KR20150097598A - N형 도핑된 규소 나노 입자들을 사용한 태양 전지 이미터 영역 제조 - Google Patents

N형 도핑된 규소 나노 입자들을 사용한 태양 전지 이미터 영역 제조 Download PDF

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Abstract

N형 도핑된 규소 나노 입자들을 사용한 태양 전지 이미터 영역의 제조 방법 및 생성된 태양 전지가 기술된다. 일례에서, 태양 전지의 이미터 영역의 제조 방법은 태양 전지의 기판의 제1 표면 상에 N형 도핑된 규소 나노 입자들의 복수의 영역들을 형성하는 단계를 포함한다. N형 도핑된 규소 나노 입자들의 복수의 영역들 상에 그리고 N형 도핑된 규소 나노 입자들의 영역들 사이에서의 기판의 제1 표면 상에 P형 도펀트-함유 층이 형성된다. P형 도펀트-함유 층의 적어도 일부분이 N형 도핑된 규소 나노 입자들의 복수의 영역들 각각의 적어도 일부분과 혼합된다.

Description

N형 도핑된 규소 나노 입자들을 사용한 태양 전지 이미터 영역 제조{SOLAR CELL EMITTER REGION FABRICATION USING N-TYPE DOPED SILICON NANO-PARTICLES}
본 발명의 실시예들은 재생가능한 에너지의 분야에 관한 것이고, 특히, N형 도핑된 규소 나노 입자들을 사용한 태양 전지 이미터 영역(solar cell emitter region)들의 제조 방법들 및 생성된 태양 전지들에 관한 것이다.
통상 태양 전지로서 알려진 광전지(photovoltaic cell)는 전기 에너지로의 태양 방사선의 직접 변환을 위한 잘 알려진 장치이다. 일반적으로, 태양 전지는 기판(substrate)의 표면 부근에 p-n 접합을 형성하기 위해 반도체 처리 기술을 사용하여 반도체 웨이퍼(semiconductor wafer) 또는 기판 상에 제조된다. 기판의 표면 상에 충돌하여 기판 내로 유입되는 태양 방사선은 기판의 대부분에 전자 및 정공 쌍을 생성한다. 전자 및 정공 쌍은 기판 내의 p-도핑된(doped) 영역 및 n-도핑된 영역으로 이동하며, 이로써 도핑된 영역들 사이의 전압차를 발생시킨다. 도핑된 영역은 전지로부터 전지에 결합되어 있는 외부 회로로 전류를 지향시키기 위해 태양 전지 상의 전도성 영역에 연결된다.
효율은, 그것이 태양 전지의 발전 능력에 직접 관련되기 때문에, 태양 전지의 중요한 특성이다. 마찬가지로, 태양 전지의 제조에서의 효율은 그러한 태양 전지의 비용 효율성에 직접 관련된다. 따라서, 일반적으로, 태양 전지의 효율을 증가시키기 위한 기술, 또는 태양 전지의 제조에서의 효율을 증가시키기 위한 기술이 바람직하다. 본 발명의 일부 실시예는 태양 전지 구조물을 제조하기 위한 신규한 공정을 제공함으로써 증가된 태양 전지 제조 효율을 허용한다. 본 발명의 일부 실시예는 신규한 태양 전지 구조물을 제공함으로써 증가된 태양 전지 효율을 허용한다.
도 1a 내지 도 1e 및 도 1e'는 본 발명의 일 실시예에 따른, 태양 전지의 제조에서의 다양한 단계들의 단면도.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 태양 전지의 제조에서의 다양한 단계들의 단면도.
N형 도핑된 규소 나노 입자들을 사용한 태양 전지 이미터 영역의 제조 방법 및 생성된 태양 전지가 본 명세서에 기술된다. 하기 설명에서, 본 발명의 실시예의 완전한 이해를 제공하기 위해, 특정 공정 흐름 작업과 같은 다수의 특정 상세 사항이 기재된다. 본 발명의 실시예가 이들 특정 상세 사항 없이도 실시될 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 다른 예에서, 리소그래피(lithography) 및 패턴화(patterning) 기술과 같은 주지된 제조 기술은 본 발명의 실시예를 불필요하게 모호하게 하지 않도록 상세히 기술되지 않는다. 또한, 도면에 도시된 다양한 실시예가 예시적인 표현이고, 반드시 축척대로 그려진 것은 아니라는 것을 이해하여야 한다.
태양 전지의 제조 방법이 본 명세서에 개시된다. 일 실시예에서, 태양 전지의 이미터 영역의 제조 방법은 태양 전지의 기판의 제1 표면 상에 N형 도핑된 규소 나노 입자들의 복수의 영역들을 형성하는 단계를 포함한다. N형 도핑된 규소 나노 입자들의 복수의 영역들 상에 그리고 N형 도핑된 규소 나노 입자들의 영역들 사이에서의 기판의 제1 표면 상에 P형 도펀트-함유 층이 형성된다. P형 도펀트-함유 층의 적어도 일부분이 N형 도핑된 규소 나노 입자들의 복수의 영역들 각각의 적어도 일부분과 혼합된다. 다른 실시예에서, 태양 전지의 이미터 영역의 제조 방법은 태양 전지의 기판의 제1 표면 상에 N형 도핑된 규소 나노 입자들의 복수의 영역들을 형성하는 단계를 포함한다. N형 도핑된 규소 나노 입자들의 복수의 영역들 상에 그리고 N형 도핑된 규소 나노 입자들의 영역들 사이에서의 기판의 제1 표면 상에 P형 도펀트-함유 층이 형성된다. P형 도펀트-함유 층 상에 내에칭성(etch resistant) 층이 형성된다. 제1 표면의 반대편의 기판의 제2 표면이 에칭되어 기판의 제2 표면을 텍스처화한다(texturize). 내에칭성 층은 에칭 동안에 P형 도펀트-함유 층을 보호한다.
