用于制作光伏电池结构的方法

专利名称：用于制作光伏电池结构的方法
用于制作光伏电池结构的方法本发明涉及一种用于制作光伏电池结构的方法，该光伏电池结构具有两个电极且 包含至少一个硅化合物层。定义
贯穿本说明书和权利要求，我们理解“硅化合物”是包含硅的材料。除了硅之外，该材料 进一步且另外包含至少一种元素。尤其是，作为示例的氢化硅以及碳化硅归入该定义。而 且，所述硅化合物可以是易于在光伏电池结构制作中应用的任意材料结构，尤其可以是非 晶或微晶结构。由此我们理解，如果材料结构在非晶基质中包含至少10%体积的、优选地大 于35%体积的晶体，则结构是微晶。光伏太阳能转换提供这样的预期提供环境友好的装置来产生电力。然而，在当前 状态，由光伏能量转换单元提供的电能仍明显比由常规发电站提供的电力更加昂贵。因此， 近年来，更划算地制作光伏能量转换单元的研发吸引了注意。在制作低成本太阳能电池的 不同方法中，薄膜硅太阳能电池组合了若干有利方面首先，薄膜硅太阳能电池可以基于诸 如等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)之类的薄膜沉积技术来制作，且因而提供这样的预 期与已知沉积技术协同以通过使用过去例如在其他薄膜沉积技术的领域中(诸如在显示 器制作部门中)实现的经验来减小制作成本。其次，薄膜硅太阳能电池可以实现高能量转换 效率，高达10%或更高。第三，用于制作薄膜硅基太阳能电池的主要原始材料是丰富和无毒 的。在用于制作薄膜硅太阳能电池或太阳能电池结构的各种方法中，特别地，由于例 如与单体电池相比太阳能照射谱的更好利用，两个或多个电池层叠的构思(例如也被称为 串接构思)提供实现超过10%的能量转换效率的预期。定义
贯穿本说明书和权利要求，我们理解，以Pin或nip配置的单体光伏电池为光伏电池的 “结构”、由以nip-nip或pin-pin配置的层叠电池组成的光伏电池的结构为具有两个层叠 电池的串接结构。因此，被组合为形成串接、三层或甚至更高级数的光伏电池结构的单体电池确实 全都包含本征硅化合物层，尤其是本征氢化硅层。定义
我们理解，“本征硅化合物材料”是中性掺杂(g卩，其中负掺杂被正掺杂补偿或反之亦 然)的硅化合物或者是沉积时未掺杂的这种硅化合物。所述本征硅化合物层可以是非晶结构或微晶结构。如果电池的这种本征层是非晶 的，则电池被称为非晶型a-Si，如果电池的i_层是微晶结构，则电池被称为微晶型μ c-Si。 在串接和更高级数的电池结构中，所有的电池可以是a-Si或yc-Si。通常，串接或更高级 数的电池结构提供混合型(a-Si和μ c-Si)的电池，以在光伏电池结构中利用两种电池类 型的优点。薄膜光伏电池结构包括第一电极、p-i-n或n-i-p结构中的一个或多个层叠的单 体电池以及第二电极。电极是为从电池结构导出(tap off)电流所必须的。
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图1示出基本的简单光伏单体电池40。它包含例如玻璃的透明基板41，透明导电 氧化物(TCO)层42沉积在其上且充当电极之一。该层在本领域中也称为“前接触”FC。接 下来是电池43的有源层。所例证的电池43在于与TCO相邻的正掺杂的层44的p-i-n结 构。后续层45是本征的且最后的层46是负掺杂的。在备选实施例中，描述的层序列p-i-n 可以反转为n-i-p。然后层44被η-掺杂且层46被ρ掺杂。最后，电池结构包含也称为“后接触”BC的背接触层47，其可以由氧化锌、氧化锡 或ITO制成且通常设置有反射层48。备选地，背接触可以由金属材料实现，该金属材料可以 组合背反射器48和后接触47的物理属性。图1中，用于说明目的，箭头指示入射光。对于串接光伏电池结构，在本领域中已知将对较短波长谱敏感的a-Si单体电池 与利用太阳能谱的较长波长的μ c-Si电池组合。然而，像a-Si/a-Si或μ c-Si/μ c_Si或 其他的组合可以用于光伏和尤其是太阳能电池结构。用于说明目的，图2示出光伏串接电 池结构。和图1的电池一样，它包含基板41以及作为第一电极的透明导电氧化物TCO层44， 该层如所述的那样也被称为前接触FC或前电极。电池结构还包含例如氢化硅43的第一电 池，其后者包含三层44、45和46，像图1的实施例中所述的层。