KR20080100057A - 결정질 실리콘 태양전지의 제조방법과 그 제조장치 및시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 결정질 실리콘 기판을 준비하는 제1단계; 상기 기판의 표면에 광흡수율을 높이기 위한 요철을 플라즈마를 이용하여 형성하는 텍스쳐링(texturing)을 실시하는 제2단계; 상기 기판에 PN접합을 형성하기 위하여 플라즈마 이온 도핑을 실시하는 제3단계; 상기 제3단계에서 도핑된 이온을 활성화시키기 위해 상기 기판을 가열시키는 제4단계; 상기 플라즈마 이온 도핑에 의해 형성된 도핑층의 상부에 반사방지막을 형성하는 제5단계; 상기 기판의 전면과 후면에 각각 전면전극과 후면전극을 형성하는 제6단계를 포함하는 결정질 실리콘 태양전지의 제조방법과 이를 위한 제조장치 및 제조시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 결정질 실리콘 태양전지를 제조함에 있어서 텍스쳐링 공정과 이온 도핑공정을 동일 챔버에서 수행하거나 각 공정에 대응하는 챔버를 연속적으로 배치함으로써 태양전지 제조시스템의 풋프린트(footprint)를 감소시켜 원가절감효과를 얻을 수 있다.
태양전지, 결정질 실리콘
Description
도 1은 종래 결정질 실리콘 태양전지의 제조과정을 나타낸 공정순서도
도 2a 내지 도 2e는 종래 결정질 실리콘 태양전지의 제조과정을 나타낸 공정단면도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 결정질 실리콘 태양전지의 제조방법
도 4a 내지 도 4f는본 발명의 실시예에 따른 결정질 실리콘 태양전지의 제조과정을 나타낸 공정단면도
도 5는 텍스쳐링을 위한 RIE 장치의 개략적인 구성도
도 6은 플라즈마 이온 도핑장치의 개략적인 구성도
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 결정질 실리콘 태양전지 제조시스템의 구성도
도 8은 인라인 타입의 결정질 실리콘태양전지 제조시스템의 구성도
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
100: p형 기판 110: n+ 도핑층
120: 반사방지막 130: 후면전극
140 전면전극 150: p+층
200: RIE장치 300: 플라즈마 이온도핑 장치
본 발명은 태양전지의 제조방법과 그 제조장치 및 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 결정질 실리콘 태양전지의 제조공정을 단순화시켜 생산성을 높이고 제품원가를 절감할 수 있는 방법에 관한 것이다.
태양전지는 PN접합 반도체의 내부에서 태양광에 의해 여기된 소수캐리어에 의해 기전력이 발생하는 소자이다. 이러한 태양전지를 제조하는데 사용되는 반도체에는 단결정실리콘, 다결정실리콘, 비정질실리콘, 화합물반도체 등이 있다.
단결정실리콘이 에너지 변환효율이 가장 좋긴 하지만 가격이 비싼 단점 때문에 다결정실리콘이 보다 많이 사용되고, 최근에는 비정질실리콘이나 화합물반도체 등의 박막을 유리나 플라스틱 등의값싼 기판에 증착함으로써 매우 저렴하게 제조할 수 있는 박막형 태양전지도 많이 사용되고 있다.
본 발명은 이 중에서 단결정 또는 다결정의 결정질 실리콘을 이용하여 태양 전지를 제조하는 방법과 그 장치 및 시스템에 관한 것이다.
이하에서는 도 1의 공정순서도 및 도 2a 내지 도 2e의 공정단면도를 참조하여 결정질 실리콘 태양전지 제조하는 종래의 방법을 설명한다.
먼저 도 2a에 도시된 바와 같이 결정질 실리콘기판(10)을 준비하고, 염기 또는 산 용액을 이용한 습식 식각을 통하여 기판절단 과정에서 발생한 손상을 제거한다. 본 명세서에서는 편의상 p형 기판(10)을 이용하여 태양전지를 제조하는 과정을 설명하기로 한다. p형 기판 대신에 n형 기판이 이용될 수 있음은 물론이다. (ST11, 도2a)
이어서 광 흡수율을 높이기 위하여 기판(10)의 표면에 대하여 텍스쳐링(texturing) 공정을 실시한다. 텍스쳐링은 기판(10)의 표면에 소정 형상의 미세한 요철을 형성하는 공정으로서, 요철 형상은 주로 피라미드형태인 것이 바람직하다. 텍스쳐링은 일반적으로 염기 또는 산 용액을 이용한 습식식각(wet etching)을 통해서 이루어진다. (ST12)
텍스쳐링 공정 이후에는 PN접합구조를 형성하기 위하여 p형 기판(10)에 n형 도펀트(dopant)를 확산시킨다.
주로 이용되는 방법은 고온확산(thermal diffusion) 법으로서, p형 기판(10)을 고온의 확산로의 내부에 안치시킨 상태에서 POCl3, PH3 등의 n형 도펀트 함유가스를 공급하면 n형 도펀트가 p형 기판(10)의 내부로 확산되면서 도 2b에 도 시된 바와 같이 n+ 도핑층(12)이 형성된다. (ST13, 도2b)
이러한 고온 확산공정(ST13)은 통상 800? 이상의 고온에서 진행되는데, 이 정도의 고온에서는 기판(10)의 표면에 PSG(Phosphor-Silicate Glass)와 같은 부산물이 형성된다. 그런데 PSG는 전지의 전류를 차폐시키는 역할을 하기 때문에 전지효율을 높이기 위해서 식각용액을 이용하여 반드시 제거해 주어야 한다.