또한 본 명세서에는 태양 전지가 개시된다. 일 실시예에서, 태양 전지의 이미터 영역은 태양 전지의 기판의 제1 표면 상에 배치된 N형 도핑된 규소 나노 입자들의 복수의 영역들을 포함한다. 대응하는 N형 확산 영역들이 기판에 배치된다. N형 도핑된 규소 나노 입자들의 복수의 영역들 상에 그리고 N형 도핑된 규소 나노 입자들의 영역들 사이에서의 기판의 제1 표면 상에 P형 도펀트-함유 층이 배치된다. 대응하는 P형 확산 영역들이 N형 확산 영역들 사이에서 기판에 배치된다. P형 도펀트-함유 층 상에 내에칭성 층이 배치된다. 내에칭성 층, P형 도펀트-함유 층, 및 N형 도핑된 규소 나노 입자들의 복수의 영역들을 통하여 N형 확산 영역들까지 제1 세트의 금속 접점들이 배치된다. 내에칭성 층 및 P형 도펀트-함유 층을 통하여 P형 확산 영역들까지 제2 세트의 금속 접점들이 배치된다.
제1 태양에서, 하나 이상의 특정 실시예들은 n형 규소(Si) 나노 입자들을 인쇄하고 후속적으로 삼브롬화붕소(BBr3)를 전구체로서 사용하여 B2O3 산화물 층을 침착시키기 위한 접근법들에 관한 것이다. BBr3 전구체는 Si 나노 입자들을 인 확산 소스(phosphorous diffusion source)로서 사용하기 위한 붕소 인 규산염 유리(borophosphosilicate glass, BPSG) 층으로 전환시키는 데 사용될 수 있다. 부가적으로, 붕소 확산 소스로서 사용하기 위한 B2O3가 인쇄되지 않은 영역들에 침착된다. 이 접근법은 벌크 기판 내에 또는 벌크 기판 위에 형성된 이미터 영역들을 갖는 태양 전지들을 위한 패턴화 및 도펀트 침착 작업들을 줄이거나 제거하는 데 사용될 수 있다.
보다 구체적으로, 그러한 제조 공정 방식들에서, 패턴화된 도펀트 소스가 효율적인 도핑을 위해 사용될 수 있다. 유용한 패턴을 달성하기 위해, 전형적으로 블랭킷(blanket) 침착에 뒤이어 마스크 및 에칭 리소그래피 단계들이 이루어진다. 대신에, 본 명세서에 기술된 하나 이상의 실시예들은 침착 동안에 직접 도펀트 소스의 패턴화를 수반한다. 직접 패턴화에서의 이전의 시도들은 잉크젯 도펀트 형성을 포함하였다. 다른 대안예들은 Si 나노 입자 기반이 아니라, 산화물 기반인 잉크젯 및 스크린인쇄 도펀트들을 수반하였다. 이전의 접근법들을 위한 재료들은 현상하기 곤란하다는 것을 드러낼 수 있다. 또 다른 이전의 시도에서, Si 나노 입자들이 인쇄되고 APCVD에 의해 Si 나노 입자들 상에 붕규산염 유리(BSG) 층이 형성된다. 그러나, 그러한 접근법에서, 나노 입자들은 치밀한 응집 층을 형성하지 않으며, 최소의 인이 하부의 기판 내로 추진되는 데 이용될 수 있다.
보다 일반적으로, 제1 태양에서, 하나 이상의 실시예들은 도핑된 층들 또는 영역들을 기판 내에 또는 기판 위에 형성하기 위한 접근법들에 관한 것이다. 도핑된 확산 영역들을 벌크 결정 기판 내에 형성하는 경우에, 궁극적으로 형성되는 이미터 영역들은 예를 들어 벌크 단결정 규소 기판 내에 형성될 수 있다. 도핑된 층들을 기판 위에 형성하는 경우에, 궁극적으로 형성되는 이미터 영역들은 예를 들어 다결정 또는 규소 층 내에 형성될 수 있다. 어느 경우이든, 도핑될 영역 상에 n형 Si 나노 입자들이 인쇄된다. 인쇄는 스크린-인쇄, 잉크젯 인쇄, 압출 인쇄, 에어로젤 젯 인쇄, 또는 다른 유사한 접근법들에 의해 수행될 수 있다. 인쇄에 이어서, 수용 기판은 확산로(diffusion furnace) 내에 배치될 수 있다. 웨이퍼 상에 B2O3를 성장시키기 위해 BBr3 침착이 수행된다. B2O3 층은 Si 나노 입자 필름 내의 공극(void)들을 채워, 치밀한 망상 층(densely networked layer)을 생성한다. 인쇄되지 않은 영역 상에, 전형적인 B2O3 층이 침착된다. BBr3 침착 후에, 웨이퍼들은 고온 확산 단계에서 어닐링되는데, 이는 붕소를 B2O3 영역들로부터 기판 내로 추진시킨다. Si 나노 입자 인쇄된 영역들에서, 인-도핑된 Si는 규산염 유리를 형성하기 위하여 B2O3에 의해 소비된다. 규산염 유리 층은 나노 입자들보다 더 작은 체적의 공극들로 인해 더욱 희석된 농도의 붕소 및 고농도의 인으로 도핑된다. 결과는 붕소 및 인 도핑된 규산염 유리(BPSG) 층이다. BPSG 층들은 우선적으로 인을 규소 내로 추진시키는 데 사용될 수 있다. 따라서, 확산 단계는 BPSG (인쇄된) 영역(가능하게는 약간의 붕소가 또한 있음)으로부터 기판 내로의 우세한 인 확산, 및 B2O3의 인쇄되지 않은 영역들로부터의 붕소 확산을 수반한다.
