KR20110004438A - 태양 전지 내 확산층의 패턴화 방법 및 이러한 방법에 의해 제조된 태양 전지 - Google Patents

태양 전지 내 확산층의 패턴화 방법 및 이러한 방법에 의해 제조된 태양 전지 Download PDF

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Abstract

도핑 목적으로 자기 정렬 전지(SAC) 구조물을 사용하는 방법은 도판트 또는 확산 지연제의 증착 및 도포를 유도하는 구조물을 사용한다. 핑거를 전도시키기 위한 금속화물이 될 영역에 도핑물이 제공된다. 도판트를 금속화 홈에 직접 처리할 수 있다. 또는, 확산 지연제를 비홈 위치에 제공할 수 있으며, 도판트를 전체 웨이퍼 표면의 일부 또는 전부 위에 제공할 수 있다. 도판트 및 금속이 자동적으로 원하는 위치로 그리고 서로 등록되어 이동한다. SAC 구조물은 광 에너지의 반사를 감소시키는 전지의 흡광 영역에 대한 오목 표면도 포함하는데, 또한 이 영역은 오목부에서 도판트로 처리하여 반도체 에미터 라인을 형성시킬 수 있다. 대안적으로, 확산 지연제를 오목부에 처리하여 노출된 오목부 사이의 리지의 상부 팁을 남겨서 더 깊은 도핑 처리를 할 수 있다.

Description

태양 전지 내 확산층의 패턴화 방법 및 이러한 방법에 의해 제조된 태양 전지{METHODS TO PATTERN DIFFUSION LAYERS IN SOLAR CELLS AND SOLAR CELLS MADE BY SUCH METHODS}
서론
특정 공정 계획 및 구성이 미국을 지정하고, 에마뉴엘 엠 사흐 및 제임스 에프 브레트 및 매사츄세츠 인스티튜트 오브 테크놀로지를 출원인으로 하여 2008년 2월 15일 출원된, 발명의 명칭이 "SOLAR CELL WITH TEXTURED SURFACES"이며, 2007년 2월 15일 출원된 2개의 미국 가출원 US 60/901,511 및 2007년 1월 23일 출원된 US 61/011,933을 우선권 주장 청구하는, 특허 협력 조약 출원 PCT/US2008/002058에 개시되어 있다. PCT 출원 및 2개의 미국 가출원 모두를 본 명세서에서 그 전체를 참고로 인용한다. 이들 출원에 개시된 기술을 본 명세서에서는 총제적으로 자기 정렬 전지(SAC) 기술로 지칭한다.
특정한 추가의 공정 계획 및 구성이 에마뉴엘 엠 사흐 및 제임스 에프 브레트 및 앤드류 가버를 출원인으로 하여 2008년 4월 18일 출원된, 발명의 명칭이 "METALLIZATION ASPECTS OF SELF ALIGNED CELL ARCHITECTURE"인 미국 가출원 USSN 61/124,607에 개시되어 있다. 또 다른 공정 계획 및 구성이 앤드류 가버 및 리차드 엘 월리스를 출원인으로 하여 2008년 12월 12일 출원된, 발명의 명칭이 "METHODS TO PATTERN DIFFUSION LAYERS IN SOLAR CELLS"인 미국 가출원 USSN 61/201,577에 개시되어 있다. 본 출원은 이들 2개의 가출원 모두를 기초로 하며, 이들 각각의 이익 및 이들 각각의 우선권을 본 명세서에서 청구한다. 양쪽 모두 본 명세서에서 그 전체를 참고로 인용한다.
본 개시는 SAC 기술과 양립 가능한 선택적 에미터의 형성 방법을 설명한다.
간단히 말하면, SAC 개념은 유전체 에칭, 촉매 도포, 금속 증착 및 추후 공정 활성에 대한 마스킹의 동작을 수행하기 위해, 홈에 용액을 분배하는 것을 수반하는 후속의 공정 단계를 가능하게 하는, Si 웨이퍼의 표면에의 홈 및 다른 특징부의 형성을 포함한다.
표면에 액체 함유 재료를 제공하기 위한 특정한 공정 계획이 2009년 1월 6일 출원된, 발명의 명칭이 "DISPENSING LIQUID CONTAINING MATERIAL TO PATTERNED SURFACES USING A CAPILLARY DISPENSING TUBE"인 미국 가출원 61/204,382에 논의되어 있다. 이 출원을 그 전체를 본 명세서에서 참고로 인용한다. 이 출원에 개시된 기술은 본 명세서에서는 모세관 분배 기술로서 지칭한다. 모세관 분배 기술 및 이를 기재한 가출원을 본 명세서에 기재되고 청구된 발명에 대한 종래 기술로 명확히 선언하는 것은 아니다. 간단히 말하면, 액체, 슬러리 및 페이스트 및 다른 액체 함유 재료를 태양 광전지의 형성에 사용하게 될 실리콘 웨이퍼와 같은 기판의 표면 상의 홈에 증착시킨다. 액체를 기판 표면 상의 다음 토포그래피(topography)/표면 텍스쳐(texture)에 의해 기계적으로 안내 및 정렬되는 미세 분배 모세관을 통해 가압 하에서 얇은 금속화 핑거(finger) 요소를 형성하게 될 홈에 분배할 수 있다. 분배 모세관은 오디오 레코드 내의 축음기 바늘과 상당히 유사하게 홈에 기계적으로 자국을 남긴다. 분배 모세관은 홈에 걸려 있기에 충분히 작을 수 있으며, 홈 측벽이 트래킹 억제를 제공한다. 또는, 분배 모세관은 홈보다 클 수 있으며, 홈의 상부 가장자리에 걸려 기계적 정렬을 계속 달성할 수 있다. 분배 모세관은 통상적으로 분배된 액체의 모세관 작용 자체에 의해 홈에 더 유지된다. 분배 모세관은 홈에 대해 스프링 하중을 받을 수 있다. 인입(lead-in) 특징부는 분배 모세관을 홈으로 안내할 수 있다. 분배 모세관에 대한 타원형 및 잎 모양과 같은 비원형 단면은 홈에서의 트래킹을 강화할 수 있다. 다양한 분배 모세관을 이용할 수 있으며, 각각은 개별 핑거에 대해 각각의 홈에서 분배한다. 다수의 웨이퍼를 차례로 처리할 수 있다. 이동 시작 및 마지막에서 시간 소비 가속 및 감속이 감소된다. 다수의 웨이퍼를 편평부를 가지며 계속 회전하는 드럼의 표면 위에 배치할 수 있다. 분배 모세관은 내외로 이동하면서 드럼 축에 평행하게 횡단하여, 개별 웨이퍼가 횡단하면서 상승 및 하강을 제공할 수 있다.
본 명세서에서 논의되는 혁신은 본 명세서에서 선택적 에미터로서 지칭되는 것의 형성을 통해 장치 성능을 개선시키기 위해 금속화 홈 패턴에 도판트 함유 액체를 분배하는 것 및/또는 금속화 홈 영역 외부에 확산 지연 재료를 도포하는 것을 포함한다. 이에 의해 금속화 재료의 분배 및 억제에 사용되는 바의 도판트 및 확산 지연 재료의 분배 및/또는 억제를 촉진하기 위해 동일한 홈을 사용하여 자기 정렬의 새로운 양태가 달성된다.
종래의 Si 웨이퍼를 기반으로 하는 태양 전지에서, 최소의 B(붕소) 도핑물을 포함하는 웨이퍼는 에미터 영역을 형성하기 위해 전지의 상부 측면에 확산된 P(인) 도판트의 박층을 갖는데, 이에 따라 이 에미터 영역에서 영구 전기장이 형성되어 빛에 의해 생성된 각각의 전하를 분리한다. 높은 P 농도는 몇몇 유형의 금속화물과의 접촉 저항을 낮추고, Si 표면에 직접 Ni 도금액이 스트라이킹(striking)되는 것을 도우며, 전방 금속화물의, 확산된 영역을 통한 펀칭 및 이에 따른 장치의 단락 또는 분로의 경향을 감소시킨다는 이점이 있다. 이는 또한 전도성 표면층에 적층되어 저항 손실이 거의 없으면서 전자가 표면을 따라 금속화된 전도체를 향해 이동 가능하게 한다.
그러나, 고농도의 P 및 깊은 에미터는 단점도 있다. 단파장 광이 이 확산 영역에서 웨이퍼의 상부 부근의 박층에서 매우 강하게 흡수되는 경향이 있고, 높은 P 도핑 수준이 재료의 전자 품질을 감소시켜 이것이 수집될 수 있기 전에 전하 캐리어가 결함부에서 더욱 용이하게 재결합한다. 이러한 식으로, 표면 부근에서 강하게 흡수되는 단파장 또는 청색 광이 전지의 약한 청색 반응(blue response)으로 통상적으로 지칭되는 장치의 광전류에 별로 기여하지 못한다. 또한, 고성능 전지 설계에서, 아주 상부의 표면의 품질이 중요할 수 있으며, 장치의 개방 회로 전압에 영향을 미칠 수 있다. 표면 P 농도가 더 높으면, 전방 표면 유전체층을 갖는 양호한 표면 부동화물을 얻는 것은 더욱 어려워진다.
결점이 거의 없는 높은 도판트 농도 및 낮은 도판트 농도 모두의 이점을 달성하기 위해, 선택적 에미터를 사용할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바의 선택적 에미터는 패턴화 확산층이다. 금속화 영역 아래에는, 낮은 접촉 저항 및 더 넓은 금속화 공정 창(window)을 위한 P 농축물과 같은 고농도 도판트가 존재하지만, 다른 경우에 대부분의 표면 영역에서는, 전지 내 더 높은 전압 및 전류를 위해서는 농도가 낮다. 존재하는 Si 태양 전지 제조자 중 매우 소수만이 선택적 에미터를 사용하는데, 이는 패턴화 확산을 생성하는 데에 필요한 추가의 처리 단계 및 공정 복잡성이 어려운 장애물이 되기 때문이다. 선택적 에미터를 제조하는 통상적인 방법은 2 이상의 고온 확산 단계 및 스크린 인쇄 금속층을 무겁게 확산된 패턴으로 정렬하는 어려운 작업을 수반한다.
선택적 에미터는 Si 태양 전지에 대한 패턴화 확산층의 가장 흔하게 공개된 예이지만, 다른 예도 있다. 소위 반도체 핑거 기술이 공지되어 있으며, 이에 의해 상부에 금속이 없는 깊게 확산된 라인이 통상적인 금속 핑거에 대해 수직으로 형성된다. 이러한 반도체 핑거는 에미터 내 직렬 저항 손실을 감소시키고, 이러한 반도체 핑거가 없는 영역이 개선된 청색 반응을 위해 더욱 가볍게 확산 가능하게 하며, 이러한 깊게 확산된 영역 및 주위 영역으로부터의 불순물을 더 양호하게 모아서 Si의 소수 캐리어 수명을 개선시킨다. 깊게 확산된다는 것은, 일반적으로 4개의 포인트 프로브로 시트 저항을 측정하기에 충분히 큰 면적이 제공됨을 의미하며, 시트 저항은 약 50 ohm/□보다 낮을 수 있고, 바람직하게는 약 20 내지 약 35 ohm/□일 수 있다.
선택적 에미터를 제공하는 공지된 방법은 단점이 있다. 이들은 추후에 금속화될 위치에서 더 고도로 도핑된 영역을 위해 도판트를 배치하는 특별한 정렬 단계를 필요로 한다. 따라서, 다수의 마스크를 사용하거나, 또는 하나의 단계에서 다른 단계로 마스크의 위치를 유지하거나, 또는 도핑을 위한 하나의 패턴화 단계를 금속화를 위한 다른 패턴화 단계와 함께 등록해야 한다. 공지된 선택적 에미터 처리 방법의 다른 단점은 2 이상의 고온 처리 단계를 필요로 한다는 것인데, 이들 각각은 조력자(attendant) 준비, 냉각 기간 등을 필요로 한다. 모든 고온 처리를 1 단계로 달성하여 처리를 유선화하고 처리 시간을 감소시키는 등 하는 것이 바람직할 수 있다.
