KR20120019006A - 도핑 페이스트, 태양 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

인(P) 함유 규소 화합물을 포함하는 무기 입자 및 유기 비히클을 포함하고, 상기 무기 입자는 표면에서 인(P)이 선택적으로 제거되어 있는 도핑 페이스트, 상기 도핑 페이스트를 사용하여 형성된 에미터 층을 포함하는 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

Description

도핑 페이스트, 태양 전지 및 그 제조 방법{DOPING PASTE AND SOLAR CELL AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
도핑 페이스트, 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
태양 전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환 소자로서, 무한정 무공해의 차세대 에너지 자원으로 각광받고 있다.
태양 전지는 p형 반도체 및 n형 반도체를 포함하며, 광활성층에서 태양 광 에너지를 흡수하면 반도체 내부에서 전자-정공 쌍(electron-hole pair, EHP)이 생성되고, 여기서 생성된 전자 및 정공이 n형 반도체 및 p형 반도체로 각각 이동하고 이들이 전극에 수집됨으로써 외부에서 전기 에너지로 이용할 수 있다.
상기 p형 반도체 및 n형 반도체는 다양한 방법으로 형성될 수 있으며, 일반적으로 p형 도펀트 및 n형 도펀트를 사용한 증착 방법으로 형성될 수 있다.
태양 전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환 소자로서, 무한정 무공해의 차세대 에너지 자원으로 각광받고 있다.
태양 전지는 p형 반도체 및 n형 반도체를 포함하며, 광활성층에서 태양 광 에너지를 흡수하면 반도체 내부에서 전자-정공 쌍(electron-hole pair, EHP)이 생성되고, 여기서 생성된 전자 및 정공이 n형 반도체 및 p형 반도체로 각각 이동하고 이들이 전극에 수집됨으로써 외부에서 전기 에너지로 이용할 수 있다.
상기 p형 반도체 및 n형 반도체는 다양한 방법으로 형성될 수 있으며, 일반적으로 p형 도펀트 및 n형 도펀트를 사용한 증착 방법으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 인(P) 함유 규소 화합물을 포함하는 무기 입자 및 유기 비히클을 포함하고, 상기 무기 입자는 표면에서 인(P)이 선택적으로 제거되어 있는 도핑 페이스트를 제공한다.
상기 인(P) 함유 규소 화합물은 포스포실리케이트 결정(phosphosilicate crystals), 피로포스페이트(pyrophosphate), 포스포실리케이트 유리(phosphosilicate glass) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 인(P) 함유 규소 화합물은 하기 화학식 1로 표현되는 포스포실리케이트 유리를 포함할 수 있다.
[화학식 1]
xSiO2-yP2O5-zMO1
상기 화학식 1에서, x>0, y>0 및 z≥0 이고, M은 적어도 하나 이상의 금속이다.
상기 무기 입자는 중심부에 위치하는 인(P) 리치 영역, 그리고 표면에 위치하며 상기 인(P) 리치 영역보다 상대적으로 인(P)의 비율이 낮은 규소(Si) 리치 영역을 포함할 수 있다.
상기 무기 입자는 약 0.5 내지 50㎛의 입도를 가질 수 있다.
상기 무기 입자 및 상기 유기 비히클은 상기 도핑 페이스트의 총 함량에 대하여 각각 약 1 내지 80중량% 및 약 20 내지 99중량%로 포함될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 인(P) 함유 규소 화합물을 포함하며 표면에서 인(P)이 선택적으로 제거되어 있는 무기 입자를 준비하는 단계, 반도체 기판의 일면에 상기 무기 입자 및 유기 비히클을 포함하는 도핑 페이스트를 적용하는 단계, 그리고 상기 도핑 페이스트가 적용된 반도체 기판을 열처리하는 단계를 포함하는 태양 전지의 제조 방법을 제공한다.
상기 무기 입자를 준비하는 단계는 인(P) 함유 규소 화합물을 물 또는 증기와 반응시키는 단계, 그리고 상기 인(P) 함유 규소 화합물을 물 또는 유기 용매에서 세정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 반도체 기판의 일면에 도핑 페이스트를 적용하는 단계는 상기 반도체 기판의 전면 또는 일부에 상기 도핑 페이스트를 스크린 인쇄 방법으로 적용할 수 있다.
상기 도핑 페이스트가 적용된 반도체 기판을 열처리하는 단계는 제1 열처리하여 상기 유기 비히클을 제거하는 단계, 그리고 상기 제1 열처리보다 높은 온도에서 제2 열처리하여 도핑하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 열처리는 약 100 내지 600℃에서 수행할 수 있다.
