KR20160120274A - 후면 접촉 후면 접합 태양 전지를 위한 부동태화된 접촉부 - Google Patents
후면 접촉 후면 접합 태양 전지를 위한 부동태화된 접촉부 Download PDFInfo
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Abstract
부동태화된 접촉 구조물 및 후면 접촉 후면 접합 태양 전지의 제조 방법을 제공한다. 일 실시형태에 따르면, 베이스 영역 및 이미터 영역을 가지는, 전면 및 후면을 가지는 반도체 광 흡수층을 가지는, 후면 접촉 후면 접합 광기전력 태양 전지가 기재되어 있다. 부동태 유전 절연층은 베이스 영역 및 이미터 영역 상에 있다. 제1 전기 전도성 접촉부는, 광 흡수층의 전도대에 가깝게 일치하는 전자의 선택적 수집에 적절한 일 함수를 함께 가지는 부동태 유전 절연층에 접촉한다. 제2 전기 전도성 접촉부는, 광 흡수층의 가전자대에 가깝게 일치하는 전자의 선택적 수집에 적절한 일 함수를 함께 가지는 부동태 유전 절연층에 접촉한다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본원은 2013년 12월 2일자로 출원된 미국 가특허출원 제61/910,936호의 이익을 주장하며, 그 전문은 본 명세서에 참고로 원용된다.
기술분야
본 개시내용은 일반적으로 광기전력(photovoltaic: PV) 태양 전지 분야에 관한 것이고, 더욱 특히 태양 전지를 위한 부동태화된 접촉부에 관한 것이다.
광기전력 태양 전지 기술이 에너지 생성 해결책으로서 점점 더 많이 채택됨에 따라, 태양 전지 효율, 금속화, 재료 소모 및 제작과 관련하여 제작 개선 및 효율 개선이 요구된다. 제조 비용 및 변환 효율 인자는 태양 전지 흡광기가 두께가 더 얇게 하고 면적이 더 크게 되게 하여서, 이렇게 얇은 흡광기에 기반한 태양 전지의 기계적 취약성, 효율, 및 복잡한 처리와 취급을 증가시키며, 취약 효과는 결정성 실리콘 흡광기와 관련하여 특히 증가하였다.
일반적으로, 태양 전지 접촉 구조물은 베이스 및 이미터 확산 영역 상에 전도성 금속화부, 예를 들어 각각 비교적 고농도(heavy)의 인 및 붕소 영역을 통해 베이스와 이미터 접촉 영역에서의 실리콘을 연결하는 알루미늄 금속화부를 포함한다.
흔히, 실리콘에 대해 낮은 접촉 저항(1mΩ·㎠ 미만의 저항)을 만들도록 비교적 고농도의 도핑이 필요할 수 있다. 실리콘과 직접 접촉하는 금속의 페르미 준위(Fermi level)는, 표면 상태의 매우 높은 밀도 때문에 그 금속의 진공 일 함수와 다소 독립적으로 실리콘의 밴드갭의 중간에서 고정될 수 있다. 이는 캐리어가 통과하는 큰 장벽을 제시할 수 있어서, 높은 접촉 저항에 기여할 수 있다. 이에 대항하고 양호한 접촉 저항을 얻도록, 고농도의 도핑을 이용할 수 있다. 이는 큰 장벽에도 불구하고 캐리어가 터널링할 수 있게 하고, 이는 접촉 저항을 감소시켰다. 접촉 저항을 감소시키는 데 일조하는 것에 이외에, 접촉부 아래의 고농도의 도핑은 또한 광전류에 기여하지 않는 캐리어의 유형을 거부할 수 있다(베이스 접촉 영역에서 홀을 거부하고 이미터 접촉 영역에서 전자를 거부한다). 그러나, 이러한 고농도의 도핑은 예를 들어 캐리어의 손실 및 증가한 재결합에 기여하고 이에 따라 Jsc 및 Voc를 감소시키는, 급격히 증가하는 오거(auger) 재결합을 희생한 것일 수 있다. 추가로, 거부 인터페이스는 갑작스럽지 않기 때문에, 거부 비율이 완벽하지 않다.
도 1은 박막 결정성 실리콘 태양 전지의 단면도이다. 도 1은 제1 준위 금속(M1) 및 제2 준위 금속(M2)을 가지는 2중 준위 금속화를 가지는 박막 백플레인 지지 후면 접촉 후면 접합 태양 전지(back contact back junction solar cell)의 단면을 도시한다. 이러한 전지의 특징부는 그 전문이 본 명세서에 참고로 원용되며 2013년 9월 5일에 공개된 미국 특허 공개 제2013/0228221호에 자세히 개시되어 있다. 도 1의 전지는 부동태화된 베이스 또는 이미터 접촉부를 가지지 않으며, M1은 고농도의 n 및 p 확산부와 직접 접촉한다. 도 1의 전지는 얇은 전지가 라인 전체에 걸쳐 고수율로 지지될 수 있게 하는 백플레인을 가진다. M1(예를 들어, 알루미늄)이 각각 비교적 고농도의 인 및 붕소 도핑 영역을 통해 베이스 및 이미터 접촉 영역 둘 다에 있어서 실리콘과 연결된다는 점에 주목할 수 있다.
따라서, 후면 접촉 후면 접합 태양 전지 제작 공정을 개선하고 증가한 태양 전지 성능을 제공하는 접촉부에 대한 수요가 생긴다. 개시된 대상에 따르면, 후면 접촉 후면 접합 태양 전지를 위한 기존에 개발된 접촉부와 연관된 단점 및 결함을 실질적으로 제거하거나 감소시키는 부동태화된 접촉부가 제공된다.
부동태화된 접촉 구조물 및 후면 접촉 후면 접합 태양 전지의 제조 방법을 제공한다. 일 실시형태에 따르면, 베이스 영역 및 이미터 영역을 가지는, 전면 및 후면을 가지는 반도체 광 흡수층을 가지는, 후면 접촉 후면 접합 광기전력 태양 전지가 기재되어 있다. 부동태 유전 절연층은 베이스 영역 및 이미터 영역 상에 있다. 제1 전기 전도성 접촉부는, 광 흡수층의 전도대(conduction band)에 가깝게 일치하는 전자의 선택적 수집에 적절한 일 함수를 함께 가지는 부동태 유전 절연층에 접촉한다. 제2 전기 전도성 접촉부는, 광 흡수층의 가전자대가전자대(valence band)에 가깝게 일치하는 전자의 선택적 수집에 적절한 일 함수를 함께 가지는 부동태 유전 절연층에 접촉한다.
개시된 대상의 이러한 양상 및 다른 양상, 및 신규한 추가의 특징은 본 명세서에 제공된 설명으로부터 명백할 것이다. 이러한 개요의 의도는, 청구된 대상을 포괄적으로 설명하려는 것이 아니라 상기 대상의 기능 중 일부의 간략한 개관을 제공하려는 것이다. 본 명세서에 제공된 다른 시스템, 방법, 특징 및 이점은 하기하는 도면 및 상세한 설명을 검토하는 경우 통상의 기술자에게 명백할 것이다.
개시된 대상의 특징, 성질 및 이점은 유사한 참조 번호가 유사한 특징을 가리키는 도면과 함께 하기 기재된 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 수 있다.
도 1은 박막 결정성 실리콘 태양 전지의 단면도;
도 2는 편평한 밴드 상태 하에서의 n형 접촉부의 밴드 도면;
도 3은 편평한 밴드 상태 하에서의 p형 접촉부의 밴드 도면;
도 4는 부동태화된 접촉부 실시형태의 개략도;
도 5는 박막 백플레인 지지 후면 접촉 후면 접합 태양 전지를 제작하기 위한 대표적인 비부동태화된 접촉 공정 흐름도;
도 6은 예시적인 부동태화된 접촉 박막 백플레인 지지 후면 접촉 후면 접합 태양 전지의 단면도.
