KR20110034761A - 태양전지 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 결정계 실리콘 기판을 기반으로 하는 태양전지에 있어서, 상기 결정계 실리콘 기판은 그 일측 표면에는 복수 개의 모-돌출부를 구비하며, 상기 모-요철들 각각의 표면에는 적어도 하나의 자-돌출부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 태양전지가 제공된다.
태양전지, 결정계 실리콘 기판, 모-돌출부, 자-돌출부
Description
본 발명은 태양전지 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
태양전지는 광에너지를 전력으로 변환하는 반도체소자이며, PN 접합형, PIN형, 쇼트키형 등이 있다.
이때, 상기 PN 접합형이 가장 널리 사용되고 있다.
상기 태양전지를 그 기판 재료를 바탕으로 분류하면, 크게, 실리콘 결정계 태양전지, 비정질 실리콘계 태양전지 및 화합물 반도체계 태양전지로 분류할 수 있다.
상기 실리콘 결정계 태양전지는 다시 단결정계 태양전지와 다결정계 태양전지로 분류될 수 있다.
상기 태양전지들 중 가장 에너지 변환효율이 높은 것은 화합물 반도체계 태양전지이다.
상기 화합물 반도체계 태양전지는 그 재료가 되는 화합물 반도체를 만드는 것이 대단히 어렵고, 태양전지 기판의 제조 비용 면에서 상업화하기에는 너무 비싸다는 문제점이 있다
상기 화합물 반도체계 태양전지의 다음으로 변환효율이 높은 태양전지는 실리콘 단결정계 태양전지이다.
상기 실리콘 단결정계 태양전지는 그 재료가 되는 실리콘 단결정 기판을 비교적 용이하게 제조할 수 있으므로, 일반적으로 보급되고 있는 태양전지의 주력이 되고 있다.
본 발명의 목적은 고효율의 결정질 실리콘 태양전지를 제공하기 위한 결정질 실리콘 기판 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 저반사의 결정질 실리콘 태양전지를 제공하기 위한 저반사 결정질 실리콘 기판 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 결정계 실리콘 기판을 기반으로 하는 태양전지에 있어서, 상기 결정계 실리콘 기판은 그 일측 표면에는 복수 개의 모-돌출부를 구비하며, 상기 모-요철들 각각의 표면에는 적어도 하나의 자-돌출부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 태양전지가 제공된다.
상기 태양 전지:는 상기 결정계 실리콘 기판의 타측 표면에 구비된 제1전극; 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면에 구비된 이미터층; 상기 이미터층 상의 일정 위치에 패턴화된 형태로 구비된 제2전극; 상기 제2전극이 구비되지 않은 상기 이미터층 상에 구비된 절연막층; 및 상기 절연막층 상에 구비된 반사 방지막;을 포함하며, 상기 결정계 실리콘 기판과 이미터층은 각각 다른 형의 불순물이 도핑되어 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 결정계 실리콘 기판을 기반으로 하는 태양전지를 제조하는 방법에 있어서, 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면에 복수 개의 모-돌출부가 형성되도록 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면을 표면 텍스터링(texturing)하는 표면 텍스터링 단계; 상기 모-돌출부들 각각의 표면에 적어도 하나의 자-돌출부가 형성되도록 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면을 나노 텍스터링하는 나노 텍스터링 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법이 제공된다.
상기 표면 텍스터링 단계는 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면을 초순수에 2 내지 3wt%의 NaOH 또는 KOH 및 8 내지 15wt%의 IPA(isopropyl alcohol)가 혼합된 용액을 70 내지 80℃에서 10 내지 50분 간 노출시켜 상기 모-돌출부들을 형성하는 단계이다.
상기 표면 텍스터링 단계는 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면을 초순수에 2 내지 10wt%의 TAMH(tetramethylammonium hydroxide) 및 8 내지 15wt%의 IPA가 혼합된 용액을 70 내지 80℃에서 10 내지 50분 간 노출시켜 상기 모-돌출부들을 형성하는 단계이다.
상기 나노 텍스터링 단계:는 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면에 보조 금속을 코팅하는 보조 금속 코팅 단계; 상기 보조 금속을 이용하여 상기 모-돌출부들 각각의 표면에 적어도 하나의 자-돌출부가 형성되도록 하는 자-돌출부 형성 단계; 상기 보조 금속을 제거하는 보조 금속 제거 단계; 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면에 형성된 산화막을 제거하는 산화막 제거 단계; 및 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면을 세정하는 표면 세정 단계;를 포함한다.
상기 보조 금속은 Ag, Au, Fe, Pt 및 Cu 중 어느 하나 이상이다.
