如约370mW/cm2)将以约
Figure BPA00001389587200091
或以上的速度(如约
Figure BPA00001389587200092
或以上)沉积具有结晶分率约20％至约80％(优选地约50％至约70％)的n型微晶硅层。
在一实施例中，n型非晶态硅层120可通过提供氢气与硅烷气体比率约20∶1或以下的混合气体沉积而得，例如约5.5∶1或7.8∶1。硅烷气体的供应流速为约0.1sccm/L至约10sccm/L，例如约1sccm/L至约10sccm/L、约0.1sccm/L至约5sccm/L、或约0.5sccm/L至约3sccm/L，如约1.42sccm/L或5.5sccm/L。氢气的供应流速为约1sccm/L至约40sccm/L，例如约4sccm/L至约40sccm/L、或约1sccm/L至约10sccm/L，如约6.42sccm/L或27sccm/L。膦的供应流速为约0.0005sccm/L至约0.075sccm/L，例如约0.0005sccm/L至约0.0015sccm/L、或约0.015sccm/L至约0.03sccm/L，如约0.0095sccm/L或0.023sccm/L)。如果在载气中供应0.5％摩尔或体积浓度的膦，则掺杂物/载气混合物的供应流速为约0.1sccm/L至约15sccm/L，例如约0.1sccm/L至约3sccm/L、约2sccm/L至约15sccm/L、或约3sccm/L至约6sccm/L，如约1.9sccm/L至或约4.71sccm/L。在约0.1托至约20托的腔室压力下，优选地约0.5托至约4托，例如约1.5托，施加约25mW/cm2至约250mW/cm2的RF功率(如约60mW/cm2或约80mW/cm2)将以约
Figure BPA00001389587200093
或以上的速度，如约
Figure BPA00001389587200094
或以上，例如约
Figure BPA00001389587200095
或约
Figure BPA00001389587200096
的速度沉积n型非晶态硅层。
在一些实施例中，可经由高速供应掺杂物化合物，以重掺杂或变性掺杂各层，例如以上述方法的上限速度。变性掺杂被认为可提供低电阻接触结而改善电荷收集，变性掺杂亦被认为可提高某些层(如非晶态层)的导电率。
在一些实施例中，可采用硅与其它元素(如氧、碳、氮、氢和锗)的合金。经由反应混合气体补增各来源，这些其它元素可加入硅膜中。硅合金可用于任何类型的硅层，包括p型、n型、PIB、WSR层或本征型硅层。例如，通过把碳源(如甲烷(CH4))加到混合气体，可将碳加入硅膜。一般来说，C1-C4碳氢化合物大多可作为碳源。或者，本领域熟知的有机硅化合物可作为硅源与碳源，例如有机硅烷、有机硅氧烷、有机硅醇等。锗化合物(如锗烷和有机锗烷)和含硅与锗的化合物(如硅基锗烷或锗基硅烷)可作为锗源。氧气(O2)可作为氧源。其它氧源包括氮氧化物(一氧化二氮(N2O)、一氧化氮(NO)、三氧化二氮(N2O3)、二氧化氮(NO2)、四氧化二氮(N2O4)、五氧化二氮(N2O5)和三氧化氮(NO3))、过氧化氢(H2O2)、一氧化碳(CO)或二氧化碳(CO2)、臭氧(O3)、氧原子、氧自由基、和醇类(ROH，其中R为任何有机或异有机自由基)，但不以此为限。氮源包括氮气(N2)、氨(NH3)、联氨(N2H2)、胺类(RxNR’3-x，其中x为0-3，R和R’个别为任何有机或异有机自由基)、酰胺((RCO)xNR’3-x，其中x为0-3，R和R’个别为任何有机或异有机自由基)、亚酰胺(RCONCOR’，其中R和R’个别为任何有机或异有机自由基)、烯胺(R1R2C＝C3NR4R5，其中R1-R5个别为任何有机或异有机自由基)、和氮原子与自由基。
应注意在许多实施例中，预清洁工艺可用来制备基板和/或反应腔室供上层沉积。可施行氢气或氩气等离子体预处理工艺，经由供应约10sccm/L至约45sccm/L的氢气或氩气至处理腔室，例如约15sccm/L至约40sccm/L，如约20sccm/L至约36sccm/L，以移除基板和/或室壁上的污染物。在一实例中，氢气的供应量为约21sccm/L，或者氩气的供应量为约36sccm/L。通过施加约10mW/cm2至约250mW/cm2的RF功率(如约25mW/cm2至约250mW/cm2)可完成处理，例如用于氢气处理为约60mW/cm2或约80mW/cm2，而用于氩气处理为约25mW/cm2。在许多实施例中，沉积p型非晶态硅层之前进行氩气等离子体预处理工艺、及沉积其它类型层之前进行氢气等离子体预处理工艺是有利的。
在一实施例中，WSR层112为一n型结晶硅合金层，其形成在n型微晶硅层110上。WSR层112的n型结晶硅合金层可为微晶、纳米晶或多晶。n型结晶硅合金WSR层112含有合金元素，例如碳、氧、氮或其任何组合物。其可沉积成单一同质层、具有一或多种渐变特征的单层，或层堆栈结构。渐变特征包括结晶度、掺杂物浓度(如磷)、合金材料(如碳、氧、氮)浓度、或诸如介电常数、折射率、导电率或能带隙等其它特征。n型结晶硅合金WSR层112包含n型碳化硅层、n型氧化硅层、n型氮化硅层、n型氮氧化硅层、n型碳氧化硅层和/或n型氮氧碳化硅层。
