KR101223021B1 - 태양전지의 제조방법 및 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지의 제조방법 및 태양전지에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조방법은 (S1) 제1 도전형 실리콘 웨이퍼의 전 표면에 제2 도전형 도전층을 형성하는 단계; (S2) 상기 제2 도전형 도전층의 전 표면에 실리콘옥사이드층을 형성하는 단계; (S3) 상기 제2 도전형 도전층 및 실리콘옥사이드층이 형성된 상기 실리콘 웨이퍼의 일면에 마스크를 위치시키고, 플라즈마 에칭으로 후면전극이 로컬 컨텍트되는 영역의 제2 도전형 도전층 및 실리콘옥사이드층과 상기 실리콘 웨이퍼의 측단에 도포된 상기 제2 도전형 도전층 및 실리콘옥사이드층을 에칭하는 단계; (S4) 상기 실리콘 웨이퍼의 플라즈마 에칭된 면과 반대면의 실리콘옥사이드층 위에 실리콘나이트라이드층을 형성하는 단계; (S5) 상기 실리콘 웨이퍼의 플라즈마 에칭된 면에 후면전극 형성용 페이스트를 도포하는 단계; (S6) 상기 실리콘 웨이퍼의 플라즈마 에칭된 면의 반대면에 소정 패턴에 따라 전면전극 형성용 페이스트를 도포하는 단계; 및 (S7) 상기 전면전극 및 후면전극 형성용 페이스트를 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면 태양전지의 제조공정을 간소화하고 제조단가를 낮출 수 있다
태양전지, 광기전력효과, 반도체, 플라즈마 에칭, 마스크, 반사방지막
Description
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 태양전지의 기본적인 구조를 나타낸 개략도이다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양전지의 제조방법의 공정을 나타낸 도면이다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양전지의 제조방법의 공정을 나타낸 도면이다.
본 발명은 태양전지의 제조방법 및 그를 이용하여 제조된 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 후면 재결합을 줄이기 위한 로컬 컨텍트(local contact) 구조 및 플로팅 정션(floating junction)을 보다 간소한 공정으로 형성할 수 있는 태양전지의 제조방법 및 그를 이용하여 제조된 태양전지에 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 주목 받고 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 태양전지라 한다)를 일컫는다.
태양전지의 기본적인 구조를 나타낸 도 1을 참조하면, 태양전지는 다이오드와 같이 p형 반도체(101)와 n형 반도체(102)의 접합 구조를 가지며, 태양전지에 빛이 입사되면 빛과 태양전지의 반도체를 구성하는 물질과의 상호 작용으로 (-) 전하를 띤 전자와 전자가 빠져나가 (+) 전하를 띤 정공이 발생하여 이들이 이동하면서 전류가 흐르게 된다. 이를 광기전력효과(光起電力效果, photovoltaic effect)라 하는데, 태양전지를 구성하는 p형(101) 및 n형 반도체(102) 중 전자는 n형 반도체(102) 쪽으로, 정공은 p형 반도체(101) 쪽으로 끌어 당겨져 각각 n형 반도체(101) 및 p형 반도체(102)와 접합된 전극(103, 104)으로 이동하게 되고, 이 전극(103, 104)들을 전선으로 연결하면 전기가 흐르므로 전력을 얻을 수 있다
이와 같은 태양전지의 출력특성은 일반적으로 솔라시뮬레이터를 이용하여 얻어진 출력전류전압곡선 상에서 출력전류 Ip와 출력전압 Vp의 곱 Ip×Vp의 최대값(Pm)을 태양전지로 입사하는 총광에너지(S×I: S는 소자면적, I는 태양전지에 조 사되는 광의 강도)로 나눈 값인 변환효율 η에 의해 평가된다.
태양전지의 변환효율을 향상시키기 위해서는 태양전지의 태양광에 대한 반사율을 높이고, 반도체 기판 및 전극에서의 저항을 낮추어야 함과 동시에 캐리어, 즉 전자와 정공의 재결합률을 감소시켜야 하는바, 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다
최근에는, 후면전극을 웨이퍼의 후면 전체에 형성하지 않고 후면의 일부 영역과만 연결되도록 형성하여 후면전극에서의 재결합을 줄이고 있으며(로컬 컨텍트), 실리콘 웨이퍼의 후면에도 웨이퍼와 다른 도전형을 갖는 층을 형성하여 후면 재결합을 줄이고 있다(플로팅 정션).
