KR20120004174A - 후면전극형 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

후면전극형 태양전지 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 후면전극형 태양전지의 제조방법 중 확산공정 전에 p-n 겹침영역을 미리 제거하여 태양전지의 광전변환효율을 극대화시킬 수 있는 후면전극형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 후면전극형 태양전지는 실리콘 기판과, 상기 실리콘 기판의 후면에 교대로 형성된 복수의 제1 불순물 확산 영역 및 제2 불순물 확산 영역과, 상기 제1 불순물 확산 영역과 제2 불순물 확산 영역 사이에 구비된 일정 깊이의 트렌치(trench)들, 및 상기 제1 불순물 확산 영역 및 제2 불순물 확산 영역에 연결되고 양극과 음극으로 구성되는 후면전극을 포함한다.

Description

후면전극형 태양전지 및 그 제조방법{Back contact type solar cell and method of fabricating the same}
본 발명은 후면전극형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 후면전극형 태양전지의 제조방법 중 확산공정 전에 p-n 겹침영역을 미리 제거하여 태양전지의 광전변환효율을 극대화시킬 수 있는 후면전극형 태양전지 및 그 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, 태양전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산할 수 있게 된다.
한편, 일반적인 태양전지의 구조를 살펴보면, 전면과 후면에 각각 전면전극과 후면전극이 구비되는 구조를 갖는데, 수광면인 전면에 전면전극이 구비됨에 따라, 전면전극의 면적만큼 수광면적이 줄어들게 된다. 이와 같이, 수광면적이 축소되는 문제를 해결하기 위해 후면전극형 태양전지가 제안되었다. 후면전극형 태양전지는 태양전지의 후면 상에 (+)전극과 (-)전극을 구비시켜 태양전지 전면의 수광면적을 극대화하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 미국등록특허 7,339,110호에 제시된 후면전극형 태양전지의 단면도이다. 도 1을 참고하면, 실리콘 기판의 후면부에 p형 불순물 이온이 주입된 영역인 p+영역과 n형 불순물 이온이 주입된 영역인 n+ 영역이 구비되고, p+ 영역과 n+ 영역 상에 서로 맞물린 형태(interdigitated)의 금속전극(50)(52)이 구비된 구조를 이룬다.
이 때, p+ 영역과 n+ 영역 형성의 최적화 조건 중 하나는 p+ 영역과 n+ 영역이 서로 겹치지 않아야 한다는 것이다. 겹침 영역에서는 홀과 전자의 재결합이 급격히 증가하기 때문에 이러한 겹침 영역이 넓거나 많을수록 후면전극형 태양전지의 효율은 크게 감소하게 된다.
본 발명은 고효율 태양전지로서의 후면전극형 태양전지에 있어서, 광전 변환 효율에 영향을 미치는 p형 불순물 확산 영역과 n형 불순물 확산 영역 간에 겹침 영역이 제거되어 효율이 높은 후면전극형 태양전지 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 후면전극형 태양전지는 실리콘 기판과, 상기 실리콘 기판의 후면에 교대로 형성된 복수의 제1 불순물 확산 영역 및 제2 불순물 확산 영역과, 상기 제1 불순물 확산 영역과 제2 불순물 확산 영역 사이에 구비된 일정 깊이의 트렌치(trench)들, 및 상기 제1 불순물 확산 영역 및 제2 불순물 확산 영역에 연결되고 양극과 음극으로 구성되는 후면전극을 포함한다.