일례로서, 도 1a 내지 도 1e 및 도 1e'는 본 발명의 일 실시예에 따른, 태양 전지의 제조에서의 다양한 단계들의 단면도들을 도시한다.
도 1a를 참조하면, 태양 전지의 이미터 영역들의 제조 방법은 태양 전지의 기판(100)의 제1 표면(101) 상에 N형 도핑된 규소 나노 입자(102)들의 복수의 영역들을 형성하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 기판(100)은 벌크 단결정 N형 도핑된 규소 기판과 같은 벌크 규소 기판이다. 그러나, 기판(100)이 전체 태양 전지 기판 상에 배치된, 다결정 규소 층과 같은 층일 수 있다는 것이 이해될 것이다.
일 실시예에서, N형 도핑된 규소 나노 입자(102)들의 복수의 영역들은 기판(100)의 제1 표면(101) 상에 인-도핑된 규소 나노 입자들을 인쇄하거나 스핀-온 코팅(spin-on coating)하는 것에 의해 형성된다. 하나의 그러한 실시예에서, 인-도핑된 규소 나노 입자들은 대략 5 내지 100 나노미터 범위의 평균 입자 크기 및 대략 10 내지 50% 범위의 다공도(porosity)를 갖는다. 특정한 그러한 실시예에서, 인-도핑된 규소 나노 입자들은, 나중에 증발하거나 연소 제거될 수 있는 담체 용매 또는 유체의 존재 하에 전달된다. 일 실시예에서, 스크린 인쇄 공정을 사용할 때, 저점도 액체의 사용은 흘러나옴(bleeding) 및 이에 따른 규정된 영역들의 분해능 감소로 이어질 수 있기 때문에, 전달을 위해 고점도를 갖는 액체 소스를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
도 1b를 참조하면, 이 방법은 또한 N형 도핑된 규소 나노 입자(102)들의 복수의 영역들 상에 그리고 N형 도핑된 규소 나노 입자(102)들의 영역들 사이에서의 기판(100)의 제1 표면(101) 상에 P형 도펀트-함유 층(104)을 형성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, P형 도펀트-함유 층(104)은 N형 도핑된 규소 나노 입자(102)들의 복수의 영역들 상에 그리고 N형 도핑된 규소 나노 입자(102)들의 영역들 사이에서의 기판(100)의 제1 표면(101) 상에 산화붕소(B2O3)의 층을 침착시킴으로써 형성된다. 하나의 그러한 실시예에서, B2O3의 층은 삼브롬화붕소(BBr3)와 산소(O2)를 반응시킴으로써 형성된다.
도 1c를 참조하면, 이 방법은 또한 P형 도펀트-함유 층(104)의 적어도 일부분을 N형 도핑된 규소 나노 입자(102)들의 복수의 영역들 각각의 적어도 일부분과 혼합하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 혼합은 기판(100)을 가열함으로써 수행된다. 하나의 그러한 실시예에서, 혼합은 대략 섭씨 700 내지 1100도의 범위의 온도에서 대략 1 내지 100분의 범위의 기간 동안 가열함으로써 수행된다. 일 실시예에서, N형 도핑된 규소 나노 입자(102)들은 인-도핑된 규소 나노 입자들이고, P형 도펀트-함유 층(104)은 붕소-함유 층이며, P형 도펀트-함유 층(104)을 N형 도핑된 규소 나노 입자(102)들의 영역들과 혼합하는 단계는 붕소 인 규산염 유리(BPSG)(106)의 대응 영역들을 형성하는 단계를 수반한다. 일 실시예에서, 혼합은 N형 도핑된 규소 나노 입자(102)들을 치밀화하여 덜 다공성이거나 비-다공성인 BPSG 층을 제공한다.
도 1d를 참조하면, 이 방법은 또한 P형 도펀트-함유 층(104)을 N형 도핑된 규소 나노 입자(102)들의 영역들과 혼합하는 단계에 이어서, N형 도핑된 규소 나노 입자(106)들의 영역들로부터의 N형 도펀트들을 확산시켜 대응하는 N형 확산 영역(108)들을 기판(100)에 형성하는 단계를 포함한다. 부가적으로, P형 도펀트-함유 층(104)으로부터의 P형 도펀트들이 확산되어, 대응하는 P형 확산 영역(110)들이 N형 확산 영역(108)들 사이에서 기판(100)에 형성된다.
