KR20020059189A - 실리콘 태양 전지의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
실리콘 기판을 습식 식각을 이용하여 불규칙한 피라미드 구조를 형성한 다음, 기판 전면 전체에 걸쳐 n+ 반도체층을 형성한다. 다음, 기판의 전면에 산화막을 형성한 후, 기판의 전면에 사진 식각 공정을 통하여 전극이 형성될 부분에 그리드 패턴을 형성한다. 그리드 패턴을 마스크로 하여 n++ 반도체층이 형성될 부분의 산화막을 제거한 후, n형 불순물을 고농도로 확산하여 n++ 반도체층을 형성한다. 다음, 기판의 후면 전체에 걸쳐 알루미늄을 확산하고 소결하여 p+ 반도체층을 형성한다. 다음, n++ 반도체층을 형성할 때 사용한 그리드 패턴을 이용하여 실리사이드, 니켈 및 구리의 삼중층으로 이루어진 전면 전극을 형성한다. 이때, 실리사이드는 열처리를 통해 니켈과 실리콘이 접촉하는 부분에 형성된다. 다음, 기판의 후면에 Ti/Pd의 이중층으로 이루어진 후면 전극을 형성한다. 이와 같이 실리콘 태양 전지를 제조할 때 n++ 반도체층을 형성하는 단계에서 사용한 그리드 패턴을 이용하여 전면 전극을 형성하므로 사진 식각 공정을 한 번만 실시하여 공정을 간단히 할 수 있고 생산 비용을 줄일 수 있다. 한편, 사진 식각 공정을 한 번 더 사용하여 실리콘 표면을 규칙적인 모양의 역 피라미드 구조로 형성할 수도 있다.
Description
본 발명은 실리콘 태양 전지의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공정 수, 특히 고가의 사진 식각 공정 수를 줄여 양산에 적용 시 생산 비용을 줄이면서 고효율을 갖는 실리콘 태양 전지의 제조 방법에 관한 것이다.
태양 전지는 반도체의 광 기전력 효과를 이용한 것으로, p형 반도체와 n형 반도체를 조합하여 만든다. p형 반도체와 n형 반도체가 접하는 부분, 즉, pn 접합부에 빛이 들어오면 빛 에너지에 의해 반도체 내부에서 전자와 정공이 발생한다. 일반적으로 반도체에 밴드 갭 에너지(band gap energy) 이하의 빛이 들어가면 반도체 내의 전자들과 약하게 상호 작용하고, 밴드 갭 에너지 이상의 빛이 들어가면 공유 결합 내의 전자를 여기시켜 캐리어(carrier)(전자 또는 정공)를 쌍생성한다. 빛에너지에 의해 발생된 전자와 정공은 내부의 전계에 의하여 각각 n형 반도체쪽과 p형 반도체쪽으로 이동하여 양쪽의 전극에 모아진다. 이러한 두 전극을 도선으로 연결하면 전류가 흐르고 외부에서 전력으로 이용할 수 있다.
그러면, 종래 기술에 따른 태양 전지의 제조 방법에 대하여 도 1을 참조하여 설명한다.
먼저, 실리콘 기판(1)의 전면에 산화막(도시하지 않음)을 형성한 후, 사진 식각 공정을 이용하여 감광막 패턴(도시하지 않음)을 형성하고 이를 마스크로 하여 산화막을 식각하고 감광막 패턴을 제거한다. 다음, 텍스쳐링(texturing)을 실시하여 기판(1) 전면에 역 피라미드 구조를 형성한 후 산화막을 제거한다.
다음, 기판(1)의 후면에 산화막(도시하지 않음)을 형성한 후, 사진 식각 공정을 이용하여 감광막 패턴(도시하지 않음)을 형성하고 이를 마스크로 하여 산화막을 식각하여 부분 확산창을 형성한다. 다음, p형 불순물을 확산하여 부분 확산된 p+ 반도체층(5)을 형성한 후, 산화막을 제거한다.
