KR20110129228A - 태양 전지의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 태양 전지의 제조방법은 (a) 제1 도전형의 실리콘 기판(210)을 준비하는 단계; (b) 상기 제1 도전형의 실리콘 기판(210)과 반대 타입의 도전형을 갖는 제2 도전형의 에미터 층(220)을 형성하는 단계; (c) 상기 제2 도전형의 에미터 층(220)의 상부 표면을 수소화 처리(hydrogenation treatment)하는 단계; 및 (d) 상기(c) 단계 이후에 상기 제2 도전형의 에미터 층(220)의 상부 면에 반사방지막(Antireflection Coating, 230)을 형성하는 단계를 제공함에 기술적 특징이 있다.
본 발명의 태양 전지의 제조방법은 댕글링 본드(dangling bond)의 결함을 부동화시켜 표면 패시베이션(passivation) 효과를 높임으로 소수 캐리어의 수명을 증가시켜 태양전지의 변환 효율을 향상 시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 태양 전지의 제조방법은 댕글링 본드(dangling bond)의 결함을 부동화시켜 표면 패시베이션(passivation) 효과를 높임으로 소수 캐리어의 수명을 증가시켜 태양전지의 변환 효율을 향상 시킬 수 있는 장점이 있다.
Description
본 발명은 태양 전지의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 결정질 실리콘 층을 수소화 처리함으로 댕글링 본드(dangling bond)의 결함을 부동화시켜 표면 패시베이션(passivation) 효과를 높일 수 있는 태양전지의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지(Solar Cell)는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 특히 주목받고 있다.
태양전지(Solar Cell)는 반도체의 성질을 이용하여 태양빛(photons)을 전기에너지로 변환시키는 소자를 일컫는다.
도 1은 종래의 태양전지의 일반적인 구조를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 종래의 태양전지는 p형 반도체(110), n형 반도체(120), 하부 접합전극(140), 상부 접합전극(130)을 구비한다.
p형 반도체(110)와 n형 반도체(120)는 서로 다이오드와 같은 접합 구조를 가지며, 태양전지에 빛이 입사되면 빛과 태양전지의 반도체를 구성하는 물질과의 상호작용으로 (-)전하를 띤 전자(electron)와 (+)전하를 띤 정공(hole)이 발생하여 이들이 이동하면서 전류가 흐르게 된다.
이를 광기전력효과(photovoltaic effect)라 하는데, 이 원리에 의해 태양전지를 구성하는 p형(110) 및 n형 반도체(120) 중 전자(electron)는 n형 반도체(120) 쪽으로, 정공(hole)은 p형(110) 쪽으로 각각 끌어 당겨져 각각 n형 반도체(120) 및 p형(110)과 접합된 상부 접합전극(130) 및 하부 접합전극(140)으로 이동하게 되고, 이들 상부, 하부 접합전극(130, 140)들을 전선으로 연결하면 전기가 흐르므로 전력을 얻을 수 있게 된다.
일반적으로 태양전지의 출력특성은 하기의 변환효율(η)에 대한 수식으로 표현된다.
여기서, Pm은 출력전류(Ip)와 출력전압(Vp)을 곱한 값(Ip ㅧ Vp)의 최대값, S는 소자의 단면적, I는 태양전지에 조사되는 광의 강도를 나타낸다.
상기 [수학식 1]을 참조하면, 태양전지의 출력 특성은 변환효율(η)의 값에 비례하여 증가함을 알 수 있다.
한편, 종래의 태양전지 용 웨이퍼는 실리콘 단결정 봉인 잉곳(ingot)을 잘라 세정 후 그대로 출하되므로 표면에 많은 손상(damage) 및 결함(defect)이 존재하였고, 태양전지 제조 시 결함제거공정을 수행해도 완벽하게 결함을 제거하는 데는 한계가 있어 여전히 많은 결함이 존재하게 되었다.
또한 웨이퍼 표면에는 구조상 원자간 결합이 깨지면서 댕글링 본드(dangling bond)와 같은 결함이 발생하였다.
