KR101958819B1 - 양면 수광형 태양전지의 제조 방법 - Google Patents

양면 수광형 태양전지의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 양면 수광형 태양전지의 제조 방법은 반도체 기판의 제1 면에 후면 전계부(back surface field)를 형성하는 단계; 및 반도체 기판의 제1 면의 반대쪽에 위치하는 제2 면에 에미터부(emitter)를 형성하는 단계를 포함하며, 후면 전계부와 에미터부를 서로 다른 형태의 불순물 확산 방법에 의해 형성한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 후면 전계부는 열확산법(thermal diffusion method)을 이용하여 형성하고, 에미터부는 이온 주입법(ion implantation)을 이용하여 형성한다.

Description

양면 수광형 태양전지의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING A BIFACIAL SOLAR CELL}
본 발명은 양면 수광형 태양전지의 제조 방법에 관한 것이다.
광전 변환 효과를 이용하여 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양광 발전은 무공해 에너지를 얻는 수단으로서 널리 이용되고 있다. 그리고 태양전지의 광전 변환 효율의 향상에 수반하여, 개인 주택에서도 다수의 태양전지 모듈을 이용하는 태양광 발전 시스템이 설치되고 있다.
태양광에 의해 발전하는 태양전지를 복수개 구비하는 태양전지 모듈은 외부 충격 및 습기 등의 외부 환경으로부터 상기 태양전지를 보호하기 위해 태양전지의 상부 및 하부에 배치되는 보호 부재를 포함한다.
통상의 태양전지 모듈은 하부 보호 부재로 불투명 재질의 시트를 사용하고 있으나, 최근에는 상기 하부 보호 부재로 광 투과성의 기판을 사용하여 채광성을 확보하고, 양면 수광형 태양전지를 사용하여 태양전지의 전면 및 후면에 입사되는 광을 활용하는 기술이 개발되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 양면 수광형 태양전지의 효율을 증가시킬 수 있는 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 양면 수광형 태양전지의 제조 방법은 반도체 기판의 제1 면에 후면 전계부(back surface field)를 형성하는 단계; 및 반도체 기판의 제1 면의 반대쪽에 위치하는 제2 면에 에미터부(emitter)를 형성하는 단계를 포함하며, 후면 전계부와 에미터부를 서로 다른 형태의 불순물 확산 방법에 의해 형성한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 후면 전계부는 열확산법(thermal diffusion method)을 이용하여 형성하고, 에미터부는 이온 주입법(ion implantation)을 이용하여 형성한다.
그리고 후면 전계부를 형성하기 전에 기판의 상기 제1 면 및 상기 제2 면 중 적어도 한 면을 조직화(texturing)하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일례로, 후면 전계부를 형성하는 단계는 반도체 기판의 제2 면에 배리어 막(barrier layer)을 형성하는 단계; 배리어 막에 의해 가려지지 않은 영역의 반도체 기판에 제1 도전형의 불순물을 선증착(pre-deposition)하는 단계; 및 제1 도전형의 불순물을 확산(drive-in)하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 예로, 후면 전계부를 형성하는 단계는 제1 면 및 제2 면을 포함하는 반도체 기판의 전체 면에 제1 도전형의 불순물을 선증착(pre-deposition)하는 단계; 제1 도전형의 불순물을 확산(drive-in)하는 단계; 및 제2 면에 확산된 제1 도전형의 불순물을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
배리어 막을 사용하여 후면 전계부를 형성하는 경우, 배리어 막은 실리콘 산화막(SiOx) 또는 실리콘 질화막(SiNx)으로 형성할 수 있다.
이때, 에미터부를 형성하는 단계는 배리어 막을 제거하는 단계; 제2 면에 제2 도전형의 불순물을 이온 주입하는 단계; 및 제2 도전형의 불순물을 활성화(activation) 하는 단계를 포함할 수 있다.
배리어 막을 사용하지 않고 후면 전계부를 형성하는 경우, 에미터부를 형성하는 단계는 제2 면에 제2 도전형의 불순물을 이온 주입하는 단계; 및 제2 도전형의 불순물을 활성화(activation) 하는 단계를 포함할 수 있다.
에미터부를 형성할 때 에미터부의 불순물 도핑 농도는 균일하게 형성하거나 불균일하게 형성할 수 있다.
양면 수광형 태양전지의 제조 방법은 제1 면 및 제2 면에 반사 방지막(anti-reflection layer)을 각각 형성하는 단계; 및 에미터부와 전기적으로 연결된 제1 전극부 및 후면 전계부와 전기적으로 연결된 제2 전극부를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
에미터부의 불순물 도핑 농도를 불균일하게 형성하는 경우, 에미터부의 일부 영역은 고농도의 도핑 농도를 갖는 고농도 도핑부로 형성하고, 에미터부의 나머지 영역은 고농도 도핑부에 비해 낮은 농도의 도핑 농도를 갖는 저농도 도핑부로 형성할 수 있으며, 이때, 제1 전극부는 에미터부의 고농도 도핑부와 전기적으로 연결할 수 있다.
