KR20110115071A - 태양전지소자의 제조방법 및 그 방법에 의하여 제조된 태양전지소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실리콘 기판으로부터 태양전지소자를 제조하는 태양전지소자의 제조방법 및 그 방법에 의하여 제조된 태양전지소자에 관한 것이다.
본 발명은 제1반도체특성을 가지는 실리콘 기판으로서, 상기 제1반도체특성과 같은 특성을 가지는 하나 이상의 제1반도체층과, 상기 제1반도체특성과 다른 제2반도체특성을 가지는 하나 이상의 제2반도체층이 저면에 형성되는 실리콘 기판과; 상기 제1반도체층 및 상기 제2반도체층과 각각 전기적으로 연결되도록 형성된 제1전극층 및 제2전극층과; 상기 실리콘 기판의 상면에 형성된 반사방지막을 포함하는 태양전지소자의 제조방법으로서, 상기 기판의 상면에 다수의 제1요철들과 상기 제1요철보다 크기가 작은 제2요철을 형성하는 요철형성단계를 포함하며, 상기 요철형성단계는 상기 기판을 산성수용액으로 식각하여 기판의 외면에 다수의 상기 제1요철들을 형성하는 제1요철형성단계와; 상기 제1요철형성단계를 통해 상기 제1요철들이 형성된 상기 기판의 상면을 건식식각하여 다수의 상기 제2요철들을 형성하는 제2요철형성단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지소자의 제조방법을 개시한다.
본 발명은 제1반도체특성을 가지는 실리콘 기판으로서, 상기 제1반도체특성과 같은 특성을 가지는 하나 이상의 제1반도체층과, 상기 제1반도체특성과 다른 제2반도체특성을 가지는 하나 이상의 제2반도체층이 저면에 형성되는 실리콘 기판과; 상기 제1반도체층 및 상기 제2반도체층과 각각 전기적으로 연결되도록 형성된 제1전극층 및 제2전극층과; 상기 실리콘 기판의 상면에 형성된 반사방지막을 포함하는 태양전지소자의 제조방법으로서, 상기 기판의 상면에 다수의 제1요철들과 상기 제1요철보다 크기가 작은 제2요철을 형성하는 요철형성단계를 포함하며, 상기 요철형성단계는 상기 기판을 산성수용액으로 식각하여 기판의 외면에 다수의 상기 제1요철들을 형성하는 제1요철형성단계와; 상기 제1요철형성단계를 통해 상기 제1요철들이 형성된 상기 기판의 상면을 건식식각하여 다수의 상기 제2요철들을 형성하는 제2요철형성단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지소자의 제조방법을 개시한다.
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실리콘 기판으로부터 태양전지소자를 제조하는 태양전지소자의 제조방법 및 그 방법에 의하여 제조된 태양전지소자에 관한 것이다.
태양전지(solar cell)란 광전효과의 하나인 광기전력효과를 응용하여 기전력을 발생시킨 전지를 말한다.
태양전지는 기판의 재질에 따라 실리콘계 태양전지, 화합물 반도체 태양전지, 화합물 또는 적층형 태양전지로 분류된다. 여기서 실리콘계 태양전지는 다시 단결정 실리콘 및 다결정 실리콘과 같은 결정계 실리콘 태양전지 및 비정질 실리콘 태양전지로 구분된다.
태양전지의 효율은 기판의 반사율 등 여러 가지 변수들에 의하여 결정되며 빛을 받는 표면에서의 빛의 반사, 즉 반사율을 최소화함으로써 극대화할 수 있다.
한편 제조비용이 저가인 결정계 실리콘 태양전지 분야에서도 태양전지의 효율을 향상시키기 위하여 빛의 반사율을 최소화하는 등 다양한 방안들이 연구되고 있다.
본 발명의 목적은 실리콘 기판표면의 빛의 반사를 최소화할 수 있는 태양전지소자의 제조방법 및 그 제조방법에 의하여 제조된 태양전지소자를 제공하는 데 있다.
본 발명은 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명은 제1반도체특성을 가지는 실리콘 기판으로서, 상기 제1반도체특성과 같은 특성을 가지는 하나 이상의 제1반도체층과, 상기 제1반도체특성과 다른 제2반도체특성을 가지는 하나 이상의 제2반도체층이 저면에 형성되는 실리콘 기판과; 상기 제1반도체층 및 상기 제2반도체층과 각각 전기적으로 연결되도록 형성된 제1전극층 및 제2전극층과; 상기 실리콘 기판의 상면에 형성된 반사방지막을 포함하는 태양전지소자의 제조방법으로서, 상기 기판의 상면에 다수의 제1요철들과 상기 제1요철보다 크기가 작은 제2요철을 형성하는 요철형성단계를 포함하며, 상기 요철형성단계는 상기 기판을 산성수용액으로 식각하여 기판의 외면에 다수의 상기 제1요철들을 형성하는 제1요철형성단계와; 상기 제1요철형성단계를 통해 상기 제1요철들이 형성된 상기 기판의 상면을 건식식각하여 다수의 상기 제2요철들을 형성하는 제2요철형성단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지소자의 제조방법을 개시한다.
상기 제1요철형성단계에서 상기 산성수용액은 HNO3 및 HF를 포함할 수 있다.
상기 산성수용액은 수용액 내 HNO3 및 HF의 실질적 질량비가 1:1~5.5:1인 비율로 혼합될 수 있다.
