KR102214451B1 - 펄스레이저를 이용한 태양 전지 셀의 국부 후면 전계 영역 형성 방법과 이에 따라 형성된 후면 전계 영역을 포함하는 태양 전지 셀 - Google Patents

펄스레이저를 이용한 태양 전지 셀의 국부 후면 전계 영역 형성 방법과 이에 따라 형성된 후면 전계 영역을 포함하는 태양 전지 셀 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 순서대로 적층된 후면 전극층, 패시베이션 유전체층 및 실리콘 웨이퍼층을 포함하는 태양전지 셀의 후면 전계 영역을 형성하는 방법에 있어서, a) 레이저를 이용하여 상기 후면 전극층 및 상기 패시베이션 유전체층의 일부를 제거하는 단계, b) 상기 a) 단계에 따라 상기 후면 전극층 및 상기 패시베이션 유전체층이 제거된 영역에 소정의 금속 물질을 공급하는 단계, 그리고, c) 상기 b) 단계에 따라 공급된 소정의 금속 물질, 상기 후면 전극층 및 상기 실리콘 웨이퍼 층이 전기적으로 접합하도록 소성 공정을 수행하여 후면 전계 영역을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 셀의 후면 전계 영역 형성 방법을 제공한다.

Description

펄스레이저를 이용한 태양 전지 셀의 국부 후면 전계 영역 형성 방법과 이에 따라 형성된 후면 전계 영역을 포함하는 태양 전지 셀{METHOD OF FORMING LOCAL BACK SURFACE FIELD OF SOLAR CELL USING PULSED LASER AND SOLAR CELL INCLUDING LOCAL BACK SURFACE FIELD FORMED THEREBY}
본 발명은 펄스레이저를 이용한 태양 전지 셀의 국부 후면 전계 영역 형성 방법과 이에 따라 형성된 후면 전계 영역을 포함하는 태양 전지 셀에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 충분히 높은 전도성의 전기적 접합을 얻으면서 동시에 전기적 손실을 저감시킬 수 있도록 하는 펄스레이저를 이용한 태양 전지 셀의 국부 후면 전계 영역 형성 방법과 이에 따라 형성된 후면 전계 영역을 포함하는 태양 전지 셀에 관한 것이다.
결정계 태양전지 셀의 변환 효율, 발전 효율 및 신뢰성 등을 향상시키는 것을 목적으로 여러가지 연구와 개발이 진행되고 있으며, 그 결과물 중 하나로 PERC(Passivated emitter and rear cell)형 태양전지가 알려져 있다. PERC형 고변환 효율 셀에서는 질화규소, 산화규소, 산화알루미늄 등으로 형성되는 반사 방지막이 태양전지 셀의 수광면과 반대측의 면에 형성된다. 이 반사 방지막에 레이저로 구멍을 형성하고, 이 구멍을 통해 실리콘 기판과 전기적으로 접촉하도록 알루미늄 전극층이 형성된다. 이러한 PERC 구조에서는 상기 알루미늄 전극층에서 알루미늄 원자의 확산에 의해 형성된 p+층이 존재한다. 이 p+층의 존재로 생성 캐리어의 수집 효율을 향상시키는BSF(Back Surface Field) 효과를 얻을 수 있다. 또한, 상기 반사 방지막은 이른바 패시베이션 막으로 작용하기 때문에, 실리콘 기판 표면에서의 전자의 재결합이 억제됨으로써, 발생한 캐리어의 재결합을 줄일 수 있게 된다. 그 결과, 높은 전압을 얻을 수 있어 태양전지 셀의 효율을 높일 수 있다. 이와 같이, PERC 결정질 실리콘 태양전지는 고효율 태양전지 구조의 한 종류로서 현재 전체 태양전지 구조 중 2번째로 시장 점유율이 높은 유망한 기술로 평가받고 있다.
한편, 종래의 PERC 결정질 실리콘 태양전지의 일 예를 도시한 도 1a를 참조하면, PERC 결정질 실리콘 태양전지는 1세대 태양전지인 Al-BSF(Aluminum-Back Surface Field) 태양전지의 단점을 보완하기 위해, 셀 후면에서 알루미늄 후면 전극 사이에 유전체 패시베이션 층 삽입이 필요하고, Al-Si(알루미늄-규소)의 전기적인 접합을 위해 부분적인 유전체 개방이 필요하다. 후면 패시베이션 유전체는 후면에서 전기 및 광학적 손실을 억제하여 고효율을 구현하는 기능을 수행하는데, 강한 BSF가 형성되기 위해서 공융점(Eutectic point)이상의 온도에서 충분한 양의 Al과 Si의 반응이 필요하며, Al과 Si의 반응을 위해 유전체층의 파괴가 선행되어야 한다.
종래의 PERC 결정질 실리콘 태양전지의 경우 레이저 공정을 도시한 도 1b를 참조하면, 종래의 PERC 결정질 실리콘 태양전지의 경우 단일 스텝 공정으로 Al-Si의 후면 전기적 접합을 형성하며 이에 따른 실리콘 태양전지의 전기적 열화가 수반되는 문제가 있었다. 구체적으로, 종래의 경우, Al의 용융과 함께 유전체의 파괴를 유도하기 위해 매우 높은 에너지의 레이저 빔의 공급이 필요하였는 바, 결국 과도하게 공급된 레이저 빔 에너지가 실리콘 웨이퍼에 열 충격을 주게 되었으며, 이로 인해 실리콘 내부에 구조적 결함들이 발생하게 되는 문제가 발생하였으며, 이는 완성된 태양전지의 발전 효율 감소 등 전기적 손실로 이어지게 되었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 주된 기술적 과제는, 충분히 높은 전도성의 전기적 접합을 얻으면서 동시에 전기적 손실을 저감시킬 수 있도록 하는, 펄스레이저를 이용한 태양 전지 셀의 국부 후면 전계 영역 형성 방법과 이에 따라 형성된 후면 전계 영역을 포함하는 태양 전지 셀을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명의 일 실시예는, 순서대로 적층된 후면 전극층, 패시베이션 유전체층 및 실리콘 웨이퍼층을 포함하는 태양전지 셀의 후면 전계 영역을 형성하는 방법에 있어서, a) 레이저를 이용하여 상기 후면 전극층 및 상기 패시베이션 유전체층의 일부를 제거하는 단계, b) 상기 a) 단계에 따라 상기 후면 전극층 및 상기 패시베이션 유전체층이 제거된 공간에 소정의 금속 물질을 공급하는 단계, 그리고, c) 상기 b) 단계에 따라 공급된 소정의 금속 물질, 상기 후면 전극층 및 상기 실리콘 웨이퍼 층이 전기적으로 접합하도록 소성 공정을 수행하여 후면 전계 영역을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 셀의 후면 전계 영역 형성 방법을 제공한다.
본 실시예에 있어서, 상기 a) 단계는, 상기 후면 전극층 및 상기 패시베이션 유전체층이 제거될 공간에 펄스레이저를 기 설정된 횟수만큼 조사하는 과정을 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 b) 단계는, 상기 후면 전극층 및 상기 패시베이션 유전체층이 제거된 공간에 상기 소정의 금속 물질을 레이저 전사 공정을 통해 공급하는 과정을 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 c) 단계는, 레이저 소성 공정을 수행하여 상기 b) 단계에 따라 공급된 소정의 금속 물질, 상기 후면 전극층 및 상기 실리콘 웨이퍼 층이 전기적으로 접합하는 과정을 포함하며, 상기 레이저 소성 공정에 사용되는 레이저의 세기는 상기 a) 단계에서 사용되는 레이저의 세기보다 낮을 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 후면 전극층은 알루미늄으로 형성되고, 상기 소정의 금속 물질은 알루미늄 또는 알루미늄과 붕소의 합금 형태일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 펄스 레이저는 352nm 이상 1064nm 이하의 파장과 10ns 이상 1000ns 이하의 펄스폭을 갖고, 상기 패시베이션 유전체층은 SiNx, AlOx 및 SiOx 중 어느 하나로 형성되는 단일 박막 또는 SiNx, AlOx 및 SiOx 중 둘 이상으로 결합되어 형성되는 다층 박막 형태이며, 상기 패시베이션 유전체층의 두께는 200 nm 이하이고, 상기 후면 전극층의 두께는 100 nm 이상 10 um 이하일 수 있다.