상기 보조 금속 코팅 단계는 초순수에 0.01 내지 1mol의 AgNO3이 0.15 내지 2wt% 및 3 내지 10mol의 HF가 10 내지 33wt%로 혼합된 용액을 15 내지 50℃에서 30 내지 300초 간 처리하여 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면에 상기 보조 금속을 코팅하는 단계이다.
상기 보조 금속 코팅 단계는 물리적 기상 증착 장치를 이용하여 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면 상에 보조 금속을 코팅하는 단계이다.
상기 자-돌출부 형성 단계는 상기 보조 금속이 코팅된 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면을 초순수에 0.2 내지 1mol의 H2O2가 2 내지 15wt% 및 3 내지 10mol의 HF가 10 내지 33wt%로 혼합된 용액을 이용하여 식각하여 상기 모-돌출부들 각각의 표면에 적어도 하나의 자-돌출부를 형성하는 단계이다.
상기 보조 금속 제거 단계는 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면을 초순수에 HNO3가 1:1로 혼합된 용액으로 처리하여 상기 보조 금속을 제거하는 단계이고, 상기 산화막 제거 단계는 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면을 BOE(buffered oxide echant) 또는 HF를 이용하여 상온에서 1 내지 50초 동안 처리하여 산화막을 제거하는 단계이고, 상기 표면 세정 단계는 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면을 초순수로 세정한 후 건조하는 단계이다.
상기 표면 텍스터링 단계 이전에, 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면에 잔류하는 절단 손상(saw damage)을 제거하는 절단 손상 제거 단계; 및 상기 결정계 실리콘 기판을 세정하는 기판 세정 단계;를 포함한다.
상기 절단 손상 제거 단계는 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면을 초순수에 3 내지 10wt%의 NaOH가 혼합된 용액을 이용하여 70 내지 80℃에서 2 내지 10분 간 처리하여 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면에 잔류하는 절단 손상을 제거하는 단계이다.
상기 기판 세정 단계는 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면에서 유기물을 제거하는 유기물 세정 단계, 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면에서 금속을 제거하는 금속 세정 단계 및 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면에서 산화물을 제거한는 산화물 세정 단계 중 어느 하나를 포함한다.
상기 유기물 세정 단계는 H2SO4 대 H2O2가 3:1 내지 4:1로 포함된 용액으로 70 내지 80℃에서 처리하여 유기물을 제거하는 단계이고, 상기 금속 세정 단계는 HCl 대 H2O2 대 초순수가 1:1:5 또는 1:2:8로 포함된 용액으로 70 내지 80℃에서 처리하여 유기물을 제거하는 단계이고, 상기 산화물 세정 단계는 3 내지 10wt% HF로 처리하여 산화물을 제거하는 단계이다.
본 발명의 구성을 따르면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는 본 발명에 의하면, 고효율의 결정질 실리콘 태양전지를 제공하기 위한 결정질 실리콘 기판 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 저반사의 결정질 실리콘 태양전지를 제공하기 위한 저반사 결정질 실리콘 기판 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지를 도시한 단면도이다.
도 2는 모-돌출부만을 구비한 태양전지의 표면 구조 및 반사율을 보여주는 도이다.
도 3은 모-돌출부 및 자-돌출부를 구비한 태양전지의 표면 구조 및 반사율을 보여주는 도이다.
도 1 내지 3을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지(100)는 제1전극(110), 결정계 실리콘 기판(120), 이미터층(130), 절연막층(140), 반사 방지막(150) 및 제2전극(160)을 포함하고 있다.
이때, 상기 태양전지(100)는 상기 결정계 실리콘 기판(120)을 기반으로 한다.
상기 태양전지(100)는 상기 결정계 실리콘 기판(120)을 기준으로, 상기 결정계 실리콘 기판(120)의 일측 표면 상에 상기 이미터층(130), 절연막층(140), 반사 방지막(150) 및 제2전극(160)이 구비되어 있다.
또한, 상기 태양전지(100)는 상기 결정계 실리콘 기판(120)의 타측 표면 상에 상기 제1전극(110)을 구비하고 있다.
상기 제1전극(110)은 Ag 또는 알루미늄 등과 같은 도전성 물질을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 제1전극(110)은 상기 결정계 실리콘 기판(120)의 타측 표면에 전체적으로 구비되어 있다.
상기 결정계 실리콘 기판(120)은 다결정 실리콘 기판 또는 단결정 실리콘 기판일 수 있다.
상기 결정계 실리콘 기판(120)이 단결정 실리콘 기판으로 이루어지는 경우에는 특정한 하나의 방위(예컨대, {100}, {111}, {110) 중 어느 하나)를 가지는 단결정 실리콘 기판일 수 있다.
상기 결정계 실리콘 기판(120)은 P형 불순물 또는 N형 불순물이 도핑된 P형 결정계 실리콘 기판 또는 N형 결정계 실리콘 기판일 수 있다.
