KR20050057838A

KR20050057838A - 태양전지용 Ｓｉ웨이퍼

Info

Publication number: KR20050057838A
Application number: KR1020030090043A
Authority: KR
Inventors: 오츠끼에츠오
Original assignee: 삼화전자공업 주식회사
Priority date: 2003-12-11
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2005-06-16

Abstract

본 발명은 태양전지용 기판을 분말 야금법에 의하여 압착 소결하여 구성함으로써, 태양전지용 기판의 제조비용을 저렴하게 하고, 기판의 공급을 안정적으로 하는데 목적이 있다.

상기 목적 달성을 위하여 본 발명은 0.5㎛∼7.2㎛의 입경을 갖는 Si 분말에 폴리비닐부틸알, 장뇌, 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌글리콜, 파라핀 중 어느 하나의 유기물질을 결합제로 첨가하여 혼합한 후 분말 야금법에 의하여 태양전지용 Si 웨이퍼를 제조하되, 그 소결체의 평균 공극은 2㎛ 이하, 소결밀도는 90% 이상, 산소함유량은 10,000ppm 이하가 되도록 구성한다.

Description

태양전지용 Ｓｉ 웨이퍼{Si-wafer to solar cell}

본 발명은 다결정 Si 웨이퍼를 이용하는 태양전지의 기판 및 그 제조방법에 관한 것이고, 특히, 실리콘 원료의 적용 범위가 넓고, 저렴한 코스트로 제조할 수 있는 태양전지용 다결정 Si 웨이퍼를 제공하는 것에 관한 것이다.

근래에는 환경파괴, 지구 온난화, 석유 고갈 등의 문제 때문에 화력 발전, 원자력 발전에 대체되는 에너지 개발이 급증하고 있다.

태양 에너지의 활용은 상기 문제 해결에 가장 적합할 것이라는 것은 이전부터 알고 있었지만 그 발전 코스트가 높기 때문에 보급에 장애 요인이 되어 왔다.

특히, 발전 모듈의 높은 코스트를 야기하는 그 근본 원인은 Si 웨이퍼의 제조 가격 때문이다.

발전 효율의 관점에서는 고순도 실리콘을 이용한 단결정 Si 웨이퍼의 적용이 가장 우수하지만 코스트의 관점에서는 다결정 Si 웨이퍼가 보다 현실적이다.

현재 다결정 Si 웨이퍼를 이용하는 태양광 발전장치의 수요가 확대되고 있는 추세이지만 이 경우에도 다결정 Si 웨이퍼의 가격과 공급의 안정이 문제점으로 부각되고 있고, 종래의 발전 시스템을 대폭 치환할 수 있는 상황에는 이르지 못하고 있다.

공유결합으로 이루어진 Si은 소결이 어려워 용해를 거치지 않는 분말 야금법으로는 고밀도 소결체를 얻을 수 없다는 선입관 때문에 태양전지용 다결정 Si 웨이퍼는 주로 반도체 디바이스 제조공정에서 발생한 실리콘 웨이퍼의 잔존물을 용해하여 잉곳(ingot)을 만들고, 그것을 절단, 연마하여 태양전지용 Si 웨이퍼로 공급하고 있다.

그러나, 상기 잉곳과정을 거쳐 제조되는 Si 웨이퍼는 잉곳 후 연마 절단하는 과정을 거쳐야 되고, 그 연마 절단과정에서 발생하는 높은 제조 코스트가 큰 문제점이다. 또, 원료를 주로 반도체 디바이스 공정에서 발생한 Si 웨이퍼의 잔존물에 의존하기 때문에 원료 발생량은 반도체 디바이스의 생산량 추이에 의하여 결정되므로 반대로 태양전지 수요가 있어도 반도체 디바이스 생산량이 적으면 수요에 용이하게 대응할 수 없는 문제점이 발생한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 현재의 다결정 Si 웨이퍼의 제조방법에 기인하는 높은 코스트 및 다결정 Si 웨이퍼의 공급량의 불안정을 동시에 해결하는 새로운 태양전지용 고밀도 Si 웨이퍼를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적 달성을 위하여 본 발명은 Si 분말을 용해하는 과정을 거치지 않고, 분말 야금법에 의하여 Si 웨이퍼를 제조한다.

