KR20130036258A - 혼성 확산 및 이온 주입 공정에 의해서 제조된 선택적 이미터 태양전지 - Google Patents

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Abstract

태양전지 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명의 예시적인 방법은 실리콘 기판을 제공하고, 상기 기판 전면의 하나 이상의 선택적 영역에 이온 주입법에 의해서 도펀트를 도입하는 단계를 포함한다. 상기 기판에 대해서는 단일 고온 어닐링 사이클을 수행할 수 있다. 추가적인 도펀트 원자들이 상기 단일 어닐링 사이클 도중에 상기 기판 전면으로의 확산을 위해서 도입될 수 있다. 선택적 이미터가 상기 기판의 전면 상에 형성됨으로써, 상기 선택적 이미터층의 하나 이상의 선택적 영역이 상기 선택적 이미터층의 나머지 부분보다 더욱 중도핑될 수 있다. 관련 태양전지가 또한 제공된다.

Description

혼성 확산 및 이온 주입 공정에 의해서 제조된 선택적 이미터 태양전지 {Selective emitter solar cells formed by a hybrid diffusion and ion implantation process}
본 발명은 넓게는 혼성 확산 (hybrid diffusion) 및 이온 주입 (ion implantation) 공정에 의해서 제조된 선택적 이미터 태양전지, 및 그 제조방법에 관한 것이다. 혼성 확산 및 이온 주입 공정은 선택적 이미터 태양전지를 제조하기 위해서 단일의 고온 어닐링만을 필요로 한다.
태양전지는, 그 기본적 디자인에 있어서, 광자로부터의 에너지를 흡수하여 광발전 효과 (photovoltaic effect)를 통하여 전기를 발생시키는 반도체 기판과 같은 재료로 구성된다. 광의 광자가 기판 내부로 관통하게 되면, 에너지가 흡수되어 이전의 속박 상태 (bound state)에 있던 전자들이 자유로워 진다. 이때, 방출된 전자 및 이전의 채워진 정공을 전하 캐리어들이라고 부른다.
기판은 일반적으로 p-타입 및 n-타입 불순물들로 도핑되어 태양전지 내부에서 p-n 접합이라 불리우는 전기장을 형성한다. 자유 전하 캐리어들을 사용하여 전기를 발생시키기 위해서는, 전자들 및 정공들이 p-n 접합에서의 전기장에 의해서 분리되기 이전에 재결합되어서는 아니 된다. 재결합되지 않는 전하 캐리어들은 부하 전력을 공급하는데 사용될 수 있다.
태양전지를 제조하는 일반적인 방법은 기판이 p-타입 도전성을 갖도록 도핑하는 것으로부터 시작된다. n-타입 도펀트는 기판의 전면으로 도입됨으로써 p-타입 기저층의 상면에 n-타입 이미터층 (emitter layer)을 형성한다. 이어서, 이미터층의 전면과 기저층의 후면 상에 접촉부가 형성됨으로써 전기적 접속부를 제조하는 것이 가능해진다. 자유 전자들은 전면 접촉부에 의해서 수집되고, 정공들은 후면 접촉부에 의해서 수집된다.
전면 접촉부는 입사 태양광 중 일부를 차단하기 때문에, 접촉부 재료로 이미터층의 전면을 너무 많이 덮지 않는 것이 유리하다. 대신에, 통상적인 접근법에서는 접촉점, 선, 또는 격자를 형성한다. 이러한 접촉부들을 형성하기 위한 스크린-프린팅과 같은 일부 저비용 해법들의 경우, 전면 접촉부들과 기저 이미터층 사이의 접촉 저항을 감소시키기 위해서 이미터층을 중도핑 (heavily doping)해야 한다. 그러나, 중도핑은 이미터층 및 이미터층 표면에서 전하 캐리어 재결합을 증가시키고, 이는 전반적인 셀 효율을 감소시키게 된다.
이러한 단점을 극복하기 위해서, 이미터층을 형성하기 위한 다양한 기술들이 사용될 수 있는 바, 선택적 이미터로 알려진 이미터의 경우는, 전면 접촉부들 밑에는 상대적으로 중도핑되고, 전면 접촉부들 사이의 노출 영역들에는 상대적으로 경도핑 (lightly doping)된다. 그러나, 이러한 기술들은 제조 공정 중에 추가적인 단계들을 필요로 하고, 수명 열화 및 불안정성이 증가하며, 고용량 제조 공정과 불합치되는 것과 같은 하나 이상의 단점들을 보유하고 있다.
그러므로, 동 분야에서는 전술한 사항 및 종래기술의 다른 단점들과 결함들을 극복할 수 있는 선택적 이미터 태양전지를 제조할 필요성이 존재한다.
본 발명에서는 혼성 이온 주입 및 확산 공정에 의해서 제조된 선택적 이미터를 구비한 실리콘 태양전지 및 그 제조방법에 대한 다양한 구현예들을 제공한다. 본 발명의 이러한 구현예들은 하나 이상의 전술한 종래기술과 관련된 단점들을 극복한다. 본 발명의 구현예들은 제조에 요구되는 시간 및 비용을 절감할 수 있는 태양전지 제조를 위한 다양한 장점들을 제공한다.
본 발명의 예시적 일 구현예에 따른 태양전지는 p-타입 기저층을 갖는 실리콘 기판을 포함한다. 상기 태양전지는 p-타입 기저층 상에 형성된 n-타입 선택적 이미터층을 구비한다. 상기 선택적 이미터층은 주입된 도펀트를 포함하는 하나 이상의 제1 도핑 영역 및 확산된 도펀트를 포함하는 하나 이상의 제2 도핑 영역을 구비한다. 상기 하나 이상의 제1 도핑 영역은 상기 하나 이상의 제2 도핑 영역보다 중도핑된다 (heavily doped). 상기 태양전지는 또한 상기 p-타입 기저층과 상기 선택적 이미터층의 계면에서 p-n 접합을 구비한다. 상기 p-n 접합과 상기 선택적 이미터층은 양자 모두 단일 어닐링 사이클 도중에 형성된다.
본 발명의 다른 예시적 구현예에 따른 태양전지는 보론-도핑된 p-타입 기저층을 구비하는 단결정 실리콘 기판을 포함한다. 상기 태양전지는 상기 p-타입 기저층 전면 상에 혼성 확산-이온 주입 공정 (hybrid diffusion-ion implantation process)에 의해서 형성된 인 도핑된 선택적 이미터층을 구비한다. 상기 선택적 이미터층은 이온 주입에 의해서 형성된 하나 이상의 제1 도핑 영역 및 옥시염화인 (POCl3) 확산에 의해서 형성된 하나 이상의 제2 도핑 영역을 구비한다. 상기 하나 이상의 제1 도핑 영역은 상기 하나 이상의 제2 도핑 영역보다 중도핑되는데, 이는 이온 주입 단계의 추가적인 도펀트 때문이다. 상기 태양전지는 또한 상기 p-타입 기저층의 전면과 상기 선택적 이미터층의 후면과의 계면에서 p-n 접합을 구비하며, 상기 p-n 접합은 상기 실리콘 기판에 대한 단일 어닐링 사이클 시에 형성된다. 질화규소, 산화알루미늄, 산화티타늄, 불화마그네슘, 또는 황화아연, 또는 이러한 물질들의 조합과 같은 반사방지층이 상기 선택적 이미터층의 전면 상에 형성된다. 하나 이상의 스크린-프린팅된, 은 전면 접촉부가 상기 반사방지층 상에 형성되고, 하나 이상의 스크린-프린팅된, 알루미늄 후면 접촉부가 상기 p-타입 기저층의 후면 상에 형성된다. 알루미늄-도핑된 p+ 실리콘 후면 필드층이, 액상 에피택시얼 재성장 (liquid epitaxial regrowth)에 의해서, 상기 p-타입 기저층의 후면과 상기 하나 이상의 후면 접촉부의 계면에서 형성된다. 상기 하나 이상의 전면 접촉부는 상기 선택적 이미터층의 상기 하나 이상의 중도핑된 제1 도핑 영역과 정렬됨으로써, 접촉 저항을 감소시킨다. 상기 하나 이상의 전면 접촉부들은 상기 반사방지층을 통하여 상기 선택적 이미터층의 제1 도핑 영역과 전기적으로 소통되며, 상기 하나 이상의 후면 접촉부들은 상기 알루미늄-도핑된 p+ 실리콘 후면 필드층과 전기적으로 소통된다.
본 발명의 예시적 일 구현예에 따르면, 혼성 이온 주입 및 확산 공정에 의해서 제조된 선택적 이미터를 구비한 태양전지의 제조방법이 개시된다. 상기 방법은 보론-도핑된 기저층을 포함하는 기판을 제공함으로써 시작된다. 이온 주입에 의해서 인 도펀트가 상기 보론-도핑된 기저층 전면의 하나 이상의 선택적 영역들로 도입된다. 이어서, 노 (furnace) 내부에서 상기 기판에 대해서 단일 고온 어닐링 사이클을 수행한다. 상기 단일 고온 어닐링 사이클 도중에 상기 기저층 전면으로의 확산을 위해서, 옥시염화인 (POCl3) 형태의 추가적인 액체 도펀트가 상기 노 내부로 도입된다. 확산을 위한 POCl3의 도입은 상기 선택적 이미터 태양전지에서 철 오염에 의해서 야기되는 수명 열화 및 불안정성 문제를 해결한다. 선택적 이미터층이 상기 기저층의 전면 상에 형성됨으로써, 상기 기저층 전면의 하나 이상의 선택적 영역들 위에 위치하는 상기 선택적 이미터층의 하나 이상의 선택적 영역들이 상기 선택적 이미터층의 나머지 부분들보다 더욱 중도핑된다. 상기 어닐링 사이클은 주입 손상을 복구하고, 인 도펀트를 활성화하며, 인 도펀트를 상기 기판의 원하는 접합 깊이까지 이송한다.
상기 방법은 또한 상기 선택적 이미터층의 전면 상에 비정질 질화규소층을 증착시킴으로써 반사방지 코팅을 형성하는 단계를 포함한다. 하나 이상의 전면 은 접촉부 (contacts)가, 상기 선택적 이미터층의 상기 중도핑된 하나 이상의 선택적 영역들과 정렬되어, 상기 비정질 질화규소 반사방지층의 전면 상에 스크린-프린팅된다. 땜질 가능한 패드 (solderable pads) 또는 버스 바 (bus bars)와 같은 하나 이상의 전면 은 접속부 (connections)가 상기 비정질 질화규소층 상에 스크린-프린팅된다. 땜질 가능한 패드 또는 버스 바와 같은 하나 이상의 후면 은-알루미늄 접속부 및 하나 이상의 후면 알루미늄 접촉부가 상기 기저층의 후면 상에 스크린-프린팅된다. 상기 전면 및 후면 접촉부 및 접속부는 벨트 노 (belt furnace) 중에서 동시-소성 (co-fired)됨으로써 상기 전면 및 후면 접촉부 및 접속부가 반사방지층을 통하여 소성된다. 상기 하나 이상의 전면 접촉부는 상기 비정질 질화규소 반사방지층을 통하여 상기 선택적 이미터층의 하나 이상의 선택적 영역들과 전기적으로 소통된다. 알루미늄-도핑된 p+ 실리콘 후면 필드층은 액상 에피택시얼 재성장에 의해서, 상기 기저층의 후면과 상기 하나 이상의 후면 접촉부의 계면에서, 상기 전면 및 후면 접촉부의 동시-소성 도중에 형성된다. 상기 하나 이상의 후면 접촉부들은 상기 후면 필드층과 전기적으로 소통된다.
