KR101370225B1 - 태양전지의 제조방법 및 그를 이용하여 제조된 태양전지 - Google Patents
태양전지의 제조방법 및 그를 이용하여 제조된 태양전지 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 태양전지의 제조방법 및 이를 이용하여 제조되는 태양전지에 관한 것이다. 본 발명의 태양전지 제조방법은, (S1) 실리콘 웨이퍼의 일면에 실리콘나이트라이드 식각방지층을 형성하는 단계 (S2) 상기 식각방지층이 형성된 실리콘 웨이퍼를 텍스쳐링하여 식각방지층이 형성된 반대면에 요철을 형성하는 단계: (S3) 상기 실리콘 웨이퍼의 요철이 형성된 면에 상기 실리콘 웨이퍼의 도전형과 반대 도전형의 에미터층을 형성하는 단계 (S4) 상기 에미터층 상에 반사방지막을 형성하는 단계 (S5) 상기 반사방지막을 관통하며 상기 에미터층에 연결되도록 전면전극을 형성하는 단계 (S6) 상기 식각방지층을 관통하며 실리콘 웨이퍼와 연결되도록 후면전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 태양전지 제조방법에 따르면, 실리콘 웨이퍼의 상면 텍스쳐링 전에 후면에 실리콘 나이트라이드 식각방지층을 형성함으로써 전면에만 요철을 형성하고 후면을 평탄하게 유지하여 장파장영역에서의 내부 반사를 증가시켜 전류 특성을 향상시킬 수 있으며, 후면에서의 케리어의 재결합을 줄여 전압특성을 향상시킬 수 있다.
태양전지, 광기전력효과, p-n 접합, 텍스쳐링, 식각방지층, 부동층
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 2 내지 도 7은 본 발명의 태양전지 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 태양전지의 제조방법 및 이를 이용하여 제조되는 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 장파장영역에서의 내부 반사를 증가시켜 전류 특성을 향상시킬 수있으며, 후면에서의 케리어의 재결합을 줄여 전압특성을 향상시킬 수 있는 태양전지의 제조방법 및 이를 이용하여 제조되는 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.
한편, 태양전지는 반도체 기판에 그와 상이한 도전형의 도전층을 형성하고, 반사방지막 및 전면전극과 후면전극을 형성함에 의해 제조될 수 있다. 다만, 이러한 과정을 거치기 전에, 웨이퍼의 반사율을 감소시키기 위하여 실리콘 웨이퍼 표면에 요철을 형성하는 텍스쳐링(texturing) 공정을 거치게 된다. 그러나, 이러한 텍스쳐링 공정은 실리콘 웨이퍼의 전면뿐만 아니라 후면에도 요철을 형성하며, 후면에 형성된 요철은 장파장영역에서의 내부 반사를 감소시키고 후면 표면적의 증가로 표면 재결에 의해 캐리어의 손실을 유발하여 오히려 전지 효율을 떨어뜨리는 문제가 있다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하고자 하는 노력이 관련 분야에서 꾸준하게 이루어져 왔으며, 이러한 기술적 배경하에서 본 발명이 안출된 것이다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본 발명은 텍스쳐링을 거치더라도 후면은 평탄하게 유지되어 장파장 대역에서의 내부 반사를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 후면에서의 캐리어의 재결합을 감소시킬 수 있는 태양전지의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 태양전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제의 달성을 위해 본 발명은, (S1) 실리콘 웨이퍼의 일면에 실리콘나이트라이드 식각방지층을 형성하는 단계 (S2) 상기 식각방지층이 형성된 실리콘 웨이퍼를 텍스쳐링하여 식각방지층이 형성된 반대면에 요철을 형성하는 단계: (S3) 상기 실리콘 웨이퍼의 요철이 형성된 면에 상기 실리콘 웨이퍼의 도전형과 반대 도전형의 에미터층을 형성하는 단계 (S4) 상기 에미터층 상에 반사방지막을 형성하는 단계 (S5) 상기 반사방지막을 관통하며 상기 에미터층에 연결되도록 전면전극을 형성하는 단계 (S6) 상기 식각방지층을 관통하며 실리콘 웨이퍼와 연결되도록 후면전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법를 제공한다.
