KR101161805B1 - 후면접합 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

후면접합 태양전지 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 후면접합 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 우선 n형 실리콘 웨이퍼(100)의 전면과 후면에 불순물을 확산시켜 초기 n+ 영역(102)을 형성한다. 그런 다음 후면에 형성된 초기 n+ 영역(102) 중에서 일부 영역, 즉 에미터 영역(p+)을 형성할 영역에만 페이스트(paste)(104)를 도포하고, 일정 온도에서 소성을 수행한다. 그러면, 상기 페이스트(104)에 포함된 도펀트가 상기 초기 n+ 영역(102)의 일부 영역으로 확산되고, 상기 도펀트가 확산된 영역은 에미터 영역(106), 즉 p+ 영역이 된다. 상기 페이스트(104)가 미 도포된 나머지 초기 n+ 영역은 그대로 베이스 영역(105), 즉 n+ 영역 상태가 된다. 그런 다음, 확산되고 표면에 남은 상기 페이스트를 제거한다. 상기 베이스 영역(105)과 에미터 영역(106)이 형성되면, 그 영역이 맞닿는 면에 분리 트렌치(trench)(A)를 형성시킨다. 이는 맞닿은 면으로 인해 태양전지 동작시 누설 전류의 경로를 형성하기 때문이다. 다음에는 상기 베이스 영역(105)과 에미터 영역(106) 위에 열 산화막(108)을 형성하고, 그 열 산화막(108)에 컨택트 홀(contact hall)(120)을 형성한 후 베이스 전극(130)과 에미터 전극(140)을 형성한다. 그와 같은 본 발명에 따르면, 후면접합 태양전지의 전체 공정 수가 단축되고, 따라서 원가 절감과 생산 효율이 증대되는 이점이 있다.
후면접합, 태양전지, 분리 트렌치(trench), 베이스 영역, 에미터 영역

Description

후면접합 태양전지 및 그 제조방법{Back junction solar cells and method for manufacturing thereof}
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 특히 반도체 기판의 후면에서 불순물 확산으로 베이스 영역과 에미터 영역이 형성되는 후면접합 태양전지 및 그 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 구조의 태양전지가 개발되었다. 즉 후면접합 구조의 태양전지는, n형(또는 p형) 실리콘 기판에서 빛이 입사하는 전면의 반대쪽인 후면에 n형(또는 p형)의 전하를 수집하는 베이스 영역과, p형(또는 n형)의 전하를 수집하는 에미터 영역이 모두 위치하는 구조를 말한다.
그와 같은 후면접합 구조의 태양전지의 예가 미국등록특허 'US 07339110'호(태양전지 및 그 제조방법, 이하 '종래기술'이라고 칭함)에 개시된 바 있다.
종래기술을 보면, 대략 30 개 이상의 공정을 수행하여 후면접합 태양전지를 제조하고 있다. 그중, 이하에서는 p형 실리콘 웨이퍼의 후면에 베이스 영역과 에미터 영역을 형성하는 공정에 대해서만 살펴본다.
일단, 에칭(saw damage etching) 공정이 완료된 p형 실리콘 웨이퍼의 한 면(즉, 태양 광이 입사되는 반대면)에 p+층을 형성하고, 그 위에 열 산화막을 형성한다.
그리고, 상기 열 산화막 중 일부 영역, 즉 이어지는 후속공정에서 n+층이 형성될 부분을 제외한 부분에 스크린 인쇄법 등으로 에치 레지스트(etch resist)를 인쇄한다.
이후, 상기 에치 레지스트가 미 인쇄된 부분에 형성된 열 산화막을 식각하고, 상기 에치 레지스트를 제거한 다음, 상기 실리콘 웨이퍼의 표면을 소정 깊이로 식각한다. 이때 식각 깊이는 상기 p+ 층의 접합깊이보다 크면 된다. 이는 상기 p+층과 n+층이 접촉되어 있으면 누설전류(leakage current) 경로가 형성되기 때문이다. 상기 선행특허에서는 3㎛로 예시되어 있다.
상기 식각 공정이 완료되면, 상기 실리콘 웨이퍼의 후면을 세정액으로 세정한다.
그런 다음, 상기 식각된 실리콘 웨이퍼의 표면에 p-타입 실리콘 웨이퍼의 도 핑원소인 'POCl3(옥시염화인)'과 같은 액체 도펀트 소스를 원료로 하여 n+층을 형성한다. 물론 n형 실리콘 웨이퍼이고 p+층을 형성할 경우는 'BBr3'와 같은 액체 도펀트 소스가 사용된다.