에미터가 선택적으로 금속화 영역 아래에 위치하기 때문에, 소위 반도체 핑거를 제공하기 위한 공지된 방식은 2개의 고온 가열 단계를 필요로 하며, 종래의 금속 핑거에 대해 수직인 라인의 패턴화도 필요로 한다. 이는 스크린 인쇄 패턴 또는 몇몇 다른 기술에 의한 특정 종류의 정확한 패턴화를 필요로 한다. 이러한 기술은 단점이 있다. 종래의 패턴을 사용할 필요 없이 그리고 2개의 고온 단계 없이 이러한 강화된 도핑 패턴을 제공할 수 있다는 것이 유리할 수 있다.
따라서, 자기 정렬하여, 추가의 마스크 또는 스크린의 사용, 또는 다른 패턴화 단계 및/또는 정렬 단계를 필요로 하지 않고, 금속화에 필요한 정확한 위치에 도판트가 제공되는 선택적 에미터를 제공하기 위한 공정이 필요하다. 선택적 에미터 영역이 될 더욱 고도로 도핑된 동일한 위치에 금속화 액체를 비교적 용이하고 신뢰성 있고 반복적으로 제공할 수 있는 방법이 추가로 필요하다. 단 하나의 고온 처리 단계를 이용하여 더욱 고도로 도핑된 영역을 갖는 이러한 선택적 에미터를 제공할 수 있는 방법이 추가로 필요하다. 고온 처리 단계는, 본 명세서에서 그 온도(들)에서 충분히 긴 시간과 조합하여 충분히 높은 온도 또는 다른 온도에서 도판트 확산 프로필을 변경하는 단계를 의미하는 데에 사용된다. 도판트 확산 프로필에 유의적인 변화가 없는 동안 더 낮거나 더 짧은 온도에서 다른 처리 단계가 존재할 수 있지만, 단 하나의 프로필 변화 고온 단계가 요구되어야 한다.
유사하게, 종래의 금속 핑거에 대해 수직인 소위 반도체 핑거와 같은 금속화 영역 바로 아래에 있지 않은 패턴화 확산층의 경우, 복잡한 패턴화 단계를 필요로 하지 않는 이러한 강화된 깊은 도핑을 제공하기 위한 방법이 필요하며, 단 하나의 고온 처리 단계에 의해 이러한 강화된 깊은 도핑을 제공할 필요도 있다.
본 명세서에 개시 및 청구된 본 발명의 몇 가지 목적은 첨부 청구 범위 및 도면을 참고로 하여 더욱 완전히 이해할 수 있을 것이며, 여기서
도 1a 내지 1d는 선택적으로 도판트를 도포하기 위한 공정의 상이한 단계에서의 가공물(workpiece) 웨이퍼의 단면의 개략 대표도이며;
도 2는 기본적인 일련 및 대안 단계를 도시하는, 가공물 웨이퍼에 선택적으로 도판트를 도포하기 위한 몇 가지 통상적인 공정 단계의 플로 차트 형태의 개략 대표도이고;
도 3은 모세관이 재료 함유 액체를 홈 중 하나에 분배하는, 광 포획(light trapping) 목적을 위한 피트의 필드(field) 및 2개의 홈을 갖는 반도체 웨이퍼를 개략 도시하며;
도 4a 내지 4e는 특정 비홈 위치에 있는 확산 지연 재료 및 일반적으로 모든 곳에 분배된 도판트를 이용하여 선택적으로 도판트를 도포하기 위한 공정의 상이한 단계에서의 가공물 웨이퍼의 단면의 개략 대표도이며;
도 5는 특정 비홈 위치에 있는 확산 지연 재료 및 일반적으로 모든 곳에 분배된 도판트를 이용하여 가공물 웨이퍼에 선택적으로 도판트를 도포하기 위한 몇 가지 통상적인 공정 단계의 플로 차트 형태의 개략 대표도로서, 기본 방법, 및 또한 POCl3 보조물을 이용한 하나 및 증착된 도판트 보조물을 이용한 다른 하나의 몇 가지 임의적 변형예를 도시하고;
도 6a 내지 6f는 홈에 선택적으로 도판트를 도포한 후 일반적으로 모든 곳에 확산 지연 재료를 도포하기 위한 공정의 상이한 단계에서의 가공물 웨이퍼의 단면의 개략 대표도이고;
도 7은 가공물 웨이퍼에 도판트를 선택적으로 도포하고, 홈에 도판트를 도포한 후 일반적으로 모든 곳에 확산 지연 재료를 도포하기 위한 몇 가지 통상적인 공정 단계의 플로 차트 형태의 개략 대표도로서, 기본 방법, 및 또한 POCl3 보조물을 이용한 하나 및 증착된 도판트 보조물을 이용한 다른 하나의 몇 가지 임의적 변형예를 도시하고;
도 8a, 8b, 8c 및 8d는 각각의 금속화 핑거에 3개 이상의 홈을 사용하는 본 발명의 혁신의 구체예를 개략 도시하며;
도 9a, 9b, 9c 및 9d는 도판트 분배 방법을 이용하여 깊은 에미터 격자선(deep emitter gridline)을 도포하기 위한 공정의 상이한 단계에서의 가공물 웨이퍼의 도 3b-II(하기)의 선 A-A에 따른 단면의 개략 대표도이며;
도 9b-II는 도 9b에 도시된 단계에서 도판트 분배 방법을 이용하여 깊은 에미터 격자선이 도포될 가공물 웨이퍼의 평면도의 개략 대표도이며;
도 9d-II는 도 9d에 도시된 대로 한 후, 확산 후, 그리고 전방 금속화물을 도포한 후, 도판트 분배 방법을 이용하여 깊은 에미터 라인이 도포된 도 9b-II에 도시된 가공물 웨이퍼의 평면도의 개략 대표도이고;
도 10은 홈에 도판트를 분배한 후 홈에 도판트를 확산시켜 깊은 에미터 격자선을 형성하기 위한 기본 방법의 몇 가지 통상적인 공정 단계의 플로 차트 형태의 개략 대표도이며, 또한 두 가지 대안을 도시하며, 하나는 POCl3 보조물을 사용하고, 다른 하나는 연무 또는 분무 보조물을 사용하여 모든 곳에 가볍게 도핑하기 위한 한정된 유용성의 도판트 공급원을 제공한 것이며;
도 11a 내지 11d는 확산 지연 재료 방법을 이용하여 깊은 에미터 격자선을 적용하기 위한 공정의 상이한 단계에서의 평행 광 포획 홈을 갖는 가공물 웨이퍼의 도 11b-II(하기)의 선 A-A에 따른 단면의 개략 대표도이고;
도 11b-II는 도 11b에 도시된 단계에서 확산 지연 재료 방법을 이용하여 깊은 에미터 격자선이 적용될 가공물 웨이퍼의 평면도의 개략 대표도이며;
도 11d-II는 도 11d에 도시된 단계 후, 확산 후, 그리고 전방 금속화물을 도포한 후, 확산 지연 재료 방법을 이용하여 깊은 에미터 격자선이 적용된 도 11b-II에 도시된 가공물 웨이퍼의 평면도의 개략 대표도이고;
도 12는 확산 지연 재료를 사용하여 깊은 에미터 격자선을 적용하는 기본 방법의 몇 가지 통상적인 공정 단계의 플로 차트 형태의 개략 대표도로서, 두 가지 대안적인 방법을 도시하며, 하나는 POCl3 보조물을 사용하고, 다른 하나는 증착된 도판트 보조물을 사용한 것이며;
도 13은 확산 지연 재료를 사용하여 선택적 에미터 영역 및 깊은 에미터 격자선을 형성하는 기본 방법의 몇 가지 통상적인 공정 단계의 플로 차트의 개략 대표도이고;
도 14는 모세관이 재료 함유 액체를 깊은 에미터 홈 중 하나에 분배하는, 광 포획 목적을 위한 피트의 필드 및 금속화 핑거에 대한 3개의 홈 및 그에 대해 수직인 깊은 에미터 격자선에 대한 2개의 보조 홈을 갖는 반도체 웨이퍼를 개략 도시하며;
도 15는 p+ 후면 전계(back surface field) 라인의 형성 후 웨이퍼의 이면의 평면도를 개략적으로 도시하며;
도 16은 금속 핑거 및 금속 버스바(busbar)가 인쇄 및/또는 증착된 후의, 도 15에 도시된 웨이퍼의 이면을 개략적으로 도시한다.
부분적인 개요
청구 범위에 앞서, 더욱 상세한 개요를 하기에 제공한다. 본 명세서에 개시된 혁신은 기판을 도핑하는 재료 또는 기판 도핑을 지연시키는 재료의 증착 및 도포의 유도에 구조물을 이용하여 도핑 목적을 위한 SAC 구조물을 활용하는 방법에 관한 것이다. 본 명세서에 개시된 일부 혁신은 전류 전도 핑거에 대한 금속화물이 될 영역에 이러한 도핑을 제공하는 것에 관한 것이다. 목적을 위해 제공된 홈에 도판트를 직접 처리할 수 있다. 그 다음, 동일한 홈에 금속화물을 제공하여 더 깊게 도핑되는 영역과 자동 정렬시킨다. 또는, 비홈 위치에 확산 지연 재료를 제공할 수 있으며, 웨이퍼의 전체 표면 위에 덜 정확하게 도판트를 제공하여 완전한 도판트 용량을 얻는 확산 지연제가 없는 영역만을 만들 수 있다. SAC 구조물은 또한 광 에너지의 반사를 방지 또는 최소화하기 위해, 전지의 흡광 영역에 대한 텍스쳐화된 표면(예컨대 피팅되거나 홈이 파인 표면)도 드러낸다. 광 포획 영역은 또한 홈 내 도판트로 처리하여 홈 내에 (전도체 핑거와 유사한) 깊은 에미터 격자선을 형성시킬 수 있다. 대안적으로, 확산 지연 재료를 홈 또는 피트에 처리하여 노출된 홈 또는 피트 사이에 리지(ridge)의 상부 팁(tip)을 남기고, 이에 따라 추후 단계에서 더 깊고 더 유의적인 도핑 처리를 할 수 있다. 또는, 대안적으로, 추가의 홈 또는 다른 연속 통로를 피트와 같은 다른 텍스쳐의 필드를 통해 제공할 수 있으며, 추가의 홈에 도판트를 제공하여 추후에 피트와 같은 광 포획 텍스쳐의 필드를 통해 깊은 에미터 격자선이 되게 할 수 있다.
상세한 설명
본 명세서에 개시된 혁신은 1) 양호한 접촉 저항 및 양호한 청색 반응을 위한 금속화 영역 하에서 더 깊은 확산을 갖는 선택적 에미터; 및 2) 깊은 에미터 격자선을 형성하는 방법을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 무겁게 확산된 패턴에 대한 금속층의 정렬 뿐 아니라 2 이상의 고온 단계를 필요로 하는, 선택적 에미터를 제공하는 공지된 기술과는 대조적으로, 일반적인 SAC 구조물의 정밀함은 과잉의 처리 및 복잡성이 최소화된 선택적 에미터의 실행을 제공한다. 등록시 동일한 패턴의 2가지 상이한 경우를 유지할 필요가 없으며, 단 하나의 고온 단계를 필요로 한다. 공정은 자기 정렬성이다.
유사하게, 예컨대 (소위 반도체 핑거와 동일한 방식으로 배향된) 종래의 금속 핑거에 대해 수직인 깊은 에미터 격자선을 제공하기 위한 다른 공정 계획을 이용하는 것보다 SAC 구조물을 이용하는 것이 더욱 비용 효율적일 수 있다.
