KR20070015646A - 실리콘 태양전지의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘 태양전지의 제조시 P/N 접합을 포함하고 있는 실리콘 웨이퍼 상에 금속 페이스트를 사용하여 전극을 제조하는 과정에서, 탈바인더 공정, 소성 공정 및 냉각 공정을 비연속적인 별도의 챔버들에서 수행함으로써, 종래의 단일 챔버에서 급속 열처리 공정을 수행하는 방식의 문제점과 연속 이동식 롤러에 의해 다수의 챔버에서 급속 열처리 공정을 수행하는 방식의 문제점을 동시에 해결할 수 있는 실리콘 태양전지의 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 실리콘 태양전지의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 실리콘 태양전지의 제조시 P/N 접합을 포함하고 있는 실리콘 웨이퍼 상에 금속 페이스트를 사용하여 전극을 제조하는 과정에서, 탈바인더 공정, 소성 공정 및 냉각 공정을 비연속적인 별도의 챔버들에서 수행함으로써, 종래의 단일 챔버에서 급속 열처리 공정을 수행하는 방식의 문제점과 연속 이동식 롤러에 의해 다수의 챔버에서 급속 열처리 공정을 수행하는 방식의 문제점을 동시에 해결하는 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 실리콘 태양전지 제조시 전극의 형성 과정에서 높은 생산성 및 경제성을 이유로 금속 페이스트를 스크린 인쇄법(screen printing)을 이용하여 상, 하부 배선을 만든다. 이 경우에 필수적으로 금속 페이스트의 소성(firing) 공정이 필요하며, 여기에 급속 열처리 기술이 적용된다. 일반적인 열처리가 아니고 급속 열처리가 필요한 이유는 다음과 같다.
벌크형 태양전지의 제조시, P형 웨이퍼 상에 N형 도펀트(dopant)의 도핑에 의해 얇은 이미터(emitter) 접합이 만들어진다. 이러한 이미터와 베이스(base)의 접합(P/N 접합)이 태양전지의 특성을 나타낸다. 이때, 얇은 이미터를 형성하는 것이 바람직한 바, 접합시 형성되는 공핍 영역(depletion region)이 빛을 많이 받는 앞 표면에 가깝게 형성될 때, 태양전지의 효율이 증가될 수 있기 때문이다. 구체적으로, 표면 근처에서 높은 빛의 강도에 의해 태양전지에서 전기를 흐르게 하는 캐리어의 생성이 많아지며, 이렇게 생성된 캐리어가 공핍 영역에서는 거의 재결합에 의해 소멸되지 않기 때문에, 높은 전지 효율을 낼 수 있다.
그런데, 이미 생성된 P/N 접합은, 금속 전극의 형성을 위한 후속 열처리 공정에서 이미터 도펀트가 베이스 안쪽으로 더 확산됨으로써, 깊어지는 현상이 나타날 수 있다. 이를 방지하기 위해서는 도펀트 확산을 줄일 수 있는 급속 열처리 공정이 필요하다.
금속 전극은, 금속 페이스트를 스크린 인쇄법으로 패터닝한 후 페이스트 내부에 포함되어 있는 솔벤트를 제거하는 저온 공정과, 유기물, 글라스 바인더 등을 제거하는 공정('탈바인더 공정') 및 소성을 행하는 공정('소성 공정')에 의해 형성된다. 상기 솔벤트 제거를 위한 저온 공정은 상대적으로 낮은 온도의 오븐 베이크에서 행해지며, 베이킹이 끝난 후 후속 열처리 공정인 탈바인더 공정과 소성 공정 및 냉각 공정이 진행된다.
실리콘 태양전지의 전극 형성을 위한 종래의 열처리 방식은 일반적으로 단일 챔버에서 수행되며, 이들은 크게 두 가지로 분류된다.
첫번째 방식은 단일 챔버내에서 탈바인더를 위해 소정의 온도로 수초간 유지 한 후, 탈바인더가 완료되었을 때 다시 온도를 올려 소성 공정을 진행하는 방식이다. 두번째 방식은 탈바인더를 위한 일정 온도의 유지없이 바로 소성 온도까지 온도를 올리는 방식이다.
