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KR101645756B1 - 형성된 폴리실리콘 도핑 구역들을 갖는 후방 측 접촉 태양 전지 - Google Patents

형성된 폴리실리콘 도핑 구역들을 갖는 후방 측 접촉 태양 전지 Download PDF

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KR101645756B1
KR101645756B1 KR1020117015267A KR20117015267A KR101645756B1 KR 101645756 B1 KR101645756 B1 KR 101645756B1 KR 1020117015267 A KR1020117015267 A KR 1020117015267A KR 20117015267 A KR20117015267 A KR 20117015267A KR 101645756 B1 KR101645756 B1 KR 101645756B1
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KR
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solar cell
dopant source
delete delete
type doping
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데이비드 디 스미스
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선파워 코포레이션
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Abstract

태양 전지는 폴리실리콘 층의 인접 부분에서, 접합하고 있는 P-형(120) 및 N-형(121) 도핑 구역들을 포함한다. 폴리실리콘 층은, 태양 전지 기판(101)(예를 들어, 실리콘 웨이퍼)의 후방 측에 형성되는 얇은 유전체 층(103) 위에 형성될 수 있다. 폴리실리콘 층은 비교적 큰 평균 그레인 크기를 가져서, P-형(120)과 N-형(121) 도핑 구역들 사이의 공간 전하 구역에서의 재결합을 감소시키거나 제거하고, 이에 따라 효율을 증가시킨다.

Description

형성된 폴리실리콘 도핑 구역들을 갖는 후방 측 접촉 태양 전지{BACKSIDE CONTACT SOLAR CELL WITH FORMED POLYSILICON DOPED REGIONS}
본 발명은 일반적으로 태양 전지에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 태양 전지 제조 공정 및 구조에 관한 것이지만 이에 한정되지는 않는다.
태양 전지는 태양 복사선을 전기 에너지로 전환하기 위한 잘 알려진 장치이다. 이는 반도체 가공 기술을 사용하여 반도체 웨이퍼 상에 제조될 수 있다. 태양 전지는 P-형 및 N-형 도핑(doped) 구역들을 포함한다. 태양 전지에 충돌하는 태양 복사선은 도핑 구역들로 이동하는 전자들 및 정공(hole)들을 생성하며, 이에 따라 도핑 구역들 사이에 전압차들을 생성한다. 후방 측 접촉 태양 전지에서, 도핑 구역들 및 이들 도핑 구역들에 연결되는 서로 맞물린(interdigitated) 금속 접촉 핑거들은 모두 태양 전지의 후방 측에 있다. 접촉 핑거들에 의해 외부 전기 회로가 태양 전지에 연결되어 태양 전지에 의해 동력을 공급받는다.
효율은 태양 전지의 전력 발생 능력과 직접 관련되므로 태양 전지의 중요한 특성이다. 따라서, 태양 전지의 효율을 증가시키기 위한 기술들은 일반적으로 요구된다. 본 발명은 신규의 태양 전지 구조들을 제조하기 위한 공정을 제공함으로써 태양 전지 효율을 증가시킬 수 있다.
태양 전지는 폴리실리콘 층의 인접 부분(contiguous portion)에서, 접합하고 있는 P-형 및 N-형 도핑 구역들을 포함한다. 폴리실리콘 층은, 태양 전지 기판(예를 들어, 실리콘 웨이퍼)의 후방 측에 형성되는 얇은 유전체 층 위에 형성될 수 있다. 폴리실리콘 층은 비교적 큰 평균 그레인(grain) 크기를 가져서, P-형과 N-형 도핑 구역들 사이의 공간 전하(space charge) 구역에서 재결합을 감소시키거나 제거하고, 이에 따라 효율을 증가시킨다.
본 발명의 상기 및 다른 특징들은 첨부 도면들과 청구항들을 포함하는 본 명세서 전체를 숙독한 해당 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 쉽게 자명해질 것이다.
도1 내지 도12는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조를 개략적으로 도시하는 단면도들이다.
도13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양 전지의 단면도를 개략적으로 도시한다.
상이한 도면들에서 동일한 도면 부호를 사용하는 것은 동일하거나 유사한 구성 요소들을 지시한다. 도면들은 축척대로 도시된 것은 아니다.
본 출원은 2008년 12월 4일자로 출원된 미국 가출원 제61/119,955호의 우선권의 이익을 향유하며, 상기 출원은 참조를 통하여 본 명세서에 전체로써 통합된다.
