KR20110040141A - 식각 마스크 패턴 형성용 페이스트 및 이의 스크린 인쇄법을 이용한 실리콘 태양전지의 제조방법 - Google Patents

식각 마스크 패턴 형성용 페이스트 및 이의 스크린 인쇄법을 이용한 실리콘 태양전지의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 식각 마스크 패턴 형성용 페이스트 및 이의 스크린 인쇄법을 이용한 실리콘 태양전지의 제조방법을 개시한다. 본 발명의 식각 마스크 패턴 형성용 페이스트 조성물은 실리콘 태양전지의 선택적 에미터 제조에 사용되며, 무기물 분말, 유기 용매, 바인더 수지, 및 가소제를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 페이스트 조성물로 형성된 식각 마스크 패턴은 기판과의 접착력이 우수하여 에지-컬(edge-curl) 현상을 방지할 수 있고 그에 따라 선택적 에미터 형성을 위한 에치-백 공정에서 에칭에 견디는 성능이 우수하여 안정적인 에미터 형성을 가능하게 한다.

Description

식각 마스크 패턴 형성용 페이스트 및 이의 스크린 인쇄법을 이용한 실리콘 태양전지의 제조방법{Paste for preparing mask patterns and Manufacturing method of silicon solar cell using screen-printing of the same}
본 발명은 식각 마스크 패턴 형성용 페이스트 및 이의 스크린 인쇄법을 이용한 실리콘 태양전지의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스크린 인쇄법을 이용하여 선택적 에미터층을 보다 안정적으로 형성할 수 있는 식각 마스크 패턴 형성용 페이스트 및 이의 스크린 인쇄법을 이용한 실리콘 태양전지의 제조방법에 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.
태양전지는 원료 물질에 따라 크게 실리콘 태양전지(silicon solar cell), 화합물 반도체 태양전지(compound semiconductor solar cell) 및 적층형 태양전지(tandem solar cell)로 구분된다. 이러한 3가지 종류의 태양전지 중 태양전지 시장에서는 실리콘 태양전지가 주류를 이루고 있다.
도 1은 실리콘 태양전지의 기본적인 구조를 보여주는 단면도이다. 도면을 참조하면, 실리콘 태양전지는 p형의 실리콘 반도체로 이루어진 기판(101)과 n형 실리콘 반도체로 이루어진 에미터층(102)을 포함하고, 기판(101)과 에미터층(102)의 계면에는 다이오드와 유사하게 p-n 접합이 형성되어 있다.
위와 같은 구조를 갖는 태양전지에 태양광이 입사되면, 광기전력효과(光起電力效果, photovoltaic effect)에 의해 불순물이 도핑된 실리콘 반도체에서 전자와 정공이 발생한다. 참고로, n형 실리콘 반도체로 이루어진 에미터층(102)에서는 전자가 다수 캐리어로 발생되고, p형 실리콘 반도체로 이루어진 기판(101)에서는 정공이 다수 캐리어로 발생된다. 광기전력 효과에 의해 발생된 전자와 정공은 각각 n형 실리콘 반도체 및 p형 실리콘 반도체 쪽으로 끌어 당겨져 각각 기판(101) 하부 및 에미터층(102) 상부와 접합된 전극(103, 104)으로 이동하며, 이 전극(103, 104)들을 전선으로 연결하면 전류가 흐르게 된다.
태양전지의 출력 특성은 태양전지의 출력전류-전압곡선을 측정하여 평가한다. 출력전류-전압 곡선 상에서 출력전류 Ip와 출력전압 Vp의 곱 Ip×Vp가 최대가 되는 점을 최대출력 Pm이라 정의하고, 최대출력 Pm을 태양전지로 입사하는 총 광에너지(S×I: S는 소자면적, I는 태양전지에 조사되는 광의 강도)로 나눈 값을 변환 효율 η로 정의한다. 변환효율 η를 높이기 위해서는 단락전류 Isc(출력전류-전압 곡선 상에서 V=0 일 때의 출력전류) 또는 개방전압 Voc(출력전류-전압 곡선 상에서 I=0일 때의 출력전압)를 높이거나 출력전류-전압곡선의 각형에 가까운 정도를 나타내는 충실도(fill factor)를 높여야 한다. 충실도의 값이 1에 가까울수록 출력전류-전압곡선이 이상적인 각형에 근접하게 되고, 변환효율 η도 높아지는 것을 의미하게 된다.
