KR20110007517A - 후면접합 구조의 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 후면접합 구조의 태양전지에 관한 것이다. 본 발명은 에칭(saw damage) 공정이 완료된 실리콘 웨이퍼(100)의 후면에 플라즈마 도핑방식으로 불순물을 도핑하면 기존 방식에 비해 접합 깊이가 보다 얇게(shallow junction)되는 p+ 층(102)이 형성된다. 상기 p+ 층(102) 위에 확산 방지막(104)을 형성한다. 그런 다음 상기 확산 방지막(104)이 형성되지 않은 부분(즉, n+층이 형성될 부분)에 대해 식각을 수행하면, 상기 실리콘 웨이퍼(100)의 표면이 소정 깊이로 식각된다. 상기 식각 완료된 실리콘 웨이퍼(100)의 표면에 상기 플라즈마 도핑방식으로 불순물을 도핑하여 n+ 층(106)을 형성한다. 이후, 상기 확산 방지막(104)을 제거하고, 그 표면을 세정처리한 다음, 상기 실리콘 웨이퍼(100)의 전면과 후면에 열 산화막(108)을 형성하여, 태양전지의 후면을 제조한다. 이와 같은 본 발명에 따르면, 2번의 플라즈마 도핑기술을 이용하여 p+ 층 및 n+ 층을 형성하고 있어 제조공정 및 비용을 감소할 수 있는 이점이 있다.
후면접합, 태양전지, 플라즈마 도핑, 에미터 접합, 베이스 접합
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 특히 후면접합 구조의 태양전지를 제조할 경우, 그 제조공정 수를 줄이고 공정 온도를 낮추기 위한 것이다.
태양전지의 전극은 태양전지의 전면과 후면에 각각 형성되지만, 상기 전면에 형성되는 전극은 태양 광에 대한 흡수율을 감소(shadowing loss)시키고 있다.
그렇기 때문에 태양전지의 효율 향상을 위하여 전면에 형성되는 전극의 면적은 최대한 미세패턴으로 하여 좁게 하는 것이 일반적인 추세이다. 하지만 이 경우에도 전면에 형성된 전극 면적만큼 태양 광을 흡수하지 못하고 있다.
따라서, 태양전지 전면에서 전극에 의한 흡수율 감소를 원천적으로 없애기 위하여, 전극 모두를 후면에 설치하는 후면접합 구조의 태양전지가 개발되었다. 즉 후면접합 구조의 태양전지는, p형(또는 n형) 실리콘 기판에서 빛이 입사하는 전면의 반대쪽인 후면에 p형(또는 n형)의 전하를 수집하는 베이스 접합과 n형(또는 p형)의 전하를 수집하는 에미터 접합이 모두 위치하는 구조를 말한다.
그와 같은 후면접합 구조의 태양전지는 태양 광의 흡수율을 향상시켜 효율 향상은 예상되나, 제조공정이 복잡하고 비용이 많이 소요되는 단점이 있었다. 이는 후면접합 구조의 태양전지가 상업화되는 것을 제한하는 원인이라 할 수 있다.
그래서 공정을 단순화하고 제조비용을 감소시킬 수 있는 후면접합 구조의 태양전지가 제안된 바 있다. 그 예가 미국등록특허 'US 07339110'호(태양전지 및 그 제조방법, 이하 '선행특허'라고 칭함)에 개시되어 있다.
여기서, 상기 선행특허의 제조 공정 중, p형 실리콘 웨이퍼의 후면에 베이스 영역과 에미터 영역을 형성하는 공정에 대해서 살펴본다.
일단, 에칭(saw damage etching) 공정이 완료된 p형 실리콘 웨이퍼의 한 면(즉 태양 광이 입사되는 반대면)에 p+층을 형성하고(1단계), 그 위에 열 산화막을 형성한다(2단계).
그리고, 상기 열 산화막 중 일부 영역, 즉 이어지는 후속공정에서 n+층이 형성될 부분을 제외한 부분에 스크린 인쇄법 등으로 에치 레지스트(etch resist)를 인쇄한다(3단계).