또한, 상술한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명의 다른 실시예는, 후면 전계 영역을 포함하는 태양 전지 셀에 있어서, 상기 후면 전계 영역은, 레이저에 의해 일부가 제거된 후면 전극층, 상기 후면 전극층 상에 마련되되 상기 레이저에 의해 일부가 제거되는 패시베이션 유전체층, 상기 패시베이션 유전체층 상에 마련되는 실리콘 웨이퍼층, 그리고, 상기 후면 전극층 및 상기 패시베이션 유전체층의 일부가 제거된 영역에 소정의 금속 물질이 공급되어 마련되는 금속 물질층을 포함하는 후면 전계 영역을 포함하는 태양 전지 셀을 제공한다.
본 실시예에 있어서, 상기 후면 전극층 및 상기 패시베이션 유전체층의 일부는 펄스 레이저에 의해 제거되고, 상기 소정의 금속 물질은 레이저 전사 공정에 의해 상기 후면 전극층 및 상기 패시베이션 유전체층의 일부가 제거된 영역에 공급되며, 상기 금속 물질층, 상기 후면 전극층 및 상기 실리콘 웨이퍼층은 레이저 소성 공정을 통해 전기적 접합될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 후면 전극층은 알루미늄으로 형성되고, 상기 소정의 금속 물질은 알루미늄 또는 알루미늄과 붕소의 합금 형태일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 펄스 레이저는 352nm 이상 1064nm 이하의 파장과 10ns 이상 1000ns 이하의 펄스폭을 갖고, 상기 패시베이션 유전체층은 SiNx, AlOx 및 SiOx 중 어느 하나로 형성되는 단일 박막 또는 SiNx, AlOx 및 SiOx 중 둘 이상으로 결합되어 형성되는 다층 박막 형태이며, 상기 패시베이션 유전체층의 두께는 200 nm 이하이고, 상기 후면 전극층의 두께는 100 nm 이상 10 um 이하일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 금속 물질층, 상기 후면 전극층 및 상기 실리콘 웨이퍼층을 접합하도록 하는 레이저 소성 공정에 사용되는 레이저의 세기는 상기 후면 전극층 및 상기 패시베이션 유전체층의 일부를 제거하는데 사용하는 레이저의 세기보다 작을 수 있다.
본 발명에 따르면, 펄스레이저 조사 횟수를 제한하여 패시베이션 유전체층의 파괴를 수행함으로써 실리콘 웨이퍼의 손실을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 후면 전극층과 패시베이션 유전체층의 일부가 제거된 영역에 알루미늄 또는 알루미늄 및 붕소의 합금을 추가 공급함으로써, 완성된 태양 전지의 전기적 손실을 줄이고 전도성을 높일 수 있다.
본 발명에 따르면, 1단계만으로 후면 전계 영역을 형성했던 종래와 달리 후면 전계 영역을 형성할 때, 레이저를 이용하여 후면 전극층 및 패시베이션 유전체층을 제거하고, 레이저 전사 공정으로 금속 물질을 추가 공급하며, 레이저 소성 공정으로 전기적 접합을 하는 다단계(예컨대, 3단계)의 레이저 공정을 통해 후면 전계 영역을 형성함으로써, 충분히 높은 전도성의 전기적 접합을 얻으면서 동시에 실리콘 결함 손실을 최소화하고 전기적 손실을 저감시킨 태양 전지를 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 PERC 결정질 실리콘 태양전지를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 셀의 후면 전계 영역의 구성을 도시한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 셀의 후면 전계 영역 형성 방법의 절차를 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 태양 전지 셀의 후면 전계 영역을 형성하는 경우 각 단계에서의 표면을 관찰한 모습을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 태양 전지 셀의 후면 전계 영역을 형성하는 경우 종래 대비 개선된 효과를 설명하기 위해 접합 부위의 SEM 사진을 도시한 도면이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 셀의 후면 전계 영역을 포함한 태양 전지 셀의 효과를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 10 내지 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 후면 전계 영역 형성 방법의 실험예를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 도면에 나타난 각 구성요소의 크기, 형태, 형상은 다양하게 변형될 수 있고, 명세서 전체에 대하여 동일/유사한 부분에 대해서는 동일/유사한 도면 부호를 붙였다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉 또는 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결(접속, 접촉 또는 결합)"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결(접속, 접촉 또는 결합)"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(구비 또는 마련)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 “포함(구비 또는 마련)”할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함하며, 분산되어 실시되는 구성요소들은 특별한 제한이 있지 않는 한 결합된 형태로 실시될 수도 있다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소도 제1구성 요소로 명명될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 셀의 후면 전계 영역(이하, 본 실시예에 따른 후면 전계 영역)의 구성을 도시한 모식도로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 셀(이하, 본 실시예에 따른 태양 전지 셀)은 도 2에 도시된 후면 전계 영역을 포함하도록 제공될 수 있다.
본 실시예에 따른 후면 전계 영역은, 후면 전극층(110), 패시베이션 유전체층(120), 실리콘 웨이퍼층(130) 및 금속 물질층(140)을 포함하도록 형성될 수 있다.
후면 전극층(110)은 레이저에 의해 일부 영역이 제거된 형태로 형성되고, 패시베이션 유전체층(120)은 후면 전극층(110) 상에 마련되되 후면 전극층(110)과 동일 또는 유사하게 상기 레이저에 의해 일부 영역이 제거된 형태로 형성되며, 실리콘 웨이퍼층(130)은 패시베이션 유전체층(120) 상에 마련된다.
금속 물질층(140)은 후면 전극층(110) 및 패시베이션 유전체층(120)의 일부가 제거된 영역에 소정의 금속 물질(141)이 공급되어 마련되며, 여기서, 소정의 금속 물질(141)은 별도의 절차를 통해 추가 공급되는 것일 수 있다.
후면 전극층(110) 및 패시베이션 유전체층(120)의 일부는 펄스 레이저에 의해 제거되고, 소정의 금속 물질(141)은 레이저 전사 공정에 의해 후면 전극층(110) 및 패시베이션 유전체층(120)의 일부가 제거된 영역에 공급되며, 금속 물질층(140), 후면 전극층(110) 및 실리콘 웨이퍼층(130)은 레이저 소성 공정을 통해 전기적 접합되는 것을 통해 태양 전지 셀의 후면 전계 영역(Back Surface Field, BSF)을 형성할 수 있다.
또한, 후면 전극층(110)은 알루미늄(Al)으로 형성되고, 소정의 금속 물질(141)은 알루미늄 또는 알루미늄과 붕소(B, Boron)의 합금 형태일 수 있다.
더욱 상세하게는, 본 실시예에 따른 후면 전계 영역을 형성하기 위해 사용되는 상기 펄스 레이저는 352nm 이상 1064nm 이하의 파장과 10ns 이상 1000ns 이하의 펄스폭을 질 수 있다. 또한, 패시베이션 유전체층(120)은 SiNx, AlOx 및 SiOx 중 어느 하나로 형성되는 단일 박막 또는 SiNx, AlOx 및 SiOx 중 둘 이상으로 결합되어 형성되는 다층 박막 형태일 수 있으며, 패시베이션 유전체층(120)의 두께는 200 nm 이하이고, 후면 전극층(110)의 두께는 100 nm 이상 10 um 이하일 수 있다.