상기 트렌치들의 깊이는 0.3 내지 10 마이크로미터(㎛)인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 트렌치들의 폭은 상기 제1 불순물 확산 영역 또는 제2 불순물 확산 영역의 폭보다 좁은 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제1 불순물 확산 영역 및 제2 불순물 확산 영역은 p형 반도체 불순물과 n형 반도체 불순물 중에서 각각 선택된 서로 다른 타입의 불순물로 이루어진 영역인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 후면전극형 태양전지의 제조방법은 제1 도전형의 결정질 실리콘 기판을 준비하는 단계와, 상기 실리콘 기판의 후면에 제1 불순물 및 제2 불순물이 확산될 영역을 제외한 나머지 영역에 일정 깊이의 트렌치들을 형성하는 단계와, 상기 제1 불순물 및 제2 불순물이 확산될 영역 상에 액상의 제1 불순물 및 제2 불순물 확산 페이스트를 도포하는 단계와, 열확산 공정을 실시하여 상기 제1 불순물 및 제2 불순물 확산 페이스트를 상기 실리콘 기판 내부로 확산시키는 단계, 및 상기 제1 불순물 및 제2 불순물이 확산된 영역에 연결된 후면전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 실리콘 기판의 후면에 제1 불순물 및 제2 불순물이 확산될 영역을 제외한 나머지 영역에 일정 깊이의 트렌치들을 형성하는 단계는 에칭(etching)법 또는 레이저 스크라이빙(laser scribing)법으로 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제1 불순물 및 제2 불순물 확산 페이스트를 도포하는 단계는 상기 실리콘 기판의 후면 상에 상기 제1 불순물이 도포될 부위의 기판을 노출시키는 제1 스크린 마스크를 안착시키고, 상기 제1 불순물 확산 페이스트를 상기 제1 스크린 마스크를 포함한 실리콘 기판 전면 상에 도포하는 단계와, 상기 제1 스크린 마스크를 제거하고, 상기 제2 불순물이 도포될 부위에 기판을 노출시키는 제2 스크린 마스크를 안착시키고, 상기 제2 불순물 확산 페이스트를 상기 제2 스크린 마스크를 포함한 실리콘 기판 전면 상에 도포하는 단계, 및 상기 제2 스크린 마스크를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제1 불순물 및 제2 불순물은 p형 반도체 불순물과 n형 반도체 불순물 중에서 각각 선택된 서로 다른 타입의 불순물인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 후면전극형 이종접합 태양전지 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
실리콘 기판 후면에 형성되는 p형 불순물 확산 영역과 n형 불순물 확산 영역 사이의 겹침 영역을 제거함으로써 전하 캐리어의 재결합을 방지하여 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 후면전극형 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4a 내지 4g는 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 이종접합 태양전지 및 그 제조방법을 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2를 살펴보면, 후면전극형 태양전지는 실리콘 기판(200), 복수의 제1 불순물 확산 영역(240) 및 제2 불순물 확산 영역(250), 트렌치들(210), 그리고 후면전극(260)을 포함한다. 상기 복수의 제1 불순물 확산 영역(240) 및 제2 불순물 확산 영역(250)은 상기 실리콘 기판(200)의 후면에 교대로 형성된다. 상기 트렌치들(210)은 상기 제1 불순물 확산 영역(240)과 제2 불순물 확산 영역(250) 사이에 일정 깊이로 구비된다. 상기 후면전극(260)은 상기 제1 불순물 확산 영역(240) 및 제2 불순물 확산 영역(250)에 연결되고 양극과 음극으로 구성된다.
여기서, 상기 제1 불순물 확산 영역(240)은 p형 반도체 불순물 영역일 수 있고, 상기 제2 불순물 확산 영역(250)은 n형 반도체 불순물 영역일 수 있다. 이 때, 상기 p형 반도체 불순물은 예를 들어, 보론(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등의 3족 원소이며, 상기 n형 반도체 불순물은 예를 들어, 인(P), 비소(As) 등의 5족 원소이다.
상기 각 반도체 불순물 영역(240, 250)은 상기 트렌치들(210)에 의해 서로 영역이 겹치지 않도록 분리되어 형성되므로 겹침에 의한 전자와 정공의 재결합의 가능성이 줄어들어 태양전지의 효율성이 극대화될 수 있다.
상기 트렌치들(210)의 깊이는 제1 불순물 확산 영역(240) 및 제2 불순물 확산 영역(250)의 깊이와 마찬가지로 수 마이크로미터(㎛) 단위로 형성될 수 있다. 특히, 본 발명에서 상기 트렌치들(210)의 깊이는 0.3 내지 10 마이크로미터(㎛)일 수 있다. 상기 트렌치들(210)의 폭은 상기 제1 불순물 확산 영역(240) 또는 제2 불순물 확산 영역(250)의 폭보다 좁을 수 있다.
