KR20110047871A - 태양 전지 에미터 형성용 조성물 및 이를 사용한 태양 전지의 제조 방법 - Google Patents

태양 전지 에미터 형성용 조성물 및 이를 사용한 태양 전지의 제조 방법 Download PDF

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타치아나 꾸즈니아초바
이은성
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Abstract

포스포실리케이트 유리(phosphosilicate glass, PSG); 포스페이트 공급원; 실란올계 화합물 또는 규산수화물계 화합물 형성제; 및 유기 비히클을 포함하는 태양 전지 에미터 형성용 조성물을 제공한다.
포스포실리케이트 유리, 포스페이트 공급원, 실란올계 화합물 또는 규산수화물계 화합물 형성제, 유기 비히클, 에미터, 페이스트

Description

태양 전지 에미터 형성용 조성물 및 이를 사용한 태양 전지의 제조 방법{COMPOSITION FOR FORMING SOLAR CELL EMITTER AND METHOD OF MANUFACTURING SOLAR CELL USING THE SAME}
태양 전지 에미터 형성용 조성물 및 이를 사용한 태양 전지의 제조 방법에 관한 것이다.
태양 전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환 소자로서, 무한정 무공해의 차세대 에너지 자원으로 각광받고 있다.
태양 전지는 p형 반도체 및 n형 반도체를 포함하며, 광활성층에서 태양 광 에너지를 흡수하면 반도체 내부에서 전자-정공 쌍(electron-hole pair, EHP)이 생성되고, 생성된 전자가 전극에 수집됨으로써 외부에서 전기 에너지로 이용할 수 있다.
그러나 현재 사용되고 있는 PN 접합 형성 공정은 고가의 증착 장비를 사용해야 하고, 증착(deposition)-에칭(etching)-세척(washing) 등의 공정이 반복되기 때문에 생산성 및 경제성에 문제가 있다.
공정을 단순화시킬 수 있는 태양 전지 에미터 형성용 조성물 및 이를 사용한 태양 전지의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 태양 전지 에미터 형성용 조성물은 포스포실리케이트 유리(phosphosilicate glass, PSG); 포스페이트 공급원; 실란올(silanol)계 화합물 또는 규산수화물(silica hydrate)계 화합물 형성제; 및 유기 비히클을 포함한다.
상기 포스포실리케이트 유리는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
xSiO2·yP2O5·zMOk
상기 화학식 1에서,
x는 60 내지 97의 범위에 있고,
y는 3 내지 40의 범위에 있고,
z는 0 내지 40의 범위에 있고,
x + y + z = 100이고,
상기 MOk는 유리망목 형성체(glass former) 또는 유리망목 수식체(glass modifier)이다.
상기 MOk가 유리망목 형성체인 경우, M은 B, Al, Si, Ge, P, Pb, Ti, V, As, Sb 또는 Zr일 수 있고, k는 1 내지 5의 범위에 있을 수 있다.
상기 MOk가 유리망목 수식체인 경우 M은 Li, Na, K, Rb와 같은 알칼리 금속; Be, Mg, Ca, Sr과 같은 알칼리 토금속; Sn; In; La; 또는 Cd일 수 있고, k는 1 내지 5의 범위에 있을 수 있다.
상기 포스페이트 공급원은 오산화인(P2O5), 포스포실리케이트 크리스탈(phosphosilicate crystals), 보로포스포실리케이트 유리(borophosphosilicate glass), 실리콘 파이로포스페이트(silicon pyrophosphate, SiP2O7 또는 Si2P2O9), 인산(H3PO4), 아인산(H3PO3) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 실란올계 화합물 또는 규산수화물계 화합물 형성제는 물(H2O), 인산, 아인산 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 유기 비히클은 하이드록시프로필 셀룰로오스(hydroxypropyl cellulose, HPC), 카르복시메틸 셀룰로오스(carboxymethylcellulose, CMC)와 같은 셀룰로오스; 알지네이트(alginates); 검(gums); (메타)아크릴레이트((meth)acrylate); 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol); 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone); C5 내지 C15 선형 알코올, 또는 이의 이성질체; 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜과 같은 글리콜계 화합물; 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물은 상기 포스포실리케이트 유리를 1 내지 60 중량%, 상기 포스페이트 공급원을 1 내지 80 중량%, 상기 실란올계 화합물 또는 규산수화물계 화합물 형성제를 1 내지 80 중량%, 그리고 상기 유기 비히클을 잔부로 포함할 수 있다.
상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물은 3,000 cps 내지 1,000,000 cps의 점도를 가질 수 있다.
상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물은 전극용 도전재를 더 포함할 수 있다. 이 경우 상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물에서, 도전재의 함량은 50 내지 90 중량%일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따른 태양 전지의 제조 방법은 반도체 층을 준비하는 단계, 상기 반도체 층의 일면에 반사방지막을 형성하는 단계, 상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물을 사용하여 상기 반도체 층에 에미터 층을 형성하는 단계 및 상기 반도체 층에 전기적으로 연결되는 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 반도체 층에 에미터 층을 형성하는 단계는 상기 에미터 층을 상기 반도체 층 중 상기 반사방지막이 형성되어 있는 측에 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한 상기 반도체 층에 에미터 층을 형성하는 단계는 상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물을 상기 반사방지막 일면에 형성하는 단계 및 열처리하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 열처리하는 단계는 100℃ 내지 500℃의 온도에서 수행하는 1차 열처리 단계, 500℃ 내지 800℃의 온도에서 수행하는 2차 열처리 단계 및 800℃ 내지 1,100℃의 온도에서 수행하는 3차 열처리 단계를 포함할 수 있다.