일 실시예에서, 확산은 기판(100)을 가열함으로써 수행된다. 하나의 그러한 실시예에서, 확산을 위한 가열은 P형 도펀트-함유 층(104)을 N형 도핑된 규소 나노 입자(102)들의 영역들과 혼합하기 위한 가열과 동일한 공정 작업에서 수행된다. 그러나, 대안적인 그러한 실시예에서, 확산을 위한 가열은 P형 도펀트-함유 층(104)을 N형 도핑된 규소 나노 입자(102)들의 영역들과 혼합하기 위한 가열과는 상이한 공정 작업에서 수행된다. 일 실시예에서, 간단히 전술된 바와 같이, N형 도핑된 규소 나노 입자(106)들의 영역들로부터의 N형 도펀트들을 확산시키는 것은 도핑된 규소 나노 입자(106)들로부터 일정량의 P형 도펀트들을 확산시키는 것을 추가로 포함한다. 이와 같이, 대응하는 N형 확산 영역(108)들은 궁극적으로 그 일정량의 P형 도펀트들을 포함한다.
도 1e를 참조하면, 일 실시예에서, 기판(100)의 제1 표면(101)은 태양 전지의 배면 표면(back surface)이고, 기판(100)의 제2 표면(120)은 태양 전지의 수광 표면(light receiving surface)이며, 이 방법은 또한 N형 및 P형 확산 영역(108, 110)들에 대한 금속 접점(112)들을 형성하는 단계를 포함한다. 하나의 그러한 실시예에서, 접점(112)들은, 도 1e에 도시된 바와 같이, 절연체 층(114)의 개구들 내에 그리고 영역(106)들 및 P형 도펀트-함유 층(104)의 잔류 부분들을 통해 형성된다. 그러나, 다른 실시예에서, 도 1e'를 참조하면, 영역(106)들 및 P형 도펀트-함유 층(104)의 잔류 부분들은 절연체 층(114)의 개구들 내에서의 접점(112)들의 형성 전에 제거된다. 하나의 특정한 그러한 실시예에서, 영역(106)들 및 P형 도펀트-함유 층(104)의 잔류 부분들은 건식 에칭 공정으로 제거된다. 다른 특정한 그러한 실시예에서, 영역(106)들 및 P형 도펀트-함유 층(104)의 잔류 부분들은 습식 에칭 공정으로 제거된다. 일 실시예에서, 건식 또는 습식 에칭 공정은 기계적으로 지원된다. 일 실시예에서, 도전성 접점(112)들은 금속으로 구성되고, 침착, 리소그래피, 및 에칭 접근법에 의해 형성된다.
제2 태양에서, 하나 이상의 특정한 실시예들은 랜덤 텍스처링(random texturing, rantex) 작업 전에 질화규소(SiNx)의 저부 반사-방지 코팅(bottom anti-reflective coating, bARC) 침착을 제공하는 것에 관한 것이다. 그러한 접근법에서, SiNx 층은 rantex 에칭 동안에 에칭 레지스트(etch-resist)로서 사용될 수 있다. 일반적으로, 벌크 기판 태양 전지 제조를 위해 스크린 인쇄가능한 도펀트를 현상함에 있어서, 하나의 기술적 문제점은 도펀트 소스 재료가 후속의 도펀트 추진(P-추진) 확산 작업 동안 존재하도록 rantex 에칭을 온전히 견뎌내게 하는 것을 수반한다. 이전의 시도들은 두꺼운 APCVD USG 층을 사용하여 에칭을 방지하고 텍스처 에칭을 손상 에칭(damage etch)에 이어서 단면 에칭(single-sided etch)으로 이동시키는 것을 포함하였다. 도펀트 소스들에서의 내에칭성을 위한 다른 접근법들은 내에칭성을 부가하도록 재료를 재-제형하는 것, APCVD 침착 전에 필름을 치밀화하는 것, 그리고 단면 rantex 기법들의 사용을 포함하였다. 그러나, 이러한 접근법들은 현상하는 데 시간이 걸리고, 일부는 새로운 도구들을 필요로 하여, 이들을 기존의 제조 공장들에 새로 설치하기에 이상적이지 않게 한다.
보다 구체적으로, 제2 태양의 하나 이상의 실시예들은 도펀트 필름 스택(stack)들을 위한 rantex 내성을 증가시키는 것에 대한 필요성을 다룬다. 특정 실시예에서, 플라스마 강화 화학 기상 증착된(plasma-enhanced chemical vapor deposited, PECVD) SiNx가 사용되는데, 그 이유는 그 층이 예를 들어 KOH에서 낮은(검출할 수 없는) 에칭률을 갖기 때문이다. 또한, PECVD SiNx는 벌크 기판 기반 태양 전지에서 bARC 층으로서 이용될 수 있기 때문에, 기존의 도구 세트와 아키텍처를 유지하면서 bARC 증착을 대기압 화학 기상 증착(APCVD) 이후 그리고 rantex 이전으로 이동시킴으로써 필름 스택의 내에칭성을 증가시킬 수 있다. 생성되어진 개선된 내에칭성은 KOH에서는 쉽게 에칭되는 도펀트 재료 필름 스택에 대해 특히 중요할 수 있다. 더욱이, SiNx 층은 형성된 APCVD 층들에 대한 결함 충전(defect fill-in)이라는 추가된 이점을 제공할 수 있는데, 여기서 존재하는 결함들은 SiNx 층에 의해 덮이고 밀봉된다.
