KR101503794B1 - 광학계를 이용한 태양전지 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지에 관한 것으로서, 더 상세하게는 광학계를 이용하여 선택적 에미터를 형성하는 광학계를 이용한 태양 전지 제조 방법에 대한 것이다.
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로서, 더 상세하게는 광학계를 이용하여 선택적 에미터를 형성하는 광학계를 이용한 태양 전지 제조 방법에 대한 것이다.
일반적으로 태양전지(solar cell)는 태양광 에너지를 전기 에너지로 변화시키는 소자로서, p형 반도체와 n형 반도체의 접합(junction) 형태를 가지며 기본 구조는 다이오드(diode)와 동일하다.
대부분 태양전지는 대면적의 pn 접합 다이오드로 이루어져 있으며, 광전 에너지 변환(photovoltaic energy conversion)을 위해 태양전지가 기본적으로 갖춰야하는 조건은 p형 반도체 영역은 작은 전자밀도(electron density)와 큰 정공밀도(hole density)를 가지고 n형 반도체 영역은 큰 전자밀도와 작은 정공 밀도를 가짐으로써, 반도체 구조 내에서 전자들이 비대칭적으로 존재해야 한다는 것이다.
따라서, 열적 상태에서 p형 반도체와 n형 반도체의 접합으로 이루어진 다이오드에서는 캐리어(carrier)의 농도 구배에 의한 확산으로 전하(charge)의 불균형이 생기고, 이로 인해 전기장(electric field)이 형성되어 더이상 캐리어의 확산이 일어나지 않게 된다.
상술한 pn 접합 다이오드에 그 물질의 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band) 사이의 에너지 차이인 밴드갭 에너지(band gap energy) 이상의 빛을 가했을 경우에 빛 에너지를 받은 전자들은 가전자대에서 전도대로 여기(excite)된다. 이때, 전도대로 여기된 전자들은 자유롭게 이동할 수 있게 되며, 가전자대에는 전자들이 빠져나간 자리에 정공이 생성된다. 이것을 과잉(excess) 캐리어라고 하며 상기 과잉 캐리어는 전도대 또는 가전자대 내에서 농도 차이에 의해 확산하게 된다.
이때, p형 반도체에서 여기된 전자들과 n형 반도체에서 만들어진 정공은 각각 소수 캐리어(minority carrier)라고 칭하며, 기존 접합 전의 p형 반도체 또는 n형 반도체 내의 캐리어(즉, p형 반도체의 정공 및 n형 반도체의 전자)는 소수 캐리어와 구분하여 다수 캐리어(majority carrier)라고 칭한다. 상기 다수 캐리어들은 전기장으로 생긴 에너지 장벽(energy barrier) 때문에 흐름의 방해를 받지만 p형 반도체의 소수 캐리어인 전자는 n형 반도체 쪽으로 이동할 수 있다.
상기 소수 캐리어의 확산에 의해 pn 접합 다이오드 내부에 전압 차(potential drop)가 생기게 되며, 상기 pn 접합 다이오드의 양극단에 발생된 기전력을 외부회로에 연결하면 태양전지로서 작용하게 된다.
이러한 태양전지를 제조하는 공정을 보여주는 도면이 도 1에 도시된다. 도 1을 참조하면, 기판의 표면에 요철을 만들어주는 텍스쳐링 단계(S110), p-n 접합을 형성하는 도핑 단계(S120), 태양전지의 전극을 형성하는 스크린 프린팅 단계(S130), 소성 단계(S140) 등이 구성된다.
특히, 도핑 단계에서 선증착 공정을 거친후 확산 공정을 거치게 되는데 이러한 확산 공정을 열확산 공정이라 한다. 열확산 공정은 튜브 퍼니스(tube furnace) 또는 급속 열처리 장치(rapid thermal annealing 또는 rapid thermal process)를 사용하게 되는데, 이와 같은 장비로는 태양전지에 국부적으로 높은 온도를 형성할 수 없고 태양전지 전체가 같은 온도로 유지된다는 문제점이 있었다.
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 급속 열처리 장치를 이용하여 태양전지의 표면에 국부적으로 더 높은 온도를 유지시켜 더 높은 도핑농도를 형성하는 광학계를 이용한 태양전지 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 급속 열처리 장치를 이용하여 태양전지의 표면에 국부적으로 더 높은 온도를 유지시켜 더 높은 도핑농도를 형성하는 광학계를 이용한 태양전지 제조 방법을 제공한다.
