KR101375781B1 - 나노 및 마이크로 실리콘 복합 구조체의 sod 도핑과 패시베이션 공정을 통한 캐리어 수명이 향상된 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지 - Google Patents
나노 및 마이크로 실리콘 복합 구조체의 sod 도핑과 패시베이션 공정을 통한 캐리어 수명이 향상된 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 일 실시예는 나노 및 마이크로 실리콘 복합 구조체의 SOD 도핑과 패시베이션 공정을 통한 캐리어 수명이 향상된 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 포토 레지스트의 리소그래피 디자인에 따라 다양한 크기의 마이크로 와이어를 형성하고, 또한 습식 식각 용액의 농도와 침지 시간을 조절하여 다양한 크기 및 종횡비의 나노 와이어를 형성할 수 있을 뿐만 아니라 라디얼(radial) PN 접합 구조와 BSF(Back Surface Field)를 동시에 형성할 수 있는 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지를 제공한다. 이를 위해 본 발명은 제1면과 제2면을 갖는 제1도전형 반도체 기판을 준비하는 단계; 제1도전형 반도체 기판의 제2면에 포토레지스트를 패터닝하는 단계; 포토레지스트와 대응하는 영역에는 마이크로 와이어가 형성되도록 하고, 포토레지스트와 대응하지 않는 영역에는 나노 와이어가 형성되도록, 반도체 기판을 무전해 식각하는 단계; 마이크로 와이어 및 나노 와이어에 제2도전형 불순물을 도핑하여 PN 접합 구조가 형성되도록 하는 동시에 반도체 다이의 제1면에 BSF(Back Surface Field)층이 형성되도록 하는 단계; BSF층에 제1전극을 형성하는 단계; 및, 마이크로 와이어에 제2전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지를 제공한다.
Description
본 발명의 일 실시예는 나노 및 마이크로 실리콘 복합 구조체의 SOD 도핑과 패시베이션 공정을 통한 캐리어 수명이 향상된 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지에 관한 것이다.
일반적으로 태양 전지는 PN 접합면을 갖는다. 이러한 PN 접합면에 빛을 비추면 전자와 정공이 발생하며, 이들은 P 영역과 N 영역으로 이동하며, 이 현상에 의해 P 영역과 N 영역 사이에 전위차(기전력)가 발생하고, 이때 태양 전지에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 된다.
이러한 태양 전지는 실리콘 반도체 재료를 이용하는 것과, 화합물 반도체 재료를 이용하는 것으로 크게 분류할 수 있다. 또한, 실리콘 반도체에 의한 것은 결정계와 비결정계로 분류된다.
현재, 태양광 발전 시스템으로 일반적으로 사용하고 있는 것은 실리콘 반도체가 대부분이다. 특히, 결정계 실리콘 반도체의 단결정 및 다결정 태양전지는 변환 효율이 좋고 신뢰성이 높아서 널리 사용되고 있다.
본 발명의 일 실시예는 포토 레지스트의 리소그래피 디자인에 따라 다양한 크기의 마이크로 와이어를 형성하고, 또한 습식 식각 용액의 농도와 침지 시간을 조절하여 다양한 크기 및 종횡비의 나노 와이어를 형성할 수 있을 뿐만 아니라 라디얼(radial) PN 접합 구조와 BSF(Back Surface Field)층을 동시에 형성할 수 있는 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법은 제1면과 제2면을 갖는 제1도전형 반도체 기판을 준비하는 단계; 상기 제1도전형 반도체 기판의 제2면에 포토레지스트를 패터닝하는 단계; 상기 포토레지스트와 대응하는 영역에는 마이크로 와이어가 형성되도록 하고, 상기 포토레지스트와 대응하지 않는 영역에는 나노 와이어가 형성되도록, 상기 반도체 기판을 무전해 식각하는 단계; 상기 마이크로 와이어 및 나노 와이어에 제2도전형 불순물을 도핑하여 PN 접합 구조가 형성되도록 하는 동시에 상기 반도체 기판의 제1면에 BSF(Back Surface Field)층이 형성되도록 하는 단계; 상기 BSF층에 제1전극을 형성하는 단계; 및, 상기 마이크로 와이어에 제2전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 무전해 식각 단계는 상기 반도체 기판의 제1면에 보호막을 형성하고, 상기 반도체 기판을 질산은 용액과 불산 용액의 혼합 용액에 침지하는 제1침지 단계를 포함할 수 있다. 상기 질산은 용액은 5 내지 15mM 농도이고, 상기 불산 용액은 2mM 내지 8mM 농도일 수 있다. 상기 제1침지 단계 이후, 상기 질산은 용액으로부터 은 입자가 부착된 상기 반도체 기판을 과산화수소 용액과 불산 용액의 혼합 용액에 침지하는 제2침지 단계를 포함할 수 있다. 상기 제2침지 단계의 상기 과산화수소 용액과 불산 용액은 각각 2mM 내지 8mM 농도일 수 있다. 상기 제2침지 단계에 의해 상기 나노 와이어가 형성되고, 상기 제2침지 단계는 1분 내지 12분간 수행될 수 있다. 상기 제2침지 단계 이후, 상기 반도체 기판을 질산 용액과 물의 혼합 용액에 침지하여 상기 은 입자를 제거하는 제3침지 단계를 포함할 수 있다. 상기 마이크로 와이어는 폭이 1 내지 3㎛이고, 높이가 3 내지 5㎛이며, 상기 나노 와이어는 폭이 1 내지 100㎚이고, 높이가 1 내지 3㎛일 수 있다.
