KR101165915B1 - 태양전지의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 선택적 에미터를 구비하는 태양전지의 제조방법에 관한 것으로, 상기 태양전지의 제조방법은 제 1 도전형의 반도체 기판의 전면전극 형성 영역에 상기 반도체 기판과 다른 도전형인 제 2 도전형의 도펀트를 포함하는 도전성 페이스트를 도포하는 과정과; 상기 도전성 페이스트가 도포된 상기 반도체 기판을 상기 도전성 페이스트와 동일한 도전형인 제 2 도전형의 도펀트를 포함하는 가스 분위기의 확산로(diffusion furnace)에서 확산 및 열처리 공정을 진행하여 상기 전극 형성 영역의 상기 반도체 기판에 고농도 도핑층을 형성함과 동시에 상기 전극 형성 영역 이외의 상기 반도체 기판에 저농도 도핑층을 형성하는 과정을 포함한다.
Description
본 발명은 태양전지 제조방법에 관한 것으로, 특히 선택적 에미터를 구비하는 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
최근, 환경오염 문제가 심각해짐에 따라 환경오염을 줄일 수 있는 신재생 에너지에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 신재생 에너지 중에서, 특히, 태양 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생산할 수 있는 태양전지에 대한 관심이 집중되고 있다.
태양전지란 태양광 에너지를 직접 전기에너지로 변화시키는 광전변환 소자로서 p형 반도체와 n형 반도체의 접합형태를 가지며 그 기본구조는 다이오드와 유사하다. 태양전지는 일반적으로 소재에 따라 실리콘 태양전지와 화합물 반도체 태양전지 등으로 분류되고, 형태에 따라 기판형과 박막형으로 나뉜다. 현재 태양광 발전용으로 널리 쓰이고 있는 것은 기판형 결정질 실리콘 태양전지로서, 실리콘 기판의 전면에 에미터(emitter)로 작용하는 n형 층을, 후면에 p형 층을 각각 형성하고, 빛의 반사를 최소화하기 위한 실리콘 질화막 또는 산화막 등의 반사방지층을 포함하는 형태이다.
현재 상업용으로 가장 많이 적용되고 있는 태양전지는 스크린 프린팅 기법에 의해 제작되고 있으며, 광전변환 효율은 약 15~18% 정도이다. 그러나 현재의 구조와 공정으로는 더 이상의 높은 효율을 기대하기 어려워, 세계적으로 다양한 구조 및 공정 개발이 활발히 진행되고 있다.
선택적 에미터(selective emitter) 구조는 고효율 태양전지 제작을 위해 접근할 수 있는 기술 중 하나로, 태양전지의 전극부분에만 국부적으로 고농도로 도핑하고 나머지 부분(빛을 흡수하는 부분)은 저농도로 도핑함으로써 고농도 에미터층의 장점과 저농도 에미터층의 장점을 모두 취하는 구조이다.
선택적 에미터를 형성하기 위해 BCSC(Buried contact solar cell)에 적용된 레이저 스크라이빙 기법(laser scribing), PERL(Passivated emitter rear locally diffused cell)에 적용된 사진식각기법(photolithography) 등과 같은 기술들이 개발되었으나, 대부분의 기술들이 2단계 이상의 고온 공정을 필요로 하기 때문에 공정 단가가 상승하고 생산수율을 감소시키게 된다. 따라서, 복잡한 공정과정을 거치지 않고 양산 가능한 고효율 결정질 실리콘 태양전지 개발이 절실히 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 고가의 사진식각기법(photolithography)이나 레이저 장비를 사용하지 않고, 공정수를 줄일 수 있으며, 적어도 종래와 동일한 광전변환 효율을 가진 태양전지를 제조할 수 있는 태양전지의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 태양전지의 제조방법은 제 1 도전형의 반도체 기판의 전면전극 형성 영역에 상기 반도체 기판과 다른 도전형인 제 2 도전형의 도펀트를 포함하는 도전성 페이스트를 도포하는 과정과; 상기 도전성 페이스트가 도포된 상기 반도체 기판을 상기 도전성 페이스트와 동일한 도전형인 제 2 도전형의 도펀트를 포함하는 가스 분위기의 확산로(diffusion furnace)에서 확산 및 열처리 공정을 진행하여 상기 전극 형성 영역의 상기 반도체 기판에 고농도 도핑층을 형성함과 동시에 상기 전극 형성 영역 이외의 상기 반도체 기판에 저농도 도핑층을 