KR20130068675A - 태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 반응성 이온 에칭법을 이용하여 기판의 일면을 식각하여 상기 기판의 일면에 요철구조를 형성하는 공정; 및 반응성 이온 에칭법을 이용하여 상기 기판의 일면에 생성된 데미지층 및 반응물을 동시에 제거하는 공정을 포함하여 이루어지고, 이때, 상기 데미지층 및 반응물을 동시에 제거하는 공정은, 상기 요철구조의 피크(peak)를 라운드 형태로 형성하는 공정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 태양전지에 관한 것으로서,
본 발명에 따르면, 기판의 일면을 식각하는 공정과 상기 기판의 일면에 형성된 데미지층 및 반응물을 제거하는 공정을 모두 반응성 이온 에칭법을 이용하여 수행할 수 있기 때문에, 종래와 같이 진공상태와 대기압상태 사이에서 기판을 이동할 필요가 없어 공정이 단순해질 수 있다.
본 발명에 따르면, 기판의 일면을 식각하는 공정과 상기 기판의 일면에 형성된 데미지층 및 반응물을 제거하는 공정을 모두 반응성 이온 에칭법을 이용하여 수행할 수 있기 때문에, 종래와 같이 진공상태와 대기압상태 사이에서 기판을 이동할 필요가 없어 공정이 단순해질 수 있다.
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 기판형 태양전지에 관한 것이다.
태양전지는 반도체의 성질을 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치이다.
태양전지는 P(positive)형 반도체와 N(negative)형 반도체를 접합시킨 PN 접합 구조를 하고 있으며, 이러한 구조의 태양전지에 태양광이 입사되면, 입사된 태양광 에너지에 의해 상기 반도체 내에서 정공(hole)과 전자(electron)가 발생하고, 이때, PN접합에서 발생한 전기장에 의해서 상기 정공(+)는 P형 반도체쪽으로 이동하고 상기 전자(-)는 N형 반도체쪽으로 이동하게 되어 전위가 발생하게 됨으로써 전력을 생산할 수 있게 된다.
이와 같은 태양전지는 박막형 태양전지와 기판형 태양전지로 구분할 수 있다.
상기 박막형 태양전지는 유리 등과 같은 기판 상에 박막의 형태로 반도체를 형성하여 태양전지를 제조한 것이고, 상기 기판형 태양전지는 실리콘과 같은 반도체 물질 자체를 기판으로 이용하여 태양전지를 제조한 것이다.
상기 기판형 태양전지는 상기 박막형 태양전지에 비하여 두께가 두껍고 고가의 재료를 이용해야 하는 단점이 있지만, 전지 효율이 우수한 장점이 있다.
이하에서는 도면을 참조로 종래의 기판형 태양전지에 대해서 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 기판형 태양전지의 개략적인 단면도이다.
도 1에서 알 수 있듯이, 종래의 기판형 태양전지는 P형 반도체층(10), N형 반도체층(20), 반사방지층(30), 전면전극(40), P+형 반도체층(50), 및 후면전극(60)으로 이루어진다.
상기 P형 반도체층(10) 및 상기 P형 반도체층(10) 위에 형성된 N형 반도체층(20)은 태양전지의 PN접합 구조를 이룬다.
상기 반사방지층(30)은 상기 N형 반도체층(20)의 상면에 형성되어 입사되는 태양광의 반사를 방지하는 역할을 한다.
상기 P+형 반도체층(50)은 상기 P형 반도체층(10)의 하면에 형성되어 태양광에 의해서 형성된 캐리어가 재결합하여 소멸되는 것을 방지하는 역할을 한다.
상기 전면전극(40)은 상기 반사방지층(30)의 상부에서부터 상기 N형 반도체층(20)까지 연장되어 있고, 상기 후면전극(60)은 상기 P+형 반도체층(50)의 하면에 형성된다.
이와 같은 종래의 기판형 태양전지는, 그 내부로 태양광이 입사되면 PN접합구조에서 전자(electron) 및 정공(hole)이 생성되고, 생성된 전자는 상기 N형 반도체층(20)을 통해 전면전극(40)으로 이동하고, 생성된 정공은 상기 P+형 반도체층(50)을 통해 후면전극(60)으로 이동하여 전력을 생산하게 된다. 이와 같은 종래의 기판형 태양전지는 다음과 같은 공정에 의해 제조된다.
도 2a 내지 도 2g는 종래의 기판형 태양전지의 제조공정을 보여주는 공정 단면도이다.
우선, 도 2a에서 알 수 있듯이, P형 반도체 기판(10a)을 준비한다.
다음, 도 2b에서 알 수 있듯이, 상기 반도체 기판(10a)의 일면을 식각하여 상기 반도체 기판(10a)의 일면에 요철구조를 형성한다.
상기 반도체 기판(10a)의 일면을 식각하는 공정은 반응성 이온 에칭법(Reactive Ion Etching:RIE)을 이용할 수 있다. 상기 반응성 이온 에칭법은 고압의 플라즈마 상태에서 소정의 반응가스를 이용하여 식각하는 공정이다.
