KR20100075467A - Ⅳ족 나노입자 접합 및 이로부터 형성된 장치 - Google Patents

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Abstract

태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치가 공개된다. 이 장치는 제1 도펀트로 도핑되는 웨이퍼를 포함하며, 웨이퍼는 전면부와 배면부를 포함하며, 전면부는 태양 복사에 노출되게 구성된다. 이 장치는 또한 전면부에 배치되는 용융된 IV족 나노입자 박막을 포함하며, 나노입자 박막은 제2 도펀트를 포함하며, 제2 도펀트는 카운터 도펀트이다. 이 장치는 나노입자 박막에 배치되는 제1 전극과, 배면부에 배치되는 제2 전극을 더 포함하며, 태양 복사가 전면부에 가해질 때, 전류가 생성된다.

Description

Ⅳ족 나노입자 접합 및 이로부터 형성된 장치{GROUP IV NANOPARTICLE JUNCTIONS AND DEVICES THEREFROM}
본 출원은, 이들의 전체 공개서들이 참조로 포함되는, 기판 위에 접합들을 만들어내기 위한 방법들 및 장치를 명칭으로 하는, 2008년 2월 12일 출원된 미국 특허 출원 제12/029,838호와, 2007년 9월 4일 출원된 미국 가출원 제60/969,887호의 이익을 주장하고 있다.
본 공개서는 일반적으로 나노입자들에 관한 것이며, 특히 IV족 나노입자 접합들 및 이로부터 형성된 장치들에 관한 것이다.
반도체는 최신 전자 공학의 기초를 형성한다. 전도와 절연 사이에서 선택적으로 변경되며 제어될 수 있는 물리적 특성을 가지기 때문에, 반도체는 가장 최신의 전기 장치들(예를 들면, 컴퓨터, 휴대폰, 광전지 셀 등)에 필수적이다. IV족 반도체는 일반적으로 주기율표의 네번째 열의 원소들(예를 들면, 탄소, 실리콘, 게르마늄, 등)을 가리킨다.
일반적으로, 고체 반도체는 결정성, 다결정성, 비결정질의 세 가지의 형상으로 존재하는 경향이 있다. 결정성 형상에서, 반도체 원자들은 그레인 경계들이 없는 단일의 연속 결정 격자에 위치된다. 다결정성 형상에서, 반도체 원자들은 보다 작으며 불규칙하게 배향된 다수의 미세결정들(더 작은 결정들)로 위치된다. 미세결정들은 종종 그레인들로 불리어진다. 비결정질 형상에서, 반도체 원자들은 장거리에 걸친 위치의 규칙성(long-range positional order)을 보이지 않는다.
전도는 일반적으로 전자기장들을 통해, 전자들 또는 정공들(전자의 결핍)과 같은, 전기로 하전된 캐리어들의 이동을 가리킨다. 금속들은 이용할 수 있는 상당한 양의 전기로 하전된 입자들을 가지는 경향이 있으며, 반면에 절연체들은 거의 가지지 않는 경향이 있다.
불순물들(도펀트들(dopants)이라 불리는)이 없는 경우, 반도체는, 전류의 흐름을 막는, 절연체로 행동하는 경향이 있다. 그러나, 상대적으로 작은 양의 도펀트들의 첨가 후에, 반도체의 전기적인 특성이 전기로 하전된 캐리어들의 양을 증가시킴으로써 극적으로 도체로 변할 수 있다. 예를 들어, 광여기(photoexcitation)라 불리는 공정에서, 흡수된 광은 일반적으로 전체 전도성(광전도성)을 증가시키는 경향이 있는 전자-정공 쌍(electron-hole pair)(광캐리어들(photocarriers))을 만들어낼 것이다.
불순물의 종류에 따라, 반도체의 도핑된 영역은 더 많은 전자들(n-형) 또는 더 많은 정공들(p-형)을 가질 수 있다. 예를 들어, 통상적인 구성에서, "내부(built-in)" 전위를 가지는 (p-n) 접합을 만들어내기 위해 p-형 영역은 n-형(반대 도핑된(counter doped)) 영역의 옆에 배치된다. 즉, 두 개의 페르미 준위들(Fermi levels) 사이의 에너지의 차이이다.
양자 역학에서 일반적으로 받아들여지는 원리들 하에, 원자의 전자들은 특정한 에너지 레벨들만이 가능하도록 어떤 상태들로만 존재할 수 있다. 그러나, 특정한 에너지 상태들의 존재는 특정하여 결정될 수 없다. 결과적으로, 원자들의 결합(예를 들면, 고체)에 대해, 페르미 준위이라 불리는, 확률 분포 또는 밀도가 통상적으로 사용된다. 일반적으로, 페르미 준위는 에너지 상태들의 1/2이 채워지는 주어진 온도에서의 에너지 레벨을 말한다. 에너지 상태들은 고유적이며 양자의 수에 상응한다.
결과적으로, 전기장 내에 있는 접합의 p-형 측의 전자들은 n-형 영역으로 인력을 받고 p-형 영역으로부터 배척될 수 있으며, 반면에 접합의 n-형 측의 전기장의 내에 있는 정공들은 p-형 영역으로 인력을 받고 n-형 영역으로부터 배척될 수 있다. 일반적으로, n-형 영역 및/또는 p-형 영역은, 종종 n-, n+, n++, p-, p+, p++, 등과 같이 보여지는, 변하는 레벨들의 상대적인 도펀트 농도로 각각 구성될 수 있다. 내부 전위와 그에 따른 전기장의 크기는 일반적으로 두 개의 인접한 층들 사이의 도핑의 레벨에 달려있다.
다른 일반적인 구성에서, 접합은 양자 터널링 효과들(effects of quantum tunneling), 전자가 고전적으로 금지된 에너지 상태를 통해 천이하는 양자 역학적 효과를 완화시키기 위해 n-형 영역과 p-형 영역 사이에 진성(도핑되지 않은) 반도체 층(i-형)을 배치하는 것에 의해 만들어질 수 있다. 일반적으로, 공핍 영역(depletion region)에서, 발생된 전자기장은, 공핍 폭에 의해 나누어지는, 인가된 역 바이어스(reverse bias)와 내부 전위의 결과이다. 그러나, 내부 전위는 또한 공핍 영역의 결함 밀도에 반비례한다. 결과적으로, 높은 결함 밀도(즉, 불필요한 에너지 상태들)를 가지는 재료들에 대하여 터널링이 일어날 수 있다.
이와 같이, 더 낮은 결함 밀도를 가지는 i-형 영역이 터널링을 최소화하기 위해 사용될 수 있다. 즉, 결함 밀도를 낮춘다. 예를 들어, 진성 분리 층이 없이, p-n 접합이 충분히 좁다면, 높은 전자기장이 전자기장과 동일한 방향으로 터널링 전류를 발생시킬 수 있다. 즉, 터널링 전자들이 p-형 영역의 원자가 대역(valence band)으로부터 n-형의 전도 대역(conduction band)으로 직접 이동할 수 있다. 이와 대조적으로, p-n 접합이 이상적이라면, 끌어 당기는 전자기장을 위한 캐리어들이 없기 때문에 전류가 없을 것이다.
또 다른 일반적인 구성에서, 금속 접합이 저항(낮은 저항) 접점을 형성하기 위해서 금속 영역의 다음에 대량으로 도핑된 n-형 영역(n++) 또는 p-형 영역(p++)을 배치하는 것에 의해 만들어질 수 있다. 일반적으로, 금속의 다음에 도핑된 영역을 배치하는 것은 접합에서 전위 장벽(potential barrier)을 만들어낸다. 그러나, 도펀트 농도를 증가시키는 것은 또한 공핍 영역을 좁히는 경향이 있으며, 이는 더 높은 전자기장과, 그에 따른 더 높은 양자 터널링 확률을 만들어내는 경향이 있다. 더구나, 도펀트 농도를 증가시키는 것은 또한 전하 캐리어들(전자들 또는 정공들) 중의 적어도 몇몇이 전류가 되기 위해 전위 장벽을 뛰어 넘어서 금속 영역으로 가기에 충분한 열 에너지를 가지는 확률을 증가시키는 경향이 있다.
반도체를 도핑하는 몇몇 방법들이 있다. 그러나, 이들의 대부분은 문제가 있을 수 있다. 예를 들어, 통상의 방법은 실크-스크린을 통해 반도체 기판 위에 도핑된 유리를 부착시키는 것을 필요로 한다. 스퀴지(squeegee), 실크-스크린을 사용하는 프린팅 기술은 높게 도핑된 유리 페이스트와 같은 액체를 직접 기판에 기계적으로 가압하는 것이다. 일단 비교적 높은 온도(예를 들면, 800-1100℃)에 노출되면, 도펀트들은 높게 도핑된 유리로부터 기판으로 확산되기 쉽다. 높은 온도는 또한 기판을 어닐링하는(anneal) 경향이 있을 것이다.
어닐링은 일반적으로 재료들의 내부 응력들을 감소시키고/시키거나 그의 물리적 및 전기적 특성을 개선하기 위해 특정한 임계 온도 이상으로 재료를 가열하는 공정이다. 반도체 기판의 경우에, 어닐링은, 추가적인 전자들 또는 정공들(전자들 또는 정공들을 각각 공여하는 경향이 있는)이 전류의 전달에 이용될 수 있도록, 도펀트 원자들이 (높은 농도 영역으로부터 더 낮은 농도 영역으로) 적절히 확산되며 그들 자체가 격자에 위치되는 것을 허용한다. 이는 일반적으로 활성화("공여"의 유효성)라 불리며 효율적인 접합의 형성에 중요하다.
그러나, 스퀴지의 하부를 향한 기계적 힘은 또한 기판이 응력을 받게 하는 경향이 있으며, 그에 따라 기판의 전기적 및 물리적 특성에 악영향을 끼칠 수 있다. 배면 접촉 태양 전지와 같은, 다수의 부착 단계들이 요구되는 장치들에 대해, 응력이 가중된다. 일반적으로, 모든 추가적인 스크린 프린팅 단계는 손상 또는 파손 때문에 공정 수율을 감소시키는(그리고 비용을 증가시키는) 경향이 있다. 게다가, 스크린 패턴의 정렬은 또한 상당한 난제들을 가져올 수 있다. 예를 들어, 패턴 정렬이 나쁘면, 그 결과로 나오는 태양 전지들은 정상적으로 기능을 하지 않을 수 있으며(쇼트(short)) 나아가 공정 수율을 감소시킬 수 있다.
다른 도핑 방법에서, 도펀트들은 이온 주입을 통해 결정성 또는 다결정성 기판에 부착될 수 있다. 이온 주입은 일반적으로 높은 에너지에 있는 기판으로 도펀트 이온들을 가속시킨다. 확산 도핑과 마찬가지로, 기판은 또한 일반적으로 기판을 수리하며 도펀트들을 활성화시키기 위해 높은 온도에서 어닐링될 수 있다. 그러나, 도펀트 투여량이 높은 정밀도로 제어될 수 있다고 하더라도, 이온 주입은 특수하고 비싼 반도체 제조 설비의 사용을 필요로 하기 때문에 매우 비용이 많이 드는 경향이 있다.
마찬가지로, 도펀트들을 추가하기 위한 화학 증착(CVD)의 사용은 또한 결점들을 가진다. 일반적인 CVD 공정에서, 기판(절연체, 반도체, 또는 금속일 수 있는)은, 도핑된 막을 만들기 위해 기판의 표면과 반응 및/또는 분해시키는, 하나 이상의 휘발성 전구체들에 노출된다. 그러나, 이온 주입과 마찬가지로, CVD는 특수하고 비싼 반도체 제조 설비를 필요로 하기 때문에 비용이 많이 든다. 더구나, CVD는 또한, 막의 층들이 한 번에 단일 원자에 형성되므로, 매우 느린 경향이 있다.
다른 통상의 도핑 기술들은 가스상 도핑(gas phase doping)과 스프레이 타입 도핑을 포함하며, 이들 양쪽 모두는 동시에 p-형 및 n-형 도핑을 패터닝하는 능력의 부족으로 곤란을 겪고 있다.
앞에서 말한 관점에서, IV족 접합들을 제조하는 개선된 방법들과, 태양 전지들과 같은, 이로부터 형성된 장치들이 요구된다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
미국 특허 출원 제12/029,838호, 미국 가출원 제60/969,887호, 및 미국 특허 출원 제60/874,873호.
[비특허문헌]
A.N. Goldstein의 실리콘 나노결정들의 용융: 나노결정 전구체들로부터 유도된 초미세 박막 구조들, Applied Physics A, 1996, A. Cuevas 및 D. MacDonald의, 실리콘 웨이퍼들의 수명의 측정 및 해석, 76 Solar Energy 255 (2004), M. Green의, 실리콘 태양 전지들. Advanced Principles and Practice Chap. 10 (광전지 장치 및 시스템 센터, 뉴 사우스 웨일즈 대학교, 시드니 1995), 및 R. R. King, R. A. Sinton, R. M. Swanson의 확산 인 이미터들의 연구들: 포화 전류, 표면 재조합 속도 및 양자 효율, 37 no. 2, IEEE TRANS. ELEC. DEV. (1990).
일 실시예에서, 본 발명은 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치에 관한 것이다. 이 장치는 제1 도펀트로 도핑된 웨이퍼를 포함하며, 웨이퍼는 전면부 및 배면부를 포함하며, 전면부는 태양 복사에 노출되게 구성된다. 이 장치는 또한 전면부에 부착된 용융된 IV족 나노입자 박막을 포함하며, 나노입자 박막은 제2 도펀트를 포함하며, 제2 도펀트는 반대 도펀트(counter dopant)이다. 이 장치는 나노입자 박막에 부착되는 제1 전극 및 배면부에 부착되는 제2 전극을 더 포함하며, 태양 복사가 전면부에 가해질 때, 전류가 생성된다.
다른 실시예에서, 본 발명은 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치에 관한 것이다. 이 장치는 제1 도펀트로 도핑된 웨이퍼를 포함하며, 웨이퍼는 전면부 및 배면부를 포함하며, 전면부는 태양 복사에 노출되게 구성되며, 웨이퍼는 전면부 확산 영역을 더 포함하며, 전면부 확산 영역은 제2 도펀트로 도핑되며, 제2 도펀트는 제1 도펀트에 대한 반대 도펀트이다. 이 장치는 또한 전면부 확산 영역에 한 세트의 감소 영역 패턴들로 부착된 용융된 IV족 나노입자 박막을 포함하며, 용융된 나노입자 박막은 제3 도펀트를 포함하며, 제3 도펀트는 제1 도펀트에 대한 반대 도펀트이다. 이 장치는 전면부에 부착되는 제1 전극을 포함하며, 제1 전극은 한 세트의 감소 영역 패턴들과 전기로 접촉하며, 배면부에 부착되는 제2 전극을 포함하며, 태양 복사가 전면부에 가해질 때, 전류가 생성된다.
다른 실시예에서, 본 발명은 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치에 관한 것이다. 이 장치는 제1 도펀트로 도핑된 웨이퍼를 포함하며, 웨이퍼는 전면부 및 배면부를 포함하며, 전면부는 태양 복사에 노출되게 구성되며, 웨이퍼는 전면부 확산 영역을 더 포함하며, 전면부 확산 영역은 제2 도펀트로 도핑되며, 제2 도펀트는 제1 도펀트에 대한 반대 도펀트이다. 이 장치는 또한 웨이퍼의 하부에 구성되는 배면 층을 포함하며, 배면 층은 유전체 및 한 세트의 용융된 입자 감소 영역 접점들을 포함한다. 이 장치는 배면부에 부착되는 제2 전극을 더 포함하며, 제2 전극은 감소 영역 접점들과 전기로 접촉하며, 여기서 태양 복사가 전면부에 가해질 때, 전류가 생성된다.
다른 실시예에서, 본 발명은 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치에 관한 것이다. 이 장치는 제1 도펀트로 도핑된 웨이퍼를 포함하며, 웨이퍼는 전면부 및 배면부를 포함하며, 전면부는 태양 복사에 노출되게 구성된다. 이 장치는 또한 배면부에 제1 패턴으로 부착되는 제2 도펀트로 도핑된 제1 용융 IV족 나노입자 박막을 포함한다. 이 장치는 배면부에 제2 패턴으로 부착되는 제3 도펀트로 도핑된 제2 용융된 IV족 나노입자 박막을 더 포함하며, 제3 도펀트는 제2 도펀트에 대한 반대 도펀트이며, 제1 패턴은 제2 패턴과 서로 끼이게 된다(interdigitated). 이 장치는 또한 제1 용융된 IV족 나노입자 박막에 부착되는 제1 전극, 및 제2 용융된 IV족 나노입자 박막에 부착되는 제2 전극을 포함하며, 태양 복사가 전면부에 가해질 때, 전류가 생성된다.
IV족 접합들을 제조하는 개선된 방법들과, 태양 전지들과 같은, 이로부터 형성된 장치들이 제공된다.