이로 인해 종래의 태양 전지는 빛의 조사(radiation)로 발생되는 소수 캐리어들을 포획하여 재결합시키는 과정이 가속됨으로 전하 운반자인 소수 캐리어의 수명(life time) 단축으로 인해 태양전지의 변환 효율이 점차로 감소하는 문제점이 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 결정질 실리콘 층을 수소화 처리함으로 댕글링 본드(dangling bond)의 결함을 부동화 시켜 표면 패시베이션(passivation) 효과를 높일 수 있는 태양전지의 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 태양 전지의 제조방법은, (a) 제1 도전형의 실리콘 기판(210)을 준비하는 단계; (b) 상기 제1 도전형의 실리콘 기판(210)과 반대 타입의 도전형을 갖는 제2 도전형의 에미터 층(220)을 형성하는 단계; (c) 상기 제2 도전형의 에미터 층(220)의 상부 표면을 수소화 처리(hydrogenation treatment)하는 단계; 및 (d) 상기(c) 단계 이후에 상기 제2 도전형의 에미터 층(220)의 상부 면에 반사방지막(Antireflection Coating, 230)을 형성하는 단계를 제공한다.
본 발명은 댕글링 본드(dangling bond)의 결함을 부동화 시켜 표면 패시베이션(passivation) 효과를 높임으로 소수 캐리어의 수명을 증가시켜 태양전지의 변환 효율을 향상 시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 태양전지의 일반적인 구조를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실리콘 태양전지의 패시베이션 층의 형성 방법의 일련 과정을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실리콘 태양전지의 패시베이션 층의 형성 방법의 일련 과정을 도시한 것이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실리콘 태양전지의 패시베이션 층의 형성 방법의 일련 과정을 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실리콘 태양전지의 패시베이션 층의 형성 방법은 제1 도전형의 실리콘 기판(210) 상에 제1 도전형과 반대 도전형을 갖는 제2 도전형의 에미터 층(220)을 형성하는 제1 공정을 갖는다.
제1 도전형의 실리콘 기판(210)은 p형 및 n형 타입 모두를 사용할 수 있지만, 소수 캐리어에 해당하는 전자의 수명(life time)과 이동도(mobility)가 큰 것을 고려하여 p형 실리콘 기판을 사용하는 것이 바람직하다.
p형 실리콘 기판을 사용할 경우 제1 도전형의 실리콘 기판(210)은 B, Ga, In 등의 3족 원소들이 도핑(doping) 되어 p형을 형성하며, 제2 도전형의 에미터층(220)은 P, As, Sb 등의 5족 원소들을 확산시켜 n형의 에미터 층을 형성한다.
이하 상기 제2 도전형의 에미터 층(220)을 형성하는 방법을 상세히 설명한다.
실리콘 기판(210)을 확산로(diffusion furnace)(미도시)에 로딩(loading)하고, 산소 가스와 제2 도전형의 불순물 가스를 주입하여 기판 상부에 불순물이 유입된 산화막(oxide)을 형성하는 제1 단계를 실시한다.
만일 실리콘 기판(210)이 p형 타입일 경우, 불순물 가스로 POCl3 을 사용할 수 있으며, 불순물 가스는 이에 한정되지 아니하며 필요에 따라 다양하게 변형 실시 할 수 있음은 당연하다.
제1 단계 이후, 고온 열처리를 통해 산화막 내의 불순물을 실리콘 기판(210) 표면으로 드라이브-인(drive-in) 시키는 제2 단계를 실시한다.
제2 단계 이후, 기판 표면에 잔류하는 산화 막을 제거하는 제 3 단계를 실시하여 실리콘 기판(210) 상부에 소정 두께의 에미터 층(220)이 형성된다.
상기 실리콘 기판(210)은 n형의 에미터 층(220)이 형성됨으로 p-n 접합의 실리콘 다이오드가 형성된다.
상기 제1 공정이 완료되면, 에미터 층(220)의 상부 표면(225)을 HF 용액을 사용하여 수소화 처리(hydrogenation treatment)를 실시하는 제2 공정을 갖는다.
본 발명은 HF 용액을 사용하여 수소화 처리를 실시함으로 결정질 실리콘 층 내에 존재하는 실리콘 원자의 댕글링 본드(dangling bond)를 수소 원자로 패시베이션(passivation) 함으로 결정질 실리콘층 내의 결함 밀도를 낮게 하여 전하 운반자로 사용되는 소수 캐리어의 수명(life time) 및 이동도(mobility)를 증가 시켜 태양전지의 변환 효율을 향상 시킬 수 있었다.
본 발명의 경우 HF 용액을 사용하여 수소화 처리 하였지만, 이에 한정되지 아니하고 발명의 필요에 따라 수소를 포함한 다양한 용액 이를 테면, HCl 등에 대해 실시할 수 있음은 당연하다.
상기 제2 공정 이후에 에미터 층(220)의 상부 면에 반사방지막(Antireflection Coating, 230)을 형성하는 제3 공정을 갖는다.
반사방지막(Antireflection Coating, 230)은 기판을 통하여 입사된 빛이 에미터 층(220)에 흡수되지 못하고 바로 외부로 반사됨으로써 태양전지의 효율을 저하시키는 현상을 방지하는 역할을 한다.
