KR20100053050A - 태양전지 제조방법 - Google Patents

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Abstract

태양전지 제조방법이 개시된다. 태양광을 흡수하여 전자 정공쌍을 생성하는 광전 변환모듈을 형성하는 단계와, 상기 광전 변환모듈의 일면에 전극층을 형성하는 단계 및 상기 전극층 상부에 메탈페이스트를 이용하여 집전극을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 메탈페이스트를 이용하여 집전극을 형성하는 단계는, 상기 전극층 상부에 메탈페이스트를 도포하여 메탈페이스트 층을 형성하는 단계와, 상기 메탈페이스트 층 상부에 개구패턴이 형성된 마스크를 배치하는 단계와, 상기 개구패턴이 형성된 상기 마스크를 향해서 적외선을 조사하는 단계 및 상기 전극층 상부에 메탈페이스트를 부착한 영역을 부분적으로 가열하여 상기 메탈페이스트를 경화시킴으로써 집전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 제조과정에서 정공과 전자의 확산을 최소화시켜 불량을 감소시킬 수 있다.

Description

태양전지 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING SOLAR CELL}
본 발명은 태양전지 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 불량을 감소시킬 수 있는 태양전지 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 태양전지는 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 소자로써, 친환경적이고, 수명이 길고, 무한 에너지원이라는 여러 장점으로 인해 기존의 석탄, 석유 등의 에너지원을 대체할 수 있는 대체 에너지원으로 그 적용 분야가 계속해서 확대되고 있는 실정이다.
태양전지는 사용 재료에 따라 실리콘계열, 화합물계열, 유기물계열 등으로 크게 구분될 수 있으며, 이중 실리콘계열의 태양 전지가 현재 대부분을 차지하고 있다.
실리콘계열의 태양전지는 다시 단결정 또는 다결정 실리콘으로 제조되는 결정형 태양전지와 비정질 또는 미세결정질 실리콘으로 제조되는 박막형 태양전지로 구분될 수 있다.
실리콘계열의 태양 전지는 다시 단결정 또는 다결정 실리콘으로 제조되는 결정형 태양 전지와 비정질 또는 미세결정질 실리콘으로 제조되는 박막형 태양 전지 로 구분될 수 있다. 그러나, 결정형 태양 전지는 광전 효율이 높은 반면 제조 비용이 증가되는 단점이 있으며, 박막형 태양 전지는 제조 비용이 저렴한 반면 광전 효율이 결정형에 비하여 떨어지는 단점이 있다. 따라서, 최근에는 광전 효율을 향상시킬 수 있는 박막형 태양 전지에 대한 기술 개발이 요구되고 있다. 이중, 결정형 태양전지는 광전변환 효율이 상대적으로 높아서 많은 연구가 진행되고 있으나, 아직까지 충분한 효율을 달성하고 있지 못한 실정이다.
한편, 이러한 결정형 태양전지는 상부에 집전 전극을 형성하는 경우가 있는데, 이러한 집전 전극을 형성하는 과정에서, 고온을 인가하게 되어, p형 반도체층과 n형 반도체층의 정공과 전자가 서로 다른 층으로 확산되어 문제를 야기하는 경우가 발생된다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 태양전지는 광전변환 효율을 보다 향상시킬 수 있는 태양전지 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 제조공정에서 p형 반도체층의 정공과 n형 반도체층의 확산을 방지할 수 있는 태양 전지 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 태양전지 제조방법은, 태양광을 흡수하여 전자 정공쌍을 생성하는 광전 변환모듈을 형성하는 단계와, 상기 광전 변환모듈의 일면에 전극층을 형성하는 단계 및 상기 전극층 상부에 메탈페이스트를 부착 한 영역을 부분적으로 가열하여 상기 메탈페이스트를 경화시킴으로써 집전극을 형성하는 단계를 포함한다.
예컨대, 상기 집전극을 형성하는 단계는, 상기 전극층 상부에 메탈페이스트를 도포하여 메탈페이스트 층을 형성하는 단계와, 상기 메탈페이스트 층 상부에 개구패턴이 형성된 마스크를 배치하는 단계와, 상기 개구패턴이 형성된 상기 마스크를 향해서 적외선을 조사하는 단계 및 상기 개구패턴을 통과한 적외선에 의해 경화된 부분을 제외한 나머지 부분의 메탈페이스트를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
또는, 상기 집전극을 형성하는 단계는, 상기 전극층 상부에 개구패턴이 형성된 마스크를 배치하는 단계와, 상기 마스크의 상기 개구패턴에 메탈페이스트를 주입하는 단계와, 상기 개구패턴에 주입된 상기 메탈페이스트를 경화시키는 단계, 및 상기 마스크를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 마스크의 상기 개구패턴에 메탈페이스트를 주입하는 단계는, 상기 개구패턴이 형성된 상기 마스크 상부에 전체적으로 메탈페이스트를 도포하는 단계 및 상기 마스크 상부를 스크레이핑(scraping)하여 마스크 상부의 메탈페이스트를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 메탈페이스트를 경화시키는 단계는 상기 개구패턴에 주입된 상기 메탈페이스트에 적외선을 조사하는 단계를 포함할 수 있으며, 또는 상기 메탈페이스트를 경화시키는 단계는 상기 개구패턴에 주입된 상기 메탈페이스트를 인덕션 히터(induction heater)를 이용하여 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
또는, 상기 메탈페이스트를 이용하여 집전극을 형성하는 단계는, 로울러의 표면에 형성된 그루브에 메탈페이스트를 주입하는 단계와, 상기 로울러를 상기 전극층 상부에 롤링하여 상기 메탈페이스트를 상기 전극층 상부에 전사하는 단계, 및 상기 메탈페이스트를 경화하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 메탈페이스트를 경화시키는 단계는, 상기 개구패턴에 주입된 상기 메탈페이스트에 적외선을 조사하는 단계를 포함할 수 있다. 또는, 상기 메탈페이스트를 경화시키는 단계는, 상기 개구패턴에 주입된 상기 메탈페이스트를 인덕션 히터(induction heater)를 이용하여 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 광전변환 모듈을 생성하는 단계는, 반도체 기판의 제1 면 상에 비정질 실리콘보다 밴드갭 에너지가 큰 물질로 이루어진 제1 진성 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 제1 진성 반도체층 상에 제1 불순물 도핑 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 제1 불순물 도핑 반도체층 상에 투명 전극을 형성하는 단계, 및 상기 반도체 기판의 상기 제1 면의 반대인 제2 면 상에 이면 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 제1 진성 반도체층을 형성하는 단계는, 플라즈마 화학기상증착 공정을 통해, 아몰퍼스 실리콘, 실리콘카바이드(SiC), 실리콘 옥시나이트라이드(SiON) 및 실리콘 옥시카바이드(SiOC) 중에서 선택된 어느 하나를 형성할 수 있다.
이때, 상기 제1 진성 반도체층을 형성하는 단계는, 서로 교대로 배치된 복수의 정전압 전극들과 복수의 부전압 전극들을 포함하는 분할전극 어셈블리를 구비한 플라즈마 화학기상증착 장치에서 진행될 수 있다.
또한, 상기 플라즈마 화학기상증착 장치는 상기 정전압 전극과 상기 부전압 전극 사이로 제1 반응가스를 공급하고, 상기 정전압 전극 및 상기 부전압 전극을 관통하여 상기 제1 반응가스와 다른 종류의 제2 반응가스를 공급할 수 있다.
예컨대, 상기 반도체 기판은 n형 실리콘 기판으로 형성하고, 상기 제1 불순물 도핑 반도체층은 p형 비정질 실리콘으로 형성할 수 있다. 또는, 상기 반도체 기판은 p형 실리콘 기판으로 형성하고, 상기 제1 불순물 도핑 반도체층은 n형 비정질 실리콘으로 형성할 수 있다.
