KR101321538B1 - 벌크형 실리콘 태양 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
후면 접촉층 상에 n 형 반도체층을 형성하는 단계, 상기 n 형 반도체층 전면 및 측면에 입사광의 반사를 최소화시키기 위한 반사방지층을 형성하는 단계, 상기 n 형 반도체층의 적어도 일부와 접촉하는 전극, 및 상기 후면 접촉층 하면의 적어도 일부와 접촉하는 전극을 형성하는 단계, 및 열처리하여 상기 n 형 반도체층이 상기 후면 접촉층으로 도핑되어 p-n 접합을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 벌크형 실리콘 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따라 제조된 벌크형 실리콘 태양 전지가 제공된다.
종래 태양 전지의 제조에 있어서 필수적이었던 PECVD, 포스포러스 옥시클로라이드(Phosphorus Oxychloride, POCl3) 확산 공정 등을 생략함으로써, 태양 전지의 제조 공정이 단순화되고 그 비용이 절감된다.
태양 전지, PECVD, 포스포러스 옥시클로라이드, 열처리, p-n 접합
Description
도 1a 내지 1d 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 벌크형 실리콘 태양 전지의 제조 방법을 나타내는 공정도.
도 2 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 벌크형 실리콘 태양 전지의 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 후면 접촉층 11 : n 형 반도체층
12 : 반사방지층 13, 14 : 전극
15 : p 형 반도체층
본 발명은 벌크형 실리콘 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 종래 태양 전지의 제조에 있어서 필수적이었던 PECVD, 포스포러스 옥시클로 라이드(Phosphorus Oxychloride, POCl3)확산 공정 등을 생략함으로써, 제조 공정이 단순화되고 비용이 절감된 벌크형 실리콘 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
현재 태양전지의 주요 제조공정은 다음과 같은 공정으로 제조된다. 즉, 톱 (saw) 에 의한 손상을 제거하고 세정한 후 (공정1), POCl3 이미터 확산 공정을 수행하고 (공정2), 플라즈마 식각에 의해 에지 아이솔레이션 공정을 수행한 다음 (공정3), 불산 용액으로 피에스지 (PSG: Phosphosilicate glass) 를 제거하고 (공정4), PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방법에 의해 SiNx 반사방지막을 형성한 후 (공정5), 후면에는 Al 및 Ag 를 프린팅하고 전면 전극을 프린팅한 다음 (공정6), 벨트 퍼니스에서 열처리하고 (공정7), 레이저 스크라이버 (scriber) 를 이용하여 에지 아이솔레이션을 수행한다 (공정8).
상기 공정 중, PSG 를 제거하는 공정은, 절연특성을 나쁘게 하는 부산물 층을 제거하기 위해서이다. 즉, p-n 접합을 위한 이미터 형성공정은 확산, 스프레이, 프리팅 공정 등에 의해 수행되는데, 이러한 이미터 형성공정 후에는 PSG 또는 BSG (Borosilicate glass) 와 같은 부산물 층이 생겨 태양전지의 절연특성을 나쁘게 할 수 있기 때문에 이 제거해주는 것이다.
또한, 기판의 에지 (edge) 부분에도 도핑물질이 도핑되기 때문에 전후면이 전기적으로 연결되어 있어서 효율감소의 원인이 되므로, 기판의 전후면을 아이솔레이션시키기 위한 별도의 에지 아이솔레이션 (edge isolation) 공정이 수행되어야 한다.
한편, 상기 공정 중 POCl3 이미터 확산 공정은 p-n 접합 형성을 위해 수행되는 것이다. 즉, p 형의 실리콘 기판에 n+ 에미터를 제조하는 공정인데, n+ 에미터는 p 형 기판에 포함된 p 형 불순물보다 더욱 높은 농도로 n 형 불순물을 도핑하여 기판의 표면에서 p 형을 n 형으로 바꾸어 형성되며, 이러한 p-n 접합 형성에 사용되는 대표적인 방법이 고온의 용광로 (furnace) 에 기판을 주입하고 약 850 도에서 POCl3 를 용광로 내부로 흘려 n+ 에미터를 형성하는 방법이다.
