KR101383940B1 - 실리콘 태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘 태양전지 및 그 제조 방법을 개시한다. 본 발명에 따르면, 제1도전형의 실리콘 반도체로 이루어진 기판을 준비하는 단계; 상기 기판의 전면에 제1도전형과 반대 도전형의 제2도전형 불순물을 도핑하는 단계; 상기 제2도전형 불순물이 도핑된 기판 표면을 에치-백(etch-back)하여 기판 상부에 제2도전형의 불순물이 저 농도로 도핑된 에미터층을 형성하는 단계; 상기 에미터층 상에 고 농도의 제2도전형 불순물이 도핑된 마이크로 실리콘 결정층 또는 그 패턴을 형성하는 단계; 상기 마이크로 실리콘 결정층 또는 그 패턴 상에 반사방지막을 형성하는 단계; 상기 반사방지막을 관통시켜 상기 마이크로 실리콘 결정층 또는 그 패턴과 전면 전극을 접속시키는 단계; 및 상기 기판의 배면에 후면 전극을 접속시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 저 농도의 불순물이 도핑된 에미터층과 전면 전극 간에 양호한 오믹 콘택을 형성할 수 있다. 또한, 에미터 에치-백 공정을 도입하더라도 전면 전극과 에미터층 간의 콘택 특성이 열화되지 않는다. 나아가, 선택적 에미터를 형성하는데 필요한 사진 식각 공정이나 고온의 불순물 확산 공정을 별도로 진행하지 않으므로, 태양전지 제조 과정을 단순화할 수 있고 제조 비용을 절감할 수 있다.
실리콘 태양전지, 에미터 에치-백, 마이크로 실리콘 결정층, 오믹 콘택
Description
태양전지 제조 방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 에미터층과 전면 전극 간의 콘택 특성이 개선된 실리콘 태양전지 및 그 제조 방법에 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 전지로 분류되는데, 태양전지라고 하면 일반적으로 태양광 전지(이하 태양전지라 한다)를 일컫는다.
태양전지는 원료 물질에 따라 크게 실리콘 태양전지(silicon solar cell), 화합물 반도체 태양전지(compound semiconductor solar cell) 및 적층형 태양전지(tandem solar cell)로 구분된다. 이러한 3가지 종류의 태양전지 중 태양전지 시장에서는 실리콘 태양전지가 주류를 이루고 있다.
도 1은 실리콘 태양전지의 기본적인 구조를 보여주는 단면도이다. 도면을 참 조하면, 실리콘 태양전지는 p형의 실리콘 반도체로 이루어진 기판(101)과 n형 실리콘 반도체로 이루어진 에미터층(102)을 포함하고, 기판(101)과 에미터층(102)의 계면에는 다이오드와 유사하게 p-n 접합이 형성되어 있다.
위와 같은 구조를 갖는 태양전지에 태양광이 입사되면, 광기전력효과(photovoltaic effect)에 의해 불순물이 도핑된 실리콘 반도체에서 전자와 정공이 발생한다. 참고로, n형 실리콘 반도체로 이루어진 에미터층(102)에서는 전자가 다수 캐리어로 발생되고, p형 실리콘 반도체로 이루어진 기판(101)에서는 정공이 다수 캐리어로 발생된다. 광기전력효과에 의해 발생된 전자와 전공은 각각 n형 실리콘 반도체 및 p형 실리콘 반도체 쪽으로 끌어 당겨져 각각 기판(101) 하부 및 에미터층(102) 상부와 접합된 전극(103, 104)으로 이동하며, 이 전극(103, 104)들을 전선으로 연결하면 전류가 흐르게 된다.
태양전지의 출력 특성은 태양전지의 출력전류-전압곡선을 측정하여 평가한다. 출력전류-전압 곡선 상에서 출력전류 Ip와 출력전압 Vp의 곱 Ip×Vp가 최대가 되는 점을 최대출력 Pm이라 정의하고, 최대출력 Pm을 태양전지로 입사하는 총 광에너지(S×I: S는 소자면적, I는 태양전지에 조사되는 광의 강도)로 나눈 값을 변환효율 η로 정의한다. 변환효율 η를 높이기 위해서는 단락전류 Isc(출력전류-전압곡선 상에서 V=0 일 때의 출력전류) 또는 개방전압 Voc(출력전류-전압곡선 상에서 I=0일 때의 출력전압)를 높이거나 출력전류-전압곡선의 각형에 가까운 정도를 나타내는 충실도(fill factor)를 높여야 한다. 충실도의 값이 1에 가까울수록 출력전류-전압곡선이 이상적인 각형에 근접하게 되고, 변환효율 η도 높아지는 것을 의미하 게 된다.
태양전지의 변환효율을 결정짓는 세 가지 인자 중 개방전압 거동은 p형 실리콘 반도체 기판 표면에 n형 불순물을 확산시켜 에미터층를 형성할 때 n형 불순물의 도핑 농도와 밀접한 관련이 있다. 참고로, n형 불순물의 도핑 프로파일은 에미터층의 표면이 가장 높고 에미터층의 내부로 들어갈수록 가우시안(Gaussian) 분포나 에러(Error) 함수를 따라 줄어든다.
