KR101654548B1 - 태양 전지에서 향상된 광 포획을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

결정 실리콘 태양 전지의 광 포획 특성을 개선하기 위한 방법이 제공된다. 일 실시예에서, 결정 실리콘 태양 전지 기판의 후측면은 펄스 레이저 빔으로 텍스처링된다. 그 후, 후면 접촉 태양 전지 결정 기판의 텍스처링된 후측면은 레이저 텍스처링화 공정으로부터 손상을 제거하도록 어닐링된다. 그 후, 후측 금속화는 후측 베이스 및 에미터 영역 상에 형성된다.

Description

태양 전지에서 향상된 광 포획을 위한 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR ENHANCED LIGHT TRAPPING IN SOLAR CELLS}
관련 출원의 상호 참조
[1] 본 출원은 2011년 12월 26일에 출원한 가출원 61/580,290의 이익을 주장하고, 이 내용은 전체가 여기에 참조로 인용된다.
[2] 또한, 본 출원은 2012년 9월 4일에 출원한 가출원 61/696,725의 이익을 주장하고, 이 내용은 전체가 여기에 참조로 인용된다.
본 발명은 일반적인 광기전 분야에 관한 것이고, 더욱 구체적으로는 광기전 태양 전지의 광 포획 특성을 개선하기 위한 방법 및 구조에 관한 것이다.
종종 산업적 태양 전지, 예컨대 실리콘 태양 전지의 공정 흐름은 결정 실리콘 태양 전지의 광학 반사를 줄이기 위해 전면(front surface) 텍스처링 공정을 하는 단계를 포함한다. 전면, 또는 다시 말해 태양 방사를 마주하는 전지 표면 또는 태양광이 비치는 측 또는 전측(frontside)은 태양 방사의 전체 흡수를 증가시키고, 광학 반사 손실을 감소시키기 위해 텍스처링된다. 예컨대, 전면 텍스처링 공정은, KOH 또는 NaOH를 함유하는 알칼리 배스에서(단결정 실리콘 전지에서) 또는 HF 및 HNO3를 함유하는 산성 배스에서(다결정 실리콘 전지에서) 실리콘 표면을 에칭하는 것으로 이루어질 수 있다. 알칼리 배스에서 실리콘 웨이퍼의 화학적 에칭은 배향 의존적이어서, 가장 느린 에칭면(111)이 노출된다. 에칭은 임의의 미크론 크기 크기 및 인접한 경사진 임의의 피라미드 실리콘 표면을 스트라이킹하기 위해 반사선을 야기하여 광 흡수를 증가시키는 배향을 갖는 스퀘어 베이스 피라미드의 임의로 추출된 표면 텍스처를 형성한다. 이러한 피라미드의 경사진 표면 상에 태양광의 입사는, 인접한 표면을 히팅할 가능성이 증가하여 실리콘 벌크에서의 흡수를 증가시키는(및 태양 전지의 광학 반사 손실을 감소시키는) 각에서 반사된다. 박형 실리콘 질화물층과 같은 반사 방지 코팅을 사용하는 것과의 조합은, 태양 전지에서 태양 방사의 광학 반사 손실을 감소시키기 위해 매우 효과적인 방법일 수 있다.
그러나, 웨트 에칭 텍스처링 공정은 많은 단점이 있다. 첫째, 웨트 알칼리 화학 텍스처링을 이용하여 제거되는 실리콘 물질의 양은 대략 5 내지 10 미크론일 수 있다. 박막 결정 실리콘 태양 전지에서, 개시 실리콘 기판의 두께는 몇 미크론 내지 수십 미크론의 범위일 수 있고, 텍스처링 동안 실리콘 손실의 양은 명백히 과도하고 바람직하지 않다. 추가적으로, 이 방법은 단결정 실리콘 태양 전지의 일부 예에 적합할 수 있고, 다양한 그레인(grain)의 표면 배향이 다른 다결정 웨이퍼에 적용되는 경우에는 제한된다.
또한, 이러한 형태의 실리콘 표면 텍스처링은 수많은 샤프한 피라미드 팁을 갖는 표면적을 증가시키고, 또한 소수의 캐리어의 표면 재조합 속도(즉, 전면 재조합 속도 FSRV)를 증가시키고, 전지 개방 회로 전압을 감소시킬 수 있다. 이러한 공정은 전면 접촉 전면 접합(FCFJ) 태양 전지 또는 후면 접촉 후면 접합(BCBJ) 태양 전지의 후면(back surface)에 적합하지 않을 수 있다. 전면 접촉 전면 접합 태양 전지(FCFJ)에서, 블랭킷 알루미늄은 종종 후측 상에 증착되고(일반적으로 스크린 인쇄된 알루미늄 페이스트로서), 표면 텍스처가 파괴되는 동안 알루미늄 후면 전계(BSF)를 형성하기 위해 어닐링 또는 소성된다. 고효율 전면 접촉 전면 접합(FCFJ) 태양 전지는, 패시베이팅 유전체 막이 후측 상에 제1 증착되고, 알루미늄의 블랭킷 막은 유전체에 제조되는 접촉 홀(contact hole)을 통해 실리콘과 접촉을 만드는 구조를 갖는다. 이러한 홀은 펄스 레이저 제거를 이용하여 형성될 수 있다. 또는, 태양 전지 후측 상에 국부화된 접촉을 형성하는 방법은, 펄스 나노세컨 레이저 툴을 이용하여 레이저-소성 접촉(LFC)을 이용하여 수행될 수 있다. 유전체의 제거(또는 LFC 접촉의 형성)는 텍스처의 존재에 의해 심하고 해로운 영향을 받는다. 후면 접촉 후면 접합(BCBJ) 태양 전지에서, 후측 상에 구조를 형성하기 위해 사용되는 공정은, 실리콘 표면 상에 텍스처의 존재에 의해 좋지 않는 영향을 받는다. 이러한 이유에서, 고효율 전지의 후면은 일반적으로 평평하고(즉, 실리콘의 후면은 일반적으로 텍스처링되지 않고), 이 구조는 이러한 평평한 표면 상에 산화물(또는 질화물)의 패시베이팅층으로 이루어지고, 그 후 베이스 개방부(전면 접촉 전지) 또는 에미터 및 베이스 개방부(후면 접촉, 후면 접합 전지)를 형성한 후 후측면(전면 접촉 전지에서의 BSF 또는 BCBJ 전지에서의 대량의 금속 표면적)을 커버하는 금속막, 일반적으로 알루미늄의 증착이 이어진다. 산화물(또는 질화물) 막 두께 및 금속막의 반사율의 최적화는 후면으로부터 태양광의 높은 반사를 얻을 수 있다. 그러나, 이러한 반사는 대부분 또는 완전히 반사되고, 평평한 '거울'로부터 수직으로 반사되어 돌아오는 태양광은 흡수 없이 실리콘막을 빠져나갈 많은 기회를 갖는다. 반사 백미러 반사는 적외 광자의 평균 이동 경로 길이를 극대화하지 않으므로, 이 광자의 양자 효율은 현저히 개선되지 않는다.
따라서, 태양 전비의 광 포획 특성을 개선할 필요가 있다. 개시된 주제에 따라, 태양 전지의 광 포획 특성을 개선하기 위한 방법은, 이전에 개발된 태양 전지 가공 방법과 연관된 단점을 감소시키거나 실질적으로 제거하도록 제공된다.
개시된 주제의 일 실시예에 따라, 후면 접촉 태양 전지의 결정 실리콘 태양 전지 가공 방법이 제공된다. 후면 접촉 태양 전지 결정 실리콘 기판의 후측면은 펄스 레이저 빔으로 텍스처링된다. 그 후, 후면 접촉 태양 전지 결정 실리콘 기판의 텍스처링된 후측면은 레이저 텍스처링 공정으로부터 손상을 제거하도록 어닐링된다. 그 후, 후측 금속화가 후측 베이스 및 에미터 영역 상에 형성된다.
