KR101124490B1 - 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

태양전지 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 태양전지는 태양광선의 반사율을 최소화하기 위한 표면처리가 이루어진 기판과, 기판을 식각하여 주기적으로 배열되는 격자구조를 갖는 광결정층과, 기판의 상부에 형성된 n-접합층과, 상기 n-접합층의 상부에 형성되어 태양광선의 반사를 막는 반사 방지막을 포함하며, 판의 표면에 형성된 광결정층에 의해 태양광선의 반사를 최소화할 수 있으며, 기판으로 입사된 태양광선 중 밴드갭 에너지에 해당되는 태양광선의 흡수율을 높일 수 있고, 입사된 태양광선이 광결정층에 의해 반사, 산란, 회절 과정이 일어나도록 하여 입사광선의 세기를 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 고효율의 태양전지의 제조가 가능해진다.
태양전지, 광결정, 기판, 밴드갭, 태양광선, 발전, 전기, 식각, 에칭

Description

태양전지 및 그 제조방법 {SOLAR CELL AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기판의 표면에 광결정층을 형성한 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 태양전지는 태양에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 반도체 소자이다.
이러한 태양전지는 전지물질의 밴드갭 에너지에 해당하는 태양광선이 전지 내부에 입사하여 전하를 분리시키고, 분리된 전하를 수집하는 형태로 동작한다.
종래의 태양전지는 단일 p-n접합의 결정질로 이루어지고 있다.
이러한 태양전지는 특정 파장 대역의 태양광선만을 이용하여 전기를 생산할 수 있는 단일 밴드갭 에너지를 갖고 있으며, 이에 따라 태양광선 중에서 전기의 생산에 기여하는 대역폭이 크지 않다.
따라서, 태양전지는 보다 많은 전력을 생산하기 위해서는 입사광선이 반사되 지 않고 전지 내부로 입사하여 전하 분리에 기여해야 하며, 생성된 전하가 전극 쪽으로 잘 수집되어야 한다.
그러나, 종래의 태양전지는 전력생산 효율을 향상시키는데 제한이 있으며, 반사율을 줄이고 빛의 흡수를 향상시켜 전력생산 효율을 높이기 위한 방안이 지속적으로 연구, 개발되고 있다.
더욱이 태양전지는 입사된 태양광선 중 단일 밴드갭 에너지를 생성할 수 있는 파장의 태양광선의 반사를 최소화시키고, 단일 밴드갭 에너지를 갖는 파장의 태양광선이 태양전지 내에 머무는 시간을 증가시키고, 입사광을 증폭하기 위한 구조의 개선이 요구되고 있다.
본 발명은, 태양광선의 반사를 막고, 태양광선의 흡수율 및 입사광을 증폭시키기 위해 기판의 표면에 광결정층을 형성한 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 태양전지는 태양광선의 반사율을 최소화하기 위한 표면처리가 이루어진 기판과, 기판을 식각하여 주기적으로 배열되는 격자구조를 갖는 광결정층과, 기판의 상부에 형성된 n-접합층과, 상기 n-접합층의 상부에 형성되어 태양광선의 반사를 막는 반사 방지막을 포함한다.
표면처리는 기판의 표면에 표면 구조화층을 형성하는 텍스처 처리를 포함할 수 있다.
광결정층은 표면 구조화층을 식각하여 형성한 다수의 침상형 식각 홈을 포함할 수 있다.
침상형 식각 홈은 직경이 30 내지 200 nm이며, 또한 0.1 내지 2㎛ 크기의 격자 주기로 반복 형성되는 침상 요철부를 포함할 수 있다.
표면 구조화층은 4 내지 10 ㎛ 크기의 주기로 반복 형성되는 피라미드형 요철부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 태양전지 제조방법은 기판을 마련하는 단계와, 기판 표면으로 입사하는 태양광선의 반사율을 최소화하기 위해 기판의 표면을 표면처리하는 단계와, 표면처리된 기판을 식각하여 주기적으로 배열되는 격자구조를 갖는 광결정층을 형성하는 단계와, 광결정층이 형성된 기판에 n-접합층을 형성하는 단계와, PSG(Phosphorus Silicate Glass)를 제거하는 단계와, 반사 방지막을 형성하는 단계를 포함한다.
기판의 표면을 표면처리하는 단계는 기판의 표면에 표면 구조화층이 형성되도록 텍스처 처리하는 단계를 포함할 수 있다.
광결정층을 형성하는 단계는 침상형 식각 홈이 형성되도록 에칭하는 단계를 포함할 수 있다.
