KR101703205B1 - 개선된 금속 접합 - Google Patents
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Abstract
태양 전지는 태양광 발전 접합부를 형성하는 반도체 재료의 표면과 전기적으로 접촉되도록 형성된 금속 접촉부를 구비한다. 태양 전지는 진하게 도핑된 소재로 이루어진 표면 영역 또는 표면 영역들을 포함하고 접촉부는 진하게 도핑된 영역들 위에 형성되어 상기 영역들과 접촉되는 접촉부 금속 배선을 포함한다. 표면 키 결합부들은 반도체 재료에 위치되고, 표면 키 결합부 자신들까지 연장되는 금속 배선이 반도체 재료에 부착되는 것을 돕는다.
Description
본 발명은 일반적으로는 태양광 발전 분야에 관한 것으로, 구체적으로는 접촉부를 생성시키는 개선된 방법을 개시한다.
태양광 발전 디바이스용의 도금된 금속 접촉부(contact)들의 일반적인 문제점은 실리콘 소재와의 접합성이 불량하다는 것이다. 이러한 문제점은 실리콘과 금속 간의 열 팽창률 차이로 인한 열 순환이 일어날 때와, 전기적 성능의 향상에 따라 고성능 셀에서는 보편적으로 사용되고 있는 작은 면적의 금속/실리콘 계면을 사용할 때에 악화된다. 결국 전기적 성능과 내구성 간에는 일반적으로 상반적 관계가 있다. 레이저 도핑된 영역이 평평하고 매끄러울 때 가장 우수한 전기적 성능이 달성되지만, 이 경우에는 도금된 후의 후속 금속/실리콘 계면의 면적이 가장 작고 이에 따라 접합성이 가장 불량하게 되는, 레이저 도핑된 태양 전지도 동일한 문제점이 있다.[에스. 알. 웬햄(S. R. Wenham), 엠. 에이. 그린(M. A. Green) "태양 전지에 선택적 이미터 및 금속 배선을 형성하기 위한 자체 정렬 방법(A Self-Aligning Method for Forming a Selective Emitter and Metallization in a Solar Cell", 국제 특허 출원 번호 PCT/AU1999/00522호, 1999년 7월]
레이저 도핑 공정은 가장 일반적으로는 큐스위치식(Q-switched) 532nm 엔디야그(NdYAG) 레이저를 이용하여 수행된다. 레이저 빔은 도펀트 공급원의 존재 하에 보통 실리콘 나이트라이드(ARC)로 코팅된 실리콘 웨이퍼의 표면을 가로질러 주사되고, 이에 따라 충분한 에너지가 실리콘에 전달되어 실리콘이 용융되고, 용융된 실리콘으로 도펀트가 확산될 수 있게 된다. 이러한 공정은 동시에 실리콘 나이트라이드 층을 손상시키거나 제거함으로써 재결정화된 도핑된 실리콘 표면을 노출시키게 되는데, 이에 따라 금속 도금, 보통 Ni/Cu/Ag 또는 Ni/Cu/Sn 금속 도금이 후속해서 행해질 수 있게 된다. 텍스쳐(texture) 가공되거나 거칠게 가공된 실리콘 표면이 사용되더라도, 레이저 용융/도핑 공정이 도펀트가 적절히 확산/혼합될 수 있도록 충분한 기간 동안 행해지면 도 8의 (b)와 도 9에 도시된 바와 같은 비교적 매끄러운 표면이 형성되게 된다. 따라서, 이와 같은 표면에 대해 도 10에 도시된 바와 같이 후속해서 행해지는 금속 접합이 도전 과제이다.
태양광 발전 접합부(photovoltaic junction)를 형성하는 반도체 재료의 표면과 전기적으로 접촉되도록 형성된 금속 접촉부(metal contact)와, 진하게 도핑된 소재로 이루어진 표면 영역 또는 표면 영역들을 포함하는 태양 전지로서, 상기 접촉부는 상기 진하게 도핑된 영역들 위에 형성되어 상기 영역들과 접촉되는 접촉부 금속 배선과, 반도체 재료에 위치된 표면 키 결합부들로서, 상기 표면 키 결합부 자신들까지 연장되는 상기 금속 배선이 반도체 재료에 부착되는 것을 돕는 표면 키 결합부들을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지가 제공된다.
바람직하게는, 접촉부들과 표면 키 결합부들이 반도체 재료의 전측면 또는 수광면에 마련된다.