만일 n형 기판에 붕소(B)를 함유하는 p형 도펀트를 확산시키는 경우에는 BSG(Boro-Silicate Glass)가 생성되는데, BSG도 전지의 효율을 저하시키는 역할을 하므로 같은 방법으로 제거해 주어야한다. (ST14)
한편, 확산공정(ST13)에서는 도 2b에 도시된 바와 같이 기판(10)의 에지 부분에서도 n+ 도핑층(12)이 형성된다. 그런데 에지부분의 도핑층(12)을 통해서는 전면전극과 후면전극 사이의 누설전류가 발생할 수 있으므로 전지의 효율을 높이기 위해서는 도 2c에 도시된 바와 같이 기판(10)의 에지에 형성된 n+ 도핑층(12)을 제거해주어야만 한다.
이러한 공정을 에지 아이솔레이션(edge isolation)이라고 하며, 구체적으로는 레이저를 이용하여 에지 부분을 절단하거나 습식식각 또는 건식식각을 통해 에지부분을 식각한다. 다만, 에지 아이솔레이션 공정은 태양전지를 완성하고 테스트를 수행하기 직전에 진행될 수도 있다. (ST15, 도2c)
이어서 도 2d에 도시된 바와 같이 n+ 도핑층(12)의 상부에 반사방지막(14)을 형성한다. 특히 SiN박막을 반사방지막(14)으로 형성하면 태양광의 흡수율을 높이는 역할뿐만 아니라 기판의 표면보호막(surface passivation)과 수소보호막(hydrogen passivation)의 역할도 수행한다. SiN박막은 플라즈마 강화 화학기상증착(PECVD) 법을 통해 형성되며, 스퍼터법을 통해서도 증착될 수 있다. (ST16, 도2d)
SiN을 이용하여 반사방지막(14)을 형성한 이후에는 기판(10)의 전면과 후면에 도전물질을 이용하여 전극을 형성하여야 한다.
이를 위해 기판(10)의 전면과 후면에 Al 또는 Ag 을 함유한 도전성페이스트를 스크린 프린팅 기법을 이용하여 소정 패턴으로 도포하고, 상기 기판(10)을 고온의 퍼니스(furnace)에서 소결(sintering)시킨다.
도전성 페이스트가 소결되면서 도 2e에 도시된 바와 같이 기판(10)의 전면과 후면에 각각 전면전극(18)과 후면전극(16)이 형성된다.
특히 p형 기판(10)의 후면에 Al 페이스트를 도포한 후에 소결시키면, 소결 과정에서 n+도핑층(12)으로 Al이 확산하면서 p+층(13)이 형성된다. 이와 같이 p형 기판(10)의 후면에 p+층(13)이 형성되면 기판(10)의 후면에는 후면전계(Back Surface Field)가 형성된다.
상기 후면전계는 p형 기판(10)의 내부에서 태양광에 의해 여기된 전자가 후면전극(16)으로 이동하여 소멸하지 않고, 전면전극(18)쪽으로 이동하여 광전류에 기여하도록 함으로써 태양전지의 효율을 높이는 역할을 한다. (ST17, 도2e)
전극형성 공정이 완료된 이후에는 전지의 효율 등을 테스트하고 그 결과에 따라 분류작업을 수행한다. 테스트를 하기 전에 태양전지의 에지부분에서 발생하는 누설전류를 제거하기 위하여 기판(10)의 에지부분을 절단 또는 식각하는 에지 아이솔레이션을 진행할 수도 있다.
이어서 완성된 다수의 태양전지를 연결하는 모듈화 공정을 통해 태양전지모듈을 제조한다. (ST18)
그런데 전술한 태양전지 제조공정은 다음과 같은 몇 가지 문제점을 가지고 있다.
먼저 텍스쳐링 공정(ST12)에서는 습식식각법이 가장 많이 사용되고 있는데, 다결정 실리콘기판의 경우에는 결정면에 따라 식각속도가 수십 내지 수백 배 이상 차이나기 때문에 균일한 표면조도를 얻기가 힘들다는 문제점이 있다.
다음으로, PN접합을 형성하기 위해 종래 많이 사용하는 고온확산 공정(ST13)은 PSG 또는 BSG와 같은 부산물을 발생시키므로 이를 제거하기 위한 별도의 제거공정을 진행하여야 한다.
또한 고온 확산공정에서는 기판(10)의 에지부분에서도 도전층이 형성되기 때문에 전면전극과 후면전극 사이의 누설전류를 방지하기 위해서는 에지 아이솔레이션 공정을 반드시 수행하여야 한다.
이와 같은 PSG 또는 BSG제거공정이나 에지 아이솔레이션 공정은 태양전지 제조의 생산성을 향상시키는데 있어서 근본적인 제약요인이 된다.
한편, 텍스쳐링은 주로 습식공정으로 진행되고, 확산공정은 고온 확산로에서 진행되기 때문에 태양전지 제조시스템을 집적화된 시스템이나 연속적인 인라인(in-line) 방식으로 설계하는데 어려움이 있다.
또한 고온 확산공정을 진행하기 위해서는 기판을 확산로로 반입하기 위하여 쿼츠(quartz) 재질의 기판안치대로 기판을 옮기는 이송작업이 요구되므로 이송시간으로 인해 생산성이 저하되는 문제점이 발생한다.
또한 고온확산 공정의 경우에는 충분한 접합깊이를 얻기 위하여 고온에서 장시간 공정을 진행하여야 하므로 생산성 면에서 불리할 뿐만 아니라 접합깊이를 제어하기가 쉽지 않다는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 복잡한 공정을 단순화시킴으로써 생산성을 향상시키고 제조원가를 절감할 수 있는 결정질 태양전지 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
또한 태양전지 제조시스템을 집적화된 시스템이나 연속적인 인라인 방식으로 설계함으로써 생산성을 높이고 전체 시스템의 풋프린트(footprint)를 절감할 수 있도록 하는데 목적이 있다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 결정질 실리콘 기판을 준비하는 제1단계; 상기 기판의 표면에 광흡수율을 높이기 위한 요철을 플라즈마를 이용하여 형성하는 텍스쳐링(texturing)을 실시하는 제2단계; 상기 기판에 PN접합을 형성하기 위하여 플라즈마 이온 도핑을 실시하는 제3단계; 상기 제3단계에서 도핑된 이온을 활성화시키기 위해 상기 기판을 가열시키는 제4단계; 상기 플라즈마 이온 도핑에 의해 형성된 도핑층의 상부에 반사방지막을 형성하는 제5단계; 상기 기판의 전면과 후면에 각각 전면전극과 후면전극을 형성하는 제6단계를 포함하는 결정질 실리콘 태양전지의 제조방법을 제공한다.
