KR101160112B1 - 함몰전극형 태양전지의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 함몰전극형 태양전지의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에서는 먼저 텍스처링된 실리콘 기판(102)의 상부 전체 면적에 형성된 마스크 층(110)의 일부분을 제거하여 패터닝된 마스크 층(110')을 형성한다. 그런 다음 텍스처링된 실리콘 기판(102) 상에 전면전극용 홈(G)을 형성하기 위해 식각공정을 수행한다. 이때 텍스처링된 실리콘 기판(102)의 일부(112)에 대해서만 식각이 이루어지고, 상기 패터닝된 마스크 층(110')과 접하는 부분에 대해서는 식각이 되지 않는다. 상기 식각공정에 따라 전면전극용 홈(G)이 형성된 다음에는 도핑공정을 수행한다. 이때 상기 도핑공정 시 상기 형성된 홈(G)의 주위는 고농도로 도핑되고, 상기 패터닝된 마스크 층(110')과 접하는 부분은 저농도로 도핑된다. 즉, 한 번의 도핑공정으로 선택적 에미터(selective emitter) 층(120)이 형성되는 것이다. 그리고 상기 패터닝된 마스크 층(110')을 제거하고, 상기 형성된 선택적 에미터 층(120) 상부에 반사방지막(130)을 형성한다. 그런 다음 상기 텍스처링된 실리콘 기판(102)의 전면에 형성된 홈(G)에는 전면전극(142)을 형성하고 후면 전체 면적에는 후면전극(144)을 형성한다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 일반적인 식각공정에 의해 전면전극용 홈을 형성할 수 있고, 선택적 에미터 층을 한 번의 공정으로 형성할 수 있어 전체 공정을 간소화할 수 있는 이점이 있다.
태양전지, 홈, 마스크 층, 디퓨전 배리어, 선택적 에미터
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 특히 반도체 기판 표면에 홈(Groove)을 내고 홈 안에 전극을 형성하는 함몰전극형 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 없어 특히 주목받고 있다. 태양전지에는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양빛(photons)을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지가 있으며, 태양전지라고 하면 일반적으로 태양광 전지(이하 '태양전지'라 함)를 일컫는다.
상기 태양전지는 반도체의 광 기전력 효과를 이용한 것으로서, p형 반도체와 n형 반도체를 조합하여 만든다. p형 반도체와 n형 반도체가 접한 부분(pn 접합부)에 빛이 들어오면, 빛 에너지에 의하여 반도체 내부에서 마이너스의 전하(전자)와 플러스의 전하(정공)가 발생한다. 상기 빛 에너지에 의해 발생된 전자와 정공은 내 부의 전계에 의하여 각각 n형 반도체측과 p형 반도체측으로 이동하여 양쪽의 전극부에 모아진다. 이러한 두 개의 전극을 도선으로 연결하면 전류가 흐르고 외부에서 전력으로 이용할 수 있게 된다.
이러한 태양전지는 전극의 형태에 따라 스크린 프린팅형 태양전지(Screen Printing Solar Cell: 이하 'SPSC'라 약칭함)와 함몰전극형 태양전지(Buried Contact Solar Cell: 이하 'BCSC'라 약칭함)로 구분할 수 있다.
상기 'SPSC'는 일반적으로 제조하기가 용이하지만 에너지 변환 효율이 낮은 편이다. 이는 금속 전극에서의 반사, 후면 전류 흐름에서 기인된 저항 및 일반적으로 깊게 도핑되어 있는 에미터 영역에서의 캐리어들의 높은 재결합률 때문이다. 또한 상기와 같은 이유로 'SPSC'에서는 단락회로전류밀도와 블루우 리스폰스(blue response) 특성이 불량하다.
반면, 상기 'BCSC'는 상기 'SPSC'에 비해 제조 원가가 비싸고 공정이 복잡한 단점이 있으나, 변환 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있는 장점으로 인해 최근에는 'BCSC'에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다.
도 1에는 일반적인 'BCSC'의 제조공정도가 도시되어 있다. 설명의 편의상 'BCSC'의 제조 재료인 반도체 기판으로서, 결정질 실리콘(Si) 기판을 예로 들어 설명한다.
도 1을 설명하면, 먼저 실리콘 기판을 필요한 크기로 자른 뒤 절단시 발생한 실리콘 기판의 표면 결함이나 손상 부분을 제거하는 절단 및 에칭(Saw damage etching) 공정이 수행된다(S10).
