专利名称：用于形成光伏器件的背反射层的工艺的制作方法
技术领域：
本发明大体而言涉及薄膜光伏(PV)器件，且更具体地说涉及一种用于形成薄膜 PV器件的具有高织构和高反射率的背反射层的改善型工艺。更特定来说，本发明提供一种 用于形成一改善型背反射层的工艺，并考虑到对该背反射层织构与反射率的更好控制。
背景技术：
近些年来，薄膜PV器件已经得到了深入的研究和发展，其可以通过在低成本基板 (诸如，玻璃、不锈钢等)上形成薄膜PV半导体材料(诸如，薄膜硅基非晶硅(a-Si))来生产。图1图示现有技术中已知的制作在金属基板12上的a-Si基薄膜PV器件10。该 金属基板12被覆盖了一常规的背反射层14。该背反射层14包括覆盖着一透明且导电的 氧化物(TCO)阻挡层18的一金属层16。接着，一 a-Si基半导体材料20和一前接触TCO层 22安置在背反射层14的顶部。背反射层14通常应用在半导体材料20的下面以改善器件10的性能。在此种布 置中，背反射层14将已透过但还没有被吸收的部分日光反射回半导体材料20以进一步吸 收。背反射层14也可以利用具有高织构的一金属层以进行更好地光散射和捕集。为了降低制造PV器件的成本和减轻该PV器件的光诱导退化，该PV器件的半导体 材料吸收器层不可以太厚。另一方面，薄的吸收器层不能成本有效地将太阳光转换为电能。 因此，改善PV器件性能的一种方式为增加来自背反射层的漫反射(增加散射)。归因于增强 的内部反射，漫反射率导致更多的光吸收。然而，沉积一高织构背反射层和控制该织构不是 一件容易的事。因此，迫切需要一种对生产并控制在PV器件中沉积高织构背反射层的方法。
发明内容
本发明提供了一种用于形成光伏器件的有织构的背反射层的工艺。在一实施例中，该工艺包括提供一移动基板的步骤。该工艺包括将该基板定位在 一沉积腔室内的步骤。该工艺还包括溅射定位于该沉积腔室内的一金属或一金属合金靶以 生产溅射材料的步骤。另外，该工艺包括将混合有氩气的一反应气体引入到该沉积腔室中 的步骤。该反应气体和溅射的金属或金属合金材料形成一合金层。该合金层形成在该基板 上，并在该基板上形成一有织构的表面。在另一实施例中，用于形成光伏器件的有织构的背反射层的该工艺包括在大约 400°C下提供一不锈钢基板的步骤。该工艺还包括提供一沉积腔室的步骤。该基板在该腔 室内以介于每分钟5到100英寸的速率移动。另外，该工艺包括提供包含铝的一金属靶和2/6页
溅射该金属靶以生产溅射材料的步骤。一反应气体被连续地引入到该沉积腔室中以与该溅 射材料反应。通过该反应气体和溅射材料的反应，一合金层形成在该基板上。该合金层具 有至少60 nm的RMS表面粗糙度和至少38%的漫反射。
图1为现有技术中已知的PV器件； 图2为本发明的PV器件；
图3为本发明一实施例的剖视图4为漫反射系数与部分电磁波谱的曲线图5a为由本发明一实施例制成的一金属合金层的AFM图像；
图5b为由本发明一实施例制成的一金属合金层的AFM图像；
图5c为由本发明一实施例制成的一金属合金层的AFM图像；
图5d为由本发明一实施例制成的一金属合金层的AFM图像；
图6为表2中实例5至实例7的漫反射系数与部分电磁波谱的曲线图7为表2中实例5至实例7的总反射系数与部分电磁波谱的曲线图8a为由本发明一实施例制成的一金属合金层的AFM图像；
图8b为由本发明一实施例制成的一金属合金层的AFM图像；
图8c为由本发明一实施例制成的一金属合金层的AFM图像；及
图9为描绘表格3中实例8至实例10的漫反射系数与O2/氩气混合物流速的曲线图。图中10、PV器件；12、金属基板；14、背反射层；16、金属层；18、氧化物(TCO)阻 挡层；20、半导体材料；22、前接触TCO层；24、PV器件；26、基板；28、背反射层；30、半导体 材料；32、前接触TCO层；34、合金层；36、光反射层；38、沉积腔室；40、金属或金属合金溅射 靶；42、清洗腔室；44、桥接腔室；46、溅射靶；48、沉积腔室38的部分；50、阻挡层；52、溅射
