KR101370126B1 - Method for forming selective emitter of solar cell using annealing by laser of top hat type and Method for manufacturing solar cell using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탑햇 형태의 레이저 어닐링을 이용한 태양전지의 선택적 에미터 형성방법에 관한 것으로서, (a) 제1도전형의 불순물이 도핑된 실리콘 기판을 준비하는 단계; (b) 상기 불순물과 반대 도전형인 제2도전형의 불순물이 함유된 절연막을 형성하는 단계; (c) 산소 분위기의 열처리 공정을 시행하여 상기 절연막 내의 불순물을 상기 실리콘 기판 상부로 주입하여 에미터층을 형성하는 단계; (d) 상기 실리콘 기판 상부에 상기 절연막이 잔류하는 상태에서 핑거 전면 전극이 접속될 지점을 따라 '탑햇(top hat)' 형태의 에너지 분포를 갖는 레이저를 조사하여 절연막에 포함된 제2도전형의 불순물의 추가 확산을 유도함으로써 레이저 조사 지점의 기판 상부에 선택적 에미터를 형성하는 단계; 및 (e) 상기 절연막을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a method of forming a selective emitter of a solar cell using a top hat laser annealing, comprising: (a) preparing a silicon substrate doped with impurities of a first conductivity type; (b) forming an insulating film containing impurities of a second conductivity type opposite to the impurities; (c) performing an annealing process in an oxygen atmosphere to inject impurities in the insulating layer onto the silicon substrate to form an emitter layer; (d) irradiating a laser having an energy distribution in the form of a "top hat" along the point where the finger front electrode is connected while the insulating film remains on the silicon substrate. Forming a selective emitter on top of the substrate at the laser irradiation point by inducing further diffusion of impurities; And (e) removing the insulating film.
태양전지, 선택적 에미터, 레이저 어닐링, 탑햇, PSG Solar Cell, Selective Emitter, Laser Annealing, Top Hat, PSG
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양전지의 제조 공정에서 실리콘 기판 상부의 핑거 전면 전극이 접속될 지점에 선택적 에미터를 탑햇 형태의 레이저를 이용하여 형성할 수 있는 탑햇 형태의 레이저 어닐링을 이용한 태양전지의 선택적 에미터 형성방법 및 이를 이용한 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a solar cell, and more particularly, a top hat type laser capable of forming a selective emitter using a top hat type laser at a point where a finger front electrode on a silicon substrate is connected in a solar cell manufacturing process. It relates to a method of forming a selective emitter of a solar cell using annealing and a method of manufacturing a solar cell using the same.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양 에너지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 특히 주목받고 있다. 태양 에너지의 이용방법으로는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 에너지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양광(photons)을 전기 에너지로 변환시키는 태양광 에너지가 있으며, 태양광 에너지라고 하면 일반적으로 태양광 전지(이하, '태양전지'라 함)를 일컫는다.With the recent depletion of existing energy resources such as oil and coal, interest in alternative energy to replace them is increasing. Among them, solar energy is particularly attracting attention because it is rich in energy resources and has no problems with environmental pollution. There are two methods of using solar energy: solar energy that generates steam required to rotate turbines using solar heat, and solar energy that converts photons into electrical energy using the properties of semiconductors. In general, it refers to a solar cell (hereinafter referred to as a "solar cell").
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.1 showing a basic structure of a solar cell, a solar cell, like a diode, has a junction structure of a p-
이와 같은 태양전지의 출력특성은 일반적으로 솔라시뮬레이터를 이용하여 출력전류전압곡선을 측정함으로써 평가되고, 이 곡선 상에서 출력전류 Ip와 출력전압 Vp의 곱 Ip X Vp가 최대가 되는 점을 최대출력 Pm이라 부르고, 상기 Pm을 태양전지로 입사하는 총광에너지(S X I: S는 소자면적, I는 태양전지에 조사되는 광의 강도)로 나눈 값을 변환효율 η로 정의한다. 변환효율 η를 높이기 위해서는 단락전류Jsc(전류전압곡선 상에서 V=0일 때의 출력전류) 또는 개방전압 Voc(전류전압곡선 상에서 I=0일 때의 출력전압)를 높이거나 출력전류전압곡선의 각형에 가까운 정도를 나타내는 FF(fill factor)를 높여야 한다. FF의 값이 1에 가까울수록 출력전류전압곡선이 이상적인 각형에 근접하게 되고, 변환효율 η도 높아지는 것을 의미하게 된다.The output characteristics of such a solar cell are generally evaluated by measuring the output current voltage curve using a solar simulator, and the maximum output Pm is the point where the product of the output current Ip and the output voltage Vp is maximized. The value obtained by dividing Pm by the total light energy incident on the solar cell (SXI: S is the device area and I is the intensity of light irradiated to the solar cell) is defined as the conversion efficiency η. To increase the conversion efficiency η, increase the short-circuit current Jsc (output current when V = 0 on the current voltage curve) or open voltage Voc (output voltage when I = 0 on the current voltage curve) or the square of the output current voltage curve. You should increase the fill factor (FF), which is close to. The closer the value of FF to 1, the closer the output current voltage curve is to the ideal square and the higher the conversion efficiency η.
