CN105206704A - Na剂量控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种Na剂量控制方法，该方法包括：将至少两个衬底彼此间以一定距离放置在衬底载体上，将衬底载体放置在反应腔室中，在该至少两个衬底上沉积前体，以及对该至少两个衬底实施第一退火工艺。该至少两个衬底包括第一含量的第一材料。至少两个衬底之间的距离基于第一材料的第一含量和至少一个工艺参数。所公开的方法有利地提供了改善的Na剂量控制。

Description

Na剂量控制方法
技术领域
本发明一般地涉及半导体技术领域，更具体地，涉及太阳能电池。
背景技术
太阳能电池是通过光伏效应将光能直接转换为电的电器件。随着能源效率的提高以及世界寻找不产生温室气体的能源，该电池越来越受欢迎。一些太阳能电池包括用于薄膜太阳能电池的铜铟镓硒(“CIGS”)半导体材料。虽然已经发现掺杂钠能够改善CIGS太阳能电池的性能，但是当前对Na剂量的控制有限。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的缺陷，根据本发明的一方面，提供了一种方法，包括：将至少两个衬底彼此间以一定距离放置在衬底载体上，所述至少两个衬底包括第一含量的第一材料，其中，所述至少两个衬底之间的所述距离基于所述第一材料的第一含量和至少一个工艺参数；将所述衬底载体放置在反应腔室中；以及对所述至少两个衬底实施第一退火工艺。
在该方法中，所述第一含量的重量百分比介于2％和12％之间，且所述第一材料包括Na2O。
在该方法中，所述第一含量的重量百分比为至少4％，且所述第一材料包括K2O。
在该方法中，所述至少两个衬底包括第二含量的第二材料，所述第二含量的第二材料不同于所述第一含量的第一材料。
在该方法中，所述第一含量的重量百分比介于2％和12％之间且所述第一材料包括Na2O，并且所述第二含量的重量百分比为至少4％且所述第二材料包括K2O。
在该方法中，所述距离介于5mm和100mm之间。
在该方法中，以背对背布置的方式放置所述至少两个衬底。
在该方法中，以面对面布置的方式放置所述至少两个衬底。
在该方法中，所述至少一个工艺参数包括退火温度和退火时间中的一个。
在该方法中，所述至少一个工艺参数包括H2Se的浓度。
该方法还包括在所述第一退火工艺之后实施第二退火工艺。
根据本发明的另一方面，提供了一种方法，包括：将至少两个衬底彼此间以一定距离放置在衬底载体上，所述至少两个衬底包括第一含量的第一材料和第二含量的第二材料，其中，所述至少两个衬底之间的所述距离基于所述第一材料的第一含量、所述第二材料的第二含量和至少一个工艺参数；将所述衬底载体放置在反应腔室中；以及对所述至少两个衬底实施第一退火工艺。
在该方法中，所述第一含量的重量百分比介于2％和12％之间，且所述第一材料包括Na2O。
在该方法中，所述第二含量的重量百分比为至少4％，且所述第二材料包括K2O。
在该方法中，所述距离介于5mm和100mm之间。
在该方法中，以背对背布置的方式放置所述至少两个衬底。
在该方法中，以面对面布置的方式放置所述至少两个衬底。
根据本发明的又一方面，提供了一种方法，包括：将至少两个衬底彼此间以一定距离放置在衬底载体上，所述至少两个衬底包括重量百分比介于2％和12％之间的Na2O和重量百分比至少为5％的K2O，其中，所述至少两个衬底之间的所述距离基于Na2O的含量、K2O的含量和至少一个工艺参数；将所述衬底载体放置在反应腔室中；以及对所述至少两个衬底实施第一退火工艺。
在该方法中，所述至少一个工艺参数包括退火温度、退火时间和H2Se的浓度中的一个。
在该方法中，所述距离介于5mm和100mm之间。
附图说明
当结合附图进行阅读时，通过以下详细描述可以最佳地理解本发明的各方面。应该注意，根据工业中的标准实践，各个部件未按比例绘出。事实上，为了清楚的讨论，各个部件的尺寸可以任意地增大或减小。
图1是根据一些实施例的用于形成半导体吸收材料的炉系统的截面图。
图2是根据一些实施例的彼此以一定间隔距离设置在载体上并且放置于反应腔室内的多个衬底的具体示图。
图3A和图3B示出了根据一些实施例的衬底的可选布置。
图4是根据一些实施例制造太阳能电池的方法的一个实例的流程图。
具体实施方式
