CN105742218A - 用于改进太阳能电池的制造成品率的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于改进太阳能电池的制造成品率的系统和方法。描述了用于在大规模的太阳能电池制备设施中制备太阳能电池的系统。所述系统包括第一处理站、第二处理站和位于第一处理站和第二处理站之间的晶片储存装置。晶片储存装置内的微环境基本上与大规模的太阳能电池制备设施的大环境分隔开，并且微环境被过滤以减少化学物、水分和挥发性有机化合物。晶片储存装置被配置为暂时存储从第一处理站出来并排队等待在第二处理站进行处理的晶片。

Description

用于改进太阳能电池的制造成品率的系统和方法
技术领域
本公开一般涉及太阳能电池的制造。更具体地，本公开涉及用于改进太阳能电池制造的成品率的系统和方法。
背景技术
化石燃料负面的环境影响以及其上升的成本已经导致了对更清洁的、更廉价的可替代能源的迫切需要。在不同形式的可替代能源中，太阳能发电因为其清洁和广泛的实用性而颇受青睐。
太阳能电池使用光伏效应将光转化成电力。存在几种基本的太阳能电池结构，包括单个p-n结、p-i-n/n-i-p和多结。通常的单个p-n结包括p型掺杂层和n型掺杂层。具有单个p-n结的太阳能电池可以是同质结太阳能电池或者异质结太阳能电池。如果p掺杂层和n掺杂层均由相似材料(具有相等的带隙的材料)构成，那么太阳能电池被称为同质结太阳能电池。相反，异质结太阳能电池包括至少两层不同带隙的材料。p-i-n/n-i-p结构包括p型掺杂层、n型掺杂层和夹在p层和n层之间的本征(未掺杂)半导体层(i层)。多结结构包括堆叠起来的多个不同带隙的单个结结构。
在太阳能电池中，光在p-n结附近被吸收，生成载流子。载流子扩散到p-n结中，并且被内置电场分隔开，因而产生通过设备和外部电路的电流。确定太阳能电池的质量的重要度量是其能量转化效率，所述能量转化效率被定义为当太阳能电池与电路相连接时转化的电力(从吸收的光到电能)和采集的电力之间的比例。
对于同质结太阳能电池而言，由于悬空键的存在而导致的电池表面的少数载流子重组会明显降低太阳能电池效率；因此需要好的表面钝化处理。另外，相对厚的重掺杂的发射极层(通过掺杂物扩散形成)可能极大地降低对短波长光的吸收。相比而言，异质结太阳能电池(诸如硅异质结(SHJ)太阳能电池)是有优势的。图1呈现了例示示例性SHJ太阳能电池(现有技术)的图。SHJ太阳能电池100包括正面栅格电极102、重掺杂非晶硅(a-Si)发射极层104、本征a-Si层106、晶体硅衬底108和背面栅格电极110。图1中的箭头指示入射的太阳光。因为在a-Si层106和晶体硅(c-Si)层108之间存在固有的带隙偏移，a-Si层106可以被用于通过为少数载流子创建势垒来减少表面重组速率。a-Si层106还通过修复存在的Si悬空键将晶体硅层108的表面钝化。而且，比起同质结太阳能电池的发射极层，重掺杂的a-Si发射极层104的厚度可以薄得多。因此，SHJ太阳能电池可以提供更高的效率，具有更高的开路电压(Voc)和更大的短路电流(Jsc)。
还已示出，基于隧穿效应的异质结器件可以通过场效应和表面钝化的结合提供很好的开路电压(Voc)。为了形成这样的器件，将超薄的量子隧穿势垒(QTB)层沉积在晶体硅基层的一面或两面上。然而，这样的超薄的QTB层的膜质量对环境因素非常敏感。气氛中的气态污染物和水分可能经常导致QTB层和相应的结结构的劣化，这导致太阳能电池性能的降低。
发明内容
描述了一种用于在大规模的太阳能电池制备设施中制备太阳能电池的系统。所述系统包括第一处理站、第二处理站和位于第一处理站和第二处理站之间的晶片储存装置。晶片储存装置内的微环境基本上与大规模的太阳能电池制备设施的大环境分隔开，并且微环境被过滤以减少化学物、水分和挥发性有机化合物。晶片储存装置被配置为暂时存储从第一处理站出来并排队等待在第二处理站进行处理的晶片。
在此实施例的变化中，微环境内的一个或多个环境因素被仔细控制以确保在晶片上形成的中间层的完整性。
在进一步的变化中，环境因素包括以下中的一个或多个：清洁度水平、气态污染物水平、温度、湿度和压力。
在此实施例的变化中，所述晶片储存装置包括容纳第二处理站并且其环境受监测和控制的室。
在进一步的变化中，所述室装配有以下中的一个或多个：颗粒物过滤器、基于水的空气净化器、气相化学物过滤器以及温度和湿度控制模块。
在此实施例的变化中，晶片储存装置包括以下中的一个或多个：气密的箱、气密的舱和气密的通道，其被配置为将第一处理站耦合到第二处理站以允许在不暴露到大环境的情况下将晶片从第一处理站转移到第二处理站。
在进一步的变化中，晶片储存装置用净化过的氮气填充。
在进一步的变化中，氮气具有至少99.9％的纯度和在760和770托之间的压力。
在此实施例的变化中，第一处理站包括湿处理站，并且湿处理站被配置为在晶片的一面或两面上形成超薄的氧化物层。
在进一步的变化中，第二处理站包括被配置为在超薄的氧化物层的表面上形成掺杂半导体层的化学气相沉积器械。
在此实施例的变化中，晶片包括：6英寸乘6英寸的正方形的硅晶片或者6英寸乘6英寸的伪正方形的硅晶片。
附图说明
图1显示了示出示例性SHJ太阳能电池的图(现有技术)。