상기 설명한 바와 달리, 상기 제1 불순물 확산 영역(240)이 n형 반도체 불순물 영역일 수 있고, 상기 제2 불순물 확산 영역(250)이 p형 반도체 불순물 영역일 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 4a 내지 4g는 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 후면전극형 태양전지의 제조방법은 제1 도전형의 결정질 실리콘 기판(200)을 준비하는 단계(S301)와, 텍스쳐링 공정(S302)과, 상기 실리콘 기판(200)의 후면에 제1 불순물(242) 및 제2 불순물(252)이 확산될 영역을 제외한 나머지 영역에 일정 깊이의 트렌치들을 형성하는 단계(S303)와, 상기 제1 불순물(242) 및 제2 불순물(252)이 확산될 영역에 액상의 제1 불순물(242) 및 제2 불순물(252) 확산 페이스트를 도포하는 단계(S304)와, 열확산 공정을 실시하여 상기 제1 불순물(242) 또는 제2 불순물(252) 확산 페이스트를 상기 실리콘 기판(200) 내부로 확산시키는 단계(S305), 및 상기 제1 불순물 및 제2 불순물이 확산된 영역(240, 250)에 연결된 후면전극(260)을 형성하는 단계(S306)를 포함할 수 있다.
도 3 및 도 4a를 참조하면, 제1 도전형 예를 들어, n형의 결정질 실리콘 기판(200)을 준비한다(S301). 그런 다음, 상기 실리콘 기판(200)의 표면에 요철이 형성되도록 하는 텍스쳐링(texturing) 공정을 진행한다(S302). 상기 텍스쳐링 공정은 광흡수를 극대화하기 위한 것이며, 습식 식각 또는 반응성 이온 식각(reactive ion etching) 등의 건식 식각 방법을 이용하여 진행할 수 있다. 그런 다음, 실리콘 기판(200)의 후면에 제1 불순물(242) 또는 제2 불순물(252)이 확산될 영역을 제외한 나머지 영역에 일정 깊이의 트렌치들(210)을 형성한다(S303). 상기 트렌치(210)의 형성은 에칭(etching)법 또는 레이저 스크라이빙(laser scribing)법으로 수행될 수 있다. 상기 에칭법은 예를 들어, 습식 식각, 건식 식각, 전기 식각, 기계적 식각 중 하나의 방법을 사용할 수 있다. 상기 레이저 스크라이빙법은 실리콘 기판(200)을 레이저를 이용하여 표면을 긁어내 홈을 만드는 방법이다.
이어, 도 4c 내지 4e에 도시된 바와 같이, 상기 제1 불순물(242) 및 제2 불순물(252)이 확산될 영역에 액상의 제1 불순물(242) 및 제2 불순물(252)을 도포한다(S304). 도 4c를 살펴보면, 제1 불순물(242)이 도포될 부위의 기판(200)을 노출시키는 제1 스크린 마스크(220)를 상기 실리콘 기판(200)의 후면 상에 안착시킨다. 그리고, 상기 제1 불순물(242) 확산 페이스트를 상기 제1 스크린 마스크(220)를 포함한 상기 실리콘 기판(200)의 전면 상에 도포한다. 이 때, 제1 불순물(242)은 p형 불순물일 수 있고, 액상의 p형 불순물 확산 페이스트를 롤러 등을 이용하여 도포할 수 있다.
도 4d를 살펴보면, 상기 제1 스크린 마스크(220)를 제거한 후, 상기 제2 불순물(252)이 도포될 부위에 기판(200)을 노출시키는 제2 스크린 마스크(230)를 안착시킨다. 그리고, 상기 제2 불순물(252) 확산 페이스트를 상기 제2 스크린 마스크(230)를 포함한 상기 실리콘 기판(200)의 전면 상에 도포한다. 이 때, 제2 불순물(252)은 n형 불순물일 수 있고, 액상의 n형 불순물 확산 페이스트를 롤러 등을 이용하여 도포할 수 있다. 이어, 상기 제2 스크린 마스크(230)를 제거한다. 이렇게 하여, 도 4e에 나타난 바와 같이, 상기 실리콘 기판(200)의 후면에 일정 간격으로 교번하는 제1 불순물(242) 및 제2 불순물(252) 확산 페이스트가 도포된다.
도 4f를 살펴보면, 상기 제1 불순물(242) 및 제2 불순물(252)이 도포된 실리콘 기판(200)에 열확산 공정을 실시하여 상기 불순물들(242, 252)을 상기 실리콘 기판(200) 내부로 확산시킨다(S305). 따라서, 상기 제1 불순물 확산 영역(240)과 상기 제2 불순물 확산 영역(250)이 형성되며, 상기 불순물 확산 영역들(240, 250)은 서로 불순물들(242, 252)이 겹쳐지는 영역이 없이 상기 트렌치들(210)을 사이에 두고 이격되어 형성되게 된다.
