KR20120111378A - 태양 전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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강윤묵
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서동철
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삼성디스플레이 주식회사
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Abstract

태양 전지는 제1 도전형을 갖는 기판의 전면과 후면에 상기 제1 도전형과 반대의 제2 도전형을 갖는 에미터층을 형성하고, 상기 기판의 전면 상에 반사 방지막을 형성하고, 상기 반사 방지막과 상기 에미터층의 일부를 제거하여 상기 에미터층을 복수의 영역으로 분리하는 분리 홈을 형성하고, 상기 후면에 형성된 에미터층을 제거한 후, 상기 분리 홈 및 상기 후면을 커버하는 보호막을 형성함으로써 제조된다. 상기 분리 홈은 평면상에서 볼 때 상기 기판의 단부에 인접하게 형성된다. 상기 분리 홈은 상기 반사 방지막과 상기 에미터층에 레이저를 조사하여 상기 반사 방지막의 일부와 상기 에미터층의 일부를 제거하여 형성된다. 상기 기판의 후면에 형성된 에미터층과 상기 레이저가 조사된 영역에 인접한 상기 에미터층의 영역은 상기 습식 식각에 의해 식각된다.

Description

태양 전지 및 이의 제조 방법{SOLAR CELL AND FABRICATION METHOD OF THE SAME}
본 발명은 태양 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
태양 전지는 광전 효과(photovoltaic effect)를 이용하여 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 소자이다. 상기 태양 전지는 그 구성 물질에 따라 실리콘 태양 전지, 박막 태양 전지, 염료 감응 태양 전지, 및 유기 고분자 태양 전지 등으로 구분된다. 상기 태양 전지는 각종 전자 제품, 인공 위성, 로켓 등의 주 전력원으로 이용되거나, 보조 전력원으로 이용되고 있다.
상기 태양 전지는 제1 도전형을 갖는 제1 반도체와 기판 및 상기 제1 반도체의 전면 상에 구비되며 상기 제1 도전형과 반대의 제2 도전형을 갖는 제2 반도체를 포함한다. 상기 제1 반도체와 상기 제2 반도체는 p-n 접합부을 이루며, 상기 p-n 접합부에 가해지는 광에 의해 상기 제1 및 제2 반도체들 내에 정공과 전자의 쌍이 형성된다. 상기 정공과 상기 전자는 p-n 접합부에 존재하는 전위차에 의해 이동되며, 이에 의해 전류가 발생된다.
본 발명의 목적은 고품질의 태양 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 공정이 단순하고 제조 비용이 감소되는 태양 전지 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지는 제1 도전형을 갖는 기판의 전면과 후면에 상기 제1 도전형과 반대의 제2 도전형을 갖는 에미터층을 형성하고, 상기 기판의 전면 상에 반사 방지막을 형성하고, 상기 반사 방지막과 상기 에미터층의 일부를 제거하여 상기 에미터층을 복수의 영역으로 분리하는 분리 홈을 형성하고, 상기 후면에 형성된 에미터층을 제거한 후, 상기 분리 홈 및 상기 후면을 커버하는 보호막을 형성함으로써 제조된다.
상기 분리 홈은 평면상에서 볼 때 상기 기판의 단부에 인접하게 형성된다. 상기 분리 홈은 상기 반사 방지막과 상기 에미터층에 레이저를 조사하여 상기 반사 방지막의 일부와 상기 에미터층의 일부를 제거하여 형성된다. 상기 기판의 후면에 형성된 에미터층은 상기 반사 방지막을 마스크로 하여 식각되어 제거된다. 상기 식각은 습식 식각일 수 있다. 상기 레이저가 조사된 영역에 인접한 상기 에미터층의 영역은 상기 습식 식각에 의해 식각된다.
상기 전면 전극은 상기 반사 방지막의 일부를 제거하여 상기 에미터층의 일부를 노출시키고, 상기 노출된 에미터층에 금속 페이스트를 인쇄한 후, 상기 기판을 소성하여 상기 금속 페이스트 내의 금속을 확산시킴으로써 제조될 수 있다.
상기 후면 전극은 상기 보호막의 일부를 제거하여 상기 기판의 일부를 노출시키고, 상기 노출된 기판 상에 금속 페이스트를 인쇄한 후, 상기 기판을 소성하여 상기 금속 페이스트 내의 금속을 확산시킴으로써 제조될 수 있다.
상기한 방법으로 제조한 태양 전지는 광을 수용하는 전면과 상기 전면에 대향하는 후면을 포함하며 제1 도전형을 갖는 기판과, 상기 기판 상에 제공되고 상기 제1 도전형과 반대의 제2 도전형을 가지며, 그 일부가 제거되어 형성된 제1 분리 홈을 갖는 에미터층과, 상기 에미터층 상에 제공되며, 그 일부가 제거되어 형성되며 상기 제1 분리홀과 중첩하는 제2 분리 홈을 갖는 반사 방지막, 및 상기 기판의 후면 및 상기 반사 방지막 상에 제공되며, 상기 제1 및 제2 분리 홈을 통해 상기 기판의 전면과 접촉하는 보호막을 포함한다.