또한, 상기 광전변환 모듈을 생성하는 단계는, 상기 반도체 기판과 상기 이면 전극 사이에 제2 진성 반도체층을 형성하는 단계 및 상기 제2 진성 반도체층과 상기 이면 전극 사이에 제2 불순물 도핑 반도체층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 제2 불순물 도핑 반도체층은, 상기 반도체 기판이 n형 실리콘 기판일 경우, n형 비정질 실리콘으로 형성하고, 상기 반도체 기판이 p형 실리콘 기판일 경우, p형 비정질 실리콘으로 형성할 수 있다.
한편, 상기 광전변환 모듈을 생성하는 단계는, 기판 상부에 이면 전극을 형성하는 단계와, 상기 이면 전극 상부에 제2 불순물 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 제2 불순물 반도체층 상부에 진성 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 진성 반도체층 상부에 제1 불순물 반도체층을 형성하는 단계 및 상기 제1 불순물 반도체층 상부에 투명 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 진성 반도체층을 형성하는 단계는, 2 ~ 13.56㎒의 주파수 및 1 : 0.1~1의 실란(SiH4) 가스와 수소(H2) 가스의 비율로 화학기상증착(CVD) 공정을 통해 상기 비정질 실리콘층을 형성하는 단계 및 40 ~ 100㎒의 주파수 및 1 : 5~30 : 1의 실란(SiH4) 가스, 수소(H2) 가스 및 불화규소(SiF4) 가스의 비율로 화학기상증착 공정을 통해 상기 미세결정질 실리콘층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또는, 상기 진성 반도체층을 형성하는 단계는, 실란(SiH4)에 대한 수소(H2)의 비율을 나타내는 희석율(dilution ratio)이 0 ~ 2인 공정 조건으로 비정질(amorphous) 실리콘 및 상기 비정질 실리콘 내부에 나노 클러스터 형태로 랜덤하게 분포된 미세결정질(micro-crystalline) 실리콘을 포함하는 진성(intrinsic) 실리콘층을 형성할 수 있다.
본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 태양전지 제조방법은, 태양광을 흡수하여 전자 정공쌍을 생성하는 광전 변환모듈을 형성하는 단계와, 상기 광전 변환모듈의 일면에 전극층을 형성하는 단계와, 상기 전극층 상부에 금속층을 형성하는 단계와, 상기 금속층을 패터닝하여 집전 전극을 형성하는 단계 및 상기 집전 전극을 히팅하는 단계를 포함한다.
예컨대, 상기 전극층은 투명한 도전성물질인 인듐화합물을 포함하고, 상기 금속층은 상기 전극층에 접하는 몰리브덴층 및 구리층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 집전 전극을 히팅하는 단계는, 상기 집전 전극에 적외선을 조사하는 단계를 포함하거나, 상기 집전 전극을 인덕션 히터(induction heater)를 이용하여 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 예시적인 또 다른 실시예에 따른 태양전지 제조방법은, 태양광을 흡수하여 전자 정공쌍을 생성하는 광전 변환모듈을 형성하는 단계와, 상기 광전 변환모듈의 일면에 전극층을 형성하는 단계와, 상기 전극층 상부에 개구패턴이 형성된 마스크를 부착하는 단계, 및 상기 개구패턴을 통해서 노출된 상기 전극층 표면을 도금하는 단계를 포함한다.
예컨대, 상기 도금하는 금속은 크롬, 니켈, 구리, 은, 금, 몰리브덴 및 주석 중 어느 하나가 될 수 있다.
이와 같은 태양전지 제조방법에 따르면, 태양 전지에서 실질적으로 광전 효과를 일으키는 진성 실리콘층을 비정질 실리콘 및 메세결정질 실리콘이 반복적으로 적층된 구조로 형성하거나, 비정질 실리콘 및 비정질 실리콘 내부에 나노 클러스터 형태로 랜덤하게 분포된 미세결정질 실리콘을 포함하는 구조로 형성함으로써, 태양 전지의 광전 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 집전 전극을 형성하는 과정에서, 광전변환을 일으키는 광전변환 모듈 전체를 가열함이 없이, 집전 전극을 형성하는 부위만 가열함으로써, p형 반도체층의 정공과 n형 반도체층의 확산을 방지하여 태양전지의 불량을 감소시킬 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어 야 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 도면들에 있어서, 각 장치 또는 막(층) 및 영역들의 두께는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 과장되게 도시되었으며, 또한 각 장치는 본 명세서에서 설명되지 아니한 다양한 부가 장치들을 구비할 수 있으며, 막(층)이 다른 막(층) 또는 기판 상에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 다른 막(층) 또는 기판 상에 직접 형성되거나 그들 사이에 추가적인 막(층)이 개재될 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조방법에 따라 제조된 태양전지를 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조하여 광전변환 모듈(200)의 제조공정을 설명하고, 집전 전극(160, 190)의 형성 과정은 이후 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지(100)를 제조하기 위해서 먼저 반도체 기판(110)을 형성한다.
반도체 기판(110)은 예를 들어, 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등의 n형 불순물이 저농도로 도핑되어 있는 단결정 실리콘으로 형성한다. 반도체 기판(110)은 수십 ㎛에서 수백 ㎛의 두께로 형성할 수 있으며, 예를 들어 약 200㎛의 두께로 형성한다. 반도체 기판(110)의 제1 면, 즉 태양광이 입사되는 표면에는 수 ㎛에서 수십 ㎛ 크기의 요철을 형성할 수 있다. 반도체 기판(110)의 제1 면에 형성된 요철은 입사하는 광이 표면에서 반사되어 손실되는 것을 감소시키고 입사된 광을 가두어 광전변환효율을 향상시킨다.
이후, 제1 진성 반도체층(120)을 반도체 기판(110)의 제1 면 상에 형성한다. 제1 진성 반도체층(120)은 비정질(amorphous) 실리콘보다 밴드갭 에너지가 크거나 같은 물질로 형성한다. 예를 들어, 제1 진성 반도체층(120)은 아몰퍼스 실리콘, 실리콘 옥시나이트라이드(silicon oxynitride, SiON) 또는 실리콘 옥시카바이드(silicon oxycarbide, SiOC)로 형성한다. 이와 달리, 제1 진성 반도체층(120)은 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC)로 형성할 수 있다. 제1 진성 반도체층(120)은 수 ㎚에서 수십 ㎚의 두께로 형성할 수 있으며, 예를 들어 약 5㎚ 정도의 얇은 두께로 형성한다.
이후, 제1 불순물 도핑 반도체층(130)을 제1 진성 반도체층(120) 상에 형성한다. 제1 불순물 도핑 반도체층(130)은 예를 들어, 붕소(B), 칼륨(K) 등의 p형 불순물이 저농도로 도핑되어 있는 비정질 실리콘으로 형성한다. 제1 불순물 도핑 반도체층(130)은 수 ㎚에서 수십 ㎚의 두께로 형성할 수 있으며, 예를 들어 약 5㎚ 정도의 얇은 두께로 형성한다.
다음으로, 투명 전극(140)을 제1 불순물 도핑 반도체층(130) 상에 형성된다. 투명 전극(140)은 상부로부터 입사되는 태양광을 투과시키기 위하여 도전성 광투과 물질로 형성한다. 예를 들어, 투명 전극(140)은 산화인듐주석(indium tin oxide, ITO), 산화인듐아연(indium zinc oxide, IZO), 산화주석(tin oxide, SnO), 산화아연(zinc oxide, ZnO) 등으로 형성될 수 있다. 투명 전극(140)은 수십 ㎚에서 수백 ㎚의 두께로 형성할 수 있으며, 예를 들어 약 100㎚의 두께로 형성한다.
