KR20120131261A - 태양 전지의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 태양 전지의 제조방법은 (a) 실리콘 기판을 준비하는 단계; (b) 상기 실리콘 기판의 후면 표면을 부동화하는 단계; (c) 상기 실리콘 기판의 후면 표면에 패시베이션막을 형성하는 단계; (d) 상기 실리콘 기판의 후면 표면에 컨택영역을 형성하는 단계; (e) 상기 실리콘 기판의 후면 표면에 금속 전극막을 형성하는 단계; 를 구비하는 태양 전지의 제조방법을 제공함에 기술적 특징이 있다.
본 발명의 태양 전지의 제조방법은 실리콘 기판 후면의 여러 종류의 결함을 부동화시켜 표면 패시베이션(passivation) 효과를 높임으로 소수 캐리어의 수명을 증가시켜 태양전지의 변환 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 태양 전지의 제조방법은 실리콘 기판 후면의 여러 종류의 결함을 부동화시켜 표면 패시베이션(passivation) 효과를 높임으로 소수 캐리어의 수명을 증가시켜 태양전지의 변환 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
Description
본 발명은 태양 전지가 제조되는 반도체 기판의 후면 처리방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 잉곳(ingot)으로부터 잘려진 반도체 기판을 태양전지용으로 제조할 때 반도체 기판의 후면을 수소화 처리함에 의해 반도체 내의 소수 캐리어(minority carrier)의 수명을 늘여 태양전지로서의 효율을 높이는 제조 방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지(Solar Cell)는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 특히 주목받고 있고 관련 산업이 급격하게 성장하고 있다.
태양전지(Solar Cell)는 반도체의 성질을 이용하여 태양빛(photons)을 전기에너지로 변환시키는 소자를 일컫는다.
종래의 태양전지(100)의 일반적인 구조를 개략적으로 도시하면 도 1에 보인 바와 같이 p형 반도체 기판(110), n형 확산 영역(120), 하부 접합전극(140), 상부 접합전극(130)을 구비한다. n형 확산 영역(120)은 확산기법 또는 이온 주입법에 의해 p형 반도체 기판(110)위에 형성된다. p형 반도체 기판(110)과 n형 확산 영역(120)은 접합 다이오드가 된다. 이 다이오드에 태양빛이 입사되면 반도체의 결정구조에 충격을 주어 음전하를 띤 전자(electron)와 양전하를 띤 정공(hole)이 쌍으로 발생하는데 주로 이들은 p-n 접합면 부근에서 발생된다. 이들 전자-정공쌍(elecrton-hole pair)들이 이동하면서 전류가 흐르게 되는데 이를 광기전력효과(photovoltaic effect)라 한다. 이 원리에 의해 태양전지를 구성하는 p형 반도체 기판(110) 및 n형 확산 영역(120) 중 전자(electron)는 n형 확산 영역(120) 쪽으로, 정공(hole)은 p형 반도체 기판(120) 쪽으로 각각 끌어 당겨지고 이는 결국 전하의 흐름이 되므로, 이들 상부, 하부 접합전극(130, 140)들을 전선으로 연결하면 전기가 흐르므로 전력을 얻을 수 있게 된다.
한편, 종래의 태양전지용 웨이퍼는 실리콘 단결정 봉인 잉곳(ingot)을 잘라 세정 후 그대로 출하되므로 웨이퍼 표면에는 많은 손상(damage)이나 결함(defect)이 존재하였다. 또한 웨이퍼 표면에는 구조상 원자간 결합이 깨지면서 댕글링 본드(dangling bond)와 같은 결함도 많이 분포하고 있다.
이로 인해 종래의 태양 전지는 빛의 조사(radiation)로 발생되는 소수 캐리어들은 이들 결함이나 손상된 표면의 격자에 포획되거나, 이들 결함에 의해 전자-정공쌍이 재결합시키는 과정이 가속됨으로써 전하 운반자인 소수 캐리어의 수명(life time) 단축되고, 이로 인해 태양전지의 변환 효율이 점차로 감소하는 문제점이 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 주로 결정질 실리콘으로 이루어진 반도체 기판의 후면에다 패시베이션 막을 형성하기 이전에 수소화 처리를 먼저함으로써 기판 후면의 댕글링 본드(dangling bond)의 결함을 부동화시켜 반도체 기판 후면 표면 결정 원자들의 불안정한 에너지 상태를 보다 안정화할 수 있는 태양전지의 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 태양 전지의 제조방법은, (a) 실리콘 기판을 준비하는 단계; (b) 상기 실리콘 기판의 후면 표면을 부동화하는 단계; (c) 상기 실리콘 기판의 후면 표면에 패시베이션막을 형성하는 단계; (d) 상기 실리콘 기판의 후면 표면에 금속 전극막을 형성하는 단계; (e) 상기 실리콘 기판의 후면 표면에 컨택영역을 형성하는 단계; 를 구비하는 태양 전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 실리콘 기판의 후면에 있는 댕글링 본드(dangling bond) 및 기타 결함을 수소화과정을 거쳐 부동화시켜 표면 패시베이션(passivation) 효과를 높임과 동시에 기판 내 소수 캐리어의 수명을 증가시켜 태양전지의 변환 효율을 향상 시킬 수 있는 장점이 있다. 또한 수명이 증가된 소수 캐리어는 후속적으로 진행되는 반도체 공정, 예컨대, 파이어링(firing) 등의 공정에도 영향을 받지 않는 효과가 나타난다.
