用于薄膜太陽能應用的波長選擇反射層的粗糙度控制的制作方法

專利名稱：用于薄膜太陽能應用的波長選擇反射層的粗糙度控制的制作方法
用于薄膜太陽能應用的波長選擇反射層的粗糙度控制發明背景發明領域本發明的實施例大體涉及太陽能電池及形成所述太陽能電池的方法。更具體地，本發明的實施例涉及ー種形成在薄膜和晶體太陽能電池中的波長選擇反射層。現有技術的說明太陽能電池將太陽輻射和其它光轉換成可用的電能。由于光伏效應產生了能量轉換。太陽能電池可以由晶體材料或者由非晶或微晶材料形成。通常，現在大量生產的有兩種主要類型的太陽能電池，這兩種主要類型的太陽能電池是晶體硅太陽能電池和薄膜太陽能電池。晶體硅太陽能電池一般使用單晶基板(即，純硅的單晶基板)或者多晶硅基板(即，多晶體或多晶硅)。另外的膜層沉積在硅基板上以提高光捕獲，形成電路并保護所述器件。合適的基板包括玻璃、金屬和聚合物基板。已經發現一旦暴露于光，薄膜太陽能電池的性 質就會隨著時間而衰退，這會造成器件穩定性比期望的低。太陽能電池的性質中典型的會衰退的性質是填充因子(FF)、短路電流和開路電壓(Voc)。由于成本低、非晶-微晶硅吸收層的大面積沉積，薄膜硅太陽能電池已經獲得了相當大的市場份額。薄膜太陽能電池使用在合適的基板上沉積的薄層材料，以形成一或多個p-n結。通常，不同的材料層執行形成在太陽能電池中的不同功能。在一些情況下，ー些材料層可以用作可具有高光捕獲效應的光吸收層，在吸收層中吸收光以產生高電流。相反，ー些材料層配置為向在基板上形成的太陽能電池反射和散射光，以便于輔助光保持在太陽能電池中更長時間來產生電流。然而，當光傳播過這些反射材料層時經常會發生吸收損耗，由此不利地降低在基板上形成的太陽能電池結的整體電性能和轉換效率。因此，存在著對于改善薄膜太陽能電池，以及用于在エ廠環境中形成所述薄膜太陽能電池的方法和設備的需求。還需要一種制造太陽能電池的エ藝，所述エ藝使得在太陽能電池中形成的反射材料層可以將進入的光散射向相鄰的太陽能電池，由此提高太陽能電池的轉換效率、高填充因子、高短路電流、高開路電壓和器件穩定性。

發明內容
本發明的實施例提供在形成于基板上的太陽能電池之間形成高表面粗糙度的波長選擇反射層的方法。在一個實施例中，ー種形成太陽能電池器件的方法包括在形成于基板上的第一 p-i-n結和第二 p-i-n結之間形成波長選擇反射層，和在波長選擇反射層上執行后處理工藝，以形成粗糙度大于20nm的不均勻表面。在另ー個實施例中，一種光伏器件包括波長選擇反射層，所述波長選擇反射層布置在形成于基板上的第一 P-i-n結和第二 p-i-n結之間，其中波長選擇反射層具有表面粗糙度大于20nm的不均勻表面。在再另ー個實施例中，ー種形成太陽能電池器件的方法包括在基板上形成TCO層；對TCO層進行紋理化以在所述TCO層上形成粗糙表面，其中所述粗糙表面具有大于22nm的表面粗糙度；在TCO層上形成第一 p_i_n結；在第一 p_i_n結上形成波長選擇反射層，其中控制波長選擇反射層以具有大于20nm的表面粗糙度；和在所述波長選擇反射層上形成第二 p-i-n結。


為了獲得且更詳細地理解本發明的上述特征，通過參考在附圖中示出的本發明的實施例，可以更具體地描述上面簡要概述的本發明。圖I是根據本發明ー個實施例的在結之間布置有波長選擇反射層的串結薄膜太陽能電池的示意側視圖；圖2是根據本發明ー個實施例的在結之間布置有波長選擇反射層的放大圖的示意側視圖；圖3是根據本發明另一個實施例的在結之間布置有波長選擇反射層的串結薄膜太陽能電池的示意側視圖；圖4是根據本發明一個實施例的在結之間布置有波長選擇反射層的串結薄膜太陽能電池的示意側視圖；和圖5是根據本發明ー個實施例的設備的截面圖。為了方便理解，盡可能地使用相同的元件符號來指示各圖中共有的相同元件。期望一個實施例的元件和特征可以有益地包含在其他實施例中，而不需要進ー步描述。然而，應該指出的是，附圖僅示出了本發明的示范性實施例，因此并不認為限制了本發明的范圍，因為本發明也承認其它等效的實施例。詳細說明通常由多種類型的膜或層，以多種不同的方式放在一起，形成薄膜太陽能電池。用于這種器件的大多數膜都包含有半導體元素，所述半導體元素可包括硅、鍺、碳、硼、磷、氮、氧、氫以及類似物。不同膜的特性包括結晶度、摻質類型、摻質濃度、膜折射率、膜消光系數、膜透明度、膜吸收性和導電性。一般而言，大多數這些膜能夠利用化學氣相沉積エ藝形成，所述化學氣相沉積エ藝可以包括一定程度的離子化或等離子體形成。光伏エ藝期間的電荷產生通常是由體半導體層提供，如由含硅層提供。所述體層有時也被稱為本征層，用來將所述體層與太陽能電池中存在的各種摻雜層區分開。本征層可以具有將會影響所述本征層的光吸收特性的任何期望程度的結晶度。例如，非晶本征層，如非晶硅，通常會吸收來自具有不同結晶度(如微晶硅)的本征層的不同波長的光。為此，大多數太陽能電池會使用兩種類型的層，以獲得盡可能最寬的吸收特性。在一些情況下，本征層可以用作兩種不同層類型之間的緩沖層，以在所述兩種層之間提供光或電性質的較平穩的轉換。本發明提供用于形成具有期望的膜表面粗糙度以有助于向鄰近結電池散射入射光的波長選擇反射(WSR)層的方法。在一個實施例中，通過表面處理工藝、干法蝕刻エ藝、濕法蝕刻エ藝、微粒噴射エ藝、激光エ藝、機械エ藝或任何其它合適的表面粗糙化工藝，可以使波長選擇反射(WSR)層形成為具有期望的膜表面粗糙度。在一個實施例中，將波長選擇反射(WSR)層控制為具有大于20nm的表面粗糙度，例如約大于30nm，如在約40nm和約60nm之間。
