KR102053912B1 - 계면 특성이 향상된 perc 솔라셀, 솔라셀 제조 방법 및 제조 장치 - Google Patents

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Abstract

PERC 솔라셀의 기판이 챔버에 투입되고, 상기 챔버 내의 기판의 후면에 패시베이션층을 형성하는 패시베이션층 형성 단계; 상기 패시베이션층을 덮는 캡핑층을 형성하는 캡핑층 형성 단계; 를 포함하고, 상기 캡핑층을 형성하기 전에 상기 패시베이션층을 증착한 후에 상기 패시베이션층을 액티베이팅하는 PDA(Post-deposition activating) 단계가 상기 챔버 내에서 수행되는 PERC 솔라셀, PERC 솔라셀의 제조 방법 및 제조 장치가 기재된다.

Description

계면 특성이 향상된 PERC 솔라셀, 솔라셀 제조 방법 및 제조 장치{A PERC SOLAR CELL HAVING ENHANCED INTERFACE PROFERTIES, MANUFACTURING METHOD OF THE PERC SOLAR CELL, AND MANUFACTURING DEVICE OF THE PERC SOLAR CELL}
본 발명은 고효율 태양 전지의 일종인 PERC 솔라셀의 계면 특성을 향상시킬 수 있는 제조 방법 및 제조 장치에 관한 것이다.
최근 심각한 환경 오염 문제와 화석 에너지 고갈로 인하여 차세대 청정 에너지 개발에 대한 중요성이 부각되고 있다.
그 중에서 태양 전지는 공해가 적고, 자원이 무한적이며, 반영구적인 수명을 가지고 있어서, 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 주요 수단으로 각광받고 있다.
태양 전지 개발에 있어 고효율화가 필요하다. 고효율 결정질 실리콘 태양전지의 예로서, PERC(Passivated Emitter Rear Cell) 솔라셀(Solar cells)이 알려져 있다.
PERC(Passivated Emitter Rear Cell) 솔라셀과 관련된 기술로서, 호주의 뉴사우스웨이즈대학(UNSW, University of New South Wales)의 PERL (Passivated Emitter and Rear Locally-diffused)이 있으며 약 25% 대의 효율을 갖는 것으로 알려져 있다.
PERL은, 그 표면이 역피라미드로 텍스처링되고, 그 위에 이중 반사 방지막(ARC :Anti-reflective coating)이 형성되며, 후면은 부분적으로 p+층을 갖고, 전후면에 산화층을 입혀 표면에서의 재결합을 줄이도록 한 구조를 갖는다. 전면적극 아래는 n+층을 두어 전극과 실리콘층간의 접촉저항을 줄였다.
그러나 PERL 셀은 공정이 매우 복잡하고 공정 소요시간도 길어 양산에 적합하지 않아 우주용이나 태양전지 비행기 등의 고효율을 필요로 하는 특정 시장에만 적용되는 문제점이 있다.
따라서, 고효율 태양 전지인 PERC 태양 전지의 PERC 솔라셀의 효율을 향상시키고 양산을 위해 필요한 기술로서, 전극 형성시 스크린 프린팅 기술의 성능한계를 극복하는 것, 미세 금속 전극 형성, 전극과 실리콘층간의 접촉 계면의 면적 축소, 표면 패시베이션(Passivation) 기술 등의 연구 개발이 필요하다.
본 발명은 PERC 태양 전지의 패시베이션(Passivation) 계면의 특성 향상을 통하여 PERC 솔라셀의 효율을 향상시키고 양산성을 확보할 수 있는 제조 방법 및 제조 장치를 제공한다.
일 실시예로서, 본 발명의 PERC 솔라셀의 제조 방법은, PERC 솔라셀의 기판이 챔버에 투입되고, 상기 챔버 내의 기판의 후면에 패시베이션층을 형성하는 패시베이션층 형성 단계; 상기 패시베이션층을 덮는 캡핑층을 형성하는 캡핑층 형성 단계; 를 포함한다.
일 실시예로서, 상기 캡핑층을 형성하기 전에 상기 패시베이션층을 증착한 후에 상기 패시베이션층을 액티베이팅하는 PDA(Post-deposition activating) 단계가 상기 챔버 내에서 수행된다.
일 실시예로서, 상기 패시베이션층은 상기 기판에 AlOx 막을 성장시킨 것이다.