종래에는 태양전지의 개방전압을 증가시키기 위해 에미터층 형성 시 불순물을 과도하게 도핑하는 경향이 있었다. 이러한 경우, 에미터층의 표면에 실리콘 반도체 내에서 n형 불순물이 갖는 고체 용해도 이상으로 n형 불순물이 과도하게 도핑되는 문제가 있다. 그 결과, 에미터층 표면 부근에서 캐리어의 이동도가 감소하고 과도한 불순물과의 산란 영향으로 인해 캐리어의 재결합 속도가 증가하고 캐리어의 수명시간도 감소되는 문제가 유발된다.
위와 같은 문제를 해결하기 위해, 질산 및 불산 혼합액을 이용한 습식 식각 또는 CF4 플라즈마 를 이용한 건식 식각에 의해 n형 불순물이 과도하게 도핑된 에미터층의 상부를 제거하는 에미터 에치-백(emitter etch-back) 공정이 제안된 바 있다.
하지만 질산 및 불산 혼합액이나 CF4 플라즈마는 n형 불순물이 과도하게 도핑된 영역에 대한 에칭 선택도가 우수하지 못할 뿐만 아니라 에칭 속도가 빠르다는 단점이 있다. 따라서 종래의 에미터 에치-백 공정은 n형 불순물이 과도하게 도핑된 에미터층의 표면만을 선택적으로 제거하는데 있어서 공정 재연성과 안정성이 떨어지는 한계를 안고 있다.
이러한 점을 감안하여 종래에는 에미터 에치-백 공정의 재연성과 안정성을 확보하기 위해 n형 불순물이 과도하게 도핑된 영역뿐만 아니라 n형 불순물이 적정하게 도핑된 영역의 일부까지 과도 식각을 수행하였다. 그런데 에미터층의 표면이 과도하게 식각 되면 에미터층 표면의 낮은 불순물 농도로 인해 에미터층과 접속되는 전면 전극의 콘택 특성이 열화되게 된다. 그 결과, 전면 전극과 에미터층 간의 콘택 저항이 증가하여 태양전지의 충실도가 감소되며, 충실도의 감소는 태양전지의 변환효율을 저하시키는 일 요인으로 작용하게 된다.
한편 에미터 에치-백 공정이 갖는 단점을 보완하기 위한 종래 기술로는 선택적 에미터 공정이 있다. 선택적 에미터 공정은 에미터 에치-백 공정을 진행한 후 전면 전극이 형성될 지점만을 노출시키는 마스크 패턴을 형성하고 마스크 패턴에 의해 노출된 에미터층 표면에 n형 불순물을 추가로 확산 시킴으로써 전면 전극이 형성될 지점에만 고농도의 n형 불순물이 도핑된 에미터층을 형성하는 공정이다. 하지만 선택적 에미터 공정은 마스크 패턴의 형성을 위한 사진 식각 공정과 추가적인 불순물 확산 공정이 추가되어야 하므로 태양전지의 제조 공정이 복잡해지고 태양전지 제조 비용이 증가하는 한계가 있다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제를 해결하기 위해 창안된 것으로서, 표면의 불순물 도핑 농도가 낮은 에미터층과 이와 접속되는 전면 전극 간의 콘택 특성이 향상된 실리콘 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 에미터층에 도핑된 불순물의 농도에 따라 에칭 선택도가 높은 습식 에천트를 사용하여 에치-백 된 에미터층을 구비하여 공정의 재연성과 안정성이 향상된 실리콘 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 실리콘 태양전지는, 제1도전형의 불순물이 도핑된 실리콘 반도체 기판; 상기 기판 상부에 형성되고 상기 제1도전형과 반대 극성을 갖는 제2도전형의 불순물이 저 농도로 도핑된 에미터층; 상기 에미터층 상에 형성되고 제2도전형의 불순물이 고 농도로 도핑된 마이크로 실리콘 결정층; 상기 마이크로 실리콘 결정층 상에 형성된 반사방지막; 상기 반사방지막을 관통하여 마이크로 실리콘 결정층에 접속된 전면 전극; 및 상기 기판의 배면에 접속된 후면 전극을 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 실리콘 태양전지는, 제1도전형의 불순물이 도핑된 실리콘 반도체 기판; 상기 기판 상부에 형성되고 상기 제1도전형과 반대 극성을 갖는 제2도전형의 불순물이 저 농도로 도핑된 에미터층; 상기 에미터층 상의 전면 전극 접속 지점에 형성되고 제2도전형의 불순 물이 고 농도로 도핑된 마이크로 실리콘 결정층 패턴; 상기 마이크로 실리콘 결정층 패턴과 에미터층 상에 형성된 반사방지막; 상기 반사방지막을 관통하여 상기 마이크로 실리콘 결정층 패턴에 접속된 전면 전극; 및 상기 기판의 배면에 접속된 후면 전극을 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 실리콘 태양전지 제조 방법은, 제1도전형의 실리콘 반도체로 이루어진 기판을 준비하는 단계; 상기 기판의 전면에 제1도전형과 반대 극성의 제2도전형 불순물을 도핑하는 단계; 상기 제2도전형 불순물이 도핑된 기판 표면을 에치-백하여 기판 상부에 제2도전형의 불순물이 저 농도로 도핑된 에미터층을 형성하는 단계; 상기 에미터층 상에 