KR101532721B1 - Spatially selective laser annealing applications in high-efficiency solar cells - Google Patents
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Abstract
이종접합 이미터 및 동종접합 이미터 태양 전지들의 다양한 유형들을 생성하기 위한 다양한 레이저 처리 방법들을 개시한다. 방법들은, 베이스 및 이미터 컨택트 개구, 선택적 도핑, 금속 삭마, 패시베이션을 개선하기 위한 어닐링, 및 알루미늄의 레이저 가열을 통한 선택적 이미터 도핑을 포함한다. 또한, 이종접합 태양 전지에 대한 선택적 비정질 실리콘 삭마 및 선택적 도핑에 적합한 레이저 처리 방법들을 개시한다. 기저 실리콘을 실질적으로 미손상 상태로 두는 레이저 삭마 기술들을 개시한다. 이러한 레이저 처리 기술들은, 평면형이거나 텍스처형/3차원형인, 결정성 실리콘 기판을 포함하고 또한 와이어 소 웨이퍼링 방법을 통해 또는 에피택셜 증착 공정을 통해 또는 이온 주입과 가열 등의 다른 클리비지 기술들을 통해 제조되는 결정성 실리콘 기판을 더 포함하는 반도체 기판에 적용될 수 있다. 이러한 기술들은 결정성 실리콘 박막을 포함하는 결정성 반도체에 매우 적합하다.Discloses various laser processing methods for generating various types of heterojunction emitter and homojunction emitter solar cells. Methods include base and emitter contact openings, selective doping, metal ablation, annealing to improve passivation, and selective emitter doping through laser heating of aluminum. Also disclosed are laser processing methods suitable for selective amorphous silicon ablation and selective doping for heterojunction solar cells. Disclose laser ablation techniques that leave the underlying silicon in a substantially intact state. These laser processing techniques include crystalline silicon substrates, which are planar or textured / three dimensional, and can also be fabricated through wire subwaffer processes or through epitaxial deposition processes or through other < RTI ID = 0.0 > The present invention can be applied to a semiconductor substrate that further includes a crystalline silicon substrate. These techniques are well suited for crystalline semiconductors including crystalline silicon thin films.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조Cross-reference to related application
본 출원은 2011년 5월 20일자로 가출원한 미국 가특허출원번호 제61/488,684호인 우선권을 주장하며, 그 전문이 본 명세서에 참고로 원용된다. 또한, 본 출원은 2011년 11월 23일자로 출원한 미국 특허출원번호 제13/303,488호의 일부 계속 출원이며, 그 전문이 본 명세서에 참고로 원용된다. This application claims priority to U.S. Provisional Patent Application No. 61 / 488,684, filed May 20, 2011, the disclosure of which is incorporated herein by reference in its entirety. This application is also a continuation-in-part of U.S. Patent Application No. 13 / 303,488, filed November 23, 2011, the disclosure of which is incorporated herein by reference in its entirety.
본 개시 내용은, 일반적으로 태양 전지에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 결정성 실리콘을 포함한 고효율 결정성 반도체, 및 다른 유형의 광기전 태양 전지를 제조하기 위한 레이저 처리 기술에 관한 것이다.This disclosure relates generally to solar cells and, more particularly, to a high-efficiency crystalline semiconductor including crystalline silicon, and to laser processing techniques for manufacturing other types of photovoltaic solar cells.
레이저 처리는, 고성능 고효율 태양 전지 처리를 위한 효율 향상 및 제조 비용 저감 측면에서 여러 장점들을 제공한다. 우선, 향상된 결정성 실리콘 태양 전지는, 전기적 컨택트 등의 주요 특징부들의 치수를 현재의 산업적 실시보다 훨씬 작게 함으로써 이점을 얻을 수 있다. 정면 컨택트 태양 전지에서 더욱 높은 변환 효율을 제공하기 위해서는, 베이스에 대한 후면 금속의 접촉 면적뿐만 아니라 이미터에 대한 정면 금속배선의 접촉 면적도 작을 필요가 있다(또는 접촉 면적 비가 상당히 작아야 하며, 바람직하게는 10% 미만보다 훨씬 작아야 한다). 금속배선과 p/n 접합을 형성하는 이미터와 베이스 영역들이 동일한 측에 있는 모든 백-컨택트 후면 접촉 후면 접합(back-contact, back-junction) 태양 전지(전지의 후면이 태양측과 반대임)에 있어서는, 다양한 특징부들의 치수가 통상적으로 고효율을 위해 작다. 통상적으로 이미터와 베이스 영역들이 교대로 스트라이프를 형성(상호 맞물림 후면 접촉(interdigitated back-contact) 즉 IBC 아키텍처)하는 이러한 전지에서는, 이러한 영역들의 폭(특히, 베이스 컨택트의 폭)이 작은 경향이 있다. 또한, 이러한 영역들에 대한 금속 컨택트의 치수도 비례하여 작은 경향이 있다. 이어서, 이미터와 베이스 영역들에 연결되는 금속배선을 대응하는 더욱 미세한 스케일로 패터닝할 필요가 있다. 일반적으로, 리소그래피 및 레이저 처리는, 필요로 하는 제어와 작은 치수를 제공하도록 비교적 미세한 해상도 기능을 갖는 기술들이다. 이러한 기술들 중에서, 레이저 처리만이 태양 전지 제조에서 필요로 하는 저 비용 장점을 제공한다. 리소그래피는 (공정 비용과 복잡성을 늘리는) 포토레지스트 및 후속 레지스트 현상기와 스트리퍼 등의 소모품을 필요로 하지만, 레이저 처리는 비접촉형 건식 직접적 기입 패터닝 방법이며, 어떠한 재료 소모품도 필요로 하지 않아서, 태양 전지 제조를 위한 공정을 더욱 간단하고도 저 비용으로 가능하게 한다. 또한, 레이저 처리는, 화학품 등의 어떠한 재료 소모품도 사용하지 않는 올-드라이(all-dry) 공정이므로, 환경적으로 무난한 제조를 위한 훌륭한 선택이다.Laser processing offers several advantages in terms of efficiency improvement and manufacturing cost reduction for high-performance, high-efficiency solar cell processing. First, an improved crystalline silicon solar cell can benefit from making dimensions of major features, such as electrical contacts, much smaller than current industrial implementations. In order to provide a higher conversion efficiency in the front contact solar cell, it is necessary that the contact area of the rear metal to the base as well as the contact area of the front metal wiring to the emitter be small (or the contact area ratio should be considerably small, Should be much smaller than less than 10%). All back-contact back-junction solar cells with the emitter and base regions forming the p / n junction on the same side of the metal wiring and back-contact solar cell (the backside of the cell is opposite the solar side) The dimensions of the various features are typically small for high efficiency. Typically, in such a cell where the emitter and base regions alternately form a stripe (interdigitated back-contact, or IBC architecture), the width of these regions (particularly the width of the base contact) tends to be small . In addition, the dimension of the metal contact with respect to these regions also tends to be small proportionally. Then, it is necessary to pattern the metal wiring connected to the emitter and base regions to a corresponding finer scale. In general, lithography and laser processing are techniques that have relatively fine resolution capabilities to provide the required control and small dimensions. Of these technologies, only laser processing provides the low cost advantages needed for solar cell fabrication. Although lithography requires photoresists (which increase process cost and complexity) and consumables such as subsequent resist developers and strippers, laser processing is a non-contact dry direct write patterning method and requires no material consumables, Which makes it possible to simplify and simplify the process for the process. In addition, laser processing is an all-dry process that does not use any material consumables, such as chemicals, making it an excellent choice for environmentally benign manufacturing.
또한, 태양 전지의 비용을 저감하기 위해서는, 사용되는 결정성 실리콘의 두께를 저감해야 하며 또한 동시에 전지당 더욱 큰 전력을 위해 전지 면적을 증가시켜야 하고 와트당 제조 비용을 감소시켜야 한다. 레이저 처리는, 완벽하게 비접촉 건식 공정이며 더욱 큰 전지 크기로 쉽게 스케일링될 수 있으므로, 이러한 얇은 웨이퍼와 박막 전지 기판에 적합하다.In addition, to reduce the cost of solar cells, the thickness of the crystalline silicon used must be reduced, and at the same time the cell area must be increased for greater power per cell and the manufacturing cost per watt must be reduced. Laser processing is a perfectly non-contact dry process and can be easily scaled to larger cell sizes, making it suitable for such thin wafer and thin film cell substrates.
또한, 레이저 처리는, 일반적으로 독성 화학물이나 가스를 사용하지 않거나 필요로 하지 않는 환경적으로 무난한 "녹색" 공정이므로, 매력적이다. 레이저와 처리 시스템을 적절히 선택함으로써, 레이저 처리는 소유 비용은 매우 적으면서 생산성이 매우 높은 가능성을 제시한다.Laser processing is also attractive because it is an environmentally benign "green" process that generally does not use or require toxic chemicals or gases. By properly selecting the laser and processing system, the laser processing offers very low cost of ownership and high productivity.
이러한 장점들에도 불구하고, 결정성 실리콘 태양 전지 제조시 레이저 처리의 사용은, 고성능 전지를 제공하는 레이저 공정들이 개발되지 않았기 때문에, 제한되어 왔다. 본 명세서에서 개시하는 것은, 고효율로 태양 전지를 제조하는 각 키 애플리케이션에 맞춰진 방법들을 이용하는 레이저 공정들이다. 에피택셜 실리콘 성장에 의해 형성된 서브-50㎛ 실리콘 기판을 사용하여 제조된 것 등의 박막 결정성 실리콘 태양 전지의 제조에 있어서 레이저 처리의 애플리케이션을 위한 특정 실시예들도 개시한다.Despite these advantages, the use of laser processing in the manufacture of crystalline silicon solar cells has been limited, since no laser processes have been developed to provide high performance cells. Described herein are laser processes that utilize methods tailored to each key application to fabricate solar cells with high efficiency. Specific embodiments for the application of laser processing in the manufacture of thin film crystalline silicon solar cells, such as those made using sub-50 [mu] m silicon substrates formed by epitaxial silicon growth, are also disclosed.
본 명세서에서는, 이종접합 이미터 및 동종접합 이미터 태양 전지들을 제조하기 위한 다양한 레이저 처리 방법들을 개시한다. 이 방법들은, 베이스와 이미터 컨택트 개구, 정면과 후면 필드 형성, 선택적 도핑, 금속 삭마(ablation), 어닐링, 및 패시베이션을 포함한다. 또한, 이종정합 이미터 태양 전지를 위한 선택적 도핑 및 선택적 비정질 실리콘 삭마에 적합한 레이저 처리 방법들을 개시한다. 이러한 레이저 처리 기술들은, 결정성 실리콘 기판을 포함하고, 평면형이거나 텍스처형/3차원형인, 와이어 소 웨이퍼링(wire saw wafering) 방법이나 에피택셜 증착 공정을 통해 제조되는 결정성 실리콘 기판을 더 포함하는 반도체 기판에 적용될 수 있다. 이러한 기술들은 결정성 실리콘 박막을 포함하는 얇은 결정성 반도체에 매우 적합하다.Various laser processing methods for producing heterojunction emitter and homojunction emitter solar cells are disclosed herein. These methods include base and emitter contact openings, front and back field formation, selective doping, metal ablation, annealing, and passivation. Also disclosed are laser processing methods suitable for selective doping and selective amorphous silicon ablation for heterojunction epitaxial solar cells. These laser processing techniques further include a crystalline silicon substrate that is manufactured through a wire saw wafering process or an epitaxial deposition process that includes a crystalline silicon substrate and is planar or textured / It can be applied to a semiconductor substrate. These techniques are well suited for thin crystalline semiconductors including crystalline silicon thin films.
(고효율 백 컨택트 결정성 실리콘 태양 전지 등의) 모든 백-컨택트 동종접합 이미터 태양 전지들을 위한 (쉘로우 트렌치 아이솔레이션을 포함하지만, 이러한 예로 한정되지 않는) 베이스 대 이미터 분리, 베이스 도핑을 위한 개구, (작은 컨택트 면적 비를 제어하는, 예를 들어, 컨택트 재결합 손실을 줄이고 전지 효율을 증가시키도록 컨택트 면적 비를 대략 10% 미만으로 제어하는) 베이스와 이미터 컨택트 개구, (베이스 및/또는 이미터 컨택트 도핑 등의) 선택적 도핑, 금속 삭마(전지에 대한 백플레인의 후속 부착과 재사용가능 호스트 템플릿으로부터의 분리 전의 박막 단결정 실리콘 태양 전지 상의 패터닝된 금속배선 시드층의 생성 등의 패터닝된 금속배선 층들의 형성)의 요건들을 충족하는 레이저 처리 방법들을 정면 접합 및 모든 후면 접촉 후면 접합 동종접합 이미터 태양 전지들에 대하여 개시한다. 또한, 선택적 비정질 실리콘 삭마와 (투명 도전성 산화물(TCO) 등의) 산화물 삭마, 및 (단결정 실리콘 베이스 상에 이종접합 비정질 실리콘 이미터를 포함하는 후면 접촉 태양 전지 등의) 이종접합 태양 전지를 대한 금속 패터닝을 위한 금속 삭마에 적합한 레이저 처리 방법들을 개시한다. 이러한 레이저 처리 기술들은, 결정성 실리콘 기판을 포함하고, 평면형 또는 텍스처형/3차원형일 수 있는, 와이어 소 웨이퍼링 방법이나 에피택셜 증착 공정을 통해 제조되는 결정성 실리콘 기판을 더 포함하는 반도체 기판에 적용될 수 있고, 여기서, 3차원 기판은, 다공성 실리콘 시드/박리층 또는 다른 유형의 희생 박리층을 사용하는 에피택셜 실리콘 리프트오프 기술들을 이용하여 얻을 수 있다. 이러한 기술들은, 다공성 실리콘 박리층을 포함하는 템플릿 상에 에피택셜 실리콘 증착을 이용하여 또는 당업계의 다른 기술들을 이용하여 얻어지는 결정성 실리콘 박막을 포함한 얇은 결정성 반도체에 매우 적합하다.Base to emitter isolation (including but not limited to shallow trench isolation) for all back-contact homojunction emitter solar cells (such as high efficiency back-contact crystalline silicon solar cells), openings for base doping, (Controlling the contact area ratio to less than about 10%, for example, to reduce contact recombination losses and increase cell efficiency) and emitter contact openings (base and / or emitter Formation of patterned metallization layers such as selective doping (such as contact doping), metal ablation (subsequent attachment of the backplane to the cell and generation of a patterned metallization seed layer on a thin film monocrystalline silicon solar cell prior to separation from the reusable host template) ) Are referred to as front joining and all rear contact rear joining Lt; RTI ID = 0.0 > photovoltaic < / RTI > solar cells. In addition, it is also possible to use selective amorphous silicon ablation and oxide ablation (such as a transparent conductive oxide (TCO)), and heterojunction solar cells (such as a back contact solar cell comprising a heterojunction amorphous silicon emitter on a single crystal silicon base) Disclosed are laser processing methods suitable for metal ablation for patterning. These laser processing techniques may be applied to a semiconductor substrate that further includes a crystalline silicon substrate that is manufactured through a wire-sided wafering process or an epitaxial deposition process, which may include a crystalline silicon substrate and may be planar or textured / Where the three-dimensional substrate can be obtained using epitaxial silicon lift-off techniques using a porous silicon seed / release layer or other type of sacrificial release layer. These techniques are well suited for thin crystalline semiconductors comprising crystalline silicon thin films obtained using epitaxial silicon deposition on a template comprising a porous silicon release layer or using other techniques in the art.
모든 후면 접촉 동종접합 태양 전지는 결정성 실리콘 기판에 형성될 수 있고, 여기서, 레이저 처리를 이용하여 다음에 따르는 것들 중 하나 또는 조합을 수행한다. 즉, 베이스를 위한 개구뿐만 아니라 베이스 대 이미터 분리를 포함한 이미터와 베이스 영역들을 마이크로머신 또는 패터닝, 이미터와 베이스의 선택적 도핑을 제공, 금속 컨택트를 위한 베이스와 이미터에 대한 개구를 형성, 금속 패터닝의 제공, 어닐링 제공, 및 패시베이션 제공이다. 정면 접촉 동종접합 (이미터) 태양 전지는, 이미터의 선택적 도핑을 위한 레이저 처리 및 정면측과 후면측 금속배선을 위한 금속 컨택트를 위한 개구 형성을 사용하여 제조될 수 있다. 이종접합 이미터 모든 후면 접촉 후면 접합 태양 전지는, 베이스 영역과 도전성 산화물 분리를 형성하기 위한 레이저 처리를 사용하여 제조될 수 있다.All the rear contact allogeneic solar cells can be formed on a crystalline silicon substrate, where laser processing is used to perform one or a combination of the following. That is, the emitter and base regions, including the base-to-emitter isolation, as well as the openings for the base are provided in the micromachine or patterning, providing selective doping of the emitter and base, forming openings for the base and emitter for the metal contacts, Provision of metal patterning, provision of annealing, and provision of passivation. Front-contact homojunction (emitter) solar cells can be fabricated using laser processing for selective doping of the emitter and using openings for metal contacts for the front side and back side metallization. Heterojunction Emitters All back-contacting back-junction solar cells can be fabricated using laser processing to form conductive oxide isolation with the base region.
개시 내용의 특징, 성질, 및 장점은 유사한 참조 번호들이 유사한 특징부를 가리키는 첨부 도면과 함께 이하의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 본 개시 내용에 따라 모든 후면 접촉 후면 접합 태양 전지의 애플리케이션을 위한 실리콘에 형성된 쉘로우 트렌치의 주사 전자 현미경(SEM) 화상을 도시하는 도.
도 2는 모든 후면 접촉 후면 접합 태양 전지의 애플리케이션을 위한 실리콘의 쉘로우 트렌치의 프로파일.
도 3a 내지 도 3d는 손상이 감소된 실리콘 이산화물(또는 산화물) 삭마를 얻도록 레이저 플루언스를 선택하기 위한 프로시저를 도시하며, 도 3a는 레이저 플루언스에 의존하는 삭마 스팟의 크기를 도시하고, 도 3b는 산화물의 불규칙적 층간박리(delamination)를 도시하고, 도 3c는 손상 없는 스팟을 도시하고, 도 3d는 스팟 개구의 크게 손상된 실리콘을 도시하는 도.
도 4는 본 개시 내용에 따라 펄스화 레이저 삭마를 이용하여 산화물 내에 개구된 컨택트들의 대략 평행한 행들을 도시하는 도.
도 5는 금속 컨택트를 위한 산화물 삭마 스팟이 있는 스크린샷.
도 6a와 도 6b는 x방향과 y 방향으로 중첩되는 삭마 스폿을 형성함으로써 레이저 삭마된 영역을 도시하고, 도 6a는 베이스 분리 영역을 위해 1000A BSG(보론 도핑 산화물)/500A USG(언도핑 산화물)에 개구된 180㎛ 폭의 스트립을 도시하고, 도 6b는 베이스 영역을 위해 1000A USG(언도핑 산화물)에 개구된 90㎛ 폭의 스트라이프를 도시하는 도.
도 7a는 임계값 미만인 경우에 산화물층의 금속 투과 없이 금속이 제거될 수 있는 산화물 손상에 대한 임계값을 도시하는 도.
도 7b는 20번 스캔 후에 금속 러너들이 완전히 분리되었음을 도시하는 도.
도 7c는 이 금속 스택에 형성된 트렌치의 광학 마이크로그래프를 도시하는 도.
도 8a와 도 8b는 피라미드 TFSC의 상면도와 단면도.
도 9a와 도 9b는 프리즘 TFSC의 상면도와 단면도.
도 10a와 도 10b는 평면 에피택셜 박막 실리콘 태양 전지 기판(TFSS)의 생성과 박리를 위한 공정 흐름도.
도 11a와 도 11b는 TFSS가 매우 얇아서 스스로 지지될 수 없거나 세워질 수 없는 경우에 평면 에피택셜 박막 실리콘 태양 전지 기판을 위한 공정 흐름도.
도 12a와 도 12b는 3-D TFSS를 제조하기 위한 마이크로몰드 템플릿(또는 재사용가능 템플릿) 생성을 위한 공정 흐름도.
도 12c와 도 12d는 재사용가능 마이크로몰드 템플릿을 사용하는 3-D TFSS 생성을 위한 공정 흐름도.
도 13은 본 개시 내용에 따라 평면 정면 접촉 태양 전지를 제조하기 위한 공정 흐름도로서, TFSS는 스스로 지지되고 세워질 수 있을 정도로 두꺼움(예를 들어, 작은 100mm x 100mm 기판에 대해선 약 50㎛보다 두껍고, 156mm x 156mm 기판에 대해선 약 80㎛보다 두꺼움).
도 14는 본 개시 내용에 따라 평면 접촉 태양 전지를 제조하기 위한 공정 흐름도로서, TFSS는 매우 얇아서 스스로 지지될 수 없음.
도 15는 본 개시 내용에 따라 3-D 정면 접촉 태양 전지를 제조하기 위한 공정 흐름도.
도 16a 내지 도 16d는 본 개시 내용에 따라 상호 맞물림 후면 접촉 후면 접합 태양 전지를 제조하기 위한 공정 흐름도로서, TFSS는 스스로 지지될 수 있을 정도로 두꺼움.
도 17은 본 개시 내용에 따라 인시츄 이미터가 증착되지 않은 두꺼운 TFSS를 이용하여 상호 맞물림 후면 접촉 후면 접합 태양 전지를 제조하기 위한 흐름도로서, 대신에, BSG(보론 도핑 산화물)층이 에피택셜 실리콘 막 상에 증착되고 패터닝되어 베이스 분리 영역을 개구함.
도 18은 본 개시 내용에 따라 상호 맞물림 후면 접촉 후면 접합 태양 전지를 제조하기 위한 공정 흐름도로서, TFSS는 스스로 지지될 정도로 두껍지 않고, 실리콘의 레이저 삭마와 인시츄 이미터를 이용하여 베이스 분리 개구를 형성함.
도 19a 내지 도 19h는, 본 개시 내용에 따라 상호 맞물림 후면 접촉 후면 접합 태양 전지를 제조하기 위한 공정 흐름도로서, TFSS는 스스로 지지될 정도로 두껍지 않고, 인시츄 이미터 대신에, 이미터 BSG(보론 도핑 산화물) 증착과 선택적 레이저 에치백을 이용하여 베이스 분리 개구를 형성함.
도 20은 본 개시 내용에 따라 3-D TFSS를 이용하여 상호 맞물림 후면 접촉 후면 접합 태양 전지를 제조하기 위한 공정 흐름도.
도 21은 본 개시 내용에 따라 상호 맞물림 후면 접촉 후면 접합 이종접합 태양 전지를 제조하기 위한 공정 흐름도.
도 22 내지 도 30은, 2011년 5월 27일자로 Virendra V. Rana에 의해 출원된 "LASER PROCESSING FOR HIGH-EFFICIENCY THIN CRYSTALLINE SILICON SOLAR CELL FABRICATION"이라는 명칭의 미국 특허출원번호 제13/118,295호에는 없음.
도 22a와 도 22b는 가우스 빔과 플랫탑(flat top) 빔의 프로파일을 각각 도시하는 개략도.
도 23은 후면 접촉/후면 접합 전지의 단면도.
도 24a 내지 도 24f는 제조 동안 후면 접촉 태양 전지의 배면/후면도.
도 25는 금속 선들이 이미터 영역과 베이스 영역에 교대로 접촉하는 도 24a의 후면 접촉 태양 전지의 배면/후면도.
도 26a 내지 도 26c는 플랫탑 빔 프로파일이 생성될 수 있는 세 가지 방식을 도시하는 도.
도 27a와 도 27b는 삭마 임계값을 강조하는 가우스 빔과 플랫탑 빔의 프로파일을 각각 도시하는 개략도.
도 28a와 도 28b는 가우스 빔과 플랫탑 빔 삭마 영역 프로파일/풋프린트를 각각 도시하는 도.
도 28c는 중첩 및 스캔 속도의 그래프.
도 29a와 도 29b는 가우스 빔과 플랫탑 빔의 빔 정렬 윈도우를 각각 도시하는 도.
도 29c와 도 29d는 가우스 빔 영역 프로파일과 플랫탑 빔 영역 프로파일을 각각 도시하는 도.
도 29e는 표 1의 결과를 도표로 나타내는 도.
도 30은 NBLAC 전지의 공정 흐름도.
도 31은 NBLAC 전지의 개략적인 단면도.
도 32는 레이저 어닐링을 이용한 경우와 이용하지 않은 경우의 소수 캐리어 수명을 도시하는 그래프.
도 33a와 도 33b는 산화물 삭마를 이용한 모든 후면 접촉 태양 전지를 위한 공정 흐름도.
도 34a와 도 34b는 산화물 삭마 공정을 도시하는 도.
도 35a와 도 35b는 비정질 실리콘층을 이용하는 산화물 삭마 공정을 도시하는 도.
도 36은 FSF와 패시베이션을 형성하기 위한 공정을 도시하는 도.
도 37은 비정질 실리콘을 이용하여 패시베이션과 FSF를 형성하기 위한 공정을 도시하는 도.
도 38a와 도 38b는 이미터 영역 상의 금속의 선택적 레이저 스캐닝 및 이에 따른 선택적 이미터의 형성의 개략도.
도 39는 P++ 선택적 이미터를 도시하는 도.
도 40은 알루미늄 실리콘 위상도.
도 41은 정면 접촉 전지의 선택적 이미터를 도시하는 도.
도 42는 알루미늄 BSF를 도시하는 도.
도 43과 도 44는 투광 조명을 이용하는 후면 접합 후면 접촉 에피택셜 실리콘 전지 공정 흐름의 두 개의 개략적인 실시예를 도시하는 도.
