KR101507855B1 - 소수성 처리를 이용한 태양 전지 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지에 관한 것으로서, 더 상세하게는 태양 전지의 제조 공정에서 소수성 처리를 이용하여 태양 전지를 제조하는 방법에 대한 것이다.
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로서, 더 상세하게는 태양 전지의 제조 공정에서 소수성 처리를 이용하여 태양 전지를 제조하는 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 갖춰야 하는 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 평형 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 더 이상 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), 반사방지막을 형성하는 단계(S160), 태양전지의 전극을 형성하는 스크린 프린팅 단계(S140), 소성 단계(S150) 등이 구성된다.
또한, 태양전지의 효율을 증가시키는 방법 중에는 선택적 에미터가 있다. 선택적 에미터는 태양전지의 전극 부분에 해당하는 에미터 지역은 높은 농도로 도핑하여 접촉저항을 낮추며 수광부의 에미터 지역은 낮은 농도로 도핑하여 높은 캐리어 농도에 의한 오제이(Auger) 재결합을 방지하여 효율을 높이는 방법이다.
선택적 에미터를 크게 두가지 방법으로 형성할 수 있다. 에미터를 형성한 후 전극 부분을 제외한 나머지 부분을 에칭하는 방법과 고도핑이 되는 부분만 다시 도핑하는 방법이다.
고도핑이 되는 부분만 다시 도핑하는 방법은 선증착단계에서 생성된 phosphorus silicate glass를 이용한 방법과 인산을 도포하는 방법, 인페이스트를 이용하는 방법이 있으며 선택적 에미터 지역을 확정하는 방법으로 레이저를 이용하거나 확산방지막을 사용한다.
그런데, 어떤 처리도 되지 않은 기판의 표면은 친수성 표면을 띄기 때문에 인산을 도포하였을 때 전체 표면에 도포가 된다는 문제점이 있었다.
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 선택적 에미터를 형성하기에 적합하도록 소수성 표면을 형성하고 이러한 소수성 표면을 이용하여 태양 전지를 제조하는 태양 전지 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 선택적 에미터를 형성하기에 적합하도록 소수성 표면을 형성하고 이러한 소수성 표면을 이용하여 태양 전지를 제조하는 태양 전지 제조 방법을 제공한다.
상기 태양전지 제조 방법은,
태양전지를 제조하는 태양전지 제조 방법에 있어서,
기판의 표면에 요철을 형성하는 텍스쳐링 단계;
텍스쳐링된 기판의 표면에 소수성 처리를 수행하는 소수성 처리 단계;
소수성 처리된 기판의 표면에 도펀트를 도포하고 건조하는 선증착 단계;
도펀트가 도포된 기판의 표면상에 확산을 수행하여 선택적 에미터 영역을 형성하는 확산 단계;
선택적 에미터 영역이 형성된 기판의 전면부에 반사방지막을 형성하는 단계;
반사방지막이 형성된 기판의 전극 부분에 전극을 형성하는 스크린 프린팅 단계; 및
전극이 형성된 기판을 소성하는 소성 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 기판의 표면 중 전극과 닿는 부분만이 친수성 표면이고, 전극에 닿지 않는 부분이 소수성 표면인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 기판이 p 타입 기판이면 상기 도펀트는 인산인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 기판이 n 타입 기판이면 상기 도펀트는 붕산인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 기판에 도펀트의 도포는 스핀 코팅방식, 딥 코팅방식 및 스프레이 코팅방식 중 어느 하나를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 전극 부분에서만 나머지 부분 보다 높은 도핑 농도가 유지되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 확산 단계는 열확산 공정을 이용하여 이루어지면, 상기 열확산 공정은 튜브 퍼니스(tube furnace) 또는 급속 열처리 장치(rapid thermal annealing 또는 rapid thermal process)를 이용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 반사방지막 단계는 플라즈마 기상 증착 장치(plasma enhanced chemical vapor deposition)를 이용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 소수성 처리는 상기 기판의 표면에 스크린 프린팅, 임프린팅 및 리소그래피 중 어느 하나를 이용하여 상기 전극 부분을 제외한 나머지 부분에만 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 소수성 처리 후 인산 스핀 코팅을 이용하여 상기 전극 부분만이 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 기판 표면에 스크린 프린팅, 임프린팅, 리소그라피 등을 이용해 전극 부분을 제외한 부분에 소수성 처리를 한 후 인산 스핀 코팅으로 전극부분만을 형성함으로써 고효율의 선택적 에미터를 갖는 태양 전지의 제조가 가능하다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 어떤 처리도 되지 않은 기판의 표면은 친수성 표면을 띄기 때문에 인산을 도포하였을 때 전체에 도포가 되지만 인산이 도포되지 않아야 하는 곳에 소수성 처리를 하게 되면 소수성 처리 되지 않은 곳에만 인산이 존재하게 되므로, 이를 열처리하면 선택적 에미터가 형성이 된다는 점을 들 수 있다.
