KR20090011519A - 결정질 실리콘 태양전지와 그 제조방법 및 제조시스템 - Google Patents

결정질 실리콘 태양전지와 그 제조방법 및 제조시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 결정질 실리콘태양전지의 제조방법 및 이를 위한 제조장치를 개시한다. 본 발명의 결정질 실리콘태양전지의 제조방법은, 제1도전형의 결정질 실리콘 기판을 준비하는 제1단계; 상기 기판의 일면에 제2 도전형 반도체층을 증착하는 제2단계; 상기 제2도전형 반도체층의 상부에 표면에 요철구조를 가지는 투명막을 증착하는 제3단계; 상기 기판보다 큰 에너지 밴드갭을 가지는 제1도전형 반도체층을 상기 기판의 타면에 증착하는 제4단계; 상기 투명막의 상부에 제1전극을 형성하는 한편, 상기 제1 도전형 반도체층의 상부에 제2전극을 형성하는 제5단계를 포함한다.
본 발명에 따르면 결정질 실리콘 태양전지의 제조공정을 단순화시키고 공정시간도 크게 단축시킬 수 있다. 즉, 텍스쳐링공정, PN접합면을 형성하기 위한 고온확산공정, PSG나 BSG 등의 부산물 제거공정, 에지 아이솔레이션 공정 등을 생략할 수 있어 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.
태양전지, 결정질 실리콘

Description

결정질 실리콘 태양전지와 그 제조방법 및 제조시스템{Crystalline silicon solar cell and manufacturing method and system thereof}
본 발명은 태양전지의 제조방법과 그 제조시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 결정질 실리콘 태양전지의 제조공정을 단순화시키고 제조원가를 절감할 수 있는 방법에 관한 것이다.
태양전지는 PN접합 반도체의 내부에서 태양광에 의해 여기된 소수캐리어가 PN접합면을 가로질러 확산함에 따라기판의 양단에 기전력을 발생시키는 소자이다. 이러한 태양전지를 제조하기 위해서는 단결정실리콘, 다결정실리콘, 비정질실리콘, 화합물반도체 등의 반도체 물질을 사용한다.
이 중에서 단결정실리콘의 에너지 변환효율이 가장 좋으나 가격이 비싸기 때문에 다결정실리콘이 보다 많이 사용되고 있다. 또한 최근에는 유리나 플라스틱 등의 값싼 기판에 비정질실리콘이나 화합물반도체 등의 박막을 증착함으로써 매우 저렴하게 제조할 수 있는 박막형 태양전지도 많이 사용되고 있다.
본 발명은 이 중에서 단결정 또는 다결정의 결정질 실리콘을 이용하여 태양전지를 제조하는 방법과 시스템에 관한 것이다.
이하에서는 도 1의 공정순서도 및 도 2a 내지 도 2f의 공정단면도를 참조하여 종래 결정질 실리콘 태양전지를 제조하는 과정을 설명한다.
먼저 p형으로 도핑된 결정질 실리콘 기판(10)을 준비한다. (ST11, 도 2a)
이어서 광 흡수율을 높이기 위하여 기판(10)의 표면에 미세한 요철을 형성하는 텍스쳐링(texturing) 공정을 실시한다. 텍스쳐링 공정은 염기 또는 산 용액을 이용한 습식식각(wet etching)법이 많이 이용되지만 최근에는 플라즈마를 이용한 건식식각법도 이용되고 있다. (ST12, 도 2b)
텍스쳐링 공정 이후에는 기판(10)의 내부에 PN접합구조를 형성하기 위하여 n형 도펀트(dopant)를 고온확산(thermal diffusion) 법으로 도핑하여 기판(10)의 표층에 n+ 도핑층(12)을 형성한다. 도면에서 p형 기판(10)에서 n+도핑층(12)과 구분되는 나머지 부분을 편의상 p+층(10')으로 표기하였다. (ST13, 도 2c)
고온 확산공정(ST13)에서는 전지효율을 저하시키는 PSG(Phosphor-Silicate Glass) 등의 부산물이 발생하고, 기판(10)의 에지 부분에도 n+ 도핑층(12)이 형성되므로 이로 인해 누설전류가 발생한다.
따라서 전지의 효율을 높이기 위해서는 PSG제거공정과 에지의 n+ 도핑층(12)을 제거하는 에지 아이솔레이션(edge isolation) 공정을 수행하여야 한다. (ST14, ST15, 도 2d)
이어서 n+ 도핑층(12)의 상부에 SiN을 이용한 반사방지막(14)을 형성한다. (ST16, 도 2e)
이어서 기판(10)의 전면과 후면에 전면전극(18)과 후면전극(16)을 형성한다. 이를 위해 기판(10)의 전면과 후면에 Al 또는 Ag 을 함유한 도전성 페이스트를 소정 패턴으로 도포하고, 상기 기판(10)을 고온의 퍼니스(furnace)에서 소결(sintering)시킨다.
구체적으로는 반사방지막(14)의 상부에 도포된 도전성 페이스트는 소결과정에서 산화환원반응(Redox reaction)에 의하여 반사방지막(14)을 뚫고 n+도핑층(12)과 접촉하는 전면전극(18)으로 형성된다.
