KR101023143B1 - 태양전지용 실리콘 기판 텍스처링장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘 기판에 식각이 용이하게 수행되고 원하는 모양의 식각이 이루어질 수 있도록, 태양전지용 실리콘 기판의 텍스처링을 위한 화학적 식각공정에 있어서, HF와 HNO3를 주성분으로 하는 식각용액에 상기 기판을 침지하여 식각함으로써 표면을 텍스처링하는 태양전지용 실리콘 기판 텍스처링방법을 제공한다.
식각용액, HF, HNO3, 냉각판, 냉각수관
Description
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지용 실리콘 기판 텍스처링장치를 도시한 개략적인 구성도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지용 실리콘 기판 텍스처링장치의 또 다른 구조를 도시한 개략적인 측단면도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지용 실리콘 기판 텍스처링장치의 또 다른 구조를 도시한 개략적인 도면,
도 4는 본 발명과 종래기술에 따른 기판 상의 온도 분포를 비교 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 태양전지의 실리콘 기판 상의 표면 구조를 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 기판의 반사율을 비교 도시한 그래프이다.
본 발명은 태양전지용 실리콘 기판 및 그 제조방법과 텍스처링장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다결정 웨이퍼를 적용한 태양전지용 실리콘 기판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 태양전지는, 외부에서 들어온 빛에 의해 태양전지의 반도체 내부에서 전자와 정공의 쌍이 생성되고, 이러한 전자와 정공의 쌍에서 pn 접합에서 발생한 전기장에 의해 전자는 n형 반도체로 이동하고 정공은 p형 반도체로 이동함으로써 전력을 생산한다.
상기한 태양전지의 효율을 높이기 위해 사용할 수 있는 방법 중 한 가지로 웨이퍼 표면을 텍스처링(texturing)하여 빛의 흡수를 극대화시키는 방법이 사용되고 있는 데, 상기 텍스처링 방법으로는 플라즈마 식각을 이용한 방법, 기계적 V-grooving 방법, 포토리스그라피를 이용한 방법, 화학적인 식각 방법 등이 이용되고 있다.
플라즈마를 이용한 텍스처링의 경우 포토레지스트를 도포해 패턴을 형성한 후 플라즈마를 이용하여 식각한 후 마스크 레이어를 제거하는 방법으로 작업시간이 오래 걸리며 고가의 진공장비가 필요하기 때문에 상업적 이용 가능성이 적다.
또한, 기계적 스크라이빙(scribing) 방법은 웨이퍼 표면에 그루브(groove)를 형성하여 화학적인 식각을 이용하여 텍스처링하는 방법으로 이는 작업시간이 오래 걸리기 때문에 상업적인 생산이 어렵고 딘필름(thin film)에 적용하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 포토리소그라피를 이용한 방법의 경우 산화막이 있는 웨이퍼에 포토레지스트를 도포하여 패턴을 형성하고 이를 이방송/등방성 식각 방법을 통해 텍스처 링하는 방법으로 가격이 너무 비싼 공정이기 때문에 다결정 태양전지 제작에 상업적으로 적용하기 힘들다.
그리고 화학적인 식각 방법 중 이방성 식각 방법은 용액 내 프로텍터(protector)를 형성하여 이방성 식각한 후 프로텍터와 에천트(etchant)를 제거하는 방법으로, saw damage removal 공정을 줄이면서 짧은 공정 시간에 저렴한 가격으로 다량의 웨이퍼를 텍스처링할 수 있는 방법으로 가장 많이 사용되고 있으나, 다결정 웨이퍼의 경우에는 원하는 반사율을 얻을 수 없어 적용하기 힘든 문제점이 있다.
이는 다결정 웨이퍼의 경우 다양한 결정 방향을 가지고 있기 때문에 반사율을 줄이기에 적합한 식각이 이루어지지 못하며, 식각용액에 대한 관리가 굉장히 어렵기 때문이다.
따라서 다결정 웨이퍼에 적용 가능한 화학적인 식각 방법과 그 장치의 개발이 시급한 실정이며, 이에 본 발명자들은 결정 방향에 무관하며, 짧은 공정 시간에 효과적인 화학적인 식각 방법과 그 장치의 개발을 시도하였다.
그 개발과정에서 실용화에 지장을 주지 않는 방법과 장치를 얻기 위하여 다음과 같은 기술적 과제를 해결할 필요가 있음을 발견하였다.
