KR101621564B1 - 태양전지 및 태양전지용 기판의 텍스처링 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지 및 태양전지용 기판의 텍스처링 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지는 제1 도전성 타입의 기판; 및 기판의 수광면 쪽에 형성되며, 복수의 미세한 요철을 포함하는 제1 텍스처링 표면을 포함한다. 이때, 요철의 크기는 200㎚ 내지 500㎚이고, 요철들의 수직 단면에 있어서 정점을 연결한 가상선의 길이(a)와 상기 가상선의 시점과 종점을 연결한 직선의 길이(b)의 비율(a/b)은 1.1 내지 1.3이다. 그리고 제1 텍스처링 표면의 표면적/실면적의 비율은 2 내지 2.5이다.
Description
본 발명은 태양전지 및 태양전지용 기판의 텍스처링 방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생산하는 전지로서, 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 주목 받고 있다.
태양전지는 사용 재료의 종류에 따라서 결정계, 비정질계, 화합물계 등으로분류되며, 결정계 실리콘 태양전지는 단결정형 및 다결정형으로 분류된다.
단결정 실리콘 태양전지는 기판의 품질이 좋기 때문에 고효율화가 용이하지만 기판의 제조 비용이 큰 단점이 있다. 이에 반하여 다결정 실리콘 태양전지는 단결정 실리콘 태양전지에 비해 상대적으로 기판의 품질이 좋지 않기 때문에 고효율화가 어려운 단점이 있었지만, 최근에는 기판의 품질이 향상되고 공정 기술이 진일보함에 따라 고효율화가 가능하게 되고 있다.
다결정 실리콘 태양전지의 고효율화를 위한 방법의 하나로, 기판의 수광면에 입사하는 빛의 반사도를 저감하는 방법이 있다.
빛의 반사도를 저감하기 위한 기술로, 기판의 수광면 표면에 미세 요철을 형성하는 기술이 있다. 이하에서는 미세 요철이 형성된 기판의 표면을 텍스처링 표면이라 한다.
텍스처링 표면에 형성된 미세 요철은 수백 나노미터의 크기를 가지므로, 각 요철은 기판 쪽으로 굴절률이 연속적으로 변하게 된다. 즉, 각 요철의 상부 쪽은 공기의 굴절률과 가까운 굴절률을 갖게 되고, 요철의 하부 쪽은 기판의 재료인 실리콘(Si)의 굴절률과 가까운 굴절률을 갖게 되어 굴절률이 연속적으로 변하는 막의 적층 효과(stack effect)가 발생한다.
따라서 굴절률 변화에 따라 흡수되는 빛의 파장대도 변하게 되어 기판으로 입사되는 빛의 파장 범위가 증가하고, 이로 인해 빛의 반사도가 감소한다.
그런데 빛의 반사도는 요철의 크기와 균일도에 의해 영향을 받으며, 태양전지의 변환 효율은 반사도의 크기에 의해 영향을 받는다. 따라서 태양전지의 효율을 향상시키기 위해서는 최적화된 요철의 크기 및 균일도에 대한 연구 및 반사도의 최적화된 범위에 대한 연구가 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 효율이 향상된 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 미세 요철의 크기 및 균일도와 빛의 반사도를 최적화할 수 있는 태양전지용 기판의 텍스처링 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 특징에 따른 태양전지는 제1 도전성 타입의 기판; 및 기판의 수광면 쪽에 형성되며, 복수의 미세한 요철을 포함하는 제1 텍스처링 표면을 포함한다. 이때, 요철의 크기는 200㎚ 내지 500㎚이고, 요철들의 수직 단면에 있어서 정점을 연결한 가상선의 길이(a)와 상기 가상선의 시점과 종점을 연결한 직선의 길이(b)의 비율(a/b)은 1.1 내지 1.3이다. 여기에서, 상기 크기는 상기 요철의 폭 및 높이를 포함하며, 상기 비율(a/b)을 측정하기 위한 요철들의 개수는 3개 이상, 바람직하게는 5개 이상이다.
이러한 구성의 제1 텍스처링 표면은 7% 내지 10%의 반사도로 빛을 반사하며, 제1 텍스처링 표면에서의 빛의 반사도는 상기 비율(a/b)과 반비례하여 증가 및 감소한다. 그리고 제1 텍스처링 표면의 표면적/실면적의 비율은 2 내지 2.5에 포함된다. 이때, 상기 표면적/실면적의 비율을 측정하기 위한 단위 면적은 10㎛×10㎛의 면적일 수 있으며, 변경이 가능하다.
제1 텍스처링 표면은 제2 텍스처링 표면 위에 위치한다. 제2 텍스처링 표면은 제1 텍스처링 표면에 형성된 요철보다 큰 크기의 요철들을 포함한다.