태양 전지는 금속 배선이 그 아래로 연장되는 돌출부를 형성하는 언더컷 영역을 구비한 적어도 하나의 구멍을 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 구멍은 반도체 재료의 전측면과 대체로 직교할 수 있고, 언더컷 영역은 반도체 재료의 전측면에 있는 구멍의 개구 주변의 일부분 둘레에 턱부를 형성한다. 또한 상기 구멍은 구멍 자신이 전측면 아래에 언더컷부를 형성하도록 반도체 재료의 전측면과 직교하는 선에 대해 소정 각도로 연장될 수 있다. 이웃한 구멍들 또는 하나 걸러 있는 구멍들은 키 결합 기능을 더욱 향상시킬 수 있도록 상기 직교선에 대해 서로 다른 방향으로 연장될 수 있다.
또한, 태양광 발전 접합부를 형성하는 반도체 재료의 표면과 전기적으로 접촉되도록 형성된 금속 접촉부를 구비한 태양 전지를 제조하는 태양 전지 제조 방법으로서,
상기 접촉부가,
a) 금속 접촉부가 전기적으로 접촉될 반도체 재료의 표면 상에 또는 상기 표면 가까이에 도펀트 공급원을 제공하는 단계;
b) 반도체 표면 영역을 제1 레이저 세기로 레이저로 가열함으로써, 표면 유전층들을 손상시켜 제거하고 도펀트 공급원으로부터 공급되는 도펀트를 가열된 영역으로 확산시켜 접촉부들이 형성될 진하게 도핑된 소재 영역을 마련하는 단계;
c) 접촉부들이 만들어질 영역 내에서 반도체 재료 표면 상의 지점들을 레이저로 간헐적으로 가열함으로써, 표면 유전층들을 손상시켜 제거하고 가열된 지점들에 반도체 재료의 표면들에 대한 표면 키 결합부들을 형성하는 단계; 및
d) 접촉부 금속 배선을 진하게 도핑된 영역들 위에 도금시켜 상기 영역에 접촉시키는 단계로서, 도금부가 간헐적으로 형성된 표면 키 결합부까지 연장되어 금속 배선이 반도체 재료에 부착되는 것을 돕도록 구성된 단계에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법이 제공된다.
이 방법에서, 바람직하게는 표면 키 결합부들이 반도체 재료의 전측면 또는 수광면에 마련된다.
한 방법에서, 상기 키 결합부들은 일부 실리콘이 삭마되어 실리콘 표면이 거칠게 형성되도록 레이저 용융/도핑에 사용되는 레이저 펄스의 평균 에너지보다 에너지가 높은 레이저 펄스들에 의해 형성된다.
다른 방법에서는, 레이저 연속 작동(continuous wave laser operation)이 제1 레이저 세기로 레이저 가열하기 위해 사용되고, 큐스위치식 레이저의 주기 펄스들 또는 일단의 펄스들이, 특정 위치들에서 금속을 실리콘에 "피닝(pinning)"시키도록 상기 위치들에 구멍들이나 홈들 또는 거친 표면을 생성시키는 데 사용된다.
또 다른 방법에서는, 도핑되는 용융 실리콘 내에 난류를 생성시켜서 실리콘이 고화되면 표면 거칠기가 증가되게 하도록 레이저 도핑 중에 고에너지 수준이 사용된다(반드시 실리콘을 삭마할 필요는 없음).
특히, 상기 키 결합 방법은,
금속이 레이저 도핑된 실리콘으로부터 가장 분리되기 쉬운 레이저 도핑된 라인의 금속 핑거(metal finger)가 끝나는 단부 지점들에서의 접합성을 증가시키도록 상기 지점들에서 사용될 수 있다. 그러나, 바람직하게는 이 키 결합 방법은 금속 접합성이 키 결합되지 않은 지점들에서의 접합성에 비해 개선된 서로 분리된 위치들을 제공하도록 레이저 도핑된 라인을 따라 주기적으로 사용될 것이다.
다른 유리한 한 방법에서는, 고에너지 레벨 펄스의 반복률과 출력은, 주변에 실리콘으로 된 돌출 영역들 또는 턱부들을 구비한 구멍을 생성시켜서 그러한 돌출부들 아래에 형성되는 후속해서 도금되는 금속이 금속을 형성된 실리콘 표면에 키 결합시키거나 "체결(lock)"시키는 미늘이 되도록 조정된다.
또 다른 개선례에서는, 실리콘의 레이저 도핑을 행하는 중에 분리된 구멍들 또는 홈들이 형성된 다음에, 저에너지 레이저 가열 단계가, 돌출 영역들 또는 턱부들을 생성시켜서 돌출부들 아래에 형성되는 후속해서 도금되는 금속이 실리콘 표면에 금속을 키 결합시키는 미늘이 되도록, 구멍들을 둘러싸는 실리콘 영역을 용융시키는 데 사용된다.
본 발명의 실시예들을 첨부 도면들을 참조하여 예시적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 금속 배선 키 결합 방법이 적용된 종래의 태양 전지를 도시한 도면이다.
