KR101508789B1 - 태양 전지 및 이를 제작하기 위한 제조 방법 - Google Patents

태양 전지 및 이를 제작하기 위한 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 태양 전지의 제조 장치인 확산 공정용 구조물은 제1도전형의 제1 기판 및 제2 기판을 함께 고정하는 결합 부재 및 상기 결합 부재가 안착하는 보트를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 일실시예에 따른 태양 전지는 제1 도전형의 반도체 기판, 상기 반도체 기판의 전면의 주변부의 전부 또는 상기 주변부의 일부를 제외한 영역에 상기 제1도전형과 반대 극성을 갖는 제2 도전형의 불순물이 도핑된 에미터층, 상기 에미터층 상에 형성되는 전면 전극 및 상기 반도체 기판의 후면에 형성되는 후면 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 반도체 기판의 일면에 불순물을 선택적으로 증착함으로써 에지 분리 공정을 생략함으로써 제조 시간 및 비용을 줄일 수 있다.
태양 전지, 확산 공정,

Description

태양 전지 및 이를 제작하기 위한 제조 방법{SOLAR CELL AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 태양 전지 및 이를 제작하기 위한 확산 공정용 구조물 및 제조 방법에 관한 것이다. 더 자세하게는 본 발명은 p-n 접합을 위해 불순물을 효율적으로 반도체 기판의 일면에 선택적으로 증착(doping)하기 위한 확산 공정용 구조물 및 제조 방법에 관한 것이다.
도 1은 태양 전지의 원리를 개략적으로 설명한 도면이다. 도 1을 참조하면, 태양 전지(solar cell)는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 반도체 소자로서, p형의 반도체와 n형 반도체의 접합 형태를 가지므로 그 기본 구조는 다이오드와 유사하다. 반도체의 p-n 접합으로 만든 태양 전지에 반도체의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성된다. 태양광에 의해 발생된 전자-정공이 p-n 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 됨에 따라 p-n 접합부 간에 광기전력이 발생한다. 양단의 전극에 부하를 연결하면 전류가 생성되어 전력을 생산하게 된다.
태양 전지의 제조 기술은 태양 전지의 종류에 따라 실리콘 태양 전지와 화합 물 반도체 태양전지 등으로 크게 분류할 수 있다. 실리콘 태양전지는 크게 단결정 및 다결정 실리콘 태양 전지로 분류된다.
본 발명의 기술적 과제는 태양 전지의 제작에 있어서, 반도체 기판의 일면에 불순물을 선택적으로 증착하기 위한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 태양 전지의 제조 장치인 확산 공정용 구조물은 제1도전형의 제1 기판 및 제2 기판을 함께 고정하는 결합 부재 및 상기 결합 부재가 안착하는 보트를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 태양 전지는 제1 도전형의 반도체 기판, 상기 반도체 기판의 전면의 주변부의 전부 또는 상기 주변부의 일부를 제외한 영역에 상기 제1도전형과 반대 극성을 갖는 제2 도전형의 불순물이 도핑된 에미터층, 상기 에미터층 상에 형성되는 전면 전극 및 상기 반도체 기판의 후면에 형성되는 후면 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 반도체 기판의 일면에 불순물을 선택적으로 증착함으로써 태양 전지의 생산 비용을 절감함으로써 생산 효율을 개선할 수 있다.
결정질 실리콘의 태양 전지의 제조 공정은 크게 ① 표면 조직화 공정, ② p- n 접합을 위한 불순물 확산 공정, ③ 반사방지막 코팅 공정, ④ 전극 인쇄 공정, ⑤ 소성 공정, ⑥ 에지 분리 공정으로 구분할 수 있다. 본 발명과 관련된 ① 표면 조직화 공정, ② p-n 접합을 위한 불순물 확산 공정, ⑥ 에지 분리 공정에 국한해서 설명을 하도록 한다.
① 표면 조직화 공정은 표면 반사 손실을 줄이고 빛을 가두어 광 흡수율을 높이기 위한 목적으로 태양 전지의 표면에 피라미드 구조 형상을 만들거나 다공성 또는 요철을 두어 입사한 빛이 반사되어 손실이 되지 않도록 하는 구조를 만드는 공정이다. 즉 반도체 기판의 표면을 조직화(texture)함으로써 표면적을 넓혀 빛의 흡수를 늘리고, 반사도를 줄여 태양 전지의 전류를 증가시키고, 효율의 향상을 목적으로 한다.