본 발명은 첨부한 그림들의 도면에서, 제한을 하는 것이 아닌, 예로서 설명되며 유사한 참조 번호들은 유사한 요소들을 가리키며:
도1은 본 발명에 따른, 한 세트의 Si 나노입자들에 대한 표면적/체적을 직경과 비교하는 단순화된 도면을 보이며;
도2는 본 발명에 따른, IV족 나노입자에 대한 구형의 단순화된 도면을 보이며;
도3은 본 발명에 따른, Si 나노입자들에 대한 직경과 표면 오염 및 용융 온도의 비교를 보이며;
도4a 내지 도4c는 본 발명에 따른, 동심 유체-통과 플라즈마 반응기(concentric flow-through plasma reactor)의 한 세트의 개략적인 도면들을 보이며;
도5a는 종래의 확산 균질 이미터(emitter) 태양 전지의 단순화된 도면을 보이며;
도5b는 본 발명에 따른, 입자 균질 이미터 태양 전지의 단순화된 도면을 보이며;
도5c는 본 발명에 따른, 컨트롤(control)로서 p+ 이미터 웨이퍼, n+ BSF 웨이퍼, 및 블랭크 비부동태화 실리콘 웨이퍼(blank unpassivated silicon wafer)에 수행된 소수(minority) 캐리어 측정들의 결과들을 보이는 단순화된 도면을 보이며;
도5d는 본 발명에 따른, 도5b의 p+ 입자 평면 이미터에 대한 실험에 입각한 전류-전압 도표의 단순화된 도면을 보이며;
도5e는 본 발명에 따른, 도5b의 p+ 입자 평면 이미터에 대한 정상화된 양자 효율(QE)의 단순화된 도면을 보이며;
도5f는 본 발명에 따라, 잉크-부착 단계가 생략된 n-형 실리콘 웨이퍼 기판들에 대한 한 세트의 IV 곡선들을 가지는 단순화된 도면을 보이며;
도5h는 본 발명에 따른, 부착된 상태의 이미터(as-deposited emitter) 및 식각된 이미터(etched-down emitter)에 대하여 측정된 단순화된 양자 효율 도면을 보이며;
도5i는 본 발명에 따른, 부착된 상태의 이미터 및 식각된 이미터에 대하여 측정된 실험에 입각한 IV 곡선들의 단순화된 도면을 보이며;
도5j는 본 발명에 따른, 스핀-속도 변경을 통해 변경된, 다양한 이미터 두께들을 가지는 장치들에 대한 단순화된 대표적인 양자 효율 도면을 보이며;
도5k는 본 발명에 따른, 반사-방지 층이 없는 p+ 입자 균질 이미터 웨이퍼에 대한 반사-방지 층이 있는 p+ 입자 균질 이미터 웨이퍼의 반사율을 비교하는 단순화된 도면을 보이며;
도5l은 본 발명에 따른, AM1.5G 조명 하의 세 개의 보다 넓은 영역의 장치들에 대한 한 세트의 IV 곡선들을 보이며;
도5m은 본 발명에 따른, AM1.5G 조명 하의 20 cm2 장치에 대한 실험에 입각한 IV 곡선들의 단순화된 도면을 보이며;
도6a 및 도6b는 본 발명에 따른, 선택적 이미터 태양 전지들의 한 세트의 단순화된 도면들을 보이며;
도7a 및 도7b는 본 발명에 따른, 점 접합 태양 전지들의 한 세트의 단순화된 도면을 보이며;
도8a 및 도8b는 본 발명에 따른, 배면 점 전극 태양 전지들의 한 세트의 단순화된 도면들을 보인다.
본 발명은 첨부한 도면들에 도시된 바와 같이 이의 몇 개의 바람직한 실시예들을 참조하여 이제 상세하게 설명될 것이다. 다음의 설명에서, 수많은 구체적인 상세한 사항들이 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 설명된다. 그러나, 몇몇 또는 모든 구체적인 사항들이 없이 본 발명이 실시될 수 있다는 것은 본 기술분야에서 숙련된 사람에게는 명백할 것이다. 다른 경우들에서, 잘 알려진 공정 단계들 및/또는 구조들은 불필요하게 본 발명을 이해하기 어렵게 만들지 않도록 하기 위해 상세하게 설명되지 않았다.
이전에 설명된 바와 같이, 접합들을 형성하는 현재의 방법들은 비용이 많이 들고, 패턴을 형성하기 어려우며/어렵거나 기판에 손상을 주는 경향이 있다. 유리한 방식으로, 한 세트의 IV족 나노입자 층들이 효율적인 접합(예를 들면, p-n, 금속-실리콘, 등)이, 보다 쉬운 패턴성(patternability)과 함께, 보다 낮은 비용으로 형성될 수 있으며, 다른 방법들보다 기판에 대한 손상이 적게 야기되도록 만들어질 수 있다.
일반적인 태양 전지는 일반적으로 적어도 두 개의 요소들을 포함한다. 첫번째로, 흡수체 영역(일반적으로 반도체)이 빛의 흡수로 전하 캐리어들(전자들 및 정공들)을 발생시키기 위해 구성된다. 그리고 두번째로, 한 세트의 접합들이 (p-n 접합의 경우에) 이 전하 캐리어들을 분리시킬 뿐만 아니라 (금속-반도체 접합의 경우에) 태양 전지로부터 전하 캐리어들을 채널링하기 위해서 구성된다.
결과적으로, 태양 전지에 의해 생성된 전기의 양은 태양 전지의 내부에 있는 접합들의 효율과 직접 관련된다. 접합 효율은 일반적으로 경계를 가로질러 전하 캐리어들의 상당한 양을 전달하며 추출하는 능력을 반영한다. 매우 효율적인 접합들은 대부분의 전하 캐리어들이 통과하는 것을 허용하며, 반면에 비효율적인 접합들은 이를 허용하지 않는다.
자유 전하 캐리어는 일반적으로 입사 광자가 그의 원자로부터 캐리어를 자유롭게 하며 그에 따라 캐리어가 전기를 전도하기에 충분한 에너지를 가질 때만 만들어진다. 즉, 전자가 원자가 에너지 대역(원자가 대역)으로부터 전도 에너지 대역(전도 대역)으로 이동한다. 원자가 대역에서 전자들은 호스트 원자에 결합된다. 이와 대조적으로, 전도 대역에서, 전자들(및 원자가 대역에 있는 이들의 상응하는 정공들)은 자유로워지며 전하 캐리어들로서 기능을 하기에 충분한 에너지를 가진다. 원자가 대역과 전도 대역 사이에는 일반적으로, 대역 갭(band gap)이라 불리는, 전자에 의해 점유될 수 없는 에너지들의 범위가 있다.
만약 이 대역 갭이 크다면(~> 5.0 eV), 이 재료는 절연체이다. 만약 대역 갭이 작거나 존재하지 않는다면(~ 0.0 eV), 이 재료는 금속이다. 그러나, 만약 이 대역 갭이 중간의 어디에 있다면, 이때 이 재료는 반도체로서 기능을 할 수 있다. 예를 들어, Si는 약 1.12eV의 대역 갭을 가진다.
이전에 설명된 바와 같이, 페르미 준위는 에너지 상태들의 1/2이 채워지는 주어진 온도에서의 에너지 레벨을 말한다. 에너지 상태들은 고유하며 양자 수와 상응한다. 결과적으로, IV족 반도체와 같은, 반도체에 대한 비교적 작은 양의 도펀트들의 첨가는 전기로 하전된 캐리어들의 양을 증가시킬 수 있다. 만약 n-형 도펀트가 첨가되면[예를 들면, P(인), As(비소), Sb(안티몬), 등] 페르미 준위가 전도 대역에 더 가까운 위치까지 증가된다. 마찬가지로, p-형 도펀트가 첨가될 때[예를 들면, B(붕소), Ga(갈륨), In(인듐), 등], 페르미 준위가 원자가 대역에 더 가까운 위치까지 감소된다.
일반적으로, p-형 영역이 n-형 영역의 다음에 위치될 때, p-n 접합이 만들어진다. 결과적으로, 각각의 영역의 페르미 준위들이 평형을 이룰 때, 전기장(또는 내부 전위)이 형성되는 경향이 있다. 전기장 내의 p-형 영역에 만들어진 전자들(전자 소수 캐리어들)은 n-형 영역으로 인력을 받을 수 있고 p-형 영역으로부터 배척될 수 있으며, 반면에 이 전기장 내의 n-형 영역에 만들어진 정공들(정공 소수 캐리어들)은 p-형 영역으로 인력을 받을 수 있고 n-형 영역으로부터 배척될 수 있다. 이 소수 캐리어들은 이때 전기를 만들어내기 위해 태양 전지로부터 채널링될 수 있다.
전자-정공 쌍들이 발생될 때, 각각은 n-형 영역 또는 p-형 영역 각각의 근처의 전기장의 영향 하에 들어 오고 결국 외부 회로의 접점들에 의해 추출될 때까지 격자를 통해 확산하는 데 이용할 수 있다. 그러나, p-형 영역, n-형 영역, 흡수체, 또는 이들의 계면 내의 결함들은 소수 캐리어들을 파괴함으로써 전하 트랩을 만들어낼 수 있다.
격자 구조의 파괴들, 격자 간의 원자들의 존재(결정 구조 내부에 있지만 격자 사이트에는 없는), 또는 오염물들(예를 들면, 산소, 산소 복합체들, 등)은, 전도 대역의 아래에, 대역 갭에 중간 에너지 상태들을 만들어낼 수 있다. 결과적으로, 소수 캐리어들은 태양 전지로부터 채널링되는 대신에 재조합하며, 그에 따라 전기를 발생시키는데 이용할 수 없다.
따라서 결정 격자 구조(예를 들면, Si 웨이퍼, 등)는 광전지 어플리케이션들에서 재조합을 최소화하기 위한 흡수체들로서 선호된다. 예를 들어, Si 웨이퍼(흡수체)는 처음에 n-형 또는 p-형으로 만들어질 수 있으며, 그런 다음에, p-n 접합을 만들어내기 위해, 반대의 도펀트, n-형(n+) 또는 p-형(p+) 각각이 적당한 기술(예를 들면, 화학 증착, 이온 주입, 가스상 확산, 스프레이 확산(spray-on diffusion), 스핀 확산(spin-on diffusion), 도핑된 유리, 등)을 사용하여 일 측에 주입된다. 그러나, 이전에 기술된 바와 같이, 확산 공정은 비용이 많이 들며 패터닝(patterning)에 융통성이 없는 경향이 있다.
게다가, 이전에 기술된 바와 같이, 도핑된 유리를 부착하는 것이 문제가 될 수 있다. 예를 들어, 도핑된 유리는 종종 실크-스크린을 통해 도포된다. 실크-스크린은 일반적으로 고도로 도핑된 유리 페이스트와 같은 액체를 기판에 직접 기계적으로 가압하기 위해 스퀴지를 사용하는 프린팅 기술이다. 결과적으로, 하부를 향한 기계적인 힘은 기판이 추가적인 응력들을 받게 하는 경향이 있으며, 그에 따라 이 기판의 전기적인 및 물리적인 특성에 악영향을 끼칠 수 있다.
게다가, 배면 접점 태양 전지와 같은, 도핑된 유리를 가진 기판의 동일한 면에 교대로 n-형 및 p-형 영역들을 만들어내는 것은 다수의 스크린 프린팅 단계들을 필요로 한다. 일반적으로, 모든 추가적인 스크린 프린팅 단계는 프린팅 또는 취급 중의 손상 또는 파손 때문에 공정 수율을 감소시킬 수 있다. 웨이퍼 파손은 또한 생산 라인의 작업 중단을 일으킬 수 있으며, 나아가 비용을 증가시킨다. 완충 산화물 식각(BOE: buffered oxide etch)이 일반적으로 스크린 프린팅 도펀트 확산 공정 중에 형성된 산화물 막을 벗겨내기 위해 요구된다.
기판 상의 이미 존재하는 패턴들에 뒤따르는 스크린 패턴을 정렬하는 것은 또한 상당한 어려움을 제공한다. 예를 들어, 만약 패턴 정렬이 나쁘면, 그 결과로 나오는 태양 전지들은 정상적으로 기능을 하지 않을 수 있으며(쇼트) 나아가 공정 수율을 감소시킬 수 있다.
더욱이, 금속-반도체 접합들이 또한 문제를 일으키는 경향이 있다. p-n 접합들과 마찬가지로, 금속 영역과 도핑된 반도체 영역 사이에 전위 장벽을 만들어내는 금속-반도체 접합들의 페르미 준위들은 또한 평형을 유지하는 경향이 있다. 결과적으로, 금속 영역의 다음에 대량으로 도핑된 n-형 영역(n++) 또는 p-형 영역(p++)을 배치하는 것은 양자 터널링 및/또는 가열로 조장된 터널링을 통해 저항(낮은 저항) 접점을 형성하는데 도움을 준다.
그러나, 도펀트들의 첨가는 또한 전하 캐리어 확산 길이를 감소시킬 수 있다. 확산 길이는 일반적으로 캐리어가 발생 점으로부터 재조합할 때까지 이동할 수 있는 평균 거리이다. 결과적으로, 더 높은 도펀트 농도가 금속-반도체 경계의 효율을 증가시키지만, 또한 캐리어 확산 길이를 감소시킴에 따라, 금속과 접촉하는 태양 전지의 영역들은 최적화되기 어렵다. 즉, 금속-반도체 경계에 도달하는 많은 캐리어들은 통과할 것이지만, 그렇게까지 멀리까지 도달하는 캐리어들은 거의 없다.
유리한 방식으로, 변하는 도펀트 농도들의 다수의 영역들이 경계 효율 및 캐리어 확산 길이를 최적화하는데 사용될 수 있다.
IV족 나노입자들의 특성
일반적으로, 나노입자는 100 nm보다 작은 적어도 하나의 치수를 가지는 미세 입자이다. 용어 "IV족 나노입자"는 일반적으로 약 1 nm에서 100 nm 사이의 평균 직경을 가지며, 실리콘, 게르마늄, 탄소, 또는 이의 조합들로 구성되는 수소로 끝나는(hydrogen terminated) IV족 나노입자들을 가리킨다. 용어 "IV족 나노입자"는 또한 도핑된 IV족 나노입자들을 포함한다.
그 크기에 관계 없이 일정한 물리적 특성(예를 들면, 녹는 온도, 끓는 온도, 밀도, 전도성, 등)을 가지는 경향이 있는 벌크 재료(> 100 nm)와 비교하여, 나노입자들은 크기에 의존하는 물리적 특성을 가질 수 있으며, 그에 따라 접합들과 같은 적용들에 유용하다. 예를 들어, 반도체 나노입자들은, 실크-스크린 또는 부착과 같은, 다른 방법들과 비교할 때 p-n 접합들을 형성하기 위해 더 쉽고 값싸게 패터닝될 수 있다.
그러나, 이들은 벌크 고체들과 비교하여 상당히 큰 표면적들을 가지기 때문에, IV족 나노입자들은 또한 오염에 크게 영향을 받기 쉬운 경향이 있다. 일반적으로, 주위의 산소 또는 물 분자들이 IV족 나노입자들과 접촉하는 것을 완전하게 방지하는 것이 극히 어렵기 때문에, 오염은 종종 산화 및/또는 가수분해와 같은 이런 화학 반응들로부터 일어난다. 결과적으로, 아주 작은 양의 오염도 소결을 방해할 수 있으며(즉, IV족 나노입자들의 물리적인 연결로 간섭함), 치밀한 층 형성을 지연시킬 수 있으며(즉, 재료의 다공성을 증가시키며 그에 따라 전도성을 감소시킴), 그리고 전자-정공 재조합 사이트들을 제공할 수 있다(즉, 결합된 접합에서 전류 발생을 약화시킴).
유리한 방식으로, IV족 나노입자들은 오염을 최소화하기 위해 대체로 구 형상으로 형성될 수 있다. 일반적으로, 주어진 체적을 가지는 모든 고체들에서, 구는 가장 작은 표면적을 가지는 것이다. 마찬가지로, 주어진 표면적을 가지는 모든 고체들에서, 구는 가장 큰 체적을 가지는 것이다. 결과적으로, 구형의 나노입자는 오염으로부터 가장 많은 수의 IV족 원자들을 차단하는 경향이 있을 것이며, 그에 따라 접합 형성에 유리하다.
일반적으로, 반도체 나노입자들은 접합을 만들어내기 위해 일반적으로 치밀한 연결된 영역들로 형성되어야 한다. 하나의 이런 방법은 소결이다. 일반적으로 입자들을 서로 접착시키고, 크기에 의존하는 용융이 발생하기 전에 상호 작용하는 나노결정들을 소결하기 위한 방법이다. A.N. Goldstein의 실리콘 나노결정들의 용융: 나노결정 전구체들로부터 유도된 초미세 박막 구조들, Applied Physics A, 1996. 결과적으로, 대체로 구형이며 바람직하게는 직경이 약 4 nm과 약 100 nm 사이인 IV족 나노입자들은 보다 낮은 온도들에서 소결되는 경향이 있으며, 그에 따라 접합들을 만들어내는데 유리하다. 또 다른 구성에서, IV족 나노입자들은 대체로 구형이며 보다 바람직하게는 직경이 약 4.0 nm과 20.0 nm 사이이다. 또 다른 구성에서, IV족 나노입자들은 대체로 구형이며 가장 바람직하게는 7.0 nm이다.
이제 도1을 참조하면, 본 발명에 따라, 한 세트의 Si 나노입자들에 대한 직경과 표면적/체적을 비교하는 단순화된 도면이 보여진다. 수평축(104)이 나노미터 단위의 Si 나노입자 직경을 보이며, 수직축(106)은 m-1단위의 Si 표면적/체적을 보인다.
일반적으로, Si 원자들은 약 0.118 nm의 원자 반경을 가지며 약 0.5431 nm의 셀 치수(cell dimension)를 가지는 다이아몬드 결정 구조를 형성하는 경향이 있다. 더구나, 비록 보여지지는 않지만, 0.125 nm의 원자 반경과 약 0.566 nm의 셀 치수를 가지는 Ge는 Si의 직경에 대한 면적/체적 곡선과 대체로 유사한 직경에 대한 면적/체적 곡선을 가질 것이다.
4 nm 이하의, 파국적인 오염 영역(102)에서, 표면적/체적 비는 약 1.5 m-1(약 4 nm에서)으로부터 약 6.0 m-1(1 nm에서)까지 대체로 증가하기 시작한다. 결국, 모든 Si 원자들은 본질적으로 표면 또는 쉘 원자들이며, 오염의 가능성은 극히 높다. 따라서, 오염의 감소를 위해, IV족 나노입자들은 직경이 약 4 nm보다 더 커야 한다.
이제 도2를 참조하면, 본 발명에 따른, IV족 나노입자들에 대한 구형을 보이는 단순화된 도면이 보여진다. 일반적으로, 입자 형상의 균등성 또는 구형에 대한 측정은 투과 전자 현미경법의 이미지들을 사용하는 것에 의해 얻어질 수 있다. 투과 전자 현미경법(TEM: transmission electron microscopy)은 전자의 빔이 시료를 통해 투과되어, 이미지가 형성되고, 확대되어 형광성 스크린 또는 사진용 필름의 층에 나타나거나 CCD 카메라와 같은 센서에 의해 검출되도록 하는 이미징 기술이다.