나아가, 아래에서 더욱 상세히 설명하겠으나, 금속 물질층(140), 후면 전극층(110) 및 실리콘 웨이퍼층(130)을 접합하도록 하는 레이저 소성 공정에 사용되는 레이저의 세기는 후면 전극층(110) 및 패시베이션 유전체층(120)의 일부를 제거하는데 사용하는 레이저의 세기보다 작을 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 셀의 후면 전계 영역 형성 방법(이하, 본 실시예에 따른 후면 전계 영역 형성 방법)의 절차를 도시한 흐름도로서, 본 실시예에 따른 후면 전계 영역 형성 방법은 순서대로 적층된 후면 전극층, 패시베이션 유전체층 및 실리콘 웨이퍼층을 포함하는 태양전지 셀의 후면 전계 영역을 형성하는 방법으로서, 여기서 후면 전극층, 패시베이션 유전체층 및 실리콘 웨이퍼층은 각각 도 2를 참조하여 설명한 후면 전극층(110), 패시베이션 유전체층(120) 및 실리콘 웨이퍼층(130)과 동일한 것을 의미할 수 있다. 이하에서는, 도 2를 참조하여 설명한 후면 전계 영역을 형성하는 방법에 대해 상세하게 설명하도록 한다.
본 실시예에 따른 후면 전계 영역 형성 방법은 레이저를 이용하여 상기 후면 전극층 및 상기 패시베이션 유전체층의 일부를 제거하는 단계(S310), S310 단계에 따라 상기 후면 전극층 및 상기 패시베이션 유전체층이 제거된 공간에 소정의 금속 물질을 공급하는 단계(S320) 및 S320 단계에 따라 공급된 소정의 금속 물질, 상기 후면 전극층 및 상기 실리콘 웨이퍼 층이 전기적으로 접합하도록 소성 공정을 수행하여 후면 전계 영역을 형성하는 단계(S330)를 포함한다.
S310 단계는 상기 후면 전극층 및 상기 패시베이션 유전체층이 제거될 공간에 펄스레이저를 기 설정된 횟수만큼 조사하는 과정을 포함할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 따르면 펄스레이저 조사 횟수를 제한하여 패시베이션 유전체층의 파괴를 수행함으로써 실리콘 웨이퍼의 손실을 최소화할 수 있다.
S320 단계는 상기 후면 전극층 및 상기 패시베이션 유전체층이 제거된 공간에 상기 소정의 금속 물질을 레이저 전사 공정을 통해 공급하는 과정을 포함할 수 있다. 이를 통해, 후면 전극층과 패시베이션 유전체층의 일부가 제거된 영역에 알루미늄 또는 알루미늄 및 붕소의 합금을 추가 공급함으로써, 완성된 태양 전지의 전기적 손실을 줄이고 전도성을 높일 수 있다.
또한, S330 단계는 레이저 소성 공정을 수행하여 S320 단계에 따라 공급된 소정의 금속 물질, 상기 후면 전극층 및 상기 실리콘 웨이퍼 층이 전기적으로 접합하는 과정을 포함할 수 있으며, 상기 레이저 소성 공정에 사용되는 레이저의 세기는 S310단계에서 사용되는 레이저의 세기보다 낮을 수 있다.
1단계만으로, 즉 단일공정(또는 단일 레이저 공증)으로 후면 전계 영역을 형성했던 종래와 달리, 상술한 S310 내지 S330에서의 레이저 공정과 같이, 후면 전계 영역을 형성할 때, 레이저를 이용하여 후면 전극층 및 패시베이션 유전체층을 제거하고, 레이저 전사 공정으로 금속 물질을 추가 공급하며, 레이저 소성 공정으로 전기적 접합을 하는 다단계(예컨대, 3단계)의 레이저 공정을 통해 후면 전계 영역을 형성함으로써, 충분히 높은 전도성의 전기적 접합을 얻으면서 동시에 실리콘 결함 손실을 최소화하고 전기적 손실을 저감시킨 태양 전지를 제공할 수 있다.
또한, 도 2를 참조하여 설명한 것과 마찬가지로, 상기 후면 전극층은 알루미늄으로 형성되고, 상기 소정의 금속 물질은 알루미늄 또는 알루미늄과 붕소의 합금 형태일 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 후면 전계 영역 형성 방법에 사용되는 상기 펄스 레이저는 352nm 이상 1064nm 이하의 파장과 10ns 이상 1000ns 이하의 펄스폭을 갖고, 상기 패시베이션 유전체층은 SiNx, AlOx 및 SiOx 중 어느 하나로 형성되는 단일 박막 또는 SiNx, AlOx 및 SiOx 중 둘 이상으로 결합되어 형성되는 다층 박막 형태이며, 상기 패시베이션 유전체층의 두께는 200 nm 이하이고, 상기 후면 전극층의 두께는 100 nm 이상 10 um 이하일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 태양 전지 셀의 후면 전계 영역을 형성하는 경우 각 단계에서의 표면을 관찰한 모습을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 태양 전지 셀의 후면 전계 영역을 형성하는 경우 종래 대비 개선된 효과를 설명하기 위해 접합 부위의 주사형 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, 이하 SEM) 사진을 도시한 도면으로서, 501내지 503은 종래의 단일 공정 후 레이저 파이어 컨택트 접합 영역(Laser Fired Contact, 이하 LFC) 부위의 SEM 사진을 도시한 것이고, 504 내지 506은 본 발명에 따라 개선된 LFC 다단계 공정 후 SEM 사진을 도시한 것이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 셀의 후면 전계 영역을 포함한 태양 전지 셀의 효과를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 6의 601은 소수반송자 수명 측정을 위한 레이저 공정 테스트의 샘플 구조를 도시한 것이고, 602는종래 단일 공정 수행 후 결과(implied Voc, Seff)를 도시한 것이며, 603은 다단계 레이저 공정 수행 후 결과(implied Voc, Seff)를 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 종래의 단일 공정의 경우 Si-Al 접합 부위 하부 실리콘에 구조적 결함이 발생하는 반면, 본 발명에 따른 다단계 공정의 경우 Si-Al 접합 부위 하부에 결함이 거의 관찰되지 않는 것을 확인할 수 있다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따라 개선된 LFC와 종래의 LFC 의 저항 및 라이프타임 테스트 결과, 비슷한 수준의 저항을 얻음과 동시에, 본 발명에 따라 개선된 LFC의 경우 낮은 결함 정도를 확인할 수 있다.
도 9을 참조하면, 본 발명에 따라 개선된 LFC와 종래의 LFC를 실리콘 태양 전지에 적용하여 비교해 보았을 때, 본 발명에 따라 개선된 LFC에서 전반적인 효율 수치가 향상된 것을 확인할 수 있고, EQE 분석을 하였을 때 후면 재결합 감소로 Voc와 Jsc 수치가 상승한 것을 알 수 있었으며, 후 레이저 소성 처리(Post laser firing) 공정을 통해 낮은 저항을 얻어 높은 충전율(Fill Factor, FF)를 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있다.