도 2는 금속 접촉부를 자신의 위치에 고정시키도록 하나의 제안된 방법에 따라 형성된 구멍들이 주기적으로 존재하는 것을 나타내는 레이저 도핑된 라인의 길이를 따르는 횡단면도이다.
도 3은 도 2의 구조물을 금속으로 도금한 다음에 얻어지는 일반적인 구조물을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 레이저 용융 및 도핑을 행하기 위한 레이저 펄스의 주파수가 이웃한 펄스들 사이에서 다량의 중첩을 일으키기에 충분히 높은 경우에 각 구멍의 후연부에 그리고 어느 정도는 구멍들의 측부들에 존재하는 돌출부 또는 턱부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 구멍이 거의 완전히 덮일 수 있게 되는, 펄스 중첩량이 80% 이상인 경우에 나타나는 결과를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 금속 접촉부를 자신의 위치에 더 견고하게 고정시키도록 일단의 순차적인 고에너지 펄스들에 의해 형성된 짧은 홈이 존재하는 것을 나타내는 레이저 도핑된 선의 길이를 따라 취한 횡단면도이다.
도 7은 구멍들 중 일부 또는 전부가 더 이상 표면과 직교하지 않도록 표면에 대해 소정 각도로 형성된 실리콘 내의 구멍들을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8에서 도 8의 (a)는 각 펄스 마다 에너지를 추가적으로 사용함으로써 형성되고 실리콘을 약간 삭마시키는, 표면적이 크게 증가된, 금속 배선 형성 전의 접촉부 홈을 나타내는 사진이고, 도 8의 (b)는 에너지를 추가로 사용하지 않으면서 레이저 도핑 후에 가장 우수한 전기적 성능을 부여하는 비교적 매끄러운 표면을 나타내는 다른 접촉부 홈의 사진이다.
도 9는 가장 우수한 전기적 성능을 부여하는 레이저 도핑 후에 비교적 매끄러운 표면을 갖는 도 8의 (b)와 유사한 접촉부 홈의 다른 사진이다.
도 10은 금속 배선 형성 후의 접촉부를 나타내는 사진이다.
도 2는 금속 접촉부를 자신의 위치에 고정시키도록 하나의 제안된 방법에 따라 형성된 구멍들이 주기적으로 존재하는 것을 나타내는 레이저 도핑된 라인의 길이를 따르는 횡단면도이다.
도 3은 도 2의 구조물을 금속으로 도금한 다음에 얻어지는 일반적인 구조물을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 레이저 용융 및 도핑을 행하기 위한 레이저 펄스의 주파수가 이웃한 펄스들 사이에서 다량의 중첩을 일으키기에 충분히 높은 경우에 각 구멍의 후연부에 그리고 어느 정도는 구멍들의 측부들에 존재하는 돌출부 또는 턱부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 구멍이 거의 완전히 덮일 수 있게 되는, 펄스 중첩량이 80% 이상인 경우에 나타나는 결과를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 금속 접촉부를 자신의 위치에 더 견고하게 고정시키도록 일단의 순차적인 고에너지 펄스들에 의해 형성된 짧은 홈이 존재하는 것을 나타내는 레이저 도핑된 선의 길이를 따라 취한 횡단면도이다.
도 7은 구멍들 중 일부 또는 전부가 더 이상 표면과 직교하지 않도록 표면에 대해 소정 각도로 형성된 실리콘 내의 구멍들을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8에서 도 8의 (a)는 각 펄스 마다 에너지를 추가적으로 사용함으로써 형성되고 실리콘을 약간 삭마시키는, 표면적이 크게 증가된, 금속 배선 형성 전의 접촉부 홈을 나타내는 사진이고, 도 8의 (b)는 에너지를 추가로 사용하지 않으면서 레이저 도핑 후에 가장 우수한 전기적 성능을 부여하는 비교적 매끄러운 표면을 나타내는 다른 접촉부 홈의 사진이다.
도 9는 가장 우수한 전기적 성능을 부여하는 레이저 도핑 후에 비교적 매끄러운 표면을 갖는 도 8의 (b)와 유사한 접촉부 홈의 다른 사진이다.
도 10은 금속 배선 형성 후의 접촉부를 나타내는 사진이다.
일례로서 그리고 도 1을 참조하면, 실리콘 태양 전지의 형성을 위한 적당한 제조 시퀀스(sequence)는 다음과 같다.
