KR20140071478A - 규소 기판 내에 확산 영역을 형성하는 방법 - Google Patents
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Abstract
태양 전지를 제조하는 방법이 개시된다. 방법은 도펀트 소스를 포함하는 에칭-저항성 도펀트 재료를 규소 기판 상에 침착시키는 단계, 에칭-저항성 도펀트 재료의 비-열적 경화를 사용하여 에칭-저항성 도펀트 재료 내에 가교결합된 매트릭스를 형성하는 단계, 및 도펀트 소스가 규소 기판 내로 확산되도록 하기에 충분한 온도로 규소 기판 및 에칭-저항성 도펀트 재료를 가열하는 단계를 포함한다.
Description
연방 후원 연구 또는 개발에 관한 선언
미국 정부는 본 발명에 대한 지불 완료 실시권(paid-up license) 및 제한된 상황에서 특허권자에게 에너지국(DOE)에 의해 후원되는 DE-FC36-07GO17043의 조건에 의해 제공되는 바와 같은 합당한 조건에 따라 타인에게 허가할 것을 요구할 수 있는 권리를 갖는다.
본 명세서에 기술된 발명 요지의 실시예는 일반적으로 태양 전지(solar cell) 제조에 관한 것이다. 더 구체적으로, 발명 요지의 실시예는 얇은 규소 태양 전지 및 제조 기술에 관한 것이다.
태양 전지는 태양 방사선을 전기 에너지로 변환시키기 위한 주지된 장치이다. 이들은 반도체 처리 기술을 사용하여 반도체 웨이퍼 상에 제조될 수 있다. 태양 전지는 P-형 및 N-형 확산 영역을 포함한다. 태양 전지에 충돌하는 태양 방사선은 확산 영역으로 이동하는 전자들 및 정공들을 생성하고, 이로써 확산 영역들 사이에 전압차를 생성한다. 후면 접점(backside contact) 태양 전지에서, 확산 영역 및 이들에 결합된 금속 접촉 핑거(finger) 둘 모두는 태양 전지의 후면 상에 있다. 접촉 핑거는 외부 전기 회로가 태양 전지에 결합되게 하고 태양 전지에 의해 급전되게 한다.
따라서, 태양 전지를 제조하는 비용을 감소시키고 제조 공정을 개선하기 위한 기술이 일반적으로 바람직하다. 그러한 기술은 잉크-젯 인쇄(ink-jet printing)와 같은 공정을 통해 규소 기판 상에 도펀트(dopant)를 인쇄 및 경화시키는 단계를 포함한다. 이들 또는 다른 유사한 실시예가 본 발명의 배경 기술을 형성한다.
유사한 도면 부호가 도면 전체에 걸쳐 유사한 요소를 지칭하는 하기 도면과 관련하여 고려될 때, 상세한 설명 및 특허청구범위를 참조함으로써 발명 요지의 더욱 완전한 이해가 얻어질 수 있다.
<도 1 내지 도 9>
도 1 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조되는 태양 전지의 단면도.
<도 10 내지 도 17>
도 10 내지 도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따라 제조되는 태양 전지의 단면도.
<도 18 내지 도 31>
도 18 내지 도 31은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 제조되는 태양 전지의 단면도.
<도 1 내지 도 9>
도 1 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조되는 태양 전지의 단면도.
<도 10 내지 도 17>
도 10 내지 도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따라 제조되는 태양 전지의 단면도.
<도 18 내지 도 31>
도 18 내지 도 31은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 제조되는 태양 전지의 단면도.
하기 상세한 설명은 사실상 단지 예시적인 것이며, 발명 요지 또는 출원의 실시예 및 그러한 실시예의 사용을 제한하도록 의도되지 않는다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "예시적인"이라는 단어는 "예, 사례 또는 실례로서 역할하는 것"을 의미한다. 예시로서 본 명세서에 기술된 임의의 구현예는 반드시 다른 구현예에 비해 바람직하거나 유리한 것으로 해석되지는 않는다. 또한, 전술한 기술분야, 배경기술, 간략한 요약 또는 하기 상세한 설명에서 제시되는 임의의 표현된 또는 암시된 이론에 의해 제한되도록 하는 의도는 없다.
광기전 태양 전지(photovoltaic solar cell) 제조 공정 동안 규소 기판 내의 도핑된 확산 영역(doped diffusion region)의 형성을 단순화하기 위한 하나의 기술은 규소 기판 상에 잉크-젯 분배 도펀트를 포함한 인쇄 도펀트 페이스트(paste)를 사용하는 것이다. 인쇄 도펀트 페이스트는 이어서 광기전 태양 전지를 생성하는 단계에서 규소 기판 내에 도핑된 확산 영역을 생성하도록 도펀트 재료를 아래에 놓인 규소 내로 이동시키기 위해 가열될 수 있다. 소정의 인쇄 도펀트 페이스트는 열적으로 불안정하게 되어, 주위 환경으로의 도펀트 페이스트로부터 도펀트 재료의 탈기(outgassing)를 야기할 수 있다. 이는 결국 카운터도핑(counterdoping)을 유발할 수 있는데, 이 경우 주위 환경 내의 탈기된 도펀트는 규소 기판의 원하지 않는 영역 내에 재침착될 수 있다. 이러한 열적 불안정성은 환경의 온도가 상승될 때, 베이크(bake) 및 도펀트 이동 공정을 비롯한, 임의의 후-인쇄 가열 공정 동안 나타날 수 있다. 도펀트 페이스트에 대한 임의의 언급은 도핑 재료를 포함하는 임의의 유형의 현탁액 또는 용액을 지칭한다는 것에 유의하여야 한다. 물질이 페이스트일 필요는 없고, 액체, 용액, 현탁액, 고형물, 반-고형물 또는 임의의 다른 물리적 상태일 수 있다.
