KR20100095426A - 증착 공정들 간의 플라즈마 처리 - Google Patents

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슈란 셍
리웨이 리
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어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명의 실시예들은 두 개 또는 그보다 많은 증착 단계들 사이에 플라즈마 처리 단계를 사용하여 박막 태양 전지 장치를 제조하는 개선된 방법을 포함한다. 본 발명의 실시예들은 일반적으로, 태양 박막 태양 전지 장치의 제조 방법 및 장치도 제공한다. 본 발명은 다른 단일 접합, 탠덤 접합, 또는 다중 접합 태양 전지 장치를 제조하는데에 유리하게 사용될 수 있다.

Description

증착 공정들 간의 플라즈마 처리 {PLASMA TREATMENT BETWEEN DEPOSITION PROCESSES}
본 발명의 실시예들은 일반적으로 태양 전지 및 그러한 태양 전지를 제조하는 방법과 장치에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명의 실시예들은 박막 태양 전지 및 그러한 박막 태양 전지를 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
결정질 실리콘 태양 전지 및 박박 태양 전지는 두 가지 형태의 태양 전지이다. 결정질 실리콘 태양 전지는 통상적으로 단 결정질 기판(즉, 순수한 실리콘의 단일 결정질 구조물) 또는 다 결정질 실리콘 기판(즉, 폴리-결정질 또는 폴리실리콘)을 사용한다. 추가의 필름 층들은 광 캡쳐(light capture)를 개선하고, 전기 회로를 형성하며, 장치들을 보호하기 위해 실리콘 기판 상에 증착된다. 박막 태양 전지는 하나 또는 그보다 많은 p-i-n 접합(junction)을 형성하기 위해 적합한 기판 상에 증착되는 박판 재료 층을 사용한다.
현재의 박막 태양 전지가 갖는 문제점들은 고 효율 및 고 비용이다. 그러므로, 개선된 박막 태양 전지 및 그러한 개선된 박막 태양 전지를 팩토리 환경(factory environment)에서 제조하기 위한 방법 및 장치가 요구된다.
본 발명의 실시예들은 일반적으로, 플라즈마 강화된 화학 기상 증착 챔버의 내측으로 기판을 이송하는 단계와, 상기 기판 위에 n-도프된 비정질 실리콘 층을 증착하는 단계와, 상기 기판 위에 증착된 상기 n-도프된 비정질 실리콘 층에 플라즈마 처리를 제공하는 단계와, 상기 n-도프된 비정질 실리콘 층 위에 n-도프된 미세결정질 실리콘 층을 증착하는 단계, 및 상기 챔버로부터 상기 기판을 제거하는 단계를 포함하는, 박막 태양 전지를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예는 제 1 시스템 내에 배열되는 제 1 플라즈마 강화된 화학 기상 증착 챔버 내측으로 기판을 이송하는 단계와, 상기 제 1 플라즈마 강화된 화학 기상 증착 챔버 내의 상기 기판의 표면 위에 p-도프된 실리콘 층을 증착하는 단계와, 상기 제 1 플라즈마 강화된 화학 기상 증착 챔버로부터 상기 제 1 시스템 내의 제 2 플라즈마 강화된 화학 기상 증착 챔버의 내측으로 기판을 이송하는 단계와, 상기 p-도프된 실리콘 층 위에 상기 제 2 플라즈마 강화된 화학 기상 증착 챔버 내에서 진성 비정질 실리콘 층을 증착하는 단계와, 상기 진성 비정질 실리콘 층 위에 n-도프된 비정질 실리콘 층을 증착하는 단계와, 상기 n-도프된 비정질 실리콘 층을 플라즈마 처리에 노출시키는 단계와, 상기 n-도프된 비정질 실리콘 층 위에 n-도프된 미세결정질 실리콘 층을 증착하는 단계, 및 상기 제 2 플라즈마 강화된 화학 기상 증착 챔버로부터 상기 기판을 제거하는 단계를 포함하는, 박막 태양 전지를 제조하는 방법도 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예는 투명 기판의 표면 위에 비정질 실리콘 층을 증착하는 단계와, 상기 비정질 실리콘 층에 플라즈마 처리를 제공하는 단계, 및 상기 비정질 실리콘 층 위에 미세결정질 실리콘 층을 증착하는 단계를 포함하는, 박막 태양 전지를 제조하는 방법도 제공할 수 있다.
전술한 본 발명의 특징들이 상세히 이해될 수 있는 방식으로, 위에서 간단히 요약한 본 발명에 대해 첨부 도면에 일부가 도시되어 있는 실시예들을 참조하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 첨부 도면은 단지, 본 발명의 통상적인 실시예들만을 도시한 것이므로, 본 발명의 범주를 한정하는 것이 아니며 다른 균등한 유효한 실시예들이 있을 수 있다고 이해해야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 광 또는 태양 복사 쪽으로 지향된 다중 접합 태양 전지의 개략도이며,
도 2는 플라즈마 강화된 화학 기상 증착(PECVD) 챔버의 일 실시예에 대한 개략적인 횡단면도이며,
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 처리 시스템의 개략적인 평면도이며,
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 처리 시스템의 개략적인 평면도이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 p-i-n 접합을 형성하기 위한 일 실시예에 대한 흐름도이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 광 또는 태양 복사 쪽으로 지향된 다중 접합 태양 전지의 개략도이다.
이해를 촉진시키기 위해, 도면에 있어서 공통인 동일한 구성 요소를 지칭하기 위해 가능하다면, 동일한 참조 부호가 사용되었다. 일 실시예의 구성 요소 및 특징들은 추가의 인용 없이도 다른 실시예에서 유리하게 병합될 수 있다고 이해해야 한다.
본 발명의 실시예들은 개선된 박막 태양 전지 및 개선된 박막 태양 전지의 제조 방법 및 장치를 포함한다. 설명의 용이함과 명확함을 위해, 본 발명은 도 1의 탠덤(tandem) 접합 태양 전지를 참조하여 설명하지만, 본 발명은 다른 단일 접합, 탠덤 접합, 또는 다중 접합 태양 전지를 제조하는데에도 유리하게 사용될 수 있다.