상기 PN 접합 구조와 BSF층을 동시에 형성하는 단계는 상기 반도체 기판의 제1면에 제1도전형 불순물 필름을 갖는 제1도전형 기판이 위치되고, 상기 마이크로 와이어에 제2도전형 불순물 필름을 갖는 제2도전형 기판이 위치된 후, 600 내지 800℃의 온도에서 3분 내지 10분 동안 상기 반도체 기판이 열처리되어 이루어질 수 있다. 상기 반도체 기판의 제1면과 상기 제1도전형 기판은 상호간 스페이서에 의해 이격되거나 또는 밀착되고, 상기 마이크로 와이어와 상기 제2도전형 기판은 상호간 스페이서에 의해 이격되거나 또는 밀착될 수 있다.
상기 제2전극의 형성 단계 전에 상기 마이크로 와이어 및 나노 와이어의 표면에 ALD(Atomic Layer Depisition) 장비로 산화알루미늄층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 위에 기재된 방법으로 제조된 태양 전지를 개시한다.
즉, 본 발명에 따른 태양 전지는 제1도전형 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 상면에 바둑판 라인 또는 매트릭스 형태로 형성된 다수의 마이크로 와이어; 상기 마이크로 와이어의 외측에 형성되어 빛의 경로를 증가시키는 다수의 나노 와이어; 상기 마이크로 와이어의 표면에 제2도전형 불순물이 도핑되어 PN 접합 구조를 제공하는 제2도전형 불순물 도핑 영역; 상기 반도체 기판의 하면에 제1도전형 불순물이 도핑되어 형성된 BSF(Back Surface Film)층; 상기 BSF층의 표면에 형성된 제1전극; 및 상기 제2도전형 불순물 도핑 영역의 표면에 형성된 제2전극을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 마이크로 와이어 및 나노 와이어를 동시에 형성할 수 있는 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 포토 레지스트의 리소그래피 디자인에 따라 다양한 크기의 마이크로 와이어를 형성하고, 또한 습식 식각 용액의 농도와 반도체 기판의 침지 시간을 조절하여 다양한 크기 및 종횡비의 나노 와이어를 형성할 수 있는 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 라디얼(radial) PN 접합 구조와 BSF(Back Surface Field)를 동시에 형성할 수 있는 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 고가인 동시에 많은 공정 시간이 필요한 건식 식각 방법이 아닌 저가인 동시에 작은 공정 시간이 필요한 습식 식각 방법을 이용하여 나노 와이어를 갖는 태양 전지의 제조 방법 및 이를 갖는 태양 전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 다수의 마이크로 와이어 및 나노 와이어에 의해 입사된 빛의 반사도가 종래의 평판형 구조에 비해 현저히 낮고, 따라서 고효율인 태양 전지의 제조 방법 및 이를 갖는 태양 전지를 제공한다. 즉, 본 발명은 광흡수층을 기존의 평판형 구조로부터 마이크로 와이어 및 나노 와이어 구조를 적용함으로써, 입사되는 빛의 경로가 증가하고, 이에 따라 광자 구속(photon confinement)과 같은 양자 효과 발생으로 전류값이 증가되며, 결국 효율이 증가한 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 도시한 순서도이다.