또한 기판(10)의 후면에 도포된 Al 페이스트는 소결과정에서 n+도핑층(12)으로 Al을 확산시켜서 p++도핑층(13)을 형성함으로써 기판(10)의 후면에 후면전계(Back Surface Field)를 형성하는 역할도 한다. (ST17, 도 2f)
이렇게 제조된 태양전지는 테스트 및 분류작업을 거친 이후 모듈로 제조된다. (ST18)
이러한 종래의 태양전지 제조공정은 다음과 같은 몇 가지 문제점을 가지고 있다.
첫째, 텍스쳐링 공정에서 습식식각법을 적용하는 경우에 다결정 실리콘 기판에서는 결정면에 따라 식각속도가 수십 내지 수백 배 이상 차이나기 때문에 균일한 표면조도를 얻기가 힘들다는 문제점이 있다. 또한 건식식각법의 경우에는 아직 까지 텍스쳐링 효율에 대한 검증이 미진한 상태이다.
둘째, PN접합을 형성하기 위한 고온확산 공정은 공정시간이 길고 PSG 또는 BSG와 같은 부산물을 발생시키므로 이를 제거하는 공정을 별도로 진행하여야 한다. 또한 고온 확산공정의 이후에는 에지 아이솔레이션 공정을 반드시 수행하여야 하며, 이와 같은 부수적인공정은 생산성 향상의 제한요인으로 작용한다.
또한 수평로(horizontal furnace)를 이용하여 고온확산을 진행하기 위해서는 쿼츠 재질의 안치대로 기판을 이재시켜야 하므로 확산공정과 전후공정을 인라인 방식으로 연속 진행하기에 부적합하다는 문제점이 있다.
또한 고온 확산공정에서는 POCl3 등의 부식성 물질을 사용해야 하므로 항상 취급상의 위험을 수반하는 문제점이 있다.
셋째, 전면전극(18)을 형성하기 위한 산화환원반응(Redox reaction)을 정밀하게 제어하지 않으면 전면전극(18)의 금속성분이 n+ 도핑층(12)을 지나 기판(10)의 p+층(10')과 접촉하여 누설전류를 발생시킬 수 있다.
따라서 이를 방지하기 위해서는 고온확산공정에서 n+ 도핑층(12)을 충분히 깊게 형성해야 하는데 이로 인해 공정시간이 더욱 길어지는 문제점이 있다.
넷째, 종래처럼 후면전계를 형성하기 위하여 기판(10)의 후면에 Al 페이스트를 도포한 후에 소결시키면 기판(10)의 휨(bowing) 현상이 발생하는 문제점이 있 다. 또한 후면전계를 형성하기 위해 Al 페이스트를 도포하면, 기판의 두께가 두꺼워지고 비용부담이 증가하는 문제점이 있다.
또한 전면전극(18)을 n+도핑층(12)과 접촉하도록 산화환원반응을 유도하기 위해서는 800℃ 이상의 고온에서 소결시켜야 하는데 이로 인해 기판(10)의 휨이 발생하는 경우도 많으며, 이와 같이 기판(10)이 휘면 이후의 모듈화 공정에서 문제를 발생시키게 된다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 종래의 복잡한 공정을 단순화시킴으로써 생산성을 향상시키고 비용을 절감할 수 있는 결정질 태양전지 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
또한 태양전지 제조시스템을 집적화된 시스템이나 연속적인 인라인 방식으로 설계할 수 있도록 함으로써 생산성을 높이고 전체 시스템의 풋프린트(footprint)를 절감할 수 있도록 하는데 목적이 있다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 제1도전형의 결정질 실리콘 기판을 준비하는 제1단계; 상기 기판의 일면에 제2 도전형 반도체층을 증착하는 제2단계; 상기 제2도전형 반도체층의 상부에 표면에 요철구조를 가지는 투명막을 증착하 는 제3단계; 상기 기판보다 큰 에너지 밴드갭을 가지는 제1도전형 반도체층을 상기 기판의 타면에 증착하는 제4단계; 상기 투명막의 상부에 제1전극을 형성하는 한편, 상기 제1 도전형 반도체층의 상부에 제2전극을 형성하는 제5단계를 포함하는 결정질 실리콘태양전지의 제조방법을 제공한다.
상기 제2도전형 반도체층은 미세결정질 실리콘 또는 비정질 실리콘인 것을 특징으로 할 수 있고, 50~500Å의 두께로 증착되는 것이 바람직하다.
또한 상기 제1단계와 상기 제2단계의 사이에 버퍼층을 형성하는 단계를 포함할 수 있으며, 이때 상기 버퍼층은 30~100Å의 두께로 증착되는 진성 또는 p형 도핑된 미세결정질 실리콘일 수 있다. 또한 상기 버퍼층과 상기 제2도전형 반도체층은 동일 챔버에서 연속적으로 증착될 수 있다.
또한 상기 제3단계에서 상기 투명막은 500~3000Å의 두께로 증착되는 ZnO층인 것을 특징으로 할 수 있으며, 이때 상기 ZnO층은 디에틸징크(DEZ)와, H2O 또는 O3를 원료물질로 하여 MOCVD법으로 증착될 수 있다.
