(57)【要約】  本発明は、パレットを基盤とした基板を、順繰りに、パレットを基盤とした基板上に層を形成することができる一連の反応チャンバーに提供することにより製造される光起電力薄膜太陽電池を提供する。
2008538450.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の基板要素を保持する複数のパレットを複数の反応領域に順繰りに提供するための手段を含む、光起電力デバイスを製造するための装置であって、
半導体層堆積用の環境を提供することができる領域、およびｐ−型吸収体層を堆積するための環境を提供することができる領域
を少なくとも含む、装置。
【請求項２】
前記基板を調製するために、基板を複数の反応器領域に順繰りに提供するための手段をさらに含む、請求項１に記載の光起電力デバイスを製造するための装置。
【請求項３】
周辺環境から処理環境まで、前記基板の移行のための環境を提供することができる第１処理領域をさらに含む、請求項１に記載の光起電力デバイスを製造するための装置。
【請求項４】
一部分または全部で、大気圧から減圧までの前記基板移行が、その後の処理環境と一致する、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
バリア層堆積用の環境を提供することができる処理領域をさらに含む、請求項１に記載の光起電力デバイスを製造するための装置。
【請求項６】
前記バリア層が薄い導体または極めて薄い絶縁材料を含む、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
導電性バック接触層堆積用の環境を提供することができる処理領域をさらに含む、請求項１に記載の光起電力デバイスを製造するための装置。
【請求項８】
導電性バック接触層の堆積が金属層を含む、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記金属層がモリブデン、チタン、タンタル、または他の許容可能な金属または合金からなる群から選択される導電性金属を含む、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記金属層がモリブデンである、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
アルカリ材料堆積用の環境を提供することができる処理領域をさらに含む、請求項１に記載の光起電力デバイスを製造するための装置。
【請求項１２】
前記アルカリ材料がＮａ−ＶＩＩまたはＮａ2−ＶＩＩである、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
半導体層堆積用の環境を提供することができる処理領域をさらに含む、請求項１に記載の光起電力デバイスを製造するための装置。
【請求項１４】
前記半導体層がＩ、ＩＩＩ、ＶＩ族元素を含む、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記半導体層がＩ、ＩＩＩ、ＶＩ族元素の１以上により合金されたＣｕＧａＳｅ2、ＣｕＡｌＳｅ2、またはＣｕＩｎＳｅ2を含む、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記半導体層がＣｕＧａＳｅ2を含む、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前駆体材料を含む半導体層堆積用の環境を提供することができる処理領域をさらに含む、請求項１に記載の光起電力デバイスを製造するための装置。
【請求項１８】
前記前駆体材料がＩ、ＩＩＩ、ＶＩ族元素を含む、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記前駆体材料がＩ−（ＩＩＩａ、ＩＩＩｂ）−ＶＩ2層を含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記前駆体材料が、０．０＜ＩＩＩｂ／（ＩＩＩａ＋ＩＩＩｂ）＜０．４であるＩ−（ＩＩＩａ、ＩＩＩｂ）−ＶＩ2層の元素の１以上を含む、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記前駆体材料が、０．０＜ＩＩＩｂ／（ＩＩＩａ＋ＩＩＩｂ）＜０．４であるＩ−（ＩＩＩａ、ＩＩＩｂ）−ＶＩ2層の合金の１以上を含む、請求項１９に記載の装置。
【請求項２２】
前記半導体層が、厚さが約１μｍ〜約３μｍの範囲にあり、ｘが０．２〜０．３間の範囲にあるＩｎ1-x：Ｇａx：Ｓｅ2を含むＣＩＧＳ吸収体層を含む、請求項１９に記載の装置。
【請求項２３】
前記ＣＩＧＳ吸収体層がタイプＩ、ＩＩＩおよびＶＩ前駆体金属の供給により形成され、そこではＣｕ、Ｉｎ1-x、Ｇａx、およびＳｅ2層が順繰りに前記基板上に堆積される、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記ＣＩＧＳ吸収体層がタイプＩ、ＩＩＩおよびＶＩ前駆体金属の供給により形成され、そこではＣｕ、Ｉｎ1-x、Ｇａx、およびＳｅ2層が順繰りに前記基板上に堆積され、次に熱処理により合金混合物に合成される、請求項２２に記載の装置。
【請求項２５】
前記ＣＩＧＳ吸収体層がタイプＩ、ＩＩＩおよびＶＩ前駆体金属の供給により形成され、そこではＣｕ：Ｇａx層が個別に合成され、次に前記基板上にＩｎx-1層およびＳｅ2層と共堆積される、請求項２２に記載の装置。
