KR20060037042A - 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 반도체 기판의 가장자리를 제외한 기판의 전면 상에, 기판과 반대 도전형의 불순물을 함유하는 도핑물질층을 형성하는 단계; 기판을 열처리하여 도핑물질층으로부터 불순물을 기판 내로 확산시켜 이미터를 형성하는 단계; 이미터가 형성된 기판 상의 도핑물질층을 플라즈마로 식각하여 제거하되, 가장자리의 기판을 도핑물질층과 동시에 제거하여 함몰부를 형성하는 단계; 이미터의 적어도 일부분과 접촉하는 전면 전극을 형성하는 단계; 기판 후면의 적어도 일부분과 접촉하는 후면 전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조 방법을 제공한다.
플라즈마, 아이솔레이션, 태양전지
Description
도 1a 내지 1d는 일반적인 태양전지 제조공정을 도시한 단면도이고,
도 2a 내지 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조방법을 도시한 단면도이다.
본 발명은 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플라즈마 화학기상증착(PECVD : Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)을 이용하여, 이미터 확산 후에 기판 표면에 증착된 피에스지(PSG : Phosphosilicate glass)나 비에스지(BSG : Borosilicate glass)와 같은 부산물층의 제거와 에지 아이솔레이션(edge isolation) 공정을 동시에 진행하여 태양전지를 제조하는 방법에 관한 것이다.
태양전지를 제조하기 위해서는 p형(또는 n형) 기판에 n형(또는 p형) 불순물을 도핑하여 pn 접합을 형성하며, 이로써 이미터(emitter)가 형성된다. 수광에 의해 형성된 전자-정공 쌍은 분리되어 전자는 n형 영역의 전극에 정공은 p형 영역의 전극에 수집되어 전력을 생산하게 된다.
pn 접합 형성을 위한 공정에서 기판의 에지 부분에도 불순물이 도핑되기 때문에, 태양전지의 전면과 후면전극이 전기적으로 연결되어 전지효율을 감소시키게 된다. 따라서 에지의 도핑된 부분을 제거하여 전면과 후면을 서로 전기적으로 분리하는 에지 아이솔레이션(edge isolation) 공정을 별도로 진행해야 한다.
태양전지 제조공정에서 이미터(emitter) 형성공정은 일반적으로 p형 기판에 n형 불순물인 인(P)을 함유한 물질을 스프레이하거나 프린팅한 후 열처리하는 방법을 이용하거나, 또는 POCl3 또는 PH3 를 고온확산하는 방법을 이용한다.
도 1a 내지 1d는 일반적인 태양전지 제조공정을 도시한 단면도이다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 기판(1)의 전면뿐만 아니라 에지부분을 포함한 측면에도 이미터층(2)이 형성된다.
따라서 도 1b에 도시된 바와 같이, 전면 전극(3) 및 후면 전극(4)을 형성한 후에는 도 1c에 도시된 바와 같이 에지부분을 포함한 측면에 형성된 이미터층(2)을 제거하는 에지 아이솔레이션 공정을 수행한다.
에지 아이솔레이션 공정에서는 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 이용하여 에지 아이솔레이션을 수행하였다. 여기서는, 동전을 적층한 것과 같은 스택(coin stack) 구조로 기판을 쌓아서 플라즈마 공정을 진행하는데, 이 때 플라즈마가 기판과 기판 사이로 스며들어 전면의 이미터 영역을 손상시켜 전지효율을 감소시키는 단점이 있다.
또한, 사용되는 가스에 의해 고분자 부산물이 생성되었다가 에칭된 표면에 증착되어 전지효율 감소의 원인이 되기도 한다.
미국특허 5082791에서는 레이저를 이용하여 도핑된 부분을 제거하여 전면과 후면을 분리하였다. 이와 같이 레이저를 사용하는 경우는 기판의 네 면을 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.
