KR101083373B1 - 선택적 도핑을 이용한 태양전지 제조방법 및 그 태양전지 - Google Patents
선택적 도핑을 이용한 태양전지 제조방법 및 그 태양전지 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 선택적 도핑을 이용한 태양전지 제조방법 및 그 태양전지에 관한 것이다. 본 발명은 먼저 n형 실리콘 웨이퍼(100)에 대해 에칭(Saw damage etching) 및 텍스처링(Texturing) 공정을 수행한다. 그런 다음, 상기 n형 실리콘 웨이퍼(100)의 전면에 반사 방지막(104)을 형성하고, 전면전극(110)을 형성할 부분과 대응되는 위치에 있는 상기 반사 방지막(104)의 일부(A)를 제거한다. 상기 제거된 부분(A)을 통해 상기 n형 실리콘 웨이퍼(100)의 일부 표면에 대해서만 붕소 도핑을 수행하여 p형 반도체 영역(106)을 형성한다. 상기 p형 반도체 영역(106)은 실질적으로 후속공정에 의해 형성되는 상기 전면전극(110)의 하부에만 형성된다. 다음으로 상기 n형 실리콘 웨이퍼(100)의 후면 전면적에 인 도핑원소를 도핑하여 n형 반도체 영역(108)을 형성한다. 마지막으로 상기 n형 실리콘 웨이퍼(100) 전면 중 상기 반사 방지막(104)이 제거된 부분(A)에 전면전극(110)을 형성하고, 상기 n형 반도체 영역(108) 상에 후면전극(112)을 형성한다. 그와 같은 본 발명에 따르면, 정공의 이동경로가 짧아져서 재결합에 의한 광 손실을 줄일 수 있고, 단파장 영역의 빛 손실을 제거할 수 있어, 광전 변환효율이 향상되는 이점이 있다.
n형 반도체 기판, p- n- n+ 반도체 영역, 붕소, 인, 이동경로
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 특히 n형 실리콘 웨이퍼의 전면 일부에는 붕소(Boron) 도핑을 수행하고 후면 전면적에 대해서는 인(P) 도핑을 수행하도록 하고 있는 선택적 도핑을 이용한 태양전지 제조방법 및 그 태양전지에 관한 것이다.
태양전지는 단결정 실리콘, 다결정 실리콘 및 비정질 실리콘과 같은 반도체 재료 또는 갈륨비소(GaAs)나 카파인디움다이셀레나이드(CulnSe) 등의 화합물 반도체 재료를 원료로 이용하여 p-n접합, p-i-n 접합의 다층구조로 제조된다.
도 1은 일반적인 태양전지의 제조공정 흐름도, 도 2는 도 1에 의해 제조된 태양전지의 단면도를 도시하고 있다. 이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 p형 실리콘 웨이퍼를 이용하여 태양전지를 제조하는 방법을 간략하게 설명하기로 한다.
우선, 태양전지를 제조하기 위해 p형 실리콘 웨이퍼를 소정 크기로 절단할 때, p형 실리콘 웨이퍼(1)의 표면 및 내부에 발생한 손상을 제거하는 에칭(Saw damage etching) 공정이 수행되고(s10), 이와 함께 p형 실리콘 웨이퍼(1)의 전면( 즉, 태양 광이 인가되는 면)에서 표면 반사를 줄이기 위해 텍스처링(Texturing) 공정을 수행한다(s12). 일반적으로 상기 에칭 공정 및 텍스처링 공정에는 수산화칼륨(KOH)이나, 불산(HF)/질산(HNO3)이 이용된다.
다음 상기 p형 실리콘 웨이퍼(1)의 전면에 도핑원소인 'POCl3(옥시염화인)'을 확산시켜 상기 전면에 n형 반도체 영역(3)을 형성한다(s14).
다음 상기 p형 실리콘 웨이퍼(1)의 전면 표면의 결함과 태양 광의 반사를 줄이기 위해 상기 n형 반도체 영역(3)에 반사 방지막(5)을 형성한다(s16).
다음 상기 p형 실리콘 웨이퍼(1)의 전면에 전면전극(7)을 형성한다. 상기 전면전극(7)은 상기 반사 방지막(3)의 일부를 관통시켜 상기 n형 반도체 영역(3)과 접촉되게 한다. 그리고, 후면에는 후면전극(9)과 버스 바(11)를 형성한다. 상기 전면전극(7), 후면전극(9), 버스 바(11)은 스크린 프린팅 공정에 의해 형성된다(s18).
마지막으로 소성 공정을 통해 상기 p형 실리콘 웨이퍼(1)에 상기 전면전극(7)과 후면전극(9)을 안정되게 접촉시킨다(s20).