다음, 역 피라미드 구조가 형성되어 있는 기판(1) 전면에 산화막(도시하지 않음)을 형성한 후, 사진 식각 공정을 이용하여 그리드 패턴(grid pattern)을 형성하고 이를 마스크로 하여 산화막의 일정 영역을 식각한다. 다음, 그리드 패턴을 제거하고 n형 불순물을 깊게 확산하여 n++ 반도체층(2)을 형성한 후, 산화막을 제거한다.
다음, 산화막(도시하지 않음)을 형성하고 사진 식각 공정을 이용하여 n형 불순물을 얇게 확산하여 n+ 반도체층(3)을 형성한 후, 산화막을 제거한다.
다음, 기판(1) 전면과 후면에 동시에 산화막(4, 6)을 형성한다.
다음, 사진 식각 공정을 이용하여 p+ 반도체층(5)을 드러내는 개구부를 형성하고, 사진 식각 공정을 이용하여 전면 전극(8)을 형성한다.
다음, 기판(1)의 후면에 전도성 금속층을 증착하여 후면 전극(7)을 형성한 후, 기판(1)의 전면 전극(8)과 후면 전극(7) 위에 각각 은(9, 10)을 도금한다.
이러한 종래 기술을 바탕으로 한 기술 논문의 예로 "The range of high-efficiency silicon cells fabricated at Fraunhofer ISE" (S. W. Glunz, J. Knobloch et al, 26th PVSC, 1997, pp. 231-234)와 "High efficiency solar cells from FZ, CZ, and MC silicon material" (J. Knobloch, A. Noel et al, 23th IEEE PVSC, 1993, pp.271-276)을 들 수 있다.
한편, 종래 기술에 따른 실리콘 태양 전지를 제조할 때 태양 전지의 구조에 따라 네 번 내지 여섯 번의 사진 식각 공정을 이용하므로 공정 시간이 길어지고 생산 비용이 증가하는 문제점이 있다.
종래 기술의 또다른 예로서, "high efficiency silicon solar cells and method of fabrication"(미국 특허 5258077)와 "solar cell device having improved efficiency"(미국 특허 3988167)에 높은 효율을 얻기 위한 태양 전지에 관하여 기재되어 있다.
전자의 경우에는, 효율을 높이기 위해 텍스쳐링되어 있는 실리콘 기판 전면에 레이저 그루빙(laser grooving)을 통해 홈을 형성하고 홈 안에 형성되는 전면전극과의 접촉 면적을 넓게 하여 접촉 저항을 감소하도록 한다.
후자의 경우에는, 실리콘 기판의 전면과 후면에 각각 개구부를 갖는 산화막을 형성하고 개구부에 각각 전면 전극 및 후면 전극을 형성하며, 후면 전극을 빛의 흡수를 좋게 하는 물질로 형성하여 효율을 높이도록 한다.
이와 같이 종래 기술에 따른 태양 전지를 제조할 때, 반도체 제조 공정을 사용하여 제조할 수 있으나, 제조 비용이 비싸며 제조 공정 수가 증가하는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 제조 공정 수, 특히 고가의 사진 식각 공정 수를 줄이는 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 실리콘 태양 전지의 구조를 도시한 도면이고,
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 실리콘 태양 전지의 구조를 도시한 도면이다.
본 발명에 따르면, 실리콘 기판의 표면을 피라미드 구조로 만든 후, 기판의 전면에 n+ 반도체층을 형성한다. 다음, 기판의 전면에 산화막을 형성하고, 사진 식각 공정을 통하여 그리드 패턴을 형성한다. 다음, 그리드 패턴을 마스크로 하여 n++ 반도체층을 형성하고, 기판의 후면에 p+ 반도체층을 형성한다. 다음, 그리드 패턴을 마스크로 하여 n++ 반도체층 위에 전면 전극을 형성하고, 기판의 후면에 후면 전극을 형성한다.
여기서, 기판의 표면을 피라미드 구조로 만들 때 습식 식각을 사용할 수 있다.