이상 설명한 본 발명의 실시예들에 따라 펄스 레이저와 같은 레이저를 이용하여 구성한 단일 스텝 공정이 아닌 다단계 공정을 이용하여 알루미늄과 실리콘을 접합 형성함으로써, 종래 대비 충분히 높은 전도성의 전기적 접합을 얻으면서 동시에 실리콘 결함 손실을 최소화하고 전기적 손실을 저감시킨 태양 전지를 제공할 수 있다. 이러한, 본 발명의 실시예들은 확장되어 초박형 PERC 실리콘 태양전지의 고효율화에 적용될 수 있고, 나노 초 펄스 레이저 빔을 이용한 실리콘 웨이퍼의 국부적인 가열로 상온 금속공정이 가능하게 할 수 있으며, 고온 공정에 취약한 초박형 실리콘 태양전지의 금속공정이 가능하도록 할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따른 후면 전계 영역과 이를 포함한 태양 전지 셀은 유연성 확보가 가능하여 UAV(무인기), BIPV, wearable device, VIPV 등에 적용될 수 있다.
이하에서는, 상술한 본 발명의 실시예들과 관련하여 구체적인 절차와 수치 등을 포함한 실험예와 이에 대한 결과와 분석들을 설명하도록 한다.
실험예
본 실험예에 사용되는 펄스형 레이저 시스템은 모든 레이저 처리를 수행하도록 방진 광학 테이블 상에 구축되고, 1064nm 파장과 ns 펄스 지속기간을 갖는 다이오드 펌핑 Q-스위칭 Nd:YVO4 레이저를 LFC 처리에 사용하였다. 레이저의 플루언스 또는 파워를 제어하기 위해, 반파판과 편광 밤 스플리터를 결합함으로써 레이저 출력의 편광을 제어한다. 이어서, 초점 길이 100mm의 텔레센트릭 f-세타 렌즈를 사용하여 약 50×50 mm2의 면적을 커버하는 스캐너를 통해 레이저를 처리하였다. 빔 확장기를 빔 정렬 경로에 배치함으로써 빔 크기를 조정하여 초점에서의 초점 심도를 가변하였다. 레이저 처리 조건은 매우 민감하므로, 매번 동일한 실험 조건을 유지하는 것이 매우 중요하다. 신뢰할 만 한 실험 환경은, 간략화된 레이저 정렬 방법을 이용하여 레이저 빔 정렬을 체크하고 실험 전 테스트 제조를 수행함으로써 체크함으로써 보장될 수 있다.
본 실험예에 따라, 비저항이 1-5Ωcm이고 두께가 525μm인 (100) 결정 배향 p형 단면 연마 웨이퍼 상에 LFC 저항 분석 테스트 샘플을 제조하였다. 표준 RCA1 및 RCA2 방법에 의한 세척 후, SiOx(20nm) 및 SiNx(100nm) 박막을 250℃ 및 400℃의 기판 온도에서 연마면 상에 PECVD에 의해 각각 증착하였다. 두께 2μm의 Al을 전자-빔 증발(evaporation)기를 사용하여 웨이퍼의 양면 상에 증착하였다. 이어서, Al과 Si의 옴(Ohmic) 접촉 형성을 위해 N2/H2 혼합 가스와 혼합된 400°C에서의 가스 어닐링 형성을 수행하였다.
본 실험예에 따라, 대칭 구조를 갖는 QSSPC 측정용 샘플을 제조하였다. 40×40mm2, 두께 250μm, 및 비저항 1-3Ωcm의 FZ 웨이퍼를 제조하고 RCA1 및 RCA2 공정에 의해 세척하였다. 두께 20nm의 AlOx를 웨이퍼의 양면 상에 원자층 증착(ALD)에 의해 증착하고, 두께 80nm의 SiNx를 AlOx 박막 상에 PECVD에 의해 증착하였다. 이어서, 전자 빔 증발에 의해 Al 2μm를 증착하였다. LFC 처리 후에, Al을 선택적으로 에칭하고, QSSPC 테스터(WCT-120 Sinton 시스템)를 사용하여 QSSPC 수명을 측정하였다. 또한, μ-PCD용 테스트 샘플을 제조하여 소형(10mm×10mm)의 유효 캐리어 수명을 측정하였다. 두께 525μm 및 비저항 1-5Ωcm의 CZ 웨이퍼의 RCA1, 2 공정 후에, SiOx(20nm) 및 SiNx(100nm)를 웨이퍼의 양면 상에 PECVD에 의해 증착하였다. 이어서, 두께 2μm의 Al을 단면 상에 전자 빔 증발에 의해 증착하였다. Al 증착된 면에 대하여 LFC 공정을 수행하였으며, 120mW 레이저 파워로 908nm 레이저 빔을 유전막 면 상에 조사하여 레이저 처리된 웨이퍼의 유효 캐리어 수명을 측정하였다.
본 실험예에 따라, SiOx(20nm)와 SiNx(100nm)를 웨이퍼의 단면 상에 증착함으로써, CZ 웨이퍼 상에 전송 라인 측정(TLM) 방법용 샘플을 제조하였다. 열 증발기에 의해 섀도우 마스크를 통해 두께 2μm의 Al을 증착하였다.
본 실험예에 따라 PERC 전지 제조를 위해, 비저항 1-3Ωcm와 두께 250μm의 (100) 배향된 p형 FZ 웨이퍼를 사용하였다. 5wt% KOH 용액을 사용하여 마이크로 스케일의 피라미드 텍스처링을 행하였다. POCl3 로(furnace)를 사용하여 시트 저항 80-90Ω/sq의 이미터를 형성하였다. 후면 패시베이션을 위해, ALD를 사용하여 두께 20nm두께의 AlOx를 증착하고, 두께 80nm의 PECVD SiNx 캡핑층을 사용하였다. 전면은 PECVD SiOx(20nm)와 SiNx(80nm)의 반사 방지 코팅(ARC)으로 패시베이션되었다. 두께 2μm의 Al을 PERC 전지의 후면 상에 증착하였다. 종래의 LFC 및 본 발명에 따라 개선된 LFC 처리는 PERC 전지의 후면 접촉 형성을 위해 수행되었다. Ti(50nm)/Ag(1.4㎛)가 전면 전극으로서 증착되었다. 전면 전극 패턴은 포토리소그래피를 이용하는 리프트오프(lift-off) 공정에 의해 정의되었다.
본 실험예에 따라, 모든 PERC 전지의 셀 면적은, 반응성 이온 에칭(RIE)을 이용한 에지 아이솔레이션 공정으로 정의된 10mm×10mm이었다. 전면 그리드의 음영은 3.5 %로 설계되었다. 태양 시뮬레이터(Oriel LSC-100)를 사용하여 100mW/cm2의 광 세기에서 AM 1.5G의 표준 태양 광 조사 하에 태양 전지를 테스트하였으며, 전지 성능 파라미터는 전류-전압 특성으로부터 결정되었다. 외부 양자 효율(EQE)은 또한 350nm 내지 1150nm까지의 파장 범위에서 측정되었다.
상술한 실험에에 대한 결과 및 분석은 다음과 같다.
종래의 LFC 공정에서는, 다수의 펄스형 빔이 Al 박막을 후면의 패시베이션된 유전층 상에 발사하여 전기 접촉부 및 로컬 Al 후면 필드(BSF) 형성부를 생성하였다. 패시베이션된 유전층의 개방 및 Si 와 Al의 합금은 도 1a에 개략적으로 도시한 바와 같이 단일 단계 레이저 공정에서 형성되어야 한다. 이러한 이유로, 로컬 접촉 형성을 위해 요구되는 레이저 플루언스는 Al 막을 용융하기 위한 임계 에너지보다 훨씬 크며, 따라서, Al 손실 및 Si 웨이퍼의 손상을 거의 피할 수 없다. 이러한 문제점을 해결하고자, 패시베이션층의 개방 단계와 합금 단계를 분리함으로써 새로운 멀티 단계 LFC 공정을 개발하였다.
