KR20030071866A - 태양전지 및 태양전지의 제조방법 - Google Patents

태양전지 및 태양전지의 제조방법 Download PDF

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신에쯔 한도타이 가부시키가이샤
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Abstract

태양전지(1)는, 실리콘 단결정기판의 제 1 주표면(24a)상에 다수의 홈(2)이서로 평행하게 형성되어 있다. 전극(6)은, 홈(2)의 편측의 내측면에 이루어진다. 이것에 의해, 태양전지(1)의 기계적 강도가 향상된다. 홈(2)의 형성방향은, 이 형성방향에 가장 가까운 <110>방향과 이루는 예각측의 각도가 4˚∼45˚인 것이 좋다.

Description

태양전지 및 태양전지의 제조방법{SOLAR CELL AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}
OECO(Obliquely Evaporated Contact) 법에 의한 태양전지의 제작방법에 관해서는, 예를 들면, 1998년에 발간된 Renewable Energy의 제 14권 83페이지에 개시되어 있다. 이 OECO법은, 독일의 Institut fur Solarenergieforschung Hameln/Emmerthal(ISFH)의 R. Hezel 등에 의해 고안된 태양전지의 제작방법이다. OECO 태양전지의 수광면의 대표적인 구조를, 도 2에 모식적으로 도시한다(이하, OECO법에 의해 제조된 태양전지를 OECO 태양전지라고도 칭함). 0ECO 태양전지는 실리콘 단결정기판의, 수광면(3)이 될 주표면상에 복수의 평행한 홈을 세겨 설치하고, 그 홈의 폭방향 편측의 내측면에 출력 취출용의 전극(6)을 형성한 구조를 갖는다. 이와 같은 구조를 취함으로써 태양전지의 섀도잉 로스는, 수광면 전체의 약 5%까지 저감된다. 예를 들면, 스크린 인쇄법에 의해 전극을 제작한 태양전지의 경우, 섀도잉 로스는 일반적으로 약 12%정도에도 달하므로, OECO 태양전지에서의 섀도잉 로스는 대폭 작은 값이라고 할 수 있고, 이 결과, 높은 에너지 변환 효율이 달성 가능하게 된다.
근년, 태양전지의 제조에서는 저코스트화에 관한 강한 요청이 있다. 구체적으로는, 태양전지를 박형화함으로써, 태양전지에 사용하는 단위면적당의 단결정 실리콘 양을 저감함으로써 일정한 코스트 삭감을 실현할 수 있다. 그렇지만, OECO 태양전지에서는, 다수의 홈을 기판 주표면에 형성하지 않으면 안되고, 박형화 했을 때의 기계적 강도에 난점이 생기기 쉬운 문제가 있다.
다음에, 태양전지의 고효율를 위해, 상기 이외에도, 수광면 또는 태양전지의 이면에 형성되는 전극의 형상을 고려한 것이 다수 있다. 예를 들면, 전극 콘택트용 홈부 혹은 바닥있는 구멍을 반도체 단결정기판에 기계적으로 세겨 설치하고, 그 홈부 또는 바닥있는 구멍에 전극으로 되는 금속을 충전한 태양전지가, 예를 들면, 2000년에 앵커리지에서 개최된, 제 28 회 IEEE Photovoltaic Specialists Conference에서, 2개의 연구 그룹에 의해 공지되었다.
태양전지의 전극 콘택트용 홈부를 기계적으로 세겨 설치하는 방법은 독일Institut fur Solarenergieforschung Hameln/Emmerthal의 그룹에 의해, 전극 콘택트용 구멍을 기계적으로 세겨 설치하는 방법은 독일 Franhofer Institute for Solar Energy Systems ISE의 그룹에 의해, 각각 독립적으로 고안되었다. 예를 들면, 전극 콘택트용 홈부를 세겨 설치하는 방법은 구체적으로는 이하와 같다. 산화실리콘 막(또는 질화실리콘 막) 등의 절연막을 형성한 반도체 단결정기판(예를 들면, 실리콘 단결정기판 등)상에, 전극 콘택트용으로서, 대략 평행한 복수의 홈부를 기계적으로 세겨 설치한다. 홈부의 깊이는 5∼50㎛, 홈부의 폭은 몇 백 ㎛정도로 한다. 홈부는, 몇 백∼몇 천매로 이루어지는 고속회전날을, 1회, 또는 수회 기판상을 주사하여 제작된다. 이들 홈부를 세겨 설치한 후, 이 주표면상에 동일하게 금속을 퇴적하여 전극층으로 한다.
또, 상기의 전극 콘택트용으로서, 일정 간격으로 직선 형상으로 배열하는 형태로 바닥있는 구멍을 형성하는 것도 가능하다. 이 경우, 바닥있는 구멍의 깊이는 홈부를 형성했을 경우와 동일하게 5∼50㎛, 바닥있는 구멍의 개구부의 직경은 몇 백㎛ 정도로 된다. 이와 같은 바닥있는 구멍은, KrF 엑시머 레이저 또는 Nd:YAG 레이저 등을 소정의 장소에 조사함으로써 형성된다.
이들 방법에 의하면, 표면의 비콘택트 영역은, 절연막에 의해 패시베이션 처리되어 있고, 광발생 캐리어의 표면 재결합을 억제하여, 태양전지의 고효율화에 유효하다. 또, 이 방법은, 홈부 또는 바닥있는 구멍의 형성을 위해 포토리소그래피 등의 기술을 필요로 하지 않기 때문에, 비교적 용이하게 전극 콘택트용의 홈부 또는 바닥있는 구멍의 제작이 가능하다.
한편, 현재 태양전지에 강하게 요구되고 있는 것은, 고효율화 및 저코스트화다. 이들중에서 저코스트화는, 박형화에 의해 태양전지에 사용되는 단위면적당의 반도체 단결정기판 양을 저감함으로써 실현가능하다. 그렇지만, 반도체 단결정기판을 박형화시키면, 제작되는 태양전지의 기계적 강도가 저하된다. 더욱이, 본 발명자 등에 의하면 상술한 방법과 같이 반도체 단결정기판에 홈부 또는 바닥있는 구멍을 설치하여 전극을 제작한 경우, 기판본체에 데미지를 주게 되기 때문에 기계적 강도가 더욱 저하되는 경우가 있는 것을 알았다.
본 발명의 과제는, 기계적 강도에 우수한 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명은, 기계적 강도에 우수한 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
도 1은, 본 발명의 제 1 구성의 태양전지의 1예인 OECO 태양전지 셀의, 홈 방향 및 기판의 결정 방향의 관계를 도시하는 도면,
도 2는, 본 발명의 제 1 구성의 태양전지의 1예인 OECO 태양전지 셀의, 표면 주요부의 단면구조를 예시한 도면,
도 3a는, 본 발명의 제 1 구성의 태양전지의 1예인 OECO 태양전지 셀의, 표면홈의 단면구조의 제 1 예를 도시하는 단면도,
도 3b는, 동일하게 제 2 예를 도시하는 단면도,
도 3c는, 동일하게 제 3 예를 도시하는 단면도,
도 3d는, 동일하게 제 4 예를 도시하는 단면도,
도 3e는, 동일하게 제 5 예를 도시하는 단면도,
도 4는, 본 발명의 제 1 구성의 태양전지의 1예인 OECO 태양전지 셀의, 제작방법의 개요를 도시하는 공정설명도,
도 5a는, 본 발명의 제 1 구성의 태양전지의 1예인 OECO 태양전지 셀의 제작에 사용되는 고속회전날을 모식적으로 도시하는 사시도,
도 5b은, 도 5a의 고속회전날에 설치하는 외주날의 날끝 형상의 제 1 예를 도시하는 도면,
도 5c는, 동일하게 제 2 예를 도시하는 도면,
도 5d는, 동일하게 제 3 예를 도시하는 도면,
도 6a는, 본 발명의 제 2 구성의 태양전지에 관계되는 전극 콘택트용 홈부를 사용한 실시형태의, 홈 배치 및 기판의 결정방향의 관계를 도시하는 도면,
도 6b는, 본 발명의 제 2 구성의 태양전지에 관계되는 바닥있는 구멍을 사용한 실시형태의, 바닥있는 구멍 배치 및 기판의 결정방향의 관계를 도시하는 도면,
도 7은, 본 발명의 제 2 구성의 태양전지의, 이면 주요부의 단면구조를 예시하는 도면,
도 8은, 본 발명의 제 2 구성의 태양전지에 관계되는, 전극 제작방법의 개요를 도시하는 도면,
도 9는, 본 발명의 제 2 구성의 태양전지에 사용하는 전극 콘택트용 구멍의 배치와 기판방향의 관계를 도시하는 도면,
도 10a는, 본 발명의 제 2 구성의 태양전지에 사용하는 띠 형상의 집전용 전극과 바닥있는 구멍의 관계를 도시하는 도면,
도 10b는, 도 10a의 단면구조를 모식적으로 도시하는 도면,
도 11은, 양면 수광형 0ECO 태양전지의 주요부를 도시하는 사시도,
도 12는, 본 발명의 실시예의 실험에서 채용한 휨측정 시험의, 시험편의 배치방법 및 기판의 휨의 정의를 도시하는 도면,
도 13은, 실시예 1에서의 기판의 휨의 홈 방향 의존성을 도시하는 도면,
도 14는, 실시예 1에서의, 기판의 휨의 기판 두께 의존성을 비교예와 함께 도시하는 도면,
도 15은, 실시예 2에서의 기판의 휨의 기판 두께 의존성을 비교예와 함께 도시하는 도면,
도 16은, 실시예 3의 기판의 휨의 홈부 방향 의존성을 도시하는 도면,
도 17은, 실시예 4의 기판의 휨의 α의존성을 도시하는 도면이다.