도 2a 내지 도 2i는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 순차적으로 도시한 부분 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법 중 무전해 식각 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법 중 무전해 식각 방법을 순차적으로 도시한 부분 단면도이다.
도 2a 내지 도 2i는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 순차적으로 도시한 부분 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법 중 무전해 식각 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법 중 무전해 식각 방법을 순차적으로 도시한 부분 단면도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법에 대한 순서도가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 태양 전지의 제조 방법은 제1도전형 반도체 기판 준비 단계(S1), 포토 레지스트 패터닝 단계(S2), 무전해 식각 단계(S3), PN 접합 구조 및 BSF(Back Surface Field)층의 동시 형성 단계(S4), 에미터 식각 단계(S5), 제1전극 형성 단계(S6) 및 제2전극 형성 단계(S7)를 포함한다.
도 2a 내지 도 2i를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법에 대한 순차 단면도가 도시되어 있다. 도 1을 함께 참조하여, 본 발명에 따른 태양 전지의 제조 방법을 설명한다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 제1도전형 반도체 기판 준비 단계(S1)에서는, 대략 평평한 제1면(111)(하면)과, 이의 반대면으로서 대략 평평한 제2면(112)(상면)을 갖는 제1도전형의 반도체 기판(110)이 준비된다. 일례로, 반도체 기판(110)은 P형 실리콘 반도체 기판일 수 있다. 즉, 실리콘 반도체 기판에 주기율표에서 13족 원소인 붕소(B) 또는 갈륨(Ga)과 같은 불순물이 도핑된 P형 실리콘 반도체 기판일 수 있다.
도면 중 두개의 나란한 점선은 반도체 기판(110) 중 생략된 영역을 의미하며, 점선의 바깥쪽 영역은 반도체 기판(110)의 둘레 영역(119)을 의미한다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 포토 레지스트 패터닝 단계(S2)에서는, 반도체 기판(110)의 제2면(112)에 일정 두께의 포토 레지스트(120)가 도포되고, 통상의 사진 식각 공정에 의해 포토 레지스트(120)가 패터닝된다. 여기서, 반도체 기판(110) 중 포토 레지스트(120)와 대응되는 영역에는 추후 마이크로 와이어(113)가 형성되고, 포토 레지스트(120)와 대응되지 않는 영역에는 추후 다수의 나노 와이어(114)가 형성된다. 더불어, 이러한 포토 레지스트(120)의 패터닝 단계(S2) 이후에는 반도체 기판(110)의 제1면(111)에 일정 두께의 보호막(121)이 형성될 수 있다. 이러한 보호막(121)은 통상의 절연층, 금속층 및 이의 등가물 중에서 어느 하나일 수 있다. 물론, 보호막(121)은 하기할 습식 식각 용액과 반응하지 않은 재료이면 어느 것이나 좋다.
더불어, 이러한 포토 레지스트(120)는 평면의 형태가 바둑판 라인 형태 또는 매트릭스 형태일 수 있다. 즉, 반도체 기판(110) 중 네개의 둘레 영역(119) 내측에서 상기 포토 레지스트(120)는 다수의 바둑판 라인 형태 또는 매트릭스 형태로 형성된다. 다만, 본 발명의 이해를 위해, 도면에서는 패터닝된 2개의 포토 레지스트(120)가 도시되어 있을 뿐이다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 무전해 식각 단계(S3)에서는, 아래에서 다시 상세하게 설명하겠지만, 반도체 기판(110)이 일정 농도의 습식 식각 용액에 일정 시간 동안 침지됨으로써, 포토 레지스트(120)가 형성되지 않은 영역과 대응하는 반도체 기판(110)의 제2면(112)에 다수의 나노 와이어(114)가 형성된다. 물론, 상술한 바와 같이 포토 레지스트(120)가 형성된 영역과 대응하는 반도체 기판(110)의 제2면(112)에 마이크로 와이어(113)가 형성됨은 당연하다. 이와 같이 하여, 반도체 기판(110)의 제2면(112)에는 다수의 마이크로 와이어(113) 및 다수의 나노 와이어(114)가 형성된다. 여기서, 마이크로 와이어(113)는 폭이 마이크로 미터 단위이고, 나노 와이어(114)는 폭이 나노 미터 단위임을 의미한다.
