KR20110131499A - 태양전지용 기판의 세정방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 태양전지용 기판의 세정방법은 단결정 또는 다결정 기판이 준비되는 단계, 습식 식각에 의하여 상기 기판의 표면에 요철이 형성되는 단계, 상기 요철이 형성된 기판에 대하여 상압 플라즈마 세정이 이루어지는 단계 및 pn 접합을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

태양전지용 기판의 세정방법{METHOD FOR CLEANING A SUBSTRATE OF SOLAR CELL}
본 실시예는 태양전지용 기판의 세정방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지원에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양광 에너지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 특히 주목 받고 있다.
태양광 에너지를 전기 에너지로 직접 변환시켜주는 장치가 광기전력 장치, 즉 태양전지이다. 광기전력 장치는 주로 반도체 접합의 광기전력 현상을 이용한다. 즉, p형과 n형 불순물로 도핑되어 pn 접합이 형성된 반도체에 빛이 입사되어 흡수되면 빛의 에너지가 반도체 내부에서 전자와 홀을 발생시키고 내부 전계에 의해 이들이 분리됨으로써 pn 접합 양단에 광기전력이 발생된다. 이 때 접합 양단에 전극을 형성하고 도선을 연결하면 전극 및 도선을 통하여 외부로 전류가 흐르게 된다.
이와 같은 태양전지가 석유와 같은 기존의 에너지원을 대체하기 위해서는 태양전지가 높은 광전변환효율을 제공해야 한다.
본 발명은 습식 식각으로 인하여 기판 표면에 잔존하는 수분이나 유기물이 제거할 수 있는 태양전지용 기판의 세정방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 태양전지용 기판의 세정방법은 단결정 또는 다결정 기판이 준비되는 단계, 습식 식각에 의하여 상기 기판의 표면에 요철이 형성되는 단계, 상기 요철이 형성된 기판에 대하여 상압 플라즈마 세정이 이루어지는 단계 및 pn 접합을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명은 상압 플라즈마 세정에 의해 패시베이션 효과가 증대될 수 있다.
도 1a 내지 도 1g는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지용 기판의 세정 방법을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 사용되는 상압 플라즈마 세정 장치의 일례를 나타낸다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 기판 세정 후의 pn 접합 형성 과정을 나타낸다.
다음으로 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지용 기판의 세정 방법을 나타낸다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 단결정 또는 다결정 기판(100)이 준비된다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 기판(100)의 표면에 습식 식각에 의하여 요철이 형성된다. 기판(100) 표면에 입사된 태양광을 산란시켜 반사량을 줄이기 위하여 기판(100)의 표면에 대하여 텍스쳐링(texturing) 공정이 실시되어 요철이 형성된다. 텍스쳐링 공정은 KOH나 NaOH와 같은 염기성 용액이나 HNO3와 HF 와 같은 산성 용액을 이용하는 습식 식각에 의하여 이루어진다.
요철 형성을 위하여 기판(100)의 표면에 대하여 습식 식각 공정이 이루지는 경우 습식 식각 공정 이후에 기판(100)의 표면에는 수분이나 유기물이 잔존할 수 있다. 기판(100)에 잔존하는 수분이나 유기물은 패시베이션(passivation) 효과를 감소시킬 뿐만 아니라 태양전지의 단락 전류 밀도(Jsc)나 개방 전압(Voc) 그리고 곡선인자(F.F.)에 악영향을 미칠 수 있다.