(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)
이하, 발명을 실시하기 위한 최량의 형태를, 도면을 참조하여 설명하는데, 본 발명은 본 실시형태에 한정되는 것은 아니다.
(실시형태 1)
도 1은, 본 발명의 태양전지의 제 1 구성에 관계되는 실시형태를 도시하는 것이다. 또, 도 2는, 그 태양전지(1)의 제 1 주표면(24a)측의 구조를 확대하여 도시하는 단면 모식도이다. 태양전지(1)에서는, 실리콘 단결정 잉곳으로부터 잘라낸 p형 실리콘 단결정기판의 제 1 주표면(24a)상에, 예를 들면 폭 수100㎛ 정도, 깊이 100㎛ 정도의 다수의 홈(2)이 서로 평행하게 형성되어 있다. 이들 홈(2)은, 예를 들면, 동축적으로 결합된 일체회전하는 수 백매에서 수 천매의 회전날에 의해 일괄적으로 세겨 설치할 수 있는데, 수 회의 조작으로 나누어서 세겨 설치해도 좋다.
상기 홈을 세겨 설치한 기판의 제 1 주표면(24a)에는, n형 도판트인 인을 열확산함으로써 에미터층(4)이 형성되고, p-n 접합부가 형성되어 있다. 그리고, 그 p-n 접합부상에, 터널 절연막으로서 기능하는 얇은 실리콘 산화막(5)이, 예를 들면 열산화법에 의해 형성되어 있다.
그리고 상기 실리콘 산화막(5)상에 전극(6)이 형성되어 있다. 이 전극(6)은, 증착장치내에서 전극재료(예를 들면 알루미늄 등의 금속)를 홈의 내측면에 증착함으로써 형성된 것이며, 그 증착시에는 후술하는 바와 같이, 홈 폭방향에서의 편측의 내측면에 우선적으로 전극재료가 증착되도록, 증착원에 대하여 기판(1)을 소정 각도 이상으로 상대적으로 기울여서 배치하도록 한다. 이것이, OECO의 명명의 유래이기도 한다. 또한, 이 증착시에는, 홈(2,2)사이에 형성된 볼록 형상부(23)의 정상면에도 여분의 전극재료가 퇴적하는데, 이것은 염산용액 등의 에칭액으로 제거된다. 그리고, 전극(6)을 포함하는 기판(1)의 제 1 주표면(24a)의전체가, 보호층 및 반사 방지막으로서 기능하는 질화실리콘 막(7)에 의해 덮어져 있다.
이 태양전지(1)의 각 홈(2)은, 제 1 주표면상(24A)에서 <110>방향과 일치하지 않는 방향으로 형성되어 있다. 이것에 의해, 태양전지(1)의 기계적 강도가 향상한다. 또한, 본 명세서에서, 사용하는 단결정기판의 결정 주축이, 오프 앵글 부여에 의해 <100>으로부터 6°정도까지 경사져 있어도, 이 기판은 {100}의 면방위를 갖는 것으로 간주한다.
도 1에 도시하는 바와 같이, {100}기판의 주표면에는, 서로 직교하는 2개의 <110>방향이 있는데, 홈(2)의 형성 방향은, 이들의 어느 <110>방향과도 일치하지 않도록 형성한다. 이 때, 각 홈(2)의 형성 방향은, 이 형성 방향에 가장 가까운 <110>방향과 이루는 예각측의 각도가 4°∼45°인 것이 좋다. 이 각도가 4°미만에서는, 홈 방향을 어느 <110>방향과 일치시킨 경우와 비교했을 때의, 태양전지의 기계적 강도향상 효과를 충분히 예상할 수 없게 될 경우가 있다. 다른 한편, 쌍방의 <110>방향에 대해서 상기 각도가 45°를 넘는 것은 기하학적으로 있을 수 없다. 그리고, 각 홈(2)의 형성 방향이, 제 1 주표면상(24A)에서 <100>방향과 평행하게 되어 있을 경우(즉, 상기 각도가 45°)에, 용이한 벽개 방향인 <110>으로부터의 홈 형성 방향의 격차가 가장 커지므로, 태양전지의 기계적 강도향상 효과를 최대한으로 끌어 낼 수 있다.
각 홈(2)은, 자신의 길이방향과 직교하는 단면에서의 외형 선형 형상이, 도 3a에 도시하는 직사각형 형상, 도 3b에 도시하는 반원 형상, 및 도 3c에 도시하는V형중 어느 하나로 하는 것인데, 외주날 커팅에 의한 형성이 용이하므로 매우 적합하게 사용할 수 있다. 특히, 태양전지의 직렬저항 저감을 위해서는, 도 3a와 같은 직사각형 단면의 홈을 채용하는 것이 바람직하다.
홈(2)은, 자신의 길이방향과 직교하는 단면에서의 외형선 형상이, 예를 들면 도 3a에 도시하는 직사각형 혹은 도 3c에 도시하는 V형으로 되는 경우에는, 도 3d 또는 도 3e에 도시하는 바와 같이, 서로 교차하는 2개의 변부(2a, 2b)가 나타나는 형상으로 된다. 직사각형의 홈의 경우는 도 3d에 도시하는 바와 같이, 변부(2a, 2b)는 홈 측벽과 홈 바닥에 각각 대응하는 것이며, 양자의 교차 각도는 거의 90°로 된다. 다른 한편, V형의 홈의 경우는 변부(2a, 2b)가 홈 바닥에서 예각 형상으로 교차한다. 어느 경우도, 이들 변부의 교차위치가 예리하게 형성되어 있으면 응력 집중을 초래하기 쉬워, 태양전지의 강도저하로 이어진다. 그래서 홈(2)의 단면외형선 형상을, 상기 변부(2a, 2b)의 교차 위치에 아르 R1 또는 R2를 시행한 형상으로 함으로써 태양전지의 기계적 강도를 한층더 높이는 것이 가능하게 된다.
상기 아르 R1 또는 R2의 크기는, 응력집중 방지효과가 충분히 달성되고, 또한 홈 형상에 유래하는 직렬저항 저감 등의 효과가 손상되지 않는 범위에서 설정하는 것, 예를 들면 2∼20㎛ 정도로 형성하는 것이 바람직하다. 또, 이러한 아르의 부여는, 외주날 커팅 등에서 홈을 세겨 설치한 후, 화학 에칭을 시행함으로써 용이하게 형성할 수 있다. 이 화학 에칭은, 홈을 세겨 설치하는 가공시에 생기는 데미지제거의 에칭에 겸용시켜도 좋다. 이 경우, 에칭 두께로서는, 형성하는 아르를 상기 바람직한 범위내의 것으로 하기 위해, 5∼20㎛ 정도의 범위에서 행하는 것이바람직하다. 또한, 화학 에칭액으로서는, 수산화 칼륨 수용액 등을 사용할 수 있다.
이하, 상기 태양전지(1)의 제조방법의 1예에 대해서 설명한다.
