KR101090124B1 - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양전지의 p-type 실리콘기판과 Ag 금속간의 접촉저항 감소 및 고효율 방법에 관한 것이다. 본 발명의 접촉저항 감소방법은, texture 기판을 P(인산) 도핑한 후, 인실리사이드 유리층을 식각한 기판위에 잉크젯 프린터를 이용하여 Ag 금속배선층 위치에 C(탄소)가 포함된 인산을 분사하여 건조시킨 후, 반사방지막의 층을 증착한다. 반사막위에 도포된 Ag 도포액이 열처리공정으로 Si 표면에 접촉되어지고 고농도로 도핑된 선택적 에미터는 C(탄소)가 전자를 포함하게 하여 전자의 통로를 제공 옴접촉(ohmic contact)이 가능하여 고효율 태양전지를 제조할 수 있다.

Description

태양전지 및 이의 제조방법{A solar cell and manufacturing method thereof}

본 발명은 에미터 형성방법에 있어서 실리콘기판과 Ag전극 간의 효율적인 옴접촉(ohmic contact)이 이루어지도록 하여 접촉저항을 최소로 함으로써, 고효율을 갖는 태양전지 및 이의 제조방법 방법에 관한 것이다.

최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 특히 주목 받고 있다.

태양전지에는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양빛(photons)을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지가 있으며, 태양전지라고 하면 일반적으로 태양광 전지를 일컫는다.

이와 같은 태양전지의 제조공정을 도 1을 참조하여 설명한다.

먼저, p-type실리콘 기판(10)을 준비한다(S1).

그리고, 실리콘 기판(10)을 알칼리 수용액이나 혼합산 용액에 침적하여 실리콘 기판(10)의 제조 시에 표면이 손상된 부분을 제거한다.(S2).

그리고, 실리콘 기판(10)의 표면의 빛 반사 손실을 줄여주기 위해 실리콘 기판(10)의 전면과 후면에 에칭으로 조직화(texturing)면(12)을 형성한다(S3).

이와 같은 표면 조직화에 의해 실리콘 기판(10)의 전면에서의 반사율을 감소시키고, 태양전지 내에서 빛의 통과 길이를 길게 하며, 후면으로부터 내부반사가 이루어지도록 하여 실리콘 기판(10)에 흡수된 빛의 양을 증가시키기는 것이다. 따라서 태양전지의 단락전류를 향상시킬 수 있다.

다음 공정으로 확산 공정(S4)을 진행하여 실리콘 기판(10)의 표면에 확산막(20)을 형성한다.

이러한 확산공정은 실리콘 기판(10) 상에 3족과 5족에 속하는 불순물 원자를 도입하여 그 전도성과 불순물 분포를 제어하여 p-n접합을 형성하는 기술이다. 불순물 확산 기술은 산화막을 확산 마스크(mask)로 사용한 선택 확산 방법으로 양극화 뿐만 아니라 MOS 소자를 제조하는데도 사용하며, 불순물 농도의 정밀 제어 및 얇은 p-n접합의 형성 등의 중요한 기술이 요구된다.

확산공정(S4)에 의해 실리콘 기판(10)의 표면에 확산막(20)과 함께 PSG(Phosphosilicate glass)와 같은 부산물층(22)이 형성된다. 그런데 이와 같은 글래스류의 부산물층(22)에 의해 실리콘 기판(10)의 표면의 절연특성이 나빠진다.

따라서, 부산물층(22)을 wet etch를 통해 제거하는 공정을 거친다(S5).

다음 공정으로는 p-n접합 형성을 위한 공정에서 기판의 에지(edge) 부분에도 불순물이 도핑되기 때문에, 태양전지의 전면과 후면전극이 전기적으로 연결되어 전지효율을 감소시키게 된다.

따라서 에지의 도핑된 부분을 제거하여 전면과 후면의 확산막(20)을 서로 전기적으로 분리하는 에지 아이솔레이션(edge isolation)공정(S6)을 진행한다.

그 다음, 실리콘 기판(10)의 전면에 반사방지막을 형성한다(S7).

