KR100989322B1 - 선택적 에미터 구조를 가지는 태양 전지 기판의 제조 방법 및 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 n형 불순물과 유리 프리트를 함유하는 도전성 페이스트로 전극 기반층을 형성하고 n형 불순물을 함유하지 않고 유리 프리트의 함량이 적은 비저항 값이 낮은 페이스트를 전극 기반층 위에 형성하는 다층 구조로 전극을 제조하고 열처리하여 선택적 에미터 구조와 전극을 동시에 형성할 수 있는 태양 전지 기판의 제조방법을 제공한다. 따라서, 전극이 형성되는 부분에는 딥 에미터의 장점을, 전극이 형성되지 않는 부분에는 쉘로우 에미터의 장점을 모두 가지는 선택적 에미터를 포함하면서도 비저항 값이 낮은 태양 전지용 전극 형성과 이를 이용하여 태양 전지 제조가 가능하고 선택적 에미터 층을 형성하기 위한 불필요한 공정을 줄일 수 있어서 제조 비용을 절감 할 수 있다.
태양 전지, 기판, 전극
Description
본 발명은 선택적 에미터 구조를 가지는 태양 전지 기판의 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 태양 전기 기판 및 태양 전지에 관한 것이다.
태양 전지(Solar Cell)는 태양에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 반도체 소자로서 p-n 접합 형태를 가지며 그 기본 구조는 다이오드와 동일하다. 태양 전지에 빛이 입사되면 입사된 빛이 태양 전지에 흡수되어 태양 전지의 반도체를 구성하고 있는 물질과의 상호작용이 일어난다. 그 결과, 소수 캐리어(Minority Carrier)인 전자와 정공이 형성되고, 이들은 연결되어 있는 전극 양쪽으로 이동하여 기전력을 얻게 된다.
일반적으로 결정질 실리콘 태양 전지(Crystalline Silicon Solar Cell)는 크게 단결정(Single Crystal)과 다결정(Polycrystalline) 형태로 나눌 수 있다. 단결 정 형태의 재료는 순도가 높고 결정 결함 밀도가 낮아 높은 효율을 가지나 비교적 고가이고, 다결정 형태의 재료는 단결정에 비해 효율은 조금 떨어지나 상대적으로 저가이므로 보편적으로 사용된다.
다결정 실리콘 태양 전지를 제조하는 방법은 일정한 크기(예를 들면, 5" 또는 6")와 두께(예를 들면, 150 내지 250㎛)의 p형 다결정 실리콘 기판에 적절한 에칭(Etching)법으로 기판 표면의 결함을 없애면서 표면에 요철을 부여한 후, 인(P) 또는 POCl3를 포함하는 물질을 기상 또는 액상으로 공급하여 열확산(Thermal Diffusion) 방법으로 일정한 두께(0.1 내지 0.5㎛)로 p형 기판의 표면에 도핑(Doping)하여 40 내지 100Ω/□의 n형 에미터(Emitter)를 만든다. 그 후, 이 과정에서 생성된 인 함유 유리질과 같은 부산물을 없애기 위하여 산 또는 염기를 이용한 습식 식각(Wet Etching) 공정이 포함되며, 빛이 조사되는 전면 부분을 제외한 나머지 부분에 도핑된 P를 제거하기 위하여 플라즈마를 이용한 건식 식각(Dry Etching) 공정이 포함된다. 또는 경우에 따라 레이저를 이용하여 에지면을 커팅하는 공정이 포함되기도 한다. 그 후, 결정질 또는 비결정질 실리콘 질화물, 실리콘 산화물, 티탄 산화물 또는 그 조합을 물리적인 진공 증착법으로 증착되는 물질의 굴절률을 고려하여 적절한 두께(실리콘 질화물의 경우 약 70 내지 90nm)로 증착한다. 그 후, P형 반도체층 전극과 N형 반도체층 전극을 형성한다.
상기 태양 전지를 제조하는 방법에서 실리콘 기판 상의 전면 전극층은 일반적으로 금속 페이스트를 인쇄함으로써 달성되는데, 실리콘 기판 표면과 전면 전극 과의 접촉 저항을 낮추기 위하여, 실리콘 기판의 전면에 고농도의 에미터를 형성한 후 전면 전극을 형성하고 있다. 그러나, 전면 전극이 위치하지 않는 부위까지 고농도의 에미터를 형성하는 경우, 표면에 존재하는 고농도의 불순물(dopant)들이 실리콘 내에 과잉으로 존재함으로써 응집물(precipitate)이 형성되고, 이로 인해 전하의 수명(lifetime)이 감소되어 궁극적으로 태양전지의 작동 효율이 저하되는 문제점이 발생한다.
