KR20050098473A - 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
저렴하고도 대량 생산이 가능한 방법으로 태양전지의 전후면을 전기적으로 분리하는 에지 아이솔레이션(edge isolation) 공정을 수행하고자 한다. 이를 위해 본 발명에서는 제1도전형을 가지는 반도체 기판; 기판 후면의 에지로부터 소정폭을 제외한 기판의 표면 상에 형성되고 기판과 반대 도전형을 가지는 제2도전형의 반도체층; 제2도전형 반도체층의 적어도 일부분과 접촉하는 전면 전극; 및 기판 후면의 소정폭을 제외한 나머지 후면 상에 형성된 후면 전극을 포함하는 태양전지를 제공한다.
Description
본 발명은 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저가격으로 대량생산에 적합한 용액에칭방법을 이용한 에지 아이솔레이션(edge isolation) 방법을 이용하여 공정원가를 절감하고 공정을 단순화할 수 있는 태양전지를 제조하는 방법이다.
태양전지를 제조하기 위해서는 p형(또는 n형) 기판에 n형(또는 p형) 불순물을 도핑(emitter)하여 pn 접합을 형성한다. 수광에 의해 형성된 전자-정공 쌍은 pn접합에 의해 분리되어 전자는 n형 영역의 전극에 정공은 p형 영역의 전극에 수집되어 저력을 생산하게 된다.
pn 접합형성을 위한 공정에서 기판의 에지 부분에도 도핑이 되기 때문에, 태양전지의 전면과 후면전극이 전기적으로 연결되어 전지효율을 감소시키게 된다. 따라서, 후속 공정으로 에지의 도핑된 부분을 제거하여 전면과 후면을 서로 전기적으로 분리하는 에지 아이솔레이션(edge isolation) 공정을 진행한다.
양산공정에 적용되는 에지 아이솔레이션 공정으로는 플라즈마나 레이저를 이용하는 방법이 있다.
태양전지 제조공정에서 이미터(emitter) 형성공정은 일반적으로 p형 기판에 n형 불순물인 P를 함유한 물질을 스프레이하거나 프린팅하여 열처리 하는 방법을 이용하거나, 또는 POCl3, PH3 를 이용한 고온확산방법을 이용한다.
도 1a 내지 1d는 일반적인 태양전지 제조공정을 도시한 단면도이다. 상술한 이미터(2) 형성공정에서는 태양전지의 전면 뿐만 아니라, 에지 부분에도 도핑이 된다. 따라서, 전면 전극(3) 및 후면 전극(4)을 형성한 후에 레이저나 절단톱(dicing saw)를 이용하여 에지를 절단하거나, 도핑된 에지 부분만을 포토마스킹 방법을 이용하여 식각하거나, 또는 레이저나 금속 스크라이버를 이용하여 스크라이빙(scribing) 하여 제거하여야한다.
미국특허 4158591, 5871591, 5258077에서는 플라즈마 식각 공정을 이용하였다. 여기서는, 기판을 동전 쌓듯이 스택 구조(coin stack) 구조로 쌓아서 플라즈마 공정을 진행하는데, 이 때 플라즈마가 기판과 기판 사이로 스며들어 전면의 이미터 영역을 손상시켜 전지효율을 감소시키는 단점이 있다.
또한, 사용되는 가스에 의해 고분자류가 생성되고 에칭된 표면에 증착되어 전지효율감소의 원인이 되기도 한다.
미국특허 5082791에서는 레이저를 이용하여 도핑된 부분을 제거하여 전면과 후면을 분리하였다. 레이저를 사용하는 경우는 기판의 사면을 모두 제거해야 되기 때문에 공정시간이 길뿐만 아니라, 고온의 레이저에 의해 용융되었다가 다시 굳은 부위가 효율 손실의 원인이 되기 때문에 레이저 공정을 적용한 후에는 에칭용액으로 레이저로 손상된 부분은 제거해주어야 하는 번거로움이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 저렴하고도 대량 생산이 가능한 방법으로 태양전지의 에지 아이솔레이션공정을 수행하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 효율 저하가 최소화된 태양전지의 에지 아이솔레이션공정을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 제1도전형을 가지는 반도체 기판; 기판 후면의 에지로부터 소정폭을 제외한 기판의 표면 상에 형성되고 기판과 반대 도전형을 가지는 제2도전형의 반도체층; 제2도전형 반도체층의 적어도 일부분과 접촉하는 전면 전극; 및 기판 후면의 소정폭을 제외한 나머지 후면 상에 형성된 후면 전극을 포함하는 태양전지를 제공한다.
제2도전형의 반도체층은 기판 후면의 에지로부터 5mm 이하만큼을 제외한 기판의 전면 및 측면 상에 형성될 수 있다.
