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      制造多晶硅和硅-鍺太陽能電池的方法和系統(tǒng)的制作方法

      文檔序號:6888839閱讀:452來源:國知局
      專利名稱:制造多晶硅和硅-鍺太陽能電池的方法和系統(tǒng)的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明 一般涉及制造光伏器件或太陽能電池的方法和系統(tǒng)。更具 體地講,本發(fā)明涉及以降低的成本和高效率制造多晶硅和硅-鍺太陽能 電池的方法和系統(tǒng)。
      背景技術(shù)
      這些年來,從硅光伏器件產(chǎn)生電能已顯著減少成本。然而,普遍
      采用還需要這些成本突破到低于$1.00/瓦的水平。有一個日漸加深的
      信條是,這些另外的步驟功能降低不可能來自硅基電池,如對諸如
      CIGS、 CdTe和非晶硅的供選材料開發(fā)的趨勢證明。大多數(shù)流行方法 M于利用晶片形式的硅進(jìn)行操作。成本降低突破尤其需要制造晶片 的成本和晶片厚度兩者大幅度降低。這兩種選擇的潛力已極大程度地 耗盡。
      當(dāng)前制造高純度硅的優(yōu)選方法是西門子(Siemens)法,總體硅法由 7或更多個步驟組成,如

      圖1A和1B的簡化示意圖所示。 一般常規(guī)方 法包括,在步驟101用碳還原石英,以產(chǎn)生冶金級硅,在步驟102通 過與氯化氫反應(yīng)使冶金級硅轉(zhuǎn)化成中間體化合物,如硅烷、乙硅烷、 一氯硅烷、二氯硅烷、三氯硅烷和四氯化硅,在步驟103使中間體化 合物純化到ppb級或更優(yōu),在步驟104將中間體化合物氬還原并熱解 成高純度體多晶硅,然后在步驟105使體硅重新熔融,并從多晶硅生 長硅的單晶摻雜梨晶,在步驟106將梨晶切割成晶片,并在步驟107 將晶片化學(xué)機(jī)械拋光,以產(chǎn)生拋光的晶片。圖1B顯示在方法的各個 階段每千克成本的實(shí)例。如圖所示,在單晶梨晶生長,切割晶片然后 拋光的方法的最后三個步驟,成本顯著增加。另外,在數(shù)十年的努力 后,硅基太陽能電池每瓦的成本減少正顯示平穩(wěn)化跡象。硅太陽能電池器件的加工分成單晶和多晶太陽能電池技術(shù),并且 包括許多步驟。在單晶太陽能電池技術(shù)中使用相同的一般步驟,然而
      常規(guī)的硅晶片制造方法在步驟107結(jié)束截?cái)?圖1A和2),并產(chǎn)生具有 12至24%效率的市售器件lll(圖2)。在多晶太陽能電池技術(shù)中,常 規(guī)的硅晶片制造方法在步驟104結(jié)束截?cái)?,如圖2和3所示。具體地 講,使體硅重新熔融,并將大晶粒大小的多晶晶錠鑄造并變形成晶片, 或者拉條,或者在基片上生長薄膜。用這些晶片、條和薄膜制造具有 10至20%效率的市售器件。無論是使用晶錠108還是梨晶105,仍需 要使體硅重新熔融,在步驟109將晶錠切割成晶片,并在步驟110使 晶片拋光,以產(chǎn)生多晶器件lll?,F(xiàn)已作出一些改進(jìn),如圖3所示, 其中用薄膜112或條113形成器件111,但仍然需要使體硅重新熔融。 另外,前后兩種方法產(chǎn)生內(nèi)在昂貴的太陽能電池,并超過"成本/ 瓦,,的關(guān)鍵工業(yè)度量,因此限制常規(guī)光伏器件的普遍認(rèn)可和運(yùn)用,這可 由工業(yè)上為了達(dá)到低于$1.00/瓦成本目標(biāo)總體活動朝向探索結(jié)晶硅以 外的材料如CIGS、 CdTe和非晶硅得到證明。然而,這些供選材料沒 有顯示硅的場可靠性,并且制造方法可能產(chǎn)生一系列新的環(huán)境問題。 因此,在硅方法中非常需要新的開發(fā)和進(jìn)一步改良。
      發(fā)明概述
      發(fā)明人特別有利地發(fā)現(xiàn)制造多晶硅和硅-鍺太陽能電池或光伏器 件的新的方法和系統(tǒng),所述方法和系統(tǒng)克服常規(guī)方法的很多限制,并 且使得能夠以顯著降低的成本制造此類器件,從而促使公眾普遍認(rèn)可 和采用太陽能電池技術(shù)。
      一方面,本發(fā)明的實(shí)施方案用代表所用硅前體初始形式根本變化 的高純度氣體前體、液體前體或液體前體和氣體前體的混合物或液體 前體和固體前體的混合物制備多晶硅或硅-鍺薄膜和太陽能電池。
      一方面,本發(fā)明的實(shí)施方案提供形成太陽能電池或光伏器件的方 法,其特征在于,用氬熱處理液體或氣體形式的一種或多種硅中間體,以直接在基片上形成多晶硅薄膜,其中所述熱處理被設(shè)計(jì)成促進(jìn)提高 形成的多晶硅薄膜的晶粒品質(zhì)。