그러나, 상기 첫번째 방식은 탈바인더시 발생한 유기 성분의 흄으로 인해, 소성 공정시 온도 측정의 정확도가 저하되어 최적 조건에서의 공정 진행이 어렵다는 문제점을 가지고 있다.
그리고, 두번째 방식은 탈바인더 공정이 고온에서 진행됨으로써 태양전지의 특성을 떨어뜨린다는 단점을 가지고 있다. 금속 페이스트 내의 글라스 바인더는 적정온도 이상에서 유동성을 가져 금속과 실리콘 표면의 접착성을 향상시킬 수 있는데, 온도가 그 이상 올라가게 되면 글라스 바인더가 금속 표면으로 이동하여 금속과 실리콘 계면의 접착성이 나빠지고 접촉 저항을 증가시키는 원인이 되기 때문이다.
또한, 상기 방식들은 단일 챔버내에서 냉각을 포함한 모든 공정이 종료된 후에 웨이퍼가 챔버를 빠져 나오므로 생산성이 낮다는 문제점도 가지고 있다.
이러한 낮은 생산성을 극복하기 위하여, 미국특허 제 5,199,868호에서는 적외선 벨트 타입 퍼니스가 제안되기도 하였다. 그러나, 상기 특허의 적외선 벨트 타입 퍼니스에서 적외선 열원은 히팅 방식이 복사, 대류 및 전도를 이용하기 때문에 온도 조절이 용이하지 않고, 퍼니스의 구조가 복잡하다는 문제점을 가지고 있다.
또한, 일본특허출원공개 제2003-292154호 등에서는 후막 인쇄 기판의 열처리 장치로서, 건조로, 소성로 및 냉각장치가 연속적으로 설치되어 있고 구동장치에 의해 회전되는 다수의 반송 롤러에 상에 열처리를 위한 기판을 통과시키면서 후막 인쇄 기판을 연속적으로 열처리하는 장치가 개시되어 있다. 그러나 이러한 장치는 몇가지 문제점을 가지고 있다.
즉, 태양전지의 금속 전극 제조를 위한 급속 열처리 공정은, 앞서 설명한 바와 같이, P/N 접합이 베이스 안쪽으로 깊어지는 것을 방지할 수 있도록 적정한 소성 온도로 빠르게 승온시키고 소정의 시간 동안 소성 공정을 행한 후 빠르게 냉각시키는 것이 필요하다. 따라서, 소성 과정에서 웨이퍼의 온도를 실시간으로 측정하면서 최적의 조건으로 빠른 승온과 냉각을 수행해야 하지만, 상기 출원에서와 같은 벨트 타입 열처리 방식에서는 이동하는 웨이퍼의 정확한 온도 측정이 어려울 뿐만 아니라, 정확한 온도 제어도 실질적으로 불가능하다.
따라서, 실리콘 태양전지에서 급속 열처리 방식에 의해 더욱 효과적으로 전극을 형성할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 일거에 해결하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명의 첫번째 목적은 실리콘 태양전지의 금속 전극 제조시 최적의 조건에서 열처리를 수행함으로써 생산성이 우수하고 높은 효율의 태양전지를 제조할 수 있는 열처리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 두 번째 목적은 상기 실리콘 태양전지의 전극 형성을 위한 최적의 열처리 조건을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 실리콘 태양전지의 전극 제조방법은, P/N 접합이 형성되어 있는 실리콘 웨이퍼 상에 패터닝된 전극 제조용 금속 페이스트의 탈바인더 공정을 소정의 온도로 가열되어 있는 제 1 챔버에서 수행하고, 탈바인더 후의 웨이퍼의 소성 공정을 상기 웨이퍼의 온도를 실시간으로 측정하면서 열원의 온도를 조절하여 소정의 온도로 급속 가열할 수 있도록 구성된 제 2 챔버에서 수행하며, 소성 공정 후의 웨이퍼를 소정의 온도로 급속 냉각할 수 있도록 온도가 설정된 제 3 챔버에서 수행하는 것으로 구성되어 있고, 상기 챔버들은 서로 독립적인 별도의 챔버들로서 구성되며, 상기 소성 공정은 상기 웨이퍼가 제 2 챔버에서 정지된 상태로 소정의 시간 동안 진행되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 따른 제조방법은 탈바인더, 소성 공정 및 냉각 공정이 해당 공정의 실행을 위한 최적 조건으로 설정된 별도의 챔버들에서 수행되므로 생산성이 높고, 특히 소성 공정은 실리콘 태양전지의 전극 제조공정의 특성상 특정한 조건에서 급속 열처리를 행할 수 있도록 설정된 별도의 제 2 챔버에서 비연속적으로 수행되므로 제조된 태양전지의 효율이 매우 우수하다는 장점을 갖는다.
