KR100766942B1 - 태양전지의 전극 패턴 형성장치 및 이를 이용한 전극 패턴형성방법 - Google Patents

Abstract

태양전지의 전극 패턴을 형성하는 방법에 관한 것으로, 그 목적은 저렴하고 간단한 방법으로 태양전지의 전극 패턴을 형성하는 것이다. 이를 위해 본 발명에서는 상부에 스프링이 설치된 스크라이빙 팁을 이용하여 반도체 기판 상의 절연막을 스크라이빙함으로써, 기판 표면의 평탄 정도에 관계없이 균일한 두께로 패터닝되고 표면손상이 최소화된 전극 패턴을 형성한다.

태양전지, 스크라이버, 패턴

Description

태양전지의 전극 패턴 형성장치 및 이를 이용한 전극 패턴 형성방법 {Device for patterning electrode of solar cell and electrode patterning method using the device}

도 1은 본 발명에 따른 스크라이빙 장치의 단면도이다.

도 2는 본 발명에 따라 형성된 태양전지의 전극 패턴이 도시된 반도체 기판의 단면도이다.

본 발명은 태양전지의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양전지의 전극 패턴을 형성하는 장치 및 이를 이용하여 태양전지의 전극 패턴을 형성하는 방법에 관한 것이다.

태양 전지의 원가에서 가장 큰 비중을 차지하는 부분은 기판으로 사용되는 실리콘 웨이퍼의 가격이다. 따라서, 태양전지의 저가격화를 위해서는 보다 더 얇고 가격이 저렴한 기판을 사용한다.

최근에는 기존의 300 내지 400 ㎛ 정도의 두께보다 얇은 200 ㎛ 이하의 두께를 가지는 기판을 사용하여 고효율 태양전지를 제조하기 위해 연구가 진행되고 있 다.

고효율 태양전지를 제조하기 위해, 태양전지의 전면 및 후면에 SiN_x, SiO₂ 등의 절연막으로 이루어진 보호막(passivation layer)을 형성하여, 입사된 태양광에 의해 생성된 소수 캐리어가 태양전지의 계면에서 재결합하는 것을 방지한다. 특히, 두께가 얇은 기판에서 고효율을 얻기 위해서는 보호막의 절연특성이 우수해야 하고, 태양전지의 후면에는 반사도가 우수한 절연막을 만들어주어야 한다.

전극 패턴을 형성하는 종래 방법 중에는, 포토리소그래피(photolithography) 공정으로 패턴을 형성한 후 화학적인 식각용액을 이용하여 습식 식각하는 방법이 있다. 이 방법은 고효율 태양전지의 제조에 일반적으로 사용되고 있으나, 공정 비용이 비싸서 저가격 양산공정에는 적합하지 않은 단점이 있다.

또한, 보호막 특성이 우수하고 광학적 특성도 우수하여 태양전지의 절연막에 적용하면 높은 효율을 얻을 수 있는 Si이 풍부한(Si-rich) SiN_x막은, 습식 식각이 불가능하므로, SiN_x막을 절연막으로 이용할 경우 포토리소그래피 공정에 의한 방법으로는 금속 전극 패턴을 형성하지 못하는 문제점이 있다.

SiN_x 막과 SiO₂ 절연막 모두에 대해 전극 패턴이 가능한 방법으로서, 태양전지의 후면 전극패턴을 형성하는데 적용하기 위한 방법으로는 플라즈마 식각 방법, 레이저를 이용하여 표면을 깎아내는 방법(이를 laser ablation이라 한다), 기계적인 연마(mechanical abrasion) 방법 등이 있으며, 이들에 대해 설명하면 다음과 같다.

플라즈마 식각 방법에서는 SF₆ 플라즈마 및 플라즈마 마스크를 이용하여 SiN_x 막에 전극 패턴을 형성한다. 그러나, 이 방법은 공정 비용이 비싸고, 플라즈마에 의한 표면 손상으로 효율이 감소되는 문제점이 있으며, 양산 공정에 적용하기가 어렵다.

레이저 어블레이션 방법에서는 KrF 엑시머(eximer) laser 또는 Nd:YAG 레이저를 이용하여 SiN_x 막에 전극 패턴을 형성한다. 후면전극에는 다수개의 홀이 형성되는데, 예를 들면 100 ㎛ 크기의 홀을 100㎠ 의 면적에 10000개가 형성된다. 그러나 이 방법에서는 후면 전극에 형성되는 홀을 일일이 하나씩 제조하기 때문에 공정시간이 너무 길다는 문제점이 있다.

