KR20200039839A - 넓은 밴드갭 반도체 재료를 갖는 이미터 영역을 구비한 태양 전지 - Google Patents

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Abstract

넓은 밴드갭 반도체 재료로 구성된 이미터 영역을 갖는 태양 전지가 기술된다. 일 예에서, 방법은, 제어된 분위기를 갖는 공정 도구 내에서, 태양 전지의 반도체 기판의 표면 상에 얇은 유전체 층을 형성하는 단계를 포함한다. 반도체 기판은 밴드갭을 갖는다. 공정 도구의 제어된 분위기로부터 반도체 기판을 제거함이 없이, 반도체 층이 얇은 유전체 층 상에 형성된다. 반도체 층은 반도체 기판의 밴드갭보다 대략 0.2 전자 볼트(eV) 이상 더 큰 밴드갭을 갖는다.

Description

넓은 밴드갭 반도체 재료를 갖는 이미터 영역을 구비한 태양 전지{SOLAR CELL HAVING AN EMITTER REGION WITH WIDE BANDGAP SEMICONDUCTOR MATERIAL}
본 발명의 실시예는 재생가능 에너지의 분야이며, 특히 넓은 밴드갭(bandgap) 반도체 재료로 구성된 이미터 영역을 갖는 태양 전지(solar cell)이다.
흔히 태양 전지로 알려져 있는 광기전 전지(photovoltaic cell)는 전기 에너지로의 태양 방사선의 직접 변환을 위한 주지의 장치이다. 일반적으로, 태양 전지는 반도체 웨이퍼 또는 기판 상에, 기판의 표면 부근에 p-n 접합을 형성하도록 반도체 처리 기술을 사용하여 제조된다. 기판의 표면에 충돌하여 기판 내로 유입되는 태양 방사선은 기판의 대부분에 전자 및 정공 쌍을 생성한다. 전자 및 정공 쌍은 기판 내의 p-도핑 영역 및 n-도핑 영역으로 이동하여서, 도핑 영역들 사이에 전압차를 발생시킨다. 도핑 영역은 태양 전지 상의 전도성 영역에 연결되어 전지로부터 전지에 결합된 외부 회로로 전류를 지향시킨다.
효율은, 그것이 전력을 생성하는 태양 전지의 능력에 직접 관련되기 때문에, 태양 전지의 중요한 특성이다. 마찬가지로, 태양 전지를 제조함에 있어서의 효율은 그러한 태양 전지의 비용 효율성에 직접 관련된다. 따라서, 일반적으로, 태양 전지의 효율을 증가시키기 위한 기술, 또는 태양 전지의 제조에 있어서의 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 1>
도 1은 계면 터널 산화물을 갖지 않는 종래의 헤테로접합 접점에 대한 증가하는 에너지(E)의 함수로서의 밴드 다이어그램.
<도 2>
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 계면 터널 산화물을 갖는 헤테로접합 접점에 대한 증가하는 에너지(E)의 함수로서의 밴드 다이어그램.
<도 3>
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지를 제조하는 방법에서의 작업들을 나타내는 흐름도.
<도 4a>
도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 제조 시의 작업의 단면도이며, 여기서 태양 전지를 제조하기 위한 기초 구조물이 제공되고, 규소 기판, 얇은 유전체 층, 및 침착된 규소 층을 포함함.
<도 4b>
도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 제조 시의 작업의 단면도이며, 여기서 도핑 재료의 층이 도 4a의 침착된 규소 층 위에 침착됨.
<도 4c>
도 4c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 제조 시의 작업의 단면도이며, 여기서 제1 산화물 층(410)이 도 4b의 도핑 재료의 층 위에 침착됨.
<도 4d>
도 4d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 제조 시의 작업의 단면도이며, 여기서 재료 제거 공정이 도 4c의 구조물에 대해 수행되어 노출된 폴리실리콘(polysilicon) 영역을 형성함.
<도 4e>
도 4e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 제조 시의 작업의 단면도이며, 여기서 에칭 공정이 도 4d의 구조물에 대해 수행되어 노출된 폴리실리콘 영역을 에칭하는 것을 용이하게 하고 태양 전지의 배면(back side) 상에 제1 텍스처화된(texturized) 규소 영역을 형성함.
<도 4f>
도 4f는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 제조 시의 작업의 단면도이며, 여기서 산화물 층이 도 4e의 도핑 재료의 층 및 제1 텍스처화된 규소 영역 위에 형성됨.
<도 4g>
도 4g는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 제조 시의 작업의 단면도이며, 여기서 도핑된 폴리실리콘 층이 도 4f의 구조물로부터 형성됨.
<도 4h>
도 4h는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 제조 시의 작업의 단면도이며, 여기서 넓은 밴드 갭 도핑된 반도체 층이 도 4g의 구조물 상에 형성됨.
<도 4i>
도 4i는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 제조 시의 작업의 단면도이며, 여기서 넓은 밴드 갭 도핑된 반도체가 도 4h의 텍스처화된 규소 영역 위에 침착됨.
<도 4j>
도 4j는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 제조 시의 작업의 단면도이며, 여기서 도 4h의 넓은 밴드 갭 도핑된 반도체의 부분 제거가 수행됨.
<도 4k>
도 4k는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 제조 시의 작업의 단면도이며, 여기서 제1 금속 그리드(grid) 또는 그리드라인(gridline)이 도 4j의 구조물의 배면 상에 형성됨.
<도 4l>
도 4l은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 제조 시의 작업의 단면도이며, 여기서 제2 금속 그리드 또는 그리드라인이 도 4k의 구조물의 배면 상에 형성됨.