도 2는 현재 개발되어 있는 일반적인 태양전지의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 도면에 도시된 태양전지는, p-n 접합을 형성하는 제1도전형의 불순물이 도핑된 실리콘 기판(201), 상기 불순물과 반대 도전형인 제2도전형의 불순물이 도핑된 에미터층(202), 전면 전극(203) 및 후면 전극(204) 외에 반사방지막(205) 및 BSF(back surface field)(206)가 더 구비되어 태양광의 흡수율을 향상시키고 캐리어의 전달 저항을 감소시켜 효율을 향상시킨다. 또한, 최근에는 전면 전극(203)과 에미터층(202) 사이의 접촉 저항을 감소시키기 위하여, 도 3에 도시된 태양전지와 같이 전면 전극(203)과 접하는 영역의 에미터층(202)을 두껍게 형성하고 그렇지 않은 영역은 그보다 얇게 형성하여 캐리어의 라이프 타임(life time)을 향상시킨다. 이러한 구조의 에미터층을 '선택적 에미터'라 한다. 이러한 선택적 에미터는 전면 전극(203)과의 접촉 저항을 감소시켜 태양전지의 효율을 증대시키는데 기여하는 바가 크다. 하지만, 선택적 에미터를 형성하기 위해서는 패터닝 공정과 2번의 불순물 확산 공정이 수반되어야 하므로 제조 공정이 복잡하고 제조 비용이 과다하게 소요되는 문제점이 있다.FIG. 2 is a view schematically showing the structure of a general solar cell currently being developed. The solar cell shown in the drawing includes a
본 발명은 상술한 종래기술의 문제를 해결하기 위해 창안된 것으로서, 태양전지의 제조 공정에서 핑거 전면 전극의 하부에 선택적 에미터를 형성하기 위해 종래에 진행되었던 패터닝 공정 등을 진행하지 않고도 간단하고 용이하게 선택적 에미터를 형성할 수 있는 탑햇 형태의 레이저 어닐링을 이용한 태양전지의 선택적 에미터 형성방법 및 이를 이용한 태양전지의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was devised to solve the above-mentioned problems of the prior art, and is simple and easy without proceeding a conventional patterning process to form a selective emitter under the finger front electrode in a solar cell manufacturing process. It is an object of the present invention to provide a method of forming a selective emitter of a solar cell using a top hat type laser annealing that can form a selective emitter and a method of manufacturing the solar cell using the same.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 탑햇 형태의 레이저 어닐링을 이용한 태양전지의 선택적 에미터 형성방법은, (a) 제1도전형의 불순물이 도핑된 실리콘 기판을 준비하는 단계; (b) 상기 불순물과 반대 도전형인 제2도전형의 불순물이 함유된 절연막을 형성하는 단계; (c) 산소 분위기의 열처리 공정을 시행하여 상기 절연막 내의 불순물을 상기 실리콘 기판 상부로 주입하여 에미터층을 형성하는 단계; (d) 상기 실리콘 기판 상부에 상기 절연막이 잔류하는 상태에서 핑거 전면 전극이 접속될 지점을 따라 '탑햇(top hat)' 형태의 에너지 분포를 갖는 레이저를 조사하여 절연막에 포함된 제2도전형의 불순물의 추가 확산을 유도함으로써 레이저 조사 지점의 기판 상부에 선택적 에미터를 형성하는 단계; 및 (e) 상기 절연막을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of forming an emitter of a solar cell using a top hat type laser annealing, comprising: (a) preparing a silicon substrate doped with impurities of a first conductivity type; (b) forming an insulating film containing impurities of a second conductivity type opposite to the impurities; (c) performing an annealing process in an oxygen atmosphere to inject impurities in the insulating layer onto the silicon substrate to form an emitter layer; (d) irradiating a laser having an energy distribution in the form of a "top hat" along the point where the finger front electrode is connected while the insulating film remains on the silicon substrate. Forming a selective emitter on top of the substrate at the laser irradiation point by inducing further diffusion of impurities; And (e) removing the insulating film.
