KR102449540B1 - 결정질 규소를 갖는 태양 전지의 수광 표면의 패시베이션 - Google Patents

결정질 규소를 갖는 태양 전지의 수광 표면의 패시베이션 Download PDF

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키에런 마크 트레이시
프린세스 카르미 토마다
데이비드 디 스미스
승범 임
페린 제프렌누
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Abstract

결정질 규소를 갖는 태양 전지의 수광 표면을 패시베이팅하는 방법 및 결과적인 태양 전지가 기술된다. 일 예에서, 태양 전지는 수광 표면을 갖는 규소 기판을 포함한다. 진성 규소 층은 규소 기판의 수광 표면 위에 배치된다. N형 규소 층은 진성 규소 층 상에 배치된다. 진성 규소 층 및 N형 규소 층 중 하나 또는 모두는 미세결정 또는 다결정 규소 층이다. 다른 예에서, 태양 전지는 수광 표면을 갖는 규소 기판을 포함한다. 패시베이팅 유전체 층은 규소 기판의 수광 표면 상에 배치된다. 패시베이팅 유전체 층 상에 배치된 N형 미세결정 또는 다결정 규소 층.

Description

결정질 규소를 갖는 태양 전지의 수광 표면의 패시베이션{PASSIVATION OF LIGHT-RECEIVING SURFACES OF SOLAR CELLS WITH CRYSTALLINE SILICON}
본 개시내용의 실시예들은 재생가능 에너지 분야에 관한 것이며, 특히, 결정질 규소를 갖는 태양 전지(solar cell)의 수광 표면(light-receiving surface)을 패시베이팅(passivating)하는 방법 및 결과적인 태양 전지에 관한 것이다.
통상 태양 전지로서 알려진 광전지(photovoltaic cell)는 전기 에너지로의 태양 방사선의 직접 변환을 위한 잘 알려진 장치이다. 일반적으로, 태양 전지는, 반도체 웨이퍼 또는 기판(substrate) 상에, 기판의 표면 부근에 p-n 접합을 형성하기 위해 반도체 처리 기술을 사용하여 제조된다. 기판의 표면에 충돌하여 기판 내로 유입되는 태양 방사선은 기판의 대부분에 전자 및 정공 쌍을 생성한다. 전자 및 정공 쌍은 기판 내의 p-도핑된(doped) 영역 및 n-도핑된 영역으로 이동함으로써, 도핑된 영역들 사이의 전압차를 발생시킨다. 도핑된 영역은 태양 전지 상의 전도성 영역에 연결되어, 전지로부터 전지에 결합된 외부 회로로 전류를 지향시킨다.
효율은 그것이 태양 전지의 발전 능력에 직접 관련되기 때문에 태양 전지의 중요한 특성이다. 마찬가지로, 태양 전지를 제조함에 있어서의 효율이 그러한 태양 전지의 비용 효율성에 직접 관련된다. 따라서, 태양 전지의 효율을 증가시키기 위한 기술, 또는 태양 전지의 제조에 있어서의 효율을 증가시키기 위한 기술이 일반적으로 바람직하다. 본 개시내용의 일부 실시예는 태양 전지 구조물을 제조하기 위한 신규한 공정을 제공함으로써 증가된 태양 전지 제조 효율을 허용한다. 본 개시내용의 일부 실시예는 신규한 태양 전지 구조물을 제공함으로써 증가된 태양 전지 효율을 허용한다.
도 1a 내지 도 1e는 본 개시내용의 실시예에 따른, 태양 전지의 제조에서의 다양한 단계의 단면도를 예시하는 도면.
도 1a는 태양 전지의 출발 기판(starting substrate)을 예시하는 도면.
도 1b는 기판의 수광 표면 상에 패시베이팅 유전체 층의 형성 이후의 도 1a의 구조물을 예시하는 도면.
도 1c는 패시베이팅 유전체 층 상에 진성 규소 층의 형성 이후의 도 1b의 구조물을 예시하는 도면.
도 1d는 진성 규소 층 상에 N형 규소 층의 형성 이후의 도 1c의 구조물을 예시하는 도면.
도 1e는 N형 규소 층 상에 반사 방지 코팅(anti-reflective coating; ARC) 층의 형성 이후의 도 1d의 구조물을 예시하는 도면.
도 2는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 1a 내지 도 1e에 대응하는 바와 같은 태양 전지를 제조하는 방법에서의 작업들을 열거하는 흐름도.
도 3은 본 개시내용의 실시예에 따른, 기판의 배면 표면 위에 형성된 이미터 영역들을 갖고 기판의 수광 표면 상의 층들의 제1 예시적인 스택을 갖는, 배면-접점 태양 전지의 단면도를 예시하는 도면.
도 4는 본 개시내용의 실시예에 따른, 기판의 배면 표면 내에 형성된 이미터 영역들을 갖고 기판의 수광 표면 상의 층들의 제1 예시적인 스택을 갖는, 배면-접점 태양 전지의 단면도를 예시하는 도면.
도 5는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 3 및 도 4와 관련하여 기술된 태양 전지의 수광 표면 상에 배치된 층들의 제1 예시적인 스택에 대한 에너지 밴드 다이어그램(energy band diagram).
도 6a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 기판의 배면 표면 위에 형성된 이미터 영역들을 갖고 기판의 수광 표면 상의 층들의 제2 예시적인 스택을 갖는, 배면-접점 태양 전지의 단면도를 예시하는 도면.
도 6b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 6a와 관련하여 기술된 태양 전지의 수광 표면 상에 배치된 층들의 제2 예시적인 스택에 대한 에너지 밴드 다이어그램.
도 7a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 기판의 배면 표면 위에 형성된 이미터 영역들을 갖고 기판의 수광 표면 상의 층들의 제3 예시적인 스택을 갖는, 배면-접점 태양 전지의 단면도를 예시하는 도면.
도 7b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 7a와 관련하여 기술된 태양 전지의 수광 표면 상에 배치된 층들의 제3 예시적인 스택에 대한 에너지 밴드 다이어그램.
