利用微波的太阳能电池制造方法及太阳能电池制造装置转让专利
申请号 : CN200880104757.8
文献号 : CN101790776A
文献日 : 2010-07-28
发明人 : 林建默
申请人 : 周星工程股份有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种太阳能电池的制造方法，包括：在基底上形成第一电极；
在所述第一电极上形成第一杂质掺杂半导体层；
在所述第一杂质掺杂半导体层上形成非晶硅的第一本征半导体层；
在所述第一杂质掺杂半导体层的上方形成第二杂质掺杂半导体层；
在所述第二杂质掺杂半导体层的上方形成第二电极；以及照射第一微波，以通过晶化所述第一本征半导体层而形成微晶硅的第二本征半导体层。
2.如权利要求1所述的方法，其中照射所述第一微波是在形成所述第一本征半导体层之后直接执行的。
3.如权利要求2所述的方法，还包括：在所述第二杂质掺杂半导体层上形成第三杂质掺杂半导体层；
在所述第三杂质掺杂半导体层上形成非晶硅的第三本征半导体层；
在所述第三杂质掺杂半导体层的上方形成第四杂质掺杂半导体层；以及在形成所述第三本征半导体层之后，直接照射第二微波，以通过晶化所述第三本征半导体层而形成微晶硅的第四本征半导体层。
4.如权利要求1所述的方法，其中照射所述第一微波是在形成所述第二杂质掺杂半导体层之后直接执行的。
5.如权利要求4所述的方法，其中照射所述第一微波是在惰性气体环境中执行的。
6.如权利要求4所述的方法，还包括：在所述第二杂质掺杂半导体层上形成第三杂质掺杂半导体层；
在所述第三杂质掺杂半导体层上形成非晶硅的第三本征半导体层；
在所述第三杂质掺杂半导体层的上方形成第四杂质掺杂半导体层；以及在形成所述第四杂质掺杂半导体层之后，直接照射第二微波，以通过晶化所述第三本征半导体层而形成微晶硅的第四本征半导体层。
7.如权利要求1所述的方法，还包括：在所述第二杂质掺杂半导体层上形成第三杂质掺杂半导体层；
在所述第三杂质掺杂半导体层上形成第三本征半导体层；以及在所述第三杂质掺杂半导体层的上方形成第四杂质掺杂半导体层；
其中在形成所述第四杂质掺杂半导体层之后，直接执行照射所述第一微波，以通过晶化所述第三本征半导体层而形成微晶硅的第四本征半导体层。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述第一本征半导体层的上部部分晶化后变成所述第二本征半导体层，而所述第一本征半导体层的下部部分维持没有晶化。
9.如权利要求1所述的方法，其中照射所述第一微波包括使用加热部加热所述基底。
10.一种太阳能电池的制造方法，包括：在基底上形成第一电极；
在所述第一电极上形成第一杂质掺杂半导体层；
在所述第一杂质掺杂半导体层上形成具有第一结晶度的微晶硅的第一本征半导体层；
在所述第一杂质掺杂半导体层的上方形成第二杂质掺杂半导体层；
在所述第二杂质掺杂半导体层的上方形成第二电极；以及照射第一微波，以通过晶化所述第一本征半导体层而形成具有大于所述第一结晶度的第二结晶度的微晶硅的第二本征半导体层。
11.如权利要求10所述的方法，其中照射所述第一微波是在所述第一本征半导体层形成后直接执行的。
12.如权利要求10所述的方法，其中照射所述第一微波是在形成所述第二杂质掺杂半导体层之后直接执行的。
13.一种太阳能电池的制造方法，包括：在基底上形成第一电极；
在所述第一电极上形成第一杂质掺杂半导体层；
在所述第一杂质掺杂半导体层上形成非晶硅的第一本征半导体层；
