KR20110060170A - 태양전지의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 게터링 공정을 시계열적으로 2번에 걸쳐 실시함으로써 기판에 존재하는 금속성 불순물을 효과적으로 제거하고 제거 신뢰성을 향상시킬 수 있는 태양전지의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법은 p형 실리콘 기판을 준비하는 단계와, 인(P) 이온을 상기 기판 내부에 확산시켜 예비 n형 반도체층을 형성함과 함께 상기 기판 표면 상에 제 1 PSG막을 형성하는 제 1 확산 단계와, 상기 예비 n형 반도체층, 제 1 PSG막을 제거함과 함께 상기 기판 표면에 요철을 형성하는 표면 텍스쳐링 단계와, 인(P) 이온을 상기 기판 내부에 확산시켜 n형 반도체층을 형성시킴과 함께 상기 기판 표면 상에 제 2 PSG막을 형성하는 제 2 확산 단계 및 상기 제 2 PSG막을 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
게터링, 확산, PSG
Description
본 발명은 태양전지의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 게터링 공정을 시계열적으로 2번에 걸쳐 실시함으로써 기판에 존재하는 금속성 불순물을 효과적으로 제거하여 태양전지의 광전변환 효율을 향상시킬 수 있는 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심소자로서, 기본적으로 p-n 접합으로 이루어진 다이오드(diode)라 할 수 있다. 태양광이 태양전지에 의해 전기로 변환되는 과정을 살펴보면, 태양전지의 p-n 접합부에 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되고, 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 이동하게 되어 p-n 접합부 사이에 광기전력이 발생되며, 이 때 태양전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산할 수 있게 된다.
태양전지의 구조를 살펴보면, 도 1에 도시한 바와 같이 p형 반도체층(101) 상에 n형 반도체층(102)이 구비되며, 상기 n형 반도체층(102)의 상부 및 p형 반도체층의 하부에 각각 전면전극(105)과 후면전극(106)이 구비된다. 이 때, 상기 p형 반도체층(101) 및 n형 반도체층(102)은 하나의 기판에 구현되는 것으로서, 기판의 하부는 p형 반도체층(101), 기판의 상부는 n형 반도체층(102)이라 할 수 있으며, 일반적으로 p형 실리콘 기판이 준비된 상태에서 p형 실리콘 기판의 상층부에 n형 불순물 이온을 주입, 확산(diffusion)시켜 n형 반도체층(102)을 형성한다. 또한, 상기 n형 반도체층(102) 상에는 표면 반사를 최소화하기 위한 반사방지막(104)이 구비된다. 참고로, 도 1의 도면부호 107은 단선용 트렌치이다.
한편, 상기 n형 반도체층(102)을 형성하는 공정은, 일반적으로 n형 불순물 이온(예를 들어, 인(P) 이온)이 포함된 용액 또는 가스를 통해 인(P) 이온이 기판에 주입되고 후속의 열처리 공정에 의해 인(P) 이온이 기판 상부 내에 확산되는 방식으로 진행된다. 이 때, 인(P) 이온이 포함된 용액 또는 가스는 기판의 상부면뿐만 아니라 기판의 측면 및 하부면과도 접촉하게 되어 실질적으로, 기판의 상부 이외에 기판의 측부 및 하부에도 도 1에 도시한 바와 같이 n형 반도체층(102)이 형성된다.
인(P)의 확산 공정이 고온 하에서 진행됨에 따라, 실리콘 기판 상에 인(P)과 실리콘(Si) 등이 반응한 PSG(phosphor-silicate glass)막이 형성된다. 이와 같은 PSG막은 후속의 공정을 통해 제거되는데, 상기 PSG막은 생성시 기판 표면 상의 금속성 불순물이 집적되어 형성됨에 따라, 상기 PSG막의 제거시 기판 표면의 금속성 불순물을 함께 제거하는 효과(gettering effect)를 얻을 수 있다. 이와 같은 PSG막의 형성 및 제거를 통해 기판 표면의 금속성 불순물을 집적시켜 제거하는 공정을 게터링(gettering) 공정이라 한다.