이러한 특징에 따르면, 에미터부와 후면 전계부를 모두 열확산법으로 형성하는 경우에 비해 아래와 같은 효과를 얻을 수 있다.
일반적으로, 태양전지에 있어서 에미터부는 후면 전계부에 비해 태양전지의 효율에 큰 영향을 미치게 된다.
그런데, 이온 주입법을 이용하여 형성한 에미터부는 열확산법을 이용하여 형성한 에미터부에 비해 에미터부의 면저항 균일도(uniformity)가 우수하며, 표면 농도(Cs)가 높으므로 필 팩터(fill factor) 측면에서 유리하다.
또한, 열확산법을 이용하여 형성한 에미터부는 실리콘 격자들을 깨지게 하는 과정이 없기 때문에 확산(drive-in) 공정 후에도 포인트 결함들이 많이 남아 있으며, 이 결함들로 인해 스트레인이 형성되어 개방전압이 저하된다.
하지만, 이온 주입법을 이용하여 형성한 에미터부는 이온을 주입할 때 반도체 기판의 실리콘 격자들이 깨지게 되고, 깨진 격자들은 활성화 공정에서 재결정화되면서 포인트 결함(point defect)이 줄어들게 된다. 따라서, 상기 결함으로 인한 스트레인(strain) 형성이 억제되어 개방전압(Voc)이 저하되는 것이 방지된다.
따라서, 상기한 여러 가지의 이유로 인해 양면 수광형 태양전지의 효율이 개선된다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 양면 수광형 태양전지의 주요부 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 양면 수광형 태양전지의 제조 방법을 나타내는 공정 순서도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 양면 수광형 태양전지의 주요부 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시한 양면 수광형 태양전지의 제조 방법을 나타내는 공정 순서도이다.
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 다양한 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 부여하였다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 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.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 양면 수광형 태양전지 모듈의 주요부 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시한 양면 수광형 태양전지의 제조 방법을 나타내는 공정 순서도이다.
양면 수광형 태양전지 모듈은 복수의 양면 수광형 태양전지(110)들, 열방향으로 인접한 양면 수광형 태양전지(110)들을 전기적으로 연결하는 인터커넥터(도시하지 않음), 양면 수광형 태양전지(110)들을 보호하는 보호막(EVA: Ethylene Vinyl Acetate)(도시하지 않음), 양면 수광형 태양전지(110)들의 전면(front surface) 쪽으로 보호막 위에 배치되는 광 투과성 전면 기판(도시하지 않음), 및 양면 수광형 태양전지(110)들의 후면(back surface) 쪽으로 보호막의 후면에 배치되는 광 투과성 후면 기판(도시하지 않음)을 포함한다.
그리고 양면 수광형 태양전지 모듈은 라미네이션 공정에 의해 일체화 된 상기 부품들을 수납하는 프레임(도시하지 않음) 및 양면 수광형 태양전지(110)들에서 생산된 전력을 수집하는 단자함(junction box)(도시하지 않음)을 포함한다.
광 투과성 전면 기판 및 광 투과성 후면 기판은 양면 수광형 태양전지 모듈의 외부에서 습기가 침투하는 것을 방지하여 양면 수광형 태양전지(110)를 외부 환경으로부터 보호한다.
이러한 광 투과성 전면 기판 및 광 투과성 후면 기판은 투과율이 높고 파손 방지 기능이 우수한 강화 유리 등으로 이루어져 있다. 이때, 강화 유리는 철 성분 함량이 낮은 저 철분 강화 유리(low iron tempered glass)일 수 있다.
이러한 광 투과성 전면 기판 및 광 투과성 후면 기판은 빛의 산란 효과를 높이기 위해서 내측면이 엠보싱(embossing) 처리될 수 있다.
광 투과성 전면 기판 및 광 투과성 후면 기판은 고분자 수지로 이루어질 수 있다. 여기에서, 고분자 수지로는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Poly Ethylene Terephthlate, PET)가 사용될 수 있다.
보호막은 양면 수광형 태양전지(110)들의 전면 및 후면에 각각 배치된 상태에서 라미네이션 공정에 의해 양면 수광형 태양전지(110)들과 일체화 되는 것으로, 습기 침투로 인한 부식을 방지하고 양면 수광형 태양전지(110)를 충격으로부터 보호한다.
이러한 보호막은 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA, ethylene vinyl acetate) 또는 실리콘 수지(silicone resin)으로 이루어질 수 있다.
본 실시예의 양면 수광형 태양전지(110)는 도 1에 도시한 바와 같이, 기판(111), 기판(111)의 한쪽 면, 예를 들면 전면(front surface)에 위치하는 에미터부(112), 에미터부(112)의 위에 위치하는 제1 반사방지막(113), 제1 반사방지막(113)이 위치하지 않는 영역의 에미터부(112) 위에 위치한 제1 전극(114), 기판(111)의 후면(back surface)에 위치하는 후면 전계(back surface field, BSF)부(115), 후면 전계부(115)의 후면에 위치하는 제2 반사방지막(116), 제2 반사방지막(116)이 위치하지 않는 영역의 후면 전계부(115)의 후면에 위치하는 제2 전극(117)을 포함한다.