본 명세서에는 본 발명의 실시예들의 완전한 이해를 제공하도록 재료들, 공정 파라미터들, 공정 단계들, 및 구조들의 예들과 같은 수많은 구체적인 세부 사항들이 제공된다. 그러나 해당 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 상기 구체적인 세부 사항들 중 하나 이상이 없어도 실시될 수 있음을 인지할 것이다. 다른 경우에서, 본 발명의 불명료한 태양들을 회피하도록 잘 알려진 세부 사항들은 도시하거나 기술하지 않는다.
기판에 P-형 및 N-형 도핑 구역들을 갖는 태양 전지들에서, P-형 및 N-형 도핑 구역들은 외주들이 분리되거나 접합하도록 형성될 수 있다. 그러나 본 발명자는 폴리실리콘 도핑 구역들에서는 그렇지 않음을 발견하였는데, 이는 폴리실리콘 내의 전하 캐리어들의 수명이 매우 낮아서 폴리실리콘 도핑 구역들이 맞닿는 공간 전하 구역에서의 재결합이 매우 높기 때문이다. 즉, 본 발명자는 맞닿는 폴리실리콘 도핑 구역들은 효율에 악영향을 미친다는 것을 발견하였다. 이러한 손실 메커니즘을 제거하거나 감소시키는 하나의 방법은 본 발명자에 의해 2008년 6월 12일자로 출원된, "폴리실리콘 확산 구역들을 갖는 후방 측 접촉 태양 전지용 트렌치 공정 및 구조(Trench Process and Structure for Backside Contact Solar Cells with Polysilicon Diffusion Regions)"라는 제목의 미국 가출원 제61/060,921호에 개시된 바와 같이, 트렌치에 의해 폴리실리콘 P-형 및 N-형 도핑 구역들을 물리적으로 분리시키는 것이다. 도핑 구역들 사이에 트렌치를 형성하는 것을 필수적으로 수반하지는 않는 또 다른 방법이 본 명세서에서 개시된다. 이하에서 더 분명해지는 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 또한 적용에 따라서 트렌치와 함께 사용될 수 있다.
도1 내지 도12는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조를 개략적으로 도시하는 단면도들이다. 도1 내지 도12는 웨이퍼가 태양 전지로 되는 순차적인 공정을 도시한다. 그러나 실시에 따라서 몇몇의 공정 단계들은 순차를 벗어나서 수행되거나 전혀 수행되지 않을 수 있음이 이해될 것이다.
기판(101)은 데미지 에칭 단계를 겪음으로써 태양 전지로의 공정을 위해 준비된다(도1). 기판(101)은 본 예에서 N-형 실리콘 웨이퍼를 포함하며, 통상적으로 웨이퍼 밴더(vendor)가 기판(101)을 그 인고트(ingot)로부터 얇게 자르기 위해 사용하는 절단 공정(sawing process)으로 인해서 손상된 표면들을 갖는 상태로 수령된다. 기판(101)은 웨이퍼 밴더로부터 수령시 약 100 내지 200 마이크론 두께일 수 있다. 일 실시예에서, 데미지 에칭 단계는 수산화칼륨을 포함하는 습식 에칭 공정을 사용하여 기판(101)의 각 면을 약 10 내지 20㎛ 제거하는 것을 수반한다. 데미지 에칭 단계는 또한 금속 오염을 제거하도록 기판(101)을 세척하는 것을 포함할 수 있다.
얇은 유전체 층들(102 및 103)은 기판(101)의 전방 표면 및 후방 표면 상에 각각 형성된다(도2). 얇은 유전체 층들은 기판(101)의 표면들 상에 40Å(예를 들어, 5 내지 40Å, 바람직하게는 20Å) 이하의 두께로 열적으로 성장한 실리콘 다이옥사이드를 포함할 수 있다. 기판(101)의 전방 표면과 그 위에 형성된 재료들은 태양 전지의 전방 측에 있다고 일컫는데, 이는 이들이 정상 작동 동안 태양 복사선을 받도록 태양을 향하기 때문이다. 유사하게, 기판(101)의 후방 표면과 그 위에 형성된 재료들은 전방 측과 반대인 태양 전지의 후방 측에 있다고 일컫는다.
폴리실리콘 층(104)은 태양 전지의 후방 측의 얇은 유전체 층(103) 상에 형성된다(도3). 상기 제조 단계에서 도핑되지 않은 폴리실리콘 층(104)은 LPCVD에 의해 약 1000 내지 2000Å의 두께로 형성될 수 있다.