한편, 도시된 바와 같이, 반응성 이온 에칭법을 이용하여 반도체 기판(10a)의 일면을 식각하게 되면, 고압의 플라즈마로 인해서 상기 반도체 기판(10a)의 일면에 데미지층(damaged layer)(12)이 형성되고 또한 SiOx와 같은 반응물(14)이 잔존하게 된다.
다음, 도 2c에서 알 수 있듯이, 상기 반도체 기판(10a)의 일면에 형성된 데미지층(12) 및 반응물(14)을 제거한다.
이와 같은 데미지층(12) 및 반응물(14)의 제거는 식각액을 이용한 습식식각공정을 통해 이루어진다.
다음, 도 2d에서 알 수 있듯이, 상기 반도체 기판(10a)의 일면에 N형 도펀트를 도핑하여 PN접합을 형성한다. 즉, 상기 반도체 기판(10a)의 일면에 N형 도펀트를 도핑하면, 도펀트에 의해 도핑되지 않은 P형 반도체층(10) 및 도펀트에 의해 도핑된 N형 반도체층(20)이 차례로 형성되어 PN접합을 이루게 된다.
다음, 도 2e에서 알 수 있듯이, 상기 N형 반도체층(20) 상에 반사방지층(30)을 형성한다.
다음, 도 2f에서 알 수 있듯이, 상기 반사방지층(30)의 상면에 전면전극 물질(40a)을 도포하고, 상기 P형 반도체층(10)의 하면에 후면전극 물질(60a)을 도포한다.
다음, 도 2g에서 알 수 있듯이, 고온에서 열처리(firing)를 수행하여, 도 1과 같은 기판형 태양전지를 완성한다.
즉, 고온에서 열처리를 수행하면, 상기 전면전극 물질(40a)이 상기 반사방지층(30)을 뚫고 상기 N형 반도체층(20)까지 침투하여 전면전극(40)이 형성되고, 상기 후면전극 물질(60a)은 상기 P형 반도체층(10)의 하면으로 침투하여 상기 P형 반도체층(10)의 하면에 P+형 반도체층(50)이 형성되고 그 아래에 후면전극(60)이 형성된다.
이와 같은 종래의 기판형 태양전지는 제조 공정이 복잡하여 제조비용이 증가되는 단점이 있다.
특히, 전술한 도 2b 공정 및 도 2c 공정은 모두 반도체 기판의 소정 영역을 제거하는 식각 공정에 해당하는 것인데, 도 2b 공정은 진공상태의 RIE 장비에서 수행되고 도 2c 공정은 대기압하의 습식 식각 장비에서 수행된다. 또한, 도 2d 공정은 진공상태에서 수행된다. 따라서, 도 2b, 도 2c, 및 도 2d 공정을 수행하기 위해서 진공상태와 대기압상태 사이에서 기판을 이동해야 하므로 그만큼 공정이 복잡하고 제조비용이 증가되는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 단점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 본 발명은 제조 공정을 단순화하여 제조비용을 절감할 수 있는 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해서, 반응성 이온 에칭법을 이용하여 기판의 일면을 식각하여 상기 기판의 일면에 요철구조를 형성하는 공정; 및 반응성 이온 에칭법을 이용하여 상기 기판의 일면에 생성된 데미지층 및 반응물을 동시에 제거하는 공정을 포함하여 이루어지고, 이때, 상기 데미지층 및 반응물을 동시에 제거하는 공정은, 상기 요철구조의 피크(peak)를 라운드 형태로 형성하는 공정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법을 제공한다.
상기 라운드 형태로 형성된 요철구조는 그 폭(L)이 100 내지 500 nm 범위이고, 그 높이(H)가 50 내지 400 nm 범위일 수 있다.
상기 데미지층 및 반응물을 동시에 제거하는 공정은, SF6 및 Cl2의 혼합가스를 이용하여 수행하고, 이때, 상기 SF6 및 Cl2의 혼합가스의 조성비(sccm)는 SF6 : Cl2 = 3 : (1 ~ 3)의 범위일 수 있다.
상기 데미지층 및 반응물을 동시에 제거하는 공정은, RF 파워는 7 ~ 15 kw 범위이고, 챔버 내 압력은 0.2 ~ 0.5 torr 범위에서 수행할 수 있다.
상기 기판의 일면을 식각하여 상기 기판의 일면에 요철구조를 형성하는 공정은, SF6, O2, 및 Cl2의 혼합가스를 이용하여 수행하고, 이때, 상기 SF6, O2, 및 Cl2의 혼합가스의 조성비(sccm)는 SF6 : O2 : Cl2 = (0.5 ~ 1.5) : 1 : (0.5 ~ 1)의 범위일 수 있다.
상기 기판의 일면을 식각하여 상기 기판의 일면에 요철구조를 형성하는 공정은, RF 파워는 15 ~ 30 kw 범위이고, 챔버 내 압력은 0.15 ~ 0.5 torr 범위에서 수행할 수 있다.