圖I是向著光或太陽輻射101取向的多結太陽能電池100的實施例的示意圖。太陽能電池100包括基板102，如玻璃基板、聚合物基板、金屬基板或其它合適的基板，在基板上形成薄膜。太陽能電池100進ー步包括形成在基板102上方的第一透明導電氧化物(TCO)層104、在第一 TCO層104上方形成的第一 p-i-n結126。在一種結構中，在第一 p_i_n結126上方形成波長選擇反射(WSR)層112。在第一 p-i-n結126上方形成第二 p-i-n結128，在第二 p-i-n結128上方形成第二 TCO層122，以及在第二 TCO層122上方形成金屬背層124。在一個實施例中，WSR層112布置在第一 p-i-n結126和第二 p-i-n結128之間，并且被構造成具有提高光散射和反射的膜性質，用于在形成的太陽能電池100中產生電流。另外，WSR層112也提供了良好的pn隧道結，所述pn隧道結具有影響WSR層112的透射和反射性質以提高所形成太陽能電池的光轉換效率的高導電性和適合的帶隙范圍。下面將進ー步討論WSR層112的詳細描述。為了通過增強光俘獲來提高光吸收，可任選地通過濕法、等離子體、離子和/或機、械エ藝使基板和/或形成在所述基板上方的一或多個薄膜紋理化。例如，在圖I所示的實施例中，將第一 TCO層104紋理化，且在所述第一 TCO層104上方沉積的后續薄膜一般會遵照所述薄膜下面的表面形貌。在一個實施例中，第一 TCO層104可以通過干法蝕刻エ藝、濕法蝕刻エ藝、等離子體エ藝、表面處理工藝或機械エ藝被紋理化。在一個實施例中，TCO層104的表面粗糙度被控制在大于約22nm。在TCO層104上形成的表面粗糙度的范圍可由隨后形成在TCO層104上的材料層上的所期望的表面粗糙程度來確定。隨著TCO層104的表面粗糙度的程度更大，隨后形成在TCO層104上面的薄膜層的表面粗糙度也將會增加且具有更大的薄膜表面粗糙度。在一個實施例中，TCO層104的表面粗糙度被控制在大于30nm，如大于40nm，例如在約60nm和約140nm之間。第一 TCO層104和第二 TCO層122各可包括氧化錫、氧化鋅、氧化銦錫、錫酸鎘(cadmium stannate)、以上元素的組合或其他合適的材料。應理解,TCO材料也可以包括另外的摻質和成分。例如，氧化鋅可以進一歩包括摻質，如鋁、鎵、硼以及其他合適的摻質。氧化鋅優選包含5原子％或更低的摻質，例如包含2. 5原子％或更低的鋁。在某些情況下，可以由已經提供了第一 TCO層104的玻璃制造商提供基板102。第一 p-i-n結126可以包括P型非晶硅層106、形成在p型非晶硅層106上方的本征型非晶硅層108和形成在本征型非晶硅層106上方的η型微晶硅層110。在某些實施例中，P型非晶硅層106可以形成為約60Α和約300人之間的厚度。在某些實施例中，本征型非晶硅層108可以形成為約1500人和約3500Α之間的厚度。在某些實施例中，η型微晶半導體層110可以形成為約100人.和約400A之間的厚度。在第一 P-i-n結126和第二 P-i-n結128之間布置的WSR層112配置為具有某些期望的薄膜性質。在這ー結構中，WSR層112積極地用作具有所期望的折射率或者折射率范圍以及膜表面粗糙度的中間反射層，以反射從太陽能電池100的光入射側接收的光。WSR層112還用作結層，促進第一 p-i-n結126中的短波長到中波長光(例如，280nm至800nm)的吸收并且提高短路電流，得到提高的量子轉換效率。WSR層112進ー步具有對于中波長至長波長光(例如,500nm至IlOOnm)高的薄膜透射率，以便于光傳送到在結128中形成的層。此外，通常期望WSR層112吸收盡可能少的光，同時將期望波長的光(例如，較短的波長)反射回到第一 P-i-n結126中的層并且將期望波長的光(例如，較長的波長)傳送到第二p-i-n結128中的層。另外，WSR層112可以具有期望的帶隙和高的膜導電率以有效地傳導產生的電流并且使電子從第一 P-i-n結126流到第二 p-i-n結128，以及避免阻擋所產生的電流。期望WSR層112將較短波長光反射回到第一 p-i-n結126，同時基本上使全部的較長波長光達到第二 P-i-n結128。通過形成具有所期望波長的高的膜透射率、低的膜光吸收、所期望的帶隙性質(例如，寬帶隙范圍)和高的電導率的WSR層112，可以提高整個太陽能電池轉換效率。由于期望WSR層112吸 收盡可能少的光來減少吸收損耗，WSR層112被配置為具有在WSR層112的表面132、134上形成的一定程度的膜粗糙度。在WSR層112的表面132、134上形成的粗糙度可有助于光散射和反射穿過WSR層112到達相鄰的結電池126、128。相信在WSR層112上形成的表面粗糙度會有助于光在WSR層112中散射，由此增加光反射回到第一 p-i-n結126的可能性并且減少光穿過WSR層112時的吸收損耗。在一個實施例中，可以將WSR層112控制為具有大于20nm的表面粗糙度，如大于30nm，例如，在約40nm和約60nm之間。應指出的是，如這里所描述的表面粗糙度指的是在WSR層112的表面上形成的表面粗糙度的平均數。在ー個具體實施例中，WSR層112可以具有約47nm的表面粗糙度，如形成在圖2中所示的WSR層表面132、134上的臺階高度202、204。在一個實施例中，WSR層122的粗糙度可以通過本領域常規可用的原子力顯微鏡法(AFM)來測量。在一個實施例中，WSR層112可以是在WSR層112內布置有η型或p型摻質的微晶硅層。在示范性實施例中，WSR層112是在WSR層112內布置有η型摻質的η型晶體硅合金。布置在WSR層112中的不同摻質也會影響WSR層膜的光和電性質，如帶隙、結晶分數、導電性、透明度、膜折射率、膜消光系數等。在一些情況下，一或多種摻質可以摻雜到WSR層112的不同區域，以有效控制和調節膜帶隙、功函數、導電性、透明度等。在一個實施例中，控制WSR層112以具有約I. 4和約4之間的折射率、至少約2eV的帶隙和比約O. 3S/cm更大的電導率。在一個實施例中，WSR層112可以包含η型摻雜的硅合金層，如氧化硅(SiOx、SiO2)、碳化娃(SiC)、氮氧化娃(SiON)、氮化娃(SiN)、氮碳化娃(SiCN)、碳氧化娃(SiOC)、氮碳氧化硅(SiOCN)或類似物。