KR101218411B1 - 태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, p-n 접합이 형성된 기판의 전면에 반사방지막을 형성하고, 상기 기판의 후면에 유전층을 형성하는 단계와; 상기 기판이 하부에 금속 재질의 페이스트를 도포하고 소성 공정을 진행하여 후면전극을 형성하는 단계와; 상기 소성 공정 시의 열화에 의해 상기 기판의 하층부에 후면 전계층이 형성되는 단계와; 상기 소성 공정 시의 열화에 의해 상기 기판의 내부에 탈 수소 현상에 의한 공극이 발생하는 단계와; 상기 소성 공정 시의 열화에 의해 상기 유전층에서 상기 기판의 내부로 수소를 공급하여 상기 기판 내부에 발생하는 공극을 제거하는 단계를 수행함으로써, 기판 내부의 벌크 패시베이션(Bulk Passivation) 특성을 향상시키고 태양전지의 광전 변환 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 기판 내부의 벌크 패시베이션(Bulk Passivation) 특성을 향상시킬 수 있도록 하는 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심소자로서, 기본적으로 p-n 접합으로 이루어진 다이오드(Diode)라 할 수 있다.
태양광이 태양전지에 의해 전기로 변환되는 과정을 살펴보면, 태양전지에 태양광이 입사되어 태양전지 내부에 전자-정공 쌍이 생성되고, 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 이동하게 되어 p-n 접합부 사이에 광기전력이 발생되며, 이때 태양전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산할 수 있게 된다.
한편, 태양전지는 p-n 접합부인 광흡수층의 형태나 불순물 종류에 따라 다양하게 구분되는데 광흡수층으로는 대표적으로 실리콘(Si)을 들 수 있으며, 이와 같은 실리콘계 태양전지는 형태에 따라 실리콘 기판 자체를 광흡수층으로 이용하는 실리콘 기판형과, 실리콘을 박막 형태로 증착하여 광흡수층을 형성하는 박막형으로 구분된다.
실리콘계 태양전지 중 실리콘 기판형의 일반적인 구조를 예들 들어 살펴보면 다음과 같다.
도 1에 도시한 바와 같이, p형 불순물이 도핑된 베이스층(11) 위에 n형 불순물이 도핑된 에미터층(12)이 적층되며, 에미터층(12)의 상부에 핑거 바 또는 버스 바 등의 패턴을 가진 전면전극(14)이 형성되고, 베이스층(11)의 하부에 p형 불순물이 고농도 도핑된 후면 전계(Back Surface Field)층(13)이 형성되며, 후면 전계층(13)의 하부에 후면전극(15)이 전체적으로 형성되어 있는 구조를 갖는다. 이때, 베이스층(11), 에미터층(12) 및 후면 전계층(13)은 하나의 실리콘 재질의 기판(10)에 구현되는 것으로서, 기판(10)의 중층부는 베이스층(11), 상층부는 에미터층(12), 하층부는 후면 전계층(13)으로 구분된다.
이러한, 기판형 실리콘계 태양전지의 일반적인 제조 과정을 살펴보면, 먼저 p형의 실리콘 재질의 기판(10)을 준비하고, 준비된 기판(10)의 표면 텍스쳐링, 기판(10)의 상부에 n형의 불순물 이온 주입(Doping)·확산(Diffusion)을 통한 에미터층(12) 및 베이스층(11) 형성, 전면전극(14) 및 후면전극(15) 형성 등의 공정을 거쳐 제조된다. 후면 전계층(13)은 후면전극(15) 형성을 위해 기판(10)의 후면에 전체적으로 알루미늄(Al) 페이스트를 인쇄하고 소성(Firing)하는 과정에서 형성되는데, 소성 시의 열화에 의해 알루미늄(Al) 페이스트에 포함되어 있는 불순물 이온이 기판(10)의 내부로 도핑 및 확산되어 형성된다.