넓은 밴드갭 반도체 재료로 구성된 이미터 영역을 갖는 태양 전지가 본 명세서에 기술된다. 하기의 설명에서, 본 발명의 실시예의 완전한 이해를 제공하기 위해, 구체적인 공정 흐름 작업 및 재료 계획(material regime)과 같은 다수의 구체적인 상세사항이 기술된다. 본 발명의 실시예가 이들 구체적인 상세사항 없이도 실시될 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 다른 경우에, 후속적인 금속 접점 형성 기술과 같은 주지의 제조 기술은 본 발명의 실시예를 불필요하게 이해하기 어렵게 하지 않기 위해 상세히 기술되지 않는다. 또한, 도면에 도시된 다양한 실시예는 예시적인 표현이고, 반드시 일정한 축척으로 작성된 것은 아님이 이해되어야 한다.
태양 전지를 제조하는 방법이 본 명세서에 개시된다. 일 실시예에서, 방법은 제어된 분위기를 갖는 공정 도구(process tool) 내에서 태양 전지의 반도체 기판의 표면 상에 얇은 유전체 층을 형성하는 단계를 포함한다. 반도체 기판은 밴드갭을 갖는다. 공정 도구의 제어된 분위기로부터 반도체 기판을 제거함이 없이, 반도체 층이 얇은 유전체 층 상에 형성된다. 반도체 층은 반도체 기판의 밴드갭보다 대략 0.2 전자 볼트(eV) 이상 더 큰 밴드갭을 갖는다.
넓은 밴드갭 반도체 재료로 구성된 이미터 영역을 갖는 태양 전지가 또한 본 명세서에 개시된다. 일 실시예에서, 태양 전지는 규소 기판을 포함한다. 제1 이미터 영역이 규소 기판의 표면 상에 배치되고, 제1 전도형(conductivity type)으로 도핑된 질화알루미늄(AlN) 층으로 구성된다. AlN 층은 얇은 산화알루미늄(Al2O3) 층 상에 배치된다. 제2 이미터 영역이 규소 기판의 표면 상에 배치되고, 제2의 반대 전도형으로 도핑된 반도체 재료로 구성된다. 제2 반도체 재료는 얇은 유전체 층 상에 배치된다. 제1 접점 및 제2 접점이 각각 제1 이미터 영역 및 제2 이미터 영역 상에 배치되고 그들에 전도가능하게 결합된다.
태양 전지 표면의 패시베이션(passivation)이 전형적으로 확산 및 산화를 이용하여 성취되어 태양 전지의 하나 이상의 표면 상에 얇은 유전체 재료를 형성한다. 그러한 얇은 유전체 재료를 형성하는 것은 태양 전지의 표면에서의 반발하는 소수 캐리어들에 대한 구조적 접근법을 제공할 수 있다. 또한, 산화 공정은 태양 전지의 최외측 표면에 존재할 수 있는 계면 결함을 효과적으로 해결하도록 설계될 수 있다. 형성된 유전체 재료는 방습 배리어(moisture barrier)로서의 사용, 수소 공급원으로서의 사용, 및 아마도 반사-방지 코팅으로서의 사용과 같은, 그러나 이로 제한되지 않는 여러 기능을 가질 수 있다.
태양 전지 표면 패시베이션의 상기 3가지 태양은 전형적으로 태양 전지의 제조 동안 둘 이상의 공정 작업으로 달성된다. 그러나, 다수의 공정 작업을 이용하는 것은 새로운 세트의 문제들, 즉 취급 복잡도 및 증가된 처리 비용을 야기할 수 있다. 또한, 전형적으로, 산화 및 확산 작업이 하나의 도구에서(예컨대, 확산 노에서) 수행된다면, 유전체 형성은 일반적으로 별개의 공정 도구에서 수행된다. 불운하게도, 형성된 산화물이 제1 공정 도구(예컨대, 노)로부터 제거될 때, 산화물은 대기 조건 및 오염물, 예를 들어 습기에 노출될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에서, 고품질 산화물이 형성되고, 이어서 추가 처리 작업을 수행하기 전에 공기 및 물에의 노출이 억제된다.
유전체 침착이 뒤따르는 확산은 종종 비교적 높은 비용의 다수의 공정 도구류를 수반한다. 따라서, 일 실시예에서, 규소 패시베이션 작업은 제어된 분위기 노 도구 내에서 얇은, 예컨대 대략 3 나노미터 미만(및, 아마도, 대략 2 나노미터 미만)의 규소 산화물 층의 성장에 의해 수행된다. 동일 도구 내에서(그리고, 구체적으로, 외부의 실험실 또는 제조공장 대기 조건 또는 주위 조건에의 노출 없이), 얇은 산화물 층 상에의 도핑된 넓은 밴드갭 반도체의 침착이 뒤따른다. 하나의 그러한 실시예에서, 노는 저압 화학 증착(chemical vapor deposition, CVD) 노 또는 급속 열 어닐, 또는 급속 열 처리(rapid thermal processing, RTP) 도구 중 어느 하나이다. 특정 실시예에서, 산화물 성장 및 침착은 태양 전지를 형성하는 데 궁극적으로 사용되는 기판 또는 웨이퍼의 양쪽 면(side) 상에서 발생한다. 일 실시예에서, 산화물 층 상에 침착되는 필름은 큰 가전자대 오프셋(valence band offset), 방습 배리어 특성, 규소 상의 낮은 응력, 및 저항 접촉되는(contacted ohmically) 능력 중 하나 이상을 갖는, 예를 들어 밴드갭이 대략 3 전자 볼트(eV) 초과인, 넓은 밴드갭 반도체 재료이다. 다결정 규소는 종종 규소 기판과 결합되지만, 소수 캐리어를 차단하는 데 가장 적합하지는 않을 수 있다. 대조적으로, 일 실시예에서, 넓은 밴드갭 반도체 재료는 소수 캐리어를 차단할 뿐만 아니라 다수 캐리어에 대해 고 전도성이다.