본 명세서에서 사용된 용어 "비연속적(non-continuous)"이란 본 발명의 제조방법 중 소성 공정에서 열처리 대상 매체가 경시적(經時的)으로 정지되는 과정이 포함됨을 의미하므로, 기타 공정들이 반드시 비연속적이어야 하는 것은 아니며, 더욱이 공정들의 연결 과정이 비연속적이어야 하는 것은 아니다. 따라서, 웨이퍼의 각 챔버간 이동은 바람직하게는 로봇에 의해 연속적으로 수행될 수 있다.
상기 챔버들은 각각 공정의 실행에 적합한 구조라면 특별히 한정되는 것은 아니다.
상기 탈바인더 공정은 제 1 챔버에서 200 내지 500℃로 2 ~ 10 초 동안 수행하는 것이 바람직하다. 처리 온도가 너무 낮거나 처리 시간이 너무 짧으면, 유기 성분이 완전히 제거되지 않으므로 바람직하지 않다. 반면에, 처리 온도가 너무 높거나 처리 시간이 너무 길면, 글라스 바인더가 금속 표면으로 이동하여 금속과 실리콘 계면의 접착성이 나빠지고 접촉 저항이 증가되므로 바람직하지 않다. 더욱 바람직하게는, 350 내지 450℃로 3 ~ 8 초 동안 수행한다.
하나의 바람직한 예에서 제 1 챔버는 하부에 열원이 설치되어 있고 상부에 후드가 설치되어 있어서, 가열에 의해 발생한 유기물, 바인더 등이 기화에 의해 상승하면서 상부의 후드를 통해 용이하게 제거될 수 있다. 제 1 챔버에서의 온도 조건은 솔벤트의 제거에도 바람직하므로, 종래의 제조방법에서 실리콘 웨이퍼 상에 금속 페이스트를 패터닝한 후 행해졌던 별도의 저온 공정(솔벤트 제거 공정)을 생략할 수 있는 장점도 있다.
소성 공정은 실리콘 태양전지의 전극 제조공정의 특성상 엄격한 조건에서 고속 열처리를 행하는 것이 필요하다. 상기 소성 공정은 제 2 챔버에서 정지상태로 2 단계, 즉, 승온단계 및 소성단계로 진행된다. 승온단계는 바람직하게는 50 내지 150℃/sec로 진행된다. 승온 속도가 너무 늦으면 고온에서의 지속 시간이 길어져서 P/N 접합이 베이스 내부로 깊어지므로 태양전지의 효율이 저하되므로 가능한 한 빠른 것이 바람직하다.
금속 성분의 소성이 행해지는 소성단계는 700 내지 1200℃로 3 내지 100 초 동안 수행하는 것이 바람직하다. 소성 온도가 너무 낮거나 소성 시간이 너무 짧으면, 불완전한 소성으로 인해 전극의 저항이 높아질 수 있으며, 반대로 소성 온도가 너무 높거나 소성 시간이 너무 길면, P/N 접합이 베이스 내부로 깊어져서 태양전지의 효율이 저하되므로 바람직하지 않다. 더욱 바람직하게는, 800 내지 1000℃로 5 ~ 30 초 동안 수행한다.
더욱 바람직하게는, 상기 소성단계 후, 동일한 챔버(제 2 챔버)에서 10 내지 30℃/초의 강온 속도로 350 ~ 500℃ 까지 강온시킨 뒤, 냉각 공정을 위한 제 3 챔버로 이동한다.