우선, 고순도 실리콘에 붕소 또는 갈륨 등의 III족 원소를 첨가한 실리콘 단결정 잉곳을 준비하고, 여기로부터 면방위{100}의 p형 실리콘 단결정기판을 잘라낸다. 또한, p형 실리콘 단결정기판의 비저항은 예를 들면 0.5∼5Ω·cm로 한다. 도 4의 공정(a)에 도시하는 바와 같이, 이 p형 {100}기판의 제 1 주표면(24a)상에, 고속회전날에 의해, <110>과 다른 방향, 예를 들면 <100>방향으로, 깊이 20∼100㎛의 서로 평행한 복수의 홈을 작성한다. 실리콘 단결정기판은, CZ(Czochralski)법 및 FZ(Floating Zone Melting)법의 어느 방법에 의해 작성되어도 좋지만, 얻어지는 기판의 기계적 강도의 면에서, CZ법으로 제작되는 것이 바람직하다. 또, 기판두께는 40㎛라도 충분한 기계적 강도를 유지하지만, 슬라이싱의 편의를 고려하여 150㎛ 이상, 바람직하게는 200㎛ 이상으로 설정하는 것이 바람직하다. 다른 한편, 본 발명 특유의 홈 형성 방향의 채용에 의한 기계적 강도향상 효과가 현저하게 되는 것은, 230㎛ 이하의 얇은 기판을 채용한 경우이다.
도 5a에, 고속회전날(107)의 개략적인 형상을 도시한다. 고속회전날(107)은, 원통부(예를 들면, 지름 103mm, 길이 165mm)에 복수(예를 들면 100∼200개)의 홈형성용의 외주날(108)이 부착된 것이다. 날 끝의 형상은, 형성하는 홈 형태(도 3a∼도 3e 참조)에 따라, 도 5b의 직사각형 형상 단면의 날, 도 5c의 반원형 단면의 날, 및 도 5d 산형 단면의 날 등을 적당히 선택하여 사용할 수 있다. 날의 높이(10, 10', 10")는 예를 들면 50∼100㎛, 날의 폭(11, 11', 11") 및 날의 간격(12, 12', 12")은 예를 들면 수 100㎛ 정도로 한다. 또한, 날의 종류로서는, 예를 들면 다이아몬드 날(예를 들면 입경 5㎛∼10㎛의 다이아몬드 지립을 날 표면에 일정하게 부착시킨 것)을 채용할 수 있다. 이와 같은 고속회전날을 사용하여, 절삭액을 분사하면서 1초간에 예를 들면 약 1∼4cm의 속도로 기판(1)의 주표면을 절삭하고, 홈(2)을 세겨 설치한다. 또한, 고속회전날은, 다이서 또는 와이어 쏘우로도 대용이 가능하다.
다음에, 홈형성 후의 기판의 데미지를, 상기한 화학에칭에 의해 제거한다. 도 3a 또는 도 3c에 도시하는 직사각형 또는 V형의 홈의 경우, 이 데미지제거의 에칭을, 도 3d 또는 도 3e에 도시하는 아르 부여에 적당한 조건으로 설정하는 것이 바람직하다. 이 데미지제거의 에칭이 종료하면, 상기 기판상에, 반사 손실을 저감하기 위한 주표면의 면 거칠기 가공 처리로서, 이방성 에칭 등에 의한 공지의 수법에 의해, 텍스처 구조의 형성을 행한다. 텍스처 형성후, 염산, 황산, 질산, 불산 등, 혹은 이들의 혼합액인 산성수용액중에서 세정는데, 경제적 및 효율적 견지로부터, 염산중에서의 세정이 바람직하다.
다음에, 도 4의 공정(b)에 도시하는 바와 같이, 세정후의 기판표면에 에미터층(4)을 형성한다. 에미터층 형성의 방법으로서는, 5산화2인을 사용한 도포 확산법, 인 이온을 직접 주입하는 이온주입법 등, 어느 방법으로도 가능하지만, 경제적관점에서, 옥시염화인을 사용한 기상확산법을 채용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 옥시염화인 분위기중에서 기판을 850℃ 전후에서 열처리함으로써, 표면에 n형에미터층(4)을 형성할 수 있다. 형성하는 에미터층(4)의 두께는, 예를 들면 약 0.5㎛ 정도이며, 시트 저항은 40∼100Ω/□으로 한다. 또한, 이 처리에 의해 기판표면에 형성되는 인 글래스는, 불산용액중에서 제거한다.
다음에, 기판의 제 2 주표면(24b)측의 전극형성을 행한다. 우선, 도 4의 공정(c)에 도시하는 바와 같이, 패시베이션 막으로서의 질화실리콘 층(8)을 제 2 주표면(24b)에 형성한다. 질화실리콘 층(8)의 형성은 CVD(Chemical Vapor Deposition)법에 의해 행할 수 있다. 이 경우, 상압 열 CVD법, 감압 열 CVD법 및 광 CVD법 등, 어느 방법도 가능하지만, 리모트 플라즈마 CVD법을 채용한 경우, 350∼400℃ 정도의 저온 프로세스인 것과, 또한, 얻어지는 질화실리콘 층(8)의 표면재결합 속도를 작게 할 수 있는 등의 점에서, 본 발명에 매우 적합하다고 할 수 있다. 또한, 직접 열질화법은, 충분한 막두께를 얻을 수 없기 때문에, 바람직하지 않다.
그리고, 도 4의 공정(d)에 도시하는 바와 같이, 형성한 질화실리콘 층(8)에, 도 5a에 도시한 것과 동일한 고속회전날을 사용하여, 하지의 p형 실리콘 단결정기판(24)에 도달하는 전극도통용의 홈(8a)을 형성한다. 날의 형상은, 홈 단면형상에 따라서, 예를 들면 도 5b에 도시되는 직사각형, 도 5c에 도시되는 반원형, 도 5d에 도시되는 산형중 어느 하나로 된다. 홈(8a)의 형성후, 도 4의 공정(e)에 도시하는 바와 같이, 이 홈(8a)을 주위의 질화실리콘 층(8)과 함께 전극(9)로 덮는다. 전극재료로서는 은이나 동을 사용하는 것도 가능한데, 경제성이나 가공성의 관점에서 알루미늄(합금 포함함)이 가장 바람직하다. 이 알루미늄의 퇴적은, 스퍼터법 및진공증착법의 어느 방법으로도 가능하다. 이상으로 제 2 주표면(24b)측의 전극형성 처리는 종료된다.
다음에, 도 4의 공정(f)에 도시하는 바와 같이, 제 1 주표면(24a)에, 열산화법에 의해 실리콘 산화막(5)을 형성한다. 이 층은 제 1 주표면(24a)의 전극(6)과 기판(24) 사이의 터널 절연층으로서 기능하는 것이며, 단락 방지를 도모하면서 터널 효과를 최적화하기 위해서, 층두께는 5∼30Å으로 한다. 실리콘 산화막(5)은, 드라이 산화, 웨트 산화, 스팀 산화, 파이로제닉 산화 및 염산 산화 등, 여러 공지 의 방법으로 형성이 가능하지만, 고품질이고 막두께의 제어가 용이한 드라이 산화법을 채용하는 것이 바람직하다.
실리콘 산화막(5)을 형성한 기판(24)에는, 경사 증착법에 의해, 홈(2)의 폭방향에서의 편측의 내측면에 전극(6)을, 예를 들면 약 5㎛ 정도 퇴적시킨다. 전극재료는 알루미늄(합금 포함함)이 바람직하지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 은이나 동 등, 다른 금속으로도 가능하다. 구체적으로는, 홈(2)의 연장 방향이 증착원에 대해 수직으로 되도록 제 1 주표면(24a)을 증착원을 향한 상태를 기준으로 하고, 거기에서 기판(24)의 주축을 증착원에 대하여 70˚∼85˚ 경사진 형태로, 증착 장치내에 기판(24)을 배치한다. 이와 같은 배치에 의해, 홈(2)의 폭방향에서의 편측의 내측면에 전극재료를 우선적으로 퇴적시킬 수 있다. 또한, 증착은, 장치내의 진공도가 2×10-5Pa 이하의 레벨에 도달하고나서 행하는 것이 바람직하고, 증착 속도는 예를 들면 매초 10∼15Å으로 한다(단, 이것에 한정되는 것은 아님). 또한,도 4의 공정(g)에 도시하는 바와 같이, 전극(6)을 증착한 기판(24)은, 염산, 황산, 질산, 불산 또는 그들의 혼합액의 산성 수용액중에 침지함으로써, 홈(2, 2)사이에 생기는 볼록 형상부(23)의 정상부에 퇴적된 불필요한 전극재료를 제거한다. 이 제거는, 적절한 에칭속도가 얻어지고, 또한 하지와의 불필요한 화합물 생성 반응 등도 일어나기 어려운 관점에서, 예를 들면 염산용액중에서 행하는 것이 바람직하다.