在示范性實施例中，WSR層112是η型SiON或SiC層。返回參考圖1，第二 p-i-n結128可以包括P型微晶硅層114，并且在一些情況下包括形成在P型微晶硅層114上方的任選的p-i緩沖型本征非晶硅(PIB)層116。隨后，在P型微晶娃層114上方形成本征型微晶娃層118,以及在本征型微晶娃層118上形成η型非晶硅層120。在某些實施例中，P型微晶硅層114可以形成為約IOOA和約400Α之間的厚度。在某些實施例中，p-i緩沖型本征非晶硅(PIB)層116可以形成為約50人和約500人之間的厚度。在某些實施例中，本征型微晶硅層118可以形成為約10000人和約30000人之間的厚度。在某些實施例中，η型非晶硅層120可以形成為約100人和約500Α之間的厚度。金屬背層124可以包括選自由Al、Ag、Ti、Cr、Au、Cu、Pt、以上的合金或以上的組合組成的組的材料，但不限于此。可以進行其它エ藝，例如激光劃線エ藝來形成太陽能電池100。在金屬背層124上方，可以提供其它膜、材料、基板和/或封裝，以完成太陽能電池器件。形成的太陽能電池可以互連以形成模塊，這些模塊接下來可以連接形成陣列。太陽輻射101主要被p-i-a結126、128的本征層108、118吸收，并轉換成電子_空穴對。在P型層106、114和η型層110、120之間建立的電場，橫跨本征層108、118伸展，使電子流向η型層110、120，并使空穴流向P型層106、114，產生電流。由于非晶硅和微晶硅吸收不同波長的太陽輻射101，所以第一 p-i-n結126包括本征型非晶硅層108，并且第二P-i-n結128包括本征型微晶硅層118。因此，形成的太陽能電池100更有效，因為所述太陽能電池100能捕獲更大部分的太陽輻射光譜。由于非晶硅具有比微晶硅更大的帶隙，所以，以太陽輻射101首先穿透非晶硅的本征型層118并透過WSR層112然后穿透本征型微晶娃層118的方式,堆疊非晶娃的本征層108和微晶娃的本征型層118。沒有被第一 p-i-n結126吸收的太陽輻射繼續傳過WSR層112并繼續傳到第二 p-i-n結128上。具有大于20nm的期望表面粗糙度的WSR層112將最小化光吸收且最大化光散射和反射向相鄰的結126、128。 可以通過提供約20 I或更小的體積比的氫氣與硅烷氣體的氣體混合物來沉積本征非晶娃層108。娃燒氣體可以以約O. 5sccm/L和約7sccm/L之間的體積流速提供。氫氣可以以約5sccm/L和約60sccm/L之間的體積流速提供。可以將在15mW/cm2和約250mW/cm2之間的RF功率提供到噴頭。腔室的壓カ可以保持在約O. ITorr和20Torr之間，如在約O. 5Torr和約5Torr之間。本征型非晶娃層108的沉積速度將為約ΙΟΟΑ/min或更大。在示范性實施例中，以約12. 5 : I的氫與硅烷的比率沉積本征型非晶硅層108。可以通過提供約50 I或更小的體積比，例如小于約30 1，例如在約20 I和約30 I之間，如約25 I的氫氣與硅烷氣體的氣體混合物來沉積p-i緩沖型本征非晶娃(PIB)層116。可以以約O. 5sccm/L和約5sccm/L之間，如約2. 3sccm/L的體積流速，提供娃燒氣體。可以以約5sccm/L和80sccm/L之間，如在約20sccm/L和約65sccm/L之間,例如約57sccm/L的體積流速，提供氫氣。可以將在15mW/cm2和約250mW/cm2之間的RF功率，如約在30mW/cm2之間的RF功率提供到噴頭。腔室的壓カ可以保持在約O. ITorr和20Torr之間，優選在約O. 5Torr和約5Torr之間，如約3Torr。PIB層的沉積速率將為約ΙΟΟΑ/min或更大。可以通過提供約20 I和約200 I之間的體積比的氫氣與硅烷氣體的氣體混合物來沉積本征型微晶娃層118。可以以約O. 5sccm/L和約5sccm/L之間的體積流速提供娃燒氣體。可以以約40sccm/L和約400sccm/L之間的體積流速,提供氫氣。在某些實施例中，在沉積期間，硅烷流速可以從第一流速提高到第二流速。在某些實施例中，在沉積期間，氫氣流速可以從第一流速提高到第二流速。采用約300mW/cm2或更大，優選600mW/cm2或更大的RF功率，在約ITorr和約IOOTorr之間的腔室壓カ下，如在約3Torr和約20Torr之間的腔室壓カ下，例如在約4Torr和約12Torr之間的腔室壓カ下，以約200A/min或更大的速度，例如約500A/min的速度，通常會沉積具有在約20%和約80%之間的結晶分數，例如在55%和約75%之間的結晶分數的本征型微晶硅層。在一些實施例中，在沉積期間，施加的RF功率的功率密度從第一功率密度提高到第二功率密度是有利的。在另ー實施例中，本征型微晶硅層118可以用多個步驟沉積，每個步驟都具有不同的晶體分數。在一個實施例中，例如，氫和硅烷的體積比在四個步驟中可以從100 I降至Ij 95 I降到90 I降到85 I。在一個實施例中，可以以約O. lsccm/L和約5sccm/L之間的體積流速,如約O. 97sccm/L的體積流速,提供娃燒氣體。可以以約10sccm/L和約200sccm/L之間的體積流速,如約80sccm/L和約105sccm/L之間的體積流速,提供氫氣。在示范性實施例中，沉積具有多個步驟，如四個步驟，在第一步驟中氫氣流可以以約97sCCm/L開始，并且在隨后的處理步驟中分別逐漸減小到92sccm/L、88sccm/L和83sccm/L。施加約300mff/cm2或更大，如約490mW/cm2的RF功率，在約ITorr和約IOOTorr之間的腔室壓カ下，如在約3Torr和約20Torr之間的腔室壓カ下，例如在約4Torr和約12Torr之間的腔室壓力下，例如約9Torr，會造成以約200A/min或更大的速度，例如約400A/min的速度，沉積本征型微晶娃層。