n型结晶硅合金WSR层112的次要成分量可偏离化学计量比若干程度。例如，n型碳化硅层可含约1原子％至约50原子％的碳。同样地，n型氮化硅层可含约1原子％至约50原子％的氮。n型氧化硅层可含约1原子％至约50原子％的氧。在包含一种以上次要成分的合金中，次要成分含量可为约1原子％至约50原子％，硅含量可为约50原子％至约99原子％。通过调整处理腔室内的前驱气体比例，可调整次要成分量。比例可一步步调整而形成分层结构、或连续调整而形成渐变单层。
含碳气体(如甲烷(CH4))可加入n型微晶硅层的反应混合物中，以形成n型微晶碳化硅WSR层112。在一实施例中，含碳气体流速与硅烷流速的比率为约0至约0.5，例如约0.20至约0.35，如约0.25。改变进料中的含碳气体与硅烷比率，可调整沉积膜的碳含量。WSR层112可沉积成多层，其各自具有不同碳含量，或可连续调整沉积WSR层112各处的碳含量。再者，可同时调整及逐渐改变WSR层112的碳和掺杂物含量。将WSR层112沉积成多个堆栈层的好处在于，所形成的多层中，各层可有不同的折射率而容许多层堆栈结构当作布拉格(Bragg)反射器操作，有效提高WSR层112在预定波长范围的反射率，例如短波长到中间波长。
如上所述，n型结晶硅合金WSR层112具备多个优点。例如，n型结晶硅合金WSR层112可设在太阳能电池的至少三处，例如作为半反射中间反射层、第二WSR反射体(如图6B组件符号512)或当作结层。n型结晶硅合金WSR层112作为结层可促进第一p-i-n结126对短波长光的吸收并改善短路电流，进而提高量子与转换效率。另外，n型结晶硅合金WSR层112具有预定光学和电性膜性质，例如高导电率、能带隙和折射率，以得预定反射率与透射率。例如，微晶碳化硅生长成结晶分率大于60％、能带隙宽度大于2电子伏特(eV)且导电率高于0.01西门子/厘米(S/cm)。此外，其沉积速度可为约
Figure BPA00001389587200111
或以上、厚度差异小于10％。通过改变反应混合物的含碳气体与硅烷比率，可调整能带隙和折射率。调整折射率能形成具高导电率和宽能带隙的反射层，因而改善所产生的电流。
图2为根据本发明另一实施例的单一结薄膜太阳能电池200的侧视图。图2实施例与图1实施例不同之处在于包括设于图1的p型非晶态硅层106与第一TCO层104间的p型结晶硅合金层206。或者，p型结晶硅合金层206为变性掺杂层，其具有重掺杂合金层206的p型掺杂物。故图2实施例包含基板201，其上形成有导电层204，例如类似图1第一TCO层104的TCO层。如上所述，p型结晶硅合金层206形成在导电层204上。p型结晶硅合金层206因较少掺杂而有改善的能带隙、大致比变性掺杂层小的可调折射率、高导电率，又因包括合金成分而能抵抗氧攻击。通过形成p型非晶态硅层208、PIB层210、本征型非晶态硅层212和n型非晶态硅层214，在p型结晶硅合金层206上形成p-i-n结220。这就完成了图2的太阳能电池200，类似前述实施例，其包括类似图1的WSR层112的n型结晶硅合金层216，和类似图1的导电层122、124的可为金属或金属/TCO堆栈结构的第二导电层218。
图3为根据本发明又一实施例的串接结薄膜太阳能电池300的侧视图。图3实施例与图1实施例不同之处在于包括设于第一导电层304与p型非晶态硅合金层308间的第一p型结晶硅合金层306。或者，第一p型结晶硅合金层306也可为变性掺杂的p型非晶态硅层，其中形成的非晶态硅层内含p型掺杂物。在一实施例中，如图3所示，类似前述实施例的基板，基板301包含形成于其上的导电层304、第一p型结晶硅合金层306、p型非晶态硅合金层308和第一PIB层310。第一PIB层310为选择性形成。在一实例中，通过在导电层304上形成本征非晶态硅层312、n型非晶态硅层314、第一p型结晶硅合金层306和p型非晶态硅合金层308，以完成串接结薄膜太阳能电池300的第一p-i-n结328。WSR层316形成在第一p-i-n结328与第二p-i-n结330之间。第二p-i-n结330接着形成在WSR层316上，且包括第二p型结晶硅合金层318、第二PIB层320、本征结晶硅层322和第二n型结晶硅合金层324。第二p-i-n结类似图1太阳能电池100的第二p-i-n结128。类似图1的WSR层112，WSR层316为n型结晶硅合金，其形成在第一p-i-n结328上。通过第二n型结晶硅合金层324上增设第二接触层326，以完成太阳能电池300。如上所述，第二接触层326可为金属层或金属/TCO堆栈层。
图4为根据本发明再一实施例的结晶太阳能电池400的侧视图。图4实施例包含半导体基板402，其上形成有结晶硅合金层404。结晶硅合金层404可依所述任何实施例和方法形成，且可为单一合金层或多层合金层堆栈结构。如上所述，结晶硅合金层404具有可调整的低折射率，并可构建来提高反射率，而容许结晶硅合金层404当作形成于其上的结晶太阳能电池406的背部反射层。在图4实施例中，结晶硅合金层404可形成任何厚度，此视层结构而定。单层实施例的厚度为约
Figure BPA00001389587200131
至约
Figure BPA00001389587200132
例如约至约
Figure BPA00001389587200134