以下公开内容提供了许多用于实施主题的不同特征的不同实施例或实例。以下描述组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例，并不旨在限制本发明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括以直接接触的方式形成第一部件和第二部件的实施例，并且还可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成额外的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。此外，本发明可在各个实例中重复参考标号和/或字母。该重复是为了简明和清楚的目的，而且其本身没有规定所讨论的各种实施例和/或配置之间的关系。
而且，为了便于描述，在本文中可以使用诸如“在…下方”、“在…下面”、“下部”、“在…之上”、“上部”等的空间相对术语以描述如图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，并且本文中使用的空间相对描述符可以同样地进行相应的解释。
所公开的系统和方法有利地提高了控制衬底的钠(Na)剂量的能力。应该相信，来自玻璃衬底的Na参加退火反应，该玻璃衬底由Na-Se化合物形成并且重新沉积在CIG薄膜的顶部上。因为适当的Na剂量提高太阳能电池的器件性能，所以将适当剂量的(即，正确的剂量)Na-Se掺杂到CIG中是有利的。因为大量的Na不利于器件性能，所以期望控制Na剂量且目前还不能实现。在一些实施例中，通过提供特定的间隔距离以及工艺参数实现Na剂量控制，该工艺参数包括但不限于温度、H2Se浓度、Na2O浓度和K2O含量。
图1示出了反应炉29，其中，硫属化物半导体吸收材料形成在衬底上。图1示出了气体管道33，入口反应气体31流和气体混合物35流流过气体管道33。在各个实施例的一些工艺步骤中，一种或多种入口反应气体31产生传送到炉29的气体混合物35。气体混合物35被传送到反应炉29。反应炉29是能够依次实施多个原位处理操作的可编程炉，并且根据一个实施例，反应炉29实施诸如硒化操作和硫化操作的一个或多个硫属化物半导体吸收材料形成操作。在一些实施例中，硫属化物半导体吸收材料形成操作包括硒化反应和之后的硫化反应，且在一些实施例中，在硒化步骤或硫化步骤或者硒化步骤和硫化步骤之后实施退火操作。这样，使用多种入口反应气体31。将入口反应气体31作为部分或全部气体混合物35传送到反应炉29。在一些实施例中，取决于在反应炉29中实施的特定炉操作。
反应炉29包括用于装载或卸载诸如衬底39的衬底的门37。通过位于反应腔室43内的石英舟(quartzboat)41保持衬底39。加热器罩45包括加热元件并且用于将反应炉29加热到各个温度。在一些实施例中，衬底39是太阳能电池衬底。在各个实施例中，衬底39由玻璃、或诸如聚酰亚胺的合适的有机材料、或金属箔形成。在其他实施例中，由用于将衬底39保持在反应腔室43内的另一合适的构件来替换石英舟41。
根据本发明的方法，衬底39包括位于其表面上的金属前体材料，且在反应炉29的反应腔室43内，在至少入口反应气体31和衬底39的表面上的金属前体之间发生反应。本发明提供了通过加热包括衬底39的反应炉29引起反应。在一些实施例中，位于衬底39上的金属前体包括Cu、In、Ga，但是在其他实施例中，使用包括Se和Na的其他材料。在一些实施例中，反应是使用含S反应气体作为入口反应气体31的硫化操作，且在另一实施例中，反应是使用含Se反应气体作为入口反应气体31的硒化操作，但是在其他实施例中，也实施其他反应和方法。根据衬底39上的金属前体包括Cu、In、Ga的实施例，在硒化操作中，前体通过热硒化操作转化为Cu(In,Ga)Se(CIGS)，且在一些实施例中，在硒化操作之后，进行硫化操作，其中，通过热工艺将CIGS的硒化的前体材料转化为Cu(In,Ga)SeS(CIGSS)，其中，CIGS与含S气体发生反应。
入口反应气体31由来自各个气体源的一种或几种气体组成。在示出的实施例中，气体源49、53和55供给到气体混合器57。在示出的实施例中，气体源49是H2Se，气体源53是N2，且气体源55是H2S。在其他实施例中，使用其他气体源。在一个实施例中，将N2气体源53和反应物H2S气体源55在气体混合器57混合，且将混合气体作为入口反应气体31传送到反应腔室43用于硫化反应。对于硒化操作和硫化操作，在其他实施例中使用不同的硒源和硫源，且在其他实施例中，也使用不同于氩气和氮气的载气。在一些实施例中，在退火操作中，将Ar气体源51或N2气体源53或其他惰性气体传送到反应腔室43。