도 1c에 도시된 바와 같이, 수분이나 유기물을 제거하기 위하여 요철이 형성된 기판(100)에 대하여 상압 플라즈마 세정이 이루어진다. 도 2는 본 발명의 실시예에 사용되는 상압 플라즈마 세정 장치의 일례를 나타내며, 본 발명의 실시예는 도 2의 상압 플라즈마 세정 장치에 한정되는 것은 아니다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상압 플라즈마 세정장치(Atmospheric pressure plasma cleaning device)의 플라즈마 발생장치(210)는 기판(100)의 요철 표면에 플라즈마 반응에서 생성된 산소 라디컬(230)을 분사한다. 전원공급장치(240)는 플라즈마 발생장치(210)에 교류전압을 인가한다. 가스공급장치(250)는 플라즈마 발생장치(210)에 연결된 가스 배관을 통해 질소, 산소, 공기 등의 가스를 공급한다. 전원공급장치(240)의 동작에 의하여 플라즈마 발생장치(210)이 양 전극 사이에는 전압차가 발생하며 이 전압차에 의하여 가스의 플라즈마가 생성된다.
이 때 플라즈마의 광자, 여기 원자 및 분자, 전자 및 이온은 에너지를 갖거나, 수 또는 수십 전자 볼트의 여기 에너지 상태에 있을 수 있다. 이러한 여기 에너지는 기판(100) 표면에 존재하는 식각 용액의 결합 에너지 (binding energy) 보다 훨씬 크므로 플라즈마를 통하여 요철이 형성된 기판(100) 표면을 세정할 수 있다.
이송장치(260)는 플라즈마 발생장치(210)가 플라즈마 상압방전을 실시하는 동안 요철이 형성된 기판(100)을 일정한 속도로 이송한다.
기존의 RCA 세정 공정은 수산화암모늄(NH4OH)과 과산화수소(H2O2)와 같은 화학 약품을 사용하고, 수산화암모늄의 가열 후 수산화암모늄과 과산화수소의 혼합 등과 같이 세정 공정이 복잡하므로 태양전지의 생산성이 감소할 뿐만 아니라 화학 약품의 처리 및 폐수 처리에 부대 비용이 증가할 수 있다.
반면에 본 발명의 실시예에서 사용되는 상압 플라즈마 세정 공정은 대기압 상태에서 플라즈마를 발생시켜 기판(100)의 표면을 세정한다. 이에 따라 상압 플라즈마 세정은 화학 약품을 사용하지 않고 진공 상태가 아닌 대기압 상태에서 세정이 이루어질 수 있다.
또한 상압 플라즈마 세정 공정은 대기압 상태에서 세정이 이루어지므로 진공 챔버에 기판을 로딩하는 과정없이 기판의 이송 중에 이루어질 수 있다. 이에 따라 태양전지의 제조 시간이 단축될 수 있다.
한편 상압 플라즈마 세정 공정의 전에 순수 등을 이용한 린스(rinse) 공정이 요철이 형성된 기판(100)에 대하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 상압 플라즈마 세정 공정 전이나 후에 엑시머 자외선 (Eximer ultraviolet) 세정이 이루어질 수 있다. 엑시머 자외선 세정은 습식 식각 이후에 기판(100) 표면에 잔존하는 유기물을 제거하기 위한 것이다. 상압 플라즈마 세정과 더불어 엑시머 자외선 세정이 이루어질 경우 유기물의 제거가 보다 원활하게 이루어질 수 있다. 이 때 엑시머 자외선의 파장은 150 nm 이상 380 nm 이하일 수 있다.
상압 플라즈마 세정이 이루어지고 pn 접합이 형성된다. 즉, 도 1d에 도시된 바와 같이, 제1 도전성 불순물로 도핑된 단결정 또는 다결정 기판(100)에 진성 비정질 실리콘층(110)이 기판(100) 상에 형성된다. 이 때 도 1d에 도시된 기판(100)은 n 타입 불순물에 의하여 도핑되어 있으나 p 타입 불순물에 의하여 도핑되어 있을 수도 있다.
진성 비정질 실리콘층(110)의 형성은 CVD 챔버에 실란 가스 및 수소 가스를 주입함으로써 형성될 수 있다. 진성 비정질 실리콘층(100)은 제1 도전성 불순물로 도핑된 기판(100)과 진성 비정질 실리콘층(100) 사이의 계면에서 결함밀도를 줄여서 전자 또는 홀의 재결합을 억제한다.
