KR101065592B1 - 태양 전지 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

태양 전지의 제조 방법에서 p형의 기판에는 n형 불순물 확산층이 형성될 수 있으며, 상기 확산층 상에는 상기 기판 및 불순물 확산층의 결함 밀도를 감소시키기 위하여 수소를 함유하는 비정질 실리콘층이 형성된다. 또한, 상기 비정질 실리콘층을 형성한 후 결함 밀도를 감소시키기 위한 열처리가 수소 분위기에서 수행된다. 상기와 같이 열처리된 실리콘 층 상에는 실리콘 질화층이 형성되며, 이어서 전면 전극과 후면 전극이 형성된다. 상기 수소를 함유하는 비정질 실리콘층의 형성 및 후속하는 열처리에 의하여 상기 기판 및 확산층 내의 결함 밀도가 감소될 수 있으며, 이에 따라 캐리어의 재결합이 억제될 수 있으며 또한 캐리어의 수명이 연장될 수 있다.

Description

태양 전지 제조 방법 {Method of manufacturing a solar cell}
본 발명의 실시예들은 태양 전지의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명의 실시예들은 패시베이션층을 갖는 태양 전지의 제조 방법에 관한 것이다.
실리콘 태양 전지 제조 공정은 태양광의 반사율을 감소시키기 위한 텍스처링 공정, p-n 접합을 위한 확산 공정, 상기 기판의 표면과 내부의 결함밀도를 감소시킴으로써 캐리어의 재결합 및 수명(lifetime)을 연장시키기 위한 부동태화 공정, 상기 기판의 전면과 후면에 각각 전면 전극과 후면 전극을 형성하는 전극 형성 공정, 상기 전면 전극과 확산층을 접합시키고 후면 전계층을 형성하기 위한 열처리 공정 등을 포함할 수 있다.
특히, 상기 부동태화 공정은 상기 텍스처링 공정에서 발생될 수 있는 실리콘 기판의 결함들을 제거하고 또한 태양광의 반사율을 감소시키기 위하여 수행될 수 있다. 상기 부동태화 공정에서는 패시베이션층이 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 기판 상에는 열산화법에 의해 실리콘 산화층이 형성될 수 있으며, 이와 다르게 플라즈마 화학기상증착에 의해 실리콘 질화층이 형성될 수도 있다.
그러나, 상기와 같은 부동태화 공정의 경우 태양 전지의 에너지 변환효율을 향상시키는데는 한계가 있다. 특히, 상기 열산화 공정을 수행하는 경우, 실리콘 산화층 내의 금속성 불순물이 캐리어의 재결합 사이트로 작용할 수 있으며, 상기 플라즈마 화학기상증착 공정의 경우 실리콘 질화층과 확산층 사이에서 다량의 결함 사이트가 발생될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 기판의 결함 밀도를 감소시켜 캐리어의 재결합을 억제하고 상기 캐리어의 수명을 연장시킬 수 있는 개선된 태양 전지의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따르면, p 또는 n 형의 기판 상에는 상기 기판과 다른 n 또는 p형 불순물의 확산 공정에 의해 불순물 확산층이 형성될 수 있다. 상기 확산층 상에는 비정질 실리콘층이 형성될 수 있으며, 상기 비정질 실리콘층 상에는 실리콘 질화층이 형성될 수 있다. 계속해서, 상기 기판의 후면 및 상기 실리콘 질화층 상에는 후면 전극 및 전면 전극이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 비정질 실리콘층을 형성한 후 열처리 단계가 추가적으로 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 비정질 실리콘층은 실리콘 및 수소를 포함하는 소스 가스를 이용하여 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 열처리 단계는 수소를 포함하는 분위기에서 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 비정질 실리콘층을 형성하는 동안 상기 확산층 내의 불순물과 동일한 타입의 불순물이 인시튜 방식으로 상기 비정질 실리콘층에 도핑될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 따르면, p-n 접합을 위해 형성되는 불순물 확산층 상에는 실리콘 및 수소를 포함하는 소스 가스를 이용하여 비정질 실리콘 층이 형성될 수 있으며, 상기 비정질 실리콘층은 수소를 포함하는 분위기에서 열처리될 수 있다.
