KR100322708B1 - 자체전압인가형태양전지의제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 텍스처링을 실시하는 단계: 반도체 기판의 상부 및 하부표면에 반도체충을 형성하여 pn접합을 형성하는 단계: 상기 반도체층 상부 및 하부에 절연층을 형성하는 단계: 상기 반도체층과 절연층을 통하여 상기 반도체 기판내로 홈을 형성한 후 에칭하는 단계 n+및 p+형 불순물을 상기 홈의 반도체 기판영역에 각각 도입한 후 에칭하는 단계: 상기 홈에 전도성 금속을 선택적으로 증착시켜서 전면전극과 후면전극을 각각 형성하는 단계: 및 후면전극의 절연층 상부에 포토리소그래피 공정을 실시한 후 전도성인가물질층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자체전압인가형 태양전지의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 의하면 종래보다 전지 후면의 전계 형성에 따른 후면에서의 캐리아들의 재결합 손실이 감소되고 개방회로전압이 증가되는 효과가 커서 전지의 변환효율이 매우 증가된다.
Description
본 발명은 자체전압인가형 태양전지의 제조방법에 관한 것으로서, 상세하기로는 전지 후면의 전계 형성에 따른 개방회로전압의 증가 효과가 커서 변환효율이매우 향상된 자체전압인가형 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 반도체의 광 기전력 효과를 이용한 것으로서, p형 반도체와 n형 반도체를 조합하여 만든다. p형 반도체와 n형 반도체가 접한 부분(pn 접합부)에 빛이 들어오면, 빛 에너지에 의하여 반도체 내부에서 마이너스의 전하(전자)와 플러스의 전하(정공)가 발생한다.
일반적으로 반도체에 밴드 갭 에너지 이하의 빛이 들어가면 반도체내의 전자들과 약하게 상호작용하고, 밴드 갭이상의 빛이 들어가면 공유결합내의 전자를 여기시켜 캐리어(carrier)(전자 또는 정공)를 생성한다.
빛에 의하여 형성된 캐리어들은 재결합과정을 통하여 정상상태로 돌아온다. 캐리어들이 생성된 후 정상상태로 돌아오는데 소요되는 시간을 캐리어 수명(carrier lifetime)이라고 한다.
빛에너지에 의해 발생된 전자와 정공은 내부의 전계에 의하여 각각 n형 반도체측과 p형 반도체측으로 이동하여 양쪽의 전극부에 모아진다. 이러한 두 개의 전극을 도선으로 연결하면 전류가 흐르고 외부에서 전력으로 이용할 수 있게 된다.
일반적으로 태양전지의 광흡수층 전체에 전계를 가하면 빛에 의해 여기된 캐리어들의 수명이 증가된다. 광흡수층에서의 전계는 벌크 영역에서의 도핑 프로파일(doping profile)을 조절함으로써 형성시킬 수 있는데, 이 방법은 실리콘을 성장시키면서 도펀트(dopant)량을 조절할 수 있는 경우에는 적용될 수 있지만, 기존의 반도체 기판을 이용하여 태양전지를 제조하는 경우에는 적용하기가 매우 어렵다.
통상적으로 전계 효과는 전지의 후면보다는 p-n 접합부쪽으로 갈수록 그 효과가 더 클 것으로 기대되며, 후면전계(Back Surface Field, 이하 BSF)는 전극 후면에 도펀트(dopant)를 확산시켜서 형성한다. 전지의 후면에 전계가 형성되면 빛에 의해 여기된 캐리어들을 반사시켜서 재결합 손실을 줄이고 개방전압 및 장파장에서의 양자효율을 증가시킬 수 있다.
함몰전극형 태양전지(Buried Contact Solar Cell, 이하 BCSC)는 전지의 성능 향상을 위하여 그 제조과정에서 전지의 후면에 전계를 형성하는데, 이는 다음의 공정을 거친다.
반도체 기판을 깨끗이 세정한 후 이미터를 확산시켜 pn접합을 형성하고 산화막을 형성한다. 반도체 기판의 전면에 홈을 형성한 다음, 에칭하여 전도성 금속을 도금하여 전면금속을 형성한다.