그러나, 상기 방법들에는 통상 포토리소그래피 공정이 사용되는데, 포토리소그래피를 이용하면 태양전지의 제조공정이 복잡해지고 제조단가가 높아지는 문제가 있다. 따라서, 이와 같은 문제점을 해결하려는 노력이 관련 분야에서 꾸준하게 이루어져 왔으며, 이러한 기술적 배경하에서 본 발명이 안출된 것이다
본 발명은 전술한 종래기술의 문제를 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본발명은 플라즈마 에칭 장치를 마스크와 함께 사용하여 후면 재결합을 줄이기 위한 후면전극의 로컬 컨텍트(local contact) 구조 및 플로팅 정션(floating junction)을 태양전지 제조를 위한 필수 공정인 에지 아이솔레이션(edge isolation) 공정을 통해 형성함으로써 제조 공정을 간소화하고 제조 단가를 낮출 수 있는 태양전지의 제조방법 및 이로부터 제조된 태양전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제의 달성을 위해 본 발명은, (S1) 제1 도전형 실리콘 웨이퍼의 전 표면에 제2 도전형 도전층을 형성하는 단계; (S2) 상기 제2 도전형 도전층의 전 표면에 실리콘옥사이드층을 형성하는 단계; (S3) 상기 제2 도전형 도전층 및 실리콘옥사이드층이 형성된 상기 실리콘 웨이퍼의 일면에 마스크를 위치시키고, 플라즈마 에칭으로 후면전극이 로컬 컨텍트되는 영역의 제2 도전형 도전층 및 실리콘옥사이드층과 상기 실리콘 웨이퍼의 측단에 도포된 상기 제2 도전형 도전층 및 실리콘옥사이드층을 에칭하는 단계; (S4) 상기 실리콘 웨이퍼의 플라즈마 에칭된 면과 반대면의 실리콘옥사이드층 위에 실리콘나이트라이드층을 형성하는 단계; (S5) 상기 실리콘 웨이퍼의 플라즈마 에칭된 면에 후면전극 형성용 페이스트를 도포하는 단계; (S6) 상기 실리콘 웨이퍼의 플라즈마 에칭된 면의 반대면에 소정 패턴에 따라 전면전극 형성용 페이스트를 도포하는 단계; 및 (S7) 상기 전면전극 및 후면전극 형성용 페이스트를 열처리하는 단계;를 포함하는 태양전지의 제조방법을 제공한다.
상기 제1 도전형 실리콘 웨이퍼는 p형 실리콘 웨이퍼이고, 상기 제2 도전형 도전층은 n형 도전층인 것이 바람직하다. 상기 (S2) 단계는 산소 분위기에서 열처리함에 의해 이루어질 수 있는데, 열처리 온도는 800 내지 1200℃인 것이 바람직하다. 상기 (S4) 단계는 대표적으로 플라즈마 화학기상증착법(PECVD), 화학기상증착법(CVD) 및 스퍼터링(sputtering)으로 이루어지는 군에서 선택되는 방법에 의해 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한, (S1) 제1 도전형 실리콘 웨이퍼의 전 표면에 제2 도전형 도전층을 형성하는 단계; (S2) 상기 제2 도전형 도전층의 양면에 실리콘나이트라이드층을 형성하는 단계; (S3) 상기 제2 도전형 도전층 및 실리콘나이트라이드층이 형성된 상기 실리콘 웨이퍼의 일면에 마스크를 위치시키고, 플라즈마 에칭으로 후면전극이 로컬 컨텍트되는 영역의 제2 도전형 도전층 및 실리콘나이트라이드층과 상기 실리콘 웨이퍼의 측단에 도포된 상기 제2 도전형 도전층 및 실리콘나이트라이드층을 에칭하는 단계; (S4) 상기 실리콘 웨이퍼의 플라즈마 에칭된 면에 후면전극 형성용 페이스트를 도포하는 단계; (S5) 상기 실리콘 웨이퍼의 플라즈마 에칭된 면의 반대면에 소정 패턴에 따라 전면전극 형성용 페이스트를 도포하는 단계; 및 (S6) 상기 전면전극 및 후면전극 형성용 페이스트를 열처리하는 단계;를 포함하는 태양전지의 제조방법을 제공한다.