본 발명의 또 다른 예시적 구현예에 따르면, 혼성 이온 주입 및 확산 공정에 의해서 형성된 선택적 이미터를 구비한 태양전지의 제조방법이 개시된다. 상기 방법은 p-타입 실리콘을 포함하는 실리콘 기판을 제공함으로써 시작된다. 상기 기판은 어닐링되는데, 이는 상기 기판을 노 내부에서 상대적으로 높은 온도까지 가열함으로써, n-타입 도펀트를 상기 기판의 전면 내부로 확산시키고, 중간 균일 이미터층을 형성하며, 상기 중간 균일 이미터층의 전면 상에 유리층을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 n-타입 도펀트는 확산을 위한 어닐링 도중에 노로 도입된다. 이어서, 상기 기판을 상기 노로부터 제거한다. 상기 유리층은 상기 중간 균일 이미터층의 전면으로부터 제거된다. 이온 주입에 의해서 추가적인 n-타입 도펀트가 상기 중간 균일 이미터층 전면의 하나 이상의 선택적 영역들로 도입된다. 상기 기판은 어닐링되는데, 이는 상기 기판을 노 내부에서 상대적으로 낮은 온도까지 가열함으로써, 주입 손상을 복구하고, 상기 추가적인 n-타입의 주입된 도펀트를 활성화하며, 상기 추가적인 n-타입의 주입된 도펀트를 원하는 접합 깊이로 이송하고, 상기 중간 균일 이미터층을 선택적 이미터층으로 변환시키는 단계를 포함한다. 상기 중간 균일층의 상기 하나 이상의 선택적 영역들은 상기 선택적 이미터층의 나머지 부분들보다 더욱 중도핑된 상기 선택적 이미터층의 하나 이상의 선택적 영역들을 한정한다.
본 발명의 다른 예시적인 구현예에 따르면, 혼성 이온 주입 및 확산 공정에 의해서 형성된 선택적 이미터를 구비한 태양전지의 제조방법이 개시된다. 상기 방법은 기저층을 포함하는 기판을 제공함으로써 시작된다. 도펀트는 이온 주입에 의해서 상기 기저층 전면의 하나 이상의 선택적 영역들로 도입된다. 상기 기판은 어닐링되는데, 이는 상기 기판을 노 내부에서, 추가적인 도펀트를 상기 기저층의 전면 내로 확산시키고, 상기 기저층의 전면 상에 선택적 이미터층을 형성할 수 있는 온도까지 가열하는 단계를 포함한다. 상기 추가적인 도펀트는 상기 어닐링 도중에 노에 도입된다. 상기 기저층 전면의 상기 하나 이상의 선택적 영역들은 상기 선택적 이미터층의 나머지 부분들보다 더욱 중도핑된 상기 선택적 이미터층의 하나 이상의 선택적 영역들을 한정한다.
본 발명의 다른 예시적 구현예는 전술한 방법에 따라서 제조된, 혼성 이온 주입 및 확산 공정에 의해서 제조된 선택적 이미터를 구비한 태양전지에 관한 것이다.
전술한 내용은 본 발명의 일부 예시적인 구현예들을 요약함으로써 본 발명의 일부 태양들에 대한 기본적 이해를 제공하기 위한 목적으로 서술된 것이다. 따라서, 전술한 예시적 구현예들은 어떠한 방식으로도 본 명세서 및 특허청구범위에 의해서 정의되는 것보다 더욱 한정적인 방식으로 본 발명의 범위 또는 정신을 제한하는 것으로 해석되어서는 아니 될 것이다. 본 발명의 범위는 다양한 잠재적인 구현예들을 포함하며, 그 중 일부는 전술한 요약 내용에 더하여, 하기에 더욱 서술될 것이다.
본 발명에 따르면, 이온 주입 및 확산 양자 모두를 포함하는 혼성 공정에 의해서 형성된 선택적 이미터층을 구비한 태양전지를 제공할 수 있으며, 선택적 이미터층이 단일 고온 어닐링 단계로 형성될 수 있고, 철 오염에 의해서 야기되는 수명 열화 및 불안정성 문제를 해결할 수 있으며, 우수한 충전율 및 전지 효율을 가지면서도, 저비용에 의하지만, 고품질을 갖는 스크린-프린팅된 접촉부들을 구비한 태양전지를 제조할 수 있다. 더 나아가, 태양전지를 생산하는데 필요한 시간, 장비 및 비용을 대폭으로 감소시킬 수 있으며, 생산 과정의 쓰루풋을 대폭으로 증가시킬 수 있다.
상기에서 본 발명의 구현예들을 일반적인 용어들로 서술하였으며, 이하에서는 첨부 도면에 대한 간단한 설명을 제공하되, 도면들이 반드시 실제 크기에 해당되는 것은 아니다:
도 1은 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 태양전지의 단면도를 도시한 것이며;
도 2a, 2b 및 2c는 본 발명의 태양전지를 제조하기 위한 제조방법에 대한 예시적인 구현예에 따른 플로우차트를 도시한 것이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 일부 구현예들을 더욱 상세하게 설명하기로 하되, 하기 첨부도면에는 본 발명의 모든 구현예들이 도시되어 있는 것은 아니며, 일부 구현예들만이 도시되어 있다. 당업자라면 본 발명이 많은 다른 형태들로 구현될 수 있다는 것을 이해할 것이며, 하기에 서술된 구현예들만으로 본 발명이 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 될 것이다; 하기 구현예들은 명세서로서의 법적 요건을 충족시키기 위해서 제공된 것일 뿐이다. 본 명세서 전반에 걸쳐서 유사한 도면부호들은 유사한 구성요소들을 가리킨다.
선택적 이미터 구조는, 실험실에서 제작된 고효율, 고비용 실리콘 태양전지와, 업계에서 제작된 저비용, 저효율 전지 사이의 간격을 메우는 역할을 한다. 대부분의 산업적 실리콘 태양전지들은 저비용, 스크린-프린팅된 금속 접촉부를 이용하며, 이러한 접촉부는 접촉 저항을 허용가능한 수준, 예를 들어 5mΩ-cm2 미만으로 감소시키기 위해서 중도핑된 이미터층을 필요로 한다. 그러나, 중도핑된 균일 이미터들을 구비한 실리콘 태양전지들은 이미터 및 이미터 표면에서 전하 캐리어 재결합의 증가 현상을 나타내며, 이는 태양전지의 효율 감소로 이어진다. 이러한 재결합 현상은, 접촉부들 밑에는 중도핑을, 접촉부들 사이에는 경도핑을 갖는 선택적 이미터를 이용함으로써 감소될 수 있다. 전면 재결합 속도 (front surface recombination velocity, FRSV)를, 예를 들어 500,000 cm/s로부터 100,000 cm/s로, 또는 더 나아가 10,000 cm/s 이하로 감소시키게 되면, 필드 영역에서의 면 저항이, 예를 들어 100 Ω/sq로 증가하는 경우, 더 높은 태양전지 효율로 이어질 수 있다. 선택적 이미터를 형성하는 현재의 방법들은 모두 다양한 단점들을 보유하고 있다. 그러나, 본 발명은 단 하나의 고온 단계로 선택적 이미터를 형성하는 단순화된 접근법을 제공함으로써 현재의 다른 방법들에 대한 개선점을 제공한다.
선택적 이미터를 형성하는 한가지 접근법은, 예를 들어 옥시 염화인 (phosphorus oxychloride, POCl3) 확산에 의한 2회의 분리된 확산 단계들을 포함한다. 그러나, 이러한 방법은 제조 공정에서 추가적인 단계들을 필요로 할 수 있다. 예를 들어, 2회의 분리된 확산 단계들은 두 가지 분리된 고온 가열 단계들을 필요로 할 수 있다. 더 나아가, 이러한 방법은 보호 질화규소층의 증착을 위한 확산 단계와, 유전성 에치 페이스트를 이용한 패터닝, 레이저 제거 에칭, 및/또는 고가의 포토리쏘그래피 공정과의 사이에 추가적인 단계를 필요로 할 수 있다. 이러한 추가적인 단계들은 태양전지를 제조하기 위한 시간 및 비용을 증가시킨다.
선택적 이미터를 제조하기 위한 대안적인 방법은 이온 주입법이다. 이온 주입법을 사용하게 되면, POCl3 확산에 의해서 선택적 이미터를 형성할 때 요구되는 포스포실리케이트 유리 제거 및 모서리 분리 단계를 수행할 필요가 없다는 장점이 있다. 그러나, 이온 주입법의 잠재적인 단점은 어닐링 과정 도중에 드러나는데, 이는 철 오염에 의해서 전하 캐리어 재결합이 증가하고, 이러한 전하 캐리어 재결합은 성능 불안정성 및 전력 손실을 야기하기 때문이다. 오염원인 철은 기판에 존재하거나 또는 주변 공정으로부터 기판으로 반입될 수도 있다. 철-보론 쌍은 광에 가볍게 노출되는 경우에, 격자간 철 (interstitial iron)로 분할되는 것으로 알려져 있으며, 격자간 철은 철-보론에 대한 낮은 트랩 수준 (~0.25 eV)에 비해서 중간갭 트랩 수준 (~0.4 eV)을 갖는다. 이러한 철-보론 쌍의 분할은 이온 주입된 이미터를 구비한 태양전지에 존재하는 광-유도 불안정성을 야기한다.
본 발명자들은 확산에 의해서 형성된 선택적 이미터는, POCl3 확산이 철에 대한 강력한 게터링제 (gettering agent)로서 기능하기 때문에, 철 오염 현상을 나타내지 않는다는 사실을 인지하였다. POCl3 확산은 이미터 중에서 부정합 전위 (misfit dislocation)를 생성하며, 이는 철 게터링에 대한 싱크 (sink)를 제공한다. 부가적으로, POCl3 확산은 실리콘 틈새 (silicon interstitials)의 주입을 야기하며, 이는 철을 치환 위치로부터 격자간 위치로 밀어내어 여기에서 이미터 중의 게터링 싱크로 신속하게 확산될 수 있다. 이온 주입된 이미터를 구비한 태양전지에서는 포스포실리케이트 유리가 생성되지 않고 부정합 전위가 더 적게 발생되는데, 이는 주입후 어닐링이 일반적으로 POCl3 보다는 산소 및 질소 분위기 중에서 수행되기 때문이다. 그러므로, 철은 기판의 대부분에 잔존하고, 여기에서 벌크 수명 (bulk lifetime)을 낮추며, 이는 태양전지 효율을 감소시킨다.