또한 상기 제1도전형 반도체층은 50~500Å의 두께로 증착되는 비정질 실리콘이나 비정질 SiC층인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 제1도전형 반도체층을 형성하기 전에 상기 기판의 타면에 30~100Å의 두께로 버퍼층을 형성하는 단계를 포함할 수 있으며, 이때 상기 버퍼층은 진성또는 p형 도핑된 미세결정질 실리콘인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 본 발명은, 제1도전형의 결정질 실리콘 기판; 상기 기판의 일면에 형성되는 제2도전형 반도체층; 상기 제2도전형 반도체층의 상부에 형성되며, 표면에 요철구조를 가지는 투명막; 상기 기판보다 큰 에너지 밴드갭을 가지며, 상기 기판의 타면에 형성되는 제1도전형 반도체층; 상기 투명막의 상부에 형성되는 제1전극; 상기 제2도전형 도핑층의 상부에 형성되는 제2전극을 포함하는 결정질 실리콘 태양전지를 제공한다.
또한 본 발명은, 기판이송수단을 구비하는 이송챔버; 상기 이송챔버의 제1측부에 연결되며, 제1 도전형 결정질 실리콘기판의 일면에 제2도전형 반도체층을 증착하는 제1공정챔버; 상기 이송챔버의 제2측부에 연결되며, 상기 제2도전형 반도체층의 상부에 표면에 요철구조를 가지는 투명막을 증착하는 제2공정챔버; 상기 이송챔버의 제3측부에 연결되며, 상기 기판의 타면에 상기 기판보다 큰 에너지 밴드갭을 가지는 제1도전형 반도체층을 증착하는 제3공정챔버; 상기 이송챔버의 측부에 연결되며 외부와의 기판교환을 위하여 대기압상태와 진공상태를 교번하는 로드락챔버를 포함하는 결정질 실리콘 태양전지 제조시스템을 제공한다.
또한 본 발명은, 외부로부터 기판을 반입하기 위하여 대기압과 진공상태를 교번하는 로딩챔버; 상기 로딩챔버의 측부에 설치되며, 제1 도전형 결정질 실리콘 기판의 일면에 제2도전형 반도체층을 증착하는 제1공정챔버; 상기 제1공정챔버의 측부에 설치되며, 상기 제2도전형 반도체층의 상부에 표면에 요철구조를 가지는 투 명막을 증착하는 제2공정챔버; 상기 제2공정챔버의 측부에 설치되며, 상기 기판을 뒤집는 플리퍼; 상기 플리퍼의 측부에 설치되며, 상기 기판보다 큰 에너지 밴드갭을 가지는 제1도전형 반도체층을 상기 기판의 타면에 증착하는 제3공정챔버; 상기 제3공정챔버의 측부에 설치되며 외부로 기판을 반출하기 위하여 대기압상태와 진공상태를 교번하는 언로딩챔버를 포함하며, 상기 기판을 상기 로딩챔버, 상기 제1공정챔버, 상기 제2공정챔버, 상기 플리퍼, 상기 제3공정챔버, 상기 언로딩챔버의 순으로 이송하면서 공정을 진행하는 결정질 실리콘 태양전지 제조시스템을 제공한다.
본 발명에 따르면 결정질 실리콘 태양전지의 제조공정을 단순화시키고 공정시간도 크게 단축시킬 수 있다.
즉, 종래처럼 Si웨이퍼에 대한 텍스쳐링을 수행할 필요가 없기 때문에 공정이 단순화되고 공정시간이 단축된다.
PN접합면을 형성하기 위해 고온확산을 실시하지 않기 때문에 PSG나 BSG등의 발생이 방지되고, 따라서 이들 부산물을 제거하는 공정을 생략할 수 있어 공정시간을 단축하고 비용을 절감함으로써 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한 에지 아이솔레이션 공정을 생략할 수 있어 공정시간을 단축하고 비용을 절감함으로써 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한 후면전계를 형성하기 위해 Al층을 증착할 필요가 없기 때문에 생산 원가를 크게 낮출 수 있을 뿐만 아니라 소자를 보다 얇게 제조할 수 있다.
또한 전도성의 ZnO를 반사방지막으로 활용하기 때문에 전면전극을 도핑층과 접촉시키기 위해 고온의 산화환원반응을 유도할 필요가 없고 후면전계를 형성하기 위하여 Al을 확산시킬 필요가 없기 때문에 고온으로 인한 기판의 휨 현상을 방지할 수 있다.
또한 전면전극을 도핑층과 접촉시킬 필요가 없기 때문에 전극물질의 확산으로 인한 단락의 우려가 적으므로 도핑층을 종래보다 훨씬 얇게 형성하는 것이 가능하며 이로 인해 공정시간이 크게 단축된다.
또한 기판을 별도 용기에 이재시켜야 하는 등의 이유로 다른 공정과 연속적으로 진행하기 어려웠던 도핑을 통한 고온확산공정이 증착공정으로 대체되므로 제조공정의 대부분을 클러스터형 또는 인라인형의 제조시스템을 통해 진행하는 것이 가능하며, 이로 인해 기판이송시간의 단축 및 풋프린트 감소의 효과를 얻을 수 있다.