그와 같이, 상기 종래기술에서는 실리콘 웨이퍼의 후면 표면에 상기 실리콘 웨이퍼와 같은 도전형의 전하를 수집하는 p+층인 베이스 영역 및 다른 도전형의 전하를 수집하는 n+층인 에미터 영역을 접합 형성하는 공정이 모두 8 단계로 이루어지고 있다.
또한, 상기 종래기술에서 p형 및 n형 불순물을 도핑하는 공정과 열 산화막을 형성하는 공정은 대략 900℃ 내외의 고온 확산로에서 수행된다. 즉, 고온에서 두 번의 확산 공정 및 한 번의 열 산화막 형성공정이 반드시 필요하였다.
일반적으로 태양전지 공정에서 효율은 유지하면서 공정수, 특히 고온에서의 공정을 줄일 수 있다면 이는 원가 절감에 도움을 주고, 공정도 보다 간소화시킬 수 있다.
하지만, 앞서 설명한 바와 같이 상기 종래기술은 실리콘 웨이퍼의 후면에 베이스 영역과 에미터 영역을 형성할 경우, 세 차례에 걸친 고온 공정이 수행되고 있다. 이는 결국 상기 종래기술을 이용하여 후면접합 구조의 태양전지를 제조할 경우 에너지 투입량이 많아질 뿐만 아니라 공정시간이 길어져서, 태양전지의 제조원가를 충분히 낮추기가 어려운 실질적인 문제를 초래하고 있다.
또한, n+층을 형성하기 위해서는 에치 레지스트를 이용하여 식각하는 공정이 반드시 수행되고 있다. 상기 에치 레지스트를 이용한 공정은 전극 형성시에도 이용된다. 즉 전극 형성용 홀을 형성하기 위해 에치 레지스트를 인쇄하고, 홀이 형성되면 인쇄된 에치 레지스터를 제거하고 있다. 이와 같이 상기 종래기술은 식각 공정 및 전극 형성시에 에치 레지스트를 인쇄 및 제거해야 하기 때문에 전체적인 공정이 복잡해지는 문제가 있다.
따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고온에서의 공정 수를 줄이면서 후면 접합 구조의 태양전지 후면에 베이스 영역과 에미터 영역을 형성하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 베이스 영역과 에미터 영역의 분리를 간단하게 하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 베이스 영역과 에미터 영역에 전극을 간단하게 형상하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 반도체 기판 후면에 반도체 기판과 동일한 도전형으로 도핑층을 형성하는 단계: 상기 도핑층 중 일부 영역에 대해서만 페이스트(paste)를 형성하는 단계; 그리고, 일정 온도로 소성을 수행하여 상기 페이스트에 포함된 도펀트(dopant)를 확산시키고, 상기 도펀트가 확산된 도핑층은 에미터 영역으로 형성하고 나머지 도핑층은 베이스 영역으로 형성하는 단계;를 포함하여 구성된다.
상기 베이스 영역과 에미터 영역이 맞닿는 면에 분리 트렌치(trench)를 형성시켜 상기 베이스 영역과 에미터 영역을 상호 분리시키는 단계를 더 포함하여 구성된다.
상기 분리 트렌치는, 레이저(laser), 습식 에칭(wet etching) 및 기계적인 방법(mechanical)으로 형성한다.
상기 베이스 영역과 에미터 영역이 분리된 다음, 상기 실리콘 웨이퍼의 후면에 열 산화막을 형성하는 단계; 그리고, 상기 열 산화막에 컨택트 홀(contact hall)을 형성한 후, 상기 베이스 영역에는 베이스 전극을 형성하고 상기 에미터 영역에는 에미터 전극을 형성하는 단계를 더 포함하여 구성된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 반도체 기판 후면 일부에 형성된 제 1 도핑영역; 상기 반도체 기판 후면에서 상기 제 1 도핑영역이 미 형성된 부분에 형성되는 제 2 도핑영역; 그리고, 상기 제 1 도핑영역과 제 2 도핑영역이 서로 맞닿은 면에 형성된 분리 트렌치를 포함하여 구성된다.
상기 제 1 도핑영역과 제 2 도핑영역 중 하나는 상기 반도체 기판과 같은 도전형이다.