상기 결정계 실리콘 기판(120)은 그 일측 표면에 복수 개의 모-돌출부(122)를 구비하고 있다.
상기 모-돌출부(122)는 다양한 형상을 갖는 돌출부이다. 바람직하게 상기 모-돌출부(122)는 피라미드 형상을 갖는 돌출부이다.
상기 결정계 실리콘 기판(120)은 그 일측 표면에 복수 개의 모-돌출부(122)를 구비하며, 상기 모-돌출부(122)들 각각의 표면에도 적어도 하나의 자-돌출부(124)를 구비하고 있다.
상기 결정계 실리콘 기판(120)은 그 일측 표면에 복수 개의 모-돌출부(122) 및 상기 모-돌출부(122)들 각각의 표면에 적어도 하나의 자-돌출부(124)를 구비함 으로써 4% 이하의 낮은 반사율을 가진다.
도 2에서 도시하고 있는 바와 같이 상기 결정계 실리콘 기판(120)에 모-돌출부(122)만을 구비하고 있는 경우에는 가시광선 영역(약 400 내지 800nm 범위)에서 약 10% 이상의 반사율을 보이고 있는 것을 알 수 있다.
이에 반해, 도 3에 도시하고 있는 바와 같이 상기 결정계 실리콘 기판(120)에 모-돌출부(122) 및 자-돌출부(124)를 구비하고 있는 경우에는 가시광선 영역에서 약 4% 이하의 반사율을 보이고 있는 것을 알 수 있다.
따라서, 상기 모-돌출부(122) 및 자-돌출부(124)를 구비한 상기 결정계 실리콘 기판(120)을 구비한 태양전지(100)는 고효율의 태양전지가 된다.
또한, 상기 결정계 실리콘 기판(120)이 상기 모-돌출부(122)들과 자-돌출부(124)들을 구비함으로써, 상기 태양전지(100)는 기존의 태양전지에 비해 단락 전류의 양이 증가되어진다.
또한, 상기 결정계 실리콘 기판(120)이 상기 모-돌출부(122)들과 자-돌출부(124)들을 구비함으로써, 상기 태양전지(100)는 기존의 태양전지에 비해 광흡수율이 높다.
상기 이미터층(130)은 다결정 실리콘 또는 단결정 실리콘으로 이루어진 층이다.
상기 이미터층(130)은 P형 불순물 또는 N형 불순물이 도핑된 P형 실리콘층 또는 N형 실리콘층일 수 있다.
이때, 상기 이미터층(130)은 상기 결정계 실리콘 기판(120)과는 다른 형의 불순물이 도핑된 층으로 이루어질 수 있다. 즉, 상기 결정계 실리콘 기판(120)이 P형 결정계 실리콘 기판인 경우에는 상기 이미터층(130)은 N형의 불순물이 도핑된 실리콘층일 수 있고, 상기 결정계 실리콘 기판(120)이 N형 결정계 실리콘 기판인 경우에는 상기 이미터층(130)은 P형 불순물이 도핑된 실리콘층일 수 있다.
따라서 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지(100)는 P형 또는 N형의 결정계 실리콘(120) 및 N형 또는 P형의 이미터층(130)이 접합하여 이루어진 PN접합형 태양전지일 수 있다.
도 1에서 도시하고 있지는 않지만, 상기 태양전지(100)는 상기 이미터층(130) 상에 진성 실리콘층, 즉, P형 또는 N형과 같은 불순물이 도핑되지 않은 실리콘층을 구비하여 다른 구조의 PN형 태양전지로 이루어질 수도 있다.
상기 제2전극(160)은 상기 이미터층(130)의 상부에 부분적으로 형성된다. 즉, 상기 제2전극(160)은 상기 이미터층(130)의 상부에 패턴화되어 구비된다.
상기 제2전극(160)은 Ag 또는 알루미늄 등과 같은 도전성 금속을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 절연막층(140)은 상기 이미터층(130) 상에 구비되되, 상기 제2전극(160)이 형성되지 않은 영역에 구비될 수 있다.
상기 절연막층(140)은 상기 이미터층(130)을 패시베이션하는 기능을 구비할 수도 있다.
상기 절연막층(140)은 실리콘 산화막, ZnO(Zinc Oxide), 알루미늄이 도핑된 ZnO막인 AZO(Aluminum Zinc Oxide), ITO(Indium Tin Oxide), TiO2, MgF2, SnO2:F 및 Al2O3 등과 같은 물질로 하나의 박막으로 구비될 수 있다.
상기 반사 방지막(150)은 상기 절연막층(140) 상에 구비될 수 있다. 즉, 상기 반사 방지막(150)은 상기 이미터층(130) 상에 구비되되, 상기 제2전극(160)이 형성되지 않은 영역에 구비될 수 있다.