      另一方面,本發(fā)明的實(shí)施方案提供形成太陽能電池或光伏器件的 方法,所述方法包括以下步驟,在熱等離子源中產(chǎn)生等離子流,將一 種或多種硅中間體化合物注入熱等離子源,在其中硅中間體化合物離 解,將氫注入熱等離子源,并在接近熱等離子源布置的一個或多個基 片的表面上沉積多晶硅薄膜,其中使氫結(jié)合到多晶硅薄膜,以促進(jìn)在 多晶硅薄膜中形成的硅晶粒鈍化。
      本發(fā)明的 一些實(shí)施方案進(jìn)一 步提供形成太陽能電池或光伏器件 的方法,所述方法包括以下步驟,通過與囟化氬反應(yīng)使冶金級硅轉(zhuǎn)化
      成一種或多種硅中間體化合物;將硅中間體化合物純化成約99.5%和 更高純度的硅中間體化合物;在熱等離子源中產(chǎn)生等離子流;將純化 的硅中間體化合物注入熱等離子源,在其中硅中間體化合物離解,將 氬注入熱等離子源,并在接近熱等離子源布置的一個或多個基片的表 面上沉積多晶硅薄膜,所述多晶硅薄膜顯示提高的晶粒品質(zhì)和生長速 率。本發(fā)明另外提供一種太陽能電池或光伏器件,所述太陽能電池或 光伏器件包括根據(jù)所述方法形成的多晶硅薄膜或硅-鍺薄膜。
      另 一方面,本發(fā)明提供一種制造太陽能電池或光伏器件的系統(tǒng), 所述系統(tǒng)包括,操作機(jī)構(gòu),所述操作機(jī)構(gòu)被構(gòu)造成支持和傳送一個或 多個基片;等離子室,所述等離子室包括熱等離子噴槍,等離子噴槍 被構(gòu)造成產(chǎn)生熱等離子噴霧,以便在基片傳送通過等離子室時在一個 或多個基片的表面上沉積多晶硅或硅-鍺薄膜;和后沉積室,所述后沉 積室包括至少一個加熱機(jī)構(gòu),加熱機(jī)構(gòu)^t構(gòu)造成產(chǎn)生聚焦的線性光 束,線性光束在一個或多個基片傳送通過后沉積室時使多晶硅或硅-鍺薄膜在線性區(qū)域熔融。熔融的區(qū)域在光束掃描離開時重新結(jié)晶。
      另 一方面,本發(fā)明提供一種制造太陽能電池或光伏器件的系統(tǒng), 所述系統(tǒng)包括,操作機(jī)構(gòu),所述操作機(jī)構(gòu)被構(gòu)造成支持和傳送一個或 多個基片;等離子室,所述等離子室包括熱等離子噴槍,等離子噴沖全^皮構(gòu)造成產(chǎn)生熱等離子噴霧,以便在基片傳送通過等離子室時在一個 或多個基片的表面上沉積多晶硅或硅-鍺薄膜;和后沉積室,所述后沉 積室包括至少一個加熱才幾構(gòu),加熱機(jī)構(gòu)纟皮構(gòu)造成產(chǎn)生脈沖的大面積光 束,脈沖的大面積光束在一個或多個基片傳送通過后沉積室時使多晶 硅或硅-鍺薄膜熔融。熔融的薄膜在脈沖后重新結(jié)晶。
      附圖簡述
      通過閱讀發(fā)明詳述和以下提供的附加權(quán)利要求并參考附圖,本發(fā)
      明的其他方面、實(shí)施方案和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見,其中
      圖1A和1B顯示一般性說明常規(guī)西門子方法和總體硅方法的簡化 示意方法;
      圖2為筒化示意方法圖解,顯示基于常規(guī)西門子方法制造單晶硅 和多晶硅太陽能電池的常規(guī)制造方法;
      圖3描繪在基片硅太陽能電池上產(chǎn)生條和薄膜的常規(guī)制造方法的 筒化示意方法圖解;
      圖4A和4B圖示簡化示意方法圖解,顯示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施 方案制造硅太陽能電池的系統(tǒng)和方法;
      圖5為顯示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方案的系統(tǒng)的筒化橫截面并且
      圖6為可用于本發(fā)明的實(shí)施方案的熱等離子噴槍的一個實(shí)施方案 的透^見圖;并且
      圖7為顯示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方案的等離子噴霧系統(tǒng)和利用 后處理步驟的方法的示意方法圖解。
      發(fā)明詳述
      現(xiàn)在詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方案。在一個實(shí)施方案中,本發(fā)明提 供形成太陽能電池或光伏器件的方法,所述方法一般包括以下步驟, 在熱等離子源中產(chǎn)生等離子流;將一種或多種液體和/或氣體形式的硅中間體化合物注入熱等離子源,在其中硅中間體化合物離解;將氫注 入熱等離子源;并在接近熱等離子源布置的一個或多個基片的表面上 沉積多晶硅薄膜,其中使氫結(jié)合到多晶硅薄膜,以促進(jìn)在多晶硅薄膜 中形成的硅晶粒鈍化。
