KR101144810B1 - 태양전지용 전극 페이스트, 이를 이용한 태양전지, 및 태양전지의 제조방법 - Google Patents

태양전지용 전극 페이스트, 이를 이용한 태양전지, 및 태양전지의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양전지 전극제조용 페이스트, 이를 이용한 태양전지 전극, 상기 전극을 가지는 태양전지, 및 태양전지의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적인 태양전지 전극 제조용 페이스트는 은(Ag) 또는 은을 포함한 금속합금을 포함하는 제1 성분과, 아연(Zn)을 포함하고, 규소(Si), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 망간(Mn), 비스무트(Bi), 인(P), 보론(B), 바륨(Ba), 및 팔라듐(Pd) 중에서 선택된 어느 하나 이상의 물질을 포함하는 제2 성분과, 납-함유 또는 납-무함유의 유리 프릿, 및 수지 결합제가 유기 매질에 분산되어 있는 것을 특징으로 한다.
태양전지, 전극, 페이스트, 은, 아연, 납, 유리프릿

Description

태양전지용 전극 페이스트, 이를 이용한 태양전지, 및 태양전지의 제조방법{ELECTRODE PASTE FOR SOLAR CELL, SOLAR CELL USING THE PASTE, AND MANUFACTURING METHOD OF THE SOLAR CELL}
본 발명은 태양전지 전극제조용 페이스트, 이를 이용한 태양전지 전극, 상기 전극을 가지는 태양전지, 및 태양전지의 제조방법에 관한 것으로서, 실리콘 태양전지의 에미터의 깊이를 조정하여 태양전지의 효율 향상에 이바지하는 전극제조용 페이스트의 개발에 관련된 것이다.
최근 치솟는 유가 상승과 지구환경문제와 화석에너지의 고갈, 원자력발전의 폐기물처리 및 신규발전소 건설에 따른 위치선정 등의 문제로 인하여 신재생에너지에 대한 관심이 고조되고 있으며, 그 중에서도 무공해 에너지원인 태양전지에 대한 연구개발이 활발하게 진행되고 있다.
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 인류가 에너지 문제를 궁극적으로 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 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.
상용화되어가는 추세에 있는 결정질 실리콘 태양전지의 효율성을 제고하기 위하여 단락전류Isc, 개방전압 Voc, FF(fill factor)를 높이는 방향의 연구가 진행되고 있는데 본 발명 역시 이러한 분야에 관심을 두고 안출된 것으로서, 고효율 태양전지에 적용되는 페이스트에 대한 것이다.
또한 최근들어 취급이 용이하고 다용도로 쓰임새가 좋은 초박형 태양전지셀의 사용이 확산되는 가운데, 이러한 초박형 태양전지 웨이퍼 상에 초박형 에미터를 용이하게 형성하기 위한 태양전지의 제조공정의 개선이 필요하며 이에 대한 연구가 진행되고 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 결정질 실리콘 태양전지의 광전 변환 효율성을 개선하기 위한 초박형 태양전지의 에미터에 적용할 수 있는 태양전지 전극제조용 페이스트의 제안을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 초박형 실리콘 웨이퍼 기판 위에 면저항이 높은 에미터층을 형성하고 이에 적용할 수 있는 태양전지 전극을 형성하는 방법을 제공하여 태양전지가 단락되지 않고 효율성과 품질 특성의 신뢰성이 유지되는 태양전지의 제공을 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.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 전극 제조용 페이스트는 은(Ag) 또는 은을 포함한 금속합금을 포함하는 제1 성분과, 아연(Zn)을 포함하는 제2 성분과, 납-함유 또는 납-무함유의 유리 프릿, 및 수지 결합제가 유기 매질에 분산된다. 이때, 상기 제2 성분은 총 조성물의 중량%를 기준하여 2 내지 5 중량%인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라서는 상기 제2 성분에 규소(Si), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 망간(Mn), 비스무트(Bi), 인(P), 보론(B), 바륨(Ba), 및 팔라듐(Pd) 중 에서 선택된 어느 하나 이상의 물질을 더 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 제1 성분은 총 조성물의 중량%를 기준으로 80 내지 85 중량%일 수 있지만 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 상기 제1 성분 또는 제2 성분의 상태는 특별히 제한되지 않으며 액상이나 또는 고상일 수 있다. 바람직하게는 고형의 분말 상태일 수 있다.
본 발명에서 상기 유리 프릿은 납을 포함할 수도 있고 포함하지 않을 수도 있는데, 만일 납을 함유하는 경우에는 납 함유량이 총 조성물의 중량%를 기준하여 1 내지 3 중량%일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 전극 제조용 페이스트의 총 조성물의 중량%를 기준하여, 상기 제1 성분은 50 내지 85 중량%, 상기 제2 성분은 2 내지 5 중량%, 상기 유리 프릿은 2 내지 10 중량%, 상기 수지 결합제는 1 내지 5 중량%의 용량으로 유기 매질 10 내지 30중량% 에 분산될 수 있다.
상기 수지 결합제는 고분자 플라스틱 화합물로서 금속물질과의 결합을 위한 바인더로 기능할 수 있는 물질이면 족하다.