이상의 공정이 종료된 기판(24)은, 공지의 방법에 의해 버스 바 전극(도시하지 않음)을 형성하고, 더욱이 표면의 패시베이션 및 반사 방지막으로서, 예를 들면 리모트 플라즈마 CVD법에 의해, 제 1 주표면(24a)상에 일정하게 질화실리콘 층(7)을, 예를 들면 600∼700Å 퇴적함으로써(도 4의 공정(h)), 최종적인 태양전지(1)가 얻어진다.
또한, 본 발명의 태양전지에서는, 도 11에 도시하는 바와 같이, 기판(24)의 제 2 주표면(24b)측에도, 제 1 주표면(24a)측과 동일하게, OECO 태양전지의 수광소자를 형성할 수 있다. 이 경우, 실리콘 단결정기판(반도체 단결정기판)(24)의 제 2 주표면(24b)에, 이 제 1 주표면(24a)상에서 <110>방향과 일치하지 않고, 또한 제 1 주표면(24a)의 홈(2)과 서로 교차하는 대략 평행한 복수의 홈(2)을 형성하고, 그들 제 2 주표면(24b)측의 홈(2)의 폭방향 편측에서의 내측면에 출력 취출용의 전극(6)을 설치한 구조를 채용하는 것이 바람직하다. 제 2 주표면(24b)에 형성하는 홈(2)과 제 1 주표면(24a)상에 형성하는 홈과의 방향을 서로 다르게 함으로써 양면에 홈형성한 태양전지의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다. 제 2 주표면측(24b)의 홈(2)갑의 형성 방향은, 제 1 주표면(24a)측의 홈(2)의 형성 방향과 대략 90˚의 각도를 이루도록 형성하는 것이, 강도를 최적화하는 점에서 가장 바람직하다.
(실시형태 2)
도 6a는 본 발명의 태양전지의 제 2 구성의 실시형태를 도시하는 것이다. 또한, 도 7은 그 태양전지(201)의 제 1 주표면(203a)측의 구조를 확대하여 도시하는 단면 모식도이다. 이 태양전지(201)에서는, p형 실리콘 단결정기판(203)(이하, 단지 기판(203)이라고도 함)의 제 1 주표면(203a)(본 실시형태에서는, 이 주표면을 이면으로 함)상에, 예를 들면 폭 수 100㎛ 정도, 깊이 100㎛ 정도의 다수의 홈부(202)가 서로 대략 평행하게 형성되어 있고, 이 각 홈부(202)가 도전체(205)로 충전되어서 충전전극 라인(240)이 형성되어 있다(도 6a). 이들의 홈부(202)는, 예를 들면, 도 5a와 동일한, 동축적으로 결합된 일체회전하는 수 백매에서 수 천매의 회전날에 의해 일괄적으로 세겨 설치할 수 있는데, 수 회의 조작으로 나누어서 세겨 설치해도 좋다. 또한, 본 실시형태에서는, 반도체 단결정기판으로서, 실리콘 단결정 잉곳으로부터 잘라낸 p형 실리콘 단결정기판(203)이 사용되고 있지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다.
더욱이, 본 실시형태에서는, p형 실리콘 단결정기판(반도체 단결정기판)(203)의 제 1 주표면(203a)상에 절연막(204)이 형성되어 있다. 더욱이, 각 충전전극 라인(240)을 형성하는 홈부(202)가 절연막(204)을 관통하는 형태로, 각 충전전극 라인(240)에 충전된 도전체(205)가 p형 실리콘 단결정기판(203)과 접촉하도록 형성되어 있다.
또, 본 실시형태에 관계되는 태양전지(201)에서는, p형 실리콘 단결정기판(203)의 제 1 주표면(203a)상에 형성되어 있는 충전전극 라인(240)과 연달아 통하는 집전용 전극이, 이 제 1 주표면(203a)상에 형성되어 있고, 이 집전용 전극은, 제 1 주표면(203a) 전면을 덮는 형태의 피막 전극층(210)으로서 형성되어 있다. 또한, p형 실리콘 단결정기판(3)상에 형성되는 절연막(204)으로서는, 산화실리콘 막, 또는 질화실리콘 막 등이 매우 적합하게 사용된다.
상기와 같은 본 실시형태의 태양전지(201)에서는, p형 실리콘 단결정기판(203)의 제 1 주표면(203a)의 면방위가 {100}으로서, 각 충전전극 라인을 형성하는 홈부(202)는, 제 1 주표면(203a)상에서 <110>방향과 일치하지 않는 방향으로 형성되어 있다. 이것에 의해, 태양전지(201)의 기계적 강도가 향상된다. 또한, 본 명세서에서, 사용하는 단결정기판의 결정 주축이, 오프 앵글 부여에 의해 <100>으로부터 6˚정도까지 경사져 있어도, 이 기판은 {100}의 면방위를 갖는 것으로 간주한다.
도 6a에 도시하는 바와 같이, {100}기판의 제 1 주표면(203a)에는, 서로 직교하는 2개의 <110>방향이 있는데, 홈부(202)의 형성 방향은, 이들의 어느 <110>방향과도 일치하지 않도록 형성한다. 이 때, 각 홈부(202)의 형성 방향은, 이 형성 방향에 가장 가까운 <110>방향과 이루는 예각측의 각도가 4˚∼45˚인 것이 좋다. 이 각도가 4˚ 미만에서는, 홈부 방향을 어느 <110>방향과 일치시킨 경우와 비교했을 때의, 태양전지(201)의 기계적 강도향상 효과를 충분히 예상할 수 없게 될 경우가 있다. 다른 한편, 쌍방의 <110>방향에 대해서 상기 각도가 45˚를 넘는 것은기하학적으로 있을 수 없다. 그리고, 각 홈부(202)의 형성 방향이, 제 1 주표면(203a)상에서 <100>방향과 평행하게 되어 있을 경우(즉, 상기 각도가 45˚) 에, 용이한 벽개 방향인 <110>으로부터의 홈부 형성 방향의 격차가 가장 커지므로, 태양전지(201)의 기계적 강도향상 효과를 최대한으로 끌어낼 수 있다.
다음에, 도 6b, 도 10a 및 도 10b에 본 발명의 다른 실시형태인 태양전지(201')를 도시한다. 이 태양전지(201')에서는, p형 실리콘 단결정기판(203')의 주표면(203'a)상에 예를 들면, 직경 수 백㎛, 깊이 5∼50㎛ 정도의 바닥있는 구멍(214)이 다수 형성되어 있고, 이 바닥있는 구멍(214)의 최근접 바닥있는 구멍(214)끼리가 서로 일정 간격으로 직선 형상으로 형성되어 있다. 그리고, 이들 각 바닥있는 구멍(214)에 전극이 되는 도전체(205')이 충전되고(도 7 참조), 일정 간격으로 직선 형상으로 형성되는 최근접 바닥있는 구멍(214)의 열이 충전전극 라인(240')을 구성하게 된다. 이 충전전극 라인은, 도 7에 도시되는 바와 같이, 절연막(204')을 관통하는 형태로 형성된다. 그리고, 최근접 바닥있는 구멍(214)끼리를 연결하는 직선의 방향을 이 충전전극 라인(240')의 형성 방향으로 했을 때, 이 충전전극 라인(240')의 형성 방향은 제 1 주표면(203'a)상에서 <110>방향과는 일치하지 않는 방향으로 되어 있다. 또한, 이 충전전극 라인(240')의 형성 방향은, 도 6b에 도시하는 바와 같이, 상술의 홈부(202)에 의해 충전전극 라인(240)이 형성되어 있을 경우(도 10a 참조)와 동일하게, 이 형성 방향에 가장 가까운 <110>방향과 이루는 예각측의 각도가 4˚∼45˚인 것이 좋고, 제 1 주표면(203'a)상에서 <100>방향과 평행(<110>방향과 이루는 각이 45˚)하게 되어있는 것이 더욱 좋다.
