TW201201396A - Method for manufacturing a solar panel - Google Patents

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Description

201201396 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種改良薄膜矽太陽能電池，及一種 用以在使用鍍氧化鋅（ZnO)玻璃做爲該太陽能板之基板 時’藉由減少製程室污染之影響，製造該太陽能電池之個 別方法》 【先前技術】 薄膜矽太陽能電池或模組係用以將光（例如，日光）轉 換成電能之光伏打轉換器裝置。由此知道薄膜矽太陽能電 池爲藉由物理或化學氣相沉積技術（PVD、CVD、PECVD、 APCVD)至少沉積吸收體層之電池。 習知技藝之第5圖顯示一基本簡單光伏打電池40，其 包括一在上面沉積有一透明導電氧化物（TC0，例如，ZnO、 SnCh)層42之透明基板41(例如，玻璃）。此層亦稱爲前接 點及作爲該光伏打元件之第一電極。基板4 1及前接點42 之組合亦稱爲上板（superstrate)。下一層43作爲主動光伏 打層及呈現3層構成p-i-n接面之子層。該層43包括氫化 微晶、奈米晶或非晶砂或其組合。子層44(相鄰於TC0前 接點42)係正摻雜的，相鄰子層45係本質的，以及最後子 層46係負摻雜的。最後，該電池包括一可以由氧化鋅、氧 化錫或IT0所製成之後接點層47(亦稱爲背面接點）及一反 射層4 8。在另一情況中，可以實現一金屬背面接點，其可 結合背面反射層48與背面接點47之物理特性。爲了描述， 201201396 箭頭表示入射光。 因此，一薄膜矽太陽能電池之基本觀念包括至少一夾在 一 P-摻雜矽層44與一 η-摻雜矽層46間之真實本質（無摻雜） 或實質本質矽吸收體層45，因而構成一 p-i-n接面。依據該 吸收體層之結晶性來區分非晶矽（a-Si)、微晶矽（MC-Si)、或 奈米晶矽Uc-Si)或（完全）結晶矽（C-Si)太陽能電池。. 爲了排放在操作期間所產生之電流，該p層及η層之 每一者與一電極電接觸。在設計一雙或三接面太陽能電池 情況下，以串聯方式電堆疊兩個或三個p-i-n接面，且該個 別最外P及η-層形成與該電極之接觸。 在一上板配置之薄膜太陽能模組中，通常在一塗佈有 一透明導電金屬氧化層（TCO)之玻璃基板上沉積該等太陽 能電池層。在矽薄膜太陽能電池之情況下，咸知用於矽沉 積之PECVD電漿製程可使這些TCO層大幅還原。特別地， 用於微晶矽（μ〇 Si)之沉積的強含氫電漿導致該TCO材料大 幅還原。在鍍Sn〇2玻璃情況下，該影響在該TC0表面上留 下一不透明金屬Sn膜，其在操作期間大大地減少光電流， 因而大幅降低該電池之效率。由於這個理由，pc-Sip接觸 層對於在SnCh基板上之電池造成問題。在鍍ZnO基板之情 況下，該結構類似的，但是甚至在施加一般用於pc - S i沉檳 之含氫PECVD電漿後，通常在該TCO上沒有不透明金屬 Zn層。 下面本發明提及在沉積於基板上之ZnO電極層的電黎 201201396 曝露期間所產生之金屬Zn的問題，會因製程室之Zn污染 而發生什麼問題，以及如何克服這些問題。 氧化鋅（ZnO)經察係應用於薄膜太陽能電池之極合適 TC0材料。它比覆蓋有SnO 2基板更透明，且更具導電性及 允許其材料成本比Sn〇2或IT0低。此外，描述它具有高的 抗例如用於gc-Si之沉積的強含氫電漿之能力。相較於與一 非晶P -層44輕易達成良好TCO p -接觸之SnCh，在ZnO情 況下，廣泛地描述一P-摻雜pc-Si/a-Si雙接觸層係強制的， 以便達到低串聯電阻、高FF(塡充因數）及V。。（電壓開路）。 換句話說，P-層44係由一相鄰於該TCO前接點42之p-摻 雜pc-Si及一後續a-Si層所構成。 