KR100971747B1 - 함몰전극형 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
함몰전극형 태양전지에 관한 것으로, 그 목적은 간단하고 저렴한 방법으로 함몰전극형 태양전지를 제조하는 것이다. 이를 위해 본 발명에서는 기판에 홈을 형성하는 단계; 홈 내에 도전성 입자 또는 도전성 입자의 전구체를 매립하는 단계; 열처리하여 도전성 입자 또는 도전성 입자의 전구체를 융착시키는 단계를 포함하여 함몰전극형 태양전지를 제조하며, 이 때, 도전성 입자 또는 도전성 입자의 전구체는 1㎛ 이하의 입경을 가지고, 바람직하게는 1nm 이하의 입경을 가진다.
태양전지, 함몰전극, 산화은
Description
도 1은 본 발명에 따른 함몰전극형 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도이고,
도 2a 및 2b는 본 발명에 따라 산화은 입자를 홈 안에 채우는 방법을 도시한 단면도이며,
도 3a 내지 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 함몰전극형 태양전지 제조방법을 그 공정 순서에 따라 도시한 단면도이다.
본 발명은 함몰전극형 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저렴하고도 간단한 방법으로 함몰전극형 태양전지를 제조하는 방법에 관한 것이다.
함몰전극형 태양전지는 태양전지의 표면에 미세한 홈(groove)을 내고 홈 안에 전극을 형성한 구조를 가진다.
함몰전극형 태양전지는 스크린 인쇄법으로 전극을 형성하는 기존의 태양전지 에 비해서 태양전지의 효율을 크게 높일 수 있지만 상대적으로 제조공정이 복잡하고, 섭씨 1000도에 가까운 고온에서 이루어지는 공정이 많기 때문에 일부 업체만이 단결정 실리콘 태양전지로 제품화하고 있는 실정이다.
종래 함몰전극형 태양전지의 전극형성 방법은 미국특허 4,726,850호, 미국특허 4,748,130호, 미국특허 5,543,333호에 잘 나타나 있다. 이들 특허에 개시된 바와 같이, 종래에는 실리콘 기판의 표면에 레이저로 홈을 내고 그 홈 안에 금속전극을 형성한다.
금속전극을 형성하는 첫 번째 방법은 도전성 페이스트(paste)를 스퀴지(squeegee)나 스크레이퍼(scraper)를 사용하여 채우는 방법이다. 두 번째 방법은 표면에 절연층을 형성하고, 절연층을 식각하여 홈을 형성한 후에, 전해 또는 무전해 도금법으로 홈 내부를 금속으로 채우는 것이다. 세 번째 방법은 두 번째 방법으로 금속을 일부 채운 후에, 웨이퍼를 용융된 금속에 담가 금속을 완전히 채우는 것이다.
상술한 세 가지 방법 중에서 두 번째 방법이 가장 일반적이며, 실제 제품에서는 홈의 내부에 무전해 도금법으로 니켈(Ni)을 도포하고, 이어서 전해 도금법으로 구리(Cu)를 채우는 방법이 사용되고 있다.
미국특허 4,748,130호에는 도전성 페이스트나 도금 방법으로 홈 내부를 매립하는 방법이 개시되어 있고, 미국특허 5,543,333호에는 광유기(photo induced) 무전해 도금으로 Ni층을 형성하고 그 위에 무전해 도금으로 Ag 또는 Cu를 형성하는 방법이 개시되어 있다.
그러나, 이러한 종래 방법들은 앞에서 언급한 바와 같이, 제조공정이 복잡하고, 섭씨 1,000도 가까운 고온에서 이루어지는 공정이 많기 때문에 일부 업체만이 단결정 실리콘 태양전지로 제품화하고 있는 실정이다.
종래 기술에 따르면 대략 18단계를 거쳐 함몰전극을 제조한다.
먼저, 실리콘 웨이퍼를 슬라이싱할 때 생긴 표면의 결함을 제거한(1단계) 후, 웨이퍼 표면에서의 빛 반사를 줄이기 위해 표면에 요철을 형성하도록 텍스처링하고(2단계), 웨이퍼 표면의 유기 및 무기 불순물을 제거하도록 웨이퍼를 세척한다(제3단계).