② p-n 접합을 위한 불순물 확산 공정은 일반적으로 p형 반도체 기판에 n형 층을 만들기 위해 원소 주기율표 V족을 포함하는 물질로 삼염화인산(POCl3) 등을 고온에서 확산시켜 n형 에미터층을 형성하기 위한 도핑 공정이다.
본 발명에서는 p형 불순물 또는 n형 불순물을 제1 도전형 불순물이라 하고, 제1 도전형과 반대 극성을 갖는 불순물을 제2 도전형 불순물이라 한다.
⑥ 에지 분리 공정은 반도체 기판의 모든 표면이 n층으로 연결되어 있으므로 p-n 접합을 이용하기 위하여 연결된 n층을 분리시키는 공정이다. 에지 분리가 잘되지 않을 경우, 분리되지 않은 n층을 통해 누설 전류가 흐르게 되고, 누설 전류가 많아지면 병렬 저항 성분이 작아진다.
p-n 접합 측면 분리 방법에는 ⑴ 플라즈마를 이용해 에너지를 가진 입자(이온)가 직접 표면에 충돌하여 측면 부분을 제거하는 플라즈마 식각법, ⑵ 레이저 광원을 이용하여 기판 표면을 직접 식각하는 레이저 분리법 및 ⑶ 질산과 불산이 혼합된 용액 위로 기판이 떠서 이동하게 처리하는 습식법 등이 있다.
도 2는 결정질 실리콘 태양 전지의 제조 공정 중에서 p-n 접합을 위해 불순물을 확산시키는 확산로의 일례를 도시한 구성도이다.
도 2에 도시된 설비가 삼염화인산(POCl3)을 반도체 기판의 단면에 선택적으로 증착하는 확산 공정을 수행하는 확산로(diffusion furnace;300)이다. 고온인 확산로 안에서 도핑될 불순물(POCl3)을 포함한 증기에 실리콘 기판을 노출시킴으로써 기판에 n층을 형성할 수 있다. 이때, 불순물을 포함한 증기는 도 2과 같이 고체 불순물 원을 가열하여 생성시키거나 액체 불순물원을 운반가스(carrier gas)로 나르기도 하며, 기체 상태의 불순물을 그대로 이용하기도 한다. 이때, 사용되는 운반 가스는 일반적으로 불활성 N2 가스가 사용된다.
뷸순물 확산 공정은 고온의 삼염화인산(POCl3)과 O2가 확산로 안에서 서로 반응하여 P2O5층을 형성하는 선증착(pre-deposition) 공정과 고온의 열처리를 통해 불순물(P2O5 층의 P)를 반도체 기판 안으로 확산시켜(drive-in) n층을 형성하는 공정으로 나뉜다.
실리콘 태양 전지의 제작에 있어 삼염화인산(POCl3)을 증착(doping)하기 위해서 확산로(diffusion furnace)의 석영 튜브(Quartz diffusion tube; 310)에 반도체 기판을 200매, 300매, 400매 단위 다발 형태(batch)로 석영 보트(Quartz boat; 320)에 장입하여 질소 분위기에서 삼염화인산(POCl3)을 산소(O2)와 질소(N2) 등의 운반 가스(carrier gas)와 함께 확산로 내에 주입하여 원하는 저항값의 삼염화인산을 얻어 내는 방법이다.
실제로 양산 라인에 많이 적용되고 있는 방법((back to back, BTB 방식이라 함)은 석영 보트에 자동 또는 수동으로 2장의 반도체 기판을 밀착시켜서 하나의 슬롯에 두 장씩 겹쳐서 꽂으면 각각의 반도체 기판의 일면에만 선택적으로 n 층을 형성함으로써 태양 전지의 생산량을 증대시킬 수 있다. 또한 결정질 실리콘 태양 전지의 제조 공정 중 에지 분리 공정(edge isolation)을 생략함으로써 태양 전지의 생산 비용을 절감함으로써 생산 효율을 개선할 수 있다.
그러나 BTB 방식을 적용할 경우, 실제 반도체 기판의 확산 공정 중에서 확산로 내에서 퍼지 질소(purge nitrgen) 등에 의해 밀착된 부분의 일부가 벌어지는 현상이 발생할 수 있다.
결과적으로 증착(doping)되지 말아야 할 반도체 기판의 후면의 일부가 증착됨으로써 에지 분리(edge isolation) 공정을 진행할 수밖에 없는 문제점이 있다.