상기 제2 열처리는 약 700 내지 1100℃에서 수행할 수 있다.
상기 제조 방법은 상기 반도체 기판을 열처리하는 단계 후에 상기 반도체 기판의 일면에 상기 도핑 페이스트와 다른 p형 도핑 페이스트를 적용하는 단계, 그리고 상기 p형 도핑 페이스트가 적용된 반도체 기판을 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 도핑 페이스트와 상기 p형 도핑 페이스트는 상기 반도체 기판의 동일한 면에 형성될 수 있고, 상기 도핑 페이스트와 상기 p형 도핑 페이스트는 서로 교대로 배치되도록 적용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 반도체 기판, 상기 반도체 기판의 일면에 형성되어 있는 에미터 층, 그리고 상기 에미터 층과 전기적으로 연결되어 있는 전극을 포함하고, 상기 에미터 층은 인(P) 함유 규소 화합물을 포함하며 표면에서 인(P)이 선택적으로 제거되어 있는 무기 입자를 포함하는 도핑 페이스트를 사용하여 형성되는 태양 전지를 제공한다.
상기 인(P) 함유 규소 화합물은 상기 화학식 1로 표현되는 포스포실리케이트 유리를 포함할 수 있다.
상기 무기 입자는 중심부에 위치하는 인(P) 리치 영역, 그리고 표면에 위치하며 상기 인(P) 리치 영역보다 상대적으로 인의 비율이 낮은 규소 리치 영역을 포함할 수 있다.
상기 에미터 층은 상기 반도체 기판의 일면에 전면 또는 일부에 형성되어 있을 수 있다.
상기 도핑 페이스트는 도전성 물질을 더 포함할 수 있고, 상기 도핑 페이스트를 사용하여 상기 에미터 층과 상기 전극이 일체화되어 형성될 수 있다.
도핑 페이스트에 포함되어 있는 무기 입자의 표면에서 인(P)을 선택적으로 제거하여 탄소 유입을 줄임으로써, 상기 도핑 페이스트를 에미터 층으로 적용시 전자와 정공의 재결합을 방지하여 효율을 개선할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 도핑 페이스트에 포함되어 있는 무기 입자를 도시한 개략도이고,
도 2는 포스포실리케이트 유리 입자의 표면에 존재하는 인(P)의 함량에 따른 흡착된 탄소(C)의 함량을 보여주는 이차 이온 질량 분석기(secondary ion mass spectrometry, SIMS)를 사용한 그래프이고,
도 3은 무기 입자의 표면에서 인(P)을 선택적으로 제거하는 방법을 도시한 개략도이고,
도 4는 일 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이고,
도 5는 다른 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이고,
도 6은 또 다른 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
먼저 일 구현예에 따른 도핑 페이스트에 대하여 설명한다.
일 구현예에 따른 도핑 페이스트는 인(P) 함유 규소 화합물을 포함하는 무기 입자 및 유기 비히클을 포함한다.
인(P) 함유 규소 화합물은 예컨대 포스포실리케이트 결정(phosphosilicate crystals), 피로포스페이트(pyrophosphate), 포스포실리케이트 유리(phosphosilicate glass) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
그 중에서도 인(P) 함유 규소 화합물은 예컨대 하기 화학식 1로 표현되는 포스포실리케이트 유리일 수 있다.
[화학식 1]
xSiO2-yP2O5-zMO1
상기 화학식 1에서, x>0, y>0 및 z≥0 이고, M은 적어도 하나 이상의 금속이다. 여기서 x, y 및 z는 각각 SiO2, P2O5 및 MO1의 몰%이다.
상기 무기 입자는 표면에서 인(P)이 선택적으로 제거되어 있다.
이에 대하여 도 1을 참고하여 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 도핑 페이스트에 포함되어 있는 무기 입자를 도시한 개략도이다.
도 1을 참고하면, 무기 입자(10)는 인(P)(10a), 규소(Si)(10b) 및 산소(O)(도시하지 않음)가 결합하고 있는 인(P) 함유 규소 화합물을 포함한다.
무기 입자(10)는 중심부에 위치하는 인 리치 영역(12) 및 표면에 위치하는 규소 리치 영역(11)을 포함한다. 즉, 상술한 바와 같이 무기 입자(10)는 표면에서 인(10a)이 선택적으로 제거되어 있으며, 이에 따라서 규소 리치 영역(11)은 인 리치 영역(12)보다 상대적으로 인의 비율이 낮고 인 대비 규소의 함량은 높다.