【請求項２６】
前記ＣＩＧＳ吸収体層がタイプＩ、ＩＩＩおよびＶＩ前駆体金属の供給により形成され、そこではＣｕ：Ｇａx層が個別に合成され、次に前記基板上にＩｎ1-x層およびＳｅ2層と共堆積され、次に、熱処理により合金混合物に合成される、請求項２２に記載の装置。
【請求項２７】
前記ＣＩＧＳ吸収体層がタイプＩ、ＩＩＩおよびＶＩ前駆体金属の供給により形成され、そこではＣｕ：Ｇａx：Ｉｎx-1層が個別に合成され、次に前記基板上にＳｅ2層と共堆積される、請求項２２に記載の装置。
【請求項２８】
前記ＣＩＧＳ吸収体層がタイプＩ、ＩＩＩおよびＶＩ前駆体金属の供給により形成され、そこではＣｕ：Ｇａx：Ｉｎx-1層が個別に合成され、次に前記基板上にＳｅ2層と共堆積され、次に、熱処理により合金混合物に合成される、請求項２２に記載の装置。
【請求項２９】
１以上の層の熱処理用の環境を提供することができる処理領域をさらに含む、請求項１に記載の光起電力デバイスを製造するための装置。
【請求項３０】
前記処理が１０-6トール〜大気圧の圧力範囲、および３００℃〜７００℃の温度範囲において起こる、請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
ｎ型半導体層堆積用の環境を提供することができる処理領域をさらに含む、請求項１に記載の光起電力デバイスを製造するための装置。
【請求項３２】
前記ｎ型半導体層が分離している、請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記分離層が群ＩＩ−ＶＩ、ＩＩＩ−ＶＩ元素の１以上を含む、請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記分離層材料が以下の群（Ｉｎ、Ｇａ）y（Ｓｅ、Ｓ、Ｏ）および（Ｚｎ、Ｃｄ）（Ｓｅ、Ｓ、Ｏ）の１以上を含む、請求項３２に記載の装置。
【請求項３５】
前記分離層材料が（Ｉｎ、Ｇａ）2Ｓｅ3、（Ｉｎ、Ｇａ）2Ｓ3、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、およびＺｎＯからなる群から選択される１以上の材料を含む、請求項３２に記載の装置。
【請求項３６】
前記ｎ型半導体層がｐ型吸収体層中へのドーパント種の拡散により形成される、請求項３２に記載の装置。
【請求項３７】
前記ドーパント種が１以上のＩＩまたはＩＩＩ族元素からなる群から選択される、請求項３６に記載の装置。
【請求項３８】
前記ドーパント種がＺｎまたはＣｄのいずれかを含む、請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
絶縁性透明酸化物層堆積用の環境を提供することができる処理領域をさらに含む、請求項１に記載の光起電力デバイスを製造するための装置。
【請求項４０】
前記絶縁性透明酸化物層が群ＩＩ−ＶＩまたはＩＩ−ＩＶ−ＶＩからの１以上の材料を含む、請求項３９に記載の装置。
【請求項４１】
前記絶縁性透明酸化物層が１以上の材料ＺｎＯまたはＩＴＯを含む、請求項３９に記載の装置。
【請求項４２】
導電性透明層堆積用の環境を提供することができる処理領域をさらに含む、請求項１に記載の光起電力デバイスを製造するための装置。
【請求項４３】
前記導電性透明層が群ＩＩ−ＶＩまたはＩＩ−ＩＶ−ＶＩからの１以上の材料を含む、請求項４２に記載の装置。
【請求項４４】
前記導電性透明層が１以上の材料ＺｎＯ、Ｃｄ2ＳｎＯ4またはＩＴＯを含む、請求項４２に記載の装置。
【請求項４５】
処理環境から元の周辺環境までの前記基板の移行のための環境を提供することができる第１処理領域をさらに含む、請求項１に記載の光起電力デバイスを製造するための装置。
【請求項４６】
一部分または全部で、大気圧から減圧までの前記基板移行が、その後の処理環境と一致する、請求項４５に記載の装置。
【請求項４７】
基板を保持することができるパレットを、複数の反応領域に順繰りに提供することを含む、光起電力デバイスを製造するための方法であって、該複数領域がｐ型吸収体層を堆積するための環境を提供することができる少なくとも一つの領域を含む、方法。
【請求項４８】
ａ．パレット担体手段に取り付けられた複数の基板要素を提供し、
ｂ．該複数の基板要素の表面上に導電性膜を堆積し、
ｃ．そこで該導電性膜が導電性材料の複数の分離層を含み、
ｄ．該導電性膜上に、銅インジウムジセレニド系合金材料を含む少なくとも一つのｐ型半導体層を堆積し、
ｅ．ｎ型半導体層を該ｐ型吸収体層上に堆積してｐ−ｎ接合を形成すること、
を含む、光起電力セルを製造するための方法。
【請求項４９】
光起電力デバイス製造のためのパレットシステムであって、
ａ．第１面および第２面を有するパレット基部であって、該パレット基部の該第１面上に配置される第２面が複数の規則的に配置された目標区域であって、複数の配置された該目標区域のおのおのが、作業基板を取り外し可能なやり方で固定するための手段を有する、パレット基部と、
ｂ．該パレット基部の位置付けの制御を可能とする該パレット基部上に配置された索引手段とを含み、
ｃ．索引手段が磁気手段であり、
ｄ．磁気手段が指定された前記目標区域上に均一に配置された熱貯蔵能力を有し、
ｅ．作業基板がステンレス鋼などの磁性材料であり、
ｆ．固定できる手段が機械的である、
パレットシステム。
【請求項５０】
