KR20050045047A - 친산화성 금속박막을 이용한 낮은 접촉저항과 반사방지막실리콘 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

친산화성 금속박막을 이용한 낮은 접촉저항과 반사방지막실리콘 태양전지 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 친산화성 금속박막을 이용한 낮은 접촉저항과 반사방지막 실리콘 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, p-형 실리콘 웨이퍼(100)를 준비하고(S1), 준비된 실리콘 웨이퍼의 표면을 에칭과 텍스처 처리한 후(S2), p-형 실리콘 웨이퍼(100)의 후면에 알루미늄 금속박막(200)을 증착하며(S3), p-n 접합을 위한 도핑을 행하고(S4), 도핑시 형성된 PSG층을 제거하며(S5), 습식법으로 p-형 실리콘 웨이퍼(100) 가장자리의 n도핑을 분리시키고(S6), p-형 실리콘 웨이퍼(100)의 후면에 AgAl 전극(900)을 스크린 인쇄하여 성형하며(S7), 친산화성 금속박막(500)을 p-형 실리콘 웨이퍼(100)의 전면에 증착하고(S8), p-형 실리콘 웨이퍼(100)의 전면에 Ag 전극(700)(800)을 스크린 인쇄하여 건조하고, 고온열처리(S9)하여 태양전지를 제조한다.

Description

친산화성 금속박막을 이용한 낮은 접촉저항과 반사방지막 실리콘 태양전지 및 그 제조방법{Silicon solar cell and fabrication method using easily oxidizing metal film act as a low resistance metal contact and optical anti-reflection coating}
본 발명은 친산화성 금속박막을 이용한 낮은 접촉저항과 반사방지막 실리콘 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고농도 도핑 없이도 태양전지의 효율을 향상시키기 위해 금속전극과 금속산화막을 이용하여 낮은 접촉저항을 가지는 전극기능과 반사방지막 기능을 갖는 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 실리콘 태양전지의 기판은, 실리콘 표면의 빛의 흡수를 증가시키기 위하여 표면의 빛 포획(Light Trapping)구조를 가질 수 있는 <100> 결정방향, p-형 실리콘 기판이 주로 많이 사용된다.
그리고, 이러한 p-형 실리콘 기판에 빛 에너지를 전기에너지로 변환하기 위하여 p-n 접합을 수행한다. n-형 실리콘 에미터(Emitter)를 형성하기 위한 인(Phosphorus) 도핑을 한 후, n-형과 p-형 실리콘 각각에 금속의 접촉을 통하여 외부의 부하나 시스템과 연결한다.
한편, 태양전지의 효율을 감소시키는 요소로는 저항성분, 재결합 및 광학적 손실을 들 수 있고, 광학적인 손실은, 실리콘 표면에서 빛의 반사에 의한 손실로 빛 포획이 가능한 텍스처링(Texturing) 및 반사를 방지하는 AR(Anti-Reflection) 코팅을 이용하여 개선하며, 전기적 손실요소인 재결합 성분은, 에미터 및 기판에서의 재결합, 금속접합에서의 재결합 등으로 나눌 수 있다.
따라서, 태양전지의 효율을 향상시키기 위해서는 태양전지 구조의 적당한 설계에 의하여 각 손실성분들은 최소화해야 한다. 특히, 태양전지 표면의 금속전극은 표면에서의 빛의 반사 및 직렬저항 성분에 큰 영향을 준다. 따라서, 실리콘 전면의 금속전극은 광에 의해 생성된 광전류를 흐를 수 있게 충분한 단면적을 가져야 하며, 전류를 잘 수집하기 위해서는 실리콘과 금속 간에 전류의 흐름을 방해하지 않는 오옴성 접촉(Ohmic Contact)이 이루어져야 한다. 그리고, 광전류를 외부의 부하로 전달하기 위해서는 광 생성전류가 금속전극을 따라 흐를 때, 금속전극 물질은 전기전도도가 충분히 높아 금속전극의 자체 저항 성분에 의한 손실을 최소화되어야 한다.
직렬저항에 의한 태양전지의 출력감소는 전류-전압 곡선에 의해 나타나는데, 보통 입사하는 태양광에 대하여 이용할 수 있는 전력의 직렬저항에 의한 손실은 10-20% 가량이다.
첨부도면 도 1은, 직렬저항 가변에 의한 일반적인 태양전지의 전류-전압 특성 및 변환효율의 변화를 도시한 도면으로서, 태양전지의 이상적인 직렬저항 값으로 Rs=0 일 때, 변환효율(Conversion Efficiency)은 12.2%이다. 이 셀의 직렬저항을 1∼20Ω까지 변화시키면, 변환효율은 12.2%에서 3.0%까지 변화한다.
