CN103828070B - 薄膜太阳能电池的激光结晶化及多晶化效率的改进 - Google Patents

Abstract

在此公开热处理半导体基板的装置及方法。所述装置的方面包括强烈辐射源和旋转能量分配器，所述旋转能量分配器将强烈辐射散布至校正器。所述校正器将辐射导向基板。所述方法的方面包括使用旋转能量分配器将脉冲能量分布至基板以进行处理。根据能量源的脉冲重复速率来设定所述能量分配器的旋转速率。可在根据能量源的脉冲重复速率所设定的速率下相对于能量分配器持续移动基板。

Description

薄膜太阳能电池的激光结晶化及多晶化效率的改进

领域

在此描述的实施例涉及制造光电装置。更具体地说，在此描述的实施例涉及热处理光电基板的装置及方法。

背景

光电能产生在2007年为最快速成长的能源来源。在2008年中，已安装的光电容量增加大约2/3至约15GW。根据一些估算，光电电力的全球市场在2008至2013之间将以32％的复合年增长率增长，达到超过22GW；同时安装的容量以每年20％至30％或更高的平均速率成长，至2013年可能达到35GW。可得的太阳能资源估计在120,000TW，使用少于0.013％这些可得的资源可取代矿物燃料及核能作为电力来源。全世界能源消耗在2005年为16TW，不到地球上可得的入射太阳能的0.02％。

由于如此高的潜力，全世界的国家及公司正相互竞争以增加光电发电的效率及降低发电的成本。在典型太阳能电池中，半导体材料暴露于太阳光下使电子移动。一部分半导体材料掺杂富电子元素，且其它部分半导体材料掺杂缺电子元素以提供移动电子朝向电流集电器流动的驱动力。电子由电流集电器流出至外电路以提供电力。

半导体材料的晶体结构影响电池的光吸收特性及将光转变成电的效率。在非晶半导体材料中，有少量让电子移动的直接路径，所以电子迁移率较低，且使电子移动需要的能量较高。因此，非晶硅材料有较高的能带间隙且吸收比晶体硅材料吸收的光更短波长的光。微晶体材料或纳米晶体材料具有一些晶体结构，所述结构引起平均上较高的电子迁移率及较低的能带间隙。多晶及单晶材料甚至有较高的迁移率及较低的能带间隙。

尽管需要包括具有不同形态以捕捉更多入射光谱的吸收剂，但仅需要少量例如非晶材料以提供吸收的利益。过多非晶材料造成低效率，因为电子移动通过非晶材料比较慢，在移动时损失能量。由于损失能量，电子变得易受肖克莱-里德-霍尔复合(Shockley-Read-Hall)的影响，掉出导带回到原子的价带，与空穴复合，或局部电子短缺，并损失移动电子的吸收的太阳能。

为减少这种效应，如此使用热处理将太阳能电池中多晶体及单晶体形态最大化为所需的。一般用于处理沉积膜及层的工艺跨太阳能基板扫描激光线图像。线图像可为几厘米长及几毫米宽，使得必须跨基板扫描图像几十次以便覆盖整个区域。这类扫描可花上达一小时以处理每一面板。比较慢的生产速率需要较大的财务投资以达到特定生产容量，提高了生产有效率太阳能电池及面板的成本。

如此，对于有效率并在高速率下制造多晶及单晶半导体相改善的装置及方法有需求。

发明内容

在此叙述的实施例提供热处理光电基板的装置及方法。装置的方面包括强烈辐射源及旋转能量分配器，所述旋转能量分配器将强烈辐射分布至校正器。校正器将辐射导向基板。

所述方法的方面包括使用旋转能量分配器将脉冲能量分布至基板以进行处理。能量分配器的旋转速率以能量源的脉冲重复速率为基础设定。可在以能量源的脉冲重复速率为基础设定的速率下相对能量分配器持续移动基板。

能量分配器可为反射的(如旋转多角形反射镜)或折射的(如棱镜或透镜)，且能量分配器可包括用于调整能量的焦距、强度或均匀性的光学元件。校正器亦可为反射的或折射的，且校正器亦可包括用于调整能量的焦距、强度或均匀性的光学元件。