상기 제 1 도핑영역과 제 2 도핑영역 중 하나는 그 도핑영역 상에 도포된 페이스트를 열처리하여 형성된 도핑영역이다.
상기 제 1 도핑영역과 제 2 도핑영역 중 적어도 하나는 면 저항이 200 Ω/㎝2 이하이다.
본 발명에서는 소정 도전형을 가지는 실리콘 웨이퍼에 p형 또는 n형 불순물을 확산하여 도핑을 실시하고, 페이스트를 이용하여 실리콘 웨이퍼의 후면에 베이스 영역과 에미터 영역을 형성하고 있다. 아울러 베이스 영역과 에미터 영역 사이 를 분리 트렌치로 형성하여 이를 분리하고 있다. 또 베이스 영역과 에미터 영역에 연결되는 컨택트 홀을 형성한 다음 전극을 형성하고 있다.
이에 종래 후면접합 태양전지를 제조하는 공정과 비교하면, 고온에서의 공정 수를 줄일 수 있고, 따라서 전체 제조 공정수가 단축되는 효과를 기대할 수 있다. 이는 제조 공정 시간을 절약할 수 있어 원가 절감과 생산 효율 증대의 측면이 있다.
이하 본 발명의 후면접합 태양전지 및 그 제조방법의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명 실시 예에서는 설명의 편의를 위해 n형 실리콘 웨이퍼를 사용하여 후면접합 태양전지를 제조함을 설명한다. 아울러 실리콘 웨이퍼의 비저항은 1Ω㎝ 정도이고, 또 두께는 현재 널리 사용되고 있는 150 ~ 200㎛ 정도이다. 하지만 상기 비저항과 두께는 상기와 같이 반드시 한정하지 않아도 상관없다.
도 1에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 후면접합 태양전지를 제조방법의 흐름도가 도시되어 있다.
우선 n-타입 실리콘 웨이퍼를 필요한 크기로 자른 뒤 절단시 발생한 표면 자국을 없애는 에칭(Saw damage etching) 공정을 수행한다(s100).
상기 에칭 공정을 마친 실리콘 웨이퍼에 대해 스크래칭 작업인 텍스처링(Texturing) 공정을 수행하고, 표면을 세정액으로 세정한다(s102).
상기 실리콘 웨이퍼(100)의 전면과 후면에 도핑원소인 'POCl3(옥시염화인)'을 확산하여 초기 n+ 영역을 형성한다(s104). 상기 전면에 형성된 n+ 영역은 전면전계(FSF)의 역할을 하고, 후면에 형성된 n+ 영역은 후면전계(BSF) 역할을 한다. 상기 확산은 튜브(tube) 타입의 확산로를 이용하는 방법 또는 스프레이 확산(spray diffusion), 스핀 온 확산(spin on diffusion)과 같은 인-라인(In-line) 확산로를 이용한다.
상기 n+ 영역 형성시에 상기 실리콘 웨이퍼의 실리콘과 상기 'POCl3'이 반응하여 상기 실리콘 웨이퍼의 표면에 형성된 포스포실리케이트글래스(PSG : Phosphor-Silicate Glass)를 제거한다(s106).
다음, 상기 실리콘 웨이퍼의 후면 일부, 즉 에미터 영역을 형성할 부분에 해당하는 초기 n+ 영역 위에 도펀트가 포함된 페이스트(paste)를 인쇄한다(s108). 상기 페이스트는 실리콘 웨이퍼의 전면과 후면에 전극이 형성된 일반적인 태양전지에서 p+ 영역을 형성하기 위해 사용되는 페이스트이면 된다. 실시 예에서는 실리콘 웨이퍼에 고농도로 도핑되는 알루미늄 페이스트(Al paste)가 사용된다. 이외에도 붕소, 갈륨 등의 페이스트도 사용 가능하다. 상기 페이스트는 스크린프린터, 잉크-젯(ink-jet), 에어로졸-젯(aerosol-jet) 방법 등으로 인쇄한다.
상기 알루미늄 페이스트가 인쇄된 다음 그 알루미늄 페이스트를 건조한 다음, 소정(firing) 공정을 수행한다. 상기 소성 공정이 수행되면 상기 알루미늄 페이스트의 도펀트는 상기 초기 n+ 영역 중 일부 영역으로 주입되어, 상기 일부 n+ 영역은 p+ 영역이 된다(s110). 상기 p+ 영역은 후면접합형 태양전지에서 에미터 영역이다. 상기 에미터 영역의 면 저항은 100 ~ 200 Ω/㎝2 이하이지만 100 Ω/㎝2 이하로 고농도로 도핑되어 있는 것이 바람직하다. 반면, 나머지 n+ 영역은 그대로 베이스 영역이 된다.
