KR20120026683A - 태양전지의 제조방법 - Google Patents

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이경원
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Abstract

본 발명은 전자, 정공의 재결합률 및 물리적 변형 가능성을 최소화함과 함께 후면전계 효과를 극대화할 수 있는 태양전지의 제조방법에 관한 것으로서, 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판의 후면에 BSF층을 형성하는 단계 및 상기 기판의 전면에 제 2 도전형의 반도체층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하며, 상기 기판의 후면에 BSF층을 형성하는 단계는, 제 1 도전형의 불순물 이온을 포함하는 페이스트를 상기 기판 후면 상에 도포하는 과정과, 상기 기판을 열처리하여 상기 제 1 도전형의 불순물 이온이 상기 기판 후면 내부로 확산되도록 하여 BSG층을 형성하는 과정을 포함할 수 있다.

Description

태양전지의 제조방법{Method for fabricating of solar cell}
본 발명은 태양전지의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자, 정공의 재결합률 및 물리적 변형 가능성을 최소화함과 함께 후면전계 효과를 극대화할 수 있는 태양전지의 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, 이 때 태양전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산할 수 있게 된다.
태양전지의 구조를 살펴보면, 도 1에 도시한 바와 같이 p형 반도체층(101) 상에 n형 반도체층(102)이 구비되며, 상기 n형 반도체층(102)의 상부 및 p형 반도체층의 하부에 각각 전면전극(105)과 후면전극(106)이 구비된다. 또한, 상기 n형 반도체층(102) 상에는 표면 반사를 최소화하기 위한 반사방지막(104)이 구비된다. 참고로, 도 1에서 미설명부호 108은 단선용 트렌치이다.
한편, 태양전지의 광전변환 효율이 향상되기 위해서는 p형 반도체층과 n형 반도체층에서의 캐리어(carrier) 수집률이 높아져야 한다. 이를 위해 종래의 경우, p형 반도체층의 후면에 후면전계층(BSF, back surface field)(108)을 형성하고 있으며, 상기 후면전계층은 p형 반도체층의 후면에 전계를 유도하여 캐리어의 수집률을 향상시키는 역할을 한다.
이와 같은 후면전계층의 형성 방법을 살펴보면 다음과 같다. 통상, p형의 결정질 실리콘 기판의 후면 상에 3족 원소인 알루미늄(Al)을 도포한 후, 일정 온도 하에서 열처리하여 알루미늄이 기판 내부로 확산되도록 함으로써 확산된 두께만큼의 후면전계층을 형성할 수 있다.
그러나, 알루미늄의 확산을 통한 후면전계층은, 알루미늄에 의해 이동 중인 전자와의 재결합(recombination)이 발생되는 단점, 후면전계층과 실리콘 기판 사이의 높은 접촉저항에 의한 전기적 특성 저하가 유발되는 문제점이 있다. 또한, 고온에서 알루미늄을 소성함에 따른 기판의 휨(bowing) 및 모듈 제작시 파손 등의 문제점이 있으며, 전극으로 사용되는 은(Ag)과 후면전계층의 알루미늄(Al)을 동시에 소성하게 되는데 은과 알루미늄의 최적 소성 온도가 다름에 따라 후면전계 효과를 극대화함에 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 전자, 정공의 재결합률 및 물리적 변형 가능성을 최소화함과 함께 후면전계 효과를 극대화할 수 있는 태양전지의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법은 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판의 후면에 BSF층을 형성하는 단계 및 상기 기판의 전면에 제 2 도전형의 반도체층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 기판의 후면에 BSF층을 형성하는 단계는, 제 1 도전형의 불순물 이온을 포함하는 페이스트를 상기 기판 후면 상에 도포하는 과정과, 상기 기판을 열처리하여 상기 제 1 도전형의 불순물 이온이 상기 기판 후면 내부로 확산되도록 하여 BSG층을 형성하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 BSF층 상에 BSG(boro-silicate glass)막이 형성되고, 상기 BSG막으로 인해 상기 제 2 도전형의 반도체층 형성시 기판 후면 내부로 제 2 도전형의 불순물 이온이 확산되지 않는다.
본 발명에 따른 태양전지의 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