상기 기판의 일면에 요철구조를 형성하는 공정 및 상기 데미지층 및 반응물을 동시에 제거하는 공정은, 동일한 반응성 이온 에칭 장비 내에서 연속 공정으로 수행할 수 있다.
상기 기판의 일면에 생성된 데미지층 및 반응물을 동시에 제거하는 공정 이후에, 상기 기판의 일면에 도펀트를 도핑하여 제1 반도체층 및 제2 반도체층으로 이루어진 PN접합층을 형성하는 공정; 상기 제2 반도체층 상에 반사방지층을 형성하는 공정; 상기 반사방지층 상에 제1 전극 물질을 코팅하고 상기 제1 반도체층 상에 제2 전극 물질을 코팅하는 공정; 및 상기 제1 전극 물질 및 제2 전극 물질에 대해서 열처리를 수행하는 공정을 추가로 포함할 수 있다.
상기 기판의 일면에 생성된 데미지층 및 반응물을 동시에 제거하는 공정 이후에, 상기 기판의 일면에 도펀트를 도핑하여 제1 반도체층 및 제2 반도체층으로 이루어진 PN접합층을 형성하는 공정; 상기 제2 반도체층 상에 반사방지층을 형성하는 공정; 상기 제1 반도체층 상에 제2 전극 물질을 코팅하는 공정; 상기 제2 전극 물질에 대해서 열처리를 수행하는 공정; 상기 반사방지층의 소정 영역을 제거하여 콘택부를 형성하는 공정; 및 상기 콘택부를 통해서 상기 제2 반도체층과 연결되는 제1 전극을 형성하는 공정을 추가로 포함할 수 있다.
상기 기판의 일면에 생성된 데미지층 및 반응물을 동시에 제거하는 공정 이후에, 상기 기판의 일면에 제1 버퍼층, 제2 반도체층, 제1 투명도전층, 및 제1 전극을 차례로 형성하는 공정; 및 상기 기판의 타면에 제2 버퍼층, 제3 반도체층, 제2 투명도전층, 및 제2 전극을 차례로 형성하는 공정을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 소정의 극성을 갖는 제1 반도체층; 상기 제1 반도체층과 상이한 극성을 가지며 상기 제1 반도체층의 일면에 형성된 제2 반도체층; 상기 제2 반도체층 상에 형성된 반사방지층; 상기 반사방지층 상에서부터 상기 제2 반도체층까지 연장되어 상기 제2 반도체층과 연결되는 제1 전극; 상기 제1 반도체층의 타면에 형성된 제3 반도체층; 및 상기 제3 반도체층 상에 형성된 제2 전극을 포함하여 이루어지고, 이때, 상기 제2 반도체층의 일면에 요철구조가 형성되어 있고, 상기 요철구조의 피크(peak)는 라운드 형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공한다
본 발명은 또한, 제1 반도체층; 상기 제1 반도체층의 일면에 차례로 형성된 제1 버퍼층, 제2 반도체층, 제1 투명도전층, 및 제1 전극; 및 상기 기판의 타면에 차례로 형성된 제2 버퍼층, 제3 반도체층, 제2 투명도전층, 및 제2 전극을 포함하여 이루어지고, 이때, 상기 제1 반도체층의 일면에 요철구조가 형성되어 있고, 상기 요철구조의 피크(peak)는 라운드 형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공한다.
상기 라운드 형태로 형성된 요철구조는 그 폭(L)이 100 내지 500 nm 범위이고, 그 높이(H)가 50 내지 400 nm 범위일 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 기판의 일면을 식각하는 공정과 상기 기판의 일면에 형성된 데미지층 및 반응물을 제거하는 공정을 모두 반응성 이온 에칭법을 이용하여 수행할 수 있기 때문에, 종래와 같이 진공상태와 대기압상태 사이에서 기판을 이동할 필요가 없어 공정이 단순해질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 하나의 반응성 이온 에칭 장비를 이용하여 반도체 기판의 일면을 식각하는 공정과 상기 반도체 기판의 일면에 형성된 데미지층 및 반응물을 제거하는 공정을 연속 공정으로 수행할 수 있기 때문에, 종래에 비하여 요구되는 장비 수가 줄어들어 그만큼 비용이 절감되는 효과가 있다.
도 1은 종래의 기판형 태양전지의 개략적인 단면도이다.
도 2a 내지 도 2g는 종래의 기판형 태양전지의 제조공정을 보여주는 공정 단면도이다.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조공정을 보여주는 공정단면도이다.
도 4a 내지 도 4i는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지의 제조공정을 보여주는 공정단면도이다.
도 5a 내지 도 5g는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양전지의 제조공정을 보여주는 공정단면도이다.
도 2a 내지 도 2g는 종래의 기판형 태양전지의 제조공정을 보여주는 공정 단면도이다.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조공정을 보여주는 공정단면도이다.