도 1은 광 또는 태양 복사(101) 쪽으로 지향된 다중 접합 태양 전지(100)의 개략적인 다이어그램이다. 태양 전지(100)는 위에 형성되는 박막을 가지는, 유리 기판, 폴리머 기판, 또는 다른 적합한 투명 기판과 같은 기판(102)을 포함한다. 태양 전지(100)는 기판(102) 위에 형성되는 제 1 투명 전도성 산화물(TCO) 층과, 상기 제 1 TCO 층(110) 위에 형성되는 제 1 p-i-n 접합(120)과, 상기 제 1 p-i-n 접합(120) 위에 형성되는 제 2 p-i-n 접합(130)과, 상기 제 2 p-i-n 접합(130) 위에 형성되는 제 2 TCO 층(140), 및 상기 제 2 TCO 층(140) 위에 형성되는 금속 후면 층(150)을 더 포함한다. 광 반사를 감소시킴으로써 광 흡수를 개선하기 위해, 기판 및/또는 기판 위에 형성되는 하나 또는 그보다 많은 박막이 습식 공정, 플라즈마 공정, 이온 공정 및/또는 기계적 공정에 의해 선택적으로 텍스쳐(texture)될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 실시예에서 제 1 TCO 층(110)이 텍스쳐되고 그 위에 증착되는 다음의 박막이 일반적으로 그 아래에 있는 표면의 지형을 따를 것이다.
제 1 TCO 층(110) 및 제 2 TCO 층(140)은 각각 산화물, 아연 산화물, 인듐 주석 산화물, 카드뮴 스탄네이트(stannate), 그 위에 도프된 재료, 이들의 조합물, 또는 다른 적합한 재료들을 포함한다. 상기 TCO 재료는 또한, 추가의 도펀트와 성분들을 포함할 수 있다고 이해해야 한다. 예를 들어, 아연 산화물은 알루미늄, 갈륨, 붕소와 같은 도펀트, 및 다른 적합한 도펀트들을 더 포함할 수 있다. 아연 산화물은 바람직하게, 5 원자% 또는 그보다 적은 도펀트, 더 바람직하게 2.5 원자% 또는 그보다 더 적은 알루미늄을 포함한다. 예를 들어, 주석 산화물은 불소와 같은 도펀트를 더 포함할 수 있다. 임의의 예에서, 상기 기판(102)에은 유리 제작자들에 의해 이미 제공된 제 1 TCO 층(110)이 제공될 수 있다.
상기 제 1 p-i-n 접합(120)은 p-도프된 실리콘 층(122), 진성 실리콘 층(124), 및 n-도프된 실리콘 층(126)을 포함한다. 제 2 p-i-n 접합(130)은 p-도프된 실리콘 층(132), 진성 실리콘 층(134), 및 n-도프된 실리콘 층(136)을 포함한다. 임의의 실시예에서 상기 제 p-i-n 접합(120)의 진성 실리콘 층(124)은 비정질 실리콘 층을 포함하는 반면에, 상기 제 2 p-i-n 접합(130)의 진성 실리콘 층(134)은 미세결정질 실리콘 층을 포함하는데, 이는 상기 비정질 실리콘 진성 층과 미세결정질 실리콘 진성 층이 태양 스펙트럼의 상이한 영역들을 흡수하기 때문이다. 일 실시예에서, 상기 p-도프된 실리콘 층(122), 상기 진성 실리콘 층(124), 및 상기 n-도프된 실리콘 층(126)은 비정질 실리콘 함유 층으로부터 각각 형성된다. 일 실시예에서, 상기 p-도프된 실리콘 층(132)과 진성 실리콘 층(134)은 미세 결정질 실리콘 함유 층으로부터 각각 형성되며, 상기 n-도프된 실리콘 층(136)은 비정질 실리콘 함유 층으로부터 형성된다. 이는 제 2 p-i-n 접합(130) 내의 p-도프된 미세결정질 실리콘 층(132)과 진성 미세 결정질 실리콘 층(134) 위에 n-형 비정질 실리콘 층(136)의 사용으로 상기 n-형 비정질 실리콘 층(136)이 공기 중의 산소와 같은 산소로부터의 침식에 대해 더 큰 저항성에 기인한 증가된 셀 효율을 제공하기 때문인 것으로 여겨진다. 산소가 실리콘 필름을 침식함으로써 불순물을 형성하는데, 이들 불순물은 박막을 통한 전자/홀 이송에 참여하는 박막의 성능을 저해한다. 또한, 태양 전지 구조물/장치 내에 형성되는 비정질 실리콘 대 결정질 실리콘 층의 낮은 전기 저항이 형성된 제 2 p-i-n 접합(130) 내의 전기 발생에 대한 원치 않는 단락 통로(shunt path)의 감소 효과로 인한 개선된 전기 특성을 갖기 때문인 것으로 여겨진다. 형성된 p-i-n 층들을 통해 일반적으로 수직으로 연장하는 단락 통로는 형성된 태양 전지 장치의 국부적 측면 영역을 단락시킴으로써 태양 전지 성능을 열화시킨다. 그러므로, 비정질 n-형 층(즉, 수직 방향에 수직한)의 측면 저항이 결정질 층보다 훨씬 더 높으므로, 단락 형태의 결함이 형성된 태양 전지의 나머지 부분에 끼치는 영향을 낮춘다. 단락 형태의 결합에 대한 영향력의 감소는 태양 전지의 장치 성능을 개선할 것이다.