如约
Figure BPA00001389587200135
多层结构的特色在于具有各层厚度约
Figure BPA00001389587200136
至约
Figure BPA00001389587200137
的多层。
图5A为根据本发明另一实施例的串接结薄膜太阳能电池500的侧视图。图5A实施例类似图1结构，包括置于基板102上的第一TCO层104和两个所形成的p-i-n结508、510。WSR层112置于第一p-i-n结508与第二p-i-n结510之间。在一实施例中，WSR层112为n型掺杂的硅合金层，例如二氧化硅(SiO2)、碳化硅(SiC)、氮氧化硅(SiON)、氮化硅(SiN)、氮化碳硅(SiCN)、碳氧化硅(SiOC)、氮化碳氧硅(SiOCN)等。在一示例实施例中，WSR层112为n型SiON层或SiC层。
此外，第二WSR层512(例如，或者称为背部反射层)也置于第二p-i-n结510与第二TCO层122或金属背层124之间。第二WSR层512的膜性质类似上述第一WSR层112。正如第一WSR层112期望将短波长光反射回第一p-i-n结508，并让长波长光通过第二p-i-n结510，配置第二WSR层512以将长波长光反射回第二p-i-n结510，且具有低电阻以促进电流流通到第二WSR层512。在一实施例中，第二WSR层512具有高膜导电率和低折射率以得高膜反射率，且与第二TCO层122间有低接触电阻。因此，期望形成与相邻层间有低接触电阻并具有低折射率和高反射率的第二WSR层512。在此实施例中，第二WSR层512包含碳掺杂的n型硅合金层(SiC)，因为SiC层的导电率通常比n型氮氧化硅(SiON)层高。在一些情况下，第一WSR层112或第二WSR层512由n型SiON层组成，因为n型SiON层的折射率通常比n型SiC层低。
在一实施例中，第一WSR层112的折射率期望为约1.4至约4，例如约2；第二WSR层512的折射率期望为约1.4至约4，例如约2。第一WSR层112的导电率期望为约高于10-9S/cm，第二WSR层512的导电率期望为约高于10-4S/cm。
类似图1第一p-i-n结126，第一p-i-n结508包括p型非晶态硅层106、本征型非晶态硅层108和n型微晶硅层110。类似图2及3结构，变性掺杂的p型非晶态硅层502(重掺杂的p型非晶态硅层)形成在导电层104上。另外，n型非晶态硅缓冲层504形成于本征型非晶态硅层108与n型微晶硅层110之间。n型非晶态硅缓冲层504的形成厚度为约
Figure BPA00001389587200141
至约
Figure BPA00001389587200142
相信n型非晶态硅缓冲层504有助于弥合(bridge)存在于本征型非晶态硅层108与n型微晶硅层110间的能带隙偏差。因此相信因增设n型非晶态硅缓冲层504而加强电流收集，故能提高电池效率。
类似图1第二p-i-n结128，第二p-i-n结510包含p型微晶硅层114及形成于p型微晶硅层114上的选择性p-i缓冲型本征非晶态硅(PIB)层116。一般来说，本征型微晶硅层118形成于选择性p-i缓冲型本征非晶态硅(PIB)层116上，n型非晶态硅层120形成于本征型微晶硅层118上。另外，变性掺杂的n型非晶态硅层406可形成主要当作重掺杂的n型非晶态硅层，以改善与第二TCO层122间的欧姆接触。在一实施例中，重掺杂的n型非晶态硅层406的掺杂物浓度为约1020个原子/立方厘米至约1021个原子/立方厘米。
图5B是根据本发明另一实施例，绘制形成于串接结薄膜太阳能电池500的第一WSR层112和第二WSR层512的截面视图。在一实施例中，第一WSR层112和第二WSR层512各自由多个沉积层组成，例如层112a、112b和层512a、512b，以调整不同波长的光反射和/或穿透至所形成的太阳能电池500的不同部分。例如，第一WSR层112的各层112a-b可具有不同折射率，以有效反射一或多个预定波长的光(如短波长到中间波长)及让其它波长穿透(如中间波长到长波长)。穿透各层112a-b的波长随后可由第二WSR层512反射回第二p-i-n结510。通过选择性调整来分别调整WSR层112、512的各层折射率，可选择性反射或穿透不同波长的光，使太阳能电池预定区域的入射光吸收达最大值，以改善电流产生和太阳能电池效率。虽然图5B示出了WSR层112、512各自包含二层的构造，但此构造并不限定本文所述的发明范围，其仅用于泛指WSR层包含两个或多个堆栈层的构造。图6A示出了两个或多个堆栈层的构造，其将进一步说明于后。
