KR20120027904A - 태양전지 제조방법. - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플라즈마를 주사하여 건식 텍스처링(Dry Texturing)한 후, 고체 소스(Solid source)를 이용하여 에미터층을 형성하고 얇은 산화막(oxide)으로 패시베이션(passivation)하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 태양전지 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플라즈마를 주사하여 건식 텍스처링(Dry Texturing)한 후, 고체 소스(Solid source)를 이용하여 에미터층을 형성하고 얇은 산화막(oxide)으로 패시베이션(passivation)하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법에 관한 것이다.
최근 치솟는 유가 상승과 지구환경문제와 화석에너지의 고갈, 원자력발전의 폐기물처리 및 신규발전소 건설에 따른 위치선정 등의 문제로 인하여 신재생에너지에 대한 관심이 고조되고 있다. 그 중에서도 무공해 에너지원인 태양전지에 대한 연구개발이 활발하게 진행되고 있다.
태양전지란 광기전력 효과(Photovoltaic Effect)를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치로써, 그 구성 물질에 따라서 실리콘 태양전지, 박막 태양전지, 염료감응 태양전지 및 유기고분자 태양전지 등으로 구분된다. 태양전지는 전자시계, 라디오, 무인등대, 인공위성, 로켓 등의 주전력원으로 이용되거나 상용교류전원의 계통과 연계되어 보조전력원으로 이용된다.
이러한 태양전지에서는, 입사되는 태양광을 전기 에너지로 변환시키는 비율과 관계된 변환효율(Efficiency)을 높이는 것이 매우 중요하다. 현재 변환효율을 높이기 위해서 여러 가지 연구가 행해지고 있으며, 그 한 가지 방법으로 웨이퍼 표면을 텍스처링(texturing)하여 빛의 흡수를 최대화하는 방법이 있다.
도 1은 종래의 일반적인 태양전지 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1을 참고하면, 종래의 일반적인 태양전지 제조방법은, 초기 세정 및 SDR(Saw Damage Removal)하는 단계(S110), 습식 화학 텍스처링(Wet Chemical Texturing)하는 단계(S120), 텍스처링된 태양전지 웨이퍼 상에 에미터층을 형성하는 단계(S130), PSG(PhosphoSilicate Glass)를 제거하는 단계(S140), 반사방지막(Anti-Reflection Coating, ARC)을 형성하는 단계(S150), 양면전극을 생성하는 단계(S160), 파이어링(Firing) 단계(S170) 및 에지(Edge)를 제거(Isolation)하는 단계(S180)를 포함한다.
초기 세정 및 SDR(Saw Damage Removal)하는 단계(S110)는, 태양전지 웨이퍼의 표면 상태를 개선시키는 단계로써, 웨이퍼를 와이어 톱(wire saw)으로 잘랐을 때 표면에 생기는 손상(damage)을 없애는 과정이다. 이들 공정은 해당 기술 분야에 널리 알려진 공정이므로, 본 명세서에서는 그에 대한 상세한 설명을 생략하며, 해당 기술 분야에서 공지된 다양한 초기 세정 및 SDR(Saw Damage Removal)하는 방법이 적용될 수 있을 것임은 당업자에게 자명하다.
습식 화학 텍스처링(Wet Chemical Texturing)하는 단계(S120)는, 습식 화학 식각에 의해 태양전지 웨이퍼의 표면을 울퉁불퉁하게 만드는 단계로써 이를 통해 태양전지 웨이퍼의 표면상에 4 내지 10㎛ 크기의 피라미드 형상을 생성한다. 이와 같이 텍스처링하는 이유는 광 반사량을 줄여 태양전지 내부로 유효광의 흡수량을 증가시키기 위함이다.
텍스처링된 태양전지 웨이퍼 상에 에미터층을 형성하는 단계(S130)는, 일반적으로 태양전지 웨이퍼가 P형인 경우, 포컬가스(POCl3) 등을 확산시켜 n+ 도핑(doping)을 하는 단계이다. 이 때, 상기 확산공정에서 산소(O2)가 PSG (PhosphoSilicate Glass)라는 확산 산화막을 만들고, 상기 PSG가 실리콘 표면에서 성장하게 된다.