개시된 주제의 이러한 및 다른 양태, 및 추가적인 신규 특성은, 여기에 제공되는 설명으로부터 명백해질 것이다. 본 요약의 목적은 청구되는 주제의 포괄적인 설명이 아니라 주제의 기능의 일부의 짧은 오버뷰를 제공하기 위한 것이다. 여기에 제공되는 다른 시스템, 방법, 특징 및 이점은 이하 도면 및 상세한 설명의 검토 시 당업자에게 명백해질 것이다. 이 설명 내에 포함되는, 이러한 추가적인 시스템, 방법, 특징 및 이점은 임의의 청구항의 범위 내가 된다.
개시된 주제 및 이의 이점의 더욱 완전한 이해를 위해, 유사한 참조 번호는 유사한 특징을 나타내는 도면과 함께 취해지는 경우에 이하에 설명되는 간단한 설명을 참조한다:
도 1은 다양한 파장의 방사가 결정 실리콘으로 투과할 수 있는 깊이를 나타내는 그래프이다;
도 2는 전면 텍스처링 공정을 위해 웨트 에칭을 이용하여 후면 접합/후면 접촉 에피택셜 실리콘 태양 전지를 형성하기 위한 공정 흐름의 실시예이다;
도 3은 후면 접합/후면 접촉 에피택셜 실리콘 태양 전지(후면판은 도시되지 않음)의 단면도를 나타내는 도식이다;
도 4는 FSF 형성을 위해 레이저 텍스처링 공정을 이용하여 후면 접합/후면 접촉 에피택셜 실리콘 태양 전지를 형성하기 위한 공정 흐름의 실시예이다;
도 5는 도 4의 공정 흐름에 따라 형성될 수 있는 후면 접합/후면 접촉 에피택셜 실리콘 태양 전지(후면판은 도시되지 않음)의 단면도를 나타내는 도식이다;
도 6은 후측 실리콘 기판 표면 텍스처링 공정을 형성하기 위해 레이저 텍스처링을 이용하여 후면 접합/후면 접촉 에피택셜 실리콘 태양 전지를 형성하기 위한 공정 흐름이다;
도 7은 후측 실리콘 기판 표면 텍스처링 공정을 갖는 후면 접합/후면 접촉 에피택셜 실리콘 태양 전지(후면판은 도시되지 않음)의 단면도를 나타내는 도식이다;
도 8은 분리된 후측 금속 접촉을 갖는 전면 접촉 전지의 단면도를 나타내는 도식이다;
도 9는 분리된 후측 금속 접촉 및 후측 텍스처링 공정을 갖는 전면 접촉 전지의 단면도를 나타내는 도식이다;
도 10은 실리콘 표면의 현미경 사진이다;
도 11은 텍스처링된 태양 전지와 텍스처링되지 않는 태양 전지의 파장 대 반사율의 그래프이다;
도 12a 및 12b는 태양 전지의 텍스처링되지 않은 실리콘 표면(도 12a) 및 태양 전지의 텍스처링된 실리콘 표면(도 12b) 상에 증착된 PVD 금속의 표면 텍스처의 차이를 나타내는 현미경 사진이다;
도 13은 분리된 후측 금속 접촉 및 텍스처링된 패시베이션층을 갖는 전면 접촉 전지의 단면도를 나타내는 도식이다;
도 14는 전지 전면 상에 텍스처를 형성하기 위해 웨트 에칭을 이용하여 후면 접합/후면 접촉 에피택셜 실리콘 태양 전지를 형성하기 위한 공정 흐름의 실시예이다;
도 15는 후측 산화물 표면의 레이저 텍스처링 공정을 갖는 후면 접합/후면 접촉 에피택셜 실리콘 태양 전지를 형성하기 위한 공정 흐름의 실시예이다;
도 16은 전지 후측 상에 분산 거울을 형성하기 위해 태양 전지의 후측 상에 산화물의 표면 상에 분산된 서브 미크론 크기의 실리카 입자를 이용하여 후면 접합/후면 접촉 에피택셜 실리콘 태양 전지를 형성하기 위한 공정 흐름의 실시예이다;
도 17은 텍스처링된 후측면을 갖는 패시베이션층을 갖는 후면 접합/후면 접촉 에피택셜 실리콘 태양 전지(후면판은 도시되지 않음)의 단면도를 나타내는 도식이다.
이하 설명은 그 의미를 한정하려는 것이 아니라, 본 발명의 일반적인 원리를 설명하기 위한 것이다. 본 발명의 범위는 청구항을 참조하여 결정되어야 한다. 본 발명의 실시예는 도면에 설명되고, 유사한 번호는 유사한 것 및 각종 도면의 해당 부위를 참조하도록 사용된다.
표면 실리콘의 ≤ 1 미크론(또는 최대 몇 미크론)을 제거할 수 있는 펄스 레이저 텍스처링 공정은, 레이저 텍스처링이 전지 그레인 구조로부터 독립적이므로 다결정 웨이퍼를 포함하는 초박형 태양 전지에 적용하는데 매우 적합하다. 그러나, 실리콘의 레이저 조사는, 전지 효율을 감소시키는 기판에 해로운 손상을 야기할 수 있다. 여기에 개시된 레이저 어닐링(또는 열 로 어닐링(thermal furnace annealing)) 방법은 이러한 손상을 수리하고, 일부 경우에 전지 효율을 개선시키기 위해 실리콘의 표면을 동시에 도핑한다(예컨대 후면 접촉/후면 접합 태양 전지에서 전면 전계 또는 FSF를 형성함으로써). 전면 접촉 전지에서, 레이저 도핑은 에미터 접합 영역을 형성할 수 있고, 후면 접촉 후면 접합 태양 전지 전체에서, 레이저 도핑은, 효율적인 전면 패시베이션을 개선시키고, 전면 재조합 속도(FSRV)를 감소시키기 위해 전면 전계(FSF)를 형성할 수 있다.
상기 기재된 전면 텍스처링이 UV 내지 가시광과 같은 더 짧은 파장 방사의 반사를 감사시킬 수 있지만, 실리콘 밴드갭 에너지에 더 가까운 광자 에너지를 갖는 적외 방사와 같은 더 긴 태양 방사 파장 (예컨대 900 nm 내지 1,150 nm 범위의 파장)은 실리콘에 깊은 투과 깊이를 가져 일반적인 실리콘 흡수체를 벗어날 수 있다(효과적인 후측 반사 없이). 도 1은 각종 파장의 방사가 결정 실리콘으로 투과할 수 있는 깊이를 나타내고, 더 긴 IR 파장(특히 800 nm 이상)에서 흡수가 더 적은 것을 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 1 미크론보다 큰 파장은 표준 150 내지 180 미크론 두께의 결정 실리콘 태양 전지를 벗어날 것이다. 분리된 금속 접촉을 갖는 일부 진보된 태양 전지 디자인에서, 알루미늄막과 함께 산화물 패시베이션층은, 실리콘 벌크로 들어가는 이러한 긴 파장의 방사를 반사시키도록 사용된다. 그러나, 태양 전지의 두께가 감소되기 때문에(예컨대 수십 미크론까지, 예컨대 100까지의 범위의 전지 흡수체 두께를 갖는 박막 단결정 실리콘 태양 전지에서), 특히 후측으로부터 거울 같이 반사되는 경우, 이러한 IR 방사의 대부분은, 태양 전지 변환 효율 전체에 기여하지 않고 태양 전지 표면의 전면으로부터 벗어날 수 있다. 더 짧은 파장이 실리콘 막의 더 낮은 깊이에 흡수될 수 있지만, 실리콘 흡수체 층의 두께가 감소됨으로써, 더 짧은 파장의 방사가 실리콘 막을 벗어날 수 있다. 따라서, 결정 실리콘 태양 전지의 두께가 100 미크론 보다 더 작게 감소되므로, 태양 전지의 후면으로부터 이러한 반사를 임의 추출하기 위한 방법(예컨대 광 포획 구조의 일부로서 분산 후측 거울을 형성함으로써)을 발견하는 것은 더욱 중요해지고 있어, 내부 반사 및 흡수체 층의 횡단 길이는 실질적으로 증가되고-따라서 효율적인 포획 및 긴 파장의 방사의 흡수를 제공한다.