Si 웨이퍼를 분말 야금법에 의하여 제조하는 경우 공유결합으로 이루어진 Si의 소결이 어려워 고밀도 소결체를 얻을 수 없는 종래의 문제점은 Si원료 분말의 입도조정 및 절절한 바인더(결합제)의 첨가, 소결공정 등의 제반 요건을 조절하여 해결한다.

본 발명은 0.5㎛∼7.2㎛의 입경을 갖는 Si 분말에 결합제를 첨가하여 혼합한 후 분말 야금법에 의하여 소결되는 태양전지용 Si 웨이퍼에 있어서, 그 소결체의 소결밀도가 90% 이상이고, 산소함유량이 10,000ppm이하이고, 그 소결체의 평균 공극이 2㎛가 되도록 구성한다.

상기 태양전지용 Si 웨이퍼는 0.5㎛∼7.2㎛의 입경을 갖는 Si 분말에 폴리비닐부틸알(PVB: poly vinyl buthyral), 장뇌(camphor), 폴리에틸렌글리콜(PEG: polyethylene glycol), 폴리비닐알콜(PVA: poly vinyl alcohol), 파라핀(paraffin) 등의 유기 바인더(결합제)를 넣어 혼합 건조하는 과정을 거친다. 상기 건조된 혼합물은 1∼3ton/㎠의 압력을 가하여 금형 성형하고, 비산화 분위기(수소 분위기) 내에서 1300∼1400℃로 1∼10시간정도 소결하여 태양전지용 실리콘 웨이퍼로 제조된다.

상기와 같이 Si 분말의 입경과, 그 Si 분말 내에 불순물로 첨가되는 유기 결합제의 양을 적절히 컨트롤함으로써 Si 웨이퍼의 반도체 특성 열화를 억제할 수 있고, 태양전지용 기판에 효율적으로 이용할 수 있는 고밀도 실리콘 웨이퍼를 얻는다.

본 발명은 분쇄, 결합제 혼합, 성형, 소결을 과정을 거쳐 이루어지는 분말 야금 공정에 있어서, 고밀도 소결체를 얻기 위한 조건 중 특히, 태양전지용 Si 웨이퍼의 특성을 확보하기에 적합한 결합제에 주목한다.

태양전지의 성능에 영향을 미치는 인자를 여러 가지로 검토한 결과, 무기 결합제는 소결체의 순도를 열화시켜 반도체 특성을 저하시키는 것을 발견하였다.

반면에, 유기 결합제 중에서 특정한 화합물 및 분자량의 범위를 특정하는 것에 의하여 고밀도 실리콘 웨이퍼를 제조하는 성형 공정의 컨트롤이 가능하고, 또, 실리콘 웨이퍼의 반도체 특성 열화를 억제하는 것이 가능하다는 것을 발견하였다.

즉, 폴리비닐부틸알(PVB: poly vinyl buthyral), 장뇌(camphor), 폴리비닐알콜(PVA: poly vinyl alcohol), 폴리에틸렌글리콜(PEG: polyethylene glycol), 파라핀(paraffin) 중 선택되는 적어도 1종류 또는, 그 혼합물을 분말 실리콘 재료의 결합제로 이용하는 것이 본 발명의 제1의 조건이 된다.

또, 각 화합물을 이용한 성형체의 강도, 소결체에 포함되는 불순물, 소결체를 이용한 태양전지 셀의 광전기 변환 효율의 측정결과에 의하여 태양전지용 Si 웨이퍼에 적합한 각 화합물의 분자량을 도출할 수 있다.

또, 본 발명의 태양전지용 실리콘 웨이퍼는 절단가공을 실시할 필요가 없고, 그대로 기계연마 또는 화학처리에 의한 표면 청정화를 하는 것만으로 태양전지용 웨이퍼로 이용할 수 있다.

또, Si 웨이퍼 표면을 일부 용해하여 대결정화 및 고순도화함으로써 광전기 효율을 더한 층 향상시킬 수 있다.

