KR20140008533A - 고효율 태양 전지의 공간 선택적 레이저 어닐링 적용 - Google Patents

Abstract

이종접합 이미터 및 동종접합 이미터 태양 전지들의 다양한 유형들을 생성하기 위한 다양한 레이저 처리 방법들을 개시한다. 방법들은, 베이스 및 이미터 컨택트 개구, 선택적 도핑, 금속 삭마, 패시베이션을 개선하기 위한 어닐링, 및 알루미늄의 레이저 가열을 통한 선택적 이미터 도핑을 포함한다. 또한, 이종접합 태양 전지에 대한 선택적 비정질 실리콘 삭마 및 선택적 도핑에 적합한 레이저 처리 방법들을 개시한다. 기저 실리콘을 실질적으로 미손상 상태로 두는 레이저 삭마 기술들을 개시한다. 이러한 레이저 처리 기술들은, 평면형이거나 텍스처형/3차원형인, 결정성 실리콘 기판을 포함하고 또한 와이어 소 웨이퍼링 방법을 통해 또는 에피택셜 증착 공정을 통해 또는 이온 주입과 가열 등의 다른 클리비지 기술들을 통해 제조되는 결정성 실리콘 기판을 더 포함하는 반도체 기판에 적용될 수 있다. 이러한 기술들은 결정성 실리콘 박막을 포함하는 결정성 반도체에 매우 적합하다.

Description

고효율 태양 전지의 공간 선택적 레이저 어닐링 적용{SPATIALLY SELECTIVE LASER ANNEALING APPLICATIONS IN HIGH-EFFICIENCY SOLAR CELLS}

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2011년 5월 20일자로 가출원한 미국 가특허출원번호 제61/488,684호인 우선권을 주장하며, 그 전문이 본 명세서에 참고로 원용된다. 또한, 본 출원은 2011년 11월 23일자로 출원한 미국 특허출원번호 제13/303,488호의 일부 계속 출원이며, 그 전문이 본 명세서에 참고로 원용된다.

본 개시 내용은, 일반적으로 태양 전지에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 결정성 실리콘을 포함한 고효율 결정성 반도체, 및 다른 유형의 광기전 태양 전지를 제조하기 위한 레이저 처리 기술에 관한 것이다.

레이저 처리는, 고성능 고효율 태양 전지 처리를 위한 효율 향상 및 제조 비용 저감 측면에서 여러 장점들을 제공한다. 우선, 향상된 결정성 실리콘 태양 전지는, 전기적 컨택트 등의 주요 특징부들의 치수를 현재의 산업적 실시보다 훨씬 작게 함으로써 이점을 얻을 수 있다. 정면 컨택트 태양 전지에서 더욱 높은 변환 효율을 제공하기 위해서는, 베이스에 대한 후면 금속의 접촉 면적뿐만 아니라 이미터에 대한 정면 금속배선의 접촉 면적도 작을 필요가 있다(또는 접촉 면적 비가 상당히 작아야 하며, 바람직하게는 10% 미만보다 훨씬 작아야 한다). 금속배선과 p/n 접합을 형성하는 이미터와 베이스 영역들이 동일한 측에 있는 모든 백-컨택트 후면 접촉 후면 접합(back-contact, back-junction) 태양 전지(전지의 후면이 태양측과 반대임)에 있어서는, 다양한 특징부들의 치수가 통상적으로 고효율을 위해 작다. 통상적으로 이미터와 베이스 영역들이 교대로 스트라이프를 형성(상호 맞물림 후면 접촉(interdigitated back-contact) 즉 IBC 아키텍처)하는 이러한 전지에서는, 이러한 영역들의 폭(특히, 베이스 컨택트의 폭)이 작은 경향이 있다. 또한, 이러한 영역들에 대한 금속 컨택트의 치수도 비례하여 작은 경향이 있다. 이어서, 이미터와 베이스 영역들에 연결되는 금속배선을 대응하는 더욱 미세한 스케일로 패터닝할 필요가 있다. 일반적으로, 리소그래피 및 레이저 처리는, 필요로 하는 제어와 작은 치수를 제공하도록 비교적 미세한 해상도 기능을 갖는 기술들이다. 이러한 기술들 중에서, 레이저 처리만이 태양 전지 제조에서 필요로 하는 저 비용 장점을 제공한다. 리소그래피는 (공정 비용과 복잡성을 늘리는) 포토레지스트 및 후속 레지스트 현상기와 스트리퍼 등의 소모품을 필요로 하지만, 레이저 처리는 비접촉형 건식 직접적 기입 패터닝 방법이며, 어떠한 재료 소모품도 필요로 하지 않아서, 태양 전지 제조를 위한 공정을 더욱 간단하고도 저 비용으로 가능하게 한다. 또한, 레이저 처리는, 화학품 등의 어떠한 재료 소모품도 사용하지 않는 올-드라이(all-dry) 공정이므로, 환경적으로 무난한 제조를 위한 훌륭한 선택이다.

또한, 태양 전지의 비용을 저감하기 위해서는, 사용되는 결정성 실리콘의 두께를 저감해야 하며 또한 동시에 전지당 더욱 큰 전력을 위해 전지 면적을 증가시켜야 하고 와트당 제조 비용을 감소시켜야 한다. 레이저 처리는, 완벽하게 비접촉 건식 공정이며 더욱 큰 전지 크기로 쉽게 스케일링될 수 있으므로, 이러한 얇은 웨이퍼와 박막 전지 기판에 적합하다.

또한, 레이저 처리는, 일반적으로 독성 화학물이나 가스를 사용하지 않거나 필요로 하지 않는 환경적으로 무난한 "녹색" 공정이므로, 매력적이다. 레이저와 처리 시스템을 적절히 선택함으로써, 레이저 처리는 소유 비용은 매우 적으면서 생산성이 매우 높은 가능성을 제시한다.

이러한 장점들에도 불구하고, 결정성 실리콘 태양 전지 제조시 레이저 처리의 사용은, 고성능 전지를 제공하는 레이저 공정들이 개발되지 않았기 때문에, 제한되어 왔다. 본 명세서에서 개시하는 것은, 고효율로 태양 전지를 제조하는 각 키 애플리케이션에 맞춰진 방법들을 이용하는 레이저 공정들이다. 에피택셜 실리콘 성장에 의해 형성된 서브-50㎛ 실리콘 기판을 사용하여 제조된 것 등의 박막 결정성 실리콘 태양 전지의 제조에 있어서 레이저 처리의 애플리케이션을 위한 특정 실시예들도 개시한다.

본 명세서에서는, 이종접합 이미터 및 동종접합 이미터 태양 전지들을 제조하기 위한 다양한 레이저 처리 방법들을 개시한다. 이 방법들은, 베이스와 이미터 컨택트 개구, 정면과 후면 필드 형성, 선택적 도핑, 금속 삭마(ablation), 어닐링, 및 패시베이션을 포함한다. 또한, 이종정합 이미터 태양 전지를 위한 선택적 도핑 및 선택적 비정질 실리콘 삭마에 적합한 레이저 처리 방법들을 개시한다. 이러한 레이저 처리 기술들은, 결정성 실리콘 기판을 포함하고, 평면형이거나 텍스처형/3차원형인, 와이어 소 웨이퍼링(wire saw wafering) 방법이나 에피택셜 증착 공정을 통해 제조되는 결정성 실리콘 기판을 더 포함하는 반도체 기판에 적용될 수 있다. 이러한 기술들은 결정성 실리콘 박막을 포함하는 얇은 결정성 반도체에 매우 적합하다.

(고효율 백 컨택트 결정성 실리콘 태양 전지 등의) 모든 백-컨택트 동종접합 이미터 태양 전지들을 위한 (쉘로우 트렌치 아이솔레이션을 포함하지만, 이러한 예로 한정되지 않는) 베이스 대 이미터 분리, 베이스 도핑을 위한 개구, (작은 컨택트 면적 비를 제어하는, 예를 들어, 컨택트 재결합 손실을 줄이고 전지 효율을 증가시키도록 컨택트 면적 비를 대략 10% 미만으로 제어하는) 베이스와 이미터 컨택트 개구, (베이스 및/또는 이미터 컨택트 도핑 등의) 선택적 도핑, 금속 삭마(전지에 대한 백플레인의 후속 부착과 재사용가능 호스트 템플릿으로부터의 분리 전의 박막 단결정 실리콘 태양 전지 상의 패터닝된 금속배선 시드층의 생성 등의 패터닝된 금속배선 층들의 형성)의 요건들을 충족하는 레이저 처리 방법들을 정면 접합 및 모든 후면 접촉 후면 접합 동종접합 이미터 태양 전지들에 대하여 개시한다. 또한, 선택적 비정질 실리콘 삭마와 (투명 도전성 산화물(TCO) 등의) 산화물 삭마, 및 (단결정 실리콘 베이스 상에 이종접합 비정질 실리콘 이미터를 포함하는 후면 접촉 태양 전지 등의) 이종접합 태양 전지를 대한 금속 패터닝을 위한 금속 삭마에 적합한 레이저 처리 방법들을 개시한다. 이러한 레이저 처리 기술들은, 결정성 실리콘 기판을 포함하고, 평면형 또는 텍스처형/3차원형일 수 있는, 와이어 소 웨이퍼링 방법이나 에피택셜 증착 공정을 통해 제조되는 결정성 실리콘 기판을 더 포함하는 반도체 기판에 적용될 수 있고, 여기서, 3차원 기판은, 다공성 실리콘 시드/박리층 또는 다른 유형의 희생 박리층을 사용하는 에피택셜 실리콘 리프트오프 기술들을 이용하여 얻을 수 있다. 이러한 기술들은, 다공성 실리콘 박리층을 포함하는 템플릿 상에 에피택셜 실리콘 증착을 이용하여 또는 당업계의 다른 기술들을 이용하여 얻어지는 결정성 실리콘 박막을 포함한 얇은 결정성 반도체에 매우 적합하다.

모든 후면 접촉 동종접합 태양 전지는 결정성 실리콘 기판에 형성될 수 있고, 여기서, 레이저 처리를 이용하여 다음에 따르는 것들 중 하나 또는 조합을 수행한다. 즉, 베이스를 위한 개구뿐만 아니라 베이스 대 이미터 분리를 포함한 이미터와 베이스 영역들을 마이크로머신 또는 패터닝, 이미터와 베이스의 선택적 도핑을 제공, 금속 컨택트를 위한 베이스와 이미터에 대한 개구를 형성, 금속 패터닝의 제공, 어닐링 제공, 및 패시베이션 제공이다. 정면 접촉 동종접합 (이미터) 태양 전지는, 이미터의 선택적 도핑을 위한 레이저 처리 및 정면측과 후면측 금속배선을 위한 금속 컨택트를 위한 개구 형성을 사용하여 제조될 수 있다. 이종접합 이미터 모든 후면 접촉 후면 접합 태양 전지는, 베이스 영역과 도전성 산화물 분리를 형성하기 위한 레이저 처리를 사용하여 제조될 수 있다.

개시 내용의 특징, 성질, 및 장점은 유사한 참조 번호들이 유사한 특징부를 가리키는 첨부 도면과 함께 이하의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 본 개시 내용에 따라 모든 후면 접촉 후면 접합 태양 전지의 애플리케이션을 위한 실리콘에 형성된 쉘로우 트렌치의 주사 전자 현미경(SEM) 화상을 도시하는 도.
도 2는 모든 후면 접촉 후면 접합 태양 전지의 애플리케이션을 위한 실리콘의 쉘로우 트렌치의 프로파일.
도 3a 내지 도 3d는 손상이 감소된 실리콘 이산화물(또는 산화물) 삭마를 얻도록 레이저 플루언스를 선택하기 위한 프로시저를 도시하며, 도 3a는 레이저 플루언스에 의존하는 삭마 스팟의 크기를 도시하고, 도 3b는 산화물의 불규칙적 층간박리(delamination)를 도시하고, 도 3c는 손상 없는 스팟을 도시하고, 도 3d는 스팟 개구의 크게 손상된 실리콘을 도시하는 도.
도 4는 본 개시 내용에 따라 펄스화 레이저 삭마를 이용하여 산화물 내에 개구된 컨택트들의 대략 평행한 행들을 도시하는 도.
도 5는 금속 컨택트를 위한 산화물 삭마 스팟이 있는 스크린샷.
도 6a와 도 6b는 x방향과 y 방향으로 중첩되는 삭마 스폿을 형성함으로써 레이저 삭마된 영역을 도시하고, 도 6a는 베이스 분리 영역을 위해 1000A BSG(보론 도핑 산화물)/500A USG(언도핑 산화물)에 개구된 180㎛ 폭의 스트립을 도시하고, 도 6b는 베이스 영역을 위해 1000A USG(언도핑 산화물)에 개구된 90㎛ 폭의 스트라이프를 도시하는 도.
도 7a는 임계값 미만인 경우에 산화물층의 금속 투과 없이 금속이 제거될 수 있는 산화물 손상에 대한 임계값을 도시하는 도.
도 7b는 20번 스캔 후에 금속 러너들이 완전히 분리되었음을 도시하는 도.
도 7c는 이 금속 스택에 형성된 트렌치의 광학 마이크로그래프를 도시하는 도.
도 8a와 도 8b는 피라미드 TFSC의 상면도와 단면도.
도 9a와 도 9b는 프리즘 TFSC의 상면도와 단면도.
도 10a와 도 10b는 평면 에피택셜 박막 실리콘 태양 전지 기판(TFSS)의 생성과 박리를 위한 공정 흐름도.
도 11a와 도 11b는 TFSS가 매우 얇아서 스스로 지지될 수 없거나 세워질 수 없는 경우에 평면 에피택셜 박막 실리콘 태양 전지 기판을 위한 공정 흐름도.
도 12a와 도 12b는 3-D TFSS를 제조하기 위한 마이크로몰드 템플릿(또는 재사용가능 템플릿) 생성을 위한 공정 흐름도.
도 12c와 도 12d는 재사용가능 마이크로몰드 템플릿을 사용하는 3-D TFSS 생성을 위한 공정 흐름도.
도 13은 본 개시 내용에 따라 평면 정면 접촉 태양 전지를 제조하기 위한 공정 흐름도로서, TFSS는 스스로 지지되고 세워질 수 있을 정도로 두꺼움(예를 들어, 작은 100mm x 100mm 기판에 대해선 약 50㎛보다 두껍고, 156mm x 156mm 기판에 대해선 약 80㎛보다 두꺼움).
도 14는 본 개시 내용에 따라 평면 접촉 태양 전지를 제조하기 위한 공정 흐름도로서, TFSS는 매우 얇아서 스스로 지지될 수 없음.
도 15는 본 개시 내용에 따라 3-D 정면 접촉 태양 전지를 제조하기 위한 공정 흐름도.
도 16a 내지 도 16d는 본 개시 내용에 따라 상호 맞물림 후면 접촉 후면 접합 태양 전지를 제조하기 위한 공정 흐름도로서, TFSS는 스스로 지지될 수 있을 정도로 두꺼움.
도 17은 본 개시 내용에 따라 인시츄 이미터가 증착되지 않은 두꺼운 TFSS를 이용하여 상호 맞물림 후면 접촉 후면 접합 태양 전지를 제조하기 위한 흐름도로서, 대신에, BSG(보론 도핑 산화물)층이 에피택셜 실리콘 막 상에 증착되고 패터닝되어 베이스 분리 영역을 개구함.
도 18은 본 개시 내용에 따라 상호 맞물림 후면 접촉 후면 접합 태양 전지를 제조하기 위한 공정 흐름도로서, TFSS는 스스로 지지될 정도로 두껍지 않고, 실리콘의 레이저 삭마와 인시츄 이미터를 이용하여 베이스 분리 개구를 형성함.
도 19a 내지 도 19h는, 본 개시 내용에 따라 상호 맞물림 후면 접촉 후면 접합 태양 전지를 제조하기 위한 공정 흐름도로서, TFSS는 스스로 지지될 정도로 두껍지 않고, 인시츄 이미터 대신에, 이미터 BSG(보론 도핑 산화물) 증착과 선택적 레이저 에치백을 이용하여 베이스 분리 개구를 형성함.
도 20은 본 개시 내용에 따라 3-D TFSS를 이용하여 상호 맞물림 후면 접촉 후면 접합 태양 전지를 제조하기 위한 공정 흐름도.
도 21은 본 개시 내용에 따라 상호 맞물림 후면 접촉 후면 접합 이종접합 태양 전지를 제조하기 위한 공정 흐름도.
도 22 내지 도 30은, 2011년 5월 27일자로 Virendra V. Rana에 의해 출원된 "LASER PROCESSING FOR HIGH-EFFICIENCY THIN CRYSTALLINE SILICON SOLAR CELL FABRICATION"이라는 명칭의 미국 특허출원번호 제13/118,295호에는 없음.
도 22a와 도 22b는 가우스 빔과 플랫탑(flat top) 빔의 프로파일을 각각 도시하는 개략도.
도 23은 후면 접촉/후면 접합 전지의 단면도.
도 24a 내지 도 24f는 제조 동안 후면 접촉 태양 전지의 배면/후면도.
도 25는 금속 선들이 이미터 영역과 베이스 영역에 교대로 접촉하는 도 24a의 후면 접촉 태양 전지의 배면/후면도.
도 26a 내지 도 26c는 플랫탑 빔 프로파일이 생성될 수 있는 세 가지 방식을 도시하는 도.
도 27a와 도 27b는 삭마 임계값을 강조하는 가우스 빔과 플랫탑 빔의 프로파일을 각각 도시하는 개략도.
도 28a와 도 28b는 가우스 빔과 플랫탑 빔 삭마 영역 프로파일/풋프린트를 각각 도시하는 도.
도 28c는 중첩 및 스캔 속도의 그래프.
도 29a와 도 29b는 가우스 빔과 플랫탑 빔의 빔 정렬 윈도우를 각각 도시하는 도.
도 29c와 도 29d는 가우스 빔 영역 프로파일과 플랫탑 빔 영역 프로파일을 각각 도시하는 도.
도 29e는 표 1의 결과를 도표로 나타내는 도.
도 30은 NBLAC 전지의 공정 흐름도.
도 31은 NBLAC 전지의 개략적인 단면도.
도 32는 레이저 어닐링을 이용한 경우와 이용하지 않은 경우의 소수 캐리어 수명을 도시하는 그래프.
도 33a와 도 33b는 산화물 삭마를 이용한 모든 후면 접촉 태양 전지를 위한 공정 흐름도.
도 34a와 도 34b는 산화물 삭마 공정을 도시하는 도.
도 35a와 도 35b는 비정질 실리콘층을 이용하는 산화물 삭마 공정을 도시하는 도.
도 36은 FSF와 패시베이션을 형성하기 위한 공정을 도시하는 도.
도 37은 비정질 실리콘을 이용하여 패시베이션과 FSF를 형성하기 위한 공정을 도시하는 도.
도 38a와 도 38b는 이미터 영역 상의 금속의 선택적 레이저 스캐닝 및 이에 따른 선택적 이미터의 형성의 개략도.
도 39는 P⁺⁺ 선택적 이미터를 도시하는 도.
도 40은 알루미늄 실리콘 위상도.
도 41은 정면 접촉 전지의 선택적 이미터를 도시하는 도.
도 42는 알루미늄 BSF를 도시하는 도.
도 43과 도 44는 투광 조명을 이용하는 후면 접합 후면 접촉 에피택셜 실리콘 전지 공정 흐름의 두 개의 개략적인 실시예를 도시하는 도.
도 45는 태양 전지의 개략적인 단면도.
도 46은 투광 조명을 이용하는 펄스화 레이저 어닐링을 사용하여 얻어진 결과의 그래프.