이면 전극(150)은 반도체 기판(110)의 상기 제1 면의 반대인 제2 면 상에 형성한다. 이면 전극(150)은 예를 들어, 산화인듐주석(ITO), 산화주석(SnO), 산화아연(ZnO) 등의 도전성 광투과 물질로 형성할 수 있다. 이와 달리, 이면 전극(150)은 은(Ag), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 몰리브덴(Mo) 등의 단일 금속 또는 이들의 합금으로 형성하거나, 상기 단일 금속 또는 합금의 산화물 등으로 형성할 수 있다. 또한, 이면 전극(150)은 도전성을 갖는 알루미늄 테이프 등으로 형성할 수 있다.
이와 같이, n형 단결정 실리콘으로 이루어진 반도체 기판(110)과 p형 비정질 실리콘으로 이루어진 제1 불순물 도핑 반도체층(130) 사이에 실질적으로 발전에 기여하지 않을 정도의 두께를 갖는 제1 진성 반도체층(120)을 형성함으로써, 단결정 실리콘과 비정질 실리콘의 계면에서의 결정 결함을 감소시켜, 헤테로 접합 계면의 특성을 개선시킬 수 있다.
이때, 제1 진성 반도체층(120)으로 기존에 사용하던 비정질 실시콘보다 밴드갭 에너지가 큰 실리콘 옥시나이트라이드(SiON) 또는 실리콘 옥시카바이드(SiOC)를 사용하게 되면, 제1 진성 반도체층(120)의 광흡수율이 떨어지게 되므로, 진성 반도체층(120) 자체에서 흡수되어 손실되는 광이 감소되고, 이로 인해 태양 전지(100)의 광전 효율이 향상된다. 또한, 제1 진성 반도체층(120)을 아몰퍼스 실리콘, 실리콘카바이드(SiC), 실리콘 옥시나이트라이드(SiON) 또는 실리콘 옥시카바이드(SiOC)로 형성하면 실리콘보다 비정질이 더 잘 만들어지므로, 단결정 실리콘과 비정질 실리콘의 계면에서의 결정 결함이 더욱 감소되고, 제1 진성 반도체층(120)의 두께를 더욱 감소시킬 수 있어 불필요한 광 손실이 더욱 감소되어 광전 효율이 더욱 향상된다.
더욱이, 제1 진성 반도체층(120)으로 실리콘 옥시카바이드(SiOC)를 사용하면, 함유된 탄소(C) 원자가 도펀트(dopant) 역할을 수행하여 전도도가 향상되고, 이로 인해 광전 효율이 더욱 향상될 수 있다.
집전 전극(160)은 반도체 기판(110)과 제1 불순물 도핑 반도체층(130)을 통해 생성된 광 생성 캐리어를 취출하기 위한 전극으로, 예를 들어, 메탈페이스트(Ag paste)로 형성한다. 또는, 상기 집전 전극(160)은 몰리브덴(Mo)층 및 구리(Cu)층으로 형성할 수 있다. 집전 전극(160)은 입사되는 태양광을 차단하는 면적을 최소화시키기 위하여, 폭이 좁은 라인 형태로 복수로 형성할 수 있다. 복수의 집전 전 극(160)들은 이들을 가로 지르게 형성된 추가적인 전극(미도시)을 통해 서로 전기적으로 연결된 구조로 형성할 수 있다.
한편, 태양 전지(100)는 반도체 기판(110)과 이면 전극(150) 사이에 형성된 제2 진성 반도체층(170) 및 제2 진성 반도체층(170)과 이면 전극(150) 사이에 형성된 제2 불순물 도핑 반도체층(180)을 더 형성할 수 있다.
제2 진성 반도체층(170)은 반도체 기판(110)의 제2 면 상에 바로 형성한다. 제2 진성 반도체층(170)은 제1 진성 반도체층(120)과 마찬가지로 비정질(amorphous) 실리콘보다 밴드갭 에너지가 큰 물질로 형성할 수 있다. 예를 들어, 제2 진성 반도체층(170)은 아몰퍼스 실리콘, 실리콘 옥시나이트라이드(silicon oxynitride, SiON) 또는 실리콘 옥시카바이드(silicon oxycarbide, SiOC)로 형성한다. 이와 달리, 제2 진성 반도체층(170)은 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC)로 형성할 수 있다. 제2 진성 반도체층(170)은 수 ㎚에서 수십 ㎚의 두께로 형성할 수 있으며, 예를 들어 약 5㎚ 정도의 얇은 두께로 형성한다.
제2 불순물 도핑 반도체층(180)은 제2 진성 반도체층(170) 상에 바로 형성한다. 제2 불순물 도핑 반도체층(180)은 예를 들어, 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등의 n형 불순물이 고농도로 도핑되어 있는 비정질 실리콘으로 형성한다. 제2 불순물 도핑 반도체층(180)은 수 ㎚에서 수십 ㎚의 두께로 형성할 수 있으며, 예를 들어 약 20㎚ 정도의 두께로 형성한다.
이와 같이, n형 단결정 실리콘으로 이루어진 반도체 기판(110)의 제2 면 상에 제2 진성 반도체층(170)과 n+형 비정질 실리콘으로 이루어진 제2 불순물 도핑 반도체층(180)이 순서대로 형성함으로써, 소위 BSF(back surface field) 구조를 형성한다. 이러한 BSF 구조의 형성을 통해 태양 전지(100)의 광전 효율을 향상시킬 수 있다.
이면 전극(150) 상에는 투명 전극(140) 상에 형성된 집전 전극(160)과 유사한 형태의 집전 전극(190)을 형성할 수 있다.
한편, 반도체 기판(110)은 n형 단결정 실리콘 대신, p형 단결정 실리콘으로 형성할 수 있다. 이와 같이, 반도체 기판(110)을 p형 단결정 실리콘으로 형성할 경우에는, 제1 불순물 도핑 반도체층(130)은 n형 비정질 실리콘으로 형성하고, 제2 불순물 도핑 반도체층(180)은 p+형 비정질 실리콘으로 형성한다.
또한, 반도체 기판(110)은 n형 또는 p형 단결정 실리콘 대신 n형 또는 p형 다결정 실리콘으로 형성할 수도 있다.
도 2는 본 발명에 따른 다른 실시예에 따른 태양전지 제조방법에 따라 제조된 다른 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지(100)를 제조하기 위해서 유리기판 또는 투명 플라스틱 기판과 같은 투명기판(260) 상부에 이면 전극(150)을 형성한다. 상기 이면 전극(150)은 예를 들어, 산화인듐주석(ITO), 산화주석(SnO), 산화아연(ZnO) 등의 도전성 광투과 물질로 형성할 수 있다. 이와 달리, 상기 이면 전극(150)은 은(Ag), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 몰리브덴(Mo) 등의 단일 금속 또는 이들의 합금으로 형성하거나, 상기 단일 금속 또는 합금의 산화물 등으로 형성할 수 있다. 또한, 이면 전극(150)은 도전성을 갖는 알루미늄 테이프 등으로 형성할 수 있다.