에칭하는 단계는 알아이이(RIE : Reactive Ion Etching) 또는 아이씨피 (ICP : Inductive Coupled Plasma) 방식에 의해 에칭하는 단계를 포함할 수 있다.
광결정층을 형성하는 단계는 경화성 레지스트(resist)를 도포하여 경화시키는 단계와, 경화된 레지스트에 광결정층의 패턴에 대응하는 패턴홀을 갖는 마스크 패턴을 형성하는 단계와, 패턴홀에 의해 노출된 기판을 식각하는 단계와, 마스크 패턴을 제거하는 단계와, 마스크 패턴이 제거된 기판에 인을 확산시켜 n-접합층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
마스크 패턴을 형성하는 단계는 광결정층의 패턴에 대응하는 요철부가 형성된 임프린트 몰더를 사용하여 기판 위에 패턴홀을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
기판을 식각하는 단계는 이온 빔(Ion beam)을 조사하여 기판을 식각하는 단계를 포함할 수 있다.
기판을 식각하는 단계는 알아이이(RIE : Reactive Ion Etching) 또는 아이씨피(ICP : Inductive Coupled Plasma) 방식에 의해 에칭하는 단계를 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명은 마이크로 크기의 피라미드 요철부에서 입사광의 기하학적인 굴절현상을 증대시켜 광을 수렴시키는 구조와 나노 크기의 침상형 요철부에서 입사광의 파동광학적인 회절 현상을 유도하는 광결정 구조가 결합된 것을 특징으로 한다. 특히, 기판의 표면에 형성된 광결정층에 의해 태양광선의 반사를 최소화할 수 있으며, 기판으로 입사된 태양광선 중 밴드갭 에너지에 해당되는 태양광선의 흡수율을 높일 수 있고, 입사된 태양광선이 광결정층에 의해 반사, 산란, 회절 과정이 일어나도록 하여 입사광선의 세기를 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 고효율의 태양전지의 제조가 가능해진다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명에 따른 태양전지 및 그 제조방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 단면도이다.
본 실시예에 따른 태양전지는, 도 1에 도시된 바와 같이, 웨이퍼 형태로 제조된 기판(10)에 전극부가 형성되어 있으며, 이 기판(10)의 표면은 태양광선의 반 사율을 최소화하기 위해 표면 구조화층(texturing layer)(12)이 형성된다.
그리고, 표면 구조화층(12)에는 기판(10)을 식각하여 주기적으로 배열되는 격자구조를 갖는 광결정층(14)이 형성된다.
이 광결정층(14)은 입사된 태양광선이 외부로 반사되는 것을 막고, 내부에서 지속적인 반사가 일어나도록 하여 입사광을 증폭시킬 수 있다.
이러한 광결정층(14)은 표면 구조화층(12)을 식각하여 형성한 다수의 침상형 식각 홈을 포함하여 이루어질 수 있다.
그리고, 침상형 식각 홈의 상부에는 인(P : phosphorus)이 확산되어 이루어진 n-접합층(16)이 형성된다.
여기서, 기판(10)은 p형으로 이루어지며, 인(P)을 여러 가지 방식으로 기판(10)에 확산시켜 형성한 n-접합층(16)에 의해 단일 p-n접합층을 구성함에 따라 태양광선에 의해 접합부 근처에서 전자-정공쌍이 생성되어 분리되는 이온화가 일어난다.
또한, n-접합층(16)의 상부에는 태양광선의 반사를 막기 위한 반사 방지막(18)이 형성된다.
이러한 기판(10)의 양측에는 전기적인 연결을 끊기 위한 홈(19)이 형성되고, 그 하부 및 상부에 외부와 접속되기 위한 전극(20 , 22)이 각각 형성된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 순서도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 적용한 공정도이다.
본 실시예에 따른 태양전지 제조방법은, 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 실리콘을 포함하는 웨이퍼 기판(10)을 마련한다.(S11 참조)
그리고, 웨이퍼 기판(10)은 입사하는 태양광선의 반사율을 최소화하기 위한 표면처리가 이루어진다.
이러한 표면처리로는 웨이퍼 기판(10)의 표면을 손상제거 처리하는 SDR(Saw Damage Removal)이 대표적이다.
손상제거 처리는 웨이퍼 기판(10)의 절단과정 등에서 발생된 미세균열과 같은 표면 손상과, 웨이퍼 기판(10)의 표면에 묻은 이물질 등을 제거하는 공정이다.
다음으로 웨이퍼 기판(10)이 텍스처 처리공정을 거치도록 하여 웨이퍼 기판(10)에 표면 구조화층(12)을 형성한다.