먼저 본 발명의 실시예에 따른 결정질 실리콘 태양전지는 도 3에 도시된 바와 같은 단면구조를 가진다.
즉, p형으로 도핑된 기판(100)의 전면에는 버퍼층(110), N형 반도체층(120), ZnO층(130)이 순차 형성되고, 기판(100)의 후면에는 버퍼층(140), P형 반도체층(150)이 순차 형성되며, 기판(100)의 전면과 후면에는 각각 전면전극(160)과 후면전극(170)이 형성된다.
이하에서는 도 4의 순서도 및 도 5a 내지 5e의 공정단면도를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 결정질 실리콘 태양전지를 제조하는 과정을 설명한다.
먼저 도 5a에 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 p형으로 도핑된 기판(100)을 이용하여 태양전지를 제조하는 과정을 설명하기로 하며, p형 기판(100) 대신에 n형 기판이 이용될 수도 있음은 물론이다. (ST110)
이어서 도 5b에 도시된 바와 같이 기판(100)의 상부에 N형 반도체층(120)을 50~500Å의 두께로 증착한다. 필요한 경우에는 기판(100)의 상부에 버퍼층(110)을 30~100Å의 두께로 증착한 후에 그 상부에 N형 반도체층(120)을 증착할 수도 있다.
상기 N형 반도체층(120)은 미세결정질 실리콘(μc-Si:H) 또는 비정질 실리콘(a-Si:H)인 것이 바람직하며, 예를 들어 실리콘 소스물질(SiH4, Si2H6 등)과 H2를 이용하여 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Evaporation)법으로 증착할 수 있다. 이때 N형 도펀트 물질을 소스물질과 함께 공급하면 N형 반도체층(120)을 형성할 수 있다.
상기 버퍼층(110)은 진성(intrinsic) 또는 p형으로 도핑된 미세결정질 실리콘층인 것이 바람직하며, 이 경우 버퍼층(110)은 Si소스물질, H2 등을 이용하여 PECVD법으로 증착할 수 있기 때문에 그 상부의 N형 반도체층(120)과 동일 챔버에서연속하여 증착하는 것이 가능하다는 장점이 있다. (ST120)
N형 반도체층(120)의 상부에는 도 5c에 도시된 바와 같이 ZnO층(130)을 형성하며, 그 두께는 500~3000Å인 것이 바람직하다.
ZnO는 굴절률이 1.9이고, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 500nm~1200nm의 파장대역에서 투과도가 80% 이상이고, 흡수도가 0에 가까운 광학적 특성을 가지기 때문에 기존의 반사방지막을 대체할 수 있다.
또한 ZnO층(130)은 도 7의 표면사진에 도시된 바와 같이 매우 거친 표면조도를 가지고 있기 때문에 기판(100) 표면을 별도로 텍스쳐링할 필요가 없는 장점이 있다.
또한 ZnO는 투명전도성 산화막(TCO: Transparent Conductive Oxide)의 일종으로서 10-3~10-4Ωcm 의 비저항과 45Ω/sq 의 면저항을 가진다.
이와 같이 ZnO층(130)이 도전성이면 N형 반도체층(120)과 전면전극(160)이 직접 접촉하지 않더라도 N형 반도체층(120)으로 확산된 전하가 ZnO층(130)을 거쳐 전면전극(160)으로 수집될 수 있다. 따라서 전면전극(160)을 ZnO층(130)을 관통시키지 않고 단지 ZnO층(130)의 상부에만 형성하면 된다.
즉, 종래처럼 산화환원반응(Redox reaction)을 유도하기 위하여 도전성 페이스트를 800℃ 이상의 고온에서 소결시킬 필요가 없다.
한편 ZnO층(130)은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법으로 증착하는 것이 바람직하며, 소스물질로는 다이에틸징크(DEZ)와 H2O 또는 O3가 사용된다. (ST130)
ZnO층(130)을 형성한 이후에는 기판(100)을 뒤집어서 도 5d에 도시된 바와 같이 기판(100)의 후면에 P형 반도체층(150)을 증착하며, 그 두께는 50~500Å인 것이 바람직하다.
P형 반도체층(150)은 P형으로 도핑된 비정질 SiC 또는 비정질 실리콘층인 것이 바람직하다.
비정질 SiC는 에너지 밴드갭이 2.0eV 이상이고, 비정질 실리콘층은 에너지 밴드갭이 약 1.7eV이다.
따라서 1.1eV의 에너지 밴드갭을 가지는 결정질 기판(100)의 후면에 이와 같이 에너지 밴드갭이 훨씬 큰 P형 반도체층(150)을 형성하면 도 8에 도시된 바와 같이 전자의 에너지 장벽이 형성되기 때문에 전자와 홀의 재결합을 방지하는 후면전계(Back Surface Field)를 형성할 수 있다.
또한 후면전계 형성을 위하여 기판(100)의 후면에 Al을 증착할 필요가 없기 때문에 Al으로 인한 기판의 휨 현상을 방지할 수 있다.