본 발명자들은 상기 방법들의 단점들 중 일부를 극복할 수 있는 선택적 이미터를 제조하기 위한 새로운 방법을 개발하였다. 즉, 본 발명에서는 철 주입 및 확산의 혼성 공정이 선택적 이미터를 제조하는데 사용되었다. 특히, 기판 기저층 전면의 선택적 영역들은 이온 주입에 의해서 도핑될 수 있다. 이어서, 단일 고온 어닐링 사이클 도중에, 추가적인 도펀트가 상기 기저층의 표면으로 확산에 의해서 도입됨으로써 상기 선택적 영역들에서 주입된 도펀트를 보충하고 상기 선택적 영역들 사이의 필드 영역들을 경도핑한다. 결과물인 태양전지는 감소된 철 오염 및 철-유도 불안정성을 가지며 이는 확산 단계 때문이다.
더욱이, 본 발명에 따른 방법은, 예를 들어 800 내지 1000℃의 단일 고온 어닐링 사이클만을 필요로 하는데, 이는 어닐링이 주입된 이온들을 활성화시키고 기판 내부로 이송시킬 뿐만 아니라, 동일한 가열 사이클 도중에 추가적인 도펀트의 확산 또한 발생될 수 있기 때문이다. 결과적으로, 능률적이고 산업적인 수준의 공정들만을 사용하여 고용량의 바로 모듈화가 가능한, 선택적 이미터를 구비한 태양전지가 제조될 수 있고, 상기 선택적 영역은 표면 및 그 하부의 충분히 깊은 접합 위치에서 충분히 높은 도펀트 농도를 가지므로, 0.800 이상의 충전율 (fill factor) 및 약 19%의 전지 효율을 갖는다. 이러한 수치들은 저비용에 의하지만, 고품질을 갖는 스크린-프린팅된 접촉부들에 의해서 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 태양전지 (5)의 일 구현예를 도시한 것이다. 태양전지 (5)는 반도체 기판으로 제조될 수 있다. 기판은 실리콘 (Si), 게르마늄 (Ge) 또는 실리콘-게르마늄 (SiGe), 또는 다른 반도전성 물질로 이루어지거나, 또는 이러한 물질들의 조합일 수 있다. 단결정 기판의 경우에는, 반도체 기판이 플로트 존 (Float Zone, FZ) 또는 초크랄스키 (Czochralski, Cz) 기법들을 사용하여 용융물로부터 성장될 수 있다. 이어서, 결과물인 단결정 구 (mono-crystalline boule)는 웨이퍼로 절삭되며, 이를 광택처리하여 기판을 제조할 수 있다. 실리콘, 게르마늄 또는 실리콘-게르마늄으로 이루어진 기판의 경우, 웨이퍼 표면의 결정학적 배향은 예를 들어 (100) 또는 (110)일 수 있다. 다른 한편으로, 기판은 다결정성일 수도 있으며, 이 경우는 단결정 기판에 비해서 더 저렴할 수 있다. 그러나, 다결정성 기판은 결정립 경계에서 전하 캐리어들의 재결합 현상이 발생되며, 효율 손실을 피하기 위해서 패시베이션을 필요로 한다.
기판의 전면 및 후면은 이방성 에칭 과정 도중에 수산화칼륨 (KOH) 및 이소프로필 알코올 (IPA)의 용액으로 처리함으로써 생성된 피라미드 구조를 가질 수 있다. 이러한 구조의 존재는, 전면으로부터의 반사에 의해서 손실된 광의 양을 감소시킴으로써 태양전지 (5)로 들어오는 광의 양을 증가시키게 된다. 후면 상의 피라미드 구조는 후면 접촉부의 형성과정 도중에 파괴될 수도 있다.
도 1의 구현예에 따르면, 기판은 제1 도전성 타입의 불순물, 예를 들어, p-타입 불순물로 도핑되어 p-타입 기저층 (10)을 형성할 수 있다. 만약 기판이 실리콘 (Si), 게르마늄 (Ge) 또는 실리콘-게르마늄 (Si-Ge)으로 이루어진 경우에는, 상기 p-타입 기저층 (10)은 보론 (B), 갈륨 (Ga), 인듐 (In), 알루미늄 (Al), 또는 다른 3족 원소들로 도핑되어 p-타입 도전성을 가질 수 있다. 다른 한편으로, 기판은 인 (P), 안티모니 (Sb), 비소 (As) 또는 다른 5족 원소들로 도핑됨으로써 n-타입 도전성을 가짐으로써, n-타입 기저층을 형성할 수도 있다. 중도핑된 영역 (15) 및 경도핑된 영역 (20)으로 이루어진 선택적 이미터층은, 예를 들어 혼성 확산 및 이온 주입 공정을 사용하여, p-타입 기저층 (10)의 전면 상에 형성될 수 있다. 상기 중도핑된 선택적 영역 (15) 및 경도핑된 필드 영역 (20)은 상기 제1 도전성 타입과 반대되는 제2 도전성 타입의 불순물, 예를 들어 n-타입 불순물로 도핑될 수 있다. p-n 접합 (25)이 p-타입 기저층 (10) 및 도핑된 영역들 (15, 20) 사이의 계면에 형성될 수 있다. 반대되는 도전성으로 인해서, 상기 p-타입 기저층 (10)과 상기 도핑된 영역들 (15, 20)은 상기 p-n 접합을 가로질러서 전기장을 형성하며, 이는 광자의 흡수로부터 생성된 자유 전자들 및 정공들을 분리하고, 그들을 반대방향, 즉 각각의 전면 및 후면 접촉부들 (30, 35)로 이동시킨다.
반사방지층 (40)은 상기 선택적 이미터층의 도핑된 영역들 (15, 20) 전면 상에 형성됨으로써 입사광의 반사를 감소시키고, 따라서 태양 에너지의 손실을 감소시킬 수 있다. 반사방지층 (40)은 기저 기판의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가질 수 있는데, 이에 의해서 태양전지 (5)로의 입사광이 반사방지층 (40) 내로 굴절되고, 기판으로 굴절되며, 기판에서는 입사광이 자유 전하 캐리어로 변환된다. 예를 들어, 반사방지층 (40)은 632.8 nm의 파장을 갖는 입사 레이저로 측정하였을 때 1.9 내지 2.4 범위의 굴절률을 가질 수 있다. 상기 반사방지층 (40)은 질화규소 (SiNx), 산화알루미늄 (Al203), 산화티타늄 (Ti02), 불화마그네슘 (Mg2F), 산화아연 (ZnO), 또는 황화아연 (ZnS2), 또는 그 조합으로 이루어진 것일 수 있다. 일부 구현예들에서는, 상기 반사방지층 (40)은 비정질 질화규소 (a-SiNx)와 같은 비정질 질화물을 포함한다. 상기 반사방지층 (40)은 10 내지 100 나노미터의 두께를 가질 수 있다.
전면 및 후면 접촉부들 (30, 35) 및 전면 및 후면 접속부들은 은 (Ag), 알루미늄 (Al), 또는 은과 알루미늄의 조합과 같은 도전성 물질들로 형성될 수 있다. 일반적으로, 실리콘 및 다른 기판들의 경우, 은이 선택적 이미터층의 도핑된 영역들 (15, 20)과 같은 도핑된 n-타입인 기판의 표면을 접촉하는데 사용될 수 있고, 알루미늄, 은, 또는 알루미늄 첨가제를 포함하는 은이 p-타입 기저층과 같은 도핑된 p-타입인 기판의 표면을 접촉하는데 사용될 수 있다. 금속이 반도체와 직접 접촉하게 되면 전자들과 정공들의 재결합 속도가 증가하며, 이는 태양전지의 효율을 현저하게 저하시킬 수 있다. 이러한 효과를 감소시키고 기판의 표면을 덮고 있는 금속의 비율을 제한하기 위해서, 상기 전면 및 후면 접촉부들 (30, 35) 및 접속부들은 점 또는 선 접촉부 (때로는 "지역적 접촉부 (local contacts)"라 불리우기도 함)의 형태를 가질 수 있다. 점 또는 선 접촉부들의 간격 및 배열은 2009년 1월 29일에 공개된 미국특허공보 제2009/0025786호에 서술된 바와 같이 결정될 수 있으며, 그 내용은 본 참조에 의해서 본 명세서에 전체로서 통합된다.
상기 전면 및 후면 접촉부들 (30, 35) 및 접속부들은 은을 상기 반사방지층 (40)의 전면에 스크린-프린팅하고, 알루미늄, 은, 또는 알루미늄 첨가제를 포함하는 은을 상기 p-타입 기저층 (10)의 후면에 스크린-프린팅함으로써 형성될 수 있다. 상기 전면 및 후면 접속부들은 땜질 가능한 패드 또는 버스 바를 포함함으로써, 태양전지 (5)의 전면 및 후면과의 전기적 접속을 용이하게 한다. 예시적 구현예들에 따르면, 상기 전면 접속부들의 패턴은 상기 후면 접속부들의 패턴과 정렬될 수 있다.
부가적으로, 상기 전면 접촉부들 (30) 및 전면 접속부들에 대해서는, 은이 선택될 수 있는데, 이는 은이 높은 전기적 도전성을 갖기 때문에 태양전지의 효율을 저하시키는 섀도잉 효과 (shadowing effect)를 억제하기 때문이다. Heraeus SOL953과 같은 다양한 상업적 은 페이스트들이 이러한 용도로 사용가능하다. 그러나, 은이 투명성을 갖지 않기 때문에, 이러한 부가적인 연유로, 상기 전면 접촉부들 (30) 및 전면 접속부들을 제한된 영역의 점 또는 선 접촉부들로 제한하는 것이 바람직할 수 있다. 상기 전면 접촉부들 (30) 및 저면의 선택적 이미터층 사이의 접촉 저항을 감소시키기 위해서, 상기 전면 접촉부들 (30)은 상기 선택적 이미터층의 중도핑된 영역들 (15)과 정렬된다. 일부 특정 구현예들에서는, 상기 전면 접촉부들 (30)의 폭이 상기 중도핑된 영역들 (15)의 폭보다 더 작아서, 상기 전면 접촉부들 (30)이 온전히 상기 중도핑된 영역들 (15) 내에 존재할 수 있게 된다. 이러한 선택적 영역들 중의 상기 중도핑은 기저 p-n 접합 (25)의 깊이를 증가시킬 수도 있으며, 이는 상기 전면 접촉부들 (30)을 형성하는데 사용되는 금속 페이스트의 성분들에 의한 상기 p-n 접합 (25)을 통한 분류 (shunting) 또는 소성 (firing)을 방지할 수 있다. 특정 구현예들에 따르면, 상기 반사방지층 (40)은 상기 전면 접촉부들 (30) 및 전면 접속부들 (55)을 형성하기 이전에 상기 선택적 이미터층의 도핑된 영역들 (15, 20)의 전면 상에 배치될 수 있다. 이러한 경우에는, 상기 전면 접촉부들 (30) 및 전면 접속부들은 상기 반사방지층 (40)을 물리적으로 관통하여 상기 선택적 이미터층의 기저 영역과 접촉할 수 있다. 상기 전면 접촉부들 (30) 및 전면 접속부들은 금속 이외에도 유리 프릿을 포함할 수 있으며, 이에 의해서 상기 반사방지층 (40)을 통한 소성이 용이해짐으로써 상기 선택적 이미터층과 접촉하게 된다.
