KR101424538B1 - 레이저 어닐링 방법을 이용한 베컨텍 태양전지 제조방법 - Google Patents

레이저 어닐링 방법을 이용한 베컨텍 태양전지 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저를 사용하여 후면 패시베이션층을 선택적으로 활성화하여 효율이 우수한 백컨텍 태양전지를 제조할 수 있는 백컨텍(Back Contact) 태양전지 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 벡컨텍 태양전지 제조방법은, 1) n형 실리콘 기판 전면에 n+ 층, 반사 방지층을 형성하고, 후면에 n형 영역과 p형 영역을 형성시키는 단계; 2) 상기 실리콘 기판 후면에 원자층 증착 공정으로 패시베이션층을 형성시키는 단계; 3) 상기 패시베이션층 중 p형 영역에 형성되어 있는 패시베이션층에 대하여 500℃ 이상의 열을 가하여 선택적으로 어닐링하는 단계; 4) 상기 기판의 후면에 반사방지막을 증착하는 형성하는 단계; 및 5) 상기 기판 후면의 반사방지막 상에 n형 영역 및 p형 영역과 각각 연결되는 전극을 형성하는 단계;를 포함한다.

Description

레이저 어닐링 방법을 이용한 베컨텍 태양전지 제조방법{THE METHOD FOR MANUFACTURING THE BACK CONTACT TYPE SOLAR CELL}
본 발명은 벡컨텍(Back Contact) 태양전지 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저를 사용하여 후면 패시베이션층을 선택적으로 활성화하여 효율이 우수한 벡컨텍 태양전지를 제조할 수 있는 벡컨텍 태양전지 제조방법에 관한 것이다.
최근 치솟는 유가 상승과 지구환경문제, 화석에너지의 고갈, 원자력발전의 폐기물 처리 및 신규 발전소 건설에 따른 위치 선정 등의 문제로 인하여 신재생에너지에 대한 관심이 고조되고 있으며, 그 중에서도 무공해 에너지원인 태양전지에 대한 연구개발이 활발하게 진행되고 있다.
태양전지란 광기전력 효과(Photovoltaic Effect)를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치로서, 그 구성물질에 따라서 실리콘 태양전지, 박막 태양전지, 염료감응 태양전지 및 유기고분자 태양전지 등으로 구분된다. 이러한 태양전지는 독립적으로 전자시계, 라디오, 무인등대, 인공위성, 로켓 등의 주전력원으로 이용되고, 상용 교류전원의 계통과 연계되어 보조전력원으로도 이용된다. 또한 최근 대체 에너지에 대한 필요성이 증가되면서 태양전지에 대한 관심이 더 높아지고 있다.
이러한 태양전지 중 가장 먼저 사용되었고, 현재도 태양전지 시장에서 가장 널리 사용되는 것은 실리콘 태양전지이며, 특히 결정질 실리콘 태양전지이다. 결정질 실리콘 태양전지는 그 효율을 향상시키기 위하여 꾸준히 기술 개발이 이루어지고 있다.
현재는 결정질 실리콘 태양전지에 있어서 태양광이 입사되는 면 즉, 수광면 측에 메탈 핑거 라인(metal finger line) 형태로 형성되는 전면 전극에 의하여 섀도윙(shadowing) 현상이 생기는 것을 방지하여 발전 효율을 향상시키는 벡 컨텍(Back Contact) 태양전지가 제시되고 있다.
이하에서는 일반적인 벡 컨텍 태양전지의 제조과정을 도 1을 통하여 간단하게 설명한다.
먼저 도 1a에 도시된 바와 같이, 소정 크기로 절단된 n형 실리콘 기판(10)의 절단면을 부분적으로 에칭하여 준비한다. 그 후 도 1b에 도시된 바와 같이, 염기 용액 등을 이용하여 실리콘 기판(10)의 상면 또는 하면 중 적어도 일면에 태양광의 반사율을 최소화하기 위한 텍스처링(texturing) 구조(11)를 형성시킨다.
그 후 도 1c에 도시된 바와 같이, 기판(10)의 후면을 평탄화하기 위해 미세하게 연마 공정을 진행한다.
다음으로 도 1d에 도시된 바와 같이, 기판(10) 후면에 P형 불순물원과 n형 불순물원을 스크린 프린터 등을 이용하여 프린팅하고, p형 불순물원과 n형 불순물원을 확산시켜 n형 영역(20)과 p형 영역(30)을 형성시킨다. 불순물 도핑은 스크린 프린팅 또는 임플란터를 이용하여 선택적으로 하거나 혹은 매스킹(Masking) 기법을 통해 POCl3/BBr3 Diffusion을 이용하여 구현이 가능하다.
다음으로 도 1e에 도시된 바와 같이, 기판(10)의 전면의 전면에 n+ 층(60)과 반사 방지층(70)을 형성하고, 후면에 표면 패시베이션(Passivation)을 위한 열적 산화물(40) 및 실리콘 질화물(50) 등으로 이루어지는 반사방지막을 형성시킨다.
다음으로 도 1f에 도시된 바와 같이, 후면에 형성된 산화물층(40)을 부분적으로 제거한다. 이 공정은 후면 전극 즉, p형 영역(20)과 n형 영역(30)에 전기적으로 접촉하는 전극을 형성시키기 위한 것이다. 이 과정에서는 산화물층을 제거하는 패터닝 공정은 포토리소그래피(Photolithography) 공정이 사용된다.
이러한 과정을 거쳐 산화물층(40)이 부분적으로 제거되면 도 1g에 도시된 바와 같이, p형 영역(20)과 n형 영역(30)에 전기적으로 접속되는 후면 전극(80, 90)을 형성시켜 벡 컨텍 태양전지를 완성시킨다. 전극 형성 방법은 고정밀도의 얼라인먼트(alignment) 기능이 있는 스크린 프린팅 기법을 이용하여 도금(plating) 기법을 이용한다.
한편 최근에는 패시베이션막을 원자층 증착 기술을 이용하여 산화 알루미늄층을 증착하는 기술이 소개되어 벡 컨텍 태양전지의 효율을 더욱 극대화하고 있다. 그런데 이렇게 원자층 증착 기술을 이용하여 패시베이션막을 형성하는 경우 p형 영역에만 선택적으로 패시베이션막을 형성시키거나 P형 영역에 형성된 패시베이션막에 대해서만 선택적으로 500℃ 이상의 온도로 어닐링(annealing)하여야 패시베이션 특성이 향상된다.
