專利名稱：用于制作光伏電池結(jié)構(gòu)的方法
用于制作光伏電池結(jié)構(gòu)的方法本發(fā)明涉及一種用于制作光伏電池結(jié)構(gòu)的方法，該光伏電池結(jié)構(gòu)具有兩個電極且 包含至少一個硅化合物層。定義
貫穿本說明書和權(quán)利要求，我們理解“硅化合物”是包含硅的材料。除了硅之外，該材料 進一步且另外包含至少一種元素。尤其是，作為示例的氫化硅以及碳化硅歸入該定義。而 且，所述硅化合物可以是易于在光伏電池結(jié)構(gòu)制作中應(yīng)用的任意材料結(jié)構(gòu)，尤其可以是非 晶或微晶結(jié)構(gòu)。由此我們理解，如果材料結(jié)構(gòu)在非晶基質(zhì)中包含至少10%體積的、優(yōu)選地大 于35%體積的晶體，則結(jié)構(gòu)是微晶。光伏太陽能轉(zhuǎn)換提供這樣的預(yù)期提供環(huán)境友好的裝置來產(chǎn)生電力。然而，在當(dāng)前 狀態(tài)，由光伏能量轉(zhuǎn)換單元提供的電能仍明顯比由常規(guī)發(fā)電站提供的電力更加昂貴。因此， 近年來，更劃算地制作光伏能量轉(zhuǎn)換單元的研發(fā)吸引了注意。在制作低成本太陽能電池的 不同方法中，薄膜硅太陽能電池組合了若干有利方面首先，薄膜硅太陽能電池可以基于諸 如等離子體增強化學(xué)汽相沉積(PECVD)之類的薄膜沉積技術(shù)來制作，且因而提供這樣的預(yù) 期與已知沉積技術(shù)協(xié)同以通過使用過去例如在其他薄膜沉積技術(shù)的領(lǐng)域中(諸如在顯示 器制作部門中)實現(xiàn)的經(jīng)驗來減小制作成本。其次，薄膜硅太陽能電池可以實現(xiàn)高能量轉(zhuǎn)換 效率，高達10%或更高。第三，用于制作薄膜硅基太陽能電池的主要原始材料是豐富和無毒 的。在用于制作薄膜硅太陽能電池或太陽能電池結(jié)構(gòu)的各種方法中，特別地，由于例 如與單體電池相比太陽能照射譜的更好利用，兩個或多個電池層疊的構(gòu)思(例如也被稱為 串接構(gòu)思)提供實現(xiàn)超過10%的能量轉(zhuǎn)換效率的預(yù)期。定義
貫穿本說明書和權(quán)利要求，我們理解，以Pin或nip配置的單體光伏電池為光伏電池的 “結(jié)構(gòu)”、由以nip-nip或pin-pin配置的層疊電池組成的光伏電池的結(jié)構(gòu)為具有兩個層疊 電池的串接結(jié)構(gòu)。因此，被組合為形成串接、三層或甚至更高級數(shù)的光伏電池結(jié)構(gòu)的單體電池確實 全都包含本征硅化合物層，尤其是本征氫化硅層。定義
我們理解，“本征硅化合物材料”是中性摻雜(g卩，其中負摻雜被正摻雜補償或反之亦 然)的硅化合物或者是沉積時未摻雜的這種硅化合物。所述本征硅化合物層可以是非晶結(jié)構(gòu)或微晶結(jié)構(gòu)。如果電池的這種本征層是非晶 的，則電池被稱為非晶型a-Si，如果電池的i_層是微晶結(jié)構(gòu)，則電池被稱為微晶型μ c-Si。 在串接和更高級數(shù)的電池結(jié)構(gòu)中，所有的電池可以是a-Si或yc-Si。通常，串接或更高級 數(shù)的電池結(jié)構(gòu)提供混合型(a-Si和μ c-Si)的電池，以在光伏電池結(jié)構(gòu)中利用兩種電池類 型的優(yōu)點。薄膜光伏電池結(jié)構(gòu)包括第一電極、p-i-n或n-i-p結(jié)構(gòu)中的一個或多個層疊的單 體電池以及第二電極。電極是為從電池結(jié)構(gòu)導(dǎo)出(tap off)電流所必須的。