상기 후면 접촉부 (35) 및 후면 접속부는 스크린 프린팅되는 페이스트를 사용하여 p-타입 기저층 (10)의 후면 상에 형성될 수 있다. 상기 후면 접촉부 (35)를 형성하는데 사용되는 페이스트는 Monocrystal Analog 12D 등과 같은 알루미늄 페이스트를 포함할 수 있다. 부가적으로, 상기 후면 접속부들을 형성하는데 사용되는 페이스트는 Monocrystal PPAS-7-1 등과 같은 알루미늄-은 페이스트를 포함할 수 있다. 예시적인 구현예들에 따르면, 후면 접속부들은, 상기 후면 접촉부 (35)가 도포되기 이전에 상기 p-타입 기저층 (10)의 후면에 도포될 수 있다. 상기 후면 접촉부 (35)는 상기 후면 접속부들의 일부가 노출되도록 남겨둔 채로 상기 후면 접속부들의 모서리를 덮도록 프린팅될 수 있다. 일부 구현예들에서, 상기 후면 접촉부 (35) 및 후면 접속부들은 상기 p-타입 기저층 (10)의 후면 전체를 거의 덮을 수 있다. 다른 한편으로는, 상기 후면 접촉부 (35) 및 후면 접속부들은 상기 p-타입 기저층 (10)의 후면 중 일부만을 덮을 수도 있다.
상기 후면 접촉부 (35)의 소성으로 인해서, 알루미늄-도핑된 p+ 실리콘 후면 필드층 (45)이 액상 에피택시얼 재성장에 의해서 p-타입 기저층의 후면 (10) 및 후면 접촉부 (35)의 계면에서 형성될 수 있다. 이러한 구현예들에서, 상기 후면 접촉부 (35)는 알루미늄-도핑된 p+ 실리콘 후면 필드층 (45)의 후면과 전기적으로 접촉할 수 있다. 상기 후면 접촉부 (35)는 알루미늄-실리콘 공정 조성 (eutectic composition)으로 이루어질 수 있다. 상기 후면 접촉부 (35)는 또한 태양전지 (5)에 대한 반사 후면으로 기능할 수도 있다. 반사 후면을 구비하는 것은 반사 표면을 제공함으로써 후면에 도달한 입사광을 기판으로 되돌리게 하여 기판에서 자유 전하 캐리어를 생성할 수 있게 한다. 상기 후면 접촉부 (35)의 두께는 10 내지 40 마이크로미터일 수 있으며, 적당한 반사도를 제공한다.
도 2a, 2b 및 2c는 본 발명의 예시적 구현예에 따라서 혼성 이온 주입 및 확산 공정에 의해서 형성된 선택적 이미터를 구비한 또 다른 예시적 태양전지를 제조하기 위한 예시적 방법에 대한 플로우차트를 도시한 것이다. 따라서, 도 2a, 2b 및 2c는 본 발명에 따라서 태양전지를 제조하기 위한 방법들을 개시한 것이다.
도 2a, 2b 및 2c를 참조하면, 공정 (200)에서 기판이 제공된다. 상기 기판은 전술한 도 1에서 설명한 것일 수 있다. 보통의 경우, 기판은 정해진 양의 p-타입 또는 n-타입 도전성을 갖는 것을 공급업자들로부터 주문할 수 있다. 다양한 구현예들에 따르면, 상기 기판은 p-타입 도펀트로 도핑되어 p-타입 기저층 (10)을 형성할 수 있다. 상기 도펀트 농도는 입방 센티미터 당 1015 내지 1017 원자 (원자들/cm3) 범위일 수 있다. 상기 기판의 두께는 50 내지 500 ㎛의 범위일 수 있으며, 다만 50 내지 200 ㎛ 두께를 갖는 기판을 사용하는 경우, 전류 표준 기판에 비해서 반도체 물질을 절약할 수 있게 된다. 기판의 저항은 1 내지 100 오옴-cm의 범위일 수 있으며, 다만 1 내지 3 오옴-cm의 기판을 사용하는 경우 탁월한 결과를 달성할 수 있다. 단결정 또는 다결정, 또는 스트링 리본, 박막 또는 다른 타입의 기판들이 사용될 수 있다.
공정 (200)에서, 기판은 가공 준비를 위해서 세정될 수 있다. 세정은 상기 기판을, 예를 들어 약 1-10% 농도의 수산화칼륨 배쓰 (bath) 중에 침지시켜서 상기 기판 표면 상의 절삭 손상 (saw damage)을 에칭 제거함으로써 달성될 수 있다. 일부 예시적 구현예들에 따르면, 에칭은 약 60 내지 90℃의 온도에서 수행될 수 있다.
공정 (205)에서, 기판은 질감을 갖는 것 (textured)일 수 있다. 예를 들어, 기판을 수산화칼륨 및 이소프로필 알코올 (KOH-IPA) 배쓰 중에 침지시켜서 이방성으로 에칭함으로써 질감을 갖게 할 수 있다. 일부 구현예들에 따르면, 수산화칼륨은 약 1-10% 농도일 수 있으며, 이소프로필 알코올은 약 2-20% 농도일 수 있다. KOH-IPA 배쓰의 온도는 약 65 내지 90℃일 수 있다. KOH-IPA는 기판의 표면을 에칭함으로써 면들이 결정학적 배향을 갖는 피라미드 구조를 형성할 수 있다. 결과물인 피라미드 구조는 전면에서 반사도를 감소시키고, 기판 내부에 광을 포획함으로써 기판에서 전기적 에너지로 변환되기 위해서 흡수되는데 도움을 준다.
공정 (210)에서, 도펀트, 예를 들어 도펀트 원자 또는 이온은 선택적 영역들 (15)에서 기저층 (10)의 전면으로 도입될 수 있다. 다양한 구현예들에 따르면, 도펀트는 이온 주입법에 의해서 도입될 수 있다. 도펀트는 기저층의 도전성과 반대되는 타입의 도전성을 가질 수 있다. 따라서, 기저층 (10)이 p-타입 도전성을 갖는다면, 공정 (210)에서 도입된 도펀트는 n-타입 도전성을 가질 수 있다. 반대로, 기저층 (10)이 n-타입 도전성을 갖는다면, 도펀트는 p-타입 도전성을 가질 수 있다. 특정 구현예들에서, n-타입 도펀트는 인 이온, 예를 들어 P31 +일 수 있다. 선택적 영역들 (15)의 패터닝은 마스크, 예를 들어 그래파이트 마스크를 통하여 이온 주입을 수행함으로써 달성될 수 있다. 그래파이트 마스크는 50 내지 500 마이크로미터의 폭을 갖는 개구들을 구비하며 기판의 폭과 동일하거나 이보다 더 큰 길이, 예를 들어 156 밀리미터의 길이를 가질 수 있다. 공정 (210)의 이온 주입 도중에, 참조 모서리 (reference edge)로 알려진 기판의 한쪽 모서리는 중력에 의해서 상기 마스크의 모서리와 정렬될 수 있다. 또한, 참조 모서리 상에는, 예를 들어 레이저 툴을 사용하여 지표 (fiducials)가 생성됨으로써, 정렬 단계를 포함하는 다음 단계들에서 참조될 수 있다. 일부 구현예들에 따르면, 도펀트 이온의 주입은 0.7 × 1015 cm-2 내지 1.0 × 1016 cm-2의 양으로 수행될 수 있다. 빔 가속은 5 내지 30 킬로전자볼트 (keV)의 범위에서 수행될 수 있다.
공정 (215)에서, 상기 주입된 기판에 대해서는 가열 단계가 수행됨으로써 p-n 접합 (25) 및 선택적 이미터가 생성된다. 일부 구현예들에 따르면, 상기 기판은 어닐링을 위해서 노, 예를 들어 자동화 석영 튜브 노 (automated quartz tube furnace) 내부로 도입될 수 있다. 상기 석영 튜브의 내부 직경은 약 290 밀리미터가 됨으로써 156 밀리미터의 준사각형 기판을 수용할 수 있다. 상기 어닐링 공정 (215)는 몇 가지 목적을 동시에 달성하기 위해서 사용될 수 있다. 먼저, 어닐링 공정 (215)은 주입된 도펀트 이온들을 활성화시킬 수 있다. 즉, 어닐링 공정의 열 에너지는 실리콘 격자 중에 공간을 생성하고, 여기에 도펀트 이온들이 채워진다. 둘째로, 어닐링은 도펀트 이온이 더욱 깊이, 예를 들어 원하는 접합 깊이까지, 기판 내부로 들어가게 함으로써 p-n 접합 (25)을 형성한다. 셋째로, 어닐링 공정 (215)은 이온 주입에 의해서 야기된 기판의 결정성 격자에 생긴 손상을 복구할 수 있다. 넷째로, 어닐링 공정 (215)은 선택적 영역들 (15) 사이의 필드 영역들 (20)을 경도핑하는데 사용될 수 있다.
예시적인 구현예들에 따르면, 상기 어닐링 공정 (215)은 700 내지 900℃ 범위의 온도를 갖는 노 내부로 1 내지 400개의 기판들을 로딩함으로써 개시될 수 있다. 일부 구현예들에서는 많은 수의 기판들이 동시에 노 내부에 로딩될 수 있으며, 예를 들어 400개까지의 기판들이 단일 노 사이클 동안 로딩될 수 있다. 일단 기판들이 노 내부로 로딩되면, 온도는 10 내지 30분의 시간 동안 800 내지 900℃ 범위의 온도까지 상승될 수 있다. 이후, 이러한 온도는 30 내지 100분 동안 유지될 수 있다. 다음으로, 3 내지 30분의 시간 동안 온도를 700 내지 900℃까지 하강시킬 수 있다. 이후, 기판을 노로부터 제거할 수 있다.