일 실시예로서, 상기 캡핑층은 상기 패시베이션층에 SiNx 막을 성장시킨 것이다.
일 실시예로서, 상기 PDA 단계에서는, 상기 챔버 내에 산화제(Oxidation precursor)를 투입하고, 상기 챔버 내부를 PDA 공정에 최적화된 PDA 온도로 유지하며, 상기 산화제 분위기에서 상기 PDA 온도로 상기 패시베이션층을 액티베이팅한다.
일 실시예로서, 상기 산화제는 H2O, 기화된 H2O, O2, O3 중 적어도 하나이다.
일 실시예로서, 상기 PDA 온도는 200 ~ 500℃이다.
일 실시예로서, 상기 PDA 단계에서는, H2O에 질소 가스를 통과시키고, 상기 H2O를 통과한 질소 가스를 PDA 온도로 유지되는 상기 챔버에 분사하여 상기 기판 또는 상기 패시베이션층을 처리한다.
일 실시예로서, 상기 PDA 단계에서, 상기 패시베이션층의 적어도 일부가 국부적으로 재구성되고, Si를 포함하는 상기 기판과 AlOx를 포함하는 상기 패시베이션층의 계면에서 음의 고정 전하 밀도(Qf, density of negative fixed charges)가 증가하며, 계면 포획 밀도(Dit, interface trap density)가 감소된다.
일 실시예로서, 상기 PDA 단계에서 상기 패시베이션층에 음의 전하 포획(negative charge traps)이 형성되며, 상기 음의 전하 포획은 음의 고정 전하 밀도(Qf, density of negative fixed charges)의 증가로 인하여 형성되고, 격자간 수소(interstitial hydrogen (Hi)), 격자간 산소(interstitial oxygen (Oi)), 알루미늄 공실(aluminum vacancies (VAl)) 중 적어도 하나가 상기 음의 고정 전하 밀도를 증가시킨다.
일 실시예로서, 본 발명의 PERC 솔라셀의 제조 장치는, PERC 솔라셀의 기판이 투입되고, 상기 기판의 후면에 패시베이션층 또는 상기 패시베이션층을 덮는 캡핑층을 형성하는 챔버; PDA(Post-deposition activating) 단계에서 PDA 온도로 유지되는 상기 챔버의 내부에 산화제를 분사하는 노즐부; 를 포함한다.
여기서, 상기 산화제 분위기에서 상기 PDA 온도로 상기 패시베이션층이 액티베이팅될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 노즐부는 상기 PDA 단계에서 H2O, 기화된 H2O, O2, O3 중 적어도 하나를 포함하는 상기 산화제를 분사한다.
일 실시예로서, 상기 챔버는 상기 PDA 단계에서 200 ~ 500℃인 상기 PDA 온도로 유지된다.
일 실시예로서, 본 발명의 PERC 솔라셀의 제조 장치는, H2O, 기화된 H2O, O2, O3 중 적어도 하나를 포함하는 상기 산화제를 수용하는 수용부; 상기 수용부의 상류측에 마련되며 상기 수용부에 질소 가스를 공급하는 질소 가스 공급부; 를 포함한다.
여기서, 상기 질소 가스 공급부에서 유입되는 상기 질소 가스가 상기 수용부를 통과하여 상기 챔버의 노즐부로 공급될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 노즐부에서 상기 산화제가 분사되고 상기 챔버 내의 온도가 200 ~ 500℃로 유지되면, Si를 포함하는 상기 기판과 AlOx를 포함하는 상기 패시베이션층의 계면에서 계면 포획 밀도(Dit, interface trap density)가 감소될 수 있다.
일 실시예로서, 본 발명의 PERC 솔라셀은, 챔버 내의 기판의 후면에 형성된 패시베이션층; 상기 패시베이션층을 덮는 캡핑층; 을 포함한다.
본 발명의 PERC 솔라셀 제조 장치에서 후면 패시베이션 증착막으로 AlOx막 또는 캡핑층인 SiNx막이 추가적인 패시베이션 증착막으로 사용될 수 있다. 이때, 후면 패시베이션층에서 전기적 패시베이션(electrical passivation) 특성의 향상을 위해 AlOx 막의 특성 제어가 매우 중요하다.
