JP5745598B2 - Surface treatment method for solar cell substrate - Google Patents
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Description
本発明は太陽電池用基板の表面処理方法に関する。より詳しくは、基板の格子構造の種類や品質に関係なく効率的に表面構造化が可能な太陽電池用基板の表面処理方法に関する。 The present invention relates to a surface treatment method for a solar cell substrate. More specifically, the present invention relates to a method for treating the surface of a solar cell substrate, which can be efficiently structured regardless of the type and quality of the lattice structure of the substrate.
最近、石油や石炭のような既存エネルギー資源の枯渇が予想されることにより、これらを代替する代替エネルギーに対する関心が高まっている。その中でも太陽電池は、太陽光エネルギーを直接電気エネルギーに変化させる半導体素子を用いた次世代電池として脚光を浴びている。太陽電池は、シリコン太陽電池(silicon solar cell)、化合物半導体太陽電池(compound semiconductor solar cell)および積層型太陽電池(tandem solar cell)に大きく区分される。 Recently, due to the anticipated depletion of existing energy resources such as oil and coal, there is increasing interest in alternative energy alternatives. Among them, the solar cell is in the spotlight as a next-generation battery using a semiconductor element that directly converts solar energy into electric energy. The solar cell is roughly classified into a silicon solar cell, a compound semiconductor solar cell, and a stacked solar cell.
一方、現在量産されている大部分の太陽電池であるシリコン系太陽電池は半導体基板としてシリコンを使用し、シリコンは間接バンド間遷移半導体(indirect interband transition semiconductor)として、シリコンのバンドギャップ以上のエネルギーを有する光のみが電子−正孔対を発生させることができ、光の吸収率は低い方である。したがってシリコン系太陽電池は、太陽電池の内部に入射される光の中の30%以上を基板であるシリコンウエハーの表面で反射させるので、太陽電池の効率が低下する。 On the other hand, silicon solar cells, which are the majority of solar cells currently mass-produced, use silicon as a semiconductor substrate, and silicon uses an indirect interband transition semiconductor as an energy that exceeds the band gap of silicon. Only the light it has can generate electron-hole pairs, and the light absorptance is lower. Accordingly, silicon-based solar cells reflect 30% or more of the light incident on the inside of the solar cell on the surface of the silicon wafer that is the substrate, so that the efficiency of the solar cell is reduced.
このような光学的損失を低減するために、シリコン太陽電池では表面処理(texturing)方法を使用する。表面処理方法ではできる限り多量の光エネルギーをウエハー基板の内部に吸収させるために、シリコン太陽電池のシリコン基板の表面に凹凸を形成させることによって表面粗度を高める。最初の光が到達して傾いたピラミッド壁にぶつかると、一部は吸収され一部は反射されて戻るようになり、この時戻る光を周辺にある他のピラミッド壁に続けてぶつかるようにすることによって光吸収量が増加するようにする。このようにしてピラミッド構造によって光吸収量が増加し、その結果セル効率の向上を得ることができる。したがって表面処理方法によってシリコン太陽電池基板を製造すれば、太陽電池の表面反射の低減、キャリア収集効果の向上および太陽電池の内部反射による光閉じ込め効果を実現することができる。 In order to reduce such optical loss, a surface treatment method is used in silicon solar cells. In the surface treatment method, in order to absorb as much light energy as possible inside the wafer substrate, the surface roughness is increased by forming irregularities on the surface of the silicon substrate of the silicon solar cell. When the first light reaches and strikes a tilted pyramid wall, some will be absorbed and some will be reflected back, allowing the returning light to continue to hit other surrounding pyramid walls As a result, the amount of light absorption is increased. In this way, the amount of light absorption is increased by the pyramid structure, and as a result, the cell efficiency can be improved. Therefore, if a silicon solar cell substrate is manufactured by the surface treatment method, the surface reflection of the solar cell can be reduced, the carrier collection effect can be improved, and the light confinement effect by the internal reflection of the solar cell can be realized.
表面処理方法としては大きく分けて、酸性またはアルカリ性溶液を使用する湿式表面処理と、反応性イオンガスを使用する乾式表面処理と、の2種類の方式がある。湿式表面処理にはアルカリ溶液または酸性溶液を使用し、アルカリ溶液は単結晶ウエハーに適し、酸性溶液は多結晶ウエハーの表面処理に適する。また、乾式表面処理は反応性イオンガスを使用し、多結晶ウエハーに適する。 Surface treatment methods can be broadly divided into two types: wet surface treatment using an acidic or alkaline solution and dry surface treatment using a reactive ion gas. An alkaline solution or an acidic solution is used for the wet surface treatment. The alkaline solution is suitable for a single crystal wafer, and the acidic solution is suitable for a surface treatment of a polycrystalline wafer. The dry surface treatment uses a reactive ion gas and is suitable for a polycrystalline wafer.
一方、最近は、工程が簡単で一度に多量に作ることができ、価格競争力の高い擬似単結晶基板を太陽電池の製造に利用する方法が開発されている。 On the other hand, recently, a method has been developed in which a quasi-single crystal substrate that has a simple process, can be produced in a large amount at once, and has high price competitiveness, is used for manufacturing a solar cell.
前記擬似単結晶シリコンについては、例えば米国公開第20100193031号、ヨーロッパ特許第0748884号などに種結晶(seed)を利用して擬似単結晶シリコンを成長させる方法が開示されている。 As for the pseudo single crystal silicon, for example, US Publication No. 201100193031, European Patent No. 0748884, etc. disclose a method of growing pseudo single crystal silicon by using a seed crystal.
擬似単結晶シリコンは成長方法によって単結晶と多結晶の領域を共に含んでいるため、全ての領域を均一に表面処理するのは難しい。したがって擬似単結晶シリコンを太陽電池用に開発するためには、基板の光吸収を最大にするための表面処理技法に対する研究が必要である。 Since pseudo single crystal silicon includes both single crystal and polycrystalline regions depending on the growth method, it is difficult to uniformly treat all the regions. Therefore, in order to develop pseudo single crystal silicon for solar cells, research on surface treatment techniques to maximize the light absorption of the substrate is required.
