KR20090078272A - 실리콘 태양전지의 패시베이션층 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘 태양전지의 패시베이션층 형성 방법에 관한 것으로서, (a) 제1도전형의 실리콘 기판을 준비하는 단계; (b) 상기 실리콘 기판의 상부에 상기 제1도전형과 반대 도전형을 갖는 제2도전형의 에미터층을 형성하는 단계; 및 (c) 열산화법을 이용하여 상기 에미터층 상부에 패시베이션층을 형성하되, 열산화 공정 시 인-시튜(in-situ)로 TLC(Trans 1, 2-Dichloroethylene ; C2H2Cl2)를 인입시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 태양전지의 패시베이션용 실리콘 산화막의 형성 시 TLC를 인-시튜로 첨가함으로써, 실리콘 기판의 결함을 부동화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 실리콘 산화막 내에 금속 불순물이 유입되는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 소수 캐리어의 라이프 타임을 증대시켜 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
실리콘 태양전지, 패시베이션층, 산화막, 열산화법, 환경 오염, TLC
Description
본 발명은 실리콘 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리콘 태양전지의 패시베이션층 형성 공정에서 패시베이션층의 막질을 개선하여 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 실리콘 태양전지의 패시베이션층 형성 방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 특히 주목받고 있다. 태양전지에는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양빛(photons)을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지가 있으며, 태양전지라고 하면 일반적으로 태양광 전지(이하, '태양전지'라 함)를 일컫는다.
태양전지의 기본적인 구조를 나타낸 도 1을 참조하면, 태양전지는 다이오드와 같이 p형 반도체(101)와 n형 반도체(102)의 접합 구조를 가지며, 태양전지에 빛이 입사되면 빛과 태양전지의 반도체를 구성하는 물질과의 상호 작용으로 (-) 전하 를 띤 전자와 전자가 빠져나가 (+) 전하를 띤 정공이 발생하여 이들이 이동하면서 전류가 흐르게 된다. 이를 광기전력효과(光起電力效果, photovoltaic effect)라 하는데, 태양전지를 구성하는 p형(101) 및 n형 반도체(102) 중 전자는 n형 반도체(102) 쪽으로, 정공은 p형 반도체(101) 쪽으로 끌어 당겨져 각각 n형 반도체(101) 및 p형 반도체(102)와 접합된 전극(103, 104)으로 이동하게 되고, 이 전극(103, 104)들을 전선으로 연결하면 전기가 흐르므로 전력을 얻을 수 있다.
이와 같은 태양전지의 출력특성은 일반적으로 솔라시뮬레이터를 이용하여 얻어진 출력전류전압곡선 상에서 출력전류 Ip와 출력전압 Vp의 곱 Ip×Vp의 최대값(Pm)을 태양전지로 입사하는 총광에너지(S×I: S는 소자면적, I는 태양전지에 조사되는 광의 강도)로 나눈 값인 변환효율 η에 의해 평가된다. 참고로, 태양전지의 출력 특성은 변환효율 η에 비례하여 증가한다고 볼 수 있다.
태양전지의 변환효율 η을 향상시킬 수 있는 방법에는 여러 가지가 있는데, 그 중 하나가 태양전지 기판에 p-n 접합 구조를 형성한 후 기판 전면에 패시베이션층으로서 실리콘 산화막을 형성하여 p-n 접합 구조에서 생성되는 캐리어들의 재결합 정도를 줄이는 방법이 있다.
종래에는 주로 패시베이션층으로 사용되는 실리콘 산화막을 열산화법을 적용하여 형성하였다. 열산화법은 산소 분위기의 열처리 챔버에 태양전지 기판으로 사용되는 실리콘 기판을 인입한 후 챔버를 고온으로 상승시켜 기판 표면에서 열산화 반응을 유발함으로써 실리콘 산화막이 성막 되도록 하는 방법이다.
그런데 이러한 통상적인 열산화법에 의해 실리콘 산화막을 형성하면, 캐리어 의 재결합 정도를 감소시키는데 한계가 있다. 태양전지 기판의 표면에는 각종 금속 불순물이 존재하는데, 열산화 반응에 의해 실리콘 산화막이 성막될 때 실리콘 산화막 내에 금속 불순물이 포획되어 캐리어의 재결합 사이트로 작용하기 때문이다.
