KR101289787B1 - Laser processing for high-efficiency thin crystalline silicon solar cell fabrication - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따르면, 불소수지 도료 또는 폴리에스테르수지 도료를 코팅한 상도 도막층 상에 엠보스를 형성하고, 탄성인 불소수지 도료가 복원되는 것을 방지하기 위하여 클리어층을 코팅함으로써, 엠보스 형성시 가해지는 압하력을 최소화하면서도 홀로그램 패턴 등의 미려한 외관이 구현될 수 있는 도막 엠보스 칼라강판을 얻을 수 있다.According to one embodiment of the present invention, by forming an emboss on the top coat layer coated with a fluororesin paint or polyester resin paint, by coating a clear layer to prevent the elastic fluororesin paint is restored, It is possible to obtain a coating embossed color steel sheet capable of realizing a beautiful appearance such as a hologram pattern while minimizing the pressing force applied when forming the boss.
Description
본 발명은 태양 광전 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 결정질 실리콘, 및 다른 유형의 광전 태양전지를 포함하는 결정질 반도체의 생산을 위한 레이저 가공 기술에 관한 것이다.
TECHNICAL FIELD The present invention relates to solar photovoltaic devices, and more particularly, to laser processing technology for the production of crystalline semiconductors, including crystalline silicon, and other types of photovoltaic solar cells.
레이저 가공방법은 고성능, 고효율 태양전지 가공에 있어 효율성 개선 및 제조비용 절감의 측면에서 몇몇 이점을 제공한다. 먼저, 차세대 결정질 실리콘 태양전지는 전기적 접촉부들과 같은 중요한 특징부들의 크기를 현재 산업 현황 대비 매우 작게 할 수 있다는 점에서 이점이 있을 수 있다. 전면 접촉(front contacted) 태양전지에 있어서, 후면 금속과 베이스의 접촉면적과 마찬가지로 전면 금속 구조와 이미터의 접촉면적이 낮을 필요가 있다(또는 상기 접촉 면적비가 매우 작아야 하는데, 바람직하게는 10% 보다 매우 작아야 한다). 전체 후면접촉 후면접합(all back-contact back-junction) 태양전지에 있어서, p/n접합부 및 금속 피복을 형성하는 이미터 및 베이스 영역들은 동측(same side)에 있고(태양광 방향과 반대쪽인 전지 후면), 고효율화를 위해 다양한 특징부들의 크기는 일반적으로 작다. 이러한 전지에서는, 일반적으로 이미터 및 베이스 영역들이 교차하는 줄무늬(alternate stripes)를 형성하고, 이러한 영역들의 폭(특히, 베이스 접촉부의 폭)은 작은 편이다. 또한, 이러한 영역들과 금속 접촉부의 크기는 비교적 작은 편이다. 이미터 및 베이스 영역들에 연결되는 금속 피복은 이에 대응하여 정밀한 구조로 패터닝되어야 한다. 일반적으로, 리소그래피(lithography) 및 레이저 가공방법은 비교적 정밀한 해상도를 가지는 기술이어서, 요구되는 소규모 크기 및 제어를 제공한다. 이러한 기술에 있어서, 레이저 가공방법은 태양전지 제조에 요구되는 저비용 이점을 제공한다. 리소그래피가 감광재, 감광현상재, 및 스트리퍼(stripper)와 같은 소모재를 필요로 하는 반면에, 레이저 가공방법은 비접촉, 건식, 및 직접기록방식(direct write method)이며 소모재를 필요로 하지 않기 때문에, 태양전지 제조에 있어 보다 간편하고 경제적인 공정이 이루어질 수 있도록 한다. 아울러, 레이저 가공방법은 화학물질과 같은 소모재를 사용하지 않는 완전 건식 공정(all-dry process)이기 때문에 친환경적인 제조방법으로서 탁월하다. Laser processing offers several advantages in terms of improved efficiency and reduced manufacturing costs for high performance, high efficiency solar cell processing. First, next-generation crystalline silicon solar cells can be advantageous in that the size of important features such as electrical contacts can be made very small compared to the current industry. In front contacted solar cells, the contact area between the front metal structure and the emitter needs to be low (or the contact area ratio should be very small, preferably 10%, as well as the contact area between the back metal and the base). Should be very small). In an all back-contact back-junction solar cell, the emitter and base regions that form the p / n junction and the metal sheath are on the same side (cell opposite the solar direction). Back), the size of the various features is generally small for high efficiency. In such cells, the emitter and base regions generally form alternating stripes, and the width of these regions (particularly the width of the base contact) is small. Also, the size of these regions and the metal contacts are relatively small. The metal sheath connected to the emitter and base regions must be patterned in a precise structure correspondingly. In general, lithography and laser processing methods are relatively precise resolution techniques, providing the small size and control required. In this technique, the laser processing method provides the low cost advantage required for solar cell manufacturing. While lithography requires consumables such as photoresist, photoresist, and stripper, laser processing methods are non-contact, dry, and direct write methods and do not require consumables. Therefore, a simpler and more economical process can be achieved in solar cell manufacturing. In addition, the laser processing method is excellent as an environmentally friendly manufacturing method because it is an all-dry process that does not use consumables such as chemicals.
한편, 태양전지의 비용을 절감하기 위해 사용되는 결정질 실리콘의 두께를 줄임과 동시에, 전지당 더 많은 전력을 생산하고 와트(W, watt)당 제조비용을 절감하기 위해 전지 면적을 증가시킬 필요가 있다. 레이저 가공방법은, 완전 비접촉, 건식 공정이고, 대규모 전지에도 쉽게 적용될 수 있기 때문에, 이러한 박형 웨이퍼(wafer) 및 박막 전지 기판에 적합하다.On the other hand, while reducing the thickness of the crystalline silicon used to reduce the cost of solar cells, it is necessary to increase the cell area to produce more power per cell and to reduce manufacturing cost per watt (W). . The laser processing method is suitable for such thin wafers and thin film battery substrates because it is a completely non-contact, dry process and can be easily applied to large-scale batteries.
또한, 일반적으로 레이저 가공방법은 독성 화학물질 또는 가스를 사용하지 않는 친환경적인 방법으로서 우수하다. 레이저 및 가공 시스템을 적절히 선택함으로써 레이저 가공방법은 매우 낮은 비용으로 매우 높은 생산성을 나타낸다. In addition, laser processing is generally superior as an environmentally friendly method that does not use toxic chemicals or gases. By properly selecting the laser and the processing system, the laser processing method shows very high productivity at very low cost.
이러한 이점에도 불구하고, 고성능 전지를 제공하는 레이저 가공방법이 개발되지 않았기 때문에, 결정질 실리콘 태양전지 제조시 레이저 가공방법의 사용은 제한되어왔다. 본 발명은, 각 주요단계에 최적화된 공정들을 이용하여 고효율 태양전지를 제조하는 레이저 가공방법에 관한 것이다. 또한, 에피택시얼 실리콘 성장(epitaxial silicon growth)에 의해 형성된 50㎛ 이하의 실리콘 기판을 이용하여 제조된 것과 같은, 박막 결정질 실리콘 태양전지를 제조함에 있어 레이저 가공방법을 적용하는 것에 관한 특정 실시예들이 개시되어 있다.
Despite these advantages, the use of laser processing methods in the production of crystalline silicon solar cells has been limited because no laser processing methods have been developed to provide high performance batteries. The present invention relates to a laser processing method for manufacturing a high efficiency solar cell using processes optimized for each main step. In addition, certain embodiments of applying laser processing methods in the manufacture of thin film crystalline silicon solar cells, such as those made using silicon substrates of 50 μm or less formed by epitaxial silicon growth, are described. Is disclosed.
전체 후면접촉 동종접합(all back-contact homo-junction) 이미터 태양전지(예컨대, 고효율 후면접촉 결정질 실리콘 태양전지)에 있어서의 베이스 이미터간 분리(STI(Shallow Trench Isolation)를 포함하나, 이에 제한되는 것은 아님), 베이스 도핑 및 베이스 이미터 접촉 개구부를 위한 개구부(접촉 재결합 손실을 감소시키고 전지 효율을 향상시키기 위해, 예컨대, 실질적으로 10% 이하로 제어된 작은 접촉 면적비를 가짐), 선택적 도핑(예컨대, 베이스 및/또는 이미터 접촉(contact) 도핑), 및 전면접촉 및 전체 후면접촉/후면접합 동종접합 이미터 태양전지에 있어서의 금속 융삭(예컨대, 전지에 후판을 부착하고 재사용 가능한 호스트 템플릿(host template)으로부터 떼어내기에 앞서 박막 단결정질 실리콘 태양전지 상에 패터닝된 금속 피복 시드층을 생성하는 것과 같이, 패터닝된 금속 피복층의 형성)과 같은 요구사항을 만족하는, 레이저 가공방법이 개시된다. 또한, 이종접합 태양전지(예컨대, 단결정질 실리콘 베이스 상에 이종접합 비정질 실리콘 이미터를 포함하는 후면접촉 태양전지)에 있어서의 선택적인 비정질 실리콘 융삭, 산화물(예컨대, 투명 전도성 산화물) 융삭, 및 금속 패터닝을 위한 금속 융삭에 적합한 레이저 가공방법이 개시된다. 이러한 레이저 가공기술은, 결정질 실리콘 기판, 및 평면 또는 텍스쳐(textured)/3차원적인 와이어 쏘 공정(wire saw wafering methods) 또는 에피택시얼(epitaxial) 증착 공정에 의해 제조되는 결정질 실리콘 기판을 더욱 포함하는 반도체 기판에 적용될 수 있고, 3차원 기판은 다공질 실리콘 시드/릴리즈(seed/release)층 또는 다른 유형의 희생 릴리즈층을 이용하는 에피택시얼 실리콘 리프트-오프 기술을 이용하여 얻어질 수 있다. 이러한 기술은 다공질 실리콘 릴리즈층을 포함하는 탬플릿상에 에피택시얼 실리콘 증착하거나 산업상 공지된 타 기술들을 이용하여 얻어지는 박형 결정질 실리콘 필름을 포함하는 박형 결정질 반도체에 매우 적합하고, 임의의 결정질 실리콘 흡수재의 두께가 1 ㎛ 이하 내지 100㎛ 이상까지의 범위를 갖도록 할 수 있다(박막 단결정질 실리콘 태양전지에 있어서, 실리콘 두께는 50 ㎛ 이하인 것이 바람직함).Base emitter-to-base emitter separation in all back-contact homo-junction emitter solar cells (e.g., high efficiency back contact crystalline silicon solar cells), including but not limited to Openings for base doping and base emitter contact openings (e.g., having a small contact area ratio controlled substantially less than 10%, for example, to reduce contact recombination losses and improve cell efficiency), selective doping (e.g., , Base and / or emitter contact doping, and metal ablation in front contact and full back contact / back junction homojunction emitter solar cells (e.g., host plate reusable and reusable host templates patterning, such as creating a patterned metal clad seed layer on a thin film monocrystalline silicon solar cell prior to detachment from the template The laser processing method conforming to the requirements such as the formation of the metal coating layer) is disclosed. Optional amorphous silicon ablation, oxide (eg transparent conductive oxide) ablation, and metals in heterojunction solar cells (eg, back contact solar cells comprising heterojunction amorphous silicon emitters on a monocrystalline silicon base). A laser machining method suitable for metal ablation for patterning is disclosed. Such laser processing techniques further include crystalline silicon substrates and crystalline silicon substrates produced by planar or textured / 3-dimensional wire saw wafering or epitaxial deposition processes. Applicable to semiconductor substrates, three-dimensional substrates can be obtained using epitaxial silicon lift-off techniques using porous silicon seed / release layers or other types of sacrificial release layers. This technique is well suited for thin crystalline semiconductors including thin crystalline silicon films obtained by epitaxial silicon deposition on templates containing porous silicon release layers or obtained using other techniques known in the industry, The thickness may be in the range of 1 µm or less to 100 µm or more (in a thin film monocrystalline silicon solar cell, the silicon thickness is preferably 50 µm or less).
