(57)【要約】  太陽電池を形成する方法および装置を提供する。炭素、酸素および窒素を含むドープ結晶性半導体合金が、薄膜太陽電池に対する光捕獲増大層および電荷収集層として用いられる。半導体合金層は、半導体源化合物および共成分源化合物を処理チャンバに提供し、ガスをイオン化して基板上に層を堆積させることによって形成される。合金層は、屈折率の改善された制御、広い光学バンドギャップおよび高い導電率を提供する。
2012513125.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のｐ−ｉ−ｎ接合部と第２のｐ−ｉ−ｎ接合部との間に配置された反射体層であって、
第１の層と、
前記第１の層の上に配置された第２の層であって、前記第２の層の前記第１の層に対する屈折率比が約１．２を上回る第２の層
を含む反射体層
を具備する光起電力デバイス。
【請求項２】
前記第１のｐ−ｉ−ｎ接合部が、
ｐ型アモルファスシリコン層と、
真性型アモルファスシリコン層と、
ｎ型微結晶シリコン層
を含み、
前記第２のｐ−ｉ−ｎ接合部が、
前記第２の層の上に配置されたｐ型微結晶シリコン層と、
真性型微結晶シリコン層と、
前記真性型微結晶シリコン層に隣接するｎ型アモルファスシリコン層
を含む、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項３】
前記第１の層の前記第２の層に対する厚さ比が約１．２を上回る、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項４】
層の第２の対であって、
前記第２の層の上に配置された第３の層であって、前記第２の層の前記第３の層に対する屈折率比が約１．２を上回る、第３の層と、
前記第３の層の上に配置された第４の層であって、前記第４の層の前記第３の層に対する屈折率比が約１．２を上回る、第４の層
を含む層の第２の対と、
層の第３の対であって、
前記第４の層の上に配置された第５の層であって、前記第４の層の前記第５の層に対する屈折率比が約１．２を上回る、第５の層と、
前記第５の層の上に配置された第６の層であって、前記第６の層の前記第５の層に対する屈折率比が約１．２を上回る、第６の層
を含む層の第３の対
をさらに具備する、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項５】
前記第２の層が、前記第１の層より高い屈折率を有する、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項６】
前記反射体層が、約５５０ｎｍ〜約８００ｎｍの波長の光を選択的に反射する、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項７】
前記第１の層がｎ型微結晶シリコン合金層であり、前記第２の層がｎ型微結晶シリコン層である、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項８】
前記第１の層が、シリコンと、酸素と、窒素および炭素からなる群から選択された元素を含む、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項９】
前記第１の層が約１．４〜約２．５の屈折率を有し、前記第２の層が約３〜約４の屈折率を有する、請求項１に記載の光起電力デバイス。
【請求項１０】
太陽電池デバイスを形成する方法であって、
基板の表面に第１のｐ−ｉ−ｎ接合部を形成するステップと、
前記第１のｐ−ｉ−ｎ接合部の上に第１の反射体層を形成するステップであって、前記第１の反射体層が、約５５０ｎｍ〜約８００ｎｍの波長の光を前記第１のｐ−ｉ−ｎ接合部に戻るように選択的に反射するステップと、
前記第１の反射体層の上に第２のｐ−ｉ−ｎ接合部を形成するステップ
を含む方法。
【請求項１１】
前記第１の反射体層を形成するステップが、
ｎ型微結晶シリコン合金層を形成し、前記第１の反射体層が、約１．４〜約４の屈折率を有するステップ
をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の反射体層を形成するステップが、
前記第１のｐ−ｉ−ｎ接合部の上に第１の層および第２の層を形成し、前記第２の層の前記第１の層に対する屈折率比が１．２を上回るステップ
をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の層がｎ型微結晶シリコン合金層であり、前記第２の層がｎ型微結晶シリコン層を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の対の上に前記第１の層および前記第２の層の第２の対を形成するステップと、
前記第２の対の上に前記第１の層および前記第２の層の第３の対を形成するステップ
をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記反射体層に複数の開口部を形成するステップであって、前記複数の開口部が、前記反射体層の上に前記第２のｐ−ｉ−ｎ接合部が形成される前に形成され、各開口部が前記反射体層の一部を除去することによって形成されるステップ
をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、概して、太陽電池および太陽電池を形成する方法に関する。より詳細には、本発明の実施形態は、薄膜太陽電池および結晶太陽電池に形成される波長選択反射体層に関する。
【背景技術】
【０００２】
結晶シリコン太陽電池および薄膜太陽電池は、２つのタイプの太陽電池である。結晶シリコン太陽電池は、通常、単結晶基板（すなわち、純シリコンの単結晶基板）かまたは多結晶シリコン基板（すなわち多結晶またはポリシリコン）のいずれかを用いる。光捕獲を増大させ、電気回路を形成し、かつデバイスを保護するために、シリコン基板の上に追加の膜層を堆積させる。薄膜太陽電池は、１つまたは複数のｐ−ｎ接合部を形成するように適当な基板の上に堆積する薄層の材料を用いる。適当な基板には、ガラス基板、金属基板およびポリマー基板がある。
【０００３】
太陽電池の経済的使用を拡大するためには、効率を向上させなければならない。太陽電池の効率は、入射光が有用な電気に変換される比率に関連する。より多くの用途に対して有用であるために、太陽電池の効率を、およそ１５％である現在最高の性能を上回るように改善しなければならない。エネルギーコストが上昇しているため、改善された薄膜太陽電池と、工場環境でそうした太陽電池を形成する方法および装置とが必要とされる。
【発明の概要】
【０００４】
本発明の実施形態は、太陽電池を形成する方法を提供する。いくつかの実施形態は、基板の上に導電層を形成するステップと、導電層の上にｐ型結晶性半導体合金層を形成するステップとを含む、太陽電池を製造する方法を提供する。本発明のいくつかの実施形態は、アモルファス層または真性半導体層、ｎ型ドープアモルファス層またはｎ型ドープ結晶層、バッファ層、縮退ドープ（ｄｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｌｙ  ｄｏｐｅｄ）層および導電層も有することができる。ｎ型結晶層の上に第２の導電層を形成してもよい。
【０００５】
代替実施形態は、基板の上に導電層を形成するステップと、導電層の上に第１のドープ結晶性半導体合金層を形成するステップと、第１のドープ結晶性半導体合金層の上に第２のドープ結晶性半導体合金層を形成するステップとを含む、太陽電池を形成する方法を提供する。いくつかの実施形態はまた、ドープされていないアモルファス層または結晶性半導体層、バッファ層、縮退ドープ層および導電層も有することができる。いくつかの実施形態はまた、タンデム接合構造に第３のドープ結晶性半導体合金層および第４のドープ結晶性半導体合金層を有することができる。
【０００６】
さらなる実施形態は、半導体基板の上に反射層を形成するステップと、反射層の上に結晶接合部を形成するステップとを含み、反射層が１つまたは複数の結晶性半導体合金層を有する、太陽電池を形成する方法を提供する。
【０００７】
本発明の実施形態は、第１のｐ−ｉ−ｎ接合部と第２のｐ−ｉ−ｎ接合部との間に配置されかつ複数の開口部が形成されている、反射体層を備え、複数の開口部の各々が、反射体層の上に第２のｐ−ｉ−ｎ接合部が形成される前に材料の一部を反射体層から除去することによって形成される、光起電力デバイスをさらに提供することができる。
【０００８】
本発明の実施形態は、さらに、太陽電池デバイスを形成する方法であって、基板の表面に第１のｐ−ｉ−ｎ接合部を形成するステップと、第１のｐ−ｉ−ｎ接合部の上に第１の反射体層を形成するステップであって、第１の反射体層が、約５５０ｎｍ〜約８００ｎｍの波長の光を第１のｐ−ｉ−ｎ接合部に戻るように選択的に反射する、ステップと、第１の反射体層の上に第２のｐ−ｉ−ｎ層を形成するステップとを含む方法を提供することができる。
【０００９】
本発明の実施形態は、基板の表面にｐ型シリコン含有層を堆積させるように適合された第１の堆積チャンバと、基板の表面に真性型シリコン含有層およびｎ型シリコン含有層を堆積させるように適合された第２の堆積チャンバと、基板の表面にｎ型反射体層を堆積させるように適合された第３の堆積チャンバと、ｎ型反射体層に複数の開口部を形成するように適合されたパターニングチャンバと、第１の堆積チャンバ、第２の堆積チャンバ、第３の堆積チャンバおよびパターニングチャンバの間で基板を搬送するように適合された自動化コンベアデバイスとを備える、太陽電池を形成する自動化かつ一体型システムをさらに提供することができる。
【００１０】
本発明の実施形態は、基板の表面にｐ型シリコン含有層を堆積させるように適合された少なくとも１つの処理チャンバと、基板の表面上に真性型シリコン含有層を堆積させるように適合された少なくとも１つのチャンバと、基板の表面上にｎ型シリコン含有層を堆積させるように適合された少なくとも１つの処理チャンバとを備える第１のクラスタツールと、基板の表面にｎ型反射体層を堆積させるように適合された少なくとも１つの処理チャンバを備えた第２のクラスタツールと、第１のクラスタツールと第２のクラスタツールとの間で基板を搬送するように適合された自動化コンベアデバイスとを備える、太陽電池を形成する自動化かつ一体型システムをさらに提供することができる。
【００１１】
本発明の上述した特徴が取得される方法が詳細に理解され得るように、上で簡単に要約した本発明のより詳細な説明を、添付図面に例示する本発明の実施形態を参照して行うものとする。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態による、波長選択反射体層が接合部の間に配置されているタンデム接合薄膜太陽電池の概略側面図である。
【図２】本発明の一実施形態による単接合薄膜太陽電池の概略側面図である。
【図３】本発明の一実施形態による、接合部の間に波長選択反射体層が配置されているタンデム接合薄膜太陽電池の概略側面図である。
【図４】本発明の別の実施形態によるタンデム接合薄膜太陽電池の概略側面図である。
【図５Ａ】本発明の一実施形態による、接合部の間に波長選択反射体層が配置されているタンデム接合薄膜太陽電池の概略側面図である。
【図５Ｂ】本発明の一実施形態による、接合部の間に波長選択反射体層が配置されているタンデム接合薄膜太陽電池の概略側面図である。
【図６Ａ】本発明の一実施形態による、接合部の間に配置されている波長選択反射体層の拡大図である。
【図６Ｂ】本発明の一実施形態による、接合部の間に配置されている波長選択反射体層の拡大図である。
【図７】本発明の一実施形態による装置の断面図である。
【図８】本発明の別の実施形態による装置の平面図である。
【図９】本発明の一実施形態による、図７および図８の装置が組み込まれた生産ラインの一部の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