PSG(PhosphoSilicate Glass)를 제거하는 단계(S140)는, 상술한 에미터층을 형성하는 단계(S120)에서 형성된 원치 않는 PSG를 제거하는 단계로써, 이는 PSG가 수분이나 그 밖의 불순물을 흡착하는 성질이 있고, 포토레지스터(Photo Resister, PR)의 밀착성을 나쁘게 하는 원인이 되기 때문이다.
반사방지막(Anti-Reflection Coating, ARC)을 형성하는 단계(S140)는, 상층에서 반사된 빛과 하층에서 반사된 빛이 서로 상쇄간섭을 일으켜 태양전지 표면에서의 빛 반사량을 줄이고, 특정 파장 영역의 선택성을 증가시키기 위한 단계이다. 이는 습식 화학 텍스처링을 하는 경우 태양전지 표면에서의 반사도(reflectance)가 높기 때문에 이를 보완하여 태양전지의 변환효율(Efficiency)을 높이기 위함이다.
반사방지막(ARC)을 형성하기 위하여 여러 가지 물질을 사용할 수 있으나, 일반적으로 PECVD 방식으로 반사방지막의 두께를 조절할 수 있고 반사효율이 우수한 질화실리콘(Si3N4)을 증착하고 있다. 이 층은 웨이퍼의 최상단에 위치하기 때문에 패시베이션(passivation)이라는 용어를 쓰는 경우도 있다.
양면 전극을 생성하는 단계(S160) 및 파이어링(Firing) 단계(S170)는, 상기 태양전지 웨이퍼의 전/후면에 각각 전면전극과 후면전극을 인쇄 건조한 후, 접촉을 위해 열처리하는 단계이다. 일반적으로 전면전극은 은(Ag)을, 후면전극은 알루미늄(Al) 금속층을 사용한다. 본 발명이 속한 기술 분야에서 공지된 다양한 전극 형성 방법이 적용될 수 있을 것임은 당업자에게 자명하다.
에지 제거(edge isolation)하는 단계(S180)는, 마지막 전극 분리를 위한 단계로써 포컬가스(POCl3) 등을 확산시켜 n+ 도핑(doping)할 때 웨이퍼 가장자리(wafer edge) 등에 도핑 된 불필요한 n+층을 제거하는 단계이다.
그러나, 종래의 이러한 태양전지 제조방법은, 다음과 같은 문제점이 있다.
상기와 같이 습식 화학 식각을 이용하여 태양전지 웨이퍼를 텍스처링하는 경우에는 태양전지 웨이퍼의 양쪽 면이 모두 식각된다. 따라서 일반적으로, 태양전지 웨이퍼의 두께는 대략적으로 200㎛ 이상이 요구되지만 태양전지 웨이퍼의 두께가 200㎛ 이하의 극단적인 얇은 웨이퍼(Ultra thin wafer)를 대상으로 하는 경우에는 양쪽 면의 식각에 의해 웨이퍼 파손(wafer breakage) 등의 문제점이 발생할 수 있다.
그리고, 에미터층을 형성 시 사용되는 포컬가스(POCl3) 등은 태양전지 웨이퍼 전체 표면에 n+ 도핑이 형성됨으로써 별도의 에지(edge)를 제거(isolation)하는 단계와 PSG(PhosphoSilicate Glass)를 제거하는 단계를 필요로 하여 제조공정을 복잡하게 만든다.
또한, 반사방지막(ARC)으로 사용되는 질화실리콘(Si3N4)은 이를 증착하기 위하여 독립적인 장치를 이용해야 하므로 태양전지의 제조단가는 증가될 수밖에 없다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 플라즈마 텍스처링을 실시하고 고체 소스를 이용하여 에미터층을 형성하며, 동일한 장비에서 패시베이션을 진행함으로써 제조공정을 단순화하고 광전 변화효율을 향상시킨 태양전지 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 태양전지 제조방법은, (a) 태양전지 웨이퍼(Solar cell wafer) 전면에 플라즈마를 주사하여 텍스처링(Texturing)하는 단계, (b) 상기 텍스처링된 태양전지 웨이퍼에 고체 소스(solid source)를 확산시켜 에미터층을 형성하는 단계, (c) 상기 에미터층이 형성된 태양전지 웨이퍼를 패시베이션(Passivation)하는 단계 및 (d) 전극을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 태양전지 웨이퍼에 포스포실리케이트글래스(PhosphoSilicate Glass, PSG)가 생성되지 않는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 태양전지의 광전 변환효율이 우수하면서도 제조공정을 단순화함으로써 제조원가를 줄이는 장점이 있다.
