KR100416740B1 - 후면 부분소결형 실리콘 태양전지의 제조방법 - Google Patents
후면 부분소결형 실리콘 태양전지의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 후면 부분소결형 실리콘 태양전지의 제조방법에 관한 것으로서, 상기 제조방법은 p형 실리콘기판 후면에 티타늄과 산소를 함유한 화합물을 증착하여 산화규소막과 산화티타늄막을 형성하는 단계; 텍스처링을 실시하여 실리콘 기판 전면에 피라미드 구조를 형성하는 단계; 실리콘 기판 전면에 n형 불순물을 확산하여 n+형 반도체층을 형성하는 단계; 실리콘 기판 전면의 복수개의 라인형 전극 형성 영역을 제외한 나머지 영역에 티타늄과 산소를 함유하는 화합물을 증착하여 산화규소막과 산화티타늄막을 형성하여 전극 윈도우(window)를 만드는 단계; 상기 전극 윈도우를 에칭하는 단계; 에칭된 전극 윈도우의 홈에 인을 깊게 확산하여 n++형 반도체층을 형성하는 단계; 실리콘 기판 후면의 소정영역에 알루미늄을 증착하는 단계; 상기 결과물을 소결하여 부분확산 p+형 반도체층을 형성하는 단계; 실리콘 기판 전면의 전극 윈도우와 기판 후면의 소정영역에 니켈(Ni) 도금층을 형성하는 단계; 상기 니켈(Ni) 도금층 상부에 전도성 금속을 도금하여 라인형 전면전극과 전도성 금속층을 각각 형성하는 단계; 실리콘 기판 후면 전체에 알루미늄을 증착하는 단계; 및 상기 결과물을 어닐링하는 단계를 포함하고 있다. 본 발명에 따르면, 고온의 산화공정과 고가의 장비를 사용하지 않고서도 에너지 변환효율이 우수한 전지를 저렴한 제조비용으로 제조할 수 있다.
Description
본 발명은 후면 부분소결형 실리콘 태양전지의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하기로는 산화티타늄 비활성화 에미터 절연막을 갖는 후면 부분소결형 실리콘 태양전지(TiO2passivated Emitter, rear Locally Sintered silicon solar cell: TELS)의 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 반도체의 광기전력을 이용한 것으로서, p형 반도체와 n형 반도체를 조합하여 만든다. p형 반도체와 n형 반도체의 접합 부분 (pn 접합부)에 빛이 들어오면 빛에너지에 의하여 반도체 내부에서 마이너스의 전하(전자)와 플러스의 전하(정공)이 발생한다.
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.
태양전지는 전극의 형태에 따라 스크린 프린팅형 태양전지(Screen 티올rinting Solar Cell: SPSC)와 함몰전극형 태양전지(Buried Contact Solar Cell: BCSC)로 구분할 수 있다. 여기에서 SPSC는 일반적으로 제조하기가 쉽지만 에너지 변환효율이 작은 편이다.
한편, BCSC는 SPSC와 거의 동일한 제조원가로 제조할 수 있고, SPSC보다 에너지 변환효율이 높은 편이다.
도 1에는 일반적인 BCSC의 단면구조를 나타낸 도면이다.
이를 참조하면, p형 실리콘 기판 (11) 상부에 n+형 반도체층 (12)과 산화막으로서 산화규소막 (13)이 순차적으로 형성되어 있고, 상기 기판내로 깊게 파인 홈에 전면전극 (17)이 형성되어 있다.
실리콘 기판 (11) 후면에는 p+형 반도체층 (15)과 후면전극 (16)이 순차적으로 형성되어 있다.
그런데, 상기한 바와 같은 구조를 갖는 BCSC는 다음과 같은 문제점을 갖고 있다.
첫째, 실리콘 기판 전면 및 후면상의 산화규소막을 형성하기 위해서는 고가의 산화로를 필요로 하는 동시에 장시간이 소요되는 고온 산화공정을 거쳐야 한다. 또한 이러한 산화공정에서 통상적으로 수소가스를 사용하므로 제조공정상 위험성을 내포하고 있다.
둘째, 전면전극을 형성하기 위해서는 실리콘 기판 전면내에 깊은 홈을 형성해야 하는데, 이러한 홈 형성과정에서 레이저 스크라이버(laser scriber) 등과 같은 고가의 장비가 필요할 뿐만 아니라 장시간의 제조시간이 요구된다.