소성단계에서의 온도가 800 내지 1000℃임을 고려할 때, 이러한 강온단계는 15 내지 45 초 동안 진행될 수 있으며, 이러한 강온단계는 별도의 장치 구성없이 할로겐 램프를 끔(ramp-off)으로써 자연스러운 강온을 유도할 있다. 이와 같이, 제 2 챔버에서 소정의 온도로 강온시키면, 소성단계 후 바로 제 3 챔버에서의 냉각 공정시 발생하는 열응력(thermal stress)을 최소화시켜 태양전지의 효율을 더욱 높일 수 있다.
소성 공정은, 앞서의 설명과 같이, 웨이퍼의 온도를 실시간으로 측정하면서 열원의 온도를 조절하여 소정의 온도로 급속 가열할 수 있도록 구성되어 있는 제 2 챔버에서 수행한다. 이러한 구성의 바람직한 예로서, 제 2 챔버에는 웨이퍼 온도의 실시간 측정을 위한 고온계(pyrometer), 열원으로서의 할로겐 램프, 및 상기 고온계의 실시간 측정 결과에 따라 열원으로의 파워를 자동으로 제어하는 제어장치가 포함되어 있다.
본 발명은 독립적인 제 1 챔버에서 탈바인더 공정을 수행한 웨이퍼를 역시 독립적인 제 2 챔버에서 소성 공정을 수행하므로 흄의 발생이 없고 정지 상태에서 소성 공정을 수행하므로 고온계에 의한 정확한 온도 측정과 열원의 온도 제어가 가능하다. 또한, 열원으로서 할로겐 램프를 사용하므로 복사열 만을 이용하게 되어 온도 조절이 더욱 용이하다. 따라서 RTP 공정에 매우 적합하다. 이러한 용이한 온도 조절은, 복사열, 전도열, 대류열 등을 이용하는 적외선 벨트 타입 퍼니스에서 요구되는 가스 유동에 의한 온도 분위기 조절을 필요 없게 만든다.
하나의 바람직한 예에서, 할로겐 램프는 더욱 용이한 온도 조절과 빠른 승온을 위해 제 2 챔버의 상부와 하부에 각각 설치할 수 있다.
또한, 열원으로서 할로겐 램프 이외에 자외선 파장대를 이용하는 램프(자외선 램프)를 더 포함할 수 있는 바, 상기 자외선 램프의 추가 설치로 인해 더욱 급속한 승온을 실현할 수 있다. 자외선 램프를 사용하는 목적은 자외선에 의해 증강된 화학반응(enhanced chemical reaction)이 일어나 N+ /P 접합에 사용되는 도펀트인 phosphorus 원소의 확산 강화(enhanced diffusion)를 유발하기 때문에, 빠른 열처리 과정인 RTP에 적합하기 때문이다.
또한, 제 2 챔버는 다수의 웨이퍼를 동시에 소성할 수 있도록 둘 또는 그 이 상으로 설치할 수도 있다. 이와 같은 복수의 소성 챔버는 태양전지의 생산성을 더욱 향상시킨다.
냉각 공정은 제 3 챔버에서 수십 초, 즉 10 ~ 60 초내에 상온으로 냉각시키는 것이 바람직하다.
냉각 공정에서의 강온속도는 태양전지의 특성을 향상시키는 측면에서 빠를수록 좋으며, 바람직하게는 30 내지 100℃/sec로 설정한다. 냉각챔버는 수냉(cool water), 공냉 (cool dry air; CDA) 방식에 의해 최적의 냉각 조건으로 설정할 수 있다.
이상 본 발명의 내용을 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 제조방법은 실리콘 태양전지의 전극 제조를 위한 탈바인더 공정, 소성 공정 및 냉각 공정을 각각 최적의 조건에서 수행함으로써 전체의 생산성을 높일 수 있고, 또한 엄격한 조건에서의 급속 열처리를 요하는 소성 공정을 효과적으로 수행함으로써 최종적으로 제조된 태양전지의 효율을 더욱 높일 수 있는 효과가 있다.
