KR101407165B1 - 태양전지의 ｌｂｓｆ 후면 전극 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지의 LBSF 후면 전극 형성방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 태양전지의 LBSF 후면 전극 형성방법은, (a) 불순물이 도핑된 태양전지 기판의 후면에 상기 불순물과 동일한 도전형의 불순물이 포함된 후면 전극 패턴을 스크린 인쇄하는 단계; (b) 열처리에 의해 상기 후면 전극 패턴이 접하는 태양전지 기판의 후면 부분에 LBSF(local back surface field)를 형성하는 단계; (c) 상기 후면 전극 패턴이 형성되지 않은 태양전지 기판의 후면에 패시베이션층을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 태양전지 기판의 후면 전체에 후면 전극층을 스크린 인쇄하여 상기 후면 전극 패턴과 후면 전극층을 전기적으로 연결하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 태양전지의 LBSF 후면 전극 형성 시 스크린 인쇄를 이용한 간단한 공정으로 종래의 복잡한 패시베이션층의 패터닝 공정을 생략함으로써, LBSF의 형성 과정을 단순화시킬 수 있고, 이를 통해 태양전지의 제조 비용을 절감할 수 있다.
태양전지, LBSF, 패시베이션층, 후면 전극
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스크린 인쇄를 이용한 간단한 공정으로 LBSF를 형성하는 태양전지의 LBSF 후면 전극 형성방법에 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 주목받고 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 '태양전지'라 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 (-) 전하 를 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.
이와 같은 태양전지의 출력특성은 일반적으로 솔라시뮬레이터를 이용하여 얻어진 출력전류전압곡선 상에서 출력전류 Ip와 출력전압 Vp의 곱 Ip×Vp의 최대값(Pm)을 태양전지로 입사하는 총광에너지(S×I: S는 소자면적, I는 태양전지에 조사되는 광의 강도)로 나눈 값인 변환효율 η에 의해 평가된다.
태양전지의 변환효율을 향상시키기 위해서는 태양전지에 입사되는 태양광의 반사도를 낮추고 태양전지 기판의 면 저항과 전극의 접촉 저항을 낮추어야 할 뿐만 아니라 캐리어인 전자와 정공의 재결합률을 감소시켜야 한다.
캐리어의 재결합률을 낮출 수 있는 방법에는 여러 가지가 있는데, 그 중 하나가 태양전지 후면에 LBSF(local back surface field)를 형성하는 방법이 사용되고 있다. LBSF는 태양전지 기판의 후면 영역 중 기판에 주입된 불순물 농도가 상대적으로 높은 영역을 의미한다. 예를 들어, p형 실리콘 기판이 태양전지 기판으로 사용되는 경우, LBSF는 태양전지 기판의 후면 영역 중 p형 불순물이 고농도로 주입된 국소 영역을 의미한다. 이러한 LBSF는 후면 전극 패턴과 태양전지 기판 후면이 접하는 영역에 형성하며, 기판과 후면 전극 간의 접촉 저항을 낮추고 캐리어의 재 결합을 감소시키는 작용을 한다.
도 2 내지 도 5는 종래 기술에 따른 태양전지의 LBSF 후면 전극 형성방법을 도시한 공정 흐름도이다.
도면들을 참조하면, 종래의 LBSF 후면 전극 형성방법은, 먼저 태양전지 기판(10)의 후면 전체에 패시베이션층(passivation layer)(20)을 형성한다(도 2). 그런 다음, 패시베이션층(20)을 패터닝하여 LBSF가 형성될 지점에 개구(30)를 형성한다(도 3). 그리고 나서, 개구(30) 내에 알루미늄이 함유된 후면 전극 패턴(40)을 형성하고, 열처리를 통해 알루미늄을 태양전지 기판(10)으로 확산시켜 LBSF(50)를 형성한다(도 4). 이렇게 LBSF(50)가 형성되면, 태양전지 기판(10) 후면에 후면 전극층(60)을 형성하여 LBSF(50), 후면 전극 패턴(40) 및 후면 전극층(60)을 포함하는 LBSF 후면 전극(70)의 형성 공정을 완료하게 된다(도 5).