그와 같은 공정에 따라 완성된 태양전지는, 상기 p형 실리콘 웨이퍼(1)의 전면에 태양 광이 인가되면, 상기 p형 실리콘 웨이퍼(1) 내에서 상기 태양 광은 광전 원리에 의하여 전자와 정공으로 분리된다. 분리된 후, 상기 전자는 상기 n형 반도체 영역(3)과 전면전극(7)을 통해 수집되고, 상기 정공은 후면전극(9)과 버스 바(11)를 통해 수집된다.
하지만, 종래 태양전지는 다음과 같은 문제점이 있다.
우선, 상술한 바와 같이 상기 p형 실리콘 웨이퍼(1)의 전면에 n형 반도체 영역(3)을 형성시킬 때, 'POCl3(옥시염화인)'을 도핑하고 있다. 그런데, 상기 도핑된 영역(3)은 일반적으로 p형 실리콘 웨이퍼(1)의 전면에 입사되는 단파장 빛을 흡수하고, 이는 단파장 영역의 빛의 손실을 초래함으로써, 결국 광 응답 특성이 저하된다.
그리고, 상기 광전 원리에 의해 분리된 전자 및 정공의 각각의 이동속도는 전자보다 정공이 상대적으로 느린 이동속도를 가진다. 그리고 정공의 라이프 타임(life time)이 전자의 라이프 타임(life time)보다 짧아 정공이 전극으로 이동함에 있어 제약이 많다. 그렇기 때문에, 상기 정공은 상기 p형 실리콘 웨이퍼(1)의 내부를 가로질러 후면에 형성된 후면전극(9) 및 버스 바(11)로 전달되어야 하지만, 앞서 설명한 바와 같이 전자보다 상대적으로 느린 이동속도 때문에 대부분의 정공이 전달되지 못하면서 재결합 확률이 증가하여 광전 효율이 저하되는 문제가 발생한다.
따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 태양전지에서 단파장 영역의 빛의 손실을 최소화하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 정공의 이동 경로를 최소화하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 텍스처링(Texturing) 처리된 n형 실리콘 웨이퍼의 전면에 반사 방지막을 형성하는 제 1단계; 상기 반사 방지막의 일부를 제거하는 제 2단계; 상기 제거된 부분을 통해 상기 n형 실리콘 웨이퍼의 일부 표면에 대해서만 붕소 도핑을 수행하여 p형 반도체 영역을 형성하는 제 3단계; 상기 n형 실리콘 웨이퍼의 후면 전면적에 인 도핑원소를 도핑하여 n+ 반도체 영역을 형성하는 제 4단계; 그리고 상기 n형 실리콘 웨이퍼 전면 중 상기 반사 방지막이 제거된 부분에 전면전극을 형성하고, 상기 n+ 반도체 영역 상에 후면전극을 형성하는 제 5단계를 포함하여 구성된다.
상기 제 3단계는, 디보란(B2H6) 또는 보론 브로마이드를 이용하여 고농도로 도핑영역을 형성할 수 있다.
상기 n형 실리콘 웨이퍼의 전면은 상기 전면전극의 하부에만 상기 p형 반도체 영역이 국한되어 형성되고, 나머지 영역은 미 도핑 영역이 되게 형성하도록 한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 텍스처링(Texturing) 처리된 n형 반도체 기판; 상기 n형 반도체 기판상에 일부가 제거된 형상으로 패턴화되어 형성된 반사 방지막; 상기 반사 방지막이 제거된 부분을 통해 붕소 도핑이 이루어져서, 상기 n형 반도체 기판의 전면 일부에 형성된 p형 반도체 영역; 상기 n형 반도체 기판의 후면 전면적에 형성된 n+ 반도체 영역; 상기 p형 반도체 영역과 접촉되게 형성되는 전면전극; 그리고 상기 n+ 반도체 영역의 전면적에 형성되는 후면전극을 포함하고, 상기 n형 반도체 기판에 태양 광이 인가되어 전자와 정공이 생성 및 분리되면, 상기 전자는 상기 n+ 반도체 영역이 형성된 n형 반도체 기판의 후면으로 이동하여 상기 후면전극을 통해 수집되고, 상기 정공은 상기 p형 반도체 영역이 형성된 n형 반도체 기판의 전면으로 이동하여 전면전극을 통해 수집되게 된다.