기판(111)은 제1 면(이하, '후면'이라 함)(111a)과 제2 면(이하, '전면'이라 함)(111b)을 포함하며, 전면(front surface)과 후면(back surface)은 서로 반대쪽에 위치한다.
기판(111)은 제1 도전성 타입, 예를 들어 n형 도전성 타입의 실리콘 웨이퍼로 이루어진다. 이때, 실리콘은 단결정 실리콘, 다결정 실리콘 기판 또는 비정질 실리콘일 수 있다.
기판(111)이 n형의 도전성 타입을 가지므로, 기판(111)은 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 함유한다.
이와는 달리, 기판(111)은 p형 도전성 타입일 수 있고, 실리콘 이외의 다른 반도체 물질로 이루어질 수도 있다.
기판(111)이 p형의 도전성 타입을 가질 경우, 기판(111)은 붕소(B), 갈륨, 인듐 등과 같은 3가 원소의 불순물을 함유할 수 있다.
기판(111)의 전면(front surface) 및 후면(back surface)에서의 빛 반사도를 감소시켜 빛의 흡수율을 증가시키기 위해, 기판(111)의 전면 및 후면 중 적어도 한 면은 조직화(texturing) 처리될 수 있다.
기판(111)의 전면(front surface)에 위치하는 에미터부(112)는 기판(111)의 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입, 예를 들어, p형의 도전성 타입을 갖는 불순물부로서, 기판(111)과 p-n 접합을 이룬다.
이때, 본 실시예에서 에미터부(112)는 p형 도전성 타입을 갖는 불순물을 균일한 도핑 농도로 도핑하는 것에 따라 형성된다. 따라서, 본 실시예에서 에미터부(112)의 불순물 도핑 농도는 균일하게 형성된다.
이러한 p-n 접합으로 인한 내부 전위차(built-in potential difference)에 의해, 기판(111)에 입사된 빛에 의해 생성된 전하인 전자-정공 쌍은 전자와 정공으로 분리되어 전자는 n형 쪽으로 이동하고 정공은 p형 쪽으로 이동한다.
따라서, 기판(111)이 n형이고 에미터부(112)가 p형일 경우, 분리된 전자는 기판(111)쪽으로 이동하고 분리된 정공은 에미터부(112)쪽으로 이동한다. 따라서, 기판(111)에서는 전자가 다수 캐리어가 되며, 에미터부(112)에서는 정공이 다수 캐리어가 된다.
에미터부(112)가 p형의 도전성 타입을 가질 경우, 에미터부(112)는 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등과 같은 3가 원소의 불순물을 기판(111)에 도핑하여 형성할 수 있다.
이와는 달리, 기판(111)이 p형의 도전성 타입을 가질 경우, 에미터부(112)는 n형의 도전성 타입을 가진다. 이 경우, 분리된 정공은 기판(111)쪽으로 이동하고 분리된 전자는 에미터부(112)쪽으로 이동한다.
에미터부(112)가 n형의 도전성 타입을 가질 경우, 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 기판(111)에 도핑하여 형성할 수 있다.
에미터부(112) 위에 형성된 제1 반사방지막(113)은 금속 산화물(metal oxide) 계열의 물질, 예를 들어 실리콘 질화막(SiNx), 실리콘 산화막(SiOx), 산화 알루미늄막(AlOx) 및 이산화티탄막(TiO2) 중에서 선택된 적어도 하나의 막으로 형성된다.
제1 반사방지막(113)은 기판(111)의 전면(front surface)을 통해 입사되는 빛의 반사도를 줄이고 특정한 파장 영역의 선택성을 증가시키는 반사방지막으로 기능하며, 또한 패시베이션 막으로도 기능할 수도 있다.
제1 반사방지막(113)이 위치하지 않는 영역의 에미터부(112) 위에는 제1 전극(114)이 형성된다.
제1 전극(114)은 복수의 핑거 전극(114a) 및 복수의 버스바 전극(114b)을 포함할 수 있다.
제1 전극(114)은 도금 공정을 이용하여 형성하거나, 페이스트를 인쇄 및 소성하는 것에 따라 형성할 수 있다.
제1 전극(114)을 도금 공정에 의해 형성하는 경우, 제1 반사 방지막(113)은 에미터부(112)의 일부를 노출하기 위한 복수의 콘택 라인을 포함할 수 있으며, 콘택 라인에 의해 노출된 에미터부(112)에 제1 전극(114)이 도금 공정에 의해 형성될 수 있다.
도금 공정에 의해 형성된 제1 전극(114)은 에미터부(112) 위에 순차적으로 형성되는 금속 시드층, 확산방지층 및 도전층을 포함할 수 있으며, 도전층은 구리층 및 주석층을 포함할 수 있다.