通常通過摻雜的半導體層進行電荷收集，摻雜的半導體層例如摻雜有P型或η型摻質的硅層。P型摻質通常是III族元素，如硼或鋁。η型摻質通常是V族素，如磷、神或銻。在大多數實施例中，硼用作P型摻質，而磷用作η型摻質。通過在反應混合物中包含含硼或含磷的化合物，可以使這些摻質加入到上述的P型和η型層106、110、114、120中。合適的 硼和磷化合物通常包括取代和非取代的低級硼烷和磷化氫低聚體。ー些合適的硼化合物包括三甲基硼烷(B(CH3)3或TMB)、こ硼烷(B2H6)、三氟化硼(BF3)和三こ基硼烷(B(C2H5)3或TEB)。磷化氫是最常見的磷化合物。摻質通常由載氣，如氫、氦、氬和其它可用的氣體提供。如果將氫用作載氣，將氫計入反應混合物中的總數氫。由此氫氣供應將包括用作摻質載氣的氫。摻質通常將作為在惰性氣體中稀釋的氣體混合物提供。例如，摻質可以以在載氣中約O. 5%的摩爾或體積濃度提供。如果摻質在以I. Osccm/L流動的載氣中以約O. 5%的體積濃度提供，那么最終的摻質流速將是O. 005sccm/Lo根據需要的摻雜程度，摻質可以以約O. 0002sccm/L和約O. lsccm/L之間的流速提供到反應腔室中。通常，摻質濃度保持在約1018atoms/cm3 和約 102Clatoms/cm3 之間。在一個實施例中，可以通過提供約200 I或更大的氫與硅烷體積比的氫氣與硅烷氣體的氣體混合物，如1000 I或更小，例如在約250 I和約800 I之間，并進ー步例如約601 : I或約401 : I,來沉積P型微晶娃層114。可以以約O. lsccm/L和約O. 8sccm/L之間的體積流速，如以約O. 2sccm/L和約O. 38sccm/L之間的體積流速,提供娃燒氣體。可以以約60sccm/L和500sccm/L之間的體積流速,如約143sccm/L,提供氫氣。可以以約O. 0002sccm/L和O. 0016sccm/L之間的體積流速，如約O. 00115sccm/L，提供TMB。如果在載氣中以O. 5%摩爾或體積濃度提供TMB，那么可以以約O. 04sccm/L和約O. 32sccm/L之間的流速，如約O. 23sccm/L,提供摻質/載氣混合物。采用在約50mW/cm2和約700mW/cm2之間的RF功率，如在約290mW/cm2和約440mW/cm2之間的RF功率，在約ITorr和約IOOTorr之間的腔室壓カ下，如在約3Torr和約20Torr之間的腔室壓カ下，例如在約4Torr和約12Torr之間的腔室壓カ下，如約7Torr或約9Torr,以約ΙθΛ/min或更大，例如約143A/min的速度，將沉積，對于微晶層具有在約20%和約80%之間的結晶分數，如在55%和約75%之間的結晶分數的P型微晶硅層。在一個實施例中，可以通過提供約20 I或更小的體積比的氫氣與硅烷氣體的氣體混合物，沉積P型非晶娃層106。可以以在約lsccm/L和約10sccm/L之間的流速,提供娃燒氣體。可以以在約5sccm/L和60sccm/L之間的流速,提供氫氣。可以以在約O. 005sccm/L和約O. 05sCCm/L之間的流速，提供三甲基硼烷。如果在載氣中以O. 5%摩爾或體積濃度提供三甲基硼烷，那么可以以約lsccm/L和約lOsccm/L之間的流速，提供摻質/載氣混合物。采用在約15mW/cm2和約200mW/cm2之間的RF功率，在約O. ITorr和20Torr之間的腔室壓カ下，如在約ITorr和約4Torr之間的腔室壓カ下,將以約ΙθΑ/min或更大的速度，沉積P型微晶娃層。在一個實施例中，可以通過提供約100 I或更大的體積比的氫氣與硅烷氣體的氣體混合物，如約500 I或更小，如在約150 I和約400 I之間，例如約304 I或約203 : I,沉積η型微晶娃層110。可以以在約O. lsccm/L和約O. 8sccm/L之間的流速，如在約O. 32sccm/L和約O. 45sccm/L之間的流速,例如約O. 35sccm/L,提供娃燒氣體。可以以在約30sccm/L和約250sccm/L之間的流速,如以在約68sccm/L和約143sccm/L之間的流速，例如約71. 43ccm/L,提供氫氣。可以以在約O. 0005sccm/L和約O. 006sccm/L之間的流速，如以在約O. 0025sccm/L和約O. 015sccm/L之間的流速,例如約O. 005sccm/L,提供磷化氫。換句話說，如果在載氣中以O. 5%摩爾或體積濃度提供磷化氫，那么可以以約O. lsccm/L和約5sccm/L之間的流速,如以在約O. 5sccm/L和約3sccm/L之間的流速,例如以在約O. 9sccm/L和約I. 088sccm/L之間的流速,提供摻質/載氣。米用在約100mW/cm2和約900mW/cm2之間的RF功率，如約370mW/cm2，在約ITorr和IOOTorr之間的腔室壓カ下，如在約3Torr和約20Torr之間的腔室壓カ下，例如在約4Torr和約12Torr之間的腔室壓カ下，例如約6Torr或約9Torr，將以約50A/min或更大的速度，如150A/min或更大的速度，沉積具有在約20%和約80%之間的結晶分數，如在50%和約70%之間的結晶分數的η型微晶娃層。在一個實施例中，可以通過提供約20 I或更小的體積比的氫氣與硅烷氣體的氣體混合物，如約5. 5 I或7. 8 1，沉積η型非晶硅層120。可以以在約O. lsccm/L和約10sccm/L之間的流速,如在約lsccm/L和約10sccm/L之間的流速,在約O. lsccm/L和約5sccm/L之間的流速，或在約O. 5sccm/L和約3sccm/L之間的流速，例如約I. 42sccm/L或5. 