공정에 대한 개선은 열적 도펀트 이동 단계 전에 도펀트 페이스트 내에 가교결합된 매트릭스를 형성하도록 비-열적 경화(non-thermal cure) 공정을 수행하는 것일 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어, 이러한 공정은 도펀트 페이스트의 광-중합 또는 광-경화에 의한 도펀트 이동을 위한 가열 동안 열적-유발 질량-손실 현상 또는 탈기를 감소시킬 수 있다.
태양 전지를 제조하는 방법이 개시된다. 방법은 도펀트 소스(dopant source)를 포함하는 에칭-저항성 도펀트 재료(etch-resistant dopant material)를 규소 기판 상에 침착시키는 단계, 에칭-저항성 도펀트 재료의 비-열적 경화를 사용하여 에칭-저항성 도펀트 재료 내에 가교결합된 매트릭스를 형성하는 단계, 및 도펀트 소스가 규소 기판 내로 확산되도록 하기에 충분한 온도로 규소 기판 및 에칭-저항성 도펀트 재료를 가열하는 단계를 포함한다.
태양 전지를 제조하는 다른 방법이 개시된다. 방법은 광기전 태양 전지 구조물을 갖는 규소 기판 상에 도펀트 재료를 침착시키는 단계, 광-중합 공정을 통한 자외선 광에 대한 에칭-저항성 도펀트 재료의 비-열적 노출을 사용하여 도펀트 재료 내에 가교결합된 매트릭스를 형성하는 단계, 및 도펀트 소스가 규소 기판 내로 확산되도록 하기에 충분한 온도로 도펀트 재료의 규소 기판을 가열하는 단계를 포함한다.
태양 전지를 제조하는 또 다른 방법이 개시된다. 방법은 규소 기판의 표면 상에 얇은 유전체 층(dielectric layer)을 형성하는 단계, 얇은 유전체 층 위에 폴리실리콘 층을 형성하는 단계, 도펀트 소스 재료를 포함하는 에칭-저항성 도펀트 재료를 폴리실리콘 층 상에 침착시키는 단계, 에칭-저항성 도펀트 재료의 비-열적 경화를 사용하여 에칭-저항성 도펀트 재료 내에 가교결합된 매트릭스를 형성하는 단계, 도펀트 소스 재료가 폴리실리콘 층 내로 확산되는 온도로 에칭-저항성 도펀트 재료를 가열하는 단계, 및 폴리실리콘 층을 에칭하지 않고서 도펀트 소스 재료를 제거하도록 선택적으로 에칭하는 단계를 포함한다.
도 2 내지 도 6에 도시된 제조 공정과 관련하여 수행되는 다양한 작업은 도 7 내지 도 9와 같은 임의의 수의 추가적인 또는 대안적인 작업을 포함할 수 있다. 도 10 내지 도 17 및 도 18 내지 도 31에 도시된 제조 공정은 예시된 순서로 수행될 필요는 없으며, 본 명세서 상세히 기술되지 않은 추가적인 기능을 갖는 더욱 포괄적인 절차, 공정 또는 제조법 내에 통합될 수 있다.
도 1은 규소 기판(104)을 포함하는 태양 전지(100)를 예시한다. 태양 전지(100)는 규소 기판(104) 및 규소 기판(104)의 표면 상에 침착된 에칭-저항성 도펀트 재료(110, 112)를 포함한다. 에칭-저항성 도펀트 재료(110, 112)는 스크린 인쇄(screen printing), 잉크-젯 인쇄 및 스핀 코팅(spin coating)을 포함하지만 이로 제한되지 않는 다양한 기술을 통해 규소 기판(104) 상에 액체 또는 반-액체 형태로 분배될 수 있다. 에칭-저항성 도펀트 재료(110, 112)의 2개의 영역이 도시되어 있지만, 다른 실시예에서 더 많거나 더 적은 영역이 규소 기판(104) 상에 침착될 수 있다. 에칭-저항성 도펀트 재료(110, 112)는 마스킹된 패턴을 비롯한 반복적인 패턴으로 규소 기판(104) 상에 형성될 수 있다.
소정 실시예에서, 에칭-저항성 도펀트 재료(110, 112)의 각각의 침착은 용매, 예비-매트릭스(pre-matrix) 재료 및 도펀트 소스(120, 122)를 포함할 수 있다. 에칭-저항성 도펀트 재료(110, 112)의 다양한 실시예는 이들 성분 모두 또는 일부 선택뿐만 아니라 필요할 경우 다른 성분도 함유할 수 있다. 소정 실시예에서, 에칭-저항성 도펀트 재료(110, 112)는 2011년 9월 30일자로 출원된, 발명의 명칭이 "도펀트 잉크 조성물 및 그로부터 태양 전지를 제조하는 방법(DOPANT INK COMPOSITION AND METHOD OF FABRICATING A SOLAR CELL THERE FROM)"인 미국 특허 출원 제13/250,215호에 기술된 도펀트 재료에 개시된 것들과 유사한 특성을 가질 수 있다.
