KR100946797B1 - 레이저를 이용한 고효율 태양전지의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 기판을 준비하는 단계와, 상기 반도체 기판의 전면에 도전층을 증착하는 단계와, 상기 도전층을 레이저를 이용하여 어닐링함으로써 상기 도전층 물질이 상기 기판에 부분적으로 확산되게 하여 전자 이동 통로를 형성하는 단계를 포함하는 레이저를 이용한 고효율 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 최근에 기판이 얇아짐에 따라 기판과 전극의 접촉면적을 증가시켜 태양전지의 효율을 증가시키는 데 한계를 보이는 태양전지에 있어서 도전층의 확산에 의하여 전자 이동 통로를 부가할 수 있기 때문에 전자 이동중의 저항손실을 최소화할 수 있고, 전극의 가림 손실을 최소화할 수 있는 고효율 태양전지를 제공할 수 있다.
태양전지, 함몰형 전극, 도전층, Ag 페이스트, 레이저 어닐링
Description
본 발명은 레이저를 이용한 고효율 태양전지의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저를 이용하여 기판과 전극 사이에 전하 이동 통로를 제공하여 이들 사이의 접촉저항을 감소시키고, 전극의 가림 손실을 감소시켜 고효율 태양전지를 제공하는 레이저를 이용한 고효율 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 태양전지는, 도 1에 도시된 바와 같이, 외부에서 들어온 빛에 의해 태양전지의 반도체 내부에 전자와 정공의 쌍을 생성하고, 이러한 전자와 정공쌍의 pn 접합에서 발생한 전기장에 의해 전자는 n형 반도체로 이동하고 정공은 p형 반도체로 이동함으로써 전력을 생산한다.
이러한 태양전지(1)의 효율을 높이기 위해 도 2에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(2) 전면에 레이저 등으로 홈(2a)을 형성하고 홈(2a)의 내부를 도전성 물질로 충진시킴으로써 기판 전면에 금속전극(3)을 함몰된 형태로 형성한다. 이를 함몰전극구조의 태양전지(BCSC : buried contact solar cell)라고 한다.
함몰전극구조의 태양전지는 기판 상면에 전극을 형성하는 경우에 비해 기판 과의 접촉면적이 크기 때문에 낮은 접촉저항을 얻을 수 있으며, 전극이 기판 상면에 배치되어 태양광을 흡수하지 못하게 함으로써 발생하는 손실인 쉐이딩 손실(shading loss)을 2~3% 줄일 수 있다. 따라서 함몰전극구조의 태양전지는 태양전지의 고효율화와 저가격화에 적합한 것으로 알려져 있다.
그런데, 최근에는 기판 가격의 상승에 따라 기존의 300 내지 400 ㎛ 정도의 두께보다 얇은 200 ㎛ 이하의 두께를 가지는 기판을 사용하여 고효율 태양전지를 제조하기 위한 연구가 진행되고 있다.
이와 같이 태양전지의 기판이 200 ㎛ 이하의 두께로 얇아짐에 따라 전극과 기판과의 접촉면적을 증가시켜 접촉저항을 낮추는 데 한계가 있을 뿐만 아니라 얇은 기판에 전극용 홈을 기계적, 화학적, 물리적으로 형성하여야 하기 때문에 기판이 쉽게 손상되는 문제점이 있다.
또한, 일반적으로 태양전지는 반도체 기판 전면 상의 불순물이 도핑된 에미터(emitter)층에 전극을 형성함으로써 전자가 에미터층으로 이동하여 전극에 수집되게 한다. 이때 전자가 전극으로 이동하는 도중 손실이 발생하게 되는데 이를 최소화하기 위해 에미터층에 대해 고농도의 도핑을 실시하여 저항을 감소시키거나 이동에 따른 손실을 최소화하기 위해 전극 간격을 1.5 내지 2mm로 좁게 형성하였다.