반사방지막(anti-reflection coating)은 상층에서 반사된 빛과 하층에서 반사된 빛이 서로 상쇄간섭(destructive interference)을 일으키도록 함으로써 태양전지 표면에서의 빛 반사를 줄이고, 특정한 파장영역의 선택성을 증가시키기 위해 사용된다.

그 후, 실리콘 기판(10)의 전면에 전면전극(35)을 인쇄하고 건조시키는 공정을 진행한다(S8).

전면전극(35) 형성시 고려해야 될 두 가지 사항은 전면전극(35)의 설계 및 스크린 인쇄법에 의해 전면전극(35)을 형성할 때 열처리 온도와 시간이다. 상용으로 가장 일반적인 상부전극은 Ag를 스크린 인쇄하는 방법이다.

이 후, 실리콘 기판(10)의 후면에 후면전극(37)을 인쇄한 후 건조하는 공정을 진행한다(S9).

이 후, 실리콘 기판(10)을 열처리로(furnace)에서 co-firing공정을 거쳐 전면전극(35)과 후면전극(37)을 실리콘 기판(10)의 내부로 침투시킴으로써, 전면전극(35)과 후면전극(37)으로 전류가 흐르도록 한다.(S10).

이와 같이 제조되는 태양전지는 p형(또는 n형)기판에 n형(또는 p형) 불순물을 도핑하여 p-n접합을 형성하며, 이로써 에미터(emitter)가 형성된다. 빛이 들어오면, 빛 에너지에 의하여 반도체 내부에서 마이너스의 전하(전자)와 플러스의 전하(정공)가 발생한다.

일반적으로 반도체에 밴드 갭 에너지 이하의 빛이 들어가면 반도체내의 전자들과 약하게 상호작용하고, 밴드 갭 이상의 빛이 들어가면 공유결합내의 전자를 여기시켜 캐리어(carrier)(전자 또는 정공)를 쌍생성한다. 빛 에너지에 의해 발생된 전자와 정공은 내부의 전계에 의하여 각각 n형 반도체측과 p형 반도체측으로 이동하여 양쪽의 전극부에 모아진다. 이러한 두 개의 전극을 도선으로 연결하면 전류가 흐르고 외부의 부하나 시스템에서 전력원으로 이용할 수 있게 된다.

전압-전류 특성이 옴의 법칙을 따르는 금속과 반도체와의 접촉에서 전극 금속이 소자의 특성에 큰 영향을 주지 않도록 하려면 전극 금속과 반도체 간의 접촉저항치가 작은 옴접촉으로 되어야 한다. 일반적으로 불순물 농도가 낮은 반도체에 금속이 접촉되면 접촉면에 전위 장벽이 형성되기 때문에 양호한 옴접촉을 기대할 수 없다.

따라서 종래의 방법은 Ag 금속전극이 형성될 부위에 선택적 에미터 구조를 갖게 하는 방법이 사용됐다.

선택적 에미터 구조를 가지는 태양전지는, 전지의 수광면에 전극이 형성될 부위는 고농도로 도핑하고, 전극이 없는 부위는 접합 깊이를 얕게 하는 선택적인 에미터(selective emitter)를 형성하면, 전극과 실리콘 기판과의 접합저항을 낮추고, 도핑층에서의 재결합손실을 최소화하여 전지 효율을 향상시킬 수 있다.

그러나, 이와 같은 종래의 에미터 구조는, 그 제조 공정이 복잡하고 제조 가격이 높은 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 금속과 실리콘 기판사이 C(탄소)로 하여 통로를 제공해 옴접촉(ohmic contact)을 가능하게 하여 접촉저항을 최소화시킨 고효율 태양전지를 제조하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

반도체 기판;

상기 기판 전면의 표면 내에 형성된 저농도 도핑층;

상기 기판의 전면에 형성된 탄소 도핑층;

상기 탄소 도핑층과 접촉하는 전면 전극; 및

상기 기판 후면의 적어도 일부분과 접촉하는 후면 전극을 포함하여 이루어지는 태양전지를 제공한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 또 하나의 본 발명은,

반도체 기판;

상기 기판 전면의 표면 내에 형성된 저농도 도핑층;

상기 기판의 전면에 형성된 탄소 도핑층;

상기 기판 전면의 일부분 내에 선택적으로 형성된 고농도 도핑영역;

상기 고농도 도핑영역과 접촉하는 전면 전극; 및

상기 기판 후면의 적어도 일부분과 접촉하는 후면 전극을 포함하여 이루어지는 태양전지를 제공한다.