상기 반사방지막은 질화규소(SiNx)를 포함할 수 있다.
상기 태양 전지의 제조 방법은 상기 반도체 층의 다른 일면에 유전막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때 상기 반도체 층에 에미터 층을 형성하는 단계는 상기 에미터 층을 상기 반도체 층 중 유전막이 형성되어 있는 측에 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 반도체 층에 에미터 층을 형성하는 단계는 상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물을 상기 유전막 일면에 형성하는 단계 및 열처리하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 열처리하는 단계는 100℃ 내지 500℃의 온도에서 수행하는 1차 열처리 단계, 500℃ 내지 800℃의 온도에서 수행하는 2차 열처리 단계 및 800℃ 내지 1,100℃의 온도에서 수행하는 3차 열처리 단계를 포함할 수 있다.
상기 유전막은 질화규소를 포함할 수 있다.
본 발명의 또다른 일 측면에 따르면 상기 태양 전지의 제조 방법에 따라 제조된 태양 전지를 제공한다.
태양 전지 에미터 형성 공정을 단순화하여 태양 전지 제조 공정의 공정성 및 경제성을 개선할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따른 태양 전지 에미터 형성용 조성물은 포스포실리케이트 유리(phosphosilicate glass, PSG); 포스페이트 공급원; 실란올(silanol)계 화합물 또는 규산수화물(silica hydrate)계 화합물 형성제; 및 유기 비히클(organic vehicle)을 포함한다.
이하 각 구성 성분에 대하여 자세하게 설명한다.
포스포실리케이트 유리
상기 포스포실리케이트 유리는 태양 전지 에미터 형성용 조성물에 포함된 실란올계 화합물 또는 규산수화물계 화합물 형성제에 의하여 형성된, 실란올계 화합물 또는 규산수화물계 화합물과 포스페이트 공급원이 반응하여 포스포실리케이트 유리로 유리화되는 반응을 촉진시킬 수 있고, 특히 저온에서도 상기 포스포실리케이트 유리로 유리화되는 반응을 촉진시킬 수 있다.
상기 포스포실리케이트 유리는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
xSiO2·yP2O5·zMOk
상기 화학식 1에서,
x는 60 내지 97의 범위에 있고,
y는 3 내지 40의 범위에 있고,
z는 0 내지 40의 범위에 있고,
x + y + z = 100이고,
상기 MOk는 유리망목 형성체(glass former) 또는 유리망목 수식체(glass modifier)이다.
상기 MOk가 유리망목 형성체인 경우, M은 B, Al, Si, Ge, P, Pb, Ti, V, As, Sb 또는 Zr일 수 있고, k는 1 내지 5의 범위에 있을 수 있다.
상기 MOk는 유리망목 수식체인 경우, M은 Li, Na, K, Rb와 같은 알칼리 금속; Be, Mg, Ca, Sr과 같은 알칼리 토금속; Sn; In; La; 또는 Cd일 수 있고, k는 1 내지 5의 범위에 있을 수 있다.
포스포실리케이트 유리가 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 경우 반사방지막 및 유전막에 형성되는 실란올계 화합물 또는 규산수화물계 화합물과 포스페이트 공급원을 용이하게 적실(wetting) 수 있고, 이들의 반응을 촉진시킴으로써, 반사방지막 및 유전막을 포스포실리케이트 유리를 포함하는 막으로 효율적으로 변화시킬 수 있다. 구체적으로는 상기 포스포실리케이트 유리는 상기 화학식 1에서, x가 약 60 내지 약 80의 범위에 있고, y가 약 20 내지 약 40의 범위에 있는 조성을 가지는 화합물을 포함할 수 있다.
상기 포스포실리케이트 유리는 상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물 총 중량에 대하여, 약 1 내지 약 60 중량%로 포함될 수 있다. 포스포실리케이트 유리의 함량이 상기 범위내인 경우 반사방지막 및 유전막을 에미터 형성에 사용될 수 있는 포스포실리케이트 유리를 포함하는 막으로 효율적으로 변화시킬 수 있다. 구체적으로는 상기 포스포실리케이트 유리는 상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물 총 중량에 대하여, 약 10 내지 약 40 중량%로 포함될 수 있다.
포스페이트 공급원
상기 포스페이트 공급원은, 에미터 형성을 위해 사용되는 포스포실리케이트 유리(phosphosilicate glass)의 구성 성분의 하나인, 포스페이트를 공급하는 물질이다. 여기서 공급하는 포스페이트는 실란올계 화합물 또는 규산수화물계 화합물과 반응하여 에미터 형성을 위해 사용될 수 있는 포스포실리케이트 유리를 형성할 수 있고, 상기 형성되는 포스포실리케이트 유리는 비정질이고 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 2]
xSiO2·yP2O5
상기 화학식 2에서,
x는 50 내지 98의 범위에 있고, 구체적으로는 75 내지 98의 범위일 수 있고,
y는 2 내지 50의 범위에 있고, 구체적으로는 2 내지 25의 범위일 수 있고,
x + y = 100이다.