태양전지의 변환효율을 결정짓는 세 가지 인자 중 개방전압 거동은 p형 실리콘 반도체 기판 표면에 n형 불순물을 확산시켜 에미터층을 형성할 때 n형 불순물의 도핑 농도와 밀접한 관련이 있다. 참고로, n형 불순물의 도핑 프로파일은 에미터층의 표면이 가장 높고 에미터층의 내부로 들어갈수록 가우시안(Gaussian) 분포나 에러(Error) 함수를 따라 줄어든다.
종래에는 태양전지의 개방전압을 증가시키기 위해 에미터층 형성 시 불순물을 과도하게 도핑하는 경향이 있었다. 이러한 경우, 에미터층의 최 상층부(이하, '데드 레이어(dead layer)'라 명명함)는 도핑된 n형 불순물의 농도가 실리콘 반도체 내에서의 고체 용해도 이상으로 증가하게 된다. 참고로, 데드 레이어는 대략 50 ~ 200 nm 정도의 두께를 갖는다. 그 결과, 에미터층 표면 부근에서 캐리어의 이동도가 감소하고 과도한 불순물과의 산란 영향으로 인해 캐리어의 재결합 속도가 증가하고 캐리어의 수명시간도 감소되는 문제가 유발된다.
위와 같은 문제를 해결하기 위해, 불순물의 과도한 도핑을 조건으로 한 확산 공정에 의해 에미터층을 형성한 후 질산 및 불산 혼합액을 이용한 습식 식각 또는 CF4 플라즈마 식각에 의해 태양전지의 성능에 악영향을 미치는 데드 레이어를 제거하는 에미터 에치-백(emitter etch-back) 공정이 제안된 바 있다.
하지만, 질산 및 불산 혼합액이나 CF4 플라즈마는 n형 불순물이 과도하게 도핑된 영역에 대한 에칭 선택도가 우수하지 못할 뿐만 아니라 에칭 속도가 빠르다는 단점이 있다. 따라서 종래의 에미터 에치-백 공정은 n형 불순물이 과도하게 도핑된 에미터층의 표면만을 선택적으로 제거하는데 있어서 공정 재연성과 안정성이 떨어지는 한계를 안고 있다.
이러한 점을 감안하여 종래에는 에미터 에치-백 공정의 재연성과 안정성을 확보하기 위해 n형 불순물이 과도하게 도핑된 영역뿐만 아니라 n형 불순물이 적정하게 도핑된 영역의 일부까지 과도 식각을 수행하였다. 그런데 에미터층의 표면이 과도하게 식각 되면 에미터층 표면의 낮은 불순물 농도로 인해 에미터층과 접속되는 전면 전극의 콘택 특성이 열화되게 된다. 그 결과, 전면 전극과 에미터층 간의 콘택 저항이 증가하여 태양전지의 충실도가 감소되며, 충실도의 감소는 태양전지의 변환효율을 저하시키는 일 요인으로 작용하게 된다.
한편, 에미터 에치-백 공정이 갖는 단점을 보완하기 위한 종래 기술로는 선택적 에미터 공정이 있다. 선택적 에미터 공정은 에미터 에치-백 공정을 진행한 후 전면 전극이 형성될 지점만을 노출시키는 마스크 패턴을 형성하고 마스크 패턴에 의해 노출된 에미터층 표면에 n형 불순물을 추가로 확산시킴으로써 전면 전극이 형성될 지점에만 고농도의 n형 불순물이 도핑된 에미터층을 형성하는 공정이다. 하지 만 선택적 에미터 공정은 마스크 패턴의 형성을 위한 사진 식각 공정과 추가적인 불순물 확산 공정이 추가되어야 하므로 태양전지의 제조 공정이 복잡해지고 태양전지 제조 비용이 증가하는 한계가 있다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제를 해결하기 위해 창안된 것으로서, 실리콘 태양전지의 효율성을 향상시키기 위한 선택적 에미터층의 형성 공정의 신뢰성 증가 및 간소화를 달성하며, 제조 단가를 감소시킬 수 있는 스크린 인쇄법을 이용한 실리콘 태양전지의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 식각 마스크 패턴 형성용 페이스트 조성물은 실리콘 태양전지의 선택적 에미터 제조에 사용되며, 무기물 분말, 유기 용매, 바인더 수지, 및 가소제를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 페이스트에 있어서, 상기 가소제는 예를 들면, 프탈산 에스테르, 벤조산 에스테르, 인산 에스테르, 트리멜리트산 에스테르, 폴리에스테르, 시트르산 에스테르, 아디프산 에스테르, 에폭시 화합물 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 가소성을 갖는 용매라면 제한없이 사용가능하다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 