이와는 달리, 제1 전극(114)을 인쇄 공정에 의해 형성하는 경우, 제1 전극 형성용 페이스트를 인쇄한 후 소성하는 동안에 상기 페이스트에 포함된 식각 성분에 의해 제1 반사 방지막(113)이 제거되는 것에 따라 제1 전극(114)이 에미터부(112)와 전기적으로 연결될 수 있다.
이러한 제1 전극(114)은 에미터부(112)쪽으로 이동한 전하, 예를 들면 정공을 수집한다.
기판(111)의 후면에 위치하는 제2 전극(117)은 기판(111)쪽으로 이동하는 전하, 예를 들어 전자를 수집하여 외부 장치로 출력한다.
본 실시예에서, 제2 전극(117)은 제1 전극(114)의 버스바 전극(114b)에 대응하는 위치에 형성되는 버스바 전극(117b)과, 제1 전극(114)의 핑거 전극(114a)에 대응하는 핑거 전극(117a)을 포함한다.
이때, 제2 전극(117)의 핑거 전극(117a)은 제1 전극(114)의 핑거 전극(114a)에 비해 많은 개수로 형성될 수 있다.
그리고 제2 전극(117)은 제1 전극(114)과 동일한 물질로 형성될 수 있다.
제2 전극(117)이 전기적 및 물리적으로 연결되는 후면 전계부(115)는 기판(111)의 후면 전체에 위치하며, 기판(111)과 동일한 도전성 타입의 불순물이 기판(111)보다 고농도로 도핑된 영역, 예를 들면, n+ 영역으로 형성된다.
후면 전계부(115)는 기판(111)과의 불순물 농도 차이로 인해 전위 장벽을 형성함으로써 기판(111) 후면쪽으로의 정공 이동을 방해한다. 따라서 기판(111)의 표면 근처에서 전자와 정공이 재결합하여 소멸되는 것이 감소된다.
제2 전극(117)이 위치하지 않는 상기 후면 전계부(115)의 후면에는 제2 반사 방지막(116)이 위치하며, 제2 반사 방지막(116)은 제1 반사 방지막과 같이 실리콘 질화막(SiNx), 실리콘 산화막(SiOx), 산화 알루미늄막(AlOx) 및 이산화티탄막(TiO2) 중에서 선택된 적어도 하나의 막으로 형성된다.
도시하지는 않았지만, 제1 반사 방지막(113)과 에미터부(112)의 사이 및 제2 반사 방지막(116)과 후면 전계부(115)의 사이에는 보호막(passivation layer)이 더 형성될 수 있다.
이러한 구성의 양면 수광형 태양전지에서, 태양전지로 조사된 빛이 에미터부(112) 및 후면 전계부(115)를 통해 기판(111)으로 입사되면, 기판(111)으로 입사된 빛 에너지에 의해 전자-정공 쌍이 발생한다.
이때, 기판(111)의 전면(front surface) 및/또는 후면(back surface)이 조직화 처리되어 있으므로, 기판(111)의 전면(front surface) 및 후면(back surface)에서의 빛 반사도가 감소하고, 조직화 처리된 면에서 입사와 반사 동작이 행해져 태양전지 내부에 빛이 갇히게 되므로, 빛의 흡수율이 증가되어 양면 수광형 태양전지의 효율이 향상된다.
이에 더하여, 제1 반사 방지막(113) 및 제2 반사 방지막(116)에 의해 기판(111)으로 입사되는 빛의 반사 손실이 줄어들어 기판(111)으로 입사되는 빛의 양은 더욱 증가한다.
이들 전자-정공 쌍은 기판(111)과 에미터부(112)의 p-n접합에 의해 서로 분리되며, 전자는 n형의 도전성 타입을 갖는 기판(111)쪽으로 이동하고, 정공은 p형의 도전성 타입을 갖는 에미터부(112)쪽으로 이동한다.
이처럼, 기판(111)쪽으로 이동한 전자는 후면 전계부(115)를 통해 제2 전극(117)으로 이동하고, 에미터부(112) 쪽으로 이동한 정공은 제1 전극(114)으로 이동한다.
따라서, 어느 한 태양전지의 제1 전극(114)과 인접한 태양전지의 제2 전극(117)을 인터커넥터 등의 도선으로 연결하면 전류가 흐르게 되고, 이를 외부에서 전력으로 이용하게 된다.
이하, 상기한 구조의 양면 수광형 태양전지를 제조하는 방법에 대해 도 2를 참조하여 설명한다.
먼저, 제1 도전성 타입을 가지는 기판(111)을 준비한다. 이 기판(111)은 소 데미지 에칭(saw damage etching, SDE)이 완료된 상태일 수 있다.
이후, 제1 도전성 타입을 갖는 기판(111)의 후면(111a)과 전면(111b)에 건식 식각을 수행하여 후면(111a)과 전면(111b)을 조직화(texturing) 한다.
이와 같이, 조직화 작업이 완료되면, 후면(111a)과 전면(111b)에는 각각 복수의 요철이 형성된다.
조직화 단계에서는 건식 식각의 한 방법으로 반응성 이온 식각(reactive ion etching, RIE)을 사용할 수 있다.
