用于薄膜太阳能应用的微晶硅沉积的制作方法

专利名称：用于薄膜太阳能应用的微晶硅沉积的制作方法
技术领域：
本发明的实施例大体上涉及一种太阳能电池以及形成该太阳能电池的方法和设 备。更特别地，本发明的实施例涉及一种薄膜多结太阳能电池以及形成该太阳能电池的方 法和设备。
背景技术：
结晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池是太阳能电池的两种类型。结晶硅太阳能电 池一般使用单晶基板(即，纯硅的单晶基板)或多晶硅基板(即，多晶或多晶硅)。在硅基 板上沉积额外的膜层以改善光的捕获能力、形成电路以及保护器件。薄膜太阳能电池利用 在适当的基板上沉积的材料的薄层来形成一或多个p-i-n结。适当的基板包括玻璃、金属 和聚合物基板。微晶硅膜(μ C-Si)是用于形成太阳能电池的薄膜的一种类型。微晶硅膜的传统 沉积工艺的沉积速度很慢，这不利地降低了制造产量并提高了制造成本。因此，需要一种沉积微晶硅膜的改进方法。

发明内容
如权利要求所述的本发明的实施例涉及一种薄膜多结太阳能电池以及用于形成 该太阳能电池的方法与设备。在一个实施例中提供了一种在基板上方形成薄膜多结太阳能 电池的方法。该方法包括在反应区中放置基板；将混合气体提供至反应区，其中所述混合 气体包括含硅化合物和氢气(H2)；以第一沉积速率在基板上形成本征型微晶硅层的第一区 域；以高于第一沉积速率的第二沉积速率在基板上形成本征型微晶硅层的第二区域；以及 以低于第二沉积速率的第三沉积速率在基板上形成本征型微晶硅层的第三区域。在另一实施例中提供了一种在基板上方形成薄膜多结太阳能电池的方法。该方法 包括形成第一 P-i-n结以及在第一 p-i-n结上方形成第二 p-i-n结。所述第一 p-i_n结通 过以下步骤形成形成P型非晶硅层，在P型非晶硅层上方形成本征型非晶硅层，以及在本 征型非晶硅层上方形成第一 η型硅层。所述第二 p-i-n结通过以下步骤形成形成ρ型微 晶硅层，在P型微晶硅层上方形成本征型微晶硅层，以及在本征型微晶硅层上方形成第二 η 型硅层。所述本征型微晶硅层通过以下步骤形成以第一沉积速率形成本征型微晶硅层的 第一区域，以高于第一沉积速率的第二沉积速率形成本征型微晶硅层的第二区域，以及以 低于第二沉积速率的第三沉积速率形成本征型微晶硅层的第三区域。在特定实施例中，第 一 η型硅层是η型非晶/微晶硅层。在特定实施例中，第一 η型硅层是微晶硅层。在特定 实施例中，第二η型硅层是非晶硅层或微晶硅层。


为了能够具体地理解本发明的上述特征的方式，将参看其中的一些在附图中示出 的实施例对上文所简要概括的本发明进行更具体的描述。然而应当注意到，附图仅示出了本发明的典型实施例，由于本发明还允许其它等同效果的实施例，因此附图并不被认为是对发明范围的限制。图1是朝向光或太阳辐射的基于微晶硅的薄膜太阳能电池的示意图。图2是表示根据本发明的一个实施例形成本征微晶硅层的工艺步骤的流程图。图3是朝向光或太阳辐射的多结太阳能电池的示意图。图4是进一步包括种子层的图3的多结太阳能电池的示意图。图5是进一步包括种子层和非晶硅势垒层的图3的多结太阳能电池的示意图。图6是等离子体增强化学气相沉积(PECVD)腔室的一个实施例的示意截面图，在 该PECVD腔室中可以沉积太阳能电池的一或多层太阳能膜。图7是具有多个处理腔室的处理系统的一个实施例的示意俯视图。图8根据本发明的一个实施例描绘了沉积的本征微晶硅层的特性。为了便于理解，在可能的情况下用相同的参考数字表示附图中共有的相同部件。 应当理解一个实施例的部件和/或工艺步骤可以有益地合并到其它实施例中，而不需要额 外的表述。
具体实施例方式如权利要求所描述的本发明的实施例涉及一种薄膜多结太阳能电池以及用于形 成该太阳能电池的方法和设备。薄膜太阳能电池一般包括一或多个p-i-n结。p-i-n结一 般包括P掺杂硅层或P型层和η掺杂硅层或η型层，本征层夹在ρ型层与η型层之间。本 征层一般包括未掺杂的半导体层。在特定实施例中，本征层包括约10,OOOA至30,OOOA厚 的微晶硅层。用现有方法，大约需要1个小时来沉积这种尺寸的微晶硅层。然而，用本发明 的方法，本征型微晶硅层的沉积时间可以减少20-30分钟，而不明显的损害下方的层。尽管是参考具体的太阳能电池结构进行讨论，但应当理解这种沉积本征型微晶 硅层的方法也可以用于沉积其它结构，例如以下文献中所公开的结构2007年2月6日 提交的Choi等人的美国专利申请序列号No. 11/671，988，名称为MULTI-JUNCTION SOLAR CELLS AND METHODS ANDAPPARATUSES FOR FORMING THE SAME，2007 年 1 月 18 日提交的 Choi等人的美国专利申请序列号No. 