优化tco太阳能电池膜中的电阻和透明度的方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明提供用于在制造工具的一个室中沉积TCO(透明导电氧化物)膜，然后在同一工具的另一室中用光能量照射TCO膜的方法和系统。在一些实施例中，在太阳能电池中使用TCO膜并且在太阳能电池基板上形成TCO膜。该方法包括以一定时间和能量照射TCO膜，以降低TCO膜的电阻而没有降低透明度。在光照射室中使用一个或多个光源。独立地或共同地使用红外光范围、可见光范围和紫外光范围内的光。本发明还提供了优化TCO太阳能电池膜中的电阻和透明度的方法和装置。
【专利说明】优化TCO太阳能电池膜中的电阻和透明度的方法和装置
【技术领域】
[0001]本发明大体上涉及太阳能电池器件，更具体而言，涉及用于形成透明导电氧化物(TCO)和其他膜以及优化这些膜中的电阻和透明度的装置和方法。
【背景技术】
[0002]太阳能电池是用于通过阳光直接生成电流的光伏元件。由于对清洁能源的需求不断增加，最近几年太阳能电池的制造已经大幅扩大并且还在持续扩大。由于透明导电氧化物(TCO)膜作为透明涂层和电极的多功能性，其在太阳能电池中得到广泛使用。同样地，TCO膜具有高透明度和低电阻以用于其多种目的。致力于同时优化透明度和电阻而不引入污染或导致成本大量增加的现有方法和技术还未完全成功。在许多情况下，通过增加掺杂物降低电阻导致不期望的透明度的降低。
[0003]为了降低电阻，一种方法是在太阳能电池的表面上提供金属网格，但是因为这种网格中使用的金属不是透明的，所以这会损害透明度。透明度的降低使通过阳光所生成的电量减少，通过阳光所生成的电量与可用于阳光浸润的太阳能电池面积成正比。为了降低电阻而尝试作为添加物加入TCO的掺杂物通常降低了 TCO的透明度(尤其是在长波长区域内)。
[0004]用于优化TCO膜有效性(即，降低电阻的同时使透明度最大化)的其他尝试也还未完全成功。
[0005]因此，本领域需要解决现有方法和技术的传统缺点和限制并且提供具有合适的低电阻和高透明度的透明导电氧化膜。
【发明内容】
[0006]为了解决现有技术中所存在的缺陷，根据本发明的一方面，提供了一种形成太阳能电池的方法，所述方法包括:提供太阳能电池基板；在多室制造装置的第一室中的所述太阳能电池基板上沉积至少一种膜；以及在所述多室制造装置的第二室中将上面具有所述至少一种膜的所述太阳能电池基板暴露在光能量中。
[0007]在该方法中，沉积所述至少一种膜包括沉积TCO(透明导电氧化物)膜。
[0008]在该方法中，所述TCO膜包括ITO (氧化铟锡)，并且所述太阳能电池基板包括设置在基底板上的太阳能电池膜层。
[0009]在该方法中，所述TCO膜包括Ζη0、ΑΖ0 (掺铝氧化锌)、ΒΖ0 (掺硼氧化锌)、GZ0 (掺镓氧化锌)和掺铟氧化镉中的一种。
[0010]在该方法中，沉积包括CVD (化学汽相沉积)>APCVD (常压化学汽相沉积)、ALD (原子层沉积)、PECVD (等离子体增强化学汽相沉积)、M0CVD (金属有机物化学汽相沉积)和溅射中的一种，并且所述太阳能电池基板包括玻璃、塑料和柔性材料中的一种，而且沉积还包括在所述多室制造装置的内部将所述太阳能电池基板从所述第一室自动转移至所述第二室。[0011]在该方法中，暴露包括将所述太阳能电池基板暴露于具有约380nm至740nm的波长的光的光能量中约15分钟至30分钟的时间。
[0012]在该方法中，沉积所述至少一种膜包括以下两种方法中的一种:a)在所述太阳能电池基板上沉积TCO膜，然后在所述TCO膜上方沉积太阳能电池膜，其中，所述太阳能电池基板是透明的；和b)在所述太阳能电池基板上沉积太阳能电池膜，然后在所述太阳能电池膜上方沉积TCO膜。
[0013]在该方法中，所述光能量由提供紫外光、红外光和可见光中的至少一种的光源来提供。