한편, 이미터 형성공정 후에는 실리콘 기판표면에 피에스지(PSG : Phosphosilicate glass)나 비에스지(BSG : Borosilicate glass)와 같은 글래스류의 부산물층이 형성된다. 그런데 이와 같은 글래스류의 부산물층에 의해 기판 표면의 절연특성이 나빠지기 때문에 부산물층은 반드시 제거하여야 한다.
종래에는 PSG 또는 BSG와 같은 부산물층을 제거하기 위해 식각용액을 이용한 별도의 습식식각 공정을 추가로 수행해야 하므로 공정이 복잡해지는 문제가 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 저렴하고도 대량 생산이 가능한 방법으로 태양전지의 에지 아이솔레이션 공정을 수행 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 효율 저하가 최소화된 태양전지의 에지 아이솔레이션공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 제조 공정을 단순화시켜 공정 비용이 낮은 태양전지 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 반도체 기판; 기판의 가장자리에 형성되고 기판의 전면에 비해 낮은 높이를 가지는 함몰부; 기판의 전면 상에 형성된 이미터; 이미터의 적어도 일부분과 접촉하는 전면 전극; 및 기판 후면의 적어도 일부분과 접촉하는 후면 전극을 포함하는 태양전지를 제공한다.
이 때 함몰부는 기판의 가장자리가 플라즈마에 의해 식각됨으로 인해 형성될 수 있고, 이미터는 함몰부에 의해 기판의 측면으로부터 분리되는 것이 바람직하다.
함몰부가 형성된 기판의 가장자리는 0 보다 크고 5mm 보다 작거나 같은 거리에 위치할 수 있다.
또한 본 발명의 태양전지는 이미터 상에 형성된 반사방지막을 더 포함할 수 있으며, 반사방지막은 기판의 가자자리가 플라즈마에 의해 식각될 때와 동일 챔버 내에서 플라즈마 화학기상증착(PECVD)에 의해 형성된 것일 수 있다.
또한, 본 발명에서는 반도체 기판의 가장자리를 제외한 기판의 전면 상에, 기판과 반대 도전형의 불순물을 함유하는 도핑물질층을 형성하는 단계; 기판을 열처리하여 도핑물질층으로부터 불순물을 기판 내로 확산시켜 이미터를 형성하는 단 계; 이미터가 형성된 기판 상의 도핑물질층을 플라즈마로 식각하여 제거하되, 가장자리의 기판을 도핑물질층과 동시에 제거하여 함몰부를 형성하는 단계; 이미터의 적어도 일부분과 접촉하는 전면 전극을 형성하는 단계; 기판 후면의 적어도 일부분과 접촉하는 후면 전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조 방법을 제공한다.
함몰부를 형성할 때에는 기판의 에지로부터 0 보다 크고 5mm 보다 작거나 같은 거리에 있는 가장자리의 기판을 제거하는 것이 바람직하다.
이미터는 기판의 전면을 포함하여 상기 기판 측면의 일부분까지 걸쳐서 형성하였다가, 함몰부에 의해 기판의 측면으로부터 분리되는 것이 바람직하다.
도핑물질층을 제거하는 단계에서는 도핑물질층과 기판을 1:1 내지 10:1의 비율로 식각하는 조건으로 플라즈마 식각할 수 있다.
기판은 실리콘웨이퍼이고, 이미터가 형성된 기판 상의 도핑물질층은 피에스지(PSG : Phosphosilicate glass) 또는 비에스지(BSG : Borosilicate glass)일 수 있다.
도핑물질층을 제거하는 단계에서는 식각가스로서 Cl2, SF6, CF4, CHF3
, C2F6, C3F8, C2H4 중의 어느 하나와 O2를 사용하거나, 또는 Cl2, SF6, CF4, CHF3, C2F6, C
3F8, C2H4 중의 어느 하나와 O2를 사용하고 그리고 Ar 및 H2 중의 어느 하나 또는 둘 모두를 사용할 수 있다.