이러한 구성의 태양전지는 제1 텍스처링 표면 위에 위치하는 제2 도전성 타입의 에미터부; 상기 에미터부 위에 위치하며, 상기 에미터부와 전기적으로 연결되는 복수의 제1 전극; 및 상기 에미터부 위에 위치하며, 상기 제1 전극과 교차하는 방향으로 형성되는 적어도 하나의 제1 집전부를 더 포함할 수 있으며, 필요에 따라 상기 제1 전극 및 제1 집전부가 형성되지 않은 영역의 상기 에미터부 위에 위치하는 반사방지막을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 한 특징에 따른 태양전지용 기판의 텍스처링 방법은 제1 식각 가스를 이용한 제1 식각 공정을 실시하여 상기 기판의 한 표면을 건식 식각함으로써 상기 표면에 제1 크기의 요철들을 형성하는 단계; 제2 식각 가스를 이용한 제2 식각 공정을 실시하여 상기 제1 크기의 요철들을 건식 식각함으로써 상기 제1 크기의 요철들을 상기 제1 크기보다 작은 제2 크기의 요철들로 변화시키는 단계; 제3 식각 가스를 이용한 제3 식각 공정을 실시하여 상기 기판의 표면을 건식 식각함으로써 상기 제2 크기의 요철들의 형상을 유지한 상태에서 상기 기판의 표면에 위치하는 잔류물을 제거하는 단계; 및 제4 식각 가스를 이용한 제4 식각 공정을 실시하여 상기 제2 크기의 요철들을 식각함으로써 상기 제2 크기의 요철들의 형상을 유지한 상태에서 상기 제2 크기의 요철들의 표면 손상 부위를 제거하여 제1 텍스처링 표면을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제2 크기의 요철들은 200㎚ 내지 500㎚의 폭 및 높이를 각각 가지며, 상기 제2 요철들의 수직 단면에 있어서 정점을 연결한 가상선의 길이(a)와 상기 가상선의 시점과 종점을 연결한 직선의 길이(b)의 비율(a/b)이 1.1 내지 1.3이다.
제1 식각 공정 내지 제4 식각 공정은 0.1 내지 0.5mTorr의 압력으로 챔버 내부를 유지하고, 0.5slm 내지 1.5slm의 유량으로 식각 가스를 도입하며, 3.3kW 내지 5.5kW의 크기로 RF 파워를 인가하는 조건 하에서 실시할 수 있다.
제1 크기의 요철들을 형성하기 위해, 제1 식각 가스는 플루오린계 가스와 산소 가스의 혼합 가스, 예를 들어 SF6/O2 가스를 사용하는 것이 바람직하며, SF6와 O2는 1:1의 비율로 혼합하는 것이 바람직하다.
제1 크기의 요철들을 제2 크기의 요철들로 변화시키기 위해, 제2 식각 가스는 플루오린계 가스, 염소계 가스 및 산소 가스의 혼합 가스, 예를 들어 SF6/Cl2/O2 가스를 사용하는 것이 바람직하며, SF6와 Cl2 및 O2는 1:4~8:1~3의 비율로 혼합하는 것이 바람직하다.
기판의 표면에 위치하는 잔류물을 제거하기 위해, 제3 식각 가스는 플루오린계 가스 및 염소계 가스의 혼합 가스, 예를 들어 SF6/Cl2 가스를 사용하는 것이 바람직하다.
그리고 제2 크기의 요철들의 표면 손상 부위를 제거하기 위해, 제4 식각 가스는 플루오린계 가스, 예를 들어 SF6를 사용하는 것이 바람직하다.
제2 크기의 요철들은 200㎚ 내지 500㎚의 폭 및 높이를 가진다.
그리고 제1 텍스처링 표면은 제2 텍스처링 표면 위에 위치할 수 있으며, 제2 텍스처링 표면은 알칼리 또는 산을 이용하여 상기 기판의 한 표면을 습식 식각하는 것에 따라 형성할 수 있다.
그리고 제1 식각 공정 내지 제4 식각 공정은 반응성 이온 식각법(RIE)에 의해 이루어질 수 있다.
이러한 특징에 따르면, 제1 텍스처링 표면에 형성된 요철들의 크기 및 균일도가 최적화되므로, 빛의 반사도가 최적화된 범위, 예를 들어 7% 내지 10%로 유지된다. 따라서 변환 효율을 효과적으로 개선할 수 있다.
또한 기판의 텍스처링 표면 형성뿐만 아니라 텍스처링 표면에 남아있는 잔류물의 제거도 건식 식각법으로 행해지므로, 텍스처링 표면 형성 시간이 감소하여 태양전지의 제조 시간이 줄어든다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양전지의 일부 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 태양전지를 II-II선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2의 주요부 확대도이다.
도 4는 제1 텍스처링 표면에 형성되는 요철들의 비율(a/b)이 1.3보다 큰 경우의 제1 텍스처링 표면을 촬영한 사진이다.
도 5는 제1 텍스처링 표면에 형성되는 요철들의 비율(a/b)이 1.1보다 작은 경우의 제1 텍스처링 표면을 촬영한 사진이다.
