KR101103706B1 - 후면접합 태양전지의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 후면접합 태양전지의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 실리콘 웨이퍼(100)의 이면 일부에 패턴 마스크(110)를 형성한 상태에서, i형 비정질 실리콘층(112), n형 비정질 실리콘층(114), 투명전도막(116)을 순서대로 형성한다. 그리고 상기 실리콘 웨이퍼(100)의 수광면에 i형 비정질 실리콘층(120), p형 비정질 실리콘층(122), 투명전도막(124)을 순서대로 형성한다. 이후 패턴 마스크(110)를 제거하고, LCP(Laser Chemical Processing)를 이용하여 상기 실리콘 웨이퍼(100)에 홀(130)을 형성한다. 상기 홀 형성시 홀(130) 내면에는 에미터 도핑영역(140)이 함께 형성된다. 다음에는 상기 홀(130)에 도전체(150)를 충진하고, 수광면측 집전전극(160) 및 이면측 집전전극(170)을 형성하여 후면접합 태양전지를 제조한다. 이와 같은 본 발명에 따르면, 이미 최적화된 방법으로 사용되고 있는 박막증착 기술을 그대로 이용할 수 있어 홀 형성 후 박막 증착할 경우 발생하는 문제점을 해결할 수 있음은 물론 공정수가 단축되고, 에미터 길이의 연장으로 인해 광수집 효율이 향상되는 이점이 있다.
후면접합, HIT, 홀, LCP(Laser Chemical Processing)
Description
본 발명은 후면접합 태양전지에 관한 것으로, 특히 홀(hole)이 형성된 HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer) 구조를 가지는 반도체기판의 제조공정을 개선하면서 그 홀 내면에 에미터 영역을 형성하기 위한 후면접합 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
태양전지의 전극은 태양전지의 전면과 후면에 각각 형성되지만, 상기 전면에 형성되는 전극은 태양 광에 대한 흡수율을 감소(shadowing loss)시키고 있다. 그렇기 때문에 태양전지의 효율 향상을 위하여 전면에 형성되는 전극의 면적은 최대한 미세패턴으로 하여 좁게 하는 것이 일반적인 추세이다. 하지만 이 경우에도 전면에 형성된 전극 면적만큼 태양 광을 흡수하지 못하고 있다.
따라서, 태양전지 전면에서 전극에 의한 흡수율 감소를 원천적으로 없애기 위하여, 전극 모두를 후면에 설치하는 후면접합 태양전지가 개발되었다.
상기 후면접합 태양전지는 반도체(즉, 실리콘) 기판의 전면으로 입사된 태양 광에 의해 생성된 전자가 실리콘 기판의 내부를 가로질러 후면에 형성된 전극으로 전달되는 구조이다.
하지만, 상기 실리콘 기판의 전면에서 생성된 전자가 후면에 형성된 전극까지 전달될 때, 상기 실리콘 기판의 두께로 인한 내부 저항으로 인하여 대부분의 전자가 전달되는 못하는 경향이 있다. 이는 태양전지의 효율 저하로 이어진다.
그래서, 상기 실리콘 기판에 홀(hole)을 가공하여 전하 수집률을 향상시키는 구조가 제안된바 있다. 대표적인 예로 대한민국 공개특허공보 "10-2009-0033096" 호(2009년 4월 1일)에 의해 공개된 일본국 산요사의 태양전지가 있다.
도 1은 일본국 산요사에 의해 출원된 박막증착 후면접합 태양전지의 단면도이다.
도 1의 구조를 간단하게 보면, i형 비정질 실리콘층(14)과 p형 비정질 실리콘층(15)은 n형 단결정 실리콘 기판(11)이 갖는 홀 내에 들어가고, i형 비정질 실리콘층(12)과 n형 비정질 실리콘층(13)은 n형 단결정 실리콘 기판(11)이 갖는 홀멍 내에 들어간다. 그리고 상기 홀의 내벽면은 i형 비정질 실리콘층(14)과 i형 비정질 실리콘층(12)에 의해 덮여 있는 구조이다.
이의 제조방법은 다음과 같다.