이와 같이 무기 입자(10)의 표면에서 인(P)을 제거함으로써 무기 입자 준비 과정 중 또는 도핑 페이스트 제조 과정에서 무기 입자(10)의 표면에 존재하는 인(P)이 유기물 중의 탄소(C)와 반응하는 것을 줄일 수 있다.
이에 대하여 도 2를 참고하여 설명한다.
도 2는 포스포실리케이트 유리 입자의 표면에 존재하는 인(P)의 함량에 따른 유입된 탄소(C)의 함량을 보여주는 이차 이온 질량 분석기(secondary ion mass spectrometry, SIMS)를 사용한 그래프이다.
도 2를 참고하면, 포스포실리케이트 유리 입자 표면에 인(P)의 함량이 100at%인 경우(B)에 인(P)의 함량이 15at%인 경우(A)에 비하여 표면에서 흡착된 탄소(C)의 함량 또한 높아지는 것을 알 수 있다. 이로부터 입자의 표면에 존재하는 인(P)의 함량이 높아질수록 유입되는 탄소(C)의 양도 많아지는 것을 알 수 있다.
이와 같이 무기 입자가 유입된 탄소를 다량 포함하는 경우, 무기 입자를 포함하는 도핑 페이스트를 태양 전지에 적용할 때, 탄소가 반도체 층으로 유입되어 전자와 정공의 재결합을 촉진하는 재결합 중심(recombination center)으로 작용하기 때문에 태양 전지의 효율을 저하시킬 수 있다.
본 구현예에서는 도핑 페이스트에 포함되는 인 함유 규소 화합물의 입자 표면에 위치하는 인(P)을 제거함으로써, 무기 입자 준비 과정 중 또는 도핑 페이스트 제조 과정에서 유기물 중의 탄소가 무기 입자의 표면에서 결합하는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라 도핑 페이스트를 사용하여 태양 전지의 에미터층을 형성시 탄소가 반도체 기판 내에 유입되는 것을 방지함으로써 전자와 정공의 재결합을 줄여 태양 전지의 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
이와 같이 무기 입자의 표면에서 인(P)을 선택적으로 제거하는 것은 다양한 방법으로 수행될 수 있다.
하나의 예로서 도 3을 참고하여 설명한다.
도 3은 무기 입자의 표면에서 인(P)을 선택적으로 제거하는 방법을 도시한 개략도이다.
먼저, 포스포실리케이트 유리와 같은 인(P) 함유 규소 화합물을 준비한다(a). 인(P) 함유 규소 화합물은 전체적으로 균일하게 인(P)(10a) 및 규소(도시하지 않음)가 분포한다.
이어서 인(P) 함유 규소 화합물을 포함하는 무기 입자를 고압 또는 상압 분위기에서 물 또는 증기와 반응시킨다. 이어서 무기 입자를 물 또는 유기 용매에서 세정한다.
이에 따라 무기 입자의 표면으로부터 인(P)이 용출되어, 도 3의 (b)와 같이 중심부에 위치하는 인(P) 리치 영역(12)과 표면에 위치하며 상기 인(P) 리치 영역보다 상대적으로 인의 비율이 낮은 규소 리치 영역(11)이 형성될 수 있다.
예시적으로, 다음과 같은 방법으로 무기 입자를 준비한 후, 인(P)이 용출되는 것을 확인하였다.
오토클레이브(autoclave)에 3차 증류수 200ml를 넣고 여기에 포스포실리케이트 분말 1g을 첨가하였다. 이어서 시간에 따라 인(P) 이온과 규소 이온의 용출량을 측정한 결과, 하기 표 1과 같은 결과를 얻었다.
반응시간 인(P) 이온 (ppm) 규소(Si) 이온 (ppm)
10분 61.65 6.96
30분 121.22 14.54
1시간 161.33 19.54
2.5시간 281.37 13.92
3시간 302.43 12.24
4시간 364.78 6.97
표 1을 참고하면, 인(P) 함유 규소 화합물을 포함한 무기 입자를 물과 반응시키는 경우, 시간이 지남에 따라 규소(Si) 이온의 용출 농도는 미량인데 반하여 인(P)의 용출 농도는 높음을 알 수 있다. 이로부터 상기와 같은 방법으로 무기 입자의 표면으로부터 인(P)을 다량 용출시켜 제거할 수 있음을 알 수 있다.