그 후, 도 4g에 도시된 바와 같이, 상기 형성된 제1 불순물 확산 영역(240)과 제2 불순물 확산 영역(250)에 연결되도록 후면전극(260)을 형성한다(S306). 상기 후면전극(260)은 은(Ag), 알루미늄(Al) 등과 같은 물질을 상기 불순물 확산 영역들(240, 250)에 오버래핑하여 프린팅함으로써 형성할 수 있다. 따라서, 실리콘 기판(200) 후면의 동일면에서 각각 양극과 음극의 전극 단자를 뽑아내어 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 후면전극형 태양전지는 확산공정 전에 불순물들(242, 252)이 확산될 영역을 제외한 나머지 영역에 트렌치들(210)을 미리 형성함으로써 확산 영역들(240, 250) 간의 겹침 영역 형성을 방지하여 고효율 후면전극형 태양전지를 제공할 수 있다.
이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
200 : 결정질 실리콘 기판 210 : 트렌치
220 : 제1 스크린 마스크 230 : 제2 스크린 마스크
240 : 제1 불순물 확산 영역 242 : 제1 불순물(확산 페이스트)
250 : 제2 불순물 확산 영역 252 : 제2 불순물(확산 페이스트)
260 : 후면전극

Claims (8)

  1. 실리콘 기판;
    상기 실리콘 기판의 후면에 교대로 형성된 복수의 제1 불순물 확산 영역 및 제2 불순물 확산 영역;
    상기 제1 불순물 확산 영역과 제2 불순물 확산 영역 사이에 구비된 일정 깊이의 트렌치들; 및
    상기 제1 불순물 확산 영역 및 제2 불순물 확산 영역에 연결되고 양극과 음극으로 구성되는 후면전극을 포함하는 후면전극형 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 트렌치들의 깊이는 0.3 내지 10 마이크로미터(㎛)인 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 트렌치들의 폭은 상기 제1 불순물 확산 영역 또는 제2 불순물 확산 영역의 폭보다 좁은 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 불순물 확산 영역 및 제2 불순물 확산 영역은 p형 반도체 불순물과 n형 반도체 불순물 중에서 각각 선택된 서로 다른 타입의 불순물로 이루어진 영역인 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지.
  5. 제1 도전형의 결정질 실리콘 기판을 준비하는 단계;
    상기 실리콘 기판의 후면에 제1 불순물 및 제2 불순물이 확산될 영역을 제외한 나머지 영역에 일정 깊이의 트렌치들을 형성하는 단계;
    상기 제1 불순물 및 제2 불순물이 확산될 영역 상에 액상의 제1 불순물 및 제2 불순물 확산 페이스트를 도포하는 단계;
    열확산 공정을 실시하여 상기 제1 불순물 및 제2 불순물 확산 페이스트를 상기 실리콘 기판 내부로 확산시키는 단계; 및
    상기 제1 불순물 및 제2 불순물이 확산된 영역에 연결된 후면전극을 형성하는 단계를 포함하는 후면전극형 태양전지의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 실리콘 기판의 후면에 제1 불순물 및 제2 불순물이 확산될 영역을 제외한 나머지 영역에 일정 깊이의 트렌치들을 형성하는 단계는
    에칭(etching)법 또는 레이저 스크라이빙(laser scribing)법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 불순물 및 제2 불순물 확산 페이스트를 도포하는 단계는
    상기 실리콘 기판의 후면 상에 상기 제1 불순물이 도포될 부위의 기판을 노출시키는 제1 스크린 마스크를 안착시키고, 제1 불순물 확산 페이스트를 상기 제1 스크린 마스크를 포함한 실리콘 기판 전면 상에 도포하는 단계;
    상기 제1 스크린 마스크를 제거하고, 상기 제2 불순물이 도포될 부위에 기판을 노출시키는 제2 스크린 마스크를 안착시키고, 상기 제2 불순물 확산 페이스트를 상기 제2 스크린 마스크를 포함한 실리콘 기판 전면 상에 도포하는 단계; 및
    상기 제2 스크린 마스크를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지의 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제1 불순물 및 제2 불순물은 p형 반도체 불순물과 n형 반도체 불순물 중에서 각각 선택된 서로 다른 타입의 불순물인 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지.
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