KR101090397B1 - Selectively patterned nano-porous structure on silicon substrate for solar cell and preparation method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 나노 다공성 구조를 가진 선택적 패턴이 형성된 실리콘 기판 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 실리콘 태양전지에 사용될 수 있는 실리콘 기판으로, 포토리소그래피 방법을 사용하여 선택적 패턴이 형성된 실리콘 기판 표면에 나노 다공성 구조를 형성함으로써 반사도를 감소시키며, 캐리어의 수명을 향상시킬 수 있고 개방 전압을 향상시켜 광전변환 효율을 향상시킬 수 있는, 나노 다공성 구조를 가진 선택적 패턴이 형성된 실리콘 기판 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a silicon substrate formed with a selective pattern having a nano-porous structure and a method of manufacturing the same. More specifically, the present invention relates to a silicon substrate that can be used in a silicon solar cell. Regarding a silicon substrate having a selective pattern having a nanoporous structure and a method for manufacturing the same, the reflectivity can be reduced by forming a nanoporous structure, and the life of the carrier can be improved, and the open circuit voltage can be improved to improve the photoelectric conversion efficiency. will be.
태양전지, 실리콘 기판, 나노 다공성 구조, 선택적 패턴 Solar cell, silicon substrate, nanoporous structure, selective pattern
Description
본 발명은 나노 다공성 구조를 가진 선택적 패턴이 형성된 태양전지용 실리콘 기판 및 그 제조 방법에 관한 것이며, 보다 구체적으로 포토리소그래피 방법을 사용하여 선택적 패턴이 형성된 실리콘 기판 표면에 나노 다공성 구조를 형성함으로써, 반사도를 감소시키며, 캐리어의 수명을 향상시킬 수 있고 개방 전압을 향상시켜 광전변환 효율을 향상시킬 수 있는, 나노 다공성 구조를 가진 선택적 패턴이 형성된 태양전지용 실리콘 기판 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a silicon substrate for a solar cell with a selective pattern having a nanoporous structure and a method of manufacturing the same. More specifically, by forming a nanoporous structure on the surface of a silicon substrate having a selective pattern using a photolithography method, The present invention relates to a silicon substrate for a solar cell and a method of manufacturing the same, wherein the selective pattern having the nanoporous structure is formed, which can reduce the lifespan of the carrier and improve the open circuit voltage to improve the photoelectric conversion efficiency.
최근 심각한 환경오염 문제와 화석 에너지 고갈로 차세대 청정에너지 개발에 대한 중요성이 증대되고 있다. 그 중에서도 태양전지는 태양 에너지를 직접 전기 에너지로 전환시키는 장치로서, 공해가 적고, 자원이 무한적이며 반영구적인 수명을 가지고 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다.Recently, the importance of developing the next generation of clean energy is increasing due to severe environmental pollution and depletion of fossil energy. Among them, the solar cell is a device that directly converts solar energy into electrical energy, and is expected to be an energy source capable of solving future energy problems due to its low pollution, infinite resources, and a semi-permanent lifetime.
태양전지는 광흡수 층으로 사용되는 물질에 따라서 다양한 종류로 구분되며, 현재 가장 많이 사용되는 것은 실리콘을 이용한 실리콘 태양전지이다. Solar cells are classified into various types according to materials used as light absorption layers, and at present, the most commonly used are silicon solar cells using silicon.
일반적으로 실리콘 태양전지는, 외부에서 들어온 빛에 의해 태양전지의 반도체 내부인 PN 접합에서 전자와 정공의 쌍이 생성되고, 이러한 전자와 정공의 쌍이PN 접합의 공핍층에 형성된 내부 전기장에 의해 전자는 N형 반도체로 이동하고 정공은 P형 반도체로 이동함으로써 전기가 발생된다.In general, a silicon solar cell generates electron and hole pairs at a PN junction inside the semiconductor of the solar cell by light from outside, and electrons are generated by an internal electric field in which the pair of electrons and holes are formed in the depletion layer of the PN junction. Electricity is generated by moving to a type semiconductor and holes moving to a P type semiconductor.
최근 실리콘 태양전지의 효율을 높이기 위해 사용할 수 있는 방법으로 웨이퍼 표면을 조직화(texturing)하여 빛의 흡수를 극대화시키는 방법이 사용되고 있는데, 이러한 웨이퍼 표면 조직화 방법으로는 플라스마 식각을 이용한 방법, 기계적으로 홈(grooving)을 내는 방법, 포토리소그래피를 이용한 방법, 화학적인 식각 방법 등이 이용되고 있다.Recently, the method of maximizing the absorption of light by texturing the surface of the wafer as a method that can be used to increase the efficiency of the silicon solar cell, such as the surface method of the wafer surface using a plasma etching method, a mechanical groove ( Growing, photolithography, chemical etching, etc. are used.