한편, 비정질 SiC은 SiH4와 메탄계 물질(CxHy)을 소스물질로 하여 PECVD법으 로 증착할 수 있으며, 비정질 실리콘은 실리콘 소스물질(SiH4, Si2H6 등)과 H2를 이용하여 PECVD법으로 증착할 수 있다.
이때 상기 소스물질과 P형 도펀트 물질(예: B2H6)을 PECVD장치 내부로 동시에 공급하면 인시튜(in-situ)로 비정질 SiC 또는 비정질 실리콘에 대한 도핑이 가능하다.
그런데 비정질 SiC를 이용하여 P형 반도체층(150)을 형성하는 경우에는 결정질 기판(100)과 비정질 SiC층의 격자상수가 서로 달라 이종접합(Hetero junction)이 형성되므로 접합계면에서 결함으로 인해 전자-전공쌍의 재결합이 발생할 수 있다.
따라서 이를 방지하기 위해서 결정질 기판(100)과 P형 반도체층(150)의 사이에 버퍼층(140)을 증착할 수도 있다. 이러한 버퍼층(140)은 진성 또는 p형으로 도핑된 미세결정질 실리콘층인 것이 바람직하며, 그 두께는 30~100Å인 것이 바람직하다.
버퍼층(140)은 Si 소스물질, H2 등을 이용하여 PECVD법으로 증착할 수 있기 때문에, 버퍼층(140)과 P형 반도체층(150)을 동일 챔버 내에서 연속공정으로 진행할 수도 있다. (ST140)
P형 반도체층(150)을 형성한 이후에는 도 5e에 도시된 바와 같이 기판의 전면과 후면에 각각 전면전극(160)과 후면전극(170)을 형성한다.
이를 위해 기판(100)의 전면과 후면에 메탈 섀도우 마스크를 설치하고 Al 또는 Ag를 스퍼터링법으로 증착할 수도 있고, Al 또는Ag 을 함유한 도전성 페이스트를 스크린 프린팅 기법을 이용하여 소정 패턴으로 도포한 후에 상기 기판을 고온의 퍼니스(furnace)에서 소결(sintering)시킬 수도 있다.
본 발명에 따르면 도전성의 ZnO층(130)의 상면에 전면전극(160)을 형성하면 되기 때문에 하부의 N형 반도체층(120)과 전면전극(160)을 접촉시키기 위해 산화환원반응을 유도할 필요가 없음은 전술한 바와 같다.
또한 기판(100)의 후면에 후면전계를 형성하기 위해 Al을 확산시킬 필요가 없기 때문에 종래에 비하여 훨씬 저온에서 소결공정을 진행할 수 있고, Al층으로 인한 기판의 휨 현상을 방지할 수 있다. (ST150)
이어서 제조된 태양전지의 효율을 테스트하고 그 결과에 따라 분류작업을 수행한 후, 완성된 다수의 태양전지를 연결하여 모듈화 공정을 거침으로써 태양전지모듈을 제조한다. (ST160)
한편, 이상에서는 기판(100)의 전면에 N형 반도체층(120), ZnO층(130)을 형성한 이후에 기판(100)의 후면에 P형 반도체층(150)을 형성하였으나, 그 반대의 순서로 진행할 수도 있다.
즉, 먼저 기판(100)의 후면에 P형 반도체층(150)을 먼저 형성한 후에 기판(100)을 뒤집어서, 기판(100)의 전면에 N형 반도체층(120)과 ZnO층(130)을 형성 할 수도 있다.
한편 이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 제조공정에 적용될 수 있는 제조시스템을 예시한다.
도 9는 클러스터형 태양전지 제조시스템(200)을 예시한 것으로서, 기판의 이송을 담당하는 이송챔버(210)의 측부에 로드락챔버(220), 제1공정챔버(230), 제2공정챔버(240), 제3공정챔버(250)가 연결된 구성을 가진다.
이송챔버(210)는 진공상태를 유지하면서 내부의 이송로봇(212)에 의해 기판(100)을 각 챔버로 이송하는 공간이며, 이송챔버(210)와 각 챔버의 사이에는 출입통로를 선택적으로 개폐하는 슬롯밸브(미도시)가 설치된다.
제1공정챔버(230)는 기판(100)의 전면에 N형 반도체층(120)을 PECVD법으로 증착하는 챔버이고, 제2공정챔버(240)는 N형 반도체층(120)의 상부에 ZnO층(130)을 MOCVD법으로 증착하는 챔버이고, 제3공정챔버(250)는 기판(100)의 후면에 P형 반도체층(150)을 증착하는 챔버이다.
이때 제1공정챔버(230)는 기판(100)에 먼저 미세결정질 실리콘의 버퍼층(110)을 증착한 후 연속하여 N형 반도체층(120)을 증착할 수 있다.
또한 제3공정챔버(250)는 기판(100)의 후면에 먼저 미세결정질 실리콘의 버퍼층(140)을 증착한 후 연속하여 P형 반도체층(150)을 증착할 수 있다.
한편 본 발명의 실시예에 따르면 기판(100)의 전면에 ZnO층(130)을 형성한 이후에는 기판(100)을 뒤집어야 하므로, 이를 위해서는 로드락챔버(220)를 통해 기 판(100)을 외부로 반출하여 미도시된 플리퍼에서 뒤집은 다음 다시 제3공정챔버(250)로 반입하여야 한다.