前記のような問題点を解決するために、本発明は、太陽電池用基板、特に擬似単結晶基板に対して結晶の種類および方向性に関係なく効果的に表面処理する方法を提供することを目的とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a method for effectively surface-treating a substrate for a solar cell, particularly a pseudo single crystal substrate, regardless of the type and orientation of crystals. Objective.
前記の目的を達成するために、本発明は、太陽電池用基板に対して第1湿式エッチングを遂行する段階と、反応性イオンエッチング(reactive ion etching)を遂行する段階と、第2湿式エッチングを遂行する段階と、を含む太陽電池用基板の表面処理方法を提供する。 To achieve the above object, the present invention includes performing a first wet etching on a solar cell substrate, performing a reactive ion etching, and a second wet etching. A surface treatment method for a solar cell substrate, comprising: performing the method.
本発明によれば、太陽電池用基板を効果的に表面処理することによって反射度を低くして光吸収率を増加させ、高効率の太陽電池を製造することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, a solar cell substrate can be effectively surface-treated, a reflectance can be made low and a light absorption rate can be increased, and a highly efficient solar cell can be manufactured.
また、結晶性により様々な種類に分けられる擬似単結晶基板の種類にかかわらず一つの技法のみで均一な表面処理が遂行できるので、工程の簡素化および費用節減を実現することができる。 In addition, since a uniform surface treatment can be performed with only one technique regardless of the types of pseudo single crystal substrates that are divided into various types depending on crystallinity, the process can be simplified and the cost can be reduced.
本発明の表面処理方法は、
太陽電池用基板に対して第1湿式エッチングを遂行する段階と、
反応性イオンエッチング(reactive ion etching)を遂行する段階と、
第2湿式エッチングを遂行する段階と、を含む。
The surface treatment method of the present invention comprises:
Performing a first wet etch on a solar cell substrate;
Performing reactive ion etching; and
Performing a second wet etch.
本発明において、第1、第2などの用語は多様な構成要素を説明することに使用され、上記用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的としてのみ使用される。 In the present invention, terms such as first and second are used to describe various components, and the above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from other components.
また、本明細書で使用される用語は単に例示的な実施例を説明するために使用されただけであり、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は文脈上明白に異なって意味しない限り、複数の表現を含む。本明細書で、“含む”、“備える”または“有する”などの用語は、実施された特徴、数字、段階、構成要素またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであって、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、構成要素、またはこれらを組み合わせたものの存在または付加の可能性を予め排除しないと理解されなければならない。 Also, the terminology used herein is merely used to describe illustrative examples and is not intended to limit the invention. The singular form includes the plural form unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as “comprising”, “comprising” or “having” are intended to indicate that there is a feature, number, step, component, or combination thereof implemented. Thus, it should be understood that the existence or addition of one or more other features or numbers, steps, components, or combinations thereof is not excluded in advance.
また本発明において、各層または要素が各層または要素の“上に”または“の上に”形成されると言及される場合には、各層または要素が直接各層または要素の上に形成されることを意味するか、他の層または要素が各層の間、対象体、基材上に追加的に形成され得ることを意味する。 Also, in the present invention, when it is mentioned that each layer or element is formed “on” or “on” each layer or element, each layer or element is directly formed on each layer or element. It means that other layers or elements can additionally be formed on the object, substrate between each layer.
本発明は多様な変更を加えることができ、様々な形態を有することができるところ、特定の実施例を例示し、下記で詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の開示形態に限定するのではなく、本発明の思想および技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むと理解されなければならない。 While the invention is amenable to various modifications and alternative forms, specific embodiments have been illustrated and described in detail below. However, this should not be construed as limiting the invention to the specific forms disclosed, but should be understood to include all modifications, equivalents or alternatives that fall within the spirit and scope of the invention.
以下、図面を参照して本発明の太陽電池用基板の表面処理方法を詳細に説明する。 Hereinafter, a surface treatment method for a solar cell substrate of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
太陽電池用半導体で要求される基板は、純度、基板の準備に使用される技術の精密度などにより、品質および価格面で多くの差がある。主に要求される条件には、不純物の濃度を最少化する高純度、結晶欠陥を最小化した高品質、大量生産が可能な低価格などがあり、これらが太陽電池の量産を決定する最も重要な部分である。このような傾向により、最近開発された基板には単結晶と多結晶の形態を共に有している擬似単結晶基板(mono−like multi wafer、MLM wafer)がある。 Substrates required for semiconductors for solar cells have many differences in quality and price due to purity, precision of technology used for substrate preparation, and the like. The main requirements are high purity that minimizes the concentration of impurities, high quality that minimizes crystal defects, and low price that enables mass production. These are the most important factors that determine mass production of solar cells. It is an important part. Due to such a tendency, recently developed substrates include a quasi-single crystal substrate (MLM wafer) having both single crystal and polycrystal forms.
擬似単結晶基板は単結晶と多結晶の長所を結合したもので、多結晶インゴット成長法などを活用して生産する。通常、多結晶インゴット成長法の一つである熱交換法(HEM・Heat Exchange Method)を活用して単結晶インゴットを作って、高効率太陽電池を生産するのに用いることができる。多結晶インゴット成長法は工程が簡単で一度に多量に作ることができ、価格競争力が高いという特性があるため、最近では太陽電池用基板として活用するために開発が行われている。 The pseudo single crystal substrate combines the advantages of single crystal and polycrystal, and is produced using the polycrystalline ingot growth method. Usually, a single crystal ingot can be made by using a heat exchange method (HEM / Heat Exchange Method), which is one of polycrystalline ingot growth methods, and can be used to produce a high-efficiency solar cell. The polycrystalline ingot growth method has a characteristic that it is simple in process, can be produced in large quantities at once, and has a high price competitiveness, and has recently been developed for use as a substrate for solar cells.
一方、太陽電池の光吸収を高めるために、基板の表面をテクスチャリング(texturing、“表面構造化”または“表面処理”とも称する)するという工程が遂行される。テクスチャリングによって太陽電池基板を製造すれば、太陽電池の表面反射の低減、キャリア収集効果の向上および太陽電池の内部反射による光閉じ込め効果を実現することができる。 On the other hand, in order to enhance the light absorption of the solar cell, a process of texturing (also referred to as texturing, “surface structuring” or “surface treatment”) is performed. If a solar cell substrate is manufactured by texturing, the surface reflection of the solar cell can be reduced, the carrier collection effect can be improved, and the light confinement effect due to the internal reflection of the solar cell can be realized.