상기 반사 방지막(150)은 실리콘 질화막으로 형성될 수 있다.
상기 반사 방지막(150)은 상기 이미터층(130)을 패시베이션하는 기능을 구비할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지 제조 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지 제조 방법 중 결정계 실리콘 기판 형성 단계의 자세한 제조 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지 제조 방법 중 나노 텍스터링 단계의 자세한 제조 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 4 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지 제조 방법을 설명하면, 상기 태양전지 제조 방법은 결정계 실리콘 기판 형성 단계(S100), 이미터층 형성 단계(S200), 절연막층 및 반사 방지막 형성 단계(S300) 및 제1전극 및 제2전극 형성 단계(S400)를 포함한다.
이때, 상기 태양전지 제조 방법 중 상기 결정계 실리콘 기판 형성 단 계(S100)는 절단 손상 제거 단계(S110), 기판 세정 단계(S120), 표면 텍스터링(texturing) 단계(S130) 및 나노 텍스터링 단계(S140)를 포함한다.
상기 결정계 실리콘 기판 형성 단계(S100) 중 상기 나노 텍스터링 단계(S140)는 보조 금속 코팅 단계(S141), 자-돌출부 형성 단계(S142), 보조 금속 제거 단계(S143), 산화막 제거 단계(S144) 및 표면 세정 단계(S145)를 포함한다.
이때, 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명하는 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지 제조 방법은 상기 도 1을 참조하여 설명한 태양전지(100), 즉, PN 접합형 태양전지를 기준으로 설명하나, 이에 한정되는 것이 아니다. 즉, 상기 태양전지의 구조가 다른 형태의 태양전지인 경우에는 이하 설명되는 방법과 다른 방법이 추가되거나 생략될 수 있다. 이때 추가되는 방법은 통상적인 태양전지 제조 방법이다.
상기 결정계 실리콘 기판 형성 단계(S100)는 상기 도 1을 참조하여 설명한 태양전지(100)의 결정계 실리콘 기판(120)을 형성하는 단계이다.
즉, 상기 결정계 실리콘 기판 형성 단계(S100)는 상기 결정계 실리콘 기판(120)의 일측 표면 상에 복수 개의 모-돌출부(122)를 형성하고, 상기 모-돌출부(122)들의 표면 상에 적어도 하나의 자-돌출부(124)를 형성하는 단계이다.
상기 결정계 실리콘 기판 형성 단계(S100)를 도 5를 참조하여 더욱 자세히 설명하면, 우선 상기 결정계 실리콘 기판(120)을 형성하기 위한 실리콘 기판을 준비한다. 이때, 상기 실리콘 기판은 단결정 실리콘 기판일 수도 있고, 다결정 실리콘 기판일 수도 있다. 또한 상기 실리콘 기판은 P형 실리콘 기판일 수도 있고 N형 실리콘 기판일 수도 있다. 이때, 상기 실리콘 기판은 상기 모-돌출부(122) 또는 자 -돌출부(124)가 아직 형성되지 않은 결정계 실리콘 기판(120)을 의미하며, 상기 모-돌출부(122) 및 자-돌출부(124)를 구비한 결정계 실리콘 기판(120)과 구별하기 위해 별도의 용어를 사용하는 것이지 상기 실리콘 기판과 결정계 실리콘 기판(120)이 별도의 구성이 아님을 밝혀둔다.
상기 단결정 실리콘 기판인 실리콘 기판은 일반적으로 CZ(czochralski)법으로 형성된 실리콘 벌크를 절단하여 제조됨으로 그 표면에 절단 시에 발생되는 열 또는 마찰에 의한 절단 손상(saw damage)이 잔류하는 경우가 많다.
따라서, 상기 준비된 실리콘 기판의 표면, 특히 일측 표면 상에서 잔류하는 절단 손상을 제거하기 위한 절단 손상 제거 단계(S110)를 실시한다.
상기 절단 손상 제거 단계(S110)는 상기 실리콘 기판의 일측 표면을 초순수에 3 내지 10wt%의 NaOH가 혼합된 용액을 이용하여 70 내지 80℃에서 2 내지 10분 간 처리하는 단계로, 상기와 같은 처리에 의해 상기 실리콘 기판의 일측 표면에 잔류하는 절단 손상을 제거한다.
상기 절단 손상 제거 단계(S110) 이후 상기 기판 세정 단계(S120)를 진행한다.
상기 기판 세정 단계(S120)는 상기 실리콘 기판의 일측 표면 상에 잔류할 수도 있는 유기물, 금속 및 산화물 등과 같은 불순물을 제거하는 단계이다.