在一实施例中，层112a-b、512a-b的相邻层经配置具有高折射率对比和不同厚度。包含于层112a-b、512a-b的各层的高折射率对比和不同厚度有助于调整所形成的层112a-b、512a-b的光学性质。在一实施例中，配置层112a-b、512a-b以便与相邻层(例如n型层110、p型层114和第二TCO层122)也具有高折射率对比。一般来说，折射率对比一词意图描述相邻层的折射率相差程度，其通常表示成折射率比率。故低折射率对比意指相邻层间的折射率差异小，高折射率对比代表相邻材料的折射率差异大。在一实例中，配置层112a-b、512a-b的光学性质以反射和穿透不同波长光。在一实施例中，配置层112a-b、512a-b以反射波长约550nm至约1100nm的光。在一实施例中，配置第一WSR层112以反射波长约550nm至约800nm的光，同时配置第二WSR层512以反射波长约700nm至约1100nm的光。在一实施例中，第一层112a经配置具有低折射率，而第二层112b经配置具有高折射率。例如，选择第一层112a的材料(如SiC、SiOx、SixOyNz)使折射率比第二层112b所选用的材料(如Si)低。第一层112a的厚度配置为比第二层112b厚。在一实施例中，第二层112b与第一层112a的折射率比率(第二层折射率/第一层折射率)控制在大于约1.2，例如大于约1.5。在一实施例中，第一层112a的折射率为约1.4至约2.5，第二层112b的折射率为约3至约4。第一层112a与第二层112b的厚度比率(第一层厚度/第二层厚度)控制在大于约1.2，例如大于约1.5。
在一实施例中，第一层112a为厚度约
Figure BPA00001389587200151
至约的n型微晶硅合金层，第二层112b为厚度约至约
Figure BPA00001389587200154
的n型微晶硅层。然而也可利用其它技术改变WSR层的光学性质(即除了将交替的第一层112a和第二层112b厚度分别改变成λ/4n(Si)和λ/4n(Si合金)外)，因通过形成第一层112a和第二层112b，或一连串重复界面处折射率不连续的第一层和第二层，可改变整体WSR层结构的光学性质，进而形成具有高反射率与可接受吸收损失的周期性结构。在一实施例中，第一层112a为厚度约的n型微晶硅合金层(如SiC或SiON层)，第二层112b为厚度约
Figure BPA00001389587200156
的n型微晶硅层。同样地，第二WSR层512可类似地配置成第一层512a和第二层512b间具有高折射率对比和不同厚度。当可理解，第二WSR层512同样可配置成类似第一WSR层112，故在此不再赘述第二WSR层512，以简化说明。
图5B仅示出了一对双层，例如第一层112a和第二层112b。注意此对第一层112a和第二层112b可重复形成多次而形成第一多层堆栈结构，其构成WSR层112，如图6A所示。在一实施例中，第一WSR层112包含多对第一层112a1、112a2、112a3和第二层112b1、112b2、112b3。在一实施例中，图6A显示三对第一层和第二层。各对第一层112a1-3和第二层112b1-3可具有不同折射率和不同厚度。例如，第一对层112a1、112b1中第二层112b1与第一层112a1的折射率比率大于约1.2，例如大于约1.5。相比之下，第一对层112a1、112b1可具有第一层112a1与第二层112b1的厚度比率大于约1.2，例如大于约1.5。第二对层112a2、112b2的折射率比率可比第一对层112a1、112b1高或低，以协助第一WSR层112反射光。另外，第三对层112a3、112b3的折射率对比可比第一对层112a1、112b1和第二对层112a2、112b2更高或更低。
在一实施例中，第一WSR层112可具有三对层112a、112b形成其内。在另一实施例中，第一WSR层112具有多达五对层112a、112b。在又一实施例中，第一WSR层112依需求具有多于五对层112a、112b。或者，第一对层112a1、112b1、第二对层112a2、112b2和第三对层112a3、112b3可包含各对具有相似折射率对比和厚度变化的重复对层。通过调整周期和折射率比率，可最优化特定波长的反射，进而产生预定波长选择反射器。
在一实施例中，第一对层的第一层112a1的折射率为约2.5且厚度约
Figure BPA00001389587200161
第二层112b1的折射率为约3.8且厚度约
Figure BPA00001389587200162
第二对层的第一层112a2的折射率为约2.5且厚度约
Figure BPA00001389587200163
第二对层的第二层112b2的折射率为约3.8且厚度约
Figure BPA00001389587200164
第三对层的第一层112a3的折射率为约2.5且厚度约
Figure BPA00001389587200165
第三对层的第二层112b3的折射率为约3.8且厚度约
Figure BPA00001389587200166
在一实例中，第一WSR层112的总厚度控制为约
Figure BPA00001389587200167
图6B示出了WSR层112的另一结构，其可用来改善光反射、电流收集和光透射。在此特定实施例中，WSR层112包含一或多个绝缘层，例如图6B所示具有低折射率的多层，例如Si、SiO2、SiON、SiN等。相信用于形成WSR层112的掺杂物或合金元素可改善膜导电率，但会不当地增加吸收损失，因而降低形成太阳能电池的不同结间的光反射率和透射率。故在一实施例中，期望于WSR层112中形成穿孔602或特征结构、沟槽或构图区域的阵列，以容许后续导电率较高的沉积层(如组件符号114)形成一连串的分流路径602A通过WSR层112，其承载大部分的产生电流。WSR层112和一连串形成的分流路径602A一并用来权衡WSR层112的预定光学性质，同时亦利用形成的分流路径602A降低越过WSR层(如横越层厚度)的串联电阻。此结构可用于当WSR层112包含一个或多个高电阻层或介电材料的情况，其主要为光学性质所需(如反射和/或透射性)。