상기와 같은 본 실시형태에 관계되는 태양전지((201)(도 6a) 및 (201')(도 6b))의 제조방법을, 도 8을 기초로 이하에 기술한다. 단, 본 발명은, 이 방법으로 제작된 태양전지에 한정되는 것은 아니다. 또한, 태양전지((201) 및 (201'))의 제조방법은 많은 부분에서 공통되므로, 그 공통 부분은 태양전지(201)로 대표시키고, 태양전지(201')의 대응 부분의 부호를 괄호쓰기를 하여, 설명을 원용한다.
우선, 고순도 실리콘에 붕소 또는 갈륨 등의 III족 원소를 도핑한 실리콘 단결정 잉곳을 준비하고, 여기에서 면방위 {100}의 p형 실리콘 단결정기판(203(203'))을 잘라낸다. 또한, p형 실리콘 단결정기판(203(203'))의 비저항은, 예를 들면, 0.5∼5Ω·cm로 한다. p 형 실리콘 단결정기판(203(203'))은, CZ(Czochralski)법 및 FZ(Floating Zone Melting)법의 어느 방법에 의해 제작되어도 좋은데, 기계적 강도의 면에서, CZ법으로 제작되는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명 특유의 충전전극 라인 형성 방향의 채용에 의한 기계적 강도향상 효과가 현저하게 얻어지는 것은, 기판 두께가 230㎛ 이하의 얇은 기판을 채용한 경우이다.
상기와 같은 애즈 컷 상태의 p형 실리콘 단결정기판(203(203'))의 주표면(면방위 {100}으로 되어 있음)에 대하여, 공지의 방법에 의해 텍스처 구조의 형성을 행한다. 텍스처 구조의 형성후, 염산, 황산, 질산, 불산 등, 혹은 이들의 혼합액의 산성수용액중에서 세정는데, 경제적 및 효율적 견지에서, 염산중에서의 세정이 바람직하다. 이 텍스처 구조의 형성은, 반사 손실을 저감하기 위한 주표면의 면거칠기 처리하여 행해진다. 이상의 공정후의 p형 실리콘 단결정기판(203(203'))을 도 8의 공정(a)에 도시한다.
이 p형 실리콘 단결정기판(203(203'))의 제 1 주표면(이면)(203a(203a'))상에, 공지의 방법에 의해 산화 실리콘 또는 질화실리콘 등의 절연막(204(204'))을 예를 들면, 기상성장(CVD: Chemical Vapor Deposition)법에 의해 50∼500nm의 두께로 형성한다(도 8의 공정(b)). 산화 실리콘 또는 질화실리콘 층 생성 프로세스는, 상압 열 CVD법, 감압 열 CVD법 및 광 CVD법 등, 어느 방법도 가능하다. 특히, 질화실리콘 형성법으로서 리모트 플라즈마 CVD법을 채용했을 경우, 350∼400℃ 정도의 저온 프로세스인 것, 또한, 얻어지는 산화 실리콘 또는 질화실리콘 등의 절연막(204(204'))에서의 표면재결합 속도를 작게 하는 것이 가능한 등의 점에서, 본 발명에 매우 적합하다고 할 수 있다.
또한, 제 2 주표면(도시하지 않음: 이하, 본 실시형태에서는 이 주표면을 표면으로 함)을 수광면으로 하는 경우는, 이 막은, 인의 확산 마스크로서도 효과적이므로, 이 단계에서, 이 기판의 제 2 주표면상에, 옥시염화인을 사용한 기상확산법에 의해 수광면에 에미터층(도시 생략)을 형성해도 좋다. 제 1 주표면(203a(203a'))상에 형성되어 있는 절연막(204(204'))에 의해, 제 1 주표면(203a(203a'))으로의 인의 확산은 방지된다. 에미터층의 형성방법으로서는, 상기 이외에, 5산화인을 사용한 도포 확산법, 인 이온을 주입하는 이온 주입법 등, 어느 방법으로도 가능하지만, 경제적 관점에서, 상기 기상확산법을 채용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 옥시염화인 분위기중에서, p형 실리콘 단결정기판을 약850℃로 열처리함으로써, 표면에 n형 에미터층을 형성할 수 있다. 형성하는 에미터층의 두께는 약 0.5㎛ 정도이며, 시트 저항은 40∼100Ω/□으로 한다. 또한, 이 처리에 의해 기판표면에 형성되는 인 글래스는, 불산용액중에서 제거한다.
상기한 바와 같이 하여, 수광면으로 되는 제 2 주표면(표면)에, n형 에미터층을 형성하여, 기판 내부에 p-n 접합부를 형성한다.
이하, p형 실리콘 단결정기판(203(203'))의 제 1주표면(203a(203a'))에 형성되는 충전전극 라인(240(240'))의 형성방법에 대하여 기술한다. 우선, 홈부(202)를 형성하여 충전전극 라인(240)을 형성하는 경우, p형 실리콘 단결정기판(203)의 주표면(203a)에서 대략 평행하게 되는 복수의 홈부(2)를 고속회전날에 의해 형성하고, 이 각 홈부(202)에 전극으로 되는 도전체(205)를 충전함으로써 충전전극 라인(240)을 형성한다(도 8의 공정(c), (d)). 구체적으로는, 이 전극 콘택트용 홈부(202)는 절연막(204)을 통하여 형성된다. 홈부(202)는, 도 5a와 동일한 고속회전날(107)을 사용하여, 예를 들면 기판(203)의 제 1 주표면(203a)상에서 <100>방향으로 세겨 설치된다. 고속회전날(107)은, p형 실리콘 단결정기판(203)의 제 1 주표면(203a)상에 형성되는 홈부(202)의 형태에 따라서, 여기에서도 적당히 외주날(108)의 높이 및 형상을 선택할 수 있다. 날의 높이는 예를 들면, 50∼100㎛, 날의 폭(형성되는 홈부(202)의 폭에 대응함) 및 날의 간격(형성되는 각 홈부(202)끼리의 간격에 해당함)은 수 100㎛ 정도로 한다. 이와 같은 고속회전날(107)을 사용하고, 절삭물을 분사하면서 1초간에 예를 들면 약 1∼4cm의 속도로 기판을 절삭하여, 홈부(202)을 세겨 설치한다. 이 때, 홈부(202)의 깊이가거의 5∼50㎛가 되도록 외주날(108)의 높이 등을 미세조정한다. p형 실리콘 단결정기판(203)의 제 1 주표면(203a)에 형성되어 있는 절연막(204)의 두께는, 50∼500nm 정도이므로, 상기 범위의 깊이에 홈부(202)를 형성하면, 절연막(204)을 관통하는 형태로, 홈부(202)를 형성할 수 있다. 이것에 의해, 홈부(202)를 충전하는 도전체(205)가 p형 실리콘 단결정기판(203)과 접촉하는 형태로 충전전극 라인(240)을 형성할 수 있다.
또, 도 10a 및 도 10b에 도시하는 바와 같은, 충전전극 라인(240')을 형성하기 위해서 p형 실리콘 단결정기판(203')에 바닥있는 구멍(214)을 형성한 태양전지(201')의 경우에서는, p형 실리콘 단결정기판(203)의 주표면(203a')측에서 일정 간격으로 직선 형상으로 배열하는 바닥있는 구멍(214)을, 이 각 최근접 바닥있는 구멍(214)끼리를 연결하는 직선의 방향이 상기 <110>방향과 일치하지 않도록 주표면상(203a')에 레이저를 조사하여 형성하고, 이 각 바닥있는 구멍(214)에 전극으로 되는 도전체(205')를 충전함으로써 충전전극 라인(240')을 형성한다. 바닥있는 구멍(214)을 형성하는 레이저로서는 탄산 가스 레이저, 아르곤 레이저, YAG 레이저, 루비 레이저, 엑시머 레이저 등을 사용할 수 있다. 이 중에서도, 레이저광의 파장에 가가운 미세한 가공이 가능한 것, 공기중에서 가공이 가능한 것 등의 점에서 KrF 등의 엑시머 레이저나 Nd:YAG 레이저가 특히 적합하게 사용된다. 바닥있는 구멍(214)의 형상은, 원형, 직사각형 어느 것도 문제 없다. 더욱이, 바닥있는 구멍(214)은, 최근접 바닥있는 구멍(214)끼리가 일정한 간격으로 직선 형상으로 배치되고, 이 직선 형상으로 형성된 바닥있는 구멍(214)끼리의 세트를 충전전극라인(240')로 하여, 이 충전전극 라인(240')의 열이 제 1 주표면(203a')상에 있는 일정 간격을 가져서 주기적으로 배치된다. 바닥있는 구멍(214)의 배치 및, 기판방향의 관계의 모식도를 도 9에 도시한다. 레이저에 의해 형성된 바닥있는 구멍(214)의, 최근접 바닥있는 구멍(214)끼리를 연결하는 직선의 방향(충전전극 라인(240')의 형성 방향)(212)이, 기판(203')의 주표면상에서 <110>방향과 일치하지 않는 방향으로 설정된다. 더욱이, 부호(212)와 방향을 달리하는 제 2 최근접 바닥있는 구멍(214)끼리를 연결하는 직선의 방향(213)에서도, <110>방향과 다른 것이 좋다.