상기 저농도 도핑층은 두께가 1~2㎛이고, 상기 고농도 도핑영역은 두께가0.1~0.5㎛이다.

상기 저농도 도핑층 및 고농도 도핑영역은 인(P)을 함유한 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 또 하나의 본 발명은,

반도체 기판의 전면 내에 탄소 도핑층을 플라즈마 표면처리하는 단계를 포함하여 이루어지는 태양전지의 제조 방법을 제공한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 또 하나의 본 발명은,

반도체 기판의 전면 내에 탄소 도핑층을 플라즈마 표면처리하는 단계; 및

상기 기판 플라즈마층에 전극형성부의 위치에 인산도핑을 수행하는 공정을 포함하여 이루어지는 태양전지의 제조방법을 제공한다.

상기 인산도핑은 잉크젯 프린팅 공정을 통하여 이루어진다.

상기 인산 도핑은, 인(P)을 함유한 물질을 0.2 ~ 0.5㎛ 두께로 도포한 후 900~1,000℃에서 3~5분간 열처리한다.

상기 탄소도핑과 인산도핑 공정을 잉크젯 프린팅 공정으로 동시에 수행한다.

상기 잉크젯 프린팅 공정에 사용되는 잉크는 인산 성분과 탄소성분을 포함하는 액체형태의 소재를 사용하여 도핑물질층 및 도핑물질패턴을 형성한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명 제 1 실시예에 따른 제조방법은, 실리콘기판과 금속사이의 계면에 탄소원자로 전자의 이동통로를 만들어 옴접촉 장벽(ohmic contact barrier)을 낮춰주는 효과가 있다.

또, 제 2 실시예는 종래의 선택적 에미터 방법에 제 1 실시예와 같은 방법으로 탄소 통로를 만들어 제 1실시예 보다 옴접촉 장벽(ohmic contact) barrier)을 더 낮춰주는 효과가 있다.

본 발명의 선택적 에미터 형성방법에 따르면, 태양전지의 에미터층과 전극 사이의 접촉 저항을 낮추기 위한 선택적 에미터를 간단한 공정 및 저렴한 비용으로 제조할 수 있다.

도 1 일반적인 종래의 태양전지 제조공정을 도시한 도면,
도 2 본 발명의 제 1실시예에 따라 태양전지의 제조공정을 도시한 단면도,
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양전지의 A - A' 단면의 에너지 밴드를 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 탄소통로 형성방법을 도시한 단면도,
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 태양전지를 도시한 단면도,
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 태양전지를 도시한 단면도이다.

이하에서는 본 발명의 제 1실시예를 설명한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제의 달성을 위해 본 발명 제 1 실시예는, p-type 실리콘 기판에 n형 불순물(P)을 도포하기 전 단계에 플라즈마 표면처리를 이용해 C(탄소)통로를 만들어 옴접촉(ohmic contact)를 하여 접촉 저항을 최소화 시킨 고효율 태양전지 제조방법에 관한 것이다.

이하 본 발명의 바람직한 제 1 실시예를 첨부된 도 2를 토대로 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1의 S5 공정을 수행한 후, 도 2와 같이 실리콘 기판(10)의 표면에 탄소 플라즈마 표면처리공정을 수행한다(S6-1).

기판을 알칼리 수용액이나 혼합산 용액에 침적하여 제조 시 손상된 부분을 제거하고 기판에 texture etching을 한 후, CH₄(메탄)를 플라즈마 처리하여 실리콘 표면에 탄소를 얇게 도포 시킨다.