도 1은 종래의 일반적인 태양전지 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 태양전지 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 태양전지 제조방법을 설명하기 위한 단면도 중 웨이퍼를 수직적 방식(vertical type)으로 놓은 형태이다.
도 3b는 본 발명에 따른 태양전지 제조방법을 설명하기 위한 단면도 중 웨이퍼를 수평적 방식(horizontal type)으로 놓은 형태이다.
도 4는 본 발명에 따른 태양전지 제조방법 중 패시베이션(passivation)까지 완료된 태양전지의 확대 단면도이다.
도 5는 종래의 일반적인 태양전지 제조공정도와 본 발명에 따른 태양전지 제조공정도를 비교하여 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 태양전지 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 태양전지 제조방법을 설명하기 위한 단면도 중 웨이퍼를 수직적 방식(vertical type)으로 놓은 형태이다.
도 3b는 본 발명에 따른 태양전지 제조방법을 설명하기 위한 단면도 중 웨이퍼를 수평적 방식(horizontal type)으로 놓은 형태이다.
도 4는 본 발명에 따른 태양전지 제조방법 중 패시베이션(passivation)까지 완료된 태양전지의 확대 단면도이다.
도 5는 종래의 일반적인 태양전지 제조공정도와 본 발명에 따른 태양전지 제조공정도를 비교하여 나타낸 단면도이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 태양전지 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 태양전지 제조방법은, 초기세정 및 SDR 단계(S210), 태양전지 웨이퍼(Solar cell wafer) 전면에 플라즈마를 주사하여 텍스처링(Texturing)하는 단계(S220), 상기 텍스처링된 태양전지 웨이퍼 상에 고체 소스(solid source)를 확산시켜 에미터층을 형성하는 단계(S230), 상기 에미터층이 형성된 태양전지 웨이퍼를 패시베이션(Passivation)하는 단계(S240), 웨이퍼 양면에 전극을 형성하는 단계(S250) 및 파이어링(Firing) 단계(S260)를 포함한다.
본 발명에 따른 태양전지 제조방법 중 초기세정 및 SDR 단계(S210), 웨이퍼 양면에 전극을 형성하는 단계(S250) 및 파이어링(Firing) 단계(S260)는, 종래의 일반적인 태양전지 제조방법과 동일하며 해당 기술분야에 널리 알려진 공정들이므로, 여기서는 그에 대한 상세한 설명을 반복하지는 않는다.
태양전지 웨이퍼 전면에 플라즈마를 주사하여 텍스처링하는 단계(S210)는, 플라즈마 이온 반응을 통하여 태양전지 웨이퍼를 처리하는 단계로써, 건식 식각 기법으로 태양전지 웨이퍼의 표면 텍스처링을 실시하면 웨이퍼의 한쪽 면만이 식각되므로, 울트라 신 웨이퍼(Ultra thin wafer)(두께가 200㎛이하인 태양전지 웨이퍼)에 적용하는 경우에도 웨이퍼 파손을 방지할 수 있다. 그리고 건식 식각 기법은 습식 화학 식각에 비해 반사도(reflectance)에서 유리하므로 이후 반사방지막을 형성하는 공정이 특별히 중요치 않게 된다.
또한, 상기 태양전지 웨이퍼는 (100)웨이퍼, (111)웨이퍼, (110)웨이퍼 및 다결정 웨이퍼 중 어느 하나인 것을 사용해도 무방하다.
그러나 울트라 신 웨이퍼(Ultra thin wafer)(두께가 200㎛ 이하인 태양전지 웨이퍼)의 경우에도 플라즈마 이온반응으로 온도가 상승함에 따라 웨이퍼의 휨(Wafer warpage) 현상 등이 발생할 수 있다.
본 발명의 일실시 예는 태양전지 웨이퍼의 외각부(Edge) 1mm 정도를 클램프(clamp)로 압착 지지함으로써 건식 식각 진행시 발생할 수 있는 태양전지 웨이퍼의 휨 현상을 방지하였다.