상기 제1 및 제2 분리 홈은 평면 상에서 볼 때 상기 기판의 단부에 인접한 영역에 대응하여 제공된다.
일 실시예에 따른 태양 전지는 레이저를 이용한 엣지 분리 공정 후, 레이저에 의해 발생한 데미지 영역을 식각하기 위한 별도의 추가적인 식각 단계 없이 제조 가능하다. 이에 따라, 태양 전지의 제조 공정이 단순해지며 제조 시간이 단축되고 소요 비용이 감소한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 방법에 의해 제조된 태양 전지는 레이저에 의해 발생한 에미터의 데미지 영역이 에미터를 식각하는 단계에서 완전히 제거되어 태양 전지의 곡선 인자나 광 효율 등과 같은 물리적 특성이 향상된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지를 제조하는 방법을 순차적으로 나타낸 단면도이다.
도 3a는 일반적인 태양 전지에 있어서, 엣지 분리 공정에 의해 형성된 분리 홈과 상기 분리 홈을 커버하는 절연막을 나타내는 SEM 사진이며, 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지에 있어서, 엣지 분리 공정에 의해 형성된 분리 홈과 상기 분리 홈을 커버하는 보호막을 나타내는 SEM 사진이다.
도 4는 일반적인 태양 전지에 있어서의 곡선 인자와 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지에 있어서의 곡선 인자를 하나의 그래프로서 나타낸 것이다.
도 5는 일반적인 태양 전지에 있어서의 광 변환 효율과 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지에 있어서의 광 변환 효율을 하나의 그래프로서 나타낸 것이다.
도 6는 일반적인 태양 전지에 있어서의 다이오드 이상 계수 n값과 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지에 있어서의 다이오드 이상 계수 n값을 하나의 그래프로서 나타낸 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지는 제1 도전형을 가지는 베이스 기판(BS), 상기 제1 도전형과 반대의 제2 도전형을 갖는 에미터층(EM), 상기 에미터층(EM) 상에 제공된 반사 방지막(ARC), 및 상기 반사 방지막(ARC) 상에 제공된 보호막(PSV)을 포함한다.
상기 태양 전지에 있어서, 상기 태양 전지는 판상으로 제공되며 평면 상에서 볼 때 상기 태양 전지의 단부에 인접한 영역을 엣지부(EDG)라고 하고, 상기 엣지 영역에 의해 둘러싸인 부분을 중심부(CNT)라고 지칭한다.
상기 베이스 기판(BS)은 제1 도전형을 가지는 반도체층이다. 상기 베이스 기판(BS)은 단결정질 실리콘이나 다결정질 실리콘으로 이루어질 수 있다. 상기 베이스 기판(BS)은 전면과 상기 전면에 마주하는 후면, 및 상기 전면과 상기 후면을 잇는 측면을 가지는 판상으로 제공된다. 상기 전면과 상기 후면이 가장 넓은 면이다.
상기 전면은 요철을 가지도록 텍스처링될 수 있다. 상기 후면 또한 요철을 가지도록 택스처링될 수 있다. 상기 요철 구조는 상기 전면 또는 상기 후면으로부터 함몰된 복수의 함몰부일 수 있으며, 예를 들어, 규칙적인 역 피라미드 형상을 가질 수 있다. 상기 요철 구조는 외부로부터의 광에 접하는 표면적을 넓힘으로써 상기 광의 흡수율을 높이기 위해 제공된다.
상기 에미터층(EM)은 상기 베이스 기판(BS) 상에 상기 베이스 기판(BS)과 접촉하여 제공된다. 상기 에미터층(EM)은 상기 베이스 기판(BS)의 전면과 측면을 커버한다. 상기 에미터층(EM)은 상기 베이스 기판(BS)의 단부에 인접한 영역, 즉 엣지부(EDG)에 상기 에미터층(EM)의 일부가 제거되어 형성된 제1 분리 홈(ISG1)을 갖는다.
상기 엣지부(EDG)에 있어서, 상기 제1 분리 홈(ISG1)에 의해 상기 베이스 기판(BS)의 일부가 노출된다. 상기 베이스 기판(BS)은 상기 제1 분리 홈(ISG1)이 형성된 영역에 대응하는 영역이 일부 제거되어 형성된 오목부를 가질 수 있다. 상기 에미터층(EM)은 상기 제1 분리 홈(ISG1)을 사이에 두고 서로 절연된 복수의 영역으로 구분된다. 본 발명의 일 실시예에서는 상기 에미터층(EM)은 상기 제1 분리 홈(ISG1)을 사이에 두고 두 개의 영역, 즉, 제1 영역과 제2 영역으로 구분된다. 상기 제1 영역은 상기 중심부(CNT)에 대응하는 영역에 제공되며, 상기 제2 영역은 상기 엣지부(EDG)에 대응하는 영역 및 상기 베이스 기판(BS)의 측면 상에 제공된다.