위와 같은 방식으로 LBSF 후면 전극(70)을 형성하면 포토리소그래피 방법, 레이저 식각 방법, 기계적 스크라이빙 방법, 플라즈마 식각 방법 등을 이용하여 패시베이션층을 패터닝하는 과정이 반드시 수반되어야 한다. 그러데 패시베이션층의 패터닝 과정이 수반되면, 공정의 복잡도와 제조 비용이 증가하므로 대량 생산 체제에 적합하지 않은 한계가 있다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제를 해결하기 위해 창안된 것으로서, LBSF 후면 전극 형성 시 복잡한 패시베이션층의 패터닝 공정을 배제함으로써, LBSF의 형성 공정을 단순화시키고 이를 통해 태양전지의 제조 비용을 절감할 수 있는 태양전지의 LBSF 후면 전극 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 태양전지의 LBSF 후면 전극 형성방법은, (a) 불순물이 도핑된 태양전지 기판의 후면에 상기 불순물과 동일한 도전형의 불순물이 포함된 후면 전극 패턴을 스크린 인쇄하는 단계; (b) 열처리에 의해 상기 후면 전극 패턴이 접하는 태양전지 기판의 후면 부분에 LBSF(local back surface field)를 형성하는 단계; (c) 상기 후면 전극 패턴이 형성되지 않은 태양전지 기판의 후면에 패시베이션층을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 태양전지 기판의 후면 전체에 후면 전극층을 스크린 인쇄하여 상기 후면 전극 패턴과 후면 전극층을 전기적으로 연결하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 패시베이션층은 열산화법, CVD법 또는 PECVD법에 의해 형성하며, 형성된 패시베이션층은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 실리콘 산화질화막 및 티타늄 산화막으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 물질막일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 후면 전극 패턴 및 후면 전극층은 알루미늄을 포함하는 전극 페이스트를 스크린 인쇄하여 형성한다.
바람직하게, 상기 패시베이션층은 후면 전극 패턴의 높이보다 낮은 두께로 형성한다.
본 발명에 있어서, 상기 패시베이션층의 형성이 완료된 후, 상기 후면 전극 패턴 상에 형성된 절연 물질을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 태양전지의 LBSF 후면 전극 형성방법은, (a) 불순물이 도핑된 태양전지 기판의 후면에 상기 불순물과 동일한 도전형의 불순물이 포함된 후면 전극 패턴을 스크린 인쇄하는 단계; (b) 상기 후면 전극 패턴이 형성되지 않은 태양전지 기판의 후면에 열산화법에 의해 패시베이션층을 형성함과 동시에, 상기 후면 전극 패턴이 접하는 태양전지 기판의 후면 부분에 LBSF를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 태양전지 기판의 후면 전체에 후면 전극층을 스크린 인쇄하여 상기 후면 전극 패턴과 후면 전극층을 전기적으로 연결하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 태양전지의 LBSF 후면 전극 형성 시 스크린 인쇄를 이용한 간단한 공정으로 종래의 복잡한 패시베이션층의 패터닝 공정을 생략함으로써, LBSF의 형성 과정을 단순화시킬 수 있고, 이를 통해 태양전지의 제조 비용을 절감할 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 6 내지 도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지의 LBSF 후면 전극 형성방법을 순차적으로 도시한 공정 단면도들이다.