일 실시예에서, 넓은 밴드갭 재료는 규소 기판에 관하여 고려되고, 하기에 보다 상세히 기술되는 바와 같이 도핑된 비정질-규소, 탄화규소, 또는 질화알루미늄갈륨을 포함할 수 있지만 이로 제한되지 않는다. 도핑된 폴리실리콘은 앞서 개시된 다른 옵션이다. 도핑된 비정질-규소는 패시베이션 및 저항 접촉을 위한 양호한 선택일 수 있다. 일 실시예에서, 사용되는 도핑된 비정질-규소는 광 흡수(optical absorption)를 최소화하기 위해 충분히 얇게 형성된다. 다른 실시예에서, 하기에 보다 상세히 기술되는 바와 같이, 훨씬 더 높은 밴드갭 재료가 기판의 수광 표면 상에서의 광 투과(optical transmission)를 용이하게 하는 데 사용된다. 일 실시예에서, 고온, 예컨대 대략 900℃에 도달할 수 있는 튜브 저압 화학 증착(LPCVD) 반응기를 갖는 진공 도구 구성이 산화물 및 위를 덮는 넓은 밴드갭 반도체 재료 둘 모두를 형성하는 데 사용된다. 다른 실시예에서, 플라즈마 강화 CVD(PECVD) 도구와 조합된 RTP 도구가 산화물 및 위를 덮는 넓은 밴드갭 반도체 재료 둘 모두를 형성하는 데 사용된다. 다른 가능한 실시예가 하기에 보다 상세히 기술된다.
본 명세서에 기술된 실시예들 중 적어도 일부와 관련하여 포함되는 개념들 중 일부를 더 잘 예시하기 위해, 도 1은 계면 터널 산화물을 갖지 않는 종래의 헤테로접합 접점에 대한 증가하는 에너지(E)의 함수로서의 밴드 다이어그램을 도시한다. 도 1을 참조하면, 종래의 N-형 기판 및 넓은 밴드갭 패시베이션/접점의 밴드 다이어그램(100)은 원자가 에너지 준위(Evalence), 페르미 준위(Fermi level), 및 전자(다수 캐리어) 및 정공(소수 캐리어)에 대한 전도 에너지 준위(Econduction)를 보여주고 있다. 우수한 패시베이션이 큰 소수 캐리어 밴드 오프셋으로 달성될 수 있고, 우수한 저항 접촉이 작은 다수 캐리어 오프셋으로 달성될 수 있다. 그러나, 그것은 종종 규소 기판 상에 직접 높은 밴드갭 재료를 제조하기가 어려운 것으로 판명된다.
비교하여, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 계면 터널 산화물을 갖는 헤테로접합 접점에 대한 증가하는 에너지(E)의 함수로서의 밴드 다이어그램을 도시한다. 도 2를 참조하면, 얇은 계면 터널 산화물을 사이에 갖는 N-형 기판 및 넓은 밴드갭 패시베이션/접점의 밴드 다이어그램(200)은 원자가 에너지 준위(Evalence), 페르미 준위, 및 전자(다수 캐리어) 및 정공(소수 캐리어)에 대한 전도 에너지 준위(Econduction)를 보여주고 있다. 일 실시예에서, 표면 결함 밀도의 저하를 돕기 위해 계면 산화물(예컨대, SiO2의 얇은 층)(250)이 제공된다. 즉, 일 실시예에서, 얇은 유전체(예컨대, 터널링 산화물 층)가 표면 상태를 해결하기 위해 규소 기판과 넓은 밴드갭 반도체 계면 사이에 포함된다. 특정 실시예에서, 유전체(250)에 의한 규소 기판의 패시베이션은 제곱센티미터당 대략 1012개 미만의 결함을 갖는 계면을 제공한다. 일 실시예에서, 그러한 유전체 층의 포함으로도, 페르미 준위는 도 2에 도시된 바와 같이 밴드 에지 부근에 있다.