임의의 패턴화 확산층을 갖지 않는, SAC 공정에 대한 통상적인 기본 처리 순서는, 레지스트를 증착시키고 가능한 경우 패턴화시키는 단계; 홈/특징부를 에칭하는 단계; 도판트(예컨대 P)를 확산시켜 에미터를 형성시키는 단계(예컨대 POCl3 관형노에서, 또는 액체 도판트 분배 후 벨트로에서); 후면 에미터를 제거하고 전방 P 유리를 에칭하는 단계; 전방에 SiN을 증착시키는 단계; 이면에 유전체층을 증착시켜 이면 금속 접촉부를 형성시키고, 이를 소성시키고, 전방 금속화 홈에 에칭액을 분배하여 SiN을 제거하는 단계; 이들 홈에 촉매 용액을 분배하는 단계; 홈에 Ni 용액을 분배하는 단계; 소결하는 단계; 및 홈에 금속을 전기 도금하는 단계(가능한 경우 광 유도)를 수반할 수 있다. 전기 도금보다는 다른 기술을 이용하여, 액상 유리 화학 물질과 함께, 은 및 유리 프릿 또는 은 유기 금속과 같은 금속 분말의 페이스트 또는 잉크와 같은 금속을 홈에 제공할 수 있다. 이러한 페이스트 또는 잉크를 사용할 경우, 소성된 금속층의 상부에 추가의 금속을 도금하여 금속의 벌크가 층착되도록 얇은 씨드층(seed layer)만을 형성시키는 데에 이러한 기술에 의해 증착된 금속을 이용할 수 있다. 본 명세서에 개시된 확산층의 패턴화와 관련된 혁신은 홈에 금속화물을 제공하기 위한 임의의 특정한 방법에 구속되지 않으며, 임의의 양립 가능한 금속화 기술과 함께 이용할 수 있다.
선택적 에미터
바로 아래에 기재된 공정을 공정의 상이한 단계에서의 가공물을 도시하는 도 1a, 1b, 1c 및 1d, 및 통상적인 공정 단계를 도시하는 도 2를 참고로 하여 개략적으로 예시한다. 후속의 금속화를 위한 홈(104)을 웨이퍼에 제공한다(101). P와 같은 도판트를 함유하는 액체(102)를 금속화를 목적으로 홈(104)에 분배한다(252). 후속의 하나의 고온 열 단계는 이들 홈 영역(104)에 가장 무겁게 P 도판트(102)를 확산(254)시켜 선택적 에미터가 될 더 깊은 확산 영역(105)을 제공할 수 있다. 도판트 P 액체는 인산, 졸 겔 용액(예컨대 Filmtronics P508) 또는 P2O5와 같은 P-O 화합물 함유 용액일 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 그 다음 공지된 기술을 이용하여, 예컨대 플루오르화수소산을 이용하여 인 유리를 에칭하여 떨어뜨린다(256). 도 1d는 더 깊이 확산된 영역(105)으로 등록된, 홈(104)에 제공(257)된 금속화물(107)을 도시한다. 통상적으로는, 다른 처리 단계를 금속화 단계(257) 전에 수행할 수 있지만, 본 명세서에 개시된 혁신을 설명하기 위해 이를 논의할 필요는 없다.
상기 언급한 바와 같이, 모세관 분배 기술을 이용하여 액체 함유 도판트를 홈에 분배할 수 있다. 도 3은 태양 전지의 일부가 될 실리콘 웨이퍼와 같은 가공물(340)의 확대된 부분을 개략 도시한다. 표면(342)이 여기에 도시된 바의 중첩 반구형 피트 또는 홈과 같은 광 포획(본 명세서에서는 반사 감소라고도 지칭함) 토포그래피로 텍스쳐화된다. 모세관(306) 분배의 기계적 안내는 2 이상의 기전에 의해 달성되는데, 둘 다 홈(356)과의 상호 작용을 수반한다. 이 구체예는 일반적인 원리의 예시에 이용될 것이다. 하나의 안내 기전에 따르면, 분배 모세관(360)은 자기 및 디지털 미디어의 출현 전에 널리 사용되었던 오디오 레코드의 축음기 바늘과 상당히 유사하게, 홈에 기계적으로 자국을 남긴다. 일부 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 분배 모세관(360)은 트래킹에 제공된 홈의 측벽(359) 및 홈(356)의 바닥에 직접 걸려 있을 정도로 충분히 작다.
도시되지는 않았지만, 다른 경우, 분배 모세관(360)은 처리된 홈의 치수보다 커서, 홈의 상부 가장자리에 얹혀 있어 계속 기계적 정렬을 달성한다. 제2 안내 기전에 따르면, 분배 모세관(360)은 분배된 액체(364) 자체의 모세관 작용에 의해 홈에 더 유지된다. 홈에 대해 스프링 하중을 받은 분배 모세관을 가짐으로 인해 홈 내 분배 모세관의 기계적 트래킹을 돕는다. 스프링 하중은 분배 모세관(360) 자체의 탄성을 이용하여 달성할 수 있다. 모세관 분배 기술은 상기 언급한 미국 가출원 USSN 61/204,382에 더욱 상세히 기재되어 있다.
도판트액은 미세 금속화 핑거를 목적으로 홈에 직접 분배할 수 있거나, 또는 액체를 더 넓은 버스바 영역에 분배한 후 핑거 홈(104)으로의 모세관력에 의해 확산시킬 수 있다. 후속의 고온 처리(254)에서, 충전된 홈(104)에서 유래하는 P 또는 P 화합물과 같은 도판트 증기가 웨이퍼의 표면을 횡단 이동하여 주위 영역(106)을 가볍게 도핑하여 선택적 에미터를 형성할 수 있다. 유사한 모세관 분배 방법에 의해 또는 임의의 다른 적절한 방법에 의해 금속화 액체를 동일한 홈(104)에 제공할 수 있다.
따라서, 선택적 에미터가 요구되는 영역, 즉 금속화될 바로 그 위치(104)에 특별한 마스크 또는 등록 공정이 필요 없이, 요구되는 도핑이 자동적으로 제공된다. 추가의 도핑 활동은 자기 정렬 방식으로 금속화가 이루어질 홈에서 일어난다. 또한, 자기 정렬 방식으로 금속화가 이루어지는 것이 요망되는 영역에도 자동적으로 금속화가 제공된다. 또한, 결과적으로, 금속화물(107) 및 선택적 에미터(105) 영역이 자기 정렬 방식으로 서로 자동적으로 정렬된다. 이는 실질적으로 원하는 위치(104)에서의 선택적 에미터(105); 원하는 위치(104)에서의 금속화물(107) 및 금속화물(107)을 갖는 선택적 에미터(105)의 3 배 자기 정렬이다.
또한, 예컨대 관형노 또는 다른 적당한 노와 같은 노에서 POCl3에 의해, 또는 전체 전지 표면에의 도판트 함유 액체의 분무 또는 코팅에 의해, 또는 대기압 화학 기상 증착 스퍼터링, 증발 및 플라즈마 강화 화학 기상 증착과 같은 비진공 또는 건식 진공 공정을 통한 도판트-유리층의 증착에 의해 P 활성과 같은 추가의 도판트를 비홈 영역(106)에 확산시킬 수도 있다. 이들 도판트층 또는 도판트 유리층은 적절한 두께일 수 있고, 웨이퍼에 확산시키기 위한 도판트의 무한 공급원을 나타내는 적절한 도판트 농도를 가질 수 있다. 대안적으로, 층 두께를 한정하고 및/또는 층 내 도판트의 농도를 한정하여, 이들 증착 방법으로 무한 도판트 유용성을 갖는 층이 할 수 있는 것보다 도판트를 더욱 느리게 웨이퍼에 확산시킬 수 있는 한정된 유용성의 도판트를 갖는 층을 형성시킬 수 있다.
이러한 도판트 도포를 이용한 모든 단계는 통상적으로 웨이퍼의 확산 프로필을 변경시키는 고온 단계 전에 유사하게 수행한다. 임의의 도판트가 존재하더라도, 웨이퍼가 도판트 확산 프로필을 변경시키기에 충분히 높을 수 있는 온도로 가열된 후 도판트 가스 보조물(예컨대 여기서는 POCl3)이 도포되는 점에서, 이 보조물은 약간 상이하다. 그 다음 POCl3으로부터 이용 가능해진 도판트가 웨이퍼로 확산되고, POCl3에 의해 제공된 도판트가 유용성이 크다 하더라도, 도판트 도입 전에 자유도가 높은 도판트가 POCl3을 홈 영역으로 무겁게 확산시킨다는 것은, 도판트가 POCl3 노출 및 후속 유도 단계 동안 짧은 시간 및/또는 POCl3 노출에 대한 더 낮은 온도를 선택하여 비홈 영역에서 여전히 가볍게 도핑할 수 있음을 의미한다. 일반적으로, 홈에 분배된 도판트에 의해 또는 길고 및/또는 높은 흐름의 POCl3 노출에 의해 형성된 유리에 의해 제공된 도판트의 비교적 비한정된 유용성과는 달리, 두께가 얇거나 농도가 낮은 도판트 공급원은 도핑을 위한 도판트의 비교적 한정된 유용성을 구성한다. 본 명세서 및 하기 청구 범위에서 사용된 바의 한정된 유용성의 도판트 공급원은 얇은 두께 또는 낮은 농도, 또는 다른 유사하게 한정된 유용성의 도판트 공급원을 의미하는 데에 사용될 것이다. 홈 및 비홈 영역 내 상대 확산 깊이를 제어할 수 있는 변수는 도판트 공급원 유형(들), 분배된 도판트 농도 및 부피, 시간-온도 프로필, 확산 동안의 압력 및 흐름 및 분위기, 및 추가의 도판트 활성이 유도된 지점에서의 열 프로필 이력 지점을 포함한다.
따라서, 상이한 카테고리로 분류될 수 있는 태양 전지 용도에 한정된 유용성의 도판트를 제공하는 상이한 방식이 존재한다. 하나의 카테고리는 고온으로 웨이퍼를 가열하기 전에 웨이퍼에 액체 공급원으로서 도포되는 것들을 포함한다. 이의 예로는 인산 및 물 혼합물; 붕산 및 물 혼합물; 인쇄를 위해 점도를 증가시키기 위한 비수성액과 혼합된 인산; 인쇄를 위해 점도를 증가시키기 위한 비수성액과 혼합된 붕산; Filmtronics가 판매하는 P 및 Si 또는 B 및 Si 또는 Ga 및 Si 또는 As 및 Si 또는 Al 및 Si를 포함하는 졸겔 시스템이 있다. 고온 노에서 나중에, 이들은 Si 웨이퍼 및 산소와 반응하여 도판트가 웨이퍼에 확산되는 유리층을 형성한다. 제2 카테고리는 고온으로 웨이퍼를 가열하기 전에 도판트 유리층을 형성하기 위해 도포되는 것들을 포함한다. 이의 예로는 대기압 화학 기상 증착, 진공 화학 기상 증착, 플라즈마 강화 화학 기상 증착 또는 스퍼터링에 의한, P 또는 B 또는 Ga 또는 As 또는 Al을 함유하는 도판트 유리층의 증착이 있다. 고온 노에서 나중에, 도판트가 유리로부터 웨이퍼에 확산된다. 제3 카테고리는 고온에서 진공로 내에 도포되는 것들을 포함한다. 이의 예는 POCl3 또는 BBr3의 액체 공급원을 통한 N2 가스의 버블링, 반도체 산업에서 흔한, 도판트를 함유하는 인접 세라믹 목표물로부터의 도판트의 증기 수송, 태양 전지 웨이퍼에 인접하여 위치한 다른 평면 기판 또는 희생 웨이퍼에 도포된, 제1 카테고리에 기재된 재료로부터 유래한 도판트층의 증기 수송이 있다. 도판트는 Si 웨이퍼 및 산소와 반응하여 도판트가 웨이퍼에 확산되는 유리층을 형성한다.
도 2에 플로 차트 형태로 개략 도시되고 단계 주위에 파선 경계에 의해 대안으로 나타낸 POCl3 보조 방법(255)을 이용하여, 도판트가 도판트를 포함하는 홈으로 확산되는 동안 POCl3 흐름 없이 고온 처리 단계를 우선 관에서 수행한 후, POCl3의 흐름이 시작된 후 확산(255)이 모든 곳에서 일어난다.