11/624，677，名称为MULTI-JUNCTI0NS0LAR CELLS AND METHODS AND APPARATUSES FOR FORMING THESAME，以及 2006 年 6 月 23 日提交的 Choi 等人 的美国专利申请序列号 No. 11/426，127，名称为 METHODS AND APPARATUS FOR DEPOSITING AMICROCRYSTALLINE SILICON FILM FOR PHOTOVOLTAIC DEVICES，在与本公开不冲突的情况 下援弓I这些专利的全部内容作为参考。图1是朝向光或太阳辐射的基于微晶硅的薄膜太阳能电池的示意图。太阳能电池 100包括使用本文中所述的方法形成的本征型微晶硅层124。太阳能电池100包括基板102， 例如玻璃基板、聚合物基板、金属基板或其它适合的基板，在该基板上方形成薄膜。太阳能 电池100还包括在基板102上方形成的第一透明导电氧化物(TCO)层110、在第一 TCO层 110上方形成的p-i-n结120、在p-i-n结120上方形成的第二 TCO层140以及在第二 TCO 层140上方形成的背金属层150。为了改善光的散射，可选的是，可以用湿法、等离子体、离 子和/或机械处理使基板和/或形成在基板上的一或多层薄膜纹理化。例如，在图1示出 的实施例中，可以将第一 TCO层110纹理化，在上面随后形成的薄膜将与其下的表面形状基本相同。第一 TCO层110和第二 TCO层140各自都可以包括氧化锡、氧化锌、氧化铟锡、单宁酸镉(cadmium stannate)及其组合或者其它合适材料。可以理解的是，TCO材料还可以 包括额外的掺杂物或成份。例如，氧化锌可以另外包括诸如铝、镓、硼等掺杂物以及其它合 适的掺杂物。氧化锌优选包含5 %或更低的掺杂原子百分比，更优选包含2.5%或更低的铝 原子百分比。p-i-n结120可以包括ρ型微晶硅层122、在ρ型微晶硅层122上方形成的本征型 微晶硅层124以及在本征型微晶硅层124上方形成的η型硅层126。在特定实施例中，ρ型 微晶硅层122可以形成为约100人至约400人的厚度。在特定实施例中，本征型微晶硅层124 可以形成为约10,OOOA至约30,000人的厚度，例如约16，000Α至约20,OOOA的厚度。在特
定实施例中，η型硅层126可以形成为约100人至约500人的厚度。在特定实施例中，η型硅 层126是η型非晶硅层或η型微晶硅层。背金属层150可以包括但不限于从Al、Ag、Ti、Cr、Au、Cu、Pt及其合金或其组合 构成的组中选择的材料。可以进行其它处理以形成太阳能电池100，例如激光划片(laser scribing)工艺。可以在背金属层150上方提供其它膜、材料、基板和/或封装以完成太阳 能电池。可以将太阳能电池互连以形成模块，然后可以连接这些模块以形成阵列。图2是表示根据本发明的一个实施例的用于沉积本征型微晶硅层的工艺步骤的 流程图200。在步骤210，在反应区中放置基板。在步骤220，将包括含硅气体和氢气的混合 气体提供给反应区。在步骤230，以第一沉积速率在基板上形成本征型微晶硅层的第一区 域。在步骤240，以高于第一沉积速率的第二沉积速率在基板上形成本征型微晶硅层的第二 区域。在步骤250，以低于第二沉积速率的第三沉积速率在基板上形成本征型微晶硅层的第 三区域。在步骤210，在反应区中放置基板102。基板可以包括玻璃基板、聚合物基板、金属 基板或其它适合的基板，在该基板上方形成薄膜。在特定实例中，可由玻璃制造商提供已经 含有了第一 TCO层110的基板102。也可以在基板102上形成ρ型微晶硅层122。在步骤220，将包括含硅气体和氢气的混合气体提供给反应区。合适的硅基气体 包括但不限于硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)、四氟化硅(SiF4)、四氯化硅(SiCl4)、二氯甲硅烷 (SiH2Cl2)及其组合。在特定实施例中，还可以给反应区提供例如氩和氦等惰性气体。在特 定实施例中，可以将诸如氩和氦等惰性气体提供给反应区，而不是氦。在步骤230，以第一沉积速率在基板102上形成本征型微晶硅层124的第一区域。 本征型微晶硅层的第一区域的厚度在约0与约500人之间，例如约50人与约400人之间，再 例如约200人与约300人之间。可以按约ΙΟΟΑ/min至约350A/min的低沉积速率沉积第 一区域，例如约150A/min至约300A/min的低沉积速率。本征型微晶硅层124的第一区 域起到用于先前沉积的P型微晶硅层122的缓冲层的作用。在步骤240进行高RF功率沉 积期间，以低沉积速率沉积的第一区域保护了 PI界面。已经发现，在P型层上直接使用高 沉积速率(例如，>400人/min)沉积i型微晶硅层会损害下方的P型层。可以通过以约 IOOOsccm至约3000sccm(例如，约1500sccm)的流速提供含硅气体，以约100，OOOsccm至 约300，OOOsccm(例如，约150，OOOsccm)的流速提供氢气，以及供应约0. 2ffatts/cm2至约0. 6Watts/cm2 (例如，约0. 45ffatts/cm2)的RF功率，来形成第一区域。