5sccm/L,提供娃燒氣體。可以以在約lsccm/L和約40sccm/L之間的流速,如以在約4sccm/L和約40sccm/L之間的流速,或以在約lsccm/L和約10sccm/L之間的流速,例如約6. 42sccm/L或27sccm/L,提供氫氣。可以以在約O. 0005sccm/L和約O. 075sccm/L之間的流速，如以在約O. 0005sccm/L和約O. 0015sccm/L之間的流速或在約O. 0015sccm/L和約O. 03sccm/L之間的流速,例如約O. 0095sccm/L或O. 023sccm/L,提供磷化氫。如果在載氣中以O. 5%摩爾或體積濃度提供磷化氫，那么可以以約O. lsccm/L和約15sCCm/L之間的流速，如以在約O. lsccm/L和約3sccm/L之間的流速,在約2sccm/L和約15sccm/L之間的流速，或者在約3sccm/L和約6sccm/L之間的流速，例如約I. 9sccm/L和約4. 71sccm/L的流速，提供摻質/載氣混合物。采用在約25mW/cm2和約250mW/cm2之間的RF功率，如約60mW/cm2或者約80mW/cm2，在約O. ITorr和20Torr之間的腔室壓カ下，如在約O. 5Torr和約4Torr之間的腔室壓カ下，如在約I. 5Torr，將以約ΙΟΟΑ/min或更大的速度，如200A/min或更大，如約300A/min或約600A/min的速度沉積η型非晶娃層。在一些實施例中，可以使用硅與其他元素如氧、碳、氮、氫和鍺的合金。可以通過用所述其他元素中每種的源來補充反應氣體混合物，使這些其他元素加入到硅膜中。硅的合金可以用于任何類型的硅層，包括P型、η型、PIB、WSR層或本征型硅層。例如，通過將如甲烷(CH4)的碳源加入到所述氣體混合物中，可以將碳加入到硅膜中。通常，大多數C1-C4-氫化合物可以用作碳源。或者，本領域熟知的有機娃化合物，如有機娃燒、有機娃氧燒、有機娃燒醇等，可以用作娃源和碳源。錯化合物，如錯燒和有機錯燒，以及包含娃和錯的化合物，、如甲硅烷基鍺烷或甲鍺烷基硅烷，可以用作鍺源。氧氣(O2)可以用作氧源。其它氧源包括但不限于氮的氧化物(ー氧化ニ氮-N20、氧化氮-NO、三氧化ニ氮-N2O3、ニ氧化氮-N02、四氧化ニ氮-N2O4、五氧化ニ氮-N2O5和三氧化氮-NO3)、過氧化氫(H2O2)、一氧化碳或ニ氧化碳(CO或CO2)、臭氧(O3)、氧原子、氧原子團和醇類(R0H，這里R是任意有機或雜有機原子團組)。氮源可以包括氮氣(N2)、氨氣(NH3)、肼(N2H2)、胺類(RXNR，3_x，這里x為O至3，并且每個R和R’是獨立的任意有機或雜有機原子團組)、酰胺((RC0)xNR’ 3_x，這里X為O至3，并且R和R’各獨立地是任意有機或雜有機原子團組)、酰亞胺(RC0NC0R’，這里R和R’各獨立地是任意有機或雜有機原子團組)、烯胺(R1R2C = C3R4R5,這里R1-R5各獨立地是任意有機或雜有機原子團組)以及氮原子和原子團。在一個實施例中，WSR層112是形成在η型微晶硅層110上方的η型晶體硅合金層。WSR層112的η型晶體硅合金層可以是微晶、納米晶或多晶。η型晶體硅合金WSR層112可以包含合金元素，如碳、氧、氮或以上元素的任意組合。η型晶體硅合金WSR層112可以沉積為單個同質層、具有一或多個漸變特性的單層或沉積為上述層的疊層。漸變特性可以包括結晶度、摻質濃度(例如，磷)、合金材料(例如，碳、氧、氮)濃度或其他特性，如介電 常數、折射率、導電性或帶隙。η型晶體硅合金WSR層112可以包含η型碳化硅層、η型氧化硅層、η型氮化硅層和η型氮氧化硅層、η型碳氧化硅層和/或η型氮碳氧化硅層。η型晶體硅合金WSR層112中次要成分的量可以一定程度地偏離按化學計量組成的比率。例如，η型碳化硅層可以具有約I原子％和約50原子％的碳。η型氮化硅層同樣可具有約I原子％和約50原子％的氮。η型氧化硅層可具有約I原子％和約50原子％的氧。在包含多于ー種次要成分的合金中，次要成分的含量可以在約I原子％和約50原子％之間，硅含量在約50原子％和99原子％之間。通過調節處理腔室中前體氣體的比率，可以調節次要成分的量。所述比率可以在多個步驟中調節，以形成層壓結構，或者連續形成漸變的單層。含碳的氣體，如甲烷(CH4)，可以加入到用來沉積η型微晶硅層的反應混合物，以形成η型微晶碳化硅WSR層112。在一個實施例中，含碳氣體的流速與硅烷流速的比率在約O和約O. 5之間，如在約O. 20和約O. 35之間，例如約O. 25。可以變化供料中含碳氣體與硅烷的比率，以調節沉積膜中的碳量。WSR層112可以沉積成許多層，各層都具有不同的碳含量，或者所述碳含量可以通過沉積的WSR層112連續調節。而且，在WSR層112內，可以同時調節和漸變碳和摻質的含量。將WSR層112沉積為許多疊層的優點在于所形成多層的每層可以具有不同的折射率，使多個層疊置用作布拉格反射層，在期望波長(如短波到中波)范圍內顯著增強WSR層112的反射性。如上所述，η型晶體硅合金WSR層112可以提供幾個優點。例如，η型晶體硅合金WSR層112可以定位在太陽能電池內的至少三個位置內，如用作半反射中間反射層、第二WSR發射層(例如，圖4中的附圖標記412)或用作結層。作為結層的η型晶體硅合金WSR層112的內含物增強了第一 p-i-n結126對短波光的吸收并提高了短路電流，造成量子轉換效率提高。此外，η型晶體硅合金WSR層112具有期望的光和電學膜性質，如高導電性、帶隙以及對期望反射能力和透射能力的折射率。微晶碳化硅，例如，產生出結晶分數高于60%，帶隙寬度高于2電子伏(eV)，以及導電性大于O. 01每厘米西門子(S/cm)。而且，可以以150-200A/min或更高的速度沉積，這樣做的厚度變化小于10%。通過改變反應混合物中含碳氣體與硅烷的比率可以調節帶隙和折射率。