첫째, 다결정 실리콘 기판의 텍스처링 공정에 있어서 식각의 초기속도를 조절하고 기판의 표면을 활성화시켜 용이한 식각과 더불어 원하는 모양의 식각이 이루어질 수 있어야 하며, 이를 위해 화학적 식각에 사용되는 식각용액을 개선할 필 요성이 있다.
둘째, 식각도중 온도 상승을 억제하고 제어할 수 있어야 한다. 산용액을 이용하여 다결정 기판을 텍스처링하는 방법은 다른 방법에 비해 다결정 기판의 반사율을 효과적으로 낮출 수 있는 데, 산 용액을 이용하여 기판을 식각할 경우 기판 및 식각 용액의 온도가 90℃ 이상 상승하고 이는 식각 정도나 기판 표면 구조를 조절할 수 없는 요인이 된다. 또한 이러한 온도 상승은 기판의 수량이나 기타 다른 요인에 상당히 민감하게 작용하여 경우에 따라 식각 용액의 온도가 다르게 측정되기도 하는 데, 이러한 온도 차이는 실험결과의 재현성을 확보해 주지 못하여 대량 생산 공정에 적용하는 것을 막는 가장 큰 장애 요인이 된다. 따라서 식각용액이나 기판의 온도 조절 능력은 산 용액을 이용하여 다결정 기판을 텍스처링하는 데 있어서 가장 중요한 요소인 것이다.
셋째, 기판 상에 원하는 표면 구조를 형성할 수 있도록 하여 반사율을 효과적으로 줄일 수 있어야 한다.
넷째, 많은 수량의 기판에 대한 공정이 가능해야 하며, 기판 내의 반사율 균일도 및 기판 간 반사율을 포함한 일괄처리단위간(batch to batch) 결과의 균일도 또한 우수해야 한다.
이에 본 발명은 상기와 같은 제반 요구사항에 부응하기 위하여 안출된 것으로 첫째, 실리콘 기판에 식각이 용이하게 수행되고 원하는 모양의 식각이 이루어질 수 있도록 된 태양전지용 실리콘 기판 및 실리콘 기판 텍스처링 방법과 그 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
둘째, 본 발명은 식각도중 온도 제어가 가능하여 온도를 낮출 수 있도록 된 태양전지용 실리콘 기판 및 실리콘 기판 텍스처링 방법과 그 장치를 제공함에 또다른 목적이 있다.
셋째, 본 발명은 반사율을 최소화시킬 수 있도록 된 태양전지용 실리콘 기판 및 실리콘 기판 텍스처링 방법과 그 장치를 제공함에 또다른 목적이 있다.
넷째, 기판의 반사율을 균일하게 유지하면서 대량생산이 가능한 태양전지용 실리콘 기판 및 실리콘 기판 텍스처링 방법과 그 장치를 제공함에 또다른 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 태양전지용 실리콘 기판의 텍스처링을 위한 화학적 식각공정에 있어서, 상기 기판이 식각용액에 침지되어 식각되고 상기 식각용액은 HF와 HNO3를 주성분으로 하는 태양전지용 실리콘 기판 텍스처링방법을 제공한다.
이하 설명에서 텍스처링 공정은 실리콘 기판의 표면을 울퉁불퉁하게 직물의 표면처럼 형성하여, 빛의 흡수율을 증가시키기 위한 공정으로 정의한다.
여기서 실리콘 기판의 화학적 식각을 위해서는 식각용액의 비율이 매우 중요한데, 상기 식각용액의 HF와 HNO3의 비율은 HF가 상대적으로 많은 비율을 차지하도록 하고 그 식각 속도는 5 - 30㎛/min 정도가 될 수 있도록 함이 바람직하다.
바람직하게는 상기 식각용액을 이루는 HF와 HNO3는 21:1 - 5:1의 비율로 혼 합된다.
여기서 본 발명은 상기 실리콘 기판으로 다결정 실리콘 기판이 적용된다.
또한, 상기 식각용액은 첨가제로써 기판의 표면을 활성화시켜 용이한 식각과 원하는 모양으로의 식각이 이루어질 수 있기 위한 표면 활성제가 더욱 첨가될 수 있다.
또한, 상기 식각용액은 첨가제로써 초기 식각 속도를 조절하는 촉매제가 더욱 첨가될 수 있다.
상기 표면활성제는 AgNO3, I2 또는 Br2를 포함하는 군에서 선택되는 적어도 한 종 이상의 물질이 사용될 수 있으며, 상기 촉매제로는 NaNO2 등의 시약이 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 식각용액을 통한 실리콘 기판의 화학적 식각공정에 있어서, 상기 식각시 기판 또는 식각용액의 온도를 냉각 제어하여 식각하는 태양전지용 실리콘 기판 텍스처링방법을 제공한다.