串聯電阻、塡充因數及V。。之良好數値係良好TCO/p 接觸行爲之指標。只在非常少的範例中，才能以在ZnO上 使用簡單非晶矽接觸層的實驗室規模達成良好電池性能。 在這些情況下，實施TC0或TCO/p接面之特殊處理，以便 達成高Vw及FF。在另一情況下，只在lcm2或更小的極小 電池面積上顯示良好的電池結果。 待解決之問題 第1圖顯示該問題之實驗。於左邊，爲了在一PECVD 反應器中之電池沉積，將2個50 x 50cm2樣品之鍍ZnO玻璃 放置在一 1.4m2(未塗佈）載體玻璃上，其中該PECVD反應器 係設計成用以在1.4m2基板上沉積矽層（p-i-η結構）。爲了 比較，在右側所顯示之第二輪中，於一 1.4m2鍍ZnO玻璃 201201396 上沉積相同電池結構。在所有沉積步驟後，從相較於第一 實驗之ZnO樣品的位置之相同位置取出2個5 0x 50cm2工作 件。在所有這4個工作件上，藉由雷射（雷射切割）製備8 個lcm2電池。該電池設計包括一 pC-Si/a-Si雙p-接觸層及 在相同PECVD沉積室中依序沉積所有Si層。簡言之，兩 個實驗間之主要差異在於：ZnO層暴露至該矽沉積電漿的 有效面積。 第2圖顯示從實驗1及2所獲得之電池的代表1乂曲 線。可清楚看到，從該1.4m2ZnO基板所切割之實驗2的電 池相較於以相同電池配置在兩個小的鍍ZnO基板樣品上所 沉積之電池具有嚴重問題 〇 FF V〇c(m V) Jsc(mA/cm2) 0.7mm厚載體上之小電 池，實驗1 0.705 836 12.96 從大玻璃切割，實驗2 0.579 810 11.27 沒有 pc-Si(p)(簡單 a-Si P -接觸層） 0.686 83 1 12.97 上述表1提供第1圖所示之電池的電池IV參數的槪 要，另外，爲了比較，提供一只包含一簡單a-Si p -層之電 池。 可推出，如果在小的鍍ZnO基板上完成該電池沉積， 則具有pC-Si/a-Si雙p-層44之電池只顯示比一簡單非晶矽 P -層4 4組態高之性能。如果在一大面積基板上完成該μ c - S i 201201396 P層之沉積，則FF及V。。實質上是較低的，甚至比具有一 簡單a-Si p -層之電池低。因此，可清楚知道，在大面積鑛 ZnO基板上塗敷一 Hc-Si p-層會造成嚴重問題，其中該等嚴 重問題必須被克服，以便在大面積太陽能模組生產中使用 此單一室製程。然而，非常期望受益於該MC-Si p-層之電 位，以便進一步增加FF及V。。及因而增加電池效率。 上述可藉由第3a及3b圖所示之上述兩個實驗的電池 之QE曲線（量子效率）的比較來突顯。 在大面積基板上之具有Mc-Si/a-Si雙p-層的電池呈現 一主體（b u 1 k) i -層問題，此問題係因在整個可見波長範圍所 觀看到之不同順向偏壓（如右側參數所示）下的QE之劇烈下 降所造成。已發現到，對於在ZnO上之a-Si電池沉積，出 現會在順向偏壓下造成該IV曲線之最大功率點的下降及 總QE之減少的某些特殊影響，導致電池之不良電氣性能。 對於一般所使用之MC-Si/a-Si雙p-層，不可能在大面積 LPCVD-沉積鍍ZnO基板上獲得具有滿意性能之太陽能模 組。根據在用於pc - S i矽沉積之強含氫電漿中使ZnO大幅還 原之知識，我們將上述影響歸因於在μ〇 Si ρ·層之電漿沉積 製程期間該PECVD沉積室之Zn污染，接著是在相同PECVD 沉積室中所完成之矽 i-層的後續交叉污染 (cross-contamination)。此污染導致在該砂i-層中缺陷的嚴 重增加及因而在一個別太陽能板之操作期間促進光產生電 荷載子之復合。在個別PECVD室中完成該第一摻雜Si層 201201396 及該本質Si層情況下，將不會發生該交叉污染。然而，在 較佳用以縮短製程時間之單一室方法中，將發生該影響。 第4a及4b圖所示之實驗將直接證明此觀念。