KR101916436B1 - 태양 전지의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법은, 서로 반대되는 제1 면 및 제2 면, 상기 제1 면 및 상기 제2 면과 교차하는 측면을 구비하는 반도체 기판을 준비하는 단계; 상기 반도체 기판의 상기 제1 면에 제1 도전형 불순물을 이온 주입하는 제1 도핑하는 단계; 상기 제1 도전형 불순물을 활성화하는 제1 활성화 열처리 단계; 상기 반도체 기판의 상기 측면을 식각하여 해당 부분에 잔류하는 상기 제1 도전형 불순물을 제거하는 아이솔레이션하는 단계; 상기 반도체 기판의 상기 제2 면에 제2 도전형 불순물을 이온 주입하는 제2 도핑하는 단계; 및 상기 제2 도전형 불순물을 활성화하는 제2 활성화 열처리 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 태양 전지의 제조 방법에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 공정을 개선한 태양 전지의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예상되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양 전지는 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 차세대 전지로서 각광받고 있다.
이러한 태양 전지에서는 광전 변환을 일으킬 수 있도록 불순물층을 형성하여 pn 접합 등을 형성하고, 불순물층에 연결되는 전극을 형성한다. 불순물층을 형성할 때 예측하기 어려운 공정 오차 등이 발생하면 원하지 않는 전기적 단락이 일어날 수 있다. 그러면, 태양 전지의 역전류(reverse current)가 증가하여 효율이 낮아질 수 있다. 이를 방지하기 위한 다양한 방법들이 제안되었으나, 이러한 방법들은 태양 전지에 손상을 주거나 제조 공정을 복잡하게 하는 문제가 있었다.
본 발명은 간단한 제조 공정에 의하여 높은 효율의 태양 전지를 제조할 수 있는 태양 전지의 제조 방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법은, 서로 반대되는 제1 면 및 제2 면, 상기 제1 면 및 상기 제2 면과 교차하는 측면을 구비하는 반도체 기판을 준비하는 단계; 상기 반도체 기판의 상기 제1 면에 제1 도전형 불순물을 이온 주입하는 제1 도핑하는 단계; 상기 제1 도전형 불순물을 활성화하는 제1 활성화 열처리 단계; 상기 반도체 기판의 상기 측면을 식각하여 해당 부분에 잔류하는 상기 제1 도전형 불순물을 제거하는 아이솔레이션하는 단계; 상기 반도체 기판의 상기 제2 면에 제2 도전형 불순물을 이온 주입하는 제2 도핑하는 단계; 및 상기 제2 도전형 불순물을 활성화하는 제2 활성화 열처리 단계를 포함한다.
본 실시예에 따르면, 제1 도핑하는 단계와 제2 도핑하는 단계 사이에서 반도체 기판의 측면을 식각하여 반도체 기판의 양면에 단면 도핑을 수행한 경우에 발생할 수 있는 불필요한 전기적 단략을 방지할 수 있다. 이에 따라 역전류 및 포화 전류를 감소시킬 수 있어, 전류 밀도 및 개방 전압을 향상할 수 있다. 또한, 태양 전지의 단부에서 발생할 수 있는 핫 스팟 및 발열 현상을 최소화할 수 있다. 즉, 태양 전지의 효율을 향상할 수 있으며 수명을 연장할 수 있다.
그리고 제1 도전형 불순물을 위한 활성화 열처리와 제2 도전형 불순물을 위한 활성화 열처리를 별개의 단계에서 수행하여, 각 도전형 불순물의 특성에 따라 최적화된 조건에서 활성화를 수행할 수 있다.
또한, 제1 활성화 열처리 단계에 의하여 제1 도전형 불순물을 활성화하여 에미터층을 형성한 상태에서 아이솔레이션하는 단계를 수행한다. 이에 따라 아이솔레이션하는 단계에서 반도체 기판에 이온 주입된 제1 도전형 불순물이 손실되지 않도록 하여, 제조 공정 상의 안정성을 향상할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 도시한 단면도들이다.
도 4는 본 발명의 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법의 아이솔레이션하는 단계를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 도시한 단면도들이다.
도 4는 본 발명의 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법의 아이솔레이션하는 단계를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며 다양한 형태로 변형될 수 있음은 물론이다.
도면에서는 본 발명을 명확하고 간략하게 설명하기 위하여 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 극히 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 참조부호를 사용한다. 그리고 도면에서는 설명을 좀더 명확하게 하기 위하여 두께, 넓이 등을 확대 또는 축소하여 도시하였는바, 본 발명의 두께, 넓이 등은 도면에 도시된 바에 한정되지 않는다.
그리고 명세서 전체에서 어떠한 부분이 다른 부분을 "포함"한다고 할 때, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 부분을 배제하는 것이 아니며 다른 부분을 더 포함할 수 있다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 위치하는 경우도 포함한다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 위치하지 않는 것을 의미한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 상세하게 설명한다. 먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법에 의해 제조된 태양 전지의 구조를 설명한 후에, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 태양 전지(100)는, 반도체 기판(10), 반도체 기판(10)의 제1 면(이하 "전면") 쪽에 위치하며 제1 도전형 불순물을 포함하는 에미터층(20), 반도체 기판(10)의 제2 면(이하 "후면") 쪽에 위치하며 제2 도전형 불순물을 포함하는 후면 전계층(30), 반도체 기판(10)의 전면에 형성되는 반사 방지막(22) 및 제1 전극(24), 반도체 기판(10)의 후면에 위치하는 패시베이션 막(32) 및 제2 전극(34)을 포함할 수 있다. 이를 좀더 상세하게 설명하면 다음과 같다.