본 발명의 실시예들에 따라 도 2에서 제안하는 개선된 LFC 기법은, 종래의 LFC 와 레이저 유도 전면 전달(LIFT) 공정의 조합을 이용한 3개 단계로 이루어지는데, 즉, 1) 패시베이션층의 개방, 2) Al의 추가 공급, 및 3) 후 레이저 발사이다. 제1 단계에는, Si의 어블레이션(ablation)을 무시할 수 있는 고 플루언스 레이저에 의해 패시베이션층을 개방하며, 상당량의 Al을 Si 와 합금된 소량의 잔류 Al로 어블레이션한다. 제2 단계에서는, 저 플루언스 LIFT 공정에 의해 추가 Al을 전달한다. 마지막으로, 저 플루언스 레이저를 Al BSF 형성을 위해 전달된 Al에 조사한다. 본 발명에 따라 개선된 LFC 공정이 종래의 LFC 공정에 비해 저 접촉 저항을 유지하면서 레이저 처리된 웨이퍼의 유효 재결합 속도를 현저히 감소시킬 것으로 예상한다.
Al 후면 필드의 두께는, 발사 온도, 패시베이션층 두께, 및 Al의 양에 의해 영향을 받는다. Al 막이 두꺼울수록 그리고 발사 온도가 높을수록, 두꺼운 Al BSF 필드를 형성하는 데 유리하다. 그러나, Al 막이 두꺼워짐에 따라, Al 와 Si의 계면에 도달하는 열 에너지의 양이 감소된다. 따라서, Al 막이 두꺼워질수록 레이저 플루언스가 커야 한다. 이러한 이유로, 수 μm 두께의 Al이 통상적으로 사용되어왔다. Si 와 Al 사이의 패시베이션층의 두께도 중요한 파라미터이다. 두꺼운 패시베이션층은, 로컬 접촉부에서 큰 플루언스가 파괴되는 것을 필요로 한다. Al 및 SiOx/SiNx 패시베이션층의 두께를 2μm 및 20nm/80nm로 각각 고정하여 양측 LFC 공정의 최적의 레이저 저리 조건을 찾았다.
종래의 단일 단계 LFC 공정에 대해서는, 레이저 플루언스 및 레이저 펄스의 수를 가변하였다. 3 차원 광학 현미경에 의해 로컬 접촉 홀의 직경과 깊이를 측정하여 도 10의 1001 및 1002와 같이 도시하였다. 로컬 접촉 홀은, 내측 링과 외측 링인 2 개의 동심 링을 포함하는 크레이터의 형상을 취하고 있다. 내측 링을 통해 전기적 접촉이 이루어지기 때문에 직경에 대하여 내측 링을 취한다. 접촉 홀의 직경은, 이하의 식을 주종하는 가우스 형상의 레이저 플루언스에 따라 증가하는 것으로 밝혀졌는데, 즉 d2~log(F)에서, d는 스팟 중심으로부터의 거리이고, F는 J/cm2 단위의 플루언스이다. 접촉 홀의 깊이는 레이저 펄스의 수에 따라 선형으로 증가하는 것으로 밝혀졌다.
본 실험예에 따라, 전압을 인가하고 수직 방향으로 유도 전류를 측정함으로써, 테스트 샘플의 저항을 결정하였다. 도 10의 1003 및 1004에 도시한 바와 같이 종래의 LFC 공정에 의해 500μm의 간격으로 전면에 점 접촉 홀을 형성하였다. 후면을 처리하여 Al와 Si의 옴 접촉을 갖게 하였다. LFC 저항은, 후면측 Al/Si 접촉 및 접촉 홀 어레이의 확산 저항에 의한 것이다. 따라서, LFC 저항의 측정은, LFC 공정에 의한 전면에서의 Al 와 Si 간의 전기적 접촉을 나타낸다. 펄스의 수를 5로 고정하였으며, 레이저 플루언스를 가변하여 접촉 형성을 위한 임계값을 찾았다. LFC 저항은, 레이저 플루언스가 5.1J/cm2 미만이어서 측정불가였지만, 완전한 전기적 접촉을 위한 LFC 공정 윈도우를 나타내는 8.4J/cm2를 초과하는 경우에 매우 작은 값인 1-2Ωcm2을 나타낸다. 또한, 11.6J/cm2의 플루언스에서 레이저 펄스의 수를 가변하여 공정 윈도우를 찾았다. LFC 저항은, 약간의 증가가 후속하는 4 개 펄스에서 최소값을 나타낸다. 이들 실험 결과에 기초하여, 종래의 LFC 레이저 파라미터로 10.9J/cm2의 플루언스 및 레이저 펄스의 수로서 5회 반복이 선택되었다.
도 5의 501 내지 503에 도시된 바와 같이 종래의 LFC 공정에 의해 형성된 접촉 홀의 단면 SEM 화상을 취하였다. 접촉 홀의 깊이는 약 5μm이었고, 통상적인 크레이터 형상을 관찰하였다. 접촉 홀을 자세히 관찰함으로써, 확대된 SEM 화상에 도시된 바와 같이 LFC 유도 결함이 밝혀졌다. 크레이터 링 주위로 마이크로미터 스케일의 큰 보이드 결함을 관찰하였으며, 접촉 홀의 중심 영역 아래에서 서브마이크로미터 스케일의 작은 결함을 발견하였다. 이들 결함은, 반복적 용융 및 응고에 의한 고 플루언스 레이저의 다수의 조사에 의해 야기된 것으로 보인다. 이들 결함은 심각한 재결합 사이트로서 기능하는 것으로 여겨진다. 로컬 접촉부에서의 표면 재결합을 감소시키도록, 이러한 결함의 형성을 피해야 한다.
반면, 본 발명의 실시예들에 따라 개선된 LFC 공정에 의해 행해진 각 단계에서의 접촉 홀에 대한 평면도 및 단면 SEM 화상이 도 5의 504 내지 506에 도시되어 있다. 제1 단계에서는, Si에 대한 손상을 최소화하면서 패시베이션층만을 파괴하기 위해, 종래의 LFC 공정(10.9J/cm2)보다 약간 작은 10.3J/cm2의 플루언스에서의 레이저 펄스의 임계값 미만의 수를 조사하였다. 도 5의 504의 단면 SEM 화상은, 패시베이션층이 로컬 접촉부 상에 소량의 Al로 개방되었음을 보여준다. Si 웨이퍼가 거의 어블레이션되지 않았기 때문에, 로컬 접촉 홀의 표면은 매우 평평한 것으로 관찰된다. 또한, 종래의 LFC 공정에서 나타낸 보이드형 결함은 관찰되지 않았다. 제2 단계에서는, LIFT 공정에 의한 추가 Al을 도 5의 505에 도시한 바와 같이 로컬 접촉 홀로 전달하였다. 이 LIFT 단계에서는, Si 웨이퍼에 대한 레이저 손상을 감소시키도록 레이저 플루언스를 7.0J/cm2로 조정하고 펄스 수를 2로 설정하였다. 도 10에 도시한 바와 같이, 7.0J/cm2 레이저 플루언스에서는, 5 펄스에서도 전기적 접촉이 완전하게 이루어지지 않는다. Al을 더 많이 증착하기 위해, 각 실행마사 Al로 코팅된 새로운 슬라이드 글래스를 사용하여 LIFT 공정을 각 접촉 홀에 대하여 5회 실시하였다. 저 플루언스 LIFT 공정 후에도 로컬 접촉 홀에서 Si 표면의 평탄도가 유지되었다는 점에 주목한다. 마지막 단계에서는, 6.4J/cm2의 레이저 플루언스와 5 펄스로 포스트 레이저 소성 공정을 수행하였다. 이 단계에서, LFC 접촉 형태는 도 5의 506에 도시된 바와 같이 종래의 LFC 공정과 유사하게 변한다. 그러나, 본 발명에 따라 개선된 접촉 홀의 깊이는 ~3μm이며, 이것은 종래의 접촉 홀보다 얕다. 또한, 접촉 홀 밑의 보이드형 결함도 관찰되지 않으며, 따라서, 본 발명에 따라 개선된 LFC 기법에 의해 로컬 접촉 홀에서 표면 재결합의 억제가 기대된다. 단계 2 및 3의 공정 조건을 결정한 방법에 대한 상세는 아래에서 도 14 내지 도 17을 참조하여 설명하도록 한다.