특정 실시예들을 참조하여 본 개시 내용을 설명하지만, 당업자라면 과도한 실험 없이도 본 명세서에서 개시한 원리를 다른 영역들 및/또는 실시예들에 적용할 수 있다.

여기서는, 레이저 처리를 개시하며, 더욱 구체적으로는, 서로 다른 공정들의 다양한 요건들을 다루도록 개발된 펄스화 레이저 처리 방법들을 개시한다.

개시한 방법들은 반도체 장치 삭마 분야에서, 특히, 결정성 실리콘 삭마 분야에서 유용할 수 있다. 통상적으로, 레이저를 이용한 실리콘 제거에는, (소위 열 영향 부위(HAZ)로 인해) 실리콘 기판에 바람직하지 못한 잔여 손상을 남기는 실리콘 용융 및 증발이 포함된다. 이러한 손상은, 소수 캐리어 수명을 열화시키고, 태양 전지 효율을 감소시키는 표면 재결합 속도(SRV)를 증가시킨다. 따라서, 실리콘 기판의 습식 클리닝과 약 습식 에칭을 통상적으로 이용하여 이러한 손상층을 제거한다. 이러한 손상을, 후 레이저 처리 습식 클리닝/에칭을 필요로 하지 않는 고효율 태양 전지 제조를 위해 허용가능한 레벨까지 감소시키며, 이에 따라, 공정 흐름을 간략화하고 전체 태양 전지 제조 비용을 감소시키는 방법을 제시한다.

레이저를 이용하여 실리콘 기판의 소정의 두께를 삭마할 때 실리콘 기판에 남아 있는 손상은, 삭마 재료에 의해 사용되지 않고 기판에 흡수되는 레이저 에너지의 양에 관련된다. 그 재료의 제거시 대부분의 레이저 에너지를 사용하는 것을 관리할 수 있다면, 실리콘 기판 내로 스며드는 입사 에너지의 일부가 최소화되며, 이에 따라 레이저 유도 기판 손상 및 SRV 열화를 최소화할 수 있다. 실리콘 내로 침투하는 레이저 에너지는 레이저 펄스 길이(펄스 폭이라고도 함)와 파장에 의존한다. 파장 1.06㎛의 적외선(IR) 레이저 빔은 실리콘 내로 최대 약 1000㎛에 이르는 비교적 긴 침투 깊이를 갖는 한편, 파장 532nm의 녹색 레이저 빔은 약 3 내지 4㎛의 깊이만큼만 침투한다. 파장 355nm의 UV 레이저 빔의 침투는 더욱 짧아서, 겨우 약 10nm이다. UV 또는 EUV 파장의 초단파 펄스를 이용함으로써 실리콘 내로 침투되는 레이저 에너지를 제한한다는 점은 명백하다. 또한, 레이저 펄스 길이가 짧아질수록, 실리콘 내로의 열 확산이 짧아진다. 나노초 펄스는 실리콘 내의 약 3 내지 4㎛ 범위의 열 확산으로 이어질 수 있는 한편, 피코초 펄스는 그 열 확산을 약 80 내지 100nm로 감소시키며, 펨토초 펄스는 매우 짧아서 통상적으로 레이저 삭마 공정 동안 실리콘 내로의 열 확산이 없다. 따라서, 더욱 짧은 파장의 더욱 짧은 펄스를 사용함에 따라 레이저 삭마 기판에의 손상이 감소된다. 더욱 높은 생산 처리량을 위해서는, 허용가능한 레이저 손상의 정도에 따라 녹색 또는 IR 파장을 이용할 수 있다. 이상적인 조건 하에서도, 에너지의 소정의 일부는 여전히 기판 내로 스며들기에, 레이저 전력을 감소시킴으로써 이러한 흡수 및 바람직하지 못한 부작용을 더욱 감소시킬 수 있다. 그러나, 그 결과, 삭마되는 실리콘의 두께가 더욱 작아질 수 있다(또는 실리콘 삭마 비율이나 처리량이 감소될 수 있다). 펄스 에너지를 감소시키지만 레이저 펄스의 중첩을 증가시킴으로써 실리콘 제거를 야기함으로써, 실리콘 쉘로우 아이솔레이션 트렌치를 더욱 매끄럽게 한다는 점을 알게 되었다. 이는 저 실리콘 표면 손상을 나타낸다. 매우 작은 펄스 에너지에서는, 제거되는 실리콘의 두께가 작을 수 있다. 이어서, 펄스화 레이저 빔의 다수의 중첩 스캔을 이용함으로써 소망하는 깊이를 얻을 수 있다.

대략 355nm 이하의 펄스를 갖는 피코초 길이의 펄스화 레이저 빔은, 패시베이션 삭마 표면을 위한 저 표면 재결합 속도(SRV)를 가능하게 하는 저 손상 실리콘 삭마에 적합하다. 도 1은, 가우스 프로파일(M<1.3)의 피코초 UV 레이저 빔, 대략 110㎛ 직경의 4microjoule 펄스 에너지를 이용하여, 레이저 스폿을 거의 15회 중첩시켜, 실리콘 기판 내에 형성된 2.25㎛ 깊이와 거의 100㎛ 폭의 트렌치를 도시한다. 이러한 삭마 깊이는, 각 스캔마다 약 112nm의 실리콘을 제거하는 레이저의 20회 중첩 스캔을 이용하여 얻어졌다. 도 2는 UV 파장을 갖는 동일한 피코초 레이저 빔을 이용하여 얻어진 실리콘 내의 4㎛ 깊이와 110㎛ 폭의 트렌치의 매끄러운 프로파일을 도시한다. 프로파일의 평탄성에 주목해야 한다. 이러한 실리콘 삭마는, 베이스 영역들을 이미터 영역들로부터 분리하는 영역들을 형성하도록 모든 후면 접촉 후면 접합 태양 전지에서 사용된다. 펨토초 레이저를 사용함으로써, 실리콘 삭마 동안 레이저 손상을 더욱 감소시킬 수 있다.

본 개시 내용의 실시예들은 비정질 실리콘의 삭마에도 적용될 수 있다. 유사한 방법을 이용하여, 펨토초 펄스 길이를 갖는 펄스화 레이저 빔에 의해 그리고 일부 실시예들에서는 UV나 녹색 파장을 갖는 펄스화 레이저 빔에 의해 비정질 실리콘의 소망하는 두께를 삭마할 수 있다. 비정질 실리콘의 삭마에는, 결정성 실리콘보다 훨씬 작은 에너지가 필요하므로, 이러한 방법을 효과적으로 이용하여, 이종접합 태양 전지에 적용하도록 결정성 실리콘 표면으로부터 비정질 실리콘 막을 선택적으로 삭마할 수 있다.

본 개시 내용은, 결정성 또는 비정질 실리콘일 수 있는 하지 기판에 대하여 선택적인 산화물 삭마에도 적용될 수 있다. 산화막은 UV 파장까지의 레이저 빔에 대하여 투명하다. 나노초 펄스 길이 레이저를 사용하여 하지 산화물을 제거한다면, 산화물 제거는 하지 실리콘의 가열과 용융에 의해 행해진다. 삭마되는 하지 실리콘으로부터의 압력 때문에, 하지 산화물이 깨져 제거된다. 그러나, 이는 실리콘 기판에 심각한 손상을 야기하여, 통상적으로 습식 클리닝 처리를 이용하여 고효율 전지에서의 사용을 위해 이렇게 손상된 층을 제거한다.

여기서는, 실리콘 표면에 주목할만한 손상을 가하지 않고서 실리콘 표면으로부터 산화물층을 선택적으로 제거하는 방법을 제시한다. 레이저 삭마 동안, 재료를 가열하여 그 재료를 용융시키거나 증발시키는 것 외에도, 플라즈마 형성 등의 다른 효과가 발생한다. 때로는, 복잡한 공정들이 계면에서 행해질 수 있다. 피코초 펄스 길이를 갖는 레이저를 이용함으로써, 산화물 대 실리콘 계면이 영향을 받는다. UV 파장을 갖는 피코초 레이저를 이용함으로써, 계면 효과가 향상되어, 실리콘 표면으로부터 산화막의 분리 및 박리가 발생한다. 남겨지는 실리콘 표면에는 실질적으로 손상이 없다. 또한, 실리콘 기판의 침투 손상이 얼마만큼 허용가능한지에 따라 녹색 또는 적외선(IR) 파장을 갖는 피코초 레이저 방사를 이용할 수도 있다. 본 개시 내용은, 실리콘 표면으로부터 산화물을 손상 없이 선택적으로 삭마하는 프로시저의 개요를 다룬다.

도 3a 내지 도 3d는 산화물의 손상 없는 삭마를 얻는 프로시저를 개시한다. 도 3a는, 피코초 UV 레이저 빔을 이용하는, 템플릿 상의 35㎛ 두께의 에피택셜 실리콘 막 상의 1000A PSG(인 도핑 산화물)/500A USG(언도핑 산화물) 스택의 레이저 스팟 개구의 변동을 도시한다. 산화물층들은 APCVD(기압 CVD) 기술을 이용하여 증착되었다. 산화물의 소정의 두께에 대하여, 스팟 크기는 레이저 플루언스(J/cm)에 의존한다. 레이저 플루언스는 레이저 빔의 면적에 의해 나누어지는 레이저 펄스 에너지이다. 이 경우에, 레이저 빔의 직경은 가우스 프로파일(M2<1.3)을 갖는 약 100㎛였다. 매우 낮은 플루언스에서는, 도 3b에 도시한 바와 같이 스팟들이 불규칙적이며 산화물이 실리콘 표면으로부터 불규칙적으로 박리되는 한편, 매우 높은 플루언스에서는, 도 3d에 도시한 바와 같이 실리콘이 넓게 손상된다. 라인 a-a'에 의해 도시된 플루언스의 범위는, 도 3c에 도시한 바와 같이 실리콘 기판에의 손상이 최소인 최적의 범위를 가리킨다.

도 4는 모든 후면 접촉 (및 후면 접합) 태양 전지들에 적용하도록 산화물에서 선택적으로 개구되는 전지 컨택트 개구들의 행들을 도시한다. 도 5는 이러한 컨택트들의 확대도이다. 레이저 삭마 스팟들은, 도 6a와 도 6b에 도시한 바와 같이 웨이퍼 상의 임의의 소망하는 길이와 폭의 영역을 개방하도록 x와 y 방향으로 중첩될 수 있다. 도 6a는, 삭마 스팟들을 x와 y 방향으로 중첩시키면서 피코초 UV 레이저 빔을 이용하여 베이스 분리 영역을 위한 BSG(보론 도핑 산화물)를 선택적으로 제거함으로써 형성된 180㎛ 폭의 개구를 도시한다. 마찬가지로, 도 6b는 베이스 영역을 형성하기 위한 USG(언도핑 산화물) 내에 개구된 90㎛ 폭의 영역을 도시한다.

본 명세서에서 개시한 바와 같이 실리콘 표면으로부터의 산화물의 선택적 삭마는 태양 전지 제조에 있어서 여러 방식으로 이용될 수 있다. 한 가지 적용예로, 후면 접촉 전지를 위한 인시츄 이미터를 사용하는 경우에, 이 공정을 이용하여 산화막의 트랙들을 개구하여 하지 이미터를 노출시킨다. 이렇게 노출된 이미터는 습식 에칭을 이용하여 제거될 수 있다. 이어서, 이 영역을, 베이스 대 이미터 분리를 위해 이용하고, 베이스가 그 내부에 형성된다.

다른 적용예에서, 이 공정을 이용하여, 금속 컨택트를 형성하는 데 사용될 영역들을 개구한다. 정면 접촉 전지를 위해, 전지의 후면측에 산화물 패시베이션을 이용할 수 있다. 이어서, 본 명세서에서 설명하는 방법을 이용하여, 컨택트들 상에 후속 증착되는 금속을 위한 이러한 컨택트들을 개구한다. 이러한 방식으로, 금속에서는 고 전지 효율로 도전성을 갖는 컨택트가 위치하게 된다. 후면 접촉 전지를 위해서는, 베이스와 이미터 모두를 위한 컨택트들을 이 방법을 이용하여 개구할 수 있다.

태양 전지 공정 흐름에 있어서, 하지 실리콘의 어떠한 도핑도 야기하지 않고서(즉, 도핑 산화물과 실리콘 구조의 어떠한 주목할만한 가열 없이) 도핑 산화물을 제거할 필요가 있을 수 있다. 전술한 바와 같이, 피코초 레이저 빔을 이용하는 경우에 산화물/실리콘 기판 계면에서의 분리에 의해 산화물이 제거되므로, 삭마되는 산화막으로부터의 도펀트의 픽업을 제한하면서 산화물을 제거하게 된다.

정면 접촉 태양 전지를 위해 실리콘 질화물(SiN_x)의 선택적 삭마를 이용한다. 레이저 삭마를 이용함으로써, 이미터 표면에 대한 접촉 영역을 감소시킬 수 있고 이에 따라 SiN 패시베이션이 제거되는 영역을 최소화할 수 있다. 이는 더욱 높은 V_OC를 야기한다. 나노초 UV 레이저를 사용할 수도 있지만, UV 또는 녹색 파장을 갖는 피코초 레이저가 이러한 적용예에 적합하다.