[0014]在该方法中,所述光能量在约0.9eV和5eV之间，并且暴露包括暴露于来自第一光源的具有第一波长范围的光和暴露于来自第二光源的具有第二波长范围的第二种光。
[0015]在该方法中，暴露包括将所述基板的第一面暴露给第一光源，以及将所述基板的相对面暴露给第二光源。
[0016]在该方法中，暴露包括接连地将所述太阳能电池基板暴露于多个范围的光能量。
[0017]在该方法中，所述至少一种膜包括TCO膜，并且暴露的时间足以降低所述TCO膜的电阻而不降低其透明度。
[0018]根据本发明的另一方面，提供了一种形成太阳能电池的方法，所述方法包括:提供太阳能电池基板；在多室制造装置的第一室中的所述太阳能电池基板上至少沉积TCO膜(透明导电氧化物)；以及在所述多室制造装置的第二室中将在其上至少具有所述TCO膜的所述太阳能电池基板暴露给至少一个光源，所述暴露包括暴露于多种波长的光。
[0019]在该方法中，沉积所述TCO膜包括沉积ITO(氧化铟锡)膜，并且暴露于多种波长的光包括暴露于来自第一光源的第一波长范围的光和暴露于来自第二光源的第二波长范围的光，所述第一光源和所述第二光源设置在所述第二室中的所述太阳能电池基板的相对侧。
[0020]在该方法中，暴露于所述多种波长的光包括暴露于约250nm至约1240nm范围内的多种波长的光。
[0021]在该方法中，至少沉积所述TCO膜包括在CIGS太阳能电池膜子结构上沉积ΙΤ0、ZnO> AZO> BZO、GZO和掺铟氧化镉中的一种，而且所述多种波长的光是可见光。
[0022]根据本发明的又一方面，提供了一种制造装置，包括:多个室和在所述室之间转移太阳能电池基板的内部转移机构，所述多个室至少包括用于在基板上沉积薄膜的沉积室和其中具有两个或多个光源的光能量浸润室，所述两个或多个光源朝着所述基板将光能量引导至所述基板的两侧。
[0023]在该制造装置中，所述两个或多个光源在约250nm至约1240nm范围内产生多个波长范围的光。
[0024]在该制造装置中，所述两个或多个光源包括红外光源、紫外光源和可见光源中的至少两种。
[0025]在该制造装置中，所述沉积室是CVD (化学汽相沉积)室、ALD (原子层沉积)室、PECVD (等离子体增强化学汽相沉积)室、MOCVD (金属有机物化学汽相沉积)室和溅射室中的一种。【专利附图】
【附图说明】
[0026]当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本发明。应该强调的是，根据标准实践，附图的各种部件没必要按照规定比例。相反，为了清楚，各种部件的尺寸可以被任意增大或缩小。在整个说明书和附图中，相同的参考标号用于指定相同的部件。
[0027]图1是示出包括多个室的制造工具并且示出使用光能量照射沉积的TCO膜的方法的一个方面的局部截面侧视图。
[0028]图2是示出包括多个室的制造工具并且示出使用光能量照射沉积的TCO膜的方法的另一方面的局部截面侧视图。
[0029]图3是示出根据本发明的方法的实施例的流程图。
[0030]图4是示出TCO膜的归一化方块电阻与光浸润(light soaking)时间的曲线图。
[0031]图5是示出作为光浸润时间的函数的TCO膜的归一化平均透明度的曲线图。
[0032]图6A和6B不出光浸润操作之前和之后的TCO膜的光致发光。
【具体实施方式】
[0033]本发明提供了在太阳能电池或其他基板上制造透明导电氧化物(TCO)膜的装置和方法，然后在装置的第一室中处理包括TCO膜的太阳能电池基板，在同一装置的另一室中暴露于光能量。在另一室中沉积膜或以其他方式形成膜之后，暴露于光能量。应该发现，暴露于光能量降低了 TCO膜的电阻而没有降低TCO膜的透明度。根据TCO膜的性质和被照射的结构的性质使用不同的光能量。所使用的光的波长可以取决于TCO膜和其他材料(诸如玻璃或柔性基板)之间形成的界面或多个界面，或TCO膜和太阳能电池膜的叠层(S卩，组合在一起形成光伏太阳能电池)之间的界面。在膜形成之后暴露于光能量降低了 TCO膜的电阻而没有降低透明度。由于这些操作在分开的室中发生，所以降低了交叉污染问题。在不限于特定理论的情况下， 申请人:相信在TCO层和太阳能电池的其他层中(尤其在相邻层中)形成光诱导的亚稳定性，从而降低了电阻。