고농도의 제2도전형 불순물이 도핑된 마이크로 실리콘 결정층을 형성하는 단계; 상기 마이크로 실리콘 결정층상에 반사방지막을 형성하는 단계; 상기 반사방지막을 관통시켜 상기 마이크로 실리콘 결정층과 전면 전극을 접속시키는 단계; 및 상기 기판의 배면에 후면 전극을 접속시키는 단계를 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 실리콘 태양전지 제조 방법은, 제1도전형의 실리콘 반도체로 이루어진 기판을 준비하는 단계; 상기 기판의 전면에 제1도전형과 반대 극성의 제2도전형 불순물을 도핑하는 단계; 상기 제2도전형 불순물이 도핑된 기판 표면을 에치-백하여 기판 상부에 제2도전형의 불순물이 저 농도로 도핑된 에미터층을 형성하는 단계; 상기 에미터층 상의 전면 전극 접속 지점에 고농도의 제2도전형 불순물이 도핑된 마이크로 실리콘 결정층 패턴을 형성하는 단계; 상기 마이크로 실리콘 결정층 패턴 및 에미터층 상에 반사 방지막을 형성하는 단계; 상기 반사방지막을 관통시켜 상기 마이크로 실리콘 결정층 패턴과 전면 전극을 접속시키는 단계; 및 상기 기판의 배면에 후면 전극을 접속시키는 단계를 포함한다.
바람직하게, 상기 에미터층은 질산(HNO3), 불산(HF), 아세트산(CH3COOH) 및 물(H2O)이 10:0.1~0.01:1~3:5~10의 부피비로 혼합된 선택적 습식 에천트에 의해 에치-백 된다.
바람직하게, 마이크로 실리콘 결정층은 50 ~ 100nm의 두께로 형성하고, 마이크로 실리콘 결정층 패턴은 50 ~ 500nm의 두께로 형성한다.
본 발명에 따르면, 선택적 에미터 공정을 진행하지 않고도 저 농도의 불순물이 도핑된 에미터층과 전면 전극 간에 양호한 오믹 콘택을 형성할 수 있다. 또한, 에미터 에치-백 공정을 도입하더라도 전면 전극과 에미터층 간의 콘택 특성이 열화되지 않으므로 태양전지의 변환효율이 감소되지 않는다. 나아가, 선택적 에미터를 형성하는데 필요한 사진 식각 공정이나 고온의 불순물 확산 공정을 별도로 진행하지 않으므로, 태양전지 제조 과정을 단순화할 수 있고 제조 비용을 절감할 수 있다. 아울러, 에미터층의 에치-백시 불순물의 농도에 따라 에칭 선택도가 변화되는 습식 에천트를 사용함으로써 에미터 에치-백 공정의 재연성과 안정성을 확보할 수 있다.
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.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘 태양전지의 구조를 개략적으로 보인 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 실리콘 태양전지는, 제1도전형의 불순물이 도핑된 실리콘 반도체 기판(201), 상기 기판(201)의 상부에 형성되고 제1도전형과 반대 극성을 갖는 제2도전형의 불순물이 저 농도로 도핑되어 있는 에미터층(202), 상기 에미터층(202) 상에 형성되고 제2도전형의 불순물이 고 농도로 도핑되어 있는 마이크로 실리콘 결정층(203), 상기 마이크로 실리콘 결정층(203) 상에 형성된 반사방지막(204), 상기 반사방지막(204)을 관통하여 에미터층(202)의 상부 표면과 접속된 전면 전극(205), 및 상기 기판(201)의 배면에 접속된 후면 전극(206)을 포함한다.
상기 제1도전형의 불순물은 p형 불순물이고, 제2도전형의 불순물은 n형 불순 물이다. 따라서 기판(201)에는 3족 원소인 B, Ga, In 등이 불순물로 도핑되어 있고, 에미터층(202)에는 5족 원소인 P, As, Sb 등이 불순물로 도핑되어 있다. 이처럼 기판(201)과 에미터층(202)에 반대 도전형의 불순물이 도핑되면, 기판(201)과 에미터층(202)의 계면에는 p-n 접합이 형성된다. 한편 p-n 접합은 기판(201)에 n형 불순물을 도핑하고 에미터층(202)에 p형 불순물을 도핑하여 형성해도 무방하다.
상기 에미터층(202)은 기판(201)의 표면을 통해 제2도전형의 불순물을 확산시킨 후 습식 또는 건식 에천트를 이용한 에치-백 공정을 적용하여 형성한 것이다. 에치-백 공정이 적용되면 에미터층(202) 상부에 존재하는 고농도 불순물 도핑 영역이 제거되므로, 에미터층(202)의 상부에는 제2도전형의 불순물이 저 농도로 도핑되어 있게 된다. 여기서 저 농도라 함은 제2도전형의 불순물이 1019 atom/cm3 이하의 농도로 도핑되어 있는 것을 의미한다. 하지만 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다. 참고로, 에미터층(202) 내에 도핑된 불순물의 농도 프로파일은 에미터층(202)의 하부로 가면서 가우시안 분포 또는 에러 함수 분포에 따라 감소된다.