하기의 상세한 설명은 사실상 예시적일 뿐이며, 본 발명 요지 또는 본 출원의 실시예 및 그러한 실시예의 사용을 제한하고자 하는 것이 아니다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 단어 "예시적인"은 "예, 사례, 또는 실례로서의 역할을 하는" 것을 의미한다. 본 명세서에 예시적인 것으로 기술된 임의의 구현예는 반드시 다른 구현예에 비해 바람직하거나 유리한 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다. 또한, 전술한 기술분야, 배경기술, 발명의 내용 또는 하기의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서 제시되는 임의의 명시된 또는 암시된 이론에 의해 구애되도록 의도되지 않는다.
본 명세서는 "하나의 실시예" 또는 "실시예"의 언급을 포함한다. 어구 "하나의 실시예에서" 또는 "실시예에서"의 출현은 반드시 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 특정 특징, 구조물, 또는 특성이 본 개시내용과 일관되는 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다.
용어. 하기 단락은 본 개시내용(첨부된 청구범위를 포함함)에서 발견되는 용어에 대한 정의 및/또는 문맥을 제공한다.
"포함하는". 이 용어는 개방형(open-ended)이다. 첨부된 청구범위에 사용된 바와 같이, 이 용어는 추가의 구조 또는 단계를 배제하지 않는다.
"~하도록 구성되는". 다양한 유닛 또는 구성요소가 작업 또는 작업들을 수행"하도록 구성되는" 것으로 기술되거나 청구될 수 있다. 그러한 문맥에서, "~하도록 구성되는"은 유닛/구성요소가 작동 동안 그러한 작업 또는 작업들을 수행하는 구조를 포함하는 것을 나타냄으로써 구조를 함축하는 데 사용된다. 따라서, 유닛/구성요소는 특정된 유닛/구성요소가 현재 동작 중이 아닐 때에도(예컨대, 온(on)/활성(active) 상태가 아님) 작업을 수행하도록 구성되는 것으로 언급될 수 있다. 유닛/회로/구성요소가 하나 이상의 작업을 수행"하도록 구성된다"고 기재하는 것은 해당 유닛/구성요소에 대해 35 U.S.C. §112, 제6절을 적용하지 않도록 명백히 의도된다.
"제1", "제2" 등. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 이들 용어는 이들 용어가 선행하는 명사에 대한 라벨로서 사용되며, 임의의 유형의 순서화(예컨대, 공간적, 시간적, 논리적 등)를 암시하지 않는다. 예를 들어, "제1" 태양 전지에 대한 언급은 반드시 이러한 태양 전지가 순서에 있어서 첫 번째 태양 전지임을 암시하지는 않으며; 대신에 용어 "제1"은 이러한 태양 전지를 다른 태양 전지(예컨대, "제2" 태양 전지)와 구별하는 데 사용된다.
"결합된" - 하기의 설명은 함께 "결합된" 요소들 또는 노드(node)들 또는 특징부들을 언급한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 명확히 달리 명시되지 않는 한, "결합된"은 하나의 요소/노드/특징부가 반드시 기계적으로 결합되는 것만은 아니게 다른 요소/노드/특징부에 직접적으로 또는 간접적으로 결합됨(또는 그와 직접적으로 또는 간접적으로 연통됨)을 의미한다.
"억제하다" - 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 억제하다는 효과를 감소 또는 최소화시키는 것을 기술하는 데 사용된다. 구성요소 또는 특징부가 동작, 움직임 또는 조건을 억제하는 것으로 기술될 때, 이는 결과 또는 성과 또는 미래의 상태를 완전하게 방지할 수 있다. 또한, "억제하다"는, 그렇지 않을 경우 발생할 수도 있는 성과, 성능 및/또는 효과의 감소 또는 완화를 또한 지칭할 수 있다. 따라서, 구성요소, 요소 또는 특징부가 결과 또는 상태를 억제하는 것으로 지칭될 때, 이는 결과 또는 상태를 완전하게 방지 또는 제거할 필요는 없다.
또한, 소정 용어가 또한 단지 참조의 목적으로 하기 설명에 사용될 수 있으며, 이에 따라 제한적인 것으로 의도되지 않는다. 예를 들어, "상부", "하부", "위", 및 "아래"와 같은 용어는 참조되는 도면에서의 방향을 지칭한다. "전방", "뒤", "후방", "측방", "외측", 및 "내측"과 같은 용어는 논의 중인 구성요소를 기술하는 본문 및 관련 도면을 참조함으로써 명확해지는 일관된 그러나 임의적인 좌표계 내에서의, 구성요소의 부분들의 배향 및/또는 위치를 기술한다. 그러한 용어는 상기에 구체적으로 언급된 단어, 그것의 파생어, 및 유사한 의미의 단어를 포함할 수 있다.
결정질 규소를 갖는 태양 전지의 수광 표면을 패시베이팅하는 방법 및 결과적인 태양 전지가 본 명세서에서 기술된다. 하기의 설명에서, 본 개시내용의 실시예의 완전한 이해를 제공하기 위해, 특정 공정 흐름 작업과 같은 많은 특정 상세 사항이 기재된다. 본 개시내용의 실시예가 이들 특정 상세 사항 없이 실시될 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 다른 예에서, 리소그래피(lithography) 및 패턴화(patterning) 기술과 같은 주지된 제조 기술은 본 개시내용의 실시예를 불필요하게 모호하게 하지 않도록 상세히 기술되지 않는다. 또한, 도면에 도시된 다양한 실시예가 예시적인 표현이고, 반드시 축척대로 그려진 것은 아니라는 것을 이해하여야 한다.
본 명세서에는 태양 전지가 개시된다. 일 실시예에서, 태양 전지는 수광 표면을 갖는 규소 기판을 포함한다. 진성 규소 층은 규소 기판의 수광 표면 위에 배치된다. N형 규소 층은 진성 규소 층 상에 배치된다. 진성 규소 층 및 N형 규소 층 중 하나 또는 모두는 미세결정 또는 다결정 규소 층이다.
다른 실시예에서, 태양 전지는 수광 표면을 갖는 규소 기판을 포함한다. 패시베이팅 유전체 층은 규소 기판의 수광 표면 상에 배치된다. 패시베이팅 유전체 층 상에 배치된 N형 미세결정 또는 다결정 규소 층.