도 2에 개략 도시되고 단계 주위에 파선 경계에 의해 대안으로 나타낸 연무 또는 분무 확산 보조 기술(253)을 이용하여, 홈 내 고농도 도판트 P 액체의 분배(및 임의로 건조) 후에, 예컨대 연무 또는 분무 또는 인쇄(253) 또는 다른 언급된 전달 기술 중 하나에 의해 한정된 유용성의 도판트액을 모든 곳에 제공한다. 노 내 고온 처리는 도판트 확산 프로필에 변화를 가져온다. 연무, 분무, 인쇄 또는 가스, 예컨대 BBr3 증기로부터의 붕소, 붕산 용액으로부터의 붕소 또는 Filmtronics가 판매하는 것들과 같은 졸겔 공급원으로부터의 붕소 또는 알루미늄 또는 비소 또는 갈륨에 의해 P 이외의 도판트를 제공할 수 있다.
이들 변수 모두는 확산 프로필이 변경되는 동안 하나의 고온 단계만을 수반할 수 있다. 제2 고온 단계는 필요하지 않으며, 확산 프로필에 유의적인 변화가 있는 동안 하나의 가열 단계만이 필요하다. 그러나, 2 이상의 확산 프로필 변경 단계를 이용하는 것이 확실히 가능하다.
공정의 상이한 단계에서의 가공물을 도시하는 도 4a 내지 4e, 및 통상적인 공정 단계를 도시하는 도 5를 참고로 하여 하기 공정을 예시한다. 제1로 기재한 공정과 같이, 후속의 금속화를 위한 홈(404)을 웨이퍼(401)에 제공한다(550). 최소의 확산이 요구되는 영역(406)에 확산 지연 재료(407)를 분배한다(552). 확산 지연 재료의 도포 동기는 비금속화 영역(406)에서의 도핑 수준의 더 양호한 제어능을 포함한다. 예컨대, 비보호된 비금속화 영역(406)이 금속화 홈에 증착된 도판트의 측면 증기 수송으로부터 의도하지 않게 도핑될 수 있다. 아마도 원하는 것 이상으로 도핑되는 것에 의한 또는 웨이퍼 표면을 횡단하여 비균일해지는 것에 의한 이러한 도핑은 이상적이지 않을 수 있다. 확산 지연 재료(407)는 이러한 증기 도핑의 원하지 않는 효과를 감소시킬 수 있고 및/또는 도판트의 다른 공급원이 확산 지연층 하부에 더 양호하게 제어된 도핑을 제공하게 할 수 있다. 확산 지연 재료의 예는 Filmtronics 및 Honeywell이 판매하는 것들과 같은 졸겔 실리카 시스템; 및 Ferro 99-001 또는 Merck SiO2 SolarResist 잉크와 같은 상업적으로 구입 가능한 확산 장벽 페이스트의 점도 개질 버전을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
도 4b를 참고로 하여 도시된 바와 같이, 확산 지연 재료 액체(411)는 웨이퍼의 텍스쳐, 즉 금속화물(도 4e 407)이 이동할 홈(404)의 가장자리(409)에 의해 이동하기를 원하는 위치에 자동적으로 자기 정렬한다. 상기 언급한 SAC 특허 출원에 설명된 바와 같이, 표면 및 액체의 표면 에너지가 적당히 선택된 경우, 액체는 모세관력에 의해 코너 또는 가장자리(409)와 같은 흐름에 대한 장벽에서 표면을 따르는 흐름을 정지시킬 수 있다. 따라서, 확산 지연 재료 액체(411)는 일반적으로 그러나 2개의 홈(404) 사이의 경간의 중심과 같은 정확하지 않은 위치에 증착될 수 있으며, 이는 각각의 홈을 향해 바깥쪽으로 흘러 원하지 않는 홈으로 흐르기 보다는 홈 가장자리(409)에서 중지할 수 있다. 따라서, 전체 웨이퍼는 도판트 공급원의 영향을 받을 수 있으며, 홈(404)의 영역은 마스크와 같은 임의의 특별한 패턴화 기술 또는 장치, 또는 액체 도판트의 정확한 분배가 필요 없이, 원하는 대로 원하는 위치에서, 즉 홈(404)에서 자동적으로 고도로 도핑될 수 있다(405). 유사하게, 금속화 액체를 홈(404)에 제공하여 금속화층(407)을 홈(404) 내 원하는 위치에 정확히, 그리고 더 깊은 도핑의 선택적 에미터 영역(405)과 정확하게 정렬시켜 형성시킬 수 있다. 금속화물(407)은 상기 논의된 바의 모세관 분배 방법에 의한 것과 같은 임의의 적당한 방법으로 제공할 수 있다.
확산 지연 재료(411)와 함께 확산 지연제를 사용하지 않는 상기 논의된 방법과 같이, 확산 보조물을 사용하는 변형예가 있다. 도 5에 도시된 하나의 대안에 따르면, 예컨대 날림(misting), 분무, 인쇄 또는 상기 논의된 바의 다른 기술에 의해 한정된 유용성의 도판트를 제공한다(553). 그 다음, 가공물은 도판트 확산 프로필이 변경되는 노에서 고온 단계(554)를 거치고, 확산 지연 재료(411)에 의해 보호되지 않는 홈(404)과 같은 영역으로 도판트가 확산된다. 도판트 인을 함유하는 유리가 형성되고, 이 유리가 이어서 확산 지연 재료와 함께 에칭되어 떨어진다(556). 더 깊은 도핑의 영역이 위치하는 홈에 금속화물이 제공된다(558).
대안적인 방법은 날림, 분무 등 대신에 POCl3 보조물(555)을 사용한다. 고온 단계(554)가 대기 내 임의의 도판트의 부재 하에 처음으로 시작된다. 고온 단계 동안, 그 다음 POCl3 보조물이 단일 고온 단계의 나중 단계에서 제공된다(555).
대안적으로, 도 6a 내지 6f 및 도 7에 도시된 바와 같이, P 액체와 같은 도판트(602)를 우선 금속화 홈(604)에 분배하는(751) 경우, 도 4b의 411에서와 같이 확산 지연 재료를 패턴화할 필요가 없을 수도 있다. 대신에, 도 6f에 도시된 바와 같이, 확산 지연 재료(611)가 전체 표면 위에 제공될 수 있다(752). 확산 지연 재료(611) 아래의 홈(604)에 도판트(602)가 존재함으로써 여전히 홈에서 확산이 일어나게 할 수 있을 것이다. 확산 지연 재료(611) 또는 POCl3 보조물(755)의 상부에의 액체 도판트 도포(753)는 홈 사이에 도판트를 가볍게 확산시키는 모든 곳에 도판트 유리(608)를 형성할 수 있다. 도 6b에 도시된 바와 같은 부피가 감소된 도판트액(603)에 의해 나타낸 도판트액을 건조시킨 후, 고온 환경에 웨이퍼를 배치할 수 있거나, 또는 건조 단계를 생략할 수 있다. 표면 장력이 액체를 그 자리에 유지시킬 수 있으며, 액체가 고온 환경에 진입하면서 건조되어 날아갈 것으로 여겨진다.
확산 지연 재료와 관련된 이들 구체예 모두에서, 그 다음 인 유리가 에칭되어 떨어지면서(756) 도 6f에 도시된 바와 같은 상태를 남긴다.
도 8a 내지 8d를 참고로 하여 개략 도시된 바와 같이, 각각의 핑거에 단일 금속화 홈(604)을 사용하는 대신, 각각의 핑거에 3개 이상의 홈(804, 804', 804")을 제공하여 3개 이상의 홈 모두에 단일 홈에 관해 상기 및 하기 기재된 것과 유사한 방식으로 도포된 액체 도판트(802, 802', 802")를 각각 제공하여, 도 8c에 도시된 바와 같이 무거운 확산층(806, 806', 806")을 얻는 것이 유리하다. 금속(816)을 중앙 홈(804)에만 증착시키고자 한다. 각각의 핑거(816) 주위에 더 넓고 무겁게 확산된 영역(806, 806', 806")을 갖는 것의 이점은, 금속(816)이 의도하지 않게 옆의 홈(804' 또는 804") 또는 어느 한 쪽의 일부와 같은 의도한 홈 외부에 증착되는 경우, 중앙 홈(804) 바깥쪽의 깊은 에미터(806', 806")가 금속을 얕은 에미터가 될 수 있는 단락으로부터 방지하도록, 공정 창을 넓힌다는 것이다. 에미터의 저항 손실도 이 접근법에 의해 감소시킬 수 있지만, 더 넓고 무겁게 확산된 영역에서의 약한 청색 반응으로 인해 더 많은 전력 손실을 지출해야 한다.
일반적으로, (하기 논의되는 바와 같이 광 포획 홈에도 분배하는 정도를 제외하고는) 도판트액을 통상적으로는 금속화 홈에 그리고 금속화 홈에만 분배함을 주지하는 것도 중요하다. 즉, 본 명세서에 개시된 방법은 모든 곳에 도판트액을 무차별적으로 분배할 수 있는 임의의 공정과는 구별된다. 따라서, 액체를 개별 금속화 홈에, 또는 도 8a와 관련하여 상기에 방금 기재된 바와 같은 분류된 금속화 홈에, 그리고 광 포획 홈에 분배하며, 다른 곳에는 분배하지 않는다.
금속화를 위한 홈을 갖지 않는 산업 표준 태양 전지 내 금속화 영역의 미세 구조는 통상적으로 금속과 도핑된 실리콘의 계면에 용융 유리 프릿의 반연속층을 갖는 소결 금속 입자로 이루어진다. 예컨대 매립된 격자 접근법에서와 같이 금속화를 위한 홈을 갖는 공지된 기술에 따라 제작된 물품은 그 계면에 도금된 고상 금속을 가질 것이다. SAC 및 모세관 분배 기술은 금속화 잉크를 매우 좁은 홈에 증착시킬 수 있는 능력을 제공한다. 마스도킹된 금을 수반하는 공지된 기술을 전도금 전지의 제조에 이용하였고, 이로서 마스킹되지 않는 좁은 홈 영역 위에 도금된 금속이 증착 가능하였다. SiN 막으로 덮이지 않은 영역에서만 조(bath)로부터의 Ni의 선택적인 증착을 통해 이것이 일어난다. 이러한 선택성은 금속 입자 및/또는 유리 프릿 및/또는 액체 분무 화학 물질과 혼합된 유기 금속으로 구성된 금속화 잉크로부터의 증착에 대해서는 존재하지 않는다. 예컨대, 폭이 약 50 미크론보다 작은 홈을 갖는 웨이퍼를 제공하고자 할 경우, 스크린 인쇄, 패드 인쇄, 잉크젯 인쇄, 직접 기록 노즐 분배 등과 같은 공지된 잉크 증착 기술의 달성 가능한 정렬 및 최소 라인 폭은, 바람직하지 않은 방식으로 홈 영역 외부에도 잉크를 증착시키지 않으면서 홈에 잉크를 배치하기에는 충분하지 않다.
본 명세서에 기재된 방법을 이용하여, 이러한 좁은 홈에 금속화물을 제공할 수 있다. 본 명세서에 개시된 방법은 약 15 미크론 또는 심지어 약 10 미크론까지 홈의 가장자리를 넘는 임의의 오버플로(overflow) 영역을 유지할 수 있다. 이는 홈이 폭 약 45 미크론 미만 또는 심지어 약 30 미크론 미만인 경우에도 그러하다. 예로서, 제1 금속화 잉크를 폭 0 내지 약 8 미크론 폭의 홈을 넘는 통상적인 오버플로를 가질 수 있는 씨드층으로서 분배한다. 그 다음, 추가의 금속을 씨드 위에 도금하는데, 이것이 각각의 측면 상에서 금속화 라인의 높이 및 또한 폭을 동일한 양으로 성장시킨다. 예컨대, 통상적으로 금속은 약 7 내지 8 미크론 도금된다. 따라서, 깊이가 약 3 내지 20 미크론이고 오버플로가 3 미크론이며 7 미크론 도금되어 나오는 30 미크론 폭의 홈에서 시작하여, 총계가 30+10+10=50 미크론 폭에 이르는 10 미크론의 최종 유출물(spill) 및 도금물(plateout)을 각각의 측면에 생성시킨다. 따라서, 본 명세서에 개시된 선택적 에미터를 포함하는 SAC 전지의 제조 방법 뿐 아니라, 금속화 씨드층에 금속화 잉크를 이용하여 제조된 태양 전지 생성물도 본 명세서에 개시된다.