상기 에칭공정을 마친 실리콘 기판에 대해 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching:RIE) 방법 또는 습식 식각(Wet Etching) 방법을 이용하여 텍스처링(Texturing) 공정을 수행한다(S12). 상기 텍스처링 공정이 수행되면 상기 실리콘 기판의 전면은 입사되는 빛의 반사를 감소시키는 구조로 형성된다.
상기 텍스처링 공정된 실리콘 기판과 다른 타입의 불순물(도펀트)을 도핑하여 저농도 에미터층을 형성하는 제1도핑공정이 수행된다(S14). 여기서, 만약 상기 에미터층이 고농도로 도핑되어 형성되는 경우, 표면에 존재하는 고농도의 도펀트들이 실리콘 기판 내에 과잉으로 존재함으로써 응집물이 형성되고, 이로 인해 전하의 수명이 감소되어 태양전지의 작동효율이 저하될 수 있다. 그렇기 때문에 저농도의 에미터층을 형성하는 것이다.
상기 저농도 에미터층이 형성된 다음에는 상기 저농도 에미터층 형성시 발생하는 부산물을 제거하는 제1부산물제거공정이 수행된다(S16). 상기 부산물은, p형 기판에 n형 도펀트를 확산시키는 경우 생성되는 PSG(Phosphor-Silicate Glass) 또는 n형 기판에 p형 도펀트를 확산시키는 경우 생성되는 BSG(Boro-Silicate Glass)를 말한다. 상기 PSG 또는 BSG는 전지의 전류를 차폐시키는 역할을 하기 때문에 전지효율을 높이기 위해서 식각용액 등을 이용하여 반드시 제거해 주어야 한다.
상기 부산물이 제거되면, 상기 에미터층 상부에 태양광 반사를 막기 위한 반사방지막을 형성시키는 공정이 수행된다(S18). 상기 반사방지막은 실리콘 기판의 표면 보호막(Passivation) 역할도 한다.
상기 반사방지막이 형성된 다음에는 실리콘 기판의 전면 내부까지 홈(Groove)를 형성시키는 공정이 수행된다(S20). 상기 홈은, 함몰전극(Buried Contact)이 형성될 공간으로, 레이저(Laser) 또는 절단톱(Dicing Saw)을 이용하여 형성된다.
상기 홈이 형성되면 상기 함몰전극과의 접촉저항을 줄이기 위해 홈 표면에 실리콘 기판과 다른 타입의 불순물을 도핑하여 고농도 에미터층을 형성하는 제2도핑공정을 수행한다(S22). 이와 같이, 상기 제1도핑공정과 제2도핑공정을 통해 서로 다른 농도를 가지는 에미터층을 형성하는 것을 선택적 에미터(selective emitter)로 칭하고 있다.
상기 고농도 에미터층이 형성된 다음에는 상기 고농도 에미터층 형성시 발생하는 부산물을 제거하는 제2부산물제거공정이 수행된다(S24). 상기 부산물은 상술하였듯이, PSG 또는 BSG를 말한다.
이어서, 상기 실리콘 기판의 전면에 형성된 홈 내부 및 후면의 모든 부분에 금속 페이스트를 사용하여 전극을 형성하는 공정이 수행된다(S26). 상기 금속 페이스트는 은(Ag), 알루미늄(Al) 등이 이용될 수 있다. 이때에는 스크린 프린팅 기법 등이 적용된다. 상기 전면에 형성된 전극은 태양광 흡수로 생성된 전자를 수집하는 역할을 하고, 후면에 형성된 전극은 실리콘 기판 후면에서의 광 반사를 높이고 전자의 재결합을 방지하는 역할을 한다.
상기 전?후면에 형성된 전극이 실리콘 기판에 전기적으로 연결되도록 열처리 공정을 수행한다(S28). 이때, 상기 실리콘 기판의 후면에는 상기 금속 페이스트가 상기 열처리 공정에 의해 소정의 두께만큼 확산되어 후면 전계층(Back Surface Field: BSF)을 형성한다. 상기 'BSF'는 전계를 형성하여 광여기된 전자가 실리콘 기판의 후면으로 이동하는 것을 방지하는 역할을 한다.
한편, 상기 형성된 전면 전극은 그 자체로 전면 전극 기능을 수행할 수도 있지만, 시드층(seed layer)으로도 사용될 수 있다. 이 경우 상기 형성된 전면 전극 상에 도금층을 형성하는 공정이 추가로 실시될 수 있다(S30). 이는 상기 전면 전극의 저항을 감소시키고 완성된 'BCSC' 기판의 종횡비를 높일 수 있다.