또한, 기판의 표면을 다음과 같은 방법을 써서 피라미드 구조로 만들 수 있다. 먼저, 기판 위에 산화막을 형성하고, 산화막 상부에 감광막 패턴을 형성한 후, 감광막 패턴을 마스크로 하여 산화막을 식각한다. 다음, 감광막 패턴을 제거하고 텍스쳐링을 실시하고, 산화막을 제거한다.
전면 전극과 후면 전극 위에 각각 은층을 더 형성하며, p+ 반도체층은 알루미늄을 확산하고 소결하여 형성할 수 있다.
전면 전극은 니켈 실리사이드, 니켈 및 구리의 삼중층으로 형성하고, 니켈 실리사이드는 열처리를 통해 니켈과 기판의 반응에 의해 형성된다. 여기서, 니켈 및 구리를 무전해 도금법 또는 전기 도금법 중 어느 하나를 사용하여 형성하는 것이 바람직하다.
후면 전극은 Ti/Pd의 이중층으로 형성할 수 있으며, 전면 전극과 후면 전극을 도금법을 사용하여 동시에 형성할 수도 있다.
이러한 본 발명에서는 실리콘 태양 전지를 제조할 때 종래에 비해 고가의 사진 식각 공정 수가 줄어들므로 공정 수를 줄여 생산 비용을 줄일 수 있으며, 제조 시간을 단축할 수 있다.
그러면, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 태양 전지의 제조 방법에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명한다.
먼저, 도 2를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 실리콘 태양 전지의 구조에 대하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 실리콘 태양 전지의 구조를 도시한 도면이다.
도 2에서와 같이, 불규칙한 모양의 피라미드 구조가 형성된 p형 실리콘 기판(10)의 전면 상부에는 인(P)과 같은 n형 불순물이 도핑되어 있는 n+ 반도체층(11)이 형성되어 있고 그 위에 산화막(12)이 차례로 형성되어 있다. 여기서, 기판(10)의 피라미드 구조는 평평한 구조에 비해 빛의 흡수를 좋게 한다. n+ 반도체층(11) 내에는 n++ 반도체층(13)이 형성되어 있으며, 이는 전면 전극(14)과 실리콘 기판(10) 사이의 접촉 저항을 줄이는 역할을 한다. n++ 반도체층(13) 위에는 전도성 금속인 니켈 실리사이드막, 니켈, 구리가 차례로 형성되어 이루어진 전면 전극(14)이 형성되어 있다. 전면 전극(14)은 pn 접합 실리콘 기판 내부에서 생성된 전류를 모아서 외부 단자와 접촉하는 역할을 하며, 선택적 도금이 가능한 무전해 도금 방법이나 전기 도금 방법으로 전도성 금속을 도금함으로써 형성된다.
한편, 평탄화된 실리콘 기판(10)의 후면에는 p형 불순물이 도핑되어 있는 p+형 반도체층(16)과 Ti/Pd의 이중층으로 이루어진 후면 전극(17)이 차례로 형성되어 있다. p+ 반도체층(16)은 전류의 수집을 향상시키는 후면 전계(back surface field: BSF)로서의 역할을 한다.
그러면, 도 2를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 실리콘 태양 전지의 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 실리콘 기판(10)을 습식 식각을 이용하여 불규칙한 피라미드 구조를 형성한다. 여기서, 기판(10)을 사진 식각 공정을 이용한 역 피라미드 구조 대신 습식 식각을 이용한 불규칙한 피라미드 구조로 형성하면 생산 비용을 줄일 수 있으며, 대량 생산이 가능해진다.
다음, 기판(10) 전면 전체에 걸쳐 인과 같은 n형 불순물을 확산하여 n+ 반도체층(11)을 형성한다. 인의 도핑 물질로는 POCl3이나 P2O5를 사용한다.
다음, 기판(10)의 전면에 반사 방지막으로서의 역할을 하는 산화막(12)을 형성한다.