도 45는 태양 전지의 개략적인 단면도.
도 46은 투광 조명을 이용하는 펄스화 레이저 어닐링을 사용하여 얻어진 결과의 그래프.The features, nature, and advantages of the disclosure will become more apparent from the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings, in which like reference numerals refer to like features.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a scanning electron microscope (SEM) image of a shallow trench formed in silicon for the application of all rear contact back junction solar cells in accordance with the present disclosure;
Figure 2 shows the profile of silicon shallow trenches for the application of all rear contact back junction solar cells.
Figures 3a-3d illustrate a procedure for selecting laser fluences to obtain a silicon dioxide (or oxide) ablation with reduced damage, Figure 3a shows the size of an ablative spot depending on laser fluence, Figure 3b shows the irregular interlayer delamination of the oxide, Figure 3c shows the damage free spot, and Figure 3d shows the greatly damaged silicon of the spot opening.
4 is a diagram illustrating approximately parallel rows of contacts opened in an oxide using pulsed laser ablation in accordance with the present disclosure;
5 is a screen shot with an oxide ablation spot for a metal contact;
6A and 6B illustrate a laser ablated region by forming an ablative spot overlapping in the x and y directions, and FIG. 6A shows a 1000 A BSG (boron doped oxide) / 500 A USG (undoped oxide) And FIG. 6B is a view showing a 90 占 퐉 wide stripe opened to 1000A USG (undoped oxide) for the base region.
FIG. 7A is a diagram illustrating a threshold for oxide damage in which the metal can be removed without metal penetration of the oxide layer in the case of less than a threshold. FIG.
FIG. 7B shows metal runners completely separated after 20 scans. FIG.
Figure 7c shows an optical micrograph of a trench formed in this metal stack.
8A and 8B are top and cross-sectional views of a pyramid TFSC.
9A and 9B are top and cross-sectional views of a prism TFSC.
10A and 10B are process flow diagrams for producing and delaminating a planar epitaxial thin film silicon solar cell substrate (TFSS).
11A and 11B are process flow diagrams for a planar epitaxial thin film silicon solar cell substrate when the TFSS is so thin that it can not be supported or erected by itself.
12A and 12B are process flow diagrams for generating a microform template (or reusable template) for manufacturing a 3-D TFSS.
Figures 12c and 12d are process flow diagrams for 3-D TFSS generation using reusable micro mold templates.
13 is a process flow diagram for fabricating a planar front-contact solar cell in accordance with the present disclosure, wherein the TFSS is self supporting and thick enough to be erected (e.g., about 50 microns thick for a small 100 mm x 100 mm substrate, lt; / RTI > thick for a x 156 mm substrate).
14 is a process flow chart for manufacturing a planar contact solar cell according to the present disclosure, wherein the TFSS is very thin and can not be supported by itself.
15 is a process flow diagram for fabricating a 3-D front contact solar cell according to the present disclosure;
16A-16D are process flow diagrams for fabricating an intermeshing rear-facing rear junction solar cell in accordance with the present disclosure, wherein the TFSS is thick enough to be self-supporting.
17 is a flow chart for fabricating an intermeshing rear-facing rear junction solar cell using thick TFSS without an in situ emitter deposited according to the present disclosure, but instead a BSG (boron doped oxide) layer is deposited over the epitaxial silicon Deposited on the film and patterned to create a base isolation region.
18 is a process flow diagram for fabricating an intermeshing rear-facing back-junction solar cell in accordance with the present disclosure, wherein the TFSS is not thick enough to support itself and forms a base isolation opening using a laser ablation of the silicon and an in- box.
19A-19H are process flow diagrams for fabricating an intermeshing rear-facing back junction solar cell in accordance with the present disclosure, wherein the TFSS is not thick enough to support itself, and instead of an in situ emitter, an emitter BSG Oxide) deposition and selective laser etchback to form a base isolation opening.
20 is a process flow diagram for fabricating an intermeshing rear-facing rear junction solar cell using 3-D TFSS in accordance with the present disclosure;
21 is a process flow diagram for fabricating an intermeshing rear-facing back-junction heterojunction solar cell in accordance with the present disclosure;
Figures 22 to 30 show, in U.S. Patent Application No. 13 / 118,295, entitled " LASER PROCESSING FOR HIGH-EFFICIENCY THIN CRYSTALLINE SILICON SOLAR CELL FABRICATION, " filed by Virendra V. Rana on May 27, .
Figures 22A and 22B are schematic diagrams showing the profiles of a Gaussian beam and a flat top beam, respectively.
23 is a sectional view of the rear contact / rear surface junction cell.
24A-24F are rear / rear views of a rear contact solar cell during fabrication.
Fig. 25 is a rear / rear view of the rear contact solar cell of Fig. 24A, in which the metal wires are alternately in contact with the emitter region and the base region; Fig.
Figures 26a-26c illustrate three ways in which a flat top beam profile can be created.
27A and 27B are schematic views each showing profiles of a Gaussian beam and a flat top beam emphasizing an ablation threshold value;
Figures 28A and 28B show the Gaussian beam and flat top beam ablation area profile / footprint, respectively.
Figure 28c is a graph of overlap and scan speed.
29A and 29B show a beam alignment window of a Gaussian beam and a flat top beam, respectively;
Figures 29c and 29d are diagrams respectively showing a Gaussian beam area profile and a flat top beam area profile;
FIG. 29E is a chart showing the results of Table 1; FIG.
30 is a process flow diagram of an NBLAC cell.
31 is a schematic cross-sectional view of an NBLAC cell.
32 is a graph showing the minority carrier lifetime in the case of using laser annealing and in the case of not using laser annealing.
33A and 33B are process flow diagrams for all rear contact solar cells using oxide ablation.
34A and 34B are diagrams illustrating an oxide ablation process;
35A and 35B show an oxide ablation process using an amorphous silicon layer.
36 is a view showing a process for forming passivation with an FSF;
37 is a view showing a process for forming passivation and FSF using amorphous silicon;
Figures 38a and 38b are schematic diagrams of selective laser scanning of the metal on the emitter region and thus the formation of a selective emitter.
39 is a diagram showing a P ++ selective emitter;
40 shows an aluminum silicon phase diagram.
41 is a view showing a selective emitter of the front contact battery;
42 is a view showing an aluminum BSF;
Figures 43 and 44 illustrate two schematic embodiments of a rear bonded rear-surface contact epitaxial silicon cell process flow using floodlights.
45 is a schematic cross-sectional view of a solar cell;
46 is a graph of the results obtained using pulsed laser annealing using flood light.
특정 실시예들을 참조하여 본 개시 내용을 설명하지만, 당업자라면 과도한 실험 없이도 본 명세서에서 개시한 원리를 다른 영역들 및/또는 실시예들에 적용할 수 있다.Although the present disclosure is described with reference to specific embodiments, those skilled in the art will be able to apply the principles set forth herein to other embodiments and / or examples without undue experimentation.
여기서는, 레이저 처리를 개시하며, 더욱 구체적으로는, 서로 다른 공정들의 다양한 요건들을 다루도록 개발된 펄스화 레이저 처리 방법들을 개시한다.Here we describe pulsed laser processing methods that are designed to initiate laser processing, and more specifically, to address the various requirements of different processes.
개시한 방법들은 반도체 장치 삭마 분야에서, 특히, 결정성 실리콘 삭마 분야에서 유용할 수 있다. 통상적으로, 레이저를 이용한 실리콘 제거에는, (소위 열 영향 부위(HAZ)로 인해) 실리콘 기판에 바람직하지 못한 잔여 손상을 남기는 실리콘 용융 및 증발이 포함된다. 이러한 손상은, 소수 캐리어 수명을 열화시키고, 태양 전지 효율을 감소시키는 표면 재결합 속도(SRV)를 증가시킨다. 따라서, 실리콘 기판의 습식 클리닝과 약 습식 에칭을 통상적으로 이용하여 이러한 손상층을 제거한다. 이러한 손상을, 후 레이저 처리 습식 클리닝/에칭을 필요로 하지 않는 고효율 태양 전지 제조를 위해 허용가능한 레벨까지 감소시키며, 이에 따라, 공정 흐름을 간략화하고 전체 태양 전지 제조 비용을 감소시키는 방법을 제시한다.The disclosed methods may be useful in the field of semiconductor device ablation, particularly in the field of crystalline silicon ablation. Typically, laser removal using a laser involves silicon melting and evaporation which leaves undesirable residual damage to the silicon substrate (due to so-called heat affected sites (HAZ)). Such damage degrades the minority carrier lifetime and increases the surface recombination speed (SRV) which reduces solar cell efficiency. Thus, wet scrubbing of the silicon substrate and weakly wet etching are commonly used to remove this damaged layer. This damage is reduced to an acceptable level for high efficiency solar cell fabrication that does not require post-laser treatment wet cleaning / etching, thereby providing a way to simplify the process flow and reduce the overall solar cell fabrication cost.
레이저를 이용하여 실리콘 기판의 소정의 두께를 삭마할 때 실리콘 기판에 남아 있는 손상은, 삭마 재료에 의해 사용되지 않고 기판에 흡수되는 레이저 에너지의 양에 관련된다. 그 재료의 제거시 대부분의 레이저 에너지를 사용하는 것을 관리할 수 있다면, 실리콘 기판 내로 스며드는 입사 에너지의 일부가 최소화되며, 이에 따라 레이저 유도 기판 손상 및 SRV 열화를 최소화할 수 있다. 실리콘 내로 침투하는 레이저 에너지는 레이저 펄스 길이(펄스 폭이라고도 함)와 파장에 의존한다. 파장 1.06㎛의 적외선(IR) 레이저 빔은 실리콘 내로 최대 약 1000㎛에 이르는 비교적 긴 침투 깊이를 갖는 한편, 파장 532nm의 녹색 레이저 빔은 약 3 내지 4㎛의 깊이만큼만 침투한다. 파장 355nm의 UV 레이저 빔의 침투는 더욱 짧아서, 겨우 약 10nm이다. UV 또는 EUV 파장의 초단파 펄스를 이용함으로써 실리콘 내로 침투되는 레이저 에너지를 제한한다는 점은 명백하다. 또한, 레이저 펄스 길이가 짧아질수록, 실리콘 내로의 열 확산이 짧아진다. 나노초 펄스는 실리콘 내의 약 3 내지 4㎛ 범위의 열 확산으로 이어질 수 있는 한편, 피코초 펄스는 그 열 확산을 약 80 내지 100nm로 감소시키며, 펨토초 펄스는 매우 짧아서 통상적으로 레이저 삭마 공정 동안 실리콘 내로의 열 확산이 없다. 따라서, 더욱 짧은 파장의 더욱 짧은 펄스를 사용함에 따라 레이저 삭마 기판에의 손상이 감소된다. 더욱 높은 생산 처리량을 위해서는, 허용가능한 레이저 손상의 정도에 따라 녹색 또는 IR 파장을 이용할 수 있다. 이상적인 조건 하에서도, 에너지의 소정의 일부는 여전히 기판 내로 스며들기에, 레이저 전력을 감소시킴으로써 이러한 흡수 및 바람직하지 못한 부작용을 더욱 감소시킬 수 있다. 그러나, 그 결과, 삭마되는 실리콘의 두께가 더욱 작아질 수 있다(또는 실리콘 삭마 비율이나 처리량이 감소될 수 있다). 펄스 에너지를 감소시키지만 레이저 펄스의 중첩을 증가시킴으로써 실리콘 제거를 야기함으로써, 실리콘 쉘로우 아이솔레이션 트렌치를 더욱 매끄럽게 한다는 점을 알게 되었다. 이는 저 실리콘 표면 손상을 나타낸다. 매우 작은 펄스 에너지에서는, 제거되는 실리콘의 두께가 작을 수 있다. 이어서, 펄스화 레이저 빔의 다수의 중첩 스캔을 이용함으로써 소망하는 깊이를 얻을 수 있다.Damage remaining on the silicon substrate when ablating a predetermined thickness of the silicon substrate by using a laser is related to the amount of laser energy absorbed by the substrate without being used by the abrasive material. If we can manage to use the majority of the laser energy in the removal of the material, some of the incident energy penetrating into the silicon substrate is minimized, thereby minimizing damage to the laser induced substrate and SRV degradation. The laser energy penetrating into the silicon depends on the laser pulse length (also called the pulse width) and the wavelength. An infrared (IR) laser beam with a wavelength of 1.06 占 퐉 has a relatively long penetration depth up to about 1000 占 퐉 into silicon while a green laser beam with a wavelength of 532nm penetrates only about 3 to 4 占 퐉. The penetration of the UV laser beam at a wavelength of 355 nm is even shorter, only about 10 nm. It is clear that the use of microwave pulses of UV or EUV wavelength limits the laser energy penetrated into the silicon. Further, the shorter the laser pulse length is, the shorter the thermal diffusion into the silicon becomes. Nanosecond pulses can lead to thermal diffusions in the range of about 3 to 4 microns in the silicon while picosecond pulses reduce the thermal diffusion to about 80 to 100 nm and the femtosecond pulse is very short so that the No heat dissipation. Thus, the use of shorter pulses of shorter wavelengths reduces damage to the laser ablation substrate. For higher throughput, green or IR wavelengths may be used depending on the degree of acceptable laser damage. Even under ideal conditions, a certain portion of the energy still seeps into the substrate, which can further reduce this absorption and undesirable side effects by reducing the laser power. As a result, however, the thickness of the silicon to be ablated can be further reduced (or the silicon ablation rate or throughput can be reduced). It has been found that it reduces the pulse energy but increases the overlap of the laser pulses to cause silicon removal, thereby smoothing the silicon shallow isolation trenches. This indicates low silicon surface damage. At very small pulse energies, the thickness of the silicon to be removed may be small. A desired depth can then be obtained by using multiple overlapping scans of the pulsed laser beam.
대략 355nm 이하의 펄스를 갖는 피코초 길이의 펄스화 레이저 빔은, 패시베이션 삭마 표면을 위한 저 표면 재결합 속도(SRV)를 가능하게 하는 저 손상 실리콘 삭마에 적합하다. 도 1은, 가우스 프로파일(M<1.3)의 피코초 UV 레이저 빔, 대략 110㎛ 직경의 4microjoule 펄스 에너지를 이용하여, 레이저 스폿을 거의 15회 중첩시켜, 실리콘 기판 내에 형성된 2.25㎛ 깊이와 거의 100㎛ 폭의 트렌치를 도시한다. 이러한 삭마 깊이는, 각 스캔마다 약 112nm의 실리콘을 제거하는 레이저의 20회 중첩 스캔을 이용하여 얻어졌다. 도 2는 UV 파장을 갖는 동일한 피코초 레이저 빔을 이용하여 얻어진 실리콘 내의 4㎛ 깊이와 110㎛ 폭의 트렌치의 매끄러운 프로파일을 도시한다. 프로파일의 평탄성에 주목해야 한다. 이러한 실리콘 삭마는, 베이스 영역들을 이미터 영역들로부터 분리하는 영역들을 형성하도록 모든 후면 접촉 후면 접합 태양 전지에서 사용된다. 펨토초 레이저를 사용함으로써, 실리콘 삭마 동안 레이저 손상을 더욱 감소시킬 수 있다.Pulsed laser beams of picosecond length with pulses of approximately 355 nm or less are suitable for low-damage silicon ablation that enables a low surface recombination rate (SRV) for passivated ablation surfaces. Fig. 1 shows a laser beam spot having a depth of 2.25 mu m formed in a silicon substrate and a depth of nearly 100 mu m formed in a silicon substrate by using a picosecond UV laser beam having a Gauss profile (M < 1.3) Width trenches. This ablation depth was obtained using 20 superimposed scans of the laser to remove about 112 nm of silicon for each scan. Figure 2 shows a smooth profile of a 4 탆 depth and 110 탆 width trench in silicon obtained using the same picosecond laser beam with UV wavelengths. Note the flatness of the profile. These silicon abrasions are used in all rear contact back junction solar cells to form regions that separate base regions from emitter regions. By using a femtosecond laser, it is possible to further reduce laser damage during silicon ablation.
본 개시 내용의 실시예들은 비정질 실리콘의 삭마에도 적용될 수 있다. 유사한 방법을 이용하여, 펨토초 펄스 길이를 갖는 펄스화 레이저 빔에 의해 그리고 일부 실시예들에서는 UV나 녹색 파장을 갖는 펄스화 레이저 빔에 의해 비정질 실리콘의 소망하는 두께를 삭마할 수 있다. 비정질 실리콘의 삭마에는, 결정성 실리콘보다 훨씬 작은 에너지가 필요하므로, 이러한 방법을 효과적으로 이용하여, 이종접합 태양 전지에 적용하도록 결정성 실리콘 표면으로부터 비정질 실리콘 막을 선택적으로 삭마할 수 있다.Embodiments of the present disclosure can also be applied to ablation of amorphous silicon. Using a similar method, a desired thickness of amorphous silicon can be ablated by a pulsed laser beam having a femtosecond pulse length and in some embodiments by a pulsed laser beam having a UV or green wavelength. Since the amorphous silicon is required to have much smaller energy than the crystalline silicon, this method can be effectively used to selectively ablate the amorphous silicon film from the crystalline silicon surface for application to the heterojunction solar cell.
본 개시 내용은, 결정성 또는 비정질 실리콘일 수 있는 하지 기판에 대하여 선택적인 산화물 삭마에도 적용될 수 있다. 산화막은 UV 파장까지의 레이저 빔에 대하여 투명하다. 나노초 펄스 길이 레이저를 사용하여 하지 산화물을 제거한다면, 산화물 제거는 하지 실리콘의 가열과 용융에 의해 행해진다. 삭마되는 하지 실리콘으로부터의 압력 때문에, 하지 산화물이 깨져 제거된다. 그러나, 이는 실리콘 기판에 심각한 손상을 야기하여, 통상적으로 습식 클리닝 처리를 이용하여 고효율 전지에서의 사용을 위해 이렇게 손상된 층을 제거한다.The present disclosure can also be applied to selective oxide ablation for a substrate that may be crystalline or amorphous silicon. The oxide film is transparent to the laser beam up to the UV wavelength. If the underlying oxide is removed using a nanosecond pulse length laser, the oxide removal is done by heating and melting the underlying silicon. Due to the pressure from the underlying abrasive silicon, the underlying oxide is broken and removed. However, this causes serious damage to the silicon substrate, and typically removes this damaged layer for use in high-efficiency cells using a wet cleaning process.
여기서는, 실리콘 표면에 주목할만한 손상을 가하지 않고서 실리콘 표면으로부터 산화물층을 선택적으로 제거하는 방법을 제시한다. 레이저 삭마 동안, 재료를 가열하여 그 재료를 용융시키거나 증발시키는 것 외에도, 플라즈마 형성 등의 다른 효과가 발생한다. 때로는, 복잡한 공정들이 계면에서 행해질 수 있다. 피코초 펄스 길이를 갖는 레이저를 이용함으로써, 산화물 대 실리콘 계면이 영향을 받는다. UV 파장을 갖는 피코초 레이저를 이용함으로써, 계면 효과가 향상되어, 실리콘 표면으로부터 산화막의 분리 및 박리가 발생한다. 남겨지는 실리콘 표면에는 실질적으로 손상이 없다. 또한, 실리콘 기판의 침투 손상이 얼마만큼 허용가능한지에 따라 녹색 또는 적외선(IR) 파장을 갖는 피코초 레이저 방사를 이용할 수도 있다. 본 개시 내용은, 실리콘 표면으로부터 산화물을 손상 없이 선택적으로 삭마하는 프로시저의 개요를 다룬다.Here we present a method for selectively removing the oxide layer from the silicon surface without appreciable damage to the silicon surface. During laser ablation, in addition to heating the material to melt or vaporize the material, other effects such as plasma formation occur. Sometimes, complex processes can be done at the interface. By using a laser with a picosecond pulse length, the oxide to silicon interface is affected. By using a picosecond laser having a UV wavelength, the interface effect is improved, and separation and peeling of the oxide film from the silicon surface occur. The remaining silicon surface is substantially free of damage. Also, picosecond laser radiation having a green or infrared (IR) wavelength may be used depending on how much penetration damage of the silicon substrate is acceptable. The present disclosure addresses an overview of a procedure for selectively ablating oxide from a silicon surface without damage.
도 3a 내지 도 3d는 산화물의 손상 없는 삭마를 얻는 프로시저를 개시한다. 도 3a는, 피코초 UV 레이저 빔을 이용하는, 템플릿 상의 35㎛ 두께의 에피택셜 실리콘 막 상의 1000A PSG(인 도핑 산화물)/500A USG(언도핑 산화물) 스택의 레이저 스팟 개구의 변동을 도시한다. 산화물층들은 APCVD(기압 CVD) 기술을 이용하여 증착되었다. 산화물의 소정의 두께에 대하여, 스팟 크기는 레이저 플루언스(J/cm)에 의존한다. 레이저 플루언스는 레이저 빔의 면적에 의해 나누어지는 레이저 펄스 에너지이다. 이 경우에, 레이저 빔의 직경은 가우스 프로파일(M2<1.3)을 갖는 약 100㎛였다. 매우 낮은 플루언스에서는, 도 3b에 도시한 바와 같이 스팟들이 불규칙적이며 산화물이 실리콘 표면으로부터 불규칙적으로 박리되는 한편, 매우 높은 플루언스에서는, 도 3d에 도시한 바와 같이 실리콘이 넓게 손상된다. 라인 a-a'에 의해 도시된 플루언스의 범위는, 도 3c에 도시한 바와 같이 실리콘 기판에의 손상이 최소인 최적의 범위를 가리킨다.Figures 3a-3d disclose a procedure to obtain ablation without damaging the oxide. 3A shows the variation of the laser spot opening of a 1000A PSG (doping oxide) / 500A USG (undoped oxide) stack on a 35 mu m thick epitaxial silicon film on a template using a picosecond UV laser beam. The oxide layers were deposited using APCVD (atmospheric pressure CVD) technology. For a given thickness of oxide, the spot size depends on the laser fluence (J / cm). Laser fluence is the laser pulse energy divided by the area of the laser beam. In this case, the diameter of the laser beam was about 100 μm with a Gauss profile (M2 <1.3). In very low fluences, spots are irregular as shown in FIG. 3B and the oxide is stripped irregularly from the silicon surface, while at very high fluences, silicon is heavily damaged as shown in FIG. 3D. The range of fluences shown by line a-a 'indicates the optimum range in which damage to the silicon substrate is minimal as shown in Fig. 3C.
도 4는 모든 후면 접촉 (및 후면 접합) 태양 전지들에 적용하도록 산화물에서 선택적으로 개구되는 전지 컨택트 개구들의 행들을 도시한다. 도 5는 이러한 컨택트들의 확대도이다. 레이저 삭마 스팟들은, 도 6a와 도 6b에 도시한 바와 같이 웨이퍼 상의 임의의 소망하는 길이와 폭의 영역을 개방하도록 x와 y 방향으로 중첩될 수 있다. 도 6a는, 삭마 스팟들을 x와 y 방향으로 중첩시키면서 피코초 UV 레이저 빔을 이용하여 베이스 분리 영역을 위한 BSG(보론 도핑 산화물)를 선택적으로 제거함으로써 형성된 180㎛ 폭의 개구를 도시한다. 마찬가지로, 도 6b는 베이스 영역을 형성하기 위한 USG(언도핑 산화물) 내에 개구된 90㎛ 폭의 영역을 도시한다.Figure 4 shows rows of cell contact openings selectively opened in oxide for application to all rear contact (and back junction) solar cells. Figure 5 is an enlarged view of such contacts. The laser ablation spots may be superimposed in the x and y directions to open any desired length and width area on the wafer as shown in Figures 6a and 6b. 6A shows a 180 탆 wide opening formed by selectively removing BSG (boron doped oxide) for a base isolation region using a picosecond UV laser beam while superposing ablation spots in the x and y directions. Likewise, FIG. 6B shows a 90 [mu] m wide region open into USG (undoped oxide) for forming the base region.
본 명세서에서 개시한 바와 같이 실리콘 표면으로부터의 산화물의 선택적 삭마는 태양 전지 제조에 있어서 여러 방식으로 이용될 수 있다. 한 가지 적용예로, 후면 접촉 전지를 위한 인시츄 이미터를 사용하는 경우에, 이 공정을 이용하여 산화막의 트랙들을 개구하여 하지 이미터를 노출시킨다. 이렇게 노출된 이미터는 습식 에칭을 이용하여 제거될 수 있다. 이어서, 이 영역을, 베이스 대 이미터 분리를 위해 이용하고, 베이스가 그 내부에 형성된다.As disclosed herein, selective etching of oxides from silicon surfaces can be used in many ways in the manufacture of solar cells. In one application, if an in situ emitter is used for a back contact cell, this process is used to open the tracks of the oxide film to expose the underlying emitter. This exposed emitter can be removed using a wet etch. This region is then used for base to emitter isolation and a base is formed therein.
다른 적용예에서, 이 공정을 이용하여, 금속 컨택트를 형성하는 데 사용될 영역들을 개구한다. 정면 접촉 전지를 위해, 전지의 후면측에 산화물 패시베이션을 이용할 수 있다. 이어서, 본 명세서에서 설명하는 방법을 이용하여, 컨택트들 상에 후속 증착되는 금속을 위한 이러한 컨택트들을 개구한다. 이러한 방식으로, 금속에서는 고 전지 효율로 도전성을 갖는 컨택트가 위치하게 된다. 후면 접촉 전지를 위해서는, 베이스와 이미터 모두를 위한 컨택트들을 이 방법을 이용하여 개구할 수 있다.In another application, this process is used to open areas to be used to form metal contacts. For front-facing cells, oxide passivation can be used on the backside of the cell. Then, using the method described herein, these contacts are opened for subsequent deposition of metal on the contacts. In this way, the metal has a conductive contact with high battery efficiency. For the backside contact cell, contacts for both the base and the emitter can be opened using this method.