본 발명의 PDA 단계는 음의 고정 전하 밀도(Qf, density of negative fixed charges)의 원천(source)이 되는 격자간 수소(interstitial hydrogen (Hi)), 격자간 산소(interstitial oxygen (Oi)), 알루미늄 공실(aluminum vacancies (VAl)) 중 적어도 하나를 추가하는 공정으로서, 과산소(oxygen rich) 분위기의 패시베이션(passivation) 특성을 확보할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 PDA 단계는 격자간 수소를 증가시키거나 알루미늄 공실을 추가시킬 수 있다.
본 발명의 PDA 단계는, PERC 솔라셀의 광변환 효율을 향상시키거나, 음의 고정 전하 밀도(Qf, density of negative fixed charges)를 증가시키거나, 캐리어 라이프타임(Carrier lifetime)을 증가시키거나, 패시베이션층에 음의 전하 포획(negative charge traps)을 형성하거나, 개방 회로 전압에 대응하는 값(corresponding values for open circuit voltages (Voc))을 증가시키거나, 계면 포획 밀도(Dit, interface trap density)를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 제조 장치는 PDA 단계를 수행하기 위하여 산화제를 PDA 온도에서 분사할 수 있다. 따라서, 알루미늄 산화막의 패시베이션 특성을 더욱 개선할 수 있는 PDA 공정을 채용하였으므로, 패시베이션층의 효율 저하없이 간단하게, 저비용으로 PERC 솔라셀의 양산성을 확보할 수 있다. PERC 솔라셀의 저비용화도 달성된다.
도 1은 본 발명의 제조 장치 및 제조 방법으로 제조된 PERC 솔라셀을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 PERC 솔라셀의 제조 방법을 도시한 순서도이다.
도 3 내지 도 6은 도 2의 공정에 따라 제조되는 PERC 솔라셀의 단면을 도시한 부분 단면도이다.
도 7은 본 발명의 PERC 솔라셀의 제조 장치를 도시한 개략도이다.
도 8은 본 발명의 PERC 솔라셀의 제조 장치의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제조 장치 및 제조 방법으로 제조된 PERC 솔라셀의 캐리어 라이프타임(Carrier lifetime) 증가를 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 제조 장치 및 제조 방법으로 제조된 PERC 솔라셀의 효율 증가를 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
도 1은 본 발명의 제조 장치 및 제조 방법으로 제조된 PERC 솔라셀을 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 2는 본 발명의 PERC 솔라셀의 제조 방법을 도시한 순서도이다. 도 3 내지 도 6은 도 2의 공정에 따라 제조되는 PERC 솔라셀의 단면을 도시한 부분 단면도이다. 도 7은 본 발명의 PERC 솔라셀의 제조 장치를 도시한 개략도이다. 도 8은 본 발명의 PERC 솔라셀의 제조 장치의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판(100)의 전면에 이미터(110)가 증착되고 이미터(110) 위에 반사 방지막(112)(ARC)이 적층될 수 있다. 실리콘(Si)을 포함하는 기판(100)은 도핑되어 P형 반도체가 될 수 있다. 이미터(110)는 기판(100) 위에 형성되며 N형 반도체가 될 수 있다. p형 반도체와 n형 반도체는 서로 다이오드와 같은 접합 구조를 가지며, 상기 접합 구조의 솔라셀에 광이 입사되면 광과 솔라셀의 반도체를 구성하는 물질과의 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의하여 (-)전하를 띤 전자(electron)와 (+)전하를 띤 정공(hole)이 쌍으로 발생하여 이들이 이동하면서 전류가 흐르게 된다.
예를 들어 n형 반도체인 이미터(110)의 상부에 접합된 전면 전극(114)의 방향으로 전자가 이동하고, 예를 들어 p형 반도체인 기판(100)의 하부에 접합된 후면 전극(124)으로 정공이 이동할 수 있다. 따라서, 전면 전극(114)과 후면 전극(124)을 전기적으로 연결하면 전력을 얻을 수 있다.
도 2에 도시된 전면 공정(S1)은 기판(100)의 전면에 이미터(110), 반사 방지막(112), 전면 전극(114)을 형성하는 공정이다. 전면 공정(S1)은 도 2에 도시된 것과 같이 참조부호 S2 ~ S6의 앞 단계에서 수행될 수 있고, 도시하지는 않았지만 참조 부호 S2 ~ S6의 뒷 단계에서 수행될 수 있다.
전면 공정(S1)(Front surface process)을 설명하면 다음과 같다.