现在参考图2，示出了设置在反应炉29的反应腔室43内的石英舟41或其他衬底载体。示出的衬底载体41支撑彼此距离为d的多个衬底39。可以将衬底39以背对背布置(即，使得玻璃衬底彼此面对)或面对面布置(即，使得吸收层彼此面对)放置在衬底载体41内。尽管示出了以在反应腔室43内垂直延伸的方式设置的衬底39，但是可以将衬底39如图3A所示地水平放置，或如图3B所示地以另一个角度放置。
发明人已经发现，间隔距离d可以用于控制衬底39的钠剂量。例如，发明人已经发现，对于具有至少5％的K2O含量以及约2％和12％之间的Na2O浓度的玻璃衬底39来说，间隔距离d可以根据其他工艺参数在约5mm和100mm之间变化。这样的其他工艺参数的实例包括但不限于退火温度、退火时间和玻璃中的H2Se、Na2O和K2O的浓度。在一些实施例中，对于较高的退火温度、较长的退火时间、较高的H2Se浓度、较高的Na2O含量、较低的K2O含量以及它们的组合，可以减小邻近的衬底39之间的间隔距离d。
图4是根据一些实施例制造太阳能电池的方法400的一个实例的流程图。在框402中，基于选择的工艺参数来选择衬底39之间的间隔距离d。例如，确定期望的Na剂量以及衬底的Na2O和K2O的含量和H2Se浓度。在一些实施例中，衬底39包括重量百分比介于约2％和12％之间的Na2O和重量百分比为至少约5％的K2O。在框402中确定/选择其他工艺参数，包括退火温度和退火时间。在一些实施例中，工艺参数的一个实例包括5％的Na2O、5％的K2O、4％的H2Se；间隔为20mm；在425℃的环境温度下退火1小时。
在框404中，将衬底39以选定的距离d放置在衬底载体41中。在一些实施例中，衬底间隔距离d介于约5mm和约100mm之间。在一些实施例中，将衬底以背对背布置或面对面布置放置在衬底载体41中。
在框406中，将衬底载体41和衬底39放置在反应炉29的反应腔室43中。将装载到衬底载体41上的衬底39通过门37放置在反应腔室43中。在一些实施例中，将衬底载体41放置在腔室43内，然后将衬底39放置在载体41上。
在框408中，将前体沉积在衬底39上或覆盖物(superstrate)上，其中，覆盖物可包括玻璃、金属箔和/或聚合物(仅列出了几个实例)。前体可包括以下元素：Cu、In、和Ga以及可选地Se和/或Na，以列出了几个实例。此外，可以使用等离子体汽相沉积(“PVD”)、化学汽相沉积(“CVD”)、印刷或任何其他合适的沉积工艺来沉积前体。
在框410中，实施热退火。在H2Se环境中在温度Te下对衬底39退火一段时间Ti。在一些实施例中，实施退火，其中，Te<525℃且1分钟<Ti<60分钟。本领域的普通技术人员将理解，可以在这些范围内调整确切的温度和时间。
在一些实施例中，可以在框412中实施第二可选退火工艺。该第二可选退火工艺可以包括在H2S环境中对衬底39进行退火，且第二可选退火工艺可以与诸如硫化工艺的其他工艺结合以完成太阳能电池模块。在一些实施例中，对于H2S退火，温度高于450℃，且间隔保持为与H2Se退火的间隔相同。
上文描述的公开的系统和方法有利地提高了控制太阳能电池衬底的Na剂量的能力，且提高了太阳能电池的性能。如所描述的，在一些实施例中，通过提供特定的间隔距离和工艺参数来实现Na剂量控制，工艺参数包括但不限于温度、H2Se浓度、Na2O浓度和K2O含量。
在一些实施例中，一种方法包括：将至少两个衬底彼此间以一定距离放置在衬底载体上，将衬底载体放置在反应腔室中，以及对该至少两个衬底实施第一退火工艺。该至少两个衬底包括第一含量的第一材料。至少两个衬底之间的距离基于第一材料的第一含量和至少一个工艺参数。
在一些实施例中，第一含量的重量百分比介于2％和12％之间，且第一材料包括Na2O。
在一些实施例中，第一含量的重量百分比为至少4％且第一材料包括K2O。
在一些实施例中，至少两个衬底包括不同于第一含量的第一材料的第二含量的第二材料。
在一些实施例中，第一含量的重量百分比介于2％和12％之间，且第一材料包括Na2O，第二含量的重量百分比为至少5％且第二材料包括K2O。
在一些实施例中，距离介于5mm和100mm之间。
在一些实施例中，以背对背布置放置该至少两个衬底。
在一些实施例中，以面对面布置放置该至少两个衬底。
在一些实施例中，至少一个工艺参数包括退火温度和退火时间中的一个。
在一些实施例中，至少一个工艺参数包括H2Se的浓度。
