KR101103144B1 - 후면전극형 태양전지 제조 방법 - Google Patents

후면전극형 태양전지 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 건식 식각 방식을 사용하여 기판의 표면 텍스쳐링을 진행할 수 있도록 하는 후면전극형 태양전지 제조 방법에 관한 것으로, 기판을 준비하는 단계와; 불순물 이온의 주입·확산 공정을 통해 상기 기판의 후면에 제1도전형 불순물 도핑 영역과 제2도전형 불순물 도핑 영역을 형성하고, 상기 기판의 전면에 제1도전형 불순물 도핑층을 형성하는 단계와; 상기 확산 공정 시의 열처리에 의해 기판의 전후면에 산화막이 형성되는 단계와; 건식 식각 방식을 통해 상기 기판의 전면을 텍스쳐링하는 단계와; 상기 텍스쳐링을 마친 기판 표면의 잔사 및 손상을 제거하는 단계와; 금속 공정을 진행하여 상기 제1도전형 불순물 도핑 영역 및 상기 제2도전형 불순물 도핑 영역에 각각 접촉하는 전극을 형성하는 단계를 수행함으로써, 기판 표면에 요철을 균일하게 형성하면서, 후면전극형 태양전지 제조를 위한 전체 공정 절차를 단순화시키고 제조 비용을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

후면전극형 태양전지 제조 방법{Back Contact Solar Cell Fabrication Method}
본 발명은 후면전극형 태양전지 제조 방법에 관한 것으로, 특히 건식 식각 방식을 사용하여 기판의 표면 텍스쳐링을 진행함으로써, 기판 표면에 요철을 균일하게 형성하면서, 후면전극형 태양전지 제조를 위한 전체 공정 절차를 단순화시키고 제조 비용을 저감시킬 수 있도록 하는 후면전극형 태양전지 제조 방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심소자로서, 기본적으로 p-n 접합으로 이루어진 다이오드(Diode)라 할 수 있다.
태양광이 태양전지에 의해 전기로 변환되는 과정을 살펴보면, 태양전지에 태양광이 입사되어 태양전지 내부에 전자-정공 쌍이 생성되고, 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 이동하게 되어 p-n 접합부 사이에 광기전력이 발생되며, 이때 태양전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산할 수 있게 된다.
한편, 태양전지는 p-n 접합층인 광흡수층의 형태나 불순물 이온 종류에 따라 다양하게 구분되는데 광흡수층으로는 대표적으로 실리콘(Si)을 들 수 있으며, 이와 같은 실리콘계 태양전지는 형태에 따라 실리콘 웨이퍼를 광흡수층으로 이용하는 실리콘 기판형과, 실리콘을 박막 형태로 증착하여 광흡수층을 형성하는 박막형으로 구분된다.
실리콘계 태양전지 중 실리콘 기판형의 일반적인 구조를 예들 들어 살펴보면 다음과 같다.
제1도전형 반도체층과 제2도전형 반도체층이 순차적으로 적층되며, 제2도전형 반도체층의 상부에 전면전극이 구비되고 제1도전형 반도체층의 하부에 후면전극이 구비된 구조를 갖는다. 이때, 제1도전형 반도체층 및 제2도전형 반도체층은 하나의 실리콘 기판에 구현되는 것으로서, 실리콘 기판의 하부는 제1도전형 반도체층, 실리콘 기판의 상부는 제2도전형 반도체층으로 구분되며, 제2도전형 반도체층은 일반적으로 제1도전형 반도체층에 제2도전형 불순물 이온을 도핑(Doping), 확산(Diffusion)시켜 형성된다.
이러한, 실리콘계 태양전지의 제조방법을 살펴보면, 제1도전형의 실리콘 기판을 준비하고, 준비된 실리콘 기판의 표면 텍스쳐링, 제2도전형 불순물 이온 주입 및 확산, 전면전극 및 후면전극 형성 등의 공정을 거쳐 제조된다. 이때, 전면전극 및 후면전극의 형성 전에 산화막 제거, 반사방지막 형성 공정 등이 진행될 수도 있다.
한편, 최근에는 이러한 양면전극형 태양전지에 비해 전면의 수광면적을 넓혀 광전 변환 효율을 증대시키기 위해 후면에 양극과 음극을 모두 형성한 태양전지가 개발되고 있다.