물론, 실리콘 산화막을 성막시키기 앞서 태양전지 기판을 세정하여 금속 불순물에 의한 오염 레벨을 일정 정도까지 낮출 수는 있다. 하지만, 열산화 반응이 유발되는 챔버 내벽에 부착된 금속 오염물이나 산화 분위기 조성을 위해 공급하는 산소 가스와 함께 유입된 금속 불순물에 의해 태양전지 기판 표면이 다시 오염되므로, 패시베이션층으로 형성하는 실리콘 산화막 내에 금속 불순물이 포획되는 현상을 원천적으로 차단하는데는 한계가 있을 수밖에 없다.
따라서, 열산화법에 의해 실리콘 산화막을 형성하여 태양전지 기판의 패시베이션 효과를 극대화하기 위해서는 금속 불순물이 실리콘 산화막 내에 포획되는 것을 방지할 수 있는 방안을 모색할 필요가 있다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제를 해결하기 위해 창안된 것으로서, 태양전지의 패시베이션층으로 실리콘 산화막을 형성할 때 금속 불순물을 제거할 수 있는 가스를 챔버에 투입하여 패시베이션층의 막질을 개선할 수 있는 실리콘 태양전지의 패시베이션층 형성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 태양전지의 패시베이션층의 막질 개선을 통해 소수 캐리어의 라이프 타임을 증대시킴으로써 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 실리콘 태양전지의 패시베이션층 형성 방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 실리콘 태양전지의 패시베이션층 형성 방법은, (a) 제1도전형의 실리콘 기판을 준비하는 단계; (b) 상기 실리콘 기판의 상부에 상기 제1도전형과 반대 도전형을 갖는 제2도전형의 에미터층을 형성하는 단계; 및 (c) 열산화법을 이용하여 상기 에미터층 상부에 패시베이션층을 형성하되, 열산화 공정 시 인-시튜(in-situ)로 TLC(Trans 1, 2-Dichloroethylene ; C2H2Cl2)를 인입시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 패시베이션층은 실리콘 산화막(SiO2)이다.
바람직하게, 상기 (c) 단계는, 실리콘 기판을 열처리 챔버에 인입시킨 상태에서 챔버에 O2 가스와 TLC를 동시에 인입시키면서 패시베이션층을 형성하는 단계이 다.
바람직하게, 상기 TLC는 100 내지 400 sccm의 유량으로 인입시킨다.
본 발명에 따르면, 태양전지의 패시베이션용 실리콘 산화막의 형성 시 TLC를 인-시튜로 첨가함으로써, 실리콘 기판의 결함을 부동화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 실리콘 산화막 내에 금속 불순물이 유입되는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 소수 캐리어의 라이프 타임을 증대시켜 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2 내지 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘 태양전지의 패시베이션층 형성 방법을 순차적으로 도시한 공정 단면도들이다.
먼저 도 2에 도시된 바와 같이, 제1도전형의 실리콘 기판(201) 상에 제1도전 형과 반대 도전형을 갖는 제2도전형의 에미터층(202)을 형성한다. 에미터층(202)이 형성되면, 상기 실리콘 기판(201)에는 p-n 접합이 형성된다. 여기서, 상기 실리콘 기판(201)은 p형 및 n형이 모두 사용될 수 있으며, 그 중 p형 실리콘 기판은 소수 캐리어의 수명 및 모빌리티(mobility)가 커서(p형의 경우 전자가 소수 캐리어임) 가장 바람직하게 사용될 수 있다. p형 실리콘 기판에는 대표적으로 B, Ga, In 등의 3족 원소들이 도핑되어 있다. 실리콘 기판이 p형인 경우, n형 에미터층은 P, As, Sb 등의 5족 원소들을 확산시켜 형성한다.
상기 제2도전형의 에미터층(202)을 형성할 때에는, 먼저 실리콘 기판(201)을 확산로(diffusion furnace)(미도시)에 로딩하고, 산소 가스와 제2도전형의 불순물 가스를 주입하여 기판 상부에 불순물이 유입된 산화막을 형성한다. 여기서, 실리콘 기판이 p형인 경우, 불순물 가스로는 POCl3가 사용될 수 있다. 그런 다음, 고온 열처리를 통해 산화막 내의 불순물을 실리콘 기판(201) 표면으로 드라이브-인(drive-in) 시킨다. 그러고 나서, 기판 표면에 잔류하는 산화막을 제거한다. 그러면 실리콘 기판(201) 상부에 소정 두께의 에미터층(202)이 형성된다. 한편, 본 발명은 에미터층(202)의 형성 방법에 의해 한정되지 않으므로, 본 발명이 속한 기술분야에서 공지된 다양한 에미터층(202) 형성 방법이 적용될 수 있을 것임은 자명하다.
