KR20120122022A - 태양전지 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘 기판 내부에 존재하는 옥사이드(Oxide)를 카본(Carbon)과 반응시켜 제거할 수 있도록 하는 태양전지 제조방법에 관한 것으로, 제1도전형의 실리콘 기판에 제2도전형의 불순물 이온을 주입 및 확산시킴에 따라, 상기 실리콘 기판의 내부에 옥사이드가 생성되는 단계와; 상기 옥사이드가 내부에 생성된 상기 실리콘 기판의 전면에 반사방지막을 형성하는 단계와; 상기 실리콘 기판의 내부에 카본 입자를 침투시켜 상기 옥사이드를 제거하는 단계를 수행함으로써, 태양전지의 광발전 시 소수 운송자가 옥사이드에 의해 소실되는 것을 방지하여 태양전지의 광전 변환 효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 태양전지 제조방법에 관한 것으로, 특히 실리콘 기판 내부에 존재하는 옥사이드(Oxide)를 제거할 수 있도록 하는 태양전지 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 입사되어 전자-정공 쌍이 생성되고, 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 이동하게 되어 p-n 접합부 사이에 광기전력이 발생되며, 이때 태양전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산할 수 있게 된다.
한편, 태양전지는 p-n 접합층인 광흡수층의 형태나 불순물 이온 종류에 따라 다양하게 구분되는데 광흡수층으로는 대표적으로 실리콘(Si)을 들 수 있으며, 이와 같은 실리콘계 태양전지는 형태에 따라 실리콘 기판을 광흡수층으로 이용하는 실리콘 기판형과, 실리콘을 박막 형태로 증착하여 광흡수층을 형성하는 박막형으로 구분된다.
실리콘계 태양전지 중 실리콘 기판형의 일반적인 구조를 예들 들어 살펴보면 다음과 같다.
도 1에 도시한 바와 같이, n형 반도체층과 p형 반도체층이 순차적으로 적층되며, n형 반도체층의 상부에 전면전극(20)이 구비되고 p형 반도체층의 하부에 후면전극(30)이 구비된 구조를 갖는다. 이때, n형 반도체층 및 p형 반도체층은 하나의 실리콘 기판(10)에 구현되는 것으로서, 실리콘 기판(10)의 하부는 p형 반도체층, 실리콘 기판(10)의 상부는 n형 반도체층으로 구분되며, n형 반도체층은 일반적으로 p형 실리콘 기판(10)에 n형 불순물 이온을 도핑(Doping), 확산(Diffusion)시켜 형성된다. 아울러, 후면전극(30)은 실리콘 기판(10)의 하부에 전체적으로 증착된 메탈 페이스트(Metal Paste)(31) 및 버스 바 형태의 메탈 라인(32)을 포함하여 이루어진다.
이와 같은 구조를 갖는 태양전지의 제조방법을 살펴보면, p형의 실리콘 기판(10)을 준비한 다음, 준비된 실리콘 기판(10)의 표면 텍스쳐링, n형 불순물 이온 도핑 및 확산, 전면전극(20) 및 후면전극(30) 형성 등의 공정을 거쳐 제조된다. 이때, 전면전극(20) 및 후면전극(30)의 형성 전에 산화막 제거, 세정 공정 및 반사방지막(40) 형성 공정 등이 진행된다. 한편, 불순물 이온 확산 시에는 고온 열처리 공정이 진행되는데, 이때 실리콘 기판(10)의 표면에 산화막이 성장함과 동시에, 실리콘 기판(10)의 내부에서도 나노 크기의 미세 입자인 옥사이드(Oxide)(5)가 생성되어 잔존하게 된다.