결정질 실리콘을 포함한 기판(100)에 이미터(110)(emitter)를 형성할 때, 열확산(thermal diffusion) 방법이 이용될 수 있다. 열확산 방법은 열로(thermal furnace)나 RTP(rapid thermal process)를 사용하며, SiO2 막을 이미터(110) 층으로 성장시킬 수 있다. 이미터(110)의 성장은 습식 및 건식방법 모두 가능하며, H2O, 기화된 H2O, O2 등의 소스를 이용하여 기판(100)의 Si를 산화시킬 수 있다.
열확산 방법에 의하면 고온의 공정으로 인한 부산물인 PSG(phosphosilicate glass)나 BSG(borosilicate glass)가 형성될 수 있고, PSG나 BSG에 포함된 불순물이 확산하여 이미터(110)를 형성할 수 있다.
이때, 이미터(110) 표면에 불순물이 고농도로 존재할 수 있다. 텍스쳐링(texturing) 단계에서 P 도전형의 실리콘 기판(100)의 표면에 불규칙한 요철 구조가 형성될 수 있다. 요철 구조의 꼭대기(top), 경사면(slop), 골짜기(valley)를 갖는 구조에 대하여 접합 깊이(junction depth)가 균일하게 조절되는 것이 바람직하다.
이미터(110) 형성이 완료되면, 이미터(110) 형성 공정에서 형성된 부산물인 PSG나 BSG를 제거하는 공정을 수행한다. 이때, PSG나 BSG 제거 공정은 HF, DHF, BOE 등의 용액을 이용한 습식방법 및 CF4, SF6 등의 소스 및 플라스마를 이용한 건식방법이 가능하다.
이미터(110) 또는 반사 방지막(112)의 상면에는 전면 전극(114)이 형성될 수 있다. 전면 전극(114)은 은(Ag)을 페이스트(Paste) 상태로 스크린 프린팅하고 소성(Firing) 공정에서 경화시킨 것일 수 있다.
한편, 도 2를 참조하면 후면 패시베이션 증착 공정을 포함하는 패시베이션층(120) 형성 단계(S2), 패시베이션층(120)을 PDA 공정에 최적화된 PDA 온도에서 액티베이팅하는 PDA 공정을 포함하는 PDA 단계(S3), 후면 보호막 증착 공정을 포함하는 캡핑층(122) 형성 단계(S4)가 수행될 수 있다.
액티베이팅(activating)은 패시베이션층(120)의 특성을 개선하기 위한 특정 온도 처리(treatment), 특정 압력 처리(treatment), 특정 시간 처리(treatment) 중 적어도 하나의 처리(treatment)로 정의된다.
PDA 온도는 PDA 공정에 최적화된 온도 또는 PDA 단계(S3) 수행시 챔버(210) 내의 온도로 정의한다.
정리하면, PDA 단계(S3)는 챔버(210) 내의 온도가 PDA 온도로 제어되는 제1 조건, 챔버(210) 내의 압력이 PDA 압력으로 제어되는 제2 조건, 상기 PDA 단계가 수행되는 시간이 PDA 시간 이내인 제3 조건, 상기 PDA 단계에 투입되는 산화제가 특정 물질로 제한되는 제4 조건 중 적어도 하나를 만족할 수 있다.
제1 조건을 규정하는 PDA 온도는 200 ~ 500℃일 수 있다.
제2 조건을 규정하는 PDA 압력은 1~800 Torr일 수 있다.
제3 조건을 규정하는 PDA 시간은 10~660 초(sec) 일 수 있다.
제4 조건을 규정하는 산화제로서 상기 특정 물질은 H2O, 기화된 H2O, O2, O3 중 적어도 하나일 수 있다.
패시베이션층(120) 형성 단계(S2)는 PERC 솔라셀의 기판(100)이 챔버(210)에 투입되고, 챔버(210) 내의 기판(100)의 후면에 패시베이션층(120)을 형성하는 단계이다.
패시베이션(passivation)은, 반도체 칩 표면이나 접합부에 적당한 처리를 하여 보호막을 씌우는 것을 말한다. 유해한 환경을 차단하여 디바이스 특성의 안정화를 꾀할 수 있다. 예를 들면 SiO2막에 Na+와 같은 알칼리 이온이 부착하면, 이것이 쉽게 내부에 확산하여 Si/SiO2 계면 상황을 변화시켜서 반전층을 만들기 때문에 접합부 누설 전류의 증가, 전류 증폭률의 변동. MOS 임계값 전압 변화, 잡음의 증가 등을 초래하게 된다. 패시베이션은 경계면에 대한 보호막으로 작용하므로, 이러한 유해 이온의 흡수나 이동을 저지하는 억제(Blocking) 수단이 될 수 있다.