좀더 구체적으로, 마이크로 와이어(113)는 폭이 대략 1 내지 3㎛이고, 높이가 대략 3 내지 5㎛일 수 있다. 또한, 나노 와이어(114)는 폭이 대략 1 내지 100㎚이고, 높이가 대략 1 내지 3㎛일 수 있다. 그러나, 이러한 수치는 본 발명의 이해를 위한 일례일 뿐이며, 이는 포토 레지스트(120)의 디자인이나, 습식 식각 용액의 농도 및 침지 시간의 조절에 의해 변경될 수 있다.
더불어, 이러한 무전해 식각 단계(S3) 이후 포토 레지스트(120) 및 보호막(121)은 반도체 기판(110)으로부터 제거된다.
도 2d 및 도 2e에 도시된 바와 같이, PN 접합 구조 및 BSF(Back Surface Field)층의 동시 형성 단계(S4)에서는, 마이크로 와이어(113) 및 나노 와이어(114)에 제2도전형 불순물이 도핑되도록 하여, 반도체 기판(110)에 제2도전형 불순물 도핑 영역(115)이 형성되도록 하고, 즉, PN 접합 구조가 형성되도록 하고, 이와 동시에 반도체 기판(110)의 제1면(111)(하면)에 상대적으로 고농도의 제1도전형 불순물이 도핑되도록 하여 BSF층(110a)이 형성되도록 한다.
이를 위해 우선 도 2d에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(110)의 하부에 더미 기판(131a)과 제1도전형 불순물(예를 들면, 보론, 갈륨 등등) 필름(131b)으로 이루어진 보론 기판(131)이 위치되고, 또한 반도체 기판(110)의 상부에 더미 기판(132a)과 제2도전형 불순물(예를 들면, 포스포러스, 비소, 안티모니 등등) 필름(132b)으로 이루어진 제2도전형 기판(132)이 위치된다.
여기서, 제1도전형 기판(131)은 스페이서(도시되지 않음)에 의해 반도체 기판(110) 즉, 제1면(111)으로부터 일정 거리 이격될 수 있다. 또한, 경우에 따라, 제1도전형 기판(131)은 반도체 기판(110)의 제1면(111)에 밀착될 수도 있다.
또한, 제2도전형 기판(132)은 스페이서(도시되지 않음)에 의해 반도체 기판(110) 즉, 마이크로 와이어(113) 및 나노 와이어(114)로부터 일정 거리 이격될 수 있다. 또한, 경우에 따라, 제2도전형 기판(132)은 마이크로 와이어(113) 및/또는 나노 와이어(114)에 밀착될 수도 있다.
한편 이러한 제1도전형 기판(131) 및 제2도전형 기판(132)은 SOD(Spin On Dopant) 방식으로 제조될 수 있다. 예를 들면, 스핀 온 글래스 도펀트(보론, 포스포러스 등등)가 더미 기판에 코팅되고, 이어서 솔벤트 등이 제거되도록 일정 온도로 더미 기판이 가열(bake)되며, 고온에서 더미 기판이 열처리(annealing)된다. 이후, 마지막으로 기판 표면에 형성된 글래스가 불산 등에 의해 제거됨으로써, 상술한 바와 같이 제1,2도전형 기판(131,132)이 제조된다.
상기와 같이 반도체 기판(110)을 중심으로 하부와 상부에 각각 제1도전형 기판(131) 및 제2도전형 기판(132)이 위치된 상태에서, 600 내지 800℃의 열처리 온도가 제공되고, 또한 3분 내지 10분 동안 열 처리가 수행된다.
이러한 공정에 의해 도 2e에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(110)에 제2도전형 불순물 도핑 영역(115) 즉, PN 접합 구조가 형성되고, 이와 동시에 반도체 기판(110)의 제1면(111)에는 BSF층(110a)이 형성된다. 즉, 본 발명은 하나의 공정에서 PN 접합 구조와 BSF층을 동시에 형성하게 된다. 여기서, BSF층(110a)은 기본적으로 반도체 기판이 P타입일 경우, P+타입이다. P+라는 의미는 P보다 상대적으로 고농도라는 의미이다.
또한, 상기 PN 접합 구조는 빛을 받아 전자와 정공을 형성하고, BSF층(110a)은 소수 캐리어(여기서는 전자)에 의한 재결합 현상을 방지함으로써, 주요 캐리어의 흐름성을 향상시키는 역할을 한다.
