KR20100125448A - 결정성 태양 전지들을 위한 표면 세정 및 텍스처링 프로세스 - Google Patents

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카피라 위제쿤
로히트 미시라
마이클 피. 스튜어트
티모시 웨이드만
하리 폰네간티
트리스탄 알. 홀탐
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어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Abstract

결정성 실리콘 기판을 표면 텍스처링하는 방법이 제공된다. 일 실시예에서, 상기 방법은 결정성 실리콘 기판을 제공하는 단계, 상기 기판을 습윤제를 포함하는 알칼리 용액으로 습윤하는 단계 및 상기 기판상에 약 1㎛ 내지 약 10㎛의 깊이를 갖는 구조로 텍스처링된 표면을 형성하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 기판 텍스처 프로세스를 수행하는 방법은 결정성 실리콘 기판을 제공하는 단계, 상기 기판들을 HF 수용액에서 사전-세정하는 단계, 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 혼합물을 포함하는 KOH 수용액으로 상기 기판을 습윤하는 단계 및 상기 기판상에 약 3㎛ 내지 약 8㎛의 깊이를 갖는 구조로 텍스처링된 표면을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

결정성 태양 전지들을 위한 표면 세정 및 텍스처링 프로세스{SURFACE CLEANING TEXTURING PROCESS FOR CRYSTALLINE SOLAR CELLS}
본 발명은 광전지들의 제조에 관한 것으로서, 특히 광전지들의 제조를 위한 표면 텍스처(texture) 프로세스에 관한 것이다.
태양 전지들은 태양광을 직접 전기 전력으로 변환하는 광전지(photovoltaic) 장치들이다. PV 또는 태양 전지들은 전형적으로 하나 이상의 p-n 접합들을 갖는다. 각 접합은 한 쪽이 p-타입 영역으로 표시되고 다른 한쪽이 n-타입 영역으로 표시되는 반도체 재료 내의 2개의 서로 다른 영역들을 포함한다. 상기 PV 전지의 p-n 접합이 태양광(광자들로부터의 에너지로 구성됨)에 노출될 때, 상기 태양광은 상기 PV 효과를 통해 직접 전기로 변환된다. PV 태양 전지들은 특정량의 전기 전력을 생성하고 전지들은 원하는 양의 시스템 전력을 전달하도록 크기설정된 모듈들로 타일링(tiled)된다. PV 모듈들은 특정 프레임들 및 커넥터들을 갖는 패널들에 연결된다.
상기 태양 전지들은 단일 또는 다결정성(multicrystalline) 실리콘 기판들의 형태일 수 있는 실리콘 기판상에 공통으로 형성된다. 실제로는, 상기 태양 전지에 전송된 입사광이 가능한한 상기 광학 에너지만큼을 전기 에너지로 효율적으로 변환하는 것이 바람직하다. 그러나, 태양 광은 전송 동안 산란되고, 굴절되고, 회절되거나 반사되기 때문에, 비용 효율이 높은 직접 변환을 위해서는 광 플럭스(flux)가 불충분하다.
따라서, 변환 효율을 개선하도록 상기 태양 전지들에서의 광 트랩핑을 강화하기 위해 여러 다른 기술들이 개발되어왔다. 예를 들어, 표면 반사율을 최소화하도록 상기 기판 표면에 서로 다른 코팅들이 도포될 수 있으며, 그에 의해 상기 태양 전지로부터 반사되는 대신에, 더 높은 퍼센티지의 입사광이 상기 태양 전지들에 들어가는 것을 허용한다. 대안적으로, 상기 표면 거칠기(roughness)를 증가시키도록 표면 텍스처가 제공될 수 있으며, 그에 의해 상기 광이 상기 태양 전지에 트랩핑되고 가둬지게 된다. 종래의 표면 텍스처링 프로세스는 종종 기판 표면 처리를 위한 화학적 소스로서 알코올 관련 혼합물을 이용한다. 그러나, 알코올 관련 혼합물들은 가연성이며, 이는 화재 위험이 있으며 환경적 안전 우려가 있으므로, 프로세싱 동안 특별한 안전 조치들을 요한다. 또한, 알코올들은 상기 텍스처링 용액의 부식제들의 화학적 활성이 상기 텍스처링 프로세스를 효율적으로 수행하는데 있어서 최적의 범위에 있도록 보장하는데 필요한 온도들에서 증발한다. 상기 텍스처링 배쓰(bath)로부터의 알코올 성분들의 증발은 상기 프로세스들이 이러한 상승된 온도들에서 실행될 때 불안정한 텍스처링 배쓰 조성을 유도하게 된다.
따라서, 태양 전지 제조 프로세스를 위한 개선된 표면 텍스처 프로세스가 필요하다.
본 발명의 일 실시예는 태양 전지 기판의 표면을 거칠게 하는 방법을 설명하는데, 상기 방법은 표면 수정 첨가물을 포함하는 알칼리성 용액에 시간 주기 동안 결정성(crystalline) 실리콘 기판을 침지함(immersing)으로써 결정성 실리콘 기판의 표면을 거칠게 하는 단계를 포함하며, 상기 형성된 거칠기는 약 1 ㎛ 내지 약 10 ㎛ 사이의 평균 깊이를 갖는다.
본 발명의 실시예들은 태양 전지 기판의 표면을 거칠게 하는 방법을 더 제공할 수 있는데, 상기 방법은 플루오르화 수소산(hydrofluoric acid)을 포함하는 제 1 사전-세정(pre-clean) 용액에 결정성 실리콘 기판을 침지하는 단계, 표면 수정 첨가물을 포함하는 알칼리성 용액에 결정성 실리콘 기판을 침지함으로써 결정성 실리콘 기판의 표면상에 텍스처를 형성하는 단계, 상기 표면상에 형성된 텍스처의 평균 깊이를 측정하는 단계 및 플루오르화 수소산 및 염산(hydrochloric acid)을 포함하는 사후-세정(post-clean) 용액에 상기 기판의 텍스처된 표면을 침지하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예들은 기판 텍스처링 프로세스를 수행하는 방법을 더 제공할 수 있는데, 상기 방법은 플루오르화 수소산을 포함하는 용액에 n-타입 결정 실리콘 기판을 사전-세정하는 단계, 상기 n-타입 결정 실리콘 기판의 표면상에 텍스처를 형성하도록 시간 주기 동안 수산화칼륨(hydroxide) 및 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol)을 포함하는 에칭 용액으로 상기 n-타입 결정 실리콘 기판을 습윤(wetting)하는 단계 ― 상기 형성된 텍스처의 평균 깊이는 약 3 ㎛ 내지 약 8 ㎛ 사이에 있음―, 및 플루오르화 수소산 및 염산을 포함하는 사후-세정 용액에 상기 기판의 텍스처된 표면을 침지하는 단계를 포함한다.
상기에 간략하게 요약된, 본 발명의 인용된 특징들은 첨부한 도면들에 도시되는 실시예들을 참조하여 본 발명의 특정 설명에서 상세하게 달성되고 이해될 수 있다. 상기 특허 또는 출원 파일은 컬러로 실행된 적어도 하나의 도면을 포함한다. 컬러 도면(들)을 갖는 상기 특허 또는 특허 출원 공보의 카피들은 필요 경비를 지불하고 요청할 시에 당국에 의해 제공될 것이다.
도 1A는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 기판상에 수행된 표면 텍스처링 프로세스의 프로세스 흐름도를 도시한다.
도 1B는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 기판상에 수행된 표면 텍스처링 프로세스의 프로세스 흐름도를 도시한다.
도 2A-2B는 도 1A 및/또는 도 1B의 프로세스의 다양한 스테이지들(stages)에 대응하는 기판의 일부분의 단면도를 도시한다.
도 3A는 본 발명의 일 실시예에 따른 결정 태양 전지들을 형성하도록 이용될 수 있는 텍스처링된 표면을 갖는 실리콘 기판의 단면도를 도시한다.
도 3B는 본 발명의 일 실시예에 따른 텍스처링된 표면을 갖는 태양 전지의 단면도를 도시한다.
도 4는 상기 표면 텍스처 프로세스 전후의 기판 표면들의 반사율 곡선들의 비교를 도시한다.
도 5A-5D는 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 하나 이상의 표면 수정 첨가물들을 함유하거나 함유하지 않는 에칭 화학들을 이용하여 달성될 수 있는 표면 거칠기의 차이를 도시하는 4개의 SEM 사진들을 포함한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 프로세싱의 평면도이다.
이해를 용이하게 하기 위해, 도면들에 공통인 동일한 요소들을 지적하기 위해 가능한한 동일한 참조 부호들이 사용되었다. 일 실시예의 요소들 및 특징들은 추가적인 인용없이 다른 실시예들에 유용하게 통합될 수 있다.
그러나, 주목되는 바와 같이, 첨부 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예들만을 도시하며 따라서 발명에 대한 범위를 제한하는 것으로 고려되어서는 안되고, 다른 동등하게 효과적인 실시예들을 인정할 수 있다.
본 발명은 태양 전지 장치를 형성하도록 이용될 수 있는 실리콘 기판의 표면을 텍스처링하는 방법을 제공한다. 일 실시예에서, 상기 실리콘 기판은 단결정성(monocrystalline), 또는 단일 결정(single crystal)의 기판이다. 일 실시예에서, 상기 기판 표면은 그 안에 첨가된 습윤제(wetting agent)를 갖는 알칼리성 용액으로 습윤(wetting)될 수 있다. 상기 알칼리 용액에서의 반응 활성종들은 상기 기판 표면을 에칭하여 상기 기판 표면상에 원하는 표면 텍스처를 생성하며, 그에 의해 상기 입사광의 광 흡수를 촉진한다.