도 4a 내지 도 4i는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지의 제조공정을 보여주는 공정단면도이다.
도 5a 내지 도 5g는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양전지의 제조공정을 보여주는 공정단면도이다.
이하, 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조공정을 보여주는 공정단면도이다.
우선, 도 3a에서 알 수 있듯이, 반도체 기판(100a)을 준비한다.
상기 반도체 기판(100a)은 실리콘 기판, 예로서 P형 실리콘 기판을 이용할 수 있다.
상기 실리콘 기판으로는 단결정실리콘 또는 다결정실리콘을 이용할 수 있는데, 단결정실리콘은 순도가 높고 결정결함밀도가 낮기 때문에 태양전지의 효율이 높으나 가격이 너무 높아 경제성이 떨어지는 단점이 있고, 다결정실리콘은 상대적으로 효율은 떨어지지만 저가의 재료와 공정을 이용하기 때문에 생산비가 적게 들어 대량생산에 적합하다.
다음, 도 3b에서 알 수 있듯이, 상기 반도체 기판(100a)의 일면을 식각하여 상기 반도체 기판(100a)의 일면에 요철구조를 형성한다. 도시하지는 않았지만, 상기 반도체 기판(100a)의 타면도 함께 식각하여 상기 반도체 기판(100a)의 일면 및 타면 모두에 요철구조를 형성하는 것도 가능하다.
상기 반도체 기판(100a)의 일면을 식각하는 공정은 반응성 이온 에칭법(Reactive Ion Etching:RIE)을 이용한다.
상기 반응성 이온 에칭법은 Cl2, SF6, NF3, HBr, 또는 이들의 2 이상의 혼합물을 주 가스로 이용하고, Ar, O2, N2, He, 또는 이들의 2 이상의 혼합물을 첨가 가스로 이용하여 수행할 수 있다. 특히, 상기 반응성 이온 에칭법은 SF6, O2, 및 Cl2의 혼합가스를 이용하여 수행할 수 있다.
상기 반응성 이온 에칭법을 이용할 경우, RF 파워는 15 ~ 30 kw 범위가 바람직하고, 챔버 내 압력은 0.15 ~ 0.5 torr 범위가 바람직하다.
상기 RF 파워가 15 kw 미만일 경우에는 반도체 기판(100a)의 일면에 대한 식각이 이루어지지 않을 수 있고, 상기 RF 파워가 30 kw를 초과할 경우에는 반도체 기판(100a)의 일면에 대한 과도한 식각으로 원하는 요철구조가 형성되지 않을 수 있다.
상기 챔버 내 압력이 0.15 torr 미만일 경우에는 플라즈마 상태가 불안정하게 되는 문제가 있고, 상기 챔버 내 압력이 0.5 torr를 초과할 경우에는 식각 속도가 느려지는 문제가 있다.
또한, 상기 SF6, O2, 및 Cl2의 혼합가스를 이용하여 반응성 이온 에칭법을 수행할 경우, 가스의 조성비(sccm)는 SF6 : O2 : Cl2 = (0.5 ~ 1.5) : 1 : (0.5 ~ 1)의 범위가 바람직하다.
상기 SF6는 반도체 기판(100a)의 일면에 대한 식각을 수행하는 주 식각 가스로 기능한다. 상기 SF6의 함량이 상기 범위 미만일 경우에는 반도체 기판(100a)의 일면에 대한 식각이 원활히 이루어지지 않을 수 있고, 상기 SF6 의 함량이 상기 범위를 초과할 경우에는 원하는 요철구조를 얻지 못할 수 있다.
상기 O2는 식각 공정시 식각을 방해하는 마스크(mask)로 기능하여 반도체 기판(100a)의 일면에 대한 선택적인 식각이 이루어지게 한다. 상기 O2의 함량이 상기 범위를 벗어날 경우에는 원하는 요철구조를 얻지 못할 수 있다.
상기 Cl2는 반도체 기판(100a)의 일면에 대한 식각을 보조하는 기능을 하는 것으로서, 상기 Cl2의 함량이 상기 범위 미만일 경우에는 식각 진행이 느려져 너무 날카로운 형상의 요철구조가 생길 수 있고, 상기 Cl2의 함량이 상기 범위를 초과할 경우에는 과도한 식각으로 인해 요철구조를 얻지 못할 수도 있다.
한편, 이와 같이, 반응성 이온 에칭법을 이용하여 반도체 기판(100a)의 일면을 식각하게 되면, 플라즈마로 인해서 상기 반도체 기판(100a)의 일면에 데미지층(damaged layer)(120)이 형성되고 또한 상기 O2와 Si가 반응하여 SiOx와 같은 반응물(140)이 생성된다.
이상과 같은 반응 조건 하에서 반응성 이온 에칭법을 이용하여 상기 반도체 기판(100a)의 일면을 식각하게 되면 상기 반도체 기판(100a)의 일면에 요철구조가 형성되는데, 상기 요철구조는 그 피크가 뾰족한 형태로 형성되며, 또한 상기 요철구조의 폭은 대략 100 내지 500 nm 범위가 될 수 있다. 또한, 상기 요철구조의 높이는 상기 요철구조의 폭의 0.8 내지 1.2 배의 값 범위가 될 수 있다.
