KR101139459B1 - 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로 태양전지의 구조는 제 1 도전형의 실리콘 기판, 상기 실리콘 기판의 전면에 형성되고 제 1 도전형과 반대 도전형을 가지는 제 2 도전형 반도체층, 상기 제 2 도전형 반도체층의 일부면을 노출시키는 적어도 하나 이상의 개구부를 포함하며 상기 제 2 도전형 반도체층 위에 형성되는 반사방지막, 상기 적어도 하나 이상의 개구부를 통해 상기 노출된 제 2 도전형 반도체층의 일부면에 접촉하는 전면전극, 및 상기 실리콘 기판의 후면에 형성된 후면전극을 포함하고, 상기 전면전극은 납 성분이 포함되지 않은 전극 페이스트를 사용하여 형성된다.
태양전지, 실리콘, 기판, 반사방지막, 전극, 페이스트, 개구부

Description

태양전지 및 그 제조방법{Sollar Cell And Fabrication Method Thereof}
본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 환경 오염을 방지하면서도 고효율의 신뢰성 있는 품질을 가진 태양전지를 안정적이고 좋은 수율로 생산하고 공정 비용의 면에서 경제적으로 제공할 수 있는 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어서 특히 주목받고 있다. 태양전지에는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양빛을 전기에너지로 변화시키는 태양광 전지가 있다. 일반적으로 태양전지라고 하면 태양광 전지를 일컫는 것이다.
태양전지란 광기전력 효과(Photovoltaic Effect)를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치로서, 무공해, 자원의 무한정, 반 영구적 수명 등의 장점을 가지고 있으며 환경 문제를 떠나서도 인류이 에너지 문제를 궁극적으로 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다.
앞으로 수십 년 후에 화석 연료의 고갈이 예상되어 지고 있고 동시에 많은 양의 화석 연료 사용에 따른 이산화탄소의 배출에 따른 지구 온난화와 같은 환경 문제가 대두됨에 따라서 무한한 에너지 원인 태양광을 이용하여 전기를 생산하는 태양전지에 많은 관심과 이목이 집중되고 있다.
현재 태양전지의 개발은 전력 생산 W당 단가를 낮추는 방향으로 추진되고 있는데, 이를 위해서 태양전지의 생산 원가를 낮추거나 혹은 태양전지의 효율을 높이는 방향으로 연구가 진행되고 있다.
태양전지는 그 구성 물질에 따라서 실리콘 태양전지, 박막 태양전지, 염료감응 태양전지 및 유기고분자 태양전지 등으로 구분되는데, 결정질 실리콘 태양전지가 전세계 태양전지의 총 생산량의 대부분을 차지하고 있으며, 효율이 다른 전지에 비해서 높고, 계속 제조단가를 낮추는 기술이 개발되고 있기 때문에 가장 대중적인 태양전지라고 할 수 있다.
제조 단가를 낮추기 위해서 태양전지의 제조공정을 공정 비용을 줄이도록 개발함과 동시에 안정적이고 생산수율이 높도록 개선할 필요성이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 실리콘 태양전지의 제조방법 중 특히 전극 형성 부분을 개선한 태양전지의 구조와 공정에 관한 기술로서, 기존의 태양전지 제조공정을 개선하여 친환경적이고 공정상 안정하며 공정 비용이 절감되면서도 고효율 태양전지의 양산성을 확보하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 태양전지의 효율성을 저해하지 않고 품질 특성의 신뢰성이 유지됨과 동시에 환경오염을 일으키지 않도록 재료의 면에서 개선된 전극을 포함하는 태양전지를 제공함을 목적으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 제 1 도전형 실리콘 기판과, 상기 실리콘 기판의 전면에 형성되고 제 1 도전형과 반대 도전형을 가지는 제 2 도전형 반도체층과, 상기 제 2 도전형 반도체층의 일부면을 노출시키는 적어도 하나 이상의 개구부를 포함하며 상기 제 2 도전형 반도체층 위에 형성되는 반사방지막과, 상기 적어도 하나 이상의 개구부를 통해 상기 노출된 제 2 도전형 반도체층의 일부면에 접촉하는 전면전극, 및 상기 실리콘 기판의 후면에 형성된 후면전극을 포함한다.
상기 제 1 도전형은 p형이고 제 2 도전형은 n형일 수 있으며 경우에 따라서 그 역도 물론 가능하다. 따라서 일 실시예로서 상기 제 1 도전형의 실리콘 기판은 p형 반도체 불순물로 도핑된 p형 실리콘 기판일 수 있다. 또한 상기 제 2 도전형 반도체층은 n형 반도체 불순물로 도핑된 n+형 에미터일 수 있다.
상기 제 1 도전형 실리콘 기판은 전면과 후면이 텍스처링되어 요철구조를 가질 수 있다. 만일 제 1 도전형 실리콘 기판의 전면에 텍스처링된 요철구조를 가지는 경우 그 위에 적층된 제 2 도전형 반도체층과 반사방지막의 전면부는 요철구조를 가질 수 있다.
상기 본 발명의 실시예에서 제 2 도전형 반도체층의 전면이 요철구조를 가지는 경우 상기 개구부를 통해 전면전극과 접촉하는 제 2 도전형 반도체층의 전면 노출부분은 요철이 없거나 노출부분 이외의 영역의 요철보다 요철크기가 작은 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 전면전극은 은(Ag)을 포함하는 금속과 유리 프릿(glass frit)을 포함할 수 있다.