도 1은 일반적인 태양전지의 제조 공정을 보여주는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지의 제조 공정을 보여주는 흐름도이다.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 소수성 표면을 가지는 기판상에 도펀트 물질을 도포한 상태의 공정 단면도이다.
도 3b는 도 3a에서 기판에 도포된 도펀트 물질에 스핀을 주는 공정 단면도이다.
도 3c는 도 3a에 도시된 스핀 공정 후, 도펀트 물질이 도핑된 상태를 보여주는 공정 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지의 제조 공정을 보여주는 흐름도이다.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 소수성 표면을 가지는 기판상에 도펀트 물질을 도포한 상태의 공정 단면도이다.
도 3b는 도 3a에서 기판에 도포된 도펀트 물질에 스핀을 주는 공정 단면도이다.
도 3c는 도 3a에 도시된 스핀 공정 후, 도펀트 물질이 도핑된 상태를 보여주는 공정 단면도이다.
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 이해되어야 한다.
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 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 소수성 처리를 이용한 태양 전지 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), 소수성 처리 공정(S220), 선증착 공정(S230), 확산 공정(S240), 반사방지막 형성 공정(S250), 스크린 프린팅(S260), 및 소성 공정(S270) 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 혼합하여 약 80도에서 수행한다.
소수성 처리 공정(S220)은 친수성 특성을 갖는 기판의 표면 특성을 소수성 특성을 갖도록 변형시키기 위해, 필요에 따라 포토레지트(Photoresist)를 도포한 후 스크린 프린팅, 임프린팅, 리소그라피 등을 이용해 전극부분을 제외한 표면에 개질을 수행한다. 일반적으로, 기판은 실리콘 재질이 사용되며, 실리콘 기판은 표면 산화 때문에 친수성인 표면을 갖는다. 따라서, 이러한 기판에 소수성 표면을 가지게 한다.
따라서, 소수성 표면에는 인산이 흘러내리고 친수성 표면에는 인산이 존재할 수 있게 되어 선택적 에미터를 형성하는 것이 가능하게 된다. 선택적 에미터는 태양전지에서 수광영역에서 에미터 영역의 도핑 농도는 낮춰 Auger 재결합을 줄이고 전극영역에서의 도핑 농도를 높여 저항을 낮추는 기능을 한다.
선증착 공정(S230)은 태양전지에서 p-n접합을 만들어주어 소자에서 전계를 형성시켜 주는 공정이다.
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.
선증착 후 생성된 PSG(Phosphorous Silicate Glass)를 제거하기 위해 불산에서 에칭시켜 준다.
또 다른 방법으로는 인산을 실리콘 표면에 도포한 뒤 열처리하여 선증착하는 방법이 있다. 이후는 POCl3를 이용한 것과 같다. 이러한 도핑 공정을 보여주는 예가 도 3a 내지 도 3c에 도시된다. 이에 대하여는 후술하기로 한다.
기판 표면 중 전극과 닿는 부분만을 친수성 표면으로 남기고 전극이 없는 부분을 소수성 처리한다. 따라서, 인산과 같은 도펀트를 가지고 있으며 친수성을 가진 물질을 도포하면 전극 부분만 도펀트 물질이 남아 있게 된다. 이를 열처리하여 전극부분만 높은 도핑농도를 가지게 하고, 전체 영역에 낮은 도핑 농도를 가지게 끔 다시 확산 공정(S240)을 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, 스크린 프린팅, 및 스프레이 코팅 등이 사용될 수 있다.
확산 공정(S240)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 거친 후 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 된다.
급속 열처리 장치(RTA)는 램프를 이용해서 기판에 에너지를 전달하는 장치이다. 따라서, 이러한 급속 열처리 장치를 이용하여 태양전지의 표면에 국부적으로 더 높은 온도를 유지시켜 더 높은 도핑 농도를 형성한다.
이러한 선택적 에미터를 만들기 위해 사용될 수 있는 기술은 POCl3도핑으로 형성된 PSG, 인산을 이용한 스핀 온 코팅(spin-on coating), 인페이스트를 이용한 스크린 프린팅 등이 있다.
반사방지막 공정(S250)은 플라즈마 기상 증착 장치(plasma enhanced chemical vapor deposition)를 이용하여 실리콘 질화막을 표면에 증착하여 태양전지의 반사도를 낮춰주며 실리콘 기판의 소수 캐리어 수명을 높여 단락전류 향상과 개방전압 향상에 영향을 미친다.
스크린 프린팅 공정(S260)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.
페이스트에는 금속뿐 아니라 글라스프릿, 유기물 등의 이물질을 함유하고 있기 때문에 이러한 이물질을 제거하고 글라스프릿이 반응할 수 있게 소성공정(S260)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 본 발명의 일실시예에 따른 소수성 표면을 가지는 기판상에 도펀트 물질을 도포한 상태의 공정 단면도이고, 도 3b는 도 3a에서 기판에 도포된 도펀트 물질에 스핀을 주는 공정 단면도이며, 도 3c는 도 3a에 도시된 스핀 공정 후, 도펀트 물질이 도핑된 상태를 보여주는 공정 단면도이다.
