KR101054985B1 - 태양전지 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘 기판의 상층부에 고농도의 불순물 도핑 영역을 선택적으로 형성하여 선택적 에미터를 형성할 수 있도록 하는 태양전지 제조 방법에 관한 것으로, 제1도전형의 실리콘 기판을 준비하는 단계와; 상기 실리콘 기판에 제2도전형의 불순물을 주입하고 확산시켜, 상기 실리콘 기판의 상층부에 제2도전형의 반도체층을 형성하는 단계와; 상기 실리콘 기판 표면에 도펀트(Dopant) 페이스트를 프린팅하고, 열처리하여 상기 제2도전형의 반도체층에 고농도 도핑 영역을 형성하는 단계와; 상기 도펀트 페이스트를 배리어(Barrier)로 사용하여 상기 실리콘 기판의 표면을 식각하는 단계와; 상기 실리콘 기판의 표면에 프린팅된 도펀트 페이스트를 제거하고, 상기 고농도 도핑 영역에 접촉하도록 금속재를 패터닝하여 전극을 형성하는 단계를 수행함으로써, 단파장 응답 특성을 개선하고, 광발전 효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 태양전지 제조 방법에 관한 것으로, 특히 실리콘 기판의 상층부에 고농도의 불순물 도핑 영역을 선택적으로 형성하여 선택적 에미터를 형성함으로써, 단파장 응답 특성을 개선하고, 광발전 효율을 증가시킬 수 있도록 하는 태양전지 제조 방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심소자로서, 기본적으로 p-n 접합으로 이루어진 다이오드(Diode)라 할 수 있다.
태양광이 태양전지에 의해 전기로 변환되는 과정을 살펴보면, 태양전지의 p-n 접합부에 태양광이 입사되어 의해 전자-정공 쌍이 생성되고, 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 이동하게 되어 p-n 접합부 사이에 광기전력이 발생되며, 이때 태양전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산할 수 있게 된다.
한편, 태양전지는 p-n 접합층인 광흡수층의 형태나 불순물 이온 종류에 따라 다양하게 구분되는데 광흡수층으로는 대표적으로 실리콘(Si)을 들 수 있으며, 이와 같은 실리콘계 태양전지는 형태에 따라 실리콘 웨이퍼를 광흡수층으로 이용하는 실리콘 기판형과, 실리콘을 박막 형태로 증착하여 광흡수층을 형성하는 박막형으로 구분된다.
실리콘계 태양전지 중 실리콘 기판형의 일반적인 구조를 예들 들어 살펴보면 다음과 같다.
도 1에 도시한 바와 같이, 제1도전형 반도체층(11) 위에 제2도전형 반도체층(12)이 적층되며, 제2도전형 반도체층(12)의 상부에 전면전극(14)이 구비되고 제1도전형 반도체층(11)의 하부에 후면전극(15)이 구비된 구조를 갖는다. 이때, 제1도전형 반도체층(11) 및 제2도전형 반도체층(12)은 하나의 실리콘 기판(10)에 구현되는 것으로서, 실리콘 기판(10)의 하부는 제1도전형 반도체층(11), 실리콘 기판(10)의 상부는 제2도전형 반도체층(12)으로 구분되며, 제2도전형 반도체층(12)은 일반적으로 제1도전형 반도체층(11)에 제2도전형 불순물 이온을 도핑(Doping), 확산(Diffusion)시켜 형성된다.
이러한 기판형 실리콘계 태양전지는 제1도전형의 실리콘 기판(10)을 준비하고, 준비된 실리콘 기판(10)의 표면 텍스쳐링, 제2도전형 불순물 이온 주입·확산을 통한 제2도전형 반도체층(12) 형성, 전면전극(14) 및 후면전극(15) 형성 등의 공정을 거쳐 제조된다. 이때, 전면전극(14) 및 후면전극(15)의 형성 전에, 확산 공정에 의해 기판(10) 표면에 형성된 PSG(Phosphorus Silicate Glass) 등의 불순물층을 제거하는 공정 및 제2도전형 반도체층(12) 위에 반사방지막(13)을 형성하는 공정 등을 진행하는 것이 바람직하다.
