專(zhuān)利名稱(chēng)：：用于為具有降低的光致衰退的光伏器件淀積非晶硅膜以改進(jìn)穩(wěn)定性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及用于依賴(lài)所謂非晶的多結(jié)或單結(jié)結(jié)構(gòu)的薄膜、硅基太陽(yáng)能電池或模塊的整體制造工藝的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
：光伏器件，光電轉(zhuǎn)換器件或太陽(yáng)能電池是將光，特別是太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換成直流(DC)電力的器件。對(duì)于低成本大量生產(chǎn)，薄膜太陽(yáng)能電池為人們所感興趣，因?yàn)槠湓试S使用玻璃、玻璃陶瓷或其他剛性或柔性襯底來(lái)代替單晶或多晶硅作為基底材料(襯底)。太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，即，負(fù)責(zé)或能夠有光伏效應(yīng)的層順序被淀積在薄層上。這個(gè)淀積可以在大氣或真空條件下進(jìn)行。淀積技術(shù)為現(xiàn)有技術(shù)所公知，例如PVD、CVD、PECVD、APCVD……，所有的都用在半導(dǎo)體技術(shù)中。薄膜太陽(yáng)能電池通常包括第一電極、一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體薄膜p-i-n或n-i-p結(jié)，以及第二電極，它們被順序地堆疊在襯底上。每個(gè)P-i-n結(jié)或薄膜光電轉(zhuǎn)換單元包括夾在ρ型層和η型層(ρ型=正摻雜，η型=負(fù)摻雜)間的i型層。作為基本本征半導(dǎo)體層的i型層，占據(jù)薄膜P-i-n結(jié)的大部分厚度。光電轉(zhuǎn)換最初發(fā)生在該i型層中?，F(xiàn)有技術(shù)圖1示出了基本、簡(jiǎn)單的光伏電池40，包括透明襯底41，例如，具有淀積其上的透明導(dǎo)電氧化物(TCO)層42的玻璃。這個(gè)層還稱(chēng)為前接觸F/C并且作為光伏元件的第一電極。下一層43作為有源光伏層并且包括三個(gè)“子層”，形成p-i-n結(jié)。所述層43包括氫化微晶、納米晶或非晶硅，或者其組合。子層44(鄰近TCO前接觸4正摻雜，鄰近的子層45是本征的，并且最后的子層46是負(fù)摻雜的。在可替換實(shí)施例中，如所表述的層順序P-i-n可反轉(zhuǎn)成n-i-p，然后層44被標(biāo)識(shí)為η層，層45還為本征的，層46為ρ層。最后，電池包括可由氧化鋅、氧化錫或ITO制成的后部接觸層47(也稱(chēng)為后接觸，B/C)和反射層48?？商鎿Q地，可實(shí)現(xiàn)金屬化后接觸，其可以組合后反射器48和后接觸47的物理性質(zhì)。為了示意目的，箭頭指示沖擊光。根據(jù)i型層的結(jié)晶度，太陽(yáng)能電池或光電(轉(zhuǎn)換)器件可表征為非晶(a-Si)或微晶(μc-Si)太陽(yáng)能電池，而與鄰近的ρ和η層的結(jié)晶度種類(lèi)無(wú)關(guān)。微晶層在本領(lǐng)域中通常被理解為包含至少15%的喇曼結(jié)晶度的非晶基體內(nèi)的微晶晶體的層?，F(xiàn)今，太陽(yáng)能電池效率和低成本生產(chǎn)日益受到關(guān)注。具有一個(gè)堆疊在另一個(gè)上的至少兩個(gè)薄膜光電轉(zhuǎn)換單元的多結(jié)太陽(yáng)能電池是高效率的；然而需要制造設(shè)備上增加投入。并且，在串聯(lián)(雙結(jié))太陽(yáng)能電池中使用PECVD方法的微晶硅淀積速率遠(yuǎn)低于非晶層(在其他類(lèi)似條件下)的速率。因此，需要低成本高效率非晶硅太陽(yáng)能電池。如今，薄膜太陽(yáng)能電池向大量生產(chǎn)邁進(jìn)。這樣大量生產(chǎn)的需要是整合的制造工藝，允許高效且有效地制造這樣的電池。產(chǎn)率、生產(chǎn)量、運(yùn)行時(shí)間、質(zhì)量是要在這樣的工藝中觀察的要素。另一方面，明確的目標(biāo)是為了增加太陽(yáng)能電池的電池效率和其他電性質(zhì)。然而，所謂的光致衰退(Stabler-Wronski)效應(yīng)表述了非晶硅光伏器件在初始暴露到光后它們的電轉(zhuǎn)化效率衰退(下降)的趨勢(shì)。國(guó)際已接受的光浸透試驗(yàn)，包括在AMI.5類(lèi)似照明下在50°C的控制溫度下經(jīng)歷1000小時(shí)暴露測(cè)試器件。在標(biāo)準(zhǔn)條件(AMI.51000ff/m2,25°C)下評(píng)估穩(wěn)定性能并且相對(duì)效率衰退由初始(在光浸透暴露前)和歸一化到初始效率的衰退效率(1000小時(shí)之后)間的差異給出。