도 2는 도 1의 태양 전지(100)의 제 1 p-i-n 접합(120) 및/또는 제 2 p-i-n 접합(130)의 하나 또는 그보다 많은 실리콘 층과 같은 태양 전지의 하나 또는 그보다 많은 박막이 증착될 수 있는 플라즈마 강화된 화학 기상 증착(PECVD) 챔버(400)의 일 실시예에 대한 개략적인 횡단면도이다. 하나의 적합한 플라즈마 강화된 화학 기상 증착 챔버는 미국 캘리포니아 산타 클라라 소재의 어플라이드 머티리얼즈로부터 이용가능하다. 다른 제작자에 의해 제조된 것을 포함한 다른 증착 챔버들도 본 발명을 실시하는데 이용될 수 있다고 이해해야 한다.
상기 챔버(400)는 일반적으로, 벽(402), 바닥(404), 샤워헤드(410), 및 처리 공간(406)을 한정하는 기판 지지대(430)를 포함한다. 상기 처리 공간은 밸브(408)를 통해 접근할 수 있어서, 기판(102)과 같은 기판이 챔버(400)의 내측 및 외측으로 이송될 수 있다. 상기 기판 지지대(430)는 기판 지지대(430)를 상승 및 하강시키기 위한 리프트 시스템(436)에 연결되는 스탬(434) 및 기판을 지지하기 위한 기판 수용면(432)을 포함한다. 섀도우(433:shadow)가 기판(102)의 주변부 위에 선택적으로 놓일 수 있다. 리프트 핀(438)은 기판 수용면(432)으로 그리고 기판 수용면으로 기판을 이동시키기 위해 기판 지지대(430)를 통해 이동가능하게 배열된다. 상기 기판 지지대(430)는 또한, 소정의 온도로 기판 지지대(430)를 유지하기 위한 가열 및/또는 냉각 요소(439)를 포함할 수 있다. 상기 기판 지지대(430)는 또한, 기판 지지대(430)의 주변부에 RF 접지를 제공하기 위한 접지 스트랩(431)을 포함할 수 있다. 접지 스트랩의 예들은 로우 등에 2000년 2월 15일자로 허여된 미국 특허 제 6,024,044호, 및 박 등에게 2006년 12월 20일자로 출원된 미국 출원 번호 11/613,934호에 설명되어 있으며, 이들은 본 발명과 불일치되지 않는 범위에서 전체적으로 본 발명에 참조되었다.
샤워헤드(410)는 서스펜션(414)에 의해 주변에서 후면 판(412)에 연결된다. 샤워헤드(410)는 또한, 샤워헤드(410)의 직진도 및 곡률을 제어 및/또는 쳐짐(sag)을 방지하는데 도움을 주기 위해 하나 또는 그보다 많은 지지대(416)에 의해 후면 판에 연결될 수도 있다. 가스 소오스(420)는 샤워헤드(410) 내에 형성된 구멍(411)을 통해 그리고 후면 판(412)을 통해 기판 수용면(432)으로 가스를 제공하도록 후면 판(412)에 연결된다. 진공 펌프(409)는 소정의 압력으로 처리 공간(406)을 제어하도록 챔버(400)에 연결된다. RF 전력 소오스(422)는 샤워헤드(410)에 RF 전력을 제공하여 전기장이 샤워헤드와 기판 지지대 사이에 형성됨으로써 플라즈마가 샤워헤드(410)와 기판 지지대(430) 사이의 가스로부터 생성될 수 있도록 후면 판(412) 및/또는 샤워헤드(410)에 연결된다. 약 0.3 MHz 내지 약 200 MHz 범위의 주파수와 같은 다양한 RF 주파수들이 사용될 수 있다. 일 실시예에서 RF 전력 소오스는 13.56 MHz의 주파수로 제공된다. 샤워헤드의 예들은 화이트 등에게 2002년 11월 12일자로 허여된 미국 특허 제 6,477,980호, 최 등에게 2006년 11월 17일자로 공고된 미국 공보 제 2005/0251990호, 및 켈러 등에게 2006년 3월 23일자로 공고된 미국 공보 제 2006/0060138호에 설명되어 있으며, 이들은 본 발명의 설명과 불일치되지 않는 범위에서 전체적으로 본 발명에 참조되었다.
유도 연결된 원격 플라즈마 소오스와 같은 원격 플라즈마 소오스(424)도 가스 소오스와 후면 판 사이에 연결될 수 있다. 기판 처리 공정들 사이에서 세정 가스가 원격 플라즈마 소오스(424)로 제공될 수 있어서 원격 플라즈마가 발생되어 챔버 구성요소들을 세정하는데 제공된다. 세정 가스는 샤워헤드에 제공된 RF 전력 소오스(422)에 의해 추가로 여기될 수 있다. 적합한 세정 가스로는 NF3, F2 및 SF6가 포함될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 원격 플라즈마 소오스의 예들은 샹 등에게 1998년 8월 4일자로 허여된 미국 특허 제 5,788,778호에 설명되어 있으며, 본 발명의 설명과 불일치되지 않는 범위에서 본 발명에 참조되었다.
일 실시예에서, 상기 가열 및/또는 냉각 요소(439)는 약 400 ℃ 또는 그보다 낮은, 바람직하게 약 100 ℃ 내지 약 400 ℃ 범위, 더 바람직하게 약 200 ℃와 같은 약 150 ℃ 내지 약 300 ℃ 범위의 기판 지지대 온도를 증착 중에 제공하도록 설정될 수 있다.