바람직하게, 상기 (d) 단계에서, 실리콘 기판 상부에 잔류하는 절연막은, PSG(phosphorous silicate glass)막이다.Preferably, in step (d), the insulating film remaining on the silicon substrate is a PSG (phosphorous silicate glass) film.
바람직하게, 상기 (d) 단계에서, 상기 레이저의 빔 폭은, 핑거 전면 전극의 폭보다 크게 제어한다.Preferably, in the step (d), the beam width of the laser is controlled to be larger than the width of the finger front electrode.
본 발명에 있어서, 상기 (d) 단계에서, 상기 레이저 빔의 수는, 핑거 전면 전극의 수에 대응되게 조사한다.In the present invention, in the step (d), the number of the laser beam is irradiated corresponding to the number of finger front electrodes.
본 발명에 있어서, 상기 (d) 단계는, 레이저 조사 수단을 고정시킨 상태에서 실리콘 기판을 핑거 전면 전극의 진행 방향으로 이동시키면서 레이저를 조사하는 단계이다. 대안적으로, 상기 (d) 단계는, 실리콘 기판을 고정시킨 상태에서 레이저 조사 수단을 핑거 전면 전극의 진행 방향으로 이동시키면서 레이저를 조사하는 단계이다.In the present invention, the step (d) is a step of irradiating the laser while moving the silicon substrate in the advancing direction of the finger front electrode while the laser irradiation means is fixed. Alternatively, step (d) is a step of irradiating a laser while moving the laser irradiation means in the advancing direction of the finger front electrode while the silicon substrate is fixed.
바람직하게, 탑햇(top hat) 형태의 에너지 분포를 갖는 레이저는, 레이저 중심의 에너지를 저감시킬 수 있도록 두께 조절이 이루어진 레이저 필터 코팅층을 구비하는 레이저 필터 렌즈에 가우시안 형태의 에너지 분포를 갖는 레이저를 통과시켜 얻는 레이저 이다.Preferably, a laser having a top hat energy distribution passes through a laser having a Gaussian energy distribution through a laser filter lens having a laser filter coating layer whose thickness is adjusted to reduce energy at the center of the laser. It's a laser you get let go.
바람직하게, 상기 레이저 필터 코팅층은 중심부의 두께가 외곽부의 두께보다 크게 이루어진다.Preferably, the laser filter coating layer has a thickness of a central portion greater than that of an outer portion.
바람직하게, 상기 레이저의 에너지 밀도는 0.3 내지 1.2 J/cm2 로, 레이저 조사 지점 당 레이저의 조사 횟수는 2 내지 20 회로 제어한다.Preferably, the energy density of the laser is 0.3 to 1.2 J / cm 2 , the number of laser irradiation per laser irradiation point is controlled to 2 to 20 circuits.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법은, (a) 제1도전형의 불순물이 도핑된 실리콘 기판을 준비하는 단계; (b) 상기 불순물 과 반대 도전형인 제2도전형의 불순물이 함유된 절연막을 형성하는 단계; (c) 산소 분위기의 열처리 공정을 시행하여 상기 절연막 내의 불순물을 상기 실리콘 기판 상부로 주입하여 에미터층을 형성하는 단계; (d) 상기 실리콘 기판 상부에 상기 절연막이 잔류하는 상태에서 핑거 전면 전극이 접속될 지점을 따라 '탑햇(top hat)' 형태의 에너지 분포를 갖는 레이저를 조사하여 절연막에 포함된 제2도전형의 불순물의 추가 확산을 유도함으로써 레이저 조사 지점의 기판 상부에 선택적 에미터를 형성하는 단계; 및 (e) 상기 절연막을 제거하는 단계; (f) 상기 실리콘 기판의 전면에 반사방지막을 형성하는 단계; (g) 스크린 인쇄법을 이용하여 상기 선택적 에미터가 형성된 지점의 반사방지막 상부에는 핑거 전면 전극 패턴을, 실리콘 기판의 후면에는 후면 전극을 형성하는 단계; 및 (h) 한 번의 열처리 공정을 시행하여 반사방지막을 관통시켜 상기 핑거 전면 전극 패턴을 선택적 에미터에 오믹 콘택시키고, 상기 후면 전극을 실리콘 기판의 후면에 오믹 콘택시키고, 후면 전극과 접하는 기판 후면에 BSF(back surface field)를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a solar cell, including: (a) preparing a silicon substrate doped with impurities of a first conductivity type; (b) forming an insulating film containing impurities of a second conductivity type opposite to the impurities; (c) performing an annealing process in an oxygen atmosphere to inject impurities in the insulating layer onto the silicon substrate to form an emitter layer; (d) irradiating a laser having an energy distribution in the form of a "top hat" along the point where the finger front electrode is connected while the insulating film remains on the silicon substrate. Forming a selective emitter on top of the substrate at the laser irradiation point by inducing further diffusion of impurities; And (e) removing the insulating film; (f) forming an anti-reflection film on the entire surface of the silicon substrate; (g) forming a finger front electrode pattern on the anti-reflection film at the point where the selective emitter is formed and screening a rear electrode on the back surface of the silicon substrate using a screen printing method; And (h) performing one heat treatment process to penetrate the anti-reflection film to ohmic contact the finger front electrode pattern to the selective emitter, and to ohmic contact the back electrode to the back side of the silicon substrate and to the back side of the substrate in contact with the back electrode. Forming a back surface field (BSF).