온도가 일정하게 유지되는 시간 동안, 추가적인 도펀트 원자들이 상기 p-타입 기저층 (10)의 전면 내부로 확산되기 위해서 노 내부로 도입될 수 있다. 상기 추가적인 도펀트는 상기 이온 주입 단계 도중에 주입된 것과 동일한 타입의 원자들을 포함하거나, 또는 동일한 도전성을 갖는 다른 타입의 도펀트 원자들을 포함할 수 있다. 특정 구현예들에서, 추가적인 도펀트 원자들이 또한 상기 p-타입 기저층 (10)이 노출되면 상기 p-타입 기저층의 후면 내로 확산될 수 있다. 예를 들어, 질소 캐리어 기체가 액체 도펀트를 포함하는 기포발생기를 통해서 통과될 수 있다. 상기 액체 도펀트는 옥시염화인 (POCl3)을 포함할 수 있다. 이러한 관점에서, 상기 질소 캐리어 기체는 POCl3 분자들을 수집하여 노로 이송한다. 노에서는, POCl3로부터의 인 도펀트 원자들이 상기 p-타입 기저층 (10)의 전면 및 후면 내부로 확산될 수 있다. 일부 구현예들에 따르면, 상기 도펀트 원자들은 상기 p-타입 기저층 (10)의 후면과, 상기 p-타입 기저층 (10) 전면의 필드 영역들 (20) 및 선택적 영역들 (15) 모두로 확산될 수 있다. 상기 확산에 의해서 상기 선택적 영역들 (15) 사이의 필드 영역들 (20)이 경도핑되어 70 내지 120 오옴 퍼 스퀘어 (Ohms per square)의 면 저항을 갖게 된다. 이에 더하여, 상기 확산은 상기 선택적 영역들 (15)을 보충함으로써 상기 선택적 영역들 (15)이 상기 선택적 영역들 (15) 사이의 필드 영역들 (20)에 비해서 더욱 중도핑되게 하고, 따라서 상기 p-타입 기저층 (10)의 전면 상에 선택적 이미터층을 형성한다. 다른 한편으로, 수퍼스트래이트 (superstrate) 마스크 또는 마스크층이 상기 선택적 영역들 (15)을 덮는데 사용되는 경우에는, 상기 확산이 필드 영역들 (20)에서만 발생될 수도 있다. 이러한 구현예들에서, 만약 공정 (210)에서의 상기 선택적 영역들 (15)의 이온 주입 단계가 더 높은 양으로 수행된다면, 상기 선택적 영역들 (15)이 상기 필드 영역들 (20)보다 더욱 중도핑될 수도 있다. 따라서, 혼성 확산-이온 주입 공정에 의해서 형성된 선택적 이미터층이 단일 고온 어닐링 단계 중에 형성될 수 있다.
다양한 구현예들에 따르면, 상기 선택적 이미터층의 상기 선택적 영역들 (15)에서의 면 저항 (sheet resistance)은 30 내지 50 오옴-퍼-스퀘어의 범위에 있을 수 있다. 부가적으로, 상기 선택적 이미터층의 상기 필드 영역 (20)에서의 면 저항은 80 내지 120 오옴-퍼-스퀘어, 바람직하게는 100 오옴-퍼-스퀘어의 범위 내에 있을 수 있다. 이러한 이미터 필드 영역 (20)에서의 높은 면 저항은, 많은 수의 기판들이 단일 노 사이클로 도입되는 경우에는, 높은 수준의 균일성으로 달성되기 어렵다. 상기 필드 영역들 (20), 더 나아가 상기 선택적 영역들 (15)에서의 면 저항 및 도핑 프로파일은 확산 시간, 캐리어 기체 흐름 속도, 드라이브-인 시간 (즉, 캐리어 기체가 노 내부로 흘러들어가지 않고 피크 온도에 도달한 시간), 및 공정 온도에 의해서 조절될 수 있다. 이러한 공정 패러미터들은 면 저항 균일성을 향상시키고, 각 영역들에서의 면 저항을 올리거나 내리기 위해서 변형될 수 있다.
다양한 구현예들에서, 유리층, 예를 들어 포스포실리케이트 유리층이 또한 확산 공정으로 인해서 상기 선택적 이미터층의 상기 도핑된 영역들 (15, 20)의 전면 상에 형성될 수 있다. 일부 구현예들에 따르면, 상기 유리층은 하기 공정 (220)에서 반사방지층 (40)이 형성되기 이전에 제거되어야 할 수도 있다. 상기 유리층을 제거하기 위한 예시적인 방법은 상기 기판을 희석 불산 (hydrofluoric acid) 배쓰 중에 기판을 침지시키는 단계를 포함하는데, 이때 약 1-20% 농도, 10% 농도에서 탁월한 결과를 얻을 수 있다.
공정 (220)에서, 반사방지층 (40)이 상기 선택적 이미터층의 도핑 영역들 (15, 20)의 전면 상에 형성될 수 있다. 상기 반사방지층 (40)은 기저 기판의 굴절률보다 높은 굴절률을 가짐으로써, 더욱 많은 광이 상기 반사방지층 (40) 내부 및 상기 기판 내부로 통과하도록 하며, 상기 태양전지 (5)의 전면으로부터 광이 반사되는 것을 감소시킨다. 상기 반사방지층 (40)은 질화실리콘 (SiNx), 산화알루미늄 (Al203), 산화티타늄 (Ti02), 불화마그네슘 (Mg2F), 또는 황화아연 (ZnS2), 또는 이러한 물질들의 조합으로 이루어진 것일 수 있다. 특정 구현예들에서, 상기 반사방지층 (40)은 비정질 질화물, 예를 들어 비정질 질화실리콘 (a-SiNx)을 포함할 수 있다. 상기 반사방지층 (40)은 플라즈마 강화 화학 기상 증착법 (plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)에 의해서 형성될 수 있다. PECVD에 대한 대안으로는, 저압 화학 기상 증착법 (low pressure chemical vapor deposition, LPCVD), 스퍼터링 등을 들 수 있다. 상기 PECVD 공정은 상기 기판을 300 내지 500℃ 범위의 온도까지 가열하는 단계를 포함할 수도 있다. 추가적으로, 상기 PECVD 공정은 실란 및 암모니아 반응 가스들을 사용하는 단계를 포함할 수도 있다. 상기 반사방지층 (40)은 70 내지 90 나노미터의 두께를 가질 수 있으며, 약 2.00의 굴절률을 가질 수 있다. 상기 반사방지층 (40)의 두께 및 굴절률은 증착 시간, 플라즈마 출력, 반응 가스들의 흐름 속도, 및 증착 압력과 같은 패러미터들에 의해서 결정될 수 있다.
공정 (225)에서, 상기 태양전지 (5)의 상기 전면 접촉부 (30) 및 전면 접속부들에 대한 물질들은 상기 반사방지층 (40)의 전면에 도포될 수 있다. 다양한 구현예들에 따르면, 상기 전면 접촉부들 (30) 및 전면 접속부들은 광학 정렬기를 구비한 반자동 스크린 프린터를 사용하여 스크린-프린팅될 수 있다. 상기 전면 접촉부들 (30) 및 전면 접속부들은 은 페이스트, 예를 들어 Heraeus SOL953 등을 사용하여 도포될 수 있다. 일부 구현예들에서, 상기 은 페이스트는 프릿화된 은 페이스트일 수 있으며, 이 경우 상기 접촉부들의 소성 과정 동안 상기 은 페이스트가 상기 반사방지층 (40)을 통과하는 것이 용이하다. 상기 은 페이스트는 낮은 인 도핑을 갖는 이미터들에만 접촉부들을 형성할 수 있도록 최적화될 수도 있다. 상기 전면 접촉부들 (30) 및 전면 접속부들의 형태 및 간격은 스크린의 접촉 패턴에 의해서 한정될 수 있다. 특정 구현예들에서, 상기 전면 접촉부들 (30)은 50 내지 150 마이크로미터 폭을 가지고 1.5 내지 2.5 밀리미터의 간격으로 떨어져 있을 수 있다. 상기 전면 접촉부들 (30) 및 전면 접속부들을 형성하기 위한 페이스트는 추후에 벨트 노를 사용하여 건조될 수 있다. 다른 한편으로, 상기 전면 접촉부들 (30) 및 전면 접속부들은 하기 공정 (230)에 서술된 바와 같이 후면 접촉부 (35) 및 후면 접속부들과 동시에 건조될 수도 있다.
다양한 예시적 구현예들에서, 격자 패턴, 선 패턴 등과 같은 상기 스크린의 패턴은 전술한 방법에 의해서 형성된 선택적 이미터층만을 위해서 고안된 것일 수도 있다. 예를 들어, 상기 전면 접촉부들 (30)의 패턴은 상기 선택적 이미터층의 상기 선택적 영역들 (15) 내에서 정렬 및 프린팅되도록 고안될 수도 있다. 특정 구현예들에서, 상기 전면 접촉부들 (30)의 폭은 상기 선택적 영역들 (15)의 폭보다 작음으로써 상기 전면 접촉부들 (30)이 완전히 상기 선택적 영역들 (15) 내에 존재할 수 있다. 또한, 이러한 선택적 영역들 (15)에 대한 중도핑은 그 하부의 p-n 접합 (25)의 깊이를 증가시킬 수 있으며, 이는 상기 전면 접촉부들 (30)을 형성하기 위해서 사용된 금속 페이스트 성분들에 의한 p-n 접합 (25)을 통한 분류 (shunting) 또는 소성 (firing)을 방지할 수 있다. 예시적 구현예들에 따르면, 상기 전면 접촉부들 (30)과 상기 선택적 이미터층의 선택적 영역들 (15)과의 정렬은 당업자에 공지된 다양한 기술들을 통하여 달성될 수 있으며, 예를 들어 전술한 공정 (210)에서의 참조 모서리 또는 정렬이 수행되는 곳에 대한 상대적 위치를 지시하기 위한 태양전지 (5) 상에 형성된 다른 표지 (fiducial mark)를 사용하는 광학적 정렬, 두 개의 기둥들에 대한 버트-에지 정렬 (butt-edge alignment), 카메라를 사용한 기판의 중앙 또는 모서리로의 정렬 등을 통하여 달성될 수 있다.
공정 (230)에서, 상기 후면 접촉부 (35) 및 후면 접속부들을 형성하기 위한 물질이 상기 p-타입 기저층 (10)의 후면에 도포될 수 있다. 특정 구현예들에서, 상기 후면 접촉부 (35) 및 후면 접속부들은 상기 p-타입 기저층 (10) 후면 상에 스크린-프린팅될 수 있다. 상기 후면 접촉부 (35)는 알루미늄 페이스트, 예를 들어 Monocrystal Analog 12D 등을 사용하여 도포될 수 있다. 부가적으로, 상기 후면 접촉부들은 알루미늄-은 페이스트, 예를 들어 Monocrystal PPAS-7-1 등을 사용하여 도포될 수 있다. 예시적인 구현예들에 따르면, 땜질 가능한 패드 (solderable pads) 또는 버스 바 (bus bars)와 같은 후면 접속부들은 상기 후면 접촉부 (35)의 도포 이전에 상기 p-타입 기저층 (10)의 후면에 도포될 수 있다. 상기 후면 접촉부 (35)는 상기 후면 접속부들의 모서리들을 가리며 상기 후면 접속부들 중 일부가 노출되게끔 프린팅될 수 있다. 예시적인 구현예들에서, 상기 후면 접촉부 (35) 및 후면 접속부들은 상기 p-타입 기저층 (10) 후면 거의 전체를 가로질러서 스크린-프린팅될 수 있다. 이러한 구현예들에서, 상기 후면 접촉부 (35)의 알루미늄 페이스트는 웨이퍼 모서리 부근 대략 1 mm 폭의 좁은 경계에 걸쳐서는 프린팅되지 않을 수 있다. 다른 한편으로, 상기 후면 접촉부 (35) 및 후면 접속부들은 상기 p-타입 기저층 (10)의 후면 중 일부에만 걸쳐서 프린팅될 수도 있다. 태양전지 (5)는 선택적으로 프린팅된 페이스트를 건조시키기 위해서 외기 중 150 내지 350℃의 온도를 갖는 벨트 노 상에 약 30 내지 300초 동안 놓여질 수 있다.