따라서 이러한 공정을 위한 기술의 개발이 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 레이저를 사용하여 표면 패시베이션층을 선택적으로 활성화하여 효율이 우수한 벡 컨텍 태양전지를 제조할 수 있는 벡 컨텍 태양전지 제조방법을 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 벡컨텍 태양전지 제조방법은, 1) n형 실리콘 기판 전면에 n+ 층, 패시베이션층 또는 반사 방지층을 형성하고, 후면에 n형 영역과 p형 영역을 형성시키는 단계; 2) 상기 실리콘 기판 후면에 원자층 증착 공정으로 패시베이션층을 형성시키는 단계; 3) 상기 패시베이션층 중 p형 영역에 형성되어 있는 패시베이션층에 대하여 500℃ 이상의 열을 가하여 선택적으로 어닐링하는 단계; 4) 상기 기판의 후면에 반사방지막을 증착하는 형성하는 단계; 및 5) 상기 기판 후면의 반사방지막 상에 n형 영역 및 p형 영역과 각각 연결되는 전극을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명에서 상기 패시베이션층은 산화알루미늄(Al2O3)으로 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고 상기 3) 단계에서는, 레이저를 사용하여 상기 패시베이션층을 선택적으로 어닐링하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 5) 단계는, a) 상기 기판 후면의 반사방지막 중 n형 영역 및 p형 영역에 대응되는 부분에 서로 분리되도록 금속 전극을 인쇄하는 단계; b) 상기 금속 전극을 열처리하여 상기 n형 영역 및 p형 영역과 연결시키는 단계;의 소단계로 이루어지는 것이 바람직하다.
한편 본 발명은 전술한 벡 컨텍 제조방법에 의하여 제조되는 벡 컨텍 태양전지도 제공한다.
본 발명에 따르면 복잡하고 고가의 비용이 소요되는 포토리소그래피 공정을 이용하지 않고, 효율이 높은 벡컨텍 태양전지를 제조할 수 있는 장점이 있다.
또한 레이저를 이용하여 패시베이션층을 어닐링하므로 공정 시간이 단축되며, 매우 정확한 온도로 공정 온도를 제어할 수 있는 장점이 있다.
도 1a 내지 도 1g는 종래의 벡 컨텍 태양전지 제조방법의 공정을 도시하는 도면들이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 벡 컨텍 태양전지 제조방법의 공정을 도시하는 도면들이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시에를 상세하게 설명한다.
본 실시예에 따른 벡 컨텍 태양전지 제조방법은, 먼저 n형 실리콘 기판(110)을 텍스처링하고, 기판 전면에 n+ 층(180), 패시베이션층 또는 반사 방지층(190)을 형성하고, 후면에 n형 영역(130)과 p형 영역(120)을 형성시키는 단계로 시작된다.
본 실시예에 따른 벡 컨텍 태양전지 제조방법에 있어서, 실리콘 기판(110) 전면을 텍스처링(Texturing)하고, 텍스처링된 기판(110)의 전면에 n+층(180)을 형성하고, n+층(180) 상에 패시베이션층 또는 반사 방지층 즉, 전면 실리콘 질화막(190)을 형성하며, 기판(110) 후면에 n형 영역(130)과 p형 영역(120)을 형성시키는 공정은 종래의 벡 컨텍 태양전지 제조방법의 그것과 실질적으로 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
다음으로는 상기 실리콘 기판(110) 후면에 원자층 증착 공정으로 패시베이션층(140)을 형성시키는 단계가 진행된다. 본 실시예에서 상기 패시베이션층(140)은 산화 알루미늄(Al2O3)인 것이 바람직하다. 한편 상기 원자층 증착방법은 이미 알려진 반도체 공정 기술에서 사용되는 그것과 실질적으로 동일한 것이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
다음으로는 상기 패시베이션층(140) 중 p형 영역(120)에 형성되어 있는 패시베이션층(140a)에 대하여 500℃ 이상의 열을 가하여 선택적으로 어닐링하는 단계가 진행된다. 이 단계에서 선택적으로 패시베이션층(140)을 어닐링하는 구체적인 방법은, 어닐링 공정이 필요한 p형 영역(120)에 대해서만 레이저를 조사하는 방법과, 어닐링 공정이 불필요한 n형 영역(130)에 대하여 마스킹(Masking) 작업을 한 후, 기판(110) 전면에 대하여 레이저를 조사하여 p형 영역(120)의 패시베이션층(140a)만을 어닐링하는 방법이 가능하다.
다음으로 상기 기판(110)의 후면에 반사방지막(150)을 증착하는 형성하는 단계가 진행된다. 상기 반사방지막은 질화 실리콘(SiNx)로 이루어지는 것이 바람직하며, PECVD 방법으로 증착할 수 있다.
다음으로는 상기 기판(110) 후면의 반사방지막(150) 상에 n형 영역(120) 및 p형 영역(130)과 각각 연결되는 전극을 형성하는 단계가 진행된다. 이 단계는 상기 기판(110) 후면의 반사방지막(150) 중 n형 영역(130) 및 p형 영역(120)에 대응되는 부분에 서로 분리되도록 금속 전극(160, 170)을 인쇄하는 단계와, 상기 금속 전극(160, 170)을 열처리하여 상기 n형 영역(130) 및 p형 영역(120)과 연결시키는 단계의 소단계로 구분되어 진행될 수 있다.
물론 금속 전극(160, 170)을 형성하는 단계는, 금속 종류에 따라 다른 방법을 사용할 수 있으며, 예를 들어 스퍼터링(sputtering), 증기 증착(evaporating) 또는 도금(plating) 등의 방법이 사용될 수도 있다.
이후에는 소결 공정(firing) 및 에지 아이솔레이션(edge isolation) 등의 공정이 이어지는데, 이러한 공정은 종래의 태양전지 제조방법의 그것과 실질적으로 동일하므로 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
110 : 기판 120 : p형 영역
130 : n형 영역 140 : 패시베이션층
150 : 후면 반사방지막 160, 170 : 전극
180 : n+ 층 190 : 전면 반사방지막

