KR101794106B1 - 태양 전지 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

태양 전지를 제조하는 방법이 기술되어 있다. 다공성 층이 기판의 표면 상에 형성될 수 있고, 다공성 층은 복수의 입자 및 복수의 보이드를 포함한다. 다공성 층의 하나 이상의 영역 내로 용액이 분배되어 패턴화된 복합층을 제공할 수 있다. 이어서, 기판이 가열될 수 있다.

Description

태양 전지 제조 방법{METHOD OF FABRICATING A SOLAR CELL}
본 명세서에 기술된 발명은 미국 에너지부에 의해 지급되는 계약 번호 DE-FC36-07GO17043 하에서의 정부 지원을 받아 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에 일정한 권리를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예는 재생가능한 에너지의 분야이며, 특히 태양 전지(solar cell)를 제조하는 방법이다.
통상 태양 전지로 알려진 광기전력 전지(photovoltaic cell)는 태양 방사선의 전기 에너지로의 직접 변환을 위한 주지된 장치이다. 일반적으로, 태양 전지는 기판의 표면 부근에서 p-n 접합부를 형성하기 위한 반도체 처리 기술을 사용하여 반도체 웨이퍼 또는 기판 상에 제조된다. 기판의 표면에 부딪치는 태양 방사선은 기판의 용적 내에서 전자 및 정공 쌍을 생성하며, 이는 기판 내의 p-도핑된(doped) 및 n-도핑된 영역들로 이동하고, 그로써 도핑된 영역들 사이에 전압차를 발생시킨다. 도핑된 영역들은 태양 전지로부터 그에 결합된 외부 회로로 전류를 보내기 위해 전지 상의 금속 접점에 접속된다.
효율은, 이것이 전력을 발생시키는 태양 전지의 능력에 직접적으로 관련되기 때문에 태양 전지의 중요한 특성이다. 이와 마찬가지로, 태양 전지를 생산하는 데 있어서의 효율은 이러한 태양 전지의 비용 효율성(cost effectiveness)에 직접 관련되어 있다. 그러므로, 태양 전지의 효율을 증가시키는 기법 또는 태양 전지의 제조에서의 효율을 증가시키는 기법이 일반적으로 바람직하다. 본 발명의 실시예는 태양 전지 구조물을 제조하기 위한 신규한 공정을 제공함으로써 증가된 태양 전지 제조 효율을 가능하게 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 태양 전지를 제조하는 방법에서의 동작을 나타내는 흐름도.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 1의 흐름도의 동작(102) 및 도 3의 흐름도의 동작(302)에 대응하는, 태양 전지의 제조에서의 일 단계의 단면도.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 1의 흐름도의 동작(104) 및 도 3의 흐름도의 동작(304)에 대응하는, 태양 전지의 제조에서의 일 단계의 단면도.
도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 태양 전지의 제조에서의 일 단계의 단면도.
도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른, 태양 전지의 제조에서의 일 단계의 단면도.
도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 1의 흐름도의 동작(106)에 대응하는, 태양 전지의 제조에서의 일 단계의 단면도.
도 2f는 본 발명의 일 실시예에 따른, 태양 전지의 제조에서의 일 단계의 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 태양 전지를 제조하는 방법에서의 동작을 나타내는 흐름도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 기판 - 상기 기판은 그 위에 압밀된 다공성 층이 형성되어 있음 - 의 단면도.
태양 전지를 제조하는 방법이 본 명세서에 기술되어 있다. 하기의 설명에서, 본 발명의 실시예의 완전한 이해를 제공하기 위해 특정 공정 흐름 동작과 같은 다수의 구체적인 상세가 기재된다. 본 발명의 실시예는 이들 구체적인 상세 없이 실시될 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 다른 경우에, 본 발명의 실시예를 불필요하게 불명료하게 하지 않기 위해 주지된 제조 기법, 예를 들어 금속 접점 형성 기법은 상세히 기술되지 않는다. 또한, 도면에 도시된 다양한 실시예는 예시적인 표현이며 반드시 축척대로 도시된 것은 아님을 이해하여야 한다.
태양 전지를 제조하는 방법이 본 명세서에 개시되어 있다. 일 실시예에서, 태양 전지를 제조하는 방법은 기판의 표면 상에 다공성 층을 형성하는 단계를 포함한다. 다공성 층은 복수의 입자 및 복수의 보이드를 포함한다. 패턴화된 복합층(patterned composite layer)을 제공하기 위해 다공성 층의 하나 이상의 영역 내로 용액이 분배된다. 이어서, 기판이 가열된다. 일 실시예에서, 다공성 층은 용매 흡수층이다. 일 실시예에서, 태양 전지를 제조하는 방법은 기판의 표면 상에 다공성 층을 형성하는 단계를 포함한다. 다공성 층은 복수의 입자 및 복수의 보이드를 포함한다. 패턴화된 복합층을 제공하기 위해 다공성 층의 하나 이상의 영역 내로 용액이 분배된다. 용액은 기판에 대한 전하 캐리어 불순물 원자의 도펀트 공급원(dopant source)을 포함한다. 일 실시예에서, 다공성 층은 용매 흡수층이다.