도 1은 박막 결정성 실리콘 태양 전지의 단면도;
도 2는 편평한 밴드 상태 하에서의 n형 접촉부의 밴드 도면;
도 3은 편평한 밴드 상태 하에서의 p형 접촉부의 밴드 도면;
도 4는 부동태화된 접촉부 실시형태의 개략도;
도 5는 박막 백플레인 지지 후면 접촉 후면 접합 태양 전지를 제작하기 위한 대표적인 비부동태화된 접촉 공정 흐름도;
도 6은 예시적인 부동태화된 접촉 박막 백플레인 지지 후면 접촉 후면 접합 태양 전지의 단면도.
하기하는 설명은, 한정적인 의미로 받아들여서는 안 되며, 본 개시내용의 일반적인 원리를 설명하려는 것이다. 본 개시내용의 범위는 청구범위를 참조하여 결정되어야 한다. 본 개시내용의 예시적인 실시형태는 도면에 예시되어 있고, 유사한 번호는 다양한 도면의 유사하고 대응하는 부분을 가리키도록 사용된다. 제공된 도면의 치수는 일정한 비율로 도시된 것이 아니다.
본 개시내용은 후면 접촉 후면 접합(back contact back junction: BCBJ) 태양 전지와 같은 특정한 실시형태 및 구성요소와 관련하여 기재되어 있지만, 통상의 기술자라면, 본 명세서에 기재된 원리를, 과도한 실험 없이, 다른 태양 전지 구조물, 태양 전지 반도체 재료(예컨대, GaAs, III-V 화합물 재료), 제작 공정(예컨대, 다양한 증착, 접촉 개구, 및 확산 방법 및 재료), 및 흡광기/부동태화/금속화 재료 및 형성, 기술 분야, 및/또는 실시형태에 적용할 수 있다.
특히, 제공된 백플레인 기반 후면 접촉 후면 접합 공정 흐름은, CZ 단결정 또는 다결정 출발 시료, 및 에피택셜 성장 반도체(예를 들어, 실리콘) 박막 백플레인 지지 BCBJ 태양 전지로 연장될 수 있다. 추가로, 본 명세서에 기재된 접촉형은 일반적으로 CZ 단결정 또는 다결정 출발 시료, 및 에피택셜 성장 박막 반도체(예를 들어, 실리콘)를 사용하여 규칙적인 (백플레인 기반이 아닌) 맞물린 후면 접촉(interdigitated back contact: IBC) 태양 전지에 또한 적용 가능하다.
부동태화 계획을 제공하는 기재된 부동태화된 접촉부를 가지는 박막 결정 실리콘계 후면 접촉 후면 접합(BCBJ) 태양 전지는 절연체, 넓은 밴드갭 (및 반절연) 반도체, 또는 이들 둘의 조합을 사용하는 것을 포함한다. 기재된 부동태화 해결책은 하기하는 두 개의 주요 이점을 제공할 수 있는 데, 첫째로 부동태화된 접촉부는 접촉부 아래의 재조합을 감소시키고, 이에 따라 Voc 증가에 일조하며, 둘째로 부동태화가 효율적으로 수행되면, 공정 단계의 수를 상당히 감소시킬 수 있고 소정의 태양 전지 및 제작 공정을 위한 비용을 감소시킬 수 있다.
제공된 박막 BCBJ 태양 전지를 위한 부동태화된 접촉부는 접촉부 저항을 손상시키지 않으면서 전지 금속화 아래의 표면 재결합 속도를 상당히 개선한다. 기재된 혁신적인 양상은 아래의 사항을 포함하며, 이러한 사항에 적용될 수 있다.
- 부동태화된 접촉부와 박막(예를 들어, 10㎛ 내지 100㎛의 두께) BCBJ 백플레인 지지 태양 전지의 구조 및 통합.
- 원하는 고효율 태양 전지 성능을 달성하는 데 사용되는, 밑에 있는 금속에 의한 부동태화 및 이의 조합의 다양하고 상이하고 특정한 실시형태. 예를 들어, 부동태화는, Al2O3, HfO2, TiOx, NiOx 및 ZnOx와 같은 재료로부터의, 넓은 밴드갭 반도체, 박막 절연체, 또는 둘 다의 조합일 수 있다. 예를 들어, 유리한 증착법은 원자층 증착(atomic layer deposition: ALD)이다. 금속은 예를 들어 원하는 결과를 발생시키는 장치 물리학을 위해 부동태화의 적절한 유형과 조합되는 알루미늄(Al), 티탄(Ti) 및 니켈(Ni)일 수 있다.
- (전술한 재료 세트에 의한) 부동태화된 접촉부 기반 BCBJ 태양 전지, 특히, 취급을 위해 백플레인을 가지는 부동태화된 접촉부 기반 박막 BCBJ 태양 전지의 제조에 관련된 특정한 방법. 이러한 방법은 종종 공정 단계 감소라는 추가의 이점을 가진다.
일반적으로, 제공된 베이스 및 이미터를 위한 부동태화된 접촉부는 하기하는 핵심 조건을 충족한다.
- 광전류에 기여하는 캐리어(n형 베이스에 대해서는 전자이고 p형 이미터에 대해서는 홀)의 유형에 대하여 매우 낮은 접촉부 저항을 제공한다. 베이스 및 이미터는 n형 실리콘 태양 전지의 관점에서 본 명세서에 기재되어 있고, p형 태양 전지의 경우 베이스 및 이미터 극성이 반대로 될 것이라는 점에 주목한다.
- 일부 경우에는, 10cm/s 내지 100cm/s인 표면 재결합 속도(surface recombination velocity: SRV)를 가지는 훌륭한 부동태화를 제공한다.
- 광전류에 기여하지 않는 캐리어(즉, 베이스에 대해서는 홀이고 이미터에 대해서는 전자)의 유형에 대하여 즉각적이고 훌륭한 거부를 제공한다.
추가로, 부동태화된 접촉부는, 베이스 및/또는 이미터 둘 다에 대하여 더 고농도(1e17cm-3 초과)로 도핑되거나 더 저농도(1e17cm-3 미만)로 도핑된 실리콘에서 제안된다. 일부 경우에, 그리고 명백한 것처럼, 더 저농도로 도핑된 기판 접촉부는 공정 단계를 감소시킬 수 있지만, 접촉부 저항 표적을 달성하는 데 더 고농도의 도핑이 바람직할 수 있다. 유전 재료의 3가지 종류가 제안되어 있다. 각자의 밴드갭에 의해 구별되는 각각의 종류는 여러 개의 특정한 가능성을 가지고, 일반적으로 특정한 금속과 함께 일한다.
유전 부동태화된 접촉부. 부동태화된 접촉부의 제1 종류는 실리콘 상에 고품질의 부동태화를 제공하는 것으로 알려진 절연체로 이루어진다(본 명세서에서 부동태화된 접촉부 I형 또는 유전 부동태화된 접촉부라 칭한다). I형에 따른 원리 가이드라인은 매우 얇은(예를 들어, 0.5 내지 4㎚, 일부 경우에는 더욱 특히 1 내지 2㎚) 제어되는 공지된 고품질 부동태화 절연층을 실리콘과 금속 사이에 증착하는 것이다. 이 층은 초박임에도 불구하고, 금속의 페르미 준위를 고정 해제(unpin)하고 자연 진공 일 함수 준위를 향하여 금속이 대략적으로 실리콘 밴드갭의 중간갭에서 클램핑되게 할 정도로 두껍다. 따라서, 금속의 진공 일 함수를 제대로 선택하면, 캐리어의 터널링의 장벽 높이가 상당히 감소할 수 있어서, 낮은 접촉 저항이 가능해진다. 절연체 자체가 터널링에 대한 장애물 및 저항으로 되지 않도록 절연체가 충분히 얇게 유지되어야 한다는 점에 주목한다. 절연체의 두께는 최소 접촉 저항을 위해 최적화되어야 한다. 또한, 대부분의 절연체는 매우 작은 두께 값 범위 내에 더욱 두꺼운 두께로 더욱 양호한 부동태화 품질을 또한 나타낸다. 예를 들어, 두께가 2㎚ 미만으로 감소하기 시작하면서 ALD 증착된 Al2O3 SRV와 같은 유전체가 증가한다는 것이 널리 공지되어 있다. 따라서, 절연체 두께의 최적의 선택은 접촉 저항 최적화 및 부동태화 품질 요건 둘 다를 고려해야 한다.
