KR101085382B1 - 선택적 에미터를 포함하는 태양 전지 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
선택적 에미터를 포함하는 태양 전지 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 태양 전지 제조 방법은, (a)실리콘 기판의 전면부에 전극이 형성될 영역에 물리적 또는 화학적 손상을 입히는 단계; (b)상기 실리콘 기판의 전면부에 미세한 요철을 형성하는 텍스쳐링(texturing) 단계; 및 (c)상기 미세한 요철이 형성된 실리콘 기판 표면에 상기 실리콘 기판과 반대되는 도전형의 반도체층을 형성하면서 상기 물리적 또는 화학적 손상이 된 부분에 선택적 에미터를 형성하는 단계;를 포함한다.
Description
본 발명은 태양 전지 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리콘 기판의 전면부에 전극이 형성될 영역에 선택적 에미터(selective emitter)를 포함하는 태양 전지 제조 방법에 관한 것이다.
최근 지구 환경 문제와 화석 에너지의 고갈, 원자력 발전의 폐기물 처리 및 신규 발전소 건설에 따른 위치 선정 등의 문제로 인하여 신재생에너지에 대한 관심이 고조되고 있으며, 그 중에서도 무공해 에너지원인 태양광 발전에 대한 연구 개발이 국내외적으로 활발하게 진행되고 있다. 태양 전지는 태양광 에너지를 직접 전기 에너지로 전환시키는 반도체 소자이다. 태양 전지는 비정질 실리콘 또는 다결정 실리콘을 사용하여 p-n 접합 구조로 제작하는 것이 일반적인 것으로서, 그 기본 구조는 다이오드와 유사하다.
태양 전지의 기본적인 구조를 나타낸 도 1을 참조하면, 태양 전지는 다이오드와 같이 p형 반도체층(11)과 n형 반도체층(12)의 접합 구조를 가지며, 태양 전지에 태양광이 조사되면 광 에너지에 의한 전자-정공쌍(electron-hole pair)이 생겨 나고, 전자와 정공이 이동하여 전류가 흐르게 되는 광발전 효과(photovoltaic effect)에 의해 기전력이 발생하여 외부에 접속된 부하에 전류가 흐르게 된다. 다시 말해, 전자는 n형 반도체층(12) 쪽으로, 정공은 p형 반도체층(11) 쪽으로 끌어 당겨져 각각 n형 반도체층(12)에 접합된 전면 전극(13)과 p형 반도체층(11)과 접합된 후면 전극(14)으로 이동하게 되고, 이 전극(13, 14)들을 전선으로 연결하면 전기가 흐르므로 전력을 얻을 수 있는 것이다.
여기서 전면의 n형 반도체 층(12)은 에미터(emitter)로 작용하며, 조사되는 빛의 반사를 최소화시키기 위하여 실리콘 질화막 또는 산화막의 반사방지층(미도시)을 도포한 후 전면 전극(13)을 배선하고 있다. 전면 전극(13)의 배선은 일반적으로 금속 페이스트를 스크린 프린팅(screen printing)함으로써 달성되는데, 실리콘 표면인 n형 반도체 층(12)과 전면 전극(13)과의 접촉 저항이 높다는 문제점을 가지고 있다. 따라서, n형 반도체 층(12)과 전면 전극(13)의 접촉 저항을 낮추기 위하여, 실리콘 기재의 전면에 고농도의 에미터를 형성한 후 전면 전극(13)을 배선하고 있다.
그러나, 전면 전극(13)이 위치하지 않는 부위까지 고농도의 에미터를 형성하는 경우, 표면에 존재하는 고농도의 불순물(dopant)들이 실리콘 내에 과잉으로 존재함으로써 응집물(precipitate)이 형성되고, 이로 인해 전하의 수명(lifetime)이 감소되어 궁극적으로 태양 전지의 작동 효율이 저하되는 문제점이 발생한다.