상기 기판 세정 단계(S120)는 유기물 세정 단계, 금속 세정 단계 및 산화물 세정 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 기판 세정 단계(S120)는 유기물 세정 단계, 금속 세정 단계 및 산화물 세정 단계를 선택적으로 실시할 수 있고, 상기 단계 들과 대응되는 다른 공정으로 대체될 수도 있다.
상기 기판 세정 단계(S120)의 유기물 세정 단계는 상기 실리콘 기판의 표면, 특히 일측 표면 상에 잔류하는 유기물을 세정하는 단계로, H2SO4 대 H2O2가 3:1 내지 4:1로 포함된 용액으로 70 내지 80℃에서 상기 실리콘 기판의 표면을 처리하여 유기물을 제거하는 단계이다.
상기 기판 세정 단계(S120)의 금속 세정 단계는 상기 실리콘 기판의 표면, 특히 일측 표면 상에 잔류하는 금속을 세정하는 단계로, HCl 대 H2O2 대 초순수가 1:1:5 또는 1:2:8로 포함된 용액으로 70 내지 80℃에서 상기 실리콘 기판의 표면을 처리하여 유기물을 제거하는 단계이다.
상기 기판 세정 단계(S120)의 산화물 세정 단계는 상기 실리콘 기판의 표면, 특히 일측 표면 상에 잔류하는 산화물을 세정하는 단계로, 3 내지 10wt% HF로 상기 실리콘 기판의 표면을 처리하여 산화물을 제거하는 단계이다.
이때, 상기 기판 세정 단계(S120)는 상기 유기물 세정 단계, 금속 세정 단계 및 산화물 세정 단계 각각의 단계 이후, 각 단계에서 사용한 용액이 상기 실리콘 기판의 표면에 잔류하지 않도록 하는 린싱(rinsing) 공정, 즉, 초순수로 상기 실리콘 기판을 세척하는 세척 공정이 포함될 수도 있다.
상기 기판 세정 단계(S120) 이후 상기 표면 텍스터링 단계(S130)를 진행한다.
상기 표면 텍스터링 단계(S130)는 상기 실리콘 기판의 표면, 특히 일측 표면 에 복수 개의 모-돌출부(122)를 형성하는 단계이다.
상기 표면 텍스터링 단계(S130)는 상기 모-돌출부(122)들을 다양한 형상의 돌출부들로 형성하는 단계일 수 있으나, 특히 피라미드 형상의 돌출부를 형성하는 단계일 수 있다.
상기 실리콘 기판의 일측 표면 상에 상기 모-돌출부(122)들을 형성하는 방법은 다양한 방법으로 형성할 수 있으나, 본 발명의 일 실시 예에서는 두 가지 방법을 개시한다.
상기 모-돌출부(122)들을 형성하는 한 가지 방법은 상기 실리콘 기판의 표면, 특히 일측 표면을 초순수에 2 내지 3wt%의 NaOH 및 8 내지 15wt%의 IPA(isopropyl alcohol)가 혼합된 용액 또는 초순수에 2 내지 3wt%의 KOH 및 8 내지 15wt%의 IPA가 혼합된 용액을 70 내지 80℃에서 10 내지 50분 간 노출시켜 상기 모-돌출부(122)들을 형성하는 방법이다.
상기 모-돌출부(122)들을 형성하는 다른 한 가지 방법은 상기 실리콘 기판의 표면, 특히 일측 표면을 초순수에 2 내지 10wt%의 TAMH(tetramethylammonium hydroxide) 및 8 내지 15wt%의 IPA가 혼합된 용액을 70 내지 80℃에서 10 내지 50분 간 노출시켜 상기 모-돌출부(122)들을 형성하는 방법이다.
상기 표면 텍스터링 단계(S130) 이후 상기 나노 텍스터링 단계(S140)를 진행한다.
상기 나노 텍스터링 단계(S140)는 상기 실리콘 기판의 표면에 형성된 모-돌출부(122)들의 표면에 적어도 하나의 자-돌출부(124)를 형성하여 상기 결정계 실리 콘 기판(120)을 형성하는 단계이다.
상기 나노 텍스터링 단계(S140)를 도 6을 참조하여 자세히 설명하면, 상기 모-돌출부(122)들이 형성된 상기 실리콘 기판의 일측 표면 상에 보조 금속을 코팅하는 보조 금속 코팅 단계(S141)를 진행한다.
상기 보조 금속은 Ag, Au, Fe, Pt 및 Cu 중 어느 하나 이상을 형성하는 단계이다.
본 발명의 일 실시 예에서는 상기 보조 금속들 중 Ag를 상기 실리콘 기판의 일측 표면 상에 형성하는 방법을 중심으로 설명하나, 상기 Ag를 제외한 다른 보조 금속들도 거의 동일한 방법으로 형성할 수 있다.
