KR101360658B1 - 태양전지의 선택적 에미터 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 국부적 레이저 조사를 통해 고농도 에미터를 용이하게 형성함과 함께 면저항을 최소화할 수 있는 태양전지의 선택적 에미터 형성방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 태양전지의 선택적 에미터 형성방법은 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판 내부에 제 2 도전형의 저농도 이온주입층을 형성하는 단계와, 전면전극이 형성될 부위의 기판 표면을 레이저로 조사하여, 상기 제 2 도전형의 저농도 이온주입층 내의 불순물 이온을 활성화시켜 고농도 반도체층을 형성하는 단계 및 상기 기판을 열처리하여 상기 제 2 도전형의 저농도 이온주입층을 활성화시켜 제 2 도전형의 반도체층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
선택적, 에미터
Description
본 발명은 태양전지의 선택적 에미터 형성방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 국부적 레이저 조사를 통해 고농도 에미터를 용이하게 형성함과 함께 면저항을 최소화할 수 있는 태양전지의 선택적 에미터 형성방법에 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, 태양전지의 p-n 접합부에 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되고, 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 이동하게 되어 p-n 접합부 사이에 광기전력이 발생되며, 태양전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산할 수 있게 된다.
태양전지의 구조를 살펴보면, 도 1에 도시한 바와 같이 p형 반도체층(101) 상에 n형 반도체층(102)이 구비되며, 상기 n형 반도체층(102)의 상부 및 p형 반도 체층의 하부에 각각 전면전극(104)과 후면전극(105)이 구비된다. 이 때, 상기 p형 반도체층(101) 및 n형 반도체층(102)은 하나의 기판에 구현되는 것으로서, 기판의 하부는 p형 반도체층(101), 기판의 상부는 n형 반도체층(102)이라 할 수 있으며, 일반적으로 p형 실리콘 기판이 준비된 상태에서 p형 실리콘 기판의 둘레에 n형 불순물 이온을 주입, 확산(diffusion)시켜 n형 반도체층(102)을 형성한다. 또한, 상기 n형 반도체층(102) 상에는 표면 반사를 최소화하기 위한 반사방지막(103)이 구비된다.
이와 함께, 상기 후면전극(105)과 접하는 기판 내부에는 p형 후면전계층(106)이 구비되며, 상기 n형 반도체층(102)과 p형 후면전계층(106)의 전기적 절연을 위해 기판의 일측에는 아이솔레이션용 트렌치(107)가 구비된다. 상기 아이솔레이션용 트렌치(107)는 통상, 레이저 등을 이용하여 형성한다.
한편, 상기 전면전극(104)은 통상 금속 페이스트를 스크린 인쇄하여 형성하는데, 실리콘 기판 표면 즉, n형 반도체층(102)과 전면전극(104) 사이의 접촉 저항이 높은 문제점이 있다. 이를 해소하기 위해, 전면전극(104)이 형성되는 부위에 국부적으로 고농도의 불순물 이온을 주입하여 고농도의 에미터(emitter)(105)를 형성하는 이른바, 선택적 에미터 형성방법이 제시된 바 있다.
종래의 선택적 에미터를 형성하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
확산 공정을 통해 n형 반도체층을 형성한 다음, 기판 상에 고농도 에미터가 형성될 부위를 선택적으로 노출하는 마스크 패턴을 형성하고, 고농도의 불순물 이온을 주입하여 고농도 에미터를 형성하는 방법이 있다. 이 때, 마스크 패턴은 기판 상에 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막으로 이루어지는 마스크층을 적층한 다음, 포토리소그래피 공정 및 식각 공정을 통해 패터닝하여 형성하거나 레이저 융발(laser ablation)을 통해 형성할 수 있다.
그러나, 이와 같은 종래의 방법은 마스크 패턴 형성을 위해 별도의 마스크층 증착 공정이 요구됨과 함께 패터닝을 위한 포토리소그래피 공정 또는 레이저 융발 공정이 필요하다는 단점이 있다. 또한, n형 반도체층을 통상의 열확산 공정을 이용하여 형성하는 경우, 아이솔레이션용 트렌치 형성을 위한 공정이 추가적으로 요구된다는 단점이 있다.