상기 온도 제어는 기판의 온도를 낮추는 것에 의해 달성될 수 있다.
또한, 상기 온도 제어는 식각용액의 온도를 낮추는 것에 의해 달성될 수 있다.
바람직하게는 상기 기판 또는 식각용액의 온도는 30 - 50℃ 사이에서 조절되도록 한다.
또한, 상기 식각용액으로 사용되는 HF의 경우 H2O보다 무거우므로 식각욕조 저부로 가라앉게 되어 전체적으로 식각용액의 농도가 불균일해질 수 있으며, 이에 본 발명은 상기 식각용액을 통한 실리콘 기판의 화학적 식각공정에 있어서, 상기 식각용액을 순환시켜 식각용액의 농도를 균일화시킬 수 있도록 된 태양전지용 실리콘 기판 텍스처링방법을 제공한다.
한편, 본 발명은 상기와 같은 태양전지용 실리콘 기판의 텍스처링을 위한 화학적 식각 장치에 있어서, 식각욕조로 침지되는 기판에 접하여 기판의 온도를 저감시키기 위한 냉각수단을 더욱 포함하는 태양전지용 실리콘 기판 텍스처링장치를 제공한다.
상기 냉각수단은 기판이 측면에 접하는 냉각판과, 상기 냉각판 내부에 설치되어 냉각수를 유통시키기 위한 냉각수관을 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 식각용액이 담겨진 식각욕조 내에 설치되어 식각용액의 온도를 제어하기 위한 냉각수단을 더욱 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 냉각수단은 상기 식각욕조 내에 설치되고 내부로 냉각수가 유통되는 냉각수관을 포함한다.
또한, 본 발명은 식각용액이 담겨진 식각욕조에 연결설치되어 식각용액을 순환시키기 위한 순환수단을 더욱 포함할 수 있다.
상기 순환수단은 식각용액과 물과의 비중차이를 고려하여 일단은 식각욕조의 하단에 연통되고 타단은 식각욕조의 상단에 연통되는 순환파이프와, 상기 순환파이프 상에 설치되어 식각용액을 순환시키는 순환펌프를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 방법과 장치를 통해 제조되어 상면에 1㎛ 이하의 곡률반경을 갖는 제1에치핏(etch pits)이 다수개 형성되고, 상기 제1에치핏의 내면에는 10㎚ 이하의 곡률반경을 갖는 제2에치핏이 다수개 형성된 태양전지용 실리콘 기판을 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하 설명에서 태양전지를 이루는 실리콘 기판으로는 다결정 실리콘 기판이 사용되는 경우를 예로써 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지용 실리콘 기판 텍스처링장치를 도시한 개략적인 구성도이다.
상기한 도면에 의하면, 본 실시예에 따른 장치는 태양전지용 다결정 실리콘 기판의 텍스처링을 위한 화학적 식각장치에 있어서, 표면에 기판(100)이 밀착설치되어 식각용액이 담긴 식각욕조(10)에 침지되는 냉각판(20)과, 상기 냉각판(20) 내부를 따라 지그재그형태로 배치되고 내부로 냉각수가 유통되는 냉각수관(30)을 더욱 포함한다.
여기서 상기 식각용액은 HF와 HNO3를 21:1 - 5:1의 비율로 혼합한 것으로 상기 혼합용액에 초기 식각 속도를 조절하기 위한 촉매재로써 NaNO2와 같은 시약 0.4중량%와, 기판의 표면을 활성화시켜 용이한 식각과 원하는 모양으로 식각이 이루어질 수 있기 위한 표면 활성제로써 AgNO3, I2 또는 Br2를 포함하는 군에서 선택되는 적어도 한 종 이상의 물질 0.4중량%가 더욱 첨가된다.
그리고 상기 냉각판(20)은 전면 또는/ 및 후면에 상기 기판(100)이 장착될 수 있도록 되어 있으며 그 재질은 식각용액에 견딜 수 있도록 구리(Cu) 등의 재질로 이루어진다.
상기 기판(100)은 효율적인 열 전달을 위해 냉각판(20)에 완전히 접촉할 수 있어야 하며 기판(100)의 장착이 용이하도록 핀 등의 치구를 통해 기판에 고정할 수 있도록 하여 기판 장착에 많은 시간이 소요되지 않도록 한다.