따라서, 미국 특허등록 제5928438호 등은 태양 전지에서 전면 전극이 배선되는 부위를 상대적으로 고농도의 에미터로 형성하여 상기의 문제점을 해결하는 방안 을 제시하고 있다. 이러한 구조의 에미터를 선택적 에미터로 칭한다.
이러한 선택적 에미터의 일반적인 제조 방법을 설명하면, 우선 실리콘 기판의 표면에 포토리소그래피 공정으로 산화막 패턴을 형성한 후 불순물을 주입하여 고농도의 불순물 층을 형성하는 과정, 산화막을 제거하고 저농도의 불순물 층을 형성하는 과정, 전면부에 반사방지막을 도포하는 과정, 전면의 고농도 불순물 영역과 후면에 전극을 형성하는 과정 등을 거친다.
도 2에는 그 중 일부에 대한 일련의 과정들이 모식적으로 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 우선 p-n 접합 구조(미도시)를 형성한 실리콘 기판(1) 상에 산화막(2)을 형성하고, 그 위에 감광막(3)을 도포한다. 노광 마스크(photo mask)를 이용하여 감광막(3)에 노광하고, 부분적으로 에칭하여, 감광막 패턴(3a)을 만든다. 감광막 패턴(3a)을 통해 드러난 산화막(2)을 에칭액으로 제거하여 산화막 패턴(2a)을 만든 후, 감광막 패턴(3a)을 제거한다. 다음으로, 열확산을 이용하여 전극이 형성될 부분인 고농도 불순물 영역(4)을 만든 후, 산화막 패턴(2a)을 제거하고 다시 열확산 공정을 한 번 더 행하여 전체적으로 저농도 불순물 영역(5)을 형성한다.
그러나, 상기 방법은 불순물 주입 과정이 2 회에 걸쳐 진행되고, 포토리소그래피 공정을 위해 노광 마스크, 감광성 물질, 식각액 등을 필요로 하는 등 전반적으로 공정이 복잡하여 최종 완성된 태양 전지간의 효율이 균일하지 못하고 고가의 장비를 사용하고 단계가 복잡하여 제조비용이 높아지고 양산이 어렵다는 등 다양한 문제점들을 가지고 있다.
선택적 에미터를 형성하는 다른 방법 중 감광막을 사용하지 않는 방법은, p- n 접합을 형성한 실리콘 기판 전면에 불순물을 포함하는 저농도의 페이스트를 1차로 프린팅한 후, 2차로 고농도의 페이스트를 전극 모양으로 프린팅하는 것이다. 그러나, 페이스트를 이용하여 전극 폭만큼 프린팅하기란 매우 어려우며 균일한 에미터를 형성하기 어렵다는 문제점도 있다.
또한, 농도 차이를 두는 대신에 전면 전극과 접하는 영역의 에미터층을 두껍게 형성하고 그렇지 않은 영역은 그보다 얇게 형성하는 방법도 있다. 그러나, 이 방법 역시 감광막 형성을 위한 패터닝 공정과 2번의 불순물 확산 공정이 수반되어야 하므로 제조 공정이 복잡하고 제조 비용이 과다하게 소요되는 문제점이 있다.
본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 간단한 공정에 의해 우수한 균일도의 선택적 에미터를 형성해 태양 전지를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 태양 전지 제조 방법은, (a)실리콘 기판의 전면부에 전극이 형성될 영역에 물리적 또는 화학적 손상을 입히는 단계; (b)상기 실리콘 기판의 전면부에 미세한 요철을 형성하는 텍스쳐링(texturing) 단계; 및 (c)상기 미세한 요철이 형성된 실리콘 기판 표면에 상기 실리콘 기판과 반대되는 도전형의 반도체층을 형성하면서 상기 물리적 또는 화학적 손상이 된 부분에 선택적 에미터를 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 실리콘 기판은 바람직하게는 p형 불순물이 도핑된 실리콘 기판으로서, 상기 과정(c)에서 n형 불순물을 상기 실리콘 기판 안에 주입함으로써 n형 반도체층을 형성하고, 이것에 의해 p-n 접합층을 형성할 수 있다.