더불어, 상술한 제2도전형 불순물 도핑 영역(115) 및 BSF층(110a)의 도핑 깊이는 대략 0.5㎛ 정도 될 수 있다. 따라서, 마이크로 와이어(113)에는 라디알(Radial) 형태의 PN 접합 영역이 형성되지만, 나노 와이어(114)는 실질적으로 전체가 N 영역이 된다.
이러한 나노 와이어(114)는 PN 접합 영역으로서 동작하기 보다는 태양 전지로 입사되는 빛의 경로를 증가시켜, 광자 구속과 같은 양자 효과를 발생시키고, 이에 따라 태양 전지의 효율이 증가되도록 한다.
한편, 보론이 함유된 화합물을 포함하는 제1도전형 기판(131) 및 포스포러스가 함유된 화합물을 포함하는 제2도전형 기판(132)을 이용하여 도핑 공정이 진행될 경우, 반도체 기판(110)의 표면에는 BPSG(Boron Phosphorus Silicate Glass) 및 PSG(PhosphorSilicate Glass)가 더 형성될 수 있으며, 이는 다음 공정을 진행하기 전에 미리 제거된다.
도 2f에 도시된 바와 같이, 에미터 식각 단계(S5)에서는, 반도체 기판(110)의 전면(상면 및 측면)이 일정 깊이까지 식각된다. 특히, 반도체 기판(110)의 측면에 형성된 PN 접합 영역이 식각되어 제거됨으로써, 태양 전지의 동작 중 누설 전류가 최소화되도록 한다.
도 2g에 도시된 바와 같이, 제1전극 형성 단계(S6)에서는, 반도체 기판(110)의 BSF층(110a)에 제1전극(117)이 형성된다. 일례로, 반도체 기판(110)의 BSF층(110a)에 에 알루미늄 및 그 등가물 중에서 선택된 하나가 스크린 프린팅되어 제1전극(117)이 형성된다. 여기서, 제1전극(117)은 콜렉터 전극을 의미한다.
도 2h에 도시된 바와 같이, 제2전극 형성 단계(S7)에서는, 반도체 기판(110)의 제2면(112)에 형성된 마이크로 와이어(113)의 표면에 제2전극(118)이 형성된다. 좀더 엄밀히 말하면, 마이크로 와이어(113)에 형성된 제2도전형 불순물 도핑 영역(115)의 표면에 제2전극(118)이 형성된다. 일례로, 제2도전형 불순물 도핑 영역(115)의 표면에 실버 및 그 등가물 중에서 선택된 하나가 스크린 프린팅되어 제2전극(118)이 형성된다. 여기서, 제2전극(118)은 에미터 전극을 의미한다.
한편, 이러한 제2전극(118)을 형성하기 전에 마이크로 와이어(113) 및 나노 와이어(114)에는 패시베이션층(도면에 도시되지 않음)이 더 형성될 수 있다. 예를 들면, ALD(Atomic Layer Deposition) 장비에 의해 마이크로 와이어(113) 및 나노 와이어(114)의 표면에 대략 10nm 두께를 갖는 산화알루미늄(Al2O3)층이 증착될 수 있다. 여기서, 일반적인 증착 장비에 의해서는, 나노 와이어(114) 사이의 갭(gap)에 산화알루미늄층이 증착되지 않는다.
이와 같이 ALD 장비로 형성된 산화알루미늄층은 마이크로 와이어(113) 및 나노 와이어(114)에 존재할 수 있는 댕글링 본드(dangling bond) 영역을 제거해 줌으로써, 실리콘 원자들의 최외각 전자가 완벽하게 결합되도록 하고, 이에 따라 캐리어의 재결합 현상이 억제되도록 한다.
물론, 이러한 산화알루미늄층 위에 제2전극(118)이 형성되는데, 상기 산화알루미늄층의 두께가 대략 10nm 이하이기 때문에, 상기 산화알루미늄층이 전류 흐름을 방해하지 않는다. 즉, 터널링 효과로 인하여, 제2전극(118)으로 용이하게 전류가 흐른다.여기서, 제2전극(118)은 경우에 따라 나노 와이어(114) 위의 산화알루미늄층 위에도 형성될 수 있다.