상기 유리 프릿의 중량에는 금속 원소로서 납이 포함될 수 있으나 납이 포함되지 않고 다른 금속원소가 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 전극제조용 페이스트는 상기 페이스트의 물질 중에서 메탈이 차지하는 중량을 총 중량으로 할 때, 은(Ag)은 50 내지 85 중량%, 아연(Zn)은 0.2 내지 5 중량%, 납(Pb)은 0 내지 2 중량% 인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 태양전지의 전극은 상기와 같은 구성물질과 구성비를 가지는 전극 제조용 페이스트를 태양전지의 수광면에 프린팅하고 열소성하여 형성될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 전극 제조용 페이스트는 종래 결정질 실리콘 태양전지에 사용할 수 있으며, 단결정 또는 다결정 실리콘 태양전지에 모두 사용 가능하다.
특히 본 발명의 전극 페이스트는 광전변환효율이 고효율인 고 면저항을 가지는 에미터층을 포함하는 태양전지에 적용할 수 있으며 그 활용도가 높다.
즉, 60 내지 120Ω/sq 의 고(高) 면저항의 에미터층을 포함하는 태양전지(이하 본 발명에서는 High Rs cell로 정의한다)의 전극 제조에 사용할 수 있다.
결정질 실리콘 태양전지에서 기판 위에 형성된 에미터층은 기판을 베이스로 하여 pn 접합(pn junction)을 이루는 것인데, High Rs cell은 면저항(Sheet Resistance)이 60 내지 120Ω/sq로서, 종래 결정질 태양전지의 에미터층의 면저항이 40 내지 50Ω/sq인 것에 비해 높기 때문에 광전변환효율이 우수하다. 즉, High Rs cell은 태양전지의 기판 전면에 형성된 에미터층 중 표면층에 dead layer(생성된 전자가 여분의 반도체 불순물 농도에 의해 전류 형성에 방해를 받는 영역)가 생기는 부분을 작게 하므로 태양전지의 효율을 높인다.
이러한 High Rs cell의 에미터층은 두께는 100nm 내지 500nm 이고, 에미터층의 반도체 불순물의 농도는 1×1016 내지 1×1021 atom/cm3 일 수 있다. 종래 태양전 지의 제조공정에서 에미터의 두께(depth)를 초박형으로 상기와 같이 얇게 형성하고 에미터를 이루는 반도체 불순물의 도핑 농도를 낮게 도핑함으로써 High Rs cell을 제조할 수 있다.
그러나, 일반적인 태양전지 셀의 에미터층의 두께는 600nm 이상인데 반하여 High Rs cell의 에미터층은 두께는 100nm 내지 500nm로서 매우 초박형이기 때문에 High Rs cell에 전극을 형성할 때 얇은 두께의 에미터층을 지나 베이스 기판에 전극이 접촉되어 단락되기 쉬운 문제점이 있다. 즉, 얇은 두께를 가지는 에미터층을 포함하는 High Rs cell을 상업적으로 이용하기 위해서는 얇아진(shallow) 에미터층의 접촉을 쉽게 하면서도, fire through 정도가 초과되어 베이스인 실리콘 기판에 전극이 접촉되어 단락되는 상태를 방지하는 전극 페이스트가 요구된다.
따라서, 본 발명과 같은 전극 페이스트를 사용하면 도포 후 열 소성 과정에서 천천히 fire through 되기 때문에 얇은 두께의 에미터층에 섬세하게 접촉할 수 있어 High Rs cell의 제조시 품질 특성이 나빠지지 않게 제조할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 제 1 도전형 반도체 기판과, 상기 기판의 전면에 형성된 제 1 도전형과 반대되는 도전형의 제 2 도전형 반도체층과, 상기 제 2 도전형 반도체층 상에 형성되는 반사방지막과, 상기 반사방지막을 관통하여 제 2 도전형 반도체층과 연결되는 전면전극과, 상기 제 1 도전형 반도체 기판의 후면에 형성되는 후면전극을 포함한다.
이 때 상기 제 2 도전형 반도체층의 깊이는 100nm 내지 500nm이다.
또한 상기 전면전극은, 은(Ag)을 포함하는 제1 성분과 아연(Zn)을 포함하는 제2 성분을 포함할 수 있다.
상기 전면전극은 제2 성분으로서 규소(Si), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 망간(Mn), 비스무트(Bi), 인(P), 보론(B), 바륨(Ba), 및 팔라듐(Pd) 등에서 선택된 어느 하나 이상의 물질을 더 포함할 수 있다.
또한 상기 전면전극은 납 성분을 포함할 수 있으나 바람직하게는 납을 포함하지 않을 수 있다.
또한, 상기 전면전극은 총 중량%를 기준하여, 상기 제1 성분은 75 내지 95 중량%, 상기 제2 성분은 2.5 내지 8 중량%, 상기 유리 프릿은 2.5 내지 17 중량% 일 수 있다.
또한, 상기 전면전극은, 전면전극의 메탈 총 중량%를 기준하여, 상기 은(Ag) 50 내지 85 중량%, 아연(Zn) 0.2 내지 5 중량%, 납(Pb) 0 내지 2 중량% 를 포함할수 있다.