在一些实施例中，一种方法包括在实施第一退火工艺之后实施第二退火工艺。
在一些实施例中，一种方法包括：将至少两个衬底彼此间以一定距离放置在衬底载体上，将衬底载体放置在反应腔室中，以及对该至少两个衬底实施第一退火工艺。该至少两个衬底包括第一含量的第一材料和第二含量的第二材料。至少两个衬底之间的距离基于第一材料的第一含量、第二材料的第二含量和至少一个工艺参数。
在一些实施例中，第一含量的重量百分比介于2％和12％之间，且第一材料包括Na2O。
在一些实施例中，第二含量的重量百分比为至少4％且第二材料包括K2O。
在一些实施例中，距离介于5mm和100mm之间。
在一些实施例中，以背对背布置放置该至少两个衬底。
在一些实施例中，以面对面布置放置该至少两个衬底。
在一些实施例中，一种方法包括：将至少两个衬底彼此间以一定距离放置在衬底载体上，将衬底载体放置在反应腔室中，以及对该至少两个衬底实施第一退火工艺。该至少两个衬底包括重量百分比介于2％和12％之间的Na2O和重量百分比为至少4％的K2O，其中，该至少两个衬底之间的距离基于Na2O的含量、K2O的含量和至少一个工艺参数。
在一些实施例中，该至少一个工艺参数包括退火温度、退火时间和H2Se的浓度的一个。
在一些实施例中，该距离介于5mm和100mm之间。
上面概述了多个实施例的特征，使得本领域普通技术人员可以更好地理解本发明的各个方面。本领域普通技术人员应该理解，可以容易地使用本发明作为基础来设计或修改其他用于执行与本文所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优点的工艺和结构。本领域普通技术人员还应该意识到，这种等同构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。

Claims (10)

1.一种方法，包括：
将至少两个衬底彼此间以一定距离放置在衬底载体上，所述至少两个衬底包括第一含量的第一材料，其中，所述至少两个衬底之间的所述距离基于所述第一材料的第一含量和至少一个工艺参数；
将所述衬底载体放置在反应腔室中；以及
对所述至少两个衬底实施第一退火工艺。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一含量的重量百分比介于2％和12％之间，且所述第一材料包括Na2O。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一含量的重量百分比为至少4％，且所述第一材料包括K2O。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少两个衬底包括第二含量的第二材料，所述第二含量的第二材料不同于所述第一含量的第一材料。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一含量的重量百分比介于2％和12％之间且所述第一材料包括Na2O，并且所述第二含量的重量百分比为至少4％且所述第二材料包括K2O。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述距离介于5mm和100mm之间。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，以背对背布置的方式放置所述至少两个衬底。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，以面对面布置的方式放置所述至少两个衬底。
9.一种方法，包括：
将至少两个衬底彼此间以一定距离放置在衬底载体上，所述至少两个衬底包括第一含量的第一材料和第二含量的第二材料，其中，所述至少两个衬底之间的所述距离基于所述第一材料的第一含量、所述第二材料的第二含量和至少一个工艺参数；
将所述衬底载体放置在反应腔室中；以及
对所述至少两个衬底实施第一退火工艺。
10.一种方法，包括：
将至少两个衬底彼此间以一定距离放置在衬底载体上，所述至少两个衬底包括重量百分比介于2％和12％之间的Na2O和重量百分比至少为5％的K2O，其中，所述至少两个衬底之间的所述距离基于Na2O的含量、K2O的含量和至少一个工艺参数；
将所述衬底载体放置在反应腔室中；以及
对所述至少两个衬底实施第一退火工艺。
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