본 명세서에 또한, 태양 전지의 제조 방법이 개시된다. 일 실시예에서, 태양 전지의 제조 방법은 규소 기판의 수광 표면 상에 패시베이팅 유전체 층을 형성하는 단계를 수반한다. 이 방법은 또한 패시베이팅 유전체 층 위에 N형 미세결정 또는 다결정 규소 층을 형성하는 단계를 수반한다. 이 방법은 또한 N형 미세결정 또는 다결정 규소 층 상에 반사 방지 코팅(ARC) 층을 형성하는 단계를 수반한다.
본 명세서에 기술된 하나 이상의 실시예는 태양 전지에 대한 개선된 전면 표면 필드(FSF) 성능을 달성하기 위한 접근법에 관한 것이다. 일 실시예에서, 개선된 FSF 성능은 개선된 효율 및 신뢰성을 제공하기 위해 결정질 규소(Si) 중간층을 사용하여 달성된다.
맥락을 제공하기 위해, 광유도 열화(light induced degradation; LID) 및/또는 자외선(UV) 열화는 태양 전지 성능의 장기간 안정성에 대한 오래된 쟁점을 제기한다. 고효율 태양 전지는 특히 전면 표면 패시베이션의 증가된 감도에 기인한 그러한 열화 모드에 영향을 받는다. 감소된 패시베이션 또는 태양 스펙트럼 흡수(예를 들어, Jsc 손실)의 형태로 성능을 손상시키지 않으면서 이러한 태양 전지의 안정성을 개선하려는 노력이 있어 왔다. 성능 안정성은 성능 보증 및 제품 품질 차별화에 중요할 수 있다. 더 상세하게는, 전면 표면 패시베이션은 고효율 태양 전지의 성능에 중요할 수 있다. 전형적으로, 전면 표면 패시베이션은 확산 공정을 사용하여 수행되고 고온 산화로 이어지며, 마지막으로 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)을 사용하여 반사 방지 코팅(ARC)으로 캡핑된다. 질화규소(SiN 또는 SiN:H)는 그것의 광학 특성으로 인해 그리고 또한 그것의 우수한 패시베이션 품질을 위해 일반적으로 ARC로서 사용된다. 결정질 규소/열 산화물(c-Si/TOX) 계면에 H+를 제공하기 위해 질화규소 층이 사용될 수 있다. 불행하게도, 계면은 기존 Si-H 결합을 끊는 계면을 가로질러 열 전자 주입(hot electron injection)을 통해 UV 광에 장기간 노출됨으로써 열화될 수 있다. 열 전자는 후속 층들에 트랩핑될 수 있고 계면을 가로질러 앞뒤로 바운드(bounce)하도록 다시 여기될(re-excited) 수 있는데, 이는 계면 마모로 알려진 공정이다.
상기 문제들 중 하나 이상을 해결하기 위하여, 본 명세서에 기술된 하나 이상의 실시예에 따라, 태양 전지의 효율 및 신뢰성은 패시베이팅 산화 층과 SiN 또는 SiN:H 층과 같은 ARC 층 사이에 결정화된 규소(Si) 중간층을 삽입함으로써 개선된다. 일 실시예에서, 열 산화물과 SiN 또는 SiN:H ARC 층 사이에 결정화되거나 부분적으로 결정화된 Si 중간층을 삽입함으로써, c-Si/TOX 계면의 패시베이션 및 안정성이 개선된다. 또한, 더 투명한 중간층을 사용함으로써 태양 전지에 대한 Jsc의 증가가 달성될 수 있다. 이러한 중간층은 다수의 적합한 방법에 의해 침착될 수 있다. 일 실시예에서, 미세결정 또는 다결정 N형 규소(μc-Si:n) 층 또는 다결정 Si:n 층의 직접 침착이 수행된다. 다른 실시예에서, 비정질 N형 규소(aSi:n) 층을 먼저 침착하고 이어서 어닐링 공정을 사용하여 침착된 층을 결정화하기 위해 후처리가 수행된다. 후처리는 ARC 층이 존재하거나 존재하지 않으면서 수행될 수 있다.
이론에 의해 제한되지는 않지만, 실시예에서, 직접 침착 또는 더 결정화된 상으로의 상 변환에 의해 달성된 개선된 안정성은 하부의 열 산화물의 압축 특성을 상쇄시키는 N형 규소 중간층의 응력 상태를 개선한다. 그 결과는 더 에너지적으로 양호한 Si-O 결합 시나리오이다. 또한, 결정화된 상태로 변환하는 것은 하부의 열 산화물의 표면에서 O-H 결합의 총 수를 감소시키고, 열 전자 트랩핑에 대한 트랩 상태의 양을 감소시켜 계면 마모를 감소시킬 수 있다.
보다 일반적으로, 하나 이상의 실시예에 따르면, 진성 미세결정 또는 비정질 규소:N형 미세결정 또는 다결정 규소(i:n으로 표시됨) 구조물은 개선된 패시베이션을 위한 얇은 산화물을 갖거나 그 없이 제조된다. 다른 실시예에서, N형 미세결정 또는 다결정 규소 층은, 얇은 산화물이 양호한 패시베이션을 유지하기에 충분히 높은 품질을 갖는 한, 단독으로 사용될 수 있다. 진성 미세결정 또는 다결정 또는 비정질 규소가 구현되는 경우들에서, 재료는, 결함이 있는(defective) 산화물의 경우에 추가적인 패시베이션 보호를 제공한다. 일부 실시예들에서, 진성 층에 추가하여 인-도핑된 미세결정 또는 다결정 규소 층의 포함은 UV 열화에 대한 안정성을 개선한다. 인-도핑된 층은, 재결합의 양을 감소시키는 소수 캐리어들을 밀어냄으로써 계면을 차폐하는 데 도움이 되는 밴드-휨(band-bending)을 가능하게 하도록 구현될 수 있다.