도 6은 제1 텍스처링 표면의 표면적/실면적의 비율을 나타내기 위한 개념도이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 한 실시예에 따른 텍스처링 방법을 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7의 제1 식각 공정 내지 제4 식각 공정이 진행되는 건식 식각 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 태양전지를 II-II선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2의 주요부 확대도이다.
도 4는 제1 텍스처링 표면에 형성되는 요철들의 비율(a/b)이 1.3보다 큰 경우의 제1 텍스처링 표면을 촬영한 사진이다.
도 5는 제1 텍스처링 표면에 형성되는 요철들의 비율(a/b)이 1.1보다 작은 경우의 제1 텍스처링 표면을 촬영한 사진이다.
도 6은 제1 텍스처링 표면의 표면적/실면적의 비율을 나타내기 위한 개념도이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 한 실시예에 따른 텍스처링 방법을 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7의 제1 식각 공정 내지 제4 식각 공정이 진행되는 건식 식각 장치의 개략적인 구성도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한 어떤 부분이 다른 부분 위에 "전체적"으로 형성되어 있다고 할 때에는 다른 부분의 전체 면(또는 전면)에 형성되어 있는 것뿐만 아니라 가장 자리 일부에는 형성되지 않은 것도 포함한다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 태양전지에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1을 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 태양전지에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양전지의 일부 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시한 태양전지를 II-II선을 따라 잘라 도시한 단면도이며, 도 3은 도 2의 주요부 확대도이다.
도면을 참고로 하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 태양전지는 기판(10), 빛이 입사되는 기판(10)의 전면(front surface, 이하 '수광면'이라 함)에 위치한 에미터부(20), 에미터부(20) 위에 위치하는 반사 방지막(30), 에미터부(20)와 전기적으로 연결된 복수의 제1 전극(40), 기판(10)의 후면에 위치하는 제2 전극(50), 그리고 제2 전극(50)과 기판(10) 사이에 위치하는 후면전계(back surface field, BSF)부(60)를 구비한다.
기판(10)은 제1 도전성 타입, 예를 들어 p형 도전성 타입의 실리콘으로 이루어진 반도체 기판이다. 이때, 실리콘은 단결정 실리콘, 다결정 실리콘 또는 비정질 실리콘일 수 있다.
기판(10)이 p형의 도전성 타입을 가질 경우, 붕소(B), 갈륨, 인듐 등과 같은 3가 원소의 불순물을 함유한다. 하지만, 이와는 달리, 기판(10)은 n형 도전성 타입일 수 있다. 기판(10)이 n형의 도전성 타입을 가질 경우, 기판(10)은 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 함유할 수 있다.
이러한 기판(10)은 텍스처링(texturing)되어 복수의 요철(12a)을 갖는 제1 텍스처링 표면(first texturing surface)(12)을 포함한다.
이때, 제1 텍스처링 표면(12)에서, 각 요철(12a)의 폭(w)은 200㎚ 내지 500㎚이고, 각 요철(12a)의 높이(h) 역시 200㎚ 내지 500㎚이다.
그리고, 요철(12a)들의 수직 단면에 있어서, 정점을 연결한 가상선의 길이(a)와 상기 가상선의 시점(start point, SP)과 종점(finish point, FP)을 연결한 직선의 길이(b)의 비율(a/b)은 1.1 내지 1.3이다.
도 3은 9개의 요철(12a)들에 대해 상기 비율(a/b)을 측정하는 것을 도시하고 있지만, 상기 비율(a/b)은 3개 이상의 요철들에 대해 측정이 가능하며, 측정의 신뢰도를 위해서는 최소 5개 이상의 요철들에 대해 측정하는 것이 바람직하다.
도 4는 상기 비율(a/b)이 1.3보다 큰 경우의 제1 텍스처링 표면을 촬영한 사진이며, 도 5는 상기 비율(a/b)이 1.1보다 작은 경우의 제1 텍스처링 표면을 촬영한 사진이다.
도 4를 참고하면, 상기 비율(a/b)이 1.3보다 큰 경우에는 제1 텍스처링 표면(12)의 요철(12a)들의 크기, 즉 폭(w) 및 높이(h)가 대략 500㎚ 내지 1,000㎚로 형성되며, 각 요철(12a)들의 크기가 불균일하여 전체적으로 균일도가 낮다.
그리고 상기 비율(a/b)이 1.1보다 작은 경우에는 제1 텍스처링 표면(12)의 요철(12a)들의 크기가 대략 200㎚ 이하의 크기를 가지며, 각 요철(12a)들의 크기가 균일하여 전체적으로 균일도가 우수한 것을 알 수 있다.
이와 같이 요철(12a)들의 균일도 측면에서 보면 도 5의 제1 텍스처링 표면이 도 4의 제1 텍스처링 표면에 비해 우수하다.
하지만 빛의 반사도를 살펴 보면, 도 4의 제1 텍스처링 표면은 빛의 반사도가 7% 이하로 측정된 반면에 도 5의 제1 텍스처링 표면은 빛의 반사도가 10% 이상으로 측정되었다.