또한, 태양 전지가 본 명세서에 개시되어 있다. 일 실시예에서, 태양 전지는 기판을 포함한다. 태양 전지는 또한 기판의 표면 상에 배치된 다공성 층을 포함하고, 이 다공성 층은 복수의 입자 및 복수의 보이드를 포함한다. 일 실시예에서, 다공성 층은 용매 흡수층이다.
인쇄 해상도를 향상시키기 위해 종이 제조에 다공성 표면 혼합물이 사용된다. 그러나, 해상도를 향상시키는 것은 그러한 응용에 사용될 때의 혼합물의 주 기능이고, 전체 다공성 층은 인쇄 후에 제 자리에 남아 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 후속하는 에칭 공정이 다공성 표면 물질의 제거에 의해 패턴 인쇄된, 도핑된 그리고 토폴로지 측면에서 향상된(topologically imporoved) 코팅을 생성하도록 다공성 혼합물과 도펀트 물질 사이에 새로운 상호작용이 생성된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 예컨대, 도핑 공급원을 제공하기 위해, 태양 전지의 제조에 사용되는 기판 상에 또는 기판 상에 배치된 층 상에 작고 정확한 패턴을 생성하는 것이 바람직하다. 그러나, 잉크-분사 방식(ink-jet approach)을 사용하는 경우, 액체 도펀트 유체는 웨이퍼 또는 기판 표면 상에 닿으면 흐르게 되어 표면에 걸쳐 퍼지는 경향이 있다. 해상도를 향상시키기 위해 퍼짐을 감소시키는 것이 바람직하다. 일 실시예에서, 상기 표면 상에 적절한 (즉, 균열이 일어날 정도로 너무 두껍지 않고 전체 도펀트 층이 에칭 등과 같은 후처리에서 제거될 정도로 너무 얇지 않은) 층을 침착시키는 것이 중요하다. 일부 실시예에서, 웨이퍼 또는 기판의 표면은 텍스처화된 표면을 가지며, 비교적 적절한 도펀트 막 두께가 텍스처화된 표면에 침착되는 것이 중요하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 새로운 복합 물질을 생성함으로써 용매-기반의 잉크 분사된 물질의 인쇄된 품질이 향상된다. 일 실시예에서, 분사 이전에 기판 또는 웨이퍼 표면에 미립자 물질이 침착된다. 일 실시예에서, 용매 물질 및 미립자 물질 둘 모두를 갖도록 복합 물질이 이어서 형성되고, 이 복합 물질은 어느 하나의 물질 단독과는 상이한 특성을 가진다. 일 실시예에서, 미립자 물질 단독의 특성 대 미립자 물질 및 용매 시스템(solvent system)의 특성이 차별화되어, 에칭 등과 같은 후처리에서 차별적인 효과를 가능하게 해준다. 일 실시예에서, 도펀트 등과 같은 용매 물질의 특정의 특성은 미립자 물질과의 결합 후에 유지되고, 이 경우 특정의 특성이 처음에는 용매 물질에 있었지만 이제는 결합된 물질에 있다. 일 실시예에서, 용매 물질을 웨이퍼 또는 기판 표면 상에 이미 침착된 미립자 물질의 성긴 구조물(open structure) 내로 분사시키는 것에 의해 향상된 인쇄 품질이 달성된다. 이러한 방식은 분사된 영역 대 분사되지 않은 영역의 추후의 화학적 차별 에칭 또는 제거를 가능하게 하는 새로운 국소 복합 물질을 형성한다. 일반적으로, 일 실시예에서, 패턴화된 도펀트 층을 반도체 웨이퍼 또는 더 구체적으로는 태양 전지 상에 직접 증착하는 새로운 공정이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 특정의 기준들을 동시에 만족시키는, 유체 특성을 갖는 용매-기반의 잉크 분사 물질을 형성하기 위한 요건이 감소된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 도펀트 캐리어가 제공된다. 일 실시예에서, 잉크젯 인쇄 후에 미세한 측면 인쇄 해상도가 제공된다. 일 실시예에서, 규소 웨이퍼의 비폴리싱된 또는 텍스처화된 표면 상에 전형적인 비평면 표면 특징부 상에 코팅할 수 있도록 인쇄된 층 두께가 제공된다. 일 실시예에서, 상기 3가지 속성 모두가 하나의 방식에 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 명세서에 기술된 하나 이상의 방식들의 이점은 복합 물질의 최종적인 특성, 즉 미립자 물질의 성긴 구조물과 분사된 용매 물질 사이의 상호작용에 있다.