태양 전지 공정 흐름에 있어서, 하지 실리콘의 어떠한 도핑도 야기하지 않고서(즉, 도핑 산화물과 실리콘 구조의 어떠한 주목할만한 가열 없이) 도핑 산화물을 제거할 필요가 있을 수 있다. 전술한 바와 같이, 피코초 레이저 빔을 이용하는 경우에 산화물/실리콘 기판 계면에서의 분리에 의해 산화물이 제거되므로, 삭마되는 산화막으로부터의 도펀트의 픽업을 제한하면서 산화물을 제거하게 된다.In the solar cell process flow, it may be necessary to remove the doped oxide without causing any doping of the underlying silicon (i.e., without any noticeable heating of the doped oxide and the silicon structure). As described above, when the picosecond laser beam is used, the oxide is removed by separation at the oxide / silicon substrate interface, thereby removing the oxide while restricting the pickup of the dopant from the oxide film to be ablated.
정면 접촉 태양 전지를 위해 실리콘 질화물(SiNx)의 선택적 삭마를 이용한다. 레이저 삭마를 이용함으로써, 이미터 표면에 대한 접촉 영역을 감소시킬 수 있고 이에 따라 SiN 패시베이션이 제거되는 영역을 최소화할 수 있다. 이는 더욱 높은 VOC를 야기한다. 나노초 UV 레이저를 사용할 수도 있지만, UV 또는 녹색 파장을 갖는 피코초 레이저가 이러한 적용예에 적합하다.Uses selective ablation of silicon nitride (SiN x ) for the front-contact solar cell. By using laser ablation, the contact area to the emitter surface can be reduced, thereby minimizing the area where the SiN passivation is removed. This causes a higher V OC . A nanosecond UV laser may be used, but a picosecond laser with UV or green wavelength is suitable for this application.
레이저를 이용하는 산화물 표면으로부터의 선택적 금속 삭마는 예전부터 어려웠다. 이는, 금속을 삭마하는 데 필요한 고 펄스 에너지에서, 그 에너지가 하지 산화물을 손상시킬 정도로 매우 크고 금속이 산화물 내로 침투되게 하기 때문이다. 사실상, 이는 태양 전지에서 사용되는 "레이저 파이어 컨택트"(LFC)의 공정에 있어서 기본이다.Selective metal ablation from the oxide surface using lasers has long been difficult. This is because at high pulse energies required to ablate the metal, the energy is so large that it damages the underlying oxide and allows the metal to penetrate into the oxide. In fact, this is fundamental to the process of "laser fire contact" (LFC) used in solar cells.
산화물(또는 실리콘 질화물 등의 다른 유전체)의 금속 침투 및 산화물의 파괴나 균열 없이 산화물(또는 다른 유전체) 표면으로부터 금속을 선택적으로 제거하는 세 가지 방법을 개시한다. 이러한 모든 방법들에 있어서, 알루미늄은 베이스와 이미터와 접촉하는 제1 금속이다(알루미늄은 접촉 및 광 트랩핑 후면 거울층으로서 사용된다). 피코초 펄스 길이를 갖는 레이저는 이러한 적용예에 적합하다. 고 금속 제거율을 위해서는, IR 파장이 상당히 적합하다. 제1 방법에 따르면, 금속은 산화물 유제를 위한 임계값보다 작은 펄스 에너지로 삭마된다. 한 번의 스캔에서 제거되는 금속의 두께가 소망하는 두께보다 작으면, 다수의 중첩 스캔을 이용하여 금속의 전체 두께를 제거한다. 펄스 에너지는 산화물 삭마 임계값보다 작으므로, 금속을 산화물 표면으로부터 깨끗하게 제거한다. 그러나, 사용되는 정확한 레시피는 스택에서의 금속의 유형, 금속의 두께, 및 표면 거칠기 등에 크게 의존한다.Disclose three methods of selectively removing metal from an oxide (or other dielectric) surface without the metal penetration of the oxide (or other dielectric such as silicon nitride) and the fracture or cracking of the oxide. In all of these methods, aluminum is the first metal in contact with the base and emitter (aluminum is used as the contact and light trapping back mirror layer). A laser with a picosecond pulse length is suitable for this application. For a high metal removal rate, the IR wavelength is quite suitable. According to a first method, the metal is ablated with a pulse energy less than a threshold value for the oxide emulsion. If the thickness of the metal removed in one scan is less than the desired thickness, multiple overlapping scans are used to remove the entire thickness of the metal. Since the pulse energy is less than the oxide ablation threshold, the metal is cleanly removed from the oxide surface. However, the exact recipe used depends largely on the type of metal in the stack, the thickness of the metal, and the surface roughness.
도 7a 내지 도 7c는, 산화물 상의 Al의 1200A 상의 2400A의 PDV-증착된 이중층 스택을 패터닝할 때의 삭마 결과를 도시한다. (전지에서의 션트를 방지하도록) 하지 산화물층을 통한 파괴 없이 러너들 사이의 금속을 완벽하게 제거하는 것이 바람직하다. 도 7a는 펄스 에너지의 임계값을 도시하며, 이 임계값 미만에서 산화물 투과 없이 금속 스택이 제거될 수 있다. 이 임계값은, 전술한 금속 스택 특징들에 의존하는 것 외에도, 스캔 속도뿐만 아니라 레이저의 소정의 펄스 반복률을 이용하여 얻어지는 스팟 중첩 등의 레이저 파라미터들에 의존한다. 펄스 중첩을 증가시키면, 임계 펄스 에너지가 감소되며, 그 이유는 금속에 축적되는 에너지 때문이다. 도 7b는, 산화물 손상에 대하여 임계값 미만의 펄스 에너지를 사용하고, 20회를 초과하여 스캔하게 되면 병렬 라인들 사이의 100M-ohm 저항에 의해 결정되는 바와 같이 금속 러너들이 완벽히 분리됨을 도시한다. 도 7c는 2400A NiV/1200 Al 금속 스택에 형성된 깨끗한 75㎛ 트렌치를 도시한다.Figures 7A-7C show the ablation results when patterning a 2400A PDV-deposited bilayer stack of 1200A of Al on oxide. It is desirable to completely remove the metal between the runners without breaking through the underlying oxide layer (to prevent shunting in the cell). FIG. 7A shows the threshold of the pulse energy, and the metal stack can be removed without oxide transmission below this threshold. This threshold depends not only on the scan speed but also on laser parameters, such as spot overlap, obtained using a predetermined pulse repetition rate of the laser, in addition to being dependent on the metal stack characteristics described above. Increasing the pulse overlap reduces the critical pulse energy, which is due to the energy stored in the metal. FIG. 7B shows that the metal runners are completely separated as determined by the 100M-ohm resistance between the parallel lines, using pulse energy below the threshold for oxide damage and scanning beyond 20 times. Figure 7c shows a clean 75 占 퐉 trench formed in a 2400A NiV / 1200 Al metal stack.
제2 고 처리량 방법에 따르면, 입사 에너지의 상당 부분이 삭마될 때 흡수되고 이에 따라 산화물에 대한 손상이 감소되므로, 고 펄스 에너지를 사용한다. 이러한 방안은 금속의 레이저 삭마를 매우 고 처리량 공정으로 되게 한다. 이 방법을 이용함으로써, 2-단계 공정을 이용하여 성공적으로 최대 2500A 두께의 주석(Sn) 피복층의 유무에 상관없이 NiV의 1250A Al/100-250A를 삭마하였다. 제1 단계에서, 15microjoule 펄스를 이용하여 더욱 연성인 금속을 제거한 후, 30microjoule 펄스를 15번 중복 이용한다. 2000A 등의 두꺼운 알루미늄에 대해서는, 펄스 중첩 횟수를 동일하게 하여 50microjoule에서 제2 단계를 실행한다.According to the second high throughput method, high pulse energy is used because a significant portion of the incident energy is absorbed when ablated and thus the damage to the oxide is reduced. This approach makes laser ablation of the metal a very high throughput process. Using this method, a 1250A Al / 100-250A of NiV was successfully ablated with or without tin (Sn) coatings of up to 2500A thickness using a two-step process. In the first step, a more flexible metal is removed using a 15 microjoule pulse, and then a 30 microjoule pulse is used 15 times. For thick aluminum, such as 2000A, the second step is run at 50 microjoule with the same number of pulse overlays.
금속 삭마의 제3 방법은 고 반사막에 적용가능하며, 예를 들어, (Al이 전지 및 Al 상의 Ag와 접촉하는) Al/Ag 스택에 적용가능하고, 피코초 레이저의 입사 에너지의 대부분은 반사되며 삭마가 급격히 감소된다. 이 경우에, 10 내지 800 나노초의 펄스 길이를 갖는 장 펄스 길이 나노초 레이저를 이용하고 이어서 하지 알루미늄의 피코초 클린업을 이용하여 반사 금속(Ag)의 표면을 우선 오목하게 한다.The third method of metal ablation is applicable to high reflective films, for example, to Al / Ag stacks (where Al contacts the cell and Ag on Al) and most of the incident energy of the picosecond laser is reflected Ablation is abruptly reduced. In this case, the surface of the reflective metal (Ag) is first recessed using a long pulse length nanosecond laser having a pulse length of 10 to 800 nanoseconds and then using picosecond cleanup of underlying aluminum.
본 개시 내용은 기판의 선택적 도핑에도 적용가능하다. 도펀트 함유 재료의 중첩되는 층을 이용한 실리콘의 성공적인 도핑을 위해, 펄스 에너지는 실리콘을 용융시킬 정도로 커야 하지만, 실리콘을 삭마하거나 그 위의 도펀트 층을 삭마할 정도로 커서는 안 된다. 실리콘이 용융되면, 도펀트가 실리콘 내로 용해된다. 이러한 실리콘층의 재결정화시, 도핑층이 얻어진다. 이 적용예에서는, 녹색 파장을 갖는 나노초 펄스 길이 레이저가, 실리콘 내로의 침투가 제한되기 때문에, 매우 적합하다.The present disclosure is also applicable to selective doping of a substrate. For successful doping of silicon using an overlayer of dopant-containing material, the pulse energy should be large enough to melt the silicon, but not so large as to ablate silicon or ablate the dopant layer thereon. As the silicon melts, the dopant dissolves into the silicon. Upon recrystallization of such a silicon layer, a doped layer is obtained. In this application example, a nanosecond pulse length laser having a green wavelength is very suitable because penetration into the silicon is limited.
전술한 레이저 처리 기술들은 평면형 및 3D 박막 결정성 실리콘 기판들에 적용가능하다. 본 명세서에서 설명하는 레이저 공정들은 실리콘 기판의 임의의 두께에 대하여 적합하다. 이는 웨이퍼 두께가 결정성 실리콘 태양 전지에 사용되는 150㎛를 초과하는 현재 표준을 포함한다. 그러나, 레이저 공정들은, 기판과의 어떠한 접촉 없이 공정이 실행되므로, 얇고 부서지기 쉬운 웨이퍼나 기판에 대하여 더욱 장점으로 된다. 이는, 향상된 와이어 소싱 기술에 의해, 또는 수소 주입, 이어서 다공성 실리콘 등의 희생 분리/박리층 상의 실리콘의 에피택셜 증착을 이용하여 얻어지는 (수㎛ 내지 80㎛ 두께 범위의) 박막 단결정 기판 또는 웨이퍼의 소망하는 두께를 분리하기 위한 어닐링, 및 그 후속 리프트오프 등의 다른 기술에 의해 단결정 CZ 잉곳이나 다결정 브릭스로부터 얻어지는 150㎛보다 얇은 웨이퍼를 포함한다.The above-described laser processing techniques are applicable to planar and 3D thin film crystalline silicon substrates. The laser processes described herein are suitable for any thickness of a silicon substrate. This includes current standards in which the wafer thickness exceeds 150 [mu] m, which is used in crystalline silicon solar cells. However, laser processes are more advantageous for thin and brittle wafers and substrates because the process is performed without any contact with the substrate. This can be achieved either by an improved wire sourcing technique or by hydrogen implantation followed by epitaxial deposition of silicon on a sacrificial separation / release layer, such as porous silicon, to a thin film monocrystalline substrate (in the range of several micrometers to 80 micrometers) And a wafer thinner than 150 [micro] m obtained from a monocrystalline CZ ingot or a polycrystalline brick by other techniques such as a subsequent lift-off, and the like.
레이저 처리는, 실리콘 마이크로머신 기술과 재사용가능 템플릿들의 전-구조화(pre-structuring)를 이용하여 얻어지는 3차원 기판에 특히 적합하다. 이러한 한 가지 방법은 (US2010/0304522로 공개된) '731 출원에 개시되어 있다. 도 8a 내지 도 9b는 그 공개 문헌에 개시된 기술을 이용하여 얻어지는 3-D 박막 실리콘 기판을 도시한다. 도 8a는 그렇게 얻어진 TFSS의 상면도를 도시하는 한편 도 8b는 단면도를 도시한다. 피라미드 기판을 위해, 팁들은 평평할 수 있고 또는 날카로운 점을 가질 수도 있다. 도 9a와 도 9b, 위에서 언급한 문헌에서 개시하는 재사용가능한 전 구조화 3D 템플릿을 이용하여 얻어지는 프리즘 구조를 갖는 TFSS를 도시한다.Laser processing is particularly well suited for three-dimensional substrates obtained using silicon micromachining techniques and pre-structuring of reusable templates. One such method is disclosed in the '731 application (published as US 2010/10304522). Figures 8A-9B illustrate a 3-D thin film silicon substrate obtained using the techniques disclosed in that published document. Figure 8a shows a top view of the TFSS so obtained, while Figure 8b shows a cross-sectional view. For a pyramid substrate, the tips may be flat or have sharp points. 9A and 9B illustrate a TFSS with a prism structure obtained using a reusable pre-structured 3D template disclosed in the above-mentioned document.
본 명세서에서 설명하는 레이저 공정과 공정 흐름은 실리콘 기판의 임의의 두께(1㎛ 미만 내지 100㎛ 초과)에 적용가능하지만, 여기서는, '713 문헌에 개시한 바와 같이 재사용가능 템플릿의 에피택셜 실리콘 또는 다공성 실리콘(또는 다른 희생층) 표면을 이용하여 얻어지는 기판을 포함하지만, 이러한 예로 한정되지는 않는, 1㎛ 미만 내지 약 80㎛ 두께 범위의 얇은 실리콘 기판을 사용하여 제조된 태양 전지에 적용되는 것을 개시한다. 적용예의 이해를 돕도록, 그 문헌에 따른 평면형 단결정 TFSS의 소망하는 두께(예를 들어, 10㎛ 미만 내지 약 120㎛)를 얻기 위한 공정 흐름은, 통상적으로 약 50㎛보다 커서 전지 처리 동안 스스로 지지가능한 기판으로서 다루어질 수 있는 평면형 TFSS에 대해서는 도 10a와 도 10b에 도시되어 있으며, 통상적으로 약 50㎛보다 얇아서 전지 처리 동안 스스로 지지되지 않는(이에 따라, 해당하는 호스트 템플릿으로부터 분리되기 전에 강화되는) 평면형 TFSS에 대해서는 도 11a와 도 11b에 도시되어 있다. 도 12a 내지 도 12d는 3차원 피라미드 실리콘 기판을 얻기 위한 공정 흐름을 도시한다. 유사한 공정을 이용하여 3차원 프리즘 형상 기판을 얻을 수 있지만, 그 구조를 위해 제공하는 리소그래피 또는 스크린 인쇄 패턴을 이용할 수도 있다.The laser process and process flow described herein are applicable to any thickness (less than 1 [mu] m to more than 100 [mu] m) of the silicon substrate, but here the epitaxial silicon of the reusable template or the porous Discloses a solar cell fabricated using a thin silicon substrate having a thickness ranging from less than 1 [mu] m to about 80 [mu] m, including, but not limited to, substrates obtained using silicon (or other sacrificial layer) . To facilitate understanding of the application example, the process flow for obtaining a desired thickness (e.g., less than 10 [micro] m to about 120 [micro] m) of the planar single crystal TFSS according to the document is usually greater than about 50 [ 10A and 10B for a planar TFSS that can be treated as a possible substrate and is typically thinner than about 50 microns so that it is not self-supporting during the cell processing (and thus reinforced before being separated from the corresponding host template) Planar TFSS is shown in Figs. 11A and 11B. 12A to 12D show a process flow for obtaining a three-dimensional pyramidal silicon substrate. Although a similar process can be used to obtain a three-dimensional prism-like substrate, lithography or screen printing patterns may be used that provide for that structure.
도 10a와 도 10b의 공정 흐름을 이용하여 얻어지는 얇은 평면형 기판은, 고효율 정면 접촉 태양 전지를 얻도록 도 13의 공정 흐름에 따라 처리될 수 있다. 스스로 지지되는 TFSS를 위해서는, TFSS의 템플릿측을 다른 측으로 진행하기 전에 우선 처리하는 것이 유리하다는 점에 주목해야 한다. TFSS의 템플릿측은 템플릿으로부터 분리된 후 TFSS 상에 남아 있는 의사 단결정 실리콘이 제거되는 동안 텍스처링되므로, 이러한 템플릿측은 태양 전지의 정면측이나 태양측이 바람직하다. 실리콘 질화물(SiN)과 실리콘 산화물을 선택적으로 삭마하는 레이저 공정들은 이러한 정면 접촉 태양 전지의 제조에 이용하면 유리하다.A thin planar substrate obtained using the process flow of FIGS. 10A and 10B can be processed according to the process flow of FIG. 13 to obtain a high efficiency front contact solar cell. It should be noted that for the self-supporting TFSS, it is advantageous to first process the template side of the TFSS before proceeding to the other side. Since the template side of the TFSS is textured while the pseudo-single crystal silicon remaining on the TFSS after being separated from the template is removed, such template side is preferably the front side or the sun side of the solar cell. Laser processes for selectively ablating silicon nitride (SiN) and silicon oxide are advantageous for use in the manufacture of such front-contact solar cells.
도 14는, 전지 처리 동안 TFSS가 매우 얇아서 세워질 수 없거나 스스로 지지되지 못하는 평면형 TFSS를 이용하여 고효율 정면 접촉 태양 전지를 제조하기 위한 다양한 레이저 공정들의 적용예를 도시한다. 이 경우에, 템플릿측이 아닌 표면을 템플릿 상의 TFSS로 먼저 처리한다는 점에 주목해야 한다. 일단 이 처리가 완료되면, 먼저 TFSS를 노출된 처리측의 강화판이나 시트(백플레인이라고도 함)에 부착한 후 템플릿으로부터 분리한다. 백플레인 부착된(또는 백플레인 라미네이트된) 박막 결정성 실리콘 태양 전지의 분리 후에, 잔여 다공성 실리콘의 제거, 텍스처 에칭, 및 SiN 패시베이션/ARC 증착, 및 포밍 가스 어닐링(FGA) 동작 공정들을 TFSS의 (결국 태양 전지의 정면으로 되는) 박리면에 대하여 실행한다.Fig. 14 shows an application example of various laser processes for manufacturing a high efficiency front contact solar cell using a planar TFSS that can not be built up due to the TFSS being very thin during cell processing and not being self-supporting. In this case, it should be noted that the non-template side is first processed by the TFSS on the template. Once this process is completed, the TFSS is first attached to the exposed plate or sheet (also known as the backplane) of the process side and then separated from the template. After removal of the backplane attached (or backplane laminated) thin film crystalline silicon solar cell, the removal of residual porous silicon, texture etching, and SiN passivation / ARC deposition, and forming gas annealing (FGA) (Which is the front surface of the battery).
도 15는 3-D 정면 TFSS를 이용하여 고효율 정면 접촉 태양 전지를 제조하기 위한 다양한 레이저 공정들의 적용예를 도시한다. 이 적용예에서는, 날카롭지 않고 끝부분에서 평평한 레지(ledge)를 갖는 피라미드 팁들을 템플릿측에 구비하는 것이 유리하다.15 shows an application example of various laser processes for manufacturing a high efficiency front contact solar cell using 3-D front TFSS. In this application, it is advantageous to provide pyramid tips on the template side that are not sharp and have a flat ledge at the end.
여기서 설명하는 공정들은 모든 후면 접촉 전지 공정 흐름을 간략화하는 데 더욱 고유하게 적합하다.The processes described herein are more uniquely suited to simplify all rear contact cell process flows.
도 16a 내지 도 16d는, TFSS가 스스로 지지되는(즉, 백플레인이 전지에 부착되지 않는) 후면 접촉/후면 접합 태양 전지를 제조하도록 평면형 에피택셜 기판에 사용되는 레이저 공정들을 도시한다. 이 적용예에서, 에피택셜 이미터는 에피택셜 실리콘 베이스의 증착에 이어서 실리콘 에피택시 동안 인시츄 증착된다. 이어서, 실리콘 삭마를 이용하여 베이스 분리 영역들로부터 이미터를 제거한다. 동시에, 4개의 기점(fiducial)을 산화물로 에칭하여 후속 삭마를 이 패턴에 정렬시킨다. 다음으로, 열적 산화물을 성장시켜 후면 접촉 후면 접합 태양 전지의 후면으로 될 실리콘 표면을 패시베이션한다. 이어서, 에피택셜 실리콘 막을 (다공성 실리콘 계면으로부터의 기계적 박리에 의해) 템플릿으로부터 분리 또는 박리한다. 다음으로, 잔여 다공성 실리콘층을 습식 에칭하고, 표면을 텍스처링한다(이들 모두는 알칼리성 에칭 공정을 이용하여 행해질 수 있다). 이는 태양 전지의 텍스처링된 정면 또는 태양측으로 된다. 이제, 피코초 UV 레이저를 이용하여 열적 산화물을 삭마하여 베이스 분리 영역 내에 베이스 개구를 형성한다. 베이스 개구는, 전술한 바와 같이 먼저 실리콘에서 에칭된 기점을 사용하여 먼저 실리콘 삭마에 의해 형성된 베이스 분리 영역(트렌치) 내에 정렬된다. 다음으로, 인 함유 산화물층(PSG)을 표면 상에 블랭킷 증착한다. 기점을 사용하여 베이스 개구에 정렬된 나노초 녹색 또는 IR 레이저로 스캐닝함으로써, 베이스가 도핑된다. 또한, 이미터에 대한 접촉 개구를 갖는 영역도, 나노초 녹색 또는 IR 레이저의 정렬된 스캔을 이용하여 마찬가지 방식으로 도핑된다. 다음으로, 피코초 UV 레이저를 이용하여 접촉 개구를 이렇게 도핑된 베이스와 이미터 영역들에 형성한다. 다시, 실리콘의 기점을 사용하여 이러한 접촉 개구의 정렬을 행한다. 이제, PVD(물리적 기상 증착) 기술 등의 적합한 방법을 이용하여, 알루미늄을 전지와 접촉하는 제1 층으로서 포함하는 금속 스택층(예를 들어, 1250A Al/100-250A NiW 2250 Sn의 스택)을 증착한다. 다음으로, 피코초 IR 레이저를 이용하여 이 층을 패터닝하여 금속 러너들이 베이스와 이미터 영역들에 개별적으로 연결된다. 선택 사항인 포밍 가스 어닐링(FGA) 후에, 임베딩된 (Al 또는 Cu) 고 전도성 상호접속부에 의해 또는 임베딩된 상호접속부 없이 전지를 백플레인에 연결하여 강화한다(후자의 경우에, 최종 전지 금속배선은 구리 도금 공정에 의해 형성될 수 있다). 이제, 전지는 테스트와 사용될 준비가 되어 있다. 도 17은 에피택셜 실리콘 베이스가 이미터층과 함께 증착되지 않는 후면 접촉 태양 전지를 제조하도록 평면형 에피택셜 기판에 사용되는 레이저 공정들을 도시한다. 대신에, 보론 함유 산화물(BSG)층을 증착하여 패터닝하여 베이스 분리 영역을 개구한다. 도 17에 개략적으로 예시한 공정 흐름에 따른 열적 산화 단계 동안 이미터와 베이스가 동시에 형성된다는 점을 제외하고는, 전술한 바와 마찬가지 공정을 행한다.16A-16D illustrate laser processes used in a planar epitaxial substrate to fabricate a back contact / rear junction solar cell in which the TFSS is self-supported (i.e., the backplane is not attached to the cell). In this application, the epitaxial emitter is deposited in situ during epitaxial silicon-based deposition followed by silicon epitaxy. The emitter is then removed from the base isolation regions using a silicon abrasion. At the same time, four fiducials are etched with oxide to align subsequent abrasions with this pattern. Next, the thermal oxide is grown to passivate the silicon surface to be the rear surface of the rear contact back junction solar cell. The epitaxial silicon film is then separated (or separated) from the template (by mechanical separation from the porous silicon interface). Next, the remaining porous silicon layer is wet etched and the surface textured (all of which can be done using an alkaline etch process). This results in the textured front or sun side of the solar cell. Now, a picosecond UV laser is used to ablate the thermal oxide to form the base opening in the base isolation region. The base openings are first aligned in a base isolation region (trench) formed first by a silicon abrasion using a starting point etched in silicon, as described above. Next, a phosphorus-containing oxide layer (PSG) is blanket deposited on the surface. By scanning with a nanosecond green or IR laser aligned to the base opening using the origin, the base is doped. In addition, regions with contact openings to the emitter are also doped in a similar manner using aligned scans of nanosecond green or IR lasers. Next, a contact opening is formed in the base and emitter regions thus doped using a picosecond UV laser. Again, alignment of these contact openings is made using the origin of silicon. Now, using a suitable method such as PVD (physical vapor deposition) technology, a metal stack layer (e.g., a stack of 1250A Al / 100-250A NiW 2250 Sn) containing aluminum as a first layer in contact with the cell Lt; / RTI > Next, the layer is patterned using a picosecond IR laser so that metal runners are individually connected to the base and emitter regions. After the optional foaming gas annealing (FGA), the cells are reinforced by embedded (Al or Cu) high conductivity interconnects or by interconnecting the cells to the backplane without embedded interconnects (in the latter case, Which may be formed by a plating process). Now, the battery is ready for testing and use. 17 illustrates laser processes used in a planar epitaxial substrate to fabricate a back-contacting solar cell in which an epitaxial silicon base is not deposited with the emitter layer. Instead, a boron-containing oxide (BSG) layer is deposited and patterned to open the base isolation region. Except that the emitter and the base are simultaneously formed during the thermal oxidation step according to the process flow schematically illustrated in FIG. 17, the same process as described above is performed.