在一实例中，WSR层包含具有低折射率的绝缘层，例如小于2。接着，绝缘WSR层112经构图而于绝缘WSR层112中形成孔洞、沟槽、狭缝或其它形状开口的阵列。一般来说，穿孔602的阵列有足够的密度和尺寸(如直径)，使越过WSR层112的平均电阻降低成预定值，同时确保WSR层保持其预定光学性质。构图工艺和适合用于进行构图工艺的构图腔室将参考图9详述于后。在一实例中，穿孔602填入p型微晶硅层114，其沉积在绝缘WSR层112上而构成分流路径602A。在此结构中，通过选择具有低折射率的WSR层112，可获得WSR层112内一或多层的光学性质。同时通过以p型微晶硅层114填充所形成的穿孔，可降低越过WSR层112的平均电阻，进而改善平均构图WSR层112的光学性质与平均电性和太阳能电池装置的效率。在一实施例中，绝缘WSR层112为内含p型微晶硅层114的氧化硅层。
在一些实施例中，串接和/或三结实施例的各层包含各种类型的合金材料。例如，在一实施例中，一p-i-n结的各层可采用碳作为合金材料，同时另一p-i-n结的各层则包括含锗材料。例如，在图1、5A-B实施例中，结晶合金WSR层112包含硅与碳的合金，第一和第二p-i-n结126、128、508、510的各层包含硅与锗的合金，反之亦然。最后，图1及5A-B实施例还包含本征层非合金层的变化例。例如，在图1、5A-B的替代实施例中，层108、118为本征微晶硅层、而非合金层。此变化扩大了电池的吸收特征并提高了其电荷分离能力。
实施例
构建的n型微晶碳化硅层的单一结太阳能电池展现13.6毫安/平方厘米(mA/cm2)的短路电流(Jsc)(如量子效率(QE)测量为13.4mA/cm2)、填充因子(FF)为73.9％、转换效率(CE)为9.4％。相较下，使用微晶硅的相仿电池展现13.2mA/cm2的Jsc(如QE测量为13.0mA/cm2)、FF为73.6％、CE为9.0％。进一步比较下，使用
Figure BPA00001389587200172
的n型非晶态硅层(其中
Figure BPA00001389587200173
经变性掺杂)的相仿电池展现13.1mA/cm2的Jsc(如QE测量为12.7mA/cm2)、FF为74.7％、CE为9.0％。
串接结太阳能电池构建具有包含的微晶碳化硅的n型底部电池层，和包含
Figure BPA00001389587200175
的n型非晶态硅与
Figure BPA00001389587200176
的n型微晶碳化硅的n型顶部电池层。底部电池在700nm波长下展现9.69mA/cm2的Jsc和58％的QE。顶部电池在500nm波长下展现10.82mA/cm2的Jsc和78％的QE。另一串接太阳能电池构建具有包含
Figure BPA00001389587200181
的n型微晶碳化硅的n型底部电池层，和包含
Figure BPA00001389587200182
的n型非晶态硅与
Figure BPA00001389587200183
的n型微晶碳化硅的n型顶部电池层。底部电池在700nm波长下展现9.62mA/cm2的Jsc和58％的QE。顶部电池在500nm波长下展现10.86mA/cm2的Jsc和78％的QE。相较下，串接结太阳能电池构建有包含
Figure BPA00001389587200184
的n型微晶碳化硅的n型底部电池层，和包含的n型非晶态硅与的变性掺杂(n型)非晶态硅的n型顶部电池层。底部电池在700nm波长下展现9.00mA/cm2的Jsc和53％的QE。顶部电池在500nm波长下展现10.69mA/cm2的Jsc和56％的QE。使用碳化硅可改善两个电池的吸收，尤其是底部电池。
系统和设备构造
图第7为等离子体增强化学气相沉积(PECVD)腔室700的一实施例的截面图，用以沉积薄膜太阳能电池(如图1-4太阳能电池)的一或多层膜。合适的等离子体增强化学气相沉积腔室可取自位于美国加州圣克拉拉的应用材料公司。应理解其它包括其它制造商提供的沉积腔室也可用来实施本发明。
腔室700一般包括壁面702、底部704、莲蓬头710和基板支撑件730，其界定工艺容积706。工艺容积可经由阀708进入，以传送基板进出腔室700。基板支撑件730包括用以支撑基板的基板接收面732和耦接至升降系统736以抬高及降低基板支撑件730的把柄734。遮蔽环733选择性放置在基板102的周围上方。举升销738可移动穿过基板支撑件730，进而移动基板进出基板接收面732。基板支撑件730还包括加热和/或冷却组件739，以维持基板支撑件730呈预定温度。基板支撑件730还包括接地片731，以在基板支撑件730的周围提供RF接地。
莲蓬头710利用悬吊装置714耦接至背板712的周围。莲蓬头710亦利用一或多个中央支撑件716耦接至背板，以防止下弯和/或控制莲蓬头710的平直度/曲率。气源720耦接至背板712，以提供气体通过背板712及穿过莲蓬头710而达基板接收面732。真空泵709耦接至腔室700，以控制工艺容积706呈预定压力。RF功率源722耦接至背板712和/或莲蓬头710，以提供给莲蓬头710RF功率，而在莲蓬头与基板支撑件730间产生电场，这样气体将在莲蓬头710与基板支撑件730间产生等离子体。可采用各种RF频率，例如约0.3兆赫(MHz)至约200MHz。在一实施例中，RF功率源使用频率为13.56MHz。