그러나, 에미터층내 도핑량이 증가하게 되면 단파장 광응답 특성이 저하되거나 재결합 손실이 증가되는 문제점이 있었고, 전극 간격을 좁게 할 경우 전면 전극의 면적이 증가하게 되어 빛의 가림 손실(shading loss)이 커지게 되는 문제점이 있다.
또한, 이와 같이 에피터층에 불순물의 도핑량을 증가시키기 위해서는 800 이상에서 반도체 기판을 고온 열처리를 해야 하므로 전극으로부터 금속 등의 불순물이 유입되거나 열부하에 의해서 기판이 손상되는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 박막형 실리콘 기판상에 전자 이동에 대한 저항 및 전극 가림에 의한 손실을 최소화할 수 있도록 전극을 형성하는 레이저를 이용한 고효율 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 반도체 기판이 얇아지더라도 기판과 전극의 접촉저항을 감소시킬 수 있고, 기판에 기계적, 화학적, 물리적 손상을 주지 않고, 넓은 영역에 걸쳐 불순물이 유입되거나 열부하에 의해서 기판이 손상되는 것을 방지할 수 있는 고효율 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 에미터층에 불순물을 고온 열처리에 의해서 고농도로 도핑하지 않으므로 단파장 광응답 특성이 저하되거나 재결합 손실이 증가되지 않는 레이저를 이용한 고효율 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 고효율 태양전지 제조방법은 반도체 기판을 준비하는 단계와, 상기 반도체 기판의 전면에 도전층을 증착하는 단계와, 상기 도전층을 레이저를 이용하여 어닐링함으로써 상기 도전층 물질이 상기 기판에 부분적으로 확산되게 하여 전자 이동 통로를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 반도체 기판과 전극 사이에 저 저항의 도전층으로부터 확산된 도전물질로 형성된 전하이동통로를 형성함으로써, 전자가 상기 전하이동통로를 통해 전극으로 이동할 수 있으므로 저항 손실을 최소화할 수 있고, 전극 간격을 넓게 할 수 있어 전극에 의한 빛의 가림 손실을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 반도체 기판상에 홈을 기계적, 화학적, 물리적으로 형성할 필요가 없으며, 반도체 기판 전면에 불순물을 고농도로 도핑할 필요가 없기 때문에 고온 열처리에 의해 태양전지의 효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
이하 첨부도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저를 이용한 태양전지 제조방법에 관해서 상세히 설명하겠다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 나타낸 공정 단면도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법의 플로우챠트이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 태양 전지(10)는 반도체 기판(11)을 준비하고(S10), 상기 반도체 기판의 일면에 에미터층(12)을 형성하고(S20), 상기 에미터층(12) 위에 도전층(13)을 형성하고(S30), 상기 도전층(13)을 레이저를 이용하여 전극패턴에 따라서 국부적으로 어닐링 함으로 써 상기 에미터층(11)내에 전자 이동 통로(13a)를 형성하고(S40), 상기 전자 이동 통로(13a)에 대응하여 상기 반도체 기판(11)과 전기적으로 연결된 전극(15)을 상기 도전층(13) 상에 형성하여(S50) 제조된다.
상기 반도체 기판(11)은 불순물로서 3족 원소를 도핑하여 p 형 실리콘 기판으로 준비할 수 있으며, 이때 상기 3족 원소로는 B, Ga, Al 등을 들 수 있다.
일반적으로 반도체 기판(11)의 비저항(불순물의 도핑농도)에 따라 광흡수로 생성되는 캐리어(전자 또는 전공)의 농도가 변하게 된다. 또한, 캐리어가 전극으로 이동 및 수집되지 못하고 손실되는 재결합 역시 도핑 농도에 영향을 받게 된다. 이에 따라 반도체 기판(11)에 불순물이 고농도로 도핑되어 비저항이 작을 경우, 광흡수에 의해 생성되는 캐리어의 농도가 증가하고, 재결합도 증가하게 되는 반면, 반도체 기판(11)에 불순물이 저농도로 도핑되어 비저항이 큰 경우 광흡수에 의해 생성되는 캐리어의 농도는 감소하고, 재결합도 감소하게 된다. 즉, 캐리어 생성과 재결합에 따른 손실이 트레이드-오프(trade-off) 관계가 되는 것이다.