레이저를 이용하는 산화물 표면으로부터의 선택적 금속 삭마는 예전부터 어려웠다. 이는, 금속을 삭마하는 데 필요한 고 펄스 에너지에서, 그 에너지가 하지 산화물을 손상시킬 정도로 매우 크고 금속이 산화물 내로 침투되게 하기 때문이다. 사실상, 이는 태양 전지에서 사용되는 "레이저 파이어 컨택트"(LFC)의 공정에 있어서 기본이다.

산화물(또는 실리콘 질화물 등의 다른 유전체)의 금속 침투 및 산화물의 파괴나 균열 없이 산화물(또는 다른 유전체) 표면으로부터 금속을 선택적으로 제거하는 세 가지 방법을 개시한다. 이러한 모든 방법들에 있어서, 알루미늄은 베이스와 이미터와 접촉하는 제1 금속이다(알루미늄은 접촉 및 광 트랩핑 후면 거울층으로서 사용된다). 피코초 펄스 길이를 갖는 레이저는 이러한 적용예에 적합하다. 고 금속 제거율을 위해서는, IR 파장이 상당히 적합하다. 제1 방법에 따르면, 금속은 산화물 유제를 위한 임계값보다 작은 펄스 에너지로 삭마된다. 한 번의 스캔에서 제거되는 금속의 두께가 소망하는 두께보다 작으면, 다수의 중첩 스캔을 이용하여 금속의 전체 두께를 제거한다. 펄스 에너지는 산화물 삭마 임계값보다 작으므로, 금속을 산화물 표면으로부터 깨끗하게 제거한다. 그러나, 사용되는 정확한 레시피는 스택에서의 금속의 유형, 금속의 두께, 및 표면 거칠기 등에 크게 의존한다.

도 7a 내지 도 7c는, 산화물 상의 Al의 1200A 상의 2400A의 PDV-증착된 이중층 스택을 패터닝할 때의 삭마 결과를 도시한다. (전지에서의 션트를 방지하도록) 하지 산화물층을 통한 파괴 없이 러너들 사이의 금속을 완벽하게 제거하는 것이 바람직하다. 도 7a는 펄스 에너지의 임계값을 도시하며, 이 임계값 미만에서 산화물 투과 없이 금속 스택이 제거될 수 있다. 이 임계값은, 전술한 금속 스택 특징들에 의존하는 것 외에도, 스캔 속도뿐만 아니라 레이저의 소정의 펄스 반복률을 이용하여 얻어지는 스팟 중첩 등의 레이저 파라미터들에 의존한다. 펄스 중첩을 증가시키면, 임계 펄스 에너지가 감소되며, 그 이유는 금속에 축적되는 에너지 때문이다. 도 7b는, 산화물 손상에 대하여 임계값 미만의 펄스 에너지를 사용하고, 20회를 초과하여 스캔하게 되면 병렬 라인들 사이의 100M-ohm 저항에 의해 결정되는 바와 같이 금속 러너들이 완벽히 분리됨을 도시한다. 도 7c는 2400A NiV/1200 Al 금속 스택에 형성된 깨끗한 75㎛ 트렌치를 도시한다.

제2 고 처리량 방법에 따르면, 입사 에너지의 상당 부분이 삭마될 때 흡수되고 이에 따라 산화물에 대한 손상이 감소되므로, 고 펄스 에너지를 사용한다. 이러한 방안은 금속의 레이저 삭마를 매우 고 처리량 공정으로 되게 한다. 이 방법을 이용함으로써, 2-단계 공정을 이용하여 성공적으로 최대 2500A 두께의 주석(Sn) 피복층의 유무에 상관없이 NiV의 1250A Al/100-250A를 삭마하였다. 제1 단계에서, 15microjoule 펄스를 이용하여 더욱 연성인 금속을 제거한 후, 30microjoule 펄스를 15번 중복 이용한다. 2000A 등의 두꺼운 알루미늄에 대해서는, 펄스 중첩 횟수를 동일하게 하여 50microjoule에서 제2 단계를 실행한다.

금속 삭마의 제3 방법은 고 반사막에 적용가능하며, 예를 들어, (Al이 전지 및 Al 상의 Ag와 접촉하는) Al/Ag 스택에 적용가능하고, 피코초 레이저의 입사 에너지의 대부분은 반사되며 삭마가 급격히 감소된다. 이 경우에, 10 내지 800 나노초의 펄스 길이를 갖는 장 펄스 길이 나노초 레이저를 이용하고 이어서 하지 알루미늄의 피코초 클린업을 이용하여 반사 금속(Ag)의 표면을 우선 오목하게 한다.

본 개시 내용은 기판의 선택적 도핑에도 적용가능하다. 도펀트 함유 재료의 중첩되는 층을 이용한 실리콘의 성공적인 도핑을 위해, 펄스 에너지는 실리콘을 용융시킬 정도로 커야 하지만, 실리콘을 삭마하거나 그 위의 도펀트 층을 삭마할 정도로 커서는 안 된다. 실리콘이 용융되면, 도펀트가 실리콘 내로 용해된다. 이러한 실리콘층의 재결정화시, 도핑층이 얻어진다. 이 적용예에서는, 녹색 파장을 갖는 나노초 펄스 길이 레이저가, 실리콘 내로의 침투가 제한되기 때문에, 매우 적합하다.

전술한 레이저 처리 기술들은 평면형 및 3D 박막 결정성 실리콘 기판들에 적용가능하다. 본 명세서에서 설명하는 레이저 공정들은 실리콘 기판의 임의의 두께에 대하여 적합하다. 이는 웨이퍼 두께가 결정성 실리콘 태양 전지에 사용되는 150㎛를 초과하는 현재 표준을 포함한다. 그러나, 레이저 공정들은, 기판과의 어떠한 접촉 없이 공정이 실행되므로, 얇고 부서지기 쉬운 웨이퍼나 기판에 대하여 더욱 장점으로 된다. 이는, 향상된 와이어 소싱 기술에 의해, 또는 수소 주입, 이어서 다공성 실리콘 등의 희생 분리/박리층 상의 실리콘의 에피택셜 증착을 이용하여 얻어지는 (수㎛ 내지 80㎛ 두께 범위의) 박막 단결정 기판 또는 웨이퍼의 소망하는 두께를 분리하기 위한 어닐링, 및 그 후속 리프트오프 등의 다른 기술에 의해 단결정 CZ 잉곳이나 다결정 브릭스로부터 얻어지는 150㎛보다 얇은 웨이퍼를 포함한다.

레이저 처리는, 실리콘 마이크로머신 기술과 재사용가능 템플릿들의 전-구조화(pre-structuring)를 이용하여 얻어지는 3차원 기판에 특히 적합하다. 이러한 한 가지 방법은 (US2010/0304522로 공개된) '731 출원에 개시되어 있다. 도 8a 내지 도 9b는 그 공개 문헌에 개시된 기술을 이용하여 얻어지는 3-D 박막 실리콘 기판을 도시한다. 도 8a는 그렇게 얻어진 TFSS의 상면도를 도시하는 한편 도 8b는 단면도를 도시한다. 피라미드 기판을 위해, 팁들은 평평할 수 있고 또는 날카로운 점을 가질 수도 있다. 도 9a와 도 9b, 위에서 언급한 문헌에서 개시하는 재사용가능한 전 구조화 3D 템플릿을 이용하여 얻어지는 프리즘 구조를 갖는 TFSS를 도시한다.

본 명세서에서 설명하는 레이저 공정과 공정 흐름은 실리콘 기판의 임의의 두께(1㎛ 미만 내지 100㎛ 초과)에 적용가능하지만, 여기서는, '713 문헌에 개시한 바와 같이 재사용가능 템플릿의 에피택셜 실리콘 또는 다공성 실리콘(또는 다른 희생층) 표면을 이용하여 얻어지는 기판을 포함하지만, 이러한 예로 한정되지는 않는, 1㎛ 미만 내지 약 80㎛ 두께 범위의 얇은 실리콘 기판을 사용하여 제조된 태양 전지에 적용되는 것을 개시한다. 적용예의 이해를 돕도록, 그 문헌에 따른 평면형 단결정 TFSS의 소망하는 두께(예를 들어, 10㎛ 미만 내지 약 120㎛)를 얻기 위한 공정 흐름은, 통상적으로 약 50㎛보다 커서 전지 처리 동안 스스로 지지가능한 기판으로서 다루어질 수 있는 평면형 TFSS에 대해서는 도 10a와 도 10b에 도시되어 있으며, 통상적으로 약 50㎛보다 얇아서 전지 처리 동안 스스로 지지되지 않는(이에 따라, 해당하는 호스트 템플릿으로부터 분리되기 전에 강화되는) 평면형 TFSS에 대해서는 도 11a와 도 11b에 도시되어 있다. 도 12a 내지 도 12d는 3차원 피라미드 실리콘 기판을 얻기 위한 공정 흐름을 도시한다. 유사한 공정을 이용하여 3차원 프리즘 형상 기판을 얻을 수 있지만, 그 구조를 위해 제공하는 리소그래피 또는 스크린 인쇄 패턴을 이용할 수도 있다.

도 10a와 도 10b의 공정 흐름을 이용하여 얻어지는 얇은 평면형 기판은, 고효율 정면 접촉 태양 전지를 얻도록 도 13의 공정 흐름에 따라 처리될 수 있다. 스스로 지지되는 TFSS를 위해서는, TFSS의 템플릿측을 다른 측으로 진행하기 전에 우선 처리하는 것이 유리하다는 점에 주목해야 한다. TFSS의 템플릿측은 템플릿으로부터 분리된 후 TFSS 상에 남아 있는 의사 단결정 실리콘이 제거되는 동안 텍스처링되므로, 이러한 템플릿측은 태양 전지의 정면측이나 태양측이 바람직하다. 실리콘 질화물(SiN)과 실리콘 산화물을 선택적으로 삭마하는 레이저 공정들은 이러한 정면 접촉 태양 전지의 제조에 이용하면 유리하다.

도 14는, 전지 처리 동안 TFSS가 매우 얇아서 세워질 수 없거나 스스로 지지되지 못하는 평면형 TFSS를 이용하여 고효율 정면 접촉 태양 전지를 제조하기 위한 다양한 레이저 공정들의 적용예를 도시한다. 이 경우에, 템플릿측이 아닌 표면을 템플릿 상의 TFSS로 먼저 처리한다는 점에 주목해야 한다. 일단 이 처리가 완료되면, 먼저 TFSS를 노출된 처리측의 강화판이나 시트(백플레인이라고도 함)에 부착한 후 템플릿으로부터 분리한다. 백플레인 부착된(또는 백플레인 라미네이트된) 박막 결정성 실리콘 태양 전지의 분리 후에, 잔여 다공성 실리콘의 제거, 텍스처 에칭, 및 SiN 패시베이션/ARC 증착, 및 포밍 가스 어닐링(FGA) 동작 공정들을 TFSS의 (결국 태양 전지의 정면으로 되는) 박리면에 대하여 실행한다.

도 15는 3-D 정면 TFSS를 이용하여 고효율 정면 접촉 태양 전지를 제조하기 위한 다양한 레이저 공정들의 적용예를 도시한다. 이 적용예에서는, 날카롭지 않고 끝부분에서 평평한 레지(ledge)를 갖는 피라미드 팁들을 템플릿측에 구비하는 것이 유리하다.

여기서 설명하는 공정들은 모든 후면 접촉 전지 공정 흐름을 간략화하는 데 더욱 고유하게 적합하다.

도 16a 내지 도 16d는, TFSS가 스스로 지지되는(즉, 백플레인이 전지에 부착되지 않는) 후면 접촉/후면 접합 태양 전지를 제조하도록 평면형 에피택셜 기판에 사용되는 레이저 공정들을 도시한다. 이 적용예에서, 에피택셜 이미터는 에피택셜 실리콘 베이스의 증착에 이어서 실리콘 에피택시 동안 인시츄 증착된다. 이어서, 실리콘 삭마를 이용하여 베이스 분리 영역들로부터 이미터를 제거한다. 동시에, 4개의 기점(fiducial)을 산화물로 에칭하여 후속 삭마를 이 패턴에 정렬시킨다. 다음으로, 열적 산화물을 성장시켜 후면 접촉 후면 접합 태양 전지의 후면으로 될 실리콘 표면을 패시베이션한다. 이어서, 에피택셜 실리콘 막을 (다공성 실리콘 계면으로부터의 기계적 박리에 의해) 템플릿으로부터 분리 또는 박리한다. 다음으로, 잔여 다공성 실리콘층을 습식 에칭하고, 표면을 텍스처링한다(이들 모두는 알칼리성 에칭 공정을 이용하여 행해질 수 있다). 이는 태양 전지의 텍스처링된 정면 또는 태양측으로 된다. 이제, 피코초 UV 레이저를 이용하여 열적 산화물을 삭마하여 베이스 분리 영역 내에 베이스 개구를 형성한다. 베이스 개구는, 전술한 바와 같이 먼저 실리콘에서 에칭된 기점을 사용하여 먼저 실리콘 삭마에 의해 형성된 베이스 분리 영역(트렌치) 내에 정렬된다. 다음으로, 인 함유 산화물층(PSG)을 표면 상에 블랭킷 증착한다. 기점을 사용하여 베이스 개구에 정렬된 나노초 녹색 또는 IR 레이저로 스캐닝함으로써, 베이스가 도핑된다. 또한, 이미터에 대한 접촉 개구를 갖는 영역도, 나노초 녹색 또는 IR 레이저의 정렬된 스캔을 이용하여 마찬가지 방식으로 도핑된다. 다음으로, 피코초 UV 레이저를 이용하여 접촉 개구를 이렇게 도핑된 베이스와 이미터 영역들에 형성한다. 다시, 실리콘의 기점을 사용하여 이러한 접촉 개구의 정렬을 행한다. 이제, PVD(물리적 기상 증착) 기술 등의 적합한 방법을 이용하여, 알루미늄을 전지와 접촉하는 제1 층으로서 포함하는 금속 스택층(예를 들어, 1250A Al/100-250A NiW 2250 Sn의 스택)을 증착한다. 다음으로, 피코초 IR 레이저를 이용하여 이 층을 패터닝하여 금속 러너들이 베이스와 이미터 영역들에 개별적으로 연결된다. 선택 사항인 포밍 가스 어닐링(FGA) 후에, 임베딩된 (Al 또는 Cu) 고 전도성 상호접속부에 의해 또는 임베딩된 상호접속부 없이 전지를 백플레인에 연결하여 강화한다(후자의 경우에, 최종 전지 금속배선은 구리 도금 공정에 의해 형성될 수 있다). 이제, 전지는 테스트와 사용될 준비가 되어 있다. 도 17은 에피택셜 실리콘 베이스가 이미터층과 함께 증착되지 않는 후면 접촉 태양 전지를 제조하도록 평면형 에피택셜 기판에 사용되는 레이저 공정들을 도시한다. 대신에, 보론 함유 산화물(BSG)층을 증착하여 패터닝하여 베이스 분리 영역을 개구한다. 도 17에 개략적으로 예시한 공정 흐름에 따른 열적 산화 단계 동안 이미터와 베이스가 동시에 형성된다는 점을 제외하고는, 전술한 바와 마찬가지 공정을 행한다.

도 18은, TFSS가 스스로 지지되지 않는(따라서, 백플레인이 사용되는) 후면 접촉/후면 접합 태양 전지를 제조하도록 에피택셜 기판 상에서 레이저 공정들을 이용하는 공정 흐름을 도시한다. 이러한 흐름에서는, 인시츄 도핑 이미터의 실리콘 삭마를 이용하여 베이스 분리 영역을 형성한다.

도 19a 내지 도 19h는, TFSS가 스스로 지지되지 않는 평면형 후면 접촉 태양 전지를 제조하도록 에피택셜 기판 상에서 레이저 공정을 이용하는 공정 흐름을 도시한다. 이 흐름에 있어서, 인시츄 이미터층 대신에, 열적 산화(또는 열적 어닐링 또는 열적 산화 어닐링)가 뒤따르는 BSG 증착과 선택적 레이저 삭마를 이용하여 베이스 분리 영역뿐만 아니라 이미터도 형성한다.