도펀트 소스(120, 122)는 포지티브형(positive-type) 도펀트 소스 또는 네거티브형(negative-type) 도펀트 소스를 포함하는 단일-극성 도펀트 소스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 포지티브형 도펀트 소스는 붕소 또는 붕소 복합물을 포함할 수 있는 반면, 네거티브형 도펀트 소스는 인 또는 인 복합물을 포함할 수 있다.
에칭 저항성 도펀트 재료로 지칭되지만, 도펀트 소스 및 전술된 다른 성분을 함유하는 도펀트 재료는 일부 실시예에서 에칭 저항 특성을 갖지 않고, 따라서 일부 실시예에서 도펀트 재료가 오직 도핑을 위해 사용되고 임의의 에칭 공정에서는 사용되지 않을 수 있다. 또한, 에칭 저항성으로 지칭될 때, 도펀트 재료는 단지 단일 유형의 에칭제(etchant)에 대해 저항성이면 된다. 일부 실시예에서, 에칭 저항성 도펀트 재료는 넓은 범위의 에칭제에 대해 저항성일 수 있다. 다른 실시예에서, 이는 몇 가지에 대해서만 저항성일 수 있다. 또한, 에칭 저항성 도펀트 재료는 일 유형의 에칭제에 대해 저항성인 동시에, 다른 유형의 에칭제에 대해서는 감수성(susceptible)일 수 있다. 따라서, 도펀트 재료 또는 에칭 저항성 도펀트 재료는 명세서 전체에 기술된 기능을 수행하기 위한 적절한 특성을 갖는 도펀트 재료를 지칭하도록 명세서 전체에 걸쳐 서로 교환가능하게 사용될 수 있다. 따라서, 에칭 저항성 도펀트 재료로 지칭되더라도, 적절한 도펀트 재료는 에칭 저항성이 요구되는지 또는 그렇지 않은지에 따라 원하는 실시예에 대해 선택될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
독립된 군으로의 에칭 저항성 도펀트 재료(110, 112)의 구성은 오직 도펀트 소스(120, 122)가 규소 기판 내로 이동되도록 의도된 하나의 구성 및 그에 따라 에칭-저항성 도펀트 재료(110, 112)가 분배될 수 있는 배열을 제안한다. 일부 실시예에서, 포지티브형 도펀트 소스가 에칭-저항성 도펀트 재료(110)의 위치에서 발견되고 네거티브형 도펀트 소스가 에칭 저항성 도펀트 재료(112)에서 발견되는 것이 가능하다. 네거티브형 도펀트 소스가 에칭-저항성 도펀트 재료(110)의 위치에 분배되고 포지티브형 도펀트 소스가 에칭-저항성 도펀트 재료(112)에 분배되는 반대의 경우가 또한 가능할 수 있다. 다른 실시예에서, 둘 모두의 에칭-저항성 도펀트 재료(110, 112)가 둘 모두 포지티브형 도펀트 소스 또는 네거티브형 도펀트 소스 중 단지 어느 하나만 함유하는 것이 가능하다.
형성된 태양 전지(100)는 본 명세서에 예시되고 기술된 것을 비롯한 임의의 많은 실시예에서 후방 접점, 후방 접합(back contact, back junction; BCBJ) 태양 전지일 수 있다. 태양 전지(100)가 임의의 수의 논의된 실시예를 가질 수 있지만, 본 명세서에 기술된 구조물로 제한되지 않는다.
도 2 내지 도 6은 규소 기판 상의 인쇄 도펀트를 사용하는 태양 전지 제조 공정의 순차적인 단계들에서의 태양 전지(100)의 처리를 추가로 예시한다.
도 2 및 도 3은 규소 기판(104) 상에 가교결합된 매트릭스(130)를 형성하는 에칭-저항성 도펀트 재료(110, 112)의 비-열적 경화를 예시한다.
에칭-저항성 도펀트 재료(110, 112)의 비-열적 경화(150)는 에칭-저항성 도펀트 재료(110, 112)의 침착 후에 수행될 수 있다. 비-열적 경화(150)는 규소 기판(104) 상에 가교결합된 매트릭스(130)를 형성하는 동안 에칭-저항성 도펀트 재료(110, 112)가 상변화되게 할 수 있다. 일부 실시예에서, 가교결합된 매트릭스(130)를 형성하는 에칭-저항성 도펀트 재료(110, 112)의 비-열적 경화(150)는 에칭-저항성 도펀트 재료(110, 112)를 비-적외선 전자기 방사선에 노출시키는 단계를 포함할 수 있다. 비-적외선 전자기 방사선에 대한 노출은 자외선 광에 대한 에칭-저항성 도펀트 재료(110, 112)의 노출을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 비-열적 경화(150)는 가시 스펙트럼 내의 광에 대한 에칭-저항성 도펀트 재료(110, 112)의 노출을 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 비-열적 경화(150)는 380 내지 760 나노미터의 파장을 갖는 전자기(EM) 방사선 - 펄스, 플래시 또는 변화하는 세기와 같은 그러한 EM 방사선의 시퀀스를 포함함 - 에 대한 에칭-저항성 도펀트 재료(110, 112)의 노출을 포함할 수 있다. 소정 실시예에서, 시퀀스는 동일한 파장의 EM 방사선의 반복을 포함할 수 있는 반면, 다른 실시예에서는, 몇몇 상이한 파장의 EM 방사선이 동일한 시퀀스로 사용될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 에칭-저항성 도펀트 재료(110, 112)의 비-열적 경화(150)는 에칭-저항성 도펀트 재료(110, 112)를 향해 음파를 전송하고, 이로써 규소 기판(104) 상의 에칭-저항성 도펀트 재료(110, 112) 내에 가교결합된 매트릭스(130)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