셋째, 피라미드 구조가 형성된 실리콘 기판 후면상에 산화막 및 후면전극을 순차적으로 형성했을 때 전위결함(dislocation defect)이 큰 편이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 문제점을 해결하여 고온의 산화공정과 고가의 장비를 사용하지 않고서도 에너지 변환효율이 우수한 전지를 저렴한 제조비용으로 얻을 수 있는 후면 부분소결형 실리콘 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.
도 1은 통상적인 함몰전극형 실리콘 태양전지의 단면구조를 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명에 따른 후면 부분소결형실리콘 태양전지의 단면구조를 나타낸 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11, 21... p형 실리콘 기판12, 24... n+형 반도체층
13, 22, 22'... 산화규소(SiO2)막15... p+형 반도체층
16, 29... 후면전극 17... 전면전극
23, 23'... 산화티탄(TiO2)막 25... 라인형 전면전극
26... n++형 반도체층27... 부분확산 p+형 반도체층
28... 전도성 금속층
본 발명의 기술적 과제는 (a) p형 실리콘기판 후면에 티타늄(Ti)과 산소를 함유한 화합물을 증착하여 산화규소(SiO2)막과 산화티타늄(TiO2)막을 형성하는 단계; (b) 텍스처링을 실시하여 실리콘 기판 전면에 피라미드 구조를 형성하는 단계; (c) 실리콘 기판 전면에 n형 불순물을 확산하여 n+형 반도체층을 형성하는 단계; (d) 실리콘 기판 전면의 복수개의 라인형 전극 형성 영역을 제외한 나머지 영역에 티타늄과 산소를 함유하는 화합물을 증착하여 산화규소막과 산화티타늄막을 형성하여 전극 윈도우(window)를 만드는 단계; (e) 상기 전극 윈도우를 에칭하는 단계; (f) 에칭된 전극 윈도우의 홈에 인을 깊게 확산하여 n++형 반도체층을 형성하는 단계; (g) 실리콘 기판 후면의 소정영역에 알루미늄을 증착하는 단계; (h) 상기 결과물을 소결하여 부분확산 p+형 반도체층을 형성하는 단계; (i) 실리콘 기판 전면의 전극 윈도우와 기판 후면의 소정영역에 니켈(Ni) 도금층을 형성하는 단계; (j) 상기 니켈(Ni) 도금층 상부에 전도성 금속을 도금하여 라인형 전면전극과 전도성 금속층을 각각 형성하는 단계; (k) 실리콘 기판 후면 전체에 알루미늄을 증착하는 단계; 및 (l) 상기 결과물을 어닐링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 부분소결형 실리콘 태양전지의 제조방법에 의하여 이루어진다.
상기 (j)단계에서 전도성 금속은 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti) 및 그 산화물중에서 선택된다.
이하, 도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 실리콘 태양전지의 제조방법을 설명하기로 한다.
먼저, p형 실리콘 기판 (21)의 후면에 티타늄과 산소 함유 화합물, 예를 들어 티타늄 테트라클로라이드, 테트라이소프필 티타나이트 등을 골고루 분무증착하여 경화사키면 실리콘 기판 (21) 후면에 산화규소막 (22)과 산화티타늄막 (23)이 순차적으로 형성된다. 이 때 상기 산화규소막 (22)과 산화티타늄막 (23)의 두께는 분문증착 실험조건에 따라 달라지는데, 일반적으로 산화규소막 (22)이 산화티타늄막 (23)보다 그 두께가 얇게 형성된다.
이어서, 후면에 산화티타늄막 (23)이 형성된 실리콘 기판 (21)을 텍스처링하면 후면의 산화티타늄막 (23)이 텍스처링 마스크로 작용하여 실리콘 기판 (21) 전면에만 랜덤(random) 피라미드 구조가 형성된다. 상기 텍스처링 방법으로는 통상적인 텍스처링 방법으로 사용되는 것이라면 특별히 제한되지는 않으나, 소정농도 즉, 1.5 내지 3중량%의 알칼리 용액(예로써 수산화나트륨)을 이용한 화학적 이방성 에칭을 이용하는 것이 바람직하다.