스크린 인쇄법을 이용한 실리콘 태양전지의 제조방법은, (a) 제1도전형의 불순물이 도핑된 실리콘 반도체 기판을 준비하는 단계; (b) 상기 기판 상부로 제1도전형과 반대 극성을 갖는 제2도전형의 불순물을 도핑하여 기판 상부에 에미터층을 형성하는 단계; (c) 스크린 인쇄법을 이용하여 상기 에미터층 상의 전면 전극 접속 지점에 무기물 분말, 유기 용매, 바인더 수지 및 가소제를 포함하는 페이스트로 식각 마스크 패턴을 형성하는 단계; (d) 상기 식각 마스크 패턴을 마스크로 하여 에미터층을 에치-백하는 단계; (e) 상기 에치-백 후 잔류하는 식각 마스크 패턴을 제거하는 단계; (f) 상기 기판의 전면에 반사방지막을 형성하는 단계; (g) 상기 반사방지막을 관통시켜 상기 전면 전극 형성 지점에 전면 전극을 접속시키는 단계; 및 (h) 상기 기판의 배면에 후면 전극을 접속시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 제1도전형의 불순물은 p형 불순물이고, 상기 제2도전형의 불순물은 n형 불순물이다.
바람직하게, 상기 (d) 단계는, HNO3, HF, CH3COOH 및 H2O가 10:0.1~0.01:1~3:5~10의 부피비로 혼합된 선택적 습식 에천트를 이용하여 에미터층을 에치-백하는 단계이다. 이 때, 상기 에미터층의 고농도 불순물 도핑 영역에 대한 식각 속도는 0.08 내지 0.12이고, 상기 에미터층의 저농도 불순물 도핑 영역에 대한 식각 속도는 0.01 내지 0.03이다.
선택적으로, 상기 (d) 단계는, KOH와 같은 염기성 습식 에천트 또는 CF4 플라즈마와 같은 건식 에천트를 이용하여 에미터층을 에치-백하는 단계일 수 있다.
본 발명에 따르면, 종래의 선택적 에미터층 형성 공정과 달리 고온의 불순물 도핑 공정이 1회만 시행되므로 기판 내부의 불순물이 활성화되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 스크린 인쇄법을 이용하여 식각 마스크 패턴을 형성하므로 종래의 사진 식각 공정을 이용하는 경우보다 공정이 단순하고 제조 단가를 낮출 수 있다.
또한, 식각 마스크 패턴은 페이스트 물질을 스크린 인쇄하여 간단하게 형성하므로 진공 증착 장비 또는 고온의 퍼니스(furnace)가 불필요한 장점이 있다.
또한, 에치-백 공정에서 본 발명의 페이스트 조성물로 형성된 마스크 패턴의 탈착이 쉽게 이루어지지 않으므로 에미터가 안정적으로 형성될 수 있다. 아울러, 에미터층의 에치-백 시 선택적 습식 에천트를 사용함으로써 에치-백 공정의 안정성과 재연성을 확보할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 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 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스크린 인쇄법을 이용한 실리콘 태양전지의 제조방법을 순차적으로 도시한 공정 단면도들이다.
도 2를 참조하면, 먼저, 제1도전형의 불순물이 도핑된 실리콘 반도체로 이루어진 기판(201)을 준비하여 확산로(diffusion furnace)에 로딩한다. 여기서, 상기 기판(201)은 단결정, 다결정 또는 비정질 실리콘 반도체이고, 3족 원소인 B, Ga, In 등의 p형 불순물이 도핑되어 있다. 그런 다음, 확산로 내에 5족 원소인 P, As, Sb 등의 n형 불순물 소스를 산소 가스와 함께 주입하여 열산화 반응을 일으켜 기판(201)의 상부 표면에 n형 불순물이 함유된 산화막을 일정한 두께로 형성한다. 그리고 나서, 확산로의 온도를 800 ~ 900 도로 상승시켜 산화막 내에 포함된 n형 불순물을 기판(201)의 상부 표면으로 드라이브인(drive-in)시킨다. 이 때 충분한 양의 n형 불순물이 기판(201)으로 확산될 수 있도록 확산시간은 30 ~ 60 분 동안 유지시킨다. 그러면, 산화막에 포함된 n형 불순물이 기판(201)의 표면을 통해 내부로 확산됨으로써, 기판(201)의 상부에 일정한 두께로 n형 실리콘 반도체층으로 이루어진 에미터층(202)이 형성된다.