도 1a 내지 도 1e는 본 개시내용의 실시예에 따른, 태양 전지의 제조에서의 다양한 단계의 단면도를 예시한다. 도 2는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 1a 내지 도 1e에 대응하는 바와 같은 태양 전지를 제조하는 방법에서의 작업들을 열거하는 흐름도이다.
도 1a는 태양 전지의 출발 기판을 예시한다. 도 1a를 참조하면, 기판(100)은 수광 표면(102) 및 배면 표면(104)을 갖는다. 실시예에서, 기판(100)은 벌크 단결정 N형 도핑된 규소 기판과 같은 단결정 규소 기판이다. 그러나, 기판(100)이 전체 태양 전지 기판 상에 배치된, 다결정 규소 층과 같은 층일 수 있다는 것이 이해될 것이다. 실시예에서, 수광 표면(102)은 텍스처화된 표면 형태(texturized topography)(106)를 갖는다. 그러한 일 실시예에서, 수산화물-기반 습식 에칭제는 기판(100)의 전면 표면을 텍스처화하는 데 채용된다. 텍스처화된 표면은, 입사광을 산란시켜 태양 전지의 수광 표면들로부터 반사되는 광의 양을 감소시키기 위한 규칙적인 또는 불규칙한 형상의 표면을 갖는 것일 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 1b는 기판의 수광 표면 상에 패시베이팅 유전체 층의 형성 이후의 도 1a의 구조물을 예시한다. 도 1b 및 흐름도(200)의 대응하는 작업(202)을 참조하면, 패시베이팅 유전체 층(108)이 기판(100)의 수광 표면(102) 상에 형성된다. 일 실시예에서, 수광 표면(102)은 텍스처화된 표면 형태(106)를 가지며, 패시베이팅 유전체 층(108)은 도 1b에 도시된 바와 같이 텍스처화된 표면 형태(106)와 정합(conformal)된다.
실시예에서, 패시베이팅 유전체 층(108)은 이산화규소(SiO2)의 층이다. 그러한 일 실시예에서, 이산화규소(SiO2)의 층은 대략 10 내지 200 옹스트롬 범위의 두께를 갖는다. 일 실시예에서, 패시베이팅 유전체 층(108)은 친수성이다. 실시예에서, 패시베이팅 유전체 층(108)은 규소 기판의 수광 표면의 일부분의 화학적 산화, 이산화규소(SiO2)의 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD), 규소 기판의 수광 표면의 일부분의 열 산화, SiO2 또는 AlOx의 원자 층 증착(ALD), 또는 O2 또는 O3 환경에서의 자외선(UV) 방사선에 대한 규소 기판의 수광 표면의 노출과 같은, 그러나 이로 한정되지 않는, 기술에 의해 형성된다.
도 1c는 패시베이팅 유전체 층 상에 진성 규소 층의 형성 이후의 도 1b의 구조물을 예시한다. 도 1c를 참조하면, 진성 규소 층(110)이 패시베이팅 유전체 층(108) 상에 형성된다. 일 실시예에서, 도 1c에 도시된 바와 같이, 진성 규소 층(110)은 텍스처화된 표면 형태(106)와 정합된다.
실시예에서, 진성 규소 층(110)은 진성 미세결정 또는 다결정 규소 층이다. 그러한 일 실시예에서, 진성 미세결정 또는 다결정 규소 층은 대략 1 내지 5 나노미터 범위의 두께를 갖는다. 일 실시예에서, 진성 미세결정 또는 다결정 규소 층은 대략 0.1 내지 0.9(즉, 10 내지 90%) 범위의 결정 분율을 가지며, 나머지는 비정질이다. 일 실시예에서, 진성 미세결정 또는 다결정 규소 층은 마이크로 또는 나노 직경을 갖는 작은 입자들을 포함한다. 작은 입자들은 일반적으로 비정질 규소 매트릭스로 매립될 수 있으며 본질적으로 긴 범위 정렬을 갖지 않을 수 있다.
실시예에서, 진성 미세결정 또는 다결정 규소 층은 진성 비정질 규소 층을 침착하고, 이어서 진성 비정질 규소 층을 진성 미세결정 또는 다결정 규소 층으로 상 변화시킴으로써 형성된다. 그러한 일 실시예에서, 진성 비정질 규소 층은 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD), 저압 화학 기상 증착(LPCVD), 또는 스퍼터링(물리적 기상 증착, PVD)과 같은, 그러나 이로 한정되지 않는, 침착 공정에 의해 형성된다. 일 실시예에서, 상 변환은 노(furnace)에서의 가열, 급속 열처리(RTP), 레이저 어닐링, 또는 성형 가스 어닐링(FGA)과 같은, 그러나 이로 한정되지 않는, 기술을 사용하여 달성된다. 다른 실시예에서, 진성 미세결정 또는 다결정 규소 층은 진성 미세결정 또는 다결정 규소 층을 침착함으로써 형성된다. 그러한 일 실시예에서, 진성 미세결정 또는 다결정 규소 층은 PECVD를 사용하여 침착된다.
다른 실시예에서, 진성 규소 층(110)은 진성 비정질 규소 층이다. 그러한 일 실시예에서, 진성 비정질 규소 층은 대략 1 내지 5 나노미터 범위의 두께를 갖는다. 일 실시예에서, 패시베이팅 유전체 층(108) 상에 진성 비정질 규소 층을 형성하는 것은 대략 섭씨 400도 미만의 온도에서 수행된다. 실시예에서, 진성 비정질 규소 층은 층 전반에 걸쳐 Si-H 공유 결합을 포함하는, a-Si:H로 표시되는, 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)을 사용하여 형성된다.
도 1d는 진성 규소 층 상에 N형 규소 층의 형성 이후의 도 1c의 구조물을 예시한다. 도 1d 및 흐름도(200)의 대응하는 작업(204)을 참조하면, N형 규소 층(112)이 진성 규소 층(110) 상에 형성된다. 일 실시예에서, 도 1d에 도시된 바와 같이, N형 규소 층(112)은 텍스처화된 표면 형태(106)와 정합된다.