태양 전지 후측에 관해서, 후측에 레이저에 의해 도입된 손상은, 열 어닐링, 예컨대 로 열 어닐링(및/또는 산화) 또는 레이저 어닐링에 의해 제거될 수 있다. 전면에 관련하여 기재된 바와 같이, 또한, 레이저 어닐링은, 예컨대 전면 접촉 태양 전지에서 후면 전계(BSF) 및 후면 접합 후면 접촉 태양 전지에서 에미터 접합과 베이스 접촉 분산 영역을 형성하기 위해, 실리콘 표면을 도핑하도록 사용될 수 있다.
펄스 레이저 빔을 이용하여 전측 또는 후측(다시 말해 태양광이 비치는 측과 반대의 태양 전지측)을 텍스처링하는 태양 전지 제조 공정이 여기에 제공된다. 일 실시예에서, 태양 전지의 전측 및 후측은, 펄스 레이저 빔을 이용하여 텍스처링된다. 표면 텍스처는 바람직한 펄스의 오버랩을 제공하는 적절한 펄스 반복 속도(PRR) 및 스캔 속도에서 웨이퍼를 스캐닝하는 펄스 빔 레이저를 이용하여 형성될 수 있다. 텍스처의 평균 깊이는 펄스 에너지를 조절함으로써 제어되고, 약 0.1 미크론 내지 몇 미크론의 범위일 수 있다.
여기에 개시되는 펄스 레이저 텍스처 가공 방법의 주요 양태는, 텍스처링 동안 펄스 레이저 빔에 의해 야기되는 실리콘 손상의 제어 및 제거이다. 이러한 손상은, 사용되는 레이저 빔의 펄스 길이 및 파장에 따라 매우 달라질 수 있다. 예컨대, 연속파, 또는 마이크로세컨 또는 나노세컨과 같은 긴 펄스 파장 레이저를 이용하는 것은, 실리콘 표면 상에 텍스처를 제공하고, 상당한 용융 및 결함이 있는 영역(이른바, "열 영향을 받은 영역(heat affected zone, HAZ)")의 형성을 야기할 수 있다. 이러한 결함이 있는 영역은 텍스처링 공정을 비싸게 만드는, 고온, 장기간, 열 어닐링(예컨대 몇 시간 동안 1000 degrees C에서)에 의해 수리되거나 웨트 에칭에 의해 제거될 수 있다. 레이저 손상은, 피코세컨 또는 펨토시컨 펄스 폭 레이저를 이용하는 경우에 현저히 덜할 수 있고, 이러한 경우에 실리콘에의 손상은 표면 근처에 국부적이고, 적합한 열 어닐링(예컨대 30분 동안 600 degrees C에서) 또는 태양 전지 공정 흐름으로 통합되는 레이저 어닐링 단계를 이용하여 수리될 수 있다. 또한, 제거되는 물질의 양은, 피코세컨 또는 펨토세컨 펄스 폭 레이저와 같은 더 짧은 펄스 길이를 이용하는 경우에 더 적다. 따라서, 피코세컨 또는 펨토세컨 펄스 길이 레이저는 일부 적용 시에 실리콘 표면 텍스처링에 대한 긴 펄스 길이 레이저에 유용하다.
레이저 어닐링에서, 레이저의 파장 및 펄스 길이는 실리콘 두께 및 공정 흐름 제한에 근거하여 최적으로 선택될 수 있다. 130 내지 180 미크론 범위 두께의 일반적인 웨이퍼 기반 태양 전지에서, 연속파 또는 적외(IR) 파장을 갖는 펄스 마이크로세컨 또는 나노세컨 펄스 길이 레이저 빔이 어닐링에 적합하다. 예컨대 템플레이트 상에서 성장되는 에피택셜층으로부터 형성되는(및 희생 다공성층을 이용하여 템플레이트로부터 분리되는) 후면 접합/후면 접촉 전지에서, 템플레이트로 과도한 열 이동은 억제되고, 펄스 나노세컨 IR 또는 그린 레이저가 더욱 적합하다.
레이저 도핑 적용에서, 또한 도핑의 깊이는 레이저의 펄스 길이 및 파장에 따라 달라진다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 파장이 길어지면 실리콘으로 더 깊게 들어간다. 에미터, 후면 전계(BSF), 및 전면 전계(FSF)에 요구되는 일반적인 도핑 깊이에서, 그린 및 UV와 같은 더 짧은 파장은 적색 또는 적외에서 선택될 수 있다. 따라서, 더 짧은 펄스 파장(< 1.06 um)과 함께 텍스처링하기 위해 짧은 펄스 길이 레이저(<1000 피코세컨 내지 펨토세컨)의 사용은, 전체-건조, 비접촉, 실리콘 텍스처링 및 손상이 최소 내지 없는 도핑 공정 시퀀스를 제공한다.
개시된 레이저 텍스처링 및 어닐링 방법은, 이 내용이 전체가 여기에 인용되고, 동일 양수인을 갖고, 2011년 5월 27일에 출원된 미국 특허공개 제2012/0028399에 개시된 바와 같이, 후측 통합된 금속화 패턴(여기서는 NBLAC라고 함)을 갖는 통합된 후면 접촉 박막 결정 실리콘 태양 전지(IBC)의 형성에 특히 적용 가능할 수 있다. 도 2는 전면 텍스처링 공정(단계 15)에서 웨트 에칭을 이용하여 후면 접합/후면 접촉 에피택셜 실리콘 태양 전지(NBLAC)를 형성하기 위한 공정 흐름의 실시예이다. 도 3은 도 2의 공정 흐름에 따라 형성될 수 있는 후면 접합/후면 접촉 에피택셜 실리콘 태양 전지(후면판은 도시되지 않음)의 단면도를 나타내는 도식이다. 도 3의 후면 접합 후면 접촉 에피택셜 실리콘 태양 전지의 후측은 n형 베이스 박형 에피택셜 기판(10)(예컨대 30 내지 50 ㎛ 범위의 두께를 갖는 것), 베이스 금속화를 형성하는 금속화층(16)과 접촉하는 (12) n++ 베이스 접촉(예컨대 Al/NiV/Sn 금속 스택 또는 Al 페이스트), 에미터 금속화를 형성하는 P+ 에미터 접촉(20)에서 금속화층(16)과 접촉하는 P+ 에미터 층(14), 및 유전체층(18)(예컨대 APCVD BSG/USG/PSG/USG 유전체층)을 포함한다. 또한, 베이스/에미터 극성은 p형 기판에 대해 조절될 수 있다. 박형 에피택셜 기판(10)의 전측은, PECVD 질화물과 같은 패시베이션층으로 코팅될 수 있는 텍스처링된 전측(12)을 포함한다.
도 4는 FSF 형성(단계 15)의 레이저 텍스처링 공정을 이용하여 후면 접합/후면 접촉 에피택셜 실리콘 태양 전지(NBLAC)를 형성하기 위한 공정 흐름의 실시예이다. 도 5는 도 4의 공정 흐름에 따라 형성될 수 있는 후면 접합/후면 접촉 에피택셜 실리콘 태양 전지(후면판은 도시되지 않음)의 단면도를 나타내는 도식이다. 도 5의 후면 접합 후면 접촉 에피택셜 실리콘 태양 전지의 후측 및 전측은 도 3에 도시된 바와 유사하지만, 도 5의 후면 접합 후면 접촉 에피택셜 실리콘 태양 전지의 전측은, 도 4에 도시된 레이저 어닐링 가공 단계에 의해 형성되는 n형 전면 전계(24)를 포함한다.