형성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 태양전지의 제조방법에서는, 상기 도전성 페이스트는 스크린 프린팅 기법에 의해 도포되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 태양전지의 제조방법에서는, 상기 확산 및 열처리 공정은, 상기 고농도 도핑층이 30Ω/sq 이하의 면저항을 가지고 상기 저농도 도핑층이 90Ω/sq 이상(적어도 90Ω/sq)의 면저항을 갖도록 진행되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 태양전지의 제조방법에서는, 상기 제 1 도전형은 p형이고, 상기 제 2 도전형은 n형이며, 상기 도전성 페이스트는 인(Phosphorous) 계열의 확산 페이스트이며, 상기 제 2 도전형의 도펀트를 포함하는 가스 분위기는 POCl3 또는 H3PO4 중 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 태양전지의 제조방법에서는, 상기 반도체 기판에 상기 도전성 페이스트를 도포하는 과정 전에, 상기 반도체 기판 표면의 반사율 감소를 위해 요철을 형성하는 텍스처링(texturing) 과정을 더 포함하며, 상기 텍스처링 과정은 건식 또는 습식 식각 모두 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지의 제조방법에서는, 상기 고농도 도핑층과 상기 저농도 도핑층이 형성된 상기 반도체 기판의 전면 전체에 반사방지막을 형성하는 과정과; 상기 전극 영역의 상기 반사방지막 위에 전면전극을 형성하는 과정과; 상기 실리콘 기판의 후면에 후면전극 및 BSF(back surface field)를 형성하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 반사방지막은 실리콘 질화막으로 이루어지고, 상기 전면전극은 유리 프릿(glass frit)을 함유하는 Ag 페이스트를 사용하여 형성되며, 상기 후면전극은 Ag/Al 페이스트를 사용하고, 상기 BSF는 Al 페이스트를 사용하여 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 태양전지의 제조방법에서는, 상기 반사방지막을 형성하는 과정 전에 상기 고농도 도핑층과 상기 저농도 도핑층 위에 형성된 불필요한 산화물을 제거하는 과정을 더 포함하는 것이 바람직하며, 상기 불필요한 산화물은 PSG(Phospho-Silicate Glass)를 포함하며, PSG는 HF(Hydrofluoric acid)를 이용하는 제거하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 태양전지의 제조방법에 의하면, 고가의 사진식각기법(photolithography)이나 레이저 장비를 사용하지 않고 스크린 프린팅 방법으로 선택적 에미터 구조의 태양전지를 제조할 수 있기 때문에 제조 공정수, 공정시간 및 제조비용을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 에미터를 구비하는 태양전지의 제조과정을 나타내는 흐름도,
도 2a 내지 도 2f는 도 1에 도시된 각 제조과정을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
도 2a 내지 도 2f는 도 1에 도시된 각 제조과정을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선택적 에미터를 구비하는 태양전지의 제조과정을 나타내는 흐름도이고, 도 2a 내지 도 2f는 도 1에 도시된 각 제조과정을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
먼저, 도 1 및 도 2a에 도시된 바와 같이, 제 1 도전형의 반도체 기판(101)을 건식 또는 습식 식각에 의해 식각함으로써 반도체 기판(101)의 표면에 요철을 형성한다(단계 1001). 본 과정은 반도체 기판 표면에서의 반사율을 감소시키기 위한 텍스쳐링(texturing) 과정으로, 상기 반도체 기판(101)으로는 단결정 및 다결정 실리콘 기판이 모두 사용될 수 있으며, 단결정 기판에 습식 식각을 적용할 경우 식각제로는 예를 들어, KOH, NaOH 등의 알칼리계 용액을 사용한다. 또한 상기 반도체 기판은 결정형에 상관없이 p형 실리콘 기판을 사용하는데, p형 실리콘 기판은 소수 캐리어의 수명 및 모빌리티가 커서 n형에 비해 더 선호되고 있기 때문이다.