실시예에서, N형 규소 층(112)은 N형 미세결정 또는 다결정 규소 층이다. 그러한 일 실시예에서, 진성 미세결정 또는 다결정 규소 층은 대략 1 내지 20 나노미터 범위의 두께를 갖는다. 일 실시예에서, N형 미세결정 또는 다결정 규소 층은 대략 0.1 내지 0.9(즉, 10 내지 90%) 범위의 결정 분율을 가지며, 나머지는 비정질이다. 실시예에서, N형 미세결정 또는 다결정 규소 층의 N형 도펀트(예를 들어, 인)의 농도는 대략 1E17 내지 1E20 원자/㎤의 범위이다. 일 실시예에서, N형 미세결정 또는 다결정 규소 층은 마이크로 또는 나노 직경을 갖는 작은 입자들을 포함한다. 작은 입자들은 일반적으로 비정질 규소 매트릭스로 매립될 수 있으며 본질적으로 긴 범위 정렬을 갖지 않을 수 있다. 실시예에서, N형 도펀트는 비정질 부분, 결정 부분, 또는 둘 모두에 포함된다.
실시예에서, N형 미세결정 또는 다결정 규소 층은 N형 비정질 규소 층을 침착하고, 이어서 N형 비정질 규소 층을 N형 미세결정 또는 다결정 규소 층으로 상 변환함으로써 형성된다. 그러한 일 실시예에서, N형 비정질 규소 층은 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD), 저압 화학 기상 증착(LPCVD), 또는 스퍼터링(물리적 기상 증착, PVD)과 같은, 그러나 이로 한정되지 않는, 침착 공정에 의해 형성된다. 일 실시예에서, 상 변환은 노에서의 가열, 급속 열처리(RTP), 레이저 어닐링, 또는 성형 가스 어닐링(FGA)과 같은, 그러나 이로 한정되지 않는, 기술을 사용하여 달성된다. 다른 실시예에서, N형 미세결정 또는 다결정 규소 층은 N형 미세결정 또는 다결정 규소 층을 침착함으로써 형성된다. 그러한 일 실시예에서, N형 미세결정 또는 다결정 규소 층은 PECVD를 사용하여 침착된다.
다른 실시예에서, N형 규소 층(112)은 N형 비정질 규소 층이다. 일 실시예에서, 진성 규소 층(110) 상에 N형 비정질 규소 층을 형성하는 것은 대략 섭씨 400도 미만의 온도에서 수행된다. 실시예에서, N형 비정질 규소 층은 층 전반에 걸쳐 Si-H 공유 결합을 포함하는, 인-도핑된 a-Si:H로 표시되는, 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)을 사용하여 형성된다.
어느 경우에나, 실시예에서, 미세결정 또는 다결정 또는 비정질 N형 규소 층(112)은 인 도펀트와 같은 불순물을 포함한다. 그러한 일 실시예에서, 인 도펀트는 막 침착 동안 또는 후-주입(post implantation) 작업 시에 통합된다.
다시 도 1d를 참조하면, 제1 실시예에서, 진성 규소 층(110)은 비정질 진성 규소 층이고, N형 규소 층(112)은 미세결정 또는 다결정 N형 규소 층이다. 제2 실시예에서, 진성 규소 층(110)은 미세결정 또는 다결정 진성 규소 층이고, N형 규소 층(112)은 비정질 N형 규소 층이다. 제3 실시예에서, 진성 규소 층(110)은 미세결정 또는 다결정 진성 규소 층이고, N형 규소 층(112)은 미세결정 또는 다결정 N형 규소 층이다.
도 1e는 N형 규소 층 상에 반사 방지 코팅(ARC) 층의 형성 이후의 도 1d의 구조물을 예시한다. 도 1e 및 흐름도(200)의 대응하는 작업(206)을 참조하면, 반사 방지 코팅 층(114)이 N형 규소 층(112) 상에 형성된다. 일 실시예에서, 도 1e에 도시된 바와 같이, ARC 층(114)은 텍스처화된 표면 형태(106)와 정합된다.
실시예에서, ARC 층(114)은 비전도성 ARC 층이다. 그러한 일 실시예에서, 비전도성 ARC 층은 질화규소를 포함한다. 그러한 특정 실시예에서, 질화규소는 대략 섭씨 400도 미만의 온도에서 형성된다. 다른 실시예에서, ARC 층(114)은 전도성 ARC 층이다. 그러한 일 실시예에서, 전도성 ARC 층은 인듐 주석 산화물(ITO)의 층을 포함한다.
도 3은 본 개시내용의 실시예에 따른, 기판의 배면 표면 위에 형성된 이미터 영역들을 갖고 기판의 수광 표면 상의 층들의 제1 예시적인 스택을 갖는, 배면-접점 태양 전지의 단면도를 예시한다.
도 3을 참조하면, 태양 전지는 수광 표면(102)을 갖는 규소 기판(100)을 포함한다. 패시베이팅 유전체 층(108)은 규소 기판(100)의 수광 표면 상에 배치된다. 진성 규소 층(110)은 패시베이팅 유전체 층(108) 상에 배치된다. N형 규소 층(112)은 진성 규소 층(110) 상에 배치된다. 반사 방지 코팅(ARC) 층(114)이 N형 규소 층(112) 상에 배치된다. 이와 같이, 도 3의 태양 전지의 수광 표면 상의 층들의 스택은 도 1a 내지 도 1e와 관련하여 기술된 것과 동일하다.
다시 도 3을 참조하면, 제1 실시예에서, 진성 규소 층(110)은 비정질 진성 규소 층이고, N형 규소 층(112)은 미세결정 또는 다결정 N형 규소 층이다. 제2 실시예에서, 진성 규소 층(110)은 미세결정 또는 다결정 진성 규소 층이고, N형 규소 층(112)은 비정질 N형 규소 층이다. 제3 실시예에서, 진성 규소 층(110)은 미세결정 또는 다결정 진성 규소 층이고, N형 규소 층(112)은 미세결정 또는 다결정 N형 규소 층이다.