먼저, n형 단결정 실리콘 박막의 수광면과 이면을 관통하는 홀(H)을 형성하는 공정(제1공정)과 세정처리공정(제2 공정) 및 텍스처링(제3공정)이 수행된다.
다음, 이면상 i형 비정질 실리콘층 형성(제4공정), 이면상 n형 비정질 실리콘층 형성(제5공정), 수광면상 i형 비정질 실리콘층 형성(제6공정), 수광면상 p형 비정질 실리콘층 형성(제7공정) 공정이 수행된다.
다음, 상기 홀(H)의 이면측 개구부에 마스크를 설치하고(제8공정), n형 비정질 반도체층의 이면측 중 홀을 제외한 영역에 이면측 투명 도전막을 형성한다(제9공정). 그리고 상기 홀의 이면측 개구부의 주위에 마스크를 설치하고(제10공정), CVD 법에 의해 홀 내에 절연층을 형성한다(제11공정). 절연층으로서는 SiO, SiN 등을 사용할 수 있다. 그런 다음, 상기 수광면측 투명 도전막을 p형 비정질 실리콘층의 수광면 상에 형성한다(제12공정).
마지막으로 수광면측 투명 도전막 상에 수광면측 집전 전극을 스크린 인쇄 등에 의해 형성하고(제13공정), 상기 이면측 투명 도전막 상에 스크린 인쇄 등에 의해 이면측 집전 전극을 형성하고(제14공정), 상기 홀 내에 도전체(20)를 충전한다.
그와 같은 공정으로 제조된 도 1의 태양전지는 이종접합 태양전지로서 다음과 같은 특징을 제공한다.
첫째, 높은 개방전압(Voc)을 보장한다.
둘째, 비정질 실리콘 박막 증착으로 고온공정이 필요하지 않다.
셋째, 수광면측에 금속전극에 의한 손실이 없어 단락전류의 향상이 기대된다.
넷째, 홀의 옆면 및 실리콘기판의 아랫면 일부분에 p-n접합이 형성되어 전하 수집확률이 높다.
다섯째, 실리콘기판의 이면측에 전극이 모두 형성되어 있어, 태양전지모듈 구성시 결합이 용이하다.
하지만, 상기한 후면접합 구조의 태양전지는 다음과 같은 문제점이 있다.
우선, 상기 후면접합 태양전지('제1태양전지'라고 칭하기로 함)는 효율이 20.6%로 명시하고 있다. 반면, 홀 없는 일반적 HIT 셀 구조의 태양전지('제2태양전지'라고 칭하기로 함)는 효율이 23%이다. 즉, 상기 제1태양전지는 상기 제2태양전지보다 여러 공정을 추가하여 태양전지의 효율을 향상시키고자 한 것이기 때문에 효율이 더 향상되어야 한다. 이론적으로 제1태양전지는 효율이 23%를 넘어서야 하는 것이다. 하지만, 효율이 더 낮아지고 있는 것이다.
상기와 같이 효율이 더 저하되는 것은 다음과 같은 원인으로 생각할 수 있다.
첫 번째, 비정질 실리콘 및 투명전도막을 증착할 때 상기 홀의 크기가 매우 작고, 또 증착면에 수평하기 때문에 적절한 두께의 박막 형성이 어렵다는 것이다.
두 번째, 상기 홀 내부의 절연층은 태양전지모듈에서 회로의 단락현상을 막기위한 것이다. 하지만, 상기 홀을 먼저 형성한 상태에서 그 홀 내부에 박막 증착 및 절연층을 형성하는 것은 어려운 작업이고, 따라서 절연층이 잘 형성되지 않아 국부적인 션트(Shunt)가 유발되거나 박막 증착이 잘 되지 않는 문제가 있다.
세 번째, 후면접합 태양전지 중 에미터 랩 쓰루(EWT) 구조보다 에미터의 길이가 충분히 길지 못하여, 전하의 수집 확률 능력이 기대만큼 충족시키지 못하고 있다.