ａ．第１面および第２面を有するパレット基部であって、該第１面が該パレット基部の該第１面上に配置された複数の規則的に配置された目標区域を有する、パレット基部と、
ｂ．該パレット基部の該第２面上に配置された複数の規則的に配置された目標区域であって、複数の配置された該目標区域のおのおのが作業基板を取り外し可能なやり方で固定するための手段を有する、目標区域と、
ｃ．該パレット基部の位置付けの制御を可能とする該パレット基部上に配置された索引手段、
を含む、光起電力デバイス製造のためのパレットシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[関連特許出願]
本出願は、２００４年１１月１０日出願の米国特許仮出願第６０／６２６，８４３号の優先権を主張するものである。
【０００２】
本明細書において開示される本発明は、一般に、光起電力技術分野、さらに詳細には、堆積（deposition）の間の欠陥形成を防止するためのパレットを基盤としたシステムを用いる薄膜太陽電池製品および製造方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
再生可能エネルギーの利益は市場価格に十分には反映されていない。光起電力（ＰＶ）電池（photovoltaic cells）などの代替エネルギー源は、クリーンで信頼でき、且つ再生可能なエネルギーを供給するが、一方で、高い製造コストおよび生産信頼性の欠如は、これら装置を実施可能な商品としての存在から遠ざけてきている。
【０００４】
比較的効率的な薄膜ＰＶ電池は研究室で製造することができるが、商業的な実行可能性にとって決定的である一貫した再現性および効率を有する製造工程を商業的にスケールアップすることは、困難であることが証明されてきた。さらに、製造関連コストは薄膜太陽電池の幅広い商業化を妨げる重要な因子である。効率的な薄膜製造法の欠如は、市場で代替エネルギー源を有効に置き換えようとするＰＶ電池の破綻の一因となっている。
【０００５】
薄膜ＰＶ電池は、多様な設計により製造することができる。薄膜ＰＶ電池において、ＰＶ材料の薄い半導体層が、ガラス、金属、またはプラスチックホイルなどの支持層上に堆積される。薄膜材料が結晶質よりも高い光吸収性を有するので、薄膜ＰＶ材料は、原子、分子、またはイオンの極端に薄い連続層に堆積される。薄膜ＰＶ電池の一般的な活動的な領域は、ほんの数ミクロンの厚さである。基本的な光起電力スタック設計は、ＰＶ電池の一般的な構造を例示する。その設計において、薄膜太陽電池は、基板、バリア層、バック接触層、混合型半導体源層、吸収体層、ｎ型接合緩衝層、真性透明酸化物層、および導電性透明酸化物層を含む。銅・インジウム・ガリウム・ジセレニド（ＣＩＧＳ）化合物は、薄膜電池中の吸収体層での使用に最も有望であり、ＣＩＳ材料と呼ばれる銅−インジウム・セレン部類の組分け内に入る。ＣＩＧＳ膜は一般的に真空系技術により堆積される。
【０００６】
薄膜製造法は、堆積工程の間に起こる製品の欠陥のせいでの低収率に苦しんでいる。詳細には、これらの欠陥は、処理工程および材料取扱い中に起こる汚染、およびガラス、金属、またはプラスチック基板の破損により引き起こされる。従って、処理中の潜在的な汚染を限定もし、且つ同時に基板破損を最小化する薄膜太陽電池を製造するための方法が、当該技術分野において望まれている。
【０００７】
現在、電池は、各製品要素が反応段階の間に移される多段階バッチ法を用いて製造される。この移動はかさばったものであり、サイクル化するためにチャンバー中での反応を必要とする。一般的な方法は、それぞれが電池中の種々層の形成のために特に設計される一連の個々のバッチ処理チャンバーからなる。問題としては、基板が真空から空気に移され−再度元に戻される−数回−ことである。こうした真空破壊は、製品の汚染をもたらすことが可能である。従って、真空破壊を最小化する方法が、当該技術分野において望まれている。
【０００８】
代替システムは、各チャンバー用のロールツーロール連続法と結合した一連の個々のバッチ処理チャンバーを用いるが、一方でシステムの不連続性および真空を破壊する必要性は、大きな欠点であり続けている。加えて、ロールツーロール法は、基板上に屈曲応力を強いることが可能であり、分割および破損をもたらす。こうした欠陥は、層密着性を危うくし、ゼロ収率をもたらすことが可能である。
【０００９】
また、ＰＶ電池製造における低収率の一因となっているのは、高温堆積法の要求事項である。高温は、一般に、すべての現在公知の可撓性ポリイミドまたは他のポリマー基板材料と適合しない。
【００１０】
例えば、２００４年４月１日にホラーズ（Ｈｏｌｌａｒｓ）により公開された米国特許出願第２００４／００６３３２０号明細書には、ロールツーロール・システムを用いる光起電力スタックを連続的に製造するための一般的な方法論が開示されている。上述のように、この方法は、基板への屈曲応力の適用を必要とする。この応力は、潜在的に分割および破損をもたらす。分割または破損は高品質スタック構造を損ない、製造収率を低下させる。従って、商業的に実行可能な方法であるために、開示されたシステムは、スタック製造のための可撓性基板を必要とする。しかし、現在知られている可撓性ポリマー材料は、どれも、高温堆積法に耐えることができない。従って、基板が高温堆積法に耐えることができる、基板上に屈曲応力を強要しない方法が、当該技術分野において望まれている。そこで、ＰＶ製作品を効率的に製造し、大規模生産可能の方法が必要とされる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、順番にバリア層、バック接触層、半導体層(単層または複数層）、アルカリ材料、ｎ型接合緩衝層、真性透明酸化物層、透明導電性酸化物層および上端金属グリッドがパレット上に形成され得る一連の反応チャンバーにパレットを基盤とした基板を提供することにより製造される光起電力デバイスを提供する。