반응성 이온 에칭은, 약 0.1 내지 0.5mTorr의 압력을 갖는 공정실에 기판(111)을 위치시킨 후, SF6와 O2의 혼합 가스(SF6/O2) 또는 SF6와 O2 및 Cl2의 혼합 가스(SF6/Cl2/O2)인 식각 가스를 공정실에 주입하고, 기판(111) 사이에 설치된 두 개의 전극(도시하지 않음)에 해당 크기의 전력을 인가하여 원료 가스에 기초한 플라즈마 이온에 의해 식각이 이루어지도록 하는 것에 따라 실시할 수 있다.
이와 같이, 기판(111)의 전면(111b) 및 후면(111a)을 조직화 한 후, 기판(111)의 전면(111b)에 실리콘 산화막(SiOx) 또는 실리콘 질화막(SiNx)을 증착하여 배리어 막(barrier layer)(118)을 형성한다.
계속하여, 열확산법(thermal diffusion method)을 사용하여 배리어 막(118)에 의해 가려지지 않은 기판 부분, 예를 들어 기판(111)의 후면(111a)에 후면 전계부(115)를 형성한다.
열확산법을 사용하는 경우, 후면 전계부(115)는 제1 도전성 타입의 불순물, 예컨대 BBr3를 선증착(pre-deposition)하고, 선증착된 제1 도전성 타입의 불순물을 확산(drive-in)시키는 것에 따라 형성할 수 있다.
후면 전계부(115)는 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 기판(111)의 후면(111a) 전체에 형성할 수 있지만, 제2 전극(117)과 대응하는 위치에만 국부적으로 형성하는 것도 가능하다.
제2 전극(117)과 대응하는 위치에만 국부적으로 형성되는 후면 전계부(115)는 제1 도전성 타입의 불순물을 후면 전계부의 형성 영역에만 증착한 후 확산 공정을 실시하는 것에 따라 형성할 수 있다.
후면 전계부(115)를 형성한 후에는 이온 주입법(ion implantation)을 사용하여 기판(111)의 전면(111b)에 에미터부(112)를 형성한다.
이에 대해 구체적으로 설명하면, 먼저 전면(111b)에 형성된 배리어 막(118)을 제거한다.
이어서, 기판(111)의 전면(111b)에 제2 도전성 타입의 불순물을 이온 주입하고, 계속하여 제2 도전성 타입의 불순물을 활성화(activation)한다.
제2 도전성 타입의 불순물을 기판(111)의 전면(111b)에 주입할 때, 불순물 이온이 너무 깊게 들어가는 것을 방지하기 위하여 이온 건(ion gun)의 중심선과 기판(111)의 전면(111b)이 이루는 각도는 90°미만이 되도록 할 수 있다.
일례로, 이온 건의 중심선과 기판(111)의 전면(111b)이 이루는 각은 83°내지 86°로 설정할 수 있으며, 이 경우, 기판(111)의 전면(111b)에 이온이 주입되는 깊이는 기판(111)의 전면(111b) 표면으로부터 0.2㎛ ~ 0.3㎛ 사이가 된다. 따라서, 에미터부(112)의 불순물 도핑 농도는 균일하게 형성된다.
이온 주입을 완료한 후, 불순물 이온을 함유한 기판(111)을 질소(N2) 분위기에서 열처리하는 활성화 단계를 수행하면, 기판(111)에서 불순물 이온이 주입된 부분은 에미터부(112)로 형성된다.
위에서 말한 이온 주입 단계에서는 기판(111)의 제1 면으로 주입된 불순물 이온이 주변의 실리콘 원자와의 화학적 결합을 하지 못한 상태로 단순히 주변에 배치되어 있는 상태인 침입형 상태(interstitial state)가 된다.
그러나, 활성화 단계를 실시하면, 침입형 상태(interstitial state)로 기판(111) 속에 주입된 불순물 이온이 주변의 실리콘 원자와 화학적 결합을 하는 치환형 상태(substitutional state)로 바뀌며, 실리콘 원자와 불순물 이온의 재배열이 이루어지게 된다. 따라서, 불순물 이온이 주입된 부분은 에미터부(112)로 형성된다.
이온 주입법에 의해 형성된 에미터부(112)의 면저항은 단위 면적당 100 Ω/sq ~ 200 Ω/sq 사이로 형성될 수 있으며, 이온 주입법에 의해 형성된 에미터부(112)의 면저항 균일도(uniformity)는 열확산법에 의해 형성된 에미터부의 면저항 균일도보다 우수하다. 또한, 표면 농도(Cs)가 높으므로 필 팩터가 개선된다.
활성화 단계에서의 열처리 온도는 주입된 불순물 이온이 붕소(B)일 때 약 900℃ 내지 1000℃일 수 있다.
한편, 활성화 단계는 산소(O2) 분위기에서 행해질 수 있다. 이 경우, 에미터부(112) 위에 산소와 기판(111)의 실리콘이 결합되어 형성되는 실리콘 산화막이 형성될 수 있는데, 이와 같은 실리콘 산화막은 제거되지 않을 수도 있으며, 제거될 수도 있다.