또한, 입사광의 반사를 최소화시키고 n+ 층에서 빛에 의해 생성된 캐리어 (전자) 의 재결합을 최소화하여 이를 전면 전극으로 보내기 위해 태양 전지의 표면에는 산화막 층이 증착되게 되는데, 이 산화막 층의 대표적인 물질은 SiNx 이며, 이를 증착시키는 대표적인 방법은 PECVD 이다.
한편, 태양 전극의 전면 전극으로서는 Ag 가 사용되며, 이는 스크린 프린팅 (Screen printing) 공정에 의해 형성된다. 즉, 전면 그리드 전극을 형성하고 고온에서 열처리 (Firing) 공정을 하며, 이때 Ag 가 절연체인 SiNx 를 뚫고 들어가 n+ 층과 전기적인 접촉을 함으로써 형성된다.
또한, 후면 전극으로서는 Al 가 사용되는데, 이 역시 스크린 프린팅 법으로 제조된다. 후면전극의 가장 중요한 기능으로는 후면 전계 (Back Surface Field; BSF) 를 들 수 있다. 즉, Al 을 도포한 후 고온에서 열처리하면, Al 이 Si 표면에서 불순물로 작용하여 기판 후면을 p+형으로 변환시키게 되는데, 이러한 p+ 층이 빛에 의해 생성된 전자의 후면 재결합을 줄여주어 태양전지의 효율을 높여주게 된다.
그러나, POCl3 확산, PECVD, 열처리 공정은 그 공정의 특성상 많은 비용이 들어가게 되어, 태양 전지의 전체적 제조 비용을 증가시킨다.
따라서, 이러한 공정들을 제거하거나 다른 방법으로 대체하여 태양 전지의 제조 비용을 감소시키고, 전지 효율을 높일 수 있는 기술이 필요하다.
본 발명은, 상술한 문제를 해결하기 위해 안출한 것으로, 종래 태양 전지의 제조에 있어서 필수적이었던 PECVD, POCl3 확산 공정 등의 복잡하고 비용이 많이 드는 공정을 생략하여 제조되는 벌크형 실리콘 태양 전지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
한편, 본 발명의 다른 목적은, 종래 태양 전지의 제조에 있어서 필수적이었던 PECVD, POCl3 확산 공정 등을 생략함으로써, 제조 공정이 단순화되고 비용이 절감되는 벌크형 실리콘 태양 전지 제조 방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 후면 접촉층 상에 형성된 n 형 반도체층의 표면에 입사광의 반사를 최소화시키기 위한 반사방지 층을 형성하는 단계, 상기 반사방지층 및 상기 후면 접촉층에 각각 접촉하는 전극을 형성하는 단계, 및 열처리하는 단계를 포함하는 벌크형 실리콘 태양 전지의 제조방법이 제공된다. 열처리 단계는 상기 n 형 반도체층과 후면 접촉층 사이에 p-n 접합을 형성하거나, 상기 전극을 n 형 반도체층에 접촉하고 후면 접촉층 내부로 삽입하기 위하여 수행된다.
상기 n 형 반도체층은 초크랄스키(Czochralski, Cz) 실리콘 단결정 성장법으로 형성되고 표면 요철 구조를 가지는 웨이퍼이다.
상기 후면 접촉층의 재질은, 후면 접촉층과 n형 반도체층 사이에 p-n 접합을 형성하는 p형 반도체층을 만들기 위해 3족 원소 물질이면 어느 것이든 가능하지만 바람직하게는 알루미늄 (Al) 또는 붕소 (B) 일 수 있다.
상기 반사방지층은 실리카(SiO2)층을 형성한 후 산화하거나, 또는 플라즈마화학기상증착법(PECVD)으로 실리콘질화물(SiN)층을 형성하여 이루어질 수 있다.