예를 들어, APCVD에 의해 형성된 도핑되지 않은 규산염 유리(undoped silicate glass, USG) 층은 Si보다 낮은 에칭률을 갖지만, rantex 공정에서는 전형적으로 2000 옹스트롬에 가까운 USG가 에칭된다. SiNx가 필름 스택의 상부에 있는 상태로, USG 층의 두께(및 따라서 작업 비용)가 감소될 수 있다. SiNx 층의 포함은 표준 필름 스택에 일정 정도의 강건성을 또한 부가할 수 있다. 작업 감소를 허용하도록 현재의 가공의 수정들은, 일 실시예에서, APCVD 대신에 PECVD에 의한 도핑된 층(예를 들어, BSG 또는 PSG)의 침착을 추가로 포함한다. 다른 선택사양은 확산을 위한 도펀트 소스들로서 도핑된 SiNx:B 또는 SiNx:P 층들을 사용하는 것이다. 이 층들은 KOH에서의 SiNx의 낮은 에칭률로 인해 더 얇게 형성되면서, PECVD bARC 도구의 사용을 지원하여 APCVD 도구를 없앨 수 있다. 하나의 그러한 실시예에서, 도펀트 필름 치밀화와 같은, rantex 내성을 증가시키는 다른 접근법들과 함께 PECVD SiNx 층이 구현될 수 있다.
일례로서, 도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 태양 전지의 제조에서의 다양한 단계들의 단면도들을 도시한다.
도 2a를 참조하면, 태양 전지의 이미터 영역들의 제조 방법은 태양 전지의 기판(200)의 제1 표면(201) 상에 N형 도핑된 규소 나노 입자(202)들의 복수의 영역들을 형성하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 기판(200)은 벌크 단결정 N형 도핑된 규소 기판과 같은 벌크 규소 기판이다. 그러나, 기판(200)이 전체 태양 전지 기판 상에 배치된, 다결정 규소 층과 같은 층일 수 있다는 것이 이해될 것이다.
일 실시예에서, N형 도핑된 규소 나노 입자(202)들의 복수의 영역들은 기판(200)의 제1 표면(201) 상에 인-도핑된 규소 나노 입자들을 인쇄하거나 스핀-온 코팅하는 것에 의해 형성된다. 하나의 그러한 실시예에서, 인-도핑된 규소 나노 입자들은 대략 5 내지 100 나노미터 범위의 평균 입자 크기 및 대략 10 내지 50% 범위의 다공도를 갖는다. 특정한 그러한 실시예에서, 인-도핑된 규소 나노 입자들은, 나중에 증발하거나 연소 제거될 수 있는 담체 용매 또는 유체의 존재 하에 전달된다. 일 실시예에서, 잉크 젯 공정을 사용할 때, 고점도 액체의 사용은 흘러나옴 및 이에 따른 규정된 영역들의 분해능 감소로 이어질 수 있기 때문에, 다공성 층을 위해 저점도를 갖는 액체 소스를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
도 2b를 참조하면, 이 방법은 또한 N형 도핑된 규소 나노 입자(202)들의 복수의 영역들 상에 그리고 N형 도핑된 규소 나노 입자(202)들의 영역들 사이에서의 기판(200)의 제1 표면(201) 상에 P형 도펀트-함유 층(204)을 형성하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, P형 도펀트-함유 층(204)은 붕규산염 유리(BSG)의 층이다.
도 2c를 참조하면, 이 방법은 또한 P형 도펀트-함유 층(204) 상에 내에칭성 층(206)을 형성하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 내에칭성 층(206)은 질화규소 층이다.
도 2d를 참조하면, 이 방법은 또한 제1 표면(201)의 반대편인 기판(200)의 제2 표면(220)을 에칭하여 기판(200)의 텍스처화된 제2 표면(222)을 제공하는 단계를 포함한다. 텍스처화된 표면은, 입사광을 산란시켜 태양 전지의 수광 표면으로부터 반사되는 광의 양을 감소시키기 위한 규칙적인 또는 불규칙한 형상의 표면을 갖는 것일 수 있다. 일 실시예에서, 에칭은 수산화칼륨에 기반하는 알칼리 에칭과 같은 습식 에칭 공정을 사용함으로써 수행된다. 일 실시예에서, 내에칭성 층(206)은 에칭 동안에 P형 도펀트-함유 층(204)을 보호한다.
도 2e를 참조하면, 일 실시예에서, 이 방법은 또한 P형 도펀트-함유 층(204)을 형성하는 단계에 이어서, 기판(200)을 가열하여 N형 도핑된 규소 나노 입자(202)들의 영역들로부터의 N형 도펀트들을 확산시켜 대응하는 N형 확산 영역(208)들을 기판(200)에 형성하는 단계를 포함한다. 부가적으로, P형 도펀트-함유 층(204)으로부터의 P형 도펀트들이 확산되어, 대응하는 P형 확산 영역(210)들이 N형 확산 영역(208)들 사이에서 기판(200)에 형성된다.
일 실시예에서, 가열은 대략 섭씨 850 내지 1100도 범위의 온도에서 대략 1 내지 100분 범위의 기간 동안 수행된다. 하나의 그러한 실시예에서, 가열은 도 2d 및 도 2e에 도시된 바와 같이, 기판(200)의 텍스처화된 제2 표면(222)을 제공하기 위해 사용되는 에칭에 이어서 수행된다.
도 2f를 참조하면, 일 실시예에서, 이 방법은 또한 기판(200)의 제2 표면의 에칭에 이어서, 기판(200)의 텍스처화된 제2 표면(222) 상에 반사-방지 코팅 층(230)을 형성하는 단계를 포함한다.