상기 제2단계는, 상기 기판이 안치된챔버의 내부에 Cl2, SF6, O2의 식각가스 중에서 하나 이상을 분사하고 플라즈마를 발생시킴으로써 진행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제3단계는, 상기 기판이 안치된챔버의 내부에 도펀트 물질을 분사하고 플라즈마를 발생시킴으로써 진행되는 것을특징으로 할 수 있다.
상기 제2단계 및 상기 제3단계는 동일한 챔버의 내부에서 진행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제5단계의 상기 반사방지막은 플라즈마 강화 화학기상증착(PECVD) 법으로 증착되는 SiN박막인 것을 특징으로할 수 있다.
상기 제2단계의 이전에상기 기판의 표면에 존재하는 손상을 제거하는 단계를 포함하며, 상기 표면손상 제거단계와 상기 제2단계는 동일한 챔버의 내부에서 진행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 본 발명은, 반응공간을 가지며 챔버리드가 접지된 챔버; 상기 챔버의 내부에 설치되는 기판안치대; 상기 챔버리드의 하부에 결합하며 다수의 분사홀을 가지는 가스분배판; 상기 챔버리드를 관통하여 설치되며, 상기 가스분배판의 상부로 원료물질을 공급하는 가스공급관; 상기 기판안치대에 연결되는 RF전원을 포함하며, 상기 기판안치대에 안치된 기판의 표면에 광흡수율을 높이기 위한 요철을 형성하는 텍스쳐링(texturing) 공정과 텍스쳐링을 마친 상기 기판에 PN접합을 형성하기 위한 플라즈마 이온 도핑 공정을 연속하여 진행하는 결정질 실리콘 태양전지 제조장치를 제공한다.
여기서 상기 기판안치대에는 DC전원을 더 연결하며, 상기 DC전원은 상기 플라즈마 이온도핑 공정시에만 상기 기판안치대에 DC전력을 인가하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 RF전원과 기판안치대의 사이에는 제1필터가 설치되고, 상기 DC전원과 상기 기판안치대의 사이에는 상기 제1필터보다 낮은 대역의 주파수를 통과시키는 제2필터가 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 본 발명은, 기판이송수단을 구비하는 이송챔버; 상기 이송챔버의 측부 에 연결되며, 광흡수율을 높이기 위해 기판의 표면에 플라즈마를 이용하여 요철을 형성하는 텍스쳐링(texturing) 공정을 수행하는 텍스쳐링 챔버; 상기 이송챔버의 측부에 연결되며, 텍스쳐링을 마친 상기 기판에 PN접합을 형성하기 위해 플라즈마를 이용하여 이온도핑을 실시하는 플라즈마 이온도핑 챔버; 상기 이송챔버의 측부에 연결되며 외부와의 기판교환을 위하여 대기압상태와 진공상태를 교번하는 로드락챔버를 포함하는 결정질 실리콘 태양전지 제조시스템을 제공한다.
여기서 상기 이송챔버의 측부에는 상기 플라즈마 이온도핑 챔버에서 도핑된 이온을 활성화시키기 위해 상기 기판을 가열시키는 활성화 챔버가 결합하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 이송챔버의 측부에는 상기 활성화 챔버에서 활성화 공정을 마친 상기 기판의 표면에 반사방지막을 형성하기 위한 반사방지막 증착챔버가 결합하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 이송챔버, 상기 텍스쳐링챔버 또는 상기 플라즈마 이온도핑 챔버 사이의 기판이송은 다수의 기판을 적재할수 있는 트레이를 통해 이루어지며, 상기 텍스쳐링 챔버 또는 상기 플라즈마 이온도핑 챔버에서는 상기 트레이에 다수의 기판을 적재한 상태에서 공정을 진행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 본 발명은, 외부로부터 기판을 반입하기 위하여 대기압과 진공상태를 교번하는 로딩챔버; 상기 로딩챔버의 측부에 결합하며, 광흡수율을 높이기 위해 기판의 표면에 플라즈마를 이용하여 요철을 형성하는 텍스쳐링(texturing) 공정을 수행하는 텍스쳐링 챔버; 상기 텍스쳐링 챔버의 측부에 연결되며, 텍스쳐링을 마친 상기 기판에 PN접합을 형성하기 위해 플라즈마를 이용하여 이온도핑을 실시하는 플라즈마 이온도핑 챔버; 상기 플라즈마 이온도핑 챔버의 측부에 연결되며 외부로 기판을 반출하기 위하여 대기압상태와 진공상태를 교번하는 언로딩챔버를 포함하는 결정질 실리콘 태양전지 제조시스템을 제공한다.
여기서 상기 플라즈마 이온도핑 챔버와 상기 언로딩챔버의 사이에는, 상기 플라즈마 이온도핑 챔버에서 도핑된 이온을 활성화시키기 위해 상기 기판을 가열시키는 활성화 챔버가 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 활성화 챔버와 상기 언로딩챔버의 사이에는, 상기 활성화 챔버에서 활성화 공정을 마친 상기 기판의 표면에 반사방지막을 형성하기 위한 반사방지막 증착챔버가 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 결정질 실리콘 태양전지 제조과정은 도 3의 순서에 따라 진행된다.
