用于光伏器件或類似等的多晶硅厚膜及制備其的方法
【專利說(shuō)明】用于光伏器件或類似等的多晶硅厚膜及制備其的方法
[0001]本申請(qǐng)涉及一種多晶硅膜，例如具有大于或等于I ym的顆粒尺寸，用于光伏器件(例如太陽(yáng)能電池)和類似等，以及制備該多晶硅膜的方法。
[0002]發(fā)明背景及內(nèi)容
[0003]用于低成本光伏模塊的技術(shù)涉及在基片上生長(zhǎng)薄膜的多晶硅而不是硅片。雖然薄膜的多晶太陽(yáng)能電池的效率低于晶體硅太陽(yáng)電池，但生產(chǎn)成本也明顯較低，且其可被伸縮用于大面積沉積。由于多晶膜中的少數(shù)載體擴(kuò)散長(zhǎng)度僅需要大于其厚度，因此薄膜的多晶電池還可消除可能需要昂貴工序的單晶材料上的一些質(zhì)量約束。
[0004]與通過(guò)高吞吐量過(guò)程的單晶硅相比，大顆粒的多晶硅材料可更廉價(jià)地被制造，例如鑄造或定向凝固來(lái)產(chǎn)生多晶硅塊。雖然大顆粒的多晶硅的多數(shù)和少數(shù)載體屬性接近于那些單晶硅，但示出晶界的存在會(huì)減少使用該技術(shù)所制造的太陽(yáng)能電池的效率(可能由于較大的復(fù)合率)。
[0005]由于多晶電池的開(kāi)路電壓隨超過(guò)I ym的多晶硅顆粒尺寸而增加，因此需要多晶硅厚膜具有大于或等于I μπι的顆粒尺寸。此外，工程特別需要在類似玻璃的低成本基片上進(jìn)行沉積。但是，當(dāng)使用玻璃基片時(shí)，在硅成長(zhǎng)期間經(jīng)常需要將電池和/或基片的溫度保持在低于或等于玻璃的轉(zhuǎn)變溫度下。
[0006]在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，提供含有吸收膜(由一個(gè)或多個(gè)層構(gòu)成)的光伏器件(例如太陽(yáng)能電池)，其包括多晶硅，具有大于或等于I ym平均粒度。
[0007]根據(jù)示例性實(shí)施例的一個(gè)方面，提供基片(例如玻璃或云母基片)，包括位于基片上的含有鎳的納米粒，以及涂在基片上的含有鎳的催化劑薄膜，可在催化劑薄膜之前和/或之后被沉積。其中，含有鎳的催化劑膜可包括:選擇性地?fù)诫s有磷等的鎳。熱處理和暴露于硅烷氣可用來(lái)形成含有多晶硅的膜。
[0008]在本發(fā)明的不例性實(shí)施例中，提供一種在基片上制備含有娃的多晶I旲的方法，所述方法包括:在所述基片上沉積含有鎳的催化劑層，并沉積納米粒；將所述催化劑層和所述納米粒暴露至硅烷氣；以及在所述暴露至硅烷氣的至少一部分時(shí)間期間將涂有所述催化劑層和所述納米粒的所述基片熱處理，在所述基片上生長(zhǎng)含有硅的膜。
[0009]附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明
[0010]圖1是示出在制備過(guò)程期間，硅(Si)膜在基片(例如玻璃或云母基片)上生長(zhǎng)的橫截面圖。
[0011]圖2是示出根據(jù)示例性實(shí)施例，制備顆粒尺寸大于或等于I ym(如圖1所示)的多晶硅厚膜的方法的流程圖。
[0012]圖3是示出云母基片上的硅(Si)的橫截面圖。
[0013]圖4是示出另一個(gè)玻璃基片上的導(dǎo)電層的橫截面圖，根據(jù)圖1 一 3中的任何一個(gè)所制備的多晶硅膜被轉(zhuǎn)移至其上。
[0014]示例性實(shí)施例的具體說(shuō)明
[0015]以下參照附圖對(duì)示例性實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。整個(gè)附圖中相同的參照符號(hào)表示相同的部分。