이 과정에서 상기 물리적 또는 화학적 손상이 된 부분은 불순물이 많이 주입되고 상대적으로 두꺼운 n형 반도체층을 형성하게 되고, 그렇지 않은 부분은 불순물이 적게 주입되고 상대적으로 얇은 n형 반도체층을 형성하게 된다. 따라서, n형 반도체층을 형성하는 동안에 전극이 형성될 영역에만 자연스럽게 고농도의 불순물이 주입되거나 두꺼운 n형 반도체층을 형성함으로써 간단한 공정에 의해 선택적 에미터를 형성할 수 있게 된다.
상기 실리콘 기판은 바람직하게는 p형 불순물이 도핑된 실리콘 기판으로서, 상기 과정(c)에서 n형의 불순물이 함유된 절연막을 상기 실리콘 기판 상에 형성하고, 산소 분위기의 열처리 공정을 시행하여 상기 절연막 내의 불순물을 상기 실리콘 기판 상부로 주입하여 n형 반도체층을 형성할 수 있다. 다음, 상기 실리콘 기판 상에 잔류하는 절연막을 제거한다. 상기 실리콘 기판 상부에 잔류하는 절연막은 PSG(phosphorus silicate glass)막이다.
본 발명에 따르면, 종래의 선택적 에미터 형성 공정과 달리 패터닝 공정을 진행하지 않고, 텍스쳐링 공정 전에 실리콘 기판 표면 일부에 손상을 가하는 단계를 추가함으로써 선택적 에미터를 간단하게 형성할 수 있다. 노광 마스크, 감광성 물질, 감광막 식각액 등을 사용하는 포토리소그래피 공정을 거치지 않음으로써 공 정의 전반적인 간소화를 이루어 태양 전지의 제조 비용을 절감할 수 있고 생산성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따라 형성되는 선택적 에미터는 우수한 균일도를 가지므로 완성된 태양 전지의 동작 특성 또한 우수해진다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 가리킨다. 다음에 설명되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예들에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
도 3에는 본 발명의 실시예에 따른 선택적 에미터를 포함하는 태양 전지의 제조 방법에 대한 일련의 과정들이 모식적으로 도시되어 있다.
도 3(a)를 참조하면, 실리콘 기판(110)을 준비한다. 이 실리콘 기판(110)은 단결정이나 다결정 실리콘 기판 또는 비정질 실리콘 기판이다. 하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 실리콘 기판(110)은 전처리 공정으로 실리콘 잉곳 슬라이싱 가공 중에 실리콘 기판(110)의 표면에 발생된 소우 데미지(saw damage)를 습식 식각하여 제거한 기판일 수 있다. 바람직하게는 p형 불순물이 도핑된 실리콘 기판이다.
다음 이 실리콘 기판(110)의 전면부에 전극이 형성될 영역에 물리적 또는 화학적 손상을 입힌다. 참조번호 "120"은 손상 영역으로서 그 상면도는 예컨대 도 4 와 같다.
상기 물리적 또는 화학적 손상을 입히는 단계는 말 그대로 물리적 혹은 화학적인 방법으로 실리콘 기판(110) 일부 영역에 결함을 발생시키는 것인데, 물리적인 방법으로는 우선 특정 부분에만 플라즈마를 조사하는 플라즈마 처리가 가능하다. 적절한 마스크 형성 후 그 위로 플라즈마를 조사하면 전극이 형성될 영역에만 결함을 발생시킬 수 있다. 레이져 스크라이빙(scribing)을 이용할 수도 있다. 레이져 스크라이빙은 칩 절단 등에 사용되는 기술인데 에너지 정도를 조절하여 전극이 형성될 영역에만 적용하여 결함을 발생시키도록 할 수 있다. 또한, 미세한 팁(tip)으로 전극 형성 부위만 흠집을 내는 스크래칭(scratching) 등이 가능하다.
