专利名称：单室等离子箱制作薄膜硅光电转换器件的方法
技术领域：
本发明涉及到用低成本、高产出的PECVD设备形成硅薄膜6、8和9。具体来说，本发明涉及到一个在先以粗糙的TCO2镀膜过的盖板1上以p层、i层和n层顺序镀膜制备薄膜硅p-i-n型太阳能电池的方法。在这种情况下，前盖板1和TCO2合在一起经常被称为“上置基板”。因此，本发明特别涉及到图1的上置基板型薄膜硅太阳能电池。以下的基板(而非上置基板)用来简单表示太阳能电池的光射入面上用TCO薄膜2镀膜的支撑材料1。大面积基板可以是一个镀有SnO2:F的平坦玻璃板。其它类型的基板也可以被用来低温制作薄膜硅光电转换器件。
图2显示了一个基于薄膜硅的、由两个p-i-n光电单元互相叠加起来组成的双结或叠式太阳能电池。由p1(6)、i1(8)和n1(9)组成的顶部太阳能电池设计成可以吸收短波长太阳辐射(蓝光和绿光)，而由p2(26)、i2(28)和n2(29)组成的底部太阳能电池被设计成可以吸收较长波长的光辐射(一些绿光或绝大部分红光和红外线光)。与图1的单结太阳能电池相比较，叠式太阳能电池结构有利于增强转换效率并提高薄膜硅光电器件长期使用的稳定性。从图2可以明显看出，非掺杂的硅薄膜i2(28)在上述的掺杂层包括n1(9)之后形成。为提高制造效率和降低成本，所有的薄膜硅层应该在单一的制造设备中、而不是在分开的装置中生产。特别值得注意地是相比于i1层(8)，i2层(28)通常是一个需要更长镀膜时间的较厚硅薄膜。因此，高性能叠式薄膜硅光电转换器件的生产需要可以高产出的PECVD设备。
在图1中的单结太阳能电池和图2中的叠式太阳能电池都使用的PECVD制备过程中，为了添加到镀膜里，掺杂气体与含硅源气体混合，通常被氢气稀释，为等离子体提供适量掺杂剂。在单个镀膜室操作中，不同硅薄膜在相同的含有两个平行电极的等离子体反应器中相继沉积。如图3所示的传统PECVD系统的一个至关重要的缺点就是当在同一个真空室中沉积一个掺杂的薄膜之后连续镀膜时，硅i层很容易被交叉污染。交叉污染主要是由掺杂的硅镀膜，例如硼掺杂的(p型)硅材料或磷掺杂的(n型)硅材料在电极上和反应盒(反应箱)内壁上积聚引起的。非掺杂硅i层的磷交叉污染对光电器件的转换功效影响最为显著。在如图3显示的传统PECVD系统中，系统的内壁会在短暂的掺杂硅薄膜沉积后被严重污染环绕等离子体区域的盒子46的一部分和激发电极48直接暴露在辉光放电中，它们在每个沉积过程中被镀膜。而且，所有系统内部的部件的表面包括喷淋板49，等离子体反应盒子(或箱子)46的外表，和真空室10的内壁将吸附一些用于沉积n层9或p层6的掺杂剂成分。迹量掺杂气体因此会源源不断地从镀膜和暴露表面逸散的相关残留掺杂剂释放出来，被加入随后沉积的薄膜中(交叉污染)，从而影响它们的性能。例如，在沉积硼掺杂层6之后，在真空室中特别是在等离子体反应盒子中残留的硼逐渐不断的逸散到等离子体区域45中。因此，非掺杂的i层8因为在相同等离子体反应器中继p层6之后沉积而受到硼污染。同样地，等离子体反应器在n层9镀膜后被污染，之后生成的p层6，尤其是i层8的性能受到悬浮在真空系统中残留磷类的影响。实际上，且不论生产量如何，类似于图3描述的传统单室PECVD设备始终无法生产高性能薄膜硅光电转换器件。
为了克服交叉污染难题，传统PECVD系统配备了分别专用于沉积非掺杂型和掺杂型薄膜硅的沉积室，在多个不同的含有独立等离子体反应器的真空室中分别生成i层，p层和/或n层。这样的多个真空室不可交替使用，这大大限制了它们的作用和生产力。