이러한 후면전극형 태양전지의 제조 시에는 레이저를 이용하여 홀을 뚫은 후, 전면의 전극을 후면으로 끌어내 형성하는 공정을 통해 실리콘 기판의 후면에 양극과 음극을 모두 형성하는 방법을 사용하기도 하지만, 불순물 이온의 주입·확산 공정을 통해 실리콘 기판의 후면에 에미터(Emitter) 영역과 베이스(Base) 영역을 형성하고, 그 형성된 각 영역에 접촉하도록 금속재의 그리드를 형성하여 양극 및 음극을 모두 기판의 후면에 형성하는 방법을 사용하는 것이 일반적이다.
종래의 후면전극형 태양전지 제조 방법을 살펴보면, 먼저 제1도전형의 기판을 준비한 다음, 제1도전형 불순물 이온 및 제2도전형 불순물 이온의 주입·확산 공정을 통해 기판의 후면에 일정 깊이를 갖는 제1도전형 불순물 도핑 영역과 제2도전형 불순물 도핑 영역을 형성하고, 기판의 전면, 즉 기판의 상층부에 일정 깊이를 갖는 제1도전형의 불순물 도핑층을 형성한다. 이때, 기판의 전후면에는 확산 공정시의 열처리에 의해 PSG(Phosphorus Silicate Glass) 또는 BSG(Boron Silicate Glass) 등의 산화막이 형성된다. 아울러, 기판의 상층부에 형성된 제1도전형의 불순물 도핑층은 기판의 하층부에 비해 고농도의 불순물 농도를 갖는다.
이후, 기판의 후면에 레지스트 등의 보호막을 적층한 후, 습식 식각 방식을 통해 기판 표면의 산화막을 제거한다. 이때, 기판의 후면에 형성된 산화막은 보호막에 의해 제거되지 않는다.
그 다음, 습식 식각 방식을 통해 보호막을 제거한 후, 다시 습식 식각 방식을 통해 기판의 표면 텍스쳐링을 진행한다. 이때, 습식 식각 방식을 통한 텍스쳐링에 의해 기판의 상층부에 얇게 형성되어 있던 제1도전형 불순물 도핑층이 제거되며, 기판의 전면은 요철 구조를 형성하게 된다. 한편, 기판의 후면은 산화막에 의해 보호되어 식각이 일어나지 않게 된다.
이후, 기판의 전면 부분의 전계 형성을 위해 제1도전형 불순물 이온의 주입·확산 공정을 통해 기판의 상층부에 제1도전형의 불순물 도핑층을 다시 형성한다. 이때, 기판의 전후면에는 확산시의 열처리에 의해 산화막이 형성된다.
그 다음에는, 제1도전형의 불순물 도핑층 위에 반사방지막(ARC: Anti-Reflective Coating)을 형성하고, 기판의 후면에 형성된 각 불순물 도핑 영역에 접촉하도록 금속재의 그리드를 패터닝하여 기판의 후면에 양극 및 음극 전극을 형성한다. 제1도전형의 불순물 도핑층과 반사방지막 사이에는 이전의 확산 공정 시 열처리에 의해 형성된 산화막이 구비된다.
그러나, 이와 같은 종래의 후면전극형 태양전지 제조 방법에 따르면, 기판 표면 텍스쳐링 시 식각 정도를 정밀 제어할 수 없는 습식 식각 방식을 사용함에 따라, 기판 표면에 요철이 불규칙한 형태로 형성되어 빛 반사도가 높아지고 그로 인해 광흡수율이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 기판 표면 텍스쳐링 이전에 기판의 상층부에 이미 형성되어 있던, 기판의 전면 부분의 전계 형성을 담당하는 제1도전형 불순물 도핑층이 제거됨에 따라, 다시 제1도전형 불순물 이온 주입·확산 공정을 수행하여 제1도전형 불순물 도핑층을 형성해야만 하며, 기판의 전면만을 텍스쳐링하기 위해 기판의 후면에 보호막을 형성하는 공정을 필히 수행해야만 하고, 이처럼 보호막 형성 공정이나 확산 공정 시의 열처리 공정을 여러번 시행함에 따라, 보호막 제거 및 산화막 제거 등을 위한 식각 및 세정 공정을 여러번 수행해야만 하기 때문에, 공정 절차가 복잡하며 그로 인해 전체 공정이 지연되고, 과다한 식각 및 세정 물질의 소비로 인해 많은 제조 비용이 소요되는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 안출하기 위한 것으로, 건식 식각 방식을 사용하여 기판의 표면 텍스쳐링을 진행함으로써, 기판 표면에 요철을 균일하게 형성하면서, 후면전극형 태양전지 제조를 위한 전체 공정 절차를 단순화시키고 제조 비용을 저감시킬 수 있도록 하는 후면전극형 태양전지 제조 