[0016]圖1示出基片11 (例如玻璃或云母基片)上含有硅的膜15。在此使用的〃在…上〃包括直接和間接位于其上的兩者。因此，在此所使用的〃在…上〃不要求直接接觸(例如，即使其之間具有其他層，層或膜也表示在基片〃上〃)。
[0017]參照?qǐng)D1，提供基片11、緩沖層12、催化劑13、鎳納米粒14，和硅15。硅膜15在基片11上被生長(zhǎng)之后，催化劑層13可以或也可以不存在于產(chǎn)品中。
[0018]緩沖層12可以是，例如透明介質(zhì)層(例如，包括氧化鋅等)，在玻璃基片11上被形成，用來(lái)在制備基于硅的膜15過(guò)程中減少鎳擴(kuò)散至玻璃基片11中。例如，緩沖層12可由含有氧化鋅的介電或?qū)щ妼咏M成。可選擇地，緩沖層12可具有雙層設(shè)計(jì)并由(i)形成在基片11上的氧化鋅層組成，和(ii)形成在氧化鋅層之上的ITO層組成?？蛇x擇地，在示例性實(shí)施例中，緩沖層12可由例如ΖηΟ/ΙΤΟ/Ag的三層組成。
[0019]在玻璃基片11上形成緩沖層12之后，催化劑13被分散到玻璃基片11上。催化劑13可以是或包括鎳(例如，無(wú)電極的鎳，類似含有無(wú)電極沉積的鎳的導(dǎo)電層)。鎳催化劑層(連續(xù)的或不連續(xù)的)13可摻雜有硼，來(lái)生成P型硅膜15，或可摻雜有氬或磷(例如，6-10%的磷原子)，來(lái)生成N型硅膜15。含有鎳的納米粒14被沉積在基片11上，在催化劑13被沉積在基片11上之前和/或之后。在優(yōu)選的實(shí)施例中，催化劑13被沉積在基片11上之后，納米粒14通過(guò)任何合適的方法被沉積在基片11上。然后基片11被加熱和/或使用至少約580攝氏度的高溫，更優(yōu)選是至少約620攝氏度(例如，至約690攝氏度)。在加熱期間和/或之后，硅烷氣被引入至反應(yīng)室，并在熱金屬化的玻璃基片11上流過(guò)，且基片11快速地被熱循環(huán)?？梢霘怏w(例如，硅烷和/或硅烷和氫的混合物)，且暴露的涂層基片的熱循環(huán)被執(zhí)行，從而在基片上生長(zhǎng)硅膜15。
[0020]圖2是示出根據(jù)示例性實(shí)施例，通過(guò)催化的化學(xué)氣相沉積CVD過(guò)程，制備顆粒尺寸大于或等于I μπι的多晶硅厚膜的方法的流程圖。如圖1-2所示，基片11可首先被清潔。在Sll步驟中，緩沖層12被沉積在玻璃基片11上。在步驟S12中，含有Ni的催化劑薄膜13被沉積在玻璃基片11上，位于緩沖層12之上。Ni和/或Ag催化劑13可沒(méi)有被摻雜來(lái)形成固有類型的硅膜15，或者被摻雜來(lái)形成N型或P型的硅膜15。例如，鎳/銀催化劑13可摻雜有磷，砷，或銻，來(lái)提供N型的硅膜15，或是鎳/銀催化劑可摻雜有硼來(lái)制備P型的硅膜。在示例性實(shí)施例中，任何上述元素(P、Ar、銻，和/或B)的摻雜量可約為0.5-12%，更優(yōu)選是約0.5 — 7%。在示例性實(shí)施例中，催化劑可摻雜有約6-10%的磷原子，來(lái)生成N型的硅膜(在此，％數(shù)量為原子％ )。在沉積時(shí)催化劑13可以是無(wú)定形的(例如，無(wú)定形的Ni)或是基本無(wú)定形的，且在不同的示例性實(shí)施例中可通過(guò)磁控濺射真空沉積(MSVD)、無(wú)電極沉積、電弧蒸鍍法、電子束蒸鍍法，或陰極電弧被沉積。在示例性實(shí)施例中，催化劑13的厚度可約為0.01 — 2 μm，更優(yōu)選是厚度約為0.1 — I μπι。