      特別有利利用液體和/或氣體硅中間體化合物。在一個優(yōu)選的實(shí)施 方案中,使用具有約99.5%和更高純度的液體硅中間體化合物。適合 硅中間體的實(shí)例包括但不限于任何一種或多種SiH4、 Si2H6、 SiH2Cl2、 SiHC"、 SiCL(、 SiBr4、 SiHBr3、 SiH2Br2、 SiLt、 SiHI3、 Sil2或其組合。 在一些實(shí)施方案中,硅中間體化合物包括液體和/或氣體化合物與固體 硅化合物或硅粉末的混合物。硅中間體化合物可以任何適合流速注入 熱等離子源。在一個實(shí)例中,硅中間體以約0.1至1000ml/s的流速注 入。另外,在一些實(shí)施方案中,在注入一種或多種硅中間體化合物前, 可首先將硅顆粒層注入到基片上,以在基片上形成硅晶種層。
      在本發(fā)明的另 一些實(shí)施方案中,通過與硅中間體同時或之后利用 一種或多種鍺中間體化合物形成多晶硅-鍺薄膜而形成硅-鍺薄膜。適 合鍺中間體化合物的實(shí)例包括但不限于任何一種或多種GeCLi、 GeH4 或其組合。本發(fā)明的實(shí)施方案明顯有利地能夠?qū)㈡N中間體化合物加到 硅中間體,以沉積具有可調(diào)Si/Ge比率的純或摻雜多晶硅-鍺薄膜。
      多晶硅薄膜或硅-鍺薄膜的摻雜可更有利地很容易在形成薄膜期 間完成。在一些實(shí)施方案中,將一種或多種摻雜劑化合物與硅中間體 同時或隨后混合,以形成摻雜的多晶硅薄膜。適合摻雜劑化合物的實(shí) 例包括但不限于任何一種或多種用于p-型摻雜劑的BC13、 AlCls和用 于n-型摻雜劑的P0C13或其組合。
      通常,多晶硅或硅-鍺薄膜通過熱處理來形成。在一個優(yōu)選的實(shí)施 方案中,通過如下詳述的熱等離子噴霧技術(shù)進(jìn)行熱處理。本領(lǐng)域的技 術(shù)人員應(yīng)了解,在本發(fā)明教授下可使用其他熱處理技術(shù)。例如,也可 用等離子增強(qiáng)化學(xué)蒸氣沉積技術(shù)等進(jìn)行熱處理。
      更具體地講,本發(fā)明的實(shí)施方案包括形成可在熱等離子噴霧源中使用的高溫氣體或等離子,高溫氣體或等離子包括任何一種或多種 氦、氫、氬或其混合物。熱等離子源為用于產(chǎn)生高溫氣體的電裝置, 所述高溫氣體部分或完全離子化,也被稱為"等離子"。在一些實(shí)施方 案中,用氬與氫或氦與氫作為高溫氣體還原并分解注入的中間體前 體,隨后在一個或多個基片上沉積硅或硅-鍺薄膜,以形成多晶薄膜。 可使薄膜尤其沉積在金屬基片、金屬化的絕緣基片上,如果沉積到可 移除的基片上,則可產(chǎn)生自立的薄膜。
      本發(fā)明的方法和系統(tǒng)可利用多種等離子源。例如,可用DC、 RF 或混合DC-RF熱等離子源進(jìn)行沉積。 一般熱等離子源在約2000K至 20,000K的溫度和約1至300KW的功率工作。
      在一些實(shí)施方案中,熱等離子源包括線性伸長形狀的噴嘴。等離 子源和基片 一般被容納在室中,如具有適合流出氣體提取的真空室。 可一次處理一個或多個基片。供選使等離子源和基片容納在大氣壓室 或具有適合流出氣體提取的環(huán)境室。通常在約1至760Torr或正壓壓 力進(jìn)行沉積。
      優(yōu)選基片接近等離子噴霧源的出口布置,并垂直于離開等離子源 的等離子羽或與其成一定角度。 一般一個或多個基片接近熱等離子源 布置。熱等離子源發(fā)射等離子噴霧或羽,其一部分發(fā)光并且可見。在 一些實(shí)施方案中, 一個或多個基片浸沒于等離子羽的可見部分。供選 一個或多個基片位于可見等離子羽之下或下游。在一個實(shí)施方案中, 基片可位于等離子羽之下或下游最多約10cm。在另一個實(shí)施方案中, 基片可位于等離子羽之下或下游最多約4cm。在一些實(shí)施方案中,可 在沉積過程期間在基片加熱器上運(yùn)送基片。
      本發(fā)明的方法特別有利地允許在各種基片上沉積??筛鶕?jù)本發(fā)明 的實(shí)施方案在其上處理形成薄膜的基片材料的實(shí)例包括但不限于金 屬、半導(dǎo)體、絕緣體、陶乾、金屬化的非導(dǎo)體、玻璃、任何介電材料 或其組合。另外,本發(fā)明的等離子噴霧沉積技術(shù)使得能夠直接在各種 基片型材上沉積薄膜,并且本發(fā)明不限于平的基片??墒褂脧澢?、復(fù)
      ii雜幾何形狀和其他非平面基片??捎迷亟饘佟?dǎo)電金屬硼化物(例如
      A1B2、 TiB2等)、導(dǎo)電金屬氮化物和導(dǎo)電金屬硅化物形成金屬化的不導(dǎo) 電基片。