이와 같이, 제1 텍스처링 표면에서의 빛의 반사도는 상기 비율(a/b)과 반비례하여 증가 및 감소하는데, 빛의 반사도가 상기 비율(a/b)과 반비례하는 이유는 상기 비율(a/b)이 1에 가까울수록 요철(12a)의 크기가 줄어들게 되고, 이로 인해 빛의 반사도가 증가하기 때문으로 생각된다.
위에서 설명한 바에 따르면 상기 비율(a/b)이 1.3보다 큰 경우 빛의 반사도가 낮으므로 태양전지의 변환 효율을 개선할 수 있을 것으로 추론된다. 그러나 실질적으로는 상기 비율(a/b)이 1.3보다 크면 도 5의 경우에 비해 요철(12a)의 크기가 크고 균일도가 저하되어 전자와 정공의 재결합률이 증가한다. 또한 전류 통로(current path)가 증가하며, 데드 영역(dead area) 또한 증가한다. 따라서 상기한 이유로 인해 전류 손실이 크게 발생하므로, 변환 효율을 개선하기 위해서는 상기 비율(a/b)이 1.3 이하가 되도록 제1 텍스처링 표면을 형성하는 것이 바람직하다.
또한 상기 비율(a/b)이 1.1보다 작은 경우에는 도 4의 제1 텍스처링 표면에서 발생하는 문제점을 억제할 수 있지만, 빛의 반사도가 크게 증가함으로 인해 도 4의 경우에 비해 단락 전류 밀도(Jsc)가 증가하고, 이로 인해 변환 효율이 감소한다. 따라서 변환 효율을 개선하기 위해서는 상기 비율(a/b)이 1.1 이상이 되도록 제1 텍스처링 표면을 형성하는 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 바에 따르면, 제1 텍스처링 표면(12)에 형성되는 요철(12a)들은 상기 비율(a/b)이 1.1 내지 1.3에 포함되도록 하고, 요철(12a)의 크기가 200㎚ 내지 500㎚가 되도록 형성하는 것이 바람직한 것을 알 수 있다.
이와 같이, 제1 텍스처링 표면(12)에 형성되는 요철(12a)들의 상기 비율(a/b)이 1.1 내지 1.3에 포함되도록 하면, 단위 면적, 예를 들어 10㎛×10㎛의 면적에 대해 제1 텍스처링 표면(12)의 표면적/실면적의 비율은 2 내지 2.5에 속하게 된다. 이때, 상기 단위 면적은 변경이 가능하다.
여기에서, 표면적은 단위 면적 내의 제1 텍스처링 표면(12)에 형성된 요철(12a)들의 표면적을 포함한 면적(도 6에 있어서 삼각형 A+B+C+D+E+F+G+H+I+J의 합)이고, 실면적은 기판 면의 수직 방향으로부터 보는 투영 면적(도 6에 있어서 S)이다.
한편, 도 3에 도시한 바와 같이 상기한 제1 텍스처링 표면(12)은 기판의 수광면에 형성된 제2 텍스처링 표면(14) 위에 형성된다.
일반적으로, 다결정 실리콘으로 이루어진 기판(10)은 실리콘 블록(block)이나 잉곳(ingot)을 블레이드(blade) 또는 멀티 와이어 소우(multi wire saw)로 슬라이스(slice)하여 제조하는데, 이때 기판(10)에는 기계적 손상층(mechanical damage layer)이 형성된다.
따라서 기계적 손상층으로 인한 태양전지의 특성 저하를 방지하기 위해, 상기 제1 텍스처링 표면(12)을 형성하기 전에 습식 식각을 실시하여 기계적 손상층을 제거한다. 이때, 습식 식각에는 알칼리(alkaline) 또는 산(acid) 식각액(etchant)을 사용한다.
상기 제2 텍스처링 표면(14)은 기판(10)을 습식 식각하는 것에 따라 기판(10)의 표면에 형성되며, 제1 텍스처링 표면(12)에 형성된 요철(12a)들에 비해 큰 크기(폭 및 높이)를 갖는 요철(14a)들을 갖는다.
제1 텍스처링 표면(12) 위에 위치하는 에미터부(20)는 기판(10)의 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입, 예를 들어, n형의 도전성 타입을 구비하고 있는 불순물부로서, 반도체 기판(10)과 p-n 접합을 이룬다. 이때, 기판(10)으로의 불순물 확산에 의해 에미터부(20)가 형성되므로, 기판(10)의 전면에 형성된 에미터부(20)는 기판(10)의 텍스처링 표면을 갖는다.
이러한 p-n 접합에 인한 내부 전위차(built-in potential difference)에 의해, 기판(10)에 입사된 빛에 의해 생성된 전하인 전자-정공 쌍은 전자와 정공으로 분리되어 전자는 n형 쪽으로 이동하고 정공은 p형 쪽으로 이동한다. 따라서, 기판(10)이 p형이고 에미터부(20)가 n형일 경우, 분리된 정공은 기판(10)쪽으로 이동하고 분리된 전자는 에미터부(20)쪽으로 이동하여, 기판(10)에서 정공은 다수 캐리어가 되며, 에미터부(20)에서 전자는 다수 캐리어가 된다.