상기 제1요철형성단계는 산성수용액이 담긴 용기에 롤러에 의하여 기판이 이송되면서 수행되며, 6~10℃의 온도로 1분~10분 동안 식각이 수행될 수 있다.
상기 제1요철형성단계는 산성수용액이 담긴 용기에 침지하여 식각이 수행되는 디핑방식에 의하여 수행되며, 6℃~10℃의 온도로 20분 동안 식각이 수행될 수 있다.
상기 제1요철형성단계 전에는 실리콘 잉곳에서 슬라이싱된 실리콘 기판의 데미지를 산성수용액 또는 알칼리수용액으로 제거하는 기판손상처리단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 제1요철형성단계 후에는 상기 제1요철형성단계에서 발생된 불순물을 제거하는 제1세정공정과, 상기 기판의 외면에 잔존하는 다공성 이산화규소를 알칼리 화합물을 사용하여 일부 식각하는 서브식각공정과, 상기 서브식각공정 후에 기판의 외면에 잔존하는 불순물을 제거하는 제2세정공정과; 상기 제2세정공정 후 상기 기판을 건조시키는 건조공정을 추가로 포함할 수 있다.
상기 제2요철은 단면이 실질적으로 삼각형 형상을 이루며, 상기 제1요철의 정상 쪽으로 향하는 쪽의 변이 그 반대쪽 변보다 짧게 형성될 수 있다.
상기 실리콘 기판은 단결정 실리콘 기판 또는 다결정 실리콘 기판일 수 있다.
상기 제1요철형성단계 후에 상기 실리콘 기판은 그 외면 중 반사방지막이 형성될 표면이 완전히 평면인 상태의 상기 표면의 면적을 이상면적이라고 할 때, 상기 제1요철형성단계에서 식각된 상기 표면의 실제표면적 대 이상면적의 면적비는 1.2 내지 3.2인 것이 바람직하다.
상기 제1반도체특성은 p형 및 n형 중 어느 하나이며, 상기 제2반도체특성은 n형 및 p형 중 나머지 하나일 수 있다.
상기 제1반도체층 및 상기 제2반도체층을 보호하기 위한 SiNx과 같은 요철형성방지층을 상기 제1요철형성단계 전에 형성하는 방지층형성단계와; 상기 제1요철형성단계 후 또는 상기 제2요철형성단계 후에 상기 요철형성방지층을 제거하는 방지층제거단계를 포함할 수 있다.
상기 태양전지소자의 제조방법은 실리콘 기판의 저면에 상기 제1반도체층 및 상기 제2반도체층을 형성하는 반도체층형성단계와; 상기 실리콘 기판의 상면에 상기 반사방지막을 형성하는 반사방지막형성단계와; 상기 제1전극층 및 상기 제2전극층을 형성하는 전극층형성단계를 포함하며, 상기 요철형성단계는 상기 반도체층형성단계 전 또는 후에 수행될 수 있다.
상기 태양전지소자의 제조방법은 상기 요철형성단계가 상기 반도체층형성단계 후에 수행될 때 상기 반도체형성단계 후에 상기 실리콘 기판의 저면에 제1요철이 형성되는 것을 방지하기 위하여 상기 실리콘 기판의 저면에 요철형성방지층을 형성하는 방지층형성단계와; 상기 제1요철형성단계 후 또는 상기 제2요철형성단계 후 상기 요철형성방지층이 제거되는 방지층제거단계가 수행될 수 있다.
상기 요철형성단계가 상기 반도체층형성단계 전에 수행될 때 상기 제1요철형성단계의 수행 전에는 상기 실리콘 기판의 저면에 제1요철이 형성되는 것을 방지하기 위하여 상기 실리콘 기판의 저면에 요철형성방지층을 형성하는 방지층형성단계와; 상기 제1요철형성단계 후 또는 상기 제2요철형성단계 후 상기 요철형성방지층 중 상기 실리콘 기판의 저면에 제2반도체특성을 가지는 제2반도체층이 형성될 위치가 식각되어 제거되는 방지층제거단계가 수행될 수 있다.
상기 제1반도체특성 및 상기 제2반도체특성은 각각 p형 및 n형이며, 상기 제2반도체층이 먼저 형성되며, 상기 제1반도체층이 형성될 때 상기 실리콘 기판의 상면에 보호층이 같이 형성될 수 있다.
본 발명은 또한 상기와 같은 태양전지소자의 제조방법에 의하여 제조된 태양전지소자를 개시한다.
본 발명에 따른 태양전지소자의 제조방법은 습식에 의한 제1요철형성단계에 의하여 1차로 요철(제1요철)을 형성하고, 건식, 즉 건식식각에 의한 제2요철형성단계에 의하여 2차로 제1요철보다 작은 크기의 미세요철을 형성함으로써 태양전지소자의 실리콘 기판의 반사율을 현저하게 감소시켜 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
특히 제1요철형성단계를 고온에서 수행되는 알칼리수용액을 사용하지 아니하고 저온에서 수행되는 산성수용액을 사용하여 수행함으로써 공정의 재현성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
또한 상기 제1요철형성단계에서 식각된 실리콘 기판의 실제표면적 및 이상면적의 면적비를 1.2~3.2로 함으로써 표면처리에 의한 반사율 저감을 극대화할 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명에 따른 태양전지소자의 제조방법은 습식에 의한 요철을 형성하는 제1요철형성단계를 포함함으로써 미세요철 형성을 위한 건식식각에 의한 공정시간을 단축시킬 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명에 따른 태양전지소자의 제조방법은 습식에 의한 요철을 형성하는 제1요철형성단계를 포함함으로써 건식식각에 의한 제2요철형성단계에서 복수개의 기판들을 식각하는 경우 가장자리 쪽에 위치된 기판의 색차(color difference)를 개선할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 태양전지소자의 제조방법을 보여주는 공정도이다.
