KR20150097613A - 산질화규소 유전체 층을 가진 태양 전지 - Google Patents

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Abstract

산질화규소 유전체 층을 가진 태양 전지 및 태양 전지 제조를 위해 산질화규소 유전체 층을 형성하는 방법이 기술된다. 예를 들어, 태양 전지의 이미터 영역은 수광 표면 반대편의 배면 표면을 갖는 기판의 일부분을 포함한다. 산질화규소(SiOxNy, 0 < x, y) 유전체 층이 기판의 이러한 일부분의 배면 표면 상에 배치된다. 반도체 층이 산질화규소 유전체 층 상에 배치된다.

Description

산질화규소 유전체 층을 가진 태양 전지{SOLAR CELL WITH SILICON OXYNITRIDE DIELECTRIC LAYER}
본 명세서에 기술된 발명은 미국 에너지국에 의해 후원되는 계약 번호 DE-FC36-07GO17043 하에서의 정부 지원을 받아 이루어졌다. 정부는 본 발명에 소정의 권리를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예는 재생가능한 에너지 분야에 관한 것으로서, 구체적으로는 산질화규소 유전체 층(silicon oxynitride dielectric layer)을 가진 태양 전지(solar cell)에 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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 태양 전지의 이미터 영역(emitter region)을 예시하는 단면도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 태양 전지의 다른 이미터 영역을 예시하는 단면도.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 태양 전지의 다른 이미터 영역을 예시하는 단면도.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 태양 전지를 제조하는 방법에서의 다양한 처리 작업의 단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 산화규소 터널(tunnel) 유전체 층을 갖는 이미터 영역과 대비되는 산질화규소 터널 유전체 층을 갖는 이미터 영역에 대한 깊이(마이크로미터)의 함수로서의 붕소(B) 농도(원자/㎤)의 그래프.
본 명세서에서, 산질화규소 유전체 층을 가진 태양 전지 및 태양 전지 제조를 위해 산질화규소 유전체 층을 형성하는 방법이 기술된다. 하기의 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 경우에, 리소그래피(lithography) 및 패턴화(patterning) 기술과 같은 잘 알려진 제조 기술은 본 발명의 실시예를 불필요하게 모호하게 하지 않기 위해 상세히 기술되지 않는다. 또한, 도면에 도시된 다양한 실시예가 예시적인 표현이고, 반드시 축척대로 그려진 것은 아니라는 것이 이해되어야 한다.
본 명세서에서, 태양 전지, 구체적으로는 태양 전지를 위한 이미터 영역이 개시된다. 일 실시예에서, 태양 전지의 이미터 영역은 수광 표면(light receiving surface) 반대편의 배면 표면을 갖는 기판의 일부분을 포함한다. 산질화규소(SiOxNy, 0 < x, y) 유전체 층이 기판의 이러한 일부분의 배면 표면 상에 배치된다. 반도체 층이 산질화규소 유전체 층 상에 배치된다. 다른 실시예에서, 태양 전지는 제1 이미터 영역을 포함한다. 제1 이미터 영역은 수광 표면 반대편의 배면 표면을 갖는 기판의 제1 부분을 포함한다. 산질화규소(SiOxNy, 0 < x, y) 유전체 층이 기판의 제1 부분의 배면 표면 상에 배치된다. P-형 반도체 층이 산질화규소 유전체 층 상에 배치된다. 태양 전지는 또한 제2 이미터 영역을 포함한다. 제2 이미터 영역은 기판의 제2 부분을 포함한다. 산질화규소 유전체 층이 기판의 제2 부분의 배면 표면 상에 배치된다. N-형 반도체 층이 산질화규소 유전체 층 상에 배치된다. 다른 실시예에서, 태양 전지의 이미터 영역은 수광 표면 반대편의 배면 표면을 갖는 N-형 벌크 규소 기판(bulk silicon substrate)의 일부분을 포함한다. 산질화규소(SiOxNy, 0 < x, y) 유전체 층이 N-형 벌크 규소 기판의 이러한 일부분의 배면 표면 상에 배치된다. 산질화규소 유전체 층은 질소의 비균질 분포를 갖는다. 붕소-도핑된(boron-doped) 다결정 규소 층이 산질화규소 유전체 층 상에 배치된다. 금속 접점이 P-형 다결정 규소 층 상에 배치된다.
본 명세서에서, 태양 전지를 제조하는 방법, 구체적으로는 태양 전지를 위한 이미터 영역을 형성하는 방법이 또한 개시된다. 일 실시예에서, 태양 전지의 이미터 영역을 제조하는 방법은 태양 전지의 벌크 N-형 규소 기판의 표면 상에, N-형 규소 기판의 일부분을 소비함으로써 산질화규소(SiOxNy, 0 < x, y) 유전체 층을 형성하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 산질화규소 유전체 층 상에 반도체 층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 명세서에 기술된 하나 이상의 실시예는 산질화규소 재료를 이용하여 터널 유전체(tunnel dielectric)를 제조하기 위한 공정에 관한 것이다. 하나의 그러한 실시예에서, 산질화규소 터널 유전체가 규소 기판과 폴리실리콘 이미터 층 사이에 사용된다. 그러한 산질화물 터널 층은 보다 통상적인 열 이산화규소 층 터널 유전체(thermal silicon dioxide layer tunnel dielectric) 대신에 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 본 명세서에 기술된 산질화물 유전체 층의 사용은, 그렇지 않을 경우 통상적인 (비-질화) 터널 유전체 층을 갖는 전지 내의 P-형 폴리실리콘 기반 이미터의 표면 패시베이션(passivation)을 열화시킬 수 있는 (예컨대, 고온 처리 동안의) 터널 유전체를 통한 붕소 침투를 방지하기 위해 사용될 수 있다. 하나의 그러한 실시예에서, 산질화물의 사용은 질소가 없는 산화물 재료 층에 비해 붕소 확산에 대한 개선된 장벽을 제공한다.