플라스마를 이용하여 표면 조직화할 경우 포토레지스트를 도포하여 패턴을 형성한 후 플라스마를 이용하여 식각한 후 마스크 층을 제거하는 방법으로 작업시간이 오래 걸리며 고가의 진공 장비가 필요하기 때문에 상업적 이용 가능성이 적다.In the case of surface organization using plasma, photoresist is applied to form a pattern, followed by etching using plasma, and then removing the mask layer, which takes a long time and requires less expensive vacuum equipment, and thus it is less commercially available. .
또한, 기계적 스크라이빙(scribing) 방법은 웨이퍼 표면에 홈(groove)을 형성하여 화학적인 식각을 이용하여 표면 조직화하는 방법으로 이는 작업시간이 오래 걸리기 때문에 상업적인 생산이 어렵고 박막에 적용하기 어려운 문제점이 있다.In addition, the mechanical scribing method is a method of forming a groove on the surface of the wafer to organize the surface using chemical etching, which is difficult to commercially produce and difficult to apply to a thin film because of a long working time. have.
또한, 포토리소그래피를 이용한 방법의 경우 산화막이 있는 웨이퍼에 포토레지스트를 도포하여 패턴을 형성하고 이를 이방성/등방성 식각 방법을 통해 표면 조 직화하는 방법으로 가격이 비싼 공정이기 때문에 다결정 태양전지 제작에 상업적으로 적용하기 힘들다.In addition, in the case of the method using photolithography, a pattern is formed by applying a photoresist to a wafer having an oxide film and surface fabricating it by anisotropic / isotropic etching method. Difficult to apply
그리고 화학적인 식각 방법 중 이방성 식각 방법은 용액 내 프로텍터(protector)를 형성하여 이방성 식각한 후 프로텍터와 식각 용액을 제거하는 방법으로, 짧은 공정 시간에 저렴한 가격으로 다량의 웨이퍼를 표면 조직화할 수 있는 방법으로 가장 많이 사용되고 있으나, 다결정 웨이퍼의 경우에는 원하는 반사율을 얻을 수 없어 적용하기 힘든 문제점이 있다. 이는 다결정 웨이퍼의 경우 다양한 결정 방향을 가지고 있기 때문에 반사율을 줄이기에 적합한 식각이 이루어지지 못하며, 식각 용액에 대한 관리가 쉽지 않기 때문이다.Among the chemical etching methods, the anisotropic etching method is to remove the protector and the etching solution by forming an protector in the solution, and then removing the protector and the etching solution. Most commonly used, but in the case of a polycrystalline wafer it is difficult to apply the desired reflectance can not be obtained. This is because, in the case of polycrystalline wafers, since the crystals have various crystal directions, etching cannot be performed to reduce the reflectance, and management of the etching solution is not easy.
본 발명자들은 상술한 문제점을 해결할 수 있으며, 실리콘 태양전지의 효율을 높일 수 있는 태양전지용 실리콘 기판의 식각방법에 대해 연구를 거듭하였다. 그 결과, 포토리소그래피 방법 등으로 실리콘 기판에 목적하는 패턴을 형성한 후 상기 실리콘 기판을 희석된 산성 혼합 용액에 실리콘 기판을 침지시키는 경우, 실리콘 기판 상에 패턴이 형성된 부분을 식각하여 패턴이 형성된 부분에 나노 다공성 구조를 형성시킬 수 있었다. 또 이와 같이 제조된 실리콘 기판은 반사도를 감소시키며, 캐리어의 수명을 향상시킬 수 있고 개방 전압을 향상시켜 광전변환 효율을 향상시킴을 확인하였다.The present inventors have been able to solve the above-described problems, and have repeatedly studied the etching method of the silicon substrate for solar cells that can increase the efficiency of the silicon solar cell. As a result, when the desired pattern is formed on the silicon substrate by a photolithography method or the like, and then the silicon substrate is immersed in the dilute acid mixed solution, the portion on which the pattern is formed is etched by etching the portion where the pattern is formed on the silicon substrate. Nanoporous structure could be formed. In addition, it was confirmed that the silicon substrate thus manufactured can reduce the reflectivity, improve the life of the carrier, and improve the photoelectric conversion efficiency by improving the open voltage.
본 발명의 목적은 반사도를 감소시키며 캐리어의 수명을 증가시킬 수 있는, 나노 다공성 구조가 형성된 태양전지용 실리콘 기판을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a silicon substrate for a solar cell having a nanoporous structure, which can reduce reflectivity and increase the life of a carrier.
본 발명의 다른 목적은 선택적으로 패턴이 형성된 실리콘 기판 표면에 나노 다공성 구조를 형성시킬 수 있는 태양전지용 실리콘 기판의 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a silicon substrate for a solar cell that can form a nanoporous structure on the surface of the silicon substrate selectively patterned.
