KR20040100405A - 폐웨이퍼를 이용한 수직형 다접합 태양전지 및 이의제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 폐웨이퍼를 이용한 수직형 다접합 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, P-형 실리콘 폐웨이퍼의 양면에 스크린 프린트를 통해서 알루미늄 층을 접합시키고, 인산(H3PO4)을 스프레이시켜서 n-도핑을 실시한 후 일괄 열처리 공정으로 알루미늄 접합과 n-도핑을 실시하여 p-n형 태양전지 웨이퍼를 제조한 다음 이의 표면을 식각에 의해 텍스처를 형성시켜 태양전지를 제조함으로써 높은 전압을 얻으면서도 소형화시킬 수 있고, 저렴한 제조비용과 자원재활용의 장점이 제공된다.
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폐웨이퍼의 양면에 p-형 반도체와 n-형 반도체를 증착시켜서 된 태양전지 단위체를 도전이 가능하도록 다수로 접합시켜서 태양전지를 제조함으로써 저렴한 제조비용으로 높은 전압을 얻으면서도 소형화시킬 수 있는 폐웨이퍼를 이용한 수직형 다접합 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 태양전지(solar cell)는 태양에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 반도체 소자로서 p-형 반도체와 n-형 반도체를 n-형의 실리콘 기판에 접합시킨 것이며 그 기본구조는 다이오드와 동일하다.
즉, p-형 또는 n-형 반도체에 빛이 입사하면 흡수되어 빛과 반도체를 구성하고있는 물질과의 상호 작용이 일어난다. 그리고 (-) 전하와 (+) 전하를 띤 전자와 정공(전자가 빠져나간 것)이 발생하여 전류가 흐르거나 전기 그 자체가 발생하기도 한다. 이것을 반도체의 광전 효과라고 한다.
상기 n형 반도체는 (-) 전하를 띤 전자를 끌어당기는 성질이 있고, p-형 반도체는 (+)전하를 띠는 정공을 끌어당기는 성질이 있다.
따라서, 접합된 반도체에서 발생한 (-) 전하는 n-형 반도체 쪽으로, (+) 전하는 p-형 반도체 쪽으로 끌어당겨져 각각 양쪽의 전극부에 모인다. 마치 건전지와 같은 상태가 되는 것이다. 양쪽의 전극을 전선으로 연결하면 전기가 흐르므로 전력을 얻을 수 있다.
그러므로 빛을 받으면 p-n 접합을 가진 반도체 속에서 빛과 물질의 상호 작용이 일어나 (+) 전하와 (-) 전하가 발생하고, 그 전하를 밖으로 방출함으로써 전기가 흐르고 그 에너지로 모터를 회전시키거나 전등을 켤 수 있는 것이다.
그런데, 종래 n-형의 실리콘 기판을 이용한 태양전지는 셀(cell) 1개당 발생될 수 있는 전압이 0.5V ∼ 0.6V이하인 바 면적을 증가해서 태양전지를 제조하더라도 전류만 증가하고 고전압의 태양전지로는 제조하기가 어려운 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 극복하여 고전압의 태양전지를 제조하기 위해 제안된 방안으로써 크게 3가지로 구분된다.
제1안은 실리콘 기판을 이용해서 평면으로 태양전지를 제조하고 레이저를 이용하여 분리시킨 후 분리된 각각의 태양전지를 후속 공정으로 금속박막을 증착시켜제조하는 방안으로써 이는 다접합이 수평형으로 이루어지는 것이며, 기존의 단결정 실리콘 태양전지를 제조한 후에 소면적으로 절단하여 태양전지를 수평적으로 연결하여 고전압을 달성하던 방법을 박막으로 처리하여 집적화하는 기술이다.
그러나, 상기 제1안은 박막을 제조하기 위한 설비와 공정이 기존 태양전지 제조공정과 동떨어져 산업화에 어려움이 있다.
제2안은 수직형 다접합으로 고전압 태양전지를 달성하기 위해서 실리콘 태양전지를 사진석판술(photo-lithograph)을 이용해서 하나의 평면에 수십개의 p-n접합된 태양전지를 형성하고, 각각의 태양전지는 고준위로 도핑(doping)된 터넬 접합을 통해서 연결하여 고전압 수직형 다접합 태양전지를 제조하는 방법인데, 이는 제조공정이 복잡한 사진석판술(photo-lithograph)을 사용하므로 저가화에 한계를 가진다.