照射第一微波，以通过晶化所述第一本征半导体层而形成具有第一结晶度的微晶硅的第二本征半导体层；
在所述第二本征半导体层上形成非晶硅的第三本征半导体层；
照射第二微波，以通过晶化所述第三本征半导体层而形成具有大于所述第一结晶度的第二结晶度的微晶硅的第四本征半导体层；
在所述第四本征半导体层上形成第二杂质掺杂半导体层；以及在所述第二杂质掺杂半导体层上形成第二电极。
14.一种太阳能电池的制造装置，包括：腔室，具有反应空间；
支撑单元，在所述腔室中，其中基底承载在所述支撑单元上；
微波产生单元，在所述支撑单元的上方移动；以及驱动单元，移动所述微波产生单元。
15.如权利要求14所述的装置，其中所述微波产生单元包括微波产生部与加热部。
16.如权利要求15所述的装置，其中所述加热部包括以下其中之一：红外灯、卤素灯、紫外灯、氙灯、加热电阻器。
17.如权利要求14所述的装置，其中所述驱动单元包括导轨，所述导轨平行于所述支撑单元的至少一侧，并为所述微波产生单元提供移动路径。
18.如权利要求17所述的装置，其中所述导轨与所述支撑单元分开形成。
19.如权利要求17所述的装置，其中组合所述支撑单元及所述腔室的其中之一与所述导轨。
20.如权利要求17所述的装置，其中经由所述导轨从电源至所述微波产生单元供应功率。
21.如权利要求14所述的装置，还包括所述腔室中的屏蔽单元，其中所述屏蔽单元覆盖所述微波产生单元，并将所述微波产生单元与所述反应空间隔开。
22.如权利要求14所述的装置，其中所述腔室包括凹部，所述凹部容纳所述微波产生单元，且所述导轨延伸到所述凹部。
说明书 :
技术领域
本发明涉及太阳能电池，并且更具体地涉及利用微波制造太阳能电池的方法，以及制造太阳能电池的装置。
背景技术
太阳能电池从P-N(正-负)结层中被阳光激励的少数载流子的扩散产生电动势。单晶硅、多晶硅、非晶硅或化合物半导体可用于太阳能电池。
虽然使用单晶硅或多晶硅的太阳能电池有相对高的能量转换效率，但是使用单晶硅或多晶硅的太阳能电池有相对高的材料成本与相对复杂的制造工艺。因此，在如玻璃或塑料的便宜基底上使用非晶硅或化合物半导体的薄膜太阳能电池已经有广泛的研究与发展。特定地，薄膜太阳能电池在大型基底及柔性基底中有优势，能制造出柔性大型太阳能电池。
图1是根据相关技术的非晶硅薄膜型太阳能电池的截面视图。在图1中，第一电极12、半导体层13及第二电极14依序形成在基底11上。透明基底11包括玻璃或塑料。第一电极12包括用来透射来自透明基底11的入射光的透明导电氧化物(TCO)材料。半导体层13包括非晶硅(a-Si:H)。此外，半导体层13包括依序在第一电极12上的P型半导体层13a、本征半导体层13b及N型半导体层13c，它们形成PIN(正-本征-负)结层。本征半导体层13b可称作有源(active)层，其作为增加薄膜型太阳能电池的效率的光吸收层。第二电极14包括TCO材料或金属材料，如铝(Al)、铜(Cu)及银(Ag)。
当阳光照射在透明基底11上时，少数载流子扩散穿过半导体层13的PIN结层，会在第一电极12与第二电极14之间产生电压差，由此产生电动势。
发明公开
技术问题
与单晶硅太阳能电池或多晶硅太阳能电池相比，非晶硅薄膜型太阳能电池具有相对低的能量转换效率。此外，当非晶硅薄膜型太阳能电池较长时间地曝露于光时，其效率会因性质恶化现象而进一步地降低，此称为Staebler-Wronski效应。
为了解决上述问题，建议使用微晶硅(mc-Si:H或mc-Si:H)而不是非晶硅的薄膜型太阳能电池。作为非晶硅与单晶硅之间的中间材料的微晶硅具有约数十纳米(nm)到约数百纳米的粒度。此外，微晶硅没有非晶硅的性质恶化现象。