또한, 상기 냉각수관(30)은 기판(100)이 설치된 냉각판(20) 전면을 균일하게 냉각시킬 수 있도록 냉각수관(30) 내부에 치밀하게 배치되어 냉각판(20) 전체에 걸쳐 냉각수가 지나갈 수 있도록 한다.
이에 따라 냉각수관(30)의 일측 유입구를 통해 냉각수가 유입되면 냉각수는 냉각수관(30)을 따라 흐르면서 냉각판(20)을 냉각시키고 냉각판(20)에 부착되어 있는 기판(100)의 온도를 적정하게 낮출 수 있게 되는 것이다.
여기서 도 2는 하나의 식각욕조(10) 내에서 많은 수의 기판(100)을 동시에 식각처리하기 위한 또다른 실시예를 예시하고 있는 데, 이를 위해 본 식각장치는 다수개의 냉각판(20)이 구비되고, 각 냉각판(20)은 전면과 후면에 각각 기판(100)이 부착되며, 각 냉각판(20)의 내부에는 냉각수가 유통되는 냉각수관(30)이 지그재그형태로 배치된 구조로 되어 있다.
상기 각 냉각판(20)은 일정간격을 두고 배치되며, 각 냉각판(20) 내부로 설치된 냉각수관(30)은 서로 연결되어 냉각수가 각 냉각판(20)을 따라 연속적으로 흘러나갈 수 있도록 하거나, 바람직하게는 각 냉각판(20) 별로 냉각수관(30)이 개별 적으로 작동되어 냉각수를 유통시키도록 한다.
상기와 같이 냉각판(20)을 사용하여 식각하였을 경우와 냉각판(20)을 사용하지 않은 경우의 기판(100)의 온도 분포가 도 4에 예시되어 있으며, 상기 도면에서와 같이 냉각판(20)을 사용한 경우 그렇지 않은 경우보다 40 - 60℃ 정도 식각 용액의 온도를 낮출 수 있게 된다.
상기 실험에서 냉각판(20)의 냉각수 유량은 0.01 - 0.1kg/s이며 냉각수 온도는 10 - 25℃로 설정하였으며, 기판(100)의 수량이 늘어나는 경우에도 개별적으로 냉각판(20)의 온도 조절을 통해 기판의 냉각이 가능하여 기판 별로 결과의 차이없이 재현성 있는 결과를 확인할 수 있었다. 또한, 식각 용액의 온도 상승이 없기 때문에 batch간 결과의 재현성 또한 높다 할 수 있다.
여기서 기판에 대한 냉각이 개별적으로 이루어지지 않는 경우에는 기판의 숫자가 늘어날수록 온도가 가파르게 상승해 식각용액의 사용량이 기판 수에 대해 이차 방정식 곡선을 형성하게 되므로 용액의 사용량이 상당히 많아져야 한다. 따라서 상기와 같이 각 기판을 개별적으로 냉각시킴에 따라 기판 수에 관계없이 온도의 상승을 효과적으로 조절할 수 있고 이에 따라 식각 용액의 사용량도 상당히 줄일 수 있는 작용효과를 얻게 된다. 식각용액인 HF의 처리가 어렵고 처리 비용 또한 많이 들기 때문에 식각 용액의 사용을 줄일수록 생산성이 좋아지게 된다.
한편, 상기 식각용액으로 사용되는 HF의 경우 H2O보다 무겁기 때문에 용액이 식각욕조(10)의 아래 부분으로 내려가 식각용액 농도의 불균일을 초래할 수 있다. 식각용액의 농도차에 의한 식각 정도가 달라지게 되므로 식각용액의 온도 또한 달라져 결과적으로 식각 균일성이 떨어지며 재현성있는 결과를 얻을 수 없게 된다.
이에 따라 본 장치는 상기한 단점을 보완하기 위한 또 다른 실시예로써, 식각용액이 담겨진 식각욕조(10)에 연결설치되어 식각용액을 순환시키기 위한 순환수단을 더욱 포함한다.
상기 구조는 도 3에 잘 예시되어 있는 데, 상기 순환수단은 일단은 식각욕조(10)의 바닥에 연통되고 타단은 식각욕조(10)의 상단에 연통되는 순환파이프(40)와, 상기 순환파이프(40) 상에 설치되어 식각용액을 순환시키는 순환펌프(41) 및 상기 순환파이프(40) 일측에 설치되어 순환되는 식각용액에 포함된 이물질을 제거하기 위한 필터(41)를 포함한다.