관찰자에게, 전도금(all-plated) 전지의 외형은 전도금 매립 격자 공정 태양 전지와 동일한 두께로 도금된 금속화 잉크 씨드층을 갖는, 본 명세서에 개시된 혁신에 따라 제조된 이러한 전지와 유사할 수 있다. 그러나, 본 명세서에 기재된 혁신에 따라 제조된 전지의 금속과 실리콘 사이의 계면을 현미경 분석 및/또는 조성 분석해 보면, SAC 전지의 이러한 변형예에서 유리의 반연속층을 찾을 수 있으며, 전도금 전지에선 찾을 수 없을 것이다.
깊은 에미터 격자선
상기 선택적 에미터에 관한 논의는 금속화를 목적으로 하는 홈[104(도 1a), 404(도 4a)]에 관한 것이다. 관련 공정은 상기에 언급된 SAC 기술 특허 출원에 기재된 바와 같이 광 포획 또는 흡수를 촉진하는 다른 유형의 홈을 비롯한 다른 표면 텍스쳐를 다룬다.
도 9a 내지 9d는 도 9b-II의 선 A-A에 따른 공정의 상이한 단계에서의 가공물의 단면을 도시한다. 도 9b-II는 도 9b에 도시된 단계에서의 가공물의 상면도를 도시한다. 도 9d-II는 역시 확산 단계 후인 도 9d에 도시된 것 이후의 단계에서의 가공물의 상면도를 도시한다. 도 9d-II에 도시된 단계는 전방 금속화물이 도포된 후의 것이다. 도 10은 대안으로서 도시된 몇 가지 변형예과 함께 통상적인 공정 단계를 도시한다.
전지의 흡광 표면(900)의 일부 또는 전부 위에 홈(912)을 제공할 수 있으며(1050), 이는 광 포획(반사 감소) 개선을 위한 텍스쳐화에 사용될 수 있다. 홈(912)은 리지(913)를 대체한다. 반사 감소 홈의 제공과 동시에 또는 다른 시점에, 금속화 홈도 제공한다. 액체 도판트(914)를 이들 광 포획 홈(912)의 일부에 분배하여(1052) 깊은 에미터 격자선을 형성할 수 있다. 도판트도 금속화 홈에 분배할 수 있다.
고온 단계는 도판트가 분배되는 이러한 더 작은 홈을 따라 깊은 확산(1054)을 일으켜, 금속 핑거가 나중에 형성될 홈을 향하는 깊은 에미터 격자선을 형성시킨다. 도 9d-II에 도시된 바와 같이, 금속화 핑거(916)가 금속화 홈(904)에 제공된다.
금속화물(916)이 연결된 깊은 에미터 격자선(918)을 형성하기 위한 단계의 순서에 대한 몇 가지 변형예가 존재한다. 이는 상기와 유사하다. 단일의 고온 확산 프로필 변경 단계가 있을 수도 있으며, 다른 도핑 단계가 없을 수도 있다. (추가의 고온 도핑 단계가 있을 수도 있지만, 이는 예시하지 않았다.) 두 번째는 POCl3 보조물을 사용한다. 세 번째는 증착된 도판트 보조물을 사용한다.
도 10에 플로 차트 형태로 도시된 단일 단계 방법은 웨이퍼에 금속화 홈 뿐 아니라 반사를 감소시키기 위한 홈도 제공(1050)하는 것을 수반한다. 이 방법은 P 액체와 같은 도판트를 금속화 홈(904), 및 깊은 에미터 격자선(918)에 사용될 수 있는 광 포획 홈(912)의 일부에 분배(1052)하는 것을 수반한다. 고온 확산 프로필 변경 공정(1054)이 (증기로 가볍게 도핑된 비금속화 홈 영역을 갖는) 노에서 이루어져서 전체 표면이 적어도 최소량의 도판트(919)에 노출된다.
도 10에 도시된 바와 같이, POCl3 보조 방법은 동일한 단계 후, 깊은 에미터 격자선 사이의 가볍게 도핑된 영역에 POCl3을 확산(1055)시키는 대안적인 단계(파선 외곽선에 의해 대안으로서 나타냄)를 수반한다. 도 10에도 도시된 바와 같이, 파선 외곽선으로 도시된 다른 대안적인 증착된 도판트 방법은 노에서 한정된 유용성의 도판트액을 모든 곳에 증착(1053)시킨 후, 단일 고온 처리 단계(1054)를 수반한다. 금속화물이 금속화 홈에 제공된다(1056).
도 12에 플로 차트 형태로 도시된 다른 공정은 상기와 같이 제공(1250)된 홈과 같은 오목한 광 포획 요면에 (도판트가 아닌) 확산 지연 재료를 사용한다. 이들 공정을 도 11b-II의 선 A-A를 따른 단면으로 공정의 상이한 단계에서의 가공물을 도시하는 도 11a 내지 11d에 예시한다. 도 11b-II는 도 11b에 도시된 단계에서의 평면도의 가공물을 도시한다. 도 11d-II는 확산 후 도 11d에 도시된 단계 후의 가공물을 도시한다. 도 11d-II는 전방 금속화물이 도포된 후의 가공물을 도시한다. 도 12는 통상적인 공정 단계를 도시한다.
금속화물 및 광 포획 홈이 제공된다(1250). 확산 지연 재료(1107)를 홈(1112)과 같은 광 포획 텍스쳐 요면에 도포(1252)할 수 있으며, 이어서 웨이퍼를 가공하여 홈(1112)의 하부 오목 영역을 확산 지연 재료(1107)로 충전하면서, 리지(1113)를 노출시킨다. 확산 지연 재료를 건조시킨다(이 단계는 도시되지 않음). 그 다음, 하기 논의되는 바와 같이 후속의 고온 확산 프로필 변경 단계(1254) 동안 더 깊은 확산[층(1119)으로 개략적으로 나타냄]을 받는 노출된 리지(1113)를 비롯하여 도판트를 모든 곳에 제공한다(1253). 골(trough) 영역은 깊은 확산을 받지 못하는데, 이는 확산 지연 재료가 이를 방해하기 때문이다. Si 태양 전지에 대한 임의의 P 확산 단계에서 통상적인 바와 같이, 포스포실리케이트(phosphosilicate) 유리(P 유리)층이 Si의 표면에 형성되고, 이것을 일반적으로 플루오르수소산 함유 용액에서 제거(1256)하여 도 11d 및 11d-II에 도시된 상태를 제공한다. 본 명세서에 기재된 확산 지연 재료의 경우, P 유리가 에칭될 필요가 있을 뿐 아니라, 확산 지연 재료도 다음 처리 단계 전에 제거할 필요가 있다.
고온 처리(1254) 후에, 더 무거운 도핑을 갖는 더 높은 리지 영역(1113)이 나중에 금속화(1258)될 영역(1104)을 향하는 깊은 에미터 격자선(1118)을 구성한다(도 11d-II). 금속화물(1116)이 나중 단계에서 금속화 홈(1104)에 도포된다(1258)(도 11d-II).
상기 논의된 혁신과 같이, 이 구체예는 몇 가지 변형예로 실시될 수 있는데, 이들은 모두 도 12에 플로 차트 형태로 도시되어 있으며, 이들 중 몇몇 단계를 대안으로서 나타냈다. 하나의 대안은 도판트의 증착을 이용한다. 다른 것은 POCl3 확산 보조물을 이용한다.
확산 지연 재료를 도포(1252)하고 건조시킨 후, 전강(full strength) 도판트를 예컨대 날림, 분무 또는 인쇄에 의해 모든 곳에 제공(1253)할 수 있다. 고온 후, 도판트 확산 프로필 변경 단계(1254)는 깊은 에미터 도핑을 확립시킨다.
POCl3 보조물 방법은 유사하다. 확산 지연 재료를 건조시킨 후, 고온 처리(1254)가 임의로 우선 관에서 일어나고, 그 다음 POCl3이 확산된다(1255). 따라서, 리지(1113) 및 금속화 홈은 이 고온 확산 프로필 변경 단계(1254)에서 P의 깊은 확산을 받는다.
깊은 에미터 격자선 경로
바로 위에 기재한 구체예는 공정에서 다양한 액체 재료의 도입을 돕기 위해 광 포획 홈을 이용하여, 금속화 핑거(1116)에 수직으로 깊은 에미터 격자선(1119)을 위치시키는 SAC 구조물의 이점을 취한다. 언급한 바와 같이, 벌집 패턴과 같은 패턴으로 배열된 피트 또는 분화(crater)와 같은 다른 광 포획 텍스쳐도 사용한다. 이러한 광 포획 텍스쳐도 자기 정렬 방식으로 사용하여 깊은 에미터 격자선 활성을 제공할 수 있다. 2008년 12월 12일 출원된, 발명의 명칭이 "WEDGE IMPRINT PATTERNING OF IRREGULAR SURFACE"인 공동 양도된 미국 가특허 출원 일련 번호 61/201,595, 및 미국을 지정하고, 변리사 사건 번호 1366-0012PCT로, 벤자민 에프 폴리토, 할리 지 게이트 및 에마뉴엘 엠 사흐 및 1366 테크놀로지즈 인코오포레이티드 및 메사츄세츠 인스티튜트 오브 테크놀로지를 출원인으로 하여 동일자로 출원된, 발명의 명칭이 "WEDGE IMPRINT PATTERNING OF IRREGULAR SURFACE"인 공동 양도된 PCT 출원 일련 번호 PCT/US2009/(아직 할당되지 않음)(속달 우편 라벨 번호가 EM355266258US임)는 이러한 피팅되고 홈이 파인 표면의 제조 방법을 개시한다. 가출원 61/201,595 및 변리사 사건 번호 1366-0012PCT의 PCT 출원(번호가 아직 할당되지 않음)을 모두 본 명세서에서 그 전체를 참고로 인용한다.
플로 차트 형태의 도 13을 참고로 하여 개략적으로 도시되고 도 14를 참고로 하여 개략적으로 도시된 바와 같이, 효율적인 공정은 웨이퍼에 금속화를 위한 홈(1456) 및 또한 광 포획 텍스쳐인 홈 또는 도시된 바와 같은 피트(1442) 또는 다른 것 모두를 포함할 수 있는 표면 텍스쳐를 제공(1350)하는 단계를 포함할 수 있다. 일반적으로, 피트는 홈보다 더 양호한 광 포획을 제공한다. 유리한 구체예는 광 포획에 피트를 사용한다. 금속화 핑거 홈(1456)에 수직으로 도시된, 깊은 에미터 격자선 통로에 대한 피트(1442)의 필드 내에 홈(1418)이 추가로 제공된다. (하기 설명하는 바와 같이 피트 사이의 리지를 이용하여 깊은 에미터 격자선 경로를 제공할 수도 있다.) 이들 3개의 공칭 텍스쳐가 1 단계(1350)로 모두 한꺼번에, 또는 모두 동일 또는 상이한 2 이상의 단계로 제공될 수 있다. 다음으로, 확산 지연 재료를 금속화를 위한 홈(1456)이 아닌 영역에, 또는 도시된 경우에는 피트(1442)가 제공된 영역인 깊은 에미터 통로(1418)에 제공할 수 있다. 텍스쳐로 인해, 피트에 의해 덮이는 영역을 횡단하여 흐를 것이지만 금속화 핑거(1456) 및 깊은 에미터 라인(1418)에 제공된 영역인 홈의 가장자리에서는 정지할, 피트 영역 내 액체 확산 지연 재료를 제공할 수 있다. 따라서, 공정은 SAC 기술 특허에서 논의된 자기 정렬 원리의 이점을 취한다.
