KR101223061B1 - 태양전지의 제조방법 및 그를 이용하여 제조된 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지의 제조방법 및 이를 이용하여 제조되는 태양전지에 관한 것이다. 본 발명의 태양전지 제조방법은, (S1) 제 1 도전형 실리콘 기판을 황산, 과산, 불산, 질산 및 물을 포함하는 전처리 용액으로 처리하여 상기 실리콘 기판에 묻어 있는 유기물 및 상기 실리콘 기판에 형성되어 있는 크랙을 제거하는 단계; (S2) 상기 실리콘 기판 상에 상기 실리콘 기판과 반대 도전형의 제2 도전형 도전층을 형성하는 단계; (S3) 상기 제2 도전형 도전층 상에 반사방지막을 형성하는 단계; (S4) 상기 반사방지막을 관통하며 상기 제2 도전형 도전층에 연결되도록 전면전극을 형성하는 단계; (S5) 상기 실리콘 기판의 반사방지막이 형성된 면과 반대 면에 후면전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 태양전지 제조방법에 따르면, 에즈-컷 상태의 실리콘 기판의 유기물 제거 및 쏘 데미지 제거를 하나의 공정으로 수행하여 공정을 단순화함으로써, 태양전지 제조의 생산성 및 작업의 편리성을 향상시킬 수 있다.
태양전지, 광기전력효과, p-n 접합, 반사방지막, 전처리 용액, 쏘 데미지
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 2c는 본 발명의 태양전지 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 태양전지의 제조방법 및 그를 이용하여 제조되는 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공정의 단순화로 공정시간이 단축되고 작업의 편리성 및 생산성이 향상된 태양전지의 제조방법 및 그를 이용하여 제조되는 태양전지에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대 체할 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 태양전지는 반도체 기판에 그와 상이한 도전형의 도전층을 형성하고, 반사방지막 및 전면전극과 후면전극을 형성함에 의해 제조될 수 있다. 다만, 이러한 과정을 거치기 전에, 에즈-컷(as-cut) 상태의 반도체 기판에는 유기물이 묻어 있거나, 크랙이 형성되어 있으므로, 유기물 제거 공정 및 크랙 제거를 위한 쏘 데미지(saw damage) 제거 공정과 같은 전처리 공정을 거쳐야 한다. 그러나, 이러한 공정들은 태양전지의 성능 향상을 위해 필수적으로 거쳐야 하는 공정이기는 하나, 공정시간이 오래 걸려, 생산성 향상 및 작업의 편리성 향상을 위해 공정을 단순화하고 공정시간을 단축시킬 필요성이 있다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 태양전지의 제조 공정을 단순화하여 생산성 및 작업의 편리성을 향상시킴에 있으며, 이러한 기술적 과제를 달성할 수 있는 태양전지의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 태양전지를 제공하는데 본 발명의 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제의 달성을 위해 본 발명은, (S1) 제 1 도전형 실리콘 기판을 황산, 과산, 불산, 질산 및 물을 포함하는 전처리 용액으로 처리하여 상기 실리콘 기판에 묻어 있는 유기물 및 상기 실리콘 기판에 형성되어 있는 크랙을 제거하는 단계; (S2) 상기 실리콘 기판 상에 상기 실리콘 기판과 반대 도전형의 제2 도전형 도전층을 형성하는 단계; (S3) 상기 제2 도전형 도전층 상에 반사방지막을 형성하는 단계; (S4) 상기 반사방지막을 관통하며 상기 제2 도전형 도전층에 연결되도록 전면전극을 형성하는 단계; (S5) 상기 실리콘 기판의 반사방지막이 형성된 면과 반대 면에 후면전극을 형성하는 단계;를 포함하는 태양전지의 제조방법을 제공한다.
상기 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 전처리 용액에서의 각 성분의 함 량은, 물 100 중량부에 대하여 황산 5 내지 7 중량부, 과산 9 내지 15 중량부, 불산 15 내지 30 중량부, 질산 15 내지 40 중량부인 것이 바람직하다.
상기 반사방지막은 대표적으로 실리콘나이트라이드를 포함하여 이루어질 수 있으며, 반사방지막의 형성은 대표적으로 플라즈마 화학기상증착법(PECVD), 화학기상증착법(CVD) 및 스퍼터링으로 이루어지는 군에서 선택되는 방법에 의해 실시될 수 있다.
상기 (S4) 단계는 전면전극 형성용 페이스트를 소정 패턴에 따라 반사방지막 위에 도포한 후 열처리함에 의해 실시될 수 있으며, 상기 (S5) 단계는 후면전극 형성용 페이스트를 상기 실리콘 기판의 반사방지막이 형성된 면과 반대 면에 도포한 후 열처리함에 의해 실시될 수 있다.