將一裸 矽晶圓放置在一1.4m2LPCVD鍍ZnO基板上。在兩個基板 上共同沉積一 a-Si層後，以SIMS測量在該a-Si層/Si晶圓 堆疊中之Zn濃度。在右側曲線圖（第4b圖）中顯示Zn信號。 顯然，相較於該矽晶圓，在該a-Si層中存在有高至少2個 數量級之Ζ η濃度。最可能之解釋是，該a - s i層在沉積期 間已受來自周圍鍍ZnO玻璃基板之Zn的污染。Zn進入該 i-層之均一倂入令人滿意地說明該QE之總下降，亦說明該 IV曲線的最大功率點之觀察的下降。在具有pC-Si p-層之 電池的情況下，該污染影響更大，因爲用於pc-Si沉積之富 氫電漿更大幅地將ZnO還原爲Zn及氧，並因而產生非常大 量之金屬鋅。 相關技藝 US 4,873，118描述在一氧化鋅膜上具有一或多個氫化 薄膜矽層之太陽能電池的製造程序之改良，其藉由在沉積 第一薄膜矽氫混合層至該氧化鋅膜上前，實施一含氫輝光 放電（glow discharge containing oxygen)來改善 ZnO/p 接觸。 【發明內容】 一種用以製造一光伏打轉換器堆疊之方法，包括下面 步驟：提供一至少部分覆蓋有一電極材料（例如，ZnO)之基 板：引進該基板至一可在其內產生電漿之製程室中；沉積 201201396 一供應有一第一摻雜劑之第一矽層及施加氧化電漿至該電 獎室。 在一替代實施例中，施加較寬鬆電漿條件來沉積該供 應有一第一摻雜劑之第一矽層，因而最小化ZnO至金屬Zn 之還原及避免該後續沉積i-層之Zn交叉污染。 【實施方式】 測試不同解決方式，以減少或避免該i-層與Zn之交叉 污染。 1. 於該電池沉積前，在該ZnO基板上施加一氧氣電 漿’以氧化在該Zn〇表面上之過量鋅及/或更能防止該ZnO 在下面氫氣電號中還原。 2. 在此室中沉積一p -層於ZnO上後，施加氧氣電榮至 該空PECVD室。可於一單a-Si p-層後、在該pC-Si/a-Si雙 P-層後及/或在該雙P-層之pc-Si部分後，施加該氧氣電漿。 3_在沉積該第一 Si層至該ZnO期間使用具有較低功率 及氫含量的較寬鬆電漿條件，以便最小化ZnO至Zn之還原 及該沉積室之後續Zn污染。可對pC_si或a-si p -層實施此 對策。因爲用於a-Si之電漿條件通常比用於MC_Si之電漿條 件更寬鬆，所以’另一解決方式可使用一單a_Si p -層作爲 在ZnO上之第一 Si-層，以取代—般使用之gC-Si/a_Si雙p_ 層。 已做出實驗來測試依據本發明之上述方法。具有在大 面積鍍ZnO基板上所沉積之一單非晶砂p -層或—gC_Si/a_Si -10- 201201396 雙P-層之電池施加及未施加不同電漿處理步驟。 第6及7圖顯示a-Si電池沉積前該PECVD系統中之 LPCVDZnO基板的〇2電漿處理對具有a-Sip-層之電池及通 常在？nO上具有pc-Si/a-Si雙p-層之電池的〇2電漿處理之 影響。表2提供該等對應電池之IV參數的槪要。 電漿處理 Ρ-層 Voc Isc FF STD a-Si 834 13.1 67.4 在ZnO上之α電漿 a-Si 820 13.2 63.6 在反應器中之α電漿 a-Si i 848. 13.3 70.7 在ZnO上之α電漿 μο-Si/a-Si 840 12.8 73.8 在反應器中之〇2電發 HC-Si/a-Si 789 12.1 57.7 表2:具有a-Si及Mc-Si/a-Sip-層及第6及7圖所示之 不同〇2電漿處理的a-Sip-i-n電池的IV參數。 解決方式1之發現： 依據本發明者之發現，不管p-層之型態爲何，只有p-層沉積前之ZnO基板的〇2電漿處理無法造成充分改善。第 6圖顯示該ZnO之〇2電漿處理導致比沒有任何〇2處理之標 準電池差的IV特性。我們推斷US4,873,118所述之該ZnO 基板對〇2電漿處理的暴露沒有解決Zn污染所引起之低 FF、V。。