도 18은, TFSS가 스스로 지지되지 않는(따라서, 백플레인이 사용되는) 후면 접촉/후면 접합 태양 전지를 제조하도록 에피택셜 기판 상에서 레이저 공정들을 이용하는 공정 흐름을 도시한다. 이러한 흐름에서는, 인시츄 도핑 이미터의 실리콘 삭마를 이용하여 베이스 분리 영역을 형성한다.Figure 18 shows a process flow in which laser processes are used on an epitaxial substrate to produce a back contact / rear junction solar cell in which the TFSS is not self-supporting (thus the backplane is used). In this flow, a base isolation region is formed using a silicon abrasion of an in situ doping emitter.
도 19a 내지 도 19h는, TFSS가 스스로 지지되지 않는 평면형 후면 접촉 태양 전지를 제조하도록 에피택셜 기판 상에서 레이저 공정을 이용하는 공정 흐름을 도시한다. 이 흐름에 있어서, 인시츄 이미터층 대신에, 열적 산화(또는 열적 어닐링 또는 열적 산화 어닐링)가 뒤따르는 BSG 증착과 선택적 레이저 삭마를 이용하여 베이스 분리 영역뿐만 아니라 이미터도 형성한다.19A-19H illustrate a process flow that utilizes a laser process on an epitaxial substrate to produce a planar back-contacting solar cell in which the TFSS is not self-supporting. In this flow, instead of the in situ emitter layer, an emitter is formed as well as a base isolation region using BSG deposition followed by thermal oxidation (or thermal annealing or thermal oxidation annealing) and selective laser ablation.
도 20은 후면 접촉 3-D 태양 전지를 제조하기 위한 공정 흐름을 도시하며, 피라미드 단부의 템플릿측이 비교적 날카로운 포인트를 갖는 것이 유리하다. 3-D TFSS는 비교적 작은 두께(예를 들어, 약 25㎛ 정도로 얇은 실리콘)로 스스로 지지될 수 있으므로, 공정 흐름은 도 16에 도시한 것과 유사하다. 다시 한번, 인시츄 이미터를 이용한 후 실리콘의 레이저 삭마, 또는 BSG 서막, 및 선택적 레이저 삭마를 이용한 후 열적 산화(또는 열적 어닐링, 또는 열적 산화 어닐링)를 행하는 선택을 갖는다는 점은 명백하다.Figure 20 shows the process flow for fabricating a back-contacting 3-D solar cell, with the advantage that the template side of the pyramidal end has a relatively sharp point. Since the 3-D TFSS can be self-supporting with a relatively small thickness (e.g., silicon as thin as about 25 占 퐉), the process flow is similar to that shown in Fig. Once again, it is clear that there is a choice of performing post-thermal oxidation (or thermal annealing, or thermal oxidation annealing) with laser ablation of the post-in-situ emitter, or BSG diffusion, and selective laser ablation.
이종접합 태양 전지의 적용예에서, 이종접합 이미터는, 반대측에 도핑된 결정성 실리콘 베이스와 접촉하는 도핑된 비정질 실리콘층에 의해 형성될 수 있다. 상호 맞물림 후면 접촉 태양 전지에 대해서는, 결정층에 선택적인 레이저 삭마를 이용하여 비정질 실리콘층과 투명 도전성 산화물(TCO)을 패터닝한다. UV 또는 녹색 파장의 펨토초 펄스폭 레이저는 이러한 적용예에 적합하다. 공정 흐름은 도 21에 예시되어 있다. 이 공정 흐름의 여러 변형이 가능하다.In an application of a heterojunction solar cell, the heterojunction emitter can be formed by a doped amorphous silicon layer in contact with the doped crystalline silicon base on the opposite side. For an intermeshing back-contact solar cell, an amorphous silicon layer and a transparent conductive oxide (TCO) are patterned using selective laser ablation of the crystalline layer. A femtosecond pulse width laser of UV or green wavelength is suitable for this application. The process flow is illustrated in FIG. Several variations of this process flow are possible.
본 개시 내용의 다양한 실시예들과 방법들은 적어도 다음에 따르는 양태들을 포함한다. 즉, 손상이 감소된 결정성 및 비정질 실리콘의 실리콘 삭마를 얻기 위한 공정, 실리콘에 대한 손상이 없거나 감소된 도핑 산화물과 언도핑 산화물 모두에 대한 산화물 삭마를 얻기 위한 공정, 태양 전지 금속배선을 위한 유전 표면 상의 완전히 분리된 금속 패턴을 얻기 위한 공정, 이미터와 베이스 접촉 영역들을 선택적으로 도핑하기 위한 공정, 평면형과 3-D 실리콘 기판을 비롯한 박막 웨이퍼 상에서의 펄스화 레이저 처리 이용, 템플릿 전 구조화 기술을 이용하여 제조된 재사용가능 템플릿 상에서 에피택셜 증착을 이용하여 얻어지는 기판 상에서의 펄스화 레이저 처리의 이용, 정면 접촉 동종접합 태양 전지의 제조시 다양한 펄스화 레이저 공정의 이용, 모든 후면 접촉 동종접합 태양 전지의 제조시 다양한 펄스화 레이저 공정의 이용, 및 이종접합 태양 전지의 제조시 다양한 펄스화 레이저 공정의 이용.The various embodiments and methods of the present disclosure include at least the following aspects. Processes for obtaining silicon abrasion of crystalline and amorphous silicon with reduced damage, processes for obtaining oxide abrasion for both doped and undoped oxides with no or reduced damage to silicon, dielectric for solar cell metallization Processes for obtaining fully separated metal patterns on the surface, processes for selectively doping emitter and base contact regions, pulsed laser processing on thin film wafers including planar and 3-D silicon substrates, The use of pulsed laser processing on substrates obtained using epitaxial deposition on reusable templates made using a variety of pulsed laser processes in the manufacture of front contact allogeneic solar cells, The use of various pulsed laser processes in manufacturing, The use of various pulsed laser processes in the fabrication of both cells.
정면 접촉 태양 전지를 p형 베이스로 설명하고 후면 접촉 후면 접합 태양 전지를 n형 베이스로 설명하고 있지만, 본 명세서에서 설명하는 레이저 공정들은 반대 도핑을 갖는 기판에 균일하게 적합하며, 즉, 정면 접촉 태양 전지를 위한 n형을 P+ 이미터로, 후면 접촉 후면 접합 태양 전지를 위한 p형 베이스를 p형 베이스와 n+ 이미터로 설명할 수 있다.Although the front contact solar cell is described as a p-type base and the rear contact back junction solar cell is described as an n-type base, the laser processes described herein conform to the substrate having opposite doping uniformly, that is, The p-type bases for the n-type P + emitter for the cell and the back-contact back-junction solar cell for the cell can be described as p-type bases and n + emitters.
다음의 설명, 표, 및 도면은 상호 맞물림 후면 접촉 전지(IBC)를 위한 레이저 처리 방법에 대한 플랫탑 레이저 빔의 적용예를 예시한다. 다음에 따르는 설명은, 통상적인 가우스 레이저 빔에 비해 플랫탑 레이저 빔을 이용하여 후면 접촉 태양 전지를 형성하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 명세서 전체에 걸쳐 설명하는 레이저 처리 방법들에 대한 플랫탑 레이저 빔의 구현은, 실리콘에 대한 손상을 상당히 감소시키며, 태양 전지 제조 처리량을 개선하고, 다른 패턴 내에 끼워진 패턴들(예를 들어, 이미터와 베이스 영역들의 패턴들)을 정의하기 위한 정렬 윈도우를 더욱 크게 한다.The following description, tables and figures illustrate application of a flat-top laser beam to a laser processing method for an intermeshing back-contact battery (IBC). The following description relates to a method for forming a back-contacting solar cell using a flat top laser beam compared to a conventional Gaussian laser beam. In addition, the implementation of the flattened laser beam for the laser processing methods described throughout this specification considerably reduces damage to silicon, improves solar cell throughput and reduces patterns embedded in other patterns , Patterns of the emitter and base regions).
도 22a와 도 22b는 가우스 빔(도 22a)과 플랫탑 빔(도 22b)의 프로파일을 각각 도시하는 개략도이다. 가우스 빔의 빔 강도는 빔 중심에서의 최대값으로부터 빔의 외측으로 매끄럽게 감소된다. 대조적으로, 강도는 빔의 프로파일(중심에서 외측으로의) 대부분을 통해 플랫탑 빔에 대해서는 "플랫" 또는 균일하다.22A and 22B are schematic diagrams respectively showing profiles of a Gaussian beam (FIG. 22A) and a flat top beam (FIG. 22B). The beam intensity of the Gaussian beam is smoothly reduced from the maximum value at the beam center to the outside of the beam. In contrast, the intensity is "flat" or uniform for a flat top beam through most of the beam's profile (from center to out).
본 명세서에서 개시하는 바와 같이, 상호 맞물림 후면 접촉(IBC) 금속배선을 갖는 고효율 후면 접촉 후면 접합 전지는, 펄스화 레이저 처리의 적어도 하나 또는 여러 단계를 이용함으로써 이점을 얻는다. 레이저 처리는, 이미터와 베이스 영역들(또는 베이스 대 이미터 분리)의 정의, 후면 필드(BSF) 영역의 정의, 후면 필드를 형성하기 위한 도핑, 베이스와 이미터에 대한 유전체 내의 컨택트 개구, 금속 패터닝을 포함하는 후면 접촉 전지의 형성에 걸친 여러 처리에서 이용될 수 있다. 이러한 단계들 중 일부는, 가우스 빔 레이저 스팟들을 중첩함으로써 통상적으로 생성되는 넓은 면적의 레이저 처리를 필요로 한다. 중첩은 전지 처리 속도를 크게 감소시키며, 실리콘 손상을 야기할 수 있어서, 전지 성능과 수율을 열화시킬 수 있다. 더욱 작은 직경의 가우스 스팟들을 비교적 넓은 플랫탑 레이저 빔으로 교체함으로써, 처리량을 상당히 개선하게 된다. 스팟들의 중첩이 급격히 감소되기 때문에, 반도체(예를 들어, 결정성 실리콘) 기판 손상이 상당히 감소된다. 도 23 내지 도 25는 개시한 플랫탑 레이저 빔 처리 방법들에 따라 형성될 수 있는 후면 접촉 태양 전지의 실시예들을 예시한다.As disclosed herein, a high efficiency back contact rear junction cell with intermeshing backside contact (IBC) metallization benefits from using at least one or several steps of pulsed laser processing. The laser processing may include defining the emitter and base regions (or base to emitter isolation), defining the back field (BSF) region, doping to form the back field, contact openings in the dielectric to the base and emitter, Can be used in various processes over the formation of a rear contact cell including patterning. Some of these steps require large area laser processing typically generated by superposing Gaussian beam laser spots. Overlapping can greatly reduce the cell throughput rate and can cause silicon damage, which can degrade cell performance and yield. By replacing smaller diameter Gauss spots with a relatively wide flat top laser beam, the throughput is significantly improved. Since the overlap of spots is drastically reduced, semiconductor (e.g., crystalline silicon) substrate damage is significantly reduced. Figures 23 to 25 illustrate embodiments of a back-contacting solar cell that may be formed according to the disclosed flat-top laser beam processing methods.
도 23은 본 명세서에서 개시된 것과 같은 n형 기판으로부터 형성된 상호 맞물림 후면 접촉(IBC) 금속배선을 갖는 후면 접촉/후면 접합 전지의 단면도이다. 도 23에 도시한 바와 같이, 교번하는 이미터 영역과 베이스 영역은 비교적 가볍게 n-도핑된 기판 영역들(n형 베이스)에 의해 분리된다. 배면/후면은, 느린 후면 재결합 속도를 양호한 표면 패시베이션에 제공하는 표면 패시베이션 층에 의해 커버되며, 예를 들어, PECVD 또는 APCVD 등의 기술들을 이용하여 증착될 수 있는, 열적 실리콘 이산화물, 증착된 실리콘 이산화물, 또는 실리콘 산화물/실리콘 질화물 층들 (및/또는 분자층 증착(ALD)에 의해 증착된 알루미늄 산화물)로 제조된 것이다. 이 표면 패시베이션 공정에 이어서, 이미터와 베이스 영역들에 대한 '국부적 컨택트'로서 기능을 하는 개구를 이 패시베이션층에 형성할 수 있다. 이어서, 도전체 증착과 패터닝(예를 들어, 도 23에 도시한 바와 같은 알루미늄)을 수행하여 이미터 영역과 베이스 영역을 개별적으로 연결할 수 있다.23 is a cross-sectional view of a back contact / back side junction cell having intermeshing back contact (IBC) metallization formed from an n-type substrate as disclosed herein. As shown in FIG. 23, the alternating emitter regions and base regions are separated by relatively lightly n-doped substrate regions (n-type base). The backside / backside is covered by a surface passivation layer that provides a slow rear-surface recombination rate to good surface passivation, and can be deposited using techniques such as, for example, PECVD or APCVD, using thermal silicon dioxide, deposited silicon dioxide , Or silicon oxide / silicon nitride layers (and / or aluminum oxide deposited by molecular layer deposition (ALD)). Following this surface passivation process, an opening may be formed in the passivation layer that serves as a 'local contact' to the emitter and base regions. The emitter region and the base region can then be individually connected by performing conductor deposition and patterning (e.g., aluminum as shown in Figure 23).
도 24a는, 이미터 영역과 베이스 영역이 교대로 평행한 줄로 레이아웃되는 상호 맞물림 후면 접촉 베이스와 이미터 설계를 예시하는 후면 접촉 태양 전지의 배면/후면도이다. 이 후면측은, 예를 들어, 이미터 영역에 의해 완전히 커버되는 표면으로 시작하여 베이스 영역을 윤곽 묘사하여, 패터닝된 이미터 영역을 형성함으로써, 형성될 수 있다. 이어서, 베이스 접촉 영역들을 인으로 도핑하고, 금속배선을 위해 컨택트들을 베이스와 이미터 영역들에 대하여 개구한다.24A is a rear / back view of an intermeshing rear contact base and emitter design back contact solar cell in which the emitter region and base region are laid out in an alternating parallel line. This back side can be formed, for example, by delineating the base region, starting with the surface completely covered by the emitter region, to form the patterned emitter region. The base contact regions are then doped with phosphorus and the contacts are opened relative to the base and emitter regions for metallization.
도 24b 내지 도 24f는 주요 처리 단계들 후 후면 접촉 전지를 도시하는 후면 접촉 태양 전지의 배면/후면도이며, 플랫탑 빔을 이용하거나 이용하지 않는 레이저 공정에 따라 단계들 중 임의의 하나의 단계 또는 조합을 수행할 수 있다. 이러한 특정한 예시적 방법의 다양한 레이저 패터닝 단계들이 도 24b 내지 도 24e에 예시되어 있다. n형 실리콘 기판으로 시작하여, BSG 층이 전체 표면 위에 증착된다. 다음으로, 도 24b에 도시한 바와 같이 BSG의 레이저 삭마를 이용하여 이미터 대 BSF 분리 영역이 정의된다. 이 단계, 즉, 베이스와 이미터 영역들을 윤곽 묘사하는 단계를 여기서 "BSG 개구" 단계라 칭한다. 대안으로, 실리콘의 레이저 삭마를 이용하여 정의된 BSF 영역과 실리콘 에피택시 동안 인시츄 보론 도핑 층을 증착할 수 있다.24B-24F are rear / back views of a rear-contact solar cell illustrating the rear contact cell after the main processing steps, wherein any one or more of the steps may be performed according to a laser process with or without a flat top beam A combination can be performed. Various laser patterning steps of this particular exemplary method are illustrated in Figures 24B-24E. Beginning with an n-type silicon substrate, a BSG layer is deposited over the entire surface. Next, as shown in Fig. 24B, an emitter-to-BSF separation region is defined using laser ablation of the BSG. This step, i.e., delineating the base and emitter regions, is referred to herein as the "BSG opening" step. Alternatively, a BSF region defined using laser ablation of silicon and a Si buffer layer can be deposited during silicon epitaxy.
이미터 대 BSF 분리 영역이 BSG 개구 단계에서 정의된 후에, USG 층이 웨이퍼 상에 증착된 후, 도 24c에 도시한 바와 같이, BSG 개구 영역에 대하여 형성된 패턴들로 이 층이 레이저 삭마된다. 이러한 패터닝 단계를 여기서 BSF 개구 단계 또는 베이스 개구 단계라 칭한다. BSF 개구는, 션트가 태양 전지 효율에 악영향을 끼치므로 션트 형성을 방지하도록 BSG 개구의 가장자리로부터 분리되어야 한다.After the emitter-to-BSF isolation region is defined in the BSG opening step, after the USG layer is deposited on the wafer, this layer is laser ablated with the patterns formed relative to the BSG opening region, as shown in Figure 24C. This patterning step is referred to herein as the BSF opening step or the base opening step. BSF openings must be separated from the edges of the BSG openings to prevent shunt formation as the shunt will adversely affect solar cell efficiency.
다음으로, PSG 층이 웨이퍼 상에 증착되고, BSF 개구의 PSG에 노출된 실리콘이 이 영역의 선택적 레이저 스캔을 이용하여 도핑된다. 도핑된 BSF 영역들(베이스 영역들)은 도 24d에 개시되어 있다.Next, a PSG layer is deposited on the wafer, and the silicon exposed to the PSG of the BSF opening is doped using selective laser scanning of this region. The doped BSF regions (base regions) are shown in Figure 24D.
다음으로, 도 24e에 도시한 바와 같이 레이저 삭마를 이용하여 베이스와 이미터에 대한 컨택트들을 형성한다. 컨택트들은 도 24e에 도시한 바와 같이 점 컨택트들 또는 도 24f에 도시한 바와 같이 라인 컨택트들일 수 있다는 점에 주목한다. 또한, 컨택트들의 개수 또는 라인들의 개수는 태양 전지를 위한 전류 도전 경로의 최소 직렬 저항을 위해 최적화되어야 하며, 따라서, 개시된 내용의 설계와 방법은 본 명세서에서 도시한 예시적인 실시예들로 한정되지 않는다. 또한, 전류 누설이 없도록 특정한 도핑 영역 내에 컨택트 개구들을 적절히 정렬하는 것이 중요하다.Next, as shown in FIG. 24E, laser ablation is used to form contacts for the base and the emitter. Note that the contacts may be point contacts as shown in FIG. 24E or line contacts as shown in FIG. 24F. In addition, the number of contacts or the number of lines should be optimized for minimum series resistance of the current conduction path for the solar cell, and thus the design and method of the disclosed contents is not limited to the exemplary embodiments shown herein . It is also important to properly align the contact openings within a particular doping region so that current leakage is avoided.
전술한 바와 같이, 나노초 펄스 길이 레이저를 사용할 수도 있지만, BSG 개구, BSF 개구, 및 컨택트 개구의 산화물 삭마 공정을 위해 피코초 펄스 길이 레이저를 이용할 수 있다. 또한, IR 파장을 이용할 수 있지만, 녹색 또는 UV 또는 더욱 작은 파장이, 실리콘 내로의 침투가 감소되기 때문에, 더욱 적합하다.As described above, a nanosecond pulse length laser may be used, but a picosecond pulse length laser may be used for the oxide ablation process of BSG openings, BSF openings, and contact openings. In addition, although IR wavelengths can be used, green or UV or even smaller wavelengths are more suitable because penetration into the silicon is reduced.
특히, BSF 도핑을 위해, 나노초 펄스 길이 레이저가, 실리콘 내로의 침투 때문에 더욱 적합할 수도 있다. 그리고, IR 파장을 사용할 수도 있지만, IR에 비해 침투가 감소되기 때문에 녹색 파장이 통상적으로 소망하는 도핑 깊이에 대하여 더욱 적합할 수도 있다.In particular, for BSF doping, nanosecond pulse length lasers may be more suitable due to penetration into the silicon. And although IR wavelengths may be used, the green wavelength may be more suitable for the typically desired doping depth, as penetration is reduced compared to IR.
도 25는, 금속 라인들이 이미터 영역과 베이스 영역들에 교대로 접촉하는 도 24a의 후면 접촉 태양 전지의 배면/후면도이다. 이미터와 베이스 영역들을 위한 금속 라인들은 도면의 간략화를 위해 도 25에 도시하지 않은 버스바에 개별적으로 연결된다는 점에 주목한다. 이 금속 패턴은, 금속의 블랭킷 증착과 베이스 컨택트를 이미터 컨택트로부터 분리하도록 후속하는 금속의 레이저 삭마에 의해 형성될 수 있다. 양호한 전류 도전을 위해 비교적 두꺼운 금속 라인들(일반적으로 20㎛ 이상 두꺼운 라인들) 이 필요하기 때문에, 알루미늄/니켈-바나듐/주석 등의 더욱 얇은 금속 스택을 먼저 증착하고 레이저에 의해 패터닝한 후, 전해 도금 또는 무전해 도금을 이용하여 구리 등의 더욱 두꺼운 금속의 선택적 증착을 행할 수 있다. 대안으로, 비교적 두꺼운 도전체를 갖는 백플레인을 적용하여 얇은 도전체 라인이 있는 전지에 부착할 수 있다. IR 파장을 갖는 피코초 펄스 길이 레이저가, 하지 산화물층에 대한 양호한 선택성을 갖기에 금속 스택을 삭마하는 데 가장 적합할 수 있다.Fig. 25 is a rear / rear view of the rear contact solar cell of Fig. 24A where metal lines alternately contact emitter regions and base regions. Note that the metal lines for the emitter and base regions are individually connected to bus bars not shown in FIG. 25 for the sake of simplicity of the drawings. This metal pattern can be formed by laser ablation of the subsequent metal to isolate the blanket deposition of the metal and the base contact from the emitter contact. Since thinner metal stacks, such as aluminum / nickel-vanadium / tin, are first deposited and patterned by a laser, since relatively thick metal lines (generally more than 20 microns thick) are required for good current conduction, It is possible to perform selective deposition of a thicker metal such as copper using plating or electroless plating. Alternatively, a backplane having a relatively thick conductor can be applied to attach to a cell having a thin conductor line. A picosecond pulse length laser with an IR wavelength may be best suited to ablate the metal stack because it has good selectivity for the underlying oxide layer.
이 구조를 가능하게 하는 데 이용될 수 있는 개시한 플랫탑 레이저 빔 처리 단계들은, (APCVD에 의해 증착된 보로실리케이트 유리(BSG) 등의) 증착된 보론 도핑 유전체 또는 이미터의 레이저 삭마에 의한 이미터와 베이스 영역들(BSF와 이미터 대 BSF 분리)의 윤곽 묘사, BSG에 형성된 개구를 커버하는 유전체를 개구함으로써 BSF 영역의 윤곽 묘사, 베이스의 N+ 도핑(예를 들어, 인을 이용), 베이스와 이미터 영역들에 대한 금속배선 컨택트의 개구, 및 베이스와 이미터 컨택트들을 분리하도록 금속 레이저 삭마를 이용한 금속 패터닝을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 도 26a 내지 도 26c는 플랫탑 빔 프로파일이 생성될 수 있는 세 가지 방식을 도시하는 도이다("Laser Beam Shaping: Theory and Techniques", Mercel Dekker Inc., NY의 F.M. Dickey and S. C. Holswade로부터 예시된 도로서, 그 전체는 본 명세서에 참고로 원용된다). 도 26a는 플랫탑 빔 프로파일을 생성하기 위한 한 가지 기술, 소위 "빔의 애퍼처링"을 도시한다. 이 방법을 이용함으로써, 가우스 빔을 팽창함으로써 가우스 빔이 평평해지며, 애퍼처를 이용하여 상당한 평평 부분을 선택하고 그 빔의 점진적으로 감소되는 '측벽' 영역을 잘라낸다. 그러나, 이 방법을 이용하면, 빔 파워를 상당히 잃을 수 있다.The disclosed flat-top laser beam processing steps that may be used to enable this structure are those that are performed by laser ablation of deposited boron-doped dielectrics or emitters (such as borosilicate glass (BSG) deposited by APCVD) Outline of the BSF region by opening the dielectric covering the openings formed in the BSG, N + doping (e.g., using phosphorus) of the base, and outline description of the base regions (BSF and emitter to BSF isolation) Opening of the metallization contacts to the base and emitter regions, and metal patterning using metal laser ablation to separate the base and emitter contacts. Figures 26a-26c illustrate three ways in which a flat top beam profile can be created (see Laser Beam Shaping: Theory and Techniques, FM Dickey and SC Holswade, Mercel Dekker Inc., NY The entirety of which is hereby incorporated by reference). 26A shows one technique for generating a flat top beam profile, so-called "aperture " of a beam. By using this method, the Gaussian beam is flattened by expanding the Gaussian beam, using the aperture to select a significant flattened area and to cut off the progressively decreasing 'sidewall' area of the beam. However, with this method, the beam power can be significantly lost.