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圖1示出基本的簡單光伏單體電池40。它包含例如玻璃的透明基板41，透明導(dǎo)電 氧化物(TCO)層42沉積在其上且充當(dāng)電極之一。該層在本領(lǐng)域中也稱為“前接觸”FC。接 下來是電池43的有源層。所例證的電池43在于與TCO相鄰的正摻雜的層44的p-i-n結(jié) 構(gòu)。后續(xù)層45是本征的且最后的層46是負摻雜的。在備選實施例中，描述的層序列p-i-n 可以反轉(zhuǎn)為n-i-p。然后層44被η-摻雜且層46被ρ摻雜。最后，電池結(jié)構(gòu)包含也稱為“后接觸”BC的背接觸層47，其可以由氧化鋅、氧化錫 或ITO制成且通常設(shè)置有反射層48。備選地，背接觸可以由金屬材料實現(xiàn)，該金屬材料可以 組合背反射器48和后接觸47的物理屬性。圖1中，用于說明目的，箭頭指示入射光。對于串接光伏電池結(jié)構(gòu)，在本領(lǐng)域中已知將對較短波長譜敏感的a-Si單體電池 與利用太陽能譜的較長波長的μ c-Si電池組合。然而，像a-Si/a-Si或μ c-Si/μ c_Si或 其他的組合可以用于光伏和尤其是太陽能電池結(jié)構(gòu)。用于說明目的，圖2示出光伏串接電 池結(jié)構(gòu)。和圖1的電池一樣，它包含基板41以及作為第一電極的透明導(dǎo)電氧化物TCO層44， 該層如所述的那樣也被稱為前接觸FC或前電極。電池結(jié)構(gòu)還包含例如氫化硅43的第一電 池，其后者包含三層44、45和46，像圖1的實施例中所述的層。還提供作為第二電極的背接 觸層47以及反射層48。根據(jù)圖2且如至今描述的結(jié)構(gòu)的屬性和需求已經(jīng)結(jié)合圖1的上下 文予以描述。該電池結(jié)構(gòu)還包含例如氫化硅51的第二電池。后者包含三層52、53、M，它們 分別是正摻雜、本征和負摻雜層且形成第二電池的P-i-n結(jié)構(gòu)。如圖2所示，電池51可以 位于前接觸層42和電池43之間，但是備選地，兩個電池43和51可以關(guān)于它們的順序被反 轉(zhuǎn)，得到層和電池結(jié)構(gòu)42、43、51、47。再次用于說目的，箭頭指示入射光。從入射光的方向 考慮，一般提到“頂電池”(更靠近入射光)和“底電池”。在圖2的示例中，電池51因而是 頂電池且電池53是底電池。在這種串接電池結(jié)構(gòu)中，通常電池43和51均是a-si型的或 者電池51是a-Si型而電池43是μ c-Si型的。對于工業(yè)制作如上所述和例證的光伏電池結(jié)構(gòu)，重復(fù)性是重要的先決條件。大量 的不同層必需一層一層地層疊。由此，針對沉積一層而建立的處理環(huán)境可能明顯不同于針 對沉積下一隨后層的處理環(huán)境。在一個沉積室中執(zhí)行，這使在沉積第一所述層之后和在傳 到沉積下一隨后層之前處理環(huán)境的耗時的重新調(diào)節(jié)是必需的。因此，通常優(yōu)選地在一個層 沉積室中執(zhí)行第一層的沉積，且將沉積了所述層的產(chǎn)品傳輸?shù)搅硪皇乙杂糜诔练e下一層， 從而去除了相同室中重新調(diào)節(jié)工藝環(huán)境的必要性。由此，這種傳輸通常在環(huán)境空氣中執(zhí)行。 這明顯簡化了整體制作廠，且改善了建立各個沉積裝置的相互協(xié)作的靈活性。