도 3은 본 발명에서 제안하는 태양 전지용 결정질 실리콘 태양 전지의 제조 를 위한 확산 공정용 구조물을 도시한 도면이다.
확산 공정 구조물은 2장의 반도체 기판의 일면이 서로 밀착되도록 고정하는 결합 부재(530;530a,530b) 및 상기 결합 부재(530)가 안착하는 보트(510)를 포함한다.
상기 보트(510)는 복수개의 결합 부재(530)를 삽입할 수 있는 복수개의 슬롯(520)이 일정한 간격으로 배치될 수 있다.
상기 결합 부재(530)와 상기 보트(510)는 분리형 뿐만 아니라 일체형도 가능하다. 다만. 제작의 용이성을 고려할 때, 상기 보트(510)에 상기 결합 부재(530)를 용이하게 안착시키기 위해서는 상기 결합 부재(530)와 상기 보트(510)는 분리할 수 있는 것이 바람직하다. 단결정 실리콘 기판은 기판의 모서리 부분이 둥근 사각형 형태이고, 다결정 실리콘 기판의 경우 모서리 부분도 완전한 사각형 형태이다.
따라서, 상기 결합 부재(530)는 기판의 일면과 밀착하여 기판의 모서리 부분에서 불순물이 침투하여 증착이 되는 것을 방지하고 확산 공정 중 기판의 손상을 방지하기 위해서 기판의 형태와 마찬가지로 사각형이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 확산 공정 구조물 중 일부인 결합 부재를 도시한 도면이다.
상기 보트(도 3;510)에 안착될 수 있는 본 발명의 제1 실시예에 따른 결합 부재(630;630a,630b)는 두 장의 기판, 즉 제1도전형의 제1 기판(wafer Ⅰ) 및 제2 기판(wafer Ⅱ)의 타면의 주변부를 같이 감싸는 제1 부분(631,632,633)을 포함한다.
상기 결합 부재(630)에 의해 두 장의 반도체 기판이 서로 밀착되는 일면에 제1도전형과 반대 극성을 갖는 제2 도전형의 불순물이 증착되는 것을 완전하게 방지하기 위해서는 상기 제1 부분(631,632,633)은 상기 제1 기판 및 제2 기판의 주변부를 모두 감싸는 것이 바람직하다.
상기 결합 부재(630; 630a,630b)는 반도체 기판의 삽입을 용이하게 하기 위해 구조적으로 분리가 가능한 바디부(630a)와 헤드부(630b)로 구성할 수 있다. 반도체 기판을 바디부(630a)에 삽입한 후, 헤드부를 뚜껑처럼 바디부(630a)와 결합할 수 있다. 이렇게 함으로써 바디부(630a)는 반도체 기판의 삼면을 에워싸고, 나머지 기판의 일면을 헤드부(630b)로 에워쌈으로써 불순물이 침투하는 것을 방지할 수 있다.
상기 제1 부분(631,632,633)은 제1,2 기판(wafer Ⅰ, wafer Ⅱ)의 측면과 맞닿는 A 부분(631)과 마주보지 않는 제1,2 기판(wafer Ⅰ, wafer Ⅱ)의 타면의 주변부와 맞닿는 B 부분(632,633)으로 구성된다. 상기 B 부분(632,633)은 상기 A 부분(631)과 수직 방향으로 결합될 수도 있고, 상기 결합 부재와 기판과의 결합의 밀착성을 높이기 위해 상기 A 부분에 결합된 상기 B 부분(632,633)의 돌출 방향이 삽입된 기판의 중심 방향으로 향할 수도 있다.
상기 B 부분(632,633)의 높이(H1)는 1.5㎜ 이상 2㎜ 이내이다. 상기 제1 부분에 의해 감싸지는 제1,2 기판(wafer Ⅰ, wafer Ⅱ)의 주변부의 폭도 상기 B 부분(632,633)의 높이(H1)와 동일하다. 따라서 불순물이 서로 마주보지 않는 제1, 2 기판의 타면에 증착되더라도 서로 마주보며 밀착된 제1,2 기판의 일면뿐만 아니라, 제1,2 기판 의 타면의 주변부의 일정 범위, 즉 제1,2 기판의 측면으로부터 1.5㎜ 이상 2㎜이내는 불순물이 증착되지 않는다.