계면 유전체 및/또는 패시베이션 층이 사이에 배치되는 상태로, 반도체 기판의 표면 위에 넓은 밴드갭 반도체 재료를 갖는 태양 전지를 제공하는 데 적합할 수 있는 처리 계획(scheme)이 아마도 많이 있다. 그러한 공정 계획의 기본 예로서, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지를 제조하는 방법에서의 작업들을 나타내는 흐름도(300)이다. 흐름도(300)의 작업(302)을 참조하면, 태양 전지를 제조하는 방법은 태양 전지의 반도체 기판의 표면 상에 얇은 유전체 층을 형성하는 단계를 포함한다. 제어된 분위기를 갖는 공정 도구 내에서 얇은 유전체 층이 형성된다. 흐름도(300)의 작업(304)을 참조하면, 방법은 이어서 공정 도구의 제어된 분위기로부터 반도체 기판을 제거함이 없이 얇은 유전체 층 상에 반도체 층을 형성하는 단계를 포함한다. 하나의 그러한 실시예에서, 반도체 층은 반도체 기판의 밴드갭보다 대략 0.2 전자 볼트(eV) 이상 더 큰 밴드갭을 갖는다. 일 실시예에서, 방법은 반도체 층으로부터 태양 전지를 위한 이미터 영역을 형성하는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명의 하나 이상의 실시예와 관련된 처리 이점들이 있을 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 기술된 하나 이상의 실시예는 단일-작업 패시베이션 공정을 제공한다. 본 명세서에 기술된 하나 이상의 실시예는 배면 N-형 접점을 제조하기 위해 그러한 패시베이션을 사용하는 능력을 제공하여, 단일-작업 패시베이션 공정을 넘어서 태양 전지 공정 시퀀스를 단순화시킨다. 본 명세서에 기술된 하나 이상의 실시예는 형성된 산화물의 대기 노출을 갖지 않는 접근법을 제공한다. 본 명세서에 기술된 하나 이상의 실시예는 높은 광 반사율(optical reflectance) 접점을 형성하기 위한 접근법을 제공한다. 본 명세서에 기술된 하나 이상의 실시예는 N-형 접점의 배면 내의 접점 윈도우(contact window)를 개방하는 것에 대한 필요성을 요구하지 않는 접근법을 제공한다. 본 명세서에 기술된 하나 이상의 실시예는 전체 구역 금속 접점 형성을 용이하게 하기 위한 접근법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 태양 전지를 제조하기 위한 개선된 기술은 단일 공정 도구 내에서 규소 기판의 배면 상에 얇은 유전체 층 및 침착된 넓은 밴드 갭 반도체 층을 제공하는 것이다. 이미터 영역을 형성하기 위한 넓은 밴드갭 반도체 재료 및 반도체 기판 쌍을 형성하기 위한 많은 가능한 실시예들 중 하나를 예시하기 위해 상세한 처리 계획이 하기에 제공된다. 구체적으로, 도 4a 내지 도 4l은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 넓은 밴드갭 반도체 재료로 구성된 이미터 영역을 갖는 태양 전지의 제조 시의 다양한 단계들의 단면도를 도시한다.
개관으로서, 도시된 특정 실시예에서, 침착된 규소 층 내로 도입되는 도펀트에 의해, 또는 도핑된 폴리실리콘 영역의 원위치(in-situ) 형성에 의해, 도핑된 폴리실리콘의 영역이 먼저 형성된다. 이어서, 산화물 층 및 넓은 밴드 갭 도핑된 반도체의 층이, 단일 공정 도구 내에서, 태양 전지의 전면(front side) 및 배면 상에 형성된다. 하나의 변형예는 산화물의 형성 및 넓은 밴드 갭 도핑된 반도체 형성 전에 전면 표면 및 배면 표면을 텍스처화하는 단계를 수반한다. 이어서, 도핑된 폴리실리콘 영역을 노출시키기 위해 접점 홀이 상부 층을 통과해 형성될 수 있다. 이어서, 도핑된 폴리실리콘 층 상에 접점을 형성하기 위해 금속화 공정이 수행될 수 있다. 태양 전지의 배면 상의 도핑된 폴리실리콘의 영역들 사이에 위치되는 넓은 밴드 갭 반도체 층에 의해 형성되는 규소 기판 상의 이미터 영역들에 금속을 직접 연결함으로써 제2 군의 접점들이 또한 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예가 도시 및 기술된 모든 작업을 포함할 필요도 없고, 실시예가 이들 도시 및 기술된 것으로 제한되지도 않음이 이해되어야 한다.
도 4a를 참조하면, 태양 전지를 제조하기 위한 기초 구조물(400)은 규소 기판(402)(예컨대, N-형 단결정 기판), 얇은 유전체 층(406), 및 침착된 규소 층(404)을 포함한다. 일부 실시예에서, 규소 기판(402)은 얇은 유전체 층(406)의 형성 전에 세정, 폴리싱, 평탄화, 및/또는 박화 또는 달리 처리된다. 얇은 유전체 층(406) 및 침착된 규소 층(404)은 열 처리를 통해 성장될 수 있다.
도 4b 및 도 4c를 참조하면, 제1 산화물 층(410)이 뒤따르는 도핑 재료(408)의 층이 종래의 침착 공정을 통해 침착된 규소 층(404) 위에 침착된다. 도핑 재료(408)의 층은 도핑 재료 또는 도펀트(409)를 포함할 수 있고, 붕소와 같은 p-형(positive-type) 도핑 재료의 층, 또는 인 또는 비소와 같은 n-형(negative-type) 도핑 재료의 층으로 구성될 수 있지만 이로 제한되지 않는다. 얇은 유전체 층(406) 및 침착된 규소 층(404)이 각각 열 처리에 의해 성장되거나 종래의 침착 공정을 통해 침착되는 것으로 기술되지만, 각각의 층은 적절한 공정을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 화학 증착(CVD) 공정, 저압 CVD(LPCVD), 대기압 CVD(APCVD), 플라즈마-강화 CVD(PECVD), 열 성장, 또는 스퍼터링 공정, 또는 다른 적합한 기술이 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 도핑 재료(408)는 침착 기술, 스퍼터, 또는 인쇄 공정, 예를 들어 잉크젯 인쇄 또는 스크린 인쇄에 의해, 또는 이온 주입에 의해 기판(402) 상에 형성된다.