입자 크기들은 개별 입자들을 확인하고 그래프의 예에 보여지는 바와 같이 입자의 가장 짧은 치수와 가장 긴 치수를 교차하여 직선을 그리는 것에 의해 측정될 수 있다. 균등성(Uniformity)은 입자의 최소 직경에 대한 최대 직경의 비로 정의될 수 있다. 가장 짧은 치수(L2)에 대한 가장 긴 치수(L1)의 비로 정의되는 입자의 치수를 측정함으로써, 구형의 레벨로서 측정치(L1/L2)를 얻을 수 있다. 예를 들어, 이상적인 구형의 입자에 대하여, 균등성은 약 1.0과 같다. 불균등한 입자에 대하여, 균등성은 일반적으로 대체로 약 1.0보다 크다. 예를 들어, 만약 입자가 막대 또는 바늘 형상이라면, L1/L2 비는 5보다 클 수 있다. 최적의 구형은 일반적으로 약 1.0과 약 2.0 사이이다. 표면 오염 이외에, 2 이하의 L1/L2 비가 잉크젯 프린팅과 같은 나노입자 적용 기술들에 유리하다.
이제 도3을 참조하면, 표면 오염과 녹는 온도가 본 발명에 따른 Si 나노입자들에 대한 직경과 비교된다. 수평축(306)은 Si 나노입자 직경을 보인다. 좌측의 수직축(308)은 입자 표면 오염물들을 보이며 우측의 수직축(310)은 ℃ 단위의 온도를 보인다.
약 4 nm 직경에서, Si 입자 표면 오염은, 이전에 보여진 바와 같이 약 1.5 m-1의 표면적/체적 비에 상응하는, 약 1.02 x 1021 원자/cm3이다. Si 입자 표면 오염은 파국적인 오염 영역(102)에서 약 1.02 x 1021 원자/cm3 이상으로 증가하므로, 이전에 기술된 바와 같이, 소결, 치밀한 층 형성 및 전자-정공 재조합이 악화된다.
이와 대조적으로, 약 13 nm 이하에서, Si 나노입자의 소결 온도는 직경 크기의 상응하는 감소와 함께 급격하게 감소한다. 약 13 nm 이상에서, 소결 온도가 직경 크기의 상응하는 증가와 함께 서서히 증가하여, 결국 약 947℃, 또는 Si의 녹는 온도(약 1414℃)의 67%에 도달한다고 믿어지고 있다. 마찬가지로, 게르마늄에 대하여, 비록 도면에 보여지지는 않지만, 소결 온도가 또한 직경 크기의 상응하는 증가와 함께 서서히 증가하여, 결국 약 628℃, 또는 Ge의 녹는 온도(약 938℃)의 67%에 도달한다고 믿어지고 있다.
이전에 설명된 바와 같이, 소결은 일반적으로 입자들을 서로 접착되게 하며 막들의 치밀화를 유도하는 방법이다. 결과적으로, 이들의 작은 곡률 반경 때문에, 입자의 녹는점의 약 2/3의 온도에 도달할 때 나노입자들이 일반적으로 소결되기 시작한다고 믿어지고 있다. 더구나 나노입자들의 네크(neck) 영역들에서 상승된 온도들에 의해 발생된 커다란 전단 응력들이 두 개의 가장 가까이 위치된 나노입자들 사이의 소성 변형을 일으키는 경향이 있다고 믿어지고 있다. 주어진 나노입자들의 재료에 대해, 더 작은 나노입자들은 일반적으로 더 큰 나노입자들의 소결 온도보다 더 낮은 소결 온도를 가진다.
일반적으로, 종래의 접촉 열 공급원들(예를 들면, 저항 히터들, 등)뿐만 아니라 방사 열 공급원들(예를 들면, 램프들, 레이저들, 마이크로웨이브 처리 설비, 플라즈마들, 텅스텐-할로겐, 연속 아크 램프들, 플래시 램프들, 등)과 같은, 다양한 열 공급원들이 나노입자들을 소결시키는데 사용될 수 있다. 레이저들의 경우에, 약 0.3 미크론과 약 10 미크론 사이의 파장 범위가 일반적으로 최적이다.
유리한 방식에서, 소결 온도를 낮추는 것은 웨이퍼를 손상시킬 수 있으며 광전지 어플리케이션들에서 소수 캐리어의 수명을 감소시킬 수 있는 하부에 있는 기판에 열적으로 유도된 응력을 감소시킨다.
게다가, 낮은 소결 온도는 또한 대체로 IV족의 녹는 온도 이하의 녹는점을 가질 수 있는 접합(즉, 기판, 유전체 층, 등)에서 또는 그 근처에서 다른 재료들의 사용을 허용한다. 예를 들어, 약 400℃의 그래스 온도를 가지는 폴리미드들(polymides)(예를 들면, 캡톤(Kapton), 캡트렉스(Kaptrex), 등)이 전기 접합들의 제조를 위한 유전체와 마스크 모두로서 사용될 수 있다. 게다가, 소결 온도를 낮추는 것은 PV 셀 구조로 이미 확산된, 그렇지 않으면 PV 셀 구조의 내부에 위치되는, 도펀트들의 추가 확산이 없이 막 형성을 허용할 수 있다. 결과적으로, IV족 나노입자 직경을 충분히(이 예에서 약 7 nm까지) 감소시킴으로써, 치밀한 나노입자 층이 폴리미드 층 위에 형성될 수 있다.
IV족 나노입자 콜로이드 분산액들(잉크들)의 특성
더욱이, 더 작은 입자들은 콜로이드 분산액에서 더욱 쉽게 부유될 수 있다. 이들의 작은 크기 때문에, 나노입자들은 다루기 어려운 경향이 있다. 결과적으로, 유리한 방식으로, 모인 나노입자들은 나노입자들을 이송하고 저장하기 위해, 잉크와 같은, 콜로이드 분산액 또는 콜로이드에서 부유될 수 있다.
일반적으로, 용매와 입자 표면의 상호 작용이 통상적으로 액체에서 재료를 가라앉거나 부유하게 하는 밀도의 차이들을 극복할 정도로 충분히 강하기 때문에 IV족 나노입자들의 콜로이드 분산이 가능하다. 즉, 더 작은 나노입자들은 더 큰 나노입자들보다 더 쉽게 분산된다.
일반적으로, IV족 나노입자들은 진공, 또는 그 밖의 불활성의 대체로 무산소 환경 하에서 콜로이드 분산으로 전이된다. 더구나, 입자 분산 방법들과 초음파 처리, 고전단 믹서들(high shear mixers), 및 고압/고전단 균질화기들(high pressure/high shear homogenizers)과 같은 설비의 사용은 선택된 용매 또는 용매들의 혼합물에서 나노입자들의 분산을 촉진하는데 사용될 수 있다.
용매들의 예들은 알코올들, 알데히드들, 케톤들, 카르복시산들, 에스테르들, 아민들, 유기 실록세인들, 할로겐화 탄화 수소들, 및 다른 탄화 수소 용매들을 포함한다. 더구나, 이 용매들이 점도, 밀도, 극성, 등과 같은 물리적 특성을 최적화하기 위해 혼합될 수 있다.
게다가, 콜로이드 분산액에서 IV족 나노입자들을 보다 양호하게 분산시키기 위해, 나노입자 캡핑그룹들(nanoparticle capping groups)이 알코올들, 알데히드들, 케톤들, 카르복시산들, 에스테르들, 및 아민들뿐만 아니라 유기 실록세인들과 같은, 유기 화합물들의 첨가로 형성될 수 있다. 또는, 캡핑그룹들은 플라즈마 챔버로 가스들을 첨가하여 현장에서 추가될 수 있다. 이 캡핑그룹들은 그 후에 소결 공정 중에, 또는 소결 공정 바로 전의 저온 예열에서, 제거될 수 있다.
예를 들어, 캡핑된 IV족 반도체 나노입자들의 준비에 사용하기에 적당한 대량의 캡핑제들은 제3급-부타놀, 이소부타놀, 시클로헥사놀, 메틸시클로헥사놀, 부타날, 이소부타날, 및 시클로헥사논과 같은, C4-C8 분기 알코올들, 환상 알코올들, 알데히드들, 및 케톤들, 및 메톡시(트리스(트리메틸실릴)실레인)(MTTMSS), 트리스(트리메틸실릴)실레인(TTMSS), 데카메틸테트라실록세인(DMTS), 및 트리메틸메톡시실레인(TMOS)과 같은 유기 실록세인들을 포함한다.
일단 제조되면, 콜로이드 분산액은 IV족 나노입자들을 고밀도의 전도성 막으로 소결시키기 위해 기판에 적용될 수 있으며 열 처리를 받게 된다. 적용 방법들의 예들은 롤 코팅, 슬롯 다이 코팅, 그라비어 프린팅, 플렉소그래픽 드럼 프린팅(flexographic drum printing), 및 잉크젯 프린팅 방법들, 등을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.
하나의 특정한 구성에서, 유리한 방식으로, 콜로이드 분산액은 잉크젯 프린터에 의해 패턴이 형성된 영역들에 적용될 수 있다. 잉크젯 프린터들은 일반적으로 각각의 노즐 뒤의 잉크 충전 챔버에 있는 압전성 재료로 구성된다. 전압이 가해질 때, 이 결정은 형상 또는 크기를 변화시키며, 이는 유체에 압력 펄스를 발생시켜서 노즐로부터 잉크의 작은 물방울이 나오게 한다.
IV족 나노입자들의 경우에, 콜로이드 분산액들은 프린팅성(printability)을 최적화하기 위해 선택된 용매들에서 잘 분산되어야 하며 0.5㎛ 필터를 통해(보다 바람직하게는 0.3㎛ 필터를 통해) 쉽게 여과되어야 한다(일반적으로 "미크론" 단위가 필터들에 사용된다).
게다가, 도핑된 IV족 나노입자 콜로이드 분산액의 다양한 구성들은 도핑된, 도핑되지 않은, 및/또는 상이하게 도핑된 IV족 나노입자의 선택적인 혼합에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어, 접합의 특정한 층에 대한 요구조건들을 달성하기 위해 도핑된 및 도핑되지 않은 IV족 나노입자들을 혼합하는 것에 의해 이 층에 대한 도펀트 레벨이 형성된, 혼합된 IV족 나노입자 콜로이드 분산액들의 다양한 제제들이 준비될 수 있다. 또는, 혼합된 IV족 나노입자 콜로이드 분산액들은 바람직하지 않은 에너지 상태들을 줄이기 위해, 산소 원자들의 부동태화(passivation)와 같은, 기판의 결함들을 상쇄하는데 사용될 수 있다.
더욱이, 유리한 방식으로, 도핑된 나노입자들은 그 자체가 도펀트들을 웨이퍼로 확산시키는 캐리어로 사용될 수 있다. 즉, 위에 설명된 도핑된 유리의 사용과 유사한 방식으로, 도핑된 나노입자들(n-형 또는 p-형 각각)의 콜로이드 분산액이 잉크젯 프린팅과 같은 적당한 부착 기술로 웨이퍼에 부착될 수 있으며, 그 다음에 도펀트를 웨이퍼로 확산시키기 위해 가열될 수 있다. 결과적으로, 나노입자 부착은 그 자체가 전도성이기(도핑된 유리와 다르게) 때문에 BOE가 이의 제거를 위해 요구되지 않는다. 따라서, 액체 뱃치 공정 단계(liquid batch process step)는 생산 수율을 개선하기 위해 제거될 수 있다.
IV족 나노입자들을 제조하기 위한 장치
이제 도4a 내지 도4c를 참조하면, 본 발명에 따른, 동심 유체 통과 플라즈마 반응기의 한 세트의 개략적인 도면들이 보여진다. 도4a는 측면도를 보인다. 도4b는 단면도를 보인다. 도4c는 제1 유전체 및 제2 유전체에 코팅을 추가한 도4b의 단면도를 보인다.
일반적으로, IV족 전구체 가스, 한 세트의 불활성 가스들뿐만 아니라, 도펀트 가스(요구된다면)는, 일반적으로 환형의 채널을 통해 유동되며 한 세트의 전극들 사이의 반응 영역에서 점화된다. 플라즈마를 일으키고 그 후에 일반적으로 반응 영역의 하류에서 수집되는 IV족 나노입자들을 분리하여 형성하기 위해 RF(무선 주파수) 신호가 전력이 공급된 전극에 가해진다.
일반적으로, 동심 유체-통과 플라즈마 반응기는 외부 튜브(3214) 및 외부 튜브(3214)에 대한 길이방향의 축을 따라 동심원 상에 위치되는 내부 튜브(3215)로 구성된다. 외부 튜브(3214)의 내측과 내부 튜브(3215)의 외측의 영역으로 한정되는 환형 채널(3227)은 입구 플랜지(3218a)와 출구 플랜지(3218b)에 의해 주위의 대기로부터 밀봉될 수 있다.
플라즈마 반응 영역(즉, 나노입자들이 만들어지는 영역)은 튜브-형상의 외부 전극(3225)(외부 튜브(3214)의 외측에 배치되는)과, 튜브-형상의 외부 전극(3225)(외부 전극 튜브)에 대한 길이방향의 축을 따라 동심원 상으로 배치되며, 나아가 내부 튜브(3215)의 내측에 배치되는, 튜브-형상의 중심 전극(3224)(중심 전극 튜브) 사이로 환형 채널(3227)의 내측에 있는 영역으로 한정된다. 일반적으로, 전구체 가스 또는 가스들이 입구 플랜지(3218a)에 있는 입구(도시되지 않음)와 유체로 연통되는 전구체 가스 공급원으로부터 유동 경로(3211)를 따라 환형 채널(3227)로 도입될 수 있다. 유사하게, 플라즈마 반응기 챔버의 내부에서 제조되는 나노입자들은 출구 플랜지(3218b)에 있는 출구(도시되지 않음)를 통해 나노입자 수집 챔버(도시되지 않음)로 나갈 수 있다. 또는, 나노입자들은 플라즈마 반응기 챔버에 내장되는 기판 또는 그리드(grid)에 수집될 수 있다.
일반적으로, 튜브-형상의 중심 전극(3224)은 플라즈마 반응기의 대부분을 따라 연장되게 구성된다. 게다가, 튜브-형상의 중심 전극(3224)과 튜브-형상의 외부 전극(3225)은 구리 또는 스테인리스 강과 같은 금속들을 포함하는, 어떤 충분한 전기 전도성 재료들로 만들어질 수 있다.
외부 튜브(3214)는 외부 튜브(3214)의 내부면에 배치되는 외부 튜브 유전체 층(3209)에 의해 플라즈마로부터 보호될 수 있다. 일반적으로, 외부 튜브(3214)는, 유전체 재료와 같이, 발생된 플라즈마와 대체적으로 간섭을 일으키지 않는 어떤 재료일 수 있다. 일 실시예에서, 외부 튜브(3214)와 외부 튜브 유전체 층(3209)은, 상이한 유전체 재료들과 같이, 상이한 재료들로 이루어진다. 다른 실시예에서, 외부 튜브(3214)와 외부 튜브 유전체 층(3209)은 석영과 같은 동일한 물리적 구조와 재료이다. 마찬가지로, 내부 튜브(3215)는 내부 튜브 유전체 층(3213)에 의해 플라즈마로부터 더 보호될 수 있다. 유전체 재료들의 예들은 석영, 사파이어, 퓸 실리카(fumed silica), 폴리카보네이트 알루미나, 실리콘 니트라이드, 실리콘 카바이드, 및 보로실리케이트를 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.
일반적으로, 나노입자의 합성 중의 플라즈마 반응기 조건들은 제조된 나노입자들의 특성 및 구조에 중대한 영향을 끼친다. 입자 합성의 핵생성 및 성장 단계들 중에, 개개의 입자는 가해진 플라즈마 전력, 반응기 압력, 및 가스 조성과 반응기 구조에 의존하는 온도를 가질 것이다.
일반적으로, 특정한 온도 이하에서 제조된 IV족 나노입자들은 비결정질일 것이며, 합성 중에 더 뜨겁게 하여 제조된 입자들은 결정성이다. 결정도에 더하여, 합성 중의 입자 온도는 도펀트의 활성에 영향을 끼칠 것이다. 합성 중에 더 높은 온도에 노출되었던 도핑된 나노입자들은, 저온에서 제조된 입자들에 있는 전기적으로 비활성인 도펀트들과 대조적으로, 전기적으로 활성인 도펀트들을 가질 것이다. 도핑된 IV족 입자들의 플라즈마 합성 파라미터들을 제어함으로써 이들의 전기적 및 구조적 특성을 변경하는 것이 가능하다.
다양한 도펀트 가스들이 도핑된 IV족 나노입자들을 만들어내기 위해 사용 가능하다. IV족 전구체 가스들의 예들은 실레인, 디실레인, 게르만(germane), 디게르만(digermane), 할로겐 화합물의 유사물, 등을 포함한다. n-형 도펀트 가스들의 예들은 포스핀(phosphine), 아르신(arsine), 등을 포함한다. p-형 도펀트 가스들의 예들은 보론 디플로오라이드(boron diflouride), 트리메틸 보란(trimethyl borane), 디보란(diborane), 등을 포함한다. 불활성 가스들의 예들은 아르곤, 헬륨, 네온, 등을 포함한다.
하나의 구성에서, IV족 나노입자들은 약 25 Torr보다 크지 않는 (예를 들면, 약 3 Torr 내지 약 25 Torr) 전체 압력으로 RF 플라즈마에서 제조될 수 있다. 일반적으로 반도체 전구체 가스에 대한 유량들은 약 2 표준 입방센티미터(sccm) 내지 약 30 sccm일 수 있으며, 도펀트 가스에 대한 유량은 약 60 sccm 내지 약 150 sccm일 수 있다(예를 들면, Ar과 같은 불활성 완충 가스에서 약 0.1%의 도펀트). 일반적으로, 플라즈마 반응에서 도펀트 가스 분자들에 대한 반도체 전구체 가스 분자들의 비는 약 25:1에서부터 약 1000:1까지 이다.