실리콘 상에 고품질의 부동태화를 제공하는 절연체의 예는 Al2O3, HfOx, ZnOx 및 SiO2와 같은 재료이다. 이러한 예는 제한적인 의미로 받아들여서는 안 되고 안내되는 재료 선택으로서 제공되며, 실리콘 상에 고품질의 부동태화를 형성하고 절연성을 가지는 대안적인 재료를 또한 사용할 수 있다. 이러한 유전체의 증착에 유리한 방법은 원자층 증착(ALD)이고, 이것이 (터널링 전류 제어에 필요할 수 있는) 증착 두께에 대하여 옹스트롬 수준의 정밀 제어, 및 이 공정을 위해 현재 존재하는 고용적, 태양 등급, 저가의 제조 도구를 허용할 수 있기 때문이다. 부동태화 품질을 개선하기 위한 다양한 표면 준비, 예를 들어 HF 최종 공정을 또한 이용할 수 있다.
접촉부가 전자에 낮은 저항을 제공해야 하는 n형 접촉부의 경우에, 금속은 실리콘의 전도대에 가까운 진공 일 함수를 갖도록 선택되어야 한다. 이러한 금속의 여러 예는 알루미늄(약 4.1eV의 일 함수), 티탄(약 4.3eV의 일 함수) 및 스퍼터링된 인듐 주석 산화물(약 4.25eV의 일 함수)을 포함한다. p형 접촉부의 경우에, 금속의 진공 일 함수는 홀의 자유로운 이송을 제공하도록 실리콘의 가전자대에 가까워야 한다. 여기서 니켈 및 백금과 같은 재료가 유리할 수 있고, 실리콘의 가전자대에 가까운 일 함수를 가지는 금속이 또한 선택될 수 있다. 도 2는 전자가 쉽게 터널링하는 편평한 밴드 상태 하의 n형 접촉부에 대한 밴드 도면을 보여준다. 구체적으로, 도 2는 편평한 밴드 상태를 보여주는 도면으로, n형 영역에 대하여 I형 부동태화된 접촉부를 가지는 밴드 도면이다. 도 3은 편평한 밴드 상태 하의 p형 접촉부에 대하여 이것을 보여준다. 구체적으로, 도 3은 편평한 밴드 상태를 보여주는 도면으로, p형 영역에 대하여 I형 부동태화된 접촉부를 가지는 밴드 도면이다.
넓은 밴드갭 반도체 기반 부동태화된 접촉부. 이러한 유형의 부동태화된 접촉부(여기서는, 부동태화된 접촉부 II형 또는 넓은 밴드갭 반도체 기반 부동태화된 접촉부라 함)에서, TiOx, NiOx 또는 ZnO와 같은 넓은 밴드갭 반도체를 사용하여 실리콘 상에 부동태화를 제공한다. 접촉부 스택은 (고농도 또는 저농도의 p형 또는 n형 도핑된 또는 비도핑된) 실리콘, 이어서 본 명세서에 설명하는 바와 같이 접촉부에 대해 적합한 특정한 넓은 밴드갭 반도체, 이어서 선택된 금속으로 이루어진다. 넓은 밴드갭 반도체는 재료의 밴드갭의 에너지 준위를 가리키는 특정한 전하 중성 준위(charge neutrality level: CNL)를 가지고, 인접하는 금속은 금속의 진공 준위 일 함수와 독립적으로 페르미 준위를 맞추려는 경향이 있다.
전자가 더 낮은 저항으로 접촉부를 통해 흐를 필요가 하는 n형 실리콘에 대한 접촉부의 경우, 실리콘의 전도대에 가까운 CNL을 가지는 넓은 밴드갭 재료가 선택될 수 있다. 예를 들어, TiOx가 가전자대에서 실리콘과의 넓은 밴드 불연속성이 있는 한편 실리콘과 거의 맞춰지는 전도대를 가지므로, TiOx는 이러한 응용분야를 위한 이상적인 재료일 수 있다. TiOx의 CNL 준위는 이의 전도대 엣지와 매우 가까우며, 이 전도대 엣지는 또한 실리콘의 전도대 엣지와 가깝도록 발생한다. Al 또는 Ti와 같은 금속이 TiOx 상에 증착되면, 금속의 일 함수는 TiOx의 CNL과 맞춰지며, 이에 따라 전자에 대하여 매우 작은 장벽을 생성하거나 생성하지 않아서, 전자에 대하여 매우 작은 접촉 저항이 허용한다. 금속 일 함수가 CNL에 근접하여 가까워지는 정도는 TiOx의 두께에 따라 달라지며, 예를 들어 TiOx가 더 두꺼워지면서 금속 일 함수가 이의 CNL에 더 가까워진다. 통상적으로, 일부 경우에, 2 내지 3㎚의 TiOx가 금속의 일 함수를 이의 CNL에 가까워지게 한다. 반면, 실리콘과의 넓은 가전자대 불연속성 때문에, TiOx는 홀에 대하여 훌륭한 거부 장벽을 제공한다(이는 n형 접촉부 내에서는 필요하지 않다). 따라서, 이러한 계면에 접근하는 홀은 충돌되며 매우 높은 확률로 거부되어, 홀을 실리콘 내에 유지하며 p형 접촉부를 향하여 이동하여 이것으로 진입(이는 광전류를 구성함)할 기회를 제공한다. TiOx는, 어닐링되거나 (상부에) Ti가 존재하는 경우, 산소 결핍형으로 된다. 이는 산소 공공(vacancy)을 생성하고, 이에 따라 산소 공공은 TiOx를 도핑하는 효과를 가져서 이것이 n형 반도체가 되고 TiOx가 전도성이 되게 한다. 추가로, TiOx의 저항은 1e- 2Ω·㎝ 범위만큼 작을 수 있다.
절연성 부동태화 접촉부(I형)와 같이, 최적의 TiOx 두께는 접촉 저항을 최소화할 수 있다. 이러한 최적화는 두께가 증가함에 따라 금속의 페르미 준위가 TiOx의 CNL에 더 가까워지고 이에 따라 전자에 대한 터널링 장벽을 낮추기 때문에 발생한다. 반면, 너무 두꺼운 TiOx 층은 고저항 터널링 장벽을 제시한다. 절연성 장벽과는 달리, 최소 접촉 저항의 최적의 두께는 TiOx의 전도성 때문에 더 커지는 경향이 있다. 실리콘의 전도대에 가까운 CNL을 갖고 전자에 대하여 고품질의 터널링이 가능하게 하는 다른 넓은 밴드갭 반도체를 이러한 목적에 또한 사용할 수 있다.
p형 접촉부의 경우, 적절한 넓은 밴드갭 재료는 NiOx와 같은 재료이다. NiOx 가전자대는 실리콘의 가전자대와 맞춰지는 경향이 있으며, CNL이 또한 이 준위에 가까워지거나/근사해져서, 홀에 대한 우수한 전도성 경로를 제공한다. 반면, 실리콘보다 훨씬 더 높은 (약 3.3eV 범위의) 밴드갭 때문에, 가전자대에 있어서 넓은 밴드 불연속이 존재할 수 있다. 따라서, 실리콘 측으로부터 이 계면에 충돌하는 실리콘의 전자는 매우 큰 장벽을 볼 수 있으며 매우 거부될 수 있다. TiOx에서와 같이, 접촉 저항을 최소화하는 NiOx의 최적의 두께가 존재한다. NiOx 상의 적절한 금속은 예를 들어 Ni이다.
TiOx와 NiOx는 예를 들어 원자층 증착(ALD)을 이용하여 증착될 수 있다. n형의 상부에서의 태양 전지 금속화부는 Al 및 Ti일 수 있고, 이들은 예를 들어 물리 기상 증착, 잉크젯 및 스크린 인쇄와 같은 많은 기술을 사용하여 증착될 수 있다. p형 접촉부의 상부에서의 태양 전지 금속화부는 예를 들어 Ni일 수 있고, PVD 또는 잉크젯과 같은 기술을 사용하여 또한 증착될 수 있다.