単結晶基板は、全体的に一貫した一つの結晶方位を有する単一結晶の基板を言い、前記単結晶基板の場合、NaOHやKOHのような塩基性溶液で基板の表面をテクスチャリング(texturing)する非等方性エッチングが効果的である。 A single crystal substrate refers to a single crystal substrate having a single crystal orientation that is consistent throughout, and in the case of the single crystal substrate, the surface of the substrate is textured with a basic solution such as NaOH or KOH. Anisotropic etching is effective.
反面、多結晶基板は多数の無作為に配向された結晶が基板の本体内にある結晶基板を言い、前記多結晶基板の場合は結晶の方向が一定でないため、塩基よりは酸溶液を用いた等方性エッチングがより効果的である。 On the other hand, a polycrystalline substrate refers to a crystalline substrate in which a number of randomly oriented crystals are within the body of the substrate. In the case of the polycrystalline substrate, the direction of the crystal is not constant, so an acid solution was used rather than a base. Isotropic etching is more effective.
図1は単結晶基板および多結晶基板に対して湿式表面処理した結果を、走査電子顕微鏡を用いて5,000倍に拡大して撮影した写真である。 FIG. 1 is a photograph obtained by enlarging a result of wet surface treatment on a single crystal substrate and a polycrystalline substrate at 5,000 times using a scanning electron microscope.
図1で、左側写真は単結晶基板に対して塩基性溶液で湿式表面処理した写真であり、右側写真は多結晶基板に対して酸性溶液で湿式表面処理した写真を示す。図1を参照すれば、単結晶基板および多結晶基板は、結晶の特徴によってそれぞれの形態は異なるが、単一基板内で均一なエッチング形態を示すことが分かる。 In FIG. 1, the left photograph is a photograph obtained by wet surface treatment with a basic solution on a single crystal substrate, and the right photograph is a photograph obtained by wet surface treatment with an acidic solution on a polycrystalline substrate. Referring to FIG. 1, it can be seen that the single crystal substrate and the polycrystalline substrate have a uniform etching pattern within a single substrate, although their forms differ depending on the crystal characteristics.
しかし、擬似単結晶基板は成長方法および条件によって100%単結晶の基板、単結晶と多結晶の領域が混ざった基板、および100%多結晶の基板に分けられ、多くの場合単結晶と多結晶の領域を共に含んでいるため、全ての領域を均一に表面処理し難い。 However, the pseudo single crystal substrate is divided into a 100% single crystal substrate, a substrate in which a single crystal and a polycrystalline region are mixed, and a 100% polycrystalline substrate depending on the growth method and conditions. Therefore, it is difficult to uniformly treat the entire surface.
図2は多様な品質(grade)の基板を示す図面である。 FIG. 2 is a diagram illustrating substrates of various grades.
図2を参照すれば、左側から100%単結晶の基板(Mono wafer)、単結晶と多結晶の領域が混ざった擬似単結晶基板(MLM wafer grade A、B)、および100%多結晶の基板(Multi wafer)など多様な品質で存在することが分かる。 Referring to FIG. 2, a 100% single crystal substrate (Mono wafer) from the left side, a pseudo single crystal substrate (MLM wafer grade A, B) in which a single crystal and a polycrystalline region are mixed, and a 100% polycrystalline substrate. It can be seen that it exists in various qualities such as (Multiwafer).
一般に擬似単結晶基板は単結晶(mono)の領域が占める比率により、単結晶の領域が占める比率が90%以上であるものをグレードA(品質A)、70%以上であるものをグレードB(品質B)、25%以上であるものをグレードC(品質C)として三つの等級に分類することができる。 In general, according to the ratio of the monocrystalline region, the pseudo single crystal substrate is grade A (quality A) in which the proportion of the single crystal region is 90% or more, and grade B (70% or more). Quality B), which is 25% or more, can be classified into three grades as grade C (quality C).
一般にグレードA(品質A)の擬似単結晶基板の場合、ほとんど単結晶ウエハーと同一で、塩基性溶液を用いてエッチングができる。しかし、それより低級の基板、即ち、グレードB(品質B)またはCの基板では単結晶と多結晶の領域をそれぞれ複数含んでいるため、塩基性または酸性溶液の処理時に最適のテクスチャーを実現することに困難がある。 In general, a grade A (quality A) pseudo single crystal substrate is almost the same as a single crystal wafer and can be etched using a basic solution. However, a lower substrate, that is, a grade B (quality B) or C substrate contains a plurality of single crystal regions and polycrystalline regions, respectively, so that an optimum texture is realized when a basic or acidic solution is processed. There are difficulties.
図3は擬似単結晶基板に対してそれぞれ塩基性溶液と酸性溶液とで表面処理した結果を、顕微鏡を用いて撮影した写真である。図3で、左側写真は擬似単結晶基板に対して塩基性溶液で表面処理した写真であり、右側写真は擬似単結晶基板に対して酸性溶液で表面処理した写真を示す。 FIG. 3 is a photograph of the result of surface treatment of the pseudo single crystal substrate with a basic solution and an acidic solution, respectively, using a microscope. In FIG. 3, the left photograph is a photograph of the pseudo single crystal substrate surface-treated with a basic solution, and the right photograph is a photograph of the pseudo single crystal substrate surface treated with an acidic solution.
擬似単結晶基板に対して塩基性溶液で表面組織化を遂行する場合、単結晶領域は結晶の方向が同一であるために低い反射率を有する微細ピラミッド構造にエッチングが行われるが、多結晶領域は結晶の方向が多様であるために単結晶と異なるエッチング形態を示す。このような単結晶と多結晶の不均一な表面組織化によって、図3の左側写真のように、紅葉の葉のような形状のメイプルシェイプ(maple−shape)現象が発生することを確認することができる。このような現象は商品価値を落とす原因になるために適さない。 When performing surface organization with a basic solution on a quasi-single crystal substrate, the single crystal region is etched in a fine pyramid structure with low reflectivity because the crystal direction is the same, but the polycrystalline region Shows a different etching form from that of a single crystal due to various crystal directions. Confirm that the maple-shaped phenomenon like the leaves of autumn leaves occurs due to such non-uniform surface organization of single crystal and polycrystal as shown in the left picture of FIG. Can do. Such a phenomenon is not suitable because it causes a drop in commercial value.