도 26b에 도시한 바와 같이 플랫탑 빔을 생성하기 위한 제2 방법은 빔 집적을 이용하며, 여기서, 마이크로렌즈 어레이 등의 다수의 애퍼처 광학 소자들이 빔을 더욱 작은 많은 빔들로 분할하여 이들을 고정 면에서 재결합한다. 이 빔 집적 방법은 M 값이 큰 빔에서는 매우 적합할 수 있다.A second method for producing a flat top beam, as shown in Figure 26B, uses beam integration, where a plurality of aperture optical elements, such as a microlens array, divides the beam into a number of smaller beams, Lt; / RTI > This beam integration method can be very suitable for a beam having a large M value.
도 26c에 도시한 바와 같이 플랫탑 빔을 생성하기 위한 제3 빔 성형 시스템은 회절 그레이팅 또는 회절 렌즈를 이용하여 에너지를 재분산하여 출력 평면에 매핑한다. 도 26a 내지 도 26c에 개시한 3가지 기술들을 포함한 임의의 알려져 있는 방법을 이용하여, 본 명세서에서 설명하는 적용예들을 위한 플랫탑 빔 프로파일을 얻을 수 있다. 플랫탑 레이저 빔 형성 방법의 적합성과 선택은, 이용가능한 빔 특징들과 소망하는 결과들을 포함하는 다양한 인자들에 의존한다.As shown in FIG. 26C, a third beamforming system for generating a flat top beam uses diffraction grating or a diffractive lens to redistribute the energy and map it to the output plane. Any known method, including the three techniques disclosed in Figures 26A-C, may be used to obtain a flat top beam profile for the applications described herein. The suitability and choice of the flat top laser beam forming method depends on various factors, including available beam features and desired results.
도 27a와 도 27b는 삭마 임계값을 강조하는 가우스 빔과 플랫탑 빔의 프로파일을 도시하는 개략도이다. 도 27a와 도 27b에 도시한 바와 같이, 플랫탑 레이저 빔은, 특히 가우스 빔에 비해, 삭마 및 도핑 처리 동안 레이저 손상을 상당히 감소시킬 수 있다. 가우스 빔에 대해서는, 삭마를 위해 필요로 하는 값보다 큰, 특히, 빔의 중심에서 (도 21a에 도시한 바와 같이) 실리콘을 손상시킬 수 있는 상당히 과도한 레이저 강도가 존재한다. 플랫탑 빔은, 피크 강도가 재료를 삭마하는 데 필요한 값(도 27b에 도시한 바와 같은 삭마 임계값)보다 약간 더 크도록 그리고 가우스 빔의 고 강도에 의해 야기될 수 있는 손상을 피하도록 구성될 수 있다.FIGS. 27A and 27B are schematic views showing profiles of a Gaussian beam and a flat top beam emphasizing an ablation threshold value. FIG. As shown in Figs. 27A and 27B, the flat top laser beam can significantly reduce the laser damage during the ablation and doping process, especially compared to the Gaussian beam. For the Gaussian beam, there is a fairly excessive laser intensity that is greater than the value needed for ablation, especially at the center of the beam (as shown in Fig. The flat top beam is configured to be such that the peak intensity is slightly greater than the value required to ablate the material (the ablation threshold as shown in Figure 27B) and to avoid damage that may be caused by the high intensity of the Gaussian beam .
플랫탑 빔은, 정사각형 또는 직사각형 단면에 상관없이, 가우스 빔에 비해 특히 유리한 처리량 이점을 제공한다. 도 28a는 가우스 빔 삭마 영역 프로파일/풋프린트를 도시하는 도이다. 가우스 빔의 원형 스팟들은, 통상 50% 중첩만큼(도 28a) 패턴의 지그재그 아웃라인을 최소화하도록 상당히 중첩되어야 한다. 도 28b는 플랫탑 삭마 영역 프로파일/풋프린트를 도시하는 도이다. 정사각형 또는 직사각형 플랫탑 빔은 평평한 에지를 가지므로, 평평한 아웃라인을 생성하고, 중첩이 상당히 감소될 수 있다(도 28b). 도 28c는 빔 중첩이 감소됨에 따라 스캔 속도의 개선을 나타내는 그래프이다. 30%의 중첩에서도, 스캔 속도가 33% 증가할 수 있다는 점에 주목한다.The flat top beam provides a particularly advantageous throughput advantage over the Gaussian beam, regardless of the square or rectangular cross section. 28A shows a Gaussian beam ablation area profile / footprint. The circular spots of the Gaussian beam should be substantially superimposed to minimize the zigzag outline of the pattern, typically by 50% overlap (Figure 28A). 28B is a diagram showing the flat top ablation zone profile / footprint. The square or rectangular flat top beam has a flat edge, thus creating a flat outline, and the overlap can be significantly reduced (Fig. 28B). FIG. 28C is a graph showing an improvement in scan speed as the beam overlap is reduced. Notice that even at 30% overlap, the scan speed can increase by 33%.
도 29a는 가우스 빔의 빔 정렬 윈도우를 예시하는 도이고, 도 29b는 플랫탑 빔의 빔 정렬 윈도우를 예시하는 도이다. 도 29a와 도 29b에서 알 수 있듯이, 인레이드 패턴들을 형성하도록 플랫탑 빔을 이용하는 다른 장점은, 플랫탑 빔이 제공하는 정렬 윈도우가 크다는 점이다. 가우스 빔으로부터 얻어지는 원형 스팟들은 삭마 영역들의 지그재그 에지를 생성한다(도 29a). 도 29a에 도시한 바와 같이 M의 정렬 마진은, 지그재그 에지 프로파일의 굴곡으로 인해 M-a-b로 감소되고 제한된다.29A is a view illustrating a beam alignment window of a Gaussian beam, and FIG. 29B is a view illustrating a beam alignment window of a flat beam. 29A and 29B, another advantage of using a flat top beam to form the inlaid patterns is that the alignment window provided by the flat top beam is large. The circular spots obtained from the Gaussian beam create zigzag edges of the ablation areas (Figure 29A). As shown in Fig. 29A, the alignment margin of M is reduced and limited to M-a-b due to the bending of the zigzag edge profile.
그러나, 플랫탑 빔을 이용하여 생성되는 삭마 영역 에지는 직선형이어서, 정렬 마진이 M으로 유지될 수 있다. 본 명세서에서 설명하는 후면 접촉 후면 접합 태양 전지를 위해, BSG 개구 영역 내에 BSF 개구를 형성하고, 컨택트 개구를 BSF 영역 내에 형성한다. 따라서, 더욱 큰 정렬 마진은, 더욱 작은 BGS 개구, BSF, 및 컨택트 영역을 허용할 수 있으므로, 중요하다. 따라서, 전기적 셰이딩을 감소시키고 태양 전지 성능을 개선한다.However, the ablation area edge generated using the flat top beam is linear, so that the alignment margin can be maintained at M. For the back contact back junction solar cell described herein, a BSF opening is formed in the BSG opening region, and a contact opening is formed in the BSF region. Thus, a larger alignment margin is important, as it allows smaller BGS openings, BSFs, and contact areas. Thus reducing electrical shading and improving solar cell performance.
대면적 삭마 또는 도핑을 행하는 동안 정사각형 또는 직사각형 플랫탑 빔의 중첩이 x와 y 방향으로 감소될 수 있으므로, 처리량이 상당히 향상된다. 또한, 둘레의 과도한 지그재그를 야기하지 않고서 정사각형 또는 직사각형 플랫탑 빔의 크기가 증가될 수 있으므로, 처리량이 더욱 증가한다. 표 1은 BSF 막을 삭마함으로써 베이스 영역을 윤곽 묘사하는 데 사용되는 것과 같은 150um 폭 라인을 개구하는 데 필요한 스캔 횟수의 감소를 나타낸다.The overlay of the square or rectangular flat top beam can be reduced in the x and y directions during large area ablation or doping, thereby significantly improving throughput. Also, the size of the square or rectangular flat beam can be increased without causing excessive zigzag around, thereby further increasing throughput. Table 1 shows the reduction in the number of scans required to open a 150 um width line as used to delineate the base area by ablating the BSF film.
아래의 표 1은 90㎛ 폭의 베이스 개구를 생성하는 데 가우스 대 플랫탑 레이저 빔의 처리량을 나타낸다. 표 1의 결과는 도 29e에 그래프로 도시되어 있다.Table 1 below shows the throughput of the Gauss-to-flattop laser beam to create a base opening of 90 m wide. The results of Table 1 are shown graphically in Figure 29e.
(um)Line width
(um)
(um)Spot size
(um)
(um)Scan pitch
(um)
도 29e는, 한번에 4개의 웨이퍼를 처리할 수 있는 고 생산성 레이저 시스템을 위해, 가우스 빔(30㎛ 플랫탑 빔 영역 프로파일이 도 29c에 도시되어 있다)에 비교해 플랫탑 빔의 처리량 장점을 예시한다(60㎛ 플랫탑 빔 영역 프로파일이 도 29d에 도시되어 있다). 비용을 더욱 감소시키기 위해, 예를 들어, 2개의 레이저를 이용하되 각 레이저 빔이 다시 2개로 분할될 수 있다. 그러나, 이러한 플랫탑 레이저 빔 하드웨어와 제조 방법의 많은 변형들도 가능하다.Figure 29e illustrates the throughput advantages of a flat top beam compared to a Gaussian beam (a 30 占 퐉 flat top beam area profile is shown in Figure 29c) for a high productivity laser system capable of processing four wafers at a
또한, 플랫탑 빔을 이용하는 경우에 x와 y 방향으로 중첩이 상당히 감소되기 때문에, 가우스 빔에 비해 실리콘의 레이저 유도 손상이 크게 감소된다.In addition, since the overlap in the x and y directions is significantly reduced when a flat top beam is used, the laser induced damage of silicon is significantly reduced compared to the Gaussian beam.
BSF를 위한 산화물 영역을 개구, 부가되어 있는 PSG를 이용하여 BSF 영역을 도핑, 베이스와 금속 컨택트가 라인 컨택트들이고 금속 삭마 분리 라인들인 경우에 베이스와 금속 컨택트 개구를 형성하는 데 플랫탑 빔을 이용하는 경우에, 유사한 처리량 장점들도 발생할 수 있고, 이들 모두는 실리콘 손상이 감소되면서 현재의 장점을 갖는다. 또한, 플랫탑 빔을 이용함으로써, BSF 내의 컨택트 개구와 BSG 개구 내의 BSF 개구를 위한 정렬 윈도우가 증가하는 장점을 제공한다. 또한, 플랫탑 레이저 처리 방법들은 후면 필드를 형성하기 위한 처리량을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 후면 필드는, 베이스 영역을 도핑함으로써 형성될 수 있고, 전술한 바와 같이 인 등의 n형 도펀트로 개구될 수 있다. 이를 위해, 베이스는 인 도핑 실리콘 산화물(PSG)층으로 커버되고, 도핑은 이 영역을 레이저 빔으로 조사함으로써 수행될 수 있다. 가우스 레이저 빔을 이용하여 이 영역을 균일하게 도핑하려면 중첩이 필요하지만, 중첩은 플랫탑 빔을 이용하여 최소화되며, 또는 완벽히 감소될 수 있다. 본 명세서에서 설명한 베이스와 이미터 영역 윤곽 묘사와 후면 필드 윤곽 묘사에 대해서는, 플랫탑 레이저 빔을 이용함으로써, 필요로 하는 중첩이 감소됨에 따라 상당한 처리량과 손상 감소라는 장점을 제공한다. 후면 필드를 형성하기 위해, 빔이 한 방향으로만, 즉, 스캔에 법선인 방향으로만 플랫탑 빔일 필요가 있는 반면, 스캔의 방향으로는 가우스일 수도 있다는 점에 주목한다. 이러한 유형의 빔을 하이브리드 플랫탑 빔이라 한다.Opening the oxide region for BSF, doping the BSF region with the added PSG, using the flat top beam to form the base and metal contact openings when the base and metal contacts are line contacts and metal abrasive separation lines are used , Similar throughput advantages may also occur, all of which have current advantages with reduced silicon damage. Also, the use of a flat top beam offers the advantage of increased alignment windows for BSF openings in the BSF and BSF openings in the BSF. In addition, the flat top laser processing methods can increase the throughput to form the backside field. For example, the backside field can be formed by doping the base region and can be opened with an n-type dopant such as phosphorus as described above. To this end, the base is covered with a layer of doped silicon oxide (PSG), and doping can be performed by irradiating this region with a laser beam. Overlap is required to uniformly doping this region using a Gaussian laser beam, but superposition can be minimized using a flat top beam, or can be completely reduced. For the base, emitter region contour and rear field contour depictions described herein, the use of a flat top laser beam provides the advantage of significant throughput and damage reduction as the required overlap is reduced. Note that in order to form the backside field, the beam needs to be a flat beam only in one direction, i.e., in the direction normal to the scan, while it may be a gaussian in the direction of the scan. This type of beam is referred to as a hybrid flat top beam.
중요한 것은, 분리된 베이스 컨택트 또는 이미터 컨택트를 형성하기 위해, 중첩이 이슈는 아니지만, 가우스와는 달리, (도 27a와 도 27b에 도시한 바와 같이) 빔의 중심에 고 강도 피크가 없기 때문에 플랫탑 빔을 이용함으로써 실리콘 손상이 여전히 감소된다는 점이다.Importantly, to form a separate base contact or emitter contact, superposition is not an issue, but unlike Gaussian, since there is no high intensity peak at the center of the beam (as shown in Figures 27A and 27B) The silicon damage is still reduced by using the top beam.
본 개시 내용의 다른 양태는, 레이저 어닐링의 사용에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 유전체 코팅 표면의 패시베이션 특성을 개선(또는 표면 재결합 속도를 감소)함으로써, 일반적으로 결정성 반도체 태양 전지, 구체적으로는 결정성 실리콘 태양 전지, 더욱 구체적으로는 (얇은 수소화 비정질 실리콘 중간층이 있는 및 없는) 실리콘 질화물(SiN) 코팅 표면의 변환 효율 성능을 개선하기 위한 펄스화 레이저 어닐링에 관한 것이다. 실리콘 질화물층은 단일 화학량론성(stochiometry) 또는 등급형 화학량론성(예를 들어, 더욱 얇고 고 굴절률의 실리콘 리치 실리콘 질화물 중간층 위에 저 굴절률의 실리콘 질화물의 더욱 화학량론적이며 두꺼운 상층)을 가질 수 있다. 개선된 정면 패시베이션 특성은 감소된 정면 재결합 속도(또는 감소된 FSRV) 및 증가된 효율적 소수 캐리어 수명으로서 분명해져, 소수 캐리어 집합이 개선되고 전지 변환 효율이 향상된다. 이 기술은 상호 맞물림 금속배선(IBC)을 갖는 고효율 후면 접합 후면 접촉 전지에 특히 유리하여, SiN 코팅 정면의 어닐링을 또한 이용하여 태양 전지 후면 상의 이미터와 베이스 금속 컨택트들을 동시에 어닐링하고, 이에 따라 특정 컨택트 저항성을 감소시키고 태양 전지 필 팩터(FF)를 개선한다. 이러한 개시 내용의 레이저 어닐링 방법은, 넓은 범위의 두께에 걸쳐 반도체 흡수층을 이용하는 결정성 반도체 태양 전지, 즉, 웨이퍼 두께가 수㎛ 내지 수백㎛인 결정성 실리콘 웨이퍼 태양 전지 등의 두꺼운 웨이퍼 기반 태양 전지에 적용가능하다. 또한, 더욱 구체적으로, 본 개시 내용의 비접촉 레이저 어닐링 공정과 방법은, 지지되지 않는 전지의 기계적 핸들링으로 인해 전지 파괴가 발생할 수 있는 극히 얇은 결정성 실리콘 태양 전지(예를 들어, 결정성 반도체 층의 두께가 수㎛ 내지 50㎛임)에 적용가능하다. 이것은 또한 일괄 로 어닐링 공정의 인라인 교체이다. 레이저 어닐링 공정과 방법은 전지 제조 공정 흐름에서의 최종 단계 또는 정면 패시베이션과 반사방지 코팅(ARC)층의 증착 바로 뒤로서 사용될 수 있다. 본 개시 내용의 공정과 방법은, 저온 PECVD에 의해 증착되는 실리콘 질화물 등의 패시베이션과 ARC 층을 위한 저온 저 열적 비용 증착 공정을 이용하여 고품질의 표면 패시베이션과 반사방지 코팅 즉 ARC 층의 형성을 가능하게 한다.Other aspects of the present disclosure relate to the use of laser annealing and more specifically to the improvement of the passivation characteristics of the dielectric coating surface (or reducing the rate of surface recombination) And more particularly to pulsed laser annealing for improving the conversion efficiency performance of silicon nitride (SiN) coated surfaces (with and without a thin hydrogenated amorphous silicon intermediate layer). The silicon nitride layer may have a single stoichiometry or graded stoichiometry (e.g., a more stoichiometric and thicker top layer of silicon nitride with a lower refractive index over a thinner, higher refractive index silicon-rich silicon nitride intermediate layer). The improved front passivation characteristics become apparent as reduced front recombination speed (or reduced FSRV) and increased effective minority carrier lifetime, resulting in improved minority carrier aggregation and improved cell conversion efficiency. This technique is particularly advantageous for high efficiency rear-surface-junction back-contacting cells with intermeshing metal wiring (IBC), which also anneals the emitter on the back surface of the solar cell and the base metal contacts simultaneously using annealing of the SiN coated front, Reduces contact resistance and improves solar cell fill factor (FF). The laser annealing method of this disclosure is applicable to a thick wafer-based solar cell such as a crystalline semiconductor solar cell using a semiconductor absorption layer over a wide range of thickness, that is, a crystalline silicon wafer solar cell having a wafer thickness of several micrometers to several hundreds of micrometers Applicable. Further, more particularly, the non-contact laser annealing process and method of the present disclosure is based on the use of an extremely thin crystalline silicon solar cell (e.g., a crystalline silicon solar cell And the thickness is several 占 퐉 to 50 占 퐉. This is also an inline replacement of the annealing process in batches. The laser annealing process and method can be used as a final step in the cell manufacturing process flow or just after deposition of the front passivation and anti-reflection coating (ARC) layer. The processes and methods of the present disclosure enable the formation of high quality surface passivation and antireflective coatings, i.e. ARC layers, using passivation such as silicon nitride deposited by low temperature PECVD and a low temperature, low thermal cost deposition process for the ARC layer do.
p형 실리콘 벌크(또는 p형 베이스)를 갖는 표준 정면 접촉 태양 전지를 위해 실리콘 질화물을 이용한 인 리치 N+ 이미터의 표면의 패시베이션은 널리 알려져 있으며, 태양 산업에서 널리 이용되고 있다. SiN 막은 광학적 반사 손실을 감소시키고 태양광 트래핑을 증가시키도록 반사방지 코팅으로서 기능을 하지만, 널리 알려져 있는 수소화 공정에 의해 인 리치 N+ 이미터의 표면을 패시베이션하는 매우 중요한 태스크로서도 기능을 한다. 수소 함유 SiN 층으로부터 분리되는 수소는 실리콘 표면 상의 개구 본드를 충족하고(또는 표면 상태와 트랩을 야기하는 실리콘 댕글링 본드), 이에 따라 이러한 댕글링 본드 사이트에 의해 표면 재결합 속도 또는 소수 캐리어들의 비율을 감소시킨다. 다수 결정성 또는 다결정성 실리콘으로 제조된 전지를 위해, SiN 층에 의해 제공되는 이러한 수소는, 입자 경계 트랩 사이트를 제거할 뿐만 아니라 실리콘 웨이퍼의 벌크에 있는 불순물 및 결함과 더 반응하고, 이에 따라 전체 소수 캐리어 재결합을 감소시키고, 재료의 벌크의 유효 소수 캐리어 수명을 증가시킨다.The passivation of the surface of an inline N + emitter using silicon nitride for a standard front-facing solar cell with a p-type silicon bulk (or p-type base) is well known and widely used in the solar industry. The SiN film functions as an antireflective coating to reduce optical return loss and increase solar trapping, but also serves as a very important task for passivating the surface of an in-rich N + emitter by a well-known hydrogenation process. Hydrogen separating from the hydrogen-containing SiN layer satisfies the opening bond on the silicon surface (or a silicon dangling bond that causes surface states and traps), and thus the surface recombination rate or the ratio of minority carriers by such dangling bond sites . For a cell made of polycrystalline or polycrystalline silicon, this hydrogen provided by the SiN layer not only removes the grain boundary trap sites, but also reacts further with impurities and defects in the bulk of the silicon wafer, Reduces minority carrier recombination, and increases the effective fractional carrier lifetime of the bulk of the material.
수소의 분리와 이에 따른 실리콘의 표면과 벌크 패시베이션은, 현재 태양 전지 제조 산업에서 널리 사용되고 있는 표준 정면 접합 정면 접촉 태양 전지 제조 공정 흐름에 있어서 통상적으로 소위 "금속 파이어링" 공정 동안 얻어진다. 스크린 인쇄 금속 파이어링 공정은, 소망하는 냉각 시퀀스 전에 약 850 내지 900℃에서의 최종 드웰(dwell)과 함께 신중하게 설계된 온도와 시간 시퀀스를 이용하는 태양 전지의 다단 가열로 이루어진다. 이 파이어링 사이클은 신중한 실험 후에 최적화된다. 수소는 작은 원소이므로, 웨이퍼 온도가 너무 높거나 어닐링 시간이 너무 길면 웨이퍼 밖으로 확산될 수 있다. 반면에, 온도가 너무 낮거나 어닐링 시간이 너무 짧으면 수소 패시베이션이 불만족스러울 수 있다. 따라서, 수소-패시베이션 현상은, 태양 전지 산업에서 심도 있는 조사 및 연구의 주제로 되어 왔으며, (여전히 많은 영역들을 완전히 이해해야 하므로) 많은 이들에 의해 단순한 과학이 아니라 기술로 간주된다. 따라서, 고 정도의 제어를 제공할 수 있는 공정이 바람직하다는 것은 명백하다.The separation of hydrogen and consequently the surface and bulk passivation of silicon is typically obtained during a so-called "metal firing" process in the flow of standard frontal bonded, front-contact solar cell manufacturing processes currently used in the solar cell manufacturing industry. The screen printing metal firing process consists of multi-stage heating of the solar cell using carefully designed temperature and time sequences with final dwell at about 850 to 900 占 폚 before the desired cooling sequence. This firing cycle is optimized after careful experimentation. Since hydrogen is a small element, it can diffuse out of the wafer if the wafer temperature is too high or the annealing time is too long. On the other hand, if the temperature is too low or the annealing time is too short, the hydrogen passivation may be unsatisfactory. Thus, the hydrogen-passivation phenomenon has been the subject of in-depth research and research in the solar cell industry, and is regarded by many as a technology, not a mere science, (as it still requires a complete understanding of many areas). Thus, it is clear that a process that can provide a high degree of control is desirable.
p형 실리콘 벌크(또는 p형 보론 도핑 베이스)와 n+ 인 도핑 이미터를 갖는 표준 메인스트림 정면 접촉 태양 전지를 위해, 정면 접촉 표면은 은으로 접촉되는 한편 후면은 알루미늄으로 접촉되며, 이는 블랭킷 층으로서 스크린 인쇄될 수 있고 또는 후면측 유전체 표면에 형성된 개구를 통해 선택적 컨택트를 형성할 수 있다. 저 저항 컨택트를 얻기 위해, 전술한 금속 파이어링 공정 동안 은을 정면의 실리콘과 후면의 알루미늄과 교차 혼합하는 것을 촉진한다. 위 금속 파이어링 공정의 설명에 기초하여, 태양 전지의 저 저항 컨택트와 이에 따라 고 FF를 얻는 프랙티스는 복잡하다. 다시, 고 정도의 제어를 제공할 수 있는 공정이 바람직하다.For a standard mainstream front contact solar cell with a p-type silicon bulk (or p-type boron doping base) and an n + doping emitter, the front contact surface is in contact with silver while the backside is in contact with aluminum, Or may form an optional contact through an opening formed in the back side dielectric surface. To obtain a low resistance contact, during the metal firing process described above, silver is cross-mixed with frontal silicon and backside aluminum. Based on the description of the above metal firing process, the practice of obtaining a low-resistance contact of a solar cell and thus a high FF is complicated. Again, a process that can provide a high degree of control is desirable.
또한, 후면측의 n+ 컨택트와 p+ 컨택트 모두와 접촉하는 동일한 금속, 알루미늄을 이용하는 모든 후면 접촉 후면 접합 태양 전지는, 알루미늄에 의한 n+ 컨택트의 도핑, p형 도펀트가 컨택트 저항을 증가시키고 이에 따라 전지의 필 팩터를 감소시키므로, 매우 높은 온도로 가열될 수 없다. 또한, 450℃를 훨씬 초과하는 알루미늄의 과열로 인해, 알루미늄의 광학적 반사성이 열화될 수 있다(이에 따라 전지의 적외선 광자들의 광학적 손실이 증가할 수 있다). 바람직하게, 실리콘 표면에서의 산화물을 감소 및 흡수함으로써 알루미늄이 실리콘과 밀착되는 컨택트의 200℃ 내지 450℃ 범위로 제어되는 저온 가열이 매우 바람직하다.Further, all the rear-contact rear-bonding solar cells using the same metal, aluminum, which are in contact with both the n + contact and the p + contact on the back side are doped with n + contact by aluminum and the p- And therefore can not be heated to a very high temperature. In addition, due to the overheating of aluminum, which far exceeds 450 ° C, the optical reflectivity of aluminum may deteriorate (thereby increasing the optical loss of the infrared photons of the battery). Preferably, low temperature heating in which the contact of aluminum with silicon is controlled to be in the range of 200 캜 to 450 캜 by reducing and absorbing the oxide on the silicon surface is highly desirable.