즉, 먼저 도 4a에 도시된 바와 같이 결정질 실리콘 기판(100)을 준비하고, 염기 또는 산 용액을 이용한 습식 식각을 통하여 기판절단 과정에서 발생한 손상을 제거한다. 본 명세서에서는 편의상 p형 기판(100)을 이용하여 태양전지를 제조하는 과정을 설명하기로 하며, p형 기판(100) 대신에 n형 기판이 이용될 수도 있음은 물론이다. (ST110, 도4a)
이어서 광흡수율을 높이기 위하여 기판(100)의 표면에 텍스쳐링(texturing) 공정을 실시하여야 하는데, 본 발명에서는 종래와 달리 도 4b에 도시된 바와 같이 플라즈마를 이용한 반응성 이온 식각(RIE: Reactive Ion Etching)을 통해 기판(100)의 표면에 텍스쳐링을 실시하는 점에 특징이 있다.
텍스쳐링을 위한 RIE장치(200)는 도 5와 같은 구성을 가질 수 있다. 즉, 일정한 반응공간을 가지는 챔버(210), 챔버(210)의 내부에 설치된 기판안치대(220), 챔버리드(212)의 하부에 소정 간격 이격되어 설치되는 가스분배판(230), 챔버리드(212)를 관통하여 가스분배판(230)의 상부로 가스를 공급하는 가스공급관(250)을 포함한다.
기판안치대(220)와 가스분배판(230)은 모두 아노다이징 처리된 알루미늄 재질로 제조하는 것이 바람직하다. 챔버(210)의 하부에는 잔류가스 배출과 진공압력 유지를 위한 배기구(214)가 설치된다.
또한 가스분배판(230)과 전기적으로 연결된 챔버리드(212)는 접지시키고, 기판안치대(220)는 RF전력을 공급하는 RF전원(260)에 연결한다. RF전원(260)과 기판안치대(220)의 사이에는 임피던스 매칭을 위한 임피던스 정합기(262)를 설치하여야 한다.
이러한 RIE장치(200)에서 텍스쳐링을 수행하기 위해서는, 먼저 p형 기 판(100)을 반입하여 기판안치대(220)에 올려놓아야 한다.
이때 기판(100)을 직접 기판안치대(220) 위에 올려놓을 수도 있으나, 생산성을 높이기 위하여 다수의 기판(100)이 놓여진 트레이(미도시)를 챔버(210) 내부로 반입하여 공정을 진행할 수도 있다. 이 경우에는 기판안치대(220) 대신에 트레이(미도시)를 올려 놓을 수 있는 수단이 챔버(210) 내부에 설치되어야 함은 물론이다.
이어서 배기구(214)를 통해 진공펌핑을 수행하여 공정압력을 조성한 다음에 가스분배판(230)을 통해 Cl2, SF6, O2 등의 식각 가스 중에서 하나 이상을 기판안치대(220)의 상부로 분사하고, RF전원(260)을 통해 예를 들어 13.56MHz의 RF전력을 기판안치대(220)에 인가한다.
기판안치대(220)에 RF전력이 인가되면 기판안치대(220)와 상부의 접지된 챔버리드(212)의 사이에 RF전기장이 형성되고, RF전기장에 의해 가속된 전자가 중성기체와 충돌함으로써 이온, 전자, 활성종의 혼합체인 플라즈마가 발생한다.
이 과정에서 이온이 RF전기장에 의해 가속되어 기판(100)의 표면에 충돌함으로써 기판(100)의 표면에 텍스쳐링이 이루어진다.
전술한 RIE장치(200)를 이용하여 텍스쳐링을 실시하면, 결정질 실리콘의 표면에서 다양한 결정면에도 불구하고 균일한 조도의 요철을 형성할 수 있다. 이를 통해 텍스쳐링 공정의 재현성이 크게 높아진다.
한편, 전술한 RIE장치(200)의 내부에서 기판(100)에 대하여 텍스쳐링을 실시하기 이전에 기판(100)의 표면손상을 제거하는 공정을 동일한 챔버에서 실시할 수도 있다. (ST120, 도4b)
전술한 과정을 통해 텍스쳐링된 p형 기판(100)에 대해서는 PN접합구조를 형성하기 위하여 n형 도펀트(dopant)를 확산시켜 n+도핑층(110)을 형성하는 공정을 진행하여야 한다.
종래에는 고온확산공정이 주로 이용되었지만, 본 발명의 실시예에서는 도 4c에 도시된 바와 같이 플라즈마를 이용한 이온도핑 방법을 이용하는 점에 특징이 있다.
이를 위해 본 발명의 실시예에서는 도 6에 도시된 바와 같은 플라즈마 이온 도핑장치(300)를 이용한다.
상기 플라즈마 이온 도핑장치(300)는, 일정한 반응공간을 가지는 챔버(310), 챔버(310)의 내부에 설치된 기판안치대(320), 상기 챔버(310)의 상부를 밀폐하는 챔버리드(340)의 하부에 소정 간격 이격되어 설치되는 가스분배판(330), 챔버리드(340)를 관통하여 가스분배판(330)의 상부로 가스를 공급하는 가스공급관(350)을 포함한다.
기판안치대(320)와 가스분배판(330)은 모두 아노다이징 처리된 알루미늄 재질로 제조하는 것이 바람직하다. 챔버(310)의 하부에는 잔류가스 배출과 진공압력 유지를 위한 배기구(314)가 설치된다.
이러한 플라즈마 이온 도핑 장치(300)에서는 가스분배판(330)과 전기적으로 연결된 챔버리드(340)는 접지시키고, 기판안치대(320)에는 RF전원(360)을 연결한다.
특히 RF전력에 의해 발생하는 이온의 입사에너지를 높여 도핑효율을 높이기 위하여 기판안치대(320)에 DC전원(370)을 함께 연결하는 것이 바람직하다.