상기 제1 도전형 실리콘 웨이퍼는 p형 실리콘 웨이퍼이고, 상기 제2 도전형 도전층은 n형 도전층인 것이 바람직하다. 상기 (S2) 단계는 대표적으로 플라즈마 화학기상증착법, 화학기상증착법 및 스퍼터링으로 이루어지는 군에서 선택되는 방법에 의해 이루어질 수 있다.
본 발명은 또한 상기 태양전지의 제조방법을 이용하여 제조되는 태양전지를 제공한다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양전지의 제조방법의 공 정을 나타낸 도면이다. 이들 도면을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 설명한다.
본 발명의 태양전지 제조방법의 제1 실시예에 따르면, 먼저 제1 도전형 실리콘 웨이퍼(201)의 전 표면에 제2 도전형 도전층(203)을 형성한다(도 2a 참조). 이 과정을 통해 p-n 접합이 형성된다. 제1 도전형 실리콘 웨이퍼(201)로는 p형 및 n형이 모두 사용될 수 있으며, 그 중에서 소수 케리어의 수명 및 모빌리티(mobility)가 큰 p형 실리콘 웨이퍼(p형의 경우 전자가 소수 케리어임)가 더욱 바람직하게 사용될 수 있다. 제1 도전형 실리콘 웨이퍼(201)로는 B, Ga, In 등의 3족 원소들이 도핑되어 있는 p형 실리콘 웨이퍼가, 상기 제2 도전형 도전층(203)으로는 P, As, Sb 등의 5족 원소들이 도핑되어 있는 n형 도전층이 가장 대표적이다. 본 공정은 예를 들어, p형 실리콘 웨이퍼에 n형 도펀트(dopant)를 도포한 후 열처리하여 n형 도펀트가 p형 실리콘 기판으로 확산되도록 함에 의해 이루어질 수 있다.
다음으로, 상기 제2 도전형 도전층(203)의 전 표면에 실리콘옥사이드층(211)을 형성한다(도 2b 참조). 실리콘옥사이드층(211)은 실리콘 웨이퍼의 전면과 후면에서 패시베이션층으로 기능하며, 산소 분위기 하에서 제2 도전형 도전층(203)이 형성된 실리콘 웨이퍼를 열처리함에 의해 이루어질 수 있다. 열처리 온도는 800 내지 1200℃가 바람직한데, 상기 상한을 초과하면 실리콘옥사이드층(211)의 두께 조절이 어려울 뿐만 아니라 높은 온도로 인해 웨이퍼 내에 결함(defect)이 형성되어 셀 특성을 악화시킬 수 있으며, 상기 하한에 미달하면 실리콘옥사이드층(211)의 형성이 용이하지 않아 바람직하지 못하다.
다음으로, 후면전극이 로컬 컨텍트되는 영역의 제2 도전형 도전층 및 실리콘옥사이드층(A 영역)과 상기 실리콘 웨이퍼의 측단에 도포된 상기 제2 도전형 도전층 및 실리콘옥사이드층(B 영역)을 에칭한다(도 2c 및 도 2d 참조). 본 공정은 플라즈마 에칭을 이용하여 이루어지며, 도 2c에 나타난 바와 같이 플라즈마 에쳐를 통해 플라즈마를 쏘아 주면 마스크(213)가 형성되지 않은 A 영역과 B 영역이 제거된다. 결과적으로 도 2d와 같은 구조가 형성된다.