具体实施例方式应了解，本发明可以采用各种替代取向和步骤顺序，除非明确陈述了相反的情况。 也应了解，在以下说明书中所图示和描述的具体实施例和工艺仅仅是附加权利要求中所定 义的发明构思的示范性实施例。例如，虽然本发明将结合a-Si来描述，但是本发明并非被 如此限定的。同样地，本发明也可以应用于具有至少一个单接面的碲化镉(CdTe)单接面、 非晶硅锗(a-SiGe )、晶体硅(c-Si )、微晶硅(mc-Si )、非晶体硅(nc-Si )、铜铟硫(CIS2)或铜 铟镓(di)硒(CIGS)的PV器件。另外，虽然本发明将用一基板来描述，应了解，其也可以被 结合一覆板来利用。图2图示现有技术水平中形成在一基板26上的a-Si基薄膜PV器件24，基板26 涂覆有具有高漫反射的一有织构的背反射层28。在一实施例中，该PV器件24包括用于电 背接触和器件支撑的一基板26、一有织构的背反射层28、a-Si基PV半导体材料30和一前 接触TCO层32。在一实施例中，该基板为金属的，且优选为一不锈钢箔。在另一实施例中， 该PV器件24包括一聚合基板而不是一金属基板。该有织构的背反射层28沉积在基板26之上，并在其上提供一有织构的和导电的表面。优选地，该有织构的背反射层28直接沉积在基板26上。有织构的背反射层28包括 一合金层34。优选地，合金层34为一金属合金层。在一实施例中，有织构的背反射层28进 一步包括沉积在金属合金层34之上的一光反射层36，即，在金属合金层34与基板26间隔 开的一侧。光反射层36包括具有比金属合金层34更高的可见光反射率的至少一种材料。优 选地，该光反射层36的可见光反射率大于等于90%。在一实施例中，光反射层36选自由铝、 银、铜、钯及其组合的群组。在该实施例中，金属合金层34和光反射层36提供了一种组合 效益，其使得该有织构的背反射层28生产出更高的总的漫反射。该有织构的背反射层28可以由用于沉积薄膜的一工艺形成。如图3所示，用于形 成该有织构的背反射层28的该工艺包括提供基板26和将该基板26定位在一沉积腔室38 内的步骤。在一实施例中，该薄膜沉积工艺为溅射，优选地为磁控溅射。在该实施例中，可以 在低压下执行该溅射工艺。例如，沉积金属合金层34是在沉积腔室38中在大约2-20毫托 的压力下进行的。优选地，沉积腔室38中的压力为约3毫托到约15毫托。然而，应了解， 其他薄膜沉积方法可以用于形成PV器件24，包括用于沉积有织构的背反射层28。沉积腔室38具有惰性气氛，优选为氩气(Ar)，且维持在介于大约10(TC至50(TC之 间的一温度下，优选为介于大约100°C至430°C之间，且更优选地为在大约400°C的温度下。 因此，基板26也可处于介于大约100°C至500°C之间的温度下，且优选地处于大约400°C的 温度下。另外，定位在沉积腔室38内的为用作形成金属合金层34的材料的至少一个金属 或金属合金溅射靶40。在一实施例中，该(等)金属或金属合金溅射靶40包括铝。在该实 施例中，该(等)金属或金属合金溅射靶40可以为大体上纯的铝或铝合金，优选地为Al-Si 合金。然而，其他材料(诸如银)可与铝一起使用或替代铝来沉积金属合金层34。如上所述，用于形成有织构的背反射层28的该工艺包括提供基板26的步骤。在 一实施例中，基板26随着有织构的背反射层28被沉积而移动。在该实施例中，基板26可 以经移动作为用于形成薄膜PV器件的卷对卷工艺的一部分。优选地，基板26以至少每分 钟6英寸的速率移动。在一实施例中，基板26以介于每分钟5英寸至每分钟100英寸之间 的速率移动。优选地，基板26以介于每分钟24英寸至每分钟60英寸的速率移动。在进入沉积腔室38之前，最好移除PV器件24将要形成处的基板26的表面上的 任何表面污染。如图3所示，这可以通过提供在沉积腔室38上游的清洗腔室42来完成，其 使用Ar与氧气(O2)的一气体混合物来清洗基板26。优选地，清洗腔室42与沉积腔室38 成流体连通。