상기 전극의 재질은 전도성을 가지는 금속이면 족하고 특정하게 한정되지는 않지만, 바람직하게는 은 (Ag)일 수 있다.
한편, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 후면 접촉층과 상기 후면 접촉층 상에 순차로 형성된 p형 반도체층 및 n형 반도체층과, 상기 n 형 반도체층의 표면에 형성되어 입사광의 반사를 최소화시키는 반사방지층과, 상기 n 형 반도체층의 일부에 접촉하는 전극; 및 상기 후면 접촉층의 일부에 접촉하는 전극을 포함하는 벌크형 실리콘 태양 전지일 수 있다.
상기 n 형 반도체층은 표면에 요철 구조를 가질 수 있으며, 초크랄스키(Czochralski, Cz) 실리콘 단결정 성장법으로 형성된 웨이퍼로 형성될 수 있다.
상기 후면 접촉층의 재질은, 후면 접촉층과 n형 반도체층 사이에 p-n 접합을 형성하는 p형 반도체층을 만들기 위해 3족 원소 물질이면 어느 것이든 가능하지만 바람직하게는 알루미늄 (Al) 또는 붕소 (B) 일 수 있다.
상기 반사방지층의 재질은 실리콘 산화물 또는 실리콘질화물 중 하나 이상의 물질일 수 있다.
상기 전극의 재질은 전도성 금속으로 이루어질 것이지만, 바람직하게는 은 (Ag)을 사용할 수 있다.
이하, 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태를 상세히 설명한다.
도 1a 내지 도 1d 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 벌크형 실리콘 태양 전지의 제조 방법을 도시한 단면도이다.
먼저 도 1a 에 도시되는 바와 같이, 후면 접촉층 (10) 의 표면에 n 형 반도체층 (11) 을 형성시킨다.
후면 접촉층 (10) 의 재질은 Al 또는, 이보다 고농도로 도핑될 수 있는 B 일 수 있다. 이 후면 접촉층 (10) 은 추후 열처리 과정을 통하여 p-n 접합에 사용될 수 있으며, 이에 대해서는 후술한다. 한편, 태양 전지의 동작 중, 빛에 의해 생성되는 캐리어 (전자) 의 재결합을 최소화하기 위해서, n 형 반도체층 (11) 은 구조 화된 Cz 실리콘 웨이퍼, 또는 이보다 품질이 좋은 웨이퍼로 하는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 1b 에 도시되는 바와 같이, n 형 반도체층 (11) 에 반사방지층 (12) 을 형성시킨다. 반사방지층 (12) 은 태양 전지로 입사되는 광의 반사를 최소화시켜 효율을 극대화시키는 반사방지 기능, 및 n 형 반도체층 (11) 에서 빛에 의해 생성된 캐리어의 재결합을 최소화시키는 기능을 한다.
이러한 반사방지층 (12) 은 실리콘 산화물 (SiO2) AR (Anti Reflection) 층 또는 실리콘 질화물 (SiN) AR 층일 수 있다. SiO2 AR 층은, n 형 반도체층 (11) 의 전면 및 측면에 실리콘을 형성한 후, 이를 산화시킴으로써 형성시킬 수 있다. 한편, SiN AR 층은 통상의 PECVD 법을 이용하여 증착시켜야 한다. 즉, PECVD 챔버내에서 SiN 층을 증착시킴으로서 반사방지막 (12) 을 형성시킬 수 있다.
반사방지층 (12) 으로서 실리콘 산화물층을 사용하게 되면, 실리콘을 산화시키는 것만으로 반사방지층 (12) 을 형성시켜 입사광의 반사를 최소화할 수 있고, 이에 따라 그 과정이 복잡하고 비용이 많이 드는 PECVD 공정을 행하지 않고도 반사방지층 (12) 을 형성시킬 수 있어 비용이 절감되며 공정이 단순화될 수 있다.