따라서, 전면 전극이 위치하는 부분에는 n형 불순물 고농도인 딥 에미터(Deep emitter)로, 전면 전극이 위치하지 않은 부분에는 n형 불순물 저농도인 쉘로우 에미터(Shallow emitter)로 형성하는 방안이 제시되고 있는데 이러한 구조의 에미터를 선택적 에미터(Selective Emitter)라고 한다.
일반적으로 실시되어지고 있는 선택적 에미터의 제조방법으로는, 우선 실리콘 웨이퍼의 표면에 산화막과 감광막을 형성한 후, 포토리쏘그래피(Photolithograph) 공정으로 노광 마스크(Photo mask)를 이용하여 감광막을 노광하고, 부분적으로 에칭하여, 패턴화된 감광막을 만든다. 그리고 패턴화 된 감광막을 통해 드러난 산화막을 에칭액으로 제거한 후, 감광막을 제거하여, 전극이 형성될 부분에 불순물을 주입 후, 열 확산하여 고농도의 불순물 영역을 형성한다. 그리고, 패턴화된 산화막을 제거하고 다시 불순물을 주입 후, 열 확산 공정을 한번 더 실시하여 전체적으로 저농도의 불순물 영역을 형성함으로써 딥 에미터와 쉘로우 에미터를 모두 포함하는 선택적 에미터를 형성한다. 그러나, 상기 방법은 불순물 주입 과정이 2 회에 걸쳐 진행되고, 포토리쏘그래피 공정을 위해 노광 마스크, 감광성 물질, 식각액 등을 필요로 하는 등 전반적으로 공정이 복잡하여 최종 완성된 태양전지 간의 효율이 균일하지 못하고 제조비용이 높아지는 등의 다양한 문제점들을 가지고 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위하여 쉐도우 마스크(Shadow mask)를 사용하여 증착공정에 의한 패턴화된 얇은 실리콘 산화막을 형성하고, 불순물의 열 확산에 의해 산화막이 없는 노출 부위에 고농도의 불순물 영역을 형성하고, 산화막이 증착된 부위에는 불순물이 상기 산화막을 부분적으로 통과하여 상대적으로 저농도의 불순 물 영역을 형성하여 1회의 열 확산 공정만으로 선택적 에미터의 제조방법이 제시되고 있지만, 이것 역시 전면 전극 형성하기 전에 산화막을 제거해야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하면서, 옵셋등 다양한 인쇄 방식으로 간편하게 선택적 에미터 구조와 태양 전지용 전극을 동시에 형성할 수 있으며, 접촉 저항을 낮춤과 동시에 전극의 전기적 특성이 우수한 태양 전지 기판 및 태양 전지의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 상부에 n형 쉘로우 에미터층을 구비한 기판의 상부에, n형 불순물이 함유되어 있는 전극용 페이스트를 사용하여 전극 기반층을 패턴 인쇄하는 단계; n형 불순물이 함유되어 있지 않은 전극용 페이스트로 상기 전극 기반층 상부에 1차 또는 2차 이상 인쇄하여 인쇄 전극층을 형성하는 단계; 및 상기 전극 기반층 및 인쇄 전극층을 고온에서 열처리하여 딥 에미터층과 전극을 동시에 형성하는 단계;를 포함하여 이루어진 선택적 에미터 구조를 갖는 태양 전지 기판의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 기판은 n형 쉘로우 에미터층 상부에 반사방지막을 더 구비하며, 상기 n형 불순물이 함유되어 있는 전극용 페이스트에는 반사방지막 식각 재료가 포 함되며, n형 불순물이 함유되어 있지 않은 전극용 페이스트에는 반사방지막 식각 재료가 포함되지 않는 것을 특징으로 하는 선택적 에미터 구조를 갖는 태양 전지 기판의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 기판은 n형 쉘로우 에미터층 상부에 반사방지막을 더 구비하며, 상기 인쇄 전극층은 다층 인쇄되어 형성되되, 반사방지막 식각 재료의 함량이 상부층으로 갈수록 적어지도록 전극용 페이스트의 식각 재료 함량을 변화시켜 인쇄하는 것을 특징으로 하는 선택적 에미터 구조를 갖는 태양 전지 기판의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 전극 기반층을 패턴 인쇄하는 단계는, 2회 이상 인쇄하되 n형 불순물의 함량이 상부로 갈수록 적어지도록 다층 인쇄하는 것을 특징으로 하는 선택적 에미터 구조를 갖는 태양 전지 기판의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 반사방지막 식각 재료는 유리 프리트인 것을 특징으로 하는 선택적 에미터 구조를 갖는 태양 전지 기판의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 태양 전지 기판의 제조방법으로 제조된 선택적 에미터 구조를 갖는 태양 전지 기판을 제공한다.