상기 유리 프릿은 납이 포함되지 않는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 전면전극은 두가지 금속성분으로 구성될 수 있는데, 은(Ag) 또는 은을 포함하는 합금으로 이루어진 제1 금속성분과 기타 다양한 도전성 금속에서 선택되는 금속원소로 이루어진 제2 금속성분으로 이루어질 수 있다.
상기 금속성분들의 구성은 특별히 제한되지 않으나 제1 금속성분은 메탈 총 중량%를 기준하여 50 내지 90 중량%이고 제2 금속성분은 0.2 내지 5 중량%일 수 있 다. 바람직하게 상기 전면전극은, 전면전극의 메탈 총 중량%를 기준하여, 상기 은(Ag) 또는 은을 포함하는 합금 50 내지 85 중량%, 및 아연(Zn), 규소(Si), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 망간(Mn), 비스무트(Bi), 인(P), 보론(B), 바륨(Ba), 및 팔라듐(Pd)으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나 이상의 금속 0.2 내지 5 중량% 를 포함할 수 있다.
본 발명에서 제 2 도전형 반도체층은 n+형 에미터로서 n형 반도체 불순물이 고농도로 도핑될 수 있다. n+형 에미터의 반도체 불순물의 도핑농도는 특별히 제한되지 않으나 바람직하게는 1×1019 내지 1×1021 atom/cm3 일 수 있다. 상기와 에미터를 이루는 반도체 불순물의 도핑 농도를 높게 도핑함으로써 면저항을 낮출 수 있어 금속전극과의 컨택성을 향상시킬 수 있다. 상기 n+형 에미터의 면저항(sheet resistance)은 특별히 제한되지 않으나 30 ~ 100 Ω/square 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 제 2 도전형 반도체층의 두께는 특별히 제한되지 않으나 일반적인 600nm 내지 1000nm의 두께부터 100nm 내지 500nm의 초박형 에미터에 이르기까지 다양한 두께에 적용가능하다.
특히 본 발명에 따른 태양전지의 전면전극 형성방법이 일반적인 fire through 공정을 통해 이루어지는 것이 아니어서, 종래 태양전지의 전면전극의 형성방법에 있어서 초박형의 제 2 도전형 반도체층을 통과하여 단락될 위험성을 예방할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 상기 제 2 도전형 반도체층을 초박형으로 형성한다 하더라도 전면전극을 단락의 위험없이 용이하게 형성할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에서 상기 반사방지막은 특별히 제한되지 않지만 실리콘 산화막, 실리콘 산화질화막, 실리콘 질화막 중 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
상기 반사방지막은 적어도 한개 층 이상으로 이루어질 수 있다.
또한 상기 후면전극은, 전도성을 가지는 금속으로 이루어지며 특별히 제한되지 않지만, 바람직하게는 알루미늄(Al), 은(Ag), 또는 알루미늄은(AgAl) 합금을 포함하는 금속과 유리 프릿을 포함할 수 있다. 후면전극의 유리 프릿도 전면전극과 마찬가지로 납 성분이 포함되지 않는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 태양전지의 일 실시예에 따르면 상기 제 1 도전형 실리콘 기판 후면과 후면전극의 계면에는 후면전계층(Back Surface Field, BSF)이 형성될 수 있다.
상기 후면전계층은 후면전극에 포함된 제 1 도전형 반도체 물질이 열처리되어 실리콘 기판 후면에 확산되어 형성된 고농도의 제 1 도전형 반도체 불순물 영역이다.
본 발명의 실시예의 경우 후면전극 페이스트를 알루미늄 페이스트로 사용할 경우 상기 후면전계층은 알루미늄-후면전계층(Al-BSF)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 제 2 도전형 반도체층과 반사방지막 사이에, 상기 반사방지막의 개구부와 동일한 위치에 개구부를 가지는 절연층(dielectric layer)이 추가로 더 포함될 수 있다. 이 때, 상기 전면전극은 반사방지막과 절연층의 개구부를 통해 제 2 도전형 반도체층의 일부면에 접촉하는 것을 특징으로 한다.
또한 경우에 따라서 상기 제 1 도전형 실리콘 기판 후면에 절연층(dielectric layer)이 추가로 더 포함될 수도 있다. 이 경우 후면전극이 상기 절연층의 일부를 통하여 상기 제 1 도전형 실리콘 기판의 후면과 부분적으로 접촉할 수 있다. 후면전극으로부터 형성되는 후면전계층은 상기 일부 기판의 후면과 후면전극이 접촉하는 영역에 형성된다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 제 1 도전형 실리콘 기판에 제 1 도전형과 반대되는 제 2 도전형의 불순물을 도핑하여 에미터층을 형성하는 단계와, 상기 에미터층 상에 반사방지막을 형성하는 단계와, 상기 반사방지막을 식각하여, 상기 에미터층의 일부면을 노출시키는 적어도 하나 이상의 개구부를 형성하는 단계와, 상기 개구부를 통해 에미터층의 노출된 면에 접촉하는 전면전극을 형성하는 단계, 및 상기 제 1 도전형 실리콘 기판의 후면에 후면전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 개구부는, 상기 반사방지막 위에 에칭 페이스트를 스크린 인쇄법(screen printing) 또는 직접 인쇄법(direct printing)을 사용하여 패턴대로 도포하고, 패턴된 영역을 식각하여 형성함으로써 얻을 수 있다.