可調節的折射率能夠形成高導電且具有寬帶隙的反射層，造成產生的電流提高。通過干法蝕刻エ藝、濕法蝕刻エ藝、表面處理工藝、光/溫和等離子體エ藝、激光エ藝、微粒噴射エ藝、機械エ藝或其他任何合適的エ藝，可以形成在太陽能電池100中形成的WSR層112的紋理化和/或粗糙度。此外，通過對先前的層，如η型微晶硅層110、下面的TCO層104或在η型微晶硅層110上形成WSR層112的第一 p-i_n結126中的其它先前形成的層106、108進行紋理化或預清洗，可以產生WSR層112的粗糙度，使得在所述層上沉積WSR層112吋，WSR層112將遵照這些層的形貌生長，以在WSR層112的表面134上形成具有期望粗糙度的不均勻表面。在一個實施例中，可以進行氫氣或氬氣等離子體預處理工藝，以在下面的η型微 晶硅層Iio上形成粗糙表面，也從基板表面上移除污染物，使隨后形成在所述基板上的WSR層112形成具有期望粗糙度的不均勻表面。在一個實施例中，通過以約lOsccm/L和約45sccm/L之間的速度，如以約15sccm/L和約40sccm/L之間的速度，例如約20sccm/L和約36sccm/L的速度，向裝載有基板102的處理腔室提供氫氣或氬氣，來進行預處理和/或預清洗。在一個實例中，可以以約21sCCm/L提供氫氣，或者可以以36sCCm/L提供氬氣。通過采用約10mW/cm2和約250mW/cm2之間的RF功率，如采用約25mW/cm2和約250mW/cm2之間的RF功率，例如對于氫處理約60mW/cm2或約80mW/cm2的RF功率，對于氬處理約25mW/cm2的RF功率來完成處理。或者，可以進行濕法預清洗エ藝，以在下面的η型微晶硅層110上產生不均勻表面，使隨后沉積的WSR層112能夠遵照η型微晶硅層110的不均勻表面的形貌產生不均勻表面，如具有期望粗糙度的WSR層112的表面132、134，如圖2所示。在一個實施例中，可以利用將基板102暴露于清洗溶液的批清洗エ藝來進行濕法預清洗エ藝。可以利用在清洗溶液中噴射、淹沒或浸沒表面134的濕法清洗エ藝來清洗基板。清洗溶液可以是SCl清洗溶液、SC2清洗溶液、HF-最后步驟用清洗溶液、臭氧水溶液、氫氟酸(HF)和過氧水(H2O2)溶液或其它合適的且成本有效的清洗溶液。清洗エ藝可以在基板上進行約5秒和約600秒之間的時間，如約30秒至約240秒，例如約120秒。或者，與上述的預清洗エ藝或預處理工藝相似，可以在WSR層的表面134上進行后濕法蝕刻或后等離子體處理工藝。后濕法蝕刻或后等離子體處理工藝直接在WSR層112的表面134上執行，以在WSR層112的表面134上產生期望的粗糙度。在一個實施例中，可以進行后濕法蝕刻或后等離子體處理工藝，以產生具有大于20nm的粗糙度204的WSR層112的不均勻表面134,如大于30nm,例如在約40nm和約60nm之間的粗糙度204。圖3是根據本發明的另ー實施例的串結薄膜太陽能電池300的示意側視圖。圖3的實施例與圖I的實施例的不同在于去除了如上所述的在第一 TCO層104上進行的任選的紋理化工藝。由于在沉積WSR層112之前，沒有在先前形成在基板102上的層104、106、108、110上進行紋理化工藝，所以WSR層112將沉積在基本平坦的表面304上，而沒有在表面304上進行后沉積粗糙化工藝。因此，可以在η型微晶硅層110的表面304上形成由微粒302制成的薄層308，以產生不均勻表面。因此，當在微粒薄層304上形成隨后沉積的WSR層112吋，WSR層112將遵照由微粒薄層304造成的不均勻形貌，形成不均勻的初始表面306和成核位置。由此，WSR層112將遵照由初始表面306產生的形貌，直到期望厚度的WSR層112。在WSR層沉積エ藝的最后，形成在WSR層112上的最終表面310可具有從薄層308微粒轉移過來的期望程度的粗糙度，以散射和反射由此傳輸的光。在一個實施例中，WSR層112的外表面310可以具有大于20nm的粗糙度，如大于30nm,例如在約40nm和60nm之間。在一個實施例中，用來在η型微晶硅層110的表面304上噴射的微粒302可具有在約IOnm和約IOOnm之間的微粒直徑。由于隨著隨后在薄層308上形成WSR層112，微粒302的薄層308的不均勻形貌可以被增強或者減小，所以微粒尺寸的選擇可以根據需要變化。在一個實施例中，被選擇用于產生微粒302的薄層308的微粒尺寸約為10nm。微粒302可以由電介質材料形成，如硅石、硅石粉末、氧化硅、碳化硅或其它合適的含硅材料，所述合適的含硅材料可以產生期望的表面粗糙度，同時不會不利地影響結單元126、128的電氣性能。在WSR層112的表面310形成有期望的粗糙度之后，用于形成第二 p-i-n結128的層114、118、120、112、124以及背反射層將遵照WSR層112的粗糙表面310的形貌，形成不均勻表面。圖4是根據本發明的另ー個實施例的串結薄膜太陽能電池400的示意側視圖。圖4的實施例具有圖I相似的結構，具有布置在基板102上的第一 TCO層104和形成的兩個p-i-n結408、410。WSR層112布置在第一 p-i-n結408和第二 p-i-n結410之間。在一個實施例中，WSR層112可以是η型摻雜的硅合金層，如Si02、SiC、SiON、SiN、SiCN、SiOC、SiOCN等。在示范性實施例中，WSR層112是η型SiON或η型SiC層。參考圖1-3，WSR層112形成為具有如上所述的期望的表面粗糙度。如上所述，在WSR層112的表面上形成的粗糙度可以通過對先前的層進行紋理化工藝來形成，先前的層如形成在基板102上的TCO層104或η型微晶硅層110，使隨后形成在所述層上的WSR層112將遵照先前形成的紋理化表面，產生具有期望粗糙度的WSR層112。或者，WSR層112的表面粗糙度可以通過在沉積WSR層112之前進行預處理或預清洗エ藝來形成。