이때 RF전원(360)과 기판안치대(320)의 사이에는 고역통과필터(HPF)(362)를 설치하여 DC전력에 의해 RF전원(360)이 영향받는 것을 방지하는 것이 바람직하다. 또한 DC전원(370)과 기판안치대(320)의 사이에는 저역통과필터(LPF)(372)를 설치하여 RF전력에 의해 DC전원(370)이 영향 받는 것을 방지하는 것이 바람직하다.
RF전원(360)의 공급경로에는 임피던스 정합기(미도시)가 설치되어야 함은 물론이다.
이러한 플라즈마 이온도핑 장치(300)에서 이온 도핑을 수행하기 위해서는, 먼저 p형 기판(100)을 반입하여 기판안치대(320)에 올려놓아야 한다.
이 경우에도 도시된 바와 같이 기판(100)을 직접 기판안치대(320) 위에 올려놓을수도 있고, 생산성을 높이기 위하여 다수의 기판(100)이 놓여진 트레이(미도시)를 챔버(310) 내부로 반입하여 공정을 진행할 수도 있다.
후자의 경우에는 기판안치대(320) 대신에 트레이(미도시)를 올려 놓을 수 있는 수단이 챔버(310) 내부에 구비되어야 함은 물론이다.
이어서 배기구(314)를 통해 진공펌핑을 수행하여 공정압력을 조성한 다음에 가스분배판(330)을 통해 n형 도펀트로서 P가 함유된 가스를 기판안치대(320)의 상부로 분사한다.
P가 함유된 가스에는 예를 들어 PH3 등이 있으며, 만일 n형 기판을 이용하는 경우에는 p형 도펀트로서 B(Boron)가 함유된 가스를 분사한다.
그리고 기판안치대(320)에 예를 들어 13.56MHz의 RF전원(360)과 DC전원(370)을 동시에 인가한다. 다만 RF전원(360)에 인가되는 RF전력의 주파수범위가 반드시 이에 한정되는 것은 아니어서 상용화된 범위의 다른 RF전력을 사용할 수도 있다.
기판안치대(320)에 RF전력이 인가되면, 접지된 가스분배판(330)과의 사이에 RF전기장이 형성되어 플라즈마가 발생한다. 이 과정에서 플라즈마 내부의 P+이온이 RF전기장에 의해 가속되어 기판(100)의 표면으로 입사함으로써 p형 기판(100)에 대한 이온 도핑이 이루어진다.
이때 기판안치대(320)에 인가되는 DC전원(370)은 RF전력에 의해 발생하는 이온의 입사에너지를 높여줌으로써 도핑효율을 높이는 역할을 한다.
이와 같은 방식으로 플라즈마 이온도핑을 진행하면, 가스유량이나 RF전력을 조절함으로써 도핑농도나 PN접합 깊이를 비교적 정확하게 제어할 수 있기 때문에 고온확산법에 비하여 보다 정밀하고 재현성이 높은 공정이 가능해진다.
또한 플라즈마 이온도핑은 상대적으로 저온에서 진행되기 때문에 고온확산 공정에서 부산물로 발생하던 PSG나 BSG가 생성되지 않는다. 따라서 이들 부산물을 제거하기 위한 별도의 제거공정을 거칠 필요가 없어져 생산성 면에서 매우 유리하다.
또한 기판(100)의 표면에 대하여 수직방향으로 입사하는 이온에 의하여 도핑이 진행되기 때문에 고온 확산공정에서 처럼 기판(100)의 에지부분에 n+도핑층이 형성되지는 않는다.
따라서 누설전류 방지를 위하여 에지 아이솔레이션 공정을 별도로 진행할 필요가 없기 때문에 생산성면에서 매우 유리하다.
한편 도 6의 플라즈마 이온도핑장치(300)는 도 5의 텍스쳐링 장치(200)와 매우 유사한 구성을 가지기 때문에, 텍스쳐링 공정과 플라즈마 이온도핑 공정을 도 6의 플라즈마 이온도핑장치의 내부에서 순차적으로 진행하는 것이 가능해진다.
실제로 텍스쳐링 장치(200)와 플라즈마 이온도핑장치(300)에서 각각 공정을 진행할 때 기판안치대(220)(320)에 공통적으로 13.56MHz의 RF전력을 인가하기도 하기 때문에 도 6의 플라즈마 이온도핑장치(300)의 내부에서 텍스쳐링 공정과 플라즈마 이온도핑 공정을 순차적으로 진행하는 것이 가능하다.
다만 이를 위해서는 텍스쳐링 공정 중에는 DC전원(370)을 끄고 플라즈마 이온도핑을 진행할 때 다시 DC전원(370)을 켜는 것이 바람직하다.
또한 가스공급관(350)을 통해 공급되는 가스의 종류가 각 공정마다 다르기 때문에 이를 위해 별도의 가스관을 연결하여야 하고, 각 가스의 혼합을 방지하기 위해 공정 중간에 충분한 배기시간을 가질 필요는 있을 것이다. (ST130, 도4c)
전술한 순서에 따라 p형 기판(100)에 플라즈마를 이용한 이온도핑을 완료한 다음에는 도 4d에 도시된 바와 같이 상기 기판(100)을 적정한 온도로 가열하는 활성화 공정을 거쳐야 한다.
활성화 공정은 도핑된 이온이 Si과 결합할 수 있도록 기판(100)에 추가적인 에너지를 공급하여 도핑된 이온을활성화시키는 공정이며, 이러한 활성화 공정을 거치지 않으면 도핑된 이온은단순한 불순물로 작용하게 된다.
한편, 활성화 공정을 통해 후술하는 PECVD에 의한 반사방지막 증착공정에 필요한 기판예열 효과도 얻을 수 있다.