도 1A는 실리콘 기판상에 수행하도록 적합한 표면 텍스처링 프로세스 시퀀스(100)의 일 실시예의 흐름도를 도시한다. 도 1B는 단계들(103-106) 중 하나 이상동안 수행되는 다수의 서브-프로세싱 단계들을 갖는 표면 텍스처링 프로세스 시퀀스(100)의 일 실시예의 흐름도를 도시한다. 도 2A-2B는 상기 프로세스 시퀀스(100)의 다양한 스테이지들에 대응하는 기판의 일부분의 개략적 단면도들이다. 상기 프로세스 시퀀스(100)는 태양 전지 제조 프로세스를 위해 예시되지만, 상기 프로세스 시퀀스(100)는 다른 구조들 및 애플리케이션에 적합한 텍스처링된 표면들을 형성하도록 유용하게 이용될 수 있다. 일 실시예에서, 이하에 논의되는 프로세스 시퀀스(100)는 이하에 논의되는 프로세싱 단계들 모두를 수행하도록 적응되는 일련의 화학적 배쓰들에 상기 프로세싱된 기판들의 각각을 이송하도록 적응되는 로봇 장치를 갖는 자동화 생산 라인(600)(도 6)에서 수행된다. 도 1A-1B에 도시되지 않지만, 상기 프로세스 시퀀스(100)의 일부 실시예들에서, 각 단계 동안 상기 화학 프로세싱에의 과다 노출을 방지하도록 이하에 논의되는 프로세싱 단계들의 각각 사이에 린싱(rinsing) 단계가 수행된다.
상기 프로세스 시퀀스(100)는 도 2A에 도시된 바와 같이, 상부 표면(204)과 바닥 표면(206)을 갖는 실리콘 기판(200)을 제공함으로써 단계(102)에서 시작한다. 상기 기판은 약 100 ㎛ 내지 400 ㎛ 사이의 두께(202)를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 상기 기판(200)은 단결정성 기판(예를 들어, Si<100> 또는 Si<111>), 미세결정질(microcrystalline) 실리콘 기판, 다결정성(polycrystalline) 실리콘 기판, 스트레인드(strained) 실리콘 기판, 비정질(amorphous) 실리콘 기판, 도핑 또는 비도핑 폴리실리콘(polysilicon) 기판, 유리, 사파이어 및 임의 타입들의 실리콘 함유 기판일 수 있다. 상기 실시예에서, 상기 기판(200)은 n-타입 결정성 실리콘 기판인 것이 바람직하며, 도너(donor) 타입 원자들이 상기 기판 형성 프로세스 동안 상기 결정성 실리콘 기판 내에 도핑된다. 도너 원자들의 적합한 예들은 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb)을 포함하지만 이들에 제한되는 것은 아니다. 대안적으로, 상기 실시예에서 p-타입 결정성 실리콘 기판이 바람직하며, 액셉터(acceptor) 타입 원자들은 상기 기판 형성 프로세스 동안 상기 결정성 실리콘 기판 내로 도핑될 수 있다. 도 2A-B에 도시된 실시예에서, 상기 실리콘 기판(200)은 n-타입 결정성 실리콘 기판이다. 본 명세서의 설명은 일반적으로 n-타입 기판의 사용을 논의하지만, p-타입 결정성 실리콘 기판이 또한 사용될 수 있기 때문에 이러한 구성은 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니다.
단계(103)에서, 상기 기판(200)은 임의선택적으로 상기 텍스처화 프로세스(예를 들어, 단계(104))를 수행하지 전에 사전-세정된다. 일 실시예에서, 상기 사전-세정 프로세스는 후속하는 프로세싱 단계들에 영향을 미칠 수 있는 원하지 않는 오염, 기판 손상 및/또는 다른 물질들을 제거하도록 사용되는 다중-단계 프로세스이다. 일 실시예에서, 또는 단계(103A)에서, 상기 사전-세정 프로세스는 상기 기판으로부터 표면 입자들, 자연발생 산화물(native oxide) 또는 다른 오염 물질들을 제거하도록 산성 용액 및/또는 용제로 상기 기판을 습윤(wetting)함으로써 수행될 수 있다. 적시는 것은 다른 적합한 기술의 분무(spraying), 플러딩(flooding), 침지에 의해 달성될 수 있다. 상기 사전-세정 용액은 약 0.1:100 내지 약 4:100 사이의 비의 플루오르화 수소와 탈이온수의 혼합물을 갖는 플루오르화 수소(HF) 수용액일 수 있다. 본 명세서에 도시된 일 실시예에서, 상기 사전-세정 용액은 탈이온수에 대해 약 1 중량 퍼센트에서 약 2 중량 퍼센트 사이와 같이, 약 0.1 중량 퍼센트 내지 약 4 중량 퍼센트 사이의 농도를 갖는 플루오르화 수소(HF) 수용액이다. 상기 사전-세정 프로세스는 약 5 초 내지 약 600 초 사이, 약 30 초 내지 약 240 초 사이, 예를 들어, 약 120 초에서 상기 기판상에 수행될 수 있다. 상기 사전-세정 용액은 또한 SC1 세정 용액, SC2 세정 용액일 수 있으며, 또는 실리콘 함유 기판을 세정하도록 다른 적합하며 비용 효율적인 세정 용액이 사용될 수 있다. 일 예에서, 상기 사전-세정 프로세스는 약 2분 사이의 시간 동안 실온에서 2% 체적으로 플루오르화 수소산(HF)을 포함하는 용액에 상기 기판을 침지하는 단계를 포함한다. 다른 예에서, 상기 사전-세정 프로세스는 약 2 내지 10 분 사이의 시간 동안 실온에서 3% 체적의 질산(HNO3) 및 5% 체적의 플루오르화 수소산(HF)을 포함하는 HN 타입 용액에 상기 기판을 침지하는 단계를 포함한다. 일 예에서, 상기 HN 용액(또는 HN10 배쓰)을 이용하는 10분 에칭 프로세스는 톱니형(saw) 손상 에칭 제거 프로세스 및 텍스처화 프로세스(단계(104))를 수행하기 전에 웨이퍼 톱니형 오염의 총량을 제거하도록 사용되었다. 상기 HN10 세정 프로세스를 이용함으로써, 톱니형 및 워터 린스된 기판들에 비교하여 Cr, Cu, Fe 및 Ni 오염의 큰 감소가 발견되었다(이하의 표 1을 참조). 상기 배쓰 처리 동안 상기 HN10 배쓰는 상기 기판의 각 측면으로부터 대략 1.5 ㎛의 실리콘을 소비할 것이며 그 에칭 특성들의 저하 없이 여러 번 재사용될 수 있다. 상기 HN10 배쓰로부터 빠져나온 기판들의 표면들은 일반적으로 소수성(hydrophobic)일 것이며, 따라서 린싱 및 건조를 수행하기가 더 용이해진다. 상기 HN10 세정 프로세스를 수행한 후에, 상기 기판은 전형적으로 0.5% 이소프로필 알코올(IPA) 및 DI 워터의 혼합물에서 린스된다.
상기 사전-세정 프로세스의 일 실시예에서, 톱니형 손상 에칭 프로세스(단계(103B))가 상기 이전의 톱니형 프로세스에 의해 생성된 임의의 물리적 손상을 제거하도록 수행된다. 일 실시예에서, 상기 톱니형 손상 에칭 프로세스 단계(103B)는 단계(104)를 수행하기 전에 상기 논의된 HN10 프로세스와 같은 산성 에칭 단계(103A)를 수행한 후에 수행된다. 일 실시예에서, 상기 톱니형 손상 에칭 프로세스는 약 20% 및 45% 체적 사이의 수산화칼륨(KOH) 및 밸런스 DI 워터를 포함하는 톱니형 손상 에칭 배쓰에서 상기 기판을 에칭하는 단계를 포함한다. 일 예에서, 상기 톱니형 손상 에칭 프로세스는 상기 기판의 각 측면(1 ㎛/min)으로부터 대략 20 ㎛의 Si를 제거하는, 70℃로 유지된 20 vol.%의 KOH로 이루어진 톱니형 손상 에칭 배쓰에 약 22분 동안 상기 기판을 에칭하는 단계를 포함한다. 상기 톱니형 손상 에칭 프로세스를 수행한 후에, 상기 기판은 전형적으로 따뜻한 DI 워터에서 린싱된다. 다른 예에서, 상기 톱니형 에칭 프로세스는 65℃로 유지된 45 vol.%로 이루어진 톱니형 손상 에칭 배쓰에 약 45초 동안 상기 기판을 에칭하는 단계를 포함한다.
단계(104)에서, 상기 기판(200)은 상기 기판의 표면을 거칠게 하거나 텍스처링하도록 에칭 용액에 의해 습윤된다. 상기 기판(200)은 플러딩, 분무, 침지 또는 다른 적합한 방식에 의해 습윤될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 에칭 용액은 약 65℃에서 약 95℃ 사이의 온도로 유지되는, 그 안에 첨가된 하나 이상의 표면 수정 첨가물들을 갖는 알칼리 용액이다. 일부 경우들에서, 상기 에칭 프로세스 동안 상기 기판의 표면과 항상 밀접하게 있게 하기 위해 상기 에칭 용액의 교반(agitation)이 필요하다. 상기 에칭 용액은 상기 기판(200)을 비등방성으로(anisotropically) 에칭할 것이며, 그에 의해 도 2B에 도시된 바와 같이 상기 기판(200)의 텍스처링된 표면(212)을 제공한다. Si<111> 배향(orientation)을 향한 상기 에칭 속도는 비교적 느리다. 결과적으로, 상기 기판(200)은 상기 Si<111> 측을 따라 Si<100> 배향으로 선택적으로 에칭되어, 상기 텍스처된 표면(212) 상에 피라미드들(214)을 형성한다. 주목할 사항으로서, 상기 에칭 용액은 상기 기판(200)의 상부 표면들(204) 및 바닥 표면(206) 둘 다를 에칭할 수 있다. 상기 텍스처링된 표면은 상기 기판(200)의 양 측면들 상에 형성될 수 있다. 상기 텍스처링된 표면(212)의 거칠기는 상기 텍스처링된 표면(212) 상에 형성된 상기 피라미드(214)의 모양, 높이, 치수 및 깊이에 의해 결정될 수 있다. 일반적으로, 상기 평균 깊이는 상기 피크(210) 내지 계곡(213) 사이의 평균 차이, 또는 기계적 프로파일미터(profilometer), 광학 프로파일미터 또는 다른 광학 검사 기술들(예를 들어, 공촛점 현미경법(confocal microscopy), 3D-SEM 화상)을 이용하여 상기 기판 표면의 영역 또는 구역에 걸쳐 측정된 바와 같은 평균 높이로서 정의된다. 일 실시예에서, 상기 피라미드(214)는 약 1㎛ 내지 약 10㎛ 사이, 예를 들어 약 5㎛와 같은 약 3㎛ 내지 약 8㎛ 사이의 깊이를 갖는다. 일 예에서, 피라미드(214)는 상기 피라미드 꼭대기 또는 피크(210)로부터 그 계곡(213)까지 약 8㎛의 높이(208)를 갖는다.