상기 포스페이트 공급원은 예컨대 오산화인(P2O5), 포스포실리케이트 크리스탈(phosphosilicate crystals), 보로포스포실리케이트 유리(borophosphosilicate glass), 실리콘 파이로포스페이트(silicon pyrophosphate, SiP2O7 또는 Si2P2O9), 인산(H3PO4), 아인산(H3PO3) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 포스페이트 공급원은 상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물 총 중량에 대하여, 약 1 내지 약 80 중량%로 포함될 수 있다. 포스페이트 공급원의 함량이 상기 범위내인 경우 반사방지막 및 유전막을 포스포실리케이트 유리를 포함하는 막으로 용이하게 유리화시킬 수 있고, 또한 에미터 형성시 도핑되는 n형 불순물의 농도를 높일 수 있다. 구체적으로는 상기 포스페이트 공급원은 상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물 총 중량에 대하여, 약 1 내지 약 40 중량%로 포함될 수 있다.
실란올계 화합물 또는 규산수화물계 화합물 형성제
상기 실란올계 화합물 또는 규산수화물계 화합물 형성제는 질화규소를 하기 화학식 3으로 표시되는 실란올계 화합물 또는 하기 화학식 4로 표시되는 규산수화물계 화합물로 형성하는 물질이다. 여기서 형성되는 실란올계 화합물 및 규산수화물계 화합물은 포스페이트와 반응하여 에미터 형성을 위해 사용되는 포스포실리케이트 유리를 형성할 수 있다.
[화학식 3]
Figure 112009067040101-PAT00001
상기 화학식 3에서,
R1 내지 R3은 동일하거나 서로 상이하며, 각각 독립적으로 수소, OH 또는 NH2이다.
[화학식 4]
SiO2 ·nH2O
상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물은 상기 실란올계 화합물 또는 규산수화물계 화합물 형성제를 포함함으로써 질화규소를 포함하는 막을 별도의 공정으로 에칭하는 단계를 생략할 수 있어, 태양 전지의 제조 공정을 단순화할 수 있다.
상기 실란올계 화합물 또는 규산수화물계 화합물 형성제는 예컨대 물, 인산, 아인산 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
예를 들어, 질화규소로 Si3N4를 사용하고, 실란올계 화합물 또는 규산수화물계 화합물 형성제로서 물과 인산을 사용하는 경우 하기 반응식 1과 같이 반응이 이 루어진다.
[반응식 1]
3Si3N4 + 27H2O + 4H3PO4 --> 4(NH4)3PO4 + 9(SiO2·H2O)
상기 실란올계 화합물 또는 규산수화물계 화합물 형성제는 상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물 총 중량에 대하여, 약 1 내지 약 80 중량%로 포함될 수 있다. 실란올계 화합물 또는 규산수화물계 화합물 형성제의 함량이 상기 범위내인 경우 반사방지막 또는 유전막에 포함되는 질화규소를 실란올계 화합물 또는 규산수화물계 화합물로 효율적으로 변화시킬 수 있다. 구체적으로는 상기 실란올계 화합물 또는 규산수화물계 화합물 형성제는 상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물 총 중량에 대하여, 약 1 내지 약 20 중량%로 포함될 수 있다.
유기 비히클
상기 유기 비히클은 상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물의 점도 및 인쇄성을 제어할 수 있는 물질이다.
상기 유기 비히클은 예컨대 하이드록시프로필 셀룰로오스(hydroxypropyl cellulose, HPC), 카르복시메틸 셀룰로오스(carboxymethylcellulose, CMC)와 같은 셀룰로오스; 알지네이트(alginates); 검(gums); (메타)아크릴레이트((meth)acrylate); 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol); 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone); C5 내지 C15 선형 알코올, 또는 이의 이성질체; 에틸렌 글리콜, 프로필렌글리콜과 같은 글리콜계 화합물; 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물에서, 상기 유기 비히클은 잔부로 포함될 수 있다. 구체적으로는 상기 유기 비히클은 상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물 총 중량에 대하여, 약 1 내지 약 97 중량%로 포함될 수 있다. 유기 비히클의 함량이 상기 범위내인 경우 점도를 용이하게 조절할 수 있으며, 상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물을 반사방지막 및 유전막에 용이하게 인쇄할 수 있다. 더욱 구체적으로는 상기 유기 비히클은 상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물 총 중량에 대하여, 약 40 내지 약 90 중량%로 포함될 수 있다.
상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물은 잉크 상태 또는 페이스트 상태일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물은 약 3,000 cps 내지 약 1,000,000 cps의 점도를 가질 수 있다. 태양 전지 에미터 형성용 조성물의 점도가 상기 범위내인 경우 이를 반사방지막 및 유전막에 용이하게 인쇄할 수 있다. 구체적으로는 상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물은 약 10,000 cps 내지 약 100,000 cps의 점도를 가질 수 있다.
상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물은 전극용 도전재를 더 포함할 수 있다. 이 경우 상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물은 에미터를 형성함과 동시에 전극도 형성할 수 있어, 태양 전지 제조 공정을 단순화할 수 있다. 상기 전극용 도전재는 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 등의 도전성 금속, 이들의 합금 등을 포 함할 수 있고, 상기 금속은 파우더 형태로 포함될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물은 유리 프릿을 더 포함할 수도 있다.
상기 전극용 도전재는 태양 전지 에미터 형성용 조성물에서, 약 50 내지 약 90 중량%로 존재하도록 포함될 수 있다. 전극용 도전재의 함량이 상기 범위 내인 경우 에미터 형성시에, 전극을 효율적으로 형성할 수 있다. 구체적으로는 상기 전극용 도전재는 태양 전지 에미터 형성용 조성물에서, 약 65 내지 약 85 중량%로 포함될 수 있다.