도 3a를 참조하면, 기판(310) 상에 소수성 표면(330)이 형성된다. 즉, 선증착 공정(도 2의 S230)전에 기판(310)상에 도펀트(320)가 해당 표면에 도포되지 않는 소수성 처리를 수행한다. 이는 도핑 공정을 변형한 것으로, 기판(310)에 소수성 처리를 하게 되면 친수성 물질인 인산과 같은 도펀트가 표면에 도포되지 않는다.
이를 이용해서 선택적 에미터를 형성시킨다. 일반적으로 기판(310)은 실리콘 웨이퍼가 사용되는데, 실리콘 웨이퍼는 표면 산화때문에 친수성 표면을 가지고 있다.
실리콘 웨이퍼인 기판(310)의 표면중 전극과 닿는 부분만을 친수성 표면으로 남기고 전극이 없는 부분을 소수성 처리한다. 따라서, 인산과 같은 도펀트를 가지고 있으며 친수성을 가진 물질을 도포하면 전극부분만 도펀트 물질이 남아있게 된다.
도 3b는 도 3a에서 기판에 도포된 도펀트 물질에 스핀을 주는 공정 단면도이다. 도 3b를 참조하면, 기판(310)과 이 기판(310)의 표면에 도포된 도펀트 물질(320)에 스핀을 주면, 도펀트 물질(320)이 기판(310)의 표면에서 균일하게 도포된다. 물론, 이때 소수성 표면(330)의 경우 도펀트 물질(320)이 도포되지 않고, 이 소수성 표면을 제외한 부분에서만 도펀트 물질(320)이 도포된다.
이를 보여주는 도면이 도 3c이다. 즉, 도 3c는 도 3a에 도시된 스핀 공정 후, 도펀트 물질이 도핑된 상태를 보여주는 공정 단면도이다.
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 방식으로는 스핀코팅, 딥(dip) 코팅, 스프레이 코팅 등이 사용될 수 있다.
310: 기판
330: 소수성 표면
320: 도펀트
330: 소수성 표면
320: 도펀트
Claims (10)
- 태양전지를 제조하는 태양전지 제조 방법에 있어서,
기판의 표면에 요철을 형성하는 텍스쳐링 단계;
텍스쳐링된 기판의 표면에 소수성 처리를 수행하는 소수성 처리 단계;
소수성 처리된 기판의 표면에 도펀트를 도포하고 건조하는 선증착 단계;
도펀트가 도포된 기판의 표면상에 확산을 수행하여 선택적 에미터 영역을 형성하는 확산 단계;
선택적 에미터 영역이 형성된 기판의 전면부에 반사방지막을 형성하는 단계;
반사방지막이 형성된 기판의 전극 부분에 전극을 형성하는 스크린 프린팅 단계; 및
전극이 형성된 기판을 소성하는 소성 단계;를 포함하며,
상기 소수성 처리는 상기 기판의 표면에 스크린 프린팅, 임프린팅 및 리소그래피 중 어느 하나를 이용하여 상기 전극 부분을 제외한 나머지 부분에만 수행되고,
상기 소수성 처리 후 인산 스핀 코팅을 이용하여 상기 전극 부분만이 형성되는 것을 특징으로 하는 소수성 처리를 이용한 태양 전지 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 기판의 표면 중 전극과 닿는 부분만이 친수성 표면이고, 전극에 닿지 않는 부분이 소수성 표면인 것을 특징으로 하는 소수성 처리를 이용한 태양 전지 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 기판이 p 타입 기판이면 상기 도펀트는 인산인 것을 특징으로 하는 소수성 처리를 이용한 태양 전지 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 기판이 n 타입 기판이면 상기 도펀트는 붕산인 것을 특징으로 하는 소수성 처리를 이용한 태양 전지 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 기판에 도펀트의 도포는 스핀 코팅방식, 딥 코팅방식 및 스프레이 코팅방식 중 어느 하나를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 소수성 처리를 이용한 태양 전지 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 전극 부분에서만 나머지 부분 보다 높은 도핑 농도가 유지되는 것을 특징으로 하는 소수성 처리를 이용한 태양 전지 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 확산 단계는 열확산 공정을 이용하여 이루어지면, 상기 열확산 공정은 튜브 퍼니스(tube furnace) 또는 급속 열처리 장치(rapid thermal annealing 또는 rapid thermal process)를 이용하는 것을 특징으로 하는 소수성 처리를 이용한 태양 전지 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 반사방지막 단계는 플라즈마 기상 증착 장치(plasma enhanced chemical vapor deposition)를 이용하는 것을 특징으로 하는 소수성 처리를 이용한 태양 전지 제조 방법.
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|---|---|---|---|---|
| KR20130019361A (ko) * | 2011-08-16 | 2013-02-26 | 레나 게엠베하 | 금속 도체 구조물의 형성 방법 |
| KR20130130492A (ko) * | 2012-05-22 | 2013-12-02 | 주성엔지니어링(주) | 기판형 태양 전지 및 그의 제조 방법, 기판형 태양 전지의 도핑 방법 및 장치 |
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