도 20은 후면 접촉 3-D 태양 전지를 제조하기 위한 공정 흐름을 도시하며, 피라미드 단부의 템플릿측이 비교적 날카로운 포인트를 갖는 것이 유리하다. 3-D TFSS는 비교적 작은 두께(예를 들어, 약 25㎛ 정도로 얇은 실리콘)로 스스로 지지될 수 있으므로, 공정 흐름은 도 16에 도시한 것과 유사하다. 다시 한번, 인시츄 이미터를 이용한 후 실리콘의 레이저 삭마, 또는 BSG 서막, 및 선택적 레이저 삭마를 이용한 후 열적 산화(또는 열적 어닐링, 또는 열적 산화 어닐링)를 행하는 선택을 갖는다는 점은 명백하다.

이종접합 태양 전지의 적용예에서, 이종접합 이미터는, 반대측에 도핑된 결정성 실리콘 베이스와 접촉하는 도핑된 비정질 실리콘층에 의해 형성될 수 있다. 상호 맞물림 후면 접촉 태양 전지에 대해서는, 결정층에 선택적인 레이저 삭마를 이용하여 비정질 실리콘층과 투명 도전성 산화물(TCO)을 패터닝한다. UV 또는 녹색 파장의 펨토초 펄스폭 레이저는 이러한 적용예에 적합하다. 공정 흐름은 도 21에 예시되어 있다. 이 공정 흐름의 여러 변형이 가능하다.

본 개시 내용의 다양한 실시예들과 방법들은 적어도 다음에 따르는 양태들을 포함한다. 즉, 손상이 감소된 결정성 및 비정질 실리콘의 실리콘 삭마를 얻기 위한 공정, 실리콘에 대한 손상이 없거나 감소된 도핑 산화물과 언도핑 산화물 모두에 대한 산화물 삭마를 얻기 위한 공정, 태양 전지 금속배선을 위한 유전 표면 상의 완전히 분리된 금속 패턴을 얻기 위한 공정, 이미터와 베이스 접촉 영역들을 선택적으로 도핑하기 위한 공정, 평면형과 3-D 실리콘 기판을 비롯한 박막 웨이퍼 상에서의 펄스화 레이저 처리 이용, 템플릿 전 구조화 기술을 이용하여 제조된 재사용가능 템플릿 상에서 에피택셜 증착을 이용하여 얻어지는 기판 상에서의 펄스화 레이저 처리의 이용, 정면 접촉 동종접합 태양 전지의 제조시 다양한 펄스화 레이저 공정의 이용, 모든 후면 접촉 동종접합 태양 전지의 제조시 다양한 펄스화 레이저 공정의 이용, 및 이종접합 태양 전지의 제조시 다양한 펄스화 레이저 공정의 이용.

정면 접촉 태양 전지를 p형 베이스로 설명하고 후면 접촉 후면 접합 태양 전지를 n형 베이스로 설명하고 있지만, 본 명세서에서 설명하는 레이저 공정들은 반대 도핑을 갖는 기판에 균일하게 적합하며, 즉, 정면 접촉 태양 전지를 위한 n형을 P⁺ 이미터로, 후면 접촉 후면 접합 태양 전지를 위한 p형 베이스를 p형 베이스와 n⁺ 이미터로 설명할 수 있다.

다음의 설명, 표, 및 도면은 상호 맞물림 후면 접촉 전지(IBC)를 위한 레이저 처리 방법에 대한 플랫탑 레이저 빔의 적용예를 예시한다. 다음에 따르는 설명은, 통상적인 가우스 레이저 빔에 비해 플랫탑 레이저 빔을 이용하여 후면 접촉 태양 전지를 형성하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 명세서 전체에 걸쳐 설명하는 레이저 처리 방법들에 대한 플랫탑 레이저 빔의 구현은, 실리콘에 대한 손상을 상당히 감소시키며, 태양 전지 제조 처리량을 개선하고, 다른 패턴 내에 끼워진 패턴들(예를 들어, 이미터와 베이스 영역들의 패턴들)을 정의하기 위한 정렬 윈도우를 더욱 크게 한다.

도 22a와 도 22b는 가우스 빔(도 22a)과 플랫탑 빔(도 22b)의 프로파일을 각각 도시하는 개략도이다. 가우스 빔의 빔 강도는 빔 중심에서의 최대값으로부터 빔의 외측으로 매끄럽게 감소된다. 대조적으로, 강도는 빔의 프로파일(중심에서 외측으로의) 대부분을 통해 플랫탑 빔에 대해서는 "플랫" 또는 균일하다.

본 명세서에서 개시하는 바와 같이, 상호 맞물림 후면 접촉(IBC) 금속배선을 갖는 고효율 후면 접촉 후면 접합 전지는, 펄스화 레이저 처리의 적어도 하나 또는 여러 단계를 이용함으로써 이점을 얻는다. 레이저 처리는, 이미터와 베이스 영역들(또는 베이스 대 이미터 분리)의 정의, 후면 필드(BSF) 영역의 정의, 후면 필드를 형성하기 위한 도핑, 베이스와 이미터에 대한 유전체 내의 컨택트 개구, 금속 패터닝을 포함하는 후면 접촉 전지의 형성에 걸친 여러 처리에서 이용될 수 있다. 이러한 단계들 중 일부는, 가우스 빔 레이저 스팟들을 중첩함으로써 통상적으로 생성되는 넓은 면적의 레이저 처리를 필요로 한다. 중첩은 전지 처리 속도를 크게 감소시키며, 실리콘 손상을 야기할 수 있어서, 전지 성능과 수율을 열화시킬 수 있다. 더욱 작은 직경의 가우스 스팟들을 비교적 넓은 플랫탑 레이저 빔으로 교체함으로써, 처리량을 상당히 개선하게 된다. 스팟들의 중첩이 급격히 감소되기 때문에, 반도체(예를 들어, 결정성 실리콘) 기판 손상이 상당히 감소된다. 도 23 내지 도 25는 개시한 플랫탑 레이저 빔 처리 방법들에 따라 형성될 수 있는 후면 접촉 태양 전지의 실시예들을 예시한다.

도 23은 본 명세서에서 개시된 것과 같은 n형 기판으로부터 형성된 상호 맞물림 후면 접촉(IBC) 금속배선을 갖는 후면 접촉/후면 접합 전지의 단면도이다. 도 23에 도시한 바와 같이, 교번하는 이미터 영역과 베이스 영역은 비교적 가볍게 n-도핑된 기판 영역들(n형 베이스)에 의해 분리된다. 배면/후면은, 느린 후면 재결합 속도를 양호한 표면 패시베이션에 제공하는 표면 패시베이션 층에 의해 커버되며, 예를 들어, PECVD 또는 APCVD 등의 기술들을 이용하여 증착될 수 있는, 열적 실리콘 이산화물, 증착된 실리콘 이산화물, 또는 실리콘 산화물/실리콘 질화물 층들 (및/또는 분자층 증착(ALD)에 의해 증착된 알루미늄 산화물)로 제조된 것이다. 이 표면 패시베이션 공정에 이어서, 이미터와 베이스 영역들에 대한 '국부적 컨택트'로서 기능을 하는 개구를 이 패시베이션층에 형성할 수 있다. 이어서, 도전체 증착과 패터닝(예를 들어, 도 23에 도시한 바와 같은 알루미늄)을 수행하여 이미터 영역과 베이스 영역을 개별적으로 연결할 수 있다.

도 24a는, 이미터 영역과 베이스 영역이 교대로 평행한 줄로 레이아웃되는 상호 맞물림 후면 접촉 베이스와 이미터 설계를 예시하는 후면 접촉 태양 전지의 배면/후면도이다. 이 후면측은, 예를 들어, 이미터 영역에 의해 완전히 커버되는 표면으로 시작하여 베이스 영역을 윤곽 묘사하여, 패터닝된 이미터 영역을 형성함으로써, 형성될 수 있다. 이어서, 베이스 접촉 영역들을 인으로 도핑하고, 금속배선을 위해 컨택트들을 베이스와 이미터 영역들에 대하여 개구한다.

도 24b 내지 도 24f는 주요 처리 단계들 후 후면 접촉 전지를 도시하는 후면 접촉 태양 전지의 배면/후면도이며, 플랫탑 빔을 이용하거나 이용하지 않는 레이저 공정에 따라 단계들 중 임의의 하나의 단계 또는 조합을 수행할 수 있다. 이러한 특정한 예시적 방법의 다양한 레이저 패터닝 단계들이 도 24b 내지 도 24e에 예시되어 있다. n형 실리콘 기판으로 시작하여, BSG 층이 전체 표면 위에 증착된다. 다음으로, 도 24b에 도시한 바와 같이 BSG의 레이저 삭마를 이용하여 이미터 대 BSF 분리 영역이 정의된다. 이 단계, 즉, 베이스와 이미터 영역들을 윤곽 묘사하는 단계를 여기서 "BSG 개구" 단계라 칭한다. 대안으로, 실리콘의 레이저 삭마를 이용하여 정의된 BSF 영역과 실리콘 에피택시 동안 인시츄 보론 도핑 층을 증착할 수 있다.

이미터 대 BSF 분리 영역이 BSG 개구 단계에서 정의된 후에, USG 층이 웨이퍼 상에 증착된 후, 도 24c에 도시한 바와 같이, BSG 개구 영역에 대하여 형성된 패턴들로 이 층이 레이저 삭마된다. 이러한 패터닝 단계를 여기서 BSF 개구 단계 또는 베이스 개구 단계라 칭한다. BSF 개구는, 션트가 태양 전지 효율에 악영향을 끼치므로 션트 형성을 방지하도록 BSG 개구의 가장자리로부터 분리되어야 한다.

다음으로, PSG 층이 웨이퍼 상에 증착되고, BSF 개구의 PSG에 노출된 실리콘이 이 영역의 선택적 레이저 스캔을 이용하여 도핑된다. 도핑된 BSF 영역들(베이스 영역들)은 도 24d에 개시되어 있다.

다음으로, 도 24e에 도시한 바와 같이 레이저 삭마를 이용하여 베이스와 이미터에 대한 컨택트들을 형성한다. 컨택트들은 도 24e에 도시한 바와 같이 점 컨택트들 또는 도 24f에 도시한 바와 같이 라인 컨택트들일 수 있다는 점에 주목한다. 또한, 컨택트들의 개수 또는 라인들의 개수는 태양 전지를 위한 전류 도전 경로의 최소 직렬 저항을 위해 최적화되어야 하며, 따라서, 개시된 내용의 설계와 방법은 본 명세서에서 도시한 예시적인 실시예들로 한정되지 않는다. 또한, 전류 누설이 없도록 특정한 도핑 영역 내에 컨택트 개구들을 적절히 정렬하는 것이 중요하다.

전술한 바와 같이, 나노초 펄스 길이 레이저를 사용할 수도 있지만, BSG 개구, BSF 개구, 및 컨택트 개구의 산화물 삭마 공정을 위해 피코초 펄스 길이 레이저를 이용할 수 있다. 또한, IR 파장을 이용할 수 있지만, 녹색 또는 UV 또는 더욱 작은 파장이, 실리콘 내로의 침투가 감소되기 때문에, 더욱 적합하다.

특히, BSF 도핑을 위해, 나노초 펄스 길이 레이저가, 실리콘 내로의 침투 때문에 더욱 적합할 수도 있다. 그리고, IR 파장을 사용할 수도 있지만, IR에 비해 침투가 감소되기 때문에 녹색 파장이 통상적으로 소망하는 도핑 깊이에 대하여 더욱 적합할 수도 있다.

도 25는, 금속 라인들이 이미터 영역과 베이스 영역들에 교대로 접촉하는 도 24a의 후면 접촉 태양 전지의 배면/후면도이다. 이미터와 베이스 영역들을 위한 금속 라인들은 도면의 간략화를 위해 도 25에 도시하지 않은 버스바에 개별적으로 연결된다는 점에 주목한다. 이 금속 패턴은, 금속의 블랭킷 증착과 베이스 컨택트를 이미터 컨택트로부터 분리하도록 후속하는 금속의 레이저 삭마에 의해 형성될 수 있다. 양호한 전류 도전을 위해 비교적 두꺼운 금속 라인들(일반적으로 20㎛ 이상 두꺼운 라인들) 이 필요하기 때문에, 알루미늄/니켈-바나듐/주석 등의 더욱 얇은 금속 스택을 먼저 증착하고 레이저에 의해 패터닝한 후, 전해 도금 또는 무전해 도금을 이용하여 구리 등의 더욱 두꺼운 금속의 선택적 증착을 행할 수 있다. 대안으로, 비교적 두꺼운 도전체를 갖는 백플레인을 적용하여 얇은 도전체 라인이 있는 전지에 부착할 수 있다. IR 파장을 갖는 피코초 펄스 길이 레이저가, 하지 산화물층에 대한 양호한 선택성을 갖기에 금속 스택을 삭마하는 데 가장 적합할 수 있다.

이 구조를 가능하게 하는 데 이용될 수 있는 개시한 플랫탑 레이저 빔 처리 단계들은, (APCVD에 의해 증착된 보로실리케이트 유리(BSG) 등의) 증착된 보론 도핑 유전체 또는 이미터의 레이저 삭마에 의한 이미터와 베이스 영역들(BSF와 이미터 대 BSF 분리)의 윤곽 묘사, BSG에 형성된 개구를 커버하는 유전체를 개구함으로써 BSF 영역의 윤곽 묘사, 베이스의 N⁺ 도핑(예를 들어, 인을 이용), 베이스와 이미터 영역들에 대한 금속배선 컨택트의 개구, 및 베이스와 이미터 컨택트들을 분리하도록 금속 레이저 삭마를 이용한 금속 패터닝을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 도 26a 내지 도 26c는 플랫탑 빔 프로파일이 생성될 수 있는 세 가지 방식을 도시하는 도이다("Laser Beam Shaping: Theory and Techniques", Mercel Dekker Inc., NY의 F.M. Dickey and S. C. Holswade로부터 예시된 도로서, 그 전체는 본 명세서에 참고로 원용된다). 도 26a는 플랫탑 빔 프로파일을 생성하기 위한 한 가지 기술, 소위 "빔의 애퍼처링"을 도시한다. 이 방법을 이용함으로써, 가우스 빔을 팽창함으로써 가우스 빔이 평평해지며, 애퍼처를 이용하여 상당한 평평 부분을 선택하고 그 빔의 점진적으로 감소되는 '측벽' 영역을 잘라낸다. 그러나, 이 방법을 이용하면, 빔 파워를 상당히 잃을 수 있다.

도 26b에 도시한 바와 같이 플랫탑 빔을 생성하기 위한 제2 방법은 빔 집적을 이용하며, 여기서, 마이크로렌즈 어레이 등의 다수의 애퍼처 광학 소자들이 빔을 더욱 작은 많은 빔들로 분할하여 이들을 고정 면에서 재결합한다. 이 빔 집적 방법은 M 값이 큰 빔에서는 매우 적합할 수 있다.

도 26c에 도시한 바와 같이 플랫탑 빔을 생성하기 위한 제3 빔 성형 시스템은 회절 그레이팅 또는 회절 렌즈를 이용하여 에너지를 재분산하여 출력 평면에 매핑한다. 도 26a 내지 도 26c에 개시한 3가지 기술들을 포함한 임의의 알려져 있는 방법을 이용하여, 본 명세서에서 설명하는 적용예들을 위한 플랫탑 빔 프로파일을 얻을 수 있다. 플랫탑 레이저 빔 형성 방법의 적합성과 선택은, 이용가능한 빔 특징들과 소망하는 결과들을 포함하는 다양한 인자들에 의존한다.

도 27a와 도 27b는 삭마 임계값을 강조하는 가우스 빔과 플랫탑 빔의 프로파일을 도시하는 개략도이다. 도 27a와 도 27b에 도시한 바와 같이, 플랫탑 레이저 빔은, 특히 가우스 빔에 비해, 삭마 및 도핑 처리 동안 레이저 손상을 상당히 감소시킬 수 있다. 가우스 빔에 대해서는, 삭마를 위해 필요로 하는 값보다 큰, 특히, 빔의 중심에서 (도 21a에 도시한 바와 같이) 실리콘을 손상시킬 수 있는 상당히 과도한 레이저 강도가 존재한다. 플랫탑 빔은, 피크 강도가 재료를 삭마하는 데 필요한 값(도 27b에 도시한 바와 같은 삭마 임계값)보다 약간 더 크도록 그리고 가우스 빔의 고 강도에 의해 야기될 수 있는 손상을 피하도록 구성될 수 있다.