반도체 기판(10)은 다양한 반도체 물질을 포함할 수 있는데, 일례로 제2 도전형 불순물을 포함하는 실리콘을 포함할 수 있다. 실리콘으로는 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘이 사용될 수 있으며, 제2 도전형 불순물은 일례로 n형일 수 있다. 즉, 반도체 기판(10)은 인(P), 비소(As), 비스무스(Bi), 안티몬(Sb) 등의 5족 원소가 도핑된 단결정 또는 다결정 실리콘으로 이루어질 수 있다.
이와 같이 n형의 불순물을 가지는 반도체 기판(10)을 사용하면, 반도체 기판(10)의 전면에 p형의 불순물을 가지는 에미터층(20)이 형성되어 pn 접합(junction)을 이루게 된다. 이러한 pn 접합에 광이 조사되면 광전 효과에 의해 생성된 전자가 반도체 기판(10)의 후면 쪽으로 이동하여 제2 전극(34)에 의하여 수집되고, 정공이 반도체 기판(10)의 전면 쪽으로 이동하여 제1 전극(24)에 의하여 수집된다. 이에 의하여 전기 에너지가 발생한다.
이때, 전자보다 이동 속도가 느린 정공이 반도체 기판(10)의 후면이 아닌 전면으로 이동하여 변환 효율이 향상될 수 있다.
이러한 반도체 기판(10)의 전면은, 텍스쳐링(texturing)되어 피라미드 등의 형태의 요철을 가질 수 있다. 이와 같은 텍스쳐링에 의해 반도체 기판(10)의 전면 등에 요철이 형성되어 표면 거칠기가 증가되면, 반도체 기판(10)의 전면 등을 통하여 입사되는 광의 반사율을 낮출 수 있다. 따라서 반도체 기판(10)과 에미터층(20)의 계면에 형성된 pn 접합까지 도달하는 광량을 증가시킬 수 있어, 광 손실을 최소화할 수 있다. 그리고 반도체 기판(10)의 후면은 텍스쳐링되지 않아 전면보다 작은 표면 거칠기를 가질 수 있다. 이는 반도체 기판(10)의 텍스쳐링 이후에 반도체 기판(10)의 후면이 식각되기 때문이다. 이에 대해서는 제조 방법에서 좀더 상세하게 설명한다.
반도체 기판(10)의 전면 쪽에는 제1 도전형 불순물을 가지는 에미터층(20)이 형성될 수 있다. 본 실시예에서 에미터층(20)은 제1 도전형 불순물로 3족 원소인 보론(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등의 p형 불순물을 사용할 수 있다.
반도체 기판(10)의 전면에서 에미터층(20) 상에 반사 방지막(22) 및 제1 전극(24)이 형성된다.
반사 방지막(22)은 제1 전극(24)이 형성된 부분을 제외하고 실질적으로 반도체 기판(10)의 전면 전체에 형성될 수 있다. 반사 방지막(22)은 반도체 기판(10)의 전면으로 입사되는 광의 반사율을 감소시키고, 에미터층(20)의 표면 또는 벌크 내에 존재하는 결함을 부동화 시킨다.
반도체 기판(10)의 전면을 통해 입사되는 광의 반사율이 낮추는 것에 의하여 반도체 기판(10)과 에미터층(20)의 계면에 형성된 pn 접합까지 도달되는 광량을 증가시킬 수 있다. 이에 따라 태양 전지(100)의 단락 전류(Isc)를 증가시킬 수 있다. 그리고 에미터층(20)에 존재하는 결함을 부동화하여 소수 캐리어의 재결합 사이트를 제거하여 태양 전지(100)의 개방 전압(Voc)을 증가시킬 수 있다. 이와 같이 반사 방지막(22)에 의해 태양 전지(100)의 개방 전압과 단락 전류를 증가시켜 태양전지(100)의 효율을 향상할 수 있다.
방사 방지막(22)은 다양한 물질로 형성될 수 있다. 일례로, 반사 방지막(22)은 실리콘 질화막, 수소를 포함한 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 실리콘 산화 질화막, 알루미늄 산화막, MgF2, ZnS, TiO2 및 CeO2로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 단일막 또는 2개 이상의 막이 조합된 다층막 구조를 가질 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 반사 방지막(22)이 다양한 물질을 포함할 수 있음은 물론이다.
제1 전극(24)은 전기 전도성이 우수한 다양한 금속 등을 포함할 수 있다. 일례로, 제1 전극(24)으로는 전기 전도성이 우수한 은(Ag)을 포함할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 투명 전도성 물질을 포함하는 단일층으로 이루어지거나, 투명 전도성 물질층 위에 금속 물질층(일명 "버스바" 또는 "핑거전극")이 적층된 형태를 가질 수도 있다.