鉴于传统PECVD系统的诸多弊端，一种专门为低成本大面积光电器件的可靠生产而设计的新型PECVD很有必要。
发明内容
基于上述考虑，申请人拟订了本发明的首要目的提供一个制造具有卓越性能和产品可靠性的基于薄膜硅的p-i-n型光电转换器件的PECVD设备。
本发明的另一个目的是，提供一种运用具有优越生产力的极具经济效益的等离子箱PECVD装置制造薄膜硅p-i-n型光电转换器件的方法。
本发明的进一步目的是，提供用一个等离子箱PECVD装置制造基于薄膜硅的p-i-n型光电转换器件的设备和方法。所述等离子箱PECVD装置对由单个真空室组成的PECVD系统中相同等离子体反应器里各种硅薄膜沉积中产生的残留掺杂剂的交叉污染具有显著抵抗能力。
本发明还有一个目的是，提供一种用简单容错的设备和程序制造基于薄膜硅的光电转换器件的方法。
为了达到上述目的，本发明的一个方面是提供一种在单一真空室里的单个等离子箱中的大量基板上同时镀膜来大批量生产薄膜硅光电器件的设备和方法。这个等离子箱(plasma box)概念特别适用于在单一真空室里，同时在大量的大型基板上进行PECVD镀膜。由于其独一无二的设计特性，这种基于等离子箱的PECVD系统应用到薄膜硅光电转换模板的工业生产时，极大地提高了生产力和器件的优越性能。具体来说，本发明既涉及到提高生产能力又涉及到降低在众多p-i-n型薄膜硅光电器件制作过程中的单室交叉污染。本发明提供了制作薄膜硅光电转换器件的最简单、经济的设备和方法。
本发明的一个关键在于应用一个置放于一个较大真空室中的等离子箱。这一等离子箱由许多个便于同时在多个区域产生等离子体的电极组成。等离子箱内部表面大部分被基板覆盖，所以大部分电极表面不会形成掺杂薄膜。每次被镀膜的基板被下一批新(未镀膜的)基板所替换，等离子箱保持几乎完全干净地被再次投入使用。等离子箱不需要在所有薄膜硅层沉积之间或之后进行专门的去污染程序。这种在完全固定(无基板移动)的模式下用等离子箱单个真空室(单室)法制造薄膜硅光电转换器件使得可以在不影响产品质量和产量的情况下进行高产量、低设备成本的生产。所以，等离子箱的使用既降低了交叉污染又提高了制造薄膜硅光电器件的生产力。
一种根据本发明制造基于薄膜硅的光电转换器件的方法是一种生产具有由PECVD过程形成的一个p型硅薄膜(p层)、一个非掺杂的或i型硅薄膜(i层，也被称为太阳能电池的吸收层)和一个n型硅薄膜(n层)组成的多层结构的单结或叠式(双结)基于硅的p-i-n型太阳能电池。对于单结p-i-n型太阳能电池，方法包括先后在相同真空室中相同等离子箱里的众多基板上同时沉积p层、i层和n层的步骤。制造由两个薄膜硅p-i-n光电单元组成的叠式太阳能电池的方法包括先后在相同真空室中相同等离子箱里的众多基板上同时沉积p层、i层和n层，暂时疏散和以气体冲释真空室以消除残留在真空室中n型和p型掺杂残余物的影响；并且用相似或不同的镀膜配方沉积第二组p层、i层和n层。
根据本发明，具有p-i-n结构的硅薄膜可以用相同的为PECVD系统重要组成部分的等离子箱重复形成，不需要频繁清理来消除残留掺杂剂的影响，所以高性能的基于薄膜硅的光电转换器件可以被低成本高产量地生产。