在步骤240，以高于第一沉积速率的第二沉积速率，在基板102上形成i型微晶硅 层的第二区域。本征型微晶硅层的第二区域的厚度在约10,OOOA与约30,000人之间，最好 在约16,000人与约20,000人之间。可以按高于约4GGA/min的沉积速率沉积第二区域，例 如约400A/min与约1500人/mini间或约500人/min与约600人/mini间的沉积速率。起 到缓冲层作用的第一区域的存在使得能够用较高的RF功率和较高的沉积速率来沉积第二 区域。可以通过以约1，OOOsccm至约6，OOOsccm(例如，约3，OOOsccm)的流速提供含硅气 体，以约200, OOOsccm至约600，OOOsccm(例如，约300，OOOsccm)的流速提供氢气，以及供 应约0. 6ffatts/cm2至约1. 3Watts/cm2 (例如，约0. 9ffatts/cm2)的RF功率，来形成第二区 域。在步骤250，以低于第二沉积速率的第三沉积速率，在基板上形成本征型微晶硅 层124的第三区域。本征型微晶硅层124的第三区域的厚度在约0与约500人之间，例如 约50入与约400A之间，再例如约200A与约300A之间。可以按lOOA/min至约350人/min
的沉积速率沉积第三区域，例如约150A/min至约300人/min的沉积速率。第三区域起 到用于先前沉积的本征型微晶硅层124的第二区域的钝化层的作用。以高沉积速率沉 积的第二区域由大的微晶硅结晶组成，这些大的微晶硅结晶形成不平整的表面。在第二 区域的不平整表面上直接沉积η型硅层126可能会产生不平整的η型硅层126，并因此 使得很难均勻地沉积随后的层。因此，以低沉积 速率沉积本征型微晶硅层的第三区域可 以得到具有更平整表面的本征型微晶层，因而可以均勻地沉积随后的层。可以通过以约 1，OOOsccm至约3，OOOsccm(例如，约1500sccm)的流速提供硅烷气体，以约100，OOOsccm至 约300，OOOsccm(例如，约150，OOOsccm)的流速提供氢气，以及供应约0. 2ffatts/cm2至约 0. 6Watts/cm2(例如，约0. 45ffatts/cm2)的RF功率，来形成第三区域。本征微晶硅层的一 个实施例具有如图8中所列出的特性。图3是朝向光或太阳辐射的多结太阳能电池的示意图。太阳能电池300包括用本 文中所述的方法形成的本征型微晶硅层(i型μ C-Si层)334。太阳能电池300包括基板 302，例如玻璃基板、聚合物基板、金属基板或其它适合的基板，在基板上方形成薄膜。太阳 能电池300还包括在基板302上方形成的第一透明导电氧化物(TCO)层310、在第一 TCO层 310上方形成的第一 p-i-n结320、在第一 p-i_n结320上方形成的第二 p_i_n结330、在第 二 p-i-n结330上方形成的第二 TCO层340、以及在第二 TCO层340上方形成的背金属层 350。为了通过降低光的反射来改善光的散射，可选的是，可以使用湿法、等离子体、离子和 /或机械处理将基板和/或形成在基板上的一或多层薄膜纹理化。第一 TCO层310和第二 TCO层340各自都可以包括氧化锡、氧化锌、氧化铟锡、单 宁酸镉及其组合或者其它合适材料。可以理解的是，TCO材料还可以包括额外的掺杂物或 成份。例如，氧化锌可以另外包括诸如铝、镓、硼等掺杂物以及其它合适的掺杂物。氧化锌 优选包含5%或更低的掺杂原子百分比，更优选包含2. 5%或更低的铝原子百分比。在特定 实例中，可由玻璃制造商提供已经含有了第一 TCO层310的基板302。第一 p-i-n结320可以包括ρ型非晶硅层322、在ρ型非晶硅层322上方形成的本 征型非晶硅层324、以及在本征型非晶硅层324上方形成的第一 η型硅层326。在特定实施例中，ρ型非晶硅层322可以形成为约60人至约300人的厚度。在特定实施例中，本征型非 晶硅层324可以形成为约1，500入至约3,500人的厚度。在特定实施例中，第一 η型硅层326
可以形成为约100人至约400Λ的厚度。在特定实施例中，第一 η型硅层326是包括η型非 晶硅和η型微晶硅的双层结构，该η型非晶硅沉积在本征型非晶硅层324上。在特定实施 例中，第一 η型硅层326包括微晶硅。
第二 p-i-n结330可以包括ρ型微晶硅层332、在ρ型微晶硅层332上方形成的 本征型微晶硅层334、以及在本征型微晶硅层334上方形成的第二 η型硅层336，其中第二 η型硅层是微晶硅或非晶硅。在特定实施例中，ρ型微晶硅层332可以形成为约100Λ至约 400Α的厚度。在特定实施例中，可以用本文中描述的方法使本征型微晶硅层334形成为约 10,000入至约30，000人的厚度，例如约16,000入至约20，000入的厚度。在特定实施例中，第 二 η型硅层336可以形成为约100人至约500人的厚度。在特定实施例中，第二 η型硅层336 是非晶硅层。在特定实施例中，第二 η型硅层336是微晶硅层。