도 3은 규소 기판(104) 상에 형성된 에칭-저항성 도펀트 재료(110, 112) 내의 가교결합된 매트릭스(130)로 인한 도펀트 소스(120, 122)의 정렬된 구조를 예시한다. 직선 그리드로서 예시되어 있지만, 도펀트 재료(110, 112) 내에 존재하는 가교결합된 매트릭스(130)는 비-열적 경화 단계(150) 및 도펀트 재료(110, 112)의 조성으로 인한 임의의 배열을 형성할 수 있다. 따라서, 소정 실시예에서, 예로서 결정 구조가 형성될 수 있다. 또한, 도펀트 소스(120, 122)가 가교결합된 매트릭스(130) 내에서 정점들에 배열된 것으로 예시되어 있지만, 도펀트 소스(120, 122)는 침입형으로(interstitially) 배열되거나, 가교결합된 매트릭스(130)와 접합되거나 그에 결합되거나 그와 일체로 되지 않고서 달리 도펀트 재료(110, 112) 내에 존재할 수 있다. 또한, 가교결합된 매트릭스(130)는 물리적 배열일 필요는 없으며, 대신에 도펀트 재료(110, 112) 내에서 공유 결합과 같은 화학적 결합으로 형성될 수 있으며, 이 경우 그러한 결합은 비-열적 경화 단계(150)의 결과로 형성된다. 따라서, 가교결합된 매트릭스(130)는 소용돌이형, 나선형 또는 다른 구조적 배열 - 그러한 구조들 사이의 결합 또는 연결을 포함한 - 을 포함할 수 있다.
도 4 내지 도 6은 도펀트 소스가 규소 기판(104) 내로 확산(140, 142)되도록 하기에 충분한 온도로 규소 기판(104) 및 에칭-저항성 도펀트 재료(110, 112)를 가열(160)하는 단계를 예시한다. 그러한 확산은 규소 격자 내로의 도펀트 소스(120)의 침입형 치환을 포함할 수 있다. 소정 실시예에서, 규소 기판(104)은 이어서 규소 기판(104)을 에칭하지 않고서 에칭-저항성 도펀트 재료(110, 112)를 제거하도록 선택적으로 에칭될 수 있다.
도 4는 도펀트 소스(120, 122)가 규소 기판(104) 내로 확산되도록 하는 규소 기판(104) 상에서의 에칭-저항성 도펀트 재료(110, 112)의 열적 가열(160)을 예시한다. 열적 가열(160)은 400℃ 이상, 최대 1200℃ 사이의 임의의 온도인 제1 온도로 규소 기판(104) 상의 에칭-저항성 도펀트 재료(110, 112)의 온도를 상승시키는 단계를 포함할 수 있다. 소정 실시예에서, 도펀트 확산을 달성하기 위해 임의의 원하는 시간 길이 동안 온도를 임의의 원하는 온도로 상승 및 하강시키는 열적 사이클링(thermal cycling)이 사용될 수 있다. 이러한 공정은 규소 기판(104) 내로의 도펀트 소스(120, 122)의 가장 균일한 확산을 얻기 위해 최적화된 특정 온도 프로파일을 사용하여 수행될 수 있다. 도펀트 소스(120, 122)는 확산 영역(140, 142) 내에서 입방 센티미터당 1 × 1017개 원자 이상의 농도를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 확산 영역(140, 142) 내에 더 높거나 더 낮은 도펀트 소스(120, 122) 농도가 존재할 수 있다. 침입형 또는 치환 확산을 비롯한 이러한 기술을 사용하여 규소 기판(104) 또는 다른 목표 표면의 임의의 유형의 도핑이 달성될 수 있다.
도 5는 열적 가열(160)을 수행한 후의 규소 기판(104) 내로의 도펀트 소스(120, 122)의 확산을 예시한다. 도 5에 도시된 도펀트 소스(120, 122)는 확산 영역(140, 142) 내에 대응하는 극성을 생성하는 포지티브형 도펀트 소스 또는 네거티브형 도펀트 소스를 포함하는 단일-극성 도펀트 소스를 포함할 수 있다.
도 6은 후속 단계를 예시하며, 여기서 규소 기판(104)은 확산 영역(140, 142)을 포함하여 규소 기판(104)을 에칭하지 않고서 에칭-저항성 도펀트 재료(110, 112)를 제거하도록 선택적으로 에칭된다. 에칭-저항성 도펀트 재료(110, 112)가 제거됨에 따라, 태양 전지(100)는 적어도 규소 기판(104)과 확산된 영역(140, 142)을 포함하지만, 더 이후의 처리 단계들이 또한 그러할 수 있듯이 더 이전의 처리 단계들이 부가된 다른 구조물을 가질 수도 있다.
도 7 내지 도 9는 감소된 에칭-저항성 도펀트 재료(170, 172) 내에 가교결합된 매트릭스(130)를 형성한 후에 에칭-저항성 도펀트 재료를 200℃ 이상으로 가열함으로써 에칭-저항성 도펀트 재료(110, 112) 내의 용매의 체적을 감소시키는 단계가 수행되는 대안적인 실시예를 예시한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 에칭-저항성 도펀트 재료(110, 112)의 감소된 체적은 에칭-저항성 도펀트 재료(110, 112)를 포함하여 규소 기판(104)을 가열함으로써 유발될 수 있다. 소정 실시예에서, 용매의 제거는 가교결합된 매트릭스(130)의 구조를 변경시키지 않고서 달성될 수 있다. 도 8 및 도 9는 상기 도 5에 도시된 것과 유사한 후속 확산 단계, 및 상기 도 6에 도시된 것과 유사한 도펀트 재료 제거 단계를 예시한다.