1. p형 웨이퍼(11)의 전측면(또는 수광면)을 등방성 텍스쳐(12) 가공함;
2. n형 도펀트(13)를 전측면에 확산시킴;
3. 측면 접합부를 분리함/포스포러스 실리케이트 글래스(Phosphorus Silicate Glass; PSG)를 제거함;
4. 플라즈마 화학 증착(PECVD)에 의해 전측면 상에
a. 특히 표면 보호층(14)을 위한 100 옹스트롬의 수소 부화(hydrogen rich) 실리콘 나이트라이드와,
c. 굴절률이 2.0 내지 2.1인 600 옹스트롬의 실리콘 나이트라이드(16)와,
d. 도펀트 수용층(17)을 아크 증착시킴
5. 후측 접촉부(18) 용으로 후측면(비수광면)을 알루미늄으로 스크린 인쇄함;
6. 후측면을 연소시켜 후측 접촉부(18)들을 소결시키고 알루미늄/실리콘 합금 및 액상 에피택시의 형성에 의해 배면 영역(19)을 형성함;
7. 국부화된 영역들에 실리콘을 레이저 도핑시켜 자체 정렬된 전측면 금속 접촉부들을 형성하기 위한 고농도로 도핑된 n+ 영역(22)들을 형성함;
8. 전측면 접촉부들 용으로 니켈층(23)을 레이저 도핑된 n+ 영역(22)들 위에 도금시킴;
9. 니켈층(23)의 소결시킴;
10. 구리층(24)과 주석층(또는 은층)(25)을 니켈층(23) 위에 도금시킴.
위와 같은 공정 시퀀스에 의해 금속 접촉부들 바로 아래의 실리콘을 진하게 도핑시킬 수 있게 하는 선택적인 이미터로 도 1의 고성능 태양 전지 구조물을 제조할 수 있다.
본 명세서에서 제안된 접촉부 형성 방법은 레이저에 의해서 특정 위치들에 있는 실리콘 중 의도적으로 거칠게 형성된 그리고/또는 삭마된 부분으로 전달되는 주기적인 고에너지 펄스들 또는 일련의 펄스들을 부가하는 것에 의해서 위에서 설명한 시퀀스와 달라진다. 고에너지 펄스로 구멍을 형성하는 중에 레이저 빔이 일반적으로 단지 1 마이크론 이하만 이동(일반적으로 10m/s로 진행하는 경우)하도록 한 번에 단 한 개(또는 매우 적은 수)의 매우 짧은(일반적으로 0.1 마이크로초 이하) 고에너지 펄스를 사용할 때 양호한 결과를 얻었다. 이에 따라 후속적으로 가해지는 저에너지 펄스들에 의해 고에너지 펄스에 의해 형성된 구멍 벽들의 레이저 도핑이 증가될 수 있게 되고, 그럼으로써 그렇지 않은 경우에서 그러한 구멍들을 사용하는 중에 발생되는 전기적 성능의 저하를 최소화할 수 있게 된다. 또한, 레이저 도핑된 실리콘의 총 표면적이 고에너지 펄스를 사용하지 않았을 경우와 비교하여 전체적으로 20% 이상 증가되지 않도록, 그러한 구멍들은 일반적으로 구멍의 직경에 비해 멀리(적어도 세 배, 바람직하게는 평균적으로 열 배) 떨어져 위치될 수 있다. 이에 따라 표면 키 결합(surface keying)을 사용하지 않는 경우와 비교하여 전기적 성능이 크게 저하되는 것을 방지할 수 있다. 도 8의 (b)와 도 9는 가장 우수한 전기적 성능을 부여하는 레이저 도핑된 후의 비교적 매끄러운 표면을 도시하는 반면, 표면적이 상당히 증가된 도 8의 (a)의 구조는 매 펄스 마다 추가 에너지를 사용하는 것에 의해 실리콘이 상당히 삭마됨으로써 이루어진다.
중요한 점은, 도금 후에, 구멍들이 금속의 실리콘에 대한 전반적인 접합 강도를 크게 향상시키는 고정 지점을 제공한다는 것이다. 특히, 그러한 구멍들은 금속의 박리가 개시되는 일반적으로 가장 취약한 지점들인 금속 라인들의 단부들에서 또는 단부들 근처에서 유용하게 사용된다. 몇몇의 연속적인 고에너지 펄스들에 의해 형성된 고밀도의 구멍들 또는 세장형 구멍들이 이 영역들에서 금속을 실리콘에 "피닝"하는 데 유용하게 사용된다.
고에너지 펄스들은 고에너지 펄스용의 레이저 출력을 증가시키는 것에 의해 생성될 수 있거나 혹은 또는 대안적으로 레이저 출력을 일정하게 유지시키다가 고에너지 펄스들을 형성하기 전에 펄스가 발진되는 시점까지 더 많은 에너지가 레이저 결정 또는 레이저 다이오드에 저장되도록 시간 지연을 두고 레이저 출력을 살짝 증가시키는 것에 의해 생성될 수 있다. 두 방법 모두 다음 레이저 펄스에서 에너지가 증가되게 된다. 비록 양호한 디바이스들은 구멍 깊이가 80 마이크론인 상태에서 그리고 깊이가 0에 접근하는 상태에서 만들어졌지만, 그러한 펄스의 에너지는 일반적으로는 5 내지 10 마이크론 깊이의 구멍이 형성될 수 있게 설정되는 것이 바람직하다.
