KR101025301B1 - 박막 실리콘 태양전지의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 박막 실리콘 태양전지의 제조방법에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 태양전지의 제조에 있어서 실리콘의 소모량을 절감하기 위한 박막 실리콘 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.
이를 위해 본 발명은 단결정 실리콘에 상기 단결정 실리콘과 평행한 방향으로 이격되어 적어도 하나 이상의 트렌치를 형성하는 트렌치 형성단계와, 단결정 실리콘 상부 및 트렌치의 내부를 따라 증착된 제 1보호층 증착단계와, 제 1보호층을 보호하기 위해 1보호층의 하부 영역을 제외한 내외부 측벽을 따라 제 2보호층을 증착하는 제 2보호층 증착단계와, 제 l보호층의 하부영역을 제거하는 제 1보호층 하부 제거단계와, 제 1보호층 하부의 횡 방향으로 채널을 형성하는 채널 형성단계와, 채널에 따라 언더커트를 하여 단결정 실리콘과 분리된 실리콘 스트립에 불순물을 주입하는 불순물 주입단계와, 실리콘 스트립 상부에 적어도 하나 이상의 마이크로 렌즈를 형성하는 마이크로 렌즈 형성단계를 포함하는 박막 실리콘 태양전지의 제조방법을 개시한다.
태양전지, 실리콘, 박막, 단결정, 스트립
Description
본 발명은 박막 실리콘 태양전지의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 태양전지의 제조에 있어서 실리콘의 소모량을 절감할 수 있는 박막 실리콘 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
최근 국제 원유 값 상승과 석유의 제한적인 매장량으로 인해 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 대체 에너지로는 생물 에너지, 수력, 원자력, 지열, 태양열, 풍력, 조력, 파력, 수소 에너지 등이 있다. 특히 태양열을 이용하는 수단으로 석유나 석탄 등의 에너지와는 달리 영구적으로 사용이 가능하며, 소음이나 이산화탄소의 배출이 없는 태양 전지(solar cells)가 있다. 일반적으로 태양전지(solar cell)는 태양에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 반도체 소자로써, p형의 반도체와 n형의 반도체의 접합형태를 가지며 그 기본구조는 다이오드와 동일하다. 이런 태양전지는 통상적으로 결정 상태에 따라서 단결정(single crystal) 형태와 다결정(polycrystalline) 형태의 재료로 나뉘는 실리콘(silicon)을 주로 이용한다. 단결정은 순도가 높고 결정 결함밀도가 낮은 고품위의 재료로서 높은 효율을 달성할 수 있으나 고가이고, 다결정 재료는 상대적으로 낮은 비용으로 상용화가 가능한 정도의 전지를 제조할 수 있다.
하지만 통상적으로 태양전지를 제조함에 있어서 많이 사용하는 실리콘은 태양전지의 제조비용에서 절반이상을 차지하여 비용 면에서 제조업체에게 큰 부담을 주어 화석연료의 기반의 발전단가보다 높아 보급 및 시장 매출 증대의 큰 걸림돌이 되고 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 태양전지의 제조에 있어서 실리콘의 소모량을 절감하기 위한 박막 실리콘 태양전지의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 박막 실리콘 태양전지의 제조방법은 단결정 실리콘에 상기 단결정 실리콘과 평행한 방향으로 이격되어 적어도 하나 이상의 트렌치를 형성하는 트렌치 형성단계와, 상기 단결정 실리콘 상부 및 상기 트렌치의 내부를 따라 증착된 제 1보호층 증착단계와, 상기 제 1보호층을 보호하기 위해 상기 1보호층의 하부 영역을 제외한 내외부 측벽을 따라 제 2보호층을 증착하는 제 2보호층 증착단계와, 상기 제 l보호층의 하부영역을 제거하는 제 1보호층 하부 제거단계와, 상기 제 1보호층 하부의 횡 방향으로 채널을 형성하는 채널 형성단계와, 상기 채널에 따라 언더커트를 하여 상기 단결정 실리콘과 분리된 실리콘 스트립에 불순물을 주입하는 불순물 주입단계와, 상기 실리콘 스트립 상부에 적어도 하나 이상의 마이크로 렌즈를 형성하는 마이크로 렌즈 형성단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제 1보호층 하부 제거단계에서는 상기 트렌치의 하부 가로 폭과 동일하게 상기 제 1보호층 하부의 가로 폭을 제거할 수 있다.