기계적인 연마 방법은 양산적용을 준비중인 기술로서, 다수개의 블레이드(blade)로 후면전극 전체를 연마하여 홀을 한번의 공정으로 만들 수 있으므로 전극형성 속도가 빠르다는 장점을 가지고 있다. 그러나 이 방법으로는 직선 형태의 전극 패턴만을 만들며 그 외의 다른 패턴 형태는 만들 수가 없다는 단점이 있으며, 특히 웨이퍼 표면으로부터 블레이드의 높이가 일정하게 고정되어 있으므로 웨이퍼 표면이 평탄하지 않은 경우, 균일한 패턴을 만들기 어려운 문제점이 있다.

기계적인 연마 방법을 태양전지의 제조에 적용한 종래 기술로는 미국 특허 제4502225호가 있다. 여기서는 기계적인 스크라이버를 이용하여 태양전지의 표면을 텍스쳐링(texturing)하고, 함몰전극 구조의 태양전지를 제조한다. 그러나, 이러한 함몰 전극 구조에서의 전극은 기판 내로 70 내지 80 ㎛ 정도의 깊이로 깊게 파낸 후 형성된 것이므로, 절연막만을 제거하여 전극 패턴을 형성하는 것과는 차별화되며 절연막만을 제거하는 것은 불가능하다.

고효율 태양전지 제작을 위해 후면 전극의 면적은 1~2% 정도가 최적이고, 전극 폭은 30㎛이내, 전극 간격은 3mm 이내가 최적 조건인데, 미국 특허 제4502225호의 기술로는 최적의 후면 전극 구조를 형성할 수 없다. 또한, 미국 특허 제4502225호에서 제작된 태양전지는 함몰 전극형 태양전지로서 20% 이상의 고효율 태양전지를 제작할 수 없다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 저렴하고 간단한 방법으로 태양전지의 전극 패턴을 형성하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 저렴하고 간단한 방법으로 SiN_x로 이루어진 절연막을 제거하여 전극 패턴을 형성하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 기계적인 스크라이빙 방법으로 다양한 형태의 패턴을 형성하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 함몰 전극형 태양전지보다 효율이 높은 태양전지 구조(PERL, PERC, PESC 등)에 적용가능하고, 고효율을 위한 최적의 전극구조를 가지도록 하는 전극 패턴 형성 방법을 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 상부에 스프링이 설치된 스크라이빙 팁을 이용하여 반도체 기판 상의 절연막을 스크라이빙함으로써, 기판 표면의 평탄 정도에 관계없이 균일한 두께로 패터닝된 전극 패턴을 형성하며, 스크라이빙된 반도체 기판의 표면손상을 최소화한다.

본 발명에서는 기계적인 스크라이빙 장치(mechanical scriber)를 이용하여 반도체 기판의 상면에 도포된 절연막을 스크라이빙하여 전극 패턴을 형성하는데, 도 1에는 본 발명에서 사용된 스크라이빙 장치의 단면도가 도시되어 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스크라이빙 장치는 절연막을 스크라이빙하는 스크라이빙 팁(10)의 상부에 스프링(11)을 설치하여 스크라이빙되는 표면의 손상을 최소화하고, 웨이퍼 표면의 평탄 정도에 상관없이 균일한 두께로 스크라이빙한다.

스프링은 특수 제작된 것으로서, 재질은 탄소강이고, 스프링상수는 1~ 2kgf/mm이다.

이 때 스프링의 탄성계수에 따라 스크라이빙 깊이가 달라지므로, 스크라이빙하고자 하는 절연막의 두께 등의 공정 조건에 적합한 탄성계수를 가지는 스프링으로 교체하여 사용할 수 있다.

그러나, 교체시간을 없애고 그만큼 공정시간을 단축시키기 위해 스프링(11)의 상부에 높이조절 나사(12)를 설치하여 스프링(11)의 높이를 조절함으로써, 스프링의 탄성계수를 변화시키는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 스크라이빙 장치를 더욱 상세히 설명한다.

높이조절 나사(12)는 상단에 나사홈이 형성된 헤드를 구비하고, 스프링 케이 스(13)의 상면을 관통하도록 설치되어 있으며, 높이조절 나사(12)의 하단에는 스프링(11)이 연결설치되어 있다.

스프링(11)은 스프링 케이스(13)의 내부에 설치되어 있으며, 스프링(11)의 하단에는 로드(14)가 연결되어 있다. 이 때 스프링(11)의 상단 및 하단에는 스프링(11)이 스프링 케이스(13)의 내부에서 안정되게 압축되거나 신장될 수 있도록 연결판(15)을 설치하면 더욱 좋다.