图2显示了示出示例性双面隧穿结太阳能电池的图。
图3显示了示出根据本发明的实施例的示例性太阳能电池制备设施的原理图。
图4显示了示出根据本发明的实施例的示例性太阳能电池制备设施的原理图。
图5显示了示出根据本发明的实施例的制备太阳能电池的处理的图。
图6显示了示出根据本发明的实施例的示例性太阳能电池生产线的操作的流程图。
在所述图中，相似的附图标记指的是相同的图元件。
具体实施方式
在下文给出说明书，使本领域技术人员能做出并使用所述实施例，并且在特定应用及其要求的背景下提供所述说明书。对公开的实施例的各种修改对本领域技术人员而言将是明显的，而本文定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下应用到其它实施例和应用。因此，本发明不局限于示出的实施例，而是符合与本文公开的原理和特征一致的最宽的范围。
概览
本发明的实施例提供用于改进高效太阳能电池的制造成品率的系统和方法。在隧穿结太阳能电池的制备期间，仔细控制在处理之间存储未完成的晶片处的位置的微环境，以将对晶片上的中间层的劣化最小化。
在一些实施例中，使用基于水的空气净化器和气相化学物过滤器来移除气态污染物，诸如SOx、H2S、NOx、NH3、挥发性有机化合物(VOC)等等，以及其它来自微环境的颗粒物。空气净化系统可以包括三个阶段的净化过程：(1)雾洗，用于移除空气中的颗粒物和肉眼可见的污物，(2)除湿，(3)化学物过滤，用于移除气体形式的有害化学物。所述微环境可以实现为处理站之间的密闭的填充氮的箱、室或通道。
制备设施
已经示出，特定类型的SHJ太阳能电池(即，隧穿结太阳能电池)可以提供出众的性能，因为量子隧穿势垒(QTB)层可以有效地钝化基层的表面，而不损害载流子收集效率。隧穿结可以位于所述太阳能电池的任何一面或两面。图2呈现了例示示例性双面隧穿结太阳能电池的图。双面隧穿结太阳能电池200包括基层202、覆盖基层202的两个表面并且使表面缺陷状态钝化的量子隧穿势垒(QTB)层204和206、形成正面发射极208的正面掺杂a-Si层、形成BSF层210的背面掺杂a-Si层、正面透明导电氧化物(TCO)层212、背面TCO层214、正面金属栅格216以及背面金属栅格218。隧穿结的主要优势在于，沉积在基层的任何一面或两面上的超薄的隧穿氧化物层能实现非常低的界面缺陷密度(Dit)，所述界面缺陷密度可以小于1×1011/cm2，而不明显增加与穿过这样的氧化物层的隧穿效应相关联的串联电阻。结果是，可以实现具有大于715mV的开路电压(Voc)的高效率的太阳能电池。有关双面隧穿结太阳能电池200的细节(包括制备方法)可以在提交于2010年11月12日、标题为“SolarCellwithOxideTunnelingJunctions”、发明人为JiunnBenjiaminHeng、ChentaoYu、ZhengXu和JianmingFu的美国专利号8686283(代理人案卷编号SSP10-1002US)中找到，通过引用将此公开完全并入本文。
注意到，在太阳能电池的背面具有发射极层并且在太阳能电池的正面具有正面场(FSF)层以实现具有改进的性能的背结太阳能电池，这也是可能的。将p型重掺杂发射极(假设基极是n型掺杂的)置于太阳能电池的背面可以使由于在太阳能电池的正面附近对短波长的吸收所导致的电流损失最小化。相似地，当置于背面时，p型掺杂发射极可以相对厚，以在不损害由于对短波长的吸收所导致的电流损失的情况下消除发射极耗尽效应。减小了多数载流子耗尽的结果是，期望改进电池的开路电压和填充因数。另外，背结结构还为调整p型掺杂发射极的功函数提供更多灵活性以更好地与背面TCO材料的功函数匹配，或者在不被其传输性质所局限的情况下允许使用更好的优化的背面TCO材料。而且，因为背结大多被长波长、低能量的吸收所影响，其受到所述结处的高能量的过多的载流子重组的影响较少。有关具有隧穿氧化物的背结太阳能电池的细节(包括制备方法)可以在提交于2012年8月31日、标题为“BackJunctionSolarCellwithTunnelOxide”、发明人为JiunnBenjaminHeng、JianmingFu、ZhengXu和ZhigangXie的美国专利申请号13/601441中找到，通过应用将此申请的公开完全并入本文。
为了制备具有高效率(诸如至少20％的效率)的太阳能电池，人们需要仔细控制那些钝化层(诸如薄的QTB层)和形成隧穿结的层之间的界面的质量。钝化的任何退化可能导致少数载流子更低的寿命，于是这会对所制造的太阳能电池的性能产生负面影响。而且，因为期望的太阳能电池转化效率随着器件结构的创新而持续增加，产品成品率越来越取决于之前的制造工艺中并不关键的因素。例如，当期望的太阳能电池转化效率为15％到18％，太阳能电池的效率主要由器件结构和制备的质量确定。气氛(晶片所暴露于其中)中的化学物的影响对确定最终产品成品率并不起到明显作用。然而，随着器件结构设计不断改进，当期望的效率在20％以上时，气氛的影响和晶片暴露于气氛中的持续时间变为确定最终产品成品率的重要因素。换言之，在期望的太阳能电池转化效率已经超过20％之前，气氛中的水分、化学物和污染物之前还不是问题所在。