본 발명의 태양전지는 제2도전형의 반도체층 상에 형성된 반사방지막을 더 포함할 수 있다.
후면 전극 하부의 기판에는 기판 내에 도핑되어 있는 제1도전형의 불순물이 기판보다 더 높은 농도로 도핑되어 있는 고농도 불순물층이 형성될 수 있다.
이러한 본 발명의 태양전지를 제조하기 위해서는 제1도전형을 가지는 반도체 기판의 표면에 반대 도전형을 가지는 제2도전형의 반도체층을 형성하는 단계; 기판 후면의 에지로부터 소정폭을 제외한 기판의 후면 상에 후면 전극을 형성하는 단계; 기판 후면의 에지로부터 소정폭을 통해 노출된 제2도전형 반도체 층을 식각용액에 침지하여 제거하는 단계; 제2도전형 반도체층의 적어도 일부분과 접촉하는 전면 전극을 형성하는 단계를 순차 수행한다.
제2도전형의 반도체층을 제거하는 단계에서는 50-90℃로 가열된 5-10%의 KOH 또는 NaOH 중의 어느 한 알칼리 수용액 내에 침지하거나, 또는 상온의 H2NO3+HF (12:1) 혼합산 내에 침지하여 제거할 수 있으며, 이러한 식각용액에는 30초 내지 1분간 침지할 수 있다.
제2도전형의 반도체층 형성 후에는 제2도전형의 반도체층 상에 반사방지막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
후면 전극을 형성한 후에는 열처리 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에서는 pn 접합 형성 공정과 전면 반사방지막형성 공정 후에, 후면에 불순물 도핑된 부분을 에칭용액을 이용하여 제거함으로써 에지 아이솔레이션 공정을 수행하는 방법을 이용하여 태양전지를 제조한다.
도 2a 내지 2d는 본 발명에 따른 태양전지 제조방법을 도시한 단면도이다. 먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, 태양전지용 p형 기판(또는 n형 기판)(01)에 n형 불순물인 인을 도핑하여 이미터층(11)을 만들고(n형 기판사용 시 붕소도핑), 그 위에 전면반사방지막(12)을 형성한다.
다음, 도 2b에 도시된 바와 같이, 전극 및 p형 도판트인 Al(n형 기판사용 시 인)(13)을 증착 또는 프린팅하고 열처리하면, 이미터 공정에서 도핑된 인보다 고농도로 Al이 도핑되어(p+ 영역형성), 후면 전극형성 부위에 형성되었던 n형 영역이 p형으로 바뀌게 된다(compensation).
이 p형 영역의 Al농도는 기판의 도판트 농도보다 높아서 p+p의 전계(14)를 형성하여 광여기된 전자가 후면으로 이동하지 못하게 하여 전지의 효율을 증가시키는 역할을 한다. 이 때, 후면 전극형성공정에서 기판의 모서리 5mm 이내의 모서리 부분(15)에는 Al(13)을 증착 또는 프린팅하지 않도록 하는 것이 중요하다.
이 때 Al(13)을 증착하지 않는 모서리 부분(15)의 하한치는 충분한 단락이 보장될 수 있도록 조금이라도 Al 미증착부가 존재하기만 하면 된다. 따라서 굳이 수치로 한정하지 않는다.
다음, 도 2c에 도시된 바와 같이, Al(13)이 형성되지 않은 모서리 부분(15)을 에칭하여 기판(10)의 전면과 후면을 전기적으로 분리시킨다(edge isolation).
에칭은 알카리(KOH, NaOH) 수용액을 50~90℃로 가열하여 1분 에칭하여 약 2㎛ 정도의 에미터 도핑된 실리콘을 제거한다. 또는 상온에서 혼합산(H2NO3+HF)용액에서 1분 정도 에칭하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
실시예 1
먼저, 실리콘 기판을 알카리 수용액이나 혼합산 용액에 침적하여 기판 제조시 손상 입은 부분 제거와 표면의 빛 반사 손실을 줄여 주기위해서 표면에 요철을 형성하였다.
다음, 기판 표면의 금속불순물이나 유기 불순물을 크리닝 용액을 이용하여 제거하였다.
다음, POCl3를 이용한 고온확산법으로 인(P) 도핑된 이미터를 형성하였다.
다음, 인 도핑공정에서 기판 표면에 형성된 PSG층을 HF 수용액을 이용하여 제거하였다.
다음, 수광부의 빛반사 손실을 줄여주고, 실리콘 표면의 재결합손실을 줄여주기 위한 반사방지막을 형성하였다. 반사방지막으로는 플라즈마 화학기상증착(PECVD)를 이용하여 SiNx를 80nm 두께로 증착하였다.