상술한 n형 불순물의 확산 공정을 통해 에미터층(202)에 주입된 n형 불순물의 농도는 에미터층(202)의 표면에서 가장 높고 에미터층(202)의 내부로 들어갈수록 가우시안 분포 또는 에러 함수에 따라 감소된다. 그리고 확산공정의 진행 시 충분한 양의 n형 불순물이 확산될 수 있도록 공정 조건이 조절되었으므로 에미터층(202)의 최 상층부에는 고체 용해도 이상의 농도로 n형 불순물이 도핑된 데드 레 이어가 존재하게 된다.
도 8은 n형 불순물의 확산 공정이 완료된 후 에미터층(202)의 표면으로부터 기판(201) 측으로 가면서 도핑된 n형 불순물의 농도를 측정하여 도시한 그래프이다. 그래프에서, 가로축은 에미터층(202)의 표면을 기준으로 n형 불순물의 농도를 측정한 지점의 깊이이고, 세로축은 측정 지점의 n형 불순물 농도이다.
도 8을 참조하면, 에미터층(202)의 표면 근처에서 n형 불순물의 농도가 최고이고 기판(201) 쪽으로 갈수록 n형 불순물의 농도가 감소되며, 특히 표면 근처(점선 박스 부분)에는 실리콘 반도체 내에서의 고체 용해도 이상으로 n형 불순물이 도핑된 데드 레이어가 존재하는 것을 확인할 수 있다. 데드 레이어에 함유된 n형 불순물의 농도는 n형 불순물의 종류에 따라 달라지는데, n형 불순물이 인(P)인 경우 1020atom/cm3 이상이다.
한편 본 발명의 실시예에서 개시한 에미터층 형성 공정은 일 예시에 불과하다. 따라서 상술한 에미터층(202) 형성 공정은 본 발명이 속한 기술분야에서 알려진 다양한 공지의 공정들로 대체 가능할 것임은 자명하다.
상술한 공정을 거쳐 에미터층(202)이 형성되면, 도 3에 도시된 바와 같이, 스크린 인쇄법을 이용하여 n형 불순물이 도핑된 에미터층(202) 상부의 전면 전극(도 7의 205 참조) 접속 지점에 식각 마스크 패턴(203)을 형성한다. 구체적으로, 상기 에미터층(202)의 상부에 인쇄용 마스크(미도시)를 배치한다. 인쇄용 마스크에는 식각 마스크 패턴(203)의 형성 지점에 개구부 패턴이 구비되어 있다. 그런 다 음, 스크린 프린터(미도시)를 일정 방향으로 이동시키면서 식각 마스크 패턴(203)용 페이스트(paste)를 개구부 패턴 내에 스퀴징(squeezing)하여 개구부 패턴을 매립시킨다. 그리고 나서, 상기 에미터층(202)으로부터 인쇄용 마스크를 제거하면 에미터층(202) 상부에 식각 마스크 패턴(203)이 형성된다. 하지만, 본 발명이 식각 마스크 패턴(203)의 스크린 인쇄를 위한 상기 구체적인 방식에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 상기 식각 마스크 패턴(203) 형성용 페이스트 조성물로 무기물 분말, 유기 용매, 및 바인더 수지를 포함하며, 추가적으로 가소제를 더 포함하는 페이스트 조성물이 사용되는 것을 특징으로 한다.
종래 사용되던 식각 마스크 패턴 형성용 페이스트 조성물은 인쇄 패턴 형성 후 건조 과정에서 에지-컬(edge curl) 현상이 빈번하게 발생하는 문제가 있는데, 이는 멀티 와이퍼(multi-wifer)에서 두드러진다. 이러한 에지-컬 현상은 건조 과정에서 기판과 인쇄 패턴 간의 열팽창 정도가 다르기 때문인 것으로 판단된다. 이렇게 에지-컬 현상이 발생된 부분은 에칭 공정에서 에천트가 침투하여 인쇄 패턴의 탈착을 야기시키게 된다.