도 10은 규소 기판(204) 상부의 얇은 유전체 층(270)이 형성된 태양 전지(200)의 실시예를 예시한다. 달리 지시되지 않는 한, 도 10 내지 도 17의 구성요소는 그 구성요소를 지칭하는 데 사용된 도면 부호가 100만큼 증가된 것을 제외하고는, 도 1 내지 도 9를 참조하여 전술된 것과 유사하다. 규소 기판(204) 아래에 반사-방지 코팅(anti-reflective coating, ARC)(280)이 있을 수 있다. 태양 전지 구조물의 이들 및 다른 요소는 태양 전지(200)의 제조 동안 다양한 시점에 태양 전지(200)의 각 측면 상에 존재할 수 있다. 따라서, 확산 영역의 형성은 제조 공정에서 임의의 적절한 배치 동안 이루어질 수 있다. 따라서, 에칭-저항성 도펀트 재료(210, 212)는 유전체 층(270)의 표면 상에 침착될 수 있다. 에칭-저항성 도펀트 재료(210, 212)는 실란, 사이클로실란, 및 실록산을 포함하는 화학물질 군의 하나를 포함할 수 있다.
도 11은 자외선 광(250)에 대한 에칭-저항성 도펀트 재료(210, 212)의 노출을 예시한다. 자외선 광(250)은 에칭-저항성 도펀트 재료(210, 212)에서 상변화를 유발하여, 광-중합 공정을 통한 가교결합된 매트릭스(230)의 형성을 유발한다. 일 실시예에서, 가교결합된 매트릭스(130)를 형성하는 에칭-저항성 도펀트 재료(210, 212)의 자외선 광 노출(250)은 에칭-저항성 도펀트 재료(210, 212)를 8 내지 400 나노미터의 파장을 갖는 전자기 방사선에 노출시키는 단계를 포함할 수 있다. UV 노출은 임의의 원하는 기간 동안 지속될 수 있지만, 대량 생산 동안의 처리량 목적을 위해, 충분한 가교결합된 매트릭스 형성을 달성하는 노출의 보다 짧은 지속기간이 상대적으로 더 긴 지속기간과 비교할 때 유리할 수 있다. 자외선 광에 대한 노출(250)은 아크릴레이트 중합, 양이온성 중합, 티올렌 화학물질 적용 및 하이드로실란 첨가와 같은 경화 단계를 유발할 수 있다.
도 12는 유전체 층(270) 상에 형성된 에칭-저항성 도펀트 재료(210, 212) 내의 가교결합된 매트릭스(230)를 예시한다.
도 13은 에칭-저항성 도펀트 재료(210, 212)를 열적으로 가열(260)하고, 이로써 도펀트 소스(220, 222)가 규소 기판(204) 내로 확산되게 하는 것을 예시한다.
도 14는 열적 가열(260)을 수행 후에 도펀트 소스(220, 222)가 규소 기판(204) 내로 확산되어 확산된 영역(240, 242)을 생성한 것을 예시한다.
도 15는 에칭-저항성 도펀트 재료(210, 212) 내에 가교결합된 매트릭스(230)를 형성한 후에 에칭-마스크(etch-mask)로서 에칭-저항성 도펀트 재료(210, 212)를 사용하는 규소 기판(204)의 에칭 단계를 추가로 포함하는 태양 전지(204)의 실시예를 예시한다. 결과는 확산된 영역(240)과 확산된 영역(242) 사이에 전위 장벽으로서 작용할 수 있는 도 15에서 볼 수 있는 에칭 제거되어 노출된 영역(290)이다. 수행된 에칭의 유형은 유전체 층(270)을 에칭하도록 선택될 수 있다. 유사하게, 아래에 놓인 규소 기판(204)은 에칭제 및 에칭 조(bath) 지속기간에 따라 추가적으로 에칭될 수 있다. ARC(280) 층은 실시예에 대해 요구되는 대로 에칭되거나 그렇지 않을 수 있다.
도 16은 규소 기판(204)을 추가로 에칭하지 않고서 에칭-저항성 도펀트 재료(210, 212)를 제거하기 위한 선택적 에칭 공정을 수행한 결과로서의 태양 전지(200)를 예시한다. 에칭-저항성 재료가 제거됨에 따라, 태양 전지(200)는 규소 기판(204) 내의 에칭 제거되어 노출된 영역에 의해 분리된 확산된 영역(240) 및 확산된 영역(242)으로 구성된다.
도 17은 에칭-저항성 도펀트 재료(210, 212) 내에 가교결합된 매트릭스(230)를 형성한 후에 에칭-마스크로서 에칭-저항성 도펀트 재료(210, 212)를 사용하여 규소 기판(204)을 에칭하는 단계가 규소 기판(204), 유전체 층(270) 또는 태양 전지(200) 상에 존재하는 임의의 다른 구조물을 손상시키지 않는 실시예를 예시한다. 그러한 에칭은 명료함을 위해 도시되지 않은 태양 전지(200)의 다른 구조적 요소들을 추가로 처리하기 위해 사용될 수 있다.