도 1은 종래의 태양전지의 일반적인 구조를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실리콘 태양전지의 후면의 수소화 처리 이후 패시베이션 층을 형성하는 일련 과정을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 효과를 확인하기 위한 실험의 결과를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실리콘 태양전지의 후면의 수소화 처리 이후 패시베이션 층을 형성하는 일련 과정을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 효과를 확인하기 위한 실험의 결과를 나타낸다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실리콘 태양전지의 후면의 수소화 처리 이후 패시베이션 층을 형성하는 일련의 과정을 도시한 것이다.
태양전지를 만들기 위해서는 대개 고온 저압의 로(furnace)내부에 있는 서셉터(susceptor)위에다 웨이퍼를 얹어놓고 공정을 진행하므로 실리콘 기판의 전면과 후면을 동시에 처리(processing)할 수는 없다. 그러므로 실리콘 기판의 한쪽 면의 공정을 먼저 진행한 후, 다른 쪽 면의 공정을 진행하여야 한다. 물론 때에 따라서는 한쪽 면에 일부 공정을 진행한 뒤, 다른 쪽 공정을 진행하여도 무방하다.
이하, 본 발명에서는 편의상 실리콘 기판의 전면의 공정을 먼저 설명한다.
먼저, 제1 단계로 제1 도전형의 실리콘 기판(210)을 마련한다. 제1 도전형의 실리콘 기판(210)은 p형 및 n형 타입 모두를 사용할 수 있다. 그러나 전자의 수명(life time) 및 이동도(mobility)는 정공의 수명 및 이동도보다는 크기 때문에 p형 실리콘 기판을 사용하는 것이 바람직하다. 왜냐하면 p형 실리콘 기판에서는 전자(electron)가 소수 캐리어이기 때문이고, 반도체의 물리적인 특성상 소수 캐리어에 의한 전류가 중요하기 때문이다.
p형 실리콘 기판을 사용할 경우에, 제1 도전형의 실리콘 기판(210)은 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등의 3족 원소들을 원료로 하는 화합물을 이용하여 도핑(doping)하여 형성된다. 기판의 도핑(doping)은 주로 반도체 잉곳(ingot)을 제작할 때 이루어지므로 잉곳(ingot)을 웨이퍼 상태로 슬라이싱(slicing)될 때는 이미 도핑된 상태이다.
다음, 제 2 단계로 제1 도전형의 실리콘 기판(210) 상에 제2 도전형의 에미터층(220)을 형성한다. 제2 단계의 공정은 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등의 5족 원소 화합물 가운데 하나를 원료로 하고, 원료를 실어 나를 캐리어 가스로는 불활성 가스를 선택하여 이들을 고온의 로(furnace) 내부로 확산시켜 실리콘 기판의 전면에 화학반응을 일으키거나, 또는 이온 주입기를 이용하여 고에너지 상태의 5족 원소이온들을 실리콘 기판에 강제 주입(implantation)하여 이루어진다.
제3 단계로 반사방지막(Anti-reflective Coating, 230)을 형성한다. 반사방지막(Anti-reflective Coating, 230)은 실리콘 기판으로 입사된 빛이 에미터층(220)에 흡수되지 못하고 바로 외부로 반사됨으로써 태양전지의 효율을 저하시키는 현상을 방지하는 역할을 한다.
반사방지막(Anti-reflective Coating, 230) 물질은 태양전지의 표면과 화학적 반응을 하지 말아야 하므로 패시베이션(passivation)막 기능도 한다. 반사방지막(230)의 원료 물질로는 전지 표면을 보호할 수 있는 Si3N4 등의 실리콘 질화물(SiNx) 등이 주로 쓰여 전지 표면을 보호한다. 때에 따라서는 SiO2 등의 실리콘 산화물(SiOx) 또는 TiO2 등의 물질도 사용될 수 있다.