한편, 상기 개구부를 형성하기 위한 다른 실시예로서, 상기 반사방지막 상에 마스크층을 패터닝하여 형성하고, 상기 마스크층이 형성되지 않은 부분의 반사방지막을 식각한 후 상기 마스크층을 제거하여 형성할 수도 있다.
이 때 상기 마스크층은 식각방지용 마스크층일 수 있으며 개구부를 식각하는 방법에 대하여 내성이 있는 물질로 이루어지는 마스크층이면 족할 것이다. 특히 상기 마스크층은 상기 반사방지막 위에 식각방지용 페이스트를 스크린 인쇄법(screen printing) 또는 직접 인쇄법(direct printing)을 사용하여 패터닝하여 형성할 수 있다. 만일 반사방지막에 개구부를 식각하는 방법에 알칼리 용액을 이용한 습식화학식각법을 사용한다면, 반사방지막 위에 개구부가 형성될 영역을 제외한 나머지 영역에 스크린 인쇄법 등으로 실리콘나이트라이드와 같은 내알칼리성의 물질로 이루어진 마스킹 페이스트(masking paste)를 사용하여 마스크층을 형성한다. 상기 마스크층으로 가려진 부분을 제외한 영역은 식각 용액으로 식각되어 반사방지막에 개구부를 형성하고 그 후에 마스크층은 제거된다.
상기 반사방지막에 개구부가 형성되면, 상기 전면전극을 형성하는 단계는, 상기 패터닝된 개구부에 전극 페이스트를 스크린 인쇄법(screen printing) 또는 직접 인쇄법(direct printing)을 사용하여 도포하고 열처리하여 형성한다.
이 때 상기 에칭 페이스트와 전극 페이스트의 패터닝을 위하여 동일한 스크린 마스크 패턴을 사용할 수 있다.
또한 본 발명의 태양전지 제조방법에 사용되는 상기 전극 페이스트는, 은(Ag) 또는 은을 포함한 금속합금을 포함하는 금속, 납-무함유의 유리 프릿, 및 수지 결합제가 유기 매질에 분산된 전극 페이스트일 수 있다.
상기 전극 페이스트를 패터닝하여 도포한 후 열처리 하는 온도는 특별히 제한되지 않으나 반사방지막의 개구부를 통해 노출된 제 2 도전형 반도체층에 접촉하도록 증착하는데 필요한 열처리이므로, 가열 소성과정으로 반사방지막을 뚫고 에미 터층에 접촉해야하는 과정을 포함하는 일반적인 전극 형성공정에 비해 열처리 온도가 낮을 수 있다. 바람직하게는 500℃ 내지 850℃인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조방법에서, 상기 제 1 도전형 실리콘 기판을 텍스처링(texturing)하여 기판의 전면 또는 전면 및 후면에 요철을 형성하는 단계를 더 추가할 수 있다.
본 발명의 태양전지 제조 과정이 수행되기 전에 실리콘 기판을 텍스처링 하는 과정을 통해 상기 기판의 전면 또는 전면 및 후면에 요철을 가지도록 준비해둘 수도 있다.
텍스쳐링은 습식화학에칭법, 건식화학에칭법, 전기화학에칭법, 기계적에칭법 중 어느 하나의 방법일 수 있으며 이에 반드시 제한되는 것은 아니다.
상기 텍스처링 과정을 거쳐 표면에 요철 구조를 가지게 되는 실리콘 기판인 경우 본 발명의 태양전지 제작방법을 거치게 되면 개구부를 식각하는 공정을 거치기 때문에 전면전극이 형성되는 영역의 요철 크기와 전면전극이 형성되지 않는 나머지 영역의 요철 크기가 차이가 있게 된다. 즉, 전면전극이 형성되는 영역의 요철이 개구부 형성을 위한 식각과정을 거쳐 그렇지 않은 영역보다 요철 크기가 작거나 요철이 없는 평평한 구조일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 후면전극을 형성하는 단계는, 상기 제 1 도전형 실리콘 기판의 후면에 후면전극 페이스트를 도포하고 열처리하여 상기 기판의 후면에 후면전계층을 형성하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라서는 상기 전면전극 페이스트가 개구부에 형성되 고 후면전극 페이스트가 도포된 후 동시에 열소성할 수도 있다. 전면전극과 후면전극의 형성을 위한 동시 열소성의 경우, 전면전극의 소결과 후면전계층의 형성 및 반사방지막에서 실리콘 웨이퍼 기판 내부로의 수소 확산(diffusion)이 동시에 일어날 수 있다. 이런 동시 열소성의 경우라면 상기 전면전극 페이스트만을 열 소성하는 경우보다 열처리 온도가 다소 높아질 수 있다. 바람직하게는 500℃ 내지 850℃의 열소성 온도 범위 내에서 전면전극 페이스트만의 열 소성 온도보다 높은 온도로 동시에 열처리 될 수 있다.
또한 상기 후면전극을 형성하는 단계 이전에, 상기 제 1 도전형 실리콘 기판의 후면에 절연층을 형성하는 단계 및 상기 절연층에 후면전극이 통과하여 기판 후면과 접촉하는 적어도 하나 이상의 개구부를 형성하는 단계를 추가로 더 포함할 수 있다. 후면전극의 부분 컨택을 위한 상기 개구부는 포토리소그래피법, 광학적 스크라이빙법, 기계적 스크라이빙법, 플라즈마 이용 에칭법, 습식에칭법, 건식 에칭법, 리프트 오프(lift-off)법, 와이어 마스크(wire mask)법 등의 방법을 사용할 수 있지만, 전면전극과 마찬가지로 상기 후면전극이 형성되는 개구부는 스크린 인쇄법 또는 직접 인쇄법으로 형성할 수 있다.