본 발명의 태양전지에서 상기 제 1 도전형은 p형이고, 상기 제 2 도전형은 n형일 수 있으며 그 역도 물론 가능하다.
본 발명의 태양전지에서 상기 반도체 기판은 단결정 실리콘 기판 또는 다결정 실리콘 기판일 수 있다.
제 2 도전형 반도체층은 반도체 기판을 베이스로 하고 기판과의 경계면에 pn 접합을 이루는 에미터이다.
본 발명의 태양전지에서 상기 제 2 도전형 반도체층의 제 2 도전형 반도체 불순물의 농도는 1×1016 내지 1×1021 atom/cm3 일 수 있다. 상기 제 2 도전형 반도체층의 제 2 도전형 반도체 불순물의 농도는 표면에서 pn 접합계면으로 갈수록 1×1016 내지 1×1021 atom/cm3 의 범위에서 고농도에서 저농도로의 농도 기울기를 가질 수 있다. 본 발명의 제 2 도전형 반도체층은 두께가 100nm 내지 500nm로서 매우 얇고, 아울러 얇은 에미터층 내에서 반도체 불순물의 농도 구배를 가지므로 에미터층 표면의 고농도 불순물 도핑 영역이 종래 에미터층에 비해 상대적으로 좁아 dead layer가 최소로 되어 캐리어의 재조합(recombination)이 방지되는 장점이 있다.
또한 상기 제 2 도전형 반도체층의 면저항(Sheet Resistance)은 60 내지 120 Ω/square 로서 본 발명의 실시예에 따른 태양전지는 High Rs cell일 수 있다.
본 발명의 태양전지에서 상기 제 2 도전형 반도체층과 반사방지막은 2개 층 이상으로 이루어질 수 있다.
본 발명에서 상기 후면전극은 아연(Zn)을 포함하지 않는 금속일 수 있으며, 알루미늄(Al) 또는 은(Ag)을 포함할 수도 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 태양전지는 상기 제 1 도전형 반도체 기판의 후면에 절연층(dielectric layer)이 추가로 더 포함될 수 있다. 이 때 태양전지의 후면전극이 상기 절연층을 관통하여 상기 제 1 도전형 반도체 기판의 후면과 접촉한다.
본 발명의 태양전지는 실시태양에 따라서 후면 전극이 반도체 기판의 후면에 전면적으로 형성될 수도 있으나 부분적으로 패터닝되어 형성된 백컨택 후면전극일 수도 있다. 상기 백컨택 후면전극의 경우라면 후면 전극이 존재하지 않는 반도체 기판의 후면부는 절연층이 형성되어 태양전지의 품질특성이 훼손되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 태양전지에서 제 1 도전형 반도체 기판 후면과 후면전극의 계면에는 후면전계층(Back Surface Field, BSF)이 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
후면전계층은 후면 전극의 실장 형태에 제한됨 없이 후면전극과 반도체 기판과의 계면에 형성될 수 있는데, 분리된 전자 정공 쌍의 재결합이 방지되고 누설 전류를 줄이며 좋은 오믹 컨택성을 가지는 태양전지의 후면전계 효과를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 제 1 도전형 반도체 기판의 전면부에 상기 제 1 도전형과 반대되는 제 2 도전형 반도체 불순물을 도핑하여 100nm 내지 500nm의 깊이를 가지는 제 2 도전형 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 제 2 도전형 반도체층 상에 반사방지막을 형성하는 단계와, 상기 반사방지막 위에 전면전극 페이스트를 프린팅하는 단계와, 상기 제 1 도전형 반도체 기판의 후면에 후면전극 페이스트를 프린팅하는 단계와, 상기 전면전극 페이스트를 열처리하여 상기 반사방지막을 관통해 제 2 도전형 반도체층과 접촉시키는 단계와, 및 상기 후면전극 페이스트를 열처리하는 단계를 포함한다.
상기 전면전극 페이스트의 열처리와 후면전극 페이스트의 열처리는 동시(同時) 또는 이시(異時)에 수행될 수 있다.
상기 전면전극 페이스트는, 은(Ag) 또는 은을 포함한 금속합금을 포함하는 제1 성분과, 아연(Zn)을 포함하는 제2 성분과, 납-함유 또는 납-무함유의 유리 프릿, 및 수지 결합제가 유기 매질에 분산된 것을 특징으로 한다. 본 발명의 일 실시예에 따라서는 상기 제2 성분에 규소(Si), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 망간(Mn), 비스무트(Bi), 인(P), 보론(B), 바륨(Ba), 및 팔라듐(Pd) 중에서 선택된 어느 하나 이상의 물질을 더 포함할 수 있다.
후면전극 페이스트는 특별히 제한되지 않으며 종래의 공지된 알루미늄 페이스트 또는 알루미늄 은 페이스트 등을 사용할 수 있다. 상기 후면전극 페이스트에는 아연(Zn)이 포함되지 않을 수 있다.
상기 공정은 일반적인 태양전지 제조공정에 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 페이스트를 사용하여 전면전극을 형성한 것이다.