도 3을 다시 참조하면, 기판(100)의 배면 표면 상에, 교번하는 P형(120) 및 N형(122) 이미터 영역들이 형성된다. 그러한 일 실시예에서, 트렌치들(121)은 교번하는 P형(120) 및 N형(122) 이미터 영역들 사이에 배치된다. 더 상세하게는, 실시예에서, 제1 다결정 규소 이미터 영역들(122)은 얇은 유전체 층(124)의 제1 부분 상에 형성되고 N형 불순물로 도핑된다. 제2 다결정 규소 이미터 영역들(120)은 얇은 유전체 층(124)의 제2 부분 상에 형성되고 P형 불순물로 도핑된다. 실시예에서, 터널 유전체(124)는 대략 2 나노미터 이하의 두께를 갖는 산화규소 층이다.
다시 도 3을 참조하면, 전도성 접점 구조물들(128/130)은 먼저 절연 층(126)을 침착하고 개구들을 구비하도록 절연 층(126)을 패턴화한 다음에 개구들 내에 하나 이상의 전도성 층을 형성함으로써 제조된다. 실시예에서, 전도성 접점 구조물들(128/130)은 금속을 포함하고, 침착, 리소그래피 및 에칭 접근법 또는 대안적으로 인쇄 또는 도금 공정, 또는 대안적으로 포일 접착 공정에 의해 형성된다.
도 4는 본 개시내용의 실시예에 따른, 기판의 배면 표면 내에 형성된 이미터 영역들을 갖고 기판의 수광 표면 상의 층들의 제1 예시적인 스택을 갖는, 배면-접점 태양 전지의 단면도를 예시한다.
도 4를 참조하면, 태양 전지는 수광 표면(102)을 갖는 규소 기판(100)을 포함한다. 패시베이팅 유전체 층(108)은 규소 기판(100)의 수광 표면 상에 배치된다. 진성 규소 층(110)은 패시베이팅 유전체 층(108) 상에 배치된다. N형 규소 층(112)은 진성 규소 층(110) 상에 배치된다. 반사 방지 코팅(ARC) 층(114)이 N형 규소 층(112) 상에 배치된다. 이와 같이, 도 4의 태양 전지의 수광 표면 상의 층들의 스택은 도 1a 내지 도 1e와 관련하여 기술된 것과 동일하다.
다시 도 4를 참조하면, 제1 실시예에서, 진성 규소 층(110)은 비정질 진성 규소 층이고, N형 규소 층(112)은 미세결정 또는 다결정 N형 규소 층이다. 제2 실시예에서, 진성 규소 층(110)은 미세결정 또는 다결정 진성 규소 층이고, N형 규소 층(112)은 비정질 N형 규소 층이다. 제3 실시예에서, 진성 규소 층(110)은 미세결정 또는 다결정 진성 규소 층이고, N형 규소 층(112)은 미세결정 또는 다결정 N형 규소 층이다.
도 4를 다시 참조하면, 기판(100)의 배면 표면 내에, 교번하는 P형(150) 및 N형(152) 이미터 영역들이 형성된다. 더 상세하게는, 실시예에서, 제1 이미터 영역들(152)은 기판(100)의 제1 부분 내에 형성되고 N형 불순물로 도핑된다. 제2 이미터 영역들(150)은 기판(100)의 제2 부분 내에 형성되고 P형 불순물로 도핑된다. 다시 도 4를 참조하면, 전도성 접점 구조물들(158/160)은 먼저 절연 층(156)을 침착하고 개구들을 구비하도록 절연 층(156)을 패턴화한 다음에 개구들 내에 하나 이상의 전도성 층을 형성함으로써 제조된다. 실시예에서, 전도성 접점 구조물들(158/160)은 금속을 포함하고, 침착, 리소그래피 및 에칭 접근법 또는 대안적으로 인쇄 또는 도금 공정, 또는 대안적으로 포일 접착 공정에 의해 형성된다.
도 5는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 3 및 도 4와 관련하여 기술된 태양 전지의 수광 표면 상에 배치된 층들의 제1 예시적인 스택에 대한 에너지 밴드 다이어그램(500)이다. 에너지 밴드 다이어그램(500)을 참조하면, N형 도핑된 규소(n), 진성 규소(i), 얇은 산화물 층(Tox), 및 결정질 규소 기판(c-Si)을 포함하는 재료 스택에 밴드 구조물이 제공된다. 페르미 준위가 502로 도시되며, 이 재료 스택을 갖는 기판의 수광 표면의 양호한 패시베이션을 나타낸다.
도 6a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 기판의 배면 표면 위에 형성된 이미터 영역들을 갖고 기판의 수광 표면 상의 층들의 제2 예시적인 스택을 갖는, 배면-접점 태양 전지의 단면도를 예시한다.
도 6a를 참조하면, 태양 전지는 수광 표면(102)을 갖는 규소 기판(100)을 포함한다. 진성 규소 층(110)은 규소 기판(100)의 수광 표면(102) 상에 배치된다(이 경우, 성장은 에피택셜일 수 있다). N형 규소 층(112)은 진성 규소 층(110) 상에 배치된다. 반사 방지 코팅(ARC) 층(114)이 N형 규소 층(112) 상에 배치된다. 이와 같이, 도 6a의 태양 전지의 수광 표면 상의 층들의 스택은 도 3과 관련하여 기술된 패시베이팅 유전체 층(108)을 포함하지 않는다. 그러나, 도 3과 관련하여 기술된 다른 특징들은 유사하다. 또한, 도 4와 관련하여 기술된 바와 같이, 이미터 영역이 기판 내에 형성될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
다시 도 6a를 참조하면, 제1 실시예에서, 진성 규소 층(110)은 비정질 진성 규소 층이고, N형 규소 층(112)은 미세결정 또는 다결정 N형 규소 층이다. 제2 실시예에서, 진성 규소 층(110)은 미세결정 또는 다결정 진성 규소 층이고, N형 규소 층(112)은 비정질 N형 규소 층이다. 제3 실시예에서, 진성 규소 층(110)은 미세결정 또는 다결정 진성 규소 층이고, N형 규소 층(112)은 미세결정 또는 다결정 N형 규소 층이다.