또한, 상기 전극은 상부로 갈수록 n형 불순물과 유리 프리트의 함량이 감소하는 것을 특징으로 하는 선택적 에미터 구조를 갖는 태양 전지 기판을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 태양 전지 기판을 구비한 태양 전지를 제공한다.
본 발명에 의한 태양 전지 제조방법은 복잡한 포토리쏘그래피 공정이나, 다수의 n형 불순물 도핑 및 열 확산 공정을 필요로 하지 않고, 단지, n형 불순물과 유리 프리트를 함유하는 도전성 페이스트로 기반 인쇄 전극 층을 형성하는 것만으로도 소성 후에 태양 전 기판 상에 콘텍 접점이 형성된 전극층이 형성됨과 동시에, 상기 전극이 형성된 부분의 하부층으로만 선택적으로 n형 불순물이 도핑되어 딥 에미터의 형성이 가능하다. 즉, 선택적 에미터 형성 공정과 전극층 형성 공정을 하나의 공정으로 단축 가능하다. 또한, 상부 전극층으로 갈수록 n형 불순물을 함유하지 않고 유리 프리트의 함량이 적은 비저항 값이 낮은 페이스트를 기반 인쇄 전극 층 위에 형성하는 다층 구조로서, n형 불순물로 인해 문제가 될 수 있는 전극층의 비저항 값 상승을 감소시켜 전극의 전기적 특성의 향상이 가능하다.
따라서, 전극이 형성되는 부분에는 딥 에미터의 장점을, 전극이 형성되지 않는 부분에는 쉘로우 에미터의 장점을 모두 가지는 선택적 에미터를 포함하면서도 비저항 값이 낮은 태양 전지용 전극 형성과 이를 이용하여 태양 전지 제조가 가능 하고 선택적 에미터 층을 형성하기 위한 불필요한 공정을 줄일 수 있어서 제조 비용을 절감 할 수 있다.
이하에서는 도면 및 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 하기의 설명은 본 발명의 구체적 일례에 대한 것이므로, 비록 단정적, 한정적 표현이 있더라도 특허 청구 범위로부터 정해지는 권리범위를 제한하는 것은 아니다.
본 발명의 일실시예에 따른 태양 전지 기판 제조방법은, 상부에 n형 쉘로우 에미터층을 구비한 기판의 상부에, n형 불순물이 함유되어 있는 전극용 페이스트를 사용하여 전극 기반층을 패턴 인쇄하는 단계, n형 불순물이 함유되어 있지 않은 전극용 페이스트로 상기 전극 기반층 상부에 1차 또는 2차 이상 인쇄하여 인쇄 전극층을 형성하는 단계, 및 상기 전극 기반층 및 인쇄 전극층을 고온에서 열처리하여 딥 에미터층과 전극을 동시에 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 태양 전지 기판 및 그의 제조 수순도이다.
먼저, n형 쉘로우 에미터(30a)를 구비한 태양 전지 기판(50)에 n형 불순물이 함유되어 있는 전극용 페이스트를 사용하여 옵셋 등의 인쇄법으로 1차 인쇄하여 전극 기반층(10a)을 형성한다. 도시된 반사방지막(40)을 더 구비한 태양 전지 기판의 경우에는 반사 방지막(40)을 식각하여 전극과 기판과의 컨텍 접점을 형성할 수 있는 재료가 전극용 페이스트에 더 포함되어 컨택 저항을 줄일 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 반사방지막의 예로는 실리콘 질화물, 실리콘 산화물, 티탄 산화물 또는 그 조합을 들 수 있으며, 반사방지막 식각 재료로는 대표적으로 유리 프리트, 산 등을 들 수 있다.
전극 기반층(10a) 형성용 도전성 페이스트는, 은(Ag)과 같이 비저항이 낮은 금속을 함유하는 도전성 페이스트에 선택적 에미터 형성을 위한 전극 하부층으로 열 확산이 가능한 n형 불순물을 함유하는 것을 특징으로 한다. n형 불순물의 예로는 제한되지 않으나 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb), 비스무스(Bi) 등의 원소주기율표 5족의 불순물 원소를 함유하는 화합물을 들 수 있으며, 화합물은 무기 화합물 또는 유기 화합물로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것이 바람직하다. 또한, 에미터 제조용으로 상용되고 있는 액상(Liquid) 형태이거나 페이스트(Paste) 형태의 n형 불순물 도핑제를 전극 형성용 금속 페이스트에 첨가하는 것도 가능하다.