아울러, 활성화 단계에서는 아울러, 이와 같은 활성화 단계에서는 건식 식각 및 이온 주입법을 수행하는 중에 기판(110)의 제1 면에 발생한 손상을 동시에 제거할 수 있다.
즉, 이온 주입 단계에서는 기판(111)의 제1 면에 이온이 충돌하는 것에 따라 기판(111)의 실리콘 격자들이 깨지게 되어 포인트 결함(point defect)이 발생된다.
그러나, 포인트 결함은 활성화 단계에서 기판(111)을 열처리 하는 동안 깨진 격자들이 재결정화된다. 따라서 포인트 결함이 감소하므로, 포인트 결함으로 인해 스트레인(strain)이 형성되어 개방전압(Voc)이 저하되는 것을 방지한다.
이와 같은 활성화 단계 이후, 기판(111)의 전면(111b) 및 후면(111a)에 제1 반사 방지막(113) 및 제2 반사 방지막(116)을 각각 형성한다.
제1 반사 방지막(113) 및 제2 반사 방지막(116)은 동일한 물질로 형성되거나 서로 다른 물질로 형성될 수 있으며, 적층 구조도 동일 또는 다르게 형성될 수 있다.
한편, 제1 반사 방지막(113)과 에미터부(112)의 사이 및 제2 반사 방지막(116)과 후면 전계부(115)의 사이에는 보호막(passivation layer)를 더 형성할 수 있다.
이후, 에미터부(112)와 전기적으로 연결되는 제1 전극(114)과 후면 전계부(115)와 전기적으로 연결되는 제2 전극(117)을 형성한다.
제1 전극(114) 및 제2 전극(117)을 도금 공정에 의해 형성하는 경우, 제1 반사 방지막(113)과 제2 반사 방지막(116)은 제1 전극(114)과 제2 전극(117)이 형성되는 영역에 복수의 콘택 라인을 구비하도록 제거될 수 있다.
그리고 콘택 라인을 형성한 후에는 콘택 라인에 의해 노출된 영역의 에미터부(112)와 후면 전계부(115) 위에 순차적으로 금속 시드층, 확산방지층 및 도전층을 적층하여 제1 전극(114) 및 제2 전극(117)을 각각 형성할 수 있다.
이와는 달리, 제1 전극(114) 및 제2 전극(117)이 인쇄 공정에 따라 형성되는 경우에는 전극 페이스트에 포함된 식각 성분에 의해 제1 전극(114) 및 제2 전극(117)이 에미터부(112) 및 후면 전계부(115)에 각각 전기적으로 연결될 수 있으므로, 에미터부(112)와 후면 전계부(115)의 일부 영역을 노출하기 위한 콘택 라인을 형성하지 않아도 된다.
이때, 전극 페이스트는 식각 성분(PbO)을 포함하는 은(Ag) 페이스트일 수 있다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 다른 실시예를 설명한다.
먼저, 도 3을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 양면 수광형 태양전지에 대해 설명하면, 본 실시예의 양면 수광형 태양전지는 에미터부(212)가 고농도 도핑부(212a)와 저농도 도핑부(212b)를 갖는 선택적 에미터(selective emitter)인 것을 제외하고 전술한 도 1의 실시예와 동일한 구성으로 형성된다. 따라서, 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략한다.
일반적으로, 태양전지의 효율은 에미터에 도핑된 불순물의 농도에 영향을 받는다. 예를 들면 에미터에 도핑된 불순물의 농도가 낮은 경우, 즉 에미터가 저농도 도핑부로 형성된 경우에는 전자와 정공의 재결합(recombination)이 감소하여 단락 전류 밀도(Jsc) 및 개방전압(Voc)이 증가하는 효과를 얻을 수 있지만, 접촉 저항(contact resistance)이 증가하여 필 팩터(FF: Fill Factor)가 감소하는 단점도 발생한다.
그리고 도핑된 불순물의 농도가 높은 경우, 즉 에미터가 고농도 도핑부로 형성된 경우에는 접촉 저항(contact resistance)이 감소하여 필 팩터(FF: Fill Factor)가 증가하는 효과를 얻을 수 있지만, 단락 전류 밀도(Jsc) 및 개방전압(Voc)이 감소하는 단점도 발생한다.
선택적 에미터는 저농도 도핑부와 고농도 도핑부의 장점을 모두 얻기 위해 개발된 것으로, 위에서 말한 바와 같이 에미터부(212)가 고농도 도핑부(212a)와 저농도 도핑부(212b)를 포함하며, 고농도 도핑부(212a)와 저농도 도핑부(212b)는 서로 다른 불순물 도핑 농도로 형성된다.
예를 들면, 고농도 도핑부(212a)는 저농도 도핑부(212b)에 비해 높은 농도로 불순물을 도핑하여 형성된다. 이와 같이, 본 실시예의 에미터부(212)는 전술한 도 1의 실시예와는 달리 에미터부(212)의 불순물 도핑 농도가 불균일하게 형성된다.