[0034]图1是示出装置I的侧视图，装置I是在制造半导体器件、太阳能电池或其他产品中所使用的制造装置或工具。装置I包括内部室3和5并且也可以包括其他室。室3是沉积室。在一个实施例中，室3是化学汽相沉积(CVD)室。在另一个实施例中，室3是常压化学汽相沉积(APCVD)室。在另一个实施例中，沉积室3是原子层沉积(ALD)室。在另一个实施例中，沉积室3是等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)室、金属有机物化学汽相沉积(MOCVD)室或溅射室。沉积室3可以是各种尺寸。在一个实施例中，沉积室3是在一个工件11上沉积的单个基板沉积室而在另一个实施例中，沉积室3是容纳同时进行沉积的多个基板的批处理系统。
[0035]沉积室3用于沉积各种类型的膜。在各个实施例中，沉积室3用于制造一个以上的膜。
[0036]在一个实施例中，沉积室3用于在半导体或太阳能电池基板上沉积膜而在另一个实施例中，沉积室3用于在其他基板上沉积膜。在一些实施例中，沉积室3用于在诸如太阳能电池中使用的玻璃、塑料或柔性材料的基底基板上直接沉积透明导电氧化物(TCO)膜。在其他实施例中，沉积室3在形成在基底板上的一系列太阳能电池膜的上方沉积TCO膜。在一些实施例中，太阳能电池器件是CIGS、(Cu(In,Ga)Se2)型太阳能电池。在其他实施例中使用其他太阳能电池。在一些实施例中，沉积室3用于在基底板上直接沉积TCO(透明导电氧化物)膜，然后在TCO膜上方沉积一系列太阳能电池膜。
[0037]在一个实施例中，沉积的TCO膜是氧化铟锡(ITO)。在另一个实施例中，沉积的TCO膜是ZnO。根据其他实施例，TCO膜是AZO (掺铝氧化锌)、BZO (掺硼氧化锌)、GZO (掺镓氧化锌)或掺铟氧化镉或其他合适的TCO膜。
[0038]选择和控制沉积条件和参数以制造具有各种厚度或其他膜特征的期望的膜或多个膜。在沉积室3中的工件11上形成膜或多个膜之后，内部转移机构通过阀7将工件11转移至光照射室5。在所示的实施例中，滚筒9组合在一起形成轨道，工件11沿着该轨道滚动或滑动并且工件11沿着该轨道在沉积室3和光照射室5之间转移。在其他实施例中，使用其他内部运送机构。在一些实施例中，在真空条件下进行内部运送，从而防止颗粒污染。
[0039]光照射室5包括上光源13、下光源15和用于其中的太阳能电池基板的支撑件。光照射室5包括用于在其上保持太阳能电池17的支撑件(未示出)或用于保持太阳能电池17的其他器件。
[0040]太阳能电池17包括基底板19。在各个实施例中，基底板19由玻璃、塑料、柔性材料或其他合适的材料形成。太阳能电池膜21设置在基底板19上并且包括诸如一个或多个吸收层的各种膜。在一个实施例中，太阳能电池膜21形成CIGS型太阳能电池。在其他实施例中，太阳能电池膜21形成另一种类型的太阳能电池。在图1所示的实施例中，TCO层23设置在太阳能电池膜21上。在一个实施例中，TCO层23是ITO而在其他实施例中，TCO层23是ZnO、AZO、BZO、GZO或掺铟氧化镉中的一种。TCO层23形成为各种合适的厚度。
[0041]上光源13和下光源15中的每一个都可以照射太阳能电池17。上光源13和下光源15中的每一个都由合适的电源(未示出)供电。在其他实施例中，使用两个以上的光源。在一些实施例中，使用多个上光源和/或多个下光源并且不同的光源可以产生不同类型的光。在图1所示的实施例中，箭头27表示来自上光源13的光能量照射具有TCO层23作为顶层的太阳能电池17。在其他实施例中，仅启动下光源15以产生光能量。在另一个实施例中，对上光源13和下光源15两者供电以产生光能量。在一个实施例中，上光源13和下光源15同时产生光能量而在另一个实施例中，上光源13和下光源15顺序运转，使得每个光源都打开和关闭多次。