诸如感应耦合的远程等离子体源的远程等离子体源724亦可耦接在气源和背板间。在处理各基板之间，提供清洁气体至远程等离子体源724，藉以产生远程等离子体并用来清洁腔室组件。供给莲蓬头的RF功率源722进一步激发清洁气体。合适的清洁气体包括三氟化氮(NF3)、氟气(F2)和六氟化硫(SF6)，但不以此为限。
沉积一或多层(如图1-4的一或多层)的方法包括以下第6处理腔室或其它合适腔室的沉积参数。将表面积为10000cm2或以上(优选地为40000cm2或以上，更优选地为55000cm2或以上)的基板提供至腔室。应理解处理后，基板可切割成较小的太阳能电池。
在一实施例中，沉积时，加热和/或冷却组件739设定提供的基板支撑件温度为约400℃或以下，优选地约100℃至约400℃，更优选地约150℃至约300℃，例如约200℃。
沉积期间，置于基板接收面732上的基板顶表面与莲蓬头710间的间距为约400密耳(mil)至约1200密耳，优选地约400密耳至约800密耳。
图8为处理系统800的一实施例的俯视图，具有多个处理腔室831-837，例如图7的PECVD腔室700或其它适合沉积硅膜的腔室。处理系统800包括移送室820，其耦接至负载锁定室810和处理腔室831-837。负载锁定室810容许基板在系统外的周遭环境与移送室820和处理腔室831-837内的真空环境间传送。负载锁定室810包括一或多个抽真空区域(evacuatable region)来支托一或多个基板。将基板输入系统800时，排空抽真空区域；从系统800输出基板时，进行通气。移送室820内设至少一真空机器人822，其适于在负载锁定室810与处理腔室831-837间传送基板。尽管图8显示7个处理腔室，然而此构造并不限定本发明的范围，系统当可设置任何适当数量的处理腔室。
在本发明的一些实施例中，系统800配置为沉积多重结太阳能电池的第一p-i-n结(如组件符号126、328、508)。在一实施例中，配置处理腔室831-837之一以沉积第一p-i-n结的p型层，同时各自配置其余处理腔室831-837以沉积本征型层和n型层。第一p-i-n结的本征型层和n型层可在同一腔室沉积，这样沉积步骤之间不需进行任何钝化工艺。因此在一配置下，基板经由负载锁定室810进入系统，然后真空机器人将基板传送到经配置用以沉积p型层的专用处理腔室。形成p型层后，真空机器人接着将基板传送到其余经配置用以沉积本征型层和n型层的处理腔室之一。形成本征型层和n型层后，真空机器人822将基板传送回负载锁定室810。在某些实施例中，处理腔室处理基板以形成p型层的时间大约比单一腔室形成本征型层和n型层的时间快4倍或以上，优选地快6倍或以上。因此，在一些沉积第一p-i-n结的系统实施例中，p腔室与i/n腔室的比为1∶4或以上，优选地为1∶6或以上。包括提供等离子体清洁处理腔室时间的系统产量为约10个基板/小时或以上，优选地为20个基板/小时或以上。
在本发明的一些实施例中，配置系统800以沉积多重结太阳能电池的第二p-i-n结(如组件符号128、330、510)。在一实施例中，配置处理腔室831-837之一以沉积第二p-i-n结的p型层，同时各自配置其余处理腔室831-837以沉积本征型层和n型层。第二p-i-n结的本征型层和n型层可在同一腔室沉积，这样沉积步骤之间不需进行任何钝化工艺。在某些实施例中，处理腔室处理基板以形成p型层的时间大概比单一腔室形成本征型层和n型层的时间快4倍或以上。因此，在某些沉积第二p-i-n结的系统实施例中，p腔室与i/n腔室的比为1∶4或以上，优选地为1∶6或以上。包括提供等离子体清洁处理腔室时间的系统产量为约3个基板/小时或以上，优选地为5个基板/小时或以上。
在本发明的一些实施例中，配置系统800以沉积图1、5A-B的WSR层112、512，其可置于第一与第二p-i-n结或第二p-i-n结与第二TCO层之间。在一实施例中，配置处理腔室831-837之一以沉积一或多个WSR层，配置另一处理腔室831-837以沉积第二p-i-n结的p型层，同时各自配置其余处理腔室831-837以沉积本征型层和n型层。配置以沉积WSR层的腔室数量类似配置以沉积p型层的腔室数量。此外，WSR层可在配置以沉积本征型层和n型层的同一腔室沉积。
在某些实施例中，配置以沉积包含本征型非晶态硅层的第一p-i-n结的系统800的产量为用以沉积包含本征型微晶硅层的第二p-i-n结的系统800的产量的两倍，这是因为本征型微晶硅层与本征型非晶态硅层的厚度差所致。因此适于沉积包含本征型非晶态硅层的第一p-i-n结的单一系统800可匹配两个或多个适于沉积包含本征型微晶硅层的第二p-i-n结的系统800。如此，WSR层沉积工艺可在适于沉积第一p-i-n结的系统中进行，以有效控制产量。一旦在一系统中形成第一p-i-n结，则基板可暴露于周遭环境(即破真空)，并传送到第二系统来形成第二p-i-n结。第一系统沉积第一p-i-n结与第二p-i-n结之间需要湿式或干式清洁基板。在一实施例中，WSR层沉积工艺是在独立(separate)系统中沉积。
