KR20020082094A

KR20020082094A - 태양 전지의 제조 방법

Info

Publication number: KR20020082094A
Application number: KR1020010030880A
Authority: KR
Inventors: 문인식; 김동섭; 이수홍
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2001-04-23
Filing date: 2001-06-01
Publication date: 2002-10-30
Also published as: KR100420030B1

Abstract

먼저, 기판 전면 전체에 걸쳐 n+ 반도체층을 형성한 다음 기판의 전면 및 후면에 전면 및 후면 절연막을 열 산화 공정을 통하여 각각 형성한다. 이때, 이후의 공정에서 n형 또는 p형의 불순물이 원하는 농도만큼 충분히 기판의 내부로 확산되도록 전면 및 후면 절연막은 250-750Å 정도의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 이어, 기판의 전면 및 후면에 스크린 인쇄법을 이용하여 n형 불순물층과 p형 불순물층을 형성하고, 고온에서 열처리 공정을 실시하여 n형 및 p형 불순물층의 불순물을 기판의 내부로 확산되도록 하여 기판의 전면 및 후면에 각각 n++ 반도체층과 p++ 반도체층을 형성한다. 이때, 전면 및 후면 절연막은 n형 및 p형의 불순물과 반응하여 n++ 반도체층 및 p++ 반도체층 상부에는 PSG막과 BSG막이 각각 형성된다. 이어, 습식 식각을 이용하여 PSG막과 BSG막을 제거하여 전면 및 후면 절연막에 각각 n++ 반도체층 및 p++ 반도체층을 드러내는 접촉 구멍을 형성한다. PSG막과 BSG막은 전면 및 후면 절연막보다 식각 속도가 빠르므로 별도의 사진 식각 공정을 추가하지 않고도 PSG막과 BSG막을 제거할 수 있다. 다음, n++ 반도체층 및 p++ 반도체층과 각각 연결되는 전면 전극과 후면 전극을 각각 형성한다.

Description

태양 전지의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING SOLAR CELL}

본 발명은 태양 전지의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스크린 프린팅 방법을 이용한 태양 전지의 제조 방법에 관한 것이다.

태양 전지는 반도체의 성질인 밴드 갭(band gap)을 기전력으로 이용하는 것으로서, n형과 p형의 반도체를 접합하여 형성한다. 여기서, p-n의 접합부에 입사하는 빛 에너지에 의해 반도체의 내부에서는 전자와 전공이 발생하며, 이러한 전자와 전공은 내부의 전계에 의하여 각각 n형 및 p형의 반도체층으로 이동하여 양쪽의 두 전극에 축적된다. 이때, 두 전극을 도전을 이용하여 서로 전기적으로 연결하면 도선에는 전류가 흐르게 되며 외부에서는 이를 전력으로 이용할 수 있게 된다.

이러한 태양 전지는 기판의 양면에 두 전극이 형성되어 있으며, 기판 내부의 전면 및 후면에 n+형 및 p+형의 분순물이 도핑되어 있는 반도체층이 형성되어 있다.

이러한 태양 전지를 제조 방법에서는 기판의 상부 및 하부에 산화막을 형성하고 사진 식각 공정으로 패터닝하여 불순물을 이온 주입하고 기판의 전면 및 후면에 각각 전극을 형성하고 사진 식각 공정으로 패터닝하여 전면 및 후면 전극을 형성한다.

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.

그러나, 이러한 태양 전지의 제조 방법에서는 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)과 "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 전면 전극과의 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.

그러나, 이와 같이 종래 기술에 따른 태양 전지도 다수의 사진 식각 공정으로 제조하여, 제조 비용이 비싸며 제조 공정 수가 증가하는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 제조 비용을 최소화할 수 있는 태양 전지의 제조 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 구조를 도시한 단면도이고,

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 그 공정 순서에 따라 도시한 단면도이다.

이러한 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는 스크린 프린팅 인쇄법과 확산을 통하여 기판에 반도체층을 형성하고 식각 공정만으로 그리드 패턴을 형성한다.