도 6은 후측 실리콘 기판 표면 텍스처링 공정을 형성하는 단계 3과 단계 4 사이에 레이저 텍스처링 단계를 이용하여 후면 접합/후면 접촉 에피택셜 실리콘 태양 전지를 형성하기 위한 공정 흐름의 실시예이다. 도 7은 후측 텍스처링 공정을 강조하는 도 6의 공정 흐름에 따라 형성된 후면 접합/후면 접촉 에피택셜 실리콘 태양 전지(후면판은 도시하지 않음)의 단면도를 나타내는 도식이다. 도 7의 후면 접합 후면 접촉 에피택셜 실리콘 태양 전지의 후측 및 전측은 도 5에 도시된 바와 유사하지만, n형 전면 전계(28)는 선택적으로 형성될 수 있고, 후면 접합 후면 접촉 에피택셜 실리콘 태양 전지의 후측은 레이저 실리콘 표면 텍스처링 공정(26)을 포함한다.
후측(Backside, or rear), 실리콘 표면 텍스처는 후면으로부터 임의 추출된 반사를 형성하여(거울보다 더 분산된), 적외 방사와 같은 더 긴 파장의 방사를 제공하는 전지 후측 상에 매우 반사적인 분산 거울을 생성한다. 분산 후측 거울은 박형 실리콘 층을 이용하여 태양 전지의 IR 변환 효율을 강화시킬 수 있다. 후측 텍스처링된 실리콘 표면 없이, 후측 유전체/금속 반사체가 산화물 층과 함께 형성될 수 있고, 후측 상의 금속화 패턴은 상대적으로 평평하고, 강하지만, 일반적으로 적외 방사와 같은 긴 파장의 방사의 거울과 같은 반사를 야기할 수 있다.
도 8은 분리된 후측 금속 접촉을 갖는 전면 접촉 전지의 단면도를 나타내는 도식이다. 전면 접촉 전지는, 에미터층(38), 선택적 산화층(40), 및 ARC 층(42) 및 전측 에미터 금속화 금속 그리드(44)를 포함하는 텍스처링된 전측을 갖는 기판(30)(예컨대 n형 베이스)을 포함한다. 기판(30)의 후측은 n+ 후면 전계(32), 패시베이션층(34)(예컨대 실리콘 산화물층), 분리된 베이스 금속화 접촉(46)에서 n+ 후면 전계(32)와 접촉하는 금속화층(36)(예컨대 알루미늄)을 포함한다.
도 9는 후측 레이저 텍스처링된 전지 표면(48)을 갖는(기판(30)의 텍스처링된 n+ 후면 전계(32)와 같이 도시된) 도 8과 유사한 분리된 후측 금속 접촉을 갖는 전면 접촉 전지의 단면도를 나타내는 도식이다. 상기 설명된 바와 같이, 텍스처링된 후측면에 기인하여, 전지의 후측으로부터의 방사는 임의로 추출되어 분산 후측 거울을 형성하고, 긴 파장의 방사 광자의 포획을 개선시킨다.
도 10은 스팟 피치가 40 미크론이고 156 마이크로줄의 펄스 에너지를 갖는 10 피코세컨, IR 레이저 빔을 이용하여 텍스처링된 725 미크론 두께의 단결정 실리콘 표면 상에 얻어지는 표면 조도를 나타내는 현미경 사진이다. 도 11은 표준 텍스처링되지 않은 후면 접촉 후면 접합 태양 전지 웨이퍼(표준 웨이퍼(50)로 도시됨)와 비교하여, 도 10의 현미경 사진에 사용되는 동일한 레이저 파라미터를 NBLAC (후면 접합/후면 접촉) 태양 전지(레이저 텍스처링된 웨이퍼(52)로 도시됨)의 실리콘 후측을 텍스처링하기 위해 사용된 후, 측정된 반사율의 감소를 나타내는 그래프이다.
도 12a 및 12b는 NBLAC 태양 전지의 텍스처링되지 않은 실리콘 표면(도 12a) 및 NBLAC 태양 전지의 텍스처링된 실리콘 표면(도 12b) 상에 APCVD 산화물 상에 증착된 PVD 금속의 표면 텍스처의 차이를 나타내는 현미경 사진이다. 도 12a는 NBLAC 전지의 산화물 텍스처링 되지 않은 후측 실리콘 표면 상에 1200A Al/ 200A Ni-V/ 2250A Sn를 나타낸다. 도 12b는 적외 파장을 갖는 피코세컨 레이저를 이용하여 텍스처링된 도 12a의 동일한 실리콘 표면을 나타낸다.
예컨대, 레이저 텍스처링된 표면의 펄스 레이저 도핑은 이하 2가지 방법에 의해 수행될 수 있다:
-텍스처링된 표면 상에 액체 도펀트원(예컨대 n형 도핑을 위해 인 함유 유리, PSG 및 p형 도핑을 위해 보론 함유 유리, BSG)을 적용한 후(예컨대 스핀 코팅, 스프레이 코팅 등에 의해), 도펀트원으로부터 도펀트를 텍스처링된 기판의 표면 상의 박형 멜트로 도입하기 위해 펄스 레이저를 조사한다. 그 후 선택적 웨트 에칭 공정을 이용하여 도펀트원을 선택적으로 제거한다.
-또는, 레이저-텍스처링된 기판의 표면이 적합한 가스상 도펀트원(예컨대 n형 도핑에 PH3 또는 AsH3, p형 도핑에 B2H6)을 포함하는 주위에서 펄스 레이저 노출에 의해 직접적으로 도핑될 수 있는, 가스-침투 레이저 도핑(Gas-Immersion Laser Doping, GILD)과 같은 공정을 이용한다.
레이저 텍스처링(및 다양한 방법으로 조합될 수 있음)에 관해 여기에 개시된 및/또는 고려된 특정 실시예 및 양태는, 그것에 한정되지 않지만 이하를 포함한다:
-결정 실리콘 태양 전지(박형 에피택셜 실리콘 태양 전지를 포함함)를 포함하는 결정 반도체 태양 전지의 전측 및/또는 후측을 텍스처링하기 위해 펄스 레이저 빔 스캔을 이용한 후, 실리콘의 표면을 도핑하기 위해 사용되는 후속 펄스 레이저 또는 열 어닐링 조작하는 공정. 또한, 이러한 후속 어닐링 및 도핑 조작은 레이저 텍스처 동안 실리콘 기판 표면에 유도되는 손상을 제거한다.
-전면 접촉된 결정 반도체 태양 전지의 전면을 레이저 텍스처링한 후, 에미터를 형성하고, 레이저 유도된 손상을 제거하기 위해, 표면의 레이저 유도된 도핑을 하는 공정.
-후면 접합 후면 접촉 결정 반도체 태양 전지의 실리콘의 전면을 펄스 레이저 빔을 이용하여 텍스처링한 후, 전면 전계(FSF)를 형성하고, 레이저-텍스처-유도된 손상을 제거하기 위해 펄스 레이저 유도된 도핑을 하는 공정.
-전면 접촉 결정 반도체 태양 전지의 실리콘의 후면을 레이저 텍스처링한 후, 후면 전계(BSF)를 형성하고 레이저 유도된 손상을 제거하기 위해 표면의 레이저 유도된 도핑을 하는 공정.
-긴 파장 방사의 포획을 개선하기 위해 전체 후면 접촉, 후면 접합 태양 전지의 실리콘 기판의 후측을 텍스처링하기 위한 펄스 레이저 빔 스캔 공정.
-긴 파장 방사의 포획을 개선하기 위해 전체 후면 접촉, 후면 접합 태양 전지의 실리콘 기판의 후측을 텍스처링하기 위한 펄스 레이저 빔 스캔 공정, 또한 레이저 텍스처링 공정 동안 도입된 실리콘 손상은 레이저 어닐링 또는 로 열 어닐링(또는 산화)에 의해 이후 제거된다.
-긴 파장 방사의 포획을 개선하기 위해 전체 후면 접촉, 후면 접합 태양 전지의 실리콘 기판의 후측을 텍스처링하기 위한 펄스 레이저 빔 스캔 공정 후, 에미터 및 베이스 영역을 형성하기 위해 레이저 또는 열 어닐링(또는 열 어닐링/산화)하여 레이저 텍스처링 동안 도입되는 실리콘 손상을 이러한 열 어닐링 동안 제거하는 단계.