도 2g를 참조하면, 일 실시예에서, 기판(200)의 제1 표면(201)은 태양 전지의 배면 표면이고, 기판(200)의 텍스처화된 제2 표면(222)은 태양 전지의 수광 표면이며, 이 방법은 또한 N형 및 P형 확산 영역(208, 210)들에 대한 금속 접점(212)들을 형성하는 단계를 포함한다. 하나의 그러한 실시예에서, 접점(212)들은, 도 2g에 도시된 바와 같이, 절연체 층(214)의 개구들 내에 그리고 N형 도핑된 규소 나노 입자(202)들, P형 도펀트-함유 층(204), 및 내에칭성 층(206)의 잔류 부분들을 통하여 형성된다. 일 실시예에서, 도전성 접점(212)들은 금속으로 구성되고, 침착, 리소그래피, 및 에칭 접근법에 의해 형성된다.
도시되지 않은 다른 실시예에서, N형 도핑된 규소 나노 입자(202)들, P형 도펀트-함유 층(204), 및 내에칭성 층(206)의 잔류 부분들은 절연체 층(214)의 개구들 내에 접점(212)들을 형성하기 전에 제거된다. 하나의 특정한 그러한 실시예에서, N형 도핑된 규소 나노 입자(202)들, P형 도펀트-함유 층(204), 및 내에칭성 층(206)의 잔류 부분들은 건식 에칭 공정으로 제거된다. 다른 특정한 그러한 실시예에서, N형 도핑된 규소 나노 입자(202)들, P형 도펀트-함유 층(204), 및 내에칭성 층(206)의 잔류 부분들은 습식 에칭 공정으로 제거된다. 일 실시예에서, 건식 또는 습식 에칭 공정은 기계적으로 지원된다.
도 2g를 다시 참조하면, 제조된 태양 전지(250)는 따라서 태양 전지(250)의 기판(200)의 제1 표면(201) 상에 배치된 N형 도핑된 규소 나노 입자(202)들의 영역으로 구성된 이미터 영역을 포함할 수 있다. 대응하는 N형 확산 영역(208)이 기판(200)에 배치된다. N형 도핑된 규소 나노 입자(202)들의 영역 상에 그리고 N형 도핑된 규소 나노 입자(202)들의 영역에 인접하여 기판(200)의 제1 표면(201) 상에 P형 도펀트-함유 층(204)이 배치된다. 대응하는 P형 확산 영역(210)이 N형 확산 영역(208)에 인접하여 기판(200)에 배치된다. P형 도펀트-함유 층(204) 상에 내에칭성 층(206)이 배치된다. 내에칭성 층(206), P형 도펀트-함유 층(204) 및 N형 도핑된 규소 나노 입자(202)들의 영역을 통하여 N형 확산 영역(208)까지 제1 금속 접점(212A)이 배치된다. 내에칭성 층(206) 및 P형 도펀트-함유 층(204)을 통하여 P형 확산 영역(210)까지 제2 금속 접점(212B)이 배치된다.
일 실시예에서, 태양 전지(250)는 제1 표면(201)의 반대편인 기판(200)의 텍스처화된 제2 표면(222)을 추가로 포함한다. 하나의 그러한 실시예에서, 기판(200)의 제1 표면(201)은 태양 전지(250)의 배면 표면이고, 기판(200)의 제2 표면(222)은 태양 전지(250)의 수광 표면이다. 일 실시예에서, 태양 전지는 기판(200)의 텍스처화된 제2 표면(222) 상에 배치된 반사-방지 코팅 층(230)을 추가로 포함한다. 일 실시예에서, N형 도핑된 규소 나노 입자(202)들의 영역은 대략 5 내지 100 나노미터 범위의 평균 입자 크기를 갖는 인-도핑된 규소 나노 입자들로 구성된다. 일 실시예에서, P형 도펀트-함유 층(204)은 붕규산염 유리(BSG)의 층이다. 일 실시예에서, 내에칭성 층(206)은 질화규소 층이다. 일 실시예에서, 기판(200)은 단결정 규소 기판이다.
보다 일반적으로, 도 1e 및 도 2g를 참조하면, 태양 전지의 기판 상에 다공성 층 규소 나노 입자 층이 보유될 수 있다. 따라서, 태양 전지 구조물은 가공 작업들의 결과로서 그러한 다공성 층을 궁극적으로 보유하거나, 적어도 일시적으로 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 다공성 규소 나노 입자 층(예를 들어, 102 또는 202)의 일부분들은 태양 전지를 제조하는 데 사용되는 공정 작업들에서 제거되는 것이 아니라, 태양 전지의, 기판의 표면 상에, 또는 전체 기판 위의 층 또는 층들의 스택 상에 아티팩트(artifact)로서 잔류한다.
종합적으로, 소정 재료가 구체적으로 전술되었지만, 일부 재료는 본 발명의 실시예의 사상 및 범주 내에 있는 다른 그러한 실시예에서 다른 재료로 용이하게 대체될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, III-V족 재료의 기판과 같은 상이한 재료의 기판이 규소 기판 대신에 사용될 수 있다. 더욱이, N+ 및 P+형 도핑이 구체적으로 기술되어 있는 경우, 고려되는 다른 실시예들이 반대 전도도 유형, 예를 들어 P+ 및 N+형 도핑을 각각 포함한다는 것이 이해될 것이다.