상기 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 실리콘 웨이퍼는 p형 실리콘 웨이 퍼인 것이 바람직하다.
상기 식각방지층은 대표적으로 플라즈마 화학기상증착법(PECVD), 화학기상증착법(CVD) 및 스퍼터링으로 이루어지는 군에서 선택되는 방법에 의해 형성될 수 있다.
상기 (S2) 단계는 상기 실리콘 웨이퍼를 알칼리 용액으로 처리함에 의해 실시될 수 있으며, 상기 알칼리 용액은 대표적으로 수산화나트륨, 수산화칼륨 및 수산화암모늄으로 이루어진 군에서 선택되는 알칼리 물질을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 반사방지막은 대표적으로 실리콘나이트라이드를 포함하여 이루어질 수 있으며, 상기 반사방지막의 형성은 대표적으로 플라즈마 화학기상증착법(PECVD), 화학기상증착법(CVD) 및 스퍼터링으로 이루어지는 군에서 선택되는 방법에 의해 실시될 수 있다.
상기 (S5) 단계는 전면전극 형성용 페이스트를 반사방지막 위에 도포한 후 열처리함에 의해 실시될 수 있으며, 상기 전면전극 형성용 페이스트는 은, 글라스 프릿 및 바인더를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 (S6) 단계는 후면전극 형성용 페이스트를 식각방지층 위에 도포한 후 열처리함에 의해 실시될 수 있으며, 상기 후면전극 형성용 페이스트는 알루미늄, 글라스 프릿 및 바인더를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 (S5) 단계 및 (S6) 단계는, 전면전극 형성용 페이스트를 반사방지막 위에 도포하고, 후면전극 형성용 페이스트를 식각방지층 위에 도포한 후, 열처리함에 의해 실시될 수 있다.
본 발명은 상기 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법을 이용하여 제조되는 태양전지를 제공한다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 태양전지 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 태양전지 제조방법에 따르면, 먼저 실리콘 웨이퍼(201)의 일면에 식각방지층(203)을 형성한다(도 2 참조). 식각방지층(203)은 실리콘나이트라이드로 이루어지며, 대표적으로 플라즈마 화학기상증착법(PECVD), 화학기상증착법(CVD) 및 스퍼터링으로 이루어지는 군에서 선택되는 방법에 의해 형성될 수 있다. 상기 실리콘 웨이퍼로(201)는 p형 및 n형이 모두 사용될 수 있으며, 그 중 p형 실리콘 웨이퍼는 소수 케리어의 수명 및 모빌리티(mobility)가 커서(p형의 경우 전자가 소수 케리어임) 가장 바람직하게 사용될 수있다. p형 실리콘 웨이퍼에는 대표적으로 B, Ga, In 등의 3족 원소들이 도핑되어 있다.
다음으로, 상기 식각방지층(203)이 형성된 실리콘 웨이퍼(201)를 텍스쳐링하여 식각방지층(203)이 형성되지 않은 실리콘 웨이퍼(201)의 상부 표면에 요철을 형성한다(도 3 참조). 텍스쳐링은 대표적으로 실리콘 웨이퍼(201)를 알칼리 용액이 담긴 배쓰(bath)에 일정 시간 동안 침지시키는 것에 의해 이루어진다. 일 예로, 텍스쳐링은 80도의 온도 조건에서 20-40분 가량 시행한다. 텍스쳐링이 이루어지면 실리콘나이트라이드로 이루어진 식각방지층(203)이 형성된 면에는 요철이 형성되지 않고 실리콘 웨이퍼(201)의 상면에만 요철이 형성된다.