이러한 에미터부(212)에 있어서, 고농도 도핑부(212a)의 두께는 저농도 도핑부(212b)의 두께보다 두껍게 형성되며, 선택적 에미터는 레이저 어블레이션(laser ablation)을 이용한 방법 또는 마스크(mask)를 이용한 방법 등에 의해 형성할 수 있다.
선택적 에미터에 있어서, 고농도 도핑부(212a)의 불순물 도핑 농도가 저농도 도핑부(212b)의 불순물 도핑 농도에 비해 크므로, 고농도 도핑부(212a)의 면저항은 저농도 도핑부(212b)의 면저항에 비해 작다. 따라서, 전하 전송 효율을 향상시키기 위해, 제1 전극(214)은 에미터부(212)의 고농도 도핑부(212a)와 전기적으로 연결된다.
이하, 도 4를 참조하여 도 3에 도시한 양면 수광형 태양전지의 제조 방법을 설명한다.
먼저, 도 2 및 도 4에 도시한 바와 같이, 기판(211)의 전면(211b) 및 후면(212a)을 조직화 한다.
이어서, 열확산법(thermal diffusion method)을 사용하여 기판(211)의 전체 표면, 예를 들어 기판(211)의 전면(211b) 및 후면(211a)에 후면 전계부(215)를 형성한다. 이때, 기판(211)의 측면에도 후면 전계부(215)가 형성될 수 있다.
후면 전계부(215)를 형성한 후에는 기판(211)의 후면(211a)에 형성된 후면 전계부(215)를 덮는 배리어 막(218)을 형성하고, 배리어 막(218)에 의해 가려지지 않은 영역에 형성된 후면 전계부(215)를 습식 식각(wet etching)으로 제거한다.
이후, 이온 주입법(ion implantation)을 사용하여 기판(211)의 전면(211b)에 에미터부(212)를 형성한다.
이때, 에미터부(212)는 레이저 어블레이션을 이용한 방법 또는 마스크를 이용한 공지의 방법에 따라 고농도 도핑부(212a)와 저농도 도핑부(212b)를 갖는 선택적 에미터로 형성한다.
이와 같이 에미터부(212)를 형성한 후, 도 2에 설명한 방법에 따라 제1 반사 방지막(213) 및 제2 반사 방지막(216)를 에미터부(212) 및 후면 전계부(215)에 각각 형성하고, 에미터부(212)의 고농도 도핑부(212a)와 전기적으로 연결된 제1 전극(214) 및 후면 전계부(215)와 전기적으로 연결된 제2 전극(217)을 형성한다.
이상에서는 열확산법을 이용하여 후면 전계부를 형성한 후에 이온 주입법을 이용하여 에미터부를 형성하는 양면 수광형 태양전지의 제조 방법에 대해 설명하였지만, 이온 주입법으로 에미터부를 먼저 형성한 후에 열확산법으로 후면 전계부를 형성하는 방법도 가능하다.
이 경우, 조직화를 완료한 기판의 전면에 에미터부를 형성하고, 에미터부 위에 배리어 막을 형성한 후, 배리어 막에 의해 가려지지 않은 영역의 기판에 후면 전계부를 형성한 후, 반사방지막 및 전극을 형성하는 것에 따라 양면 수광형 태양전지를 제조할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
110, 210: 양면 수광형 태양전지 111, 211: 기판
112, 212: 에미터부 113, 213: 제1 반사 방지막
114, 214: 제1 전극 115, 215: 후면 전계부
116, 216: 제2 반사 방지막 117, 217: 제2 전극
118, 218: 배리어 막

Claims (19)

  1. 열확산법(thermal diffusion method)을 이용하여 반도체 기판의 후면에 후면 전계부(back surface field)를 형성하는 단계; 및
    이온 주입법(ion implantation)을 이용하여 상기 반도체 기판의 상기 후면의 반대쪽에 위치하는 전면에 에미터부(emitter)를 형성하는 단계
    를 포함하며,
    상기 후면 전계부를 형성하는 단계는,
    상기 반도체 기판의 상기 후면에 제1 도전형의 불순물층을 선증착(pre-deposition)하는 단계;
    상기 제1 도전형의 불순물층에 함유된 제1 도전형의 불순물을 상기 반도체 기판의 상기 후면 내부로 확산(drive-in)하는 단계; 및
    상기 후면에 선증착된 제1 도전형의 불순물층을 제거하는 단계
    를 포함하고,
    상기 에미터부를 형성하는 단계는 상기 반도체 기판에 주입된 이온을 활성화(activation)하는 단계를 포함하며,
    상기 에미터부는 단위 면적당 100Ω/sq 내지 200Ω/sq의 면저항을 갖는 양면 수광형 태양전지의 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 후면 전계부를 형성하기 전에 상기 기판의 상기 후면 및 상기 전면 중 적어도 한 면을 조직화(texturing)하는 단계를 더 포함하는 양면 수광형 태양전지의 제조 방법.