이하 상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물을 사용하여 제조한 태양 전지의 구현예들을 설명한다. 그러나 이에 한정되지 않고, 상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물은 다양한 구조의 태양 전지의 제조에 사용될 수 있으며, 태양 전지 제조 공정의 순서도 사용하는 재료에 따라 다양하게 변화될 수 있다.
먼저 도 1을 참조하여 본 발명의 일 구현예에 따른 태양 전지를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 태양 전지(100)를 도시한 단면도이다.
이하에서는 반도체 층(110) 중 태양 에너지를 받는 측을 전면(front side)이라 하고, 반도체 층(110)의 전면의 반대측을 후면(rear side)이라고 한다. 또한 이하에서는 설명의 편의상 반도체 층(110)을 중심으로 상하의 위치 관계를 설명하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 측면에 따른 태양 전지(100)는 반도체 층(110) 및 에미터 층(120)을 포함한다.
반도체 층(110)은 결정질 규소 또는 화합물 반도체로 만들어질 수 있으며, 결정질 실리콘인 경우 예컨대 실리콘 웨이퍼가 사용될 수 있다. 반도체 층(110)은 p형 불순물로 도핑된 반도체 층일 수 있고, 에미터 층(120)은 n형 불순물로 도핑된 반도체 층일 수 있다. 이 때 p형 불순물은 붕소(B)와 같은 III족 화합물일 수 있고, n형 불순물은 인(P)과 같은 V족 화합물일 수 있다.
반도체 층(110)의 표면은 표면 조직화(surface texturing)되어 있을 수 있다. 표면 조직화된 반도체 층(110)은 예컨대 피라미드 모양과 같은 요철 또는 벌집(honeycomb) 모양과 같은 다공성 구조일 수 있다. 표면 조직화된 반도체 층(110)은 표면적을 넓혀 빛의 흡수율을 높이고 반사도를 줄여 태양 전지(100)의 효율을 개선할 수 있다.
에미터 층(120)은 n형 불순물로 도핑되어 있어 생성된 전자를 전극 측으로 용이하게 방출하여 생성된 전자와 정공의 재결합을 방지함으로써 태양 전지(100)의 효율을 개선할 수 있다.
반도체 층(110)의 전면에는 반사방지막(130)이 형성되어 있다. 반사방지막(130)은 빛을 적게 반사하고 절연성이 있는 물질을 포함할 수 있으며, 예컨대 산화알루미늄(Al2O3), 산화규소(SiO2), 산화티타늄(TiO2 또는 TiO4), 산화마그네슘(MgO), 산화세륨(CeO2) 또는 이들의 조합을 포함하는 산화물, 질화알루미늄(AlN), 질화규소(SiNx), 질화티타늄(TiN) 또는 이들의 조합을 포함하는 질화물, 산질화알루 미늄(AlON), 산질화규소(SiON), 산질화티타늄(TiON) 또는 이들의 조합을 포함하는 산질화물을 포함할 수 있으며, 구체적으로는 질화규소(SiNx)를 포함할 수 있고, 단일 층 또는 복수 층으로 형성될 수 있다.
반사방지막(130)은 예컨대 약 5 nm 내지 약 300 nm의 두께를 가질 수 있고, 구체적으로는 약 50 nm 내지 약 80 nm의 두께를 가질 수 있다.
반사방지막(130)은 태양 에너지를 받는 반도체 층(110)의 전면에 형성되어 빛의 반사율을 줄이고 특정한 파장 영역의 선택성을 증가시킬 수 있다. 또한 반도체 층(110)의 표면에 존재하는 실리콘과의 접촉 특성을 개선하여 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.
에미터 층(120) 위에는 복수의 제1 전극(140)이 형성되어 있다. 제1 전극(140)은 은(Ag) 등의 저저항 금속으로 만들어질 수 있으며, 빛 흡수 손실(shadowing loss) 및 면저항을 고려하여 그리드 패턴(grid pattern)으로 설계될 수 있다.
에미터 층(120)과 제1 전극(140) 사이에는 불순물 층(122)이 존재할 수 있으나, 이에 한정되지 않고 상기 불순물 층(122)을 생략할 수도 있다. 상기 불순물 층(122)은 포스포실리케이트 유리(PSG)를 포함할 수 있다.
제1 전극(140) 위에는 제1 버스 바(bus bar) 전극(도시하지 않음)이 형성되어 있다. 제1 버스 바 전극은 복수의 태양 전지 셀을 조립할 때 이웃하는 태양 전지 셀을 연결하기 위한 것이며, 예컨대 은(Ag), 알루미늄(Al) 또는 이들의 조합으 로 만들어질 수 있다.
반도체 층(110)의 후면에는 제2 전극(150)이 형성되어 있다. 제2 전극(150)은 알루미늄(Al)과 같은 불투명 금속으로 만들어질 수 있으며, 약 1 ㎛ 내지 약 200 ㎛의 두께를 가질 수 있고, 구체적으로는 약 1 ㎛ 내지 약 100 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
제2 전극(150)의 알루미늄이 반도체 층(110)의 실리콘과 접촉할 때 알루미늄이 p형 불순물로 작용하여 이들 사이에 내부 전기장이 형성되고 이로 인해 후면 측으로 전자가 이동하는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라 반도체 층(110)의 후면 측에서 전하들이 재결합하여 소멸되는 것을 방지하여 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.