넓은 밴드갭과 절연 재료의 조합. 일반적인 태양 전지 및 박막 후면 접촉 후면 접합 태양 전지를 위한 부동태화된 접촉부 해결책의 다른 종류는 금속과 실리콘 사이에 박막 샌드위치 층으로서 형성된 넓은 밴드갭 반도체와 절연체의 결합이다(본원에서는 III형 부동태화된 접촉부 또는 결합 접촉부라 칭한다). 전술한 바와 같이, 실리콘은 고농도, 저농도이거나, 비도핑될 수 있고, p형 또는 n형일 수 있다. 금속 및 결합 스택은 실리콘의 도핑에 따라 충족되어야 한다. 따라서, 접촉부는 실리콘 층, 이어서 절연층, 이어서 특정한 접촉부에 대해 적합한 유형의 넓은 밴드갭 반도체, 및 (또한, 우수한 접촉 저항을 위해 적절히 선택된) 상부에서의 금속(태양 전지 금속화부)으로 이루어진다.
흔히, 샌드위치 층의 두께에 기초하는 부동태화된 접촉부에서는 부동태화 품질과 접촉 저항 간에 타협이 존재한다. 따라서, 박막 절연체와 넓은 밴드갭 반도체의 조합을 가지는 것은 이러한 2개의 바람직한 메트릭(metrics) 간의 공정 창을 개방한다. 예를 들어, 매우 얇은 Al2O3(절연체) 상에 박막 TiOx(넓은 밴드갭) 층을 증착함으로써 부동태화 품질이 개선된다는 것이 밝혀졌다. 접촉 저항은 TiOx가 전도성을 갖고 그 두께가 여전히 작기 때문에 여전히 매우 바람직할 수 있다. 예를 들어, 이 경우, 캐리어는 절연체를 통해 터널링하며 TiOx의 전도대에서 이동한다.
예를 들어, Al2O3/TiOx, 이어서 Ti 또는 Al와 같은 재료가 n형 접촉부를 위한 스택으로서 사용될 수 있다. 반면, 예를 들어, Al2O3/NiOx/Ni와 같은 재료가 p형 접촉부를 위한 스택일 수 있다. 대안으로, 예를 들어, HfOx는 결합 스택을 위해 Al2O3 대신에 또한 고려될 수 있다. 그리고, 예를 들어, HfOx 또는 Al2O3 상의 ZnO가 n형 접촉부에 사용될 수 있다. 결합 부동태화 스택의 상세사항은, 2014년 11월 11일자로 출원되고 그 전문이 본 명세서에 참고로 원용되는, 미국 특허 출원 제14/538760호에서 발견될 수 있다.
도 4는, 본 명세서에 기재된, 부동태화된 접촉부 해결책 실시형태 및 제작 공정 흐름의 개략도이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 최상위 수준에서, 도 4에서 N-베이스(저농도의 도핑)로서 도시된, 고농도로 도핑된 p-형(이미터)과 함께 베이스 접촉부를 위해 저농도로 도핑된 n 도핑을 이용하는 장치, 및 도 4에서 N+ 베이스(고농도의 도핑)로서 도시된, 고농도로 도핑된 p형 접촉부(이미터)와 함께 베이스 접촉부를 위해 고농도로 도핑된 n 도핑(예를 들어, 인 또는 비소)을 필요로 하는 태양 전지를 분류한다. 이러한 카테고리의 각각 내에는, (도 4에서 Ns 레이저에 기반한) 상이한 베이스 및 접촉부 영역을 조각하고 획정하기 위한 레이저 공정을 이용하는 흐름, 및 (도 4에서 하드 마스크에 기초하여 도시된) 동일한 결과를 달성하도록 하드 마스크와 습식 공정을 이용하는 추가의 세트가 존재한다. 하드 마스크 해결책에서, 실리콘 표면으로부터 멀어지면서 삭마가 수행됨에 따라 레이저를 사용하여 마스크를 획정하여 실리콘 기판에 대한 손상을 감소하거나 제거한다. 마지막 또는 최저 레벨은 부동태화된 접촉부가 n 접촉부 또는 p 접촉부 또는 n 접촉부 및 p 접촉부 둘 다를 위해 사용되는지의 여부에 의해 분류된다. 이러한 변형예 및 다른 여러 변형 세트, 예를 들어 I형, II형, III형 접촉부는 본 명세서에 기재되어 있다.
도 5는 이미터 형성을 위해 전지 후면(또는 비양지측) 상에 APCVD Al2O3 부동태화를 이용하고 전면(즉, 전지 수광 또는 양지측) 부동태화를 위해 ALD 또는 PECVD Al2O3 부동태화를 이용하는 박막 백플레인 지지 후면 접촉 후면 접합 전지를 제조하기 위한 대표적인 비부동태화된 접촉 공정 흐름도이며, 참고로 제공된다. 공정 흐름은, 3014년 10월 30일자로 공개되고 그 전문이 본 명세서에 참고로 원용되는 미국 특허 공개 제2014/0318611호에 자세히 개시된 바와 같은 백플레인 및 2중 준위 금속화를 이용하여 박막 실리콘 태양 전지를 제조하는 데 적절한 구조물을 따른다. 이는 프리프레그(prepreg)를 사용하여 프리프레그 재료와 같은 백플레인을 라미네이팅(단계 10)하여, 실리콘이 고효율에 적합하게 하도록 실리콘을 다시 에칭하여 원하는 두께까지 박막화(단계 11)하고, 레이저를 사용하여 태양 전지 상에 하위전지를 섬형으로 만드는 것(단계 12)을 포함하며, 이는 2014년 11월 6일자로 공개된 미국 특허 공개 제2014/0326295호(분리 후에 프리프레그에 의해 응집성있게 함께 유지되는 여러 개의 개별적으로 작용하는 작은 영역의 태양 전지를 분리하는 작용에 관련함)에 자세히 기재되어 있다.
도 5의 흐름은 프론트엔드(front-end) 및 백엔드(back-end)로 나누어진다. 프론트엔드는 알루미늄계 금속(1)이 n형 및 p형 둘 다의 고농도 확산, 및 비부동태화된 접촉부 상에 직접적으로 접촉하는 선택적 이미터를 생성하며, 결과적으로 도 1의 단면도에 도시한 바와 같은 전지를 제작할 수 있다. 이 흐름의 양상은, 그 전문이 본 명세서에 참고로 원용되며 2014년 12월 1일자로 출원된 미국 특허 출원 제14/570096호에 자세히 개시되어 있다. 본원은 부동태화된 접촉 구조물 및 방법을 강조하는 공정 흐름을 포함하는 (도 5에서의 라미네이션 전의) 공정 흐름의 프론트엔드에 대한 해결책을 제공한다.