또한, 상기 불순물 주입단계에서는 상기 실리콘 스트립의 중앙부분에 불순물을 주입하여 n형 실리콘 층을 상기 실리콘 스트립의 중앙부분에 형성할 수 있다.
여기서, 상기 불순물 주입단계에서는 상기 실리콘 스트립의 일측에 불순물을 주입하여 n형 실리콘 층을 상기 실리콘 스트립의 일측에 형성할 수 있다.
또한, 상기 불순물 주입단계에서는 상기 실리콘 스트립에 불순물을 주입한 후 상기 실리콘 스트립 상부에 p형 전극과 n형 전극을 서로 각각 번갈아 가며 형성할 수 있다.
이때, 상기 p형 전극은 상기 실리콘 스트립의 상부 측면에 형성되어 태양광 입사시에 상기 p형 전극에 의한 태양광 가림 현상을 줄일 수 있다.
또한, 상기 마이크로 렌즈 형성단계에서는 상기 언더커트로 분리된 각각의 상기 실리콘 스트립을 연결하기 위해 상기 실리콘 스트립의 사이에 연결전극을 형성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 박막 실리콘 태양전지의 제조방법은 하나의 실리콘 웨이퍼로 다수의 단결정 실리콘 스트립을 가공하여 다수의 박막 실리콘 태양전지를 제작함으로써, 실리콘의 사용량을 획기적으로 절감할 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
여기서, 명세서 전체를 통하여 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 박막 실리콘 태양전지의 제조방법이 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 박막 실리콘 태양전지(100)의 제조방법은 트랜치 형성단계(S1), 제 1보호층 증착단계(S2), 제 2보호층 증착단계(S3), 제 1보호층 하부 제거단계(S4), 채널 형성단계(S5), 불순물 주입 단계(S6) 및 마이크로 렌즈 형성단계(S7)를 포함한다.
이러한, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 실리콘 태양전지(100)의 제조방법을 도 2a 내지 도 2h를 이용하여 좀 더 자세히 설명하기로 한다.
도 2a 내지 도 2h를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 실리콘 태 양전지(100)의 제조방법을 도시한 단면도이다.
먼저, 도 2a를 참조하면, 트랜치 형성단계(S1)가 도시되어 있다. 상기 트랜치 형성단계(S1)에서는 단결정 실리콘(110)과 평행한 방향으로 이격되어 적어도 하나 이상의 트렌치(A)를 형성한다. 상기 단결정 실리콘(110)은 통상적으로 다결정 실리콘보다 전자의 움직임이 원활하고 실리콘의 결함이 적기 때문에 태양전지를 형성하기 위해 보편적으로 이용하고 있다. 이런 단결정 실리콘(110)에 상기 트렌치(A)를 형성하기 위해서 상기 단결정 실리콘(110)의 상부에 상기 트렌치(A)를 형성하고자 하는 영역을 제외한 영역에 포토레지스트(photo resist)를 도포한다. 이후 상기 포토레지스트를 선택적으로 노광 및 현상하고 상기 단결정 실리콘(110)이 노출되도록 선택적으로 식각하여 상기 트렌치(A)를 형성한다.
그런 다음, 화학용액을 이용해서 상기 포토레지스트를 제거한다. 이때 이용하는 화학용액으로는 아세트산, 황산(H2SO4) 또는 O2플라즈마 등일 수 있다. 또한, 상기 트렌치(A)의 깊이는 통상적으로 약 20㎛~120㎛의 범위일 수 있으며, 폭은 약 1㎛~30㎛의 범위 일 수 있다. 또한 상기 단결정 실리콘(110)에 평행한 방향으로 형성된 상기 트렌치(A)의 각각의 간격은 약 0.05mm(50㎛)~2mm일 수 있다.