일 실시예에서, 상기 실리콘 기판을 에칭하기 위한 알칼리 용액은 수용성 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(sodium hydroxide)(NaOH), 수용성 암모니아(aqueous ammonia)(NH4OH), 테트라메틸암모늄 수산화물(tetramethylammonium hydroxide)(TMACH; 또는 (CH3)4NOH) 또는 다른 유사한 기본 용액일 수 있다. 상기 알칼리 용액은 약 3 중량 퍼센트와 같은 탈이온수(DI) 워터에 대해 약 1 중량 퍼센트에서 약 15 중량 퍼센트 사이의 KOH의 농도를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 에칭 용액에 첨가되는 하나 이상의 표면 수정 첨가물들은 폴리에테르들(polyethers) 및/또는 음이온 계면 활성제들인 물질들과 같은 물질들의 그룹으로부터 선택될 수 있는 습윤제를 포함한다. 일 실시예에서, 상기 습윤제는 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 소듐 도데실 황산염(sodium dodecyl sulfate)(SDS), 폴리프로필렌 글리콜(polypropylene glycol)(PPG), 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 및 폴리프로필렌 글리콜(PPG)의 공중합체(copolymer) 및 그의 조합, 그의 유도체들 등을 포함할 수 있지만 이들로 제한되는 것은 아니다. 상기 습윤제는 높은 끓는점/인화점 및 높은 가용성을 갖는 혼합물로부터 선택되며, 그에 의해 상기 습윤제가 프로세스 동안 점화, 증발 또는 침전되는 것을 방지한다. 추가적으로, 상기 습윤제의 높은 가용성은 또한 상기 기판 표면으로부터 에칭되어 용해된 원소들이 상기 기판 표면에 재부착되는 것을 방지한다. 예를 들어, PEG 혼합물은 액체에 용해될 수 있는 친수성(hydrophilic) 비이온 폴리머이며 예를 들어, 섭씨 170도 이상의 비교적 높은 인화점을 갖는다. 따라서, 상기 에칭 용액이 가열되는 실시예에서, 상기 용액에 첨가된 습윤제의 예를 들어 50℃ 이상의 높은 인화점은 점화 또는 증발을 촉진하지 않을 것이며, 그에 의해 원하지 않는 위험한 화재 및 환경적 안전 우려를 야기하지 않을 것이다. 일 실시예에서, 상기 에칭 프로세스가 DI 워터와 같은 실온 린싱제(rinsing agent)의 사용에 의해 수행된 후에 상기 기판 표면으로부터 쉽게 제거될 수 있도록 실온에서 액체 상태인 습윤제를 선택하는 것이 바람직하다. 바람직한 부식제 물질 및 바람직한 습윤제의 신중한 선택은 상기 텍스처링 프로세스를 수행하기 위한 비용을 크게 감소시킬 수 있어, 상기 태양 전지 장치의 생산 비용을 감소시킬 수 있다.
상기 에칭 용액의 일 실시예에서, 에칭 용액에 첨가되는 하나 이상의 표면 수정 첨가물들은 습윤제 및 에칭 첨가물을 포함한다. 일반적으로 상기 에칭 첨가물은 에칭 속도에서의 국소화된 변동들을 최소화하고 상기 형성된 텍스처의 균일성을 개선하기 위해 상기 기판의 표면에 걸쳐 상기 에칭 속도를 가속하거나 억제하는 것과 같이, 상기 기판의 표면상의 상기 에칭 프로세스를 수정하도록 선택된다. 일 실시예에서, 상기 에칭 첨가물은 페놀계 물질이다. 일 예에서, 상기 에칭 첨가물은 폴리(4-비닐페놀)(poly(4-vinylphenol))(PVP), 브롬화 폴리(4-비닐 페놀)(brominated poly(4-vinyl phenol)), 폴리스티렌 술폰산(polystyrene sulfonic acid)(PSSA), Joncryl® 폴리머들(실험식 C3H4O2), 페놀(C6H5OH), 오쏘-크레졸(o-cresol), 메타-크레졸(m-cresol) 및 파라-클레졸(p-cresol), 폴리(크레졸), 그의 조합, 그의 유도체 등과 같은 물질이다.
본 명세서에 도시된 어떤 실시예들에서, 상기 에칭 용액은 상기 용액에 첨가된 PEG 혼합물을 함유하는 수용성 수산화칼륨(KOH) 용액이다. 상기 PEG 혼합물은 약 300 분자량(MW)과 같은, 약 200에서 약 8000 사이의 분자량을 가질 수 있다. 상기 알칼리 용액에 첨가된 PEG는 약 50 ppm에서 약 20000 ppm 사이와 같은, 약 20 ppm에서 약 50000 ppm 사이의 농도를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 상기 알칼리 용액은 약 4000 ppm의 PEG 농도를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 에칭 용액은 상기 용액에 첨가된 폴리(4-비닐페놀)(PVP) 혼합물을 함유하는 수용성 수산화칼륨(KOH) 용액이다. 상기 알칼리 용액에 첨가된 PVP는 약 50 ppm에서 약 4000 ppm 사이와 같은, 약 50 ppm에서 약 50000 ppm 사이의 농도를 가질 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 에칭 용액은 PEG 혼합물과 같은 습윤제, 및 폴리(4-비닐페놀)(PVP) 혼합물과 같은 에칭 첨가물을 함유하는 수용성 수산화칼륨(KOH) 용액이다. 일 예에서, 상기 에칭 용액은 약 20 ppm에서 약 50000 ppm 사이의 농도로 200 및 8000 분자량 PEG, 및 약 50 ppm에서 약 50000 ppm 사이의 농도로 PPV 혼합물을 갖는 알칼리 용액을 포함한다. 다른 예에서, 상기 에칭 용액은 약 20 ppm에서 약 4000 ppm 사이의 농도로 200 및 500 분자량 PEG 혼합물을 갖는 알칼리 용액을 포함하며, 상기 PPV는 약 50 ppm에서 약 4000 ppm 사이의 농도를 갖는다.
에칭 동안, 수소 가스는 상기 에칭 용액에서 생성될 수 있다. 상기 습윤제의 첨가는 수소가 해방되게 보조할 수 있으며, 그에 의해 기판 표면이 더 에칭되는 것을 방지할 수 있는 상기 기판 표면에의 수소의 재부착을 방지한다. 일 실시예에서, 상기 에칭 용액은 에칭 동안 섭씨 약 80도와 같은, 섭씨 약 75도에서 섭씨 약 85도와 같이, 섭씨 약 65도에서 섭씨 약 95도 사이의 온도까지 가열된다. 상기 에칭 프로세스는 약 30분에서 40분과 같은, 약 15분에서 약 60분 사이와 같이, 약 1분 내지 약 90분 사이에서 수행될 수 있다. 일 예에서, 상기 기판은 약 30분 동안 약 79-80℃의 온도로 유지되는 약 2.7% 체적의 수산화칼륨(KOH)과 약 4500 ppm의 300 MW PEG 사이를 포함하는 에칭 용액에서 에칭된다. 다른 예에서, 상기 기판은 약 30분 동안 약 80℃의 온도로 유지되는 약 2-5 % 체적의 수산화칼륨(KOH)과 약 2000 ppm의 400 MW PEG 사이를 포함하는 에칭 용액에 에칭된다. 다른 예에서, 상기 기판은 약 30분 동안 약 80℃의 온도로 유지되는 약 2-5% 체적의 수산화칼륨(KOH)과 약 2000 ppm의 400 MW PEG와 50 ppm의 폴리(4-비닐페놀) 사이를 포함하는 에칭 용액에서 에칭된다. 다른 예에서, 상기 기판은 약 30분 동안 약 80℃의 온도로 유지되는 약 2-5% 체적 사이의 수산화칼륨(KOH), 약 50 ppm과 1000 ppm 사이의 폴리(4-비닐페놀)을 포함하는 에칭 용액에서 에칭된다.
표면 텍스처화 균일성 및 표면 거칠기 결과들이 상기 태양 전지의 전기적 성능에 큰 영향을 갖기 때문에, 상기 기판의 표면에 걸친 상기 프로세싱 결과들 및 균일성의 제어 및 최적화는 태양 전지 장치의 형성에서 중요한 팩터이다. 본 명세서에 설명된 발명의 실시예는 일반적으로 프로세싱 비용을 감소시키고, 프로세스 결과들을 개선하고, 프로세스 변동을 감소시키며 알코올의 사용과 관련된 화재 및 안전 우려들을 감소시키도록 알코올(예를 들어, 이소프로필알코올(isopropylalcohl) 또는 IPA) 프리(free) 텍스처링 프로세스를 이용한다. 에칭 첨가물 및 습윤제를 함유하는 텍스처화 프로세스(단계(104))의 이용은 전형적으로 IPA를 함유하는 프로세스들과 같은 종래의 프로세스들보다 약 50%만큼 프로세싱 시간을 단축할 수 있다.
또한, 본 명세서에 설명된 텍스처화 화학들은 일반적으로 종래에 텍스처링된 기판에서와 동일한 반사율 결과들을 제공하는 한편, 단일 결정(예를 들어, CZ 타입) 태양 기판상의 단위 영역당 다수의 더 작은 랜덤 피라미드들을 제공할 것이다. 상기 증가된 수의 더 작게 형성된 피라미드들은 피라미드 크기의 변동 및 상기 피라미드들의 밀도 변동이 종래에 형성된 텍스처들보다 크게 감소되기 때문에 장점을 갖는다. 도 5A-5D는 하나 이상의 표면 수정 첨가물들을 함유하거나 함유하지 않는 에칭 화학을 이용하여 달성될 수 있는 표면 거칠기 또는 텍스처의 차이의 예를 도시하는 4개의 SEM 사진들을 포함한다. 도 5A-5D에 도시된 결과들은 상기 비-첨가물 함유 용액에 대한 에칭 시간이 40분이며(도 5A-5B), 상기 첨가물 함유 용액에 대한 에칭 시간은 22분인(도 5C-5D) 것을 제외하고는 유사하게 처리된 n-타입 CZ 기판들 상에 수행된 것인 한편, 상기 측정된 반사율은 이들 샘플들에 대해 동일하였다. 도 5A(등측도) 및 도 5B(상면도)는 상기 하나 이상의 기판 수정 첨가물들을 함유하지 않은 화학을 이용하여 n-타입 CZ 기판상에 형성된 상기 표면 텍스처를 도시한다. 도 5C(등측도) 및 5D(상면도)는 4500 ppm의 300 MW PEG 물질이 상기 에칭 배쓰에서의 상기 화학 처리에 첨가되었다. 도 5A 및 5C, 도 5B 및 도 5D를 비교하면, 당업자는 상기 하나 이상의 표면 수정 첨가물들의 첨가로 인해 발견된 텍스처 높이(208)의 감소(도 2B), 텍스처 크기 변동의 감소 및 더 작은 피라미드들의 수의 증가를 알게 될 것이다.
