KR101077753B1 - 태양전지의 표면처리 방법 - Google Patents

태양전지의 표면처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 텍스쳐링 공정 및 n형 반도체층 형성 공정의 진행 전에 각각 상압 플라즈마를 이용한 세정 공정을 적용함으로써 태양전지의 반사도를 저하시킴과 함께 균일한 n형 반도체층을 담보할 수 있는 태양전지의 표면처리 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 태양전지의 표면처리 방법은 1) 실리콘 기판 준비, 2) 실리콘 기판의 표면 텍스쳐링 공정, 3) n형 반도체층 형성 공정, 4) 전면전극 및 후면전극 형성 공정의 일련의 공정을 통해 태양전지를 제조함에 있어서, 상기 2) 실리콘 기판의 표면 텍스쳐링 공정 진행 전 또는 3) n형 반도체층 형성 공정 진행 전에, 상기 실리콘 기판 표면에 대해 상압 플라즈마 세정 공정을 적용하여 상기 실리콘 기판을 세정함과 함께 기판 표면을 친수성 표면으로 형성하는 것을 특징으로 한다.
상압플라즈마, 태양전지, 친수성, 산소래디컬

Description

태양전지의 표면처리 방법{Method for surface treatment of solar cell}
본 발명은 태양전지의 표면처리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 텍스쳐링 공정 및 n형 반도체층 형성 공정의 진행 전에 각각 상압 플라즈마를 이용한 세정 공정을 적용함으로써 태양전지의 반사도를 저하시킴과 함께 균일한 n형 반도체층을 담보할 수 있는 태양전지의 표면처리 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 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되고, 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 이동하게 되어 p-n 접합부 사이에 광기전력이 발생되며, 이 때 태양전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산할 수 있게 된다.
한편, 태양전지는 p-n 접합층인 광흡수층의 물질, 형태에 따라 다양하게 구분되는데 광흡수층으로는 대표적으로 실리콘(Si)을 들 수 있으며, 이와 같은 실리 콘계 태양전지는 형태에 따라 실리콘 웨이퍼를 광흡수층으로 이용하는 기판형과, 실리콘을 박막 형태로 증착하여 광흡수층을 형성하는 박막형으로 구분된다.
실리콘계 태양전지 중 기판형의 구조를 살펴보면 다음과 같다. 도 1에 도시한 바와 같이 p형 반도체층(101)과 n형 반도체층(102)이 순차적으로 적층되며, 상기 p형 반도체층(101)의 상부에 전면전극(103)이 구비되고 상기 n형 반도체층(102)의 하부에 후면전극(104)이 구비된 구조를 갖는다. 이 때, 상기 p형 반도체층(101) 및 n형 반도체층(102)은 하나의 기판에 구현되는 것으로서, 기판의 하부는 p형 반도체층(101), 기판의 상부는 n형 반도체층(102)이라 할 수 있다. 일반적으로, p형 실리콘 기판이 준비된 상태에서 p형 실리콘 기판의 상층부에 n형 불순물 이온을 주입(doping), 확산(diffusion)시켜 n형 반도체층(102)을 형성한다.
이와 같은 실리콘계 태양전지는 p형 실리콘 기판의 준비, 실리콘 기판의 표면 텍스쳐링(요철 형성), n형 불순물 이온 주입 및 확산, 전면전극 및 후면전극의 형성 등의 공정을 거쳐 제조된다. 이 때, 상기 전면전극 및 후면전극의 형성 전에 산화막 제거, 반사방지막 형성 공정 등이 더 진행될 수도 있다.
한편, 실리콘계 태양전지의 특성에 영향을 끼치는 주요 인자로는 반사도와 n형 불순물 이온의 확산 균일도(diffusion uniformity) 등이 있다. 반사도라 함은 태양전지 표면에서의 광 반사도를 의미하며 반사도가 작을수록 태양전지의 광전 변환효율은 향상된다. 그리고, n형 불순물 이온의 확산 균일도는 n형 불순물 이온의 주입 및 확산 공정 진행시 n형 불순물 이온이 p형 실리콘 기판 내에 균일하게 주입되어 확산되는 정도를 일컫는 것으로서, n형 반도체층이 균일하게 형성되어야 광전 변환효율이 극대화된다.