可在清洗腔室42与沉积腔室38之间提供一桥接腔室44以防止来自清洗腔 室42的气流进入沉积腔室38。通常，将一吹扫气引入到桥接腔室44以防止清洗腔室气体 (02、H2O等)与沉积腔室气体混合。在沉积腔室38内，可以通过产生已电离Ar原子的等离子体来开始形成金属合金 层34的步骤。已电离的Ar原子连续地击打该金属或金属合金靶以生产溅射材料。在一实 施例中，其中至少一个金属或金属合金溅射靶40定位在沉积腔室38内，该溅射材料沿金属 合金层34沉积的该基板沉积表面方向从该靶表面排出。可以按类似方式利用包括所想要 的光反射层材料的溅射靶46来形成光反射层36。用于形成有织构的背反射层28的该工艺还包括将一反应气体引入到沉积腔室38中的步骤。该反应气体和溅射材料反应形成金属合金层34。优选地，反应气/Ar气的混合 物作为反应气体被引入到具有Ar的沉积腔室38中。在一实施例中，该反应气体为一氧化 性气体。在另一实施例中，反应气体包含0和OH原子及离子。在这些实施例中，该反应气 体可以包括水蒸汽(H20)、02或其组合。在一另一实施例中，该反应气体选自由02、H20及氮 气(N2)组成的群组。如上所述，因为基板26在沉积腔室38中移动并穿过沉积腔室38，该反应气体必须 被连续地引入到沉积腔室38中。视所想要的背反射层28的织构而定，可以一固定流速或 可变流速将该反应气体引入到沉积腔室38。如图3中所描绘的，在一实施例中，该反应气体 可以被直接引入到沉积腔室38。在该实施例中，优选地，该反应气体被以均勻的方式横跨基 板26的宽度引入到沉积腔室38。然而，在一实施例中，该反应气体可以被引入到清洗腔室 42，并经允许横穿桥接腔室44以被引入到沉积腔室38。在另一实施例中，该反应气体可以 被引入到桥接腔室44，或该桥接腔室吹扫气体被从此处引入到沉积腔室38。返回参阅图2，在一实施例中，该有织构的背反射层28包括金属合金层34和光反 射层36。背反射层织构主要由金属合金层织构来提供。该金属合金层织构也是造成光散射 或漫反射的原因。金属合金层34的织构可以由靶材料选择及反应气体的流速来控制。因 此，优选地，该反应气体被以控制流量的方式引入到沉积腔室38中。在该实施例中，可以利 用一质量流量控制器。沉积腔室内的反应气体的数量和/或浓度也可由一残余气体分析仪 (RGA)来监测。因此，可通过监测并维持沉积腔室38内反应气体的浓度，及增加和/或减少 反应气体流来完成背反射层28的织构的控制，以达成一想要的织构。在一实施例中，金属合金层34和光反射层36沉积在相同的沉积腔室38中。在该 实施例中，该反应气体大体上并不与用以形成光反射层36的该溅射材料反应。防止该反 应气体大体上与用以形成光反射层36的该材料反应可以由几种方式来达成。在一实施例 中，选择用以形成光反射层36的材料以便当暴露于反应气体时该光反射层不会受到明显 变化，并将继续反射可见光和最小化散射损失。在另一实施例中，沉积腔室38可以被隔开 以抑制反应气体流进入沉积腔室38的光反射层36形成处的部分。在又一实施例中，反应 气体被引入到邻接于该至少一个金属或金属合金靶40的沉积腔室38的一部分48。沉积腔 室38的该部分48也可以邻接于基板26进入沉积腔室38的该位置。当半导体材料30直接沉积在金属合金层34或光反射层36上时，a-Si半导体材 料30和金属合金层34与光反射层36之间的相互扩散可能会发生。因此，如图2中所指示 的，该有织构的背反射层28可以进一步包括一阻挡层50，该阻挡层50可以沉积在a-Si半 导体材料30和金属合金层34或光反射层36之间以防止此种相互扩散，即，在金属合金层 34或光发射层36的与基板26间隔开的该侧。优选地，利用如上所述的该溅射工艺来形成 阻挡层50，且优选地，用包括所想要的阻挡层材料的溅射靶52。优选地，阻挡层50为一 TCO阻挡层。在一实施例中，该TCO阻挡层50包括氧化锌 或铝掺杂氧化锌。该TCO层可以沉积到有100-2000纳米(nm)的厚度，优选地为300 nm的 厚度。然而，应了解，其他阻挡层材料可以用于实践本发明。实例