본 발명에 따른 태양전지의 LBSF 후면 전극 형성방법은, 먼저, 도 6에 도시된 바와 같이, 태양전지 기판(201)의 상부에 상기 태양전지 기판(201)과 반대 도전형의 에미터층(202)을 형성한다. 이 과정을 통해 태양전지 기판(201)에는 p-n 접합이 형성된다. 여기서, 상기 태양전지 기판(201)은 p형 및 n형이 모두 사용될 수 있으며, 그 중 p형 태양전지 기판은 소수 캐리어의 수명 및 모빌리티(mobility)가 커서(p형의 경우 전자가 소수 캐리어임) 가장 바람직하게 사용될 수 있다. p형 태양전지 기판에 P, As, Sb 등의 5족 원소들을 도핑함으로써 n형의 에미터층(202)을 형성하고 이를 통해 p-n 접합을 형성할 수 있다. 한편, 본 발명은 에미터층(202)의 형성 방법에 의해 한정되지 않으므로, 본 발명이 속한 기술 분야에서 공지된 다양한 에미터층(202) 형성 방법이 적용될 수 있을 것임은 자명하다.
다음으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 태양전지 기판(201)의 후면에 알 루미늄을 포함하는 전극 페이스트를 스크린 인쇄하여 후면 전극 패턴(203)을 형성한다. 상기 후면 전극 패턴(203)은 알루미늄을 포함하고 있으므로 전도성이 우수할 뿐만 아니라 실리콘과의 친화력이 좋아서 접합성이 우수하다. 또한, 알루미늄은 3족 원소로서 태양전지 기판(201)과의 접면에서 p+층, 즉 LBSF(Local Back Surface Field)(도 8의 204 참조)을 형성하여 캐리어들이 표면에서 사라지지 않고 LBSF 방향으로 모이도록 하여 태양전지의 효율을 증대시킬 수 있다. 상기 전극 페이스트는 스크린 인쇄를 통해 태양전지의 후면 전극을 형성할 때 일반적으로 사용되는 공지의 물질이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상술한 공정을 거쳐 후면 전극 패턴(203)이 형성되면, 도 8에 도시된 바와 같이, 열처리를 수행하여 후면 전극 패턴(203) 내의 알루미늄 원자를 태양전지 기판(201) 측으로 확산시킨다. 상기 열처리는 산소 분위기에서 700 내지 900℃의 온도 범위에서 수행한다. 그러면, 태양전지 기판(201)과 후면 전극 패턴(203)과의 접면에 LBSF(204)가 형성된다.
그리고 나서, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 후면 전극 패턴(203)이 형성되지 않은 태양전지 기판(201)의 후면에 패시베이션층(205)을 형성한다. 패시베이션층(205)은 열산화법, CVD법 또는 PECVD법을 이용하여 형성한다. 패시베이션층(205)은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 실리콘 산화질화막 및 티타늄 산화막으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 물질막으로 형성한다. 상기 패시베이션층(205)은 후면 전극 패턴(203)의 높이보다 낮은 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 이는 후속 공정에서 형성하는 후면 전극층(206)과 후면 전극 패턴(203)의 전기적 접속을 용이하게 진행하기 위함이다. 한편, 패시베이션층(205)을 형성하는 방식에 따라 후면 전극 패턴(203) 상에 절연 물질이 증착될 수 있다. 이러한 경우 후속 공정에서 형성하는 후면 전극층(206)과 후면 전극 패턴(203)의 접촉 저항 특성이 저하될 수 있다. 따라서 이러한 경우에는 세정 공정을 진행하여 후면 전극 패턴(203) 상에 형성된 절연 물질을 제거하는 공정을 추가로 진행할 수 있다.
패시베이션층(205)이 형성되고 나면, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 패시베이션층(205)이 형성된 태양전지 기판(201)의 후면 전체에 알루미늄을 포함하는 전극 페이스트를 스크린 인쇄한 후 소성하여 후면 전극층(206)을 형성한다. 여기서, 상기 전극 페이스트는 태양전지 제조 분야에서 일반적으로 사용되는 공지의 전극 페이스트이다. 상기 후면 전극층(206)이 형성되면, 후면 전극 패턴(203)과 후면 전극층(206) 간의 전기적 접속이 이루어지며, 이로써 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LBSF(204), 후면 전극 패턴(203) 및 후면 전극층(206)을 포함하는 LBSF 후면 전극(207)의 형성 과정이 모두 완료된다.
