CN107142460A - 制造硅异质结太阳能电池的方法与设备 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了制造硅异质结太阳能电池的方法与设备。一种在等离子体增强化学气相沉积(PECVD)设备内制造半导体层的方法。该PECVD设备包括界定处理区域的数个壁；基板支座；遮蔽框架；气体分配喷洒头；气源，该气源与该气体分配喷洒头及该处理区域流体连接；射频电源，该射频电源耦接至该气体分配喷洒头；以及一或多个VHF接地片，该一或多个VHF接地片电耦接至数个壁中的至少一个。VHF接地片于该数个壁中的至少一个以及遮蔽框架或基板支座的至少一个之间提供低阻抗电流路径。该方法进一步包括输送半导体前体气体与掺杂剂前体气体以及输送非常高频(VHF)功率，以产生等离子体，而于该一或多个基板上形成第一层。

Description

制造硅异质结太阳能电池的方法与设备
本申请是PCT国际申请号为PCT/US2012/061162、国际申请日为2012年10月19日、进入中国国家阶段的申请号为201280054453.1，题为“制造硅异质结太阳能电池的方法与设备”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明的实施例一般性关于等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法与设备。
背景技术
光电的(PV)或太阳能电池是将太阳光转换成为直流(DC)电功率的装置。典型的PV电池包括p型硅晶圆或基板，厚度通常约小于0.3mm，且在p型基板顶面上设置有n型硅材料薄层。当暴露于太阳光时，p-n结会产生自由电子与空穴对。横跨p-n结的势垒区形成的电场会将自由空穴与自由电子分离，这些自由电子可流经外部电路或电气负载。由PV电池产生的电压、或光电压以及电流取决于p-n结的材料性质、沉积层之间的界面性质以及装置的表面积。
现有的形成p-n结的方法通常包括经由射频(RF)等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺来沉积n型和/或p型层，等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺使用小于约30MHz的RF频率。然而，现有的RF-PECVD工艺往往表现出较差的等离子体密度以及对沉积速率有限的控制，导致半导体层的沉积缺乏均匀性，并表现出不理想的掺杂效率。此外，试图增加现有RF-PECVD工艺的掺杂效率通常会提高产生的薄膜中等离子体、电荷以及热损伤的程度，产生较差的界面钝化特性与降低的装置性能。
如以上说明的，在本技术领域中需要更有效的沉积太阳能电池薄膜的技术。
发明内容
本发明一般性包含用于实施半导体薄膜的非常高频等离子体增强化学气相沉积(VHF-PECVD)的技术，该半导体薄膜具有低的工艺引发损伤与高均匀度。
本发明的一个实施例提出一种在等离子体增强化学气相沉积(PECVD)设备内制造半导体层的方法，该方法包括于该PECVD设备中定位一或多个基板。该PECVD设备包括界定处理区域的数个壁；基板支座；位于该基板支座上方的遮蔽框架；位于该基板支座上方且与该处理区域流体连接的气体分配喷洒头；与该气体分配喷洒头及该处理区域流体连接的气源；耦接至该气体分配喷洒头的射频电源；以及一或多个电耦接至该数个壁中的至少一者的VHF接地片。该一或多个VHF接地片于该数个壁中的至少一个以及遮蔽框架或基板支座的至少一个之间提供低阻抗电流路径。该方法进一步包括从该气源通过该气体分配喷洒头输送半导体前体气体至该处理区域；从该气源通过该气体分配喷洒头输送掺杂剂前体气体至该处理区域；以及输送非常高频(VHF)功率至该气体分配喷洒头，以从该半导体前体气体与该掺杂剂前体气体产生等离子体，而于该一或多个基板上形成第一层。
本发明的另一个实施例提出一种制造半导体层的方法，该方法包括以下步骤：定位一或多个基板于基板支座上，该基板支座位于等离子体增强化学气相沉积(PECVD)设备中的处理区域中；输送含半导体前体气体及掺杂剂前体气体进入该处理区域；于该处理区域中产生含有该半导体前体气体及该掺杂剂前体气体的非常高频(VHF)等离子体。当产生该VHF等离子体时，该PECVD设备的一或多个壁以及遮蔽框架和基板支座的至少一个之间的低阻抗电流路径容许电流于该PECVD设备的一或多个壁以及遮蔽框架和基板支座的至少一个之间流动。该方法进一步包括变化该半导体前体气体对该掺杂剂前体气体的比率，以于该一或多个基板上形成渐变的半导体层。
附图说明
为了可以详细地了解本发明的上述特征，可以通过参照实施例(其中一些图示于附图中)来更具体地说明以上简要概括的本发明。然而注意到，附图仅图示本发明的典型实施例，因此不将附图视为对本发明的范围的限制，因为本发明可以认可其他同等有效的实施例。
图1为依据本发明的一个实施例的异质结(HJ)太阳能电池的示意剖面图。
图2A为依据本发明的一个实施例的处理腔室或PECVD设备的示意剖面图。
图2B图示一种配置，其中VHF接地组件被耦接到基板支座以及设置于遮蔽框架下方的承接块。
图2C图示当基板支座处于降低位置时，在图2A的圆C中的元件放大图。
图2D图示当基板支座处于基板处理位置时，在图2A的圆C中的元件放大图。
图2E与图2F图示用于图2A、图2B及图3的处理腔室中的示例性柔性帘。
图3为依据本发明的一个实施例于基板S的平面阵列或批次上实施一或多个薄膜太阳能电池制造工艺的处理腔室或PECVD设备的示意剖面图。
图4图示依据本发明的一个实施例的制造太阳能电池装置的方法。
图5图示依据本发明的一个实施例的制造太阳能电池装置的方法，该太阳能电池装置具有渐变的非晶硅/纳米结晶硅(a/nc-Si)层。
图6为依据本发明的一个实施例的硅异质结(HJ)太阳能电池设计的示意剖面图。
图7是依据本发明的一个实施例的热线化学气相沉积(HWCVD)设备的示意剖面图。
图8A图示用于制造结晶硅(c-Si)与非晶硅(a-Si)异质结(HJ)层的射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)与非常高频等离子体增强化学气相沉积(VHF-PECVD)工艺。
图8B通过显示表面复合速度(SRV)特性作为沉积温度的函数图示在a-Si钝化性能上的改良。
图9A与图9B图示以射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)与非常高频等离子体增强化学气相沉积(VHF-PECVD)工艺沉积的非晶硅(a-Si)层的均匀度。
图10A与10B图示对于具有不同层与沉积特性的异质结电池，少数载子寿命为载子密度的函数。
图11A和11B图示有与无在1-3Ω-cm n型丘克拉斯基(Cz)构造的晶圆上以非常高频等离子体增强化学气相沉积(VHF-PECVD)沉积的界面层(i层)的硅异质结(HJ)电池的伪光电流-电压(I-V)曲线。
图12A至12D图示硅异质结太阳能电池的电池效率、填充因子、开路电压以及电流密度，这些太阳能电池具有由射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)与非常高频等离子体增强化学气相沉积(VHF-PECVD)工艺沉积的i/p层。