及高串聯電阻。第7圖對於提供導致更強Zn污染 影響之pc-Si/a.-Si雙p-層之a-Si電池的情況亦有這樣確認。 解決方式2之發現·· 如果於pc-Si/a-Si p-層沉積後實施該製程室之〇2電漿 -11 - 201201396 處理’在ZnO上之HC-Si/a-Si雙p-層只導致改良ρρ及v。。。 第6圖顯示該空PECVD室之〇2電漿處理大幅改善該iv特 性’特別是對於不具有處理之電池及具有該Zn〇基板之〇2 電漿處理的電池之FF及V。。。 解決方式3之發現 從第6及7圖之比較’明顯易知，在包括—με;_υρ-層 作爲Ζη0上所沉積之第一層的電池之情況下，該ζη污染問 題更加嚴重。可將具有一 a-Si ρ-層之太陽能電池的情況視 爲使用較寬鬆PECVD電漿條件之範例，以避免ZnO至金屬 鋅之還原及因而最小化該Ζη交叉污染影響。亦可至少在第 一成長階段中使用較低功率、較高壓力、氣體混合物中之 較低氫含量及較高激發頻率之組合對該pc-Si ρ-層之沉積 實施相同對策，直到完全覆蓋該ZnO表面爲止。 最後，在該pc-Si層沉積之強含氫電漿中使ZnO還原成 Ζη及◦。該Ζη散佈在該製程室中，且後來在後續沉積中污 染i-層，導致在該1-層之主體中形成缺陷。藉由在該Ρ-層 沉積後對該製程室實施氧化電漿，可避免此污染影響，因 而導致比具有簡單a-Si ρ-層之電池優之FF及。 可藉由施加300W之電漿功率至一能處理1.4m2基板之 電極系統（此等於約21mW/cm2) ’在一平行板PECVD電漿反 應器（例如，市場上可購得之Oerlikon Solar KAI)中實現在 此所述之氧化電漿。再者，建議100sccm氧氣流量及至少 60- 1 20s之電漿持續時間。可改變這些數値’以採取本發明 -12- 201201396 原理至其它系統及Zn污染之數量。重要的是，除了相對於 陰極面積或製程室體積的氧流量之外，還實質維持相同的 能量數量/陰極面積。 該氧化電漿的主要.目的是將在較早Si_沉積步驟中使 用之含氫電漿所釋放及/或還原之Zn殘留物再氧化。它因 而被固化及/或變換，以致於它被從製程室體積抽離及移 除。該氧化電獎可在一單a-Si p-層後、在該pc-Si/a-Si雙 P-層後及/或在該雙P-層之pc-Si部分後施加。 根據對該Zn污染影響之歷程的詳細了解，我們需要提 出對上述問題之不同解決方式。 —種用以在一真空製程室中製造一矽層之方法因而包 括： 1. 提供一至少部分覆蓋有一電極材料（例如，ZnO)之基 板； 2. 引進該基板至一能在其內產生電漿之製程室中； 3 .沉積一供應有一第一慘雜劑之第一砂層； 4.從該製程室移除該基板； 5 ·施加氧化電漿至該電漿室； 6. 再引進該基板；以及 7. 沉積另外的矽層。 在一第一實施例中，該第一砂層包括Mc-Si與a-Si之堆 疊。 在一第二實施例中’該第一砂層只包括a-Si。習慣上 -13- 201201396 以較少的氫沉積非晶矽及因而實施較少侵蝕性氫氣電漿。 在一第三實施例中，該第一矽層包括pc_Si及在步驟7 中所沉積之層最初是一 a-Sip -層。 一種用以在一真空製程室中製造一矽層之方法包括： 籲提供一至少部分覆蓋有一電極材料（例如，ZnO)之 基板； * 引進該基板至一能在其內產生電漿之製程室中： •沉積一供應有一第一摻雜劑之第一矽層，該第一層 包括μχ-Si…问時， •控制至少一電漿參數，以在一比用於可預見最高沉 積速率者低之數値下開始，該數値係指下列中之一 或多個：電漿功率、氫氣含量或流量、壓力；以及 * 階梯式或連續改變該數値，以在該結果層中產生該 數値之階化（graded)或梯度（gradient)剖面； ♦任選地：從該製程室移除該基板及隨後施加一氧化 電漿至該電漿室。 在一實施例中，上述可如下來實現：開始於一低電漿 功率値及增加該低電漿功率値；開始於一低氫氣流量及增 加該低氫氣流量；開始於一高製程室壓力及減少該高製程 室壓力。 