图9示出了具有多个沉积系统904、905、906或集群工具的部分生产线900的配置，其由自动化装置902转接。在一配置下，如图9所示，生产线900包含多个沉积系统904、905、906，用以在基板102上形成一或多层、形成p-i-n结或形成完整太阳能电池装置。系统904、905、906类似图8的系统800，但通常配置为沉积不同层或结至基板102上。一般来说，系统904、905、906各自设有负载锁定904F、905F、906F，其类似负载锁定室810且各自转接自动化装置902。
处理程序期间，基板通常从系统自动化装置902传送到系统904、905、906之一。在一实施例中，系统906设有多个腔室906A-906H，其各自经配置以沉积或处理构成第一p-i-n结的一或多层，设有多个腔室905A-905H的系统905经配置以沉积一或多个WSR层，设有多个腔室904A-904H的系统904经配置以沉积或处理构成第二p-i-n结的一或多层。注意系统数量和各系统中经配置以沉积各层的腔室数量可改变成符合不同工艺需求和构造。在一实施例中，期望分开或隔离WSR层沉积处理腔室和p型、本征型或n型层沉积腔室，以免太阳能电池装置或后续形成的太阳能电池装置的一或多层交叉污染。在WSR层包括含碳或氧层的构造中，避免构成结的本征层交叉污染和/或防止形成在屏蔽或处理腔室的其它腔室部件上的含氧或碳沉积材料层的应力造成微粒产生问题通常是很重要的。
自动化装置902一般包含机器装置或输送器，其适于移动及定位基板。在一实例中，自动化装置902为一系列的传统基板输送器(如辊型输送器)和/或机器装置(如6轴机器人、水平多关节机器人(SCARA))，其经配置以按需求移动及定位生产线900上的基板。在一实施例中，一或多个自动化装置902还包含一或多个基板升降部件或吊桥输送器，其用于让预定系统上游的基板经过阻挡其移动的基板而抵达生产线900的另一预定位置。如此，不同系统的基板移动将不会遭遇其它待传送到另一系统的基板阻碍。
在生产线900的一个实施例中，构图腔室950连接一或多个自动化装置902，并经配置以进行构图工艺处理组成WSR层的一或多层。在一实例中，构图腔室950有益地设置利用传统手段进行构图工艺处理WSR层的一或多层。构图工艺用来形成WSR层的构图区域，例如图6B形成于绝缘WSR层112的穿孔602。应当理解构图工艺也可用来在太阳能电池装置形成工艺期间，蚀刻一或多个先前形成层的一或多个区域。用以形成穿孔602的典型工艺包括光刻构图与干蚀刻技术、雷射剥离技术、构图与湿蚀刻技术、或其它用来于WSR层112中形成预定图案的类似工艺，但不以此为限。形成于WSR层112的穿孔602阵列通常提供区域来电气连接WSR层112上所形成的层与WSR层112底下所形成的层。
尽管构图腔室950的配置一般是描述用于蚀刻型工艺，但此配置并不限定本发明所述范围。在一实施例中，构图腔室950用来移除一或多个所形成的层的一或多个区域，和/或沉积一或多个材料层(如含掺杂物材料、金属胶)至基板表面的一或多个所形成的层上。
在一实施例中，利用沉积图案蚀刻工艺，将穿孔602蚀入WSR层112。沉积图案蚀刻工艺一般是先沉积预定图案的蚀刻材料至基板102的表面，以匹配形成于WSR层112的穿孔602的预定构造。在一实施例中，在构图腔室950中，利用传统喷墨印刷装置、胶印装置、网印装置或其它类似工艺，选择性地沉积蚀刻材料至WSR层112上。在一实施例中，蚀刻材料包含氟化铵(NH4F)、与氟化铵形成均质混合物的溶剂、pH调节剂(如氧化物蚀刻缓冲液(BOE)、氢氟酸(HF))和界面活性剂/湿润剂。在一实例中，蚀刻材料包含20克的氟化铵(其与5毫升(ml)的二甲胺混合)和25克的丙三醇，其接着加热达100℃，直到混合物的pH达约7并形成均质混合物。相信使用碱性化学剂的好处为在后续加热而开始驱出氨(NH3)前，不会产生挥发性HF蒸气，故在进行加热工艺前，不需昂贵又复杂的通风与处理系统。
沉积预定图案的蚀刻材料后，接着在构图腔室950中，利用传统红外线(IR)加热组件或IR灯加热基板达约200℃-300℃，促使蚀刻材料中的化学制剂蚀刻WSR层112而形成穿孔602。如图6B所示，穿孔602作为WSR层112的开口，由此形成在WSR层112底下的层与沉积于WSR层112上的层之间可接触。在一实施例中，基板表面的穿孔602的直径为约5微米(μm)至约2000μm。以预定温度处理一段时间后(如约2分钟)，将移除挥发性蚀刻产物而于穿孔602内留下干净的表面，如此可在这些区域形成可靠的电触点。在一态样中，期望所述处理程序和蚀刻剂方法能于WSR层112中形成穿孔602，且不需进行任何后清洁工艺，这是因为挥发移除蚀刻产物和残余蚀刻材料，可留下干净的表面供第二p-i-n结510、128形成于其上。在一些情况下，期望避免进行湿式处理步骤，以免增加冲洗及干燥基板所需的时间、增加进行湿式处理步骤相关的拥有成本、及增加的氧化或污染穿孔602的机会。然在一实施例中，构图腔室950或其它附接处理腔室适于进行选择性清洁工艺处理基板，以移除任何不当残余物，和/或在第二p-i-n结510、128形成于其上之前，形成钝化表面。在一实施例中，清洁工艺是以清洁液湿润基板进行。可利用喷洒、淹没、浸渍或其它合适技术达成湿润目的。用于形成一或多个穿孔602的沉积图案蚀刻材料工艺的示例更详述于共同转让且同在申请中的美国专利申请案序号12/274,023(代理人文件编号APPM 12974.02)的申请案，其为2008年11月19日申请，在此一并附上供作参考。