선택적 에미터를 형성하는 다른 방법으로 이온주입 공정을 이용하는 방법이 있는데, 이온주입 공정에 의한 선택적 에미터 형성방법은 기판 상부 전체에 저농도 이온을 주입하고 전면전극이 형성될 부위에 고농도 이온을 주입하여 확산공정을 통해 저농도 에미터층과 고농도 에미터층을 형성한다. 이 때, 전면전극의 형성 부위에 부분적으로 고농도 이온 주입을 할 수 있도록 확산 방지막 역할을 하는 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막과 같이 기판 상에 적층된 마스크층이나 마스크 패턴이 형성된 금속 또는 흑연 마스크층이 필요하므로 이러한 마스크층을 형성하기 위한 공정 단계가 증가하고 지속적인 소모품이 발생하는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 국부적 레이저 조사를 통해 고농도 에미터를 용이하게 형성함과 함께 면저항을 최소화할 수 있는 태양전지의 선택적 에미터 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양전지의 선택적 에미터 형성방법은 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판 내부에 제 2 도전형의 저농도 이온주입층을 형성하는 단계와, 전면전극이 형성될 부위의 기판 표면을 레이저로 조사하여, 상기 제 2 도전형의 저농도 이온주입층 내의 불순물 이온을 활성화시켜 고농도 반도체층을 형성하는 단계 및 상기 기판을 열처리하여 상기 제 2 도전형의 저농도 이온주입층을 활성화시켜 제 2 도전형의 반도체층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 태양전지의 선택적 에미터 형성방법은 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판 내부에 제 2 도전형의 저농도 이온주입층을 형성하는 단계와, 상기 기판을 열처리하여 상기 제 2 도전형의 저농도 이온주입층을 활성화시켜 제 2 도전형의 반도체층을 형성하는 단계 및 전면전극이 형성될 부위의 기판 표면을 레이저로 조사하여, 상기 제 2 도전형의 반도체층 내의 불순물 이온을 활성화시켜 고농도 반도체층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
제 2 도전형의 반도체층을 형성하는 단계에서, 상기 제 2 도전형의 반도체층이 형성됨과 함께 상기 기판 표면 상에 확산 부산물층이 형성되며, 상기 고농도 반도체층을 형성하는 단계에서, 상기 레이저는 상기 확산 부산물층 상에 조사될 수 있다.
상기 기판 내부에 제 2 도전형의 저농도 이온주입층을 형성하는 단계는, 제 2 도전형의 불순물 이온을 1∼100KeV의 에너지와 함께 1 x 1011∼5 x 1015의 농도로 기판 내부에 주입하여 제 2 도전형의 저농도 이온주입층을 형성할 수 있다. 또한, 상기 열처리 공정은 700∼1200℃의 온도 하에서 6시간까지 진행할 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지의 선택적 에미터 형성방법은 다음과 같은 효과가 있다.
레이저 조사를 통해 고농도 반도체층 즉, 선택적 에미터를 용이하게 형성할 수 있으며, 이와 함께 고농도 에미터에 의해 실리콘과 전면전극간 접촉저항을 최소화함으로써 태양전지의 변환효율을 높일 수 있다. 또한, 이온주입 공정을 통해 제반 반도체층을 형성함에 따라, 아이솔레이션 트렌치가 요구되지 않아 공정을 단순화시킬 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양전지의 선택적 에미터 형성방법을 상세히 설명하기로 한다. 도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양전지의 선택적 에미터 형성방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
먼저, 도 2a에 도시한 바와 같이 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판(201)을 준비하고, 상기 제 1 도전형의 실리콘 기판(201)의 상부면에 요철(202)이 형성되도록 텍스쳐링(texturing) 공정을 진행한다. 상기 텍스쳐링 공정은 기판(201) 표면에서의 광흡수를 극대화하기 위한 것이며, 습식 식각 또는 반응성 이온 식각(reactive ion etching) 등의 건식 식각 방법을 이용하여 진행할 수 있다. 여기서, 상기 제 1 도전형은 p형 또는 n형일 수 있으며, 후술하는 제 2 도전형은 제 1 도전형의 반대이며, 이하의 설명에서는 제 1 도전형은 p형, 제 2 도전형은 n형인 것을 기준으로 한다.
텍스쳐링 공정이 완료된 상태에서, 제 2 도전형의 반도체층 즉, n형 반도체층(205) 형성을 위해 기판(201) 내부에 일정 깊이로 n형 불순물 이온을 주입(ion implanting)한다(도 2b 참조). 구체적으로, n형 불순물 이온(예를 들어, 인(P) 이온)을 1∼100KeV의 에너지와 함께 1 x 1011∼5 x 1015의 농도로 기판(201) 내부에 주입하여 저농도 n형 이온주입층(203)을 형성한다. 이 때, 제 2 도전형이 p형일 경우, 상기 인(P) 이온 대신 붕소(B) 이온이 주입될 수 있다.