이 공정에 의해 Si 표면에서 Ag 금속과 Si 표면이 옴접촉을 하게 되며, 표면에 있는 탄소(31)의 원자가 전자 이동통로를 제공함으로써 고효율 태양전지를 제조할 수 있게 된다.

도 3은 이와 같은 공정에 의해 제조된 태양전지의 에너지 밴드를 보여주는 도면이다.

따라서 도 4와 같이, 도포된 탄소(31)는 전자(36)를 머금게 하여 전자의 통로를 제공하게 되어, 도 3에 도시한 에너지밴드와 같이 계면에서 공간전하를 줄이거나(점선에서 실선으로) 없앰으로써 옴접촉(ohmic contact) barrier를 낮추는 역할을 한다.

본 실시예는, S1,S2,S3 공정 , S4 공정에서 기판의 전면 상에 인(P)을 함유한 물질을 25 ~ 35㎛ 두께로 도포한 후 900℃에서 3분동안 열처리하여 기판 전면의 표면 내에 저농도 도핑층인 확산막(20)을 형성한다.

열처리 후 기판 전면에는 산소와 접촉해 생긴 PSG층이 잔류하는데 기판 표면에 코팅해 놓은 탄소가 산소와의 접촉을 막아, 이 PSG층이 없거나 작을 수 있다. 이 PSG를 S5 공정에서 wet eching 해 제거를 한다.

그 후 S6 공정에서 에지의 도핑된 부분을 제거하여 전면과 후면을 서로 전기적으로 분리를 하고, S6-1 공정에서 탄소 플라즈마 표면처리공정을 수행한다.

그 후, S7, S8, S9, S10 공정을 통하여, 반사 방지막(24)을 형성하고, A/R(반사방지막)으로 SiO₂나 SiNx을 증착한 후, 전면전극(Ag)(35)과 후면전극(Al)(37)을 실리콘 기판(10)의 전면과 후면에 프린팅하여 형성하고, co-firing하여 후면전극(37) 및 전면전극(35)이 실리콘 기판(10)의 내부로 침투되도록 한다.

이하에서는 본 발명의 제 2실시예를 설명한다.

본 발명의 제 2 실시예는, 첨부된 도 5에서와 같이 탄소(31)를 확산막(20)의 위에 플라즈마 표면처리한 후, 잉크젯 프린터를 이용하여 전극배선위치에 인산을 도포하여 고농도 도핑영역(40)을 형성함으로써 선택적 에미터를 형성하는 방법이다.

제 1실시예와 동일하게 도 1에서 S5 공정을 수행한 다음, S6-2 공정에서 CH₄(메탄)를 플라즈마 처리하여 실리콘 표면에 탄소(31)를 얇게 도포 시킨다. 이러한 표면처리공정에서의 도포된 탄소(31)는 전자를 머금게 하여 전자의 통로를 제공하고, 도 4에 도시한 바와 같이 계면에서 공간전하를 줄이거나(점선에서 실선) 없앰으로써 옴접촉 장벽(ohmic contact barrier)을 낮추는 역할을 한다.

그리고, 인을 함유한 물질을 기판 표면의 전극형성부의 일부분상에 잉크젯 프린팅하고, 975℃에서 5분 동안 열처리하여 실리콘 기판(10)의 표면에 선택적으로 고농도 도핑영역(40)을 형성하다. 이에 따라 옴접촉이 이루어지게 된다.

이 후, 도 1의 S7, S8, S9, S10 공정을 차례로 수행한다.

이하에서는 본 발명의 제 3실시예를 설명한다.

본 발명의 제 3 실시예는, 첨부된 도 6에서와 같이 탄소(31)를 포함하는 유기물이 인산 잉크에 함유되어 있으며, 잉크젯 프린터를 이용하여 전극배선 위치의 실리콘 기판(10)의 표면에 인산을 도포함으로써 선택적 에미터를 형성하는 방법이다.

도 1의 S6 공정 후 잉크젯 공정을 수행하여 인산을 도포하여 건조시킨다(S6-3).