微晶硅的本征半导体层因为较低的光吸收系数而具有超过约2000nm的厚度，而非晶硅本征半导体层具有约400nm的厚度。此外，由于微晶硅的沉积率低于非晶硅层的沉积率，较厚的微晶硅比较薄的非晶硅有着更低的生产率。
为了增加微晶硅的沉积率，建议使用在较高腔室处理压力下沉积微晶硅的方法，以及使用具有较高频率的等离子体源沉积微晶硅的方法。但是，当微晶硅层在较高腔室处理压力下形成时，容易在腔室中产生如粉末的污染源会，且微晶硅层的密度会降低。此外，当使用具有较高频率的等离子体源形成微晶硅层时，由于微晶硅层的表面上的区域附近所产生的驻波，微晶硅层的厚度均匀度会恶化。依序形成非晶硅与微晶硅的PIN结层而具有串联(二重)结构或三重结构的太阳能电池具有以上所述缺点。
技术方案
因此，本发明是利用微波制造太阳能电池的方法，以及制造太阳能电池的装置，能够消弥上述相关技术的限制与缺点产生的一或多个问题。
本发明的一个目的为提供具有改善生产率的制造太阳能电池的方法，以及太阳能电池的制造装置。
本发明的另一个目的为提供以较短处理时间形成微晶硅层的方法。
一种太阳能电池的制造方法，包括：在基底上形成第一电极；在所述第一电极上形成第一杂质掺杂半导体层；在所述第一杂质掺杂半导体层上形成非晶硅的第一本征半导体层；在所述第一杂质掺杂半导体层的上方形成第二杂质掺杂半导体层；在所述第二杂质掺杂半导体层的上方形成第二电极；以及照射第一微波，以通过晶化所述第一本征半导体层而形成微晶硅的第二本征半导体层。
另一方面，一种太阳能电池的制造方法，包括：在基底上形成第一电极；在所述第一电极上形成第一杂质掺杂半导体层；在所述第一杂质掺杂半导体层上形成具有第一结晶度的微晶硅的第一本征半导体层；在所述第一杂质掺杂半导体层的上方形成第二杂质掺杂半导体层；在所述第二杂质掺杂半导体层的上方形成第二电极；以及照射第一微波，以通过晶化所述第一本征半导体层而形成具有大于所述第一结晶度的第二结晶度的微晶硅的第二本征半导体层。
另一方面，一种太阳能电池的制造方法，包括：在基底上形成第一电极；在所述第一电极上形成第一杂质掺杂半导体层；在所述第一杂质掺杂半导体层上形成非晶硅的第一本征半导体层；照射第一微波，以通过晶化所述第一本征半导体层而形成具有第一结晶度的微晶硅的第二本征半导体层；在所述第二本征半导体层上形成非晶硅的第三本征半导体层；照射第二微波，以通过晶化所述第三本征半导体层而形成具有大于所述第一结晶度的第二结晶度的微晶硅的第四本征半导体层；在所述第四本征半导体层上形成第二杂质掺杂半导体层；以及在所述第二杂质掺杂半导体层上形成第二电极。
另一方面，一种太阳能电池的制造装置，包括：腔室，具有反应空间；支撑单元，在所述腔室中，其中基底承载在所述支撑单元上；微波产生单元，在所述支撑单元的上方移动；以及驱动单元，移动所述微波产生单元。
有益效果
在依据本发明的太阳能电池制造方法中，在以相对高的沉积率形成非晶硅或微晶硅的本征半导体层后，通过微波照射而使所述本征半导体层晶化。因此，在降低的处理时间内形成具有相对较高结晶度的微晶硅的本征半导体层，且制造太阳能电池的生产率会增加。
附图说明
图1是相关技术的非晶硅薄膜型太阳能电池的截面视图；
图2是立体图，表示利用根据本发明实施例的装置的微波产生单元处理；
图3是平面图，表示根据本发明实施例的装置的微波产生单元；
图4和图5是平面图与截面视图，表示根据本发明实施例的装置；
图6是截面视图，表示根据本发明另一个实施例的装置；
图7到图11是截面视图，表示根据本发明实施例的太阳能电池的制造方法；