그리고 반도체 기판(10)의 후면 쪽에는 반도체 기판(10)보다 높은 도핑 농도로 제2 도전형 불순물을 포함하는 후면 전계층(30)이 형성된다. 후면 전계층(30)은 전자와 정공의 후면 재결합을 최소화하여 태양전지의 효율 향상에 기여할 수 있다. 이러한 후면 전계층(30)은 인(P), 비소(As), 비스무스(Bi), 안티몬(Sb) 등을 포함할 수 있다.
이와 함께 반도체 기판(10)의 후면에는 패시베이션 막(32)과 제2 전극(34)이 형성될 수 있다.
패시베이션 막(32)은 제2 전극(34)이 형성된 부분을 제외하고 실질적으로 반도체 기판(10)의 후면 전체에 형성될 수 있다. 이러한 패시베이션 막(32)은 반도체 기판(10)의 후면에 존재하는 결함을 부동화하여 소수 캐리어의 재결합 사이트를 제거할 수 있다. 이에 의하여 태양 전지(100)의 개방 전압(Voc)을 증가시킬 수 있다.
이러한 패시베이션 막(32)은 광이 투과될 수 있도록 투명한 절연 물질로 이루어질 수 있다. 따라서, 이러한 패시베이션 막(32)을 통하여 반도체 기판(10)의 후면을 통해서도 광이 입사될 수 있도록 하여 태양 전지(100)의 효율을 향상할 수 있다. 일례로, 패시베이션 막(32)은 실리콘 질화막, 수소를 포함한 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 실리콘 산화 질화막, MgF2, ZnS, TiO2 및 CeO2로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 단일막 또는 2개 이상의 막이 조합된 다층막 구조를 가질 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 패시베이션 막(32)이 다양한 물질을 포함할 수 있음은 물론이다.
제2 전극(34)은 전기 전도성이 우수한 다양한 금속 등을 포함할 수 있다. 일례로, 제2 전극(34)으로는 전기 전도성이 우수하며 높은 반사율을 가지는 은(Ag)을 포함할 수 있다. 제2 전극(34)으로 반사율이 높은 은을 사용하면, 반도체 기판(10)의 후면으로 빠져나가는 광을 반사하여 다시 반도체 기판(10) 내부로 향하게 하여, 광의 사용량을 증가시킬 수 있다.
이러한 제2 전극(34)은 제1 전극(24)보다 더 큰 폭을 가지면서 형성될 수 있다.
상술한 설명에서는 반도체 기판(10)이 n형을 가지고, 에미터층(20)이 p형을 가지는 것을 예시로 하여 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 반도체 기판(10)이 p형을 가지고, 에미터층(20)이 n형을 가지는 등 다양하게 변형이 가능하다.
본 실시예에 따른 태양 전지(100)를 제조하는 방법을 도 2, 도 3a 내지 도 3g, 및 도 4를 참조하여 상세하게 설명한다. 앞서 설명한 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략하고 설명되지 않은 부분을 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 도시한 흐름도이고, 도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 도시한 단면도들이다. 도 4는 본 발명의 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법의 아이솔레이션하는 단계를 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법은, 반도체 기판을 준비하는 단계(ST10), 제1 도핑하는 단계(ST20), 제1 활성화 열처리 단계(ST30), 아이솔레이션하는 단계(ST40), 제2 도핑하는 단계(ST50), 제2 활성화 열처리 단계(ST60), 반사 방지막 및 패시베이션 막을 형성하는 단계(ST70) 및 전극을 형성하는 단계(ST80)을 포함한다.
먼저, 도 3a에 도시한 바와 같이, 반도체 기판을 준비하는 단계(ST10)에서는 제2 도전형 불순물을 가지는 반도체 기판(10)을 준비한다. 이때, 반도체 기판(10)의 전면 및 후면은 텍스쳐링에 의하여 요철을 가질 수 있다. 텍스처링으로는 습식 또는 건식 텍스처링을 사용할 수 있다. 습식 텍스처링은 텍스처링 용액에 반도체 기판(10)을 침지하는 것에 의해 수행될 수 있으며, 공정 시간이 짧은 장점이 있다. 건식 텍스처링은 다이아몬드 그릴 또는 레이저 등을 이용하여 반도체 기판(10)의 표면을 깍는 것으로, 요철을 균일하게 형성할 수 있는 반면 공정 시간이 길고 반도체 기판(10)에 손상이 발생할 수 있다. 이와 같이 본 발명에서는 다양한 방법으로 반도체 기판(10)을 텍스쳐링 할 수 있다.
이어서, 도 3b에 도시한 바와 같이, 제1 도핑하는 단계(ST20)에서는 반도체 기판(10)의 전면에 제1 도전형 불순물을 이온 주입하여 제1 층(200)을 형성한다.
단면 도핑으로 반도체 기판(10)의 전면에만 도핑을 하는 경우에도 반도체 기판(10)의 측면에 원하지 않는 도핑이 일어나서 측면 도핑부(202)가 형성될 수 있다. 도면 및 설명에서는 측면 도핑부(202)가 반도체 기판(10)의 일측면에 연속적으로 형성된 것을 예시하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 측면 도핑부(202)는 반도체 기판(10)의 측면에서 서로 이격되어 부분적으로 형성될 수도 있다.