도핑된 실리콘 다이옥사이드 층(105)은 폴리실리콘 층(104) 상에 형성된다(도4). 도핑된 실리콘 다이옥사이드 층(105)은 폴리실리콘 층(104) 내에서 이후에 형성되는 도핑 구역을 위한 도판트(dopant) 소스로서 작용하며, 본 예에서는 P-형 도핑 구역(120)이다(도7 참조). 도핑된 실리콘 다이옥사이드 층(105)은 따라서 보론과 같은 P-형 도판트로 도핑될 수 있다. 일 실시예에서, 도핑된 실리콘 다이옥사이드 층(105)은 대기압 화학 기상 증착(APCVD)에 의해 약 1000Å 두께로 형성된 BSG(보론-실리케이트-글라스)를 포함한다.
도핑된 실리콘 다이옥사이드 층(105)은 P-형 도핑 구역(120)이 형성될 폴리실리콘 층(104)의 일 영역 위에 남도록 패터닝된다(도5).
도핑된 실리콘 다이옥사이드 층(107)은 도핑된 실리콘 다이옥사이드(105)와 폴리실리콘 층(104) 상에 형성된다(도6). 도핑된 실리콘 다이옥사이드(107)는 폴리실리콘 층(104) 내에서 이후에 형성되는 도핑 구역을 위한 도판트 소스로서 작용하며, 본 예에서는 N-형 도핑 구역(121)이다(도7 참조). 도핑된 실리콘 다이옥사이드(107)는 따라서 인과 같은 N-형 도판트로 도핑될 수 있다. 일 실시예에서, 도핑된 실리콘 다이옥사이드(107)는 APCVD에 의해 약 2000Å 두께로 형성된 PSG(포스포실리케이트 글라스)를 포함한다.
열적 드라이브-인(drive-in) 단계는 도핑된 실리콘 다이옥사이드 층(105) 및 도핑된 실리콘 다이옥사이드 층(104)으로부터 밑에 있는 폴리실리콘 층(104)으로 도판트들을 확산시켜서, 폴리실리콘 층(104)의 인접 부분에서, 접합하고 있는 P-형 도핑 구역(120) 및 N-형 도핑 구역(121)을 각각 형성한다(도7). 폴리실리콘 층(104)은 P-형 도핑 구역(120) 및 N-형 도핑 구역(121)으로 재표기되어, 상기 공정의 단계에서 폴리실리콘 층(104)의 도핑된 상태를 반영한다. 인식될 수 있는 바와 같이, 통상의 태양 전지는 복수의 도핑 구역들을 가지나, 도해의 명확성을 위하여 여기에서는 단지 두 개만 도시되었다.
P-형 도핑 구역(120) 및 N-형 도핑 구역(121)은 태양 전지의 후방 측에서, 형성된 확산 구역들로 작용한다. P-형 도핑 구역(120) 및 N-형 도핑 구역(121)은 폴리실리콘 층(104)의 인접 부분 내이며 물리적으로 접합한다.
일 실시예에서, 열적 드라이브-인 단계가 수행되어 폴리실리콘 층(104)은, 바람직하게는 적어도 1마이크론의 평균 그레인 크기, 더 바람직하게는 적어도 5마이크론, 가장 바람직하게는 적어도 10마이크론의, 더 큰 그레인 크기를 가지도록 재결정된다. 폴리실리콘 층(104)의 더 큰 그레인 크기는 폴리실리콘 층(104)에서의 소수 캐리어 수명을 증가시키며, 이에 따라 공간 전하 구역에서의 재결합을 감소시키고 효율을 향상시킨다.
열적 드라이브-인 단계는 또한 바람직하게는 결과로서의 P-형 도핑 구역(120) 및 N-형 도핑 구역(121)이 많이 도핑되도록 수행된다. 바람직한 드라이브 조건들은 도핑이 많이 되는, 예를 들어, 1e20cm-3보다 큰, 폴리실리콘 층(104)을 제공하며, 상기 폴리실리콘 층(104)은 필름의 두께 전체에 걸쳐서 균일하고 폴리실리콘 아래에는 아주 적은, 예를 들어 1e18cm-3 이하의 도핑을 가진다.
폴리실리콘 층(104)은 얇은 유전체 층(103) 상의 표면 재결합을 실질적으로 증가시키지 않으며 폴리실리콘 층(104)을 수직으로 국부적으로 가열시킴으로써, 도핑이 많이 될 수 있고 더 큰 그레인 크기를 갖도록 재결정될 수 있다. 수직으로 국부적으로(전반적인 것의 반대 의미) 가열하는 것은 예를 들어, 엑시머 레이저 어닐링을 사용하여 수행될 수 있다. 코히런트 인크.(Coherent, Inc.)가 제공하는 것과 같은 엑시머 레이저 어닐링 도구는 도6의 도핑된 실리콘 다이옥사이드 층(107)의 표면을 스캔하는데 사용될 수 있다. 엑시머 레이저 어닐링 공정은 도판트들을 도판트 소스들로부터 폴리실리콘 층(104)으로 유도하며, 이에 따라 도핑 구역들(120, 121)을 형성한다.