도 2는 도 1의 태양전지소자의 저면을 보여주는 저면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 도 3의 태양전지소자의 제조방법에 대응되는 상태를 보여주는 단면도들이다.
도 4a는 도 2의 태양전지소자의 제조방법 중 요철형성단계의 제1요철형성단계에 의하여 1차로 표면처리된 기판을 보여주는 일부 단면도이며, 도 4b 및 도 4c는 각각 제1기판처리 후 면적비가 1.2 미만 및 3.2 이상인 경우를 보여주는 일부 단면도들이다.
도 5은 도 1의 태양전지소자의 제조방법 중 요철형성단계의 제1요철형성단계에 의하여 요철이 형성된 상태를 보여주는 개념도이다.
도 6a 및 도 6b는 도 1의 태양전지소자의 제조방법의 다른 예에 대응되는 상태를 보여주는 단면도들이다.
도 2는 도 1의 태양전지소자의 저면을 보여주는 저면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 도 3의 태양전지소자의 제조방법에 대응되는 상태를 보여주는 단면도들이다.
도 4a는 도 2의 태양전지소자의 제조방법 중 요철형성단계의 제1요철형성단계에 의하여 1차로 표면처리된 기판을 보여주는 일부 단면도이며, 도 4b 및 도 4c는 각각 제1기판처리 후 면적비가 1.2 미만 및 3.2 이상인 경우를 보여주는 일부 단면도들이다.
도 5은 도 1의 태양전지소자의 제조방법 중 요철형성단계의 제1요철형성단계에 의하여 요철이 형성된 상태를 보여주는 개념도이다.
도 6a 및 도 6b는 도 1의 태양전지소자의 제조방법의 다른 예에 대응되는 상태를 보여주는 단면도들이다.
이하 본 발명에 따른 태양전지소자의 제조방법 및 그 제조방법에 의하여 제조된 태양전지에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 명세서에 첨부된 도면들은 설명의 편의상 단면표시인 해칭을 생략하였으며, 치수 등을 실제와 다르게 표시하였다.
도 1은 본 발명에 따른 태양전지소자의 제조방법을 보여주는 공정도이고, 도 2는 도 1의 태양전지소자의 저면을 보여주는 저면도이고, 도 3a 내지 도 3c는 도 3의 태양전지소자의 제조방법에 대응되는 상태를 보여주는 단면도들이다.
본 발명에 따른 태양전지소자의 제조방법은 도 1 내지 도 3c에 도시된 바와 같이, 반도체층형성단계(S110)와; 요철형성단계(S120)와; 반사방지막형성단계(S140)와; 전극층형성단계(S150)를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 태양전지소자의 제조방법에 의하여 제조되는 태양전지소자는 빛을 수광하는 표면적을 늘리기 위하여 수광면인 기판의 상면에 전극을 형성하지 않고 저면에 두 전극을 형성한 소위 IBC (interdigitated back contact) 태양전지소자로서, 도 3c에 도시된 바와 같이, 저면에 제1반도체특성을 가지는 하나 이상의 제1반도체층(111) 및 제2반도체특성을 가지는 하나 이상의 제2반도체층(112)이 형성되며 제1반도체특성을 가지는 실리콘 기판(110)과; 제1반도체층(111) 및 제2반도체층(112)과 각각 전기적으로 연결되도록 형성된 제1전극층(210) 및 제2전극층(220)과; 실리콘 기판(110)의 상면에 형성된 반사방지막(120)을 포함하여 구성된다.
여기서 실리콘 기판(110)은 단결정 또는 다결정과 같이 결정계 실리콘 기판으로서 불순물이 도핑된 n형 반도체특성 또는 p형 반도체 특성 중 어느 하나의 특성을 가진다.
상기 실리콘 기판(110)은 다양한 제조방법에 의하여 제조될 수 있으며, 예를 들면 실리콘 잉곳(ingot)으로부터 와이어 소(wire saw)와 같은 장치로 슬라이싱하여 실리콘 기판(110)을 가공하여 제조될 수 있다.
이때 상기 실리콘 기판(110)은 설계 조건에 따라서 다양한 두께를 가질 수 있으며, 약 100㎛~400㎛의 두께를 가질 수 있다.
이하 본 발명에 따른 태양전지소자의 제조방법에 관하여 단계별로 상세히 설명한다.
1. 반도체층형성단계(
S110
)
상기 반도체층형성단계(S110)는 IBC 태양전지소자를 이루도록 실리콘 기판(110)의 저면에 제1반도체층(111) 및 제2반도체층(112)을 형성하는 단계이다.
상기 제1반도체층(111) 및 제2반도체층(112)은 p형 및 n형에서 선택되어 각각 서로 반대의 반도체특성을 가지며, 제1반도체층(111)이 p형을 가지는 경우 제2반도체층(112)은 반대의 반도체특성인 n형을 가진다.
상기 제1반도체층(111) 및 제2반도체층(112)은 도 3a에 도시된 바와 같이, 반도체공정에 의하여 형성됨을 특징으로 하며, 증착 및 식각 등의 반도체공정을 수회 반복하여 실리콘 기판(110)의 저면에 형성된다.