다만 시스템의 용적이 허락하는 한도내에서 이송챔버(210)의 측부에 이송챔버(210)와 연통하는 플리퍼를 직접 연결할 수도 있다.
제3공정챔버(250)에서 P형 반도체층(150)을 증착한 이후에는 전면전극(160)과 후면전극(170)을 형성하는 장치로 기판을 이송한다. 만일 이송챔버(210)의 측부에 전극형성용 챔버(미도시)가 결합되어 있는 경우에는 P형 반도체층 (150)을 형성한 다음 전극형성용 챔버에서 전면전극(160) 및 후면전극(170)을 형성할 수도 있다.
한편 이러한 태양전지 제조시스템에서 기판이송은 전술한 이송로봇에 의하여 기판 단위로 이루어질 수도 있고, 다수의 기판을적재하는 트레이(미도시)에 의해 이루어질 수도 있다. 즉, 다수 기판을 적재한 트레이를 제1공정챔버(230), 제2공정챔버(240), 제3공정챔버(250) 등으로 반입하여 공정을 진행할 수 있다.
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 수도있다. 후자의 경우에는 각 챔버의 내부에도 이러한 장치가 설치되어야 한다.
도 10은 인라인형 태양전지 제조시스템(300)의 구성을 예시한 도면이다.
즉, 기판 또는 트레이가 외부에서 반입되는 로딩챔버(310)와 외부로 반출하는 언로딩챔버(360)의 사이에 공정 순서에 맞게 제1공정챔버(320), 제2공정챔버(330), 플리퍼(340), 제3공정챔버(350) 등을 설치한다.
제1 내지 제3 공정챔버(320,330,350) 및 플리퍼(340)의 기능은 클러스터형 태양전지 제조시스템(200)과 관련하여 전술한 바와 같으므로 설명을 생략한다.
제3공정챔버(350)와 언로딩챔버(360)의 사이에 전극형성용 챔버(미도시)가 추가로 설치될 수도 있다.
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 제조시스템(300)은 고가의 이송로봇을 생략할 수 있기 때문에 전체 시스템의 단가를 낮출 수 있는 이점이 있고, 클러스터 타입 시스템을 설치하기 어려운 일자형 공간에도 설치할 수 있기 때문에 공간활용도를 높일 수 있는 장점이 있다.
한편 전술한 바와 같이 기판(100)의 일면에 P형 반도체층(150)을 먼저 형성한 후에 기판(100)을 뒤집어서 타면에 N형반도체층(120) 및 ZnO층(130)을 형성할 수도 있다. 따라서 상기 인라인형 태양전지 제조시스템(300)은 로딩챔버(310), 제3공정챔버(350), 플리퍼(340), 제1공정챔버(320), 제2공정챔버(330), 언로딩챔버(360)의 순서로 배치될 수도 있다.
또한 이상에서는 p형 기판(100)을 이용하여 결정질 태양전지를 제조하는 경우를 설명하였으나, 반대의 경우, 즉, n형 기판을 이용하여 결정질 태양전지를 제조하는 경우에도 본 발명이 그대로 적용될 수 있음은 물론이다.
도 1은 종래 결정질 실리콘 태양전지의 제조과정을 나타낸 공정순서도
도 2a 내지 도 2f는 종래 결정질 실리콘 태양전지의 제조과정을 나타낸 공정단면도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 결정질 실리콘태양전지의 단면도
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 결정질 실리콘태양전지의 제조방법
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 실시예에 따른 결정질 실리콘 태양전지의 제조과정을 나타낸 공정단면도
도 6a 및 도 6b는 ZnO의 투과도 및 흡수도를 나타낸 그래프
도 7은 ZnO층의 평면사진
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 결정질 실리콘태양전지의 에너지 밴드갭을 나타낸 도면
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 결정질 실리콘태양전지 제조시스템의 구성도
도 10은 인라인 타입의 결정질 실리콘 태양전지 제조시스템의 구성도
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
100: p형 기판 110, 140 : 버퍼층
120: N형 반도체층 130: ZnO층
150: P형 반도체층 160: 전면전극
170: 후면전극

Claims (33)

  1. 제1도전형의 결정질 실리콘 기판을 준비하는 제1단계;
    상기 기판의 일면에 제2 도전형 반도체층을 증착하는 제2단계;
    상기 제2도전형 반도체층의 상부에 표면에 요철구조를 가지는 투명막을 증착하는 제3단계;
    상기 기판보다 큰 에너지 밴드갭을 가지는 제1도전형 반도체층을 상기 기판의 타면에 증착하는 제4단계;
    상기 투명막의 상부에 제1전극을 형성하는 한편, 상기 제1 도전형 반도체층의 상부에 제2전극을 형성하는 제5단계;
    를 포함하는 결정질 실리콘태양전지의 제조방법
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2도전형 반도체층은 미세결정질 실리콘 또는 비정질 실리콘인 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘 태양전지의 제조방법
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2도전형 반도체층은 PECVD법으로 증착되는 것을 특징으로 하는 결정 질 실리콘 태양전지의 제조방법
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2도전형 반도체층은 50~500Å의 두께로 증착되는 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘 태양전지의 제조방법