도핑물질층을 제거하는 단계에서는 플라즈마 발생을 위한 전력(RF power)을 400W 내지 600W로 인가하고, 압력을 200 mTorr 이하, 온도를 80℃ 이하인 조건에서 플라즈마 식각할 수 있다.
도핑물질층을 제거한 후에는 이미터 상에 반사방지막을 형성하는 단계를 수행할 수 있으며, 반사방지막을 형성할 때에는 도핑물질층을 플라즈마 식각한 챔버와 동일 챔버 내에서 플라즈마 화학기상증착(PECVD)에 의해 형성할 수 있다.
이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에서는 이미터 형성 후에 PSG 및 BSG와 같은 부산물층을 제거할 때 특정 조건의 플라즈마 식각을 수행하여 부산물층의 제거와 에지 아이솔레이션을 동시에 진행한다.
도 2a 내지 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조 방법을 도시한 단면도이다.
먼저 도 2a에 도시된 바와 같이, 제1도전형을 가지는 반도체 기판(10)의 표면에 반대 도전형을 가지는 제2도전형의 불순물로 이루어진 도핑물질층(11)을 도포한다.
기판(10)은 p형 실리콘일 수 있고 제2도전형의 불순물은 n형 불순물, 예를 들면 인(P)일 수 있다. 이하에서는 설명의 편의상, p형 실리콘 기판 및 n형 불순물인 경우를 설명하기로 한다.
즉, n형 불순물인 인을 함유한 물질로 이루어진 도핑물질층(11)을 프린팅 방법이나 스프레이 방법으로 기판(10)의 일 면 상에 도포한다. 이 때 도핑물질층(11)을 기판(10)의 가장자리, 즉, 기판의 에지(edge)로부터 소정폭을 제외한 기판의 전 면 상에 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들면 기판(10)의 에지로부터 5mm 이내의 가장자리(20)에는 도핑물질층(11)을 도포하지 않는 것이 중요하다.
이 때 도핑물질층(11)을 형성하지 않는 가장자리(20)는 충분한 단락이 보장될 수 있도록 조금이라도 도핑물질층의 미증착부가 존재하기만 하면 된다. 따라서 이 가장자리(20)는 기판(10) 에지로부터 0보다 크고 5mm 보다 작거나 같은 거리에 있다.
다음, 도 2b에 도시된 바와 같이, 기판을 열처리하여 도핑물질층(11) 내에 있는 인을 기판 내로 확산시켜 이미터(12)를 형성한다. 이 때 도핑물질층(11)을 형성하지 않은 기판의 가장자리(20)에도 열 확산에 의해 인이 도핑되어, 이미터(12)는 기판(10)을 전면을 포함하여 기판(10) 측면의 일부분에까지 걸쳐서 형성된다.
한편 인이 열 확산된 이후에 도핑물질층(11)은 PSG층(11')이 되는데, 이러한 PSG층(11')은 부산물로 남는 것이므로 제거해야 한다. 만약, 붕소를 도핑한 경우라면 부산물로서 BSG층이 남을 것이다.
다음, 도 2c에 도시된 바와 같이 플라즈마를 이용하여 PSG층(11')을 식각한다.
플라즈마를 이용하여 식각할 때 식각 가스의 유량, 챔버 내 압력, 파워 등의 공정 조건에 따라 식각 속도가 달라지는데, PSG와 기판(실리콘)이 1:1 내지 10:1의 비율로 식각되는 조건으로 식각공정을 수행한다. 따라서 PSG층(11')이 없는 가장자리(20)의 실리콘 기판도 대략 PSG층(11')의 두께의 1/10 내지 1에 해당하는 깊이만큼 식각되어 함몰부가 형성된다.
이 때 식각가스로는 Cl2, SF6, CF4, CHF3, C2F
6, C3F8, C2H4 중의 어느 하나와 O2를 사용하거나, 또는 Cl2, SF6, CF4, CHF3, C
2F6, C3F8, C2H4 중의 어느 하나와 O
2를 사용하고 여기에 Ar 및 H2 중의 어느 하나 또는 둘 모두를 혼합하여 사용할 수 있으며, 식각가스를 챔버 내에 주입한 후 플라즈마를 발생시키고 챔버 내 압력 및 온도를 적정 범위로 조절한다.