【００１２】
製作品を積んだひと続きのパレット基部上ホルダーを用いることにより、連続方式で光起電力デバイスを形成するための方法が、さらに開示される。この実施形態において、一連のパレットは、各領域がデバイス製造の一つの製造工程段階専用とされる複数の処理領域を有する反応器を限定された速度で通過する。
【００１３】
これらの製造工程は、基板調製用の積込みまたは隔離領域；バリア層、バック接触層、半導体層（単数または複数層）およびアルカリ材料を堆積するための環境；１以上の前層の熱処理のための環境；およびこの層が接合緩衝層として機能するｎ型化合物半導体、真性透明酸化物層、および導電性透明酸化物層の堆積用の環境を含むことが可能である。さらなる実施形態において、本方法は、より多くのまたはより少ない層を有する薄膜太陽電池を組み立てるために、より多くのまたはより少ない領域を含むように調整することが可能である。
【００１４】
パレット型システムを用いることが可能であり、そこでは複数の製作品がパレットとして保持され、複数のパレットが連続反応器工程装置を通して処理される。このパレットを基盤としたシステムは、より小さな製作品の連続処理、および中間段階または最終段階でのパレット積み付けなどの代わりの材料取扱い工程を可能とする。
【００１５】
[発明の詳細な説明]
一般光起電力スタック設計
本発明は、光起電力デバイスを製造するための新規の製造装置を用いる。勿論、特定の装置は、変えることができる特定の光起電力デバイス設計に応じて決まる。しかし、基本的な前提は、各光起電力デバイスが、基板１０５、バリア層１１０、バック接触層１２０、半導体層１３０、アルカリ材料１４０、別の半導体層１５０、ｎ型接合緩衝層１６０、真性透明酸化物層１７０、および透明導電性酸化物層１８０を含む、光起電力デバイスまたは薄膜太陽電池１００を有することである。本発明によるこの積層体は、図７に示されるパレット７００上に配列される複数の基板で作製される。個々の基板要素７１０は、固定手段により固定されてパレット上に配列される。
【００１６】
一般装置構成
本発明の第１実施形態は、多数の基板要素を保持する複数のパレットを順繰りに複数の反応領域に提供するための手段を含む光起電力デバイスを製造するための装置である。これらの反応領域は、少なくとも半導体層堆積用の環境を提供することができる領域、および前駆体ｐ型吸収体層を堆積するための環境を提供することができる領域を含む。
【００１７】
図７はパレットの概略平面図を示す。パレットは、複数の小さなＰＶ製作品基板７１０、すなわち、個々の製作品が正確で制御可能なやり方で各処理チャンバー内に存在するように、所定のやり方でパレットに固定的に取り付けられる作業基板のための保持基盤７００を提供する。パレットそれ自体は、パレットの位置が正確に測定できるように設計される。パレットは、また、駆動手段への取り付けが処理チャンバーを通してパレットを前に進めることを可能とするための手段を有する。パレット本体の材料は、それらが熱的に安定であり、反応または堆積チャンバー内で用いられる処理または堆積材料と相互作用しないように選択される。
【００１８】
固定化手段
さらに、製作品をパレットに固定するための手段は免除可能である。一部の例において、製作品を取り付けるための手段は、製作品の基板がそれ自体強磁性であるという理由によるか、または個々の要素をパレット本体に保持するオーバーレイ（overlay）によるかのいずれかで磁気である。マスクは各要素を保持するために用いることが可能であり、そこでは、型枠および複数の窓（pane）があり、その窓がそれを介して製作品基板上の堆積を可能とする。
【００１９】
図４は、複数のパレットが、光起電力デバイス用の多くの必要とされる層を堆積するために用いられる一連の処理チャンバー４２０、４３０を通して処理されるので、ひと続きの反応／堆積チャンバーは、複数のパレット４４０を含有する積載カートリッジにより供給することが可能である（図８も参照すること）と共に、望ましい層が堆積され処理された後、仕上げられた製作品がカートリッジ４５０中に集められ、さらなる処理または製造工程用に保存される（図９も参照すること）ことを示す。
【００２０】
代替法において、出発要素カートリッジ４４０は、基板の表面処理、接合層の堆積、アルカリ含有半導体源層の堆積、ｐ型吸収体層の堆積、および次の接合部およびｎ型層の形成、および作製された要素を制御された反応列およびさらなる処理のための在庫から取り出すことができるように緩衝装置を提供することが可能であろうシステムに送り込まれる。
【００２１】
薄膜製造方法
本発明の一つの形態は、前駆体ｐ型吸収体層を堆積する少なくとも一つの領域を含む複数の反応器領域に順繰りに、基板を保持することができるパレットを提供する工程を含む、光起電力デバイスを製造するための方法を提供する。
【００２２】