기판(101)의 전방 측 표면은 무작위로 조직화(texture)되어 조직화된 면(108)을 형성한다(도8). 일 실시예에서, 기판(101)의 전방 측 표면은 수산화칼륨 및 이소프로필 알콜을 포함하는 습식 에칭 공정을 사용하여 무작위 피라미드들로 조직화된다. 조직화된 면(108)은 태양 복사선 수집의 증가에 기여한다.
기판(101)의 전방 측 표면은 태양 전지의 전방 측에 N-형 도핑 구역(109)을 형성하도록 도핑된다(도9). N-형 도핑 구역(109)은 확산 단계 동안 확산 노(furnace) 내에서 인과 같은 N-형 도판트의 도입에 의해 형성될 수 있다.
보호(passivating) 옥사이드(110)는 조직화된 면(108) 상에 형성된다(도10). 보호 옥사이드(110)는 기판(101)의 조직화된 전방 측 표면 상에 약 10 내지 250Å 두께로 열적으로 성장한 실리콘 다이옥사이드를 포함할 수 있다.
비반사 코팅(111)은 조직화된 면(108) 상에 형성된다(도11). 비반사 코팅(111)은 예를 들어 PECVD에 의해 약 450Å 두께로 형성된 실리콘 나이트라이드 층을 포함할 수 있다.
태양 전지의 제조는 금속 접촉부들(112 및 113)을 형성함으로써 완료된다(도12). 상기 예에서, 금속 접촉부(112)는 층들(107, 105)을 통하여 P-형 도핑 구역(120)에 전기적으로 연결되며, 금속 접촉부(113)는 층(107)을 통하여 N-형 도핑 구역(121)에 전기적으로 연결된다. 금속 접촉부들(112 및 113)에 의해 외부 전기 회로가 태양 전지에 연결되어 태양 전지에 의해 동력을 공급받는다.
금속 접촉부들(112 및 113)은 단일층 또는 복수층 금속 접촉부들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속 접촉부들(112 및 113) 각각은 도핑 구역(예를 들어, 도핑 구역(120 또는 121))을 향하여 실리콘 다이옥사이드 층(예를 들어, 층(105 또는 107)) 상에 형성되는 알루미늄을 포함하는 재료들의 적층, 알루미늄 상에 형성되는 티타늄-텅스텐을 포함하는 확산 차단부, 및 확산 차단부 상에 형성되는 구리를 포함하는 시드 레이어를 포함할 수 있다. 서로 맞물린 금속 핑거들은 예를 들어 구리 재료 기층 상에 구리의 전기도금에 의하여 금속 접촉부에 전기적으로 연결되도록 형성될 수 있다. 금속 접촉부들(112 및 113) 내의 알루미늄은 유리하게 밑에 있는 실리콘 다이옥사이드와 함께 적외선 반사체를 형성하여, 효율을 증가시킨다.
트렌치 분리 도핑 구역들을 갖는 태양 전지에 비교하면, 본 발명의 실시예들은 유리하게 적은 공정 단계들을 갖는다. 보다 구체적으로, 본 발명의 실시예들은 도핑 구역들을 분리하는 트렌치의 제조를 필수적으로 요구하지 않는다. 이는 트렌치-분리 도핑 구역들을 갖는 태양 전지들의 역방향 항복(reverse bias breakdown) 전기적 특성들을 보존함에도 불구하고 그러하다. 본 발명의 실시예들은 또한 잠재적으로 더 낮은 역방향 항복 전압을 감안한다.
전술된 바에서 인지할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 또한 트렌치-분리와 함께 사용될 수 있다. 이는 도핑 구역들 사이의 공간 전하 구역 내에서의 재결합을 방지하거나 최소화할 만큼 충분히 크게 폴리실리콘 층(104)의 그레인들을 재결정화하는 것이 가능하지 않은 응용예들에서 이루어질 수 있다. 이러한 대안적인 실시예는 도13을 참조하여 설명된다.
도13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양 전지의 단면도를 개략적으로 도시한다. 도13의 예에서, 태양 전지는 P-형 도핑 구역(120)을 N-형 도핑 구역(121)으로부터 물리적으로 분리하는 트렌치(115)를 포함한다.