태양 전지 생산의 기계적 오차가 0.5㎜, 금속 전극 형성을 위한 스크린 인쇄의 정렬 반복성과 오염 방지를 의한 여백이 0.5㎜, p-n 접합 분리를 위한 정렬 반복성과 p-n 접합의 분리 실행 반복성 확보를 위한 여백 0.5㎜이 필요하므로, 기판의 측면으로부터 1.5㎜ 이상 2㎜ 이내를 띄워서 모든 금속 전극을 형성하기 때문이다.
상기 제1,2 기판(wafer Ⅰ, wafer Ⅱ)이 각각 상기 제1 부분(631,632,633)에 밀착 결합되기 위해서는 끼움 결합되는 한쌍의 슬롯을 더 포함할 수 있다.
상기 결합 부재(630; 630a,630b)는 상기 제1 기판의 일면 및 상기 제2 기판의 일면 사이에 형성된 제2 부분(634)을 추가로 포함할 수 있다. 즉, 상기 제2 부분(634)은 구조적으로 상기 제1 부분의 A 부분(631)의 중앙에서 수직 방향으로 결합할 수 있다.
그 결과 상기 제2 부분(634)의 일면은 상기 제1 기판의 일면의 전체 면과 밀착되고, 상기 제2 부분(634)의 타면은 상기 제2 기판의 일면의 전체 면과 밀착됨으로써 기판의 손상을 방지하는 지지 역할을 하면서 동시에, 제1,2 기판의 타면에 불순물이 도핑되는 것을 방지하는 역할을 한다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 확산 공정용 구조물 일부인 결합 부재를 도시한 도면이다.
보트(도 3; 510)에 안착될 수 있는 본 발명의 제2 실시예에 따른 결합 부재(730)는 두 장의 기판, 즉 제1,2 기판(wafer Ⅰ, wafer Ⅱ)의 타면의 테두리를 같이 감싸는 제1 부분(731,732,733)으로 구성된다. 상기 제1,2 기판(wafer Ⅰ, wafer Ⅱ)이 각각 상기 제1 부분(731,732,733)에 밀착 결합되기 위해서는 끼움 결합되는 한쌍의 슬롯을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 부분(731,732,733)은 제1,2 기판(wafer Ⅰ, wafer Ⅱ)의 측면과 맞닿는 A 부분(731)과 마주보지 않는 제1,2 기판(wafer Ⅰ, wafer Ⅱ)의 타면의 주변부와 맞닿는 B 부분(732,733)으로 구성된다.
상기 B 부분(632,633)의 높이(H1')도 도 4의 B 부분(632,633)의 높이(H1)와 동일하게 1.5㎜ 이상 2㎜ 이내이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 결합 부재(730; 730a,730b)가 도 4에서 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 결합 부재(630)와의 차이점은 서로 마주보는 제1,2 기판(wafer Ⅰ, wafer Ⅱ)의 일면 사이에 수직 방향으로 결합된 제2 부분(634)을 포함하지 않는다는 것이다. 제2 부분(634)을 포함하지 않더라도 서로 마주보는 제1,2 기판(wafer Ⅰ, wafer Ⅱ)의 일면이 밀착됨으로써 불순물이 증착되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 결합 부재(730; 730a,730b)가 본 발명의 제1 실시예의 제2 부분(634)을 포함하지 않음으로써, 도 5의 제1 부분의 A 부분(731)의 너비(L1')는 도 4의 제1 부분의 A 부분(631)의 너비(L1)보다 제2부분(634)의 너 비(L2)만큼 작다. 수식으로 표현하면, L1'= L1-L2의 관계가 성립한다.
따라서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 결합 부재(730a, 730b)는 본 발명의 제1실시예에 따른 결합 부재(630a,630b)보다 더 많이 보트(도 3; 510)에 안착할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 확산 공정용 구조물 일부인 결합 부재를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 결합 부재(830; 830a, 830b) 중 제1,2 기판의 4측면 중 일측면을 밀착되도록 고정하는 헤드부(830b)를 복수 개의 분할된 형태로 구성할 수 있다.
도 6 에 도시된 결합 부재의 형태처럼 기판의 테두리의 일부를 고정함으로써 본 발명의 목적인 마주보는 두 장의 기판의 일면이 선택적으로 불순물이 증착되도록 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 확산 공정용 구조물을 이용하여 생산된 기판의 측면도를 도시한 도면이다.