또한 제2 전극(150)은 반도체 층(110)을 통과한 빛을 다시 반도체 층(110)으로 반사시킴으로써 빛의 손실을 방지하여 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.
제2 전극(150) 하부에는 제2 버스 바 전극(도시하지 않음)이 형성되어 있다. 제2 버스 바 전극은 복수의 태양 전지 셀을 조립할 때 이웃하는 태양 전지 셀을 연결하기 위한 것이며, 예컨대 은(Ag), 알루미늄(Al) 또는 이들의 조합으로 만들어질 수 있다.
그러면 본 발명의 일 구현예에 따른 태양 전지의 제조 방법에 대하여 도 2a 내지 도 2f를 도 1과 함께 참고하여 설명한다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 일 구현예에 따른 태양 전지를 제조하는 방법을 차례로 보여주는 단면도이다.
먼저 도 2a를 참고하면, 실리콘 웨이퍼와 같은 반도체 층(110)을 준비한다. 이 때 반도체 층(110)은 예컨대 p형 불순물이 도핑되어 있을 수 있다.
이어서, 반도체 층(110)을 표면 조직화(texturing)한다. 표면 조직화는 예컨대 질산 및 불산과 같은 강산 또는 수산화칼륨 및 수산화나트륨과 같은 강염기 용액을 사용하는 습식 방법으로 수행하거나 플라즈마를 사용한 건식 방법으로 수행할 수 있다.
다음 도 2b를 참고하면, 반도체 층(110)의 전면에 반사방지막(130)을 형성한다. 반사방지막(130)은 예컨대 질화규소 따위를 플라즈마 화학 기상 증착(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD) 방법으로 형성할 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고 반사방지막(130)은 다른 재료 및 방법으로 형성할 수도 있다.
다음 도 2c를 참고하면, 반사방지막(130) 위에 상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물(120a)을 형성한다. 태양 전지 에미터 형성용 조성물(120a)은 스크린 인쇄(screen printing) 방법으로 형성할 수 있다. 스크린 인쇄는 태양 전지 에미터 형성용 조성물(120a)을 에미터가 형성될 위치에 도포하고 건조하는 단계를 포함한다. 그러나 이에 한정되지 않고 잉크젯 인쇄 또는 압인 인쇄 등의 방법으로 형성할 수도 있다.
다음 도 2d를 참고하면, 상기 반도체 층(110)의 전면에 에미터 층(120)을 형성한다. 에미터 층(120)은 상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물(120a)을 열처리함으로써 형성할 수 있다.
에미터 층(120)을 형성하는 방법은 후술한다.
다음 도 2e를 참고하면, 에미터 층(120) 위에 제1 전극(140)을 형성한다. 제1 전극(140)은 예컨대, 화학 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD) 및 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD)과 같은 증착 방법, 전극용 도전성 페이스트 조성물을 사용한 방법 등을 통하여 형성할 수 있다.
그러나 이에 한정되지 않고 상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물에 전극용 도전재를 포함함으로써 에미터 층과 제1 전극을 동시에 형성할 수도 있다.
다음 도 2f를 참고하면, 반도체 층(110) 하부에 제2 전극(150)을 형성한다. 제2 전극(150) 역시 예컨대, 화학 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD) 및 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD)과 같은 증착 방법, 전극용 도전성 페이스트 조성물을 사용한 방법 등을 통하여 형성할 수 있다.
이어서 제1 전극(140) 위에 제1 버스 바 전극(도시하지 않음)을 형성할 수 있고, 제2 전극(150) 아래에 제2 버스 바 전극(도시하지 않음)을 형성할 수 있다.
이하 에미터 층(120)을 형성하는 방법에 대하여 설명한다.
에미터 층(120)을 형성하고자 하는 위치에 맞추어, 상기 반사방지막(130) 위에 상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물(120a)을 스크린 인쇄(screen printing) 등의 방법을 사용하여 도포하고 건조한다. 그러나 이에 한정되지 않고 잉크젯 인쇄 또는 압인 인쇄 등의 방법으로 형성할 수도 있다.
이어서 약 100℃ 내지 약 500℃의 온도에서 열처리하는 1차 열처리 단계를 수행한다. 상기 1차 열처리 단계에서, 상기 반사방지막(130)에 포함된 질화규소를 상기 화학식 3으로 표시되는 실란올계 화합물 또는 상기 화학식 4로 표시되는 규산 수화물계 화합물로 변화시키며, 유기 비히클을 열분해하여 제거한다. 이로써 상기 반사방지막(130)을 에칭하는 공정을 생략할 수 있다.
상기 1차 열처리 단계는 약 0.5시간 내지 약 5시간 동안 수행할 수 있고, 구체적으로 약 0.5시간 내지 약 3시간 동안 수행할 수 있다. 또한 1차 열처리 단계는 승온속도를 조절하여 약 100℃ 내지 약 500℃의 온도 구간 중 특정 온도 구간에서 장시간 혹은 단시간 열처리할 수 있다.
이어서 약 500℃ 내지 약 800℃의 온도에서 열처리하는 2차 열처리 단계를 수행한다. 상기 2차 열처리 단계에서, 상기 포스페이트 공급원의 포스페이트와 상기 1차 열처리 단계에서 형성된 실란올계 화합물 또는 규산수화물계 화합물이 반응하여 비정질인 포스포실리케이트 유리(PSG)가 형성되며, 이는 이후 에미터 형성을 위한 도핑에 사용될 수 있다.