当制造基于晶体硅(c-Si)的太阳能电池时，c-Si晶片通常先经受湿处理，所述湿处理可以包括表面清洁和纹理化(texturize)。使c-Si衬底的表面钝化的超薄的QTB层可以经由加热炉内的干氧化处理、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、化学氧化、蒸汽氧化或低压自由基氧化(LPRO)以及其它处理形成。例如，SiO2或SiO的单原子层可以通过对c-Si晶片的表面进行基于加热炉的干氧化处理、PECVD处理来形成。替代地，本征半导体的薄层(大概10埃厚)还可以沉积或形成在c-Si衬底上以用作QTB层。这样的氧化物或本征半导体的薄层是非常脆弱的，并且其完整性可能被环境中的污染物或水分所破坏。
在通常的生产线中，在每个处理步骤之后经常将c-Si晶片保存在晶片保持区域中以干燥和/或等待随后的处理，诸如，干氧化、化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)。这样的晶片保持区域经常是太阳能电池制备设施内的开放空间。事实上，一种普遍的工业做法是将晶片存储在盒中，并且简单地将所述盒放置在之前的处理站所在的室或下一步的沉积设备所在的室中。由于湿处理(形成QTB层)和随后的CVD处理(形成发射极和场表面层)之间的产出量的差异，对于从相同的湿处理出来的c-Si晶片，等待时间可能不同。已经观察到，CVD处理之前的等待时间的差异(表示晶片已经在环境中的污染物中暴露了不同的时间长度)可能导致制备的太阳能电池的性能差异，而一些太阳能电池未能达到效率要求。换言之，太阳能电池生产线的成品率受到损害。因此，随着晶片在晶片保持区域中保存的时间越长，最终产品的效率越糟糕。在将较大的晶片(诸如，6英寸晶片而不是5英寸晶片)用于太阳能电池制备时，这个问题可能更加突出。
这样的性能劣化部分由气氛中的各种污染物导致，所述气氛中的各种污染物攻击暴露于不同处理之间的环境中的各个层，诸如干净的c-Si晶片的表面、薄的QTB层或发射极/表面场层，导致钝化或结质量的劣化。注意到，由于其尺寸，大多数大规模的太阳能电池制备设施缺乏足够的环境控制。建造足够大的洁净室以容纳大规模太阳能电池生产线是不实际的。而且，即使可能将这样的生产线放到足够大的洁净室中，可能还是不足以防止对太阳能电池结构中的各个表面和层(诸如，薄的QTB层)的破坏，因为大多数洁净室实际上是根据每单位体积的空气允许存在的颗粒的数量和尺寸来分类的。例如，“级别100”表示每立方英尺的空气允许存在的0.5μm或更大尺寸的颗粒的数量是100。另一方面，在标准洁净室环境中对气态污染物和湿度水平的控制经常是不严格的。更具体地，安装在大多数洁净室中的标准的高效空气颗粒物空气(HEPA)过滤器或超低穿透空气(ULPA)过滤器经常不能移除气态污染物。然而，某些气态污染物，诸如SO2、H2S、NO2、NH3以及挥发性有机化合物(VOC)，特别是当与水分混合时，会导致对太阳能电池的层和界面的破坏。因此，不仅从制备环境中移除灰尘颗粒是重要的，从制备环境中移除这些气态污染物和水分也是重要的。然而，由于太阳能电池制备设施的尺寸(可能是成百上千平方英尺)原因，为整个设施安装化学物和湿度过滤设备是不实际的。
为了增加成品率，本发明的实施例提供便于控制处理站之间的微环境的系统和方法，使得硅晶片在等待下一步处理时可以保留在受控制的微环境中。受控制的微环境基本上是隔离的，要么通过物理边界线、要么通过吹扫气体(purgegas)的流动与制备设施的更大的环境相隔离。颗粒物、水分和气态污染物可以从受控制的微环境移除，以防止环境对太阳能电池结的破坏。在一些实施例中，受控制的微环境可以实现为气密的、填充氮的箱，其温度、湿度、化学成分和颗粒成分受到严密的监测和控制的单独的室，或者气密的、填充氮的通道。
在一些实施例中，位于太阳能电池制备设施内的特别设计的室(有时被称为干室)可以用于在等待下一个处理之时保持晶片。例如，如果接下来的处理是CVD，那么干室可以容纳CVD器械并且为保持等待CVD处理或在不同的CVD处理之间的晶片提供足够的空间。从之前的处理(诸如，清洁并蚀刻c-Si晶片的湿处理)出来的晶片可以立刻放置到干室中，最少地暴露于更大的环境。除了HEPA过滤器(其提供级别1000和级别10000之间的清洁度)，在干室中安装基于水的空气净化器、除湿器和化学物过滤器以除去气态污染物，诸如NOx、NH3、SOx、H2S、VOC等等。例如，除了常规的洁净室过滤模块，所述系统可以包括三个阶段的净化机构，所述净化机构包括用于除去颗粒物和污物的基于雾的清洗模块、除湿器和化学物过滤模块。在进一步的实施例中，化学物过滤器的化学物移除效率维持在70％以上，优选在80％以上，而更优选为95％以上。仔细将干室内的温度和湿度控制到希望的水平以防止由过多的水分导致的对钝化层的破坏。在一些实施例中，干室的温度保持在15℃和27℃之间，优选为23℃，而绝对湿度保持在5克/千克以下，优选为1.3克/千克和4.0克/千克之间。相对湿度维持在20％以下，优选地为13±5％。