이후, 상기 에치 레지스트가 미 인쇄된 부분에 형성된 열 산화막을 식각하고(4단계), 상기 에치 레지스트를 제거한 다음(5단계), 상기 실리콘 웨이퍼의 표면을 소정 깊이로 식각한다(6단계). 이때 식각 깊이는 상기 p+ 층의 접합깊이보다 크면 된다. 상기 선행특허에서는 3㎛로 예시되어 있다.
상기 식각 공정이 완료되면, 상기 실리콘 웨이퍼의 후면을 세정액으로 세정한다(7단계).
그런 다음, 상기 식각된 실리콘 웨이퍼의 표면에 p-타입 실리콘 웨이퍼의 도 핑원소인 'POCl3(옥시염화인)'과 같은 액체 도펀트 소스를 원료로 하여 n+층을 형성한다(8단계). 물론 n형 실리콘 웨이퍼이고 p+층을 형성할 경우는 'BBr3'와 같은 액체 도펀트 소스가 사용된다.
그와 같이, 상기 선행특허에서는 실리콘 웨이퍼의 후면 표면에 상기 실리콘 웨이퍼와 같은 도전형의 전하를 수집하는 베이스 영역 및 다른 도전형의 전하를 수집하는 에미터 영역을 접합 형성하는 공정이 모두 8 단계로 이루어지고 있다.
또한, 상기 선행특허에서 p형 및 n형 불순물을 도핑하는 공정과 열 산화막을 형성하는 공정은 고온 확산로에서 이루어지며, 대략 900℃ 내외의 고온에서 수행된다. 즉, 고온에서 두 번의 확산 공정 및 한 번의 열 산화막 형성공정이 반드시 필요하였다.
일반적으로 태양전지 공정에서 효율은 유지하면서 공정 온도를 낮출 수 있다면 이는 원가 절감에 도움을 주고, 공정도 보다 간소화시킬 수 있다.
하지만, 앞서 설명한 바와 같이 상기 선행특허는 실리콘 웨이퍼의 후면에 베이스 영역과 에미터 영역을 형성할 경우, 900℃ 이상의 고온에서 공정이 수행되고 있고, 그 이하의 공정 온도로는 낮추지 못하고 있는 실정이다. 아울러 900℃ 이상의 고온에서 공정이 이루어지기 때문에 현재의 공정 수를 줄이기가 어려웠다.
결국, 상기 선행특허는 후면접합 구조의 태양전지를 제조할 경우 에너지 투입량이 많아질 뿐만 아니라 공정시간이 길어져서, 태양전지의 제조원가를 충분히 낮추기가 어려운 실질적인 문제를 안고 있다.
따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 후면 접합 구조의 태양전지 후면에 베이스 영역과 에미터 영역을 형성할 경우, 제조 공정온도를 낮추기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 후면 접합 구조의 태양전지 후면에 베이스 영역과 에미터 영역을 보다 간소화된 제조공정에 따라 형성하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 반도체 기판 후면 일부에 형성된 제 1 도핑영역; 그리고, 상기 반도체 기판 후면에서 상기 제 1 도핑영역이 미 형성된 부분에 상기 제 1 도핑영역과는 서로 높이가 다르게 형성되는 제 2 도핑영역을 포함하고, 상기 제 1 도핑영역과 제 2 도핑영역의 높이 차이는 최종 형성되는 제 1 도핑영역의 접합 깊이 또는 제 2 도핑영역의 접합 깊이보다 작게 형성된다.
상기 제 1 도핑영역 및 제 2 도핑영역은, 상기 반도체 기판이 불순물 이온이 포함된 플라즈마에 노출된 상태에서 상기 반도체 기판 표면에 불순물 이온이 주입되어 형성된다.
상기 제 1 도핑영역 및 제 2 도핑영역은, '이온 샤워 도핑(ion shower doping)' 또는 '플라즈마이온주입(PIII)'법에 의해 형성된다.
상기 불순물 이온에 대한 활성화 및 확산은, 상기 제 1 도핑영역과 제 2 도 핑영역 위에 열 산화막을 형성하는 공정에서 동시에 이루어지되, 상기 제 1 도핑영역 및 제 2 도핑영역의 접합 깊이는 상기 불순물 이온이 주입된 깊이보다 크게 형성된다.