상기 에미터층(12)은 불순물로서 5족 원소를 도핑하여 n형 실리콘 기판으로 준비하며, 상기 5족 원소로는 P, As, Sb 등을 들 수 있다.
또한 상기 반도체 기판(11)으로서 5족 원소인 P가 도핑된 n 형 실리콘 기판을 사용할 수도 있는데, 이 경우 상기 에미터층(12)으로는 3족 원소로 도핑된 p형 실리콘 기판을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 에미터층(12)에서의 도핑은 열확산 공정을 이용하여 실시되는데, 이와 같은 공정에 의해 제조된 에미터층(12)은 표면에서는 도핑 농도가 높고 내부로 갈 수록 도핑 농도가 낮아지는 프로파일을 가져 면 저항값이 커질 수 있다. 통상적으로 면 저항 측정법을 이용하여, 측정된 면 저항값으로부터 도핑 정도(도핑농도와 도핑깊이가 고려된 값임)를 평가할 수 있는데, 면 저항값은 도핑 농도가 표면에서 높고 도핑 깊이가 깊을수록 작은 값은 갖는다. 따라서, 종래에는 상기 에미터층(12) 표면에서 고농도의 불순물이 도핑되도록 고온 열처리를 할 수밖에 없었다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 도전층(13)을 도 3에 도시된 바와 같이, 300 내지 2000 nm 파장 대역의 레이저를 이용하여 평균 20W의 출력으로 1.5 내지 3 sec 동안 국부적으로 어닐링함으로써 상기 에미터층(12) 표면에 고농도 도핑을 수행하지 않아도 도핑 깊이가 반도체 기판 두께에 한계가 있어서 도핑 깊이를 깊게 할 수 없어도 전자 이동 통로(13a)를 형성하여 면 저항값을 낮출 수 있다.
또한, 상기 레이저는 스폿 사이즈가 약 20㎛ 까지 조절되고, 약 60㎛ 내지 90㎛의 레이저 비임 깊이를 가지기 때문에 약 20㎛ 폭의 전자 이동 통로를 형성할 수 있으며, 약 60㎛ 내지 90㎛의 깊이까지 전자 이동 통로를 형성할 수 있어서 주변부에 열영향을 최소화하면서 전자 이동 통로(13a)를 형성하여 전자의 이동으로 도와 우수한 전지의 광전변환효율을 나타낼 수 있다.
상기 전자 이동 통로(13a)는 상기 도전층(13)의 도전 재료, 즉, 에미터층(12)보다 비저항값이 낮은 재료로 이루어져, 상기 에미터층(12)에서 생성된 캐리어가 전하 재결합에 의한 손실없이 전극(15)을 향해 이동할 수 있다.
도 5는 종래 태양전지의 면 접촉저항과 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지의 면 접촉저항을 보이는 그래프이다.
도 5에 있어서, 그래프 A의 기울기가 함몰형 전극구조에 있어서 면 접촉저항값을 나타내며, 그래프 B가 약 200 ㎛ 이하의 반도체 기판을 이용하는 태양전지에 있어서 면 접촉저항값을 나타내고, 그래프 C가 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지에 있어서 면 접촉저항값을 나타낸다.
함몰형 전극구조의 경우에 접촉면적을 넓게 하여 접촉 저항값을 약 30 ohm/cm로 가질 수 있었으나, 반도체기판(11)의 두께가 약 200㎛ 이하인 경우에는 접촉면적을 넓히는 데 한계가 있어 약 60 내지 100 ohm/cm의 접촉 저항값을 나타내는 것을 알 수 있다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지(10)는 반도체기판(11)의 두께가 200㎛ 이하인 경우에도 불순물의 도핑 농도를 높이거나 도핑 깊이를 깊게 하지 않을지라도, 레이저 비임을 이용하여 도전층(13)을 국부적으로 어닐링함으로써 형성된 저 저항의 전자 이동 통로(13a)를 구비함으로써 약 20 ohm/cm 내지 100 ohm/cm의 이하의 접촉 저항값을 나타냄을 알 수 있다.