결국, 상기 홀을 형성하여 새로운 구조의 후면접합 태양전지를 제안하고 있지만, 이는 기존의 후면접합 태양전지(즉, 관통구멍이 없는 구조)보다 효율이 더 저하되고 있으며, 제조공정은 더 복잡하게 되어, 실제로 기존 후면접합 태양전지의 구조보다 더 좋지 않은 결과를 초래하고 있다.
따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 후면접합 태양전지의 제조공정을 간단하게 개선하여 적절한 두께의 박막 형성으로 태양전지의 제조가 가능하게 한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 후면접합 태양전지의 홀 내부에 에미터 도핑을 실시하여 에미터 길이를 연장하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 결정질 반도체 기판의 이면에 제 1비정질 실리콘층과 제 2비정질 실리콘층 및 투명도전막을 순서대로 하여 제 1광전변환부를 형성하는 단계; 상기 결정질 반도체 기판의 수광면에 제 3비정질 실리콘층과 제 4비정질 실리콘층 및 투명도전막을 순서대로 하여 제 2광전변환부를 형성하는 단계; 그리고 상기 제 1광전변환부 및 제 2광전변환부가 형성된 상태에서, 상기 결정질 반도체 기판의 수광면과 이면을 관통하는 홀을 형성하면서 상기 홀 내부에서 상기 결정질 반도체 기판의 표면에만 에미터 도핑영역을 형성하는 단계를 포함하여 구성된다.
상기 제 1광전변환부를 형성하기 전에 상기 홀이 형성될 부분에만 마스크를 형성하는 단계와, 상기 제 2광전변환부까지 형성한 후 상기 홀을 형성하기 이전에 상기 마스크를 제거하는 단계를 더 포함한다.
상기 홀의 형성 및 에미터 도핑영역은 레이저와 도펀트가 함께 인가되는 LCP(Laser Chemical Processing)을 이용한다.
상기 제 1비정질 실리콘층과 제 3비정질 실리콘층은 i형의 도전형으로 형성된다.
상기 제 2비정질 실리콘층과 상기 제 4비정질 실리콘층은 도전형이 서로 반대이고, 상기 제 2비정질 실리콘층이 상기 결정질 반도체 기판과 동일한 도전형을 가진다.
상기 제 1광전변환부와 상기 홀 내부의 에미터 도핑영역은 서로 절연된 상태이다.
본 발명에서는, 홀을 형성하고 있는 박막 증착형 후면접합 태양전지의 제조시, 먼저 박막 증착을 완료한 후 LCP를 이용하여 마지막에 홀을 형성하고, 홀 형성시 홀의 주변, 즉 결정질 반도체 기판의 측면에 에미터 도핑을 동시에 하고 있다.
따라서, 종래 홀을 먼저 형성하고 그 홀 내에 박막을 증착하여 생기는 공정의 어려움, 효율 저하 등의 문제점을 해결할 수 있다. 즉, 박막증착 후에 홀을 형성하고 있기 때문에 이미 최적화된 방법으로 사용되고 있는 박막증착 기술을 그대로 이용할 수 있다.
또 절연층을 증착하지 않아도 되고 종래의 마스크 사용빈도를 줄일 수 있어 공정수가 개선된다.
또 LCP에 의해 홀 내부의 에미터 도핑영역이 형성되며, 수광면에 형성된 p형 비정질 실리콘층이 에미터로 작용하고 있어, 전체적으로 에미터 길이가 연장되어 캐리어의 수집확률 능력이 증대된다.
이하 본 발명의 후면접합 태양전지의 제조방법의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 본 실시 예는 n형 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용하고, 태양광이 인가되는 수광면에 p형 비정질 실리콘 박막을 형성하고 n형 실리콘 웨이퍼의 이면(수광면의 반대면)에 n형 비정질 실리콘 박막을 형성한 것을 예를 들어 설명한다.
도 2에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 후면접합 태양전지의 제조방법을 보인 공정단면도가 도시되어 있다.
도 2a는 소정 크기로 절단된 실리콘 웨이퍼에 대해 절단 공정시 표면에 형성된 손상을 제거하고(saw damage), 텍스처링(texturing) 공정을 수행한 후, 불순물 제거를 위해 세정(cleaning) 공정이 완료된 실리콘 웨이퍼(100)이다.