그러나, 종래의 'BCSC'의 제조방법에는 다음과 같은 문제점이 있다.
먼저, 레이저(Laser) 또는 절단톱(Dicing Saw)을 이용하여 홈을 형성하는 경우에는 실리콘 기판에 물리적인 손상을 유발시킬 수 있다. 특히 레이저(Laser)를 이용하여 홈을 형성하는 경우에는 높은 온도로 인해 기판 표면과 내부에 재결정 현상이 발생한다. 이는 빛을 흡수하여 생성된 전자를 재결합시키는 요인이 되어 표면 재결합 속도를 증가시키고 전자의 라이프 타임(life time)을 감소시키는 문제점이 있다.
다음으로, 상기 선택적 에미터층을 형성하기 위해서는 제1 및 제2도핑공정을 반드시 수행하여야 한다. 이는 선택적 에미터층을 형성 시 공정이 복잡하고, 이에 따라 공정 비용이 증가하는 문제점이 있다.
또한, 통상적으로, 도핑공정은 불순물을 실리콘 기판에 디퓨전시키기 위해 열처리공정을 수행하게 되는데, 이러한 고온의 열처리공정은 실리콘 기판의 품질을 저하시키는 원인으로 작용한다. 그런데, 상기 'BCSC'는, 상술한 바와 같이 제1 및 제2도핑공정을 수행하고 있어 실리콘 기판의 품질을 더욱 저하시키는 문제점이 있 다.
따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 캐리어의 라이프 타임(life time)이 감소되는 것을 방지하면서도 선택적 에미터의 형성공정을 간소화하기 위한 함몰전극형 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 반도체 기판의 상부 전체 면적에 마스크 층을 형성하는 마스크 층 형성단계; 상기 형성된 마스크 층의 일부분을 제거하는 마스크 층 패터닝단계; 상기 제거된 마스크 층의 일부분과 대응하는 상기 반도체 기판에 전극형성용 홈(Groove)을 형성하는 홈 형성단계; 상기 마스크 층 및 홈에 불순물을 도핑하여 에미터 층을 형성하는 에미터 층 형성단계; 상기 에미터 층이 형성되면, 상기 마스크 층의 나머지 부분과 부산물을 동시에 제거하는 마스크 층 제거단계; 상기 형성된 에미터 층 상부에 반사방지막을 형성하는 반사방지막 형성단계; 상기 반도체 기판에 형성된 홈에는 전면전극을 형성하고 후면의 전체 면적에는 후면전극을 형성하는 전극 형성단계; 그리고 상기 형성된 전면전극 및 후면전극이 상기 반도체 기판에 전기적으로 연결되도록 열처리하는 열처리단계;를 포함한다.
상기 반도체 기판을 텍스처링(Texturing)하는 텍스처링 공정단계가 상기 마스크 층 형성단계 이전에 수행된다.
상기 마스크 층 형성단계는, 화학증착(Chemical Vapor Deposition: CVD), 증 류(evaporation), 스퍼터링(sputtering), 스핀 코팅(Spin Coating), 잉크젯(Inkjet), 스크린 프린팅, 열 산화(thermal oxidation) 방법 중 어느 하나에 의해 실시된다.
상기 마스크 층 패터닝단계에서, 상기 마스크 층은, 광식각(Photo-lithography) 방법, 식각 페이스트(Etching Paste)를 이용한 잉크젯(Inkjet) 또는 스크린 프린팅 방법, 레이저를 이용한 패터닝(Laser ablation) 방법 중 어느 하나에 의해 패터닝된다. 또는 상기 텍스처링된 반도체 기판의 상부에 상기 마스크 층이 미형성된 상태에서, 일정 모양으로 패터닝된 마스크 층을 상기 반도체 기판 상부에 직접 형성할 수도 있다. 여기서, 상기 패터닝된 마스크 층은 잉크젯(Inkjet) 방법 또는 스크린 프린팅 방법 중 어느 하나를 이용하여 형성된다.
상기 마스크 층은, 디퓨전 배리어(Diffusion Barrier)로 사용가능한 Oxide 계열 또는 Nitride 계열의 유전체 물질, 페이스트(Paste), 유기물 중 어느 하나의 물질로 형성된다.
상기 홈 형성단계는, 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching: RIE), 플라즈마 식각(Plasma Etching), 습식식각(Wet Etching) 방법 중 어느 하나에 의해 상기 반도체 기판에만 선택적으로 식각공정이 실시된다.
상기 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching: RIE) 또는 플라즈마 식각(Plasma Etching) 방법이 실시되는 경우, F 계열 또는 Cl 계열의 반응 가스를 이용한다.