理解を容易にするために、可能な場合は、図に共通する同じ要素を示すために同じ参照数字を用いている。一実施形態の要素および特徴を、さらに列挙することなく他の実施形態に有利に組み込むことができることが考えられる。
【００１４】
しかしながら、本発明は、他の等しく有効な実施形態を認めることができるため、添付図面は、本発明の単に例示的な実施形態示し、したがって、本発明の範囲を限定するものとみなされるべきではないことが留意されるべきである。
【００１５】
薄膜太陽電池は、一般に、多くの異なる方法で合わせられた多数のタイプの膜または層から形成される。こうしたデバイスで用いられる大部分の膜は、半導体素子を組み込んでおり、半導体素子は、シリコン、ゲルマニウム、炭素、ホウ素、燐、窒素、酸素、水素等を含むことができる。種々の膜の特性には、結晶化度、ドーパントのタイプ、ドーパントの濃度、膜の屈折率、膜の吸光係数、膜の透過性、膜の吸収および導電率が含まれる。通常、これら膜の大部分を、ある程度のイオン化またはプラズマ形成を含む場合がある化学気相成長プロセスを用いることによって形成することができる。
【００１６】
太陽電池で用いられる膜
光起電（太陽光発電）プロセス中の電荷発生は、一般に、シリコン含有層等のバルク半導体層によって提供される。バルク層は、太陽電池に存在するさまざまなドープ層から区別されるために真性層と呼ばれる場合もある。真性層は、その光吸収特性に影響を与えることになる、任意の所望の結晶度を有することができる。たとえば、アモルファスシリコン等のアモルファス真性層は、一般に、微結晶シリコン等、結晶度の異なる真性層とは異なる波長の光を吸収する。この理由で、大部分の太陽電池は、両タイプの層を用いて、あり得る最も広い吸収特性をもたらす。場合によっては、真性層を、２つの異なる層タイプの間のバッファ層として用いることにより、２つの層の間の光学特性または電気特性のより平滑な遷移を可能にすることができる。
【００１７】
シリコンおよび他の半導体を、種々の結晶化度を有する固体に形成することができる。本質的に結晶化度のない固体はアモルファスであり、結晶化度がわずかなシリコンをアモルファスシリコンと呼ぶ。完全に結晶質のシリコンを、結晶シリコン、多結晶シリコンまたは単結晶シリコンと呼ぶ。多結晶シリコンは、結晶粒界によって分離された多数の結晶粒に形成された結晶シリコンである。単結晶シリコンは、単一結晶のシリコンである。結晶画分が約５％〜約９５％である部分的結晶化度を有する固体を、一般にアモルファス相において懸濁している結晶粒のサイズを指す、ナノ結晶または微結晶と呼ぶ。結晶粒がより大きい固体を微結晶と呼び、結晶粒がより小さい固体がナノ結晶である。「結晶シリコン」という用語が、微結晶シリコンおよびナノ結晶シリコンを含む、結晶相を有する任意の形態のシリコンを指すものであることが留意されるべきである。
【００１８】
図１は、光すなわち太陽光１０１に向けられた多接合太陽電池１００の実施形態の概略図である。太陽電池１００は、上に薄膜が形成されている、ガラス基板、ポリマー基板、金属基板または他の適当な基板等の基板１０２を備えている。太陽電池１００は、基板１０２の上に形成された第１の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）層１０４と、第１のＴＣＯ層１０４の上に形成された第１のｐ−ｉ−ｎ接合部１２６とをさらに備えている。一構成では、第１のｐ−ｉ−ｎ接合部１２６の上に、波長選択反射体（ＷＳＲ）層１１２が形成されている。第１のｐ−ｉ−ｎ接合部１２６の上に第２のｐ−ｉ−ｎ接合部１２８が形成され、第２のｐ−ｉ−ｎ接合部１２８の上に第２のＴＣＯ層１２２が形成され、第２のＴＣＯ層１２２の上にメタルバック層１２４が形成されている。一実施形態では、ＷＳＲ層１１２は、第１のｐ−ｉ−ｎ接合部１２６と第２のｐ−ｉ−ｎ接合部１２８との間に配置され、形成された太陽電池１００における光散乱および電流生成を改善する膜特性を有するように構成されている。さらに、ＷＳＲ層１１２はまた、その透過特性および反射特性に対し、形成された太陽電池の光変換効率を向上させるように影響を与える、高い導電率および適合されたバンドギャップ範囲を有する、優れたｐ−ｎトンネル接合も提供する。ＷＳＲ層１１２については後にさらに詳細に説明する。
【００１９】
光閉じ込めを強化することにより光吸収を増大させるために、基板および／または基板上に形成された薄膜のうちの１つまたは複数を、任意に、湿式プロセス、プラズマプロセス、イオンプロセスおよび／または機械的プロセスによってテクスチャ加工することができる。たとえば、図１に示す実施形態では、第１のＴＣＯ層１０４がテクスチャ加工されており、第１のＴＣＯ層１０４の上に堆積された後続する薄膜は、概して、その下の表面の微細構成に従う。
【００２０】
第１のＴＣＯ層１０４および第２のＴＣＯ層１２２は、各々、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウムスズ、スズ酸カドミウム、それらの組合せまたは他の適当な材料を含むことができる。ＴＣＯ材料はまた、追加のドーパントおよび成分も含むことができることが理解されたい。たとえば、酸化スズは、アルミニウム、ガリウム、ホウ素および他の適当なドーパント等のドーパントをさらに含むことができる。酸化亜鉛は、好ましくは５原子％以下のドーパントを含み、より好ましくは、２．５原子％以下のアルミニウムを含む。場合によっては、基板１０２を、第１のＴＣＯ層１０４がすでに設けられている状態で、ガラス製造業者によって提供することができる。
【００２１】
第１のｐ−ｉ−ｎ接合部１２６は、ｐ型アモルファスシリコン層１０６と、ｐ型アモルファスシリコン層１０６の上に形成された真性型アモルファスシリコン層１０８と、真性型アモルファスシリコン層１２４の上に形成されたｎ型微結晶シリコン層１１０とを有することができる。いくつかの実施形態では、ｐ型アモルファスシリコン層１０６を、約６０Å〜約３００Åの厚さに形成することができる。いくつかの実施形態では、真性型アモルファスシリコン層１０８を、約１，５００Å〜約３，５００Åの厚さに形成することができる。いくつかの実施形態では、ｎ型微結晶半導体層１１０を、約１００Å〜約４００Åの厚さに形成することができる。
【００２２】
第１のｐ−ｉ−ｎ接合部１２６と第２のｐ−ｉ−ｎ接合部１２８との間に配置されたＷＳＲ層１１２は、概して、一定の所望の膜特性を有するように構成されている。この構成では、ＷＳＲ層１１２は、能動的に、太陽電池１００の光入射側から受け取られる光を反射するように、所望の屈折率または屈折率の範囲を有する中間反射体としての役割を果たす。ＷＳＲ層１１２はまた、第１のｐ−ｉ−ｎ接合部１２６における短波長から中波長（たとえば２８０ｎｍ〜８００ｎｍ）の光の吸収を促進し、短絡電流を改善して量子効率および変換効率を向上させる、接合層としての役割も果たす。ＷＳＲ層１１２はさらに、接合部１２８に形成された層への光の透過を容易にするように、中波長から長波長（たとえば５００ｎｍ〜１１００ｎｍ）の光に対する高い膜透過率を有している。さらに、概して、ＷＳＲ層１１２は、望ましい波長（たとえば短い方の波長）の光を第１のｐ−ｉ−ｎ接合部１２６の層に戻るように反射し、望ましい波長（たとえば長い方の波長）の光を第２のｐ−ｉ−ｎ接合部１２８の層に透過させる一方で、吸収する光が可能な限りわずかなであることが望ましい。さらに、ＷＳＲ層１１２は、生成された電流を効率的に伝導して、電子が第１のｐ−ｉ−ｎ接合部１２６から第２のｐ−ｉ−ｎ接合部１２８に流れるのを可能にし、かつ生成された電流を遮断しないように、望ましいバンドギャップおよび高い膜導電率を有することができる。ＷＳＲ層１１２は、長い方の波長の光の実質的にすべてが第２のｐ−ｉ−ｎ接合部１２８を通過するのを可能にしながら、短い方の波長の光を第１のｐ−ｉ−ｎ接合部１２６に戻るように反射することが望まれる。所望の波長の高い膜透過性、低い膜光吸収、望ましいバンドギャップ特性（たとえば広いバンドギャップ範囲）および高い導電率を有するＷＳＲ層１１２を形成することにより、太陽電池変換効率全体を向上させることができる。
【００２３】
一実施形態では、ＷＳＲ層１１２は、ＷＳＲ層１１２内に配置されたｎ型ドーパントまたはｐ型ドーパントを有する微結晶シリコン層であり得る。例示的な実施形態では、ＷＳＲ層１１２は、ＷＳＲ層１１２内に配置されたｎ型ドーパントを有するｎ型結晶シリコン合金である。ＷＳＲ層１１２内に配置された異なるドーパントが、バンドギャップ、結晶画分、導電率、透過性、膜の屈折率、吸光係数等のＷＳＲ層膜の光学特性および電気特性に影響を与える可能性もある。場合によっては、ＷＳＲ層１１２のさまざまな領域内に１つまたは複数のドーパントをドープすることにより、膜のバンドギャップ、仕事関数（複数可）、導電率、透過性等を効率的に制御し調整することができる。一実施形態では、ＷＳＲ層１１２は、屈折率が約１．４〜約４、バンドギャップが少なくとも約２ｅＶおよび導電率が約０．３Ｓ／ｃｍを上回るように制御される。
【００２４】
一実施形態では、ＷＳＲ層１１２は、酸化シリコン（ＳｉＯｘ、ＳｉＯ２）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、炭酸化シリコン（ＳｉＯＣ）、窒化炭化酸化シリコン（ＳｉＯＣＮ）等のｎ型ドープシリコン合金層を含むことができる。例示的な実施形態では、ＷＳＲ層１１２は、ｎ型ＳｉＯＮまたはＳｉＣ層である。
【００２５】
第２のｐ−ｉ−ｎ接合部１２８は、ｎ型微結晶シリコン層１１４と、場合によっては、ｐ型微結晶シリコン層１１４の上に形成される任意のｐ−ｉバッファ型真性アモルファスシリコン（ＰＩＢ）層１１６とを含むことができる。後に、ｐ型微結晶シリコン層１１４の上に真性型微結晶シリコン層１１８が形成され、真性型微結晶シリコン層１１８の上にｎ型アモルファスシリコン層１２０が形成される。いくつかの実施形態では、ｐ型微結晶シリコン層１１４を、約１００Å〜約４００Åの厚さに形成することができる。いくつかの実施形態では、ｐ−ｉバッファ型真性アモルファスシリコン（ＰＩＢ）層１１６を、約５０Å〜約５００Åの厚さに形成することができる。いくつかの実施形態では、真性型微結晶シリコン層１１８を、約１０，０００Å〜約３０，０００Åの厚さまで形成することができる。いくつかの実施形態では、ｎ型アモルファスシリコン層１２０を、約１００Å〜約５００Åの厚さに形成することができる。
【００２６】
メタルバック層１２４は、限定されないが、Ａｌ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｔ、それらの合金またはそれらの組合せからなる群から選択された材料を含むことができる。太陽電池１００を形成するために、レーザスクライビングプロセス等、他のプロセスを行ってもよい。太陽電池デバイスを完成するために、メタルバック層１２４の上に他の膜、材料、基板および／またはパッケージングを設けてもよい。形成された太陽電池を相互接続することによりモジュールを形成してもよく、モジュールを接続してアレイを形成することができる。
【００２７】
太陽光１０１は、主に、ｐ−ｉ−ｎ接合部１２６、１２８の真性層１０８、１１８によって吸収され、電子−ホール対に変換される。真性層１０８、１１８にわたって広がる、ｐ型層１０６、１１４とｎ型層１１０、１２０との間に生成される電界により、電子がｎ型層１１０、１２０に向かって流れ、ホールがｐ型層に向かって流れ、電流をもたらす。アモルファスシリコンおよび微結晶シリコンが太陽光１０１の異なる波長を吸収するため、第１のｐ−ｉ−ｎ接合部１２６は、真性型アモルファスシリコン層１０８を含み、第２のｐ−ｉ−ｎ接合部１２８は真性型微結晶シリコン層１１８を含む。したがって、形成された太陽電池１００は、太陽光スペクトルのより広い部分を捕獲するため、より効率的である。アモルファスシリコンの真性層１０８、１１８と微結晶シリコンの真性層とは、アモルファスシリコンが微結晶シリコンよりバンドギャップが広いため、太陽光１０１がまず真性型アモルファスシリコン層１１８に突き当たり、ＷＳＲ層１１２を透過し、その後、真性型微結晶シリコン層１１８に突き当たるように積層されている。第１のｐ−ｉ−ｎ接合部１２６によって吸収されない太陽光は、連続的にＷＳＲ層１１２を透過し、第２のｐ−ｉ−ｎ接合部１２８まで進む。