하나의 대안에 따르면, 그 다음 전농도(full concentration)의 도판트를 예컨대 날림, 분무 또는 인쇄에 의해 모든 곳에 제공(1353)할 수 있다. 이 단계 후에 도판트를 노출된 영역, 즉 금속화 라인(1456) 및 깊은 에미터 격자선(1418) 내 웨이퍼에 확산시키는 고온 가열 단계(1354)가 이어질 수 있다. 도판트 및 확산 지연 재료로부터 나온 유리를 에칭한다(1356). 마지막으로, 금속화 재료를 금속화 홈(1456)에 제공한다(1358). 금속화 재료는 상기 논의된 모세관 분배 출원, USSN 61/204,382에 논의된 바와 같이 분배 모세관(1460)에 의해 제공할 수 있다.
파선 경계에 의해 대안적으로 나타낸 관련된 대안적인 구체예와 같이, 가열 전에 표면에 도판트를 제공하는 대신, 고온 단계(1354) 동안 노 대기에 POCl3을 제공한다.
대안적으로, 도 14에 도시된 바와 같이 이러한 분배 모세관에 의해 도판트를 제공할 수도 있으며, 이 경우 확산 지연 재료는 필요하지 않은데, 이는 도판트가 원하는 한정되는 영역에만 제공될 수 있기 때문이다.
상기 논의는 선택적 에미터를 달성하기 위해 금속화물 아래의 영역을 깊게 확산시키는 것을 언급한다. 더욱 최근의 논의는 금속화물 아래가 아닌 영역에서의 깊은 확산에 관한 것이다. 금속화 영역 아래에서만, 또는 광 포획 특징부에서만, 또는 양쪽 영역 모두에 깊은 확산을 제공할 수 있다. 양쪽 영역 모두에 제공하는 경우, 동일 단계에서 이들 확산 모두에 도판트를 제공하는 것이 가장 효율적이다. 이는 예컨대 광 포획 영역의 일부 부분을 확산 지연 재료로 마스킹한 후, POCl3 확산 단계 동안 에미터 라인 및 금속화 홈과 같은 마스킹되지 않는 광 포획 특징부를 동일한 정도로 동시에 확산시켜 달성할 수 있다.
그 다음, 이 방법은 자기 정렬 전지 구조물에 의해 제공된 효율의 이점을 취하는데, 그 위치에서 복잡한 마스크 또는 등록 단계가 필요 없이, 도판트 및 확산 지연 재료 이동이 기하 구조에 의해 지시된다. 또한, 확산 지연 재료를 모든 목적을 위해 단일 단계로 제공할 수 있다. 또한, 단 하나의 고온 확산 프로필 변경 단계가 금속화물 아래의 패턴화 확산층의 확립 뿐 아니라 광 포획 영역과 관련된 패턴화 확산층의 확립에도 필요하다. 물론, 추가의 고온 단계를 수행할 수 있지만, 단 하나의 단계가 필요하다.
방법 단계는 도 12에 플로 차트 형태로 개략적으로 도시한, 광 포획 홈을 이용하는 구체예에 대한 것과 같은 광 포획 피트를 이용하는 구체예와 유사하다.
다양한 패턴으로 배열될 수 있는 복수의 중첩 피트가 웨이퍼에 제공된다. 벌집 패턴이 유용한 것으로 밝혀졌다. 액체 확산 지연 재료가 피트에 제공되며, 이어서 웨이퍼를 가공하여 피트의 하부 영역을 확산 지연 재료로 충전하면서, 주변 가장자리 리지가 노출되어, 후속의 고온 처리 단계 동안 골 사이의 리지가 이러한 더 깊은 확산을 받는 것과 동일한 방식으로, 더 깊은 확산을 받는다. 예컨대, 도 12와 관련하여 상기 논의된 예에서와 같이, 확산 지연 재료가 도포된 후, 예컨대 날림 또는 분무 또는 인쇄에 의해 웨이퍼에 도판트가 도포되게 할 수 있다. 그 다음, 웨이퍼를 노에 제공하여 고온 처리하여, 도판트 확산 프로필을 변경시켜 확산 지연 재료에 의해 마스킹되지 않는 전체 영역을 덮는, 깊은 에미터 격자 경로로 전환된 상부 가장자리를 남긴다. 이 경로의 형상은 확산 지연 재료에 의해 덮이는 피트의 형상 및 피트의 부피에 따라 달라질 것이다. 대안적으로, 가열 전에 도판트의 도포를 노 내에서의 POCl3에의 노출로 대체할 수 있다.
금속화 홈(904)에 대한 광 포획 홈(912)의 배열에서의 변형예(도 9)로 가 보면, 2 이상의 일반적인 변형예가 존재한다. 도 9b-II에 도시된 바와 같이, 금속화 홈에 제공된 액체도 커플링된 광 포획 홈으로 이동하도록, 일부 광 포획 홈(912)은 금속화 홈(904)에 및/또는 서로 유압 커플링될 수 있다. 대안적으로, 광 포획 홈(912)의 전부 또는 일부를 임의의 다른 홈으로부터 유압 단리시킬 수 있으며, 개별적으로 충전할 수 있다. 광 포획 홈이 일부 다른 광 포획 홈 또는 금속화 홈에 유압 커플링된 경우, 커플링된 홈에 액체를 분배하고 유체 유동을 촉진하여 모든 커플링된 홈을 충전할 수 있다. 단리된 구성에서, 각각의 단리된 홈은 액체가 거기에 직접 분배되어야 한다.
개별 광 포획 홈(912)에의 분배 단계는 상기 논의된 바와 같이 모세관에 의한 것일 수 있다. 또는, 가능하게는, 이들 광 포획 홈(912)의 일부 부분을 함께 유압 연결하여, 금속화 홈(904)에 대한 분배와는 별개로, 하나의 광 포획 홈으로부터 다른 광 포획 홈으로의 도판트 P 용액(914)의 분배(1052) 및 유동을 가능하게 한다. 이들 광 포획 홈(912)의 치수는 금속화 홈(904)보다 작아서, 더 작은 홈(912)을 따라 액체의 유동을 달성하는 데 있어서 몇몇 도전 과제가 있을 수 있다.
단리된 구성의 하나의 단점은 금속화 핑거(916)에 대한 텍스쳐 홈(904)과 깊은 에미터 격자선(918)에 대한 광 포획 홈(912) 사이의 위치(915)에 작은 간극이 존재할 것이라는 것이다(도 9d-II). 따라서, 전류가 그 위치(915)에서 짧고 높은 저항 영역을 통과하여 금속 핑거(916)에 도달해야 하지만, 대부분의 이점은 여전히 달성되어야 한다. (도 9d-II는 이러한 문제가 있는 간극을 도시하지 않고, 이것이 존재할 경우의 상태만을 도시하였다.) 깊게 확산된 깊은 에미터 격자선에 의해 덮이는 것이 유리할 수 있는 흡수체 영역의 %는 1 내지 50%일 수 있다.
이러한 선택적인 확산의 일반적인 접근법은 고효율 후면 전극(interdigitated back contact)과 같은 다른 전지 구조에 적용할 수 있다. 마찬가지로, 패턴화된 깊은 에미터 라인은 도 15에 도시된 바와 같이 전방 표면 금속 핑거에 전류를 가져오는 것을 도울 수 있고, 웨이퍼의 패턴화된 후면 전계 라인(1571)은 도 16을 참고로 하여 개략적으로 도시된 바와 같이 버스바(1673) 및 핑거(1675)를 비롯한 후방 금속 격자 구조에 전류를 가져오는 것을 돕는 데에 사용될 수 있다. 통상적으로, 버스바는 주로 Ag(은)일 수 있고, 핑거는 Al(알루미늄)이거나 또는 주로 Ag일 수 있다.
본 명세서에 개시된 혁신을 As, Ga, B 또는 Al과 같은 P 이외의 도판트의 확산에 적용할 수 있다. 인 또는 비소 도판트도 n형 웨이퍼 기판 상에 베이스(base)를 접속시키기 위해 후면 전계 영역을 형성시키는 데에 사용할 수 있다. 또는 동등하게, 붕소, 갈륨 또는 알루미늄 도판트도 n형 기판 상에 에미터를 형성시키고, p형 웨이퍼 기판 상의 베이스에 후면 전계 접속을 형성시키는 데에 사용할 수 있다. 추가로, 패턴화 차단층에 의해 달성된 깊은 에미터 라인 개념을 홈이 파인 벌집형 표면 이외의 패턴, 예컨대 이소텍스쳐(isotexture)를 갖는 표면에 적용할 수 있다. 추가로, 선택적 에미터 SAC 구조물의 깊게 확산된 홈에 적용된 금속화 씨드층의 유형은 상기 언급한 Ni와 같은 도금 금속 이외의 재료일 수 있다. 몇몇 예는 Dupont 및 Ferro가 판매하는 것과 같은 Ag와 같은 금속 분말 및 유리 프릿의 페이스트 또는 잉크, 또는 금속 및 유리 화학 물질의 유기 금속 혼합물을 포함한다. 이들 접근법을 최소의 마스킹 및 처리 단계로 선택적인 확산이 요구되는 다른 전자 장치에 적용할 수 있다.
특정 구체예를 제시 및 설명하였지만, 더 넓은 측면에서 개시 내용을 벗어나지 않은 한 다양한 변화 및 변경이 이루어질 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 상기 명세서에 포함되고 첨부 도면에 도시된 모든 사항은 예시적인 것으로 해석되어야 하며, 한정하는 의미로 해석되어서는 안 된다.
요약
도핑 목적으로 자기 정렬 전지(SAC) 구조물을 사용하는 방법은 기판을 도핑하는 재료 또는 기판이 도핑되는 것을 차단하거나 또는 지연시키는 재료의 증착 및 도포의 유도에 구조물을 사용한다. 몇몇 혁신은 전류 전도 핑거에 대한 금속화물이 될 영역에 도핑물을 제공한다. 목적을 위해 제공된 홈에 도판트를 직접 처리할 수 있다. 또는, 확산 지연 재료를 비홈 위치에 제공할 수 있으며, 도판트를 웨이퍼의 전체 표면 위에 덜 정확하게 제공하여 전체 도판트 용량을 얻는 확산 지연제가 없는 영역만을 형성시킬 수 있다. SAC 구조물은 또한 광 에너지의 반사를 방지 또는 최소화하기 위해, 전지의 흡광 영역에 대한 홈이 파이거나 피팅된 표면을 포함한다. 광 포획 영역을 또한 홈 내 도판트에 처리하여 홈 내에 반도체 에미터 라인을 형성시킬 수 있다. 대안적으로, 확산 지연 재료를 홈에 처리하여 노출된 홈 사이에 리지의 상부 팁을 남겨서, 후속의 단계에서 더 깊거나 더 유의적인 도핑 처리를 할 수 있다. 유사하게, 광 포획 피트를 이용하여, 확산 지연 재료를 피트에 처리하여 노출된 피트 사이에 가장자리의 상부 림(rim)을 남겨서, 더 깊은 도핑 처리를 할 수 있다.
이 방법의 바람직한 구체예는 반도체 웨이퍼를 제공하는 단계; 반도체 웨이퍼에 홈을 제공하는 단계; 홈에 도판트액을 분배하는 단계; 웨이퍼에 도판트를 확산시키는 지속 시간 동안 고온 적용으로 웨이퍼를 가열하는 단계; 및 홈에 액체를 함유하는 금속화 재료를 분배하여 금속화 위치에서 패턴화 확산층을 형성시키는 단계를 포함하는, 패턴화 확산층을 갖는 태양 전지의 제공 방법이다.
이 구체예의 유리한 버전을 이용시, 도판트의 분배 및 금속화 재료의 분배 중 어느 하나 또는 양쪽을 웨이퍼와 직접 접촉할 수 있는 모세관을 통해 수행할 수 있다.