상기 반도체 기판(10)과 에미터층(12)은 서로 접하여 p-n 접합을 형성한다.
상기 에미터층(12) 위에 형성되는 도전층(13)은 저 저항값을 갖는 전자의 이동 통로이며 종래 태양전지에서의 반사방지막의 역할을 할 수 있다.
구체적으로 상기 도전층(13)은 도전성 투명 전극층으로 이루어지며, 상기 에미터층(12)에 비해 낮은 비저항(ρ)을 가지며, 약 300 내지 2000nm 파장범위를 가지며, 적외선 파장 범위를 제공하는 Nd:YAG 레이저의 레이저 비임을 약 90% 이상 흡수할 수 있는 물질로 이루어진다.
상기 도전층(13)은 투명도가 90% 미만이면 빛 입사량이 감소하게 되어 바람직하지 않다.
이를 위하여, 상기 도전층(13)은 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide: ITO), 주석계 산화물(SnO2 등), AgO, ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), 플루오린 틴 옥사이드(fluorine tin oxide: FTO), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 구성을 갖는 상기 도전층(13)은 통상의 반사방지막에 대해 요구되는 물성, 반사손실을 최소화하는 동시에 기판 표면에서의 재결합 손실을 줄여줄 수 있도록 굴절율뿐만 아니라 막 자체의 흡수율이 작고, 투과율이 높고 표면 패시배이션 특성이 모두 좋아서 바람직하다.
상기 도전층(13)의 전자 이동 통로(13a) 위에 별도로 형성될 수 있는 전극(15)은 저항값이 낮은 Al, Ag, Ni, Cu, Ti, Pd, Cr, W, 전도성 고분자, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다. 특히 Ag 페이스트를 이용함으로써 접촉 저항값을 낮추고 스크린 인쇄법 등에 의해서 용이하게 전극을 형성할 수 있었다.
이와 같이 상기 전극(15)을 상기 전자 이동 통로(13a)를 이용하여 상기 도전층(13)과 전기적으로 연결함으로써 상기 전극(15)을 전자 이동 중의 손실을 고려하여 멀리 이격 배치할 수 밖에 없었던 문제점을 해결할 수 있다.
즉, 상기 전극(15)을 도전층(13)의 비저항값에 따른 저항손실과 전극 면적에 의한 강반사 손실 간의 트레이드-오프 관계를 고려하면서도 상기 도전층(13) 위에 일정 간격으로 이격하여 복수개 형성할 수 있다.
이에 따라, 상기 전극(16)은 2.5 내지 8mm의 간격으로 이격하는 것이 바람직하다. 상기 전극(15)간의 이격 거리가 2.5mm 미만이면 도전층(13) 위에 형성되는 전극(15)의 총 면적이 증가되고, 이에 따라 전극에 의한 빛의 가림 손실이 발생할 우려가 있어 바람직하지 않다. 또한, 이격 거리가 8mm를 초과하면 저항손실이 발생할 수 있기 때문에 바람직하지 않다.
상기 전극(15)은 상기 반도체 기판(11)의 전면에 제 1 전극을 형성하고 후면에도 형성되어 상기 반도체 기판(11)과 전기적으로 연결되는 제 2 전극을 형성할 수 있다.
상기와 같은 구조를 갖는 태양전지(10)의 p-n 접합부내로 빛이 조사되면 빛 에너지에 의해 반도체 내부에서 전자와 정공이 발생한다. 일반적으로 반도체에 밴드 갭 에너지 이하의 빛이 들어가면 반도체 내의 전자들과 약하게 상호작용하고, 밴드 갭 이상의 빛이 들어가면 공유 결합 내의 전자를 여기시켜 전자 또는 전공을 생성한다. 빛 에너지에 의해 발생된 전자는 n형 반도체인 에미터층(12)쪽으로 이동한 후 도전층(13) 및 전자 이동 통로(13a)를 통해 제 1 전극(15)으로 모이고, 발생된 정공은 내부의 전계에 의해 p형 반도체인 반도체기판(11) 쪽으로 이동한 후 제 2 전극(도시안함)에 모이게 된다. 이러한 제 1 및 제 2 전극을 도선으로 연결하면 전류가 흐르게 되고, 이를 외부에서 전력으로 이용하게 된다.