상기 무기 입자는 약 0.5 내지 50㎛의 입도를 가질 수 있다.
상기 유기 비히클은 상기 무기 입자와 혼합되어 적절한 점도를 부여할 수 있는 유기 화합물과 이들을 용해하는 용매를 포함한다.
유기 화합물은 예컨대 (메타)아크릴레이트계 수지; 에틸 셀룰로오스와 같은 셀룰로오스 수지; 페놀 수지; 알코올 수지; 테플론; 및 이들의 조합에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 계면활성제, 증점제 및 안정화제와 같은 첨가제를 더 포함할 수 있다.
용매는 이들을 혼합할 수 있는 형태이면 특히 한정되지 않으며, 예컨대 터피네올, 부틸카비톨, 부틸카비톨 아세테이트, 펜테인디올, 다이펜틴, 리모닌, 에틸렌글리콜 알킬에테르, 디에틸렌글리콜 알킬에테르, 에틸렌글리콜 알킬에테르 아세테이트 디에틸렌글리콜 알킬에테르 아세테이트, 디에틸렌글리콜 디알킬에테르 아세테이트, 트리에틸렌글리콜 알킬에테르 아세테이트, 트리에틸렌 글리콜 알킬에테르, 프로필렌글리콜 알킬에테르, 프로필렌글리콜 페닐에테르, 디프로필렌글리콜 알킬에테르, 트리프로필렌글리콜 알킬에테르, 프로필렌글리콜 알킬에테르 아세테이트, 디프로필렌글리콜 알킬에테르 아세테이트, 트리프로필렌글리콜 알킬 에테르 아세테이트, 디메틸프탈산, 디에틸프탈산, 디부틸프탈산 및 탈염수에서 선택된 적어도 하나 이상일 수 있다.
상기 무기 입자 및 상기 유기 비히클은 상기 도핑 페이스트의 총 함량에 대하여 각각 약 1 내지 80 중량% 및 약 20 내지 99 중량%로 포함될 수 있다.
상기 도핑 페이스트는 n형 도펀트인 인(P)을 포함하므로, 태양 전지의 n+ 에미터 층(emitter layer)으로 적용될 수 있다.
이하 도 4를 참고하여 상술한 도핑 페이스트를 사용한 태양 전지에 대하여 설명한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이하에서는 설명의 편의상 반도체 기판(110)을 중심으로 상하의 위치 관계를 설명하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 반도체 기판(110) 중 태양 에너지를 받는 면을 전면(front side)이라 하고 전면의 반대면을 후면(rear side)이라 한다.
도 4는 일 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다.
일 구현예에 따른 태양 전지는 반도체 기판(110), 에미터 층(115), 전면 전극(120), 유전막(130) 및 후면 전극(140)을 포함한다.
반도체 기판(110)은 예컨대 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)일 수 있으며, 예컨대 p형 불순물로 도핑되어 있을 수 있다. 여기서 p형 불순물은 붕소(B)와 같은 III족 화합물일 수 있다.
반도체 기판(110)의 표면은 표면 조직화(surface texturing) 되어 있을 수 있다. 표면 조직화된 반도체 기판(110)은 예컨대 피라미드 모양과 같은 요철 또는 벌집(honeycomb) 모양과 같은 다공성 구조일 수 있다. 표면 조직화된 반도체 기판(110)은 빛을 받는 표면적을 넓혀 빛의 흡수율을 높이고 반사도를 줄여 태양 전지의 효율을 개선할 수 있다.
에미터 층(115)은 전술한 도핑 페이스트를 사용하여 형성된 n층일 수 있다. 전술한 바와 같이, 도핑 페이스트는 표면에서 인(P)이 선택적으로 제거된 인(P) 함유 규소 화합물을 포함하는 무기 입자와 유기 비히클을 포함할 수 있으며, 표면 조직화된 반도체 기판(110)의 표면에 상기 도핑 페이스트를 스크린 인쇄 방법으로 적용할 수 있다.
에미터 층(115) 위에는 복수의 전면 전극(120)이 형성되어 있다. 전면 전극(120)은 기판의 일 방향을 따라 나란히 뻗어 있으며, 빛 흡수 손실(shadowing loss) 및 면저항을 고려하여 그리드 패턴(grid pattern)으로 설계될 수 있다.
전면 전극(120)은 도전성 물질로 만들어질 수 있으며, 예컨대 은(Ag) 등의 저저항 도전성 물질로 만들어질 수 있다. 전면 전극(120)은 도전성 물질을 포함한 도전성 페이스트를 사용하여 형성될 수 있다.