일 실시예에서, 산질화규소 층은 열 산화와 유사하지만 생성되는 층 내로의 질소 통합을 가능하게 하는 기체를 사용하는 방식으로 성장된다. 질소 농도, 성장 속도, 층 두께 및 균일성은 기체 조성, 온도 및 압력을 사용하여 변경될 수 있다. 일 실시예에서, 산질화규소 층이 저압 화학 증착(LPCVD) 노(furnace) 내에서 규소 기판 상에 형성되지만, 대신에 플라즈마 강화 화학 증착(PECVD) 챔버 내에서 형성될 수 있다. 아래에 더 상세히 기술되는 바와 같이, 하나 이상의 실시예는 산화질소(NO), 아산화질소(N2O), 암모니아(NH3) 및/또는 산소(O2) 또는 다른 기체들 또는 산소 및/또는 질소를 함유하는 기체들의 조합 중 하나 이상에 기초하는 열 공정을 사용하여 폴리 이미터 태양 전지(poly emitter solar cell)를 위한 터널 유전체를 형성하는 단계를 포함한다. 특정 실시예는 깊이에 따라 변경되는 질소 농도를 갖는 산질화물 필름, 예컨대 표면 또는 계면 부근에 통합되거나 층 전반에 걸쳐 양이 변하는 질소를 갖는 산화물 층을 형성하는 단계를 포함한다.
산질화규소 터널 유전체 층을 갖는 이미터 영역의 예로서, 도 1 내지 도 3은 본 발명의 3개의 상이한 실시예에 따른, 태양 전지 내의 포함을 위한 이미터 영역의 단면도를 예시한다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 태양 전지의 이미터 영역(100, 200 또는 300)은 수광 표면(도시되지 않지만, 화살표(106)에 의해 제공되는 방향) 반대편의 배면 표면(104)을 갖는 기판(102)(예컨대, N-형 벌크 결정 규소 기판)의 일부분을 포함한다. 산질화규소(SiOxNy, 0 < x, y) 유전체 층(108, 208 또는 308)이 각각 기판(102)의 이러한 일부분의 배면 표면(106) 상에 배치된다. 반도체 층(110)이 산질화규소 유전체 층(108, 208 또는 308) 상에 배치되며, 그 일부분만이 도 1 내지 도 3에 도시되어 있다.
다시 도 1 내지 도 3을 참조하면, 일 실시예에서, 산질화규소 유전체 층(108, 208, 308)은 전반에 걸쳐 질소의 비균질 분포를 갖는다. 예를 들어, 산질화규소 유전체 층은 질소 농도의 하나의 영역 또는 최대부(maxima)를 가질 수 있다. 제1 특정 실시예에서, 도 1을 참조하면, 산질화규소 유전체 층(108)은 (영역(108A)으로 도시된) 하나의 질소 농도 최대부만을 갖는다. 최대부(108A)는 기판(102)의 이러한 일부분의 배면 표면(106)에 근접한 산질화규소 유전체 층(108)의 표면에 있다. 제2 특정 예에서, 도 2를 참조하면, 산질화규소 유전체 층(208)은 또한 (영역(208A)으로 도시된) 하나의 질소 농도 최대부만을 갖는다. 그러나, 최대부(208A)는 기판(102)의 이러한 일부분의 배면 표면(106)으로부터 원위에 있는, 즉 층(110)에 근접한 산질화규소 유전체 층(208)의 표면에 있다.
다른 예에서, 산질화규소 유전체 층은 질소 농도의 하나 초과의 영역 또는 최대부를 가질 수 있다. 특정 실시예에서, 도 3을 참조하면, 산질화규소 유전체 층(308)은 (영역(308A, 308B)으로 도시된) 2개의 질소 농도 최대부, 즉 기판(102)의 이러한 일부분의 배면 표면(106)으로부터 원위에 있는 산질화규소 유전체 층(308)의 표면에 있는 하나의 최대부(308A) 및 기판(102)의 이러한 일부분의 배면 표면(106)에 근접한 산질화규소 유전체 층(308)의 표면에 있는 하나의 최대부(308B)를 갖는다. 그러한 특정 실시예에서, 최대부(308A)와 최대부(308B) 사이의 거리는 대략 5 내지 6 옹스트롬(Angstrom) 범위 내이다.
유일한 질소 최대부 영역이 존재하든지 또는 하나 초과의 최대부 영역이 존재하든지 간에, 산질화물 필름의 나머지에 질소가 없을 필요는 없다는 것이 이해되어야 한다. 전형적인 실시예에서, (최대부(108A, 208A, 308A, 308B)와 같은) 높은 질소 농도의 영역은 해당 영역 내의 필름에 대한 총 원자 농도의 대략 2 내지 5%를 차지하는 질소 농도를 갖는다(다른 성분은 규소 및 산소를 포함함). 한편, 최대부 외측의 필름의 영역은 해당 영역 내의 필름에 대한 총 원자 농도의 대략 0 내지 1%를 차지하는 비교적 낮은 질소 농도의 영역이다(다른 성분은 역시 규소 및 산소를 포함함).