전체 후면접촉(all back-contact) 동종접합 태양전지는 결정질 실리콘 기판에 형성되고, 베이스 이미터 분리 및 베이스 개구부를 포함하는 이미터 및 베이스 영역의 미세가공 또는 패터닝, 이미터 및 베이스의 선택적인 도핑, 금속 접촉을 위한 베이스 및 이미터에 개구부 형성, 및 금속 패터닝 중 1 또는 조합된 공정을 수행하는데 이용된다. 전면접촉 동종접합 (이미터) 태양전지는 이미터의 선택적 도핑 및 금속 접촉부에 대하여 금속 피복의 전면 및 후면에서 개구부들을 형성하는데 레이저 가공방법을 이용하여 제조될 수 있다. 이종접합 전체 후면접촉(all back-contact) 태양전지는 상기 베이스 영역 및 전도성 산화물 분리를 위한 레이저 가공방법을 이용하여 제조될 수 있다.
All back-contact homojunction solar cells are formed on crystalline silicon substrates and microfabrication or patterning of emitter and base regions including base emitter separation and base openings, selective doping of emitters and bases , Forming openings in the base and emitter for metal contact, and performing one or a combination of metal patterning. Front contact homojunction (emitter) solar cells can be fabricated using laser processing methods to form openings in the front and back of the metal sheath for selective doping and metal contacts of the emitter. Heterojunction all back-contact solar cells can be fabricated using laser processing methods for separating the base region and conductive oxide.
본 발명의 특징, 성질, 및 이점은 하기의 도면과 결합하여 상세한 설명으로부터 더욱 분명하게 나타날 것이고, 도면 부호는 특징부들을 가리킨다.
도 1은, 본 발명에 따른 전체 후면접촉(all back-contact) 태양전지에 적용되는 실리콘에 형성된 셸로우 트렌치(shallow trench)의 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지 이다.
도 2는, 전체 후면접촉(all back-contact) 태양전지에 적용되는 실리콘의 셸로우 트렌치의 단면도이다.
도 3a 내지 3d는, 레이저 플루언스(fluence)를 선택하여 손상없는 실리콘 다이옥사이드(dioxide) (또는 옥사이드(oxide)) 융삭을 수행하는 과정을 도시한 것이다. 도 3a는 레이저 플루언스에서 융삭 지점의 크기 의존도를 나타내고; 도 3b는 산화물의 불균일한 박리현상을 나타내고; 도 3c는 손상없는 지점을 나타내고; 도 3d는 지점 개구부에서 크게 손상된 실리콘을 나타낸다.
도 4는, 본 발명에 따른 펄스 레이저 융삭을 이용하여 산화물에 형성된 실질적으로 평행한 접촉부의 배열을 나타낸다.
도 5는, 금속 접촉부에 있어서 산화물 융삭 지점의 이미지이다.
도 6a 및 6b는 x 및 y 방향을 따라 중첩된 융삭 지점을 생성하는 것에 의해 형성된 레이저 융삭된 영역을 나타낸다. 도 6a는 베이스 분리 영역에 있어서 1000A BSG(Boron-doped oxide)/500A USG(undoped oxide)에 형성된 폭 18㎛의 줄무늬를 나타내고; 도 6b는 베이스 영역에 있어서 1000A USG(undoped oxide)에 형성된 폭 90㎛의 줄무늬를 나타낸다.
도 7a는 금속이 산화물층의 금속 침투 없이 제거될 수 있는, 산화물 손상의 한계치를 나타낸다.
도 7b는, 20회 스캔 후 금속 러너들(runners)이 완전히 분리된 것을 나타낸다.
도 7c는, 금속 적층에 형성될 트렌치(trench)의 광학 현미경 이미지이다.
도 8a 및 8b는 피라미드형 박막 실리콘 태양전지(thin-film silicon solar cell, TFSC)의 평면도 및 단면도이다.
도 9a 및 9b 는 프리즘형 박막 실리콘 태양전지의 평면도 및 단면도이다.
도 10a 및 10b는 평면 에피택시얼 박막 실리콘 태양전지 기판(thin-film silicon solar cell substrate, TFSS)의 생성 및 릴리즈에 대한 공정 흐름을 나타낸다.
도 11a 및 11b는 박막 실리콘 태양전지 기판(thin-film silicon solar cell substrate, TFSS)이 과도하게 얇아 고정되거나 스스로 지지되기 어려운 경우, 평면 에피택시얼 박막 실리콘 태양전지 기판의 가공 순서를 나타낸다.
도 12a 및 12b는 3차원 박막 실리콘 태양전지 기판의 제조를 위한 마이크로몰드(micromold) 템플릿(또는 재사용가능한 템플릿)을 가공하는 공정흐름을 나타낸다.
도 12c 및 12d는 재사용가능한 마이크로몰드 템플릿을 이용하여 3차원 박막 실리콘 태양전지 기판을 제조하는 공정흐름을 나타낸다.
도 13은 본 발명에 따른, 박막 실리콘 태양전지 기판의 두께가 고정 및 스스로 지지되기에 충분히 두꺼운(예컨대, 100mm x 100mm 기판에 대하여 약 50㎛ 보다 두껍고, 156mm x 156mm 기판에 대하여 약 80㎛ 보다 두꺼운), 평면 전면접촉 태양전지를 제조하는 공정흐름을 나타낸다.
도 14는 본 발명에 따른, 박막 실리콘 태양전지 기판의 두께가 과도하게 얇아 스스로 지지되기 어려운 경우, 평면 전면접촉 태양전지를 제조하는 공정흐름을 나타낸다.
도 15는 본 발명에 따른 3차원 전면접촉 태양전지를 제조하는 공정흐름을 나타낸다.
도 16a 내지 16d는 본 발명에 따른, 박막 실리콘 태양전지 기판이 스스로 지지되기에 충분히 두꺼운 교차(interdigitated) 후면접촉 후면접합 태양전지를 제조하는 공정흐름을 나타낸다.
도 17은 본 발명에 따른, 인-시츄(in-situ) 이미터가 증착되지 않고, BSG 층이 에피택시얼 실리콘 필름상에 증착 및 형성되어 베이스 분리 영역을 형성하는, 두꺼운 박막 실리콘 태양전지 기판을 이용한 교차 후면접촉 후면접합 태양전지를 제조하는 공정흐름을 나타낸다.
도 18은 본 발명에 따른, 인-시츄(in-situ) 이미터 및 실리콘의 레이저 융삭이 베이스 분리 형성에 이용되고, 박막 실리콘 태양전지 기판이 스스로 지지되기에 충분히 두껍지 않은 교차 후면접촉 후면접합 태양전지를 제조하는 공정흐름을 나타낸다.
도 19a 내지 19h는 본 발명에 따른, 인-시츄(in-situ) 이미터 대신 BSG 증착 및 선택적인 레이저 식각이 베이스 분리 형성에 이용되고, 박막 실리콘 태양전지 기판이 스스로 지지되기에 충분히 두껍지 않은 교차 후면접촉 후면접합 태양전지를 제조하는 공정흐름을 나타낸다.
도 20은 본 발명에 따른, 3차원 박막 실리콘 태양전지 기판을 이용하는 교차 후면접촉 후면접합 태양전지를 제조하는 공정흐름을 나타낸다.
도 21은 본 발명에 따른, 교차 후면접촉 후면접합 이종접합 태양전지를 제조하는 공정흐름을 나타낸다.The features, properties, and advantages of the present invention will become more apparent from the detailed description when taken in conjunction with the following drawings, in which like reference characters indicate features.
1 is a scanning electron microscope (SEM) image of a shallow trench formed in silicon applied to an all back-contact solar cell according to the present invention.
2 is a cross-sectional view of a shallow trench of silicon applied to an all back-contact solar cell.
3A-3D illustrate the process of selecting laser fluence to perform intact silicon dioxide (or oxide) ablation. 3A shows the size dependence of the ablation point in laser fluence; 3b shows non-uniform exfoliation of oxides; 3C shows the point without damage; 3D shows heavily damaged silicon at the point openings.
4 shows an arrangement of substantially parallel contacts formed in an oxide using pulsed laser ablation according to the present invention.
5 is an image of an oxide ablation point at a metal contact.
6A and 6B show laser ablation areas formed by creating overlapping ablation points along the x and y directions. FIG. 6A shows streaks having a width of 18 μm formed in 1000 A boron-doped oxide (BSG) / 500 A undoped oxide (USG) in the base isolation region; FIG. 6B shows streaks of 90 μm in width formed in 1000 A USG (undoped oxide) in the base region.
7A shows a threshold of oxide damage, in which metal can be removed without metal penetration of the oxide layer.
7B shows that the metal runners are completely disconnected after 20 scans.
FIG. 7C is an optical microscope image of a trench to be formed in a metal stack. FIG.
8A and 8B are a plan view and a cross-sectional view of a pyramidal thin film silicon solar cell (TFSC).
9A and 9B are a plan view and a cross-sectional view of a prismatic thin film silicon solar cell.
10A and 10B show process flows for the generation and release of planar epitaxial thin film silicon solar cell substrates (TFSS).
11A and 11B illustrate a processing sequence of a planar epitaxial thin film silicon solar cell substrate when the thin-film silicon solar cell substrate (TFSS) is excessively thin and hard to be fixed or supported by itself.
12A and 12B show a process flow for processing a micromold template (or reusable template) for the manufacture of a three-dimensional thin film silicon solar cell substrate.
12C and 12D show a process flow for manufacturing a three-dimensional thin film silicon solar cell substrate using a reusable micromolded template.
FIG. 13 shows that the thickness of a thin film silicon solar cell substrate according to the present invention is thick enough to be fixed and self-supporting (eg, thicker than about 50 μm for a 100 mm × 100 mm substrate, and thicker than about 80 μm for a 156 mm × 156 mm substrate). ) Shows a process flow for manufacturing a planar front contact solar cell.