      如以上背景部分所述,制造太陽能電池的常規(guī)方法被限制于主要 基于熟知西門子方法的費(fèi)用大的復(fù)雜方法。由液體和/或氣體前體直接 沉積形成的可用多晶太陽能電池的形成以前還沒有報(bào)道。 一個挑戰(zhàn)是 形成具有所需晶粒間界品質(zhì)的硅薄膜。多晶薄膜中的電惰性晶粒間界 有重要意義,并將決定電荷傳送效率,因此也決定了太陽能電池或光 伏器件的總效率。值得注意的是,本發(fā)明的實(shí)施方案在沉積薄膜期間 使氫結(jié)合到多晶薄膜。氫結(jié)合到多晶硅薄膜用于使硅晶粒間界鈍化, 這促進(jìn)改善電荷跨硅晶粒間界傳送。在一些實(shí)施方案中,通過與硅中 間體化合物混合將氫注入熱等離子源,因此氫和硅一起傳送。或者, 氫與硅中間體化合物分離注入熱等離子源,例如在單獨(dú)的通道或送氣室。
      氬以使多晶硅薄膜中存在的任何懸空鍵鈍化的適合量提供。氫可 作為單獨(dú)的氣體傳送,或者可形成熱等離子源中所用等離子流的部 分。在一個實(shí)例中,氫形成等離子流的部分,并且等離子流包括約0.001 至1.0 H2/Ar(或H2/He)比率的氫和氬(或氦)的混合物。在一個實(shí)例中, 以約1.0至1000 1/min的流速傳送等離子流。
      本發(fā)明的實(shí)施方案提供后沉積處理,以提高多晶硅或硅-鍺薄膜的 晶粒大小和/或優(yōu)選取向。已證明在現(xiàn)有技術(shù)方法中后沉積處理是有問 題的,特別對于某些類型基片。由常規(guī)爐退火熱處理金屬、絕緣或復(fù) 合基片上的硅薄膜的相關(guān)問題有兩個。 一個問題是雜質(zhì)從基片擴(kuò)散進(jìn) 入薄膜。 一般擴(kuò)散時間為數(shù)分鐘至數(shù)小時。這些時間范圍與硅薄膜/ 基片組合在爐中花費(fèi)的時間相當(dāng)。第二個問題是相對于硅的熔點(diǎn) (1412C)排除使用低熔點(diǎn)基片。
      發(fā)明人已特別有利地發(fā)現(xiàn),可用熱后沉積處理克服現(xiàn)有技術(shù)的限 制。在本發(fā)明的一個實(shí)施方案中,通過使沉積的多晶薄膜暴露于高強(qiáng)度、聚焦的線性光束,線性光束在移動跨過薄膜時在線性區(qū)域熔融硅 薄膜,使得能夠生長晶體和除去雜質(zhì)來進(jìn)行后沉積熱處理(如附圖所示 和以下詳述)。在另一個實(shí)施方案中,沉積的多晶薄膜暴露于脈沖的大 面積光束,脈沖的大面積光束在移動跨過基片時使薄膜熔融。熔融的 薄膜在脈沖后重新結(jié)晶。熱源可包括任何適合機(jī)制,如但不限于脈沖 的激光源、白色光源、快熱處理(RTP)、高強(qiáng)度弧燈、電阻加熱器元 件等。
      本發(fā)明的實(shí)施方案提供后沉積熱處理已沉積的多晶硅或硅-鍺薄 膜以增加晶粒大小的方法。對于摻雜的薄膜,可用后沉積熱處理增加 摻雜劑的活化作用??墒褂玫暮蟪练e熱處理類型的實(shí)例包括但不限于
      cw激光退火、熱等離子退火、弧燈快熱退火、連續(xù)電熱絲式加熱器
      系統(tǒng)或扁平線圖感應(yīng)加熱器。
      另一方面,為了改善器件性能,本發(fā)明的方法進(jìn)一步包括進(jìn)行后
      p-n結(jié)形成熱處理??筛鶕?jù)需要利用其他下游處理步驟,例如可通過 熱等離子沉積或其他方法在多晶薄膜上形成例如電觸點(diǎn)和抗反射涂 層。
      參考圖4A至7,這些圖顯示本發(fā)明的某些示例性實(shí)施方案。如 圖4B所示,本發(fā)明的方法和系統(tǒng)200顯著有利地在高純度中間體已 可利用的步驟103結(jié)束并且在步驟104形成體硅(如圖1A、 2和3所 示)之前"截?cái)?常規(guī)硅制造過程。另外,本發(fā)明不需要在所有常規(guī)方法 中需要的那樣使體硅重新熔融。這相當(dāng)節(jié)省資源、時間和成本。
      圖4A圖示簡化示意方法圖解,顯示根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方案 制造硅太陽能電池的系統(tǒng)和方法。 一般示例性方法200包括,在步驟 201用碳還原石英,以產(chǎn)生冶金級硅,在步驟202通過與氯化氫反應(yīng) 使冶金級硅轉(zhuǎn)化成中間體化合物,如硅烷、乙硅烷、 一氯硅烷、二氯 硅烷、三氯硅烷和四氯化硅,并在步驟203使中間體化合物純化。下 一步,在一個實(shí)施方案中,如步驟204所示通過熱處理直接在一個或 多個基片上形成多晶薄膜,隨后在步驟205處理以形成結(jié)等,以提供太陽能電池或光伏器件?;蛘撸诓襟E206通過熱處理直接形成太陽