다시 도 1 내지 도 3을 참조하면, 일 실시예에서, 산질화규소 유전체 층(108, 208 또는 308)은 대략 10 내지 20 옹스트롬 범위 내의 총 두께를 갖는다. 하나의 그러한 실시예에서, 특히 도 3을 참조하면, 산질화규소 유전체 층(308)은 대략 4 내지 5 옹스트롬 범위 내의 두께를 갖는 제1 질소-풍부(nitrogen-rich) 영역(308B), 제1 질소-풍부 영역(308B) 위에 배치되고 대략 5 내지 6 옹스트롬 범위 내의 두께를 갖는 질소-희박(nitrogen-poor) 영역(308C), 및 질소-희박 영역(308C) 위에 배치되고 대략 4 내지 5 옹스트롬 범위 내의 두께를 갖는 제2 질소-풍부 영역(308A)을 갖는다. 일 실시예에서, 총 필름 원자 농도를 고려하면, 산질화규소 유전체 층(108, 208, 308)은 질소보다 많은 양의 산소로 구성되는데, 즉 SiOxNy에 대해 x > y이다.
전술된 바와 같이, 태양 전지의 이미터 영역의 터널 유전체 층 내의 질소의 역할은 터널 유전체 층을 통해 그리고 아래에 놓인 기판 내로의 도펀트 침투(dopant penetration)를 방지하거나 적어도 억제하는 것일 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 다시 도 1 내지 도 3을 참조하면, 산질화규소 유전체 층(108, 208 또는 308) 상에 배치된 반도체 층(110)은 붕소-도핑된 규소 층, 예컨대 P-형 층이다. 하나의 그러한 실시예에서, 붕소-도핑된 규소 층 내로의 도핑 또는 그로부터의 확산의 결과로서, 산질화규소 유전체 층(108, 208 또는 308)은 적어도 일부의 붕소 원자를 포함한다. 그러나, 그러한 특정 실시예에서, 층(108, 208 또는 308)은 궁극적으로 일부 P-형(또는 다른) 도펀트를 포함할 수 있지만, 산질화규소 유전체 층(108, 208 또는 308)은 반도체 층(110)으로부터 기판(102)의 이러한 일부분으로의 도펀트 침투를 억제한다.
도 1 내지 3에는 이미터 영역만이 도시되지만, 구조물(100, 200 또는 300)은 도 4c와 관련하여 후술하는 바와 같이 반도체 층(100) 상에 배치되는 금속 접점을 추가로 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 하나의 그러한 실시예에서, 이미터 영역(100, 200 또는 300)은 기판(102) 외측에 형성되는 이미터 층(예컨대, 반도체 층(110))을 가진 배면 접점(back contact) 태양 전지 내의 포함을 위한 것이다.
다른 태양에서, 태양 전지를 제조하는 방법은 위에 놓이는 반도체 층을 형성하기 전에 기판 표면 상에 산질화규소 유전체 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 기판, 유전체 층 및 위에 놓이는 반도체 층은 궁극적으로 태양 전지의 이미터 영역으로서 사용될 수 있다. 일례에서, 도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 태양 전지(450)를 제조하는 방법에서의 다양한 처리 작업의 단면도를 예시한다.
도 4a를 참조하면, 태양 전지의 이미터 영역을 제조하는 방법은 기판(402)의 표면 상에, 예컨대 태양 전지의 벌크 N-형 규소 기판의 표면 상에 산질화규소(SiOxNy, 0 < x, y) 유전체 층(402)을 형성하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 규소 기판(400)은 산질화규소 유전체 층(402)의 형성 전에 세정, 폴리싱, 평탄화 및/또는 박화되거나 달리 처리된다. 일 실시예에서, 산질화규소 유전체 층(402)은 저압 화학 증착(LPCVD) 챔버 내에서 형성된다. 일 실시예에서, 산질화규소 유전체 층(402)은 N-형 규소 기판의 일부분을 소비함으로써 형성된다. 예를 들어, 하나의 그러한 실시예에서, 산질화규소 유전체 층(402)은 N-형 규소 기판의 일부분을 산화 및 질화시킴으로써 형성된다. 그러한 특정 실시예에서, 산화 및 질화는 도 1 내지 3의 층(108, 208, 308) 각각과 관련하여 기술된 바와 같이, 산질화규소 유전체 층(402) 내의 질소의 비균질 분포를 형성한다.
예시적인 특정 실시예에서, 산화 및 질화는, 산소(O2) 및 산화질소(NO)의 존재 하에서, N-형 규소 기판(400)을 플라즈마 없이 대략 섭씨 650 내지 900도 범위 내의 온도로 또는 플라즈마 상태에서 대략 섭씨 200 내지 350도 범위 내의 온도로 가열하여, 하나의 질소 농도 최대부만을 갖는 산질화규소 유전체 층(402)을 형성하는 단계를 포함하며, 최대부는 N-형 규소 기판(400)에 근접한 산질화규소 유전체 층(402)의 표면에 있다. 이것은 먼저 주로 산소 소스(source)를 유동하게 한 후에 생성되는 필름의 저부에서 질화되는 산화질소를 유동하게 함으로써 수행될 수 있다. 일례로서, 이 실시예에서 산질화규소 층은 도 1의 산질화규소 층(108)과 관련하여 기술된 바와 같을 수 있다.