此外，在η型微晶硅層110上形成WSR層112之后，通過直接在WSR層112的表面上進行后處理或后清洗エ藝，可以形成WSR層112的表面粗糙度。另外，如上所述，在沉積WSR層112之前，通過在基板表面上噴射微粒薄層，可以形成WSR層112的表面粗糙度。因此，由于在微粒薄層上沉積WSR層112，WSR層112將遵照由微粒薄層限定的形貌，由此產生具有所期望的膜粗糙度的WSR層112。另外，也可以在第二 p-i-n結410和第二 TCO層122或金屬背面層124之間布置第二 WSR層412 (例如背反射層)。第二 WSR層412可以具有與第一 WSR層112相似的薄膜性質和薄膜粗糙度，如上所述。正像第一 WSR層112理想地反射短波長光回到第一 p-i-n結408以及使長波長光到達第二 p-i-n結410 —祥，第二 WSR層412配置為使長波長光反射回到第二 P-i-n結410并且具有低的電阻以促使電流流到第二 WSR層412。在一個實施例中，第二 WSR層412的粗糙程度可以配置為與形成在第一和第二 p-i-n結408、410之間的第一 WSR層122的粗糙程度相似。在一個實施例中，第二 WSR層412的表面粗糙度控制為大于20nm,如大于30nm,例如在約40nm和約60nm之間，如約47nm。在另ー實施例中，第ニ WSR層412可控制為具有大于50nm且小于120nm的表面粗糙度。在一個實施例中，第二 WSR層412具有高的薄膜導電性和低的折射率用于高的薄 膜反射率，同時對于第二 TCO層122具有低的接觸電阻。因此，期望形成這樣的第二 WSR層412，所 述第二 WSR層412與相鄰的層具有低接觸電阻和低折射率以及高反射率。在所述實施例中，由于SiC層相比η型氮氧化硅(SiON)層一般具有高的導電率，所以第二 WSR層412包括碳摻雜的η型硅合金層(SiC)。在一些情況下，由于η型SiON層一般具有比η型SiC層低的反射率，所以第一 WSR層112或第二 WSR層412由η型SiON層形成。在一個實施例中，期望第一 WSR層112具有在約I. 4和約4之間，例如約2的折射率，而期望第二 WSR層412具有約I. 4和約4之間，例如約2的折射率。期望第一 WSR層112具有約比10_9S/cm大的導電率，并且期望第二 WSR層412具有約比10_4S/cm大的導電率。與圖I中描述的第一 p-i-n結126相似，第一 p-i-n結408包括P型非晶硅層106、本征型非晶硅層108和η型微晶硅層110。在導電層104上方形成變性摻雜的P型非晶硅層402 (具有比P型非晶硅層106的摻雜濃度大的重摻雜P型非晶硅層)。此外，在本征型非晶硅層108和η型微晶硅層110之間形成η型非晶硅緩沖層404。η型非晶硅緩沖層404形成為約IOA和約200人之間的厚度。相信，η型非晶硅緩沖層404有助于跨接被認為是存在于本征型非晶硅層108和η型微晶硅層110之間的帶隙偏差。由于增加了 η型非晶硅緩沖層404，因此，認為電池效率由于增強的電流收集而得以提高。第二 p-i-n結410，與圖I的第二 p-i_n結128類似，包括p型微晶硅層114和可以在P型微晶硅層114上方形成的任選的P-i緩沖型本征非晶硅(PIB)層116。通常，在任選的P-i緩沖型本征非晶硅(PIB)層116上方形成本征型微晶硅層118，以及在本征型微晶硅層118上方形成η型非晶硅層120。此外，可以主要形成變性摻雜的η型非晶硅層406作為重摻雜的η型非晶硅層以提高與第二 TCO層122的歐姆接觸。在一個實施例中，重摻雜的η型非晶硅層406具有在每立方厘米約102°原子和每立方厘米約IO21原子之間的摻雜濃度。圖5是可以沉積薄膜太陽能電池，例如圖1-4的太陽能電池的一或多個膜的等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)腔室500的一個實施例的截面示意圖。具體地，如有需要，可以在腔室500或任何其他適合的PECVD腔室內形成WSR層112、412和在WSR層沉積エ藝之前或之后執行的前和/或后處理、清洗或等離子體處理。一個適合的等離子體增強化學氣相沉積腔室可從位于美國加利福尼亞圣克拉拉的應用材料公司獲得。考慮可以利用其他的沉積腔室，包括其他制造商的沉積腔室，來實施本發明。腔室500通常包括壁502、底部504、蓋505和基板支撐530，所述壁502、底部504、蓋505和基板支撐530限定了エ藝容積506。通過閥508進入エ藝容積以便基板可以被傳送進出腔室500。基板支撐530包括用于支撐基板的基板接收表面532和耦合至提升系統536的桿534以升高和降低基板支撐530。遮蔽環533可以被任選地放置在基板102的外圍。升降針538可移動地設置穿過基板支撐530以將基板移向和移離基板接收表面532。基板支撐530還可以包括加熱和/或冷卻元件539以將基板支撐530保持在所期望的溫度。基板支撐530還可以包括接地條531，以在基板支撐530的外圍提供RF返回通路。噴頭510在所述噴頭510的外圍通過懸架514被耦合至背板512。噴頭510也可以通過一或多個中心支撐件516耦合至背板以有助于防止噴頭510的下垂和/或控制噴頭510的平直度/曲率。氣體源520被耦合至背板512以提供氣體穿過背板512和穿過噴頭510至基板接收表面532。真空泵509被耦合至腔室500以將エ藝容積506控制在所期望的壓カ。RF功率源522被耦合至背板512和/或噴頭510以將RF功率提供給噴頭510，以在噴頭和基板支撐530之間產生電場，以便可以從存在于噴頭510和基板支撐530之間的氣體產生等離子體。可以使用多種RF頻率，如約O. 3MHz和約200MHz之間的頻率。在ー個實施例中，以13. 56MHz的頻率提供RF功率源。遠程等離子體源524，如感應耦合遠程等離子體源，也可以耦合在氣體源和背板之間。在處理基板之間，可以將清潔氣體提供給遠程等離子體源524以便產生遠程等離子體并提供用于清洗腔室部件。清洗氣體可以進一歩被提供給噴頭的RF功率源522激發。合適的清洗氣體包括NF3、F2和SF6,但不限于此。用于ー或多層，例如圖1-4的一或多層的沉積方法，可以包括圖5的處理腔室或其他合適的腔室中的以下沉積參數。將具有表面積為IOOOOcm2或更大、如40000cm2或更大、 例如55000cm2或更大的基板提供給腔室。應理解，處理之后可以切割基板以形成較小的太陽能電池。在一個實施例中，可以設定加熱和/或冷卻元件539以提供在約400°C以下，例如在約100°C和約400°C之間，或者在150°C和約300°C之間，例如約200°C的沉積期間的基板