別の形態において、本発明は、パレット担体手段に貼られる複数の基板要素を提供する工程を含む光起電力電池を製造するための方法を提供し、前記複数の基板要素の表面上に導電性膜を堆積する。該導電性膜は、導電性材料の複数の分離層を含み、導電性膜上に金属系合金材料、例えば、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａ、およびできればＳｅまたはＳの合金を含む少なくとも一つのｐ型半導体吸収体層を堆積すると共に、ｐ型半導体層上にｎ型半導体層を堆積しｐ−ｎ接合を形成する。
【００２３】
各チャンバーが、特定の処理環境、ならびに特定材料を作業面上に堆積するための手段、または特定層堆積または層処理を生み出すために処理しようとする製作品の界面を提供する、一連の処理チャンバーが提供される。これらの処理チャンバーは、それぞれ、製作品が設計された光起電力スタックに作製されてしまうまで、手段が第１の設計されたチャンバーから輸送しようとする製作品（光起電力デバイスに作製されようとするパレット上に印を付けられる）を連続した複数のチャンバーを通して輸送することを可能とする。
【００２４】
この複数の輸送機構を提供される反応または処理チャンバーは、また、有効な反応物質が特に望ましいチャンバー中に保持され、下流工程を汚染しないことを確実にする１以上の隔離チャンバーを含むことが可能である。この隔離システムは光起電力デバイスの半導体層の形成において特に重要であり、そこで、その層がｐ型かまたはｎ型半導体のいずれであるかを比較的少量の材料で決める。この担体は、製作品が限定された位置で製造装置内に位置付けられることを確実にするように、参照手段により設定することが可能である。
【００２５】
図３は、基板を担体３２０上に貼ることができるデバイス上の複数の製作品基板３１０を示し、そこではまた要素が製造装置を通して正確なやり方で進むことを可能とする手段を有する。これらのパレットは、一般に平坦であり、各製作品表面を堆積源または処理源に提供するように、複数の製作品をパレットの表面上に保持するための手段を有する。
【００２６】
一般光起電力スタック設計
本発明は、光起電力デバイスを製造するための新規製造装置を用いる。勿論、特定装置は、変えることができる特定光起電力デバイス設計に応じて決まる。
【００２７】
図１を参照して、すべての層は、複数の機能性材料、例えば、ガラス、金属、セラミック、またはプラスチックの一つを含むことが可能である基板１０５上に堆積される。基板１０５上に直接堆積されるのはバリア層１１０である。バリア層１１０は、薄い導体または極めて薄い絶縁材料を含み、基板から電池残部への望ましくない元素または化合物の出拡散を阻止するように機能する。このバリア層１１０は、クロム、チタン、酸化ケイ素、窒化チタンおよび必要な導電性および耐久性を有する関連材料を含むことが可能である。次の堆積層は、モリブデンなどの非活性金属を含むバック接触層１２０である。次の層はバック接触層１２０上に堆積されるｐ型半導体層１３０であって、吸収体層とバック接触層間の接着性を改善する。ｐ型半導体層１３０は、Ｉ−ＩＩＩa,b−ＶＩアイソタイプ半導体であることが可能であるが、しかし、好ましい組成は、前の化合物のいずれかと合金されるＣｕ：Ｇａ：Ｓｅ、Ｃｕ：Ａｌ：ＳｅまたはＣｕ：Ｉｎ：Ｓｅである。
【００２８】
この実施形態において、ｐ型吸収体層の形成は多くの分離層の相互拡散を含む。結局、図１に見られるように、ｐ型半導体層１３０および１５０は単一の複合層１５５に合体し、これは太陽エネルギーの主吸収体として機能する。しかし、この実施形態において、アルカリ材料１４０は、次の層の成長の種をまくと共に吸収体層１５５の担体濃度および粒径を増大させ、それによって太陽電池の変換効率を増大させる目的のため添加される。層は、次に、約４００℃〜６００℃の温度で熱処理される。
【００２９】
熱処理後、光電池製造工程はｎ型接合緩衝層１６０の堆積により続けられる。この層１６０は結局吸収体層１５５と相互作用して、必要なｐ−ｎ接合１６５を形成する。透明真性酸化物層１７０が、次に堆積されて、ＣＩＧＳ吸収体とのヘテロ接合として機能する。最後に、導電性透明酸化物層１８０が堆積されて電池電極の上端として機能する。この最終層は導電性であり、発生電流を運び去ることを可能とするグリッドキャリアに電流を運ぶことが可能である。
【００３０】
代替のパレットを基盤とした製造スキーム
図２は、太陽電池を形成するための反応器２００を概略的に示す。基板２０５は、反応器を通して左から右に供給される。反応器２００は、各処理領域が基板２０５上に材料を堆積するための環境を含む、図２に２２０、２３０、２４０および２５０として記される１以上の処理領域を含む。領域は、反応器２００内で機械的にまたは動作可能なように結合される。本明細書において用いられる用語「環境」は、基板２０５が特定領域中にある間の、基板２０５上に材料層または材料混合物を堆積させるかまたは反応させるための条件の輪郭を指す。
【００３１】
太陽電池のどの層が処理されようとしているかによって、各領域が設定される。例えば、一つの領域は、熱源および１以上の堆積源を含むスパッタリング操作を行うように設定することが可能である。
【００３２】
好ましくは、長い基板２０５が、制御可能な速度で種々の処理領域を通過する。さらに、基板２０５が０．５ｍ／分〜約２ｍ／分の並進速度を有することが可能であることは考慮される。従って、各領域内部の工程は、好ましくは、滞留時間が与えられれば望ましい断面を形成するように調整され、材料は望ましい輸送速度を仮定すれば特定材料源に最も近くある。従って、材料および工程選択、温度、圧力、またはスパッタリング堆積速度、などの各工程の特性は、輸送または並進速度により決定されるスタックの滞留時間を仮定すれば構成材料が適正に供給されることを保証するように、選択することが可能である。