RF 플라즈마를 점화하고/하거나 이를 유지하는데 사용되는 RF 전력 공급원의 주파수는 300 kHz에서부터 300 GHz까지의 RF 범위 내에서 변할 수 있다. 그러나, 일반적으로 13.56 MHz의 주파수가 사용될 것이며 그 이유는 이것이 무선 주파수 플라즈마 처리 산업에 사용되는 주요 주파수이기 때문이다. 일반적인 무선 주파수 전력들은 약 30 W에서부터 약 300 W까지의 범위이다.
IV족 나노입자들에 있는 도펀트들의 농도는 도펀트 가스 농도 및 유량과 같은 요소들에 따라 바뀔 수 있다. 예를 들어, 실레인 또는 게르만이 IV족 전구체 가스로 사용될 수 있으며 포스핀이 인이 도핑된 실리콘 나노입자들을 제조하기 위해 본 방법들에서 도펀트 가스로 사용될 수 있다. 그러나, 현재의 무선 주파수 플라즈마-기반의 방법들은 결정성 반도체에서 도펀트의 용해 한도에 접근하는 도펀트 농도들을 가지는 IV족 나노입자들을 제조할 수 있다.
예를 들어, 결정성 Si 나노입자들의 경우에, 본 방법들은 적어도 약 2%의 p-형(예를 들면, 인 또는 비소) 도핑 레벨들을 제공할 수 있다. 이는 실리콘 나노입자들의 p-형 도펀트 레벨이 약 0.01%와 약 5% 사이인 실시예들을 포함한다.
유사하게, 본 방법들은 적어도 약 1%의 도핑 레벨들을 가지는 n-형 실리콘 나노입자들을 제공할 수 있다. 이는 n-형 도펀트 레벨이 약 0.01%와 약 5% 사이인 실시예들을 포함한다.
하나의 구성에서, 도핑된 IV족 나노입자들이 활성화된 도펀트들을 가지는 결정성 나노입자들로서 형성될 수 있다. 이 구성은 고온 도펀트 활성 단계에 대한 필요를 제거할 수 있으며, 그에 의해 비싸지 않고, 시간이 적게 걸리며 보다 효율적인 방법을 제공하기 때문에 유리하다.
더욱이, 본 방법들은 대체로 좁은 나노입자 크기 분포 내에서 나노입자들을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 한 세트의 p-형 및 고유의 나노입자들이 도4a 내지 도4c에 설명된 것과 대체로 유사하게 RF 반응기에 준비되었다. p-형 나노입자들에 대해, 아르곤 내의 10% 실레인 가스가 22.5 sccm의 유량으로 사용되었다. 디보란의 도펀트 가스가 75 sccm의 유량으로 100 ppm의 농도에서 사용되었으며, 약 0.66%의 반응기의 실리콘에 대한 붕소의 비를 제공하였다. RF 플라즈마 반응기 챔버의 압력은 약 10 Torr로 유지되었다.
고유의 나노입자들을 위해, 아르곤 내의 10% 실레인 가스가 22.5 sccm의 유량으로 사용되었다. 이전과 같이, RF 플라즈마 반응기 챔버의 압력은 약 10 Torr로 유지되었다.
결과로 나온 p-형 실리콘 나노입자들에 대한 나노입자 크기 분포는 5.2 nm +/- 1.0 nm이었으며, 고유의 실리콘 나노입자들에 대한 크기 분포는 5.7nm +/- 1.2 nm이었다.
IV족 나노입자들로 제조된 태양 전지들을 위한 구성들
일반적으로, 다음의 장치의 구성은 변경될 수 있다. 예를 들어, n-형 이미터를 가지는 p-형 웨이퍼는, p-형 이미터를 가지는 n-형 웨이퍼가 사용될 수 있도록, 반대가 될 수 있다.
A. 균질 이미터 태양 전지
이제 도5a를 참조하면, 종래의 확산 균질 이미터 태양 전지의 단순화된 도면이 보여진다. 일반적으로, 확산 균질 이미터 (n+(또는 p+))(506)는 전하 분리 및 추출에 필요한 p-n 접합을 만들어내기 위해 웨이퍼 흡수체(508)(p-(또는 n-))에 부착된다.
일반적으로 TCO(투명 전도성 산화물) 또는 유전체(TCO/유전체(504))가 확산 균질 이미터(506)의 상부에 부착된다. TCO는 발생된 전하 캐리어가 전극에 도달하기 위한 전도성 경로를 제공함으로써 태양 전지의 전도성을 개선하는데 도움을 준다. 이와 대조적으로, 유전체(SiN, SiO2, 등)는 확산 균질 이미터(506)의 표면을 부동태화하며, 외부 공급원들로부터 웨이퍼 벌크의 오염을 최소화할뿐만 아니라 웨이퍼 흡수체(508) 표면의 매달린 Si 결합들(dangling Si bonds) 또는 결함들에 의해 야기되는 소수 캐리어의 재조합을 감소시키는데 도움을 준다.
이미터 금속 전극(502)(일반적으로 프린팅된 은 페이스트로부터 만들어지는)은 일반적으로 확산 균질 이미터(506)의 위에(일반적으로 유전체의 채널 또는 캐버티를 통해서 또는 직접적으로 ITO(504)의 상부에) 그리고 이와 전기로 접촉되게 배치된다. 이미터 금속 전극(502)은 일반적으로 빛이 흡수될 때 웨이퍼에 만들어진 전하 캐리어들(여기서는 전자들)을 추출하기 위해 최적화된다. 이는 감소된 수평 표면적(따라서 발생된 전류를 감소시키는 경향이 있는 음영(shading)으로 인한 손실이 최소화하는)과, 증가된 단면 체적(따라서 장치의 효율을 증가시키는 경향이 있는 장치의 직렬 저항을 감소시키는) 양쪽 모두를 가짐으로써 수행된다.
웨이퍼 흡수체(508)의 배면은 종종 균질 확산 BSF 층(배면 필드(back surface field))(510)을 만들어내는 (웨이퍼와 동일한 타입의) 대량으로 도핑된 영역으로 구성된다. 배면 재조합의 영향을 최소화하여, 적당하게 구성된 BSF는 배면에 더 가까이 위치되어 있는 반대로 하전된 캐리어들을 배척하는 경향이 있다. 즉, 균질 확산 BSF 층(510)과 웨이퍼 흡수체(508)의 사이의 계면은 배면으로의 소수 캐리어 흐름에 대한 장벽을 도입하는 경향이 있으며, 웨이퍼 흡수체에 소수 캐리어 농도의 더 높은 레벨들을 초래한다. 예를 들어, Al(알루미늄) 또는 B(붕소)는 전자들을 배척하기 위해 p-형 웨이퍼에 첨가될 수 있다. 이와 대조적으로, n-형 웨이퍼에 대하여, P(인)가 정공들을 배척하기 위해 첨가될 수 있다.
게다가, 베이스 금속 전극(512)이 일반적으로 다수의 전하 캐리어들(여기서는 정공들)을 추출하기 위해 웨이퍼 흡수체(508)(또는 적절하면 확산 BSF(510))의 배면에 추가된다. 일반적으로 두 개의 금속들을 포함하며, 보다 낮은 비용의 Al 시트가 대부분의 표면을 커버하기 위해 적용되며, 보다 높은 비용의 Ag 패드들이 일반적으로 모듈로의 상호 연결을 위한 솔더링을 촉진시키기 위해 삽입된다. 더구나, 베이스 금속 전극(512)은 또한 흡수체를 통한 추가적인 통과들을 위해 전지로 긴 파장의 광을 반사하는 거울로서 역할을 한다.
일반적으로, 확산 균질 이미터 태양 전지로 구성되는 태양 전지는 약 15%의 전력 전환 효율을 가진다. 일반적으로, 효율(h)은 태양으로부터 나온 입력 에너지(P in )에 대한 태양 전지로부터 나온 에너지 출력의 비로 한정된다:
Figure pct00001
여기서 VOC는 개방-회로 전압이며; ISC는 단락-회로 전류이며; FF는 필 팩터(fill factor)이다.
이제 도5b를 참조하면, 본 발명에 따른 입자 균질 이미터 태양 전지의 단순화된 도면이 보여진다. 이론에 의해 제약을 받는 것을 바라지 않지만, 도5a의 확산 균질 이미터(506)를 n+ (p+) 입자 균질 이미터(526)로 대체함으로써 및/또는 균질 확산 p+ (n+) BSF 층(510)을 p+ (n+) 용융된 입자 BSF(520)로 대체함으로써, 효율적인 태양 전지가 종래의 태양 전지와 대략 동일하거나 더 낮은 비용으로 만들어질 수 있다는 것이 본 발명자들에 의해 믿어지고 있다.
더욱이, BSF와 같은 입자 층들의 사용은 얇은 웨이퍼들을 사용할 때, 알루미늄 BSF 형성과 같은, 고온 처리 단계들 중에 열팽창 계수들의 불일치에 의해 야기되며, 확산 층들을 포함하는 장치 구조들의 통상적인 문제인, 웨이퍼 휨(wafer bowing)을 회피할 수 있다.
다른 구성에서, 선택 가능한 상부 고유 입자 버퍼(527)가 p- (n-) 웨이퍼 흡수체(508)와 n+ (p+) 입자 균질 이미터(526) 사이에 위치될 수 있다. 또는, 선택 가능한 하부 고유 입자 버퍼(511)가 또한 p- (n-) 웨이퍼 흡수체(508)와 p+(n+) 용융된 입자 BSF(520) 사이에 배치될 수 있다.
모든 입자 층들(n+ (p+) 입자 균질 이미터(526), p+(n+) 용융된 입자 BSF(510), 및 상부 고유 입자 버퍼들(527)과, 하부 고유 입자 버퍼(511))은 무접촉 부착(예를 들면, 잉크젯 프린팅, 스핀 코팅, 닥터 블레이딩(doctor blading), 그라비어 부착, 등)과 같은, 적당한 부착 기술로 p- (n-) 웨이퍼 흡수체(508)에 직접 부착될 수 있다. 결과적으로, 값비싸거나 응력-유발 도핑 기술들이 회피될 수 있다.
예를 들어, n+ (p+) 입자 균질 이미터(526)는 실온 및 대기압에서 부착될 수 있다. 또는, n+ (p+) 입자 평면 이미터(526)가 잉크젯 프린팅에 의해 질소 분위기(< 0.1 ppm의 산소 및 < 0.1 ppm 의 물)에서 부착될 수 있다. 부착 후에, 연속적인 반도체 층을 형성하기 위해 입자들을 함께 연결하도록(neck) 소결(치밀화) 공정이 사용될 수 있다.
하나의 구성에서, 약 5 내지 20초 동안 약 400-1100℃의 짧은 가열 공정이 입자 층들(예를 들면, n+ (p+) 입자 균질 이미터(526), 제1 선택 가능한 진성 입자 버퍼(527), p+(n+) 용융된 입자 BSF(520), 및 제2 선택 가능한 진성 입자 버퍼(511))을 치밀화시키거나 소결시키기 위해 RTP(rapid-thermal-processing: 신속-가열-처리)공구에서 사용될 수 있다. 또한 사용될 수 있는, 소결에 이르게 하는 다른 공정들은 노에서 굽는 것(예를 들면, 벨트 노(belt furnace), 뱃치 튜브 노(batch tube furnace), 등), 진공 분위기에서 굽는 것, 또는 패스트 플래시 시스템(fast flash system)을 사용하는 것을 포함한다. 또 다른 구성에서, 입자 층들의 소결 공정은 레이저를 사용하여 달성될 수 있다. 이들 및 다른 소결 방법들이 그 전문이 여기에 참조로 포함되며, 2006년 12월 13일 출원된, IV족 반도체로부터 에피택셜 박막 제조를 명칭으로 하는, 미국 특허 출원 제60/874,873호에 개시된다.
실시예 1
높은 태양 전지 장치 성능을 보장하기 위해, 프린팅된 층이 웨이퍼에 부착될 때 적당한 레벨의 표면 부동태화를 제공하는 것이 예상된다. 소수 캐리어의 유효 수명의 측정이 웨이퍼들에 확산 층들의 부동태화 특성을 평가하는 신뢰할 수 있는 기술이라는 것이 널리 받아들여지고 있으며, A. Cuevas 및 D. MacDonald의, 실리콘 웨이퍼들의 수명의 측정 및 해석, 76 Solar Energy 255 (2004)를 보라.
일반적으로, 보다 양호한 부동태화 품질은 상응하는 태양 전지의 더 높은 값의 개방 회로 전압(VOC)으로 해석하며, 그에 따라 더 높은 효율을 일으킨다. 이 실시예는 n-형 실리콘 웨이터들에 사용되는, 프린팅된 p+ 이미터와 프린팅된 n+ BSF 층들의 부동태화 특성을 보인다.
이 실시예에서, 인으로 도핑된 약 10 내지 20 Ohmㆍcm의 비저항의 1"x 1" x 0.012" 양면 연마 실리콘 웨이퍼 기판들은 NaOH, SC2, 완충 산화물 식각(BOE), 및 피라나(Piranha), 각각의 처리에 의해 청소되었다.
p+ 이미터 형성을 위해, 실리콘 나노입자 잉크가 15분 동안 15%의 전력에서 초음파 처리 혼(sonication horn)을 사용하여 초음파 처리된, 클로로포름:클로로벤젠(체적으로 4:1)의 20mg/ml 용액으로 약 10.0 nm +/- 0.5 nm의 붕소-도핑 실리콘 나노입자들로부터 불활성 분위기에서 준비되었다. 웨이퍼 표면을 실질적으로 뒤덮기 위해 충분한 실리콘 나노입자 잉크를 적용하면, 실리콘 나노입자 다공성 콤팩트가, 60초 동안 1000rpm의 스핀-속도로, 스핀 캐스팅을 사용하여 기판의 양면에 연속하여 형성되고, 뒤이어서 30분 동안 100℃로 가열판(hotplate)의 위에서 불활성 분위기로 베이킹을 했다. 부착과 전처리 단계들이 완료된 후에, 나노입자 다공성 콤팩트가 연속적인 반도체 층을 형성하기 위해 p+ 입자들을 함께 연결하기 위해 신속-가열-처리 공구에서 20초 동안 1000℃로 처리되었다.
n+ BSF 형성을 위해, 실리콘 나노입자 잉크가 15분 동안 15%의 전력에서 초음파 처리 혼(sonication horn)을 사용하여 초음파 처리된, 시클로헥사놀:시클로헥사논(체적으로 1:1)의 40mg/ml 용액으로 약 10.0 nm +/- 0.5 nm의 인-도핑 실리콘 나노입자들로부터 불활성 분위기에서 준비되었다. 실리콘 나노입자 다공성 콤팩트가 2000 dpi(인치당 도트)의 도트 간격을 가진 잉크젯 프린팅을 사용하여 형성되고, 뒤이어 30분 동안 100℃로 가열판의 위에서 불활성 분위기로 베이킹을 하였다. 부착과 전처리 단계들이 완료된 후에, 나노입자 다공성 콤팩트가 연속적인 반도체 층을 형성하기 위해 p+ 입자들을 함께 연결하기 위해 신속-가열-처리 공구에서 20초 동안 1000℃로 처리되었다.
이제 도5c를 참조하면, 단순화된 도면은 본 발명에 따른, 컨트롤로서 p+ 이미터 샘플(548)(위에 설명된 바와 같이 제조), n+ BSF 샘플(546) (위에 설명된 바와 같이 제조), 및 블랭크 비부동태화된 실리콘 웨이퍼 샘플(544)에 대해 수행된 측정들의 결과들을 보인다. 교정된 역 수명(corrected inverse lifetime, 540)(1/sec로 측정된)이 준정상 상태 광전도성(QSSPC, quasi-steady-state photoconductance)의 측정들의 결과들로부터 산출되었으며 증가하는 소수-캐리어 밀도(542) (cm-3로 측정된)의 함수로 제공된다. p+ 이미터 샘플(548)과 n+ BSF 샘플(546) 양쪽 모두가 또한 블랭크 웨이퍼 샘플의 노출된 표면에 의해 제공된 부동태화보다 상당히 더 양호한, 적당한 레벨의 부동태화를 제공하는 것이 분명하다. 이는 블랭크 웨이퍼 샘플에 대한 훨씬 낮은 유효 수명으로(또는 더 높은 역 수명으로) 표현되며, 이 웨이퍼의 나쁜 표면 부동태화 특성에 의해 전적으로 좌우된다.
실시예 2
이제 도5d를 참조하면, 본 발명에 따른 도5b의 p-형 입자 평면 이미터(526)에 대한 실험에 입각한 전류-전압(IV) 도표의 단순화된 도면이 보여진다. 이 그래프는, 300W 오리엘 솔라 시뮬레이터(Oriel Solar Simulator)를 사용하여 발생된 모의 AM1.5G 스펙트럼으로부터 나온 조명 하의 IV 곡선을 보이며; 어두운 장소에서 측정된 IV 곡선이 또한 이 도면에 제공된다. 상당한 효율이 입자 균질 이미터를 사용하여 얻어질 수 있다는 것을 보이기 위해 최적화되지 않은 웨이퍼 구성으로 얻어진 결과들이 여기에 제공된다. 본 발명자들은 나노입자 평면 이미터 태양 전지의 효율이 결국 종래의 태양 전지의 효율에 도달하거나 초과할 수 있다고 믿고 있다.
이 실시예에서, 인으로 도핑된 약 1 내지 5 Ohmㆍcm의 비저항의 1" x 1" x 0.019" 실리콘 웨이퍼 기판들은 NaOH, SC2, 완충 산화물 식각(BOE), 및 피라나, 각각의 처리에 의해 청소되었다.