또, Si의 적용원료 분말은 반도체 디바이스 공정으로부터 발생한 실리콘 분말이나 잔존물이어도 상관 없지만, Si 정련공정의 Si화합물 분해과정에서 부산물로 발생하는 Si 분말을 적용함으로써 원료의 안정적 확보 및 고효율화를 꾀할 수 있다.

또, 소결체 밀도는 높을수록 그 특성 및 효율이 높아지지만 소결 조건과의 균형상 상대밀도(소결체 밀도의 이론밀도에 대한 비율)가 90% 이상이 되도록 하는 것이 바람직하다.

그리고, 그 밀도는 분말 입도를 7.2㎛이하로 하는 것과 수소분위기 혹은 10∼100vol% 수소를 포함하는 불활성 분위기에서 1300∼1400℃로 1∼10시간 동안 소결하여 얻는다.

또, 상기 결합제 중 PVB는 중합도가 1000∼2000인 것을 이용하고, 파라핀은 45∼80℃의 융점을 갖도록 분자량이 조성된 것을 이용한다.

또, 아래 실시예에서는 소결체에 직접 태양전지의 Si 웨이퍼를 구성한 실험예를 기술하였지만, 더 나은 효율 개선을 위하여 일부를 용해함으로써 결정립 및 불순물 분포를 제어하는 방법으로 소결체를 적용하는 것도 유효하다.

이하, 실시예에서 본 발명의 태양전지용 Si 웨이퍼의 기술적 구성 및 제조과정을 구체적으로 설명한다.

실시예1

에탄올을 분산매로 하고 평균입경 8㎛ Si 분말을 볼밀 분쇄하여 각각 평균입경이 0.5㎛, 0.7㎛, 1.4㎛, 2.1㎛, 3.0㎛, 4.8㎛, 5.7㎛, 7.2㎛(일본 島津製作所의 레이저 회절-산란식 입도분포 측정기로 측정)의 Si 분말을 제조하였다.

이어서, 상기 각각의 Si 분말에 파라핀(paraffin)을 1.5wt% 첨가하여 가열 용해하여 혼합하고 건조시킨 후, 1ton/㎠의 압력을 가하여 70mm x 70mm x 2mm의 성형체의 각 시료를 제조하였다.

이어서, 상기 성형체를 10∼100vol% 수소를 포함하는 불활성 분위기에서 1360℃로 5시간 동안 소결하였다.

상기 소결 과정에 의하여 성형체는 약 56mm x 56mm x 1.6mm 정도로 수축되었고, 그 소결체의 표면을 그라인딩 처리하여 약 56mm x 56mm x 1.mm의 Si 웨이퍼 소결체의 시료를 각각 제조하였다.

상기 각각 형성된 소결체는 밀도, 평균공극, 굴곡강도, 연마시 파손상태 등을 측정하여 표 1에 정리하였다.

상기 소결체의 밀도는 실리콘의 이론밀도(眞密度)를 2.3g/cc로 하고, 그 이론 밀도로 소결체의 실측 밀도를 나누어 백분율로 환산하여 측정하고, 소결체의 굴곡 강도는 소결체를 30mm x 3mm x 1mm으로 절단하여 가공한 후 스판(span)길이가 20mm로 설정된 측정기에 올려놓고 그 중앙부를 눌러(3점 굴곡강도 시험) 강도를 측정하였다.

Si평균입경(㎛)	0.5	0.7	1.4	2.1	3.0	4.8	5.7	7.2
소결체 평균공극(㎛)	0.8	0.8	1.0	1.3	1.4	1.7	2.5	4
소결체 밀도 %	96.5	94	93	92	92	90	89	87
굴곡강도 MPa	200	230	210	220	120	90	60	50
연마시 파손 상태	없음	없음	없음	없음	반파	반파	파손	파손

상기 측정 결과에 의하면 Si 분말의 평균 입경이 5㎛보다 작게 되면 소결체 밀도가 향상되고, 공극 조직의 미세화가 이루어지고, 일정한 강도가 얻어지는 것을 확인할 수 있다.

특히, Si 분말의 평균 입경이 2㎛보다 작을 때 소결체의 강도가 크게 향상되는 것을 알 수 있다.