예시적인 다른 특정 실시예에서, 산화 및 질화는, 산소(O2) 및 산화질소(NO)의 존재 하에서, N-형 규소 기판을 플라즈마 없이 대략 섭씨 650 내지 900도 범위 내의 온도로 또는 플라즈마 상태에서 대략 섭씨 200 내지 350도 범위 내의 온도로 가열하여, 하나의 질소 농도 최대부만을 갖는 산질화규소 유전체 층(402)을 형성하는 단계를 포함하며, 최대부는 N-형 규소 기판(400)으로부터 원위에 있는 산질화규소 유전체 층(402)의 표면에 있다. 이것은 먼저 주로 산화질소와 조합하여 산소 소스를 유동하게 한 후에 주로 산소 소스만을 유동하게 함으로써 수행될 수 있다. 일례로서, 이 실시예에서 산질화규소 층은 도 2의 산질화규소 층(208)과 관련하여 기술된 바와 같을 수 있다.
예시적인 또 다른 특정 실시예에서, 산화 및 질화는, 산소(O2) 및 산화질소(NO)의 존재 하에서, N-형 규소 기판을 플라즈마 없이 대략 섭씨 650 내지 900도 범위 내의 온도로 또는 플라즈마 상태에서 대략 섭씨 200 내지 350도 범위 내의 온도로 가열하여, 2개의 질소 농도 최대부를 갖는 산질화규소 유전체 층(402)을 형성하는 단계를 포함하며, 하나의 최대부는 N-형 규소 기판(400)으로부터 원위에 있는 산질화규소 유전체 층(402)의 표면에 있고, 하나의 최대부는 N-형 규소 기판(400)에 근접한 산질화규소 유전체 층(402)의 표면에 있다. 하나의 그러한 실시예에서, 질화 및 산화는 먼저 산화질소(NO) 및 산소(O2)를 유동하게 하고, 이어서 산소(O2)만을 유동하게 하고, 마지막으로 산화질소(NO) 및 산소(O2)를 유동하게 하여 산질화규소 유전체 층(402)을 형성하는 단계를 포함한다. 일례로서, 이 실시예에서 산질화규소 층은 도 3의 산질화규소 층(308)과 관련하여 기술된 바와 같을 수 있다.
다시 도 4a를 참조하면, 태양 전지의 이미터 영역을 제조하는 방법은 산질화규소 유전체 층(402) 상에 반도체 층(404)을 형성하는 단계를 추가로 포함한다. 일 실시예에서, 반도체 층은 폴리실리콘 층이고, 형성 후에(또는 형성 동안에) 도 4a에 도시된 바와 같이 복수의 N-형 도핑된 폴리실리콘 영역(420) 및 복수의 P-형 도핑된 폴리실리콘 영역(422)을 형성하기 위해 사용된다. 또한, 영역들(420, 422) 사이에 트렌치(trench)(416)가 형성될 수 있다. 각각의 트렌치(416)의 저부에 텍스처화된 표면(418)이 형성될 수 있다. 트렌치(416) 및 텍스처화된 표면(418) 둘 모두가 도 4a에 도시되어 있다.
따라서, 일 실시예에서, 예컨대 복수의 N-형 도핑된 폴리실리콘 영역(420) 및 복수의 P-형 도핑된 폴리실리콘 영역(422) 각각에 기초하여, 제1 이미터 영역 및 제2 이미터 영역을 포함하는 태양 전지가 제조된다. 일 실시예에서, P-형 도핑된 폴리실리콘 영역(422)에 기초하는 이미터 영역은 제 위치에서 또는 반도체 층(404)의 형성 후에 포함되는 붕소 도펀트 불순물 원자를 포함한다. 하나의 그러한 실시예에서, 산질화규소 유전체 층(402) 내에 포함되는 질소는 P-형 반도체 층(422)으로부터 기판(400)으로의 도펀트 침투를 억제하기 위해 제공된다. 또한, 일 실시예에서, 산질화규소 유전체 층(402)은 제1 및 제2 이미터 영역을 위한 산질화규소 터널 유전체 층이다.
다시 도 4a를 참조하면, 복수의 N-형 도핑된 폴리실리콘 영역(420), 복수의 P-형 도핑된 폴리실리콘 영역(422) 및 트렌치(416)에 의해 노출된 기판(400)의 부분 위에 유전체 층(424)이 형성된다. 일 실시예에서, 도 4a에 도시된 바와 같이, 유전체 층(424)의 하부 표면은 복수의 N-형 도핑된 폴리실리콘 영역(420), 복수의 P-형 도핑된 폴리실리콘 영역(422) 및 기판(400)의 노출된 부분과 공형으로(conformal) 형성되는 반면, 유전체 층(424)의 상부 표면은 실질적으로 평평하다. 특정 실시예에서, 유전체 층(424)은 반사-방지 코팅(anti-reflective coating, ARC) 층이다.