还提供作为第二电极的背接 触层47以及反射层48。根据图2且如至今描述的结构的属性和需求已经结合图1的上下 文予以描述。该电池结构还包含例如氢化硅51的第二电池。后者包含三层52、53、M，它们 分别是正掺杂、本征和负掺杂层且形成第二电池的P-i-n结构。如图2所示，电池51可以 位于前接触层42和电池43之间，但是备选地，两个电池43和51可以关于它们的顺序被反 转，得到层和电池结构42、43、51、47。再次用于说目的，箭头指示入射光。从入射光的方向 考虑，一般提到“顶电池”(更靠近入射光)和“底电池”。在图2的示例中，电池51因而是 顶电池且电池53是底电池。在这种串接电池结构中，通常电池43和51均是a-si型的或 者电池51是a-Si型而电池43是μ c-Si型的。对于工业制作如上所述和例证的光伏电池结构，重复性是重要的先决条件。大量 的不同层必需一层一层地层叠。由此，针对沉积一层而建立的处理环境可能明显不同于针 对沉积下一随后层的处理环境。在一个沉积室中执行，这使在沉积第一所述层之后和在传 到沉积下一随后层之前处理环境的耗时的重新调节是必需的。因此，通常优选地在一个层 沉积室中执行第一层的沉积，且将沉积了所述层的产品传输到另一室以用于沉积下一层， 从而去除了相同室中重新调节工艺环境的必要性。由此，这种传输通常在环境空气中执行。 这明显简化了整体制作厂，且改善了建立各个沉积装置的相互协作的灵活性。而且，必须考虑，在制作光伏电池结构的过程中，可能希望在应用另一覆盖基板或 涂层之前中间地保存具有未覆盖硅化合物层的电池结构的中间产品。当例如基于与应用于 制作中间产品的所有处理完全不同的工艺来应用附加覆盖时，可能出现这种需要或希望。 因而，在整体制作中可能希望将具有无覆盖硅化合物层的中间产品长时间地暴露于环境空 气。对环境空气的任何暴露导致主要通过氧化效应影响产品的仍未覆盖的表面。因 此，在整体制作工艺中执行对环境空气的暴露，在那里这种氧化效应至少对光伏电池结构 的所得的光伏特性无害，或者甚至在那里，环境空气暴露的这种效应改善光伏电池结构特 性。因而，可以说，结构制作期间层表面的环境空气暴露通常是希望的。例如，从J. Loeffler 等人的 “Amorphous and micromorph silicon tandem cells with high open-circuitvoltage”，Solar Energy Materials and Solar Cells 87(2005)251-259 已知在沉积光伏 电池结构的宽能隙i_层和沉积μ c-Si η层之间引入第一空气间隔，且在沉积所述μ C-Si η层和沉积μ c-Si ρ层之间引入第二空气间隔。考虑到环境空气暴露对暴露的层表面的影响，必需考虑这种影响极大地依赖于占 优势的环境空气条件。因而，与在具有精确控制的处理环境的沉积室中执行的处理步骤相 对照，这种暴露呈现了不可控的处理步骤。在整体制作序列引入不可控的处理步骤(即对环 境空气的所述暴露)对光伏电池结构的重复性造成不利影响。本发明的目的是弥补所述缺
点ο这通过制作一种光伏电池结构的方法实现，该光伏电池结构具有两个电极且包含 至少一个硅化合物层，该方法包含
在对于所述一个硅化物层的载体结构上沉积所述硅化合物层，导致硅化合物层的 一个表面搁置在载体结构上，且硅化合物层的第二表面不被覆盖，
在预定含氧氛围中处理硅化合物层的第二表面，由此使得所述硅化合物层的所述 第二表面富集氧，以及
将所述富集的第二表面暴露于环境空气。通过在预定含氧氛围中处理硅化合物层的所述未覆盖表面，针对所述表面建立了 良好控制的工艺步骤，其使得所述表面基本对后序环境空气暴露免疫或者如果这种环境空 气暴露在所述处理之前应用则“压倒”环境空气暴露的影响。例如，通过将覆盖的基板从沉积室卸载到环境空气，基板通常仍处于明显高于环 境或室温的温度。依赖于占优势的环境空气条件，在硅层的未覆盖表面上发生不可预测的 氧化效应。这种氧化效应依赖于诸如气压、温度或空气湿度、暴露时间之类的不同环境空气 条件，尤其是气压、温度和湿度是不可控的。所述效应还依赖于占优势的基板温度。如果根 据本发明，含氧氛围中的处理步骤优选地在执行将表面暴露于环境空气的步骤之前以良好 预定和控制的方式执行，则发现环境空气暴露的剩余影响可以减小到可忽略。