특히, n형 반도체층의 형성 공정은 n형 불순물 이온이 포함된 용액을 통해 n형 불순물 이온이 기판에 주입되고 후속의 열처리 공정을 통해 n형 불순물 이온이 확산되는 공정임에 따라, n형 불순물 이온이 포함된 용액이 실리콘 기판 상에 골고루 퍼지도록 하는 것이 관건이 된다. 즉, 기판 표면을 친수성 표면으로 유도하면 보다 균일한 n형 불순물 이온의 확산을 기대할 수 있다. 또한, 실리콘 기판의 텍스쳐링(texturing) 공정 역시 습식 에천트를 이용하여 표면을 요철 형상으로 식각하는 공정임에 따라, 습식 에천트에 의한 정확한 표면 식각이 요구되는데, 이를 안정적으로 담보하기 위해서는 마찬가지로 실리콘 기판 표면을 친수성 표면으로 가공하는 것이 바람직하다.
그러나, 종래의 경우 텍스쳐링 공정 또는 n형 반도체층 형성 전에 실리콘 기판 표면을 친수성 표면으로 유도하기 위한 전처리 공정이 적용되지 않는 실정이며, 이에 따라, 반사도 억제 및 n형 불순물 이온의 확산 균일도 제고에 한계점을 노출하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 텍스쳐링 공정 및 n형 반도체층 형성 공정의 진행 전에 각각 상압 플라즈마를 이용한 세정 공정을 적용함으로써 태양전지의 반사도를 저하시킴과 함께 균일한 n형 반도체층을 담보할 수 있는 태양전지의 표면처리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양전지의 표면처리 방법은 1) 실리콘 기판 준비, 2) 실리콘 기판의 표면 텍스쳐링 공정, 3) n형 반도체층 형성 공정, 4) 전면전극 및 후면전극 형성 공정의 일련의 공정을 통해 태양전지를 제조함에 있어서, 상기 2) 실리콘 기판의 표면 텍스쳐링 공정 진행 전에, 상기 실리콘 기판 표면에 대해 상압 플라즈마 세정 공정을 적용하여 상기 실리콘 기판을 세정함과 함께 기판 표면을 친수성 표면으로 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 태양전지의 표면처리 방법은 1) 실리콘 기판 준비, 2) 실리콘 기판의 표면 텍스쳐링 공정, 3) n형 반도체층 형성 공정, 4) 전면전극 및 후면전극 형성 공정의 일련의 공정을 통해 태양전지를 제조함에 있어서, 상기 3) n형 반도체층 형성 공정 진행 전에, 상기 실리콘 기판 표면에 대해 상압 플라즈마 세정 공정을 적용하여 상기 실리콘 기판을 세정함과 함께 기판 표면을 친수성 표면으로 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 상압 플라즈마 세정 공정은, 압축 공기를 마이크로 방전시켜 산소를 산소 래디컬로 이온화되는 과정과, 상기 산소 래디컬이 상기 실리콘 기판에 존재하는 유기물과 반응함과 동시에 상기 유기물과 반응하지 않은 산소 래디컬이 상기 실리콘 기판 표면 상에 흡착되는 과정을 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 상압 플라즈마 세정 공정은, 제 1 전극, 제 2 전극, 기체 공급부 및 RF(radio frequency) 발생수단을 포함하여 구성되는 상압 플라즈마 세정 장치에서 진행되고, 상기 실리콘 기판은 상기 상압 플라즈마 세정 장치의 하부에 장착되며, 이와 같은 구성 하에, 상기 기체 공급부로부터 압축 공기가 공급되는 상태에서, 상기 RF 발생수단을 통해 상기 제 1 전극에 교류 전원이 인가되면 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 마이크로 방전이 발생되고, 상기 마이크로 방전에 의해 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 존재하는 압축 공기가 래디컬(O2 *, O*, O2-*, O-*, N2 *, N*, N2-*, N-*)로 이온화될 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지의 표면처리 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
텍스쳐링 공정 및 n형 반도체층 형성 공정 전에 상압 플라즈마를 이용한 세정 공정을 적용함으로써 태양전지의 반사도 특성 및 확산 균일도 특성을 향상시킬 수 있게 된다.
본 발명에 따른 태양전지의 표면처리 방법은 태양전지의 제조 프로세스 즉, 1) 실리콘 기판 준비, 2) 실리콘 기판의 표면 텍스쳐링 공정, 3) n형 반도체층 형성 공정, 4) 전면전극 및 후면전극 형성 공정 등의 일련의 공정을 진행함에 있어서, 상기 2) 실리콘 기판의 표면 텍스쳐링 공정과 3) n형 반도체층 형성 공정을 진행함에 앞서 각각 실리콘 기판의 표면을 상압 플라즈마를 이용하여 세정하는 것을 특징으로 하며, 이를 통해 태양전지의 반사도 및 확산 균일도를 향상시키는 것을 효과로 한다. 이 때, 상기 실리콘 기판 이외에 태양전지 제조용 기판으로 다른 기판을 적용할 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 태양전지의 표면처리 방법은 상압 플라즈마 세정 공정을 통해 실리콘 기판을 친수성 표면으로 유도하여 2) 실리콘 기판의 표면 텍스쳐링 공정 및 3) n형 반도체층 형성 공정 진행시 각각 실리콘 기판의 접촉 특성을 개선하는 것을 특징으로 한다.