본 명세서에 설명된 프로세스들 및 화학들은 또한 일반적으로 습윤제 및 에칭 첨가물들의 첨가 및 알코올 프리 화학으로 인한 것으로 생각되는, 상기 기판의 표면에 걸친 화학적 활성 변동을 감소시킴으로써 "자국 없는(streak free)" 표면을 제공한다. 태양 전지 표면상의 자국들은 상기 기판 표면에 걸쳐 상기 반사율 균일성에 영향을 미칠 수 있으며, 상기 텍스처링된 기판 표면에 걸쳐 패시베이션(passivation) 층들(예를 들어, SiN, SiOx, SiON)과 같은 후속적으로 증착된 막 층들의 특성들에 영향을 미칠 수 있다.
마지막으로, 본 명세서에 설명된 바와 같이, 상기 습윤제들을 함유하는 텍스처화 화학들의 이용은 또한 상기 텍스처링 프로세스의 균일한 개시를 촉진하여 상기 기판 표면에 걸쳐 더 균일한 텍스처를 제공한다.
표면 텍스처링 프로세스가 완료된 후에, 상기 기판 표면으로부터 상기 에칭 용액을 제거하도록 워터 린스 프로세스 또는 건조 프로세스가 수행될 수 있다. 상기 건조 프로세스는 질소 가스의 흐름 또는 세정 건조 공기의 흐름으로 상기 기판을 건조하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 기판 텍스처 프로세스(단계(104))는 상기 기판 표면상에 수행되며, 상기 기판 반사율은 약 40 퍼센트 내지 60 퍼센트로 감소된다. 일 실시예에서, 도 3A에 도시된 바와 같이, 상기 표면 텍스처 프로세스가 수행된 후에, 비정질 및/또는 결정성 실리콘 층들과 같은 하나 이상의 층(302)은 유령 화살(304)에 의해 도시된 바와 같이, 상기 기판(202)의 텍스처링된 표면(212)의 최상부에 순차적으로 증착될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 기판(200)은 n-타입 또는 p-타입, 결정성 실리콘 기판이며, 상기 하나 이상의 층들(302)은 상기 태양 전지 장치의 p-n 접합의 일부분을 형성하도록 증착된다. 다른 실시예에서, 상기 표면 텍스처 프로세스가 수행된 후에, 층(들)(302)과 같은 하나 이상의 패시베이션 층들이 상기 기판(200)의 텍스처링된 표면(212)의 최상부에 순차적으로 증착된다.
도 3B는 텍스처링된 표면(212)을 갖는 태양 전지 기판(200) 상에 제조된 실리콘 태양 전지(300)의 일 실시예를 개략적으로 도시한다. 상기 기판(200)은 p-타입 베이스 영역(321), n-타입 에미터 영역(322) 및 그 사이에 배치된 p-n 접합 영역(323)을 포함한다. n-타입 영역 또는 n-타입 반도체는 음의 전하 캐리어들, 즉 전자들의 수를 증가시키기 위해 어떤 타입들의 원소들(예를 들어, 인(P), 비소(As) 또는 안티몬(Sb))로 상기 증착된 반도체 층을 도핑함으로써 형성된다. 일 구성에서, 상기 n-타입 에미터 영역(322)은 도펀트 함유 가스를 함유하는 비정질, 미세결정성 또는 다결정성 실리콘 CVD 증착 프로세스를 이용함으로써 형성된다. 일 실시예에서, 얇은 진성 타입 층이 이종 접합 타입 태양 전지를 형성하도록 상기 p-타입 베이스 영역(321)과 상기 n-타입 에미터 영역(322) 사이에 형성될 수 있다. 형성된 태양 전지(300)에서, 광이 상기 정면(320)을 때릴 때 생성된 전류가 상기 태양 전지(300)의 금속 정면 접촉부들(308) 및 상기 금속 후면 접촉부(325)를 통해 흐른다. 상기 정면 접촉부들(308)은 일반적으로 핑거들에 대해 가로질러서 배향된 더 큰 버스 바들에 전류를 공급하는 넓게-이격된 얇은 금속 라인들 또는 핑거들로서 구성된다. 상기 후면 접촉부(306)는 입사광이 상기 태양 전지(300)를 때리는 것을 방지하지 못하기 때문에, 일반적으로 다중의 얇은 금속 라인들에 형성되도록 제약되지 않는다. 상기 태양 전지(300)는 상기 태양 전지(300)의 최상면으로부터의 광 반사를 최소화하는 반사-방지 코팅층(311) 또는 ARC 층(311)으로서 동작하도록 질화 규소(Si3N4) 또는 질화 규소 수소화물(SixNy:H)과 같은 유전 물질의 얇은 층으로 커버될 수 있다. 도 3B에 도시된 상기 태양 전지 장치 구성들은 다른 기판 및 태양 장치 영역 구성들이 본 발명의 기본 범위를 이탈하지 않고서 본 명세서에 설명된 상기 방법들 및 장치들을 이용하여 금속화될 수 있기 때문에, 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니다. 상기 텍스처링된 기판(200)은 이종 접합 타입 전지들, 지점 접촉 타입 전지들, 터널 접합 태양 전지들 또는 다른 유사한 장치들과 같은 많은 다른 타입들의 태양 전지 장치들의 형성을 촉진하도록 형성될 수 있는 것으로 고려된다. 본 명세서에 설명된 프로세스들로부터 이득을 볼 수 있는 태양 전지 장치들의 형성된 예는 공통으로 양수되며 모두 그 전체 내용이 참조로 통합되는, 7/16/08에 출원된 미국 가 특허출원 직렬 번호 61/048,001 [어토니 도켓 No. 13438L], 12/19/08에 출원된 미국 가 특허출원 직렬 번호 61/139,423 [어토니 도켓 No. 13437L03] 및 4/9/08에 출원된 미국 가 특허출원 직렬 번호 61/043,664 [어토니 도켓 No. 13306L]에 더 설명되어 있다.
상기 프로세스 시퀀스(100)의 일 실시예에서, 단계(104)를 수행한 후에, 사후 에칭 텍스처 평활화 프로세스, 또는 단계(105)가 임의선택적으로 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 사후 에칭 텍스처 평활화 프로세스는 하나 이상의 층들이 상기 텍스처링된 표면상에 증착되기 전에 단계(104)에서 형성된 텍스처의 에지들을 라운딩하거나 연화시키도록 사용되는 평활 에칭 용액으로 상기 기판을 습윤함으로써 수행될 수 있다. 상기 텍스처 평활화 프로세스는 따라서 상기 형성된 텍스처의 날카로운 에지들 및 지점들을 평활화함으로써, 패시베이션 층 또는 접합 형성층과 같이, 후속적으로 증착된 층들에서 균열 및 다른 타입들의 기계적 고장을 방지하도록 사용된다. 상기 증착된 막들의 균열 또는 기계적 고장은 상기 증착된 막(들)에서 발견된 내재적 또는 외적인 스트레스로 인한 것으로 여겨진다. 상기 텍스처 평활화 프로세스는 일반적으로 그 반사율 측정에 상당히 영향을 미치도록 상기 텍스처링된 표면으로부터 물질을 충분히 제거하지 않도록 설계된다. 상기 사후 에칭 텍스처 평활화 프로세스는 다른 적합한 기술의 분무, 플러딩, 침지에 의해 수행될 수 있다. 상기 사후 에칭 텍스처 평활 용액은 알칼리 에칭 배쓰 또는 다른 적합한 타입의 실리콘 에칭 배쓰일 수 있다. 일 실시예에서, 사후 에칭 텍스처 평활 용액은 상기에 논의된 톱니형 손상 에칭 배쓰와 유사한 수산화칼륨(KOH) 배쓰이지만, 상기 프로세스 단계 동안 많지 않은 물질이 제거되기 때문에 상기 실리콘 에칭 속도를 감소시키도록 더 낮은 온도 및/또는 KOH 농도로 실행된다. 일 실시예에서, 사후 에칭 텍스처 평활 용액은 약 5%와 20% 체적 사이의 수산화칼륨(KOH) 및 밸런스 DI 워터를 포함한다. 일 예에서, 상기 텍스처 평활 용액 프로세스는 약 70℃ 이하의 온도에서 상기 기판을 에칭하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 사후 에칭 텍스처 평활 용액은 실온 또는 실온 근처에서 사용되는 플루오르화 수소산(HF) 및 산화 용액을 포함한다. 예를 들어, 상기 산화 용액은 질산(nitric acid)(HNO3), 황산(sulfuric acid)(H2SO4), 오존(ozone)(O3), 과산화수소(sulfuric acid)(H2O2) 또는 다른 적합하고 비용 효율적인 용액으로부터 선택될 수 있다. 상기 사후 에칭 텍스처 평활화 프로세스는 약 10초 내지 약 240초 사이와 같은, 약 5초에서 약 600초 사이에 상기 기판상에 수행될 수 있다.