본 발명은 상기와 같은 배경기술 하에 안출된 것으로서, 게터링 공정을 시계열적으로 2번에 걸쳐 실시함으로써 기판에 존재하는 금속성 불순물을 효과적으로 제거하여 태양전지의 광전변환 효율을 향상시킬 수 있는 태양전지의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법은 p형 실리콘 기판을 준비하는 단계와, 인(P) 이온을 상기 기판 내부에 확산시켜 예비 n형 반도체층을 형성함과 함께 상기 기판 표면 상에 제 1 PSG막을 형성하는 제 1 확산 단계와, 상기 예비 n형 반도체층, 제 1 PSG막을 제거함과 함께 상기 기판 표면에 요철을 형성하는 표면 텍스쳐링 단계와, 인(P) 이온을 상기 기판 내부에 확산시켜 n형 반도체층을 형성시킴과 함께 상기 기판 표면 상에 제 2 PSG막을 형성하는 제 2 확산 단계 및 상기 제 2 PSG막을 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 확산 단계 이전에, 상기 기판 표면을 전세정하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 제 2 PSG막을 제거하는 단계 이후, 상기 기판 전면 상에 반사방지막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 표면 텍스쳐링 단계는, 건식식각 방법 또는 습식식각 방법을 이용할 수 있으며, 상기 건식식각 방법은 반응성 이온 식각(reactive ion etching) 방법일 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지의 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
2번의 확산 공정과 2번의 PSG막 제거를 통해 기판 표면 상의 금속성 불순물을 효과적으로 제거할 수 있게 되며, 이를 통해 태양전지의 광전변환 효율을 향상된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 상세히 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
먼저, 도 2 및 도 3a에 도시한 바와 같이 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판(301)을 준비하고(S201), 전세정(pre-cleaning) 공정을 실시하여 상기 기판(301) 상에 존재하는 유기물 등을 제거한다(S202). 상기 전세정 공정은 암모니아(NH3), 과산화수소(H2O2), 초순수(deionized water)가 혼합된 표준화학용액(SC1)을 이용할 수 있다. 여기서, 상기 제 1 도전형은 p형 또는 n형일 수 있으며 일 예로, 이하의 설 명에서는 제 1 도전형은 p형인 것을 기준으로 한다.
상기 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판(301)이 준비된 상태에서, 제 1 확산공정을 실시한다(S203). 구체적으로, 챔버 내에 상기 실리콘 기판(301)을 구비시키고 상기 챔버 내에 제 2 도전형 불순물 이온 즉, n형 불순물 이온을 포함하는 가스(예를 들어, POCl3)를 공급하여 인(P) 이온이 확산(diffusion)되도록 한다. 이를 통해, 상기 기판(301)의 상층부 및 하층부에 예비 n형 반도체층(302)이 형성되며, 기판(301)의 측면부에도 인(P) 이온이 확산되어 예비 n형 반도체층(302)이 형성될 수 있다.
한편, 상기 n형 불순물 이온의 확산 공정은 상술한 바와 같은 기상의 가스를 이용하는 방법 이외에, n형 불순물 이온이 포함된 용액 예를 들어, 인산(H3PO4) 용액 내에 상기 실리콘 기판(301)을 침적시키고 후속의 열처리를 통해 인(P) 이온이 기판(301) 내부에 확산되도록 하여 예비 n형 반도체층(302)을 형성하는 방법을 이용할 수도 있다.
상기 제 1 확산공정으로 인해, 도 3b에 도시한 바와 같이 기판(301) 내부에 예비 n형 반도체층(302)이 형성됨과 함께 기판(301) 표면에는 제 1 PSG(phosphor-silicate glass)막이 형성된다. 상기 제 1 PSG막(303)은 n형 불순물 이온(인(P) 이온)과 실리콘 기판(301)의 실리콘(Si) 등이 반응하여 형성된 것이다. 이 때, 상기 제 1 PSG막(303)의 형성시 기판(301) 표면의 금속성 불순물은 상기 제 1 PSG막(303) 내에 집적된다.
이와 같은 상태에서, 표면 텍스쳐링(surface texturing) 공정을 진행한다(S204). 상기 표면 텍스쳐링 공정을 통해 도 3c에 도시한 바와 같이 상기 예비 n형 반도체층(302), 제 1 PSG막(303)이 제거됨과 함께 기판(301) 표면 상에 요철(304)이 형성되는데, 상기 표면 텍스쳐링 공정은 건식 또는 습식식각을 통해 진행된다. 건식식각 방법의 경우 반응성 이온 식각(reactive ion etching) 방법을 이용할 수 있으며, 습식식각 방법의 경우 불산(HF)과 질산(HNO3)의 혼합 용액을 식각 에천트로 이용할 수 있다.
이와 같은 표면 텍스쳐링을 통해 상기 예비 n형 반도체층(302), 제 1 PSG막(303)이 제거된 기판(301) 표면 상에 요철(304)이 형성되며, 상기 요철(304)은 입사되는 빛의 난반사를 유도하여 태양전지의 광 흡수율을 향상시키는 역할을 한다.
참고로, 상기 제 1 확산공정을 통해 형성되는 예비 n형 반도체층(302)의 두께는 수십∼수백 nm 정도이며, 상기 표면 텍스쳐링 공정을 통해 기판 표면이 식각되는 두께는 수십 ㎛ 정도이다. 따라서, 상기 표면 텍스쳐링 공정에 의해 상기 n형 반도체층(302) 및 제 1 PSG막(303)은 함께 제거되며, 상기 예비 n형 반도체층(302) 및 제 1 PSG막(303)이 제거된 기판(301) 표면 상에 상기 요철(304)이 형성되는 것이다. 또한, 도 3b에 있어서 상기 예비 n형 반도체층(302)의 두께는 실제보다 과장된 것이다.