종래의 LFC 공정의 패시베이션 성능을 평가하기 위해, LFC 공정 웨이퍼의 유효 캐리어 수명을 QSSPC 방법으로 측정하고 도 11의 1101 및 1102에 도시하였다. 하나의 태양 조건에서의 Implied Voc 값과 유효 표면 재결합 속도(Seff)도 도 11의 1103 및 1104에 예시한 바와 같이 300μm 내지 1000μm의 상이한 LFC 피치로 결정하였다. Seff는 다음 등식에 의해 결정되었다.
1/τeff = 1/ τbulk + 2Seff/W 식 (1)
여기서, τeff는 측정된 소수 캐리어 수명이고, τbulk는 벌크 캐리어 수명이고, W는 Si 웨이퍼의 두께이다. 참고로, LFC 공정 전에 테스트 샘플의 성능 파라미터를 측정하였다. AlOx와 SiNx의 이중층으로 패시베이션된 기준 샘플은 685mV의 높은 Implied Voc 및 21cm/s의 낮은 Seff를 나타내었다. 그러나, 300㎛ 피치를 갖는 종래의 LFC 처리된 샘플은 606mV만큼 낮은 Implied Voc의 큰 감소를 나타내었다. 피치가 1000μm까지 증가함에 따라, Implied Voc는 점진적으로 회복되지만 1000μm 피치에서도 기준보다 26mV 낮다. 동일한 방식으로, Seff 값은, 유사한 경향을 보이며, 300㎛ 피치에서 516㎝/s의 가장 높은 값을 나타내고 1000㎛ 피치에서 52.6㎝/s의 가장 낮은 값을 나타낸다. 접촉 홀에서의 표면 재결합 속도(Smet)와 재결합 영역의 크기는 Seff에 관한 피셔 모델인 Smet, 및 LFC 접촉 홀의 면적 분율을 사용하여 결정될 수 있다. 재결합 영역의 크기는 일반적으로 레이저로 인한 손상 때문에 실제 접촉 홀의 크기보다 크다. 종래의 LFC 공정에서 결정된 Smet 값은 1.0×107cm/s이고, 재결합 영역(rrecomb)의 크기는 물리적 접촉 홀의 크기(rLFC)보다 약간 크다(~1.2×rLFC). 보다 자세한 설명은 도 14 내지 도 17을 참조하여 아래에서 하도록 한다.
본 발명에 따라 개선된 LFC 기법으로 처리된 웨이퍼의 유효 캐리어 수명도 QSSPC 방법으로 측정하였으며 도 11의 1102에 함께 도시되어 있다. 하나의 태양 상태에서의 Implied Voc 값은 도 11의 1103에 예시되어 있다. Implied Voc 값이 종래의 LFC 공정에 비해 현저하게 증가되었다는 점에 주목한다. 300μm 피치의 샘플은 628mV를 나타내며, 이는 동일한 피치에서 기존의 LFC 공정으로 처리된 샘플보다 22mV 높다. Implied Voc는, 피치가 증가함에 따라 증가하고, 1000㎛ 피치에서 레이저 손상으로부터 거의 완전히 회복되어, 심지어 기준 샘플보다 약간 높은 689 mV를 나타낸다. 식 (1)을 사용하여 변환된 Seff 값은 도 11의 1104에도 나와 있다. 피셔 모델을 사용하여, 본 발명에 따라 개선된 LFC 공정에 의해 만들어진 로컬 접촉부에서의 Smet 값은 1.0×104cm/s로 결정되었으며, 이는 종래의 LFC 경우보다 103배 더 낮다. 본 발명에 따라 개선된 LFC 접촉 홀의 재결합 영역(rrecomb)의 크기는 종래의 LFC 공정의 경우와 유사하게 ~ 1.2×rLFC이었다.
μ-PCD 테스트 샘플을 사용하여 LIFT 반복이 소수 캐리어의 수명에 미치는 영향을 조사하였으며 도 12의 1201에 표시하였다. 샘플의 소수 캐리어 수명은 레이저 공정 이전의 값으로 정규화되었다. 종래의 LFC 샘플에서는, 레이저 공정 후의 캐리어 수명의 큰 감소를 나타낸다. 캐리어 수명은 초기 값의 45%로 감소하였다. 본 발명에 따라 개선된 LFC 공정에서, 본 발명에 따라 개선된 LFC 공정의 제1 단계(임계값 미만의 LFC)로 처리된 샘플은, 초기 값의 90 %의 매우 높은 캐리어 수명을 나타낸다. 이것은 Si에 대한 레이저 손상이 전술한 바와 같이 무시할 수 있기 때문이다. Al 전달을 위한 LIFT 공정의 수가 증가함에 따라, 캐리어 수명은 점차적으로 약간 감소한다. LIFT 공정을 3회 반복한 후, 캐리어 수명은 초기 값의 75%에서 유지된다.
접촉 홀의 접촉 저항은 고효율 PERC 전지의 다른 주요 파라미터이다. 도 12의 1202에 도시된 테스트 샘플을 사용하여 LFC 저항을 측정하였다. 종래의 LFC 공정으로 처리된 샘플은 1.0 Ωcm2를 나타낸다. 반대로, LIFT 없이 PLF 공정으로만 처리된 샘플은 3.3 Ωcm2의 비교적 높은 저항을 나타낸다. LIFT 공정에 의한 Al 개수 전달이 반복적으로 수행됨에 따라, LFC 저항은 감소하고 종래의 LFC 처리된 샘플과 동일한 값을 나타낸다. 테스트 샘플의 LFC 저항은, 후면 Al/Si의 접촉 저항, 및 LFC 접촉 홀의 확산 저항과 접촉 저항으로부터 나온다. 접촉 홀만의 비접촉 저항(ρc)을 더 평가하기 위해, 도 12의 1203에 도시한 바와 같이 TLM 테스트 구조를 준비하고 y-절편에서 접촉 저항(2Rc)을 추출하였다28-29. 비접촉 저항은 다음 식에 의해 결정된다.
Figure 112019026927774-pat00001
식 (2)
여기서, n은 하나의 TLM 패드에 있는 LFC 접촉 홀의 수이고, r은 LFC 접촉 홀의 반경이다. n은 본 실험예에서 10이다. 비접촉 저항에 대해, 본 발명에 따라 개선된 LFC를 갖는 샘플은 3.0mΩcm2의 약간 낮은 저항을 나타내지만, 종래의 LFC 처리된 샘플은 6.5 mΩcm2를 나타낸다. 이것은 PLF 공정에 대한 Al의 추가 공급이 로컬 BSF를 향상시킨다는 것을 지지한다. 요약하면, 제안한 본 발명에 따라 개선된 LFC 공정은 종래의 LFC 공정에 비해 로컬 접촉부에서 감소된 표면 재결합을 제공하며, 이는 단면 SEM 화상에 의해 드러난 보이드 결함의 감소에 주로 기인하는 것이다. 본 발명에 따라 개선된 LFC 공정에 의해 형성된 접촉 홀의 비접촉 저항은 종래의 LFC의 경우보다 약간 낮았다. 이러한 결과로부터, 본 발명에 따라 개선된 LFC 공정을 적용하여 PERC 전지의 성능 향상을 기대할 수 있다.