실리콘에 대한 금속 접합의 강도를 잠재적으로 더 향상시키는 것은 여러 개의 연속적인 고에너지 펄스들을 이용하여 20 내지 100 마이크론 길이의 짧은 홈을 생성시키는 것에 의해 달성될 수 있다. 레이저 도핑용의 저에너지 펄스들이 그러한 홈의 단부들 근처에서 단부들을 재고형화된 실리콘으로 부분적으로 덮도록 사용될 수 있고, 이에 따라 뒤이어 행해지는 도금이 홈의 단부들의 끝에서 실리콘 아래에 매립될 수 있게 하는 것에 의한 "낚시바늘"형 효과를 만들어 내고, 이에 따라 금속 접합의 강도가 크게 증가된다.
통상적인 큐스위치식 레이저들은 레이저 도핑 펄스들 용으로 사용되는 많은 저에너지 펄스들 사이에 주기적으로 삽입되는 조절된 고에너지 펄스들을 발생시키는 능력이 없다. 그러나 큐스위치를 제어하기 위한 특별한 전자 기기들은 대부분의 기계들에 간단하게 포함되어 기계들에 이러한 능력을 부여할 수 있다. 어떤 기계들은, 펄스들의 에너지를 제어하는 데 대충 사용될 수 있고 이에 따라 이 전극 형성 방법의 한 가지 형태를 행하는 데 사용될 수 있는 레이저 처리/주사 도중의 큐스위치에 대해 프로그래밍 가능한 주파수 변경을 할 수 있게 함으로써 임시로 개조될 수 있다.
본 발명의 전극 형성 방법의 변형례는 레이저 도핑 공정을 위해 실리콘을 용융시키는 레이저가 지나가는 구멍들을 독립적으로 형성하도록 별도의 레이저 헤드 또는 그러한 종류의 레이저를 이용하는 것과 관련이 있다.
또 다른 변형례는 두 개의 레이저 빔을 충첩시키는 것인데, 고에너지 펄스를 갖는 한 레이저 빔은 훨씬 낮은 주파수에서 작동되어 주기적인 구멍을 생성시키는 반면 저에너지 펄스들을 갖는 다른 레이저는 실리콘을 레이저 용융시키고 도핑시키기 위해 필요한 훨씬 높은 주파수에서 작동된다.
또 다른 변형례는 실리콘의 레이저 용융 및 도핑을 행하기 위해 어떤 큐스위치도 없이 레이저를 연속 작동(continuous wave operation)으로 이용하는 것이다.
고에너지 펄스 또는 일부 실리콘을 삭마시키는 펄스를 생성할 수 있게 하여 희망하는 위치들에 구멍 또는 구멍들을 형성하는 큐스위치 작동으로 바꿀 수 있는 능력을 갖는다. 이러한 종류의 작동에서는, 레이저의 광공진기로 들어가는 "손실"이 없어 레이저 빔이 연속적이고 실리콘을 계속해서 용융시키고 도핑시킬 수 있다. 실리콘에 구멍이 필요할 때마다, 손실이 레이저의 광공진기로 들어가서 유도 방출을 방지하고 이에 따라 에너지가 일반적으로 0.1 내지 100 마이크로초 동안 레이저 결정 또는 레이저 다이오드에 저장될 수 있게 되고, 로스가 제거되면 저장된 에너지가 실리콘을 삭마시킬 수 있는 고에너지 레이저 펄스로서 발산된다. 이러한 작동 모드의 또 다른 변형례는, 단지 레이저 에너지가 실리콘을 반드시 약간 또는 많이 삭마할 필요 없이 도핑 공정 중에 희망하는 위치에서 용융된 실리콘 내에 난류를 생성시키기에 충분할 정도로 변화되는 것이다. 이 경우에는, 용융된 실리콘이 높은 수준의 난류에 의해 생성된 기하학적 형상으로 고화됨에 따라 다시 거친 표면 토폴로지가 얻어질 수 있다. 이 경우 레이저 에너지는 금속 접합이 가장 개선될 수 있게 하는 실리콘에 대한 표면 토폴로지를 형성하도록 제어될 수 있다.