【００２８】
水素ガス対シランガスの比が約２０：１以下であるガス混合物を提供することにより、真性アモルファスシリコン層１０８を堆積させることができる。シランガスを、約０．５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約７ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供することができる。水素ガスを、約５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約６０ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供することができる。シャワーヘッドに、約１５ｍＷ／ｃｍ２〜約２５０Ｗ／ｃｍ２のＲＦ電力を提供することができる。チャンバの圧力を、約０．５トール〜約５トール等、約０．１トール〜２０トールで維持することができる。真性型アモルファスシリコン層１０８の堆積速度は、約１００Å／分以上となる。例示的な実施形態では、真性型アモルファスシリコン層１０８を、約１２．５：１の水素対シラン比で堆積させる。
【００２９】
ｐ−ｉバッファ型真性アモルファスシリコン（ＰＩＢ）層１１６を、水素ガス対シランガスの比が約５０：１以下、たとえば約３０：１未満、たとえば約２５：１等の約２０：１〜約３０：１であるガス混合物を提供することによって堆積させることができる。シランガスを、約２．３ｓｃｃｍ／Ｌ等、約０．５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約５ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供することができる。水素ガスを、約２０ｓｃｃｍ／Ｌ〜約６５ｓｃｃｍ／Ｌ、たとえば約５７ｓｃｃｍ／Ｌ等、約５ｓｃｃｍ／Ｌ〜８０ｓｃｃｍ／Ｌ、の流量で提供することができる。シャワーヘッドに、約３０ｍＷ／ｃｍ２等、１５ｍＷ／ｃｍ２〜約２５０ｍＷ／ｃｍ２のＲＦ電力を提供することができる。チャンバの圧力を、約０．１トール〜２０トール、好ましくは約３トール等の約０．５トール〜約５トールで維持することができる。ＰＩＢ層の堆積速度は約１００Å／分以上となる。
【００３０】
水素対シランの比がで約２０：１〜約２００：１であるシランガスおよび水素ガスのガス混合物を提供することによって、真性型微結晶シリコン層１１８を堆積させることができる。シランガスを、約０．５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約５ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供することができる。水素ガスを、約４０ｓｃｃｍ／Ｌ〜約４００ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供することができる。いくつかの実施形態では、シラン流量を、堆積中に第１の流量から第２の流量まで増大させてもよい。いくつかの実施形態では、水素流量を、堆積中に第１の流量から第２の流量まで低減させてもよい。約３００ｍＷ／ｃｍ２以上、好ましくは６００ｍＷ／ｃｍ２以上のＲＦ電力を、約１トール〜約１００トール、好ましくは約３トール〜約２０トール、より好ましくは約４トール〜約１２トールのチャンバ圧力で与えることにより、概して、約２００Å／分以上、好ましくは約５００Å／分の速度で、結晶画分が約２０パーセント〜約８０パーセント、好ましくは約５５パーセント〜約７５パーセントである真性型微結晶シリコン層が堆積する。いくつかの実施形態では、与えられるＲＦ電力の電力密度を、堆積中に第１の電力密度から第２の電力密度まで増大または低減させることが有利であり得る。
【００３１】
別の実施形態では、真性型微結晶シリコン層１１８を、各々の結晶画分が異なる複数の段階で堆積させてもよい。一実施形態では、たとえば、水素対シランの比を、１００：１から９５：１、９０：１に、次いで８５：１に４段階で低減させてもよい。一実施形態では、シランガスを、約０．９７ｓｃｃｍ／Ｌ等、約０．１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約５ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供することができる。水素ガスを、約８０ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１０５ｓｃｃｍ／Ｌ等、約１０ｓｃｃｍ／Ｌ〜約２００ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供することができる。堆積が４段階等、複数段階で行われる例示的な実施形態では、水素ガス流を、第１の段階で約９７ｓｃｃｍ／Ｌで開始し、後続するプロセス段階でそれぞれ約９２ｓｃｃｍ／Ｌ、８８ｓｃｃｍ／Ｌおよび８３ｓｃｃｍ／Ｌまで徐々に低減させることができる。約１トール〜約１００トール、たとえば、約９トール等の約４トール〜約１２トール等、約３トール〜約２０トールのチャンバ圧力で、約４９０Ｗ／ｃｍ２等の約３００Ｗ／ｃｍ２以上のＲＦ電力を加えることにより、４００Å／分等、約２００Å／分以上の速度で真性型微結晶シリコン層が堆積する。
【００３２】
電荷収集は、概して、ｐ型ドーパントまたはｎ型ドーパントでドープされたシリコン層等、ドープ半導体層によって提供される。ｐ型ドーパントは、概して、ホウ素またはアルミニウム等のＩＩＩ族元素である。Ｎ型ドーパントは、概して、燐、ヒ素またはアンチモン等のＶ族元素である。大部分の実施形態では、ｐ型ドーパントとしてホウ素が用いられ、ｎ型ドーパントとして燐が用いられる。これらドーパントを、反応混合物にホウ素含有化合物またはリン含有化合物を含めることによって、上述したｐ型層１０６、１１４およびｎ型層１１０、１２０に加えることができる。適当なホウ素化合物および燐化合物は、概して、置換および非置換の低級ボランおよびホスフィンのオリゴマーを含む。いくつかの適当なホウ素化合物には、トリメチルホウ素（Ｂ（ＣＨ３）３すなわちＴＭＢ）、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）、三フッ化ホウ素（ＢＦ３）およびトリエチルホウ素（Ｂ（Ｃ２Ｈ５）３すなわちＴＥＢ）がある。ホスフィンは、最も一般的な燐化合物である。ドーパントは、概して、水素、ヘリウム、アルゴンおよび他の適当なガス等のキャリアガスによって提供される。水素がキャリアガスとして用いられる場合、それは、反応混合物における全水素を増大させる。したがって、水素比には、ドーパントに対するキャリアガスとして用いられる水素が含まれることになる。
【００３３】
ドーパントは、通常、不活性ガスにおける希釈ガス混合物として提供される。たとえば、ドーパントは、キャリアガスにおいて約０．５％のモル濃度または体積濃度で提供することができる。ドーパントが、１．０ｓｃｃｍ／Ｌで流れるキャリアガスにおいて０．５％の体積濃度で提供される場合、結果としてのドーパント流量は０．００５ｓｃｃｍ／Ｌとなる。ドーパントを、所望のドーピングの程度に応じて約０．０００２ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．１ｓｃｃｍ／Ｌの流量で反応チャンバに提供することができる。概して、ドーパント濃度は、約１０１８原子／ｃｍ２〜約１０２０原子／ｃｍ２で維持される。
【００３４】
一実施形態では、水素対シランの比が１０００：１以下等、約２００：１以上、たとえば約２５０：１〜約８００：１、さらなる例では約６０１：１または約４０１：１である水素ガスおよびシランガスのガス混合物を提供することにより、ｐ型微結晶シリコン層１１４を堆積させることができる。シランガスを、約０．２ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．３８ｓｃｃｍ／Ｌ等、約０．１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．８ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供することができる。水素ガスを、約１４３ｓｃｃｍ／Ｌ等、約６０ｓｃｃｍ／Ｌ〜約５００ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供することができる。ＴＭＢを、約０．００１１５ｓｃｃｍ／Ｌ等、約０．０００２ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．００１６ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供することができる。ＴＭＢがキャリアガスにおいて０．５％モル濃度または体積濃度で提供される場合、ドーパント／キャリアガス混合物を、約０．２３ｓｃｃｍ／Ｌ等、約０．０４ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．３２ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供することができる。約１トール〜約１００トール、好ましくは約３トール〜約２０トール、より好ましくは、約７トールまたは約９トール等、４トール〜約１２トールのチャンバ圧力で、約２９０ｍＷ／ｃｍ２〜約４４０ｍＷ／ｃｍ２等、約５０ｍＷ／ｃｍ２〜約７００ｍＷ／ｃｍ２のＲＦ電力を与えることにより、約１４３Å／分以上等、約１０Å／分以上で、微結晶層に対して結晶画分が約２０パーセント〜約８０パーセント、好ましくは５０パーセント〜約７０パーセントであるｐ型微結晶層が堆積する。
【００３５】
一実施形態では、水素ガス対シランガスの比が約２０：１以下であるガス混合物を提供することにより、ｐ型アモルファスシリコン層１０６を堆積させることができる。シランガスを、約１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１０ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供することができる。水素ガスを、約５ｓｃｃｍ／Ｌ〜６０ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供することができる。トリメチルホウ素を、約０．００５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．０５ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供することができる。トリメチルホウ素がキャリアガスにおいて０．５％モル濃度または体積濃度で提供される場合、ドーパント／キャリアガス混合物を、約１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１０ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供することができる。約０．１トール〜２０トール、好ましくは約１トール〜約４トールのチャンバ圧力で、約１５ｍＷ／ｃｍ２〜約２００ｍＷ／ｃｍ２のＲＦ電力を与えることにより、約１００Å／分以上でｐ型アモルファスシリコン層が堆積する。
【００３６】