본 발명에서는 n형 실리콘 웨이퍼의 전면 일부에는 붕소 도핑을 수행하여 p형 반도체 영역을 형성하고, 후면 전면적에는 인 도핑을 수행하여 n+ 반도체 영역을 형성하고 있어, n형 실리콘 웨이퍼의 전면에 태양 광이 인가되면 전자는 n+ 반도체 영역으로 이동하여 후면전극을 통해 수집되고, 정공은 p형 반도체 영역으로 이동하여 전면전극을 통해 수집되게 된다. 따라서, 종래 p형 실리콘 웨이퍼를 원료로 하여 제조된 태양전지에 비해 정공의 이동경로가 상대적으로 짧게 되어 재결합에 의한 광 손실이 감소되어 전체적으로 효율 향상이 증가하는 장점이 있다.
또 n형 실리콘 웨이퍼의 전면부 일부, 즉 전면전극의 하부에만 붕소 도핑이 되어 있기 때문에 종래 단파장에 의한 빛의 손실이 제거되고, 아울러 미 도핑영역 으로 인하여 빛의 손실을 최소화할 수 있는 장점도 있다.
이하 본 발명의 선택적 도핑을 이용한 태양전지 제조방법 및 그 태양전지의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 실시 예는 n형 단결정 실리콘 웨이퍼가 이용된다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 선택적 도핑을 이용하여 태양전지를 제조하는 단면도를 도시하고 있다.
먼저, n형 단결정 실리콘 웨이퍼(이하, '실리콘 웨이퍼'라 약칭함)(100)의 표면 및 내부 등에 존재하는 손상을 수산화칼륨(KOH)이나, 불산(HF)/질산(HNO3)을 이용하여 제거하는 에칭(Saw damage etching) 공정을 수행한다. 상기 에칭 공정이 완료된 실리콘 웨이퍼가 도 3a에 도시되어 있다.
이후, 상기 에칭 공정 완료된 실리콘 웨이퍼(100)의 전면에 대해 텍스처링 공정을 수행한다. 상기 공정은 상기 실리콘 웨이퍼(100)의 표면에서 반사된 빛이 다시 실리콘 웨이퍼(100)측으로 입사할 수 있도록 하여 빛을 수집할 수 있는 확률을 높이도록 하기 위함이다. 즉, 상기 실리콘 웨이퍼(100)의 표면이 평평한 경우에는 입사된 빛의 상당수가 실리콘 웨이퍼(100)의 표면에서 공기 중으로 바로 반사되어 효율에 큰 손실을 일으키기 때문이다. 상기 텍스처링 처리된 도면은 도 3b에 도시되어 있다. 도 3b을 보면 상기 실리콘 웨이퍼(100)의 전면 표면에 요철면(102)이 형성되어 있음을 알 수 있다. 한편, 상기 텍스처링 공정은 상기 실리콘 웨이퍼(100)가 단결정 웨이퍼인 경우에는 수산화칼륨(KOH)와 이소프로필알콜(IPA)을 이용하고, 다결정 웨이퍼인 경우 불산(HF), 질산(HNO3)을 이용한다.
상기 텍스처링 공정에 따라 상기 실리콘 웨이퍼(100)의 표면에 요철면(102)이 형성되면, 도 3c와 같이 그 위에 반사 방지막(104)을 형성한다. 상기 반사 방지막(104)은 질화규소(SiNx), 이산화규소(SiO2), 산화티탄(TiO2) 등을 이용하여 형성한다.
다음, 도 3d와 같이 상기 반사 방지막(104)의 일부를 제거한다. 제거되는 부분(A)은 아래에서 설명될 전면전극이 형성될 부분으로 제한된다. 상기 반사 방지막(104)을 제거하는 방법으로는 레이저, 화학약품 등을 이용하지만, 정확한 부분의 제거를 위해 레이저를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 반사 방지막이 제거되면, 도 3e에서는 상기 제거된 부분(A)을 통해 실리콘 웨이퍼(100)의 표면으로 도핑원소인 붕소(Boron)를 도핑하여 p형 반도체 영역(106)을 형성한다. 이때 상기 p형 반도체 영역(106)은 디보란(B2H6), 보론 브로마이드가 이용되어 고농도로 도핑 가능하다. 그리고 상기 도핑방법은 플라즈마 또는 전통적인 로를 이용하여 수행한다. 그래서 상기 도핑이 수행되면, 실리콘 웨이퍼(100)의 표면 및 실리콘 웨이퍼(100)와 인접된 반사 방지막(104)의 일부 아래 영역에 p형 반도체 영역(106)으로서 고농도 도핑 영역이 형성된다. 그렇게 되면 상기 실리콘 웨이퍼의 표면(100)은 도핑 영역과 미 도핑영역으로 구분되게 된다.
다음 도 3f에서는 상기 실리콘 웨이퍼(100)의 후면 전면적에 대해 인을 도핑 한다. 상기 인이 도핑되면 그 부분은 n+ 반도체 영역(108)으로 형성된다. 상기 인을 도핑하는 경우 'POCl3(옥시염화인)'이 사용된다.