另一種用以在一真空製程室中製造一矽層之方法包 括： •提供一至少部分覆蓋有—電極材料（例如’ Zn〇)之 -14- 201201396 基板； * 引進該基板至一能在其內產生電漿之製程室中； *沉積一供應有一第一摻雜劑之第一砂層，該第一層 包括pc-Si，同時； *選擇及實施可在一第一期間允許高速率層沉積之 第一製程設定； *選擇最佳製程設定，以導致沉積時間及層品質之最 佳平衡； •將該沉積速率從該等第一設定階梯式或連續減少 至該等最佳設定； *任選地：從該製程室移除該基板及隨後施加一氧化 電漿至該電漿室。 可以有利地使上述任何方法與在p -層沉積期間之高抽 取量（increased pumping effort)結合。 當然’亦可實施上述解決方式之不同組合。 所有上述解決方式能增加在大面積Zn〇基板上之模組 生產程序的長期穩定性及可協助進一步改善效率。 本發明亦可應用於其它型態之太陽能電池及模組。 【圖式簡單說明】 第1圖顯示基本問題之實際示範的實驗配置。 第2圖顯示依據第1圖之配置的結果。 第3a及3b圖顯示依據第1及2圖之實驗的對量子效 率之影響。 -15- 201201396 第4圖顯示在一矽層中之Zn污染。 第5圖顯示一基本薄膜光伏打電池。 電池 a-Si 【主 )層之a - S a - S i p層之 第6圖顯示一氧氣電漿處理對一具有a-Si ] 的IV曲線之影響。 第7圖顯示一氧氣電漿處理對一具有pc-Si / 電池的IV曲線之影響。 要元件符號說明】 40 光伏打電池 4 1 透明基板 42 透明導電氧化物層 43 主動光伏打層 44 子層 45 子層 46 子層 47 後接點層 48 反射層 -16 -

Claims (1)

  1. 201201396 七、申請專利範圍： 1.一種用以在一真空製程室中製造一矽層之方法，包括： a) 提供一至少部分覆蓋有一電極材料（例如，ZnO)之基板； b) 引進該基板至一能在其內產生電漿之真空製程室中； c) 沉積一供應有一第一摻雜劑之第一矽層； d) 從該製程室移除該基板； e) 施加氧化電漿至該電漿室； f) 再引進該基板至該製程室中；以及 g) 沉積另外的矽層。 2 _如申請專利範圍第1項之方法，其中該第一矽層包括微 晶砂。 3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該第一矽層包括微 晶（μο)砂與非晶（a-)砂之堆疊。 4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該第一摻雜劑係p-摻質（例如，硼）。 5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該沉積步驟c)包括： •控制至少一電漿參數，以在一比用於可預見最高沉積 速率者低之數値下開始，該數値係指下列中之一或多 個：電漿功率、氫氣含量或流量、壓力；以及 •階梯式或連續改變該數値，以在該結果層中產生該數 値之階化（graded)或梯度（gradient)剖面。 6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該沉積步驟c)包括： 參控制至少一電漿參數，以在一比用於可預見最高沉積 -17- 201201396 速率者低之數値下開始，該數値係指下列中之一或多 個：電漿功率、氫氣含量或流量、壓力；以及 ♦階梯式或連續改變該數値，以在該結果層中產生該數 値之階化（graded)或梯度（gradient)剖面 7.如申請專利範圍第1項之方法，其中在步驟e)中，相對 於一 1.4m2基板建立300W之電漿功率及lOOsccm之氧氣 流量。 -18-
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