14 illustrates a process flow of manufacturing a planar front contact solar cell when the thickness of the thin film silicon solar cell substrate according to the present invention is excessively thin and difficult to support by itself.
15 shows a process flow of manufacturing a three-dimensional front contact solar cell according to the present invention.
16A-16D illustrate a process flow for fabricating an interdigitated back contact back junction solar cell thick enough for the thin film silicon solar cell substrate to support itself in accordance with the present invention.
FIG. 17 is a thick thin film silicon solar cell substrate in which no in-situ emitters are deposited, and a BSG layer is deposited and formed on the epitaxial silicon film to form a base isolation region in accordance with the present invention. It shows the process flow of manufacturing a cross-back contact back junction solar cell using.
18 is a cross-back contact back junction embodiment in which in-situ emitter and laser ablation of silicon are used to form a base separation, and not thick enough for the thin film silicon solar cell substrate to support itself. The process flow for producing a battery is shown.
19A-19H illustrate that BSG deposition and selective laser etching instead of in-situ emitters are used to form the base separation, according to the present invention, and the thin film silicon solar cell substrate is not thick enough to support itself. Back contact Shows the process flow for manufacturing back junction solar cells.
20 shows a process flow for fabricating a cross back contact back junction solar cell using a three dimensional thin film silicon solar cell substrate, in accordance with the present invention.
21 shows a process flow for fabricating a cross back contact back junction heterojunction solar cell, in accordance with the present invention.
본 명세서는 특정 실시예에 관해 기술하고 있으나, 당해 기술분야의 통상의 기술자는 과도한 실험 없이도 본 명세서에 개시된 사항을 다른 분야들 및/또는 실시예들에 적용할 수 있을 것이다.While this disclosure describes certain embodiments, those skilled in the art may apply the subject matter disclosed herein to other applications and / or embodiments without undue experimentation.
본 발명은 레이저 가공방법에 관한 것이고, 보다 상세하게는 다른 유형의 공정의 다양한 요구사항을 만족할 수 있도록 개선되어온 펄스 레이저 가공방법 및 그 양식에 관한 것이다.The present invention relates to a laser processing method, and more particularly, to a pulse laser processing method and a form thereof which have been improved to satisfy various requirements of other types of processes.
본 발명은 반도체 소자 융삭 분야, 특히, 결정질 실리콘 융삭에 유용할 수 있다. 일반적으로 레이저를 이용한 실리콘의 제거는, 실리콘 기판에 불필요한 잔분 손상을 남겨두는 실리콘 용융 및 증발을 수반한다. 이러한 손상은 태양전지의 효율을 떨어트리는 소수 캐리어 수명(minority carrier lifetime)의 감축 및 표면 재결합 속도(surface recombination velocity, SRV)의 증가를 야기한다. 따라서, 실리콘 기판의 습식 세척이 일반적으로 이러한 손상층을 제거하는데 이용된다. 본 발명은, 이러한 손상을 고효율 태양전지 제조에 적합한 수준으로 감소시키는 공정을 개시하고, 이에 따라 후-레이저처리(post-laser-processing) 습식 세척을 필요로 하지 않기 때문에 공정을 단순하게 하고 공정 비용을 절감할 수 있다.The invention may be useful in the field of semiconductor device ablation, in particular crystalline silicon ablation. In general, the removal of silicon using a laser involves melting and evaporating silicon leaving unnecessary residue damage on the silicon substrate. This damage causes a reduction in minority carrier lifetime and an increase in surface recombination velocity (SRV), which degrades the solar cell's efficiency. Thus, wet cleaning of silicon substrates is generally used to remove such damaged layers. The present invention discloses a process for reducing such damage to a level suitable for manufacturing high efficiency solar cells, thus simplifying the process and reducing the process cost since it does not require post-laser-processing wet cleaning. Can reduce the cost.
실리콘 기판의 일정 두께를 융삭하는 경우, 상기 실리콘 기판 상에 남아있는 손상은, 기판에 흡수되어 융삭된 재료에 의해 이용되지 않은 레이저 에너지의 양과 관련있다. 상기 재료를 제거하는데 이용되는 레이저 에너지의 대부분이 제어될 수 있다면, 실리콘 기판에 흡수되는 입사 에너지의 비율이 최소화될 수 있기 때문에, 레이저유도 기판 손상 및 표면 재결합 속도 감소를 최소화할 수 있다. 실리콘에 대한 레이저 에너지의 침투는 레이저 펄스 길이('펄스폭'이라고도 함) 및 파장에 의존한다. 파장 1.06㎛의 적외선(infrared, IR) 레이저 빔(beam)은 실리콘 내 최대 약 1000㎛까지 긴 침투 깊이를 가지는 반면에, 파장 532nm의 녹색 레이저 빔은 약 3㎛ 내지 4㎛의 깊이를 침투하는데 그친다. 파장 355nm의 자외선(UV) 레이저 빔은 약 10nm 침투하여, 더욱 짧다. 자외선 또는 극자외선(extreme ultra violet, EUV)의 초단(ultra-short) 펄스를 이용하는 것이 실리콘에 대한 레이저 에너지의 침투를 결정한다는 것은 분명하다. 또한, 더 짧은 레이저 펄스 길이는 실리콘 내부로의 더 짧은 열 확산을 야기한다. 나노초(nanosecond) 펄스가 약 3㎛ 내지 4㎛ 범위의 실리콘 내 열 확산을 일으키는 반면에, 피코초(picosecond) 펄스는 열 확산을 약 80nm 내지 100nm까지 감소시키고, 펨토초(femtosecond) 펄스는 일반적으로 레이저 융삭 공정간 실리콘 내부로 열 확산이 없을 정도로 열 확산 거리가 짧다. 따라서, 더 짧은 파장을 가지는 더 짧은 펄스는 레이저 융삭 기판의 손상을 줄인다. 생산성을 개선하기 위해, 녹색 또는 IR 파장이 수용가능한 레이저 손상의 정도에 따라 이용될 수 있다. 이상적인 조건 하에서도 일정 비율의 에너지가 기판 내로 흡수될 수 있기 때문에, 이러한 흡수 및 그것의 예기치 못한 부작용들은 레이저 세기를 감소시킴으로써 더욱 줄어들 수 있다. 다만, 이는 융삭되는 실리콘의 두께를 축소(또는 실리콘 융삭 속도의 감소 또는 생산량의 감소)시킨다. 레이저 펄스의 중첩을 증가시킴으로써 실리콘 제거를 일으키지 않고 펄스에너지를 감소시키는 것은 실리콘 STI(Shallow Trench Isolation)를 매끄럽게 한다고 알려져 있다. 이는 실리콘 표면 손상이 낮다는 것을 의미한다. 극히 낮은 펄스 에너지에서 제거되는 실리콘의 두께는 매우 작을 수 있다. 펄스 레이저 빔의 다중첩(multiple overlapped) 스캔을 이용함으로써 필요한 깊이를 얻을 수 있다. When roughing a certain thickness of a silicon substrate, the damage remaining on the silicon substrate is related to the amount of laser energy that is absorbed by the substrate and not utilized by the melted material. If most of the laser energy used to remove the material can be controlled, the ratio of incident energy absorbed by the silicon substrate can be minimized, thereby minimizing laser induced substrate damage and reduced surface recombination rate. Penetration of laser energy into silicon depends on the laser pulse length (also called 'pulse width') and wavelength. An infrared (IR) laser beam with a wavelength of 1.06 μm has a long penetration depth up to about 1000 μm in silicon, while a green laser beam with a wavelength of 532 nm penetrates a depth of about 3 μm to 4 μm. Beats. An ultraviolet (UV) laser beam with a wavelength of 355 nm penetrates about 10 nm, which is shorter. It is clear that the use of ultra-short pulses of ultraviolet or extreme ultra violet (EUV) determines the penetration of laser energy into silicon. Shorter laser pulse lengths also result in shorter thermal diffusion into the silicon. While nanosecond pulses cause heat diffusion in silicon in the range of about 3 μm to 4 μm, picosecond pulses reduce heat diffusion to about 80 nm to 100 nm, and femtosecond pulses are generally lasers. The heat spreading distance is so short that there is no heat spreading inside the silicon during the melting process. Thus, shorter pulses with shorter wavelengths reduce damage to the laser ablation substrate. To improve productivity, green or IR wavelengths can be used depending on the extent of laser damage acceptable. Since a certain percentage of energy can be absorbed into the substrate even under ideal conditions, this absorption and its unexpected side effects can be further reduced by reducing the laser intensity. However, this reduces the thickness of the silicon to be melted (or decreases the silicon melting speed or decreases the yield). Reducing the pulse energy without causing silicon removal by increasing the overlap of laser pulses is known to smooth silicon shallow trench isolation (STI). This means that the silicon surface damage is low. The thickness of silicon removed at extremely low pulse energy can be very small. The required depth can be obtained by using multiple overlapped scans of the pulsed laser beam.
피코초 범위의 펄스 길이 및 약 355nm 이하의 파장의 펄스 레이저 빔은 부동태화된(passivated) 융삭 표면에 대하여 표면 재결합 속도(surface recombination velocity, SRV)를 감소시키는 저손상 실리콘 융삭에 적합하다. 도 1은, 가우시안 프로파일(Gaussian profile)(M2<1.3), 4 μJ펄스 에너지 및 약 110㎛의 직경, 약 15회 중첩되는 레이저 지점(spot)을 가지는 피코초 UV 레이저 빔을 이용하여 실리콘 기판에 형성된 2.25㎛ 깊이 및 약 100㎛ 폭의 트렌치(trench)를 나타낸다. 이러한 융삭 깊이는 1회 스캔당 실리콘 112nm를 제거하는 레이저의 20회 중첩 스캔을 이용하여 얻어질 수 있다. 도 2는 UV 파장의 동일한 피코초 레이저 빔을 이용하여 얻어지는, 실리콘에 형성된 4㎛ 깊이 및 110㎛ 폭 트렌치의 매끄러운 프로파일(profile)을 나타낸다. 프로파일의 매끈한 정도를 주목하여야 한다. 이러한 실리콘 융삭은 전체 후면접촉 후면접합(all back-contact back-junction) 태양전지에 이용되어 베이스 영역들을 이미터 영역들로부터 분리시키는 영역들을 형성한다. 펨토초 레이저를 이용하여 실리콘 융삭간 레이저 손상을 더욱 감소시킬 수 있다.Pulsed laser beams in the picosecond range and wavelengths up to about 355 nm are suitable for low damage silicon ablation that reduces the surface recombination velocity (SRV) with respect to passivated ablation surfaces. 1 shows a silicon substrate using a picosecond UV laser beam having a Gaussian profile (M 2 <1.3), 4 μJ pulse energy and a diameter of about 110 μm, with laser spots overlapping about 15 times. Trenches with a depth of 2.25 μm and a width of about 100 μm formed. This depth of ablation can be obtained using 20 overlapping scans of a laser that removes 112 nm of silicon per scan. 2 shows a smooth profile of 4 μm deep and 110 μm wide trenches formed in silicon, obtained using the same picosecond laser beam of UV wavelength. Note the smoothness of the profile. This silicon ablation is used in all back-contact back-junction solar cells to form regions that separate base regions from emitter regions. Femtosecond lasers can be used to further reduce laser interstitial laser damage.