图12到图15是截面视图，表示根据本发明另一个实施例的太阳能电池的制造方法；
图16到图20是截面视图，表示根据本发明另一个实施例的太阳能电池的制造方法。
具体实施方式
为了增加微晶硅的沉积率，在以相对较高的沉积率形成非晶硅的第一半导体层后，利用微波将非晶硅的第一半导体层晶化，以形成微晶硅的第二半导体层。或者，在以相对较高的沉积率形成具有较低结晶度的微晶硅的第一半导体层后，利用微波使微晶硅的第一半导体层再晶化，以形成具有较高结晶度的微晶硅的第二半导体层。
图2是立体图，表示使用依据本发明的实施例的装置的微波产生单元处理基底的方法，图3是平面图，表示依据本发明的实施例的装置的微波产生单元。
图2中，微波产生单元100被设置成在基底111上方移动，基底111具有非晶硅的第一半导体层(未示出)，且将来自微波产生单元100的微波施加到第一半导体层。微波的频率在数百MHz到数百GHz的范围内，是以制造条件与薄膜特性为基础来决定。例如，微波产生单元100可产生频率约为2.54GHz的微波。微波产生单元100与基底111的第一半导体层间的距离，是以所希望的结晶度为基础而决定的。例如，微波产生单元100与基底111的第一半导体层间的距离，可以小于约100mm。
此外，如图3所示，微波产生单元100可包括微波产生部110与加热部120。加热部120可包括以下任何一个：红外(IR)灯、卤素灯、紫外(UV)灯、氙灯、加热电阻器。
图4和图5是表示依据本发明的实施例的装置的平面图与截面视图。图6是截面视图，表示依据本发明另一个实施例的装置。
图4和图5中，微波产生单元100设置在一个用以制造太阳能电池的装置的腔室140中。所述装置还包括承载基底111的支撑单元130，如基座，以及微波产生单元100用的包括导轨150的驱动单元(未示出)。微波产生单元100，依据来自所述装置的控制单元(未示出)的控制信号，沿着导轨150在支撑单元130上的基底111上方水平地移动。平行于支撑单元130的至少一边的导轨150，为微波产生单元100提供了移动路径。导轨150可与支撑单元130分开形成。或者，导轨150可以与支撑单元130的侧面或顶面集成，或以可拆除的方式与支撑单元130组合。进一步地，导轨可以与腔室140的内侧壁组合。此外，因为微波产生单元100在腔室140内水平移动，供应微波产生部110(图3)与加热部120(图3)的电力可从一个电源(未示出)经由导轨150供应。
当利用等离子体将薄膜形成在基底111上时，将微波产生单元100设置在支撑单元130外而使基底111曝露于等离子体。此外，将微波产生单元100设置为避免微波产生单元100对等离子体造成影响，且使微波产生单元100受到保护而不受等离子体的影响。因此，如图5所示，屏蔽单元160可以形成在腔室140内，覆盖微波产生单元100，并使其与腔室140的反应空间隔开。或者，如图6所示，腔室240可包括从腔室240的侧壁突出的凹部270，且导轨250可延伸到凹部270，使微波产生单元200在形成薄膜的处理期间能容纳于凹部270。
图7到图11是截面视图，表示依据本发明实施例的制造太阳能电池的方法。
图7中，第一电极122(如前侧电极)与第一杂质掺杂半导体层132(如P型半导体层)依序形成在基底111上。第一电极122包括使入射光透射穿过基底111的透明导电材料，且第一杂质掺杂半导体层132包括非晶硅(a-Si:H)与微晶硅(mc-Si:H)的其中一个。