본 발명에서는, 후면접합 구조의 태양전지에서 실리콘 웨이퍼의 후면에 p형 및 n형의 불순물을 확산하여 에미터 영역 및 베이스 영역을 형성할 경우, ion shower doping 또는 플라즈마이온주입(PIII) 법과 같은 플라즈마 도핑기술을 적용하여 이를 형성하고 있기 때문에, 종래 900 ℃ 내외의 고온공정이 수행될 필요가 없다.
따라서, 본 발명은 온도를 올리고 내리는 시간이 필요하지 않고 제조과정에서 에너지 투입량을 줄일 수 있다.
또 실리콘 웨이퍼의 후면에 에미터 영역 및 베이스 영역을 형성하고 있는 공정 수를 종래보다 감소시키고 있다. 즉, 종래 8 단계의 공정이 p+층 형성 - 확산 방지막 형성 - 실리콘 웨이퍼 식각 - n+ 층 형성 - 확산 방지막 제거 - 세정공정과 같이 6 단계의 공정 수로 줄어든다.
또 실리콘 웨이퍼의 후면에 플라즈마 도핑기술로 불순물을 확산시킬 경우, 얇은 접합(shallow junction)으로 형성할 수 있어, 이어지는 식각 공정에서 식각 깊이를 종래보다 더 얇게 식각할 수 있다.
이처럼 본 발명은 전체적인 제조공정을 간단하게 하고 있고, 결국 이에 소요되는 비용을 절감할 수 있어, 경쟁력 우위를 기대할 수 있다.
이하 본 발명의 후면접합 구조의 태양전지의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명 실시 예에서는 설명의 편의를 위해 p형 실리콘 웨이퍼를 사용하여 후면접합 구조의 태양전지를 제조함을 설명한다. 아울러 실리콘 웨이퍼의 비저항은 1Ω㎝ 정도이고, 또 두께는 현재 널리 사용되고 있는 150 ~ 200㎛ 정도이다. 하지만 상기 비저항과 두께는 상기와 같이 반드시 한정하지 않아도 상관없다.
도 1에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 후면접합 구조의 태양전지 제조방법의 흐름도가 도시되어 있다.
도 1을 보면, 우선 실리콘 웨이퍼의 절단과정에서 손상을 입은 실리콘 표면의 절단 손상(saw damage)을 제거하여 실리콘 웨이퍼의 기계적 강도를 개선하기 위한 에칭 공정이 수행된다(s100). 상기 에칭 공정은 불산 및 질산을 포함하는 산 용액 또는 수산화 칼륨이나 수산화 나트륨 등을 포함하는 알칼리 용액으로 상기 실리콘 웨이퍼의 표면을 10㎛ 정도 식각하여 절단 손상을 제거하는 것이다. 상기 에칭 공정이 완료되면 실리콘 웨이퍼의 표면에 묻어 있을 수 있는 금속 또는 유기물질을 염산 등을 사용하여 세정한다.
상기 에칭 공정이 완료되면, 상기 실리콘 웨이퍼의 후면(즉, 태양광이 입사되는 반대면)에 p+층을 형성한다(s102). 상기 p+층은 '이온 샤워 도핑(ion shower doping)' 또는 '플라즈마 이온 주입(PIII:Plasma Immersion Ion Implantation)법으로 형성된다. 이는 상기 실리콘 웨이퍼의 한 면에만 p+층을 형성할 수 있는 방법이 다. 상기 'ion shower doping' 및 'PIII'은 상기 실리콘 웨이퍼를 불순물 이온을 포함하는 플라즈마(plasma)에 노출시켜서 상기 실리콘 웨이퍼의 표면에 불순물 이온이 주입되도록 하는 원리로서, 이 방법들은 불순물 이온의 운동에너지를 이용하고 있다. 그렇기 때문에 종래 실리콘 웨이퍼에 불순물을 도핑할 경우 수행하였던 고온공정이 필요하지 않고, 이에 본 실시 예는 상기 실리콘 웨이퍼를 가열하지 않고서도 p+층을 형성할 수 있는 것이다. 특히 상기 방법을 사용하면 상기 실리콘 웨이퍼의 표면에 접합을 얇게(shallow junction) 형성할 수 있다. 상기 접합 두께는 종래 고온에서 불순물을 도핑하여 형성할 경우 형성된 p+층 두께보다 더 얇게 형성된다. 따라서 이어지는 식각 공정에 식각 깊이를 보다 더 줄일 수 있어 공정시간 및 비용을 줄일 수 있다.
