[发明专利]借助于预选中间体的高速薄膜沉积

说明书

发明领域

本发明大体上涉及一种高质量的非晶体、纳米晶体、微晶或多晶材料的高速率沉积的设备与方法。更具体地，本发明提供一种将沉积前体激发以形成一组前体中间体的设备和方法，子集选自该组前体中间体并且被引向沉积过程以形成具有低浓度结构和电子缺陷的材料。更具体地，本发明提供一种将预选的沉积中间体离析和输送至等离子体沉积过程的设备与方法。

发明背景

太阳能领域目前由晶体硅所构造的太阳能电池占主导地位。然而，晶体硅作为太阳能材料具有许多缺点。首先，晶体硅的制备通常通过籽晶辅助Czochralski方法完成。该方法要求高温熔化过程和接近平衡状态下的被控制的冷却以及精炼一起用以产生晶体硅的晶锭。虽然能获得高纯度的晶体硅并且Czochralski方法适合于n型和p型掺杂，但是该方法固有地缓慢并且需要消耗大量能源。其次，作为间接带隙材料，晶体硅具有低吸收效率。需要晶体硅的厚层来获得足够的入射太阳光的吸收以获得合理的太阳能转换效率。厚层增加了晶体硅太阳能电池板的成本并且导致重量显著增加。增加的重量使得大体积的安装固定件成为必需，并且妨碍晶体硅在许多应用中的使用。

非晶硅(和其氢化的或氟化的形成物)是晶体硅的一种有吸引力的替代物。非晶硅是一种具有高吸收效率的直接带隙材料。因此，基于非晶硅或相关的材料的薄层的轻重量和高效率的太阳能电池是可能的。

目前在光伏材料制造中的努力针对于提高沉积速率。较高的沉积速率降低薄膜太阳能电池的成本并且导致从太阳能获得电的单位成本减小。由于沉积速率增大，薄膜光伏材料变得越来越可与作为能量源的矿物燃料竞争。目前，PECVD(等离子体增强化学气相沉积)是用于非晶硅和相关的太阳能材料的商业规模制造的最有成本效益的方法。目前PECVD过程以的沉积速率为大面积的基底提供了器件质量光伏材料的均匀覆盖。

为了超越现在的沉积速率，必须克服与目前的PECVD技术有关的基本限制。与PECVD沉积的光伏材料有关的一个问题是沉积态(as-deposited state)中高浓度的固有缺陷的存在。固有缺陷包括在光伏材料的带隙内形成电子态的结构缺陷。因为中间带隙态充当无辐射复合中心，该无辐射复合中心耗尽由所吸收的日光产生的自由载流子的浓度，所以中间带隙减损太阳能转换效率。由光伏材料输送的外电流因此被减小。

用于减小非晶态半导体和其它由常规的PECVD制备的光伏材料中的固有缺陷的浓度的一个策略是，在等离子体中包含缺陷补偿剂。例如等离子体中氟或高过量氢的包含，导致材料的质量和产生纳米晶相的能力明显改善。补偿剂使缺陷钝化，使键饱和，释放键应力，并且去除发生在沉积态材料中的非四面体结构的变形。因此，中间隙带状态的浓度减小并且获得较高的太阳能转换效率。

虽然缺陷补偿剂改善了光伏材料的性能，但是为实现它们的益处，必须减慢沉积过程。固有缺陷的补偿或修复需要补偿剂与沉积态的光伏材料接触的时间充足。对于要在整个沉积过程中起作用的补偿剂，这也是必需的。当光伏材料的初始层沉积时，它包括固有缺陷的一定程度的浓度和分布。由于缺陷补偿过程优先发生在表面，所以在光伏材料的另外的厚度沉积之前，必须将沉积态材料暴露至补偿剂。如果在缺陷被补偿之前继续沉积，则缺陷便被并入大部分材料中并且使通过随后暴露至缺陷补偿剂来移除变得越来越困难。因此，优质的光伏材料是在沉积速率足够缓慢以保证缺陷补偿剂完全地与沉积态材料相互作用的条件下制备的。

在本领域中存在一种需求，即一种用于在高沉积速率下制备光伏材料而不牺牲光致激发效率、载流子收集效率和其它的质量属性的方法。为实现通过常规的PECVD获得高效率的光伏材料而需要的低沉积速率，限制光伏材料的经济竞争力。

发明概述

本发明提供一种非晶体、纳米晶体、微晶和多晶的材料的高速率沉积的设备与方法，所述材料包括基于半导体和半导体合金的光伏材料。能用本发明制备的示范性的材料包括非晶体、纳米晶体、微晶、多晶和单晶形式的材料，诸如硅、硅合金、锗、锗合金以及包括硅或锗的氢化和氟化的材料及其组合。

本发明提供一种选择性的等离子体沉积方法和设备，其重点放在控制被允许参与薄膜材料形成的前体中间体的数量与类型上。前体中间体被选择成与从最有助于高质量材料形成的前体气体得到的那些物类(spccics)相对应。所选择的前体中间体在沉积过程中与惰性载气结合，以形成具有低缺陷浓度的材料。通过预选有利的前体中间体并且仅将那些前体中间体仅输送至沉积室，沉积态材料的缺陷浓度显著减小。对于补偿剂或其它补救处理步骤的需求因此被最小化或消除，并且能够在高达甚至更高的沉积速率下产生高质量的光伏材料。