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1단계와 상기 제2단계의 사이에 버퍼층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘 태양전지의 제조방법
  6. 제5항에 있어서,
    상기 버퍼층은 30~100Å의 두께로 증착되는 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘 태양전지의 제조방법
  7. 제5항에 있어서,
    상기 버퍼층은 진성 또는 p형 도핑된 미세결정질 실리콘인 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘 태양전지의 제조방법
  8. 제5항에 있어서,
    상기 버퍼층과 상기 제2도전형 반도체층은 동일 챔버에서 연속적으로 증착되는 것을 특징으로 하는결정질 실리콘 태양전지의 제조방법
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제3단계에서 상기투명막은 전도성을 갖는 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘 태양전지의 제조방법
  10. 제9항에 있어서,
    상기 투명막은 ZnO층인 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘 태양전지의 제조방법
  11. 제10항에 있어서,
    상기 ZnO층은 500~3000Å의 두께로 증착되는 것을 특징으로 하는 결정질 실 리콘 태양전지의 제조방법
  12. 제10항에 있어서,
    상기 ZnO층은 디에틸징크(DEZ)와, H2O 또는 O3를 원료물질로 하여 MOCVD법으로 증착되는 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘 태양전지의 제조방법
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1도전형 반도체층은 비정질 실리콘이나 비정질 SiC층인 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘 태양전지의 제조방법
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1도전형 반도체층은 50~500Å의 두께로 증착되는 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘 태양전지의 제조방법
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1도전형 반도체층을 형성하기 전에 상기 기판의 타면에 버퍼층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘 태양전지의 제조방법
  16. 제15항에 있어서,
    상기 버퍼층은 30~100Å의 두께로 증착되는 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘 태양전지의 제조방법
  17. 제15항에 있어서,
    상기 버퍼층은 진성 또는 p형 도핑된 미세결정질 실리콘인 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘 태양전지의 제조방법
  18. 제15항에 있어서,
    상기 버퍼층과 상기 제1도전형 반도체층은 동일 챔버에서 연속적으로 증착되는 것을 특징으로 하는결정질 실리콘 태양전지의 제조방법
  19. 제1항에 있어서,
    상기 제3단계와 상기 제4단계의 사이에는 상기 기판을 뒤집는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘태양전지의 제조방법
  20. 제1도전형의 결정질 실리콘기판을 준비하는 제1단계;
    상기 기판보다 큰 에너지 밴드갭을 가지는 제1도전형 반도체층을 상기 기판의 일면에 증착하는 제2단계;
    상기 기판의 타면에 제2 도전형 반도체층을 증착하는 제3단계;
    상기 제2도전형 반도체층의 상부에 표면에 요철구조를 가지는 투명막을 증착하는 제4단계;
    상기 투명막의 상부에 제1전극을 형성하는 한편, 상기 제1 도전형 반도체층의 상부에 제2전극을 형성하는 제5단계;
    를 포함하는 결정질 실리콘태양전지의 제조방법
  21. 제1도전형의 결정질 실리콘기판을 준비하는 제1단계;
    제1실리콘 소스물질을 공급하여 상기 기판의 일면에 제2 도전형 반도체층을 증착하는 제2단계;
    상기 제2도전형 반도체층의 상부에 투명막을 증착하는 제3단계;
    제2실리콘 소스물질을 공급하여 상기 기판의 타면에 상기 기판보다 큰 에너 지 밴드갭을 가지는 제1도전형 반도체층을 증착하는 제4단계;
    상기 투명막의 상부에 제1전극을 형성하는 한편, 상기 제1 도전형 반도체층의 상부에 제2전극을 형성하는 제5단계;
    를 포함하는 결정질 실리콘태양전지의 제조방법
  22. 제1도전형의 결정질 실리콘기판을 준비하는 제1단계;
    제1실리콘 소스물질을 공급하여 상기 기판보다 큰 에너지 밴드갭을 가지는 제1도전형 반도체층을 상기 기판의 일면에 증착하는 제2단계;
    제2실리콘 소스물질을 공급하여 상기 기판의 타면에 제2 도전형 반도체층을 증착하는 제3단계;
    상기 제2도전형 반도체층의 상부에 투명막을 증착하는 제4단계;
    상기 투명막의 상부에 제1전극을 형성하는 한편, 상기 제1 도전형 반도체층의 상부에 제2전극을 형성하는 제5단계;
    를 포함하는 결정질 실리콘태양전지의 제조방법