텍스처링에 의해 실리콘 웨이퍼(201)의 표면에 요철이 형성되는 이유는, 실리콘 웨이퍼(201)의 결정방향에 따라 식각속도가 달라지기 때문이다. 즉 실리콘의 (100) 면보다 (111) 면이 더 느린 식각 속도를 가지기 때문에 (100) 단결정으로 이루어진 실리콘 웨이퍼(201)의 표면에는 점점 피라미드 형태를 갖는 요철이 형성된다. 이 때, 피라미드의 드러난 면은 (111)면에 해당한다. 한편, 실리콘나이트라이드로 이루어진 식각방지층(203)은 알칼리 용액에 대해 식각 내성을 가지므로 텍스쳐링 반응이 나타나지 않는다.
바람직하게, 알칼리 용액으로는 2~5wt%의 수산화칼륨 또는 수산화나트륨 용액을 사용한다. 대안적으로, 알칼리 용액으로 수산화암모늄 용액을 사용할 수도 있다.
다음으로, 상기 실리콘 웨이퍼(201)의 요철이 형성된 면에 상기 실리콘 웨이퍼(201)의 도전형과 반대 도전형의 에미터층(205)을 형성한다(도 4 참조). 에미터층(205)의 형성은, 대표적으로 실리콘 웨이퍼(201)에 도펀트를 함유하는 페이스트를 도포하고, 확산로에서 열처리함에 의해 이루어질 수 있다. 도펀트의 종류는 실리콘 웨이퍼의 도전형에 따라 달리 선택되며, p형 실리콘 웨이퍼가 사용되는 경우 P, As, Sb 등의 5족 원소를 도펀트로 사용하며, n형 실리콘 웨이퍼가 사용되는 경우 B, Ga, In 등의 3족 원소를 도펀트로 사용한다.
다음으로, 상기 에미터층(205) 상에 반사방지막(207)을 형성한다(도 5 참조). 반사방지막(207)은 태양광에 대한 반사율을 낮추기 위해 형성되는 것으로, 대표 적으로 실리콘나이트라이드를 포함하여 이루어질 수 있으며, 대표적으로 플라즈마 화학기상증착법(PECVD), 화학기상증착법(CVD) 및 스퍼터링으로 이루어지는 군에서 선택되는 방법에 의해 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 반사방지막(207)을 관통하며 상기 에미터층(205)에 연결되도록 전면전극(209)을 형성하고, 상기 식각방지층(203)을 관통하며 실리콘 웨이퍼(201)와 연결되도록 후면전극(211)을 형성한다(도 6 및 도 7 참조). 상기 전면전극(209) 형성 단계는 전면전극 형성용 페이스트를 반사방지막(207) 위에 도포한 후 열처리함에 의해 실시될 수 있으며, 열처리를 통해 전면전극(209)은 반사방지막(207)을 관통하여 에미터층(205)과 연결되게 된다(punch through). 열처리시 전면전극(209)을 형성하는데 사용된 페이스트 내에 존재하는 유전층 에칭물질(grass frit)이 반사방지막(207)을 식각하여 에미터층(205)의 표면을 드러나게 하며, 그 안으로 페이스트에 포함된 금속분말(Ag, Al)이 에미터층(205)을 이루는 실리콘과 고온에서 반응하여 합금을 형성함으로써 전면전극(209)에 형성되게 된다.
상기 후면전극 형성 단계는 후면전극 형성용 페이스트를 식각방지층(203) 위에 도포한 후 열처리함에 의해 실시될 수 있으며, 열처리를 통해 후면전극(211)은 식각방지층(203)을 관통하여 실리콘 웨이퍼(201)와 연결되며, 실리콘 웨이퍼(201)는 후면전극과(211) 접하는 면으로부터 전극 형성 물질이 도핑되어 BSF층(Back surface field)(도면 미도시)이 형성된다. 여기서, 후면전극(211)이 형성되는 원리는 전면전극(209)이 형성되는 원리와 같다. 식각방지층(203) 중 후면전극(211)에 의해 관통되지 않은 부분은 부동층으로 기능하여 캐리어의 후면 재결합을 방지한 다. 이에 따라, 태양전지의 전압특성이 향상된다.