그와 같이 되면, 도 3g와 같이 상기 실리콘 웨이퍼(100)의 전면(즉, 수광면)에서 후면 방향으로 보면, 상기 실리콘 웨이퍼(100)는 p - n - n+ 형태의 반도체 영역(106)(100)(108)이 형성됨을 알 수 있다.
이후, 상기 반사 방지막(104)이 제거된 영역(A)에 전면전극(110)을 형성하고, 상기 인 도핑된 n+ 반도체 영역(108)의 전면적에 대해 후면전극(112)을 형성한다. 이때 버스 바 라인은 형성하지 않아도 된다.
상기한 방법에 의하여 도 3g와 같이 제조된 태양전지는 다음과 같이 작용한다.
즉, 상기 실리콘 웨이퍼(100)의 전면에 태양 광이 인가되면, 상기 태양 광은 광전 원리에 의하여 전자와 정공으로 분리된다.
상기 전자와 정공으로 분리된 후, 상기 정공은 p형 반도체 영역(106)이 형성된 실리콘 웨이퍼(100)의 전면으로 이동하여 전면전극(110)을 통해 수집되고, 상기 전자는 상기 n+ 반도체 영역(108)이 형성된 실리콘 웨이퍼(100)의 후면으로 이동하여 후면전극(112)을 통해 수집된다.
결국, 전자보다 이동속도가 상대적으로 느린 정공은 실리콘 웨이퍼(100)의 후면으로 전달되지 않고 전면으로 이동되기 때문에, 광전 효율이 개선되는 장점이 있게 된다.
이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명의 속하는 기술분야의 통상 지식을 가진 자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 일반적인 태양전지의 제조공정 흐름도
도 2는 도 1에 의해 제조된 태양전지의 단면도
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 선택적 도핑을 이용하여 태양전지를 제조하는 단면도
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 : n형 실리콘 웨이퍼 102 : 요철면
104 : 반사 방지막 106 : p형 반도체 영역
108 : n+ 반도체 영역 110 : 전면전극
112 : 후면전극
Claims (4)
- 텍스처링(Texturing) 처리된 n형 실리콘 웨이퍼의 전면에 반사 방지막을 형성하는 제 1단계;상기 반사 방지막의 일부를 제거하는 제 2단계;상기 제거된 부분을 통해 상기 n형 실리콘 웨이퍼의 일부 표면에 대해서만 붕소 도핑을 수행하여 p형 반도체 영역을 형성하는 제 3단계;상기 n형 실리콘 웨이퍼의 후면 전면적에 인 도핑원소를 도핑하여 n+ 반도체 영역을 형성하는 제 4단계; 그리고상기 n형 실리콘 웨이퍼 전면 중 상기 반사 방지막이 제거된 부분에 전면전극을 형성하고, 상기 n+ 반도체 영역 상에 후면전극을 형성하는 제 5단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 선택적 도핑을 이용한 태양전지 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 제 3단계는, 디보란(B2H6) 또는 보론 브로마이드를 이용하여 고농도로 도핑영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 선택적 도핑을 이용한 태양전지 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 n형 실리콘 웨이퍼의 전면은 상기 전면전극의 하부에만 상기 p형 반도체 영역이 국한되어 형성되고, 나머지 영역은 미 도핑 영역이 되게 형성하는 것을 특징으로 하는 선택적 도핑을 이용한 태양전지 제조방법.
- 텍스처링(Texturing) 처리된 n형 반도체 기판;상기 n형 반도체 기판상에 일부가 제거된 형상으로 패턴화되어 형성된 반사 방지막;상기 반사 방지막이 제거된 부분을 통해 붕소 도핑이 이루어져서, 상기 n형 반도체 기판의 전면 일부에 형성된 p형 반도체 영역;상기 n형 반도체 기판의 후면 전면적에 형성된 n+ 반도체 영역;상기 p형 반도체 영역과 접촉되게 형성되는 전면전극; 그리고상기 n+ 반도체 영역의 전면적에 형성되는 후면전극을 포함하고,상기 n형 반도체 기판에 태양 광이 인가되어 전자와 정공이 생성 및 분리되면, 상기 전자는 상기 n+ 반도체 영역이 형성된 n형 반도체 기판의 후면으로 이동하여 상기 후면전극을 통해 수집되고, 상기 정공은 상기 p형 반도체 영역이 형성된 n형 반도체 기판의 전면으로 이동하여 전면전극을 통해 수집되게 하는 선택적 도핑을 이용하여 제조된 태양전지.
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