背金属层350可以包括但不限于从Al、Ag、Ti、Cr、Au、Cu、Pt及其合金或其组合构 成的组中选择的材料。可以进行其它处理以形成太阳能电池300，例如激光划片处理。可以 在背金属层350上方提供其它膜、材料、基板和/或封装，以完成太阳能电池。可以将太阳 能电池互连以形成模块，随后可以连接这些模块以形成阵列。太阳辐射被p-i-n结320、330的本征层吸收，并转化为电子-空穴对。在ρ型层 与η型层之间产生的、跨越本征层延展的电场使电子流向η型层，并使空穴流向ρ型层，从 而产生电流。由于非晶硅和微晶硅吸收太阳辐射的不同波长，于是第一 P-i-n结320包括 本征型非晶硅层324，而第二 p-i-n结330包括本征型微晶硅层334。这样，由于太阳能电 池300俘获了太阳辐射光谱中的更多部分，因此该太阳能电池300更有效率。由于非晶硅 具有比微晶硅大的带隙，所以按照使太阳辐射首先照射到本征型非晶硅层324、然后照射到 本征型微晶硅层334的方式，来堆叠非晶硅的本征层和微晶硅的本征层。没有被第一 p-i-n 结320吸收的太阳辐射继续照射到第二 p-i-n结330上。在一方面，太阳能电池300不需要利用在第一 p-i-n结320与第二 p-i-n结330 之间的金属隧道层。第一 P-i-n结320的第一 η型硅层326与ρ型微晶硅层332具有足够 的导电性来提供隧道结，以允许电子从第一 P-i-n结320流至第二 p-i-n结330。图4是进一步包括种子层(seed layer) 360的图3的多结太阳能电池的示意图， 种子层360形成在ρ型微晶硅层332与本征型微晶硅层334之间。在特定实施例中，种子
层36O可以形成为约20人至约500A的厚度，例如约50入至约300人的厚度，再例如约100人
至约200人的厚度。种子层360被认为可以帮助在ρ型微晶硅层与本征型微晶硅层334之 间提供更好的接触粘结和界面质量。可以用具有约1 100至约1 20，000的基于硅烷 的气体与H2的比例的混合气体来控制种子层的低沉积速率，例如1 200至1 1，500的 气体比例，再例如1 1，000的气体比例，其它的工艺参数与i型yC-Si层334沉积基本 类似。在另一实施例中，i型μ C-Si层334沉积可以包括四个沉积工艺步骤沉积种子层 的第一步骤，以及如本文中所述的用于沉积i型体(bulk) μ C-Si层334的第二、第三和第 四步骤。第一步骤的种子层沉积工艺具有相对较低的沉积速率，例如低于100人/min，该相 对较低的沉积速率是通过具有约1 100至约1 2，000的基于硅烷的气体与H2的比例的混合气体来控制的，例如1 200至1 1，500的气体比例，再例如1 1，000的气体比例。图5是进一步包括形成在ρ型微晶硅层332与种子层360之间的非晶硅势垒层 370的图3的多结太阳能电池的示意图。在特定实施例中，非晶硅势垒层370可以形成为约 20入至约IOOA的厚度，例如约30入至约90A的厚度。非晶硅势垒层370被认为起到掺杂扩 散的势垒层的作用，从而防止了诸如硼的掺杂物对本征型微晶硅层334的污染。尽管是利 用种子层360进行了描述，但是应当理解的是，也可以在没有种子层360的结构中使用非晶 硅势垒层370。图6是等离子体增强化学气相沉积(PECVD)腔室的一个实施例的示意截面图，在 该PECVD腔室中可以沉积太阳能电池的一或多层太阳能膜，太阳能电池例如是图1中的太 阳能电池100以及图3、图4和图5中的太阳能电池300。适合的等离子体增强化学气相沉 积腔室包括可从加州圣塔克拉拉市的AKT美国公司获得的AKT 4300 PECVD和AKT 60k。应当理解的是，可以利用其它沉积腔室、包括来自其它制造商的沉积腔室来实施 本发明。腔室600 —般包括室壁602、底部604、喷头610和基板支撑件630，这些部件限定 了反应区606。通过阀门608可以进入反应区606，从而将诸如基板601等基板运入和运出 腔室600。基板支撑件630包括用于支撑基板的基板接收面632和连接到举升系统636以 上升和下降基板支撑件630的导杆634。可选用地，可以在基板601的周边的上方设置遮 蔽件633。举升销638可移动地穿过基板支撑件630设置，以将基板移向以及移离基板接 收面632。基板支撑件630还可包括加热和/或冷却部件639，以使基板支撑件630保持在 期望温度。基板支撑件630还可包括接地装置631，以在基板支撑件630的周边提供RF接 地。接地装置的例子在2000年2月15日授权给Law等人的美国专利6，024，044以及2006 年12月20日提交的Park等人的美国专利申请11/613，934中公开，在与本公开不冲突的 情况下援弓I这两份专利的全部内容作为参考。通过悬架614，在喷头610的周边处将喷头610连接到背板612。喷头610还可通 过一或多个中央支撑体616连接到背板，以帮助防止喷头610的下凹和/或控制喷头610 的直度/曲度。气源620连接到背板612，以通过背板612和通过喷头610将气体提供至基 板接收面632。