상기 전면전극 형성용 페이스트는 대표적으로 은, 글라스 프릿 및 바인더를 포함하여 이루어질 수 있으며, 상기 후면전극 형성용 페이스트는 대표적으로 알루미늄, 글라스 프릿 및 바인더를 포함하여 이루어질 수 있다. 은은 전기전도성이 우수하여 전면전극 형성 물질로 선호된다. 또한, 알루미늄은 전도성이 우수하고, 실리콘과의 친화력이 좋아서 접합이 잘 될 뿐만 아니라, 알루미늄 전극은 3가 원소로서 p-형 실리콘웨이퍼를 사용할 경우 실리콘 웨이퍼에 p+ 층, 즉 BSF층을 형성하여 캐리어들이 표면에서 사라지지 않고 모이도록 하여 효율을 증대시킬 수 있기 때문에 후면전극 형성물질로 선호된다.
전면전극(209) 및 후면전극(211)의 형성 순서는 제한되지 않아 어느 전극을 먼저 형성하는 것도 가능하며, 전면전극 형성용 페이스트를 반사방지막(207) 위에 도포하고 후면전극 형성용 페이스트를 식각방지층 위에 도포한 후 1회의 열처리에 의해 형성될 수도 있다.
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, 실리콘 웨이퍼의 상면 텍스쳐링 전에 후면에 실리콘 나이트라이드 식각방지층을 형성함으로써 전면에만 요철을 형성하고 후면을 평탄하게 유지하여 장파장영역에서의 내부 반사를 증가시켜 전류 특성을 향상시킬 수 있으며, 후면에서의 케리어의 재결합을 줄여 전압특성을 향상시킬 수 있다.
Claims (13)
- (S1) 실리콘 웨이퍼의 일면에 실리콘나이트라이드 식각방지층을 형성하는 단계;(S2) 상기 식각방지층이 형성된 실리콘 웨이퍼를 텍스쳐링하여 식각방지층이 형성된 반대면에 요철을 형성하는 단계;(S3) 상기 실리콘 웨이퍼의 요철이 형성된 면에 상기 실리콘 웨이퍼의 도전형과 반대 도전형의 에미터층을 형성하는 단계;(S4) 상기 에미터층 상에 반사방지막을 형성하는 단계;(S5) 상기 반사방지막을 관통하며 상기 에미터층에 연결되도록 전면전극을 형성하는 단계; 및(S6) 상기 식각방지층을 관통하며 실리콘 웨이퍼와 연결되도록 후면전극을 형성하는 단계를 포함하고,상기 (S6) 단계는 후면전극 형성용 페이스트를 상기 식각방지층 위에 도포한 후 열처리함에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 실리콘 웨이퍼는 p형 실리콘 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 식각방지층은 플라즈마 화학기상증착법(PECVD), 화학기상증착법(CVD) 및 스퍼터링으로 이루어지는 군에서 선택되는 방법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (S2) 단계는 상기 실리콘 웨이퍼를 알칼리 용액으로 처리함에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제4항에 있어서,상기 알칼리 용액은 수산화나트륨, 수산화칼륨 및 수산화암모늄으로 이루어진 군에서 선택되는 알칼리 물질을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 반사방지막은 실리콘나이트라이드를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (S4) 단계는 플라즈마 화학기상증착법(PECVD), 화학기상증착법(CVD) 및 스퍼터링으로 이루어지는 군에서 선택되는 방법에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (S5) 단계는 전면전극 형성용 페이스트를 반사방지막 위에 도포한 후 열처리함에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제8항에 있어서,상기 전면전극 형성용 페이스트는 은, 글라스 프릿 및 바인더를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 후면전극 형성용 페이스트는 알루미늄, 글라스 프릿 및 바인더를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (S5) 단계는, 전면전극 형성용 페이스트를 상기 반사방지막 위에 도포한 후, 열처리함에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제1항 내지 제9항, 제11항 및 제12항 중 어느 한 항에 따른 태양전지의 제조방법을 이용하여 제조되는 태양전지.
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