본 발명의 일 실시예는 비정질 실리콘의 융삭에도 적용가능하다. 펨토초 펄스 길이 및 몇몇 실시예에서 UV 또는 녹색 파장을 가지는 펄스 레이너 빔을 이용하여 비정질 실리콘을 원하는 두께로 융삭하는데 유사한 방법이 이용될 수 있다. 비정질 실리콘의 융삭은 결정질 실리콘보다 훨씬 낮은 에너지를 필요로 하기 때문에 이러한 방법은 이종접합 태양전지에서 결정질 실리콘 표면으로부터 비정질 실리콘 필름을 선택적으로 융삭하는데 효과적으로 이용될 수 있다. One embodiment of the present invention is also applicable to the ablation of amorphous silicon. A similar method may be used to ablate amorphous silicon to a desired thickness using a pulsed rain beam having a femtosecond pulse length and in some embodiments a UV or green wavelength. Since ablation of amorphous silicon requires much less energy than crystalline silicon, this method can be effectively used to selectively ablate amorphous silicon films from crystalline silicon surfaces in heterojunction solar cells.
또한, 본 발명은 하부의 기판, 결정질 또는 비정질 실리콘에 대하여 선택적으로 산화물을 융삭하는데 적용가능하다. 산화물 필름은 UV에 이르는 파장의 레이저 빔을 통과시킨다. 나노초 펄스 길이의 레이저가 가로놓인 산화물을 제거하는데 이용되는 경우, 하부 실리콘의 가열 및 용융에 의해 산화물이 제거된다. 융삭된 상기 하부 실리콘으로부터의 압력 때문에 상기 가로놓인 산화물은 갈라지고 제거된다. 다만, 이는 실리콘 기판에 큰 손상을 일으키므로, 고효율 전지로 이용하기 위해 일반적으로 이러한 손상된 층을 제거하는데 습식 세척 처리가 이용된다.In addition, the present invention is applicable to selectively grinding oxides against underlying substrates, crystalline or amorphous silicon. The oxide film passes through a laser beam of wavelengths leading to UV. If a nanosecond pulse length laser is used to remove the interposed oxide, the oxide is removed by heating and melting the underlying silicon. Due to the pressure from the fused bottom silicon, the interposed oxide is cracked and removed. However, since this causes great damage to the silicon substrate, a wet cleaning process is generally used to remove such damaged layers for use as a high efficiency battery.
실리콘 표면에 어떠한 감지가능한(appreciable) 손상도 없이 산화물층이 실리콘 표면으로부터 선택적으로 제거되는 공정이 개시된다. 레이저 융삭간 재료를 가열하여 용웅시키거나 증발시키는 것 외에도 플라즈마 형성과 같은 다른 효과들이 발생한다. 경우에 따라 복잡한 공정들이 계면에서 일어난다. 피코초 펄스 길이의 레이저를 사용함으로써, 산화물-실리콘 계면이 영향을 받는다. UV파장의 피코초 레이저를 사용함으로써, 상기 계면 효과가 강화되어 실리콘 표면으로부터 산화물 필름의 분리 및 박리가 일어난다. 남겨진 실리콘 표면은 실질적으로 손상되지 않는다. 또한 수용가능한 실리콘 기판의 침투 손상 정도에 따라 녹색 또는 적외선(IR) 파장의 피코초 레이저 방사가 이용될 수 있다. 본 명세서는 실리콘 표면으로부터 선택적인 무손상 산화물 융삭을 제공하는 공정의 개요를 개시한다. A process is disclosed in which an oxide layer is selectively removed from a silicon surface without any appreciable damage to the silicon surface. In addition to heating and melting or evaporating the laser ablation material, other effects occur, such as plasma formation. In some cases, complex processes occur at the interface. By using a picosecond pulse length laser, the oxide-silicon interface is affected. By using a picosecond laser of UV wavelength, the interfacial effect is enhanced to cause separation and exfoliation of the oxide film from the silicon surface. The remaining silicon surface is substantially intact. Also picosecond laser radiation of green or infrared (IR) wavelength may be used depending on the degree of penetration damage of the acceptable silicon substrate. The present disclosure discloses an overview of a process for providing selective intact oxide ablation from silicon surfaces.
도 3a-3d는 산화물의 무손상 융삭을 제공하는 공정을 도시한다. 도 3a는 피코초 UV레이저 빔을 이용하는, 템플릿 상의 35㎛ 두께의 에피택시얼 실리콘 필름에 적층된 1000A PSG(Phosphorus-doped oxide)/500A USG(undoped-oxide) 레이저 지점 개구부의 변화를 나타낸다. 산화물층은 대기압 화학적 증착법(atmospheric-pressure CVD, APCVD)에 의해 증착된다. 산화물의 일정 두께에 대하여 지점 크기는 레이저 플루언스(fluence, J/cm2)에 의존한다. 레이저 플루언스는 레이저 빔 면적당 레이저 펄스 에너지이다. 이 경우, 레이저 빔은 가우시안 프로파일(Gaussian profile)(M2<1.3) 및 약 100㎛의 직경을 가진다. 도 3b에 나타난 것과 같이, 극히 낮은 플루언스에서 지점들은 불균일하고 실리콘 표면으로부터 산화물의 불규칙적인 박리가 발생한 반면에, 도 3d에 나타난 것과 같이, 극히 높은 플루언스에서 광범위한 실리콘의 손상이 발생한다. 도 3c에 보여지는 것과 같이, 직선 a-a'로 나타낸 플루언스의 범위는 실리콘 기판 손상이 최소인 최적의 범위를 가리킨다. 3A-3D illustrate a process for providing intact ablation of oxides. FIG. 3A shows the change of 1000 A Phosphorus-doped oxide (PSG) / 500 A undoped-oxide (USG) laser spot opening deposited on a 35 μm thick epitaxial silicon film on a template using a picosecond UV laser beam. The oxide layer is deposited by atmospheric-pressure CVD (APCVD). For certain thicknesses of the oxide the spot size depends on the laser fluence (J / cm 2 ). Laser fluence is the laser pulse energy per laser beam area. In this case, the laser beam has a Gaussian profile (M 2 <1.3) and a diameter of about 100 μm. As shown in FIG. 3B, the points at the extremely low fluence are non-uniform and irregular delamination of the oxide from the silicon surface occurs, while extensive silicon damage occurs at the extremely high fluence, as shown in FIG. 3D. As shown in FIG. 3C, the range of fluence, represented by straight line a-a ', indicates the optimal range where the silicon substrate damage is minimal.
도 4는 전체 후면접촉 (및 후면접합) 태양전지에 적용되는 산화물에서 선택적으로 개방된 전지 접촉 개구부들의 배열을 나타낸다. 도 5는 이러한 접촉들의 근접 촬영 이미지이다. 도 6a 및 6b에 나타난 것과 같이, 레이저 융삭 지점들은 x 및 y 방향을 따라 중첩되어 웨이퍼 상에서 임의의 길이 및 너비의 영역을 개방시킬 수 있다. 도 6a는 x 및 y 방향을 따라 중첩된 융삭 지점들을 가지는 피코초 UV 레이저 빔을 이용하여 베이스 분리 영역에 대하여 BSG(boron-doped oxide)를 선택적으로 제거함으로써 형성된 너비 180㎛의 개구부를 나타낸다. 유사하게, 도 6b는 베이스 영역을 형성하기 위한 USG(undoped oxide)의 너비 90㎛의 개구부를 나타낸다.4 shows an array of cell contact openings that are selectively open in oxide applied to a full back contact (and back junction) solar cell. 5 is a close-up image of these contacts. As shown in FIGS. 6A and 6B, laser ablation points may overlap along the x and y directions to open areas of arbitrary length and width on the wafer. 6A shows an opening of 180 μm width formed by selectively removing boron-doped oxide (BSG) with respect to the base separation region using a picosecond UV laser beam with overlapping melting points along the x and y directions. Similarly, Figure 6B shows an opening of 90 mu m width of the undoped oxide (USG) to form the base region.
본 명세서에 개시된 것과 같이, 실리콘 표면으로부터 산화물의 선택적인 융삭은 몇몇 방법으로 태양전지 제조에 이용될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 후면접촉 전지에 대하여 인-시츄(in-situ) 이미터를 이용하는 경우, 이 공정은 산화물 필름에 경로를 개방하여 하부의 이미터를 노출시키는데 이용된다. 노출된 이미터는 습식 식각을 이용하여 제거될 수 있다. 이후 이 영역은 베이스 이미터 분리에 이용되고, 내부에 형성된 베이스와 함께 이용된다.As disclosed herein, selective ablation of oxides from silicon surfaces can be used in solar cell fabrication in several ways. According to one embodiment, when using an in-situ emitter for the back contact cell, this process is used to open the path to the oxide film to expose the underlying emitter. Exposed emitters can be removed using wet etching. This area is then used for base emitter separation and with the base formed therein.
다른 일 실시예에 따르면, 이 공정은 금속 접촉부들을 형성하는데 이용되는 영역들을 개방하는데 이용된다. 전면접촉 전지에 있어서, 산화물 부동태화(passivation)는 전지의 후면에 이용될 수 있다. 본 명세서에 개시된 공정은 이후 이러한 접촉부들 상에 증착된 금속에 대하여 접촉부를 개방시키는데 이용된다. 그와 같이, 금속은 고전지효율로 전도성인 국부 접촉(localized contact)을 가진다. 후면접촉 전지에 있어서, 베이스 및 이미터에서의 접촉부들은 이러한 공정을 이용하여 개방될 수 있다.According to another embodiment, this process is used to open the areas used to form the metal contacts. In front contact cells, oxide passivation may be used on the back of the cell. The process disclosed herein is then used to open the contacts with respect to the metal deposited on these contacts. As such, the metal has localized contacts that are conductive at high charge efficiency. In back contact cells, the contacts at the base and emitter can be opened using this process.
태양전지 가공 공정에서, 도핑된 산화물은 하부 실리콘의 임의의 도핑을 야기하지 않고 제거될 필요가 있을 수 있다(즉, 도핑된 산화물 및 실리콘의 임의의 감지가능한(appreciable) 가열 없이). 상술한 것과 같이, 피코초 레이저 빔을 이용하는 경우 산화물은 산화물/실리콘 기판 계면에서의 분리에 의해 제거되기 때문에, 산화물의 제거는 융삭되는 산화물 필름으로부터 도펀트(dopant)의 제한된 픽업(pickup)과 함께 발생한다.In solar cell processing processes, the doped oxide may need to be removed without causing any doping of the underlying silicon (ie, without any appreciable heating of the doped oxide and silicon). As described above, since oxides are removed by separation at the oxide / silicon substrate interface when using a picosecond laser beam, removal of the oxides occurs with limited pickup of dopants from the oxide film being melted. do.