따라서, 기존의 태양전지는 Rs=1Ω이하로 달성하도록 도핑농도, 금속접합, 금속의 두께 등을 최적화한다. 접촉저항은 태양전지 전력 형성을 위해 필수 불가결한 금속전극의 접촉에서 발생한다. 이러한 태양전지의 접촉저항을 무시할 수 있을 만큼 줄일 수 있으면서도 태양전지 광-전변환 효율을 높게 달성할 수 있는 방안이 고농도/저농도 도핑 처리된 태양전지이다.
그러나, 전극영역에는 면저항이 20Ω/square (n++) 그리고 전극이 없는 부분에는 면저항이 80Ω/square (n+) 저항을 가지고 확산한 n++와 n+ 영역들을 기존에는 상부전극 형성에 4회 이상의 공정을 수행하므로 제조단가가 상승되는 요인이 되었다.
그리고, 도 2a는, 금속전극이 스크린 인쇄된 종래의 태양전지를 도시한 도면으로서, 종래에 가장 많이 활용되고 있는 태양전지 구조를 개략적으로 나타낸 것으로 전체층이 고농도 도핑된다.
따라서, 여기서는 태양전지 전극영역과 전극 이외의 부분이 모두 30Ω/square (n++) 내외로 처리되어 금속접촉부와의 저항을 줄일 수 있으나, 고농도 표면 재결합이 증가하여 효율 향상에 한계를 가지며, 15% 이상의 에너지 변환효율을 달성하기 어렵다는 단점이 있었다.
또, 도 2b는, 도 2a의 한계 효율을 극복하기 위한 종래의 함몰형 전극접촉 타입의 태양전지를 도시한 도면으로서, 기존에 광-전변환 효율을 높게 달성할 수 있는 고준위/저준위 도핑처리된 태양전지이며, 태양전지 전극영역에는 20Ω/square (n++) 그리고 전극이 없는 부분에는 80Ω/square (n+) 저항을 가지도록 되어 있다.
종래 태양전지의 한계효율을 극복하기 위한 또다른 종래기술인 도 2b의 고농도/저농도 도핑처리를 활용한 함몰형 태양전지(BCSC : Buried Contact Solar Cell)는 적어도 4단계의 공정을 수행하여야만 하고, 이 과정에서 비교적 고가인 레이저(Laser) 장치와, 두꺼운 산화막 형성을 위한 장시간 제조공정 등이 문제가 되었으며, 각 공정마다 부수적으로 요구되는 세정작업을 포함하면 태양전지 양산과정에서 소량생산 한계와 가격의 고가를 피하기 어려운 문제점이 있었다.
이에, 본 발명은 전술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 고농도 도핑이 없는 저농도 도핑에서도 낮은 접촉저항을 가지는 금속접합을 통해서 낮은 표면재결합과 낮은 직렬저항을 이루어 태양전지의 손실을 최소화한 고효율 태양전지를 저가로 단순화된 공정으로 생산할 수 있도록 한 친산화성 금속박막을 이용한 낮은 접촉저항과 반사방지막 실리콘 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
아울러, 본 발명에서는 별도의 반사방지막을 형성할 필요없이 금속접촉 박막을 형성하고 후속의 건조과정에서 금속이 산화되어 부가적으로 반사방지막 효과를 나타낼 수 있도록 한 친산화성 금속박막을 이용한 낮은 접촉저항과 반사방지막 실리콘 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 이루기 위한 본 발명의 친산화성 금속박막을 이용한 낮은 접촉저항과 반사방지막 실리콘 태양전지는, 표면에 에칭과 텍스처 처리에 의한 피라미드 구조를 갖는 p-형 실리콘 웨이퍼와; 상기 p-형 실리콘 웨이퍼의 후면에 증착된 후면 금속박막층과; 상기 후면 금속박막층과 p-형 실리콘 웨이퍼 사이 및 p-형 실리콘 웨이퍼의 전면에 각각 도핑되어 형성된 후면전계층 및 n-형 에미터층과; 상기 후면 금속박막층에 스크린 인쇄되어 형성된 후면전극과; 상기 n-형 에미터층상에 산화되어 형성된 금속산화막층과; 상기 금속산화막층에 증착되어 형성된 친산화성 금속박막층과; 상기 금속산화막층상에 스크린 인쇄되어 형성된 전면전극;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 