图13A至13C图示硅异质结太阳能电池的填充因子、电阻率以及电池效率，这些太阳能电池具有由RF-PECVD与VHF-PECVD工艺沉积的p层。
图14A与14B图示硅异质结太阳能电池的电流密度与电池效率，这些太阳能电池由图4的方法400所形成。
具体实施方式
本发明的实施例一般性提供用于沉积半导体薄膜的处理系统，该半导体薄膜具有低的工艺引发损伤以及高均匀度。特定而言，已经发现到，相对于使用小于约30MHz的RF频率的现有射频(RF)等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺，经由非常高频(VHF)PECVD(约为30MHz至300MHz)所沉积的半导体层表现出低度的等离子体、电荷以及热损伤，产生的薄膜表现出优异的界面钝化品质、提高的掺杂效率以及整体异质结电池效率提高。此外，降低的沉积速率已经改善厚度控制与工艺可重复性。最后，用于制造薄膜异质结层的独特工艺顺序可提供较低的生产成本与增加的产量(>2700片晶圆/小时)。
图1为依据本发明的一个实施例的异质结(HJ)太阳能电池150的示意剖面图。在本发明的实施例中，太阳能电池150为高效率结晶硅薄膜硅异质结(Si-TF HJ)太阳能电池。太阳能电池150包含n型或p型结晶硅(c-Si)层160。在一个实施例中，c-Si层160可以是从单晶硅或多晶硅锭切割出的硅晶圆并且具有约20μm至300μm的厚度，如约160μm至200μm。在另一实施例中，c-Si层160可以是由无切口切片工艺产生的超薄硅晶圆并且具有小于100μm(例如约20-50μm)的厚度，无切口切片工艺比如是植入及切割工艺、或是脱落或剥离工艺。
将第一界面层170与第二界面层171设置于c-Si层160上。界面层170、171可具有约0nm至30nm的厚度，如约0nm至10nm。在一个实施例中，第一与第二界面层170、171包含本质非晶硅(a-Si)层。在其他实施例中，第一与第二界面层170、171可包括a-Si、SiOx、SiCx和/或AlOx层。可将第一高掺杂p+或n+硅层180设置于第一界面层170上。第一p+/n+层180可以是厚度约3nm至100nm的非晶硅(a-Si)或纳米结晶硅(nc-Si)层，如约3nm至20nm或约5nm至10nm。可将第二高掺杂n+或p+硅层181设置于第二界面层171上。第二n+/p+层180可以是厚度约3nm至100nm的非晶硅(a-Si)或纳米结晶硅(nc-Si)层，如约3nm至20nm或约5nm至10nm。
可将第一透明导电氧化物(TCO)层190设置在第一p+/n+层180上。可将第二透明导电氧化物层191设置在第二n+/p+层180上。在本发明的实施例中，第一与第二透明导电氧化物层190、191包含一或多个大的带隙材料，如铟锡氧化物(ITO)、铟钨氧化物(IWO)或氧化锌(ZnO)，该一或多个带隙材料将入射辐射传输至设置于第一与第二透明导电氧化物层190、191下方的异质结层。第一与第二透明导电氧化物层190、191可作为抗反射层，该等抗反射层减少来自太阳能电池表面的光反射，例如通过提供渐变折射率，光可以通过该渐变折射率前往太阳能电池的下方层。此外，透明导电氧化物层190、191可导通在太阳能电池操作过程中产生的电流。
可将第一与第二导电层195、196设置在第一与第二透明导电氧化物层190、191上。第一与第二导电层195、196可包含一或多个导电材料，如铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、锡(Sn)、钴(Co)、铼(Rh)、镍(Ni)、锌(Zn)、铅(Pb)、钯(Pd)、钼(Mo)以及铝(Al)或其他金属。在本发明的实施例中，可以物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、蒸发、网印、电镀或剥离金属化工艺沉积第一和/或第二导电层195、196。通过例如PVD工艺或CVD工艺沉积的导电层195、196可具有约10nm至5000nm的厚度，如约100nm至500nm。通过网印工艺沉积的导电层195、196可具有约10μm至50μm的厚度，如约10μm至20μm。
第一和/或第二导电层195、196可以是不连续层，这些不连续层提供与透明导电氧化物层190、191的欧姆接触，同时仍允许入射辐射到达异质结太阳能电池195的下方硅层。虽然图1图示单面的c-Si HJ电池结构包括不连续的正面金属层与连续的背面金属层，但也可以构想到，该电池可包括双面的c-Si HJ结构，该双面的c-Si HJ结构包括非连续的正面与背面金属层。
硅异质结(HJ)光电器是实现以低成本生产高效率结晶硅(c-Si)型太阳能电池的重要候选物。结晶硅薄膜硅(TF-Si)异质结太阳能电池具有优于现有的c-Si电池的优点，包括较高的效率、较高的工作电压以及较小的温度系数。然而，这样的电池需要低损伤的薄膜层沉积，以维持c-Si/TF-Si界面钝化品质与异质结电池效率。
本发明的一个实施例提供一种处理系统，其中异质结(HJ)太阳能电池的薄膜硅层可以在低离子能量与低于约250℃的温度沉积。该处理系统可以使用具有降低的离子轰击等级的沉积技术，如非常高频等离子体增强化学气相沉积(VHF-PECVD)、感应耦合等离子体增强化学气相沉积(ICP-PECVD)技术和/或无离子轰击沉积技术，如热线化学气相沉积(HWCVD)。
在其他的实施例中，本发明一般性提供用于低功率和/或低温制造太阳能电池装置的方法，该太阳能电池装置具有大于20％的效率。这样的方法可以包含清洗、构造以及等离子体处理结晶硅(c-Si)晶圆、将非晶硅(a-Si)、SiOx、SiCx和/或AlOx界面层沉积于c-Si晶圆的正面及背面上、沉积a-Si或纳米结晶硅(nc-Si)n型或p型层于界面层上、沉积透明导电氧化物(TCO)层于a-Si或nc-Si n型或p型层上、图形化或网印正面及背面金属层于透明导电氧化物层上以及可选择地进行低温退火工艺。
将参照PECVD设备来讨论本文中揭示的实施例，该PECVD设备可向美国加州圣克拉拉的应用材料公司(APPLIEDInc.,Santa Clara,CA)取得。然而了解到，本文中讨论的实施例可以在其他腔室中具有效用，包括由其他制造商出售的那些腔室。基板处理系统可包括一或多个沉积腔室，其中一批基板被暴露于一或多种气相材料和/或RF等离子体。在一个实施例中，该处理系统包括至少一个非常高频等离子体增强化学气相沉积(VHF-PECVD)处理腔室，该腔室已适用于同时处理数个基板。在另一个实施例中，在真空或惰性环境中同时传送一批太阳能电池基板，以防止基板污染并改善基板产量。在本发明的各种实施例中，将每批基板排列于平面的处理阵列，而不是处理基板的垂直堆迭(例如，堆迭在盒中的基板批次)。处理排列于平面阵列的基板批次容许批次中的每个基板直接且均匀地暴露于产生的等离子体、辐射热和/或处理气体，使得平面阵列中的每个基片被类似地处理。