게다가, p-형 실리콘 나노입자 잉크가 15분 동안 15%의 전력에서 초음파 처리 혼을 사용하여 초음파 처리된 피리딘(pyridine)의 5mg/ml 용액으로 약 10.0 nm +/- 0.5 nm의 실리콘 나노입자들로부터 불활성 분위기에서 준비되었다. 웨이퍼 표면을 실질적으로 뒤덮기 위해 충분한 실리콘 나노입자 잉크를 적용하면, 실리콘 나노입자 다공성 콤팩트(526)가 60초 동안 1000rpm으로 스핀 캐스팅을 사용하여 형성되었다. 30분 동안 100℃로 가열판의 위에서 불활성 분위기로 이 층을 베이킹한 후에, 제2 실리콘 나노입자 다공성 콤팩트가 60초 동안 1000rpm으로, 스핀 캐스팅을 사용하여 형성되었고, 뒤이어 30분 동안 100℃로 가열판의 위에서 불활성 분위기로 베이킹을 하였다. 실리콘 나노입자 다공성 콤팩트 층의 이 결과로 나오는 두께는 약 50 nm이었다.
부착과 전처리 단계들이 완료된 후에, 나노입자 다공성 콤팩트가 연속적인 반도체 층을 형성하기 위해 n+ 입자들을 함께 연결하기 위해 신속-가열-처리 공구에서 20초 동안 1000℃로 처리되었다. 60초 동안 100W로 O2-플라즈마 처리와 10분의 완충 산화물 식각 후에, 전류 추출을 위한 접점들이 위에 설명된 p+ 평면 이미터들(526)의 상부에 부착되었다. 전면 전극 층(504)이 전도성을 개선하기 위해 p+ 평면 이미터의 상부에 직접적으로 230nm-두께의 TCO 층(인듐 주석 산화물(ITO: indium tin oxide))의 부착에 의해 형성되었다. 이 TCO 층에 의해 한정되는 0.1cm2 면적의 외측에서, p+ 평면 이미터 층이 기생 전류 수집을 회피하기 위해 CF4 플라즈마를 사용하는 메사 식각(mesa etch)에 의해 제거되었다. 다음의 결과들이 얻어졌다:
VOC 0.543V
JSC 32.2 mA/cm2
FF 0.726
효율 12.7%
도5e를 참조하면, 본 발명에 따른 도5b의 p-형 입자 평면 이미터(526)에 대한 정상화된 양자 효율(QE: quantum efficiency) 도표의 단순화된 도면이 보여진다.
도5f를 참조하면, 본 발명에 따른 실시예 2와 동일한 방식으로 진행되며, 동시에 잉크-부착 단계가 생략된 실리콘 웨이퍼 기판들에 대한 한 세트의 IV 곡선들의 단순화된 도면이 보여진다. 이 구성은 전류 추출을 위한 접점이 n-형 실리콘 기판에 직접 부착되는 것을 허용하며, 그에 따라 쇼트키 다이오드 구조(Schottky diode structure)를 제공한다. 주어진 전압(568)에 대한, 전류 밀도(566)는 어두운 곳에서 그리고 AM1.5G 조명 하에 측정되었다.
이와 같은 장치 구조는 모의 AM1.5G 조명 하에서 0.12 V의 매우 낮은 VOC와 약 0.1%의 효율을 가지는 매우 나쁜 성능을 초래한다. 이 비교는 설명된 장치 구조에서 도핑된 p+ 이미터(526)의 존재가 이 장치 구성을 위한 태양 전지 장치 작동에 아주 중요하다는 것을 보인다.
실시예 3
이 부분에서 이미 이전에 설명된 바와 같이, 부착된 상태의 입자 다공성 콤팩트는 막을 용융하고 치밀화하기 위해 다양한 공정들에 의해 처리될 수 있으며, 따라서 보다 기계적으로 견고하며 안정적인 막을 제공하게 된다. 이 실시예는 이를 달성하기 위해 레이저 조사를 사용하여 설명한다.
이 실시예에서, 인으로 도핑된 약 1 내지 5 Ohmㆍcm의 비저항의 1" x 1" x 0.019" 실리콘 웨이퍼 기판들은 NaOH, SC2, 완충 산화물 식각(BOE), 및 피라나, 각각의 처리에 의해 청소되었다.
게다가, p-형 실리콘 나노입자 잉크가 15분 동안 15%의 전력에서 초음파 처리 혼을 사용하여 초음파 처리된 피리딘의 5mg/ml 용액으로 약 10.0 nm +/- 0.5 nm의 실리콘 나노입자들로부터 불활성 분위기에서 준비되었다. 웨이퍼 표면을 실질적으로 커버하기 위해 충분한 실리콘 나노입자 잉크를 적용하면, 실리콘 나노입자 다공성 콤팩트가 60초 동안 1000rpm으로 스핀 캐스팅을 사용하여 형성되었다. 30분 동안 100℃로 가열판의 위에서 불활성 분위기로 이 층을 베이킹한 후에, 제2 실리콘 나노입자 다공성 콤팩트가 60초 동안 1000rpm으로 스핀 캐스팅을 사용하여 형성되었고, 뒤이어 30분 동안 100℃로 가열판의 위에서 불활성 분위기로 베이킹을 하였다. 실리콘 나노입자 다공성 콤팩트 층의 이 결과로 나오는 두께는 약 65 내지 80 nm이었다.
프린팅과 전처리 단계들이 완료된 후에, 이 막은 100 펄스를 사용하여 약 80 mJ/㎠의 플루언스(fluence)로, 9 ns의 펄스 지속 시간과 20 Hz의 반복률을 가지며, 532 nm에서 방출(emission)을 가지는 고체 상태의 Q-스위치 Nd:YAG 레이저로 처리되었다. 레이저의 7 mm의 원형 출력 빔이 빔 균질화기를 사용하여 1.1cm x 1.1cm 정사각형 플랫-탑 빔(flat-top beam) 단면으로 확장되고 변형되었다. 이 처리는 약 9x10-6와 5x10-5 torr 사이의 압력으로 진공 분위기에서 수행되었다.
레이저 처리가 수행되지 않은, 동일한 기판에 대한 제어 영역과 비교하여, 이 레이저 처리는 다공성 콤팩트보다 대체로 더 큰 그레인 크기를 가지는 치밀화된 실리콘 박막을 초래하였다. 결정성 실리콘 기판과 실리콘 박막의 융합은 주사형 전자 현미경(SEM: scanning electron microscope)의 단면 이미지들로부터 분명히 알 수 있었다. 결과로 나오는 실리콘 박막의 두께는 약 60-70 nm이었다.
다른 입자 균질 이미터 구성에서, n-형 실리콘 나노입자들의 제1 층이 잉크젯 프린팅을 사용하여 불활성 질소 분위기에서 p-형 실리콘 기판에 프린팅되었다. 제1 프린팅된 다공성 콤팩트 층은 5분 동안 질소 분위기에서 200℃로 가열되었다. 이런 조건들 하에, 과량의 용매는 배출되었으며, 막은 보다 기계적으로 견고하게 되었다. 제2 다공성 콤팩트 층이 제1 층과 같이 프린팅되고 전처리되었다.
프린팅된 층들은 그 다음에 약 20분 동안 저압(4 torr) 질소 흐름 하에서 375℃로 가열을 받으며 동일한 분위기에서 약 60분 동안 냉각을 받았다. 프린팅과 전처리 단계들이 완료된 후에, 약 450 nm 두께의 입자 균질 이미터(526) 막은 1000 펄스를 사용하고, 약 50 mJ/㎠의 플루언스로, 6 ns의 펄스 지속 시간과 20 Hz의 반복률을 가지며, 532 nm에서 방출을 가지는 고체 상태의 Q-스위치 Nd:YAG 레이저로 처리되었다. 이 결과로 형성된 박막은 약 270 nm 두께였으며, SEM으로부터 분명히 알 수 있는 바와 같이, 대체로 더 작은 그레인 크기를 가지는, 처리되지 않은 다공성 콤팩트와 비교하여 레이저 처리의 결과로 상당히 치밀화되었다. 입자 막들에 대한 레이저 조사의 효과는 또한 도핑되지 않은(진성의) 입자 층들에 대하여도 보여졌다.
실시예 4
또는, 위에 이미 언급된 바와 같이, 태양 전지 구조가 p-형 웨이퍼에 n-도핑 프린팅된 이미터 층을 사용하여 만들어질 수 있다. 하나의 이와 같은 실시예가 다음에 설명된다.
이 실시예에서, 붕소로 도핑된 약 1 내지 5 Ohmㆍcm의 비저항의 1" x 1" x 0.019" 실리콘 웨이퍼 기판들은 NaOH, SC2, 완충 산화물 식각(BOE), 및 피라나, 각각의 처리에 의해 청소되었다.
실리콘 나노입자 잉크가 15분 동안 15%의 전력에서 초음파 처리 혼을 사용하여 초음파 처리된, 테르트부타놀(tertbutanol): DEGDE(체적 비 1:1)의 20mg/ml 용액으로 약 10.0 nm +/- 0.5 nm의 n+ 실리콘 나노입자들로부터 불활성 분위기에서 준비되었다. 웨이퍼 표면을 실질적으로 커버하기 위해 충분한 실리콘 나노입자 잉크를 적용하면, 실리콘 나노입자 다공성 콤팩트가 2000 dpi(인치당 도트)의 도트 간격으로 잉크젯 프린팅을 사용하여 형성되었다. 이후에, 이 층은 30분 동안 200℃로 가열판의 위에서 불활성 분위기로 베이킹되고, 뒤이어 과량의 용매를 제거하기 위해 5분 동안 300℃로 추가적인 베이킹을 하였다. 부착과 전처리 단계들이 완료된 후에, 이 나노입자 다공성 콤팩트가 연속적인 반도체 층(526)을 형성하기 위해 n+ 입자들을 함께 연결하기 위해 신속-가열-처리 공구에서 40초 동안 1000℃로 처리되었다. 전면 전극 층(504)이 전도성을 개선하기 위해 n+ 평면 이미터의 상부에 직접적으로 300nm-두께 TCO 층(ITO)의 부착에 의해 형성되었다. 이 TCO 층의 0.1cm2 면적의 외측에서, n+ 평면 이미터 층이 기생 전류 수집을 회피하기 위해 CF4 플라즈마를 사용하여 메사 식각에 의해 제거되었으며, 뒤이어 60초 동안 100W로 O2-플라즈마 처리가 수행되었다. 베이스 접점(512)을 형성하기 위한 InGa 공융 혼합물의 층의 적용 전에, 이 샘플의 배면이 30초 동안 HF 증기에 노출되었다.
도5g로부터 보여질 수 있는 바와 같이, 이 장치의 단락-회로 전류는 24.8 mA/cm2이었으며, VOC는 527 mV이었으며, FF는 0.77이었으며 따라서 AM1.5G 조명 하에 10.0 %의 효율이 산출되었다.
실시예 5
프린팅된 이미터 태양 전지의 효율은 다양한 다수의 장치 파라미터들에 의해 개선될 수 있으며, 이들 중의 하나는 이미터 두께이다. 이미터 층(526)의 두께를 조절함으로써 입자 균질 이미터(526)의 층에 흡수된 빛의 양을 조절하는 것이 가능하며 그에 의해 태양 전지의 효율을 개선하는 것이 가능하다. 예를 들어, 이 두께는 입자(나노입자) 함유 용액의 농도 및/또는 화학적 조성을 조절하는 것에 의해 또는 인치당 도트(DPI) 비의 변경에 의해, 또는 프린팅된 층들의 개수의 변경에 의해, 또는 램프 속도(ramp speed) 및 최대 스피닝 속도와 같은, 스핀 코팅 공정 중에 이 파라미터들을 바꾸는 것에 의해 잉크젯 프린팅 중에 제어될 수 있다. 또는, 입자 균질 이미터(526)는 먼저 부착되고 소결될 수 있으며, 그 다음에 화학적 혼합물(예를 들면, CP-4(HF:HNO3:IPA), NaOH, KOH 또는 다른 잘 알려진 실리콘 식각액들)을 사용하거나 건식 식각 방법들(예를 들면, CF4 플라즈마 식각, 등)로 식각된다.
이 실시예에서, 인으로 도핑된 약 1 내지 5 Ohmㆍcm의 비저항의 1" x 1" x 0.019" 실리콘 웨이퍼 기판들은 NaOH, SC2, 완충 산화물 식각(BOE) 및 피라나, 각각의 처리에 의해 청소되었다.
게다가, 실리콘 나노입자 잉크가 15분 동안 15%의 전력에서 초음파 처리 혼을 사용하여 초음파 처리된 클로로포름:클로로벤젠(체적으로 4:1)의 20mg/ml 용액으로 약 10.0 nm +/- 0.5 nm의 실리콘 나노입자들로부터 불활성 분위기에서 준비되었다. 웨이퍼 표면을 실질적으로 커버하기 위해 충분한 실리콘 나노입자 잉크를 적용하면, 실리콘 나노입자 다공성 콤팩트가 60초 동안 1000rpm으로 스핀 캐스팅을 사용하여 형성되고, 뒤이어 30분 동안 100℃로 가열판의 위에서 불활성 분위기로 베이킹되었다. 부착과 전처리 단계들이 완료된 후에, 나노입자 다공성 콤팩트가 연속적인 반도체 층을 형성하기 위해 n+ 입자들을 함께 연결하기 위해 신속-가열-처리 공구에서 20초 동안 1000℃로 처리되었다. 소결된 p+입자 평면 이미터(526)의 두께는 ~780nm이었다.
위에 설명된 것과 유사한 방식으로 처리된 샘플은 100 W의 플라즈마 전력에서 40초 플라즈마 건식 식각 공정, 515 mtorr의 압력에서 20 sccm O2 및 185 sccm CF4의 가스 흐름을 거쳤다. 소결된 p+ 입자 평면 이미터(536)의 두께는, 단면 SEM에 의해 판명된 바와 같이, ~530 nm로 이 건식 식각 공정에 의해 감소되었다.
60초 동안 100 W로 O2-플라즈마 처리와 10분의 완충 산화물 식각 후에, 전류 추출을 위한 접점들이 위에 설명된 p+ 입자 평면 이미터들(526)의 상부에 부착되었다. 전면 전극 층(504)이 전도성을 개선하기 위해 p+ 평면 이미터의 상부에 직접적으로 230 nm 두께의 TCO 층(ITO)의 부착에 의해 형성되었다. 0.1cm2 면적의 TCO 층의 외측에서, p+ 평면 이미터 층이 기생 전류 수집을 회피하기 위해 CF4 플라즈마를 사용하여 메사 식각에 의해 제거되었다.
이제 도5h를 참조하면, 본 발명에 따른 위의 실시예 5의 실리콘 웨이퍼 기판들에 대한 단순화된 양자 효율 도면이 보여진다. nm 단위의 주어진 파장(562)에 대하여, 정상화된 양자 효율(QE)(560)이 측정되었다. 위에 설명된 건식 식각 공정을 받는 장치들에 대하여, 700 nm 이하의 파장의 광자들에 대한 양자 효율이 상당히 개선되었다.
이제 도5i를 참조하면, 본 발명에 따른 위의 실시예 5의 실리콘 웨이퍼 기판들에 대한 한 세트의 IV 곡선들이 보여진다. 주어진 전압(568)에 대한 전류 밀도(566)가 측정되었다. 도5i에 보여지는 바와 같이, 본래의 p+ 입자 평면 이미터 층 두께를 가지는 장치들과 비교할 때에 단락 회로 전류 밀도가 적어도 24.6 mA/cm2로부터 적어도 28.0 mA/cm2까지의 적어도 14 상대적 퍼센트로 개선되었다.
실시예 6
이미터 두께를 감소시키는 다른 방법은 이 실시예에서 설명된 바와 같이, 스핀-코팅 공정 중에 스핀-속도와 같은, 잉크 부착 파라미터들을 변화시키는 것이다.
이 실시예에서, 인으로 도핑된 약 1 내지 5 Ohmㆍcm의 비저항의 1" x 1" x 0.019" 실리콘 웨이퍼 기판들은 NaOH, SC2, 완충 산화물 식각(BOE), 및 피라나, 각각의 처리에 의해 청소되었다.
게다가, 실리콘 나노입자 잉크가 15분 동안 15%의 전력에서 초음파 처리 혼을 사용하여 초음파 처리된 클로로포름:클로로벤젠(체적으로 4:1)의 20 mg/ml 용액으로 약 10.0 nm +/- 0.5 nm의 실리콘 나노입자들로부터 불활성 분위기에서 준비되었다. 웨이퍼 표면을 실질적으로 커버하기 위해 충분한 실리콘 나노입자 잉크를 적용하면, 실리콘 나노입자 다공성 콤팩트들이 60초 동안 1000 rpm과 2900 rpm 사이의 스핀-속도로 스핀 캐스팅을 사용하여 형성되었고, 뒤이어 30분 동안 100℃로 가열판의 위에서 불활성 분위기로 베이킹되었다. 부착과 전처리 단계들이 완료된 후에, 나노입자 다공성 콤팩트들이 연속적인 반도체 층을 형성하기 위해 n+ 입자들을 함께 연결하기 위해 신속-가열-처리 공구에서 20초 동안 1000℃로 처리되었다. 소결된 p+ 입자 평면 이미터들(526)의 두께는, 단면 SEM 측정들에 의해 드러나는 바와 같이, 190과 400 nm 사이에서, 사용되는 스핀-속도에 따라 변했다.
60초 동안 100 W로 O2-플라즈마 처리와 10분의 완충 산화물 식각 후에, 전류 추출을 위한 접점들이 위에 설명된 p+ 입자 평면 이미터들(526)의 상부에 부착되었다. 전면 전극 층(504)이 전도성을 개선하기 위해 p+ 평면 이미터의 상부에 직접적으로 230 nm 두께의 TCO 층(ITO)의 부착에 의해 형성되었다. TCO 층에 의해 한정되는 0.1cm2 면적의 외측에서, p+ 평면 이미터 층이 기생 전류 수집을 회피하기 위해 CF4 플라즈마를 사용하여 메사 식각에 의해 제거되었다.