로드(14)는 상단이 스프링(11)의 하단에 연결되고, 스프링 케이스(13)의 하면을 관통하도록 설치되어 있으며, 로드(14)의 하단에는 스크라이빙 팁(scribing tip)(10)이 설치되어 있다.

스크라이빙 팁(10)은 반도체 기판의 상부에 위치하여 지지대(미도시)에 의해 반도체 기판의 상면을 스크라이빙하게 되는데, 지지대는 스프링 케이스가 부착된 상부 프레임과 반도체 기판이 놓이는 하부 프레임, 그리고 상부 프레임과 하부 프레임을 서로 상대적으로 수평이동 및 수직이동시키는 이동부로 이루어져 있다.

즉, 이동부는 상부 프레임, 즉, 스크라이빙 팁을 반도체 기판에 대해 수평이동 및 수직이동시키면서 반도체 기판을 스크라이빙할 수도 있고, 하부 프레임, 즉 반도체 기판을 스크라이빙 팁에 대해 수평이동 및 수직이동시키면서 반도체 기판을 스크라이빙 할 수도 있다. 또한, 이동부의 수평이동 및 수직이동이 입력된 목적하는 전극 패턴대로 이루어지도록 하는 이동제어부를 설치하는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같은 스크라이빙 장치를 이용하여 태양전지의 전극 패턴을 형성하는 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.

먼저, 스크라이빙할 절연막의 두께 등의 공정조건에 따라 정해지는 스프링의 높이를 높이조절 나사를 이용하여 조절한다.

다음, 상부 프레임을 수평이동 및 수직이동시키거나, 또는 하부 프레임을 수평이동 및 수직이동시켜 스크라이빙 팁으로 반도체 기판 상에 형성된 절연막을 스크라이빙하여 패터닝한다.

이 때, 스크라이빙하는 절연막으로는 SiN_x 또는 SiO₂ 등이 있다.

절연막을 스크라이빙하고 난 후 노출된 반도체 기판에는 약간의 표면손상이 있을 수 있는데, 이러한 표면손상을 제거하기 위해 스크라이빙된 반도체 기판 부분을 등방성 식각할 수도 있다. 등방성 식각은 반도체 기판의 오버에치된 최종 깊이가 10 ㎛ 이내가 되는 정도의 짧은 시간동안 수행하면 충분하며, 이것은 본 발명의 스크라이빙 장치가 스프링을 구비하여 표면손상을 최소화하였기 때문이다.

이로써, 태양전지의 전극 패턴 형성이 완료되며, 이후에는 패터닝된 절연막을 통해 노출되는 반도체 기판 영역에 전극물질을 도포하여 전극을 형성하게 된다.

본 발명에 따른 스크라이빙 장치를 이용하면 다양한 형태로 전극 패턴을 형성할 수 있는데, 예들 들면, 폭과 비슷한 길이로 패터닝하는 도트(dot) 패턴을 형성할 수도 있고, 폭보다 긴 길이로 패터닝하는 대쉬트(dashed) 패턴을 형성할 수도 있으며, 일정 폭의 연속적인 라인으로 패터닝하는 라인(line) 패턴으로 형성할 수도 있다.

이와 같이 본 발명의 스크라이빙 장치는 다양한 형태로 전극 패턴을 형성할 수 있으므로 후면전극과 전면전극 모두의 패턴을 형성할 수 있다.

상기한 바와 같은 방법으로 형성된 태양전지의 전극 패턴이 도 2에 도시되어 있다.

절연막(2)을 스크라이빙하여 전극 패턴을 형성하면, 절연막(2)의 스크라이빙에 의해 노출되는 반도체 기판(2)이 오버에치되어 있는데, 그 오버에치 깊이(d)는 10 ㎛ 이내이며, 또한 전극 패턴의 폭(w)은 등방성 식각에 의해 사이드에칭되어 절연막 패턴의 하부까지 5 ㎛ 이내의 사이드에칭폭(s)을 포함할 수 있다.

이와 같이 반도체 기판이 10 ㎛ 이내의 깊이로 오버에칭되는 것은, 의도적으로 70 내지 80 ㎛ 정도로 깊게 에칭한 함몰전극 구조와는 그 깊이 차이로 인해 구별되는 것이다.