상기 반도체 기판 후면의 산화막상부에 알루미늄을 증착시키고 소결하여 후면전계를 형성한다.
상기 방법에 따라 BSF를 형성하는 경우, 알루미늄 소결시 장시간동안 고온에서 열처리하므로 알루미늄이 고용체를 형성하면서 후면부분의 실리콘이 심한 손상을 입기 때문에 이로 인하여 후면에서의 캐리어들이 재결합되어 그 손실이 매우 크다.
이러한 문제점을 극복하기 위하여 후면에도 홈을 형성하여 전극을 형성하고 나머지 부분을 인으로 도정하여 폴로팅 접합(floating junction)을 형성함으로써 전지 후면에서의 캐리어들의 재결합을 감소시키고자 하였다. 이를 적용한 전지가양면 함몰전극형 태양전지(Bifacial Buried Contact Solar Cell, 이하 BBCSC)이다. 그러나 이 전지에서는 후면전극과 플로팅 접합(floating junction)의 단락경로(shunt path)가 생겨서 후면전계 형성에 따른 효과가 기대한 만큼 크지 못했다.
상기 문제점을 해결하여 본 발명의 목적은 전지 후면의 전계 형성에 따른 개방회로전압의 증가 효과가 커서 변환효율이 매우 향상된 자체전압인가형 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 텍스처링을 실시하는 단계:
반도체 기판의 상부 및 하부표면에 반도체층을 형성하여 pn접합을 형성하는 단계:
상기 반도체층 상부 및 하부에 절연층을 형성하는 단계:
상기 반도체층과 절연층을 통하여 상기 반도체 기판내로 홈을 형성한 후 에칭하는 단계:
n+및 p+형 불순물을 상기 홈의 반도체 기판영역에 각각 도입한 후 에칭하는 단계:
상기 홈에 전도성 금속을 선택적으로 증착시켜서 전면전극과 후면전극을 각각 형성하는 단계: 및
후면전극의 절연층 상부에 포토리소그래피 공정을 실시한 후 전도성인가물질층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자체전압인가형 태양전지의 제조방법이 제공된다.
상기 전도성 전압인가물질층의 구성 물질로서 알루미늄, 구리, 은, 티타늄, 팔라듐, 주석 등의 전도성 금속 및 그 산화물과, 산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO2), 산화인듐틴(ITO) 등의 전도성 투명 산화물이 사용된다.
이하, 본 발명의 자체전압인가형 태양전지의 제조방법을 제1도를 참조로 하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 반도체 기판 표면의 반사율을 낮추기 위하여 수산화나트륨 등의 알칼리와 이소프로필알콜 등의 용매를 이용하여 텍스처링을 실시하여 반도체 기판의 전면에 크기가 약 10㎛인 피라미드 구조를 형성시킨다.
반도체 기판 (4)위의 금속불순물, 유기물, 산화물 등을 제거하기 위하여 세정한다. 이 때 세정용액으로는 과산화수소, 물 및 수산화암모늄의 혼합용액인 RCAI, 과산화수소, 물 및 염산의 혼합용액인 RCAII 및 버퍼 산화물 식각제(buffered oxide echant, 이하 BOE)를 사용한다.
반도체 기판의 상부 및 하부기판에 인 또는 POCl3를 이용하여 접합깊이가 0.1내지 1㎛가 되도록 조절하면서 pn접합을 형성시킨다.
마스킹(masking)과 반사방지 효과를 얻기 위한 산화막을 트랜스 산화(trans oxidation), 웨트 산화(wet oxidation), 트랜스 산화순으로 형성한다.
반도체 기판 후면에 전극을 형성하기 위하여 상기 반도체층과 절연층 (6)을 통하여 상기 반도체 기판 후면내로 레이저를 이용하여 홈(groove) (3)을 형성한 다음 홈내의 유리를 제거하기 위하여 약 12%농도의 수산화칼륨 용액을 사용하여 에칭을 행한다. 이어서 후면전극(5)의 접촉저항을 낮추기 위하여 보론을 깊게 확산시킨다.