이제 도5j를 참조하면, 본 발명에 따른, 다양한 이미터 두께들을 가지는 장치들에 대한 대표적인 양자 효율 결과들을 가지는 단순화된 도면이 보여진다. 주어진 nm단위의 파장(562)에 대한 정상화된 양자 효율(QE)(560)이 측정되었다. 일반적으로, 650 nm 이하의 파장들에서 응답은 이미터를 얇게 함으로써 향상된다. 예를 들어, 450 nm의 파장에서 광전류는 390 nm의 이미터 두께를 190 nm의 이미터 두께와 비교할 때 세 배로 향상된다. 스펙트랄 응답의 관찰된 향상은 또한, 전류-전압 측정들로부터 얻어진 바와 같은, 단락-회로 전류(Jsc)의 상응하는 증가에 의해 수반된다.
실시예 7
게다가, 유전체 층(504)이 또한 반사율을 최소화하기 위한(그리고 그에 따라 더 많은 태양광이 웨이퍼로 들어오는 것을 허용하기 위해) 반사-방지 코팅(예를 들면, SiO2, SixNy, TixOy, 등)뿐만 아니라 부동태화 층(외부 오염을 최소화시킬뿐만 아니라 웨이퍼 결정성 표면의 매달린 Si 결합들 또는 결함들에 의해 야기되는 전하 트랩들을 실질적으로 감소시키는)으로 구성될 수 있다.
이제 도5k를 참조하면, 본 발명에 따른, 반사-방지 층이 없는 p+ 입자 균질 이미터 웨이퍼와 반사-방지 층을 추가한 p+ 입자 균질 이미터 웨이퍼의 반사율을 비교하는 단순화된 도면이 보여진다. 입사광의 상이한 파장들(파장(570))에 대한 반사율을 표시하는 한 세트의 반사율 측정들(반사율(569))이 얻어진다.
실시예 7에서, p+ 평면 입자 이미터 층의 반사율이 평면 입자 이미터 층의 상부에 73 nm 실리콘 니트라이드 층의 PECVD 부착에 의해 상당히 감소되었다. 도5k에 보여질 수 있는 바와 같이 525nm와 1000nm 사이의 반사율은 p+ 평면 입자 이미터 층에 대하여 25 % 이상이었지만, 추가적인 실리콘 니트라이드 반사-방지 층을 가지는 샘플에 대하여 0 %와 10 % 사이였다.
실시예 8
더욱이, 이미터 금속 전극(502)이 전도성을 개선하기 위해 직접적으로 입자 균질 이미터(526)의 상부에 또는 추가된 TCO 층(504)(예를 들면, 인듐 주석 산화물(ITO), 등)의 상부에, 예를 들어, 스크린 프린팅에 의해, 잉크젯 프린팅에 의해(예를 들면, 금속 나노입자들의 용액들을 사용하는 것에 의해), 또는 물리적 기상 부착에 의해(예를 들면, 열 증발, 전자빔 부착(e-beam deposition), 스퍼터링, 등) 부착될 수 있다.
아래에서, 상부에 금속 그리드 접점들을 가지는 한 세트의 평면 입자 이미터 장치들이 설명된다. 세 개의 구성들 중의 두 개가, 웨이퍼에 대한 어떤 응력도 유발하지 않고, 단지 비접촉 제조 방법들만을 사용하여 제조되었다. 일반적으로, 비접촉 제조 방법들은 매우 얇은 웨이퍼들의 사용을 허용하며, 종래 제조 방법들의 통상적인 문제점인, 생산 중에 웨이퍼 파손에 기인한 수율의 감소를 회피시킨다.
이 실시예에서, 인으로 도핑된 약 1 내지 5 Ohmㆍcm의 비저항의 1" x 1" x 0.019" 실리콘 웨이퍼 기판들은 NaOH, SC2, 완충 산화물 식각(BOE) 및 피라나, 각각의 처리에 의해 청소되었다.
게다가, 실리콘 나노입자 잉크가 15분 동안 15%의 전력에서 초음파 처리 혼을 사용하여 초음파 처리된 클로로포름:클로로벤젠(체적으로 4:1)의 20 mg/ml 용액으로 약 10.0 nm +/- 0.5 nm의 p-형 실리콘 나노입자들로부터 불활성 분위기에서 준비되었다. 웨이퍼 표면을 실질적으로 뒤덮기 위해 충분한 실리콘 나노입자 잉크를 적용하면, 실리콘 나노입자 다공성 콤팩트가 60초 동안 1000 rpm으로 스핀 캐스팅을 사용하여 형성되고, 뒤이어 30분 동안 100℃로 가열판의 위에서 불활성 분위기로 베이킹되었다. 부착과 전처리 단계들이 완료된 후에, 나노입자 다공성 콤팩트가 연속적인 반도체 층을 형성하기 위해 p+ 입자들을 함께 연결하기 위해 신속-가열-처리 공구에서 20초 동안 1000℃로 처리되었다. 60초 동안 100 W로 O2-플라즈마 처리와 10분의 완충 산화물 식각 후에, 전류 추출을 위한 접점들이 부착되었다. 전면 전극 층(504)이 전도성을 개선하기 위해 p+ 평면 이미터의 상부에 직접적으로 230 nm 두께의 TCO 층(ITO)의 부착에 의해 형성되었다.
4 내지 6cm2 사이의 TCO 층에 의해 한정되는 이 전지 영역의 외측에서, p+ 평면 이미터 층이 기생 전류 수집을 회피하기 위해 CF4 플라즈마를 사용하여 메사 식각에 의해 제거되었다. 또는, 이 전지는 TCO를 제거하기 위해 이 전지의 주변 둘레에 레이저 빔을 주사하는 것에 의해 격리될 수 있다.
하나의 구성에서, 가장 넓은 점에서 1.7 mm 폭, 18 mm 길이와 800 nm 두께의 테이퍼진 버스 바 및 300 ㎛ 폭, 18 mm 길이와 800 nm 두께의 5 핑거들로 이루어진 이미터 금속 전극(502)이 3x10-6 mbar의 압력으로 TCO 층의 상부에 은의 열 증발에 의해 부착되었다. 베이스 금속 전극(512)은 InGa 공융 혼합물의 층이었다.
다른 구성에서, 웨이퍼 흡수체(508), p+ 평면 이미터 층(526), 및 TCO 층(504)의 준비는 위에 설명된 것과 같았다. 그러나, ~1.3mm 폭, 18 mm 길이와 500-800nm 두께의 버스 바 및 300 ㎛ 폭, 18 mm 길이와 1000-1600 nm 두께의 5 핑거들로 이루어진 이미터 금속 전극(502)이 TCO 층의 상부에 25℃에서 은 나노입자 용액의 잉크젯 프린팅에 의해 부착되고, 뒤이어 잔류하는 용매들을 제거하기 위해 30분 동안 200℃로 가열판 위에서 건조되었다. 베이스 금속 전극(512)은 InGa 공융 혼합물의 층이었다.
제3 구성에서, 종래의 스크린 프린팅 기술이 p+ 입자 평면 이미터들을 가지는 장치들에서 전면 그리드의 제조를 위해 사용되었다. 이 구성에서, 인으로 도핑된 약 1 내지 5 Ohmㆍcm의 비저항의 1" x 1" x 0.019" 실리콘 웨이퍼 기판들은 NaOH, SC2, 완충 산화물 식각(BOE), 및 피라나, 각각의 처리에 의해 청소되었다.
p-형 실리콘 나노입자 잉크가 15분 동안 15%의 전력에서 초음파 처리 혼을 사용하여 초음파 처리된 피리딘의 5 mg/ml 용액으로 약 10.0 nm +/- 0.5 nm의 실리콘 나노입자들로부터 불활성 분위기에서 준비되었다. 웨이퍼 표면을 실질적으로 커버하기 위해 충분한 실리콘 나노입자 잉크를 적용하면, 실리콘 나노입자 다공성 콤팩트가 60초 동안 1000 rpm으로 스핀 캐스팅을 사용하여 형성되었다. 30분 동안 100℃로 가열판의 위에서 불활성 분위기로 이 층을 베이킹한 후에, 제2 실리콘 나노입자 다공성 콤팩트가 60초 동안 1000rpm으로 스핀 캐스팅을 사용하여 형성되고, 뒤이어 30분 동안 100℃로 가열판의 위에서 불활성 분위기로 베이킹되었다. 실리콘 나노입자 다공성 콤팩트 층(526)의 이 결과로 나오는 두께는 약 50 nm이었다.
부착과 전처리 단계들이 완료된 후에, 나노입자 다공성 콤팩트(526)가 연속적인 반도체 층을 형성하기 위해 n+ 입자들을 함께 연결하기 위해 신속-가열-처리 공구에서 20초 동안 1000℃로 처리되었다. 60초 동안 100W로 O2-플라즈마 처리와 10분의 완충된 산화물 식각 후에, 전면 전극 층(504)이 전도성을 개선하기 위해 p+ 평면 이미터의 상부에 직접적으로 230nm 두께의 TCO 층(ITO)의 부착에 의해 형성되었다. 이 TCO 층의 5.4cm2 면적의 외측에서, p+ 평면 이미터 층이 기생 전류의 분로(shunting)를 회피하기 위해 레이저 빔으로 조사하는 것에 의해 제거되었다. 1.5mm 폭, 22 mm 길이와 35 ㎛ 두께의 버스 바 및 350 ㎛ 폭, 20.5 mm 길이와 35 ㎛ 두께의 12 핑거들로 이루어진 전면 금속 그리드(504)가 TCO 층의 상부에 은 페이스트의 스크린 프린팅에 의해 부착되고, 뒤이어 20분 동안 200℃에서 경화되었다. 베이스 금속 전극(512)은 InGa 공융 혼합물의 층이었다.
이제 도5l을 참조하면, 본 발명에 따른, AM1.5G 조명 하에 위의 실시예 8의 세 개의 장치들에 대한 한 세트의 IV 곡선들이 보여진다. 주어진 전압(568)에 대한 전류 밀도(566)가 측정되었다. 다음의 값들이 얻어졌다: 증발된 전면 그리드를 가지는 장치들에 대하여, 단락-회로 전류는 19.3mA/cm2이었으며, VOC는 536 mV이었으며, FF는 0.70이었으며 효율은 7.2%이었다. 잉크젯-프린팅 전면 그리드를 가지는 장치들에 대하여, 단락-회로 전류는 17.7mA/cm2이었으며, VOC는 499 mV이었으며, FF는 0.61이었으며 효율은 5.4%이었다. 이 결과들은 어떤 장치의 파라미터들의 최적화가 없이 달성되었다는 것에 주목하라.
예를 들어, 처음 두 개의 예들에서 p+ 평면 이미터 층의 두께는 Jsc의 값을 충분히 최적화하지 않은 ~780 nm이었다. 더 높은 단락-회로 전류 값들이 이전에 설명된 바와 같이 더 얇은 이미터 층들을 사용하여 달성될 수 있다. 전면 그리드의 사용은 섀도잉(shadowing), 금속의 비저항, 및 접촉 저항, 각각에 의해 야기되는 손실들에 이르게 한다. 이런 손실들은 예를 들면, 금속 두께를 증가시키는 것에 의해, 감소될 수 있으며, 이는 전면 그리드의 치수들의 감소와 섀도잉 손실들의 감소를 허용한다. 스크린-프린팅된 전면 그리드를 가지는 장치의 p+ 입자 평면 이미터 두께는 ~ 40-70 nm로 상당히 작아졌으며 스크린-프린팅된 그리드의 두께는 처음 두 개의 예들의 상응하는 두께들보다, 35 ㎛로, 상당히 더 커졌으며, 이는 26.5 mA/cm2의 단락-회로 전류, 541mV의 VOC, 0.80의 FF 및 11.4%의 효율을 가지는 더 높은 장치 성능을 설명한다.
실시예 9
아래에서, p+ 및 n+ 입자 평면 이미터들 각각을 사용하여, 20 cm2으로, 훨씬 더 큰 영역 샘플들의 실현이 설명된다.
하나의 구성에서, 인으로 도핑된 약 1 내지 5 Ohmㆍcm의 비저항의 50mm x 50mm x 0.019" 실리콘 웨이퍼 기판들은 NaOH, SC2, 완충 산화물 식각(BOE), 및 피라나, 각각의 처리에 의해 청소되었다. 실리콘 나노입자 잉크가 15분 동안 15%의 전력에서 초음파 처리 혼을 사용하여 초음파 처리된 클로로포름:클로로벤젠(체적으로 4:1)의 20 mg/ml 용액으로 약 10.0 nm +/- 0.5 nm의 p+ 실리콘 나노입자들로부터 불활성 분위기에서 준비되었다. 웨이퍼 표면을 실질적으로 뒤덮기 위해 충분한 실리콘 나노입자 잉크를 적용하면, 실리콘 나노입자 다공성 콤팩트가 60초 동안 1000 rpm으로 스핀 캐스팅을 사용하여 형성되고, 뒤이어 30분 동안 100℃로 가열판의 위에서 불활성 분위기로 베이킹되었다. 부착과 전처리 단계들이 완료된 후에, 나노입자 다공성 콤팩트(526)가 연속적인 반도체 층을 형성하기 위해 p+ 입자들을 함께 연결하기 위해 신속-가열-처리 공구에서 20초 동안 1000℃로 처리되었다.
60초 동안 100 W로 O2-플라즈마 처리와 10분의 완충 산화물 식각 후에, 전류 추출을 위한 접점들이 부착되었다. 전면 전극 층(504)이 전도성을 개선하기 위해 p+ 평면 이미터(526)의 상부에 직접적으로 230 nm 두께의 TCO 층(ITO)의 부착에 의해 형성되었다. TCO 층의 20cm2 면적의 외측에서, p+ 평면 이미터 층이 기생 전류 수집을 회피하기 위해 CF4 플라즈마를 사용하여 메사 식각에 의해 제거되었다. 43 mm 길이, 가장 넓은 점에서 6.8 mm 폭과 1000 nm 두께의 테이퍼진 버스 바 및 43 mm 길이, 250 ㎛ 폭과 1000 nm 두께의 13 핑거들로 이루어진 이미터 금속 전극(502)이 3x10-6 mbar의 압력에서 은의 열 증발에 의해 부착되었다. 이 베이스 금속 전극(512)은 InGa 공융 혼합물의 층이었다.
이와 같은 장치의 단락-회로 전류는 19.4mA/cm2이었으며, VOC는 544 mV이었으며, FF는 0.73이었으며 효율은 7.7%이었다(도5m을 보라).
다른 구성에서, 붕소로 도핑되고, 후에 NaOH, SC2, 완충 산화물 식각(BOE), 및 피라나, 각각의 처리에 의해 청소되는, 약 1 내지 5 Ohmㆍcm의 비저항의 50 mm x 50 mm x 0.019" 실리콘 기판들이 사용되었다. 실리콘 나노입자 잉크가 15분 동안 15%의 전력에서 초음파 처리 혼을 사용하여 초음파 처리된 시클로헥사놀: 시클로헥사논(체적으로 1:1)의 40 mg/ml 용액으로 약 10.0 nm +/- 0.5 nm의 n+ 실리콘 나노입자들로부터 불활성 분위기에서 준비되었다. 웨이퍼 표면을 실질적으로 커버하기 위해 충분한 실리콘 나노입자 잉크를 적용하면, 실리콘 나노입자 다공성 콤팩트가 2000 dpi(인치당 도트)의 도트 간격을 가진 잉크젯 프린팅을 사용하여 형성된다. 이 후에, 이 층은 30분 동안 200℃로 가열판의 위에서 불활성 분위기로 베이킹되었다. 부착과 전처리 단계들이 완료된 후에, 이 나노입자 다공성 콤팩트(526)가 연속적인 반도체 층을 형성하기 위해 p+ 입자들을 함께 연결하기 위해 신속-가열-처리 공구에서 20초 동안 1000℃로 처리되었다.
60초 동안 100 W로 O2-플라즈마 처리와 10분의 완충 산화물 식각 후에, 전류 추출을 위한 접점들이 부착되었다. 이 이미터 금속 전극(502)은 전도성을 개선하기 위해 n+ 평면 이미터의 상부에 직접적으로 230 nm 두께의 TCO 층(ITO)의 부착에 의해 형성되었다. TCO 층의 20cm2 면적의 외측에서, 이 n+ 평면 이미터 층이 기생 전류 수집을 회피하기 위해 CF4 플라즈마를 사용하여 메사 식각에 의해 제거되었다. 43 mm 길이, 가장 넓은 점에서 6.8 mm 폭과 1000 nm 두께의 테이퍼진 버스 바 및 250 ㎛ 폭과 1000 nm 두께의 13 핑거들로 이루어진 이미터 금속 전극(502)이 3x10-6 mbar의 압력에서 은의 열 증발에 의해 부착되었다. 이 베이스 금속 전극(512)은 InGa 공융 혼합물의 층이었다. 이와 같은 장치의 단락-회로 전류는 25mA/cm2이었다.
B. 선택적 이미터 태양 전지
이제 도6a와 도6b를 참조하면, 선택적 이미터 태양 전지들의 한 세트의 단순화된 도면들이 보여진다. 도6a는 종래의 확산된 선택적 이미터 태양 전지의 단순화된 도면을 보인다. 도6b는 본 발명에 따른 입자 선택적 이미터 태양 전지를 보인다. 이 선택적 이미터 전지 구조는 위에 논의된 균질 확산 이미터 태양 전지들에 비해 효율의 증가를 제공한다. M. Green의, 실리콘 태양 전지들. Advanced Principles and Practice Chap. 10 (광전지 장치 및 시스템 센터, 뉴 사우스 웨일즈 대학교, 시드니 1995)을 보라.
균질로 확산된 이미터 태양 전지들에서 단일 도펀트 확산이 캐리어 수집을 위해 및 (도5a에 보여지는 바와 같이) 이미터 금속 전극(502)과 접촉을 위해 일반적으로 사용된다. 확산 내의 도펀트들의 농도는 양호한 캐리어 수집을 위한 소량의 도핑과 낮은 저항 옴 접촉들을 형성하기 위한 대량의 도핑 사이의 절충으로 선택된다. 이런 절충 때문에 이와 같은 장치들의 효율은 일반적으로 균질 이미터에서 이 태양 전지의 상부 근처에서 흡수되는 경향이 있는 보다 짧은 파장의 높은 에너지의 광자들의 빈약한 수집에 의해 제한된다.