상기와 같은 바닥있는 구멍(214)을 형성하기 위한 레이저의 조사 조건은, 레이저의 종류나 절연막(204')의 막두께, 더욱이 바닥있는 구멍(214)의 직경 등에 의해 적당히 결정된다. 예를 들면, 펄스 발진을 이용하는 경우, 주파수는 1Hz∼100kHz가 바람직하고, 레이저의 평균 출력으로서는 10mW∼1kW의 범위로 하는 것이 바람직하다. 또한, 형성되는 절연막(204')의 두께는 50∼500nm의 범위에 설정되므로, 적어도 이것 이상 깊이의 절연막(204)이 제거되는 만큼의 출력의 레이저를 조사하도록 한다.
상기와 같이 충전전극 라인(240(240'))을, 홈부(202) 또는 바닥있는 구멍(214)을 도전체(205(205'))에 의해 충전함으로써 형성하는 동시에, 이 제 1 주표면(203a(203a')) 전면을 덮도록 피막 전극층(210)을, 예를 들면 0.5∼2㎛ 정도 형성한다(도 8의 공정(d)). 이 때, 도전체(205(205)) 및 피막 전극층(210)은, 도 8의 공정(c)에 도시하는 상태로부터, 동일한 공정에 의해 연속하여 형성된다.
도전체(205(205)) 및 피막 전극층(210)에는 은이나 동등의 금속 외에, 도전성의 산화 인듐, 산화 주석 등을 사용해도 좋지만, 경제성, 가공성의 관점에서 알루미늄이 가장 바람직하다. 도전체(205(205')) 및 피막 전극층(210)의 퇴적은, 스퍼터법, 진공증착법, 스크린 인쇄법 등 어느 방법으로도 가능하다. 더욱이, 상기와 같이 제 1 주표면(203a(203a')) 전면에 피막 전극층(210)을 일정하게 퇴적해도 좋은데, 전극형성용의 마스크 등을 사용하여, 도 10a 및 도 10b 과 같이, 홈부(도시하지 않음) 혹은 바닥있는 구멍(14)을 도전체(5')로 충전함으로써 형성되는 충전전극 라인(240')상에 선형상 또는 띠 형상의 집전용 전극(217)(이하, 띠 형상 전극(217)이라고도 함)을 형성해도 좋다. 또한, 선형상 또는 띠 형상으로 형성되는 집전용 전극(217)은, 충전전극 라인(240')의 형성 방향과 4˚∼90˚의 각을 이루는 방향으로 형성할 수도 있다. 이것에 의해, 반도체 단결정기판(p형 실리콘 단결정기판) 나아가서는 태양전지의 기계적 강도를 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 도 10a 및 도 10b에서는, 바닥있는 구멍(214)에 의해 충전전극 라인(240')을 형성한 경우를 도시하는데, 홈부(202)에 의해 충전전극 라인(240)을 형성한 경우에도 상기와 동일한 집전용 전극(217)을 형성할 수 있다.
상기와 같이 제 1 주표면(203a)에 전극으로 되는 도전체(205) 또는 피막 전극층(210) 및 띠 형상 전극(217) 등을 형성한 후, 공지의 방법에 의해, 제 2 주표면의 반사 방지막 및 전극의 형성을 행한다. 반사 방지막에는, 산화 실리콘, 질화실리콘을 비롯하여, 산화 세륨, 알루미늄, 이산화주석, 이산화티탄, 불화 마그네슘, 산화 탄탈 등, 및 이들을 2종 조합시킨 2층막이 사용되고, 어느 것을 사용해도문제 없다. 반사 방지막 형성에는, PVD법, CVD법 등이 사용되고, 어느 방법으로도 가능하다. 고효율 태양전지 제작을 위해서는, 질화실리콘을 리모트 플라즈마 CVD법으로 형성한 것이, 작은 표면재결합 속도를 달성할 수 있어 바람직하다. 제 2 주표면(표면)의 전극은 증착법, 도금법, 인쇄법 등으로 제작된다. 어느 방법을 사용해도 상관없지만, 저코스트이고 고처리율을 위해서는, 인쇄법이 바람직하다. 은 분말과 유리 프릿을 유기물 바인더와 혼합한 은페이스트를 원료로 하여, 스크린 인쇄한 후, 열처리하여 전극으로 한다.
또한, 본 발명에서는, 표면(제 2 주표면) 및 이면(제 1 주표면)의 처리의 순서는 어느쪽을 먼저 행해도 아무런 문제는 없다. 또, 상기 본 실시형태에서는, p형 실리콘 단결정기판(203(203'))의 제 1 주표면(203a(203a'))(이면)에 충전전극 라인(240(240'))을 형성하고, 제 2 주표면을 수광면으로 하는 경우에 대해서만 도시했는데, 본 발명은 이것에 제한되는 것은 아니고, 수광면으로 되는 제 2 주표면에 홈부 또는 바닥있는 구멍 등을 형성함으로써 충전전극 라인을 형성하여, 전극으로 한 태양전지에서도 동일한 효과를 갖는 것이다.
본 발명의 태양전지의 제 1 구성의 작용·효과를 확인하기 위해서, 이하의 실험을 행했다.
본 발명의 태양전지의 제 1의 구성은, 면방위가 대략 {100}인 반도체 단결정기판의 제 1 주표면상에 서로 대략 평행한 복수의 홈이 형성되고, 각 홈의 폭방향편측에서의 내측면에 출력 취출용의 전극이 설치된 구조(이하, OECO 태양전지 구조라고 함)을 가지고, 상기 과제를 해결하기 위해, 각 홈이, 제 1 주표면상에서 <110>방향과 일치하지 않는 방향으로 형성된 것을 특징으로 한다.
실리콘 단결정기판을 비롯한 반도체 단결정기판을 사용하여 상기와 같은 0ECO 태양전지를 제조할 경우, 기판 주표면상에 형성하는 홈의 방향에 대해서는, 종래, 어떠한 고려도 행해오지 않았다. 그리고, 본 발명자가 검토한 바, 면방위가 거의 {100}인 반도체 단결정기판(이하, 단지 {100}기판이라고도 함)상에 다수의 홈을, 기판 주표면에서의 <110>방향을 따라서 형성하면, 홈 단면형상으로 응력이 집중하기 쉬운 부분이 형성되어 있거나, 또는 홈형성 가공시의 데미지가 많이 잔류하거나 하면, 약간의 외력이 작용하는 것만으로, 홈을 따라서 기판이 용이하게 벽개하여, 파괴에 이르는 문제가 있는 것을 알았다.
그래서, 본 발명의 태양전지의 제 1의 구성에서는, {100}기판의 제 1 주표면에 형성되는 각 홈의 형성방법을, <110>방향과 일치하지 않는 방향으로 설정한다. 이것에 의해, 기판 나아가서는 얻어지는 태양전지의 기계적 강도를 대폭 향상시킬 수 있고, 특히 기판의 박형화를 도모한 경우라도, 태양전지의 최종제품 또는 중간제품의 핸들링 때에, 파손 등의 문제가 발생하는 것을 효과적으로 방지 또는 억제할 수 있다.