상기 소성 공정에 의해 상기 p+ 영역이 형성된 다음에는, 상기 알루미늄 페이스트를 제거한다(s112). 상기 제거는 'wet chemical' 방법을 이용한다.
그와 같이 소성 공정이 완료되고 알루미늄 페이스트가 제거되면(s112), 도 2(e)에서와 같이 상기 실리콘 웨이퍼의 후면에는 p+ 영역 - n+ 영역 - p+ 영역이 교대로 형성되게 된다. 하지만 이 경우 상기 p+ 영역과 n+ 영역이 서로 접촉되기 때문에 태양전지 동작시에 누설전류의 경로 형성 및 재결합률을 높이게 된다. 이 때문에, 상기 p+ 영역과 n+영역의 접합 면을 반드시 분리시켜야 한다.
그래서 상기 p+ 영역과 n+ 영역의 접합 면을 분리하는 분리공정이 수행된다. 상기 분리공정은 p+ 영역과 n+ 영역이 접하는 면을 중심으로 일정 영역에 대해 분리 트렌치(trench)을 형성한다(s114). 상기 분리 트렌치는, 다양한 방법으로 형성 가능하다. 즉 레이저(laser), 기계적인 방법(mechanical), 습식 에칭(wet etching) 등과 같은 방법으로 형성할 수 있다.
상기 p+ 영역과 n+ 영역이 분리되면, 상기 실리콘 웨이퍼의 전면과 후면에 열 산화막을 형성한다(s116).
상기 실리콘 웨이퍼의 전면에 형성된 열 산화막 위에 태양광 반사를 막아 효 율을 높이도록 해주는 반사 방지막을 형성한다(s118).
상기 반사 방지막까지 형성되면, 상기 실리콘 웨이퍼의 후면에 형성된 열산화막의 일부를 레이저를 이용하여 개방시켜 상기 p+ 영역 및 n+ 영역과 아래에서 설명될 전극이 상호 연결될 수 있게 컨택트 홀(contact hole)을 형성한다(s120).
상기 컨택트 홀이 형성되면 그 컨택트 홀에 전극을 형성한다(s122). 즉 p+ 영역에는 에미터 전극이 형성되고, n+ 영역에는 베이스 전극이 형성된다.
그와 같은 공정에 따라 후면접합형 태양전지가 완성된다.
상기한 공정은 도 2를 참조하여 다시 설명한다. 도 2에는 도 1에서 설명한 후면접합 태양전지의 공정 순서가 단면도로 도시되어 있다.
도 2a는 텍스처링 완료된 n형 실리콘 웨이퍼(100)이다.
도 2b는 n형 실리콘 웨이퍼(100)의 전면과 후면이 실리콘 웨이퍼(100)와 동일한 타입으로 확산되어 초기 n+ 영역(102)이 형성된 것을 보이고 있다.
그 상태에서, n형 실리콘 웨이퍼(100)의 후면 일부, 즉 에미터 영역을 형성할 부분에만 알루미늄 페이스트(104)를 인쇄한다. 이 상태는 도 2c에 도시되어 있다.
그런 다음 소성 공정을 수행하면, 상기 알루미늄 페이스트(104)에 포함된 도펀트는 초기 n+ 영역(102) 중 일부 영역으로 주입되고, 결국 도 2d에서와 같이 일부 n+영역(검정색 음영부분)은 도펀트 확산으로 인해 p+ 영역(106)이 된다.
이후, 도 2e에서와 같이 알루미늄 페이스트(104)를 제거하면, 상기 실리콘 웨이퍼(100)의 후면에는 n+ 영역(105)과 p+ 영역(106)이 교대로 형성된 상태가 된 다.
도 2f는 상기 n+ 영역(105)과 p+ 영역(106)이 서로 맞닿아 있는 면이 분리 트렌치(A)에 의해 서로 분리된 상태를 보인다. 상기 분리 트렌치의 형성은 다양한 방법이 적용될 수 있고, 바람직하게는 소정 파장의 레이저가 사용된다.