상술한 공정을 거쳐 에미터층(202)이 형성되면, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 에미터층(202)이 형성된 실리콘 기판(201) 상부에 패시베이션층(203)을 형성한다. 여기서, 상기 패시베이션층(203)은 열산화법을 통해 실리콘 기판(201)의 표 면을 열산화 반응시켜 형성하는 실리콘 산화막(SiO2)이다. 열산화법은 열산화 반응에 사용되는 기체의 종류에 따라 건식 산화법과 습식 산화법으로 구분되는데, 본 실시예에서는 반응기체로 순수한 산소를 사용하는 건식 산화법을 통해 패시베이션층(203)을 형성하는 것이 바람직하다.
열산화법을 이용하여 패시베이션층(203)을 형성할 때에는, 먼저 열처리 챔버(미도시) 내에 에미터층(202)이 형성된 실리콘 기판(201)을 인입시킨다. 그런 다음, 챔버의 온도를 실리콘의 열산화 반응이 유발될 수 있을 정도의 온도로 상승시킨다. 그러고 나서, 챔버 내로 O2 가스를 주입시키면서 인-시튜(in-situ)로 TLC(Trans 1, 2-Dichloroethylene ; C2H2Cl2)를 동시에 인입시킨다. 그러면, 열처리 챔버 내로 유입된 O2 가스와 TLC가 실리콘 기판(201)의 표면에서 열산화 반응하여 실리콘 산화막(SiO2)으로 이루어진 양질의 패시베이션층(203)이 형성된다. 이 때, TLC의 유량은 100 내지 400 sccm으로 제어하는 것이 바람직하다. TLC의 유량이 100 sccm 미만이면 실리콘 산화막(SiO2) 내에 금속 불순물이 유입되는 것을 충분히 방지할 수 없고, TLC의 유량이 400 sccm 초과하면 열처리 챔버 내에서 유독성이 있는 HCl이 과도하게 발생하여 반응 부산물의 처리에 많은 비용이 소요되는 문제가 있어 바람직하지 못하다.
하기 반응식 1은 O2 가스가 열산화 반응에 의해 실리콘 기판(201)의 표면에 노출된 실리콘 원자와 반응하여 실리콘 산화막(SiO2)이 형성되는 반응 메커니즘을 보여준다.
한편, 패시베이션층(203)의 형성 시 인-시튜로 인입된 상기 TLC는 열처리 챔버 내에서 O2 가스와 하기 반응식 2에 따라 반응하여 HCl을 형성한다.
상기 반응식 2를 통해 형성된 HCl은 패시베이션층이 성막되는 과정에서 막질을 개선하는데 중요한 역할을 한다. 즉, HCl의 구성 원소인 H는 실리콘 기판(201)의 결함(예컨대, 댕글링 본드(dangling bond))을 부동화시킨다. 그리고, HCl의 구성 원소인 Cl은 열산화 반응 시 실리콘 산화막(SiO2) 내의 금속 불순물과 결합하여 휘발성(volatile) 화합물을 형성함으로써 금속 불순물을 제거한다. 그 결과, p-n 접합에서 생성된 캐리어의 재결합 사이트가 현저하게 감소되어 소수 캐리어의 라이프 타임을 증가시킬 수 있게 된다. 또한, HCl은 실리콘 산화막(SiO2)의 성장률(growth rate)을 향상시켜 패시베이션층(203)의 형성 시간을 단축시켜 주는 부수적 작용도 수행한다.
한편, HCl은 강한 부식성으로 인하여 직접적으로 사용할 수 없는 유독성 가스이다. 하지만 본 발명은 열처리 챔버에 HCl을 직접적으로 유입시키지 않고 TLC와 산소 가스에 의한 반응 부산물로 얻어지는 HCl을 이용하여 패시베이션층(203)의 막질을 개선한다. 또한 TLC는 TCE(Trichloroethylene) 또는 TCA(Trichloroethane)와 달리 오존층 파괴라는 환경 문제를 야기하지 않으므로 사용상의 제약이 따르지 않는다는 이점이 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어 져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다.