전면 전극(120) 위에는 전면 버스 바(bus bar) 전극(도시하지 않음)이 형성되어 있다. 버스 바 전극은 복수의 태양 전지 셀을 조립할 때 이웃하는 태양 전지 셀을 연결하기 위한 것이다.
반도체 기판(110)의 하부에는 유전막(130)이 형성되어 있다. 유전막(130)은 전하의 재결합을 방지하는 동시에 전류가 새는 것을 방지하여 태양 전지의 효율을 높일 수 있다. 유전막(130)은 복수의 관통부(135)를 가지며, 관통부(135)를 통하여 반도체 기판(110)과 후술하는 후면 전극(140)이 접촉할 수 있다.
유전막(130)은 예컨대 산화규소(SiO2), 질화규소(SiNx), 산화알루미늄(Al2O3) 또는 이들의 조합으로 만들어질 수 있으며, 약 100 내지 2000Å의 두께를 가질 수 있다.
유전막(130) 하부에는 후면 전극(140)이 형성되어 있다. 후면 전극(140)은 도전성 물질로 만들어질 수 있으며, 예컨대 알루미늄(Al) 과 같은 불투명 금속으로 만들어질 수 있다. 후면 전극(140)은 전면 전극(120)과 마찬가지로 도전성 페이스트를 사용한 스크린 인쇄 방법으로 형성될 수 있다.
이하 상기 태양 전지의 제조 방법에 대하여 도 4를 참고하여 설명한다.
먼저 에미터 층을 형성하기 위한 도핑 페이스트를 준비한다.
도핑 페이스트는 전술한 바와 같이, 인(P) 함유 규소 화합물을 포함하며 표면에서 인(P)이 선택적으로 제거되어 있는 무기 입자와 유기 비히클을 포함한다.
이 때 표면에서 인(P)이 선택적으로 제거되어 있는 무기 입자를 제거하는 단계는 인(P) 함유 규소 화합물을 물 또는 증기와 반응시킨 후, 상기 인(P) 함유 규소 화합물을 물 또는 유기 용매에서 세정함으로써 수행할 수 있다.
다음, 실리콘 웨이퍼와 같은 반도체 기판(110)을 준비한다. 이 때 반도체 기판(110)은 P형 불순물이 도핑되어 있을 수 있다.
이어서, 반도체 기판(110)을 표면 조직화한다. 표면 조직화는 예컨대 질산 및 불산과 같은 강산 또는 수산화나트륨과 같은 강염기 용액을 사용하는 습식 방법으로 수행하거나 플라스마를 사용한 건식 방법으로 수행할 수 있다.
다음 반도체 기판(110)의 전면에 상기 도핑 페이스트를 적용한다. 도핑 페이스트는 예컨대 스크린 인쇄 방법으로 적용할 수 있다.
이어서 도핑 페이스트가 적용된 반도체 기판(110)을 열처리한다. 이 때 열처리는 두 단계로 나누어 수행할 수 있다. 먼저 비교적 저온에서 제1 열처리하여 도핑 페이스트 내에 포함되어 있는 유기 비히클을 제거하는 단계를 수행한 후, 상기 제1 열처리보다 높은 온도에서 제2 열처리하여 도핑을 수행할 수 있다. 이 때 제1 열처리는 예컨대 약 100 내지 600℃에서 수행할 수 있으며 제2 열처리는 약 700 내지 1100℃에서 수행할 수 있다. 이에 따라 반도체 기판(110)의 전면에 에미터 층(115)을 형성할 수 있다.
다음 에미터 층(115) 위에 전면 전극 형성용 도전성 페이스트를 도포한다. 전면 전극 형성용 도전성 페이스트는 예컨대 스크린 인쇄 방법으로 형성할 수 있다.
이어서 전면 전극 형성용 도전성 페이스트를 건조한다.
다음 반도체 기판(110)의 후면에 예컨대 알루미늄 산화물(Al2O3) 또는 산화규소(SiO2)를 플라스마 화학 기상 증착 방법으로 적층하여 유전막(130)을 형성한다.
이어서 유전막(130)의 일부에 레이저를 조사하여 복수의 관통부(135)를 형성한다.
다음 유전막(130) 일면에 후면 전극용 도전성 페이스트를 스크린 인쇄 방법으로 도포하고 건조한다.
이어서 후면 전극용 도전성 페이스트를 건조한다.