상기 저농도 n형 이온주입층(203)이 형성된 상태에서, 고농도 반도체층(204)을 형성한다. 구체적으로, 상기 기판(201) 표면의 일부, 정확히는 후속의 전면전극(208)이 형성되는 부위의 기판(201) 표면에 레이저를 조사하여 저농도 n형 이온주입층(203) 내의 n형 불순물 이온을 확산시켜 고농도 반도체층(204)을 형성한다(도 2c 참조). 이 때, 상기 저농도 n형 이온주입층(203) 내의 비활성 상태의 도핑 이온들은 상기 레이저 조사에 의해 재배열되어 활성화되며, 이와 같이 활성화된 도핑 이온의 농도가 증가됨에 따라, 고농도 반도체층(204)이 형성된다. 여기서, 상기 고농도 반도체층(204)은 후술하는 전면전극(208)과 전기적으로 접촉하는 고농도 에미터에 해당된다.
상기 고농도 반도체층(204)이 형성된 상태에서, 상기 기판(201)에 대해 열처리 공정을 적용함으로써 도 2d에 도시한 바와 같이 상기 저농도 n형 이온주입층(203)을 활성화시켜 n형 반도체층(205)을 형성한다. 이 때, 상기 열처리 공정은 700∼1200℃의 온도 하에서 6시간까지 진행할 수 있으며 800∼950℃의 온도 범위에서 30분간 진행하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 열처리 공정으로 인해, 상기 n형 반도체층(205)이 형성됨과 함께 상기 확산공정으로 인해, 기판(201) 내부에 반도체층이 형성됨과 함께 기판(201) 표면에는 PSG(phospho-silicate glass)막(206)이 형성된다(도 2d 참조). 상기 PSG막(206)은 n형 불순물 이온(인(P) 이온)과 실리콘 기판(201)의 실리콘(Si) 등이 반응하여 형성된 것이다. 이 때, 제 2 도전형 불순물 이온으로 p형인 붕소(B)가 사용되는 경우에는 상기 PSG막(206) 대신 붕소(B)와 실리콘(Si) 등이 반응하여 생성된 BSG(boro-silicate glass)막이 형성될 수 있다. 이하의 설명에서, 상기 확산 공정에 의해 형성된 PSG막(206) 또는 BSG막을 확산 부산물층(206)이라 칭하기로 하며, 상기 확산 부산물층(206)은 불산(HF) 등의 식각 용액을 이용하여 제거한다.
그런 다음, 도 2e에 도시한 바와 같이 상기 기판(201) 전면 상에 반사방지막(207)을 형성한다. 상기 반사방지막(207)은 실리콘 질화막(Si3N4)으로 구성될 수 있다. 이어, 상기 기판(201) 전면의 반사방지막(207) 및 기판(201) 후면 상에 도전성 물질을 스크린 인쇄법 등을 통해 도포한 후, 소성 공정을 진행하면 전면전극(208)과 후면전극(209)이 형성되며, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양전지의 선택적 에미터 형성방법은 완료된다.
다음으로, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 태양전지의 선택적 에미터 형성방법을 설명하기로 한다. 도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 선택적 에미터 형성방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
먼저, 도 3a에 도시한 바와 같이 제 1 도전형 즉, p형의 실리콘 기판(301)을 준비하고, 텍스쳐링 공정을 진행하여 상기 p형의 실리콘 기판(301)의 상부면에 요철(302)을 형성한다. 상기 텍스쳐링 공정은 상기 제 1 실시예와 마찬가지로 습식 또는 건식 식각 방법을 이용할 수 있다.
텍스쳐링 공정이 완료된 상태에서, n형 반도체층(304) 형성을 위해 도 3b에 도시한 바와 같이 기판(301) 내부에 일정 깊이로 n형 불순물 이온을 주입한다. 구 체적으로, n형 불순물 이온(예를 들어, 인(P) 이온)을 1∼100KeV의 에너지와 함께 1 x 1011∼5 x 1015의 농도로 기판(301) 내부에 주입하여 저농도 n형 이온주입층(303)을 형성한다.
그런 다음, 열처리 공정을 진행하여 상기 저농도 n형 이온주입층(303)을 활성화시킨다. 이 때, 상기 열처리 공정은 700∼1200℃의 온도 하에서 6시간까지 진행할 수 있으며 800∼950℃의 온도 범위에서 30분간 진행하는 것이 바람직하다. 상기 열처리 공정을 통해 n형 반도체층(304)이 형성되며 이와 함께 기판(301) 표면에는 도 3c에 도시한 바와 같이 확산 부산물층인 PSG막(305)이 형성된다.