한편 다른 실시예에 따른 본 발명의 태양전지 제조방법에서, 상기 반도체 기판 위에 형성되는 상기 제 2 도전형 반도체층의 면저항은 종래 태양전지의 에미터층의 면저항과 달리 고저항으로 형성되어 High Rs cell로 제조될 수 있다.
본 발명의 상기 전극 페이스트는 일반 결정질 실리콘 태양전지는 물론 High Rs cell에도 적용 가능하며, 특히 High Rs cell의 전면전극 형성시 종래 전극 페이스트를 사용할 때 소성과정에서 단락되는 문제점을 개선하므로 High Rs cell의 제조에 더욱 사용 적합성이 높다.
본 발명의 High Rs cell의 제 2 도전형 반도체층은 고 면저항을 가지는 것으로서, 면저항은 60 내지 120 Ω/square 범위 내이다. 이는 일반적인 종래 태양전지의 에미터의 면저항이 40 내지 50 Ω/square 인것에 대비하여 높은 것이다.
또한 본 발명의 High Rs cell의 제 2 도전형 반도체층은 제 2 도전형 반도체 불순물의 농도가 1×1016 내지 1×1021 atom/cm3 일 수 있다.
본 발명의 태양전지 제조방법에서 상기 반사방지막은 2개 층 이상으로 형성할 수 있다.
본 발명의 제조방법에서 상기 제 2 도전형 반도체층 상부 또는 상기 제 1 도전형 반도체 기판의 하부에 절연층을 형성하는 단계를 추가로 더 포함할 수 있다. 상기 과정은 후면전극의 형성 단계 이전에 추가될 수 있다. 바람직하게는 상기 반사방지막 형성하는 단계 이전에 형성할 수 있을 것이다.
상기 절연층은 실리콘 산화물(SiOx) 또는 실리콘 질화물(SiNx)일 수 있으며, 바람직하게는 이산화실리콘(SiO2)일 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) 중 어느 하나의 방법으로 형성된다. 특히 바람직하게는 스핀 온법을 사용한다.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 절연층을 형성한 후, 상기 절연층에 적어도 하나 이상의 개구부를 형성하는 단계를 추가로 더 포함하여 후면전극이 상기 개구부를 통해 제 1 도전형 반도체 기판의 후면과 접촉할 수 있다.
즉, 제 1 도전형 반도체 기판의 하부에 절연층을 형성하는 경우에는 절연층에 개구부를 패터닝하여 상기 개구부를 통해 후면전극이 형성될 수 있도록 하는 공정을 추가해야 한다. 상기 개구부는 포토리소그래피법, 광학적 스크라이빙법, 기계적 스크라이빙법, 플라즈마 이용 에칭법, 습식에칭법, 건식 에칭법, 리프트 오프(lift-off)법, 와이어 마스크(wire mask)법 중 어느 하나의 방법으로 패터닝하여 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예로서, 상기 절연층을 형성한 후, 상기 절연층 상에 후면전극 페이스트를 도포하고 상기 절연층과 후면전극 페이스트층을 레이저로 동시에 조사하여 후면전극이 제 1 도전형 반도체 기판의 후면과 접촉할 수 있다.
레이저의 조사 시간과 강도는 특별히 제한되지 않으며, 상기 절연층과 후면전극 페이스트층을 모두 고열로 소성하여 후면전극이 절연층을 관통하여 제 1 도전형 반도체 기판의 후면과 접촉하면 족할 것이다.
본 발명에서 상기 프린팅된 페이스트의 열소성 온도와 시간은 특별히 제한되지 않으나 바람직하게는 열소성 온도가 800℃ 내지 950℃이고, 열소성 시간이 1 내지 2초일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 제조방법에서 반도체 기판을 준비할 때 기판을 텍스처링 하는 공정을 추가할 수 있는데, 텍스쳐링은 습식화학에칭법, 건식화학에칭법, 전기화학에칭법, 기계적에칭법 중 어느 하나의 방법일 수 있으며 이에 반드시 제한되는 것은 아니다.
본 발명은 기존의 전극 페이스트에 비하여 초박형 태양전지에 컨택 특성이 우수하고 전극 형성 공정시 fire through의 제어가 가능한 전극 페이스트를 제공할 수 있다. 특히, 본 발명은 종래 실리콘 태양전지보다 고 면저항을 가지는 에미터층을 포함하는 High Rs cell에 적용할 수 있고, High Rs cell의 소정의 불순물 도핑 농도로 도핑된 초박형 에미터층에 대한 컨택성이 우수한 태양전지 전극 제조용 페이스트를 제공할 수 있다.
본 발명은 고 면저항을 가지는 에미터층을 형성하여 전체 태양전지 셀의 광전 변환 효율을 개선하고, 이러한 고효율 태양전지 셀을 제조함에 있어 기존 공정을 활용하면서도 전극 페이스트를 개발, 적용하므로 산업적으로 적용이 용이한 효과가 있다. 따라서 종전 태양전지의 생산비용보다 더 경제적이거나 적어도 대등한 수준의 비용으로 성능이 개선된 고효율의 태양전지를 제공할 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조방법을 순차적으로 나타낸 단면도이다.