상기 p+층이 형성된 다음에는 상기 p+층(101) 상의 일부, 즉 n+ 층이 형성될 부분에 제외한 부분에 확산 방지막(diffusion mask)을 형성한다(s104). 상기 확산 방지막은 확산 방지용 페이스트를 스크린 인쇄법으로 도포한다.
상기 확산 방지막이 형성되면, 상기 확산 방지막이 미 형성된 부분에 있는 실리콘 웨이퍼의 표면을 소정 깊이로 식각한다(s106). 이때 상기 식각 깊이는 상기 p+ 층의 접합깊이보다 크면 된다. 참고로 상기 불순물 주입 깊이는 상기 'PIII'을 사용하는 경우 일반적으로 0.1㎛을 넘지않는다. 여기서, 상기 식각을 하는 방법에는 습식식각과 건식식각이 있다. 상기 습식식각은 상기 확산 방지막이 식각 방지막으로 사용될 수 있도록 알칼리 용액을 사용한다. 만약 상기 p+ 층이 붕소(B)에 의해 형성된 경우에는 상기 실리콘 웨이퍼의 표면에 얇은 산화막(BSG, Boro-Silicate Glass)이 형성될 수 있기 때문에 일정 농도의 불산 용액에 의해 상기 산화막(BSG)를 제거한 후 식각한다. 다른 식각 방법인 건식식각은 반도체 또는 디스플레이 소자의 제조에 사용하는 일반적인 건식식각을 하는 공정기술의 범위 이내에서 식각 공정에 사용되는 가스의 종류 및 유량, 반응실의 압력 등 공정 변수를 적절하게 적용하여 수행한다.
상기 식각 공정이 완료되면, 상기 식각된 실리콘 웨이퍼의 표면에 옥시염화인(POCl3)을 사용하여 n+층을 형성한다(s108). 상기 n+ 층도 'ion shower doping' 및 'PIII'에 의해 형성한다.
상기 n+ 층이 형성된 다음에는 상기 확산 방지막을 제거하고(s110), 상기 실리콘 웨이퍼의 후면을 세정액으로 세정한다(s112).
이후에는 반도체 제조공정에서 사용하는 건식 또는 습식 산화공정을 이용하여 상기 실리콘 웨이퍼의 후면 및 전면에 열 산화막을 형성한다(s114). 그러면 상기 실리콘 웨이퍼의 후면에 도핑된 불순물 이온이 활성화되고 동시에 확산이 수행되어, 상기 실리콘 웨이퍼의 후면에 n+ 및 p+형의 접합이 형성된다. 이렇게 되면 상기 접합 깊이는 상기 불순물 주입 깊이보다 커진 상태가 된다.
상기한 공정을 도 2를 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 후면접합 구조의 태양전지 제조하는 공정을 보인 단면도이다.
도 2(a)는 에칭(saw damage etching) 공정 및 표면이 세정액으로 세정 완료된 상태의 실리콘 웨이퍼(100)를 보이고 있다.
상기 실리콘 에이퍼(100)의 후면에 도 2(b)와 같이 p+층(102)을 형성한다. 이때 상기 p+층(102)은 '이온 샤워 도핑(ion shower doping)' 또는 '플라즈마이온주입(PIII)법으로 형성되며, 그래서 상기 p+층(102)은 종래 고온 확산로에서 확산공정에 의해 형성된 접합두께보다 얇은 접합(shallow junction) 형태로 형성된다.
상기 p+층(102)이 형성되면, 도 2(c)와 같이 확산 방지막(diffusion mask)(104)을 형성한다.
상기 확산 방지막(104)이 형성되면, n+층이 형성될 실리콘 웨이퍼(100)의 표면(A)을 소정 깊이로 식각한다. 이는 도 2(d)에 도시되어 있다. 이때 상기 p+층(102)의 접합이 얇게(shallow junction) 형성되어 있기 때문에, 상기 실리콘 웨이퍼(100)의 표면을 식각하는 깊이는 종래보다 줄일 수 있다.