플랫탑 빔은, 정사각형 또는 직사각형 단면에 상관없이, 가우스 빔에 비해 특히 유리한 처리량 이점을 제공한다. 도 28a는 가우스 빔 삭마 영역 프로파일/풋프린트를 도시하는 도이다. 가우스 빔의 원형 스팟들은, 통상 50% 중첩만큼(도 28a) 패턴의 지그재그 아웃라인을 최소화하도록 상당히 중첩되어야 한다. 도 28b는 플랫탑 삭마 영역 프로파일/풋프린트를 도시하는 도이다. 정사각형 또는 직사각형 플랫탑 빔은 평평한 에지를 가지므로, 평평한 아웃라인을 생성하고, 중첩이 상당히 감소될 수 있다(도 28b). 도 28c는 빔 중첩이 감소됨에 따라 스캔 속도의 개선을 나타내는 그래프이다. 30%의 중첩에서도, 스캔 속도가 33% 증가할 수 있다는 점에 주목한다.

도 29a는 가우스 빔의 빔 정렬 윈도우를 예시하는 도이고, 도 29b는 플랫탑 빔의 빔 정렬 윈도우를 예시하는 도이다. 도 29a와 도 29b에서 알 수 있듯이, 인레이드 패턴들을 형성하도록 플랫탑 빔을 이용하는 다른 장점은, 플랫탑 빔이 제공하는 정렬 윈도우가 크다는 점이다. 가우스 빔으로부터 얻어지는 원형 스팟들은 삭마 영역들의 지그재그 에지를 생성한다(도 29a). 도 29a에 도시한 바와 같이 M의 정렬 마진은, 지그재그 에지 프로파일의 굴곡으로 인해 M-a-b로 감소되고 제한된다.

그러나, 플랫탑 빔을 이용하여 생성되는 삭마 영역 에지는 직선형이어서, 정렬 마진이 M으로 유지될 수 있다. 본 명세서에서 설명하는 후면 접촉 후면 접합 태양 전지를 위해, BSG 개구 영역 내에 BSF 개구를 형성하고, 컨택트 개구를 BSF 영역 내에 형성한다. 따라서, 더욱 큰 정렬 마진은, 더욱 작은 BGS 개구, BSF, 및 컨택트 영역을 허용할 수 있으므로, 중요하다. 따라서, 전기적 셰이딩을 감소시키고 태양 전지 성능을 개선한다.

대면적 삭마 또는 도핑을 행하는 동안 정사각형 또는 직사각형 플랫탑 빔의 중첩이 x와 y 방향으로 감소될 수 있으므로, 처리량이 상당히 향상된다. 또한, 둘레의 과도한 지그재그를 야기하지 않고서 정사각형 또는 직사각형 플랫탑 빔의 크기가 증가될 수 있으므로, 처리량이 더욱 증가한다. 표 1은 BSF 막을 삭마함으로써 베이스 영역을 윤곽 묘사하는 데 사용되는 것과 같은 150um 폭 라인을 개구하는 데 필요한 스캔 횟수의 감소를 나타낸다.

아래의 표 1은 90㎛ 폭의 베이스 개구를 생성하는 데 가우스 대 플랫탑 레이저 빔의 처리량을 나타낸다. 표 1의 결과는 도 29e에 그래프로 도시되어 있다.

공정	라인 폭 (um)	스팟 크기 (um)	중첩%	스캔 피치 (um)	라인당 스캔 횟수
가우스를 이용한 BSG 삭마	150	30	50	15	9
플랫탑을 이용한 BSG 삭마	150	30	20	24	6
플랫탑을 이용한 BSG 삭마	150	60	20	48	3

도 29e는, 한번에 4개의 웨이퍼를 처리할 수 있는 고 생산성 레이저 시스템을 위해, 가우스 빔(30㎛ 플랫탑 빔 영역 프로파일이 도 29c에 도시되어 있다)에 비교해 플랫탑 빔의 처리량 장점을 예시한다(60㎛ 플랫탑 빔 영역 프로파일이 도 29d에 도시되어 있다). 비용을 더욱 감소시키기 위해, 예를 들어, 2개의 레이저를 이용하되 각 레이저 빔이 다시 2개로 분할될 수 있다. 그러나, 이러한 플랫탑 레이저 빔 하드웨어와 제조 방법의 많은 변형들도 가능하다.

또한, 플랫탑 빔을 이용하는 경우에 x와 y 방향으로 중첩이 상당히 감소되기 때문에, 가우스 빔에 비해 실리콘의 레이저 유도 손상이 크게 감소된다.

BSF를 위한 산화물 영역을 개구, 부가되어 있는 PSG를 이용하여 BSF 영역을 도핑, 베이스와 금속 컨택트가 라인 컨택트들이고 금속 삭마 분리 라인들인 경우에 베이스와 금속 컨택트 개구를 형성하는 데 플랫탑 빔을 이용하는 경우에, 유사한 처리량 장점들도 발생할 수 있고, 이들 모두는 실리콘 손상이 감소되면서 현재의 장점을 갖는다. 또한, 플랫탑 빔을 이용함으로써, BSF 내의 컨택트 개구와 BSG 개구 내의 BSF 개구를 위한 정렬 윈도우가 증가하는 장점을 제공한다. 또한, 플랫탑 레이저 처리 방법들은 후면 필드를 형성하기 위한 처리량을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 후면 필드는, 베이스 영역을 도핑함으로써 형성될 수 있고, 전술한 바와 같이 인 등의 n형 도펀트로 개구될 수 있다. 이를 위해, 베이스는 인 도핑 실리콘 산화물(PSG)층으로 커버되고, 도핑은 이 영역을 레이저 빔으로 조사함으로써 수행될 수 있다. 가우스 레이저 빔을 이용하여 이 영역을 균일하게 도핑하려면 중첩이 필요하지만, 중첩은 플랫탑 빔을 이용하여 최소화되며, 또는 완벽히 감소될 수 있다. 본 명세서에서 설명한 베이스와 이미터 영역 윤곽 묘사와 후면 필드 윤곽 묘사에 대해서는, 플랫탑 레이저 빔을 이용함으로써, 필요로 하는 중첩이 감소됨에 따라 상당한 처리량과 손상 감소라는 장점을 제공한다. 후면 필드를 형성하기 위해, 빔이 한 방향으로만, 즉, 스캔에 법선인 방향으로만 플랫탑 빔일 필요가 있는 반면, 스캔의 방향으로는 가우스일 수도 있다는 점에 주목한다. 이러한 유형의 빔을 하이브리드 플랫탑 빔이라 한다.

중요한 것은, 분리된 베이스 컨택트 또는 이미터 컨택트를 형성하기 위해, 중첩이 이슈는 아니지만, 가우스와는 달리, (도 27a와 도 27b에 도시한 바와 같이) 빔의 중심에 고 강도 피크가 없기 때문에 플랫탑 빔을 이용함으로써 실리콘 손상이 여전히 감소된다는 점이다.

본 개시 내용의 다른 양태는, 레이저 어닐링의 사용에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 유전체 코팅 표면의 패시베이션 특성을 개선(또는 표면 재결합 속도를 감소)함으로써, 일반적으로 결정성 반도체 태양 전지, 구체적으로는 결정성 실리콘 태양 전지, 더욱 구체적으로는 (얇은 수소화 비정질 실리콘 중간층이 있는 및 없는) 실리콘 질화물(SiN) 코팅 표면의 변환 효율 성능을 개선하기 위한 펄스화 레이저 어닐링에 관한 것이다. 실리콘 질화물층은 단일 화학량론성(stochiometry) 또는 등급형 화학량론성(예를 들어, 더욱 얇고 고 굴절률의 실리콘 리치 실리콘 질화물 중간층 위에 저 굴절률의 실리콘 질화물의 더욱 화학량론적이며 두꺼운 상층)을 가질 수 있다. 개선된 정면 패시베이션 특성은 감소된 정면 재결합 속도(또는 감소된 FSRV) 및 증가된 효율적 소수 캐리어 수명으로서 분명해져, 소수 캐리어 집합이 개선되고 전지 변환 효율이 향상된다. 이 기술은 상호 맞물림 금속배선(IBC)을 갖는 고효율 후면 접합 후면 접촉 전지에 특히 유리하여, SiN 코팅 정면의 어닐링을 또한 이용하여 태양 전지 후면 상의 이미터와 베이스 금속 컨택트들을 동시에 어닐링하고, 이에 따라 특정 컨택트 저항성을 감소시키고 태양 전지 필 팩터(FF)를 개선한다. 이러한 개시 내용의 레이저 어닐링 방법은, 넓은 범위의 두께에 걸쳐 반도체 흡수층을 이용하는 결정성 반도체 태양 전지, 즉, 웨이퍼 두께가 수㎛ 내지 수백㎛인 결정성 실리콘 웨이퍼 태양 전지 등의 두꺼운 웨이퍼 기반 태양 전지에 적용가능하다. 또한, 더욱 구체적으로, 본 개시 내용의 비접촉 레이저 어닐링 공정과 방법은, 지지되지 않는 전지의 기계적 핸들링으로 인해 전지 파괴가 발생할 수 있는 극히 얇은 결정성 실리콘 태양 전지(예를 들어, 결정성 반도체 층의 두께가 수㎛ 내지 50㎛임)에 적용가능하다. 이것은 또한 일괄 로 어닐링 공정의 인라인 교체이다. 레이저 어닐링 공정과 방법은 전지 제조 공정 흐름에서의 최종 단계 또는 정면 패시베이션과 반사방지 코팅(ARC)층의 증착 바로 뒤로서 사용될 수 있다. 본 개시 내용의 공정과 방법은, 저온 PECVD에 의해 증착되는 실리콘 질화물 등의 패시베이션과 ARC 층을 위한 저온 저 열적 비용 증착 공정을 이용하여 고품질의 표면 패시베이션과 반사방지 코팅 즉 ARC 층의 형성을 가능하게 한다.

p형 실리콘 벌크(또는 p형 베이스)를 갖는 표준 정면 접촉 태양 전지를 위해 실리콘 질화물을 이용한 인 리치 N⁺ 이미터의 표면의 패시베이션은 널리 알려져 있으며, 태양 산업에서 널리 이용되고 있다. SiN 막은 광학적 반사 손실을 감소시키고 태양광 트래핑을 증가시키도록 반사방지 코팅으로서 기능을 하지만, 널리 알려져 있는 수소화 공정에 의해 인 리치 N⁺ 이미터의 표면을 패시베이션하는 매우 중요한 태스크로서도 기능을 한다. 수소 함유 SiN 층으로부터 분리되는 수소는 실리콘 표면 상의 개구 본드를 충족하고(또는 표면 상태와 트랩을 야기하는 실리콘 댕글링 본드), 이에 따라 이러한 댕글링 본드 사이트에 의해 표면 재결합 속도 또는 소수 캐리어들의 비율을 감소시킨다. 다수 결정성 또는 다결정성 실리콘으로 제조된 전지를 위해, SiN 층에 의해 제공되는 이러한 수소는, 입자 경계 트랩 사이트를 제거할 뿐만 아니라 실리콘 웨이퍼의 벌크에 있는 불순물 및 결함과 더 반응하고, 이에 따라 전체 소수 캐리어 재결합을 감소시키고, 재료의 벌크의 유효 소수 캐리어 수명을 증가시킨다.

수소의 분리와 이에 따른 실리콘의 표면과 벌크 패시베이션은, 현재 태양 전지 제조 산업에서 널리 사용되고 있는 표준 정면 접합 정면 접촉 태양 전지 제조 공정 흐름에 있어서 통상적으로 소위 "금속 파이어링" 공정 동안 얻어진다. 스크린 인쇄 금속 파이어링 공정은, 소망하는 냉각 시퀀스 전에 약 850 내지 900℃에서의 최종 드웰(dwell)과 함께 신중하게 설계된 온도와 시간 시퀀스를 이용하는 태양 전지의 다단 가열로 이루어진다. 이 파이어링 사이클은 신중한 실험 후에 최적화된다. 수소는 작은 원소이므로, 웨이퍼 온도가 너무 높거나 어닐링 시간이 너무 길면 웨이퍼 밖으로 확산될 수 있다. 반면에, 온도가 너무 낮거나 어닐링 시간이 너무 짧으면 수소 패시베이션이 불만족스러울 수 있다. 따라서, 수소-패시베이션 현상은, 태양 전지 산업에서 심도 있는 조사 및 연구의 주제로 되어 왔으며, (여전히 많은 영역들을 완전히 이해해야 하므로) 많은 이들에 의해 단순한 과학이 아니라 기술로 간주된다. 따라서, 고 정도의 제어를 제공할 수 있는 공정이 바람직하다는 것은 명백하다.

p형 실리콘 벌크(또는 p형 보론 도핑 베이스)와 n⁺ 인 도핑 이미터를 갖는 표준 메인스트림 정면 접촉 태양 전지를 위해, 정면 접촉 표면은 은으로 접촉되는 한편 후면은 알루미늄으로 접촉되며, 이는 블랭킷 층으로서 스크린 인쇄될 수 있고 또는 후면측 유전체 표면에 형성된 개구를 통해 선택적 컨택트를 형성할 수 있다. 저 저항 컨택트를 얻기 위해, 전술한 금속 파이어링 공정 동안 은을 정면의 실리콘과 후면의 알루미늄과 교차 혼합하는 것을 촉진한다. 위 금속 파이어링 공정의 설명에 기초하여, 태양 전지의 저 저항 컨택트와 이에 따라 고 FF를 얻는 프랙티스는 복잡하다. 다시, 고 정도의 제어를 제공할 수 있는 공정이 바람직하다.

또한, 후면측의 n⁺ 컨택트와 p⁺ 컨택트 모두와 접촉하는 동일한 금속, 알루미늄을 이용하는 모든 후면 접촉 후면 접합 태양 전지는, 알루미늄에 의한 n⁺ 컨택트의 도핑, p형 도펀트가 컨택트 저항을 증가시키고 이에 따라 전지의 필 팩터를 감소시키므로, 매우 높은 온도로 가열될 수 없다. 또한, 450℃를 훨씬 초과하는 알루미늄의 과열로 인해, 알루미늄의 광학적 반사성이 열화될 수 있다(이에 따라 전지의 적외선 광자들의 광학적 손실이 증가할 수 있다). 바람직하게, 실리콘 표면에서의 산화물을 감소 및 흡수함으로써 알루미늄이 실리콘과 밀착되는 컨택트의 200℃ 내지 450℃ 범위로 제어되는 저온 가열이 매우 바람직하다.

여기서는, 태양 전지의 정면 또는 태양측이 상당히 균일하게 또는 레이저 빔으로 조사된 선택된 영역에 있고, 수소 원자들이 SiN으로부터 분리되고 이에 따라 실리콘 표면을 효과적으로 패시베이션하도록 반도체(예를 들어, 실리콘)를 선택적으로 가열하고, 표면 상태 밀도를 감소시키고, 정면 재결합 속도(FSRV)를 감소시키고, 태양 전지의 유효 소수 캐리어 수명을 증가시키는 공정을 개시한다. 또한, 본 개시 내용의 공정과 방법은 벌크 트랩 밀도를 감소시킬 수 있고 벌크 소수 캐리어 수명을 향상시킬 수 있다. 개시한 방법의 일 실시예는, 반도체(예를 들어, 실리콘) 밴드갭의 파장보다 작은 파장을 갖는 펄스화 레이저 소스를 사용하는 것에 기초한다. (예를 들어, 결정성 실리콘 표면 어닐링을 위해 펄스화 녹색 또는 UV 레이저 소스를 사용하는) 본 실시예에서, 펄스화 레이저 소스 조사를 이용하여 정면이 선택적으로 가열되는 한편, 전지의 후면측은 전지의 정면측보다 상당히 차갑게 유지된다. 개시한 방법의 다른 실시예는, 반도체 밴드갭의 파장에 가까운 또는 이 파장보다 큰 파장을 갖는 펄스화 레이저 소스를 이용하는 것에 기초한다. 펄스화 레이저 소스 조사를 이용하여 정면이 가열되는 동안 (예를 들어, 결정성 실리콘 표면 어닐링을 위해 펄스화 IR 레이저 소스를 사용하는) 본 실시예에서, 전지의 후면측도 가열되고 어닐링된다. 이를 대체하는 실시예에서는, 동시에, 레이저 빔이 Al/실리콘 컨택트를 가열하는 태양 전지의 후면으로 침투하여 컨택트 저항을 감소시키고 전체 전지 필 팩터와 효율을 개선한다. 본 개시 내용의 레이저 어닐링 공정과 방법은, 태양 전지 제조 공정 흐름의 종료시 또는 패시베이션/ARC 층의 형성 후 전지들을 시험하고 모듈 패키징을 위해 분류하기 전에 즉시 수행될 수 있다. 대안으로, 본 개시 내용의 레이저 어닐링 공정과 방법은, PV 모듈의 전지들을 조립하고 패키징한 후에 그리고 모듈조립체의 정면 유리 커버를 통해 수행될 수 있다. 이 경우, 파장은, 적외선 등의, 유리를 통과할 수 있는 것을 사용할 필요가 있다.