그와 같이 n+ 영역(105)과 p+ 영역(106)이 서로 분리된 상태가 되면, 이후에는 도 2g에서와 같이 실리콘 웨이퍼(100)의 전면과 후면에 열 산화막(108')(108)을 형성하고, 도 2h와 같이 실리콘 웨이퍼(100)의 전면에 형성된 열 산화막(108') 위에만 반사 방지막(110)을 형성한다.
이후에는 전극 형성 공정이 수행된다. 상기 전극을 형성하기 위해서는 상기 n+ 영역(105)과 p+ 영역(106)이 접합하고 있는 열 산화막(108)에 컨택트 홀(contact hole)(120)을 형성한다. 상기 컨택트 홀(120)이 형성된 상태는 도 2i에 도시되어 있다.
상기 컨택트 홀(120)이 형성된 다음에는 도 2j와 같이 그 컨택트 홀(120)에 전극(130)(140)을 형성한다. 즉 n+ 영역(105)에는 베이스 전극(130)을 형성하고, p+ 영역(106)에는 에미터 전극(140)을 형성한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 실리콘 웨이퍼의 후면에 p형 또는 n형 불순물을 확산하여 베이스 영역 및 에미터 영역을 형성하고 있고, 이때 형성된 베이스 영역과 에미터 영역은 그 접합 면에 분리 트렌치가 형성되어 이를 분리시키고 있다. 아울러, 베이스 영역과 에미터 영역 위에 형성된 열 산화막의 일부를 레이저 등을 이용하여 부분 개방시키고, 이 부분을 통해 전극을 용이하게 형성시키고 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 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 후면접합형 태양전지의 제조방법 흐름도
도 2는 도 1에서 설명한 후면접합형 태양전지의 공정 순서를 보인 단면도
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 : n형 실리콘 웨이퍼 102 : 초기 n+ 영역
104 : 알루미늄 페이스트 105 : n+ 영역
106 : p+ 영역 108,108' : 열 산화막
110 : 반사 방지막 120 : 컨택트 홀
130 : 베이스 전극 140 : 에미터 전극
A : 분리 트렌치

Claims (8)

  1. 반도체 기판 후면에 반도체 기판과 동일한 도전형으로 도핑층을 형성하는 단계:
    상기 도핑층 중 일부 영역에 대해서만 페이스트(paste)를 형성하는 단계; 그리고,
    일정 온도로 소성을 수행하여 상기 페이스트에 포함된 도펀트(dopant)를 확산시키고, 상기 도펀트가 확산된 도핑층은 에미터 영역으로 형성하고 나머지 도핑층은 베이스 영역으로 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 후면접합 태양전지의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 베이스 영역과 에미터 영역이 맞닿는 면에 분리 트렌치(trench)를 형성시켜 상기 베이스 영역과 에미터 영역을 상호 분리시키는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 후면접합 태양전지의 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 분리 트렌치는, 레이저(laser), 습식 에칭(wet etching) 및 기계적인 방법(mechanical) 중 어느 하나의 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 후면접합 태양전지의 제조방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 베이스 영역과 에미터 영역이 분리된 다음, 상기 반도체 기판의 후면에 열 산화막을 형성하는 단계; 그리고,
    상기 열 산화막에 컨택트 홀(contact hall)을 형성한 후, 상기 베이스 영역에는 베이스 전극을 형성하고 상기 에미터 영역에는 에미터 전극을 형성하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 후면접합 태양전지의 제조방법.
  5. 반도체 기판 후면 일부에 형성된 제 1 도핑영역;
    상기 반도체 기판 후면에서 상기 제 1 도핑영역이 미 형성된 부분에 형성되는 제 2 도핑영역; 그리고,
    상기 제 1 도핑영역과 제 2 도핑영역의 서로 맞닿은 면에 형성된 분리 트렌치를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 후면접합 태양전지.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제 1 도핑영역과 제 2 도핑영역 중 하나는 상기 반도체 기판과 같은 도전형임을 특징으로 하는 후면접합 태양전지.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 제 1 도핑영역과 제 2 도핑영역 중 하나는 그 도핑영역 상에 도포된 페 이스트를 열처리하여 형성된 도핑영역임을 특징으로 하는 후면접합 태양전지.
  8. 제 5항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 도핑영역과 제 2 도핑영역 중 적어도 하나는 면 저항이 200 Ω/㎝2 이하임을 특징으로 하는 후면접합 태양전지.
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