실리콘 질화물(SiNx)의 선택적인 융삭은 전면접촉 태양전지에 이용된다. 레이저 융삭을 이용하여, 이미터 표면의 접촉 면적이 감소됨에 따라 SiN 부동태화(passivation)가 제거되는 영역을 최소화할 수 있다. 이는 높은 개방회로전압(Voc)을 일으킨다. UV 또는 녹색 파장의 피코초 레이저가 이 경우 적합하지만 나노초 UV 레이저 또한 이용될 수 있다.Selective ablation of silicon nitride (SiN x ) is used for front contact solar cells. Laser ablation can be used to minimize areas where SiN passivation is eliminated as the contact area of the emitter surface is reduced. This causes a high open circuit voltage (V oc ). Picosecond lasers of UV or green wavelengths are suitable in this case, but nanosecond UV lasers can also be used.
산화물 표면으로부터의 선택적인 금속 융삭은 레이저를 이용하는 것이 이전부터 어려웠다. 이는 금속을 융삭하는데 필요한 고펄스 에너지에서, 에너지는 하부 산화물에 손상을 가하고 산화물 내로의 금속 침투를 야기하기에 과도하게 높기 때문이다. 실제로, 이것이 태양전지에 이용하기 위해 제안된 “레이저 발화 접촉(laser fired contacts, LFC)” 공정의 기초이다. Selective metal ablation from oxide surfaces has previously been difficult to use lasers. This is because at the high pulse energy needed to abrade the metal, the energy is excessively high, damaging the underlying oxide and causing metal penetration into the oxide. Indeed, this is the basis of the "laser fired contacts" (LFC) process proposed for use in solar cells.
본 발명은, 산화물(또는 실리콘 질화물과 같은 기타 유전물질)에 대한 금속 침투 및 산화물의 파괴 또는 균열이 없는, 산화물(또는 기타 유전물질) 표면으로부터의 선택적인 금속 제거를 위한 3가지 공정을 개시한다. 모든 공정에서, 알루미늄이 베이스 및 이미터와 접촉하고 있는 제 1 금속이다(알루미늄은 접촉부 및 광 포획(light trapping) 후면 거울층으로 이용됨). 피코초 펄스 길이의 레이저가 이 경우 적합하다. 높은 금속 제거 속도를 위해, 적외선(IR) 파장이 매우 적합하다. 첫번째 공정에 따르면, 산화물 융삭의 한계값보다 낮은 펄스 에너지에서 금속이 융삭된다. 1회 스캔에서 제거되는 금속의 두께가 요구되는 두께보다 작은 경우, 금속 전체 두께를 제거하는데 다중첩 스캔이 이용된다. 펄스 에너지가 산화물 융삭 한계값보다 낮기 때문에 산화물 표면으로부터의 금속의 완전한 제거가 얻어진다. 다만, 이용되는 정확한 방법은 적층구조 내 금속의 유형, 두께, 및 표면 거칠기 등에 크게 의존한다. The present invention discloses three processes for metal penetration to oxides (or other dielectric materials such as silicon nitride) and for selective metal removal from oxide (or other dielectric materials) surfaces without the destruction or cracking of oxides. . In all processes, aluminum is the first metal in contact with the base and emitter (aluminum is used as the contact and light trapping back mirror layer). Picosecond pulse length lasers are suitable in this case. For high metal removal rates, infrared (IR) wavelengths are very suitable. According to the first process, the metal is melted at a pulse energy lower than the limit of oxide melting. If the thickness of the metal to be removed in one scan is less than the required thickness, the multiply scan is used to remove the entire metal thickness. Since the pulse energy is below the oxide ablation threshold, complete removal of the metal from the oxide surface is obtained. However, the exact method used depends largely on the type, thickness and surface roughness of the metal in the laminate.
도 7a 내지 7c는 산화물 상에 물리적 증착법(physical vapor deposition, PVD)에 의해 증착되고, 1200A Al 및 2400A NiV 순으로 적층된 이중층(bilayer)을 패터닝하는 경우, 융삭 결과를 나타낸다. 금속은 하부 산화물층을 파괴시키지 않으면서 러너(runner)들 사이에서 완전히 제거되어야 한다(전지에서 션트(shunt)를 방지하기 위함). 도 7a는 펄스 에너지의 한계값을 나타내고, 상기 한계값 이하에서 금속 적층구조가 산화물 침투 없이 제거될 수 있다. 상기 한계값은 상술한 금속 적층구조의 물성에 의존할 뿐만 아니라, 스캔 속도와 마찬가지로 레이저의 일정(certain) 펄스 반복 속도를 이용하여 얻어지는 지점 중첩과 같은 레이저 파라미터(parameter)에도 의존한다. 펄스 중첩을 증가시킴에 따라 금속에서의 에너지 축적에 의해 펄스 에너지 한계값이 증가할 수 있다. 도 7b는 산화물 손상을 위해 한계값 이하의 펄스에너지를 사용하는 경우, 20회 이상의 스캔이 평행선 간 100메가옴(M-ohm) 저항에 의해 결정된 금속 러너(runner)의 완전 분리를 제공한다는 것을 나타낸다. 도 7c는 2400A NiV/1200A Al 금속 적층구조에 형성된 75㎛의 매끈한 트렌치(trench)를 나타낸다.7A-7C show the results of ablation when patterning bilayers deposited on the oxide by physical vapor deposition (PVD) and stacked in the order of 1200 A Al and 2400 A NiV. The metal must be completely removed between runners without breaking the underlying oxide layer (to prevent shunt in the cell). 7A shows a threshold of pulse energy, below which the metal stack can be removed without oxide penetration. The limit value depends not only on the properties of the metal laminate structure described above, but also on laser parameters such as point overlap obtained using the constant pulse repetition rate of the laser as well as the scan rate. As the pulse overlap increases, the pulse energy limit may increase due to energy accumulation in the metal. FIG. 7B shows that when using sub-limit pulse energy for oxide damage, more than 20 scans provide complete separation of metal runners determined by 100 M-ohm resistance between parallel lines. . FIG. 7C shows a 75 μm smooth trench formed in a 2400 A NiV / 1200 A Al metal laminate. FIG.
제 2 고생산성 공정에 따르면, 더 높은 펄스 에너지가 이용되고, 융삭 과정에서 입사 에너지의 상당 부분이 흡수되기 때문에 산화물 손상을 방지한다. 이러한 접근법은 금속의 고생산성 레이저 융삭을 가능하게 한다. 2단계 공정을 성공적으로 이용하는 상기 공정에 의해 두께 2500A까지의 주석(Sn) 상층(overlayer)을 가지거나 가지지 않는 1250A Al/100-250A NiV를 융삭하였다. 제 1단계에서, 15μJ 펄스 이후 30μJ 펄스의 15회 양자 중첩을 이용하여 더욱 연질의 금속이 제거된다. 2000A와 같은 더욱 두꺼운 알루미늄에 있어서, 제2단계가 동일 회수의 펄스 중첩을 가지는 50μJ에서 수행될 수 있다.According to the second high productivity process, higher pulse energy is used and a significant portion of the incident energy is absorbed during the ablation process, thus preventing oxide damage. This approach allows for high productivity laser ablation of metals. The process, which successfully used a two-step process, was lubricated with 1250 A Al / 100-250 A NiV with or without a tin (Sn) overlayer up to 2500 A thick. In the first step, softer metals are removed using 15 quantum overlaps of 30 μJ pulses after 15 μJ pulses. For thicker aluminum, such as 2000 A, the second step may be performed at 50 μJ with the same number of pulse overlaps.
금속 융삭 제 3 공정은, 피코초 레이저 입사 에너지의 대부분이 반사되고 융삭이 급격히 감소되는, 알루미늄(Al)/은(Ag) 적층구조(알루미늄(Al)이 전지와 접촉하고, 알루미늄(Al) 상에 은(Ag)이 적층됨)와 같은 고반사(highly reflective) 필름에 적용가능하다. 이 경우, 10 내지 800 나노초의 펄스 길이를 가지는 펄스 길이가 긴 나노초 레이저 이후 하부 알루미늄의 피코초 세척을 이용하여 반사성 금속(Ag)의 표면이 먼저 함몰된다.In the third step of metal ablation, an aluminum (Al) / silver (Ag) laminated structure (aluminum (Al) is in contact with the battery and the aluminum (Al) phase) in which most of the picosecond laser incident energy is reflected and ablation is abruptly reduced. Applicable to highly reflective films such as silver (Ag). In this case, the surface of the reflective metal (Ag) is first recessed using a picosecond wash of the underlying aluminum after a long pulse of nanosecond laser with a pulse length of 10 to 800 nanoseconds.
또한, 본 발명은 기판의 선택적인 도핑에 적용가능하다. 도펀트 함유 소재의 상부층을 이용하여 실리콘을 성공적으로 도핑하는데 있어서, 펄스 에너지는 실리콘을 용융시킬 정도로 높아야 하지만 실리콘 또는 상부의 도펀트층을 융삭할 정도로 높지 않아야 한다. 실리콘이 용융되면서, 도펀트가 실리콘 내부로 용해된다. 상기 실리콘층을 재결정화함으로써 도핑된 층이 얻어진다. 이 경우, 실리콘 내부로의 제한된 침투로 인해 녹색 파장을 가지는 나노초 펄스 길이 레이저가 매우 적합하다.The invention is also applicable to selective doping of substrates. In successfully doping silicon using a top layer of dopant containing material, the pulse energy should be high enough to melt the silicon but not high enough to melt the silicon or top dopant layer. As the silicon melts, the dopant dissolves into the silicon. The doped layer is obtained by recrystallizing the silicon layer. In this case, nanosecond pulse length lasers with green wavelengths are very suitable due to limited penetration into the silicon.
상술한 레이저 가공방법은 평면 및 3차원 박막 결정질 실리콘 기판에 적용가능하다. 상술한 레이저 가공방법은 임의의 두께를 가지는 실리콘 기판에 적용가능하다. 이는 결정질 실리콘 태양전지에 이용되는 150㎛ 이상의 통용되는(current) 표준 웨이퍼 두께를 포함한다. 다만, 상기 공정이 기판과 접촉하지 않고 이루어지기 때문에 ?고, 취성(fragile)인 웨이퍼 또는 기판에 더욱 유리하다. The above laser processing method is applicable to planar and three-dimensional thin film crystalline silicon substrates. The laser processing method described above is applicable to a silicon substrate having any thickness. This includes the current standard wafer thickness of at least 150 μm used in crystalline silicon solar cells. However, since the process is performed without contacting the substrate, it is more advantageous for a wafer or a substrate which is brittle.