도 18은 규소 기판(304)의 상부에 형성된 유전체 층(370)을 갖고서 형성된 태양 전지(300)를 예시한다. 달리 지시되지 않는 한, 도 18 내지 도 24의 구성요소는 그 구성요소를 지칭하는 데 사용된 도면 부호가 100만큼 증가된 것을 제외하고는, 도 10 내지 도 17을 참조하여 전술된 것과 유사하다. 태양 전지(300)의 소정 실시예에서, 폴리실리콘 층(380)이 유전체 층(370)의 상부에 형성될 수 있다. 에칭-저항성 도펀트 재료(310, 312)가 폴리실리콘 층(380)의 표면 상에, 도 1을 참조하여 전술된 바와 같이, 예컨대 잉크-젯 또는 다른 분배에 의해 침착될 수 있다. 에칭-저항성 도펀트 재료(310, 312)는 도펀트 소스(320, 322)를 포함할 수 있다.
도 19 및 도 20을 참조하면, 에칭-저항성 도펀트 재료(310, 312)의 비-열적 경화(350)는 규소 기판(304) 상에 가교결합된 매트릭스(330)를 형성하도록 수행될 수 있다. 도 21은 폴리실리콘 층(380) 상에 형성된 에칭-저항성 도펀트 재료(310, 312) 내의 가교결합된 매트릭스(330)로 인한 도펀트 소스(320, 322)의 정렬된 구조를 예시한다.
도 22 내지 도 24는 에칭-저항성 도펀트 재료(310, 312) 및 폴리실리콘 층(380)을 포함하는 태양 전지(300)를 도펀트 소스가 도 1 내지 도 9를 참조하여 전술된 바와 같이 규소 기판(304) 내로 확산되도록 하기에 충분한 온도로 가열(360)하는 단계를 예시한다. 이러한 공정은 폴리실리콘 층(380) 내로의 도펀트 소스(320, 322)의 확산의 균일성을 위해, 또는 규소 기판(304) 내에서의 도펀트 소스(320, 322)의 원하는 농도에 도달하여 확산 영역을 형성하도록 최적화된 특정 온도 프로파일을 사용하여 수행될 수 있다. 후속하여, 태양 전지(300)는 규소 기판(304)을 에칭하지 않고서 에칭-저항성 도펀트 재료(310, 312)를 제거하도록 에칭될 수 있다.
도 25 및 도 26은 에칭-저항성 도펀트 재료(310, 312)를 열적으로 가열(360)한 후에 에칭-마스크로서 에칭-저항성 도펀트 재료(310, 314)를 사용하여 폴리실리콘 층(380)을 에칭하는 단계를 예시한다. 소정 실시예에서, 유전체 층(370)이 유사하게 에칭될 수 있다. 결과는 확산된 영역들(340, 342) 사이에 전위 장벽으로서 작용하는 에칭 제거되어 노출된 영역(390)이다. 에칭-저항성 도펀트 재료(310, 312)는 후속하여 폴리실리콘 층(380)으로부터 세척 또는 에칭될 수 있다.
도 27은 에칭-저항성 도펀트 재료(310, 312)가 폴리실리콘 층(380) 상에 상호맞물린 접점 핑거(interdigitated contact finger)(400)의 배열로 분배될 수 있는 태양 전지(300)의 대안적인 실시예를 예시한다. 다른 실시예에서, 상호맞물린 접점 핑거(400)는 규소 기판(304) 상에 직접 형성될 수 있는 반면, 또 다른 실시예에서, 상호맞물린 접점 핑거(400)는 유전체 층 또는 기판(304) 상에 형성된 다른 태양 전지 구조물 상에 형성될 수 있다.
도 28 내지 도 31은 에칭-마스크로서 에칭-저항성 도펀트 재료(310, 312)를 사용하여 폴리실리콘 층(380)을 에칭하는 단계가 가교결합된 매트릭스(330)의 형성 후에 수행되는 태양 전지(300)의 대안적인 실시예를 예시한다. 이러한 단계 후에 도펀트 소스(320, 322)를 폴리실리콘 층(380) 내로 확산시키는 에칭-저항성 도펀트 재료(310, 312)의 열적 가열(360)이 이어질 수 있다. 폴리실리콘 층(380)은 이어서 도 26에서 볼 수 있는 바와 같이 폴리실리콘 층(380)을 에칭하지 않고서 에칭-저항성 도펀트 재료(310, 312)를 제거하기 위해 선택적 에칭제에 노출될 수 있다. 다른 실시예에서, 폴리실리콘 층(380)은 에칭-저항성 도펀트 재료(310, 312)는 제거하면서 또한 폴리실리콘 층(380)을 에칭하여 확산 영역들(340, 342) 사이에 전위 장벽을 형성할 수 있는 노출된 영역(390)을 형성하도록 에칭제에 노출될 수 있다. 에칭-저항성 도펀트 재료(310, 312)는 폴리실리콘 층(380)으로부터 후속하여 세척 또는 에칭되어 도 26의 실시예에 예시된 태양 전지 구조물을 형성할 수 있다.
도 31은 태양 전지의 다른 실시예를 예시한다. 태양 전지 제조의 일부 실시예에서, 에칭-저항성 도펀트 재료(310, 312)의 에칭 또는 세척(도펀트 재료(310, 312)의 에칭-저항성 특성에 대항하는 효력을 위해 선택된 에칭제의 사용을 포함함)에 의해 에칭 제거되어 노출된 영역(410)은 사용된 에칭제 및 에칭제 농도에 따라 유전체 층을 통해 에칭되고 규소 기판(304)에 도달하여 에칭할 수 있다. 따라서, 도 31에 예시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 노출된 영역(410)은 유전체 층(370)을 통해 연장될 수 있다. 소정 실시예에서, 구조적 형성이 노출된 영역(410)에서 이루어져, 랜덤하게 텍스처화된 패턴(randomly-texturized pattern)을 형성할 수 있다.