일 실시예로서, 본 발명의 후면 패시베이션층(120)은, Si를 포함하는 기판(100)에 AlOx 막을 성장시킨 것이다.
패시베이션층(120) 형성 단계(S2)는, 온도가 200 ~ 300℃, 압력이 1Torr 미만, 공정수행시간이 100sec 미만인 조건에서 수행될 수 있다. 챔버 내에 투입되는 물질은 TMA(tetramethylammonium) 또는 N20 를 포함할 수 있다.
캡핑층(122) 형성 단계(S4)는 패시베이션층(120)을 덮는 캡핑층(122)을 형성하는 단계이다. 일 실시예로서, 캡핑층(122)은 후면 패시베이션층(120)에 SiNx 막을 성장시킨 것으로서, 후면 패시베이션을 보호하거나 절연시킬 수 있다. SiNx 막으로 된 캡핑층(122)은 전기적(electrical) 패시베이션층(120)인 AlOx막을 보호하거나, 화학적(chemical) 패시베이션층(120) 역할을 하거나, 후면 반사막 기능을 하거나, 전기적 절연 작용을 할 수 있다.
후면 패시베이션층(120)에 SiNx 막을 성장시키는 캡핑층(122) 형성 단계(S4)는, 온도가 400 ~ 500℃, 압력이 1~10Torr, 공정수행시간이 400~500sec인 조건에서 수행될 수 있다. 챔버 내에 투입되는 물질은 SiH4 또는 NH3를 포함할 수 있다.
PDA(Post-deposition activating) 단계(S3)는 패시베이션층 형성 단계(S2)와 캡핑층(122) 형성 단계(S4) 사이의 공정일 수 있다. PDA 단계(S3)는 캡핑층(122)을 형성하기 전에 패시베이션층(120)을 증착한 다음, 패시베이션층(120)을 액티베이팅하는 것이다. PDA 단계(S3)는 후면 패시베이션층(120)의 계면 특성을 향상시키는 계면 처리 공정일 수 있다.
PDA 단계(S3)는, 챔버(210) 내에 산화제(Oxidation precursor)를 투입하고, 챔버(210) 내부를 PDA 온도로 유지하며, 산화제 분위기에서 PDA 온도로 후면 패시베이션층(120)을 액티베이팅하는 공정일 수 있다.
산화제는 H2O, 기화된 H2O, O2, O3 중 적어도 하나일 수 있다. 산화제는 후면 패시베이션층(120)을 이루는 AlOx막의 산소 성분비를 증가시키는 소스가 되거나, OH 라디칼(Radical)을 활성화시키는 소스가 될 수 있다.
결정 표면 혹은 결정 내의 결합부위에 있는 원자는 완전결정 내부의 원자와 달리, 배위 불포화로 인하여 일부 결합이 절단된 상태에 있다. 이 절단된 결합을 단글링 본드(dangling bonds)라고 한다.
산화제가 H2O/기화된 H2O인 경우, 그 안에 포함된 수소(H) 기가 후면 패시베이션층(120)을 이루는 AlOx막에 침투하여 단글링 본드(dangling bonds)를 치환할 수 있다. 산화제가 H2O/기화된 H2O인 경우, PDA 단계(S3)를 거치면 계면 포획 밀도(Dit, interface trap density)를 감소시켜 줄 수 있다.
즉, 캐리어 라이프타임(Carrier lifetime)이 길고 광변환 효율이 증가된 좋은 후면 패시베이션층(120)을 형성하기 위하여, 본 발명은 PDA 단계(S3)를 수행하며, PDA 단계(S3)는 음의 고정 전하 밀도(Qf, density of negative fixed charges)를 증가시키거나 계면 포획 밀도(Dit, interface trap density)를 감소시킬 수 있다.
PDA 단계(S3)는 음의 고정 전하 밀도(Qf, density of negative fixed charges)의 원천(source)이 되는 격자간 수소(interstitial hydrogen (Hi)), 격자간 산소(interstitial oxygen (Oi)), 알루미늄 공실(aluminum vacancies (VAl)) 중 적어도 하나를 추가하는 공정이다.