방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지 제조 방법은, 기판을 준비하는 단계와; 불순물 이온의 주입·확산 공정을 통해 상기 기판의 후면에 제1도전형 불순물 도핑 영역과 제2도전형 불순물 도핑 영역을 형성하고, 상기 기판의 전면에 제1도전형 불순물 도핑층을 형성하는 단계와; 상기 확산 공정 시의 열처리에 의해 기판의 전후면에 산화막이 형성되는 단계와; 건식 식각 방식을 통해 상기 기판의 전면을 텍스쳐링하는 단계와; 상기 텍스쳐링을 마친 기판 표면의 잔사 및 손상을 제거하는 단계와; 금속 공정을 진행하여 상기 제1도전형 불순물 도핑 영역 및 상기 제2도전형 불순물 도핑 영역에 각각 접촉하는 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 기판의 전면을 텍스쳐링하는 단계에서는, 상기 기판의 전면에 형성된 산화막이 제거되고, 상기 기판의 전면에 크기가 균일한 요철 구조가 형성되는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 기판의 전면을 텍스쳐링하는 단계에서는, 상기 제1도전형 불순물 도핑층의 두께가 감소되며, 이때 상기 제1도전형 불순물 도핑층의 상층부에 구비된 데드 레이어도 제거되는 한편, 이로 인해 상기 제1도전형 불순물 도핑층의 불순물 농도가 낮아지게 되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 기판의 전면을 텍스쳐링하는 단계에서는, 상기 기판의 전후면 중 한 쪽면만을 식각할 수 있으며, 식각 깊이를 조절할 수 있는 RIE(Reactive Ion Etch) 방식을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 따른 후면전극형 태양전지 제조 방법에 의하면, 건식 식각 방식을 사용하여 기판의 표면 텍스쳐링을 진행함으로써, 기판 표면에 요철을 균일하게 형성하면서, 후면전극형 태양전지 제조를 위한 전체 공정 절차를 단순화시키고 제조 비용을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지 제조 방법을 순차적으로 도시한 순서도.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 후면전극형 태양전지 제조 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지 제조 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 제1도전형의 실리콘 재질의 기판(10)을 준비한다(S100). 여기서, 제1도전형은 n형 또는 p형일 수 있으며, 이하에서는 제1도전형은 n형인 것을 일 예로 들어 설명하기로 한다.
상기한 단계 S100에서는 기판(10)의 커팅 공정의 결과로 생성된 결함 부분을 제거하기 위하여 화학적 방식으로 기판(10)을 식각하는 쏘 데미지 에칭(Saw Damage Etching) 공정을 진행하게 된다. 이때 식각 용액으로 수산화칼륨(KOH) 용액 등을 사용하여 기판(10)의 표면을 전체적으로 일정 깊이(예를 들어, 약 30㎛ 이하의 깊이)만큼 식각한 후, DIW(Deionized Water) 등을 사용하여 세정하는 것이 바람직하다. 아울러, 쏘 데미지 에칭(Saw Damage Etching) 공정 이후에는, 산(Acid) 텍스쳐링 공정 또는 알카리(Alkaline) 텍스쳐링 공정 등이 진행되는 것이 바람직하다.
상기한 단계 S100을 통해 기판(10)이 준비된 상태에서, 불순물 이온의 주입·확산 공정을 통해 기판(10)의 후면, 즉 하층부에 일정 깊이를 갖고 연접된 제1도전형 불순물 도핑 영역(14)과 제2도전형 불순물 도핑 영역(13)을 형성하고, 기판(10)의 전면, 즉 기판(10)의 상층부에는 일정 두께의 제1도전형 불순물 도핑층(15)을 형성한다(S110).
상기한 단계 S110을 통해 기판(10)의 상층부에 형성된 제1도전형 불순물 도핑층(15)은 기판(10)의 중층부에 비해 고농도의 불순물 농도를 갖는다.