다음, 도 3c에서 알 수 있듯이, 상기 반도체 기판(100a)의 일면에 생성된 데미지층(120) 및 반응물(140)을 동시에 제거한다.
상기 반도체 기판(100a)의 일면에 생성된 데미지층(120) 및 반응물(140)을 동시에 제거하는 공정은 전술한 도 3b 공정과 마찬가지로 반응성 이온 에칭법(RIE)을 이용한다.
이때, 반응성 이온 에칭법은 SF6 및 Cl2의 혼합가스를 이용하여 수행할 수 있다.
이 경우, RF 파워는 7 ~ 15 kw 범위가 바람직하고, 챔버 내 압력은 0.2 ~ 0.5 torr 범위가 바람직하다.
상기 RF 파워가 7 kw 미만일 경우에는 상기 데미지층(120) 및 반응물(140)에 대한 식각이 이루어지지 않을 수 있고, 상기 RF 파워가 15 kw를 초과할 경우에는 반도체 기판(100a)의 일면에 대한 과도한 식각이 이루어질 수 있다.
상기 챔버 내 압력이 0.2 torr 미만일 경우에는 플라즈마 상태가 불안정하게 되는 문제가 있고, 상기 챔버 내 압력이 0.5 torr를 초과할 경우에는 식각 속도가 느려지는 문제가 있다.
또한, 상기 SF6 및 Cl2의 혼합가스를 이용하여 반응성 이온 에칭법을 수행할 경우, 가스의 조성비(sccm)는 SF6 : Cl2 = 3 : (1 ~ 3)의 범위가 바람직하다.
상기 SF6의 함량이 상기 범위 미만일 경우에는 상기 데미지층(120) 및 반응물(140)에 대한 식각이 원활히 이루어지지 않을 수 있고, 상기 SF6의 함량이 상기 범위를 초과할 경우에는 형성된 요철구조가 심하게 변형될 수 있다.
상기 Cl2의 함량이 상기 범위 미만일 경우에는 식각 진행이 느려지고, 상기 Cl2의 함량이 상기 범위를 초과할 경우에는 과도한 식각으로 인해 원하는 요철구조를 얻지 못할 수 있다.
이와 같은 도 3c 공정은 전술한 도 3b 공정과 동일한 장비 내에서 공정 가스 등의 공정 조건만을 변경하면서 연속 공정을 수행할 수 있으며, 그에 따라, 실질적으로 공정 추가나 공정 장비 추가가 발생하지 않게 된다.
이상과 같은 반응 조건 하에서 반응성 이온 에칭법을 이용하여 상기 데미지층(120) 및 반응물(140)을 동시에 제거하게 되면, 전술한 도 3b 공정에서 생성된 요철구조에 변화가 발생한다.
즉, 요철구조의 피크(peak)가 라운드(rounded) 형태의 단면을 갖도록 변형된다. 최종적으로 얻어진 요철구조의 폭(L)은 대략 100 내지 500 nm 범위가 될 수 있고, 상기 요철구조의 높이(H)는 대략 50 내지 400 nm 범위가 될 수 있다.
다음, 도 3d에서 알 수 있듯이, 상기 반도체 기판(100a)의 일면에 도펀트를 도핑하여 제1 반도체층(100) 및 제2 반도체층(200)으로 이루어진 PN접합층을 형성한다. 즉, 상기 반도체 기판(100a)의 일면에 도펀트를 도핑하면, 도펀트에 의해 도핑되지 않은 제1 반도체층(100) 및 도펀트에 의해 도핑된 제2 반도체층(200)이 차례로 형성되어 PN접합을 이루게 된다.
예로서, 상기 반도체 기판(100a)이 P형 반도체층으로 이루어진 경우에는 N형 도펀트를 도핑함으로써, P형 반도체층으로 이루어진 제1 반도체층(100) 및 상기 제1 반도체층(100)의 일면에 N형 반도체층으로 이루어진 제2 반도체층(200)을 형성할 수 있다.
상기 제2 반도체층(200)의 일면, 구체적으로, 상기 제2 반도체층(200)의 상면은 전술한 바와 같은 요철구조를 구비하게 되며, 상기 제1 반도체층(100)의 일면, 구체적으로, 상기 제1 반도체층(100)의 상면도 유사한 요철구조를 구비하게 된다. 다만, 상기 제1 반도체층(100)의 상면은 도핑되는 도펀트의 확산 정도에 따라 상기 제2 반도체층(200)에 구비된 요철구조와는 상이한 요철구조가 형성될 수 있다.
상기 도펀트를 도핑하는 공정은 고온확산법 또는 플라즈마 이온도핑법을 이용하여 수행할 수 있다.