한편 상기 제1반도체층(111) 및 제2반도체층(112)의 형성순서는 바뀔 수 있으며 각 반도체층(111, 112)의 형성을 위한 불순물은 다양한 재질이 사용될 수 있으며, 불순물의 확산방법 또한 다양한 방법이 사용될 수 있다.
그리고 상기 제1반도체층(111) 및 제2반도체층(112)은 실리콘 기판(110)의 상면을 통하여 빛을 수광할 때 기전력이 발생할 수 있도록 서로 적층되지 않고 실리콘 기판(110)의 표면방향으로 간격을 두고 형성된다.
또한 상기 제1반도체층(111)은 실리콘 기판(110)보다 불순물의 농도가 높게 형성됨이 바람직하며, 즉 실리콘 기판(110)보다 불순물의 농도가 높은 p+ 또는 n+로 형성됨이 바람직하다.
한편 상기 반도체층형성단계(S110) 전에는 실리콘 잉곳에서 슬라이싱된 실리콘 기판(110)에서 슬라이싱 과정에서 발생된 데미지를 산성수용액 또는 알칼리수용액으로 제거하는 기판손상처리단계(미도시)를 추가로 포함할 수 있다.
여기서 상기 산성수용액은 HNO3 및 HF의 혼합수용액, HNO3,HF 및 CH3COOH (또는 탈이온수)가 사용될 수 있다. 여기서 혼합수용액의 H2O의 비율은 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자의 선택에 의하여 정해진다.
그리고 상기 기판손상처리단계는 알칼리수용액의 경우 약 80℃~90℃에서 약 15분~25분 정도 수행된다. 여기서 상기 알칼리수용액은 NaOH 또는 KOH가 사용되며, IPA(2-isopropyl-alcohol)가 추가로 혼합될 수 있다.
특히 상기 기판손상처리단계는 실리콘 기판이 단결정인 경우 알칼리수용액을 사용하고, 다결정인 경우 산성수용액을 사용하는 것이 바람직하다.
한편 상기 기판손상처리단계는 후술하는 요철형성단계의 제1요철형성단계(S210)에 포함되어 하나로 통합되어 수행될 수 있다.
2. 요철형성단계(
S120
)
한편 상기 요철형성단계(S120)는 태양전지소자의 표면 중 빛을 수광하는 수광면, 즉 실리콘 기판(110)의 상면에 다수의 미세요철을 형성함으로써 반사율을 낮춰 그 효율을 높일 수 있다.
상기 요철형성단계(S120)는 실리콘 기판(110)의 상면에 다수의 제1요철(10) 및 제1요철(10)보다 작은 미세요철인 다수의 제2요철(20)들을 형성하는 단계로서 다양한 방법에 의하여 수행될 수 있다. 그리고 상기 요철형성단계(S120)는 반도체층형성단계(S110) 전에 수행되거나, 도 1, 도 3b에 도시된 바와 같이, 반도체층형성단계(S110) 후에 수행될 수 있다.
상기 요철형성단계(S120)는 일 예로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(110)을 산성수용액으로 식각하여 실리콘 기판(110)의 외면에 다수의 제1요철(10)들을 형성하는 제1요철형성단계(S210)와; 제1요철형성단계(S210)를 통해 다수의 제1요철(10)들이 형성된 실리콘 기판(110)의 외면 중 반사방지막(120)이 형성될 실리콘 기판(110)의 상면을 건식식각하여 미세요철인 제2요철(20)을 형성하는 제2요철형성단계(S220)를 포함하여 구성될 수 있다.
1) 제1요철형성단계(
S210
)
상기 제1요철형성단계(S210)는 실리콘 기판(110)의 외면을 알칼리수용액 또는 산성수용액으로 식각하여 제1요철(10)을 형성하는 단계이다. 특히 상기 제1요철형성단계(S210)는 실리콘 기판(110)의 외면에 도 3b 및 도 4a에 도시된 바와 같은 다수개의 제1요철(10)들을 형성하는 것을 목적으로 한다.
여기서 제1요철형성단계(S210)에서 산성수용액을 사용하는 경우 알칼리수용액을 사용하는 것보다 반사방지막(120)이 형성될 실리콘 기판(110)의 상면에 대한 더 낮은 반사율의 확보가 가능하여 빛의 수광량을 증가시켜 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한 제1요철형성단계(S210)에서 알칼리수용액을 사용하는 경우 실리콘 기판(110)의 재질에 대한 의존성이 큰데 산성수용액을 사용하는 경우 실리콘 기판(110)의 재질에 대한 의존성을 감소시킬 수 있다.
상기 제1요철형성단계(S210)에서 사용되는 산성수용액은 HNO3 및 HF를 포함하는 수용액이 사용될 수 있으며, 그 질량비, 농도 등은 식각온도, 식각깊이 등을 고려하여 결정된다.
상기 제1요철형성단계(S210)에서 사용되는 산성수용액 중 수용액 내 HNO3및 HF의 실질적 질량비가 1:1~5.5:1인 비율인 것이 바람직하다. 여기서 상기 산성수용액은 표면 활성화제 및 촉매를 추가로 포함할 수 있다. 이때 상기 기판(110)은 산성수용액이 사용됨을 고려하여 다결정 실리콘 기판인 것이 바람직하다.