도 4b를 참조하면, 복수의 접점 개구(426)가 유전체 층(424) 내에 형성된다. 복수의 접점 개구(426)는 복수의 N-형 도핑된 폴리실리콘 영역(420)에 대한 그리고 복수의 P-형 도핑된 폴리실리콘 영역(422)에 대한 노출을 제공한다. 일 실시예에서, 복수의 접점 개구(426)는 레이저 제거(laser ablation)에 의해 형성된다. 일 실시예에서, N-형 도핑된 폴리실리콘 영역(420)에 대한 접점 개구(426)는 도 4b에 도시된 바와 같이 P-형 도핑된 폴리실리콘 영역(422)에 대한 접점 개구와 실질적으로 동일한 높이를 갖는다.
도 4c를 참조하면, 전도성 접점(428)이 복수의 접점 개구(426) 내에 형성되며, 복수의 N-형 도핑된 폴리실리콘 영역(420)에 그리고 복수의 P-형 도핑된 폴리실리콘 영역(422)에 결합된다. 일 실시예에서, 전도성 접점(428)은 금속으로 구성되며, 침착, 리소그래픽(lithographic) 및 에치(etch) 접근법에 의해 형성된다. 따라서, 일 실시예에서, 전도성 접점(428)이 벌크 N-형 규소 기판(400)의 수광 표면(401) 반대편의 벌크 N-형 규소 기판(400)의 표면 상에 또는 그 위에 형성된다. 따라서, 배면 접점 태양 전지(450)가 제조된다.
태양 전지 내의 산질화규소 터널 유전체 층의 붕소-억제 거동의 일례로서, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 산화규소 터널 유전체 층(곡선(504))을 갖는 이미터 영역과 대비되는 산질화규소 터널 유전체 층(곡선(502))을 갖는 이미터 영역에 대한 깊이(마이크로미터)의 함수로서의 붕소(B) 농도(원자/㎤)의 그래프(500)이다. 그래프(500)를 참조하면, 두 곡선(504, 502) 모두에 대해, 4.5% 붕소 도핑에 기초하여, (첨단부(spike)(504A, 502A) 각각에서) 각각의 터널 유전체 층까지 그리고 그를 포함하여 이미터 영역의 제1 부분에서 붕소 축적이 발생한다. 그러나, 산질화규소 터널 유전체 층(곡선(502))의 경우, 대략 5e16 원자/㎤ 범위(여기서 측정 능력이 상실됨)까지 예리한/가파른 하락이 존재하며, 이는 붕소 침투가 거의 내지는 전혀 없다는 것을 지시한다. 이와 달리, 곡선(504)의 경우, 명백한 저하가 존재하지 않으며, 이는 상당한 붕소 침투를 지시한다.
더 일반적으로, 일 실시예에서, 소수 캐리어(minority carrier)를 차단하기 위해 태양 전지 내에 산질화규소 터널 유전체 층이 포함된다. 일 실시예에서, 산질화규소 터널 유전체 층의 두께는 대략 10 내지 20 옹스트롬 범위 내이며, 특정하게는 약 15 옹스트롬이다. 그러나, 터널 유전체 층을 형성하기 위해 통상적으로 요구되는 열 공급량(thermal budget)은 태양 전지의 다른 부분 내의, 예를 들어 벌크 기판 배면 접점 태양 전지의 기판 내의 결함의 형성을 가속할 수 있다. 따라서, 통상적인 접근법을 적용할 때, 터널 유전체 층의 포함에 의해 제공되는 이익과 그러한 층을 제조하기 위해 전형적으로 요구되는 증가된 열 공급량의 손상 효과에 대한 절충이 존재할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 명세서에서 제공되는 접근법은 고효율 태양 전지 설계에서 사용하기 위한, 그러나 감소된 열 공급량에 의한 산질화규소 터널 유전체 층의 제조를 가능하게 한다. 일 실시예에서, 열 공급량을 감소시킴으로써, 그렇지 않을 경우 증가된 열 노출에 의해 악화되는 결함이 감소되거나 완화된다.
그러면, 일 실시예에서, 폴리실리콘 접점을 가진 구조물 내에 터널 유전체 층을 제조하기 위한 얇은 산질화규소의 성장이 태양 전지의 제조에서 개선된다. 예를 들어, 개선은 하기의 필름 속성들, 즉 고성능이지만 얇은 산질화규소 터널 유전체 필름, 제어되는 두께, 제어되는 품질, 감소된 공정 사이클 시간, 및 감소된 공정 열 공급량 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 본 명세서에서 기술된 접근법들 중 하나 이상을 적용함으로써, 넓은 기판에 걸쳐 양호한 두께 제어를 가진 매우 얇은 산질화규소 터널 산화물이 비교적 낮은 온도(예컨대, 감소된 열 공급량)에서 그리고 비교적 짧은 사이클 시간에 의해 달성된다.
소정의 재료가 위에서 구체적으로 기술되었지만, 일부 재료는 다른 재료로 용이하게 대체될 수 있으며, 다른 그러한 실시예는 본 발명의 실시예의 사상 및 범주 내에 남는다. 예를 들어, 일 실시예에서, III-V족 재료 기판과 같은 상이한 재료 기판 또는 전체 태양 전지 기판 상에 배치되는 다결정 규소 층으로부터 형성된 것과 같은 박막 기판이 벌크 결정 규소 기판 대신에 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 태양 전지 위에 이미터 영역을 형성하기 위해 폴리실리콘 대신에 높은 밴드갭(band gap) 재료가 사용될 수 있다. 또한, 배면 접점 태양 전지와 관련하여 기술되었지만, 전면 접점(front-contact) 태양 전지와 같은 다른 접점 배열이 본 발명의 실시예의 사상 및 범주 내에서 고려된다.