격자간 수소(interstitial hydrogen (Hi)), 격자간 산소(interstitial oxygen (Oi)), 알루미늄 공실(aluminum vacancies (VAl)) 중 적어도 하나가 PDA 단계(S3)에 의하여 추가되면, 음의 고정 전하 밀도(Qf, density of negative fixed charges)가 증가될 수 있다.
PDA 단계(S3)에 의하여 음의 고정 전하 밀도(Qf, density of negative fixed charges)가 증가되면, 후면 패시베이션층(120)에 음의 전하 포획(negative charge traps)이 추가되거나 강화될 수 있고, P형 전도대(p-type conduction band)의 전자 반발(electron repulsions)을 증가시킬 수 있다.
음의 전하 포획 생성 또는 전자 반발의 증가는 도 1에 도시된 것과 같이 PERC 솔라셀의 광변환 효율을 향상시키거나 캐리어 라이프타임(Carrier lifetime)을 증가시킬 수 있다.
후면 패시베이션층(120)이 AlOx막인 경우, PDA 단계(S3)는 OH 라디칼(Radical)을 활성화시키거나, 알루미늄 대비 산소의 성분비를 증가시킬 수 있다. 예를 들면, 후면 패시베이션층(120)이 Al2O3 라고 가정했을 때, O2, O3를 노즐부(214)로 분사하는 PDA 단계(S3)를 거치면 후면 패시베이션층(120) 또는 후면 패시베이션층(120)의 계면이 Al2O4 또는 그 이상의 성분비로 형성될 수 있다. 이는 격자간 산소(interstitial oxygen (Oi))를 증가시킬 수 있다.
PDA 단계(S3)를 거치면, 후면 패시베이션층(120)의 적어도 일부가 국부적으로 재구성되거나, Si를 포함하는 기판(100)과 AlOx를 포함하는 후면 패시베이션층(120)의 계면에서 음의 고정 전하 밀도(Qf, density of negative fixed charges)를 증가시킬 수 있다. 음의 고정 전하 밀도가 증가되면 기판(100) 또는 P형 전도대(p-type conduction band)의 전자 반발(electron repulsions)을 증가시키는 효과가 있다.
PDA 단계(S3)를 수행하면, 개방 회로 전압에 대응하는 값(corresponding values for open circuit voltages (Voc))이 증가될 수 있다. 본 발명의 PDA 단계(S3)에 의하면 개방 회로 전압에 대응하는 값(corresponding values for open circuit voltages (Voc))이 2 ~ 수십mV 증가될 수 있다.
PDA 단계(S3)를 수행하면, PERC 솔라셀의 광변환 효율(conversion efficiencies of PERC cells)이 증가될 수 있다. 도 10을 참조하면, PDA 단계(S3) 수행 후 광변환 효율이 대폭 개선된 것을 알 수 있으며, 예를 들면, 19% 이하였던 광변환 효율이 PDA 단계(S3)를 거치면 19.5%에서 20% 이상까지 향상될 수 있다.
바람직한 광변환 효율 및 캐리어 라이프타임의 증가를 위하여, 다양한 실험 결과, PDA 단계(S3) 수행시 챔버(210) 내의 온도인 PDA 온도는 200 ~ 500℃인 것이 바람직하다.
도 2를 참조하면, 캡핑층(122) 형성 단계(S4) 이후에 전극 홀(125) 형성 단계(S5), 후면 전극(124) 인쇄 단계(S6), 소성 공정(S7)이 수행될 수 있다.
전극 홀(125) 형성 단계(S5)는 도 5와 같이 패시베이션층(120) 및 캡핑층(122)에 전극 홀(125)을 형성하는 단계이다. 레이저 가공을 통해 전극 홀(125)을 형성할 수 있다. 전극 홀(125)의 저면에 노출된 기판(100)의 일부는 국부 BSF층(126)(local BSF layer)이 될 수 있다. 국부 BSF층(126)(local BSF layer)은 광에너지를 흡수한 전자를 여기(exiting))시키는 배면 표면 전계(BSF : Back Surface Field)를 국부적으로 형성할 수 있다.