일부 이점에는, 일 실시예에서, (a) 복합 물질이 후처리 조건 하에서 비복합 물질과 상이하게 반응하는 것, 예를 들어 차별 에칭, (b) 복합 물질이 비복합 물질과 상이한 국소화된 특성을 가지는 것, (c) 복합 물질이 용매 물질의 특성들 중 일부, 예를 들어 도펀트 공급원으로서의 역할을 갖는 것, 및 (d) 복합 물질이 미립자 물질의 특성들 중 일부, 예를 들어 두께 및 토포그래피 커버리지(thickness and topographical coverage)를 갖는 것들 중 하나 이상이 포함된다. 일반적으로, 일 실시예에서, 복합 물질의 최종적인 특성은 후속하는 에칭 공정이 인쇄된, 도핑된 및 토폴로지 측면에서 향상된 코팅 - 이는 태양 전지 제조에 효율적이고 적합함 - 을 생성할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 현탁액 내의 미립자 물질을 포함하는 또는 표면 코팅을 갖는 미립자 물질이 표면 상에 침착된다. 이 표면은 차후에 잉크젯 인쇄되는 규소 태양 전지에 전형적인 것이다. 다공성 물질은 실리카 또는 태양 전지와 상용하는 다른 물질 - 금속 순도 요건을 만족시키는 물질을 포함함 - 의 화합물이다.
일 실시예에서, 미립자 물질은 침착 특성들을 갖는데, 이는 (a) 유체가 유입되어 보이드를 채울 수 있도록 하는 침착 후의 성긴 구조물, (b) 웨이퍼 표면에 부착되는 것, (c) 미립자 층이 부분적으로 또는 전체적으로 그 자체에 대해 간섭성이도록 미립자 물질 내의 다른 입자에 부착되는 것, (d) 이전의 공정 단계들로부터의 임의의 관심 토폴로지 특징부, 예를 들어 규소 피크를 덮기에 충분히 두꺼운 것, 또는 (e) 에칭 용액에 화학적으로 반응하는 것 중 하나 이상이게 한다. 일 실시예에서, 미립자 물질 내의 입자의 크기는 하기 속성들 중 하나 이상을 갖도록 선택된다: (a) 분사된 물질이 분사됨과 동시에 웨이퍼 표면 쪽으로 아래로 매트릭스에 침투할 수 있는 능력을 최적화하는 것, 또는 (b) 후속하는 화학적 에칭 또는 유사한 공정이 분사된 물질을 수용하지 않은 곳에서 미립자 물질을 용해 및 제거할 수 있는 능력을 최적화하는 것. 일 실시예에서, 대략 0.01 마이크로미터 내지 대략 4 마이크로미터 범위의 크기를 갖는 고체 미립자 물질은 상기한 바람직한 특성들 중 일부를 제공할 것으로 예상된다. 그러나, 다른 실시예에서, 다공성 미립자 물질도 유사하게는 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 표면 전체 또는 일부 상에 미립자 물질을 침착한 후에, 표면이 용매-기반 물질로 잉크젯 패턴 인쇄된다. 용매-기반 물질은 인쇄된 패턴 내의 미립자 물질에 국소적으로 침투하여 이와 유착되지만, 패턴 밖에 있는 물질에 대해서는 그러하지 않는다. 인쇄 및 선택적인 소성 후에, 미립자 물질이 용매 물질에 의해 유착되지 않은 이들 영역에서 미립자 물질을 제거하기 위해 상기 표면은 화학적으로 에칭되거나 이와 유사하게 처리된다. 미립자 층의 추가의 실시예에는 (a) 추가의 경화 시에 다공성 층으로 변하는 졸 겔 등과 같은 연속층의 침착, 또는 (b) 침착 시에 다공성이도록 하부의 층의 표면을 변경하는 것이 포함되지만, 이들로 제한되지 않는다. 일 실시예에서, 고점도 방식은 비효과적인데, 그 이유는 가열 등과 같은 다운 더 라인 처리(down the line processing)가 사용될 때, 인쇄된 물질이 누출되어 해상도를 감소시키기 때문이다.
기판 상에 다공성 층을 형성하는 것, 용액을 다공성 층의 하나 이상의 영역 내로 분배하는 것, 및 기판을 가열하는 것에 의해 태양 전지가 제조될 수 있다. 예를 들어, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 태양 전지를 제조하는 방법에서의 동작을 나타내는 흐름도(100)를 도시한다. 도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 일 실시예에 따른, 흐름도(100)의 동작들에 대응하는, 태양 전지의 제조에서의 다양한 단계들의 단면도를 도시한다.
도 2a에 대응하는 흐름도(100)의 동작(102)을 참조하면, 태양 전지를 제조하는 방법은 기판(200)의 표면 상에 다공성 층(202)을 형성하는 단계를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 다공성 층(202)은 복수의 입자(204) 및 복수의 보이드(206)를 포함한다. 일 실시예에서, 복수의 입자(204)의 입자에는 금속이 없거나, 본질적으로 금속이 없거나, 금속 오염물질이 없다. 일 실시예에서, 복수의 보이드(206)의 보이드는 평균 보이드 크기가 대략 0.5 내지 10 마이크로미터의 범위이다. 일 실시예에서, 다공성 층(202)은 기공률(porosity)이 대략 30 내지 65%의 범위이다. 일 실시예에서, 기판(200)의 표면 상에 다공성 층(202)을 형성하는 단계는, 이하에 기술하는 바와 같이 용액을 수용하고 용액의 측방향 확산을 제한하는 데 적당한 치수를 갖도록 복수의 보이드(206)의 각각의 보이드를 형성하는 단계를 포함한다. 그러한 제한을 위해 사용되는 메커니즘은 모세관 작용에 의한 제한일 수 있지만, 그것으로 제한되지 않는다. 기판(200)이 태양 전지 기판 전체 상에 배치된 층, 예를 들어 다결정 규소층일 수 있다는 것을 잘 알 것이다.