여기서는, 태양 전지의 정면 또는 태양측이 상당히 균일하게 또는 레이저 빔으로 조사된 선택된 영역에 있고, 수소 원자들이 SiN으로부터 분리되고 이에 따라 실리콘 표면을 효과적으로 패시베이션하도록 반도체(예를 들어, 실리콘)를 선택적으로 가열하고, 표면 상태 밀도를 감소시키고, 정면 재결합 속도(FSRV)를 감소시키고, 태양 전지의 유효 소수 캐리어 수명을 증가시키는 공정을 개시한다. 또한, 본 개시 내용의 공정과 방법은 벌크 트랩 밀도를 감소시킬 수 있고 벌크 소수 캐리어 수명을 향상시킬 수 있다. 개시한 방법의 일 실시예는, 반도체(예를 들어, 실리콘) 밴드갭의 파장보다 작은 파장을 갖는 펄스화 레이저 소스를 사용하는 것에 기초한다. (예를 들어, 결정성 실리콘 표면 어닐링을 위해 펄스화 녹색 또는 UV 레이저 소스를 사용하는) 본 실시예에서, 펄스화 레이저 소스 조사를 이용하여 정면이 선택적으로 가열되는 한편, 전지의 후면측은 전지의 정면측보다 상당히 차갑게 유지된다. 개시한 방법의 다른 실시예는, 반도체 밴드갭의 파장에 가까운 또는 이 파장보다 큰 파장을 갖는 펄스화 레이저 소스를 이용하는 것에 기초한다. 펄스화 레이저 소스 조사를 이용하여 정면이 가열되는 동안 (예를 들어, 결정성 실리콘 표면 어닐링을 위해 펄스화 IR 레이저 소스를 사용하는) 본 실시예에서, 전지의 후면측도 가열되고 어닐링된다. 이를 대체하는 실시예에서는, 동시에, 레이저 빔이 Al/실리콘 컨택트를 가열하는 태양 전지의 후면으로 침투하여 컨택트 저항을 감소시키고 전체 전지 필 팩터와 효율을 개선한다. 본 개시 내용의 레이저 어닐링 공정과 방법은, 태양 전지 제조 공정 흐름의 종료시 또는 패시베이션/ARC 층의 형성 후 전지들을 시험하고 모듈 패키징을 위해 분류하기 전에 즉시 수행될 수 있다. 대안으로, 본 개시 내용의 레이저 어닐링 공정과 방법은, PV 모듈의 전지들을 조립하고 패키징한 후에 그리고 모듈조립체의 정면 유리 커버를 통해 수행될 수 있다. 이 경우, 파장은, 적외선 등의, 유리를 통과할 수 있는 것을 사용할 필요가 있다.Here, the front or sun side of the solar cell is in a selected region irradiated with a fairly uniform or laser beam, and a semiconductor (e.g., silicon) is selectively implanted to allow the hydrogen atoms to separate from the SiN and thereby effectively passivate the silicon surface Heating, decreasing the surface state density, reducing the front recombination speed (FSRV), and increasing the effective minority carrier lifetime of the solar cell. In addition, the processes and methods of the present disclosure can reduce the bulk trap density and improve the bulk minority carrier lifetime. One embodiment of the disclosed method is based on the use of a pulsed laser source having a wavelength less than the wavelength of a semiconductor (e.g., silicon) band gap. In this embodiment (e.g., using pulsed green or UV laser sources for crystalline silicon surface annealing), the front side is selectively heated using pulsed laser source irradiation, And is kept substantially cooler than the front side. Another embodiment of the disclosed method is based on the use of a pulsed laser source having a wavelength close to or greater than the wavelength of the semiconductor bandgap. In this embodiment (e.g., using a pulsed IR laser source for crystalline silicon surface annealing) while the front side is heated using pulsed laser source irradiation, the back side of the cell is also heated and annealed. In an alternative embodiment, simultaneously, the laser beam penetrates into the backside of the solar cell heating the Al / silicon contact to reduce the contact resistance and improve the overall battery fill factor and efficiency. The laser annealing process and method of the present disclosure can be performed immediately at the conclusion of the solar cell manufacturing process flow or after testing of the cells after formation of the passivation / ARC layer and sorting for module packaging. Alternatively, the laser annealing process and method of the present disclosure may be performed after assembling and packaging the cells of the PV module and through the front glass cover of the module assembly. In this case, it is necessary to use a wavelength capable of passing through glass such as infrared rays.
이 공정 동안 패시베이션층(예를 들어, PECVD SiN 층)이 열화되지 않아 태양광이 상당한 광학적 흡수 손실 없이 이러한 반사방지 코팅을 통과할 수 있도록 (레이저 소스 파장, 펄스 폭, 전력 등을 포함하여) 레이저 어닐링 공정을 최적화해야 한다는 것은 중요하다. 또한, 광 트랩핑이 감소되지 않도록 표면 텍스처가 영향을 받지 않아야 한다. 이러한 요건들을 모두 충족하도록 펄스화 레이저 소스의 유형과 레이저 공정 파라미터들을 신중하게 선택해야 한다는 점은 명백하다.(Including laser source wavelength, pulse width, power, and the like) so that the passivation layer (e.g., PECVD SiN layer) does not deteriorate during this process so that sunlight can pass through this antireflective coating without significant optical absorption loss It is important to optimize the annealing process. Also, the surface texture should not be affected so that light trapping is not reduced. It is clear that the type of pulsed laser source and laser process parameters must be carefully selected to meet all of these requirements.
레이저 펄스 길이는, 패시베이션/ARC 층(예를 들어, SiN 층)과의 비선형 광학적 상호작용이 없어서 패시베이션/ARC 층이 영향을 받지 않도록 충분히 길어야 한다. 이러한 적용예를 위해 펄스 길이가 1 나노초 내지 마이크로초에 걸친 레이저 또는 연속파를 이용할 수 있지만, 선택은 바람직한 열 침투의 깊이에 의존한다. 더욱 짧은 펄스 길이를 사용하면, 열이 얕은 깊이로 한정된다. 또한, 가열될 필요가 있는 반도체(예를 들어, 결정성 실리콘)의 깊이에 기초하여 파장을 선택해야 한다. 정면 패시베이션만을 개선할 필요가 있는 단결정 태양 전지에 적용하기 위해서는, 녹색 파장이 더욱 적합할 수도 있다. 개선된 벌크 실리콘 패시베이션이 필요하고 및/또는 후면 접촉 어닐링이 바람직한 적용예를 위해서는, IR 파장이 더욱 적합할 수도 있다. 소망하는 적용예에 기초하여, 레이저 펄스 길와 파장의 범위를 사용할 수 있다는 점은 명백하다.The laser pulse length should be long enough so that there is no nonlinear optical interaction with the passivation / ARC layer (e.g., SiN layer) so that the passivation / ARC layer is unaffected. For this application, lasers or continuous waves with pulse lengths ranging from 1 nanosecond to microseconds can be used, but the choice depends on the desired depth of penetration. With a shorter pulse length, the heat is limited to a shallow depth. In addition, the wavelength must be selected based on the depth of the semiconductor (e.g., crystalline silicon) that needs to be heated. In order to apply to a single crystal solar cell in which only front passivation needs to be improved, the green wavelength may be more suitable. For applications where improved bulk silicon passivation is required and / or back contact annealing is desired, the IR wavelength may be more suitable. It is clear that, based on the desired application, a range of laser pulse lengths and wavelengths can be used.
NBLAC 전지라 칭하는 상호 맞물림 금속배선을 갖는 후면 접촉 전지를 우한 공정들은 관련 출원에 개시되어 있다(예를 들어, 미국 특허출원번호 제13/057,104호 참조).Processes involving rear contact cells having intermeshing metallization, referred to as NBLAC cells, are disclosed in related applications (see, for example, U.S. Patent Application Serial No. 13 / 057,104).
도 30은 NBLAC 공정 흐름의 실시예들 중 하나를 도시하는 한편, 도 31은 전지의 개략적인 단면도이다(백플레인은 편의상 도시하지 않는다). 도 30의 저온 정면 패시베이션/ARC:PECVD(실리콘 질화물) + 레이저 어닐링 공정 단계는 당업계에서 사용되는 온도보다 저온(<350℃)에서의 SiN의 증착을 포함한다. 이어서, 표면을 펄스화 레이저 조사하여 우선적으로 실리콘 정면측 어닐링을 행하여 SiN으로부터의 수소로 실리콘 표면의 패시베이션을 개선한다. 특히, 본 발명의 레이저 어닐링 공정과 방법은, 90℃ 만큼 낮은 저온에서, 더욱 구체적으로는, 90℃ 내지 250℃의 통상적인 증착 온도 범위에서 증착된 (단층 SiN과 비정질 실리콘을 갖는 이중층 SiN과 같은) 고품질 패시베이션과 ARC 층들의 형성을 가능하게 한다.Figure 30 shows one embodiment of the NBLAC process flow, while Figure 31 is a schematic cross-sectional view of the battery (the backplane is not shown for convenience). The low temperature front passivation / ARC: PECVD (silicon nitride) + laser annealing process step of Figure 30 involves the deposition of SiN at a temperature lower than the temperature used in the art (< 350 [deg.] C). Subsequently, the surface is preferentially subjected to the frontal side of the silicon by pulsed laser irradiation to improve the passivation of the silicon surface with hydrogen from SiN. In particular, the laser annealing process and method of the present invention are particularly suitable for laser annealing processes and methods which are deposited at a low temperature as low as 90 占 폚, more specifically at a conventional deposition temperature range of 90 占 폚 to 250 占 폚 (such as a bilayer SiN with single- ) Enabling the formation of high quality passivation and ARC layers.
일부 실시예들에서, 어닐링되는 SiN은 인 도펀트의 소망하는 양을 함유할 수 있다. 이 경우, 어닐링 단계는 인을 이용한 실리콘 도핑을 야기할 수 있다. 이 공정은 이하에서의 도 36과 함께 설명한다.In some embodiments, the SiN to be annealed may contain a desired amount of phosphorus dopant. In this case, the annealing step may result in silicon doping using phosphorus. This process will be described below with reference to FIG.
SiN 외에도, 실리콘 산질화물(SixOyNz), 또는 실리콘 탄화물(SixCy) 단층들 또는 비정질 실리콘(a-Si) 상에 SiN을 갖는 이중층 스택, 실리콘 산화물(SiO2) 상에 SiN을 갖는 이중층 스택, 또는 실리콘 산질화물 상에 SiN을 갖는 이중층 스택을 실리콘 표면 패시베이션을 위해 사용할 수도 있다. 예를 들어, 비정질 실리콘층이 실리콘 표면을 상당히 잘 패시베이션할 수 있다는 것이 알려져 있다. 그러나, 현재의 산업 공정에서는, 실리콘의 상당한 표면 클리닝과 a-Si 증착 공정의 공정 최적화가 필요하다. 수소화 SiN을 이용한 a-Si 막의 레이저 어닐링은, 상당히 증가된 유효 소수 캐리어 수명과 상당히 감소된 정면 재결합 속도에 의해 측정되는 바와 같이, SiN의 수소를 활성화할 수 있어서 패시베이션을 급격히 향상시킬 수 있다.In addition to SiN, on a silicon oxynitride (Si x O y N z), or silicon carbide (Si x C y) single layer, or amorphous silicon-layer stack of silicon oxide having a SiN on the (a-Si) (SiO 2 ) A bilayer stack with SiN or a bilayer stack with SiN on silicon oxynitride may be used for silicon surface passivation. For example, it is known that an amorphous silicon layer can passivate the silicon surface fairly well. However, current industrial processes require significant surface cleaning of silicon and process optimization of the a-Si deposition process. Laser annealing of a-Si films with hydrogenated SiN can activate hydrogen of SiN, as measured by a significantly increased effective minority carrier lifetime and significantly reduced front recombination rate, which can dramatically improve passivation.
도 30에서의 상호 맞물림 전지 베이스 & 이미터 Al 라인 단계를 위한 Al의 펄스화 피코초 레이저 삭마 및 PVD Al/NiV/Sn 컨택트와 후면측 강화 BSR 단계는 태양 전지의 후면 상에 베이스와 이미터에 대한 금속 컨택트를 형성한다. 이러한 컨택트들은 도 31에 단면도로 도시되어 있다. 실리콘 막의 후면으로 침투하는 레이저 빔은 후면 컨택트들을 동시에 어닐링하여 컨택트 저항을 감소시키고 태양 전지의 필 팩터를 증가시킨다는 것은 명백하다.Figure 30 Pulsed picosecond laser ablation and PVD Al / NiV / Sn contact and backside enhancement BSR steps for Al-lined cell base & emitter Al-line steps are applied to the base and emitter on the back side of the solar cell. Thereby forming a metal contact. These contacts are shown in cross-section in Fig. It is clear that the laser beam penetrating the back surface of the silicon film simultaneously anneals the rear contacts to reduce the contact resistance and increase the fill factor of the solar cell.
레이저 어닐리을 이용하여 얻어진 결과가 도 32에 도시되어 있다. 고온 금속 파이어링에 의존하지 않고 SiN의 저온 증착 패시베이션층 상에서 최대 100회의 유효 수명 개선을 얻었다는 것을 알 수 있다. NBLAC 공정에서, 얇은 에피택셜 실리콘은 백플레인 상에 지지된다. 이 백플레인이 고온을 견딜 수 없는 경우에는, SiN 증착 온도가 감소되어 얇은 에피택셜/백플레인 조립 처리를 용이하게 하고 감열(heat-sensitive) 백플레인 조립체를 수용하는 집적을 처리한다. 이러한 감열 백플레인을 위해, 레이저 어닐링은, 레이저 펄스 길이와 파장을 적절히 선택하면 실리콘의 후면측을 백플레인을 위한 허용가능한 값 내에서 유지하는 동안 열이 실리콘의 정면측으로 한정될 수 있으므로, 매우 적합하다.The results obtained using the laser anneal are shown in Fig. It can be seen that up to 100 effective lifetime improvements were obtained on the low temperature deposited passivation layer of SiN without relying on high temperature metal firing. In the NBLAC process, thin epitaxial silicon is supported on the backplane. If this backplane can not withstand high temperatures, the SiN deposition temperature is reduced to facilitate thin epitaxial / backplane assembly processing and to handle the integration to accommodate a heat-sensitive backplane assembly. For such a thermal backplane, laser annealing is well suited because heat can be confined to the front side of the silicon while maintaining the backside of the silicon within an acceptable value for the backplane by properly selecting the laser pulse length and wavelength.
비접촉 레이저 어닐링 공정은, 취급시 쉽게 부서질 수 있는 대략 수㎛ 내지 50㎛ 범위 두께의 에피택셜 막을 사용하는 NBLAC 전지에 매우 적합하다.The non-contact laser annealing process is well suited for NBLAC cells that use epitaxial films with a thickness in the range of approximately several micrometers to 50 micrometers that can be easily broken during handling.
처리량 향상과 공정 제어 개선을 위해, 이러한 적용예들에 사용되는 레이저 소스는, 전체 표면 조사 스캔 시간을 감소시키기 위해 (적어도 100㎛ 이상에 걸쳐 빔 파워가 비교적 균일한) 탑햇(top-hat) 프로파일을 가질 수 있다. 이는 또한 빔 중첩 영역들의 손상 가능성을 제거한다.For improved throughput and improved process control, the laser sources used in these applications include a top-hat profile (where the beam power is relatively uniform over at least 100 mu m) to reduce the total surface scan time Lt; / RTI > This also eliminates the possibility of damage to the beam overlap regions.
이 레이저 어닐링 공정은, 인라인 비용 효과적인 공정이므로 로 어닐링을 대체하는 매력적인 대안이다.This laser annealing process is an inline cost effective process and therefore an attractive alternative to furnace annealing.
본 개시 내용의 또 다른 양태에 따르면, 실리콘 상에 열적 성장된 또는 화학적 기상 증착된 실리콘 산화물 등의 전기적 절연 층들의 선택적 레이저 삭마 및 패터닝을, 비교적 높은 전지 효율 값을 얻기 위한 결정성 실리콘 태양 전지 공정 흐름에서 사용한다. 이러한 적용예에서는, 어떠한 상당한 삭마 유도 손상으로 인해 소수 캐리어 재결합 손실이 증가하여 전지 변환 효율이 더 손실될 수 있으므로, 하지 실리콘 기판에 무시할만한 손상이 도입되거나 손상이 도입되지 않는 것이 유리하다. 여기서, 유전체(예를 들어, 실리콘 산화물) 중복층의 패턴 선택적 삭마 동안 태양 전지 반도체(예를 들어, 실리콘) 표면이 손상되지 않음을 보장하는 신규한 방법을 제시한다. 본 개시 내용은, 레이저 빔이 실리콘 기판에 도달하는 것을 중단시키는 실리콘의 얇은 중간층을 도입하는 것을 포함한다. 이러한 얇은 중간 실리콘층은, 실리콘 산화물의 얇은 버퍼층만으로 분리되어 있는 하지 실리콘 표면에 가깝게 배치될 수 있다. 이 중간 실리콘층 위의 산화물층은, 상호작용하며 실리콘 산화물-중간 실리콘층 계면을 분리하는 레이저 빔에 의해 삭마된다. 이 중간 실리콘층 아래의 매우 얇은(예를 들어, 3nm 내지 30nm) 실리콘 산화물층은, 이 계면에서의 레이저 액션의 상당한 손상 야기 영향이 실리콘 기판에 도달하는 것을 방지한다. 후속하여, (열적 산화 공정 또는 산화 어닐링 공정을 이용하여) 중간 실리콘층이 산화되고, 이에 따라 후속 레이저 처리에 있어서 불필요한 임의의 상호 작용을 제거한다. 이 방법은, 실리콘 산화물 등의 유전층의 레이저 삭마를 여러 번 이용하는 모든 후면 접촉 후면 접합 태양 전지, 예를 들어, NBLAC 태양 전지의 설계의 적용예에 특히 적합하다.According to another aspect of the present disclosure, selective laser ablation and patterning of electrically insulating layers, such as thermally grown or chemically vapor deposited silicon oxide, on silicon is performed using a crystalline silicon solar cell process to obtain a relatively high cell efficiency value Used in flow. In this application, it is advantageous that negligible damage is introduced to the underlying silicon substrate, or damage is not introduced, as any significant abrasive induced damage may result in an increase in minority carrier recombination losses resulting in further loss of cell conversion efficiency. Here, we present a novel method of ensuring that the solar cell semiconductor (e.g., silicon) surface is not damaged during pattern selective ablation of the dielectric (e.g., silicon oxide) overlayer. The present disclosure includes introducing a thin intermediate layer of silicon that stops the laser beam from reaching the silicon substrate. This thin intermediate silicon layer can be placed close to the underlying silicon surface separated by only a thin buffer layer of silicon oxide. The oxide layer on this intermediate silicon layer is ablated by a laser beam that interacts and separates the silicon oxide-intermediate silicon layer interface. A very thin (e.g., 3 nm to 30 nm) silicon oxide layer beneath this intermediate silicon layer prevents a significant damage-induced effect of laser action at this interface from reaching the silicon substrate. Subsequently, the intermediate silicon layer is oxidized (using a thermal oxidation process or an oxidation annealing process), thereby eliminating any unwanted interactions in subsequent laser processing. This method is particularly suitable for applications of the design of all rear-contact back-junction solar cells, such as NBLAC solar cells, which use laser ablation of the dielectric layer, such as silicon oxide, several times.
공정 흐름의 일 실시예에서, 산화물 삭마 공정을 세 번 이용하여 산화물 패턴을 형성하고, 즉, BSG(또는 BSG/USG 스택) 삭마를 이용하여 이미터와 베이스 영역들을 윤곽 묘사하고, USB(또는 PSG/USG 스택) 삭마를 이용하여 베이스 영역을 정의하고, 최종적으로 PSG(포스포실리케이트 유리 산화물) 삭마를 이용하여 베이스에 대한 컨택트를 개구하고, BSG/USG/PSG 삭마를 이용하여 이미터 영역에 대한 컨택트를 개구한다. 본 명세서에서 설명하는 기술은, (n형 베이스를 이용하는 태양 전지를 위해) 패터닝된 이미터와 베이스 영역들을 정의하도록 BSG 층의 삭마의 제1 단계에서 유리하게 사용될 수 있다. 필요하다면, 이 기술은, N+(이러한 극성은 p형 베이스를 이용하는 태양 전지에서는 역으로 됨) 베이스 영역을 위한 개구를 정의하기 위한 USG 삭마 동안 더 사용될 수 있다.In one embodiment of the process flow, the oxide ablation process is used three times to form an oxide pattern, i. E. Delineate the emitter and base regions using a BSG (or BSG / USG stack) / USG stack). The base region is defined using ablation, and the contact to the base is finally opened using PSG (phosphosilicate glass oxide) ablation, and the BSG / USG / The contact is opened. The techniques described herein can be advantageously used in the first stage of ablation of the BSG layer to define patterned emitter and base regions (for solar cells using an n-type base). If necessary, this technique can be further used during USG ablation to define openings for N + (this polarity reversed for solar cells using p-type bases) base region.
도 33a는 3개의 서로 다른 단계에서의 산화물 삭마를 포함하는 모든 후면 접촉 태양 전지를 위한 공정 흐름을 도시한다. 도 33b는, 나머지 BSG/USG 스택이 증착되기 전에 얇은 USG 층 상에 매우 얇은 a-Si 층이 증착되는 BSG/USG(USG는 언도핑 실리케이트 유리 또는 언도핑 실리콘 산화물임) 증착 단계가 약간 변형된 예를 도시한다(일부 실시예들에서는, 동일한 APCVD BSG 증착 장비 내에서의 인시츄). 레이저 삭마 공정 동안, 레이저 빔은 BSG/a-Si 계면을 분리하고, 이에 따라 BSG/USG 스택을 제거한다. 이 얇은 실리콘층은 도 33b에서 설명하는 바와 같이 후속 단계들 동안 산화된다.Figure 33A shows a process flow for all rear contact solar cells comprising oxide ablation at three different stages. Figure 33B shows that the BSG / USG (USG is undoped silicate glass or undoped silicon oxide) deposition step where a very thin a-Si layer is deposited on the thin USG layer before the remaining BSG / USG stack is deposited is slightly modified (In some embodiments, in situ within the same APCVD BSG deposition equipment). During the laser ablation process, the laser beam separates the BSG / a-Si interface and thus removes the BSG / USG stack. This thin silicon layer is oxidized during subsequent steps as described in Figure 33 (b).
도 34는 수 피코초 범위의 펄스폭을 갖는 레이저 빔을 이용하는 표준 산화 삭마 공정을 개략적으로 도시한다. 레이저에 의해 기능을 하고 있는 계면이 정확한 펄스 에너지가 사용되지 않으면 손상될 수 있는 실리콘 기판의 표면이라는 것을 알 수 있다. 도 35는 매우 얇은 USG 층이 증착된 후에 매우 얇은 비정질 실리콘층이 증착되는 방법을 도시한다. 도 35b에서 알 수 있듯이, 레이저 액션을 위한 계면이 BSG/비정질 실리콘 계면이다. 이 계면은 삭마 정지층으로서 기능을 하며, 결정성 실리콘 표면을 레이저 조사로부터 차폐하며 이에 따라 임의의 가능성 있는 결정성 실리콘 표면 손상을 방지하거나 억제하며, 그 결과 고효율의 전지가 가능하다.34 schematically shows a standard oxidation ablation process using a laser beam having a pulse width in the range of a few picoseconds. It can be seen that the interface functioning by the laser is the surface of the silicon substrate which can be damaged if the correct pulse energy is not used. Figure 35 illustrates how a very thin amorphous silicon layer is deposited after a very thin USG layer is deposited. As can be seen in Figure 35b, the interface for laser action is the BSG / amorphous silicon interface. This interface serves as an ablation stop layer and shields the crystalline silicon surface from laser irradiation, thereby preventing or suppressing any possible crystalline silicon surface damage, and as a result, a high efficiency battery is possible.
완벽한 스택 USG/a-Si/BSG/USG은, 태양 전지 제조를 위한 APCVD를 이용하여 인시츄 증착될 수 있다. APCVD 장비는, 단일 APCVD 장비로 전체 스택의 증착이 가능하도록 다수의 순차 인라인 증착 존을 갖는 고 생산성 인라인 APCVD 장비일 수 있다. APCVD 장비를 이용함으로써, 얇은 언도핑 실리콘층이, 예를 들어, 대략 500℃ 미만의 온도에서 실란과 아르곤(또는 실란과 질소)을 사용하여 APCVD 증착 존들 중 하나(초기 USG 층의 증착 후 제2 존)에 증착될 수 있다. 대안으로, PECVD 기술을 이용하여 증착될 수 있다. 특정한 공정 흐름에 기초하여 얇은 USG와 얇은 a-Si의 넓은 두께 범위를 이용할 수 있다. 통상적으로, 결정성 실리콘 표면과 접촉하는 USG는 10nm 내지 100nm 범위에 있을 수 있는 한편, 비정질 실리콘층은 3nm 내지 30nm 범위에 있을 수 있다. 그러나, 전술한 바와 같이, 이러한 범위를 벗어나는 두께도, 공정 흐름의 나머지가 이러한 막들의 두께를 수용하도록 변경된다면 기능을 할 것이다.Perfect stack USG / a-Si / BSG / USG can be deposited in situ using APCVD for solar cell fabrication. APCVD equipment can be a high productivity inline APCVD equipment with multiple sequential inline deposition zones to enable the deposition of the entire stack with a single APCVD equipment. By using the APCVD equipment, a thin undoped silicon layer can be deposited in one of the APCVD deposition zones (for example, after deposition of the initial USG layer, using a silane and argon (or silane and nitrogen) Zone). ≪ / RTI > Alternatively, it can be deposited using PECVD technology. Based on the specific process flow, a wide range of thicknesses of thin USG and thin a-Si can be utilized. Typically, the USG contacting the crystalline silicon surface may be in the range of 10 nm to 100 nm, while the amorphous silicon layer may be in the range of 3 nm to 30 nm. However, as outlined above, thicknesses outside this range will also function if the remainder of the process flow is modified to accommodate the thickness of such films.