도 5를 참조해 볼 때, 금속화에 후속하여, 공정 흐름의 백엔드는, 3014년 10월 30일자로 공개되고 그 전문이 본 명세서에 참고로 원용되는 미국 특허 공보 제2014/0318611호에 자세히 개시된 바와 같이 백플레인 및 2중 준위 금속화를 이용하여 박막 실리콘 태양 전지를 제조하는 데 적절한 구조물을 따른다. 이는 프리프레그를 사용하여 프리프레그 재료와 같은 백플레인을 라미네이팅(단계 10)하여, 실리콘이 고효율에 적합하게 하도록 실리콘을 다시 에칭하여 원하는 두께까지 박막화(단계 11)하고, 레이저를 사용하여 태양 전지 상에 하위전지를 섬형으로 만드는 것(단계 12)을 포함하며, 이는 2014년 11월 6일자로 공개된 미국 특허 공개 제2014/0326295호(분리 후에 프리프레그에 의해 응집성있게 함께 유지되는 여러 개의 개별적으로 작용하는 작은 영역의 태양 전지를 분리하는 작용에 관련함)에 자세히 기재되어 있다. 전지가 섬형으로 절단된 후에, 전지를 텍스처링할 수 있다(단계 13). 텍스처링의 작용은 또한 잔해를 제거할 수 있으며, 섬형 전지 레이저 절단에 의해 생성되는 임의의 레이저 손상을 제거한다. 텍스처링 후에, 많은 기술을 이용하여 프론트 부동태화가 증착될 수 있다(단계 14 및 15). 후속하여, 비아(via)는 CO2 레이저를 사용하여 매우 빠른 속도로 후면에 드릴링된다(단계 16). 비아는 밑에 있는 알루미늄 페이스트에서 정지한다. 이것에 예를 들어 PVD에 의한 제2 준위 금속 증착(금속 2 또는 M2) 및 레이저를 사용한 금속 2 패터닝이라는 최종 단계가 따른다(각각 단계 17 및 18로 도시되어 있다). 일부 경우에, 증착된 금속은 알루미늄, 이어서 니켈일 수 있다. M2 두께는 설계 필요에 따라 2 내지 6㎛ 범위에 있을 수 있다. M2 패터닝 레이저는 예를 들어 나노초 그린 또는 UV 레이저일 수 있다.
전술한 바와 같이, 본원은 부동태화된 접촉부를 형성하는 다양한 방법을 나타내도록 (도 5의 라미네이션 전의) 공정 흐름의 프론트엔드에 대한 해결책을 제공한다. 표 1은 부동태화된 접촉 (절연체/금속계) 박막 백플레인 지지 후면 접촉 후면 접합 태양 전지를 형성하기 위한 공정 흐름의 프론트엔드를 보여준다. 사용한 부동태화된 접촉법은 n형 베이스에 대하여 Ti 또는 AL 및 p형 이미터에 대하여 Ni를 사용하는 ALD에 의해 Al2O3 또는 HfOx와 같은 절연체를 이용한 것이다.
표 1의 공정 흐름은 나중에 백엔드 흐름에서 가능한 최상의 효율을 제공하도록 최적화된 두께로 박막화되는(예를 들어, 100㎛ 미만의 두께로 박막화되는) n형 웨이퍼의 관점에서 기재된 것이다. 혁신적 양상은 p형 웨이퍼에 통상의 기술자가 이해할 수 있는 대응하는 변화와 함께 적용 가능하다.
도 6은 표 1의 공정 흐름에 따라 제조될 수 있는 것과 같은 예시적인 부동태화된 접촉 박막 백플레인 지지 후면 접촉 후면 접합 태양 전지의 단면도이다. 도 6의 특정한 태양 전지는 P+ 영역 및 n- 영역 상에 부동태화된 접촉부 및 대응하는 상이한 베이스 금속 및 이미터 금속을 가지는 제1 준위 금속을 가진다. 이 실시형태에서, 베이스 및 이미터 접촉부 둘 다가 부동태화되며 부동태화 계획이 I형이라는 점에 주목한다. 접촉부는 n- 표면 및 p+ 표면에 대한 것이며, (도 6에서 Al2O3 또는 HfOx로서 도시된) 절연 재료는 약 0.5 내지 3㎚ 범위의 두께를 가질 수 있다. 도 6은 표 1의 공정 흐름에 따라 제조될 수 있는 것과 같은 예시적인 태양 전지의 단면도이다.
중요한 점은 베이스만 부동태화된 접촉부 또는 이미터만 부동태화된 접촉부의 경우에, 금속(1)이 동일한 재료일 수 있다는 점이다. 예를 들어, 부동태화된 베이스 접촉부를 가지는 n형 기판은, 베이스 및 이미터 금속화부가 전기적으로 분리되고 패터닝된 Al2O3 및 알루미늄 M1 층만을 이용한다. 다시 말하면, 패터닝된 알루미늄은 스크린 인쇄 또는 잉크젯이나 에어로졸 인쇄와 같은 기타 수단을 이용하여 증착될 수 있다. PVD Al을 또한 이용할 수 있으며, (예를 들어, 레이저에 의한) 패터닝이 후속하여 베이스 및 이미터 금속 패턴을 조각한다.
표 1을 참조해 볼 때, 단계 1에서 실리콘 기판(예를 들어, CZ 웨이퍼 또는 일부 경우에는 소우(saw) 손상 제거를 필요로 하지 않는 에피택셜 성장된 실리콘 층)에 대하여 소우 손상 제거(SDR)가 수행된 후, 단계 2에서 Al2O3의 APCVD 층이 증착된다. 이 층은 도펀트 소스로서 작용하도록 붕소로 도핑된다. 표 1의 공정 흐름에 주어진 예에서, 이 층은 보론 도핑된 Al2O3로서 도시되어 있지만, APCVD를 이용하여 또한 증착될 수 있는 붕소 도핑된 SiOx 층과 같은 재료일 수도 있다. 도펀트 소스는 단계 3에서 이미터 및 베이스 접촉 영역 둘 다를 개방하도록 UV ns 레이저로 패터닝된다. 나노초 UV는 소정의 종류의 APCVD Al2O3 막과 함께 사용될 때 벌크 실리콘에 대하여 0으로 감소한 손상을 생성할 수 있으므로 유리할 수 있다. APCVD를 이용하여 붕소 도핑된 SiOx 층이 증착되는 경우에, 패터닝을 위해 나노초 레이저 대신에 피코초 레이저가 필요할 수 있다. 벌크 실리콘에 손상이 발생할 수 있지만, 이 손상은 피코초 레이저에 의한 개방 후에 실리콘을 습식 에칭함으로써 어느 정도 수리될 수 있다. 나노초 UV 레이저는, 도핑된 Al2O3 APCVD 층을 삭마할 때, 도핑되었지만 실리콘이 풍부한 비화학량론적인 AlOx의 약 4㎚ 두께의 잔류물을 남길 수 있다. 층 두께는 계면 Al2O3 층의 삭마 임계값이 급격히 증가하고 그 내부의 실리콘 함량이 약간 증가함에 따라 비교적 잘 제어되고 균일하다. 이러한 잔류층은 이미터 접촉부를 위한 p형 도펀트 소스로서 작용하는 데 유용하지만, 접촉부를 완전한 n- 기판까지 형성하도록 n 접촉 영역을 위해 완전히 제거될 수 있다. 이는 표 1의 단계 4에 도시한 바와 같이 n형 베이스 접촉 영역에 대하여 (일부 경우에 잔류물을 남기지 않고 Al2O3을 완벽하게 삭마하는 것으로 알려진) 피코초 레이저를 이용하여 달성될 수 있다. 이미터 접촉 영역은 피코초 레이저에 의해 미접촉 상태로 남아 있으며, 따라서 이미터 접촉 영역은 잔류하는 4㎚의 Al2O3 층을 보유한다. 피코초에 사용되는 전력의 양은 실리콘에 손상을 가하지 않을 정도로 적을 수 있다. 대량 제조시, 피코초 레이저 및 ns 레이저는 단일 레이저 도구로 결합될 수 있다. 이러한 삭마에 후속하여, 표 1의 단계 5에 도시한 바와 같이 고온 어닐링을 수행하여 붕소 도펀트를 패터닝된 영역 내에 주입한다. 베이스에 대한 ns 및 선택적 피코초의 결과로, 피코초 레이저가 Al2O3을 완벽하게 제거함에 따라 개방된 베이스 접촉부가 존재하는 곳을 제외하고는 후면이 붕소로 연속적으로 도핑된다. 이미터 접촉 영역에서의 도핑의 양은 도펀트 소스(예를 들어, Al2O3)의 두께가 이러한 영역에서 약 4㎚이므로, 이미터의 나머지보다 적을 수 있다. 그러나, 도핑 농도는 상부에 있는 터널링 절연체/금속 결합과 함께 고품질의 접촉부를 제조할 정도로 여전히 많거나/높다.