반사방지막(230)은 저압 화학기상 증착법(LPCVD, Low pressure Chemical Vapor Deposition) 또는 플라즈마 화학기상 증착법(PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 등을 실시하여 형성할 수 있다.
제4 단계로 패시베이션막(230)에 그리드(grid) 형상으로 은(Ag)이 함유된 전극물질을 프린팅하거나 전극물질의 페이스트를 덧바른다.
제5 단계로 열처리(파이어링)을 거쳐 전극 물질이 페시베이션막(230)을 뚫고 들어가게 하여 에미터 영역(220)과 전기적 접촉이 되게 하여 태양전지의 한쪽 전극(240)을 완성한다. 이5단계의 공정은 후술하여 설명한 실리콘 기판 후면에 행해지는 공정(이를 실리콘 기판의 전면부에 행해지는 공정과 구분하기 위해 '후면 공정'이라고 한다)이 행해진 다음의 순서로 진행되어도 무방하다.
이상 상술하여 설명한 단계들은 실리콘 전면에 행하는 제조공정들을 개략적으로 설명한 것이며, 편의상 각 단계별에서 이루어지는 아주 상세한 공정 기술은 의도적으로 적절히 생략되었음을 유의하여야 하고, 이들 생략은 본 발명의 본질적인 특징과는 관계가 없음도 또한 알아야 한다.
이하, 실리콘 기판(210)의 후면에 실시하는 공정(이하 '후면공정 제1단계 내지 제3단계')을 설명한다.
물론 후면공정을 진행하기 위해서는 실리콘 기판의 후면이 로(furnace)내부의 서셉터(susceptor)에 안착되어야 한다.
먼저, 제1 단계로 실리콘 기판(210)의 후면을 깨끗하게 클리닝한다. 이 클리닝은 약한 클리닝 가스를 흘리는 방법도 가능할 뿐만 아니라 기타 잘 알려진 반도체 제조 공정 상의 클리닝 방법을 사용하여도 무방하다. 이 클리닝의 목적은 반도체 후면의 표면의 여러 불순물이나 불필요하게 형성되어 있는 산화막 등을 제거하기 위한 것이다.
다음, 제2 단계로 불화수소(HF)를 이용하여 실리콘 후면에 있을 각종 결함(defect)등을 부동화시킨다. 원래 실리콘 기판의 내부의 실리콘 원자들과는 달리 후면의 표면 원자들은 완전한 공유결합(covalent bonding)을 이루지 못하고 있어 이들 결함이 있는 결정구조에 의해 표면이 매우 불안정한 상태에 있다. 게다가 실리콘 기판은 모두 완전한 결정구조를 가지고 있지 못하고 군데 군데 결함도 있게 됨은 자연의 이치이다. 이들 결함들은 항상 불안정한 에너지 상태에 있어 기판 내의 캐리어들과 결합하려 한다. 즉, 캐리어의 이동이나 수명에 부정적인 영향을 미친다. 불화수소(HF)는 이들 표면 결함을 수소(H)와 결합시켜 결함이 더 이상 물리적, 화학적으로 캐리어 등과 반응하지 못하게 막아 주는 역할을 한다.
제 3 단계로는 SiNx, Al2O3 등의 물질로 패시베이션 막(270)을 형성한다.
제4 단계로는 패시베이션막(270) 위에 컨택 영역(275)을 만든다.
제 5단계로는 , 금속을 코팅하여 금속 전극(280)을 만들어 태양전지의 나머지 전극을 완성한다. 이때 금속은 반도체 전기배선으로 많이 사용되는 알루미늄인 것이 바람직하다. 왜냐하면 실리콘 기판의 후면은 태양광이 입사되지 않으므로 반사를 방지할 필요가 없으므로 가장 값싸고 잘 알려진 물질이면 충분하기 때문이다.
상기 제 4 단계에서는 컨택 영역(275)을 만들기 위한 마스킹 공정이 있어야 하므로 이 때문에 태양전지의 제작비용이 증가한다. 이 제 4 단계를 생략하고 다른 방법으로 기판(210)과 전극(280)을 연결하여도 된다. 예를 들어 금속물질을 기판 후면에 형성한 제 5단계 이후에 곧바로 전극물질을 프린팅하거나, 전극물질의 페이스트를 덧바른 후 파이어링 공정을 진행한다. 이 파이어링(firing) 공정에 의해 전극 물질은 페시베이션막(270)을 뚫고 들어가므로 기판(210)과 전기적 접촉이 되어 태양전지의 나머지 전극(280)이 완성된다.
(본 발명의 효과를 확인하는 실험결과에 대한 설명)
본 발명의 효과를 확인하기 위하여 발명자들은 면밀한 실험을 거쳤다.