이어서, 도 3c에 도시한 바와 같이, 제1 활성화 열처리 단계(ST30)에서는 반도체 기판(10)을 어닐링(annealing)하여 제1 도핑하는 단계(ST20)에서 주입된 제1 도전형 불순물을 활성화시킨다. 제1 도전형 불순물을 반도체 기판(10)에 이온 주입하게 되면, 주입된 제1 도전형 불순물은 격자 위치가 아닌 위치에 위치하여 활성화되어 있지 않는다. 이런 상태의 반도체 기판(10)을 어닐링하면 제1 도전형 불순물이 격자 위치로 옮겨져 활성화된다. 이러한 활성화에 의하여 반도체 기판(10)의 전면에 형성된 제1 층(200)으로부터 에미터층(20)이 형성된다.
앞서 설명한 바와 같이, 제1 도전형 불순물로 p형의 불순물(일례로, 보론)을 사용할 경우에 제1 활성화 열처리 단계(ST30)는 열처리 온도가 1000~1100℃이고 열처리 시간이 15~30분일 수 있다. 열처리 온도가 1100℃를 초과하면 반도체 기판(10)이 손상될 수 있으며 높은 공정 온도에 의하여 비용이 증가할 수 있다. 열처리 온도가 1000℃ 미만이면 p형 불순물이 충분히 활성화 되기 어렵다. 열처리 시간이 30분을 초과하면 공정 시간이 길어질 수 있으며, 열처리 시간이 15분 미만이면 p형 불순물이 충분히 활성화되지 않을 수 있다.
이어서, 도 3d에 도시한 바와 같이, 아이솔레이션하는 단계(ST40)에서는 반도체 기판(10)의 측면을 식각하여 반도체 기판(10)에 형성된 측면 도핑부(도 3c의 참조부호 202, 이하 동일)를 제거한다. 즉, 불필요하게 반도체 기판(10)의 측면에 잔류하는 제1 도전형 불순물을 제거한다.
이때, 아이솔레이션을 위한 식각은 습식 식각에 의해 수행될 수 있다. 이러한 습식 식각에 의하면 공정 시간을 단축할 수 있어 생산성을 향상할 수 있다. 좀더 구체적으로, 본 실시예에서는 아이솔레이션하는 단계(ST40)가 인라인(inline) 공정에 의해 수행될 수 있다. 이에 따라 공정을 좀더 단순화할 수 있다.
즉, 도 4를 참조하면, 프레임(320)에 자동 이송 부재(310)가 위치하고, 자동 이송 부재(310) 사이에 식각 용액(330)이 수용될 수 있다. 자동 이송 부재(310)의 일부만이 잠기도록 식각 용액(330)이 프레임(320)에 위치할 수 있다.
본 실시예에서 자동 이송 부재(310)는 다양한 방식 및 구조를 가질 수 있는데, 일례로, 복수 개의 원통 형상의 롤로 구성될 수 있다. 이와 같이 자동 이송 부재(310)가 원통 형상의 롤을 포함하면, 롤 사이의 공간에 식각 용액(330)이 위치한 상태에서 반도체 기판(10)이 자동 이송 부재(310) 위에 위치하게 된다.
즉, 제1 활성화 열처리 단계(ST30)가 수행된 반도체 기판(10)은, 반도체 기판(10)의 후면이 자동 이송 부재(310) 쪽에 위치하도록 눕혀진 상태에서 자동 이송 부재(310)에 의하여 이송된다. 그러면, 반도체 기판(10)의 후면과 측면이 회전하는 자동 이송 부재(310)에 의하여 식각 용액(330)과 접촉하게 되고, 자동 이송 부재(310)에 의하여 이송되는 중에 반도체 기판(10)의 후면이 식각될 수 있다. 이때, 표면 장력에 의하여 식각 용액(330)이 반도체 기판(10)의 측면에도 접촉하게 되므로 반도체 기판(10)의 측면을 함께 식각할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 실시예에서는 아이솔레이션을 하는 단계(ST40)에서 측면 도핑부(202)가 형성된 반도체 기판(10)의 측면과 함께 반도체 기판(10)의 후면을 식각한다. 그러면 반도체 기판(10)의 후면 쪽의 요철(텍스쳐링에 의하여 형성된 요철)을 제거할 수 있어, 반도체 기판(10)의 후면의 면적을 줄일 수 있다. 이에 의하여 반도체 기판(10)의 후면 패시베이션 특성을 향상할 수 있다.
이때, 반도체 기판(10)의 후면의 식각 두께(T1)가 측면의 식각 두께(T2)보다 더 크거나 측면의 식각 두께(T2)와 유사할 수 있다. 일례로, 반도체 기판(10)의 후면의 식각 두께(T1)와 측면의 식각 두께(T2)가 2~3㎛일 수 있다. 상술한 범위를 초과하는 경우에는 반도체 기판(10)을 충분히 식각하기 위한 공정 시간이 증가될 수 있으며 광전 변환이 일어나는 면적을 줄여 태양 전지(100)의 효율을 저하시킬 수 있다. 상술한 범위 미만인 경우에는 불필요한 측면 도핑부(202)를 충분히 제거하기 어려울 수 있다.