反面、酸性溶液で表面組織化を遂行する場合、結晶の方向と関係なく同一なエッチング速度でランダムな形状のピラミッド(random pyramid)を形成するため、図3の右側写真のようにメイプルシェイプ(maple−shape)は発生しない。しかし、酸性溶液によって表面組織化した基板は、塩基性溶液によって表面組織化した基板に比べて高い反射度を示す。したがって、酸性溶液による表面組織化も適さない。 On the other hand, when surface organization is performed with an acidic solution, a random pyramid is formed at the same etching rate regardless of the crystal direction. -Shape) does not occur. However, a substrate whose surface is structured with an acidic solution exhibits a higher reflectivity than a substrate whose surface is structured with a basic solution. Therefore, surface organization with an acidic solution is not suitable.
本発明の表面処理方法によれば、基板表面の単結晶領域または多結晶領域のような格子構造にかかわらず表面組織化が可能である。したがって、均一な表面組織化を実現して、格子構造によって表面組織化が異なって現れる現象としてメイプルシェイプ(maple−shape)が発生する問題を解決することができ、これによりメイプルシェイプ(maple−shape)の発生によって商品価値が落ちるのを防止することができる。また、工程手続が簡単であって工程時間および費用を節減できる長所がある。 According to the surface treatment method of the present invention, surface organization is possible regardless of a lattice structure such as a single crystal region or a polycrystalline region on the substrate surface. Therefore, it is possible to realize a uniform surface organization and solve the problem of maple shape as a phenomenon in which the surface organization is different depending on the lattice structure, whereby the maple shape (maple shape) can be solved. ) Can prevent the product value from falling. In addition, the process procedure is simple and the process time and cost can be saved.
本発明の表面処理方法において、表面処理の対象になる太陽電池用基板は擬似単結晶基板であり得る。前記擬似単結晶基板は前述のように、単結晶基板であるか、単結晶と多結晶の領域が混ざった基板であるか、または多結晶基板であり得、多様な品質(grade)の基板であり得る。本発明の表面処理方法によれば、基板の種類や品質(grade)に関係なく工程を適用することができる。したがって、相対的に価格が低い低級品質(grade)の基板を使用しても、高級品質(grade)の基板を使用した場合に準ずる表面処理結果を得ることができ、生産費用を顕著に節減することができる。 In the surface treatment method of the present invention, the solar cell substrate to be subjected to the surface treatment may be a pseudo single crystal substrate. As described above, the pseudo single crystal substrate may be a single crystal substrate, a substrate in which a single crystal and a polycrystalline region are mixed, or a polycrystalline substrate, and may be a substrate of various grades. possible. According to the surface treatment method of the present invention, the process can be applied regardless of the type and quality of the substrate. Therefore, even if a low-quality substrate with a relatively low price is used, a surface treatment result equivalent to that when a high-quality substrate is used can be obtained, and production costs are significantly reduced. be able to.
本発明の一実施形態によれば、前記太陽電池用基板は例えばp型導電性タイプのシリコンからなる基板であり得る。前記太陽電池用基板がp型の導電性タイプを有する場合、ホウ素(B)、ガリウム、インジウムなどのような3価元素の不純物を含有する。 According to an embodiment of the present invention, the solar cell substrate may be a substrate made of, for example, p-type conductivity type silicon. When the solar cell substrate has a p-type conductivity type, it contains impurities of trivalent elements such as boron (B), gallium, indium and the like.
または、前記太陽電池用基板はn型導電性タイプのシリコンからなる基板であり得る。前記太陽電池用基板がn型の導電性タイプを有する場合、リン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)などのように5価元素の不純物を含有することができる。 Alternatively, the solar cell substrate may be a substrate made of n-type conductivity type silicon. When the solar cell substrate has an n-type conductivity type, a pentavalent element such as phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), or the like can be contained.
前記のような太陽電池用基板に対して先ず、第1湿式エッチング(wet etching)を遂行する。 First, a first wet etching is performed on the solar cell substrate.
前記第1湿式エッチング工程によって切断ダメージ除去(sawing damage removal)および基板表面に対する第1テクスチャリング(texturing)を同時に達成することができる。前記切断ダメージ除去は基板の切削による欠陥を除去し、表面に形成された酸化膜を除去する工程である。 The first wet etching process can simultaneously achieve sawing damage removal and first texturing on the substrate surface. The cutting damage removal is a step of removing defects caused by cutting the substrate and removing an oxide film formed on the surface.
本発明の一実施形態によれば、前記第1湿式エッチングは酸(acid)溶液を用いて遂行される。 According to an embodiment of the present invention, the first wet etching is performed using an acid solution.
より具体的に、前記第1湿式エッチング工程に用いる酸溶液はHF、HNO3、およびH2Oを含み、HF:HNO3:H2Oを約1:2乃至4:1乃至3、好ましくは約1:3:2の体積比で含むことができる。 More specifically, the acid solution used in the first wet etching process includes HF, HNO 3 , and H 2 O, and HF: HNO 3 : H 2 O is about 1: 2 to 4: 1 to 3, preferably It can be included in a volume ratio of about 1: 3: 2.
また、前記第1湿式エッチングは前記溶液に基板を約5〜10℃の温度で約1分乃至約5分間、好ましくは約1〜2分間浸漬させることによって遂行することができる。 The first wet etching can be performed by immersing the substrate in the solution at a temperature of about 5 to 10 ° C. for about 1 to about 5 minutes, preferably about 1 to 2 minutes.
本発明の一実施形態によれば、前記のような第1湿式エッチング工程を遂行した後、蒸留水(DI water)で1次リンス(rinse)する工程、KOHのような塩基性溶液での中和工程、蒸留水(DI water)で2次リンスする工程、HF洗浄工程、および蒸留水(DI water)で3次リンスする工程をさらに遂行することができる。 According to an embodiment of the present invention, the first wet etching process as described above is performed, followed by a primary rinse with distilled water (DI water), in a basic solution such as KOH. A summing step, a second rinsing step with distilled water (DI water), a HF washing step, and a third rinsing step with distilled water (DI water) can be further performed.