또한, 저압 화학 증착(LPCVD)이 산질화규소 터널 유전체 층을 제조하기 위한 특정 예로서 제공되지만, 다른 화학 증착(CVD) 공정이 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 대기압 CVD(APCVD), 플라즈마 강화 CVD(PEDVD), 열 성장, 또는 스퍼터링(sputtering) 공정이 그러한 터널 유전체 층을 형성하기 위해 사용될 수 있다.
따라서, 산질화규소 유전체 층을 가진 태양 전지 및 태양 전지 제조를 위해 산질화규소 유전체 층을 형성하는 방법이 개시되었다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 태양 전지의 이미터 영역은 수광 표면 반대편의 배면 표면을 갖는 기판의 일부분을 포함한다. 산질화규소(SiOxNy, 0 < x, y) 유전체 층이 기판의 상기 일부분의 배면 표면 상에 배치된다. 반도체 층이 산질화규소 유전체 층 상에 배치된다. 일 실시예에서, 산질화규소 유전체 층은 하나의 질소 농도 최대부만을 가지며, 최대부는 기판의 상기 일부분의 배면 표면에 근접한 산질화규소 유전체 층의 표면에 있다. 일 실시예에서, 산질화규소 유전체 층은 하나의 질소 농도 최대부만을 가지며, 최대부는 기판의 상기 일부분의 배면 표면으로부터 원위에 있는 산질화규소 유전체 층의 표면에 있다. 일 실시예에서, 산질화규소 유전체 층은 2개의 질소 농도 최대부를 가지며, 하나의 최대부는 기판의 상기 일부분의 배면 표면으로부터 원위에 있는 산질화규소 유전체 층의 표면에 있고, 하나의 최대부는 기판의 상기 일부분의 배면 표면에 근접한 산질화규소 유전체 층의 표면에 있다.
일 실시예에서, 태양 전지의 이미터 영역은 전면 표면 반대편의 배면 표면을 갖는 기판의 일부분을 포함한다. 산질화규소(SiOxNy, 0 < x, y) 유전체 층이 기판의 상기 일부분의 배면 표면 상에 배치된다. 반도체 층이 산질화규소 유전체 층 상에 배치된다.
일 실시예에서, 전면 표면은 태양 전지의 수광 표면이다.
일 실시예에서, 산질화규소 유전체 층은 질소의 비균질 분포를 갖는다.
일 실시예에서, 산질화규소 유전체 층은 하나의 질소 농도 최대부만을 가지며, 최대부는 기판의 상기 일부분의 배면 표면에 근접한 산질화규소 유전체 층의 표면에 있다.
일 실시예에서, 산질화규소 유전체 층은 하나의 질소 농도 최대부만을 가지며, 최대부는 기판의 상기 일부분의 배면 표면으로부터 원위에 있는 산질화규소 유전체 층의 표면에 있다.
일 실시예에서, 산질화규소 유전체 층은 2개의 질소 농도 최대부를 가지며, 하나의 최대부는 기판의 상기 일부분의 배면 표면으로부터 원위에 있는 산질화규소 유전체 층의 표면에 있고, 하나의 최대부는 기판의 상기 일부분의 배면 표면에 근접한 산질화규소 유전체 층의 표면에 있다.
일 실시예에서, 최대부들 사이의 거리는 대략 5 내지 6 옹스트롬 범위 내이다.
일 실시예에서, 산질화규소 유전체 층은 대략 10 내지 20 옹스트롬 범위 내의 두께를 갖는다.
일 실시예에서, 산질화규소 유전체 층은 대략 4 내지 5 옹스트롬 범위 내의 두께를 갖는 제1 질소-풍부 영역, 제1 질소-풍부 영역 위에 배치되고 대략 5 내지 6 옹스트롬 범위 내의 두께를 갖는 질소-희박 영역, 및 질소-희박 영역 위에 배치되고 대략 4 내지 5 옹스트롬 범위 내의 두께를 갖는 제2 질소-풍부 영역을 갖는다.
일 실시예에서, 산질화규소 유전체 층은 x > y인 조성을 갖는다.
일 실시예에서, 산질화규소 유전체 층 상에 배치되는 반도체 층은 붕소-도핑된 규소 층이다.
일 실시예에서, 산질화규소 유전체 층은 붕소 원자를 포함한다.
일 실시예에서, 산질화규소 유전체 층은 반도체 층으로부터 기판의 상기 일부분으로의 도펀트 침투를 억제하기 위한 것이다.
일 실시예에서, 산질화규소 유전체 층은 이미터 영역을 위한 산질화규소 터널 유전체 층이다.
일 실시예에서, 이미터 영역은 반도체 층 상에 배치되는 금속 접점을 추가로 포함한다.
일 실시예에서, 제1 이미터 영역을 포함하는 태양 전지는 수광 표면 반대편의 배면 표면을 갖는 기판의 제1 부분을 포함한다. 산질화규소(SiOxNy, 0 < x, y) 유전체 층이 기판의 제1 부분의 배면 표면 상에 배치된다. P-형 반도체 층이 산질화규소 유전체 층 상에 배치된다. 태양 전지는 또한 기판의 제2 부분을 포함하는 태양 전지의 제2 이미터 영역을 포함한다. 산질화규소 유전체 층이 기판의 제2 부분의 배면 표면 상에 배치된다. N-형 반도체 층이 산질화규소 유전체 층 상에 배치된다.