복수의 입자(204)의 입자는 정전기력에 의해 기판(200)의 표면 상에 유지되어 있을 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 입자(204)의 입자는 기판(200)에 정전기장을 유도함으로써 기판(200)의 표면 상에 유지된다. 입자가 정전기장의 도움으로 기판(200)으로 전사될 수 있다. 분말 페인트 및 레이저 프린터 둘 모두에 공통인 공정이 사용될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 복수의 입자(204)의 입자를 기판(200)에 대해 제 자리에 유지시키기 위해 표면 장력이 사용된다. 일 실시예에서, 다공성 층(202)은 고체이고, 다공성 층(202)을 형성하는 단계는 복수의 입자(204) 및 용매를 혼합물로서 제공하는 단계를 포함한다. 이어서, 용매는 증발되어 혼합물로부터 다공성 층(202)을 제공한다. 일 실시예에서, 기판(200)의 표면, 예를 들어 기판(200)의 상부 표면의 전체 영역은 다공성 층(202)으로 덮인다. 그러나, 다른 실시예에서, 예컨대 공정 비용을 감소시키기 위해 기판(200)의 표면의 영역의 단지 일부분만이 덮인다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판(204) 상에 다공성 층(202)을 형성하는 단계는 소정 표면 조도(surface roughness)를 갖는 기판(200)의 표면 상에 그 표면과 컨포멀한 다공성 층(202)을 형성하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 기판(200)의 표면, 예를 들어 기판(200)의 상부 표면은 대략 20 내지 30 마이크로미터 범위의 제곱 평균 제곱근(root mean square)을 갖는 표면 조도를 갖는다. 일 실시예에서, 다공성 층(202)은 두께가 대략 0.5 내지 20 마이크로미터 범위이다. 인쇄 해상도를 위한 측방향 확산의 두께 제어로서 다공성 층(202)에서의 액체 또는 용액의 측방향 확산을 제어하고자 하는 것과 도펀트 용액이 기판(200)의 표면에 도달할 수 있게, 예를 들어 다공성 층(202)의 하부에 도달할 수 있게 하기에 충분하게 얇은 층에서의 수직 확산을 제어하고자 하는 것 사이의 균형이 이루어질 수 있다는 것을 잘 알 것이다.
도 2b에 대응하는 흐름도(100)의 동작(104)을 참조하면, 태양 전지를 제조하는 방법은 다공성 층의 하나 이상의 영역 내로 용액(208)을 분배하여 패턴화된 복합층(210)을 제공하는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 용액(208)을 분배하는 단계는 잉크-분사 공정을 사용하는 단계를 포함한다. 그러나, 다른 실시예는 와이프-온(wipe-on) 공정을 사용하는 단계 또는 스프레이-온(spray-on) 공정을 사용하는 단계를 포함할 수 있지만 이들로 제한되지 않는다. 일 실시예에서, 잉크-분사 공정을 사용할 때, 다공성 층(202)에 대해 [또는 다공성 층(202)에 대한 매체로서] 낮은 점도를 갖는 액체를 사용하는 것이 바람직하다. 고점도 액체를 사용하는 것은 누출로 이어지고, 따라서 해상도 감소 또는 후속하는 가열 동작에서의 한정된 영역으로 이어질 수 있다. 일 실시예에서, 용액(208)을 분배하는 단계는 잉크-분사 공정을 사용하는 단계를 포함하고, 용액(208)은 점도가 대략 10 센티푸아즈(centipoise)인 액체로서 분배된다. 일 실시예에서, 용액(208)을 분배하는 단계는 기판(200)에 대한 전하 캐리어 불순물 원자의 도펀트 공급원을 갖는 용액을 분배하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 전하 캐리어 불순물 원자의 도펀트 공급원은 N-형(예컨대, 규소 기판에 대해) 전하 캐리어 불순물 원자를 포함한다. 일 실시예에서, 전하 캐리어 불순물 원자의 도펀트 공급원은 P-형(예컨대, 규소 기판에 대해) 전하 캐리어 불순물 원자를 포함한다. 일 실시예에서, 상이한 레벨의 동일한 도펀트가 사용되고, 공정은 몇회 반복된다. 일 실시예에서, N-형 도펀트 및 P-형 도펀트가 동시 침착된다. 일 실시예에서, 용액(208)의 분배 이전에 또는 이후에 제2 도펀트가 상이한 공급원으로부터 도출되고 (예컨대, 제2 도펀트가 APCVD와 같이 별개의 증착된 층에 포함되어 있고), 따라서 단지 하나의 도펀트 공급원이 본 명세서에 기술된 방법과 같은 인쇄 기법으로부터 도출된다.