상기 고온확산법을 이용하여 N형 도펀트를 도핑하는 공정은, 상기 반도체 기판(100a)를 대략 800℃이상의 고온의 확산로에 안치시킨 상태에서 POCl3 또는 PH3 등과 같은 N형 도펀트 가스를 공급하여 N형 도펀트를 상기 반도체 기판(100a)의 표면으로 확산시키는 공정으로 이루어질 수 있다.
상기 플라즈마 이온도핑법을 이용하여 N형 도펀트를 도핑하는 공정은, 상기 반도체 기판(100a)을 플라즈마 발생장치에 안치시킨 상태에서 POCl3 또는 PH3 등과 같은 N형 도펀트 가스를 공급하면서 플라즈마를 발생시키는 공정으로 이루어질 수 있다. 이와 같이 플라즈마를 발생시키면 플라즈마 내부의 인(P) 이온이 RF전기장에 의해 가속되어 상기 반도체 기판(100a)의 일면으로 입사하여 이온 도핑된다.
상기 플라즈마 이온도핑 공정 후에는 적절한 온도로 가열하는 어닐링 공정을 수행하는 것이 바람직하다. 그 이유는 상기 어닐링 공정을 수행하지 않을 경우에는 도핑된 이온이 단순한 불순물로 작용할 수 있지만, 상기 어닐링 공정을 수행하게 되면 도핑된 이온이 Si와 결합하여 활성화되기 때문이다.
한편, 상기 N형 도펀트를 도핑하는 공정은 고온에서 수행되는데, 이와 같은 도핑 공정시 상기 제2 반도체층(200) 상에 PSG(Phosphor-Silicate Glass)와 같은 부산물층이 형성될 수 있고, 따라서, 상기 부산물층을 제거하기 위해서 습식 식각공정과 같은 식각 공정을 추가로 수행할 수 있다.
다음, 도 3e에서 알 수 있듯이, 상기 제2 반도체층(200) 상에 반사방지층(300)을 형성한다.
상기 제2 반도체층(200)의 상면이 요철구조로 형성됨에 따라 상기 반사방지층(300)도 유사한 요철구조로 형성된다.
상기 반사방지층(300)은 플라즈마 CVD법을 이용하여 실리콘질화물 또는 실리콘산화물로 형성할 수 있다.
다음, 도 3f에서 알 수 있듯이, 상기 반사방지층(300) 상에 제1 전극 물질(400a)을 코팅하고, 상기 제1 반도체층(100) 상에 제2 전극 물질(600a)을 코팅한다. 보다 구체적으로는, 상기 제2 반도체층(200)과 접하지 않는 상기 반사방지층(300)의 상면에 제1 전극 물질(400a)을 코팅하고, 상기 제2 반도체층(200)과 접하지 않는 상기 제1 반도체층(100)의 하면에 제2 전극 물질(600a)을 코팅한다.
상기 제1 전극 물질(400a) 및 제2 전극 물질(600a)의 코팅 공정은 Ag, Al, Ti, Mo, Ni, Cu, 이들의 2 이상의 혼합물, 또는 이들의 2 이상의 합금 페이스트(paste)를 이용한 인쇄 공정으로 이루어질 수 있다.
상기 제1 전극 물질(400a)은 태양광이 입사되는 면에 형성되므로, 상기 반사방지층(300)의 전면(全面)에 형성하지 않고 소정 패턴으로 형성하게 된다.
상기 제2 전극 물질(600a)은 태양광이 입사되는 면의 반대면에 형성되므로, 상기 제1 반도체층(100)의 전면(全面)에 형성할 수 있다. 다만, 경우에 따라서, 반사되는 태양광이 태양전지 내부로 입사될 수 있도록 하기 위해서, 상기 제2 전극 물질(600a)을 소정 패턴으로 형성할 수도 있다.
다음, 도 3g에서 알 수 있듯이, 고온에서 열처리(firing)를 수행하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조를 완성한다.
고온에서 열처리를 수행하게 되면, 상기 제1 전극 물질(400a)이 상기 반사방지층(300)을 뚫고 상기 제2 반도체층(200)까지 침투함으로써, 상기 제2 반도체층(200)과 접촉하는 제1 전극(400)이 형성될 수 있다.
또한, 고온에서 열처리를 수행하게 되면, 상기 제2 전극 물질(600a)이 상기 제1 반도체층(100)의 하면으로 침투함으로써 상기 제1 반도체층(100)의 도펀트 농도보다 높은 도펀트 농도를 가지는 제3 반도체층(500)이 상기 제1 반도체층(100)의 하면에 형성되고, 상기 제3 반도체층(500)의 하면에 제2 전극(600)이 형성된다. 예를 들어, 상기 제1 반도체층(100)이 P형 반도체로 이루어진 경우, 상기 제3 반도체층(500)은 P+형 반도체층으로 이루어지게 된다.
도 4a 내지 도 4i는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지의 제조공정을 보여주는 공정단면도이다. 이하에서는, 전술한 실시예와 동일한 구성에 대한 반복 설명은 생략하기로 한다.