而且，必須考慮，在制作光伏電池結(jié)構(gòu)的過程中，可能希望在應(yīng)用另一覆蓋基板或 涂層之前中間地保存具有未覆蓋硅化合物層的電池結(jié)構(gòu)的中間產(chǎn)品。當(dāng)例如基于與應(yīng)用于 制作中間產(chǎn)品的所有處理完全不同的工藝來應(yīng)用附加覆蓋時，可能出現(xiàn)這種需要或希望。 因而，在整體制作中可能希望將具有無覆蓋硅化合物層的中間產(chǎn)品長時間地暴露于環(huán)境空 氣。對環(huán)境空氣的任何暴露導(dǎo)致主要通過氧化效應(yīng)影響產(chǎn)品的仍未覆蓋的表面。因 此，在整體制作工藝中執(zhí)行對環(huán)境空氣的暴露，在那里這種氧化效應(yīng)至少對光伏電池結(jié)構(gòu) 的所得的光伏特性無害，或者甚至在那里，環(huán)境空氣暴露的這種效應(yīng)改善光伏電池結(jié)構(gòu)特 性。因而，可以說，結(jié)構(gòu)制作期間層表面的環(huán)境空氣暴露通常是希望的。例如，從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 已知在沉積光伏 電池結(jié)構(gòu)的寬能隙i_層和沉積μ c-Si η層之間引入第一空氣間隔，且在沉積所述μ C-Si η層和沉積μ c-Si ρ層之間引入第二空氣間隔。考慮到環(huán)境空氣暴露對暴露的層表面的影響，必需考慮這種影響極大地依賴于占 優(yōu)勢的環(huán)境空氣條件。因而，與在具有精確控制的處理環(huán)境的沉積室中執(zhí)行的處理步驟相 對照，這種暴露呈現(xiàn)了不可控的處理步驟。在整體制作序列引入不可控的處理步驟(即對環(huán) 境空氣的所述暴露)對光伏電池結(jié)構(gòu)的重復(fù)性造成不利影響。本發(fā)明的目的是彌補所述缺
點ο這通過制作一種光伏電池結(jié)構(gòu)的方法實現(xiàn)，該光伏電池結(jié)構(gòu)具有兩個電極且包含 至少一個硅化合物層，該方法包含
在對于所述一個硅化物層的載體結(jié)構(gòu)上沉積所述硅化合物層，導(dǎo)致硅化合物層的 一個表面擱置在載體結(jié)構(gòu)上，且硅化合物層的第二表面不被覆蓋，
在預(yù)定含氧氛圍中處理硅化合物層的第二表面，由此使得所述硅化合物層的所述 第二表面富集氧，以及
將所述富集的第二表面暴露于環(huán)境空氣。通過在預(yù)定含氧氛圍中處理硅化合物層的所述未覆蓋表面，針對所述表面建立了 良好控制的工藝步驟，其使得所述表面基本對后序環(huán)境空氣暴露免疫或者如果這種環(huán)境空 氣暴露在所述處理之前應(yīng)用則“壓倒”環(huán)境空氣暴露的影響。例如，通過將覆蓋的基板從沉積室卸載到環(huán)境空氣，基板通常仍處于明顯高于環(huán) 境或室溫的溫度。依賴于占優(yōu)勢的環(huán)境空氣條件，在硅層的未覆蓋表面上發(fā)生不可預(yù)測的 氧化效應(yīng)。這種氧化效應(yīng)依賴于諸如氣壓、溫度或空氣濕度、暴露時間之類的不同環(huán)境空氣 條件，尤其是氣壓、溫度和濕度是不可控的。所述效應(yīng)還依賴于占優(yōu)勢的基板溫度。如果根 據(jù)本發(fā)明，含氧氛圍中的處理步驟優(yōu)選地在執(zhí)行將表面暴露于環(huán)境空氣的步驟之前以良好 預(yù)定和控制的方式執(zhí)行，則發(fā)現(xiàn)環(huán)境空氣暴露的剩余影響可以減小到可忽略。而且，在良好控制的條件下，在建立所述工藝之前的環(huán)境空氣暴露的影響通常可 以通過控制的暴露步驟被重寫而變得可忽略。