前記のような第1湿式エッチングを遂行することによって、基板の切断によるダメージを除去し、基板表面が一次的にエッチングされて高さが約2〜10μm、好ましくは約3〜5μmである凹凸構造が形成され得る。 By performing the first wet etching as described above, damage due to the cutting of the substrate is removed, and the substrate surface is primarily etched to have a height of about 2 to 10 μm, preferably about 3 to 5 μm. Can be formed.
その次に、前記第1湿式エッチング工程を遂行した基板に対して反応性イオンエッチング(reactive ion etching、RIE)工程を遂行する。 Next, a reactive ion etching (RIE) process is performed on the substrate having undergone the first wet etching process.
前記反応性イオンエッチング工程は、エッチングガス(etching gas)をプラズマ化して反応性が強い状態に活性化し、基板の表面に衝突させることによって実施できる。前記エッチングガスとしてはF2、SF6、CF4のようなフッ素系ガス、Cl2のような塩素系ガス、およびO2などからなる群より選択される1種または2種以上を混用して使用することができる。 The reactive ion etching process can be performed by turning an etching gas into plasma to activate it into a highly reactive state and causing it to collide with the surface of the substrate. As the etching gas, one or more selected from the group consisting of a fluorine-based gas such as F 2 , SF 6 , and CF 4 , a chlorine-based gas such as Cl 2 , and O 2 may be used in combination. Can be used.
本発明の一実施形態によれば、前記反応性イオンエッチング工程で、エッチング形態を調節するために、前記エッチングガスにO2を含むことができる。前記エッチングガスにO2を含むことによって、イオン砲撃がされない側面にマスクの役割を果たす酸化膜が形成され、イオン砲撃がされる下部には膜が形成されないことにより、下部にのみエッチングが行われる現象によってエッチング形態調節が可能になる。 According to an embodiment of the present invention, the etching gas may include O 2 in order to adjust an etching pattern in the reactive ion etching process. By containing O 2 in the etching gas, an oxide film serving as a mask is formed on the side surface where ion bombardment is not performed, and the film is not formed on the lower portion where ion bombardment is performed, so that etching is performed only on the lower portion. The etching mode can be adjusted depending on the phenomenon.
本発明の一実施形態によれば、前記エッチングガスとしてCl2、SF6、およびO2を用いてエッチング工程を遂行することができる。 According to an embodiment of the present invention, an etching process may be performed using Cl 2 , SF 6 , and O 2 as the etching gas.
より具体的には、チャンバーに前記基板を配置した後、エッチングガスをチャンバーに注入する。その次に、前記基板の間に設けられた二つの電極に一定の大きさの電力を印加し、二つの電極の間の空間に前記エッチングガスに基づいたプラズマを生成させる。生成されたプラズマは反応性が強い活性種(radical)とイオン(ion)を備えている。このように生成されたプラズマ粒子を加速させて基板の表面に衝突させる。これにより、物理的な衝撃と化学反応の結合によって前記基板の表面に複数の凹凸構造物が形成され得る。 More specifically, after the substrate is placed in the chamber, an etching gas is injected into the chamber. Next, a certain amount of electric power is applied to the two electrodes provided between the substrates, and plasma based on the etching gas is generated in the space between the two electrodes. The generated plasma has active species (radials) and ions (ions) that are highly reactive. The plasma particles thus generated are accelerated and collide with the surface of the substrate. Accordingly, a plurality of concavo-convex structures can be formed on the surface of the substrate by a combination of physical impact and chemical reaction.
前記反応性イオンエッチング工程において、一般的なプラズマエッチングよりさらに高いエネルギーのイオン衝撃が基板に加えられ、これは接地された電極に比べてより高い陰電位が電極に形成されるためである。 In the reactive ion etching process, an ion bombardment having a higher energy than that of a general plasma etching is applied to the substrate because a higher negative potential is formed on the electrode as compared with a grounded electrode.
前記のような反応性イオンエッチング工程によって前記基板表面に対して第2テクスチャリングを遂行することによって、前記基板表面にピラミッド構造が形成される。 By performing the second texturing on the substrate surface by the reactive ion etching process as described above, a pyramid structure is formed on the substrate surface.
前記ピラミッド構造は、基板表面の光反射率を低くすることによって太陽電池の光吸収効率を向上させることに寄与する。前記ピラミッド構造は反応性イオンエッチング工程の工程条件、即ち、エッチングガス、圧力、温度、電極高さ、パワーを調節することによって、多様な形態および大きさで形成することができる。 The pyramid structure contributes to improving the light absorption efficiency of the solar cell by lowering the light reflectance of the substrate surface. The pyramid structure can be formed in various shapes and sizes by adjusting process conditions of the reactive ion etching process, that is, etching gas, pressure, temperature, electrode height, and power.
本発明の一実施形態によれば、前記ピラミッド構造において、幅(width)に対する高さ(height)の比(height/width)が約0.75乃至約1.1であり得る。また、前記比率を維持する範囲で、数ナノメートル乃至数百ナノメートルの高さおよび幅を有し得る。例えば、前記ピラミッドの幅は約100〜300nm、高さは約150〜350nmであり得る。本発明によれば、前記のように第1湿式エッチングおよび反応性イオンエッチング工程を段階的に遂行することによって、基板の結晶構造に関係なく表面に均一なピラミッド構造が形成され得る。これにより、表面から反射される光の量が減少し低い反射度を実現することができる。 According to an embodiment of the present invention, in the pyramid structure, a ratio of a height to a width (height / width) may be about 0.75 to about 1.1. In addition, it may have a height and width of several nanometers to several hundred nanometers within a range that maintains the ratio. For example, the pyramid may have a width of about 100 to 300 nm and a height of about 150 to 350 nm. According to the present invention, a uniform pyramid structure can be formed on the surface regardless of the crystal structure of the substrate by performing the first wet etching and the reactive ion etching process stepwise as described above. Thereby, the amount of light reflected from the surface is reduced, and low reflectivity can be realized.