화학적인 방법으로는 산이나 염기와 같은 화학 용액을 전극 형성 부위에만 발라 다른 표면과 달리 부식을 일으키는 것을 이용할 수 있다. 또는 챔버 내에 부식 분위기 환경을 조성하여 건식 식각 방법과 유사한 방법으로 실리콘 기판(110)의 일부 영역만 부식시키는 것을 이용할 수도 있다.
다음으로, 도 3(b)를 참조하면, 상기 실리콘 기판(110)의 전면부에 미세한 요철(130b)을 형성하는 텍스쳐링 단계를 실시한다. 텍스쳐링은 염기 또는 산 용액을 이용한 습식 방법 혹은 플라즈마를 이용한 건식 방법을 이용하여 식각함으로써 실리콘 기판(110)의 표면에 소정 형상의 미세한 요철(130b)을 형성하여 광흡수율을 높이기 위해 일반적인 태양 전지 제조 과정 중 진행하는 것이다. 이 때, 본 발명에서는 도 3(a)에서의 손상 영역(120)이 다른 영역과는 달리 외부 에너지가 가해진 영역이라 그렇지 않은 부분과 텍스쳐링 차이를 보이게 된다. 즉, 텍스쳐링은 역피 라미드와 같은 요철을 실리콘 기판(110)에 형성하게 되는데, 손상 영역(120)은 이미 결함이 형성된 영역이라 염기 또는 산 용액이 더 많이 더 깊이 더 빠르게 침투할 수 있을 정도로 조직이 취약화되어 있다. 따라서, 다른 부위에는 미세한 요철(130b)이 형성되지만 손상 영역(120)에는 크고 굴곡진 요철(130a)이 형성되게 된다. 따라서, 손상 영역(120)의 요철(130a)은 다른 부분의 요철(130b)보다 비표면적이 작게 형성된다.
다음에, 상기 실리콘 기판(110)의 내부에 p-n 접합 구조를 형성하기 위하여 실리콘 기판(110) 전면부에 실리콘 기판(110)과는 반대되는 도전형, 바람직하게는 n형 불순물로 이온도핑을 실시한다. 주로 이용되는 도핑 방법은 고온확산(thermal diffusion) 법으로서, 실리콘 기판(110)을 고온의 확산로의 내부에 안치시킨 상태에서 POCl3 용액을 질소와 같은 캐리어 가스로 버블링하거나 PH3 등을 공급하여 n형 불순물을 공급하는 방법이다.
이러한 방법을 통해 실리콘 기판(110) 상에 불순물이 함유된 절연막(145)이 형성된다. 그 후 산소 분위기 하에서 고온으로 열처리하여 상기 절연막(145) 내의 불순물을 실리콘 기판(110) 표면으로 드라이브-인(drive-in) 시킨다. 그러면, 실리콘 기판(110)에는 소정 두께의 n형 반도체층으로 이루어진 에미터층(140)이 형성되고, 실리콘 기판(110) 표면에 형성되어 있던 절연막(145)은 실리콘 원자의 확산에 의해 PSG(phosphorus silicate glass)막으로 변화하게 된다.
그런데, 상기 물리적 또는 화학적 손상이 되어 큰 요철(130a)을 갖게 된 부 분은 비표면적이 작고 불순물이 많이 주입되는 경향이 있다. 따라서, 이 부분에만 상대적으로 두꺼운 고농도의 에미터가 형성되고, 그렇지 않은 부분은 불순물이 적게 주입되고 상대적으로 얇은 에미터가 형성된다. 따라서, 전극이 형성될 영역에만 고농도의 불순물이 주입된 두꺼운 에미터를 형성함으로써 선택적 에미터를 이 과정에서 자연스럽게 형성할 수 있게 된다.