하지만, 본 발명의 페이스트 조성물은 가소제를 함유하여 기판과의 접착력을 향상시키고, 그에 따라 기판과의 열팽창 정도의 차이를 줄일 수 있으므로 에지-컬 현상을 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명의 페이스트 조성물을 사용하여 형성된 식각 마스크 패턴(203)은 에칭 공정에서 에천트에 대한 보다 높은 내구성을 가질 수 있으며, 그 결과 에미터가 안정적으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 가소제로는, 프탈산 에스테르, 벤조산 에스테르, 인산 에스테르, 트리멜리트산 에스테르, 폴리에스테르, 시트르산 에스테르, 아디프산 에스테르, 에폭시 화합물 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 가소성을 갖는 용매라면 제한없이 사용가능하다.
또한, 상기 가소제의 함량은 페이스트 조성물 100 중량부에 대해서, 0.01 내지 30 중량부가 바람직하다. 함량이 0.01 중량부 미만이면 레벨링 특성이 거의 나타나지 않고 기판과의 젖음(wetting)성이 부족할 수 있고, 30 중량부 초과이면 인쇄 패턴의 선폭 퍼짐이 증가하고 상대적으로 바인더의 함량이 감소되어 인쇄 시 페이스트의 롤링 특성이 감소하며 에칭 공정 후 세정 시에 마스크 패텅의 제거가 용이하지 않을 수 있다.
본 발명의 식각 마스크 패턴(203) 형성용 페이스트에 포함되는 무기물 분말은 SiO2-PbO계, SiO2-PbO-B2O3계 및 Bi2O3-B2O3-SiO2계에서 선택되는 글래스 프릿 분말 또는 SiO2, TiO2, P2O5, BaO, ZnO, ITO 및 Al2O3 중에서 선택되는 금속 산화물 분말일 수 있으며, 이들 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명에 따른 무기물 분말의 입자의 평균직경은 예를 들면 1nm 내지 10 ㎛, 바람직하게는 1nm 내지 3 ㎛일 수 있으나, 평균직경이 작을수록 인쇄 패턴의 탈착 시작 시간을 늦출 수 있기 때문에 상기 범위에 한정되는 것은 아니다.
상기 무기물 분말은 겉보기 비중에 따라 본 발명이 목적하는 효과를 얻기 위 해 첨가되는 양이 달라질 수 있으며, 예를 들면, 상기 무기물 분말은 페이스트 조성물 총 중량 대비, 0.1~80중량% 첨가될 수 있다.
본 발명의 페이스트 조성물은 일정한 패턴을 유지하고 인쇄성을 증진시키기 위해 바인더 수지로서 에틸셀룰로오스(ethyl cellulose), 아크릴레이트(acrylate)계 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지, 폴리스티렌, 폴리프로필렌 등을 포함할 수 있으며, 그 분자량(Mw)이 5,000~1,000,000의 범위인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 페이스트 조성물에 있어서, 유기용매가 사용되어, 페이스트의 각 성분을 균일하게 용해 및/또는 분산시킨다. 유기용매의 대표적인 예로는, 터피네올(terpineol), 부틸 카비톨(butyl carbitol) 또는 부틸 카비톨 아세테이트(butyl carbitol acetate), 텍사놀(texanol) 등의 알코올계 용매가 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합되어 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 바인더(바인더 수지와 유기용매)의 함량은 상기 무기물 분말의 함량에 따라 페이스트 총 중량 대비, 20~99.9 중량%일 수 있으며, 여기에서 바인더 수지의 함량은 여러 조건에 따라 적절하게 채택할 수 있으며, 예를 들면, 바인더 총 중량 대비, 5~50 중량%일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 바인더 수지가 5중량% 미만이면 페이스트의 점도가 지나치게 낮게 되어 흐름성이 과도해지며, 50 중량% 초과이면 수지의 분자량에 따라 수지가 용매에 완전히 용해되지 않거나 용해 되었다 하더라도 페이스트 자체 점도가 커져 흐름성을 갖지 못하게 되는 문제가 있을 수 있다.
선택적으로, 본 발명의 페이스트에 있어서, 마스크 패턴의 탈착 시간 연장을 위해 금속 또는 금속 산화물 입자를 소수성기를 갖는 유기 실란 화합물, 실리콘 오일 또는 지방산, 또는 이와 유사한 유기화합물로 코팅할 수 있다.
선택적으로, 무기물 분말의 분산 안정성을 유지하기 위하여 입자 제조시 지방산계, 벤조트리아졸계, 하이드로퀴논계등 다양한 분산제들이 더 포함될 수 있으며 이들 분산제는 사용되는 바인더와의 안정성을 고려하여 다양한 종류를 사용할 수 있다.