しかし、前記反応性イオンエッチング工程のプラズマ衝撃により表面損傷が発生することがある。表面損傷を除去しなければ表面再結合速度の上昇によって電流値が減少し、これによりセル変換効率の増加も期待し難い。つまり、反応性イオンエッチング工程によって反射度が低くなり光吸収が増加できるが、これと共に発生する表面損傷により電子−正孔対の消滅も速くなるので、増加された光吸収の効果を得ることができなくなる。これは低いVocとFFの原因になる。 However, surface damage may occur due to plasma bombardment in the reactive ion etching process. If the surface damage is not removed, the current value decreases due to an increase in the surface recombination rate, and it is difficult to expect an increase in cell conversion efficiency. In other words, the reactive ion etching process can reduce the reflectivity and increase the light absorption, but the surface damage that occurs along with this can accelerate the disappearance of the electron-hole pairs, so that the increased light absorption effect can be obtained. become unable. This causes low Voc and FF.
また、前記反応性イオンエッチング工程で生成されたピラミッド構造が過度に鋭く(needle)維持されると、ピラミッドの上層部分で高い漏洩電流(leakage current)が発生することがある。 In addition, if the pyramid structure generated in the reactive ion etching process is excessively maintained, a high leakage current may be generated in an upper layer portion of the pyramid.
したがって、低い反射度を維持しながら電気的表面損傷を除去するために、前記反応性イオンエッチング工程後に、表面損傷除去(damage removal etching、DRE)工程を実施する。 Accordingly, in order to remove electrical surface damage while maintaining low reflectivity, a surface removal removal (DRE) process is performed after the reactive ion etching process.
前記表面損傷除去工程は反応性イオンエッチング工程で発生した表面損傷を除去するためのものであるが、前記表面損傷除去工程を過度に進行すると、表面が過度にエッチングされ反応性イオンエッチング工程によって形成されたピラミッドが除去され、低い反射度効果が得られない。したがって、前記表面損傷除去工程は反応性イオンエッチング工程によって形成されたピラミッド構造を維持すると同時にO2によって生成された酸化膜を除去し表面損傷も効果的に除去できる、最適の条件で遂行する必要がある。 The surface damage removing process is for removing the surface damage generated in the reactive ion etching process. However, if the surface damage removing process proceeds excessively, the surface is excessively etched and formed by the reactive ion etching process. The removed pyramid is removed and a low reflectivity effect is not obtained. Therefore, the surface damage removal process needs to be performed under the optimum conditions that can maintain the pyramid structure formed by the reactive ion etching process and at the same time remove the oxide film generated by O 2 and effectively remove the surface damage. There is.
本発明の表面処理方法によれば、前記表面損傷除去工程で第2湿式エッチングを遂行する。より具体的に、前記第2湿式エッチング工程はHF、HNO3、およびH2Oを含む酸溶液を用いて遂行し、HF:HNO3:H2Oを約1:13乃至17:15乃至19、好ましくは約1:15:17の体積比で含む溶液を用いて遂行することができる。前記のような条件で表面損傷除去工程を遂行することによって、表面の過度なエッチング無しに反応性イオンエッチング工程によって形成されたピラミッド構造を維持し、前記ピラミッド構造の幅に対する高さの比を維持しながらも、ピラミッド構造の上層部分を滑らかに(smoothly)形成して反射度を向上させ、漏洩電流の発生を防止することができる。また、後続する反射防止膜の形成工程で効果的な反射防止膜の蒸着(deposition)を可能にして、これとのシナジー効果で反射度が追加的に向上する効果をもたらすことができる。本発明の一実施形態によれば、前記表面損傷除去工程を実施することによって、前記表面損傷除去工程遂行前より反射度が約1〜3%さらに向上する。 According to the surface treatment method of the present invention, the second wet etching is performed in the surface damage removing step. More specifically, the second wet etching process is performed using an acid solution containing HF, HNO 3 , and H 2 O, and HF: HNO 3 : H 2 O is about 1:13 to 17:15 to 19 , Preferably with a solution containing about 1:15:17 volume ratio. By performing the surface damage removing process under the above conditions, the pyramid structure formed by the reactive ion etching process is maintained without excessive etching of the surface, and the ratio of the height to the width of the pyramid structure is maintained. However, the upper layer portion of the pyramid structure can be formed smoothly to improve the reflectivity and prevent leakage current. In addition, it is possible to effectively deposit the antireflection film in the subsequent antireflection film forming process, and to bring about an effect that the reflectivity is additionally improved by a synergistic effect therewith. According to an embodiment of the present invention, by performing the surface damage removing process, the reflectivity is further improved by about 1 to 3% before performing the surface damage removing process.
この時、第2湿式エッチング工程の工程温度は常温、例えば約20〜30℃とすることができ、約10秒乃至約60秒間、好ましくは約20秒乃至約50秒間浸漬して遂行することができる。 At this time, the process temperature of the second wet etching process can be normal temperature, for example, about 20 to 30 ° C., and is performed by being immersed for about 10 seconds to about 60 seconds, preferably about 20 seconds to about 50 seconds. it can.
本発明の一実施形態によれば、前記第2湿式エッチング工程によるエッチング量が、前記第2湿式エッチング工程遂行前の基板の重量に対して約0.009〜0.035%になるように、前記第2湿式エッチング工程を遂行することができる。 According to an embodiment of the present invention, an etching amount of the second wet etching process is about 0.009 to 0.035% with respect to a weight of the substrate before the second wet etching process is performed. The second wet etching process can be performed.
前記のような本発明の表面処理方法を用いて表面処理を遂行した基板は、約9〜12%の表面反射率を示すことができる。 The substrate subjected to the surface treatment using the surface treatment method of the present invention as described above can exhibit a surface reflectance of about 9 to 12%.
前記のように表面処理工程を経た基板に対して、以後に太陽電池の一般的な製造方法によってエミッタ層、反射防止膜、前面電極および後面電極を形成することによって、高効率の太陽電池を収得することができる。 A high-efficiency solar cell can be obtained by forming an emitter layer, an antireflection film, a front electrode, and a rear electrode on a substrate that has undergone a surface treatment process as described above by a general method for manufacturing a solar cell. can do.