예를 들어 식각가스로서 C2F6 가스와 O2 가스를 사용하는 경우, C2
F6 가스를 20 sccm의 유량으로 흘려주고, O2 가스를 20 sccm의 유량으로 흘려줄 수 있다.
챔버 내부의 압력은 200 mTorr 이하, 온도는 80℃ 이하, 플라즈마 발생을 위한 전력(RF power)을 400W 내지 600W로 인가한다.
이와 같이 가장자리(20)의 실리콘 기판이 식각되면서 기판(10)의 전면에 형성된 이미터(12)는 기판(10)의 측면으로부터 분리되며, 이로써 에지 아이솔레이션이 실현된다.
이후에는, 도 2d에 도시된 바와 같이 기판(10)의 전면에 전면 반사방지막(13)을 형성하고, 이미터(12)의 적어도 일부분과 접촉하는 전면 전극(14) 및 기판(10) 후면의 적어도 일부분과 접촉하는 후면 전극(15)을 형성하며, 이로써 태양전지의 제조를 완료한다.
이 때 전면 반사방지막(13)으로는 SiNx를 플라즈마 화학기상증착(PECVD)으로 증착할 수 있는데, 이 경우 PSG층(11')의 제거를 위한 플라즈마 챔버 내에서 연속 적으로 SiNx를 증착하여 공정을 더욱 단순화할 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
실시예
먼저, p형 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 클리닝 용액을 이용하여 제거하였다.
다음, 인을 함유한 물질을 기판의 전면에 프린팅한 후 열처리 하여 이미터를 형성하였다. 이 때 기판의 에지로부터 5mm까지의 가장자리를 제외한 기판 전면에 인을 함유한 물질을 프린팅하였다.
다음, 기판을 열처리하여 불순물을 기판 내로 확산시켜 이미터를 형성하였다.
다음, 이미터 형성 후에 기판 전면에 잔류하는 PSG층을 제거하기 위해, 기판을 챔버 내에 장착하고 식각가스로서 C2F6 및 O2를 각각 20 sccm으로 챔버 내에 흘려주며 RF power를 500W로 인가하여 플라즈마를 발생시켰다. 이 때 챔버 내부의 압력은 200 mTorr로 하였고, 온도는 50℃로 하였다.
그 결과 PSG층은 약 60nm/분의 속도로 식각되고, 가장자리의 실리콘 기판은 약 30nm/분의 속도로 식각되었으며, 기판의 전면에 형성된 이미터가 기판의 측면으 로부터 분리되면서 에지 아이솔레이션이 실현되었다.
다음, 수광부의 빛반사 손실을 줄여주고, 실리콘 표면의 재결합손실을 줄여주기 위한 반사방지막을 형성하기 위해, 동일 챔버 내에서 연속적으로 PECVD 방법에 의해 기판의 전면에 SiNx를 80nm 두께로 증착하였다.
다음, 후면전극물질인 Al 과 Ag를 함유한 페이스트를 기판의 전면에 프린팅하고, 전면전극이 될 Ag 페이스트를 프린팅한 후, 열처리하여 후면전극 및 전면전극을 형성하였다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 플라즈마 식각 공정으로 PSG층을 제거하면서 에지 아이솔레이션을 동시에 수행하므로, 별도의 에지 아이솔레이션 공정을 수행할 필요가 없어져 태양전지의 공정을 단순화한 효과가 있다.
또한, 종래 PSG층 제거를 위해 수행하였던 불산을 이용한 습식식각을 본 발명의 건식식각으로 대체함으로 인해 공정 비용을 낮추는 효과가 있다.