다음, 프린팅공정을 이용하여 후면전극물질인 Al 과 Ag를 함유한 페이스트를 프린팅한다. Al 페이스트는 Ag 페이스트를 프린팅할 부분과 모서리 부분(끝단에서 5mm 이내)만 제외하고 후면 전체에 프린팅하였다. Ag 페이스트는 모듈제조시 전지들을 연결하게 되는 금속 리본을 붙일 영역에만 프린팅하였다.
다음, 고온 열처리로에서 열처리하여 후면 보상(compensation) 및 후면전계를 형성하였다.
다음, 50~90℃로 가열한 알카리 수용액(5~10% KOH, NaOH) 또는 상온의 혼합산(1:12 HF:HNO3) 용액에 30초 동안 침적하여 모서리의 인도핑된 실리콘 층을 2㎛ 정도 에칭하고, 물로 헹구고 건조하였다.
다음, 기판 전면의 전극이 될 Ag 페이스트를 프린팅하고, 열처리하여 전면전극을 형성하였다.
실시예 2
실시예 2에서는 실시예 1과 비교할 때 반사방지막 형성 단계까지는 동일하다. 그 이후에는 후면전극 물질이 되는 Al, Ag 페이스트를 프린팅하고 전면전극 물질을 프린팅하였다.
다음, 고온 열처리로에서 열처리하여 전면 전극형성과 후면 전극 및 후면 전계를 형성하였다.
다음, 50~90℃로 가열한 알카리 수용액(또는 상온의 혼합산 용액)에 1분 동안 기판을 담가서 모서리 부분을 2㎛ 정도 에칭하여 전면과 후면을 아이솔레이션시켰다.
실시예 2를 이용한 공정으로 크기 125mmX125mm의 다결정 실리콘 기판으로 변환효율이 14.36% (Voc:606mV, Isc:4.848, FF:74.8% )의 태양전지를 제작하였다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 용액에칭방법을 이용하여 에지 아이솔레이션공정을 수행하므로, 저가격이면서 양산성이 우수하며 공정이 안정하고, 재현성이 우수한 효과가 있다.
또한, 본 발명의 용액에칭방법에 의하면 태양전지의 효율 저하가 거의 없는 효과가 있다.
도 1a 내지 1d는 일반적인 태양전지 제조공정을 도시한 단면도이고,
도 2a 내지 2d는 본 발명에 따른 태양전지 제조방법을 도시한 단면도이다.
Claims (9)
- 제1도전형을 가지는 반도체 기판;상기 기판 후면의 에지(edge)로부터 소정폭을 제외한 기판의 표면 상에 형성되고 상기 기판과 반대 도전형을 가지는 제2도전형의 반도체층;상기 제2도전형 반도체층의 적어도 일부분과 접촉하는 전면 전극; 및상기 기판 후면의 소정폭을 제외한 나머지 후면 상에 형성된 후면 전극을 포함하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 제2도전형의 반도체층은 상기 기판 후면의 에지로부터 5mm 이하만큼을 제외한 기판의 전면 및 측면 상에 형성된 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 제2도전형의 반도체층 상에 형성된 반사방지막을 더 포함하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 후면 전극 하부의 기판에는 상기 기판 내에 도핑되어 있는 제1도전형의 불순물이 상기 기판보다 더 높은 농도로 도핑되어 있는 고농도 불순물층이 형성되어 있는 태양전지.
- 제1도전형을 가지는 반도체 기판의 표면에 반대 도전형을 가지는 제2도전형의 반도체층을 형성하는 단계;상기 기판 후면의 에지(edge)로부터 소정폭을 제외한 기판의 후면 상에 후면 전극을 형성하는 단계;상기 기판 후면의 에지로부터 소정폭을 통해 노출된 제2도전형 반도체 층을 식각용액에 침지하여 제거하는 단계;상기 제2도전형 반도체층의 적어도 일부분과 접촉하는 전면 전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 제2도전형의 반도체층을 제거하는 단계에서는 50-90℃로 가열된 5-10%의 KOH 또는 NaOH 중의 어느 한 알칼리 수용액 내에 침지하거나, 또는 상온의 H2NO3+HF (12:1) 혼합산 내에 침지하여 제거하는 태양전지의 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 제2도전형의 반도체층을 제거하는 단계에서는 상기 식각용액에 30초 내지 1분간 침지하는 태양전지의 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 제2도전형의 반도체층 형성 후에는 상기 제2도전형의 반도체층 상에 반사방지막을 형성하는 단계를 더 포함하는 태양전지의 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 후면 전극을 형성한 후에는 열처리 하는 단계를 더 포함하는 태양전지의 제조 방법.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application |