도 4d를 참조하면, 재료 제거 공정이 도 4c의 구조물에 적용된 후의 태양 전지(400)가 도시되어 있다. 재료 제거 공정은 노출된 폴리실리콘 영역(424)을 형성한다. 재료 제거 공정의 적합한 예는 마스크 및 에칭 공정, 레이저 어블레이션 공정, 및 다른 유사한 기술을 포함한다. 노출된 폴리실리콘 영역(424) 및 도핑 재료(408)의 층은 궁극적인 이미터 형성에 적합한 형상 및 크기를 갖도록 패턴화될 수 있다. 적합한 패턴 레이아웃은 서로 맞물린 패턴(interdigitated pattern)의 형성을 포함할 수 있지만 이로 제한되지 않는다. 마스킹 공정이 사용되는 경우, 그것은 스크린 프린터 또는 잉크젯 프린터를 사용하여 마스크 잉크를 사전규정된 서로 맞물린 패턴으로 적용하여 수행될 수 있다. 이와 같이, 종래의 화학적 습식 에칭 기술이 마스크 잉크를 제거하여 노출된 폴리실리콘 영역(424)과 도핑 재료(408)의 층의 서로 맞물린 패턴을 생성하는 데 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 산화물 층(410)의 일부 또는 전체가 제거된다. 그러한 제거는 침착된 규소 층(404) 및 유전체 층(406)의 영역이 제거되는 동일한 에칭 또는 어블레이션 공정에서 성취될 수 있다.
도 4e를 참조하면, 노출된 폴리실리콘 영역(424)의 에칭을 용이하게 하기 위해, 그리고 증가된 태양 방사선 수집을 위해 태양 전지(400)의 배면 상에 제1 텍스처화된 규소 영역(430)을 그리고 태양 전지(400)의 전면 상에 제2 텍스처화된 규소 영역(432)을 형성하기 위해 제2 에칭 공정이 수행될 수 있다. 텍스처화된 표면은, 입사 광을 산란시켜 태양 전지(400)의 수광 표면으로부터 반사되는 광의 양을 감소시키기 위한 규칙적인 또는 불규칙적인 형상의 표면을 갖는 것일 수 있다.
도 4f를 참조하면, 태양 전지(400)는 도핑 재료(408)의 층으로부터 침착된 규소 층(404) 내로 도핑 재료(409)를 도입시키기 위해 가열(440)될 수 있다. 동일한 가열(440)이 또한 도핑 재료(408)의 층 및 제1 텍스처화된 규소 영역(430) 위에 규소 산화물 또는 제2 산화물 층(412)을 형성할 수 있다. 이러한 공정 동안, 제3 산화물 층(414)이 제2 텍스처화된 규소 영역(432) 위에서 성장될 수 있다. 일 실시예에서, 산화물 층(412, 414) 둘 모두는 고품질 산화물로 구성된다. 그러한 특정 실시예에서, 고품질 산화물은, 전형적으로 대략 900℃ 초과의 온도에서 열 산화에 의해 성장되고 기판(402)의 노출된 영역의 개선된 패시베이션을 제공할 수 있는 낮은 계면 상태 밀도 산화물이다.
이와 같이, 일 실시예에서, 제2 산화물 층(412)의 적어도 일부분이 열 산화에 의해 반도체 기판(402)의 일부분을 소모시킴으로써 형성된다. 하나의 그러한 실시예에서, 반도체 기판(402)의 일부분을 소모시키는 것은 규소 기판의 노출된 표면 상에 대략 3 나노미터 이하의 두께를 갖는 이산화규소(SiO2)(412) 층을 형성하도록 단결정 N-형 규소 기판의 일부분을 열적으로 산화시키는 것을 포함한다. 대안적인 실시예에서, 얇은 유전체 층이 제1 텍스처화된 규소 영역(430) 상에 유전체 재료 층을 침착시킴으로써 제1 텍스처화된 규소 영역(430) 상에 형성된다. 하나의 그러한 실시예에서, 침착은 단결정 N-형 규소 기판의 표면 상에 산화알루미늄(Al2O3) 층을 형성하는 것을 수반한다. 그러한 특정 실시예에서, 산화알루미늄(Al2O3) 층은 비정질 산화알루미늄(Al2O3) 층이다. 그러한 실시예는, 예컨대 원자 층 침착(atomic layer deposition, ALD) 또는 다른 적합한 침착 기술에 의해 수행될 수 있다.
도 4g를 참조하면, 일 실시예에서, 도핑된 폴리실리콘 층을 형성하는 것은, 산화물 층(412, 414)의 형성 동안, 동시에 도핑 재료(408)의 층으로부터 침착된 규소 층(404) 내로 도펀트(409)를 도입시키기 위해 온도를 상승시키면서 성취될 수 있다. 하나의 그러한 실시예에서, 침착된 규소 층(404)을 도핑 재료(408)의 층으로부터의 도펀트(409)로 도핑하는 것은 결정화된 도핑된 폴리실리콘 층 또는 도핑된 폴리실리콘 층(450)을 형성한다. 그러한 특정 실시예에서, p-형 도핑 재료가 사용된다면 도핑된 폴리실리콘 층(450)은 p-도핑된 폴리실리콘의 층이다. 그러한 특정 실시예에서, 규소 기판(402)은 벌크 N-형 규소 기판으로 구성된다. 다른 특정 실시예에서, n-형 도핑 재료가 사용된다면 도핑된 폴리실리콘 층(450)은 n-도핑된 폴리실리콘의 층이다. 그러한 특정 실시예에서, 규소 기판(102)은 벌크 P-형 규소 기판으로 구성된다. 이어서, 전체적으로, 침착된 규소 층(404)은 그에 따라 도핑된 폴리실리콘 층(450)을 형성하도록 도펀트 재료(408)의 층으로부터의 도핑 재료(409)로 도핑될 수 있다.