      能電池或光伏器件。特別有利通過本發(fā)明形成薄膜和器件,而不需要 氬還原和熱解中間體化合物以形成體多晶硅,使體多晶硅重新熔融, 生長單晶或多晶梨晶或晶錠,切割晶片并拋光的現(xiàn)有技術(shù)方法中所必
      需的步驟,如圖4B中"消除的步驟"所示。
      本發(fā)明的系統(tǒng)300的一個示例性實(shí)施方案更詳細(xì)顯示于圖5簡化 橫截面圖中。在此實(shí)例中提供滾筒式或群集工具類型的自動連續(xù)系 統(tǒng)。也可在本發(fā)明的教授范圍內(nèi)配合其他系統(tǒng)。 一般系統(tǒng)300包括等 離子室302和基片306在操作機(jī)構(gòu)308上傳送通過的區(qū)域熔體再結(jié)晶 (ZMR)室(或隧道)304。等離子室302包括熱等離子槍310用來產(chǎn)生熱 等離子噴霧312,以在基片306的表面上沉積多晶硅或硅-鍺薄膜。在 一些實(shí)施方案中,通過惰性氣體入口 314將惰性氣體輸送到等離子室 302。等離子室302由排氣室316抽空。來自等離子室的氣體優(yōu)選在 排出前通過濕洗滌器318。
      熱等離子槍310—般包括等離子噴霧312發(fā)射通過的出口 320和 至少一個入口 322,入口 322 一皮構(gòu)造成將硅或硅鍺中間體化合物、氫 和其他氣體或液體根據(jù)需要噴入熱等離子槍310。電控制器324連接 到熱等離子槍310,以提供產(chǎn)生等離子噴霧的足夠能量。
      參考圖6,圖6更詳細(xì)顯示熱等離子槍311的另一個實(shí)施方案。 在此實(shí)施方案中,熱等離子槍311包括線形、伸長的形狀,并由陶瓷 /絕緣體材料制成。熱等離子槍311為通過線圈326電感耦合的RF。 在此實(shí)施方案中,與噴淋頭類型的等離子噴霧才莫式相對,等離子噴霧 313以伸長的線性模式發(fā)射。前體液體、氬和/或其他氣體或液體通過 伸長的進(jìn)入通道323注入槍311,并且線性等離子噴霧313從伸長的 輸出通道321發(fā)射。優(yōu)選伸長的線性等離子噴霧313圖形延伸基片的 實(shí)質(zhì)長度,以便在基片傳送通過伸長的輸出通道321時跨基片的實(shí)質(zhì) 長度沉積多晶薄膜。
      如上所述,可使一個或多個基片306通過等離子噴 羽的可見部分?;蛘撸? 一個或多個基片可位于可見等離子噴霧羽之下或下游。在
      一個實(shí)施方案中,將基片以低于羽最多約10cm任何位置的距離輸送 通過等離子噴霧羽。在一些實(shí)施方案中,操作機(jī)構(gòu)308包括一個或多 個基片加熱器(未示出),以在處理期間加熱基片306。或者,操作機(jī)構(gòu) 308可包括輸送帶,并且基片308在置于帶上的加熱的基片支架(未示 出)中傳送。
      在一些實(shí)施方案中,本發(fā)明提供后沉積熱處理,可用后沉積熱處 理增加已沉積的多晶薄膜的晶粒大小,使硅晶粒重組,進(jìn)一步促進(jìn)硅 晶粒鈍化和/或除去雜質(zhì)。在另一個實(shí)施方案中,可用后沉積熱處理活 化在初沉積多晶薄膜中存在的摻雜劑。再次參考圖5, ZMR室304連 接到等離子室302。在示例性實(shí)施方案中,ZMR室一般包括加熱機(jī)構(gòu) 326,用于在基片傳送通過室304時加熱基片并沉積多晶薄膜。可使 用任何適合類型的加熱機(jī)構(gòu)326。在一個實(shí)施方案中,加熱機(jī)構(gòu)326 包括加熱燈和反射器328,反射器328被構(gòu)造成將高強(qiáng)度線性光束聚 焦并發(fā)射到基片306上。或者,加熱機(jī)構(gòu)326被構(gòu)造成發(fā)射引導(dǎo)于基 片上的大面積高強(qiáng)度脈沖光束。在一些實(shí)施方案中,大面積光束^l皮定 義覆蓋至少基片實(shí)質(zhì)面積的光??赏ㄟ^冷卻水入口 330提供冷卻水。 加熱機(jī)構(gòu)326 —般通過適合的電控制器332供電??墒褂玫钠渌愋?的加熱機(jī)構(gòu)包括但不限于CW激光退火、熱等離子退火、弧燈快熱退 火、連續(xù)電熱絲式加熱器系統(tǒng)或扁平線圈感應(yīng)加熱器。
      本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到,前述具體實(shí)施方案為說明性,其他 具體布置和設(shè)備在本發(fā)明精神和范圍內(nèi)也是可能的。
      在一些應(yīng)用中,可提供另外的后沉積處理步驟,如圖7所示。在 室302中沉積多晶薄膜并且在隧道304中熱處理后,通過在摻雜室340 在多晶薄膜中結(jié)合n-型或p-型摻雜劑,隨后在適合的金屬化系統(tǒng)342 中對基片進(jìn)行金屬化以形成太陽能電池器件344來進(jìn)一步處理基片。 然后,可使太陽能電池器件344結(jié)合成太陽能電池模塊346,并適當(dāng) 安裝。對于圖7中示意顯示的太陽能電池制造,可使摻雜的薄膜沉積于 基片上,并且通過相反極性或類型的摻雜劑植入、擴(kuò)散或旋涂于薄膜 上形成p-n結(jié),或者通過沉積相反極性或類型的摻雜薄膜薄層直接形