제3안은 평판형 태양전지를 먼저 제조하고, 이를 적층하여 알루미늄 순수금속을 이용하여 다접합을 형성하고, 다이아몬드 톱(diamond saw)으로 분리하여 수직형 다접합 고전압 태양전지를 제조하는 방안인데, 이는 기존 태양전지 공정과 호환이 가능하나 현재까지는 공정시간이 길고 n-형 기판을 이용하여 2회 이상의 별도의 n-형 확산공정과 p-형 확산공정을 고온에서 20시간 이상 장시간으로 처리하여 제조하므로 고가이며 효율성이 저하되는 단점이 있었다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로, p-형 실린콘폐웨이퍼의 양면에 p-형 반도체와 n-형 반도체를 형성시켜 된 p-n형의 태양전지 단위체를 알루미늄 금속에 의해 도전이 가능한 상태로 다수로 접합시켜서 태양전지를 제조함으로써 높은 전압을 얻으면서도 소형화시킬 수 있으며, 자원재활용과 원가를 절감시킬 수 있는 폐웨이퍼를 이용한 수직형 다접합 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 폐웨이퍼를 이용한 수직형 다접합 태양전지의 제조공정을 보여주는 흐름도
도 2는 본 발명에 따른 폐웨이퍼를 이용한 수직형 다접합 태양전지의 구조를 보여주는 단면도
도 3은 본 발명에 따른 폐웨이퍼를 이용한 수직형 다접합 태양전지의 제조시 웨이퍼의 두께에 따른 효율과 충실도, 단락전류, 개방전압의 변화를 보여주는 예시도
도 4는 본 발명에 따른 폐웨이퍼를 이용한 수직형 다접합 태양전지의 제조시 기판의 비저항에 따른 효율과 충실도, 단락전류, 개방전압의 변화를 보여주는 예시도
도 5는 본 발명에 사용되는 건식식각 처리장치의 개략적인 구조를 보여주는 구성도
도 6은 도 5에서 SF6와O2가스 비율에 따른 실리콘의 식각율을 보여주는 도면
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
2 : 태양전지 4 : 태양전지 단위체
42 : p-형 실리콘 폐웨이퍼 44 : n-형 실리콘
46 : p-형 실리콘 47 : 텍스쳐
48 : 알루미늄 층 100 : 제1공정
200 : 제2공정 300 : 제3공정
400 : 제4공정 500 : 제5공정
600 : 제6공정 700 : 제7공정
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은
p-형 실리콘 폐웨이퍼의 양면에 스크린 프린트를 통해서 알루미늄을 접합시키는 한편, 인산(H3PO4)을 스프레이시켜서 n-도핑을 실시한 후 일괄 열처리 공정으로 알루미늄 접합과 n-도핑을 완성시킴으로써 높은 전압을 얻으면서도 소형화시킬 수 있는 폐웨이퍼를 이용한 수직형 다접합 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 토대로 상세하게 설명하면 다음과 같다.