따라서, N형 도핑된 규소 나노 입자들을 사용한 태양 전지 이미터 영역의 제조 방법 및 생성된 태양 전지가 개시되었다. 본 발명의 실시예에 따르면, 태양 전지의 이미터 영역의 제조 방법은 태양 전지의 기판의 제1 표면 상에 N형 도핑된 규소 나노 입자들의 복수의 영역들을 형성하는 단계를 포함한다. N형 도핑된 규소 나노 입자들의 복수의 영역들 상에 그리고 N형 도핑된 규소 나노 입자들의 영역들 사이에서의 기판의 제1 표면 상에 P형 도펀트-함유 층이 형성된다. P형 도펀트-함유 층의 적어도 일부분이 N형 도핑된 규소 나노 입자들의 복수의 영역들 각각의 적어도 일부분과 혼합된다. 일 실시예에서, P형 도펀트-함유 층을 N형 도핑된 규소 나노 입자들의 영역들과 혼합시킨 이후에, N형 도핑된 규소 나노 입자들의 영역들로부터의 N형 도펀트들을 확산시켜 대응하는 N형 확산 영역들을 기판에 형성하고, P형 도펀트-함유 층으로부터의 P형 도펀트들을 확산시켜 대응하는 P형 확산 영역들을 N형 확산 영역들 사이에서 기판에 형성한다.

Claims (30)

  1. 태양 전지(solar cell)의 이미터 영역(emitter region)의 제조 방법으로서,
    태양 전지의 기판(substrate)의 제1 표면 상에 N형 도핑된 규소 나노 입자들의 복수의 영역들을 형성하는 단계;
    N형 도핑된 규소 나노 입자들의 복수의 영역들 상에 그리고 N형 도핑된 규소 나노 입자들의 영역들 사이에서의 기판의 제1 표면 상에 P형 도펀트-함유 층을 형성하는 단계; 및
    P형 도펀트-함유 층의 적어도 일부분을 N형 도핑된 규소 나노 입자들의 복수의 영역들 각각의 적어도 일부분과 혼합하는 단계를 포함하는, 태양 전지의 이미터 영역의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    P형 도펀트-함유 층을 N형 도핑된 규소 나노 입자들의 영역들과 혼합한 이후에, N형 도핑된 규소 나노 입자들의 영역들로부터의 N형 도펀트들을 확산시켜 대응하는 N형 확산 영역들을 기판에 형성하는 단계, 및 P형 도펀트-함유 층으로부터의 P형 도펀트들을 확산시켜 대응하는 P형 확산 영역들을 N형 확산 영역들 사이에서 기판에 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 태양 전지의 이미터 영역의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, N형 도핑된 규소 나노 입자들의 영역들로부터의 N형 도펀트들을 확산시키는 것은 P형 도펀트-함유 층과 혼합되어진 도핑된 규소 나노 입자들로부터의 일정량의 P형 도펀트들을 확산시키는 것을 추가로 포함하고, 대응하는 N형 확산 영역들은 상기 일정량의 P형 도펀트들을 포함하는, 태양 전지의 이미터 영역의 제조 방법.
  4. 제2항에 있어서, 확산은 혼합과 동일한 가열 작업에서 수행되는, 태양 전지의 이미터 영역의 제조 방법.
  5. 제2항에 있어서, 기판의 제1 표면은 태양 전지의 배면 표면(back surface)이고, 기판의 제2 표면은 태양 전지의 수광 표면(light receiving surface)이며,
    상기 방법은,
    N형 및 P형 확산 영역들에 대한 금속 접점들을 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 태양 전지의 이미터 영역의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서, N형 도핑된 규소 나노 입자들의 복수의 영역들을 형성하는 단계는 대략 5 내지 100 나노미터 범위의 평균 입자 크기 및 대략 10 내지 50% 범위의 다공도(porosity)를 갖는 인(phosphorous)-도핑된 규소 나노 입자들을 인쇄하거나 스핀-온 코팅(spin-on coating)하는 단계를 포함하는, 태양 전지의 이미터 영역의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서, P형 도펀트-함유 층을 형성하는 단계는 N형 도핑된 규소 나노 입자들의 복수의 영역들 상에 그리고 N형 도핑된 규소 나노 입자들의 영역들 사이에서의 기판의 제1 표면 상에 산화붕소(B2O3)의 층을 형성하는 단계를 포함하는, 태양 전지의 이미터 영역의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, B2O3의 층을 형성하는 단계는 삼브롬화붕소(BBr3) 및 산소(O2)를 침착시키는 단계를 포함하는, 태양 전지의 이미터 영역의 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서, N형 도핑된 규소 나노 입자들은 인-도핑된 규소 나노 입자들이고, P형 도펀트-함유 층은 붕소-함유 층이며, P형 도펀트-함유 층을 N형 도핑된 규소 나노 입자들의 영역들과 혼합시키는 단계는 붕소 인 규산염 유리(borophosphosilicate glass, BPSG)의 대응 영역들을 형성하는 단계를 포함하는, 태양 전지의 이미터 영역의 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서, 혼합은 대략 섭씨 700 내지 1100도의 범위의 온도에서 대략 1 내지 100분의 범위의 기간 동안 수행되는, 태양 전지의 이미터 영역의 제조 방법.
  11. 제1항의 방법에 따라 제조되는 태양 전지.