附图简要说明

所以本发明的上述特征可详细理解，参照特定实施例可理解上文简短概述的本发明的特定叙述，部分实施例以附图描述。然而应注意，附图只描述本发明的典型实施例且因此附图不视为限制本发明的范围，本发明可允许其它相等效力的实施例。

图1A为根据一个实施例的热处理装置的示意俯视图。

图1B为图1A的热处理装置的示意侧视图。

图2为根据另一实施例的热处理装置的透视图。

图3为概述根据实施例的方法的流程图。

具体描述

在此叙述的实施例一般提供有效、高容量热处理基板的装置及方法。可使用在此叙述的装置及方法处理的基板包括玻璃基板及半导体基板。

图1A为根据一个实施例的热处理装置100的俯视图。辐射源102配置在平台108旁，基板可放置在所述平台108上以进行处理。辐射源102将定向的辐射导向多角形反射镜104，所述多角形反射镜104旋转以反射强烈辐射穿过在角形反射场110的一角度范围内朝向校正器106。校正器106将来自角形反射场110的强烈辐射导向配置在平台108上的基板。

平台108具有工作表面112，所述工作表面112是可移动的以将基板的所需区域放置在校正器106旁以进行处理。在一种模式下，可使可移动的工作表面112致动以将基板通过校正器106的下方。

辐射源102可为灯源或激光源。在一个实施例中，激光源可产生激光能的空间上均匀光束，所述激光能具有所需的形状、大小及能量密度。这种激光源的实例描述在美国专利公告案第2009/0032511号中，所述公告案于2009年2月5日公告并在此以引用的方式并入本文。

在另一个实施例中，一或多个灯(例如一排氙弧灯)可以定位的阵列配置以输送强烈辐射至多角形反射镜104。对高度发散辐射源如灯源或激光二极管源，可提供波导114将辐射导向多角形反射镜104。波导114可为具有反射内表面的导管，以将辐射限制在所需路径。防止辐射发散直到辐射与多角形反射镜为最小距离，以减小功率的损失。波导114亦可为功能性的，通过内反射改善在多角形反射镜104上入射辐射场的功率分布均匀性。波导可具有矩形、多角形、圆形或椭圆形剖面。

多角形反射镜104为分配器，所述分配器旋转以便将入射辐射导向校正器106上不同位置以处理基板的不同目标区。典型上由发动机旋转多角形反射镜104。当多角形反射镜104旋转时，由多角形反射镜104反射的辐射移动穿过角形反射场110。校正器106将辐射导向基板的连续目标区，产生与多角形反射镜104的旋转相关的处理图案。所述图案在多角形反射镜104完成一组旋转计划时重复。例如，当多角形反射镜104的顶点接近入射辐射的光学路径时，辐射的反射接近角形反射场110的端点。当多角形反射镜104的顶点穿过入射辐射的光学路径时，反射的辐射回复至角形反射场110的相反端点以重复图案。在一种模式中，具有N个反射小平面的多角形反射镜可以速率R旋转，每次旋转完成N个扫描，每一扫描处理完整宽度的基板。在其它模式中，多角形反射镜可在速率iR下旋转，每次旋转完成N/i个扫描。例如，在一些情况中，多角形反射镜可在每次旋转多角形反射镜暴露一个目标区的速率下旋转。

一般而言，来自旋转多角形反射镜104的反射辐射的线性投影根据旋转角度的正切由中央发散。在未修正的情况下，使用此反射辐射处理基板可在固定旋转速率下，对靠近进入辐射的光学路径的位置将产生较长的处理时间，而对远离光学路径的位置将产生较短的处理时间。若需要，可用偏转器116将相对旋转角度的光束移动线性化。偏转器116将由多角形反射镜104接收的辐射重新导向沿着与接收辐射路径不同的路径，使得由校正器106接收的辐射以与多角形反射镜104旋转成比例的量离开原始辐射的光学路径靠近校正器中央。通过使用此装置，由于辐射场在固定速度下沿着校正器106移动，因此在多角形反射镜104的固定旋转速度下以实质上相同量的时间处理基板的每一目标区。