而且，在良好控制的条件下，在建立所述工艺之前的环境空气暴露的影响通常可 以通过控制的暴露步骤被重写而变得可忽略。因而，通过根据本发明的方法，通过调节处理参数精确控制新处理工件的氧化，使 得不管相应表面是否暴露于环境空气，产生用于工业生产的重复性结果。由此，应当考虑，通过根据本发明引入所述处理步骤，在光伏电池结构的工业制作 期间灵活地利用环境空气暴露变得可能。在根据本发明的方法的一个实施例中，通过在预定时间期间将第二表面暴露于包 含氧的预定气体氛围，执行所述处理。在另一实施例中，所述气体氛围保持在高于环境压力 的压力。而且，在一个实施例中，在预定时间期间第二表面暴露于的气体氛围保持在高于环 境温度的温度。仍在根据本发明的方法的又一实施例中，通过将第二表面暴露于包含氧的预定气 流达预定时间，执行所述处理。仍在根据本发明的方法的又一实施例中，通过将表面暴露于使用含氧自由基的热 催化工艺达预定时间量，执行所述处理。仍在根据本发明的方法的又一实施例中，其中第二表面暴露于包含氧的预定气体氛围，且在预定时间期间，所述气体通过等离子体放电激励。由此且在另一实施例中，在包 含(X)2的氛围气体中建立所述等离子体放电。仍在根据本发明的方法的又一实施例中，含氧氛围处于真空压力。仍在根据本发明的方法的又一实施例中，第二表面的所述处理通过湿法处理来执 行。仍在根据本发明的方法的又一实施例中，在第二表面暴露于环境空气之后在第二 表面上沉积另一层。由此，在一个实施例中，这种另一层是硅化合物。通过本发明，不管在结构的制作期间是否存在环境空气氛围暴露，可以明显改善 光伏电池结构制作的重复性。现在将进一步例证本发明及其实施例。由此，描述用于在预定含氧氛围中处理硅 化合物的未覆盖第二表面的不同方法。在下文中，具有未覆盖的一个硅化合物层的载体结构将被称为“工件”。a)在提升的温度下和在环境压力下在含氧氛围中氧化
工件在环境压力暴露于含氧的氛围，比如例如，空气、纯氧、氮气/氧气气体混合物、H2O 或者包含其他有机物或含氧化合物的气体混合物。温度保持在50°C和300°C之间，由此优 选地在100°C和200°C之间。暴露的持续时间在1小时和10小时之间。处理工件的暴露可 以确定为暴露时间(分钟)和温度(摄氏度)的乘积。我们将其称为“暴露率”的该值基本上 必须保持在5000和30，000之间。如果在暴露时间期间温度变化，则可以通过温度进程的时间积分来计算暴露率。如果而且压力相对于环境压力降低或升高，则作为一般的规则，可以说，对于每 10%的压力增加或者压力减小，与针对原先设定的压力(例如，环境压力)计算的暴露率相 比，暴露率分别增加或减小10%。因而，可以说，针对环境压力计算的暴露率将与压力偏离于 这种环境压力的变化成比例地变化。b)气流处理
执行所述工件的处理另一可能方法是通过热氧化气流。这可以通过将工件暴露于加热 的气流实现，这例如通过向例如烤箱中的工件的待处理表面上或沿着该表面引导诸如空气 的热氧化气体的风扇实现。C)暴露于氧自由基
根据本发明执行工件的处理的另一可能性是将工件暴露于一氛围，该氛围中，含氧自 由基的形成通过在如在所谓的热线反应器中使用的热催化沉积系统中的设置中添加如本 领域技术人员已知的含氧自由基源(例如催化剂)的源来增强。此处包含有机物或含氧化合 物的气体混合物在催化剂的表面上和/或通过在气相中的二次反应来催化分解。d)暴露于具有等离子放电的氛围
执行硅化合物层的第二表面即工件的所述处理的另一可能性是在处理室内产生等离 子体放电，由此在所述室内建立包含充当氧自由基的源的气体或气体混合物(例如02、CO2, H2O或包含其他有机物或含氧化合物的气体混合物)的氛围。等离子体放电可以实现为例 如Rf-、Hf-、VHF-、DC-放电，由此例如通过微波放电。这种处理步骤可以直接跟在可能在 相同处理室中的最后层沉积步骤之后。在这种等离子体处理期间的压力可以处于0. 01和 100 mbar之间的范围内，优选地设置在0.3 mbar和1 mbar之间的值。等离子体的功率密度优选地选择为5和2500 mff/cm2 (相对于电极表面)之间，且优选地选择为15和100 mff/ cm2之间。而且，优点是在与用于沉积其表面被处理的该硅化合物层的相同温度下操作工 件。由此可以避免加热或冷却循环。用于这种基于等离子体处理的处理时间可以在2秒和 600秒之间变化，且优选地调整为持续2和15秒之间。