图2A为依据本发明的一个实施例的处理腔室或PECVD设备100的示意剖面图。设备100包含数个壁102与底部104。穿过一或多个壁102可存在狭缝阀开口106。狭缝阀开口106允许基板110进入和离开设备100。在设备100中，可以将基板110放置在基板支座108上。可在轴112上升高及降低基板支座108。通过附接装置144将一或多个VHF接地组件142耦接到数个壁102。设备100可以通过真空泵114抽空。可将阀116耦接于腔室与真空泵114之间，以调整设备100的真空程度。
可将处理气体从气源118通过管122引入设备100，管122穿过腔室盖124。管122耦接到背板126，以允许处理气体通过背板126并进入背板126与气体分配喷洒头128之间的气室148。处理气体在气室148中扩散出，然后通过气体通道130到达处理区域146，气体通道130穿过气体分配喷洒头128而形成。
将电源120耦接到管122。电源120能够在约0.4MHz与约几百MHz的频率下产生RF电流。在一个实施例中，RF电源120包含能产生约30MHz至300MHz(如约40MHz、约60MHz或约180MHz)的VHF电流的VHF电源。在其他的实施例中，可以施加功率，使得在真空中所施加频率下的自由空间波长的八分之一与腔室对角线相匹配。腔室对角线为横跨矩形腔室从一个角落到另一个斜对面角落的距离。在表面清洗与钝化的过程中，电源120可产生约50瓦至300瓦(W)的功率(10-70mW/cm2)用于等离子体处理c-Si表面。在沉积a-Si或nc-Si n型或p型层的过程中，电源120可产生约50W至600W(10-140mW/cm2)。
来自电源120的电流沿着管122的外表面流到背板126。RF电流具有“集肤效应”在于该电流不完全穿透导电体，如管122与背板126。RF电流沿着导电物体的外侧表面前进。然后RF电流沿着悬吊134向下前进到气体分布喷洒头128的前表面。在一个实施例中，悬吊134可以包含导电材料，如铝。RF电流沿着箭头“A”所指示的路径流动。因此，RF电流沿着背板126的背表面、背板126的侧表面、悬吊134的外侧表面以及气体分配喷洒头128的底表面前进。
在图2中图示的实施例中，气体管122被馈入背板126的大致中央处。因此，供应给气体管122的RF电流也在背板126的大致中央处被馈送到背板126。了解到，可移动RF电流耦合的位置，以适配使用者的需要。例如，可移动RF电流耦合的位置来补偿RF电流返回或腔室不对称。在其他的实施例中，可以在与气体管122的位置不同的数个位置将RF电流耦接到背板126。
VHF接地组件142通常在基板支座108与腔室壁102之间提供低阻抗的RF电流返回路径。典型地，处理腔室不完全对称。例如，腔室的一侧在腔室壁102中可具有端口(例如狭缝阀开口106)，用于传送基板进出处理腔室。腔室壁102是RF等离子体腔室中RF电路的一部分，在腔室一侧中的传送端口(或孔)在处理腔室中产生不对称。这种不对称可能会降低VHF接地均匀度，而可能导致较差的等离子体均匀度与降低的工艺性能。一般来说，使用非常高频等离子体增强化学气相沉积(VHF-PECVD)的工艺与现有的射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)工艺相比需要额外的接地。
在图2A和图2B中的配置已被证明可有效且可靠地实施VHF-PECVD工艺。然而，为了让RF接地片有效地工作，RF接地片的阻抗必须是低的。假使阻抗增加，则可能会在基板支座的不同区之间存在电位差，这可能会不利地影响沉积均匀性或者产生寄生等离子体。在基板传送步骤的过程中，腔室组件的较长前进距离会需要更长的VHF接地片，这将增加VHF接地片的阻抗，并降低片的VHF接地能力。因此，在典型的RF-PECVD腔室中提供接地的现有手段往往不足以用于VHF-PECVD工艺。此外，无效的VHF接地允许等离子体前进到侧边并到基板支座下方，在这些区域中产生不必要的沉积，这使得清洗更加困难且更耗时。
如在图2A中图示的，基板支座108是在非基板处理位置而且不与VHF接地组件142接触。VHF接地组件142位于一或多个接地静止件141上，并在非基板处理期间由静止件141支撑。基板支座108上具有基板110，并且基板支座108的顶表面外缘周围具有一或多个承接凸缘109。当基板支座108位于基板处理位置时，承接凸缘109将会承接VHF接地组件142，以将VHF接地组件142剥离一或多个接地静止件141。VHF接地组件142附接于腔室壁102并支撑遮蔽框架138，遮蔽框架138覆盖基板支座108的整个边缘。在一个实施例中，遮蔽框架138为约3英寸至约5英寸宽及约1/2英寸至约1英寸厚。
图2B图示一种配置，其中VHF接地组件被耦接到基板支座108以及设置于遮蔽框架138下方的承接块140。第一VHF接地组件142被耦接于基板支座108与具有附接装置144的腔室壁102之间。第二VHF接地组件147被耦接于承接块140与具有附接装置(未图示)的腔室壁102之间。如图2B中所图示，基板支座108是在基板处理位置并且与承接块140接触。然而，如关于图2A所描述的，当基板支座108是在基板处理位置时，承接块140由接地静止件143支撑。
图2C图示在图2A的圆C中的元件放大图。VHF接地组件142通过适用的手段如熔接、焊接、铜焊或通过附接装置144(例如螺栓、螺钉等)附接于腔室壁102。VHF接地组件142也包含一或多个低阻抗柔性帘149以及一或多个承接块140，低阻抗柔性帘149附接于腔室壁102。该一或多个柔性帘149通过适用的手段(如熔接、焊接、铜焊或通过附接装置144)附接于该一或多个承接块140。
低阻抗柔性帘149应由具有高导电性的柔性材料所制成，如铝或铜片或箔。该一或多个承接块140应由低阻抗(或高导电性)块体(如铝块)所制成。该一或多个承接块140支撑遮蔽框架138并由(多个)承接凸缘109承接，以在基板处理过程(如沉积)中与基板支座108接触，以提供RF返回路径(参见以下图2D)。每个承接块140由至少一承接凸缘109承接。
图2C图示当基板支座108处于降低的位置时，在图2A的圆C中的元件放大图。图2D图示当基板支座108处于基板处理位置时，在图2A的圆C中的元件放大图。在处理过程中，基板支座108移到更靠近气体分配喷洒头128。承接凸缘109承接一或多个承接块140，以提起VHF接地组件142离开该一或多个接地静止件141，并造成基板支座108与VHF接地组件142之间的接触。由于承接块140被承接凸缘109稍微向上移动，帘149被推向腔室壁102。遮蔽框架138可在非意图用于形成电连接的区域中被阳极化，而且遮蔽框架138的凹部139部分地覆盖基板110的边缘。遮蔽框架138被基板110的边缘、配置来防止起弧的陶瓷钮以及基板支座108上的承接块140支撑。
在图2C和图2D中的帘149可连续延伸于遮蔽框架138或遮蔽框架138的部分周边的周围。在一个实施例中，单一的帘149连续延伸于基板支座108的大致全周边的周围(例如使得当基板支座108在基板处理位置时，VHF接地组件142可接触基板支座108的边缘)并连接到一或多个承接块140。或者，也可以将数个帘149定位于彼此邻接以延伸于基板支座108的大致全周边的周围，其中当基板支座108在处理位置时，至少一帘可以被耦接到基板支座108的每个边缘。该数个帘149连接到一或多个承接块140。