真空泵609连接到腔室600，以以将反应区606控制在期望压力。RF功率源 622连接到背板612和/或喷头610，以将RF功率提供给喷头610，由此在喷头和基板支撑 件之间产生电场，从而在喷头610和基板支撑件630之间由气体生成等离子体。可以利用 多种RF频率，例如约0. 3MHz至约200MHz的频率。在一实施例中，以13. 56MHz的频率提供 RF功率源。喷头的例子在以下专利文件中公开2002年11月12日授权给White等人的美 国专利6，477，980、2006年11月17日公开的Choi等人的美国专利公开20050251990、以及 2006年3月23日公开的Keller等人的美国专利公开2006/0060138，在与本公开不冲突的 情况下援弓I这些专利的全部内容作为参考。还可在气源与背板之间连接远程等离子体源624，例如电感耦合远程等离子体源。 在基板处理的间隔期间，可将清洁气体提供到远程等离子体源624，以生成远程等离子体， 并将该远程等离子体用于清洁腔室部件。还可由提供给喷头的RF功率源622来激发清洁 气体。适合的清洁气体包括但不限于NF3、F2*SF6。远程等离子体源的例子在1998年8月4日授权给Shang等人的美国专利5，788，778中公开，在与本公开不冲突的情况下援引该专 利作为参考。用于例如图1的太阳能电池100、以及图3、图4和图5中的太阳能电池300的一 或多层硅层的沉积方法可以包括在图6的处理腔室或其它合适腔室中的如下沉积参数。 将具有10，OOOcm2或10，OOOcm2以上、优选具有40，OOOcm2或40，OOOcm2以上、更优选具有 55，OOOcm2或55，OOOcm2以上表面积的基板提供至腔室。应当理解在处理之后，该基板可被 切割以形成较小的太阳能电池。在一实施例中，可将加热和/或冷却部件639设定为在沉积时提供约400°C或更低 的基板支撑件温度，优选提供约100°C至约400°C的温度，更优选提供约150°C至约300°C的 温度，例如约200°C的温度。在沉积时，在放置在基板接收面632上的基板的上表面与喷头610之间的距离可 以在约400mil与约1，200mil之间，最好是在约400mil与约800mil之间。提供硅基气体和氢气(H2),以用于硅膜的沉积。适合的硅基气体包括但不限于硅 烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)、四氟化硅(SiF4)、四氯化硅(SiCl4)、二氯甲硅烷(SiH2Cl2)及其 组合。P型硅层的P型掺杂物均可以包括III族元素，例如硼或铝。最好是用硼作为P型掺 杂物。含硼源的例子包括三甲基硼(TMB或B (CH3) 3)、乙硼烷(B2H6)、BF3、B (C2H5)3以及类似 的化合物。最好是用TMB作为ρ型掺杂物。η型硅层的η型掺杂物均可以包括V族元素，例 如磷、砷或锑。最好是用磷作为η型掺杂物。含磷源的例子包括磷化氢以及类似的化合物。 通常与诸如氢、氩、氦和其它适合的化合物等载气一起来提供掺杂物。在本文所公开的处理 方式中，提供了氢气的总流速。因此，若将氢气作为载气提供，例如用于掺杂物，则应当从氢 气的总流速中减去载气的流速，以确定应当将多少额外的氢气提供给腔室。沉积诸如图3-5的硅层322的ρ型非晶硅层的特定实施例可以包括按约20 1或 更低的比例提供氢气与含硅气体的混合气体。可以按约lOsccm/L至约200sCCm/L的流速提 供硅烷气体。可以按约lOOsccm/L至约lOOOsccm/L的流速提供氢气。可以按约0. 5sccm/L 至约lsccm/L的流速提供三甲基硼。即，若按在载气中0. 5%的摩尔或体积浓度提供三甲基 硼，则按约lOOsccm/L至约200sCCm/L的流速提供掺杂物/载气混合物。可以按约lOOsccm/ L至200sCCm/L的流速提供甲烷。本公开中的流速表示为每腔室内容积的seem。腔室内 容积被定义为气体可以占据的腔室内部的容积。例如，腔室600的腔室内容积是通过背板 612、以及通过腔室的室壁602和底部604所限定的容积减去其中被喷头组件(即，包括喷 头610、悬架614、中央支撑体615)以及基板支撑组件(即，基板支撑件630、接地装置631) 所占据的容积。可为喷头提供约15mW/cm2至约200mW/cm2的RF功率。本公开中的RF功率 表示为每基板面积提供给电极的瓦特。例如，对于提供给喷头以处理具有220CmX260Cm尺 寸的基板的 10，385W 的 RF 功率，该 RF 功率可以是 10，385W/(220cmX260cm) = 180mW/cm2。 腔室的压力保持在约0. ITorr与20Torr之间，最好保持在约ITorr与约4Torr之间。ρ型 非晶硅层的沉积速率可以为约100人/min或更高。可以使用甲烷或诸如c3h8、C4H10, C2H2的 其它含碳化合物来改善P型非晶硅层的窗口(Window)特性(例如，降低太阳辐射的吸收)。 这样，可通过本征层吸收更多的太阳辐射量，从而改善电池效率。