  23. 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판을 준비하는 제 1 단계;
    상기 기판의 일면에 제 2 도전형 반도체층을 증착하는 제 2 단계;
    상기 제 2 도전형 반도체층의 상부에 표면에 요철구조를 가지는 투명막을 증착하는 제 3 단계;
    상기 기판보다 큰 도핑농도를 가지는 제 1 도전형 반도체층을 상기 기판의 타면에 증착하는 제 4 단계;
    상기 투명막의 상부에 제 1 전극을 형성하는 한편, 상기 제 1 도전형 반도체층의 상부에 제 2 전극을 형성하는 제 5 단계;
    를 포함하는 결정질 실리콘 태양전지의 제조방법
  24. 제1도전형의 결정질 실리콘기판;
    상기 기판의 일면에 형성되는 제2도전형 반도체층;
    상기 제2도전형 반도체층의 상부에 형성되며, 표면에 요철구조를 가지는 투명막;
    상기 기판보다 큰 에너지 밴드갭을 가지며, 상기 기판의 타면에 형성되는 제1도전형 반도체층;
    상기 투명막의 상부에 형성되는 제1전극;
    상기 제2도전형 도핑층의 상부에 형성되는 제2전극;
    을 포함하는 결정질 실리콘태양전지
  25. 제24항에 있어서,
    상기 투명막은 도전성인 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘 태양전지
  26. 제25항에 있어서,
    상기 투명막은 ZnO층인 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘 태양전지
  27. 제24항에 있어서,
    상기 투명막은 증착을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘 태양전지
  28. 기판이송수단을 구비하는 이송챔버;
    상기 이송챔버의 제1측부에 연결되며, 제1 도전형 결정질 실리콘 기판의 일면에 제2도전형 반도체층을 증착하는 제1공정챔버;
    상기 이송챔버의 제2측부에 연결되며, 상기 제2도전형 반도체층의 상부에 표면에 요철구조를 가지는 투명막을 증착하는 제2공정챔버;
    상기 이송챔버의 제3측부에 연결되며, 상기 기판의 타면에 상기 기판보다 큰 에너지 밴드갭을 가지는 제1도전형 반도체층을 증착하는 제3공정챔버;
    상기 이송챔버의 측부에 연결되며 외부와의 기판교환을 위하여 대기압상태 와 진공상태를 교번하는 로드락챔버;
    를 포함하는 결정질 실리콘태양전지 제조시스템
  29. 제28항에 있어서,
    상기 제1 공정챔버 및 제3공정챔버는 PECVD장치이고, 상기 제2공정챔버는 MOCVD장치인 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘 태양전지 제조시스템
  30. 제28항에 있어서,
    상기 이송챔버의 측부에는 상기 제2공정챔버에서 공정을 마친 기판을 뒤집어주는 플리퍼가 설치되는 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘 태양전지 제조시스템
  31. 제28항에 있어서,
    상기 이송챔버와 상기 제1공정챔버, 상기 제2공정챔버 또는 상기 제3공정챔버 사이의 기판이송은 다수의 기판을 적재할 수 있는 트레이를 통해 이루어지며,
    상기 제1내지 제3 공정챔버는 상기 트레이에 다수의 기판을 적재한 상태에서 공정을 진행하는 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘 태양전지 제조시스템
  32. 외부로부터 기판을 반입하기 위하여 대기압과 진공상태를 교번하는 로딩챔버;
    상기 로딩챔버의 측부에 설치되며, 제1 도전형 결정질 실리콘 기판의 일면에 제2도전형 반도체층을 증착하는 제1공정챔버;
    상기 제1공정챔버의 측부에 설치되며, 상기 제2도전형 반도체층의 상부에 표면에 요철구조를 가지는 투명막을 증착하는 제2공정챔버;
    상기 제2공정챔버의 측부에 설치되며, 상기 기판을 뒤집는 플리퍼;
    상기 플리퍼의 측부에 설치되며, 상기 기판보다 큰 에너지 밴드갭을 가지는 제1도전형 반도체층을 상기 기판의 타면에 증착하는 제3공정챔버;
    상기 제3공정챔버의 측부에 설치되며 외부로 기판을 반출하기 위하여 대기압상태와 진공상태를 교번하는 언로딩챔버;
    를 포함하며, 상기 기판을 상기 로딩챔버, 상기 제1공정챔버, 상기 제2공정챔버, 상기 플리퍼, 상기 제3공정챔버, 상기 언로딩챔버의 순으로 이송하면서 공정을 진행하는 결정질 실리콘 태양전지 제조시스템
  33. 외부로부터 기판을 반입하기 위하여 대기압과 진공상태를 교번하는 로딩챔버;
    상기 로딩챔버의 측부에 설치되며, 제1 도전형 결정질 실리콘 기판의 일면 에 상기 기판보다 큰 에너지 밴드갭을 가지는 제1도전형 반도체층을 증착하는 제1공정챔버;
    상기 제1공정챔버의 측부에 설치되며, 상기 기판을 뒤집는 플리퍼;
    상기 플리퍼의 측부에 설치되며, 상기 기판의 타면에 제2도전형 반도체층을 증착하는 제2공정챔버;
    상기 제2공정챔버의 측부에 설치되며, 상기 제2도전형 반도체층의 상부에 표면에 요철구조를 가지는 투명막을 증착하는 제3공정챔버;
    상기 제3공정챔버의 측부에 설치되며 외부로 기판을 반출하기 위하여 대기압상태와 진공상태를 교번하는 언로딩챔버;
    를 포함하며, 상기 기판을 상기 로딩챔버, 상기 제1공정챔버, 상기 플리퍼, 상기 제2공정챔버, 상기 제3공정챔버, 상기 언로딩챔버의 순으로 이송하면서 공정을 진행하는 결정질 실리콘 태양전지 제조시스템
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