상기한 단계 S110을 구체적으로 살펴보면, 먼저 제2도전형 불순물 이온의 주입·확산 공정을 수행하여 도 2에 도시된 바와 같이, 기판(10)의 상하층부에 각각 일정 두께(예를 들어, 약 1.8㎛의 두께)의 제2도전형 불순물 도핑층(11, 12)을 형성한다. 이때, 기판(10)의 상하부 표면에는 확산 공정 시의 열처리에 의해 산화막(20, 21)이 형성된다. 이후, 사진 식각 공정 등을 진행하여 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(10)의 전면에 형성된 산화막(20)을 제거함과 동시에 기판(10)의 후면에 형성된 산화막(21)을 패터닝한 후, 패터닝된 산화막(21)을 마스크로 하여 기판(10) 표면을 전체적으로 일정 깊이(예를 들어, 약 3㎛의 깊이)만큼 식각함으로써, 기판(10) 후면의 일정 영역에만 제2도전형 불순물 도핑 영역(13)을 형성한 다음, 패터닝된 산화막(21)을 제거하지 않은 상태에서 제1도전형 불순물 이온의 주입·확산 공정을 수행함으로써, 도 4에 도시된 바와 같이, 기판(10)의 후면 중 제2도전형 불순물 도핑 영역(13)이 형성되지 않은 부위에 일정 깊이(예를 들어, 약 0.9㎛의 깊이)의 제1도전형 불순물 도핑 영역(14)을 형성함과 동시에, 기판(10)의 상층부에 일정 두께(예를 들어, 약 0.9㎛의 두께)의 제1도전형 불순물 도핑층(15)을 형성하게 된다.
상기한 단계 S110에 의해 형성된 제1도전형 불순물 도핑층(15)은 n+ 층으로 이루어지며, 기판(10)의 전면에서 전계를 형성하는 역할을 담당하고, 제2도전형 불순물 도핑층(11, 12)은 p+ 층으로 이루어지고, 제1도전형 불순물 도핑 영역(14)은 n+ 영역으로 이루어지며, 제2도전형 불순물 도핑 영역(13)은 p+ 영역으로 이루어지게 된다. 여기서, 제1도전형 불순물 도핑층(15)은 그 두께에 비례하는 불순물 농도를 가지며, 비활성화된 불순물 원자가 밀집되어 있는 데드 레이어(Dead Layer)를 상층부에 구비한다.
한편, 상기한 단계 S110에서 확산 공정 시의 열처리에 의해 기판(10)의 전후면에는 산화막(20, 21)이 형성된다(S120).
상기한 단계 S120을 통해 형성된 산화막(20, 21)은 PSG(Phosphorus Silicate Glass) 및 BSG(Boron Silicate Glass) 중 적어도 하나 이상으로 구성될 수 있다.
상기한 단계 S120 이후, 폴리머 등으로 이루어진 알갱이를 스퍼터링 방식으로 기판(10)의 전면에 증착시키고, 기판(10)의 전면에 증착된 알갱이를 마스크 패턴으로 하여 식각용 플라즈마를 기판(10)의 전면을 향해 방출함으로써 기판(10)을 식각하는 건식 식각(Dry Etching) 방식을 통해 기판(10)의 전면만을 텍스쳐링한다(S130).
상기한 단계 S120을 통해 기판(10)의 전면에 형성된 산화막(20)은 상기한 단계 S130에서의 텍스쳐링 시의 건식 식각에 의해 제거되는 것이 바람직하다.
아울러, 상기한 단계 S130을 통해 도 5에 도시된 바와 같이, 제1도전형 불순물 도핑층(15)의 두께가 감소하며, 기판(10)의 전면에는 그 크기가 균일한 요철 구조가 형성된다. 예를 들어, 상기한 단계 S130을 통해 기판(10)의 전면에 200 nm ~ 500 nm 정도 크기의 미세 돌기가 균일하게 형성되어 요철 구조를 이루며, 이에 따라 기판(10) 전면에서의 빛 반사도를 최소화시킬 수 있게 된다.
즉, 상기한 단계 S130을 통해 기판(10)의 전면에 형성되어 있던 산화막(20)이 제거됨과 동시에, 제1도전형 불순물 도핑층(15)의 두께가 일정 두께(예를 들어, 약 0.4㎛의 두께)로 감소되며, 이때 제1도전형 불순물 도핑층(15)의 상층부에 구비된 데드 레이어도 제거되는 한편, 이로 인해 제1도전형 불순물 도핑층(15)의 불순물 농도가 낮아지게 된다. 그러면, 제1도전형 불순물 도핑층(15)의 면저항이 약 40Ω/□에서 100Ω/□ 정도로 증가하게 되는 한편, 표면 재결합 속도가 감소하게 되어, 결과적으로 태양전지의 광발전 효율이 향상된다.