실리콘 필름의 증착을 위해, 실리콘계 가스 및 수소계 가스가 제공된다. 적합한 실리콘계 가스로는 실란(SiH4), 디실란(Si2H6), 실리콘 테트라플루오라이드(SiF4), 실리콘 테트라클로라이드(SiCl4), 디클로로실란(SiH2Cl2), 및 이들의 조합물이 포함되지만, 이에 한정되지 않는다. 적합한 수소계 가스로는 수소 가스(H2)가 포함되지만, 이에 한정되지 않는다. 상기 p-형 실리콘 층의 p-형 도펀트는 각각 붕소 또는 알루미늄과 같은 3족 원소를 포함한다. 바람직하게, 붕소는 p-형 도펀트로서 사용된다. 붕소 함유 소오스의 예로는 트리메틸보론(TMB(또는 B(CH3)3)), 디보란(B2H6), BF3, B(C2H5)3, 및 유사한 화합물들을 포함하나, 이에 한정되지 않는다. 바람직하게, TMB는 p-형 도펀트로서 사용된다. 상기 n-형 실리콘 층의 n-형 도펀트는 각각 인, 비소, 또는 안티몬과 같은 5족 원소를 포함할 수 있다. 바람직하게, 인이 n-형 도펀트로서 사용된다. 인 함유 소오스의 예에는 포스핀(phosphine) 및 유사한 화합물들이 포함된다. 상기 도펀들은 통상적으로, 할로겐, 아르곤, 헬륨, 및 다른 적합한 화합물과 같은 캐리어 가스와 함께 제공된다. 본 발명에서 설명하는 처리 방법들에서, 수소 가스의 전체 유량이 제공된다. 그러므로, 수소 가스가 도펀트를 위한 것과 같은 캐리어 가스로서 제공되면, 캐리어 가스 유량은 얼마나 많은 수소 가스가 챔버로 제공되어야 할지를 결정하기 위해 수소 가스의 전체 유량으로부터 감산되어야 한다.
도 3a 및 도 3b는 도 2의 PECVD 챔버(400)와 같은 복수의 처리 챔버(531) 또는 실리콘 박막을 증착할 수 있는 다른 적합한 챔버들을 갖는 처리 시스템, 또는 시스템(500)의 실시예들에 대한 개략적인 평면도들이다. 상기 시스템(500)은 로드록 챔버(510) 및 처리 챔버(531)에 연결되는 이송 챔버(520)를 포함한다. 로드록 챔버(510)는 시스템 외부의 주위 환경과 이송 챔버(520)와 처리 챔버(5331) 내부의 진공 환경 사이에서 기판이 이송될 수 있게 한다. 상기 로드록 챔버(510)는 하나 또는 그보다 많은 기판을 유지하는 하나 또는 그보다 많은 영역들을 포함한다. 배기가능한 영역들은 시스템(500) 내측으로의 기판의 유입 중에 펌프 다운(pump down)되며 시스템(500)으로부터 기판의 유출 중에 배기된다. 이송 챔버(520)는 로드록 챔버(510)와 처리 챔버(531) 사이로 기판을 이송하도록 구성된, 이송 챔버의 내부에 배열되는 적어도 하나의 진공 로봇(522)을 가진다. 5 개의 처리 챔버가 도 3a에 도시되어 있으며 7 개의 처리 챔버가 도 3b에 도시되어 있으나, 상기 시스템은 어떤 적합한 수의 처리 챔버를 가질 수 있다.
본 발명의 임의의 실시예들에서, 하나의 시스템(500)은 도 1의 p-i-n 접합들 중의 적어도 하나와 같은 적어도 하나의 p-i-n 접합을 형성하도록 구성된다. 처리 챔버(531)들 중의 적어도 하나는 p-도프된 실리콘 층을 증착하도록 구성되며 상기 처리 챔버(531)들 중의 적어도 하나는 n-형 도프된 실리콘 층을 증착하도록 구성된다. 어떤 특징에 있어서, 상이한 도펀트들로부터의 오염 기회를 감소시키도록 별도의 처리 챔버들 내에서 p-도프된 실리콘 층과 n-도프된 실리콘 층을 증착하는 것이 유리할 수 있다. 일 실시예에서, 진성 실리콘 층이 p-도프된 처리 챔버와 n-도프된 처리 챔버들과는 별도의 처리 챔버 내에서 증착될 수도 있다. 그러나, 생산량을 증대시키기 위해, 진성 실리콘 층이 p-도프된 실리콘 증착과 동일한 챔버 또는 n-도프된 실리콘 증착과 동일한 챔버 내에서 증착될 수 있다.
도 4는 태양 전지를 제조하는데에 플라즈마 처리를 제공하는 일 실시예에 대한 흐름도이다. 단계(452)에서, 기판은 도 3a 또는 도 3b의 시스템(500)의 처리 챔버(531)들 중의 하나와 같은 PECVD 처리 챔버 내측으로 이송된다. 단계(454)에서, n-도프된 비정질 실리콘 층이 기판 위에 증착된다. 단계(456)에서, 플라즈마 처리가 기판에 수행되는데, 이는 이후에 설명된다. 플라즈마 처리에는 바람직하게 수소 플라즈마를 포함한다. 다른 적합한 플라즈마도 사용될 수 있다. 단계(458)에서, n-도프된 미세결정질 층이 기판 위에 증착된다. 단계(460)에서, 기판은 PECVD 챔버로부터 제거된다.
특허청구범위에 명확하게 설정되지 않는 한 이론에 구애되길 원하지 않지만, n-도프된 비정질 실리콘 층에 대해 플라즈마 처리하는 것은 그 위의 n-도프된 미세결정질 실리콘 층의 증착을 개선하는데 도움이 된다고 여겨진다. 하나의 이론에서, 상기 플라즈마 처리는 n-도프된 비정질 실리콘 층의 적어도 일부분을 n-도프된 미세결정질 실리콘으로 전환하는데 도움을 준다고 여겨진다. 이러한 n-도프된 미세결정질 실리콘은 그 위에 n-도프된 미세결정질 실리콘 증착을 개선하는 시이드 층(seed layer)으로 역할을 한다. 다른 이론에서, 수소 플라즈마 처리는 그 위에 후 증착된 n-도프된 미세결정질 실리콘의 형성을 개선하는, 기판 위에 수소 부화면(hydrogen-rich surface)을 생성한다고 여겨진다.