도 2는 금속 접촉부를 자신의 위치에 고정시키도록 하나의 제안된 방법에 따라 형성된 구멍들(31)이 주기적으로 존재(occurrence)하는 것을 나타내는, 레이저 도핑된 라인의 길이를 따르는 횡단면도이다. 도 3은 도 2의 구조물을 금속(33)으로 도금한 다음에 얻어지는 전형적인 구조물을 도시한 도면이다. 가끔씩 구멍(31)이 완전히 도금되기 전에 금속이 구멍을 덮음에 따라 구멍(31) 내부의 도금된 금속 영역(33) 내에 형성되는 공동이 있을 수 있다. 레이저 용융 및 도핑을 행하기 위한 레이저 펄스의 주파수가 이웃한 펄스들 사이에서 다량의 중첩을 일으키기에 충분히 높은 경우, 돌출부(overhang) 또는 턱부(ledge)(32)가 도 4에 도시된 바와 같이 각 구멍의 후연부에 그리고 어느 정도는 구멍(31)들의 측부들에 존재한다. 중첩량이 약 80% 이상에 이르면, 비록 이 경우에는 매립된 구멍들 내에 양호한 금속 도금을 행하는 것의 어려움으로 인해 본 발명의 유용성들 중 많은 것을 상실하게 되지만, 도 5에 도시된 바와 같이, 구멍이 전연부에서도 형성되어 나오는 어떤 돌출부로 거의 완전히 덮이게 하거나 혹은 심지어 완전히 덮이게도 할 수 있다.
도 6은 금속 접촉부를 자신의 위치에 더 견고하게 고정시키도록 일단의 순차적인 고에너지 펄스들에 의해 형성되고 적당한 돌출부들을 나타내는 짧은 홈이 존재하는 것을 나타내는, 레이저 도핑된 라인의 길이를 따르는 횡단면도이다.
제안된 전극 형성 방법들의 일반적인 원리는, 실리콘 표면으로부터 금속이 박리되거나 분리되기 시작하는 경향을 감소시키는 것에 의해 전반적인 금속 접합 강도를 증가시키도록 금속 라인들의 단부들과 같은 특정의 전략적으로 중요한 위치들에서 금속/실리콘 계면의 면적을 증가시키는 것이다. 제안된 방법의 더욱 유리한 형태에서는, 실리콘은, 도금된 금속의 기하학적 형상(실리콘의 형상에 부합함)이 예컨대 실리콘에 있는 홈의 언더컷부와 맞물리는 하부의 미늘(barb) 또는 돌기를 형성하는 것에 의해서와 같이 금속이 실리콘 소재에 키 결합되거나 체결되도록 구성/가공된다. 이러한 "금속을 실리콘에 체결시키는" 원리는 후속하여 금속 도금된 접촉부 또는 실리콘이, 이 실리콘으로부터 금속이 분리될 수 있도록 하기 위한 형상 변경에 의해, 반드시 뒤틀려지도록 하는 형상으로 형성되는 경우면 언제든 적용될 수 있는 것으로 생각된다. 도 2에는 실리콘에 있는 턱부 또는 돌출부가 구리 또는 실리콘 턱부가 비틀려서 그 형상이 변형되지 않으면 금속이 실리콘으로부터 분리될 수 없도록 금속을 턱부 아래의 위치에 "체결시키게" 작용하는 일례가 도시되어 있다. 이의 또 다른 예는, 실리콘에 있는 구멍들이, 뒤이어 도금되는 금속이 실리콘에 "체결"되도록 이웃한 구멍들이 의도적으로 서로 평행하지 않게 형성되어 있는 도 7에 도시된 바와 같이, 구멍들 중 일부 또는 전부가 더 이상 상면과 직교하지 않도록 상면에 대해 소정 각도로 형성된 것이다.
위에서 설명한 예에서는 후측 접촉부들이 스크린 인쇄되지만, 이 예에서 전측 접촉부들을 형성하기 위해 사용되는 도금된 접촉부들을 형성하는 방법이 표면을 진하게 도핑시키는 단계용으로 적당한 도펀트를 사용하여 후측 접촉부들을 형성하는 데에도 마찬가지로 사용될 수 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 알 수 있는 바와 같이, 실리콘 표면의 형성은 여러 가지 방법들로 이루어질 수 있다. 특정의 전략적인 위치들에서 금속을 실리콘에 체결시키는 이러한 영역들을 생성하도록 실리콘 표면을 구성하는 데 화학적 식각, 기계적 연마, 플라즈마 식각 또는 예컨대 이들의 조합과 같은 여러 가지 다른 기법들이 사용될 수 있지만, 본 명세서에서는 레이저를 이용하여 실리콘을 삭마시키는 것을 일례로서 제시하였다.