  4. 제1항 또는 제3항에서,
    상기 후면 전계부를 형성하는 단계는,
    상기 반도체 기판의 상기 전면에 배리어 막(barrier layer)을 형성하는 단계
    를 더 포함하는 양면 수광형 태양전지의 제조 방법.
  5. 제4항에서,
    상기 배리어 막을 실리콘 산화막(SiOx) 또는 실리콘 질화막(SiNx)으로 형성하는 양면 수광형 태양전지의 제조 방법.
  6. 제4항에서,
    상기 에미터부를 형성하는 단계는 상기 배리어 막을 제거한 후 실시하는 양면 수광형 태양전지의 제조 방법.
  7. 제6항에서,
    상기 에미터부의 불순물 도핑 농도를 균일하게 형성하는 양면 수광형 태양전지의 제조 방법.
  8. 제6항에서,
    상기 후면 및 전면에 반사 방지막(anti-reflection layer)을 각각 형성하는 단계; 및
    상기 에미터부와 전기적으로 연결된 제1 전극부 및 상기 후면 전계부와 전기적으로 연결된 제2 전극부를 형성하는 단계
    를 더 포함하는 양면 수광형 태양전지의 제조 방법.
  9. 제6항에서,
    상기 에미터부의 불순물 도핑 농도를 불균일하게 형성하는 양면 수광형 태양전지의 제조 방법.
  10. 제9항에서,
    상기 에미터부의 불순물 도핑 농도를 불균일하게 형성할 때,
    상기 에미터부의 일부 영역은 고농도의 도핑 농도를 갖는 고농도 도핑부로 형성하고, 상기 에미터부의 나머지 영역은 상기 고농도 도핑부에 비해 낮은 농도의 도핑 농도를 갖는 저농도 도핑부로 형성하며, 상기 저농도 도핑부는 단위 면적당 100Ω/sq 내지 200Ω/sq의 면저항을 갖는 양면 수광형 태양전지의 제조 방법.
  11. 제10항에서,
    상기 후면 및 상기 전면에 반사 방지막(anti-reflection layer)을 각각 형성하는 단계; 및
    상기 에미터부와 전기적으로 연결된 제1 전극부 및 상기 후면 전계부와 전기적으로 연결된 제2 전극부를 형성하는 단계
    를 더 포함하며,
    상기 제1 전극부는 상기 에미터부의 고농도 도핑부와 전기적으로 연결하는 양면 수광형 태양전지의 제조 방법.
  12. 제1항 또는 제3항에서,
    상기 제1 도전형의 불순물층을 상기 전면에도 선증착(pre-deposition)하고,
    상기 후면 및 상기 전면에 각각 선층착된 상기 제1 도전형의 불순물층에 각각 함유된 상기 제1 도전형의 불순물을 상기 후면 및 상기 전면 내부로 각각 확산(drive-in)한 후, 상기 전면에 선증착된 제1 도전형의 불순물 및 상기 전면 내부로 확산된 상기 제1 도전형의 불순물을 제거하는 단계
    를 포함하는 양면 수광형 태양전지의 제조 방법.
  13. 삭제
  14. 제12항에서,
    상기 에미터부의 불순물 도핑 농도를 균일하게 형성하는 양면 수광형 태양전지의 제조 방법.
  15. 제14항에서,
    상기 후면 및 상기 전면에 반사 방지막(anti-reflection layer)을 각각 형성하는 단계; 및
    상기 에미터부와 전기적으로 연결된 제1 전극부 및 상기 후면 전계부와 전기적으로 연결된 제2 전극부를 형성하는 단계
    를 더 포함하는 양면 수광형 태양전지의 제조 방법.
  16. 제12항에서,
    상기 에미터부의 불순물 도핑 농도를 불균일하게 형성하는 양면 수광형 태양전지의 제조 방법.
  17. 제16항에서,
    상기 에미터부의 불순물 도핑 농도를 불균일하게 형성할 때,
    상기 에미터부의 일부 영역은 고농도의 도핑 농도를 갖는 고농도 도핑부로 형성하고, 상기 에미터부의 나머지 영역은 상기 고농도 도핑부에 비해 낮은 농도의 도핑 농도를 갖는 저농도 도핑부로 형성하며, 상기 저농도 도핑부는 단위 면적당 100Ω/sq 내지 200Ω/sq의 면저항을 갖는 양면 수광형 태양전지의 제조 방법.
  18. 제17항에서,
    상기 후면 및 상기 전면에 반사 방지막(anti-reflection layer)을 각각 형성하는 단계; 및
    상기 에미터부와 전기적으로 연결된 제1 전극부 및 상기 후면 전계부와 전기적으로 연결된 제2 전극부를 형성하는 단계
    를 더 포함하며,
    상기 제1 전극부는 상기 에미터부의 고농도 도핑부와 전기적으로 연결하는 양면 수광형 태양전지의 제조 방법.
  19. 제8항에서,
    상기 제1 도전형의 불순물층에 함유된 상기 제1 도전형의 불순물은 상기 제2 전극부에는 함유되지 않는 양면 수광형 태양전지의 제조 방법.
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