因而，通過根據(jù)本發(fā)明的方法，通過調(diào)節(jié)處理參數(shù)精確控制新處理工件的氧化，使 得不管相應(yīng)表面是否暴露于環(huán)境空氣，產(chǎn)生用于工業(yè)生產(chǎn)的重復(fù)性結(jié)果。由此，應(yīng)當(dāng)考慮，通過根據(jù)本發(fā)明引入所述處理步驟，在光伏電池結(jié)構(gòu)的工業(yè)制作 期間靈活地利用環(huán)境空氣暴露變得可能。在根據(jù)本發(fā)明的方法的一個實施例中，通過在預(yù)定時間期間將第二表面暴露于包 含氧的預(yù)定氣體氛圍，執(zhí)行所述處理。在另一實施例中，所述氣體氛圍保持在高于環(huán)境壓力 的壓力。而且，在一個實施例中，在預(yù)定時間期間第二表面暴露于的氣體氛圍保持在高于環(huán) 境溫度的溫度。仍在根據(jù)本發(fā)明的方法的又一實施例中，通過將第二表面暴露于包含氧的預(yù)定氣 流達預(yù)定時間，執(zhí)行所述處理。仍在根據(jù)本發(fā)明的方法的又一實施例中，通過將表面暴露于使用含氧自由基的熱 催化工藝達預(yù)定時間量，執(zhí)行所述處理。仍在根據(jù)本發(fā)明的方法的又一實施例中，其中第二表面暴露于包含氧的預(yù)定氣體氛圍，且在預(yù)定時間期間，所述氣體通過等離子體放電激勵。由此且在另一實施例中，在包 含(X)2的氛圍氣體中建立所述等離子體放電。仍在根據(jù)本發(fā)明的方法的又一實施例中，含氧氛圍處于真空壓力。仍在根據(jù)本發(fā)明的方法的又一實施例中，第二表面的所述處理通過濕法處理來執(zhí) 行。仍在根據(jù)本發(fā)明的方法的又一實施例中，在第二表面暴露于環(huán)境空氣之后在第二 表面上沉積另一層。由此，在一個實施例中，這種另一層是硅化合物。通過本發(fā)明，不管在結(jié)構(gòu)的制作期間是否存在環(huán)境空氣氛圍暴露，可以明顯改善 光伏電池結(jié)構(gòu)制作的重復(fù)性?，F(xiàn)在將進一步例證本發(fā)明及其實施例。由此，描述用于在預(yù)定含氧氛圍中處理硅 化合物的未覆蓋第二表面的不同方法。在下文中，具有未覆蓋的一個硅化合物層的載體結(jié)構(gòu)將被稱為“工件”。a)在提升的溫度下和在環(huán)境壓力下在含氧氛圍中氧化
工件在環(huán)境壓力暴露于含氧的氛圍，比如例如，空氣、純氧、氮氣/氧氣氣體混合物、H2O 或者包含其他有機物或含氧化合物的氣體混合物。溫度保持在50°C和300°C之間，由此優(yōu) 選地在100°C和200°C之間。暴露的持續(xù)時間在1小時和10小時之間。處理工件的暴露可 以確定為暴露時間(分鐘)和溫度(攝氏度)的乘積。我們將其稱為“暴露率”的該值基本上 必須保持在5000和30，000之間。如果在暴露時間期間溫度變化，則可以通過溫度進程的時間積分來計算暴露率。如果而且壓力相對于環(huán)境壓力降低或升高，則作為一般的規(guī)則，可以說，對于每 10%的壓力增加或者壓力減小，與針對原先設(shè)定的壓力(例如，環(huán)境壓力)計算的暴露率相 比，暴露率分別增加或減小10%。因而，可以說，針對環(huán)境壓力計算的暴露率將與壓力偏離于 這種環(huán)境壓力的變化成比例地變化。b)氣流處理
執(zhí)行所述工件的處理另一可能方法是通過熱氧化氣流。這可以通過將工件暴露于加熱 的氣流實現(xiàn)，這例如通過向例如烤箱中的工件的待處理表面上或沿著該表面引導(dǎo)諸如空氣 的熱氧化氣體的風(fēng)扇實現(xiàn)。C)暴露于氧自由基