沉积诸如图3-5的硅层324的本征型非晶硅层的特定实施例包括按约20 1或 更低的比例提供氢气与含硅气体的混合气体。可以按约lOOsccm/L至约200sCCm/L的流速提供硅烷气体。可以按约lOOsccm/L至约3000sCCm/L的流速提供氢气。可为喷头提供约15mff/cm2至约250mW/cm2的RF功率。腔室的压力可以保持在约0. ITorr与20Torr之间， 最好保持在约0. 5Torr与约5Torr之间。本征型非晶硅层的沉积速率可以为约100人/min 或更高。沉积诸如图3-5的第一 η型硅层326的η型硅层的特定实施例包括按约1000 1 或更低的比例提供氢气与硅气体。可以按约lsccm/L至约250sCCm/L的流速提供硅烷气 体。可以按约100sccm/L至约5000sccm/L的流速提供氢气。可以按约0. 005sccm/L至约 0. 15sccm/L的流速提供磷化氢。即，若按在载气中0. 5%的摩尔或体积浓度提供磷化氢，则 按约lsccm/L至约30sCCm/L的流速提供掺杂物/载气混合物。可为喷头提供约15mW/cm2 至约1000mW/cm2的RF功率。腔室的压力可以保持在约0. ITorr与20Torr之间，最好保持 在约0. 5Torr与约12Torr之间。第一 η型硅层326的沉积速率可以为约200人/min或更 尚ο沉积诸如图3-5的层332或图1的层122的ρ型微晶硅层的特定实施例可以包 括按约200 1或更高的比例提供氢气与含硅气体的混合气体。可以按约lsccm/L至约 20sccm/L的流速提供硅烷气体。可以按约lOOsccm/L至约6，000sccm/L的流速提供氢气。 可以按约0. 005sCCm/L至约0. 05sccm/L的流速提供三甲基硼。即，若按在载气中0. 5%的 摩尔或体积浓度提供三甲基硼，则可以按约lsccm/L至约lOsccm/L的流速提供掺杂物/载 气混合物。可为喷头提供约50mW/cm2至约lOOOmW/cm2的RF功率。腔室的压力可以保持在 约ITorr与IOOTorr之间，优选保持在约3Torr与约20Torr之间，更优选保持在4Torr与 约l2T0rr之间。ρ型微晶硅接触层的沉积速率可以为约10人/min或更高。ρ型微晶硅接触 层具有约20%至约80%的结晶率，最好为约50%至约70%的结晶率。沉积诸如图3-5的硅层334的本征型微晶硅层的特定实施例可以按照上文与本征 型微晶硅层124相关的描述那样来实现。沉积诸如图3-5的第二 η型硅层336的η型非晶或微晶硅层的特定实施例可以 包括按约5 1或更高的比例提供氢气与含硅气体的混合气体。可以按约lOOsccm/L至 约300sCCm/L的流速提供硅烷气体。可以按约lOOsccm/L至约2，000sccm/L的流速提供氢 气。可以按约0.05sCCm/L至约1.5sCCm/L的流速提供磷化氢。即，若按在载气中0. 5%的 摩尔或体积浓度提供磷化氢，则按约lOsccm/L至约300sCCm/L的流速提供掺杂物/载气。 可为喷头提供约100mW/cm2至约900mW/cm2的RF功率。腔室的压力可以保持在约ITorr与 IOOTorr之间，优选保持在约3Torr与约20Torr之间，更优选保持在3Torr与约12Torr之 间。η型微晶或非晶硅接触层的沉积速率可以为约50人/min或更高。在特定实施例中，η型 微晶硅层具有约20%至约80%的结晶率，最好为约50%至约70%的结晶率。图7是具有多个处理腔室731-737的处理系统700的一个实施例的示意俯视图， 例如图6的PECVD腔室600或其它能够沉积硅膜的适合腔室。处理系统700包括连接到负 载锁定室710与处理腔室731-737的传输室720。负载锁定室710让基板能够在系统外部的 周围环境与传输室720和处理腔室731-737的内部的真空环境之间传输。负载锁定室710 包括容纳一或多个基板的可抽真空区。在运送基板进入系统700时，对可抽真空区抽气，在 运送基板离开系统700时，令可抽真空区通气。传输室720具有设置在其中的至少一个真 空机械手722，该真空机械手722适合于在负载锁定室710与处理腔室731-737之间传输基板。图7中示出了 7个处理腔室；然而该系统可以具有任何适当数量的处理腔室。在本发明的特定实施例中，一个系统700被配置为沉积多结太阳能电池的包含本 征型非晶硅层的第一 p-i-n结，例如图3-5的第一 p-i-n结320。处理腔室731-737中的一 个被配置为沉积第一 P-i-n结的ρ型硅层，而其余的处理腔室731-737的每一个均被配置 为沉积本征型非晶硅层和η型硅层两者。可以在相同腔室中沉积第一 p-i-n结的本征型非 晶硅层和η型硅层，而在沉积步骤之间不进行任何的钝化处理。因此，基板通过负载锁定室 710进入系统，被真空机械手送入配置为沉积ρ型硅层的专用处理腔室，被真空机械手送入 配置为沉积本征型硅层和η型硅层两者的其余处理腔室的其中之一，以及被真空机械手送 回到负载锁定室710。在特定实施例中，与在单个腔室中形成本征型非晶硅层和η型硅层的 时间相比，利用处理腔室处理基板以形成P型硅层的时间大约快4倍或4倍以上，更好的是 可快15倍或15倍以上。因此，在沉积第一 p-i-n结的系统的特定实施例中，ρ腔室与i/n 腔室的比率为1 4或更高，更好地为1 6或更高。包括提供处理腔室的等离子体清洁 的时间在内的系统吞吐能力为每小时约20个基板或更高。