제조 공정 동안 폴리실리콘 층(380), 유전체 층(370) 또는 규소 기판(304) 중 임의의 것을 에칭하는 단계는 에칭-저항성 도펀트 재료(310, 312)의 침착 후에 전체 공정의 임의의 단계에서 수행될 수 있다. 따라서, 재료 자체가 에칭-마스크로서 작용할 수 있다. 일부 실시예에서, 원하는 에칭-저항성 특성은 가교결합된 매트릭스가 형성되는 비-열적 경화 단계 전에 존재할 수 있다. 다른 실시예에서, 도펀트 재료는 용매 제거 후에, 도펀트를 유전체 층, 규소 기판 또는 폴리실리콘 층 내로 이동시킨 후에, 임의의 수의 다른 공정 단계들 후에, 이것이 에칭-저항성 도펀트 재료의 제거 전에 이루어지는 한, 에칭 마스크로서 작용할 수 있다. 따라서, 에칭-저항성 도펀트 재료는 임의의 원하는 공정 단계에서 에칭을 위한 마스크로서 작용하여, 본 명세서에 예시된 임의의 태양 전지 구조물의 형성에 기여하거나 기술된 기술을 사용하여 제조가능할 수 있다.
그러나, 일부 실시예에서, 에칭-저항성 도펀트 재료(310, 312)는 에칭 마스크로서 사용될 필요가 전혀 없다. 에칭-저항성 도펀트 재료는 오직 도펀트 소스로서 사용될 수 있으며, 그 후에 다른 특징부를 에칭하는 역할을 수행하지 않고서 태양 전지 구조물로부터 제거된다. 일부 실시예에서, 도펀트 재료는 에칭-저항성이든 그렇지 않든 간에 태양 전지 상에 잔류하여 이미터(emitter) 또는 접점 구조물 내에 통합될 수 있다.
태양 전지 제조 공정과 관련하여 수행되는 다양한 작업은 임의의 수의 추가적인 또는 대안적인 작업을 포함할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 도 1 내지 도 31에 도시된 작업은 예시된 순서로 수행될 필요는 없으며, 추가적인 단계가 본 명세서에 상세히 기술되지 않은 추가적인 기능을 갖는 더욱 포괄적인 절차 또는 공정 내에 통합될 수 있다.
전술한 상세한 설명에서 적어도 하나의 예시적인 실시예가 제시되었지만, 매우 많은 수의 변형례가 존재한다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 본 명세서에 기술된 예시적인 실시예 또는 실시예들이 청구된 발명 요지의 범주, 적용가능성, 또는 구성을 어떠한 방식으로도 제한하도록 의도되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 오히려, 전술한 상세한 설명은 기술된 실시예 또는 실시예들을 구현하기 위한 편리한 지침을 당업자에게 제공할 것이다. 본 특허 출원의 출원 시점에 공지된 등가물 및 예측가능한 등가물을 포함하는 특허청구범위에 의해 한정되는 범주를 벗어나지 않고서 요소들의 기능 및 배열에 다양한 변경이 행해질 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
Claims (28)
- 태양 전지(solar cell)를 제조하는 방법으로서,
도펀트 소스(dopant source)를 포함하는 에칭-저항성 도펀트 재료(etch-resistant dopant material)를 규소 기판 상에 침착시키는 단계;
에칭-저항성 도펀트 재료의 비-열적(non-thermal) 경화를 사용하여 에칭-저항성 도펀트 재료 내에 가교결합된 매트릭스를 형성하는 단계; 및
도펀트 소스가 규소 기판 내로 확산되도록 하기에 충분한 온도로 규소 기판 및 에칭-저항성 도펀트 재료를 가열하는 단계를 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서, 에칭-저항성 도펀트 재료의 비-열적 경화를 사용하여 에칭-저항성 도펀트 재료 내에 가교결합된 매트릭스를 형성하는 단계는 규소 기판 상의 에칭-저항성 도펀트 재료가 액체로부터 고체로 상변화되게 하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 에칭-저항성 도펀트 재료의 비-열적 경화를 사용하여 에칭-저항성 도펀트 재료 내에 가교결합된 매트릭스를 형성하는 단계는 에칭-저항성 도펀트 재료를 비-적외선 전자기 방사선에 노출시키는 단계를 포함하는, 방법.
- 제3항에 있어서, 에칭-저항성 도펀트 재료를 비-적외선 전자기 방사선에 노출시키는 단계는 에칭-저항성 도펀트 재료를 자외선 광에 노출시키는 단계를 포함하는, 방법.