한편, 전면전극(14) 및 후면전극(15)의 형성 이전에는, 확산 공정 시 열처리에 의해 기판(10)의 표면에 형성된 PSG(Phosphorus Silicate Glass)막 또는 BSG(Boron Silicate Glass)막 등의 불순물 산화막을 제거하는 세정 공정 및 에미터층(12) 위에 반사방지막(16)을 형성하는 공정 등을 진행하게 된다.
이와 같은 종래의 태양전지 제조 방법에 의하면, 후면전극(15) 형성을 위한 소성 시 열화에 의해 후면 전계층(13)이 형성되기 때문에, 그 소성 시의 열화에 의해 기판(10), 특히 후면 전계층(13) 내에 탈 수소(H) 현상이 발생하여 다수의 공극(Hole)이 형성되게 된다.
이에 따라, 종래의 태양전지는 구동 시, 광 생성된 운송자가 기판(10) 내에 형성되어 있는 다수의 공극에 의해 쉽게 재결합하여 광 생성된 운송자의 라이프 타임이 감소되는 등, 기판(10) 내부의 벌크 패시베이션(Bulk Passivation) 특성 떨어지고, 이로 인해 광전 변환 효율이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 기판 내부의 벌크 패시베이션(Bulk Passivation) 특성을 향상시킬 수 있도록 하는 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 태양전지는, 베이스층의 상부에 적층된 에미터층과; 상기 에미터층의 상부에 형성된 전면전극과; 상기 베이스층의 하부에 형성된 후면 전계(Back Surface Field)층과; 상기 후면 전계층의 하부에 형성된 후면전극과; 상기 전면전극의 형성 부위를 제외한 상기 에미터층의 상부에 형성된 반사방지막과; 상기 후면 전계층 및 상기 후면전극 사이에 형성된 유전층을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 유전층은, 1.8 내지 2.4의 굴절률을 가지며 20 nm 내지 100 nm의 두께로 형성된 실리콘 질화물(SiNx) 박막으로 이루어지는 것이 더욱 바람직하다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조 방법은, p-n 접합이 형성된 기판의 전면에 반사방지막을 형성하고, 상기 기판의 후면에 유전층을 형성하는 단계와; 상기 기판이 하부에 금속 재질의 페이스트를 도포하고 소성 공정을 진행하여 후면전극을 형성하는 단계와; 상기 소성 공정 시의 열화에 의해 상기 기판의 하층부에 후면 전계층이 형성되는 단계와; 상기 소성 공정 시의 열화에 의해 상기 기판의 내부에 탈 수소 현상에 의한 공극이 발생하는 단계와; 상기 소성 공정 시의 열화에 의해 상기 유전층에서 상기 기판의 내부로 수소를 공급하여 상기 기판 내부에 발생하는 공극을 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 기판의 후면에 유전층을 형성하는 단계는, PECVD 방식을 통해 상기 기판의 후면에 실리콘 질화물(SiNx) 박막을 증착하는 단계를 포함하여 이루어지는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 따른 태양전지 및 그 제조 방법에 의하면, 기판 내부의 벌크 패시베이션(Bulk Passivation) 특성을 향상시킴으로써, 태양전지의 광전 변환 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 태양전지의 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조 방법을 순차적으로 나타낸 흐름도.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조 방법을 순차적으로 나타낸 흐름도.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지 및 그 제조 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 제1도전형 불순물이 도핑된 베이스층(11)의 상부에 제2도전형 불순물이 도핑된 에미터층(12)이 적층되며, 에미터층(12)의 상부에 핑거 바 또는 버스 바 등의 패턴을 가진 전면전극(14)이 형성되고, 베이스층(11)의 하부에 제1도전형 불순물이 고농도 도핑된 후면 전계층(13)이 형성되며, 후면 전계층(13)의 하부에 전체적으로 후면전극(15)이 형성된 구조를 갖는다. 이때, 전면전극(14)의 형성 부위를 제외한 에미터층(12)의 상부에는 실리콘 질화물(SiNx) 등으로 구성된 반사방지막(16)이 형성되고, 후면 전계층(13) 및 후면전극(15) 사이에는 표면 패시베이션 특성 향상을 위한 유전층(17)이 형성된다.
