[发明专利]用于制作太阳能电池的等离子沉积设备和方法

说明书

相关申请交叉引用

本申请受益于2006年4月14日提交的美国临时申请60/791883和2006年6月22日提交的美国临时申请60/815575。这些申请的全部内容均通过引用结合于本文中。

技术领域

本发明涉及用于制作光电模板或太阳能电池的工艺。

背景技术

问题

由于燃油价格一直持续上涨，而其它能源仍然有限，因此，对来自于燃烧化石燃料的排放的全球变暖的压力越来越大。需要找到和使用替代能源，如太阳能，这是因为它是免费的，且不会生成二氧化碳气体。为此，许多国家正增大对安全和可靠的长期能源、特别是“绿色”或“清洁”的能源的投资。不过，虽然太阳能电池、也称为光电池或光电模板已开发了许多年，但它的使用极为有限，因为制造这些电池或模板的成本仍然很高，使得很难与化石燃料生成的能量进行竞争。

目前，单晶硅太阳能电池具有最佳的能量转换效率，但它也具有最高的制造成本。备选地，薄膜硅虽然不具有与单晶电池一样高的效率，但它的生产成本却低得多。因此，它有可能用于低成本的光电能量生成。诸如铜铟镓二硒(copper indium gallium diselenide“CIGS”)等其它类型的薄膜材料也显示出具有较低成本、效率接近单晶硅的满意效果，但该成本仍未低到可与化石燃料有效地竞争。

制造昂贵的部分原因是这些工艺的沉积速率低且耗时。例如，在存在高浓度氢气时硅烷的等离子辉光放电以形成所需硅层的典型工艺实现了大约每秒20A或每分钟0.12微米的沉积速率。又如，用于形成高质量i型硅层(i-tpye silicon layer)的典型等离子化学气相沉积(“CVD”)法实现了大约每秒15A或每分钟0.09微米的报告沉积速率。然而，在另一示例中，使用碘蒸气作为传输媒介以沉积多晶硅的典型化学气相传输(“CVT”)法实现了上至大约每分钟3微米的薄膜生长速率。

类似于硅太阳能电池技术，已经做了很多努力来使用不同技术制造CIGS类型的太阳能电池。在一个尝试中，以使用各种前驱结构的两阶段工艺制造CIGS类型太阳能电池，这称为硒化技术(selenizationtechnology)。已经做了很多尝试来改进硒化技术。在一个此类尝试中，一个使用具有输送机的磁电管溅射技术来制造薄膜的两阶段工艺已为人所熟知。在另一尝试中，使用了气相再结晶工艺来制造CIGS薄膜。再结晶工艺用作此工艺的第二步骤，并且它替代了如先前技术所教导的硒化工艺。然而，在另一示例中，在溶液中使用电化学沉积、之后是物理蒸气沉积来制造CIGS薄膜。此技术以13.6％的总转换效率生产CIGS类型的太阳能电池。

除有效制造上述太阳能电池类型的努力之外，人们已经进行了另外的努力以便有效地制造其它类型的太阳能电池，如多结(multi-junction)太阳能电池。这些类型的太阳能电池具有不同材料的多层构造。不同的材料有不同的能带隙，并且它们将吸收太阳能的各种波长。因此，这些类型的太阳能电池覆盖更广的太阳光谱，并可提高太阳能电池的效率。已经进行了一些努力来有效地提高这些类型的太阳能电池。在一个此类尝试中，使用非结晶硅和铜铟二硒(“CIS”)及其合金来制造多结太阳能电池。然而，此制造工艺极其复杂，并且需要不同种类的设备，因而使得生产这些类型的太阳能电池的费用高。生成CIS或CIGS层的一些示例包括通过溶液生长、溅射或蒸发的方式沉积这些层。此外，通过增强的等离子化学气相沉积的方式沉积硅层。

如上所述，制作薄膜太阳能电池需要沉积所需层的沉积技术，并且降低制造成本的最有效的方式是增大沉积速率。用于等离子增强化学蒸气沉积(plasma-enhanced chemical vapor deposition：“PECVD”)的最佳报告沉积速率是大约每秒5A，并且用于硅烷的等离子辉光放电的沉积速率是每秒20A。

此外，除慢的沉积速率之外，在太阳能电池制造中通常发现的另一个慢的工艺步骤涉及合并p型和n型掺杂物以形成半导体材料的p-n结。此步骤通常在已经沉积薄膜层后在极慢的扩散炉中完成，因而进一步减慢了有效生产太阳能电池的整个工艺。

另外，对于制作CIGS薄膜的工艺，工艺通常使用两个或两个以上的阶段。该工艺额外步骤的目的是沉积或调整这些元素以实现CIGS薄膜的所需或最佳组成比和相结构。在第一步骤中，各种技术已用于构建薄膜的所需厚度，浓度比率相对接近指定值。这些步骤的组合抑制了用于制作CIGS薄膜的有效制造工艺。