먼저 p형 반도체 기판(1)에 n형 반도체 불순물로 도핑하여 기판 표면에 n형 에미터층(2)을 형성한다.
도 1에는 도시되어 있지 않으나 n형 반도체 불순물은 기판의 전면과 후면을 물론 양측면에도 도핑된다. 후에 에지 아이솔레이션 공정을 통해 측면의 도핑층은 제거되고, 후면전극을 형성하는 과정에서 후면의 n형 반도체 불순물층이 보상(compensation)되기 때문에 도 1에는 전면의 n형 도핑층(2)만을 도시하였다.
n형 에미터층(2)은 p형 반도체 기판과 계면에서 pn 접합을 이룬다.
n형 에미터층의 형성은 일반적으로 공지된 반도체 불순물의 증착공정을 이용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 60 내지 100 Ω/sq 범위 내의 면저항을 가지는 High Rs cell일 수 있으므로, High Rs cell의 n형 에미터층(2)은 n형 반도체 불순물의 농도가 1×1016 내지 1×1021 atom/cm3 이고 두께가 100nm 내지 500nm 가 되도록 n형 반도체 불순물의 열확산 공정을 제어할 수 있다.
한편, 도 1에는 도시되지 않았으나, 상기 반도체 기판(1)은 상기 과정을 거치기 전에 p형 반도체 기판(1)의 표면을 텍스처링 공정을 통해 요철구조로 만들 수 있다.
텍스처링의 공정은 공지된 습식화학에칭법, 건식화학에칭법, 전기화학에칭법, 기계적에칭법 등이 모두 이용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 기판은 두께가 매우 얇은 초박형이므로 텍스처링 공정 역시 기계적 에칭법보다는 화학적 에칭법을 사용하는 것이 기판의 손상이나 결함을 방지할 수 있다.
이후 유기물과 무기물 제거를 위한 세척(cleaning) 공정을 거칠 수도 있다.
다음 과정으로 도 2에서는 기판(1)의 전면에 형성된 n형 에미터층(2) 위에 반사방지막(3)을 형성한다.
도 2에서는 단일층의 반사방지막(3)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(3)은 태양전지의 반사율을 최소화하는 기능을 할 뿐만 아니라, 패시베이션층의 기능도 수행한다.
다음으로 도 3에서와 같이 반사방지막 위에 전면전극(4)을 패터닝하여 형성한다.
상기 전면전극(4)의 형성은 전극 페이스트를 반사방지막의 소정의 영역에 패터닝하고 이를 열 소성하여 반사방지막을 통과하여 n형 에미터층(2)에 접촉되도록 함으로서 이루어진다.
상기 전면전극 페이스트는 은(Ag) 또는 은을 포함한 금속합금을 포함하는 제1 성분과, 아연(Zn)을 포함하고, 규소(Si), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 망간(Mn), 비스무트(Bi), 인(P), 보론(B), 바륨(Ba), 및 팔라듐(Pd) 중에서 선택된 어느 하나 이상의 물질을 포함하는 제2 성분과, 납-함유 또는 납-무함유의 유리 프릿, 및 수지 결합제가 유기 매질에 분산된 것이다. 이때, 상기 제2 성분은 총 조성물의 중 량%를 기준하여 2 내지 5 중량%인 것이 바람직하다.
또한 상기 제1 성분은 총 조성물의 중량%를 기준으로 80 내지 85 중량%이다.
상기 유리 프릿은 납을 포함할 수도 있고 포함하지 않을 수도 있는데, 만일 납을 함유하는 경우에는 납 함유량이 총 조성물의 중량%를 기준하여 1 내지 3 중량%일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 전면전극 페이스트는 상기 페이스트의 물질 중에서 메탈이 차지하는 중량을 총 중량으로 할 때, 은(Ag)은 50 내지 85 중량%, 아연(Zn)은 0.2 내지 5 중량%, 납(Pb)은 0 내지 2 중량% 일 수 있다.
보다 구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 전면전극 페이스트에 있어서 메탈의 중량% 비율은 하기의 표에 나타내었다.
(표1)
Wt% Ag Pb Zn Al Cu Mn Bi P Si B Ti
비교예 80 3.3 0.01 0.07 <0.01 <0.01 0.01 0.04 0.2 0.01 <0.01
실시예1 80 - 0.005 0.01 0.005 0.09 3.5 0.01 0.13 0.025 -
실시예2 85 0.31 0.2 0.095 0.005 0.005 0.005 0.035 0.3 0.025 -
비교예: 종래 전면전극 페이스트-납(Pb) 함유
실시예1: 본 발명의 일 실시예에 따른 전면전극 페이스트-납(Pb) 무함유
실시예2: 본 발명의 일 실시예에 따른 전면전극 페이스트-납(Pb) 함유
상기 표 1의 실시예 1과 2의 메탈 중량비는 하나의 실시 형태일 뿐이므로 이에 반드시 제한되지 않을 것이지만, 바람직하게는 페이스트 중 아연(Zn)의 함량비를 0.2 내지 5 중량%의 범위로 배합하면 좋다.