PSG막은 전지의 전류를 차폐시키는 역할을 하기 때문에 전지효율을 높이기 위해서 식각 용액을 이용하여 제거해 주도록 한다. 그런 다음, 도 3(d)와 같이 에미터층(140) 위에 반사방지막(150)을 형성한 후, 두꺼운 에미터 상에 일치하는 형상으로, 예를 들어, 금속 페이스트를 스크린 프린팅한 후 열처리하면, 그에 대응하는 패턴화된 전면 전극(160)을 만들 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 종래의 선택적 에미터 형성 공정과 달리 패터닝 공정을 진행하지 않고, 텍스쳐링 공정 전에 실리콘 기판 표면 일부에 손상을 가하는 단계만 추가함으로써 선택적 에미터를 간단하게 형성할 수 있다. 노광 마스크, 감광성 물질, 감광막 식각액 등을 사용하는 포토리소그래피 공정을 거치지 않음으로써 공정의 전반적인 간소화를 이루어 태양 전지의 제조 비용을 절감할 수 있고 생산성을 향상시킬 수 있다.
그리고, 단순한 공정을 이용해 한 번에 선택적 에미터를 형성하게 되므로 본 발명에 따라 형성되는 선택적 에미터는 우수한 균일도를 가지게 되어, 이러한 태양 전지는 동작 특성 또한 안정적이고 균일하므로 우수해진다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발 명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1은 태양 전지의 기본적인 구조를 나타낸 개략도이다.
도 2는 종래 포토리소그래피 공정에 의해 태양 전지의 선택적 에미터를 제조하는 일련의 과정에 대한 모식도들이다.
도 3에는 본 발명의 실시예에 따른 선택적 에미터를 포함하는 태양 전지의 제조 방법에 대한 일련의 과정들이 모식적으로 도시되어 있다.
도 4는 도 3(a)를 위에서 본 모식도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110...실리콘 기판 120...손상 영역
130a, 130b...요철 140...에미터층
145...절연막 150...반사방지막
160...전면 전극
Claims (6)
- 삭제
- (a)실리콘 기판의 전면부에 전극이 형성될 영역에 물리적 또는 화학적 손상을 입히는 단계;(b)상기 실리콘 기판의 전면부에 미세한 요철을 형성하는 텍스쳐링 단계; 및(c)상기 미세한 요철이 형성된 실리콘 기판 표면에 상기 실리콘 기판과 반대되는 도전형의 반도체층을 형성하면서 상기 물리적 또는 화학적 손상이 된 부분에 선택적 에미터를 형성하는 단계;를 포함하고,상기 실리콘 기판은 p형 불순물이 도핑된 실리콘 기판으로서, 상기 (c) 단계에서 n형 불순물을 상기 실리콘 기판 안에 주입함으로써 n형 반도체층을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법.
- 삭제
- (a)실리콘 기판의 전면부에 전극이 형성될 영역에 물리적 또는 화학적 손상을 입히는 단계;(b)상기 실리콘 기판의 전면부에 미세한 요철을 형성하는 텍스쳐링 단계; 및(c)상기 미세한 요철이 형성된 실리콘 기판 표면에 상기 실리콘 기판과 반대되는 도전형의 반도체층을 형성하면서 상기 물리적 또는 화학적 손상이 된 부분에 선택적 에미터를 형성하는 단계;를 포함하고,상기 실리콘 기판은 p형 불순물이 도핑된 실리콘 기판으로서, 상기 (c) 단계에서 n형의 불순물이 함유된 절연막을 상기 실리콘 기판 상에 형성하고, 산소 분위기의 열처리 공정을 시행하여 상기 절연막 내의 불순물을 상기 실리콘 기판 상부로 주입하여 n형 반도체층을 형성한 다음, 상기 실리콘 기판 상에 잔류하는 절연막을 제거하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법.
- 제2항 또는 제4항에 있어서, 상기 (b) 단계에서 상기 물리적 또는 화학적 손상이 된 부분은 다른 부분에 비하여 크고 굴곡진 요철이 형성됨으로써 다른 부분에 비하여 비표면적이 작게 요철이 형성이 되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법.
- 제2항 또는 제4항에 있어서, 상기 물리적 또는 화학적 손상을 입히는 단계는 플라즈마 처리, 레이져 스크라이빙, 스크래칭, 산이나 염기 처리 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법.
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