와이어 쏘 공정(wire sawing techniques)를 이용하거나 수소 주입 후 어닐링(annealing)하여 원하는 두께의 웨이퍼를 분리하는 것에 의해 얻어지는 단결정질 CZ 잉곳(ingots) 또는 다결정질 벽돌구조, 또는 다공질 실리콘과 같은 희생 분리/릴리즈층 상에서 실리콘의 에피택시얼 증착 및 이후의 리프트-오프(lift-off)를 이용하여 얻어지는 박막 단결정질 기판으로부터 제공되는 150㎛ 이하의 웨이퍼를 포함한다. Sacrificial separation / such as monocrystalline CZ ingots or polycrystalline brick structures, or porous silicon obtained by using wire sawing techniques or by annealing after hydrogen injection to separate wafers of desired thickness Wafers of 150 μm or less provided from a thin film monocrystalline substrate obtained using epitaxial deposition of silicon on the release layer and subsequent lift-off.
레이저 가공방법은 재사용가능한 템플릿의 예비조립(pre-structuring) 및 실리콘 미세가공 기술을 이용하여 얻어지는 3차원 기판에 특히 적합하다. 일 방법이 '713 출원에 기재되어 있다. 도 8a 내지 9b는 3차원 상기 공개공보에 기재된 기술을 이용하여 얻어지는 박막 실리콘 기판을 나타낸다. 도 8a는 얻어진 박막 실리콘 기판의 평면도이고, 도 8b는 단면도이다. 피라미드형 기판에 있어서, 팁(tip)은 편평하거나 첨단점(sharp point)일 수 있다. 도 9a 및 9b는 상기 문헌에 개시된 재사용가능한 예비조립된 3차원 템플릿을 이용하여 얻어지는, 프리즘 구조를 가지는 박막 실리콘 기판을 나타낸다.Laser processing methods are particularly suitable for three-dimensional substrates obtained using pre-structuring of reusable templates and silicon micromachining techniques. One method is described in the '713 application. 8A to 9B show thin film silicon substrates obtained using the techniques described in the three-dimensional publication. 8A is a plan view of the obtained thin film silicon substrate, and FIG. 8B is a sectional view. For pyramidal substrates, the tips may be flat or sharp points. 9A and 9B show a thin film silicon substrate having a prism structure, obtained using the reusable prefabricated three-dimensional template disclosed in the document.
상기 레이저 가공방법 및 공정 흐름이 임의의 두께(1㎛ 이하 내지 100㎛ 이상)를 가지는 실리콘 기판에 적용가능하다고 하더라도, '713 출원에 개시된 것과 같이 재사용가능한 템플릿의 다공질 실리콘 표면상 에피택시얼 실리콘을 이용하여 얻어지는 것을 포함하나, 이에 한정되지 않는, 1㎛ 이하 내지 약 80㎛ 두께 범위의 박형 실리콘 기판을 이용하여 제조되는 태양전지에 대한 적용을 개시한다. 적용에 관한 이해를 용이하게 하기 위해, 평면 단결정질 박막 실리콘 기판의 원하는 두께(예컨대, 약 10㎛ 이하 내지 120㎛)를 얻기 위한 공정 흐름이, 도 10a 및 10b에서 일반적으로 50㎛ 이상으로서 전지 가공간 기판을 스스로 지지할 수 있도록 조작될 수 있는 평면 박막 실리콘 기판에 대하여 나타나고, 도 11a 및 11b 에서 일반적으로 50㎛ 이하로서 전지 가공간 스스로 지지되기 어려운(따라서, 호스트 템플릿으로부터 분리되기에 앞서 강화되는) 평면 박막 실리콘 기판에 대하여 나타난다. 도 12a 내지 12d는 3차원 피라미드형 실리콘 기판을 얻기 위한 공정 흐름을 나타낸다. 3차원 프리즘형 기판은, 그러한 구조를 제공하는 리소그래피 또는 스크린 인쇄 패턴(screen printed pattern)을 이용하는 것을 제외하면, 유사한 공정에 의해 얻어질 수 있다.Although the laser processing method and process flow is applicable to a silicon substrate having an arbitrary thickness (1 μm or less to 100 μm or more), epitaxial silicon on a porous silicon surface of a reusable template as disclosed in the '713 application may be used. Disclosed are applications for solar cells manufactured using thin silicon substrates in the range of 1 μm or less to about 80 μm in thickness, including but not limited to those obtained using. To facilitate understanding of the application, the process flow for obtaining the desired thickness (eg, about 10 μm or less to 120 μm) of a planar monocrystalline thin film silicon substrate is generally 50 μm or more in FIGS. 10A and 10B. It is shown for a planar thin film silicon substrate that can be manipulated to support the liver substrate on its own, and is generally 50 μm or less in FIGS. 11A and 11B, which is difficult to support itself between battery processing (hence, strengthened prior to separation from the host template). ) With respect to a planar thin film silicon substrate. 12A-12D show the process flow for obtaining a three-dimensional pyramidal silicon substrate. Three-dimensional prismatic substrates can be obtained by similar processes, except using lithography or screen printed patterns that provide such structures.
도 10a 및 10b의 공정을 이용하여 얻어지는 박형 평면 기판은 도 13의 공정에 따라 가공되어 고효율 전면접촉 태양전지를 얻을 수 있다. 스스로 지지하는 박막 실리콘 기판에 있어서, 박막 실리콘 기판의 템플릿 측부를 다른 측부보다 먼저 가공하는 것이 유리하다는 점을 주목하여야 한다. 템플릿으로부터 분리된 후 박막 실리콘 기판 상에 남아있는 반-단결정질(quasi-monocrystalline) 실리콘이 제거되는 동안 박막 실리콘 기판의 템플릿 측부가 직조되기 때문에, 바람직하게는 템플릿 측부는 전면 또는 태양광면(sunnyside)이다. 실리콘 산화물 및 실리콘 질화물의 선택적 융삭 레이저 공정은 상기 전면접촉 태양전지를 제조하는데 유리하게 이용된다.The thin planar substrate obtained using the processes of FIGS. 10A and 10B may be processed according to the process of FIG. 13 to obtain a high efficiency front contact solar cell. It should be noted that for self supporting thin film silicon substrates, it is advantageous to process the template side of the thin film silicon substrate before the other side. Since the template side of the thin film silicon substrate is woven while the quasi-monocrystalline silicon remaining on the thin film silicon substrate after separation from the template is removed, the template side is preferably front or sunnyside. to be. Selective ablation laser processing of silicon oxide and silicon nitride is advantageously used to fabricate the front contact solar cell.
도 14는 전지 제조간 과도하게 ?아 자유롭게 고정되거나 스스로 지지되기 어려운 평면 박막 실리콘 기판을 이용하여 고효율 전면접촉 태양전지를 제조하는데 있어, 다양한 레이저 가공방법을 적용하는 것을 나타낸다. 이 경우 템플릿 측부가 아닌 표면(non-template side surface)이 템플릿 상의 박막 실리콘 기판과 함께 먼저 가공된다는 점을 주목하여야 한다. 이 공정이 완료되면, 박막 실리콘 기판이 가공되어 노출된 측부 상에서 강화판(후판이라고도 함)(reinforcement plate or sheet)에 부착된 후, 템플릿으로부터 분리된다. 후판에 부착된 박막 결정질 실리콘 태양전지가 분리된 후, 박막 실리콘 기판의 분리면(released face)(이후 태양전지의 전면이 됨) 상에서 잔여 다공질 실리콘, 텍스쳐 에치(texture etch), 및 SiN 부동태화물(passivation)/ARC 증착물의 제거, 및 기체형성 어닐링(forming-gas anneal, FGA) 공정이 수행된다.FIG. 14 illustrates the application of various laser processing methods to fabricate a high efficiency front contact solar cell using a planar thin film silicon substrate that is excessively freely fixed or difficult to support itself during battery manufacturing. It should be noted that in this case a non-template side surface is first processed with the thin silicon substrate on the template. Once this process is complete, the thin silicon substrate is processed and attached to a reinforcement plate or sheet on the exposed side and then separated from the template. After the thin film crystalline silicon solar cell attached to the thick plate is separated, the remaining porous silicon, texture etch, and SiN passivation layer on the released face of the thin film silicon substrate (which is then the front face of the solar cell). passivation / ARC deposits, and forming-gas anneal (FGA) processes are performed.
도 15는 3차원 전면 박막 실리콘 기판을 이용하여 고효율 전면접촉 태양전지를 제조하는 다양한 레이저 가공방법의 적용을 나타낸다. 이 경우, 템플릿 측부 상에 날카롭지 않고 편평한 렛지(ledge)인 피라미드형 팁을 가지는 것이 유리하다. FIG. 15 illustrates the application of various laser processing methods for manufacturing a high efficiency front contact solar cell using a three-dimensional front thin film silicon substrate. In this case, it is advantageous to have a pyramidal tip that is not sharp and flat on the template side.
본 발명에 따른 가공방법은 전체 후면접촉 전지의 제조에 특히 적합하다.The processing method according to the invention is particularly suitable for the manufacture of a full back contact battery.