이어서, 도 1 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 반도체 기판(101)의 예정된 전면전극 형성 영역에 상기 반도체 기판의 도전형과 다른 도전형인 제 2 도전형 즉, n형 도펀트(dopant)를 포함하는 도전성 페이스트(paste)(102)를 도포한다(단계 1002). 이때, 예정된 전면전극 형성영역은 스크린 마스크를 이용하여 전면전극 형성영역의 반도체 기판(101)을 노출시킨 후, 스크린 프린팅 방식으로 도전성 페이스트(102)를 도포함으로써 형성할 수 있다. 상기 도전성 페이스트는 n형의 경우 예를 들면, 인(Phosphorous) 계열의 확산 페이스트가 사용될 수 있지만, 여기에 한정되지 않고 P, As, Sb 등의 5족 원소로 이루어진 그룹 중에서 선택 사용될 수 있다.
이어서, 도 1 및 도 2c에 도시된 바와 같이, 도전성 페이스트(102)가 도포된 반도체 기판(101)을 확산로(diffusion furnace)에서 확산 및 열처리 공정을 진행하여 상기 전극 형성 영역의 상기 반도체 기판에 고농도 도핑층(103)을 형성함과 동시에 상기 전극 형성 영역 이외의 상기 반도체 기판에 저농도 도핑층(104)을 형성한다(단계 1003). 이때, 확산로 내부는 상기 도전성 페이스트와 동일한 도전형인 제 2 도전형의 도펀트, 예를 들면 POCl3 또는 H3PO4 를 포함하는 가스 분위기를 유지하며, 상기 확산 및 열처리 공정은, 상기 고농도 도핑층이 예를 들면, 30Ω/sq 이하의 면저항을 가지고 상기 저농도 도핑층이 예를 들면, 90Ω/sq 이상(적어도 90Ω/sq)의 면저항을 갖도록 진행된다. 즉, p형 반도체 기판(101) 위에 n형 도전성 페이스트(102)를 도포한 영역은 직접적으로 도펀트가 기판에 침투하여 고농도 도핑층(103)을 형성하며, 나머지 도전성 페이스트(102)가 도포되지 않은 영역은 기상 확산을 통해 저농도 도핑층(104)이 형성되도록 한다.
열처리 과정에서 불필요하게 생성된 PSG(Phospho-Silicate Glass) 등의 불필요한 산화물(105)(도 2c)은 예를 들면, 불화수소(Hydrofluoric acid; HF)를 이용하여 제거한다(단계 1004). 불필요한 산화물은 태양전지의 절연특성을 저해할 수 있기 때문에 제거하는 것이 바람직하다.
도 2d는 불필요한 산화물이 제거된 상태를 도시한 것으로, 도전성 페이스트(102)가 직접 도포된 부분은 고농도 도핑층(103)이 형성되고, 도전성 페이스트(102)가 도포되지 않은 부분은 저농도 도핑층이 형성됨을 알 수 있다. 이와 같이, 태양전지의 전극부분에만 국부적으로 고농도로 도핑하고 나머지 부분(빛을 흡수하는 부분)은 저농도로 도핑하여 고농도 에미터층의 장점과 저농도 에미터층의 장점을 모두 취하는 선택적 에미터 구조를 형성하게 된다.
이어서, 도 1 및 도 2e에 도시된 바와 같이, 고농도 도핑층(103)과 저농도 도핑층(104)이 형성된 반도체 기판(101)의 전면 전체에 예를 들면, 실리콘 질화막으로 이루어진 반사방지막(AR coating)(106)을 형성한다(단계 1005). 반사방지막(106)은 태양광에 대한 반사율을 낮추기 위한 것으로, 플라즈마 화학기상증착법(PECVD), 화학기상증착법(CVD), 스퍼터링(Sputtering) 등의 공정에 의해 형성될 수 있다.