이후, 이러한 이면 전극(150) 상부에 제2 불순물 도핑 반도체층(180)을 형성한다. 상기 제2 불순물 도핑 반도체층(180)은 예를 들어, 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등의 n형 불순물이 도핑되어 있는 비정질 실리콘으로 형성한다. 상기 제2 불순물 도핑 반도체층(180)은 비정질(amorphous) 실리콘 및 미세결정질(micro-crystalline) 실리콘 중 적어도 하나를 포함하도록 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 불순물 도핑 반도체층(180)은 비정질 실리콘에 n형 불순물이 도핑된 구조, 미세결정질 실리콘에 n형 불순물이 도핑된 구조, 또는 n형 불순물이 도핑된 비정질 실리콘과 미세결정질 실리콘이 적층된 구조 등을 갖도록 형성할 수 있다. 특히, 진성 반도체층(211)에서 생성된 전자는 상기 제2 불순물 도핑 반도체층(180)을 거쳐 이면 전극(150)으로 이동하여야 하므로, 상기 제2 불순물 도핑 반도체층(180)은 전자 이동도가 비정질 실리콘보다 상대적으로 우수한 미세결정질 실리콘으로 형성하는 것이 바람직하다.
보다 상세히, 제2 불순물 도핑 반도체층(180)은 도 3 내지 5에서 도시된 CVD장비를 이용하여 40 ~ 100㎒의 주파수를 이용한 화학기상증착(chemical vapor deposition : 이하, CVD) 공정을 통해 n형 미세결정질 실리콘층으로 형성될 수 있다. 또한, 제2 불순물 도핑 반도체층(180)은 2 ~ 13.56㎒의 주파수를 이용한 CVD 공정을 통해 n형 비정질 실리콘층으로 형성될 수 있다. 또한, 제2 불순물 도핑 반도체층(180)은 2 ~ 13.56㎒의 제1 주파수와 40 ~ 100㎒의 제2 주파수를 교대로 이 용하는 CVD 공정을 통해 n형 비정질 실리콘층과 n형 미세결정질 실리콘층이 연속적으로 적층된 구조로 형성될 수 있다.
상기 제2 불순물 도핑 반도체층(180) 상부에 진성 반도체층(211)을 형성한다.
상기 진성 반도체층(211)은 예컨대, 복수의 비정질 실리콘층과 복수의 미세결정질 실리콘층이 서로 교대로 적층된 구조로 형성할 수 있다. 이때, 미세결정질 실리콘층이란 비정질과 단결정 실리콘의 경계물질로서 수십 nm에서 수백 nm의 결정크기를 갖는 나노 스케일(nano scale)의 실리콘 결정들이 형성된 층을 의미한다.
보다 상세히, 비정질 실리콘층과 미세결정질 실리콘층은 서로 다른 공정조건을 갖는 CVD 공정을 통해 형성될 수 있다. 일반적으로, CVD 장비에서 실리콘 박막을 형성함에 있어, 주파수가 높을수록, 그리고 수소(H2) 가스의 희석율(dilution ratio)이 높을수록 미세결정질 실리콘층이 잘 형성된다.
따라서, 비정질 실리콘층은 약 2 ~ 13.56㎒의 주파수와, 실란(SiH4) 가스와 수소(H2) 가스의 비율이 1 : 0.1~1 정도인 공정조건을 통해 형성될 수 있다. 이때, 실란(SiH4) 가스의 유량은 약 10 ~ 100sccm의 범위를 가지며, 수소(H2) 가스의 유량은 약 10 ~ 100sccm의 범위를 갖는다.
반면, 미세결정질 실리콘층은 약 40 ~ 100㎒의 주파수와, 실란(SiH4) 가스와 수소(H2) 가스의 비율이 1 : 5~30 정도인 공정조건을 통해 형성될 수 있다. 이때, 실란(SiH4) 가스의 유량은 약 2 ~ 20sccm의 범위를 가지며, 수소(H2) 가스의 유량은 약 40 ~ 400sccm의 범위를 갖는다. 한편, 상기한 공정조건으로 미세결정질 실 리콘층을 형성하게 되면, 하부에 위치한 물질과의 막질 차이에 의해서 미세결정질 실리콘층의 하부에 소정 두께의 비정질 실리콘층이 형성될 수 있다. 따라서, 원치않는 비정질 실리콘층의 형성을 방지하기 위하여, 실란(SiH4) 가스 및 수소(H2) 가스 외에 불화규소(SiF4) 가스를 추가할 수 있다. 이와 같이, 공정 가스에 불화규소(SiF4)를 추가하게 되면, 미세결정질 실리콘층의 증착시 발생되는 비정질 실리콘층을 불화규소(SiF4)가 식각하여 원치않는 비정질 실리콘층의 생성을 방지할 수 있다. 예를 들어, 실란(SiH4) 가스, 수소(H2) 가스 및 불화규소(SiF4) 가스는 약 1 : 5~30 : 1 정도의 비율로 사용될 수 있다.
서로 교대로 적층되는 비정질 실리콘층들과 미세결정질 실리콘층들은 하나의 CVD 챔버 내에서 주파수 및 가스 비율 등의 공정조건을 변경하면서 연속적으로 형성될 수 있다. 이와 달리, 비정질 실리콘층들 및 미세결정질 실리콘층들은 인라인으로 연결된 적어도 하나의 비정질 형성용 CVD 챔버와 적어도 하나의 미세결정질 형성용 CVD 챔버를 이용하여 단계적으로 형성될 수 있다.
한편, 비정질 실리콘층 및 미세결정질 실리콘층은 동일 조건의 CVD 공정을 통해 동시에 형성될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 미세결정질 실리콘층을 형성하기 위한 공정을 진행하다 보면 하부에 위치한 물질과의 막질 차이에 의해서 미세결정질 실리콘층 하부에 비정질 실리콘층이 자동적으로 형성될 수 있다. 따라서, 미세결정질 실리콘층(134)을 형성하는 공정 조건을 조절함으로써, 비정질 실리콘층을 동시에 형성할 수 있게 된다. 예를 들어, 비정질 실리콘층과 미세결정질 실리콘층을 동시에 형성하기 위한 CVD 공정은, 주파수가 약 40 ~ 100㎒, 실 란(SiH4) 가스와 수소(H2) 가스의 비율이 약 1 : 5~30 정도인 공정 조건으로 수행할 수 있다.
이와 달리, 진성 반도체층(211)은 비정질 실리콘 및 비정질 실리콘 내부에 나노 클러스터(namo cluster) 형태로 랜덤하게 분포된 미세결정질 실리콘을 포함하도록 형성할 수 있다.
이러한 진성 반도체층(211)은 도 3 내지 5의 장비를 통한 플라즈마 화학기상증착 공정을 통해 형성할 수 있다. 특히, 비정질 실리콘 내부에 미세결정질 실리콘이 형성된 진성 실리콘층은 실란(SiH4)에 대한 수소(H2)의 비율을 나타내는 희석율(dilution ratio)을 제어하여 형성할 수 있다. 희석율(H2/SiH4)이 3 이상이 되면 미세결정질 상(microcrystalline phase)이 되므로, 원하는 진성 실리콘층을 형성하기 위해서는 희석율을 약 0 ~ 2 정도로 제어하는 것이 바람직하다.
상기 진성 반도체층(211) 상부에는 붕소(B), 칼륨(K) 등의 p형 불순물이 도핑된 제1 불순물 도핑 반도체층(130)을 형성한다. 제1 불순물 도핑 반도체층(130)은 p형 비정질 실리콘층 및 p형 미세결정질 실리콘층 중 적어도 하나의 층을 포함하도록 형성할 수 있다. 예를 들어, 제1 불순물 도핑 반도체층(130)은 40 ~ 100㎒의 주파수를 이용한 CVD 공정을 통해 p형 미세결정질 실리콘층으로 형성할 수 있다. 또한, 제1 불순물 도핑 반도체층(130)은 2 ~ 13.56㎒의 주파수를 이용한 CVD 공정을 통해 p형 비정질 실리콘층으로 형성될 수 있다. 또한, 제1 불순물 도핑 반도체층(130)은 2 ~ 13.56㎒의 제1 주파수와 40 ~ 100㎒의 제2 주파수를 교대로 이용하는 CVD 공정을 통해 p형 비정질 실리콘층과 p형 미세결정질 실리콘층 이 연속적으로 적층된 구조로 형성될 수 있다.