일 실시예에서, 산질화규소 유전체 층은 질소의 비균질 분포를 갖는다.
일 실시예에서, 산질화규소 유전체 층은 P-형 반도체 층으로부터 기판의 제1 부분으로의 도펀트 침투를 억제하기 위한 것이며, 산질화규소 유전체 층은 제1 및 제2 이미터 영역을 위한 산질화규소 터널 유전체 층이다.
일 실시예에서, 제1 및 제2 이미터 영역은 기판의 제1 부분과 제2 부분 사이에서 기판 내에 형성되는 트렌치에 의해 분리된다.
일 실시예에서, 태양 전지의 이미터 영역은 수광 표면 반대편의 배면 표면을 갖는 N-형 벌크 규소 기판의 일부분을 포함한다. 산질화규소(SiOxNy, 0 < x, y) 유전체 층이 N-형 벌크 규소 기판의 상기 일부분의 배면 표면 상에 배치된다. 산질화규소 유전체 층은 질소의 비균질 분포를 갖는다. 붕소-도핑된 다결정 규소 층이 산질화규소 유전체 층 상에 배치된다. 금속 접점이 P-형 다결정 규소 층 상에 배치된다.
일 실시예에서, 산질화규소 유전체 층은 붕소-도핑된 다결정 규소 층으로부터 N-형 벌크 규소 기판의 상기 일부분으로의 도펀트 침투를 억제하기 위한 것이며, 산질화규소 유전체 층은 이미터 영역을 위한 산질화규소 터널 유전체 층이다.
일 실시예에서, 태양 전지의 이미터 영역을 제조하는 방법은 태양 전지의 벌크 N-형 규소 기판의 표면 상에, N-형 규소 기판의 일부분을 소비함으로써 산질화규소(SiOxNy, 0 < x, y) 유전체 층을 형성하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 산질화규소 유전체 층 상에 반도체 층을 형성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 산질화규소 유전체 층을 형성하는 단계는 N-형 규소 기판의 상기 일부분을 산화 및 질화시키는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 산화 및 질화시키는 단계는 산질화규소 유전체 층 내의 질소의 비균질 분포를 형성한다.
일 실시예에서, 산화 및 질화시키는 단계는, 산소(O2) 및 산화질소(NO)의 존재 하에서, N-형 규소 기판을 플라즈마 없이 대략 섭씨 650 내지 900도 범위 내의 온도로 또는 플라즈마 상태에서 대략 섭씨 200 내지 350도 범위 내의 온도로 가열하여, 하나의 질소 농도 최대부만을 갖는 산질화규소 유전체 층을 형성하는 단계를 포함하며, 최대부는 N-형 규소 기판에 근접한 산질화규소 유전체 층의 표면에 있다.
일 실시예에서, 산화 및 질화시키는 단계는, 산소(O2) 및 산화질소(NO)의 존재 하에서, N-형 규소 기판을 플라즈마 없이 대략 섭씨 650 내지 900도 범위 내의 온도로 또는 플라즈마 상태에서 대략 섭씨 200 내지 350도 범위 내의 온도로 가열하여, 하나의 질소 농도 최대부만을 갖는 산질화규소 유전체 층을 형성하는 단계를 포함하며, 최대부는 N-형 규소 기판으로부터 원위에 있는 산질화규소 유전체 층의 표면에 있다.
일 실시예에서, 산화 및 질화시키는 단계는, 산소(O2) 및 산화질소(NO)의 존재 하에서, N-형 규소 기판을 플라즈마 없이 대략 섭씨 650 내지 900도 범위 내의 온도로 또는 플라즈마 상태에서 대략 섭씨 200 내지 350도 범위 내의 온도로 가열하여, 2개의 질소 농도 최대부를 갖는 산질화규소 유전체 층을 형성하는 단계를 포함하며, 하나의 최대부는 N-형 규소 기판으로부터 원위에 있는 산질화규소 유전체 층의 표면에 있고, 하나의 최대부는 N-형 규소 기판에 근접한 산질화규소 유전체 층의 표면에 있다.
일 실시예에서, 산화 및 질화시키는 단계는 먼저 산화질소(NO) 및 산소(O2)를 유동하게 하고, 이어서 산소(O2)만을 유동하게 하고, 마지막으로 산화질소(NO) 및 산소(O2)를 유동하게 하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 산질화규소 유전체 층은 저압 화학 증착(LPCVD) 챔버 내에서 형성된다.

Claims (20)

  1. 태양 전지(solar cell)의 이미터 영역(emitter region)으로서,
    이미터 영역은,
    전면 표면 반대편의 배면 표면을 갖는 기판(substrate)의 일부분;
    기판의 상기 일부분의 배면 표면 상에 배치되는 산질화규소(silicon oxynitride)(SiOxNy, 0 < x, y) 유전체 층(dielectric layer) - 상기 산질화규소 유전체 층은 질소의 비균질 분포를 가짐 -; 및
    산질화규소 유전체 층 상에 배치되는 반도체 층
    을 포함하는, 이미터 영역.
  2. 제1항에 있어서, 전면 표면은 태양 전지의 수광 표면(light receiving surface)인, 이미터 영역.
  3. 제1항에 있어서, 산질화규소 유전체 층은 하나의 질소 농도 최대부(maxima)만을 가지며, 최대부는 기판의 상기 일부분의 배면 표면에 근접한 산질화규소 유전체 층의 표면에 있는, 이미터 영역.