도 2c를 참조하면, 선택적인 실시예에서, 용액(208)을 분배하는 단계는 기판(200)에 대한 전하 캐리어 불순물 원자의 도펀트 공급원을 갖는 용액을 분배하는 단계를 포함한다. 이러한 일 실시예에서, 도펀트 공급원은 규소에 대한 N-형 도펀트 공급원이고, 상기 방법은 다공성 층(202)의 하나 이상의 다른 영역 내로 제2 용액(212)을 분배하여 이중 패턴화된 복합층(dual-patterned composite layer)(214)을 제공하는 단계를 추가로 포함한다. 그 실시예에서, 제2 용액을 분배하는 단계는 기판(200)에 대한 전하 캐리어 불순물 원자의 P-형 도펀트 공급원을 갖는 용액을 분배하는 단계를 포함한다. 다른 이러한 실시예에서, 도펀트 공급원은 규소에 대한 P-형 도펀트 공급원이고, 상기 방법은 다공성 층(202)의 하나 이상의 다른 영역 내로 제2 용액(212)을 분배하여 이중 패턴화된 복합층(214)을 제공하는 단계를 추가로 포함한다. 그 실시예에서, 제2 용액을 분배하는 단계는 기판(200)에 대한 전하 캐리어 불순물 원자의 N-형 도펀트 공급원을 갖는 용액을 분배하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 한 가지 초과의 용액이 다공성 층(202)의 상이한 영역들에 분배될 수 있고, 여기서 상이한 용액은 서로에 대해 도펀트 농도에 따라 달라진다. 다른 실시예에서, 도시되어 있지는 않지만, 가열 및 인쇄의 조합은 상이한 영역 사이에 공간이 없는 [예컨대, 제1 용액(208)으로부터 형성된 영역과 제2 용액(212)으로부터 형성된 영역 사이에 공간이 없는] 이중 패턴화된 복합층(214)을 제공하기 위해 사용된다.
도 2d를 참조하면, 선택적인 실시예에서, 태양 전지를 제조하는 방법은 용액(208) 또는 용액들(208, 212)을 갖는 하나 이상의 영역 이외의 다공성 층(202)의 모든 부분을 에칭하는 단계를 추가로 포함한다. 에칭은 기판(200)의 영역을 노출시켜 에칭된 복합층(216)을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 에칭은 다공성 층(202)과 용액(208) 또는 용액들(208, 212)을 갖는 하나 이상의 영역 사이의 에칭 선택성에 기초하고 있다. 일 실시예에서, 에칭 선택성은 기공률 또는 조성물과 같은, 그러나 이들로 제한되지 않는 파라미터에 기초하고 있다. 다른 실시예에서, 복합층(216)을 제공하기 위해 에칭 이외의 제거 기법이 사용된다. 대안적인 실시예에서, 가열 및 인쇄의 조합이 상이한 영역들 사이에 공간이 없는 이중 패턴화된 복합층(214)을 제공하는 데 사용되는 경우, 에칭 동작이 적절하지 않을 수 있다.
도 2e에 대응하는 흐름도(100)의 동작(106)을 참조하면, 태양 전지를 제조하는 방법은 기판(200)을 가열하는 단계를 추가로 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판(200)을 가열하는 단계는 도펀트 공급원의 전하 캐리어 불순물 원자, 예를 들어 N-형 도펀트를 기판(200) 내로 강제 주입시켜 영역(218)을 형성하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 기판(200)을 가열하는 단계는 예컨대 P-형 도펀트 공급원으로부터의 제2 용액의 전하 캐리어 불순물 원자를 기판(200) 내로 강제 주입시켜 영역(220)을 형성하는 단계를 추가로 포함한다. 그러나, 대안적인 실시예에서, 용액(208) [및 사용된다면 제2 용액(212)]이 도핑되어 있지 않거나 이에 본질적으로 도펀트가 없으며, 따라서 가열 동작의 주 기능은 도펀트를 기판(200) 내로 강제 주입시키는 것이 아니다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 기판(200)을 가열하는 단계는 다공성 층(202)의 나머지 부분을 압밀하며, 이에 대해서는 도 4와 관련하여 이하에서 더 상세히 기술한다. 일 실시예에서, 도펀트 원자는 추후 동작에서 기판(200) 내로 강제 주입된다. 즉, 제1 가열 단계는 먼저 제1 용액(208) 및 제2 용액(212)을 포함하는 다공성 층(202)의 부분들 - 이는 매트릭스라고 할 수 있음 - 을 압밀하는 데 사용될 수 있다. 그 후에, 도펀트를 기판(200) 내로 강제 주입시키기 위해 제2 가열 동작이 수행된다. 특정의 실시예에서, 제1 가열의 주 목적은 매트릭스를 고체로 압밀하는 것 - 여기서, 용액(208)(및 용액(212))은 기판(200) 표면과 접촉한 채로 있음 - 과 [용액을 수용하지 않은 다공성 층(202)의 영역이 아닌] 매트릭스인 영역들에서만 이 고체를 압밀하는 것이다. 일 실시예에서, 가열하는 단계는 용액이 없는 다공성 층(202)의 부분들을 부분적으로 압밀하지만, 추후의 인쇄를 위해 또는 다공성 층의 선택적 에칭 제거를 가능하게 하기 위해 적어도 약간의 기공률이 유지된다. 특정의 일 실시예에서, 매트릭스를 압밀하기 위해 기판(200)이 가열되고, 이어서 다공성 층을 제거하기 위해 에칭이 수행되며, 마지막으로, 도펀트 불순물 원자를 기판(200) 내로 강제 주입시키기 위해 기판(200)이 가열된다. 다른 특정의 실시예에서, 매트릭스를 압밀하기 위해 기판(200)이 가열되고, 후속의 처리를 위해 다공성 층(202)의 나머지 부분이 유지된다. 다른 특정의 실시예에서, 기판(200)이 처리되고 압밀하기 위해 다시 가열되거나, 또는 압밀하는 것과 도펀트를 강제 주입시키는 것을 동시에 하기 위해 가열된다. 다른 특정의 실시예에서, 도펀트를 강제 주입시키기 위해 그리고 다공성 층(202)의 나머지 부분을 남겨두거나 또는 다공성 층(202)의 나머지 부분을 에칭 제거하기 위해 기판(200)이 가열된다.