반도체 기판 전면에 전면전극 (2)을 형성하기 위하여 후면전극 형성시와 마찬가지로 홈 (3)을 형성한 후 에칭한다. 전면전극의 접촉저항을 감소시키기 위하여 홈내로 인을 깊게 확산시킨다.
홈내에 금속의 무전해 도금을 실시하기 위하여 BOE를 사용하여 에칭함으로써 홈내의 산화물을 제거한다.
상기 금속 도금을 위하여 먼저 니켈을 약 1㎛이하의 두께로 도금한 후, 니켈과 실리콘의 접촉저항을 낮추기 위하여 300∼400℃사이에서 열처리한다. 이 때 니켈층은 후속으로 도금할 구리가 실리콘 기판내로 확산되는 것을 방지하는 역할을 한다.
이후의 구리 도금을 원활하게 하기 위하여 니켈충을 2차로 다시 얇게 도금한 다음, 홈내부에 구리를 이용한 무전해 도금을 행한다. 도금된 구리를 보호하고 납땜을 위하여 구리가 도금된 표면위에 은을 무전해도금방법을 이용하여 입힌다.
절연층 (6) 상부에 포토리소그래피 공정을 실시한 다음, 전도성 전압인가물질을 증착하여 전도성 전압인가물질층 (7)을 형성하고 나서 후면전극을 노출하기 위하여 리프트 오프(lift off)한다.
제2도는 본 발명의 자체전압인가형 태양전지의 에너지대 도면으로서, 이로부터 본 발명의 전지를 사용하면 종래보다 전지후면에서의 캐리어들의 재결합 손실이감소함을 알 수 있다.
상기로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의하면 종래보다 전지후면의 전계 형성에 따른 후면에서의 캐리아들의 재결합 손실이 감소되고 개방회로전압이 증가되는 효과가 커서 전지의 변환효율이 매우 증가된다. 따라서 본 발명의 태양전지는 전지 후면에서의 캐리아 재결합으로 인한 손실이 후막형인 경우보다는 박막인 경우가 더 큰 영향을 미치기 때문에 박막형 태양전지에서 유용하게 사용될 수 있다.
제1도는 본 발명의 자체전압인가형 태양전지의 구조를 나타낸 도면이고,
제2도는 본 발명의 자체전압인가형 태양전지의 에너지대 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1. 상부 표면 2. 전면전극
3. 홈 4. 반도체 기판
5. 후면전극 6. 절연층
7. 전도성 전압인가물질층 8. 부하
10. 전도대(Conduction band)
11. 진성 에너지 준위(Intrinsic energy level)
12. 페르미 준위(Fermi level)
13. 가(價)전자대(Valence band)
Claims (4)
- 텍스처링을 실시하는 단계:반도체 기판의 상부 및 하부표면에 반도체층을 형성하여 pn접합을 형성하는 단계:상기 반도체층 상부 및 하부에 절연층을 형성하는 단계:상기 반도체층과 절연층을 통하여 상기 반도체 기판내로 홈을 형성한 후 에칭하는 단계:n+및 p+형 불순물을 상기 홈의 반도체 기판영역에 각각 도입한 후 에칭하는 단계:상기 홈에 전도성 금속을 선택적으로 증착시켜서 전면전극과 후면전극을 각각 형성하는 단계: 및후면전극의 절연층 상부에 포토리소그래피 공정을 실시한 후 전도성인가물질층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자체전압인가형 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 전도성 전압인가물질층의 구성물질이 알루미늄, 구리, 은, 티타늄, 팔라듐, 주석 및 그 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 자체전압인가형 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 전도성 전압인가물질층의 구성물질이 산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO2), 산화인듐틴(ITO)으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 자체전압인가형 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 전도성 금속으로서 니켈, 구리 및 은을 사용하여 홈에 순차적으로 증착함으로써 전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 자체전압인가형 태양전지의 제조방법.
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