상기 에미터층(EM)은 단결정질 실리콘이나 다결정질 실리콘으로 이루어질 수 있다. 상기 에미터층(EM)은 상기 제1 도전형과 반대의 제2 도전형을 가지는 반도체층으로서, 상기 베이스 기판(BS)과 함께 p-n 접합을 이룬다. 즉, 상기 베이스 기판(BS)이 n형 도전형을 갖는 경우, 상기 에미터층(EM)은 p형 도전형을 가지며, 반대로 상기 베이스 기판(BS)이 p형 도전형을 갖는 경우, 상기 에미터층(EM)은 n형 도전형을 갖는다. 본 발명의 일 실시예에서는 상기 베이스 기판(BS)이 p형 도전형을 가지며, 상기 에미터층(EM)가 n형 도전형을 갖는 경우를 일 예로 설명한다. 상기 에미터층(EM)은 제2 도전형의 불순물, 예를 들어 인(P)이 고농도로 도핑된 것일 수 있다.
상기 반사 방지막(ARC)은 상기 에미터층(EM) 상에 제공된다. 상기 반사 방지막(ARC)은 절연 물질로 형성된다. 상기 반사 방지막(ARC)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 실리콘 산질화물 중 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다. 상기 반사 방지막(ARC)은 또한 상기 물질들 중 적어도 하나를 포함하는 단일막 또는 다중막으로 형성될 수 있다. 상기 반사 방지막(ARC)은 상기 에미터층(EM)을 보호함과 동시에 상기 광이 상기 에미터층(EM)의 계면에서 반사되는 것을 방지한다.
상기 반사 방지막(ARC)은 평면상에서 볼 때 상기 엣지부(EDG)에 상기 반사 방지막(ARC)의 일부가 제거되어 형성된 제2 분리 홈(ISG2)을 갖는다. 상기 제1 분리 홈(ISG1)은 상기 제1 분리 홈(ISG1)이 형성된 영역에 대응하는 영역에 제공되며, 상기 제1 분리 홈(ISG1)과 중첩될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 및 제2 분리 홈(ISG2)들에 의해 상기 베이스 기판(BS)의 일부가 노출된다.
상기 보호막(PSV)은 상기 엣지부(EDG)에 대응하는 영역의 상기 반사 방지막(ARC)과 상기 베이스 기판(BS)의 측면에 형성된 상기 반사 방지막(ARC) 상에 제공된다. 상기 보호막(PSV)은 상기 엣지부(EDG)에 대응하는 영역에서 상기 제1 분리 홈(ISG1)과 상기 제2 분리 홈(ISG2)을 통해 상기 베이스 기판(BS)의 전면과 접촉한다. 여기서, 상기 보호막(PSV)는 상기 반사 방지막(ARC)의 일부 영역을 커버하며, 상기 제1 분리홈(ISG1)과 상기 제2 분리홈(ISG2)에 대응하는 영역을 거쳐 상기 중심부(CNT) 방향으로 연장된다. 이에 따라, 상기 제1 분리 홈(ISG1)과 상기 분리 홈(ISG)을 통해 노출된 상기 베이스 기판(BS)의 전면과 상기 에미터층(EM)의 측면을 커버함으로써 상기 베이스 기판(BS)의 전면과 상기 에미터층(EM)을 보호한다. 상기 보호막(PSV)은 또한 상기 베이스 기판(BS)의 후면을 커버하여 상기 베이스 기판(BS)의 후면을 보호한다.
상기 보호막(PSV)은 상기 보호막(PSV)은 알루미늄 산화물(AlOx), 알루미늄 질화물(AlN), 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiNx), 또는 실리콘 산질화물(SiON) 중 적어도 하나 이상을 포함하는 단일막 또는 다중막으로 형성될 수 있다.
상기 에미터층(EM) 상에는 상기 에미터층(EM)에 접촉하는 전면 전극(FE)이 제공되며, 상기 베이스 기판(BS) 상에는 상기 베이스 기판(BS)에 접촉하는 후면 전극(BE)이 제공된다.
상기 전면 전극(FE)이 형성된 영역에는 상기 반사 방지막(ARC)의 일부가 제거되어 상기 제1 영역의 에미터층(EM)의 상면이 노출되며, 상기 노출된 제1 영역의 에미터층(EM)에 상기 전면 전극(FE)이 접촉한다. 상기 전면 전극(FE)은 금속으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 은이나 알루미늄, 또는 은 또는 알루미늄을 포함하는 합금 등으로 이루어질 수 있다.