Claims (16)
- P/N 접합이 형성되어 있는 실리콘 웨이퍼 상에 패터닝된 전극 제조용 금속 페이스트의 탈바인더 공정을 소정의 온도로 가열되어 있는 제 1 챔버에서 수행하고, 탈바인더 후의 웨이퍼의 소성 공정을 상기 웨이퍼의 온도를 실시간으로 측정하면서 열원의 온도를 조절하여 소정의 온도로 급속 가열할 수 있도록 구성된 제 2 챔버에서 수행하며, 소성 공정 후의 웨이퍼를 소정의 온도로 급속 냉각할 수 있도록 온도가 설정된 제 3 챔버에서 수행하는 것으로 구성되어 있고, 상기 챔버들은 서로 독립적인 별도의 챔버들로서 구성되며, 상기 소성 공정은 상기 웨이퍼가 제 2 챔버에서 정지된 상태로 소정의 시간 동안 진행되는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지의 전극 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 웨이퍼의 각 챔버간 이동은 로봇에 의해 연속적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 탈바인더 공정은 제 1 챔버에서 200 내지 500℃로 2 ~ 10 초 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 탈바인더 공정은 350 내지 450℃로 3 ~ 8 초 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 챔버는 하부에 열원이 설치되어 있고 상부에 후드가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 소성 공정은 제 2 챔버에서 정지상태로 승온단계 및 소성단계로 진행되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 승온단계는 50 내지 150℃/sec의 속도로 진행되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 소성단계는 700 내지 1200℃로 3 내지 100 초 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 8 항에 있어서, 상기 소성단계는 800 내지 1000℃로 5 ~ 30 초 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 소성단계 후, 동일한 챔버(제 2 챔버)에서 10 내지 30℃/초의 강온 속도로 350 ~ 500℃ 까지 강온시킨 뒤, 냉각 공정을 위한 제 3 챔버로 이동하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 챔버에는 웨이퍼 온도의 실시간 측정을 위한 고온계(pyrometer), 열원으로서의 할로겐 램프, 및 상기 고온계의 실시간 측정 결과에 따라 열원으로의 파워를 자동으로 제어하는 제어장치가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 할로겐 램프는 제 2 챔버의 상부와 하부에 각각 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 11 항에 있어서, 열원으로서 상기 할로겐 램프 이외에 자외선 램프가 더 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 다수의 웨이퍼에 대해 동시에 소성 공정을 수행할 수 있도록 둘 또는 그 이상의 제 2 챔버들을 이용하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 냉각 공정은 제 3 챔버에서 10 ~ 60 초내에 상온으로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 3 챔버에서의 강온속도는 30 내지 100℃/sec인 것을 특징으로 하는 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020050070089A KR20070015646A (ko) | 2005-08-01 | 2005-08-01 | 실리콘 태양전지의 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020050070089A KR20070015646A (ko) | 2005-08-01 | 2005-08-01 | 실리콘 태양전지의 제조방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20070015646A true KR20070015646A (ko) | 2007-02-06 |
Family
ID=43650069
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020050070089A KR20070015646A (ko) | 2005-08-01 | 2005-08-01 | 실리콘 태양전지의 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20070015646A (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101019639B1 (ko) * | 2009-01-30 | 2011-03-07 | 한국에너지기술연구원 | 태양전지 광흡수층용 ｃｉｓ계 화합물 박막 제조장치 |
| KR101447781B1 (ko) * | 2012-09-18 | 2014-10-07 | 주식회사 세아엔지니어링 | 염료감응 태양전지 제조를 위한 자외선 처리 장치 |
-
2005
- 2005-08-01 KR KR1020050070089A patent/KR20070015646A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| KR101019639B1 (ko) * | 2009-01-30 | 2011-03-07 | 한국에너지기술연구원 | 태양전지 광흡수층용 ｃｉｓ계 화합물 박막 제조장치 |
| KR101447781B1 (ko) * | 2012-09-18 | 2014-10-07 | 주식회사 세아엔지니어링 | 염료감응 태양전지 제조를 위한 자외선 처리 장치 |
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