도 2f를 참조하면, 선택적인 실시예에서, 태양 전지를 제조하는 방법은 다공성 층(202)의 나머지 부분 모두를 제거하는, 예를 들어 에칭된 복합층(216)을 제거하는 단계를 추가로 포함한다. 일 실시예에서, 다공성 층(202)의 나머지 부분은 건식 에칭 공정에 의해 제거된다. 다른 실시예에서, 다공성 층(202)의 나머지 부분은 습식 에칭 공정에 의해 제거된다. 일 실시예에서, 건식 또는 습식 에칭 공정은 기계적으로 보조된다.
태양 전지의 제조를 촉진시키거나 완성하게 하기 위해, 상기의 방법은 도 2f로부터의 도핑된 영역(218, 220) 위에 금속 접점을 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 완성된 태양 전지가 배면 접점 태양 전지이다. 그러한 실시예에서, N-형 도핑된 영역(218) 및 P-형 도핑된 영역(220)은 활성 영역이다. 전도성 접점들이 활성 영역들에 결합될 수 있고, 유전체 재료로 구성될 수 있는 격리 영역들에 의해 서로로부터 분리될 수 있다. 일 실시예에서, 태양 전지는 배면 접점 태양 전지이고, 태양 전지의 무작위 텍스처화된 표면 상과 같은 수광면 상에 배치된 반사 방지 코팅층을 추가로 포함한다. 일 실시예에서, 이러한 동작이 수행되지 않을 수 있고, 도 4와 관련하여 이하에서 기술하는 바와 같이 압밀된 물질이 기판(200) 상에 유지될 수 있다는 것에 유의한다.
본 발명의 다른 태양에서, 기판 상에 다공성 층을 형성하고 기판에 대한 전하 캐리어 불순물 원자의 도펀트 공급원을 포함하는 용액을 다공성 층의 하나 이상의 영역 내로 분배함으로써 태양 전지가 제조될 수 있다. 예를 들어, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 태양 전지를 제조하는 방법에서의 동작을 나타내는 흐름도(300)를 도시한다. 도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 일 실시예에 따른, 흐름도(300)의 동작들에 대응하는 태양 전지의 제조에서의 다양한 단계들의 단면도를 도시한다.
도 2a에 대응하는 흐름도(300)의 동작(302)을 참조하면, 태양 전지를 제조하는 방법은 흐름도(100)의 동작(102)과 유사하게는 기판(200)의 표면 상에 다공성 층(202)을 형성하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 다공성 층(202)은 복수의 입자(204) 및 복수의 보이드(206)를 포함한다. 일 실시예에서, 기판(200)의 표면 상에 다공성 층(202)을 형성하는 단계는 용액을 수용하고 용액의 측방향 확산을 제한하는 데 적당한 치수를 갖도록 복수의 보이드(206)의 각각의 보이드를 형성하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 기판(200) 상에 다공성 층(202)을 형성하는 단계는 소정 표면 조도를 갖는 기판(202)의 표면 상에 그 표면과 컨포멀한 다공성 층(202)을 형성하는 단계를 포함한다. 그 실시예에서, 다공성 층(202)은 두께가 대략 0.5 내지 20 마이크로미터 범위이다. 일 실시예에서, 다공성 층(202)은 고체이고, 다공성 층(202)을 형성하는 단계는 복수의 입자(204) 및 용매를 혼합물로서 제공하는 단계, 및 이어서 용매를 증발시켜 혼합물로부터 다공성 층(202)을 제공하는 단계를 포함한다.
도 2b에 대응하는 흐름도(300)의 동작(304)을 참조하면, 태양 전지를 제조하는 방법은 기판(200)에 대한 전하 캐리어 불순물 원자의 도펀트 공급원을 포함하는 용액(208)을 다공성 층의 하나 이상의 영역에 분배하여 패턴화된 복합층(210)을 제공하는 단계를 추가로 포함한다. 일 실시예에서, 용액(208)을 분배하는 단계는 잉크-분사 공정을 사용하는 단계를 포함한다. 이러한 일 실시예에서, 용액(208)은 점도가 대략 10 센티푸아즈인 액체로서 분배된다. 일 실시예에서, 용액(208)은 규소 기판에 대한 전하 캐리어 불순물 원자의 도펀트 공급원을 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전하 캐리어 불순물 원자는 인 도펀트와 같은, 그러나 이들로 제한되지 않는 N-형 도펀트이다. 다른 실시예에서, 전하 캐리어 불순물 원자는 붕소 도펀트와 같은, 그러나 이들로 제한되지 않는 P-형 도펀트이다.