또한, 습윤제(wetting agent), 요변성제(thixotropic agent), 증점제, 소포제, 레벨링제 등의 당분야에서 통상적으로 사용되는 첨가제를 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 더 포함할 수 있다는 것은 자명하다.
식각 마스크 패턴(203)을 형성시킨 후, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 에미터층(202) 상부에 형성된 식각 마스크 패턴(203)을 마스크로 하여 에미터층(202)을 에치-백함으로써 선택적 에미터층(202')을 형성한다. 에미터층(202)의 에치-백 과정에서는 식각 마스크 패턴(203)이 존재하지 않는 에미터층(202)의 최상부층만이 일정한 깊이로 식각된다. 따라서, 태양광이 입사되는 부분에서만 불순물이 고농도로 도핑된 에미터층(202)을 선택적으로 제거할 수 있다. 선택적 에미터층(202')은 전면 전극(205)이 접속되는 지점에만 n형 불순물이 고농도로 도핑되어 있다. 따라서, 전면 전극(205)의 콘택 특성을 향상시켜 오믹 콘택을 구현할 수 있다. 또한, 태양광이 입사되는 에미터층의 표면에는 n형 불순물이 과도하게 도핑된 영역이 제거되었으므로 캐리어의 수명시간 감소로 인한 태양전지의 효율 저하를 방지할 수 있다.
에미터층(202)의 에치-백 공정에서는 습식 에천트와 건식 에천트를 모두 사용할 수 있는데, 에치-백 공정의 안정성과 재현성을 확보하기 위해서는 선택적 습식 에천트를 사용하는 것이 바람직하다. 일 예로, 본 발명에서는 HNO3, HF, CH3COOH 및 H2O가 10:0.1~0.01:1~3:5~10의 부피비로 혼합된 선택적 습식 에천트를 사용하여 에미터층(202)을 에치-백한다. 이 선택적 습식 에천트는 에미터층(202)에 주입된 불순물의 농도가 높을수록 빠른 식각 속도를 보인다. 즉, 상기 선택적 습식 에천트는 불순물이 고농도로 도핑된 영역에 대해서는 0.08 ~ 0.12 ㎛／sec 의 식각 속도를, 불순물이 저농도로 도핑된 영역에 대해서는 0.01 ~ 0.03 ㎛／sec 의 식각 속도를 보인다. 따라서, 상기 선택적 습식 에천트에 의해 에치-백 공정을 진행하면, n형 불순물이 고농도로 도핑된 에미터층(202)의 최상부층을 식각 공정 초기에 선택적으로 제거하여 에치-백 공정의 안정성과 재연성을 확보할 수 있다. 한편, 상기 선택적 습식 에천트의 식각 속도는 식각액 조성물의 부피비와 확산된 불순물의 종류 및 농도 등에 의해 일부 변동이 있을 수 있음은 자명하다. 선택적으로, 에미터층(202)의 에치-백 공정에서는 KOH와 같은 염기성 습식 에천트 또는 CF4 플라즈마와 같은 건식 에천트가 이용될 수도 있을 것임은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
에미터층(202)에 대한 에치-백이 완료되면, 도 5에 도시된 바와 같이 기판(201) 표면에 잔류하는 식각 마스크 패턴(203)을 제거하여 선택적 에미터층(202')의 형성을 완료한다. 그런 다음, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 선택적 에미터층(202') 상부에 반사방지막(204)을 형성한다. 반사방지막(204)은 실리콘 질화막, 수소를 포함한 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 실리콘 산화질화막, MgF2, ZnS, MgF2, TiO2 및 CeO2 로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 단일막 또는 2개 이상의 물질막이 조합된 다중막 구조를 갖도록 형성한다. 반사방지막(204)은 진공 증착법, 화학 기상 증착법, 스핀 코팅, 스크린 인쇄 또는 스프레이 코팅에 의해 형성한다. 하지만 본 발명은 반사방지막(204)의 구조와 형성 방법에 의해 한정되는 것은 아니다.