본 발명의 또 다른 목적은 단결정질, 다결정질 혹은 삼결정질 실리콘 기판 표면에 한 번의 반응 과정을 통하여 나노 다공성 구조를 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 결정성도 잘 보전되며, 실리콘 기판의 식각량도 적으며, 대량 생산에 적합한 태양전지용 실리콘 기판의 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to not only form a nanoporous structure through a single reaction process on the surface of monocrystalline, polycrystalline or tricrystalline silicon substrates, but also preserve crystallinity and reduce the etching amount of silicon substrates. To provide a method for producing a silicon substrate for solar cells suitable for mass production.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은,In order to achieve the above object, the present invention,
실리콘 기판 표면에 목적하는 패턴을 형성하는 단계(단계 1);Forming a desired pattern on the silicon substrate surface (step 1);
질산과 불산을 혼합하여 산성 혼합 용액을 제조한 후, 상기 산성 혼합 용액을 산성 혼합 용액의 1~5배 부피 비의 물과 혼합하여 희석된 산성 혼합 용액을 제조하는 단계(단계 2); 및Preparing an acid mixed solution by mixing nitric acid and hydrofluoric acid, and then mixing the acid mixed solution with water at a volume ratio of 1 to 5 times the acid mixed solution to prepare a diluted acid mixed solution (step 2); And
상기 단계 2에서 제조한 희석된 산성 혼합 용액에 단계 1에서 패턴이 형성된 실리콘 기판을 침지시켜, 실리콘 기판에 형성된 패턴에 나노 다공성 구조를 형성하 는 단계(단계 3)를 포함하는, 나노 다공성 구조를 가진 선택적 패턴이 형성된 태양전지용 실리콘 기판의 제조 방법을 제공한다.The nanoporous structure comprising the step (step 3) of forming a nanoporous structure in the pattern formed on the silicon substrate by immersing the silicon substrate formed in the
하기에서 본 발명에 따른 나노 다공성 구조를 가진 선택적 패턴이 형성된 태양전지용 실리콘 기판의 제조 방법을 상세하게 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a silicon substrate for a solar cell having a selective pattern having a nanoporous structure according to the present invention will be described in detail.
우선, 실리콘 기판 표면에 포토리소그래피 방법 등을 이용하여 목적하는 패턴을 형성한다(단계 1).First, a desired pattern is formed on the surface of a silicon substrate using a photolithography method or the like (step 1).
상기 단계 1에서는, 후면 전극형 실리콘 태양전지에서 실리콘 기판의 전면에 선택적으로 패턴을 형성하는 경우나, PN 접합 영역을 확대할 경우, 태양전지용 실리콘 기판의 후면 전계를 국부적인 패턴으로 형성할 경우 등과 같이 실리콘 기판 상에 선택적으로 패턴을 형성시켜야 할 필요에 따라 실리콘 기판 상에 포토리소그래피 방법 등을 이용하여 목적하는 패턴을 형성할 수 있다.In the
이와 같이 태양전지용 실리콘 기판 상에 포토리소그래피 방법을 사용하여 패턴을 형성하는 방법은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 실시할 수 있는 것이므로 상세한 설명은 생략한다.As described above, a method of forming a pattern using a photolithography method on a silicon substrate for a solar cell can be easily performed by a person having ordinary skill in the art, so detailed description thereof will be omitted.
이후, 질산(HNO3)과 불산(HF)을 혼합하여 산성 혼합 용액을 제조한 후, 상기 산성 혼합 용액을 산성 혼합 용액의 1~5배 부피 비의 물과 혼합하여 희석된 산성 혼합 용액을 제조한다(단계 2).Thereafter, nitric acid (HNO 3 ) and hydrofluoric acid (HF) are mixed to prepare an acid mixed solution, and then the acid mixed solution is mixed with water at a volume ratio of 1 to 5 times the acid mixed solution to prepare a diluted acid mixed solution. (Step 2).
상기 단계 2에서 산성 혼합 용액은 질산과 불산을 1:5 내지 5:1의 부피 비로 혼합하여 제조하는 것이 바람직하다. The acid mixed solution in
질산과 불산을 혼합하여 산성 혼합 용액을 제조한 후, 상기 산성 혼합 용액과 산성 혼합 용액의 1~5배 부피 비의 물을 혼합하여 희석된 산성 혼합 용액을 준비한다.After nitric acid and hydrofluoric acid are mixed to prepare an acid mixed solution, a dilute acid mixed solution is prepared by mixing the acid mixed solution with water at a volume ratio of 1 to 5 times the acid mixed solution.
본 발명에서는 나노 다공성 구조를 가진 실리콘 기판을 제조할 때, 질산과 불산을 1:5 내지 5:1의 부피 비로 혼합한 산성 혼합 용액 및 상기 산성 혼합 용액의 1~5배 부피 비의 물을 혼합한 산성 혼합 용액을 사용하는 것이 특징이다.In the present invention, when manufacturing a silicon substrate having a nano-porous structure, the acid mixed solution in which nitric acid and hydrofluoric acid are mixed in a volume ratio of 1: 5 to 5: 1 and water in a volume ratio of 1 to 5 times the volume of the acid mixed solution is mixed. It is characterized by the use of one acidic mixed solution.