일 실시예에서, n-도프된 실리콘 층(136)은 제 1 바닥 전지 n-도프된 비정질 실리콘 층과 제 2 바닥 전지 n-도프된 비정질 실리콘 층을 포함한다. 임의의 실시예들에서, 제 1 바닥 전지 n-도프된 비정질 실리콘 층이 약 100 Å 내지 약 400 Å 범위의 두께로 형성될 수 있다. 임의의 실시예들에서, 제 2 바닥 전지 n-도프된 비정질 실리콘 층이 축퇴형(degenerately) 도프 층(예를 들어, n++-형 층)으로부터 약 50 Å 내지 약 150 Å 범위의 두께로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 제 2 바닥 전지 n-도프된 비정질 실리콘 층은 n-형 미세결정질 층이다. 다른 실시예에서, 제 2 바닥 전지 n-도프된 비정질 실리콘 층은 n-형 비정질 층이다. 그러므로, 일 실시예에서 바닥 전지(130)를 형성할 때 단계(456)와 유사한 처리 단계가 제 1 바닥 전지 n-도프된 비정질 실리콘 층을 증착한 이후, 그러나 제 2 바닥 전지 n-도프된 비정질 실리콘 층을 증착하기 이전에 수행될 수 있다.
도 4의 공정은 진성 실리콘 층(1245)이 비정질 실리콘을 포함하고 진성 실리콘 층(134)이 미세결정질 실리콘을 포함하는 도 1의 탬덤 전지 내에 n-도프된 실리콘 층(126)을 형성하는데 적용될 수 있다. n-도프된 실리콘 층(126)은 n-도프된 비정질 실리콘 층을 증착하고, 상기 n-도프된 비정질 실리콘 층을 플라즈마 처리하고, 그리고나서 그 위에 n-도프된 미세결정질 실리콘 층을 증착함으로써 형성된다. 특정 실시예에서, 도 5에 도시한 바와 같이, n-도프된 실리콘 층(126)은 약 10 Å 내지 약 200 Å 범위의 두께로 형성된 n-도프된 비정질 실리콘 층(125A) 및 약 100 Å 내지 약 400 Å 범위의 두께로 형성된 n-형 미세결정질 층(125B)를 포함한다. 일 실시예에서, 도 5에 도시한 바와 같이, n-도프된 실리콘 층(126)은 약 30 Å 내지 약 50 Å 범위의 두께로 형성된 n-도프된 비정질 실리콘 층(125A) 및 약 250 Å 내지 약 400 Å 범위의 두께로 형성된 n-형 미세결정질 층(125B)를 포함한다. 특허청구범위에 설정되지 않는 한 이론에 구애되길 원하지 않지만, n-도프된 비정질 실리콘 층은 비정질 형태의 진성 실리콘 층(124)과 n-도프된 미세결정질 실리콘 층 사이에 존재하는 하는 것으로 여겨지는 밴드갭 오프셋(bandgap offset)을 브릿지(bridge)하는데 도움을 주는 것으로 여겨진다. 따라서 전지 효율은 개선된 집전(current collection)에 의해 개선되는 것으로 여겨진다.
n-도프된 비정질 실리콘 층을 증착하는 임의의 실시예들은 약 20:1 또는 그보다 작은 속도로 수소 가스 대 실리콘 가스를 제공하는 단계를 포함한다. 수소 가스는 약 4 sccm/L 내지 약 50 sccm/L 범위의 유량으로 제공될 수 있다. 포스핀이 약 0.0005 sccm/L 내지 약 0.0075 sccm/L 범위의 유량으로 제공될 수 있다. 환언하면, 포스핀이 캐리어 가스 내에 0.5 % 몰 농도 또는 체적 농도로 제공되면, 도펀트/캐리어 가스 혼합물은 약 0.1 sccm/L 내지 약 1.5 sccm/L 범위의 유량으로 제공될 수 있다. 실란 가스는 약 1 sccm/L 내지 약 10 sccm/L 범위의 유량으로 제공될 수 있다. 본 발명의 설명에서 상기 유량은 내부 챔버 체적 당 sccm으로서 표현된다. 상기 내부 챔버 체적은 가스가 점유할 수 있는 챔버 내부의 체적으로서 정의된다. 예를 들어, 도 2의 챔버(400)의 내부 챔버 체적은 챔버의 후면 판(412)과 벽(402) 및 바닥(404)에 의해 한정되는 체적에서 샤워헤드 조립체(즉, 샤워헤드(410), 서스펜션(414), 중앙 지지대(415)를 포함하는)와 기판 지지대 조립체(즉, 기판 지지대(430), 접지 스트랩(431))에 의해 내부가 점유되는 체적을 뺀 체적이다. 약 50 밀리와트/㎠ 내지 약 250 밀리와트/㎠ 범위의 RF 전력이 샤워헤드로 제공될 수 있다. 본 발명의 설명에서 RF 전력은 기판 면적 당 전극에 공급되는 와트로서 표현된다. 예를 들어, 220 cm × 260 cm 의 치수를 갖는 기판을 처리하기 위해 샤워헤드로 공급되는 10,385 와트의 RF 전력을 위해, 상기 RF 전력은 10,385 와트/(220 cm × 260 cm) = 180 밀리와트/㎠이다. 챔버의 압력은 약 0.1 Torr 내지 20 Torr, 바람직하게 약 0.5 Torr 내지 약 4 Torr 범위로 유지될 수 있다. 상기 기판 수용면(432) 상에 배열되는 기판의 상부면과 샤워헤드(410) 사이의 증착 중의 간격은 400 mil(즉, 수천만분의 1인치(thousands of an inch)) 내지 약 1,200 mil, 바람직하게 400 mil 내지 약 800 mil 범위일 수 있다. 상기 n-형 비정질 실리콘 버퍼 층의 증착 속도는 약 200 Å/분 또는 그보다 클 수 있다.