본 발명에 따르면, 종래의 선택적 에미터 형성 공정과 달리 패터닝 공정을 진행하지 않고 레이저 어닐링 공정에 의해 선택적 에미터를 간단하게 형성할 수 있다. 또한, 레이저 어닐링에 이용되는 레이저를 탑햇 형태의 레이저를 이용함으로써, 레이저의 조사 횟수를 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 태양전지의 제조 비용을 절감할 수 있고 생산성을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, unlike the conventional selective emitter forming process, it is possible to simply form the selective emitter by the laser annealing process without going through the patterning process. In addition, the number of irradiation of the laser can be reduced by using the top hat type laser as the laser used for laser annealing. Accordingly, manufacturing cost of the solar cell can be reduced and productivity can be improved.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 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.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms, and the inventor should appropriately interpret the concepts of the terms appropriately It should be construed in accordance with the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it can be defined. Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all the technical ideas of the present invention. Therefore, It is to be understood that equivalents and modifications are possible.
도 4 내지 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탑햇 형태의 레이저 어닐링을 이용한 선택적 에미터가 형성된 태양전지의 제조방법을 순차적으로 도시한 공정 단면도들이다.4 to 9 are process cross-sectional views sequentially illustrating a method of manufacturing a solar cell in which a selective emitter is formed using a top hat laser annealing according to a preferred embodiment of the present invention.
본 발명에 따른 선택적 에미터가 형성된 태양전지의 제조 방법은, 먼저, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1도전형의 불순물이 도핑된 실리콘 기판(301)을 준비한다. 바람직하게, 실리콘 기판(301)은 단결정이나 다결정 실리콘 기판 또는 비정질 실리콘 기판이다. 하지만, 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다. 상기 실리콘 기판(301)은 전처리 공정으로 슬라이싱 가공 중에 실리콘 기판(301)의 표면에 발생된 소우 데미지(saw damage)를 습식 식각하여 제거한 기판이다.In the method of manufacturing a solar cell having a selective emitter according to the present invention, first, as shown in FIG. 4, a
그런 다음, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제1도전형과 반대 도전형인 제2 도전형의 불순물을 상기 실리콘 기판(301) 상에 주입하여 에미터층(302)을 형성한다. 에미터층(302)이 형성되면, 실리콘 기판(301)에는 p-n 접합이 형성된다. 여기서, 실리콘 기판(301)은 p형 및 n형이 모두 사용될 수 있으며, 그 중 p형 기판은 소수 캐리어의 수명 및 모빌리티(mobility)가 커서(p형의 경우 전자가 소수 캐리어임) 가장 바람직하게 사용될 수 있다. p형 기판에는 대표적으로 B, Ga, In 등의 3족 원소들이 도핑되어 있다. 기판이 p형인 경우, n형 에미터층은 P, As, Sb 등의 5족 원소들을 확산시켜 형성한다.Then, as shown in FIG. 5, the