根據(jù)本發(fā)明執(zhí)行工件的處理的另一可能性是將工件暴露于一氛圍，該氛圍中，含氧自 由基的形成通過在如在所謂的熱線反應(yīng)器中使用的熱催化沉積系統(tǒng)中的設(shè)置中添加如本 領(lǐng)域技術(shù)人員已知的含氧自由基源(例如催化劑)的源來增強。此處包含有機物或含氧化合 物的氣體混合物在催化劑的表面上和/或通過在氣相中的二次反應(yīng)來催化分解。d)暴露于具有等離子放電的氛圍
執(zhí)行硅化合物層的第二表面即工件的所述處理的另一可能性是在處理室內(nèi)產(chǎn)生等離 子體放電，由此在所述室內(nèi)建立包含充當(dāng)氧自由基的源的氣體或氣體混合物(例如02、CO2, H2O或包含其他有機物或含氧化合物的氣體混合物)的氛圍。等離子體放電可以實現(xiàn)為例 如Rf-、Hf-、VHF-、DC-放電，由此例如通過微波放電。這種處理步驟可以直接跟在可能在 相同處理室中的最后層沉積步驟之后。在這種等離子體處理期間的壓力可以處于0. 01和 100 mbar之間的范圍內(nèi)，優(yōu)選地設(shè)置在0.3 mbar和1 mbar之間的值。等離子體的功率密度優(yōu)選地選擇為5和2500 mff/cm2 (相對于電極表面)之間，且優(yōu)選地選擇為15和100 mff/ cm2之間。而且，優(yōu)點是在與用于沉積其表面被處理的該硅化合物層的相同溫度下操作工 件。由此可以避免加熱或冷卻循環(huán)。用于這種基于等離子體處理的處理時間可以在2秒和 600秒之間變化，且優(yōu)選地調(diào)整為持續(xù)2和15秒之間。在這種處理的一個示例中，工件保 留在處理室中，其中沉積了最后的硅化合物層。在這種層沉積之后，CO2氣體流到室內(nèi)。發(fā) 現(xiàn)，每分鐘且每平方米電極面積0. 05至50標(biāo)準升的流量、由此優(yōu)選地每分鐘且每平方米電 極面積0. 1至5標(biāo)準升的流量是用于所述處理的良好選擇。在含(X)2的氣體氛圍中點燃和 產(chǎn)生的等離子體從二氧化碳釋放氧，這基本上產(chǎn)生一氧化碳和氧自由基。氧自由基與待處 理的硅化合物表面相互作用。建立2秒和2分鐘之間的等離子體處理的短持續(xù)時間，甚至 2秒和30秒之間的更短持續(xù)時間。等離子體能量被設(shè)置在15和100 mff/cm2電極表面之間 的水平，由此優(yōu)選地處于25和50 mff/cm2之間的水平。因為通過等離子體激勵的含氧氣體氛圍實現(xiàn)處理步驟，導(dǎo)致短的處理時間且可以 應(yīng)用在與沉積最后硅化合物層(其表面稍后暴露于環(huán)境空氣)相同的處理室內(nèi)，所以這種實 現(xiàn)所述處理至少在當(dāng)今是優(yōu)選的。一般而言，應(yīng)當(dāng)注意，對于環(huán)境空氣的較長的持續(xù)暴露且鑒于產(chǎn)出率或者整體處 理，可以根據(jù)本發(fā)明利用持續(xù)較長的處理步驟來處理工件，且如果僅建立對環(huán)境空氣的短 時間暴露，則這種處理被選擇為僅持續(xù)短時間，比如例如，含氧氛圍中的等離子體輔助處理。e)濕法處理
還可以通過濕法處理步驟執(zhí)行工件的所述處理。由此，工件例如通過在充滿液體的容 器中對工件的沉浸或者浸蘸操作(這導(dǎo)致表面氧化)而暴露于這種濕法處理，導(dǎo)致表面氧 化。這可以例如通過水池、包含過氧化氫的溶液、有機溶劑或酒精或其他有機或含氧化合物 的溶液中的池子來實現(xiàn)。這種濕法處理的持續(xù)時間依賴于液體的成分及其溫度。例如，在 溫度為60°C的去離子水中，相應(yīng)的處理持續(xù)2和60分鐘之間，通常5和30分鐘之間。通過本發(fā)明，可以通過以精確控制的方式在含氧氛圍中處理硅化合物表面來防止 這種表面暴露于環(huán)境空氣的不可控影響，不管該含氧氛圍是液體還是氣體。