상기 2) 실리콘 기판의 표면 텍스쳐링 공정은, 습식 에천트를 이용하여 실리콘 기판 표면에 요철 형상을 형성하여 빛이 반사되는 것을 최소화하는 공정으로서, 상기 2) 실리콘 기판의 표면 텍스쳐링 공정 전에 상압 플라즈마 세정 공정을 적용함으로써 상기 실리콘 기판 표면과 상기 습식 에천트 사이의 접촉 특성을 개선할 수 있다.
또한, 상기 3) n형 반도체층 형성 공정은, n형 불순물 이온이 포함된 용액 예를 들어, 인산과 에탄올의 혼합 용액을 실리콘 기판 표면 상에 분무시키고 추후의 열처리 공정을 통해 n형 불순물 이온이 실리콘 기판 내에 확산되도록 하여 실리콘 기판의 상부에 n형 반도체층을 형성하는 공정으로서, 상기 3) n형 반도체층 형성 공정 전에 상압 플라즈마 세정 공정을 적용함으로써 상기 실리콘 기판 표면과 상기 n형 불순물 이온이 포함된 용액 사이의 접촉 특성을 개선할 수 있다.
한편, 상기 실리콘 기판의 표면을 친수성 표면으로 유도하는 것은 실리콘 기판의 표면에 분사된 산소 래디컬(radical)과의 반응으로 가능하게 되며, 상기 실리콘 기판의 친수성 표면은 상기 상압 플라즈마 세정 공정을 통해 형성된다.
본 발명에 적용되는 상압 플라즈마 세정 공정 및 이를 통한 실리콘 기판의 친수성 표면으로의 유도 과정을 도면을 참조하여 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 도 2는 본 발명에 따른 상압 플라즈마 세정 공정을 설명하기 위한 참고도이고, 도 3은 산소 래디컬과 유기물 사이의 반응, 산소 래디컬이 기판에 흡착되는 것을 나타낸 참고도이다.
먼저, 도 2에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 상압 플라즈마 세정 장치는 크게 제 1 전극, 제 2 전극, 기체 공급부 및 RF(radio frequency) 발생수단을 포함하여 이루어진다. 상기 제 1 전극은 금속 전극, 제 2 전극은 세라믹 전극으로 구성될 수 있으며, 상기 기체 공급부는 압축 공기(CDA, compressed dry air)를 공급하는 역할을 하며, 상기 RF 발생수단은 상기 제 1 전극에 교류 전원을 인가하는 역할을 한다. 또한, 상기 상압 플라즈마 세정 장치의 하부에는 실리콘 기판이 장착된다.
이와 같은 구성 하에, 상기 기체 공급부로부터 압축 공기가 공급되는 상태에서, 상기 RF 발생수단을 통해 상기 제 1 전극에 교류 전원이 인가되면 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 마이크로 방전(micro-discharge)이 발생되며, 상기 마이크로 방전에 의해 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 존재하는 압축 공기 즉, 질소(N2)와 산소(O2)는 다양한 형태의 래디컬(O2 *, O*, O2-*, O-*, N2 *, N*, N2-*, N-*)로 이온화된다.
이 중, 산소 래디컬(O2 *, O*, O2-*, O-*)은 도 3에 도시한 바와 같이 상기 실리콘 기판 표면에 존재하는 유기물과 반응하여 화학적으로 결합되어 고상(solid state) 또는 기상(vapor phase)의 화합물 형태로 변환된다. 상기 고상의 화합물은 추후의 습식 또는 건식 세정을 통해 제거될 수 있다. 또한, 유기물과 반응하지 않은 산소 래디컬은 상기 실리콘 기판 상에 흡착되어 상기 실리콘 기판의 표면을 친수성 상태로 유도한다.
이와 같이, 실리콘 기판의 표면이 친수성 상태로 유도된다는 것은, 실리콘 기판 상에 액체가 도포되었을 때 젖음각(wetting angle)이 작아짐을 의미한다. 이에 따라, 실리콘 기판의 표면 텍스쳐링 공정 진행시 습식 에천트가 기판 상에 균일하게 도포될 수 있으며, n형 반도체층 형성 공정 진행시 n형 불순물 이온이 함유된 용액이 기판 상에 균일하게 도포될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 표면처리 방법을 적용한 실험 결과를 설명하기로 한다.