이어서 전면 전극용 도전성 페이스트 및 후면 전극용 도전성 페이스트를 공 소성(co-firing)한다. 그러나 이에 한정되지 않고, 전면 전극용 도전성 페이스트와 후면 전극용 도전성 페이스트를 각각 소성할 수 있다.
소성은 소성 로에서 도전성 금속의 용융 온도보다 높은 온도까지 승온할 수 있으며, 예컨대 약 400 내지 1000℃에서 수행할 수 있다.
이하 다른 구현예에 따른 태양 전지에 대하여 도 5를 참고하여 설명한다.
도 5는 다른 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다.
본 구현예에 따른 태양 전지는 p형 또는 n형 불순물로 도핑된 반도체 기판(110)을 포함한다.
반도체 기판(110)의 후면에는 서로 다른 불순물로 도핑된 복수의 제1 도핑 영역(111a) 및 제2 도핑 영역(111b)이 형성되어 있다. 제1 도핑 영역(111a)은 예컨대 n형 불순물로 도핑될 수 있고 제2 도핑 영역(111b)은 예컨대 p형 불순물로 도핑될 수 있다. 제1 도핑 영역(111a)과 제2 도핑 영역(111b)은 반도체 기판(110)의 후면에 교대로 배치될 수 있다.
제1 도핑 영역(111a)은 전술한 인(P) 함유 규소 화합물을 포함하는 도핑 페이스트를 사용하여 형성할 수 있으며, 전술한 구현예의 에미터 층에 대응될 수 있다.
제2 도핑 영역(111b)은 p형 도핑 페이스트를 사용하여 형성할 수 있다.
반도체 기판(110)의 전면은 표면 조직화 되어 있을 수 있으며, 표면 조직화에 의해 빛의 흡수율을 높이고 반사도를 줄여 태양 전지의 효율을 개선할 수 있다. 반도체 기판(110) 위에는 절연막(112)이 형성되어 있다. 절연막(112)은 빛을 적게 흡수하고 절연성이 있는 물질로 만들어질 수 있으며, 예컨대 질화규소(SiNx), 산화규소(SiO2), 산화티타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화마그네슘(MgO), 산화세륨(CeO2) 및 이들의 조합일 수 있으며, 단일 층 또는 복수 층으로 형성될 수 있다. 절연막(112)은 예컨대 약 200 내지 1500Å의 두께를 가질 수 있다.
절연막(112)은 태양 전지 표면에서 빛의 반사율을 줄이고 특정한 파장 영역의 선택성을 증가시키는 반사 방지막(anti reflective coating) 역할을 하는 동시에 반도체 기판(110)의 표면에 존재하는 실리콘과의 접촉 특성을 개선하여 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.
반도체 기판(110)의 후면에는 복수의 관통부를 가진 유전막(150)이 형성되어 있다.
반도체 기판(110)의 후면에는 제1 도핑 영역(111b)에 연결되어 있는 전면 전극(120)과 제2 도핑 영역(111a)에 연결되어 있는 후면 전극(140)이 각각 형성되어 있다. 전면 전극(120)은 관통부를 통하여 제1 도핑 영역(111b)과 접촉할 수 있으며, 후면 전극(140)은 관통부를 통하여 제2 도핑 영역(111a)과 접촉할 수 있다. 전면 전극(120)과 후면 전극(140)은 교대로 배치될 수 있다.
전면 전극(120)과 후면 전극(140)은 도전성 물질을 포함한 도전성 페이스트를 사용하여 형성할 수 있다.
본 구현예에 따른 태양 전지는 전술한 구현예와 달리, 전면 전극(120) 및 후면 전극(140)이 모두 태양 전지의 후면에 위치함으로써 전면에서 금속이 차지하는 면적을 줄여 빛 흡수 손실을 줄일 수 있고 이에 따라 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.
이하 본 구현예에 따른 태양 전지의 제조 방법에 대하여 도 5를 참고하여 설명한다.
먼저, n형 또는 p형 불순물로 도핑되어 있는 반도체 기판(110)을 준비한다. 이어서 반도체 기판(110)을 표면 조직화한 후, 반도체 기판(110)의 전면 및 후면에 절연막(112, 150)을 형성한다. 절연막(112, 150)은 예컨대 화학 기상 증착으로 형성할 수 있다.
이어서 반도체 기판(110)의 후면에 부분적으로 상술한 인(P) 함유 규소 화합물을 포함한 무기 입자 및 유기 비히클을 포함한 도핑 페이스트를 적용한다. 이어서 열처리하여 상기 도핑 페이스트 내의 유기 비히클을 제거하고 n형 불순물을 도핑하여 제1 도핑 영역(111b)을 형성한다. 전술한 구현예와 같이 두 단계의 열처리를 수행할 수 있다.