한편 상기 산성수용액은 HNO3, HF 및 CH3COOH (또는 탈이온수)를 포함하는 수용액이 사용될 수 있다.
이때 상기 제1요철형성단계(S210)에 의하여 식각되는 식각깊이는 1㎛~10㎛인 것이 바람직하다.
상기와 같은 제1요철형성단계(S210)는 알칼리수용액 또는 산성수용액, 바람직하게는 산성수용액이 담긴 저장조(wet station)에 롤러에 의하여 실리콘 기판(110)이 이송되면서 식각이 수행되는 인라인방식 또는 알칼리수용액 또는 산성수용액, 바람직하게는 산성수용액이 담긴 저장조(wet station)에 침지하여 식각이 수행되는 디핑방식(dipping)에 의하여 수행될 수 있다.
이때 상기 제1요철형성단계(S210)는 인라인방식에 수행될 때, 6~10℃의 온도로 1분~10분 동안 식각이 수행될 수 있다.
상기 제1요철형성단계(S210)는 디핑방식에 의하여 수행될 때, 6℃~10℃의 온도로 15~25분 동안 식각이 수행될 수 있다.
한편 상기 제1요철형성단계(S210)는 산성수용액과 같이 습식에 의하여 수행됨에 따라서 식각을 마친 후 실리콘 기판(110)의 표면을 건조하는 등 후속 공정을 추가로 포함할 수 있다.
즉, 상기 제1요철형성단계(S210) 후에는 제1요철형성단계(S210)에서 발생된 불순물을 제거하는 제1세정공정과, 실리콘 기판(110)의 외면에 잔존하는 다공성 이산화규소(SiO2)를 알칼리 화합물(NaOH 또는 KOH)을 사용하여 일부 식각하는 서브식각공정과, 서브식각공정 후에 실리콘 기판(110)의 외면에 잔존하는 불순물을 제거하는 제2세정공정과; 제2세정공정 후 실리콘 기판(110)을 건조시키는 건조공정을 추가로 포함할 수 있다.
상기 제1세정공정 및 제2세정공정은 각각 실리콘 기판(110)의 표면에 존재하는 불순물을 제거하는 단계로서 불순물의 종류 및 특징에 따라서 하나의 단계 또는 복수개의 단계로 나누어서 수행될 수 있다.
도 4a는 도 2의 태양전지소자의 제조방법 중 요철형성단계의 제1요철형성단계에 의하여 1차로 표면처리된 기판을 보여주는 일부 단면도이며, 도 4b 및 도 4c는 각각 제1요철형성단계 후 면적비가 1.2 미만 및 3.2 이상인 경우를 보여주는 일부 단면도들이고, 도 5은 도 1의 태양전지소자의 제조방법 중 요철형성단계의 제1요철형성단계에 의하여 요철이 형성된 상태를 보여주는 개념도이다. 도 4a 내지 도 5은 설명의 편의를 위하여 대략적으로 도시한 것으로 실제로는 식각깊이 및 최상단의 높이, 크기 등은 편차가 존재하며, 그 단면의 형상 또한 실제형상은 불규칙적이며 다양함은 물론이다.
한편 상기 제1요철형성단계(S210)에서 식각되어 외면에 다수개의 제1요철(10)들이 형성된 실리콘 기판(110)의 외면 중 반사방지막(120)이 형성될 상면의 실제 표면적을 실제표면적(Sr)이라 하고 상기 표면이 완전히 평면인 상태의 표면의 면적을 이상면적(Si)이라 할 때, 제1요철형성단계(S210) 후에 실리콘 기판(110)은 도 4a 및 도 5에 도시된 바와 같이, 실제표면적(Sr) 대 이상면적(Si)의 면적비는 1.2 내지 3.2인 것이 바람직하다.
상기 면적비가 1.2보다 작은 경우 도 4b에 도시된 바와 같이, 요철(10) 생성의 정도가 작아 제1요철형성단계(S210)에 의한 반사율 감소가 크지 않은 문제점이 있다.
또한 상기 면적비가 3.2보다 큰 경우 도 4c에 도시된 바와 같이, 후속 단계인 제2요철형성단계(S220)에서 플라즈마에 의한 반응이 크지 않아 표면처리 효과를 감소시키는 문제점이 있다. 더 나아가 상기 면적비가 3.2보다 큰 경우 태양전지 제조방법의 후속공정인 전극형성단계(S150)에서 전극형성을 위한 금속물질의 확산을 방해하여 공극이 형성되는 등 후속 공정에 악영향을 미치는 문제점이 있다.
3) 제2요철형성단계(
S220
)
상기 제2요철형성단계(S220)는 제1요철형성단계(S210)에서 표면처리된 실리콘 기판(110)의 외면 중 반사방지막(120)이 형성될 상면을 건식식각하여 미세요철인 제2요철(20)을 형성하는 단계이다.
특히 상기 제2요철형성단계(S220)는 실리콘 기판(110)의 상면에 도 3b에 도시된 바와 같은 다수개의 제2요철(20)들을 형성하는 것을 목적으로 한다. 여기서 상기 제2요철(20)은 제1요철(10)보다 크기가 작은 미세요철들이다.
그리고 상기 제1요철(10)은 그 식각깊이가 1㎛~10㎛이고 지름이 약 2㎛~20㎛정도의 반구형 형상(이상적인 형상으로 간주하였을 때)의 홈에 의하여 형성될 수 있으며, 제2요철(20)은 대략 피라미드형상을 가지며 약 100㎚~800㎚의 크기를 가질 수 있다.