상기 산성 혼합 용액의 1배 부피 비 미만의 물과 상기 산성 혼합 용액을 혼합하여 본 발명에서 사용하는 희석된 산성 혼합 용액을 제조한 후 상기 희석된 산성 혼합 용액에 실리콘 기판을 침지시키는 경우, 실리콘 기판 표면에 나노 다공성 구조가 원하는 만큼 형성되지 않는 문제가 있다. 또한 산성 혼합 용액을 5배 부피 비를 초과하는 물과 혼합하여 용액을 제조하여 사용하는 경우, 희석 정도에 따른 온도 상승 정도의 보상을 감안하더라도 실리콘 기판의 식각 반응 속도가 현저히 느려져 공정 효율을 감소시킬 수 있다.When a silicon substrate is immersed in the diluted acid mixed solution after preparing the diluted acid mixed solution used in the present invention by mixing the acid mixed solution with water less than one volume ratio of the acid mixed solution, There is a problem that the nanoporous structure is not formed on the surface as desired. In addition, when the acid mixture solution is mixed with water exceeding 5 times the volume ratio, the solution is prepared and used, even in view of the compensation of the temperature rise according to the degree of dilution, the etching rate of the silicon substrate is significantly slowed to reduce the process efficiency. Can be.
본 발명에서 상기 희석된 산성 혼합 용액으로는 질산과 불산을 3:7 부피 비로 혼합하여 산성 혼합 용액을 제조한 후, 상기 산성 혼합 용액과 산성 혼합 용액의 2배 부피 비의 물을 혼합하여 제조된, 희석된 산성 혼합 용액을 사용하여 실리콘 기판에 형성된 패턴에 나노 다공성 구조를 형성하는 것이 바람직하다.In the present invention, the diluted acid mixed solution is prepared by mixing nitric acid and hydrofluoric acid in a 3: 7 volume ratio to prepare an acid mixed solution, and then mixing the acid mixed solution and water in a double volume ratio of the acid mixed solution. It is preferable to form the nanoporous structure in the pattern formed on the silicon substrate using the diluted acid mixed solution.
상술한 바와 같이 제조된 희석된 산성 혼합 용액은 산성 혼합 용액이 서로 섞일 때 발열 반응에 의해 열을 발생한다. 이때 온도가 25 ℃ 내지 60 ℃ 범위, 바람직하게는 30 ℃로 유지된다면, 상기 온도로 유지되는 희석된 산성 혼합 용액에 실리콘 기판을 침지시켜 나노 다공성 구조를 형성하는 경우, 시간도 상온 기준으로 단결정 실리콘 표준 표면 조직화 단계에서 걸리는 총 소요 시간인 약 3시간보다 훨씬 짧아질 수 있다.The diluted acid mixed solution prepared as described above generates heat by exothermic reaction when the acid mixed solutions are mixed with each other. At this time, if the temperature is maintained in the range of 25 ℃ to 60 ℃, preferably 30 ℃, when the silicon substrate is immersed in the diluted acid mixed solution maintained at the temperature to form a nanoporous structure, the time is also based on room temperature single crystal silicon It can be much shorter than about 3 hours, which is the total time required for the standard surface organization step.
다음으로, 상기 단계 2에서 제조한 희석된 산성 혼합 용액에 상기 단계 1에서 패턴이 형성된 실리콘 기판을 침지시켜 상기 실리콘 기판에 형성된 패턴에 나노 다공성 구조가 형성된 태양전지용 실리콘 기판을 제조한다(단계 3).Next, the silicon substrate having the pattern formed in the
상기 단계 3에서는 실리콘 기판 표면에 형성된 선택적 패턴에 나노 다공성 구조를 형성하기 위하여 상술한 희석된 산성 혼합 용액에 목적하는 패턴이 형성된 실리콘 기판을 침지시킨다. 이때, 상기 단계 3에서는 목적하는 패턴이 형성된 실리콘 기판을 희석된 산성 혼합 용액에 온도와 희석 비율을 고려하여 최소 1분 내지 최대 50분을 넘지 않는 동안 침지시키는 것이 바람직하다.In step 3, the silicon substrate having the desired pattern is immersed in the diluted acid mixed solution described above in order to form a nanoporous structure in the selective pattern formed on the surface of the silicon substrate. In this case, in step 3, the silicon substrate having the desired pattern is preferably immersed in the diluted acidic mixed solution for at least 1 minute to at least 50 minutes in consideration of temperature and dilution ratio.
본 발명에서 상기 실리콘 기판으로는 비 가공 상태의 결정질 실리콘 기판, 단결정질 실리콘 기판, 삼결정질 실리콘 기판, 다결정질 실리콘 기판 등을 사용할 수 있다.In the present invention, the silicon substrate may be a non-processed crystalline silicon substrate, a single crystalline silicon substrate, a tricrystalline silicon substrate, a polycrystalline silicon substrate and the like.