以下给出的实例仅为了进一步说明和揭示本发明的目的，且并非被理解为对本发明的 限制。
除非另有指示，以下实验条件适合于实例1至实例10。具有一阴极、一大体上纯铝的金属靶及磁控溅射能力的一沉积腔室被提供。该沉 积腔室具有Ar气氛，且被维持在大约6毫托的压力下。一 36英寸的宽的不锈钢基板在该沉积腔室内移动，且被加热至大约430°C。对于 实例1至实例3，该基板以每分钟6英寸的速率在该沉积腔室内移动并穿过该沉积腔室。对 于实例1至实例3，铝阴极的功率为大约14 KW，且该铝金属合金层被沉积大约300 nm的厚 度。对于实例4，该基板以每分钟8英寸的速率在该沉积腔室内移动并穿过该沉积腔室，且 该铝阴极的功率为大约18. 1 KW，且该铝金属合金层被沉积大约300 nm的厚度。对于实例5至实例7，该基板以每分钟18英寸的速率在该沉积腔室内移动并穿过 该沉积腔室。另外，对于实例5至实例7，该铝阴极的功率为大约39 KW，且该铝金属合金层 被沉积大约300 nm的厚度。对于实例8至实例10，该基板以每分钟12英寸的速率在该沉 积腔室内移动并穿过该沉积腔室，且该铝阴极的功率为大约18 KW，且该铝金属合金层被沉 积大约300 nm的厚度。对于实例1至实例10，该不锈钢基板定位在沉积腔室中的该阴极和金属靶之上。一溅射沉积工艺由产生已电离的Ar原子的等离子体来发起。铝金属靶被已电离 的Ar原子不断地击打。该溅射铝从该靶表面沿该基板表面方向排出。在进入沉积腔室之前，该基板移动穿过一清洗腔室以除去表面污染。该清洗腔室 与沉积腔室成流体连通。如上所述和图3中所示，该清洗腔室可以通过一桥接腔室连接至 沉积腔室，且一吹扫气体被引入到该桥接腔室以防止该清洗腔室气体与沉积腔室气体混 合。在实例1至实例4中，氧气作为80/20的Ar/Ojg合物被连续地引入到该清洗腔室。在 实例1中，该吹扫气为流速为180 sccm的Ar。在实例2中，该吹扫气为流速为90 sccm的 Ar。在实例3中，该吹扫气为流速为45 sccm的Ar。在实例4中，该吹扫气流速为45 sccm 的Ar。通过降低进入桥接腔室中的吹扫气流速，可以增加并变化进入沉积腔室中的反应气 体(例如O2和/或H2O)的流速。在实例5至实例7中，反应气体为H2O (水蒸汽)，且其被直接引入到该沉积腔室邻 接于该基板进入沉积腔室的位置处。用一质量流量控制器来控制该反应气体的流速。水蒸 气压经由连接至该沉积腔室的一 RGA来监测。该H2O蒸气压在4. 1 E-5托至7. 4 E-5托之 间变化。在实例8至实例10中，该反应气体为02/Ar，且他们被引入到该基板进入该沉积腔 室的位置处。用一质量流量控制器来控制该反应气体的流速。流量在3 sccm至10 sccm 之间变化。如上所述的溅射材料、反应气体、沉淀条件使得一合金层形成在该基板的表面上，其 如表格1、表格2及表格3中所概括的，提供具有改善的表面粗糙度及漫反射的一背反射层。表格1 沉积在一不锈钢基板上的铝金属合金层
实 例表面粗糙度RMS (nm)600nm处的漫反射率800nm处的漫反射率IOOOnm处的漫反射率80/20氩气/氧气混合物的流速14428%18%17%2026438%55%38%403107. 680%72%82%4047076%59%56%40RMS (root-mean-square roughness )均方根粗糙度
在实例1中，被引入清洗腔室的Ar/Ojg合物中的氧气并不进入沉积腔室。然而，通过增加该Ar/02混合物的流速及降低该吹扫气流速，进入沉积腔室的O2的量增加。如表格1 中所图示的，随着Ar/02混合物的流速的增加及吹扫气流速的降低，漫反射增加。如图4和 表格1所示，当在1000 nm电磁波谱处测量时，该铝合金层的漫反射增加大约55个百分点。如图5b至图5d所示的实例2至实例4的条件生产具有比由图5a所示的实例1的 条件生产的颗粒大小更大的晶粒尺寸的一有织构的背反射层。另外，实例2至实例4的有 织构的背反射层包括一铝和O2的金属合金层。该金属合金层在该基板上提供一织构表面， 其反射光的可见波长并提供改善的可见光散射。表格2 沉积在一不锈钢基板上的铝金属合金层