可用于此修正的偏转器的实例为F-Theta透镜。F-Theta透镜为提供入射辐射桶状变形的特殊形状透镜。桶状变形的特征为增加朝向透镜端点的光的折射，所以靠近透镜边缘的入射光比靠近透镜中央的入射光折射更多。选择透镜的特定的桶状变形以提供适合系统的特定几何形状的偏转功能。另一选择，可使用具有变化折射率的单一棱镜作为偏转器。若棱镜的折射率根据棱镜内位置的特定函数变化，则可实现相似的性能。无疑地，若需要亦可使用形状及材料变化的组合。若需要，偏转器116的光学特征可直接设计在多角形反射镜104的每一小平面的表面形状中以除去偏转器116。例如，可在每一反射小平面中提供精确设计的凸面。

校正器106为将接收的来自多角形反射镜104的辐射经由偏转器116导向基板的光学元件。校正器106可为单一元件或元件的集合，且校正器106可包括折射元件及反射元件。在一个实施例中，校正器106为反射镜的集合，每一个反射镜有个别角度以垂直基板表面的方向反射来自多角形反射镜104的辐射。

若需要，校正器106可包括光学特征，以调整来自多角形反射镜104接收的辐射场的焦距或能量分布。在一些实施例中，光学路径长度为影响辐射场中能量分布均匀性的变量。当相干随路径长度降低时，能量分布的均匀性可向上或向下随意移动。在这类实施例中，校正器106的每一部件可包括光学调整(如像散性或双折射)以修正光学路径长度上的差异。例如，若辐射场是发散的，在基板表面接收辐射的能量分布由目标区至随后的目标区可不同。修正的光学特征可包括聚焦表面、散焦表面，及/或扭曲表面。若使用F-Theta透镜，修正光学特征可包括特定反射或折射图案，用于反转F-Theta透镜的桶状变形所引起的辐射场非均匀性。

图1B为图1A的装置100的示意侧视图。图中显示在图1A的俯视图中看不到的外壳118，所述外壳支撑装置100的不同部件。外壳118亦提供装置100产生辐射的限制。多角形反射镜104由轴122连接旋转发动机120，所述轴122显示穿透外壳118，以允许操作外壳118外侧的发动机120。偏转器116、校正器106，及可选择的波导114分别由支撑件124、126及128由外壳118的壁支撑。支撑件124、126及128在图1B中以轴或杆状的构件呈现，但可使用不阻挡光学路径的任何形式支撑件。

在图1B中以输送带显示可移动基板支撑件108，示意性图示由滚筒130驱动。亦可使用其它移动机构，如滚动盘。基板支撑件108可为可操作以通过装置100持续或分阶段输送基板，在需要时开始及停止以产生处理间隔。在分阶段的实施例中，基板相对校正器106静止以产生处理间隔，之后基板移至随后位置以产生随后的处理间隔。在连续实施例中，基板持续移动通过装置100，且多角形反射镜104的转动速率及辐射源的发射特征调整至符合基板的移动速率。

在辐射源102为脉冲激光源的实施例中，脉冲激光源的脉冲速率及多角形反射镜104的转动速率同步，使得每次脉冲激光源发射脉冲辐射，多角形反射镜104的小平面定位为反射脉冲至校正器上的选定点。选定多角形反射镜104的转动速率将激光源的连续脉冲导向校正器上的连续点，及导向沿着一排基板的连续目标处理区。为了在多角形反射镜104旋转通过单行曝光时输送每一目标区一个脉冲，旋转速率约为

$R_1=\frac{\mathrm{wp}}{W}\arctan \left[\frac{W^2}{4\tan \left(\frac{\mathrm{\π}}{f}\right)}\right]$

其中w为单一曝光场的宽度，p为激光源的脉冲速率，W为基板的总宽度，且f为多角形反射镜上的小平面数。R₁以弧度表示，且应注意2π的整数倍加上旋转速率R₁得到相似的结果。