상기 후면 전극(BE)이 형성된 영역에는 상기 보호막(PSV)의 일부가 제거되어 상기 베이스 기판(BS)의 후면이 노출되며, 상기 노출된 베이스 기판(BS)에 상기 후면 전극(BE)이 접촉한다. 상기 후면 전극(BE)은 금속으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 은이나 알루미늄, 또는 은 또는 알루미늄을 포함하는 합금 등으로 이루어질 수 있다. 여기서, 도 1에 도시하지는 않았으나, 상기 베이스 기판(BS)과 상기 후면 전극(BE) 사이에는 상기 제1 도전형을 갖는 불순물이 고농도로 도핑된 후면 전계층이 더 형성될 수 있다.
상기한 구조의 태양 전지는 외부로부터의 광, 예를 들어 태양으로부터의 광에 의해 상기 베이스 기판(BS)과 상기 에미터층(EM) 내부에서 전자와 정공의 쌍이 생성된다. 상기 전자는 n형 반도체로 이동하고 정공은 p형 반도체로 이동함으로써 전력을 생산한다. 예를 들어, 상기 베이스 기판(BS)이 n형 반도체로, 상기 에미터층(EM)이 p형 반도체로 형성된 경우, 전자는 상기 후면 전극(BE)측으로, 정공은 상기 전면 전극(FE)측으로 이동함으로써 전류가 생성된다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지를 제조하는 방법에 대해서 설명한다.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지를 제조하는 방법을 순차적으로 나타낸 단면도이다.
먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, 제1 도전형을 갖는 베이스 기판(BS)이 준비된다. 상기 베이스 기판(BS)은 단결정질 또는 다결정질 실리콘 기판일 수 있다. 상기 베이스 기판(BS)은 상기 제1 도전형은 p형과 n형 중 어느 하나의 도전형을 가진다. 상기 베이스 기판(BS)은 상기 베이스 기판(BS) 상의 이물질을 제거하기 위해 세정될 수 있다. 상기 베이스 기판(BS)은 전면과 후면을 갖는 판상으로 준비된다.
도시하지는 않았으나 상기 베이스 기판(BS)의 전면과 후면은 요철 구조, 즉, 복수의 볼록부와 오목부를 갖도록 텍스처링될 수 있다. 상기 요철 구조는 역 피라미드 구조의 함몰부의 형태일 수 있으나, 그 형상이 한정되는 것은 아니다. 상기 요철 구조는 플라즈마 식각법, 기계적 스크라이빙법, 포토리소그래피법, 및 화학적 식각법 등에 의해 형성될 수 있다.
이후, 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 베이스 기판(BS)에 에미터층(EM)을 형성한다. 상기 에미터층(EM)은 상기 제1 도전형과 반대의 제2 도전형을 갖는 불순물을 도핑하여 형성될 수 있다. 즉, 상기한 바와 같이 상기 베이스 기판(BS)이 p형 도전형을 갖는 경우, 상기 에미터층(EM)은 n형 도전형을 갖는다. 이와 반대로, 만약 상기 베이스 기판(BS)이 n형 도전형을 갖는 경우, 상기 에미터층(EM)은 p형 도전형을 갖는다.
상기 에미터층(EM)은 열 확산법, 스프레이법, 또는 프린팅법 등을 이용하여 형성될 수 있는 바, 본 발명의 일 실시예에서는 열 확산법을 이용하여 형성된다. 상기 열 확산법에 따르면, 상기 에미터층(EM)은 제1 도전형을 갖는 베이스 기판(BS)에 제2 도전형 물질을 확산시킴으로써 형성된다. 예를 들어, 상기 베이스 기판(BS)의 도전형이 p형인 경우, 고온의 퍼니스에 상기 베이스 기판(BS)을 넣고 n형 도전형을 갖는 물질, 예를 들어 인(P)을 포함하는 물질을 주입함으로써 형성될 수 있다. 상기 인을 포함하는 물질로는 염화포스포릴(POCl3)을 들 수 있다. 상기 베이스 기판(BS)의 도전형이 n형인 경우, 고온의 퍼니스에 상기 베이스 기판(BS)을 넣고, p형 도전형을 갖는 물질, 예를 들어, 붕소(B)를 포함하는 물질을 주입함으로써 형성될 수 있다. 상기 붕소를 포함하는 물질로는 삼브롬화붕소(BBr3)를 들 수 있다. 한편, 열 확산법 이외에도 이온 주입법(ion implantation)을 이용하여 상기 베이스 기판(BS)에 직접 불순물을 주입하여 상기 에미터층(EM)을 형성할 수 있다. 이때, 상기 베이스 기판(BS)을 염화 포스포릴이나 삼브롬화붕소를 포함한 증기에 노출시키면, 상기 베이스 기판(BS) 상에 각각 의도하지 않은 절연막, 예를 들어 PSG(Phosphorus Silicate Glass)나 BSG(boron silicate glass)층이 형성될 수 있다. 상기 절연막은 다음 공정을 수행하기 전에 적절한 식각액으로 식각될 수 있다.