より具体的には、表面処理された前記太陽電池用基板の上部にエミッタ層を形成する。前記エミッタ層には前記基板と反対になる不純物でドーピングすることによってP−N接合(P−N junction)を形成することができる。本発明の一実施形態によれば、前記エミッタ層は約100〜500nmの厚さで浅いエミッタ層を形成して高効率太陽電池に適用することができる。 More specifically, an emitter layer is formed on the surface-treated solar cell substrate. A PN junction can be formed in the emitter layer by doping with an impurity opposite to the substrate. According to an embodiment of the present invention, the emitter layer can be applied to a high efficiency solar cell by forming a shallow emitter layer with a thickness of about 100 to 500 nm.
また、本発明の一実施形態によれば、前記エミッタ層は光電変換効率が高効率である高い面抵抗、例えば約85〜100Ω/sqの面抵抗を有し得る。 In addition, according to an embodiment of the present invention, the emitter layer may have a high sheet resistance with high photoelectric conversion efficiency, for example, a sheet resistance of about 85 to 100 Ω / sq.
その次に、前記エミッタ層の上部に反射防止膜を形成する。 Next, an antireflection film is formed on the emitter layer.
前記反射防止膜は真空蒸着法、化学気相蒸着法、スピンコーティング、スクリーン印刷またはスプレーコーティングによって形成されるが、これに限定されるものではない。また、前記反射防止膜は例えば、シリコン窒化膜、水素を含むシリコン窒化膜、シリコン酸化膜、シリコン酸化窒化膜、MgF2、ZnS、TiO2およびCeO2からなる群より選択されたいずれか一つの単一膜または2つ以上の膜が組み合わせられた多層膜構造を有し得るが、これに限定されるものではない。本発明の一実施形態によれば、前記反射防止膜は約2.0乃至約2.2の屈折率を有するシリコン窒化膜であり、約75〜85nmの厚さで形成することができる。 The antireflection film is formed by vacuum deposition, chemical vapor deposition, spin coating, screen printing, or spray coating, but is not limited thereto. The antireflection film is, for example, any one selected from the group consisting of a silicon nitride film, a silicon nitride film containing hydrogen, a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, MgF 2 , ZnS, TiO 2, and CeO 2 . Although it may have a multilayer structure in which a single film or two or more films are combined, it is not limited thereto. According to an embodiment of the present invention, the antireflection film is a silicon nitride film having a refractive index of about 2.0 to about 2.2, and can be formed to a thickness of about 75 to 85 nm.
その次に、銀(Ag)ペーストをスクリーンプリントした後に熱処理して前面電極を形成し、アルミニウムペーストを基板の背面にプリンティングした後に熱処理して後面電極を形成することによって、太陽電池を製造することができる。前記アルミニウム(Al)ペーストの熱処理時にアルミニウムが基板の背面を通して拡散することによって、後面電極と基板の境界面に後面電界(Back Surface field)層が形成され得る。後面電界層が形成されると、キャリアが基板の背面に移動して再結合されるのを防止することができ、キャリアの再結合が防止されると、開放電圧が上昇し太陽電池の効率が向上され得る。 Next, a solar cell is manufactured by screen-printing silver (Ag) paste and then heat-treating to form a front electrode, printing aluminum paste on the back surface of the substrate and then heat-treating to form a back-side electrode. Can do. When the aluminum (Al) paste is heat-treated, aluminum diffuses through the back surface of the substrate, thereby forming a back surface field layer on the interface between the back electrode and the substrate. When the rear surface electric field layer is formed, the carrier can be prevented from moving to the back surface of the substrate and recombined. Can be improved.
以下、本発明による実施例を参照して本発明をさらに詳しく説明する。ただし、このような実施例は発明の例示として提示されたものに過ぎず、これによって発明の権利範囲が決められるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples according to the present invention. However, such embodiments are merely presented as examples of the invention, and the scope of rights of the invention is not determined thereby.
<実施例>
実施例1
3族元素の不純物がドーピングされたp−タイプ擬似単結晶基板(MLM wafer、Grade B)を準備した。基板に対してHF:HNO3:H2Oを1:3:2体積比で含む溶液に温度7℃で1分30秒間浸漬して第1湿式エッチングを遂行することによって、切断ダメージ除去と第1テクスチャリングを同時に行った。前記第1テクスチャリングによって表面から3〜5μmの深さでエッチングが行われた。
<Example>
Example 1
A p-type pseudo single crystal substrate (MLM wafer, Grade B) doped with an impurity of a Group 3 element was prepared. The first wet etching is performed by immersing the substrate in a solution containing HF: HNO 3 : H 2 O in a 1: 3: 2 volume ratio at a temperature of 7 ° C. for 1 minute and 30 seconds, thereby removing the cutting damage and the first. One texturing was performed simultaneously. Etching was performed at a depth of 3 to 5 μm from the surface by the first texturing.
その次に、エッチングガスとしてCl2/SF6/O2を使用して反応性イオンエッチング工程を実施した。前記反応性イオンエッチング工程によって生成されたピラミッド構造物は、高さ(Height)と幅(width)の比H/Wが0.75乃至1.1の分布を示した。 Next, a reactive ion etching process was performed using Cl 2 / SF 6 / O 2 as an etching gas. The pyramid structure generated by the reactive ion etching process has a distribution in which the ratio H / W of height (height) to width (width) is 0.75 to 1.1.
第2湿式エッチングでHF:HNO3:H2Oを1:15:17の体積比で含む溶液に温度25℃で30秒間浸漬して、エッチングを遂行する前に比べて0.025%の重量が減少するようにエッチングすることによって表面処理を完了した。 In the second wet etching, it is immersed in a solution containing HF: HNO 3 : H 2 O at a volume ratio of 1:15:17 at a temperature of 25 ° C. for 30 seconds, and the weight is 0.025% compared with that before performing the etching. The surface treatment was completed by etching to reduce.
POCL3を使用する拡散工程によってリン(P)をドーピングして、85Ω/sq抵抗を有するエミッタ層を形成した。前記エミッタ層上にPECVD装備を利用して2.0〜2.2の範囲内の屈折率を有するシリコン窒化膜を二層にして、総85nmの厚さで形成した。 Phosphorus (P) was doped by a diffusion process using POCL 3 to form an emitter layer having an 85Ω / sq resistance. A silicon nitride film having a refractive index in the range of 2.0 to 2.2 was formed in two layers on the emitter layer using PECVD equipment, and a total thickness of 85 nm was formed.