实例RGAH2O蒸气压(托)830nm处的漫反射率830nm处的全反射率54. 1E-515. 8%80. 5%65. 1E-527. 8%76. 2%77. 4E-535. 2%73. 3%
表格3 沉积在一不锈钢基板上的铝金属合金层
权利要求
1.一种用于形成一光伏器件的一有织构的背反射层的工艺，包括以下步骤 提供一移动基板；将该基板定位在一沉积腔室内；溅射定位在该沉积腔室内的一金属或一金属合金靶以生产溅射材料；及 将混合有氩气的一反应气体引入到该沉积腔室，其中该反应气体和该溅射金属或金属 合金材料形成一合金层，该合金层形成在该基板上，并在该基板上形成一有织构的表面。
2.如权利要求1所述的工艺，其中该反应气体包含0和OH原子。
3.如权利要求1所述的工艺，其中该基板为一不锈钢箔。
4.如权利要求1所述的工艺，其中该基板以至少每分钟6英寸的速率移动。
5.如权利要求1所述的工艺，其中该基板处于约100°C到约500°C的一温度下。
6.如权利要求1所述的工艺，其中该沉积腔室处于约3毫托到约15毫托的一压力下。
7.如权利要求1所述的工艺，其中该合金层为导电的。
8.如权利要求1所述的工艺，进一步包括通过连续地将大量反应气体引入到该沉积腔 室来控制合金层织构的步骤。
9.如权利要求1所述的工艺，其中该反应气体被以均勻的方式横跨该基板的宽度引入 到该沉积腔室。
10.如权利要求1所述的工艺，其中该反应气体被以一固定流速引入到该沉积腔室。
11.如权利要求1所述的工艺，其中该反应气体被以一可变流速引入到该沉积腔室。
12.如权利要求1所述的工艺，其中该反应气体选自由02、H20和N2组成的群组。
13.如权利要求1所述的工艺，其中该金属或金属合金靶包括一铝合金，或为大体上纯 的铝。
14.如权利要求1所述的工艺，进一步包括将一光反射层沉积在该合金层与该基板间 隔开的该侧的步骤。
15.如权利要求1所述的工艺，进一步包括将一阻挡层沉积在该合金层与该基板间隔 开的该侧的步骤。
16.如权利要求1所述的工艺，其中该合金层具有至少60nm的RMS表面粗糙度，且具 有大约200 nm的厚度。
17.如权利要求1所述的工艺，进一步包括通过维持该沉积腔室中的反应气体的浓度 来控制合金层织构的步骤。
18.如权利要求16所述的工艺，其中该阻挡层包括氧化锌或铝掺杂氧化锌。
19.一种用于形成一光伏器件的一有织构的背反射层的工艺，包括以下步骤 在大约400°C下提供一不锈钢基板；提供一沉积腔室，其中该基板在该腔室内以介于每分钟5到100英寸的速率移动； 提供包括铝的一金属靶； 溅射该金属靶以生产溅射材料；连续地将一反应气体引入到该沉积腔室以与该溅射材料反应；及 通过该反应气体与溅射材料的反应在该基板上形成一合金层，其中该合金层具有至少 60 nm的RMS表面粗糙度和至少38%的漫反射。
20.如权利要求19所述的工艺，进一步包括在该合金层之上形成一光反射层以提供高于75%的总可见光反射和介于18%-35%之间的漫反射的步骤。
全文摘要
本发明提供了一种用于形成光伏器件的有织构的背反射层的工艺。该工艺包括以下步骤提供一移动基板；将该基板定位在一沉积腔室内；及溅射定位在该沉积腔室内的一金属或一金属合金靶以生产溅射材料。该工艺进一步包括将混合有氩气的一反应气体引入到该沉积腔室中的步骤。该反应气体和溅射的金属或金属合金材料形成一合金层。该合金层形成在该基板上，并在该基板上形成一有织构的表面。
文档编号C23C14/34GK102134701SQ201110025270
公开日2011年7月27日 申请日期2011年1月24日 优先权日2010年1月25日
发明者拉玛沙米·拉朱, 曹新民, 理查德·J·波德列斯内, 莎费悠·A·乔杜里 申请人:美国迅力光能公司