첨부된 도면 중에서 도 1은 본 발명에 따른 폐웨이퍼를 이용한 수직형 다접합 태양전지의 제조공정을 보여주는 흐름도이고, 도 2는 본 발명에 따른 폐웨이퍼를 이용한 수직형 다접합 태양전지의 구조를 보여주는 단면도, 도 3은 본 발명에 따른 폐웨이퍼를 이용한 수직형 다접합 태양전지의 제조시 웨이퍼의 두께에 따른 효율과 충실도, 단락전류, 개방전압의 변화를 보여주는 예시도, 도 4는 본 발명에따른 폐웨이퍼를 이용한 수직형 다접합 태양전지의 제조시 기판의 비저항에 따른 효율과 충실도, 단락전류, 개방전압의 변화를 보여주는 예시도, 도 5는 본 발명에 사용되는 건식식각 처리장치의 개략적인 구조를 보여주는 구성도, 도 6은 도 5에서 SF6와O2가스 비율에 따른 실리콘의 식각율을 보여주는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 태양전지의 제조공정은,
p-형 실리콘 폐웨이퍼의 표면을 세척하는 제1공정(100);
p-형 실리콘 폐웨이퍼의 표면에 스크린 프린트에 의해 알루미늄(Al)을 증착시키는 제2공정(200);
상기 폐웨이퍼의 일면에 인산(H3PO4)을 스프레이 방식으로 코팅시켜서 n-도핑시킨 후 건조시켜서 p-n형 태양전지 단위체를 제조하는 제3공정(300);
상기 제3공정에서 얻은 p-n형 태양전지 단위체를 다수로 적층시켜서 태양전지 웨이퍼를 제조하는 제4공정(400);
p-n형 태양전지 단위체를 다수로 적층시켜 된 태양전지 웨이퍼를 열처리에 의해 도핑 및 금속접합을 완성시키는 제5공정(500);
완성된 태양전지 웨이퍼를 일정 크기로 절단하여 셀(Cell)형태의 태양전지를 제작하는 제6공정(600);
상기 태양전지에 대해 건식식각에 의해 집광을 위한 텍스쳐를 형성시키는 제7공정(700);을 포함하여 이루어진다.
상기 제1공정(100)에서 p-형 실리콘 폐웨이퍼(42)는 도 3에서 도시된 바와 같이, 폐웨이퍼의 두께에 따른 효율과 충실도, 단락전류, 개방전압의 변화을 비교해보았을때, 가장 적정한 수준의 두께 300㎛ ∼ 600㎛로 함이 바람직하다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 폐웨이퍼의 비저항에 따른 효율과 충실도, 단락전류, 개방전압의 변화를 비교해 보았을때, 비저항은 0.5 Ω-cm ∼ 10 Ω-cm 의 값을 갖는 폐웨이퍼를 선택함이 바람직하다.
이와 같이 선택된 상기 폐웨이퍼의 표면에 잔존하는 오염물질을 질산, 불산, 초순수 물을 혼합한 용액으로 15㎛ 이상을 5분간에 걸쳐서 제거한다.
상기 제2공정(200)은 p-형 실리콘 폐웨이퍼(42)의 표면에 알루미늄(Al) 금속층(48)을 스크린 프린트에 의해 증착시킨 후 벨트 퍼니스를 이용하여 알루미늄 금속층을 건조시킨다.
이때, 상기 스크린 프린팅된 알루미늄 금속층(48)의 두께는 15 ㎛ 이하로 함이 바람직하다.
상기 제3공정(300)은 상기 p-형 실리콘 폐웨이퍼(42)의 일면에 인산(H3PO4)을 두께가 최소 5㎛ 이상이 되도록 스프레이 방식에 의해 코팅시킴으로써 n-도핑을 실시한 후 벨트 퍼니스(Belt furnace)를 이용하여 건조시킨다.
상기 제4공정(400)은 상기 알루미늄 금속층(48)의 증착과 n-도핑이 완료된 p-n형 태양전지 단위체(4)를 다수로 적층시켜서 태양전지 웨이퍼를 제조하되, 한 개의 p-n형 태양전지 웨이퍼가 약 0.5V의 전압을 발생할 수 있는 점을 감안하여 필요한 전압만큼 다수로 적층시킨다.
본 발명의 실시예에서는 상기 p-n형 태양전지 단위체(4)의 적층갯수를 20 ~ 200개로 하였다.
상기 제5공정(500)은 상기 태양전지 웨이퍼를 벨트 퍼니스(Belt furnace)에 의해 800℃ 내외에서 10분이내로 열처리시켜서 스크린 프린팅된 알루미늄 금속층(48)이 열처리에 의해 접합되면서 적층된 태양전지 단위체(4)간에 견고한 접합이 이루어지도록 하고, 동시에 p-형 반도체의 영역을 형성시킴으로써 도핑 및 금속접합을 동시에 완성시킨다.
상기 제6공정(600)은 완성된 태양전지 웨이퍼를 멀티와이어 쏘우(mutli-wire saw)를 이용하여 두께를 10 mm 내외로 절단시켜서 셀(Cell)형태의 태양전지(2)를 제작한다.