이상에서 설명된 바와 같이 요철을 형성하기 위한 습식 식각 이후에 기판(100)에 대하여 상압 플라즈마 세정이 이루어진다. 이에 따라 습식 식각으로 인하여 기판 표면에 잔존하는 수분이나 유기물이 제거되므로 진성 비정질 실리콘층(100)에 의한 패시베이션 효과가 증대될 수 있다.
도 1e에 도시된 바와 같이, 제2 도전성 불순물로 도핑된 비정질 실리콘층(120)이 진성 비정질 실리콘층(110) 상에 형성된다. 이를 위하여 CVD 챔버에 실란 가스, 수소 가스 및 불순물 가스를 주입함으로써 형성될 수 있다. 제2 도전성 불순물로 도핑된 비정질 실리콘층(120)은 전계를 형성한다. 도 1e에 도시된 기판(100)이 n 타입 불순물에 의하여 도핑될 경우 제2 도전성 불순물은 p 타입 불순물이다. 기판(100)이 p 타입 불순물에 의하여 도핑될 경우 제2 도전성 불순물은 n 타입 불순물이다.
도 1f에 도시된 바와 같이, 제2 도전성 불순물로 도핑된 비정질 실리콘층(120)과 접촉하도록 제1 전극(130)이 형성되고, 제1 전극(130)의 맞은 편에 제2 전극(140)이 형성된다.
본 발명의 실시예에서는 제2 전극(140)과 기판(100)이 접촉하나 기판(100)의 패시베이션을 위하여 제2 전극(140)과 기판(100) 사이에 진성 비정질 실리콘층과 불순물로 도핑된 비정질 실리콘층이 형성될 수도 있다. 즉, 도 1g에 도시된 바와 같이, 제2 전극(140)과 기판(100) 사이의 진성 비정질 실리콘층(150)은 기판(100)과 진성 비정질 실리콘층 사이의 계면에서의 패시베이션 효과를 향상시킨다. 또한 불순물로 도핑된 비정질 실리콘층(160)은 BSF (Back Surface Field) 를 형성한다. 제1 전극(130)은 ZnO나 ITO (Indium Tin Oxide)와 같은 투명 전도성 산화물층(130a)과, 투명 전도성 산화물층(130a) 상에 형성된 집전극(130b)을 포함할 수 있다. 제2 전극(140) 역시 투명 전도성 산화물층(140a)과, 투명 전도성 산화물층(140a) 상에 형성된 집전극(140b)을 포함할 수 있다. 투명 전도성 산화물층(130a, 140a)은 스퍼터링에 의하여 형성될 수 있으며, 집전극(130b, 140b)은 스크린 인쇄법에 의하여 형성될 수 있다. 투명 전도성 산화물층(130a, 140a)은 집전극(130b, 140b)보다 저항이 크므로 집전극(130b, 140b)은 생성된 전류의 흐름을 원활하게 한다.
앞서의 설명에서는 상압 플라즈마 세정이 이루어지고 제1 도전성 불순물에 의하여 도핑된 기판(100)과 제2 도전성 불순물에 의하여 도핑된 비정질 실리콘층(120)에 의하여 pn 접합이 형성된다.
이후의 설명은 상압 플라즈마 세정이 이루어지고 제1 도전성 불순물과 제2 도전성 불순물이 도핑되어 기판(100)에 pn 접합이 형성되는 것에 관한 것이다.