在进一步的实施例中，其它较小的物理地封闭的晶片保持装置(诸如，气密的封闭的匣和箱)可以放置在干室中，用于进一步减少对太阳能电池结/钝化层的可能的污染。更具体地，这些匣和箱可以用净化过的氮气N2填充，以确保对环境更好的控制。净化过的N2具有至少99.9％的纯度，优选在99.95％左右。在一些实施例中，匣/箱内的清洁度保持在级别100。O2的量保持在百万分之300(300ppm)以下，而水分或水蒸汽的量保持在1000ppm以下，优选在100ppm以下。匣/箱内的压力可以保持在700托和800托之间，优选为760-770托。在一些实施例中，匣和箱可以由耐化学性材料构成，诸如聚氯乙烯(PVC)和/或不锈钢。除了在干室中保存这些匣或箱，还可以将它们放置到更大的一般性环境中。例如，这样的匣或箱可以放置在湿站旁边。在湿处理之后，晶片可以立刻装载到封闭的匣或箱中以确保在更大的环境中的暴露保持为最少。随后，匣或箱可以运输到下一个处理站，以允许晶片从封闭的受控制的环境直接装载到下一个处理站中。
除了物理封闭、自包含的晶片保持区域，等待进一步处理的晶片还可以放置在连接两个处理站的通道中。所述通道是气密的，并且可以装配有传送带和入口/出口装载锁舱。完成第一加工(诸如湿处理)的晶片可以装载到通道中(经常由机械臂执行)，通过入口装载锁舱，并且由传送带运输到下一个处理站。在一些实施例中，如果下一个处理站包括装载锁舱，那么通道的出口可以是沉积或处理器械的装载锁舱。换言之，晶片可以从通道直接进入下个阶段的器械，而毫不暴露于更大的环境。为了确保对通道内的环境的控制，用净化过的具有至少99.9％(优选为99.95％左右)的纯度的N2填充所述通道。其它对通道中的环境的控制因素与匣/箱中使用的环境的控制因素相似。
通过对处理之间保存晶片的地方的微环境进行仔细地控制，可以确保，即使在这样的环境中将晶片保存相对长的时间，也会保护中间层(诸如钝化层)的完整性。无论晶片在各种处理之间的等待时间多长，所有晶片上的有效的钝化明显改进了太阳能电池生产线的整体成品率。
图3显示了示出根据本发明的实施例的示例性太阳能电池制备设施的原理图。在图3中，太阳能电池制备设施300包括用于制备太阳能电池的各种处理站，诸如湿站302和干站304。太阳能电池制备设施300还包括在等待下一个处理时暂时存储晶片的一个或多个晶片保持区域，诸如晶片保持区域306。
太阳能电池制备设施300可以包括任何用于制备太阳能电池的工业尺寸的室或建筑。在一些实施例中，太阳能电池制备设施300可以大大超过10000平方英尺。湿站302可以用于执行任何涉及溶液的处理，所述处理包括但不局限于：表面清洁、表面纹理化、湿蚀刻和蒸汽氧化。干站304包括可以用于执行任何不涉及溶液的处理的一个或多个器械，所述器械包括但不局限于：氧化器械(诸如基于加热炉的干氧化器械、CVD器械或LPRD器械)、一个或多个发射极/表面场层器械(诸如等离子体增强化学气相沉积PECVD器械)、透明导电氧化物(TCO)层器械(诸如电子束蒸镀器械或溅射器械)、干蚀刻器械等等。在一些实施例中，干站304被用于形成隧穿层、太阳能电池发射极层、表面场层和TCO层，经常涉及CVD和PVD处理。
晶片保持区域306被用于暂时存储在湿站302已经处理完并且排队等待在干站304中进行处理的硅晶片。例如，可以将在晶片的一面或两面上具有超薄的氧化物层的硅晶片放置在晶片保持区域306中，等待随后的CVD处理以沉积发射极层和表面场层。在一些实施例中，硅晶片放置在盒中，诸如盒308。多个盒可以并排放置或者堆叠起来放置。注意到，图3示出，硅晶片垂直地放置于盒中。实践中，依据干站304中器械的配置和装载要求，所述盒可以按照硅晶片为水平方向的方式放置。注意到，在常规的太阳能电池设施中，晶片保持区域通常处于制备设施的更大的环境中，所述更大的环境可以包括各种污染物，诸如水分、颗粒物以及化学蒸汽。一些较小规模的太阳能电池设施可以将生产线放置在洁净室中。然而，大多数洁净室标准不限制洁净室内非颗粒污染物的量，而HEPA/ULPA过滤器在移除非颗粒污染物方面是无效的。然而，包括在洁净室空气中的某些空气承载的污染物(诸如SOx、NOx、NH3、水蒸汽、臭氧、VOC等等)可以与硅晶片的一个面或两个面上的超薄氧化物/本征半导体层接触，并且可能破坏这样的超薄的氧化物/本征半导体层，因而使钝化劣化。结果是，最终产品可能表现出较低的效率。
尽管为整个制备设施安装气相化学物过滤系统可以减轻污染，由于典型的太阳能电池制备设施的尺寸，这样的解决方案是不实际的。为了解决污染问题，在本发明的一些实施例中，晶片保持区域306内或周围的微环境受到控制，以防止对太阳能电池上的中间层的污染。在图3中示出的示例中，晶片保持区域306和干站304都位于干室310中，所述干室310具有其自己的微环境，其自己的微环境与制备设施300的更大的环境相隔离。
干室310包括若干环境控制模块，所述环境控制模块包括但不局限于：颗粒物过滤模块312、温度和湿度控制模块314以及非颗粒物过滤模块316。颗粒物过滤模块312将颗粒从干室310移除。在一些实施例中，颗粒物过滤模块312可以包括HEPA过滤器或ULPA过滤器，以及雾洗模块。在进一步的实施例中，干室310保持为级别1000或级别10000的洁净室，在室中维持正压力。非颗粒物过滤模块316将气相污染物(诸如SOx、NOx、H2S、NH3、水蒸汽、臭氧、VOC等等)从干室310移除。温度和湿度控制模块314将干室310内的温度和湿度控制在希望的水平。在一些实施例中，室的温度维持在15℃到27℃之间，优选为23℃。相对湿度维持在20％以下，优选为13±5％。绝对湿度维持在5克/千克以下，优选为1.3克/千克到4.0克/千克。非颗粒物过滤模块316可以包括各种类型的化学物过滤器。在进一步的实施例中，化学物移除效率维持在70％以上，优选为80％以上，而更优选为95％以上。