먼저, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 상압 플라즈마 세정 공정의 적용 전후의 탄소 함유량을 나타낸 것이다. 도 4에 도시한 바와 같이 실리콘 기판 표면 상에 있어서, 상압 플라즈마 세정 공정 전에 약 70%의 탄소 함유됨에 반해 상압 플라즈마 세정 공정을 적용하게 되면 탄소 함유량이 약 30%로 감소됨을 알 수 있으며, 기판 내부의 탄소 함유량 역시 세정 공정을 적용하게 되면 급격히 감소됨을 확인할 수 있다.
다음으로, 도 5a 및 도 5b는 텍스쳐링 공정 전에 실리콘 기판에 대해 각각 상압 플라즈마 세정 공정을 적용한 경우와 적용하지 않은 경우의 접촉 특성을 나타낸 사진이며, 도 6a 및 도 6b는 확산 공정 전에 실리콘 기판에 대해 각각 상압 플라즈마 세정 공정을 적용한 경우와 적용하지 않은 경우의 접촉 특성을 나타낸 사진이다. 도 5a 및 도 5b, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 상압 플라즈마 세정 공정을 적용하게 되면, 용액과 실리콘 기판 사이의 젖음각이 현저히 작아져 용액이 기판 표면에 골고루 도포됨을 알 수 있다.
도 7은 텍스쳐링 공정 전에 상압 플라즈마 세정 공정을 적용한 경우(AP+intex)와 적용하지 않은 경우(intex)에 대해 반사율을 나타낸 그래프이다. 도 7의 실험 결과는 15개의 실리콘 기판에 대한 반사율을 평균한 값이며, 도 7에 도시한 바와 같이 상압 플라즈마 세정 공정을 적용하지 않은 경우에는 반사율이 평균 22.37%이었으나, 적용한 후에는 21.25%로 나타난 바, 반사도 특성이 개선됨을 확인할 수 있다.
도 8 및 도 9는 n형 반도체층 형성 공정이 완료된 상태에서 실리콘 기판의 면저항(Rsheet)을 측정한 것이다. 도 8의 실험 결과는 한 장의 실리콘 기판 내의 25 지점의 면저항을 측정하여 그 표준편차 값을 나타낸 것으로 각각 15장의 샘플을 측정하여 평균한 값을 나타낸 것으로서, 도 8 및 아래의 <표 1>에 나타낸 바와 같이 상압 플라즈마 세정 공정을 적용한 경우(AP+Diffusion), 1.51의 면저항 표준편차를 나타냄에 반해 적용하지 않은 경우(Diffusion) 2.2의 면저항 표준편차를 나타내는 바, 상압 플라즈마 세정 공정 적용에 따라 면저항의 균일도가 개선됨을 알 수 있으며 이는, n형 반도체층의 확산 균일도가 향상됨을 반증한다.
도 9의 실험 결과는 한 장의 실리콘 기판 내의 최대, 최소 면저항 값의 차이(Max-Min) 값을 15장의 실리콘 기판에서 측정하여 평균값을 나타낸 것으로서, 도 9 및 아래의 <표 1>에 나타낸 바와 같이 상압 플라즈마 세정 공정을 적용한 경우(AP+Diffusion), 6.31의 최대-최소 면저항값을 나타냄에 반해 적용하지 않은 경우(Diffusion) 9.57의 최대-최소 면저항값을 나타내는 바, 상압 플라즈마 세정 공정 적용 후 n형 반도체층의 확산 균일도가 향상됨을 확인할 수 있다.
<표 1>
표준편차(평균) Max-Min(평균)
Diffusion 2.2 9.57
AP + Diffusion 1.51 6.31
도 1은 일반적인 태양전지의 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 상압 플라즈마 세정 공정을 설명하기 위한 참고도.
도 3은 산소 래디컬과 유기물 사이의 반응, 산소 래디컬이 기판에 흡착되는 것을 나타낸 참고도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 상압 플라즈마 세정 공정의 적용 전후의 탄소 함유량을 나타낸 그래프.
도 5a 및 도 5b는 텍스쳐링 공정 전에 실리콘 기판에 대해 각각 상압 플라즈마 세정 공정을 적용한 경우와 적용하지 않은 경우의 접촉 특성을 나타낸 사진.