도 16a 내지 16d는 평면 에피택시얼 기판에서 레이저 가공방법을 이용하여 박막 실리콘 기판이 스스로 지지하는(즉, 전지에 후판 부착이 없음) 후면접촉/후면접합 태양전지를 제조하는 공정흐름을 나타낸다. 이 경우, 에피택시얼 실리콘 베이스의 증착 후 실리콘 에피택시(epitaxy)간 원래 위치에서 에피택시얼 이미터가 증착된다. 실리콘의 융삭은 이후 베이스 분리 영역들로부터 이미터를 제거하는데 이용된다. 동시에, 4개의 기준점(fiducial)이 실리콘 내부로 식각되어 이 패턴에 대한 뒤이은 융삭을 조절한다. 다음으로, 열산화물(thermal oxide)이 성장하여 후면접촉 후면접합 태양전지의 후면이 되는 실리콘 표면을 부동태화 시킨다. 에피택시얼 실리콘 필름은 이후 템플릿으로부터 분리된다(다공질 실리콘 계면으로부터 기계적으로 분리시킴). 다음으로, 잔여 다공질 실리콘층은 습식 식각되고, 표면이 직조된다(양자 모두 알칼리 식각 공정을 이용하여 모두 수행가능함). 이것이 태양전지의 직조된 전면 또는 태양광면(sunnyside)이 된다. 한편, 열산화물은 피코초 UV 레이저에 의해 융삭되어 베이스 분리 영역 내부에 베이스 개구부를 형성한다. 베이스 개구부는 상술한 것과 같이 앞서 실리콘 내에 식각된 기준점들(fiducials)을 이용한 실리콘 식각에 의해 형성된 베이스 분리 영역(트렌치) 내부를 따라 배열된다. 이어서, 다공질 함유 산화물층(PSG)이 표면에 블랭킷(blanket) 증착된다. 실리콘의 기준점들을 이용하여 베이스 개구부를 따라 나노초의 녹색 또는 적외선(IR) 레이저로 스캔하는 것은 베이스가 도핑되도록 한다. 또한, 나노초의 녹색 또는 적외선(IR) 레이저의 일직선 스캔을 이용하는 유사한 방법으로 이미터 접촉 개구부를 가지는 영역이 도핑된다. 다음으로, 이러한 도핑된 베이스 및 이미터 영역에 피코초 UV 레이저를 이용하여 접촉 개구부가 형성된다. 다시, 실리콘의 기준점들을 이용하여 이러한 접촉 개구부들의 배열이 형성된다. 한편, 전지와 접촉하는 제 1층으로서 알루미늄을 포함하는 금속 적층구조가 물리적 증착법(physical vapor deposition, PVD)과 같은 적합한 방법을 이용하여 증착된다. 다음으로, 상기 층이 피코초 적외선(IR) 레이저를 이용하여 패터닝되고 금속 러너(runners)가 분리된 상태로 베이스 및 이미터 영역에 연결된다. 선택적인 기체형성 어닐링(forming-gas anneal, FGA) 후, 전지가 연결되고 임베드된(embedded) 고전도성 연결재(알루미늄(Al) 또는 구리(Cu)) 또는 임베드되지 않은(no embedded) 연결재를 가지는 후판과 함께 강화된다(후자의 경우, 최종 전지 금속 피복은 구리 도금(copper plating) 공정에 의해 형성된다). 그 결과, 전지는 시험되고 이용될 준비가 된다. 도 17은 평면 에피택시얼 기판상에서 레이저 가공방법을 이용하여 에피택시얼 실리콘 베이스가 이미터 층과 함께 증착되지 않은 후면접촉 태양전지를 제조하는 공정흐름을 나타낸다. 그 대신에, 보론 함유 산화물(BSG)층이 증착되고 패터닝되어 베이스 분리영역을 개방시킨다. 도 17에 도시된 공정흐름에 따른 열 산화 공정 간 이미터 및 베이스가 동시에 형성되는 것을 제외하고, 상술한 것과 유사한 공정이 뒤따른다.16A to 16D show a process flow for manufacturing a back contact / back junction solar cell in which a thin film silicon substrate is self-supporting (ie, no back plate is attached to the cell) using a laser processing method on a planar epitaxial substrate. In this case, after the deposition of the epitaxial silicon base, the epitaxial emitter is deposited at the original position between the silicon epitaxy. Abrasion of silicon is then used to remove the emitter from the base isolation regions. At the same time, four fiducials are etched into the silicon to control subsequent ablation for this pattern. Next, a thermal oxide is grown to passivate the silicon surface, which is the backside of the back contact back junction solar cell. The epitaxial silicon film is then separated from the template (mechanically separated from the porous silicon interface). Next, the remaining porous silicon layer is wet etched and the surface is woven (both can be performed using both alkaline etching processes). This is the woven front or sunnyside of the solar cell. On the other hand, the thermal oxide is melted by a picosecond UV laser to form a base opening inside the base separation region. The base opening is arranged along the inside of the base isolation region (trench) formed by silicon etching using fiducials previously etched in silicon as described above. Subsequently, a blanket-containing oxide layer (PSG) is blanket deposited on the surface. Scanning with a nanosecond green or infrared (IR) laser along the base opening using reference points of silicon causes the base to be doped. Also, regions having emitter contact openings are doped in a similar manner using a straight scan of a nanosecond green or infrared (IR) laser. Next, contact openings are formed in these doped base and emitter regions using picosecond UV lasers. Again, an array of such contact openings is formed using the reference points of silicon. On the other hand, a metal laminate structure comprising aluminum as the first layer in contact with the cell is deposited using a suitable method such as physical vapor deposition (PVD). The layer is then patterned using a picosecond infrared (IR) laser and connected to the base and emitter regions with the metal runners separated. After selective forming-gas anneal (FGA), the cells are thick plates with connected and embedded highly conductive connectors (aluminum (Al) or copper (Cu)) or no embedded connectors. Together with the latter (in the latter case, the final cell metal sheath is formed by a copper plating process). As a result, the cell is tested and ready for use. FIG. 17 shows a process flow for fabricating a back contact solar cell in which epitaxial silicon base is not deposited with an emitter layer using a laser processing method on a planar epitaxial substrate. Instead, a boron containing oxide (BSG) layer is deposited and patterned to open the base isolation region. A process similar to that described above follows, except that the emitter and base are simultaneously formed between thermal oxidation processes according to the process flow shown in FIG. 17.
도 18은 에피택시얼 기판상에서 레이저 가공방법을 이용하여 박막 실리콘 기판이 스스로 지지되지 않는 평면 후면접촉/후면접합 태양전지를 제조하는 공정흐름을 나타낸다(따라서, 후판이 이용된다). 이 공정은 인-시츄 도핑된 이미터의 실리콘 융삭을 이용하여 베이스 분리 영역을 형성한다.FIG. 18 shows a process flow for manufacturing a planar back contact / back junction solar cell in which a thin silicon substrate is not supported by itself using a laser processing method on an epitaxial substrate (thus, a thick plate is used). This process utilizes silicon ablation of the in-situ doped emitter to form a base isolation region.
도 19a 내지 19h는 에피택시얼 기판상에서 레이저 가공방법을 이용하여 박막 실리콘 기판이 스스로 지지되지 않는 평면 후면접촉 태양전지를 제조하는데 공정흐름을 나타낸다. 본 공정에서는, 인-시츄 이미터층 대신, BSG 증착 및 선택적인 레이저 융삭 후 열산화(또는 열 어닐링(anneal) 또는 열 산화 어닐링(anneal))가 이용되어 베이스 분리 영역 및 이미터를 형성한다.19A to 19H show a process flow for manufacturing a planar back contact solar cell in which a thin film silicon substrate is not supported by itself using a laser processing method on an epitaxial substrate. In the present process, instead of the in-situ emitter layer, thermal oxidation (or thermal annealing or thermal oxidation annealing) after BSG deposition and selective laser ablation is used to form the base isolation region and emitter.
도 20은 후면접촉 3차원 태양전지를 제조하는 공정흐름을 나타내고, 비교적 첨단점(sharp point)인 피라미드형 끝단의 템플릿 측부를 가지는 것이 유리하다. 3차원 박막 실리콘 기판은 비교적 낮은 두께(즉, 실리콘 두께 약 25㎛)에서 스스로 지지될 수 있기 때문에, 상기 공정흐름은 도 16에 나타난 것과 유사하다. 인-시츄 이미터 후 실리콘의 레이저 융삭, 또는 BSG 증착 및 선택적인 레이저 융삭 후 열산화(또는 열 어닐링(anneal) 또는 열 산화 어닐링(anneal))를 택일적으로 이용할 수 있음은 자명하다. 20 shows a process flow for manufacturing a back contact three dimensional solar cell, advantageously having a template side of a pyramidal end that is relatively sharp. Since the three-dimensional thin film silicon substrate can be supported by itself at a relatively low thickness (i.e., about 25 mu m of silicon thickness), the process flow is similar to that shown in FIG. It is apparent that laser ablation of silicon after in-situ emitter, or thermal oxidation (or thermal annealing or thermal oxidation annealing) alternatively after BSG deposition and selective laser ablation, may alternatively be used.
이종접합 태양전지에 적용하기 위해, 도핑된 결정질 실리콘 베이스와 역으로 접촉하고 있는 도핑된 비정질 실리콘층에 의해 이종접합 이미터가 형성될 수 있다. 교차 후면접촉 태양전지에 있어서, 결정질 층에 대하여 선택적인 레이저 융삭을 이용하여 비정질 실리콘층 및 투명 전도성 산화물(transparent conducting oxide, TCO)을 패터닝한다. 이 경우 UV 또는 녹색 파장을 가지는 펨토초 펄스폭 레이저가 적합하다. 공정흐름은 도 21에 개시된다. 이 공정흐름의 변형도 가능하다. For application in heterojunction solar cells, the heterojunction emitter may be formed by a doped amorphous silicon layer in reverse contact with the doped crystalline silicon base. In cross back contact solar cells, the amorphous silicon layer and the transparent conducting oxide (TCO) are patterned using laser ablation selective to the crystalline layer. In this case femtosecond pulse width lasers with UV or green wavelengths are suitable. The process flow is disclosed in FIG. Modifications of this process flow are also possible.
본 발명의 다양한 실시예 및 방법은 적어도 다음의 측면을 포함한다: 결정질 및 비정질 실리콘의 무손상 실리콘 융삭을 얻기 위한 공정; 실리콘에 손상을 가하지 않는 도핑된 및 도핑되지 않은 산화물에 있어서 산화물 융삭을 얻기 위한 공정; 태양전지 금속 피복의 유전성 표면 상에서 완전 분리 금속 패턴을 얻기 위한 공정; 이미터 및 베이스 접촉 영역들을 선택적으로 도핑하기 위한 공정; 평면 및 3차원 실리콘 기판을 포함하는 박형 웨이퍼에서 펄스 레이저 가공방법의 이용; 템플릿 예비조립 기술을 이용하여 제조되는 재사용가능한 템플릿 상의 에피택시얼 증착을 이용하여 얻어지는 기판에서 펄스 레이저 가공방법의 이용; 전면접촉 동종접합 태양전지를 제조하는데 있어 다양한 펄스 레이저 가공방법의 이용; 전체 후면접촉 동종접합 태양전지를 제조하는데 있어 다양한 펄스 레이저 가공방법의 이용; 및 이종접합 태양전지를 제조하는데 있어 다양한 펄스레이저 가공방법의 이용.Various embodiments and methods of the present invention include at least the following aspects: a process for obtaining intact silicon ablation of crystalline and amorphous silicon; To obtain oxide ablation for doped and undoped oxides that do not damage silicon; A process for obtaining a fully separated metal pattern on the dielectric surface of the solar cell metal coating; Selectively doping the emitter and base contact regions; The use of a pulsed laser processing method on thin wafers comprising planar and three-dimensional silicon substrates; The use of pulsed laser processing on substrates obtained using epitaxial deposition on reusable templates made using template preassembly techniques; The use of various pulsed laser processing methods for fabricating front contact homojunction solar cells; The use of various pulsed laser processing methods to fabricate all back contact homojunction solar cells; And the use of various pulsed laser processing methods in the production of heterojunction solar cells.
상기 전면접촉 태양전지가 p-형 베이스와 함께 기재되어 있고, 후면접촉 후면접합 태양전지가 n-형 베이스와 함께 기재되어 있으나, 본 발명에 따른 레이저 가공방법은 역으로 도핑된 기판(즉, p+ 이미터를 가지는 전면접촉 태양전지의 n-형, 및 p-형 베이스 및 n+ 이미터를 가지는 후면접촉 후면접합 태양전지의 p-형 베이스)에도 동등하게 적합하다. Although the front contact solar cell is described with a p-type base and the back contact back junction solar cell is described with an n-type base, the laser processing method according to the present invention is a reversely doped substrate (ie, p Equally suitable for n-type of front contact solar cells with + emitters, and p-type bases for p-type bases and back contact back junction solar cells with n + emitters).