플라즈마 처리 공정(예를 들어, 단계(456))의 임의의 실시예들은 약 5 sccm/L 내지 100 sccm/L 범위의 유량으로 수소 가스(H2)를 제공하는 단계를 포함한다. 임의의 실시예에서, 상기 플라즈마 처리 공정은 약 5 sccm/L 내지 100 sccm/L 범위의 유량으로 수소 가스(H2)를 제공하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 처리 공정은 헬륨(He), 이산화탄소(CO2), 아르곤(Ar), 및/또는 유사한 가스를 유사한 질량 유량으로 제공하는 단계를 포함한다. 10 밀리와트/㎠ 내지 약 250 밀리와트/㎠ 범위의 RF 전력이 플라즈마 처리 공정 중에 샤워헤드로 제공될 수 있다. 상기 플라즈마 처리 공정 중의 챔버의 압력은 약 1 Torr 내지 약 약 100 Torr, 바람직하게 약 3 Torr 내지 약 20 Torr, 더 바람직하게 4 Torr 내지 약 12 Torr 범위로 유지될 수 있다. 상기 기판 수용면(432) 상에 배열된 기판 의 상부면과 샤워헤드(410) 사이의 간격은 기판 처리 공정 중에 약 400 mil(10.2 mm) 내지 약 1,200 mil(30.4 mm), 바람직하게 400 mil(10.2 mm) 내지 약 800 mil(20.4 mm) 범위일 수 있다. 특허청구범위에 명확히 설정하지 않는 한 이론에 구애되길 원하지 않지만, 처리 중에 n-도프된 비정질 실리콘 층의 플라즈마 충돌에 의해 생성되는 표면 지형(예를 들어, 거칠기)의 변화로 인해, 처리된 n-도프된 비정질 실리콘 층 상에 n-도프된 미세결정질 층이 형성되기 위한 증가된 수의 핵생성 위치를 상기 공정이 제공하므로, 상기 플라즈마 처리 공정이 유용하다고 여겨진다. 필름 지형(morphology)의 개선 및 핵생성 위치 수의 증가는 n-도프된 비정질 실리콘 층의 특성들을 개선하며 소정 두께의 n-도프된 미세결정질 층을 형성하는데 요구되는 시간을 감소시킨다.
전술한 논의, 즉 n-도프된 비정질 실리콘 층 및 n-도프된 미세결정질 층 사이에 플라즈마 처리 공정을 제공하는 것에 관한 논의 중에 있어서, 그러한 공정의 구성은 본 발명에 설명된 본 발명의 범주로서 한정하려는 것이 아니다. 따라서 n-형, 진성형 및 p-형 실리콘 함유 층을 포함하는, 제 1 p-i-n 접합(120) 및 제 2 1 p-i-n 접합(130) 내에 상기 각각의 층들을 위한 각각의 증착 단계 이전에, 선택적인 플라즈마 처리 공정들이 수행될 수 있다는 것에 주목해야 한다. 전술한 바와 같이, 플라즈마 처리는 상기 미세결정질 층의 핵생성을 촉진시키도록 비정질 층의 증착 단계와 미세결정질 층 증착 단계 사이에 사용될 때 특히 유리하다고 여겨진다.
n-도프된 미세결정질 실리콘 층을 증착하는 임의의 실시예들은 약 100:1 또는 그보다 큰 비율로 수소 가스 대 실란 가스의 가스 혼합물을 제공하는 단계를 포함한다. 실란 가스는 약 0.1 sccm/L 내지 약 0.8 sccm/L 범위의 유량으로 제공될 수 있다. 수소 가스는 약 30 sccm/L 내지 약 250 sccm/L 범위의 유량으로 제공될 수 있다. 포스핀은 약 0.0005 sccm/L 내지 약 0.004 sccm/L 범위의 유량으로 제공될 수 있다. 환언하면, 포스핀이 캐리어 가스 내에 0.5% 몰 농도 또는 체적 농도로 제공되면, 상기 도펀트/캐리어 가스는 약 0.1 sccm/L 내지 약 0.8 sccm/L 범위의 유량으로 제공될 수 있다. 약 100 밀리와트/㎠ 내지 약 900 밀리와트/㎠ 범위의 RF 전력이 샤워헤드에 제공될 수 있다. 챔버의 압력은 약 1 Torr 내지 약 100 Torr, 바람직하게 약 3 Torr 내지 약 20 Torr, 더 바람직하게 4 Torr 내지 약 12 Torr 범위로 유지될 수 있다. n-형 미세결정질 실리콘 층의 증착 속도는 약 50 Å 또는 그보다 클 수 있다. n-형 미세결정질 실리콘 층은 약 20 퍼센트 내지 약 80 퍼센트, 바람직하게 약 50 퍼센트 내지 약 70 퍼센트 범위의 결정질 분률(fraction)을 가진다.
탠덤 태양 전지를 제조하기 위해 전술한 하나 또는 그보다 많은 층을 형성하도록 채용될 수 있는 다양한 처리 단계의 예들이 "다중 접합 태양 전지 및 다중 접합 태양 전지를 제조하는 방법과 장치"란 명칭으로 2007년 2월 6일자로 출원된 계류 중인 미국 특허 출원 번호 11/671,988호, "다중 접합 태양 전지 및 다중 접합 태양 전지를 제조하는 방법과 장치"란 명칭으로 2008년 7월 23일자로 출원된 계류 중인 미국 특허 출원 번호 12/178,289호, 및 "태양광 발전 장치용 미세결정질 실리콘 박막을 증착하기 위한 방법 및 장치"란 명칭으로 2006년 6월 23일자로 출원된 계류 중인 미국 특허 출원 번호 11/426,127호에서 발견할 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 설명과 불일치되지 않는 범위에서 전체적으로 본 발명에 참조되었다.