本发明提供的等离子箱，允许在单一真空室中的单个等离子体反应器中，在大量基板上同时连续沉积光电转换器件中的所有非掺杂的和掺杂的硅薄膜。如图4所示，等离子箱20由多个激发电极88、多个接地电极77和两个也是接地电极的侧壁板77A组成。所有平坦的电极77，77A和88被互相平行地保持预定距离地垂直组装起来。激发电极88和接地电极77被交替放置，每一个都夹在两个相反极性的电极之间。所述电极77和88的两个平坦表面都可以放置被用于镀膜的基板3。侧壁77A只能在它内部表面(等离子箱20的内壁)放置一个基板。辉光放电等离子体在镀膜过程中两个相邻电极之间的区域31中形成。等离子箱20中的激发电极88的数量根据系统设计要求可以是任何整数，例如2，4，5，6，8，12等等。为了说明，图4显示了4个激发电极88。实际上，最好是使用更多的激发电极，因为一次可在更大量的基板上镀膜，提高PECVD设备的生产力。激发电极88与等离子箱20的其余部分被绝缘体61和62隔离。被屏蔽的电缆86被用于将激发电极88连接到真空室10外部的电源89上。等离子箱20顶部的喷淋板(布气板、showerhead)50为放置在电极上的基板3之间的多个区域31，均匀分散地引入气体原材料。两个前后门被垂直放置在电极排列的两端(图中没有显示)，将引入气体的流动限制于等离子体区域31中。真空室10上的进气口53A通过一个金属软管连接到等离子箱顶部的喷淋器50的进气口53上。源气体混合物，例如硅烷(SiH4)和氢气(H2)通过53A和53被引入等离子箱20中，从喷淋板50底部的诸多孔隙55中流下来，沿着间隙区31流动，从低部结构90的中空部分91流出到等离子箱20和真空室10内壁之间的空间中，并由出气口16被排出真空室。电加热器被附加在真空室10的壁面上，用来提高或保持整个真空室10和等离子箱20的温度。其它部件可被添加到等离子箱20中，例如可让等离子箱移动的滚轮96。图4显示的等离子箱可以容纳规模大于1平方米玻璃基板。
在相反电极之间的等离子体区域31负责生成含有硅的镀膜反应物质。因为等离子体可以在相邻电极间的每一个区域31中形成，每个等离子体接触的电极表面都能够用于在基板上镀膜。根据本发明，在等离子箱20中，电极的接触等离子体的所有大面积平坦表面均可被基板3所覆盖。因为所有基板在每一轮镀膜过程后被大批未镀膜的新基板所替换，所以等离子箱20的内部电极表面在各种硅薄膜重复镀膜后保持相当干净。因此，等离子箱20可以避免在电极表面大量产生镀膜。与其它PECVD系统相比，反应器中重复镀膜之后的硅薄膜积聚率低是等离子箱20的一个至关重要的内在优势。等离子箱20可被用于多轮薄膜硅光电转换器件的生产而不需要被清理，这大大缩短了PECVD系统操作中的停产时间。
因为其内部表面绝大多数都暴露在等离子体中，所以残留掺杂剂的影响在等离子箱20中可以被最小化。在一个新的等离子体周期的开始，在这些基板上先形成的薄膜立即被所述基板上新生成的薄膜所覆盖。新生成的薄膜阻止了先形成或吸附的杂质和掺杂种类逸出。例如，在制备硅薄膜p-i-n型光电电池过程中，在等离子箱20中形成的p型硅(p层)立即在等离子体形成初期被i层覆盖，所以等离子箱20中硼残留的影响被大大遏制了。等离子箱中交叉污染情况轻微的另一个重要原因是等离子箱20的侧壁77A、喷淋板50和(这里没有显示的)前后门相当紧密的组装在一起。所以当高流量的源气体混合物被引入等离子箱时，气体被迫从喷淋板50的顶部移动到等离子箱的底部然后通过中空部分91进入真空室10里。等离子箱中的气压比真空室中其它空间的气压要略微高一些。因此，杂质不易从等离子箱外面的区域逸散到等离子箱20的内部而影响形成的硅薄膜的性能。通过采取适当的操作程序，等离子箱的上述特征，让在相同真空室里的相同等离子箱中，不需要层间清理、连续制造性能卓越的p-i-n型薄膜硅光电器件具有很高的可行性。这就是生产薄膜硅太阳能电池的“单室镀膜”法。