Claims (20)
- 태양광 발전 접합부를 형성하는 두 개의 반도체 재료층, 반도체 재료층 중 하나의 반도체 재료층의 표면에 도금되며, 반도체 재료층 중 하나의 반도체 재료층의 표면에 전기적으로 접속되는 금속 접촉부를 포함하는 태양 전지로,
상기 금속 접촉부에 전기적으로 접속되는 반도체 재료층 중 하나의 반도체 재료층의 표면은 도핑된 표면이 되고, 도핑된 표면 내에서 국부적인 고농도로 도핑된 라인을 구비하며, 상기 금속 접촉부는 상기 국부적인 고농도로 도핑된 라인을 따라 상기 국부적인 고농도로 도핑된 라인에 도금되며, 상기 국부적인 고농도로 도핑된 라인을 따라 상기 국부적인 고농도로 도핑된 라인에 전기적으로 접속하는 금속 핑거를 포함하고,
별개의 분리된 복수의 표면 키 결합부들은 금속 핑거 하부의 국부적인 고농도로 도핑된 라인을 따라 간헐적으로 위치되어, 상기 금속 핑거는 별개의 분리된 표면 키 결합부들 사이 및 별개의 분리된 표면 키 결합부들 내로 연장되며,
상기 별개의 분리된 표면 키 결합부들은 상기 국부적인 고농도로 도핑된 라인에 상기 금속 핑거의 부착을 돕고, 및
상기 금속 핑거는, 상기 국부적인 고농도로 도핑된 라인의 길이방향으로 적어도 인접한 별개의 분리된 표면 키 결합부들 사이의 위치에서 상기 국부적인 고농도로 도핑된 라인과 접촉하고, 상기 국부적인 고농도로 도핑된 라인에 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 태양 전지. - 제1항에 있어서,
상기 금속 핑거는 상기 별개의 분리된 표면 키 결합부들 내의 위치에서 상기 국부적인 고농도로 도핑된 라인과 접촉하고, 상기 국부적인 고농도로 도핑된 라인에 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 태양 전지. - 제1항에 있어서,
상기 금속 접촉에 전기적으로 접속되는 반도체 재료층 중 하나의 반도체 재료층의 표면은 반도체 재료층의 수광 전면인 것을 특징으로 하는 태양 전지. - 제1항에 있어서,
상기 표면 키 결합부들 중 적어도 하나의 표면 키 결합부는 금속 배선이 그 아래로 연장되는 돌출부를 형성하는 언더컷 영역을 구비한 적어도 하나의 구멍을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지. - 제4항에 있어서,
상기 적어도 하나의 구멍의 축선은 상기 금속 접촉부에 전기적으로 접속되는 반도체 재료층 중 하나의 반도체 재료층의 표면과 직교하고, 언더컷 영역은 상기 금속 접촉부에 전기적으로 접속되는 반도체 재료층 중 하나의 반도체 재료층의 표면에 있는 구멍의 개구 주변의 일부분 둘레에 턱부를 형성하는 것을 특징으로 하는 태양 전지. - 제4항에 있어서,
상기 적어도 하나의 구멍의 축선은, 구멍 자신이 상기 표면에 언더컷부를 형성하도록 상기 금속 접촉부에 전기적으로 접속되는 반도체 재료층 중 하나의 반도체 재료층의 표면의 평면에서 90도보다 작은 각도로 연장되는 것을 특징으로 하는 태양 전지. - 제1항에 있어서,
상기 표면 키 결합부들은, 제1 구멍 및 제2 구멍 각각이 상기 금속 접촉부에 전기적으로 접속되는 반도체 재료층 중 하나의 반도체 재료층의 표면에 언더컷부를 형성하도록, 적어도 제1 구멍, 제2 구멍, 및 상기 금속 접촉부에 전기적으로 접촉되는 반도체 재료층 중 하나의 반도체 재료층의 표면의 평면에서 90도보다 작은 각도로 연장되는 제1 구멍과 제2 구멍의 각각의 축선들을 포함하는 다수의 구멍을 포함하고, 상기 제1 구멍의 축선은 상기 제2 구멍의 축선과 다른 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 태양 전지. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 국부적인 고농도로 도핑된 라인은 레이저 도핑된 라인이고, 상기 별개의 분리된 표면 키 결합부들은 상기 레이저 도핑된 라인에 간헐적으로 위치되는 것을 특징으로 하는 태양 전지. - 태양광 발전 접합부를 형성하는 반도체 재료의 표면과 전기적으로 접촉되도록 형성된 금속 접촉부를 구비한 태양 전지를 제조하는 태양 전지 제조 방법으로,
상기 금속 접촉부가,
a) 금속 접촉부에 전기적으로 접촉될 반도체 재료의 표면 상에 또는 인접하는 표면에 도펀트 공급원을 제공하는 단계;
b) 반도체 표면의 영역을 제1 레이저 세기로 레이저로 가열함으로써, 표면 유전층들을 손상시켜 제거하고 도펀트 공급원으로부터 공급되는 도펀트를 가열된 영역으로 확산시켜 반도체의 표면에서 국부적인 고농도로 도핑된 라인을 마련하는 단계;
c) 반도체 재료 표면 상의 지점들을 레이저로 간헐적으로 가열함으로써, 표면 유전층들을 손상시켜 제거하고 가열된 지점들에 반도체 재료의 국부적인 고농도로 도핑된 라인 내로 연장되는 간헐적인 복수의 표면 키 결합부들을 형성하는 단계; 및