상기 제7공정(700)은 상기 태양전지(2)의 표면에 O2와 SF6가스를 이용한 건식식각 방법에 의해 집광을 위한 텍스쳐(47)를 형성시킴으로써 태양전지(2)를 완성한다.
도 5는 상기 태양전지(2)에 대해 텍스쳐(47)를 형성시키기 위한 건식식각 장치(100)의 장비구성도를 도시한 것으로, 이의 구성과 실시과정을 살펴보면 다음과 같다.
a는 음극(Cathode)을 띠는 받침대, b는 양극(Anode)을 띠는 본체, c는 챔버의 주밸브, d는 부스터 펌프, e는 로터리 펌프, f는 가스의 전체 양을 조절하는 가스밸브, g는 SF6의 MFC(Mass Flow Controller), h는 O2의 MFC, i는 SF6의 가스이고, j는 O2가스이며, k는 계기판 및 알람조절장치, l은 챔버축의 회전을 조절하는 장치와 밸브, m은 초고주파(radio frequency : RF) 매칭 박스, n은 초고주파 전력 공급원, o는 주 전력원이다.
먼저, 상기 제6공정(600)에서 도핑과 알루미늄 접합의 일괄 열처리 공정을 끝내고 절단된 태양전지(2)를 상기 받침대(a)에 안착시킨 후 상기 건식식각 장치(100)를 작동시키면, 정적비율로 혼합된 SF6와O2가스에 의해 태양전지 웨이퍼의 절단시 손상된 표면 결함이 제거되고, 빛의 반사를 감소하는 텍스쳐(47) 형성작업이 실시된다.
본 발명의 실시예에서는 상기 SF6와O2가스의 정적비율은 도 6에 도시된 바와 같이, 식각율이 가장 높은 SF6- 90 wt% : O2- 10 wt%로 하였으며, 상기 텍스쳐(47)를 도면에서 보이듯이, 정사면체로 형성시켰으나 반드시 이에 한정되지는 않는다.
도 2는 상기 제조공정을 통해서 제조된 태양전지 웨이퍼를 이용한 수직형 다접합 태양전지(2)의 구조를 보여주는 단면도이다.
즉, 하나의 p-n형 태양전지(2)는 p-형 실리콘 폐웨이퍼(42)의 일측면에 n-형 실리콘층(44)을 형성시키고, p-형 및 n-형 실리콘층 외면에 알루미늄층(48)을 증착시켜서 태양전지 단위체(4)를 제조한 후 상기 태양전지 단위체(4)를 다수로 적층한 다음 이를 접합시켜서 태양전지 웨이퍼를 제조하고, 이를 셀(Cell)형태로 절단시켜서 태양전지(2)를 제조한다.
이렇게 완성된 태양전지(2)의 외측면에 빛의 반사를 감소시키고, 집광력을 향상시킬 수 있는 텍스쳐(47)를 형성시킨다.
이후 상기 태양전지(2)의 외부 양측면에 부착된 알루미늄층(48)에 양극 및 음극의 전선이 연결된다.
상기 태양전지 단위체(4)의 적층 갯수는 필요한 기전력에 따라 변형될 수 있는 바, 한 개의 태양전지 단위체의 발생전압이 약 0.5V인 점을 감안하여 필요한 적층 갯수를 셋팅시킨다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 폐웨이퍼를 이용한 수직형 다접합 태양전지 및 이의 제조방법은 p-형 실리콘 폐웨이퍼의 양면에 p-형 반도체와 n-형 반도체를 형성시켜 된 p-n형의 태양전지 단위체를 알루미늄 접합에 의해 도전이 가능한 상태로 다수로 접합시켜서 태양전지를 제조함으로써 높은 전압을 얻을 수 있으면서도 소형화시킬 수 있으며, 자원재활용과 원가를 절감시킬 수 있는 장점이 제공된다.