이 구체예의 강건한 변형예를 위해, 홈을 2 이상의 인접한 홈의 군에 제공하고, 금속화 재료를 홈의 임의의 하나의 군 중 1 이상의, 가능한 경우 2 이상의 홈에 분배한다.
통상적으로는, 한정된 유용성의 도판트는 도판트 함유 액체의 분무, 날림 또는 인쇄를 이용하여 제공할 수 있다.
대안적으로 또는 추가로, 한정된 유용성의 도판트는 스퍼터링, 증발, 플라즈마 강화 화학 기상 증착, 진공 화학 기상 증착 또는 대기압 화학 기상 증착에 의해 도판트 유리를 증착시켜 제공할 수 있다.
고온 적용으로 웨이퍼에 도판트를 확산시키는 단계 동안, POCl3 또는 BBr3과 같은 도핑 가스(doping gas)에 웨이퍼를 노출시킬 수 있다.
이 방법의 다른 중요한 구체예는 반도체 웨이퍼를 제공하는 단계; 반도체 웨이퍼에 홈을 제공하는 단계; 확산 지연 재료를 웨이퍼의 홈 영역이 아닌 비홈 영역에 제공하는 단계; 웨이퍼의 전체 표면에 도판트를 제공하는 단계; 웨이퍼에 도판트를 확산시키는 지속 시간 동안 고온 적용으로 웨이퍼를 가열하는 단계; 및 홈에 액체를 함유하는 금속화 재료를 분배하여 금속화 위치에서 패턴화 확산층을 형성시키는 단계를 포함하는, 패턴화 확산층을 갖는 태양 전지의 제공 방법이다.
또 다른 구체예는 확산 지연 재료를 제공하기 전에 홈에 액체 도판트를 제공한다.
도판트는 도판트 함유 액체의 분무, 날림 또는 인쇄에 의해 제공할 수 있다.
대안적으로 또는 추가로, 도판트는 스퍼터링, 증발, 플라즈마 강화 화학 기상 증착, 진공 화학 기상 증착 또는 대기압 화학 기상 증착을 이용하여 도판트 유리를 증착시켜 제공할 수 있다.
확산 지연 재료를 사용하는 구체예를 이용시, 고온 적용으로 웨이퍼에 도판트를 확산시키는 단계 동안 POCl3 또는 BBr3과 같은 도핑 가스에 웨이퍼를 노출시키는 것도 유용하다. 또한, 도판트의 분배 및 금속화 재료의 분배 단계 중 어느 하나 또는 양쪽은 웨이퍼와 직접 접촉할 수 있는 모세관을 통해 수행할 수 있다.
본 발명의 또 다른 유리한 구체예는 반도체 웨이퍼를 제공하는 단계; 반도체 웨이퍼에 홈을 제공하는 단계; 홈에 도판트액을 제공하는 단계; 홈을 비롯하여 웨이퍼의 전체 표면 위에 확산 지연 재료를 제공하는 단계; 고온에서 웨이퍼에 도판트를 확산시키는 단계; 및 액체를 함유하는 금속화 재료를 홈에 분배하여 금속화 위치에서 패턴화 확산층을 형성시키는 단계를 포함하는, 패턴화 확산층을 갖는 태양 전지의 제공 방법이다.
도판트를 전체 표면 위에 제공하는 경우, 바로 위에 언급한 방법 중 임의의 것에 의해 이를 제공할 수 있다.
본 발명의 특히 매력적인 구체예는 반도체 웨이퍼를 제공하는 단계; 표면이 편평한 웨이퍼에 비해 웨이퍼의 광 포획 특성을 강화하기 위해 구성된, 반도체 웨이퍼 내 오목 텍스쳐의 영역을 제공하는 단계; 금속화를 위한 웨이퍼 내 홈을 제공하는 단계; 오목 텍스쳐의 영역 내에, 깊은 에미터 격자선을 위한, 금속화를 위한 홈과 교차하는 웨이퍼 내 홈을 제공하는 단계; 깊은 에미터 격자선을 위한 홈에 도판트를 제공하는 단계; 웨이퍼에 도판트를 확산시키는 지속 시간 동안 고온에서 웨이퍼를 가열하는 단계; 및 금속화를 위한 홈에 액체를 함유하는 금속화 재료를 분배하여 금속화 위치와 교차하는 패턴화 확산층을 형성시키는 단계를 포함하는, 패턴화 확산층을 갖는 태양 전지의 제공 방법이다.
가열 단계 전에 금속화를 위한 홈에 도판트를 제공하여 역시 금속화 위치에 위치하는 패턴화 확산층을 형성시키는 것이 유용하다.
하기 단계 중 1 이상은 웨이퍼와 직접 접촉할 수 있는 모세관을 통해 액체를 분배하는 단계; 깊은 에미터 격자선을 위한 홈에 도판트를 제공하는 단계; 금속화를 위한 홈에 액체를 함유하는 금속화 재료를 분배하는 단계; 및 금속화를 위한 홈에 도판트를 제공하는 단계에 의해 수행할 수 있다. 오목 텍스쳐는 피트 또는 홈, 또는 몇몇 다른 구조일 수 있다.
이 요약 내의 상기 논의된 구체예와 같이, 한정된 유용성의 도판트를 제공할 수 있으며, 이는 이에 따라 논의된 방법 중 임의의 것을 이용하여 도판트 함유 액체의 분무, 날림 또는 인쇄, 또는 도판트 함유 유리의 증착을 이용하여 수행할 수 있다.
본 발명의 다른 구체예는 도핑 유형을 갖는 실리콘 베이스 웨이퍼; 폭이 약 60 미크론 미만이고 깊이가 약 3 미크론을 초과하는, 금속화를 위한 홈; 웨이퍼 표면을 따라 각각의 홈의 측면으로 약 15 미크론을 초과하여 연장하지 않는, 홈 내의 금속화물; 금속화 홈 아래가 아닌 영역에서 웨이퍼 표면 상에 존재하는 도핑물보다 더 깊은, 금속화물 아래의 도핑물; 및 금속화물과 더 깊이 도핑된 실리콘 사이의 계면에 있는, 반연속성 유리층을 포함하는 태양 전지이다.
홈 폭은 약 45 미크론 미만이고 30 미크론보다 더 좁을 수 있다.
유리하게는, 금속화물은 각각의 홈의 측면으로 약 10 미크론을 초과하여 연장하지 않는다.
관련 구체예는 홈 내의 금속화물과 교차하는 깊은 에미터 격자선 영역을 더 포함하며, 상기 깊은 에미터 격자선 영역은 금속화 홈 아래가 아니며 깊은 에미터 격자선 영역이 아닌 영역에서 웨이퍼 표면 상에 존재하는 것보다 더 깊은 도핑물도 포함한다.
유리하게는, 전지는 표면이 편평한 웨이퍼에 비해 웨이퍼의 광 포획 특성을 강화하기 위해 구성된, 반도체 웨이퍼 내 오목 텍스쳐의 영역을 더 포함한다. 오목 텍스쳐는 피트 또는 홈 또는 양쪽을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 모든 주요한 변형예를 이용하여, 유용한 구체예에 따르면, 웨이퍼는 p형 반도체 기판이고, 도판트는 n+형 반도체를 형성하도록 되며, 확산층은 태양 전지 에미터를 포함한다. 또는, 웨이퍼는 p형 반도체 기판일 수 있고, 도판트는 p+형 반도체를 형성하도록 되며, 확산층은 태양 전지 후면 전계 영역을 포함한다. 또 다른 관련 구체예는 n형 반도체를 포함하는 웨이퍼를 포함하며, 도판트는 n+형 반도체를 형성하도록 되며, 확산층은 후면 전계 영역을 포함한다.
본 발명의 다수의 기술 및 측면을 본 명세서에 기재하였다. 당업자는 이들 기술 중 다수를, 다른 개시된 기술을 함께 사용하라고 특정 기재되어 있지는 않더라도, 다른 개시된 기술과 함께 이용할 수 있음을 이해할 것이다. 예컨대, 도판트는 SAC 기술을 이용하여 분배 및 배치할 수 있고, 그 다음 본 명세서에 기재되어 있던 않던 간에, 가공물을 임의의 적당한 방식으로 가공할 수 있다. 유사하게, 확산 지연 재료를 SAC 기술을 이용하여 증착 및 배치할 수 있고, 본 명세서에 개시되어 있던 않던 간에, 도판트를 임의의 적절한 방식에 의해 이어서 도포할 수 있다. 확산 지연 재료를 모든 곳에 또는 SAC 구조물에 의해 유도된 바의 특정 위치에 증착시킬 수 있다. 각각 상이한 위치에 구조물에 의해 유도된 바의 확산 지연 재료의 1 이상의 도포물이 제공될 수 있다. 유사하게, 도판트를 도포하고, 확산시킨 후, 추가의 도판트를 다른 목적을 위해 SAC 구조물에 의해 유도된 위치에 재차 도포할 수 있다.
본 개시는 하나의 발명 이상을 설명 및 개시한다. 본 발명을 본 개시에 기초한 임의의 특허 출원의 수행 동안 출원된 것 뿐 아니라 개발된 관련 문헌 및 본 발명의 청구 범위에 기재한다. 모든 다양한 발명이 차후에 종래 기술에 의해 인정된 것으로 결정되므로, 본 발명자들은 종래 기술에 의해 인정된 한계까지 모든 다양한 발명을 청구하고자 한다. 본 명세서에 기재된 특징은 본 명세서에 개시된 각각의 발명에 필수적이지 않다. 따라서, 본 발명자들은 본 개시에 기초한 임의의 특허의 임의의 특정 청구 범위에 청구되지 않은, 본 명세서에 기재된 특징을 그러한 청구 범위에 삽입시키지 않으려 한다.
하드웨어의 몇몇 조합 또는 단계의 군을 본 명세서에서는 발명으로 지칭한다. 그러나, 이는 임의의 이러한 조합 또는 군이 반드시 특히 하나의 특허 출원 또는 발명의 단일성을 심사하게 될, 발명의 수에 관한 규제 및 법에 의해 해석되는 바와 특허적으로 별개의 발명이라고 인정하는 것은 아니다. 이를 발명의 구체예를 기술하는 간단한 방법으로 삼는다.
본 명세서와 함께 요약서를 제출한다. 이 요약서는 심사관 및 다른 조사관이 기술적 개시 내용의 주제를 빠르게 확인 가능하게 하는 요약서 요구 규칙에 부합되도록 제공된다. 특허청의 규칙에 의해 약속하는 바의 청구 범위의 범위 또는 의미를 한정하거나 해석하는 데에 사용되지 않을 것으로 이해하고 이를 제출한다.
상기 논의는 예시적인 것으로 이해되어야 하며, 어떤 관점에서 한정되는 것으로 고려되어서는 안 된다. 본 발명의 바람직한 구체예를 참고로 하여 본 발명을 특별히 예시 및 설명하였지만, 청구 범위에 의해 한정된 바의 본 발명의 사상 및 범위에서 벗어나지 않는 한, 형식 및 상세를 다양하게 변화시킬 수 있음을 당업자는 이해할 것이다.
하기 청구 범위에서의 모든 수단 또는 단계 + 기능 요소의 상당하는 구조, 재료, 행위 및 등가물은 특정하게 청구되는 바의 다른 청구된 요소와 조합하여 기능을 수행하기 위한 임의의 구조, 재료 또는 행위를 포함하고자 한다.

Claims (61)

  1. a. 반도체 웨이퍼를 제공하는 단계;
    b. 반도체 웨이퍼에 홈을 제공하는 단계;
    c. 홈에 도판트액을 분배하는 단계;
    d. 웨이퍼에 도판트를 확산시키는 지속 시간 동안 고온 적용으로 웨이퍼를 가열하는 단계; 및
    e. 홈에 액체를 함유하는 금속화 재료를 분배하여 금속화 위치에서 패턴화 확산층을 형성시키는 단계
    를 포함하는, 패턴화 확산층을 갖는 태양 전지의 제공 방법.