본 발명은 또한, 물 100 중량부; 황산 5 내지 7 중량부; 과산 9 내지 15 중량부; 불산 15 내지 30 중량부; 및 질산 15 내지 40 중량부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지용 실리콘 웨이퍼의 전처리 용액을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 본 발명의 태양전지 제조방법을 이용하여 제조되는 태양전지를 제공한다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 태양전지의 제조방법에 따르면, 먼저 제 1 도전형 실리콘 기판에 묻어 있는 유기물 및 실리콘 기판에 형성되어 있는 크랙을 제거한다. 본 발명에서는 황산, 과산, 불산, 질산 및 물을 포함하는 전처리 용액으로 실리콘 기판을 처리 함으로써 하나의 공정을 통해 이를 수행하여 생산성 및 작업의 편리성을 향상시킬 수 있으며, 종래 질산, 불산 및 물만으로 수행되던 크랙 제거 공정에 비해 황산이 더 들어가기 때문에 황산의 분해 발열에 의해 용액 전체의 온도 상승으로 공정 효율을 향상시키고 및 공정 시간을 단축할 수 있다.
상기 전처리 용액에 있어, 각 성분의 조성비는 물 100 중량부에 대하여 황산 5 내지 7 중량부, 과산 9 내지 15 중량부, 불산 15 내지 30 중량부, 질산 15 내지 40 중량부인 것이 바람직하다. 황산의 조성비가 상기 상한을 초과할 경우 과도한 온도상승으로 지나치게 많은 양의 에칭이 발생하고 상기 하한에 미달할 경우 유기물 제거 공정에 충분치 못하여 바람직하지 못하고, 과산의 조성비가 상기 상한을 초과할 경우 필요 이상의 과산을 첨가하여 용액의 낭비를 초래하고 상기 하한에 미달할 경우 유기물 제거 공정에 충분치 못하여 바람직하지 못하고, 불산의 조성비가 상기 상한을 초과할 경우 웨이퍼 표면에 지나치게 많은 잔주름 형성되어 효율에 나쁜 영향을 미치고 과도한 불산에 의해 오히려 에칭이 불가능하며 상기 하한에 미달할 경우 에칭이 잘 되지 않아 바람직하지 못하며, 질산의 조성비가 상기 상한을 초과할 경우 과도한 웨이퍼의 산화로 에칭이 잘 안되고 상기 하한에 미달할 경우 웨이퍼 산화력이 현저히 감소하여 에칭이 거의 되지 않으므로 바람직하지 못하다.
다음으로, 전처리를 거친 반도체 기판 상에 상기 기판과 반대 도전형의 제2 도전형 반도체층(203a, 203b)을 형성한다(도 2a 참조). 이를 통해 반도체 기판 내의 제1 도전형 도전층(201)과 제2 도전형 도전층(203a, 203b)의 계면에 p-n 접합이 형성된다. 반도체 기판으로는 p형 및 n형이 모두 사용될 수 있으며, 그 중 p형 실 리콘 기판은 소수 케리어의 수명 및 모빌리티(mobility)가 커서(p형의 경우 전자가 소수 케리어임) 가장 바람직하게 사용될 수 있다. p형 실리콘 기판에는 대표적으로 B, Ga, In 등의 3족 원소들이 도핑되어 있는데, p형 실리콘 기판에 P, As, Sb 등의 5족 원소들을 도핑함으로써 n형 도전층을 형성하고 이를 통해 p-n 접합을 형성할 수 있다.
상기 제2 도전형 도전층(203a, 203b) 및 p-n 접합 형성 단계는 다양한 방식으로 수행될 수 있는데, 대표적으로 반도체 기판을 확산로에 넣고 제2 도전형 반도체층(203a, 203b)을 형성할 수 있는 도펀트를 함유하는 가스를 주입한 후 확산로를 가열하는 방법과 반도체 기판의 일면에 도펀트를 함유하는 조성물을 도포하고 이를 확산로에 넣은 후 가열하는 방법이 있다. 전자의 방법은 반도체 기판의 전 표면에 제2 도전형 도전층(203a, 203b)이 형성되므로, 실리콘 웨이퍼의 측단 가장자리 부분을 잘라내는 에지 아이솔레이션(edge isolation) 공정을 거치게 된다. 이를 통해 전면전극 및 후면전극의 전기적 연결을 막을 수 있다. 도 2a는 전자의 방법으로 제2 도전형 도전층(203a, 203b)을 형성하고, 에지 아이솔레이션 공정을 거친 후의 반도체 기판의 형상을 모식적으로 나타낸 도면이다.
다음으로, 상기 반도체 기판에 형성된 제2 도전형 도전층(203a) 상에 반사방지막을 형성한다(도 2b 참조) 제2 도전형 도전층(203a, 203b) 형성 공정에서 반도체 기판의 양면에 제2 도전형 도전층(203a, 203b)이 형성되는 경우는, 그 중 하나의 제2 도전형 도전층(203a)을 선택하여 반사방지막을 형성하면 된다. 반사방지막(205)은 태양광에 대한 반사율을 낮추기 위해 형성되는 것으로, 대표적으로 실리 콘나이트라이드를 포함하여 이루어질 수 있으며, 대표적으로 플라즈마 화학기상증착법(PECVD), 화학기상증착법(CVD) 및 스퍼터링으로 이루어지는 군에서 선택되는 방법에 의해 형성될 수 있다.