이 공정 동안 패시베이션층(예를 들어, PECVD SiN 층)이 열화되지 않아 태양광이 상당한 광학적 흡수 손실 없이 이러한 반사방지 코팅을 통과할 수 있도록 (레이저 소스 파장, 펄스 폭, 전력 등을 포함하여) 레이저 어닐링 공정을 최적화해야 한다는 것은 중요하다. 또한, 광 트랩핑이 감소되지 않도록 표면 텍스처가 영향을 받지 않아야 한다. 이러한 요건들을 모두 충족하도록 펄스화 레이저 소스의 유형과 레이저 공정 파라미터들을 신중하게 선택해야 한다는 점은 명백하다.

레이저 펄스 길이는, 패시베이션/ARC 층(예를 들어, SiN 층)과의 비선형 광학적 상호작용이 없어서 패시베이션/ARC 층이 영향을 받지 않도록 충분히 길어야 한다. 이러한 적용예를 위해 펄스 길이가 1 나노초 내지 마이크로초에 걸친 레이저 또는 연속파를 이용할 수 있지만, 선택은 바람직한 열 침투의 깊이에 의존한다. 더욱 짧은 펄스 길이를 사용하면, 열이 얕은 깊이로 한정된다. 또한, 가열될 필요가 있는 반도체(예를 들어, 결정성 실리콘)의 깊이에 기초하여 파장을 선택해야 한다. 정면 패시베이션만을 개선할 필요가 있는 단결정 태양 전지에 적용하기 위해서는, 녹색 파장이 더욱 적합할 수도 있다. 개선된 벌크 실리콘 패시베이션이 필요하고 및/또는 후면 접촉 어닐링이 바람직한 적용예를 위해서는, IR 파장이 더욱 적합할 수도 있다. 소망하는 적용예에 기초하여, 레이저 펄스 길와 파장의 범위를 사용할 수 있다는 점은 명백하다.

NBLAC 전지라 칭하는 상호 맞물림 금속배선을 갖는 후면 접촉 전지를 우한 공정들은 관련 출원에 개시되어 있다(예를 들어, 미국 특허출원번호 제13/057,104호 참조).

도 30은 NBLAC 공정 흐름의 실시예들 중 하나를 도시하는 한편, 도 31은 전지의 개략적인 단면도이다(백플레인은 편의상 도시하지 않는다). 도 30의 저온 정면 패시베이션/ARC:PECVD(실리콘 질화물) + 레이저 어닐링 공정 단계는 당업계에서 사용되는 온도보다 저온(<350℃)에서의 SiN의 증착을 포함한다. 이어서, 표면을 펄스화 레이저 조사하여 우선적으로 실리콘 정면측 어닐링을 행하여 SiN으로부터의 수소로 실리콘 표면의 패시베이션을 개선한다. 특히, 본 발명의 레이저 어닐링 공정과 방법은, 90℃ 만큼 낮은 저온에서, 더욱 구체적으로는, 90℃ 내지 250℃의 통상적인 증착 온도 범위에서 증착된 (단층 SiN과 비정질 실리콘을 갖는 이중층 SiN과 같은) 고품질 패시베이션과 ARC 층들의 형성을 가능하게 한다.

일부 실시예들에서, 어닐링되는 SiN은 인 도펀트의 소망하는 양을 함유할 수 있다. 이 경우, 어닐링 단계는 인을 이용한 실리콘 도핑을 야기할 수 있다. 이 공정은 이하에서의 도 36과 함께 설명한다.

SiN 외에도, 실리콘 산질화물(Si_xO_yN_z), 또는 실리콘 탄화물(Si_xC_y) 단층들 또는 비정질 실리콘(a-Si) 상에 SiN을 갖는 이중층 스택, 실리콘 산화물(SiO₂) 상에 SiN을 갖는 이중층 스택, 또는 실리콘 산질화물 상에 SiN을 갖는 이중층 스택을 실리콘 표면 패시베이션을 위해 사용할 수도 있다. 예를 들어, 비정질 실리콘층이 실리콘 표면을 상당히 잘 패시베이션할 수 있다는 것이 알려져 있다. 그러나, 현재의 산업 공정에서는, 실리콘의 상당한 표면 클리닝과 a-Si 증착 공정의 공정 최적화가 필요하다. 수소화 SiN을 이용한 a-Si 막의 레이저 어닐링은, 상당히 증가된 유효 소수 캐리어 수명과 상당히 감소된 정면 재결합 속도에 의해 측정되는 바와 같이, SiN의 수소를 활성화할 수 있어서 패시베이션을 급격히 향상시킬 수 있다.

도 30에서의 상호 맞물림 전지 베이스 & 이미터 Al 라인 단계를 위한 Al의 펄스화 피코초 레이저 삭마 및 PVD Al/NiV/Sn 컨택트와 후면측 강화 BSR 단계는 태양 전지의 후면 상에 베이스와 이미터에 대한 금속 컨택트를 형성한다. 이러한 컨택트들은 도 31에 단면도로 도시되어 있다. 실리콘 막의 후면으로 침투하는 레이저 빔은 후면 컨택트들을 동시에 어닐링하여 컨택트 저항을 감소시키고 태양 전지의 필 팩터를 증가시킨다는 것은 명백하다.

레이저 어닐리을 이용하여 얻어진 결과가 도 32에 도시되어 있다. 고온 금속 파이어링에 의존하지 않고 SiN의 저온 증착 패시베이션층 상에서 최대 100회의 유효 수명 개선을 얻었다는 것을 알 수 있다. NBLAC 공정에서, 얇은 에피택셜 실리콘은 백플레인 상에 지지된다. 이 백플레인이 고온을 견딜 수 없는 경우에는, SiN 증착 온도가 감소되어 얇은 에피택셜/백플레인 조립 처리를 용이하게 하고 감열(heat-sensitive) 백플레인 조립체를 수용하는 집적을 처리한다. 이러한 감열 백플레인을 위해, 레이저 어닐링은, 레이저 펄스 길이와 파장을 적절히 선택하면 실리콘의 후면측을 백플레인을 위한 허용가능한 값 내에서 유지하는 동안 열이 실리콘의 정면측으로 한정될 수 있으므로, 매우 적합하다.

비접촉 레이저 어닐링 공정은, 취급시 쉽게 부서질 수 있는 대략 수㎛ 내지 50㎛ 범위 두께의 에피택셜 막을 사용하는 NBLAC 전지에 매우 적합하다.

처리량 향상과 공정 제어 개선을 위해, 이러한 적용예들에 사용되는 레이저 소스는, 전체 표면 조사 스캔 시간을 감소시키기 위해 (적어도 100㎛ 이상에 걸쳐 빔 파워가 비교적 균일한) 탑햇(top-hat) 프로파일을 가질 수 있다. 이는 또한 빔 중첩 영역들의 손상 가능성을 제거한다.

이 레이저 어닐링 공정은, 인라인 비용 효과적인 공정이므로 로 어닐링을 대체하는 매력적인 대안이다.

본 개시 내용의 또 다른 양태에 따르면, 실리콘 상에 열적 성장된 또는 화학적 기상 증착된 실리콘 산화물 등의 전기적 절연 층들의 선택적 레이저 삭마 및 패터닝을, 비교적 높은 전지 효율 값을 얻기 위한 결정성 실리콘 태양 전지 공정 흐름에서 사용한다. 이러한 적용예에서는, 어떠한 상당한 삭마 유도 손상으로 인해 소수 캐리어 재결합 손실이 증가하여 전지 변환 효율이 더 손실될 수 있으므로, 하지 실리콘 기판에 무시할만한 손상이 도입되거나 손상이 도입되지 않는 것이 유리하다. 여기서, 유전체(예를 들어, 실리콘 산화물) 중복층의 패턴 선택적 삭마 동안 태양 전지 반도체(예를 들어, 실리콘) 표면이 손상되지 않음을 보장하는 신규한 방법을 제시한다. 본 개시 내용은, 레이저 빔이 실리콘 기판에 도달하는 것을 중단시키는 실리콘의 얇은 중간층을 도입하는 것을 포함한다. 이러한 얇은 중간 실리콘층은, 실리콘 산화물의 얇은 버퍼층만으로 분리되어 있는 하지 실리콘 표면에 가깝게 배치될 수 있다. 이 중간 실리콘층 위의 산화물층은, 상호작용하며 실리콘 산화물-중간 실리콘층 계면을 분리하는 레이저 빔에 의해 삭마된다. 이 중간 실리콘층 아래의 매우 얇은(예를 들어, 3nm 내지 30nm) 실리콘 산화물층은, 이 계면에서의 레이저 액션의 상당한 손상 야기 영향이 실리콘 기판에 도달하는 것을 방지한다. 후속하여, (열적 산화 공정 또는 산화 어닐링 공정을 이용하여) 중간 실리콘층이 산화되고, 이에 따라 후속 레이저 처리에 있어서 불필요한 임의의 상호 작용을 제거한다. 이 방법은, 실리콘 산화물 등의 유전층의 레이저 삭마를 여러 번 이용하는 모든 후면 접촉 후면 접합 태양 전지, 예를 들어, NBLAC 태양 전지의 설계의 적용예에 특히 적합하다.

공정 흐름의 일 실시예에서, 산화물 삭마 공정을 세 번 이용하여 산화물 패턴을 형성하고, 즉, BSG(또는 BSG/USG 스택) 삭마를 이용하여 이미터와 베이스 영역들을 윤곽 묘사하고, USB(또는 PSG/USG 스택) 삭마를 이용하여 베이스 영역을 정의하고, 최종적으로 PSG(포스포실리케이트 유리 산화물) 삭마를 이용하여 베이스에 대한 컨택트를 개구하고, BSG/USG/PSG 삭마를 이용하여 이미터 영역에 대한 컨택트를 개구한다. 본 명세서에서 설명하는 기술은, (n형 베이스를 이용하는 태양 전지를 위해) 패터닝된 이미터와 베이스 영역들을 정의하도록 BSG 층의 삭마의 제1 단계에서 유리하게 사용될 수 있다. 필요하다면, 이 기술은, N⁺(이러한 극성은 p형 베이스를 이용하는 태양 전지에서는 역으로 됨) 베이스 영역을 위한 개구를 정의하기 위한 USG 삭마 동안 더 사용될 수 있다.

도 33a는 3개의 서로 다른 단계에서의 산화물 삭마를 포함하는 모든 후면 접촉 태양 전지를 위한 공정 흐름을 도시한다. 도 33b는, 나머지 BSG/USG 스택이 증착되기 전에 얇은 USG 층 상에 매우 얇은 a-Si 층이 증착되는 BSG/USG(USG는 언도핑 실리케이트 유리 또는 언도핑 실리콘 산화물임) 증착 단계가 약간 변형된 예를 도시한다(일부 실시예들에서는, 동일한 APCVD BSG 증착 장비 내에서의 인시츄). 레이저 삭마 공정 동안, 레이저 빔은 BSG/a-Si 계면을 분리하고, 이에 따라 BSG/USG 스택을 제거한다. 이 얇은 실리콘층은 도 33b에서 설명하는 바와 같이 후속 단계들 동안 산화된다.

도 34는 수 피코초 범위의 펄스폭을 갖는 레이저 빔을 이용하는 표준 산화 삭마 공정을 개략적으로 도시한다. 레이저에 의해 기능을 하고 있는 계면이 정확한 펄스 에너지가 사용되지 않으면 손상될 수 있는 실리콘 기판의 표면이라는 것을 알 수 있다. 도 35는 매우 얇은 USG 층이 증착된 후에 매우 얇은 비정질 실리콘층이 증착되는 방법을 도시한다. 도 35b에서 알 수 있듯이, 레이저 액션을 위한 계면이 BSG/비정질 실리콘 계면이다. 이 계면은 삭마 정지층으로서 기능을 하며, 결정성 실리콘 표면을 레이저 조사로부터 차폐하며 이에 따라 임의의 가능성 있는 결정성 실리콘 표면 손상을 방지하거나 억제하며, 그 결과 고효율의 전지가 가능하다.

완벽한 스택 USG/a-Si/BSG/USG은, 태양 전지 제조를 위한 APCVD를 이용하여 인시츄 증착될 수 있다. APCVD 장비는, 단일 APCVD 장비로 전체 스택의 증착이 가능하도록 다수의 순차 인라인 증착 존을 갖는 고 생산성 인라인 APCVD 장비일 수 있다. APCVD 장비를 이용함으로써, 얇은 언도핑 실리콘층이, 예를 들어, 대략 500℃ 미만의 온도에서 실란과 아르곤(또는 실란과 질소)을 사용하여 APCVD 증착 존들 중 하나(초기 USG 층의 증착 후 제2 존)에 증착될 수 있다. 대안으로, PECVD 기술을 이용하여 증착될 수 있다. 특정한 공정 흐름에 기초하여 얇은 USG와 얇은 a-Si의 넓은 두께 범위를 이용할 수 있다. 통상적으로, 결정성 실리콘 표면과 접촉하는 USG는 10nm 내지 100nm 범위에 있을 수 있는 한편, 비정질 실리콘층은 3nm 내지 30nm 범위에 있을 수 있다. 그러나, 전술한 바와 같이, 이러한 범위를 벗어나는 두께도, 공정 흐름의 나머지가 이러한 막들의 두께를 수용하도록 변경된다면 기능을 할 것이다.

또한, 필요하다면, 동일한 방법을 이용하여, N⁺ 층을 형성하도록 인 도핑을 거칠 베이스 영역들을 위한 산화물층을 개구할 수 있다. 그 경우에, 공정 흐름은 이 a-Si 층의 산화를 보장하도록 수정된다.

본 개시 내용의 또 다른 양태에 따르면, 레이저 도핑을 이용하여 정면 필드(FSF)를 형성한다. 태양 전지에 있어서 p/n 접합으로부터 멀어지는 표면 필드를 사용하여 소수 캐리어 재결합 손실을 감소시키고 전류 수집을 증가시키는 것은 널리 알려져 있다. 기판을 기판에 반대되는 극성으로 도핑하여 전기적 p/n 접합을 생성하는 한편, 실리콘의 나머지 표면을 기판과 도펀트의 동일한 극성으로 그러나 더욱 높은 농도로 도핑할 수 있다. 이는, 베이스 컨택트로부터 소수 캐리어들을 멀어지게 하여 소수 캐리어들이 이미터 컨택트에 유익하게 수집될 수 있게 하는 도핑 농도 구배로 인해 빌트인 전계를 생성한다. 이 전계는, p/n 접합이 웨이퍼의 뒤에 있는 후면 접합 후면 접촉 태양 전지의 정면에서 유리하게 사용된다. 이러한 정면 필드는 태양 전지의 후면에 있는 이미터 컨택트에서의 전류 수집을 증가시킨다. 이는, 정면 재결합 사이트에서의 소수 캐리어들의 손실(예를 들어, 정면 패시베이션층/실리콘 계면에서의 표면 상태)을 억제함으로써 달성된다.

정면 필드(FSF)는, 소망하는 극성의 도펀트(예를 들어, n형 베이스를 위한 인 FSF와 p형 베이스를 위한 보론 FSF)를 함유하는 실리콘 질화물 등의 패시베이션층을 사용하는 것을 포함하는 고유한 펄스화 레이저 도핑 기술들을 이용하여, 후면 접합 후면 접촉 태양 전지의 텍스처링 결정성(일부 실시예에선 단결정성) 반도체(일부 실시예에선 실리콘) 정면 상에 생성된다. 이 경우에, 실리콘의 정면측은 반도체층에서 도펀트가 확산될 정도로 그리고 도펀트가 활성화될 정도로 높은 온도로 가열될 필요가 있다. 다시, 펄스 길이와 파장 등의 레이저 파라미터들을 적절히 선택하면, 태양 전지 벌크 또는 후면의 주목할만한 가열 없이 (또는 적어도 가열의 감소 없이) 반도체의 정면이 온도로 선택적으로 가열된다. 도 36을 참조한다. 이는 실리콘 박막을 지지하기 위한 감열 백플레인의 사용을 가능하게 한다.