      成結(jié)??稍谛纬蒔N結(jié)之前和/或之后用后沉積熱處理改善薄膜的微結(jié)
      構(gòu)、摻雜劑活化和因此的電學(xué)品質(zhì)。也可通過熱等離子沉積或其他方 法在這些器件上形成電觸點(diǎn)和抗反射涂層。
      另外,本發(fā)明提供結(jié)和/或多結(jié)硅太陽能電池或光伏器件的制造。
      可形成電結(jié),如p-n結(jié)和n-p結(jié)或PIN結(jié)。在如上所述的一些實(shí)施方 案中,可在熱處理步驟期間將摻雜劑直接加到薄膜,以形成摻雜的多 晶硅薄膜或硅-鍺薄膜。例如,以得到具有所需摻雜劑濃度的p-型或 n-型硅的控制量向硅中間體加入摻雜劑,如BCb、 AlCl3或POCl3。這 些摻雜劑以液體和/或氣體形式提供,并且可與硅中間體混合并且一起 注入熱等離子源,或者可單獨(dú)輸送到熱等離子源??芍苯釉诙嗑Ч杌?硅-鍺薄膜中依次沉積結(jié),形成p-n層或n-p層。在任一種情況下,本 發(fā)明的方法和系統(tǒng)特別適合根據(jù)需要結(jié)合控制濃度的摻雜劑,因?yàn)樵?薄膜沉積時直接加入摻雜劑。雖然在形成薄膜期間直接加入摻雜劑對 一些應(yīng)用優(yōu)選,但也可利用供選的實(shí)施方案。例如,可用旋涂摻雜劑 和熱處理制得p-n結(jié)或n-p結(jié)?;蛘?,通過熱等離子離子植入、等離 子浸沒離子植入、氣相擴(kuò)散和/或通過互補(bǔ)(complimentary)摻雜劑類型 薄膜的化學(xué)蒸氣沉積(CVD)生長等來形成p-n結(jié)或n-p結(jié)。
      本文所述的熱等離子沉積方法的實(shí)施方案提供一種快速沉積方 法,這種快速沉積方法基本在大氣壓或減壓進(jìn)行,能夠以自動連續(xù)方 式大規(guī)才莫制造具有大面積形成因數(shù)的低成本多晶硅或硅-鍺光電池。
      試驗(yàn)
      根據(jù)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的實(shí)施方案進(jìn)行一些試驗(yàn)。提供下述試 驗(yàn)只是為了說明,不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。粉末噴霧
      在低壓等離子系統(tǒng)用100千瓦熱等離子槍熱等離子噴射-325篩目 大小的高純度硅(~99.995%)粉末。所用基片為軟鋼、不銹鋼、氮化鋁、 石英、高純度氧化鋁、硼硅酸鹽玻璃、Corning 1737玻璃、Zirc,ar RS-95 氧化鋁纖維復(fù)合片材、鍍鶴的氧化鋁、鍍鉬的氧化鋁和Al:SiC復(fù)合片 材。
      進(jìn)行總共六個熱等離子噴霧沉積,同時改變參數(shù),如粉末進(jìn)料速 率、氬/氫比率和基片與等離子槍距離。
      測得2英寸x2英寸基片的硅薄膜厚度為4至5密耳。橫截面光學(xué) 顯微法和掃描電子顯微法顯示具有相對大晶粒大小和極低孔隙率的 一致涂層。粉末x-射線衍射光譜顯示初沉積的薄膜為多晶性,并且具 有一般硅粉末圖型。
      液體前體噴霧
      用大于99.5Q/。純度的四氯化硅(SiCl4)作為液體前體。35千瓦熱等 離子槍以外進(jìn)料模式和內(nèi)進(jìn)料模式兩種結(jié)構(gòu)使用。
      進(jìn)行總共六個熱等離子噴霧沉積,同時改變參數(shù),如氬/氫比率、 熱等離子槍的電功率和基片與槍的距離。
      所用基片為石墨、氧化鋁、Coming玻璃和石英。X-射線衍射顯 示初沉積的薄膜為多晶性,并且具有一般硅粉末圖型。
      測得沉積的硅薄膜厚度為約2密耳,光學(xué)顯微法顯示具有片狀和 粒狀表面形態(tài)混合的一致涂層。由內(nèi)進(jìn)料才莫式沉積的薄膜顯示較佳品 質(zhì)禾口液體前體利用。
      C02激光退火
      用300瓦RF激發(fā)C02激光使初沉積的薄膜退火。改變的參數(shù)為 脈沖周期和脈沖寬度。這指示由基片看到的平均功率。改變的另一個
      參數(shù)為與光束相關(guān)的基片掃描速度。依參數(shù)得到薄膜/基片系統(tǒng)的熔融不足至控制熔融至災(zāi)難性熔融。 這些結(jié)果表示脈沖激光退火有可能作為區(qū)域熔融和再結(jié)晶工具。
      X-射線衍射研究顯示晶粒大小增加4倍,優(yōu)先(220)取向,并且薄
      膜中的應(yīng)變減小。