반사방지막(204)의 형성이 완료되면, 도 7에 도시된 바와 같이, 선택적 에미터층(202')의 상부와 기판(201)의 하부에 각각 상부 전극(205)과 하부 전극(206)을 접속시킨다. 상기 전면 전극(205)과 후면 전극(206)은 공지된 여러 가지 기술에 의해 제조 가능하지만, 바람직하게는 스크린 인쇄법에 의해 형성될 수 있다. 즉, 상부 전극(205)은 상기 선택적 에미터층(202')의 전면 전극 형성 지점에 은(Ag), 글래스 프릿 및 바인더 등이 첨가된 전면 전극용 페이스트를 스크린 인쇄한 후 열처리를 시행하여 형성한다. 열처리가 시행되면 펀치 쓰루(punch through) 현상에 의해 전면 전극(205)이 반사방지막(204)을 관통하여 선택적 에미터층(202')과 접속된다.
이와 유사하게, 후면 전극(206)은 알루미늄, 석영 실리카, 바인더 등이 첨가된 후면 전극용 페이스트를 기판(201)의 하부에 인쇄한 후 열처리를 시행하여 형성한다. 후면 전극의 열처리 시에는 전극 구성 물질인 알루미늄이 기판(201)의 하부 를 통해 확산됨으로써 후면 전극(206)과 기판(201)의 경계면에 후면 전계(Back Surface field: 미도시)층이 형성될 수도 있다. 후면 전계층이 형성되면 캐리어가 기판(201)의 하부로 이동하여 재결합되는 것을 방지할 수 있다. 캐리어의 재결합이 방지되면 개방전압과 충실도가 상승하여 태양전지의 변환효율이 향상된다.
상기 전면 전극(205)과 후면 전극(206)은 스크린 인쇄법 이외에도 통상적인 사진 식각 공정과 금속 증착 공정을 이용하여 형성할 수도 있다. 따라서 본 발명은 전면 전극(205) 및 후면 전극(206)의 형성을 위해 적용되는 공정에 의해 한정되지 않는다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
실시예 1 ~ 3 및 비교예 1
하기 표 1에 기재된 조성으로 식각 마스크 패턴 형성용 페이스트 조성물을 각각 제조하였다. 가소제는 DPD(dipropylene glycol benzoate)를 사용하였으며, 바인더는 에틸 셀룰로오스(EC)를 부틸 카비톨(BC)과 터피네올(T)이 4 : 1로 섞여진 용매에 넣고 가열, 혼합하여 제조하였다.
무기물 분말 바인더(중량%) 가소제(중량%)
종류(중량%) 평균입경
(㎛)		 수지
(바인더 내 중량%)		 유기용매
(바인더 내 중량%)
실시예1 SiO2(30) 3 EC + BC + T(67) DPD(3)
15 85
실시예2 SiO2(30) 3 EC + BC + T(64) DPD(6)
15 85
실시예3 SiO2(30) 3 EC + BC + T(61) DPD(9)
15 85
비교예1 SiO2(30) 3 EC + BC + T(70) -
15 85
시험예 : 인쇄 패턴 평가
실시예 1 내지 실시예 3에서 제조된 페이스트 조성물로 형성된 인쇄 패턴의 에칭 전(a) 및 에칭 후(b)의 상태를 광학 현미경으로 관찰한 결과를 각각 도 8(실시예 1), 도 9(실시예 2), 도 10(실시예 3)에 나타내었다.
도 8 내지 도 10에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예에서 제조된 페이스트로 형성된 인쇄패턴은 에칭 후에도 에지-컬(edge-curl) 현상이나 기판으로부터 완전히 이탈하는 현상이 일어나지 않음을 확인할 수 있는데, 이는 가소제 첨가로 인해 기판과의 향상된 접착력으로부터 기인한 것으로 판단된다.
또한, 표면 레벨링성도 개선되어 패턴의 선고가 균일해짐으로써 패턴의 윗 방향으로부터의 에칭도 더욱 효과적으로 방지할 수 있음을 확인하였다.
반면, 비교예 1은 에칭 후 인쇄패턴에서 에지-컬(edge-curl) 현상이 발생함을 확인하였다. 이에 관해서는 실시예 1과 비교예 1의 에칭 후 인쇄 패턴의 차이를 나타낸 도 11(실시예 1(a)과 비교예 1(b))에서 확인할 수 있다.
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 종래기술에 따른 실리콘 태양전지의 개략적인 구조를 도시한 단면도이다.
도 2는 내지 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스크린 인쇄법을 이용한 실리콘 태양전지의 제조방법을 순차적으로 도시한 공정 단면도들이다.
도 8은 실시예 1에서 제조된 페이스트 조성물로 형성된 인쇄 패턴의 에칭 전(a) 및 에칭 후(b)의 상태를 관찰한 광학 현미경 사진이다.