또한, 필요하다면, 동일한 방법을 이용하여, N+ 층을 형성하도록 인 도핑을 거칠 베이스 영역들을 위한 산화물층을 개구할 수 있다. 그 경우에, 공정 흐름은 이 a-Si 층의 산화를 보장하도록 수정된다.Also, if necessary, the same process can be used to open the oxide layer for the base regions to be doped to form the N + layer. In that case, the process flow is modified to ensure oxidation of the a-Si layer.
본 개시 내용의 또 다른 양태에 따르면, 레이저 도핑을 이용하여 정면 필드(FSF)를 형성한다. 태양 전지에 있어서 p/n 접합으로부터 멀어지는 표면 필드를 사용하여 소수 캐리어 재결합 손실을 감소시키고 전류 수집을 증가시키는 것은 널리 알려져 있다. 기판을 기판에 반대되는 극성으로 도핑하여 전기적 p/n 접합을 생성하는 한편, 실리콘의 나머지 표면을 기판과 도펀트의 동일한 극성으로 그러나 더욱 높은 농도로 도핑할 수 있다. 이는, 베이스 컨택트로부터 소수 캐리어들을 멀어지게 하여 소수 캐리어들이 이미터 컨택트에 유익하게 수집될 수 있게 하는 도핑 농도 구배로 인해 빌트인 전계를 생성한다. 이 전계는, p/n 접합이 웨이퍼의 뒤에 있는 후면 접합 후면 접촉 태양 전지의 정면에서 유리하게 사용된다. 이러한 정면 필드는 태양 전지의 후면에 있는 이미터 컨택트에서의 전류 수집을 증가시킨다. 이는, 정면 재결합 사이트에서의 소수 캐리어들의 손실(예를 들어, 정면 패시베이션층/실리콘 계면에서의 표면 상태)을 억제함으로써 달성된다.According to another aspect of the present disclosure, a front field (FSF) is formed using laser doping. It is well known in the solar cell to reduce the minority carrier recombination loss and increase the current collection using surface fields away from the p / n junction. The substrate can be doped with the same polarity of the substrate and dopant, but at a higher concentration, while the substrate is doped with a polarity opposite to the substrate to produce an electrical p / n junction. This creates a built-in electric field due to a doping concentration gradient that allows fractional carriers to be collected beneficially to the emitter contacts by moving away the minority carriers from the base contact. This electric field is advantageously used at the front of the rear-joining rear-facing solar cell where the p / n junction is behind the wafer. This front field increases current collection at the emitter contact on the backside of the solar cell. This is achieved by suppressing the loss of minority carriers at the front recombination site (e.g., the surface state at the front passivation layer / silicon interface).
정면 필드(FSF)는, 소망하는 극성의 도펀트(예를 들어, n형 베이스를 위한 인 FSF와 p형 베이스를 위한 보론 FSF)를 함유하는 실리콘 질화물 등의 패시베이션층을 사용하는 것을 포함하는 고유한 펄스화 레이저 도핑 기술들을 이용하여, 후면 접합 후면 접촉 태양 전지의 텍스처링 결정성(일부 실시예에선 단결정성) 반도체(일부 실시예에선 실리콘) 정면 상에 생성된다. 이 경우에, 실리콘의 정면측은 반도체층에서 도펀트가 확산될 정도로 그리고 도펀트가 활성화될 정도로 높은 온도로 가열될 필요가 있다. 다시, 펄스 길이와 파장 등의 레이저 파라미터들을 적절히 선택하면, 태양 전지 벌크 또는 후면의 주목할만한 가열 없이 (또는 적어도 가열의 감소 없이) 반도체의 정면이 온도로 선택적으로 가열된다. 도 36을 참조한다. 이는 실리콘 박막을 지지하기 위한 감열 백플레인의 사용을 가능하게 한다.The front field (FSF) is a unique field that includes using a passivation layer, such as silicon nitride, containing dopants of a desired polarity (e.g., FSF for n-type base and boron FSF for p-type base) (In some embodiments, silicon) front facets of the rear-bonding rear-facing solar cell using pulsed laser doping techniques. In this case, the front side of the silicon needs to be heated to a temperature at which the dopant diffuses in the semiconductor layer and at a temperature high enough to activate the dopant. Again, by properly selecting laser parameters such as pulse length and wavelength, the front side of the semiconductor is selectively heated to a temperature without significant heating of the solar cell bulk or backside (or at least without diminishing heat). See FIG. This enables the use of a thermal backplane for supporting the silicon thin film.
대안으로, 본 개시 내용은, PECVD 실리콘 질화물 등의 주요 패시베이션 및 ARC 층 아래에 소망하는 도펀트를 함유하는 얇은(예를 들어, 2nm 내지 20nm) 비정질 실리콘층(또는 대안으로, 부화학량론 실리콘 리치 실리콘 산화물층 또는 부화학량론 실리콘 리치 실리콘 질화물층)을 증착하고, 후속하여 태양 전지 정면측을 레이저 도핑하여 실리콘 표면을 선택적으로 도핑하는 것을 포함한다. 다시, 실리콘에서 도펀트가 확산하고 도펀트의 전기적 활성화가 충분하도록 레이저 도핑 온도를 높게 할 필요가 있다. 비정질 실리콘은 냉각시 단결정 실리콘 상에서 에피택셜 방식으로 결정화된다. 이는, 또한, 정면측 표면 패시베이션의 품질을 상당히 개선한다(얇은 FSF 층의 형성을 통해서뿐만 아니라, 표면 상태 밀도의 상당한 감소와 정면측 표면 재결합 속도의 상당한 감소, 패시베이션층의 효과적인 가열과 활성화 모두를 통해). 도 37을 참조한다. 또한, 전술한 바와 같이, 다시, 레이저 파라미터들을 적절히 선택하면, 후면측으로의 열 침투를 방지하여 실리콘 박막을 지지하는 데 감열 백플레인을 사용할 수 있다.Alternatively, the present disclosure is directed to a thin (e.g., 2 nm to 20 nm) amorphous silicon layer (or, alternatively, a sub-stoichiometric silicon-rich silicon layer) containing a major passivation such as PECVD silicon nitride and a thin An oxide layer or a sub-stoichiometric silicon-rich silicon nitride layer), followed by laser doping the solar cell front side to selectively dope the silicon surface. Again, it is necessary to raise the laser doping temperature so that the dopant diffuses in the silicon and the electrical activation of the dopant is sufficient. The amorphous silicon crystallizes epitaxially on single crystal silicon upon cooling. This also significantly improves the quality of front side passivation (not only through the formation of thin FSF layers, but also with a significant reduction in surface state density and a significant reduction in front side surface recombination speed, both effective heating and activation of the passivation layer through). See FIG. In addition, as described above, again, by appropriately selecting the laser parameters, the thermal backplane can be used to support the silicon thin film by preventing heat penetration into the back side.
또한, 본 개시 내용의 기술들은 정면 컨택트 전지에서 이미터와 BSF를 형성하는 데 사용될 수 있다. BSF는, 이미터 컨택트들에 의해 수집되는 소수 캐리어들을 전지의 정면으로(또는 대안으로, 후면 접촉 태양 전지의 후면측 사의 수집 이미터 컨택트들로) 향하게 함으로써, 전류 수집을 증가시키는 정면 접촉 태양 전지의 후면 상에 사용된다.In addition, the techniques of this disclosure can be used to form an emitter and a BSF in a front contact cell. The BSF directs the minority carriers collected by the emitter contacts to the front face of the cell (or alternatively, to the collector emitter contacts of the back side of the back contact solar cell) Lt; / RTI >
일부 실시예들에서는, 태양 전지의 반대측의 가열이 500℃ 미만의 온도로 한정되고, 일부 실시예들에서는, 150℃ 미만의 온도로 한정된다.In some embodiments, heating on the opposite side of the solar cell is limited to a temperature below 500 占 폚, and in some embodiments is limited to a temperature below 150 占 폚.
이러한 펄스화 레이저 도핑 적용예들에서, 레이저 펄스 길이는, SiN과의 비선형 광학적 상호작용이 없어서 SiN ARC와 패시베이션 특성이 열화되지 않을 정도로 길어야 한다. 펄스 길이가 >1 나노초 내지 마이크로초이고 또는 심지어 CW(연속파)인 레이저가 이러한 적용예에 적합할 수 있다. 본 개시 내용의 일부 실시예들은 10나노초 초과 수 마이크로초 범위의 펄스 길이를 갖는 펄스화 레이저 소스를 사용하며, 일부 실시예들에서는, 약 100 나노초 내지 5 마이크로초 범위를 사용한다. 파장은 도핑할 필요가 있는 실리콘의 깊이에 기초하여 선택되어야 한다. 실리콘 막이 감열 백플레인 상에 지지되는 경우에, 열이 태양 전지의 정면측으로 한정되어야 한다는 추가 요건이 있다. NIR(근적외선) 파장도 이러한 적용예에서 기능할 수 있지만, 가열 존을 레이저로 조사되고 있는 표면에 가깝게 유지시키고 충분히 도핑하도록, 녹색 파장이 더 적합할 수 있다. 소망하는 적용예에 기초하여, 레이저 펄스 길이와 파장의 범위가 적합하며, 본 개시 내용의 다양한 실시예들로서 이용될 수 있다는 점은 명백하다.In these pulsed laser doping applications, the laser pulse length must be long enough that there is no nonlinear optical interaction with the SiN, so that the SiN ARC and passivation properties are not degraded. Lasers with pulse lengths> 1 nanosecond to microseconds or even CW (continuous wave) may be suitable for this application. Some embodiments of the present disclosure use a pulsed laser source having a pulse length in the range of a few microseconds in excess of 10 nanoseconds, and in some embodiments, a range of about 100 nanoseconds to 5 microseconds is used. The wavelength should be selected based on the depth of silicon that needs to be doped. In the case where the silicon film is supported on the thermal backplane, there is a further requirement that heat should be confined to the front side of the solar cell. The NIR (near-infrared) wavelength can also function in this application, but the green wavelength may be more suitable to keep the heating zone close to the surface being irradiated with the laser and sufficiently doped. Based on the desired application, it is clear that the range of laser pulse length and wavelength is suitable and can be used as various embodiments of the present disclosure.
인으로 도핑된 SiN 외에도, 실리콘 표면 패시베이션을 위해 비정질 실리콘(a-Si) 상의 SiN의 스택, 또는 대안으로, Si 리치 SiOx 또는 Si 리치 SiNx 상의 SiN의 스택을 이용할 수도 있다. 이 경우, 비정질 실리콘층(또는 Si 리치 SiOx 또는 Si 리치 SiNx 층)은, 소망하는 인의 양으로 (예를 들어 PECVD에 의해) 층 증착 동안 인시츄 도핑된다. 수소화 SiN으로 커버된 인 도핑된 a-Si(또는 Si 리치 SiOx 또는 SiNx) 막의 레이저 어닐링은, 인을 이용한 실리콘의 도핑을 야기하며, 동시에, PECVD SiN 내의 수소로 실리콘 표면의 패시베이션을 개선한다. 공정 시퀀스는 도 37에 개략적으로 도시되어 있으며, 이는 인 도핑 a-Si 하지층을 이용하는 FSF 형성을 도시한다. 대안으로, 도핑 Si 리치 SiOx 또는 SiNx 하지층을 이용할 수도 있다.In addition to phosphorus doped SiN, a stack of SiN on amorphous silicon (a-Si) for silicon surface passivation, or alternatively, a stack of SiN on Si-rich SiO x or Si rich SiN x may be used. In this case, the amorphous silicon layer (or a Si-rich SiO x or Si-rich SiN x layer) is in situ doped during layer deposition in a desired phosphorous amount (e.g., by PECVD). Laser annealing of phosphorus doped a-Si (or Si-rich SiO x or SiN x ) films covered with hydrogenated SiN results in doping of silicon with phosphorous and at the same time improves passivation of the silicon surface with hydrogen in PECVD SiN . The process sequence is schematically shown in Figure 37, which illustrates FSF formation using an indoped a-Si underlayer. Alternatively, a doped Si-rich SiO x or SiN x underlayer may be used.
레이저 도핑 기술을 이용하여, 레이저 파장과 펄스 길이를 적절히 선택함으로써 정면에 열이 금지되는 감열 백플레인 상에서 지지되는 결정성 반도체 박막을 위해 (n형 베이스에 대하여) 인 도핑 유리를 사용하여 (p형 베이스에 대하여) 보론 도핑 유리를 사용하여 FSF를 형성할 수 있다.Using a doping glass (with respect to the n-type base) for a crystalline semiconductor thin film supported on a thermally protected backplane that is heat-inhibited at the front by appropriately selecting the laser wavelength and pulse length using laser doping technology The boron doped glass can be used to form the FSF.
펄스화 레이저 도핑을 이용하는 이 공정은, 백플레인을 갖는 얇은 후면 접촉 단지가 얇은 전지를 백플레인에 부착한 후에 고온을 견딜 수 없으므로, 전체 태양 전지 기판 및/또는 태양 전지의 반대면(즉, 정면측 패시베이션 개선 및 FSF 형성의 경우에 태양 전지 후면측)이 종래의 고온 도핑 공정을 받을 수 없는 적용예에서 유용하다.This process using pulsed laser doping has the disadvantage that the thin rear contact jig with the backplane can not withstand high temperatures after attaching the thin battery to the backplane and thus can not withstand the entire surface of the solar cell substrate and / Improvement and back side of the solar cell in the case of FSF formation) are not applicable to conventional high temperature doping processes.
본 기술은 또한 텍스처링 동안 도핑 표면이 손실되기에 에피택셜 증착 동안 FSF의 인시츄 성장이 유용하지 않은 에피택셜 막을 위한 FSF를 제공한다. 이는 NBLAC 전지를 위한 경우이다.The technique also provides a FSF for epitaxial films where in situ growth of the FSF is not useful during epitaxial deposition because the doping surface is lost during texturing. This is the case for NBLAC batteries.
n형 베이스 기판을 갖는 NBLAC 전지에 적용하기 위한 기술을 설명한다. 보론을 함유하는 p형 베이스 기판 비정질 실리콘 막을 이용하여 FSF를 형성할 수 있다.a description will be given of a technique for application to an NBLAC cell having an n-type base substrate. The FSF can be formed using a p-type base substrate amorphous silicon film containing boron.
또한, 기술을 이용하여, p형 기판을 위해 인 함유 산화막(PSG) 또는 n형 기판을 위해 보론 함유 산화물(BSG)을 사용하여 이미터를 형성할 수 있다.Further, using the technique, an emitter can be formed using a phosphorus-containing oxide film (PSG) for a p-type substrate or a boron-containing oxide (BSG) for an n-type substrate.
비접촉 펄스화 레이저 도핑 공정은, 취급시 부서지기 쉬운 약 80㎛ 미만 두께의 에피택셜 막을 사용하는 후면 접촉 태양 전지에 특히 적합하다. 레이저 도핑 공정은, 또한, 인라인 비용 효과적 공정이므로, 로 도핑을 대체하는 매력적인 대안이다.The contactless pulsed laser doping process is particularly suitable for a back contact solar cell using an epitaxial film with a thickness less than about 80 mu m which is liable to be brittle during handling. The laser doping process is also an inline cost effective process and is therefore an attractive alternative to doping.
본 개시 내용의 또 다른 양태에 따르면, 레이저 어닐링을 이용하여 실리콘 기판을 선택된 영역들에서 알루미늄으로 도핑하고, 이에 따라, 결정성 실리콘 태양 전지를 위한 어셉터 리치 p+ 도핑 영역들을 제공한다. 이 기술은, 증착된 알루미늄층과 접촉하고 있는 이미터 컨택트들을 선택적으로 레이저 어닐링함으로써 이미터 컨택트들이 알루미늄으로 선택적으로 도핑될 수 있는 IBC 전지에 특히 유리하다. 동일한 방법을 적용하여, n형 실리콘을 베이스로서 사용하여 후면 접합 정면 접촉 전지에서 선택적 이미터를 얻을 수 있다. 이 기술의 다른 적용예는, p형 기판(또는 p형 베이스)을 사용하여 정면 접촉 태양 전지를 위한 후면 필드를 제공하는 것을 포함한다.According to another aspect of the present disclosure, laser annealing is used to dope the silicon substrate at selected regions with aluminum, thus providing the acceptor rich p + doped regions for the crystalline silicon solar cell. This technique is particularly advantageous for IBC cells in which the emitter contacts can be selectively doped with aluminum by selectively laser annealing the emitter contacts in contact with the deposited aluminum layer. By applying the same method, a selective emitter can be obtained in a back-junction front contact cell using n-type silicon as a base. Another application of this technique involves providing a backside field for a front-contact solar cell using a p-type substrate (or p-type base).
본 개시 내용은, 상호 맞물림 금속배선을 갖는 이러한 후면 접촉 전지와 다른 후면 접촉 전지에서 고 도핑 선택적 이미터 컨택트들을 제공할 수 있는 레이저 공정을 포함한다.This disclosure includes a laser process capable of providing highly doped selective emitter contacts in such a rear contact cell with intermeshing metal interconnects and other back contact cells.
실리콘을 알루미늄으로 도핑하여 어셉터 리치(p+ 또는 p++) 영역을 얻는 것은 태양 전지 제조 기술에서 널리 알려져 있다. p형 실리콘을 이용하는 표준 정면 접촉 전지를 위해, 전지의 후면은 알루미늄 페이스트로 스크린 인쇄된다. 파이어링 어닐링을 상당한 고온에 적용함으로써, 알루미늄이 접촉 상태에 있는 실리콘층을 용해한다. 냉각시, 알루미늄이 실리콘의 어셉터 또는 p형 도펀트로서 기능을 하므로, p형(p+)인 알루미늄 리치 실리콘층은 침전된다. 이 고 도핑 p형 p++ 표면층은, 소수 캐리어들이 후면으로부터 이미터 컨택트에 의해 수집되는 정면으로 편향하도록 후면 필드로서 기능을 한다. 이는 태양 전지의 효율과 전류 출력(JSC)을 증가시킨다. 또한, Al/Si 컨택트 저항이 감소되고, 이에 따라 필 팩터를 개선하고, 다시, 태양 전지 변환 효율을 더 증가시킨다.It is well known in the art of solar cell fabrication to obtain an acceptor rich (p + or p ++ ) region by doping silicon with aluminum. For a standard front-facing cell using p-type silicon, the backside of the cell is screen printed with aluminum paste. By applying the firing annealing to a considerably high temperature, the aluminum dissolves the silicon layer in contact. At the time of cooling, aluminum functions as an acceptor or p-type dopant of silicon, so that the p-type (p + ) aluminum rich silicon layer is precipitated. This highly doped p-type p ++ surface layer serves as a backside field so that the minority carriers deflect to the front where they are collected by the emitter contact from the backside. This increases the solar cell efficiency and current output (J SC ). In addition, the Al / Si contact resistance is reduced, thereby improving the fill factor and further increasing the solar cell conversion efficiency.
도 38a와 도 38b는 개시한 레이저 스캐닝 방법을 개략적으로 도시한다. 도 38a에는 이미터 영역만을 스캔하는 데 사용되는 적절한 크기와 강도의 레이저 빔이 도시되고, 이에 따라, 유전체에 개구된 컨택트를 통해 이미터와 접촉하는 알루미늄을 가열하고, 도 38b는 레이저 스캐닝 후 선택적 이미터 형성을 도시한다. 금속 및 이 금속과 접촉하는 실리콘이, Al-Si를 위한 융해 온도인 577℃를 초과하는 온도로 가열되면, 알루미늄이 실리콘을 용해시키고, 이 온도 미만에서의 냉각시, Al 리치 실리콘층이 침전된다. 이 층은 실리콘 기판 상에 에피택셜 방식으로 증착되어 결정 결함이 없다. 이는 표준 Al 페이스트 인쇄 전지에서 Al-BSF를 제공하는 동일한 메커니즘이다.Figures 38A and 38B schematically illustrate the disclosed laser scanning method. 38A shows a laser beam of the appropriate size and intensity used to scan only the emitter area, thereby heating the aluminum in contact with the emitter through the openings in the dielectric, and Fig. Emitter formation. When the metal and the silicon in contact with the metal are heated to a temperature exceeding 577 캜, which is the melting temperature for Al-Si, aluminum dissolves the silicon, and upon cooling below this temperature, the Al rich silicon layer is precipitated . This layer is epitaxially deposited on a silicon substrate and has no crystal defects. This is the same mechanism for providing Al-BSF in a standard Al paste printed cell.
도 39는 이미터 영역에만 레이저 스캐닝을 선택적으로 행함으로써 형성된 알루미늄 포화 실리콘에 의한 P++ 선택적 이미터를 도시한다.Figure 39 shows a P ++ selective emitter with aluminum saturated silicon formed by selectively performing laser scanning only in the emitter region.
Al 리치 실리콘층의 형성의 메커니즘은, 도 40에 도시한 Al 리치 위상도의 도움으로 이해할 수 있다. 온도 577℃에서의 융해물은 실리콘이 12.6% 융해된 알루미늄이다. 더 고온에서는, 더 많은 실리콘이 융해된다. 냉각시, 에피택셜 증착된 실리콘은 Al로 포화되고, 최대 1.6%까지 포화된다. 이 Al 포화된 실리콘은 고 P++ 도핑된 것이며, (컨택트 영역에 선택적 BSF를 제공하는) 이 영역에서의 소수 캐리어 흡수를 억제하는 한편 이미터에 저 저항 컨택트를 제공한다.The mechanism of formation of the Al rich silicon layer can be understood with the help of the Al rich phase diagram shown in FIG. The melt at 577 ° C is aluminum with 12.6% silicon fused. At higher temperatures, more silicon is melted. Upon cooling, the epitaxially deposited silicon saturates with Al and saturates up to 1.6%. This Al saturated silicon is high P ++ doped and provides a low resistance contact to the emitter while suppressing minority carrier absorption in this region (providing selective BSF in the contact region).
동일한 방법을 이용하여, n형 실리콘 기판을 사용하며 p+ 후면 이미터를 갖는 정면 접촉 전지에서 선택적 이미터를 얻을 수 있음을 명백하게 알 수 있다. 이 방법은 다음에 따르는 도 41로 이해할 수 있다.It can be clearly seen that the same method can be used to obtain a selective emitter in a front contact cell using an n-type silicon substrate and a p + rear emitter. This method can be understood from Fig. 41 which follows.
널리 알려져 있듯이, 후면측 베이스의 전체 표면 알루미늄 컨택트가 국부 컨택트로 교체되는 경우에 p형 실리콘 베이스를 사용하는 표준 정면 접촉 전지에 대하여 상당한 에너지 개선을 얻는다. 효율은, 국부 컨택트에 BSF 영역이 제공되면, 더욱 증가한다. 도 42에 도시한 바와 같이, 전술한 레이저 스캐닝 방법을 이용하여 Al BSF를 제공할 수 있다. 이 메커니즘은 전술하였다.As is widely known, a significant energy improvement is obtained for a standard front contact cell using a p-type silicon base when the entire surface aluminum contact of the backside base is replaced with a local contact. The efficiency is further increased if the BSF region is provided to the local contact. As shown in FIG. 42, Al BSF can be provided using the laser scanning method described above. This mechanism has been described above.
다음에 따르는 설명은 본 출원에 더욱 관련된 것이다. 개시 내용은, (강화판이 위치할 수 있는) 전지의 정면으로부터 그리고 후면을 향하는 펄스화 레이저 빔 침투와 흡수를 감소시키면서 전지의 정면에서 그리고 정면 근처에서 펄스화 레이저 빔 에너지의 공간적 선택적 흡수를 증가시키기 위해, 동일한 전지측에서의 레이저 어닐링 공정 동안 (후면 접합/후면 접촉 태양 전지를 위한 태양측 또는 태양광 수광면/전지의 정면측 등의) 패시베이션층을 갖는 전지측에 입사하는 고 강도 블랭킷 광을 사용하기 위한 방법을 포함한다. 이는 레이저 빔 침투 깊이를 감소시키고, 이에 따라 레이저 가열의 깊이를 감소시키며, 따라서, 결정성 실리콘 박막을 지지하는 백플레인의 가열을 감소시킨다. 이 기술은, 흡수된 펄스화 레이저 에너지를 집중하고 그에 따라 어닐링되는 정면측 패시베이션층이 상주하는 전지의 정면 근처에서의 온도 상승을 집중함으로써, 전지의 공간적 선택적 가열과 어닐링을 가능하게 한다.The following description is more relevant to the present application. The disclosure is directed to increasing the spatial selective absorption of the pulsed laser beam energy at the front and near the front of the cell while reducing pulsed laser beam penetration and absorption from the front and rear of the cell (where the platen may be located) Intensity blanket light incident on the side of the cell having the passivation layer (such as the solar side or the solar light receiving surface for the back side / back side contact solar cell / front side of the solar cell) during the laser annealing process on the same battery side . ≪ / RTI > This reduces the penetration depth of the laser beam, thereby reducing the depth of the laser heating and thus reducing the heating of the backplane supporting the crystalline silicon thin film. This technique enables spatial selective heating and annealing of the cell by concentrating the temperature rise near the front of the cell where the front side passivation layer, where the front side passivation layer is annealed, concentrates the absorbed pulsed laser energy.