图2E与图2F图示用于图2A、图2B及图3的处理腔室中的例示性柔性帘149。柔性帘149可包括一或多个层。在一个配置中，柔性帘149包括柔性层252，柔性层252设置在两个导电层250、254之间。柔性层252可以包含聚合物，如聚酰胺(例如由杜邦公司制造的)，并且可以具有约0.0005英寸至0.003英寸的厚度，诸如约0.001英寸。每个导电层250、254可包含金属，如铝，并且可以具有约0.0005英寸至0.003英寸的厚度，诸如约0.001英寸。
图3为依据本发明的一个实施例于基板S的平面阵列或批次上实施一或多个薄膜太阳能电池制造工艺的处理腔室或PECVD设备200的示意剖面图。可适于实施本文中讨论的一或多个工艺的合适的处理系统可包括处理平台，如第3.5代(Gen3.5)或第5代(Gen 5)处理平台，可向位于美国加州圣克拉拉(Santa Clara,CA)的应用材料公司(APPLIEDInc.)取得。在一个配置中，PECVD设备200适于在设置于载体201上的每个基板S上沉积一或多个层。设备200通常包括界定处理容积206的壁202、底部204、喷洒头210以及基板支座230。经由阀208进入处理容积206，使得该批基板S(例如设置在基板载体201上的数个基板S)可被传送进出PECVD装置200。基板支座230包括用于支撑基板S的基板接收表面232以及与升降系统236耦接以升高及降低基板支座230的杆234。可以将遮蔽框架233选择性地放置于载体201的周围，载体201上可以已经形成有一或多个层。升举销238可移动地设置为穿过基板支座230，以移动载体201(或无载体系统中的数个基板S)前往及离开基板接收表面232。基板支座230也可以包括加热和/或冷却元件239，以将基板支座230保持在所需的温度。如关于图2A至2F所详细描述的，通过附接装置144将一或多个VHF接地组件142耦接至该数个壁202、基板支座230和/或其他腔室组件。
喷洒头210通过悬吊214耦接到背板212的周围。气源220被耦接到背板212，而经由背板212及经由喷洒头210中的数个孔211提供气体至基板接收表面232。真空泵209被耦接至PECVD设备200，以将处理容积206控制在所需的压力下。RF电源222被耦接至背板212和/或至喷洒头210，以提供RF功率至喷洒头210、在喷洒头210与基板支座230之间产生电场以及从喷洒头210与基板支座230之间的气体产生等离子体。可以使用各种的RF频率，诸如介于约0.4MHz与约几百MHz之间的频率，包括约13.56MHz、约40MHz、约60MHz以及约180MHz的频率。
远端等离子体源224(如感应耦合远端等离子体源)可被耦接于气源220与背板212之间。在处理的批次基板之间，可提供清洗气体至远端等离子体源224，以产生可以被提供至清洗腔室组件的远端等离子体。清洗气体可以进一步被提供至喷洒头210的RF电源222激发。适合的清洗气体包括但不限于NF3、F2以及SF6。
图4图示依据本发明的一个实施例制造太阳能电池装置400的方法。在本发明的实施例中，可在基板或晶圆上实施方法400的处理步骤，该基板或晶圆可包含玻璃或半导体材料，诸如n型或p型结晶硅(c-Si)晶圆。可以从通过丘克拉斯基(Czochralski,Cz)工艺生长的单晶或多晶硅锭切割出硅晶圆。可以例如用线锯或内径(ID)锯完成晶圆切割，以产生具有约20μm至900μm的厚度以及约100mm至450mm的直径的基板。在一个实施例中，基板具有约160μm至200μm的厚度以及约200mm至300mm的直径。切割之后，可以抛光或处理(多个)基板的表面，以除去锯损伤。在其他的实施例中，基板可以具有四边形或其他的几何形状。这样的基板可以从经由替代的生长工艺(例如硅铸造工艺)生长的单晶或多晶硅锭切割出。
可以选择性地清洗基板的一个表面或两个表面(步骤410)，以去除表面的杂质与原生的氧化物。也可以构造基板的一个表面或两个表面(步骤410)，以产生粗糙的表面。在一个实施例中，构造化(多个)基板表面可以通过使入射光折射、改变光的路径来增强吸收。折射可能会增加光通过太阳能电池的路径长度，如通过使光撞击并反射离开太阳能电池内额外的表面，而增加吸收的可能性。(多个)基板表面的选择性清洗与构造可以使用碱性或酸性的组合物来实施，诸如氢氧化钠(NaOH)或氟化氢(HF)。
方法400的沉积工艺步骤可以使用在沉积过程中使用低处理温度、低等离子体离子能量以及降低的基板表面离子轰击程度的沉积技术。这样的技术包括但不限于非常高频等离子体增强化学气相沉积(VHF-PECVD)、感应耦合等离子体增强化学气相沉积(ICP-PECVD)技术和/或无离子轰击的沉积技术，如热线化学气相沉积(HWCVD)。使用低温、低离子能量和/或低离子轰击条件具有许多益处。举例来说，通过降低处理温度、等离子体离子能量以及对基板的离子轰击来减少对一或多个形成的层的损伤可以改善表面钝化特性并提高沉积层之间的界面品质、增加少数载子的寿命、降低层与层之间的串联电阻以及因此提高电池的性能与效率。此外，用VHF-PECVD技术沉积的半导体层可实现较高的掺杂效率、在形成的层之间具有较低的接触电阻以及在明显较高的沉积速率下具有优异的钝化，尤其是当沉积p+型层时。由于在VHF-PECVD处理的过程中形成了纳米晶粒，故可以改善掺杂效率。再者，使用低离子轰击/高等离子体密度VHF-PECVD技术使得在掺杂层中有提高的导电度与较宽的带隙。
在层沉积之前，c-Si基板的一个表面或两个表面可进行约0秒至60秒的等离子体处理(步骤412)。等离子体处理可以通过以气源(诸如氢(H2)、氧(O2)，氮(N2)或氩(Ar)源)产生等离子体来完成。c-Si表面的等离子体处理可允许c-Si表面与随后沉积在c-Si表面上的a-Si和/或nc-Si层之间的界面产生高品质的钝化。此外，等离子体处理c-Si表面可钝化表面与界面缺陷，并且有助于进一步清洗基板表面，例如通过去除杂质或原生氧化层。
在基板的等离子体处理(步骤412)之后，可以各种不同的方式依序进行后续的层沉积工艺。在图4中图示出两个这样的程序。在一个实施例中，沉积正面a-Si界面层于基板的顶表面上(步骤420)，以及沉积背面a-Si界面层于基板的底表面上(步骤422)。界面层可以作为c-Si层与n+/p+或p+/n+层之间的缓冲。此外，界面层可以改善异质结电池层的钝化，这些界面层设置于这些异质结电池层上。
界面层可以包含厚度为约0到30nm的a-Si、SiOx、SiCx、AlOx层，包括厚度为约0到10nm。可以在相似的沉积条件下沉积正面与背面界面层，并且正面与背面界面层可以具有相似的特性，或者可以在不同的沉积条件下沉积正面与背面界面层，并且正面与背面界面层可以具有不同的特性。在一个实施例中，在约100℃至300℃(如约120℃至250℃)的温度下沉积界面层。在低温下形成界面层可防止外延生长，外延生长会通过增加界面上的悬键密度而不利地影响界面特性。此外，低温沉积可以减少界面层中及上方沉积有界面层的层中的损伤、掺杂剂重新分布以及缺陷密度。在另一个实施例中，可以在约0.1托至2.0托(如约0.2托至1.0托)的低压下沉积界面层，以得到良好的大面积薄膜均匀度。