도 6a 및 도 6b는 확산 공정 전에 실리콘 기판에 대해 각각 상압 플라즈마 세정 공정을 적용한 경우와 적용하지 않은 경우의 접촉 특성을 나타낸 사진.
도 7은 텍스쳐링 공정 전에 상압 플라즈마 세정 공정을 적용한 경우(AP+intex)와 적용하지 않은 경우(intex)에 대해 반사율을 나타낸 그래프.
도 8 및 도 9는 n형 반도체층 형성 공정이 완료된 상태에서 실리콘 기판의 면저항(Rsheet)을 측정한 것.

Claims (5)

1) 태양전지 제조용 기판 준비, 2) 태양전지 제조용 기판의 표면 텍스쳐링 공정, 3) n형 반도체층 형성 공정, 4) 전면전극 및 후면전극 형성 공정의 일련의 공정을 통해 태양전지를 제조함에 있어서,
상기 2) 태양전지 제조용 기판의 표면 텍스쳐링 공정 진행 전에, 상기 태양전지 제조용 기판 표면에 대해 상압 플라즈마 세정 공정을 적용하여 상기 태양전지 제조용 기판 표면을 세정함과 함께 기판 표면을 친수성 표면으로 형성하며,
상기 상압 플라즈마 세정 공정은,
제 1 전극, 제 2 전극, 기체 공급부 및 RF(radio frequency) 발생수단을 포함하여 구성되는 상압 플라즈마 세정 장치에서 진행되고, 상기 태양전지 제조용 기판은 상기 상압 플라즈마 세정 장치의 하부에 장착되며,
상기 기체 공급부로부터 압축 공기가 공급되는 상태에서, 상기 RF 발생수단을 통해 상기 제 1 전극에 교류 전원이 인가되면 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 마이크로 방전이 발생되고, 상기 마이크로 방전에 의해 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 존재하는 압축 공기가 래디컬(O2 *, O*, O2-*, O-*, N2 *, N*, N2-*, N-*)로 이온화되며,
상기 2) 태양전지 제조용 기판의 표면 텍스쳐링 공정은 습식 에천트를 이용하여 상기 기판에 요철을 형성하는 공정이며, 상기 상압 플라즈마 세정 공정에 의해 기판 표면이 친수화 표면으로 형성되어 상기 기판 표면과 상기 습식 에천트 사이의 접촉 특성이 개선되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 표면처리 방법.
1) 태양전지 제조용 기판 준비, 2) 태양전지 제조용 기판의 표면 텍스쳐링 공정, 3) n형 반도체층 형성 공정, 4) 전면전극 및 후면전극 형성 공정의 일련의 공정을 통해 태양전지를 제조함에 있어서,
상기 3) n형 반도체층 형성 공정 진행 전에, 상기 태양전지 제조용 기판 표면에 대해 상압 플라즈마 세정 공정을 적용하여 상기 태양전지 제조용 기판 표면을 세정함과 함께 기판 표면을 친수성 표면으로 형성하며,
상기 상압 플라즈마 세정 공정은,
제 1 전극, 제 2 전극, 기체 공급부 및 RF(radio frequency) 발생수단을 포함하여 구성되는 상압 플라즈마 세정 장치에서 진행되고, 상기 태양전지 제조용 기판은 상기 상압 플라즈마 세정 장치의 하부에 장착되며,
상기 기체 공급부로부터 압축 공기가 공급되는 상태에서, 상기 RF 발생수단을 통해 상기 제 1 전극에 교류 전원이 인가되면 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 마이크로 방전이 발생되고, 상기 마이크로 방전에 의해 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 존재하는 압축 공기가 래디컬(O2 *, O*, O2-*, O-*, N2 *, N*, N2-*, N-*)로 이온화되며,
상기 3) n형 반도체층 형성 공정은 n형 불순물 이온이 포함된 용액을 이용하여 기판에 n형 반도체층을 형성하는 공정이며, 상기 상압 플라즈마 세정 공정에 의해 기판 표면이 친수화 표면으로 형성되어 상기 기판 표면과 상기 n형 불순물 이온이 포함된 용액 사이의 접촉 특성이 개선되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 표면처리 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 상압 플라즈마 세정 공정은,
압축 공기를 마이크로 방전시켜 산소를 산소 래디컬로 이온화되는 과정과,
상기 산소 래디컬이 상기 태양전지 제조용 기판에 존재하는 유기물과 반응함과 동시에 상기 유기물과 반응하지 않은 산소 래디컬이 상기 태양전지 제조용 기판 표면 상에 흡착되는 과정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지의 표면처리 방법.
삭제
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 태양전지 제조용 기판은 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 태양전지의 표면처리 방법.
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