-전체 태양 전지 효율을 개선하고 실리콘의 태양 방사의 포획을 향상시키기 위해, 단결정막(예컨대 두께가 몇 미크론 내지 수 100 미크론, 예컨대 10 내지 100 미크론 및 1 미크론만큼 낮음)의 전면 및/또는 후면을 텍스처링하기 위한 펄스 레이저 빔 스캔 공정.
-태양 방사의 포획 및 전체 태양 전지 변환 효율을 개선하기 위해 광자 이식(또는 스트레스 유도된 스폴링(stress induced spalling))과 같은 커플레스(kerfless) 벌크 웨이퍼 슬라이싱 기술 또는 에피택셜과 같은 증착 기술을 이용하여 얻어진 박형 단결정 반도체막을 이용하여 형성된 전체 후면 접촉 후면 접합 통합된 금속화 태양 전지의 가공.
-긴 파장 방사 포획을 개선하기 위해 후면 상에 분리된 금속 접촉을 갖는 전면 접촉 태양 전지의 후측 실리콘 표면의 텍스처링.
-펄스된 짧은 펄스 길이(< 1000 피코세컨, 및 일부 예에서 100 펨토세컨까지) 레이저를 이용하여 레이저 텍스처링.
-예컨대, 연속파 또는 마이크로세컨 레이저 또는 나노세컨 펄스 레이저를 이용하여 후속 레이저 어닐링에 의해 레이저 빔 텍스처링함으로써 야기되는 손상을 감소/제거. NBLAC 전지에서, 초박형(>10 미크론) 에피택셜 실리콘 기판은 템플레이트 상에 지지되고, 펄스 나노세컨 IR 또는 그린 파장 레이저 빔이 사용될 수 있다.
-반도체 표면 상의 도펀트원을, 예컨대 스핀 코팅 또는 스프레이 코팅함으로써 레이저-텍스처링된 표면 상에 전면 전계를 형성한 후, 표면의 도핑의 깊이를 제어하고 제어된 용융을 형성하기 위해 반도체 표면의 펄스 레이저 조사를 하기 위한 펄스 레이저 도핑 가공.
-PH3, AsH3, 또는 B2H6과 같은 도펀트원을 포함하는 주변에서 직접 가스-침식 레이저 도핑(GILD)에 의해 레이저 텍스처링된 표면 상에 전면 전계를 형성하기 위한 펄스 레이저 도핑 가공.
태양 전지의 후측 상에 분산 또는 랑베르 표면(lambertian surface)을 형성하기 위한 제조 기술은, 이것에 한정되지 않지만 이하를 포함한다:
-유전체 막을 패시베이팅하는 펄스 레이저 텍스처링.
-유전체 섬들의 증착에 의해 패터닝된 텍스처의 추가적인 형성(예컨대 별개의 및/또는 상호 접속된 유전체 범프의 스크린 인쇄에 의해). 이러한 패터닝된 추가적인 층은, 접촉 개방 후 및 온-셀 금속화 공정(on-cell metallization process) 직전에 적용될 수 있고, 접촉 영역을 커버하지 않는다.
-스크린 인쇄 가능한 페이스트 또는 잉크젯 인쇄 가능한 잉크에 서브 미크론 크기 및/또는 미크론 내지 미크론 크기 유전체 입자를 포함하는 광 산란층의 추가적인 형성. 이러한 패터닝된 추가적인 층은 접촉 개방 후 및 온-셀 금속화 공정 직전에 적용될 수 있고, 접촉 영역을 커버하지 않는다.
패시베이션층의 레이저 텍스처링 . 피코세컨 또는 펨토세컨 펄스 길이의 레이저를 이용하는 실리콘의 후면의 레이저 텍스처링은 상기 기재되었다. 밴드갭이 1.1 eV인 결정 실리콘은 DUV 내지 IR 범위(밴드갭 에너지 1.1 eV까지의 광자 에너지를 갖는)의 방사를 흡수한다-이러한 파장은 실리콘 표면을 텍스처링하기 위해 사용될 수 있다. 펄스 길이 < 1000 피코세컨, 예컨대 저 피코세컨(< 4 피코세컨) 또는 펨토세컨 범위를 갖는 초고속 레이저의 이용은, 최소 열 영향을 받는 영역(HAZ)을 갖는 실리콘을 제거할 수 있고, 실리콘의 표면 품질에 매우 감소된 효과를 갖는 표면 텍스처링을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 실리콘의 표면 상에 레이저 제거의 효과 및 후면 상의 소수 캐리어의 재조합 속도의 증가(후면 재조합 속도-BSRV)는, 실리콘 표면 상에 위치된 유전체 패시베이션층이 스스로 실리콘 표면 대신에 텍스처링되는 경우에, 최소화되거나 또는 완전히 제거될 수 있다.
실리콘 산화물 층은 후면 접촉 실리콘 태양 전지의 후측의 패시베이션에 사용될 수 있다. 밴드갭이 약 9 eV인, 실리콘 산화물은, 나노세컨 범위의 펄스 폭을 갖는 193nm 펄스까지 일부 일반적으로 이용 가능한 레이저 파장까지 투명하다. 그러나, 충분히 높은 영향의 파장 157 nm의 나노세컨 펄스는 실리콘 산화물에 흡수되고, 따라서 산화물 표면을 텍스처링하기 위해 사용될 수 있다(그것의 전체 제거 없이). 예컨대, 이러한 펄스는, 엑시머 레이저를 이용하여 얻어질 수 있고, F2 레이저는 157 nm 방사의 공지된 원(source)이다.
또한, 이는 효과적인 텍스처링을 위해 산화물 막에 레이저 빔의 투과를 최소화하기 위해 유용할 수 있다. 예컨대, 흡수는 급격히 증가되므로, 펨토세컨의 초단 펄스가 사용되는 경우에 산화물에의 투과의 깊이는 급격히 감소된다. 펨토세컨 펄스의 이용은, 더 높은 파장을 이용하는 것을 가능하게 하여 전문 레이저를 필요로 하지 않을 수 있다. 실리콘 산화물 막은, UV 내지 IR 범위, 예컨대 1064 nm의 파장을 갖는 < 500 펨토세컨 펄스로 제거될 수 있다. 그러나, 그린 파장, 532 nm, 또는 UV 파장 355nm은 그 감소된 투과 때문에 사용될 수 있다(예컨대 나노세컨 펄스와 조합하여). 펨토세컨 그린 또는 UV 펄스는, 조합된 저손실, 고반사 분산 금속-유전체 반사체를 형성하기 위해, 알루미늄 막과 같은 반사성 금속막으로 커버되는 경우에, 우수한 분산 거울을 제조하는 산화물 표면 상에 리플(ripple) 및 텍스처를 형성할 수 있다.
산화물 표면 상에 펨토세컨 펄스를 오버래핑함으로써 형성되는 리플은, 태양 전지의 후측에 투과하는 태양 광선의 파장보다 더 작거나 또는 큰 주기를 갖는 주기적인 구조일 수 있다-따라서, 태양 광은 전지의 후측이 후면으로부터 매우 효과적인 분산 반사를 겪을 수 있게 한다. 또는, 산화물 표면 상의 펨토세컨 펄스를 오버래핑함으로써 형성되는 리플은, 예컨대 서브미크론 주기와 같이 낮은 것에서부터 수십 미크론까지의 값의 범위를 커버하는 국부적으로 다양한 주기를 갖는 주기적인 구조일 수 있다. 또한, 또 다른 실시예에서, 유전체 표면은 임의로 텍스처링될 수 있다. 중요하게, 개시된 유전체 표면 텍스처링 방법에서, 텍스처링 방법은, 유전체층만을 텍스처링하고, 언더라잉 실리콘을 노출하기 위해 유전체 두께를 통과해 펀치/푸시하지 않는다. 또 다른 실시예에 있어서, 예컨대 펨토세컨 펄스를 이용하여 오버랩되지 않는 펄스 레이저 제거는, 산화물 표면 상에 동일한 크기의 구멍(crater)의 어레이 또는 다양한 크기의 구멍의 어레이(다양한 구멍 직경)를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 구멍의 직경은, 예컨대 직경이 서브미크론 직경만큼 낮은 것부터 수십 미크론의 값의 범위를 커버할 수 있다. 또한, 구멍의 직경은, 빔 직경 및/또는 펄스 펨토세컨 레이저 빔의 에너지 영향에 의해 조절 및 변경될 수 있다.