다만 상기 에미터층 형성 공정에 앞서 상기 반도체 기판에 대하여 기판제조 시의 표면 결정 결함 제거(saw damage removal) 공정, 표면반사율 감소를 위한 기판 표면 요철 형성(texturing)공정 및 기판 크리닝 공정으로 이루어진 군에서 선택되는 예비 공정을 선택적으로 더 실시할 수 있다. 상기 공정들은 당해 기술분야에 널리 알려진 공정들인 바 본 명세서에서는 그에 대한 상세한 설명을 생략한다.
상기와 같은 방법으로 제조된 태양전지는 전자 이동에 대한 저항 및 전극 가림에 의한 손실이 최소화되어 우수한 광전 변환 효율을 나타낼 수 있다. 또한 에미터층에서의 불순물을 저농도로 도핑할 수 있어 단파장 광응답 특성을 개선하고, 재결합 손실을 최소화할 수 있다.
도 1은 일반적인 태양전지의 구성을 설명하기 위한 개략 단면도이다.
도 2는 고효율 태양전지를 제조하기 위한 함몰형 전극구조를 형성하는 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 나타낸 공정 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법의 플로우챠트이다.
도 5는 종래 태양전지의 면 접촉저항과 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지 의 면 접촉저항을 보이는 그래프이다.
[도면의 주요 부분에 대한 설명]
1, 10: 태양전지 11: 반도체 기판
12: 에미터층 13: 도전층
15: 전극
Claims (11)
- 반도체 기판을 준비하는 단계와, 상기 반도체 기판의 전면에 300 내지 2000nm 파장범위에서 90% 이상의 투과율을 갖는 재료로 이루어진 도전층을 증착하는 단계와, 상기 도전층을 레이저를 이용하여 국부적으로 어닐링함으로써 상기 도전층 물질을 상기 반도체 기판에 부분적으로 확산시켜 20~100 ohm/cm 범위 내에서 저항값을 갖는 전자 이동 통로를 형성하는 단계를 포함하는 레이저를 이용한 고효율 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 전자 이동 통로로 연결된 상기 도전층 상부에 전기적으로 연결된 제 1 전극을 형성하는 단계와, 상기 반도체 기판의 후면에 상기 반도체 기판과 전기적으로 연결되는 제2전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 레이저를 이용한 고효율 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 반도체 기판상에 에미터층을 형성하는 단계를 더 포함하는 레이저를 이용한 고효율 태양전지의 제조방법.
- 제3항에 있어서,상기 도전층은 상기 에미터층보다 낮은 비저항을 갖는 레이저를 이용한 고효율 태양전지의 제조방법.
- 삭제
- 제3항에 있어서,상기 에미터층은 50~100 ohm/cm 범위 내에서 저항값을 갖는 레이저를 이용한 고효율 태양전지의 제조방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 도전층은 ITO, 주석계 산화물, AgO, ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), FTO 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 레이저를 이용한 고효율 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 전자 이동 통로는 60 내지 100nm의 깊이를 갖는 레이저를 이용한 고효율 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 레이저는 펄스형 레이저이고, 300 내지 2000nm 파장범위의 레이저 비임을 조사하는 레이저를 이용한 고효율 태양전지의 제조방법.
- 제10항에 있어서,상기 레이저는 300 내지 2000 nm 파장 대역에서 자유롭게 조절가능한 CO2 레이저 또는 Nd:YAG 레이저를 이용하여 평균 20W의 출력으로 1.5 내지 3 sec 동안 국부적으로 어닐링하는 레이저를 이용한 고효율 태양전지의 제조방법.
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