在一些实施例中，晶片保持区域306是位于干室310中的开放区域。为了进一步消除当晶片在湿站302和干站304之间转移时的污染，晶片保持区域306包括气密的封闭的匣和/或箱，所述匣和箱可以通过轮子或其它方式从湿站302运输到干站304。在一些实施例中，匣或箱用耐化学性材料做成，诸如PVC或不锈钢。封闭的匣或箱用纯度为至少99.9％(优选在99.95％左右)的净化过的N2填充。匣/箱内的氮气的压力维持在700托到800托，优选为760托到770托。匣/箱内的颗粒物的水平保持在级别100或更优。其它环境因素，诸如氧气水平、温度和湿度也在匣/箱内严格受到控制。氧气水平维持在300ppm以下。温度以维持在15℃到27℃之间，优选为25℃。水分(H2O蒸汽)水平维持在1000ppm以下，优选在100ppm以下。在进一步的实施例中，湿站302可以经由气密的可选为填充氮气的通道303连接到晶片保持区域306，可以用一组与气密的匣或箱相似的参数对所述通道303进行控制。
图4显示了示出根据本发明的实施例的示例性太阳能电池制备设施的原理图。在图4中，太阳能电池制备设施400包括若干处理器械，诸如湿站402、CVD器械404、CVD器械406和PVD器械408。
湿站402可以包括各种用于表面清洁、表面纹理化以及钝化的水浴和冲洗(rinse)。在工业中的普遍做法是将多个硅晶体放置在盒中，将所述盒放置在水浴中或者置于冲洗之下，用于批处理。
CVD器械404可以用于在硅晶片的第一面上进行材料沉积(例如，用于形成隧穿层和随后沉积发射极层)。CVD器械406可以用于在硅晶片的第二面上进行材料沉积(例如，用于形成第二隧穿层和随后沉积表面场层)。PVD站408可以用于在硅晶片的一面或两面上进行TCO层的沉积。
为了确保未完成的硅晶片在制备设施400的更大的环境中的暴露最少，每个处理器械包括封闭的装载/卸载区域，在所述装载/卸载区域，硅晶片(在盒中或其它类型的载体中)装载到处理器械中或者从处理器械卸载。这些装载/卸载区域还被认为是处理器械和制备设施400的更大的环境之间的缓冲器。例如，湿站402包括装载/卸载缓冲器412，而CVD器械404包括装载/卸载缓冲器414。这样的装载/卸载缓冲器可以包括物理封闭的空间，诸如气密的舱或箱。在一些实施例中，装载/卸载缓冲器用耐化学性材料建造，诸如PVC或不锈钢。这些缓冲器(诸如舱或箱)可以用纯度为至少99.9％(优选在99.95％左右)的净化过的N2填充。舱/箱内的氮气的压力维持在700托到800托，优选为760托到770托。舱/箱内的颗粒物的水平保持在级别100或更优。其它环境因素，诸如氧气水平、温度和湿度也可以在舱/箱内严格受到控制。例如，氧气水平维持在300ppm以下。温度以维持在15℃到27℃之间，优选为25℃。水分(H2O蒸汽)水平维持在1000ppm以下，优选在100ppm以下。
除了装载/卸载缓冲器，为了防止未完成的晶片暴露到更大的环境中，在一些实施例中，在不同器械的装载/卸载缓冲器之间建立通道。例如，在湿站402的缓冲器412和CVD器械404的缓冲器414之间建立通道422。作为结果，已经由湿站402处理过的晶片可以经由通道422运输到CVD器械404，并且在运输期间不暴露于制备设施400的更大的环境。而且，在等待CVD处理时晶片也可以保存在通道422内。通道内的微处理环境与装载/卸载缓冲器中的微处理环境相似。在一些实施例中，通道用耐化学性材料建造，诸如PVC或不锈钢。在一些实施例中，通道用纯度为至少99.9％(优选在99.95％左右)的净化过的N2填充。通道内的氮气的压力维持在700托到800托，优选为760托到770托。通道内的颗粒物的水平保持在级别100或更优。其它环境因素，诸如氧气水平、温度和湿度也可以在通道内严格受到控制。氧气水平维持在300ppm以下。温度维持在15℃到27℃之间，优选为25℃。水分(H2O蒸汽)水平维持在1000ppm以下，优选在100ppm以下。注意到，当由于制备设施400中的架构限制而导致建造通道不实际时，有可能使用N2填充的匣来在两个连续处理站的缓冲器之间运输晶片。N2填充的匣内的微环境类似于通道中的微环境。
在图4中示出的示例中，太阳能电池制备设施400包括用于晶片的两个面的背对背沉积的两个CVD器械。因为标准的CVD器械已经具有装载锁舱，可以建造连接两个CVD器械的装载锁舱的通道，使得在CVD器械404处完成处理的晶片经由通道424运输到CVD器械406而不暴露于更大的环境。也可以在每个CVD器械附近建造额外的填充N2的缓冲器，以防CVD器械暂时离线。
制备过程
n型或p型掺杂高质量太阳能级硅(SG-Si)晶片可以用于建造背结太阳能电池。在一个实施例中，选择了n型掺杂SG-Si晶片。图5显示了示出根据本发明的实施例的制备太阳能电池的处理的图。