반도체 기판(10)의 식각 두께(T1, T2)는 자동 이송 부재(310) 상에서 반도체 기판(10)을 이송하는 속도를 조절하여 식각 용액(330) 내에 침지된 시간을 조절하는 것에 의하여 조절될 수 있다.
이어서, 도 3e에 도시한 바와 같이, 제2 도핑하는 단계(ST50)에서는 반도체 기판(10)의 후면에 제2 도전형 불순물을 이온 주입하여 제2 층(300)을 형성한다.
이어서, 도 3f에 도시한 바와 같이, 제2 활성화 열처리 단계(ST60)에서는 반도체 기판(10)을 어닐링하여 제2 도핑하는 단계(ST50)에서 주입된 제2 도전형 불순물을 활성화시킨다. 제2 도전형 불순물을 반도체 기판(10)에 이온 주입하게 되면, 주입된 제2 도전형 불순물은 격자 위치가 아닌 위치에 위치하여 활성화되어 있지 않는다. 이런 상태의 반도체 기판(10)을 어닐링하면 제2 도전형 불순물이 격자 위치로 옮겨져 활성화된다. 이러한 활성화에 의하여 반도체 기판(10)의 후면에 형성된 제2 층(도 3e의 참조부호 300)으로부터 후면 전계층(30)이 형성된다.
앞서 설명한 바와 같이, 제1 도전형 불순물로 n형의 불순물(일례로, 인)을 사용할 경우에 제2 활성화 열처리 단계(ST60)의 열처리 온도가 900~1000℃이고 열처리 시간이 30~70분일 수 있다. 열처리 온도가 1000℃를 초과하면 반도체 기판(10)이 손상될 수 있으며 높은 공정 온도에 의하여 비용이 증가할 수 있다. 열처리 온도가 900℃ 미만이면 온도가 지나치게 높아 n형 불순물이 충분히 활성화 되기 어렵다. 열처리 시간이 70분을 초과하면 공정 시간이 길어질 수 있으며, 열처리 시간이 30분 미만이면 n형 불순물이 충분히 활성화되지 않을 수 있다.
이어서, 도 3g에 도시된 바와 같이, 반사 방지막 및 패시베이션 막을 형성하는 단계(ST70)에서는 반도체 기판(10)의 전면에 반사 방지막(22)을 형성하고, 반도체 기판(10)의 후면에 패시베이션 막(32)을 형성한다.
반사 방지막(22) 및 패시베이션 막(32)은 진공 증착법, 화학 기상 증착법, 스핀 코팅, 스크린 인쇄 또는 스프레이 코팅 등과 같은 다양한 방법에 의하여 형성될 수 있다.
이어서, 도 3h에 도시한 바와 같이, 전극을 형성하는 단계(ST80)에서는 제2 부분(20a)에 전기적으로 연결되는 제1 전극(24)과 후면 전계층(30)(또는, 반도체 기판(10))에 전기적으로 연결되는 제2 전극(34)을 형성한다.
제1 패시베이션 막(21) 및 반사 방지막(22)에 형성된 개구부 내에 도금법, 증착법 등의 다양한 방법으로 제1 전극(24)을 형성할 수 있다. 그리고 후면 전계층(30)에 개구부를 형성하고, 이 개구부 내에 도금법, 증착법 등의 다양한 방법으로 제2 전극(34)을 형성할 수 있다.
또는, 제1 및 제2 전극 형성용 페이스트를 반사 방지막(22) 및 패시베이션 막(32) 상에 각기 스크린 인쇄 등으로 도포한 후에 파이어 스루(fire through) 또는 레이저 소성 컨택(laser firing contact) 등을 하여 상술한 형상의 제1 및 제2 전극(32, 34)을 형성하는 것도 가능하다. 이 경우에는 별도로 개구부를 형성하는 공정을 수행하지 않아도 된다.
상술한 설명 및 도면에서는 반사 방지막(22)과 패시베이션 막(32)을 형성한 후에 제1 및 제2 전극(24, 34)을 형성하는 것을 예시하였다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 반사 방지막(22)을 형성한 다음 제1 전극(24)을 형성하고, 그 후에 패시베이션 막(32)을 형성한 다음 제2 전극(34)을 형성할 수 있다. 또는, 반대로 패시베이션 막(32)을 형성한 다음 제2 전극(34)을 형성하고, 그 후에 반사 방지막(22)을 형성한 다음 제1 전극(24)을 형성할 수도 있다. 즉 반사 방지막(22), 패시베이션막(32), 제1 전극(24) 및 제2 전극(34)의 형성 순서 등은 다양하게 변형이 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법에서는 제1 도핑하는 단계(ST20)와 제2 도핑하는 단계(ST50) 사이에서 반도체 기판(10)의 측면을 식각하여 불필요하게 형성된 측면 도핑부(202)를 제거할 수 있다. 이에 의하여 반도체 기판(10)의 양면에 단면 도핑을 수행한 경우에 발생할 수 있는 역전류 증가를 방지할 수 있다. 이를 좀더 상세하게 설명하면 다음과 같다.