제1 불순물 도핑 반도체층(130)은 외부로부터 입사되는 광이 흡수되지 않도록 진성 반도체층(211)에 비하여 큰 밴드갭 에너지를 갖는 것이 바람직하다. 제1 불순물 도핑 반도체층(130)의 광투과도를 향상시키기 위해, 고정가스에 탄소(C)를 추가하여 제1 불순물 도핑 반도체층(130)의 밴드갭 에너지를 증가시킬 수 있다.
이후, 제1 불순물 도핑 반도체층(130) 상에 투광성 도전 물질로 이루어진 투명 전극(140)을 형성한다. 투명 전극(140)은 스퍼터링 또는 CVD 공정을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 투명 전극(140)은 인듐 틴 옥사이드(Indium Tin Oxide : ITO) 또는 인듐 징크 옥사이드(Indium Zinc Oxide : IZO) 등으로 형성될 수 있다.
이후, 상기 투명 전극(140) 상부와 이면 전극(150) 상부에 집전 전극(160)을 형성한다. 상기 이면 전극(160)의 형성은 이후, 보다 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 실행을 위한 플라즈마 화학기상증착 장치를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 분할전극 어셈블리를 나타낸 사시도이고, 도 5는 도 4에 도시된 분할전극 어셈블리를 구체적으로 나타낸 단면도이다.
도 3 내지 5를 참조하면, 플라즈마 화학기상증착 장치(400)는 챔버 몸체(410) 및 챔버 몸체(410) 내부에 플라즈마를 발생시키기 위한 분할 전극 어셈블리(430)를 포함한다.
분할전극 어셈블리(430)는 반도체 기판(110)을 지지하는 기판 지지대(440)와 대향하도록 설치된다. 분할전극 어셈블리(430)는 챔버 몸체(410) 내부에 플라즈마 를 발생시키기 위한 복수의 정전압 전극들(432) 및 복수의 부전압 전극들(434)을 포함한다. 정전압 전극들(432)과 부전압 전극들(434)은 일정한 간격을 두고 서로 교대적으로 배열되는 선형 배열 구조로 설치될 수 있다. 이 외에도, 정전압 전극들(432)과 부전압 전극들(434)은 매트릭스 형태의 배열 구조, 상호 교대적인 나선형 배열 구조, 상호 교대적인 동심원 배열 구조 등의 다양한 배열 구조를 가질 수 있다.
플라즈마 화학기상증착 장치(400)는 정전압 전극들(432) 및 부전압 전극들(434)에 전원을 인가하기 위한 메인 전원 공급부(450)를 더 포함할 수 있다. 메인 전원 공급부(450)에서 발생된 무선 주파수 전원은 임피던스 정합기(452)와 분배 회로(454)를 거쳐 정전압 전극들(432) 및 부전압 전극들(434)에 공급될 수 있다. 분배 회로(454)는 복수로 분할된 정전압 전극들(432) 및 부전압 전극들(434)이 병렬 구동될 수 있도록 메인 전원 공급부(450)로부터 제공되는 무선 주파수 전원을 정전압 전극들(432) 및 부전압 전극들(434)에 분배하여 공급한다. 바람직하게, 분배 회로(454)는 전류 균형 회로로 구성되어, 정전압 전극들(432) 및 부전압 전극들(434)에 공급되는 전류가 자동적으로 상호 균형을 이루도록 제어한다. 분배 회로(454)로부터 출력되는 정전압은 정전압 전극(432)에 공급되고, 정전압과 다른 위상을 갖는 부전압은 부전압 전극(434)에 공급된다. 이와 달리, 분배 회로(454)로부터 출력되는 정전압은 정전압 전극들(432)에 공급되는 반면, 부전압 전극들(434)은 공통으로 접지될 수 있다. 따라서, 메인 전원 공급부(450)로부터 공급되는 무선 주파수 전원에 의하여 정전압 전극(432)과 부전압 전극(434) 사이에 플라즈마가 발생된다.
정전압 전극들(432) 및 부전압 전극들(434)은 전극 장착판(436)에 장착될 수 있다. 전극 장착판(436)은 금속, 비금속 또는 이들의 혼합 물질로 형성될 수 있다. 전극 장착판(436)이 금속으로 형성된 경우에는 정전압 전극들(432) 및 부전압 전극들(434)과 전기적으로 절연된 구조가 적용되어야 한다.
전극 장착판(436)에는 복수의 제1 가스 분사홀들(438)이 형성될 수 있다. 제1 가스 분사홀들(438)은 원, 타원, 사각형, 삼각형, 다각형 등의 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 제1 가스 분사홀들(438)은 정전압 전극(432)과 부전압 전극(434) 사이에 길이 방향을 따라 일정한 간격으로 형성될 수 있다. 이와 달리, 제1 가스 분사홀(438)은 정전압 전극(432)과 부전압 전극(434) 사이에 길이 방향을 따라 연장되는 슬릿 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 정전압 전극들(432) 및 부전압 전극들(434)에는 복수의 제2 가스 분사홀들(439)이 형성될 수 있다. 제2 가스 분사홀들(439)은 제1 가스 분사홀들(438)과 마찬가지로, 정전압 전극(432) 및 부전압 전극(434)의 길이 방향을 따라 일정한 간격으로 형성되거나, 길이 방향을 따라 연장되는 슬릿 형상으로 형성될 수 있다.
따라서, 본 발명에 의한 플라즈마 화학기상증착 장치(400)는 정전압 전극(432)과 부전압 전극(434) 사이에 형성된 제1 가스 분사홀들(438)을 통해 제1 반응가스를 공급하고, 정전압 전극들(432) 및 부전압 전극들(434)에 형성된 제2 가스 분사홀들(439)을 통해 상기 제1 반응가스와 다른 종류의 제2 반응가스를 챔버 몸 체(410) 내부로 공급한다. 예를 들어, 제1 가스 분사홀들(438)을 통해 수소(H2) 등의 제1 반응가스가 공급되며, 제2 가스 분사홀들(439)을 통해 실란(SiH4) 등의 제2 반응가스가 공급된다.
정전압 전극(432)과 부전압 전극(434) 사이에 형성된 제1 가스분사홀들(438)만을 통해 모든 종류의 반응가스들을 공급할 경우, 정전압 전극(432)과 부전압 전극(434) 사이에 형성되는 플라즈마로 인해 생성되는 라디컬들이 인접한 정전압 전극(432) 및 부전압 전극(434)에 달라붙게 되어 플라즈마 방전 효율 및 박막 증착율을 떨어뜨리는 문제가 발생될 수 있다. 그러나, 본 플라즈마 화학기상증착 장치(400)와 같이 반응 가스들의 공급 경로를 서로 달리하게 되면, 플라즈마로 인해 생성되는 라디컬들이 정전압 전극(432) 및 부전압 전극(434)의 하부 영역에서 생성되므로, 생성되는 라디컬들이 정전압 전극(432) 및 부전압 전극(434)에 증착되는 것을 억제할 수 있으며, 이를 통해, 플라즈마 방전 효율 및 박막 증착율을 향상시킬 수 있다.