본 발명의 나노 다공성 구조를 가진 선택적 패턴이 형성된 태양전지용 실리 콘 기판의 제조 방법은 최초 실리콘 기판 준비단계, 표면 기초 세정 단계, 실톱 손상 표면 제거 단계, 표면 조직화 단계 등 어느 단계에 관계없이 상술한 희석된 산성 용액을 사용하여 실리콘 기판 표면에 나노 다공성 구조를 형성할 수 있다.The method for producing a silicon substrate for a solar cell having a selective pattern having a nanoporous structure of the present invention is the dilution described above irrespective of any steps such as the initial silicon substrate preparation step, surface-based cleaning step, jigsaw damage surface removal step, surface organization step, etc. The acidic solution can be used to form nanoporous structures on the silicon substrate surface.
또한 본 발명은 질산과 불산을 혼합한 산성 혼합 용액 및 상기 산성 혼합 용액의 1~5배 부피 비의 물을 혼합하여 제조한 희석된 산성 혼합 용액에 목적하는 패턴이 형성된 실리콘 기판을 침지시킴으로써 상기 목적하는 패턴의 표면에 나노 다공성 구조가 형성된 것을 특징으로 하는 태양전지용 실리콘 기판을 제공한다.In another aspect, the present invention is to immerse the silicon substrate formed with the desired pattern in an acid mixed solution of nitric acid and hydrofluoric acid and a dilute acid mixed solution prepared by mixing water in a volume ratio of 1 to 5 times the acid mixed solution. It provides a silicon substrate for a solar cell, characterized in that the nanoporous structure is formed on the surface of the pattern.
상기 희석된 산성 혼합 용액은 본 발명의 나노 다공성 구조를 가진 선택적 패턴이 형성된 태양전지용 실리콘 기판의 제조 방법에서 설명한 바와 동일하게 수행하여 제조된다.The diluted acid mixed solution is prepared by performing the same method as described in the method of manufacturing a silicon substrate for a solar cell, in which a selective pattern having a nanoporous structure of the present invention is formed.
본 발명에 따라 제조된 태양전지용 실리콘 기판은 포토리소그래피 방법을 사용하여 실리콘 기판 표면에 목적하는 패턴이 형성된 후, 상기 패턴에 나노 다공성 구조가 형성되며, 상기 나노 다공성 구조는 빛 가둠 효과에 의해 반사도를 감소시킬 수 있으며 캐리어의 수명도 증가시킬 수 있어 태양전지의 광전변환 효율을 증가시킬 수 있다.After the desired pattern is formed on the surface of the silicon substrate using a photolithography method, the silicon substrate for solar cells manufactured according to the present invention is formed with a nanoporous structure in the pattern, the nanoporous structure is reflected by the light confinement effect It can reduce and increase the life of the carrier can increase the photoelectric conversion efficiency of the solar cell.
본 발명의 일 실시 형태에서, 본 발명의 나노 다공성 구조를 가진 선택적 패턴이 형성된 태양전지용 실리콘 기판을 제조한 후, 후면 전계 효과를 위한 실리콘 기판으로 사용하기 위하여 도 9에 나타난 공정에 따라, 상기 나노 다공성 구조를 가진 선택적 패턴이 형성된 태양전지용 실리콘 기판에 알루미늄 페이스트를 스크린 인쇄하여 열처리함으로써 공용 유리질층 후면 전계가 형성된 태양전지용 실리콘 기판을 제조할 수 있다. 도 10의 (a)는 도 9에 나타난 공정에 따라 결정실 실리콘 기판의 뒷면에 후면 전계를 형성하기 위해 형성된 나노 다공성 구조를 가진 선택적 패턴을 나타낸 도면이고, 도 10의 (b)는 도 10(a)에 나타난 나노 다공성 구조를 가진 선택적 패턴이 형성된 태양전지용 실리콘 기판 뒷면에 알루미늄 페이스트를 스크린 인쇄하여 열처리함으로써 후면 전계가 형성된 상태를 나타낸 도면이다. 실리콘과 알루미늄의 공융 상태 물질이 나노 다공성 구조에 충전됨으로써 접촉 면적을 훨씬 넓힐 수 있어 개방 전압을 높이는 효과를 더욱 크게 할 수 있다.In one embodiment of the present invention, after manufacturing a silicon substrate for a solar cell with a selective pattern having a nanoporous structure of the present invention, according to the process shown in Figure 9 for use as a silicon substrate for the back field effect, the nano A silicon substrate for solar cells having a common vitreous layer back electric field is formed by screen-printing an aluminum paste on a silicon substrate for solar cells having a selective pattern having a porous structure and performing heat treatment. FIG. 10A is a view showing a selective pattern having a nanoporous structure formed to form a backside electric field on the back side of a crystal chamber silicon substrate according to the process shown in FIG. 9, and FIG. Figure 11 shows a state in which a rear electric field is formed by screen-heat-treating an aluminum paste on the back side of a silicon substrate for a solar cell on which a selective pattern having a nanoporous structure is formed. By filling the nanoporous structure with the eutectic material of silicon and aluminum, the contact area can be made much larger, thereby increasing the opening voltage.