다음으로, 상기 실리콘 웨이퍼의 플라즈마 에칭된 면과 반대면의 실리콘옥사이드층(211a) 위에 실리콘나이트라이드층(215)을 형성한다(도 2e 참조). 실리콘나이트라이드층(215)은 태양전지의 태양광에 대한 반사율을 낮추기 위한 반사방지막으로서, 대표적으로 플라즈마 화학기상증착법, 화학기상증착법 및 스퍼터링으로 이루어지는 군에서 선택되는 방법에 의해 형성될 수 있다
마지막으로, 전면전극(217) 및 후면전극(219)을 형성한다(도 2e 및 도 2f 참조). 이들 전극 형성방법은 전극 페이스트를 도포하고, 이를 열처리함에 의해 이루어질 수 있다. 전면전극(217)의 경우 실리콘 웨이퍼의 플라즈마 에칭된 면의 반대면에 소정 패턴에 따라 전면전극 형성용 페이스트를 도포하고 이를 열처리함으로써, 후면전극(219)의 경우 상기 실리콘 웨이퍼의 플라즈마 에칭된 면에 후면전극 형성용 페이스트를 도포하고 이를 열처리함으로써 형성될 수 있다. 열처리 공정을 거치면, 전면전극(217)은 실리콘옥사이드층(211a) 및 실리콘나이트라이드층(215)을 관통하여 제2 도전형 도전층과 연결되며(punch through), 후면전극(219)과 접하는 제1 도전형 실리콘 웨이퍼(201) 및 제2 도전형 도전층(203b)에 BSF(Back Surface Field)층(220)이 형성된다. BSF층(220)은 캐리어들이 표면에서 사라지지 않고 모이도록 하여 효율을 증대시킬 수 있다. 전면전극(217)으로는 대표적으로 은 전극이 사용되는데 이는 은 전극이 전기전도성이 우수하기 때문이며, 후면전극(219)으로는 대표적으로 알루미늄 전극이 사용되는데 이는 알루미늄 전극이 열처리과정에서 실리콘과의 반응에서 p형 도펀트(dopant) 역할을 하여 BSF층을 형성할 수 있으며, 또한 전도성이 우수할 뿐만 아니라 실리콘과의 친화력이 좋아서 접합이 잘 되기 때문이다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양전지의 제조방법의 공정을 나타낸 도면이다. 이들 도면을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 설명한다. 제2 실시예에 대하여 특별히 언급되지 않은 부분은 제1 실시예와 동일하게 진행된다.
본 발명의 태양전지 제조방법의 제2 실시예에 따르면, 먼저 제1 도전형 실리콘 웨이퍼(201)의 전 표면에 제2 도전형 도전층(203)을 형성한다(도 3a 참조). 본 공정은 제1 실시예와 동일하게 진행된다.
다음으로, 상기 제2 도전형 도전층(203)의 양면(전면 및 후면)에 실리콘나이트라이드층(231, 233)을 형성한다(도 3b 참조). 실리콘나이트라이드층(231, 233)은 실리콘 웨이퍼의 전면에서는 반사방지막 및 페시베이션층으로서 기능하고, 후면에서는 페시베이션층으로서 기능한다. 형성방법으로는 대표적으로 플라즈마 화학기상증착법, 화학기상증착법 및 스퍼터링으로 이루어지는 군에서 선택되는 방법이 사용될 수 있다
다음으로, 후면전극이 로컬 컨텍트되는 영역의 제2 도전형 도전층 및 실리콘나이트라이드층(A 영역)과 상기 실리콘 웨이퍼의 측단에 도포된 상기 제2 도전형 도전층 및 실리콘나이트라이드층(B 영역)을 에칭한다. 본 공정은 제1 실시예에서와 마찬가지로 플라즈마 에칭을 이용하여 이루어지며, 도 3c에 나타난 바와 같이 플라즈마 에쳐를 통해 플라즈마를 쏘아 주면 마스크가 형성되지 않은 A 영역과 B 영역이 제거된다. 결과적으로 도 3d와 같은 구조가 형성된다.
마지막으로, 전면전극(237) 및 후면전극(239)을 형성한다(도 2e 및 도 2f 참조). 본 공정은 제1 실시예와 동일하게 진행되어, 열처리를 거치면 전면전극(237)은 실리콘나이트라이드층(231)을 관통하여 제2 도전형 도전층(203a)과 연결되며(punch through), 후면전극(239)과 접하는 제1 도전형 실리콘 웨이퍼(201) 및 제2 도전형 도전층(203b)에 BSF(Back Surface Field)층(240)이 형성된다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되지 않아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 태양전지의 제조방법에 따르면, 플라즈마 에칭 장치를 마스크와 함께 사용하여 후면 재결합을 줄이기 위한 후면전극의 로컬 컨텍트(local contact) 구조 및 플로팅 정션(floating junction)을 태양전지 제조를 위한 필수 공정인 에지 아이솔레이션(edge isolation) 공정을 통해 형성함으로써 제조 공정을 간소화하고 제조 단가를 낮출 수 있다.