에미터부(20)는 기판(10)과 p-n접합을 형성하므로, 본 실시예와 달리, 기판(10)이 n형의 도전성 타입을 가질 경우, 에미터부(20)는 p형의 도전성 타입을 가진다. 이 경우, 분리된 전자는 기판(10)쪽으로 이동하고 분리된 정공은 에미터부(20)쪽으로 이동한다.
에미터부(20)가 n형의 도전성 타입을 가질 경우, 에미터부(20)는 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 기판(10)에 도핑하여 형성될 수 있고, 반대로 p형의 도전성 타입을 가질 경우, 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등과 같은 3가 원소의 불순물을 기판(10)에 도핑하여 형성될 수 있다.
에미터부(20) 위에 실리콘 질화막(SiNx)이나 실리콘 산화막(SiOx) 등으로 이루어진 반사방지막(30)이 형성되어 있다. 반사방지막(30)은 태양전지로 입사되는 빛의 반사도를 줄이고 특정한 파장 영역의 선택성을 증가시켜, 태양전지의 효율을 높인다.
복수의 제1 전극(40)은 일부 에미터부(20) 위에 위치하여 에미터부(20)와 전기적으로 연결되어 있고, 서로 이격된 상태에서 정해진 방향으로 뻗어있다. 복수의 제1 전극(40)은 에미터부(20)쪽으로 이동한 전하(전자)를 수집하여 외부 장치로 출력한다.
복수의 제1 전극(40)은 은(Ag)과 같은 도전성 물질을 함유하고 있지만, 은 대신, 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 금(Au) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이외의 다른 도전성 금속 물질을 포함할 수도 있다.
제2 전극(50)은 실질적으로 기판(10)의 후면 전체에 형성되어 있다. 제2 전극(50)은 알루미늄(Al)과 같은 도전성 물질을 함유하고 있고, 기판(10)과 전기적으로 연결되어 있으며, 기판(10)쪽으로부터 이동하는 전하(정공)를 수집하여 외부 장치로 출력한다.
제2 전극(50)은 알루미늄(Al) 외에 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 금(Au) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 도전성 물질을 포함할 수 있고, 이외의 다른 도전성 물질을 포함할 수 있다.
제2 전극(50)과 기판(10) 사이에 위치하는 후면전계부(60)는 기판(10)과 동일한 도전성 타입의 불순물이 기판(10)보다 고농도로 도핑된 영역, 예를 들면, P+ 영역이다.
후면전계부(60)는 기판(10)과 후면전계부(60)와의 불순물 농도 차이로 인해 형성된 전위 장벽으로 인해 기판(10) 후면쪽으로의 전자 이동을 방해함으로써 기판(10)의 후면 근처에서 전자와 정공이 재결합하여 소멸되는 것을 감소시킨다.
제1 텍스처링 표면(12)의 표면적/실면적의 비율이 2 내지 2.5가 되도록 형성하거나, 요철(12a)의 수직 단면에 있어서 정점을 연결한 가상선의 길이(a)와 상기 가상선의 시점(SP)과 종점(FP)을 연결한 직선의 길이(b)의 비율(a/b)이 1.1 내지 1.3이 되도록 형성하기 위해, 본 발명은 건식 식각 공정, 바람직하게는 반응성 이온 식각법(reaction ion etching, RIE)을 이용한다.
이하, 도 7a 내지 도 7c와 도 8을 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 기판 텍스처링 방법을 설명한다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 한 실시예에 따른 기판 텍스처링 방법을 순차적으로 나타낸 도면으로서, 본 실시예에 따른 기판 텍스처링 방법은 제1 식각 공정 내지 제4 식각 공정을 포함한다.
본 실시예에 의하면, 제1 식각 공정 내지 제4 식각 공정은 반응성 이온 식각법(RIE)으로 이루어진다. 반응성 이온 식각법은 다결정 실리콘과 같이 결정 방향이 60%의 (111)면과 40%의 (110), (100) 방향을 갖는 불규칙적인 결정의 면 방위에 좌우되지 않으면서 미세한 요철을 균일하게 형성할 수 있으므로, 제1 텍스처링 표면(12)의 요철(12a)들을 효과적으로 형성할 수 있다.
제1 식각 공정 내지 제4 식각 공정은 도 8에 도시한 건식 식각 장치에 의해 진행된다. 건식 식각 장치는 0.1 내지 0.5mTorr의 압력으로 유지되는 챔버(110)를 구비하며, 챔버(110)의 내부에 설치된 전극(120)에는 3.5kW 내지 5.5Kw의 RF 파워(130)가 인가된다. 그리고 제1 식각 공정 내지 제4 식각 공정을 진행하는데 소요되는 전체 공정 시간은 5분(min) 이내이며, 샤워 헤드(140)와 기판(10) 사이의 간격은 10㎜ 내지 30㎜이다.