상기 텍스처링된 태양전지 웨이퍼 상에 고체 소스(solid source)를 확산시켜 에미터층을 형성하는 단계(S220)는, P형 태양전지 웨이퍼는 n+ 도핑을, N형 태양전지 웨이퍼는 p+ 도핑을 위해 고체 소스를 확산시켜 에미터층을 형성하는 단계이다.
여기서, 고체 소스는 바람직하게는 n+ 도핑의 경우에는 5족 원소인 인(phosphorous)을 포함한 PxOy 형태를, p+ 도핑의 경우에는 3족 원소인 브롬(boron)을 포함한 BxOy 형태를 사용할 수도 있다.
종래에는 에미터층을 형성하기 위해 POCl3(n+ 도핑)나 BBr3(p+ 도핑)과 같은 소스를 사용함으로써 불필요한 PSG(PhosphoSilicate Glass)가 실리콘 표면에 형성되어 별도의 PSG를 제거하는 공정이 필요하였다.
그러나 본 발명에 따른 일실시 예는 에미터층 형성을 위해 상기 고체 소스를 확산시킴으로써 불필요한 PSG가 형성되지 않으므로 이후 PSG를 제거하는 공정이 따로 필요 없다.
상기 에미터층이 형성된 태양전지 웨이퍼를 패시베이션(Passivation)하는 단계(S240)는, 표면에서의 수분의 확산을 방지하거나 캐리어의 재결합을 방지하기 위하여 산화막(oxide)으로 패시베이션을 형성하는 단계이다.
패시베이션은 보호막 형성의 의미로 보통 반도체 소자의 마지막 단계의 층으로 회로 요소들을 외부와 차단하여 보호하기 위해 밀봉을 하는 것을 의미한다. 본 발명의 일실시 예는 보호막으로 플라즈마 질화막과 산화 실리콘이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 산화 실리콘이 사용된다.
여기서, 에미터층 형성 및 패시베이션을 위한 확산 공정 장치는 노(furnace) 뿐만 아니라 벨트 라인 컨베인 시스템(belt line convey system)도 가능하다.
본 발명의 일실시 예는 텍스처링된 태양전지 웨이퍼가 벨트 라인(belt line)에서 이동하면 상기 태양전지 웨이퍼 위에 고체소스가 놓이면서 온도 증가에 의해 에미터층이 형성되고 순차적으로 산소(oxygen)에 의해 패시베이션이 이루어진다. 이와 같이 벨트라인 컨베인 시스템을 적용하여 단일공정(in-situ)으로 패시베이션을 형성함으로써 공정을 단순화할 수 있다.
양면전극을 형성하는 단계(S240)는, 상기 태양전지 웨이퍼의 후면(배면)에 알루미늄 페이스트를 이용하여 후면전극을 인쇄 건조하고, 상기 태양전지 웨이퍼의 전면에 전면전극을 인쇄 건조하는 단계이다. 본 발명이 속한 기술 분야에서 공지된 다양한 전극 형성 방법이 적용될 수 있을 것임은 당업자에게 자명하다.
이와 같이, 본 발명에 따른 태양전지 제조방법은, 종래의 POCl3(n+ 도핑)나 BBr3(p+ 도핑)과 같은 소스를 사용하는 것에 비해, 포스포실리케이트글래스(PSG)를 제거하는 단계가 필요 없게 됨으로써 공정을 단순화 시킬 수 있다. 특히 반사방지막(ARC) 공정을 하지 않아 공정시간을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 최종적으로 에지 제거(edge isolation)가 불필요함으로 종래의 태양전지 제조방법과 비교하여 2 내지 3 단계의 제조 공정을 줄일 수 있다.
도 3a와 도 3b는 본 발명에 따른 태양전지 제조방법을 나타내는 단면도로써, 도 3a는 웨이퍼를 수직적 방식(vertical type)으로 놓은 형태이고, 도 3b는 웨이퍼를 수평적 방식(horizontal type)으로 놓은 형태이다.
도 3a와 도 3b를 참고하여, 본 발명의 일실시 예에 따른 태양전지 제조방법을 다시 설명하기로 한다.