상기 비정질 실리콘층의 증착 및 열처리 과정에서 상기 기판 및 상기 확산층 내의 결함, 예를 들면, 실리콘 댕글링 본드(dangling bond)가 충분히 제거될 수 있으며, 이에 따라 캐리어의 재결합 감소 및 수명 연장과 같은 효과가 발생될 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 태양 전지의 에너지 변환 효율이 크게 향상될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 하기에서 설명되는 실시예들에 한정된 바와 같이 구성되어야만 하는 것은 아니며 이와 다른 여러 가지 형태로 구체화될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이며, 도 2는 도 1에 도시된 태양 전지의 제조 방법에 의해 제조된 태양 전지를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, S10 단계에서, 제1 도전형의 기판(100)이 마련된다. 예를 들면, p형의 실리콘 웨이퍼가 태양 전지의 제조를 위한 기판(100)으로서 마련될 수 있다. 그러나, 상기와는 달리 n형의 실리콘 웨이퍼가 기판(100)으로서 사용될 수도 있다.
S12 단계에서, 태양광의 흡수율을 향상시키기 위하여 상기 기판의 표면에 소정의 패턴을 형성하는 텍스처링(texturing) 공정이 수행될 수 있다. 상기 텍스처링 공정은 질산(HNO3), 불산(HF) 및 물(H2O)의 혼합 용액을 이용하여 수행될 수 있다. 특히, 질산을 이용한 실리콘 표면 산화와 불산을 이용한 산화물 제거가 동시에 수행될 수 있다.
S14 단계에서, 상기 기판(100) 상에 p-n 접합을 구현하기 위하여 상기 기판(100)과는 다른 제2 도전형, 예를 들면, n형의 불순물을 확산시켜 n형 불순물 확산층(110)을 형성한다. 예를 들면, 상기 불순물 확산층(100)은 증기화된 POCl3 또는 PH3 가스 이용하는 확산 공정에 의해 형성될 수 있다. 한편, n형 기판이 사용되는 경우, 상기 확산 공정은 B2H6 가스와 같은 p형 소스 가스를 이용하여 수행될 수 있으며, 상기 n형 기판 상에는 p형 확산층이 형성될 수 있다.
S16 단계에서, 상기 확산 공정에서 형성된 확산 산화막(미도시) 즉 PSG(phosphosilicate glass)를 제거한다. 상기 확산 산화막의 제거는 희석된 불산을 이용하여 수행될 수 있다.
S18 단계에서, 상기 불순물 확산층(100) 상에 비정질 실리콘(a-Si) 층(120)이 형성될 수 있다. 상기 비정질 실리콘층(120)은 캐리어의 재결합 억제 및 수명 연장을 위하여 형성될 수 있다. 상기 비정질 실리콘층(120)은 플라즈마 강화 화학기상증착 공정을 통해 약 1 내지 20nm 정도의 두께로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 플라즈마 강화 화학기상증착 공정은 소스 가스로서 실란(SiH4) 가스 그리고 플라즈마 점화 가스로서 아르곤(Ar) 가스를 이용하여 약 1 torr 정도의 압력 및 약 200 ℃ 정도의 온도에서 수행될 수 있다. 여기서, 압력과 온도가 특정되어 있으나, 상기 압력과 온도는 경우에 따라서 다양하게 변경될 수 있으므로, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않을 것이다. 또한, 소스 가스로서 실란 가스 이외의 실리콘을 포함하는 다른 가스가 사용될 수도 있으며, 캐리어 가스로서 질소 가스가 첨가될 수도 있다.
한편, 상기 플라즈마 강화 화학기상증착 공정에서 상기 소스 가스는 수소(H2) 가스를 더 포함할 수 있다. 상기 수소는 상기 기판 내의 결함을 치유하기 위하여 제공될 수 있으며, 이에 따라 상기 불순물 확산층 상에는 수소를 함유하는 비정질 실리콘(a-Si:H) 층이 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 수소는 상기 기판의 댕글링 본드(dangling bond)와 결합할 수 있으며, 이에 의해 상기 캐리어의 재결합을 감소시킬 수 있으며, 또한 이에 의해 상기 캐리어의 수명이 연장될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 비정질 실리콘층(120)을 형성하는 동안 상기 확산층(110)과 동일한 타입의 불순물, 즉 n형 불순물이 상기 비정질 실리콘층(120)에 인시튜 방식으로 도핑될 수 있다. 예를 들면, 상기 플라즈마 강화 화학기상증착 공정에서 상기 기판 상으로는 PH3 가스가 추가적으로 공급될 수 있으며, 이에 따라 상기 불순물 확산층(110) 상에는 n형 비정질 실리콘(n-a-Si) 층 또는 수소를 함유한 n형 비정질 실리콘(n-a-Si:H) 층이 형성될 수 있다.