그 다음, 도 2c에 도시된 바와 같이, 상기 에미터층(EM) 상에 반사 방지막(ARC)이 형성된다. 상기 반사 방지막(ARC)은 상기 베이스 기판(BS)의 후면 상에 형성된 에미터층(EM)을 제외한 나머지 에미터층(EM) 상에 형성된다. 즉, 상기 반사 방지막(ARC)은 상기 베이스 기판(BS)의 전면과 측면 상에 형성된 에미터층(EM) 상에 형성된다. 상기 반사 방지막(ARC)은 절연 물질을 이용하여 화학 기상 증착법(CVD)으로 형성될 수 있다. 상기 반사 방지막(ARC)는 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 실리콘 산질화물 중 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 반사 방지막(ARC)은 또한 상기 물질들 중 적어도 하나를 포함하는 단일막 또는 다중막으로 형성될 수 있다.
다음으로, 도 2d에 도시된 바와 같이, 상기 엣지부(EDG)를 상기 중심부(CNT)로부터 분리하는 분리 홈(ISG)이 형성된다. 상기 분리 홈(ISG)은 평면상에서 볼 때 상기 베이스 기판(BS)의 단부에 인접한 위치에 형성된다. 상기 분리 홈(ISG)은 상기 반사 방지막(ARC)과 상기 에미터층(EM)의 일부에 레이저를 조사하여 상기 반사 방지막(ARC)과 상기 에미터층(EM)의 일부를 제거함으로써 형성될 수 있다. 상기 레이저는 상기 반사 방지막(ARC)과 상기 에미터층(EM)의 일부를 제거할 수 있는 것이라면 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 1064nm의 파장을 갖는 섬유 레이저(fiber laser)를 이용할 수 있다. 상기 분리 홈(ISG)을 형성하는 공정은 상기 베이스 기판(BS)의 가장자리를 분리하는 공정이므로 엣지 분리(edge isolation) 공정이라고도 지칭된다.
상기 분리 홈(ISG)은 상기 에미터층(EM)을 서로 절연된 서로 절연된 복수의 영역으로 분리하기 위해 형성된다. 본 발명의 일 실시예에서는 상기 분리 홈(ISG)은 상기 에미터층(EM)을 사이에 두고 두 개의 영역, 즉, 제1 영역과 제2 영역으로 분리하기 위해 형성된다. 상기한 에미터층(EM)을 열 확산과 같은 방법으로 형성하는 경우, 상기 불순물은 상기 베이스 기판(BS)의 전면과 후면 및 측면 모두에 확산되거나 주입되며, 상기 베이스 기판(BS)의 전면(全面)을 덮는 에미터층(EM)이 형성된다. 이에 따라, 상기 베이스 기판(BS)의 전면과 후면이 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 베이스 기판(BS)의 전면과 후면의 전기적 연결은 최종적인 태양 전지의 광전 효율을 감소시키는 원인이 될 수 있다. 따라서, 상기 전면과 나머지 영역에 형성된 에미터층(EM)을 전기적으로 절연하는 공정이 요구된다.
또한, 상기 베이스 기판(BS)의 단부에 인접한 영역, 즉 엣지부(EDG)는 상기 베이스 기판(BS)의 중심부(CNT)와 다른 형태를 갖기 때문에, 태양 전지를 제조하는 각 공정을 거치면서 불량의 빈도가 증가한다. 예를 들어, 불순물 도핑 시 상기 엣지부(EDG)에 인접한 영역에서의 기류 등에 영향에 따라 상기 중심부(CNT)와 상기 엣지부(EDG)의 불순물 도핑량이 달라질 수 있다. 따라서, 상기 엣지부(EDG)를 상기 베이스 기판(BS)의 중심부(CNT)로부터 전기적으로 그리고 물리적으로 분리함으로써 태양 전지의 불량을 감소시킬 수 있다.
상기 분리 홈(ISG)은 상기 베이스 기판(BS)이 노출될 정도로 충분한 깊이를 가진다. 여기서, 상기 분리 홈(ISG) 근처의 반사 방지막(ARC)과 상기 에미터층(EM)은 상기 레이저에 의해 용융되었다가 다시 굳기 때문에 상기 중심부(CNT)의 상기 반사 방지막(ARC)과 상기 에미터층(EM)과 다른 물리적 성질을 갖는 불량이 발생할 수 있다. 이하, 상기 레이저에 의해 불량이 발생한 부분을 데미지 영역이라고 지칭한다.
