KR101093008B1 - 태양전지의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지의 제조 공정 중에서 입사광을 효과적으로 포획하기 위한 표면 구조화 공정을 개선함으로써 대량 생산에 적합하여 생산성을 향상시킬 수 있는 태양전지의 제조 방법을 개시한다.
본 발명의 태양전지의 제조 방법은, 기판을 세정하는 단계, 기판의 표면을 구조화하는 단계, 불순물 도핑 및 확산 공정을 하는 단계, 반사 방지막을 코팅하는 단계, 금속 전극을 형성하는 단계, 그리고 모서리 전극을 단락하는 단계를 포함하며, 상기 기판의 표면을 구조화하는 단계는 기판에 일정한 형상의 마스크를 임프린트 공정으로 프린팅하는 단계, 기판을 에칭하는 단계, 마스크를 제거하는 단계를 포함한다.
태양광, 전지, 임프린트, 텍스처링, 표면, 구조화, 입사광
Description
본 발명은 태양전지의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양전지의 제조 공정 중에서 입사광을 효과적으로 포획하기 위한 표면 구조화 공정을 개선함으로써 대량 생산에 적합하여 생산성을 향상시킬 수 있는 태양전지의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 태양전지는 빛에너지를 흡수, 전하(정공, 전자)를 생성, 분리, 수집하여 외부에 전기 에너지를 공급하는 것이다. 즉, 태양전지는 외부에서 들어온 빛에 의해 태양전지의 반도체 내부에서 전자와 정공의 쌍(Ecletron Hole Pair)이 생성된다. 이러한 전자와 정공의 쌍에서 전자가 pn 접합에서 발생한 전기장에 의해 n형 반도체로 이동하고 정공이 p형 반도체로 이동함으로써 전력을 생산한다.
이러한 태양전지는 효율을 높이기 위한 하나의 방법으로 기판의 표면을 구조화(surface texturing)하여 빛의 흡수를 극대화시키게 된다. 이러한 기판의 표면 구조화는 일반적으로 포토리소그래피(photolithography)를 이용하는 방법이 이용된다.
종래의 표면 구조화를 위한 포토리소그래피 공정(S100)은, 도 10에 도시하고 있는 바와 같이, 세정된 기판에 포토레지스트를 코팅(S101)한 후 포토레지스트를 베이킹(S103)하고, 자외선을 노출(S105)한 후에 포토레지스트를 하드 베이킹(S107)하고, 현상(S109), 에칭(S111), 그리고 포토레지스트를 제거(S113)하는 과정을 포함한다.
이러한 포토리소그래피 공정은 기판의 표면 구조화를 하는데 있어서 제조 공정이 길어지고 생산비용이 증대되어 대량 생산에 적용하는데 어려운 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로써, 본 발명의 목적은 대량생산 공정에 적합한 기판의 표면 구조화 공정을 통하여 제조 공정을 단축시키고 생산비용을 줄여 대량 생산을 할 수 있는 태양전지의 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 기판을 세정하는 단계, 상기 기판을 세정하는 단계 후에 상기 기판의 표면을 구조화하는 단계, 상기 기판의 표면을 구조화하는 단계 후에 상기 기판에 불순물 도핑 및 확산 공정을 하는 단계, 상기 불순물 도핑 및 확산 공정을 하는 단계 후에 상기 기판에 반사 방지막을 코팅하는 단계, 상기 반사 방지막을 코팅하는 단계 후에 상기 기판에 금속 전극을 형성하는 단계, 그리고 상기 금속 전극을 형성하는 단계 후에 모서리 전극을 단락하는 단계를 포함하며,
상기 기판의 표면을 구조화하는 단계는 상기 기판에 일정한 형상의 마스크를 임프린트 공정으로 프린팅하는 단계, 상기 임프린트 공정 후에 상기 기판을 에칭하는 단계, 상기 기판을 에칭하는 단계 후에 마스크를 제거하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조 방법을 제공한다.
상기 임프린트 공정으로 상기 마스크를 프린팅하는 단계는 패턴이 형성된 몰드에 마스크액을 묻혀 상기 기판에 프린팅하는 것이 바람직하다.
상기 임프린트 공정으로 상기 마스크를 프린팅하는 단계는 상기 기판의 일면에 마스크액을 도포한 후 패턴이 형성된 몰드를 접촉하여 마스크 패턴을 형성하는 것이 바람직하다.