在操作5A中，准备SG-Si衬底500。SG-Si衬底500的厚度范围可以在80μm和500μm之间。在一个实施例中，SG-Si衬底500的厚度范围在90μm和120μm之间。SG-Si衬底500的电阻率的范围通常是但不局限于1Ω·cm和10Ω·cm之间。在一个实施例中，SG-Si衬底500具有1Ω·cm和2Ω·cm之间的电阻率。准备操作包括典型锯伤蚀刻(sawdamageetch)和形成表面纹理，所述锯伤蚀刻移除大概10μm的硅。表面纹理可以具有各种图案，所述图案包括但不局限于：六方锥、倒锥、圆柱、圆锥、环形以及其它不规则形状。在一个实施例中，形成表面纹理的操作导致随机的锥形纹理的表面。之后，SG-Si衬底500经过全面的表面清洁。注意到，在图5中，纹理图案不按照实际比例绘制，而是为了例示所述纹理而被放大。比起表面的尺寸，实际的纹理图案将小得多。注意到，操作5A可以包括一个或多个湿处理，诸如纹理化和冲洗。
在操作5B中，在SG-Si衬底500的正表面或背表面上形成或沉积高质量的介电材料(Dit小于1×1011/cm2)的薄层，以分别形成正面和背面的钝化/隧穿层502和504。在一个实施例中，仅SG-Si衬底500的背表面用介电材料的薄层覆盖。可以使用各种类型的介电材料以形成钝化/隧穿层，所述介电材料包括但不局限于：氧化硅(SiOx)、氢化的SiOx、氮化硅(SiNx)、氢化的SiNx、氧化铝(AlOx)、氧氮化硅(SiON)以及氢化的SiON。另外，各种氧化和/或沉积技术也可以用于形成钝化/隧穿层，所述氧化和/或沉积技术包括但不局限于：热氧化、原子层沉积、湿氧化或蒸汽氧化、低压自由基氧化、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、LPRO等等。钝化/隧穿层502和504的厚度可以在1埃和50埃之间。在一个实施例中，钝化/隧穿层502和504的厚度在1埃和15埃之间。注意到，控制得好的钝化/隧穿层的厚度确保了良好的隧穿和钝化效应。在操作5B之后，将未完成的晶片放置到超洁净的微环境中，所述超洁净的微环境基本上与太阳能电池制备设施的更大的环境相隔离。环境因素(诸如颗粒物量、温度、湿度、压力等等)在微环境中仔细受到控制。另外，可以从微环境移除气态污染物(诸如SOx、NOx、NH3、H2S、臭氧、VOC)以确保钝化/隧穿层的完整性。将未完成的太阳能电池保存在超洁净的受控制的微环境中，直到下一个操作。注意到，如果操作5B是干处理，那么可以在操作5A之后将晶片放置在超洁净的微环境中。
在操作5C中，在背面钝化/隧穿层504的表面上沉积具有与衬底500的掺杂类型相反的掺杂类型的氢化的分级掺杂的a-Si的层，以形成发射极层506。作为结果，发射极层506位于背朝入射太阳光的太阳能电池的背面。注意到，如果c-Si衬底500是n型掺杂的，那么发射极层506是p型掺杂的，反之亦然。在一个实施例中，发射极层506是使用硼作为掺杂物的p型掺杂。在一些实施例中，发射极层506可以使用CVD技术(诸如PECVD)形成。SG-Si衬底500、背面钝化/隧穿层504和发射极层506形成异质隧穿背结。发射极层506的厚度在1nm和20nm之间。注意到，优化掺杂的(掺杂浓度在1×1015/cm3和5×1020/cm3之间变化)以及足够厚的(至少在3nm和20nm之间)发射极层是确保良好的欧姆接触和大的内置势垒所必需的。在一个实施例中，发射极层506内与背面钝化/隧穿层504相邻的区域具有较低的掺杂浓度，而更远离背面钝化/隧穿层504的区域具有较高的掺杂浓度。较低的掺杂浓度确保背面钝化/隧穿层504和发射极层506之间的界面处的最小缺陷密度，而另一侧的较高的浓度防止发射极层耗尽。发射极层506的功函数可以调整为与随后沉积的背面透明导电氧化物(TCO)层的功函数更好地匹配，以获得更大的Voc和更高的填充因数。除了a-Si，还可以使用其它材料，包括但不局限于：一个或多个宽带隙的半导体材料和多晶硅，以形成发射极层506。在操作5C之后，将未完成的太阳能电池放置到超洁净的微环境中以等待下一个操作。
在操作5D中，具有与衬底500的掺杂类型相同的掺杂类型的氢化的分级掺杂a-Si的层沉积在正面钝化/隧穿层502的表面上以形成正面场(FSF)层508。注意到，如果c-Si衬底500是n型掺杂的，那么FSF层508也是n型掺杂的，并且反之亦然。在一个实施例中，FSF层508是使用磷作为掺杂物的n型掺杂的。在一些实施例中，FSF层508使用CVD技术(诸如PECVD)形成。c-Si衬底500、正面钝化/隧穿层502和FSF层508形成有效地钝化正表面的正表面高低同质结。在一个实施例中，FSF层508的厚度在1nm和30nm之间。在一个实施例中，FSF层508的掺杂浓度从1×1015/cm3变化到5×1020/cm3。除了a-Si，还可以使用其它材料，包括但不局限于：宽带隙半导体材料和多晶硅，用于形成FSF层508。在操作5D之后，可选地将未完成的太阳能电池放置到超洁净微环境中，以等待下一个操作。注意到，一旦形成结(正结和背结二者)，尽管太阳能电池还未完成，但是太阳能电池对环境因素不那么敏感了。因此，在操作5D之后，将未完成的太阳能电池放置并保存在超洁净微环境中是可选的。