한편, 상술한 실시예에서는 후면 전극 패턴(203)을 형성한 후 LBSF(204)를 형성하기 위한 열처리 공정을 별도로 수행하였다. 하지만, 열산화법에 의해 패시베이션층(205)을 형성할 경우 LBSF(204)를 형성하기 위한 열처리 공정을 별도로 수행하지 않아도 무방하다.
즉, 후면 전극 패턴(203)을 형성한 후 LBSF(204)의 형성을 위한 열처리 공정을 생략한다. 그런 다음, 산소 분위기에서 열산화법에 의해 실리콘 산화막으로 이루어진 패시베이션층(205)을 형성한다. 패시베이션층(205)을 열산화법으로 형성할 때의 온도 조건은 후면 전극 패턴 내에 함유된 알루미늄 원자가 태양전지 기판(201)의 후면으로 확산되기에 충분한 700 내지 900℃의 온도로 제어한다. 이처럼, 열산화법에 의해 패시베이션층(205)을 형성하면, 후면 전극 패턴(203) 내에 함유된 알루미늄 원자가 태양전지 기판(201)의 후면으로 확산되면서 LBSF(204)가 형성되고, 이와 동시에 후면 전극 패턴(203)이 형성되지 않은 태양전지 기판(201)의 후면에는 열산화막이 성막되어 패시베이션층(205)이 형성되게 된다. 이러한 경우, LBSF(204)의 형성만을 위한 별도의 열처리 공정을 생략할 수 있으므로, LBSF 후면 전극(207) 형성 과정을 단순화할 수 있는 이점이 있을 것임은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
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 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.
도 1은 태양전지의 기본적인 구조를 나타낸 개략도이다.
도 2 내지 도 5는 종래 기술에 따른 태양전지의 LBSF 후면 전극 형성방법을 순차적으로 도시한 공정 단면도들이다.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지의 LBSF 후면 전극 형성방법을 순차적으로 도시한 공정 단면도들이다.
<도면의 주요 참조 번호>
201 : 태양전지 기판 202 : 에미터층
203 : 후면 전극 패턴 204 : LBSF
205 : 패시베이션층 206 : 후면 전극층
207 : LBSF 후면 전극
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- (a) 불순물이 도핑된 태양전지 기판의 후면에 상기 불순물과 동일한 도전형의 불순물이 포함된 후면 전극 패턴을 스크린 인쇄하는 단계;(b) 상기 후면 전극 패턴이 형성되지 않은 태양전지 기판의 후면에 열산화법에 의해 패시베이션층을 형성함과 동시에, 상기 후면 전극 패턴이 접하는 태양전지 기판의 후면 부분에 LBSF를 형성하는 단계; 및(c) 상기 태양전지 기판의 후면 전체에 후면 전극층을 스크린 인쇄하여 상기 후면 전극 패턴과 후면 전극층을 전기적으로 연결하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 LBSF 후면 전극 형성방법.
- 제7항에 있어서,상기 패시베이션층은 실리콘 산화막인 것을 특징으로 하는 태양전지의 LBSF 후면 전극 형성방법.
- 제7항에 있어서,상기 후면 전극 패턴 및 후면 전극층은 알루미늄을 포함하는 전극 페이스트를 스크린 인쇄하여 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 LBSF 후면 전극 형성방법.
- 제7항에 있어서, 상기 (b) 단계에서,상기 패시베이션층은 후면 전극 패턴의 높이보다 낮은 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 LBSF 후면 전극 형성방법.
- 제7항에 있어서, 상기 (b) 단계에서,상기 패시베이션층의 형성이 완료된 후, 상기 후면 전극 패턴 상에 형성된 절연 물질을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 LBSF 후면 전극 형성방법.
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