이후, 도 2e에 도시된 바와 같이, 상기 베이스 기판(BS)의 후면에 형성된 상기 에미터층(EM)이 상기 반사 방지막(ARC)을 마스크로 하여 제거된다. 상기 에미터층(EM)은 습식 식각으로 제거될 수 있다. 상기 습식 식각으로 상기 에미터층(EM)이 제거되는 경우, 상기 레이저가 조사된 영역에 인접한 영역, 즉, 상기 분리 홈(ISG) 근처의 반사 방지막(ARC)과 에미터층(EM)이 일부 식각된다. 이에 따라, 상기 레이저에 기인한 데미지 영역이 상기 베이스 기판(BS)의 후면의 에미터층(EM)과 함께 식각되어 제거된다. 이와 같이, 별도의 데미지 영역을 제거하기 위한 식각 과정 없이, 상기 에미터층(EM)을 제거하기 위한 상기 습식 식각 과정에서 상기 데미지 영역이 제거될 수 있기 때문에 태양 전지 제조 공정이 간단해진다.
이어서, 도 2f에 도시된 바와 같이, 상기 분리 홈(ISG)과 상기 베이스 기판(BS)의 후면을 커버하는 보호막(PSV)이 형성된다. 상기 보호막(PSV)은 상기 분리 홈(ISG)과, 상기 엣지부(EDG)에 제공된 상기 반사 방지막(ARC)를 커버한다. 상기 반사 방지막(ARC)는 상기 분리홈(ISG)을 통해 노출된 상기 베이스 기판(BS)의 일부 및 상기 에미터층(EM)의 일부 와 접촉한다. 여기서, 상기 보호막(PSV)은 상기 분리 홈(ISG)이 형성된 영역을 충분히 커버할 수 있도록 그 일부가 상기 중심부(CNT) 방향으로 연장되어 형성된다. 상기 보호막(PSV)은 알루미늄 산화물(AlOx), 알루미늄 질화물(AlN), 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiNx), 실리콘 산질화물(SiON), 또는 이들 중 둘 이상의 조합한 물질을 증착하여 형성할 수 있다. 상기 보호막(PSV)은 상기 분리 홈(ISG)이 형성된 영역의 상기 반사 방지층과 상기 에미터층(EM)이 외부로 노출되지 않도록 커버함으로써 그 표면에 산화물 등이 형성되지 않도록 방지한다. 특히, 상기 에미터층(EM)이 상기 보호막(PSV)에 의해 커버됨으로써 이후 고온 공정에 직접적으로 노출됨으로써 발생할 수 있는 데미지를 감소시킬 수 있다.
그 다음, 도 2g에 도시된 바와 같이, 상기 기판의 전면에 형성된 에미터층(EM)과 접촉하는 전면 전극(FE)과, 상기 기판의 후면에 접촉하는 후면 전극(BE)이 형성된다.
상기 전면 전극(FE)을 형성하기 위해서는 먼저 상기 반사 방지막(ARC)의 일부를 제거하여 상기 에미터층(EM)의 일부를 노출시킨다. 상기 노출된 에미터층(EM)에는 은, 알루미늄, 은/알루미늄 등의 금속 파우더를 포함하는 금속 페이스트가 형성된다. 상기 금속 페이스트는 상기 노출된 에미터층(EM)에 인쇄되어 형성될 수 있다. 상기 금속 페이스트는 소정 시간 건조된다. 이어서 상기 금속 페이스트가 형성된 상기 베이스 기판(BS)은 퍼니스에서 소성된다. 상기 건조된 금속 페이스트는 상기 소성에 의해 전면 전극(FE)으로 변환된다.
상기 후면 전극(BE)을 형성하기 위해서는 먼저 상기 보호막(PSV)의 일부를 제거하여 상기 베이스 기판(BS)의 일부를 노출시킨다. 상기 노출된 베이스층에는 은, 알루미늄, 은/알루미늄 등의 금속 파우더를 포함하는 금속 페이스트가 형성된다. 상기 금속 페이스트는 상기 노출된 상기 베이스 기판(BS)에 인쇄되어 형성될 수 있다. 상기 금속 페이스트는 소정 시간 건조된다. 이어서 상기 금속 페이스트가 형성된 상기 베이스 기판(BS)은 퍼니스에서 소성된다. 상기 건조된 금속 페이스트는 상기 소성에 의해 후면 전극(BE)으로 변환된다. 상기 후면 전극(BE) 형성할 때, 상기 소성 공정 동안 상기 금속 페이스트로부터 용융 금속이 실리콘을 용해시키고, 이어 냉각시에 상기 실리콘 베이스 기판으로부터 에피택셜 성장하는 공융층(eutectic layer)을 형성할 수 있다. 이에 따라, 고농도의 금속 도펀트를 함유하는 후면전계층(BSF; back surface field layer)이 형성될 수 있다. 상기 후면 전계층은 상기 광에 의해 생성된 전자의 후면 재결합을 감소시킨다.