다음에, 본 발명의 태양전지의 제 2 구성은, 면방위가 대략 {100}인 반도체 단결정기판의 주표면의 적어도 어느 하나의 측에 출력 취출용의 전극을 이루는 도전체가 충전된 형태의 충전전극 라인이 복수 형성되어 있고, 또한, 상기의 과제를 해결하기 위해, 각 충전전극 라인이, 상기 주표면상에서 <110>방향과 일치하지 않는 방향에 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 본 발명의 태양전지의 제조방법은, 상기 제 2 구성의 태양전지를 제조하기 위해, 면방위가 대략 {100}인 반도체 단결정기판의 주표면의 적어도 어느 한 측에 출력 취출용의 전극을 이루는 도전체가 충전된 형태의 충전전극 라인을, 그 형성방향이 상기 주표면상에서 <110>방향과 일치하지 않는 방향으로 형성하는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명에서 전극을 이루는 도전체로서는, 금속이나 투명도전층, 또는 이것들을 순차적으로 적층시킨 것을 사용할 수 있다.
또한, 본 명세서에서 충전전극 라인이란, 반도체 단결정기판의 주표면상에 이 주표면이 우묵하게 들어간 형태에서 오목부를 형성하고, 이 오목부를, 전극을 이루는 도전체로 충전함으로써 형성되는 것으로서, 그 오목부의 반도체 단결정기판의 주표면상에서의 배치형태가 직선 형상으로 되도록 형성되는 것의 총칭이다. 예를 들면, 상기 충전전극 라인이란, 반도체 단결정기판의 주표면상에 오목부로서 홈부를 복수 형성하고, 이 각 홈부를 전극으로 되는 도전체로 충전시킨 것을 예시할 수 있다. 또, 반도체 단결정기판의 주표면상에 일정 간격으로 직선 형상으로 복수의 바닥있는 구멍을 형성하고, 이 각 바닥있는 구멍을 전극으로 되는 도전체로 충전시킨 것을 예시할 수 있다. 더욱이, 이와 같은 충전전극 라인에서, 그 형성 방향이란, 직선 형상으로 형성되는 이 충전전극 라인의, 그 직선방향을 말하는 것으로 한다. 예를 들면, 오목부로서 홈부를 형성한 경우에는, 그 홈부의 길이방향을 말하는 것으로 하고, 오목부로서 바닥있는 구멍을 형성한 경우는, 그 각 바닥있는 구멍의 최근접 바닥있는 구멍끼리를 연결하는 직선의 방향을 말하는 것으로 한다.
면방위가 {100}인 반도체 단결정기판(이하, 단지 {100}기판 이라고도 함)의 주표면상에 상기와 같은 충전전극 라인을, 기판의 주표면상에서 <110>방향을 따라서 형성하면, 제 1 구성의 태양전지와 동일하게, 그 형성 방향을 따라서 반도체 단결정기판이 용이하게 벽개하여, 파괴에 이르는 경우가 있다. 그래서, {100}기판의 주표면에 형성되는 각 충전전극 라인의 형성 방향을, <110>방향과 일치하지 않는 방향으로 설정함으로써, 제 1 구성의 태양전지와 동일하게, 기판, 나아가서는 얻어지는 태양전지의 기계적 강도를 대폭 향상할 수 있다. 더욱이, 태양전지의 제조방법에서, 그 주표면에 충전전극 라인을 형성할 때에, 그 형성 방향을 <1l0>방향과는 일치하지 않도록 형성함으로써, 태양전지의 제조 도중에 반도체 단결정기판의 파괴 등의 문제가 발생하는 것을 효과적으로 방지 또는 억제할 수도 있다.
(실시예 1)
두께 각 250, 200 및 150㎛인, 붕소 도핑된 {100} p형 실리콘 단결정기판(비저항 1Ω·cm)의 제 1 주표면상에, <110>방향에 대하여, 각각 0, 30, 45, 60, 90˚이 방향으로, 도 5a에 도시하는 고속회전날을 사용하여, 직사각형 단면의 평행한 홈을 형성했다. 홈의 폭, 깊이, 주기는 각각 450, 50, 600㎛로 했다. 그리고, 도 4을 사용하여 이미 설명한 공정을 따라 태양전지를 제작했다. 이 태양전지의 에너지 변환 효율을 표준조건으로 측정한 바, 각각 18∼20%로 되었다. 이 태양전지로부터, 다이서를 사용하여 폭 18mm, 길이 100mm의 조붓한 형상의 시험편을 잘라내고, 도 12에 도시하는 바와 같이, 이 시험편(13')의 양단부를 2개의 둥근 막대 지지점부(14, 14')(지점부 외경 28mm; 지지점간 스팬 길이 80mm)상에, 홈(2)의 면(제 1 주표면)을 하향으로 하여, 홈방향이 둥근 막대 지지점부(14, 14')의 축선과 평행하게 되도록 올려놓고, 그 상태에서 시험편(13')의 둥근 막대 지지점부(14, 14')사이에 위치하는 부분의 길이방향 중앙에, 동일치수의 둥근 막대 지지점부(15')를 대고, 이 둥근 막대 지지점부(15')에 하향의 굽힘 하중을 부가함으로써, 3점 굽힘시험을 실시했다. 그리고, 둥근 막대 지지점부(15')의 변위-하중 곡선으로부터, 파괴에 이르기 직전의 시험편(13)의 최대변위(16)를 구하고, 이것을 「휨」으로 정의하고, 각 샘플에 대하 측정을 행했다.
또한, 비교를 위해, 홈형성을 실시하지 않고, 데미지제거 에칭, 텍스처 형성 및 인 확산을 시행하고, 제 2 주표면에 알루미늄에 의한 전극을 형성후, 제 1 주표면에 질화실리콘 막을 퇴적한 태양전지를, 각 두께의 실리콘 단결정기판 마다 제작했다. 이 태양전지에 대하여, 동일한 방법으로, 휨의 측정을 행했다. 단 시험편은, 기판의 <100>방향과 시험편 길이방향이 일치하도록 잘라낸다. 따라서, 둥근 막대 지지점부(14, 14')의 축선은, 시험편 길이방향을 향한 <100>방향과 90˚교차하는 다른 <100>방향으로 평행하게 되도록 배치된다.
도 13에, 기판 두께 150㎛의 경우의 휨의 홈방향 의존성을 도시한다. 홈의 방향이 <110>방향보다 45˚ 즉 <100>방향에 형성된 경우에 휨은 최대로 되고, 기계적 강도에 우수한 것을 도시하고 있다. 도 14에, 휨의 기판두께 의존성을, 비교예(홈 없음)와 함께 도시한다. 기판 두께가 작아질 수록 휨은 증대하고, OECO 태양전지를 박형화 할 수록, 홈방향의 조정에 의해 기계적 강도의 향상 효과가 현저하게 되는 것을 알 수 있다. 또, 기판에 홈을 형성함으로써 휨은 커지고, 홈을 가진 기판쪽이 기계적 강도에 우수한 것도 알 수 있다.
(실시예 2)
실시예 1과 동일한 방법으로, 두께 각 250, 200, 150㎛인, {100} p형 실리콘 단결정기판 각각의 제 1 주표면상에, <110>방향에 대하여, 각각 0.45˚의 방향에 평행한 직사각형 홈을 제작하고, 다른 한편, 각각의 제 2 주표면상에, 제 1 주표면의 홈과 90˚의 각을 이루는 직사각형 홈을 형성했다. 홈의 폭, 깊이, 주기는 각각 450, 50 및 600㎛으로 했다. 양면모두 도 4에서 이미 설명한 방법에 의해 각각 수광소자 구조를 형성하고, 양면 수광형의 OECO 태양전지를 제작했다.
제작한 태양전지의 개략도를 도 11에 도시한다. 이들 태양전지로부터 실시예 1과 동일한 방법으로 시험편을 잘라내어 휨 측정을 행했다. 단, 시험편의 길이방향은 제 1 주표면측의 홈방향에 일치시키고, 측정시에 시험편은, 제 1 주표면의 홈의 방향이 둥근 막대 지지점부(14, 14')와 평행하게 되도록 배치했다. 도 15에, 휨의 기판 두께 의존성을, 비교예와 함께 도시한다. 홈의 방향이 <100>방향에 형성된 경우에 휨은 최대로 되고, 또, 기판 두께가 작아질 수록 휨은 증대하고, OECO 태양전지를 박형화 할 수록 기계적 강도향상 효과가 현저하게 되는 것을 알 수 있다.