在本发明的特定实施例中，一个系统700被配置为沉积多结太阳能电池的包含本 征型微晶硅层的第二 P-i-n结，例如图3-5的第二 p-i-n结330。处理腔室731-737中的一 个被配置为沉积第一 P-i-n结的ρ型硅层，而其余的处理腔室731-737的每一个均被配置 为沉积本征型微晶硅层和η型硅层两者。可以在相同腔室中沉积第二 p-i-n结的本征型微 晶硅层和η型硅层，而在沉积步骤之间不进行任何的钝化处理。因此提供了沉积微晶硅膜的改进方法。该方法有利地提高了太阳能电池中的微晶 硅层的沉积速率，而没有明显地损害下方的层。提高的沉积速率降低了具有微晶硅层的太 阳能电池的处理时间，并且在降低制造成本的同时提高了制造产量。尽管前文所述涉及了本发明的实施例，但是在不脱离本发明的基本范围的情况 下，可以设计出本发明的其它或进一步的实施例，而本发明的范围由随后的权利要求所确 定。例如，以水平位置示出了图4的处理腔室。应当理解在本发明的其它实施例中，处理腔 室可以在任何的非水平位置，例如垂直位置。例如，已经参考图7的多处理腔室群集工具描 述了本发明的实施例。应当理解本发明的实施例也可以用连续(in-line)系统和连续/群 集系统的混合来实施。例如，已经参考被配置为形成第一 P-i-n结和第二 p-i-n结的第一 系统描述了本发明的实施例。应当理解在本发明的其它实施例中，可以在单个系统中形成 第一 p-i-n结和第二 p-i-n结。例如，已经参考适合于沉积本征型层和η型层两者的处理 腔室描述了本发明的实施例。应当理解在本发明的其它实施例中，可以用不同的腔室沉积 本征型层和η型层。应当理解在本发明的其它实施例中，可以用处理腔室沉积ρ型层和本 征型层两者。
权利要求
一种在基板上方形成薄膜多结太阳能电池的方法，包括在反应区中放置基板；将混合气体提供至反应区，其中所述混合气体包括含硅气体和氢气；以第一沉积速率在所述基板上形成本征型微晶硅层的第一区域；以高于所述第一沉积速率的第二沉积速率在所述基板上形成本征型微晶硅层的第二区域；以及以低于所述第二沉积速率的第三沉积速率在所述基板上形成本征型微晶硅层的第三区域。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一沉积速率在约100人/min与约 VOA/miri之间，其中所述第二沉积速率在约400A/min与约l,500A/min之间，其中所述 第三沉积速率在约100A/min与约350人/min之间。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括以约1，OOOsccm至约3，OOOsccm的流速提供含硅气体，以约100，OOOsccm至约 300，OOOsccm的流速提供氢气，以及提供约0. 2ffatts/cm2至约0. 6ffatts/cm2的RF功率，以 形成所述本征型微晶硅层的第一区域；以约1，OOOsccm至约6，OOOsccm的流速提供含硅气体，以约200，OOOsccm至约 600，OOOsccm的流速提供氢气，以及提供0. 6ffatts/cm2至约0. 9ffatts/cm2的RF功率，以形 成所述本征型微晶硅层的第二区域；以及以约1，OOOsccm至约3，OOOsccm的流速提供含硅气体，以约100，OOOsccm至约 300，OOOsccm的流速提供氢气，以及提供约0. 2ffatts/cm2至约0. 6ffatts/cm2的RF功率，以 形成所述本征型微晶硅层的第三区域。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述本征型微晶硅层的第一区域形成为约10人 与约50GA之间的厚度，其中所述本征型微晶硅层的第二区域形成为约10，000入与约 30,000人之间的厚度，其中所述本征型微晶硅层的第三区域形成为约10人与约5GG人之间 的厚度。