이와 같이 하여 본 발명에 따른 태양 전지(100)는 제1도전형 반도체 기판(110)과, 상기 반도체 기판(110)의 상면에 바둑판 라인 또는 매트릭스 형태로 형성된 다수의 마이크로 와이어(113)와, 상기 마이크로 와이어(113)의 외측에 형성되어 빛의 경로를 증가시키는 다수의 나노 와이어(114)와, 상기 마이크로 와이어(113)의 표면에 제2도전형 불순물이 도핑되어 PN 접합 구조를 제공하는 제2도전형 불순물 도핑 영역(115)과, 상기 반도체 기판(110)의 하면에 제1도전형 불순물이 도핑되어 형성된 BSF(Back Surface Film)층(110a)과, 상기 BSF층(110a)의 표면에 형성된 제1전극(117)과, 상기 제2도전형 불순물 도핑 영역(115)의 표면에 형성된 제2전극(118)을 포함한다.
따라서, 본 발명에 따른 태양 전지(100)는 하나의 반도체 기판(110) 위에 마이크로 와이어(113)가 바둑판 라인 또는 매트릭스 형태로 형성되고, 마이크로 와이어(113)에는 평판 형태가 아닌 라디알(radial) 형태로 PN 접합 영역이 형성된다. 이에 따라, PN 접합 영역의 면적이 증가됨으로써 태양 전지의 효율이 향상된다. 더욱이, 마이크로 와이어(113)의 주변에는 다수의 나노 와이어(114)가 형성된다. 이러한 나노 와이어(113)는 입사되는 빛의 경로를 증가시켜, 광자 구속과 같은 양자 효과를 유발시켜 태양 전지의 효율이 더욱 증가되도록 한다.
더불어, 본 발명에 따른 태양 전지(100)는 반도체 기판(110)의 하면에 소수 캐리어의 재결합 현상을 억제할 수 있는 BSF층(110a)이 형성됨으로써, 태양 전지의 효율을 더욱 향상시킨다. 더욱이, 이러한 BSF층(110a)은 PN 접합 구조와 함께 동시에 형성됨으로써, 태양 전지(100)의 제조 공정도 간단해 진다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법 중 무전해 식각 방법에 대한 순서도가 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 무전해 식각 방법은 제1침지 단계(S21), 제2침지 단계(S22) 및 제3침지 단계(S23)를 포함한다.
도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법 중 무전해 식각 방법에 대한 부분 단면도가 도시되어 있다. 도 3을 함께 참조하여, 무전해 식각 방법을 설명한다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 제1침지 단계(S21)에서는, 질산은(AgNO3) 용액 및 불산(HF) 용액의 혼합 용액에 반도체 기판(110)의 침지됨으로써, 포토 레지스트(120) 및 반도체 기판(110)의 제2면(112)에 다수의 은 입자(123)들이 물리적으로 결합된다. 여기서, 질산은 용액은 대략 5 내지 15mM 농도이고, 불산 용액은 대략 2mM 내지 8mM 농도일 수 있다. 더불어, 이러한 용액의 농도 및 반도체 기판(110)의 침지 시간이 적절히 조절됨으로써, 반도체 기판(110)의 제2면(112)에 형성되는 은 입자(123)의 양이 적절히 조절될 수 있다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 제2침지 단계(S22)에서는, 과산화 수소(H2O2) 용액 및 불산 용액의 혼합 용액에 상술한 바와 같이 은 입자(123)가 결합된 반도체 기판(110)이 침지됨으로써, 반도체 기판(110)의 제2면(112)에 다수의 나노 와이어(114)가 형성된다. 여기서, 포토 레지스트(120)는 과산화 수소(H2O2) 용액 및 불산 용액의 혼합 용액에 반응하지 않음은 당연하다.
또한, 여기서, 과산화수소 용액과 불산 용액은 각각 대략 2mM 내지 8mM 농도일 수 있다. 또한, 이러한 침지 시간은 대략 1분 내지 12분간 수행될 수 있다. 일례로, 반도체 기판(110)이 상기 혼합 용액에 대략 2분간 침지되었을 때 대략 2.5㎛의 깊이를 갖는 나노 와이어(114)가 형성되었고, 대략 6분간 침지되었을 때 대략 5㎛의 깊이를 갖는 나노 와이어(114)가 형성되었으며, 대략 10분 침지되었을 때 대략 7.5㎛의 깊이를 갖는 나노 와이어(114)가 형성되었음을 관찰하였다.