만일 제 1 도전형 실리콘 기판의 표면이 텍스처링되어 요철구조를 가진다면 전면전극이 형성되는 영역과 상기 후면전극이 부분적으로 백 컨택되는 영역에서의 요철 크기가 그렇지 않은 나머지 영역의 요철크기보다 작거나 요철이 없는 평평한 형태일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라서는 상기 제 1 도전형 실리콘 기판의 전면부와 후 면부에 모두 절연층이 형성될 수도 있으나 그렇지 않고 어느 한쪽에만 형성될 수도 있다.
상기 절연층은 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 산화질화물(SiONx) 또는 실리콘 질화물(SiNx) 중 어느 하나 이상으로 구성될 수 있다.
본 발명의 제조방법에서 상기 절연층은 대기압 화학기상증착법 (Atmosphere Pressure Chemical Vapor Deposition, APCVD), 저압 화학기상증착법(Low Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD), 플라즈마 강화 화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD), 스퍼터 증착법, 전자빔 증착법, 스핀 온법(spin-on process) 등의 방법으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 기존의 공정을 개선하여 전극을 형성하는 방법을 제안함으로써 친환경적인 재료를 사용한 전극을 포함하는 고효율 태양전지를 안정적이고 생산수율이 높은 제조방법으로 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명의 방법을 사용하여 제작된 태양전지는 재료의 면에서 환경 친화적일 뿐만 아니라 생산성이 우수하고 공정 비용을 저감할 수 있는 방법이어서 경제적으로 우수한 광전변환율을 가지는 태양전지를 다량으로 양산 및 제공할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 순차적으로 나타낸 단면도이다.
상기 도면은 도 9의 완성된 태양전지의 단면도를 형성하기 위한 제작과정을 단면도로 간략하게 모식화한 것으로서 반드시 이에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 범위를 벗어나지 않는 한도에서 다양한 실시예를 통해서 제작될 수도 있다.
먼저 도 1과 같이 실리콘 기판을 p형 반도체 불순물로 도핑한 p형 실리콘 기판(100)을 준비한다.
도 1에 도시하지 않았으나, 상기 p형 실리콘 기판(100)을 텍스처링하여 표면에 요철구조를 가지도록 하는 단계를 추가할 수도 있다.
다음으로 도 2에서는 상기 p형 실리콘 기판(100)을 n형 반도체 불순물로 도핑하여 기판 표면에 n형 에미터층(110)을 형성한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 p형 실리콘 기판(100)이 컨베이어 벨트로 이동할 때 n형 소스 가스를 주입하여 기판 표면을 n형 반도체 불순물로 도핑하기 때문에 도 2에서와 같이 n형 반도체 불순물은 기판의 전면과 후면을 물론 양측면에도 도핑된다. 후에 에지 아이솔레이션 공정을 통해 측면의 도핑층은 제거하게 되므로, 다음의 도 3의 단면도에는 기판의 전면과 후면의 n형 반도체 도핑층(110)만을 도시하였다.
상기 n형 반도체층 또는 n형 반도체 도핑층(110)은 상기 p형 실리콘 기판(100)과의 계면에서 pn 접합을 이루게 되므로 p형 실리콘 기판의 전면에 형성된 n형 반도체층은 n형 에미터층(110)으로 기능하게 된다.
그러나 p형 실리콘 기판(100)의 후면에 형성된 n형 에미터층(110)은 이후 후면전극의 형성 과정을 통해 보상(compensation)될 것이므로 에미터로 기능하지 않을 것이다.
n형 에미터층(110)의 형성은 퍼니스(furnace)에서 불순물 가스를 기판 표면으로 열확산시키는 공정을 포함한 일반적으로 공지된 반도체 불순물의 형성 공정을 이용할 수 있다.
다음 과정으로 도 4에서는 기판(100)의 전면에 형성된 n형 에미터층(110) 위에 반사방지막(120)을 형성한다.
도 4에서는 단일층의 반사방지막(120)을 도시하였으나, 이에 제한되지 않고 복수개의 층으로 반사방지막을 형성할 수 있다. 반사방지막을 구성하는 물질은 특별히 제한되지 않으나 수광된 빛이 다시 외부로 빠져나가지 못하도록 하는 물질로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 또는 이들의 혼합막으로 구성될 수 있다.
반사방지막을 구성하는 물질은 구체적으로 절연물질로서, 예를 들어, SiNx single layer, SiNx/SiON 또는 SiNx/SiOx 와 같은 두개 층을 이용하거나, SiOx/SiNx/SiOx 와 같은 세개 층으로 구성될 수 있으나 반드시 이에 제한되지는 않는다. 상기 반사방지막(120)은 태양전지의 반사율을 최소화하는 기능을 할 뿐만 아니라, 패시베이션층의 기능도 수행한다.
다음의 과정으로 도 5는 상기 반사방지막에 개구부를 형성하기 위한 하나의 실시예로서, 에칭 페이스트로 개구부 영역을 패터닝하여 형성하는 과정이다. 개구 부 영역은 후에 전면전극이 통과하여 형성되는 자리이다.