우선, 도 4a에서 알 수 있듯이, 반도체 기판(100a)을 준비한다.
다음, 도 4b에서 알 수 있듯이, 상기 반도체 기판(100a)의 일면을 식각하여 상기 반도체 기판(100a)의 일면에 요철구조를 형성한다.
상기 반도체 기판(100a)의 일면을 식각하는 공정은 전술한 실시예와 동일하게 반응성 이온 에칭법(RIE)을 이용하여 수행하고, 그에 따라, 상기 반도체 기판(100a)의 일면에 데미지층(damaged layer)(120)이 형성되고 SiOx와 같은 반응물(140)이 잔존할 수 있다.
다음, 도 4c에서 알 수 있듯이, 상기 반도체 기판(100a)의 일면에 생성된 데미지층(120) 및 반응물(140)을 동시에 제거한다.
상기 반도체 기판(100a)의 일면에 생성된 데미지층(120) 및 반응물(140)을 동시에 제거하는 공정도 전술한 실시예와 동일하게 반응성 이온 에칭법(RIE)을 이용하여 수행한다.
다음, 도 4d에서 알 수 있듯이, 상기 반도체 기판(100a)의 일면에 도펀트를 도핑하여 제1 반도체층(100) 및 제2 반도체층(200)으로 이루어진 PN접합층을 형성한다.
다음, 도 4e에서 알 수 있듯이, 상기 제2 반도체층(200) 상에 반사방지층(300)을 형성한다.
다음, 도 4f에서 알 수 있듯이, 상기 제1 반도체층(100) 상에 제2 전극 물질(600a)을 코팅한다. 보다 구체적으로는, 상기 제2 반도체층(200)과 접촉하지 않는 상기 제1 반도체층(100)의 하면에 제2 전극 물질(600a)을 코팅한다.
상기 제2 전극 물질(600a)의 코팅 공정은 Ag, Al, Ti, Mo, Ni, Cu, 이들의 2 이상의 혼합물, 또는 이들의 2 이상의 합금 페이스트(paste)를 이용한 인쇄 공정으로 이루어질 수 있다.
상기 제2 전극 물질(600a)은 태양광이 입사되는 면의 반대면에 형성되므로, 상기 제1 반도체층(100)의 전면(全面)에 형성할 수 있다. 다만, 경우에 따라서, 반사되는 태양광이 태양전지 내부로 입사될 수 있도록 하기 위해서, 상기 제2 전극 물질(600a)을 소정 패턴으로 형성할 수도 있다.
다음, 도 4g에서 알 수 있듯이, 고온에서 열처리(firing)를 수행하여, 제3 반도체층(500) 및 제2 전극(600)을 형성한다.
고온에서 열처리를 수행하게 되면, 상기 제2 전극 물질(600a)이 상기 제1 반도체층(100)의 하면으로 침투함으로써 상기 제1 반도체층(100)의 도펀트 농도보다 높은 도펀트 농도를 가지는 제3 반도체층(500)이 상기 제1 반도체층(100)의 하면에 형성되고, 상기 제3 반도체층(500)의 하면에 제2 전극(600)이 형성된다. 예를 들어, 상기 제1 반도체층(100)이 P형 반도체로 이루어진 경우, 상기 제3 반도체층(500)은 P+형 반도체층으로 이루어지게 된다.
다음, 도 4h에서 알 수 있듯이, 상기 반사방지층(300)의 소정 영역을 제거하여 콘택부(350)를 형성한다.
상기 콘택부(350)를 형성하는 공정은 레이저 공정 또는 포토리소그라피(photolithography) 공정과 같은 당업계에 공지된 패터닝 공정으로 이루어질 수 있다.
다음, 도 4i에서 알 수 있듯이, 상기 콘택부(350)를 통해서 상기 제2 반도체층(200)과 연결되는 제1 전극(400)을 형성한다.
상기 제1 전극(400)을 형성하는 공정은 전해 도금 또는 무전해 도금과 같은 도금 공정으로 이루어질 수 있다.
도 5a 내지 도 5g는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양전지의 제조공정을 보여주는 공정단면도로서, 이는 기판형과 박막형이 결합된 구조의 태양전지에 관한 것이다. 이하, 전술한 실시예와 동일한 구성에 대한 반복 설명은 생략하기로 한다.
우선, 도 5a에서 알 수 있듯이, 반도체 기판(100a)을 준비한다.
다음, 도 5b에서 알 수 있듯이, 상기 반도체 기판(100a)의 일면을 식각하여 상기 반도체 기판(100a)의 일면에 요철구조를 형성한다.
상기 반도체 기판(100a)의 일면을 식각하는 공정은 전술한 실시예와 동일하게 반응성 이온 에칭법(RIE)을 이용하여 수행하고, 그에 따라, 상기 반도체 기판(100a)의 일면에 데미지층(damaged layer)(120)이 형성되고 SiOx와 같은 반응물(140)이 잔존할 수 있다.