アルミニウム(Al)ペーストを用いて後面にスクリーンプリンティングを行い、200℃未満の温度で乾燥(dry)工程を経た後、銀(Ag)ペーストを用いて70μm大きさの幅で前面電極を形成し、200℃未満の温度で乾燥(dry)工程を経た後、940℃のベルト(belt)焼成炉(firing)で焼結して前面電極および後面電極を形成した。 Screen printing is performed on the rear surface using an aluminum (Al) paste, and after a drying process at a temperature of less than 200 ° C., a front electrode is formed with a width of 70 μm using a silver (Ag) paste, After passing through a drying process at a temperature lower than 200 ° C., the front electrode and the rear electrode were formed by sintering in a belt firing furnace at 940 ° C.
比較例1
反応性イオンエッチング工程を行わないことを除いて、実施例1と同様な方法で太陽電池を製造した。
Comparative Example 1
A solar cell was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the reactive ion etching step was not performed.
<実験例>
表面処理結果評価
図4は実施例1で反応性イオンエッチング工程まで遂行した後の基板の表面を、走査電子顕微鏡を用いて70,000倍に拡大して撮影した写真である。
<Experimental example>
Surface Treatment Result Evaluation FIG. 4 is a photograph of the surface of the substrate after performing the reactive ion etching process in Example 1 magnified 70,000 times using a scanning electron microscope.
図5は実施例1で反応性イオンエッチング工程および第2湿式エッチング工程まで遂行した後の基板の表面を、走査電子顕微鏡を用いて5,000倍に拡大して撮影した写真である。 FIG. 5 is a photograph of the surface of the substrate after performing the reactive ion etching process and the second wet etching process in Example 1 with a scanning electron microscope magnified 5,000 times.
図6は表面処理を遂行する前の基板と、実施例1および比較例1で表面処理工程を遂行した後の基板の反射度を示すグラフである。 FIG. 6 is a graph showing the reflectivity of the substrate before performing the surface treatment and the substrate after performing the surface treatment process in Example 1 and Comparative Example 1.
太陽電池の電気的性能評価
実施例1および比較例1で製造した太陽電池の電気的性能をASTM G−173−03によりAM1.5太陽条件下で中国に所在するハンファソーラーワン社(Hanwha Solarone limited、HSOL)のソーラーテスター(solar tester)、H.a.l.m cetis PV−productsを用いて測定し、その結果を下記表1に示した。
Evaluation of electrical performance of solar cells The electrical performance of the solar cells produced in Example 1 and Comparative Example 1 was measured according to ASTM G-173-03 under the conditions of AM1.5 solar conditions, Hanwha Solarone limited in China. HSOL), solar tester, H. a. l. Measurement was performed using m cetis PV-products, and the results are shown in Table 1 below.
下記表1で、Iscはインピーダンスが低い時に短絡回路条件に相応する太陽電池を通じて伝達される最大電流を意味し、また太陽電池の両端の電圧が0である時に流れる電流であり単位面積当り流れる電流をJscとして示し、Vocは電流が0である時に太陽電池の両端に現れる電圧で太陽電池から得られる最大電圧を意味し、並列抵抗(Rsh)はある回路を並列に接続した抵抗を言い、低い並列抵抗は漏洩電流を起こして電流電圧を減少させる。直列抵抗(Rs)は太陽電池の上部と下部電極の間に直列(series)に作用する抵抗であって、太陽電池のエミッタとベースを通じた電流流れ、即ち、垂直抵抗成分をRsと定義し、大きい影響を受けるパラメータはFF(Fill Factor)である。FF[%]は太陽電池品質において最も重要な尺度であり、Fill Factorは最大電力を開放電圧と短絡電流で出力する理論上電力と比較して計算され、Eta[%]は効率を意味し太陽電池の性能を示す最も重要な因子であって太陽から入射されたエネルギーに対する出力エネルギーの比で定義される。 In Table 1 below, Isc means the maximum current transmitted through the solar cell corresponding to the short circuit condition when the impedance is low, and the current that flows when the voltage across the solar cell is 0, and the current that flows per unit area. Vsc is the voltage that appears at both ends of the solar cell when the current is 0, which means the maximum voltage obtained from the solar cell, and the parallel resistance (Rsh) is a resistance that connects a certain circuit in parallel, and is low The parallel resistor causes a leakage current and reduces the current voltage. The series resistance (Rs) is a resistance acting in series between the upper and lower electrodes of the solar cell, and a current flow through the solar cell emitter and base, that is, a vertical resistance component is defined as Rs. The parameter that is greatly affected is FF (Fill Factor). FF [%] is the most important measure in solar cell quality, Fill Factor is calculated by comparing maximum power with theoretical power that outputs with open circuit voltage and short circuit current, Eta [%] means efficiency and solar It is the most important factor indicating the performance of the battery, and is defined by the ratio of the output energy to the energy incident from the sun.
表1の結果より、本発明の表面処理方法を実施した基板を用いて製造した太陽電池の場合、湿式エッチングのみで表面処理を遂行した基板に比べて、電気的性能が向上することが分かる。 From the results in Table 1, it can be seen that in the case of a solar cell manufactured using a substrate that has been subjected to the surface treatment method of the present invention, the electrical performance is improved compared to a substrate that has been subjected to surface treatment only by wet etching.
Claims (6)
反応性イオンエッチング(reactive ion etching)を遂行する段階と、
HF:HNO 3 :H 2 Oを1:13乃至17:15乃至19の体積比で含む溶液を用いて第2湿式エッチングを遂行する段階と、を含む太陽電池用基板の表面処理方法。 Performing a first wet etching using a solution containing HF: HNO 3 : H 2 O in a volume ratio of 1: 2 to 4: 1 to 3 on a solar cell substrate which is a pseudo single crystal substrate;
Performing reactive ion etching; and
Performing a second wet etching using a solution containing HF: HNO 3 : H 2 O in a volume ratio of 1:13 to 17:15 to 19 ; and a surface treatment method for a substrate for a solar cell.
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