在操作5E中，TCO材料的层沉积在发射极层506的表面上以形成背面的导电性防反射层510，确保了良好的欧姆连接。TCO的示例包括，但不局限于：铟钛氧化物(ITiO)、氧化铟(In2O3)、铟钨氧化物(IWO)、铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)、氧化锡(SnOx)、铝掺杂氧化锌(ZnO：Al或AZO)、Zn-In-O(ZIO)、镓掺杂氧化锌(ZnO：Ga)以及其它大带隙的透明导电氧化物材料。背面TCO层510的功函数可以调整为与发射极层506的功函数更好地匹配。在一些实施例中，使用溅射技术来形成背面TCO层510。
在操作5F中，正面TCO层512在FSF层508的表面上形成，所述正面TCO层512可以具有与背面TCO层510相似的材料组成。正面TCO层512形成良好的防反射涂层以允许最多的太阳光透射进入太阳能电池。注意到操作5E和5F可以使用相同的或不同的TCO材料，在同一个溅射处理中发生，或者可以在两个单独的溅射处理中发生。
在操作5G中，分别在TCO层512和510的表面上形成正面电极514和背面电极516。在一个实施例中，正面电极514和背面电极516包括金属栅格，其中金属可以包括Cu、Ag、Al、Au或任何导电物质。所述导电栅格可以使用各种技术形成，所述技术包括但不局限于：电镀、金属膏的丝网印刷、导电墨的喷墨或喷雾印刷以及蒸镀。在一个实施例中，正面电极514和/或背面电极516可以包括使用各种技术形成的Cu栅格，所述技术包括但不局限于：无电镀、电镀、溅射和蒸镀。注意到，背面TCO层的存在和背面电极包括金属栅格的事实使制备的太阳能电池以双面朝向的方式操作成为可能，即，从正面和背面都接收光。
尽管图5中例示的示例是基于背面异质结器件结构的，本发明的实施例可以应用到各种不同的器件结构，诸如发射极在正面上的太阳能电池，或者两个极性的电极都在背面上的太阳能电池(即，具有交叉的背面接触件，IBC)。
注意到，图5中示出的示例显示，太阳能电池的制备遵循从中心到表面的顺序。换言之，制备从中心的基层开始，而其它层则一层一层地沉积在基层的两面上。这样安排的优势在于在两面上的结可以循序地形成，而之间没有任何中间步骤。所述结一旦形成，太阳能电池变得更具鲁棒性，并且更不可能由于环境因素导致劣化，因而使随后的制备操作更简单。实际上，在基层的一面上先形成各种层，然后将晶片翻过来，再在基层的另一面上形成各种层，这也是可以的。这样安排的优势在于晶片仅需要翻转一次。然而，对于大多数的操作而言，需要对在制备操作之间运输和保持太阳能电池的微环境进行严格控制，因为所述结还未完成，直到接近结束。
图6显示了示出根据本发明的一个实施例的示例性太阳能电池生产线的操作的流程图。在生产线的开始，将若干太阳能电池晶片装载到盒中(操作602)。在一些实施例中，太阳能电池晶片包括6英寸乘6英寸的正方形的硅晶片或者6英寸乘6英寸的伪正方形(诸如，具有圆拐角的正方形)的硅晶片。所述盒可以经受一个或多个湿处理(操作604)。所述盒可以浸入一个或多个水浴或者经过一个或多个冲洗。在上个湿处理之后，将所述盒(与内部的晶片一起)放置到装载/卸载缓冲区(操作606)。装载/卸载缓冲器可以包括气密的用N2填充的舱或箱。对装载/卸载缓冲区内的微环境进行仔细控制以确保所述晶片不与各种污染物接触，所述各种污染物包括但不局限于：灰尘颗粒、有害的化学蒸汽、浮质、水分、VOC等等，这些可能存在于制备设施的更大的环境中。
可以将所述盒保存在装载/卸载缓冲区中，直到用于下一个处理的时候，在那时将所述盒从湿站的装载/卸载缓冲区运输到下一个处理站的装载/卸载缓冲区，所述下一个处理站可以是氧化器械或CVD器械(操作608)。在一些实施例中，经由连接两个装载/卸载缓冲区的封闭的通道运输所述盒。在一些实施例中，经由填充N2的匣运输所述盒。随后，从所述盒将晶片装载到处理器械中(操作610)。在一些实施例中，处理器械位于与制备设施的其余部分分隔开的室中。对这个单独的室内的微环境进行仔细控制以移除各种污染物，包括但不局限于：灰尘颗粒、有害的化学蒸汽、浮质、水分、VOC等等，这些可能存在于制备设施的更大的环境中。结果是，当晶片从所述盒装载到处理器械中时，它们不暴露于各种污染物中。随后，所述晶片经受材料形成或沉积处理，诸如氧化或CVD处理(操作612)。在沉积处理之后，如果所述结或层结构还未完成，那么将所述晶片装载到另一个缓冲器中，以等待下一个处理(操作614)。可以重复操作608到614直到形成所有层(操作616)，包括发射极层、场表面层以及正面和背面TCO层。太阳能电池然后为金属化做好准备(操作618)。注意到，隧穿结结构和太阳能电池制备设施内的受到仔细控制的晶片装载/运输微环境的组合确保了大规模太阳能电池生产线可以高成品率地制造具有至少20％的效率的太阳能电池。
已经仅仅出于例示和说明的目的给出了上述对各种实施例的说明。所述各种实施例意图不在于穷举或将本发明局限到所公开的形式。因此，对本领域技术人员而言，很多修改和变化将是明显的。另外，上文的公开的意图不在于限制本发明。

Claims (22)

1.一种用于在大规模的太阳能电池制备设施中制备太阳能电池
的系统，所述系统包括：
湿处理站；
干处理站；以及