图8中，非晶硅的第一本征半导体层134形成在第一杂质掺杂半导体层132上。使用通过施加高频功率到甲烷(SiH4)与氢(H2)的气体混合物(比例为小于约1∶10)而产生的等离子体，可在腔室140(图4和图5)中形成第一本征半导体层134。
图9中，微波产生单元100(图4和图5)沿着导轨150移动而设置在第一本征半导体层134的上方。接着，来自微波产生单元100的微波照射在第一本征半导体层134上。
图10中，非晶硅的第一本征半导体层134通过微波的照射后，晶化而变成微晶硅的第二本征半导体层136。能以第二本征半导体层136的结晶度为基础而决定如微波频率与处理时间的照射条件。
图11中，第二杂质掺杂半导体层138(如N型半导体层)与第二电极142(如背侧电极)依序形成在第二本征半导体层136上。
在另一个实施例中，微波可以照射在第二杂质掺杂半导体层上，以晶化第二杂质掺杂半导体层下方的第一本征半导体层。图12到图15是截面视图，表示依据本发明另一个实施例的制造太阳能电池的方法。
图12中，第一电极222、第一杂质掺杂半导体层232(如P型半导体层)、非晶硅的第一本征半导体层234、第二杂质掺杂半导体层238(如N型半导体层)依序形成在基底211上。第一电极222包括使入射光透射穿过基底211的透明导电材料。此外，第一与第二杂质掺杂半导体层232与238可以包括非晶硅(a-Si:H)与微晶硅(mc-Si:H)的其中一个。使用通过施加高频功率到甲烷(SiH4)与氢(H2)的气体混合物(比例为小于约1∶10)而产生的等离子体，可在腔室140(图4、图5)中形成第一本征半导体层234。
图13中，微波产生单元100(图4和图5)沿着导轨150(图4和图5)移动而设置在第二杂质掺杂半导体层238的上方。接着，来自微波产生单元100的微波照射在第二杂质掺杂半导体层238上。
图14中，在第二杂质掺杂半导体层238下方的非晶硅的第一本征半导体层234通过微波照射而晶化后，变成微晶硅的第二本征半导体层236。如微波频率与处理时间的照射条件可以第二本征半导体层236的结晶度为基础而决定。因为在沉积半导体材料后照射微波，可在大气环境中，或为避免污染在惰性气体环境中，将微波照射在第二杂质掺杂半导体层238上。
图8E中，第二电极242(如背侧电极)形成在第二本征半导体层236上。
依据本发明的制造太阳能电池的方法，可应用于依序形成非晶硅与微晶硅的PIN结层而具有串联(二重)结构太阳能电池或三重结构的太阳能电池。因此，在非晶硅的第一本征半导体层形成后，或在一组PIN结层形成的后，可执行利用微波的晶化步骤。或者，在至少二组PIN结层形成后，可执行利用微波的晶化步骤，由此晶化所述至少二组PIN结层中的第一本征半导体层。
特定地，当来自加热部120(图3)的热与微波同时供应到基底时，控制加热部的温度范围，以防止第一与第二杂质掺杂半导体层中的杂质扩散。例如，热与微波供应到第一本征半导体层134(图9)，加热部120的温度可受到控制，以防止第一杂质掺杂半导体层132(图9)的杂质扩散进入第一本征半导体层134。此外，热与微波供应到第二杂质掺杂半导体层238(图13)，加热部120的温度可受到控制，以防止第一与第二杂质掺杂半导体层232与238(图13)的杂质扩散进入第一本征半导体层234(图13)。
为了改善光吸收率，对应到多个带隙的多个层可形成在第一杂质掺杂半导体层上。因为非晶硅吸收大部分为约300nm到约800nm的较短波长的光，而微晶硅吸收大部分为约500nm到约1100nm的较长波长的光，可通过将非晶硅的第一本征半导体层部分晶化而获得具有宽波段光吸收特性的第一与第二本征半导体层。图16到图20是截面视图，表示依据本发明另一个实施例的制造太阳能电池的方法。