본 실시예는 전극형성부만 인산도핑과 탄소도핑이 이루어진 경우로서 선택적인 에미터를 효율적으로 형성할 수 있다.

다음, 후면전극물질인 Al과 Ag를 함유한 페이스트를 실리콘 기판(10)의 후면 전체에 프린팅하고, 전면전극(35)이 될 Ag 페이스트를 실리콘 기판(10)의 전면의 고농도 도핑영역(40)의 상부에 해당하는 부분에 프린팅한 후, 열처리하여 후면전극(37) 및 전면전극(35)을 형성한다.

이 후, 도 1의 S7, S8, S9, S10 공정을 차례로 수행한다.

10: 실리콘 기판 12: 조직화면
20: 확산막 22: 부산물층
24: 반사방지막 31 : 탄소
35 : 전면전극 36 : 전자
37: 후면전극 40: 고농도 도핑영역

Claims (10)

1. 반도체 기판;
   상기 기판 전면의 표면 내에 형성된 저농도 도핑층;
   상기 기판의 전면에 형성된 탄소 도핑층;
   상기 탄소 도핑층과 접촉하는 전면 전극; 및
   상기 기판 후면의 적어도 일부분과 접촉하는 후면 전극을 포함하여 이루어지는 태양전지.
2. 반도체 기판;
   상기 기판 전면의 표면 내에 형성된 저농도 도핑층;
   상기 기판의 전면에 형성된 탄소 도핑층;
   상기 기판 전면의 일부분 내에 선택적으로 형성된 고농도 도핑영역;
   상기 고농도 도핑영역과 접촉하는 전면 전극; 및
   상기 기판 후면의 적어도 일부분과 접촉하는 후면 전극을 포함하여 이루어지는 태양전지.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 저농도 도핑층은 두께가 1~2㎛이고, 상기 고농도 도핑영역은 두께가0.1~0.5㎛인 것을 특징으로 하는 태양전지.
4. 제 2항에 있어서,
   상기 저농도 도핑층 및 고농도 도핑영역은 인(P)을 함유한 것을 특징으로 하는 태양전지.
5. 반도체 기판을 준비하는 단계; 반도체 기판의 표면을 텍스쳐링(texturing)하는 단계; 반도체 기판에 불순물 원자를 도입하여 상기 반도체 기판의 표면에 확산막을 형성하는 단계; 상기 확산막을 형성하면서 형성된 부산물층(PSG)을 제거하는 단계; 상기 반도체 기판의 전면과 후면의 확산막을 서로 전기적으로 분리하는 단계와; 상기 반도체 기판의 전면에 반사방지막을 형성하는 단계; 상기 반도체 기판의 전면에 전면전극을 인쇄하는 단계; 상기 반도체 기판의 후면에 후면전극을 인쇄하는 단계; 상기 반도체 기판을 열처리하여 상기 전면전극 및 하면전극을 상기 반도체 기판의 내부로 침투시키는 단계로 이루어진 태양전지의 제조방법에 있어서,
   상기 부산물층을 제거한 후에, 반도체 기판의 전면 내에 탄소도핑층을 플라즈마 표면처리하는 단계를 포함하여 이루어지는 태양전지의 제조 방법.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 탄소도핑층의 전극배선위치에서 인산도핑을 수행하는 공정을 포함하여 이루어지는 태양전지의 제조방법.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 인산도핑은 잉크젯 프린팅 공정을 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
8. 제 6항에 있어서,
   상기 인산 도핑은, 인(P)을 함유한 물질을 0.2 ~ 0.5㎛ 두께로 도포한 후 900~1,000℃에서 3~5분간 열처리하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
9. 제 6항에 있어서,
   상기 탄소도핑과 인산도핑 공정을 잉크젯 프린팅 공정으로 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
10. 제 9항에 있어서,
    상기 잉크젯 프린팅 공정에 사용되는 잉크는 인산 성분과 탄소성분을 포함하는 액체형태의 소재를 사용하여 도핑물질층 및 도핑물질패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.

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