다음, 도 2b를 참조하면, 제 1보호층 증착단계(S2)가 도시되어 있다. 상기 제 1보호층 증착단계(S2)에서는 상기 트렌치(A)의 내 외부를 따라 제 1보호층(111)을 증착한다. 상기 제 1보호층(111)은 이후 상기 단결정 실리콘(110)의 채 널(channel) 형성 시 수평방향의 에칭공정으로부터 상기 단결정 실리콘(110)을 보호하기 위해서 증착하는 것이다. 상기 제 1보호층(111)은 a-Si(amorphous Silicon) 또는 SiO2(Silica)로 증착할 수 있다. 그러나 본 발명에서 이용하는 상기 제 1보호층(111)의 종류를 한정하는 것은 아니다.
다음, 도 2c를 참조하면, 제 2보호층 증착 단계(S3)가 도시되어 있다. 상기 제 2보호층 증착 단계(S3)에서는, 상기 제 1보호층(111)의 하부와 대응되는 영역을 제외한 내 외부를 따라 제 2보호층(112)을 증착한다. 상기 제 2보호층(112)은 이후 수행되는 에칭공정으로부터 상기 제 1보호층(111)을 보호하기 위해 증착한다. 그리고 상기 제 2보호층(112)은 SiN(Silicon Nitride)으로 증착할 수 있으며 그 위에 금속인 금(Au). 티타늄(Ti)등과같은 보호층을 추가로 증착할 수 있다. 그러나 상기 제 2보호층(112)의 종류를 한정하는 것은 아니다.
다음, 도 2d를 참조하면, 제 1보호층 하부 제거단계(S4)가 도시되어 있다. 상기 제 1보호층 하부 제거단계(S4)에서는, 상기 트렌치(A)의 내측하부와 대응되는 영역에 형성된 상기 제 1보호층(111)을 에칭한다. 이때, 상기 제 1보호층(111) 하부 제거 영역(B)의 가로 폭은 상기 트렌치(A)의 하부 가로 폭과 동일하게 형성할 수 있다. 이때, 상기 제 1보호층(111) 하부 제거 영역(B)은 에칭(etching)방법으로 수행할 수 있다. 여기서, 상기 제 2보호층(112)은 에칭에 대한 마스크 역할을 하는 것으로 상기 제 2보호층(112)이 증착되지 않은 영역만 에칭되는 것이다. 이때, 에칭의 방법으로는 습식 식각(wet etching) 또는 건식 식각(dry etching)의 방법으로 수행할 수 있으며, 건식 식각에서는 상기 단결정 실리콘(110) 상부에 CF4(4불화탄소), SF6(육플루오린화 황), HBr(브롬화수소)등의 플라즈마를 인가하여 수행한다.
다음, 도 2e를 참조하면, 채널 형성단계(S5)가 도시되어 있다. 상기 채널 형성단계(S5)에서는, 상기 제 1보호층(111) 하부 제거 영역(B)의 횡 방향으로 채널(channel)을 형성한다. 이때, 상기 채널(C)을 형성하기 위해 상기 단결정 실리콘(110)을 수산화칼륨(KOH) 용액에 집어넣는다. 여기서, 상기 단결정 실리콘(110)은 다결정 실리콘과 달리 실리콘의 각 영역에 따른 결정이 동일하므로 에칭 속도에 따른 이방성 채널 형성을 방지할 수 있다. 또한 상기 채널(C) 형성 시 각각의 상기 트렌치(A)부터 수산화칼륨용액이 침투하여 횡 방향으로 상기 단결정 실리콘(110)의 상부를 가로질러 상기 채널(C)이 형성된다. 상기 도 2e에서는 상기 채널(C)이 서로 각각 접촉되지 않는 영역까지 형성되었지만, 이와 달리 상기 채널(C)이 서로 맞닿을 수도 있다.