도 4h를 참조하면, 산화물 층(412, 414)을 형성하는 데 사용되는 공정 도구의 제어된 분위기로부터 기판(402)을 제거함이 없이, 제1의 넓은 밴드 갭 도핑된 반도체 층(460)이 태양 전지(400)의 배면 상에 침착된다. 일 실시예에서, 제1의 넓은 밴드갭 반도체 층(460)은 반도체 기판(402)의 밴드갭보다 대략 0.2 전자 볼트(eV) 이상 더 큰 밴드갭을 갖는다. 예를 들어, 제1의 넓은 밴드갭 반도체 층(460)은 대략 1.0 eV의 밴드갭을 갖는 N-형 단결정 규소 기판의 밴드갭보다 대략 0.2 전자 볼트(eV) 이상 더 큰 밴드갭을 가질 수 있다. 하나의 그러한 실시예에서, 제1의 넓은 밴드갭 반도체 층(460)은 가시 스펙트럼에서 실질적으로 투명하다. 그러한 특정 실시예에서, 제1의 넓은 밴드갭 반도체 층(460)은 대략 3 eV 초과의 밴드갭을 가지며, 질화알루미늄(AlN), 질화알루미늄갈륨(AlxGa1-xN, 여기서 0 ＜ x ＜ 1), 질화붕소(BN), 4H-상(phase) 탄화규소(SiC)(대략 3.23 eV), 또는 6H-상 탄화규소(SiC)(대략 3.05 eV)와 같은, 그러나 이로 제한되지 않는 재료로 구성된다. 다른 실시예에서, 반도체 기판(402)은 단결정 N-형 규소로 구성되고, 제1의 넓은 밴드갭 반도체 층(460)은 대략 1.5 eV 초과의 밴드갭을 가지며, 비정질 규소(a-Si, 대략 1.5 eV), 탄화규소(SiC, 대략 2.0 eV 초과의 상이한 상), 질화알루미늄(AlN), 질화알루미늄갈륨(AlxGa1-xN, 여기서 0 ＜ x ＜ 1), 또는 질화붕소(BN)와 같은, 그러나 이로 제한되지 않는 재료로 구성된다.
일 실시예에서, 동일한 공정 도구 내에서 산화물 층(412, 414) 및 제1의 넓은 밴드갭 반도체 층(460)을 형성하는 것은 저압 화학 증착(LPCVD) 챔버, 급속 열 어닐(RTA) 챔버, 급속 열 처리(RTP) 챔버, 대기압 화학 증착(APCVD) 챔버, 수소화물 기상 에피택시(HVPE) 챔버, 또는 RTP 챔버 및 플라즈마 강화 화학 증착(PECVD) 챔버 둘 모두를 사용하는 것을 수반한다. 일 실시예에서, 분위기가 공정 도구를 수용하는 설비의 분위기와는 상이한 제어된 분위기인 한, "동일한" 공정 도구는 단일 또는 다수-챔버 공정 도구일 수 있다.
일 실시예에서, 방법은 제1의 넓은 밴드갭 반도체 층(460)을 대략 1 × 1017 내지 1 × 1021개 원자/㎤의 범위의 농도를 갖는 전하 캐리어 도펀트 불순물 원자로 도핑하는 단계를 추가로 포함한다. 하나의 그러한 실시예에서, 도핑은 제1의 넓은 밴드갭 반도체 층(460)의 형성 동안 원위치에서 수행된다. 대안적인 그러한 실시예에서, 도핑은 제1의 넓은 밴드갭 반도체 층(460)의 형성에 후속하여 수행된다.
도 4i를 참조하면, 제2의 넓은 밴드 갭 도핑된 반도체 층(462)이 태양 전지(400)의 전면 상의 제2 텍스처화된 규소 영역(432) 위에 침착될 수 있다. 일 실시예에서, 층(460, 462)은 동일한 공정 작업에서 형성된다. 그러나, 다른 실시예에서, 층(460, 462)은 동일하거나 상이한 공정 도구 내에서 상이한 공정 작업에서 형성된다. 일 실시예에서, 태양 전지(400)의 배면 및 전면 상의 넓은 밴드 갭 도핑된 반도체 층(460, 462) 둘 모두는 넓은 밴드 갭 n-형 도핑된 반도체로 구성된다. 일 실시예에서, 제2의 넓은 밴드 갭 도핑된 반도체(462)는 제1의 두꺼운 넓은 밴드 갭 도핑된 반도체 층(460)에 비해 상대적으로 얇다. 그러한 특정 실시예에서, 제2의 얇은 넓은 밴드 갭 도핑된 반도체 층(462)은 제1의 두꺼운 넓은 밴드 갭 도핑된 반도체 층(460)의 두께의 대략 10% 내지 30%이다. 다른 실시예에서, 태양 전지(400)의 배면 및 전면 상의 넓은 밴드 갭 도핑된 반도체 층(460, 462) 둘 모두는 넓은 밴드 갭 p-형 도핑된 반도체로 구성된다. 후속적으로, 도 4i에 도시된 바와 같이, 반사-방지 코팅(anti-reflective coating, ARC) 층(470)이 제2의 넓은 밴드 갭 도핑된 반도체(462) 위에 침착될 수 있다. 하나의 그러한 실시예에서, ARC 층(470)은 질화규소로 구성된다.
도 4j를 참조하면, 태양 전지(400)의 배면 상의 제1의 넓은 밴드 갭 도핑된 반도체(460), 제2 산화물 층(412) 및 도핑 재료(408)의 층의 부분 제거가 수행되어 일련의 접점 개구(480)를 형성한다. 일 실시예에서, 제거 기술은 어블레이션 공정을 사용하여 성취된다. 하나의 그러한 어블레이션 공정은 레이저 어블레이션 공정이다. 다른 실시예에서, 제거 기술은 에칭 공정이 뒤따르는 마스크의 스크린 인쇄 또는 잉크젯 인쇄와 같은 종래의 패턴화 공정이다. 일 실시예에서, 제1의 넓은 밴드갭 반도체 층(460)을 형성하는 것은, 도 4j에 도시된 바와 같이, 심지어 도핑된 폴리실리콘 층(450)의 패턴화 후에, 도핑된 폴리실리콘 층(450)의 적어도 일부분 위에 일부분을 형성하는 것을 포함한다.