표면 구조화층(12)은 표면 반사 손실을 줄이고 빛을 가두어 광 흡수율을 높이기 위한 것으로서, 기판(10)의 표면에 피라미드 또는 역피라미드 구조형상을 만들거나, 다공성 또는 요철을 두어 입사한 빛이 반사되어 손실이 되지 않도록 하는 구조를 형성하는 것이다.(S12 참조)
다음으로 표면 구조화층(12)의 형성 과정이 완료되면, 그 표면을 식각하여 주기적으로 배열되는 격자구조를 갖는 광결정층(14)을 형성한다.
이를 위해 표면 구조화층(12)의 표면을 고밀도 이온 에칭 방식으로 식각을 수행하게 되면, 표면에 침상형 식각 홈에 의해 형성되는 광결정층(14)을 얻을 수 있다.
고밀도 이온 에칭은 알아이이(RIE : Reactive Ion Etching) 또는 아이씨 피(ICP : Inductive Coupled Plasma) 방식에 의한 에칭으로 이루어질 있다.
이때, 고밀도 이온 에칭시 공정가스로서 SF6, O2, Cl2, N2 가스 등이 사용될 수 있으며, 10-2 내지 1 Torr의 공정압력에서 에칭이 이루어진다.
이러한 고밀도 이온 에칭에 의해 표면 구조화층(12)에 침상형 식각 홈을 형성할 수 있으며, 침상형 식각 홈의 식각 무늬는 직경이 30 내지 200 nm이며, 또한 0.1 내지 2 ㎛ 정도의 격자 주기로 반복 형성된다.
한편 본 실시예에서 광결정층(14)은 고밀도 이온 에칭에 의해 형성되는 것으로 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않으며 다양한 방법에 의해 광결정층(14)을 형성하는 것도 가능하다.
일례로, 광결정층(14)은 도 4와 같이, 나노 임프린트 공정에 의해 형성되는 것도 가능하다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지 제조방법에 대한 공정도로서, 나노 임프린트 공정을 적용한 태양전지 제조방법이다.
도 4를 참고하면, 실리콘을 포함하는 웨이퍼 기판(110)을 마련하고, 텍스처 처리공정에 의해 이 웨이퍼 기판(110)의 표면에 표면 구조화층을 형성한다.
이와 같이, 표면 구조화층이 형성되면 나노 임프린트 공정을 적용하여 광결정층을 형성한다.
이를 위해 기판(110)의 표면에 경화성 레지스트(113)를 도포하고, 이를 경화시킨다. 이때 경화성 레지스트(113)는 포토 레지스트(Photo-resist) 또는 일렉트 로 레지스트(Electro-resist)가 사용될 수 있다.
다음으로 광결정층(114)의 패턴 주기에 대응되는 요철부(116a)가 형성된 나노 임프린트 몰더(116)를 사용하여 기판(10) 위의 레지스트(113)에 패턴홀(113a)을 형성한다. 이때, 나노 임프린트 몰더(116)에 형성된 요철부(116a)의 격자 주기는 0.1 내지 2 ㎛ 이며, 구멍 직경은 30 내지 200 nm로 이루어진다.
이와 같이, 패턴홀(113a)이 형성된 레지스트(113)는 광결정층(114)의 패턴에 대응되는 부분의 기판(110)을 노출시키는 나노 마스크의 역할을 한다.
다음으로 이온 빔을 이용하여 기판(110)을 식각하게 된다. 이때 패턴홀(113a)에 의해 노출된 기판(110)은 이온 빔에 의해 식각이 이루어진다.
이러한 이온 에칭은 알아이이(RIE : Reactive Ion Etching) 또는 아이씨피(ICP : Inductive Coupled Plasma) 방식에 의해 공정이 이루어진다.
이온 에칭시 공정가스로서 SF6, O2, Cl2, N2 가스 등이 사용될 수 있으며, 10-2 내지 1 Torr의 공정압력에서 에칭이 이루어진다.
기판(110)의 식각이 완료되면, 나노 마스크로 사용된 레지스트(113)를 제거한다. 레지스트(113)는 아세콘을 사용하여 제거할 수 있다.
그리고, 기판(110)에 다수의 식각 홈으로 이루어진 광결정층(114)이 형성되면, 그 표면에 인을 확산시켜 n-접합층(116)을 형성한다.
이와 같이, 본 실시예는 고밀도 이온 에칭 공정이나 나노 임프린트 공정을 이용하여 기판(10)에 광결정층(14, 114)을 형성할 수 있다.