친산화성 금속박막을 이용한 낮은 접촉저항과 반사방지막 실리콘 태양전지의 제조방법은, p-형 실리콘 웨이퍼를 준비하는 단계와; 준비된 p-형 실리콘 웨이퍼의 표면을 에칭 및 텍스처하는 단계와; p-형 실리콘 웨이퍼의 후면에 알루미늄의 금속박막을 증착시켜 p+층의 후면전계층을 형성하는 단계와; 후면전계층과 p-형 실리콘 웨이퍼 전면의 n-형 에미터층을 접합시키기 위해 POCl3을 증기화하여 도핑하는 단계와; p-형 실리콘 웨이퍼를 BHF(Buffer HF) 용액에 담가 도핑시에 형성된 PSG층을 제거하는 단계와; HF와 HNO3 및 CH3COOH를 혼합한 용액속에 담가 가장자리의 n도핑을 분리시키는 단계와; p-형 실리콘 웨이퍼의 후면에 AgAl 전극을 스크린 인쇄하여 형성하는 단계와; n-형 에미터층상의 금속산화막층에 친산화성 금속박막을 증착시켜 형성하는 단계와; p-형 실리콘 웨이퍼의 전면에 Ag 전극으로 핑거와 버스바를 스크린 인쇄하여 형성하는 단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명의 태양전지는, 금속재료 중에서 n-형 실리콘 표면과 낮은 일함수를 형성하여 낮은 접촉저항 즉, 오옴성 접촉저항을 형성하면서도 쉽게 산화막을 형성하는 금속박막을 이용하여 태양전지 상부전극에 실리콘 표면과 접촉하도록 하면서, 동일 금속이 산화과정을 거쳐서 전극으로 사용되지 않는 부분의 금속산화막은 반사방지막의 기능을 갖도록 하여, 태양전지의 낮은 접촉저항과 입사하는 빛의 낮은 반사율을 달성한 고효율 및 저가의 태양전지인 것이다.
기존의 태양전지 제조법에서는, 태양전지 상부금속으로 은(Ag)를 이용하였고, 이러한 금속 Ag는 대기 중에서 안정하며, 태양전지 모듈 제조과정에서 사용되는 모듈전극 연결리본과 납땜성에 접촉성이 우수하지만, 은 실리콘 표면과 높은 접촉 전위장벽을 형성하므로 접촉저항을 낮추기 어렵다.
참고로, 도 6에 n-형 실리콘 표면과 금속과 접합하여 형성하는 장벽의 높이가 Ag의 경우는 오옴성 접합이 어려울 정도로 높음을 보인다. 따라서, 도 6에 나타난 금속의 종류 중에서 n-형 실리콘과 비교적 낮은 장벽을 형성하여 오옴성 접합이 쉬운 금속으로 Ti, Cr, Mg, Sn 등이 있음을 알 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
첨부도면 도 3 내지 도 7은 본 발명에 따른 태양전지 및 그 제조방법을 도시한 도면이다.
본 발명의 태양전지는 도 3에 도시된 바와 같이, 표면에 에칭과 텍스처 처리에 의한 피라미드 구조를 갖는 p-형 실리콘 웨이퍼(100)의 후면에 후면 금속박막층(200)을 증착시켜 형성하고, 상기 후면 금속박막층(200)과 p-형 실리콘 웨이퍼(100) 사이 및 p-형 실리콘 웨이퍼(100)의 전면에 후면전계층(400)과 n-형 에미터층(300)을 각각 도핑하여 형성하며, 상기 후면 금속박막층(200)에는 버스바의 후면전극(900)을 스크린 인쇄하여 형성하고, 상기 n-형 에미터층(300)상에는 금속산화막층(600)을 산화시켜 형성하며, 상기 금속산화막층(600)에는 친산화성 금속박막층(500)을 증착시켜 형성하고, 상기 금속산화막층상(600)에는 버스바와 핑거로 이루어진 전면전극(700)(800)을 스크린 인쇄하여 형성한다.
한편, 상기 후면 금속박막층(200)은 3족 원소인 알루미늄(Al) 금속으로 구성되고, 상기 후면전극(900)과 전면전극(700)(800)은 각각 AgAl과 Ag로 구성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 모듈일체형 태양전지는 다음과 같은 공정에 의해 제조된다.
첨부도면 도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 도면이다.