상기 태양전지 제조 방법은,
급속 열처리 장치를 이용하여 태양전지를 제조하는 태양전지 제조 방법에 있어서,
기판의 표면에 요철을 형성하는 텍스쳐링 단계;
상기 기판에 도펀트를 도포하고 건조하는 선증착 단계;
상기 급속 열처리 장치에 부착되는 광학계를 이용하여 상기 기판의 표면상 열확산을 수행하여 선택적 에미터 영역을 형성하는 열확산 단계;
상기 기판에 전극을 형성하는 스크린 프린팅 단계; 및
상기 기판상에 남은 이물질을 제거하는 소성 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 광학계는 일반 볼록 렌즈인 것을 특징으로 할 수 있다.
이와 달리, 상기 광학계는 프레넬 렌즈인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 기판에 도펀트의 도포는 스핀 코팅방식을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
이와 달리, 상기 기판에 도펀트의 도포는 딥 코팅 방식을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 이와 달리, 상기 기판에 도펀트의 도포는 분무 방식을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 광학계는 상기 급속 열처리 장치로부터 방사된 광이 집광되도록 하여 상기 기판의 표면에 국부적으로 더 높은 온도를 유지시켜 광이 닿지 않는 영역보다 더 높은 도핑농도를 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 급속 열처리 장치에 렌즈를 부착하여 태양전지의 표면에 국부적으로 더 높은 온도를 유지시켜 더 높은 도핑 농도를 형성하는 것이 가능하다.
도 1은 일반적인 태양전지의 제조 공정을 보여주는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지의 제조 공정을 보여주는 흐름도이다.
도 3a는 일반적으로 기판상에 도펀트 물질을 도포한 상태의 공정 단면도이고, 도 3b는 도펀트 물질이 도포된 기판에 스핀을 주는 공정 단면도이고, 도 3c는 도펀트 물질이 도핑된 상태를 보여주는 공정 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 급속 열처리 장치에 부착되는 볼록 렌즈 광학계의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 급속 열처리 장치에 부착되는 프레넬 렌즈 광학계의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지의 제조 공정을 보여주는 흐름도이다.
도 3a는 일반적으로 기판상에 도펀트 물질을 도포한 상태의 공정 단면도이고, 도 3b는 도펀트 물질이 도포된 기판에 스핀을 주는 공정 단면도이고, 도 3c는 도펀트 물질이 도핑된 상태를 보여주는 공정 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 급속 열처리 장치에 부착되는 볼록 렌즈 광학계의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 급속 열처리 장치에 부착되는 프레넬 렌즈 광학계의 개념도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 광학계를 이용한 태양전지 제조 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지의 제조 공정을 보여주는 흐름도이다. 도 2를 참조하면, 태양전지의 제조 공정은 텍스쳐링 공정(S210), 도핑 공정(S220), 광학계 RTA(Rapid Thermal Annealing)를 통한 열확산 공정(S230), 스크린 프린팅(S240), 및 소성 공정(S250) 등으로 구성된다.
텍스쳐링 공정(S210)은 기판의 표면에 요철을 만들어 주어 기판에 입사되는 빛이 더 많이 흡수할 수 있게 만들어주는 공정이다.
일반적으로는 실리콘의 결정방향에 따라 에칭되는 속도가 다름을 이용한다. 에칭속도가 가장 느린 결정방향만 남게 되어 기판을 텍스쳐링하게 되면 피라미드 모양으로 보인다. 텍스쳐링 공정은 물에 KOH와 이소프로필 알콜(isopropyl alcohol)을 섞어주고 약 80도에서 수행한다.
도핑 공정(S220)은 태양전지에서 p-n접합을 만들어주어 소자에서 전계를 형성시켜준다. 이러한 도핑 공정(S220)의 예를 보여주는 도면이 도 3a 내지 도 3c에 도시된다. 이에 대하여는 후술하기로 한다.
일반적인 도핑공정은 p type 기판을 사용했을 경우, n type 도펀트인 P를 사용한다. P소스로 POCl3를 이용하여 선증착(predeposition)을 하게 되고, 이후 확산을 일으킨다. 확산온도는 약 800 - 900도 정도이다.
선증착후 생성된 PSG(Phosphorous Silicate Glass)를 제거하기 위해 불산에서 에칭시켜 준다.