따라서, 종래의 태양전지는 광발전 시, 광흡수층인 실리콘 기판(10) 내부에서 광생성된 소수 운송자, 예컨대 전자(Electron)(e-)가 전기장에 의해 이동하여 전면전극(14)으로 포집되기 전에 실리콘 기판(10) 내부에 존재하는 옥사이드(5)에 트랩(Trap)되어 소실됨에 따라 광전 변환 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 실리콘 기판 내부에 존재하는 옥사이드(Oxide)를 카본(Carbon)과 반응시켜 제거할 수 있도록 하는 태양전지 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조방법은, 제1도전형의 실리콘 기판에 제2도전형의 불순물 이온을 주입 및 확산시킴에 따라, 상기 실리콘 기판의 내부에 옥사이드(Oxide)가 생성되는 단계와; 상기 옥사이드가 내부에 생성된 상기 실리콘 기판의 전면에 반사방지막을 형성하는 단계와; 상기 실리콘 기판의 내부에 카본(Carbon) 입자를 침투시켜 상기 옥사이드를 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지 제조방법은, 제1도전형의 실리콘 기판에 제2도전형의 불순물 이온을 주입 및 확산시킴에 따라, 상기 실리콘 기판의 내부에 옥사이드(Oxide)가 생성되는 단계와; 상기 옥사이드가 내부에 생성된 실리콘 기판의 전면에 카본(Carbon) 입자를 포함한 도핑 소스층을 형성하는 단계와; 상기 도핑 소스층의 상부에 반사방지막을 형성하는 단계와; 상기 실리콘 기판의 내부에 카본 입자를 침투시켜 상기 옥사이드를 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 옥사이드를 제거하는 단계는, 상기 실리콘 기판의 후면에 카본 입자를 포함한 메탈 페이스트를 증착하고 급속 소성 공정을 진행하는 단계와; 상기 급속 소정 공정 시의 열처리에 의해 상기 메탈 페이스트에 포함된 카본 입자를 상기 실리콘 기판의 내부로 확산시켜 상기 옥사이드와 반응시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 반사방지막의 상부와 상기 메탈 페이스트의 하부에 메탈 라인을 패터닝하고 소성 공정을 진행하여 전면전극 및 후면전극을 형성하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 따른 태양전지 제조방법에 의하면, 실리콘 기판 내부에 존재하는 옥사이드(Oxide)를 카본(Carbon)과 반응시켜 제거함으로써, 태양전지의 광발전 시 소수 운송자가 옥사이드에 의해 소실되는 것을 방지하여 태양전지의 광전 변환 효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 태양전지의 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조방법을 설명하기 위한 순서도.
도 3 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조방법을 설명하기 위한 참고도.
도 8 내지 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지 제조방법을 설명하기 위한 참고도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조방법을 설명하기 위한 순서도.
도 3 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조방법을 설명하기 위한 참고도.
도 8 내지 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지 제조방법을 설명하기 위한 참고도.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지 제조방법에 대하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1도전형의 실리콘 기판(10)을 준비한다(S100). 여기서, 제1도전형은 n형 또는 p형일 수 있으며, 이하에서는 제1도전형은 p형인 것을 일 예로 들어 설명하기로 한다.
상기한 단계 S100을 통해 제1도전형의 실리콘 기판(10)이 준비된 상태에서, 실리콘 기판(10)의 상층부에 제2도전형 불순물 이온, 예를 들어 n형 불순물 이온인 인(P)를 주입하고, 열처리하여 확산시킨다(S110). 이에 따라 도 3에 도시한 바와 같이, 실리콘 기판(10)의 하층부는 제1도전형의 반도체층 즉, p형 반도체층을 이루게 되고, 그 상층부는 제2도전형의 반도체층 즉, n형 반도체층을 이루게 된다.
한편, 상기한 단계 S110 이전에는 상기한 단계 S100을 통해 준비된 실리콘 기판(10)의 표면에 요철이 형성되도록 텍스쳐링 공정을 먼저 진행하는 것이 바람직하다. 이때 텍스쳐링 공정은 실리콘 기판(10) 표면에서의 빛 반사를 줄이기 위한 것이며, 습식 식각 또는 플라즈마를 이용한 건식 식각을 통해 요철을 형성할 수 있다.
상기한 단계 S110에서의 열처리?확산 공정에 의해 실리콘 기판(10)의 표면에는 고온 열처리에 따른 공기 융합 반응으로 인하여 일정 두께의 실리콘 산화막(SiO2)이 형성되고, 실리콘 기판(10)의 내부에는 도 3에 도시된 바와 같이, 나노 크기의 미세 입자인 옥사이드(Oxide)(5)가 생성된다(S120).
상기한 단계 S120을 통해 형성된 실리콘 산화막은 산소, 실리콘 및 인(P)이 고온에서 반응하여 생성된 PSG(Phosphorus Silicate Glass)막으로 이루어지는데, 만일 제2도전형 반도체층(12)이 p형 반도체층으로 이루어진 경우에는 산소, 실리콘 및 붕소(B)가 고온에서 반응하여 생성된 BSG(Boron Silicate Glass)막으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기한 단계 S120을 통해 형성된 실리콘 산화막은 세정 공정을 진행하여 제거하는 것이 바람직하다.
상기한 단계 S120 이후, 화학기상증착 공정 등을 통해 도 4에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(10)의 전면에 패시베이션 역할을 수행하는 반사방지막(40)을 형성한다(S130).
상기한 단계 S130에서는 실리콘 기판(10)의 제2도전형 반도체층 상에 예컨대, PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 공정을 사용하는 것이 바람직하다. 여기서, 반사방지막(13)은 실리콘 질화막(Si3N4)으로 구성될 수 있는데, 일 예로 PECVD 공정을 통해 실리콘 질화막을 형성하는 것은, 원료가스인 SiH4와 NH3을 플라즈마 상태로 방전, 활성화시켜 실리콘 질화막을 생성시키는 방법을 통해 구현될 수 있다.