상기 보조 금속인 Ag를 상기 실리콘 기판의 일측 표면 상에 다양한 방법으로 코팅할 수 있으나, 본 발명의 일 실시 예에서는 두 가지 방법을 개시한다.
상기 보조 금속인 Ag를 상기 실리콘 기판의 일측 표면 상에 코팅하는 한 가지 방법은 상기 실리콘 기판을 초순수에 0.01 내지 1mol의 AgNO3는 0.15 내지 2wt%로 혼합되어 있고, 3 내지 10mol의 HF는 10 내지 33wt%로 혼합된 용액을 15 내지 50℃에서 30 내지 300초 간 처리하여 상기 모-돌출부(122)들 각각의 표면에 상기 Ag를 코팅하는 방법이다.
상기 보조 금속인 Ag를 상기 실리콘 기판의 일측 표면 상에 코팅하는 다른 한 가지 방법은 물리적 기상 증착 장치를 이용하여 상기 실리콘 기판의 일측 표면 상에 Ag를 코팅하는 방법이다.
상기 보조 금속 코팅 단계(S141) 이후 상기 자-돌출부 형성 단계(S142)를 실시한다.
상기 자-돌출부 형성 단계(S142)는 상기 보조 금속인 Ag가 코팅된 상기 실리콘 기판의 일측 표면을 초순수에 0.2 내지 1mol의 H2O2가 2 내지 15wt%로 혼합되어있고, 3 내지 10mol의 HF가 10 내지 33wt%로 혼합된 용액을 이용하여 식각하여 상기 모-돌출부(122)들 각각의 표면에 적어도 하나의 자-돌출부(124)를 형성하는 단계이다.
상기 모-돌출부(122)가 형성된 실리콘 기판을 상기 자-돌출부 형성 단계(S142)를 진행함으로써 상기 실리콘 기판은 상기 도 1을 참조하여 설명한 상기 결정계 실리콘 기판(120)을 형성할 수 있다.
상기 자-돌출부 형성 단계(S142)는 상기 실리콘 기판에 형성된 보조 금속인 Ag와 상기 H2O2 및 HF가 혼합된 용액이 서로 반응하여 상기 모-돌출부(122)들의 표면에 적어도 하나의 자-돌출부(124)가 형성되는 단계이다. 즉, 상기 보조 금속인 Ag가 상기 H2O2 및 HF가 혼합된 용액이 상기 모-돌출부(122)들의 표면에 적어도 하나의 자-돌출부(124)를 형성하는 도와 주게 된다.
상기 자-돌출부 형성 단계(S142) 이후 상기 보조 금속 제거 단계(S143)를 진행한다.
상기 보조 금속 제거 단계(S143)는 상기 자-돌출부 형성 단계(S142) 이후 상기 결정계 실리콘 기판(120) 상에 잔류하는 보조 금속, 즉, Ag를 제거하는 단계이 다.
상기 보조 금속 제거 단계(S143)는 상기 결정계 실리콘 기판(120)의 일측 표면을 초순수에 HNO3가 1:1로 혼합된 용액으로 처리하여 상기 보조 금속, 즉, Ag을 제거하는 단계이다.
상기 보조 금속 제거 단계(S143) 이후 상기 산화막 제거 단계(S144)를 진행한다.
상기 산화막 제거 단계(S144)는 상기 자-돌출부 형성 단계(S142)를 진행할 때 등의 공정을 진행할 때, 상기 결정계 실리콘 기판(120)의 일측 표면에 형성된 산화막을 제거하는 단계이다.
상기 산화막 제거 단계(S144)는 상기 결정계 실리콘 기판(120)의 일측 표면을 BOE(buffered oxide echant) 또는 HF를 이용하여 상온에서 1 내지 50초 동안 처리하여 산화막을 제거하는 단계이다.
상기 산화막 제거 단계(S144) 이후 상기 표면 세정 단계(S145)를 진행한다.
상기 표면 세정 단계(S145)는 상기 결정계 실리콘 기판(120)의 표면, 특히, 일측 표면에 잔류할 수도 있는 용액 잔류 등을 제거하는 단계이다. 즉, 상기 표면 세정 단계(S145)는 그 이전 단계에서 사용된 용액 등이 상기 결정계 실리콘 기판(120) 상에 잔류하지 않도록 상기 결정계 실리콘 기판(120)의 표면, 특히, 일측 표면을 깨끗하게 세정하는 단계이다.
상기 표면 세정 단계(S145)는 상기 결정계 실리콘 기판(120)의 표면, 특히 일측 표면을 초순수로 세정한 후 건조하는 단계이다.
다시 도 4를 참조하여 상기 태양전지 제조 방법을 설명하면, 상기 나노 텍스터링 단계(S140) 이후, 상기 이미터층 형성 단계(S200)를 진행한다.