상기 실리콘 웨이퍼(100)는 이면과 수광면에 제 1 및 제 2 광전변환부를 가진다. 상기 이면에 형성된 것이 제 1 광전변환부이고, 상기 수광면에 형성된 것이 제 2 광전변환부라고 하기로 한다.
먼저, 제 1 광전변환부 구성이다.
도 2(b)와 같이 상기 실리콘 웨이퍼(100)의 이면에 후술하는 홀이 형성될 영역 부분에 패턴 마스크(110)를 형성한다. 상기 패턴 마스크(110)는 제 1광전변환부가 모두 형성되고, 또 홀의 내부에 에미터 도핑영역이 형성되었을 때, 상기 제 1광전변환부와 에미터 도핑영역이 서로 접촉되는 것을 방지하기 위한 것이다. 이에 따 라 절연층 형성 공정을 생략할 수 있다.
상기 패턴 마스크(110)가 형성되면, 도 2(c)와 같이 상기 실리콘 웨이퍼(100)의 후면에 먼저 i형 비정질 실리콘층(112)을 증착한다. 상기 i형 비정질 실리콘층(112)은 매우 얇은 두께를 갖고, 실질적으로 진성이다.
상기 i 형비정질 실리콘층(112) 위에 CVD(Chemical Vapor Deposition) 법으로 n형 비정질 실리콘층(114)을 증착한다. 이 상태는 도 2(d)에 도시되어 있다.
상기 n형 비정질 실리콘층(114)위에 스퍼터법 혹은 증착법 등의 PVD(Physical Vapor Deposition) 법에 의해 투명전도막(116)을 형성한다. 이 상태는 도 2(e)에 도시되어 있다. 상기 투명 도전막(116)은 도전성을 갖는 인듐(In), 아연(Zn), 주석(Sn), 티타늄(Ti), 텅스텐(W) 등의 산화물을 사용할 수 있다.
다음, 제 2 광전변환부 구성이다.
상기 실리콘 웨이퍼(100)의 수광면에 i형 비정질 실리콘층(120)과 p형 비정질 실리콘층(122), 그리고 투명전도막(124)을 차례대로 증착한다. 이 상태는 도 2(f)에 잘 나타나 있다. 이때 상기 증착된 i형 비정질 실리콘층(120) 및 투명전도막(124)은 앞서 설명한 제 1 광전변환부의 i형 비정질 실리콘층(112) 및 투명전도막(116)과 재질 및 구조가 동일하다.
그런 다음, 상기 실리콘 웨이퍼(100)의 이면에 형성된 패턴 마스크(110)를 제거한다. 상기 패턴 마스크(110)가 제거된 상태는 도 2(g)와 같다.
상기 패턴 마스크(110)가 제거되면, 도 2(h)와 같이 LCP(Laser Chemical Processing)를 이용하여 상기 실리콘 웨이퍼(100)에 홀(130)을 형성한다. 이때, 상 기 홀(130)이 형성될 때 그 홀(130) 내면에 도핑영역(140)이 함께 형성된다.
즉, 상기 LCP는 레이저와 화합물(chemical)을 함께 인가하는 것이고, 상기 화합물은 상기 실리콘 웨이퍼(100)의 타입에 따라 달라진다. 즉 n형 결정질 반도체 웨이퍼이기 때문에 p형 도펀트가 함께 사용된다. 따라서, 상기 레이저와 p형 도펀트가 함께 조사되면 상기 레이저가 조사된 실리콘 웨이퍼(100)의 표면은 용융(melting)되며, 용융된 부분으로 도펀트가 확산되어 도핑된다. 상기 용융된 부분은 재결정화가 되면서 실질적으로 도핑이 완료된다. 상기 도핑된 부분은 도면에서 상기 홀의 측면부분이고, 정확하게는 상기 실리콘 웨이퍼(100)의 측면 표면이 된다. 결국 도2(i)에 도시한 바와 같이 홀(130) 및 도핑영역(140)이 형성되는 것이다.