다음, 기판(10)의 전면에 사진 식각 공정을 통하여 전극이 형성될 부분에 그리드 패턴(grid pattern)을 형성하고, n++ 반도체층이 형성될 부분의 산화막(12)을 제거한 후, 인과 같은 n형 불순물을 고농도로 확산하여 n++ 반도체층(13)을 형성한다.
다음, 기판(10)의 후면 전체에 걸쳐 알루미늄을 확산하고 소결하여 p+ 반도체층(16)을 형성한다.
다음, n++ 반도체층(13)을 형성할 때 사용한 그리드 패턴을 이용하여 전면 전극(14)을 형성한다. 이때, 전면 전극(14)은 니켈을 무전해 도금법(electroless plating)으로 기판(10)에 선택적으로 증착하고 400℃에서 소결하여 실리콘과 니켈의 반응에 의한 실리사이드층을 형성한 후, 그 위에 니켈층을 얇게 증착하고 구리층을 무전해 도금법 및 전기 도금법을 사용하여 증착하여 이루어진 삼중층으로 형성한다.
다음, 기판(10)의 후면에 Ti/Pd의 이중층으로 이루어진 후면 전극(17)을 형성한다.
한편, 전면 전극(14)과 후면 전극(17)을 동시에 도금법으로 형성할 수도 있는데, 이때는 Ti/Pd의 이중층을 따로 형성할 필요가 없으므로 생산 비용과 제조 시간을 단축할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 제1 실시예에 따른 실리콘 태양 전지를 제조할 때는 n++ 반도체층(13)을 형성할 때 사용한 그리드 패턴을 이용하여 전면 전극을 형성하므로 사진 식각 공정을 한 번만 실시하여 공정을 간단히 할 수 있고 생산 비용을 줄일 수 있다.
한편, 본 발명의 제1 실시예와 같이 실리콘 기판(10)을 불규칙한 모양의 피라미드 구조로 형성할 수도 있으나, 규칙적인 모양의 역 피라미드(inverted pyramid) 구조로 형성할 수도 있는데, 이에 대하여 도 3을 참조하여 본 발명의 제2 실시예로 설명한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 실리콘 태양 전지의 구조를 도시한 도면이다.
도 3에서와 같이, 실리콘 기판(10)의 표면 구조를 제외하면 본 발명의 제1 실시예와 동일한 구조를 가진다.
실리콘 기판(10)의 표면 구조는 규칙적인 역 피라미드 구조를 하고 있으며, 이러한 규칙성을 얻기 위하여 사진 식각 공정이 추가로 실시된다.
그러면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 실리콘 태양 전지의 제조 방법에 대하여 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, 실리콘 기판(10)의 전면과 후면 상에 산화막(도시하지 않음)을 형성한후, 산화막이 형성된 실리콘 기판의 전면에 감광막 패턴(도시하지 않음)을 형성하고, 감광막 패턴을 마스크로 하여 산화막을 식각한다. 다음, 감광막 패턴을 제거하고 텍스쳐링을 실시하여 기판(10)의 전면에 역 피라미드 구조를 형성한다.
다음, 기판(10)의 전면에 형성되어 있는 산화막을 제거한 후, 기판(10)의 전면 전체에 걸쳐 인과 같은 n형 불순물을 확산하여 n+ 반도체층(11)을 형성한다.
다음, 기판(10)의 전면에 반사 방지막으로서의 역할을 하는 산화막(12)을 형성한다.
다음, 기판(10)의 전면에 사진 식각 공정을 통하여 전극이 형성될 부분에 그리드 패턴을 형성하고, n++ 반도체층이 형성될 부분의 산화막(12)을 식각하고 인과 같은 n형 불순물을 고농도로 확산하여 n++ 반도체층(13)을 형성한다.
다음, 기판(10)의 후면 전체에 걸쳐 알루미늄을 확산하고 소결하여 p+ 반도체층(16)을 형성한다.
다음, n++ 반도체층(13)을 형성하는데 사용한 그리드 패턴을 이용하여 제1 실시예와 동일한 방법으로 전면 전극(14)을 형성한다.