  2. 제1항에 있어서, 도판트를 분배하는 단계는 모세관을 통해 도판트를 분배하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 모세관은 웨이퍼와 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 금속화 재료를 분배하는 단계는 모세관을 통해 금속화 재료를 분배하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 모세관은 웨이퍼와 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제2항에 있어서, 금속화 재료를 분배하는 단계는 모세관을 통해 금속화 재료를 분배하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 추가로 2 이상의 인접한 홈의 군에 홈을 제공하며, 홈에 금속화 재료를 분배하는 단계는 홈의 임의의 하나의 군 중 1 이상의 홈에 금속화 재료를 분배하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제6항에 있어서, 금속화 재료를 분배하는 단계는 홈의 임의의 하나의 군 중 2개의 홈의 적어도 일부에 금속화 재료를 분배하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제6항에 있어서, 2 이상의 인접한 홈은 3개의 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 웨이퍼는 p형 반도체 기판을 포함하며, 도판트는 n+형 반도체를 형성하도록 되며, 확산층은 태양 전지 에미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 웨이퍼는 p형 반도체 기판을 포함하며, 도판트는 p+형 반도체를 형성하도록 되며, 확산층은 태양 전지 후면 전계(back surface field) 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 웨이퍼는 n형 반도체 기판을 포함하며, 도판트는 p+형 반도체를 형성하도록 되며, 확산층은 태양 전지 에미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 웨이퍼는 n형 반도체를 포함하며, 도판트는 n+형 반도체를 형성하도록 되며, 확산층은 후면 전계 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 웨이퍼에 도판트를 확산시키는 단계 전에, 웨이퍼에 한정된 유용성의 도판트를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 한정된 유용성의 도판트를 제공하는 단계는 도판트 함유 액체의 분무, 날림(misting) 및 인쇄로 구성된 군에서 선택되는 방법을 이용하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제14항에 있어서, 한정된 유용성의 도판트를 제공하는 단계는 스퍼터링, 증발, 플라즈마 강화 화학 기상 증착, 진공 화학 기상 증착 및 대기압 화학 기상 증착으로 구성된 군에서 선택되는 방법을 이용하여 도판트 유리를 증착시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제1항에 있어서, 고온 적용으로 웨이퍼에 도판트를 확산시키는 단계 동안, 도핑 가스(doping gas)에 웨이퍼를 노출시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 도핑 가스는 POCl3 및 BBr3으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. a. 반도체 웨이퍼를 제공하는 단계;
    b. 반도체 웨이퍼에 홈을 제공하는 단계;
    c. 웨이퍼의 홈이 아니라 비홈 영역에 확산 지연 재료를 제공하는 단계;
    d. 웨이퍼의 전체 표면에 도판트를 제공하는 단계;
    e. 웨이퍼에 도판트를 확산시키는 지속 시간 동안 고온 적용으로 웨이퍼를 가열하는 단계; 및
    f. 홈에 액체를 함유하는 금속화 재료를 분배하여 금속화 위치에서 패턴화 확산층을 형성시키는 단계
    를 포함하는, 패턴화 확산층을 갖는 태양 전지의 제공 방법.
  20. 제19항에 있어서, 도판트를 제공하는 단계는 확산 지연 재료의 제공 단계 전에 홈에 액체 도판트를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제19항에 있어서, 웨이퍼는 p형 반도체 기판을 포함하며, 도판트는 n+형 반도체를 형성하도록 되며, 확산층은 태양 전지 에미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제19항에 있어서, 웨이퍼는 p형 반도체 기판을 포함하며, 도판트는 p+형 반도체를 형성하도록 되며, 확산층은 태양 전지 후면 전계 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제19항에 있어서, 웨이퍼는 n형 반도체 기판을 포함하며, 도판트는 p+형 반도체를 형성하도록 되며, 확산층은 태양 전지 에미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제19항에 있어서, 웨이퍼는 n형 반도체를 포함하며, 도판트는 n+형 반도체를 형성하도록 되며, 확산층은 후면 전계 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제19항에 있어서, 전지 표면에 도판트를 제공하는 단계는 도판트 함유 액체의 분무, 날림 및 인쇄로 구성된 군에서 선택되는 방법을 이용하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제19항에 있어서, 전지 표면에 도판트를 제공하는 단계는 스퍼터링, 증발, 플라즈마 강화 화학 기상 증착, 진공 화학 기상 증착 및 대기압 화학 기상 증착으로 구성된 군에서 선택되는 방법을 이용하여 도판트 유리를 증착시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제19항에 있어서, 전지 표면에 도판트를 제공하는 단계는 가열 단계 동안 도핑 가스에 웨이퍼를 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제27항에 있어서, 도핑 가스는 POCl3 및 BBr3으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제20항에 있어서, 홈에 액체 도판트를 제공하는 단계는 모세관을 통해 도판트를 분배하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제29항에 있어서, 도판트를 분배하는 단계는 웨이퍼와 직접 접촉하는 모세관을 통해 도판트를 분배하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제19항에 있어서, 금속화 재료를 분배하는 단계는 모세관을 통해 금속화 재료를 분배하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제29항에 있어서, 금속화 재료를 분배하는 단계는 웨이퍼와 직접 접촉하는 모세관을 통해 금속화 재료를 분배하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  33. a. 반도체 웨이퍼를 제공하는 단계;
    b. 반도체 웨이퍼에 홈을 제공하는 단계;
    c. 홈에 도판트액을 제공하는 단계;
    d. 홈을 비롯하여 웨이퍼의 전체 표면 위에 확산 지연 재료를 제공하는 단계;
    e. 고온에서 웨이퍼에 도판트를 확산시키는 단계; 및
    f. 홈에 액체를 함유하는 금속화 재료를 분배하여 금속화 위치에서 패턴화 확산층을 형성시키는 단계
    를 포함하는, 패턴화 확산층을 갖는 태양 전지의 제공 방법.
  34. 제33항에 있어서, 웨이퍼는 p형 반도체 기판을 포함하며, 도판트는 n+형 반도체를 형성하도록 되며, 확산층은 태양 전지 에미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 제33항에 있어서, 웨이퍼는 p형 반도체 기판을 포함하며, 도판트는 p+형 반도체를 형성하도록 되며, 확산층은 태양 전지 후면 전계 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  36. 제33항에 있어서, 웨이퍼는 n형 반도체 기판을 포함하며, 도판트는 p+형 반도체를 형성하도록 되며, 확산층은 태양 전지 에미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  37. 제31항에 있어서, 웨이퍼는 n형 반도체를 포함하며, 도판트는 n+형 반도체를 형성하도록 되며, 확산층은 후면 전계 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  38. 제33항에 있어서, 웨이퍼의 전체 표면 위에 도판트를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  39. 제38항에 있어서, 전체 전지 표면에 도판트를 제공하는 단계는 도판트 함유 액체의 분무, 날림 및 인쇄로 구성된 군에서 선택되는 방법을 이용하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  40. 제38항에 있어서, 전체 전지 표면에 도판트를 제공하는 단계는 스퍼터링, 증발, 플라즈마 강화 화학 기상 증착, 진공 화학 기상 증착 및 대기압 화학 기상 증착으로 구성된 군에서 선택되는 방법을 이용하여 도판트 유리를 증착시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  41. 제38항에 있어서, 전체 전지 표면에 도판트를 제공하는 단계는 가열 단계 동안 도핑 가스에 웨이퍼를 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  42. 제41항에 있어서, 도핑 가스는 POCl3 및 BBr3으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  43. a. 반도체 웨이퍼를 제공하는 단계;
    b. 표면이 편평한 웨이퍼에 비해 웨이퍼의 광 포획(light trapping) 특성을 강화하기 위해 구성된, 반도체 웨이퍼 내 오목 텍스쳐(texture)의 영역을 제공하는 단계;
    c. 금속화를 위한 웨이퍼 내 홈을 제공하는 단계;
    d. 오목 텍스쳐의 영역 내에, 깊은 에미터 격자선(deep emitter gridline)을 위한, 금속화를 위한 홈과 교차하는 웨이퍼 내 홈을 제공하는 단계;
    e. 깊은 에미터 격자선을 위한 홈에 도판트를 제공하는 단계;
    f. 웨이퍼에 도판트를 확산시키는 지속 시간 동안 고온에서 웨이퍼를 가열하는 단계; 및
    g. 금속화를 위한 홈에 액체를 함유하는 금속화 재료를 분배하여 금속화 위치와 교차하는 패턴화 확산층을 형성시키는 단계
    를 포함하는, 패턴화 확산층을 갖는 태양 전지의 제공 방법.
  44. 제43항에 있어서, 가열 단계 전에 금속화를 위한 홈에 도판트를 제공하여 또한 금속화 위치에 위치하는 패턴화 확산층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  45. 제44항에 있어서, 깊은 에미터 격자선을 위한 홈에 도판트를 제공하는 단계; 금속화를 위한 홈에 액체를 함유하는 금속화 재료를 분배하는 단계; 및 금속화를 위한 홈에 도판트를 제공하는 단계 중 1 이상을 모세관을 통한 액체의 분배에 의해 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  46. 제45항에 있어서, 모세관은 웨이퍼와 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는 방법.
  47. 제43항에 있어서, 오목 텍스쳐는 피트의 필드(field)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  48. 제43항에 있어서, 오목 텍스쳐는 다수의 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  49. 제43항에 있어서, 웨이퍼에 도판트를 확산시키는 단계 전에, 웨이퍼에 한정된 유용성의 도판트를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  50. 제49항에 있어서, 한정된 유용성의 도판트를 제공하는 단계는 도판트 함유 액체의 분무, 날림 및 인쇄로 구성된 군에서 선택되는 방법을 이용하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  51. 제49항에 있어서, 한정된 유용성의 도판트를 제공하는 단계는 스퍼터링, 증발, 플라즈마 강화 화학 기상 증착, 진공 화학 기상 증착 및 대기압 화학 기상 증착으로 구성된 군에서 선택되는 방법을 이용하여 도판트 유리를 증착시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  52. 제43항에 있어서, 웨이퍼에 도판트를 확산시키는 단계 동안, 도핑 가스에 웨이퍼를 노출시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  53. 제52항에 있어서, 도핑 가스는 POCl3 및 BBr3으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  54. a. 도핑 유형을 갖는 실리콘 베이스(base) 웨이퍼;
    b. 폭이 약 60 미크론 미만이고 깊이가 약 3 미크론을 초과하는, 금속화를 위한 홈;
    c. 웨이퍼 표면을 따라 각각의 홈의 측면으로 약 15 미크론을 초과하여 연장하지 않는, 홈 내의 금속화물;
    d. 금속화 홈 아래가 아닌 영역에서 웨이퍼 표면 상에 존재하는 도핑물보다 더 깊은, 금속화물 아래의 도핑물; 및
    e. 금속화물과 더 깊이 도핑된 실리콘 사이의 계면에 있는, 반연속성 유리층
    을 포함하는 태양 전지.
  55. 제54항에 있어서, 홈 폭은 약 45 미크론 미만인 것을 특징으로 하는 전지.
  56. 제54항에 있어서, 홈 폭은 약 30 미크론 미만인 것을 특징으로 하는 전지.
  57. 제54항에 있어서, 금속화물은 각각의 홈의 측면으로 약 10 미크론을 초과하여 연장하지 않는 것을 특징으로 하는 전지.
  58. 제54항에 있어서, 홈 내의 금속화물과 교차하는 깊은 에미터 격자선 영역을 더 포함하며, 상기 깊은 에미터 격자선 영역은 금속화 홈 아래가 아니며 깊은 에미터 격자선 영역이 아닌 영역에서 웨이퍼 표면 상에 존재하는 것보다 더 깊은 도핑물도 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  59. 제58항에 있어서, 표면이 편평한 웨이퍼에 비해 웨이퍼의 광 포획 특성을 강화하기 위해 구성된, 반도체 웨이퍼 내 오목 텍스쳐의 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  60. 제59항에 있어서, 오목 텍스쳐는 피트를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
  61. 제59항에 있어서, 오목 텍스쳐는 다수의 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전지.
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