또한, 화학량론적 실리콘 산화물 막이 UV/가시광/IR 범위에서 매우 투명하지만, 흡수는 실리콘의 비화학량론적 실리콘이 풍부한 산화물에 대해 증가될 수 있다. 실리콘 일산화물 (SiO)은 248nm 이하의 방사를 흡수하여, 화학량론적 Si02의 상부 상에 이러한 막의 첨가가 특히 펨토세컨 레이저의 이용과 함께 더 높은 파장을 허용할 수 있다. 또한, 이러한 실리콘 일산화물 층의 이용은, 낮은 피코세컨 범위의 펄스 길이(예컨대 < 10 피코세컨)를 이용하여 고급의 텍스처링을 형성하는 것을 가능하게 할 수 있다. 실리콘 일산화물 층은, 예컨대 실리카의 스퍼터 증착에 의해 형성될 수 있다.
태양 전지 적용에 사용되는 실리콘 산화물은 종종 PECVD 또는 APCVD 기술을 이용하여 증착된다. 이러한 산화물은 비화학양론적이고, 따라서 밀집한 실리콘 산화물과 비교하여 더욱 흡수력이 있다. 이는 펨토세컨 또는 짧은 파장의 깊은 UV 레이저 빔의 투과를 감소시켜, 증착된 산화물 막의 박층이 층의 완전한 제거 없이 펄스 레이저 가공을 이용하여 효율적으로 텍스처링될 수 있다.
p형 표면에서, 네거티브 표면 전하를 갖는 알루미늄 산화물은 우수한 표면 보호를 제공할 수 있다. 알루미늄 산화물 층은 원자층 증착 (ALD) 또는 상압 화학 기상 증착 (APCVD) 공정과 같은 적합한 증착 기술에 의해 증착될 수 있다. 또한, 실리콘 산화물과 마찬가지로, 알루미늄 산화물은 157 nm 파장의 나노세컨 펄스 또는 UV 파장의 펨토세컨 펄스로 텍스처링될 수 있다(펨토세컨 펄스는 표면 상의 리플을 제조하는데 추가적인 이점을 가질 수 있다). 원자층 증착 (ALD) 기술을 이용하는 알루미늄 산화물 증착은, 이러한 막에 존재하는 과도한 네거티브 전하 때문에 p형 표면의 패시베이션에 특히 적합할 수 있다. 또한, 이러한 비화학량론은 이러한 막의 흡수율을 증가시킬 수 있어, 피코세컨 UV 펄스는, 막의 상부 상에 반사성 알루미늄 막의 증착 후에, 우수한 분산 반사를 제공할 수 있는 표면 상에 리플 구조를 제공할 수 있다.
산화물(또는 질화물 또는 산질화물 ) 섬들의 증착을 이용한 텍스처링 : 결정 실리콘 막은 상대적으로 투명하고, 적외 (IR) 파장 범위(특히 대략 900 nm 이상의 파장 및 특히 더 얇은 실리콘 흡수체에서)에서 태양 광선에 덜 흡수적이기 때문에, 전지의 후측면 상에 이러한 파장에 대한 상대적으로 분산 또는 랑베르 반사는 IR 광자의 효율적인 포획에 의해 IR 흡수 및 양자 효율을 개선할 수 있다. 따라서, 이 크기 및/또는 복수의 이 크기보다 작거나 및/또는 가까운 크기, 예컨대 1 um 크기 및 분산의 반사성 원소를 갖는 층은, 개선된 광 포획 및 향상된 IR 광자 흡수를 위해 효율적인 분산 반사를 제공할 수 있다.
이러한 반사성 원소 또는 입자는, 태양 전지의 후측 상에 패시베이팅한 유전체(예컨대 알루미늄 산화물)의 표면 상에 상대적으로 균일하게 적용된(예컨대 스크린 인쇄, 잉크젯 인쇄 등에 의해) 다양한 입자 크기(예컨대 서브미크론 크기의 입자 또는 서브미크론 크기 입자와 몇 미크론까지의 더 큰 입자의 혼합물)의 구형 또는 임의의 기하학적으로 성형된 유전체 입자(예컨대 실리카, 티타늄 산화물, 알루미늄 산화물, 및/또는 다른 비흡수 유전체 물질로 이루어진)일 수 있다. 일부 유전체 입자는, 유전체 아크(arc)에 규사를 기화시킴으로써, 또는 실리콘 테트라클로라이드와 같은 실리콘 화합물의 열분해에 의해 제조되는 용해된 실리카 입자로 일반적으로 이용 가능할 수 있다. 또한, 유전체 입자는 실리케이트 용액으로부터 또는 졸 겔로부터 침전되는 입자일 수 있다. 또한, 논의된 바와 같이, 알루미늄 산화물 또는 티타늄 산화물로 이루어진 것과 같은 다른 적합한 유전체 물질 입자가 이용될 수 있다.
태양 전지의 후면 상의 균일한 분산에 있어서, 이러한 입자들은 고분자량 알콜과 같은 휘발성 액체를 이용하여 스프레잉 또는 수 중 실리카 서스펜션의 미립자화될 수 있거나, 또는 이들은 광-산란 유전체 입자를 포함하는 잉크의 잉크젯 인쇄 또는 페이스트의 스크린 인쇄를 이용하여 적용될 수 있다. 이들 유전체 입자와 후측 패시베이션층(예컨대 후측 p+ 에미터를 갖는 알루미늄 산화물)의 조합 및 온-셀 금속화(바람직하게는 잉크젯 인쇄된 Al 잉크 또는 스크린 인쇄된 Al 페이스트를 이용하여 알루미늄 금속화)는, 태양 전지의 IR 양자 효율을 향상시키기 위해 높은 반사성 분산(또는 거의 랑베르) 후측 거울을 제조할 것이다.
도 13은 텍스처링된 패시베이션 표면(50)을 갖는 도 8과 유사한 분리된 후측 금속 접촉을 갖는 전면 접촉 전지의 단면도를 나타내는 도식이다(예컨대 패시베이션층으로서 실리콘 산화물을 이용하여 텍스처링된 패시베이션층(34)으로 도시됨). 텍스처링된 패시베이션 표면(50)은 상기 기재된 텍스처링 공정을 위한 추가적인 방법에 의해 레이저 텍스처링에 의해 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 전면 접촉 태양 전지의 후측 상에 실리콘 산화물은 펨토세컨 레이저 빔 또는 DUV 레이저 빔을 이용하여 텍스처링될 수 있다. 또는, 후측 IR 광자 산란 반사는, 향상된 IR 양자 효율을 위해 전지 후측 상에 페이스트 또는 잉크를 함유하는 유전제 입자를 적용하기 위해 추가적인 방법을 이용하여 수행될 수 있다. 도 8과 마찬가지로, 도 13의 태양 전지는 p형 베이스 기판(30) 대신에 n형 베이스 기판(30)을 포함하고, 후면 전계는 높게 p-도핑될 것이다(즉, p+ 후면 전계(32)). p+ 후면 전계에 있어서, 표면 알루미늄 산화물은 효과적인 패시베이션을 제공할 수 있고, 펨토세컨 또는 DUV 레이저 빔을 이용하여 텍스처링될 수 있다. 또는, 분산된 랑베르 반사는 상기 기재된 바와 같이 실리카 구(또는 실리콘 산화물, 알루미늄 산화물 실리콘 질화물, 티타늄 산화물 등과 같은 적합한 유전체 물질의 규칙적인 또는 임의의 형태/크기의 입자를 함유하는 다른 페이스트 또는 잉크)의 증착에 의해 수득될 수 있다.