이어서 반도체 기판(110)의 후면에 부분적으로 p형 도핑 페이스트를 적용한다. p형 도핑 페이스트는 이웃하는 제1 도핑 영역(111b)들 사이에 형성될 수 있다. 이어서 열처리하여 상기 p형 도핑 페이스트 내의 유기 비히클을 제거하고 p형 불순물을 도핑하여 제2 도핑 영역(111a)을 형성한다.
이어서 유전막(150)의 일면에 제1 도핑 영역(111b)에 대응하는 영역에 전면 전극용 도전성 페이스트를 도포하고 제2 도핑 영역(111a)에 대응하는 영역에 후면 전극용 도전성 페이스트를 도포한다. 전면 전극용 도전성 페이스트 및 후면 전극용 도전성 페이스트는 각각 스크린 인쇄 방법으로 형성할 수 있다.
이어서 전면 전극용 도전성 페이스트 및 후면 전극용 도전성 페이스트를 함께 또는 각각 소성할 수 있으며, 소성은 소성 로에서 도전성 금속의 용융 온도보다 높은 온도까지 승온할 수 있다.
이하 도 6을 참고하여 또 다른 구현예에 대하여 설명한다.
도 6은 또 다른 구현예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다.
본 구현예에 따른 태양 전지는 전술한 구현예와 마찬가지로, p형 또는 n형 불순물로 도핑된 반도체 기판(110), 반도체 기판(110)의 전면에 형성되어 있는 절연막(112) 및 반도체 기판(110)의 후면에 형성되어 있는 유전막(150)을 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 태양 전지는 전술한 구현예와 달리, 반도체 기판(110)의 후면에 n형 불순물을 포함하는 제1 도핑 영역과 도전성 물질을 포함하는 전극이 일체화되어 있는 n형 도핑 영역 포함 전극(125) 및 p형 불순물을 포함하는 제2 도핑 영역과 도전성 물질을 포함하는 전극이 일체화되어 있는 p형 도핑 영역 포함 전극(145)이 형성되어 있다.
즉, 도핑 영역 형성용 도핑 페이스트와 전극 형성용 도전성 페이스트를 하나의 도전성 페이스트로 사용하여 도핑 영역 및 전극을 일체화한다. 구체적으로, 반도체 기판(110)의 후면에 부분적으로 상기 인(P) 함유 규소 화합물을 포함하는 무기 물질, 전극 형성용 도전성 물질 및 유기 비히클을 포함하는 도전성 페이스트를 적용하여 n형 도핑 영역 포함 전극(125)을 형성하고, 반도체 기판(110)의 후면에 n형 도핑 영역 포함 전극(125)이 형성되지 않은 부분에 p형 도펀트 물질, 전극 형성용 도전성 물질 및 유기 비히클을 포함하는 도전성 페이스트를 적용하여 p형 도핑 영역 포함 전극(145)을 형성할 수 있다.
본 구현예에 따르면, 페이스트를 사용하여 도핑 영역 및 전극을 한번에 형성함으로써 공정을 단순화할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
110: 반도체 기판 111b: 제1 도핑 영역
111a: 제2 도핑 영역 112, 150: 절연막
120: 전면 전극 125: n형 도핑 영역 포함 전극
130: 유전막 140: 후면 전극
145: p형 도핑 영역 포함 전극

Claims (19)

  1. 인(P) 함유 규소 화합물을 포함하는 무기 입자, 그리고
    유기 비히클
    을 포함하고,
    상기 무기 입자는 표면에서 인(P)이 선택적으로 제거되어 있는 도핑 페이스트.
  2. 제1항에서,
    상기 인(P) 함유 규소 화합물은 포스포실리케이트 결정(phosphosilicate crystals), 피로포스페이트(pyrophosphate), 포스포실리케이트 유리(phosphosilicate glass) 또는 이들의 조합을 포함하는 도핑 페이스트.
  3. 제1항에서,
    상기 인(P) 함유 규소 화합물은 하기 화학식 1로 표현되는 포스포실리케이트 유리를 포함하는 도핑 페이스트
    [화학식 1]
    xSiO2-yP2O5-zMO1
    상기 화학식 1에서, x>0, y>0 및 z≥0 이고, M은 적어도 하나 이상의 금속이다.