본 발명의 태양전지 제조는 도 5에 도시된 바와 같이, p-형 실리콘 웨이퍼(100)를 준비하는 단계(S1)와; 준비된 p-형 실리콘 웨이퍼(100)의 표면을 에칭 및 텍스처하는 단계(S2)와; p-형 실리콘 웨이퍼(100)의 후면에 알루미늄의 금속박막(200)을 증착시켜 p+층의 후면전계층(400)을 형성하는 단계(S3)와; 후면전계층(400)과 p-형 실리콘 웨이퍼(100) 전면의 n-형 에미터층(300)을 접합시키기 위해 POCl3을 증기화하여 도핑하는 단계(S4)와; p-형 실리콘 웨이퍼(100)를 BHF(Buffer HF) 용액에 담가 도핑시에 형성된 PSG층을 제거하는 단계(S5)와; HF와 HNO3 및 CH3COOH를 혼합한 용액속에 담가 가장자리의 n도핑을 분리시키는 단계(S6)와; p-형 실리콘 웨이퍼(100)의 후면에 AgAl 전극(900)을 스크린 인쇄하여 형성하는 단계(S7)와; n-형 에미터층(300)상의 금속산화막층(600)에 친산화성 금속박막(500)을 증착시켜 형성하는 단계(S8)와; p-형 실리콘 웨이퍼(100)의 전면에 Ag 전극으로 핑거(800)와 버스바(700)를 스크린 인쇄하여 형성하는 단계(S9)와; 태양전지의 성능을 검사하는 단계(S10);를 통해 완성된다.
그리고, 도 4의 (a)는, p-형 실리콘 웨이퍼(100)를 준비하고(S1), 준비된 실리콘 웨이퍼의 표면을 에칭과 텍스처 처리한 후(S2), p-형 실리콘 웨이퍼(100)의 후면에 알루미늄 금속박막(200)을 증착하는 단계(S3)까지 이루어진 태양전지를 도시한 것이다.
도 4의 (b)는, p-n 접합을 위한 도핑공정(S4)을 행하고, 도핑시 형성된 PSG층을 제거하며(S5), 습식법으로 p-형 실리콘 웨이퍼(100) 가장자리의 n도핑을 분리시키는 단계(S6)까지 이루어진 태양전지를 도시한 것이다.
도 4의 (c)는, p-형 실리콘 웨이퍼(100)의 후면에 AgAl 전극(900)을 스크린 인쇄하여 성형한 단계(S7)까지 이루어진 태양전지를 도시한 것이고, 도 4의 (d)는, 친산화성 금속박막(500)이 p-형 실리콘 웨이퍼(100)의 전면에 증착된 단계(S8)까지 이루어진 태양전지를 도시한 것이며, 도 4의 (e)는, p-형 실리콘 웨이퍼(100)의 전면에 Ag 전극(700)(800)을 스크린 인쇄하여 건조하고, 고온열처리하여 태양전지를 완성한 단계(S9)를 도시한 것이다.
이를 보다 구체적으로 설명하면, p-형 실리콘 웨이퍼 준비단계(S1)는, 다음 단계인 실리콘 표면의 에칭과 텍스처 단계를 실행하기 위해서 테프론 재질에 6mm 간격의 홈이 0.5mm 폭, 1mm 깊이로 파인 홀더에 실리콘 웨이퍼를 배치하여 준비한다.
그리고, 상기 실리콘 표면의 에칭과 텍스처 단계(S2)는, 단결정 실리콘 웨이퍼와 다결정 실리콘 웨이퍼의 두종류의 공정으로 나뉜다.
상기 단결정 p-형 실리콘 웨이퍼의 경우는, 실리콘 웨이퍼의 절단과정에서 손상을 입은 실리콘 표면의 절단 손상(Saw Damage)을 70∼85℃의 적정온도를 유지하는 2∼6% 농도의 NaOH 용액에서 2분간 가열 처리하고, NaOH 또는 KOH 용액을 이소프로필 알코올(IPA : Isopropyl Alcohol)과 초순수 증류수에 혼합하여 70∼85℃의 온도에서 텍스처된 표면의 피라미드 높이가 4 마이크로미터(Micrometer) 정도의 균일한 표면을 이루도록 25분간 가열 처리한 후, 18 메가-옴(Mega-ohm) 이상의 초순수 물로 2분간 세정한다. 그리고, 45℃의 온도를 유지하는 35% 농도의 HCl 용액에 2분간 담그어 염기용액 성분을 염산으로 중화한 후, 18 메가-옴(Mega-ohm) 이상의 초순수 물로 2분간 세정하고, 실리콘 표면에 생성된 산화막을 10% 농도의 HF 용액에서 제거한 후, 18 메가-옴(Mega-ohm) 이상의 초순수 물로 2분간 세정하고 건조시킨다.
상기 다결정 p-형 실리콘 웨이퍼의 경우는, 표면처리를 21HNO3와 16CH3COOH 및 7HF를 혼합한 용액속에서 20℃로 3분간 표면처리하고, 18메가-옴(Mega-ohm) 이상의 초순수 물로 2분간 세정한 후, 건조시킨다.