대안으로, 본 개시 내용은, PECVD 실리콘 질화물 등의 주요 패시베이션 및 ARC 층 아래에 소망하는 도펀트를 함유하는 얇은(예를 들어, 2nm 내지 20nm) 비정질 실리콘층(또는 대안으로, 부화학량론 실리콘 리치 실리콘 산화물층 또는 부화학량론 실리콘 리치 실리콘 질화물층)을 증착하고, 후속하여 태양 전지 정면측을 레이저 도핑하여 실리콘 표면을 선택적으로 도핑하는 것을 포함한다. 다시, 실리콘에서 도펀트가 확산하고 도펀트의 전기적 활성화가 충분하도록 레이저 도핑 온도를 높게 할 필요가 있다. 비정질 실리콘은 냉각시 단결정 실리콘 상에서 에피택셜 방식으로 결정화된다. 이는, 또한, 정면측 표면 패시베이션의 품질을 상당히 개선한다(얇은 FSF 층의 형성을 통해서뿐만 아니라, 표면 상태 밀도의 상당한 감소와 정면측 표면 재결합 속도의 상당한 감소, 패시베이션층의 효과적인 가열과 활성화 모두를 통해). 도 37을 참조한다. 또한, 전술한 바와 같이, 다시, 레이저 파라미터들을 적절히 선택하면, 후면측으로의 열 침투를 방지하여 실리콘 박막을 지지하는 데 감열 백플레인을 사용할 수 있다.

또한, 본 개시 내용의 기술들은 정면 컨택트 전지에서 이미터와 BSF를 형성하는 데 사용될 수 있다. BSF는, 이미터 컨택트들에 의해 수집되는 소수 캐리어들을 전지의 정면으로(또는 대안으로, 후면 접촉 태양 전지의 후면측 사의 수집 이미터 컨택트들로) 향하게 함으로써, 전류 수집을 증가시키는 정면 접촉 태양 전지의 후면 상에 사용된다.

일부 실시예들에서는, 태양 전지의 반대측의 가열이 500℃ 미만의 온도로 한정되고, 일부 실시예들에서는, 150℃ 미만의 온도로 한정된다.

이러한 펄스화 레이저 도핑 적용예들에서, 레이저 펄스 길이는, SiN과의 비선형 광학적 상호작용이 없어서 SiN ARC와 패시베이션 특성이 열화되지 않을 정도로 길어야 한다. 펄스 길이가 >1 나노초 내지 마이크로초이고 또는 심지어 CW(연속파)인 레이저가 이러한 적용예에 적합할 수 있다. 본 개시 내용의 일부 실시예들은 10나노초 초과 수 마이크로초 범위의 펄스 길이를 갖는 펄스화 레이저 소스를 사용하며, 일부 실시예들에서는, 약 100 나노초 내지 5 마이크로초 범위를 사용한다. 파장은 도핑할 필요가 있는 실리콘의 깊이에 기초하여 선택되어야 한다. 실리콘 막이 감열 백플레인 상에 지지되는 경우에, 열이 태양 전지의 정면측으로 한정되어야 한다는 추가 요건이 있다. NIR(근적외선) 파장도 이러한 적용예에서 기능할 수 있지만, 가열 존을 레이저로 조사되고 있는 표면에 가깝게 유지시키고 충분히 도핑하도록, 녹색 파장이 더 적합할 수 있다. 소망하는 적용예에 기초하여, 레이저 펄스 길이와 파장의 범위가 적합하며, 본 개시 내용의 다양한 실시예들로서 이용될 수 있다는 점은 명백하다.

인으로 도핑된 SiN 외에도, 실리콘 표면 패시베이션을 위해 비정질 실리콘(a-Si) 상의 SiN의 스택, 또는 대안으로, Si 리치 SiO_x 또는 Si 리치 SiN_x 상의 SiN의 스택을 이용할 수도 있다. 이 경우, 비정질 실리콘층(또는 Si 리치 SiO_x 또는 Si 리치 SiN_x 층)은, 소망하는 인의 양으로 (예를 들어 PECVD에 의해) 층 증착 동안 인시츄 도핑된다. 수소화 SiN으로 커버된 인 도핑된 a-Si(또는 Si 리치 SiO_x 또는 SiN_x) 막의 레이저 어닐링은, 인을 이용한 실리콘의 도핑을 야기하며, 동시에, PECVD SiN 내의 수소로 실리콘 표면의 패시베이션을 개선한다. 공정 시퀀스는 도 37에 개략적으로 도시되어 있으며, 이는 인 도핑 a-Si 하지층을 이용하는 FSF 형성을 도시한다. 대안으로, 도핑 Si 리치 SiO_x 또는 SiN_x 하지층을 이용할 수도 있다.

레이저 도핑 기술을 이용하여, 레이저 파장과 펄스 길이를 적절히 선택함으로써 정면에 열이 금지되는 감열 백플레인 상에서 지지되는 결정성 반도체 박막을 위해 (n형 베이스에 대하여) 인 도핑 유리를 사용하여 (p형 베이스에 대하여) 보론 도핑 유리를 사용하여 FSF를 형성할 수 있다.

펄스화 레이저 도핑을 이용하는 이 공정은, 백플레인을 갖는 얇은 후면 접촉 단지가 얇은 전지를 백플레인에 부착한 후에 고온을 견딜 수 없으므로, 전체 태양 전지 기판 및/또는 태양 전지의 반대면(즉, 정면측 패시베이션 개선 및 FSF 형성의 경우에 태양 전지 후면측)이 종래의 고온 도핑 공정을 받을 수 없는 적용예에서 유용하다.

본 기술은 또한 텍스처링 동안 도핑 표면이 손실되기에 에피택셜 증착 동안 FSF의 인시츄 성장이 유용하지 않은 에피택셜 막을 위한 FSF를 제공한다. 이는 NBLAC 전지를 위한 경우이다.

n형 베이스 기판을 갖는 NBLAC 전지에 적용하기 위한 기술을 설명한다. 보론을 함유하는 p형 베이스 기판 비정질 실리콘 막을 이용하여 FSF를 형성할 수 있다.

또한, 기술을 이용하여, p형 기판을 위해 인 함유 산화막(PSG) 또는 n형 기판을 위해 보론 함유 산화물(BSG)을 사용하여 이미터를 형성할 수 있다.

비접촉 펄스화 레이저 도핑 공정은, 취급시 부서지기 쉬운 약 80㎛ 미만 두께의 에피택셜 막을 사용하는 후면 접촉 태양 전지에 특히 적합하다. 레이저 도핑 공정은, 또한, 인라인 비용 효과적 공정이므로, 로 도핑을 대체하는 매력적인 대안이다.

본 개시 내용의 또 다른 양태에 따르면, 레이저 어닐링을 이용하여 실리콘 기판을 선택된 영역들에서 알루미늄으로 도핑하고, 이에 따라, 결정성 실리콘 태양 전지를 위한 어셉터 리치 p⁺ 도핑 영역들을 제공한다. 이 기술은, 증착된 알루미늄층과 접촉하고 있는 이미터 컨택트들을 선택적으로 레이저 어닐링함으로써 이미터 컨택트들이 알루미늄으로 선택적으로 도핑될 수 있는 IBC 전지에 특히 유리하다. 동일한 방법을 적용하여, n형 실리콘을 베이스로서 사용하여 후면 접합 정면 접촉 전지에서 선택적 이미터를 얻을 수 있다. 이 기술의 다른 적용예는, p형 기판(또는 p형 베이스)을 사용하여 정면 접촉 태양 전지를 위한 후면 필드를 제공하는 것을 포함한다.

본 개시 내용은, 상호 맞물림 금속배선을 갖는 이러한 후면 접촉 전지와 다른 후면 접촉 전지에서 고 도핑 선택적 이미터 컨택트들을 제공할 수 있는 레이저 공정을 포함한다.

실리콘을 알루미늄으로 도핑하여 어셉터 리치(p⁺ 또는 p⁺⁺) 영역을 얻는 것은 태양 전지 제조 기술에서 널리 알려져 있다. p형 실리콘을 이용하는 표준 정면 접촉 전지를 위해, 전지의 후면은 알루미늄 페이스트로 스크린 인쇄된다. 파이어링 어닐링을 상당한 고온에 적용함으로써, 알루미늄이 접촉 상태에 있는 실리콘층을 용해한다. 냉각시, 알루미늄이 실리콘의 어셉터 또는 p형 도펀트로서 기능을 하므로, p형(p⁺)인 알루미늄 리치 실리콘층은 침전된다. 이 고 도핑 p형 p⁺⁺ 표면층은, 소수 캐리어들이 후면으로부터 이미터 컨택트에 의해 수집되는 정면으로 편향하도록 후면 필드로서 기능을 한다. 이는 태양 전지의 효율과 전류 출력(J_SC)을 증가시킨다. 또한, Al/Si 컨택트 저항이 감소되고, 이에 따라 필 팩터를 개선하고, 다시, 태양 전지 변환 효율을 더 증가시킨다.

도 38a와 도 38b는 개시한 레이저 스캐닝 방법을 개략적으로 도시한다. 도 38a에는 이미터 영역만을 스캔하는 데 사용되는 적절한 크기와 강도의 레이저 빔이 도시되고, 이에 따라, 유전체에 개구된 컨택트를 통해 이미터와 접촉하는 알루미늄을 가열하고, 도 38b는 레이저 스캐닝 후 선택적 이미터 형성을 도시한다. 금속 및 이 금속과 접촉하는 실리콘이, Al-Si를 위한 융해 온도인 577℃를 초과하는 온도로 가열되면, 알루미늄이 실리콘을 용해시키고, 이 온도 미만에서의 냉각시, Al 리치 실리콘층이 침전된다. 이 층은 실리콘 기판 상에 에피택셜 방식으로 증착되어 결정 결함이 없다. 이는 표준 Al 페이스트 인쇄 전지에서 Al-BSF를 제공하는 동일한 메커니즘이다.

도 39는 이미터 영역에만 레이저 스캐닝을 선택적으로 행함으로써 형성된 알루미늄 포화 실리콘에 의한 P⁺⁺ 선택적 이미터를 도시한다.

Al 리치 실리콘층의 형성의 메커니즘은, 도 40에 도시한 Al 리치 위상도의 도움으로 이해할 수 있다. 온도 577℃에서의 융해물은 실리콘이 12.6% 융해된 알루미늄이다. 더 고온에서는, 더 많은 실리콘이 융해된다. 냉각시, 에피택셜 증착된 실리콘은 Al로 포화되고, 최대 1.6%까지 포화된다. 이 Al 포화된 실리콘은 고 P⁺⁺ 도핑된 것이며, (컨택트 영역에 선택적 BSF를 제공하는) 이 영역에서의 소수 캐리어 흡수를 억제하는 한편 이미터에 저 저항 컨택트를 제공한다.

동일한 방법을 이용하여, n형 실리콘 기판을 사용하며 p⁺ 후면 이미터를 갖는 정면 접촉 전지에서 선택적 이미터를 얻을 수 있음을 명백하게 알 수 있다. 이 방법은 다음에 따르는 도 41로 이해할 수 있다.

널리 알려져 있듯이, 후면측 베이스의 전체 표면 알루미늄 컨택트가 국부 컨택트로 교체되는 경우에 p형 실리콘 베이스를 사용하는 표준 정면 접촉 전지에 대하여 상당한 에너지 개선을 얻는다. 효율은, 국부 컨택트에 BSF 영역이 제공되면, 더욱 증가한다. 도 42에 도시한 바와 같이, 전술한 레이저 스캐닝 방법을 이용하여 Al BSF를 제공할 수 있다. 이 메커니즘은 전술하였다.

다음에 따르는 설명은 본 출원에 더욱 관련된 것이다. 개시 내용은, (강화판이 위치할 수 있는) 전지의 정면으로부터 그리고 후면을 향하는 펄스화 레이저 빔 침투와 흡수를 감소시키면서 전지의 정면에서 그리고 정면 근처에서 펄스화 레이저 빔 에너지의 공간적 선택적 흡수를 증가시키기 위해, 동일한 전지측에서의 레이저 어닐링 공정 동안 (후면 접합/후면 접촉 태양 전지를 위한 태양측 또는 태양광 수광면/전지의 정면측 등의) 패시베이션층을 갖는 전지측에 입사하는 고 강도 블랭킷 광을 사용하기 위한 방법을 포함한다. 이는 레이저 빔 침투 깊이를 감소시키고, 이에 따라 레이저 가열의 깊이를 감소시키며, 따라서, 결정성 실리콘 박막을 지지하는 백플레인의 가열을 감소시킨다. 이 기술은, 흡수된 펄스화 레이저 에너지를 집중하고 그에 따라 어닐링되는 정면측 패시베이션층이 상주하는 전지의 정면 근처에서의 온도 상승을 집중함으로써, 전지의 공간적 선택적 가열과 어닐링을 가능하게 한다.

태양 전지의 표면을 고 강도 투광 조명에 노출시키고 동시에 펄스화 레이저 조사와 동일한 전지의 표면을 고 강도 투광 조명에 노출시킴으로써, 태양 전지의 공간적 선택적 어닐링을 개선한다. 실리콘, 또는 다른 반도체 재료, 및 부가된 막들은 전지의 조명측 상에서 선택적으로 가열되어, 임베딩된 수소 원자들이 실리콘 질화물(SiN)을 함유하는 부가 수소 또는 비정질 실리콘-SiN 스택으로부터 박리되고, 이에 따라 수소 원자와의 반응에 의한 실리콘 댕글링 본드의 패시베이션을 통해 표면 상태 밀도를 감소시킴으로써 실리콘 표면을 효과적으로 패시베이션한다. 그 결과, 정면 재결합 속도(FSRV)가 감소되고, 유효 소수 캐리어 수명이 증가하고, 태양 전지에서의 소수 캐리어 확산 길이가 증가하고, 이에 따라 태양 전지 효율이 증가한다.

반도체층(예를 들어, 결정성 실리콘)에서의 펄스화 레이저 빔 흡수로 인해, 레이저 빔의 파장에 따라 전하 캐리어들의 인터밴드와 인트라밴드 전이가 발생한다. 실리콘의 밴드갭(1.1eV)보다 높은 광자 에너지에 대하여, 광자 흡수로 인해, 전하 캐리어들이 가전자대로부터 전도대로 전이하고, 이에 따라 전자 홀 쌍을 생성한다. 이는, 이렇게 생성된 자유 전하 캐리어들이 광자를 흡수함에 따라 전지가 가열되므로, (전자 홀 쌍들이 재결합할 때 그리고 밴드갭을 초과하는 과도한 광자 에너지의 열운동화를 제외하고는) 실리콘의 직접적 가열을 야기하지 않는다. 따라서, 인트라밴드 전이와 자유 캐리어 흡수는, 특히 스펙트럼의 근적외선(IR) 영역에서 작동하는 펄스화 레이저 소스를 이용한 실리콘의 레이저 가열에 있어서 중요하다. 이 흡수로 인해, 펄스화 레이저 빔과의 비선형 상호 작용이 발생하여 전지의 조명된 표면에 가까운 훨씬 짧은 깊이로 흡수된다. 대안으로, 광자 에너지가 실리콘의 밴드갭 근처일 수도 있다. 더 많은 자유 캐리어들이 생성되면, 전지 표면 근처에서의 레이저 빔의 공간적 선택적 흡수가 향상되며 전지 표면 근처에서 더욱 짧은 거리로 한정되며, 따라서, 전지의 조명된 표면의 정면측에 비해 전지의 후면을 훨씬 낮은 온도에서 유지한다는 점은 명백하다(즉, 가열에 민감한 전지 강화판 또는 백플레인이 선택 사항으로 존재할 수도 있는 전지 후면측에 비해 훨씬 더 높은 효율의 피크 온도에서 전지 정면측을 가열하고 어닐링하는 처리가 가능하다).