상기 이미터층 형성 단계(S200)는 상기 결정계 실리콘 기판(120)의 일측 표면에 상기 이미터층(130)을 형성하는 단계이다.
상기 이미터층 형성 단계(S200)는 스퍼터링 등과 같은 물리적 기상 증착법 또는 PECVD 등과 같은 화학 기상 증착법으로 상기 이미터층(130)을 형성하는 단계이다.
이때, 상기 이미터층(130)은 P형 불순물 또는 N형 불순물이 도핑된 P형 실리콘층 또는 N형 실리콘층일 수 있다.
상기 이미터층 형성 단계(S200) 이후 상기 절연막층 및 반사 방지막 형성 단계(S300)를 진행한다.
상기 절연막층 및 반사 방지막 형성 단계(S300)는 상기 이미터층(130) 상에 상기 절연막층(140) 및 반사 방지막(150)을 순차적으로 형성하는 단계이다.
상기 절연막층(140)은 실리콘 산화막, ZnO, AZO, ITO, TiO2, MgF2 및 SnO2:F 등과 같은 물질로 PECVD 등과 같은 화학적 기상 증착법 또는 스퍼터링과 같은 물리적 기상 증착법으로 형성할 수 있다.
상기 반사 방지막(150)은 실리콘 질화막 등과 같은 물질로 PECVD 등과 같은 화학적 기상 증착법 또는 스퍼터링과 같은 물리적 기상 증착법으로 형성할 수 있 다.
상기 절연막층 및 반사 방지막 형성 단계(S300) 이후 상기 제1전극 및 제2전극 형성 단계(S400)를 진행한다.
상기 제1전극 및 제2전극 형성 단계(S400)는 상기 결정계 실리콘 기판(120)의 타측 표면에 상기 제1전극(110)을 형성하는 단계 및 상기 결정계 실리콘 기판(120)의 일측 표면 측에 제2전극(160)을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 제1전극(110)을 형성하는 단계 및 상기 제2전극(160)을 형성하는 단계는 거의 동시에 이루어질 수 있다.
즉, 상기 결정계 실리콘 기판(120)의 타측 표면에 제1전극 형성용 페이스트를 도포하고, 상기 결정계 실리콘 기판(120)의 일측 표면, 정확하게는 상기 반사 방지막(150) 상에 상기 반사 방지막(150) 및 절연막층(140)을 에칭할 수 있는 에칭 성분을 포함하는 제2전극 형성용 페이스트를 상기 반사 방지막(150)의 일정 영역에 도포, 즉, 패턴 형상으로 도포한다.
그리고 상기 제1전극 형성용 페이스트 및 제2전극 형성용 페이스트가 도포된 상기 결정계 실리콘 기판(120)을 소성하여 상기 제1전극(110) 및 제2전극(160)을 형성한다. 이때, 상기 제1전극(110) 및 제2전극(160)을 소성하는 온도는 약 800 내지 900℃이다.
이때, 상기 제1전극(110)은 상기 제1전극 형성용 페이스트와 상기 결정계 실리콘 기판(120)을 이루는 물질은 실리콘과 반응하여 실리사이드계 물질을 형성하여 상기 제1전극(110)을 형성할 수 있다.
이때, 상기 제2전극(160)은 상기 제2전극 형성용 페이스트에 포함된 상기 반사 방지막(150) 및 절연막층(140)을 에칭할 수 있는 에칭 성분이 상기 반사 방지막(150) 및 절연막층(140)의 일부를 에칭하여 상기 제2전극(120)이 상기 반사 방지막(150) 및 절연막층(140)을 관통하여 상기 이미터층(130)과 접촉하여 상기 제2전극(160)을 형성할 수 있다.
이상 본 발명을 상기 실시예들을 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것이 아니다. 당업자라면, 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정, 변경을 할 수 있으며 이러한 수정과 변경 또한 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지를 도시한 단면도이다.
도 2는 모-돌출부만을 구비한 태양전지의 표면 구조 및 반사율을 보여주는 도이다.