【００３３】
本発明により、基板２０５は、それらの後者は図３に示される本方法を通しての索引および輸送用の「額縁」タイプの台形態におけるパレット方式での本方法を通して、連続的に輸送することが可能である。図３に関して、基板３１０の一つの基板または組は、軌道３５０上の１以上の領域３３０および３４０を通して平行移動するパレット３２０上に取り付けられる。代替実施形態において、本方法は、さらに、基板３１０と背中合わせの配置に置かれる第２基板または基板の組を含むことが可能である。
【００３４】
種々の領域内の背景圧力が１０-6トール〜１０-3トールの範囲にあることは考慮される。基本真空度（１０-6トール）を超える圧力は、アルゴン、窒素または酸素などの純粋ガスの添加により達成することが可能である。好ましくは、速度Ｒは一定であり、結果として、基板２０５が入口から出口まで止まることなく反応器２００を通過することになる。太陽電池スタックが、このようにして、基板２０５が反応器２００内で絶えず止まることに対する必要性なしで、基板２０５上に連続方式で形成することが可能であることは、当業者により認識される。
【００３５】
図２中の反応器は、さらに、真空隔離補助領域または隣接工程領域を隔離するように設定されるスリット弁を含むことが可能である。真空隔離補助領域またはスリット弁は、異なる圧力環境間の基板の連続輸送を容易にするために提供される。
【００３６】
図２に示される反応器は、複数のＮ−処理領域２２０、２３０、２４０および２５０である。しかし、反応器が領域２２０，２３０、２４０、２５０・・・Ｎ領域を含むことが可能であることは、当業者により認識されるべきである。積荷／荷下ろし領域２１０／２１１は、他の反応器から隔離することができると共に、大気に開放することができる領域を含む。
【００３７】
好ましい実施形態において、本方法は、さらに、基板２０５と背中合わせに走る基板２０６を含むことが可能である。この実施形態において、基板２０６および２０５は、背中合わせの配置に方向付けられ、同一のプロセス操作２２２／２２１、２３２／２３１、２４２／２４１および２５２／２５１を行う領域２２０、２３０、２４０、および２５０を通り抜ける。
【００３８】
図５Ａは、背中合わせ方式の基板５０１および５０２を処理する反応器５００の一部の平面説明図を示すと共に、また領域５１１により隔離される連続スパッタ−蒸発工程を図解する。背中合わせ処理を達成するために、基板５０１用の熱源５０３は基板５０２用の熱源５０７と鏡写しにされる。同様に、基板５０１用のスパッタリング源５０４、熱源５０５、および蒸発源５０６は、スパッタリング源５０８、熱源５０９、および蒸発源５１０としての基板５０２用と鏡写しにされる。
【００３９】
図５Ｂは、連続スパッタ−蒸発／スパッタ−蒸発工程を有する背中合わせ方式の基板５２１および５２２を処理する反応器５１２の一部の平面説明図を示す。図５Ａにおけるように、基板５２１用のスパッタ源５３４は、基板５２２用のスパッタ源５２８と鏡写しにされる。同様に、基板５２１用の熱源５２３および５２６、蒸発源５２４および５２７、およびスパッタリング源５２５は、熱源５２９および５３２、蒸発源５３０および５３３、およびスパッタリング源５３１としての基板５２２用と鏡写しにされる。従って、熱および材料源の単純な重複により、太陽電池の生産は同じ機械の中で効果的に倍化することが可能である。
【００４０】
特定処理工程
勿論、特定ＰＶ物品を製造するための方法工程は、その物品の特定設計に応じて決まる。ＣＩＧＳ系ＰＶｓは、Ｓｉ系システムとは異なる製造方法を有する。本発明はそれほど一つのＰＶタイプに限定されている訳ではなく、一般に、あらゆるＰＶは本発明の技術により製造することができるであろう。
【００４１】
ＣＩＧＳの場合に、特定工程は、隔離された積荷区域または同様の設備２１０を通してパレットを基盤とした基板を荷積みすることを含むことが可能であろう。種々の実施形態において、隔離領域２１０は反応器２００内に含有される。あるいは、隔離領域２１０は反応器２００の外側部分に取り付けることが可能である。第１処理領域２１０は、さらに、表面の原子レベルでのあらゆる残留不完全部を取り除くための基板調製環境を含むことが可能である。基板調製には、イオンビーム、堆積、加熱、またはスパッタ−エッチングを挙げることが可能である。これらの方法は技術上公知であり、これ以上は検討されない。
【００４２】
第２処理領域は、バリア層が基板と連続層間の導電性通路を提供する、基板不純物分離用のバリア層を堆積させるための環境であることが可能である。好ましい実施形態において、バリア層はスパッタリング法により供給されるクロムまたはチタンなどの元素を含む。好ましくは、環境は周辺温度で約１０-6トール〜１０-2トールの範囲にある圧力を含む。
【００４３】
前の領域から下流の第３処理領域は、バック接触層として機能するための金属層堆積用の環境を含む。バック接触層は、電流用の導電性通路を提供する厚さを含む。加えて、バック接触層は太陽電池スタックの第１導電層として機能する。本層は、さらに、基板から残りの太陽電池構造までの不純物などの化学化合物の拡散を防止するために、または基板層と残りの太陽電池構造間の熱膨張緩衝材として機能することが可能である。好ましくは、バック接触層はモリブデンを含むが、しかし、バック接触層はアルミニウム、銅または銀などの他の導電性金属を含むことが可能である。