다음으로, 도 1c 에 도시되는 바와 같이, 전극 (13, 14) 을 형성시킨다. 이들 전극 (13, 14) 은 증착 또는 스크린 프린팅 법을 수행함으로써 형성할 수 있다. 이 전극 (13, 14) 의 재질은 은 (Ag) 으로 하는 것이 바람직하다.
그 후, 도 1d 에 도시되는 바와 같이, 형성된 구조체를 열처리한다. 열처리를 하게 되면, 전극 (13) 이 절연체인 반사방지층 (12) 을 뚫고 들어가 n 형 반도 체층 (11) 과 전기적인 접촉을 형성한다.
한편, 열처리를 통해, 후면 접촉층 (10) 의 전면 및 n 형 반도체층 (11) 의 후면 일부가 도핑되어 p+ 층 (15) 이 형성된다. 즉, 열처리에 의해 후면 접촉층 (10) 의 재질인 Al 또는 B 가 도핑되고, n 형 반도체층 (11) 의 실리콘 표면에서 Al 또는 B 가 불순물로 작용하여 n 형 반도체층 (11) 의 후면을 p+ 형으로 변환시킨다.
이렇게 함으로써, p-n 접합이 형성될 수 있고, 특히 후면 접촉층 (10) 의 재질이 Al 인 경우에는 열처리시 n 형 반도체층 (11) 의 재질인 실리콘 내부로의 확산이 제한 (저농도 도핑) 되어 상대적으로 얇은 p-n 접합이 형성된다. 또한, 이렇게 형성된 p+ 층 (15) 은 빛에 의해 생성된 전자의 후면 재결합을 줄여주어 태양전지의 효율을 높여주는 기능도 하게 된다.
이에 의해, 종래 p-n 접합을 위해 필수적으로 수행해야했던 포스포러스 옥시클로라이드(phosphorus Oxychloride, POCl3)확산 공정을 생략할 수 있게 됨에 따라, 공정이 단순화되고, 비용이 절감할 수 있게 된다.
도 2 는 상술한 방법에 따라 제조된 본 발명의 벌크형 실리콘 태양 전지의 단면도를 나타낸다.
도 2 에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 태양 전지는, 후면 접촉층 (10), 후면 접촉층 (10) 위에 형성되는 n 형 반도체층 (11), n 형 반도체층 (11) 의 전면 및 측면에 형성되어 태양 전지로 입사되는 광의 반사를 최소화시키는 반사방지층 (12), 태양 전극에 있어서의 전극 (13, 14), 및 열처리를 통한 도핑에 의해 형성되는 p+ 층 (15) 을 포함한다.
후면 접촉층 (10) 은 알루미늄 (Al) 또는 붕소 (B) 일 수 있으며, B 를 사용할 시에는 추후 열처리 과정에서 고농도의 도핑에 의한 두꺼운 p-n 접합을 형성할 수 있게 된다. 한편, n 형 반도체층 (11) 은 구조화된 Cz 실리콘 웨이퍼, 또는 이보다 품질이 좋은 웨이퍼로 하는 것이 바람직하다.
반사방지층 (12) 의 재질은 SiO2 또는 SiN 일 수 있고, SiO2 로 할 시에는, PECVD 공정이 생략되어 태양 전지의 제조 단가가 더욱 절감되게 된다.
한편, p+ 층 (15) 은 열처리를 통한 Al 또는 B 의 도핑에 의해 형성되며, n 형 반도체층 (12) 과 p-n 접합을 이룬다. 이에 따라, 종래 태양 전지의 p-n 접합 형성에 있어서 필수적이었던 POCl3 확산 공정이 생략되어, 제조비용이 더욱 절감된 벌크형 실리콘 태양 전지를 얻을 수 있게 된다.
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, 당업자 는 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.