權(quán)利要求
1.一種用于制作光伏電池結(jié)構(gòu)的方法，該光伏電池結(jié)構(gòu)具有兩個電極且包含至少一個 硅化合物層，該方法包含 在對于所述一個硅化物層的載體結(jié)構(gòu)上沉積所述硅化合物層，導(dǎo)致所述硅化合物 層的一個表面擱置在所述載體結(jié)構(gòu)上，所述硅化合物層的第二表面不被覆蓋， 在預(yù)定含氧氛圍中處理所述硅化合物層的第二表面，由此使得所述硅化合物層的 所述第二表面富集氧， 將所述富集的第二表面暴露于環(huán)境空氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中通過在預(yù)定時間期間將所述第二表面暴露于包含 氧的預(yù)定氣體氛圍來執(zhí)行所述處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述氣體氛圍處于高于環(huán)境壓力的壓力。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其中所述氣體氛圍處于高于環(huán)境溫度的溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中通過將所述第二表面暴露于包含氧的預(yù)定氣流達 預(yù)定時間來執(zhí)行所述處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中通過將所述表面暴露于使用含氧自由基的熱催化 工藝達預(yù)定時間量來執(zhí)行所述處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，由此通過等離子體放電激勵所述氛圍的氣體。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，所述氛圍的所述氣體包含C02。
9.根據(jù)權(quán)利要求2、4至7中任一項所述的方法，所述氛圍處于真空壓力。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述處理是濕法處理。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的方法，還包含在所述暴露于環(huán)境之后在所述第 二表面上沉積另一層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，所述另一層是硅化合物。
全文摘要
在光伏電池制作的框架中，在載體結(jié)構(gòu)上沉積硅化合物層。一方面通過結(jié)合這種硅化合物層的環(huán)境空氣暴露來增加制作靈活性，且另一方面通過使得待暴露于環(huán)境空氣的所述硅化合物層的表面富集氧而防止這種環(huán)境空氣暴露導(dǎo)致的重復(fù)性的惡化。
文檔編號H01L31/18GK102113138SQ200980130406
公開日2011年6月29日 申請日期2009年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月1日
發(fā)明者邁爾 J., 庫皮希 M., 貝納格利 S., 羅舍克 T. 申請人:歐瑞康太陽Ip股份公司(特呂巴赫)