虽然本发明已以实施例公开如上，然而其它和进一步的实施例也不脱离其基础范围，本发明的保护范围应视所附的申请专利的权利要求范围所界定为准。例如，图7处理腔室显示呈水平位置。应理解在本发明的其它实施例中，处理腔室可呈任何非水平位置，例如垂直。本发明的实施例已参照图8及9的多重处理腔室集群工具说明，但也可采用线内(in-line)系统和混成的线内/集群系统。本发明的实施例已参照经配置以形成第一p-i-n结的第一系统、经配置以形成WSR层的第二系统和经配置以形成第二p-i-n结的第三系统说明，但第一p-i-n结、WSR层和第二p-i-n结也可于单一系统中形成。本发明的实施例已参照适于沉积WSR层、本征型层和n型层的处理腔室说明，然而个别腔室也适于沉积本征型层、n型层和WSR层，且单一处理腔室也适于沉积p型层、WSR层和本征型层。最后，所述实施例为普遍应用到透明基板(如玻璃)的p-i-n构造，但应当涵盖其它实施例，其中n-i-p结、单一或多重堆栈结构按相反沉积顺序构建在不透明基板(如不锈钢或聚合物)上。
因此，提出形成太阳能电池装置的WSR层的设备和方法。方法有利于制造置于结间的WSR层，其具备高透明度和低折射率而加强电池的光捕捉。此外，WSR层还提供可调能带隙，相较于传统方法，其有效反射或吸收不同波长的光，因而提高了PV太阳能电池的光电转换效率和装置性能。
虽然本发明已以优选实施例公开如上，然而其并非用以限定本发明，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，可作出各种变型和修改，因此本发明的保护范围应视所附的申请专利的权利要求范围所界定为准。

Claims (15)

1.一种光伏装置，包含：
反射层，置于第一p-i-n结与第二p-i-n结之间，其中所述反射层包含：
第一层；以及
第二层，置于所述第一层上，其中所述第二层与所述第一层的折射率比率大于约1.2。
2.如权利要求1所述的光伏装置，其中：
所述第一p-i-n结包含：
p型非晶态硅层；
本征型非晶态硅层；以及
n型微晶硅层；且
所述第二p-i-n结包含：
p型微晶硅层，置于所述第二层上；
本征型微晶硅层；以及
n型非晶态硅层，与所述本征型微晶硅层相邻。
3.如权利要求1所述的光伏装置，其中所述第一层与所述第二层的厚度比率大于约1.2。
4.如权利要求1所述的光伏装置，还包含：
第二对层，包含：
第三层，置于所述第二层上，其中所述第二层与所述第三层的折射率比率大于约1.2；以及
第四层，置于所述第三层上，其中所述第四层与所述第三层的折射率比率大于约1.2；以及
第三对层，包含：
第五层，置于所述第四层上，其中所述第四层与所述第五层的折射率比率大于约1.2；以及
第六层，置于所述第五层上，其中所述第六层与所述第五层的折射率比率大于约1.2。
5.如权利要求1所述的光伏装置，其中所述第二层的折射率大于所述第一层的折射率。
6.如权利要求1所述的光伏装置，其中所述反射层选择性地反射波长约500nm至约800nm的光。
7.如权利要求1所述的光伏装置，其中所述第一层为n型微晶硅合金层，且所述第二层为n型微晶硅层。
8.如权利要求1所述的光伏装置，其中所述第一层包含硅、氧、以及选自由氮和碳组成的群组的元素。
9.如权利要求1所述的光伏装置，其中所述第一层的折射率为约1.4至约2.5，且所述第二层的折射率为约3至约4。
10.一种形成太阳能电池装置的方法，所述方法包含以下步骤：
在基板的表面上形成第一p-i-n结；
在所述第一p-i-n结上形成第一反射层，其中所述第一反射层选择性地将波长约550nm至约800nm的光反射回所述第一p-i-n结；以及
在所述第一反射层上形成第二p-i-n结。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述第一反射层进一步包含形成n型微晶硅合金且所述第一反射层的折射率为约1.4至约4。
12.如权利要求10所述的方法，其中形成所述第一反射层的步骤还包含以下步骤：
在所述第一p-i-n结上形成第一层和第二层，其中所述第二层与所述第一层的折射率比率大于约1.2。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述第一层为n型微晶硅合金层，且所述第二层包含n型微晶硅层。
14.如权利要求12所述的方法，还包含以下步骤：
在所述第一对上形成第二对所述第一层与所述第二层；以及
在所述第二对上形成第三对所述第一层与所述第二层。
15.如权利要求12所述的方法，还包含以下步骤：
在所述反射层中形成多个穿孔，其中所述多个穿孔在所述第二p-i-n结形成于所述反射层上之前形成，且每个穿孔是通过移除所述反射层的一部分而形成。
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