종래에는 반도체 기판의 양면에 각기 단면 도핑을 한 경우에는 반도체 기판의 측면을 통한 전기적 단락 등의 문제가 발생되지 않는다고 여겨졌다. 그러나 실제로 양면에 각기 단면 도핑을 하여 제조된 태양 전지의 역전류를 측정하면 그 수치가 매우 높게 측정된다. 이는 단면 도핑의 경우에도 반도체 기판의 측면에 일부 도핑이 이루어지기 때문인 것으로 예측된다. 이와 같이 역전류가 높은 경우에는 태양 전지의 포화 전류가 높아져서 전류 밀도 및 개방 전압을 감소시킬 수 있다. 또한, 태양 전지의 단부에서 핫 스팟(hot spot) 및 발열 현상이 발생하여 수명 및 파워에 큰 영향을 미칠 수 있다.
반면 본 실시예에서는 단면 도핑인 이온 주입에 의한 제1 도핑하는 단계(ST20)와 단면 도핑인 이온 주입에 의한 제2 도핑하는 단계(ST50) 사이에 반도체 기판(10)의 측면을 식각하여 불필요하게 형성된 측면 도핑부(202)를 제거할 수 있다. 따라서 불필요한 전기적 단락을 방지할 수 있어 역전류 및 포화 전류를 감소시킬 수 있어, 전류 밀도 및 개방 전압을 향상할 수 있다. 또한, 태양 전지(100)의 단부에서 발생할 수 있는 핫 스팟 및 발열 현상을 최소화할 수 있다. 즉, 태양 전지(100)의 효율을 향상할 수 있으며 수명을 연장할 수 있다.
그리고 본 실시예에서는 반도체 기판(10)의 측면을 식각하여 아이솔레이션하는 단계(ST40)에서 반도체 기판(10)의 후면도 함께 식각하여 후면에서의 패시베이션 특성도 향상할 수 있다. 즉, 공정을 간소화하면서도 태양 전지(100)의 특성을 향상할 수 있다.
또한, 종래에는 아이솔레이션을 위하여 반도체 기판(10)의 측면 또는 후면에 레이저를 사용하여 아이솔레이션 부를 형성하였는데, 이에 의하여 반도체 기판(10)의 수광면이 손상되거나 수광 면적이 줄어들어 효율이 저하될 수 있었다. 본 실시예에에서는 측면을 식각하여 아이솔레이션을 하여 반도체 기판(10)의 손상 및 수광 면적의 감소 등의 문제를 방지할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 제1 도핑하는 단계(ST20) 이후에 제1 활성화 열처리 단계(ST30)를 수행하고, 제2 도핑하는 단계(ST50) 이후에 제2 활성화 열처리 단계(ST60)를 수행한다. 즉, 제1 도전형 불순물을 위한 활성화 열처리와 제2 도전형 불순물을 위한 활성화 열처리를 별개의 단계에서 수행한다. 불순물의 종류에 따라 활성화 단계에서의 온도, 시간 등의 다양한 공정 조건이 다를 수 있는데, 본 실시예에서는 제1 및 제2 도전형 불순물을 위한 활성화 열처리를 서로 별개로 진행하여 각 도전형 불순물의 특성에 따라 최적화된 단계에서 활성화를 수행할 수 있다.
좀더 구체적으로, p형 불순물인 제1 도전형 불순물을 활성화하는 제1 활성화 열처리 단계(ST30)에서의 열처리 시간을 n형 불순물인 제2 도전형 불순물을 활성화하는 제2 활성화 열처리 단계(ST60)에서의 열처리 시간보다 길게 할 수 있다. 또한, p형 불순물인 제1 도전형 불순물을 활성화하는 제1 활성화 열처리 단계(ST30)에서의 열처리 온도를 n형 불순물인 제2 도전형 불순물을 활성화하는 제2 활성화 열처리 단계(ST60)에서의 열처리 온도보다 크게 할 수 있다. 이에 의하여 형성되는 에미터층(20) 및 후면 전계층(30)의 특성을 좀더 향상할 수 있어 태양 전지(100)의 효율을 향상할 수 있다.
또한, 제1 활성화 열처리 단계(ST30)에 의하여 제1 도전형 불순물을 활성화하여 에미터층(20)을 만든 상태에서 아이솔레이션하는 단계(ST20)를 수행한다. 이에 따라 아이솔레이션하는 단계(ST20)에서 반도체 기판(10)에 이온 주입된 제1 도전형 불순물이 손실되는 등의 문제를 방지할 수 있어, 제조 공정 상의 안정성을 향상할 수 있다.
상술한 설명에서는 에미터층(20)과 후면 전계층(30)이 균일한 도핑 농도를 가지는 것을 예시하였다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 에미터층(20) 및 후면 전계층(30) 중 적어도 어느 하나가 선택적인 구조(selective structure)를 가질 수도 있다.
즉, 도 5에 도시한 바와 같이, 에미터층(20)이 제1 전극들(24) 사이의 반사 방지막(22)에 인접하여 형성되는 제1 부분(20a)과, 제1 전극(24)과 접촉 형성되며 제1 부분(20a)보다 높은 도핑 농도로 도핑되어 제1 부분(20a)보다 낮은 저항을 가지는 제2 부분(20b)을 포함할 수 있다.