[0042]在各个实施例中，使用各种光能量和波长范围的光。在一个实施例中，使用的光包括约0.9eV至约5.0eV能量。在一些实施例中，用于照射工件(即，在所示的实施例中的太阳能电池17)的光能量的波长在约250nm至约1240nm的范围内或在约300nm至约IlOOnm的范围内。换言之，使用的整个能量范围包括可见光(通常，约1.7eV至3.3eV或380nm至740nm)、红外光(通常，约1.7eV或者小于或大于740nm)和紫外光(通常约3至124eV或约IOnm至400nm)。同样地，在各个实施例中，上光源13和下光源15中的任一个或这两者产生可见光能量、红外光能量和/或紫外光能量。根据其中使用多个上光源的实施例(未示出)，在一个实施例中，上光源中的一个产生一种类型的光(即红外光、可见光或紫外光)，而其他上光源产生另一种类型的光。对于其中存在多个下光源的实施例也是如此。在一些实施例中，上光源13比下光源15产生更高能量的光(更短波长)。例如，上光源13可以是UV光源而下光源15可以是可见光源。
[0043]用于浸润或照射沉积的TCO或其他膜的光的类型取决于TCO或其他膜的性质以及太阳能电池的膜与其他元件的关系。已经发现，能量大于约2.5eV的光(蓝光至紫外光，λ< 500nm)改进TCO膜、TCO与玻璃基底板的界面以及TCO膜和太阳能电池膜之间的界面的质量。还发现，能量小于约1.9eV的光(红光至近红外光，λ > 650nm)改进整个太阳能电池的质量。同样地，使用在约0.9eV至约5eV的整个能量范围内和约250nm至1240nm的波长范围内的光的各种组合和顺序，但是在其他实施例中使用其他能量和波长。在一个实施例中，在第一时间周期内使用具有第一波长范围的第一种光，然后，在第二时间周期内使用具有第二波长范围的第二种光，并且可以在各种实施例中重复该顺序。根据一个实施例，由上光源13和下光源15中的一个产生第一波长范围的光，而由上光源13和下光源15中的另一个产生第二波长范围的光。该光能量可以以交替的和/或重复的方式引导至太阳能电池17。在一些实施例中，使用一系列顺序照射的光能量。
[0044]图2示出用于在第一室中形成TCO或其他膜之后在第二室中照射TCO或其他膜的装置I的另一方面和另一方法。如上所述，装置I包括沉积室3和光照射室5。太阳能电池27包括基底板19、形成在基底板上方的TCO层23和形成在TCO层23上方的太阳能电池膜21。根据该实施例，基底板19由玻璃或另一透明基板形成。按照这种方式，根据仅使用下光源15的实施例，箭头31表不来自下光源15的光福射向上照射太阳能电池27并且该光辐射通过透明基底板19传播和从下方照射TCO层23。虽然提供的图2明确地示出来自下光源15的光辐射从下方通过透明的基底板19到达TCO层23，应该理解，以上结合图1描述的每个光照射实施例也都适用于照射太阳能电池27，即，在图2示出的实施例中，在太阳能电池27位于光照射室5中的情况下，可以使用多种波长的光、多种能量的光和多种类型的光。可以同时或顺序等使用上光源13和下光源15。
[0045]选择光辐射的综合时间和能量进行以充分地降低TCO层23的电阻而没有对其透明度产生不利影响。根据TCO层的性质、太阳能电池的类型、基底板的性质和TCO层23和太阳能电池的其他元件之间的关系使用各种光能量、光能量的各种组合和各种时间。
[0046]尽管结合TCO膜进行描述，但是在获益于在一个室中制造TCO膜并且随后在另一个室中照射该膜以降低电阻而没有降低透明度的各种应用中，本发明的方法和装置结构用于形成各种其他膜和膜复合物，然后照射形成在太阳能电池、半导体和其他基板上的各种其他膜和膜复合物。