다음, 웨이퍼 표면으로부터 인(P)을 확산하여(845℃, 10분) pn 접합을 형성하고(제4단계), 웨이퍼 표면 중 홈을 제외한 부분에서 식각 및 불순물 확산이 일어나지 않도록 방지하는 목적으로 웨이퍼의 전면 및 후면 모두의 표면을 습식산화(980℃, 2.5시간)시킨다(제5단계).
다음, 웨이퍼 표면에 레이저로 홈을 형성한 후(제6단계), 홈 형성 과정에서 생긴 잔류물 및 결함 부위를 제거하고(제7단계), 웨이퍼 표면의 유기 및 무기 불순물을 제거하도록 웨이퍼를 세척한다(제8단계).
다음, 금속전극과의 접촉저항을 줄이기 위해 홈 표면에 인을 고농도로 확산한 후(950℃, 1.5시간)(제9단계), 웨이퍼의 후면에 Al을 증착하여 후면 전극을 형성하고(제10단계), 열처리(980℃, 3시간)하여 후면전계(back surface field)를 형성한다(제11단계).
다음, 홈 안을 무전해 도금하기 위해 홈 표면에 형성된 산화막을 제거한 후( 제12단계), 금속전극과의 접촉저항을 줄이기 위해 홈 표면에 Ni 무전해 도금을 수행하고(제13단계), 열처리하여 니켈 실리사이드층을 형성한다(제14단계).
다음, 웨이퍼와 Cu 전극 사이의 부착력을 향상시키기 위해 Ni 무전해 도금을 수행하고(제15단계), Cu 무전해 도금으로 Cu 전극을 형성한 후(제16단계), 모듈제조 공정에서 납땜이 잘 되도록 Cu 전극 위에 Ag층을 형성하고(제17단계), 전면 산화막이 방지방지막으로 기능하도록 두께를 최적화하기 위해 전면 산화막의 일부를 식각한다(제18단계).
이 중에서 1000℃에 가까운 고온에서 이루어지는 공정은 이미터 확산하는 제4단계, 습식산화하는 제5단계, 홈 확산하는 제9단계, 열처리하는 제11단계 등이 있다.
따라서, 보다 간단하고도 저렴한 제조 공정으로, 특히 보다 적은 수의 고온공정을 거쳐 함몰전극형 태양전지를 제조하는 것이 요구되고 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 간단하고도 저렴한 방법으로 함몰전극형 태양전지를 제조하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 고온공정의 개수를 줄이는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 기판에 홈을 형성하는 단계; 홈 내에 도전성 입자 또는 도전성 입자의 전구체를 매립하는 단계; 열처리하여 도전성 입자 또는 도전성 입자의 전구체를 융착시키는 단계를 포함하여 함몰전극형 태양전지를 제조한다.
이 때, 도전성 입자 또는 도전성 입자의 전구체는 1㎛ 이하의 입경을 가지고, 바람직하게는 1nm 이하의 입경을 가진다.
도전성 입자는 Ag, Cu, Au, Ti, W, Ni, Cr, Mo, Pb, Pd, Pt 중의 어느 하나를 포함하는 금속으로 이루어질 수도 있고, 전이금속 및 희토류금속 중의 어느 하나와 실리콘과의 화합물인 실리사이드(silicide)로 이루어질 수도 있다.
도전성 입자의 전구체로는 산화은을 사용하여 150-250℃의 온도에서 30분-90분의 시간동안 열처리할 수 있다.
또한, 홈 내에 도전성 입자 또는 도전성 입자의 전구체를 매립하는 단계에서는, 기판의 상부에서 도전성 입자 또는 도전성 입자의 전구체를 뿌린 후, 홈의 내부를 제외한 기판 상면에 뿌려진 도전성 입자 또는 도전성 입자의 전구체를 브러쉬를 포함한 털이기구를 사용하여 제거하는 방법과, 노즐이 장착된 주입기를 사용하여 홈의 내부로 도전성 입자 또는 도전성 입자의 전구체를 주입하는 방법 중의 어느 한 방법을 사용할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 함몰전극형 태양전지 및 그 제조방법에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(1)에 형성된 홈(G) 내에 금속 전극을 형성하는 함몰전극형 태양전지를 제조함에 있어서, 홈(G) 내에 도전성 입자 또는 도전성 입자의 전구체(precursor)(2)를 매립한 후 열처리함으로써 금속전극을 형성한다.