그 후,실리콘 기판 (21) 전면에 n형 불순물인 인 (예로써, P2O5)을 확산하여 n+형 반도체층 (24)을 형성한다.
이어서, 금속 마스크(metal mask)를 이용하여 라인형 전극 형성 영역을 제외한 나머지 영역에 티타늄과 산소 함유 화합물을 분무증착시켜 산화티타늄막 (23')과 산화규소막 (22')을 형성하여 전극 윈도우(window)를 제조한다. 여기에서 상기 산화티타늄막 (23')과 산화규소막 (22')은 태양전지에 입사하는 태양광의 반사방지막으로서의 역할과, 소수전하 캐리어가 표면에서 재결합되는 것을 막는 절연막으로서의 역할을 동시에 수행한다.
그리고 나서, 상기 전극 윈도우 영역은 후속으로 형성되는 라인형 전극 (25)과 n+형반도체층 (24)의 전기적 접촉(ohmnic contact)을 형성하시 위하여 실리콘 식각제(silicone etchant)를 사용하여 화학적 에칭을 실시한다.
그리고, 라인형 전극 (25)과 실리콘 기판 (21)의 전기접촉저항을 줄이기 위하여 전극 윈도우 홈에 인을 깊게 확산하여 n++형반도체층 (26)을 형성한다.
산화규소막 (22')과 산화티타늄막 (23')이 형성된 실리콘 기판 (21) 후면의 소정영역에 알루미늄을 부분적으로 진공증착한다. 여기에서 알루미늄을 기판 후면에 부분적으로 증착할 때 금속 마스크를 사용한다.
소결로(sintering furnace)안에서 상기 결과물을 소결하면 실리콘 기판 (21) 후면에 부분증착된 알루미늄이 산화티타늄막 (23')과 산화규소막 (22')속을 침투하여 실리콘 기판 (21) 후면 내부로 확산됨으로써 부분확산 p+형반도체층 (27)이 형성된다. 이렇게 부분확산 p+형 반도체층 (27)이 형성되면 후에 형성될 후면전극 (29) 표면에서의 소수 전하 캐리아들의 재결합이 감소됨으로써 태양전지의 개방전압이 상승된다.
그리고 나서, 실리콘 기판 (21) 전면의 전극 윈도우 영역과 후면의 소정영역에 후속으로 형성될 전도성 금속층의 접착력을 향상시키기 위하여 니켈(Ni)을 도금한다.
이어서, 상기 니켈 도금층 상부에 구리, 팔라듐, 타타늄, 은 등에서 선택된 전도성 금속을 도금하여 기판 전면에는 복수개의 라인형 전면전극 (25)과 기판 후면에는 전도성 금속층 (28)을 형성한다. 이 때 라인형 전면전극 (25)은 p-n 접합 반도체 내부에서 생성된 전류를 모아서 외부 단자와 접촉하는 역할을 한다.
상기 전도성 금속으로서 구리를 도금하는 경우에는 무전해 도금방법을 사용하고, 전도성 금속으로서 은을 도금하는 경우에는 전기도금법을 사용하는 것이 바람직하다.
그리고 나서, 실리콘 기판 (21) 후면에 알루미늄을 진공증착하여 후면전극 (29) 을 형성한다. 이렇게 알루미늄을 증착하면 전지의 후면반사 효과을 얻을 수 있다.
그리고, 상기 전도성 금속으로서 구리를 사용한 경우에는 구리가 산화되는 것을 방지하기 위하여 은을 코팅하여 보호층을 형성하는 것이 바람직하다.
마지막으로 실리콘 기판 (21) 후면의 알루미늄과 실리콘에 의하여 형성된 인버젼층(inversion layer)의 안정을 위하여 어닐링을 실시함으로써 도 2에 도시된 바와 같은 실리콘 태양전지가 완성된다. 이 때 어닐링은 4%의 수소와 96%의 아르곤을 포함하는 혼합포밍가스를 사용하여 실시한다.