도 6b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 6a와 관련하여 기술된 태양 전지의 수광 표면 상에 배치된 층들의 제2 예시적인 스택에 대한 에너지 밴드 다이어그램(600)이다. 에너지 밴드 다이어그램(600)을 참조하면, N형 도핑된 규소(n), 진성 규소(i), 및 결정질 규소 기판(c-Si)을 포함하는 재료 스택에 밴드 구조물이 제공된다. 페르미 준위가 602로 도시되며, 산화물 층이 경로(604)를 막기 위해 제위치에 있지 않더라도 이 재료 스택을 갖는 기판의 수광 표면의 양호한 패시베이션을 나타낸다.
도 7a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 기판의 배면 표면 위에 형성된 이미터 영역들을 갖고 기판의 수광 표면 상의 층들의 제3 예시적인 스택을 갖는, 배면-접점 태양 전지의 단면도를 예시한다.
도 7a를 참조하면, 태양 전지는 수광 표면(102)을 갖는 규소 기판(100)을 포함한다. 패시베이팅 유전체 층(108)은 규소 기판(100)의 수광 표면(102) 상에 배치된다. 미세결정 또는 다결정 N형 규소 층(112)은 패시베이팅 유전체 층(108) 상에 배치된다. 반사 방지 코팅(ARC) 층(114)이 미세결정 또는 다결정 N형 규소 층(112) 상에 배치된다. 이와 같이, 도 7a의 태양 전지의 수광 표면 상의 층들의 스택은 도 3과 관련하여 설명된 미세결정 또는 다결정 또는 비정질 진성 규소 층(110)을 포함하지 않는다. 그러나, 도 3과 관련하여 기술된 다른 특징들은 유사하다. 또한, 도 4와 관련하여 기술된 바와 같이, 이미터 영역이 기판 내에 형성될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
도 7b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 7a와 관련하여 기술된 태양 전지의 수광 표면 상에 배치된 층들의 제3 예시적인 스택에 대한 에너지 밴드 다이어그램(700)이다. 에너지 밴드 다이어그램(700)을 참조하면, 미세결정 또는 다결정 N형 도핑된 규소(n), 얇은 산화물 층(Tox), 및 결정질 규소 기판(c-Si)을 포함하는 재료 스택을 위한 밴드 구조물이 제공된다. 페르미 준위가 702로 도시되며, 이 재료 스택을 갖는 기판의 수광 표면의 양호한 패시베이션을 나타낸다.
종합적으로, 소정 재료가 구체적으로 전술되었지만, 일부 재료는 본 개시내용의 실시예의 사상 및 범주 내에 있는 다른 그러한 실시예에서 다른 재료로 용이하게 대체될 수 있다. 예를 들어, 실시예에서, 3-5족 재료 또는 다결정 기판과 같은 상이한 재료의 기판이 규소 기판 대신에 사용될 수 있다. 또한, 기판은 n+ 또는 p+형 재료일 수 있음을 이해해야 한다. 또한, N+ 및 P+ 유형 도핑이 구체적으로 태양 전지의 배면 표면 상의 이미터 영역에 대해 기술되는 경우에, 고려되는 다른 실시예들이 반대 전도성 유형, 예컨대 각각 P+ 및 N+ 유형 도핑을 포함한다는 것이 이해될 것이다. 이는 전면 접점 전지들 및 양면 전지 아키텍처들에도 적용될 수 있다.
따라서, 결정질 규소를 갖는 태양 전지의 수광 표면을 패시베이팅하는 방법 및 결과적인 태양 전지가 개시되었다.
특정 실시예들이 상기에 기술되었지만, 이들 실시예는 단일 실시예만이 특정 특징에 대해 기술된 경우에도 본 개시내용의 범주를 제한하도록 의도되지 않는다. 본 개시내용에 제공된 특징부들의 예들은, 달리 언급되지 않는다면, 제한적이기보다는 예시적인 것으로 의도된다. 상기 설명은, 본 개시내용의 이익을 갖는 당업자에게 명백하게 되는 바와 같이, 그러한 대안예, 수정예 및 등가물을 포함하고자 의도된다.
본 개시내용의 범주는, 본 명세서에서 다루어지는 문제들 중 어느 문제 또는 모든 문제점들을 완화시키든 그렇지 않든 간에, 본 명세서에(명백히 또는 암시적으로) 개시된 임의의 특징부 또는 특징부들의 조합, 또는 이들의 임의의 일반화를 포함한다. 따라서, 특징부들의 임의의 그러한 조합에 대해, 본 출원(또는 이에 대한 우선권을 주장하는 출원)의 진행 동안에 신규 청구항이 만들어질 수 있다. 특히, 첨부된 청구범위를 참조하여, 종속항으로부터의 특징부가 독립항의 특징부와 조합될 수 있고, 각자의 독립항으로부터의 특징부들은 첨부된 청구범위 내에서 열거된 특정 조합들 내에서만이 아니라 임의의 적당한 방식으로 조합될 수 있다.
실시예에서, 태양 전지는 수광 표면을 갖는 규소 기판을 포함한다. 진성 규소 층은 규소 기판의 수광 표면 위에 배치된다. N형 규소 층은 진성 규소 층 상에 배치되고, 진성 규소 층 및 N형 규소 층 중 하나 또는 모두는 미세결정 또는 다결정 규소 층이다.
일 실시예에서, N형 규소 층은 대략 0.1 내지 0.9 범위의 결정질 분율을 갖는 N형 미세결정 또는 다결정 규소 층이고, 나머지는 비정질이다.
일 실시예에서, N형 미세결정 또는 다결정 규소 층의 N형 도펀트의 농도는 대략 1E17 내지 1E20 원자/㎤의 범위이다.
일 실시예에서, 태양 전지는 규소 기판의 수광 표면 상에 배치된 패시베이팅 유전체 층을 추가로 포함하며, 진성 규소 층은 패시베이팅 유전체 층 상에 배치된다.
일 실시예에서, 패시베이팅 유전체 층은 대략 10 내지 200 옹스트롬 범위의 두께를 갖는 이산화규소(SiO2)의 층이다.
일 실시예에서, 태양 전지는 N형 규소 층 상에 배치된 반사 방지 코팅(ARC) 층을 추가로 포함한다.