상기 프로세스 시퀀스(100)의 일 실시예에서, 단계(104)를 수행한 후에, 사후 에칭-세정 프로세스 또는 단계(106)가 임의선택적으로 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 사후 에칭-세정 프로세스는 상기 후속적인 증착 단계들이 상기 다양한 기판의 영역들 상에 수행되기 전에 상기 에칭 프로세스로부터 남은 과다 물질을 제거하고 상기 기판의 표면을 세정하도록 사용되는 세정 용액으로 상기 기판을 습윤함으로써 수행될 수 있다. 습윤은 다른 적합한 기술의 분무, 플러딩, 침지에 의해 달성될 수 있다. 상기 사후 에칭-세정 용액은 SC1 세정 용액, SC2 세정 용액, HF-지속 타입 세정 용액, 오존수용액, 플루오르화 수소산(HF) 및 과산화수소(H2O2) 용액, 플루오르화 수소산 및 용해된 오존(HF-O3) 용액일 수 있으며, 또는 다른 적합하고 비용 효율적인 세정 프로세스가 실리콘 함유 기판을 세정하도록 사용될 수 있다. 상기 사후 에칭-세정 프로세스는 예를 들어, 120초인, 약 30초 내지 약 240초와 같은, 약 5초에서 약 600초 사이에 상기 기판상에 수행될 수 있다.
상기 사후 에칭-세정 프로세스는 임의선택적으로 상기 텍스처화 프로세스(예를 들어, 단계(104))를 수행한 후에 상기 기판(200)상에 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 사후 세정 프로세스는 상기 기판을 오존수(도 1B의 단계(106A))에 노출시킨 후에 1% 체적 HF 에칭 용액에서 에칭 단계(도 1B의 단계(106B))를 수행하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 상기 사후 세정 프로세스는 DI 워터에 배치된 약 1 ppm - 30 ppm 사이의 오존을 포함하는 오존화된 DI 워터 배쓰를 사용한다. 일 예에서, 상기 오존화된 DI 워터 배쓰는 약 8 ppm의 오존을 함유한다. 다른 예에서, 상기 오존화된 DI 워터 배쓰는 약 1 ppm - 30 ppm 사이의 오존 및 약 1 vol.%의 염산(HCI)을 포함한다. 상기 오존화된 DI 배쓰에 기판을 침지하는 것은 상기 후속적인 HF 에칭 단계 동안 용이하게 제거될 수 있도록 기계적 오염 및 기판 표면의 산화를 야기할 것이다. 일 실시예에서, 상기 오존화 DI 워터 프로세스는 상기 실리콘 기판의 표면들 상에 20Å ± 5Å 산화물을 형성하도록 원하는 시간 주기 동안 인시추(in-situ)로 생성된 오존 용액(예를 들어, DI-O3)에 상기 기판을 침지함으로써 수행된다. 일 실시예에서, 상기 기판은 상기 HF 에칭 배쓰에 침지되기 전에 순수 DI 워터에서 린싱된다. 일 실시예에서, 상기 HF 에칭 배쓰는 1 vol.%의 HF를 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 HF 에칭 배쓰는 1 vol.%의 HF 및 약 1 vol.%의 염산(HCl)을 포함한다. 상기 HF 에칭 프로세스는 상기 기판을 실온 배쓰에서 약 5분간 침지함으로써 수행될 수 있다. 상기 오존화된 DI 워터 배쓰 및/또는 HF 에칭 배쓰에 염산(HCl)의 첨가는, 상기 HCl이 상기 기판 표면상 및 배쓰들에서 발견된 금속 이온들을 킬레이트 화합물로 만드는 경향이 있기 때문에, 상기 세정 프로세스를 촉진시키는데 유용한 것으로 발견되었다.
상기 사후 에칭-세정 프로세스의 일 실시예에서, 상기 오존화 DI 워터 침지 단계(단계(106A)) 및 후속적인 에칭 단계(단계(106B))는 상기 기판 표면상에 원하는 청결도를 달성하도록 순차적으로 여러 번 반복된다(예를 들어, DI+O3 → HF 에칭 → DI+O3 → HF 에칭 → 등). 일 실시예에서, 상기 오존화 DI 워터 침지 단계 및 후속적인 HF 에칭 단계는 적어도 2번 순차적으로 반복된다. 상기 오존화 DI 워터 침지 단계(단계(106A)) 및 후속적인 에칭 단계(단계(106B))를 순차적으로 반복하는 것은 상기 후속하는 태양 전지 형성 프로세스들(예를 들어, 에미터, 패시베이션 층 및/또는 ARC 층 증착 단계들)에서의 결함들을 감소시킴으로써 장치 수율을 개선하는데 있어서 중요한 상기 기판 표면의 청결도를 크게 개선할 수 있다. 일 구성에서, 린싱 단계는 상기 오존화 DI 워터 침지 단계와 상기 HF 에칭 단계 사이 및/또는 상기 HF 에칭 단계와 상기 오존화 DI 워터 침지 단계 사이에 수행된다. 상기 사후 에칭-세정 프로세스의 일 실시예에서, 상기 오존화 DI 워터 침지 단계 및 후속하는 HF 에칭 단계는 여러 번 반복되지만, 상기 오존화 DI 워터 침지 단계(단계(106A))는 상기 시퀀스에서 수행되는 최종 단계여서, 얇은 산화물이 상기 기판의 표면상에 남아있다. 상기 프로세싱 시퀀스의 종료시에 형성된 상기 얇은 산화물층은 후속하는 프로세싱 단계들에 사용될 수 있고/있거나 상기 기판 표면을 보호하도록 사용될 수 있다. 얇은 산화물층 또는 HF 에칭 표면의 존재는 상기 사후 에칭-세정 프로세스 후에 수행된 건조 프로세스에 영향을 미칠 것이다.
상기 프로세스 시퀀스(100)의 일 실시예에서, 상기 기판 표면의 균일성 및 평균 광학 특성들 및/또는 거칠기와 같은 상기 표면 특성들을 측정하도록 상술한 하나 이상의 프로세싱 단계들 동안 측정 단계(107)가 수행된다. 상기 측정 단계(107)는 상기 오퍼레이터 또는 시스템 제어기(601)(도 6)가 상기 프로세스 시퀀스(100)에 사용된 화학의 프로세스 및 활동을 모니터하고 제어하게 하도록 상기 기판의 표면상에 하나 이상의 반사율 측정들 또는 거칠기 측정들(예를 들어, 프로파일러미터(profilometor))을 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상술한 프로세스들 중 하나 전에, 그동안 및/또는 그 후에 기판 표면의 반사율 측정이 수행되며 다른 알려진 우수한 태양 전지들, 기준 테스트 쿠폰 및/또는 동일한 기판의 하나 또는 영역들 상에 취해진 반사율 측정들과 비교된다. 일 실시예에서, 상기 에칭 프로세스 동안 형성된 표면 텍스처를 모니터하고 제어하도록 상기 에칭 프로세스(단계(104)) 동안 한번 이상 반사율 또는 거칠기 측정이 예비형성(preform)된다. 일 구성에서, 반사율 또는 거칠기 측정이 상기 기판의 동일한 영역들 위에 또는 상기 기판 표면의 넓은 영역들(예를 들어, 평균 다중 사이트들) 위에 인시추(in-situ)로 또는 오프라인 타입 방식으로 행해진다. 일 실시예에서, 반사율 또는 거칠기 측정이 하나 이상의 인시추 측정 장치(651)(도 6)의 사용에 의해 인시추 방식 및/또는 오프라인-측정 장치(652)(도 6)를 사용하는 오프라인 타입 방식으로 행해진다. 일 경우에, 에칭 배쓰로부터 상기 텍스처링된 기판을 제거하고 상기 기판은 세정한 후에 상기 반사율 측정이 행해진다. 일 실시예에서, 하나 이상의 반사율 또는 거칠기 측정들이 상기 사전-세정 프로세스 후에 수행된 프로세스들의 각각 동안 예비형성된다. 상기 반사율 또는 거칠기, 측정 결과들은 예를 들어, 상기 텍스처화 에칭 용액, 상기 사전-세정 용액 또는 사후-세정 용액 및/또는 상기 기판 또는 후속하는 기판들이 프로세스 시퀀스(100)에 설명된 프로세싱 단계들의 각각에서 프로세싱되는 시간 주기에서 상기 화학적 농도들을 조정하도록 상기 사용자 또는 자동화 제어기에 의해 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 다양한 프로세싱 챔버들(예를 들어, 도 6의 참조 부호 621, 623, 625, 627, 629)에서의 형성된 배쓰들 중 임의의 것의 화학 농도들을 조정하도록 다양한 화학 계량 장치들(646)에 결합되는, 이하에 논의되는 상기 시스템 제어기(601)는 상기 프로세스 시퀀스(100)에서의 단계들을 순차적으로 수행하도록 사용되는 상기 프로세싱 라인 전체에 걸쳐 상기 기판들을 유지하고 이송하도록 적응되는 타이밍 장치들 및 로봇 요소들을 프로세싱한다. 예를 들어, 단계(104)의 종료시에 측정된 상기 기판 표면의 거칠기가 예측된 것보다 작은 경우에, 상기 시스템 제어기(601)는 최종 달성된 거칠기가 원하는 범위 내에 있게 하도록 상기 텍스처 에칭 배쓰에서의 화학적 농도를 조정하고/조정하거나 상기 프로세싱 시간을 증가시킬 것이다.
도 4는 상기 표면 텍스처링 프로세스가 수행된 전후에 상기 기판 표면의 반사율 곡선들의 비교를 도시한다. 표면 텍스처링 프로세스 전에, 약 840 nm의 파장에서 상기 반사율 곡선(402)은 약 25.93%이다. 상기 표면 텍스처 프로세스가 수행되고 상기 기판 표면이 텍스처링된 후에는, 약 840 nm의 파장에서 상기 반사율 곡선(404)은 약 12.99%로 감소되는데, 이는 입사광의 광학 손실의 약 50 퍼센트 감소를 나타내며, 그에 의해 상기 태양 전지에 입사하며 상기 기판(200)에서의 광학 가둠 및 트랩핑을 위해 이용가능한 광의 총량이 증가한다. 따라서, 기판 표면상에 상기 표면 텍스처링 프로세스를 수행함으로써, 태양 전지들의 효율이 향상된다.
이와 같이, 결정 실리콘 기판을 텍스처링하는 표면에 대한 방법들이 제공된다. 상기 방법들은 유용하게 원하는 거칠기 및 표면 구조를 갖는 기판 표면상에 텍스처링된 표면을 생성한다. 상기 방식에서, 상기 기판상의 텍스처링된 표면은 종래의 방법들에 비해 상기 PV 태양 전지의 장치 성능 및 광전 변환 효율을 효율적으로 증가시킨다.