大规模电极并行、大批量镀膜是等离子箱技术的一个内在优势。等离子箱的设计为等离子体反应器提供了最大镀膜表面。换句话说，相比于其他同等大小的不同设计的等离子体反应器，等离子箱能够容纳最多的基板。每个等离子箱含有多个激发电极，并且每个激发电极88能够在与其相邻的两个区域31中产生等离子体并在4块基板上镀膜。例如，一个含有10个激发电极的等离子箱可以同时承载并处理40块基板。等离子箱的镀膜生产能力是非凡的、无与伦比的，达到了不用昂贵的设备而高产量地制造薄膜硅光电转换器件的目的。
因为与等离子体区域31接触的大部分表面地区被基板3所覆盖，等离子箱20具有一个相关特征源气体的利用率高，因此相比于大部分薄膜沉积在电极和反应器内壁上的传统PECVD系统，没有产生镀膜浪费情况。
等离子箱20的操作控制和设备运行性能卓越，其原因之一是多个平行激发电极具有容错性。每个激发电极88被独立地由一个与阻抗匹配器相连接的专门电源供能。当与一个特定电源连接的一个电路遇到问题，例如短路或基板破损影响辉光放电时，等离子箱中所有其他的电路仍能够继续不间断地进行镀膜。等离子箱对局部故障的容许性是其生产薄膜硅光电转换器件的一个明显优势。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
图1显示了一个p-i-n型薄膜硅单结光电转换器件的层状结构。
图2显示了一个由两个p-i-n光电单元构成的基于薄膜硅的双结太阳能电池的层状结构。
图3是一个采用了一对平行板状电极的传统也容耦合式PECVD系统的示意图。
图4是一个使用被放置了大量基板的大型等离子箱的单室PECVD系统的截面图。
图5是一个根据本发明制造薄膜硅光电转换器件的流程图。
具体实施例方式 流程图5显示了一个典型的生产程序，用于采用图4所示的PECVD系统制造一个叠式双结薄膜硅p-i-n型光电器件(如图2所示)。这个生产步骤作为一个本发明应用例子描述如下。第一步S1，镀上氧化锡前电极的玻璃基板3被放入固定放置在被预热到高于200℃温度的单个真空室10里的等离子箱20中。第二步S2，真空室被干泵抽真空使气压低于8×10-6mbar。与此同时，真空室10的加热功率被调整，这样真空室内部的温度(包括等离子箱20内部的温度)稳定保持在预定值160℃-260℃之间。多个温度传感器被放置在真空室10内部的不同点上，包括含有基板3的离子体箱20内部，以保证良好的均匀温度。
第三步S3是形成图2所示的由p1(6)，i1(8)和n1(9)组成的首结电池。第一，由硅烷、具有硅烷体积比例为0.5％的p型掺杂气体乙硼烷(B2H6)、甲烷和氢气组成的气体混合物被引入到等离子箱中。当真空室10内部的气压保持在预定值0.4-12mbar之间时，激发电极88被高频电源89激发(最好用13.56兆赫的射频电源)。此时，等离子体(辉光放电)在任何两个相邻电极77A、88和77之间的所有区域31中形成并保持，硼掺杂的非晶硅碳p层(6)被同时在所有的基板上沉积。电源89在预定时间后被关掉。然后上述气体的进气阀门被关掉，高纯度的氩气被立即引入真空室中以冲释掉等离子箱中的硼残留物。十到二十分钟的氩气冲释之后，氩气流停止，含有高纯度的硅烷和氢气的气体混合物被引入到等离子箱20中。一旦气压稳定，电源89就打开为激发电极88供能，在预定时间内，非晶硅转换层i1(8)同时沉积在所有的基板3上。这之后不需要气体冲释，立刻向所述的PECVD系统引入由硅烷、硅烷体积比率为0.5％的n型掺杂气体磷化氢(PH3)和氢气组成的气体混合物，一旦气压稳定，就启动等离子体而形成n1层(9)。镀膜之后，气体混合物的输入立即终止。