예를 들어, 상기한 단계 S130에서는 보호막 없이도 기판(10)의 전후면 중 한 쪽면만을 텍스쳐링할 수 있으며, 텍스쳐링 시 식각 깊이 조절할 수 있는 RIE(Reactive Ion Etch) 등과 같은 식각 방식을 사용함으로써, 기판(10)의 전면에서 전계 형성을 담당하는 제1도전형 불순물 도핑층(15)의 두께를 조절하여 제1도전형 불순물 도핑층(15)의 불순물 농도, 면저항 및 기판(10)의 표면에서 발생하는 재결합 속도를 제어할 수 있다.
상기한 단계 S130 다음에는, 습식 식각 공정 및 세정 공정을 진행하여 상기한 단계 S110에서의 식각 공정에 의해 기판(10)의 표면에 잔재되어 있는 폴리머 등으로 이루어진 알갱이나 상기한 단계 S130을 통해 미처 제거되지 못한 산화막(10)의 잔재 등과 같은 잔사를 제거하고, 기판(10)의 표면에 발생된 손상을 제거한다(S140).
상기한 단계 S140 다음에는, 도 6에 도시된 바와 같이, 기판(10)의 후면에 형성된 산화막(21)에 컨택 홀(Contact Hole)(16)을 형성하고, 그 형성된 컨택 홀(16)을 통해 각 불순물 도핑 영역의 일정 부위를 노출시킨 후, 금속 공정(Metallization)을 진행하여 도 7에 도시된 바와 같이, 컨택 홀(16)을 통해 각 불순물 도핑 영역(13, 14)에 각각 접촉하는 전극(17, 18)을 형성한다(S150).
한편, 상기한 단계 S140 다음에는 상기한 단계 S150을 진행하기에 앞서 화학기상증착 공정 등을 통해 제1도전형의 불순물 도핑층(15) 위에 반사방지막(ARC: Anti-Reflective Coating)(30)을 형성하는 공정을 진행하는 것이 바람직하다.
이와 같은 반사방지막(30) 형성 시에는, PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 공정을 사용하는 것이 바람직하다. 여기서, 반사방지막(30)은 실리콘 질화막(Si3N4)으로 구성될 수 있는데, 일 예로 PECVD 공정을 통해 실리콘 질화막을 형성하는 것은, 원료가스인 SiH4와 NH3을 플라즈마 상태로 방전, 활성화시켜 실리콘 질화막을 생성시키는 방법을 통해 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 후면전극형 태양전지 제조 방법은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.
10: 기판 11, 12: 제2도전형 불순물 도핑층
13: 제2도전형 불순물 도핑 영역 14: 제1도전형 불순물 도핑 영역
15: 제1도전형 불순물 도핑층 16: 컨택 홀
17, 18: 전극 20, 21: 산화막
30: 반사방지막

Claims (4)

  1. 기판을 준비하는 단계와;
    불순물 이온의 주입·확산 공정을 통해 상기 기판의 후면에 제1도전형 불순물 도핑 영역과 제2도전형 불순물 도핑 영역을 형성하고, 상기 기판의 전면에 제1도전형 불순물 도핑층을 형성하는 단계와;
    상기 확산 공정 시의 열처리에 의해 기판의 전후면에 산화막이 형성되는 단계와;
    건식 식각 방식을 통해 상기 기판의 전면을 텍스쳐링하는 단계와;
    상기 텍스쳐링을 마친 기판 표면의 잔사 및 손상을 제거하는 단계와;
    금속 공정을 진행하여 상기 제1도전형 불순물 도핑 영역 및 상기 제2도전형 불순물 도핑 영역에 각각 접촉하는 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 전면을 텍스쳐링하는 단계에서는,
    상기 기판의 전면에 형성된 산화막이 제거되고, 상기 기판의 전면에 크기가 균일한 요철 구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기판의 전면을 텍스쳐링하는 단계에서는,
    상기 제1도전형 불순물 도핑층의 두께가 감소되며, 이때 상기 제1도전형 불순물 도핑층의 상층부에 구비된 데드 레이어도 제거되는 한편, 이로 인해 상기 제1도전형 불순물 도핑층의 불순물 농도가 낮아지게 되는 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 기판의 전면을 텍스쳐링하는 단계에서는,
    상기 기판의 전후면 중 한 쪽면만을 식각할 수 있으며, 식각 깊이를 조절할 수 있는 RIE(Reactive Ion Etch) 방식을 사용하는 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지 제조 방법.
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