상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물은 포스포실리케이트 유리(PSG)를 일부 포함하고 있어서, 포스페이트 공급원의 포스페이트와 상기 1차 열처리 단계에서 형성된 실란올계 화합물 또는 규산수화물계 화합물의 반응을 촉진하여 유리형성 온도가 낮아질 수 있으며, 낮은 온도에서도 용이하게 유리화되어 비정질 포스포실리케이트를 효율적으로 형성할 수 있다.
상기 형성된 포스포실리케이트 유리는 상기 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다. 포스포실리케이트 유리가 상기 화학식 2로 표시되는 조성을 가지는 화합물을 포함하는 경우 에미터의 표면 n형 불순물 농도가 약 1ⅹ1020/cm3 이상 인 에미터를 형성할 수 있다.
상기 2차 열처리 단계는 약 0.5시간 내지 약 5시간 동안 수행할 수 있으며, 구체적으로 약 0.5시간 내지 약 2시간 동안 수행할 수 있다. 또한 2차 열처리 단계는 승온속도를 조절하여 약 500℃ 내지 약 800℃의 온도 구간 중 특정 온도 구간에서 장시간 혹은 단시간 열처리할 수 있다.
이어서 약 800℃ 내지 약 1,100℃의 온도에서 열처리하는 3차 열처리 단계를 수행한다. 상기 3차 열처리 단계에서, 상기 형성된 포스포실리케이트 유리에 의해 상기 반도체층(110)이 n형 불순물, 예컨대 인(P)으로 도핑되어 에미터 층(120)을 형성한다.
상기 3차 열처리 단계는 약 0.5시간 내지 약 5시간 동안 수행할 수 있으며, 구체적으로 약 0.5시간 내지 약 2시간 동안 수행할 수 있다. 또한 3차 열처리 단계는 승온속도를 조절하여 약 800℃ 내지 약 1,100℃의 온도 구간 중 특정 온도 구간에서 장시간 혹은 단시간 열처리할 수 있다.
상기 1차 열처리 단계 내지 상기 3차 열처리 단계는 연속적으로 수행할 수도 있고, 불연속적으로 수행할 수도 있다.
상기 열처리하는 단계 이후에 냉각 단계를 수행한다. 상기 냉각 단계에서 냉각속도를 조절함으로써 에미터 층의 형성 깊이, 그리고 에미터 층에서의 n형 도핑물질 이외의 불순물의 농도를 제어할 수 있다.
상기 에미터 층(120) 형성시 불순물 층(122)이 형성될 수 있으며, 상기 불순물 층(122)은 포스포실리케이트 유리를 포함할 수 있다. 상기 불순물 층(122)은 제1 전극(140) 형성 이전에 에칭하여 제거할 수도 있으나, 제거하지 않고 그 위에 제1 전극(140)을 형성할 수도 있다.
상기와 같이 본 발명의 일 구현예에 따른 태양 전지의 제조 방법에서는 에미터 층 형성시에 별도로 반사방지막의 에칭 공정 및 세척 공정을 거치치 않으므로, 태양 전지의 제조 공정을 단순화할 수 있고 이로써 생산성 및 경제성을 개선할 수 있다. 또한 원하는 부위에 선택적으로 에미터 층을 형성할 수 있다.
다음 도 3을 참조하여 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 태양 전지를 설명한다. 상술한 구현예와 중복되는 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 태양 전지(200)를 도시한 단면도이다.
본 발명의 다른 일 측면에 따른 태양 전지(200)는 반도체 층(210), 에미터 층(220) 및 p형 층(270)을 포함한다.
반도체 층(210)은 결정질 규소 또는 화합물 반도체로 만들어질 수 있으며, 결정질 실리콘인 경우 예컨대 실리콘 웨이퍼가 사용될 수 있다. 반도체 층(210) 및 에미터 층(220)은 n형 불순물로 도핑된 반도체 층일 수 있으며, 이때 상기 에미터 층(220)의 n형 불순물 도핑 농도가 상기 반도체 층(210)의 n형 불순물 도핑 농도보다 크고, p형 층(270)은 p형 불순물로 도핑된 반도체 층일 수 있다.
반도체 층(210)의 표면은 표면 조직화(surface texturing)되어 있을 수 있다. 상기 표면 조직화에 대한 설명은 상술한 바와 같다.
에미터 층(220)은 n형 불순물 도핑 농도가 반도체 층(210)보다 큼으로써 생 성된 전자를 효율적으로 전극에 방출할 수 있어 태양 전지의 효율을 개선할 수 있다.
p형 층(270)은 p형 불순물로 도핑되어 있어 생성된 정공을 효율적으로 전극에 이동시킬 수 있어 태양 전지의 효율을 개선할 수 있다.
반도체 층(210)의 전면에는 반사방지막(230)이 형성되어 있다. 상기 반사방지막에 대한 설명은 상술한 바와 같다.
반도체 층(210)의 후면에는 유전막(dielectric film)(260)이 형성되어 있다. 유전막(260)은 반도체 층(210)의 후면 패시베이션 층으로 사용될 수 있다. 유전막(260)은 전하의 재결합을 방지하는 동시에 전류가 새는 것을 방지하여 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.