- 제3항에 있어서, 에칭-저항성 도펀트 재료를 비-적외선 전자기 방사선에 노출시키는 단계는 에칭-저항성 도펀트 재료를 380 내지 760 나노미터의 파장을 갖는 전자기 방사선 또는 가시 스펙트럼으로부터의 광으로 노출시키는 단계를 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 에칭-저항성 도펀트 재료의 비-열적 경화를 사용하여 에칭-저항성 도펀트 재료 내에 가교결합된 매트릭스를 형성하는 단계는 에칭-저항성 도펀트 재료를 향해 음파를 전송하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 에칭-저항성 도펀트 재료를 침착시키는 단계는 에칭-저항성 도펀트를 규소 기판 상에 액체 형태로 분배하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제7항에 있어서, 에칭-저항성 도펀트 재료를 분배하는 단계는 에칭-저항성 도펀트 재료를 규소 기판 상으로 스크린 인쇄(screen printing)하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제7항에 있어서, 에칭-저항성 도펀트 재료를 분배하는 단계는 에칭-저항성 도펀트 재료를 규소 기판 상으로 잉크-젯 인쇄(ink-jet printing)하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제7항에 있어서, 에칭-저항성 도펀트 재료를 분배하는 단계는 에칭-저항성 도펀트 재료를 규소 기판 상으로 스핀 코팅(spin coating)하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 도펀트 소스를 포함하는 에칭-저항성 도펀트 재료를 규소 기판 상으로 분배하는 단계는 단일-극성 도펀트 소스를 포함하는 도펀트 재료를 규소 기판 상으로 분배하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제11항에 있어서, 단일-극성 도펀트 소스를 포함하는 도펀트 재료를 규소 기판 상으로 분배하는 단계는 포지티브형(positive-type) 도펀트를 규소 기판 상으로 분배하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제11항에 있어서, 단일-극성 도펀트 소스를 포함하는 도펀트 재료를 규소 기판 상으로 분배하는 단계는 네거티브형(negative-type) 도펀트를 규소 기판 상으로 분배하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 규소 기판을 에칭하지 않고서 도펀트 소스 재료를 제거하도록 규소 기판을 선택적으로 에칭하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 에칭-저항성 도펀트 재료 내에 가교결합된 매트릭스를 형성한 후에 에칭-저항성 도펀트 재료를 400℃ 이상으로 가열함으로써 에칭-저항성 도펀트 재료 내의 용매의 양을 감소시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
- 제1항의 방법에 따라 제조되는 태양 전지.
- 태양 전지를 제조하는 방법으로서,
광기전 태양 전지(photovoltaic solar cell) 구조물을 갖는 규소 기판 상에 도펀트 재료를 침착시키는 단계;
광-중합 공정을 통한 자외선 광에 대한 도펀트 재료의 비-열적 노출을 사용하여 도펀트 재료 내에 가교결합된 매트릭스를 형성하는 단계; 및
도펀트 소스가 규소 기판 내로 확산되도록 하기에 충분한 온도로 도펀트 재료의 규소 기판을 가열하는 단계를 포함하는, 방법. - 제17항에 있어서, 자외선 광에 대한 도펀트 재료의 비-열적 노출을 사용하여 도펀트 재료 내에 가교결합된 매트릭스를 형성하는 단계는 도펀트 재료를 8 내지 400 나노미터의 파장을 갖는 전자기 방사선에 노출시키는 단계를 포함하는, 방법.
- 제17항에 있어서, 자외선 광에 대한 도펀트 재료의 비-열적 노출을 사용하여 도펀트 재료 내에 가교결합된 매트릭스를 형성하는 단계는 광-중합 공정 동안 도펀트 재료의 액체로부터 고체로의 상변화를 형성하도록 도펀트 재료를 자외선 광에 노출시키는 단계를 포함하는, 방법.
- 제17항에 있어서, 자외선 광에 대한 도펀트 재료의 비-열적 노출을 사용하여 도펀트 재료 내에 가교결합된 매트릭스를 형성하는 단계는 아크릴레이트 중합, 양이온성 중합, 티올렌 화학물질 적용 및 하이드로실란 첨가를 포함하는 군으로부터 선택된 경화 단계를 수행하도록 도펀트 재료를 노출시키는 단계를 포함하는, 방법.
- 제17항에 있어서, 도펀트 재료를 침착시키는 단계는 실란, 사이클로실란 및 실록산을 포함하는 군으로부터 선택된 화학 구조를 포함하는 화학물질 군을 침착시키는 단계를 포함하는, 방법.
- 제17항에 있어서, 도펀트 재료 내에 가교결합된 매트릭스를 형성한 후에 에칭-마스크(etch-mask)로서 도펀트 재료를 사용하여 규소 기판을 에칭하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
- 제22항에 있어서, 규소 기판을 에칭하는 단계는 규소 기판의 광기전 태양 전지 구조물의 적어도 일부를 에칭하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제17항의 방법에 따라 제조되는 태양 전지.
- 태양 전지를 제조하는 방법으로서,
규소 기판의 표면 상에 얇은 유전체 층(dielectric layer)을 형성하는 단계;
얇은 유전체 층 위에 폴리실리콘 층을 형성하는 단계;
도펀트 소스 재료를 포함하는 에칭-저항성 도펀트 재료를 폴리실리콘 층 상에 침착시키는 단계;
에칭-저항성 도펀트 재료의 비-열적 경화를 사용하여 에칭-저항성 도펀트 재료 내에 가교결합된 매트릭스를 형성하는 단계; 및
도펀트 소스 재료가 폴리실리콘 층 내로 확산되는 온도로 에칭-저항성 도펀트 재료를 가열하는 단계를 포함하는, 방법. - 제25항에 있어서, 에칭-마스크로서 에칭-저항성 도펀트 재료를 사용하여 폴리실리콘 층을 에칭하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
- 제25항에 있어서, 에칭-저항성 도펀트 재료를 침착시키는 단계는 에칭-저항성 도펀트 재료를 규소 기판 상에 복수의 상호맞물린 접점 핑거(interdigitated contact finger)로 분배하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제25항의 방법에 따라 제조되는 태양 전지.
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