또한, 종래의 포토리소그래피 공정으로 절연막을 패터닝하는 경우에는 반도체 기판이 오버에칭되는 일이 없으나, 본 발명과 같이 10 ㎛ 이내의 오버에칭 깊이 정도는 태양전지의 성능에 전혀 영향을 미치지 않으므로 문제가 되지 않는다.

본 발명의 일실시예로서, 기존의 안정화된 에미터 리어셀(passivated emitter rear cell : PERC) 구조의 태양전지의 전면 전극과 후면 전극의 패턴을 본 발명에 따른 스크라이빙 장치를 이용하여 형성하였으며, 제조된 태양전지의 효율은 19.42%로서, 고가의 포토리소그래피 공정을 이용하여 전극 패턴을 형성한 태양전지와 동등한 수준의 효율을 나타냄을 확인하였다.

본 발명의 다른 실시예로서, 다양한 전극 패턴제작이 가능한 것과 표면손상을 최소화할 수 있는 본 발명의 스크라이빙 장치를 이용하면 고효율 양면 태양전지(bifacial solar cell)를 저가격으로 제조하였다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 단순한 구조의 스크라이빙 장치를 이용하여 간단한 공정으로 전극 패턴을 형성하므로, 종래의 일반적인 전극 패턴 공정에 비해 공정비용이 50% 이상 절감되는 효과가 있다.

이와 같이 저렴하고도 간단한 공정이므로 대량생산에 적용 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 스크라이빙 장치를 이용하면 Si이 풍부한 SiN_x막, 또는 SiO₂와 같은 절연막을 제거하여 전극 패턴을 형성할 수 있는 효과가 있다.

그리고, 본 발명에 따른 전극 패턴 형성 방법으로는 다양한 패턴을 형성하는 것이 가능하므로, 전면전극 및 후면전극의 패턴을 형성할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 상단에 나사홈이 형성된 헤드를 구비하고, 스프링 케이스의 상면을 관통하도록 설치된 높이조절 나사;

   상기 스프링 케이스의 내부에 설치되고 상단이 상기 높이조절 나사의 하단에 연결 설치된 스프링;

   상단이 상기 스프링의 하단에 연결되고 상기 케이스의 하면을 관통하도록 설치되며, 하단에 스크라이빙 팁(scribing tip)이 설치된 로드;

   상기 케이스가 부착된 상부 프레임과, 상기 스크라이빙 팁의 하부에 태양전지가 형성되는 반도체 기판이 위치하도록 상면에 상기 반도체 기판이 놓이는 하부 프레임, 및 상기 상부 프레임과 상기 하부 프레임을 서로 상대적으로 수평이동 또는 수직이동시키는 이동부를 포함하는 지지대

   를 포함하는 스크라이빙 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 장치는, 상기 이동부가 입력된 패턴대로 상기 상부 프레임과 상기 하부 프레임을 서로 상대적으로 수평이동 및 수직이동시키도록 하는 이동제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스크라이빙 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 스프링의 상단 및 하단에는 상부 연결판 및 하부 연결판이 설치되고, 상기 상부 연결판 및 하부 연결판에는 각각 높이조절 나사 및 로드가 연결 설치된 것을 특징으로 하는 스크라이빙 장치.
4. 제 1 항의 장치를 이용하여 태양전지의 전극 패턴을 형성하는 방법에 있어서,

   스크라이빙할 절연막의 두께에 따라 정해지는 스프링의 높이를 높이조절 나사를 이용하여 조절하는 단계;

   상기 상부 프레임을 수평이동 및 수직이동시키거나, 또는 상기 하부 프레임을 수평이동 및 수직이동시켜 상기 스크라이빙 팁으로 상기 반도체 기판 상에 형성된 절연막을 스크라이빙하여 패터닝하는 단계;

   를 포함하는 태양전지의 전극 패턴 형성 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 절연막은 SiN_x 및 SiO₂ 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지의 전극 패턴 형성 방법.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,

   상기 패터닝 단계 이후에는,

   상기 스크라이빙으로 인한 표면손상을 제거하기 위해 스크라이빙된 반도체 기판을 총 오버에치 깊이가 10 ㎛ 를 넘지 않도록 등방성 식각하는 단계

   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 전극 패턴 형성 방법.
7. 제 4 항의 방법을 이용하여 반도체 기판의 일부분을 덮도록 상기 반도체 기판 상에 형성된 절연막 패턴;

   상기 절연막 패턴에 의해 노출된 반도체 기판에는 10 ㎛ 이내의 깊이로 오버에칭되고 상기 절연막 패턴의 하부까지 5 ㎛ 이내의 폭으로 사이드에칭된 전극 패턴을 포함하는 태양전지.

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