그리고 플라즈마를 이용한 PSG층 식각 공정은 대량생산에 적합하므로 대량생산에 유리한 태양전지 제조 방법을 제공하는 효과가 있다.
Claims (14)
- 반도체 기판;상기 기판의 가장자리에 형성되고 상기 기판의 전면에 비해 낮은 높이를 가지는 함몰부;상기 기판의 전면 상에 형성된 이미터;상기 이미터의 적어도 일부분과 접촉하는 전면 전극; 및상기 기판 후면의 적어도 일부분과 접촉하는 후면 전극을 포함하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 함몰부는 상기 기판의 가장자리가 플라즈마에 의해 식각됨으로 인해 형성된 것이며,상기 이미터는 상기 함몰부에 의해 상기 기판의 측면으로부터 분리된 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 함몰부가 형성된 가장자리는 상기 기판의 에지로부터 0 보다 크고 5mm 보다 작거나 같은 거리에 있는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 이미터 상에 형성된 반사방지막을 더 포함하는 태양전지.
- 제 4 항에 있어서,상기 반사방지막은 상기 기판의 가장자리가 플라즈마에 의해 식각될 때와 동일 챔버 내에서 플라즈마 화학기상증착(PECVD)에 의해 형성된 것인 태양전지.
- 반도체 기판의 가장자리를 제외한 기판의 전면 상에, 상기 기판과 반대 도전형의 불순물을 함유하는 도핑물질층을 형성하는 단계;상기 기판을 열처리하여 상기 도핑물질층으로부터 불순물을 상기 기판 내로 확산시켜 이미터를 형성하는 단계;상기 이미터가 형성된 기판 상의 도핑물질층을 플라즈마로 식각하여 제거하되, 상기 가장자리의 기판을 상기 도핑물질층과 동시에 제거하여 함몰부를 형성하는 단계;상기 이미터의 적어도 일부분과 접촉하는 전면 전극을 형성하는 단계;상기 기판 후면의 적어도 일부분과 접촉하는 후면 전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 함몰부를 형성할 때에는 상기 기판의 에지로부터 0 보다 크고 5mm 보다 작거나 같은 거리에 있는 가장자리의 기판을 제거하는 태양전지의 제조 방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 이미터는 상기 기판의 전면을 포함하여 상기 기판 측면의 일부분까지 걸쳐서 형성하며,상기 이미터는 상기 함몰부에 의해 상기 기판의 측면으로부터 분리되는 태양전지의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 도핑물질층을 제거하는 단계에서는 상기 도핑물질층과 기판을 1:1 내지 10:1의 비율로 식각하는 조건으로 플라즈마 식각하는 태양전지의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 기판은 실리콘웨이퍼이고, 상기 이미터가 형성된 기판 상의 도핑물질층은 피에스지(PSG : Phosphosilicate glass) 또는 비에스지(BSG : Borosilicate glass)인 태양전지의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 도핑물질층을 제거하는 단계에서는 식각가스로서 Cl2, SF6, CF4, CHF 3, C2F6, C3F8, C2H4 중의 어느 하나와 O2를 사용하거나, 또는 Cl2, SF6, CF4, CHF3, C 2F6, C3F8, C2H4 중의 어느 하나와 O2를 사용하고 그리고 Ar 및 H2 중의 어느 하나 또는 둘 모두를 사용하는 태양전지의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 도핑물질층을 제거하는 단계에서는 플라즈마 발생을 위한 전력(RF power)을 400W 내지 600W로 인가하고, 압력을 200 mTorr 이하, 온도를 80℃ 이하인 조건에서 플라즈마 식각하는 태양전지의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 도핑물질층을 제거한 후에는 상기 이미터 상에 반사방지막을 형성하는 단계를 더 포함하는 태양전지의 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 반사방지막을 형성할 때에는 상기 도핑물질층을 플라즈마 식각한 챔버와 동일 챔버 내에서 플라즈마 화학기상증착(PECVD)에 의해 형성하는 태양전지의 제조 방법.
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