상기 홀(130)과 도핑영역(140)이 형성된 다음에는 상기 홀(130)에 금속 페이스트(paste)와 같은 도전체(150)를 충진한다. 상기 도전체는 인쇄방법, 스프레이방법, 진공증착방법 등에 의해 충진된다. 아울러 상기 도전체(150)까지 충진되면, 상기 도전체(150)의 하단면에 수광면측 집전전극(160)을 형성하고, 상기 투명전도막(114)에 이면측 집전전극(170)을 형성한다. 통상 상기 집전전극은 스크린 인쇄법, 증착법, 스퍼터 법을 이용한다. 이 상태가 도 2(j)에 도시되어 있다.
그와 같이 하면, 태양전지 제조시 i형/n형 비정질 실리콘층, 투명 도전막을 모두 박막으로 증착한 후에 LCP을 이용하여 홀을 형성하고 있어, 종래의 최적화된 박막 증착 공정조건을 그대로 이용할 수 있고, 종래 홀 안에 여러 박막층 및 절연층을 어렵게 증착함으로써 이로 인해 발생하는 문제점을 해결할 수 있게 된다.
또한 수광면에 있는 p형 비정질 실리콘 박막이 에미터의 역할을 수행하여 실리콘 웨이퍼와 p-n 접합을 형성하며, 아울러 상기 홀 내부의 측면에 형성된 에미터가 p-n 접합을 형성하고 있어, 에미터의 길이가 더 길어지게 됨으로써, 캐리어의 수집확률 능력이 증대됨을 알 수 있다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
도 1은 일본국 '산요사'에 의해 출원된 박막증착 후면접합 태양전지의 단면도
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 후면접합 태양전지의 제조방법을 보인 공정단면도
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 : 실리콘 웨이퍼 110 : 패턴 마스크
112, 120 : i형 비정질 실리콘층 114 : n형 비정질 실리콘층
116, 124 : 투명 전도막 122 : p형 비정질 실리콘층
130 : 홀 140 : 도핑영역
150 : 도전체 160 : 수광면측 집전전극
170 : 이면측 집전전극
Claims (6)
- 결정질 반도체 기판의 이면에 제 1비정질 실리콘층과 제 2비정질 실리콘층 및 투명도전막을 순서대로 하여 제 1광전변환부를 형성하는 단계;상기 결정질 반도체 기판의 수광면에 제 3비정질 실리콘층과 제 4비정질 실리콘층 및 투명도전막을 순서대로 하여 제 2광전변환부를 형성하는 단계; 그리고상기 제 1광전변환부 및 제 2광전변환부가 형성된 상태에서, 상기 결정질 반도체 기판의 수광면과 이면을 관통하는 홀을 형성하면서 상기 홀 내부에서 상기 결정질 반도체 기판의 표면에만 에미터 도핑영역을 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 후면접합 태양전지의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 제 1광전변환부를 형성하기 전에 상기 홀이 형성될 부분에만 마스크를 형성하는 단계와,상기 제 2광전변환부까지 형성한 후 상기 홀을 형성하기 이전에 상기 마스크를 제거하는 단계를 각각 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 후면접합 태양전지의 제조방법.
- 제 2항에 있어서,상기 홀의 형성 및 에미터 도핑영역은 레이저와 도펀트가 함께 인가되는 LCP(Laser Chemical Processing)을 이용하는 것을 특징으로 하는 후면접합 태양전지의 제조방법.
- 제 2항에 있어서,상기 제 1비정질 실리콘층과 제 3비정질 실리콘층은 i형의 도전형으로 형성하는 것을 특징으로 하는 후면접합 태양전지의 제조방법.
- 제 2항에 있어서,상기 제 2비정질 실리콘층과 상기 제 4비정질 실리콘층은 도전형이 서로 반대이고, 상기 제 2비정질 실리콘층이 상기 결정질 반도체 기판과 동일한 도전형을 가지는 것을 특징으로 하는 후면접합 태양전지의 제조방법.
- 제 2항에 있어서,상기 제 1광전변환부와 상기 홀 내부의 에미터 도핑영역은 서로 절연된 상태인 것을 특징으로 하는 후면접합 태양전지의 제조방법.
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