상기 전면 전극(FE)과 상기 후면 전극(BE)을 형성하는 단계는 단일 단계로 수행될 수 있다. 특히, 상기 금속 페이스트를 상기 노출된 에미터층(EM)과 상기 노출된 베이스 기판(BS) 상에 형성하고 나서 한 번에 소성을 진행하여 상기 전면 전극(FE)과 상기 후면 전극(BE)을 동시에 형성할 수 있다. 이때, 상기 분리 홈(ISG)에 해당하는 영역의 상기 에미터층(EM)은 상기 소성 시에 상기 보호막(PSV)에 의해 안정적으로 보호된다.
상기한 방법으로 형성된 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지는 레이저를 이용한 엣지 분리 공정 후, 레이저에 의해 발생한 데미지 영역을 식각하기 위한 별도의 추가적인 식각 단계 없이 제조 가능하다. 일반적인 태양 전지 제조 방법의 경우, 상기 레이저에 의해 용융되었다가 다시 굳은 부분에서 발생한 불량을 제거하기 위해 별도로 식각액을 이용하여 상기 데미지 영역을 제거하였다. 그러나, 일반적인 태양 전지 제조 방법에서는 반사 방지막(ARC)을 형성하기 전에 분리 홈(ISG)을 형성하며, 이후 식각액을 이용하여 데미지 영역을 제거한다고 할 지라도 분리 홈(ISG)이 형성된 부분의 에미터층(EM)에 불량이 그대로 남아 있는 경우가 많았다. 이에 비해, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 방법에서는 상기 에미터층(EM) 식각 단계에서 상기 데미지 영역이 완전히 제거되었으며, 이에 따라 결과적으로 태양 전지의 곡선 인자나 광 효율 등과 같은 물리적 특성이 향상되었다.
도 3a는 일반적인 태양 전지에 있어서, 엣지 분리 공정에 의해 형성된 분리 홈과 상기 분리 홈을 커버하는 절연막(또는 반사 방지막)을 나타내는 SEM 사진이며, 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지에 있어서, 엣지 분리 공정에 의해 형성된 분리 홈과 상기 분리 홈을 커버하는 보호막을 나타내는 SEM 사진이다.
도 3a와 도 3b를 참조하면, 일반적인 태양 전지에 있어서는 상기 분리 홈이 형성된 영역이 불균일한 결정질을 갖는다는 것을 확인할 수 있으며, 이에 따른 불량률이 증가할 것을 예상할 수 있다. 이에 비해, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지에 있어서는 상기 분리 홈이 형성된 영역이 균일한 결정질을 가지며, 불균일한 결정질을 갖는 부분이 모두 식각되어 제거되었다는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따르면 불량률이 감소된 태양 전지를 제조할 수 있다.
도 4는 일반적인 태양 전지에 있어서의 곡선 인자(fill factor)와 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지에 있어서의 곡선 인자를 하나의 그래프로서 나타낸 것이다.
도 4에 있어서, 번호 1 내지 11에 해당하는 견본은 일반적인 태양 전지 제조 방법으로 제조된 태양 전지의 곡선 인자이며, 번호 13 내지 22, 번호 24 내지 35에 해당하는 견본은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 방법으로 제조된 태양 전지의 곡선 인자를 나타낸 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 일반적인 태양 전지에 있어서의 곡선 인자의 평균보다, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 방법으로 제조한 태양 전지의 곡선 인자의 평균이 높았다.
도 5는 일반적인 태양 전지에 있어서의 광 변환 효율과 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지에 있어서의 광 변환 효율을 하나의 그래프로서 나타낸 것이다.
도 5에 있어서, 번호 1 내지 11에 해당하는 견본은 일반적인 태양 전지 제조 방법으로 제조된 태양 전지의 광 변환 효율의 상대값이며, 번호 13 내지 22, 번호 24 내지 35에 해당하는 견본은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 방법으로 제조된 태양 전지의 광 변환 효율의 상대값을 나타낸 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 일반적인 태양 전지에 있어서의 광 변환 효율의 평균보다, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 방법으로 제조한 태양 전지의 광 변환 효율의 평균이 높았다.
도 6는 일반적인 태양 전지에 있어서의 다이오드 이상 계수(diode ideality factor) n값과 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지에 있어서의 다이오드 이상 계수 n값을 하나의 그래프로서 나타낸 것이다.