도 2c를 참조하면, 선택적인 실시예에서, 상기의 도펀트 공급원은 규소에 대한 N-형 도펀트 공급원이고, 상기 방법은 다공성 층(202)의 하나 이상의 다른 영역 내로 제2 용액(212)을 분배하여 이중 패턴화된 복합층(214)을 제공하는 단계를 추가로 포함한다. 일 실시예에서, 제2 용액(212)을 분배하는 단계는 기판(200)에 대한 전하 캐리어 불순물 원자의 P-형 도펀트 공급원을 갖는 용액을 분배하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 용액(208) 및 제2 용액(212)을 분배하는 단계는 용액(208) 및 제2 용액(212) 둘 모두를 다공성 층(202)의 단일 패스에서 분배하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 용액(208) 및 제2 용액(212)을 분배하는 단계는 다공성 층(202)의 제1 패스에서 용액(208) [또는 대안적으로 제2 용액(212)]을 분배하는 단계, 및 다공성 층(202)의 제2 별개의 패스에서 제2 용액(212) [또는 대안적으로 용액(208)]을 분배하는 단계를 포함한다.
도 2d를 참조하면, 선택적인 실시예에서, 기판(200)의 영역들을 노출시키기 위해, 용액(208) [및 선택적으로 제2 용액(212)]을 갖는 하나 이상의 영역 이외의 다공성 층(202)의 모든 부분이 에칭되고, 이 에칭은 다공성 층(202)과 용액(208) [및 선택적으로 제2 용액(212)]을 갖는 하나 이상의 영역 사이의 에칭 선택성에 기초한다.
도 2e를 참조하면, 선택적인 실시예에서, 태양 전지를 제조하는 방법은 기판(200)을 가열하는 단계를 추가로 포함한다. 도 2f를 참조하면, 선택적인 실시예에서, 다공성 층(202)의 모든 남아 있는 부분들이 제거된다. 태양 전지의 제조를 촉진시키거나 완성하게 하기 위해, 상기의 방법은 도 2f로부터의 도핑된 영역(218, 220) 위에 금속 접점을 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 3에서 상기 실시예와 관련하여 기술한 바와 같이, 다공성 층은 태양 전지의 기판 상에 유지될 수 있거나 또는 아마도 이후에 제거될 것이다. 그럼에도 불구하고, 태양 전지 구조물은 처리 동작의 결과로서 그러한 다공성 층을 궁극적으로 유지하거나 또는 적어도 일시적으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 태양 전지의 기판, 즉 다공성 층이 그 위에 형성되어 있는 기판의 단면도를 도시한다.
도 4를 참조하면, 태양 전지는 기판(400)을 포함한다. 압밀된 다공성 층(402)은 기판(400)의 표면 상에 배치된다. 압밀된 다공성 층(402)은 복수의 입자(404) 및 복수의 보이드(406)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 압밀된 다공성 층(402)의 일부분은 태양 전지를 제조하는 데 사용되는 공정 동작에서 제거되지 않고, 오히려 기판(400)의 표면 상에 또는 기판 전체 위의 층 또는 층들의 스택(stack) 상에 아티팩트(artifact)로서 남아 있게 된다.
따라서, 태양 전지를 제조하는 방법이 개시되었다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 태양 전지를 제조하는 방법은 복수의 입자 및 복수의 보이드를 포함하는 다공성 층을 기판의 표면 상에 형성하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 다공성 층의 하나 이상의 영역 내로 용액을 분배하여 패턴화된 복합층을 제공하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 기판을 가열하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 용액을 분배하는 단계는 기판에 대한 전하 캐리어 불순물 원자의 도펀트 공급원을 갖는 용액을 분배하는 단계를 포함한다. 특정의 실시예에서, 기판을 가열하는 단계는 도펀트 공급원의 전하 캐리어 불순물 원자를 기판 내로 강제 주입시키는 단계를 포함한다.