본 발명에 따르면, 종래 태양 전지의 제조에 있어서 필수적이었던 PECVD, POCl3 확산 공정 등을 생략함으로써, 제조 공정이 단순화되고 비용이 절감되는 벌크형 실리콘 태양 전지 제조 방법 및 이에 따라 제조되는 태양 전지를 얻을 수 있다.
Claims (10)
- 후면 접촉층 상에 형성된 n 형 반도체층의 표면에 입사광의 반사를 최소화시키기 위한 반사방지층을 형성하는 단계;상기 반사방지층 및 상기 후면 접촉층에 각각 접촉하는 전극을 형성하는 단계; 및열처리하는 단계를 포함하고,상기 반사방지층이 실리콘을 산화하여 형성되는 실리콘 산화물을 포함하고,상기 열처리하는 단계에서, 상기 후면 접촉층의 재질이 상기 n 형 반도체층의 일부에 확산하여 p형 반도체층을 형성하는 벌크형 실리콘 태양 전지의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 n 형 반도체층은 초크랄스키(Czochralski, Cz) 실리콘 단결정 성장법으로 형성되고 표면 요철 구조를 가지는 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 벌크형 실리콘 태양 전지의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 후면 접촉층의 재질은 알루미늄 (Al) 또는 붕소 (B) 인 것을 특징으로 하는 벌크형 실리콘 태양 전지의 제조 방법.
- 후면 접촉층 상에 형성된 n 형 반도체층의 표면에 입사광의 반사를 최소화시키기 위한 반사방지층을 형성하는 단계;상기 반사방지층 및 상기 후면 접촉층에 각각 접촉하는 전극을 형성하는 단계; 및열처리하는 단계를 포함하고,상기 열처리하는 단계에서, 상기 후면 접촉층의 재질이 상기 n 형 반도체층의 일부에 확산하여 p형 반도체층을 형성하고, 상기 반사방지층에 접촉하는 상기 전극이 상기 반사방지층을 뚫고 들어가 상기 n형 반도체층과 전기적인 접촉을 형성하는 벌크형 실리콘 태양 전지의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 전극의 재질은, 은 (Ag) 인 것을 특징으로 하는 벌크형 실리콘 태양 전지의 제조 방법.
- 후면 접촉층과 상기 후면 접촉층 상에 순차로 형성되며 실리콘을 포함하는 p형 반도체층 및 n형 반도체층;상기 n 형 반도체층의 표면에 형성되어 입사광의 반사를 최소화시키며 실리콘의 산화에 의하여 형성되는 실리콘 산화물을 포함하는 반사방지층;상기 n 형 반도체층의 일부에 접촉하는 전극; 및상기 후면 접촉층의 일부에 접촉하는 전극을 포함하는 벌크형 실리콘 태양 전지.
- 제 6 항에 있어서,상기 n 형 반도체층은 초크랄스키(Czochralski, Cz) 실리콘 단결정 성장법으로 형성되고 표면 요철 구조를 가지는 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 벌크형 실리콘 태양 전지.
- 제 6 항에 있어서,상기 후면 접촉층의 재질은 알루미늄 (Al) 또는 붕소 (B) 인 것을 특징으로 하는 벌크형 실리콘 태양 전지.
- 삭제
- 제 6 항에 있어서,상기 전극의 재질은, 은 (Ag) 인 것을 특징으로 하는 벌크형 실리콘 태양 전지.
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|---|---|---|---|---|
| US5641362A (en) | 1995-11-22 | 1997-06-24 | Ebara Solar, Inc. | Structure and fabrication process for an aluminum alloy junction self-aligned back contact silicon solar cell |
| JPH11121375A (ja) * | 1989-08-31 | 1999-04-30 | Sony Corp | 半導体装置の製造方法 |
| KR20020010584A (ko) * | 1999-03-17 | 2002-02-04 | 로시 리차드 | 알루미늄 합금이 후면 접합된 태양 전지와 그것의 제조 방법 |
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- 2007-06-26 KR KR1020070063306A patent/KR101321538B1/ko not_active IP Right Cessation
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