도 6에 있어서, 번호 1 내지 11에 해당하는 견본은 일반적인 태양 전지 제조 방법으로 제조된 태양 전지의 다이오드 이상 계수 n값이며, 번호 13 내지 22, 번호 24 내지 35에 해당하는 견본은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 방법으로 제조된 태양 전지의 다이오드 이상 계수 n값을 나타낸 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 일반적인 태양 전지에 있어서의 다이오드 이상 계수 n값의 평균보다, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 제조 방법으로 제조한 태양 전지의 다이오드 이상 계수 n값의 평균이 이상값인 1에 더 가까웠다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지는 일반적인 방법으로 제조한 태양 전지보다 높은 곡선 인자와, 높은 광 변환 효율을 보이며, 이상적인 다이오드에 가까운 물리적 특성을 나타내었다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
ARC : 반사 방지막 BE : 후면 전극
BS : 베이스 기판 CNT : 중심부
EDG : 엣지부 EM : 에미터층
FE : 전면 전극 PSV : 보호막
ISG : 분리홈

Claims (20)

  1. 제1 도전형을 갖는 기판의 전면과 후면에 상기 제1 도전형과 반대의 제2 도전형을 갖는 에미터층을 형성하는 단계;
    상기 기판의 전면 상에 반사 방지막을 형성하는 단계;
    상기 반사 방지막과 상기 에미터층의 일부를 제거하여 상기 에미터층을 복수의 영역으로 분리하는 분리 홈을 형성하는 단계;
    상기 후면에 형성된 에미터층을 제거하는 단계;
    상기 분리 홈 및 상기 후면을 커버하는 보호막을 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분리 홈은 평면상에서 볼 때 상기 기판의 단부에 인접하게 형성되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 분리 홈은 상기 반사 방지막과 상기 에미터층에 레이저를 조사하여 상기 반사 방지막의 일부와 상기 에미터층의 일부를 제거하여 형성되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 후면에 형성된 에미터층은 상기 반사 방지막을 마스크로 하여 식각되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기판의 후면에 형성된 에미터층은 습식 식각으로 제거되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 레이저가 조사된 영역에 인접한 상기 에미터층의 영역은 상기 습식 식각에 의해 식각되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 전면에 형성된 에미터층과 접촉하는 전면 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 태양 전지 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전면 전극을 형성하는 단계는
    상기 반사 방지막의 일부를 제거하여 상기 에미터층의 일부를 노출시키는 단계;
    상기 노출된 에미터층에 금속 페이스트를 인쇄하는 단계; 및
    상기 기판을 소성하여 상기 금속 페이스트 내의 금속을 확산시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 기판의 후면에 접촉하는 후면 전극을 더 포함하는 태양 전지 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 후면 전극을 형성하는 단계는
    상기 보호막의 일부를 제거하여 상기 기판의 일부를 노출시키는 단계;
    상기 노출된 기판 상에 금속 페이스트를 인쇄하는 단계; 및
    상기 기판을 소성하여 상기 금속 페이스트 내의 금속을 확산시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 보호막은 알루미늄 산화물(AlOx), 알루미늄 질화물(AlN), 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiNx), 또는 실리콘 산질화물(SiON) 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 에미터층을 형성하는 단계 이전에 상기 기판의 전면을 텍스처링하여 상기 기판의 전면에 요철부를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 에미터층은 상기 기판에 상기 제2 도전형을 갖는 불순물을 도핑하여 형성되는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 에미터층을 형성하는 단계와 상기 반사 방지막을 형성하는 단계 사이에 상기 에미터층을 형성하는 단계에서 생성된 절연막을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 제조 방법.
  15. 광을 수용하는 전면과 상기 전면에 대향하는 후면을 포함하며 제1 도전형을 갖는 기판;
    상기 기판 상에 제공되고 상기 제1 도전형과 반대의 제2 도전형을 가지며, 그 일부가 제거되어 형성된 제1 분리 홈을 갖는 에미터층;
    상기 에미터층 상에 제공되며, 그 일부가 제거되어 형성되며 상기 제1 분리홀과 중첩하는 제2 분리 홈을 갖는 반사 방지막; 및
    상기 기판의 후면 및 상기 반사 방지막 상에 제공되며, 상기 제1 및 제2 분리 홈을 통해 상기 기판의 전면과 접촉하는 보호막을 포함하는 태양 전지.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 분리 홈은 평면 상에서 볼 때 상기 기판의 단부에 인접한 영역에 대응하여 제공되는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 기판의 전면 상에 제공되어 상기 에미터층과 접촉하는 전면 전극과, 상기 기판의 후면 상에 제공되어 상기 후면과 접촉하는 후면 전극을 더 포함하는 태양 전지.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 보호막은 알루미늄 산화물(AlOx), 알루미늄 질화물(AlN), 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiNx), 또는 실리콘 산질화물(SiON) 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 기판의 전면은 요철 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 반사 방지막은 실리콘 질화물, 실리콘 산화물, 또는 실리콘 산질화물 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
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