이와 같이 제조된 후면 전계가 형성된 태양전지용 실리콘 기판은 나노 다공성 구조의 홈에 알루미늄이 충전되어 알루미늄과 접촉하는 면적이 넓어져 태양전지의 개방 전압을 향상시킬 수 있다.The silicon substrate for a solar cell having a backside electric field prepared as described above may be filled with aluminum in a groove of a nanoporous structure to increase the area of contact with aluminum, thereby improving the open voltage of the solar cell.
본 발명은 실리콘 기판의 기본 모양을 유지할 수 있으면서도 실리콘 기판에 형성된 패턴에 나노 다공성 구조를 형성시킬 수 있는 태양전지용 실리콘 기판의 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 나노 다공성 구조를 가진 선택적 패턴이 형성된 태양전지용 실리콘 기판의 제조 방법은 단결정질, 삼결정질 혹은 다결정질 실리콘 기판 표면에 한 번의 반응과정을 통하여 나노 다공성 구조를 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 결정성도 잘 보전되며, 실리콘 기판의 식각량도 적으며, 반응 속도 조절이 가능한 희석된 산성 혼합 용액을 재사용함으로써 대량 생산에도 적합하며 환경오염 을 줄일 수 있다.The present invention provides a method of manufacturing a silicon substrate for a solar cell that can maintain the basic shape of the silicon substrate while being able to form a nanoporous structure in a pattern formed on the silicon substrate. The method of manufacturing a silicon substrate for a solar cell having a selective pattern having a nanoporous structure of the present invention may not only form a nanoporous structure through a single reaction process on the surface of a single crystalline, tricrystalline or polycrystalline silicon substrate, but also crystal It is well preserved, the etching amount of silicon substrate is small, and the reuse of diluted acid mixed solution that can control the reaction rate is suitable for mass production and the environmental pollution can be reduced.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시 예를 설명한다. 하지만 하기 실시 예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허 청구 범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, preferred embodiments will be described in order to help understanding of the present invention. However, it is apparent to those skilled in the art that the following examples are merely illustrative of the present invention, and various changes and modifications can be made within the scope and spirit of the present invention, and such modifications and variations belong to the appended claims.
실시 예 1Example 1
결정질 실리콘 웨이퍼 후면에 포토리소그래피 방법을 사용하여 패턴을 형성하여 후면 전계를 형성하였다. 이후, 질산과 불산을 3:7 비율로 혼합하여 100 ml 산성 혼합 용액을 제조한 후, 상기 산성 혼합 용액의 2배 부피 비에 해당하는 200 ml의 물을 상기 산성 혼합 용액에 혼합하여 희석된 산성 혼합 용액을 제조하였다. 상기 희석된 산성 혼합 용액에 상기 후면 전계가 형성된 결정질 실리콘 기판을 약 30 ℃에서 20분 동안 침지시킨 후, 상기 실리콘 기판을 세척하고 건조하여 본 발명의 태양전지용 결정질 실리콘 기판을 제조하였다. 상기와 같이 제조된 실리콘 기판에서 패턴이 형성된 표면에 나노 다공성 구조가 형성된 부분을 주사전자현미경으로 촬영하여 도 1, 도 2 및 도 3에 나타내었다. 또한, 상기 실리콘 기판 상에 패턴이 형성되지 않은 부분을 주사전자현미경으로 촬영하여 도 4에 나타내었다. 이와 같이 제조된 본 발명의 태양전지용 결정질 실리콘 기판의 표면을 알루미늄 페이스트를 스크린 인쇄 방식으로 도포한 후 평균 670 ℃로 소성한 후, 제조된 실리콘 기판의 나노 다공성 구조의 홈에 알루미늄이 충전된 상태를 촬영하여 도 5 및 도 6에 나타내었다.A pattern was formed on the back side of the crystalline silicon wafer using a photolithography method to form the back side electric field. Thereafter, nitric acid and hydrofluoric acid were mixed at a ratio of 3: 7 to prepare a 100 ml acid mixed solution, and then 200 ml of water corresponding to a double volume ratio of the acid mixed solution was mixed with the acid mixed solution to dilute acid. Mixed solution was prepared. After immersing the crystalline silicon substrate having the back electric field in the diluted acidic mixed solution at about 30 ° C. for 20 minutes, the silicon substrate was washed and dried to prepare a crystalline silicon substrate for a solar cell of the present invention. The nanoporous structure formed on the patterned surface of the silicon substrate prepared as described above was photographed with a scanning electron microscope and shown in FIGS. 1, 2 and 3. In addition, the portion is not formed on the silicon substrate is shown in Figure 4 by scanning electron microscopy. The surface of the crystalline silicon substrate for solar cells of the present invention prepared as described above was coated with an aluminum paste by a screen printing method, and then fired at an average of 670 ° C., and then the aluminum was filled in the grooves of the nanoporous structure of the manufactured silicon substrate. Photographs are shown in FIGS. 5 and 6.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 나노 다공성 구조를 가진 선택적 패턴이 형성된 태양전지용 실리콘 기판은 실리콘 기판 상에 형성된 패턴 부분에만 나노 다공성 구조가 형성됨을 알 수 있다. 이와 같이 실리콘 기판 상에 형성된 패턴 부분에만 나노 다공성 구조를 형성할 수 있는 본 발명의 태양전지용 실리콘 기판의 제조 방법은 후면 전계를 위한 태양전지용 실리콘 기판의 제조 시 활용될 수 있으며, 본 발명에 따라 제조된 태양전지용 실리콘 기판은 개방 전압을 향상시킬 수 있다.1 to 6, it can be seen that the silicon substrate for a solar cell in which the selective pattern having the nanoporous structure of the present invention is formed has a nanoporous structure only on the pattern portion formed on the silicon substrate. As described above, the method for manufacturing a silicon substrate for a solar cell of the present invention capable of forming a nanoporous structure only on a pattern portion formed on a silicon substrate may be utilized in manufacturing a silicon substrate for a solar cell for a backside electric field, and manufactured according to the present invention. The solar cell silicon substrate can improve the open circuit voltage.