일 실시예에서, 수광 표면은 텍스처화된 표면 형태를 갖고, 진성 규소 층 및 N형 규소 층 모두는 수광 표면의 텍스처화된 표면 형태와 정합된다.
일 실시예에서, 기판은 수광 표면 반대편의 배면 표면을 추가로 포함하며, 태양 전지는, 기판의 배면 표면의 또는 그 위의 복수의 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들, 및 복수의 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들에 전기적으로 연결되는 전도성 접점 구조물을 추가로 포함한다.
실시예에서, 태양 전지는 수광 표면을 갖는 규소 기판을 포함한다. 패시베이팅 유전체 층은 규소 기판의 수광 표면 상에 배치된다. N형 미세결정 또는 다결정 규소 층은 패시베이팅 유전체 층 상에 배치된다.
일 실시예에서, N형 미세결정 또는 다결정 규소 층은 대략 0.1 내지 0.9 범위의 결정질 분율을 갖고, 나머지는 비정질이다.
일 실시예에서, N형 미세결정 또는 다결정 규소 층의 N형 도펀트의 농도는 대략 1e17 내지 1e20 원자/㎤의 범위이다.
일 실시예에서, 태양 전지는 N형 미세결정 또는 다결정 규소 층 상에 배치된 반사 방지 코팅(ARC) 층을 추가로 포함한다.
일 실시예에서, 패시베이팅 유전체 층은 대략 10 내지 200 옹스트롬 범위의 두께를 갖는 이산화규소(SiO2)의 층이다.
일 실시예에서, 기판의 수광 표면은 텍스처화된 표면 형태를 갖고, N형 미세결정 또는 다결정 규소 층은 수광 표면의 텍스처화된 표면 형태와 정합된다.
일 실시예에서, 기판은 수광 표면 반대편의 배면 표면을 추가로 포함하며, 태양 전지는, 기판의 배면 표면의 또는 그 위의 복수의 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들, 및 복수의 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들에 전기적으로 연결되는 전도성 접점 구조물을 추가로 포함한다.
실시예에서, 태양 전지의 제조 방법은 규소 기판의 수광 표면 상에 패시베이팅 유전체 층을 형성하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 패시베이팅 유전체 층 위에 N형 미세결정 또는 다결정 규소 층을 형성하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 N형 미세결정 또는 다결정 규소 층 상에 반사 방지 코팅(ARC) 층을 형성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, N형 미세결정 또는 다결정 규소 층을 형성하는 단계는 N형 비정질 규소 층을 침착하고, 이어서 N형 비정질 규소 층을 N형 미세결정 또는 다결정 규소 층으로 상 변환하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, N형 미세결정 또는 다결정 규소 층을 형성하는 단계는 N형 미세결정 또는 다결정 규소 층을 침착하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 방법은 패시베이팅 유전체 층 상에 진성 미세결정 또는 다결정 또는 비정질 규소 층을 형성하는 단계를 추가로 포함하며, N형 미세결정 또는 다결정 규소 층을 형성하는 단계는 진성 미세결정 또는 다결정 또는 비정질 규소 층 상에 형성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 패시베이팅 유전체 층을 형성하는 단계는 규소 기판의 수광 표면의 일부분의 화학적 산화, 이산화규소(SiO2)의 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD), SiO2 또는 AlOx의 원자 층 증착(ALD), 규소 기판의 수광 표면의 일부분의 열 산화, 및 O2 또는 O3 환경에서의 자외선(UV) 방사선에 대한 규소 기판의 수광 표면의 노출로 이루어진 군으로부터 선택되는 기술을 사용하는 것을 포함한다.

Claims (21)

  1. 태양 전지로서,
    수광 표면(light-receiving surface)을 갖는 규소 기판;
    규소 기판의 수광 표면 위에 배치된 진성 규소 층;
    진성 규소 층 상에 배치된 N형 규소 층; 및
    상기 규소 기판의 상기 수광 표면 상에 배치된 패시베이팅 유전체 층을 포함하고,
    진성 규소 층 및 N형 규소 층 중 하나 또는 모두는 미세결정 또는 다결정 규소 층이고, 상기 규소 기판의 배면 표면 상에 교번하는 P형 이미터 영역과 N형 이미터 영역이 형성되고, 상기 배면 표면과 상기 이미터 영역 사이에 산화규소 층이 형성되며, 상기 진성 규소 층이 상기 패시베이팅 유전체 층 상에 배치되는, 태양 전지.
  2. 제1항에 있어서, N형 규소 층은 0.1 내지 0.9 범위의 결정질 분율을 갖는 N형 미세결정 또는 다결정 규소 층이고, 나머지는 비정질인, 태양 전지.
  3. 태양 전지로서,
    수광 표면을 갖는 규소 기판;
    규소 기판의 수광 표면 상에 배치된 패시베이팅 유전체 층(passivating dielectric layer); 및
    패시베이팅 유전체 층 상에 배치된 N형 미세결정 또는 다결정 규소 층을 포함하고,
    상기 규소 기판의 배면 표면 상에 교번하는 P형 이미터 영역과 N형 이미터 영역이 형성되고, 상기 배면 표면과 상기 이미터 영역 사이에 산화규소 층이 형성되는, 태양 전지.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, N형 미세결정 또는 다결정 규소 층의 N형 도펀트의 농도는 1E17 내지 1E20 원자/㎤의 범위인, 태양 전지.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 패시베이팅 유전체 층은 10 내지 200 옹스트롬 범위의 두께를 갖는 이산화규소(SiO2)의 층인, 태양 전지.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    N형 규소 층 상에 배치된 반사 방지 코팅(ARC) 층을 추가로 포함하는, 태양 전지.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 수광 표면은 텍스처화된 표면 형태(texturized topography)를 갖고, 진성 규소 층 및 N형 규소 층 모두는 수광 표면의 텍스처화된 표면 형태와 정합(conformal)되는, 태양 전지.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 교번하는 N형 및 P형 이미터 영역들에 전기적으로 연결되는 전도성 접점 구조물을 추가로 포함하는, 태양 전지.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
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