[0047]图3是示出根据本发明的方法的流程图。在步骤100中，提供基板。在步骤102中，提供具有多个加工室的装置。在步骤104中，基板在具有多个加工室的制造装置的第一室中进行沉积操作。根据一些实施例，沉积操作可以是在太阳能电池基板上沉积TCO层。如上所述，在各种实施例中使用各种沉积方法。在步骤106中，将基板移动至第二室内，根据上述的实施例，在第二室中执行光照射操作。在各个实施例中，自动进行基板的内部转移(即，工件从一个室至另一个室)并且可以在真空下进行基板的内部转移以防止颗粒污染。
[0048]图4是示出BZO (掺硼氧化锌TCO膜)的归一化方块电阻(sheet resistance)的图示。图4示出沉积时、光浸润(“LS”) 15分钟之后、光浸润30分钟之后和30分钟光浸润工艺之后的两周时的BZO膜的方块电阻。图4示出作为光浸润的结果，BZO膜的方块电阻显著改进。在图4的实施例中，在1000W/m2照明光下进行光浸润工艺，但是在其他实施例中使用其他强度。测量方块电阻直到温度冷却至室温(25°C )。
[0049]图5示出对BZO膜的透明度的影响并且示出在光浸润工艺之前和之后的BZO膜的透明度无明显变化。图5示出透明度保持基本上相同，透明度在约0.995至1.0O的范围内。
[0050]图6A和图6B通过曲线示出BZO膜的一次光浸润试验的结果。图6A和图6B通过曲线示出光致发光强度。图6A和图6B通过曲线示出作为光浸润的结果BZO膜中的光致发光(PL)增强。图6A和图6B通过曲线示出在各种光波长下的光致发光强度(以任意单位(a.u)计)。图6A示出沉积时(即光浸润之前)示例性BZO膜的变化的温度光致发光分析。图6B示出暴露于1000W/m2照明光30分钟之后的同一 BZO膜。图6B示出测量BZO膜吸收和随后再辐射光子的光致发光的增加。不限于特定理论， 申请人:相信光致发光的增加归因于光浸润所导致的BZO层的增强，而且该增强尤其归因于在BZO层中形成的并且产生由光致发光强度方面的增加所证实的高辐射再结合率的光诱导亚稳定性。
[0051]根据本发明的一个方面，提供了一种形成太阳能电池的方法。该方法包括:提供太阳能电池基板；在多室制造装置的第一室中在太阳能电池基板上沉积至少一种膜；以及在多室制造装置的第二室中将在其上具有至少一种膜的太阳能电池基板暴露于光能量。
[0052]根据本发明的另一方面，提供了一种形成太阳能电池的方法。该方法包括:提供太阳能电池基板；在多室制造装置的第一室中在太阳能电池基板上沉积至少TCO膜(透明导电氧化物)；以及在多室制造装置的第二室中将在其上具有至少TCO膜的太阳能电池基板暴露给至少一种光源，该暴露包括暴露于多种波长光。
[0053]根据本发明的又一方面，提供了一种制造装置。该制造装置包括:多个室和在制造装置内和室之间转移基板的内部转移机构，该多个室至少包括用于在太阳能电池基板上沉积薄膜的沉积室和其中具有至少一个光源的光能量浸润室，该光源在光能量浸润室中将光能量引导至太阳能电池基板。
[0054]前面仅示出了本发明的原理。因此，应该理解，尽管在本文中没有明确描述或示出，但是本领域普通技术人员能够设计出实现本发明的原理并包括在本发明的精神和范围内的各种布置。此外，本文引用的所有实例和条件语言都主要明确预期仅是为了教导的目的且旨在帮助读者理解本发明的原理和发明人促进本领域所贡献的概念，并且被解释为不限于这些具体引用的实例和条件。此外，本文中引用本发明的原理、方面和实施例以及其具体实例的所有陈述都预期包涵其结构和功能两种等效物。此外，预期这些等效物包括当前已知的等效物以及将来开发的等效物，即，不管其结构如何，开发的执行相同功能的任何元件。
[0055]预期结合附图一起阅读示例性实施例的这种描述，所述附图被认为是整个书面说明书的一部分。在说明书中，空间相对位置的术语诸如“下”、“上”、“水平”、“垂直”、“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”及其派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应该被解释为是指如随后所述的或者如论述中的附图所示的定向。这些空间相对位置的术语是为了便于描述，并不要求在具体定向上构造或操作装置。除非另有明确描述，否则关于附接、连接等的术语(诸如“连接”和“互连”)是指结构彼此直接固定或附接或通过中间结构彼此间接地固定或附接的关系以及两者都是可移动的或刚性的附接或关系。