이후, 상기 채널(C)에 의해 상기 단결정 실리콘(110)과 분리될 실리콘 스트립(silicon strip)(113)을 형성하기 위해 언더커트(under cut)를 수행한다. 언더커트를 수행하여 형성된 상기 실리콘 스트립(113)은 상기 단결정 실리콘(110)으로부터 분리되어 각 상기 실리콘 스트립(113)마다 태양전지를 형성할 수 있게 된다. 또한 상기 실리콘 스트립(113)은 이후 단계인 상기 불순물 주입단계(s6)를 진행한 후 에 형성할 수도 있다.
다음, 도 2f 및 도 2g를 참조하면, 불순물 주입단계(S6)가 도시되어 있다. 상기 불순물 주입단계(S6)에서는 상기 실리콘 스트립(113)의 중앙영역 또는 일측에 n형 실리콘 층(123)을 형성한다. 먼저, 도 2f에 도시된 바와 같이, 상기 실리콘 스트립(113)에 p형 불순물을 주입한다. 이때 주입하는 p형 불순물로는 붕소(boron)일 수 있다. 이후 상기 실리콘 스트립(113)의 상부 중앙영역에 n형 실리콘 층(123)이 형성될 영역을 제외한 부분에 포토레지스트를 도포한다. 상기 포토레지스트가 도포되지 않는 영역에 n형 불순물을 주입하여 상기 n형 실리콘 층(123)을 형성한다. 이때, 주입되는 n형 불순물로는 인(P), 비소(As)등으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나이거나 이들 중 2개 이상의 조합일 수 있다.
또한 도 2g에 도시된 바와 같이, 상기 실리콘 스트립(113)의 일측에 n형 불순물을 주입할 수 있다. 즉, 상기 실리콘 스트립(113)의 일측 부분에만 n형 실리콘 층(123)이 형성되나, 타측 부분에는 형성되지 않는다.
그리고 본 발명에서는 상기 실리콘 스트립(113)의 구조를 PN접합으로 도시하였지만 이들 사이에 진성영역(Intrinsic)이 더 형성되어 상기 실리콘 스트립(113)의 구조가 PIN일수 있다. 이후 상기 n형 실리콘 층(123)을 형성한 후 상기 실리콘 스트립(113) 상부에 전극(140, 130)을 형성한다. 상기 전극(140, 130)은 바람직하게 순금이나 은(Ag), 구리, 알루미늄을 이용하여 전극을 형성한다. 이때, 상기 전극(140, 130)은 표준 열 압착 방식이나 스크린 프린팅 방법으로 형성되며, p형 전 극(140)과 n형 전극(130)을 서로 각각 번갈아가며 상기 실리콘 스트립(113) 상부에 형성한다. 여기서 상기 p형 전극(140)은 상기 실리콘 스트립(113)의 측면 상부에 전극물질을 주입하여 형성할 수 있다. 이때, 측면 상부에 형성된 상기 p형 전극(140)은 태양광 가림 현상을 줄여 더 많은 태양광의 입사를 마이크로 렌즈(150)로 입사시킬 수 있게 한다.