이와 같이 은 입자(123)와 반도체 기판(110)의 접촉 영역에서 상대적으로 빠르게 진행되는 식각 현상은 좀더 연구가 진행되어야 명확해지겠지만, 본 발명자들의 생각으로는 식각 용액이 은과 실리콘의 계면에서 격렬한 산화 반응이 일어나도록 촉진하여 발생되는 현상으로 이해된다.
한편, 이와 같은 현상에 의해 나노 와이어(114)와 나노 와이어(114)의 골(valley)에는 은 입자(123)가 잔존하게 되며, 이러한 은 입자(123)는 누설 전류를 억제하기 위해 제거될 필요가 있다.
도 4c에 도시된 바와 같이, 제3침지 단계(S23)에서는, 질산(HNO3) 용액과 물(H2O)의 혼합 용액에 상술한 바와 같이 나노 와이어(114)가 형성된 반도체 기판(110)이 침지됨으로써, 나노 와이어(114)와 나노 와이어(114)의 골에 존재하는 은이 제거된다. 여기서, 질산 용액과 물의 부피비는 대략 3:1일 수 있으나, 이러한 부피비로 본 발명이 한정되지 않는다
이와 같이 하여, 본 발명의 일 실시예는 마이크로 와이어(113) 및 나노 와이어(114)를 동시에 형성할 수 있는 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지를 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 포토 레지스트(120)의 리소그래피 디자인에 따라 다양한 크기의 마이크로 와이어(113)를 형성하고, 또한 습식 식각 용액의 농도와 반도체 기판(110)의 침지 시간 조절에 의해 다양한 크기 및 종횡비의 나노 와이어(114)를 형성할 수 있는 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지를 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 고가인 동시에 많은 공정 시간이 필요한 건식 식각 방법이 아닌 저가인 동시에 작은 공정 시간이 필요한 습식 식각 방법을 이용하여 나노 와이어(114)를 갖는 태양 전지의 제조 방법 및 이를 갖는 태양 전지를 제공한다. 즉, 기존의 건식 식각 장치인 ICP(Inducted Coupled Plasma) 장치 및 RIE(Reactive Ion Etching) 장치는 모두 진공 환경에서 공정을 진행하기 때문에 고가이고, 클린 룸에서 운용되기 때문에 과도한 유지 보수 비용이 소요되었으나, 본 발명에서는 통상의 습식 식각 공정이 이용됨으로써 저렴하게 태양 전지를 제조할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 다수의 마이크로 와이어(113) 및 나노 와이어(114)에 의해 입사된 빛의 반사도가 종래의 평판형 구조에 비해 현저히 낮고, 따라서 고효율인 태양 전지의 제조 방법 및 이를 갖는 태양 전지를 제공한다. 즉, 본 발명은 광흡수층을 기존의 평판형 구조에서 마이크로 와이어(113) 및 나노 와이어(114)의 구조를 적용함으로써, 입사되는 빛의 경로가 증가하고, 이에 따라 광자 구속(photon confinement)과 같은 양자 효과 발생으로 전류값이 증가되며, 결국 효율이 증가한 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지를 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 라디얼(radial) PN 접합 구조와 BSF(Back Surface Field)층을 동시에 형성함으로써, 공정이 간단한 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지를 제공한다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 본 발명에 따른 태양 전지
110; 반도체 기판 111; 제1면
112; 제2면 113; 마이크로 와이어
114; 나노 와이어 115; 제2도전형 불순물 도핑 영역
110a; BSF층 117; 제1전극
118; 제2전극 119; 둘레 영역
120; 포토 레지스트 121; 보호막
123; 은 입자 131; 제1도전형 기판
131a; 더미 기판 131b; 제1도전형 불순물 필름
132; 제2도전형 기판 132a; 더미 기판
132b; 제2도전형 불순물 필름
110; 반도체 기판 111; 제1면
112; 제2면 113; 마이크로 와이어
114; 나노 와이어 115; 제2도전형 불순물 도핑 영역
110a; BSF층 117; 제1전극
118; 제2전극 119; 둘레 영역
120; 포토 레지스트 121; 보호막
123; 은 입자 131; 제1도전형 기판
131a; 더미 기판 131b; 제1도전형 불순물 필름
132; 제2도전형 기판 132a; 더미 기판
132b; 제2도전형 불순물 필름
Claims (12)
- 제1면과 제2면을 갖는 제1도전형 반도체 기판을 준비하는 단계;
상기 제1도전형 반도체 기판의 제2면에 포토레지스트를 패터닝하는 단계;
상기 포토레지스트와 대응하는 영역에는 마이크로 와이어가 형성되도록 하고, 상기 포토레지스트와 대응하지 않는 영역에는 나노 와이어가 형성되도록, 상기 반도체 기판을 무전해 식각하는 단계;
상기 마이크로 와이어 및 나노 와이어에 제2도전형 불순물을 도핑하여 PN 접합 구조가 형성되도록 하는 동시에 상기 반도체 기판의 제1면에 BSF(Back Surface Field)층이 형성되도록 하는 단계;
상기 BSF층에 제1전극을 형성하는 단계; 및,