그리고, 이후의 단계는, 단결정 실리콘 웨이퍼와 다결정 실리콘 웨이퍼가 동일한 공정을 거져 제조된다.
또한, 상기 후면 금속박막층 증착단계(S3)에서는, 알루미늄(Al)의 금속박막(200)을 태양전지 후면에 증착한다.
상기와 같이 증착된 후면 금속박막(200)으로 주로 사용되는 주기율표상의 3족 원소인 알루미늄(Al)은, p-형 실리콘 웨이퍼(100)의 농도와 관계없이 저항(Ohmic) 접촉을 형성한다. 금속 알루미늄(Al)은 3족 원소로 태양전지의 제조시 열처리 과정 및 동작온도가 상승할 때 알루미늄이 p-형 실리콘 웨이퍼(100) 내부로 확산되어 후면전계층(400)인 p+ 도핑층을 형성한다. 그리고, 후면 금속박막(200)으로 사용하는 알루미늄은, 순도 99% 이상의 원재료를 진공열증발(Vacuum Thermal Evaporation) 증착으로 2∼10 마이크로미터의 두께로, 웨이퍼 가장자리에서 1mm 안쪽 후면의 모든 면적에 균일하게 형성한다.
또한, 상기 도핑단계(S4)에서는, n-형 에미터층(300)을 형성하기 위한 공정으로, POCl3의 도핑원액을 온도 24℃의 버블러에서 증기화하여 인(P)을 도핑 퍼니스로 유입시키고, 도핑 퍼니스의 온도를 875℃ 이상으로 유지한 상태에서 30분간 도핑 처리하여 열처리한다. 이때, 후면에 형성된 순수금속 알루미늄(Al)은 p-형 실리콘 웨이퍼(100)내로 확산해 들어가 후면전계층(Back Surface Field)(400)인 p+층이 20 마이크로미터까지 형성된다.
그리고, 상기 PSG층 제거단계(S5)에서는, 도핑시 형성된 PSG(Phosphorus-doped Silica Glass)층을 제거하기 위해 p-형 실리콘 웨이퍼(100)를 BHF(Buffer HF)에 1분간 담궈 전면 산화막을 제거하고, 18메가-옴(Mega-ohm) 이상의 초순수 물로 2분간 세정한 후, 실리콘 웨이퍼를 건조한다.
또한, n도핑 분리단계(S6)에서는, p-n 접합의 누설전류가 흐르지 않도록 HF와 HNO3 및 CH3COOH를 혼합한 용액속에 p-형 실리콘 웨이퍼(100)를 대략 1분 30초 정도 담가두어 측면의 n도핑을 벗겨내고, 불산에 도핑시 생성된 산화막을 제거한 후, 증류수에 세정하여 건조한다.
그리고, 상기 후면전극 성형단계(S7)에서는, p-형 실리콘 웨이퍼(100)의 후면에 AgAl 전극(900)을 형성하되, 상기 AgAl 전극(900)의 형성은 스크린 인쇄를 이용하고, 스크린 메쉬(Mesh) 320으로 15 마이크로미터의 AgAl 두께를 형성하는 압력에서 수행하여 250℃의 벨트형 IR 건조로에서 40초 내외로 건조한다.
또한, 상기 친산화성 금속박막 증착단계(S8)에서는, 순수한 금속으로 실리콘과 접촉저항 Rc가 작은 Ti, Ta, Ce, Sn, Cr, Mg 등의 물질 중에서, 순수 금속 순도 99.9% 이상의 하나의 물질을 선택하여 스퍼터 기법을 이용하여 p-형 실리콘 웨이퍼(100)의 전면에 성막한다. 이때, 산화 금속막의 두께는 금속산화막(600)의 굴절율 1.9∼2.3 사이의 값을 감안하여, 70nm∼50nm 사이 두께로 n-형 에미터층(300) 전면에 성막한다.
그리고, 상기 전면전극 성형단계(S9)에서는, p-형 실리콘 웨이퍼(100)의 전면에 Ag 전극으로 핑거(800)와 버스바(700)를 스크린 인쇄하여 형성한다.
즉, 전면 Ag 전극을 스크린 메쉬 320급으로 15 마이크로미터 정도의 두께로 스크린 인쇄하여, Ag 버스바(700)의 선폭은 2mm, Ag 핑거(800)의 선폭은 100 마이크로미터로 가장자리에서 1mm까지 형성하는 스크린 인쇄의 압력에서 수행하고, 300℃의 벨트형 IR 건조로에서 60초 내외로 건조한다.
그리고, 상기 검사단계(S10)에서는, 상기와 같이 제조된 태양전지의 성능을 검사하여 제조를 완료한다.