실시예 1
먼저, 125×125 ㎟ 사이즈의 p형 단결정 실리콘 기판을 준비하였다. 이어서, 준비된 실리콘 기판 상부에 n형 에미터층을 형성하였다. 그런 다음, 에미터층이 형성된 실리콘 기판을 열처리 챔버 내에 인입하였다. 그런 다음, 챔버의 온도를 950도로 상승시킨 후, 챔버 내로 O2 가스를 5000 sccm 주입시키면서 동시에 TLC을 100 sccm의 유량으로 인입하여 30분간 열산화 반응을 유발시켜 실리콘 산화막(SiO2)을 형성하였다. 그리고 나서, 챔버의 온도를 950도로 유지시킨 상태에서 N2 가스를 8000 sccm 주입시켜 10분간 어닐링을 수행하여 실리콘 산화막(SiO2)을 안정화 시켰다. 그런 다음, 실리콘 기판 전면에 실리콘 질화막으로 이루어진 반사방지막을 형성하고, 전극 공정을 진행하여 실리콘 기판의 후면에는 알루미늄 전극을, 실리콘 기판의 전면에는 상기 반사방지막을 관통시켜 은 전극을 형성함으로써 태양전지의 제조를 완료하였다.
실시예 2
열처리 챔버에 TLC의 유량을 200 sccm으로 인입시키는 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 실리콘 태양전지를 제조하였다.
실시예 3
열처리 챔버에 TLC의 유량을 300 sccm으로 인입시키는 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 실리콘 태양전지를 제조하였다.
비교예 1
실리콘 산화막(SiO2) 형성 시 TLC를 인입시키지 않았다는 점을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 실리콘 태양전지를 제조하였다.
태양전지의 소수 캐리어의
라이프
타임 측정
상기 실시예 1 내지 3 및 비교에 1에 따라 제작된 실리콘 태양전지에 대하여, 소수 캐리어의 라이프 타임을 측정하였으며, 그 결과를 도 4의 그래프에 도시하였다. 도 4를 참조하면, 실리콘 태양전지의 소수 캐리어의 라이프 타임은 비교예 1에서 2.64㎲, 실시예 1에서 2.7㎲, 실시예 2에서 3.02㎲, 실시예 3에서 3.64㎲로 TLC의 첨가 유량의 증가에 따라 소수 캐리어의 라이프 타임이 향상됨을 알 수 있다. 특히, 100 sccm 이상의 TLC를 인입하였을 때 소수 캐리어의 라이프 타임 증가가 가시적으로 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과로부터 열산화법에 의한 패시베이션층 형성 시 TLC를 인-시튜로 첨가하면 패시베이션층의 막질을 개선하여 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 태양전지의 기본적인 구조를 나타낸 개략도이다.
도 2 내지 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘 태양전지의 패시베이션층 형성 방법을 순차적으로 도시한 공정 단면도들이다.
도 4는 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따른 실리콘 태양전지에 대해서 소수 캐리어의 라이프 타임을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
Claims (4)
- (a) 제1도전형의 실리콘 기판을 준비하는 단계;(b) 상기 실리콘 기판의 상부에 상기 제1도전형과 반대 도전형을 갖는 제2도전형의 에미터층을 형성하는 단계; 및(c) 열산화법을 이용하여 상기 에미터층 상부에 패시베이션층을 형성하되, 열산화 공정 시 인-시튜(in-situ)로 TLC(Trans 1, 2-Dichloroethylene ; C2H2Cl2)를 인입시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지의 패시베이션층 형성 방법.
- 제1항에 있어서,상기 패시베이션층은 실리콘 산화막(SiO2)인 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지의 패시베이션층 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 (c) 단계는,실리콘 기판을 열처리 챔버에 인입시킨 상태에서 챔버에 O2 가스와 TLC를 동시에 인입시키면서 패시베이션층을 형성하는 단계임을 특징으로 하는 실리콘 태양전지의 패시베이션층 형성 방법.
- 제3항에 있어서,상기 TLC는 100 내지 400 sccm의 유량으로 인입시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지의 패시베이션층 형성 방법.
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2008
- 2008-01-14 KR KR1020080004129A patent/KR20090078272A/ko not_active Application Discontinuation
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