第四步S4，准备形成如图2所示底部p2-i2-n2(26-28-29)光电单元。为消除残留在等离子箱里的n型杂质的影响，氩气被引入真空系统中，并持续5-90分钟。氩气冲释之后，最好真空室被高速真空泵例如涡轮分子泵抽真空以致使气压低于5×10-6mbar。
第五步S5，重复上面步骤S3所描写的p-i-n光伏单元的制作过程，依序形成硅薄膜p2，i2和n2(图2中的薄膜硅层26，28和29)，从而获得双结光电器件。这里使用的镀膜配方与步骤3不同，可以改变的参数包括源气体混合物的成分(例如掺杂剂浓度和氢气浓度)、镀膜时间、为激发电极88提供的高频功率、气压等等。至此，叠式薄膜硅光电转换器件中的所有硅层已完全在本发明所采用的等离子箱PECVD系统中形成。
第六步S6，镀有p1-i1-n1-p2-i2-n2(图2的6-8-9-26-28-29)硅薄膜的多个基板3被从等离子箱20中移出，多个新基板被放入等离子箱中开始进行下一轮生产。在取出和装载基板的过程中，加热器保持提供热量，从而真空室壁的温度一直保持在200℃以上。等离子箱只需要在多次重复使用后被清理，例如，在上述薄膜硅叠式光电器件30轮镀膜之后。如此一来，等离子箱可被长时间运行，体现其卓越生产力。第六步S6的一个有益作用是自动中和真空室10和等离子箱20内部与空气接触的大部分和磷类杂质。含水分的热空气和氧气自动与磷残留物反应并氧化镀在真空室和等离子箱上的n型薄膜。因此，S6自动作为反应室清理过程，这样前一轮镀膜的残留掺杂剂的有害影响被大大消除了。
具有图1所示结构的薄膜硅单结p-i-n型光电转换器件，可通过免掉上述过程的第四步(S4)和第五步(S5)而形成，这比双结器件的制作要容易许多。也就是，采用如图4的PECVD系统和图5的S1，S2，S3和S6连续步骤，可以形成单结薄膜硅光电转换器件。
通过重复如图5所示程序中的步骤S4和S5，三结光电转换器件可以被制成。也就是根据本发明采用一个加入等离子箱的PECVD系统按照一系列的步骤S1，S2，S3，S4，S5，S4，S5和S6，可以获得由三个p-i-n光电元件叠加而成的三结太阳能电池。相比于被用于形成三结薄膜硅光电器件中间结的前一个S5步骤，上述次序中的后一个S5步骤(用于沉积三结器件中的最后一结)，可以采用不同的镀膜配方生产最后一组p、i、n薄膜。
权利要求
1. 一个PECVD装置，用来形成基于氢化硅薄膜的p-i-n型光电转换器件，由以下部分组成
a)一个真空室；
b)一个等离子箱，含有多个激发电极；
c)加热所述真空室和等离子箱到预定温度的手段；
d)一个真空抽气系统，由真空泵、抽气管、阀门和一个节流阀组成；
e)多个高频电源和相应的阻抗匹配器，通过被屏蔽电缆连接到所述等离子箱内的多个激发电极；
f)有控制的将源气体混合物引入所述等离子箱的手段。所述源气体混合物包括至少一种含硅气体，从而在等离子箱中进行硅薄膜沉积；
g)从所述真空室中排出气体的手段；
h)处理从所述真空室中排出的气体的器具。
该PECVD装置的特征在于它使用的等离子箱可同时为许多个大型基板镀膜，所述等离子箱的构成包括如下主要部分
i.多个电极，具有平坦长板形状，它们分别为交替放置的多个接地电极和多个激发电极，被平行等距离地垂直排列；
ii.在每个所述多个电极上承载至少一块基板的手段；
iii.为所述多个激发电极提供的与等离子箱其它部分电绝缘的手段；
iv.向所述多个激发电极提供高频电能的手段；
v.将所述多个接地电极接地的手段，从而使得相邻的接地电极和激发电极之间形成等离子体辉光放电；
vi.引入源气体混合物到所述等离子箱中的手段，致使当激发电极被高频电能激发时在等离子箱中形成硅薄膜；