본 발명의 일 실시예에서는 마스크에 에칭 페이스트(130)를 패터닝하여 상기 태양전지의 반사방지막(120)의 상면에 패턴대로 인쇄하여 적층하는 것을 도시하였다.
에칭 페이스트(130)가 반사방지막(120)의 일부 영역에 패터닝되어 형성되는 것은 특별한 방법으로 제한되지 않고 공지된 인쇄법 또는 분산 방법으로 패턴에 따라 형성되면 족할 것이다. 바람직하게는 스크린 인쇄법 또는 직접 인쇄법을 통해 반사방지막 위에 에칭 페이스트(130)를 패턴에 따라 형성한다.
상기 형성된 에칭페이스트를 적당한 온도와 시간으로 제어하여 열처리하면 에칭 페이스트(130)가 형성된 하부면의 반사방지막이 제거되어 개구부가 형성된다. 식각이 끝난 후 식각 표면에 잔류하는 에칭 페이스트를 적당한 용매를 통해 제거한다.
에칭 페이스트로 개구부를 식각하고 난 후의 태양전지 단면도는 도 6과 같다. 도 6에서 알 수 있듯이, 후에 전면전극이 형성될 영역의 반사방지막이 오픈되어 적어도 하나 이상의 개구부(125)를 가지는 형태가 된다.
기판 전면을 텍스쳐링을 하여 소정의 요철이 미리 형성되어 있는 경우, 상기 개구부 형성을 위한 에칭 페이스트의 식각에 의해 기판의 요철 표면이 노출되어 일부 요철 또는 전체가 제거되어, 개구부가 형성되지 않은 영역보다, 개구부가 형성된 영역의 요철이 작아지거나, 평평해질 수도 있다.
도 12 내지 도 15에서는 상기 반사방지막에 개구부를 형성하기 위한 다른 실 시예를 도시하였다.
도 12 내지 도 15의 개구부 형성 과정은 도 5의 실시예와 달리, 개구부가 식각되어 형성될 영역을 제외한 나머지 영역에 마스크층을 형성하는 것이다.
도 12를 참조하면 실리콘 기판(400) 위에 n형 에미터층(410)과 반사방지막(420)이 순차로 형성되고, 상기 반사방지막(420) 위에 개구부의 패턴을 가지도록 개구부 영역의 나머지 영역에 마스크층(430)이 형성된다.
상기 마스크층(430)은 식각방법에 따른 내성이 있는 물질, 즉 식각 마스크로 작용하는 물질로 이루어진 마스킹 페이스트를 사용하여 스크린 인쇄법이나 직접 인쇄법으로 반사방지막(420) 위에 형성한다.
바람직하게는 개구부를 식각하는 방법이 건식화학식각법이나 습식화학식각법일 것이므로 식각 용액에 내성이 있는 물질, 즉 내산성 혹은 내알칼리성 물질을 포함하는 마스킹 페이스트가 패터닝되어 형성된다. 바람직하게는 알칼리 용액으로 개구부를 식각할 경우 실리콘나이트라이드를 포함하는 마스킹 페이스트를 이용할 수 있다.
상기 마스킹 페이스트가 패터닝되어 도포된 후 도 13과 같이 식각용액 등에 침지하여 마스킹 페이스트가 도포된 마스크층을 제외한 나머지 영역을 식각하여 반사방지막(420) 내에 개구부를 형성한다(도 14).
도 15에서와 같이 상기 마스크층을 사용하여 국부적으로 반사방지막의 일부를 식각한 뒤 마스크층을 제거하면 반사방지막(420) 내에 개구부(425)가 패턴에 따라 형성된다.
전극의 형성과정과 그 이후의 태양전지의 완성 과정은 도 7 내지 도 9와 같다.
다음으로 도 7에서 보듯이 반사방지막의 개구부에 전면 전극 페이스트(135)를 패터닝하여 전면전극을 형성한다.
반사방지막을 식각하는 에칭 페이스트(130)를 이용하여 1차 스크린 프린팅을 통해 향후 전극이 형성될 영역의 반사방지막(120)을 식각하여 패터닝한 후 동일한 스크린 마스크 패턴을 이용하여 전면전극 페이스트(135)를 개구부에 2차 스크린 프린팅하여 형성하는 본 발명의 상기 실시예에 의하든지 또는 마스킹 페이스트를 1차적으로 스크린 인쇄법으로 도포하고 개구부를 식각하고 난 후, 전극 페이스트를 2차적으로 스크린 인쇄법으로 개구부 내에 도포하는 다른 실시예에 의하든지, 본 발명에서는 2 단계의 스크린 인쇄법을 이용하여 안정적인 전극 형성을 기대할 수 있다.
이 때 전면전극 페이스트(135)의 조성물은 특별히 제한되지 않으나 납이 전혀 포함되지 않는 것을 특징으로 한다.
일반적인 태양전지의 전극 제조 공정을 위해서는 반사방지막 증착 후 전면 전극을 스크린 프린팅 방식으로 형성한 뒤, 후속 열 소성과정을 통해 전면전극용 Ag 페이스트가 반사방지막을 뚫고 들어가서 하부의 n형 에미터 영역과 컨택하게 된다. 이 때 Ag paste가 반사방지막을 뚫고 들어가기 위해서는 punch-through paste 구성 요소인 글래스 프릿 내에 납 성분이 필수적이고 이는 환경오염 문제를 야기시키고 인체에 유해하기 때문에 지양되어야 할 과제였다.