도 2(e)에서는 상기 식각 완료된 실리콘 웨이퍼(100)의 표면(A)에 n+ 층(106)이 형성되어 있는 것을 도시하고 있다. 이때 상기 n+ 층(106)도 'ion shower doping' 및 'PIII'에 의해 형성된다.
이후, 상기 n+ 층(106)이 형성되면, 상기 확산 방지막(104)을 제거하고, 상기 실리콘 웨이퍼(100)의 표면을 세정액으로 세정한다. 상기 세정 완료된 상태의 실리콘 웨이퍼가 도 2(f)에 도시되어 있다. 이때 p+ 층(102) 및 n+ 층(106)의 두께는 도면에서 'd'로 나타내고 있다.
그럼 다음, 이어지는 도 2(g)의 열 산화막 형성공정에서 상기 실리콘 웨이퍼(100)의 후면 및 전면에 열 산화막(108)이 형성시킨다. 이때 상기 실리콘 웨이퍼(100)에 도핑된 불순물 이온의 활성화 및 확산이 수행된다. 그렇게 되면, p+ 층(102)과 n+ 층(106)은 그 접합 깊이가 더 커지게 된다. 즉 도 2(f)에서는 p+층(102) 및 n+ 층(106)의 접합 깊이는 'd' 이지만, 도 2(g)의 열 산화막(108) 형성공정이 완료되면 p+ 층(102) 및 n+ 층(104)의 접합 깊이가 d'와 같이 더 커지게 된다.
그와 같은 열 산화막(108)까지 형성되면 태양전지 제조를 위한 일반적인 공정이 순차적으로 수행되어 태양전지를 완성하게 된다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 실리콘 웨이퍼를 가열하지 않고 두 번의 플라즈마 도핑 기술을 적용하여 실리콘 웨이퍼의 후면에 베이스 영역과 에미터 형성을 형성하고 있다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
즉 본 실시 예에서는 p형 실리콘 웨이퍼를 예를 들어 설명하고 있지만, n형 실리콘 웨이퍼에도 본 발명이 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 후면접합 구조의 태양전지 제조방법의 흐름도
도 2는 도 1의 태양전지 제조공정을 보인 단면도
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 에칭 완료된 p형 실리콘 웨이퍼 102 : p+층
104 : 확산 방지막 106 : n+층
108 : 열 산화막
Claims (4)
- 반도체 기판 후면 일부에 형성된 제 1 도핑영역; 그리고,상기 반도체 기판 후면에서 상기 제 1 도핑영역이 미 형성된 부분에 상기 제 1 도핑영역과는 서로 높이가 다르게 형성되는 제 2 도핑영역을 포함하고,상기 제 1 도핑영역과 제 2 도핑영역의 높이 차이는 최종 형성되는 제 1 도핑영역의 접합 깊이 또는 제 2 도핑영역의 접합 깊이보다 작게 형성됨을 특징으로 하는 후면접합 구조의 태양전지.
- 제 1항에 있어서,상기 제 1 도핑영역 및 제 2 도핑영역은,상기 반도체 기판이 불순물 이온이 포함된 플라즈마에 노출된 상태에서 상기 반도체 기판 표면에 불순물 이온이 주입되어 형성됨을 특징으로 하는 후면접합 구조의 태양전지.
- 제 2항에 있어서,상기 제 1 도핑영역 및 제 2 도핑영역은, '이온 샤워 도핑(ion shower doping)' 또는 '플라즈마이온주입(PIII)'법에 의해 형성됨을 특징으로 하는 후면접합 구조의 태양전지.
- 제 2항에 있어서,상기 불순물 이온에 대한 활성화 및 확산은,상기 제 1 도핑영역과 제 2 도핑영역 위에 열 산화막을 형성하는 공정에서 동시에 이루어지되, 상기 제 1 도핑영역 및 제 2 도핑영역의 접합 깊이는 상기 불순물 이온이 주입된 깊이보다 크게 형성됨을 특징으로 하는 후면접합 구조의 태양전지.
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