공정 (235)에서, 상기 접촉부 (30, 35) 및 접속부가 도포된 기판은 인-라인 벨트 노 등과 같은 벨트 노 중에서 가열 또는 동시-소성될 수 있다. 구조물을 동시-소성하는 과정에서, 전면 접촉부 (30) 및 전면 접속부들이 반사방지층 (40)을 통하여 소성됨으로써, 상기 선택적 이미터층의 도핑된 영역들 (15, 20)과 물리적 접속을 형성할 수 있다. 다양한 구현예들에서, 상기 전면 접촉부 (30)는 상기 선택적 이미터층의 선택적 영역들 (15)과만 물리적 접속을 형성할 수 있다. 상기 반사방지층 (40)을 통한 소성을 용이하게 하기 위해서, 상기 전면 접촉부 (30) 및 전면 접속부는 유리 프릿 등과 같은 프릿을 포함할 수 있다. 상기 전면 접촉부 (30) 및 전면 접속부를 형성하기 위해서 사용되는 페이스트 중의 유리 프릿은 500℃ 근방의 온도에서 용융되며, 기저 반사방지층 (40)을 용해시킬 수 있다. 소성 온도는 상기 전면 접촉부 페이스트 중의 은과 같은 금속 입자들이 상기 이미터 깊이 아래로 이동함이 없이 상기 선택적 이미터층과 옴 접촉 (ohmic contact)을 형성하도록 선택될 수 있다.
공정 (235) 도중의 동시-소성 동안에, 상기 후면 접촉부 (35) 및 후면 접속부의 물질은 상기 p-타입 기저층 (10)의 후면과 물리적 접촉을 형성할 수 있다. 특정 구현예들에서, 상기 후면 접촉부 (35) 및 후면 접속부의 소성은 알루미늄-실리콘 공정 온도인 577℃를 초과하는 온도에서 발생될 수 있다. 기판이 동시-소성 이후에 냉각되면, 액상 에피택시얼 재성장에 의해서 상기 p-타입 기저층 (10)의 후면 상에 알루미늄-도핑된 p+ 실리콘 후면 필드층 (45)이 형성될 수 있다. 이러한 구현예들에서, 상기 후면 접촉부 (35)는 상기 후면 필드층 (45)과 전기적으로 소통될 수 있다. 온도 프로파일은 높은 가열율 특성을 나타낼 수 있는데, 상기 p-타입 기저층 (10)의 질감을 갖는 후면과 상기 후면 필드층 (45) 사이에서 균일한 p-p+ 계면의 형성을 촉진할 수 있도록 초 당 20℃ 내지 초 당 150℃의 범위일 수 있다. 추가적으로, 냉각 도중에는 상기 후면 필드층 (45)의 후면 상에 알루미늄 후면 접촉부 (35)가 또한 형성될 수 있다.
상기 전면 및 후면 접속부들은 각각의 전면 및 후면 접촉부들 (30, 35)에 소결 (sintered) 또는 결합됨으로써, 태양전지 (5)의 각각의 전면 및 후면에 통합적으로 접속되어 우수한 전기적 접속을 형성할 수도 있다. 접속부들은 땜질된 와이어를 통하여 태양전지 모듈 중의 부근 태양전지에 인접할 수 있으며, 궁극적으로 태양전지가 광에 노출되는 경우에 출력을 공급하기 위해서 로드 (load)에 땜질된 와이어를 통하여 인접할 수 있다.
공정 (240)에서 접합 분리 단계 (junction isolation step)가 수행된다. 일부 구현예들에 따르면, 모서리 분리를 위해서 레이저가 사용될 수도 있다. 상기 레이저는 1064 nm 적외선 레이저일 수 있다. 다양한 구현예들에서, 상기 접합 분리 단계에 의해서 대략 30 ㎛ 깊이를 갖는 대략 100 ㎛ 폭의 도랑 (50)이 형성될 수 있다. 상기 도랑은 상기 태양전지 (5)의 측면 모서리로부터 대략 100 내지 200 ㎛ 떨어져 위치될 수 있다.
도 3은 본 발명의 구현예에 따라서 혼성 이온 주입 및 확산 공정에 의해서 형성된 선택적 이미터를 구비한 태양전지를 제조하기 위한 또 다른 방법에 대한 플로우차트를 도시한 것이다.
공정 (300) 및 (305)는 상기 도 2a, 2b, 및 2c에 대해서 전술한 바와 같이 공정 (200) 및 (205)와 동일하다. 공정 (310)에서, 상기 기판은 도펀트를 상기 기저층 (10) 전면 내로 도입하기 위해서 노, 예를 들어 자동화된 석영 튜브 노로 도입될 수 있다. 예를 들어, 질소 캐리어 기체가 액체 도펀트를 함유하는 기포발생기를 통해서 통과될 수 있다. 상기 액체 도펀트는 옥시염화인 (POCl3)을 포함할 수 있다. 이러한 관점에서, 상기 질소 캐리어 기체는 POCl3 분자들을 수집하여 노로 이송한다. 노에서는, POCl3로부터의 인 도펀트 원자들이 상기 p-타입 기저층 (10)의 전면으로 확산될 수 있다. 일부 구현예들에 따르면, 상기 도펀트 원자들은 전면 전체 (즉, 필드 영역 (20) 및 선택적 영역 (15) 모두)로 확산될 수 있다. 다른 한편으로, 수퍼스트래이트 (superstrate) 마스크 또는 마스크층이 상기 선택적 영역들 (15)을 덮는데 사용되는 경우에는, 상기 확산이 필드 영역들 (20)에서만 발생될 수도 있다. 도입되는 도펀트의 양은 필드 영역의 면 저항이 70 내지 120 옴 퍼 스퀘어가 되도록 하기에 충분할 수 있다. 도펀트층은 상기 기저층 (10)의 도전성과 반대되는 도전성을 가질 수 있다. 따라서, 상기 기저층 (10)이 p-타입 도전성을 갖는 경우에는, 공정 (210)에서 도입된 도펀트층은 n-타입 도전성을 가질 수 있다. 반대로, 상기 기저층 (10)이 n-타입 도전성을 갖는 경우에는, 상기 도펀트 원자들은 p-타입 도전성을 가질 수 있다. 특정 구현예들에서는, 상기 n-타입 도펀트는 예를 들어 P31 +와 같은 인 이온일 수 있다.
공정 (310) 도중에, 상기 기판에 대해서는 가열 단계가 수행됨으로써 p-n 접합 (25) 및 중간 균일 이미터층이 형성될 수 있다. 예시적인 구현예들에 따르면, 상기 가열 단계는 상기 기판을 700 내지 900℃ 범위의 온도를 갖는 노 내부로 로딩함으로써 개시될 수 있다. 일부 구현예들에서는, 많은 수의 기판들이 동시에 노 내부에 로딩될 수 있으며, 예를 들어 400개까지의 기판들이 단일 노 사이클 동안 로딩될 수 있다. 일단 기판들이 노 내부로 로딩되면, 온도는 10 내지 30분의 시간 동안 800 내지 900℃ 범위의 온도까지 상승될 수 있다. 이후, 이러한 온도는 30 내지 100분 동안 유지될 수 있다. 다음으로, 3 내지 30분의 시간 동안 온도를 700 내지 900℃까지 하강시킬 수 있다. 이후, 기판을 노로부터 제거할 수 있다. 따라서, 단일 고온 어닐링 단계에서 혼성 확산-이온 주입 공정에 의해서 선택적 이미터층이 형성된다.
공정 (315)는 상기 기판으로부터 새로이 형성된 유리를 제거하는 단계를 포함한다. 공정 (310)의 확산 단계 도중에, 유리, 예를 들어 포스포실리케이트 유리가 상기 중간 균일 이미터층의 전면 전체 및 상기 p-타입 기저층 (10)의 후면 상에 형성될 수 있다. 따라서, 상기 유리층은 이후 단계 이전에 제거될 필요성이 있다. 상기 유리층을 제거하는 예시적인 방법은, 상기 기판을 희석 불산 배쓰 중에 침지시키는 단계를 포함하는데, 이때 약 1-20% 농도, 10% 농도에서 탁월한 결과를 얻을 수 있다.
공정 (325)에서, 추가적인 도펀트 원자들이 상기 선택적 영역들 (15)의 상기 중간 균일 이미터층 전면으로 도입될 수 있다. 다양한 구현예들에 따르면, 상기 도펀트 원자들은 이온 주입에 의해서 도입될 수 있다. 상기 선택적 영역들 (15)을 패터닝하는 것은 마스크, 예를 들어 그래파이트 마스크를 통해서 이온 주입을 수행함으로써 달성될 수 있다. 상기 그래파이트 마스크는 300 내지 500 마이크로미터의 폭 및 상기 기판의 폭 이상의 길이, 예를 들어 156 밀리미터 이상의 길이를 갖는 개구들을 구비할 수 있다. 공정 (325)의 주입 도중에, 상기 기판의 한쪽 모서리는 중력에 의해서 상기 마스크의 가장자리와 정렬될 수 있다. 이러한 참조 모서리는 추후 단계에서 전면 접촉부들을 형성할 때 식별될 수 있도록, 예를 들어 다이아몬드 펜을 사용하여 표시되어 모서리 정렬을 달성할 수 있다. 일부 구현예들에 따르면, 상기 도펀트 이온의 주입은 1.0×1015 cm-2 내지 1.0 ×1016 cm-2의 양으로 수행될 수 있다. 상기 빔 가속은 10 킬로전자 볼트 내지 30 킬로전자 볼트의 범위에서 수행될 수 있다. 확산 공정 이후에 이온 주입을 수행함으로써, 도펀트 주입량을 표면으로 가깝게 유지하는 것이 가능한데, 이는 주입된 이온들에 대해서 고온 어닐링이 수행되지 않기 때문이다.
공정 (325)에서, 상기 기판에 대해서는 짧게 상대적으로 낮은 온도의 어닐링이 수행될 수 있다. 다양한 구현예들에 따르면, 저온 어닐링은 1 내지 20분, 바람직하게는 5분 동안 수행될 수 있다. 이 시간 동안, 온도는 400 내지 600℃의 범위일 수 있다. 저온 어닐링은 중간 균일 이미터층을 선택적 이미터층으로 변환시킬 수 있는데, 이는 선택적 영역들 (15)이 필드 영역들 (20)보다 더욱 중도핑되기 때문이다.
나머지 공정들 (330) 내지 (350)은 상기 도 2a, 2b 및 2c에 대해서 전술한 바와 같이 공정 (220) 내지 (240)과 동일하다.