图16中，第一电极322(如前侧电极)与第一杂质掺杂半导体层332(如P型半导体层)依序形成在基底311上。第一电极322包括使入射光透射穿过基底311的透明导电材料，且第一杂质掺杂半导体层332包括非晶硅(a-Si:H)与微晶硅(mc-Si:H)的其中一个。
图17中，非晶硅的第一本征半导体层334形成在第一杂质掺杂半导体层332上。使用通过施加高频功率到甲烷(SiH4)与氢(H2)的气体混合物(比例为小于约1∶10)而产生的等离子体，可在腔室340(图4、图5)中形成第一本征半导体层334。进一步地，为了后续部分晶化的处理，第一本征半导体层334具有相对厚的厚度。
图18中，微波产生单元100(图4和图5)沿着导轨150(图4和图5)移动而设置在第一本征半导体层334的上方。接着，来自微波产生单元100的微波照射在第一本征半导体层334上。在此，可调整如微波照射时间与照射强度的照射条件，以防止第一本征半导体层334的全部体积晶化。
图19中，非晶硅的第一本征半导体层334的上部部分通过微波照射而晶化后，变成微晶硅的第二本征半导体层336，而非晶硅的第一本征半导体层334的下部部分维持没有晶化。所以，非晶硅的第一本征半导体层334与微晶硅的第二本征半导体层336依序形成在第一杂质掺杂半导体层332上。
图20中，第二杂质掺杂半导体层338(如N型半导体层)与第二电极342(如背侧电极)依序形成在第二本征半导体层336上。
在另一个实施例中，包括有微晶硅并具有不同结晶度的多个层可形成在第一杂质掺杂半导体层上，以改善光吸收率。例如，在非晶硅的第一本征半导体层形成在第一杂质掺杂半导体层上后，非晶硅的第一本征半导体层通过微波照射而晶化后，变成具有第一结晶度的微晶硅的第二本征半导体层。接着，在非晶硅的第三本征半导体层形成在微晶硅的第二本征半导体层上后，所述非晶硅的第三半导体层通过微波照射而晶化后，变成具有不同于第一结晶度的第二结晶度的微晶硅的第四本征半导体层。所以，微晶硅的第二本征半导体层与包括微晶硅的第四本征半导体层形成在第一杂质掺杂半导体层上。此外，第四本征半导体层也就是上层的第二结晶度，可以是大于第二本征半导体层也就是下层的第一结晶度，使第四本征半导体层吸收的光具有比第二本征半导体层吸收的光更长的波长。
在另一个实施例中，在以相对高的沉积率在第一杂质掺杂半导体层上形成具有第一结晶度的微晶硅的第一本征半导体层后，微晶硅的第一半导体层可通过微波照射再晶化，变成具有大于第一结晶度的第二结晶度的微晶硅的第二本征半导体层。当氢(H2)的比例降低时，沉积率上升，结晶度降低。因为通过使用比例小于约1∶10的甲烷(SiH4)与氢(H2)的气体混合物而得到非晶硅薄膜，而且通过使用比例大于约1∶10的甲烷(SiH4)与氢(H2)的气体混合物而得到微晶硅薄膜，所以便能使用比例约为1∶10的甲烷(SiH4)与氢(H2)的气体混合物，以相对高的沉积率得到具有第一结晶度的微晶硅的第一本征半导体层。在微晶硅的第一本征半导体层形成后，第一结晶度可通过微波照射而增加，成为第二结晶度。此外，微波可照射在微晶硅的第一本征半导体层上。或者，可在一组PIN结层形成后，或在至少二组PIN结层形成后，将微波照射在迭层的顶部表面上。
对于所属技术领域的技术人员来说，能知晓在不离开本发明的精神与范围的情况下，对本发明的使用微波制造太阳能电池的方法及制造太阳能电池的装置进行各种修改和变更。因此，若所述修改和变更在权利要求及等同替代的范围内的话，将被本发明所涵盖。