一実施形態では、水素ガス対シランガスの比が約１５０：１〜約４００：１、たとえば約３０４：１または約２０３：１等、約５００：１以下等、約１００：１以上であるガス混合物を提供することにより、ｎ型微結晶シリコン層１１０を堆積させることができる。シランガスを、約０．３２ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．４５ｓｃｃｍ／Ｌ、たとえば約０．３５ｓｃｃｍ／Ｌ等、約０．１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．８ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供することができる。水素ガスを、約６８ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１４３ｓｃｃｍ／Ｌ、たとえば約７１．４３ｓｃｃｍ／Ｌ等、約３０ｓｃｃｍ／Ｌ〜約２５０ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供することができる。ホスフィンを、約０．００２５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．００１５ｓｃｃｍ／Ｌ、たとえば約０．００５ｓｃｃｍ／Ｌ等、約０．０００５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．００６ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供することができる。言い換えれば、ホスフィンがキャリアガスにおいて０．５％モル濃度または体積濃度で提供される場合、ドーパント／キャリアガスを、約０．５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約３ｓｃｃｍ／Ｌ、たとえば約０．９ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１．０８８ｓｃｃｍ／Ｌ等、約０．１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約５ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供することができる。約１トール〜約１００トール、好ましくは約３トール〜約２０トール、より好ましくは４トール〜約１２トール、たとえば約６トールまたは約９トールのチャンバ圧力で、約３７０ｍＷ／ｃｍ２等、約１００ｍＷ／ｃｍ２〜約９００ｍＷ／ｃｍ２のＲＦ電力を与えることにより、約１５０Å／分以上等、約５０Å／分以上の速度で、結晶画分が約２０パーセント〜約８０パーセント、好ましくは約５０パーセント〜約７０パーセントであるｎ型微結晶シリコン層が堆積する。
【００３７】
一実施形態では、水素ガス対シランガスの比が約５．５：１または約７．８：１等、約２０：１以下であるガス混合物を提供することにより、ｎ型アモルファスシリコン層１２０を堆積させることができる。シランガスを、約１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１０ｓｃｃｍ／Ｌ、約０．１ｓｃｃｍ／Ｌ〜５ｓｃｃｍ／Ｌ、または約０．５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約３ｓｃｃｍ／Ｌ、たとえば約１．４２ｓｃｃｍ／Ｌまたは５．５ｓｃｃｍ／Ｌ等、約０．１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１０ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供することができる。水素ガスを、約４ｓｃｃｍ／Ｌ〜約４０ｓｃｃｍ／Ｌまたは約１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１０ｓｃｃｍ／Ｌ、たとえば約６．４２ｓｃｃｍ／Ｌまたは２７ｓｃｃｍ／Ｌ等、約１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約４０ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供することができる。ホスフィンを、約０．００５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．００１５ｓｃｃｍ／Ｌまたは約０．００１５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．０３ｓｃｃｍ／Ｌ、たとえば約０．００９５ｓｃｃｍ／Ｌまたは０．０２３ｓｃｃｍ／Ｌ等、約０．０００５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約０．０７５ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供することができる。ホスフィンがキャリアガスにおいて０．５％モル濃度または体積濃度で提供される場合、ドーパント／キャリアガス混合物を、約０．１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約３ｓｃｃｍ／Ｌ、約２ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１５ｓｃｃｍ／Ｌ、または約３ｓｃｃｍ／Ｌ〜約６ｓｃｃｍ／Ｌ、たとえば約１．９ｓｃｃｍ／Ｌまたは約４．７１ｓｃｃｍ／Ｌ等、約０．１ｓｃｃｍ／Ｌ〜約１５ｓｃｃｍ／Ｌの流量で提供することができる。約０．１トール〜約２０トール、好ましくは約１．５トール等、約０．５トール〜約４トールのチャンバ圧力で、約６０ｍＷ／ｃｍ２または約８０ｍＷ／ｃｍ２等、約２５ｍＷ／ｃｍ２〜約２５０ｍＷ／ｃｍ２のＲＦ電力を与えることにより、約３００Å／分または約６００Å／分等、約２００Å／分以上等、約１００Å／分以上の速度で、ｎ型アモルファスシリコン層が堆積する。
【００３８】
いくつかの実施形態では、ドーパント化合物を高速で、たとえば上述した方法の上方の速度でドーパント化合物を供給することにより、層を高濃度ドープするかまたは縮退ドープすることができる。縮退ドーピングにより、低抵抗接触接合を提供することによって電荷収集が増大することが考えられる。縮退ドーピングは、アモルファス層等、いくつかの層の導電率を向上させることも考えられる。
【００３９】
いくつかの実施形態では、酸素、炭素、窒素、水素およびゲルマニウム等、他の元素とのシリコンの合金が有用であり得る。これら他の元素を、反応ガス混合物に各々の元素源を補完することによってシリコン膜に加えることができる。ｐ型、ｎ型、ＰＩＢ、ＷＳＲ層または真性型シリコン層を含む、任意のタイプのシリコン層でシリコンの合金を用いることができる。たとえば、メタン（ＣＨ４）等の炭素源をガス混合物に加えることによって、シリコン膜に炭素を加えることができる。概して、炭素源として、大部分のＣ１〜Ｃ４炭化水素を用いることができる。別法として、有機シラン、有機シロキサン、有機シラノール等、本技術分野において既知である有機シリコン化合物が、シリコン源および炭素源両方の役割を果たすことができる。ゲルマンおよび有機ゲルマン等のゲルマニウム化合物が、シリルゲルマンまたはゲルミルシラン等、シリコンおよびゲルマニウムを含む化合物とともに、ゲルマニウム源としての役割を果たすことができる。酸素ガス（Ｏ２）は、酸素源としての役割を果たすことができる。他の酸素源には、限定されないが、窒素の酸化物（亜酸化窒素−Ｎ２Ｏ、一酸化窒素−ＮＯ、三酸化二窒素−Ｎ２Ｏ３、二酸化窒素−ＮＯ２、四酸化二窒素−Ｎ２Ｏ４、五酸化二窒素−Ｎ２Ｏ５、三酸化窒素−ＮＯ３）、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）、一酸化炭素（ＣＯ）または二酸化炭素（ＣＯ２）、オゾン（Ｏ３）、酸素原子、酸素ラジカルおよびアルコール（ＲＯＨ、ここでＲは任意の有機基またはヘテロ有機基である）が含まれる。窒素源には、窒素ガス（Ｎ２）、アンモニア（ＮＨ３）、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ２）、アミン（ＲｘＮＲ’３−ｘ、ここでｘは０〜３であり、各ＲおよびＲ’は独立して任意の有機基またはヘテロ有機基である）、アミド（（ＲＣＯ）ｘＮＲ’３−ｘ、ここでｘは０〜３であり、各ＲおよびＲ’は独立して任意の有機基またはヘテロ有機基である）、イミド（ＲＣＯＮＣＯＲ’、ここで各ＲおよびＲ’は独立して任意の有機基またはヘテロ有機である）、エナミン（Ｒ１Ｒ２Ｃ＝Ｃ３ＮＲ４Ｒ５、ここで各Ｒ１〜Ｒ５は独立して任意の有機基またはヘテロ有機基である）ならびに窒素原子および窒素ラジカルがあり得る。
【００４０】
多くの実施形態では、前洗浄プロセスを用いて、上記層を堆積させるための基板および／または反応チャンバを準備することができることが留意されるべきである。水素またはアルゴンプラズマ前処理プロセスを行って、処理チャンバに約１５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約４０ｓｃｃｍ／Ｌ、たとえば約２０ｓｃｃｍ／Ｌ〜約３６ｓｃｃｍ／Ｌ等、約１０ｓｃｃｍ／Ｌ〜約４５ｓｃｃｍ／Ｌの水素ガスまたはアルゴンガスを供給することにより、基板および／またはチャンバ壁から汚染物質を除去することができる。一例では、水素ガスを約２１ｓｃｃｍ／Ｌで供給することができ、またはアルゴンガスを約３６ｓｃｃｍ／Ｌで供給することができる。処理は、水素処理には約２５ｍＷ／ｃｍ２〜約２５０ｍＷ／ｃｍ２、たとえば約６０ｍＷ／ｃｍ２または約８０ｍＷ／ｃｍ２等、約１０ｍＷ／ｃｍ２〜約２５０ｍＷ／ｃｍ２、アルゴン処理には約２５ｍＷ／ｃｍ２のＲＦ電力を与えることによって達成される。多くの実施形態では、ｐ型アモルファスシリコン層を堆積させる前にアルゴンプラズマ前処理プロセスを行い、他のタイプの層を堆積させる前に水素プラズマ前処理プロセスを行うことが有利であり得る。
【００４１】
一実施形態では、ＷＳＲ層１１２は、ｎ型微結晶シリコン層１１０の上に形成されたｎ型結晶シリコン合金層である。ＷＳＲ層１１２のｎ型結晶シリコン合金層は、微結晶、単結晶または多結晶であり得る。ｎ型結晶シリコン合金のＷＳＲ層１１２は、炭素、酸素、窒素またはそれらの任意の組合せ等、合金元素を含むことができる。それを、単一の均質層、１つまたは複数の徐々に変化する特性を有する単一層として、または層の積層体として堆積させることができる。徐々に変化する特性には、結晶化度、ドーパント濃度（たとえば燐）、合金材料（たとえば炭素、酸素、窒素）濃度、または誘電率、屈折率、導電率またはバンドギャップ等の他の特性があり得る。ｎ型結晶シリコン合金のＷＳＲ層１１２は、ｎ型炭化シリコン層、ｎ型酸化シリコン層、ｎ型窒化シリコン層およびｎ型酸窒化シリコン層、ｎ型炭酸化シリコン層および／またはｎ型窒化炭化酸化シリコンを含むことができる。
【００４２】
ｎ型結晶シリコン合金のＷＳＲ層１１２における二次成分の量は、化学量論比からある程度逸脱する可能性がある。たとえば、ｎ型炭化シリコン層は、約１原子％〜約５０原子％炭素を有することができる。ｎ型窒化シリコン層は、同様に、約１原子％〜約５０原子％窒素を有することができる。ｎ型酸化シリコン層は、約１原子％〜約５０原子％の酸素を有することができる。２つ以上の二次成分を含む合金では、二次成分の含有量は約１原子％〜約５０原子％であって、シリコン含有量が５０原子％〜９９原子％であり得る。二次成分の量を、処理チャンバ内の前駆体ガスの比を調整することによって調整することができる。それらの比を、層状構造体を形成するように段階的に、または徐々に変化する単一層を形成するように連続的に調整することができる。
【００４３】