상기 표에 따른 본 발명의 페이스트는 메탈 중 납 함유량을 크게 줄였고, 이에 비해 아연 함유량을 증가하였다. 실시예 1의 페이스트는 종래 페이스트인 비교예와 대비할 때 아연 함유량 대신 비스무트(Bi)의 함유량이 높도록 배합된 것이다. 비록 실시예 2와 달리 아연의 함유량이 0.2 내지 5 중량% 의 범위에 속하지 않지만 비스무트의 함유량을 증가함으로써 본 발명의 페이스트 특성을 가질 수 있게 된다.
나머지 금속 물질의 함량 차이는 비교예와 실시예간에 특별히 차이가 없으므로 구체적인 대비는 생략한다.
전면전극(4)의 형성은 일반적인 공지의 전극 형성방법을 이용할 수 있으므로 상기 실시예 1 또는 실시예 2 등과 같은 본 발명에 따른 전면전극 페이스트를 기판의 반사방지막 위에 패터닝하여 도포한다. 다음으로 열소성 과정을 거쳐 전면전극(4)의 일부가 반사방지막을 뚫고 n형 에미터층(2)에 접촉, 연결되도록 한다.
도 4는 p형 반도체 기판(1)의 후면에 후면전극(5)을 형성한 것을 도시한 것이다.
후면전극(5) 역시 공지의 전극 형성 방법을 사용하는데, 상기 도 3의 전면전극(4) 형성공정과 동시에 또는 다른 시간에 형성할 수 있다.
동시에 형성하는 것은 각각 전면전극(4)과 후면전극(5)을 이루는 페이스트를 도포한 후 함께 열소성하여 전극을 완성하는 것을 의미한다.
상기 전면전극과 후면전극의 열소성 온도는 800℃ 내지 950℃이고, 열소성 시간은 1 내지 2초이지만 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
페이스트 도포법을 이용하는 후면전극(5)의 형성과정은 알루미늄(Al) 페이스 트 또는 알루미늄 은(AlAg) 합금 페이스트 등을 도포하고 열 소성하는 공정으로 이루어진다.
상기 열 소정 공정을 거친 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 도 5에서 보듯이, 보상(compensate)되어 p형 실리콘 웨이퍼(1)의 후면에 p형 반도체 불순물의 고농도 도핑층으로서 후면전계층(6)이 형성된다. 후면전계층(6)은 p형 불순물이 고농도로 도핑된 층이어서 수광된 빛에 의행 분리되어 이동하는 전자-정공쌍이 더욱 분리되도록 유도하고 이로 인해 재결합되지 않도록 기능하므로 태양전지의 고효율에 이바지할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법으로 사용하여 제조된 태양전지의 단면도이다.
상기 도 5는 반도체 기판(1)의 후면에 전면적으로 증착된 후면전극(5)을 가지는 태양전지의 단면도인 반면, 다른 실시예에 의해 완성된 태양전지는 도 6에서 보듯이, 후면전극(5)이 부분적으로 반도체 기판과 접촉하는 백컨택 태양전지이다.
본 발명의 전면전극 페이스트를 사용하여 전면전극(4)을 완성하는 제조방법을 통해 제조된 태양전지는 n형 에미터층(2)과 반사방지막(3) 사이에 패시베이션 기능을 하는 절연층(7)을 포함할 수 있다.
또한 반도체 기판(1)의 후면에도 절연층(7)을 형성한 후 후면전극(5)을 형성할 수 있다.
이때 후면전극(5)은 부분적으로 기판에 컨택하도록 절연층(7)을 형성하고 난 후 개구부를 형성한다. 이 개구부를 통하여 기판과 부분적으로 컨택하며 후면전계 층(6) 역시 개구부를 통해 접촉하는 기판의 후면부와 후면전극의 경계면에 형성된다.
상기 절연층은 실리콘 산화물(SiOx) 또는 실리콘 질화물(SiNx)일 수 있으며, 바람직하게는 이산화실리콘(SiO2)일 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 형성되며 바람직하게는 스핀 온법을 사용한다.
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 사용한다.
도 7은 상기와 같은 태양전지의 제조방법의 다른 실시예를 제조방법의 공정 흐름도로서 도시한 것이다. 앞서 설명하였으므로 자세한 설명은 생략한다.
도 7의 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 p형 베이스를 갖는 통상의 태양전지 웨이퍼에 웨이퍼 생산 단계에서 있을 수 있는 웨이퍼 표면의 손상을 최소화하고 수광 면적을 넓혀 광 포획을 늘리기 위해 텍스처링(texturing)공정을 통해 웨이퍼 기판에 요철 구조를 만든다(S10).
이후 유기물과 무기물 제거를 위한 세척(cleaning) 공정을 진행한다(S20). 다음으로 역 전도성 형태의 n형 에미터층을 만들기 위해 p형 베이스 기판 위에 인(P), 비소(As), 안티모니(Sb) 등의 5족 원소들과 같은 n형 반도체 불순물을 열 확산시켜 pn 접합구조(P-N junction)를 형성한다(S30). 이때 열 확산에 의한 통상적인 p-n 접합부의 공정은 일반적으로 에미터층이 500nm 이상을 갖는 것이 특징이나 본 발명에서는 100 내지 500nm의 두께로 pn 접합을 위한 열확산 깊이를 유지 하는 것이 중요하다.