  12. 태양 전지의 이미터 영역의 제조 방법으로서,
    태양 전지의 기판의 제1 표면 상에 N형 도핑된 규소 나노 입자들의 복수의 영역들을 형성하는 단계;
    N형 도핑된 규소 나노 입자들의 복수의 영역들 상에 그리고 N형 도핑된 규소 나노 입자들의 영역들 사이에서의 기판의 제1 표면 상에 P형 도펀트-함유 층을 형성하는 단계;
    P형 도펀트-함유 층 상에 내에칭성(etch resistant) 층을 형성하는 단계; 및
    제1 표면의 반대편인 기판의 제2 표면을 에칭하여 기판의 제2 표면을 텍스처화하는(texturize) 단계를 포함하고, 내에칭성 층은 에칭 동안에 P형 도펀트-함유 층을 보호하는, 태양 전지의 이미터 영역의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    P형 도펀트-함유 층을 형성한 이후에, 기판을 가열하여 N형 도핑된 규소 나노 입자들의 영역들로부터의 N형 도펀트들을 확산시켜 대응하는 N형 확산 영역들을 기판에 형성하고, P형 도펀트-함유 층으로부터의 P형 도펀트들을 확산시켜 대응하는 P형 확산 영역들을 N형 확산 영역들 사이에서 기판에 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 태양 전지의 이미터 영역의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서, 가열은 대략 섭씨 850 내지 1100도의 범위의 온도에서 대략 1 내지 100분의 범위의 기간 동안 수행되는, 태양 전지의 이미터 영역의 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서, 가열은 에칭에 후속하여 수행되는, 태양 전지의 이미터 영역의 제조 방법.
  16. 제13항에 있어서, 기판의 제1 표면은 태양 전지의 배면 표면이고, 기판의 제2 표면은 태양 전지의 수광 표면이며,
    상기 방법은,
    N형 및 P형 확산 영역들에 대한 금속 접점들을 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 태양 전지의 이미터 영역의 제조 방법.
  17. 제12항에 있어서, 기판의 제2 표면의 에칭 이후에, 기판의 텍스처화된 제2 표면 상에 반사-방지 코팅 층을 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 태양 전지의 이미터 영역의 제조 방법.
  18. 제12항에 있어서, N형 도핑된 규소 나노 입자들의 복수의 영역들을 형성하는 단계는 대략 5 내지 100 나노미터 범위의 평균 입자 크기 및 대략 10 내지 50% 범위의 다공도를 갖는 인-도핑된 규소 나노 입자들을 인쇄하거나 스핀-온 코팅하는 단계를 포함하는, 태양 전지의 이미터 영역의 제조 방법.
  19. 제12항에 있어서, P형 도펀트-함유 층을 형성하는 단계는 붕규산염 유리(borosilicate glass, BSG)의 층을 형성하는 단계를 포함하는, 태양 전지의 이미터 영역의 제조 방법.
  20. 제12항에 있어서, 내에칭성 층을 형성하는 단계는 질화규소 층을 형성하는 단계를 포함하는, 태양 전지의 이미터 영역의 제조 방법.
  21. 제12항에 있어서, 기판은 단결정 규소 기판이고, 기판의 제2 표면을 에칭하는 것은 수산화물계 습식 에칭제(hydroxide-based wet etchant)를 이용하여 제2 표면을 처리하는 것을 포함하는, 태양 전지의 이미터 영역의 제조 방법.
  22. 제12항의 방법에 따라 제조되는 태양 전지.
  23. 태양 전지로서,
    태양 전지의 기판의 제1 표면 상에 배치된 N형 도핑된 규소 나노 입자들의 복수의 영역들, 및 기판 내의 대응하는 N형 확산 영역들;
    N형 도핑된 규소 나노 입자들의 복수의 영역들 상에 배치되고 N형 도핑된 규소 나노 입자들의 영역들 사이에서의 기판의 제1 표면 상에 배치된 P형 도펀트-함유 층, 및 N형 확산 영역들 사이에서의 기판 내의 대응하는 P형 확산 영역들;
    P형 도펀트-함유 층 상에 배치된 내에칭성 층;
    내에칭성 층, P형 도펀트-함유 층, 및 N형 도핑된 규소 나노 입자들의 복수의 영역들을 통하여 N형 확산 영역들까지 배치된 제1 세트의 금속 접점들; 및
    내에칭성 층 및 P형 도펀트-함유 층을 통하여 P형 확산 영역들까지 배치된 제2 세트의 금속 접점들을 포함하는, 태양 전지.
  24. 제23항에 있어서, 제1 표면의 반대편인 기판의 텍스처화된 제2 표면을 추가로 포함하는 태양 전지.
  25. 제24항에 있어서, 기판의 제1 표면은 태양 전지의 배면 표면이고, 기판의 제2 표면은 태양 전지의 수광 표면인, 태양 전지.
  26. 제24항에 있어서, 기판의 텍스처화된 제2 표면 상에 배치된 반사-방지 코팅 층을 추가로 포함하는 태양 전지.
  27. 제23항에 있어서, N형 도핑된 규소 나노 입자들의 복수의 영역들은 대략 5 내지 100 나노미터 범위의 평균 입자 크기를 갖는 인-도핑된 규소 나노 입자들을 포함하는, 태양 전지.
  28. 제23항에 있어서, P형 도펀트-함유 층은 붕규산염 유리(BSG)의 층인, 태양 전지.
  29. 제23항에 있어서, 내에칭성 층은 질화규소 층인, 태양 전지.
  30. 제23항에 있어서, 기판은 단결정 규소 기판인, 태양 전지.
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