도 8에서, 미설명 도면부호 150, 160 및 170은 유량 조정기, 압력 조정기, 진공 펌프를 각각 나타낸다.
본 실시예에 따른 텍스처링 방법을 보다 구체적으로 설명하면, 도 7a에 도시한 것처럼, 제1 식각 가스를 이용한 제1 식각 공정을 이용하여 기판(10)의 수광면을 식각함으로써, 기판(10)의 표면에 제1 크기의 요철(12aa)들을 형성한다.
이때, 기판(10)은 p형 또는 n형의 다결정 실리콘으로 이루어질 수 있지만, 이에 한정되지 않고, 단결정 또는 비정질 실리콘일 수도 있다.
그리고, 기판(10)의 수광면에는 알칼리 또는 산 식각액에 의한 표면 손상 식각(surface damage etch, SDE)에 의해 제2 텍스처링 표면(도 3의 14 참조)이 형성되어 있다.
제1 식각 공정은 제1 크기의 요철(12aa)들을 형성하기 위한 것으로, 제1 식각 공정을 진행하기 위해, 챔버(110)의 전극(120) 위에 기판(10)을 위치시킨다. 전극(120)에 기판(10)을 위치시킨 후, 플루오린계 가스와 산소 가스의 혼합 가스, 예컨대 제1 식각 가스(SF6/O2)를 챔버(110)에 도입한다. 이때, 제1 식각 가스는 유량 조정기(150)에 의해 0.5slm 내지 1.5slm의 유량으로 도입하며, SF6와 O2가 1:1의 비율로 혼합된 가스를 사용한다.
그런 다음, 전극(120)에 3.5kW 내지 5.5Kw의 RF 파워(130)를 인가하여 플라즈마를 발생시킴으로써 제1 식각 공정을 진행한다.
제1 식각 공정을 진행하면, 제1 식각 가스(SF6/O2) 중 플루오린계 가스(SF6)는 실리콘(Si) 원자간 결합 거리보다 짧은 이온 반경을 갖고 있어 결정의 면 방위에 무관하게 실리콘 원자의 결합을 용이하게 끊을 수 있고, 이로 인해, 실리콘(Si)의 식각이 용이하다.
반면, 산소 가스(O2)는 산소 입자가 부착된 부분의 식각 동작을 방해하는 마스크(mask) 역할을 수행한다. 즉, 산소 가스(O2)는 실리콘(Si)의 식각 동작을 방해한다.
이처럼, 플루오린계 가스(SF6)와 산소 가스(O2)를 혼합한 제1 식각 가스(SF6/O2)를 이용하여 기판(10)의 제2 텍스처링 표면(도 3의 14 참조)을 식각하면 플루오린계 가스(SF6)와 산소 가스(O2)의 서로 다른 식각 특성으로 인해 기판(10)의 제2 텍스처링 표면(도 3의 14 참조)에 제1 크기의 요철(12aa)들이 형성된다.
이때, 플루오린계 가스(SF6)와 산소 가스(O2)에 의해 형성된 요철(12aa)의 최대 크기(폭과 높이)는 약 300㎚ 내지 800㎚의 크기를 갖는다.
이처럼, 제1 식각 가스(SF6/O2)에 의해 제1 크기의 요철(12aa)들이 형성될 때, 도 7a에 도시한 것처럼, 요철(12aa)의 표면에는 산소(O2)와의 화학 반응에 의해 생성된 산화물이 잔류물(residue)(16)로 존재한다.
제1 식각 공정을 진행한 다음에는 제2 식각 공정을 진행한다. 제2 식각 공정은 제1 크기의 요철(12aa)들을 건식 식각함으로써 상기 제1 크기의 요철(12aa)들을 제1 크기보다 작은 제2 크기의 요철(12a)들로 변화시키기 위한 것으로, 플루오린계 가스(SF6), 염소계 가스(Cl2) 및 산소 가스(O2)가 혼합된 제2 식각 가스(SF6/Cl2/O2)를 챔버(110)의 내부로 도입하여 제1 크기의 요철(12aa)들을 한번 더 식각한다.
이때, 제2 식각 가스를 구성하는 SF6와 Cl2 및 O2는 1:4~8:1~3의 비율로 혼합하는 것이 바람직하다. 제2 식각 가스를 이용하여 제1 크기의 요철(12aa)들을 식각하면, 도 7b에 도시한 바와 같이 상기 제1 크기에 비해 작은 제2 크기의 요철(12a)들이 형성된다.
제2 크기의 요철(12a)들은 도 2에 도시한 바와 같이 200㎚ 내지 500㎚의 크기, 즉 폭(w) 및 높이(h)를 가지며, 도 3에 도시한 바와 같이 제2 크기의 요철(12a)들의 수직 단면에 있어서 정점을 연결한 가상선의 길이(a)와 상기 가상선의 시점과 종점을 연결한 직선의 길이(b)의 비율(a/b)은 1.1 내지 1.3이다.