상기 습식식각 방법이 실시되는 경우에는 산(Acid) 계열의 화학물질 또는 알 카라인(Alkaline) 계열의 화학물질을 이용한다.
상기 에미터 층 형성단계에서, 상기 일부분이 제거된 마스크 층은 디퓨전 배리어로 이용되어 상기 일부분이 제거된 마스크 층과 접하는 반도체 기판은 저농도로 도핑되고, 상기 반도체 기판에 형성된 홈 주위는 상대적으로 고농도로 도핑된다.
상기 에미터 층 형성단계는, 튜브 퍼니스(tube furnace)를 이용한 디퓨전(Diffusion) 방법 또는 벨트 퍼니스(belt furnace)를 이용한 디퓨전(Diffusion), 스프레이(Spray), SOD(Spin On Dopant), 플라즈마 도핑(Plasma Doping) 방법 중 어느 하나에 의해 실시된다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 함몰전극형 태양전지의 제조방법에 따르면, 실리콘 기판의 전면에는, 마스크 층(Mask Layer)을 형성하고 패터닝한 다음 상기 패터닝된 마스크 층에 일반적인 식각공정을 이용하여 홈(Groove)을 형성함으로써, 레이저(Laser)를 이용하여 홈을 형성했을 때 발생하는 캐리어의 라이프 타임(life time) 감소 현상을 방지하는 효과가 있다.
또 상기 패터닝된 마스크 층을 디퓨전 배리어(Diffusion Barrier)로 이용하여 한 번의 도핑공정을 통해 선택적 에미터(selective emitter) 층을 형성하는바, 태양전지 제조공정을 간소화할 수 있다. 그래서 공정 비용을 절감시키고, 결국 생산단가를 낮추는 효과를 기대할 수 있다.
이하, 본 발명에 의한 함몰전극형 태양전지의 제조방법을 첨부된 도면에 도시된 바람직한 실시 예를 참고하여 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예에서는 태양전지의 제조 재료로 반도체 기판으로서, 결정질 실리콘(Si) 기판을 예로 설명하기로 한다.
도 2에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 함몰전극형 태양전지의 제조공정도가 도시되어 있고, 도 3에는 도 2의 함몰전극형 태양전지의 제조방법의 공정도가 단면도로 도시되어 있다.
도 2를 설명하면, 먼저 실리콘 기판을 필요한 크기로 자르고 표면의 결합 및 손상을 제거하는 절단 및 에칭(Saw damage etching) 공정이 수행된다(S100).
상기 에칭된 실리콘 기판에 대해 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching:RIE) 방법 또는 습식 식각(Wet Etching) 방법을 이용하여 텍스처링(Texturing) 공정을 수행한다(S102). 상기 텍스처링 공정이 수행되면 상기 실리콘 기판은 표면에 입사되는 빛의 반사를 감소시키는 구조로 형성된다.
상기 텍스처링 공정된 실리콘 기판의 전면 상부에 마스크 층(Mask Layer)을 형성시키는 공정이 수행된다(S104). 상기 마스크 층은, 상기 실리콘 기판과의 식각 선택비(Etching Selectivity)가 높으면서도 아래에서 설명하는 도핑공정에서 디퓨전 배리어(Diffusion Barrier)로 사용가능하게 형성되어야 한다. 그렇기 때문에, 상기 마스크 층은, 
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등의 Oxide 계열 또는 Nitride 계열의 유전체 물질뿐만 아니라, 디퓨전 배리어(Diffusion Barrier)로 사용가능한 페이스트(Paste)와, 유기물 등이 사용되는 것이 좋다. 상기 식각 선택비는 식각 작업시 두 물질이 식각되는 식각율의 비를 말한다. 한편, 상기 마스크 층은 화학증착(Chemical Vapor Deposition: CVD), 증류(evaporation), 스퍼터링(sputtering), 스핀 코팅(spin coating), 잉크젯(Inkjet), 스크린 프린팅, 열 산화(thermal oxidation) 등의 방법에 의해 형성된다.
상기 마스크 층이 형성되면, 상기 실리콘 기판의 전면 중 홈(Groove)이 형성될 부분에 해당하는 마스크 층의 일부분을 제거하는 페터닝(Patterning)공정이 수행된다(S106). 상기 패터닝공정은, 광식각(Photo-lithography) 방법, 식각 페이스트(Etching Paste)를 이용한 잉크젯(Inkjet) 또는 스크린 프린팅 방법, 레이저를 이용한 패터닝(Laser ablation) 방법 등에 의해 식각된다.