ｎ型微結晶炭化シリコンのＷＳＲ層１１２を形成するために、ｎ型微結晶シリコン層に対する反応混合物にメタン（ＣＨ４）等の炭素含有ガスを加えることができる。一実施形態では、シラン流量に対する炭素含有ガス流量の比は、約０．２０〜約０．３５、たとえば約０．２５等、約０〜約０．５である。供給量におけるシランに対する炭素含有ガスの比を、堆積した膜における炭素の量を調整するように変更することができる。ＷＳＲ層１１２を、各々が異なる炭素含有量を有する複数の層で堆積させることができ、または炭素含有量を、堆積されたＷＳＲ層１１２を通して連続的に調整することができる。さらに、炭素およびドーパント含有量を、ＷＳＲ層１１２内で同時に調整し徐々に変化させることができる。ＷＳＲ層１１２を複数の積層として堆積させることは、形成された複数の層の各々が、複数の積層体がブラッグ反射器として動作するのを可能にする異なる屈折率を有することができ、それにより、短波長から中波長等、所望の範囲の波長にわたってＷＳＲ層１１２の反射率が大幅に増大する、という点で有利である。
【００４４】
上述したように、ｎ型結晶シリコン合金のＷＳＲ層１１２は、いくつかの利点を提供することができる。たとえば、ｎ型結晶シリコン合金のＷＳＲ層１１２を、半反射中間反射体層、第２のＷＳＲ反射体（たとえば、図５Ｂにおける参照数字５１２）として作用するか、または接合層として作用するように、太陽電池内の少なくとも３つの位置に配置することができる。接合層としてｎ型結晶シリコン合金のＷＳＲ層１１２を含めることにより、第１のｐ−ｉ−ｎ接合部１２６による短波長光の吸収が促進され、短絡電流が改善し、量子効率および変換効率が向上する。さらに、ｎ型結晶シリコン合金のＷＳＲ層１１２は、高導電率、バンドギャップおよび所望の反射率および透過率に対する屈折率等、所望の膜の光学特性および電気特性を有する。微結晶炭化シリコンは、たとえば、６０％を超える結晶画分、２電子ボルト（ｅＶ）のバンドギャップおよび０．０１ジーメンス／センチメートール（Ｓ／ｃｍ）を上回る導電率をもたらす。さらに、微結晶炭化シリコンを、厚さの変動を１０％未満で、１５０〜２００Å／分以上の速度で堆積させることができる。バンドギャップおよび屈折率を、反応混合物においてシランに対する炭素含有ガスの比を変更することによって調整することができる。調整可能な屈折率は、導電率の高い反射層の形成を可能にし、広いバンドギャップを有し、それにより電流の発生が増大する。
【００４５】
図２は、本発明の別の実施形態による単接合薄膜太陽電池２００の概略側面図である。図２の実施形態は、図１のｐ型アモルファスシリコン層１０６と第１のＴＣＯ層１０４との間にｐ型結晶シリコン合金層２０６が含まれることにより、図１の実施形態と異なる。別法として、ｐ型結晶シリコン合金層２０６は、ｐ型ドーパントが合金層２０６に高濃度ドープされている縮退ドープ層であり得る。したがって、図２の実施形態は、図１の第１のＴＣＯ層１０４に類似するＴＣＯ層等の導電層２０４が形成される基板２０１を備える。上述したように、導電層２０４の上にｐ型結晶シリコン合金層２０６が形成される。ｐ型結晶シリコン合金層２０６は、ドーピング濃度が低いことによる改善されたバンドギャップ、概して縮退ドープ層のものより低い調整可能な屈折率、高導電率、および合金成分を含むことによる酸素攻撃に対する抵抗力を有する。ｐ型アモルファスシリコン層２０８、ＰＩＢ層２１０、真性アモルファスシリコン層２１２およびｎ型アモルファスシリコン層２１４を形成することにより、ｐ型結晶シリコン合金層２０６の上にｐ−ｉ−ｎ接合部２２０が形成される。図２の太陽電池２００は、上述した実施形態と同様に、図１のＷＳＲ層１１２に類似するｎ型結晶シリコン合金層２１６と、図１の導電層１２２、１２４に類似する、金属または金属／ＴＣＯ積層体であり得る第２の導電層２１８とにより完成する。
【００４６】
図３は、本発明の別の実施形態によるタンデム接合薄膜太陽電池３００の概略側面図である。図３の実施形態は、第１の導電層３０４とｐ型アモルファスシリコン合金層３０８との間に第１のｐ型結晶シリコン合金層３０６が含まれることにより、図１の実施形態とは異なる。別法として、第１のｐ型結晶シリコン合金層３０６は、形成されたアモルファスシリコン層内にｐ型ドーパントが配置されている縮退ドープｐ型アモルファスシリコン層であってもよい。一実施形態では、図３に示すように、上述した実施形態の基板に類似する基板３０１は、導電層３０４、第１のｐ型結晶シリコン合金層３０６、ｐ型アモルファスシリコン合金層３０８およびその上に形成された第１のＰＩＢ層３１０を備えている。第１のＰＩＢ層３１０を任意に形成してもよい。一例では、タンデム接合薄膜太陽電池３００の第１のｐ−ｉ−ｎ接合部３２８は、真性アモルファスシリコン層３１２、導電層３０４の上のｎ型アモルファスシリコン層３１４、第１のｐ型結晶シリコン合金層３０６およびｐ型アモルファスシリコン合金層３０８を形成することによって完成する。第１のｐ−ｉ−ｎ接合部３２８と第２のｐ−ｉ−ｎ接合部３３０との間にＷＳＲ層３１６を形成することができる。そして、ＷＳＲ層３１６の上に、第２のｐ型結晶シリコン合金層３１８、第２のＰＩＢ層３２０、真性結晶シリコン層３２２および第２のｎ型結晶シリコン合金層３２４を有する第２のｐ−ｉ−ｎ接合部３３０が形成される。第２のｐ−ｉ−ｎ接合部は、図１の太陽電池１００の第２のｐ−ｉ−ｎ接合部１２８に類似している。図１で述べたＷＳＲ層１１２と同様に、ＷＳＲ層３１６は、第１のｐ−ｉ−ｎ接合部３２８の上に形成されるｎ型結晶シリコン合金であり得る。太陽電池３００は、第２のｎ型結晶シリコン合金層３２４の上に第２のコンタクト層３２６を追加することによって完成する。上述したように、第２のコンタクト層３２６は、金属層または金属／ＴＣＯ積層体層であり得る。
【００４７】
図４は、本発明の別の実施形態による結晶太陽電池４００の概略側面図である。図４の実施形態は、結晶シリコン合金層４０４が形成される半導体基板４０２を備えている。結晶シリコン合金層４０４を、本明細書で開示する実施形態および方法のうちの任意のものにしたがって形成することができ、それは、単一合金層かまたは合金層の多層積層体であり得る。結晶シリコン合金層４０４は、上述したように調整可能な低屈折率を有し、反射率を増大させるように構造化されてもよく、それにより、結晶シリコン合金層４０４は、上に形成された結晶太陽電池４０６に対する背面反射体層としての役割を果たすことができる。図４の実施形態では、層の構造に応じて、結晶シリコン合金層４０４を任意の好都合な厚さで形成することができる。単一層実施形態は、約１，０００Å〜約２，０００Å、たとえば約１，５００Å等、約５００Å〜約５，０００Åの厚さを有することができる。多層構造は、各々の厚さが約１００Å〜約１，０００Åである複数の層を特徴とすることができる。
【００４８】
図５Ａは、本発明の別の実施形態によるタンデム接合薄膜太陽電池５００の概略側面図である。図５の実施形態は、図１の構造と同様であり、基板１０２の上に配置された第１のＴＣＯ層１０４と、２つの形成されたｐ−ｉ−ｎ接合部５０８、５１０とを有している。第１のｐ−ｉ−ｎ接合部５０８と第２のｐ−ｉ−ｎ接合部５１０との間にＷＳＲ層１１２が配置される。一実施形態では、ＷＳＲ層１１２は、ＳｉＯ２、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、ＳｉＣＮ、ＳｉＯＣ、ＳｉＯＣＮ等のｎ型ドープシリコン合金層であり得る。例示的な実施形態では、ＷＳＲ層１１２はｎ型ＳｉＯＮまたはＳｉＣ層である。
【００４９】
さらに、第２のｐ−ｉ−ｎ接合部５１０と第２のＴＣＯ層１２２またはメタルバック層１２４との間に、第２のＷＳＲ層５１２（たとえば、または背面反射体層と呼ばれる）もまた配置することができる。第２のＷＳＲ層５１２は、上述した第１のＷＳＲ層１１２と同様の膜特性を有することができる。第１のＷＳＲ層１１２が、望ましくは短波長の光を第１のｐ−ｉ−ｎ接合部５０８に反射し、長波長の光が第２のｐ−ｉ−ｎ接合部５０８まで通過できるようにするように、第２のＷＳＲ層５１２は、長波長の光を第２のｐ−ｉ−ｎ接合部５１０に戻るように反射し、第２のＷＳＲ層５１２までの電流の流れを促進するように電気抵抗が低い。一実施形態では、第２のＷＳＲ層５１２は、高い膜反射率に対して高い膜導電率および高い屈折率を有する一方で、第２のＴＣＯ層１２２に対して低い一定の抵抗を有する。したがって、高い反射率とともに隣接する層に対する接触抵抗および低い屈折率を有する第２のＷＳＲ層５１を形成することが望ましい。実施形態では、第２のＷＳＲ層５１２は、通常、ＳｉＣ層はｎ型酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）層に比較して導電率が高いため、炭素ドープｎ型シリコン合金層（ＳｉＣ）を有している。場合によっては、ｎ型ＳｉＯＮ層は通常ｎ型ＳｉＣ層より屈折率が低いため、第１のＷＳＲ層１１２または第２のＷＳＲ層５１２はｎ型ＳｉＯＮ層から形成される。
【００５０】
一実施形態では、第１のＷＳＲ層１１２は、屈折率が約２等、約１．４〜約４であることが望ましく、第２のＷＳＲ層５１２は、屈折率が約２等、約１．４〜約４であることが望ましい。第１のＷＳＲ層１１２は、導電率が約１０−９Ｓ／ｃｍを上回ることが望ましく、第２のＷＳＲ層５１２は、導電率が約１０−４Ｓ／ｃｍを上回ることが望ましい。
【００５１】
図１に示す第１のｐ−ｉ−ｎ接合部１２６と同様に、第１のｐ−ｉ−ｎ接合部５０８は、ｐ型アモルファスシリコン層１０６、真性型アモルファスシリコン層１０８およびｎ型微結晶シリコン層１１０を含む。図２および図３に示す構造と同様に、導電層１０４の上に縮退ドープｐ型アモルファスシリコン層５０２（高濃度ドープｐ型アモルファスシリコン層）が形成される。さらに、真性アモルファスシリコン層１０８とｎ型微結晶シリコン層１１０との間に、ｎ型アモルファスシリコンバッファ層５０４が形成される。ｎ型アモルファスシリコンバッファ層５０４は、約１０Å〜約２００Åの厚さで形成される。ｎ型アモルファスシリコンバッファ層５０４は、真性型アモルファスシリコン層１０８とｎ型微結晶シリコン層１１０との間に存在すると考えられるバンドギャップオフセットを埋めるのに役立つと考えられる。したがって、ｎ型アモルファスシリコンバッファ層５０４を追加することにより、電流収集が増大するため電池効率が向上すると考えられる。
【００５２】
図１の第２のｐ−ｉ−ｎ接合部１２８に類似する第２のｐ−ｉ−ｎ接合部５１０は、ｐ型微結晶シリコン層１１４と、ｐ型微結晶シリコン層１１４の上に形成され得る任意のｐ−ｉバッファ型真性アモルファスシリコン（ＰＩＢ）層１１６とを備えている。概して、任意のｐ−ｉバッファ型真性アモルファスシリコン（ＰＩＢ）層１１６の上に真性型微結晶シリコン層１１８が形成され、真性型微結晶シリコン層１１８の上にｎ型アモルファスシリコン層１２０が形成される。さらに、縮退ドープｎ型アモルファスシリコン層４０６を主に高濃度ドープｎ型アモルファスシリコン層として形成することにより、第２のＴＣＯ層１２２とのオーミック接触を向上させることができる。一実施形態では、高濃度ドープされたｎ型アモルファスシリコン層４０６は、ドーパント濃度が約１０２０原子／立方センチメートール〜約１０２１原子／立方センチメートールである。
【００５３】
図５Ｂは、本発明の別の実施形態によるタンデム接合薄膜太陽電池５００に形成された第１のＷＳＲ層１１２および第２のＷＳＲ層５１２の断面図を示す。一実施形態では、第１のＷＳＲ層１１２および第２のＷＳＲ層５１２を各々、層１１２ａ、１１２ｂおよび層５１２ａ、５１２ｂ等の複数の堆積された層から形成することにより、種々の波長の光の反射および／または透過を形成された太陽電池５００の種々の部分に適応させることができる。たとえば、第１のＷＳＲ層１１２の層１１２ａ〜１１２ｂは、各々、屈折率が異なることにより、有効に１つまたは複数の所望の波長（たとえば短波長〜中波長）の光を反射し、他の波長（たとえば中波長〜長波長）を透過させることができる。層１１２ａ〜１１２ｂを透過する波長を、後に、第２のＷＳＲ層５１２によって第２のｐ−ｉ−ｎ接合部５１０に戻るように反射することができる。屈折率を選択的に調整することにより、ＷＳＲ層１１２、５１２に見られる複数の層の各々を、各々、太陽電池の望ましい領域において入射光の吸収を最大限にするように、種々の波長の光を選択的に反射するかまたは透過させるように適応させることができ、それにより電流発生が増大し太陽電池効率が向上する。図５Ｂは、ＷＳＲ層１１２および５１２が各々２つの層を備える構成を示すが、この構成は、本明細書で説明する本発明の範囲に関して限定するものであるようには意図されておらず、概して、ＷＳＲ層が２つ以上の積層を備える構成を単に示すことが意図されている。図６Ａは、２つ以上の積層の１つの構成を示し、それについてはさらに後述する。