5.根据权利要求3所述的方法，还包括在形成所述本征型微晶硅层之前，形成P型微晶硅层，其中形成所述P型微晶硅层包括以lsccm/L至约20sccm/L的流速提供含硅气体，以100sccm/L至约6，000sccm/L的流 速提供氢气，以0. 005sccm/L至约0. 05sccm/L的流速提供p型掺杂物，以及提供50mW/cm2 至约700mW/cm2的RF功率；以及在所述本征型微晶硅层上方形成n型硅层，其中形成所述n型硅层包括 以约100sccm/L至约300sccm/L的流速提供含硅气体，以约100sccm/L至约2000sccm/ L的流速提供氢气，提供约0. 05sccm/L至约1. 5sCCm/L之间的n型掺杂物，以及提供约 100mff/cm2 至约 900mW/cm2 的 RF 功率。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括在形成所述P型微晶硅层之前，形成p-i-n结，其中形成所述p-i-n结包括 以约10sccm/L至约200sccm/L的流速提供含硅气体，以约100sccm/L至约1，OOOsccm/L的流速提供氢气，以约0. 05sccm/L至约lsccm/L的流速提供p型掺杂物，以及提供15mW/ cm2至约200mW/cm2的RF功率，以形成p型非晶硅层；以约100sccm/L至约200sccm/L的流速提供含硅气体，以约100sccm/L至约 3，000sccm/L的流速提供氢气，以及提供15mW/cm2至约250mW/cm2的RF功率，以形成本征 型非晶硅层；以及以约lsccm/L至约250sccm/L的流速提供含硅气体，以约100sccm/L至约5，OOOsccm/ L的流速提供氢气，提供0. 005sccm/L至约0. 0151sccm/L的n型掺杂物，以形成n型硅层。
7.一种在基板上方形成薄膜多结太阳能电池的方法，包括 形成第一 p-i-n结，包括形成P型非晶硅层；在所述P型非晶硅层上方形成本征型非晶硅层；和 在所述本征型非晶硅层上方形成第一 n型硅层；以及 在所述第一 P-i-n结上方形成第二 p-i-n结，包括 形成P型微晶硅层；在所述P型微晶硅层上方形成本征型微晶硅层，其中形成所述本征型微晶硅层包括其中形成所述本征型微晶硅层包括以第一沉积速率形成所述本征型微晶硅层的第一区域；以高于所述第一沉积速率的第二沉积速率形成所述本征型微晶硅层的第二区域；和 以低于所述第二沉积速率的第三沉积速率形成所述本征型微晶硅层的第三区域；以及 在所述本征型微晶硅层上方形成第二 n型硅层。
8.根据权利要求7所述的方法，其中形成所述本征型微晶硅层还包括 在形成所述本征型微晶硅层的第一区域之前形成种子层；以及 在所述P型微晶硅层与所述种子层之间形成非晶硅势垒层。
9.根据权利要求7所述的方法，还包括在所述p型微晶硅层与所述本征型微晶硅层之 间形成非晶硅势垒层。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一沉积速率在约lOOA/min与约 35GA/min之间，其中所述第二沉积速率在约4GGA/mm与约l,500A/min之间，其中所述 第三沉积速率在约100A/min与约350A/min之间。
11.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一p-i-n结的p型非晶硅层形成为约60人 与约30GA之间的厚度，其中所述第一 P-i-n结的本征型非晶硅层形成为约1,500人与约 3,500A之间的厚度，其中所述第一 p-i-n结的n型硅层形成为约100人与约400人之间的厚 度。
12.根据权利要求7所述的方法，其中所述第二p-i-n结的p型微晶硅层形成为约 100A与约40GA之间的厚度，其中所述第二 P-i-n结的本征型微晶硅层形成为约10,000人 与约30，000人之间的厚度，其中所述第二 n型硅层形成为约100人与约:500人之间的厚度。
13.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一p-i-n结是在包括第一处理腔室和第二 处理腔室的第一处理系统中形成的。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一p-i-n结的p型非晶硅层是在所述第一处理系统的第一处理腔室中形成的，其中所述本征型非晶硅层和所述n型硅层是在所述 第一处理系统的第二处理腔室中形成的。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第二 p-i-n结的p型微晶硅层是在第二处 理系统的第一处理腔室中形成的，其中所述第二 P-i-n结的本征型微晶硅层和第二 n型硅 层是在所述第二处理系统的第二腔室中形成的。
全文摘要
如权利要求所述的本发明的实施例涉及一种薄膜多结太阳能电池以及用于形成该太阳能电池的方法与设备。在一个实施例中提供了一种在基板上方形成薄膜多结太阳能电池的方法。该方法包括在反应区中放置基板；将混合气体提供至反应区，其中所述混合气体包括含硅化合物和氢气；以第一沉积速率在基板上形成本征型微晶硅层的第一区域；以高于第一沉积速率的第二沉积速率在基板上形成本征型微晶硅层的第二区域；以及以低于第二沉积速率的第三沉积速率在基板上形成本征型微晶硅层的第三区域。
文档编号H01L31/00GK101836299SQ200880112704
公开日2010年9月15日 申请日期2008年10月22日 优先权日2007年10月22日
发明者崔寿永, 盛殊然, 蔡容基 申请人:应用材料股份有限公司