그리고 제2 크기의 요철(12a)들이 형성된 텍스처링 표면의 표면적/실면적의 비율은 2 내지 2.5에 포함된다. 이러한 구성의 제1 텍스처링 표면은 7% 내지 10%의 반사도로 빛을 반사하게 되므로, 태양전지의 변환 효율을 개선할 수 있다.
1차 식각 가스와 마찬가지로 2차 식각 가스에도 산소 가스(O2)가 함유되어 있으므로, 2차 식각 공정 후에도 제2 크기의 요철(12a)의 표면에는 잔류물(16)이 남아있다.
2차 식각 공정이 완료되면 3차 식각 공정을 진행한다. 3차 식각 공정은 제2 크기의 요철(12a)들의 형상을 유지한 상태에서 기판(10)의 표면에 남아 있는 잔류물(16)을 제거하기 위한 것으로, 플루오린계 가스(SF6)와 염소계 가스(Cl2)가 혼합된 제3 식각 가스(SF6/Cl2)를 챔버(110)의 내부로 도입하여 식각을 진행한다.
제3 식각 공정을 진행하면, 도 7c에 도시한 것처럼, 기판(10)의 표면에 남아 있던 잔류물이 제거된다. 이때, 요철(12a)의 형상은 유지되고, 단지 요철(12a) 표면에 남아있는 잔류물만 제거되므로 제2 크기의 요철(12a)들은 크기에 있어서 큰 변화가 없다.
제3 식각 공정이 완료되면 계속하여 제4 식각 공정을 진행한다. 제4 식각 공정은 제2 크기의 요철(12a)들의 형상을 유지한 상태에서 상기 제2 크기의 요철(12a)들의 표면 손상 부위를 제거하기 위한 것으로, 플루오린계 가스(SF6)를 제4 식각 가스로 사용한다.
제4 식각 가스를 이용하여 제4 식각 공정을 진행하면, 플라즈마에 함유된 이온들로 인한 손상 부분이 제거되며, 기판(10)의 제1 텍스처링 표면(12)이 완성된다.
이처럼, 손상 부분을 제거하기 위한 제4 식각 공정에서는 챔버(110)에 인가되는 RF 파워의 크기를 이전 식각 공정 때 인가하는 RF 파워의 크기에 비해 감소시켜 이온 에너지의 크기를 감소시킴으로써 기판(10) 표면에서의 물리적인 충돌 크기를 줄여 제1 텍스처링 표면(12)에 손상 부분이 발생하는 것을 방지하는 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 제1 식각 공정 내지 제4 식각 공정이 식각 가스만을 변경하는 동일한 식각법, 즉, 반응성 이온 식각법으로 이루어지므로, 식각법을 변경할 필요가 없어 공정 속도가 향상된다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10: 기판 12: 제1 텍스처링 표면
14: 제2 텍스처링 표면 20: 에미터부
30: 반사방지막 40: 제1 전극
50: 제2 전극 60: 후면전계부
110: 챔버 120: RF 전극
130: RF 파워 140: 샤워 헤드
150: 유량 조정기 160: 압력 조정기
170: 진공 펌프
14: 제2 텍스처링 표면 20: 에미터부
30: 반사방지막 40: 제1 전극
50: 제2 전극 60: 후면전계부
110: 챔버 120: RF 전극
130: RF 파워 140: 샤워 헤드
150: 유량 조정기 160: 압력 조정기
170: 진공 펌프
Claims (25)
- 제1 도전성 타입의 기판; 및
상기 기판의 수광면 쪽에 형성되며, 복수의 미세한 요철을 포함하는 제1 텍스처링 표면
을 포함하며,
상기 요철의 크기는 200㎚ 내지 500㎚이고,
상기 요철들의 수직 단면에 있어서 정점을 연결한 가상선의 길이(a)와 상기 가상선의 시점과 종점을 연결한 직선의 길이(b)의 비율(a/b)이 1.1 내지 1.3이고,
단위 면적 내의 상기 제1 텍스처링 표면의 표면적/실면적의 비율이 2 내지 2.5인 태양전지. - 제1항에서,
상기 크기는 상기 요철의 폭 및 높이를 포함하는 태양전지. - 제1항에서,
상기 비율(a/b)은 3개 이상의 요철들에 대해 측정된 값으로 이루어지는 태양전지. - 제1항에서,
상기 제1 텍스처링 표면의 빛의 반사도는 7% 내지 10%인 태양전지. - 제4항에서,
상기 빛의 반사도는 상기 비율(a/b)이 커질수록 감소하고, 상기 비율(a/b)이 작아질수록 증가하는 태양전지. - 삭제
- 제1항에서,
상기 단위 면적이 10㎛×10㎛인 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1항에서,