이후 플라즈마 화학증착(PECVD)와 같은 방법으로 n형 에미터층 위에 반사방지 코팅으로 질화규소막을 형성하는 단계(AR coating)를 거친다(S40).
반사 방지 코팅된 웨이퍼에 후면 패드용 은(Ag) 전극을 스크린 프린팅 방법으로 형성하고 이후 스크린 프린팅 방법 및 그 유사한 방법으로 알루미늄(Al) 후면 전극을 형성한다(S50). 이후 웨이퍼를 반전하여 수광면적의 전면부에 본 발명의 일 실시예에 따른 전극용 페이스트를 스크린 프린팅 방법으로 형성한다(S50). 상기의 후면전극과 전면전극의 형성 공정의 순서는 이에 한정되는 것은 아니며 반대의 순서로 수행될 수 있음은 물론이다.
스크린 프린팅 공정 후에는 건조 공정(Drying)과(S60), 에지 아이솔레이션(Edge isolation) 공정을 수행하고(S70), 후면의 후면전계층(BSF, back surface field)을 형성함과 동시에 전면에 전면 전극의 접촉을 향상시키는 목적으로 고온 동시 소성 공정(firing)을 진행한다(S80). 그러나 전면부와 후면부의 전극 공정에서의 열 소성은 동시 소성 공정이 아니라 각각 소성될 수도 있음은 물론이다.
상기 과정의 태양전지 공정 순서는 하나의 실시형태일 뿐 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 High Rs cell과 종래 태양전지셀에서, 에미터층의 스퍼터 깊이에 따른 반도체 불순물의 도핑 농도의 상관관계를 비교한 그래프이다.
도 8의 실시예는 156mm 단결정 웨이퍼를 이용하여 제작된 태양전지 셀 공정 중 pn 접합의 형성 과정에서, n형 에미터층의 두께에 따라 웨이퍼에 확산된 n형 반도체 불순물, 특히 인(P)의 농도에 관한 데이터를 중심으로 분석한 결과이다.
-◆-로 데이터가 표시된 종래 태양전지 셀에 있어서 에미터층의 n형 불순물의 농도가 표면에서는 1.0×1021 atoms/cm3 의 고농도로 형성되어 있다가 1.0×1016 atoms/cm3 의 농도에 이르기까지 희석되어감을 알 수 있다.
특히 1.0×1017 atoms/cm3 을 기준으로 하여 볼 경우, 에미터층의 깊이는 600nm 이상인 것을 알 수 있다.
이에 반하여 -▲-로 데이터가 표시된 본 발명에 따른 High Rs cell은 1.0×1017 atoms/cm3 을 기준으로 하여 볼 때 스퍼터 깊이가 350nm 정도로 매우 두께가 얇은 에미터층을 가졌음을 알 수 있다.
High Rs cell은 면저항이 60Ω/sq 이상 되는 고 면저항의 에미터층을 가지는 태양전지 셀로서 도 8에서 알 수 있듯이 종래 태양전지 셀에 비하여 n형 불순물의 도핑 구간의 깊이가 훨씬 얇아 초박형 태양전지의 구현과 광전변환 효율 향상에 기여한다.
또한, 에미터층의 표면 고농도의 도핑 구간을 dead layer라고 하는데, 도 8에서 보면 n형 불순물 도핑 농도가 1.0×1021 atoms/cm3 내지 1.0×1022 atoms/cm3 사이의 고농도의 구간으로서, 해당 구간에서는 생성된 전자가 여분의 n형 불순물 농도에 의해 전류 형성에 방해를 받기 때문에 고효율을 위해서라면 이러한 dead layer구간은 짧을수록 좋다.
도 8에서 알 수 있듯이 본 발명의 High Rs cell은 종래 태양전지 셀에 비하여 이러한 dead layer구간이 상대적으로 줄어들기 때문에 전자 집속 확률이 늘어나는 장점이 있어 효율이 더 좋게 된다.
따라서, 본 발명의 High Rs cell의 매우 얇게 형성된 에미터층에 적합하도록 접촉하는 전면전극 형성용 페이스트를 제시한 것이다.
상기 표 1에서 제시한 실시예 1 및 2의 페이스트는 이러한 High Rs cell에 더욱 적합하고 효율적인 페이스트에 관한 성분 분석표이다.
상기 표 1과 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 페이스트를 적용하여 제조된 태양전지 셀과 그렇지 않은 종래 페이스트에 의해 제조된 종래 태양전지 셀의 효율을 비교한 것은 다음과 같다.