하나의 해법은, 도6a의 확산된 선택적 이미터 태양 전지에서와 같이, 다수의 도펀트 농도들의 사용이다. 즉, 확산 전극 영역(609)과 같이, 금속과 매우 가까운 국부적인 영역들에서 도펀트 농도를 증가시키는 것이며, 확산 균질 이미터(506)와 같이, 금속으로부터 떨어진 영역들에서 도펀트 농도들을 감소시키는 것이다. 그러나, 추가적인 확산 단계들과 마스킹이 요구될 때, 효율의 잠재적인 증가는 제조 비용들의 상응하는 증가에 의해 상쇄된다.
실시예 10
이제 도6b를 참조하면, 본 발명에 따른 입자 선택적 이미터 태양 전지가 보여진다. 이론에 의해 제약을 받는 것을 바라지 않지만, 확산된 균질 이미터(506)에 도펀트 농도를 실질적으로 감소시키고, 확산 전극 영역(609)에 입자들을 가진 도펀트 농도를 실질적으로 증가시키면, 효율적인 선택적 이미터 태양 전지가 종래의 확산된 선택적 이미터 태양 전지와 대략 동일하거나 더 낮은 비용으로 만들어질 수 있다는 것이 본 발명자들에 의해 믿어지고 있다. 이 입자들은 요구되는 장치의 디자인에 따라 연속적인 라인들 또는 분리된 점들로 배열될 수 있다.
게다가, 값비싼 고온 또는 응력-유발 제조 방법들을 사용하여 적용되는 도6a의 확산 전극 영역(609)과 다르게, 여기서 유리한 방식으로, 입자 전극 영역(629)이, 잉크젯 프린터 등과 같이 접촉하지 않는, 더 간단하며 더 저렴한 부착 기술들로 웨이퍼 흡수체(508)에 직접 부착될 수 있다. 게다가, 부착된 나노입자 잉크들의 사용은 양호한 부착 패턴 제어를 허용하여, 값비싼 마스킹과 정렬 단계들에 대한 필요를 감소시킨다.
수집하는 접합을 변화시키는 것에 더하여, 약간 변화된 선택적 이미터 구조가 보다 최적의 확산 균질 BSF(510)와 베이스 금속 전극(512)을 형성하는데 사용될 수 있다. 이 경우에, 광 확산(100-300 Ω/□)이 배면을 부동태화시키기 위해 사용될 수 있으며, 실리콘 잉크가 잉크젯 프린팅 등을 사용하여 금속과 접촉하는 영역들에 선택적으로 부착된다.
하나의 구성에서, 입자들이, 잉크젯 프린팅과 같은, 비접촉 프린팅 기술들에 의해, TCO/유전체(504)를 부착하는 것에 앞서, 입자 전극 영역(629)에 부착된다.
반사-방지 코팅이 그 다음에 CVD 또는 다른 적당한 수단을 사용하여 부착될 수 있다. 그 후에 이미터 금속 전극(502)이 이전에 설명된 바와 같이 실크-스크린 공정, 잉크젯 프린팅(예를 들면, 금속 나노입자들의 용액들을 사용함으로써)를 통해, 또는 물리적 기상 부착(예를 들면, 열 증발, 전자빔 부착, 스퍼터링, 등)에 의해 적용될 수 있다. 일반적으로, 접합을 만들어내기 위해, 첨가된 유리 프릿(glass frit)을 가지는 Ag 페이스트가 반사-방지 코팅을 관통하여 n+ 입자 전극 영역(626)과 접촉하도록 사용되고 뒤이어 가열된다. 실리콘 잉크는 금속이 관통하려는 위치들에서 이미터 영역의 깊이를 국부적으로 증가시킴으로써 접합 분로가 거의 생기지 않게 한다.
또는, TCO/유전체(504)가 먼저 부착될 수 있다. 레이저 또는 다른 대체 기술이 위에 설명된 바와 같이 n+ 입자 잉크가 부착되고 가열되는 TCO/유전체의 채널들을 한정하기 위해 사용될 수 있다. 결과적으로, 이미터 금속 전극(502)이 노출된 n+ 입자 채널에 추가될 수 있다.
더욱이, 이전에 설명된 바와 같이, 확산 BSF(510)가 또한 소수 전하 캐리어들을 배척하고 그에 따라 전체적인 효율을 개선하기 위해 웨이퍼 배면에 추가될 수 있다. 일반적으로 다수(majority) 전하 캐리어들(여기서 정공들)을 추출하기 위해 베이스 접점(512) (일반적으로 보다 낮은 비용의 Al 페이스트를 포함하는)이 확산 BSF(510)와 접촉한다. 게다가, 베이스 접점(512)은 또한 흡수체를 통한 추가적인 통과들을 위해 전지로 긴 파장의 광을 반사하는 거울로서 역할을 한다.
C. 점 접합 태양 전지
이제 도7a 및 도7b를 참조하면, 점 접합 태양 전지들의 한 세트의 단순화된 도면들이 보여진다. 도7a는 종래의 확산 점 접합 태양 전지의 단순화된 도면을 보인다. 도7b는 본 발명에 따른 입자 점 접합 태양 전지를 보인다.
이제 도7a를 참조하면, 종래의 확산 점 접합 태양 전지의 단순화된 도면이 보여진다. 일반적으로, 태양 전지들에서 높은 효율을 달성하기 위한 다른 방법은 상대적으로 큰 영역의 확산 균질 이미터로부터 일련의 확산 점 이미터들(706)로 수집 접합의 영역을 감소시키는 것이다(또는, 라인들, 등과 같은, 다른 감소된 구성들이 또한 사용될 수 있다). 결과적으로, 잔류하는 표면들의 처리가 재조합을 감소시키기 위해 최적화될 수 있어서, 그에 따라 효율을 개선할 수 있다. R. R. King, R. A. Sinton, R. M. Swanson의 확산 인 이미터들의 연구들: 포화 전류, 표면 재조합 속도 및 양자 효율, 37 no. 2, IEEE TRANS. ELEC. DEV. (1990)을 보라. 게다가, 베이스 금속 전극(512)에 대한 계면들이 또한 일련의 감소 영역의 확산 접점들(714)을 가지는 유전체 층(710)의 추가로 감소될 수 있다.
이들 장치의 성능은 일반적으로 양호하지만, 감소 영역 수집 접합들의 제조는 상이한 영역들을 한정하기 위한, 리소그래피(photolithography)와 같은, 값비싼 전통적인 반도체 처리 기술들의 사용 때문에 일반적으로 어렵다.
이제 도7b를 참조하면, 본 발명에 따른 입자 점 접합 태양 전지들이 보여진다. 이론에 의해 제약을 받는 것을 바라지 않지만, 도7a의 한 세트의 감소 영역의 확산 이미터들(확산 점 이미터(706))을 한 세트의 감소 영역의 용융된 입자 이미터들(입자 점 이미터(726))로 대체하며, 또한 임의로 한 세트의 감소 영역의 확산 접점들(확산 접점(714))을 한 세트의 감소 영역의 용융된 입자 접점들(입자 접점(724))로 대체하면, 효율적인 태양 전지가 종래의 감소 영역의 이미터 태양 전지와 대략 동일하거나 보다 낮은 비용으로 만들어질 수 있다는 것이 본 발명자들에게 믿어지고 있다.
D. 모든 배면 전극 점 접점 태양 전지
이제 도8a 및 도8b를 참조하면, 모든 배면 전극 점 접점 태양 전지들의 한 세트의 단순화된 도면들이 보여진다. 도8a는 종래의 확산 점 접점 태양 전지의 단순화된 도면을 보인다. 도8b는 본 발명에 따른 배면 전극 입자 점 접점 태양 전지를 보인다.
이제 도8a를 참조하면, 종래의 확산 점 접점 태양 전지의 단순화된 도면이 보여진다. 일반적으로, 종래의 태양 전지들의 효율을 증가시키는 하나의 해법은 이 배면의 위에 있는 모든 접점들을 서로 끼이는 방식으로 배치하는 것이었다. 즉, 교대하는 n-형 영역들과 p-형 영역들을 서로 뒤섞이게 하는 것이다. 증가된 전류는 통상적으로 이 전면의 금속으로부터 초래되는 음영 손실들을 제거하는 것에 의해 달성된다. 게다가, 이런 태양 전지의 구조들은 모듈들로 상호 연결시키기에 보다 용이하다.
그러나, 모든 배면-접점 구조들은 일반적으로 제조하기에 더 어려운데 왜냐하면 이들은 배면의 확산 영역들과 전극들을 한정하기 위한 몇몇 정렬된 마스킹 단계들을 필요로 하기 때문이다. 본 발명자들은 실리콘 나노입자 잉크의 사용이 이런 구조들을 제조하는 복잡성을 감소시킨다고 믿는다.
이제 도8b를 참조하면, 본 발명에 따른 배면 전극 입자 점 접점 태양 전지의 단순화된 도면이 보여진다. 도8a의 확산 점 접점 태양 전지와 다르게, 여기에 설명된 전지 구조의 도핑된 영역들은 보다 적은 처리 단계들로 만들어낼 수 있다. 부착의 하나의 방법에서, 유전체 층(810)의 부착에 앞서, n+ 입자들 및 p+ 입자들의 라인들이, 잉크젯 프린터와 같은, 적당한 부착 기술을 사용하여 부착될 수 있다. 그 다음에 유전체 층(810)이, PECVD와 같은, 적당한 수단을 사용하여 부착될 수 있다. 그 후에 이미터 금속 전극(812)과 베이스 금속 전극(802)이 이전에 설명된 바와 같이 실크-스크린 공정, 잉크젯 프린팅(예를 들면, 금속 마이크로 또는 나노입자들의 용액들을 사용함으로써)를 통해, 또는 물리적 기상 부착에 의해(예를 들면, 열 증발, 전자빔 부착, 스퍼터링, 등) 적용될 수 있다. 일반적으로, 첨가된 유리 프릿을 가지는 Ag 페이스트가 적용되며 그 다음에 유전체(810)를 관통하여 용융된 입자 BSF(820) 및 입자 점 이미터(826)와 접촉하기 위해 가열된다.
또는, 유전체 층(810)이 먼저 부착될 수 있다. 레이저 또는 다른 대체 기술이 위에 설명된 바와 같이 입자들이 부착되고 가열될 수 있는 채널들을 한정하기 위해 사용될 수 있다. 결과적으로, 이 금속은 노출된 입자 채널들에 추가될 수 있다.
이 공개서의 목적을 위해서 그리고 특별히 정해진 것이 없다면, "하나" 또는 "하나의"는 "하나 또는 그 이상"을 의미한다. 여기에 인용되는 모든 특허들, 출원들, 참조문헌들 및 간행물들은 이들이 각각 참조로 첨부된 것과 동일한 정도로 이들의 전체가 참조로 포함된다.
본 발명은 다양한 구체적이고 설명을 하는 실시예들을 참조하여 설명되었다. 그러나, 본 발명의 정신과 범위 내에서 많은 변경들 및 변형들이 만들어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명의 이점들은, 태양 전지들과 같은, 전기 장치들에 대한 저비용의 생산과 효율적인 접합들을 포함한다.
예시적 실시예들과 최선의 양상을 개시하였기 때문에, 다음의 청구항들에 의해 한정되는 바와 같은 본 발명의 주제와 정신 내에서 변형들과 변경들이 개시된 실시예들에 만들어질 수 있다.

Claims (43)

  1. 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치에 있어서,
    제1 도펀트로 도핑되고, 전면부와 배면부를 포함하는 웨이퍼로서, 상기 전면부는 태양 복사에 노출되도록 구성되는 것인, 상기 웨이퍼;
    상기 전면부상에 배치되는 용융된(fused) IV족 나노입자 박막 이미터로서, 상기 나노입자 박막은 제2 도펀트를 포함하며, 상기 제2 도펀트는 반대 도펀트인 것인, 상기 용융된 IV족 나노입자 박막 이미터;
    상기 나노입자 박막상에 배치되는 제1 전극; 및
    상기 배면부상에 배치되는 제2 전극
    을 포함하며;
    상기 태양 복사가 상기 전면부에 가해질 때, 전류가 생성되는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    반사-방지 층이 상기 용융된 IV족 나노입자 박막 이미터상에 배치되며, 상기 반사-방지 층은 상기 전면부를 부동태화(passivate)시키는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide; TCO) 층이 상기 용융된 IV족 나노입자 박막 이미터상에 배치되는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도펀트는 p-형 도펀트이며 상기 제2 도펀트는 n-형 도펀트인 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도펀트는 n-형 도펀트이며 상기 제2 도펀트는 p-형 도펀트인 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 웨이퍼는 배면부 확산 배면 필드(back surface field; BSF)를 더 포함하며, 상기 제2 전극은 상기 배면부 확산 BSF와 전기접촉하는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    용융된 IV족 나노입자 BSF 층이 상기 웨이퍼와 상기 제2 전극 사이에 배치되며, 상기 용융된 IV족 나노입자 배면 필드(BSF) 층은 제3 도펀트를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 도펀트 및 상기 제3 도펀트는 p-형 도펀트이며, 상기 제2 도펀트는 n-형 도펀트인 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 도펀트 및 상기 제3 도펀트는 n-형 도펀트이며, 상기 제2 도펀트는 p-형 도펀트인 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    진성(intrinsic) 입자 버퍼가 상기 웨이퍼와 상기 용융된 IV족 나노입자 박막 이미터 사이에 구성되는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  11. 제7항에 있어서,
    진성 입자 버퍼가 상기 웨이퍼와 상기 용융된 IV족 나노입자 배면 필드(BSF) 사이에 구성되는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 용융된 IV족 나노입자 박막 이미터는 상기 전면부를 실제로 뒤덮는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 용융된 IV족 나노입자 박막 이미터는 상기 전면부를 부분적으로 뒤덮는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 용융된 IV족 나노입자 박막 이미터는 점 표면들의 세트인 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 웨이퍼의 아래에 구성되는 배면 층을 더 포함하며, 상기 배면 층은 유전체 및 확산 감소 영역 접점들의 세트를 포함하며, 상기 확산 감소 영역 접점들의 세트의 각각의 확산 감소 영역 접점은 상기 제2 전극과 전기접촉하는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 웨이퍼의 아래에 구성되는 배면 층을 더 포함하며, 상기 배면 층은 유전체 및 용융된 IV족 나노입자 감소 영역 접점들의 세트를 포함하며, 상기 용융된 IV족 나노입자 감소 영역 접점들의 세트의 각각의 용융된 IV족 나노입자 감소 영역 접점은 상기 제2 전극과 전기접촉하는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 용융된 IV족 나노입자 감소 영역 접점들의 세트는 용융된 IV족 나노입자 점 접점들의 세트를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 용융된 IV족 나노입자 박막 이미터는 나노입자들의 세트를 포함하며, 상기 나노입자들의 세트의 각각의 나노입자는 직경이 약 1 nm와 약 100 nm 사이에 있는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 용융된 IV족 나노입자 박막 이미터는 나노입자들의 세트를 포함하며, 상기 나노입자들의 세트의 각각의 나노입자는 직경이 약 4 nm와 약 20 nm 사이에 있는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  20. 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치에 있어서,
    제1 도펀트로 도핑되고 전면부와 배면부를 포함하는 웨이퍼로서, 상기 전면부는 태양 복사에 노출되도록 구성되며, 상기 웨이퍼는 전면부 확산 영역을 더 포함하며, 상기 전면부 확산 영역은 제2 도펀트로 도핑되며, 상기 제2 도펀트는 상기 제1 도펀트에 대한 반대 도펀트인 것인, 상기 웨이퍼;
    상기 전면부 확산 영역상에 감소 영역 패턴들의 세트로서 배치되는 용융된 IV족 나노입자 박막으로서, 상기 용융된 나노입자 박막은 제3 도펀트를 포함하며, 상기 제3 도펀트는 상기 제1 도펀트에 대한 반대 도펀트인 것인, 상기 용융된 IV족 나노입자 박막;
    상기 전면부에 배치되는 제1 전극으로서, 상기 제1 전극은 상기 감소 영역 패턴들의 세트와 전기접촉하는 것인, 상기 제1 전극; 및
    상기 배면부상에 배치되는 제2 전극
    을 포함하며;
    상기 태양 복사가 상기 전면부에 가해질 때, 전류가 생성되는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 감소 영역 패턴들의 세트는 점들의 세트를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  22. 제20항에 있어서,
    반사-방지 층이 상기 용융된 IV족 나노입자 박막 위에 배치되며, 상기 반사-방지 층은 상기 전면부를 부동태화시키는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  23. 제20항에 있어서,
    투명 전도성 산화물(TCO) 층이 상기 용융된 IV족 나노입자 박막 위에 배치되는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  24. 제20항에 있어서,
    상기 웨이퍼는 배면부 확산 배면 필드(BSF)를 더 포함하며, 상기 제2 전극은 상기 배면부 확산 배면 필드(BSF)와 전기접촉하는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  25. 제20항에 있어서,
    용융된 IV족 나노입자 배면 필드(BSF) 층이 상기 웨이퍼와 상기 제2 전극 사이에 배치되며, 상기 용융된 IV족 나노입자 BSF 층은 제4 도펀트를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 제1 도펀트 및 상기 제4 도펀트는 p-형 도펀트이며, 상기 제2 도펀트 및 상기 제3 도펀트는 n-형 도펀트인 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 제1 도펀트 및 상기 제4 도펀트는 n-형 도펀트이며, 상기 제2 도펀트 및 상기 제3 도펀트는 p-형 도펀트인 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  28. 제20항에 있어서,
    상기 용융된 IV족 나노입자 박막은 나노입자들의 세트를 포함하는 콜로이드 분산액(colloidal dispersion)으로부터 형성되며, 상기 나노입자들의 세트의 각각의 나노입자는 직경이 약 1 nm와 약 100 nm 사이에 있는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  29. 제20항에 있어서,
    상기 용융된 IV족 나노입자 박막은 나노입자들의 세트를 포함하며, 상기 나노입자들의 세트의 각각의 나노입자는 직경이 약 4 nm와 약 20 nm 사이에 있는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  30. 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치에 있어서,
    제1 도펀트로 도핑되고 전면부와 배면부를 포함하는 웨이퍼로서, 상기 전면부는 태양 복사에 노출되도록 구성되며, 상기 웨이퍼는 전면부 확산 영역을 더 포함하며, 상기 전면부 확산 영역은 제2 도펀트로 도핑되며, 상기 제2 도펀트는 상기 제1 도펀트에 대한 반대 도펀트인 것인, 상기 웨이퍼;
    상기 웨이퍼의 아래에 구성되는 배면 층으로서, 상기 배면 층은 유전체 및 용융된 입자 감소 영역 접점들의 세트를 포함하는 것인, 상기 배면 층; 및
    상기 배면부상에 배치되고, 상기 감소 영역 접점들과 전기접촉하는 제2 전극
    을 포함하며;
    상기 태양 복사가 상기 전면부에 가해질 때, 전류가 생성되는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  31. 제30항에 있어서,
    반사-방지 층이 상기 전면부상에 배치되는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  32. 제30항에 있어서,
    상기 용융된 입자 감소 영역 접점들의 세트는 용융된 입자 선형 접점들의 세트를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  33. 제30항에 있어서,
    상기 용융된 입자 감소 영역 접점들의 세트는 용융된 입자 점 접점들의 세트를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  34. 제30항에 있어서,
    상기 용융된 입자 감소 영역 접점들은 나노입자들의 세트를 포함하는 콜로이드 분산액으로부터 형성되며, 상기 나노입자들의 세트의 각각의 나노입자는 직경이 약 1 nm와 약 100 nm 사이에 있는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  35. 제30항에 있어서,
    상기 용융된 입자 감소 영역 접점들은 나노입자들의 세트를 포함하며, 상기 나노입자들의 세트의 각각의 나노입자는 직경이 약 4 nm와 약 20 nm 사이에 있는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  36. 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치에 있어서,
    제1 도펀트로 도핑되고 전면부와 배면부를 포함하는 웨이퍼로서, 상기 전면부는 태양 복사에 노출되도록 구성되며, 상기 웨이퍼는 전면부 확산 영역을 더 포함하며, 상기 전면부 확산 영역은 제2 도펀트로 도핑되며, 상기 제2 도펀트는 상기 제1 도펀트에 대한 반대 도펀트인 것인, 상기 웨이퍼;
    상기 배면부상에 배치되는 용융된 IV족 나노입자 BSF 층; 및
    상기 배면부에 배치되며, 상기 용융된 IV족 나노입자 BSF 층과 전기접촉하는 전극
    을 포함하며;
    상기 태양 복사가 상기 전면부에 가해질 때, 전류가 생성되는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  37. 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치에 있어서,
    제1 도펀트로 도핑되며 전면부와 배면부를 포함하는 웨이퍼로서, 상기 전면부는 태양 복사에 노출되도록 구성되는 것인, 상기 웨이퍼;
    상기 배면부상에 제1 패턴으로 배치되고 제2 도펀트로 도핑되는 제1의 용융된 IV족 나노입자 박막;
    상기 배면부상에 제2 패턴으로 배치되고 제3 도펀트로 도핑되는 제2의 용융된 IV족 나노입자 박막으로서, 상기 제3 도펀트는 상기 제2 도펀트에 대한 반대 도펀트이며, 상기 제1 패턴은 상기 제2 패턴과 서로 끼워지는(interdigitate) 것인, 상기 제2의 용융된 IV족 나노입자 박막;
    상기 제1의 용융된 IV족 나노입자 박막상에 배치되는 제1 전극; 및
    상기 제2의 용융된 IV족 나노입자 박막상에 배치되는 제2 전극
    을 포함하며;
    상기 태양 복사가 상기 전면부에 가해질 때, 전류가 생성되는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  38. 제37항에 있어서,
    반사-방지 층이 상기 전면부상에 배치되며, 상기 반사-방지 층은 상기 전면부를 부동태화시키는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  39. 제37항에 있어서,
    상기 제1 패턴과 상기 제2 패턴은 라인들을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  40. 제37항에 있어서,
    상기 제1 패턴과 상기 제2 패턴은 점들을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  41. 제37항에 있어서,
    상기 용융된 IV족 나노입자 박막은 나노입자들의 세트를 포함하는 콜로이드 분산액으로부터 형성되며, 상기 나노입자들의 세트의 각각의 나노입자는 직경이 약 1 nm와 약 100 nm 사이에 있는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  42. 제37항에 있어서,
    상기 용융된 IV족 나노입자 박막은 나노입자들의 세트를 포함하며, 상기 나노입자들의 세트의 각각의 나노입자는 직경이 약 4 nm와 약 20 nm 사이에 있는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
  43. 제37항에 있어서,
    유전체 층이 상기 제1 패턴과 상기 제2 패턴의 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 태양 복사로부터 전기를 발생시키기 위한 장치.