전극 홀(125) 형성 단계(S5) 이후에는 전극 인쇄 공정(S6)이 수행될 수 있다. 전극 인쇄 공정(S6)은 도 6에 도시된다. 후면 전극(124)을 형성하기 위하여 알루미늄 페이스트가 전극 홀(125) 또는 캡핑층(122)에 스크린 프린팅될 수 있다. 전면 전극(114)은 Ag를 포함하고, 후면 전극(124)은 Al을 포함할 수 있다.
후면 전극(124)의 인쇄 후 고온에서 후면 전극(124)을 소성 경화시키는 단계(S7)이 수행될 수 있다. 후면 전극(124)의 고온 소성시 알루미늄이 패시베이션층(120)을 이루는 AlOx막으로 침투할 수 있다. 본 발명의 PDA 단계(S3)는 후면 패시베이션층(120)의 산소 성분비를 높이는 공정이므로 후면 전극(124)의 고온 소성시 후면 패시베이션층(120)에 알루미늄 불순물이 침투하더라도, 후면 패시베이션층(120)의 알루미늄 성분비의 증가를 완화시키고 산소 성분비를 높게 유지할 수 있는 효과도 가진다.
한편, 도 7은 본 발명의 PERC 솔라셀의 제조 장치를 도시한 개략도이다. 도 8은 본 발명의 PERC 솔라셀의 제조 장치의 단면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, PDA 단계(S3)는, H2O/기화된 H2O에 질소 가스를 통과시키고, H2O/기화된 H2O를 통과한 질소 가스를 PDA 온도로 유지되는 챔버(210)에 분사하여 기판(100) 또는 후면 패시베이션층(120)을 처리하는 공정이다.
챔버(210)에는 기판(100)이 적재된 보트(220)가 챔버 입구(211)를 통하여 투입되고, 챔버(210) 내부에서 기판(100)의 후면에 패시베이션층(120) 또는 캡핑층(122)이 형성될 수 있다. 챔버(210)의 내부 또는 외부에는 챔버(210)에 열을 공급하는 히터(250)가 설치될 수 있다.
PDA(Post-deposition activating) 단계에서 PDA 온도로 유지되는 챔버(210)의 내부에 노즐부(214)는 산화제를 분사할 수 있다. 챔버(210) 내부의 산화제 분위기에서 챔버(210) 내부의 온도가 PDA 온도로 유지되며 후면 패시베이션층(120)이 PDA 단계(S3)를 거친다. PDA 온도는 200 ~ 500℃가 바람직하다.
노즐부(214)는 PDA 단계(S3)에서 H2O, 기화된 H2O, O2, O3 중 적어도 하나를 포함하는 산화제를 챔버(210) 내부에 분사할 수 있다.
수용부(320)는 H2O, 기화된 H2O, O2, O3 중 적어도 하나를 포함하는 산화제를 수용할 수 있다. 질소 가스 공급부(310)는 수용부(320)의 상류측에 마련되며 수용부(320)에 질소 가스를 공급할 수 있다. 질소 가스 공급부(310)의 질소 가스는 수용부(320)를 통과하며, 버블링될 수 있다. PDA 단계(S3)에서 질소 가스와 산화제가 수용부(320)에서 버블링된 후 챔버(210)의 노즐부(214)를 통하여 챔버(210) 내부로 분사될 수 있다.
도 9는 본 발명의 제조 장치 및 제조 방법으로 제조된 PERC 솔라셀의 캐리어 라이프타임(Carrier lifetime) 증가를 도시한 그래프이다. 도 9의 좌측 하단에 박스로 둘러싸인 부분은 본 발명의 PDA 단계(S3)를 거치지 않은 솔라셀의 캐리어 라이프타임(Carrier lifetime)을 표시한다. PDA 단계(S3)를 거치지 않은 솔라셀의 캐리어 라이프타임(Carrier lifetime)은 200 마이크로 sec 이내의 값에 불과하다.
한편, 도 9의 우측 상단에 박스로 둘러싸인 부분은 본 발명의 PDA 단계(S3)를 거친 솔라셀의 캐리어 라이프타임(Carrier lifetime)을 표시한다. 본 발명의 PDA 단계(S3)를 거친 솔라셀의 캐리어 라이프타임(Carrier lifetime)은 600~1200 마이크로 sec의 값으로 증가되었다.