상기 구조에 따라 식각욕조(10) 내의 식각용액은 순환파이프(40)를 따라 순환되면서 섞이게 되어 용액의 농도 및 온도를 균일하게 유지할 수 있게 된다.
또한, 식각용액으로 사용되는 HF의 경우 사용량이 많이 일정 수준 이상 기판을 식각하면 적정량을 공급해주어야 일정한 식각속도를 유지할 수 있게 되는 데, 상기 구조를 통해 사용된 식각용액을 재활용하게 되므로 경제적인 효과를 추가로 얻을 수 있게 된다.
한편, 위에서 설명한 바와 같은 장치와 방법을 통해 다결정 실리콘 기판(100)을 식각 처리하는 경우, 도 5에 도시된 바와 같이 다결정 실리콘 기판(100)은 1㎛보다 작은 에치핏을 갖는 표면 구조를 형성하며, 그 에치핏 내에 나노(nano) 단위의 에치가 있는 모양으로 되어 반사율을 최소화할 수 있는 구조를 형성하게 된다.
여기서 기판의 온도 제어와 이를 통해 텍스처링되는 기판의 반사율에 대해서는 아래 실시예를 통해 보다 명확히 이해될 수 있을 것이다.
[실시예 1]
미리 준비한 다결정 실리콘 기판을 냉각판에 장착한 후 냉각판 내부의 냉각수관을 통해 냉각수를 유통시켜 기판을 냉각시킨다.
그리고 이 상태에서 HF와 HNO3 그리고 첨가제가 혼합되어 있는 식각용액에 상기 냉각판에 장착된 기판을 침지시키고 1 - 5분간 식각하였다.
[비교예 1]
미리 준비한 다결정 실리콘 기판을 냉각판에 장착한 후 그대로 HF와 HNO3 그리고 첨가제가 혼합되어 있는 식각용액에 기판을 침지시키고 1 - 5분간 식각하였다.
[비교예 2]
미리 준비한 다결정 실리콘 기판을 준비하고, KOH 용액에 IPA를 첨가한 식각용액을 90℃까지 온도를 올려 준비한 후 상기 기판을 식각용액에 침지시켜 1 - 10분간 식각하였다.
위 실시예에 따라 텍스처링되는 다결정 실리콘 기판의 반사율 결과는 도 6에 잘 예시되어 있다.
상기 도면에서와 같이 냉각판을 이용하여 기판을 냉각시키는 경우 다결정 실 리콘 기판 표면에 1㎛보다 작은 에치핏을 갖는 표면 구조가 형성되어 냉각판을 이용하지 않고 기판을 식각하는 경우와 비교하여 약 10% 이상 반사율이 낮아지는 것을 확인할 수 있다.
또한, 기판을 냉각시키지 않은 경우 식각 후 용액의 온도가 많이 상승되어 또다시 사용하기 위해서는 용액의 온도가 충분히 내려갈때까지 기다려야 하는 문제가 있으나 냉각판을 이용하여 기판을 냉각시킨 경우에는 식각용액의 온도 상승이 크지 않기 때문에 바로 사용이 가능하여 일괄 단위간 재현성도 충분하게 된다.
위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 다결정 실리콘 기판의 표면 반사율을 최소화시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 화학적 식각을 이용하면서도 생산수량을 분당 10개 이상으로 높여 대량 생산 공정이 가능하게 된다.
또한, 처리 단위간 공정 재현성을 높여 제품의 균일도를 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 식각용액의 낭비와 사용량을 줄여 재료비를 절감할 수 있는 효과를 얻게 된다.
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- 태양전지용 실리콘 기판의 텍스처링을 위한 화학적 식각 장치에 있어서,상기 기판 또는 기판이 침지되는 식각용액의 온도를 낮추기 위한 냉각수단을 포함하고,상기 냉각수단은 표면에 기판이 밀착설치되어 식각용액이 담긴 식각욕조에 침지되는 냉각판과, 상기 냉각판 내부를 따라 지그재그형태로 배치되고 내부로 냉각수가 유통되는 냉각수관을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 실리콘 기판 텍스처링장치.
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- 제11항에 있어서, 일단은 상기 식각욕조의 하단에 연통되고 타단은 식각욕조의 상단에 연통되어 식각용액이 순환되는 순환파이프와, 상기 순환파이프 상에 설치되어 식각용액을 순환시키는 순환펌프를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 실리콘 기판 텍스처링장치.
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