상기 마이크로 실리콘 결정층(203)은 전면 전극(205)과 에미터층(202) 사이에 개재되어 전면 전극(205)의 콘택 특성을 향상시켜 전면 전극(205)의 오믹 콘택을 구현한다. 그리고 상기 마이크로 실리콘 결정층(203)은 비정질 실리콘에 비해 태양광에 대한 흡수 계수가 매우 작으므로, 적절한 두께 조건에서는 유의미한 태양광의 흡수 손실을 야기하지 않는다.
상기 마이크로 실리콘 결정층(203)은 화학 기상 증착법을 이용하여 형성하는 데, 바람직하게는 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)법을 이용하여 형성한다. 하지만 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니므로 열선 CVD법 또는 Photo CVD 법에 의해 마이크로 실리콘 결정층(203)을 형성할 수도 있다.
상기 마이크로 실리콘 결정층(203)은 50 ~ 100nm의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 마이크로 실리콘 결정층(203)의 두께가 50nm 보다 작으면 스크린 인쇄 및 열처리를 통해 전면 전극(205)을 형성할 때 전면 전극이 마이크로 실리콘 결정층(203)을 뚫고 에미터층(202)에 곧 바로 접속되는 문제가 있다. 이러한 경우, 마이크로 실리콘 결정층(203)에 의한 전면 전극의 콘택 특성 향상을 기대하기 어렵다. 반면, 마이크로 실리콘 결정층(203)의 두께가 100nm 보다 두꺼우면 결정층 자체에 의한 태양광의 흡수량이 증가되어 태양전지의 변환효율이 저감된다.
상기 마이크로 실리콘 결정층(203) 내에는 전면 전극(205)과 에미터층(202)의 콘택 특성을 향상시키기 위해 제2도전형의 불순물이 고 농도로 도핑되어 있다. 여기서, 고 농도라 함은 불순물의 농도가 1020 atoms/cm3 이상인 경우를 의미한다. 하지만 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다. 불순물의 고 농도 도핑은 화학 기상 증착법에 의해 마이크로 실리콘 결정층(203)을 형성할 때 실리콘 소스 가스와 제2도전형의 불순물 소스 가스를 동시에 공급하는 것에 의해 이루어진다. n형 불순물 소스가스로는 B2H6를, p형 불순물 소스 가스로는 PH3를 사용할 수 있는데, 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다.
상기 반사방지막(204)은 에미터층(202)의 표면 또는 벌크 내에 존재하는 결 함(예컨대, 댕글링 본드)을 부동화하고 기판(201)의 전면으로 입사되는 태양광의 반사율을 감소시킨다. 에미터층(202)에 존재하는 결함이 부동화되면 소수 캐리어의 재결합 사이트가 제거되어 태양전지의 개방전압이 증가한다. 그리고 태양광의 반사율이 감소되면 p-n 접합까지 도달되는 빛의 양이 증대되어 태양전지의 단락전류가 증가한다. 이처럼 반사방지막(204)에 의해 태양전지의 개방전압과 단락전류가 증가되면 그 만큼 태양전지의 변환효율이 향상된다.
상기 방사방지막(204)은 실리콘 질화막, 수소를 포함한 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 실리콘 산화질화막, MgF2, ZnS, MgF2, TiO2 및 CeO2 로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 단일막 또는 2개 이상의 물질막이 조합된 다중막 구조를 갖는다. 그리고 상기 반사방지막(204)은 진공 증착법, 화학 기상 증착법, 스핀 코팅, 스크린 인쇄 또는 스프레이 코팅에 의해 형성한 것이다.
상기 전면 전극(205)과 후면 전극(206)은 각각 은과 알루미늄으로 이루어진 금속 전극이다. 하지만 본 발명이 전극을 구성하는 물질의 종류에 의해 한정되는 것은 아니다. 은 전극은 전기 전도성이 우수하고, 알루미늄 전극은 전기 전도성이 우수할 뿐만 아니라 실리콘 반도체로 이루어진 기판(201)과의 친화력이 우수하여 접합이 잘 되는 장점이 있다.
상기 전면 전극(205)과 후면 전극(206)은 공지된 여러 가지 기술에 의해 제조 가능하지만, 바람직하게는 스크린 인쇄법에 의해 형성된 것이다. 즉, 전면 전극(205)은 은(Ag), 글래스 프릿(glass frit) 및 바인더 등이 첨가된 전면 전극용 페이스트를 전면 전극 형성 지점에 스크린 인쇄한 후 열처리를 시행하여 형성한다. 열처리가 시행되면 펀치 쓰루(punch through) 현상에 의해 전면 전극이 반사방지막(204)을 뚫고 마이크로 실리콘 결정층(203)과 접속된다.