높은 정도의 전기적 패시베이션을 갖는 결정성 실리콘 기판의 준비시에 하나의 핵심 과제는 실리콘과 상기 제 1 패시베이팅 층 사이의 계면에서의 화학적 오염을 제거하는 것으로 발견되었다. 높은 캐리어 수명 및 낮은 표면 재결합 속도(surface recombination velocity: SRV) 및 궁극적으로 높은 광 변환 효율을 실현하기 위해, 상기 태양 전지의 활성 영역들의 외부 표면들은 철사 쏘(saw) 및 연마 슬러리의 사용에 의해 잉곳(ingot)으로부터 절단되는 실리콘 기판으로부터 발생하는 임의의 금속잔여물들을 제거해야 한다. 상기 세정 프로세스가 현재 습식 에칭 및 세정을 포함하여 다양한 수단들에 의해 달성될지라도, 종래의 세정 프로세스들을 수행한 후에 상기 표면 금속 구성의 상세한 도량형의 보고들이 제한된다. 금속들의 농도들을 추적하는 높은 민감도 및 전체 웨이퍼 표면을 샘플링하는 능력을 얻기 위해, 유도 결합식 플라즈마 질량 분석(ICPMS) 검출과 조합된 기상 탈착(vapor phase desorption: VPD) 추출의 사용이 유용한 것으로 발견되었다. 상기 기술은 많은 천이 금속 원소들에 대해 0.1x1010 atoms cm-2의 정도로 민감도를 제공한다. 상기 표면이 깨끗한 지를 결정하는데 있어서 중요한 원소들의 일부는 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 크롬(Cr), 구리(Cu), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 니켈(Ni), 칼륨(K), 나트륨(Na), 티타늄(Ti) 및 아연(Zn)을 포함하지만 이들로 제한되는 것은 아니다.
종래의 고효율 태양 전지 세정 프로세스들은 전형적으로 메모리 또는 CPU 프로세스 흐름들에 사용된 기술들을 차용하거나 물려받았다. 그러나, 상기 태양 전지 제조 프로세스의 요구들 및 경제학은 저렴하고 더 간단한 방법들을 요구하게 되었다. 종래의 RCA 타입 세정 프로세스가 상기 집적 회로 산업에서 긴 역사를 갖는 반면, 화학 제품들을 구매하고 관련된 폐기물을 처리하는 비용들이 태양 전지 제조 요건들과 양립되지 않는다. 기판들을 세정하는 비용은 다른 종래의 과산화물계 산 또는 기본 화학들에 대해 용해된 인시추로 생성된 오존화 DI 워터(DI-O3) 처리들로 대체함으로써 감소될 수 있다. 상기에 논의된 바와 같이, 1% HF 에칭 단계 후에 DI-O3 산화 시퀀스를 사용하는 것은 낮은 표면 금속 농도를 달성하기 위해 실리콘 및 금속 산화물들을 제거하는데 있어서 효과적이었다. 상기 DI-O3 단계 자체는 Cu, Fe 및 Ni 잔여물을 제거하는데 가장 효과적이다.
다양한 세정 방법들에 대해 캐리어 수명 분석과 조합된 멀티-원소 표면 농도 데이터의 효율성은 이하의 표 1에 도시되어 있다.
톱니형 HN10 SD TE PC RCA
알루미늄 (Al) 9900 50 0.9 0.8 1.9 20.0
칼슘 (Ca) 100000 410 3.3 1.3 2.0 41.0
크롬 (Cr) 700 36 0.3 0.1 0.1 0.4
구리 (Cu) 120000 3800 72.0 55.0 0.2 1.9
철 (Fe) 440000 240 74.0 49.0 4.1 10.0
마그네슘 (Mg) 25000 150 0.7 0.4 1.1 6.5
니켈 (Ni) 1600 15 14.0 0.1 0.2 1.5
칼륨 (K) 2600 18 1.2 5.9 6.3 110.0
나트륨 (Na) 8900 91 2.0 3.9 5.7 11.0
티타늄 (Ti) 970 21 3.3 0.1 0.1 1.0
아연 (Zn) 33000 26 1.0 1.0 0.8 2.1
타우(수명) τ 1.2 2.2 183.0 225.0 328.0 348.0
표 1의 데이터는 VPD-ICPMS 도량형 기술들을 이용하여 생성되었다. 도시된 바와 같은 11개 원소들에 대한 청결도 데이터는 1010 atoms cm-2의 단위들 및 750Å PECVD SiNx 막으로 패시베이팅된 기판들에 대한 QSSPC 수명 데이터(예를 들어, 타우)를 갖는다. 상기 "톱니형" 행은 워터 린싱 단계의 사용에 의해 톱질되고, 분리되며 글루, 철사 잔여물 및 슬러리 입자들을 조악하게 세정한 n-타입 단결정 태양 기판에 대한 청결도 결과들을 포함한다. 상기 HN10 행은 상술한 사전-세정 "HN10" 프로세스를 겪은 기판에 대해 수집된 데이터를 도시한다. 상기 "SD" 행은 상술한 "톱니형 손상" 프로세스(예를 들어, 70℃에서 유지된 20% KOH 에칭)를 겪은 기판에 대해 수집된 데이터를 도시한다. 상기 "PC" 행은 상술한 사후-세정 DI-O3 및 1% HF 에칭 프로세스를 겪은 기판에 대해 수집된 데이터를 도시한다. 상기 "TE" 행은 단계(104)에 관하여 상기에 도시된 예들에서 설명된 프로세스들을 겪은 기판에 대해 수집된 데이터를 도시한다. 상기 "RCA" 행은 종래의 RCA 세정 프로세스(예를 들어, SC1 및 SC1 세정 프로세스들을 포함하는 세정 단계들의 시퀀스)를 겪은 기판에 대해 수집된 데이터를 도시한다.
하드웨어 구성 예
도 6은 상기에 논의된 프로세스 시퀀스(100)를 수행하도록 적응된 생산 라인(600)의 일 실시예의 개략적 평면도이다. 일반적으로, 상기 생산 라인(600)은 시스템 제어기(601), 메인프레임(619) 및 상기 메인프레임(619) 내에 배치된 복수의 프로세싱 챔버들 사이에 기판들을 이송하도록 적응되는 로봇 장치(615)를 포함한다. 도 6에 도시된 프로세싱 챔버들(예를 들어, 참조 부호들 621-633)의 모양, 배향 또는 수는 본 명세서에 설명된 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다.
일반적으로, 상기 시스템 제어기(601)는 하나 이상의 컴포넌트들 및 상기 생산 라인(600)에서 수행된 프로세스들을 제어하도록 사용된다. 상기 시스템 제어기(601)는 일반적으로 상기 생산 라인(600)의 제어 및 자동화를 용이하게 하도록 설계되며, 전형적으로 중앙 프로세싱 유닛(CPU)(도시되지 않음), 메모리(도시되지 않음) 및 지원 회로들(또는 I/O)(도시되지 않음)을 포함한다. 상기 CPU는 다양한 시스템 기능들, 기판 이동, 챔버 프로세스들, 프로세스 타이밍 및 지원 하드웨어(예를 들어, 센서들, 로봇들, 모터들, 타이밍 장치들 등)를 제어하기 위한 산업 환경들에 사용되며 상기 프로세스들(예를 들어, 화학적 농도들, 프로세싱 변수들, 챔버 프로세스 시간, I/O 신호들 등)을 모니터하는 임의 형태의 컴퓨터 프로세스들 중 하나일 수 있다. 상기 메모리는 상기 CPU에 연결되며 랜덤 액세스 메모리(RAM), 판독 전용 메모리(ROM), 플로피 디스크, 하드 디스크 또는 임의의 다른 형태의 디지털 저장장치, 로컬 또는 원격과 같은 하나 이상의 용이하게 이용가능한 메모리일 수 있다. 소프트웨어 명령들 및 데이터는 상기 CPU에 명령하기 위해 코딩될 수 있고 상기 메모리 내에 저장될 수 있다. 상기 지원 회로들은 또한 종래의 방식으로 상기 프로세서를 지원하기 위해 상기 CPU에 연결된다. 상기 지원 회로들은 캐시, 파워 서플라이들, 클록 회로들, 입력/출력 회로, 서브시스템들 등을 포함할 수 있다. 상기 시스템 제어기(601)에 의해 판독가능한 프로그램, 또는 컴퓨터 명령들은 어느 태스크들이 기판상에 수행가능한지를 결정한다. 바람직하게는, 상기 프로그램은 상기 태양 전지 생산 라인(600)에서 수행되는 다양한 프로세스 방안 태스크들 및 다양한 챔버 프로세스 방안 단계들과 함께 상기 이동의 모니터링, 실행 및 제어, 기판의 지원 및/또는 위치결정에 관한 태스크들을 수행하기 위한 코드를 포함하는, 시스템 제어기(601)에 의해 판독가능한 소프트웨어이다. 일 실시예에서, 상기 시스템 제어기(601)는 프로세스들을 반복가능하게 하고, 대기(queue) 시간 이슈들을 해결하며 상기 기판들의 과도한 프로세싱 또는 부족한 프로세싱을 방지하도록 상기 생산 라인(600)의 전략적 이동, 스케줄링 및 실행을 제어하기 위해 로봇 장치(들) 및 상기 프로세싱 모듈들의 프로세스 변수들(예를 들어, 화학적 농도들, 배쓰 온도, 프로세싱 시간)을 제어하도록 사용된다. 일 실시예에서, 상기 시스템 제어기(601)는 상기 프로세싱 챔버들의 각각에서의 상기 화학적 배쓰들의 특성들을 측정하고, 프로세싱 동안 또는 프로세싱 후에 상기 기판들의 표면상에 행해진 반사율 측정들과 같은 종료지점 측정들을 프로세스하도록 구성되는 센서들로부터 수신된 데이터(예를 들어, 온도, pH, ORP, 도전율) 및/또는 상기 시스템 제어기(601)에 의해 수신된 다른 유용한 프로세스 관련 정보에 기초하여 상기 생산 라인(600)에 상기 프로세싱 챔버들의 각각에 상기 기판들의 각각 상에 수행된 프로세스들의 시간 길이를 모니터하고 제어하도록 구성되는, 타이밍 장치(도시되지 않음) 또는 프로세싱 클록을 갖는다.