끝으로, 도 1 및 도 2f에 도시된 바와 같이, 예정된 전극 영역의 상기 반사방지막 위에 전면전극(107)을 형성하고, 반도체 기판(101)의 후면에는 후면전극(108) 및 BSF(back surface field)층(109)을 형성한다(단계 1006). 전면전극 및 후면전극의 형성 순서는 제한되지 않아 어느 전극을 먼저 형성해도 상관없으나, 전면전극(107)과 페이스트가 도포된 고농도 도핑층(103)이 오버랩되도록 나란히 맞추는 것이 중요하다. 전면전극(107)은 예를 들면, 유리 프릿(glass frit)을 함유하는 은(Ag) 페이스트를 반사방지막(106) 위에 도포한 후 열처리하여 형성하고, 후면전극(108)은 예를 들면, 은(Ag)/알루미늄(Al) 페이스트를 도포한 후 열처리하여 형성한다. 열처리에 의해 반도체 기판(101)은 후면전극(108)과 접하는 면으로부터 소정 깊이까지 전극 형성 물질이 도핑되어 BSF층(109)을 형성하게 된다. 전면전극(107) 및 후면전극(108)은 각각 전면전극 형성용 페이스트 및 후면전극 형성용 페이스트를 해당 부위에 도포한 후 동시에 열처리함으로써 형성할 수도 있다. 전면전극으로는 대표적으로 Ag 전극이 사용되는데 이는 Ag 전극이 전기전도성이 우수하기 때문이며, 후면전극으로는 대표적으로 Al 전극이 사용되는데 이는 Al 전극이 전도성이 우수할 뿐만 아니라 실리콘과의 친화력이 좋아서 접합 형성이 용이하기 때문이다. 또는, Al 전극은 3가 원소로서 p형 실리콘 기판을 사용할 경우 실리콘 기판에 p+층, 즉 BSF층을 형성하여 캐리어들이 표면에서 사라지지 않고 모이도록 하여 효율을 증대시킬 수 있기 때문이다. 이와 같이, 반도체 기판의 전면부와 후면부에 전극을 형성함으로써 본 실시형태의 태양전지를 얻을 수 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.
101: 반도체 기판 102: 도전성 페이스트
103: 고농도 도핑층 104: 저농도 도핑층
105: 불필요한 산화물 106: 반사방지막
107: 전면전극 108: 후면전극
109: BSF층
103: 고농도 도핑층 104: 저농도 도핑층
105: 불필요한 산화물 106: 반사방지막
107: 전면전극 108: 후면전극
109: BSF층
Claims (14)
- 제 1 도전형의 반도체 기판의 전면전극 형성 영역에 상기 반도체 기판과 다른 도전형인 제 2 도전형의 도펀트를 포함하는 도전성 페이스트를 도포하는 과정과;
상기 도전성 페이스트가 도포된 상기 반도체 기판을 상기 도전성 페이스트와 동일한 도전형인 제 2 도전형의 도펀트를 포함하는 가스 분위기의 확산로(diffusion furnace)에서 확산 및 열처리 공정을 진행하여 상기 전극 형성 영역의 상기 반도체 기판에 고농도 도핑층을 형성함과 동시에 상기 전극 형성 영역 이외의 상기 반도체 기판에 저농도 도핑층을 형성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 도전성 페이스트는 스크린 프린팅 기법에 의해 도포되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 확산 및 열처리 공정은, 상기 고농도 도핑층이 30Ω/sq 이하의 면저항을 가지고 상기 저농도 도핑층이 적어도 90Ω/sq의 면저항을 갖도록 진행되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 도전형은 p형이고, 상기 제 2 도전형은 n형인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 도전성 페이스트는 인(Phosphorous) 계열의 확산 페이스트인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 제 2 도전형의 도펀트를 포함하는 가스 분위기는 POCl3 또는 H3PO4 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 반도체 기판에 상기 도전성 페이스트를 도포하는 과정 전에, 상기 반도체 기판 표면의 반사율 감소를 위해 요철을 형성하는 텍스쳐링(texturing) 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 고농도 도핑층과 상기 저농도 도핑층이 형성된 상기 반도체 기판의 전면 전체에 반사방지막을 형성하는 과정과;
상기 전극 영역의 상기 반사방지막 위에 전면전극을 형성하는 과정과;
상기 반도체 기판의 후면에 후면전극 및 BSF(back surface field)층을 형성하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제 8 항에 있어서, 상기 반사방지막은 실리콘 질화막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제 8 항 있어서, 상기 전면전극은 유리 프릿(glass frit)을 함유하는 Ag 페이스트를 사용하여 상기 고농도 도핑층과 오버랩 되도록 나란하게 맞추어 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제 8 항에 있어서, 상기 후면전극은 Ag/Al 페이스트를 사용하고, 상기 BSF층은 Al 페이스트를 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제 8 항에 있어서, 상기 반사방지막을 형성하는 과정 전에
상기 고농도 도핑층과 상기 저농도 도핑층 위에 형성된 불필요한 산화물을 제거하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제 12 항에 있어서, 상기 불필요한 산화물은
PSG(Phospho-Silicate Glass)인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제 13 항에 있어서, 상기 PSG는 불화수소(Hydrofluoric acid)를 이용하여 제거하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
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