(펄스화 나노초 IR 레이저 어닐링 등의) 펄스화 레이저 어닐링을 이용하여 전지의 조명 정면측의 공간적 선택적 어닐링과 가열을 위해 이러한 과도한 캐리어들을 생성하기 위한 고 강도 투광 조명을 사용할 수도 있다. 펄스화 레이저 조사 동안 이러한 투광 조명 소스를 사용함으로써, 효과적인 가열과 온도 상승의 대부분을 전지 정면으로 한정하고 열 전달(및 훨씬 낮은 온도 상승)을 (전지 강화판 또는 백플레인이 전지의 후면측에 연결되어 있고 고온 어닐링이 백플레인-전지 구조의 무결성에 유해한) 실리콘 막의 후면으로 한정한다.

이 설명으로부터, 1.1㎛인 IR 파장 미만의 파장(또는 1.1eV의 결정성 실리콘 밴드갭을 초과하는 광자 에너지)을 갖는 광자들은, 광자들의 에너지가 실리콘 밴드갭을 초과하거나 가깝기 때문에, 투광 조명 소스를 이용하여 전지의 정면 근처에 과도한 자유 캐리어들을 생성하는 데 있어서 대부분 효과적이라는 점은 명백하다. 이러한 과도한 자유 캐리어들은, 전지 정면측의 선택적 가열/어닐링을 위해 (근적외선 파장의 광자를 포함한) 펄스화 레이저 광자들의 공간적 선택적 자유 캐리어 흡수를 가능하게 한다. 바람직하게, 과도한 자유 캐리어 흡수를 위한 투광 조명 소스는 결정성 실리콘 밴드갭(1.1eV)을 초과하는 광자 에너지를 가져야 하고, 이때, (IR 레이저 소스 등의) 펄스화 레이저 소스를 이용하여 과도한 전자-홀 쌍들이 전지 정면의 공간적 선택적 가열/어닐링을 위한 자유 캐리어 흡수층으로서 기능을 하는 전지의 정면 근처에서 과도한 전자-홀 쌍들의 고 밀도를 효율적으로 생성할 수 있다. 따라서, 청색 및/또는 녹색 및/또는 가시 파장을 갖는 투광 조명 소스들은, (대부분의 광자들이 조명된 실리콘 영역의 매우 얕은 스킨 깊이에서 흡수되므로) 실리콘의 효율적인 흡수, 실리콘의 조명 영역 근처에서의 실리콘 내의 과도한 전자-홀 쌍들의 효율적인 생성, 실리콘 내로의 제한된 침투 깊이 때문에, 더욱 적합할 수 있다. 대안으로, 투광 조명은 적외선 파장을 가질 수도 있다. 투광 조명 소스는 단일 파장일 필요가 없으며, 15.5cm x 15.6cm 치수의 통상적인 정사각형 전지를 조명하기 위한 출력 전력이 수십 와트 내지 수백 와트 범위에 있는 광대역이거나 다중 파장 광원일 수도 있다.

전지 제조 공정 흐름 동안 개시 내용의 적용예를 전지 FSRV 감소 및 효율 개선에 대한 공정으로서 설명하고 있지만, 이러한 적용예는, 전체 모듈 효율과 전력을 더 증가시키도록 모듈 조립 공정의 완료 후에 사용될 수도 있다.

도 43과 도 44는 후면 접합/후면 접촉 에피택셜 실리콘 전지(소위 NBLAC) 공정 흐름의 두 개의 대표적 실시예들을 예시한다. 도 45는 태양 전지의 개략적인 단면도이다(선택 사항인 백플레인은 편의상 도시하지 않는다).

도 43에서의 공정 단계(16)는, 고 강도 녹색-가시 투광 조명에 동시에 노출시켜 수소 패시베이션 공정을 활성화하고 FSRV를 감소시키는 정면(또는 전지의 태양측)의 펄스화 레이저 어닐링이 뒤따르는, 당업계에서 사용되는 것(통상적으로 300℃ 내지 450℃ 범위)보다 저온에서의 비정질 실리콘/SiN 스택의 증착(통상적으로, 90℃ 내지 180℃ 온도 범위에서 증착)을 포함한다. 투광 조명 조사는, 자유 캐리어 흡수를 통해 전지 정면 근처에서의 펄스화 레이저 에너지의 공간적 선택적 흡수를 용이하기 하도록 전지의 정면 근처에서 과도한 전자-홀 쌍들의 큰 농도를 생성하는 데 그리고 훨씬 더 낮은 온도에서 전지 후면측을 유지하면서 전지 정면측의 공간적 선택적 가열을 행하는 데 사용된다. 90℃만큼 낮은 비정질 실리콘/a-Si 스택 증착 온도를 사용하여, 통상적으로는, 90℃ 내지 250℃의 증착 온도 범위를 이용하고 이어서 개시 내용에 따라 레이저 어닐링을 이용하여, 개선된 정면측 패시베이션을 얻는다.

도 46은, 4300°K 투광 조명 벌브의 색 온도의 150와트 금속 할라이드 펄스화 아크와 다음에 따르는 레이저 파라미터들을 사용하는 펄스화 레이저 어닐링을 사용하여 얻어진 결과들의 그래프이다. 즉, 펄스 에너지=1.7mJ, 펄스 길이=700 nanosec, IR 파장, 반복률=50KHz, 스캔율=3600 mm/sec. 유사한 레이저 조사 조건 하에서, 고 강도 녹색-가시 광을 사용하는 경우에 더욱 많은 웨이퍼들이 더욱 높은 전지 효율을 얻는다는 점을 알 수 있다. 광을 이용한 또는 이용하지 않는 레이저 어닐링에 따라, V_OC와 J_SC가 발생한다. 그러나, 투광 조명이 없는 경우에, 레이저 빔이 백플레인에 도달하여 백플레인이 가열되어 전지 필 팩터(FF)가 감소되고 이에 따라 전지 효율이 감소될 가능성이 있다. 투광 조명이 존재하는 경우에, 레이저 빔이 백플레인으로 침투할 수 없어서, 더욱 높은 전지 효율이 가능하므로, FF 열화를 피하게 된다.

비접촉 레이저 어닐링 공정은, 수㎛ 내지 100㎛ 초과에 이르는 두께 범위의 에피택셜 막을 사용하는 대표적인 후면 접합/후면 접촉 박막 단결정 실리콘 전지에 특히 적합하다. 이러한 전지들은, 흔히, 단독 취급시 부서지기 쉽고 따라서 강화판에 의해, 바람직하게는, 전지 후면에 부착된 백플레인으로서 지지된다.

이 공정은, 또한, 산화물/질화물, 실리콘 산질화물, 실리콘 탄화물 등의 다른 패시베이션층에 독립적으로 또는 실리콘 질화물의 상층과 함께 적용가능하다. 또한, 이 기술은 단결정 또는 다결정 실리콘 웨이퍼 기반 태양 전지의 표면을 패시베이션하는 데 사용될 수도 있다. 다결정 기판에 대해서는, 이 기술을 또한 사용하여 벌크의 결함을 패시베이션할 수 있다.

동작시, 다음에 따르는 방법과 장치 실시예들을 개시한다. 표면 재결합 속도를 감소시키고, 유효 소수 캐리어 수명을 증가시키고, 유효 소수 캐리어 확산 길이를 증가시킴으로써, 결정성 실리콘 태양 전지를 포함한 결정성 반도체 태양 전지 상의 패시베이션층의 표면 패시베이션 특성을 개선하도록 큰 조명 영역 고 강도 광(광자 에너지를 이용한 투광 조명 전력의 대부분이 반도체 밴드갭을 초과하는, 예를 들어, 일 실시예에서, 결정성 실리콘 전지를 위한 1.1eV를 초과하는, 단일 파장 또는 광대역 또는 다중 파장 투광 조명 소스)이 존재하는 경우에 스캐닝 펄스화 레이저 빔을 사용한다. 투광 조명 소스가 존재함으로써, 정면 근처에서의 레이저 빔의 흡수가 증가하고, 그 결과, (정면 등의) 전지의 조명된 표면의 공간적 선택적 가열/어닐링이 발생하는 한편 전지의 반대측을 저온에서 유지하는, 방법과 장치.

실리콘 막 등의 패시베이션 코팅된, 예를 들어, SiN 또는 비정질 Si/SiN 코팅된 실리콘 막을 선택적으로 가열하여 표면 패시베이션을 개선하도록, 큰 조명 영역 고 강도 광(광자 에너지를 이용한 투광 조명 전력의 대부분이 반도체 밴드갭을 초과하는, 예를 들어, 결정성 실리콘 전지를 위한 1.1eV를 초과하는, 단일 파장 또는 광대역 또는 다중 파장 투광 조명 소스)이 존재하는 경우에, 스캐닝 펄스화 레이저 빔을 사용하는, 방법과 장치.

(수㎛ 내지 수백㎛ 두께 범위일 수 있는) SiN 또는 비정질 Si/SiN-코팅된 단결정 박막을 가열하여 표면 패시베이션을 개선하도록, 고 강도 광이 존재하는 경우에 스캐닝 속도 레이저 빔을 사용하는, 방법과 장치.

SiN 코팅된 n형 표면 또는 비정질 Si/SiN 코팅된 p형 표면의 정면 패시베이션을 개선하도록 모든 후면 접합 후면 접촉 상호 맞물림 금속배선 태양 전지에 사용되는, 방법과 장치.

(수㎛ 내지 수백㎛ 두께 범위일 수 있는) 단결정 실리콘 박막을 사용하는 SiN 코팅된 n형 표면 또는 비정질 Si/SiN 코팅된 p형 표면의 정면 패시베이션을 개선하도록 모든 후면 접촉 상호 맞물림 금속배선 태양 전지에 사용되는, 방법과 장치.

실리콘 표면 패시베이션이 향상되고 유효 벌크 소수 캐리어 수명이 향상되도록 비정질 실리콘 상의 SiN, 실리콘 산질화물, 또는 실리콘 탄화물을 포함하는, 실리콘 상의 단일 층 SiN 막 또는 실리콘 상의 이중층 막을 어닐링하도록 고 강도 광이 존재하는 경우에 스캐닝 펄스화 레이저 빔을 사용하는, 방법과 장치.

(하지층을 갖는 또는 갖지 않는) SiN 코팅된 다결정 실리콘 막을 선택적으로 가열하여 표면과 벌크 패시베이션이 향상되도록 큰 조명 영역 고 강도 광원(광자 에너지를 이용한 투광 조명 전력의 대부분이 반도체 밴드갭을 초과하는, 예를 들어, 일 실시예에서, 결정성 실리콘 전지를 위한 1.1eV를 초과하는, 단일 파장 또는 광대역 또는 다중 파장 투광 조명 소스)이 존재하는 경우에 스캐닝 펄스화 레이저 빔을 사용하는, 방법과 장치.

고 강도 광이 존재하는 스캐닝 펄스화 레이저 빔을 사용하여 (비정질 실리콘 등의 하층을 갖는 또는 하층을 갖지 않는) SiN 코팅된 단결정 또는 다결정 실리콘 막을 가열하여 표면 패시베이션을 향상시키며, 여기서, SiN과 하층은 약 90℃ 내지 250℃ 범위의 온도에서 증착되는, 방법과 장치.

당업자라면, 개시된 실시예들이 전술한 특정한 예들 외에도 다양한 분야와 관련 있음을 인식할 것이다.

예시적인 실시예들의 전술한 설명은 당업자가 청구 대상을 제조하거나 사용할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들을 다양하게 수정하는 것은 당업자에게 자명할 것이며, 본 명세서에서 정의되는 일반적인 원리는 획기적인 능력을 이용하지 않고서 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 따라서, 청구 대상은 본 명세서에서 예시한 실시예들로 한정하려는 것이 아니라, 본 명세서에서 개시하는 신규한 특징과 원리에 부합하는 가장 넓은 범위에 따른 것이다.

본 설명에 포함되는 이러한 모든 추가 시스템, 방법, 특징, 및 장점을 청구범위에 포함시키려는 것이다.

Claims (20)

1. 광기전 태양 전지(photovoltaic solar cell)의 효율을 개선하는 방법으로서,
   정면 상에 유전 패시베이션층을 갖는 결정성 반도체 기반 광기전 태양 전지를 제공하는 단계와,
   상기 결정성 반도체 기반 광기전 태양 전지의 정면에 펄스화 레이저 조사를 제공하여 상기 정면과 상기 패시베이션층을 선택적으로 그리고 우선적으로 가열하고, 상기 펄스화 레이저 조사에 의해 어닐링 공정이 상기 정면의 패시베이션 특성을 개선하는 단계와,
   상기 어닐링 공정 동안 상기 정면에서의 상기 펄스화 레이저 조사의 흡수를 증가시키는 넓은 조명 영역 고 강도 광(large illumination area high intensity light)을 제공하는 단계를 포함하는, 광기전 태양 전지의 효율 개선 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 반도체는 실리콘을 포함하는, 광기전 태양 전지의 효율 개선 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 실리콘은 단결정 실리콘을 포함하는, 광기전 태양 전지의 효율 개선 방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 실리콘은 다결정 실리콘을 포함하는, 광기전 태양 전지의 효율 개선 방법.
5. 제2항에 있어서, 상기 실리콘은 의사 단결정(quasi-mono-crystalline) 실리콘을 포함하는, 광기전 태양 전지의 효율 개선 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 패시베이션층은 실리콘 질화물을 포함하는, 광기전 태양 전지의 효율 개선 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 넓은 조명 영역 고 강도 광은 상기 결정성 반도체의 밴드갭 에너지를 초과하는 광자 에너지를 갖는, 광기전 태양 전지의 효율 개선 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 넓은 조명 영역 고 강도 광은 상기 결정성 반도체의 밴드갭 에너지에 가까운 광자 에너지를 갖는, 광기전 태양 전지의 효율 개선 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 넓은 조명 영역 고 강도 광은 1.1eV를 초과하는 광자 에너지를 갖는, 광기전 태양 전지의 효율 개선 방법.
10. 제1항에 있어서, 상기 넓은 조명 영역 고 강도 광은 녹색 파장 또는 청색 파장, 또는 가시 파장을 포함하는, 광기전 태양 전지의 효율 개선 방법.
11. 제1항에 있어서, 상기 넓은 조명 영역 고 강도 광은 적외선 파장을 포함하는, 광기전 태양 전지의 효율 개선 방법.
12. 제1항에 있어서, 상기 결정성 반도체 기반 광기전 태양 전지는, 베이스 영역과 이미터 영역에 접속하기 위한 상호 맞물림 후면 접합 금속배선(interdigitated back contact metallization)이 후면에 있는 모든 후면 접촉 후면 접합(all-back-contact back-junction) 태양 전지를 포함하는, 광기전 태양 전지의 효율 개선 방법.
13. 제1항에 있어서, 상기 패시베이션층은, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 실리콘 탄화물, 비정질 실리콘 상의 실리콘 질화물, 실리콘 산화물 상의 실리콘 질화물, 비정질 실리콘 상의 실리콘 산화물, 비정질 실리콘 산화물 상의 실리콘 질화물, 고 지수 실리콘 질화물 상의 저 지수 실리콘 질화물, 및 실리콘 산질화물 상의 실리콘 질화물로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는, 광기전 태양 전지의 효율 개선 방법.
14. 제12항에 있어서, 상기 패시베이션층은 90℃ 내지 250℃ 범위의 온도에서 증착되는, 광기전 태양 전지의 효율 개선 방법.
15. 제1항에 있어서, 상기 결정성 반도체 기반 광기전 태양 전지는 약 5㎛ 내지 100㎛ 범위의 두께를 갖는, 광기전 태양 전지의 효율 개선 방법.
16. 제1항에 있어서, 상기 결정성 반도체 기반 광기전 태양 전지는 에피택셜 실리콘 박막 태양 전지를 포함하는, 광기전 태양 전지의 효율 개선 방법.
17. 제16항에 있어서, 상기 에피택셜 박막 태양 전지는 약 10㎛ 내지 100㎛ 범위의 두께를 갖는, 광기전 태양 전지의 효율 개선 방법.
18. 제17항에 있어서, 상기 결정성 반도체 기반 광기전 태양 전지는 적층된 백플레인 상에서 지지되는, 광기전 태양 전지의 효율 개선 방법.
19. 제1항에 있어서, 상기 펄스화 레이저 조사는 상기 반도체의 밴드갭보다 큰 광자 에너지를 갖는, 광기전 태양 전지의 효율 개선 방법.
20. 제1항에 있어서, 상기 펄스화 레이저 조사는 상기 반도체의 밴드갭보다 작은 광자 에너지를 갖는, 광기전 태양 전지의 효율 개선 방법.

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