도 4k를 참조하면, 제1 금속 그리드 또는 그리드라인(490)이 태양 전지(400)의 배면 상에 형성된다. 제1 금속 그리드라인(490)은 접점 개구(480) 내의 도핑된 폴리실리콘(450)에 전기적으로 결합될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 금속 그리드라인(490)은 태양 전지(400)에 의해 전력을 공급받을 외부 전기 회로의 양극 전기 단자에 연결되도록 접점 개구(480)를 통과해 제1의 넓은 밴드 갭 도핑된 반도체(460), 제2 산화물 층(412), 및 도핑 재료(408)의 층에 대해 형성된다.
도 4l을 참조하면, 제2 금속 그리드 또는 그리드라인(492)이 태양 전지(400)의 배면 상에 형성된다. 제2 금속 그리드라인(492)은 제2 텍스처화된 규소 영역(432)에 전기적으로 결합될 수 있다. 일 실시예에서, 제2 금속 그리드라인(492)은 태양 전지(400)에 의해 전력을 공급받을 외부 전기 회로의 음극 전기 단자에 연결되도록 태양 전지(400)의 배면의 구역들 내에서 헤테로접합부로서 기능하는 제1 텍스처화된 규소 영역(430), 제2 산화물 층(412), 및 제1의 넓은 밴드 갭 도핑된 반도체(460)에 결합된다. 일부 실시예에서, 도 4k 및 도 4l에서 언급되는 금속 그리드 라인의 형성은 전기도금 공정, 스크린 인쇄 공정, 잉크젯 공정, 알루미늄 금속 나노입자로부터 형성된 금속 상에의 도금, 또는 다른 금속화 또는 금속 형성 처리 작업을 통해 수행된다.
이와 같이, 일 실시예에서, 제1 이미터 영역이 도핑된 다결정 규소로부터 형성되는 반면, 제2 이미터 영역이 넓은 밴드갭 반도체 재료로부터 형성된다. 그러나, 다른 실시예에서, 도핑된 폴리실리콘 대신에, 제1 이미터 영역은 또한 402의 밴드갭보다, 예컨대 단결정 N-형 규소 기판보다 대략 0.2 전자 볼트(eV) 이상 더 큰 밴드갭을 갖는 재료로부터 형성된다.
다른 태양에서, 상기에 기술된 바와 같이, 도 4f를 참조하면, 일부 실시예는 기판과 넓은 밴드갭 계면 사이의 패시베이팅 층(passivating layer)으로서 보다 이색적인 산화물 층을 사용하는 것을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 하나의 그러한 태양 전지는 규소 기판을 포함한다. 제1 이미터 영역이 규소 기판의 표면 상에 침착되고, 제1 전도형으로 도핑된 질화알루미늄(AlN) 층으로 구성된다. AlN 층은 얇은 산화알루미늄(Al2O3) 층 상에 침착된다. 제2 이미터 영역이 규소 기판의 표면 상에 배치되고, 제2의 반대 전도형으로 도핑된 반도체 재료로 구성된다. 제2 반도체 재료는 얇은 유전체 층 상에 배치된다. 제1 접점 및 제2 접점이 각각 제1 이미터 영역 및 제2 이미터 영역 상에 배치되고 그들에 전도가능하게 결합된다.
하나의 그러한 실시예에서, 반도체 재료는 규소 기판의 밴드갭보다 대략 0.2 전자 볼트(eV) 이상 더 큰 밴드갭을 갖는다. 즉, 둘 모두의 유형의 이미터 영역들이 넓은 밴드 갭 재료를 포함한다. 그러나, 다른 그러한 실시예에서, 반도체 재료는, 예컨대 도 4a 내지 도 4k와 관련하여 기술된 구조물들과 유사하게, 다결정 규소로 구성된다. 일 실시예에서, 제1 이미터 영역은 규소 기판의 표면의 텍스처화된 부분 상에 배치되고, 제2 이미터 영역은 규소 기판의 표면의 평평한 부분 상에 배치된다.
일 실시예에서, 제1 이미터 영역 및 제2 이미터 영역은 반도체 기판의 배면-접점 표면 상에 배치된다. 규소 기판은 배면-접점 표면 반대편의 수광 표면을 추가로 포함한다. 수광 표면은 그 상에 배치된 얇은 산화알루미늄(Al2O3) 층, 및 얇은 산화알루미늄(Al2O3) 층 상에 배치된 질화알루미늄(AlN) 층을 갖는다. 일 실시예에서, 질화알루미늄(AlN) 층의 일부분이, 도 4j와 관련하여 기술된 구조물과 유사하게, 제2 이미터 영역의 적어도 일부분 위에 배치된다.
본 명세서에 기술된 여러 실시예는 단일 공정 도구 내에서 규소 기판의 배면 상에 얇은 유전체 층 및 침착된 넓은 밴드 갭 반도체 층을 제공함으로써 태양 전지를 위한 이미터 영역을 형성하는 것을 포함한다. 다른 실시예들이 이로 제한될 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 단일 공정 도구 내에서 규소 기판의 전면 및 배면 상에 얇은 유전체 층 및 침착된 넓은 밴드 갭 반도체 층을 제공함으로써 태양 전지를 위한 패시베이션 층이 형성된다. 이미터 영역이 패시베이션 층으로부터 형성될 필요는 없다.