다시, 개시된 레이저 텍스처링 방법은, 내용 전체가 여기에 참조로 인용되는 공통의 양수인을 가지고, 2011년 5월 27일에 출원된 미국 특허공개 제2012/0028399에 기재된 바와 같이, 후측 통합된 금속화 패턴(여기서 NBLAC라고도 함)을 갖는 통합된 후면 접촉 박막 결정 실리콘 태양 전지(IBC)의 형성에 특히 적용 가능할 수 있다. 이러한 태양 전지는, 실리콘 기판의 에피택셜 증착 및 재사용 가능한 결정 실리콘 템플레이트의 표면으로부터 다공성 실리콘 리프트 오프 또는 후속 박리에 의해 형성될 수 있다. 박막 결정 태양 전지, 예컨대 단결정 실리콘 태양 전지는 10 내지 100 미크론 범위 및 1 미크론 두께만큼 낮은 두께를 가질 수 있다.
실리콘으로 각종 파장의 투과 깊이를 나타내는 도 1의 그래프로부터, 800 내지 1200 nm(및 특히 IR 파장보다 더 긴 것)의 파장 범위에서 박막 실리콘 전지의 방사는, 예컨대 후면 반사에 의해 충분히 포획된다는 것이 명백할 수 있다. 또한, 앞서 설명한 바와 같이, IR 광 포획은, 후면이 반사된 선(예컨대 상기 기재된 방법에 의해 형성된 것)을 산란시키기 위해 분산 반사체를 가지는 경우에 더욱 효과적일 수 있다.
도 14는, 예컨대 도 3에 도시된 후면 접촉 전지를 형성하는 전지 전면 상에 텍스처를 형성하기 위해 웨트 에칭을 이용하여 후면 접합/후면 접촉 에피택셜 실리콘 태양 전지를 형성하기 위한 공정 흐름의 실시예이다.
도 15는 후측 상에 산화물 표면의 레이저 텍스처링으로 후면 접합/후면 접촉 에피택셜 실리콘 태양 전지를 형성하기 위한 공정 흐름의 실시예이다(단계 7과 단계 8 사이의 레이저 텍스처링 공정 단계). 도 16은 전지 후측 상에 분산 거울을 형성하기 위해 태양 전지의 후측 상에 산화물의 표면 상에 분산된 서브미크론 크기의 실리카 입자의 증착을 이용하여 후면 접합/후면 접촉 에피택셜 실리콘 태양 전지를 형성하기 위한 공정 흐름의 실시예이다(단계 7과 단계 8 사이의 입자 증착).
도 17은 도 15 및 16의 공정 흐름에 따라 형성될 수 있는 후면 접합/후면 접촉 에피택셜 실리콘 태양 전지(후면판은 도시되지 않음)의 단면도를 나타내는 도식이다. 도 17의 후면 접합 후면 접촉 에피택셜 실리콘 태양 전지의 후측 및 전측은 도 5에 도시된 바와 유사하지만, 유전체층(18)의 후측면 후측 분산 거울(52)을 더 포함한다. 예컨대, 후측 분산 거울(52)은 패시베이션층(18) 상에 증착된 물질층을 함유하는 추가적인 입자 또는 패시베이션층(18)의 후측면(예컨대 실리콘 산화물 패시베이션층)에 레이저 텍스처링 공정이 수행될 수 있다.
여기에 개시된 실시예, 구조 및 방법은, IR 광자 포획을 향상시키고, 전지 후측 상에 광 산란 유전체 텍스처의 형성에 의해 태양 전지의 IR 양자 효율을 향상시키기 위한 분산 후측 거울의 형성을 위해 제공한다. 상세한 분산 형성의 실시예는, 고효율 태양 전지를 제공하는 후측 상에 물질층을 함유하는(따라서 실리콘 표면을 텍스처링할 필요를 제거함) 입자성 물질의 증착 또는 추가적인 인쇄 및 패시베이션 유전체의 절삭(subtractive) 레이저 텍스처링을 포함한다.
긴 파장 태양 광(예컨대 ~900 nm 내지 1150 nm 파장 범위의 광자)의 흡수 및 양자 효율을 증가시키기 위해, 분산 반사(또는 이른바 랑베르 반사), 즉 거울과 같은 반사 거의 없이 높게 분산된 반사(highly diffused reflection with little or negligible specular reflection)를 제공하는 태양 전지 후면에 대한 이하 방법 및 구조가 제공된다. 분산 거울의 형성에 관해 여기에 개시 및 고려되는 특정 실시예 및 양태는, 그것에 한정되지 않지만 이하를 포함한다:
-패시베이션을 위해 후측 실리콘 표면 상에 증착된 투명한 패시베이션층의 레이저 텍스처링 공정에 의해 후면 접촉 후면 접합 태양 전지 및 전면 접촉 전면 접합 태양 전지의 후측 상에 분산 후측 거울을 형성한다. 일부 실시예에서, 패시베이션층은 실리콘 산화물, 알루미늄 산화물, 실리콘 질화물, 또는 실리콘 산질화물, 또는 일부 실시예에서 ALD A1203일 수 있다. 텍스처링을 위한 레이저 파라미터는, 그것에 한정되지 않지만, 나노세컨 펄스 폭 레이저(예컨대 157 nm 파장을 갖는 나노세컨 펄스 폭 레이저), 또는 1064 nm과 같은 UV 내지 IR 범위의 파장을 갖는 피코세컨 또는 펨토세컨 레이저(예컨대 UV 355 nm의 파장을 갖는 펨토세컨 레이저)를 포함한다. 실리콘층의 서브 산화물은 레이저 빔의 흡수를 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 태양 전지는, 예컨대 단결정 실리콘 템플레이트로부터 에피택셜 증착 및 박리에 의해 형성되고, 예컨대 10 내지 100 미크론 범위의 두께 및 1 미크론과 같이 작은 두께의 박형 결정 실리콘 막일 수 있다.
-후측면 패시베이션층 산화물 또는 알루미늄 산화물의 상부 상의 실리카의 분산된 입자(예컨대 구형 입자)를 증착함으로써 전면 접촉 전면 접합 태양 전지 및 후면 접촉 후면 접합 태양 전지의 후측 상에 분산 거울을 형성한다. 일부 실시예에서, 실리카 입자는 실리카 화합물의 열분해에 의해, 또는 침전 형태 졸 겔에 의해 형성될 수 있다. 또는 구형 입자는, 후측면 패시베이션층 산화물 또는 알루미늄 산화물의 상부 상에 적합한 유전체 물질의 입자(예컨대 서브미크론 내지 몇 미크론 범위의 균일한 구형의 입자 크기 또는 서브미크론 내지 몇 미크론 범위의 입자 크기 및 임의로 선택된 입자 형태를 갖는 입자)를 포함하는 유전제 잉크의 잉크젯 인쇄 또는 유전체 페이스트의 스크린 인쇄에 의해 증착될 수 있다. 유전체 입자는 실리콘 산화물 및/또는 실리콘 질화물 및/또는 티타늄 산화물 및/또는 알루미늄 산화물 및/또는 다른 적합한 비흡수성 유전체 물질로 이루어질 수 있다. 일 실시예에서, 실리카 입자는, 실리콘 화합물의 열분해에 의해, 또는 침전 형태 졸 겔에 의해 형성될 수 있다. 패시베이션층은, 예컨대 실리콘 산화물, 알루미늄 산화물, 실리콘 질화물, 또는 실리콘 산질화물일 수 있다. 태양 전지는, 예컨대 단결정 실리콘 템플레이트로부터 에피택셜 증착 및 박리에 의해 형성되고, 예컨대 10 내지 100 미크론 범위의 두께 및 1 미크론과 같이 작은 두께의 박형 결정 실리콘 막일 수 있다.