이와 유사하게, 후면 전극(206)은 알루미늄, 석영 실리카, 바인더 등이 첨가된 후면 전극용 페이스트를 기판(201)의 배면에 인쇄한 후 열처리를 시행하여 형성한다. 후면 전극의 열처리 시에는 전극 구성 물질인 알루미늄이 기판(201)의 배면을 통해 확산됨으로써 후면 전극(206)과 기판(201)의 경계면에 후면 전계(Back Surface field: 미도시)층이 형성될 수도 있다. 후면 전계층이 형성되면 캐리어가 기판(201)의 배면으로 이동하여 재결합되는 것을 방지할 수 있다. 캐리어의 재결합이 방지되면 개방전압과 충실도가 상승하여 태양전지의 변환효율이 향상된다.
상기 전면 전극(205)과 후면 전극(206)은 스크린 인쇄법 이외에도 통상적인 사진 식각 공정과 금속 증착 공정을 이용하여 형성한 것일 수도 있다. 따라서 본 발명은 전면 전극(205) 및 후면 전극(206)의 형성을 위해 적용되는 공정에 의해 한정되지 않는다.
한편, 본 발명에 따른 태양전지는 도 3에 도시된 바와 같이 전면 전극(205)의 접속 지점에만 형성된 마이크로 실리콘 결정층 패턴(207)을 구비하여도 무방하다. 이 때, 마이크로 실리콘 결정층 패턴(207)의 두께는 50 ~ 500nm인 것이 바람직하다. 마이크로 실리콘 결정층 패턴(207)의 두께가 50nm보다 작으면 전면 전극(205)이 형성될 때 전면 전극(205)이 에미터층(202)에 직접 접속될 우려가 있다. 이에 대해서는 이미 상술하였다. 그리고 마이크로 실리콘 결정층 패턴(207)의 두께 가 500nm보다 크면 패턴(207)에 의한 저항 성분의 증가로 태양전지의 충실도가 감소하여 태양전지의 변환효율이 감소하는 문제가 있다. 마이크로 실리콘 결정층(203)을 패턴화시킬 경우, 전면 전극(205)이 접속되는 지점 이외의 영역에는 마이크로 실리콘 결정층(203)이 존재하지 않으므로 기판(201) 전면에 입사되는 태양광의 흡수 손실을 최소화할 수 있다. 상기 마이크로 실리콘 결정층 패턴(207)은 에미터층(202) 전면에 마이크로 실리콘 결정층(203)을 성막한 후 사진 식각 공정을 이용하여 형성할 수 있다.
상술한 본 발명에 따른 태양전지는, 에미터층(202) 상부의 불순물 도핑 농도가 낮더라도 전면 전극(205)이 마이크로 실리콘 결정층(203) 또는 그 패턴(207)을 통해 에미터층(202) 상부에 접속된다. 따라서 전면 전극(205)의 콘택 특성이 향상되어 전면 전극(205)의 오믹 콘택이 가능해진다.
그러면, 이하에서는 본 발명에 따른 실리콘 태양전지의 제조 방법을 상세하게 설명하기로 한다. 이하에서 설명되는 실리콘 태양전지의 제조 방법에서는 실리콘 반도체 기판에 도핑되는 불순물이 p형, 에미터층과 마이크로 실리콘 결정층에 도핑되는 불순물이 n형인 경우를 가정한다. 하지만 본 발명은 실리콘 반도체 기판에 도핑되는 불순물이 n형이고, 에미터층과 마이크로 실리콘 결정층에 도핑되는 불순물이 p형인 경우에도 동일하게 적용될 수 있음은 물론이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘 태양전지 제조 방법을 순차적으로 도시한 공정 단면도들이다.
도 4를 참조하면, 먼저 p형 실리콘 반도체로 이루어진 기판(201)을 준비하여 확산로(diffusion furnace)에 로딩한다. 여기서, 기판(201)은 단결정, 다결정 또는 비정질 실리콘 반도체 기판이다. 그런 다음 기판(201) 표면을 통해 n형 불순물을 확산시켜 기판(201) 상부에 n형의 에미터층(202)을 형성한다.
그런 다음 도 5에 도시된 바와 같이 에미터 에치-백 공정을 진행하여 에미터층(202) 상부에 존재하는 고 농도의 불순물 도핑 영역을 제거한다. 이 때, 에치-백 공정은 습식 에천트 또는 플라즈마와 같은 건식 에천트를 모두 사용할 수 있는데, 바람직하게는 에미터층(202)에 도핑된 불순물의 농도에 따라 식각 속도가 변화되는 선택적 습식 에천트를 사용한다.
상기 선택적 습식 에천트로는 질산(HNO3), 불산(HF), 아세트산(CH3COOH) 및 물(H2O)이 10:0.1~0.01:1~3:5~10의 부피비로 혼합된 조성물을 사용할 수 있다. 이러한 조성을 갖는 선택적 습식 에천트는 불순물의 도핑 농도가 높을수록 에미터층(202)을 빠르게 식각한다. 상기 선택적 습식 에천트는 습식 에천트의 부피비와 에미터층(202)에 확산된 불순물의 종류 및 농도 등에 의해 다른 식각 속도를 갖는데, 불순물이 고 농도로 도핑된 영역에서는 0.08 ~ 0.12um/sec, 불순물이 저 농도로 도핑된 영역에서는 0.01 ~ 0.03um/sec의 식각 속도를 가질 수 있다.