실험 예 1Experimental Example 1
본 실험 예 1에서는 아무 처리를 하지 않은 결정질 실리콘 기판, NaOH 강알칼리성 용액으로 표면 조직화 한 결정질 실리콘 기판 및 상기 결정질 실리콘 기판을 본 발명의 실시 예 1에 따라 희석된 산성 용액에 침지시켜 나노 다공성 구조를 형성시킨 결정질 실리콘 기판에 대해 반사도를 비교하기 위해, 빛을 조사하여 반사도를 비교한 사진을 촬영하여 도 7에 나타내었다. 또한, 상기 아무 처리를 하지 않은 결정질 실리콘 기판, NaOH 강알칼리성 용액으로 표면 조직화한 결정질 실리콘 기판 및 본 발명의 실시 예 1에 따라 희석된 산성 용액에 침지시켜 나노 다공성 구 조를 형성시킨 결정질 실리콘 기판을 반사도 및 투과도 등을 분석할 수 있는 장비인 UV-Vis spectrophotometer ((주)신코)를 이용하여 반사도를 측정한 결과를 도 8에 나타내었다.In Experimental Example 1, a nanoporous structure was obtained by immersing a crystalline silicon substrate which had not been treated, a crystalline silicon substrate surface-structured with a NaOH strongly alkaline solution, and the crystalline silicon substrate in a dilute acidic solution according to Example 1 of the present invention. In order to compare the reflectivity with respect to the formed crystalline silicon substrate, the photo is taken by comparing the reflectance by irradiating light is shown in FIG. In addition, the crystalline silicon substrate without any treatment, the crystalline silicon substrate surface-organized with NaOH strongly alkaline solution, and the crystalline silicon substrate immersed in an acid solution diluted in accordance with Example 1 of the present invention to form a nanoporous structure The results of measuring the reflectivity using the UV-Vis spectrophotometer (Shinko), which is a device capable of analyzing reflectance and transmittance, are shown in FIG. 8.
도 7에서 도 7의 (a), (b) 및 (c)는 각각 아무 처리를 하지 않는 결정질 실리콘 기판, NaOH 강알칼리성 용액으로 표면 조직화한 결정질 실리콘 기판 및 실시 예 1에서 제조한 나노 다공성 구조의 결정질 실리콘 기판으로서, 실시 예 1에서 제조한 나노 다공성 구조의 결정질 실리콘 기판이 가장 어둡게 나타났다. 도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명에 따라 제조한 실시 예 1의 나노 다공성 구조의 결정질 실리콘 기판의 반사도가 가장 낮은 것을 알 수 있고 이는 실리콘 기판 상의 나노 다공성 구조의 빛 가둠 효과에 기인한 것이다. 본 실험 예 1에서 알 수 있듯이 본 발명에 따라 제조된 나노 다공성 구조의 실리콘 기판은 반사도를 감소시킬 수 있다.7 to 7 (a), 7 (b) and 7 (c) illustrate a crystalline silicon substrate which is not treated at all, a crystalline silicon substrate surface-organized with a NaOH strongly alkaline solution, and the nanoporous structure prepared in Example 1, respectively. As the crystalline silicon substrate, the crystalline silicon substrate of the nanoporous structure prepared in Example 1 appeared darkest. 7 and 8, it can be seen that the reflectivity of the crystalline silicon substrate of the nanoporous structure of Example 1 prepared according to the present invention is the lowest, which is due to the light trapping effect of the nanoporous structure on the silicon substrate. . As can be seen in Experimental Example 1, the silicon substrate of the nanoporous structure manufactured according to the present invention can reduce the reflectivity.
도 1은 본 발명의 실시 예 1에서 제조한 결정질 실리콘 기판에서 나노 다공성 구조가 형성된 표면을 촬영한 3,000배 배율의 주사전자현미경 사진이다.1 is a scanning electron micrograph of 3,000 times magnification of the surface of the nanoporous structure formed on the crystalline silicon substrate prepared in Example 1 of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시 예 1에서 제조한 결정질 실리콘 기판에서 나노 다공성 구조가 형성된 표면을 촬영한 20,000배 배율의 주사전자현미경 사진이다.FIG. 2 is a scanning electron micrograph at 20,000 times magnification of a surface on which a nanoporous structure is formed in a crystalline silicon substrate prepared in Example 1 of the present invention.