여기서, 제1도전형은 n형 또는 p형일 수 있으며, 이하에서는 제1도전형은 p형, 제2도전형은 n형인 것을 일 예로 들어 설명하기로 한다.
아울러, 베이스층(11), 에미터층(12) 및 후면 전계층(16)은 하나의 실리콘 기판(10)에 구현되는 것으로서, 실리콘 기판(10)의 중층부는 베이스층(11), 상층부는 에미터층(12), 하층부는 후면 전계층(16)으로 구분된다. 후면 전계층(13)은 베이스층(11)에 비해 높은 에너지 장벽을 가지기 때문에, 베이스층(11) 내에서 태양광 입사에 의해 광생성된 소수 운송자가 후면전극(15)으로 이동하는 것을 차단함과 동시에, 광생성된 다수 운송자가 후면전극(15)으로 수월하게 이동하도록 하는 패시베이션 역할을 수행하게 된다.
한편, 유전층(17)은 1.8 내지 2.4 정도의 굴절률을 가지며 20 nm 내지 100 nm 정도의 두께로 형성된 실리콘 질화물(SiNx) 박막 등으로 이루어질 수 있다.
전술한 바와 같은 구성에 있어서, 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 제1도전형의 실리콘(Si) 재질의 기판(10)을 준비한다(S100).
상기한 단계 S100에서는 전처리 공정인 기판(10)의 커팅 공정의 결과로 생성된 결함 부분을 제거하기 위하여 화학적 방식으로 기판(10)을 식각하는 쏘 데미지 에칭(Saw Damage Etching) 공정을 진행하게 된다. 이때 식각 용액으로 수산화칼륨(KOH) 용액 등을 사용하여 기판(10)의 표면을 전체적으로 일정 깊이만큼 식각한 후, DIW(Deionized Water) 등을 사용하여 세정하는 것이 바람직하다.
아울러, 쏘 데미지 에칭(Saw Damage Etching) 공정 이후에는, 산(Acid) 또는 알카리(Alkaline) 등을 이용한 습식 텍스쳐링 공정이나 건식 텍스쳐링 공정을 진행하여 기판(10) 표면에 요철 구조를 형성하는 것이 바람직하다.
상기한 단계 S100을 통해 기판(10)이 준비된 상태에서, 기판(10)의 상층부에 제2도전형 불순물 이온, 예를 들어 n형 불순물 이온인 인(P)을 주입 및 확산시켜 기판(10)의 내부에 p-n 접합을 형성한다(S110).
상기한 단계 S110에 의해 도 4에 도시한 바와 같이, 기판(10)의 하층부는 베이스층(11), 예컨대 p형 반도체층을 이루게 되고, 그 상층부는 에미터층(12), 예컨대 n형 반도체층을 이루게 된다.
상기한 단계 S110 다음에는, 도 5에 도시된 바와 같이, 기판(10)의 전면에 실리콘 질화물(SiNx)로 이루어진 반사방지막(16)을 형성하고, 기판(10)의 후면에 실리콘 질화물(SiNx) 박막을 증착하여 유전층(17)을 형성한다(S120).
상기한 단계 S120에서는 기판(10)의 전후면에만 각각 반사방지막(16) 및 실리콘 질화물(SiNx) 박막을 증착하는 부분 증착 공정을 시행하는 것이 바람직하다. 이러한 부분 증착 공정은 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방식 등을 통해 구현될 수 있다.
상기한 단계 S120 이후에는, 도 6에 도시된 바와 같이, 기판(10)의 상부에 전면전극(14)을 형성한다(S130).
상기한 단계 S130에서는 스크린 프린팅 공정 등을 통해 반사방지막(16)의 상부에 은(Ag) 또는 은(Ag)과 알루미늄(Al)의 합금 등으로 구성된 금속 재질의 페이스트를 일정 선폭을 갖는 핑거 바 패턴 또는 버스 바 패턴으로 인쇄하고 소성 공정을 진행하여 전면전극(14)을 형성하는 것이 바람직하다.