분할전극 어셈블리(430)의 외측에는 가스공급 어셈블리(420)가 설치될 수 있다. 가스공급 어셈블리(420)는 외부의 가스 공급부(460)와 연결되는 가스 입구(422), 하나 이상의 가스 분배판(424) 및 복수의 가스 주입구들(426)을 포함할 수 있다. 이때, 가스 주입구들(426)은 분할전극 어셈블리(430)에 형성된 제1 및 제2 가스 분사홀들(438, 439)과 대응되게 형성된다. 따라서, 가스 공급부(460)로부터 가스 입구(422)를 통하여 입력된 반응 가스는 하나 이상의 가스 분배판(424) 에 의해 고르게 분배되고, 가스 주입구들(426)과 그에 대응된 제1 및 제2 가스 분사홀들(438, 439)을 통하여 챔버 몸체(410)의 내부로 고르게 분사될 수 있다.
기판 지지대(440)는 플라즈마 발생 효율을 높이기 위하여 바이어스 전원 공급부(442)에 의해 바이어스될 수 있다. 예를 들어, 바이어스 전원 공급부(442)로부터 출력되는 무선 주파수 전원은 임피던스 정합기(444)를 거쳐 기판 지지대(440)에 바이어스된다. 한편, 기판 지지대(440)는 두 개의 바이어스 전원 공급부로부터 서로 다른 무선 주파수 전원이 바이어스되는 이중 바이어스 구조를 가질 수 있다. 또한, 기판 지지대(440)는 접지와 연결되어 바이어스의 공급 없이 제로 포텐셜(zero potential)로 유지될 수 있다. 기판 지지대(440)는 기판(310)을 가열하기 위한 히터(미도시)를 포함할 수 있다.
한편, 기판 지지대(440)는 공정 효율을 높이기 위하여 이동 제어부(460)의 제어에 따라 기판(310)과 평행하게 선형 또는 회전 이동이 가능한 구조를 가질 수 있다. 이와 달리, 기판 지지대(440)는 챔버 몸체(410) 내부에 고정된 구조를 가질 수 있다.
플라즈마 화학기상증착 장치(400)는 가스 공급부(460)와 챔버 몸체(410) 사이에 설치되어, 챔버 몸체(410) 내부에 플라즈마를 공급하기 위한 원격 플라즈마 발생기(Remote Plasma Generator : RPG, 480)를 더 포함할 수 있다. 원격 플라즈마 발생기(480)는 가스 공급부(450)로부터 공급되는 반응 가스에 고주파 전력을 인가하여 플라즈마를 발생시킨다. 원격 플라즈마 발생기(480)에서 발생된 플라즈마는 가스공급 어셈블리(420)를 통하여 챔버 몸체(410)에 공급될 수 있다. 또한, 플 라즈마 화학기상증착 장치(400)는 플라즈마 밀도를 높이기 위하여 레이저를 공급하는 레이저 공급기(미도시)를 더 포함할 수 있다.
도 3에는 기판 지지대(440)가 챔버 몸체(410)의 하부 영역에 설치되고 분할전극 어셈블리(430)가 챔버 몸체(410)의 상부 영역에 설치된 구조가 도시되어 있으나, 이와 달리, 기판 지지대(440)가 상부에 설치되고 분할전극 어셈블리(430)가 하부에 설치된 구조를 가질 수도 있다.
이러한 구조를 갖는 플라즈마 화학기상증착 장치(400)에 따르면, 플라즈마 방전을 위한 전극을 복수의 정전압 전극들(432)과 복수의 부전압 전극들(434)이 일정한 간격으로 교대로 배열된 분할전극 구조로 형성함으로써, 대면적에 걸쳐 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있으며, 정전압 전극들(432)과 부전압 전극들(434)을 병렬 구동함에 있어서 자동적으로 전류 균형을 이루도록 함으로써, 대면적의 플라즈마를 보다 균일하게 발생 및 유지시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 집전 전극(160, 190)의 형성을 중심으로, 본 발명에 의한 태양전지 제조방법을 보다 상세히 설명한다. 상기 집전 전극(160, 190)은 도 1 및 2에서 도시된 광전변환 모듈(200)에 주로 적용되지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 6a 내지 6c는 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 태양전지 제조방법을 나타내는 단면도이다.
도 1 및 6a를 참조하면, 완성된 광전변환 모듈(200)의 투명전극(140) 상부에 메탈페이스트(161)를 도포한다.
도 6b를 참조하면, 상기 메탈페이스트(161) 상부에 개구패턴이 형성된 마스크(M)를 배치시키고, 상기 마스크(M)를 향해서 적외선을 조사한다. 그러면, 마스크(M)의 개구패턴을 통과한 적외선은 개구패턴에 대응하는 영역의 메탈페이스트(161)를 가열하여 경화시킨다. 상기 메탈페이스트로서 실버페이스트가 사용될 수 있다.
도 6c를 참조하면, 메탈페이스트를 제거하면, 메탈페이스트가 경화된 부분만 남게되어 집전 전극(160)을 형성한다.
본 실시예에서는 광전변환 모듈 전체를 가열하지 않고, 집전 전극이 형성되는 일부영역만을 가열하게 되므로, p형 반도체층의 정공과 n형 반도체층의 확산을 방지하여 태양전지의 불량을 감소시킬 수 있다.
도 7a 내지 7e는 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 태양전지 제조방법을 나타내는 단면도이다.
도 7a를 참조하면, 투명전극(140) 상부에 개구패턴이 형성된 마스크(M)를 배치시킨다.
도 7b를 참조하면, 마스크(M) 상부에 메탈페이스트(161)를 도포한다. 이때, 개구패턴 뿐만 아니라, 도시된 바와같이 마스크(M) 상부를 전체적으로 커버하도록 도포할 수도 있고, 이와 다르게, 개구패턴 내부에만 메탈페이스트(161)를 도포할 수도 있다.
도 7c를 참조하면, 마스크(M) 상부에 전체적으로 메탈페이스트가 도포된 경 우, 마스크(M) 상부를 스크레이핑(scraping)하여 마스크(M) 상부의 메탈페이스트를 제거한다. 따라서, 개구패턴 내부에만 메탈페이스트(161)이 남게된다.
도 7d를 참조하면, 개구패턴 내부의 메탈페이스트에 적외선을 조사하여 경화시킴으로써, 집전 전극(160)을 형성하고, 마스크(M)를 제거한다.
이와 다르게, 도 7e에서 보이는 바와 같이, 개구패턴 내부의 메탈페이스트를 인덕션 히터(induction heater, 300)를 이용하여 가열하여 경화시킬 수도 있다. 즉, 인덕션 히터 내부의 코일에 교류전류를 흘러 교번 자속이 발생하게 함으로써, 메탈페이스트 내부에 유도전류(와전류)를 발생시키고, 이 유도전류는 와전류손에 의해 주울열을 발생시켜 메탈페이스트를 경화시킨다.
인덕션 히터(300)를 도면과는 달리 상부에 적용하여 가열할 수도 있음은 당연하다.
본 실시예 역시 앞의 실시예와 마찬가지로, 광전변환 모듈 전체를 가열하지 않고, 집전 전극이 형성되는 일부영역만을 가열하게 되므로, p형 반도체층의 정공과 n형 반도체층의 확산을 방지하여 태양전지의 불량을 감소시킬 수 있다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 예시적인 또 다른 실시예에 따른 태양전지 제조방법을 나타내는 단면도이다.
도 8a를 참조하면, 표면에 다수의 그루브(groove, 710)가 형성된 로울러(700)의 상기 그루브 내부에 메탈페이스트(161)를 주입하고, 상기 로울러(700)를 광전변환모듈 모기판(1400) 상부에 롤링하여 메탈페이스트(161)를 상기 전극층 상 부에 전사한다.
도 8b를 참조하면, 적외선(IR)을 조사하여 상기 메탈페이스트를 경화하여 집전 전극을 형성한다. 이후, 광전변환모듈 모기판(1400)의 절단부(l)를 절단하여 다수의 광전변환모듈을 제조한다.