vii.一个均匀散布所述源气体混合物的具有孔穴的喷淋板；
viii.一对前后门，用来将所述基板置入或移出所述等离子箱；
ix.从所述等离子箱中排出反应后的气体的手段。
2. 一个PECVD镀膜方法，其特征在于它使用权利要求1所描述的PECVD装置，用于沉积一个氢化硅薄膜，该沉积过程由以下步骤组成
a)在所述等离子箱中放置多个基板；
b)提供预热和加热，使所述等离子箱中的多个基板达到并维持在预定的温度；
c)对所述真空室进行真空抽气，以创造一个初始真空环境；
d)向所述等离子箱中提供一种指定的源气体混合物，包括至少一种含硅气体，例如硅烷；
e)将所述真空室中的气压保持在预置水平；
f)向所述等离子箱中的激发电极提供高频电能，形成辉光放电，导致氢化硅薄膜在所述多个基板上同时形成；
g)将反应后的气体从所述真空室中抽出、排放；
h)从所述等离子箱中取出所述多个基板。
3. 根据权利要求2所述的PECVD镀膜方法，其特征在于该方法用于形成一个基于薄膜硅的含有一个p-i-n型光电单元的单结光电转换器件，其过程包括以下步骤
a)用包含了至少一种含硅气体、一种含硼和/或铝的p型掺杂气体和其它指定活性和稀释气体的源气体混合物来形成一个p层；
b)用不含任何掺杂气体的高纯度气体冲释所述等离子箱和真空室1-60分钟；
c)对所述真空室抽真空0-90分钟；
d)用包含了至少一种含硅气体、氢气和其它指定稀释气体的不含任何掺杂气体的源气体混合物来形成一个i层；
e)用包含了至少一种含硅气体、一种含磷和/或砷的n型掺杂气体、氢气和其它指定活性和稀释气体的源气体混合物来形成一个n层。
4. 根据权利要求3所述的PECVD镀膜方法，其特征在于它用来制造由两个依序沉积的p-i-n型光电单元叠加而成的双结光电转换器件，它的实施包括以下步骤
a)在所述多个基板上形成第一个p-i-n型光电单元；
b)用不含任何掺杂气体的高纯度气体冲释等离子箱和真空室0-90分钟；
c)对所述真空室抽真空0-90分钟；
d)在相同的所述多个基板上形成第二个p-i-n型光电单元。
5. 根据权利要求4所述的PECVD镀膜方法，其特征在于所述第一个p-i-n型光电单元的i层和所述第二个p-i-n型光电单元的i层都是由氢化非晶硅构成。
6. 根据权利要求4所述的PECVD镀膜方法，其特征在于所述第二个p-i-n型光电单元包含一个由纳米晶硅构成的i层。
7. 根据权利要求1所述的PECVD装置，其特征在于所述多个激发电极的数量不少于8个。
8. 根据权利要求1所述的PECVD装置，其特征在于任何一个所述多个电极的面积都大于1平方米。
全文摘要
本发明公开了一个制作薄膜硅光电转换器件的设备和方法。所使用的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)系统，由单一真空室和其中置放的承载多个基板的等离子箱构成。一种制造基于氢化硅薄膜的p-i-n型光电转换器件的方法包括以下步骤在同一真空室里固定放置在同一等离子箱中的多数基板上依序生成一个p型、一个i型和一个n型薄膜硅层。在各膜层沉积过程之间不需对设备进行清理，而不会导致i层的交叉污染。上述步骤可以在相同基板上重复进行来获得多结光电器件。本方法具有不可比拟的低成本和高产量的优势。
文档编号C23C16/513GK101245448SQ20071000508
公开日2008年8月20日 申请日期2007年2月14日 优先权日2007年2月14日
发明者李沅民, 昕 马 申请人:北京行者多媒体科技有限公司