상기 제2도전형의 에미터층(302)을 형성할 때에는, 먼저 실리콘 기판(301)을 확산로(diffusion furnace)에 넣고, 산소 가스와 제2도전형의 불순물 가스를 주입하여 기판 상에 제2도전형의 불순물이 함유된 절연막(303)을 형성한다. 여기서, 실리콘 기판(301)이 p형인 경우, 불순물 가스로는 POCL3가 사용될 수 있다. 이런 경우, 상기 절연막(303)은 P2O5의 조성을 갖는다. 그런 다음, 산소 분위기 하에서 고온으로 열처리하여 상기 절연막(303) 내의 불순물을 실리콘 기판(301) 표면으로 드라이브-인(drive-in) 시킨다. 그러면, 실리콘 기판(301)에는 소정 두께의 에미터층(302)이 형성되고, 기판(301) 표면에 형성되어 있던 절연막(303)은 실리콘 원자의 확산에 의해 PSG(phosphorus silicate glass)막으로 변화하게 된다. 한편, 여기서 개시한 에미터층(302) 형성 공정은 일 예시에 불과하며, 대안적으로, 스프레이법 또는 페이스트 도포법을 이용하여 에미터층(302)을 형성할 수도 있을 것임은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.When the
상술한 공정을 거쳐 에미터층(302)이 형성되면, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 에미터층(302) 상부에 상기 절연막(303)이 잔류하는 상태에서 핑거 전면 전극이 접속될 지점을 따라 레이저(L)를 조사하여 레이저(L) 조사 지점의 에미터층(302)에 레이저(L)를 이용한 선택적 어닐링을 진행한다. 그러면, 레이저(L)가 조사된 지점의 절연막(303)은 레이저(L)에 의해 고온으로 가열되어 절연막(303)에 포함된 제2도전형의 불순물이 상기 에미터층(302) 표면으로 추가 확산하여 레이저(L)가 조사된 지점의 에미터층(302)에는 불순물 농도가 다른 부분보다 높은 선택적 에미터(302')가 형성된다.When the
상기와 같이 레이저 어닐링에 사용되는 레이저의 에너지 밀도에 대한 에너지 분포는 호모지나이저(homogenizer)와 같은 별도의 광학계를 사용하지 않는 경우, 도 10에 도시된 바와 같이, 가우시안(gaussian) 형태의 에너지 분포를 갖는다.As described above, the energy distribution of the energy density of the laser used for laser annealing is not a separate optical system such as a homogenizer, and as shown in FIG. 10, a Gaussian energy distribution is shown. Has
도 10을 참조하면, A와 같이 레이저의 에너지 밀도가 융해(melting) 임계 레벨을 넘지않는 경우, 레이저 조사 지점에서 충분한 융해가 발생하지 않아 절연막(303) 내에 포함된 불순물의 추가 확산이 잘 이루어지지 않아 소망하는 만큼 레이저 조사 지점의 면저항 감소를 기대하기 어렵다. 이와 반대로, C와 같이 레이저의 에너지 밀도가 과도하여 융발(ablation) 임계 레벨을 넘는 경우, 레이저 조사 지점에서 융해되는 폭(WC)이 넓게 형성된다. 하지만, 융발(ablation) 임계 레벨을 넘는 과도한 에너지로 인해 융해가 과도하게 발생하여 융해된 부분의 액상과 고상의 밀도 차이로 질량 이동이 발생하여 레이저 조사 지점의 표면이 거칠어진다. 이 로 인해 오히려 면저항이 증가하는 문제가 발생할 수 있다. 레이저 어닐링의 효과를 기대하기 위해서는 B와 같이 레이저의 에너지 밀도가 융해 임계 레벨을 넘어서고 융발 임계 레벨을 넘지않는 범위의 레이저를 이용하여 레이저 조사 지점에서 적절한 용해가 이루어지도록 운용하는 것이 바람직하다. 하지만, 이러한 경우 조사되는 레이저의 에너지 밀도에 대한 에너지 분포가 가우시안 형태를 갖기 때문에 레이저 조사 지점에서 융해되는 폭(WB)이 좁아 레이저의 조사 횟수가 늘어나야 하는 문제가 있다.Referring to FIG. 10, when the energy density of the laser does not exceed the melting threshold level, such as A, sufficient melting does not occur at the laser irradiation point, and further diffusion of impurities contained in the insulating
본 발명에서는, 상술한 가우시안 형태의 에너지 분포를 갖는 레이저를 사용할 경우 발생되는 문제를 해결하기 위해서, 도 11에 도시된 바와 같이, 탑햇(top hat) 형태의 에너지 분포를 갖는 레이저를 사용하여 레이저 어닐링을 시행한다.In the present invention, in order to solve the problem caused when using the above-described laser having a Gaussian-type energy distribution, as shown in Figure 11, the laser annealing using a laser having a top-hat (energy distribution) energy distribution To be implemented.