      本發(fā)明的具體實(shí)施方案的前述說明用于例證和說明。它們不作為 窮舉,或者未將本發(fā)明限于公開的精確形式,根據(jù)以上教授顯然可有 很多修改和變化。實(shí)施方案的選擇和描述是為了最好的解釋本發(fā)明的 原理及其實(shí)際應(yīng)用,從而使本領(lǐng)域的技術(shù)人員用做出不同修改最好地 利用本發(fā)明和各種實(shí)施方案,這些修改應(yīng)適合所設(shè)想的具體用途。本 文引用的所有專利、專利申請、公布和參考文獻(xiàn)均在明確和單獨(dú)指定 各單獨(dú)公布或?qū)@暾埻ㄟ^引用結(jié)合到本文的相同范圍明確通過引 用結(jié)合到本文中。
      權(quán)利要求
      1.一種形成太陽能電池或光伏器件的方法,其特征在于用氫熱處理液體和/或氣體形式的一種或多種硅中間體,以直接在基片上形成多晶硅薄膜,其中所述熱處理被設(shè)計(jì)成促進(jìn)提高形成的多晶硅薄膜的晶粒品質(zhì)。
      2. 權(quán)利要求1的方法,其中所述熱處理通過熱等離子噴霧沉積來 進(jìn)行。
      3. 權(quán)利要求1的方法,其中所述熱處理通過熱等離子增強(qiáng)化學(xué)蒸 氣沉積來進(jìn)行。
      4. 權(quán)利要求1的方法,其中所述熱處理進(jìn)一步包括形成高溫氣體 或等離子,所述高溫氣體或等離子包括氦、氫、氬或其混合物的任何 一種或多種。
      5. 權(quán)利要求1的方法,其中所述硅中間體進(jìn)一步包括液體和/或 氣體化合物與固體硅化合物的混合物。
      6. 權(quán)利要求1的方法,其中所述硅中間體選自SiH4、 Si2H6、 SiH2Cl2、 SiHCl3、 SiCU或其組合的任何一種或多種。
      7. 權(quán)利要求1的方法,其中所述熱處理進(jìn)一步包括混合一種或多 種鍺中間體與所述硅中間體,以形成多晶硅-鍺薄膜。
      8. 權(quán)利要求1的方法,其中所述熱處理進(jìn)一步包括與所述硅中間 體同時或隨后混合一種或多種摻雜劑化合物,以形成摻雜的多晶硅薄 膜。
      9. 權(quán)利要求8的方法,其中所述摻雜劑化合物選自BC13、 A1C13、 P0C13或其組合的任何一種或多種。
      10. 權(quán)利要求1的方法,其中所述基片包括金屬、半導(dǎo)體、絕緣 體、陶瓷、玻璃、任何介電材料或其組合的任何一種或多種。
      11. 權(quán)利要求7的方法,其中所述鍺中間體選自GeCU、 GeH4或 其組合的任何一種或多種。
      12. —種形成太陽能電池或光伏器件的方法,所迷方法包括 在熱等離子源中產(chǎn)生等離子流;將液體和/或氣體形式的 一種或多種硅中間體化合物注入熱等離 子源,在其中硅中間體化合物離解; 將氫注入熱等離子源;并且在接近所述熱等離子源布置的 一 個或多個基片的表面上沉積多 晶硅薄膜,其中使氫結(jié)合到多晶硅薄膜,以促進(jìn)在多晶硅薄膜中形成 的硅晶粒鈍化。
      13. 權(quán)利要求12的方法,其中所述熱等離子源在約2000K至 20,000K的溫度工作。
      14. 權(quán)利要求12的方法,所述方法進(jìn)一步包括 在注入一種或多種硅中間體化合物之前首先將硅顆粒注入到所述基片上,以在基片上形成硅晶種層。
      15. 權(quán)利要求12的方法,所述方法進(jìn)一步包括 熱處理在一個或多個基片上形成的多晶硅薄膜。
      16. 權(quán)利要求12的方法,所述方法進(jìn)一步包括 注入一種或多種鍺中間體化合物與所述硅中間體化合物,以形成多晶硅-鍺薄膜。
      17. 權(quán)利要求16的方法,其中選擇注入所述鍺中間體化合物,使 得硅與鍺(Si/Ge)的組成可以控制。
      18. 權(quán)利要求12的方法,其中所述等離子流包括氦、氫、氬或其 混合物的任何一種或多種。
      19. 權(quán)利要求12的方法,所述方法進(jìn)一步包括與所述硅中間體化 合物同時或隨后混合一種或多種摻雜劑化合物,以在一個或多個基片 的表面上形成摻雜的多晶硅薄膜。
      20. 權(quán)利要求12的方法,其中所述硅中間體化合物選自SiH4、 Si2H6、 SiH2Cl2、 SiHCl3、 SiCU、 SiBr4、 SiHBr3、 SiH2Br2、 Sil4、 SiHI3、 Sil2或其組合的任何一種或多種。
      21. 權(quán)利要求19的方法,其中所述摻雜劑化合物選自BC13、A1C13、 P0C13或其組合的任何一種或多種。