상기 선택적 습식 에천트에 혼합된 물질 중 질산은 에미터층(202)의 표면을 산화시킨다. 그리고 불산은 질산에 의해 산화된 부분을 식각한다. 불산은 실리콘 반도체의 결정학적 구조 결함 부분을 선택적으로 식각하는 경향이 있고, 질산에 의한 실리콘 반도체의 산화는 불순물의 도핑 농도가 클수록 활성화되는 경향이 있다. 따라서 에천트에 질산이 많이 함유될수록 에미터층(202)을 균일하게 식각할 수 있다. 그리고 에천트에 불산이 많이 함유될수록 에미터층(202)의 식각 속도를 증가시킬 수 있다.
상기 선택적 습식 에천트의 조성에서, 불산의 함유량이 상한보다 크면 산화막 식각의 균일성이 악화되고 빠른 식각속도로 인해 에미터 에치-백 공정의 재연성이 떨어진다. 그리고 불산의 함유량이 하한보다 작으면 산화막 식각 속도가 너무 느려지거나 산화막 식각이 거의 발생되지 않는다.
또한, 상기 선택적 습식 에천트에 함유된 물질 중 물과 아세트산은 불산에 의한 산화막의 식각 속도를 지연시키는 작용을 한다. 그리고 아세트산은 질산에 의한 실리콘 반도체의 산화를 촉진하는 기능을 한다. 따라서 아세트산은 질산의 기능을 보완하여 식각의 균일도를 형상시키는데 도움을 준다.
상기 선택적 습식 에천트의 조성에서, 물과 아세트산의 함유량이 상한보다 크면 불산에 의한 산화막의 식각 속도가 너무 느려지거나 식각이 거의 발생되지 않는다. 그리고 물과 아세트산의 함유량이 하한보다 작으면 불산에 의한 산화막의 빠른 식각 속도로 인해 에미터 에치-백 공정의 재연성을 확보하기 어렵다.
도 9는 상기에서 설명한 선택적 습식 에천트를 이용하여 에미터 에치-백 공정을 진행하였을 때 에칭 시간(X축)에 따른 에칭 두께(Y축)를 측정하여 도시한 그래프이고, 도 10은 에칭 시간(X축)에 따른 에칭 속도(Y축)와 그 변화율을 측정하여 도시한 그래프이다. 도 10에서 실선은 '총 에칭 두께/총 에칭 경과 시간'을 계산하여 도시한 그래프이다.
도 9를 참조하면, n형 불순물의 도핑 농도가 높은 에미터층(202)의 상부표면 근처(대략 0.300um 깊이까지)에서는 에미터층(202)이 빠른 속도로 식각되다가 n형 불순물의 도핑 농도가 낮은 깊이(대략 0.300um 이상)에서는 에미터층(202)이 서서히 식각되는 것을 알 수 있다. 또한, 도 10을 참조하면, 식각 초반부(약 3초까지)에는 0.1um/sec의 빠른 식각 속도로 에미터층(202)이 제거되다가 그 이후에는 0.01 ~ 0.03um/sec 정도의 느린 식각 속도로 에미터층(203)이 제거되는 것을 알 수 있다. 이처럼 n형 불순물의 도핑 정도에 따라 서로 다른 속도로 에미터층(202)을 제거할 수 있으면, 에미터 에치-백 공정의 재연성과 안정성을 확보할 수 있다.
한편, 에미터층(202)의 에치-백 공정은 선택적 습식 에천트가 아닌 통상적으로 사용되는 에천트를 이용하여 진행하여도 무방하다. 예를 들어 질산과 불산이 혼합된 습식 에천트 또는 CF4 플라즈마와 같은 건식 에천트를 사용하여 에미터층(202)을 에칭할 수도 있다. 따라서 본 발명은 에미터층(202)의 에치-백을 위해 사용되는 에천트의 종류에 의해 한정되지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
상술한 에미터층(202)의 에치-백이 완료되면, 에미터층(202)의 표면에는 저 농도의 불순물이 도핑되어 있는 상태가 된다. 이 상태에서, 도 6에 도시된 바와 같이 에미터층(202) 상에 마이크로 실리콘 결정층(203)을 형성한다.
상기 마이크로 실리콘 결정층(203)은 공지된 여러 가지 방식의 화학 기상 증착법에 의해 형성 가능한데, 바람직하게는 PECVD법으로 형성하여 50 ~ 100nm의 두께로 형성한다. 여기서, 마이크로 실리콘 결정층(203)의 두께 한정 의의에 대해서 는 이미 상술한 바 있다. PECVD법에 의해 마이크로 실리콘 결정층(203)을 형성할 경우 기판(201)의 온도, 플라즈마 파워, 챔버 압력, 반응 가스 유량 등의 공정 조건은 PECVD 장비에 따라 달라진다. 대략적으로, 기판(201)의 온도는 150 ~ 300도, 챔버 압력은 수 torr 이하, 플라즈마 파워는 10mW/cm2 이하, 반응 가스인 SiH4와 H2는 각각 수십 sccm 이하 및 수백 sccm 이상, 불순물 소스 가스인 PH3는 수 sccm 이하로 설정할 수 있다.