더욱 상세하게, 본 발명에 따른 태양 전지의 제조 방법에서는, 우선 p형 기판의 전면에 n+ 반도체층을 형성한 다음, 기판의 전면 및 후면에 전면 및 후면 절연막을 형성한다. 이어, 상기 전면 및 상기 후면 상부에 스크린 인쇄법으로 n형 불순물층과 p형 불순물층을 각각 형성한 다음, 기판 내부로 n형 불순물층과 p형 불순물층의 불순물을 확산시켜 기판의 내부에 n++ 반도체층과 p++ 반도체층을 형성한다. 이어, 전면 및 후면 절연막에 n++ 반도체층과 p++ 반도체층을 드러내는 제1 및 제2 접촉 구멍을 형성하고, 기판의 전면 및 후면 상부에 전면 및 후면 전극을 각각 형성한다.

제1 및 제2 접촉 구멍은 n++ 반도체층과 p++ 반도체층 상부의 전면 및 후면 절연막에 PSG막과 BSG막을 형성하고, 습식 식각으로 PSG막과 BSG막을 제거하여 형성한다.

여기서, 전면 및 후면 전극은 함께 형성할 수 있으며, 무전해 도금법 또는 전기 도금법 중 어느 하나를 사용하여 형성할 수 있다.

전면 및 후면 절연막은 열 산화를 통하여 형성할 수 있으며, 절연막의 두께는 250-750Å 범위로 형성하는 것이 바람직하다.

그러면, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 실리콘 태양 전지의 구조에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 제조 방법을 통하여 완성된 태양 전지의 구조를 도시한 단면도이다.

도 1에서 보는 바와 같이, p형 실리콘 기판(10)의 전면 상부에는 인(P)과 같은 n형 불순물이 도핑되어 있는 n+ 반도체층(20)이 형성되어 있고 그 위에 산화 규소로 이루어진 전면 절연막(30)이 차례로 형성되어 있다. 여기서, p형 기판(10)의 전면은 피라미드 구조를 가질 수 있는데, 이러한 피라미드 구조는 평평한 구조에 비해 빛의 흡수를 좋게 한다. 또한, p형 기판(10) 전면 상부의 n+ 반도체층(20) 내에는 n형의 불순물이 고농도로 도핑되어 있는 n++ 반도체층(60)이 형성되어 있으며, 전면 절연막(30)에는 n++ 반도체층(60)을 드러내는 접촉 구멍(31)이 형성되어 있다. 이때, 접촉 구멍(31)은 n++ 반도체층(60)과 동일한 폭을 가진다.p형기판(10)의 전면 상부에는 접촉 구멍(31)을 통하여 n++ 반도체층(60)과 연결되어 있는 전면 전극(50)이 형성되어 있다. 여기서, n++ 반도체층(60)은 전면 전극(50)과 실리콘 기판(10) 사이의 접촉 저항을 줄이는 역할을 하며, n++ 반도체층(60)과 전면 전극(50) 사이에는 이들 사이의 접촉 특성을 향상시키기 위한 접촉층이 추가로 형성될 수 있다. 또한, 전면 전극(50)은 p-n 접합의 규소 기판(10) 내부에서 생성된 전류를 모아서 외부 단자에 전달하는 역할을 하며, 선택적 도금이 가능한 무전해 도금 방법이나 전기 도금 방법으로 전도성 금속을 도금함으로써 형성된다.

한편, 전면과 마주하는 실리콘 기판(10)의 후면에는 산화 규소로 이루어진 후면 절연막(70)이 형성되어 있으며, 전면과 마차가지로 기판(10)의 후면도 피라미드 구조를 가질 수 있다. 또한, 기판(10)의 후면 상부에는 p형의 불순물이 고농도로 도핑되어 있는 p++ 반도체층(90)이 형성되어 있으며, 후면 절연막(70) 상부에는 에는 후면 절연막(70)에 형성되어 있는 접촉 구멍(71)을 통하여 p++ 반도체층(90)과 연결되어 있는 알루미늄 등으로 이루어진 후면 전극(80)이 전면적으로 형성되어 있다. 이때, 접촉 구멍(71)은 p++ 반도체층(90)과 동일한 폭을 가진다. 여기서도, p++ 반도체층(90)과 후면 전극(80) 사이에는 이들 사이의 접촉 특성을 향상시키기 위한 접촉층이 추가로 형성될 수 있다.