어닐링 및 베이스 접촉 개방 영역을 제외한 모든 곳에 붕소가 주입된 후, (표 1의 단계 6에 도시한 바와 같이) 습식 에칭을 행하여 약 4㎚의 잔류 Al2O3 층을 이미터로부터 제거하여 영역을 박막 절연체 증착에 대해 완전하게 만든다. 습식 에칭 동안 약간의 언더컷(undercut)이 발생하면, 이는 크게 중요하지 않다는 점에 주목한다. 동일한 습식 에칭 동안, HF 최종 공정을 이용하여 표면을 준비한다. 이것에 (표 1의 단계 7에 도시한 바와 같이) 필드 영역 및 개방된 베이스 및 이미터 접촉부를 포함한 모든 곳에서 진행되는 박막 절연층의 증착이 후행한다. 절연층 재료는 Al2O3 및 HfOx와 같은 재료를 포함하고, 예를 들어 원자층 증착 ALD와 같은 기술을 이용하여 증착될 수 있다. 대안적인 고품질의 부동태화 절연체를 사용할 수도 있으며, 예를 들어 ALD를 이용하여 증착될 수 있다. I형 부동태화된 접촉부에 관하여 전술한 바와 같이, 절연체의 박층은 밑에 있는 금속의 페르미 준위를 고정 해제하고, 그 금속을 진공 일 함수로 되게 한다. 0.5㎚ 내지 3㎚ 범위인 최적의 절연체 두께는 접촉 저항을 최소화할 수 있고, 장치 요건, 추가 고려 사항 및 장치에 의존하는 부동태화 품질을 최대화할 수 있다.
절연체 증착에 이어서, (제1 준위 금속, 금속 1 또는 M1이라고도 칭하는) 태양 전지 금속화부가 표 1의 단계 8에 도시한 바와 같이 증착된다. 베이스 접촉부를 위한 이상적 금속은 실리콘의 전도대에 가까운 진공 일 함수를 가지는 금속이며, 예를 들어, Al 또는 Ti와 같은 금속이다. 이미터 접촉부를 위한 이상적 일 금속은 실리콘의 가전자대의 진공 일 함수에 가까운 진공 일 함수를 가지는 금속이며, 예를 들어, Ni와 같은 금속이다. 금속은 다양한 증착 계획을 이용하여 베이스 및 이미터 접촉 영역 상에 증착될 수 있다. 예를 들어, 잉크젯 또는 에어로졸 및 스크린 인쇄와 같은 패터닝된 증착 계획은 공정 단계를 감소시키는 데 유리할 수 있다(즉, 금속 패터닝이 필요하지 않다). 그러나, PVD 기반 금속 증착도 사용할 수 있다. 표 1의 단계 8의 금속화 계획에 도시한 바와 같이, 잉크젯 인쇄를 이용하여 패터닝된 Al를 n형 베이스 영역 상에 인쇄하고 p형 이미터 영역 상에 패터닝된 Ni를 인쇄한다. 이것에 열처리를 이용하여 두 개의 막을 활성화하는 것이 후행한다. 일부 경우에, 열처리는 온도 요건에 따라 순차적일 수 있다는 점에 주목한다. 통상적으로, 이는 프론트엔드 공정 흐름의 종료를 구성할 수 있고, 도 5에 제공된 바와 같은 공통 백엔드 공정 흐름을 후속 실시하여 태양 전지를 완성할 수 있다. 그러나, 일부 경우에는, 두꺼운 금속(1) 층을 이용하여 백엔드 공정 흐름 동안 비아 드릴 단차를 위해 뛰어난 비아 드릴 정지층을 생성할 수 있다(도 5). 그리고 일부 경우에는, 두꺼운 금속(1)을 또한 이용하여 금속(1) 층의 라인 저항을 개선할 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 비아 드릴 영역 아래에만 있는 패드를 갖거나 풀 라인을 가지는 스크린 인쇄된 Al 단차가 표 1의 단계 9에 도시한 바와 같이 금속(1)의 상부에 추가될 수 있다.
변형 종류 1: 금속(1)의 가능한 여러 변형예가 존재한다. 예를 들어, 패터닝된 잉크젯 Ni가 이미터 상에 증착되고 활성화되며, 이어서 베이스 및 이미터 둘 다 상에 Al이 스크린 인쇄되고 활성화된다. 또는 대안으로, Al의 블랭킷 PVD 후에 이미터의 패터닝된 Ni 잉크젯이 뒤따른다. 이어서, PVD Al(레이저를 위한 ARC로서 작용하도록 상부 상의 가능한 Ni)에 의한 베이스 라인 및 이미터 라인으로 분리되게 하는 레이저 기반 분리가 뒤따를 수 있다. 금속 증착의 다른 변형예에서, Ni 및 Al의 모든 PVD 증착 및 습식 에칭 패터닝을 이용할 수 있다. 스크린 인쇄, 잉크젯 방법(또는 에어로졸 인쇄), 및 PVD의 다른 조합도 포함된다. M1 금속화 후에, 도 5에 도시한 바와 같은 백엔드 처리를 이용하여 태양 전지를 완성할 수 있다.
변형 종류 2: 표 2에 도시한 다른 변형예에서, 고온 어닐링 전에 베이스 접촉부만이 개방된다. 이것은 베이스 접촉부가 n 베이스로 제조되는 p형 도펀트 소스가 존재하지 않음을 확실히 할 수 있다. 고온 어닐링 및 도펀트 주입 후에, 이미터 접촉부는 피코초 레이저를 이용하여 개방된다. 고온 어닐링에 의해 Al2O3 막이 치밀화될 수 있고 나노초(ns) 레이저를 이용하여 개방에 대하여 전도성을 더 이상 가지지 않으므로, 개방에 피코초 레이저를 이용할 수 있다. 이미터 및 베이스 접촉부가 개방되고 도펀트가 주입된 후에, 자연 산화물을 제거하고 후속 ALD 증착된 박막 절연체(Al2O3 또는 HfOx)가 뛰어난 표면 품질을 보유하는 것을 확실히 하도록 HF를 사용하여 표면을 세척한다. 마지막으로, 변형예를 포함하여 전술한 바와 같이 금속화를 수행한다.
변형 종류 3: 표 3은 베이스(n-) 접촉부만이 부동태화되는 프론트엔드 흐름의 또 다른 일 실시형태를 도시한다. p+ 이미터 접촉부는 금속이 중간에 어떠한 절연체를 두지 않고서 실리콘과 직접 접촉하는 일반적인 접촉부이다. 금속화 계획에 약간의 차이에 주목하는 것이 중요하다. 이미터는 부동태화된 접촉부가 아니기 때문에, 직접적인 알루미늄은 또한 고농도로 도핑된 p형 기판에 대하여 작용할 수 있으며, 다시 말하면, 베이스 및 이미터를 위한 제1 준위 금속화부는, 전기적으로 분리된 패터닝된 베이스 및 이미터 금속화부를 가지는 알루미늄과 같은 동일한 재료일 수 있다. 대안으로, 이미터를 위한 다른 선택 사항은 티탄 및 니켈이다. 베이스 금속 선택은 부동태화된 접촉부에 대하여 전술한 바와 유사하며, 알루미늄 및 티탄이다. 이미터만이 부동태화되는 유사한 변형예를 제조할 수 있다.
변형 종류 4: 또 다른 변형예에서, 표 4의 공정 흐름에 도시한 바와 같이 하드 마스크 및 습식 처리를 이용하여 이미터 및 베이스 영역을 획정할 수 있다. 표 4는 하드 마스크를 사용하여 이중 부동태화된 접촉부를 가지는 박막 백플레인 지지 후면 접촉 후면 접합 태양 전지를 제조하기 위한 프론트엔드 공정 흐름을 도시한다.