도 1a 내지 도 1c를 참조하여 설명된 공정들을 통하여 요철 형성 및 상압 플라즈마 세정이 이루어진다. 상압 플라즈마 세정 공정 전이나 후에 엑시머 자외선 (Eximer ultraviolet) 세정이 이루어질 수 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 단결정 또는 다결정 기판은 제1 도전성 불순물로 도핑된 기판(100)에 제2 도전성 불순물로 도핑된다. 이 때 제1 도전성 불순물이 3족 물질과 같은 p 타입 불순물인 경우 제2 도전성 불순물은 5족 물질과 같은 n 타입 불순물일 수 있다. 또한 제1 도전성 불순물이 5족 물질와 같은 n 타입 불순물인 경우 제2 도전성 불순물은 3족 물질과 같은 p 타입 불순물일 수 있다. 이와 같이 p 타입 불순물과 n 타입 불순물이 단결정 또는 다결정 기판(100)에 도핑됨에 따라 pn 접합이 기판(100)에 형성된다.
이와 같이 제2 도전성 불순물의 도핑은 약 1000 ℃에서 제2 도전성 불순물의 확산에 의하여 이루어진다. 제2 도전성 불순물의 확산은 기상 확산 방법, 도포 확산 방법 또는 이온 주입 방법 등에 이루어질 수 있다.
이상과 같은 도핑 방법 외에 플라즈마 도핑법이나 레이저 도핑법이 사용될 수도 있다. 플라즈마 도핑법은 대략 200 ℃의 플라즈마 챔버(chamber) 내에 직접 이온 주입하려는 시료를 넣고, 그라운드로 접지되어 있는 진공챔버 벽에 비하여 상대적으로 높거나 낮은 전압을 시료에 반복적으로 인가하여 준다. 따라서 고전압의 펄스가 시료에 인가되어 있는 동안, 시료 주위에는 플라즈마 쉬스(sheath)가 형성되어 걸어준 전압의 에너지를 갖는 이온들이 기판(100)의 표면에 주입된다.
레이저 도핑법은 불순물을 포함하는 도펀트층을 기판(100) 상에 증착한 후, 레이저 펄스의 에너지가 증착된 도펀트 층과 기판(100) 사이의 계면 영역에서 열 에너지로 흡수됨으로써 기판(100)의 표면 영역이 용융되고, 용융 시 불순물이 확산된다.
이와 같이 도핑 공정은 고온에서 이루어지므로 기판(100)의 세정이 충분이 이루어지지 않을 경우 도핑 공정용 퍼니스(furnace)나 챔버 내부가 오염되어 pn 접합이 안정적으로 이루어지지 않을 수 있다. 본 발명의 실시예에의 경우 고온 도핑 공정 전에 상압 플라즈마 세정이 이루어지므로 도핑 공정시 pn 접합이 안정적으로 이루어질 수 있다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 반사방지막(310)이 기판(100) 상에 형성된다. 반사방지막(310)은 비정질 실리콘이나 실리콘 합금을 포함할 수 있다. 예를 들어, 반사방지막(310)은 SiOx 또는 SiNx를 포함할 수 있다. 이와 같은 반사방지막(310)은 PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) 공정에 의하여 형성될 수 있다.
도 3c에 도시된 바와 같이, 반사방지막(310)의 형성된 기판(100) 표면의 맞은 편에 패시베이션층(320)이 형성된다. 패시베이션층(320)의 수소는 기판(100)과 패시베이션층(320) 사이의 계면에서의 댕글링 본드들(dangling bond)과 결합하여 캐리어의 재결합을 방지한다. 이와 같은 패시베이션층(320)의 형성은 PECVD 공정에 의하여 형성될 수 있다.
도 3d에 도시된 바와 같이, 기판(100)의 양면 각각에 접촉하도록 제1 전극(330) 및 제2 전극(340)이 형성된다. 예를 들어, 제2 도전성 불순물이 확산된 기판(100) 표면과 접촉하도록 제1 전극(330)이 형성되고, 패시베이션층(320)이 형성된 기판(100) 표면과 접촉하도록 제2 전극(340)이 형성된다. 제1 전극(330) 또는 제2 전극(340)의 형성은 스퍼터 (suppter) 공정, CVD (Chemical Vapor Deposition) 공정 또는 스크린 프린팅 공정 등에 의하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 반사방지막(310)이 형성된 후 제1 전극(330)이 형성되었으나, 제1 전극(330)이 제2 도전성 불순물이 확산된 기판(100) 표면과 접촉하도록 형성된 후 반사방지막(310)이 형성될 수도 있다. 예를 들어, 반사방지막(310)이 형성된 후 스크린 프린팅 공정에 의하여 반사방지막(310) 상에 제1 전극(330)이 형성되고 이후 소성 공정이 이루어지면 제1 전극(330)이 반사방지막(310)을 뚫고 기판(100)과 접촉할 수 있다.