도 3은 본 발명의 실시 예 1에서 제조한 결정질 실리콘 기판에서 나노 다공성 구조가 형성된 표면을 촬영한 150,000배 배율의 주사전자현미경 사진이다.3 is a scanning electron micrograph at 150,000 times magnification of the surface of the nanoporous structure formed on the crystalline silicon substrate prepared in Example 1 of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시 예 1에서 제조한 결정질 실리콘 기판에서 나노 다공성 구조가 형성되지 않은 표면을 촬영한 500배 배율의 주사전자현미경 사진이다.4 is a scanning electron micrograph at 500 times magnification of a surface where a nanoporous structure is not formed in the crystalline silicon substrate prepared in Example 1 of the present invention.
도 5는 본 발명의 실시 예 1에서 제조한 결정질 실리콘 기판에서 나노 다공성 구조의 홈에 알루미늄이 채워진 상태를 촬영한 1,000배 배율의 광학현미경 사진이다.FIG. 5 is an optical micrograph at 1,000 times magnification of a state where aluminum is filled in a groove of a nanoporous structure in a crystalline silicon substrate prepared in Example 1 of the present invention.
도 6은 본 발명의 실시 예 1에서 제조한 결정질 실리콘 기판에서 나노 다공성 구조의 홈에 알루미늄이 채워진 상태를 촬영한 500배 배율의 주사전자현미경 사진이다.FIG. 6 is a scanning electron micrograph at 500 times magnification of a state where aluminum is filled in a groove of a nanoporous structure in a crystalline silicon substrate prepared in Example 1 of the present invention.
도 7은 아무 처리를 하지 않은 결정질 실리콘 기판, NaOH 강알칼리성 용액으로 표면 조직화한 결정질 실리콘 기판 및 상기 결정질 실리콘 기판을 본 발명의 실시 예 1에 따라 희석된 산성 용액에 침지시켜 나노 다공성 구조를 형성시킨 결정질 실리콘 기판에 대해 빛을 조사하여 반사도를 비교한 사진이다.FIG. 7 illustrates a nanoporous structure formed by immersing a crystalline silicon substrate which is not treated, a crystalline silicon substrate surface-organized with a NaOH strongly alkaline solution, and the crystalline silicon substrate in a dilute acidic solution according to Example 1 of the present invention. It is a photograph comparing the reflectivity by irradiating light to the crystalline silicon substrate.
도 8은 아무 처리를 하지 않은 결정질 실리콘 기판, NaOH 강알칼리성 용액으 로 표면 조직화 한 결정질 실리콘 기판 및 상기 단결정질 실리콘 기판을 본 발명의 실시 예 1에 따라 희석된 산성 용액에 침지시켜 나노 다공성 구조를 형성시킨 결정 실리콘 기판을 UV-Vis 분광기를 이용하여 반사도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.FIG. 8 shows a nanoporous structure by immersing a crystalline silicon substrate without any treatment, a crystalline silicon substrate surface-structured with a NaOH strongly alkaline solution, and the single crystalline silicon substrate in a dilute acidic solution according to Example 1 of the present invention. It is a graph showing the result of measuring the reflectivity of the formed crystalline silicon substrate using a UV-Vis spectrometer.
도 9는 본 발명의 실시 예 1에 따라 결정질 실리콘 웨이퍼에 사진 식각 공정과 희석된 혼합 산성 용액에 의한 식각 처리 과정을 거친 후, 알루미늄 페이스트를 스크린 인쇄하여 열처리하여 제조된, 공용 유리질층 후면 전계가 형성된 실리콘 기판의 제조 과정을 나타낸 공정 흐름도이다.FIG. 9 is a common vitreous layer back surface field prepared by performing a photolithography process and an etching process using a diluted mixed acidic solution on a crystalline silicon wafer according to Example 1 of the present invention, and then screen-printing and heating an aluminum paste. It is a process flowchart showing the manufacturing process of the formed silicon substrate.
도 10은 본 발명의 일 실시 형태에 따라 나노 다공성 구조를 가진 선택적 패턴이 형성된 결정실 실리콘 기판의 뒷면 및 상기 태양전지용 실리콘 기판 뒷면에 알루미늄 페이스트를 스크린 인쇄하여 열처리함으로써 후면 전계가 형성된 상태를 나타낸 도면이다.FIG. 10 is a view showing a state in which a back electric field is formed by screen-printing and heat-treating an aluminum paste on the back side of a crystal chamber silicon substrate on which a selective pattern having a nanoporous structure is formed and the back side of the silicon substrate for solar cells according to an embodiment of the present invention. to be.
Claims (12)
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| KR20190123855A (en) | 2018-04-25 | 2019-11-04 | 금오공과대학교 산학협력단 | Method for manufacturing multi-scale silicon pattern and device manufactured by the same |
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