상기 표면 텍스쳐링 공정이 완료된 상태에서, 제 2 확산공정을 진행한 다(S205). 상기 제 2 확산공정은 n형 불순물 이온 예를 들어 인(P) 이온이 포함된 용액 또는 가스를 이용하여 기판(301) 내부에 n형 불순물 이온을 확산시켜 상기 기판(301) 내부에 n형 반도체층(305)을 형성하는 공정이다. 이 때, 상기 제 1 확산공정에 의해 형성된 예비 n형 반도체층(302)은 상기 표면 텍스쳐링 공정에 의해 제거된 상태임에 따라, 상기 제 2 확산공정에 의해 형성되는 n형 반도체층(305)은 예비 n형 반도체층(302)과 무관하게 도핑 프로파일을 설계할 수 있다.
또한, 제 2 확산공정으로 인해 도 3d에 도시한 바와 같이 상기 기판(301)의 표면 상에는 제 2 PSG막(306)이 형성되는데, 상기 제 1 PSG막(303)과 마찬가지로 상기 제 2 PSG막(306)은 인(P) 이온과 실리콘(Si) 등이 반응하여 형성된 것이며, 상기 제 2 PSG막(306) 내에는 기판(301) 표면 내에 잔류하는 금속성 불순물이 집적된다.
이어, 상기 제 2 PSG막(306)을 제거하는 공정을 진행한다(S206). 상기 제 2 PSG막(306)은 불산(HF) 등을 이용하여 제거할 수 있으며, 상기 제 2 PSG막(306)의 제거를 통해 제 2 PSG막(306) 내의 금속성 불순물이 함께 제거된다.
이상의 공정에서, 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법은 2번의 확산공정과 2번의 PSG막 제거 공정을 실시함을 알 수 있다. 2번의 확산공정에 의해 각각 PSG막이 형성되고 각각의 PSG막 내에는 금속성 불순물이 집적됨에 따라, 2번의 PSG막 제거를 통해 기판(301) 표면 상의 금속성 불순물을 완벽하게 제거하는 효과를 얻을 수 있게 된다.
한편, 상기 제 2 PSG막(306)이 제거된 상태에서, 도 3e에 도시한 바와 같이 상기 기판(301) 전면 상에 반사방지막(307)을 형성한다(S207). 상기 반사방지막(307)은 실리콘 질화막(Si3N4)으로 구성될 수 있다. 그런 다음, 상기 기판(301) 전면의 반사방지막(307) 및 기판(301) 후면 상에 도전성 물질을 스크린 인쇄법 등을 통해 도포한 후, 소성 공정을 진행하면 전면전극(308)과 후면전극(309)이 형성되며, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 완료된다. 이 때, 상기 후면전극 형성 공정시 도전성 물질로 알루미늄 페이스트(Al paste)를 사용할 경우, 후면전극과 접하는 기판(301) 하부에 BSF(back surface field)층(310)을 함께 형성할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 설명하였다. 이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 태양전지의 특성을 살펴보기로 한다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 태양전지의 광전변환효율 특성을 나타낸 그래프이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 태양전지의 내부양자효율 특성을 나타낸 그래프이다.
먼저, 도 4에 있어서 x축은 종래 기술에 따라 제조된 태양전지들(A, B)과 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 태양전지들(C)의 광전변환효율을 나타낸 것이고, y축은 특정 광전변환효율을 갖는 태양전지들의 전체 대비 백분율을 나타낸 것이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 태양전지들(C)의 광전변환효율은 종래 기술에 따라 제조된 태양전지들(A, B)에 비해 전체적으로 광전 변환효율이 높음과 함께 비교적 균일한 수준의 광전변환효율을 나타냄을 알 수 있다.
다음으로, 도 5의 그래프를 살펴보면 빛의 파장별(x축)로 흡수된 광자로부터의 전자 획득율(y축)을 나타낸 것인데, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 태양전지(Exp. 1, Exp. 2)의 장파장 및 단파장에서의 흡수율이 종래 기술에 따라 제조된 태양전지들(Ref. 1, Ref. 2)에 비해 우수함을 알 수 있다.
도 1은 일반적인 태양전지의 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 순서도.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 태양전지의 광전변환효율 특성을 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 태양전지의 내부양자효율 특성을 나타낸 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
301 : 실리콘 기판 302 : n형 반도체층
303 : 제 1 PSG막 304 : 요철
305 : 제 2 PSG막 306 : 반사방지막
307 : 전면전극 308 : 후면전극
309 : BSF층
Claims (5)
- p형 실리콘 기판을 준비하는 단계;인(P) 이온을 상기 기판 내부에 확산시켜 예비 n형 반도체층을 형성함과 함께 상기 기판 표면 상에 제 1 PSG막을 형성하는 제 1 확산 단계;상기 예비 n형 반도체층, 제 1 PSG막을 제거함과 함께 상기 기판 표면에 요철을 형성하는 표면 텍스쳐링 단계;인(P) 이온을 상기 기판 내부에 확산시켜 n형 반도체층을 형성시킴과 함께 상기 기판 표면 상에 제 2 PSG막을 형성하는 제 2 확산 단계; 및상기 제 2 PSG막을 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 확산 단계 이전에, 상기 기판 표면을 전세정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 표면 텍스쳐링 단계는, 건식식각 방법 또는 습식식각 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 건식식각 방법은 반응성 이온 식각(reactive ion etching) 방법인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 PSG막을 제거하는 단계 이후, 상기 기판 전면 상에 반사방지막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
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