상기 생산 라인(600)의 일 양상은 표면 텍스처를 형성하도록 복수의 자동화 프로세스들을 수행하고 "생(raw)"의 프로세싱되지 않은 기판을 수신하는 생산 라인의 능력이다. 상기 태양 전지 기판(들)을 상기 다양한 프로세싱 스테이션들에 이동시키기 위해, 하나 이상의 로봇들, 컨베이어들 및/또는 다른 자동화 장치들이 상기 생산 라인(600)을 통해 상기 이동 기판들을 제어하도록 이용된다. 일 예에서, 상기 생산 라인(600)은 상기 시스템을 통한 프로세스 흐름이 일반적으로 도 6의 경로들(P1 - P14)과 같은 흐름 경로 "P"를 따르도록 구성된다. 일반적으로, 상기 생산 라인(600)을 통한 다양한 기판들의 이동의 벌크(bulk)는 상기 시스템 제어기(601)에 의해 송신된 커맨드들(commands)을 이용하여 스테이션들(620, 634) 및 하나 이상의 프로세싱 챔버들(예를 들어, 참조 부호들(621-633))에 의해 수신될 수 있거나 위치결정될 수 있는 상기 기판을 이동시키고 위치결정하도록 적응되는 하나 이상의 로봇 장치들(615) 또는 로봇 어셈블리를 이용하여 수행된다. 일 실시예에서, 상기 로봇 장치(615)는 수평적 움직임 제어 시스템(615B)(예를 들어, 슬라이드, 선형 모터)을 이용하여 상기 메인프레임(619)의 길이를 따라 하나 이상의 기판들을 이동시키고 위치결정하도록 적응되는 로봇(615A)을 포함할 수 있다. 일 예에서, 상기 로봇 장치(615)는 수평적 움직임 제어 시스템(615B)에 결합되고 상기 다양한 프로세싱 챔버들(621-633) 및 스테이션들(620, 634) 내에 원하는 대로 상기 기판들을 이동시키고 위치결정하도록 구성되는 6-축 로봇 또는 SCARA 로봇과 같은 종래의 로봇 장치들이다. 일 구성에서, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 수평적 움직임 제어 시스템(615B)은 상기 메인프레임(619) 컴포넌트들 위에 위치결정된다.
도 6은 상기 메인프레임(619) 내에 이송되고 프로세싱되는 하나 이상의 기판들 상에 다수의 프로세스 단계들이 수행되는 기판 프로세싱 시퀀스(100)의 일 예를 도시한다. 상기 프로세싱 시퀀스(100)는 일반적으로 프로세싱 단계들(예를 들어, 도 1A-1B에서의 참조 부호들(102-107)) 및 이송 단계들(예를 들어, 경로들(P1 - P14))의 경쟁을 포함한다. 도 6은 하나 이상의 기판들이 도 1B에 도시된 프로세스 시퀀스(100)의 프로세스 단계들이 수행됨에 따라 하나 이상의 기판들이 그 뒤를 따를 수 있는 이송 단계들의 예를 도시한다. 일 실시예에서, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 로봇 장치(615)는 상기 생산 라인(600)에서 상기 프로세싱 챔버들(621-633)의 각각에서 동시에 모두 프로세싱되는 기판들의 배치(batch) 또는 카세트(cassette)를 이송하도록 적응된다. 상기 구성에서, 기판들의 배치는 상기 로봇 장치(615)에 의해 입력 스테이징 영역 스테이션(620)으로부터 제거되며 상기 이송 경로(P1)를 따라서 프로세스 챔버(603)로 전달되어, 단계(103A)(도 1B)가 상기 기판상에서 완료될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 단계(103A)는 상기 기판들의 표면들을 사전-세정하도록 산성 또는 용제 함유 용액을 상기 기판들에 노출하는 것을 수반한다. 일단 단계(103A)가 완료되면, 상기 기판들은 그 후에 상기 이송 경로(P2)를 따라 상기 로봇 장치(615)에 의해 상기 프로세스 챔버(622)에 이송되며, 여기서 단계(103A)로부터 상기 기판의 표면상에 남아있는 임의의 화학 제품들을 제거하도록 DI 워터 내에 담금(dunk) 및/또는 분무 세정 단계가 수행된다. 상기 세정 단계를 완료한 후에, 상기 기판은 상기 이송 경로(P3)를 따라 상기 로봇 장치(615)에 의해 프로세스 챔버(623)로 이송되며, 여기서 단계(103B)가 기판들 상에 수행된다. 상기 프로세스 단계(103B)를 수행한 후에, 상기 기판들은 로봇 장치(615)에 의해 상기 이송 경로(P4)를 따라 상기 프로세스 챔버(624)로 이송되며, 여기서 단계(103B)로부터 상기 기판의 표면상에 남아있는 임의의 화학 제품들을 제거하도록 DI 워터 내의 담금 및/또는 분무 세정 단계가 수행된다. 프로세스 챔버(624)에서 상기 세정 단계를 수행한 후에, 상기 기판들은 상기 로봇 장치(615)에 의해 상기 이송 경로(P5)를 따라 상기 프로세싱 챔버(625)에 이송되며, 여기서 단계(104)가 수행된다. 일 구성에서, 도 6에 도시된 바와 같이, 단계(104)에서의 프로세싱 시간은 일반적으로 다른 프로세싱 챔버들에서 수행된 프로세스들보다 더 길고(예를 들어, 3배-30배 더 김), 따라서 일단 기판들의 안정적인 상태 흐름이 상기 생산 라인(600)을 통해 전달되면 상기 프로세싱 챔버들을 더 우수하게 이용할 수 있기 때문에, 프로세싱 챔버(625)는 복수의 기판들의 배치들을 유지하도록 크기설정된다. 따라서, 상기 생산 라인(600)의 일부 구성들에서 하나 이상의 상기 프로세싱 챔버들은 병목 현상들을 방지하고 상기 기판 스루풋을 개선하기 위해 기판들의 다중 배치들이 그 안에 병렬로 프로세싱되게 허용하도록 크기설정된다. 일 예에서, 배치는 5개 이상의 기판들, 더 바람직하게는 20개 이상의 기판들을 포함할 수 있다. 단계(104)를 수행한 후에, 상기 기판은 로봇 장치(615)에 의해 상기 이송 경로(P6)를 따라 상기 프로세스 챔버(626)로 이송되며, 여기서 단계(104)로부터 상기 기판의 표면상에 남아있는 임의의 화학 제품들을 제거하도록 DI 워터에서의 린스 단계가 수행된다. 상기 기판을 세정한 후에, 상기 기판들은 로봇 장치(615)에 의해 이송 경로(P7)를 따라 상기 프로세스 챔버(627)로 이송되며, 여기서 단계(105)와 같은 사후 에칭 텍스처 평활화 프로세스가 수행된다. 일단 상기 단계(105)가 완료되면, 상기 기판들은 로봇 장치(615)에 의해 상기 이송 경로(P8)를 따라 상기 프로세스 챔버(628)로 이송되며, 여기서 단계(105)로부터 상기 기판의 표면상에 남아있는 임의의 화학 제품들을 제거하도록 DI 워터 내의 담금 및/또는 분무 세정 단계가 수행된다. 상기 기판들을 세정한 후에, 상기 기판들은 로봇 장치(615)에 의해 상기 이송 경로(P9)를 따라 상기 프로세스 챔버(629)로 이송되며, 단계(106A)와 같은 포스트-세정 단계가 수행된다. 일단 상기 단계(106A)가 완료되면, 상기 기판들은 로봇 장치(615)에 의해 상기 이송 경로(P10)를 따라 상기 프로세스 챔버(630)로 이송되며, 여기서 단계(106A)로부터 상기 기판의 표면상에 남아있는 임의의 화학 제품들을 제거하도록 DI 워터 내의 담금 및/또는 분무 세정 단계가 수행된다. 그 후에, 상기 기판들은 제 1 로봇 장치(615)를 이용하여 상기 이송 경로(P11)를 따라 프로세스 챔버(631)로 이송되며, 여기서 단계(106B)가 수행된다. 일 실시예에서, 상기 로봇 장치(615)는 상기에 논의된 바와 같은 단계들(106A - 106B)의 순차적 반복을 수행하기 위해 상기 프로세스 챔버들(629-632) 사이에 상기 기판들을 여러 번 전달하도록 적응된다. 일 실시예에서, 기판들의 다중 배치들이 한번에 프로세싱될 수 있는 프로세싱 시간은 기판들의 안정적인 상태 흐름이 상기 생산 라인(600)을 통해 전달되도록 단계들(106A-106B)의 순차적 반복이 수행될 때 상기 프로세싱 챔버들의 더 우수한 이용을 허용하기 때문에, 상기 프로세싱 챔버들(629-632)은 복수의 기판들의 배치들을 유지하도록 크기설정된다. 단계들(106A 및 106B)이 완료된 후에, 상기 로봇 장치(615)는 상기 이송 경로(P12)를 따라 상기 프로세스 챔버(632)에 상기 기판들을 이송하며, 여기서 세정 단계가 수행된다. 일단 상기 세정 단계가 완료된 후에, 상기 기판들은 상기 로봇 장치(615)에 의해 상기 프로세스 챔버(632)로부터 제거되고 이송 경로(P13)를 따라 상기 건조 챔버(633)로 이송되며, 여기서 상기 프로세싱된 기판들의 표면이 건조될 수 있다. 상기 건조 프로세스는 질소 가스 흐름 또는 세정 건조 공기의 흐름으로 상기 기판을 건조하는 단계를 포함할 수 있다. 일단 상기 건조 프로세스가 완료되면, 상기 기판들은 상기 이송 경로(P14)를 따라 상기 출구 스테이징 영역(634)에 이송되며, 여기서 상기 기판(들)은 도 3A-3B와 함께 상기에 논의된 바와 같은, 후속적인 태양 전지 형성 프로세싱을 위해 수신될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 로봇 장치(615)는 상기 프로세스 시퀀스(100)에서 상기 프로세싱 챔버들의 각각에 사용된 화학들의 프로세스 및 활동을 상기 시스템 제어기(601)가 모니터하고 제어하게 하도록 상기 기판의 표면상에, 반사율 및/또는 거칠기 측정들(예를 들어, 프로파일미터)과 같은 하나 이상의 표면 특성 측정들을 수행하도록 적응되는 오프라인-측정 장치(652)에 하나 이상의 프로세싱 챔버들(621-632) 또는 스테이징 영역 스테이션들(620, 634)로부터 하나 이상의 기판들을 이송하도록 적응된다. 일 구성에서, 상기 로봇 장치(615)는 세정 단계가 상기 프로세싱 챔버들(622, 624, 626, 628, 630 또는 632) 중 하나에서 수행된 후에, 경로(P22)를 따른 분석 및 테스팅을 위해 상기 오프라인-측정 장치(652)에 하나 이상의 기판들을 전달하도록 적응된다. 일 실시예에서, 하나 이상의 인시추 측정 장치들(651)은 상기 프로세싱 챔버들(621-632) 중 적어도 하나에 배치된 기판들 중 하나 이상의 표면상에 표면 특성 측정들을 수행하도록 적응된다. 상기 인시추 측정 장치(651)는 상기 프로세스 동안 실시간으로 또는 불연속 간격들로 상기 프로세스 시퀀스(100)에서의 프로세싱 챔버들의 각각에 사용된 화학들의 프로세스 및 활동을 시스템 제어기(601)가 모니터하고 제어하게 할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 시스템 제어기(601)는 화학적 전달 소스(645)로부터 프로세싱 챔버들(621, 623, 625, 627, 629 및 631)과 같은 상기 생산 라인(600)의 하나 이상의 프로세싱 챔버들에 하나 이상의 화학 제품들(예를 들어, 오존, 산들, 베이스들, 습윤제들, 에칭 첨가물들)의 전달 타이밍 및 양을 제어할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 화학 전달 소스(645)는 수용액 함유 배쓰에 농축된 화학 제품의 원하는 양을 계량하도록 적응된다. 일 예에서, 상기 화학적 전달 소스(645)는 농축된 수산화칼륨 용액(645A), 농축된 플루오르화 수소산 용액(645B), 농축된 염산(HCl) 용액(645C), 농축된 질산 용액(645D), 농축된 습윤제 함유 용액(645E), 농축된 에칭 첨가물 함유 용액(645F) 및/또는 오존(O3)(645G)의 원하는 양을 계량하도록, 및/또는 각각 DI 워터 소스(도시되지 않음)에 연결되는 프로세싱 챔버들(621-632)로부터 원하는 양을 제거하도록 적응된다. 주목할 사항으로서, 상기 화학적 전달 소스(645)는 일반적으로 상기 프로세스 시퀀스(100)에 사용된 모든 배쓰들을 완전히 제어하기 위한 필요에 따라 많은 용액들 및 전달 장치들을 포함할 것이기 때문에, 도 6에 도시된 구성은 본 발명의 범위에 대한 제한으로 의도되지 않는다. 일 예에서, DI 워터는 하나 이상의 다양한 프로세싱 챔버들(621-632)로 계량될 수 있다.