탑햇 형태의 레이저는 에너지 밀도에 대한 에너지 분포가 레이저 어닐링이 효과적으로 작용할 수 있는 융해 임계 레벨을 고르게 넘어설 수 있도록 제어가 가능하다. 따라서, 레이저(L) 조사 지점에서 융해되는 폭(WT)이 가우시안 형태의 레이저를 이용할 때보다 넓게 형성할 수 있어 레이저의 조사 횟수를 줄이고도 효과적으로 레이저 어닐링을 시행할 수 있다.Top-hat lasers can be controlled so that the energy distribution over energy density evenly exceeds the melting threshold level at which laser annealing can work effectively. Therefore, the width W T which is melted at the irradiation point of the laser L can be formed wider than when using a Gaussian type laser, so that the laser annealing can be effectively performed even though the number of irradiation of the laser is reduced.
탑햇 형태의 레이저 어닐링을 이용한 선택적 에미터(302')의 형성 과정을 도 12 내지 도 14를 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 먼저, 도 12에 도시된 바와 같이 상기 실리콘 기판(301)을 레이저 어닐링하기 위한 스테이지(미도시)에 위치시킨다. 그런 다음, 실리콘 기판(301)의 핑거 전면 전극이 접속될 지 점(403)에 대응되도록 다수개의 레이저 조사 수단(401)을 위치시킨다. 이 때, 상기 레이저 조사 수단(401)에는 도 12의 A에 도시된 바와 같이 레이저가 조사되는 출구 측에 레이저 필터 코팅층(420)을 구비하는 레이저 필터 렌즈(410)가 포함된다. 일반적으로 레이저는 일정한 레이저 파장에 대해 통과하는 매질의 굴절률 인덱스(refractive index)와 두께에 따라 저감률이 달라진다. 이에 착안한 본 발명에 따른 레이저 필터 렌즈(410)는 레이저의 에너지를 저감시킬 수 있는 굴절률 인덱스를 갖는 레이저 필터 코팅층(420)을 구비한다. 상기 레이저 필터 코팅층(420)은 금속 또는 세라믹 재질로 이루어지고, 투명 재질의 기판 상에 접합된다. 상기 레이저 필터 코팅층(420)은 중심부가 외곽부에 비해 그 두께를 두껍게 조절하여 이를 통과하는 레이저의 중심 에너지를 저감시키는 작용을 한다. 상기 레이저 조사 수단(401)으로부터 조사되는 가우시안 형태의 레이저는 레이저 필터 렌즈(410)를 통과함으로써 레이저의 최대 에너지 밀도에 대한 에너지 분포가 평탄한 탑햇 형태의 레이저로 변환할 수 있다. 레이저 필터 코팅층(420)의 중심부가 외곽부보다 에너지 저감률이 상대적으로 크기 때문이다.A process of forming the selective emitter 302 'using the top hat laser annealing will be described in detail with reference to FIGS. 12 to 14. First, as shown in FIG. 12, the
이어서, 상기 실리콘 기판(301)을 X축 방향 즉, 핑거 전면 전극이 접속될 지점(403)의 진행 방향으로 이동시키면서 레이저 조사 수단(401)으로부터 탑햇 행태의 레이저(L)를 조사하여 핑거 전면 전극이 접속될 지점(403)에 형성되어 있는 절연막(303)을 레이저 어닐링한다. 이 때, 상기 실리콘 기판(301)에 조사되는 탑햇 형태의 레이저(L)의 빔 폭(WL)은 핑거 전면 전극이 접속될 지점(403)을 충분히 어닐 링할 수 있도록 핑거 전면 전극의 폭(WF)보다 크게 조사하는 것이 바람직하다(도 14 참조). 한편, 레이저 어닐링을 수행할 때 상술한 바와 달리 실리콘 기판(301)이 고정되어 있는 상태에서 레이저 조사 수단(401)을 X축 방향으로 이동시켜도 무방하다.Subsequently, while moving the
본 실시예의 경우, 실리콘 기판(301)의 핑거 전면 전극이 접속될 지점(403)의 개수에 대응되는 다수의 레이저 조사 수단(401)으로 탑햇 형태의 레이저(L)를 조사하고, 레이저(L) 빔의 폭(WL)을 핑거 전면 전극의 폭(WF)보다 크게 조사하므로, 한 번의 레이저(L) 스캔 공정으로 다수의 핑거 전면 전극이 접속될 지점(403)에 대해 균일한 어닐링을 동시에 수행할 수 있다. 그 결과, 태양전지 제조의 양산성을 향상시킬 수 있다.In the present embodiment, the top L-shaped laser L is irradiated with a plurality of laser irradiation means 401 corresponding to the number of