[0021]在步驟S13中，鎳納米粒14(例如，類似水或其他溶液的介質(zhì)中的納米粒)的漿體通過(guò)膠體的水性混合物被分散(例如，通過(guò)噴涂)到基片11上，優(yōu)選是在催化劑13被沉積或至少部分地沉積之后。在硅15的形成之前和/或期間，漿體中的水或其他溶液(參照?qǐng)D1中催化劑13和硅15之間的層)可以或也可以不允許或引起蒸發(fā)。選擇性地，步驟S12和S13可被轉(zhuǎn)換，從而在催化劑膜13被沉積之前，納米粒14被沉積在基片上。選擇性地，催化劑膜13被形成之前和之后，納米粒14都可被沉積在基片上。納米粒14被沉積之后，在步驟S14中，基片11被加熱和/或烘干，可導(dǎo)致與納米粒14 一起沉積的水或其他溶液被部分地或完全地蒸發(fā)，納米粒14殘留在基片上。例如，涂層的基片可被加熱至和/或使用至少約580攝氏度的高溫，更優(yōu)選是至少約620攝氏度(例如，約690攝氏度)。當(dāng)涂層的基片被加熱，例如，與催化劑13中包含的鎳相比，催化劑13中包含的磷或其他摻雜物能夠以更高比率擴(kuò)散至基片11中。擴(kuò)散至玻璃基片中的磷或其他摻雜物與鎳的相對(duì)比取決于玻璃的加熱和冷卻速度。當(dāng)涂層的基片快速地被加熱(例如，通過(guò)玻璃的快速熱退火)時(shí)，比率較高，且鎳沒(méi)有顯著地?cái)U(kuò)散至玻璃中。緩沖層12防止或減少Ni (從催化劑和/或納米粒)擴(kuò)散至基片11中。當(dāng)磷或其他摻雜物擴(kuò)散至玻璃或云母基片11中時(shí)，鎳催化劑13通過(guò)至少一個(gè)數(shù)量級(jí)結(jié)晶并變粗糙。
[0022]在步驟S15中，氣體(例如含有硅烷氣，沒(méi)有明顯數(shù)量的碳)被引入至反應(yīng)室并流過(guò)涂有緩沖層12和納米粒14的熱基片11，含有無(wú)定形和/或納米晶硅的種子層15被形成在催化劑13和納米粒14上，且硅在種子層上繼續(xù)生長(zhǎng)形成含有多晶硅的膜15。氣體可以是硅烷氣或者是硅烷和氫氣的混合物(例如，純硅烷(SiH4)氣體，或是類似混合物比例約1:1至1:10的SiH4=H2氣體的硅烷和氫氣的混合物)。無(wú)定形和/或多晶硅種子層15與催化劑膜13和納米粒共形或基本共形(例如，參照?qǐng)D1)，但是結(jié)晶的鎳粒子14周圍的硅通常晶體含量更非富，并在納米粒14周圍生長(zhǎng)。在步驟S16中，當(dāng)氣體(例如，如上所述的硅烷氣或硅烷和氫的混合物)流過(guò)在催化劑和納米粒時(shí)，涂層的基片被快速地?zé)嵫h(huán)，形成種子膜15 (參照?qǐng)D1的向下箭頭)。進(jìn)一步，隨著涂層的基片被快速熱循環(huán)以及催化劑和納米粒上的硅烷氣的流動(dòng)，發(fā)生硅膜15生長(zhǎng)。快速熱循環(huán)可包括，例如，將溫度提高至約580-800攝氏度(更優(yōu)選是約600-700攝氏度)，然后回落至室溫，然后重新回升至約580-800攝氏度(更優(yōu)選是約600-700攝氏度)，然后回落至室溫，并如此重復(fù)，來(lái)管理膜15中的應(yīng)力，從而其不會(huì)明顯地?cái)嗔?，由此促進(jìn)硅膜15的進(jìn)一步生長(zhǎng)。圖1示出硅膜15，此時(shí)為整個(gè)膜15生長(zhǎng)之前并可能是其被完全晶化之前。也可使用激光來(lái)處理硅，隨著生長(zhǎng)使硅結(jié)晶并促進(jìn)高質(zhì)量的晶體生長(zhǎng)(例如，其可以是附加的，或是用來(lái)代替快速的熱循環(huán))。含有鎳的催化劑層13兩側(cè)以及納米粒14周圍的硅的雙面生長(zhǎng)，可最終使催化劑層13從基片11的表面剝離，但是與基片11表面接觸的硅膜15可能仍被保持固定在基片11中。
[0023]如上所述的快速熱循環(huán)可被繼續(xù)來(lái)生長(zhǎng)硅膜15?？蛇x擇地，在步驟S16中，至少一些快速熱循環(huán)之后，可使用更溫和的溫度與硅烷/氫氣一起用來(lái)進(jìn)一步生長(zhǎng)硅膜15。例如，在步驟S16之后，以較低的