控制器132通过控制发动机120控制多角形反射镜104的旋转速率。控制器132亦控制辐射源102的脉冲及可移动基板支撑件108上的基板移动以达到所需的处理计划。对分阶段的基板移动计划，其中基板在一行目标区曝光期间实质上静止，移动以定位第二行目标区，及在第二行目标区曝光期间保持实质上静止，相邻的曝光区可为侧面排列(即面对移动方向的每一目标区的边界与在行其它目标区的相同边界排列)。对连续移动计划，相邻的曝光区可互相偏移一距离，所述距离与相邻曝光区的曝光之间的间隔相关。对上文的情况，其中每一连续脉冲照射连续区，相邻区的位移为Z/p，此处Z为基板的移动速率。对在此实施例中最佳的结果，在整行曝光期间基板的移动可等于移动方向的单一曝光场的长度I，长度I包括任何所需的间隔。如此，在完成一行目标区后，基板定位成使得新行的第一目标区根据所需间隔与先前行的第一目标区精确地排列。在此实施例中，基板的移动速率约为Z＝wIp/W。

全基板的处理时间(输送每处理面积一个脉冲)为全面积与处理区面积的比例除以激光源的脉冲速率。使用具有高脉冲速率的激光源将加速基板的产量。例如，面积为60,000cm²的基板，以10cm²增量处理，将有6000个处理区。使用一千赫脉冲速率输送单一能量脉冲至每一区将让如此大的基板在数秒钟内处理。应注意若单一处理区以多脉冲照射时，一些实施例可要求阶段性移动基板以达到充分的处理精度。

基板可根据慢移动计划处理，在所述慢移动计划中基板的移动比辐射源的脉冲速率慢。在此实施例中，辐射源的脉冲可在处理行的末端短暂暂停，以让基板移动至下一处理行。具有连结较慢移动的快速脉冲辐射源可减少同一行相邻目标区的增加间隔。使用高脉冲速率辐射源仍可得到高产量。例如，具有尺寸为2.4mx2.4m的可处理面积的太阳能基板可通过每秒处理一行80个目标区以9cm²的增量处理。若整行在0.1秒钟内处理，使用每秒产生800次脉冲的辐射源，每80个脉冲0.9秒的移动暂停，及在相当速率下旋转的多角形反射镜，在行的任一端的目标区的位移相对彼此仅有3mm。加3mm排除区至基板的每一端提供在约4分钟内处理大基板的方式。加倍脉冲速率及移动速率将减少处理时间一半。可在约1kHz至约100kHz之间的速率下脉冲的激光或其它辐射源通常对实施在此叙述的实施例及所述实施例的变体有用。

上文的讨论通常适用平面基板的处理，但具有旋转能量分配器的热处理系统亦适合处理弯曲的基板。例如，上述相关定向来自旋转的多角形反射镜光束的非线性可通过将弯曲基板放置在旋转多角形反射镜四周而除去，只要曲率的轴与旋转的轴相同。

上述旋转的多角形反射镜为反射能量分配器的一个实例。旋转折射器亦可在一些实施例中使用。旋转折射器的优点可以为线性化的形状可设计在旋转折射器的表面中，使得当折射器旋转时，旋转折射器发射的能量以对旋转角度的线性关系沿着校正器前进。

图2为根据另一实施例的热处理装置200的透视图。工作表面202提供工作空间以定位基板，工作表面202可如图所示由滚筒222移动。能量源204(如激光)产生沿着实质上与工作表面202限定的平面平行的路径的辐射能的定向能量流动208，且朝向能量分配器210。能量分配器210可为反射器或折射器，且能量分配器210如箭头212所示旋转以偏转定向的能量流动208朝向收集器218。收集器218为单一光学元件或光学元件集合，收集定向能量流动208的能量并将收集的能量导向基板。能量分配器210通常有在所需速率下旋转能量分配器的发动机。能量分配器210在工作表面202上方的所需的位置处由支撑件214支撑。