본 발명의 따른 태양전지 제조방법은 플라즈마 반응을 통한 건식 식각 방식으로 p형 태양전지 웨이퍼(310)를 텍스처링하는 것이 특징이다. 그리고 고체 소스(330)를 이용하여 5족 원소들을 도핑함으로써 n+형의 에미터층(320)을 형성하고 한 장비에서 단일공정(in-situ)으로 패시베이션을 진행한다.
특히 도 3b와 같이 태양전지 웨이퍼 놓는 방식이 수평 방식(horizontal type)인 경우에는 태양전지 웨이퍼(310)가 벨트라인 상에서 이동하게 되고, 상기 태양전지 웨이퍼 상에 고체 소스(330)를 놓고 온도를 증가시켜 에미터층(320)을 형성한다. 그리고 순차적으로 산소(oxygen)에 의해 패시페이션(passivation)된다.
도 4는 본 발명에 따른 태양전지 제조방법 중 패시베이션(passivation)까지 완료된 태양전지의 확대 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시 예에 따른 태양전지는, 텍스처링된 p형 웨이퍼의 전면에 n+ 에미터 층이 형성되어 있다. 그리고 순차적으로 상기 에미터 층 상부와 상기 p형 웨이퍼의 배면에 산화막 패시페이션이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
도 5는 종래의 일반적인 태양전지 제조공정도와 본 발명에 따른 태양전지 제조공정도를 비교하여 나타낸 단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 종래의 일반적인 태양전지 제조방법은, p형 웨이퍼를 이용하여 진행하는데 이는 습식 텍스처링이 실리콘 결정 방향에 따라 피라미드 형태의 식각을 용이하게 할 수 있기 때문이다. 그리고 순차적으로 에미터 형성을 위해 인(phosphorus) 도핑을 실시한다. 이때 확산 공정에서 포스포실리케이트글래스(PSG) 산화막이 생성된다. 이후 원치 않는 포스포실리케이트글래스(PSG) 제거하는 공정을 진행하고, 반사방지막 및 전극을 형성한다.
그러나 본 발명에 따른 태양전지 제조방법은, 웨이퍼의 형(type)에 상관없이 건식 텍스처링을 하는 것을 특징으로 한다. 그리고 순차적으로 고체 소스를 적용하여 에미터 층을 형성하고 벨트라인 컨베이어 시스템(belt line convey system)을 이용하여 단일공정(in-situ)으로 산화막 패시베이션(oxide passivation)을 형성함으로써 공정을 단순화하였다. 이 때 에미터 층 형성 시 기존의 고온 확산 방식이 아니기 때문에 마지막 전극 분리를 위한 에지 제거(edge isolation) 공정이 불필요한 것이 또 다른 특징이다.
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.
Claims (7)
- 태양전지의 제조방법에 있어서,
(a) 태양전지 웨이퍼(Solar cell wafer) 전면에 플라즈마를 주사하여 텍스처링(Texturing)하는 단계;
(b) 상기 텍스처링된 태양전지 웨이퍼에 고체 소스(solid source)를 확산시켜 에미터층을 형성하는 단계;
(c) 상기 에미터층이 형성된 태양전지 웨이퍼를 패시베이션(Passivation)하는 단계; 및
(d) 전극을 형성하는 단계를 포함하되,
상기 태양전지 웨이퍼에 포스포실리케이트글래스(PhosphoSilicate Glass, PSG)가 생성되지 않는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 (b)단계와 상기 (c)단계는,
동일 장비 내에서 단일공정(in-situ)으로 진행되는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법. - 제 2 항에 있어서, 상기 동일 장비는,
벨트 라인 컨베이어(belt line convey)이고,
상기 벨트 라인 컨베이어 상에 상기 텍스처링된 태양전지 웨이퍼의 배면이 놓이는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 (a)단계에서,
상기 태양전지 웨이퍼는 (100)웨이퍼, (111)웨이퍼, (110)웨이퍼 및 다결정 웨이퍼 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 (a)단계는,
상기 텍스처링(Texturing)의 깊이를 1㎛ 내지 4㎛으로 하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 (b)단계는,
700℃ 내지 1000℃에서 진행되는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 (b)단계에서,
고체 소스는 인(phosphorous)을 포함한 PxOy 이거나 브롬(boron)을 포함한 BxOy인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
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