이 때, 도전성 입자 또는 도전성 입자의 전구체(2)로는 1㎛ 이하의 입경을 가지는 것을 사용하고, 바람직하게는 1nm 이하의 입경을 가지는 것을 사용한다.
도전성 입자 또는 도전성 입자의 전구체 입경이 작을수록 융착에 필요한 열처리 온도가 더 낮아질 수 있고, 열처리 시간 또한 더 짧아질 수 있다.
도전성 입자로는 Ag, Cu, Au, Ti, W, Ni, Cr, Mo, Pb, Pd, Pt 중의 어느 하나를 포함하는 금속을 사용할 수도 있고, 전이금속 및 희토류금속 중의 어느 하나와 실리콘과의 화합물인 실리사이드(silicide)를 사용할 수도 있다.
다만, 금속의 경우 입경이 지나치게 작아질 경우 상온에서 서로 붙어버릴(응집) 위험이 있으므로, 이러한 상온 응집의 위험을 고려하여 입경을 조절하도록 한다.
열처리 온도 및 시간은 앞에서 언급한 것처럼 도전성 입자 또는 도전성 입자의 전구체 입경에 의해서도 좌우되지만, 도전성 입자 또는 도전성 입자의 전구체를 이루는 재료에 의해서도 결정된다.
예를 들어 도전성 입자의 전구체로서 산화은을 사용할 경우, 150-250℃의 온도에서 30분-90분의 시간동안 열처리하면 은이 환원 및 융착된다.
산화은(Ag2O)을 160℃ 이상으로 가열하면 산소가 떨어져 나가고 은이 된다. 또한, 산화은은 저온에서도 적절한 환원제를 첨가하면 쉽게 환원된다. 공기 중에서 산화은의 환원반응은 다음과 같은 화학식1로 표현된다.
적절한 방법으로 산화은 미세입자를 만들고 그 미립자 상태에서 환원하면 은으로 되면서 입자가 서로 붙게 된다. 산화은 입자간의 융착이 일어나기 위해서는 산화은 입자의 크기가 충분히 작아야 한다.
산화은 입자의 제조방법은 다음과 같다. 질산은 수용액에 수산화나트륨 수용액 한 방울을 떨어뜨려 잘 교반하면 다음의 화학식2에 의해 산화은이 석출된다.
수용액을 여과지로 거르면 여과지에 미세한 산화은 입자가 남게 된다. 걸러진 산화은 입자를 증류수로 여러 번 세척한 후에 진공상태에서 건조하면 산화은 미세분말을 얻을 수 있다.
도전성 입자 또는 도전성 입자의 전구체를 홈 안에 매립하는 방법을 산화은의 경우로 예를 들어 도 2a 및 2b에 도시하였다.
도2a는 산화은 입자(2)를 실리콘 기판(1)의 홈(G)을 포함한 표면에 뿌린 후 브러쉬와 같은 털이기구(3)를 사용하여 홈(G)을 제외한 부분에 뿌려진 산화은 입자(2)를 제거하는 방법을 나타낸 것이며, 도2b는 산화은 입자(2)를 노즐을 장착한 주입기(4)를 사용하여 기판(1)의 홈(G)에 채우는 방법을 나타낸 것이다.
이렇게 산화은 입자를 채운 후에는 열처리를 하여 산화은을 은으로 환원시킴과 동시에 용융시켜 고상의 은으로 융착시킨다.
열처리는 150-200℃에서 30분-90분 정도 수행하는 것이 적당하며, 바람직하게는 200℃에서 1시간 동안 열처리한다.
그러면, 상술한 전극형성 방법을 적용한 실리콘 태양전지 제조방법에 대해 산화은을 사용한 경우를 일 실시예로 하여 설명하며, 도 3a 내지 3d를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 기판(11)으로는 p형의 단결정 또는 다결정 실리콘 웨이퍼를 사용한다. 기판(11)의 전면에 레이저를 사용하여 홈(G)을 낸다. 웨이퍼를 슬라이싱(slicing)하고 레이저로 홈을 낼 때 웨이퍼 표면에는 많은 결함이 발생하는데 KOH와 같은 알칼리 수용액을 사용하여 결함부위를 제거할 수 있다.
이어서 표준 RCA 세정방법을 사용하여 기판(11)에 있는 유기 및 무기 불순물과 산화막을 제거한다.
다음, 도 3b에 도시된 바와 같이, 홈(G)이 형성되어 있는 기판(11)의 전면에 인(phosphorous)을 확산하여 n형의 에미터(emitter)(12)를 형성한다.