실시예 2

에탄올을 분산매로 하고 평균입경 8㎛ Si 분말을 볼밀 분쇄하여 각각 평균입경이 1㎛인 Si 분말을 제조하였다.

이어서, 비산화 분위기 내에서 표 2와 같은 조건을 적용하여 실시예 1과 같은 방법으로 Si 웨이퍼 소결체의 시료를 제조한 후, 각각의 소결체의 산소 함유량을 측정하였다.

또, 제조된 Si 웨이퍼 소결체를 0.5mm 두께로 연마한 후, 산으로 세척 처리하고, 고상반응법에 의하여 n⁺ 및 p⁺층을 형성하고, 도 1과 같은 구조의 태양전지용 셀을 제작하여 태양광 변환효율을 측정하였다. 도 1에 있어서 도면 부호 1은 n⁺ 및 p⁺층, 2는 집전전극, 3은 투명전극막을 나타낸다.

분말처리 조건	소결체 산소량(ppm)	태양광 변환효율(%)
건조 및 Si성형체의 노(爐) 투입은 대기 중에서 실시	32,000	1
Si분쇄 분말을 Ar분위기 내에서 건조하고, Si성형체의 노 투입은 대기 중에서 실시	8,600	6.2
건조 및 Si성형체의 노 투입은 Ar분위기 내에서 실시	3,000	8.1

상기 실험 결과에 의하여 비산화분위기 내에서 Si 웨이퍼의 분말 처리를 하는 것이 유효하다는 것을 확인하였다.

실시예 3

실시예 2에 있어서, 분말처리 분위기의 산소농도 관리, 건조, 결합제 혼합, 성형, 성형체의 노 투입 공정 등을 엄격하에 컨트롤 하여 소결체의 산소량이 표 3과 같이 얻어지도록 시료를 제조하고, 그 시료에 대한 태양광 변환효율을 측정하였다.

소결체산소량(ppm)	32,000	21,000	14,000	11,000	8,600	6,000	4,300	3,000
광전기변환효율(%)	1	1	1,7	2	6.2	7.2	6.8	8.1

본 실험 결과 소결체의 산소 함유량이 10,000ppm 이하가 되었을 때 Si 웨이퍼의 태양광 변환효율이 좋아지는 것을 알 수 있다.

본 발명은 0.5㎛∼7.2㎛의 입경을 갖는 Si 분말에 폴리비닐부틸알(PVB: poly vinyl buthyral), 장뇌(camphor), 폴리에틸렌글리콜(PEG: polyethylene glycol), 폴리비닐알콜(PVA: poly vinyl alcohol), 파라핀(paraffin) 등으로 된 결합제를 첨가하여 혼합한 후 분말 야금법에 의하여 소결되는 태양전지용 Si 웨이퍼를 구성한다. 특히, 상기 소결체는 비산화 분위기 내에서 작업이 이루어져 소결밀도가 90% 이상이고, 산소함유량이 10,000ppm이하이고, 그 소결체의 평균 공극이 2㎛가 되도록 구성하도록 한다.

따라서, 본 발명의 분말 야금법을 적용하면 실리콘 재료의 공급을 용이하게 할 수 있을 뿐만 아니라, 저렴한 비용으로 태양전지용 실리콘 웨이퍼를 제공하는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 태양전지의 구조를 나타내는 도면이다.

Claims

0.5㎛∼7.2㎛의 입경을 갖는 Si 분말에 결합제를 첨가하여 혼합한 후 분말 야금법에 의하여 소결되는 태양전지용 Si 웨이퍼에 있어서, 그 소결체의 소결밀도가 90% 이상이고, 산소함유량이 10,000ppm이하가 되도록 구성된 것을 특징으로 하는 태양전지용 Si 웨이퍼.
제1항에 있어서,

상기 소결체의 평균 공극은 2㎛ 이하 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 태양전지용 Si 웨이퍼.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 결합제는 폴리비닐부틸알(PVB: poly vinyl buthyral), 장뇌(camphor), 폴리비닐알콜(PVA: poly vinyl alcohol), 폴리에틸렌글리콜(PEG: polyethylene glycol), 파라핀(paraffin) 중 선택되는 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지용 Si 웨이퍼.