상기 마스크는 격자 모양으로 프린팅되는 것이 바람직하다.
상기 마스크는 원 모양으로 다수가 일정한 간격으로 프린팅되는 것이 바람직하다.
상기 마스크는 직경 또는 선의 폭이 0.05㎛ ~ 2㎛의 범위로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 마스크는 포토레지스트로 이루어지는 바람직하다.
상기 마스크는 전자 빔 레지스트로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 몰드는 평판 또는 롤러로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 기판은 결정질 실리콘으로 이루어지는 것이 바람직하다.
이와 같은 본 발명은 태양전지를 제조하는 과정에서 표면 구조화 공정(Surface texturing process)을 임프린트(imprint) 공정으로 구현함으로써 제조 공정을 단축시키고 생산비용을 줄이며 대량 생산(양산)을 용이하게 할 수 있는 효과를 가진다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시 예를 설명하기 위한 순서도로, 태양전지의 제조 방법을 도시하고 있다.
본 발명의 실시 예의 태양전지의 제조 방법은, 기판을 세정하는 단계(S1), 기판의 표면을 구조화(surface texturing)하는 단계(S3), 불순물 도핑 및 확산 단계(S5), 반사 방지막 코팅 단계(S7), 금속 전극 형성 단계(S9), 그리고 모서리 전극 단락 단계(S11)를 포함한다.
본 발명의 실시 예에서 사용되는 기판(substrate)은 결정질 실리콘이 사용되는 것이 바람직하다. 그러나 본 발명의 실시 예에서 기판이 결정질 실리콘이 사용되는 것에 한정되는 것은 아니며 경우에 따라서는 박막형 실리콘 태양전지에 사용되는 기판이 적용될 수 있다.
기판의 표면을 구조화(표면 텍스처링 또는 표면 조직화라고도 함, surface texturing)하는 단계(S3)는 마스크 임프린트(Mask imprint) 공정(S31), 에칭(S33), 그리고 마스크 제거(S35) 단계를 포함한다.
마스크 임프린트 공정(S31, imprint process)은 포토레지스트(photoresist) 또는 전자빔 레지스트(electron beam resist)로 이루어지는 일정한 패턴의 마스크를 기판에 프린팅하는 것이다.
도 2는 임프린트 공정(S31)을 도식화하여 나타낸 도면이다. 본 발명의 실시 예의 임프린트 공정(S31)은 도 2를 통하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 몰드(Mo)에는 일정한 패턴(Pa)을 형성한다. 이러한 패턴(Pa)은 일정한 간격을 이루면서 예를 들면, 격자 모양으로 돌출되어 이루어질 수 있다. 물론, 본 발명의 실시 예에서는 몰드(Mo)에 형성되는 패턴(Pa)이 격자 모양으로 이루어지는 것은 격자 모양의 마스크(Ma, 도 6에 도시하고 있음)가 제공되어 에칭 후에 기판(G)의 표면이 역피라미드(IP, inverted pyramids, 도 7에 도시하고 있음) 형상을 가지도록 하는 것이다.
이와 같이 기판의 표면이 역피라미드 구조를 가지면 표면 반사 손실을 줄이고 빛을 가두어 광 흡수율을 높일 수 있다. 그러나 본 발명의 실시 예에서는 이러한 역피라미드 형상을 구현하기 위하여 몰드의 패턴이 격자 무늬를 가지는 것에 한정되는 것은 아니며 원 또는 사각 모양의 돌출부가 일정한 간격을 이루어 에칭 후에 정피라미드(pyramids) 구조를 가지거나 또는 요철의 구조를 가질 수 있다.
이때 몰드(Mo)는 연질의 투명 또는 반투명한 합성수지가 사용될 수 있으며, PDDP와 같은 수성 우레탄 재질이나 PDMS(Poly Dimethylsiloxane)와 같은 재질이 사용될 수 있다. 특히, PDMS 재질은 안정적인 점착력을 얻을 수 있으며, 성형 및 가공성이 우수하고, 만족할 만한 내구성 등을 얻을 수 있는 것으로 알려져 있으므로 본 발명의 실시 예의 몰드에 사용될 수 있다.