Claims (5)

1) n형 실리콘 기판 전면에 n+ 층, 패시베이션층 또는 반사 방지층을 형성하고, 후면에 n형 영역과 p형 영역을 형성시키는 단계;
2) 상기 실리콘 기판 후면에 원자층 증착 공정으로 패시베이션층을 형성시키는 단계;
3) 상기 패시베이션층 중 p형 영역에 형성되어 있는 패시베이션층에 대하여 500℃ 이상의 열을 가하여 선택적으로 어닐링하는 단계;
4) 상기 기판의 후면에 반사방지막을 증착하는 형성하는 단계;
5) 상기 기판 후면의 반사방지막 상에 n형 영역 및 p형 영역과 각각 연결되는 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 벡 컨텍 태양전지 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 패시베이션층은 산화알루미늄(Al2O3)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 벡 컨텍 태양전지 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 3) 단계에서는,
레이저를 사용하여 상기 패시베이션층을 선택적으로 어닐링하는 것을 특징으로 하는 벡 컨텍 태양전지 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 5) 단계는,
a) 상기 기판 후면의 반사방지막 중 n형 영역 및 p형 영역에 대응되는 부분에 서로 분리되도록 금속 전극을 인쇄하는 단계;
b) 상기 금속 전극을 열처리하여 상기 n형 영역 및 p형 영역과 연결시키는 단계;의 소단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 벡 컨텍 태양전지 제조방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 제조방법에 의하여 제조되는 벡 컨텍 태양전지.
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