(표 2)
Jsc(mA/cm^2) Voc(mV/cm^2) FF(%) Efficiency(%)
Conventional Cell 32.2 611 77.3 15.31
High Rs Cell-paste A 32.8 615 77.4 15.62
(표 3)
Jsc(mA/cm^2) Voc(mV/cm^2) FF(%) Efficiency(%)
Conventional Cell 33.85 622 79.5 16.75
High Rs Cell-paste A 34.6 625 79 16.96
상기 표 2의 결과 데이터는 종래 태양전지셀 및 High Rs cell 모두 156mm 다결정 실리콘 웨이퍼를 이용한 것이고, 도 3의 결과 데이터는 156mm 단결정 실리콘 웨이퍼를 이용하여 제조된 것이다.
종래 태양전지 셀과 달리 High Rs cell은 본 발명의 일 실시예에 따른 페이스트 A를 이용하여 전면전극을 형성하는 공정을 통해 제작되었다. 상기 페이스트 A는 표 1에 나타난 실시예 2의 메탈 조성을 가지는 페이스트이다.
표 2와 표 3의 결과 데이터의 광전 변환 효율의 차이는 단결정 실리콘과 다결정 실리콘 웨이퍼의 차이에서 비롯된 것으로서 일반적으로 단결정 실리콘 태양전지의 효율이 높은 것이다.
상기 표 2와 표 3에서 알 수 있듯이, 종래 태양전지에 비하여 본 발명의 일 실시예에 따른 페이스트 A를 적용한 태양전지인 High Rs cell 의 효율이 단결정 실리콘 태양전지나 다결정 실리콘 태양전지 모두에서 높게 나타났다.
High Rs cell 에 전면전극 페이스트로서 종래의 페이스트를 사용할 경우 매우 얇게 형성된 에미터층을 통과하여 베이스 기판까지 전극이 뚫고 접촉되므로 단락되어 태양전지가 생산될 수 없게 된다.
따라서 실리콘 태양전지의 제조공정에서 전극 형성의 속도가 완만하게 제어되는 본 발명의 페이스트의 개발로 High Rs cell 과 같은 고효율 태양전지를 제작 할 수 있는 환경과 여건을 가질 수 있는 효과가 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 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조방법을 순차적으로 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조방법으로 제조된 태양전지의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조방법의 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 High Rs cell과 종래 태양전지셀에서, 에미터층의 스퍼터 깊이에 따른 반도체 불순물의 도핑 농도의 상관관계를 비교한 그래프이다.
{도면의 주요부분에 대한 부호의 설명}
1 : p형 반도체 기판 2 : n형 에미터층
3 : 반사방지막 4 : 전면전극
5 : 후면전극 6 : 후면전계층
7 : 절연층

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  20. 제 1 도전형 반도체 기판의 전면부에 상기 제 1 도전형과 반대되는 제 2 도전형 반도체 불순물을 도핑하여 100nm 내지 500nm의 깊이를 가지는 제 2 도전형 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제 2 도전형 반도체층 상에 반사방지막을 형성하는 단계;
    상기 반사방지막 위에 전면전극 페이스트를 프린팅하는 단계;
    상기 제 1 도전형 반도체 기판의 후면에 후면전극 페이스트를 프린팅하는 단계;
    상기 전면전극 페이스트를 열처리하여 상기 반사방지막을 관통해 제 2 도전형 반도체층과 접촉시키는 단계; 및
    상기 후면전극 페이스트를 열처리하는 단계를 포함하고,
    상기 열처리 온도는 800℃ 내지 950℃이고, 열처리 시간은 1 내지 2초인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 전면전극 페이스트의 열처리와 후면전극 페이스트의 열처리는 동시(同時) 또는 이시(異時)에 수행되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  22. 제 20항에 있어서,
    상기 전면전극 페이스트는,
    은(Ag) 또는 은을 포함한 금속합금을 포함하는 제1 성분과,
    아연(Zn)을 포함하는 제2 성분과,
    납-함유 또는 납-무함유의 유리 프릿, 및
    수지 결합제가 유기 매질에 분산된 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  23. 제 22항에 있어서,
    상기 제2 성분은 규소(Si), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 망간(Mn), 비스무트(Bi), 인(P), 보론(B), 바륨(Ba), 및 팔라듐(Pd) 중에서 선택된 어느 하나 이상의 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  24. 제 20항에 있어서,
    상기 제 2 도전형 반도체층의 면저항(Sheet Resistance)은 60 내지 120 Ω/square 인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  25. 제 20항에 있어서,
    상기 제 2 도전형 반도체 불순물의 농도는 1×1016 내지 1×1021 atom/cm3 인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  26. 제 20항에 있어서,
    상기 반사방지막은 2개 층 이상으로 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  27. 제 20항에 있어서,
    상기 제 1 도전형 반도체 기판의 후면에 절연층을 형성하는 단계를 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  28. 제 27항에 있어서,
    상기 절연층에 적어도 하나 이상의 개구부를 형성하는 단계를 추가로 더 포함하여 후면전극이 상기 개구부를 통해 제 1 도전형 반도체 기판의 후면과 접촉하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  29. 제 27항에 있어서,
    상기 절연층 상에 후면전극 페이스트를 도포하고 상기 절연층과 후면전극 페이스트층을 레이저로 동시에 조사하여 후면전극이 제 1 도전형 반도체 기판의 후면과 접촉하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
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