상기한 단계 S130 다음에는, 기판(10)의 하부에 후면전극(15)을 형성한다(S140).
상기한 단계 S140에서는 스퍼터링 공정 등을 통해 유전층(17)의 하부에 전체적으로 알루미늄(Al) 등으로 구성된 금속 재질의 페이스트를 도포하고 850℃ 정도의 온도에서 약 2 분 동안의 열처리를 통해 소성 공정을 진행하여 후면전극(15)을 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 상기한 단계 S140에서는 소성 공정 시의 열화에 의해 알루미늄(Al) 재질의 페이스트에 포함되어 있는 불순물 이온이 기판(10)의 내부로 도핑 및 확산되어 기판(10)의 하층부에 후면 전계층(13)이 형성된다(S150).
또한, 상기한 단계 S140에서는 소성 공정 시의 열화에 의해 상기 기판의 내부에 탈 수소 현상에 의한 공극이 발생하게 된다.
그러나, 상기한 단계 S140에서는 소성 공정 시의 열화에 의해 유전층(17)에서 기판(10) 내부로 수소(H)를 공급하여 탈 수소 현상에 의해 기판(10) 내부에 발생되는 공극을 제거함으로써, 광 생성된 운송자의 라이프 타임을 대폭 향상시켜 기판(10) 내부의 벌크 패시베이션 특성을 향상시킬 수 있게 된다. 이때, 기판(10)의 내부에서 탈 수소(H) 현상에 의해 발생하는 공극은 유전층(17)으로부터 공급되는 수소분자를 수소원자로 분해하여 확산시키고, 급속히 냉각하여 수소(H)의 이탈을 방지하게 된다.
본 발명에 따른 태양전지 및 그 제조 방법은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.
10: 기판 11: 베이스층
12: 에미터층 13: 후면 전계층
14: 전면전극 15: 후면전극
16: 반사방지막 17: 유전층
12: 에미터층 13: 후면 전계층
14: 전면전극 15: 후면전극
16: 반사방지막 17: 유전층
Claims (4)
- 베이스층의 상부에 적층된 에미터층과;
상기 에미터층의 상부에 형성된 전면전극과;
상기 베이스층의 하부에 형성된 후면 전계(Back Surface Field)층과;
상층부는 에미터층, 중층부는 베이스층, 하층부는 후면 전계층으로 이루어지는 실리콘 기판의 하부에 형성된 후면전극과;
상기 전면전극의 형성 부위를 제외한 상기 에미터층의 상부에 형성된 반사방지막과;
상기 후면 전계층 및 상기 후면전극 사이에 형성된 유전층을 포함하여 이루어지되,
상기 유전층은 실리콘 질화물(SiNx) 박막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 실리콘 질화물(SiNx) 박막으로 이루어지는 유전층은,
1.8 내지 2.4의 굴절률을 가지며 20 nm 내지 100 nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- p-n 접합이 형성된 실리콘 기판의 전면에 반사방지막을 형성하고, 상기 실리콘 기판의 후면에 실리콘 질화물(SiNx) 박막을 증착하여 유전층을 형성하는 단계와;
상기 실리콘 기판이 하부에 금속 재질의 페이스트를 도포하고 소성 공정을 진행하여 후면전극을 형성하는 단계와;
상기 소성 공정 시의 열화에 의해 상기 실리콘 기판의 하층부에 후면 전계층이 형성되는 단계와;
상기 소성 공정 시의 열화에 의해 상기 실리콘 기판의 내부에 탈 수소 현상에 의한 공극이 발생하는 단계와;
상기 소성 공정 시의 열화에 의해 상기 유전층에서 상기 실리콘 기판의 내부로 수소를 공급하여 상기 실리콘 기판 내부에 발생하는 공극을 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.
- 제3항에 있어서,
상기 실리콘 기판의 후면에 실리콘 질화물(SiNx) 박막을 증착하여 유전층을 형성하는 단계는,
PECVD 방식을 통해 구현되는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.
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2011
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