도 9는 실시예 2에서 제조된 페이스트 조성물로 형성된 인쇄 패턴의 에칭 전(a) 및 에칭 후(b)의 상태를 관찰한 광학 현미경 사진이다.
도 10은 실시예 3에서 제조된 페이스트 조성물로 형성된 인쇄 패턴의 에칭 전(a) 및 에칭 후(b)의 상태를 관찰한 광학 현미경 사진이다.
도 11은 실시예 1(a)과 비교예 1(b)의 페이스트 조성물로 형성된 인쇄패턴의 에칭 공정 후 상태를 관찰한 광학 현미경 사진이다.
<도면의 주요 참조 번호>
201 : 기판 202 : 에미터층
202' : 선택적 에미터층 203 : 식각 마스크 패턴
204 : 반사방지막 205 : 전면 전극
206 : 후면 전극

Claims (10)

  1. 실리콘 태양전지의 선택적 에미터 제조에 사용되며, 무기물 분말, 유기 용매, 바인더 수지, 및 가소제를 포함하는 식각 마스크 패턴 형성용 페이스트 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가소제는 프탈산 에스테르, 벤조산 에스테르, 인산 에스테르, 트리멜리트산 에스테르, 폴리에스테르, 시트르산 에스테르, 아디프산 에스테르, 에폭시 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 식각 마스크 패턴 형성용 페이스트 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가소제는 페이스트 조성물 전체 100 중량부에 대해서, 0.01 내지 30 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 식각 마스크 패턴 형성용 페이스트 조성물.
  4. (a) 제1도전형의 불순물이 도핑된 실리콘 반도체 기판을 준비하는 단계;
    (b) 상기 기판 상부로 제1도전형과 반대 극성을 갖는 제2도전형의 불순물을 도핑하여 기판 상부에 에미터층을 형성하는 단계;
    (c) 스크린 인쇄법을 이용하여 상기 에미터층 상의 전면 전극 접속 지점에 무기물 분말, 유기 용매, 바인더 수지 및 가소제를 포함하는 페이스트로 식각 마스크 패턴을 형성하는 단계;
    (d) 상기 식각 마스크 패턴을 마스크로 하여 에미터층을 에치-백하는 단계;
    (e) 상기 에치-백 후 잔류하는 식각 마스크 패턴을 제거하는 단계;
    (f) 상기 기판의 전면에 반사방지막을 형성하는 단계;
    (g) 상기 반사방지막을 관통시켜 상기 전면 전극 형성 지점에 전면 전극을 접속시키는 단계; 및
    (h) 상기 기판의 배면에 후면 전극을 접속시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스크린 인쇄법을 이용한 실리콘 태양전지의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1도전형의 불순물은 p형 불순물이고, 상기 제2도전형의 불순물은 n형 불순물인 것을 특징으로 하는 스크린 인쇄법을 이용한 실리콘 태양전지의 제조방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 (c) 단계의 가소제는 프탈산 에스테르, 벤조산 에스테르, 인산 에스테르, 트리멜리트산 에스테르, 폴리에스테르, 시트르산 에스테르, 아디프산 에스테르, 에폭시 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 스크린 인쇄법을 이용한 실리콘 태양전지의 제조 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 (c) 단계의 가소제는 페이스트 조성물 전체 100 중량부에 대해서, 0.01 내지 30 중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 스크린 인쇄법을 이용한 실리콘 태양전지의 제조방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 (d) 단계는 HNO3, HF, CH3COOH 및 H2O가 10:0.1~0.01:1~3:5~10의 부피비로 혼합된 선택적 습식 에천트를 이용하여 에미터층을 에치-백하는 단계임을 특징으로 하는 스크린 인쇄법을 이용한 실리콘 태양전지의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 선택적 습식 에천트에 의한 상기 에미터층의 고농도 불순물 도핑 영역에 대한 식각 속도는 0.08 내지 0.12 ㎛／sec 이고, 상기 에미터층의 저농도 불순물 도핑 영역에 대한 식각 속도는 0.01 내지 0.03 ㎛／sec 인 것을 특징으로 하는 스크린 인쇄법을 이용한 실리콘 태양전지의 제조방법.
  10. 제4항에 있어서, 상기 (d) 단계는,
    염기성 습식 에천트 또는 플라즈마 건식 에천트를 이용하여 에미터층을 에치-백하는 단계임을 특징으로 하는 스크린 인쇄법을 이용한 실리콘 태양전지의 제조방법.
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