도 10은 본 발명의 제조 장치 및 제조 방법으로 제조된 PERC 솔라셀의 효율 증가를 도시한 그래프이다. 도 10의 우측 하단에 박스로 둘러싸인 부분은 본 발명의 PDA 단계(S3)를 거치지 않은 솔라셀의 광효율을 표시한다. 도 10의 좌측 상단에 박스로 둘러싸인 부분은 본 발명의 PDA 단계(S3)를 거친 솔라셀의 광효율을 표시한다. 본 발명의 PDA 단계(S3)를 거친 솔라셀의 광효율이 증가되었음을 알 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
100...기판 110...이미터(emitter)
112...반사 방지막(ARC(antireflection coating) layer)
114...전면 전극 120...패시베이션층(Passivation layer)
122...캡핑층(capping layer) 124...후면 전극
125...전극 홀(hole) 126...국부 BSF층(local BSF layer)
210...챔버 211...챔버 입구
214...노즐부 220...보트
250...히터 310...질소 가스 공급부
320...수용부

Claims (17)

  1. PERC 솔라셀의 기판이 챔버에 투입되고, 상기 챔버 내의 기판의 후면에 패시베이션층을 형성하는 패시베이션층 형성 단계;
    상기 패시베이션층을 덮는 캡핑층을 형성하는 캡핑층 형성 단계;
    를 포함하고,
    상기 캡핑층을 형성하기 전에 상기 패시베이션층을 증착한 후에 상기 패시베이션층을 액티베이팅하는 PDA(Post-deposition activating) 단계가 상기 챔버 내에서 수행되며,
    상기 패시베이션층은 상기 기판에 AlOx 막을 성장시킨 것이고,
    상기 캡핑층은 상기 패시베이션층에 SiNx 막을 성장시킨 것이며,
    상기 PDA 단계는,
    상기 챔버 내에 산화제(Oxidation precursor)를 투입하고,
    상기 챔버 내부를 PDA 공정에 200 ~ 500℃의 PDA 온도로 유지하며,
    상기 산화제 분위기에서 상기 PDA 온도로 상기 패시베이션층을 액티베이팅하하고,
    상기 PDA 단계에서 상기 패시베이션층에 음의 전하 포획(negative charge traps)이 형성되며,
    상기 음의 전하 포획은 음의 고정 전하 밀도(Qf, density of negative fixed charges)의 증가로 인하여 형성되고,
    격자간 수소(interstitial hydrogen (Hi)), 격자간 산소(interstitial oxygen (Oi)), 알루미늄 공실(aluminum vacancies (VAl)) 중 적어도 하나가 상기 음의 고정 전하 밀도를 증가시키며,
    상기 산화제는 H2O, 기화된 H2O, O2, O3 중 적어도 하나로 이루어지는 PERC 솔라셀의 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 PDA 단계는 상기 챔버 내의 온도가 PDA 온도로 제어되는 제1 조건, 상기 챔버 내의 압력이 PDA 압력으로 제어되는 제2 조건, 상기 PDA 단계가 수행되는 시간이 PDA 시간 이내인 제3 조건, 상기 PDA 단계에 투입되는 산화제가 특정 물질로 제한되는 제4 조건 중 적어도 하나를 만족하고,
    상기 PDA 온도는 200 ~ 500℃이며,
    상기 PDA 압력은 1~800 Torr이고,
    상기 PDA 시간은 10~660 초(sec)이며,
    상기 산화제로서 상기 특정 물질은 H2O, 기화된 H2O, O2, O3 중 적어도 하나인 PERC 솔라셀의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 PDA 단계는,
    H2O에 질소 가스를 통과시키고, 상기 H2O를 통과한 질소 가스를 PDA 온도로 유지되는 상기 챔버에 분사하여 상기 기판 또는 상기 패시베이션층을 처리하는 PERC 솔라셀의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 PDA 단계에서,
    상기 패시베이션층의 적어도 일부가 국부적으로 재구성되고,
    Si를 포함하는 상기 기판과 AlOx를 포함하는 상기 패시베이션층의 계면에서 음의 고정 전하 밀도(Qf, density of negative fixed charges)가 증가하며,
    계면 포획 밀도(Dit, interface trap density)가 감소되는 PERC 솔라셀의 제조 방법.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 패시베이션층 및 상기 캡핑층에 전극 홀을 형성하는 단계;
    상기 전극 홀 또는 상기 캡핑층에 후면 전극을 인쇄하는 단계;
    상기 후면 전극을 소성 경화시키는 단계; 를 포함하는 PERC 솔라셀의 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
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