상기 마이크로 실리콘 결정층(203)의 형성이 완료되면, 그 위에 반사방지막(204)을 형성한다. 반사방지막(204)은 실리콘 질화막, 수소를 포함한 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 실리콘 산화질화막, MgF2, ZnS, MgF2, TiO2 및 CeO2 로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 단일막 또는 2개 이상의 물질막이 조합된 다중막 구조로 형성한다. 그리고 상기 반사방지막(204)은 진공 증착법, 화학 기상 증착법, 스핀 코팅, 스크린 인쇄, 스프레이 코팅 등의 방법으로 형성한다. 하지만 본 발명은 반사방지막(204)의 종류 및 형성 방법에 의해 한정되는 것은 아니다.
이어서, 상기 반사방지막(204) 상에 전면 전극용 페이스트를 소정의 패턴으로 스크린 인쇄한 후 열처리를 진행하여 펀치 쓰루에 의해 마이크로 실리콘 결정층(203)의 상부와 접속되는 전면 전극(205)을 형성한다. 상기 전면 전극용 페이스트에는 은(Ag), 글래스 프릿(glass frit) 및 바인더 등이 첨가되어 있으며, 열처리가 시행되면 펀치 쓰루 현상에 의해 전면 전극(205)이 반사방지막(204)을 뚫고 마이크로 실리콘 결정층(203)과 접속된다.
마지막으로, 기판(201)의 배면에 후면 전극용 페이스트를 스크린 인쇄한 후 열처리를 시행하여 후면 전극(206)을 형성한다. 후면 전극용 페이스트에는 알루미늄, 석영 실리카, 바인더 등이 첨가되어 있다. 열처리가 시행되면 페이스트가 소결되어 후면 전극(206)과 기판(201)이 긴밀하게 접합된다. 한편 후면 전극의 형성을 위한 열처리를 시행할 때 페이스트의 두께와 열처리 온도를 조절하여 전극 구성 물질인 알루미늄을 기판(201)의 배면을 통해 확산시킬 수 있다. 이러한 경우, 후면 전극(206)과 기판(201)의 경계면에 후면 전계(Back Surface field: 미도시)층이 형성된다. 후면 전계층이 형성되면 캐리어가 기판(201)의 배면으로 이동하여 재결합되는 것을 방지할 수 있다. 캐리어의 재결합이 방지되면 개방전압과 충실도가 상승하여 태양전지의 변환효율이 향상된다.
상기 전극 형성 공정에 따르면, 전면 전극(205)을 후면 전극(206)보다 먼저 형성하였다. 하지만 전극의 형성 순서는 그 반대가 되어도 무방하다. 또한, 경우에 따라서는 전면 전극용 페이스트와 후면 전극용 페이스트를 동시에 도포한 후 한번의 열처리를 시행하여 전면 전극(205)과 후면 전극(206)을 함께 형성할 수도 있다.
상기 전면 전극(205)과 후면 전극(206)은 스크린 인쇄법 이외에도 통상적인 사진 식각 공정과 금속 증착 공정을 이용하여 형성할 수도 있다. 이러한 경우에도 전극의 콘택 특성 향상을 위해 열처리 공정을 진행하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 태양전지의 제조 방법은, 도 7에 도시된 바와 같이 방사방지막(204)을 형성하기에 앞서 사진 식각 공정을 이용하여 마이크로 실리콘 결정층(203)을 패터닝할 수도 있다. 이 때, 마이크로 실리콘 결정층(203)은 50 ~ 500nm의 두께로 형성하며, 두께 범위의 한정 의의에 대해서는 이미 상술한 바 있다. 마이크로 실리콘 결정층(203)을 패터닝하면, 전면 전극(205)이 접속될 지점에만 마이크로 실리콘 결정층 패턴(207)이 형성된다. 마이크로 실리콘 결정층 패턴(207)이 형성되면 도 8에 도시된 바와 같이 기판(201) 전면에 방사방지막(204)을 형성한 후 전면 전극(205) 및 후면 전극(206)을 형성한다. 이 때, 방사방지막(204), 전면 전극(205) 및 후면 전극(206)의 형성 방법은 상술한 바와 실질적으로 동일하므로 반복적인 설명은 생략하기로 한다.
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.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 전술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되지 않아야 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 실리콘 태양전지의 개략적인 구조를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 태양전지의 구조를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 태양전지의 구조를 도시한 단면도이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 태양전지 제조 방법의 순서를 도시한 공정 단면도들이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 태양전지 제조 방법의 순서를 도시한 공정 단면도들이다.