그러면, 이러한 도 1의 태양 전지에 대한 제조 방법을 도 1 및 도 2a 내지 도 2d를 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.

먼저, 도 2a에서 보는 바와 같이, 기판(10) 전면 전체에 걸쳐 인과 같은 n형불순물을 확산하여 n+ 반도체층(20)을 형성한다. 인의 도핑 물질로는 POCl₃이나 P₂O₅를 사용한다.

물론, n+ 반도체층(20)을 형성하기 전에 실리콘 기판(10)을 습식 식각을 이용하여 불규칙한 피라미드 구조를 형성할 수 있다.

다음, 도 2b에서 보는 바와 같이, 기판(10)의 전면 및 후면에 반사 방지막으로서의 기능을 가지며 산화 규소로 이루어진 전면 및 후면 절연막(30, 70)을 열 산화 공정을 통하여 형성한다. 이때, 전면 및 후면 절연막(30, 70)은 250-750Å 정도의 두께로 형성하는 것이 바람직하며, 이를 이후의 열처리 공정에서 n형 또는 p형의 불순물이 원하는 농도만큼 충분히 기판(10)의 내부로 확산되도록 하기 위함이다. 이어, 고농도 반도체층이 형성될 부분에 스크린 인쇄법을 이용하여 기판(10) 전면 및 후면에 P₂O₅및 B₂O₃을 각각 인쇄하여 고농도 n형 불순물층(65)과 고농도 p형 불순물층(95)을 함께 형성한다.

이어, 도 2c에서 보는 바와 같이, 고온에서 열처리 공정을 실시하여 n형 불순물층(65)과 p형 불순물층(95)의 불순물을 기판(10)의 내부로 확산되도록 하여 기판(10)의 전면 및 후면에 각각 n++ 반도체층(60)과 p++ 반도체층(90)을 함께 형성한다. 여기서, P⁺⁺반도체층(90)은 BSF(back surface field)이 되며, 이를 통하여 빛에 의해 여기된 케리어들을 반사시켜 재결합 손실을 줄이고 개방 전압 및 장파장에서의 양장 효율을 증가시킬 수 있다. 이때, 전면 및 후면 절연막(30, 70)의 일부는 n형 및 p형의 불순물과 반응하여 n++ 반도체층(60) 및 p++ 반도체층(90) 상부에는 이들(60, 90)과 동일한 폭으로 PSG(phosphosilicate glass)막(35)과 BSG(boronsilicate glass)막(75)이 각각 형성된다.

이어, 도 2d에서 보는 바와 같이, 습식 식각을 이용하여 PSG막(35)과 BSG막(75)을 제거하여 전면 및 후면 절연막(30, 70)에 각각 n++ 반도체층(60) 및 p++ 반도체층(90)을 드러내는 접촉 구멍(31, 71)을 형성한다. PSG막(35)과 BSG막(75)은 절연막(30, 70)보다 식각 속도가 빠르므로 별도의 사진 식각 공정을 추가하지 않고도 PSG막(35)과 BSG막(75)만을 제거할 수 있으며, 이는 이후에 전극이 형성되는 그리드 패턴이 된다. 이때, 습식 식각에서 사용하는 식각액의 주성분은 HF이며, HF의 농도에 따라 식각 속도를 조절할 수 있다. 10%의 HF 용액에서 절연막(30, 70)의 식각비는 600Å/min 정도이고, PSG막(35)과 BSG막(75)의 식각비는 절연막(30, 70)의 식각비에 비해 2-3배 크기 때문에 절연막(30, 70)은 거의 식각되지 않으면서 PSG막(35)과 BSG막(75)만을 제거하여 접촉 구멍(31, 71)을 형성할 수 있다. 이때, n++ 반도체층(60) 및 p++ 반도체층(90)을 드러내는 접촉 구멍(31, 71)은 별도의 마스크를 이용한 사진 식각 공정을 추가하지 않고 PSG막(35)과 BSG막(75)을 식각하여 형성함으로써 n++ 반도체층(60) 및 p++ 반도체층(90)과 동일한 폭을 가지게 된다.