납 성분은 인체에 유해하고 환경을 오염시키는 물질이므로 향후 지구 환경보존의 문제를 인식하여 그 사용이 제한되거나 금지되어야 하는데, 본 발명에 따른 전면 전극 페이스트는 이러한 납 성분이 포함되지 않은 조성물을 사용하되 본 발명과 같은 방식을 통해 전면전극을 증착, 형성하는 것이어서 환경 보호의 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.
구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 전면전극 페이스트는 은(Ag)을 포함하는 금속과 유리 프릿(glass frit)으로 구성되되, 유리 프릿은 납이 포함되지 않는 것을 특징으로 한다.
상기 전면 전극 페이스트는 다양한 종래의 형성방식으로 상기 개구부에 형성될 수 있으나, 스크린 인쇄법 또는 직접 인쇄법으로 패터닝할 수 있고, 바람직하게는 공정의 경제성을 고려하여 1차 에칭 페이스트의 스크린 프린팅에 사용된 스크린 마스크 패턴을 동일하게 이용하여 개구부에 전면전극 페이스트를 형성할 수 있다.
전면전극 페이스트(135)가 개구부에 형성되고 나면 열처리하여 전면전극으로 소결시킬 수 있는데, 전면전극(140)이 개구부를 통해 형성되어 n형 에미터층(110)의 상면에 접촉하는 과정은 도 8에 도시하였다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 열처리 공정을 통해 증착된 전면전극은 두가지 금속성분으로 구성될 수 있는데, 은(Ag) 또는 은을 포함하는 합금으로 이루어진 제1 금속성분과 기타 다양한 도전성 금속에서 선택되는 금속원소로 이루어진 제2 금속성분으로 이루어질 수 있다.
상기 금속성분들의 구성은 특별히 제한되지 않으나 제1 금속성분은 메탈 총 중량%를 기준하여 50 내지 90 중량%이고 제2 금속성분은 0.2 내지 5 중량%일 수 있다. 바람직하게 상기 전면전극은, 전면전극의 메탈 총 중량%를 기준하여, 상기 은(Ag) 또는 은을 포함하는 합금 50 내지 85 중량%, 및 아연(Zn), 규소(Si), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 망간(Mn), 비스무트(Bi), 인(P), 보론(B), 바륨(Ba), 및 팔라듐(Pd)으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나 이상의 금속 0.2 내지 5 중량% 를 포함할 수 있다. 제1 금속성분이든 제2 금속성분이든 본 발명의 전면전극의 금속성분에는 납이 전혀 포함되지 않았음이 특징이다.
전면전극 페이스트를 소결하기 위한 상기 열처리 온도는 일반적인 전면전극 페이스트의 fire through공정의 열처리 온도보다는 낮은 500℃ 내지 850℃일 수 있어 기존 기술보다 공정 안정성, 수율, 공정 비용의 저감 면에서 유리하다.
상기와 같은 본 발명의 일 실시예의 전면전극 형성 공정은 일반적인 결정질 태양전지는 물론 n형 에미터가 초박형이거나 실리콘 기판이 초박형인 태양전지에도 적용성이 뛰어나 저변적으로 확대되어 활용될 수 있는 잇점이 있다.
마지막으로 p형 실리콘 기판(100)의 후면에 형성된 n형 반도체 도핑층(110)은 후면전극을 형성하는 과정에서 보상될 수 있다.
도 9에는 후면전극이 형성되는 과정을 도시한 도면이다. p형 실리콘 기판(100)의 후면에 형성된 n형 반도체 도핑층은 후면전극 페이스트를 도포하고 열처리하는 과정을 통해 conpensation되어 p형 실리콘 기판(100)의 후면에는 후면전극층(160)이 형성되게 된다.
후면전극 페이스트는 알루미늄이나 알루미늄은 페이스트일 수 있으며, 열처 리 과정에서 알루미늄이 확산, 도핑되어 p형 실리콘 기판보다 p형 반도체 불순물이 더 고농도로 도핑된 영역인 후면전계층(150)이 형성되게 된다.
즉, 후면전극(160)과 p형 실리콘 기판(100)의 후면의 계면에는 p형 반도체 불순물의 고농도 도핑 영역인 후면전계층이 형성되어 태양광으로 인해 분리된 전자-정공쌍이 다시 재조합되어 효율이 떨어지게 되는 것을 방지한다.
상기 후면전극(160)은 직접 프린팅법, 스크린 프린팅법, 도금법, 코팅법 등의 공지된 방법으로 형성될 수 있으며 바람직하게는 전면전극의 형성방법과 같은 스크린 프린팅법을 사용하여 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예의 태양전지의 구조를 나타낸 단면도는 도 10 및 도 11에 도시하였다.
도 10 및 도 11은 모두 태양전지의 전면부와 후면부에 절연층을 추가로 더 형성한 구조이다.
도 10과 도 11을 참조하여 알 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따르면 태양전지의 p형 실리콘 기판(200,300)의 전면부에 형성된 n형 에미터층(210,310)과 반사방지막(220,320) 사이에 추가로 절연층(215,315)을 더 형성할 수 있다.
상기 절연층은 대기압 화학기상증착법(Atmosphere Pressure Chemical Vapor Deposition, APCVD), 저압 화학기상증착법(Low Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD), 플라즈마 강화 화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD), 스퍼터 증착법, 전자빔 증착법, 스핀 온법(spin-on process) 등의 공지된 방법으로 형성될 수 있으며 특별히 제한되지는 않는다.