실리콘 나이트라이드 층(114)의 형태인 유전체가 트렌치(115) 내에 형성된다. 도13의 예에서, 실리콘 나이트라이드 층(114)은 또한 층(107)을 덮도록 형성된다. 실리콘 나이트라이드 층(114)은 실리콘 표면을 트렌치(115) 아래에 적층 배치하고 양호한 표면 보호를 제공하도록 바람직하게는 비교적 큰 고정 양전하 밀도(positive fixed charge density)를 갖는다. 실리콘 나이트라이드 층(114)의 고정 양전하 밀도는 PECVD 공정의 일부로서 자연적으로 발생할 수 있다. 예를 들어, 실리콘 나이트라이드 층(114)은 PECVD에 의해 약 400Å의 두께로 형성된다. 실리콘 나이트라이드 층(114)은 바람직하게는 평탄한(예를 들어, 증착됨에 따라) 표면을 갖는다. 트렌치(115) 및 실리콘 나이트라이드 층(114)은 도7을 참조하여 전술된 바와 같이 도판트들을 실리콘 다이옥사이드 층(104)에 열적으로 드라이브-인하는 엑시머 레이저 어닐링 단계 이후에 형성될 수 있다.
개선된 태양 전지 제조 공정 및 구조에 대해 개시하였다. 본 발명의 특정 실시예들이 제공되었지만, 이들 실시예들은 예시를 위한 목적이지 제한적인 것이 아님이 이해되어야 한다. 본 명세서를 숙독한 해당 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 다양한 추가 실시예들이 자명할 것이다.

Claims (20)

  1. 실리콘 기판의 후방 표면 상에 폴리실리콘 층을 형성하는 단계와,
    상기 폴리실리콘 층 상에 제1 도판트 소스와 제2 도판트 소스를 형성하는 단계와,
    상기 폴리실리콘 층을 국부적으로 가열하여, 도판트들을 상기 제1 도판트 소스 및 상기 제2 도판트 소스로부터 상기 폴리실리콘 층으로 유도하여 상기 폴리실리콘 층의 인접 부분에서 P-형 도핑 구역 및 N-형 도핑 구역을 형성하며, 상기 폴리실리콘 층을 재결정화하여 평균 그레인 크기를 증가시키는 단계를 포함하는, 태양 전지 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 폴리실리콘 층은 레이저를 사용하여 국부적으로 가열되는, 태양 전지 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 폴리실리콘 층은 상기 실리콘 기판의 후방 측에 형성되는 얇은 유전체 층 상에 형성되는, 태양 전지 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 폴리실리콘 층은 적어도 1마이크론의 평균 그레인 크기를 갖도록 재결정화되는, 태양 전지 제조 방법.
  5. 태양 전지로서,
    실리콘 기판;
    상기 실리콘 기판의 후방 측에 형성되는 유전체;
    상기 유전체 상에 형성되는 폴리실리콘 층; 및
    상기 폴리실리콘 층 상에 형성된 제1 도판트 소스 및 제2 도판트 소스
    를 포함하고,
    상기 후방 측은 정상 작동 동안 태양을 향하는 전방 측에 반대이고,
    상기 제1 도판트 소스는 P-형 도핑 구역을 위한 도판트 소스로서 작용하고, 상기 제2 도판트 소스는 N-형 도핑 구역을 위한 도판트 소스로서 작용하고,
    상기 제1 도판트 소스와 상기 제2 도판트 소스로부터의 도판트들이 상기 폴리실리콘 층으로 확산되어 상기 폴리실리콘 층의 인접 부분에서 상기 P-형 도핑 구역 및 상기 N-형 도핑 구역을 형성하고,
    상기 폴리실리콘 층은 상기 P-형 도핑 구역과 상기 N-형 도핑 구역 사이의 경계에서 적어도 1마이크론의 평균 그레인 크기를 갖는, 태양 전지.
  6. 제5항에 있어서, 상기 유전체는 40Å보다 작은 두께로 형성되는 실리콘 다이옥사이드를 포함하는, 태양 전지.
  7. 제5항에 있어서, 상기 P-형 도핑 구역 및 상기 N-형 도핑 구역을 상기 태양 전지에 의해 전력을 공급받는 외부 전기 회로에 전기적으로 연결하는 금속 접촉부들을 더 포함하는, 태양 전지.
  8. 제5항에 있어서, 상기 실리콘 기판은 N-형 실리콘 웨이퍼를 포함하는, 태양 전지.
  9. 제5항에 있어서, 상기 실리콘 기판은 텍스쳐화된(textured) 전방 측 표면을 갖는, 태양 전지.
  10. 제5항에 있어서, 상기 실리콘 기판의 전방 측 상에 반사방지 코팅을 더 포함하는, 태양 전지.
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