상기 제2요철형성단계(S220)에서 수행되는 건식식각(Dry Etching)은 공정모듈을 이용하여 RIE(Reactive Ion Etching) 또는 ICP(Inductively coupled plasma)에 의하여 수행될 수 있다.
그리고 건식식각에 사용되는 식각가스는 Cl2/CF4/O2, SF6/O2, CHF3/SF6/O2, NF3, F2 및 그 혼합물이 사용될 수 있다. 이때 식각 시간은 약 수초에서 수분 정도 수행된다.
그리고 상기 건식식각이 RIE에 의하여 수행되는 경우 RIE에 의한 건식식각은 미세요철인 제2요철(20)의 형성을 촉진하기 위하여 실리콘 기판(110)의 상측에 다수개의 개구부들이 형성된 개구부재를 설치하여 수행될 수 있다.
이때 건식식각은 다수개의 실리콘 기판(110)들이 적재되는 트레이를 통하여 이송하여 공정모듈 내의 기판지지대 상에 적재하여 수행될 수 있다.
한편 상기와 같은 제2요철형성단계(S220)에 의하여 표면처리가 수행된 후의 실리콘 기판(110)의 상면은 도 3b에 도시된 바와 같다.
상기 제1요철형성단계(S210)에 의하여 형성된 제1요철(10)보다 미세한 다수개의 제2요철(20)들이 실리콘 기판(110)의 상면에 형성된다.
그리고 상기 제2요철(20)은 도 3b에 도시된 바와 같이, 단면이 대략 삼각형(입체적으로는 대략 피라미드) 형상을 이루며, 제1요철(10)의 정상 쪽으로 향하는 쪽의 변이 그 반대쪽 변보다 짧게 형성된다.
3)
요철형성방지층
형성 및 제거
한편 제1요철형성단계(S210)에서 실리콘 기판(110)은 산성수용액을 사용하여 즉, 습식식각에 의하여 처리되므로 제1요철(10)들이 반사방지막(120)이 형성되는 상면 및 그 반대면인 저면, 측면을 포함하는 외면 모두에 제1요철(10)들이 형성될 수 있다.
따라서 상기 요철형성단계(S120)는 실리콘 기판(110)의 저면에 제1요철(10)이 형성되는 것을 방지할 필요가 있다.
즉, 상기 요철형성단계(S120)는 제1요철형성단계(S210) 수행시에 제1반도체층(111) 및 제2반도체층(112)을 보호하기 위한 요철형성방지층(314)을 제1요철형성단계(S210)의 수행 전에 형성하는 방지층형성단계와; 제1요철형성단계(S210) 후 또는 제2요철형성단계(S220) 후에 방지층형성단계에서 형성된 요철형성방지층(314)를 제거하는 방지층제거단계를 포함할 수 있다.
상기 요철형성방지층(314)은 제1요철형성단계(S210)에서 사용되는 산성수용액에 의하여 식각되지 않은 물질이면 어떠한 물질도 가능하며, SiNx 등이 있다.
4)
반도체층형성단계(S110)와
관련한 요철형성단계(
S120
)의 수행 순서
한편 앞서 설명한 바와 같이, 상기 요철형성단계(S120)는 반도체층형성단계(S110) 전에 수행되거나, 반도체층형성단계(S110) 후에 수행될 수 있다.
i.
반도체층형성단계
(
S110
) 후에 요철형성단계(
S120
) 수행
먼저 상기 요철형성단계(S120)가 반도체층형성단계(S110) 후에 수행되는 경우 방지층형성단계(S201)에서 형성되는 요철형성방지층(314)은 도 3a에 도시된 바와 같이, 제1반도체층(111) 및 제2반도체층(112)을 보호하도록 형성된다.
그리고 상기 요철형성방지층(314)가 형성된 후에 도 3b에 도시된 바와 같이, 요철형성단계(S120)에 의하여 제1요철(10) 및 제2요철(20)이 실리콘 기판(110)의 상면에 형성된다.
ii
.
반도체층형성단계
(
S110
) 전에 요철형성단계(
S120
) 수행
한편 상기 요철형성단계(S120)는 반도체층형성단계(S110) 전에 수행되는 경우 도 3a 내지도 3c에 도시된 전극층형성단계(S110) 및 반사방지막형성단계(S140)의 공정들 일부가 변형된다.
도 6a 및 도 6b는 도 1의 태양전지소자의 제조방법의 다른 예에 대응되는 상태를 보여주는 단면도들이다.
먼저 도 6a에 도시된 바와 같이, 상기 제1요철형성단계(S210)의 수행 전에 실리콘 기판(110)의 저면에 제1요철(10)이 형성되는 것을 방지하기 위하여 실리콘 기판(110)의 저면에 마스크층(315)를 형성하는 마스크층형성단계가 추가로 수행된다.
그리고, 상기 마스크층형성단계가 수행된 후에 요철형성단계(S120)인 제1요철형성단계(S210) 및 제2요철형성단계(S220)가 순차적으로 수행되어 제1요철(10) 및 제2요철(20)이 형성된다. 물론 상기 마스크층(315)을 형성하지 않고 제1요철형성단계(S210) 및 제2요철형성단계(S220)가 수행될 수 있으며 이 경우 실리콘 기판(110)의 저면에 형성된 제1요철(10)은 식각 등의 별도의 평탄화 과정을 거쳐 제거될 수 있다.