도 3은 모-돌출부 및 자-돌출부를 구비한 태양전지의 표면 구조 및 반사율을 보여주는 도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지 제조 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지 제조 방법 중 결정계 실리콘 기판 형성 단계의 자세한 제조 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지 제조 방법 중 나노 텍스터링 단계의 자세한 제조 방법을 보여주는 흐름도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 태양전지 110 : 제1전극
120 : 결정계 실리콘 기판 130 : 이미터층
140 : 절연막층 150 : 반사 방지막
160 : 제2전극
Claims (15)
- 결정계 실리콘 기판을 기반으로 하는 태양전지에 있어서,상기 결정계 실리콘 기판은 그 일측 표면에는 복수 개의 모-돌출부를 구비하며,상기 모-요철들 각각의 표면에는 적어도 하나의 자-돌출부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 태양 전지:는상기 결정계 실리콘 기판의 타측 표면에 구비된 제1전극;상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면에 구비된 이미터층;상기 이미터층 상의 일정 위치에 패턴화된 형태로 구비된 제2전극;상기 제2전극이 구비되지 않은 상기 이미터층 상에 구비된 절연막층; 및상기 절연막층 상에 구비된 반사 방지막;을 포함하며,상기 결정계 실리콘 기판과 이미터층은 각각 다른 형의 불순물이 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 결정계 실리콘 기판을 기반으로 하는 태양전지를 제조하는 방법에 있어서,상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면에 복수 개의 모-돌출부가 형성되도록 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면을 표면 텍스터링(texturing)하는 표면 텍스터링 단계;상기 모-돌출부들 각각의 표면에 적어도 하나의 자-돌출부가 형성되도록 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면을 나노 텍스터링하는 나노 텍스터링 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 표면 텍스터링 단계는 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면을 초순수에 2 내지 3wt%의 NaOH 또는 KOH 및 8 내지 15wt%의 IPA(isopropyl alcohol)가 혼합된 용액을 70 내지 80℃에서 10 내지 50분 간 노출시켜 상기 모-돌출부들을 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 표면 텍스터링 단계는 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면을 초순수에 2 내지 10wt%의 TAMH(tetramethylammonium hydroxide) 및 8 내지 15wt%의 IPA가 혼합된 용액을 70 내지 80℃에서 10 내지 50분 간 노출시켜 상기 모-돌출부들을 형 성하는 단계인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 나노 텍스터링 단계:는상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면에 보조 금속을 코팅하는 보조 금속 코팅 단계;상기 보조 금속을 이용하여 상기 모-돌출부들 각각의 표면에 적어도 하나의 자-돌출부가 형성되도록 하는 자-돌출부 형성 단계;상기 보조 금속을 제거하는 보조 금속 제거 단계;상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면에 형성된 산화막을 제거하는 산화막 제거 단계; 및상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면을 세정하는 표면 세정 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 보조 금속은 Ag, Au, Fe, Pt 및 Cu 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 보조 금속 코팅 단계는 초순수에 0.01 내지 1mol의 AgNO3이 0.15 내지 2wt% 및 3 내지 10mol의 HF가 10 내지 33wt%로 혼합된 용액을 15 내지 50℃에서 30 내지 300초 간 처리하여 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면에 상기 보조 금속을 코팅하는 단계인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 보조 금속 코팅 단계는 물리적 기상 증착 장치를 이용하여 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면 상에 보조 금속을 코팅하는 단계인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 자-돌출부 형성 단계는 상기 보조 금속이 코팅된 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면을 초순수에 0.2 내지 1mol의 H2O2가 2 내지 15wt% 및 3 내지 10mol의 HF가 10 내지 33wt%로 혼합된 용액을 이용하여 식각하여 상기 모-돌출부들 각각의 표면에 적어도 하나의 자-돌출부를 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 태 양전지 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 보조 금속 제거 단계는 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면을 초순수에 HNO3가 1:1로 혼합된 용액으로 처리하여 상기 보조 금속을 제거하는 단계이고,상기 산화막 제거 단계는 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면을 BOE(buffered oxide echant) 또는 HF를 이용하여 상온에서 1 내지 50초 동안 처리하여 산화막을 제거하는 단계이고,상기 표면 세정 단계는 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면을 초순수로 세정한 후 건조하는 단계인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 표면 텍스터링 단계 이전에,상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면에 잔류하는 절단 손상(saw damage)을 제거하는 절단 손상 제거 단계; 및상기 결정계 실리콘 기판을 세정하는 기판 세정 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 절단 손상 제거 단계는 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면을 초순수에 3 내지 10wt%의 NaOH가 혼합된 용액을 이용하여 70 내지 80℃에서 2 내지 10분 간 처리하여 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면에 잔류하는 절단 손상을 제거하는 단계인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 기판 세정 단계는 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면에서 유기물을 제거하는 유기물 세정 단계, 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면에서 금속을 제거하는 금속 세정 단계 및 상기 결정계 실리콘 기판의 일측 표면에서 산화물을 제거한는 산화물 세정 단계 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 유기물 세정 단계는 H2SO4 대 H2O2가 3:1 내지 4:1로 포함된 용액으로 70 내지 80℃에서 처리하여 유기물을 제거하는 단계이고,상기 금속 세정 단계는 HCl 대 H2O2 대 초순수가 1:1:5 또는 1:2:8로 포함된 용액으로 70 내지 80℃에서 처리하여 유기물을 제거하는 단계이고,상기 산화물 세정 단계는 1 내지 10wt% HF로 처리하여 산화물을 제거하는 단계인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.
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