유전막(260)은 산화물, 질화물, 산질화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 포함할 수 있으며, 상기 산화물은 산화알루미늄(Al2O3), 산화규소(SiO2), 산화티타늄(TiO2 또는 TiO4) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 상기 질화물은 질화알루미늄(AlN), 질화규소(SiNx), 질화티타늄(TiN) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 상기 산질화물은 산질화알루미늄(AlON), 산질화규소(SiON), 산질화티타늄(TiON) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 구체적으로는 유전막(260)은 질화규소를 포함할 수 있다.
유전막(260)은 단일층 또는 복수층으로 형성될 수 있고, 약 5 nm 내지 약 300 nm의 두께를 가질 수 있고, 구체적으로는 약 5 nm 내지 약 150 nm의 두께를 가 질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
유전막(260)에는 에미터 층(220)에 전기적으로 연결되어 있는 제1 전극(240)과 p형 층(270)에 전기적으로 연결되어 있는 제2 전극(250)이 각각 형성되어 있다. 상기 제1 전극(240)과 제2 전극(250)은 교대로 배치될 수 있다.
상기 에미터 층(220)과 상기 제1 전극(240) 사이에는 불순물 층(222)이 존재할 수 있으나, 이에 한정되지 않고 상기 불순물 층(222)을 생략할 수도 있다.
제1 전극, 제1 버스 바 전극, 제2 전극, 제2 버스 바 전극 및 불순물 층에 대한 설명은 상술한 바와 같다.
그러면 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 태양 전지의 제조 방법에 대하여 도 4a 내지 도 4g를 도 3과 함께 참고하여 설명한다. 상술한 구현예와 중복되는 설명은 생략한다.
도 4a 내지 도 4g는 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 태양 전지를 제조하는 방법을 차례로 보여주는 단면도이다.
먼저 도 4a를 참고하면, 실리콘 웨이퍼와 같은 반도체 층(210)을 준비한다. 이 때 반도체 층(210)은 예컨대 n형 불순물이 도핑되어 있을 수 있다.
이어서, 반도체 층(210)의 표면을 표면 조직화한다. 표면 조직화에 대한 설명은 상술한 바와 같다.
다음 도 4b를 참고하면, 반도체 층(210)의 전면에 반사방지막(230)을 형성한다. 반사방지막 형성에 대한 설명은 상술한 바와 같다.
다음 도 4c를 참고하면, 반도체 층(210)의 후면에 유전막(260)을 형성한다. 유전막(260)은 예컨대 질화규소 따위를 플라즈마 화학 기상 증착(PECVD) 방법으로 형성할 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고 유전막(260)은 다른 재료 및 방법으로 형성할 수도 있다.
다음 도 4d를 참고하면, 유전막(260) 아래에 상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물(220a)을 형성한다. 태양 전지 에미터 형성용 조성물(220a)은 스크린 인쇄 방법으로 형성할 수 있다. 스크린 인쇄는 태양 전지 에미터 형성용 조성물(220a)을 에미터가 형성될 위치에 도포하고 건조하는 단계를 포함한다. 그러나 이에 한정되지 않고 잉크젯 인쇄 또는 압인 인쇄 등의 방법으로 형성할 수도 있다.
다음 도 4e를 참고하면, 상기 반도체 층(210)의 후면에 에미터 층(220)을 형성한다. 에미터 층 형성에 대한 설명은 상술한 바와 같다.
다음 도 4f를 참고하면, 에미터 층(220) 아래에 제1 전극(240)을 형성한다. 제1 전극 형성에 대한 설명은 상술한 바와 같다.
다음 도 4g를 참고하면, p형 층(270) 및 p형 층(270) 아래에 제2 전극(250)을 형성한다.
먼저 p형 층(270)을 형성하고자 하는 위치의 유전막(260)을 에칭하여 패터닝하고, 반도체 층(210) 중 패터닝으로 노출된 부분을 p형 불순물로 도핑하여 p형 층(270)을 형성하고, 화학 기상 증착(CVD) 및 원자층 증착(ALD)과 같은 증착 방법으로 상기 p형 층(270) 아래에 제2 전극(250)을 형성할 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고, 알루미늄, 유리 프릿 등을 포함하는 전극용 도전성 페이스트 조성물을 사용하여 p형 층(270)과 제2 전극(250)을 동시에 형성할 수도 있고, 또한 먼저 p형 층 형성용 조성물을 이용하여 p형 층(270)을 형성시키고, 형성된 p형 층(270) 아래에 제2 전극(250)을 형성할 수도 있다.
본 발명의 또 다른 일측면에 따르면 상기 태양 전지의 제조 방법에 따라 제조된 태양 전지를 제공한다. 상기 태양 전지의 구조에 대하여는 상술한 바와 같다.
이와 같이 본 발명의 일 구현예에서는 에미터 층, 또는 에미터 층 및 제1 전극을 형성할 때, 별도로 반사방지막 또는 유전막의 에칭 공정 및 세척 공정을 거치지 않고 형성할 수 있으므로, 태양 전지 제조 공정을 단순화하고 공정의 생산성 및 경제성을 개선할 수 있다. 또한 원하는 부위에 상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물을 형성하여 에미터 층을 선택적으로 형성할 수 있으므로, 다양한 구조의 태양 전지에 용이하게 사용될 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 일 구현예에 따른 태양 전지를 제조하는 방법을 차례로 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다.