在本发明的另一个实施例中，可以使用减低的离子轰击技术(如感应耦合等离子体增强化学气相沉积(ICP-PECVD))沉积界面层，如White等人的美国专利申请公开案第2007/0080141号中描述的ICP-PECVD技术，以引用方式将该公开案的全部内容并入本文中。例如，可以经由ICP-VHF-PECVD工艺来沉积层。与使用RF频率小于约30MHz的ICP-PECVD工艺相反，ICP-VHF-PECVD工艺允许产生具有增加的离子密度与降低的离子能量的等离子体。结果，经由ICP-VHF-PECVD沉积的层表现出减低的离子轰击程度以及提高的掺杂效率。在又另一个实施例中，可以使用无离子轰击技术(如热线化学气相沉积(HWCVD))来沉积界面层。在图7中图示具有本发明的各个态样的HWCVD设备。
在沉积界面层的过程中，可以使用氢(H2)与硅烷(SiH4)气体，并且具有H2:SiH4比值在约0至30(如约0至10)范围中的流速。功率可以通过RF源以约25瓦至250瓦(W)(如约50瓦至150瓦(W))的速率供应。在一个实施例中，RF电源供应频率为约30MHz至180MHz(如约40MHz至60MHz，包括约40MHz至50MHz)的VHF功率给电容式耦合喷洒头，该喷洒头与基板表面约间隔520密尔至1000密尔(mil)。沉积可以在小于约的速率发生。低离子能量、低温沉积的工艺可以减少热损伤并减轻热效应，如晶片弯曲。此外，由VHF-PECVD实现的较低离子能量与较高等离子体密度允许在大面积上均匀沉积小于10nm的a-Si薄膜。
在沉积n+/p+或p+/n+非晶硅/纳米结晶硅(a-/nc-Si)层之前，可以选择性地等离子体处理界面层的一者或两者(步骤424、428)，并使用氢(H2)、氧(O2)、氮(N2)或氩(Ar)气进行约0秒至30秒。在一个实施例中，可以约50W至300W的RF功率(10-70mW/cm2)、约0.5托至2.0托的压力、约600密尔至1000密尔之间距以及约120℃至250℃的温度使用H2等离子体实施等离子体处理。据信界面层的等离子体处理可以使层致密化并使界面层得以减少掺杂剂或杂质在层间(如在c-Si与n+/p+或p+/n+层之间)扩散。在其他的实施例中，界面层的等离子体处理可以降低一或多层的缺陷密度、增加表面/界面钝化品质以及延长载子寿命。
可以在背面界面层上沉积背面n+/p+硅层(步骤426)。接着，在选择性地等离子体处理正面界面层(步骤428)之后，可以在正面界面层上沉积正面p+/n+硅层429。在其他的实施例中，可以在处理c-Si基板的背表面之前处理c-Si基板的正表面。在本实施例中，在基板的背表面上沉积界面层(步骤430)，然后等离子体处理背面界面层(步骤432)并在背面界面层上沉积背面n+/p+硅层(步骤434)。接着，在基板的正表面上沉积界面层(步骤436)，然后等离子体处理正面界面层(步骤438)并在正面界面层上沉积正面p+/n+硅层(步骤439)。
正面与背面n+/p+硅层可以是高度掺杂的n型或p型非晶硅(a-Si)或纳米结晶硅(nc-Si)层。在一个实施例中，正面与背面n+/p+硅层可以包含纳米结晶硅(nc-Si)，nc-Si是具有非晶相的硅的同素异形体形式，其中存在结晶硅的颗粒。正面与背面n+/p+纳米结晶硅层可以具有约3nm至30nm的厚度，如约5nm至20nm。这些层可在约100℃至300℃(如约120℃至250℃)的温度下沉积。在低温下形成n+/p+硅层可以降低对下方界面层的损伤，并容许高品质的、低电阻的界面随界面层形成。此外，低温可降低n+/p+层掺杂剂扩散通过界面并进入c-Si层。
沉积n+/p+纳米结晶硅层的压力可以高于沉积界面层的压力。例如，可以在约0.5托至4托(如约1托至2托)的压力下沉积n+/p+硅层。功率可以由RF源以约50瓦至1500瓦(W)(如约100瓦至500瓦(W))的速率供应。在一个实施例中，RF电源供应具有约30MHz至180MHz(如约40MHz至60MHz，包括约40MHz至50MHz)的频率的VHF功率至喷洒头，该喷洒头与基板的表面间隔约520密尔至760密尔。沉积可以在小于约的速率下发生，如小于约
沉积n+纳米结晶硅层可以使用氢(H2)与硅烷(SiH4)气体，并且具有H2:SiH4比值在约10至150(如约25至90)范围中的流速。可以由磷化氢(PH3)气体(在H2中为0.5％)以每分钟约30标准立方厘米至400标准立方厘米(sccm)的速率提供n型掺杂剂。沉积p+纳米结晶硅层可以使用氢气(H2)与硅烷(SiH4)气体，并且具有H2:SiH4比值在约10至150(如约50至90)范围中的流速。可以由乙硼烷(B2H6)和/或三甲基硼(TMB)(B(CH3)3)气体(在H2中为0.5％)以每分钟约30标准立方厘米至400标准立方厘米(sccm)的速率提供p型掺杂剂。
可以使用低度离子轰击技术(如VHF-PECVD)沉积正面与背面n+/p+nc-Si层。沉积可发生于类似用于沉积界面层的VHF频率，例如约40MHz至60MHz的频率，如约40MHz至50MHz。使用VHF-PECVD可以使得正面与背面n+/p+nc-Si层有更高的掺杂效率，因而可以通过电荷感应(场效应)钝化而增加c-Si表面钝化品质。在另一个实施例中，可以使用RF-PECVD技术沉积正面与背面n+/p+nc-Si层，已将该RF-PECVD技术修改为使用较低的温度与离子能量，如约120℃至250℃的温度。在又另一个实施例中，可以用使用VHF频率的ICP-PECVD技术沉积正面与背面n+/p+nc-Si层。
在其他的实施例中，正面与背面n+/p+硅层可以包含非晶硅(a-Si)，且对于p+型a-Si层厚度为约2nm至20nm(如约3nm至10nm)，对于n+型a-Si层厚度为约3nm至30nm(如约5nm至20nm)。可在温度约100℃至300℃(如约120℃至250℃)以及压力约0.1托至2托(如约0.5托至1托)下沉积正面与背面n+/p+非晶硅层。功率可以由RF源在约25瓦至300瓦(W)(如约50瓦至200瓦(W))的速率供应。RF电源可供应具有频率为约30MHz至180MHz(如约40MHz至60MHz，包括约40MHz至50MHz)的VHF功率至喷洒头，该喷洒头与基板的表面间隔约520密尔至1000密尔。沉积可以在小于约的速率下发生，如小于约
沉积n+非晶硅层可以使用氢(H2)与硅烷(SiH4)气体，并且具有H2:SiH4比值在约0至20(如约0至10)范围中的流速。可以由磷化氢(PH3)气体(在H2中为0.5％)以每分钟约30标准立方厘米至1200标准立方厘米(sccm)的速率提供n型掺杂剂。沉积p+非晶硅层可以使用氢气(H2)与硅烷(SiH4)气体，并且具有H2:SiH4比值在约0至20(如约0至10)范围中的流速。可以由乙硼烷(B2H6)和/或三甲基硼(TMB)(B(CH3)3)气体(在H2中为0.5％)以每分钟约30标准立方厘米至1200标准立方厘米(sccm)的速率提供p型掺杂剂。