다양한 구현예들에 따르면, 전술한 바와 같이, 이온 주입 및 확산 양자 모두를 포함하는 혼성 공정에 의해서 형성된 선택적 이미터층을 구비한 태양전지가 제조될 수 있다. 본 발명에 기재된 바와 같이 선택적 이미터층을 형성함으로써 다양한 장점들이 실현될 수 있다. 예를 들어, 다양한 예시적 구현예들에 따르면, 상기 선택적 이미터층이 단일 고온 어닐링 단계로 형성될 수 있다. 부가적으로, 특정 구현예들에 따르면, 이온 주입된 선택적 이미터들에 내재된, 철 오염에 의해서 야기되는 수명 열화 및 불안정성 문제를 혼성 이온 주입/확산 공정에 의해서 해결할 수 있다. 더욱이, 다양한 구현예들에 따르면, 표면 및 그 하부의 충분히 깊은 접합 위치에서 충분히 높은 도펀트 농도를 갖는 선택적 영역을 구비한 선택적 이미터층을 포함하고, 0.800 이상의 충전율 (fill factor) 및 약 19%의 전지 효율을 가지면서도, 저비용에 의하지만, 고품질을 갖는 스크린-프린팅된 접촉부들을 구비한 태양전지를 제조할 수 있다. 더욱이, 이러한 개선사항들은 태양전지를 생산하는데 필요한 시간, 장비 및 비용을 대폭으로 감소시킬 수 있으며, 생산 과정의 쓰루풋을 대폭으로 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 태양은, 기저층을 포함하는 기판을 제공하는 단계; 이온 주입법에 의해서 상기 기저층의 전면 중 하나 이상의 선택적 영역들에 도펀트를 도입하는 단계; 및 상기 기판을 어닐링하는 단계를 포함하며, 상기 어닐링 단계는 상기 기판을 노 내부에서: 상기 어닐링 도중에 상기 노로 도입된 추가적인 도펀트를 상기 기저층의 전면으로 확산시키고; 상기 기저층 전면 상에 선택적 이미터층을 형성할 수 있는 온도까지 가열시키는 단계를 포함하며, 상기 기저층 전면의 상기 하나 이상의 선택적 영역들은 상기 선택적 이미터층의 나머지 부분들보다 더욱 중도핑된 상기 선택적 이미터층의 하나 이상의 선택적 영역들을 한정하는, 혼성 확산 및 이온 주입 공정을 이용한 선택적 이미터 태양전지를 제조하는 방법에 관한 것이다.
상기 본 발명의 태양에 따른 방법의 일 구현예에 따르면, 상기 기판은 단결정, 초크랄스키 실리콘 기판이다.
상기 본 발명의 태양에 따른 방법의 일 구현예에 따르면, 상기 기저층은 p-타입 도펀트로 도핑되고, 상기 선택적 이미터층은 n-타입 도펀트로 도핑됨으로써 상기 기저층과 상기 선택적 이미터층의 계면에서 p-n 접합이 형성된다.
상기 본 발명의 태양에 따른 방법의 일 구현예에 따르면, 상기 이온 주입된 도펀트는 인을 포함하며, 확산을 위해 도입된 상기 추가적인 도펀트는 옥시염화인 (POCl3)의 형태로 도입된다.
상기 본 발명의 태양에 따른 방법의 일 구현예에 따르면, 상기 선택적 이미터층의 전면 상에 비정질 질화규소층을 증착함으로써 반사방지 코팅을 형성하는 단계를 더 포함한다.
상기 본 발명의 태양에 따른 방법의 일 구현예에 따르면, 상기 선택적 이미터층의 상기 하나 이상의 선택적 영역들과 정렬되게끔 상기 비정질 질화규소층 상에 하나 이상의 은 전면 접촉부들을 스크린-프린팅하는 단계를 더 포함한다.
상기 본 발명의 태양에 따른 방법의 일 구현예에 따르면, 상기 기판의 후면 상에 하나 이상의 알루미늄 후면 접촉부들을 스크린-프린팅하는 단계를 더 포함한다.
상기 본 발명의 태양에 따른 방법의 일 구현예에 따르면, 상기 전면 및 후면 접촉부들을 동시-소성함으로써 상기 하나 이상의 전면 접촉부들이 상기 비정질 질화규소층을 통해서 상기 선택적 이미터층의 상기 하나 이상의 선택적 영역들과 전기적으로 소통한다.
상기 본 발명의 태양에 따른 방법의 일 구현예에 따르면, 상기 전면 및 후면 접촉부들을 동시-소성하는 단계 동안 상기 기저층의 후면과 상기 하나 이상의 후면 접촉부들의 계면에서 액상 에피택시얼 재성장에 의해서 알루미늄-도핑된 p+ 실리콘 후면 필드층을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 하나 이상의 후면 접촉부들은 상기 알루미늄-도핑된 p+ 실리콘 후면 필드층과 전기적으로 소통한다.
상기 본 발명의 태양에 따른 방법의 일 구현예에 따르면, 상기 추가적인 도펀트를 상기 기저층 전면 내로 확산시키는 단계는: 상기 선택적 이미터층 중에서 부정합 전위 (misfit dislocation)를 생성함으로써 철 게터링에 대한 싱크 (sink)를 제공하고; 실리콘 틈새 (silicon interstitials)를 상기 기판 내로 주입시킴으로써 철을 치환 위치로부터 격자간 위치로 밀어내어 상기 철이 상기 게터링 싱크로 신속하게 확산되게 하는 단계를 더 포함한다.
상기 본 발명의 태양에 따른 방법의 일 구현예에 따르면, 상기 어닐링 도중에 상기 노로 산소를 도입함으로써 상기 선택적 이미터층의 표면 중 일부를 소모할 수 있도록 상기 선택적 이미터층의 표면 상에 산화물층을 형성하는 단계를 더 포함한다.
상기 본 발명의 태양에 따른 방법의 일 구현예에 따르면, 상기 기판을 희석 불산 배쓰 중에 침지시킴으로써 상기 선택적 이미터층의 상기 산화물층 및 소모된 부분을 제거하는 단계를 더 포함한다.
상기 본 발명의 태양에 따른 방법의 일 구현예에 따르면, 상기 도펀트의 확산으로 인해서 상기 어닐링 도중에 형성된 유리층을, 상기 비정질 질화규소층을 증착하기 이전에 상기 선택적 이미터층의 전면으로부터 제거하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 일 태양은, p-타입 기저층을 포함하는 실리콘 기판; 상기 p-타입 기저층 상에 형성된 n-타입 선택적 이미터층으로서, 상기 n-타입 선택적 이미터층은: 주입된 도펀트를 포함하는 하나 이상의 제1 도핑 영역; 및 확산된 도펀트를 포함하는 하나 이상의 제2 도핑 영역을 포함하고, 상기 하나 이상의 제1 도핑 영역은 상기 하나 이상의 제2 도핑 영역보다 더욱 중도핑되는 n-타입 선택적 이미터층; 및 상기 기저층과 상기 선택적 이미터층의 계면에 존재하는 p-n 접합을 포함하며, 상기 p-n 접합 및 상기 선택적 이미터층은 양자 모두 단일 어닐링 사이클 도중에 형성되는 태양전지에 관한 것이다.
상기 본 발명의 태양에 따른 태양전지의 일 구현예에 따르면, 상기 선택적 이미터층의 전면 상에 형성된 비정질 질화규소 반사방지층을 더 포함한다.
상기 본 발명의 태양에 따른 태양전지의 일 구현예에 따르면, 상기 반사방지층을 통해서 상기 선택적 이미터층과 전기적으로 소통하는, 상기 반사방지층의 전면 상에 형성된 하나 이상의 스크린-프린팅된 전면 접촉부; 및 상기 기저층의 후면 상에 형성된 하나 이상의 스크린-프린팅된 후면 접촉부를 더 포함하며, 상기 하나 이상의 전면 접촉부는 스크린-프린팅된 은 페이스트로부터 형성되고, 상기 하나 이상의 후면 접촉부는 스크린-프린팅된 알루미늄 페이스트로부터 형성된다.
상기 본 발명의 태양에 따른 태양전지의 일 구현예에 따르면, 상기 기저층 및 상기 하나 이상의 후면 접촉부의 계면에서 액상 에피택시얼 재성장에 의해서 형성된 알루미늄-도핑된 p+ 실리콘 후면 필드층을 더 포함하며, 상기 하나 이상의 후면 접촉부는 상기 알루미늄-도핑된 p+ 실리콘 후면 필드층과 전기적으로 소통한다.
상기 본 발명의 태양에 따른 태양전지의 일 구현예에 따르면, 상기 하나 이상의 전면 접촉부는 접촉 저항을 감소시키기 위해서 상기 선택적 이미터층의 상기 더욱 중도핑된 하나 이상의 제1 도핑 영역과 정렬되며, 상기 하나 이상의 전면 접촉부는 상기 선택적 이미터층의 상기 하나 이상의 제1 도핑 영역과 전기적으로 소통된다.
본 발명의 일 태양은, p-타입 실리콘을 포함하는 기판을 제공하는 단계; 상기 기판을 어닐링하는 단계로서, 상기 어닐링 단계는 상기 기판을 노 내부에서: 상기 어닐링 도중에 상기 노로 도입된 n-타입 도펀트를 상기 기판의 전면으로 확산시키고; 중간 균일 이미터층을 형성하며; 상기 중간 균일 이미터층의 전면 상에 유리층을 형성할 수 있는 온도까지 상대적으로 고온으로 가열시키는 단계를 포함하는 어닐링 단계; 상기 기판을 상기 노로부터 제거하는 단계; 상기 중간 균일 이미터층의 전면으로부터 상기 유리층을 제거하는 단계; 이온 주입에 의해서 상기 중간 균일 이미터층 전면의 하나 이상의 선택적 영역으로 추가적인 n-타입 도펀트를 도입하는 단계; 및 상기 기판을 어닐링하는 단계로서, 상기 어닐링 단계는 상기 기판을 노 내부에서: 주입 손상을 복구하고; 상기 추가적인 n-타입 주입된 도펀트를 활성화며; 상기 추가적인 n-타입 주입된 도펀트를 원하는 접합 깊이로 이송하고; 상기 중간 균일 이미터층을 선택적 이미터층으로 변환시킬 수 있는 온도까지 상대적으로 저온으로 가열시키는 단계를 포함하는 어닐링 단계를 포함하며, 상기 중간 균일 이미터층의 상기 하나 이상의 선택적 영역은 상기 선택적 이미터층의 나머지 부분보다 더욱 중도핑된 상기 선택적 이미터층의 하나 이상의 선택적 영역을 한정하는, 혼성 확산 및 이온 주입 공정을 이용한 선택적 이미터 태양전지를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 태양은, 기저층을 포함하는 기판을 제공하는 단계; 이온 주입법에 의해서 상기 기저층의 전면 중 하나 이상의 선택적 영역들에 도펀트를 도입하는 단계; 및 상기 기판을 어닐링하는 단계를 포함하며, 상기 어닐링 단계는 상기 기판을 노 내부에서: 상기 어닐링 도중에 상기 노로 도입된 추가적인 도펀트를 상기 기저층의 전면으로 확산시키고; 상기 기저층 전면 상에 선택적 이미터층을 형성할 수 있는 온도까지 가열시키는 단계를 포함하며, 상기 기저층 전면의 상기 하나 이상의 선택적 영역들은 상기 선택적 이미터층의 나머지 부분들보다 더욱 중도핑된 상기 선택적 이미터층의 하나 이상의 선택적 영역들을 한정하는, 혼성 확산 및 이온 주입 공정을 이용한 선택적 이미터 태양전지를 제조하는 방법에 의해서 제조된 선택적 이미터를 구비한 태양전지에 관한 것이다.