Claims (11)
- p-형 실리콘 폐웨이퍼의 표면을 세척하는 제1공정;p-형 실리콘 폐웨이퍼의 표면에 스크린 프린트에 의해 알루미늄(Al)층을 증착시키는 제2공정;상기 폐웨이퍼의 일면에 인산(H3PO4)을 스프레이 방식으로 코팅시켜서 n-도핑시킨 후 건조시켜서 p-n형 태양전지 단위체를 제조하는 제3공정;상기 제3공정에서 얻은 p-n형 태양전지 단위체를 다수로 적층시켜서 태양전지 웨이퍼를 제조하는 제4공정;p-n형 태양전지 단위체를 다수로 적층시켜 된 태양전지 웨이퍼를 열처리에 의해 도핑 및 금속접합을 완성시키는 제5공정;완성된 태양전지 웨이퍼를 일정 크기로 절단하여 태양전지를 제작하는 제6공정;상기 태양전지에 대해 건식식각에 의해 집광을 위한 텍스쳐를 형성시키는 제7공정;을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 폐웨이퍼를 이용한 수직형 다접합 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 p-형 실리콘 폐웨이퍼는 두께가 300㎛ ∼ 600㎛를 가지며, 비저항은 0.5 Ω-cm ∼ 10 Ω-cm 의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 폐웨이퍼를 이용한 수직형 다접합 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 p-형 실리콘 폐웨이퍼는 그 표면을 질산, 불산, 초순수 물을 혼합한 용액으로 15㎛ 이상을 5분간에 걸쳐서 세척함으로써 오염물질을 제거하는 것을 특징으로 하는 폐웨이퍼를 이용한 수직형 다접합 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 알루미늄 층의 두께는 15 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 폐웨이퍼를 이용한 수직형 다접합 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 인산(H3PO4)의 두께가 최소 5 ㎛ 이상이 되도록 스프레이 방식에 의해 코팅시킨 것을 특징으로 하는 폐웨이퍼를 이용한 수직형 다접합 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상게 제5공정은 상기 태양전지 웨이퍼를 벨트 퍼니스(Belt furnace)에 의해 800 ℃ 내외에서 10분이내로 열처리시킴으로써 스크린 프린팅된 알루미늄 금속층이 열처리에 의해 접합되면서 적층된 태양전지 단위체의 견고한 접합이 이루어지도록하고, 동시에 p-형 반도체의 영역을 형성시킬 수 있게 한 것을 특징으로 하는 폐웨이퍼를 이용한 수직형 다접합 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상게 제6공정은 태양전지 웨이퍼를 멀티와이어 쏘우(mutli-wire saw)를 이용하여 10 mm 내외의 두께를 갖도록 절단시켜서 셀(Cell)형태의 태양전지를 제작하는 것을 특징으로 하는 폐웨이퍼를 이용한 수직형 다접합 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 제7공정은 태양전지의 표면에 건식식각 장치에 의해 집광을 위한 텍스쳐를 형성시킨 것을 특징으로 하는 폐웨이퍼를 이용한 수직형 다접합 태양전지의 제조방법.
- 제8항에 있어서,상기 건식식각 장치는 음극(Cathode)을 띠는 받침대와, 양극(Anode)을 띠는 본체; 챔버의 주밸브, 부스터 펌프, 로터리 펌프, SF6의 MFC(Mass Flow Controller), O2의 MFC, SF6의 가스, O2가스, 계기판 및 알람조절장치, 챔버축의 회전을 조절하는 장치와 밸브, 초고주파(RF) 매칭 박스, 초고주파 전력 공급원, 주 전력원으로 구성된 것이며,상기 제6공정에서 제조된 태양전지를 상기 받침대에 안착시킨 후 정적비율의 SF6와O2가스를 이용한 건식식각에 의해 각각의 웨이퍼 표면의 절단시 손상된 표면 결함이 제거되고, 빛의 반사를 감소하는 텍스쳐 형성 작업을 실시하는 것을 특징으로 하는 폐웨이퍼를 이용한 수직형 다접합 태양전지의 제조방법.
- 제9항에 있어서,상기 SF6와O2가스의 정적비율은 90 wt% : 10 wt%로 한 것을 특징으로 하는 폐웨이퍼를 이용한 수직형 다접합 태양전지의 제조방법.
- 제1항 내지 제10항에 기재된 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 폐웨이퍼를 이용한 수직형 다접합 태양전지.
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