상기와는 다르게, 상기 n형 기판이 사용되는 경우, 상기 비정질 실리콘층(120)에는 p형 불순물이 인시튜 방식으로 도핑될 수 있다. 예를 들면, 상기 플라즈마 강화 화학기상증착 공정을 수행하는 동안 B2H6 가스와 같은 p형 소스 가스가 추가적으로 공급될 수 있다.
한편, 상기와 같은 본 발명의 실시예들에 따라 기판 상에 비정질 실리콘층(120)을 형성하는 경우 캐리어의 수명이 어느 정도 연장될 수 있는지에 대하여 간단한 실험을 수행하였다.
도 3은 본 발명의 일 실시예와 비교예들에서 측정된 캐리어의 수명을 설명하기 위한 그래프이다.
먼저, n형 베어 웨이퍼를 기판으로서 준비한 후 상기 기판에서 캐리어의 수명을 측정하였으며, 이어서, 상기 기판 상에 실리콘 질화층을 약 80nm 정도의 두께로 형성한 후 캐리어의 수명을 측정하였다. 여기서, 상기 실리콘 질화층은 실란(SiH4) 가스와 암모니아(NH3) 가스를 이용하는 플라즈마 강화 화학기상증착 공정을 통해 형성되었다.
또한, 상기 기판 상에 n형 불순물 즉 인(P)으로 도핑된 비정질 실리콘층을 약 20nm 정도의 두께로 형성한 후 캐리어의 수명을 측정하였다. 상기 비정질 실리콘층은 실란(SiH4) 가스와 수소(H2) 가스를 소스 가스로서 사용하는 플라즈마 강화 화학기상증착 공정을 통해 형성되었으며, 상기 공정을 수행하는 동안 PH3 가스가 추가적으로 공급되어 상기 비정질 실리콘층을 인시튜 방식으로 도핑하였다.
추가적으로, 상기 기판 상에 비정질 실리콘층과 실리콘 질화층을 각각 20nm 및 80nm 정도의 두께로 형성한 후 캐리어의 수명을 측정하였다. 여기서, 상기 비정질 실리콘층과 실리콘 질화층은 상기에서 설명된 바와 동일한 방법으로 형성되었다.
도 3을 참조하면, 상기 n형 기판에서의 캐리어 수명은 약 19.73 ㎲ 정도로 측정되었으며, 상기 n형 기판 상에 실리콘 질화층을 형성한 경우 캐리어의 수명은 약 142.77 ㎲ 정도로 측정되었다. 즉, 상기 실리콘 질화층을 형성하는 동안 상기 기판의 결함이 다소 제거되었음을 알 수 있다.
그러나, 본 발명의 실시예들에 따라 상기 기판 상에 비정질 실리콘층을 형성한 경우와, 상기 비정질 실리콘층 상에 실리콘 질화층을 형성한 경우, 캐리어의 수명은 약 929.46 ㎲ 및 1765.54 ㎲ 정도로 각각 측정되었다. 상기와 같은 결과에서, 상기 비정질 실리콘층을 형성함으로써 상기 기판에서의 결함 밀도가 크게 감소될 수 있으며, 이에 따라 캐리어의 재결합 억제 및 수명 연장의 효과가 크게 발생될 수 있음이 확인되었다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, S20 단계에서, 상기 비정질 실리콘층(120)에 대하여 열처리 공정이 수행될 수 있다. 상기 열처리 공정은 상기 기판(100)과 불순물 확산층(110) 및 상기 비정질 실리콘층(120)의 결함 사이트들을 제거하기 위하여 수소를 포함하는 분위기에서 열처리 공정이 수행될 수 있다. 상기 열처리 공정은 약 400 내지 600 ℃ 정도의 온도에서 약 10 내지 15분 동안 진행될 수 있다. 특히, 상기 열처리 공정을 진행하는 동안 상기 비정질 실리콘층(120)이 부분적으로 또는 완전히 결정화될 수도 있으며, 상기 기판(100) 및 불순물 확산층(110) 및 상기 비정질 실리콘층(120) 내의 결함 사이트들이 충분히 제거될 수 있다.