상기 탑햇 형태의 레이저(L)에 의해 실리콘 기판(301)이 어닐링되면, 상기 에미터층(302)의 상부에 잔류하는 절연막(303)이 고온으로 가열되고 절연막(303) 내에 포함된 불순물이 에미터층(302) 표면 상으로 추가 확산되면서 레이저(L)에 의해 어닐링된 지점에 불순물 농도가 다른 부분보다 높은 선택적 에미터(302')가 형성된다. 이때, 탑햇 형태의 레이저(L) 빔의 에너지 밀도는 0.3 내지 1.2 J/cm2 로, 레이저(L) 빔 조사 지점 당 레이저(L) 빔 조사 횟수는 2 내지 20 회로 제어하는 것이 바람직하다. 탑햇 형태의 레이저(L) 빔의 에너지 밀도가 0.3 J/cm2 미만이면 레이저(L) 조사 지점에서 충분한 융해(melting)가 발생하지 않아 절연막(303) 내에 포함된 불순물의 추가 확산이 잘 이루어지지 않고, 레이저(L) 빔의 에너지 밀도가 1.2 J/cm2 초과하면 레이저(L) 조사 지점에서 융해가 과도하게 발생하여 융해된 부분의 질량 이동이 발생하여 레이저(L) 조사 지점의 표면이 거칠어지고 이로 인해 오히려 면저항이 증가하는 문제가 있어 바람직하지 못하다.When the
한편, 상술한 실시예에서는 다수의 레이저 조사 수단(401)을 이용하여 핑거 전면 전극이 접속될 지점(403)에 선택적 에미터(302')를 형성하였다. 하지만, 다수의 레이저 조사 수단(401)을 이용하는 방법은 일 예시에 불과하다. 다른 예로, 도 13에 도시된 바와 같이, 한 번에 넓은 면적을 조사하는 엑시머 레이저(Le)를 레이저 투과 패턴이 형성된 쉐도우 마스크(402)에 조사함으로써, 투과 패턴을 빠져 나온 레이저(Le')가 다수의 핑거 전면 전극이 접속될 지점(403)에 동시에 조사되도록 할 수 있다. 이 때, 쉐도우 마스크(402)의 투과 패턴에는 도 13의 B에 도시된 바와 같이 쉐도우 마스크 필터 코팅층(430)을 구비하여 투과 패턴을 빠져 나온 레이저(Le')가 탑햇 형태의 에너지 분포를 가질 수 있도록 제어하는 것이 바람직하다. 레이저의 형태를 탑햇 형태의 레이저로 변환하는 방식에 대해서는 이미 상술한 바 있다.Meanwhile, in the above-described embodiment, the selective emitter 302 'is formed at the
상술한 공정을 거쳐 선택적 에미터(302')가 형성되면, 도 7에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(301) 상에 잔류하는 절연막(303)을 제거한다. 절연막(303)은 희석 불산을 이용한 습식 식각 공정에 의해 제거할 수 있는데, 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다. When the selective emitter 302 'is formed through the above-described process, as shown in FIG. 7, the insulating
그런 다음, 엣지 분리(edge isolation) 공정을 수행하여 실리콘 기판(301)의 전면에 형성된 에미터층(302)을 제외한 측면과 후면에 형성된 에미터층(302)을 제거한다. 실리콘 기판(301)의 측면과 후면에 형성된 에미터층(302)은 제거하지 않으면 전면 전극과 후면 전극이 전기적으로 직접 연결되게 되므로 바람직하지 않다. 실리콘 기판(301)의 측면과 후면에 형성된 에미터층(302)의 제거는 전면 에미터층(302)을 습식 에천트로부터 보호한 상태에서 HF, HNO3 및 H2O가 혼합된 습식 에천트가 담긴 용기에 소정 시간 동안 실리콘 기판(301)을 침지시켜 실시될 수 있는데, 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다.Then, an edge isolation process is performed to remove the emitter layers 302 formed on the side surfaces and the rear surfaces except for the
그리고 나서, 도 8에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(301)의 전면에 형성된 에미터층(302) 상에 반사방지막(304)을 형성한다. 선택적으로, 상기 반사방지막(304)을 형성하기에 앞서 실리콘산화막 또는 실리콘산화질화막으로 이루어진 패시베이션막을 더 형성할 수 있다. 상기 반사방지막(304)은 태양광에 대한 반사율을 낮추기 위해 형성되는 것으로, 대표적으로 실리콘질화막을 포함하여 이루어질 수 있으며, 플라즈마 화학기상증착법(PECVD), 화학기상증착법(CVD) 및 스퍼터링으로 이루어지는 군에서 선택되는 방법에 의해 형성될 수 있다. 그런 다음, 스크린 인쇄법을 이용하여 상기 선택적 에미터(302')가 형성된 지점의 반사방지막(304) 상부에는 은과 글라스 프릿을 포함하는 통상의 전면 전극 형성용 페이스트를 인쇄하여 핑거 전면 전극(305) 패턴을 형성하고, 실리콘 기판(301)의 후면에는 알루미늄을 포함하는 통상의 후면 전극 형성용 페이스트를 인쇄하여 후면 전극(306)을 형성한다. 핑거 전면 전극(305) 및 후면 전극(306)의 형성 순서는 제한되지 않아, 어느 전극 을 먼저 형성하여도 무방하다.Then, as shown in FIG. 8, an
그리고 나서, 도 9에 도시된 바와 같이, 핑거 전면 전극(305)과 후면 전극(306)을 콘택하기 위한 열처리 공정을 시행한다. 열처리 공정을 거친 핑거 전면 전극(305)은 반사방지막(304)을 관통하여 선택적 에미터(302')와 오믹 콘택된다(punch through). 상기 핑거 전면 전극(305)은 은을 포함하고 있어 전기 전도성이 우수하다.Then, as shown in FIG. 9, a heat treatment process for contacting the