상기한 단계 S130 다음에는, 실리콘 기판(10)의 후면에 프린팅 공정을 수행하여 나노 크기의 카본(Carbon) 입자(7)를 포함한 알루미늄(Al) 페이스트 등의 메탈 페이스트(31)를 증착시킨 후, 급속 소성(Fast Firing Furnace) 공정을 수행한다(S140).
상기한 단계 S140에서의 급속 소성 공정 시 고온 열처리에 의해, 도 5 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 메탈 페이스트(31)에 포함되어 있는 카본 입자(7)가 실리콘 기판(10)의 내부로 확산하여 상기한 단계 S120을 통해 실리콘 기판(10)의 내부에 생성되어 잔존하는 옥사이드(5)와 반응함으로써, 옥사이드(5)를 산화시켜 제거하게 된다(S150).
상기한 단계 S150 이후에는, 도 7에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(10)의 전면, 즉 반사방지막(40) 위에 은(Ag) 등의 재질로 구성된 핑거 바 또는 버스 바 형태의 메탈 라인을 패터닝하고, 실리콘 기판(10)의 후면, 즉 메탈 페이스트(31) 아래에 은(Ag), 알루미늄(Al) 또는 은(Ag)과 알루미늄(Al) 합금 재질로 구성된 버스 바 형태의 메탈 라인(32)을 패터닝한 후, 소성 공정을 진행하여 실리콘 기판(10)의 전후면에 전면전극(20) 및 후면전극(30)을 형성한다(S160).
다르게는, 상기한 단계 S120 이후, 실리콘 기판(10)의 전면에 나노 크기의 카본 입자(7)가 포함된 도핑 소스층(50)을 형성한 다음 상기한 단계 S130 내지 S150을 수행함으로써, 도 8 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 상기한 단계 S140을 통해 실리콘 기판(10)의 내부로 확산되는 메탈 페이스트(31)에 포함되어 있는 카본 입자(7)와 함께, 도핑 소스층(50)에 포함되어 있는 카본 입자(7)를 실리콘 기판(10)의 내부로 확산시켜 상기한 단계 S120을 통해 실리콘 기판(10)의 내부에 생성되어 잔존하는 옥사이드의 제거율을 향상시킬 수 있다. 이때 도핑 소스층(50)은 SiC 박막층 등으로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 태양전지 제조방법은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.
5: 옥사이드 7: 카본 입자
10: 실리콘 기판 20: 전면전극
30: 후면전극 31: 메탈 페이스트
32: 메탈 라인 40: 반사방지막
50: 도핑 소스층
10: 실리콘 기판 20: 전면전극
30: 후면전극 31: 메탈 페이스트
32: 메탈 라인 40: 반사방지막
50: 도핑 소스층
Claims (4)
- 제1도전형의 실리콘 기판에 제2도전형의 불순물 이온을 주입 및 확산시킴에 따라, 상기 실리콘 기판의 내부에 옥사이드(Oxide)가 생성되는 단계와;
상기 옥사이드가 내부에 생성된 상기 실리콘 기판의 전면에 반사방지막을 형성하는 단계와;
상기 실리콘 기판의 내부에 카본(Carbon) 입자를 침투시켜 상기 옥사이드를 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
- 제1도전형의 실리콘 기판에 제2도전형의 불순물 이온을 주입 및 확산시킴에 따라, 상기 실리콘 기판의 내부에 옥사이드(Oxide)가 생성되는 단계와;
상기 옥사이드가 내부에 생성된 실리콘 기판의 전면에 카본(Carbon) 입자를 포함한 도핑 소스층을 형성하는 단계와;
상기 도핑 소스층의 상부에 반사방지막을 형성하는 단계와;
상기 실리콘 기판의 내부에 카본 입자를 침투시켜 상기 옥사이드를 제거하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 옥사이드를 제거하는 단계는,
상기 실리콘 기판의 후면에 카본 입자를 포함한 메탈 페이스트를 증착하고 급속 소성 공정을 진행하는 단계와;
상기 급속 소정 공정 시의 열처리에 의해 상기 메탈 페이스트에 포함된 카본 입자를 상기 실리콘 기판의 내부로 확산시켜 상기 옥사이드와 반응시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
- 제3항에 있어서,
상기 반사방지막의 상부와 상기 메탈 페이스트의 하부에 메탈 라인을 패터닝하고 소성 공정을 진행하여 전면전극 및 후면전극을 형성하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
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