BSF층을 페이스트를 이용하여 별도로 형성함에 따라, 알루미늄에 의한 재결합을 방지할 수 있고 기판이 물리적으로 변형되는 것을 최소화할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 태양전지의 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 순서도.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 도 2 및 도 3a에 도시한 바와 같이 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판(301)을 준비하고(S201), 상기 제 1 도전형의 실리콘 기판(301)의 표면에 요철(302)이 형성되도록 텍스쳐링(texturing) 공정을 진행한다(S202). 상기 텍스쳐링 공정은 기판(301) 표면에서의 빛 반사를 줄이기 위한 것이며, 습식식각방법 또는 반응성이온식각(reactive ion etching) 등의 건식식각방법을 이용하여 진행할 수 있다. 여기서, 상기 표면의 요철구조는 수광면 즉, 전면에만 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제 1 도전형은 p형 또는 n형이고, 후술하는 제 2 도전형은 제 1 도전형의 반대이며, 이하의 설명에서는 제 1 도전형은 p형인 것을 기준으로 한다.
텍스쳐링 공정이 완료된 상태에서, 기판 후면에 BSF층(p+)(303)을 형성한다(S203). 구체적으로, 도 3b에 도시한 바와 같이 p형 불순물 예를 들어, 붕소(B)를 포함하는 페이스트(paste)를 기판 후면 상에 도포한 후, 열처리 공정을 진행하여 붕소(B) 이온이 기판 후면 내부로 확산되도록 함으로써 BSF층(p+)(303)을 형성한다. 이 때, 붕소 이온의 확산을 위한 열처리 온도는 950?1050℃ 정도가 바람직하다. 또한, 상기 열처리 공정으로 인해 기판 후면 상에는 붕소(B)와 실리콘 기판의 실리콘(Si)이 반응한 BSG(boro-silicate glass)막(304)이 부산물로 형성된다.
상기 BSF층(p+)(303)이 형성된 상태에서, 확산공정을 실시하여 n형 반도체층(n+)(305)을 형성한다(S204). 구체적으로, 챔버 내에 상기 실리콘 기판(301)을 구비시키고 상기 챔버 내에 제 2 도전형 불순물 이온 즉, n형 불순물 이온을 포함하는 가스(예를 들어, POCl3)를 공급하여 인(P) 이온이 확산(diffusion)되도록 한다. 이를 통해, 도 3b에 도시한 바와 같이 상기 기판(301)의 상층부 및 측면부에 n형 반도체층(n+)(305)이 형성되며, 기판(301)의 하층부에는 상기 BSG막(304)으로 인해 확산이 차단되어 n형 반도체층이 형성되지 않는다.
한편, 상기 n형 불순물 이온의 확산 공정은 상술한 바와 같은 기상의 가스를 이용하는 방법 이외에, n형 불순물 이온이 포함된 용액 예를 들어, 인산(H3PO4) 용액 내에 상기 실리콘 기판(301)을 침적시키고 후속의 열처리를 통해 인(P) 이온이 기판(301) 내부에 확산되도록 하여 n형 반도체층(n+)(305)을 형성하는 방법을 이용할 수도 있다. 또한, 상기 제 2 도전형 불순물 이온이 p형일 경우, 상기 반도체층을 형성하는 불순물 이온은 붕소(B)일 수 있다.
상기 확산공정으로 인해, 기판(301) 내부에 n형 반도체층(n+)(305)이 형성됨과 함께 기판(301) 표면에는 PSG(phosphor-silicate glass)막(306)이 형성된다(도 3b 참조). 상기 PSG막(306)은 n형 불순물 이온(인(P) 이온)과 실리콘 기판(301)(301)의 실리콘(Si) 등이 반응하여 형성된 것이다.
상기 n형 반도체층(n+)(305)의 형성이 완료된 상태에서, 불산(HF) 등의 식각용액을 이용하여 기판 표면 상에 존재하는 BSG막(304) 및 PSG막(306)을 제거한다(S205). 그런 다음, 상기 기판(301) 전면 상에 반사방지막(307)을 형성한다(S206). 상기 반사방지막(307)은 실리콘 질화막(Si3N4)으로 구성될 수 있다. 이어, 상기 기판(301) 전면의 반사방지막(307) 및 기판(301) 후면 상에 도전성 물질을 스크린 인쇄법 등을 통해 도포한 후, 소성 공정을 진행하면 전면전극(308)과 후면전극(309)이 형성되며(S207), 이와 같은 상태에서 레이저를 이용하여 기판 둘레를 따라 일정 깊이로 단선용 트렌치(도시하지 않음)를 형성하면 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 완료된다.
301 : 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판
302 : 요철 303 : BSF층
304 : BSG막 305 : 제 2 도전형의 반도체층
306 : PSG막 307 : 반사방지막
308 : 전면전극 309 : 후면전극

Claims (4)

  1. 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판의 후면에 BSF층을 형성하는 단계; 및
    상기 기판의 전면에 제 2 도전형의 반도체층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기판의 후면에 BSF층을 형성하는 단계는,
    제 1 도전형의 불순물 이온을 포함하는 페이스트를 상기 기판 후면 상에 도포하는 과정과,
    상기 기판을 열처리하여 상기 제 1 도전형의 불순물 이온이 상기 기판 후면 내부로 확산되도록 하여 BSG층을 형성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 열처리의 온도는 950?1050℃인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 BSF층 상에 BSG(boro-silicate glass)막이 형성되고, 상기 BSG막으로 인해 상기 제 2 도전형의 반도체층 형성시 기판 후면 내부로 제 2 도전형의 불순물 이온이 확산되지 않는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
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