다음, 도 1에서 보는 바와 같이, n++ 반도체층(60)이 형성되어 있는 기판(10)의 전면 상부와 기판(10)의 후면 상부에 전면 전극(50)과 후면 전극(80)을 각각 형성한다. 이때, 전면 및 후면 전극(50, 80)은 무전해 도금법(electroless plating) 또는 전기 도금법으로 함께 형성한다.

이와 같이 본 발명에서는 실리콘 태양 전지를 제조할 때 고가의 사진 식각 공정을 사용하지 않고 저가의 프린팅 인쇄법과 확산을 통하여 반도체층을 형성하고 식각 공정만으로 그리드 패턴을 형성함으로써 생산 비용을 최소화할 수 있다.

Claims

제1 도전형 기판의 전면에 제2 도전형 반도체층을 형성하는 단계,

상기 제1 도전형 기판의 전면 및 후면에 전면 및 후면 절연막을 형성하는 단계,

상기 제1 도전형 기판의 상기 전면 및 후면 상부에 스크린 인쇄법으로 제2 도전형 불순물층과 제1 도전형 불순물층을 각각 형성하는 단계,

상기 기판 내부로 상기 제2 도전형 불순물층과 상기 제1 도전형 불순물층의 불순물을 확산시켜 고농도 제2 도전형 반도체층과 고농도 제1 도전형 반도체층을 형성하는 단계,

상기 전면 및 후면 절연막에 상기 고농도 제2 도전형 반도체층과 상기 고농도 제2 도전형 반도체층을 드러내는 제1 및 제2 접촉 구멍을 형성하는 단계,

상기 기판의 상기 전면 및 상기 후면 상부에 전면 및 후면 전극을 각각 형성하는 단계

를 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
제1항에서,

상기 제1 및 제2 접촉 구멍 형성 단계는,

상기 고농도 제2 도전형 반도체층과 상기 고농도 제1 도전형 반도체층 상부의 상기 전면 및 후면 절연막에 PSG막과 BSG막을 형성하는 단계,

습식 식각으로 상기 PSG막과 BSG막을 제거하는 단계를 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
제1항에서,

상기 전면 및 후면 전극은 함께 형성하는 태양 전지의 제조 방법.
제3항에서,

상기 전면 및 후면 전극은 무전해 도금법 또는 전기 도금법 중 어느 하나를 사용하여 형성하는 태양 전지의 제조 방법.
제1항에서,

상기 전면 및 후면 절연막 형성 단계는 열 산화를 통하여 형성하는 태양 전지의 제조 방법.
제1항에서,

상기 전면 및 상기 후면 절연막의 두께는 250-750Å 범위로 형성하는 태양 전지의 제조 방법.
제1 도전형 기판,

상기 제1 도전형 기판 전면에 형성되어 있는 제2 도전형 반도체층,

상기 제2 도전형 반도체층에 형성되어 있는 고농도 제2 도전형 반도체층,

상기 제1 도전형 기판의 상기 전면에 형성되어 있으며, 상기 고농도 제2 도전형 반도체층과 동일한 폭을 가지고 상기 고농도 제2 도전형 반도체층을 드러내는 제1 접촉 구멍을 가지는 전면 절연막,

상기 전면 절연막 상부에 형성되어 있으며, 상기 제1 접촉 구멍을 통하여 상기 고농도 제2 도전형 반도체층과 전기적으로 연결되어 있는 전면 전극,

상기 전면과 마주하는 상기 제1 도전형 기판의 후면에 형성되어 있는 고농도 제1 도전형 반도체층,

상기 제1 도전형 기판의 후면 상부에 형성되어 있으며, 상기 고농도 제1 도전형 반도체층과 동일한 폭을 가지고 상기 고농도 제1 도전형 반도체층을 드러내는 제2 접촉 구멍을 가지는 후면 절연막,

상기 후면 절연막 상부에 형성되어 있으며, 상기 제2 접촉 구멍을 통하여 상기 고농도 제1 도전형 반도체층과 전기적으로 연결되어 있는 전면 전극

을 포함하는 태양 전지.
제7항에서,

상기 전면 및 후면 절연막은 열 산화막인 태양 전지.
제7항에서,

상기 전면 및 후면 절연막은 250-750Å 범위의 두께를 가지는 태양 전지.