본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 전술한 내용 및 첨부 도면들에 개시된 내용의 장점을 유지하면서, 본 명세서에 서술된 내용에 있어서 본 발명에 대한 많은 변형 및 다른 구현예들이 가능하다는 것을 인지할 수 있을 것이다. 그러므로, 본 발명의 구현예들은 개시된 특정 구현예들에만 한정되는 것은 아니며, 하기 특허청구범위의 범위 이내에 다양한 변형들 및 다른 구현예들이 포함되도록 의도된 것이다. 더욱이, 비록 전술한 내용 및 첨부 도면들이 특정 예시적인 구성요소들 및/또는 기능들의 조합이라는 관점에서 예시적인 구현예들을 서술하고 있지만, 하기 특허청구범위의 범위를 벗어남이 없이 다른 대안적인 구현예들에 의해서 다른 구성요소들 및/또는 기능들의 조합이 제공될 수 있다는 점을 인지하여야 할 것이다. 이러한 관점에서, 예를 들어, 전술한 내용들에서 명백히 제시된 것들 이외에도, 단계들, 구성요소들, 및/또는 재료들의 다른 조합들 역시 하기 특허청구범위 중 일부에 명시된 것처럼 의도된 것이다. 따라서, 본 명세서 및 도면은 제한적인 것이라기 보다는 서술적인 것이다. 비록 특정 용어들이 본 명세서에서 사용되었으나, 이러한 용어들은 일반적이고 서술적인 관점에서만 사용된 것이며 제한적인 용도로 사용된 것은 아니다.

Claims (20)

  1. 기저층을 포함하는 기판을 제공하는 단계;
    이온 주입법에 의해서 상기 기저층의 전면 중 하나 이상의 선택적 영역들에 도펀트를 도입하는 단계; 및
    상기 기판을 어닐링하는 단계를 포함하며, 상기 어닐링 단계는 상기 기판을 노 내부에서:
    상기 어닐링 도중에 상기 노로 도입된 추가적인 도펀트를 상기 기저층의 전면으로 확산시키고;
    상기 기저층 전면 상에 선택적 이미터층을 형성할 수 있는 온도까지 가열시키는 단계를 포함하며,
    상기 기저층 전면의 상기 하나 이상의 선택적 영역들은 상기 선택적 이미터층의 나머지 부분들보다 더욱 중도핑된 상기 선택적 이미터층의 하나 이상의 선택적 영역들을 한정하는, 혼성 확산 및 이온 주입 공정을 이용한 선택적 이미터 태양전지의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판은 단결정, 초크랄스키 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 선택적 이미터 태양전지의 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기저층은 p-타입 도펀트로 도핑되고, 상기 선택적 이미터층은 n-타입 도펀트로 도핑됨으로써 상기 기저층과 상기 선택적 이미터층의 계면에서 p-n 접합이 형성된 것을 특징으로 하는 선택적 이미터 태양전지의 제조방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 이온 주입된 도펀트는 인을 포함하며, 확산을 위해 도입된 상기 추가적인 도펀트는 옥시염화인 (POCl3)의 형태로 도입되는 것을 특징으로 하는 선택적 이미터 태양전지의 제조방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 선택적 이미터층의 전면 상에 비정질 질화규소층을 증착함으로써 반사방지 코팅을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 이미터 태양전지의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 선택적 이미터층의 상기 하나 이상의 선택적 영역들과 정렬되게끔 상기 비정질 질화규소층 상에 하나 이상의 은 전면 접촉부들을 스크린-프린팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 이미터 태양전지의 제조방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 기판의 후면 상에 하나 이상의 알루미늄 후면 접촉부들을 스크린-프린팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 이미터 태양전지의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 전면 및 후면 접촉부들을 동시-소성함으로써 상기 하나 이상의 전면 접촉부들이 상기 비정질 질화규소층을 통해서 상기 선택적 이미터층의 상기 하나 이상의 선택적 영역들과 전기적으로 소통하는 것을 특징으로 하는 선택적 이미터 태양전지의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 전면 및 후면 접촉부들을 동시-소성하는 단계 동안 상기 기저층의 후면과 상기 하나 이상의 후면 접촉부들의 계면에서 액상 에피택시얼 재성장에 의해서 알루미늄-도핑된 p+ 실리콘 후면 필드층을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 하나 이상의 후면 접촉부들은 상기 알루미늄-도핑된 p+ 실리콘 후면 필드층과 전기적으로 소통하는 것을 특징으로 하는 선택적 이미터 태양전지의 제조방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 추가적인 도펀트를 상기 기저층 전면 내로 확산시키는 단계는:
    상기 선택적 이미터층 중에서 부정합 전위 (misfit dislocation)를 생성함으로써 철 게터링에 대한 싱크 (sink)를 제공하는 단계; 및
    실리콘 틈새 (silicon interstitials)를 상기 기판 내로 주입시킴으로써 철을 치환 위치로부터 격자간 위치로 밀어내어 상기 철이 상기 게터링 싱크로 신속하게 확산되게 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 이미터 태양전지의 제조방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 어닐링 도중에 상기 노로 산소를 도입함으로써 상기 선택적 이미터층의 표면 중 일부를 소모할 수 있도록 상기 선택적 이미터층의 표면 상에 산화물층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 이미터 태양전지의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 기판을 희석 불산 배쓰 중에 침지시킴으로써 상기 선택적 이미터층의 상기 산화물층 및 소모된 부분을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 이미터 태양전지의 제조방법.
  13. 제5항 내지 제12항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 도펀트의 확산으로 인해서 상기 어닐링 도중에 형성된 유리층을, 상기 비정질 질화규소층을 증착하기 이전에 상기 선택적 이미터층의 전면으로부터 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 이미터 태양전지의 제조방법.
  14. p-타입 기저층을 포함하는 실리콘 기판;
    상기 p-타입 기저층 상에 형성된 n-타입 선택적 이미터층으로서, 상기 n-타입 선택적 이미터층은:
    주입된 도펀트를 포함하는 하나 이상의 제1 도핑 영역; 및
    확산된 도펀트를 포함하는 하나 이상의 제2 도핑 영역을 포함하고, 상기 하나 이상의 제1 도핑 영역은 상기 하나 이상의 제2 도핑 영역보다 더욱 중도핑되는 n-타입 선택적 이미터층; 및
    상기 기저층과 상기 선택적 이미터층의 계면에 존재하는 p-n 접합을 포함하며, 상기 p-n 접합 및 상기 선택적 이미터층은 양자 모두 단일 어닐링 사이클 도중에 형성되는 태양전지.
  15. 제14항에 있어서, 상기 선택적 이미터층의 전면 상에 형성된 비정질 질화규소 반사방지층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  16. 제15항에 있어서, 상기 반사방지층을 통해서 상기 선택적 이미터층과 전기적으로 소통하는, 상기 반사방지층의 전면 상에 형성된 하나 이상의 스크린-프린팅된 전면 접촉부; 및
    상기 기저층의 후면 상에 형성된 하나 이상의 스크린-프린팅된 후면 접촉부를 더 포함하며, 상기 하나 이상의 전면 접촉부는 스크린-프린팅된 은 페이스트로부터 형성되고, 상기 하나 이상의 후면 접촉부는 스크린-프린팅된 알루미늄 페이스트로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  17. 제16항에 있어서, 상기 기저층 및 상기 하나 이상의 후면 접촉부의 계면에서 액상 에피택시얼 재성장에 의해서 형성된 알루미늄-도핑된 p+ 실리콘 후면 필드층을 더 포함하며, 상기 하나 이상의 후면 접촉부는 상기 알루미늄-도핑된 p+ 실리콘 후면 필드층과 전기적으로 소통하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서, 상기 하나 이상의 전면 접촉부는 접촉 저항을 감소시키기 위해서 상기 선택적 이미터층의 상기 더욱 중도핑된 하나 이상의 제1 도핑 영역과 정렬되며, 상기 하나 이상의 전면 접촉부는 상기 선택적 이미터층의 상기 하나 이상의 제1 도핑 영역과 전기적으로 소통하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  19. p-타입 실리콘을 포함하는 기판을 제공하는 단계;
    상기 기판을 어닐링하는 단계로서, 상기 어닐링 단계는 상기 기판을 노 내부에서:
    상기 어닐링 도중에 상기 노로 도입된 n-타입 도펀트를 상기 기판의 전면으로 확산시키고;
    중간 균일 이미터층을 형성하며;
    상기 중간 균일 이미터층의 전면 상에 유리층을 형성할 수 있는 온도까지 상대적으로 고온으로 가열시키는 단계를 포함하는 어닐링 단계;
    상기 기판을 상기 노로부터 제거하는 단계;
    상기 중간 균일 이미터층의 전면으로부터 상기 유리층을 제거하는 단계;
    이온 주입에 의해서 상기 중간 균일 이미터층 전면의 하나 이상의 선택적 영역으로 추가적인 n-타입 도펀트를 도입하는 단계; 및
    상기 기판을 어닐링하는 단계로서, 상기 어닐링 단계는 상기 기판을 노 내부에서:
    주입 손상을 복구하고;
    상기 추가적인 n-타입 주입된 도펀트를 활성화며;
    상기 추가적인 n-타입 주입된 도펀트를 원하는 접합 깊이로 이송하고;
    상기 중간 균일 이미터층을 선택적 이미터층으로 변환시킬 수 있는 온도까지 상대적으로 저온으로 가열시키는 단계를 포함하는 어닐링 단계를 포함하며, 상기 중간 균일 이미터층의 상기 하나 이상의 선택적 영역은 상기 선택적 이미터층의 나머지 부분보다 더욱 중도핑된 상기 선택적 이미터층의 하나 이상의 선택적 영역을 한정하는, 혼성 확산 및 이온 주입 공정을 이용한 선택적 이미터 태양전지의 제조방법.
  20. 기저층을 포함하는 기판을 제공하는 단계;
    이온 주입법에 의해서 상기 기저층의 전면 중 하나 이상의 선택적 영역들에 도펀트를 도입하는 단계; 및
    상기 기판을 어닐링하는 단계를 포함하며, 상기 어닐링 단계는 상기 기판을 노 내부에서:
    상기 어닐링 도중에 상기 노로 도입된 추가적인 도펀트를 상기 기저층의 전면으로 확산시키고;
    상기 기저층 전면 상에 선택적 이미터층을 형성할 수 있는 온도까지 가열시키는 단계를 포함하며, 상기 기저층 전면의 상기 하나 이상의 선택적 영역들은 상기 선택적 이미터층의 나머지 부분들보다 더욱 중도핑된 상기 선택적 이미터층의 하나 이상의 선택적 영역들을 한정하는, 혼성 확산 및 이온 주입 공정을 이용한 선택적 이미터 태양전지의 제조방법에 의해서 제조된 선택적 이미터를 구비한 태양전지.
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