여기서, 상기 패터닝된 마스크 층을 형성하는 공정에 있어, 상술한 바와 같이 상기 실리콘 기판 전면의 모든 영역에 마스크 층을 형성한 상태에서 패터닝공정을 수행할 수도 있지만, 잉크젯(Inkjet) 또는 스크린 프린팅 방법을 이용하여 별도의 패터닝공정 없이 한 번에 패터닝된 마스크 층을 형성시킬 수도 있다.
상기 패터닝된 마스크 층을 이용하여 실리콘 기판에 홈을 형성하기 위한 선택적 식각공정이 수행된다(S108). 상기 선택적 식각공정은 상기 패터닝된 마스크 층에 의해 상기 실리콘 기판의 전면 중 홈이 형성되는 부분만을 식각하도록 수행된다. 이때에는 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching: RIE), 플라즈마 식각(Plasma Etching) 및 습식식각(Acid Wet Etching, Alkaline Wet Etching) 등의 방법이 이용되어 선택적 식각공정이 수행된다. 이 중에서, 상기 반응성 이온 식각 과 플라즈마 식각 방법을 이용하는 경우, 식각 가스(Gas)는 F 계열 또는 Cl 계열 등의 반응 가스를 이용한다. 그러나, 상기 식각 가스는 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 마스크 층과 실리콘 기판 간의 식각 선택비가 높은 가스이면 이용가능하다. 또 상기 습식식각 방법을 이용하는 경우에는 산(Acid) 계열의 화학물질 또는 알카라인(Alkaline) 계열의 화학물질을 이용한다. 상기 산 계열의 화학물질은 
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또는 상기 산 계열의 화학물질의 혼합물이 이용된다. 그리고, 상기 알카라인 계열의 화학물질은 
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또는 상기 알카라인 계열의 화학물질의 혼합물이 이용된다. 그러나, 상기 산 계열의 화학물질과 알카라인 계열의 화학물질은 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 마스크 층과 실리콘 기판 간의 식각 선택비가 좋은 화학물질이면 이용가능하다.
상기 선택적 식각공정에 의해 실리콘 기판에 홈이 형성되면, 상기 실리콘 기판과 다른 타입의 불순물(도펀트)을 도핑하여 선택적 에미터(selective emitter) 층을 형성하는 도핑공정이 수행된다(S110). 즉, 상기 도핑공정이 수행되면, 상기 마스크 층이 제거된 영역, 즉 홈 주위는 상기 도펀트가 직접 실리콘 기판으로 확산되어 고농도로 도핑되고, 반면 상기 마스크 층이 존재하는 영역은 상기 도펀트가 상기 마스크 층에 확산된 다음 실리콘 기판으로 확산되어야 하기 때문에, 확산속도가 느려져 상대적으로 저농도로 도핑되게 되는 것이다. 즉, 상기 패터닝된 마스크 층은 디퓨전 배리어(Diffusion Barrier)로서의 역할을 수행하게 되는 것이다. 이때, 상기 고농도 도핑은 90 ohm/squar 이상의 면 저항을 가지도록 도핑되고, 상기 저농도 도핑은 40 ohm/squar 이하의 면 저항을 가지도록 도핑되게 하는 것이 좋다. 또 상기 선택적 에미터 층은, 튜브 퍼니스(tube furnace)를 이용한 디퓨전(Diffusion), 벨트 퍼니스(belt furnace)를 이용한 디퓨전, 스프레이(Spray), SOD(Spin On Dopant), 플라즈마 도핑(Plasma Doping) 등의 방법에 의해 형성된다. 이와 같이, 한 번의 도핑공정으로 선택적 에미터 층을 형성할 수 있기 때문에 함몰전극형 태양전지를 제조 시 전체공정을 간소화할 수 있고, 이에 따라 공정 비용을 절감할 수 있다.
상기 선택적 에미터 층이 정상적으로 형성되면, 상기 마스크 층과, 상기 선택적 에미터 층 형성시 발생하는 부산물을 제거하는 공정이 수행된다(S112). 상기 마스크 층과 부산물은 같은 계열(Oxide)의 유전체 물질이므로, 동일한 식각용액을 이용하여 제거될 수 있다. 상기 부산물은, p형 기판에 n형 도펀트를 확산시키는 경우 생성되는 PSG(Phosphor-Silicate Glass) 또는 n형 기판에 p형 도펀트를 확산시키는 경우 생성되는 BSG(Boro-Silicate Glass) 등을 말한다. 상기 PSG 또는 BSG는 전지의 전류를 차폐시키는 역할을 하기 때문에 전지효율을 높이기 위해서 반드시 제거해 주어야 한다.