【００４４】
第４領域はｐ型半導体層堆積用の環境を提供する。本明細書において用いられるように、この層は、吸収体成長のためのエピタキシャル・テンプレートとして機能することが可能である。好ましくは、ｐ型半導体層は、アイソタイプＩ−ＩＩＩＶＩ2材料であり、この材料の光学的バンドギャップは、ｐ型吸収体層の平均光学的バンドギャップよりも高い。例えば、半導体層は、前の化合物のいずれかとの合金Ｃｕ：Ｇａ：Ｓｅ、Ｃｕ：Ａｌ：ＳｅまたはＣｕ：Ｉｎ：Ｓｅを含むことが可能である。好ましくは、材料は、１０-6〜１０-2トールの背景圧力、および周辺温度から約３００℃までの範囲にある温度でのスパッタリング法により供給される。さらに好ましくは、温度は周辺温度〜約２００℃の範囲にある。
【００４５】
前の領域から下流の第５領域は、ｐ型吸収体の成長および電気性能を高めるためのアルカリ材料堆積用の環境を提供する。好ましくは、アルカリ材料は、周辺温度、および約１０-6〜１０-2トールの圧力範囲でスパッタ堆積される。好ましくは、材料はＮａＦ、Ｎａ2Ｓｅ、Ｎａ2ＳまたはＫＣｌまたは類似の化合物を含み、厚さは約１５０ｎｍ〜約５００ｎｍの範囲にある。
【００４６】
また前の領域から下流の第６領域は、ｐ型吸収体前駆体材料を含む別の半導体層堆積用の環境を含むことが可能である。好ましい実施形態において、第６領域は、さらに、前駆体材料堆積用の１以上の補助領域を含むことが可能である。一つの実施形態において、半導体層は、最初に１以上の連続補助領域中に前駆体材料を供給し、次に、前駆体材料を下流の熱処理領域中で反応させて最終ｐ型吸収体とすることにより形成される。従って、特にＣＩＧＳシステムに対して、二つの材料堆積工程、および層形式での第３熱処理工程があることが可能である。
【００４７】
前駆体供給領域において、前駆体材料層は、蒸発、スパッタリング、および化学蒸着またはそれらの組合せを含む多様なやり方で堆積され、好ましくは、前駆体材料は、約２００℃〜３００℃の範囲にある温度で供給することが可能である。前駆体材料は反応してできるだけ速くｐ型吸収体を形成することは望ましい。前述のように、この目的に対して、前駆体層または複数の層は、混合物または一連の薄層として形成することが可能である。
【００４８】
製造装置は、また、１以上の前層の熱処理用の前の処理領域から下流の第７処理領域を有することが可能である。用語多元化合物は、２元化合物および３元化合物などを含む。好ましくは、熱処理はそれまで未反応の元素または多元化合物を反応させる。例えば、一つの実施形態において、製作品上の堆積用の堆積源としての元素の多元化合物の種々の組合せおよび比率での、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｓｅ、およびＧａを有することは好ましい。反応性環境は、種々の割合でセレンおよび硫黄を含み、背景不活性ガス環境ありまたはなしで約４００℃〜約６００℃の温度範囲にある。種々の実施形態において、処理時間は、前駆体の混合を最適化することにより１分以下に最小化することが可能である。環境内の最適圧力は、環境が反応性または不活性のどちらであるかに応じて決まる。本発明により、熱処理領域内で、圧力は約１０-5〜約１０-2トールの範囲にある。しかし、これらの範囲が、段に対する反応器設計、光起電力デバイスの設計者および全体としての装置の操作変数に深く依存することは、留意されるべきである。
【００４９】
反応器は、ｎ型半導体層または接合相手の形成のための第８処理領域を有することが可能である。接合層は、ＩＩ−ＶＩまたはＩＩＩｘＶＩ族から選択される。例えば、接合層は、蒸発、昇華または化学蒸着法により堆積されるＺｎＯ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、Ｉｎ、ＳｅまたはＩｎNＳを含むことが可能である。温度は約２００℃〜約４００℃の範囲にある。
【００５０】
加えて、本方法は、また、透明酸化物、例えばＺｎＯの真性層堆積用の環境を有する第９領域を有することが可能である。本発明により、真性透明酸化物層は、例えば、ＲＦスパッタリング、ＣＶＤまたはＭＯＣＶＤを含む多様な方法により堆積することが可能である。
【００５１】
種々の実施形態において、本方法は、さらに、太陽電池用の上端電極として機能するための透明導電性酸化物層堆積用の環境を有する第１０領域を有する。一つの実施形態において、例えば、アルミニウムドープＺｎＯがスパッタ堆積される。好ましくは、環境は約２００℃の温度、および約５ミリトールの圧力を含む。あるいは、ＩＴＯ（インジウム・スズ酸化物）または類似物は用いることが可能である。
【００５２】
一つの実施形態において、上述のように、反応器は個別の領域を含むことが可能であり、各領域は光起電力デバイス形成の一つの層に対応する。しかし、好ましい実施形態において、類似の成分およびまたは環境条件を含む領域は組み合わせることが可能であり、それによって反応器中の領域の全体数を減じる。
【００５３】