상기 제1 텍스처링 표면은 제2 텍스처링 표면 위에 위치하는 태양전지. - 제8항에서,
상기 제2 텍스처링 표면은 상기 제1 텍스처링 표면에 형성된 상기 요철보다 큰 크기의 요철들을 포함하는 태양전지. - 제1항에서,
상기 제1 텍스처링 표면 위에 위치하는 제2 도전성 타입의 에미터부;
상기 에미터부 위에 위치하며, 상기 에미터부와 전기적으로 연결되는 복수의 제1 전극; 및
상기 에미터부 위에 위치하며, 상기 제1 전극과 교차하는 방향으로 형성되는 적어도 하나의 제1 집전부
를 더 포함하는 태양전지. - 제10항에서,
상기 제1 전극 및 제1 집전부가 형성되지 않은 영역의 상기 에미터부 위에 위치하는 반사방지막을 더 포함하는 태양 전지. - 태양전지용 기판의 텍스처링 방법으로서,
제1 식각 가스를 이용한 제1 식각 공정을 실시하여 상기 기판의 한 표면을 건식 식각함으로써 상기 표면에 제1 크기의 요철들을 형성하는 단계;
제2 식각 가스를 이용한 제2 식각 공정을 실시하여 상기 제1 크기의 요철들을 건식 식각함으로써 상기 제1 크기의 요철들을 상기 제1 크기보다 작은 제2 크기의 요철들로 변화시키는 단계;
제3 식각 가스를 이용한 제3 식각 공정을 실시하여 상기 기판의 표면을 건식 식각함으로써 상기 제2 크기의 요철들의 형상을 유지한 상태에서 상기 기판의 표면에 위치하는 잔류물을 제거하는 단계; 및
제4 식각 가스를 이용한 제4 식각 공정을 실시하여 상기 제2 크기의 요철들을 식각함으로써 상기 제2 크기의 요철들의 형상을 유지한 상태에서 상기 제2 크기의 요철들의 표면 손상 부위를 제거하여 제1 텍스처링 표면을 형성하는 단계
를 포함하고,
상기 제2 크기의 요철들은 200㎚ 내지 500㎚의 폭 및 높이를 각각 가지며, 상기 제2 요철들의 수직 단면에 있어서 정점을 연결한 가상선의 길이(a)와 상기 가상선의 시점과 종점을 연결한 직선의 길이(b)의 비율(a/b)이 1.1 내지 1.3이며,
단위 면적 내의 상기 제1 텍스처링 표면의 표면적/실면적의 비율이 2 내지 2.5인 태양전지용 기판의 텍스처링 방법. - 제12항에서,
상기 제1 식각 공정 내지 제4 식각 공정은 챔버가 0.1 내지 0.5mTorr의 압력으로 유지되고, 식각 가스가 0.5slm 내지 1.5slm의 유량으로 도입되며, 3.3kW 내지 5.5kW의 RF 파워가 인가되는 조건 하에서 실시되는 태양전지용 기판의 텍스처링 방법. - 제12항에서,
상기 제1 식각 가스는 플루오린계 가스와 산소 가스의 혼합 가스인 태양전지용 기판의 텍스처링 방법. - 제14항에서,
상기 제1 식각 가스는 SF6/O2 가스로 이루어지는 태양전지용 기판의 텍스처링 방법. - 제15항에서,
상기 SF6와 O2는 1:1의 비율로 혼합되는 태양전지용 기판의 텍스처링 방법. - 제12항에서,
상기 제2 식각 가스는 플루오린계 가스, 염소계 가스 및 산소 가스의 혼합 가스인 태양전지용 기판의 텍스처링 방법. - 제17항에서,
상기 제2 식각 가스는 SF6/Cl2/O2 가스로 이루어지는 태양전지용 기판의 텍스처링 방법. - 제18항에서,
상기 SF6와 Cl2 및 O2는 1:4~8:1~3의 비율로 혼합되는 태양전지용 기판의 텍스처링 방법. - 제12항에서,
상기 제3 식각 가스는 플루오린계 가스 및 염소계 가스의 혼합 가스인 태양전지용 기판의 텍스처링 방법. - 제20항에서,
상기 제3 식각 가스는 SF6/Cl2 가스로 이루어지는 태양전지용 기판의 텍스처링 방법. - 제12항에서,
상기 제4 식각 가스는 플루오린계 가스인 태양전지용 기판의 텍스처링 방법. - 제22항에서,
상기 제4 식각 가스는 SF6로 이루어지는 태양전지용 기판의 텍스처링 방법. - 제12항에서,
상기 제1 텍스처링 표면은 제2 텍스처링 표면 위에 위치하며, 상기 제2 텍스처링 표면은 알칼리 또는 산을 이용하여 상기 기판의 한 표면을 습식 식각하는 것에 따라 형성하는 태양전지용 기판의 텍스처링 방법. - 제12항에서,
상기 제1 식각 공정 내지 제4 식각 공정은 반응성 이온 식각법(RIE)에 의해 이루어지는 태양전지용 기판의 텍스처링 방법.
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