도 8a 및 8b에서는 광전변환 모듈 모기판(1400)을 적용하였으나, 하나의 광전변환 모듈에 적용할 수 있음을 당연하다.
또한, 적외선(IR)을 조사하여 상기 메탈페이스트를 경화하였으나, 도 6e에서와 같이 인덕션 히터를 이용하여 가열할 수도 있음은 당연하다.
본 실시예에 의하면, 집전 전극이 형성되는 일부영역만을 가열하게 되므로, p형 반도체층의 정공과 n형 반도체층의 확산을 방지하여 태양전지의 불량을 감소시킬 수 있으며, 또한 대량 생산이 가능하다.
이상에서는 도 1에서의 투명전극(140) 위에 형성되는 집전 전극(160)을 예로 설명하였으나, 이면전극(150) 하부에 형성되는 집전 전극(190)에도 적용될 수 있음은 당연하다.
도 9a 및 8f는 본 발명의 예시적인 또 다른 실시예에 따른 태양전지 제조방법을 나타내는 단면도이다.
도 9a를 참조하면, 투명전극(140) 상부에 예컨대 몰리브덴(Mo)을 포함하는 제1 금속층(162)을 형성하고, 그 위에 예컨대 도전성이 우수한 구리(Cu)를 포함하는 제2 금속층(163)을 형성하고, 그 위에 예컨대 몰리브덴을 포함하는 제3 금속 층(164)을 형성한다. 상기 제1 금속층(162)는 제2 금속층(163)이 상기 투명전극(140) 상부에 부착될 수 있도록 하기 위함이여, 제3 금속층(164)은 상기 제2 금속층(162)의 변성을 방지한다.
도 9b를 참조하면, 상기 제3 금속층(164) 상부에 포토레지스트(PR)를 도포한다.
도 9c를 참조하면, 포토레지스트(PR) 상부에 마스크(M)를 배치하고 노광한다. 상기 포토레지스트(PR)는 예컨대, 포지티브 타입 뿐 아니라 네거티브 타입으로 형성될 수도 있다.
도 9d를 참조하면, 포토레지스트(PR)를 현상하여, 집전 전극이 형성되는 영역만을 제외하고, 나머지 영역은 제거한다.
도 9e를 참조하면, 상기 집전 전극이 형성되는 영역을 제외하고, 상기 제1 금속층(162), 제2 금속층(163) 및 제3 금속층(164)을 제거한다.
도 9f를 참조하면, 남아 있던 상기 포토레지스트를 제거한 후, 집전 전극(160)을 가열한다. 이때, 적외선을 조사하여 가열할 수도 있고, 인덕션 히팅으로 가열할 수도 있다.
일반적으로, 도전성이 우수한 구리층은 투명전극(140) 상부에 직접 부착되지 않으므로, 몰리브덴층을 투명전극(140) 위에 형성하고, 그 위에 구리층을 형성하지만 몰리브덴 또한 투명전극(140)에서 들뜨게 될 수 있다. 따라서, 몰리브덴 층을 가열하면 투명전극(140) 상부에 보다 단단하게 접착된다. 그런데, 이때 전체적으로 가열하게 되면 형 반도체층과 n형 반도체층의 정공과 전자가 서로 다른 층으로 확산되므로, 본 실시예에서와 같이 일부 영역만 가열하게 되면 불량을 감소시킬 수 있다.
이하, 도금방법에 의해서 상기 집전 전극을 형성하는 방법을 설명한다. 이러한 도금방법에 의해서 집전극을 형성하기 위해서, 먼저 도 7a에서 도시된 바와같이 포토레지스트 등으로 개구패턴이 형성된 마스크(M)를 형성하고, 개구패턴을 통해서 노출된 부위를 도금한다.
예컨대, 크롬, 니켈, 구리, 은, 금, 몰리브덴, 주석 등의 금속을 이용하여 무전해 도금법 또는 전해 도금법으로 상기 집전 전극을 형성할 수 있다.
먼저, 예컨대 무전해 니켈 도금을 설명한다. 환원제의 화학 반응에 의해서 도금액 속의 금속이온을 금속으로 석출시키기 위한 도금 방법으로 산성의 도금액에서 환원 석출하는 것이 니켈 도금이다. 일반적으로 PH4.5 ~ 5.5의 약산성을 사용하고 있으며 동일 농도의 차아인산을 환원제로 사용했을 경우 도금 피막속의 인(P) 함유량은 PH가 낮은 쪽이 많게 된다. 특히, 무전해 니켈도금은 도금액과 균등하게 제품이 접촉하고 있으면 동일한 두께로 형성하는 것이 가능하고, 또한 전기 도금에 비해 균일 석출이 양호하다.
화학반응에서 주반응은 아래의 화학식 1로 표현되고 부반응은 아래의 화학식 2로 표현될 수 있다.
Ni+2+ H2PO2 -+ H2O -> Ni + H2PO3 - + 2H+ (산성에서)
H2O + H2PO2 - -> H2PO3 - + H2 ↑
이러한 무전해 니켈 도금은 전기 도금법과 달라서 도금 두께의 분포는 전류분포에 연향을 받지 않기 때문에 도금층이 매우 균일하고 두금두께가 125마이크로미터(㎛)까지는 도금 후에 도금 표면에 마무리 연마가 필요없을 정도로 매우 균일하게 도금층이 형성된다. 또한, 무전해 니켈 도금은 전해 도금법에 의한 니켈 도금에 비해 경도가 우수하지만 열처리를 하면 더욱 경도가 향상된다. 이때, 앞서 언급한 인덕션 히팅이나, 또는 적외선 리플로우(IR reflow)를 사용하면 부분적인 가열이 가능하므로, 광전변환을 일으키는 광전변환 모듈 전체를 가열함이 없이, 집전 전극을 형성하는 부위만 가열함으로써, p형 반도체층의 정공과 n형 반도체층의 확산을 방지하여 태양전지의 불량을 감소시킬 수 있다. 가열온도는 대략 350℃ 내지 450℃가 적절하고, 바람직하게 대략 400℃가 적절하다. 이때, 무전해도금으로 형성된 니켈 집전전극의 경도가 최대이다.
또한, 무전해 구리도금은 예컨대 다음과 같다.
무전해 구리도금의 원리는 구리이온으로부터 환원제에 의하여 구리금속을 석출시키는 것이며 그 환원제는 여러종류가 있으나 포로말린이 일반적으로 사용된다.
포로말린은 알칼리성 용액 중에서 강력한 환원력을 보이며 그 반응은 다음의 화학식 3과 같다.
Cu + 2HCHO + 4OH → Cu + H + 2HCOO + 2HO
이상의 도금은 예를 들어 설명한 것이며, 다양한 도금방법이 적용될 수 있음은 당업자에 자명한 것이다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조방법에 따라 제조된 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지 제조방법에 따라 제조된 다른 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실행을 위한 플라즈마 화학기상증착 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 분할전극 어셈블리를 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 분할전극 어셈블리를 구체적으로 나타낸 단면도이다.
도 6a 내지 6c는 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 태양전지 제조방법을 나타내는 단면도이다.
도 7a 내지 7e는 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 태양전지 제조방법을 나타내는 단면도이다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 예시적인 또 다른 실시예에 따른 태양전지 제조방법을 나타내는 단면도이다.
도 9a 및 8f는 본 발명의 예시적인 또 다른 실시예에 따른 태양전지 제조방법을 나타내는 단면도이다.