그러나, 이와 같은 종래의 기판형 실리콘계 태양전지는 실리콘 기판(10)의 상층부에 해당하는 반도체층, 즉 제2도전형 반도체층의 도핑 농도가 낮은 도핑 농도로 일정하게 분포되어 있기 때문에, 제2도전형 반도체층과 제1도전형 반도체층의 접합 부위, 이른바 p-n 접합 부위의 전위차가 낮아 광발전 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 실리콘 기판의 상층부에 고농도의 불순물 도핑 영역을 선택적으로 형성하여 선택적 에미터를 형성함으로써, 단파장 응답 특성을 개선하고, 광발전 효율을 증가시킬 수 있도록 하는 태양전지 제조 방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조 방법은, 제1도전형의 실리콘 기판을 준비하는 단계와; 상기 실리콘 기판에 제2도전형의 불순물을 주입하고 확산시켜, 상기 실리콘 기판의 상층부에 제2도전형의 반도체층을 형성하는 단계와; 상기 실리콘 기판 표면에 도펀트(Dopant) 페이스트를 프린팅하고, 열처리하여 상기 제2도전형의 반도체층에 고농도 도핑 영역을 형성하는 단계와; 상기 도펀트 페이스트를 배리어(Barrier)로 사용하여 상기 실리콘 기판의 표면을 식각하는 단계와; 상기 실리콘 기판의 표면에 프린팅된 도펀트 페이스트를 제거하고, 상기 고농도 도핑 영역에 접촉하도록 금속재를 패터닝하여 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 추가 확산 공정을 진행하여 상기 고농도 도핑 영역을 확장시키는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
이때, 포클(POCL3) 가스가 주입되어 있는 가스 분위기 내에 상기 실리콘 기판을 넣고 열처리하여 상기 추가 확산 공정을 진행하는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 따른 태양전지 제조 방법에 의하면, 실리콘 기판의 상층부에 고농도의 불순물 도핑 영역을 선택적으로 형성하여 선택적 에미터를 형성함으로써, 단파장 응답 특성을 개선하고, 광발전 효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 태양전지를 도시한 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조 방법을 순차적으로 도시한 순서도.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조 방법을 순차적으로 도시한 순서도.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지 제조 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1도전형의 실리콘 기판(10)을 준비한다(S100). 여기서, 제1도전형은 n형 또는 p형일 수 있으며, 이하에서는 제1도전형은 p형인 것을 일 예로 들어 설명하기로 한다.
상기한 단계 S100을 통해 제1도전형의 실리콘 기판(10)이 준비된 상태에서, 실리콘 기판(10)의 상층부에 제2도전형 불순물 이온, 예를 들어 n형 불순물 이온인 인(P)를 주입하고, 열처리하여 확산시킨다(S110). 이에 따라 도 3에 도시한 바와 같이, 실리콘 기판(10)의 하층부는 제1도전형의 반도체층(11) 즉, p형 반도체층을 이루게 되고, 그 상층부는 제2도전형의 반도체층(12) 즉, n형 반도체층을 이루게 된다.
상기한 단계 S110에서의 열처리·확산 공정에 의해 실리콘 기판(10)의 표면에는 고온 열처리에 따른 공기 융합 반응으로 인하여 일정 두께의 실리콘 산화막(SiO2)이 형성되게 된다. 이때, 실리콘 산화막은 산소, 실리콘 및 인(P)이 고온에서 반응하여 생성된 PSG(Phosphorus Silicate Glass)막으로 이루어지는데, 만일 제2도전형 반도체층(12)이 p형 반도체층으로 이루어진 경우에는 산소, 실리콘 및 붕소(B)가 고온에서 반응하여 생성된 BSG(Boron Silicate Glass)막으로 이루어지는 것이 바람직하다. 따라서, 상기한 단계 S110 이후에는 실리콘 산화막 제거를 위한 습식 세정 공정을 진행하는 것이 바람직하다.
한편, 상기한 단계 S110 이전에는 상기한 단계 S100을 통해 준비된 실리콘 기판(10)의 표면에 요철이 형성되도록 텍스쳐링 공정을 먼저 진행하는 것이 바람직하다. 이때 텍스쳐링 공정은 실리콘 기판(10) 표면에서의 빛 반사를 줄이기 위한 것이며, 습식 식각 또는 플라즈마를 이용한 건식 식각을 통해 요철을 형성할 수 있다.
상기한 단계 S110 다음에는, 스크린 프린트(Screen Print) 공정을 진행하여 도 4에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(10)의 표면에 제2도전형 불순물로 이루어진 도펀트(Dopant) 페이스트(20)를 선택적으로 프린팅한다(S120).
상기한 단계 S120의 스크린 프린트 공정에서 사용되는 마스크 패턴은 핑거 바나 버스 바 등의 전극 형성을 위한 패턴 형태를 갖는 것이 바람직하다. 이에 따라, 도펀트 페이스트(20)는 실리콘 기판(10)의 표면에 핑거 바나 버스 바 등의 형태로 프린팅된다.