能量分配器210朝向收集器218传送定向能量的反射流动216，收集器218朝向工作表面202以垂直流动220传送反射流动216，而垂直流动220为垂直工作表面202的定向能量的流动。收集器218具有面对工作表面202的反射表面。反射表面具有反射定向能量的形状，使得工作表面202的曝光区域206与工作表面202的中心线224的距离"x"，实质上与工作表面202限定的平面上方反射能量流动216的仰角θ成比例。收集器218可具有多个平面反射镜、一个连续多面的反射表面或一个连续弯曲的反射表面。

如上文与图1A及图1B的装置100相关所述，基板可通过收集器218下的装置200连续移动，同时能量的脉冲通过旋转能量分配器210导向基板。基板亦可通过所述装置分阶段移动。若需要亦可包括光学元件，以在发散光接近能量分配器时限制发散光，且若需要能量分配器可具有聚焦光学元件(如弯曲的反射或折射表面)，以补偿由于不同路径长度而导致的不同的发散或失去的相干性。控制器226控制能量分配器210的旋转、能量源204的脉冲速率及基板的移动以达到所需的处理计划。能量分配器210的旋转、能量源204的脉冲速率及基板的移动可由控制器同步以使基板的一个处理区206的边缘符合相邻处理区的边缘，以通过一起联接矩形处理区达到基板的均匀处理，特别是若施加至每一处理区的矩形能量场为均匀时。

在另一实施例中，高重复速率的辐射源可耦合两个可移动反射镜以将用于处理基板的不同目标区的辐射场定位。可移动反射镜在辐射源以脉冲输送时可通过图案扫描，使得目标区根据任何所需图案处理，而反射镜的移动速率与辐射源的重复速率相关。使用两个可移动反射镜处理基板的一些方法的叙述可在2011年10月6日公告的美国专利公告案2011/0239421中找到，此案在此以提及的方式并入本文。

图3为简述根据实施例的方法300的流程图。方法300可用于热处理基板，且方法300可在热处理大基板，如太阳能面板中特别有用。晶体太阳能面板可通过沉积太阳能面板的各种层(如非晶体、微晶体或多晶体材料)，之后使用方法300的热处理将太阳能面板晶体化或增加太阳能面板的晶体大小而有效地形成。

在步骤302，处理区限定在欲处理的光电基板上。处理区典型地根据将施加至每一处理区的能量场的大小及形状而限定。每一处理区的位置同样地限定以提供所需的实质上精确排列的处理区边界、处理区部分重叠或处理区之间的空间。如上与图2相关联所述，矩形处理区可通过同步脉冲速率、多角形反射镜的旋转速率及基板的移动速率而排成一行。

在步骤304，基板定位于工作表面上使得一子集的处理区暴露至一种能量装置。能量装置通过能量分配器传送能量至工作表面，而基板在工作表面上静止。可通过移动基板静止在工作台上的所述工作台或使用载体或滚动盘直接操作基板完成基板的定位。

在步骤306输送多个能量脉冲至靠近基板的能量分配器。能量脉冲可为激光脉冲，或其它种电磁能量的脉冲(如闪光灯、加热灯、LED及/或微波脉冲)。通常输送的能量脉冲的剖面能量密度平均约0.5J/cm²，标准偏差为约3％或更少。脉冲宽度视能量源的功率输出而定，但通常小于1毫秒。能量脉冲可以脉冲之间的固定间隔输送，或以较长的间隔限定较短间隔的脉冲群输送。

在步骤308，接收多个能量脉冲的能量分配器在固定速率下旋转以输送能量脉冲至子集的每一处理区。能量分配器旋转时改变能量脉冲传播的方向，沿着固定光学路径接收能量脉冲且将所述能量脉冲重新定向至随能量分配器旋转而改变的光学路径。能量分配器可为反射的或折射的，例如反射镜、棱镜、透镜及上述镜的类似物。若使用平面基板时，能量分配器可包括光学元件，所述光学元件补偿在投射能量分配器的旋转方面在基板的平面上的非线性。应注意使用具有与能量分配器的旋转轴相同的曲率轴的弯曲基板亦将除去能量分配器的非线性。

尽管前述针对本发明实施例，可设计本发明的其它及进一步实施例而不违背本发明的基本范围。

Claims (19)