在这种处理的一个示例中，工件保 留在处理室中，其中沉积了最后的硅化合物层。在这种层沉积之后，CO2气体流到室内。发 现，每分钟且每平方米电极面积0. 05至50标准升的流量、由此优选地每分钟且每平方米电 极面积0. 1至5标准升的流量是用于所述处理的良好选择。在含(X)2的气体氛围中点燃和 产生的等离子体从二氧化碳释放氧，这基本上产生一氧化碳和氧自由基。氧自由基与待处 理的硅化合物表面相互作用。建立2秒和2分钟之间的等离子体处理的短持续时间，甚至 2秒和30秒之间的更短持续时间。等离子体能量被设置在15和100 mff/cm2电极表面之间 的水平，由此优选地处于25和50 mff/cm2之间的水平。因为通过等离子体激励的含氧气体氛围实现处理步骤，导致短的处理时间且可以 应用在与沉积最后硅化合物层(其表面稍后暴露于环境空气)相同的处理室内，所以这种实 现所述处理至少在当今是优选的。一般而言，应当注意，对于环境空气的较长的持续暴露且鉴于产出率或者整体处 理，可以根据本发明利用持续较长的处理步骤来处理工件，且如果仅建立对环境空气的短 时间暴露，则这种处理被选择为仅持续短时间，比如例如，含氧氛围中的等离子体辅助处理。e)湿法处理
还可以通过湿法处理步骤执行工件的所述处理。由此，工件例如通过在充满液体的容 器中对工件的沉浸或者浸蘸操作(这导致表面氧化)而暴露于这种湿法处理，导致表面氧 化。这可以例如通过水池、包含过氧化氢的溶液、有机溶剂或酒精或其他有机或含氧化合物 的溶液中的池子来实现。这种湿法处理的持续时间依赖于液体的成分及其温度。例如，在 温度为60°C的去离子水中，相应的处理持续2和60分钟之间，通常5和30分钟之间。通过本发明，可以通过以精确控制的方式在含氧氛围中处理硅化合物表面来防止 这种表面暴露于环境空气的不可控影响，不管该含氧氛围是液体还是气体。
权利要求
1.一种用于制作光伏电池结构的方法，该光伏电池结构具有两个电极且包含至少一个 硅化合物层，该方法包含 在对于所述一个硅化物层的载体结构上沉积所述硅化合物层，导致所述硅化合物 层的一个表面搁置在所述载体结构上，所述硅化合物层的第二表面不被覆盖， 在预定含氧氛围中处理所述硅化合物层的第二表面，由此使得所述硅化合物层的 所述第二表面富集氧， 将所述富集的第二表面暴露于环境空气。
2.根据权利要求1所述的方法，其中通过在预定时间期间将所述第二表面暴露于包含 氧的预定气体氛围来执行所述处理。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述气体氛围处于高于环境压力的压力。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中所述气体氛围处于高于环境温度的温度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中通过将所述第二表面暴露于包含氧的预定气流达 预定时间来执行所述处理。
6.根据权利要求1所述的方法，其中通过将所述表面暴露于使用含氧自由基的热催化 工艺达预定时间量来执行所述处理。
7.根据权利要求2所述的方法，由此通过等离子体放电激励所述氛围的气体。
8.根据权利要求7所述的方法，所述氛围的所述气体包含C02。
9.根据权利要求2、4至7中任一项所述的方法，所述氛围处于真空压力。
10.根据权利要求1所述的方法，所述处理是湿法处理。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，还包含在所述暴露于环境之后在所述第 二表面上沉积另一层。
12.根据权利要求11所述的方法，所述另一层是硅化合物。
全文摘要
在光伏电池制作的框架中，在载体结构上沉积硅化合物层。一方面通过结合这种硅化合物层的环境空气暴露来增加制作灵活性，且另一方面通过使得待暴露于环境空气的所述硅化合物层的表面富集氧而防止这种环境空气暴露导致的重复性的恶化。
文档编号H01L31/18GK102113138SQ200980130406
公开日2011年6月29日 申请日期2009年7月27日 优先权日2008年8月1日
发明者迈尔 J., 库皮希 M., 贝纳格利 S., 罗舍克 T. 申请人:欧瑞康太阳Ip股份公司(特吕巴赫)