또 다른 방법으로는 인산을 실리콘 표면에 도포한뒤 열처리하여 선증착하는 방법이 있다. 이후는 POCl3를 이용한 것과 같다. 이러한 도핑 공정을 보여주는 예가 도 3a 내지 도 3c에 도시된다. 이에 대하여는 후술하기로 한다.
열확산 공정(S230)은 도핑 공정을 변형시킨 것이다. 태양전지에서 선택적 에미터는 전극과 맞닿는 부분의 도핑 농도를 높게 유지하고, 전극과 맞닿지 않는 수광부의 도핑 농도를 낮게 유지하여 재결합을 낮게 한다. 이는 재결합 감소에 의한 개방 전압 및 단락 전류 향상을 기대할 수 있게 해준다.
보통 도핑 공정에서 선증착 공정을 거친후 확산 공정을 거치게 되는데 확산 공정을 열확산 공정이라 한다. 열확산 공정은 튜브 퍼니스(tube furnace) 또는 급속 열처리 장치(rapid thermal annealing 또는 rapid thermal process)를 사용하게 된다.
급속 열처리 장치(RTA)는 램프를 이용해서 기판에 에너지를 전달하는 장치이다. 특히, 본 발명의 일실시예에서는 이러한 급속 열처리 장치(RTA)에 광학계를 부착하여 태양전지의 표면에 국부적으로 더 높은 온도를 유지시켜 더 높은 도핑 농도를 형성한다. 급속 열처리 장치(RTA)에 사용되는 광학계의 예를 보여주는 도면이 도 4 및 도 5에 도시된다. 도 4 및 도 5에 대하여는 후술하기로 한다.
도 2를 참조하여 계속 설명하면, 램프에 광학계를 설치하면 일부분으로 광을 집광시켜 국부적인 에너지 집중이 가능하게 된다. 이러한 에너지 편차를 이용하여 선택적 에미터를 형성하는 것이 가능하다.
선택적 에미터는 태양전지에서 수광영역에서 에미터 영역의 도핑 농도는 낮춰 Auger 재결합을 줄이고 전극영역에서의 도핑 농도를 높여 저항을 낮추는 기능을 한다.
이러한 선택적 에미터를 만들기 위해 사용될 수 있는 기술은 POCl3도핑으로 형성된 PSG, 인산을 이용한 스핀 온 코팅(spin-on coating), 인페이스트를 이용한 스크린프린팅 등이 있다.
스크린 프린팅 공정(S240)은 태양전지의 전극을 형성하는 공정으로 p type 기판을 사용하는 경우 전면 전극으로 Ag, 후면전극으로 Al을 사용한다. 전극에 사용되는 금속은 페이스트 형태로 제조되어 페이스트를 스크린프린팅하여 수광부(전면)에는 그리드 형태로 제작하고 후면은 전체에 프린트한다.
물론, 스크린 프린팅 공정(S240)과 함께 또는 이전에 패시베이션 공정이 있을 수 있다. 패시베이션 공정은 아무것도 처리되지 않은 실리콘 기판의 표면에는 표면 재결합이 빠르게 일어나게 되는데, 이를 패시베이션층을 증착하여 해결한다. 일반적인 패시베이션 공정은 SiNx을 실리콘 표면에 증착한다. SiNx는 PECVD(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 SiH4 및 NH3를 반응시켜 증착한다.
페이스트에는 금속뿐 아니라 글라스프릿, 유기물 등의 이물질을 함유하고 있기 때문에 이러한 이물질을 제거하고 글라스프릿이 반응할 수 있게 소성공정(S250)을 거쳐야 한다. 소성 공정은 약 700-900도 사이에서 일어나며 이를 거치고 나면 전면에서는 에미터(p type 실리콘 기판의 경우 n type 지역)과 Ag 전극이 접촉하게 되며 후면에서는 Al이 실리콘과 반응하여 후면전계(BSF: Back Surface Field)를 형성하게 된다.
도 3a는 일반적인 도핀 공정으로서 기판상에 도펀트 물질을 도포한 상태의 공정 단면도이고, 도 3b는 도펀트 물질이 도포된 기판에 스핀을 주는 공정 단면도이고, 도 3c는 도펀트 물질이 도핑된 상태를 보여주는 공정 단면도이다.
도 3a를 참조하면, 기판(310) 상에 도펀트(320)를 도포한다. 일반적으로 기판(310)은 실리콘 웨이퍼가 사용되는데, 실리콘 웨이퍼는 표면 산화때문에 친수성 표면을 갖는다.