전술한 바는 본 발명의 실시예들에 관한 것인 한편, 본 발명의 다른 및 추가적인 실시예들은 본 발명의 기본 정신으로부터 이탈하지 않고서 고안될 수 있으며, 그 범위는 이하의 청구범위에 의해 결정된다.

Claims (16)

  1. 태양 전지 기판의 표면을 거칠게 하는(roughening) 방법으로서,
    표면 수정 첨가물(surface modification additive)을 포함하는 알칼리 용액에 시간 주기 동안 결정성 실리콘 기판을 침지함(immersing)으로써 결정성 실리콘 기판의 표면을 거칠게 하는 단계를 포함하며, 형성된 거칠기(roughness)는 약 1㎛ 내지 약 10㎛ 사이의 평균 깊이를 갖는, 태양 전지 기판의 표면을 거칠게 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면 수정 첨가물은 폴리에테르(polyether) 또는 비-이온(non-ionic) 계면 활성제를 포함하는 습윤제 및 페놀 또는 그의 유도체를 포함하는 에칭 첨가물을 포함하는, 태양 전지 기판의 표면을 거칠게 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면 수정 첨가물은:
    폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol)(PEG), 소듐 도데실 황산염(sodium dodecyl sulfate)(SDS), 폴리프로필렌 글리콜(polypropylene glycol)(PPG), 폴리에틸렌 글리콜(polypropylene glycol)(PEG) 및 폴리프로필렌 글리콜(polypropylene glycol)(PPG)의 공중합체를 포함하는 그룹으로부터 선택된 습윤제; 및
    폴리(4-비닐페놀)(poly(4-vinylphenol))(PVP), 브롬화 폴리(4-비닐 페놀)(brominated poly(4-vinyl phenol)), 폴리스티렌 술폰산(polystyrene sulphonic acid)(PSSA), Joncryl® 폴리머들, 페놀, 오쏘-크레졸, 메타-크레졸, 파라-크레졸 및 폴리(크레졸)을 포함하는 그룹으로부터 선택된 에칭 첨가물을 포함하는, 태양 전지 기판의 표면을 거칠게 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면 수정 첨가물은 약 200에서 약 35,000 사이의 분자량을 갖는 폴리에틸렌 글리콜을 포함하는, 태양 전지 기판의 표면을 거칠게 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 알칼리 용액은 워터의 약 1 중량 퍼센트에서 약 30 중량 퍼센트 사이의 농도에 있으며 섭씨 약 65도에서 섭씨 약 95도 사이의 온도로 유지되는 수산화칼륨을 포함하는 수용액인, 태양 전지 기판의 표면을 거칠게 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면 수정 첨가물은 상기 알칼리 용액에 약 20 ppm에서 약 20,000 ppm 사이의 농도를 갖는, 태양 전지 기판의 표면을 거칠게 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    플루오르화 수소산을 포함하는 제 1 사전-세정 용액에 상기 기판을 사전-세정하는 단계; 및
    상기 기판상에 텍스처를 형성하기 전에 상기 제 1 사전-세정 용액을 제거하도록 상기 기판을 세정(rinsing)하는 단계를 더 포함하는, 태양 전지 기판의 표면을 거칠게 하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 사전-세정 용액은 질산을 더 포함하며, 상기 플루오르화 수소산의 농도는 탈이온수에서 약 0.1 중량 퍼센트에서 약 4 중량 퍼센트 사이에 있는, 태양 전지 기판의 표면을 거칠게 하는 방법.
  9. 태양 전지 기판의 표면을 거칠게 하는 방법으로서,
    플루오르화 수소산을 포함하는 제 1 사전-세정 용액에 결정성 실리콘 기판을 침지하는 단계;
    표면 수정 첨가물을 포함하는 알칼리 용액에 결정성 실리콘 기판을 침지함으로써 결정성 실리콘 기판의 표면상에 텍스처를 형성하는 단계; 및
    플루오르화 수소산 및 염산을 포함하는 사후-세정 용액에 상기 기판의 텍스처링된 표면을 침지하는 단계를 포함하는, 태양 전지 기판의 표면을 거칠게 하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    (a) 사후-세정 용액에 상기 기판의 텍스처링된 표면을 침지하기 전에 오존 및 워터를 포함하는 제 1 용액에 상기 텍스처링된 표면을 침지하는 단계 ― 상기 제 1 용액에서의 오존의 농도는 약 1 ppm 내지 약 30 ppm 사이에 있음 ― ;
    (b) 상기 사후-세정 용액에 상기 텍스처링된 표면을 침지하는 단계; 및
    (c) 단계(a) 및 단계(b)를 적어도 2번 반복하는 단계를 더 포함하는, 태양 전지 기판의 표면을 거칠게 하는 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 표면 수정 첨가물은 폴리에틸렌 글리콜 및 폴리(4-비닐페놀)로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는, 태양 전지 기판의 표면을 거칠게 하는 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 결정성 실리콘 기판은 n-타입 결정성 실리콘 기판을 포함하는, 태양 전지 기판의 표면을 거칠게 하는 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 표면상에 텍스처를 형성하는 프로세스 동안 적어도 한번 상기 형성된 텍스처의 평균 깊이를 측정하는 단계 및 상기 측정된 평균 깊이에 기초하여 상기 주기 시간을 조정하는 단계를 더 포함하는, 태양 전지 기판의 표면을 거칠게 하는 방법.
  14. 기판 텍스처링 프로세스를 수행하는 장치로서,
    하나 이상의 기판들을 수신하고 상기 하나 이상의 기판들을 사전-세정 용액에 노출하도록 구성된 제 1 습식 프로세싱 챔버;
    상기 하나 이상의 기판들의 표면상에 텍스처를 형성하도록 그 안에 배치된 에칭 용액을 갖는 제 2 습식 프로세싱 챔버 ― 상기 에칭 용액은 표면 수정 첨가물을 포함하는 알칼리 용액을 포함함 ― ;
    상기 하나 이상의 기판들을 수신하고 상기 하나 이상의 기판들을 제 1 사후-세정 용액에 노출하도록 구성된 제 3 습식 프로세싱 챔버; 및
    상기 제 1 , 제 2 및 제 3 습식 프로세싱 챔버들에 상기 하나 이상의 기판들을 위치결정하도록 적응되는 로봇 장치를 포함하는, 기판 텍스처링 프로세스를 수행하는 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 기판들 중 하나의 표면의 표면 특성들을 특징화하도록 적응되는 측정 장치; 및
    상기 표면의 측정된 표면 특성들에 기초하여 사전-세정 용액, 에칭 용액 및 제 1 사후-세정 용액에서의 상기 화학 제품들의 농도들을 제어하고, 및/또는 상기 측정된 표면의 상기 표면 특성들에 기초하여 상기 제 1, 제 2 또는 제 3 습식 프로세싱 챔버들에서 상기 하나 이상의 기판들이 프로세싱되는 시간을 제어하도록 구성된 시스템 제어기를 더 포함하는, 기판 텍스처링 프로세스를 수행하는 장치.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 기판들은 5개 이상의 기판의 배치(batch)를 포함하며, 상기 제 2 습식 프로세싱 챔버는 한번에 복수의 배치들을 프로세싱하도록 구성되는, 기판 텍스처링 프로세스를 수행하는 장치.
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