당해 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명에 따른 실시예들이, 상술한 특정한 실시예들 뿐만 아니라 넓고 다양한 영역에 대한 적합성을 가진다는 것을 인지할 수 있을 것이다. Those skilled in the art will recognize that the embodiments according to the present invention are suitable for a wide variety of areas as well as the specific embodiments described above.
상술한 바람직한 실시예들에 관한 기재는 당해 기술분야의 통상의 기술자로 하여금 특허청구범위에 기재된 발명의 기술사항을 실시하거나 이용할 수 있도록 하기 위해 제공된다. 상기 실시예들에 대한 다양한 변형이 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하고, 본 명세서에서 정의된 일반적인 원리는 창의적인 능력없이도 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 따라서, 특허청구범위에 기재된 발명의 기술사항은 본 명세서에 나타난 실시예들에 제한되는 것이 아니고, 기재된 원리 및 신규한 특징들과 일치하는 범위에서 최광의로 해석되어야 한다.The above description of the preferred embodiments is provided to enable any person skilled in the art to make or use the technical details of the invention described in the claims. Various modifications to the above embodiments will be apparent to those skilled in the art, and the general principles defined herein may be applied to other embodiments without creative abilities. Accordingly, the technical details of the invention described in the claims should not be limited to the embodiments shown herein, but should be construed broadly in the scope consistent with the described principles and novel features.
본 명세서에 포함되는 모든 부가적인 시스템, 방법, 특징부, 및 장점들은 특허청구범위의 권리범위 내인 것으로 이해되어야 한다.All additional systems, methods, features, and advantages included herein are to be understood as being within the scope of the claims.
Claims (18)
상기 박형 결정질 실리콘 기판에 베이스 분리 영역들(base isolation regions)을 형성하는 단계;
상기 박형 결정질 실리콘 기판 상에서 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 알루미늄 산화물, 실리콘 산화질화물, 및 실리콘 카바이드로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 펄스 레이저 융삭(pulsed laser ablation, PLA)하여 베이스 개구부(base opening)를 형성하는 단계;
베이스 영역들(base regions)을 선택적으로 도핑(dopping)하는 단계;
이미터 영역들(emitter regions)을 선택적으로 도핑(dopping)하는 단계;
상기 베이스 영역들 및 상기 이미터 영역들의 접촉부를 형성하는 단계;
상기 베이스 영역들 및 상기 이미터 영역들 상에 금속 피복(metallization)을 형성하는 단계; 및
상기 금속 피복의 일정 부분을 펄스 레이저 융삭(pulsed laser ablation, PLA)하여 상기 베이스 영역들에 연결된 제 1 금속 배선들 및 상기 이미터 영역에 연결된 제 2 금속 배선들을 형성하는 단계를 포함하는 박형 결정질 실리콘 기판의 가공방법.Providing a thin crystalline silicon substrate having a substrate thickness in the range of 1 μm to 100 μm, suitable for all back-contact back-junction solar cells;
Forming base isolation regions in the thin crystalline silicon substrate;
Forming a base opening by pulse laser ablation (PLA) of a material selected from the group consisting of silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, silicon oxynitride, and silicon carbide on the thin crystalline silicon substrate ;
Selectively doping base regions;
Selectively doping emitter regions;
Forming a contact of the base regions and the emitter regions;
Forming a metallization on the base regions and the emitter regions; And
Thin crystalline silicon comprising pulsed laser ablation (PLA) of a portion of the metal sheath to form first metal interconnects connected to the base regions and second metal interconnects coupled to the emitter region. Substrate processing method.
상기 금속 피복의 일정 부분을 펄스 레이저 융삭하는 단계는 상기 박형 결정질 실리콘 기판의 산화물 융삭 임계치 이하에서 수행되는, 방법.The method of claim 1,
Pulse laser ablation of a portion of the metal cladding is performed below an oxide ablation threshold of the thin crystalline silicon substrate.
상기 금속 피복의 일정 부분을 펄스 레이저 융삭하는 단계는 상기 박형 결정질 실리콘 기판의 산화물 융삭 임계치 이상에서 수행되어 상기 금속 피복을 단일 경로(single-pass)로 융삭하는, 방법.The method of claim 1,
Pulse laser ablation of a portion of the metallization is performed above an oxide ablation threshold of the thin crystalline silicon substrate to fuse the metallization in a single-pass.
상기 금속 피복은 반사형 금속 피복을 포함하고, 상기 금속 피복의 일정 부분을 펄스 레이저 융삭하는 단계는, 10 나노초 내지 800 나노초의 펄스폭을 가지는 제 1 레이저로 융삭한 다음, 700 나노초 이하의 펄스폭을 가지는 제 2 레이저로 융삭하는 단계를 포함하는, 방법.The method of claim 3, wherein
The metallization includes a reflective metallization, and pulse laser ablation of a portion of the metallization may be performed with a first laser having a pulse width of 10 nanoseconds to 800 nanoseconds, followed by a pulse width of 700 nanoseconds or less. Grinding with a second laser having a.
상기 박형 결정질 실리콘 기판에 베이스 분리 영역을 형성하는 단계는 레이저 실리콘 융삭 가공에 의해 수행되고, 800nm 이하의 파장 및 100 피코초 이하의 펄스폭을 가지는 펄스 레이저를 이용하는, 방법.The method of claim 1,
Forming the base isolation region in the thin crystalline silicon substrate is performed by laser silicon ablation, using a pulse laser having a wavelength of 800 nm or less and a pulse width of 100 picoseconds or less.
상기 파장은 355 nm 이하인, 방법.The method of claim 5, wherein
The wavelength is 355 nm or less.
상기 펄스폭은 20 피코초 이하인, 방법.The method of claim 5, wherein
And the pulse width is less than 20 picoseconds.
상기 박형 결정질 실리콘 기판에 베이스 분리 영역을 형성하는 단계는 증착된 붕규산염 유리층의 펄스 레이저 융삭에 의해 수행되는, 방법.The method of claim 1,
Forming a base isolation region in the thin crystalline silicon substrate is performed by pulse laser ablation of the deposited borosilicate glass layer.
상기 금속 피복은 제 1 금속, 제 2 금속, 및 제 3 금속의 적층 구조를 포함하고, 상기 제 3 금속은 적어도 주석(tin)을 포함하는 저융점 땜납(solder) 원소를 포함하는, 방법.The method of claim 1,
The metal coating comprises a laminated structure of a first metal, a second metal, and a third metal, the third metal comprising a low melting solder element comprising at least tin.
상기 제 1 금속은 알루미늄을 포함하는, 방법.The method of claim 9,
And the first metal comprises aluminum.
상기 알루미늄의 두께는 1,000 Å 내지 10,000 Å 인, 방법.11. The method of claim 10,
And the thickness of the aluminum is 1,000 kPa to 10,000 kPa.
상기 제 2 금속은 니켈, 니켈-바나듐, 및 코발트로 이루어진 군으로부터 선택되는, 방법.The method of claim 9,
And said second metal is selected from the group consisting of nickel, nickel-vanadium, and cobalt.
상기 제 2 금속의 두께는 100 Å 내지 1,500 Å 인, 방법.The method of claim 9,
And the thickness of the second metal is between 100 kPa and 1,500 kPa.
상기 땜납은 주석 땜납, 주석-납 땜납, 주석-비스무트(bismuth) 땜납, 및 주석-은 땜납으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 방법.The method of claim 11,
The solder is selected from the group consisting of tin solder, tin-lead solder, tin-bismuth solder, and tin-silver solder.
상기 땜납의 두께는 5,000 Å 이하인, 방법.13. The method of claim 12,
And the thickness of the solder is 5,000 kPa or less.
상기 박형 결정질 실리콘 기판에 베이스 분리 영역(base isolation region)들을 형성하는 단계;
상기 박형 결정질 실리콘 기판 상에서 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 알루미늄 산화물, 실리콘 산화질화물, 및 실리콘 카바이드로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 펄스 레이저 융삭(pulsed laser ablation, PLA)하여 베이스 개구부(base opening)를 형성하는 단계;
레이저 도핑 공정에 의해 이미터 영역(emitter region)을 선택적으로 도핑(dopping)하는 단계;
베이스 영역들 및 이미터 영역들의 접촉부를 형성하는 단계; 및
분리된 후면 금속 접촉부를 형성하기 위해 선택적으로 실리콘 산화물을 융삭하는 단계를 포함하는 박형 결정질 실리콘 기판의 가공방법.Providing a thin crystalline silicon substrate having a substrate thickness in the range of 1 μm to 100 μm, suitable for front contact solar cells;
Forming base isolation regions in the thin crystalline silicon substrate;
Forming a base opening by pulse laser ablation (PLA) of a material selected from the group consisting of silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, silicon oxynitride, and silicon carbide on the thin crystalline silicon substrate ;
Selectively doping the emitter region by a laser doping process;
Forming a contact of the base regions and the emitter regions; And
Selectively grinding silicon oxide to form separate backside metal contacts.
700 펨토초 이하의 펄스폭 및 1.06㎛ 이하의 파장을 가지는 펄스 레이저에 의해 상기 투명 전도성 산화물층 및 상기 도핑된 비정질 실리콘층의 일부를 선택적으로 융삭하는 단계;
상기 박형 결정질 실리콘 기판 상에서 베이스 및 이미터를 분리시키기 위해 도핑되지 않은(undoped) 비정질 실리콘층을 형성하는 단계;
700 펨토초 이하의 펄스폭 및 1.06㎛ 이하의 파장을 가지는 상기 레이저에 의해 상기 도핑되지 않은 비정질 실리콘층의 일부를 선택적으로 융삭하는 단계; 및
상기 박형 결정질 실리콘 기판 상에서 이미터 영역 및 베이스 영역을 접촉시키기 위해 산화물을 펄스 레이저 융삭하는 단계를 포함하는 박형 결정질 실리콘 기판의 가공방법.In providing a thin crystalline silicon substrate having a substrate thickness in the range of 1 μm to 100 μm, suitable for hetero-junction solar cells, the thin crystalline silicon substrate is at least oppositely doped. A doped amorphous silicon layer in contact with the crystalline silicon base and a transparent conductive oxide layer on the doped amorphous silicon layer;
Selectively grinding the transparent conductive oxide layer and a portion of the doped amorphous silicon layer by a pulse laser having a pulse width of 700 femtoseconds or less and a wavelength of 1.06 μm or less;
Forming an undoped amorphous silicon layer on the thin crystalline silicon substrate to separate the base and the emitter;
Selectively grinding a portion of the undoped amorphous silicon layer by the laser having a pulse width of 700 femtoseconds or less and a wavelength of 1.06 μm or less; And
Pulse laser ablation of an oxide to contact an emitter region and a base region on said thin crystalline silicon substrate.
상기 레이저의 파장은 532nm 이하인, 방법.The method of claim 17,
Wherein the wavelength of the laser is 532 nm or less.
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