Claims (9)
- (S1) 제1 도전형 실리콘 웨이퍼의 전후면 및 측면을 포함하는 표면 전체에 제2 도전형 도전층을 형성하는 단계;(S2) 상기 실리콘 웨이퍼의 전후면 및 측면에 위치하는 제2 도전형 도전층의 표면 전체에 실리콘옥사이드층을 형성하는 단계;(S3) 상기 제2 도전형 도전층 및 실리콘옥사이드층이 형성된 상기 실리콘 웨이퍼의 일면에 마스크를 위치시키고, 플라즈마 에칭으로 후면전극이 로컬 컨텍트되는 영역의 제2 도전형 도전층 및 실리콘옥사이드층과 상기 실리콘 웨이퍼의 측단에 도포된 상기 제2 도전형 도전층 및 실리콘옥사이드층을 에칭하는 단계;(S4) 상기 실리콘 웨이퍼의 플라즈마 에칭된 면과 반대면의 실리콘옥사이드층 위에 실리콘나이트라이드층을 형성하는 단계;(S5) 상기 실리콘 웨이퍼의 플라즈마 에칭된 면에 후면전극 형성용 페이스트를 도포하는 단계;(S6) 상기 실리콘 웨이퍼의 플라즈마 에칭된 면의 반대면에 소정 패턴에 따라 전면전극 형성용 페이스트를 도포하는 단계; 및(S7) 상기 전면전극 및 후면전극 형성용 페이스트를 열처리하는 단계;를 포함하는 태양전지의 제조방법
- 제1항에 있어서,상기 제1 도전형 실리콘 웨이퍼는 p형 실리콘 웨이퍼이고, 상기 제2 도전형 도전층은 n형 도전층인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (S2) 단계는 산소 분위기에서 열처리함에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제3항에 있어서,상기 (S2) 단계에서의 열처리는 800 내지 1200℃에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (S4) 단계는 플라즈마 화학기상증착법(PECVD), 화학기상증착법(CVD) 및 스퍼터링(sputtering)으로 이루어지는 군에서 선택되는 방법에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- (S1) 제1 도전형 실리콘 웨이퍼의 전후면 및 측면을 포함하는 표면 전체에 제2 도전형 도전층을 형성하는 단계;(S2) 실리콘 웨이퍼의 전면에 위치하는 제2 도전형 도전층 및 상기 실리콘웨이퍼의 후면에 위치하는 제2 도전형 도전층의 각 표면에 실리콘나이트라이드층을 형성하는 단계;(S3) 상기 제2 도전형 도전층 및 실리콘나이트라이드층이 형성된 상기 실리콘 웨이퍼의 일면에 마스크를 위치시키고, 플라즈마 에칭으로 후면전극이 로컬 컨텍트되는 영역의 제2 도전형 도전층 및 실리콘나이트라이드층과 상기 실리콘 웨이퍼의 측단에 도포된 상기 제2 도전형 도전층 및 실리콘나이트라이드층을 에칭하는 단계;(S4) 상기 실리콘 웨이퍼의 플라즈마 에칭된 면에 후면전극 형성용 페이스트를 도포하는 단계;(S5) 상기 실리콘 웨이퍼의 플라즈마 에칭된 면의 반대면에 소정 패턴에 따라 전면전극 형성용 페이스트를 도포하는 단계; 및(S6) 상기 전면전극 및 후면전극 형성용 페이스트를 열처리하는 단계;를 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 제1 도전형 실리콘 웨이퍼는 p형 실리콘 웨이퍼이고, 상기 제2 도전형 도전층은 n형 도전층인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (S2) 플라즈마 화학기상증착법(PECVD), 화학기상증착법(CVD) 및 스퍼터링으로 이루어지는 군에서 선택되는 방법에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
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