n형 불순물은 페이스트 조성물 전체 중량을 기준으로, n형 불순물 원소 함유 화합물이 5 내지 20 중량%인 것이 바람직하다. n형 불순물 원소를 함유하는 화합물의 조성이 5 중량% 미만이면, 화합물의 농도가 너무 낮아서 전극 층 형성 후, 소성시에 열 확산이 제대로 이루어 지지 않아서 전극층 하부의 딥 에미터 영역(30b)이 형성되지 않을 수 있으며, 20 중량% 초과면, 형성된 전극층(10)의 비저항 값이 높아져서 제조되는 태양 전지의 전기적 특성을 감소시킬 수 있는 우려가 있다.
한편, 상기 전극 기반층은 2회 이상 인쇄를 통해 다층 인쇄될 수도 있으며, 이 때, n형 불순물의 함량이 상부로 갈수록 적어지도록 전극 페이스트의 n형 불순물 함량을 변화시켜서 다층 인쇄할 수도 있다.
또한, 상기 페이스트에 있어서 유리 프리트 등의 식각 재료는 페이스트 조성물 전체 중량을 기준으로 8 내지 20 중량%를 함유하는 것이 바람직하다. 상기 식각 재료의 조성이 8 중량% 미만이어도 전극 형성에 문제는 없지만, 기반 전극층(10a)으로서의 기재와의 컨텍 점점을 향상시키기 위하여 8 중량% 이상 함유되는 것이 더 효과적이며, 20 중량% 초과면, 전극층의 비저항 값이 증가할 수 있기 때문에 8 내지 20 중량% 함유하는 것이 바람직하다. 또한 상기 식각 재료는 전극 형성용 페이스트에 함유되어 있는 n형 불순물의 열 확산하기 위한 고온에서 소성이 가능하도록 연화 온도가 500도 이상인 것이 바람직하다.
다음, n형 불순물이 함유되어 있지 않은 전극용 페이스트로 상기 전극 기반층(10a) 상부에 1차 또는 2차 이상 인쇄하여 인쇄 전극층(10b)을 형성한다. 도면에는 인쇄 전극층(10b)을 단층으로 도시하였으나, 제한되지 않으며 다층으로 인쇄될 수 있다. 인쇄 전극층(10b)은 전극의 전기적 특성 향상을 위해 형성하는 전극이다.
본 발명의 일실시예에서는 딥 에미터(30b)가 전극 기반층(10a)으로 충분히 형성이 가능하므로 인쇄 전극층(10b)에는 n형 불순물이 함유되지 않도록 하여 n형 불순물로 인한 비저항 등 전극의 전기적 특성의 감소를 방지할 수 있도록 하는 것이 특징이다.
또한, 전극과 기판과의 컨텍 접점 형성이 전극 기반층(10a)에 의해 충분히 이루어지므로, 인쇄 전극층용 페이스트에는 반사방지막 식각 재료가 포함되지 않을 수 있다. 또는 상기 인쇄 전극층(10b)을 여러번 인쇄하여 다층으로 형성시킬 수 있으며, 이 때, 반사방지막 식각 재료의 함량이 전극 상부로 갈수록 적어지도록 전극용 페이스트의 식각 재료 함량을 감소시켜 인쇄하여 전극의 식각 재료 함량에 변화를 줄 수 있다. 이를 통해 식각 재료로 인한 전극 저항 증가를 감소시킬 수 있다.
상기 인쇄 전극층용 페이스트에 있어서 유리 프리트 등 식각 재료는 페이스트 조성물 전체 중량을 기준으로 10 중량% 이하로 함유되는 것이 좋다.
다음, 상기 전극 기반층(10a) 및 인쇄 전극층(10b)을 고온에서 열처리하여 딥 에미터층(30b)과 전극을 동시에 형성한다. 상기의 고온 열처리 조건은 페이스트에 함유되어 있는 n형 불순물 원소의 확산 계수와 유리 프리트 등 식각재료의 연화온도를 고려하여 적절하게 조정할 수 있으며, 850 내지 1200℃의 온도에서 수초 내지 수분 소성하는 것이 좋다. 열처리 온도가 850℃ 미만이면 함유된 n형 불순물이 기재에 충분히 확산되지 않아서 전극이 형성된 부분에서의 딥 에미터 영역(30b)이 형성되지 않을 수 있고, 소성 온도가 1200℃ 초과일 경우 함유되어 있는 유리 프리트 등 식각재료가 쉘로우 에미터(30a) 하부의 실리콘 기재(50)까지 침투하여 병렬저항이 감소하여 필팩터(Fill factor)값이 감소하며, 태양 전지 효율이 낮아질 수 있다.