한편 요철형성단계(S120) 후에는 앞서 설명한 마스크층에 대응되어 실리콘 기판(110)의 저면에 제2반도체특성을 가지는 제2반도체층(112)이 형성될 위치에서 마스크층(315)이 식각되어 제거되는 마스크층제거단계가 수행된다.
여기서 상기 마스크층(315)의 일부가 제거되는 단계는 요철형성단계(S120) 중 제1요철형성단계(S210) 후 또는 제2요철형성단계(S220) 후에 수행될 수 있다.
상기 마스크층(315)의 일부가 제거된 후에는 도 6b에 도시된 바와 같이, 제1반도체층(111) 및 제2반도체층(112)이 형성된다.
상기 제1반도체층(111) 및 제2반도체층(112)이 형성된 후에는 제1반도체층(111)이 형성될 때 실리콘 기판(110)의 상면에 보호층(150)이 같이 형성되므로 앞서 설명한 보호층형성단계(S130)를 거치지 않고 바로 반사방지막형성단계(S140)가 수행될 수 있다.
한편 본 발명에 따른 태양전지기판의 제조방법 중 요철형성단계인 제1요철형성단계 및 제2요철형성단계가 수행된 후 기판(110)의 반사율을 측정한바 기판손상처리만 수행된 경우의 반사율(%, 350nm~1050nm) 28.96보다 7.79로서 현저히 작아짐을 확인하였다.
더 나아가 본 발명에 따른 태양전지소자의 제조방법 중 요철형성단계인 제1요철형성단계 및 제2요철형성단계가 수행된 후 PECVD에 의하여 반사방지막(120)이 형성된 후 반사율은 1.40이었다.
3. 반사방지막형성단계(
S140
)
상기 반사방지막형성단계(S140)는 도 3c에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(110)의 상면에 형성되어 빛의 반사를 최소화하며 실리콘 기판(110)의 상면을 보호하는 반사방지막(120)을 형성하는 단계이다.
상기 반사방지막형성단계(S140)는 다양한 방법에 의하여 수행될 수 있으며, 반사방지막(120)은 증착 등을 통하여 기판(110)의 상면에 SiNx, TiO2, SiO2, MgO, ITO, SnO2, ZnO 등으로 이루어진 얇은 층으로 형성될 수 있다.
한편 상기 반사방지막형성단계(S140) 전에는 보호층(140)을 형성하는 보호층형성단계(S130)가 추가로 수행될 수 있다.
4. 전극층형성단계(
S150
)
상기 전극층형성단계(S150)는 도 3c에 도시된 바와 같이, 제1전극층(210) 및 제2전극층(220)을 형성하는 단계로서 전극을 형성할 수 있는 방법이면 어떠한 방법도 가능하다.
상기 제1전극층(210) 및 제2전극층(220)은 각각 제1반도체층(111) 및 제2반도체층(112)과 전기적으로 연결되어 실리콘 기판(110)의 상면을 통하여 빛을 수광할 때 기전력을 외부로 전달하도록 형성된다.
한편 상기 제1전극층(210) 및 제2전극층(220)은 실리콘 기판(110)의 저면에서 볼 때 일체로 연결되는 등 다양한 형상을 가질 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이, 다지형상(多枝形狀)을 가지고 각 가지가 서로 교차하여 위치되도록 형성될 수 있다.
또한 상기 제1전극층(210) 및 제2전극층(220)은 실리콘 기판(110)의 저면을 볼 때 막대형상을 이루어 복수개로 형성되고 제1반도체층(111) 및 제2반도체층(112), 제1전극층(210) 및 제2전극층(220)이 각각 서로 교번하여 위치될 수도 있다.
여기서 제1반도체층(111) 및 제2반도체층(112)은 제1전극층(210) 및 제2전극층(220)과 대응되므로 실리콘 기판(110)의 저면에서 볼 때 제1전극층(210) 및 제2전극층(220)과 유사한 형상을 이룬다.
이상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 바람직한 실시예의 일부에 관하여 설명한 것에 불과하므로, 주지된 바와 같이 본 발명의 범위는 위의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 될 것이며, 위에서 설명된 본 발명의 기술적 사상과 그 근본을 함께 하는 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.