[0056]尽管通过示例性实施例描述了本发明，但本发明不限于此。相反，所附权利要求应按广义进行解释，以包括由本领域技术人员在不背离本发明的等效物的精神和范围的情况下可以做出的本发明的其他变型例和实施例。
【权利要求】
1.一种形成太阳能电池的方法，所述方法包括: 提供太阳能电池基板； 在多室制造装置的第一室中的所述太阳能电池基板上沉积至少一种膜；以及 在所述多室制造装置的第二室中将上面具有所述至少一种膜的所述太阳能电池基板暴露在光能量中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，沉积所述至少一种膜包括沉积TCO(透明导电氧化物)膜。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述TCO膜包括ITO(氧化铟锡)，并且所述太阳能电池基板包括设置在基底板上的太阳能电池膜层。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述TCO膜包括Ζη0、ΑΖ0(掺铝氧化锌),BZO (掺硼氧化锌)、GZO (掺镓氧化锌)和掺铟氧化镉中的一种。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，沉积包括CVD(化学汽相沉积)、APCVD(常压化学汽相沉积)、ALD (原子层沉积)、PECVD (等离子体增强化学汽相沉积)、MOCVD (金属有机物化学汽相沉积)和溅射中的一种，并且所述太阳能电池基板包括玻璃、塑料和柔性材料中的一种，而且 沉积还包括在所述多室制造装置的内部将所述太阳能电池基板从所述第一室自动转移至所述第二室。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，暴露包括将所述太阳能电池基板暴露于具有约380nm至740nm的波长的光的光能量中约15分钟至30分钟的时间。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，沉积所述至少一种膜包括以下两种方法中的一种:a)在所述太阳能电池基板上沉积TCO膜，然后在所述TCO膜上方沉积太阳能电池膜，其中，所述太阳能电池基板是透明的；和b)在所述太阳能电池基板上沉积太阳能电池膜，然后在所述太阳能电池膜上方沉积TCO膜。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光能量由提供紫外光、红外光和可见光中的至少一种的光源来提供。
9.一种形成太阳能电池的方法，所述方法包括: 提供太阳能电池基板； 在多室制造装置的第一室中的所述太阳能电池基板上至少沉积TCO膜(透明导电氧化物)；以及 在所述多室制造装置的第二室中将在其上至少具有所述TCO膜的所述太阳能电池基板暴露给至少一个光源，所述暴露包括暴露于多种波长的光。
10.一种制造装置，包括: 多个室和在所述室之间转移太阳能电池基板的内部转移机构， 所述多个室至少包括用于在基板上沉积薄膜的沉积室和其中具有两个或多个光源的光能量浸润室，所述两个或多个光源朝着所述基板将光能量引导至所述基板的两侧。
【文档编号】H01L31/18GK103872175SQ201310052019
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2013年2月17日 优先权日:2012年12月14日
【发明者】邱永升, 陈俊衡, 程子桓, 黄乾燿 申请人:台积太阳能股份有限公司