다음, 도 3c에 도시된 바와 같이, 에미터 형성과정에서 웨이퍼 표면에 생긴 산화막을 불산(HF) 수용액으로 제거한 후에 산화은 미립자(13)로 홈(G)을 매립한다.
다음, 도 3d에 도시된 바와 같이, 산화은 입자가 채워진 웨이퍼를 200℃에서 1시간 정도 열처리하면 산화은 미립자가 환원 및 융착하여 홈 안에 은(Ag) 전극(14)이 형성된다.
이어서, 은 전극이 형성된 전면에 반사방지막(15)을 증착한다.
반사방지막으로는 산화티탄(TiO2), 실리콘 질화막 등이 사용될 수 있으나 실리콘 웨이퍼에 있는 결함을 부동화(passivation)하는 것이 가능한 수소화된 실리콘 질화막(hydrogenated silicon nitride, a-SiNx:H)이 바람직하다. 수소화된 실리콘 질화막은 일반적으로 플라즈마 화학기상증착법(Plasma Chemical Vapor Deposition)으로 만들 수 있다.
후면전계(Back Surface Field)의 형성과 함께 후면전극을 형성하는 방법으로는 알루미늄 유도 결정화(Aluminum Induced Crystallization)나 레이저-연소 컨택(Laser-Fired Contact(Proceedings of the 29th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, pp.130-133)과 같은 저온 공정이 바람직하다. 본 실시예에서는 알루미늄 유도 결정화법을 적용하였으며 상세한 방법은 대한민국 공개특허 2001-0050318호에 잘 기술되어 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 레이저 그루빙(laser grooving), 손상(saw damage) 제거, 기판 세척, 이미터 확산(875℃, 30분), 산화막 제거, 산화은 매립, 열처리, 반사방지막 증착, 후면 Al/a-Si 증착, 열처리(500℃, 2시간), Ag 이멀젼(immersion)의 대략 11단계를 거친다.
이것은 보통 18단계를 거치는 종래 기술에 비해 대폭 간소화된 것이고, 특히 1000℃에 가까운 고온공정이 1개로 대폭 줄었다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면 종래기술에 비하여 제조공정이 간소화 되므로 제조원가를 절감하는 효과가 있다.
특히, 고온 공정이 대폭 감소되기 때문에, 열부하(thermal budget)에 취약한 다결정 실리콘 태양전지에 적용 가능한 효과가 있다.
Claims (11)
- 기판에 홈을 형성하는 단계;상기 홈 내에 도전성 입자 또는 도전성 입자의 전구체를 매립하는 단계; 및열처리하여 상기 도전성 입자 또는 도전성 입자의 전구체를 융착시키는 단계를 포함하며,상기 홈 내에 도전성 입자 또는 도전성 입자의 전구체를 매립하는 단계에서는,상기 기판의 상부에서 도전성 입자 또는 도전성 입자의 전구체를 뿌린 후, 상기 홈의 내부를 제외한 기판 상면에 뿌려진 도전성 입자 또는 도전성 입자의 전구체를 브러쉬를 포함한 털이기구를 사용하여 제거하는 방법과,노즐이 장착된 주입기를 사용하여 상기 홈의 내부로 도전성 입자 또는 도전성 입자의 전구체를 주입하는 방법중의 어느 한 방법을 사용하는 함몰전극형 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 도전성 입자 전구체로서 1㎛ 이하의 입경을 가지는 산화은을 사용하고, 상기 열처리는 150-250℃의 온도에서 30분-90분의 시간동안 수행하는 함몰전극형 태양전지의 제조방법.
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|---|---|---|---|---|
| KR101544488B1 (ko) * | 2013-12-18 | 2015-08-17 | 한국원자력연구원 | 반도체 센서를 표면 실장하는 실장 기판 및 그 실장 방법 |
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| KR19980083153A (ko) * | 1997-05-12 | 1998-12-05 | 윤종용 | 함몰전극형 태양전지의 제조방법 |
| KR20020026019A (ko) * | 2000-09-30 | 2002-04-06 | 김충섭 | 초미세 금속 분말의 제조방법 |
| JP2006128156A (ja) * | 2004-10-26 | 2006-05-18 | Canon Inc | 埋め込み電極型太陽電池およびその製造方法 |
-
2003
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