【００５４】
一実施形態では、層１１２ａ〜１１２ｂ、５１２ａ〜５１２ｂ内の各隣接する層は、屈折率コントラストが高く厚さが異なるように構成されている。層１１２ａ〜１１２ｂ、５１２ａ〜５１２ｂに含まれる層の屈折率コントラストが高くかつ厚さが異なることは、形成された層１１２ａ〜１１２ｂ、５１２ａ〜５１２ｂの光学特性の調整に役立つことができる。一実施形態では、層１１２ａ〜１１２ｂおよび５１２ａ〜５１２ｂは、それぞれｎ型層１１０、ｐ型層１１４および第２のＴＣＯ層１２２等、隣接して配置される層との屈折率コントラストが高いようにも構成されている。概して、屈折率コントラストという用語は、通常屈折率比として示す、隣接する層の屈折率の差の程度を述べるように意図されている。したがって、低屈折率コントラストとは、隣接する層の間に屈折率のわずかな差しかないことを意味し、高屈折率コントラストとは、隣接する材料の屈折率の差が大きい場合である。一例では、層１１２ａ〜１１２ｂおよび層５１２ａ〜５１２ｂの光学特性は、種々の波長の光を反射しかつ透過させるように構成されている。一実施形態では、層１１２ａ〜１１２ｂ、５１２ａ〜５１２ｂは、約５５０ｎｍ〜約１１００ｎｍの波長の光を反射するように構成されている。一実施形態では、第１のＷＳＲ層１１２は、約５５０ｎｍ〜約８００ｎｍの波長の光を反射するように構成され、第２のＷＳＲ５１２は、約７００ｎｍ〜約１１００ｎｍの波長の光を反射するように構成されている。一実施形態では、第１の層１１２ａは、屈折率がより低いように構成され、第２の層１１２ｂは、屈折率がより高いように構成されている。たとえば、第１の層１１２ａの材料は、第２の層１１２ｂに対して選択された材料（たとえばＳｉ）より屈折率が低いように選択される（たとえば、ＳｉＣ、ＳｉＯｘ、ＳｉｘＯｙＮｚ）。第１の層１１２ａの厚さは、第２の層１１２ｂの厚さより厚いように構成されている。一実施形態では、第１の層１１２ａに対する第２の層１１２ｂの屈折率比（第２の層の屈折率／第１の層の屈折率）は、約１．５を上回る等、約１．２を上回るように制御される。一実施形態では、第１の層１１２ａは屈折率が約１．４〜約２．５であり、第２の層１１２ｂは、屈折率が約３〜約４である。第２の層１１２ｂに対する第１の層１１２ａの厚さの比（第１の層の厚さ／第２の層の厚さ）は、約１．５を上回る等、約１．２を上回るように制御される。
【００５５】
一実施形態では、第１の層１１２ａは、厚さが約７５Å〜約７５０Åであるｎ型微結晶シリコン合金層であり、第２の層１１２ｂは、厚さが約５０Å〜約５００Åであるｎ型微結晶シリコン層である。しかしながら、ＷＳＲ層の光学特性の変更を、他の技法（すなわち、交互の第１の層１１２ａおよび第２の層１１２ｂの厚さをそれぞれλ／４ｎ（Ｓｉ）およびλ／４ｎ（Ｓｉ合金）であるように変更する以外の技法）によって行うことも可能である。それは、反射率が高く吸収損失が許容可能である周期的構造体を、第１の層１１２ａおよび第２の層１１２ｂ、または一連の繰り返す第１の層および第２の層を形成することによって形成することができ、それらの層は、その接触面に、ＷＳＲ層構造の光学特性を全体として変更するために用いられる屈折率の不連続性があるためである。一実施形態では、第１の層１１２ａは、厚さが約４５０Åである、ＳｉＣ層またはＳｉＯＮ層等のｎ型微結晶シリコン合金層であり、第２の層１１２ｂは、厚さが約３００Åであるｎ型微結晶シリコン層である。同様に、第２のＷＳＲ層５１２を、第１の層５１２ａと第２の層５１２ｂとの間で屈折率コントラストが高くかつ厚さが異なるように同様に構成することができる。第２のＷＳＲ層５１２を第１のＷＳＲ層１１２のように同様に構成することができることが考えられるため、簡潔にするために、本明細書では第２のＷＳＲ層５１２の説明はこれ以上行わない。
【００５６】
図５Ｂは、第１の層１１２ａおよび第２の層１１２ｂ等、２つの層の対のみを示す。図６Ａに示すように、第１の層１１２ａおよび第２の層１１２ｂの対を複数回繰返し形成することにより、ＷＳＲ層１１２を形成する第１の多層積層体を形成することができることに留意されたい。一実施形態では、第１のＷＳＲ層１１２は、第１の層１１２ａ１、１１２ａ２、１１２ａ３および第２の層１１２ｂ１、１１２ｂ２、１１２ｂ３の複数の対を有することができる。一実施形態では、図６Ａに示すように、第１の層および第２の層の３つの対が示されている。対における形成された第１の層１１２ａ１〜１１２ｂ３および第２の層１１２ｂ１〜１１２ｂ３の各々は、異なる屈折率および異なる厚さを有することができる。たとえば、層１１２ａ１、１１２ｂ１の第１の対は、約１．５を上回る等、約１．２を上回る、第２の層１１２ｂ１の第１の層１１２ａ１に対する屈折率比を有することができる。対照的に、層１１２ａ１、１１２ｂ１の第１の対は、約１．５を上回る等、約１．２を上回る第１の層１１２ａの第２層１１２ｂ１に対する厚さの比を有することができる。層１１２ａ２、１１２ｂ２の第２の対は、第１の対１１２ａ１、１１２ｂ１と比較して、高いかまたは低い屈折率比を有することにより、第１のＷＳＲ層１１２による光の反射に役立つことができる。さらに、層１１２ａ３、１１２ｂ３の第３の対は、第１の対１１２ａ１、１１２ｂ１および第２の対１１２ａ２、１１２ｂ２と比較して、さらに高いかまたは低い屈折率コントラストを有することができる。
【００５７】
一実施形態では、第１のＷＳＲ層１１２に、層１１２ａ、１１２ｂの３つの対を形成することができる。別の実施形態では、第１のＷＳＲ層１１２は、層１１２ａ、１１２ｂの最大５つの対を有することができる。さらに別の実施形態では、第１のＷＳＲ層１１２は、必要に応じて層１１２ａ、１１２ｂの６つ以上の対を有することができる。別法として、第１の対１１２ａ１、１１２ｂ１、第２の対１１２ａ２、１１２ｂ２および第３の対１１２ａ３、１１２ｂ３は、各対の屈折率コントラストおよび厚さ変動が類似している層の繰返しの対を含むことができる。所与の波長に対する屈折率を、屈折率の期間および比を調整することによって最適化することができ、それにより所望の波長選択反射体がもたらされる。
【００５８】
一実施形態では、層の第１の対における第１の層１１２ａ１は、約２．５の屈折率および約１５０Åの厚さを有することができ、第２の層１１２ｂ１は、約３．８の屈折率および約１００Åの厚さを有する。層の第２の対における第２の層１１２ａ２は、約２．５の屈折率および約１５０Åの厚さを有することができ、層の第２の対における第２の層１１２ｂ２は、約３．８の屈折率および約１００Åの厚さを有する。層の第３の対の第３の層１１２ａ３は、約２．５の屈折率および約１５０Åの厚さを有することができ、層の第３の対の第２の層１１２ｂ２は、約３．８の屈折率および約１００Åの厚さを有する。一例では、第１のＷＳＲ層１１２の全厚さは、約７５０Åで制御される。
【００５９】
図６Ｂは、光反射、電流収集および光透過を改善するために用いることができるＷＳＲ層１１２の別の構成を示す。この特定の実施形態では、ＷＳＲ層１１２は、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ等、屈折率の低い、図６Ｂに示す複数の等、１つまたは複数の絶縁層を備えている。ＷＳＲ層１１２を形成するために用いられるドーパントまたは合金元素は、膜の導電率を向上させることができるが、逆に吸収損失を増大させる可能性があり、それにより、形成された太陽電池における種々の接合部間の光反射率および透過率が低減する可能性がある。したがって、一実施形態では、ＷＳＲ層１１２に、開口部６０２、または特徴、溝もしくはパターニング領域のアレイを形成することが望ましく、それらにより、導電率がより高い、後に堆積した層（たとえば参照数字１１４）が、ＷＳＲ層１１２を通して、発生した電流の大部分を伝達することができる一連の分路６０２Ａを形成することができる。したがって、ＷＳＲ層１１２および一連の形成された分路６０２Ａを組み合わせて使用して、ＷＳＲ層１１２の望ましい光学特性を利用し、一方で、形成された分路６０２Ａを用いることにより、ＷＳＲ層にわたり（たとえば層厚さにわたり）直列抵抗も低減させる。この構成は、ＷＳＲ層１１２が、主にそれらの光学特性（たとえば反射特性および／または透過特性）に必要である１つまたは複数の高抵抗層または誘電層を備える場合に有用であり得る。
【００６０】
一例では、ＷＳＲ層は、２を下回る等、屈折率の低い絶縁層を含む。後に、絶縁ＷＳＲ層１１２は、絶縁ＷＳＲ層１１２内に穴、溝、溝穴または他の成形開口部のアレイを形成するようにパターニングされる。概して、開口部６０２のアレイは、ＷＳＲ層１１２にわたる平均抵抗を望ましいレベルまで低下させるために十分な密度およびサイズ（たとえば直径）を有し、一方で、ＷＳＲ層が所望の光学特性を保持することを確実にする。パターニングプロセスおよびパターニングプロセスを行うために利用することできる適当なパターニングチャンバに関するさらなる詳細については、図９を参照して後述する。一例では、開口部６０２には、ｐ型微結晶シリコン層１１４が充填され、それは、より絶縁性のＷＳＲ層１１２の上に配置されて分路６０２Ａを形成する。この構成では、屈折率のより低いＷＳＲ層１１２を選択することにより、ＷＳＲ層１１２内の１つまたは複数の層の光学特性を得ることができる。形成された開口部をｐ型微結晶シリコン層１１４で充填することにより、形成されたＷＳＲ層１１２にわたる平均抵抗を低減させることができ、それにより、パターニングされたＷＳＲ層１１２の平均光学特性および平均電気特性と形成された太陽電池デバイスの効率とが向上する。一実施形態では、絶縁ＷＳＲ層１１２は、ｐ型微結晶シリコン層１１４が形成されている酸化シリコン層である。
【００６１】
タンデム接合実施形態、および／またはいくつかの実施形態では３接合実施形態は、さまざまな層に含まれるタイプの合金材料の可能な変形を予期している。たとえば、一実施形態では、１つのｐ−ｉ−ｎ接合の層は合金材料として炭素を用いることができ、別のｐ−ｉ−ｎ接合の層はゲルマニウム含有材料を含むことができる。たとえば、図１、図５Ａ〜図５Ｂの実施形態では、結晶合金のＷＳＲ層１１２はシリコンおよび炭素の合金を含むことができ、一方で、第１のｐ−ｉ−ｎ接合部１２６、５０８および第２のｐ−ｉ−ｎ接合部１２８、５１０の層は、シリコンおよびゲルマニウムの合金を含むことができ、その逆も可能である。最後に、図１および図５Ａ〜図５Ｂの実施形態は、真性層のうちの１つが合金層でない変形も予期している。たとえば、図１および図５Ａ〜図５Ｂの代替実施形態では、層１０８、１１８は真性微結晶シリコン層であって合金層ではない。こうした変形により、電池の吸収特性が広がり、電界分離能力が向上する。
【実施例】
【００６２】
２８０Åの微結晶炭化シリコンのｎ層で構成された単接合太陽電池は、９．４％の変換効率（ＣＥ）とともに、１３．６ミリアンペア／立方センチメートール（ｍＡ／ｃｍ２）（量子効率（ＱＥ）測定値から得られた１３．４ｍＡ／ｃｍ２等）の短絡電流（Ｊｓｃ）および７３．９％の曲線因子（ＦＦ）を示した。比較して、微結晶シリコンを用いる同様の電池は、１３．２ｍＡ／ｃｍ２（ＱＥ測定値から得られる１３．０ｍＡ／ｃｍ２等）のＪｓｃ、７３．６％のＦＦおよび９．０％のＣＥを示した。さらに比較して８０Åが縮退ドープされているアモルファスシリコンのｎ層は、１３．１ｍＡ／ｃｍ２（ＱＥ測定値から得られる１２．７ｍＡ／ｃｍ２等）のＪｓｃ、７４．７％のＦＦおよび９．０のＣＥを示した。
【００６３】