활성화 공정은 램프히터 등의 광학식 가열수단을 가지거나 기판안치대에 저항식 발열코일 등의 히터가 내장된 별도의 활성화 챔버에서 진행되는 것이 바람직하다. 구체적인 가열온도와 가열시간은 도핑물질이나 활성화 정도에 따라 달라질 수 있다. (ST140, 도 4d)
전술한 공정을 거치면서 p형 기판(100)에 대하여 이온도핑이 완료되고, 활성화 공정을 통해 기판(100)이 적절한 온도로 예열되면 도 4e에 도시된 바와 같이 n+ 도핑층(110)의 상부에 반사방지막(120)을 형성한다. 상기 반사방지막(120)은 PECVD법을 통해 증착한 SiN박막일 수 있다. (ST150, 도4e)
SiN 반사방지막(120)을 형성한 이후에는 기판(100)의 전면과 후면에 도 4f 에 도시된 바와 같이 도전물질을 이용하여 전극을 형성한다.
이를 위해 기판(100)의 전면과 후면에 Al 또는 Ag 을 함유한 도전성페이스트를 스크린 프린팅 기법을 이용하여 소정 패턴으로 도포하고, 상기 기판을 고온의 퍼니스(furnace)에서 소결(sintering)시킨다.
특히 p형 기판(100)의 후면에 Al 페이스트를 도포한 후에 소결과정을 진행하면, 소결과정에서 기판(100)의 내부로 Al이 확산하여 p+층(150)이 형성되고, 이를 통해 기판(100)의 후면에는 후면전계(Back Surface Field)가 형성된다. 후면전계의 역할은 앞서 설명한 바와 같다. (ST160, 도 4f)
전극형성 공정이 완료된 이후에는 전지의 효율 등을 테스트하고 그 결과에 따라 분류작업을 수행하고, 완성된 다수의태양전지를 연결하여 모듈화 공정을 거침으로써 태양전지모듈이 치면 제품을 제조한다. (ST170)
본 발명의 실시예의 방법에 따라 결정질 실리콘 태양전지를 제조하기 위해서는 생산성과 풋프린트를 고려하여 각 공정장치를 효율적으로 설치하여야 한다.
전술한 바와 같이 플라즈마이온도핑 장치(300)의 내부에서 텍스쳐링 공정까지 함께 수행할 수 있도록 장치를 구성하는 것도 가능하지만, 각 공정마다 공정조건이 서로 다르기 때문에 모든 공정을 하나의 장치로 통합하는 데는 한계가 있다.
따라서 각 공정장치 사이에서 기판이 이동하는 시간을 최소화하면서도 전체 풋프린트를 줄일 수 있도록 태양전지 제조시스템을 설계하여야 한다.
도 7은 이를 위해 안출된 결정질 실리콘 태양전지 제조시스템을 예시한 것으로서, 기판(s)의 이송을 담당하는 이송챔버(510), 이송챔버(510)의 측부에 각각 연결되는 로드락챔버(520), 텍스쳐링 챔버(530), 플라즈마 이온도핑 챔버(540), 활성화챔버(550), 반사방지막 증착챔버(560)을 포함한다.
이송챔버(510)와 각 챔버의 사이에는 출입통로를 선택적으로 개폐하는 슬롯밸브가 설치된다.
본 발명의 실시예에 따른 태양전지 제조방법은 텍스쳐링 공정, 이온도핑 공정, 반사방지막 증착공정을 모두 플라즈마를 이용하여 수행하며, 플라즈마를 이용하는 공정은 모두 소정의 진공압력에서 진행되는 공통점을 가진다.
따라서 항상 진공압력을 유지하는 이송챔버(510)의 측부에 텍스쳐링 챔버(530), 플라즈마 이온도핑 챔버(540), 반사방지막 증착챔버(560)를 연결하여 하나의 제조시스템을 구축함으로써 기판 이송이나 진공펌핑에 소요되는 시간을 크게 단축시킬수 있다.
활성화챔버(550)는 플라즈마 이온도핑 챔버(540)에서 도핑된 이온에 활성화 에너지를 공급하기 위하여 기판을 가열시키는 역할을 하는 한편 반사방지막 증착 전에 기판을 예열시키는 역할을 한다.
따라서 연속적인 공정진행을 위하여 플라즈마 이온도핑 챔버(540)와 반사방지막증착챔버(560)의 사이에 활성화챔버(550)를 설치하는 것이 바람직하다.
로드락챔버(520)는 외부와 기판교환을 수행하며, 따라서 진공상태와 대기압 상태를 교번한다.
이송챔버(510)의 내부에는 기판이송을 위하여 이송로봇(512)이 설치되는데, 외부에서 로드락챔버(520)로 기판이 반입되면 이송로봇(512)은 상기 기판을 텍스쳐링 챔버(530)로 이송하고, 텍스쳐링 공정을 마친 기판을 플라즈마 이온도핑 챔버(540)로 이송하고, 플라즈마 이온도핑을 마친 기판을 활성화챔버(550)로 이송하고, 활성화 공정을 마친 기판을 반사방지막 증착챔버(560)로 이송하고, 반사방지막 증착을 완료한 기판을 다시 로드락챔버(520)로 반출한다.
다만, 도 7의 태양전지 제조시스템은 예시에 불과한 것이므로 이송챔버(510)의 측부에 로드락챔버(520), 텍스쳐링 챔버(530) 및 플라즈마 이온도핑 챔버(540)만을 설치하고 활성화챔버(550)와 반사방지막 증착챔버(560)는 생략할 수도 있다. 또한 기판교환의 효율성을 높이기 위하여 로드락챔버(520)는2 이상 설치될 수도 있다.