Claims (22)

  1. 태양 전지(solar cell)를 제조하는 방법으로서,
    복수의 입자 및 복수의 보이드를 포함하는 다공성 층을 기판(substrate)의 표면 상에 형성하는 단계;
    다공성 층의 제1 및 제2 영역 사이의 영역은 제외하고 제1 및 제2 영역 내로 용액을 분배하여 패턴화된 복합층(patterned composite layer)을 제공하는 단계;
    상기 제1 및 제2 영역은 에칭하지 않고 상기 제1 및 제2 영역 사이의 영역을 에칭하여 제거하는 단계; 및
    기판을 가열하는 단계
    를 포함하는 태양 전지를 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 기판을 가열하는 단계는 패턴화된 복합층, 다공성 층, 또는 둘 모두를 압밀(consolidate)시키는 단계를 포함하는 태양 전지를 제조하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 용액을 분배하는 단계는 기판에 대한 전하 캐리어 불순물 원자의 도펀트 공급원(dopant source)을 포함하는 용액을 분배하는 단계를 포함하는 태양 전지를 제조하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 기판을 가열하는 단계는 도펀트 공급원의 전하 캐리어 불순물 원자를 기판 내로 강제 주입(drive)하는 단계를 포함하는 태양 전지를 제조하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 도펀트 공급원은 규소에 대한 N-형 도펀트 공급원이고, 상기 방법은 다공성 층의 하나 이상의 다른 영역 내로 제2 용액을 분배하여 이중 패턴화된 복합층(dual-patterned composite layer)을 제공하는 단계를 추가로 포함하며, 제2 용액을 분배하는 단계는 기판에 대한 전하 캐리어 불순물 원자의 P-형 도펀트 공급원을 포함하는 용액을 분배하는 단계를 포함하고, 기판을 가열하는 단계는 P-형 도펀트 공급원의 전하 캐리어 불순물 원자를 기판 내로 강제 주입시키는 단계를 추가로 포함하는 태양 전지를 제조하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 기판의 표면 상에 다공성 층을 형성하는 단계는 기판의 표면에 용액을 수용하고 용액의 측방향 확산을 제한하는 치수를 갖도록 복수의 보이드의 각각의 보이드를 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지를 제조하는 방법.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 용액을 분배하는 단계는 잉크-분사 공정을 사용하는 단계를 포함하는 태양 전지를 제조하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 용액은 점도가 10 센티푸아즈(centipoise)인 태양 전지를 제조하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 기판 상에 다공성 층을 형성하는 단계는 소정 표면 조도를 갖는 표면 상에 상기 표면과 컨포멀(conformal)한 다공성 층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 다공성 층은 두께가 0.5 내지 20 마이크로미터의 범위인 태양 전지를 제조하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 다공성 층은 고체이고, 다공성 층을 형성하는 단계는
    복수의 입자 및 용매를 혼합물로서 제공하는 단계; 및
    용매를 증발시켜 혼합물로부터 다공성 층을 제공하는 단계를 포함하는 태양 전지를 제조하는 방법.
  12. 태양 전지를 제조하는 방법으로서,
    복수의 입자 및 복수의 보이드를 포함하는 다공성 층을 기판의 표면 상에 형성하는 단계;
    기판에 대한 전하 캐리어 불순물 원자의 도펀트 공급원을 포함하는 용액을 다공성 층의 제1 및 제2 영역 사이의 영역은 제외하고 제1 및 제2 영역 내로 분배하여 패턴화된 복합층을 제공하는 단계; 및
    상기 제1 및 제2 영역은 에칭하지 않고 상기 제1 및 제2 영역 사이의 영역을 에칭하여 제거하는 단계를 포함하는 태양 전지를 제조하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 도펀트 공급원은 규소에 대한 N-형 도펀트 공급원이고, 상기 방법은 다공성 층의 하나 이상의 다른 영역 내로 제2 용액을 분배하여 이중 패턴화된 복합층을 제공하는 단계를 추가로 포함하며, 제2 용액을 분배하는 단계는 기판에 대한 전하 캐리어 불순물 원자의 P-형 도펀트 공급원을 포함하는 용액을 분배하는 단계를 포함하는 태양 전지를 제조하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 용액 및 제2 용액을 분배하는 단계는 다공성 층의 단일 패스(pass)에서 상기 용액 및 제2 용액 둘 모두를 분배하는 단계를 포함하는 태양 전지를 제조하는 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 용액 및 제2 용액을 분배하는 단계는 다공성 층의 제1 패스에서 상기 용액을 분배하고 다공성 층의 제2 별개의 패스에서 제2 용액을 분배하는 단계를 포함하는 태양 전지를 제조하는 방법.
  16. 제12항에 있어서, 기판의 표면 상에 다공성 층을 형성하는 단계는 기판의 표면에 용액을 수용하고 용액의 측방향 확산을 제한하는 치수를 갖도록 복수의 보이드의 각각의 보이드를 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지를 제조하는 방법.
  17. 삭제
  18. 제12항에 있어서, 용액을 분배하는 단계는 잉크-분사 공정을 사용하는 단계를 포함하는 태양 전지를 제조하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 용액은 점도가 10 센티푸아즈인 태양 전지를 제조하는 방법.
  20. 제12항에 있어서, 기판 상에 다공성 층을 형성하는 단계는 소정 표면 조도를 갖는 표면 상에 상기 표면과 컨포멀한 다공성 층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 다공성 층은 두께가 0.5 내지 20 마이크로미터의 범위인 태양 전지를 제조하는 방법.
  21. 제12항에 있어서, 다공성 층은 고체이고, 다공성 층을 형성하는 단계는
    복수의 입자 및 용매를 혼합물로서 제공하는 단계; 및
    용매를 증발시켜 혼합물로부터 다공성 층을 제공하는 단계를 포함하는 태양 전지를 제조하는 방법.
  22. 삭제
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