표 4를 참조해 볼 때, 제1 단계는, 베이스 접촉부가 되는(단계 2) 특정 영역에서만 붕소 도펀트를 차단하는 데 사용될 수 있는 패터닝된 비도핑된 층을 증착하는 것이다. 이러한 패터닝된 비도핑된 층의 폭은, 베이스 접촉부의 의도한 폭과 대략 같을 수 있으며, 베이스 접촉부로 의도되는 모든 영역을 커버해야 한다. 그 층의 최소 두께는, 후속하는 밑에 있는 도핑된 산화물로부터의 붕소 도펀트가 실리콘으로 향하는 것을 완벽하게 차단하는 것이어야 한다. 예를 들어, SiOx 층은 50 내지 100㎚ 범위의 최소 두께를 가질 수 있지만, 최소 두께는 재료에 따라 달라질 수 있다. 반면, 최대 두께는 큰 어려움 없이 후속 처리에서 제거/분리될 수 있어야 한다. 예를 들어, 습식 공정을 이용한 제거는 상당한 언더컷을 야기하지 않아야 한다. 증착 방법은, 약 70 내지 100㎛ 패턴 폭(예를 들어, 맞물린 핑거 폭) 치수로 패터닝된(또는 패터닝이 뒤따르는 블랭킷) 50㎚ 내지 500㎚ 두께의 막을 증착하는 데 도움이 되는 방법을 포함한다. 비도핑된 층 재료 선택시, 예를 들어, 잉크젯 및 스크린 인쇄와 같은 방법을 이용하여 비도핑된 SiOx, 기타 산화물, 증착된 질화물과 같은 재료를 포함할 수 있다.
비도핑된 층에 이어서, 이미터를 위한 APCVD 기반 붕소 도핑된 층을 증착한다(단계 3). 이 붕소 도핑된 층은, (표 4에 도시한 바와 같은) 도핑된 Al2O3 또는 붕소 도핑된 SiOx와 같은 재료일 수 있다. 일부 경우에, 도핑된 Al2O3 층은 뛰어난 이미터 포화 전류 밀도라는 이점을 가질 수 있다. 도핑된 Al2O3이 도핑된 SiOx 층에 비해 전술한 이점을 갖고는 있지만, 일부 경우에는, (표 2에 도시한 바와 같이) 패터닝을 위해 레이저를 사용하는 경우에 비해 (표 4에 도시한 바와 같이) 하드 마스크 플러스 습식 처리시 Al2O3을 사용하는 것이 덜 유리할 수 있다. 예를 들어, 레이저를 사용하는 경우, 도핑된 SiOx 층은, 밑에 있는 실리콘을 손상시킬 수 있는 피코초 레이저에 의해서만 패터닝될 수 있는 한편, 일부 경우에, 레이저 패터닝된 하드 마스크 플러스 습식 공정을 이용하는 경우, 실리콘에 대한 손상이 최소가 되거나 없다. 표 4의 단계 4는, 밑에 있는 도펀트 소스로부터 실리콘으로 또는 p형 이미터 영역으로부터의 고온 도펀트 주입이다. 핵심은, 비도핑된 층이 증착되는 경우, 붕소 도펀트가 차단되고 표면이 이러한 영역에서 n-로 있는 것이다. 이것에 하드 마스크 증착으로 이루어지는 단계 5가 후행한다. 예를 들어, 이것은, PECVD 증착된 a-Si 또는 a-Si/SIC와 같은 재료(예를 들어, 5㎚ 내지 50㎚ 범위의 두께를 가짐)일 수 있으며, 2개의 중요한 특성을 가지는 데, 즉, 1) 도펀트 소스 산화물을 통해 밑에 있는 실리콘에 손상을 가하지 않고 베이스 및 이미터로의 펄스 레이저에 의해 패터닝되는 데 도움이 되며, 2) 밑에 있는 도펀트 소스를 패터닝하는 데 사용되는 습식 에칭(예를 들어, HF계 에칭 화학 특성)을 선택할 수 있다는 것이다. 예를 들어, 하드 마스크 재료는 PECVD a-Si 및 일부 경우에 ALD 증착된 질화물이다.
표 4의 단계 6은 피코초 레이저를 이용하여 하드 마스크를 패터닝하는 것으로 이루어진다. 피코초 레이저는 밑에 있는 도펀트 소스를 거치지 않고 PECVD a-Si/A-SiC를 선택적으로 삭마하는 데 최적일 수 있다. 단계 7은 a-Si 층을 나머지 영역이 에칭되는 것을 방지하는 하드 마스크로서 사용하여 베이스 영역 및 이미터 영역에서 도펀트 소스를 습식 에칭하는 것으로 이루어진다. 단계 8 및 단계 9는, 표면을 완전하게 만들도록 (일반적으로 HF 침지를 이용하여) 표면을 세척하고 이어서 부동태화된 접촉부를 위해 각각 Al2O3 또는 HfOx와 같은 절연층을 증착하는 것으로 이루어진다. 이것에 단계 10 및 단계 11에 도시한 바와 같이 금속 증착이 후행한다. 표 1의 맥락에서 기재된 금속(1) 증착의 모든 변형예가 동일하게 적용 가능하다는 점에 주목한다. M1 금속화 후에, 도 5에서 설명한 바와 같은 백엔드 처리를 이용하여 태양 전지를 완성할 수 있다.
변형 종류 5: 하드 마스크 플러스 습식 공정의 변형예는, 한 가지 유형의 접촉부(n형 또는 p형)만을 부동태화해야 하고 나머지는 여전히 실리콘 접촉부에 대한 직접적인 금속인 경우에 표 4로부터 쉽게 추론할 수 있다는 점에 주목한다.
변형 종류 6: 전술한 베이스에 대한 모든 부동태화된 접촉부는 저농도로 도핑된 것(n-베이스)에 관한 것이라는 점에 주목한다. 대략적으로 살펴볼 때, n- 영역에 대한 접촉부는, 고저항을 나타내기 쉬울 수 있지만, Al2O3 또는 HfOx와 같은 적절한 절연체를 삽입함으로써, n- 기판에서도 터널링 장벽을 충분히 감소시켜 낮은 접촉 저항(예를 들어, 1e15 내지 1e17의 저항 범위까지)을 나타낼 수 있다. 그러나, 더욱 낮은 접촉 저항이 필요하다면, 부동태화된 접촉부를 가지는 고농도로 도핑된 n+ 베이스 층을 사용함으로써 접촉 저항을 더 개선할 수 있다. 이것은 도 5에 도시된 태양 전기 구조의 변형예로서 국부적으로 확산된 n+ 층의 생성을 발생시킨다. 이러한 변형에 관한 3개의 공정 흐름 예가 표 5 내지 표 7에 제공된다. 각 흐름에서는 레이저 기반 패터닝을 이용하지만, 하드마스크 공정을 연장하는 것을 쉽게 추론할 수 있다. 표 5는 p+ 이미터 및 n+ 베이스 둘 다에 대한 이중 접촉 부동태화를 나타내는 예시적인 흐름이다. 표 6은 베이스 n+에 대해서만 단일 접촉 부동태화를 나타내는 예시적인 흐름이다. 표 7은 p+ 이미터에 대해서만 단일 접촉 부동태화를 나타내는 예시적인 흐름이다.
상기 표 5는 이미터 및 베이스 둘 다에 대해 이중 부동태화된 접촉부를 제조하기 위한 프론트엔드 공정 흐름을 도시하며, 여기서 베이스는 고농도로 도핑된다.
상기 표 6은 베이스에 대해서만 부동태화된 접촉부를 제조하기 위한 프론트엔드 공정 흐름을 도시하며, 여기서 베이스는 고농도로 도핑된다.
상기 표 7은 이미터에 대해서만 부동태화된 접촉부를 제조하기 위한 프론트엔드 공정 흐름을 도시하며, 여기서 베이스는 고농도로 도핑된다.
양측 접촉부가 부동태화되는지의 여부 또는 어느 하나가 부동태화되는지의 여부에 따라 금속화 계획이 변할 수 있다는 점에 주목하는 것이 중요하다. p형 재료 상에 부동태화된 접촉부가 있는 경우, 중첩 재료는 니켈과 같은 실리콘의 가전자대에 가까운 일 함수를 가지는 금속이어야 한다. p형 재료 상에 부동태화된 접촉부가 없는 경우, 밑에 있는 금속은 니켈, 알루미늄 또는 티탄일 수 있다. 베이스와 유사하게, 부동태화된 접촉부는 알루미늄 또는 티탄과 같은 재료이어야 한다. 비부동태화된 접촉부는 알루미늄 및 티탄 이외에 니켈을 포함하도록 금속화 재료를 증가시킨다. 전술한 제약 내에서, 명시적으로 설명하지는 않았지만, 금속의 유형과 증착 계획 둘 다에 대한 다양한 변형예를 이용할 수 있다. 또한, n+ 부동태화된 접촉부에 대한 공정 흐름의 하드 마스크 및 습식 처리 버전을 표 4, 표 5, 표 6, 표 7로부터 쉽게 이해할 수 있다.