또한 텍스쳐링 챔버(530), 플라즈마 이온도핑 챔버(540), 활성화챔버(550), 반사방지막 증착챔버(560) 이외에도 전극 형성을 위해 콘택홀을 형성하는 공정챔버나 전극 페이스트를 도포하는 공정챔버를 이송챔버(510)의 측부에 추가로 연결할 수도 있다.
한편 이러한 태양전지 제조시스템에서 기판이송은 전술한 이송로봇(512)에 의하여 기판 단위로 이루어질 수도 있고, 다수의 기판을 적재하는 트레이(미도시) 에 의해 이루어질 수도 있다.
트레이를 이용하는 경우에는 상기 트레이가 로드락챔버, 텍스쳐링 챔버, 플라즈마 이온도핑 챔버, 활성화 챔버, 반사방지막 증착챔버 등의 순으로 이동하게 된다.
또한 기판 또는 트레이를 이송하기 위하여 기판 또는 트레이를 들어올려 이송하는 이송로봇이 이용될 수도 있고, 롤러나 리니어 모터 등을 설치한 후에 이를 이용하여 인라인 방식으로 기판이나 트레이를 이송시킬 수도 있다. 후자의 경우에는 각 챔버의 내부에도 이러한 장치가설치되어야 한다.
인라인 방식으로 기판 또는 트레이를 이송하는 결정질 실리콘 태양전지 제조시스템은 예를 들어 도 8과 같은 구성을 가질 수 있다.
즉, 기판 또는 트레이가 외부에서 반입되는 로딩챔버(570)와 외부로 반출하는 언로딩챔버(580)를 별도로 구성하고, 로딩챔버(570)와 언로딩챔버(580)의 사이에 공정 순서에 맞게 텍스쳐링 챔버(530), 플라즈마 이온도핑 챔버(540), 활성화 챔버(550), 반사방지막 증착챔버(560)를 설치한다.
각 챔버의 역할은 전술한바와 같으므로 이에 대한 설명은 생략한다.
따라서 외부에서 로딩챔버(570)로 기판이나 기판을 안치한 트레이를 공급하면, 텍스쳐링 챔버(530), 플라즈마 이온도핑 챔버(540), 활성화 챔버(550), 반사방지막 증착챔버(560)를 거치면서 연속적으로 공정을 진행한 다음 언로딩챔버(580)를 통해 외부로 반출된다.
이때 로딩챔버(570)과 언로딩챔버(580)의 사이에 텍스쳐링 챔버(530)와 플라즈마 이온도핑 챔버(540)만을 설치하고, 활성화 챔버(550)나 반사방지막 증착챔버(560)는 별도로 구성할 수도 있고, 반사방지막 증착챔버(560)만을 별도로 구성하는 것도 가능하다. 물론 반사방지막 증착챔버(560)와 언로딩챔버(580)의 사이에 전극형성과 관련된 공정챔버를 추가로 설치하는 것도 가능하다.
상기 각 챔버의 내부에는 기판이나 트레이를 인접 챔버로 이동할 수 있는 인라인 방식의 이송수단, 예를 들어 롤러, 리니어 모터 등이 설치되어야 한다.
또한 각 챔버의 사이에는 출입통로를 개폐하는 슬롯밸브가 설치된다.
이러한 인라인 방식의 태양전지 제조시스템은 고가의 이송로봇을 생략할 수 있기 때문에 전체 시스템의 단가를 낮출 수 있는 이점이 있고, 클러스터 타입 시스템을설치하기 어려운 일자형 공간에도 설치할 수 있기 때문에 공간활용도를 높일 수 있는 장점이 있다.
한편 이상에서는 p형 기판에 n형 도펀트를 도핑하여 태양전지를 제조하는 경우를 설명하였으나, 반대의 경우, 즉, n형 기판에 p형 도펀트를 도핑하여 태양전지를 제조하는 경우에도 본 발명이 거의 그대로 적용될 수 있음은 물론이다.
본 발명에 따르면 결정질 실리콘 태양전지를 제조함에 있어서 텍스쳐링 공 정과 이온도핑 공정을 동일 챔버에서 수행하거나 각 공정챔버를 연속적으로 배치함으로써 태양전지 제조시스템의 풋프린트(footprint)를 감소시켜 원가절감효과를 얻을 수 있다.
또한 플라즈마를 이용하여 텍스쳐링을 수행하기 때문에 결정질 실리콘의 결정면에 관계없이 균일한 조도의 요철을 형성할 수 있어 공정재현성이 높아진다.
또한 플라즈마를 이용하여 상대적으로 저온환경에서 이온도핑을 실시하기 때문에 PSG나 BSG등의 발생을 방지할 수 있고, 따라서 이들 부산물을 제거하는 공정을 생략할 수 있어 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한 기판에 대해 수직방향으로 입사하는 이온에 의하여 도핑이 이루어지기 때문에 에지 아이솔레이션 공정을 생략할 수 있어 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한 종래에 주로 습식공정으로 진행되던 텍스쳐링 공정을 플라즈마를 이용하는 건식공정으로 대체함으로써 고가의 약액을 사용하지 않게 되어 원가절감에 기여할 수 있다.