이러한 패턴이 형성된 평판형 몰드(Mo)의 일면에 용융 상태의 마스크(Ma) 액을 묻힌다(도 2의(a)에 도시함). 그리고 몰드(M)를 이동시켜 몰드(M)의 패턴(pa)에 묻은 마스크(Ma) 액 부분을 기판(G)에 밀착시킨다(b). 그리고 몰드(M)를 기판(G)에서 떼어내면 마스크(Ma) 액이 기판(G)에 프린팅된다(c).
이때 마스크(Ma)는 격자형으로 이루어질 수 있으며 또는 일정한 간격을 가지면서 다수의 원형으로 이루어질 수 있다. 이러한 마스크(Ma)는 그 직경 또는 선폭 이 0.05㎛ ~ 2㎛의 범위로 이루어지는 것이 바람직하다. 마스크(Ma)가 상술한 범위를 벗어나는 경우에는 표면 구조화 이후에 빛을 집속할 수 있는 효율이 반감될 수 있다.
한편, 마스크 임프린트 공정에 이용되는 장치는, 도 3에 도시하고 있는 바와 같이, 기판(G)이 놓여지는 베이스(1), 베이스(1)에 일정한 거리가 떨어져 위쪽에 배치되는 몰드(Mo), 그리고 이 몰드(Mo)를 고정할 수 있으며 몰드(Mo)를 상, 하로 이동시키는 홀더(h)들을 포함하고 있다.
이러한 임프린트 공정을 수행할 수 있는 장치는 몰드(Mo)를 상, 하로 이동시키면서 기판(G)에 밀착시키거나 또는 기판(G)에서 몰드(Mo)가 떨어지도록 할 수 있다. 이러한 장치는 본 발명의 실시 예에서 설명한 예에 한정되는 것은 아니며 다양한 구조로 이루어지는 장치가 사용될 수 있다.
이와 같이 임프린트 공정(S31)이 진행된 후에 에칭 용액 등을 사용하여 에칭 공정을 수행한다(S33, 도 2에서 (d)에 도식화하여 표시하고 있음). 이때 에칭 공정에서 언더 컷이 이루어지면서 마스크의 저면의 일부에서도 에칭이 이루어지게 된다. 습식 에칭을 통하여 표면의 구조화가 어려운 경우에는 건식 에칭으로 플라즈마를 이용하여 불화가스를 주입하여 표면의 조직화를 실행할 수 있다.
그리고 에칭 단계 후(S33)에 마스크를 제거한다(S35, 도 2에서는 (e)에 도식화하여 표시함).
계속해서 마스크를 제거하는 단계(S35) 후에 불순물 도핑 및 확산 공정을 수행한다(S5). 그리고 반사 방지막 코팅(anti-reflection coating) 단계를 수행한 다(S7). 반사 방지막은 태양전지 표면에서 빛의 반사 손실을 줄이기 위해 형성시킨 얇은 박막이다. 이러한 반사 방지막은 SiNx를 스퍼터장비 또는 화학기상증착(PECVD, plasma enhanced chemical vapor deposition) 장비로 형성할 수 있다.
그리고 반사 방지막 코팅 단계(S7) 후에 금속 전극을 형성한다(S9). 금속 전극은 태양전지의 전면과 후면에 스크린 인쇄들을 통하여 형성할 수 있다.
그리고 반사 방지막 코팅 단계(S7) 후에 모서리 전극 단락 단계를 수행한다(S11). 태양전지 과정에서 pn접합을 수행하면 전면, 측면, 후면 모두 불순물이 확산하게 된다. 그리고 금속이 미도포된 부분에서 누설전류가 발생하기 때문에 pn접합 분리가 필요하다.
이와 같이 본 발명의 실시 예는 기판의 표면 구조화 단계에서 기존의 포토리소그래피 공정에 비하여 제조 공정수를 현저하게 줄일 수 있으므로 비용 절감을 통하여 생산성을 향상시킴은 물론 대량 생산을 용이하게 할 수 있다.
도 4와 도 5는 본 발명의 다른 실시 예를 설명하기 위한 도면으로, 기판에 마스크를 형성하는 방법의 다른 예를 도시하고 있다. 상술한 실시 예에서는 몰드(Mo)에 마스크(Ma) 액을 묻혀 기판에 밀착시켜 프린팅하는 예를 도시하여 설명하였으나, 본 발명의 다른 실시 예에서는 기판의 일면에 포토레지스트 등의 마스크(Ma) 액을 도포하고 패턴(pa)이 형성된 몰드로 가압하여 마스크(Ma)를 형성하는 것이다(도 5에 도시함).