因此效率不僅作為初始值是重要的而且作為穩(wěn)定值也是重要的。對(duì)于i層厚度大于200nm的單結(jié)非晶硅電池的如本領(lǐng)域中所知的相對(duì)衰退來(lái)說(shuō)，約20%或更大的值對(duì)于這樣的PV電池商業(yè)化是嚴(yán)重困擾。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明涉及用于薄膜光伏器件的制造工藝，所述薄膜光伏器件例如用在建筑應(yīng)用中。雖然本發(fā)明不限于特定類(lèi)型的薄膜光伏器件，本發(fā)明特別適合包括生產(chǎn)包括a-Si本征層厚度大于200nm的非晶電池結(jié)構(gòu)的薄膜光伏器件，其顯示低于20%的，并且對(duì)于發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例甚至低于16.5%的相對(duì)效率衰退。通常，薄膜光伏器件包括襯底，優(yōu)選透明玻璃狀襯底，通常具有0.4mm至5mm的厚度，優(yōu)選2mm至4mm;在襯底上的導(dǎo)電接觸；暴露在光中后產(chǎn)生電荷分離的一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體層；以及第二導(dǎo)電接觸。一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體層位于導(dǎo)電接觸之間。半導(dǎo)體層以提供結(jié)的方式淀積，優(yōu)選根據(jù)本發(fā)明的光伏器件展示至少一個(gè)p-i-n結(jié)或至少一個(gè)n-i-ρ結(jié)，盡管可利用其他類(lèi)型的半導(dǎo)體結(jié)。在包括P、i和η區(qū)域或?qū)拥陌雽?dǎo)體中實(shí)現(xiàn)p-i-n結(jié)。i區(qū)域是本征區(qū)域，P區(qū)域是典型的正摻雜區(qū)域，并且η區(qū)域是典型的負(fù)摻雜區(qū)域。區(qū)域，在本發(fā)明的上下文中，意思是包括具有至少一個(gè)共同性質(zhì)的至少一個(gè)層。在p-i-n結(jié)或n-i-p結(jié)中i區(qū)域是位于在P和η區(qū)域之間的。通?？衫斫獾氖牵?dāng)光，例如，太陽(yáng)輻射，沖擊在包括P-i-n結(jié)或n-i-p結(jié)光電器件上時(shí)，電子-空穴對(duì)在i區(qū)域中產(chǎn)生。來(lái)自產(chǎn)生的對(duì)的空穴被引導(dǎo)向P區(qū)域并且電子被引導(dǎo)向η區(qū)域。通常接觸是直接或間接與P和η區(qū)域接觸的。只要光持續(xù)沖擊在光電器件上從而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，電流將流過(guò)連接這些接觸的外部電路。根據(jù)本發(fā)明的工藝，用于形成光伏器件的襯底可以是用于容納導(dǎo)電接觸和光伏器件的半導(dǎo)體層的任何合適的襯底。通常襯底是平的并且可以是玻璃、玻璃陶瓷、陶瓷或其他類(lèi)似玻璃的材料，例如聚酰亞胺的塑料，或者例如鋁、鋼、鈦、鉻、鐵等類(lèi)似的金屬膜。玻璃，特別是高透明度或透射的玻璃是優(yōu)選。襯底可以是任何尺寸和形狀，假如其能適合在本發(fā)明工藝中使用的處理設(shè)備的話。如果希望更大的襯底尺寸，此處所提及的處理設(shè)備將需要相應(yīng)地設(shè)計(jì)尺寸。然而，為了滿足高效生產(chǎn)太陽(yáng)能模塊的目標(biāo)，希望標(biāo)準(zhǔn)化。在現(xiàn)今市場(chǎng)上一個(gè)通用尺寸是具有1.IrnX1.3m的1.4m2的玻璃襯底。然而本發(fā)明不限于這個(gè)尺寸并且可成功地應(yīng)用到其他尺寸和形狀上，無(wú)論它是矩形的還是正方形的。具體實(shí)施例方式下面更詳細(xì)地表述的發(fā)明工藝產(chǎn)生淀積在高穩(wěn)定效率的前TCO上的非晶pin單元，包括多結(jié)器件結(jié)構(gòu)，其中這樣的非晶Pin單元是其一部分。在如圖1中所示的結(jié)構(gòu)后，在玻璃襯底41上通過(guò)LPCVD的方式淀積由ZnO形成的TCO層42。然而，可使用其他層和其他淀積方法，例如，如上面表述的Sn02。在一個(gè)實(shí)施例中，使用TCO1200LPCVD系統(tǒng)(由OerlikonSolar商業(yè)提供)淀積SiOTCO層，具有1.8μπι厚度，電阻率1.6X10_3歐姆厘米，多于10%霧度(haze)以及具有折射率匹配000至900nm)的高于80%的全透射。順序的p-i-n結(jié)半導(dǎo)體堆疊43由a-Si:H(氫化非晶硅)或微晶硅或者兩者形成。