그러면, 광이 입사되는 제1 전극(24) 사이에 대응하는 제1 부분(20a)에서는 얕은 에미터(shallow emitter)를 구현함으로써 태양 전지(100)의 효율을 향상할 수 있다. 이와 함께 제1 전극(24)과 접촉하는 제2 부분(20b)에서는 제1 전극(24)과의 접촉 저항을 저감시킬 수 있다. 즉, 본 실시예의 에미터층(20)은 선택적 에미터(selective emitter) 구조를 가져 태양 전지의 효율을 최대화할 수 있다.
그리고 후면 전계층(30)이 제2 전극들(34) 사이에 대응하여 형성되는 제1 부분(30a)과, 제2 전극(34)과 접촉 형성되며 제1 부분(30a)보다 높은 도핑 농도로 도핑되어 제1 부분(30a)보다 낮은 저항을 가지는 제2 부분(30b)을 포함할 수 있다.
그러면, 후면 전계층(30)의 제1 부분(30a)에서 전자와 정공의 재결합을 효과적으로 방지하면서, 제2 부분(30b)이 상대적으로 작은 저항을 가져 제2 전극(34)과의 접촉 저항을 줄일 수 있다. 따라서, 전자와 정공의 재결합에 따른 손실이 감소하고, 동시에 광전효과에 의해 생성된 전자 또는 정공을 제2 전극(34)으로 전달하는 능력은 더욱 향상되므로, 태양전지의 효율을 더욱 향상할 수 있다.
이러한 선택적인 구조의 에미터층(20) 및 후면 전계층(30)은 다양한 방법에 의하여 형성될 수 있다. 일례로, 불순물 도핑 시 빗 형상의 마스크 등을 사용하여 제2 부분(20b, 30b)에 해당하는 부분에 상대적으로 큰 도핑 농도로 불순물이 도핑되고 제1 부분(20a, 30a)에 해당하는 부분에 상대적으로 작은 도핑 농도로 불순물이 도핑되도록 할 수 있다. 또는, 불순물 도핑 시 제2 부분(20b, 30b)에만 불순물 도핑 공정을 추가로 수행하여 선택적인 구조의 에미터층(20) 또는 후면 전계층(30)을 형성할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실험예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 그러나 아래의 실험예는 본 발명을 예시하는 것에 불과하며 본 발명이 아래 실험예에 한정되는 것은 아니다.
실험예
n형의 반도체 기판을 준비하였다. 반도체 기판의 전면에 이온 주입법에 의하여 보론(B)을 도핑하여 제1 도핑하는 단계를 수행하였다. 그리고 1000℃에서 20분간 어닐링하여 보론을 활성화하여 에미터층을 형성하였다. 인라인 습식 식각 공정에서 반도체 기판의 측면 및 후면을 2.2㎛만큼 식각하는 아이솔레이션 단계를 수행하였다. 그 후에 반도체 기판의 후면에 이온 주입법에 의하여 인(P)을 도핑하여 제2 도핑하는 단계를 수행하였다. 900℃에서 50분간 어닐링하여 인을 활성화하여 후면 전계층을 형성하였다.
반도체 기판의 전면에 반사 방지막을 형성하고, 반도체 기판의 후면에 패시베이션막을 형성하였다. 그리고 에미터층에 전기적으로 연결되는 제1 전극, 후면 전계층에 전기적으로 연결되는 제2 전극을 형성하여 태양 전지의 제조를 완료하였다. 동일한 방법으로 3개의 태양 전지를 제조하였다.
비교예
아이솔레이션하는 단계를 수행하지 않았다는 점만 제외하고는 실험예와 동일한 방법으로 태양 전지를 제조하였다.
실험예 및 비교예에 따라 제조된 태양 전지의 개방 전압(Voc), 전류 밀도(Jsc), 충밀도(FF), 효율, 역전류(Irev2)를 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.
| 개방전압 [mV] |
전류밀도 [mA/cm2] |
충밀도 [%] |
효율 [%] |
역전류 [A] |
|
| 실험예 | 0.6370 | 38.39 | 76.07 | 18.60 | 2.10 |
| 0.6353 | 38.36 | 77.20 | 18.82 | 2.81 | |
| 0.6397 | 38.45 | 76.79 | 18.88 | 2.56 | |
| 비교예 | 0.644 | 37.62 | 76.78 | 18.61 | 12.26 |
표 1을 참조하면, 실험예의 역전류 값이 비교예의 역전류 값보다 현저하게 낮은 것을 알 수 있고, 이에 의하여 실험예는 비교예보다 높은 효율을 가지는 것을 알 수 있다.
즉, 실험예에서는 제1 도핑하는 단계, 제1 활성화 열처리 단계, 아이솔레이션 단계, 제2 도핑하는 단계, 제2 활성화 열처리 단계를 차례로 수행하여 불필요한 전기적 단락을 방지할 수 있어, 역전류를 낮추고 효율을 향상할 수 있음을 알 수 있다.