다음, 도 2h를 참조하면, 마이크로 렌즈 형성단계(S7)가 도시되어 있다. 상기 마이크로 렌즈 형성단계(S7)에서는 상기 실리콘 스트립(113) 상부에 적어도 하나 이상의 마이크로 렌즈(150)를 형성한다. 여기서, 상기 마이크로 렌즈(150)는 상기 실리콘 스트립(113) 상부에 볼록한 형상으로 형성되며, 상기 마이크로 렌즈(150)의 재질로는 폴리스틸렌, PMMA(Poly Methyl Methacrylate), 아크릴산 수지 또는 폴리카보네이트(poly carbonate)가 사용될 수 있다. 상기 아크릴산 수지는 합성수지의 한 가지로, 내수, 내산, 내알칼리 및 내유성이 있으며, 전기의 절연 재료, 안전유리, 합성 고무 따위에 이용된다. 또한, 상기 폴리카보네이트는 플라스틱 수지로서, 커피메이커, 다리미 등 가전제품에서부터 자동차부품, 이동전화케이스 등 첨단 제품에 이르기까지 매우 광범위하게 활용된다. 상기 아크릴산 수지는 광선 투과율이 93%이고, 폴리카보네이트는 광선 투과율이 85~91%이다. 이후, 상기 마이크로 렌즈(150)의 표면을 자외선 코팅 할 수 있다. 이런 자외선 코팅에 의해 상기 마이크로 렌즈(150)에서 발생하는 열 응축을 감소시킬 수 있다. 이후 상기 마이크로 렌즈(150)를 형성한 후 상기 언더커트로 각각 분리된 상기 실리콘 스트립(113) 을 연결시키기 위해서 각각의 상기 실리콘 스트립(113) 사이에 솔더링(soldering)이나 페이스트(paste)등을 통하여 연결 전극(141)을 형성한다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 박막 실리콘 태양전지의 제조방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 박막 실리콘 태양전지의 제조방법을 순차 도시한 순서도이다.
도 2a 내지 도 2h는 본 발명에 따른 박막 실리콘 태양전지의 제조방법을 수차 도시한 단면도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100 : 태양전지 110 : 단결정 실리콘
111 : 제 1보호층 112 : 제 2보호층
113 : 실리콘 스트립 140 : p형 전극
130 : n형 전극 123 : n형 실리콘 층
150 : 마이크로 렌즈
Claims (7)
- 단결정 실리콘에 상기 단결정 실리콘과 평행한 방향으로 이격되어 적어도 하나 이상의 트렌치를 형성하는 트렌치 형성단계;상기 단결정 실리콘 상부 및 상기 트렌치의 내부를 따라 증착된 제 1보호층 증착단계;상기 제 1보호층을 보호하기 위해 상기 1보호층의 하부 영역을 제외한 내외부 측벽을 따라 제 2보호층을 증착하는 제 2보호층 증착단계;상기 제 l보호층의 하부영역을 제거하는 제 1보호층 하부 제거단계;상기 제 1보호층 하부의 횡 방향으로 채널을 형성하는 채널 형성단계;상기 채널에 따라 언더커트를 하여 상기 단결정 실리콘과 분리된 실리콘 스트립에 불순물을 주입하는 불순물 주입단계; 및,상기 실리콘 스트립 상부에 적어도 하나 이상의 마이크로 렌즈를 형성하는 마이크로 렌즈 형성단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1보호층 하부 제거단계에서는상기 트렌치의 하부 가로 폭과 동일하게 상기 제 1보호층 하부의 가로 폭을 제거하는 것을 특징으로 하는 박막 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 불순물 주입단계에서는상기 실리콘 스트립의 중앙부분에 불순물을 주입하여 n형 실리콘 층을 상기 실리콘 스트립의 중앙부분에 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 불순물 주입단계에서는상기 실리콘 스트립의 일측에 불순물을 주입하여 n형 실리콘 층을 상기 실리콘 스트립의 일측에 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 제 3 항 또는 제4항에 있어서,상기 불순물 주입단계에서는상기 실리콘 스트립에 불순물을 주입한 후 상기 실리콘 스트립 상부에 p형 전극과 n형 전극을 서로 각각 번갈아가며 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 p형 전극은상기 실리콘 스트립의 상부 측면에 형성되어 태양광 입사시에 상기 p형 전극에 의한 태양광 가림 현상을 줄일 수 있는 것을 특징으로 하는 박막 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 마이크로 렌즈 형성단계에서는상기 언더커트로 분리된 각각의 상기 실리콘 스트립을 연결하기 위해 상기 실리콘 스트립의 사이에 연결전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 실리콘 태양전지의 제조방법.
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