  4. 제1항에 있어서, 산질화규소 유전체 층은 하나의 질소 농도 최대부만을 가지며, 최대부는 기판의 상기 일부분의 배면 표면으로부터 원위에 있는 산질화규소 유전체 층의 표면에 있는, 이미터 영역.
  5. 제1항에 있어서, 산질화규소 유전체 층은 2개의 질소 농도 최대부를 가지며, 하나의 최대부는 기판의 상기 일부분의 배면 표면으로부터 원위에 있는 산질화규소 유전체 층의 표면에 있고, 하나의 최대부는 기판의 상기 일부분의 배면 표면에 근접한 산질화규소 유전체 층의 표면에 있는, 이미터 영역.
  6. 제5항에 있어서, 최대부들 사이의 거리는 대략 5 내지 6 옹스트롬 범위 내인, 이미터 영역.
  7. 제1항에 있어서, 산질화규소 유전체 층은 대략 10 내지 20 옹스트롬 범위 내의 두께를 갖는, 이미터 영역.
  8. 제7항에 있어서, 산질화규소 유전체 층은 대략 4 내지 5 옹스트롬 범위 내의 두께를 갖는 제1 질소-풍부(nitrogen-rich) 영역, 제1 질소-풍부 영역 위에 배치되고 대략 5 내지 6 옹스트롬 범위 내의 두께를 갖는 질소-희박(nitrogen-poor) 영역, 및 질소-희박 영역 위에 배치되고 대략 4 내지 5 옹스트롬 범위 내의 두께를 갖는 제2 질소-풍부 영역을 갖는, 이미터 영역.
  9. 제1항에 있어서, 산질화규소 유전체 층은 x > y인 조성을 갖는, 이미터 영역.
  10. 제1항에 있어서, 산질화규소 유전체 층 상에 배치되는 반도체 층은 붕소-도핑된 규소 층(boron-doped silicon layer)인, 이미터 영역.
  11. 제10항에 있어서, 산질화규소 유전체 층은 붕소 원자를 포함하는, 이미터 영역.
  12. 제1항에 있어서, 산질화규소 유전체 층은 반도체 층으로부터 기판의 상기 일부분으로의 도펀트 침투(dopant penetration)를 억제하기 위한 것인, 이미터 영역.
  13. 제1항에 있어서, 산질화규소 유전체 층은 이미터 영역을 위한 산질화규소 터널(tunnel) 유전체 층인, 이미터 영역.
  14. 제1항에 있어서,
    반도체 층 상에 배치되는 금속 접점을 추가로 포함하는, 이미터 영역.
  15. 태양 전지로서,
    제1 이미터 영역 - 상기 제1 이미터 영역은,
    수광 표면 반대편의 배면 표면을 갖는 기판의 제1 부분;
    기판의 제1 부분의 배면 표면 상에 배치되는 산질화규소(SiOxNy, 0 < x, y) 유전체 층 - 상기 산질화규소 유전체 층은 질소의 비균질 분포를 가짐 -; 및
    산질화규소 유전체 층 상에 배치되는 P-형 반도체 층을 포함함 -; 및
    제2 이미터 영역 - 상기 제2 이미터 영역은,
    기판의 제2 부분;
    기판의 제2 부분의 배면 표면 상에 배치되는 산질화규소 유전체 층; 및
    산질화규소 유전체 층 상에 배치되는 N-형 반도체 층을 포함함 -
    을 포함하는, 태양 전지.
  16. 제15항에 있어서, 산질화규소 유전체 층은 P-형 반도체 층으로부터 기판의 제1 부분으로의 도펀트 침투를 억제하기 위한 것이며, 산질화규소 유전체 층은 제1 및 제2 이미터 영역을 위한 산질화규소 터널 유전체 층인, 태양 전지.
  17. 제15항에 있어서, 제1 및 제2 이미터 영역은 기판의 제1 부분과 제2 부분 사이에서 기판 내에 형성되는 트렌치(trench)에 의해 분리되는, 태양 전지.
  18. 태양 전지의 이미터 영역으로서,
    이미터 영역은,
    수광 표면 반대편의 배면 표면을 갖는 N-형 벌크 규소 기판(bulk silicon substrate)의 일부분;
    N-형 벌크 규소 기판의 상기 일부분의 배면 표면 상에 배치되는 산질화규소(SiOxNy, 0 < x, y) 유전체 층 - 상기 산질화규소 유전체 층은 질소의 비균질 분포를 가짐 -;
    산질화규소 유전체 층 상에 배치되는 붕소-도핑된 다결정 규소 층; 및
    붕소-도핑된 다결정 규소 층 상에 배치되는 금속 접점
    을 포함하는, 이미터 영역.
  19. 제18항에 있어서, 산질화규소 유전체 층은 붕소-도핑된 다결정 규소 층으로부터 N-형 벌크 규소 기판의 상기 일부분으로의 도펀트 침투를 억제하기 위한 것이며, 산질화규소 유전체 층은 이미터 영역을 위한 산질화규소 터널 유전체 층인, 이미터 영역.
  20. 제18항에 있어서, 산질화규소 유전체 층은 하나의 질소 농도 최대부만을 가지며, 최대부는 N-형 벌크 규소 기판의 상기 일부분의 배면 표면에 근접한 산질화규소 유전체 층의 표면에 있는, 이미터 영역.
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