상기 n형 반도체층(304)과 PSG막(305)이 형성된 상태에서, 상기 PSG막(305)의 일부, 정확히는 후속의 전면전극(308)이 형성되는 부위의 PSG막(305) 표면에 레이저를 조사하여 n형 반도체층(304) 내의 n형 불순물 이온을 확산시켜 고농도 반도체층(306)을 형성한다(도 3d 참조). 이 때, 상기 PSG막(305)은 수십 nm의 두께로 형성되어 있음에 따라, 조사되는 레이저는 상기 PSG막(305)을 통과하여 n형 반도체층(304)이 형성된 기판(301) 내부까지 도달하며, 도달된 레이저는 n형 불순물 이온을 재배열함과 함께 활성화시킨다. 물론, 상기 PSG막(305)을 제거한 상태에서 레이저를 조사하여 고농도 반도체층(306)을 형성할 수도 있다.
상기 고농도 반도체층(306)이 형성된 상태에서, 잔존하는 PSG막(305)을 제거하고 기판(301) 전면 상에 반사방지막(307)을 형성한다(도 3e 참조). 상기 반사방지막(307)은 실리콘 질화막(Si3N4)으로 구성될 수 있다. 이어, 상기 기판(301) 전면 의 반사방지막(307) 및 기판(301) 후면 상에 도전성 물질을 스크린 인쇄법 등을 통해 도포한 후, 소성 공정을 진행하면 전면전극(308)과 후면전극(309)이 형성되며, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 태양전지의 선택적 에미터 형성방법은 완료된다.
도 1은 일반적인 태양전지의 단면도.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양전지의 선택적 에미터 형성방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양전지의 선택적 에미터 형성방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
201 : 기판 202 : 요철
203 : 저농도 이온주입층 204 : 고농도 반도체층
205 : n형 반도체층 206 : 확산 부산물층
207 : 반사방지막 208 : 전면전극
209 : 후면전극
Claims (7)
- 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판을 준비하는 단계;상기 기판 내부에 제 2 도전형의 저농도 이온주입층을 형성하는 단계;전면전극이 형성될 부위의 기판 표면을 레이저로 조사하여, 상기 제 2 도전형의 저농도 이온주입층 내의 불순물 이온을 활성화시켜 고농도 반도체층을 형성하는 단계; 및상기 기판을 열처리하여 상기 제 2 도전형의 저농도 이온주입층을 활성화시켜 제 2 도전형의 반도체층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지며,상기 기판 내부에 제 2 도전형의 저농도 이온주입층을 형성하는 단계는, 제 2 도전형의 불순물 이온을 1∼100KeV의 에너지와 함께 1 x 1011∼5 x 1015의 농도로 기판 내부에 주입하여 제 2 도전형의 저농도 이온주입층을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 선택적 에미터 형성방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 열처리 공정은 700∼1200℃의 온도 하에서 6시간까 지 진행하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 선택적 에미터 형성방법.
- 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판을 준비하는 단계;상기 기판 내부에 제 2 도전형의 저농도 이온주입층을 형성하는 단계;상기 기판을 열처리하여 상기 제 2 도전형의 저농도 이온주입층을 활성화시켜 제 2 도전형의 반도체층을 형성하는 단계; 및전면전극이 형성될 부위의 기판 표면을 레이저로 조사하여, 상기 제 2 도전형의 반도체층 내의 불순물 이온을 활성화시켜 고농도 반도체층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지며,상기 기판 내부에 제 2 도전형의 저농도 이온주입층을 형성하는 단계는, 제 2 도전형의 불순물 이온을 1∼100KeV의 에너지와 함께 1 x 1011∼5 x 1015의 농도로 기판 내부에 주입하여 제 2 도전형의 저농도 이온주입층을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 선택적 에미터 형성방법.
- 제 4 항에 있어서, 제 2 도전형의 반도체층을 형성하는 단계에서, 상기 제 2 도전형의 반도체층이 형성됨과 함께 상기 기판 표면 상에 확산 부산물층이 형성되며,상기 고농도 반도체층을 형성하는 단계에서, 상기 레이저는 상기 확산 부산물층 상에 또는 상기 확산 부산물층을 제거한 표면 상에 조사되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 선택적 에미터 형성방법.
- 삭제
- 제 4 항에 있어서, 상기 열처리 공정은 700∼1200℃의 온도 하에서 6시간까지 진행하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 선택적 에미터 형성방법.
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