상술한 바에 따른 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 태양 전지
10: 반도체 기판
20: 에미터층
30: 후면 전계층
310: 자동 이송 부재
320: 프레임
330: 식각 용액
10: 반도체 기판
20: 에미터층
30: 후면 전계층
310: 자동 이송 부재
320: 프레임
330: 식각 용액
Claims (13)
- 서로 반대되는 제1 면 및 제2 면, 상기 제1 면 및 상기 제2 면과 교차하는 측면을 구비하는 반도체 기판을 준비하는 단계;
상기 반도체 기판의 상기 제1 면에 제1 도전형 불순물을 이온 주입하는 제1 도핑하는 단계;
상기 제1 도전형 불순물을 활성화하는 제1 활성화 열처리 단계;
상기 반도체 기판의 상기 측면을 식각하여 해당 부분에 잔류하는 상기 활성화된 제1 도전형 불순물을 제거하고,
상기 반도체 기판의 제2 면을 식각하여 상기 제2 면에 형성된 요철을 제거하고 상기 제2 면의 면적을 감소시키는 아이솔레이션하는 단계;
상기 반도체 기판의 상기 요철이 제거된 제2 면에 제2 도전형 불순물을 이온 주입하는 제2 도핑하는 단계; 및
상기 제2 도전형 불순물을 활성화하는 제2 활성화 열처리 단계
를 포함하며
상기 제1 활성화 열처리 단계의 열처리 온도가 상기 제2 활성화 열처리 단계의 온도보다 높은 태양 전지의 제조 방법. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1 도전형 불순물이 p형 불순물을 포함하고,
상기 제2 도전형 불순물이 n형 불순물을 포함하며,
상기 반도체 기판이 n형 불순물을 포함하는 태양 전지의 제조 방법. - 삭제
- 제4항에 있어서,
상기 제1 활성화 열처리 단계의 열처리 시간이 상기 제2 활성화 열처리 단계의 열처리 시간보다 긴 태양 전지의 제조 방법. - 제4항에 있어서,
상기 제1 활성화 열처리 단계는 열처리 온도가 1000~1100℃이고 열처리 시간이 15~30분이고,
상기 제2 활성화 열처리 단계는 열처리 온도가 900~1000℃이고 열처리 시간이 30~70분인 태양 전지의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 아이솔레이션하는 단계에서는 상기 반도체 기판의 상기 측면과 함께 상기 제2 면을 식각하는 태양 전지의 제조 방법. - 제8항에 있어서,
상기 아이솔레이션 단계에서의 식각 두께가 2~3㎛인 태양 전지의 제조 방법. - 제8항에 있어서,
상기 아이솔레이션하는 단계는 습식 식각 방법에 의해 수행되는 태양 전지의 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 아이솔레이션하는 단계는 인라인(inline) 공정에 의해 수행되는 태양 전지의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 아이솔레이션하는 단계는 식각 용액을 수용하여 상기 식각 용액과 접하는 상기 반도체 기판의 후면 부분을 식각하면서 상기 반도체 기판을 이동시키는 자동 이송 부재에 의해 수행되는 태양 전지의 제조 방법. - 제12항에 있어서,
상기 자동 이송 부재는 복수의 롤을 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120045604A KR101916436B1 (ko) | 2012-04-30 | 2012-04-30 | 태양 전지의 제조 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120045604A KR101916436B1 (ko) | 2012-04-30 | 2012-04-30 | 태양 전지의 제조 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20130122347A KR20130122347A (ko) | 2013-11-07 |
| KR101916436B1 true KR101916436B1 (ko) | 2018-11-07 |
Family
ID=49852158
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020120045604A KR101916436B1 (ko) | 2012-04-30 | 2012-04-30 | 태양 전지의 제조 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101916436B1 (ko) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3159583B2 (ja) | 1993-11-10 | 2001-04-23 | シャープ株式会社 | 太陽電池およびその製造方法 |
| JP2006516830A (ja) * | 2003-01-31 | 2006-07-06 | ビーピー・コーポレーション・ノース・アメリカ・インコーポレーテッド | 改良された光起電電池及びその製造 |
| WO2012025511A1 (de) * | 2010-08-27 | 2012-03-01 | Universität Konstanz | Verfahren zum herstellen einer solarzelle mit einer texturierten frontseite sowie entprechende solarzelle |
-
2012
- 2012-04-30 KR KR1020120045604A patent/KR101916436B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3159583B2 (ja) | 1993-11-10 | 2001-04-23 | シャープ株式会社 | 太陽電池およびその製造方法 |
| JP2006516830A (ja) * | 2003-01-31 | 2006-07-06 | ビーピー・コーポレーション・ノース・アメリカ・インコーポレーテッド | 改良された光起電電池及びその製造 |
| WO2012025511A1 (de) * | 2010-08-27 | 2012-03-01 | Universität Konstanz | Verfahren zum herstellen einer solarzelle mit einer texturierten frontseite sowie entprechende solarzelle |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Daniel L. Meier et al., "N-Type, Ion-Implanted Silicon Solar Cells and Modules", Journal of Photovoltaics, Vol.1, pp.123-129* |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20130122347A (ko) | 2013-11-07 |
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