이상의 실험 결과로부터도 명백한 바와 같이, OECO 태양전지의 제작에서, 홈방향을 <110>으로부터 빗나가게 함으로써, 깨짐에 대한 내성은 증가하고, 태양전지의 기계적 강도는 증가했다(도 13). 특히, 홈방향을 <100>방향으로 제작한 경우, 강도는 최대로 되었다. 또, 기판 두께가 작아질 수록 이 효과는 크고(도 14), 박형화에 의한 태양전지의 저코스트화에 유효하다. 또, 제 2 주표면에, 제 1 주표면과 90˚의 각도를 이루는 홈을 형성해도(도 11), 홈이 없는 경우와 거의 동등한 기계적 강도를 유지하는 것이 가능하여(도 15), 본 발명은, 양면 수광형의 OECO 태양전지를 제작하는 경우에도 유효한 것이 판명되었다.
본 발명의 태양전지의 제 2 구성의 작용·효과를 확인하기 위해서, 이하의 실험을 행했다.
(실시예 3)
두께 150㎛인, 붕소 도핑된 {100} p형 실리콘 기판(비저항 1Ω·cm) 제 1 주표면(이면)상에, 질화실리콘을 100nm 성막후, <110>방향에 대하여, 각각 0, 30, 45, 60, 90˚의 방향에, Disco사제의 다이서(DAD-2H/6H)를 사용하여, 평행한 홈부를 제작했다. 홈부의 폭, 깊이, 주기는 각각 450, 50, 600㎛로 했다. 이 제 1 주표면상에 전면에 알루미늄을 퇴적하여, 이면전극으로 하였다. 제 2 주표면(표면: 수광면)에는, 공지의 방법에 의해, 에미터층, 반사 방지막, 핑거 전극, 버스 바 전극을 순차로 형성하여, 편면 수광형 태양전지를 제작했다. 이들 태양전지의 변환 효율은, 각각 15∼17%였다.
이 태양전지를, 다이서를 사용하여 18×100mm2의 크기로 잘라내고, 도 12와 동일한 방식으로 3점 굽힘시험을 실시하고, 각 시험편에 대한 「휨」측정을 행했다.
도 16에, 휨의 홈부 방향 의존성을 도시한다. 홈부의 방향이 <110>방향으로부터 45˚ 즉 <100>방향에 형성된 경우에 휨은 최대가 되고, 기계적 강도에 우수한 것을 도시하고 있다.
(실시예 4)
실시예 3과 동일한, 두께 150㎛인, 붕소 도핑된 {100} p형 실리콘 기판(비저항 1Ω·cm) 이면상에, 질화실리콘을 100nm 성막후, KrF 엑시머 레이저를 사용하여 바닥있는 구멍을 복수개 형성하고, 이 바닥있는 구멍의 최근접 바닥있는 구멍끼리가 서로 일정 간격으로 직선 형상으로 되도록 배치했다. 최근접 바닥있는 구멍끼리의 간격은 600㎛, 개구부의 직경은 450㎛φ로 하고, 레이저의 출력을 조정하여(예를 들면, 레이저 에너지 밀도: 23.6J/cm2, 발진 주파수: 100Hz, 연속 조사시간: 약 2.3초), 상기 바닥있는 구멍의 깊이를 약 50㎛로 했다. 최근접 바닥있는 구멍끼리를 연결하는 직선이, 기판의 <110>방향과 이루는 각을 α˚로 놓고, α를 각각 0˚, 30˚, 45˚, 60˚ 또는 90˚의 방향으로 시료를 제작했다. 그리고, 제 1 주표면 전면에 알루미늄을 퇴적하여, 이면전극으로 했다. 표면에는, 공지의 방법에의해 에미터층, 반사 방지막, 핑거 전극, 버스 바 전극을 순차적으로 형성하여, 편면수광형 태양전지를 제작했다. 이들 태양전지의 변환 효율은, 각각 14∼17%였다.
이 태양전지를, 다이서를 사용하여 18×100mm2의 크기로 잘라내고, 실시예 3과 동일한 휨 시험을 행했다. 도 17에, 휨의 α의존성을 도시한다. α가 <110>방향으로부터 30˚ 및 60˚ 근방에서, 즉, 최근접 구멍끼리를 연결하는 방향이 <110>방향으로부터 벗어난 경우에 휨은 최대로 되고, 기계적 강도에 우수한 것을 도시한고 있다.

Claims (19)

  1. 면방위가 대략 {100}인 반도체 단결정기판의 제 1 주표면상에 서로 대략 평행한 복수의 홈이 형성되고, 각 홈의 폭방향 편측에서의 내측면에 출력 취출용의 전극이 설치된 구조를 가지고, 또한 상기 각 홈이, 상기 제 1 주표면상에서 <110>방향과 일치하지 않는 방향에 형성된 것을 특징으로 하는 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 각 홈의 형성 방향은, 이 형성 방향에 가장 가까운 <110>방향과 이루는 예각측의 각도가 4˚∼45˚인 것을 특징으로 태양전지.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 각 홈의 형성 방향은, 상기 제 1 주표면상에서 <100>방향과 평행하게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 홈은, 자신의 길이방향과 직교하는 단면에서의 외형선 형상이 직사각형, V형 및 반원형중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 홈은, 자신의 길이방향과 직교하는 단면에서의 외형선 형상이, 서로 교차하는 2개의 변부를 갖는 동시에, 그들 변부의 교차 위치에 아르가 시행된 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체 단결정기판의 제 2 주표면에, 이 상기 제 1 주표면상에서 <110>방향과 일치하지 않고, 또한 상기 제 1 주표면의 홈과 서로 교차하는 대략 평행한 복수의 홈이 형성되고, 그들 제 2 주표면측의 홈의 폭방향 편측에서의 내측면에 출력 취출용의 전극이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 2 주표면측의 홈의 형성 방향이, 상기 제 1 주표면측의 홈부의 형성 방향과 서로 대략 90˚의 각을 이루는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  8. 면방위가 대략 {100}인 반도체 단결정기판의 주표면의 적어도 어느 한측에 출력 취출용의 전극을 이루는 도전체가 충전된 형태의 충전전극 라인이 복수 형성되어 있고,
    상기 각 충전전극 라인이, 상기 주표면상에서 <110>방향과 일치하지 않는 방향에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 각 충전전극 라인의 형성 방향은, 이 형성 방향에 가장 가까운 <110>방향과의 이루는 예각측의 각도가 4˚∼45˚인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 각 충전전극 라인의 형성 방향은, 상기 주표면상에서 <100>방향과 평행한 것을 특징으로 하는 태양전지.
  11. 제 8 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체 단결정기판의 제 1 주표면에 상기 충전전극 라인이 형성되고 있고, 제 2 주표면측이 수광면으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 반도체 단결정기판의 상기 제 1 주표면상에는 절연막이 형성되어 있고, 상기 각 충전전극 라인이 상기 절연막을 관통하는 형태로, 상기 각 충전전극 라인에 충전된 도전체가 상기 반도체 단결정기판과 접촉하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 제 1 주표면상에 형성되어 있는 상기 충전전극 라인과 연이어 통하는 집전용 전극이 상기 제 1 주표면상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 집전용 전극은, 상기 제 1 주표면 전면을 덮는 형태의 피막 전극층인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 집전용 전극은 상기 충전전극 라인의 상부에, 띠 형상 또는 선형상의 형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  16. 제 13 항에 있어서, 상기 집전용 전극은 띠 형상 또는 선 형상으로 형성되어 있는 동시에, 상기 충전용 전극 라인의 형성 방향과, 4˚∼90˚의 각을 이루는 방향에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  17. 면방위가 거의 {100}인 반도체 단결정기판의 주표면의 적어도 어느 한측에 출력 취출용의 전극을 이루는 도전체가 충전된 형태의 충전전극 라인을, 그 형성 방향이 상기 주표면상에서 <110>방향과 일치하지 않는 방향에 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 반도체 단결정기판의 주표면에서 서로 대략 평행하게 되는 복수의 홈부를 형성하고, 이 각 홈부에 전극으로 되는 도전체를 충전함으로써 상기 충전전극 라인을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 반도체 단결정기판의 주표면측에서 일정 간격으로 직선 형상으로 배열하는 바닥있는 구멍을, 이 각 최근접 바닥있는 구멍끼리를 연결하는 직선의 방향이 상기 <110>방향과 일치하지 않도록 상기 주표면상에 레이저를조사하여 형성하고, 이 각 바닥있는 구멍에 전극으로 되는 도전체를 충전함으로써 상기 충전전극 라인을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
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