位于所述湿处理站和所述干处理站之间的晶片储存装置，其中所述晶片储存装置内的微环境基本上与所述大规模的太阳能电池制备设施的大环境分隔开，其中所述微环境被过滤以减少化学物、水分和挥发性有机化合物，并且其中所述晶片储存装置被配置为暂时存储从所述湿处理站出来并且排队等待在所述干处理站进行处理的晶片。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述微环境内的一个或多个环境因素被仔细控制以确保在所述晶片上形成的中间层的完整性。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述环境因素包括以下中的一个或多个：
清洁度水平；
气态污染物水平；
温度；
湿度；和
压力。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述晶片储存装置包括容纳第二处理站并且其环境被监测和控制的室。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述室装配有以下中的一个或多个：
颗粒物过滤器；
基于水的空气净化器；
气相化学物过滤器；以及
温度和湿度控制模块。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述晶片储存装置包括以下中的一个或多个：
气密的箱；
气密的舱；以及
气密的通道，其被配置为将第一处理站耦合到第二处理站以允许在不暴露到所述大环境的情况下将所述晶片从第一处理站转移到第二处理站。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述晶片储存装置用净化过的氮气填充。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述氮气具有至少99.9％的纯度，并且其中所述氮气具有在760和770托之间的压力。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述湿处理站被配置为在所述晶片的一面或两面上形成超薄的氧化物层。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述干处理站包括被配置为在所述超薄的氧化物层的表面上形成掺杂半导体层的化学气相沉积器械。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述晶片包括：
6英寸乘6英寸的正方形的硅晶片；或
6英寸乘6英寸的伪正方形的硅晶片。
12.一种用于在大规模的太阳能电池制备设施中制备太阳能电池的方法，所述方法包括：
在湿处理站处理晶片；
将处理过的晶片装载到晶片储存装置，其中所述晶片储存装置内的微环境基本上与所述大规模的太阳能电池制备设施的大环境分隔开，并且其中所述微环境被过滤以减少化学物、水分和挥发性有机化合物；
将所述处理过的晶片存储在所述晶片储存装置中，而所述处理过的晶片排队等待在干处理站中进行处理；以及
将所述处理过的晶片从所述晶片储存装置装载到所述干处理站。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述微环境内的一个或多个环境因素被仔细控制以确保所述处理过的晶片上的中间层的完整性。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述环境因素包括以下中的一个或多个：
清洁度水平；
气态污染物水平；
温度；
湿度；以及
气压。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述晶片储存装置包括容纳第二处理站并且其环境被监测和控制的室。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述室装配有以下中的一个或多个：
颗粒物过滤器；
基于水的空气净化器；
气相化学物过滤器；以及
温度和湿度控制模块。
17.根据权利要求12所述的方法，其中所述晶片储存装置包括以下中的一个或多个：
气密的箱；
气密的舱；以及
气密的通道，其被配置为将第一处理站耦合到第二处理站以允许在不暴露到所述大环境的情况下将所述处理过的晶片从第一处理站转移到第二处理站。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述晶片储存装置用净化过的氮气填充。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述氮气具有至少99.9％的纯度，并且其中所述氮气具有在760和770托之间的压力。
20.根据权利要求12所述的方法，其中在所述湿处理站处理所述晶片涉及在所述晶片的一面或两面上形成超薄的氧化物层的湿处理。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述干处理站包括被配置为在所述超薄的氧化物层的表面上形成掺杂半导体层的化学气相沉积器械。
22.根据权利要求12所述的方法，其中所述晶片包括：
6英寸乘6英寸的正方形的硅晶片；或
6英寸乘6英寸的伪正方形的硅晶片。
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