종래의 LFC 공정 및 본 발명에 따라 개선된 LFC 공정의 두 개의 상이한 방안으로 LFC-PERC 전지를 제조하였다. 전지 제조 공정 및 전지 아키텍처의 개략도는 도 9에 예시되어 있다. 후면 LFC 공정은 500㎛, 700㎛ 내지 1000㎛의 다양한 피치로 수행되었다. 종래의 LFC 공정에서는, 10.9J/cm2의 플루언스 및 5개의 펄스의 다중 레이저 빔을 조사하여 단일 단계에서 로컬 접촉 홀을 형성하였다. 한편, 본 발명에 따라 개선된 LFC 공정의 경우, 레이저 처리는 3개 단계로 수행되었는데, 즉, 1) 패시베이션층을 파괴하는 10.3J/cm2 레이저 플루언스의 2 펄스를 갖는 임계값 미만 LFC 공정, 2) 5개의 반복적 LIFT Al의 다중 전달을 위한 7.0J/cm2 레이저 플루언스의 2 펄스를 갖는 공정, 및 3) 로컬 BSF를 향상시키도록 6.4J/cm2 레이저 플루언스의 5 펄스를 사용한 레이저 후 발사로 수행되었다.
두 개의 상이한 LFC 공정과 다양한 피치를 갖는 LFC-PERC 전지의 전지 성능 파라미터가 도 8에 제시되어 있다. 예상대로, 본 발명에 따라 개선된 LFC 공정을 사용한 PERC 전지 모든 피치에 대해 더 높은 효율을 나타낸다. 본 발명에 따라 개선된 LFC 공정을 사용하는 PERC 전지의 최고 효율은 700μm 피치에서 19.5%인 반면, 종래 LFC 공정을 사용한 PERC 전지의 효율은 500μm 피치에서 18.6%이다. 본 발명에 따라 개선된 LFC 공정을 사용하는 PERC 전지의 효율 이득은 주로 Voc 및 FF의 향상에 기인한 것이다.
본 발명에 따라 개선된 LFC 공정은, 종래의 공정보다 낮은 레이저 플루언스를 사용하기 때문에, 도 11을 통해 알 수 있듯이 종래의 LFC 공정에 비해 레이저 손상이 적게 유도되었다. 이것은 QSSPC 및 μ-PCD 결과에 의해 지지되는 바와 같이 종래의 LFC 공정을 사용함으로써 Voc 값이 향상된 이유이다. 그러나, 모든 PERC 전지의 Voc 값은 QSSPC 측정에 의해 결정된 비확산 LFC 샘플의 Implied Voc보다 30mV ~ 40mV 낮다. Implied Voc로부터 측정된 Voc의 편차는 대부분 이미터 재결합에 의해 야기된다. SiNx로 패시베이션된 이미터 확산된 웨이퍼의 Implied Voc는 640mV이었다. 감소된 이미터 재결합은 본 발명에 따라 개선된 LFC 공정에 의해 PERC 전지 성능을 더욱 향상시킬 것으로 기대된다. 본 발명에 따라 개선된 LFC 공정을 사용한 PERC 전지의 개선된 FF는, 감소된 비접촉 저항과 로컬 접촉 홀에서의 표면 재결합에 의해 이해될 수 있다. 또한, 본 발명에 따라 개선된 LFC PERC 전지가 본 발명에 따라 개선된 LFC 공정의 또 다른 이점인 작은 성능 파라미터 변동을 나타냈다는 점을 언급할 가치가 있다.
PERC 전지의 후면 재결합 속도(BSRV)를 평가하기 위해, 도 13에 도시한 바와 같이 장파장 영역에서 EQE를 분석하였다. 두 개의 상이한 LFC 공정 및 다양한 피치로 PC1D 피팅에 의해 결정된 BSRV 값을 측정된 EQE 값과 함께 표시하였다. EQE 결과와 PC1D 피팅은, 본 발명에 따라 개선된 LFC PERC 전지의 BSRV 값이 동일한 피치 조건에서 종래의 LFC PERC 전지의 BSRV 값보다 낮았다는 것을 나타낸다. 이러한 결과로부터, 본 발명에 따라 개선된 LFC 공정을 사용함으로써 향상된 Voc가 PERC 전지의 후면에서의 감소된 재결합으로 인한 것임을 확인할 수 있다. 결정된 BSRV 값은 도 11의 1104의 QSSPC 결과에서 기대했던 것보다 훨씬 낮았다. 증가된 BSRV 값은, 에지 분리 및 전면 금속화 공정과 같은 전지 처리 동안의 열화에 관련될 수 있다. 전지 처리에서의 추가 최적화는 전지 성능의 추가 개선을 야기할 것이다.
도 14는 반사 모드 및 투과 모드에서 광학 현미경으로 찍은 Si 웨이퍼 및 Al 코팅된 글래스의 광학 화상(1401). LIFT 공정을 위한 Si 웨이퍼 및 Al 코팅된 글래스의 구성도(1402)를 나타낸 것이고, 도 15는 레이저 플루언스를 가변하면서 레이저 발사 공정 후의 Al/패시베이션층(SiNx/SiOx)/Si 웨이퍼의 광학 화상을 도시한 것이며, 도 16은 종래의 LFC 금속화된 접촉 분율, 접촉 반경 및 손상 영역을 도시한 것이고, 도 17은 본 발명에 따라 개선된 LFC의 금속화된 접촉 분율을 도시한 것이다.
도 14 내지 도 17을 참조하면, 본 발명에 따라 개선된 LFC 공정의 2 단계에서 레이저 플루언스를 찾기 위해, 아래의 도 16에서와 같이 샘플 구성에서 Al 전달을 위한 레이저 플루언스를 3.8J/cm2에서 9.0J/cm2까지 가변하였다. 레이저 조사 횟수는 2로 고정하였다. LIFT 공정 후, Si 웨이퍼와 Al 코팅된 슬라이드 글래스 샘플을, 광학 현미경의 반사 모드 및 투과 모드에서 각각 관찰하였다. 3.8J/cm2 미만의 레이저 플루언스에서는, 도 16에서 알 수 있듯이 Al 전달이 관찰되지 않았다. 5.1J/cm2 레이저 플루언스에서, 전달된 Al의 반경은 LFC 홀을 덮기에는 너무 작았다. 6.4J/cm2 보다 큰 레이저 플루언스에서는, 레이저 빔의 크기와 유사한 크기를 갖는 Al 코팅된 기판의 개구가 명확하게 관찰되었다. Al 전달로 인한 레이저 손상을 최소화하기 위해, 제2 단계에서 LIFT 레이저 플루언스에 대해 7.0J/cm2를 선택하였다.
Si에 대한 열 손상을 최소화하면서 레이저 후 발사인 제3 단계에서는 Al의 용융만이 필요하다. Al/SiNx(80nm)/SiOx(20nm)/Si의 스택에 조사를 행하면서 레이저 플루언스를 5.1J/cm2에서 8.4J/cm2로 가변하였다. 5.1J/cm2 미만의 레이저 플루언스에서는, Al의 용융이 관찰되지 않았고, 6.4J/cm2 를 초과하는 경우에는, Al의 용융이 관찰되었다(도 17). 8.4J/cm2의 레이저 플루언스에서는, 최적의 현미경 화상에서 갑작스러운 콘트라스트 변화가 Si 용융 및 Al과의 반응으로 인해 관찰되었다. 마지막 사후 레이저 발사 공정을 위해 6.4J/cm2의 레이저 플루언스를 선택하였다.