상기한 단계 S120 이후, 실리콘 기판(10)을 열처리하여 도펀트 페이스트(20)의 제2도전형 불순물을 도 5에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(10) 내부로 주입·확산시켜 실리콘 기판(10)의 상층부, 즉 제2도전형 반도체층(12)에 제2도전형의 고농도 도핑 영역(12-1), 예를 들어, n+ 또는 n++도핑 영역을 선택적으로 형성한다(S130).
상기한 단계 S130 다음에는, 태양전지 광발전 효율을 향상시키기 위하여 추가 확산 공정을 진행하여 실리콘 기판(10)의 제2도전형 반도체층(12)에 형성된 고농도 도핑 영역(12-1)을 확장시킨다(S140).
상기한 단계 S140에서는 예컨대, 포클(POCL3) 가스가 주입되어 있는 가스 분위기 내에 실리콘 기판(10)을 넣고 열처리하여 추가 확산 공정을 진행하는 것이 바람직하다.
상기한 단계 S130 및 S140에서의 열처리·확산 공정에 의해 실리콘 기판(10)의 표면에는 고온 열처리에 따른 공기 융합 반응으로 인하여 일정 두께의 실리콘 산화막이 형성되게 된다.
한편, 상기한 단계 S140의 추가 확산에 따라 실리콘 기판(10)의 제2도전형 반도체층(12)에 형성된 고농도 도핑 영역(12-1)이 확장되어 두께가 증가하게 된다. 그러나, 이 경우 도 6에 도시된 바와 같이, 제2도전형 반도체층(12)의 고농도 도핑 영역(12-1) 뿐만 아니라, 나머지 도핑 영역, 즉 저농도 도핑 영역(12-2)도 확장되어 두께가 증가하게 된다.
이에, 상기한 단계 S140 다음에는 실리콘 기판(10)의 표면에 패터닝된 도펀트 페이스트(20)를 배리어(Barrier)로 사용하여 실리콘 기판(10)의 표면을 식각한다(S150). 이 경우, 예컨대 건식 식각 방식 등을 사용하는 것이 바람직하다.
상기한 단계 S150에서는 도 6에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(10) 표면에 프린팅된 도펀트 페이스트(20)에 의해 고농도 도핑 영역(12-1)은 식각되지 않고, 나머지 부위만 식각되어 결국 저농도 도핑 영역(12-2)의 두께가 줄어들게 된다.
상기한 단계 S150 이후에는, 도 7에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(10)의 표면에 프린팅된 도펀트 페이스트(20)를 제거한다(S160).
상기한 단계 S160에서 도펀트 페이스트(20)를 제거하는 경우에는, 실리콘 기판(10)의 표면에 존재하는 실리콘 산화막 및 파티클 등의 오염물질도 함께 제거하기 위하여 습식 세정 공정을 수행하는 것이 바람직하다.
상기한 단계 S160 다음에는, 실리콘 기판(10)의 제2도전형 반도체층(12)에 형성된 고농도 도핑 영역(12-1)에 접촉하도록 금속재를 패터닝함으로써, 전극을 형성하게 된다(S170).
본 발명에 따른 태양전지 제조 방법은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.
10: 실리콘 기판 11: 제1도전형 반도체층
12: 제2도전형 반도체층 12-1: 고농도 도핑 영역
12-2: 저농도 도핑 영역 13: 반사방지막
14: 전면전극 15: 후면전극
20: 도펀트 페이스트
12: 제2도전형 반도체층 12-1: 고농도 도핑 영역
12-2: 저농도 도핑 영역 13: 반사방지막
14: 전면전극 15: 후면전극
20: 도펀트 페이스트
Claims (3)
- 제1도전형의 실리콘 기판을 준비하는 단계와;
상기 실리콘 기판에 제2도전형의 불순물을 주입하고 확산시켜, 상기 실리콘 기판의 상층부에 제2도전형의 반도체층을 형성하는 단계와;
상기 실리콘 기판 표면에 도펀트(Dopant) 페이스트를 프린팅하고, 열처리하여 상기 제2도전형의 반도체층에 고농도 도핑 영역을 형성하는 단계와;
상기 도펀트 페이스트를 배리어(Barrier)로 사용하여 상기 실리콘 기판의 표면을 식각하는 단계와;
상기 실리콘 기판의 표면에 프린팅된 도펀트 페이스트를 제거하고, 상기 고농도 도핑 영역에 접촉하도록 금속재를 패터닝하여 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
추가 확산 공정을 진행하여 상기 고농도 도핑 영역을 확장시키는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.
- 제2항에 있어서,
포클(POCL3) 가스가 주입되어 있는 가스 분위기 내에 상기 실리콘 기판을 넣고 열처리하여 상기 추가 확산 공정을 진행하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.
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