２７０Åの微結晶炭化シリコンを含む底部電池ｎ層と、１００Åのｎ型アモルファスシリコンおよび２５０Åのｎ型微結晶炭化シリコンを含む上部電池ｎ層とを有する、タンデム接合太陽電池を構成した。底部電池は、７００ｎｍの波長で９．６９Ａ／ｃｍ２のＪｓｃおよび５８％のＱＥを示した。上部電池は、５００ｎｍの波長で１０．８２Ａ／ｃｍ２のＪｓｃおよび７８％のＱＥを示した。２７０Åのｎ型微結晶炭化シリコンを含む底部電池ｎ層と、５０Åのｎ型アモルファスシリコンおよび２５０Åのｎ型微結晶炭化シリコンを含む上部電池ｎ層とを有する、別のタンデム接合太陽電池を構成した。底部電池は、７００ｎｍの波長で９．６２Ａ／ｃｍ２のＪｓｃおよび５８％のＱＥを示した。上部電池は、５００ｎｍの波長で１０．８６Ａ／ｃｍ２のＪｓｃおよび７８％のＱＥを示した。比較として、２７０Åのｎ型微結晶シリコンを含む底部電池ｎ層と、２００Åのｎ型アモルファスシリコンおよび９０Åの縮退ドープ（ｎ型）アモルファスシリコンを含む上部電池ｎ層とを有する、タンデム接合太陽電池を構成した。底部電池は、７００ｎｍの波長で９．００Ａ／ｃｍ２のＪｓｃおよび５３％のＱＥを示した。上部電池は、５００ｎｍの波長で１０．６９Ａ／ｃｍ２のＪｓｃおよび５６％のＱＥを示した。したがって、炭化シリコンを使用することにより、両電池において、特に底部電池において顕著に吸収が増大した。
【００６４】
システムおよび装置構成
図７は、図１〜図４の太陽電池等、薄膜太陽電池の１つまたは複数の膜を堆積することができる、プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）チャンバ７００の一実施形態の概略断面図である。１つの適当なプラズマ化学気相成長チャンバは、Ｓａｎｔａ  Ｃｌａｒａ、ＣＡに位置するＡｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から入手可能である。本発明を実施するために、他の製造業者のものを含む他の堆積チャンバを利用することができることが考えられる。
【００６５】
チャンバ７００は、概して、壁７０２、底部７０４およびシャワーヘッド７１０と、プロセス容積７０６を画定する基板支持体７３０とを有している。プロセス容積には、基板をチャンバ７００内にかつそこから搬送することができるように、弁７０８を介してアクセスされる。基板支持体７３０は、基板を支持する基板受入面７３２と、基板支持体７３０を上昇させかつ下降させるように昇降システム７３６に結合された心棒７３４とを有している。基板１０２の周囲にわたって、シャドーリング７３３を任意に配置することができる。基板を基板受入面７３２にまたはそこから移動させるために、基板支持体７３０を通ってリフトピン７３８が移動可能に配置されている。基板支持体７３０は、基板支持体７３０を所望の温度で維持するように加熱素子および／または冷却素子７３９も有することができる。基板支持体７３０はまた、基板支持体７３０の周囲にＲＦ接地を提供する接地ストラップ７３１も有することができる。
【００６６】
シャワーヘッド７１０は、懸垂具７１４によって裏当て板７１２の周辺部に結合されている。シャワーヘッド７１０を、シャワーヘッド７１０のたるみを防止しかつ／または直線性／湾曲を制御するのに役立つように、１つまたは複数の中心支持体７１６によっても裏当て板に結合することができる。裏当て板７１２にガス源７２０が結合されることにより、ガスを、裏当て板７１２を通りかつシャワーヘッド７１０を通って基板受入面７３２に提供する。チャンバ７００に真空ポンプ７０９が結合されることにより、所望の圧力でプロセス容積７０６を制御する。裏当て板７１２にかつ／またはシャワーヘッド７１０にＲＦ電源７２２が結合されることにより、シャワーヘッド７１０にＲＦ電力が提供され、それにより、シャワーヘッド７１０と基板支持体７３０との間にガスからプラズマが生成されるように、シャワーヘッドと基板支持体７３０との間に電界が生成される。約０．３ＭＨｚ〜約２００ＭＨｚの周波数等、さまざまなＲＦ周波数を使用することができる。一実施形態では、１３．５６ＭＨｚの周波数でＲＦ電源が提供される。
【００６７】
ガス源と裏当て板との間には、誘導結合されたリモートプラズマ源等のリモートプラズマ源７２４も結合することができる。基板を処理する合間に、リモートプラズマ源７２４に洗浄ガスを提供することができ、それにより、リモートプラズマが生成されてチャンバ構成要素を洗浄するために提供される。洗浄ガスを、シャワーヘッドに提供されるＲＦ電源７２２によってさらに励起することができる。適当な洗浄ガスには、限定されないがＮＦ３、Ｆ２およびＳＦ６がある。
【００６８】
図１〜図４の層のうちの１つまたは複数等、１つまたは複数の層に対する堆積方法は、図６のプロセスチャンバまたは他の適当なチャンバにおける以下の堆積パラメータを含むことができる。チャンバには、表面積が１０，０００ｃｍ２以上、好ましくは４０，０００ｃｍ２以上、より好ましくは５５，０００ｃｍ２以上の基板が提供される。処理後、基板を切断してより小さい太陽電池を形成することができることを理解されたい。
【００６９】
一実施形態では、加熱素子および／または冷却素子７３９を、堆積中に約４００℃以下、好ましくは約１００℃〜約４００℃、より好ましくは、約２００℃等、約１５０℃〜約３００℃の基板支持温度を提供するように設定することができる。
【００７０】
堆積中、基板受入面７３２上に配置される基板の上面とシャワーヘッド７１０との間隔は、４００ミル〜約１，２００ミル、好ましくは４００ミル〜約８００ミルであり得る。
【００７１】
図８は、図７のＰＥＣＶＤチャンバ７００、またはシリコン膜を堆積させることができる他の適当なチャンバ等の複数のプロセスチャンバ８３１〜８３７を有するプロセスシステム８００の一実施形態の概略上面図である。プロセスシステム８００は、ロードロックチャンバ８１０およびプロセスチャンバ８３１〜８３７に結合された搬送チャンバ８２０を有している。ロードロックチャンバ８１０により、基板をシステム外の周囲環境と搬送チャンバ８２０およびプロセスチャンバ８３１〜８３７内の真空環境との間で搬送することができる。ロードロックチャンバ８１０は、１つまたは複数の基板を保持する１つまたは複数の排気可能領域を有している。排気可能領域は、基板がシステム８００内に投入されている間は真空排気され（ｐｕｍｐｅｄ  ｄｏｗｎ）、基板がシステム８００から取り出されている間は通気される（ｖｅｎｔｅｄ）。搬送チャンバは８２０には、ロードロックチャンバ８１０とプロセスチャンバ８３１〜８３７との間で基板を搬送するように適合された少なくとも１つの真空ロボット８２２が配置されている。図８には７つのプロセスチャンバを示すが、本システムは任意の適当な数のプロセスチャンバを有することができるため、この構成は本発明の範囲を限定するようには意図されていない。
【００７２】
本発明のいくつかの実施形態では、システム８００は、多接合太陽電池の第１のｐ−ｉ−ｎ接合（たとえば参照数字１２６、３２８、５０８）を堆積するように構成されている。一実施形態では、プロセスチャンバ８３１〜８３７のうちの１つは、第１のｐ−ｉ−ｎ接合部のｐ型層（複数可）を堆積させるように構成され、残りのプロセスチャンバ８３１〜８３７は、各々、真性型層（複数可）およびｎ型層（複数可）の両方を堆積させるように構成される。第１のｐ−ｉ−ｎ接合部の真性型層（複数可）およびｎ型層（複数可）を、堆積ステップの間にいかなるパッシベーションプロセスもなしに同じチャンバ内で堆積させることができる。したがって、一構成では、基板はロードロックチャンバ８１０からシステムに入り、その後、真空ロボットによって、ｐ型層（複数可）を堆積させるように構成された専用のプロセスチャンバ内に搬送される。次に、ｐ型層を形成した後、基板は、真空ロボットにより、真性型層（複数可）およびｎ型層（複数可）の両方を堆積させるように構成された残りのプロセスチャンバのうちの１つに搬送される。真性型層（複数可）およびｎ型層（複数可）を形成した後、基板は、真空ロボット８２２によりロードロックチャンバ８１０に戻るように搬送される。いくつかの実施形態では、プロセスチャンバによりｐ型層（複数可）を形成するように基板を処理する時間は、単一チャンバ内で真性型層（複数可）およびｎ型層（複数可）を形成する時間より、およそ４倍以上、好ましくは６倍以上高速である。したがって、システムのいくつかの実施形態では、第１のｐ−ｉ−ｎ接合部を堆積させるために、ｐチャンバのｉ／ｎチャンバに対する比は１：４以上、好ましくは１：６以上である。プロセスチャンバのプラズマ洗浄を提供する時間を含むシステムのスループットは、約１０基板／時間以上、好ましくは２０基板／時間以上であり得る。
【００７３】
本発明のいくつかの実施形態では、システム８００は、多接合太陽電池の第２のｐ−ｉ−ｎ接合部（たとえば参照数字１２８、３３０、５１０）を堆積させるように構成されている。一実施形態では、プロセスチャンバ８３１〜８３７のうちの１つは、第２のｐ−ｉ−ｎ接合部のｐ型層（複数可）を堆積させるように構成され、残りのプロセスチャンバ８３１〜８３７は、各々、真性型層（複数可）およびｎ型層（複数可）の両方を堆積させるように構成されている。第２のｐ−ｉ−ｎ接合部の真性型層（複数可）およびｎ型層（複数可）を、堆積ステップの間にいかなるパッシベーションプロセスもなしに同じチャンバ内で堆積させることができる。いくつかの実施形態では、プロセスチャンバによりｐ型層（複数可）を形成するように基板を処理する時間は、単一チャンバ内で真性型層（複数可）およびｎ型層（複数可）を形成する時間よりおよそ４倍以上高速である。したがって、システムのいくつかの実施形態では、第２のｐ−ｉ−ｎ接合部を堆積させるために、ｐチャンバのｉ／ｎチャンバに対する比は１：４以上、好ましくは１：６以上である。プロセスチャンバのプラズマ洗浄を提供する時間を含むシステムのスループットは、約３基板／時間以上、好ましくは５基板／時間以上であり得る。
【００７４】
本発明のいくつかの実施形態では、システム８００は、図１、図５Ａ〜図５Ｂに示すように、第１のｐ−ｉ−ｎ接合部と第２のｐ−ｉ−ｎ接合部との間または第２のｐ−ｉ−ｎ接合部と第２のＴＣＯ層との間に配置することができる、ＷＳＲ層１１２、５１２を堆積させるように構成されている。一実施形態では、プロセスチャンバ８３１〜８３７のうちの１つは、ＷＳＲ層のうちの１つまたは複数を堆積させるように構成され、プロセスチャンバ８３１〜８３７のうちの別の１つは、第２のｐ−ｉ−ｎ接合部のｐ型層（複数可）を堆積させるように構成され、残りのプロセスチャンバ８３１〜８３７は、各々、真性型層（複数可）およびｎ型層（複数可）の両方を堆積させるように構成されている。ＷＳＲ層を堆積させるように構成されたチャンバの数は、ｐ型層（複数可）を堆積させるように構成されたチャンバの数と同様であってもよい。さらに、真性型層（複数可）およびｎ型層（複数可）の両方を堆積させるように構成された同じチャンバ内でＷＳＲ層を堆積させることができる。
【００７５】
いくつかの実施形態では、真性型アモルファスシリコン層を含む第１のｐ−ｉ−ｎ接合部を堆積させるように構成されているシステム８００のスループットは、真性型微結晶シリコン層（複数可）と真性型アモルファスシリコン層（複数可）との厚さの差により、真性型微結晶シリコン層を含む第２のｐ−ｉ−ｎ接合部を堆積させるために用いられるシステム８００のスループットより２倍大きい。したがって、真性型アモルファスシリコン層を含む第１のｐ−ｉ−ｎ接合部を堆積させるように適合されている単一システム８００を、真性型微結晶シリコン層を含む第２のｐ−ｉ−ｎ接合部を堆積させるように適合される２つ以上のシステム８００と一致させることができる。したがって、ＷＳＲ層堆積プロセスを、効率的なスループット制御のために第１のｐ−ｉ−ｎ接合部を堆積させるように適合されたシステムにおいて行われるように構成することができる。第１のｐ−ｉ−ｎ接合部が１つのシステムで形成されると、基板を周囲環境に露出させ（すなわち真空破壊）、第２のｐ−ｉ−ｎ接合部が形成される第２のシステムに搬送することができる。第１のｐ−ｉ−ｎ接合部を堆積させる第１のシステムと第２のｐ−ｉ−ｎ接合部を堆積させる第２のシステムとの間で、基板の湿式または乾式洗浄が必要な場合もある。一実施形態では、ＷＳＲ層堆積プロセスを、別個のシステムで堆積させるように構成することができる。