반사방지막(Antireflection Coating, 230) 물질은 태양전지의 표면에서 전지 표면과 반응을 하지 말아야 하고, 전지 표면을 보호할 수 있는 SiO2 등의 실리콘 산화물(SiOx), Si3N4 등의 실리콘 질화물(SiNx) 또는 TiO2 등의 물질을 사용할 수 있다.
반사방지막(Antireflection Coating, 230)은 저압 화학기상 증착법(Lowpressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD) 또는 플라즈마 화학기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD) 등을 실시하여 형성 할 수 있다.
<실시예 1>
먼저, 78×78 ㎟ 사이즈의 p형 단결정 실리콘 기판을 준비하였다. 이어서, 준비된 실리콘 기판 상부에 n형 에미터 층을 형성하였다. 그런 다음, 5% HF 용액에 1분간 담그어 댕글링 본드(dangling bond) 등 결함을 부동화 시킨 후, 전면에 실리콘 질화막으로 이루어진 반사방지막을 형성하였다.
상기 <실시 예1>에 따라 제작된 시료에 대하여, 소수 캐리어의 라이프 타임(life time)을 측정하였으며, 그 결과를 하기[표 1]에 나타내었다.
| 구분 |
HF 처리 전 |
HF 처리 후 |
반사 방지막 형성 후 |
| 라이프 타임(㎲) |
2.6 ㎲ |
5.4 ㎲ |
5.6 ㎲ |
[표 1]을 참조하면, 실리콘 태양전지의 소수 캐리어의 라이프 타임은 HF 처리 전 2.6㎲에서 HF 처리 후 5.4㎲로 증가하였으며, 증가된 값이 실리콘 질화막의 반사방지막을 형성 한 후에도 5.6 ㎲ 크기로 유지되는 실험 결과를 나타내었다.
이로써 본 발명의 HF용액을 이용한 표면 패시베이션 처리에 의해 소수 캐리어의 라이프 타임이 증가되는 효과가 있음을 확인하였다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
210 : 제1 도전형의 실리콘 기판
220 : 제2 도전형의 에미터 층
225 : 에미터 층의 상부 표면
230 : 반사방지막(Antireflection Coating)
220 : 제2 도전형의 에미터 층
225 : 에미터 층의 상부 표면
230 : 반사방지막(Antireflection Coating)
Claims (6)
- (a) 제1 도전형의 실리콘 기판(210)을 준비하는 단계;
(b) 상기 제1 도전형의 실리콘 기판(210)과 반대 타입의 도전형을 갖는 제2 도전형의 에미터 층(220)을 형성하는 단계;
(c) 상기 제2 도전형의 에미터 층(220)의 상부 표면을 수소화 처리(hydrogenation treatment)하는 단계; 및
(d) 상기(c) 단계 이후에 상기 제2 도전형의 에미터 층(220)의 상부 면에 반사방지막(Antireflection Coating, 230)을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조방법. - 제 1항에 있어서, 상기 제1 도전형의 실리콘 기판(210)은,
B, Ga, In 중 어느 하나를 선택한 후 도핑(doping) 하여 p형을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조방법. - 제 1항에 있어서, 상기 제2 도전형의 에미터 층(220)은,
P, As, Sb 중 어느 하나를 선택한 후 확산에 의해 n형을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조방법. - 제 1항에 있어서, 상기 (c)단계의 수소화 처리(hydrogenation treatment)하는 단계는, HF 용액을 사용하여 처리하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 반사방지막(Antireflection Coating, 230)은,
SiO2, Si3N4, TiO2 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조방법. - 제 5항에 있어서, 상기 반사방지막(Antireflection Coating, 230)은,
저압 화학기상 증착법(Lowpressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD) 또는 플라즈마 화학기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)을 사용하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조방법.
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| KR1020100048750A KR20110129228A (ko) | 2010-05-25 | 2010-05-25 | 태양 전지의 제조방법 |
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| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20110129228A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013081329A1 (ko) * | 2011-12-02 | 2013-06-06 | 주식회사 디씨티 | 도트형 전극을 갖는 저가 양산의 고효율 태양전지 및 그 제조방법 |
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2010
- 2010-05-25 KR KR1020100048750A patent/KR20110129228A/ko not_active Application Discontinuation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013081329A1 (ko) * | 2011-12-02 | 2013-06-06 | 주식회사 디씨티 | 도트형 전극을 갖는 저가 양산의 고효율 태양전지 및 그 제조방법 |
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