마지막으로, 상기 반사방지막(205)을 관통하며 상기 제2 도전형 반도체층(203a)에 연결되도록 전면전극(207)을 형성하고, 상기 실리콘 기판의 반사방지막(205)이 형성된 면과 반대 면에 후면전극(209)을 형성한다(도 2c 참조). 전면전극(207) 및 후면전극(209)의 형성 순서는 제한되지 않아, 어느 전극을 먼저 형성하여도 좋다. 전면전극(207)은 전면전극 형성용 페이스트를 소정 패턴에 따라 반사방지막 위에 도포한 후 열처리함에 의해 형성될 수 있으며, 열처리를 통해 전면전극(207)은 반사방지막(205)을 관통하여 제2 도전형 반도체층(203a)과 연결되게 된다(punch through). 후면전극(209)은 후면전극 형성용 페이스트를 상기 실리콘 기판의 반사방지막(205)이 형성된 면과 반대 면에 도포한 후 열처리함에 의해 실시될 수 있으며, 열처리에 의해 반도체 기판은 후면전극(209)과 접하는 면으로부터 소정 깊이까지 전극 형성 물질이 도핑되어 BSF층(Back surface field)(211)이 형성된다. 제2 도전형 도전층(203a, 203b) 형성 공정에서 반도체 기판의 양면에 제2 도전형 도전층(203a, 203b)이 형성되는 경우에도 역시, 후면의 제2 도전형 도전층(203b)의 도전형이 바뀌어 BSF층(211)이 형성된다 상기 (S4) 및 (S5) 단계는 각각 전면전극 형성용 페이스트 및 후면전극 형성용 페이스트를 도포한 후, 동시에 열처리함에 의해 실시될 수도 있다.
전면전극(207)으로는 대표적으로 은 전극이 사용되는데 이는 은 전극이 전기 전도성이 우수하기 때문이며, 후면전극(209)으로는 대표적으로 알루미늄 전극이 사용되는데 이는 알루미늄 전극이 전도성이 우수할 뿐만 아니라 실리콘과의 친화력이 좋아서 접합이 잘 되기 때문이다. 또한, 알루미늄 전극은 3가 원소로서 p-형 실리콘 기판을 사용할 경우 실리콘 기판에 p+ 층, 즉 BSF층(211)을 형성하여 캐리어들이 표면에서 사라지지 않고 모이도록 하여 효율을 증대시킬 수 있기 때문이다
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.
또한, 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 태양전지 제조방법에 따르면, 에즈-컷 상태의 실리콘 기판의 유기물 제거 및 쏘 데미지 제거를 하나의 공정으로 수행하여 공정을 단순화함으로써, 태양전지 제조의 생산성 및 작업의 편리성을 향상시킬 수 있다.
Claims (10)
- (S1) 제 1 도전형 실리콘 기판을 황산, 과산, 불산, 질산 및 물을 포함하는 전처리 용액으로 처리하여 상기 실리콘 기판에 묻어 있는 유기물 및 상기 실리콘 기판에 형성되어 있는 크랙을 동시에 제거하는 단계;(S2) 상기 실리콘 기판 상에 상기 실리콘 기판과 반대 도전형의 제2 도전형 도전층을 형성하는 단계;(S3) 상기 제2 도전형 도전층 상에 반사방지막을 형성하는 단계;(S4) 상기 반사방지막을 관통하며 상기 제2 도전형 도전층에 연결되도록 전면전극을 형성하는 단계;(S5) 상기 실리콘 기판의 반사방지막이 형성된 면과 반대 면에 후면전극을 형성하는 단계;를 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 전처리 용액에서의 각 성분의 함량은, 물 100 중량부에 대하여 황산 5 내지 7 중량부, 과산 9 내지 15 중량부, 불산 15 내지 30 중량부, 질산 15 내지 40 중량부인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 실리콘 기판은 p-형 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제 조방법.
- 제1항에 있어서,상기 반사방지막은 실리콘나이트라이드를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (S3) 단계는 플라즈마 화학기상증착법(PECVD), 화학기상증착법(CVD) 및 스퍼터링으로 이루어지는 군에서 선택되는 방법에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (S4) 단계는 전면전극 형성용 페이스트를 소정 패턴에 따라 반사방지막 위에 도포한 후, 열처리함에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (S5) 단계는 후면전극 형성용 페이스트를 상기 실리콘 기판의 반사방지막이 형성된 면과 반대 면에 도포한 후, 열처리함에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (S4) 및 (S5) 단계는 각각, 전면전극 형성용 페이스트를 소정 패턴에 따라 반사방지막 위에 도포하고, 후면전극 형성용 페이스트를 상기 실리콘 기판의 반사방지막이 형성된 면과 반대 면에 도포한 후, 동시에 열처리함에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
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