【００７６】
図９は、自動化デバイス９０２に搬送可能に連結された、複数の堆積システム９０４、９０５、９０６またはクラスタツールを有する生産ライン９００の一部の一構成を示す。一構成では、図９に示すように、生産ライン９００は、基板１０２の上に１つまたは複数の層を形成するか、ｐ−ｉ−ｎ接合部（複数可）を形成するか、または完成した太陽電池デバイスを形成するために利用することができる、複数の堆積システム９０４、９０５、９０６を有している。システム９０４、９０５、９０６は、図８に示すシステム８００に類似していてもよいが、概して、基板１０２の上に種々の層（複数可）または接合部（複数可）を堆積させるように構成されている。概して、堆積システム９０４、９０５、９０６の各々は、各々、自動化デバイス９０２と搬送可能に連通している、ロードロックチャンバ８１０に類似するロードロック９０４Ｆ、９０５Ｆ、９０６Ｆを有している。
【００７７】
プロセスが順に行われる間、基板は、概して、システム自動化デバイス９０２からシステム９０４、９０５、９０６のうちの１つに搬送される。一実施形態では、システム９０６は、複数のチャンバ９０６Ａ〜９０６Ｈを有し、それらは各々、第１のｐ−ｉ−ｎ接合部の形成において１つまたは複数の層を堆積させるかまたは処理するように構成され、複数のチャンバ９０５Ａ〜９０５Ｈを有するシステム９０５は、１つまたは複数のＷＳＲ層を堆積させるように構成され、複数のチャンバ９０４Ａ〜９０４Ｈを有するシステム９０４は、第２のｐ−ｉ−ｎ接合部の形成において１つまたは複数の層を堆積させるかまたは処理するように構成される。システムの数およびシステムの各々において各層を堆積させるように構成されるチャンバの数を、種々のプロセス要件および構成を満たすように変更することができる。一実施形態では、形成された太陽電池デバイスまたは後に形成される太陽電池デバイスにおける層のうちの１つまたは複数の相互汚染を防止するために、ＷＳＲ層堆積プロセスチャンバを、ｐ型層堆積チャンバ、真性型堆積チャンバまたはｎ型層堆積チャンバから分離するかまたは隔離することが望ましい。ＷＳＲ層が、炭素または酸素含有層を含む構成では、形成された接合部における形成された真性層（複数可）の相互汚染を防止すること、および／または処理チャンバ内のシールドまたは他のチャンバ構成要素に形成される酸素または炭素含有堆積材料層における応力による粒子発生問題を防止することが概して重要である。
【００７８】
自動化デバイス９０２は、概して、基板を移動させかつ位置決めするように適合されたロボットデバイスまたはコンベアを備えることができる。一例では、自動化デバイス９０２は、要求に応じて生産ライン９００内で基板を移動させかつ位置決めするように構成された、一連の従来の基板コンベア（たとえばローラ型コンベア）、および／またはロボットデバイス（たとえば６軸ロボット、ＳＣＡＲＡロボット）である。一実施形態では、自動化デバイス９０２のうちの１つまたは複数は、１つまたは複数の基板昇降構成要素または跳ね橋（ｄｒａｗｂｒｉｄｇｅ）型コンベアも有し、それらは、所望のシステムの上流の基板が、生産ライン９００内の別の所望の位置まで移動するのを妨げている基板を越えて送られるのを可能にするために用いられる。このように、さまざまなシステムへの基板の移動は、他の基板が別のシステムに送られるのを待つことによって妨げられない。
【００７９】
生産ライン９００の一実施形態では、パターニングチャンバ９５０が、自動化デバイス９０２のうちの１つまたは複数と連通し、形成されたＷＳＲ層における層のうちの１つまたは複数に対するパターニングプロセスを行うように構成されている。一例では、パターニングチャンバ９５０は、従来の手段によりＷＳＲ層における層のうちの１つまたは複数に対してパターニングプロセスを行うように有利に配置されている。パターニングプロセスを用いて、図６Ｂに示すように絶縁ＷＳＲ層１１２に形成された開口部６０２等、ＷＳＲ層にパターニング領域を形成することができる。パターニングプロセスを用いて、太陽電池デバイス形成プロセス中に先に形成された層のうちの１つまたは複数において１つまたは複数の領域をエッチングすることも可能であることも考えられる。開口部６０２を形成するために使用することができる典型的なプロセスには、限定されないが、リソグラフィックパターニングおよびドライエッチング技法、レーザ部レーション技法、パターニングおよびウェットエッチング技法、またはＷＳＲ層１１２に所望のパターンを形成するために使用することができる他の同様のプロセスが含まれ得る。ＷＳＲ層１１２に形成される開口部６０２のアレイは、概して、ＷＳＲ層１１２の上方に形成された層とＷＳＲ層１１２の下方に形成された層との間に電気接続をもたらすことができる領域を提供する。
【００８０】
パターニングチャンバ９５０の構成では、概してエッチングタイプのパターニングプロセスについて述べるが、この構成は、本明細書で説明する本発明の範囲に関して限定するものである必要はない。一実施形態では、パターニングチャンバ９５０を用いて、形成された層のうちの１つまたは複数における１つまたは複数の領域が除去され、かつ／または基板表面上の形成された層のうちの１つまたは複数の上に１つまたは複数の材料の層（たとえばドーパント含有材料、金属ペースト）が堆積される。
【００８１】
一実施形態では、開口部６０２は、堆積パターンエッチングプロセスを用いることによってＷＳＲ層１１２内にエッチングされる。堆積パターンエッチングプロセスは、概して、まず、ＷＳＲ層１１２に形成される開口部６０２の所望の構成に一致するように、基板１０２の表面に所望のパターンでエッチング剤を堆積させることによって開始する。一実施形態では、エッチング剤を、従来のインクジェット印刷デバイス、ゴム版デバイス、スクリーン印刷デバイスまたは他の同様のプロセスを用いることにより、パターニングチャンバ９５０内でＷＳＲ層１１２上に選択的に堆積させる。一実施形態では、エッチング剤は、フッ化アンモニウム（ＮＨ４Ｆ）、フッ化アンモニウムと均一混合物を形成する溶媒、ｐＨ調整剤（たとえばＢＯＥ、ＨＦ）および界面活性剤／湿潤剤を含む。一例では、エッチング剤は、５ｍｌのジメチルアミンと混合される２０ｇのフッ化アンモニウムと２５ｇのグリセリンとを含み、後に、混合物のｐＨが約７に達し、均質混合物が形成されるまで１００℃まで加熱される。アルカリ性の化学的性質を使用する１つの利点は、後続する加熱プロセス（複数可）がアンモニア（ＮＨ３）を追い出すまで揮発性ＨＦ蒸気が生成されず、したがって、加熱プロセス（複数可）を行う前に費用がかかりかつ複雑な換気および処理方式に対する必要が低減する、と考えられる。
【００８２】
エッチング剤を所望のパターンで堆積させた後、基板は、パターニングチャンバ９５０内で、従来のＩＲ加熱素子またはＩＲランプを用いて約２００〜３００℃の温度まで加熱されることにより、エッチング剤内の化学物質がＷＳＲ層１１２をエッチングして開口部６０２を形成する。開口部６０２は、図６Ｂに示すように、ＷＳＲ層１１２に開口部を提供し、それを通して、ＷＳＲ層１１２の下方に形成された層とＷＳＲ層１１２の上に形成された層との間に接触をもたらすことができる。一実施形態では、基板の表面上の開口部６０２は、直径が約５μｍ〜約２０００μｍである。したがって、所望の温度で所望の時間（たとえば約２分間）処理した後、揮発性エッチング生成物は除去され、開口部６０２内に清浄な表面が残り、これら領域に確実な電気接触を形成することができる。本明細書で述べたプロセスシーケンスおよびエッチング剤の１つの望ましい態様は、蒸発によりエッチング生成物および残留エッチング剤を除去するため、いかなる後洗浄プロセスを行う必要もなく、ＷＳＲ層１１２内に開口部６０２を形成することができ、それにより、上に第２のｐ−ｉ−ｎ接合部５１０、１２８を形成することができる洗浄な面を残すことができるということである。場合によっては、湿式処理ステップを行うのを回避して、基板を漱いで乾燥させるために必要な時間が追加されること、湿式処理ステップを行うことに関連する所有コストが増大すること、および開口部６０２を酸化または汚染する可能性が追加されることを回避することが望ましい。しかしながら、一実施形態では、パターニングチャンバ９５０または他の取り付けられた処理チャンバは、あらゆる望ましくない残留物も除去しかつ／または第２のｐ−ｉ−ｎ接合部５１０、１２８が上に形成される前に不動態化面を形成するために、基板上に任意の洗浄プロセスを行うように適合される。一実施形態では、洗浄プロセスを、基板を洗浄液で湿潤させることによって行うことができる。湿潤を、噴霧、フラッディング、浸漬または他の適当な技法によって達成することができる。開口部６０２のうちの１つまたは複数を形成するために使用することができる堆積パターンエッチング材料プロセスの一例については、参照により開示内容がすべて本明細書に組み込まれる、２００８年１１月１９日に出願された、本願と同一の譲受人に譲渡された同時係属米国特許出願第１２／２７４，０２３号（代理人整理番号ＡＰＰＭ１２９７４．０２）にさらに述べられている。
【００８３】
上述したことは、本発明の実施形態に関するが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく、本発明の他実施形態およびさらなる実施形態を考案することができ、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって確定される。たとえば、図７のプロセスチャンバを、水平位置で示している。本発明の他の実施形態では、プロセスチャンバは、垂直等、任意の非水平位置であってもよいことを理解されたい。本発明の実施形態について、図８および図９では多プロセスチャンバクラスタツールに関して説明したが、インラインシステムおよびハイブリッドインライン／クラスタシステムを使用することも可能である。本発明の実施形態を、第１のｐ−ｉ−ｎ接合部を形成するように構成された第１のシステムと、ＷＳＲ層を形成するように構成された第２のシステムと、第２のｐ−ｉ−ｎ接合部を形成するように構成された第３のシステムとに関連して説明したが、第１のｐ−ｉ−ｎ接合部、ＷＳＲ層および第２のｐ−ｉ−ｎ接合部を、単一システムで形成することも可能である。本発明の実施形態を、ＷＳＲ層、真性型層およびｎ型層をともに堆積させるように適合されたプロセスチャンバに関して説明したが、別個のチャンバを、真性型層、ｎ型層およびＷＳＲ層を堆積させるように適合させてもよく、単一プロセスチャンバを、ｐ型層、ＷＳＲ層および真性型層をともに堆積させるように適合させてもよい。最後に、本明細書で述べた実施形態は、ガラス等の透明基板に概して適用可能であるｐ−ｉ−ｎ構成であるが、逆の堆積順序でステンレス鋼またはポリマー等の不透明基板上に、単一または多層のｎ−ｉ−ｐ接合部が構成される他の実施形態も考えられる。
【００８４】
このように、太陽電池デバイスにおいてＷＳＲ層を形成する装置および方法を提供する。本方法は、電池における光捕獲を増大させるように高透過性および低屈折率に関係する、接合部間に配置されたＷＳＲ層を有利に生成する。さらに、ＷＳＲ層はまた、種々の波長の光を効率的に反射または吸収することができる調整可能なバンドギャップも提供し、それにより、従来の方法に比較して、ＰＶ太陽電池の光電変換効率およびデバイス性能が向上する。
【００８５】
上述したことは、本発明の実施形態に関するが、本発明の実施形態に関するが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく、本発明の他の実施形態およびさらなる実施形態を考案することができ、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって確定される。
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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