  4. 제1항에서,
    상기 무기 입자는
    중심부에 위치하는 인(P) 리치 영역, 그리고
    표면에 위치하며 상기 인(P) 리치 영역보다 상대적으로 인의 비율이 낮은 규소 리치 영역
    을 포함하는 도핑 페이스트.
  5. 제1항에서,
    상기 무기 입자는 0.5 내지 50㎛의 입도를 가지는 도핑 페이스트.
  6. 제1항에서,
    상기 무기 입자 및 상기 유기 비히클은 상기 도핑 페이스트의 총 함량에 대하여 각각 1 내지 80중량% 및 20 내지 99중량%로 포함되어 있는 도핑 페이스트.
  7. 인(P) 함유 규소 화합물을 포함하며 표면에서 인(P)이 선택적으로 제거되어 있는 무기 입자를 준비하는 단계,
    반도체 기판의 일면에 상기 무기 입자 및 유기 비히클을 포함하는 n형 도핑 페이스트를 적용하는 단계, 그리고
    상기 n형 도핑 페이스트가 적용된 반도체 기판을 열처리하는 단계
    를 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  8. 제7항에서,
    상기 무기 입자를 준비하는 단계는
    인(P) 함유 규소 화합물을 물 또는 증기와 반응시키는 단계, 그리고
    상기 인(P) 함유 규소 화합물을 물 또는 유기 용매에서 세정하는 단계
    를 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  9. 제7항에서,
    상기 반도체 기판의 일면에 n형 도핑 페이스트를 적용하는 단계는
    상기 반도체 기판의 전면 또는 일부에 상기 n형 도핑 페이스트를 스크린 인쇄 방법으로 적용하는 태양 전지의 제조 방법.
  10. 제7항에서,
    상기 n형 도핑 페이스트가 적용된 반도체 기판을 열처리하는 단계는
    제1 열처리하여 상기 유기 비히클을 제거하는 단계, 그리고
    상기 제1 열처리보다 높은 온도에서 제2 열처리하여 n형 불순물을 도핑하는 단계
    를 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  11. 제10항에서,
    상기 제1 열처리는 100 내지 600℃에서 수행하는 태양 전지의 제조 방법.
  12. 제10항에서,
    상기 제2 열처리는 700 내지 1100℃에서 수행하는 태양 전지의 제조 방법.
  13. 제7항에서,
    상기 반도체 기판을 열처리하는 단계 후에
    상기 반도체 기판의 일면에 상기 n형 도핑 페이스트와 다른 p형 도핑 페이스트를 적용하는 단계, 그리고
    상기 p형 도핑 페이스트가 적용된 반도체 기판을 열처리하는 단계
    를 더 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  14. 제13항에서,
    상기 n형 도핑 페이스트와 상기 p형 도핑 페이스트는 상기 반도체 기판의 동일한 면에 형성되고,
    상기 n형 도핑 페이스트와 상기 p형 도핑 페이스트는 서로 교대로 배치되도록 적용되는 태양 전지의 제조 방법.
  15. 반도체 기판,
    상기 반도체 기판의 일면에 형성되어 있는 에미터 층, 그리고
    상기 에미터 층과 전기적으로 연결되어 있는 전극
    을 포함하고,
    상기 에미터 층은 인(P) 함유 규소 화합물을 포함하며 표면에서 인(P)이 선택적으로 제거되어 있는 무기 입자를 포함하는 도핑 페이스트를 사용하여 형성되는 태양 전지.
  16. 제15항에서,
    상기 인(P) 함유 규소 화합물은 하기 화학식 1로 표현되는 포스포실리케이트 유리를 포함하는 태양 전지:
    [화학식 1]
    xSiO2-yP2O5-zMO1
    상기 화학식 1에서, x>0, y>0 및 z≥0 이고, M은 적어도 하나 이상의 금속이다.
  17. 제15항에서,
    상기 무기 입자는
    중심부에 위치하는 인(P) 리치 영역, 그리고
    표면에 위치하며 상기 인(P) 리치 영역보다 상대적으로 인의 비율이 낮은 규소 리치 영역
    을 포함하는 태양 전지.
  18. 제15항에서,
    상기 에미터 층은 상기 반도체 기판의 일면에 전면 또는 일부에 형성되어 있는 태양 전지.
  19. 제15항에서,
    상기 도핑 페이스트는 도전성 물질을 더 포함하고,
    상기 도핑 페이스트를 사용하여 상기 에미터 층과 상기 전극이 일체화되어 형성되는 태양 전지.



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