S22 단계에서, 상기 열처리된 실리콘층(120) 상에 반사 방지층으로서 기능하는 실리콘 질화층(130)이 형성될 수 있다. 상기 실리콘 질화층(130)은 실리콘 및 질소를 포함하는 소스 가스를 이용하는 플라즈마 강화 화학기상증착 공정에 의해 형성될 수 있다. 예를 들면, 실란(SiH4) 가스 및 암모니아(NH3) 가스를 이용하여 상기 실리콘 질화층(130)을 형성할 수 있다.
한편, 상기 실리콘 질화층(130)은 상기 비정질 실리콘층(120)과 함께 패시베이션층 및 반사방지층으로서 기능할 수 있으며, 굴절율은 약 1.9 내지 2.3 정도일 수 있다.
S24 단계에서, 상기 실리콘 질화층(130) 상에 전면 전극(140) 형성을 위한 전면 전극 패턴(미도시)과 상기 기판(100)의 후면 상에 후면 전극(150) 형성을 위한 후면 전극층(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 전면 전극 패턴은 실버(Ag) 페이스트를 이용하는 스크린 프린팅 공정에 의해 형성될 수 있으며, 상기 후면 전극층은 실버 알루미늄(AgAl) 페이스트 도포 공정에 의해 형성될 수 있다. 한편, 상기 전면 전극 패턴과 후면 전극층은 약 120 내지 250℃ 정도에서 각각 건조될 수 있다.
S26 단계에서, 상기 전면 전극 패턴과 후면 전극층을 형성한 후 전면 전극(140) 및 후면 전극(150)을 동시에 형성하기 위한 열처리(Co-Firing)가 수행될 수 있다. 이때, 상기 실버 페이스트에 포함된 저융점 유리 프릿 성분에 의해 상기 전면 전극(140)이 상기 실리콘 질화층(130)과 비정질 실리콘층(120)을 관통하여 상기 확산층(110)에 접합될 수 있다. 또한, 상기 열처리가 수행되는 동안 상기 기판(100) 내의 물질 이동에 의해 상기 후면 전극(150)과 인접하는 기판(100)의 후면에는 후면 전계층(160)이 형성될 수 있다.
그러나, 상기 S24 단계 및 S26 단계를 대신하여 상기 전면 전극(140)과 후면 전극(150)이 각각 형성될 수도 있다. 예를 들면, 상기 기판(100)의 후면 상에 후면 전극(150) 및 후면 전계층(160)을 먼저 형성하고, 이어서 상기 실리콘 질화층(130) 상에 전면 전극(140)을 형성하는 더블 열처리(Double Firing)가 수행될 수도 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따르면, p형 또는 n형 기판 상에 불순물 확산층을 형성한 후, 상기 불순물 확산층 상에 비정질 실리콘층이 실리콘과 수소를 포함하는 소스 가스를 이용하는 플라즈마 강화 화학기상증착에 의해 형성될 수 있으며, 또한 상기 비정질 실리콘층은 수소를 포함하는 분위기에서 열처리될 수 있다.
상기 비정질 실리콘층의 증착 및 열처리에 의해 상기 기판 및 상기 확산층 내의 결함 밀도가 크게 감소될 수 있으며, 이에 따라 캐리어의 재결합이 감소될 수 있으며, 또한 상기 캐리어의 수명이 크게 연장될 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 태양 전지의 에너지 변환 효율이 크게 향상될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 도 1에 도시된 태양 전지의 제조 방법에 의해 제조된 태양 전지를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들과 비교예들에서 측정된 캐리어의 수명을 설명하기 위한 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 기판 110 : 불순물 확산층
120 : 비정질 실리콘층 130 : 실리콘 질화층
140 : 전면 전극 150 : 후면 전극
160 : 후면 전계층

Claims (5)

  1. p 또는 n 형의 기판에 상기 기판과 다른 n 또는 p형 불순물을 확산시켜 불순물 확산층을 형성하는 단계;
    상기 확산층 상에 비정질 실리콘층을 형성하는 단계;
    상기 비정질 실리콘층 상에 실리콘 질화층을 형성하는 단계; 및
    상기 기판의 후면 및 상기 실리콘 질화층 상에 후면 전극 및 전면 전극을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 비정질 실리콘층을 형성하는 동안 상기 확산층 내의 불순물과 동일한 불순물이 인시튜 방식으로 도핑되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 비정질 실리콘층을 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 비정질 실리콘층은 실리콘 및 수소를 포함하는 소스 가스를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 열처리 단계는 수소를 포함하는 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법.
  5. 삭제
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