도 3는 상기의 제조방법으로 제조된 태양 전기 기판 및 태양전지의 단면도로서, 유리 프리트 등 식각재료의 함량과 n형 불순물의 함량이 상부층으로 갈수록 적어지는 다층 구조의 전극(10)을 기판의 상부에 위치하여 전면 전극으로 구비하고, 하부 전극 및 본 기술분야에서 알려진 기본 구성을 선택적으로 구비한 것을 특징으로 하며, 전극과 딥 에미터(30b)가 동시에 형성되어 존재하는 것을 볼 수 있다. 딥 에미터의 위치는 제조공정상 전극의 위치에 종속되므로 특별하게 전극과 딥 에미터의 위치를 일치시키려는 노력이 불요하다. 또한, 상부 전극층으로 갈수록 n형 불순물을 함유하지 않고 유리 프리트의 함량이 적어 비저항 값이 낮은 다층 구조의 전극을 구비하여, n형 불순물로 인해 문제가 될 수 있는 전극층의 비저항 값 상승을 감소시켜 전극의 전기적 특성의 향상이 가능하다. 따라서, 전극이 형성되는 부분에는 딥 에미터의 장점을, 전극이 형성되지 않는 부분에는 쉘로우 에미터의 장점을 모두 가지는 선택적 에미터를 포함하면서도 비저항 값이 낮아 태양 전지의 효율이 매우 우수하다.
도1 : 본 발명의 일실시예에 따른 태양 전지 기판의 사시도,
도2 : 본 발명의 일실시예에 따른 태양 전지 기판의 제조 수순 단면도,
도3 : 본 발명의 일실시예에 따른 태양 전지 기판의 부분 단면도이다.
** 도면의 주요 부호에 대한 설명 **
10 : 전극
10a : 전극 기반층
10b : 인쇄 전극층
30 : 선택적 에미터
30a : 쉘로우 에미터
30b : 딥 에미터
40 : 반사방지막
50 : 기판
60 : 후면 전극층
Claims (8)
- 상부에 n형 쉘로우 에미터층을 구비한 기판의 상부에, n형 불순물이 함유되어 있는 전극용 페이스트를 사용하여 전극 기반층을 패턴 인쇄하는 단계;n형 불순물이 함유되어 있지 않은 전극용 페이스트로 상기 전극 기반층 상부에 1차 또는 2차 이상 인쇄하여 인쇄 전극층을 형성하는 단계; 및상기 전극 기반층 및 인쇄 전극층을 고온에서 열처리하여 딥 에미터층과 전극을 동시에 형성하는 단계;를 포함하여 이루어진 선택적 에미터 구조를 갖는 태양 전지 기판의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 기판은 n형 쉘로우 에미터층 상부에 반사방지막을 더 구비하며, 상기 n형 불순물이 함유되어 있는 전극용 페이스트에는 반사방지막 식각 재료가 포함되며, n형 불순물이 함유되어 있지 않은 전극용 페이스트에는 반사방지막 식각 재료가 포함되지 않는 것을 특징으로 하는 선택적 에미터 구조를 갖는 태양 전지 기판의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 기판은 n형 쉘로우 에미터층 상부에 반사방지막을 더 구비하며, 상기 인쇄 전극층은 다층 인쇄되어 형성되되, 반사방지막 식각 재료의 함량이 상부층으로 갈수록 적어지도록 전극용 페이스트의 식각 재료 함량을 변화시켜 인쇄하는 것을 특징으로 하는 선택적 에미터 구조를 갖는 태양 전지 기판의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 전극 기반층을 패턴 인쇄하는 단계는, 2회 이상 인쇄하되 n형 불순물의 함량이 상부로 갈수록 적어지도록 다층 인쇄하는 것을 특징으로 하는 선택적 에미터 구조를 갖는 태양 전지 기판의 제조방법.
- 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 반사방지막 식각 재료는 유리 프리트인 것을 특징으로 하는 선택적 에미터 구조를 갖는 태양 전지 기판의 제조방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 태양 전지 기판의 제조방법으로 제조된 선택적 에미터 구조를 갖는 태양 전지 기판.
- 제6항에 있어서, 상기 전극은 상부로 갈수록 n형 불순물과 유리 프리트의 함량이 감소하는 것을 특징으로 하는 선택적 에미터 구조를 갖는 태양 전지 기판.
- 제7항의 태양 전지 기판을 구비한 태양 전지.
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