피셔 모델은, 이하에서와 같이 Seff와 Smet의 관계, 금속화된 접촉 분율(f)을 기술한다.
Figure 112019026927774-pat00002
여기서, D는 소수 캐리어의 확산 상수, W는 웨이퍼 두께, Lp는 접촉 피치, Smet 및 Spass는 금속화된 접촉 영역 및 패시베이션된 영역에서의 표면 재결합 속도를 각각 나타낸다. 위 모델은 점 또는 스트라이프 접촉 LFC 패턴에 적용된다. QSSPC 방법에 의해 결정된 LFC 처리된 웨이퍼의 유효 표면 재결합 속도(Seff) 값은 도 14 및 도 15의 금속화된 분율의 함수로서 도시된다. 다양한 Smet으로 실험 데이터를 피셔 모델에 맞추기 위해 rLFC 또는 금속화된 접촉 분율(f)을 약간 조정하였다. LFC 접촉 홀의 반경은 1.2 배로 증가하도록 조정되었고, 증가된 크기는 재결합 영역(rrecomb)의 크기로 간주된다. 재결합 영역의 크기는, 일반적으로 도 14에 도시된 바와 같이 과도하게 조사된 레이저 에너지 때문에 물리적 접촉 홀의 크기보다 크다.
가장 잘 맞는 것으로부터, Smet 값을 종래의 LFC 공정에 대하여 1×107cm/s로 결정하였다. 동일한 방식으로, 본 발명에 따라 개선된 LFC 공정에 의해 형성된 접촉 홀의 Smet 및 rrecomb는 1×104cm/s 및 1.2×rLFC이었다.
도 16을 참조하면, 접촉 홀에서의 표면 재결합 속도(Smet) 및 종래의 LFC 공정의 재결합 영역의 크기는 피셔 모델을 사용하여 결정될 수 있다. 종래의 LFC 공정에서 결정된 Smet 값은 1.0×107cm/s이고, 재결합 영역(rrecomb)의 크기는 물리적 접촉 홀 크기(rLFC=32.5㎛)3보다 약간 크다(~ 1.2×rLFC = 39.0㎛)
도 17을 참조하면, 접촉 홀에서의 표면 재결합 속도(Smet) 및 본 발명에 따라 개선된 LFC 공정의 재결합 영역의 크기는 피셔 모델을 사용하여 결정될 수 있다. 추출된 Seff 결과는 104cm/s로서, 종래의 LFC의 Smet 값보다 1000배 낮다.
LFC 공정은 PERC 전지를 제조하기 위한 쉬운 기술들 중 하나이다. 그러나, 단일 단계에서의 종래의 LFC 공정은, 본 실험예에서 단면 SEM 관찰에 의해 확인된 바와 같이 Si 웨이퍼에 레이저 손상을 유도한다. 접촉 저항을 낮게 유지하면서 레이저 손상을 감소시키고 로컬 접촉 홀에서의 로컬 BSF를 향상시키도록 종래의 LFC와 LIFT 공정을 결합함으로써 다단계 LFC 공정을 개발하였다. (i) 임계값 미만 LFC 공정, (ii) LIFT 공정, 및 (iii) PLF 공정의 3개 단계를 포함하는 본 발명에 따라 개선된 LFC 공정은, 종래의 LFC 공정에 비해 향상된 Implied Voc 및 낮은 접촉 저항을 제공한다. 제1 단계에서, 레이저 펄스의 수는 패시베이션층을 파괴하면서 Si에 대한 손상을 감소시키도록 감소된다. 제2 단계에서, Al은 낮은 플루언스 레이저로 다중 LIFT 공정의 접촉 홀로 전달된다. 제3 단계에서, 전달된 Al은 로컬 BSF를 형성하도록 낮은 플루언스 레이저로 발사된다. 각 단계에서 레이저 파라미터를 최적화함으로써 PERC 전지 성능을 개선한다. 본 발명에 따라 개선된 LFC 처리된 웨이퍼의 Implied Voc 값은 모든 상이한 피치 조건에서 종래의 LFC 처리된 웨이퍼의 Voc 값보다 높았다. 본 발명에 따라 개선된 LFC 처리 웨이퍼는 종래의 LFC 처리 웨이퍼보다 30mV 높은 최대 689mV의 Voc를 나타내었으며, 비접촉 저항은 3.0mΩcm2이었으며, 이는 종래의 것의 거의 절반에 가깝다. 본 발명에 따라 개선된 LFC 공정으로 제조된 PERC 전지의 최고 효율은 19.5%의 효율을 나타내었지만, 종래의 LFC 처리된 셀은 겨우 18.5 %를 나타내었다. 후면에서의 감소된 재결합 속도는 EQE 측정에 의해 확인되었다. 본 발명에 따라 개선된 LFC 공정으로 PERC 전지 성능을 더욱 개선하는 것은, 전지 처리 중에 후면 패시베이션의 열화를 최소화하고 이미터 재결합을 감소시킴으로써 기대할 수 있다.
상술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (11)

  1. 순서대로 적층된 후면 전극층, 패시베이션 유전체층 및 실리콘 웨이퍼층을 포함하는 태양전지 셀의 후면 전계 영역을 형성하는 방법에 있어서,
    a) 레이저를 이용하여 상기 후면 전극층 및 상기 패시베이션 유전체층의 일부를 제거하는 단계;
    b) 상기 a) 단계에 따라 상기 후면 전극층 및 상기 패시베이션 유전체층이 제거된 공간에 소정의 금속 물질을 공급하는 단계; 및
    c) 상기 b) 단계에 따라 공급된 소정의 금속 물질, 상기 후면 전극층 및 상기 실리콘 웨이퍼 층이 전기적으로 접합하도록 레이저를 이용하여 소성 공정을 수행하여 후면 전계 영역을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 c) 단계는,
    레이저 소성 공정을 수행하여 상기 b) 단계에 따라 공급된 소정의 금속 물질, 상기 후면 전극층 및 상기 실리콘 웨이퍼 층이 전기적으로 접합하는 과정을 포함하며, 상기 레이저 소성 공정에 사용되는 레이저의 세기는 상기 a) 단계에서 사용되는 레이저의 세기보다 낮은 것을 특징으로 하는 태양전지 셀의 후면 전계 영역 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 a) 단계는,
    상기 후면 전극층 및 상기 패시베이션 유전체층이 제거될 공간에 펄스레이저를 기 설정된 횟수만큼 조사하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 셀의 후면 전계 영역 형성 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 b) 단계는,
    상기 후면 전극층 및 상기 패시베이션 유전체층이 제거된 공간에 상기 소정의 금속 물질을 레이저 전사 공정을 통해 공급하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 셀의 후면 전계 영역 형성 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 후면 전극층은 알루미늄으로 형성되고, 상기 소정의 금속 물질은 알루미늄 또는 알루미늄과 붕소의 합금 형태인 것을 특징으로 하는 태양전지 셀의 후면 전계 영역 형성 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 펄스 레이저는 352nm 이상 1064nm 이하의 파장과 10ns 이상 1000ns 이하의 펄스폭을 갖고,
    상기 패시베이션 유전체층은 SiNx, AlOx 및 SiOx 중 어느 하나로 형성되는 단일 박막 또는 SiNx, AlOx 및 SiOx 중 둘 이상으로 결합되어 형성되는 다층 박막 형태이며,
    상기 패시베이션 유전체층의 두께는 200 nm 이하이고,
    상기 후면 전극층의 두께는 100 nm 이상 10 um 이하인 것을 특징으로 하는 태양전지 셀의 후면 전계 영역 형성 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
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