한편, 본 발명에서 적용하는 금속은, 일함수도 낮아야 하지만 300℃ 이하의 온도에서도 쉽게 산화하는 친산화 특성을 가지는 물질을 사용함이 바람직하다.
만약, 300℃ 이상의 온도로 가열시에는, 금속이 산화되기 보다는 TiSi, TiSi2, Ti5Si3, TaSi2, Ta5Si3, CrSi, CrSi2 실리사이드가 형성될 수 있기 때문에, 300℃ 이하의 온도에서 산화를 수행함이 바람직하다.
그리고, 상기 전면전극 성형단계(S9)의 건조과정에서 Ag 금속이 스크린 인쇄된 영역에 형성한 금속박막(500)은, Ti, Ta, Ce, Sn, Cr, Mg 중에서 하나의 물질과 Ag 층을 이루어 Ti/Ag, Ta/Ag, Ce/Ag, Sn/Ag, Cr/Ag, Mg/Ag 중의 한 가지 형태를 가진다. Ag 금속은 전면의 면적에 약 10% 내외의 점유면적을 차지하도록 함이 바람직하다. 그리고, 전면에 스크린 인쇄된 Ag 금속은 건조시에 산화를 방지하는 역할을 수행하여 낮은 접촉저항을 가지는 순수 금속(500)이 실리콘 표면과 접합하게 되지만, 전면에 Ag 금속이 인쇄되지 않은 90% 내외의 영역은 대기 중의 산소에 노출됨으로 TiO2, Ta2O5, CeO2, SnO2, Cr2 O3, MgO 중 어느 하나의 형태로 산화막(600)을 형성한다. 이와 같이 건조과정에서 형성된 TiO2, Ta2O5, CeO2 , SnO2, Cr2O3, MgO 산화막은 실리콘 표면에 반사를 방지할 수 있는 굴절율 범위 1.8∼2.4 범위를 가진다.
이와 같이 산화과정을 마치면, 스크린 인쇄된 Ag 금속을 소결하기 위해서 600℃의 벨트형 IR 건조로에서 15초 내외로 열처리하여 금속 자체가 가지는 선저항 성분을 최소화함이 바람직하다.
그리고, 600℃의 열처리온도에서 처리시간이 길어지면, TiSi, TiSi2, Ti5Si3 , TaSi2, Ta5Si3, CrSi, CrSi2 실리사이드가 형성될 수 있지만, 본 발명은 이렇게 형성된 실리사이드도 실리콘표면과 직접 접촉을 하여 낮은 일함수를 가지므로 금속 접합부에 접촉저항을 낮게 유지할 수 있다. 또한, 산화과정을 거친 금속산화막(600)은 안정한 형태로 600℃의 온도에서 열처리하여도 실리사이드를 형성하지 않는 화학적 안정성을 가진다.
한편, 본 발명에서 적용하는 물질이 형성하는 실리사이드의 금속접합 장벽은, CrSi2=0.59, TiSi2=0.60eV로 기존의 PtSi=0.85eV 보다 훨씬 낮은 값을 가지므로 오옴성 접촉이 용이하다.
그리고, 본 발명에서 적용하는 금속 Ti, Ta, Cr 등은 n-형 실리콘 표면과 오옴성 접촉을 형성하는 순수 금속의 전위장벽이 0.5eV에서 0.68eV 사이이고, 실리사이드를 형성하여도 오옴성 접촉이 된다.
도 7은, 건조과정에서 형성된 금속산화박막의 굴절율이 n=1.8에서 n=2.4까지 변화할 때 반사도의 변화를 도시한 것으로, 굴절율이 1.8에서 2.2까지 증가함에 따라서 금속산화막(600)으로 이루어진 반사방지막의 최적 두께는 70nm에서 52nm까지 감소한다.
따라서, 본 발명은, 금속재료 중에서 n-형 실리콘 표면과 낮은 일함수를 형성하여 오옴성 접촉저항을 형성하면서도 쉽게 산화막을 형성하는 금속박막을 이용하여, 태양전지의 낮은 접촉저항과 입사하는 빛의 낮은 반사율을 이룬 고효율, 저가, 태양전지를 제조할 수 있게 된다.
그리고, 하기의 표 1은 다양한 금속의 일함수(Work Function) 값을 요약한 표이고, 표 2는 다양한 반사방지막 물질의 굴절율을 나타낸 표이다. 따라서, 상기와 같이 산화금속의 굴절율에 따라서 성막되는 금속산화막(600)의 두께를 반사도가 최소화되도록 제어하여 태양전지를 제조함이 바람직하다.