절연층은 주로 실리콘 산화막이나 실리콘 질화막과 같이 전기적으로 도통되지 않는 물질로 이루어진다.
p형 실리콘 기판(200,300) 위에 n형 에미터층(210,310)을 형성하고 순차로 절연층(215,315)과 반사방지막(220,320)을 형성하고 난 후, 향후 전면전극(240,340)이 형성될 적어도 하나 이상의 개구부는 상기 절연층과 반사방지막을 한꺼번에 식각하여 패턴대로 형성한다.
개구부의 형성은 상기 도 1 내지 도 9의 과정에서 설명되었으므로 별도의 설명은 생략한다. 도 10 및 도 11의 경우 절연층과 반사방지막의 식각을 위한 에칭 페이스트의 스크린 인쇄법을 통한 도포와 열처리는 상기 도 1 내지 도 9의 과정보다 더 강화된 조건으로 수행할 수 있다. 이 과정을 통해 개구부가 형성되고 형성된 개구부를 통해 n형 에미터층(210,310)의 상면이 노출된 후 전면전극이 그 위에 안착하도록 형성된다.
도 10 및 도 11의 태양전지를 제작하기 위한 공정에서도 스크린 프린팅법은 에칭 페이스트와 전면전극 페이스트를 사용하여 각각 2차로 수행되고 전면전극을 소결하기 위한 열처리 온도도 상술한 조건과 같다.
도 10 및 도 11의 차이는 후면전극의 형태에 따라 달라지는데, 도 10의 경우 후면전극(260)이 p형 실리콘 기판(200)의 후면에 전반적으로 형성되고 p형 실리콘 기판과 후면전극 사이에는 후면부에 형성되는 절연층(215)이 추가로 더 포함된 구조이다.
도 10을 참조하면 기판의 후면에 형성된 절연층은 적어도 하나 이상의 개구 부를 가지고 있으며, 후면전극(260)은 상기 개구부를 통과해 p형 기판의 후면과 접촉한다. 후면전극(260)이 p형 실리콘 기판의 후면과 접촉하는 영역에는 p형 반도체 불순물이 고농도로 도핑된 후면전계층(250) 영역이 존재하게 된다.
도 10과 같은 후면 구조는 p형 실리콘 기판의 후면에 절연층을 형성하는 단계, 상기 절연층에 적어도 하나 이상의 개구부를 식각하는 단계, 상기 절연층 위에 전면적으로 후면전극 페이스트를 도포하는 단계, 후면전극 페이스트를 열처리하여 후면전극 페이스트가 개구부를 통과하여 p형 기판의 후면에 접촉하고 p형 기판의 후면으로 알루미늄과 같은 p형 반도체 불순물을 확산하는 단계로 이루어질 수 있다.
상기 절연층에 개구부를 형성하는 과정은 레이저 등을 이용하는 방법을 사용하거나 전면 개구부와 동일한 방법을 사용할 수도 있다.
도 11의 태양전지는 후면구조가 도 10과 달리 후면전극이 전면적으로 형성되는 것이 아니라, 기판의 후면에 형성되는 절연층(315)의 개구부에 형성되는 구조이다.
즉, 후면전극(360)이 절연층에 형성된 개구부에 형성되도록 기판의 후면에 부분적으로 이격되어 패터닝된 것인데, 도 10과 마찬가지로 후면전극(360)이 개구부를 통해 p형 실리콘 기판(300)의 후면부와 접촉하게 되는 계면에는 p형 반도체 불순물이 고농도로 도핑된 후면전계층(350)이 형성된다.
각 후면전극(360) 사이에는 기판 후면 위에 형성된 절연층으로 인해 서로 전기적으로 연결되지 않는 구조로서, 도 11의 구조는 도 10에 비하여 태양전지의 제 조비용을 절감하는 측면에서 잇점이 있다.
이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 범위에 속한다. 또한, 본 명세서에서 설명한 각 구성요소의 물질은 당업자가 공지된 다양한 물질로부터 용이하게 선택하여 대체할 수 있다. 또한 당업자는 본 명세서에서 설명된 구성요소 중 일부를 성능의 열화 없이 생략하거나 성능을 개선하기 위해 구성요소를 추가할 수 있다. 뿐만 아니라, 당업자는 공정 환경이나 장비에 따라 본 명세서에서 설명한 방법 단계의 순서를 변경할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.
도 1 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 순차적으로 나타낸 단면도.
도 10 및 도 11은 본 발명의 일 실시에에 따른 태양전지의 구조를 나타낸 단면도.
도 12 내지 도 15는 상기 도 1 내지 도 9에 따른 태양전지의 제조방법 중 다른 실시예에 의한 개구부를 형성하는 방법을 순차로 나타낸 단면도.