도펀트 물질이 도포된 상태에서 스핀을 주면 도 3b에 도시된 바와 같이, 도펀트(320)가 기판(310)상에 넓게 도포되며, 도핑층(340)이 형성된다.
이를 열처리하여 전극부분만 높은 도핑농도를 가지게 하고 전체 영역에 낮은 도핑 농도를 가지게끔 다시 확산공정을 거치면 전극부분에만 높은 도핑 농도가 유지되고 나머지 영역에선 낮은 도핑 농도를 갖게 된다.
위 공정은 p type 기판의 경우이고, 만약 n type 기판에서는 붕산과 같은 p type 물질을 도펀트로 사용하면 같은 효과를 거둘 수 있다.
도포하는 방법으로는 스핀코팅, 딥(dip) 코팅, 분무(spray) 방식, 스크린 프린팅 등이 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 급속 열처리 장치에 부착되는 볼록 렌즈 광학계의 개념도이다. 도 4를 참조하면, 급속 열처리 장치(RTA)의 램프로부터 방출되는 광(411)이 일반 볼록 렌즈(410)를 통해 촛점(F)에 집광하는 개념을 보여준다.
도 5는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 급속 열처리 장치에 부착되는 프레넬 렌즈 광학계의 개념도이다. 도 5를 참조하면, 급속 열처리 장치(RTA)의 램프로부터 방출되는 광(411)이 일반 볼록 렌즈(510)를 통해 촛점(F)에 집광하는 개념을 보여준다.
310, 610: 기판
320: 도펀트
340: 도핑층
410: 일반 렌즈
411: 광
510: 프레넬 렌즈
320: 도펀트
340: 도핑층
410: 일반 렌즈
411: 광
510: 프레넬 렌즈
Claims (7)
- 급속 열처리 장치를 이용하여 태양전지를 제조하는 태양전지 제조 방법에 있어서,
기판의 표면에 요철을 형성하는 텍스쳐링 단계;
상기 기판에 도펀트를 도포하고 건조하는 선증착 단계;
상기 급속 열처리 장치에 부착되는 광학계를 이용하여 상기 기판의 표면상 열확산을 수행하여 선택적 에미터 영역을 형성하는 열확산 단계;
상기 기판에 전극을 형성하는 스크린 프린팅 단계; 및
상기 기판상에 남은 이물질을 제거하는 소성 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 광학계는 일반 볼록 렌즈인 것을 특징으로 하는 태양 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 광학계는 프레넬 렌즈인 것을 특징으로 하는 태양 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 기판에 도펀트의 도포는 스핀 코팅방식을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 기판에 도펀트의 도포는 딥 코팅 방식을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 기판에 도펀트의 도포는 분무 방식을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 광학계는 상기 급속 열처리 장치로부터 방사된 광이 집광되도록 하여 상기 기판의 표면 중 광이 닿는 영역을 광이 닿지 않는 영역보다 더 높은 온도로 유지시켜 광이 닿지 않는 영역보다 더 높은 도핑농도를 형성하는 것을 특징으로 하는 태양 제조 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR20130159652A KR101503794B1 (ko) | 2013-12-19 | 2013-12-19 | 광학계를 이용한 태양전지 제조 방법 |
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| KR20130159652A KR101503794B1 (ko) | 2013-12-19 | 2013-12-19 | 광학계를 이용한 태양전지 제조 방법 |
Publications (1)
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| KR101503794B1 true KR101503794B1 (ko) | 2015-03-18 |
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ID=53027938
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20090091474A (ko) * | 2008-02-25 | 2009-08-28 | 엘지전자 주식회사 | 탑햇 형태의 레이저 어닐링을 이용한 태양전지의 선택적에미터 형성방법 및 이를 이용한 태양전지의 제조방법 |
| KR101071546B1 (ko) | 2011-04-26 | 2011-10-10 | 주식회사 톱텍 | 태양전지 제조방법 및 이를 통해 제조된 태양전지 |
| KR101083374B1 (ko) | 2008-11-17 | 2011-11-14 | 주식회사 효성 | 태양전지 및 그 제조방법 |
-
2013
- 2013-12-19 KR KR20130159652A patent/KR101503794B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (3)
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| KR101083374B1 (ko) | 2008-11-17 | 2011-11-14 | 주식회사 효성 | 태양전지 및 그 제조방법 |
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