상기 마스크 층 및 부산물이 제거된 다음에는 상기 선택적 에미터층 상부에 태양광 반사를 막기 위한 반사방지막을 형성시키는 공정이 수행된다(S114). 상기 반사방지막은 
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등과 같이 1.1 ~ 2.5 사이의 굴절율을 가지는 유전체 물질로 형성하고, 이는 화학증착(CVD),스퍼터링(sputtering), 열 산화(thermal oxidation), 스프레이 등의 방법에 의해 형성된다. 이러한 반사방지막은 실리콘 기판의 표면 보호막(Passivation) 역할도 한다.
이어서, 상기 실리콘 기판의 전면에 형성된 홈 내부 및 후면의 모든 부분에 금속 페이스트를 사용하여 전극을 형성하는 공정이 수행된다(S116). 상기 금속 페이스트는 니켈(Ni), 은(Ag), 크로뮴(Cr), 알루미늄(Al) 등이 이용될 수 있다. 이때에는 스크린 프린팅, 스텐실(Stencil), 잉크젯(Inkjet), 에어로졸 젯(Aerosol Jet), 스퍼터링(Sputturing), 증착법(evaporation) 등의 방법이 적용될 수 있다. 상기 전면의 홈에 형성된 전극(이하 "전면전극"이라 함.)은 태양광 흡수로 생성된 전자를 수집하는 역할을 하고, 후면에 형성된 전극(이하 "후면전극"이라 함.)은 실리콘 기판 후면에서의 광 반사를 높이고 전자의 재결합을 방지하는 역할을 한다.
그리고 상기 전면전극 및 후면전극이 실리콘 기판에 전기적으로 연결되도록 700도 이상의 고온에서 열처리 공정이 수행된다(S118). 그러면, 전면전극 내의 금속원자가 반사방지막으로 침투하여 결국 상기 반사방지막이 전면전극화 되게 된다. 따라서, 전면전극은 실리콘 기판에 접합하게 되어 저항 전극(Ohmic Contact) 형태로 형성되는 것이다. 그리고 상기 후면전극은 상기 후면전극의 금속 페이스트가 소정의 두께만큼 상기 실리콘 기판에 확산되어 후면 전계층(Back Surface Field: BSF)을 형성한다. 상기 후면 전계층은 전계를 형성하여 광여기된 전자가 실리콘 기판의 후면으로 이동하는 것을 방지하는 역할을 한다.
한편, 상기 저항 전극(Ohmic Contact)을 형성한 전면전극은 그 자체로 전면 전극의 기능을 수행할 수도 있지만, 시드층(seed layer)으로도 사용될 수 있다. 이 경우 상기 전면전극의 저항을 낮추고 종횡비를 높이기 위하여 상기 형성된 전면전극 상에 도금 층을 형성하는 도금공정이 추가적으로 수행될 수 있다(S120). 이때 상기 도금 층은 복수 개로 형성할 수도 있다. 상기 도금 층은, 구리(Cu), 주석(Sn), 크로뮴(Cr), 은(Ag), 니켈(Ni) 등의 도금 물질 또는 상기 도금 물질의 혼합물이 사용될 수 있다.
다음, 도 3을 참조하여 도 2에서 설명한 공정을 다시 살펴보기로 한다.
먼저, 도 3(a)는 절단 및 에칭(Saw damage etching) 공정이 수행된 실리콘 기판(100)이다. 상기 실리콘 기판(100)에 대해 습식 식각(Wet Etching) 방법을 이용하여 텍스처링(Texturing) 하면, 도 3(b)와 같이 상기 실리콘 기판(100)의 전면은 표면적이 증가된 구조로 형성된다.
상기 텍스처링된 실리콘 기판(102)의 전면 상부에는 디퓨전 배리어로 사용가능한 마스크 층(110)을 형성한다. 이는 도 3(c)에 도시되어 있다.
상기 마스크 층(110)이 형성되면, 도 3(d)에 도시된 바와 같이 상기 텍스처링된 실리콘 기판(102)의 전면 중 홈(Groove)이 형성될 부분에 해당하는 마스크 층(110)의 일부를 제거하여 패터닝(Patterning)된 마스크 층(110')을 형성한다.