在沉积正面与背面n+/p+a-/nc-Si层之后，可沉积正面与背面透明导电氧化物(TCO)层(步骤450、452)。透明导电氧化物层可通过提供入射辐射可能通过的渐变折射率作为抗反射层。此外，透明导电氧化物层可导通异质结电池产生的电流。因此，为了降低由于载子复合及串联电阻造成的效率损失，每个透明导电氧化物层与下方的异质结层具有低电阻率的接触是重要的。可以通过在n+/p+nc-Si层上沉积每个透明导电氧化物层来实现优异的导电度，该n+/p+nc-Si层相对于n+/p+a-Si层具有高的导电度与载子迁移率，而该n+/p+a-Si层由于较低的掺杂效率与较高的吸收损失可能会遭受较低的导电度。另外，n+/p+a-Si层可以与低功函数的透明导电氧化物层形成阻挡的接触。
可通过包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)或热蒸发的技术来沉积这些透明导电氧化物层。在一个实施例中，可以通过溅射来沉积透明导电氧化物层，例如使用向美国加州圣克拉拉的应用材料公司(APPLIEDInc.,Santa Clara,CA)取得的ATON系列溅射设备。在本发明的实施例中，透明导电氧化物层可以包含一或多种大带隙的材料，如铟锡氧化物(ITO)、铟钨氧化物(IWO)或氧化锌(ZnO)，这些大带隙的材料可以传送入射辐射至设置于透明导电氧化物层下方的异质结层。
最后，可以于透明导电氧化物层上形成正面与背面的导电层(步骤454、456)。导电层可以包含一或多种金属，如铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、锡(Sn)、钴(Co)、铼(Rh)、镍(Ni)、锌(Zn)、铅(Pb)、钯(Pd)、钼(Mo)以及铝(Al)或其他金属。导电层可以具有约10nm至5000nm的厚度，如约100nm至500nm，并且可以是连续的或不连续的层。例如，导电层可以是提供与透明导电氧化物层欧姆接触的不连续层，同时仍然允许入射辐射到达异质结太阳能电池的下方层。在另一个实施例中，导电层可以是连续的毯覆层。可以使用物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、热蒸发、网印、电镀或是剥离金属化工艺来形成导电层。在一个实施例中，可以通过网印形成导电层，例如，使用可向美国加州圣克拉拉的应用材料公司(APPLIEDInc.,Santa Clara,CA)取得的Baccini Soft Line设备。网印的导电层可以比使用PVD或CVD工艺沉积的导电层更厚。例如，网印的导电层可以具有约10μm至50μm的厚度，如约10μm至20μm。
在沉积工艺完成之后，异质结电池可在低温退火(步骤458)，例如在约120℃至230℃的温度，如约180℃至210℃的温度。在一个实施例中，该低温退火可以在N2环境中进行约5分钟至2小时。在另一个实施例中，可以在N2环境中进行约30分钟的低温退火。在步骤460与462中，可以接着进行异质结电池的测试、分类以及层压/封装。
本发明的实施例包括各种沉积工艺的程序。在一个实施例中，首先在c-Si层上沉积正面与背面本质界面层。在等离子体处理正面与背面界面层之后，将背面n+型nc-Si层沉积于背面界面层上，并将正面p+型nc-Si层沉积于正面界面层上。然后将正面与背面透明导电氧化物层沉积于正面p+型nc-Si层与背面n+型nc-Si层上，以及将正面与背面导电层沉积于正面与背面透明导电氧化物层上。然后在低温下将由此产生的异质结电池进行退火。
在另一个实施例中，首先在c-Si层的背面表面上沉积本质a-Si界面层。在等离子体处理背面界面层之后，将背面n+型nc-Si层沉积于背面界面层上。然后沉积本质界面层于c-Si层的正面表面上。在等离子体处理正面界面层之后，将正面p+型nc-Si层沉积于正面界面层上。之后在正面p+型nc-Si层与背面n+型nc-Si层上沉积正面与背面透明导电氧化物层，以及在正面与背面透明导电氧化物层上沉积正面与背面导电层。然后在低温下将产生的异质结电池进行退火。
图5图示依据本发明的一个实施例的制造太阳能电池装置500的方法，太阳能电池装置500具有渐变的非晶硅/纳米结晶硅(a/nc-Si)层。可以在基板或晶圆上实施方法500的处理步骤，该基板或晶圆可包含玻璃或半导体材料，如n型或p型结晶硅(c-Si)晶圆，如关于图4的方法所讨论的。
有利的是，本文中揭示的VHF-PECVD工艺致使纳米晶粒形成，因而产生比经由现有的RF-PECVD工艺沉积的非晶层更高的掺杂效率。因此，可以使用在图5中揭示的方法来沉积具有渐变的掺杂浓度的a/nc-Si层，该渐变的掺杂浓度从无掺杂(i-a-Si)或微掺杂(p/n-a-Si)变化为中度掺杂(p+/n+-a-Si)再到重掺杂(p++/n++-a/nc-Si)。
可以选择性地清洗与构造基板的一个表面或两个表面(步骤510)来产生粗糙的表面。在层沉积之前，c-Si基板的一个表面或两个表面可以进行约0秒至60秒的等离子体处理(步骤512)。在基板的等离子体处理(步骤512)之后，可在基板的顶表面上沉积渐变的a/nc-Si(p/n)层(步骤520)。
沉积渐变的a/nc-Si(p/n)层的工艺可以包括以时间为函数改变半导体前体对掺杂剂前体的比率。举例来说，当沉积渐变的p型a/nc-Si层时，可以从每分钟约0标准立方厘米(sccm)逐渐增加乙硼烷(B2H6)对硅烷(SiH4)的比例到约30sccm至1200sccm，使得掺杂浓度随着层的剖面而变化。其他的掺杂剂前体可以包括例如磷化氢(PH3)、砷化三氢(AsH3)、三甲基硼(TMB)(B(CH3)3)气体以及三氟化硼(BF3)。
在一个实施例中，可以用硅烷气体结合具有相对低(或零)的流速的掺杂剂气体实施初始层的沉积。当层沉积进行时，可以增加掺杂剂气体的流速和/或减少硅烷的流速，使得掺杂剂前体相对于半导体前体的整体比率增加。通过改变掺杂剂前体的流速相对于半导体前体的流速，可以在例如厚度约1nm至30nm的层中实现具有从无掺杂(本质)或微掺杂(约1016cm-3)到重掺杂(约1021cm-3)的分布的层。
用于以VHF-PECVD沉积渐变的半导体层的工艺参数可以包括约50W至600W(10mW/cm2至140mW/cm2)的功率水平、约0.2托至4.0托的压力、约600密尔至1000密尔的间隔以及约120℃至250℃的温度。在其他的实施例中，可以使用约50W至300W(10mW/cm2至70mW/cm2)或100W至180W(20mW/cm2至40mW/cm2)的功率水平、约0.5托至1.5托或约0.75托的压力以及约600密尔至850密尔的间隔。再者，通过保持小于约的沉积速率，可以实现优异的层均匀度、厚度控制以及工艺可重复性。前体的流速可以与关于图4的方法400所描述的那些相同。
在沉积正面与背面n/p a-/nc-Si层之后，可以沉积正面与背面透明导电氧化物(TCO)层(步骤530)。最后，可以在透明导电氧化物层上形成正面与背面导电层(步骤540)。在沉积工艺完成之后，可以对异质结电池进行低温退火(步骤550)。可以使用与关于图4的方法400所描述的相同的方式进行TCO层与导电层的沉积以及退火步骤。最后，在步骤460与462中，可以接着进行异质结电池的测试、分类以及层压/封装。