다시 도 2와 도 3을 참고하면, n-접합층(16)은 화학기상증착장치(CVD)를 적용하여 PH3가 첨가된 SiH4를 사용하여 N형 Si층을 형성한다.(S14 참조)
이와 같이 확산 공정이 적용된 기판(10)에 대해서는 별도의 PSG(phosphorus silicate glass) 제거 공정이 진행된다.
PSG는 n-접합층(16)의 확산 공정에서 POCl3과 산소가 반응하여 인을 포함한 산화물로서, 실리콘 내부에 존재하는 불순물을 석출하여 포함하고 있으므로 n-접합층(16) 형성이 완료된 후 제거되어야 한다.(S15 참조)
이렇게 하여 N층이 형성된 기판(10)에 반사 방지막(ARC : Anti-Reflection Coating)(18)을 형성한다.
반사 방지막(18)은 실리콘 질화물(SiNx)을 PECVD 장비나 스퍼터 장비를 이용하여 증착시켜 형성할 수 있다.(S16 참조)
다음으로 기판(10)은 모든 표면이 n층으로 연결되어 있으므로 양측을 분리하여 전기적으로 단선되도록 하며, 이를 위해 기판(10)의 양측에 레이저를 이용하여 홈(19)을 가공한다.
그리고, 기판(10)의 후면 및 전면에 전극(20, 22)을 형성하여, 외부와 전기적으로 연결될 수 있도록 한다.(S17 참조)
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변 경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 순서도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 적용한 공정도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지 제조방법에 대한 공정도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 기판 12 : 표면 구조화층
14 : 광결정층 16 : n-접합층
18 : 반사 방지막 19 : 홈
20, 22 : 전극

Claims (14)

  1. 태양광선의 반사율을 최소화하기 위한 표면처리가 이루어진 기판과,
    상기 기판을 식각하여 주기적으로 배열되는 격자구조를 갖는 광결정층과,
    상기 기판의 상부에 형성된 n-접합층과,
    상기 n-접합층의 상부에 형성되어 태양광선의 반사를 막는 반사 방지막을 포함하고,
    상기 표면처리는 상기 기판의 표면에 표면 구조화층을 형성하는 텍스처 처리를 포함하며,
    상기 광결정층은 상기 표면 구조화층을 식각하여 형성한 다수의 침상형 식각 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 침상형 식각 홈은 직경이 30 내지 200 nm이며, 0.1 내지 2 ㎛ 크기의 격자 주기로 반복 형성되는 침상 요철부를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  5. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 표면 구조화층은 4 내지 10 ㎛ 크기의 주기로 반복 형성되는 피라미드형 요철부를 포함하는 것을 특징으로 태양전지.
  6. 기판을 마련하는 단계와,
    기판 표면으로 입사하는 태양광선의 반사율을 최소화하기 위해 기판의 표면을 표면처리하는 단계와,
    표면처리된 기판을 식각하여 주기적으로 배열되는 격자구조를 갖는 광결정층을 형성하는 단계와,
    광결정층이 형성된 기판에 n-접합층을 형성하는 단계와,
    PSG(Phosphorus Silicate Glass)를 제거하는 단계와,
    반사 방지막을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 광결정층을 형성하는 단계는 다수의 침상형 식각 홈이 형성되도록 에칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 기판의 표면을 표면처리하는 단계는 기판의 표면에 표면 구조화층이 형성되도록 텍스처 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  8. 삭제
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 에칭하는 단계는 알아이이(RIE : Reactive Ion Etching) 또는 아이씨피(ICP : Inductive Coupled Plasma) 방식에 의해 에칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  10. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서, 상기 광결정층을 형성하는 단계는
    경화성 레지스트(resist)를 도포하여 경화시키는 단계와,
    경화된 레지스트에 광결정층의 패턴에 대응하는 패턴홀을 갖는 마스크 패턴을 형성하는 단계와,
    상기 패턴홀에 의해 노출된 기판을 식각하는 단계와,
    상기 마스크 패턴을 제거하는 단계와,
    상기 마스크 패턴이 제거된 기판에 인을 확산시켜 n-접합층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 마스크 패턴을 형성하는 단계는 광결정층의 패턴에 대응하는 요철부가 형성된 임프린트 몰더를 사용하여 기판 위에 패턴홀을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 마스크 패턴의 크기는 0.1 내지 2 ㎛인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 기판을 식각하는 단계는 이온 빔(Ion beam)을 조사하여 기판을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 기판을 식각하는 단계는 알아이이(RIE : Reactive Ion Etching) 또는 아이씨피(ICP : Inductive Coupled Plasma) 방식에 의해 에칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
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