<주요 도면번호에 대한 간단한 설명>
100 : 태양 전지 110 : 반도체 기판
120 : 제1 진성 반도체층 130 : 제1 불순물 도핑 반도체층
140 : 투명 전극 150 : 이면 전극
160, 190 : 집전 전극 161 : 메탈페이스트
162 : 제1 금속층 163 : 제2 금속층
164 : 제3 금속층 170 : 제2 진성 반도체층
180 : 제2 불순물 도핑 반도체층
200 : 광전변환 모듈 300 : 인덕션 히터(induction heater)
400 : 플라즈마 화학기상증착 장치
430 : 분할전극 어셈블리 432 : 정전압 전극
434 : 부전압 전극 438 : 제1 가스 분사홀
439 : 제2 가스 분사홀 700 : 로울러(roller)
710 : 그루브(groove) 1400 : 광전변환모듈 모기판

Claims (27)

  1. 태양광을 흡수하여 전자 정공쌍을 생성하는 광전 변환모듈을 형성하는 단계;
    상기 광전 변환모듈의 일면에 전극층을 형성하는 단계; 및
    상기 전극층 상부에 메탈페이스트를 부착한 영역을 부분적으로 가열하여 상기 메탈페이스트를 경화시킴으로써 집전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메탈페이스트는 실버페이스트인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 집전극을 형성하는 단계는,
    상기 전극층 상부에 메탈페이스트를 도포하여 메탈페이스트 층을 형성하는 단계;
    상기 메탈페이스트 층 상부에 개구패턴이 형성된 마스크를 배치하는 단계;
    상기 개구패턴이 형성된 상기 마스크를 향해서 적외선을 조사하는 단계; 및
    상기 개구패턴을 통과한 적외선에 의해 경화된 부분을 제외한 나머지 부분의 메탈페이스트를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 집전극을 형성하는 단계는,
    상기 전극층 상부에 개구패턴이 형성된 마스크를 배치하는 단계;
    상기 마스크의 상기 개구패턴에 메탈페이스트를 주입하는 단계;
    상기 개구패턴에 주입된 상기 메탈페이스트를 경화시키는 단계; 및
    상기 마스크를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 마스크의 상기 개구패턴에 메탈페이스트를 주입하는 단계는,
    상기 개구패턴이 형성된 상기 마스크 상부에 전체적으로 메탈페이스트를 도포하는 단계; 및
    상기 마스크 상부를 스크레이핑(scraping)하여 마스크 상부의 메탈페이스트를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 메탈페이스트를 경화시키는 단계는,
    상기 개구패턴에 주입된 상기 메탈페이스트에 적외선을 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 메탈페이스트를 경화시키는 단계는,
    상기 개구패턴에 주입된 상기 메탈페이스트를 인덕션 히터(induction heater)를 이용하여 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 집전극을 형성하는 단계는,
    로울러의 표면에 형성된 그루브에 메탈페이스트를 주입하는 단계;
    상기 로울러를 상기 전극층 상부에 롤링하여 상기 메탈페이스트를 상기 전극층 상부에 전사하는 단계; 및
    상기 메탈페이스트를 경화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 메탈페이스트를 경화시키는 단계는,
    상기 개구패턴에 주입된 상기 메탈페이스트에 적외선을 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 메탈페이스트를 경화시키는 단계는,
    상기 개구패턴에 주입된 상기 메탈페이스트를 인덕션 히터(induction heater)를 이용하여 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 광전변환 모듈을 생성하는 단계는,
    반도체 기판의 제1 면 상에 비정질 실리콘보다 밴드갭 에너지가 큰 물질로 이루어진 제1 진성 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제1 진성 반도체층 상에 제1 불순물 도핑 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제1 불순물 도핑 반도체층 상에 투명 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 반도체 기판의 상기 제1 면의 반대인 제2 면 상에 이면 전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 제조방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 진성 반도체층을 형성하는 단계는,
    플라즈마 화학기상증착 공정을 통해, 아몰퍼스 실리콘, 실리콘카바이드(SiC), 실리콘 옥시나이트라이드(SiON) 및 실리콘 옥시카바이드(SiOC) 중에서 선택된 어느 하나를 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1 진성 반도체층을 형성하는 단계는,
    서로 교대로 배치된 복수의 정전압 전극들과 복수의 부전압 전극들을 포함하는 분할전극 어셈블리를 구비한 플라즈마 화학기상증착 장치에서 진행되는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 플라즈마 화학기상증착 장치는 상기 정전압 전극과 상기 부전압 전극 사이로 제1 반응가스를 공급하고, 상기 정전압 전극 및 상기 부전압 전극을 관통하여 상기 제1 반응가스와 다른 종류의 제2 반응가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 n형 실리콘 기판으로 형성하고,
    상기 제1 불순물 도핑 반도체층은 p형 비정질 실리콘으로 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 p형 실리콘 기판으로 형성하고,
    상기 제1 불순물 도핑 반도체층은 n형 비정질 실리콘으로 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 반도체 기판과 상기 이면 전극 사이에 제2 진성 반도체층을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 진성 반도체층과 상기 이면 전극 사이에 제2 불순물 도핑 반도체층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제2 불순물 도핑 반도체층은,
    상기 반도체 기판이 n형 실리콘 기판일 경우, n형 비정질 실리콘으로 형성하고,
    상기 반도체 기판이 p형 실리콘 기판일 경우, p형 비정질 실리콘으로 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 광전변환 모듈을 생성하는 단계는,
    기판 상부에 이면 전극을 형성하는 단계;
    상기 이면 전극 상부에 제2 불순물 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제2 불순물 반도체층 상부에 진성 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 진성 반도체층 상부에 제1 불순물 반도체층을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 불순물 반도체층 상부에 투명 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것 을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 진성 반도체층을 형성하는 단계는,
    2 ~ 13.56㎒의 주파수 및 1 : 0.1~1의 실란(SiH4) 가스와 수소(H2) 가스의 비율로 화학기상증착(CVD) 공정을 통해 상기 비정질 실리콘층을 형성하는 단계; 및
    40 ~ 100㎒의 주파수 및 1 : 5~30 : 1의 실란(SiH4) 가스, 수소(H2) 가스 및 불화규소(SiF4) 가스의 비율로 화학기상증착 공정을 통해 상기 미세결정질 실리콘층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 진성 반도체층을 형성하는 단계는,
    실란(SiH4)에 대한 수소(H2)의 비율을 나타내는 희석율(dilution ratio)이 0 ~ 2인 공정 조건으로 비정질(amorphous) 실리콘 및 상기 비정질 실리콘 내부에 나노 클러스터 형태로 랜덤하게 분포된 미세결정질(micro-crystalline) 실리콘을 포함하는 진성(intrinsic) 실리콘층을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  22. 태양광을 흡수하여 전자 정공쌍을 생성하는 광전 변환모듈을 형성하는 단계;
    상기 광전 변환모듈의 일면에 전극층을 형성하는 단계;
    상기 전극층 상부에 금속층을 형성하는 단계;
    상기 금속층을 패터닝하여 집전 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 집전 전극을 히팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 전극층은 투명한 도전성물질인 인듐화합물을 포함하고,
    상기 금속층은 상기 전극층에 접하는 몰리브덴층 및 구리층을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 집전 전극을 히팅하는 단계는,
    상기 집전 전극에 적외선을 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  25. 제22항에 있어서,
    상기 집전 전극을 히팅하는 단계는,
    상기 집전 전극을 인덕션 히터(induction heater)를 이용하여 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  26. 태양광을 흡수하여 전자 정공쌍을 생성하는 광전 변환모듈을 형성하는 단계;
    상기 광전 변환모듈의 일면에 전극층을 형성하는 단계;
    상기 전극층 상부에 개구패턴이 형성된 마스크를 부착하는 단계; 및
    상기 개구패턴을 통해서 노출된 상기 전극층 표면을 도금하는 단계를 포함하는 태양전지 제조방법.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 도금하는 금속은 크롬, 니켈, 구리, 은, 금, 몰리브덴 및 주석 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
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