图6为依据本发明的一个实施例的硅异质结(HJ)太阳能电池设计的示意剖面图。异质结电池包括有构造的n型c-Si基板，该c-Si基板上已经沉积硅薄膜、透明导电氧化物以及金属层。
本发明的实施例包括方法，其中在层沉积与装置制造过程中在数个处理腔室(如RF-PECVD、VHF-PECVD、ICP-PECVD、HWCVD、溅射和/或网印或电镀腔室)之间传送基板、晶圆或批次基板/晶圆。亦包括在本发明范围内的是允许完整或部分处理在晶圆、基板、批次基板或批次晶圆上的太阳能电池装置或硅异质结太阳能电池装置的腔室配置。这种腔室配置可允许在腔室之间传送基板、晶圆或批次基板/晶圆，同时保持真空条件。
图7是依据本发明的一个实施例的热线化学气相沉积(HWCVD)设备的示意剖面图。HWCVD设备包含处理腔室780，处理腔室780具有处理区域798以及一或多个气源785、797。设置在处理区域798中的是具有流体气室787及一或多个孔788的气体输送装置789，孔788形成于气体输送装置789的侧边791。设置于气体输送装置789下方的是灯丝796与多孔屏蔽794。
在操作中，装置基板760可以被暴露于活化的处理气体“B”，处理气体“B”被输送通过处理腔室780的处理区域798。一般来说，活化的处理气体可以包括可与装置基板760上发现的一或多个材料成分反应的高能气体离子、基团和/或中性粒子。在一个实施例中，通过输送热能、RF能量和/或微波能量至处理气体来形成活化的处理气体。由于装置基板760的电偏压或接地而导致离子轰击沉积的基板表面的动作，或是将基板表面暴露于高能中性粒子，会造成薄且柔性的装置基板损伤，故通常需要形成气体基团，而不是用于在装置基板760上沉积高品质、低损伤层的气体离子或高能中性粒子。
可以将活化气体传送到装置基板760，同时加热装置基板760到理想的处理温度，而且将装置基板760周围的处理环境保持在理想的处理压力。在一个实施例中，活化处理气体包括含氢气体，如硅烷(SiH4)、磷化氢(PH3)，乙硼烷(B2H6)或三甲基硼(TMB)(B(CH3)3)气体。在一个实例中，活化处理气体包括含氢气体及惰性载气(如氩气、氦气)。在另一个实例中，将装置基板760保持在约25℃与约250℃之间的处理温度，以及将处理区域798中的压力保持在约1毫托与760托之间的范围中。在另一个实例中，将装置基板760保持在约110℃与大约230℃之间的处理温度，同时将处理区域798保持在约90毫托的工艺压力。在一个配置中，通过输送来自气源785或797中的一个的一或多种气体来控制设置于处理区域798中的气体的组成，并通过排气泵766(例如真空泵、机械泵、洗涤器)去除气体，气源785或797与排气泵766皆耦接到处理区域798。
在图7中图示的实施例中，活化处理气体可以通过使处理气体流过气体输送装置789(例如喷洒头型气体分配装置)然后越过一或多个加热灯丝796而形成，加热灯丝796被加热到理想的温度以使处理气体成为被活化。据信这种类型的热活化工艺具有优于其他气体活化技术的优点，因为该热活化工艺较不复杂、整体的腔室硬件成本低、具有高的活化物种产率(例如高的活化物种对非活化物种比率)以及不太会形成可能造成装置基板760的层损伤的气体离子或高能的中性粒子。在一个配置中，将处理气体从处理气源785输送到形成于气体输送装置789中的流体气室787，然后通过形成于气体输送装置789的侧边791中的一或多个孔788。离开一或多个孔788的处理气体之后流过一或多个灯丝796(例如8个至12个电线)，将灯丝796定位于距离侧边791一段距离(例如10-22mm)，以形成活化气体“B”，活化气体“B”被输送到装置基板760的表面760A。处理气体因而通过与灯丝796的相互作用而被活化，灯丝796如钨丝，通过从交流电源或直流电源795输送介于约2100瓦(W)与约3600瓦(W)之间的功率而将灯丝796加热到介于约1700℃与约2200℃之间的温度。
在处理腔室780的一个配置中，选择性的多孔屏蔽794位于气体输送装置789的侧边791与装置基板760之间，以减少从灯丝796到装置基板760的热通量。选择性的多孔屏蔽794可以被热耦接到腔室壁782和/或到外部的散热件(未图示)，以控制和/或减少多孔屏蔽794与装置基板760之间的热传递量。选择性的多孔屏蔽794可以包含具有数个形成在多孔屏蔽794中的孔或孔隙的金属、陶瓷或玻璃材料，以允许活化的处理气体从气体输送装置789流到装置基板760。
在一个配置中，装置基板760设置于温控基板支座792的表面792A上，以确保实现所需的基板处理温度。温控基板支座792可以具有一或多个流体类型的热交换装置，如温控元件，温控元件适于调节装置基板760的温度。通过将装置基板760定位于距离一或多个灯丝796一段所需的距离和/或使用基板温控装置(例如参照符号792)，可以控制装置基板760的温度，以增强沉积层的性质而且也不会降低有时脆弱的装置基板760的性质。因此，通过使用已通过一或多个加热灯丝796(位于低于大气压的压力环境)输送到基板760表面的还原气体，可以直接将异质结层形成在装置基板760上。在一些配置中，通过使用一或多个加热灯丝796、气体输送装置789与温控基板支座792和/或选择性的多孔屏蔽794，可以沉积高品质的层，高品质的层具有低的缺陷密度与优越的界面钝化特性。
图8A图示用于制造结晶硅(c-Si)与非晶硅(a-Si)异质结(HJ)层的射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)与非常高频等离子体增强化学气相沉积(VHF-PECVD)工艺。图8B通过显示表面复合速度(SRV)特性作为沉积温度的函数图示在a-Si钝化性能上的改良。结果指出沉积速率的降低可以有更好的厚度控制与工艺可重复性。
图9A与9B图示以射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)与非常高频等离子体增强化学气相沉积(VHF-PECVD)工艺沉积的非晶硅(a-Si)层的均匀度。结果指出VHF-PECVD沉积的均匀度与RF-PECVD沉积的均匀度相符。此外，进行VHF-PECVD沉积只有小的硬件修改，例如修改设备接地。
图10A与10B图示对于具有不同层与沉积特性的异质结电池，少数载子寿命为载子密度的函数。结果指出，非常高频等离子体增强化学气相沉积(VHF-PECVD)所沉积的p层可增强下方界面层(i层)的钝化效果。对于此增强的一个可能的解释是：以VHF-PECVD沉积的高掺杂效率p层产生了p层/i层和/或i层/c-Si层界面的电荷感应(场效应)钝化。与大于1ms的RF沉积p层的载子寿命相比，通过增强钝化实现了大于1.5ms(仅i层)与2ms(VHF改良的p层)的载子寿命。
图11A和11B图示有与无在1-3Ω-cm n型丘克拉斯基(Cz)构造的晶圆上以非常高频等离子体增强化学气相沉积(VHF-PECVD)沉积的界面层(i层)的硅异质结(HJ)电池的伪光电流-电压(I-V)曲线。结果指出，可以在无i层存在下实现大于670mV的隐含开路电压(Voc)与大于640mV的实际Voc，同时可以5nm的i层实现大于730mV的隐含Voc、大于720mV的实际Voc以及82％的伪填充因子(pFF)。此外，以全尺寸5英寸与6英寸n-Cz构造的晶圆(160μm)实现了约为20％至21％的异质结电池效率，并在厚度约20μm至40μm的超薄n-Cz构造晶圆上实现约14.5％至15％的异质结电池效率。