이상에서와 같이 패시베이션층(320)의 형성 전에 상압 플라즈마 세정 공정 또는 엑시머 자외선 세정 공정 중 적어도 하나가 이루어질 수 있다. 이와 같은 세정 공정에 의하여 오염 물질이 제거됨으로써 패시베이션층(320)의 형성시 오염물질의 영향이 줄어들 수 있다.
또한 제1 전극(330) 또는 제2 전극(340) 중 적어도 하나의 형성 전에 상압 플라즈마 세정 공정 또는 엑시머 자외선 세정 공정 중 적어도 하나가 이루어질 수 있다. 이와 같은 세정 공정에 의하여 오염 물질이 제거됨으로써 전극 형성시 오염물질의 영향이 줄어들 수 있다.
한편, 웨이퍼와 같은 기판들(100)의 전기적 연결과 같이 태양전지의 형성 공정과 모듈 공정 사이에 시간 간격이 긴 경우 모듈 공정 전에 상압 플라즈마 세정이 이루어질 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 기판
110, 150 : 진성 비정질 실리콘층
120 : 제2 도전성 불순물로 도핑된 비정질 실리콘층
130 : 제1 전극
140 : 제2 전극
130a, 140a : 투명 전도성 산화물층
130b, 140b : 집전극
160 : 불순물로 도핑된 비정질 실리콘층
210 : 플라즈마 발생장치
230 : 산소 라디칼
240 : 전원 공급 장치
250 : 가스 공급 장치
260 : 이송장치
310 : 반사방지막
320 : 패시베이션층
330 : 제1 전극
340 : 제2 전극

Claims (7)

  1. 단결정 또는 다결정 기판이 준비되는 단계;
    습식 식각에 의하여 상기 기판의 표면에 요철이 형성되는 단계;
    상기 요철이 형성된 기판에 대하여 상압 플라즈마 세정이 이루어지는 단계; 및
    pn 접합을 형성하는 단계
    를 포함하는 태양전지용 기판의 세정방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상압 플라즈마 세정은 상기 기판의 이송 중에 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지용 기판의 세정방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상압 플라즈마 세정 공정 전이나 후에 엑시머 자외선 세정이 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지용 기판의 세정방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판이 제1 도전성 불순물로 도핑된 경우 상기 pn 접합을 형성하는 단계는,
    진성 비정질 실리콘층이 상에 상기 기판 상에 형성되는 단계와, 제2 도전성 불순물로 도핑된 비정질 실리콘층이 상기 진성 비정질 실리콘층 상에 형성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 기판의 세정방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 pn 접합을 형성하는 단계는 제1 도전성 불순물로 도핑된 상기 기판에 제2 도전성 불순물을 도핑하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지용 기판의 세정방법.
  6. 제5항에 있어서,
    반사방지막이 상기 기판 상에 형성되고, 상기 반사방지막의 형성된 기판 표면의 맞은 편에 패시베이션층이 형성되며,
    상기 패시베이션층의 형성 전에 상압 플라즈마 세정 공정 또는 엑시머 자외선 세정 공정 중 적어도 하나가 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지 기판의 세정 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 기판의 양면 각각에 접촉하도록 제1 전극 및 제2 전극이 형성되고, 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 중 적어도 하나의 형성 전에 상압 플라즈마 세정 공정 또는 엑시머 자외선 세정 공정 중 적어도 하나가 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지 기판의 세정방법.
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