도 3의 실험결과를 참조로 하여 실험의 단계 및 실험의 결과를 설명한다. 도 3의 수평축은 본 발명의 실험 단계 및 노출시간을 나타낸다. 수직축은 측정된 소수캐리어의 수명을 나타낸다.
실험은 다음의 순서로 진행하였다.
먼저 아무 처리도 하지 않은 기판을 준비하고(Bare wafer 준비, 'Bare'로 표기), SDR처리를 하고('SDR'로 표기), 기판을 클리닝하고('Cleaning'으로 표기), HF로 부동화 처리하고('HF'로 표기), 질화실리콘으로 페시베이션막을 형성하고('SiNx'로 표기), 파이어링('Firing'으로 표기)을 거친 다음, 에어(air)에 노출시켰다. 상기 각 단계를 거칠 때마다 소수 캐리어의 수명을 측정하고 기록하였다.
'SDR'이란 Saw Damage Removal의 약자로서 웨이퍼를 잉곳으로부터 자를 때 생긴 결함을 식각 등을 통해 일차적으로 제거하는 공정을 말한다.
'파이어링(firing)'이란 웨이퍼 전면 공정에서 페시베이션막 위에다 전극을 형성한 후에 전극 물질이 페시베이션 막 속으로 침투해 에미터 층에 접촉하여 전극과 전기가 통할 수 있도록 열처리 하는 공정을 말한다. 이 파이어링 공정은 후면 패시베이션 후에 진행될 수도 있고 후면 전극 형성 공정에도 사용되는 경우가 있으므로 파이어링의 영향을 조사 하기 위해 실행한 실험 단계이다.
일반적으로 패시베이션을 해도 공기 중 습기 등의 영향을 받아 태양전지의 특성이 열화되는 현상이 생길 수 있다. 그러므로 태양전지를 공기 중에 노출시켜도 HF를 이용한 수소화 처리 효과가 계속되는지를 확인하는 절차가 필요하다. '에어 노출'이란 태양전지를 공기 중에 보관하면서 소수캐리어의 수명 변화를 관찰하기 위한 실험단계이다. 도 3에서 보듯이 불화수소(HF)를 이용하여 부동화처리한 기판과 그렇지 않은 기판은 소수 캐리어의 수명이 평균적으로 5 마이크로 초(micro second) 정도 차이를 나타내었다.
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.
100, 200 : 태양전지 110, 210 : 실리콘 기판
120, 220 : 에미터 확산층 130, 240 : 상부 전극
140, 280 : 하부 전극 230 : 반사방지막
275 : 컨택 영역 270: 패시베이션막
120, 220 : 에미터 확산층 130, 240 : 상부 전극
140, 280 : 하부 전극 230 : 반사방지막
275 : 컨택 영역 270: 패시베이션막
Claims (8)
- (a) 실리콘 기판을 준비하는 단계;
(b) 상기 실리콘 기판의 후면 표면을 부동화하는 단계;
(c) 상기 실리콘 기판의 후면 표면에 패시베이션막을 형성하는 단계;
(d) 상기 실리콘 기판의 후면 표면에 금속 전극막을 형성하는 단계;
를 구비하는 태양 전지의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 금속 전극막을 형성하는 단계 이전에 상기 실리콘 기판의 후면 표면에 컨택 영역을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 금속 전극막을 형성하는 단계 이후에 상기 실리콘 기판의 후면 표면에 파이어링으로 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 부동화하는 단계는 불화수소(HF)를 이용하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 (a) 단계 내지 상기 (d)단계 이전 또는 이후에,
(f) 상기 실리콘 기판에 에미터 영역을 형성하는 단계;
(g) 상기 (f)단계 후, 반사방지막을 형성하는 단계;
(h) 상기 (g)단계 후, 상기 실리콘의 상부 전극을 형성하는 단계;
를 처리하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조방법.
- 제 5항에 있어서,
상기 (f)단계는, 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 중 어느 하나를 선택한 후 확산 또는 이온주입에 의해 상기 에미터층이 형성되는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조방법.
- 제 5항에 있어서,
상기 (g)단계는, SiO2, Si3N4, TiO2 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조방법.
- 제 5항 또는 제 7항에 있어서, 상기 (g)단계는, 저압 화학기상 증착법(LPCVD, Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 또는 플라즈마 화학기상 증착법(PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)을 사용하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110049299A KR20120131261A (ko) | 2011-05-25 | 2011-05-25 | 태양 전지의 제조 방법 |
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| KR20120131261A true KR20120131261A (ko) | 2012-12-05 |
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| KR (1) | KR20120131261A (ko) |
-
2011
- 2011-05-25 KR KR1020110049299A patent/KR20120131261A/ko not_active Application Discontinuation
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