이와 같이, 넓은 밴드갭 반도체 재료로 구성된 이미터 영역을 갖는 태양 전지 및 태양 전지를 제조하는 방법이 개시되었다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 방법은 제어된 분위기를 갖는 공정 도구 내에서 태양 전지의 반도체 기판의 표면 상에 얇은 유전체 층을 형성하는 단계를 포함한다. 반도체 기판은 밴드갭을 갖는다. 이어서, 공정 도구의 제어된 분위기로부터 반도체 기판을 제거함이 없이, 반도체 층이 얇은 유전체 층 상에 형성된다. 반도체 층은 반도체 기판의 밴드갭보다 대략 0.2 전자 볼트(eV) 이상 더 큰 밴드갭을 갖는다. 하나의 그러한 실시예에서, 방법은 반도체 층으로부터 태양 전지를 위한 이미터 영역을 형성하는 단계를 추가로 포함한다. 다른 그러한 실시예에서, 반도체 층을 형성하는 단계는 가시 스펙트럼에서 실질적으로 투명한 층을 형성하는 단계를 수반한다.

Claims (20)

  1. 반도체 기판;
    반도체 기판 상에 배치된 얇은 유전체 층;
    얇은 유전체 층 상에 배치되며, 다결정 규소를 포함하는 제1 전도형의 제1 이미터 영역;
    반도체 기판 상에 배치된 제1 산화물 층; 및
    제1 산화물 층 상에 배치되며, 제1 전도형과 반대인 제2 전도형의 제2 이미터 영역을 포함하고,
    제2 이미터 영역은 다결정 규소를 포함하는 태양 전지.
  2. 제1항에 있어서, 제2 이미터 영역의 일부는 제1 이미터 영역 위에 부분적으로 배치된 태양 전지.
  3. 제1항에 있어서, 제2 이미터 영역의 일부는 얇은 유전체 층 위에 부분적으로 배치된 태양 전지.
  4. 제1항에 있어서, 제1 산화물 층의 일부는 제1 이미터 영역 위에 부분적으로 배치된 태양 전지.
  5. 제1항에 있어서, 제1 산화물 층의 일부는 얇은 유전체 층 위에 부분적으로 배치된 태양 전지.
  6. 반도체 기판;
    반도체 기판 상에 배치된 얇은 유전체 층;
    얇은 유전체 층 상에 배치되며, 다결정 규소를 포함하는 제1 전도형의 제1 이미터 영역;
    반도체 기판 상에 배치된 제1 산화물 층; 및
    제1 산화물 층 상에 배치되며, 제1 전도형과 반대인 제2 전도형의 제2 이미터 영역을 포함하고,
    제2 이미터 영역은 다결정 규소를 포함하며, 제2 이미터 영역의 일부는 제1 이미터 영역 위에 부분적으로 배치된 태양 전지.
  7. 제6항에 있어서, 제2 이미터 영역의 일부는 얇은 유전체 층 위에 부분적으로 배치된 태양 전지.
  8. 제6항에 있어서, 제1 산화물 층의 일부는 제1 이미터 영역 위에 부분적으로 배치된 태양 전지.
  9. 제6항에 있어서, 제1 산화물 층의 일부는 얇은 유전체 층 위에 부분적으로 배치된 태양 전지.
  10. 제6항에 있어서, 제1 전도형은 N-형이고, 제2 전도형은 P-형인 태양 전지.
  11. 제6항에 있어서, 제1 전도형은 P-형이고, 제2 전도형은 N-형인 태양 전지.
  12. 제6항에 있어서, 제2 이미터 영역은 대략 1 × 1017 내지 1 × 1021개 원자/㎤의 범위의 도펀트 농도를 갖는 태양 전지.
  13. 제6항에 있어서, 제1 산화물 층은 산화규소를 포함하는 태양 전지.
  14. 제6항에 있어서,
    반도체 기판의 수광 표면 위에 배치된 제2 산화물 층;
    제2 산화물 층 상에 배치된 비정질 규소 층; 및
    비정질 규소 층 상에 배치된 반사-방지 코팅(anti-reflective coating, ARC) 층을 더 포함하고,
    ARC 층은 질화규소를 포함하는 태양 전지.
  15. 반도체 기판;
    반도체 기판 상에 배치된 얇은 유전체 층;
    얇은 유전체 층 상에 배치되며, 다결정 규소를 포함하는 제1 전도형의 제1 이미터 영역;
    다결정의 제1 이미터 영역 상에 배치된 도핑 재료 층;
    반도체 기판 상에 배치된 제1 산화물 층; 및
    제1 산화물 층 상에 배치되며, 제1 전도형과 반대인 제2 전도형의 제2 이미터 영역을 포함하고,
    제2 이미터 영역은 다결정 규소를 포함하며, 제2 이미터 영역의 일부는 제1 이미터 영역 위에 부분적으로 배치된 태양 전지.
  16. 제15항에 있어서, 도핑 재료 층은 p-형(positive-type) 도핑 재료를 포함하는 태양 전지.
  17. 제16항에 있어서, p-형 도핑 재료는 붕소를 포함하는 태양 전지.
  18. 제15항에 있어서, 제2 이미터 영역의 일부는 얇은 유전체 층 위에 부분적으로 배치된 태양 전지.
  19. 제15항에 있어서, 제1 전도형은 N-형이고, 제2 전도형은 P-형인 태양 전지.
  20. 제15항에 있어서, 제1 산화물 층은 산화규소를 포함하는 태양 전지.
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