110 : 실리콘 기판
111 : 제1반도체층 112 : 제2반도체층
120 : 반사방지막
210 : 제1전극층 220 : 제2전극층
10 : 제1요철 20 : 제2요철(미세요철)
111 : 제1반도체층 112 : 제2반도체층
120 : 반사방지막
210 : 제1전극층 220 : 제2전극층
10 : 제1요철 20 : 제2요철(미세요철)
Claims (18)
- 제1반도체특성을 가지는 실리콘 기판으로서, 상기 제1반도체특성과 같은 특성을 가지는 하나 이상의 제1반도체층과, 상기 제1반도체특성과 다른 제2반도체특성을 가지는 하나 이상의 제2반도체층이 저면에 형성되는 실리콘 기판과; 상기 제1반도체층 및 상기 제2반도체층과 각각 전기적으로 연결되도록 형성된 제1전극층 및 제2전극층과; 상기 실리콘 기판의 상면에 형성된 반사방지막을 포함하는 태양전지소자의 제조방법으로서,
상기 기판의 상면에 다수의 제1요철들과 상기 제1요철보다 크기가 작은 제2요철을 형성하는 요철형성단계를 포함하며,
상기 요철형성단계는 상기 기판을 산성수용액으로 식각하여 기판의 외면에 다수의 상기 제1요철들을 형성하는 제1요철형성단계와; 상기 제1요철형성단계를 통해 상기 제1요철들이 형성된 상기 기판의 상면을 건식식각하여 다수의 상기 제2요철들을 형성하는 제2요철형성단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지소자의 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1요철형성단계에서 상기 산성수용액은 HNO3 및 HF를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지소자의 제조방법. - 청구항 2에 있어서,
상기 산성수용액은 수용액 내 HNO3 및 HF의 실질적 질량비가 1:1~5.5:1인 비율로 혼합된 것을 특징으로 하는 태양전지소자의 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1요철형성단계는 산성수용액이 담긴 용기에 롤러에 의하여 기판이 이송되면서 수행되며, 6~10℃의 온도로 1분~10분 동안 식각이 수행되는 것을 특징으로 하는 태양전지소자의 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1요철형성단계는 산성수용액이 담긴 용기에 침지하여 식각이 수행되는 디핑방식에 의하여 수행되며, 6℃~10℃의 온도로 20분 동안 식각이 수행되는 것을 특징으로 하는 태양전지소자의 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1요철형성단계 전에는
실리콘 잉곳에서 슬라이싱된 실리콘 기판의 데미지를 산성수용액 또는 알칼리수용액으로 제거하는 기판손상처리단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 태양전지소자의 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1요철형성단계 후에는 상기 제1요철형성단계에서 발생된 불순물을 제거하는 제1세정공정과, 상기 기판의 외면에 잔존하는 다공성 이산화규소를 알칼리 화합물을 사용하여 일부 식각하는 서브식각공정과, 상기 서브식각공정 후에 기판의 외면에 잔존하는 불순물을 제거하는 제2세정공정과; 상기 제2세정공정 후 상기 기판을 건조시키는 건조공정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지소자의 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 제2요철은 단면이 실질적으로 삼각형 형상을 이루며, 상기 제1요철의 정상 쪽으로 향하는 쪽의 변이 그 반대쪽 변보다 짧게 형성된 것을 특징으로 하는 태양전지소자의 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 실리콘 기판은 단결정 실리콘 기판 또는 다결정 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 태양전지소자의 제조방법. - 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 제1요철형성단계 후에 상기 실리콘 기판은 그 외면 중 반사방지막이 형성될 표면이 완전히 평면인 상태의 상기 표면의 면적을 이상면적이라고 할 때, 상기 제1요철형성단계에서 식각된 상기 표면의 실제표면적 대 이상면적의 면적비는 1.2 내지 3.2인 것을 특징으로 하는 태양전지소자의 제조방법. - 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 제1반도체특성은 p형 및 n형 중 어느 하나이며, 상기 제2반도체특성은 n형 및 p형 중 나머지 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지소자의 제조방법. - 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 제1반도체층 및 상기 제2반도체층을 보호하기 위한 요철형성방지층을 상기 제1요철형성단계 전에 형성하는 방지층형성단계와;
상기 제1요철형성단계 후 또는 상기 제2요철형성단계 후에 상기 요철형성방지층을 제거하는 방지층제거단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지소자의 제조방법. - 청구항 12에 있어서,
상기 요철형성방지층은 SiNx인 것을 특징으로 하는 태양전지소자의 제조방법. - 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 실리콘 기판의 저면에 상기 제1반도체층 및 상기 제2반도체층을 형성하는 반도체층형성단계와; 상기 실리콘 기판의 상면에 상기 반사방지막을 형성하는 반사방지막형성단계와; 상기 제1전극층 및 상기 제2전극층을 형성하는 전극층형성단계를 포함하며,
상기 요철형성단계는 상기 반도체층형성단계 전 또는 후에 수행되는 것을 특징으로 하는 태양전지소자의 제조방법. - 청구항 14에 있어서,
상기 요철형성단계가 상기 반도체층형성단계 후에 수행될 때 상기 반도체형성단계 후에 상기 실리콘 기판의 저면에 제1요철이 형성되는 것을 방지하기 위하여 상기 실리콘 기판의 저면에 요철형성방지층을 형성하는 방지층형성단계와;
상기 제1요철형성단계 후 또는 상기 제2요철형성단계 후 상기 요철형성방지층이 제거되는 방지층제거단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 태양전지소자의 제조방법. - 청구항 14에 있어서,
상기 요철형성단계가 상기 반도체층형성단계 전에 수행될 때 상기 제1요철형성단계의 수행 전에는 상기 실리콘 기판의 저면에 제1요철이 형성되는 것을 방지하기 위하여 상기 실리콘 기판의 저면에 요철형성방지층을 형성하는 방지층형성단계와;
상기 제1요철형성단계 후 또는 상기 제2요철형성단계 후 상기 요철형성방지층 중 상기 실리콘 기판의 저면에 제2반도체특성을 가지는 제2반도체층이 형성될 위치가 식각되어 제거되는 방지층제거단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 태양전지소자의 제조방법. - 청구항 14에 있어서,
상기 제1반도체특성 및 상기 제2반도체특성은 각각 p형 및 n형이며,
상기 제2반도체층이 먼저 형성되며, 상기 제1반도체층이 형성될 때 상기 실리콘 기판의 상면에 보호층이 같이 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지소자의 제조방법. - 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 하나의 항에 따른 태양전지소자의 제조방법에 의하여 제조된 태양전지소자.
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