支撐溫度。在基板接收表面532上沉積的基板的頂表面和噴頭510之間的沉積期間的間隔可以在400密耳和約1200密耳之間，如400密耳和約800密耳之間。控制器548耦合至處理腔室500。控制器548包括中央處理單元(CPU) 560、存儲器558和輔助電路562。利用控制器548來控制エ藝程序，調節從氣體源520到腔室500的氣流并控制來自RF功率源522和遠程等離子體源524的功率供給。CPU560可以是能夠用于エ業設置中的任何形式的通用計算機處理器。軟件程序能夠被儲存在存儲器558中，如隨機存取存儲器、只讀存儲器、軟盤或硬盤驅動器或其他形式的數字存儲器。輔助電路562常規地被耦合至CPU 560且可以包括超高速緩存、時鐘脈沖電路、輸入/輸出子系統、電源等。軟件程序，當由CPU 560執行時，將CPU轉換成控制處理腔室500的專用計算機(控制器)548，以便根據本發明執行如上所述的處理。軟件程序也可以由遠離處理腔室500定位的第二控制器(未示出)儲存和/或執行。由此，提供了一種在太陽能電池器件中形成具有所期望表面粗糙度的WSR層的設備和方法。所述方法有利地產生了布置在結之間的粗糙化的WSR層，所述WSR層具有高透明度、低折射率和期望的膜表面粗糙度，以增強電池的光散射和反射。另外，WSR層還提供了能夠有效地反射或吸收不同波長光的可調節的帶隙，由此相比于常規方法，増加了 PV太陽能電池的光電轉換效率和器件性能。雖然前文針對本發明的實施例，但可以設計其他的和另外的實施例而不脫離本發明的基本范圍，且本發明的范圍由后附權利要求所確定。
權利要求
1.一種形成太陽能電池器件的方法，包括 在形成于基板上的第一 p-i-n結和第二 p-i-n結之間形成波長選擇反射層；和 對所述波長選擇反射層執行后處理工藝，以形成平均粗糙度大于20nm的不均勻表面。
2.根據權利要求I所述的方法，其中形成所述波長選擇反射層的所述不均勻表面進一步包括 通過氫、氦或氬氣的紋理化工藝使所述波長反射層的表面紋理化。
3.如權利要求2所述的方法，其中紋理化工藝是通過干法蝕刻工藝、濕法蝕刻工藝、等離子體處理工藝、表面處理工藝、微粒噴射工藝或機械工藝進行的。
4.如權利要求I所述的方法，其中形成所述波長選擇反射層的所述不均勻表面進一步包括 在所述第一 P-i-n結的表面上進行預處理工藝，以形成所述第一 p-i-n結的粗糙表面； 在所述粗糙表面上形成所述波長選擇反射層，以遵照在所述第一 P-i-n結上形成的所述粗糙表面，在所述波長選擇反射層上產生所述不均勻表面。
5.如權利要求4所述的方法，其中所述預處理工藝是氬處理工藝或氫處理工藝。
6.如權利要求I所述的方法，其中形成所述波長選擇反射層的所述不均勻表面進一步包括 在沉積所述波長選擇反射層之前，在所述第一 P-i-n結上形成微粒薄層，以限定不均勻表面。
7.如權利要求6所述的方法，其中所述微粒具有約IOnm和約IOOnm之間的直徑。
8.如權利要求7所述的方法，其中所述微粒是電介質材料。
9.如權利要求I所述的方法，其中所述波長選擇反射層的所述不均勻表面的所述平均粗糙度控制在約40nm和約60nm之間。
10.如權利要求I所述的方法，其中所述第一p-i-n結進一步包括p型非晶硅層、本征型非晶硅層和n型微晶硅層。
11.一種光伏器件，包括 波長選擇發射層，所述波長選擇發射層布置在形成于基板上的第一 P-i-n結和第二P-i-n結之間，其中所述波長選擇反射層具有平均表面粗糙度大于20nm的不均勻表面。
12.如權利要求11所述的光伏器件，其中所述波長選擇反射層是由硅合金材料制成的。
13.如權利要求11所述的光伏器件，進一步包括 形成在所述第一 P-i-n結和所述波長選擇反射層之間的具有不均勻表面的微粒薄層。
14.如權利要求11所述的光伏器件，其中所述波長選擇反射層的所述不均勻表面的所述平均粗糙度在約40nm和約60nm之間。
15.—種形成太陽能電池器件的方法,包括 在基板上形成TCO層； 紋理化所述TCO層，以在所述TCO層上形成粗糙表面，其中所述粗糙表面具有大于22nm的平均表面粗糙度； 在所述TCO層上形成第一 p-i-n結；在所述第一 P-i-n結上形成波長選擇反射層，其中所述波長選擇反射層具有大于20nm的平均表面粗糙度；和 在所述波長選擇反射層上形成第二 P-i-n結。
全文摘要
提供一種用于形成粗糙化的波長選擇反射層的方法和設備。在一個實施例中，形成太陽能電池器件的方法包括在形成于基板上的第一p-i-n結和第二p-i-n結之間形成波長選擇反射層，并對波長選擇反射層進行后處理工藝以形成粗糙度大于20nm的不均勻表面。在另一個實施例中，光伏器件包括布置在形成于基板上的第一p-i-n結和第二p-i-n結之間的波長選擇反射層，其中波長選擇反射層具有不均勻表面，所述表面具有大于20nm的表面粗糙度。
文檔編號H01L31/052GK102668104SQ201080052528
公開日2012年9月12日 申請日期2010年8月2日 優先權日2009年11月20日
發明者王大鵬, 盛殊然, 蔡容基 申請人:應用材料公司