例えば、図６において、領域６１０はサブ領域６１１および６１２を含み、領域６１５はサブ領域６１６および６１７を含み、および領域６２０は一つの領域を含み、そこでの各領域およびサブ領域は所定の環境を含む。この実施例において、材料Ａはサブ領域６１１中で堆積することが可能であり、異なる材料Ｂはサブ領域６１２中で堆積することが可能であり、そこでの材料Ａから下流のサブ領域６１２の環境はサブ領域６１１における環境とは異なる。従って、基板６０５は、同じ領域６１０の異なる分野にありながら異なる温度または他のプロセスプロフィールにさらすことが可能である。この実施形態により、領域は所定の圧力を有するとして定義することが可能であり、領域は、１以上の分野、サブ領域、またはその中の相を含むことが可能であり、各サブ領域は、同じ圧力環境内で望ましい材料または複数の材料を堆積するかまたは反応させるように設定される。
【００５４】
基板６０５は、次に、チャンバー６１５に通すことが可能であり、そこで、材料Ｃはサブ領域６１６内で堆積され、材料Ｄはサブ領域６１７中で堆積される。最終的に、基板６０５は領域６２０に達し、そこで単一材料Ｅが堆積される。
【００５５】
当業者により理解されるように、反応器６００は、基板の並進により規定される通路に沿って、反応器の入口と出口の間に配置される一連の領域を有するとして説明することが可能である。各領域内で、１以上の構成素環境またはサブ領域は、選択された堆積源材料または複数の材料を堆積させるかまたは反応させるために提供することが可能であり、太陽電池スタックを形成するための連続法をもたらす。一旦基板が反応器に入ると、太陽電池スタックの種々の層が堆積されると共に、連続方式で形成され、連続した各下流工程は、仕上げられた薄膜太陽電池が反応器出口で提供されるまで、太陽電池スタックの形成に寄与する。
【００５６】
本技術はＣＩＧＳ系光起電力スタック設計の点から表現されてきたが、一方で、本技術が、また、最新技術で検討されているものなどのシリコン系システムの生産を含む他の光起電力設計品の生産用に用いることが可能であることは理解されなければならない。例えば、それらの光学的バンドギャップを調整するために、水素化アモルファスシリコン合金中に炭素またはゲルマニウム原子を用いるかまたは包含することは可能であろう。例えば、炭素はシリコンよりも大きなバンドギャップを有し、従って、水素化アモルファスシリコン合金中の炭素の包含は合金のバンドギャップを増大させる。逆に、ゲルマニウムはシリコンよりも小さなバンドギャップを有し、従って、水素化アモルファスシリコン合金中のゲルマニウムの包含は合金のバンドギャップを低下させる。
【００５７】
同様に、それらの導電特性を調整するために、水素化アモルファスシリコン合金中にホウ素またはリン原子を組み込むことはできるであろう。水素化アモルファスシリコン合金中にホウ素を包含することは、正にドープされた導電領域を作り上げる。逆に、水素化アモルファスシリコン合金中にリンを包含することは、負にドープされた導電領域を作り上げる。
【００５８】
水素化アモルファスシリコン合金膜は、堆積チャンバー中での堆積により調製される。これまで、堆積チャンバー中での堆積により水素化アモルファスシリコン合金を調製する上で、堆積ガス混合物中に、メタン（ＣＨ4）、ゲルマン（ＧｅＨ4）、４フッ化ゲルマニウム（ＧｅＲ4）、ジゲルマン（Ｇｅ2Ｈ6）などの高次ゲルマン、ジボラン（Ｂ2Ｈ6）、またはホスフィン（ＰＨ3）などの炭素、ゲルマニウム、ホウ素またはリン含有ガスを包含することにより、炭素、ゲルマニウム、ホウ素、またはリンが合金中に組み込まれてきた。例えば、米国特許第４，４９１，６２６号明細書、第４，１４２，１９５号明細書、第４，３６３，８２８号明細書、第４，５０４，５１８号明細書、第４，３４４，９８４号明細書、第４，４３５，４４５号明細書、および第４，３９４，４００号明細書を参照すること。しかし、この手法の欠点は、炭素、ゲルマニウム、ホウ素またはリン原子が水素化アモルファスシリコン合金中に組み込まれる手段が制御されないことである。すなわち、これらの元素は、極めてランダムなやり方で得られる合金中に組み込まれ、それによって、望ましくない化学結合の可能性を増大させる。
【００５９】
従って、ＰＶデバイスが製造され、特定の且つ制御された反応およびまたは堆積条件がＰＶ膜を製造するために必要とされる場合に、本発明の技術は有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の製造技術により製造される薄膜太陽電池の実施形態を示す。
【図２】太陽電池を形成するための反応器を概略的に示す。
【図３】また、製作品が製造装置を通して正確なやり方で進められることを可能とする手段を有する担体上に基板を貼ることができるデバイス上の複数の製作品基板を示す。
【図４】本発明による方法を通して左から右に供給されている基板の一つの実施形態を示す。
【図５Ａ】二つの基板が供給され本発明による連続スパッタ蒸発により同時に処理される処理方法の実施形態を示す。
【図５Ｂ】二つの基板が供給され連続スパッタ蒸発／スパッタ蒸発工程により同時に処理される処理方法の実施形態を示す。
【図６】領域がさらに１以上のサブ領域を含む本発明による方法の別の実施形態を図示する。
【図７】複数の基板製作品により占められる本発明において用いられるパレットの概略図を示す。
【図８】制御された環境中で複数の基板を積み重ねるために用いられるカートリッジの概略図を示す。
【図９】光電池製造工程の中断を可能とするカートリッジシステムを用いる概略製造技術を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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