도 9는 본 발명에 따른 선택적 습식 에천트를 이용하여 식각 공정을 진행하였을 때 에칭 시간(X축)에 따른 에칭 두께(Y축)를 측정하여 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 선택적 습식 에천트를 이용하여 식각 공정을 진행하였을 때 에칭 시간(X축)에 따른 에칭 속도(Y축) 및 그 변화율을 측정하여 도시한 그래프이다.
<도면의 주요 참조 번호>
201: 기판 202: 에미터층
203: 마이크로 실리콘 결정층
204: 반사방지막 205: 전면 전극
206: 후면 전극 207: 마이크로 실리콘 결정층 패턴
Claims (12)
- 제1도전형의 불순물이 도핑된 실리콘 반도체 기판;상기 기판 상부에 형성되고 상기 제1도전형과 반대 극성을 갖는 제2도전형의 불순물이 저 농도로 도핑된 에미터층;상기 에미터층 상에 형성되고 제2도전형의 불순물이 고 농도로 도핑된 마이크로 실리콘 결정층;상기 마이크로 실리콘 결정층 상에 형성된 반사방지막;상기 반사방지막을 관통하여 상기 마이크로 실리콘 결정층에 접속된 전면 전극; 및상기 기판의 배면에 접속된 후면 전극을 포함하고,상기 마이크로 실리콘 결정층은 50 ~ 100nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 에미터층은 에미터 에치-백 공정에 의해 상부의 고 농도 불순물 도핑 영역이 제거된 것임을 특징으로 하는 실리콘 태양전지.
- 제1도전형의 불순물이 도핑된 실리콘 반도체 기판;상기 기판 상부에 형성되고 상기 제1도전형과 반대 극성을 갖는 제2도전형의 불순물이 저 농도로 도핑된 에미터층;상기 에미터층 상의 전면 전극 접속 지점에 형성되고 제2도전형의 불순물이 고 농도로 도핑된 마이크로 실리콘 결정층 패턴;상기 마이크로 실리콘 결정층 패턴과 에미터층 상에 형성된 반사방지막;상기 반사방지막을 관통하여 상기 마이크로 실리콘 결정층 패턴에 접속된 전면 전극; 및상기 기판의 배면에 접속된 후면 전극을 포함하고,상기 마이크로 실리콘 결정층 패턴은 50 ~ 500nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지.
- 삭제
- 제4항에 있어서,상기 에미터층은 에미터 에치-백 공정에 의해 상부의 고 농도 불순물 도핑 영역이 제거된 것임을 특징으로 하는 실리콘 태양전지.
- (a) 제1도전형의 실리콘 반도체로 이루어진 기판을 준비하는 단계;(b) 상기 기판의 전면에 제1도전형과 반대 극성의 제2도전형 불순물을 도핑하는 단계;(c) 상기 제2도전형 불순물이 도핑된 기판 표면을 에치-백하여 기판 상부에 제2도전형의 불순물이 저 농도로 도핑된 에미터층을 형성하는 단계;(d) 상기 에미터층 상에 고농도의 제2도전형 불순물이 도핑된 마이크로 실리콘 결정층을 형성하는 단계;(e) 상기 마이크로 실리콘 결정층 상에 반사방지막을 형성하는 단계;(f) 상기 반사방지막을 관통시켜 상기 마이크로 실리콘 결정층과 전면 전극을 접속시키는 단계; 및(g) 상기 기판의 배면에 후면 전극을 접속시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하고,상기 마이크로 실리콘 결정층은 50 ~ 100nm의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지 제조 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 (c) 단계에서,질산(HNO3), 불산(HF), 아세트산(CH3COOH) 및 물(H2O)이 10:0.1~0.01:1~3:5~10의 부피비로 혼합된 선택적 습식 에천트를 이용하여 기판 전면을 에치-백하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지 제조 방법.
- 삭제
- (a) 제1도전형의 실리콘 반도체로 이루어진 기판을 준비하는 단계;(b) 상기 기판의 전면에 제1도전형과 반대 도전형의 제2도전형 불순물을 도핑하는 단계;(c) 상기 제2도전형 불순물이 도핑된 기판 표면을 에치-백하여 기판 상부에 제2도전형의 불순물이 저 농도로 도핑된 에미터층을 형성하는 단계;(d) 상기 에미터층 상의 전면 전극 접속 지점에 고농도의 제2도전형 불순물이 도핑된 마이크로 실리콘 결정층 패턴을 형성하는 단계;(e) 상기 마이크로 실리콘 결정층 패턴 및 에미터층 상에 반사방지막을 형성하는 단계;(f) 상기 반사방지막을 관통시켜 상기 마이크로 실리콘 결정층 패턴과 전면 전극을 접속시키는 단계; 및(g) 상기 기판의 배면에 후면 전극을 접속시키는 단계를 포함하고,상기 마이크로 실리콘 결정층은 50 ~ 500nm의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지 제조 방법.
- 제10항에 있어서, 상기 (c) 단계에서,질산(HNO3), 불산(HF), 아세트산(CH3COOH) 및 물(H2O)이 10:0.1~0.01:1~3:5~10의 부피비로 혼합된 선택적 습식 에천트를 이용하여 기판 전면을 에치-백하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지 제조 방법.
- 삭제
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