태양 전지의 표면을 고 강도 투광 조명에 노출시키고 동시에 펄스화 레이저 조사와 동일한 전지의 표면을 고 강도 투광 조명에 노출시킴으로써, 태양 전지의 공간적 선택적 어닐링을 개선한다. 실리콘, 또는 다른 반도체 재료, 및 부가된 막들은 전지의 조명측 상에서 선택적으로 가열되어, 임베딩된 수소 원자들이 실리콘 질화물(SiN)을 함유하는 부가 수소 또는 비정질 실리콘-SiN 스택으로부터 박리되고, 이에 따라 수소 원자와의 반응에 의한 실리콘 댕글링 본드의 패시베이션을 통해 표면 상태 밀도를 감소시킴으로써 실리콘 표면을 효과적으로 패시베이션한다. 그 결과, 정면 재결합 속도(FSRV)가 감소되고, 유효 소수 캐리어 수명이 증가하고, 태양 전지에서의 소수 캐리어 확산 길이가 증가하고, 이에 따라 태양 전지 효율이 증가한다.The surface of the solar cell is exposed to the high intensity floodlight and at the same time the surface of the same cell as the pulsed laser irradiation is exposed to the high intensity floodlight, thereby improving the spatial selective annealing of the solar cell. Silicon, or other semiconductor material, and additional films are selectively heated on the illuminated side of the cell so that the embedded hydrogen atoms are stripped from the additional hydrogen or amorphous silicon-SiN stack containing silicon nitride (SiN) It effectively passivates the silicon surface by reducing the surface state density through passivation of the silicon dangling bonds by reaction with atoms. As a result, the front recombination speed (FSRV) is decreased, the effective fractional carrier lifetime is increased, the minority carrier diffusion length in the solar cell is increased, and thus the solar cell efficiency is increased.
반도체층(예를 들어, 결정성 실리콘)에서의 펄스화 레이저 빔 흡수로 인해, 레이저 빔의 파장에 따라 전하 캐리어들의 인터밴드와 인트라밴드 전이가 발생한다. 실리콘의 밴드갭(1.1eV)보다 높은 광자 에너지에 대하여, 광자 흡수로 인해, 전하 캐리어들이 가전자대로부터 전도대로 전이하고, 이에 따라 전자 홀 쌍을 생성한다. 이는, 이렇게 생성된 자유 전하 캐리어들이 광자를 흡수함에 따라 전지가 가열되므로, (전자 홀 쌍들이 재결합할 때 그리고 밴드갭을 초과하는 과도한 광자 에너지의 열운동화를 제외하고는) 실리콘의 직접적 가열을 야기하지 않는다. 따라서, 인트라밴드 전이와 자유 캐리어 흡수는, 특히 스펙트럼의 근적외선(IR) 영역에서 작동하는 펄스화 레이저 소스를 이용한 실리콘의 레이저 가열에 있어서 중요하다. 이 흡수로 인해, 펄스화 레이저 빔과의 비선형 상호 작용이 발생하여 전지의 조명된 표면에 가까운 훨씬 짧은 깊이로 흡수된다. 대안으로, 광자 에너지가 실리콘의 밴드갭 근처일 수도 있다. 더 많은 자유 캐리어들이 생성되면, 전지 표면 근처에서의 레이저 빔의 공간적 선택적 흡수가 향상되며 전지 표면 근처에서 더욱 짧은 거리로 한정되며, 따라서, 전지의 조명된 표면의 정면측에 비해 전지의 후면을 훨씬 낮은 온도에서 유지한다는 점은 명백하다(즉, 가열에 민감한 전지 강화판 또는 백플레인이 선택 사항으로 존재할 수도 있는 전지 후면측에 비해 훨씬 더 높은 효율의 피크 온도에서 전지 정면측을 가열하고 어닐링하는 처리가 가능하다).Due to the pulsed laser beam absorption in the semiconductor layer (e.g. crystalline silicon), the interbands and intraband transitions of charge carriers occur depending on the wavelength of the laser beam. For photon energy higher than the bandgap of silicon (1.1 eV), due to photon absorption, the charge carriers transition from the valence band to the conduction band, thus creating an electron hole pair. This results in direct heating of the silicon (aside from the thermal shrinkage of excess photon energy when the electron hole pairs recombine and over the bandgap), since the cell is heated as the free charge carriers so generated absorb the photons Do not. Intra-band transitions and free carrier absorption are therefore important for laser heating of silicon, especially using pulsed laser sources operating in the near infrared (IR) region of the spectrum. Due to this absorption, non-linear interaction with the pulsed laser beam occurs and is absorbed to a much shorter depth near the illuminated surface of the cell. Alternatively, the photon energy may be near the band gap of silicon. As more free carriers are created, the spatially selective absorption of the laser beam near the cell surface is improved and is limited to a shorter distance near the surface of the cell, so that the backside of the cell is far less than the front side of the illuminated surface of the cell (I. E., It is possible to heat and anneal the front side of the cell at a much higher peak efficiency temperature than the backside of the battery, where the heat sensitive battery plate or backplane may optionally be present) Do).
(펄스화 나노초 IR 레이저 어닐링 등의) 펄스화 레이저 어닐링을 이용하여 전지의 조명 정면측의 공간적 선택적 어닐링과 가열을 위해 이러한 과도한 캐리어들을 생성하기 위한 고 강도 투광 조명을 사용할 수도 있다. 펄스화 레이저 조사 동안 이러한 투광 조명 소스를 사용함으로써, 효과적인 가열과 온도 상승의 대부분을 전지 정면으로 한정하고 열 전달(및 훨씬 낮은 온도 상승)을 (전지 강화판 또는 백플레인이 전지의 후면측에 연결되어 있고 고온 어닐링이 백플레인-전지 구조의 무결성에 유해한) 실리콘 막의 후면으로 한정한다.High intensity floodlighting may be used to generate these excess carriers for spatially selective annealing and heating of the illumination front side of the cell using pulsed laser annealing (such as pulsed nanosecond IR laser annealing). By using such a flood light source during pulsed laser irradiation, it is possible to limit most of the effective heating and temperature rise to the front of the cell and to reduce heat transfer (and much lower temperature rise) (such as a battery reinforcement plate or backplane being connected to the back side of the cell The high temperature annealing is limited to the backside of the silicon film which is detrimental to the integrity of the backplane-cell structure.
이 설명으로부터, 1.1㎛인 IR 파장 미만의 파장(또는 1.1eV의 결정성 실리콘 밴드갭을 초과하는 광자 에너지)을 갖는 광자들은, 광자들의 에너지가 실리콘 밴드갭을 초과하거나 가깝기 때문에, 투광 조명 소스를 이용하여 전지의 정면 근처에 과도한 자유 캐리어들을 생성하는 데 있어서 대부분 효과적이라는 점은 명백하다. 이러한 과도한 자유 캐리어들은, 전지 정면측의 선택적 가열/어닐링을 위해 (근적외선 파장의 광자를 포함한) 펄스화 레이저 광자들의 공간적 선택적 자유 캐리어 흡수를 가능하게 한다. 바람직하게, 과도한 자유 캐리어 흡수를 위한 투광 조명 소스는 결정성 실리콘 밴드갭(1.1eV)을 초과하는 광자 에너지를 가져야 하고, 이때, (IR 레이저 소스 등의) 펄스화 레이저 소스를 이용하여 과도한 전자-홀 쌍들이 전지 정면의 공간적 선택적 가열/어닐링을 위한 자유 캐리어 흡수층으로서 기능을 하는 전지의 정면 근처에서 과도한 전자-홀 쌍들의 고 밀도를 효율적으로 생성할 수 있다. 따라서, 청색 및/또는 녹색 및/또는 가시 파장을 갖는 투광 조명 소스들은, (대부분의 광자들이 조명된 실리콘 영역의 매우 얕은 스킨 깊이에서 흡수되므로) 실리콘의 효율적인 흡수, 실리콘의 조명 영역 근처에서의 실리콘 내의 과도한 전자-홀 쌍들의 효율적인 생성, 실리콘 내로의 제한된 침투 깊이 때문에, 더욱 적합할 수 있다. 대안으로, 투광 조명은 적외선 파장을 가질 수도 있다. 투광 조명 소스는 단일 파장일 필요가 없으며, 15.5cm x 15.6cm 치수의 통상적인 정사각형 전지를 조명하기 위한 출력 전력이 수십 와트 내지 수백 와트 범위에 있는 광대역이거나 다중 파장 광원일 수도 있다.From this explanation, photons with wavelengths below the IR wavelength of 1.1 m (or photon energies above 1.1 eV crystalline bandgap of the gap) exceed the silicon band gap of the photons, It is clear that the most effective use is in generating excess free carriers near the front of the cell. These excess free carriers enable spatially selective free carrier absorption of pulsed laser photons (including photons of near-infrared wavelengths) for selective heating / annealing on the battery front side. Preferably, the flood light source for excessive free carrier absorption must have photonic energy in excess of the crystalline silicon bandgap (1.1 eV), wherein a pulsed laser source (such as an IR laser source) Hole pairs can efficiently create a high density of excess electron-hole pairs near the front of a cell that functions as a free carrier absorption layer for spatial selective heating / annealing of the cell front. Thus, flood light sources with blue and / or green and / or visible wavelengths can be used for efficient absorption of silicon (as most photons are absorbed at very shallow skin depths of the illuminated silicon region), silicon Due to the efficient creation of excessive electron-hole pairs within the silicon, and the limited penetration depth into the silicon. Alternatively, the floodlight may have an infrared wavelength. The floodlight source need not be a single wavelength and may be a broadband or multiwavelength light source with an output power ranging from tens of watts to hundreds of watts to illuminate a typical square cell of 15.5 cm by 15.6 cm dimensions.
전지 제조 공정 흐름 동안 개시 내용의 적용예를 전지 FSRV 감소 및 효율 개선에 대한 공정으로서 설명하고 있지만, 이러한 적용예는, 전체 모듈 효율과 전력을 더 증가시키도록 모듈 조립 공정의 완료 후에 사용될 수도 있다.While the application of the disclosure during the battery fabrication process flow is described as a process for battery FSRV reduction and efficiency improvement, this application may be used after completion of the module assembly process to further increase the overall module efficiency and power.
도 43과 도 44는 후면 접합/후면 접촉 에피택셜 실리콘 전지(소위 NBLAC) 공정 흐름의 두 개의 대표적 실시예들을 예시한다. 도 45는 태양 전지의 개략적인 단면도이다(선택 사항인 백플레인은 편의상 도시하지 않는다).Figures 43 and 44 illustrate two representative embodiments of a back junction / back contact epitaxial silicon cell (so-called NBLAC) process flow. 45 is a schematic cross-sectional view of a solar cell (an optional backplane is not shown for convenience).
도 43에서의 공정 단계(16)는, 고 강도 녹색-가시 투광 조명에 동시에 노출시켜 수소 패시베이션 공정을 활성화하고 FSRV를 감소시키는 정면(또는 전지의 태양측)의 펄스화 레이저 어닐링이 뒤따르는, 당업계에서 사용되는 것(통상적으로 300℃ 내지 450℃ 범위)보다 저온에서의 비정질 실리콘/SiN 스택의 증착(통상적으로, 90℃ 내지 180℃ 온도 범위에서 증착)을 포함한다. 투광 조명 조사는, 자유 캐리어 흡수를 통해 전지 정면 근처에서의 펄스화 레이저 에너지의 공간적 선택적 흡수를 용이하기 하도록 전지의 정면 근처에서 과도한 전자-홀 쌍들의 큰 농도를 생성하는 데 그리고 훨씬 더 낮은 온도에서 전지 후면측을 유지하면서 전지 정면측의 공간적 선택적 가열을 행하는 데 사용된다. 90℃만큼 낮은 비정질 실리콘/a-Si 스택 증착 온도를 사용하여, 통상적으로는, 90℃ 내지 250℃의 증착 온도 범위를 이용하고 이어서 개시 내용에 따라 레이저 어닐링을 이용하여, 개선된 정면측 패시베이션을 얻는다.The
도 46은, 4300°K 투광 조명 벌브의 색 온도의 150와트 금속 할라이드 펄스화 아크와 다음에 따르는 레이저 파라미터들을 사용하는 펄스화 레이저 어닐링을 사용하여 얻어진 결과들의 그래프이다. 즉, 펄스 에너지=1.7mJ, 펄스 길이=700 nanosec, IR 파장, 반복률=50KHz, 스캔율=3600 mm/sec. 유사한 레이저 조사 조건 하에서, 고 강도 녹색-가시 광을 사용하는 경우에 더욱 많은 웨이퍼들이 더욱 높은 전지 효율을 얻는다는 점을 알 수 있다. 광을 이용한 또는 이용하지 않는 레이저 어닐링에 따라, VOC와 JSC가 발생한다. 그러나, 투광 조명이 없는 경우에, 레이저 빔이 백플레인에 도달하여 백플레인이 가열되어 전지 필 팩터(FF)가 감소되고 이에 따라 전지 효율이 감소될 가능성이 있다. 투광 조명이 존재하는 경우에, 레이저 빔이 백플레인으로 침투할 수 없어서, 더욱 높은 전지 효율이 가능하므로, FF 열화를 피하게 된다.46 is a graph of the results obtained using a 150 watt metal halide pulsed arc of the color temperature of a 4300 K floodlight bulb and pulsed laser annealing using the following laser parameters. That is, pulse energy = 1.7 mJ, pulse length = 700 nanosec, IR wavelength, repetition rate = 50 KHz, scan rate = 3600 mm / sec. It can be seen that under similar laser irradiation conditions, more wafers achieve higher cell efficiency when using high intensity green-visible light. According to laser annealing with or without light, V OC and J SC are generated. However, in the absence of floodlights, there is a possibility that the laser beam reaches the backplane and the backplane is heated to reduce the battery fill factor (FF), thereby reducing battery efficiency. In the presence of floodlight, the laser beam can not penetrate into the backplane, allowing for higher battery efficiency, avoiding FF degradation.
비접촉 레이저 어닐링 공정은, 수㎛ 내지 100㎛ 초과에 이르는 두께 범위의 에피택셜 막을 사용하는 대표적인 후면 접합/후면 접촉 박막 단결정 실리콘 전지에 특히 적합하다. 이러한 전지들은, 흔히, 단독 취급시 부서지기 쉽고 따라서 강화판에 의해, 바람직하게는, 전지 후면에 부착된 백플레인으로서 지지된다.The non-contact laser annealing process is particularly suitable for typical backside junction / back contact thin film monocrystalline silicon cells using epitaxial films in the thickness range from several micrometers to over 100 micrometers. Such batteries are often brittle at the time of stand-alone handling and are thus supported by a reinforcing plate, preferably as a backplane attached to the rear surface of the battery.
이 공정은, 또한, 산화물/질화물, 실리콘 산질화물, 실리콘 탄화물 등의 다른 패시베이션층에 독립적으로 또는 실리콘 질화물의 상층과 함께 적용가능하다. 또한, 이 기술은 단결정 또는 다결정 실리콘 웨이퍼 기반 태양 전지의 표면을 패시베이션하는 데 사용될 수도 있다. 다결정 기판에 대해서는, 이 기술을 또한 사용하여 벌크의 결함을 패시베이션할 수 있다.This process is also applicable to other passivation layers, such as oxide / nitride, silicon oxynitride, silicon carbide, etc., either independently or together with the top layer of silicon nitride. The technique may also be used to passivate the surface of a monocrystalline or polycrystalline silicon wafer-based solar cell. For polycrystalline substrates, this technique can also be used to passivate bulk defects.
동작시, 다음에 따르는 방법과 장치 실시예들을 개시한다. 표면 재결합 속도를 감소시키고, 유효 소수 캐리어 수명을 증가시키고, 유효 소수 캐리어 확산 길이를 증가시킴으로써, 결정성 실리콘 태양 전지를 포함한 결정성 반도체 태양 전지 상의 패시베이션층의 표면 패시베이션 특성을 개선하도록 큰 조명 영역 고 강도 광(광자 에너지를 이용한 투광 조명 전력의 대부분이 반도체 밴드갭을 초과하는, 예를 들어, 일 실시예에서, 결정성 실리콘 전지를 위한 1.1eV를 초과하는, 단일 파장 또는 광대역 또는 다중 파장 투광 조명 소스)이 존재하는 경우에 스캐닝 펄스화 레이저 빔을 사용한다. 투광 조명 소스가 존재함으로써, 정면 근처에서의 레이저 빔의 흡수가 증가하고, 그 결과, (정면 등의) 전지의 조명된 표면의 공간적 선택적 가열/어닐링이 발생하는 한편 전지의 반대측을 저온에서 유지하는, 방법과 장치.In operation, the following method and apparatus embodiments are disclosed. To improve the surface passivation characteristics of the passivation layer on the crystalline semiconductor solar cell including the crystalline silicon solar cell by reducing the surface recombination rate, increasing the effective fractional carrier lifetime, and increasing the effective minority carrier diffusion length. Intensity light (e.g., in one embodiment where most of the floodlight power using photonic energy exceeds the semiconductor bandgap, in one embodiment, greater than 1.1 eV for a crystalline silicon cell, single wavelength or broadband or multiwavelength floodlights Source) is present, a scanning pulsed laser beam is used. The presence of the floodlight source increases the absorption of the laser beam near the front, resulting in the spatial selective heating / annealing of the illuminated surface of the cell (such as the front), while maintaining the opposite side of the cell at low temperatures , Method and apparatus.
실리콘 막 등의 패시베이션 코팅된, 예를 들어, SiN 또는 비정질 Si/SiN 코팅된 실리콘 막을 선택적으로 가열하여 표면 패시베이션을 개선하도록, 큰 조명 영역 고 강도 광(광자 에너지를 이용한 투광 조명 전력의 대부분이 반도체 밴드갭을 초과하는, 예를 들어, 결정성 실리콘 전지를 위한 1.1eV를 초과하는, 단일 파장 또는 광대역 또는 다중 파장 투광 조명 소스)이 존재하는 경우에, 스캐닝 펄스화 레이저 빔을 사용하는, 방법과 장치. Most of the floodlighting power using photon energy (such as silicon nitride, silicon nitride, silicon nitride, silicon nitride, silicon nitride, silicon nitride, silicon nitride, Using a scanning pulsed laser beam in the presence of a single wavelength or a broadband or multi-wavelength floodlight source exceeding a band gap, e.g., greater than 1.1 eV for a crystalline silicon cell, and Device.
(수㎛ 내지 수백㎛ 두께 범위일 수 있는) SiN 또는 비정질 Si/SiN-코팅된 단결정 박막을 가열하여 표면 패시베이션을 개선하도록, 고 강도 광이 존재하는 경우에 스캐닝 속도 레이저 빔을 사용하는, 방법과 장치.A scanning speed laser beam is used in the presence of high intensity light so as to improve surface passivation by heating a SiN or amorphous Si / SiN-coated single crystal thin film (which may range from a few microns to a few hundred microns thick) Device.
SiN 코팅된 n형 표면 또는 비정질 Si/SiN 코팅된 p형 표면의 정면 패시베이션을 개선하도록 모든 후면 접합 후면 접촉 상호 맞물림 금속배선 태양 전지에 사용되는, 방법과 장치.A method and apparatus for use in all back-to-back inter-meshing metallization solar cells to improve front passivation of SiN coated n-type surfaces or amorphous Si / SiN coated p-type surfaces.
(수㎛ 내지 수백㎛ 두께 범위일 수 있는) 단결정 실리콘 박막을 사용하는 SiN 코팅된 n형 표면 또는 비정질 Si/SiN 코팅된 p형 표면의 정면 패시베이션을 개선하도록 모든 후면 접촉 상호 맞물림 금속배선 태양 전지에 사용되는, 방법과 장치.To improve the front passivation of SiN coated n-type surfaces or amorphous Si / SiN coated p-type surfaces using single crystal silicon thin films (which can range from a few microns to several hundreds of micrometers thick), all rear contact interlocking metal wiring solar cells Method and apparatus used.
실리콘 표면 패시베이션이 향상되고 유효 벌크 소수 캐리어 수명이 향상되도록 비정질 실리콘 상의 SiN, 실리콘 산질화물, 또는 실리콘 탄화물을 포함하는, 실리콘 상의 단일 층 SiN 막 또는 실리콘 상의 이중층 막을 어닐링하도록 고 강도 광이 존재하는 경우에 스캐닝 펄스화 레이저 빔을 사용하는, 방법과 장치.In the presence of high intensity light to anneal a single-layer SiN film on silicon or a bilayer film on silicon, including SiN, silicon oxynitride, or silicon carbide on amorphous silicon to improve silicon surface passivation and improve effective bulk minority carrier lifetime Using a scanning pulsed laser beam.
(하지층을 갖는 또는 갖지 않는) SiN 코팅된 다결정 실리콘 막을 선택적으로 가열하여 표면과 벌크 패시베이션이 향상되도록 큰 조명 영역 고 강도 광원(광자 에너지를 이용한 투광 조명 전력의 대부분이 반도체 밴드갭을 초과하는, 예를 들어, 일 실시예에서, 결정성 실리콘 전지를 위한 1.1eV를 초과하는, 단일 파장 또는 광대역 또는 다중 파장 투광 조명 소스)이 존재하는 경우에 스캐닝 펄스화 레이저 빔을 사용하는, 방법과 장치.(Most of the floodlight power using photon energy exceeds the semiconductor bandgap so that the surface and bulk passivation can be improved by selectively heating the SiN coated polysilicon film (with or without underlying layer) For example, in one embodiment, a scanning pulsed laser beam is used in the presence of a single wavelength or a broadband or multi-wavelength floodlight source in excess of 1.1 eV for a crystalline silicon cell.
고 강도 광이 존재하는 스캐닝 펄스화 레이저 빔을 사용하여 (비정질 실리콘 등의 하층을 갖는 또는 하층을 갖지 않는) SiN 코팅된 단결정 또는 다결정 실리콘 막을 가열하여 표면 패시베이션을 향상시키며, 여기서, SiN과 하층은 약 90℃ 내지 250℃ 범위의 온도에서 증착되는, 방법과 장치.A SiN coated monocrystalline or polycrystalline silicon film (with or without an underlayer such as amorphous silicon) is heated using a scanning pulsed laser beam in the presence of high intensity light to enhance surface passivation wherein SiN and the underlayer RTI ID = 0.0 > 90 C < / RTI > to 250 C.
당업자라면, 개시된 실시예들이 전술한 특정한 예들 외에도 다양한 분야와 관련 있음을 인식할 것이다.Those skilled in the art will recognize that the disclosed embodiments relate to various fields besides the specific examples described above.
예시적인 실시예들의 전술한 설명은 당업자가 청구 대상을 제조하거나 사용할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들을 다양하게 수정하는 것은 당업자에게 자명할 것이며, 본 명세서에서 정의되는 일반적인 원리는 획기적인 능력을 이용하지 않고서 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 따라서, 청구 대상은 본 명세서에서 예시한 실시예들로 한정하려는 것이 아니라, 본 명세서에서 개시하는 신규한 특징과 원리에 부합하는 가장 넓은 범위에 따른 것이다.The previous description of the exemplary embodiments is provided to enable any person skilled in the art to make or use the claimed subject matter. Various modifications to these embodiments will be readily apparent to those skilled in the art, and the generic principles defined herein may be applied to other embodiments without departing from the spirit of the invention. Accordingly, the claimed subject matter is not intended to be limited to the embodiments illustrated herein but is to be accorded the widest scope consistent with the novel features and principles disclosed herein.
본 설명에 포함되는 이러한 모든 추가 시스템, 방법, 특징, 및 장점을 청구범위에 포함시키려는 것이다.And all such additional systems, methods, features, and advantages included in this description are intended to be included in the scope of the claims.
Claims (21)
정면 상에 유전 패시베이션층을 갖는 결정성 반도체 기반 광기전 태양 전지를 제공하는 단계와,
상기 결정성 반도체 기반 광기전 태양 전지의 상기 정면에 상기 유전 패시베이션층의 삭마 임계값 미만의 레이저 플루언스의 펄스화 레이저 조사를 제공하는 단계로서, 상기 레이저 조사는 상기 정면과 상기 유전 패시베이션층을 선택적으로 가열하고, 상기 정면에서의 표면 재결합 속도 감소와 상기 태양전지용의 상기 유전 패시베이션층의 물리적인 열화 없는 어닐링 공정을 가능하게 하는 단계와,
상기 펄스화 레이저 조사 어닐링 공정 동안 이와 결합하여 상기 반도체 밴드갭 이상의 광자 에너지를 갖는 투광 조명 전력을 갖는 투광 조명 소스를 제공하여, 상기 정면에서 자유 캐리어를 생성시키고 상기 정면에서의 상기 펄스화 레이저 조사의 흡수를 증가시키는 단계를 포함하는, 광기전 태양 전지의 효율 개선 방법.As a method for improving the efficiency of a photovoltaic solar cell,
Providing a crystalline semiconductor-based photovoltaic solar cell having a dielectric passivation layer on its front side;
Providing a pulsed laser irradiation of laser fluences less than an ablation threshold of the dielectric passivation layer on the front side of the crystalline semiconductor-based photovoltaic solar cell, wherein the laser irradiation is selective to the front side and the dielectric passivation layer To enable a reduction in surface recombination speed at the front face and an annealing process without physical deterioration of the dielectric passivation layer for the solar cell,
Providing a floodlight source having a floodlight power having photon energy above the semiconductor bandgap in combination therewith during the pulsed laser irradiation annealing process to generate a free carrier at the front face and to generate a free carrier at the front face of the pulsed laser irradiation Thereby increasing the absorption of the photovoltaic cell.
상기 패시베이션층은 비정실 실리콘과 실리콘 질화물 스택인 광기전 태양전지의 효율 개선 방법.The method according to claim 1,
Wherein the passivation layer is an amorphous silicon and silicon nitride stack.
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