도 4a 내지 도 4g는 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 태양 전지를 제조하는 방법을 차례로 보여주는 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100, 200: 태양 전지 110, 210: 반도체 층
120, 220: 에미터 층 130, 230: 반사방지막
140, 240: 제1 전극 150, 250: 제2 전극
260: 유전막 270: p형 층

Claims (22)

  1. 포스포실리케이트 유리(phosphosilicate glass, PSG);
    포스페이트 공급원;
    실란올(silanol)계 화합물 또는 규산수화물(silica hydrate)계 화합물 형성제; 및
    유기 비히클(organic vehicle)
    을 포함하는 태양 전지 에미터 형성용 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 포스포실리케이트 유리는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 것인 태양 전지 에미터 형성용 조성물:
    [화학식 1]
    xSiO2·yP2O5·zMOk
    상기 화학식 1에서,
    x는 60 내지 97의 범위에 있고,
    y는 3 내지 40의 범위에 있고,
    z는 0 내지 40의 범위에 있고,
    x + y + z = 100이고,
    상기 MOk는 유리망목 형성체(glass former) 또는 유리망목 수식체(glass modifier)이다.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 MOk는 유리망목 형성체이고,
    M은 B, Al, Si, Ge, P, Pb, Ti, V, As, Sb 또는 Zr이고,
    k는 1 내지 5의 범위에 있다.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 MOk는 유리망목 수식체이고,
    M은 Li, Na, K, Rb와 같은 알칼리 금속; Be, Mg, Ca, Sr과 같은 알칼리 토금속; Sn; In; La; 또는 Cd이고,
    k는 1 내지 5의 범위에 있다.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 포스페이트 공급원은 오산화인(P2O5), 포스포실리케이트 크리스탈(phosphosilicate crystals), 보로포스포실리케이트 유리(borophosphosilicate glass), 실리콘 파이로포스페이트(silicon pyrophosphate, SiP2O7 또는 Si2P2O9), 인산(H3PO4), 아인산(H3PO3) 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 태양 전지 에미터 형성용 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 실란올계 화합물 또는 규산수화물계 화합물 형성제는 물, 인산, 아인산 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 태양 전지 에미터 형성용 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유기 비히클은 하이드록시프로필 셀룰로오스(hydroxypropyl cellulose, HPC), 카르복시메틸 셀룰로오스(carboxymethylcellulose, CMC)와 같은 셀룰로오스; 알지네이트(alginates); 검(gums); (메타)아크릴레이트((meth)acrylate); 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol); 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone); C5 내지 C15 선형 알코올, 또는 이의 이성질체; 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜과 같은 글리콜계 화합물; 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 태양 전지 에미터 형성용 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 포스포실리케이트 유리를 1 내지 60 중량%, 상기 포스페이트 공급원을 1 내지 80 중량%, 상기 실란올계 화합물 또는 규산수화물계 화합물 형성제를 1 내지 80 중량%, 그리고 상기 유기 비히클을 잔부로 포함하는 것인 태양 전지 에미터 형성용 조성물.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물은 3,000 cps 내지 1,000,000 cps의 점도를 가지는 것인 태양 전지 에미터 형성용 조성물.
  10. 제1항에 있어서,
    전극용 도전재를 더 포함하는 것인 태양 전지 에미터 형성용 조성물.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전극용 도전재는 50 내지 90 중량%로 포함되는 것인 태양 전지 에미터 형성용 조성물.
  12. 반도체 층을 준비하는 단계;
    상기 반도체 층의 일면에 반사방지막을 형성하는 단계;
    제1항에 따른 태양 전지 에미터 형성용 조성물을 사용하여 상기 반도체 층에 에미터 층을 형성하는 단계; 및
    상기 반도체 층에 전기적으로 연결되는 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 단계
    를 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 반도체 층에 에미터 층을 형성하는 단계는 상기 에미터 층을 상기 반도체 층 중 상기 반사방지막이 형성되어 있는 측에 형성하는 단계를 포함하는 것인 태양 전지의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 반도체 층에 에미터 층을 형성하는 단계는 상기 태양 전지 에미터 형성 용 조성물을 상기 반사방지막 일면에 형성하는 단계; 및
    열처리하는 단계를 포함하는 것인 태양 전지의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 열처리하는 단계는
    100℃ 내지 500℃의 온도에서 수행하는 1차 열처리 단계;
    500℃ 내지 800℃의 온도에서 수행하는 2차 열처리 단계; 및
    800℃ 내지 1,100℃의 온도에서 수행하는 3차 열처리 단계를 포함하는 것인 태양 전지의 제조 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 반사방지막은 질화규소(SiNx)를 포함하는 것인 태양 전지의 제조 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 반도체 층의 다른 일면에 유전막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것인 태양 전지의 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 반도체 층에 에미터 층을 형성하는 단계는 상기 에미터 층을 상기 반도체 층 중 유전막이 형성되어 있는 측에 형성하는 단계를 포함하는 것인 태양 전지의 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 반도체 층에 에미터 층을 형성하는 단계는 상기 태양 전지 에미터 형성용 조성물을 상기 유전막 일면에 형성하는 단계; 및
    열처리하는 단계를 포함하는 것인 태양 전지의 제조 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 열처리하는 단계는
    100℃ 내지 500℃의 온도에서 수행하는 1차 열처리 단계;
    500℃ 내지 800℃의 온도에서 수행하는 2차 열처리 단계; 및
    800℃ 내지 1,100℃의 온도에서 수행하는 3차 열처리 단계를 포함하는 것인 태양 전지의 제조 방법.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 유전막은 질화규소를 포함하는 것인 태양 전지의 제조 방법.
  22. 제12항의 제조 방법에 따라 제조된 태양 전지.
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