도 3a 및 도 3b를 다시 참조하면, 상기 시스템(500) 중에 대한 하나의 실시예에서 상기 처리 챔버(531) 중의 하나가 태양 전지 장치의 제 1 p-i-n 접합(120) 또는 제 2 p-i-n 접합(130) 내에 p-형 실리콘 층을 증착하도록 구성되며, 상기 처리 챔버(531)들 중의 다른 하나가 제 1 또는 제 2 p-i-n 접합의 진성 실리콘 층을 증착하도록 구성되며, 상기 처리 챔버(531)들 중의 또 다른 하나가 제 1 또는 제 2 p-i-n 접합의 n-형 실리콘 층을 증착하도록 구성된다. 전술한 바와 같이, 3 개의 처리 챔버의 구성이 오염 제어에 대해 약간의 장점을 가질지라도, 이들은 일반적으로 두 개의 처리 챔버의 구성보다 낮은 기판 처리 능력을 가지며, 일반적으로 하나 또는 그보다 많은 처리 챔버가 유지보수를 위해 작동 중지될 때 소정의 처리능력을 유지하지 못한다.
본 발명의 임의의 실시예에서, 상기 시스템(500)(예를 들어, 도 3a 및 도 3b)은 도 1 또는 도 5에 도시한 제 1 p-i-n 접합(120) 또는 제 2 p-i-n 접합(130)과 같은 상기 p-i-n 접합들 중에 적어도 하나를 형성하도록 구성된다. 일 실시예에서, 상기 처리 챔버(531)들 중의 하나는 제 1 p-i-n 접합(120)의 p-형 실리콘 층을 증착하도록 구성되는 반면에, 나머지 처리 챔버(531)는 상기 제 1 p-i-n 접합(120)의 진성형 실리콘 층 및 n-도프된 실리콘 층을 증착하도록 구성된다. 일 실시예에서, 상기 제 1 p-i-n 접합(120) 또는 상기 제 2 p-i-n 접합(130)의 상기 진성형 실리콘 층 및 n-형 실리콘 층들은 증착된 층들 사이의 교차-오염을 최소화하는데 사용될 수 있는 단계들 사이에서 시즈닝(seasoning) 공정(예를 들어, 상기 챔버 벽 상에 증착되는 진성형 층)을 수행함이 없이 상기 증착 단계들 사이에서 동일한 챔버 내에서 증착될 수 있다. p-i-n 접합(120)의 다양한 구성 요소를 형성하는데 상기 시스템(500)과 상기 시스템의 구성 요소들의 용도에 대해 설명하였지만, 이러한 구성은 본 발명에서 설명된 본 발명의 범주로서 한정하기 위한 것이 아니며, 따라서 상기 시스템(500)은 전술한 본 발명의 기본 범주로부터 이탈함이 없이, 상기 제 1 p-i-n 접합, 제 2 p-i-n 접합, 상기 제 1 및 제 2 p-i-n 접합 모두, 및 이들의 다른 조합을 형성하도록 채택될 수 있다.
상기 시스템(500)과 유사하게 구성된 시스템에서 기판 처리 시퀀스가 수행되는 일 예에서, 기판은 로드록 챔버(510)를 통해 상기 시스템(500)으로 유입되며, 그 후 상기 기판은 기판 상에 p-형 실리콘 층을 증착하도록 구성되는 처리 챔버(531) 내측으로 진공 로봇(522)에 의해 이송되며, 처리 챔버(531) 내에서 p-형층이 증착된 이후에 상기 기판은 상기 진성형 실리콘 층과 n-형 실리콘 층을 모두 증착하도록 구성되는 처리 챔버(531)의 다른 하나의 처리 챔버 내측으로 진공 로봇(522)에 의해 이송되며, 그 후 상기 진성형 층과 n-형 층들을 증착한 이후에 상기 기판은 로드록 챔버(510)로 복귀되며 그 이후에 상기 기판은 상기 시스템으로부터 제거될 수 있다. 연속적인 일련의 기판들은 p-형 층을 증착하도록 구성된 처리 챔버로부터 진공 로봇(522)에 의해 로딩 및 조종되고나서 i-n 층들을 형성하도록 적어도 하나의 다음 처리 챔버로 각각의 기판을 이송할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제 1 p-i-n 접합(120)은 하나의 시스템(500) 내에서 형성되며 상기 제 2 p-i-n 접합(130)은 다른 시스템(500)에서 형성된다. 하나의 경우에 있어서, 진공 누설, 또는 주위 대기압 상태(예를 들어, 공기)에의 노출은 다른 시스템들에서 상기 제 1 p-i-n 접합(120)과 상기 제 2 p-i-n 접합(130)의 형성 사이에서 발생할 것이다.
두 개의 처리 챔버 구성에 있어서, 상기 i-n 층을 제조하도록 구성된 각각의 챔버들 내에서 상기 i-n 층을 증착한 이후에 상기 공정은 반복될 수 있다. 그러나, 그 다음 기판들 상에 형성되는 상기 진성 층들에 결합될 수 있는 오염을 배제하기 위해, 몇몇 소정의 간격으로 상기 i-n 층들을 제조하도록 구성된 각각의 챔버들 내에서 시즈닝 공정과 같은 세정 공정들의 수행으로 상기 공정 시퀀스의 장치 수율이 개선될 수 있음을 발견했다. 상기 시즈닝 공정은 일반적으로, 전술한 실시예들 중의 하나의 실시예에 따라 전술한 바와 같이 처리 챔버 부품으로부터 이전에 증착된 재료를 제거하는데 사용되는 하나 또는 그보다 많은 단계들 및 처리 챔버 부품 상에 재료를 증착하는데 사용되는 하나 또는 그보다 많은 단계들을 포함할 수 있다. 사용될 수 있는 시즈닝 공정 및 태양 전지 처리 시퀀스의 예는 2008년 7월 9일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 12/170,387(변호사 사건 번호 #APPM 11710)호에 더욱 더 상세히 설명되어 있으며, 상기 출원은 본 발명에 참조되었다.
전술한 설명이 본 발명의 실시예들과 관련되어 있으나, 본 발명의 다른 추가의 실시예들이 본 발명의 기본 범주로부터 이탈함이 없이 창안될 수 있으며 본 발명의 범주는 다음의 특허청구범위에 의해 결정된다.