이때 몰드(Mo)는 상술한 실시 예와 비교하여 볼 때 음각으로 패턴이 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 본 발명의 다른 실시 예는 발명의 실시 예를 다양하게 실시할 수 있음을 보여주는 것이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예를 설명하기 위한 도면으로, 롤러(R) 모양으로 이루어지는 몰드를 이용하여 기판에 마스크를 임프린트하는 예를 도시하고 있다. 이러한 다른 실시 예는 상술한 실시 예의 설명과 비교하여 다른 점만을 설명하기로 한다. 즉, 상술한 실시 예는 기판의 표면 구조화를 하는 단계에서 평판형의 몰드를 이용하여 마스크를 형성하는 기술을 개시하고 있지만, 본 발명의 다른 실시 예에서는 롤러 모양으로 이루어지는 몰드를 이용하여 마스크를 형성하는 점에 차이가 있다. 즉, 롤러 모양의 몰드의 외주면에 패턴이 돌출되어 제공되고, 이 패턴 상에 마스크 액을 묻혀 회전시키면서 기판에 마스크를 프린팅하는 것이다.
이러한 본 발명의 다른 실시 예는 다양한 방법으로 임프린트를 구현할 수 있어 본 발명을 다양하게 실시할 수 있음을 보여주는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예를 설명하기 위하여 태양전지의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예를 설명하기 위하여 표면 구조화 공정(Surface texturing process)을 순서대로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예의 표면 구조화 공정에 사용되는 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4와 도 5는 본 발명의 다른 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예를 설명하기 위하여 기판의 일면에 격자형 마스크가 프린트된 예를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예를 설명하기 위하여 도 7의 예를 통하여 기판의 표면 구조화가 이루어진 상태를 도시한 도면이다.
도 8은 마스크를 기판에 프린팅하는 다른 예를 도시한 도면이다.
도 9는 태양전지의 제조 방법의 종래 기술을 설명하기 위한 순서도이다.
Claims (10)
- 기판을 세정하는 단계,상기 기판을 세정하는 단계 후에 상기 기판의 표면을 구조화하는 단계,상기 기판의 표면을 구조화하는 단계 후에 상기 기판에 불순물을 도핑 및 확산하는 단계,상기 불순물을 도핑 및 확산하는 단계 후에 상기 기판에 반사 방지막을 코팅하는 단계,상기 반사 방지막을 코팅하는 단계 후에 금속 전극을 형성하는 단계, 그리고상기 금속 전극을 형성하는 단계 후에 모서리 전극을 단락하는 단계를 포함하며,상기 기판의 표면을 구조화하는 단계는상기 기판에 일정한 형상의 마스크를 임프린트 공정으로 프린팅하는 단계,상기 임프린트 공정 후에 상기 기판을 에칭하는 단계,상기 기판을 에칭하는 단계 후에 마스크를 제거하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 임프린트 공정으로 상기 마스크를 프린팅하는 단계는패턴이 형성된 몰드에 용융상태의 포토레지스트 또는 전자빔 레지스트를 묻혀 상기 기판에 프린팅하는 태양전지의 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 임프린트 공정으로 상기 마스크를 프린팅하는 단계는상기 기판의 일면에 용융상태의 포토레지스트 또는 전자빔 레지스트를 도포한 후 패턴이 형성된 몰드를 접촉하여 일정한 패턴의 마스크를 형성시키는 태양전지의 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 마스크는격자 모양으로 프린팅되는 태양전지의 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 마스크는원 모양으로 다수가 일정한 간격으로 프린팅되는 태양전지의 제조 방법.
- 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,상기 마스크는직경 또는 선폭이 0.05㎛ ~ 2㎛의 범위로 이루어지는 태양전지의 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 마스크는포토레지스트로 이루어지는 태양전지의 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 마스크는전자 빔 레지스트로 이루어지는 태양전지의 제조 방법.
- 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,상기 몰드는평판 또는 롤러로 이루어지는 태양전지의 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 기판은결정질 실리콘으로 이루어지는 태양전지의 제조 방법.
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