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Families Citing this family (53)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7226966B2 (en) 2001-08-03 2007-06-05 Nanogram Corporation Structures incorporating polymer-inorganic particle blends
US20090075083A1 (en) 1997-07-21 2009-03-19 Nanogram Corporation Nanoparticle production and corresponding structures
US8568684B2 (en) 2000-10-17 2013-10-29 Nanogram Corporation Methods for synthesizing submicron doped silicon particles
US6599631B2 (en) 2001-01-26 2003-07-29 Nanogram Corporation Polymer-inorganic particle composites
CN101622319B (zh) 2007-01-03 2013-05-08 内诺格雷姆公司 基于硅/锗的纳米颗粒油墨、掺杂型颗粒、用于半导体应用的印刷和方法
CN101675531B (zh) 2007-02-16 2013-03-06 纳克公司 太阳能电池结构、光生伏打模块及对应的工艺
US8053867B2 (en) 2008-08-20 2011-11-08 Honeywell International Inc. Phosphorous-comprising dopants and methods for forming phosphorous-doped regions in semiconductor substrates using phosphorous-comprising dopants
US7951696B2 (en) 2008-09-30 2011-05-31 Honeywell International Inc. Methods for simultaneously forming N-type and P-type doped regions using non-contact printing processes
US8518170B2 (en) 2008-12-29 2013-08-27 Honeywell International Inc. Boron-comprising inks for forming boron-doped regions in semiconductor substrates using non-contact printing processes and methods for fabricating such boron-comprising inks
KR101145928B1 (ko) * 2009-03-11 2012-05-15 엘지전자 주식회사 태양 전지 및 태양 전지의 제조 방법
CN102007565A (zh) * 2009-03-17 2011-04-06 德国罗特·劳股份有限公司 基片处理系统和基片处理方法
US7910393B2 (en) 2009-06-17 2011-03-22 Innovalight, Inc. Methods for forming a dual-doped emitter on a silicon substrate with a sub-critical shear thinning nanoparticle fluid
US8324089B2 (en) 2009-07-23 2012-12-04 Honeywell International Inc. Compositions for forming doped regions in semiconductor substrates, methods for fabricating such compositions, and methods for forming doped regions using such compositions
DE102009044052A1 (de) * 2009-09-18 2011-03-24 Schott Solar Ag Kristalline Solarzelle, Verfahren zur Herstellung einer solchen sowie Verfahren zur Herstellung eines Solarzellenmoduls
US8603900B2 (en) 2009-10-27 2013-12-10 Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. Reducing surface recombination and enhancing light trapping in solar cells
WO2011066554A2 (en) * 2009-11-30 2011-06-03 Atonometrics, Inc. I-v measurement system for photovoltaic modules
NL2004065C2 (en) * 2010-01-06 2011-07-07 Stichting Energie Solar panel module and method for manufacturing such a solar panel module.
US8241945B2 (en) * 2010-02-08 2012-08-14 Suniva, Inc. Solar cells and methods of fabrication thereof
FR2957479B1 (fr) * 2010-03-12 2012-04-27 Commissariat Energie Atomique Procede de traitement d'un contact metallique realise sur un substrat
US8865502B2 (en) * 2010-06-10 2014-10-21 International Business Machines Corporation Solar cells with plated back side surface field and back side electrical contact and method of fabricating same
US8895962B2 (en) * 2010-06-29 2014-11-25 Nanogram Corporation Silicon/germanium nanoparticle inks, laser pyrolysis reactors for the synthesis of nanoparticles and associated methods
US20120060904A1 (en) * 2010-09-13 2012-03-15 Smith David D Fabrication Of Solar Cells With Silicon Nano-Particles
US20130298989A1 (en) * 2010-12-10 2013-11-14 Teijin Limited Semiconductor laminate, semiconductor device, method for producing semiconductor laminate, and method for manufacturing semiconductor device
US8858843B2 (en) 2010-12-14 2014-10-14 Innovalight, Inc. High fidelity doping paste and methods thereof
US9368655B2 (en) * 2010-12-27 2016-06-14 Lg Electronics Inc. Solar cell and method for manufacturing the same
US8912083B2 (en) 2011-01-31 2014-12-16 Nanogram Corporation Silicon substrates with doped surface contacts formed from doped silicon inks and corresponding processes
EP2490268A1 (en) * 2011-02-03 2012-08-22 Imec Method for fabricating photovoltaic cells
JP6028238B2 (ja) * 2011-02-08 2016-11-16 小川　一文 半導体微粒子膜、ダイオード、光電変換素子およびそれらの製造方法
CN102169909A (zh) * 2011-03-04 2011-08-31 中山大学 一种具有低串联电阻的晶体硅太阳电池及其制备方法
SG193304A1 (en) * 2011-03-08 2013-10-30 Merck Patent Gmbh Metallisation barrier based on aluminium oxide
CN102254960A (zh) * 2011-07-18 2011-11-23 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种晶体硅太阳能电池p型硅表面的钝化层及其制备方法
US8629294B2 (en) 2011-08-25 2014-01-14 Honeywell International Inc. Borate esters, boron-comprising dopants, and methods of fabricating boron-comprising dopants
KR101969032B1 (ko) * 2011-09-07 2019-04-15 엘지전자 주식회사 태양전지 및 이의 제조방법
US20130334501A1 (en) * 2011-09-15 2013-12-19 The Regents Of The University Of California Field-Effect P-N Junction
US9246434B2 (en) * 2011-09-26 2016-01-26 First Solar, Inc System and method for estimating the short circuit current of a solar device
US8975170B2 (en) 2011-10-24 2015-03-10 Honeywell International Inc. Dopant ink compositions for forming doped regions in semiconductor substrates, and methods for fabricating dopant ink compositions
US8822262B2 (en) * 2011-12-22 2014-09-02 Sunpower Corporation Fabricating solar cells with silicon nanoparticles
US9024367B2 (en) 2012-02-24 2015-05-05 The Regents Of The University Of California Field-effect P-N junction
KR101879781B1 (ko) * 2012-05-11 2018-08-16 엘지전자 주식회사 태양 전지, 불순물층의 형성 방법 및 태양 전지의 제조 방법
KR101921738B1 (ko) * 2012-06-26 2018-11-23 엘지전자 주식회사 태양 전지
WO2014028964A1 (en) * 2012-08-22 2014-02-27 Newsouth Innovations Pty Ltd A method of forming a contact for a photovoltaic cell
KR101956734B1 (ko) * 2012-09-19 2019-03-11 엘지전자 주식회사 태양 전지 및 그의 제조 방법
US20140166093A1 (en) * 2012-12-18 2014-06-19 Paul Loscutoff Solar cell emitter region fabrication using n-type doped silicon nano-particles
US20140166094A1 (en) * 2012-12-18 2014-06-19 Paul Loscutoff Solar cell emitter region fabrication using etch resistant film
US20140179049A1 (en) * 2012-12-20 2014-06-26 Nanogram Corporation Silicon/germanium-based nanoparticle pastes with ultra low metal contamination
JP6271716B2 (ja) 2013-05-24 2018-01-31 帝人株式会社 シリコン／ゲルマニウム系ナノ粒子及び高粘度アルコール溶媒を含有する印刷用インク
DE102015205230B4 (de) * 2015-03-23 2023-01-19 Universität Duisburg-Essen Verfahren zur Herstellung von Bauelementen aufweisend eine Schottky-Diode mittels Drucktechnik und Bauelement
US10923610B2 (en) 2015-09-30 2021-02-16 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Solar cell and solar cell module
US10784396B2 (en) * 2015-09-30 2020-09-22 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Solar cell, solar cell module, and production method for solar cell
JP7187316B2 (ja) * 2015-11-03 2022-12-12 カネカ アメリカズ ホールディング，インコーポレイティド 誘電率の調整によるナノ粒子の分散安定性の制御及び界面活性剤フリーナノ粒子の固有誘電率の決定
US10971647B2 (en) * 2018-05-07 2021-04-06 Amberwave, Inc. Solar cell via thin film solder bond
CN108597974B (zh) * 2018-05-11 2020-04-17 苏州大学 一种基于n型单晶Si的高效光阴极的设计方法
CN108735829A (zh) * 2018-07-12 2018-11-02 浙江爱旭太阳能科技有限公司 能够提升背面光电转换效率的p型perc双面太阳能电池及其制备方法

Family Cites Families (34)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US667163A (en) * 1900-04-16 1901-01-29 Emily L A Callaway Rotary engine.
US4133698A (en) * 1977-12-27 1979-01-09 Texas Instruments Incorporated Tandem junction solar cell
US4703553A (en) * 1986-06-16 1987-11-03 Spectrolab, Inc. Drive through doping process for manufacturing low back surface recombination solar cells
DE4235376A1 (de) * 1991-10-19 1993-04-22 Hahn Meitner Kernforsch Verfahren zur herstellung einer solarzelle
US5720827A (en) * 1996-07-19 1998-02-24 University Of Florida Design for the fabrication of high efficiency solar cells
US5766971A (en) * 1996-12-13 1998-06-16 International Business Machines Corporation Oxide strip that improves planarity
ATE411116T1 (de) * 1998-01-22 2008-10-15 Purdue Research Foundation Funktionalisierte poröse siliziumoberflächen
JP3732947B2 (ja) * 1998-04-27 2006-01-11 京セラ株式会社 太陽電池素子の製造方法
US6239355B1 (en) * 1998-10-09 2001-05-29 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Solid-state photoelectric device
US6485986B1 (en) * 1999-11-19 2002-11-26 Purdue Research Foundation Functionalized silicon surfaces
US6277766B1 (en) * 2000-02-03 2001-08-21 Michael Raymond Ayers Method of making fullerene-decorated nanoparticles and their use as a low dielectric constant material for semiconductor devices
US6986818B2 (en) * 2000-06-02 2006-01-17 The Regents Of The University Of California Method for producing nanostructured metal-oxides
US6569979B1 (en) * 2000-09-08 2003-05-27 Wisconsin Alumni Research Foundation Modified carbon, silicon, & germanium surfaces
CA2326043A1 (en) * 2000-11-16 2002-05-16 National Research Council Of Canada Functionalised silicon surfaces, and method for their production
US6710366B1 (en) * 2001-08-02 2004-03-23 Ultradots, Inc. Nanocomposite materials with engineered properties
JP4244549B2 (ja) * 2001-11-13 2009-03-25 トヨタ自動車株式会社 光電変換素子及びその製造方法
TW200425530A (en) * 2002-09-05 2004-11-16 Nanosys Inc Nanostructure and nanocomposite based compositions and photovoltaic devices
CN100584921C (zh) * 2002-09-05 2010-01-27 奈米系统股份有限公司 促进电荷转移至纳米结构或自纳米结构转移出电荷的有机物
WO2004055909A1 (en) * 2002-12-13 2004-07-01 Samwha Electronics Co., Ltd. Silicon wafer for solar cell and the same manufacturing method
US7371666B2 (en) * 2003-03-12 2008-05-13 The Research Foundation Of State University Of New York Process for producing luminescent silicon nanoparticles
EP1618612A1 (fr) * 2003-04-14 2006-01-25 Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs) Materiau semiconducteur obtenu par frittage
JP2004342654A (ja) * 2003-05-13 2004-12-02 Dainippon Screen Mfg Co Ltd 基板処理装置
US7170001B2 (en) * 2003-06-26 2007-01-30 Advent Solar, Inc. Fabrication of back-contacted silicon solar cells using thermomigration to create conductive vias
KR100619379B1 (ko) * 2003-06-27 2006-09-05 삼성전자주식회사 발광소자용 양자점 실리케이트 박막의 제조방법
US6943054B2 (en) * 2003-07-25 2005-09-13 The Regents Of The University Of California Attachment of organic molecules to group III, IV or V substrates
US7723394B2 (en) * 2003-11-17 2010-05-25 Los Alamos National Security, Llc Nanocrystal/sol-gel nanocomposites
JP4518806B2 (ja) * 2004-01-16 2010-08-04 京セラ株式会社 光電変換装置およびその製造方法
DE102004060737B4 (de) * 2004-12-15 2007-03-08 Degussa Ag Verfahren zur Herstellung von halbleitenden oder photovoltaisch aktiven Filmen
FR2881879B1 (fr) * 2005-02-08 2007-03-09 Commissariat Energie Atomique Procede de realisation de contacts metal/semi-conducteur a travers un dielectrique.
US20070169808A1 (en) * 2006-01-26 2007-07-26 Kherani Nazir P Solar cell
US8791359B2 (en) * 2006-01-28 2014-07-29 Banpil Photonics, Inc. High efficiency photovoltaic cells
US7705237B2 (en) * 2006-11-27 2010-04-27 Sunpower Corporation Solar cell having silicon nano-particle emitter
CN101622319B (zh) * 2007-01-03 2013-05-08 内诺格雷姆公司 基于硅/锗的纳米颗粒油墨、掺杂型颗粒、用于半导体应用的印刷和方法
CN101675531B (zh) * 2007-02-16 2013-03-06 纳克公司 太阳能电池结构、光生伏打模块及对应的工艺

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Publication number Publication date
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