조작 시에, 개시된 주제는, 태양으로부터 긴 파장의 광자를 포획하기 위해 태양 전지의 기판 표면을 텍스처링 및 어닐링하는 가공 방법을 제공한다. 또한, 전면 전계를 형성하기 위한 태양 전지의 기판 표면을 텍스처링 및 도핑하기 위한 가공 방법을 제공한다. 또한, 태양으로부터 긴 파장의 광자를 포획하기 위해 태양 전지의 후측 기판 표면 상에 패시베이팅층을 텍스처링하는 가공 방법을 제공한다. 또한, 개시된 주제는, 텍스처링 방법으로 형성되는 손상을 제거하기 위해 레이저 어닐링 및 베이스 및 에미터 영역을 형성하기 위해 태양 전지의 표면을 텍스처링 및 도핑하기 위한 가공 방법을 제공한다.
여기에 기재되는 실시예는 초박형 단결정 실리콘 흡수체 층 및 후면판을 이용하여 후면 접촉 및 전면 접촉 실리콘 태양 전지에 대해 넓게 설명되지만, 개시된 주제의 양태는 그것에 한정되지 않지만 이하를 포함하는 다른 태양 전지 및 모듈 구현에 적용될 수 있다고 당업자에 의해 이해되어야 한다: 결정 GaAs, GaN, Ge, 및/또는 다른 원소 및 화합물 반도체로부터 제조되는 것과 같은 단결정 실리콘 태양 전지 및 모듈; 및 결정 반도체 웨이퍼(예컨대 결정 실리콘 웨이퍼)로부터 제조되는 후면 접촉/전면 접합, 후면 접촉/후면 접합 및 전면 접촉 태양 전지를 포함하는 웨이퍼 기반의 태양 전지.
실시예의 앞선 설명은 임의의 당업자가 청구된 주제의 이용 또는 제조가 가능하도록 제공된다. 이 실시예에 각종 변경은 당업자에게 명백하고, 여기에 정의되는 일반적인 원리는 혁신적인 노력을 없이 다른 실시예에 적용될 수 있다. 따라서, 청구된 주제는 여기에 나타낸 실시예에 한정되는 것이 아니고, 여기에 개시된 원리 및 새로운 특징과 일치하는 가장 넓은 범위에 따르는 것이다.

Claims (25)

  1. 결정 실리콘 태양 전지의 제조방법으로:
    후면 접촉 후면 접합 태양 전지 전체에 사용되는 결정 실리콘 기판을 제공하는 단계;
    상기 실리콘 기판의 후측면에 제1펄스 레이저 빔을 적용하는 단계;
    상기 실리콘 기판의 후측면을 상기 제1펄스 레이저 빔을 이용하여 텍스처링하는 단계로, 상기 제1펄스 레이저 빔은 피코세컨 펄스 폭과 적외 파장을 갖는 것인, 단계;
    상기 텍스처링된 후측면에 제2펄스 레이저 빔을 적용하는 단계; 및
    상기 실리콘 기판의 상기 후측면을 상기 제2펄스 레이저 빔을 이용하여 어닐링하는 단계로, 상기 어닐링 공정은 레이저 손상을 제거하는 것인, 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 결정 실리콘 기판의 두께는 100 미크론 미만인 것인, 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 레이저 빔의 펄스 폭은 1000 피코세컨 미만인 것인, 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 파장은 355 nm 내지 1064 nm의 범위인 것인, 방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2펄스 레이저 빔은 나노세컨 펄스 폭과 532 nm의 파장을 갖는 것인, 방법.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 기판의 전측면에 제1펄스 레이저 빔을 적용하는 단계;
    상기 실리콘 기판의 상기 전측면을 상기 제1펄스 레이저 빔으로 텍스처링하는 단계;
    상기 실리콘 기판의 전측면 상에 도펀트를 증착하는 단계; 및
    상기 실리콘 기판의 상기 전측면을 제3펄스 레이저 빔으로 도핑하는 단계로, 상기 레이저 도핑 공정은 전면 전계를 형성하는 것인, 단계를 더 포함하는, 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 실리콘 기판의 상기 전측 상에 전면 전계를 형성하는 상기 제3펄스 레이저 빔은, 나노세컨 펄스 폭 및 532 nm의 파장을 갖는 것인, 방법.
  10. 결정 실리콘 기판의 제조 방법으로:
    상기 실리콘 기판에 베이스 영역 및 에미터 영역을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 기판의 후측면 상에 후측 패시베이션층을 형성하는 단계;
    상기 후측 패시베이션층에 제1펄스 레이저 빔을 적용하는 단계;
    상기 패시베이션층의 후측면을 상기 제1펄스 레이저 빔으로 텍스처링함으로써, 상기 패시베이션층의 상기 후측면 상에 후측 분산 거울을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 실리콘 기판의 두께는 100 미크론 미만인 것인, 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 후측 패시베이션층은 증착된 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 알루미늄 산화물, 또는 원자층이 증착된 알루미늄 산화물을 포함하는 것인, 방법.
  13. 삭제
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제1레이저 빔은 나노세컨 펄스 폭 및 157 nm의 파장을 갖는 것인, 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1레이저 빔은 펨토세컨 펄스 폭 및 355 nm 내지 1064 nm 범위의 파장을 갖는 것인, 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 패시베이션층의 후측면 상에 후측 분산 거울을 형성하는 상기 단계는, 실리카 입자의 증착을 포함하는 것인, 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 실리카 입자의 상기 증착은 실리카 입자를 포함하는 유전체 페이스트의 스크린 인쇄를 포함하는 것인, 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 실리카 입자의 상기 증착은 실리카 입자를 포함하는 유전체 잉크의 잉크젯 인쇄를 포함하는 것인, 방법.
  19. 제10항에 있어서,
    상기 실리콘 기판의 전측면에 제1펄스 레이저 빔을 적용하는 단계;
    상기 실리콘 기판의 상기 전측면을 상기 제1펄스 레이저 빔으로 텍스처링하는 단계;
    상기 실리콘 기판의 전측면 상에 도펀트를 증착하는 단계; 및
    상기 실리콘 기판의 전측 상에 제2펄스 레이저 빔으로 전면 전계를 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  20. 결정 실리콘 기판의 제조방법으로:
    전면 접촉 태양 전지에 사용되는 10 미크론 내지 100 미크론 범위의 기판 두께를 가지는 결정 실리콘 기판을 제공하는 단계;
    후측 금속화 전에, 상기 실리콘 기판의 전측면 및 후측면을 제1펄스 레이저 빔으로 텍스처링하는 단계로, 상기 제1펄스 레이저 빔은 피코세컨 펄스 폭 및 적외 파장을 갖는 것인, 단계;
    상기 실리콘 기판의 전측면 상에 도펀트를 증착하고, 제2펄스 레이저 어닐링을 사용하여 에미터 영역을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 기판의 후측면 상에 도펀트를 증착하고, 제2펄스 레이저 어닐링을 사용하여 베이스 영역을 형성하는 단계; 및
    상기 베이스 영역 상에 후측 금속화 영역을, 상기 에미터 영역 상에 전측 금속화 영역을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 펄스 레이저 빔은 펨토세컨 펄스 폭을 가지고, 355 nm 내지 1064 nm 범위의 파장을 갖는 것인, 방법.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 제2펄스 레이저 어닐링 공정에서의 상기 펄스 레이저 빔은 532 nm의 펄스 길이를 갖는 나노세컨 레이저인 것인, 방법.
  23. 제20항에 있어서,
    금속화 전에 상기 실리콘 기판을 열적 어닐링하는 단계를 더 포함하고, 상기 열적 어닐링 공정은 상기 기판의 레이저 손상을 제거하는 것인, 방법.
  24. 제10항에 있어서,
    상기 후측 패시베이션층은 실리콘 산화물인, 방법.
  25. 제10항에 있어서,
    상기 후측 패시베이션층은 알루미늄 산화물인, 방법.
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