금속(Metal) 일함수(eV) 금속(Metal) 일함수(eV)
Pt 5.65 Zn 4.33
Ni 5.15 Al 4.28
Pd 5.12 Ag 4.26
Au 5.1 Pb 4.25
Cu 4.65 Ta 4.25
W 4.55 Cd 4.22
Cr 4.50 Ga 4.20
Hg 4.49 In 4.12
Sn 4.42 Zr 4.05
Ti 4.33 Cs 2.41
물질(Material) 굴절율(Refractive Index) 물질(Material) 굴절율(Refractive Index)
CeO 1.95 Si3N4 1.90 ∼ 2.50
CeO2 2.30 ∼ 2.40 SiO 1.80 ∼ 1.90
Al2O3 1.80 ∼ 1.90 SiO2 1.46
Glass 1.50 ∼ 1.70 TiO2 2.30
MgF2 1.30 ∼ 1.40 Ta2O5 2.10 ∼ 2.30
MgO 1.74 ZnS 2.33
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 친산화성 금속박막을 이용한 낮은 접촉저항과 반사방지막 실리콘 태양전지 및 그 제조방법에 의하면, 사용하는 금속의 일함수가 낮으므로 저농도 도핑에서도 낮은 접촉저항을 가지는 금속접합을 통해서 낮은 표면재결합과 낮은 직렬저항을 달성하여 태양전지의 손실을 최소화한 고효율 태양전지의 제조가 가능하다.
또한, 종래에 태양전지 상부금속으로 은(Ag)을 사용할 때보다 낮은 접촉저항을 형성함으로써 직렬저항을 줄여 태양전지의 출력을 향상시키는 효과가 있다.
그리고, 금속이 쉽게 산화하는 특성을 이용하여 반사방지막 기능을 동시 수행한 태양전지의 제조가 가능함으로써 종래에 반사방지막 금속접합 등의 다단계 공정을 한 단계로 축소가능하여, 공정의 축소로 인해 생산 수율과 생산량이 기존보다 증대되는 효과가 있다.
한편, 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은, 직렬저항 가변에 의한 일반적인 태양전지의 전류-전압 특성 및 변환효율의 변화를 도시한 도면이다.
도 2는, 종래의 태양전지의 구조를 도시한 도면으로서, 도 2a는 금속전극이 스크린 인쇄된 종래의 태양전지를 도시한 도면이고, 도 2b는 함몰형 전극접촉의 종래 태양전지를 도시한 도면이다.
도 3은, 본 발명에 따른 금속전극과 금속산화막을 이용한 반사방지막이 형성된 태양전지를 도시한 도면이다.
도 4는, 본 발명에 따른 태양전지의 제조과정을 순차적으로 도시한 도면이다.
도 5는, 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법을 나타낸 블록도이다.
도 6은, n-형 실리콘 표면에 다양한 금속 접합에 따른 접합전위장벽을 도시한 도면이다.
도 7은, 반사도와 금속산화막의 상관 관계를 나타낸 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : p-형 실리콘 웨이퍼 200 : 후면 금속박막층
300 : n-형 에미터층 400 : 후면전계층
500 : 친산화성 금속박막층 600 : 금속산화막층
700 : 전면 버스바 전극 800 : 전면전극 핑거
900 : 후면 버스바 전극
S1 : p-형 실리콘 웨이퍼 준비단계
S2 : 실리콘 표면의 에칭과 텍스처 단계
S3 : 후면 금속박막층 증착단계 S4 : p-n 접합을 위한 도핑단계
S5 : PSG층 제거단계 S6 : n도핑 분리단계
S7 : 후면전극 성형단계 S8 : 친산화성 금속박막 증착단계
S9 : 전면전극 성형단계 S10 : 검사단계

Claims (6)

  1. 표면에 에칭과 텍스처 처리에 의한 피라미드 구조를 갖는 p-형 실리콘 웨이퍼(100)와;
    상기 p-형 실리콘 웨이퍼(100)의 후면에 증착된 후면 금속박막층(200)과;
    상기 후면 금속박막층(200)과 p-형 실리콘 웨이퍼(100) 사이 및 p-형 실리콘 웨이퍼(100)의 전면에 각각 도핑되어 형성된 후면전계층(400) 및 n-형 에미터층(300)과;
    상기 후면 금속박막층(200)에 스크린 인쇄되어 형성된 후면전극(900)과;
    상기 n-형 에미터층(300)상에 산화되어 형성된 금속산화막층(600)과;
    상기 금속산화막층(600)에 증착되어 형성된 친산화성 금속박막층(500)과;
    상기 금속산화막층(600)상에 스크린 인쇄되어 형성된 전면전극(700)(800);을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 친산화성 금속박막을 이용한 낮은 접촉저항과 반사방지막 실리콘 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 후면 금속박막층(200)은 3족 원소인 알루미늄으로 구성되고, 상기 후면전극(900)과 전면전극(700)(800)은 각각 AgAl과 Ag로 구성된 것을 특징으로 하는 친산화성 금속박막을 이용한 낮은 접촉저항과 반사방지막 실리콘 태양전지.