Claims (13)

  1. 박막 태양 전지의 제조 방법으로서,
    플라즈마 강화된 화학 기상 증착 챔버의 내측으로 기판을 이송하는 단계와,
    상기 기판 위에 n-도프된 비정질 실리콘 층을 증착하는 단계와,
    상기 기판 위에 증착된 상기 n-도프된 비정질 실리콘 층에 플라즈마 처리를 제공하는 단계와,
    상기 n-도프된 비정질 실리콘 층 위에 n-도프된 미세결정질 실리콘 층을 증착하는 단계, 및
    상기 챔버로부터 상기 기판을 제거하는 단계를 포함하는,
    박막 태양 전지의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리를 제공하는 단계는 수소 가스를 사용하여 플라즈마를 발생시키는 단계를 포함하는,
    박막 태양 전지의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 n-도프된 미세결정질 실리콘 층 위에 p-i-n 접합을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 p-i-n 접합을 형성하는 단계는
    상기 n-도프된 미세결정질 실리콘 층 위에 p-도프된 미세결정질 실리콘 층을 증착하는 단계와,
    상기 p-도프된 미세결정질 실리콘 층 위에 n-도프된 비정질 실리콘 층을 증착하는 단계, 및
    상기 p-도프된 미세결정질 실리콘 층 및 상기 n-도프된 비정질 실리콘 층 사이에 진성 미세결정질 실리콘 층을 증착하는 단계를 포함하는,
    박막 태양 전지의 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 진성 미세결정질 실리콘 층은 약 1,000 Å보다 큰 두께를 가지는,
    박막 태양 전지의 제조 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 p-도프된 미세결정질 실리콘 층은 증착된 상기 n-도프된 미세결정질 실리콘 층의 표면 상에 증착되는,
    박막 태양 전지의 제조 방법.
  6. 박막 태양 전지의 제조 방법으로서,
    제 1 시스템 내에 배열되는 제 1 플라즈마 강화된 화학 기상 증착 챔버 내측으로 기판을 이송하는 단계와,
    상기 제 1 플라즈마 강화된 화학 기상 증착 챔버 내에 있는 상기 기판의 표면 위에 p-도프된 실리콘 층을 증착하는 단계와,
    상기 제 1 플라즈마 강화된 화학 기상 증착 챔버로부터 상기 제 1 시스템 내에 배열되는 제 2 플라즈마 강화된 화학 기상 증착 챔버의 내측으로 기판을 이송하는 단계와,
    상기 제 2 플라즈마 강화된 화학 기상 증착 챔버 내에서 상기 p-도프된 실리콘 층 위에 진성 비정질 실리콘 층을 증착하는 단계와,
    상기 진성 비정질 실리콘 층 위에 n-도프된 비정질 실리콘 층을 증착하는 단계와,
    상기 n-도프된 비정질 실리콘 층을 플라즈마 처리에 노출시키는 단계와,
    상기 n-도프된 비정질 실리콘 층 위에 n-도프된 미세결정질 실리콘 층을 증착하는 단계, 및
    상기 제 2 플라즈마 강화된 화학 기상 증착 챔버로부터 상기 기판을 제거하는 단계를 포함하는,
    박막 태양 전지의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 n-도프된 비정질 실리콘 층을 플라즈마 처리에 노출시키는 단계는 수소 가스를 사용하여 플라즈마를 발생시키는 단계를 포함하는,
    박막 태양 전지의 제조 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 n-도프된 미세결정질 실리콘 층 위에 p-i-n 접합을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 p-i-n 접합을 형성하는 단계는
    상기 n-도프된 미세결정질 실리콘 층 위에 p-도프된 미세결정질 실리콘 층을 증착하는 단계와,
    상기 p-도프된 미세결정질 실리콘 층 위에 n-도프된 비정질 실리콘 층을 증착하는 단계, 및
    상기 p-도프된 미세결정질 실리콘 층 및 상기 n-도프된 비정질 실리콘 층 사이에 진성 미세결정질 실리콘 층을 증착하는 단계를 포함하는,
    박막 태양 전지의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 n-도프된 미세결정질 실리콘 층 위에 p-도프된 미세결정질 실리콘 층을 증착하는 단계 이전에 상기 제 1 시스템 내의 상기 제 2 플라즈마 강화된 화학 기상 증착 챔버로부터 제 2 시스템 내에 배열되는 제 1 플라즈마 강화된 화학 기상 증착 챔버로 상기 기판을 이송하는 단계를 더 포함하는,
    박막 태양 전지의 제조 방법.
  10. 박막 태양 전지의 제조 방법으로서,
    투명 기판의 표면 위에 비정질 실리콘 층을 증착하는 단계와,
    상기 투명 기판 상에 배열되는 상기 비정질 실리콘 층에 플라즈마 처리를 제공하는 단계, 및
    상기 비정질 실리콘 층 위에 미세결정질 실리콘 층을 증착하는 단계를 포함하는,
    박막 태양 전지의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리를 제공하는 단계는 수소, 헬륨, 아르곤 및 이산화탄소로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 가스를 제공하는 단계를 포함하는,
    박막 태양 전지의 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 미세결정질 실리콘 층 위에 p-i-n 접합을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 p-i-n 접합을 형성하는 단계는
    상기 n-도프된 미세결정질 실리콘 층 위에 p-도프된 미세결정질 실리콘 층을 증착하는 단계와,
    상기 p-도프된 미세결정질 실리콘 층 위에 n-도프된 비정질 실리콘 층을 증착하는 단계, 및
    상기 p-도프된 미세결정질 실리콘 층 및 상기 n-도프된 비정질 실리콘 층 사이에 진성 미세결정질 실리콘 층을 증착하는 단계를 포함하는,
    박막 태양 전지의 제조 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 비정질 실리콘 층을 증착하는 단계 이전에 상기 투명 기판의 표면 상에 투명 전도성 산화물 층을 증착하는 단계를 더 포함하는,
    박막 태양 전지의 제조 방법.
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