      22. 權(quán)利要求19的方法,所述方法進(jìn)一步包括依次沉積p和n摻雜的多晶硅層或n和p摻雜的多晶硅層,以直 接在所述一個或多個基片上形成相應(yīng)的p/n結(jié)或n/p結(jié)。
      23. 權(quán)利要求12的方法,其中氫以約0.0001至1%原子的濃度結(jié) 合到多晶硅薄膜。
      24. 權(quán)利要求12的方法,其中所述等離子流以約1.0至1000 1/min 的流速流動。
      25. 權(quán)利要求12的方法,其中所述硅中間體化合物以約0.1至 1000 ml/s的流速注入。
      26. 權(quán)利要求12的方法,其中所述沉積在約1至760Torr或正壓 壓力進(jìn)行。
      27. 權(quán)利要求12的方法,其中所述等離子流包括約0.001至1.0 H2/Ar比率的氫和氬的混合物。
      28. 權(quán)利要求12的方法,其中所述一個或多個基片以一定距離接 近熱等離子源布置,使得一個或多個基片浸沒于等離子的可見羽到低 于可見羽約4cm。
      29. 權(quán)利要求12的方法,所述方法進(jìn)一步包括 隨后通過植入、擴(kuò)散、旋涂或沉積的任何一種或多種在所述多晶硅薄膜上形成p/n結(jié)或n/p結(jié)。
      30. 權(quán)利要求12的方法,其中氬通過與硅中間體化合物混合來注入。
      31. 權(quán)利要求12的方法,其中氫與硅中間體化合物分開注入熱等 離子源。
      32. 權(quán)利要求12的方法,其中所述熱等離子源在約1至300千瓦 的功率工作。
      33. —種形成太陽能電池或光伏器件的方法,所述方法包括以下步驟通過與卣化氫反應(yīng)使冶金級硅轉(zhuǎn)化成 一種或多種硅中間體化合物;將所述硅中間體化合物純化成約99.5%和更高純度的硅中間體化 合物;在熱等離子源中產(chǎn)生等離子流,所述等離子流包含氫; 將液體和/或氣體形式的純化的硅中間體化合物注入熱等離子源, 在其中硅中間體化合物離解; 將氫注入熱等離子源;并且在接近熱等離子源布置的一個或多個基片的表面上沉積多晶硅 薄膜,所述多晶硅薄膜顯示提高的晶粒品質(zhì)。
      34. —種太陽能電池或光伏器件,所述太陽能電池或光伏器件包括基片;和根據(jù)權(quán)利要求12的方法在所述基片上形成的多晶硅薄膜。
      35. —種制造太陽能電池或光伏器件的系統(tǒng),所述系統(tǒng)包括 操作機(jī)構(gòu),所述操作機(jī)構(gòu)被構(gòu)造成支持和傳送一個或多個基片; 等離子室,所述等離子室包括熱等離子噴槍,等離子噴槍凈皮構(gòu)造成產(chǎn)生熱等離子噴霧,以便在基片傳送通過等離子室時在一個或多個 基片的表面上沉積多晶硅或硅-鍺薄膜;后沉積室,所述后沉積室包括至少一個加熱才幾構(gòu),加熱4幾構(gòu):l皮構(gòu) 造成產(chǎn)生光束,光束在一個或多個基片傳送通過后沉積室時使多晶硅 或硅-鍺薄膜在線性區(qū)域熔融。
      36. 權(quán)利要求35的系統(tǒng),其中所述熱等離子噴槍進(jìn)一步包括伸長 的線性出口,所述出口被構(gòu)造成產(chǎn)生伸長的線性熱等離子噴霧。
      37. 權(quán)利要求35的系統(tǒng),其中所述加熱機(jī)構(gòu)凈皮構(gòu)造成產(chǎn)生脈沖的 大面積光束。
      38. 權(quán)利要求35的系統(tǒng),其中所述加熱機(jī)構(gòu)被構(gòu)造成產(chǎn)生聚焦的 線性光束。
      全文摘要
      本發(fā)明涉及制造硅或硅-鍺光電池應(yīng)用的新的非常規(guī)方法和系統(tǒng)。在一些實(shí)施方案中,通過熱等離子化學(xué)蒸氣沉積方法或熱等離子噴霧技術(shù),硅(或硅鍺)的高純度氣體和/或液體中間體化合物直接轉(zhuǎn)化成多晶薄膜。硅(或硅鍺)的中間體化合物注入2000K至約20,000K溫度的熱等離子源?;衔镫x解,并且硅(或硅鍺)沉積在基片上。在冷卻時得到具有接近體值密度的多晶薄膜。可通過噴霧直接制備PN結(jié)光電池,或者隨后將熱處理后的摻雜薄膜以高通過量轉(zhuǎn)換成具有高效率、低成本的活力光電池。在一些實(shí)施方案中提供滾筒式或群集工具類型的自動連續(xù)系統(tǒng)。
      文檔編號H01L31/00GK101617409SQ200780035173
      公開日2009年12月30日 申請日期2007年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月28日
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