상기 마이크로 와이어에 제2전극을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 무전해 식각 단계는
상기 반도체 기판의 제1면에 보호막을 형성하고, 상기 반도체 기판을 질산은 용액과 불산 용액의 혼합 용액에 침지하는 제1침지 단계를 포함하며,
상기 제1침지 단계 이후, 상기 질산은 용액으로부터 은 입자가 부착된 상기 반도체 기판을 과산화수소 용액과 불산 용액의 혼합 용액에 침지하는 제2침지 단계를 포함함을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 질산은 용액은 5 내지 15mM 농도이고, 상기 불산 용액은 2mM 내지 8mM 농도인 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 제2침지 단계의 상기 과산화수소 용액과 불산 용액은 각각 2mM 내지 8mM 농도인 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제2침지 단계에 의해 상기 나노 와이어가 형성되고, 상기 제2침지 단계는 1분 내지 12분간 수행됨을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제2침지 단계 이후, 상기 반도체 기판을 질산 용액과 물의 혼합 용액에 침지하여 상기 은 입자를 제거하는 제3침지 단계를 포함함을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 마이크로 와이어는 폭이 1 내지 3㎛이고, 높이가 3 내지 5㎛이며,
상기 나노 와이어는 폭이 1 내지 100㎚이고, 높이가 1 내지 3㎛인 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 PN 접합 구조와 BSF층을 동시에 형성하는 단계는
상기 반도체 기판의 제1면에 제1도전형 불순물 필름을 갖는 제1도전형 기판이 위치되고,
상기 마이크로 와이어에 제2도전형 불순물 필름을 갖는 제2도전형 기판이 위치된 후,
600 내지 800℃의 온도에서 3분 내지 10분 동안 상기 반도체 기판이 열처리되어 이루어짐을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 반도체 기판의 제1면과 상기 제1도전형 기판은 상호간 스페이서에 의해 이격되거나 또는 밀착되고,
상기 마이크로 와이어와 상기 제2도전형 기판은 상호간 스페이서에 의해 이격되거나 또는 밀착된 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제2전극의 형성 단계 전에 상기 마이크로 와이어 및 나노 와이어의 표면에 ALD(Atomic Layer Depisition) 장비로 산화알루미늄층을 형성하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법. - 제 1 항, 제 3 항, 제 5 항 내지 제 11 항 중 어느 하나에 기재된 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 태양 전지.
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| KR101375781B1 true KR101375781B1 (ko) | 2014-03-19 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020120119309A KR101375781B1 (ko) | 2012-10-25 | 2012-10-25 | 나노 및 마이크로 실리콘 복합 구조체의 sod 도핑과 패시베이션 공정을 통한 캐리어 수명이 향상된 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지 |
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| Country | Link |
|---|---|
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20090007127A (ko) * | 2007-07-13 | 2009-01-16 | 주식회사 케이피이 | 계면 활성제 및 산 용액 습식식각 방법을 이용한 삼결정실리콘의 태양전지 제조방법 |
| US20120090673A1 (en) * | 2010-10-19 | 2012-04-19 | Industrial Technology Research Institute | Method for forming solar cell with selective emitters |
| KR20120079803A (ko) * | 2011-01-05 | 2012-07-13 | 린텍 가부시키가이샤 | 투명 전극 기판, 그 제조 방법, 이 투명 전극 기판을 가지는 전자 디바이스 및 태양 전지 |
| KR20120104432A (ko) * | 2010-02-12 | 2012-09-20 | 헤레우스 프레셔스 메탈즈 노스 아메리카 콘쇼호켄 엘엘씨 | 태양 전지에 전체적 후면 전계 및 실버 버스바를 적용하는 방법 |
-
2012
- 2012-10-25 KR KR1020120119309A patent/KR101375781B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
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