  3. p-형 실리콘 웨이퍼(100)를 준비하는 단계(S1)와;
    준비된 p-형 실리콘 웨이퍼(100)의 표면을 에칭 및 텍스처하는 단계(S2)와;
    p-형 실리콘 웨이퍼(100)의 후면에 알루미늄의 금속박막(200)을 증착시켜 p+층의 후면전계층(400)을 형성하는 단계(S3)와;
    후면전계층(400)과 p-형 실리콘 웨이퍼(100) 전면의 n-형 에미터층(300)을 접합시키기 위해 POCl3 용액을 증기화하여 도핑하는 단계(S4)와;
    p-형 실리콘 웨이퍼(100)를 BHF(Buffer HF) 용액에 담가 도핑시에 형성된 PSG층을 제거하는 단계(S5)와;
    HF와 HNO3 및 CH3COOH를 혼합한 용액속에 담가 가장자리의 n도핑을 분리시키는 단계(S6)와;
    p-형 실리콘 웨이퍼(100)의 후면에 AgAl 전극을 스크린 인쇄하여 형성하는 단계(S7)와;
    n-형 에미터층(300)상의 금속산화막층(600)에 친산화성 금속박막(500)을 증착시켜 형성하는 단계(S8)와;
    p-형 실리콘 웨이퍼(100)의 전면에 Ag 전극으로 핑거(800)와 버스바(700)를 스크린 인쇄하여 형성하는 단계(S9);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 친산화성 금속박막을 이용한 낮은 접촉저항과 반사방지막 실리콘 태양전지의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 실리콘 표면의 에칭과 텍스처 단계(S2)에서 단결정의 p-형 실리콘 웨이퍼는, 2∼6% 농도의 NaOH 용액에서 가열 처리하고, NaOH 또는 KOH 용액을 이소프로필 알코올(IPA : Isopropyl Alcohol)과 초순수 증류수에 혼합하여 텍스처된 표면의 피라미드 높이가 균일하도록 가열 처리하여 세정하며, 45℃의 온도에서 35% 농도의 HCl 용액에 담그어 염기용액 성분을 염산으로 중화하여 세정하고, 실리콘 표면에 생성된 산화막을 10% 농도의 HF 용액에서 제거하여 세정한 후 건조시키는 것을 특징으로 하는 친산화성 금속박막을 이용한 낮은 접촉저항과 반사방지막 실리콘 태양전지의 제조방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 실리콘 표면의 에칭과 텍스처 단계(S2)에서 다결정의 p-형 실리콘 웨이퍼는, 21HNO3와 16CH3COOH 및 7HF를 혼합한 용액속에서 표면처리 한 후, 세정하고 건조시키는 것을 특징으로 하는 친산화성 금속박막을 이용한 낮은 접촉저항과 반사방지막 실리콘 태양전지의 제조방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 친산화성 금속박막의 증착단계(S8)는, 친산화성 금속박막(500)을 실리콘과 접촉저항(Rc)이 작은 Ti, Ta, Ce, Sn, Cr, Mg 등의 물질 중, 순수 금속 순도 99.9% 이상의 하나의 물질을 선택하여 스퍼터 기법으로 전면에 형성하고,
    상기 전면전극 성형단계(S9)는, 전면 Ag 전극을 스크린 메쉬 320으로 15 마이크로미터의 두께로 스크린 인쇄하여, Ag 버스바(700)의 선폭은 2 mm, Ag 핑거(800)의 선폭은 100 마이크로미터로 가장자리에서 1mm까지 형성하는 압력으로 행하여, Ti/Ag, Ta/Ag, Ce/Ag, Sn/Ag, Cr/Ag, Mg/Ag 중 어느 하나의 형태를 가진 전면 금속접합을 가지면서, 동시에 전면전극(700)(800)이 인쇄되지 않은 영역에서는 대기 중의 산소에 노출됨으로 인해 TiO2, Ta2O5, CeO2 , SnO2, Cr2O3, MgO 중 어느 한 형태의 산화막(600)으로 이루어진 반사방지막이 형성된 것을 특징으로 하는 친산화성 금속박막을 이용한 낮은 접촉저항과 반사방지막 실리콘 태양전지의 제조방법.
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