다음, 기판(10)의 후면에 Ti/Pd의 이중층으로 이루어진 후면 전극(17)을 형성한다.
여기서, 본 발명의 제1 실시예와 마찬가지로 전면 전극(14)과 후면 전극(17)을 동시에 도금법으로 형성할 수도 있는데, 이때는 Ti/Pd의 이중층을 따로 형성할 필요가 없으므로 생산 비용과 제조 시간을 단축할 수 있다.
다음, 기판(10)의 전면 전극(14)과 후면 전극(17) 위에 각각 은층(15, 18)을도금한다.
본 발명의 제2 실시예에서는 실리콘 기판(10)의 표면을 역 피라미드 구조로 형성하는 텍스쳐링을 실시할 때 사진 식각 공정이 추가되므로 총 두 번의 사진 식각 공정이 실시된다.
이와 같이 본 발명에서는 실리콘 태양 전지를 제조할 때 제1 실시예에서는 한 번의 사진 식각 공정을 사용하며, 제2 실시예에서는 두 번의 사진 식각 공정을 실시하므로 공정 수를 줄여 제조 시간을 단축할 수 있으며 생산 비용을 줄일 수 있다.
이와 같이 본 발명에서는 실리콘 태양 전지를 제조할 때 종래에 비해 고가의 사진 식각 공정 수가 줄어들므로 공정 수를 줄여 생산 비용을 줄일 수 있으며, 제조 시간을 단축할 수 있다.
Claims (10)
- 실리콘 기판의 표면을 피라미드 구조로 만드는 단계,상기 기판의 전면에 n+ 반도체층을 형성하는 단계,상기 기판의 전면에 산화막을 형성하는 단계,사진 식각 공정을 통하여 그리드 패턴을 형성하는 단계,상기 그리드 패턴을 마스크로 하여 n++ 반도체층을 형성하는 단계,상기 기판의 후면에 p+ 반도체층을 형성하는 단계,상기 그리드 패턴을 마스크로 하여 상기 n++ 반도체층 위에 전면 전극을 형성하는 단계,상기 기판의 후면에 후면 전극을 형성하는 단계를 포함하는 실리콘 태양 전지의 제조 방법.
- 제1항에서,상기 기판의 표면을 피라미드 구조로 만드는 단계에서 습식 식각을 사용하는 실리콘 태양 전지의 제조 방법.
- 제1항에서,상기 기판의 표면을 피라미드 구조로 만드는 단계는,상기 기판 위에 산화막을 형성하는 단계,상기 산화막 상부에 감광막 패턴을 형성하고, 상기 감광막 패턴을 마스크로 하여 상기 산화막을 식각하는 단계,상기 감광막 패턴을 제거하고 텍스쳐링을 실시하는 단계,상기 산화막을 제거하는 단계를 포함하는 실리콘 태양 전지의 제조 방법.
- 제1항에서,상기 전면 전극과 상기 후면 전극 위에 각각 은층을 형성하는 단계를 더 포함하는 실리콘 태양 전지의 제조 방법.
- 제1항에서,상기 p+ 반도체층은 알루미늄을 확산하고 소결하여 형성하는 실리콘 태양 전지의 제조 방법.
- 제1항에서,상기 전면 전극은 니켈 실리사이드, 니켈 및 구리의 삼중층으로 형성하는 실리콘 태양 전지의 제조 방법.
- 제6항에서,상기 니켈 실리사이드는 열처리를 통해 상기 니켈과 상기 기판의 반응에 의해 형성하는 실리콘 태양 전지의 제조 방법.
- 제6항에서,상기 니켈 및 상기 구리를 무전해 도금법 또는 전기 도금법 중 어느 하나를 사용하여 형성하는 실리콘 태양 전지의 제조 방법.
- 제1항에서,상기 후면 전극은 Ti/Pd의 이중층으로 형성하는 실리콘 태양 전지의 제조 방법.
- 제1항에서,상기 전면 전극과 상기 후면 전극을 도금법을 사용하여 동시에 형성하는 실리콘 태양 전지의 제조 방법.
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