Claims (16)
- 결정질 실리콘 기판을 준비하는 제1단계;상기 기판의 표면에 광흡수율을 높이기 위한 요철을 플라즈마를 이용하여 형성하는 텍스쳐링(texturing)을 실시하는 제2단계;상기 기판에 PN접합을 형성하기 위하여 플라즈마 이온 도핑을 실시하는 제3단계;상기 제3단계에서 도핑된 이온을 활성화시키기 위해 상기 기판을 가열시키는 제4단계;상기 플라즈마 이온 도핑에 의해 형성된 도핑층의 상부에 반사방지막을 형성하는 제5단계;상기 기판의 전면과 후면에각각 전면전극과 후면전극을 형성하는 제6단계;를 포함하는 결정질 실리콘태양전지의 제조방법
- 제1항에 있어서,상기 제2단계는, 상기 기판이 안치된챔버의 내부에 Cl2, SF6, O2의 식각가스 중에서 하나 이상을 분사하고 플라즈마를 발생시킴으로써 진행되는 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘 태양전지의 제조방법
- 제1항에 있어서,상기 제3단계는, 상기 기판이 안치된챔버의 내부에 도펀트 물질을 분사하고 플라즈마를 발생시킴으로써 진행되는 것을특징으로 하는 결정질 실리콘 태양전지의 제조방법
- 제1항에 있어서,상기 제2단계 및 상기 제3단계는 동일한 챔버의 내부에서 진행되는 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘 태양전지의 제조방법
- 제1항에 있어서,상기 제5단계의 상기 반사방지막은 플라즈마 강화 화학기상증착(PECVD) 법으로 증착되는 SiN박막인 것을 특징으로하는 결정질 실리콘 태양전지의 제조방법
- 제1항에 있어서,상기 제2단계의 이전에상기 기판의 표면에 존재하는 손상을 제거하는 단계 를 포함하며,상기 표면손상 제거단계와 상기 제2단계는 동일한 챔버의 내부에서 진행되는 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘 태양전지의 제조방법
- 반응공간을 가지며 챔버리드가 접지되는 챔버;상기 챔버의 내부에 설치되는 기판안치대;상기 챔버리드의 하부에 결합하며 다수의 분사홀을 가지는 가스분배판;상기 챔버리드를 관통하여 설치되며, 상기 가스분배판의 상부로 원료물질을 공급하는 가스공급관;상기 기판안치대에 연결되는 RF전원;을 포함하며, 상기 기판안치대에 안치된 기판의 표면에 광흡수율을 높이기 위한 요철을 형성하는 텍스쳐링(texturing) 공정과 텍스쳐링을 마친 상기 기판에 PN접합을 형성하기 위한 플라즈마 이온도핑 공정을 연속하여 진행하는 결정질 실리콘 태양전지 제조장치
- 제7항에 있어서,상기 기판안치대에는 DC전원을 더 연결하며, 상기 DC전원은 상기 플라즈마 이온도핑 공정시에만 상기 기판안치대에 DC전력을 인가하는 것을 특징으로 하는 결 정질 실리콘 태양전지 제조장치
- 제8항에 있어서,상기 RF전원과 기판안치대의 사이에는 제1필터가 설치되고, 상기 DC전원과 상기 기판안치대의 사이에는 상기 제1필터보다 낮은 대역의 주파수를 통과시키는 제2필터가 설치되는 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘 태양전지 제조장치
- 기판이송수단을 구비하는 이송챔버;상기 이송챔버의 측부에 연결되며, 광흡수율을 높이기 위해 기판의 표면에 플라즈마를 이용하여 요철을 형성하는 텍스쳐링(texturing) 공정을 수행하는 텍스쳐링 챔버;상기 이송챔버의 측부에 연결되며, 텍스쳐링을 마친 상기 기판에 PN접합을 형성하기 위해 플라즈마를 이용하여 이온도핑을 실시하는 플라즈마 이온도핑 챔버;상기 이송챔버의 측부에 연결되며 외부와의 기판교환을 위하여 대기압상태와 진공상태를 교번하는 로드락챔버;를 포함하는 결정질 실리콘태양전지 제조시스템
- 제10항에 있어서,상기 이송챔버의 측부에는 상기 플라즈마 이온도핑 챔버에서 도핑된 이온을 활성화시키기 위해 상기 기판을 가열시키는 활성화 챔버가 결합하는 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘 태양전지 제조시스템
- 제11항에 있어서,상기 이송챔버의 측부에는 상기 활성화 챔버에서 활성화 공정을 마친 상기 기판의 표면에 반사방지막을 형성하기 위한 반사방지막 증착챔버가 결합하는 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘 태양전지 제조시스템
- 제10항에 있어서,상기 이송챔버, 상기 텍스쳐링챔버 또는 상기 플라즈마 이온도핑 챔버사이의 기판이송은 다수의 기판을 적재할 수 있는 트레이를 통해 이루어지며,상기 텍스쳐링 챔버 또는 상기 플라즈마 이온도핑 챔버에서는 상기 트레이에 다수의 기판을 적재한 상태에서 공정을 진행하는 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘 태양전지 제조시스템
- 외부로부터 기판을 반입하기 위하여 대기압과 진공상태를 교번하는 로딩챔버;상기 로딩챔버의 측부에 결합하며, 광흡수율을 높이기 위해 기판의 표면에플라즈마를 이용하여 요철을 형성하는 텍스쳐링(texturing) 공정을 수행하는 텍스쳐링 챔버;상기 텍스쳐링 챔버의 측부에 연결되며, 텍스쳐링을 마친 상기 기판에 PN접합을 형성하기 위해 플라즈마를 이용하여 이온도핑을 실시하는 플라즈마 이온도핑 챔버;상기 플라즈마 이온도핑 챔버의 측부에 연결되며 외부로 기판을 반출하기 위하여 대기압상태와 진공상태를 교번하는 언로딩챔버;를 포함하는 결정질 실리콘 태양전지 제조시스템
- 제14항에 있어서,상기 플라즈마 이온도핑 챔버와 상기 언로딩챔버의 사이에는, 상기 플라즈마 이온도핑 챔버에서 도핑된 이온을 활성화시키기 위해 상기 기판을 가열시키는 활성화 챔버가 설치되는 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘 태양전지 제조시스템
- 제15항에 있어서,상기 활성화 챔버와 상기 언로딩챔버의 사이에는, 상기 활성화 챔버에서 활성화 공정을 마친 상기 기판의 표면에 반사방지막을 형성하기 위한 반사방지막 증착챔버가 설치되는 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘태양전지 제조시스템
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