d) 접촉부 금속 배선을 반도체 재료의 국부적인 고농도로 도핑된 라인 위에 도금시켜 상기 국부적인 고농도로 도핑된 라인에 접촉시키는 단계로서, 접촉부 금속 배선은 상기 국부적인 고농도로 도핑된 라인을 따라 연장되는 금속 핑거의 형태를 취하고, 반도체 재료에 금속 핑거가 키 결합되도록 간헐적인 표면 키 결합부 내로 연장되며, 상기 금속 핑거는 상기 국부적인 고농도로 도핑된 라인의 길이방향으로 적어도 인전합 표면 키 결합부들 사이의 위치에서 반도체 재료의 국부적인 고농도로 도핑된 라인에 전기적으로 접촉하도록 구성된 단계에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법. - 제9항에 있어서,
상기 금속 핑거는 상기 표면 키 결합부들 내의 위치에서 반도체 재료의 국부적인 고농도로 도핑된 라인에 전기적으로 접촉하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법. - 제9항에 있어서,
표면 키 결합부들이 반도체 재료의 수광면에 마련된 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법. - 제9항에 있어서,
상기 표면 키 결합부들은 레이저 용융/도핑에 사용되는 레이저 펄스의 평균 에너지보다 에너지가 높은 레이저 펄스들에 의해 형성되고, 이에 의해 일부 반도체 재료가 삭마되어 실리콘 표면이 거칠게 형성되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법. - 제9항에 있어서,
제1 레이저 세기로 레이저 가열하는 것은 레이저 연속 작동(continuous wave laser operation)을 이용하여 행해지고,
간헐적인 가열은 구멍들이나 홈들을 포함하는 간헐적인 표면 키 결합부를 생성하도록 큐스위치식 레이저의 주기 펄스들 또는 일단의 펄스들을 이용하여 행해지는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법 - 제9항에 있어서,
레이저 도핑 중의 가열은 도핑되는 반도체 재료 내에 난류를 생성시키기에 충분힌 레이저 에너지 수준에서 행해지는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법. - 제14항에 있어서,
레이저 도핑 중의 레이저 에너지 수준은 실리콘을 삭마시키기에 충분한 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법. - 제14항에 있어서,
레이저 도핑 중의 레이저 에너지 수준은 실리콘을 삭마시키기에는 불충분한 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법. - 제9항에 있어서,
반도체 재료 표면 상의 지점들을 간헐적으로 가열하는 데 사용되는 고에너지 레벨 펄스의 반복률과 출력은, 주변에 반도체 재료의 돌출 영역들 또는 턱부들을 구비한 구멍을 생성시켜서 후속해서 도금되는 접촉부 금속 배선이 반도체 표면에 금속을 키 결합시키는 돌출 영역들 또는 턱부들 아래에 미늘을 형성하도록, 조정되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법. - 제9항에 있어서,
실리콘의 레이저 도핑을 행하는 중에 분리된 구멍들이 형성되고, 후속해서 에너지 출력이 낮은 레이저를 이용한 레이저 가열 단계는 반도체 재료의 돌출 영역들 또는 턱부들을 생성하도록 구멍들을 둘러싸는 반도체 재료 영역을 용융시키는 데 사용되어, 후속해서 도금되는 금속 핑거가 반도체 표면에 금속을 키 결합시키는 돌출 영역들 또는 턱부들 아래에 미늘을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법. - 제9항에 있어서,
상기 표면 키 결합부들은, 국부적인 고농도로 도핑된 라인의 금속 핑거가 끝나는 단부 지점들에서의 접합성을 표면 키 결합부를 구비하지 않은 국부적인 고농도로 도핑된 라인의 지점들에서의 접합성에 비해 증가시키도록, 상기 단부 지점들에 마련된 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법. - 제9항에 있어서,
상기 표면 키 결합부들은, 금속 접합성이 표면 키 결합부를 구비하지 않은 국부적인 고농도로 도핑된 라인의 지점들에서의 접합성에 비해 개선된 서로 분리된 위치들을 제공하도록, 국부적인 고농도로 도핑된 라인을 따라 주기적으로 마련되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법.
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