{도면의 주요부분에 대한 부호의 설명}
100,200,300,400: p형 실리콘 기판 110,210,310,410: n형 반도체층
120,220,320,420: 반사방지막 140,240,340: 전면전극
150,250,350: 후면전계층 160,260,360: 후면전극
125,425: 개구부 130: 에칭 페이스트
135: 전극 페이스트 215,315: 절연층
430: 마스크층

Claims (25)

  1. 제 1 도전형의 실리콘 기판;
    상기 실리콘 기판의 전면에 형성되고 제 1 도전형과 반대 도전형을 가지는 제 2 도전형 반도체층;
    상기 제 2 도전형 반도체층의 일부면을 노출시키는 적어도 하나 이상의 개구부를 포함하며 상기 제 2 도전형 반도체층 위에 형성되는 반사방지막;
    상기 적어도 하나 이상의 개구부를 통해 상기 노출된 제 2 도전형 반도체층의 일부면에 접촉하는 전면전극; 및
    상기 실리콘 기판의 후면에 형성된 후면전극을 포함하고,
    상기 제 2 도전형 반도체층은 n형 반도체 불순물로 도핑된 n+형 에미터이며,
    상기 n+형 에미터의 면저항(sheet resistance)은 30 ~ 100 Ω/square이고,
    상기 전면전극은, 은(Ag)을 포함하는 금속과 유리 프릿을 포함하며,
    상기 금속의 총 중량%를 기준으로 상기 은(Ag) 또는 은을 포함하는 합금은 50 내지 85 중량%, 및 아연(Zn), 규소(Si), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 망간(Mn), 인(P), 보론(B), 바륨(Ba), 및 팔라듐(Pd)으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나 이상의 금속 0.2 내지 5 중량% 를 포함하고,
    상기 유리 프릿은 납이 포함되지 않는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 도전형 반도체층의 상면은 요철구조를 가지되, 상기 전면전극이 형성된 영역은 요철이 없거나 혹은 전면전극이 형성된 영역을 제외한 나머지 영역의 요철보다 요철크기가 작은 것을 특징으로 하는 태양전지.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 도전형의 실리콘 기판은 p형 반도체 불순물로 도핑된 p형 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 도전형 반도체층의 두께는, 상기 전면전극이 접촉하는 영역의 두께가 전면전극이 접촉하지 않는 영역의 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 태양전지.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 반사방지막은 실리콘 산화막, 실리콘 산화질화막, 실리콘 질화막 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 반사방지막은 적어도 한개 층 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 후면전극은, 알루미늄(Al), 은(Ag), 또는 알루미늄은(AgAl) 합금을 포함하는 금속과 유리 프릿을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 도전형 실리콘 기판 후면과 후면전극의 계면에는 후면전계층(Back Surface Field, BSF)이 형성된 것을 특징으로 하는 태양전지.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 도전형 반도체층과 반사방지막 사이에, 상기 반사방지막의 개구부와 동일한 위치에 개구부를 가지는 절연층(dielectric layer)이 추가로 더 포함되고, 상기 전면전극이 반사방지막과 절연층의 개구부를 통해 제 2 도전형 반도체층의 일부면에 접촉하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 도전형 실리콘 기판 후면에 절연층(dielectric layer)이 추가로 더 포함되고, 상기 후면전극이 상기 절연층의 일부를 관통하여 상기 제 1 도전형 실리콘 기판의 후면과 부분적으로 접촉하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  16. 제1 도전형 실리콘 기판에 제1 도전형과 반대되는 제2 도전형의 불순물을 도핑하여 에미터층을 형성하는 단계;
    상기 에미터층 상에 반사방지막을 형성하는 단계;
    상기 반사방지막을 식각하여, 상기 에미터층의 일부면을 노출시키는 적어도 하나 이상의 개구부를 형성하는 단계;
    상기 개구부를 통하여 상기 에미터층의 노출된 면에 접촉하고, Ag를 포함하며, 납을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 전면전극을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 도전형 실리콘 기판의 후면에 후면전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 제조방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 개구부는, 상기 반사방지막 위에 에칭 페이스트를 스크린 인쇄법(screen printing) 또는 직접 인쇄법(direct printing)을 사용하여 패터닝하고 식각하여 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  18. 제 16항에 있어서,
    상기 개구부는, 상기 반사방지막 상에 마스크층을 패터닝하여 형성하고, 상기 마스크층이 형성되지 않은 부분의 반사방지막을 식각한 후 상기 마스크층을 제거하여 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 마스크층은 상기 반사방지막 위에 식각방지용 페이스트를 스크린 인쇄법(screen printing) 또는 직접 인쇄법(direct printing)을 사용하여 패터닝하여 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  20. 제 16항에 있어서,
    상기 전면전극을 형성하는 단계는, 상기 개구부에 전극 페이스트를 스크린 인쇄법(screen printing) 또는 직접 인쇄법(direct printing)을 사용하여 도포하고 열처리하여 형성하는 태양전지의 제조방법.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 전극 페이스트는,
    은(Ag) 또는 은을 포함한 금속합금을 포함하는 금속, 납-무함유의 유리 프릿, 및 수지 결합제가 유기 매질에 분산된 전극 페이스트인 태양전지의 제조방법.
  22. 제 20항에 있어서,
    상기 열처리 온도는 500℃ 내지 850℃인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  23. 제 16항에 있어서,
    상기 제 1 도전형 실리콘 기판을 텍스처링(texturing)하여 기판의 전면 또는 전면 및 후면에 요철을 형성하는 단계를 더 추가하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  24. 제 16항에 있어서,
    상기 후면전극을 형성하는 단계는, 상기 제 1 도전형 실리콘 기판의 후면에 후면전극 페이스트를 도포하고 열처리하여 상기 기판의 후면에 후면전계층(을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  25. 제 16항에 있어서,
    상기 후면전극을 형성하는 단계 이전에,
    상기 제 1 도전형 실리콘 기판의 후면에 절연층을 형성하는 단계; 및
    상기 절연층에 후면전극이 통과하여 기판 후면과 접촉하는 적어도 하나 이상의 개구부를 형성하는 단계를 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
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