그런 다음 상기 텍스처링된 실리콘 기판(102)에 홈(G)을 형성하기 위해 도 3(e)처럼 선택적으로 식각공정을 수행한다. 즉, 상기 텍스처링된 실리콘 기판(102)만이 식각될 수 있도록 상기 패터닝된 마스크 층(110')과 텍스처링된 실리콘 기판(102) 간의 식각 선택비가 높은 식각용액을 이용하여 식각공정을 수행하는 것이다. 그러면, 상기 텍스처링된 실리콘 기판(102)에서 상기 패터닝된 마스크 층(110')과 접하는 부분은 식각되지 않고, 상기 패터닝된 마스크 층(110')과 접하지 않는 부분(112)에 대해서만 선택적으로 식각이 이루어지게 된다.
이러한 상태에서, 상기 텍스처링된 실리콘 기판(102)과 다른 타입의 불순물(도펀트)을 도핑하게 되면, 선택적 에미터(selective emitter) 층(120)이 형성된다. 상기 선택적 에미터 층(120)은, 도 3(f)에 도시된 바와 같이, 상기 텍스처링된 실리콘 기판(102)에서 상기 패터닝된 마스크 층(110')과 접하는 영역은 상기 패터닝된 마스크 층(110')이 디퓨전 배리어(Diffusion Barrier)로 작용함에 따라 저농도의 에미터 층(122)이 형성되고, 반면 상기 텍스처링된 실리콘 기판(102)에 형성된 홈(G) 주위는 상대적으로 고농도의 에미터 층(124)이 형성되게 되는 것이다. 이와 같이, 한 번의 도핑공정으로 선택적 에미터 층(120)을 형성할 수 있다.
상기 선택적 에미터 층(120)이 형성되면, 도 3(g)과 같이 상기 패터닝된 마스크 층(110)과 상기 선택적 에미터 층(120) 형성시 발생하는 부산물(PSG 또는 BSG)을 제거한 다음, 도 3(h)과 같이 상기 선택적 에미터 층(120) 상부에 태양광 반사를 막기 위한 반사방지막(130)을 형성한다.
이어서, 도 3(i)에 도시된 바와 같이, 상기 텍스처링된 실리콘 기판(102)에 형성된 홈(G)에는 전면전극(142)을 형성하고 후면의 전체 면적에는 후면전극(144) 을 형성한다.
그리고 상기 전면전극(142) 및 후면전극(144)이 상기 텍스처링된 실리콘 기판(102)에 전기적으로 연결되도록 열처리 공정을 수행한다. 그러면, 도 3(j)과 같이, 전면전극 내의 금속원자가 반사방지막으로 침투하여 상기 반사방지막이 전면전극화 되게 된다. 이렇게 형성된 전면전극은 결국 실리콘 기판에 접합하게 되어 저항 전극(Ohmic Contact) 형태로 형성된다. 그리고, 상기 후면전극(144)은 소정의 두께만큼 상기 텍스처링된 실리콘 기판(102)으로 확산되어 후면 전계층(Back Surface Field: BSF)(146)을 형성한다.
한편, 상기 텍스처링된 실리콘 기판(102)의 전면에 형성된 전면전극(142)은 그 자체로 전극 기능을 수행할 수도 있지만, 시드층(seed layer)으로도 사용될 수 있다. 이 경우 도 3(k)와 같이, 상기 전면전극(142) 상에 도금 층(148)을 형성한다. 본 실시 예에서는 하나의 도금 층(148)이 형성된 것으로 설명하고 있지만, 반드시 그러한 것은 아니고 두 개 이상의 도금 층을 형성할 수도 있다. 이러한 도금 층(148)은 상기 전면전극(142)의 저항을 낮추고 종횡비를 높이기 위함이다.
이와 같이 상기 실시 예에 설명되고 있는 본 발명은 실리콘 기판 상부에 형성된 마스크 층을 이용하여 한 번의 도핑공정에 의해 선택적 에미터 층을 형성시킬 수 있어, 공정이 간소화될 수 있고 이에 따라 공정 비용이 절감되는 이점이 있다.
이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명의 속하는 기술분야의 통상 지식을 가진 자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 일반적인 함몰전극형 태양전지의 제조방법의 공정도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 함몰전극형 태양전지의 제조방법의 공정도.