도 4에서 설명한 것처럼, 본 발명의 실시예에 따른 확산 공정용 구조물을 이용하여 태양 전지용 결정질 실리콘 기판을 제조할 경우, 서로 마주보며 밀착된 제1,2 기판의 일면(1010)뿐만 아니라, 서로 마주보지 않는 제1,2 기판 타면(1020)의 주변부의 일정 범위(1030), 즉 제1,2 기판의 측면으로부터 1.5㎜ 이상 2㎜ 이내는 불순물이 증착되지 않는다. 확산 공정용 구조물의 형태에 따라서는 제1,2 기판 타 면의 4측면 중 일부 측면의 주변부에 불순물이 증착될 수 있다.
제1,2 기판의 일면(1010)에 불순물이 증착되지 않으면, 결정질 실리콘 기판 제조 공정 중 에지 분리 공정을 생략할 수 있다.
특히, 확산 공정은 보트 및 결합 부재를 이용하여 두 개의 기판의 사이 공간을 밀착하는 공정 및 밀착된 두 개의 상기 기판을 불순물을 증착시키는 공정으로 나뉠 수 있다.
따라서, 반도체 기판의 타면(1020)에만 선택적으로 불순물을 증착시킨 후 에지 분리 공정을 별도로 거치지 않기 때문에 불순물이 증착되지 않은 기판 일면(1010)은 표면 조직화 공정을 거친 이후의 표면 상태를 유지하게 된다. 불순물이 증착되지 않은 기판 일면(1010)의 표면은 복수의 요철 형상을 유지하고 있다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 태양 전지의 원리를 개략적으로 설명한 도면이다.
도 2는 결정질 실리콘 기판의 제조 공정 중에서 p-n 접합을 위해 불순물을 확산시키는 확산로의 일례를 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명에서 제안하는 태양 전지용 결정질 실리콘 기판 제조를 위한 확산 공정용 구조물을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 확산 공정 구조물 중 일부인 결합 부재를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 확산 공정용 구조물 일부인 결합 부재를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 확산 공정용 구조물 일부인 결합 부재를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 확산 공정용 구조물을 이용하여 생산된 기판의 측면도를 도시한 도면이다.

Claims (24)

  1. 태양 전지의 제조 장치에 있어서,
    제1도전형의 제1 기판 및 제2 기판을 함께 고정하는 결합 부재; 및
    상기 결합 부재가 안착되는 보트를 포함하고,
    상기 결합 부재는,
    상기 제1,2 기판의 마주보지 않는 타면의 주변부를 같이 감싸는 제1 부분을 포함하고,
    상기 결합 부재에 고정된 상기 제1, 2 기판은 서로 마주보는 일면이 서로 맞닿아 밀착되거나,
    상기 결합 부재는 상기 제1,2 기판의 일면 사이에 형성된 제2 부분을 더 포함하고, 상기 제2 부분은 상기 제1, 2 기판의 서로 마주보는 일면과 각각 맞닿아 밀착되는 확산 공정용 구조물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 결합 부재는
    상기 제1,2 기판의 마주보는 각각의 일면에 상기 제1도전형과 반대 극성을 갖는 제2 도전형의 불순물이 도핑되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 확산 공정용 구조물.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 부분은,
    상기 제1,2 기판 각각의 타면의 주변부를 모두 감싸는 것을 특징으로 하는 확산 공정용 구조물.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 부분이 상기 제1,2 기판 각각의 타면의 주변부와 밀착되는 부분의 범위는 1.5㎜ 이상 2㎜인 것을 특징으로 하는 확산 공정용 구조물.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 부분은,
    상기 제1,2 기판이 각각 끼움 결합되는 한쌍의 슬롯을 더 포함하는 확산 공정용 구조물.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 결합 부재는 사각형 형태인 것을 특징으로 하는 확산 공정용 구조물.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 결합 부재는 분리 가능한 바디부와 헤드부를 포함하는 확산 공정용 구조물.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 헤드부는 복수 개인 확산 공정용 구조물.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1,2 기판의 4측면을 함께 고정하는 상기 결합 부재가 모두 복수 개의 분할된 형태로 구성된 확산 공정용 구조물.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 결합 부재와 상기 보트는 일체형인 확산 공정용 구조물.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 결합 부재와 상기 보트는 서로 분리할 수 있는 확산 공정용 구조물.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 결합 부재 또는 상기 보트의 재질은 석영인 확산 공정용 구조물.
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KR100590258B1 (ko) * 2002-10-08 2006-06-15 삼성에스디아이 주식회사 스프레이방식을 이용한 태양전지의 제조방법
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