상술한 방법에 따라 제조된 전지에서는, 실리콘 기판의 전면과 후면에 형성된 산화티타늄막은 반사방지, 절연 및 보호막으로서의 역할을 동시에 하는 동시에 확산공정시 마스크로서도 작용한다. 그리고 평탄화된 실리콘 기판 후면에 부분확산 P+형반도체층을 형성하여 기판 후면에서의 전위결함이 감소되는 동시에 소수 전하 캐리어들의 재결합이 줄어들어 에너지 변환효율이 향상된다. 또한, 전면전극 형성시, 종래와 같이 기판내로 깊게 홈을 형성하지 않고, 산화막 형성시 고온의 산화공정을 거치지 않아도 되므로 레이저 장비나 산화로 등과 같은 고가의 장비가 불필요하므로 제조시간과 비용을 매우 절감할 수 있다.
본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 전면전극 형성시 통상적인 함몰전극형 태양전지의 경우와는 달리 실리콘 기판 내부로 홈을 깊게 형성하는 과정이 불필요하므로 제조공정이 단순화되어 제조소요시간이 절감되는 동시에, 레이저 스크라이버 등과 같은 고가의 장비가 없어도 되므로 제조비용이 매우 절감된다.
둘째, 산화막을 형성하기 위한 별도의 산화공정이 불필요하다. 즉 산화티타늄막을 형성하기 위한 분무증착공정만으로 산화티타늄막과 산화막인 산화규소막을 동시에 형성할 수 있다.
셋째, 평탄화된 실리콘 기판 후면에 부분확산 p+형 반도체층을 형성함으로써 실리콘 기판 후면에서의 캐리어들의 재결합과 전위결함을 감소시킴으로써 전지의 개방전압이 향상된다. 그 결과, 에너지 변환효율이 향상된다.
넷째, 에미터층 형성시, 종래에는 번거로운 사진식각공정을 사용하는 반면, 본 발명에서는 금속 마스크(metal mask)을 이용한 진공증착법을 이용하므로 제조하기가 용이하고 제조시간을 절감할 수 있다.
Claims (6)
- (a) p형 실리콘기판 후면에 티타늄(Ti)과 산소를 함유한 화합물을 증착하여 산화규소(SiO2)막과 산화티타늄(TiO2)막을 형성하는 단계;(b) 텍스처링을 실시하여 실리콘 기판 전면에 피라미드 구조를 형성하는 단계;(c) 실리콘 기판 전면에 n형 불순물을 확산하여 n+형 반도체층을 형성하는 단계;(d) 실리콘 기판 전면의 복수개의 라인형 전극 형성 영역을 제외한 나머지 영역에 티타늄과 산소를 함유하는 화합물을 증착하여 산화규소막과 산화티타늄막을 형성하여 전극 윈도우(window)를 만드는 단계;(e) 상기 전극 윈도우를 에칭하는 단계;(f) 에칭된 전극 윈도우의 홈에 인을 깊게 확산하여 n++형 반도체층을 형성하는 단계;(g) 실리콘 기판 후면의 소정영역에 알루미늄을 증착하는 단계;(h) 상기 결과물을 소결하여 부분확산 p+형 반도체층을 형성하는 단계;(i) 실리콘 기판 전면의 전극 윈도우와 기판 후면의 소정영역에 니켈(Ni) 도금층을 형성하는 단계;(j) 상기 니켈(Ni) 도금층 상부에 전도성 금속을 도금하여 라인형 전면전극과 전도성 금속층을 각각 형성하는 단계;(k) 실리콘 기판 후면 전체에 알루미늄을 증착하는 단계; 및(l) 상기 결과물을 어닐링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 부분소결형 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 (b)단계에서 텍스처링이 소정농도의 알칼리 용액을 이용한 화학적 에칭을 이용하여 실시되는 것을 특징으로 하는 후면 부분소결형 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 (k)단계에서 어닐링이 수소 4%와 아르곤 96%의 혼합포밍가스를 이용하여 실시되는 것을 특징으로 하는 후면 부분소결형 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 티타늄과 산소 함유 화합물이 테트라이소프로필 티타나이트 및 티타늄 테트라클로라이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 후면 부분소결형 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 (j)단계에서 전도성 금속이 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti) 및 그 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 후면 부분소결형 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 제5항에 있어서, 상기 (j)단계에서 전도성 금속이 구리인 경우, 상기 (k)단계와 (l)단계사이에 은(Ag)을 코팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 부분소결형 실리콘 태양전지의 제조방법.
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