도 3은 도 2의 함몰전극형 태양전지의 제조방법의 공정도를 도시하고 있는 단면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 : 실리콘 기판 102 : 텍스처링된 실리콘 기판
110 : 마스크 층(Mask Layer) 110' : 패터닝된 마스크 층
G : 홈(Groove) 120 : 선택적 에미터 층
122 : 저농도 에미터 층 124 : 고농도 에미터 층
130 : 반사방지막 142 : 전면전극
144 : 후면전극 146 : 후면 전계층(BSF)
148 : 도금층
Claims (11)
- 반도체 기판의 상부 전체 면적에 마스크 층을 형성하는 마스크 층 형성단계;상기 형성된 마스크 층의 일부분을 제거하는 마스크 층 패터닝단계;상기 제거된 마스크 층의 일부분과 대응하는 상기 반도체 기판에 전극형성용 홈(Groove)을 형성하는 홈 형성단계;상기 마스크 층 및 홈에 불순물을 도핑하여 상기 마스크 층이 존재하는 영역보다 상기 홈 주위가 상대적으로 더 높은 농도가 되도록 선택적 에미터 층을 형성하는 에미터 층 형성단계;상기 에미터 층이 형성되면, 상기 마스크 층의 나머지 부분과 부산물을 동시에 제거하는 마스크 층 제거단계;상기 마스크 층이 제거된 후, 상기 에미터 층 상부에 반사 방지막을 형성하는 반사 방지막 형성단계;상기 홈에 형성된 반사 방지막 위에 전면전극을 형성하고 후면의 전체 면적에는 후면전극을 형성하는 전극 형성단계; 그리고상기 전면전극 및 후면전극이 상기 반도체 기판에 전기적으로 연결되도록 열처리하는 열처리단계를 포함하되,상기 열처리단계는 상기 전면전극 내의 금속원자가 상기 반사 방지막으로 침투하여 상기 반사 방지막이 전면전극화 되게 하는 것을 특징으로 하는 함몰전극형 태양전지의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 반도체 기판을 텍스처링(Texturing)하는 텍스처링 공정단계가 상기 마스크 층 형성단계 이전에 수행되는 것을 특징으로 하는 함몰전극형 태양전지의 제 조방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 마스크 층 형성단계는,화학증착(Chemical Vapor Deposition: CVD), 증류(evaporation), 스퍼터링(sputtering), 스핀 코팅(Spin Coating), 잉크젯(Inkjet), 스크린 프린팅, 열 산화(thermal oxidation) 방법 중 어느 하나에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 함몰전극형 태양전지의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 마스크 층 패터닝단계에서,상기 마스크 층은, 광식각(Photo-lithography) 방법, 식각 페이스트(Etching Paste)를 이용한 잉크젯(Inkjet) 또는 스크린 프린팅 방법, 레이저를 이용한 패터닝(Laser ablation) 방법 중 어느 하나에 의해 패터닝되는 것을 특징으로 하는 함몰전극형 태양전지의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 마스크 층 패터닝단계는,상기 반도체 기판의 상부에 상기 마스크 층을 미형성한 상태에서, 일정 모양으로 패터닝된 마스크 층을 상기 반도체 기판 상부에 직접 형성하고,상기 패터닝된 마스크 층은 잉크젯(Inkjet) 방법 또는 스크린 프린팅 방법 중 어느 하나를 이용하여 형성됨을 특징으로 하는 함몰전극형 태양전지의 제조방법.
- 제 4항에 있어서,상기 마스크 층은, 디퓨전 배리어(Diffusion Barrier)로 사용가능한 Oxide 계열 또는 Nitride 계열의 유전체 물질, 페이스트(Paste), 유기물 중 어느 하나의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 함몰전극형 태양전지의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 홈 형성단계는,반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching: RIE), 플라즈마 식각(Plasma Etching), 습식식각(Wet Etching) 방법 중 어느 하나에 의해 상기 반도체 기판에만 선택적으로 식각공정이 실시되는 것을 특징으로 하는 함몰전극형 태양전지의 제조방법.
- 제 7항에 있어서,상기 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching: RIE) 또는 플라즈마 식각(Plasma Etching) 방법이 실시되는 경우, F 계열 또는 Cl 계열의 반응 가스를 이용하는 것을 특징으로 하는 함몰전극형 태양전지의 제조방법.
- 제 8항에 있어서,상기 습식식각 방법이 실시되는 경우에는 산(Acid) 계열의 화학물질 또는 알카라인(Alkaline) 계열의 화학물질을 이용하는 것을 특징으로 하는 함몰전극형 태 양전지의 제조방법.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,상기 에미터 층 형성단계는, 튜브 퍼니스(tube furnace)를 이용한 디퓨전(Diffusion) 방법 또는 벨트 퍼니스(belt furnace)를 이용한 디퓨전(Diffusion), 스프레이(Spray), SOD(Spin On Dopant), 플라즈마 도핑(Plasma Doping) 방법 중 어느 하나에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 함몰전극형 태양전지의 제조방법.
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