열처리 공정을 거친 후면 전극(306)은 실리콘 기판(301)의 후면에 오믹 콘택된다. 그리고, 열처리에 의해 실리콘 기판(301)의 후면에는 후면 전극(306)과 접하는 면으로부터 소정 깊이까지 전극 형성 물질(Al)이 도핑되어 BSF(back surface field)(307)가 형성된다. 후면 전극(306)은 알루미늄을 포함하고 있으므로 전기 전도성이 우수할 뿐만 아니라 실리콘과의 친화력이 좋아서 접합성이 우수하다. 또한, 알루미늄은 3족 원소로서 실리콘 기판(301)과의 접면에서 P+층, 즉 BSF(307)을 형성하여 캐리어들이 표면에서 사라지지 않고 BSF 방향으로 모이도록 하는 작용을 한다. 실리콘 기판(301)에 핑거 전면 전극(305)과 후면 전극(306)이 형성되면, 본 발명에 따른 탑햇 형태의 레이저 어닐링을 이용한 태양전지 제조방법이 완료된다.The
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.As described above, although the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto and is intended by those skilled in the art to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalents of the claims to be described.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate preferred embodiments of the invention and, together with the description of the invention given above, serve to further the understanding of the technical idea of the invention, And should not be construed as limiting.
도 1은 태양전지의 기본적인 구조를 도시한 개략도이다.1 is a schematic view showing a basic structure of a solar cell.
도 2는 일반적인 태양전지의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.2 is a view schematically showing the structure of a typical solar cell.
도 3은 선택적 에미터를 구비하는 태양전지의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.3 is a diagram schematically illustrating a structure of a solar cell having a selective emitter.
도 4 내지 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탑햇 형태의 레이저 어닐링을 이용한 선택적 에미터가 형성된 태양전지의 제조방법을 순차적으로 도시한 공정 단면도들이다.4 to 9 are process cross-sectional views sequentially illustrating a method of manufacturing a solar cell in which a selective emitter is formed using a top hat laser annealing according to a preferred embodiment of the present invention.
도 10은 가우시안 형태인 레이저의 에너지 밀도에 대한 에너지 분포를 나타낸 도면이다.10 is a diagram illustrating an energy distribution of an energy density of a Gaussian laser.
도 11은 본 발명에 따른 탑햇 형태인 레이저의 에너지 밀도에 대한 에너지 분포를 나타낸 도면이다.11 is a view showing the energy distribution of the energy density of the top hat laser according to the present invention.
도 12는 본 발명의 제1실시예에 따른 탑햇 형태의 레이저 어닐링 방법을 도시한 개략도이다.12 is a schematic diagram showing a laser annealing method of the top hat type according to the first embodiment of the present invention.
도 13은 본 발명의 제2실시예에 따른 탑햇 형태의 레이저 어닐링 방법을 도시한 개략도이다.13 is a schematic diagram illustrating a laser annealing method of the top hat type according to the second embodiment of the present invention.
도 14는 본 발명에 따른 탑햇 형태의 레이저 어닐링 시 레이저의 빔 폭과 핑거 전면 전극의 폭 간의 관계를 설명하기 위해 도시한 도면이다.FIG. 14 is a view illustrating a relationship between a beam width of a laser and a width of a finger front electrode during laser annealing of a top hat type according to the present invention.
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