圖2示出本發(fā)明的一個(gè)可能的實(shí)施例的細(xì)節(jié)，其中已使用ρ和η區(qū)域，其每個(gè)包括具有類(lèi)似摻雜的(子)層。根據(jù)圖2的層(1)和⑵建立ρ區(qū)域，包括微晶和非晶子層。層(3)是使用高氫通量淀積的非晶硅緩沖層。層(4)是以高于3A/S淀積的本征a_Si:H層，(5)和(6)建立所述P-i-n結(jié)的η區(qū)域。在產(chǎn)生層(2)和(3)的淀積步驟間，依照US7344909的教導(dǎo)用大于lOOsccm(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)毫升/分鐘)的水蒸氣，在0.2mbar下持續(xù)大于30秒執(zhí)行沖洗，之后執(zhí)行大于30秒的泵吸。最后實(shí)現(xiàn)又一TCO層作為后接觸47并且添加了后反射器48，以便將初始不被陷落的光發(fā)送回光吸收i層?，F(xiàn)有技術(shù)中這樣的工藝和層是公知的。與10.9%的初始值相比，該電池獲得高于9%的穩(wěn)定效率，產(chǎn)生16.5%的相對(duì)衰退。圖2中表述的實(shí)施例對(duì)于表述的結(jié)果是示意性的。然而，處理溫度可在180和2500C間變化，而不折損9%的穩(wěn)定效率?？沙晒?yīng)用13.56MHz和82MHz(13.56MHz的諧波)間的頻率?；镜?，SiH4、H2*摻雜劑(若有的話)CH4、TMB、PH3的比率是很關(guān)鍵的，并且容易從圖2中導(dǎo)出。應(yīng)用到處理腔的功率將影響所希望的淀積率，但是還影響層的結(jié)晶度和其穩(wěn)定性。由于在這個(gè)示例中的電池具有Icm2的尺寸，每m2的相應(yīng)功率密度可以容易地從圖2中導(dǎo)出。用于非晶硅層的制造工藝在KAIPECVD(如由OerlikonSolar商業(yè)提供)淀積系統(tǒng)上執(zhí)行。在通常所說(shuō)的TCO1200(也是來(lái)自O(shè)erlikonSolar)上淀積ZnO層。權(quán)利要求1.一種在具有導(dǎo)電接觸的襯底上形成薄膜光伏器件的方法，包括形成p-i-n結(jié)半導(dǎo)體層堆疊，包括形成P型微晶硅層；形成P型非晶硅層；形成緩沖硅層；形成本征型非晶硅層；在本征型非晶硅層上形成n型硅層。2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該硅層包括由至少包括硅烷和氫的氣體混合物產(chǎn)生的氫化硅。3.根據(jù)權(quán)利要求1-2的方法，其中形成該緩沖硅層包括形成本征型非晶硅層。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3的方法，其中ρ型非晶硅層和緩沖硅層在進(jìn)一步包括甲烷的氣體混合物中淀積。5.根據(jù)權(quán)利要求1-4的方法，其中該ρ型非晶硅層和該ρ型微晶硅層在包括硼的氣體混合物中淀積。6.根據(jù)權(quán)利要求1-5的方法，其中在緩沖硅層淀積期間以sccm為單位的硅烷的通量和以sccm為單位的氫的通量的比率基本上是1094，并且在本征型非晶硅層的淀積期間所述比率基本上是109。7.根據(jù)權(quán)利要求1-5的方法，其中在ρ型非晶硅層淀積期間以sccm為單位的硅烷的通量和以sccm為單位的氫的通量和以sccm為單位的甲烷的通量的比率基本上是101819。8.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中在緩沖硅層淀積期間以sccm為單位的硅烷的通量和以sccm為單位的氫的通量和以sccm為單位的甲烷的通量的比率基本上是10942。9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中形成該η型硅層包括形成η型非晶硅層；形成η型微晶硅層。10.一種硅基薄膜光伏器件，包括，在襯底上的導(dǎo)電接觸P-i-n結(jié)半導(dǎo)體層堆疊，包括P型微晶硅層；P型非晶硅層；緩沖硅層；本征型非晶硅層；本征型非晶硅層上的η型硅層。11.根據(jù)權(quán)利要求10的光伏器件，其中η型硅層包括η型非晶硅層和η型微晶硅層。12.根據(jù)權(quán)利要求10-11的光伏器件，其中該緩沖硅層包括摻碳的本征型氫化非晶硅層。全文摘要通過(guò)用于制造p-i-n結(jié)半導(dǎo)體層堆疊的方法實(shí)現(xiàn)在襯底上的薄膜光伏器件，該堆疊具有p型微晶硅層、p型非晶硅層、選包括本征非晶硅的緩沖硅層、本征型非晶硅層以及在本征型非晶硅層上的n型硅層。文檔編號(hào)H01L31/0392GK102138220SQ200980134039公開(kāi)日2011年7月27日申請(qǐng)日期2009年8月26日優(yōu)先權(quán)日2008年8月29日發(fā)明者D·博雷洛,E·瓦拉特-索瓦因,J·邁爾,S·貝納格利,U·克羅爾申請(qǐng)人:歐瑞康太陽(yáng)Ip股份公司(特呂巴赫)