변형 종류 7: 전술한 공정 흐름에서, 도펀트 공급원 층(알루미늄 및 Si의 산화물)은 보유되며 태양 전지의 영구적인 부분이 된다. 사실상, 전술한 도펀트 공급원들은 대부분 APCVD계이지만, 스크린 인쇄된 도펀트 페이스트를 사용하여 실리콘의 도핑을 또한 생성할 수 있다. 그러나, 전술한 모든 실시형태에서, 초기 도핑 층이 박리될 수 있고 비도핑된 Al2O3 또는 SiO2와 같은 부동태화 층이 ALD, APCVD 또는 PECVD와 같은 방법에 의해 증착될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 이러한 증착에 습식 에칭(하드 마스크계) 또는 레이저 기반 접촉부 개방이 후행한다. 이에 후속하여 그리고 전술한 흐름의 라인을 따라, 부동태화된 접촉부는 ALD 기반 Al2O3 또는 HfOx형 절연체를 사용하여 p형, n형, 또는 형태 둘 다 상에 생성될 수 있다. 부동태화된 접촉부에 이러한 절연체의 PECVD 증착도 사용할 수 있다. 일반적으로 그리고 전술한 바와 같이, 이러한 접촉부는 베이스가 n-이거나 고농도로 도핑된 일반적 경우 둘 다에 쉽게 적용 가능하다.
변형 종류 8: 전술한 모든 공정 흐름은 I형 부동태화된 접촉부에 대하여 설명한 것이다. 위에서 정의한 바와 같은 I형 부동태화된 접촉부는 금속과 반도체 사이에 샌드위칭된 단일의 박막 절연층을 가진다. 전술한 모든 흐름에 있어서, II형 및 III형 부동태화된 접촉부도 사용할 수 있다는 점에 주목하는 게 중요하다.
본질적으로, 각 접촉부 유형에 필요한 넓은 밴드갭 반도체의 유형이 다르기 때문에 베이스 및 이미터 중 하나만을 부동태화할 필요가 있는 경우에는 II형 및 III형 접촉부(이들 모두는 넓은 밴드갭 반도체를 함유함)를 사용하는 것이 덜 복잡할 수 있다. II형 및 III형 접촉부가 양측 접촉부 상에 사용되는 경우에, 전자(n형 영역)에 대하여는, 자체적으로 또는 Al2O3/HfOx와 같은 박막 절연체와 함께 전도대에서 CNL을 가지는 넓은 밴드갭 반도체를 사용해야 한다는 점에 주목하는 것이 중요하다. 예를 들어, TiOx 자체 또는 Al2O3/HfOx의 결합은, ALD 반응기에서 인시츄 증착될 수 있고, 단지 Al2O3 또는 HfOx ALD에 의해 교체될 수 있다. 반면, p형 접촉부에 대해서는, 예를 들어, NiOx는 자체적으로 또는 Al2O3 및 HfOx와 함께 II형 및 III형 부동태화 재료이어야 한다. 또한, n형 및 p형 접촉부 둘 다가 동시에 부동태화되는 경우, 상이한 넓은 밴드갭 재료의 요건 때문에, 양측 종류를 제 위치에 두기 위해서는 넓은 밴드갭 재료의 증가된 패터닝이 필요할 수 있다는 점에 주목해야 한다. 이는 공정 흐름 단계 및 제조 복잡성을 추가할 수 있다. 따라서, 이중 부동태화된 접촉부를 위해서는, I형 부동태화된 접촉부가 유리할 수 있다. (베이스 상의 또는 이미터 상의) 단일 부동태화된 접촉부를 위해서는, 넓은 밴드갭 재료가 전도성을 띄기 때문에, 실지로 분리되어야 하며, 분리 패터닝은 레이저에 의해 쉽게 수행된다.
상기 기재된 공정 흐름은 한정적인 의미로 해석해서는 안 된다. 이러한 흐름 주위에 더욱 많은 변형을 생성하는 여러 가능한 방식이 존재한다는 점은 상기 상세한 설명으로부터 명백하다. 이러한 변형은, 명시적으로 언급되지는 않았지만, 포함된다.
Claims (8)
- 후면 접촉 후면 접합 광기전력 태양 전지(back contact back junction photovoltaic solar cell)로서,
전면 및 후면을 가지는 반도체 광 흡수층,
상기 반도체 광 흡수층의 상기 후면 상의 베이스 영역(base region) 및 이미터 영역(emitter region),
상기 베이스 영역 및 이미터 영역 상의 부동태 유전 절연층,
상기 부동태 유전 절연층과 물리적으로 접촉하는 제1 전기 전도성 접촉부로서, 상기 제1 전기 전도성 접촉부 및 상기 부동태 유전 절연층은 상기 광 흡수층의 전도대(conduction band)에 가깝게 일치하는 전자의 선택적 수집에 적절한 일 함수를 함께 가지는, 상기 제1 전기 전도성 접촉부, 및
상기 부동태 유전 절연층과 물리적으로 접촉하는 제2 전기 전도성 접촉부로서, 상기 제2 전기 전도성 접촉부 및 상기 부동태 유전 절연층은 상기 광 흡수층의 가전자대(valence band)에 가깝게 일치하는 홀의 선택적 수집에 적절한 일 함수를 함께 가지는, 상기 제2 전기 전도성 접촉부를 포함하는, 후면 접촉 후면 접합 광기전력 태양 전지. - 제1항에 있어서, 상기 부동태 유전 절연층은 산화알루미늄 Al2O3인, 후면 접촉 후면 접합 광기전력 태양 전지.
- 제1항에 있어서, 상기 부동태 유전 절연층은 산화하프늄 HfOx인, 후면 접촉 후면 접합 광기전력 태양 전지.
- 제1항에 있어서, 상기 반도체 광 흡수층은 n형이고, 상기 제1 전기 전도성 접촉부는 알루미늄이며, 상기 제2 전기 전도성 접촉부는 니켈인, 후면 접촉 후면 접합 광기전력 태양 전지.
- 후면 접촉 후면 접합 광기전력 태양 전지로서,
전면 및 후면을 가지는 반도체 광 흡수층,
상기 반도체 광 흡수층의 상기 후면 상의 베이스 영역 및 이미터 영역,
상기 베이스 영역 상의 부동태 유전 절연층,
상기 이미터 영역과 접촉하고 상기 베이스 영역 상의 상기 부동태 유전 절연층과 접촉하는 제1 준위 금속화부(first level metallization)로서, 상기 제1 준위 금속화부 및 상기 부동태 유전 절연층은 상기 광 흡수층의 전도대에 가깝게 일치하는 전자의 선택적 수집에 적절한 일 함수를 함께 가지는, 상기 제1 준위 금속화부,
상기 제1 준위 금속화부 상의 전기 절연성 백플레인, 및
상기 전기 절연성 유전체에서 전도성 비아(conductive via)를 통해 상기 제1 준위 금속화부와 접촉하는 제2 준위 금속화부를 포함하는, 후면 접촉 후면 접합 광기전력 태양 전지. - 제4항에 있어서, 상기 부동태 유전 절연층은 산화알루미늄 Al2O3인, 후면 접촉 후면 접합 광기전력 태양 전지.
- 제4항에 있어서, 상기 부동태 유전 절연층은 산화하프늄 HfOx인, 후면 접촉 후면 접합 광기전력 태양 전지.
- 제4항에 있어서, 상기 제1 준위 금속화부는 알루미늄인, 후면 접촉 후면 접합 광기전력 태양 전지.
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