图12A至12D图示硅异质结太阳能电池的电池效率、填充因子、开路电压以及电流密度，这些硅异质结太阳能电池具有由射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)与非常高频等离子体增强化学气相沉积(VHF-PECVD)工艺沉积的i/p层。结果指出，由VHF-PECVD工艺形成的i/p层表现出明显改善的填充因子、开路电压以及电流密度，从而增加约1％的效率。据信增加的效率是由于在VHF-PECVD沉积的层中增加的掺杂效率所致，从而在透明导电氧化物(TCO)接触产生较低的串联电阻。
图13A至13C图示硅异质结太阳能电池的填充因子、电阻率以及电池效率，这些硅异质结太阳能电池具有由RF-PECVD与VHF-PECVD工艺沉积的p层。结果指出，由VHF-PECVD工艺形成的p层通过降低硅/透明导电氧化物(Si/TCO)接触的串联电阻表现出明显改善的填充因子。此外，图13C指出，VHF-PECVD形成的p层改善了约1％与1.8％的电池效率。
图14A与14B图示硅异质结太阳能电池的电流密度与电池效率，这些硅异质结太阳能电池具有由图4的方法400所形成的p型层。具体而言，由VHF-PECVD致能的低温(低T)沉积工艺产生的沉积层显示出低程度的等离子体、电荷以及热损伤、表现出优异的透明度、提高的掺杂效率以及增加的整体异质结电池效率。
虽然前述针对本发明的实施例，但在不偏离本发明的基本范围下仍可以设计本发明的其他与进一步的实施例，而且本发明的范围由权利要求书所决定。

Claims (15)

1.一种用于使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)设备制造纳米结晶硅层的方法，所述方法包含以下步骤：
在所述PECVD设备中定位一个或多个基板，所述PECVD设备包含：
多个壁，所述多个壁界定处理区域，其中所述多个壁包含多个侧壁和底壁；
将所述处理区域加压至约0.5托与4托之间；
维持约100℃至约300℃之间的所述处理区域内的温度；
将氢气和硅烷气体从气源输送至所述处理区域；
将掺杂剂前体气体从所述气源输送至所述处理区域；以及
通过将非常高频(VHF)功率输送至所述氢气、所述硅烷气体和所述掺杂剂前体气体在所述处理区域内产生等离子体，其中：
所产生的等离子体使第一层形成在所述一个或多个基板上；并且
所产生的等离子体使RF电流通过第一VHF接地片从基板支座流到接地的腔室壁，并使RF电流通过第二VHF接地片从遮蔽框架通过一个或多个承接块流到所述接地的腔室壁，所述一个或多个承接块设置在所述遮蔽框架下方。
2.如权利要求1所述的方法，其中将所述处理区域加压在1托至2托之间。
3.如权利要求1所述的方法，其中维持所述处理区域内的温度在约120℃至250℃之间。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述VHF功率具有从20兆赫兹(MHz)至180MHz的频率。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述VHF功率具有从40MHz至60MHz的频率。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述第一层包含：通过变化所述半导体前体气体对所述掺杂剂前体气体的比率来形成渐变的半导体层。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述掺杂剂前体气体选自由磷化氢(PH3)、砷化三氢(AsH3)、乙硼烷(B2H6)、三甲基硼(TMB)(B(CH3)3)气体以及三氟化硼(BF3)所组成的群组。
8.一种用于使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)设备制造纳米结晶硅层的方法，所述方法包含以下步骤：
在所述PECVD设备中定位一个或多个基板，所述PECVD设备包含：
多个壁，所述多个壁界定处理区域，其中所述多个壁包含多个侧壁和底壁；
将所述处理区域加压至约0.5托与4托之间；
维持约100℃至约300℃之间的所述处理区域内的温度；
将氢气和硅烷气体从气源输送至所述处理区域；
将掺杂剂前体气体从所述气源输送至所述处理区域；以及
通过将非常高频(VHF)功率输送至所述氢气、所述硅烷气体和所述掺杂剂前体气体在所述处理区域内产生等离子体，其中：
所产生的等离子体使第一层形成在所述一个或多个基板上；并且
所产生的等离子体使RF电流通过第一VHF接地片从基板支座流到接地的腔室壁，并使RF电流通过第二VHF接地片从遮蔽框架通过一个或多个承接块流到所述接地的腔室壁，所述一个或多个承接块设置在所述遮蔽框架下方，
其中所述第一VHF接地片和所述第二VHF接地片中的至少一者包含设置在两个导电层之间的第一柔性层。
9.一种制造纳米结晶硅层的方法，所述方法包含以下步骤：
在基板支座上定位一个或多个基板，所述基板支座设置在等离子体增强化学气相沉积(PECVD)设备中的处理区域中，其中所述处理区域至少部分地由多个侧壁和底壁界定；
将所述处理区域加压至约0.5托与4托之间；
维持约100℃至约300℃之间的所述处理区域内的温度；
将氢气、硅烷气体和掺杂剂前体气体输送到所述处理区域中；
形成工艺气体，所述形成工艺气体包含：改变所述氢气与所述硅烷气体对所述掺杂剂前体气体的比率；以及
通过将非常高频(VHF)功率输送至所述工艺气体在所述处理区域内产生等离子体，其中：
所产生的等离子体使RF电流通过第一VHF接地片从基板支座流到接地的腔室壁，并使RF电流通过第二VHF接地片从遮蔽框架通过一个或多个承接块流到所述接地的腔室壁，所述一个或多个承接块设置在所述遮蔽框架下方；并且
所产生的等离子体使渐变的半导体层形成在所述一个或多个基板上。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述电流具有从20兆赫兹(MHz)至180MHz的频率。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述电流具有从40MHz至60MHz的频率。
12.如权利要求9所述的方法，其中所述掺杂剂前体气体选自由磷化氢(PH3)、砷化三氢(AsH3)、乙硼烷(B2H6)、三甲基硼(TMB)(B(CH3)3)气体以及三氟化硼(BF3)所组成的群组。
13.如权利要求9所述的方法，其中所述第一VHF接地片和所述第二VHF接地片中的至少一者包含设置在两个导电层之间的第一柔性层。
14.如权利要求9所述的方法，其中将所述处理区域加压在1托至2托之间。
15.如权利要求9所述的方法，其中维持所述处理区域内的温度在约120℃至250℃之间。
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