1.一种热处理半导体基板的装置，所述装置包括：

矩形激光场源，所述源具有波导，所述波导用以将激光限制于光学路径；

可旋转多角形反射镜，所述可旋转多角形反射镜配置在所述矩形激光场的所述光学路径中以产生多个反射激光脉冲，所述多个反射激光脉冲有角度地分布跨越反射场，每个脉冲具有矩形形状；以及

安装至所述波导的校正器，其中所述校正器跨越所述反射场配置且在工作表面上方，所述校正器具有一或多个光定向元件，所述一或多个光定向元件将来自所述反射场的所述矩形激光脉冲导向所述工作表面。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述校正器为线性构件，沿着与入射在所述旋转多角形反射镜上的所述激光场的所述光路径垂直的轴配置。

3.如权利要求2所述的装置，其中所述校正器包括多个光学元件。

4.如权利要求2所述的装置，其中所述工作表面包括输送带，所述输送带可在实质上平行于入射在所述旋转多角形反射镜上的所述激光的所述光路径的方向中移动。

5.如权利要求3所述的装置，其中所述校正器包括多个反射镜。

6.如权利要求5所述的装置，其中所述校正器进一步包括多个透镜。

7.如权利要求6所述的装置，其中所述多个透镜的每一个透镜具有像散性。

8.如权利要求2所述的装置，其中所述校正器包括具有变化像散性的透镜。

9.如权利要求1所述的装置，所述装置进一步包括f-theta透镜，所述f-theta透镜配置在所述旋转多角形反射镜与所述校正器之间。

10.一种热处理基板的装置，所述装置包括：

强烈矩形辐射场源，所述源具有波导，所述波导用以将热处理区域限制于光学轴；

可旋转多角形反射镜，所述可旋转多角形反射镜沿着所述强烈矩形辐射场的所述光学轴配置；

工作表面，所述工作表面能沿着第一轴移动基板；以及

安装至所述波导的校正器，其中所述校正器与所述可旋转多角形反射镜光学连通且配置在工作表面旁，所述校正器具有朝向所述工作表面配置的一或多个光定向光学元件。

11.如权利要求10所述的装置，其中所述强烈矩形辐射场源为一种激光源。

12.如权利要求10所述的装置，所述装置进一步包括光导管，所述光导管相对所述工作表面配置，使得所述校正器与所述多角形反射镜在所述工作表面与所述光导管之间。

13.如权利要求10所述的装置，其中所述校正器为整体线性光学元件，所述整体线性光学元件具有沿着所述校正器主轴变化的光学特征。

14.如权利要求10所述的装置，所述装置进一步包括控制器，所述控制器耦接至所述强烈辐射源与所述旋转多角形反射镜，且所述控制器经设置以控制所述工作表面的移动与所述多角形反射镜的旋转速率。

15.一种热处理基板的方法，所述方法包括以下步骤：

将所述基板配置在工作表面上；

提供定向的强烈辐射场至相邻所述工作表面的空间；

通过波导将所述定向的强烈辐射场限制于光学轴；

反射来自旋转多角形反射镜的受限制的所述定向的强烈辐射场至角形反射场中，所述多角形反射镜沿所述光学轴配置；以及

通过安装至所述波导的校正器将来自所述角形反射场的所述定向的强烈辐射导向所述基板上。

16.如权利要求15所述的方法，其中反射来自所述旋转多角形反射镜的所述定向的强烈辐射场至所述角形反射场中的步骤包括以下步骤：通过旋转所述多角形反射镜穿过角度来扫描所述定向的强烈辐射。

17.如权利要求15所述的方法，其中所述角形反射场限定一个平面，且将来自所述角形反射场的所述定向的强烈辐射导向所述基板上的步骤包括以下步骤：改变来自所述角形反射场的所述平面的所述定向的强烈辐射的路径至与所述角形反射场的所述平面交叉的路径。

18.如权利要求15所述的方法，所述方法进一步包括以下步骤：在所述角形反射场中提供光学系统，所述光学系统将跨越所述角形反射场的所述定向的强烈辐射的均匀性的变化降至最小。

19.如权利要求15所述的方法，其中所述定向的强烈辐射场为具有矩形的均匀辐射场。