다음, 도 5c에서 알 수 있듯이, 상기 반도체 기판(100a)의 일면에 생성된 데미지층(120) 및 반응물(140)을 동시에 제거한다.
상기 반도체 기판(100a)의 일면에 생성된 데미지층(120) 및 반응물(140)을 동시에 제거하는 공정도 전술한 실시예와 동일하게 반응성 이온 에칭법(RIE)을 이용하여 수행한다.
이와 같은 데미지층(120) 및 반응물(140)이 제거됨으로써, 소정 극성의 제1 반도체층(100)이 얻어진다. 특히, 상기 제1 반도체층(100)의 일면은 전술한 바와 같은, 라운드 형태의 피크를 구비한 요철구조가 형성된다.
다음, 도 5d에서 알 수 있듯이, 상기 제1 반도체층(100)의 일면에 제1 버퍼층(150), 제2 반도체층(200), 및 제1 투명도전층(250)을 차례로 형성한다.
상기 제1 버퍼층(150)은 상기 제1 반도체층(100)의 상면 상에 박막의 형태로 형성한다. 상기 제1 버퍼층(150)은 진성 반도체층으로 이루어질 수도 있고, 상기 제2 반도체층(200)과 동일한 극성을 갖는 도펀트가 저농도로 도핑된 반도체층으로 이루어질 수도 있다. 이와 같은 제1 버퍼층(150)은 PECVD법을 이용하여 증착할 수 있다.
상기 제2 반도체층(200)은 상기 제1 버퍼층(150)의 상면 상에 박막의 형태로 형성하며, 상기 제1 반도체층(100)과 상이한 극성을 갖는 반도체층으로 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 반도체층(100)이 N형 실리콘 웨이퍼로 이루어진 경우 상기 제2 반도체층(200)은 P형 반도체층, 특히, 붕소(B)와 같은 3족 원소로 도핑된 P형 비정질 실리콘으로 이루어질 수 있다. 이와 같은 제2 반도체층(200)은 PECVD법을 이용하여 증착할 수 있다.
상기 제1 투명도전층(250)은 상기 제2 반도체층(200)의 상면 상에 박막의 형태로 형성한다. 상기 제1 투명도전층(250)은 상기 제1 반도체층(100)에서 생성된 캐리어, 예로서 정공을 수집하고 상기 수집한 캐리어를 후술하는 제1 전극(400)으로 이동시키는 역할을 한다. 이와 같은 제1 투명도전층(250)은 MOCVD 또는 스퍼터링법을 이용하여 ITO(Indium Tin Oxide), ZnOH, ZnO:B, ZnO:Al, SnO2, SnO2:F 등과 같은 투명한 도전물질로 형성할 수 있다.
다음, 도 5e에서 알 수 있듯이, 상기 제1 투명도전층(250) 상에, 구체적으로는, 상기 제1 투명도전층(250)의 상면 상에 제1 전극(400)을 형성한다.
상기 제1 전극(400)은 태양전지 내로 태양광이 투과될 수 있도록 패턴 형성할 수 있다. 상기 제1 전극(400)은 스퍼터링(Sputtering)법, 프린팅(Printing)법, 또는 도금법 등을 이용하여, Ag, Al, Ti, Mo, Ni, Cu, 이들의 2 이상의 혼합물, 또는 이들의 2 이상의 합금으로 형성할 수 있다.
상기 제1 전극(400)은 단일층으로 형성할 수도 있지만, 스퍼터링(Sputtering)법, 프린팅(Printing)법, 또는 도금법 등을 적절히 조합하여 복수층으로 형성할 수도 있다.
다음, 도 5f에서 알 수 있듯이, 상기 제1 반도체층(100)의 타면에 제2 버퍼층(450), 제3 반도체층(500), 및 제2 투명도전층(550)을 차례로 형성한다.
상기 제2 버퍼층(450)은 상기 제1 반도체층(100) 하면 상에 박막의 형태로 형성한다. 상기 제2 버퍼층(450)은 진성 반도체층으로 이루어질 수도 있고, 상기 제3 반도체층(500)과 동일한 극성을 갖는 도펀트가 저농도로 도핑된 반도체층으로 이루어질 수도 있다. 이와 같은 제2 버퍼층(450)은 PECVD법을 이용하여 증착할 수 있다.
상기 제3 반도체층(500)은 상기 제2 버퍼층(450)의 하면 상에 박막의 형태로 형성하며, 상기 제1 반도체층(100)과 동일한 극성을 갖는 반도체층으로 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 반도체층(100)이 N형 실리콘 웨이퍼로 이루어진 경우 상기 제3 반도체층(500)은 N형 반도체층, 특히, 인(P)과 같은 5족 원소로 도핑된 N형 비정질 실리콘으로 이루어질 수 있다. 이와 같은 제3 반도체층(500)은 PECVD법을 이용하여 증착할 수 있다.
상기 제2 투명도전층(550)은 상기 제3 반도체층(500)의 하면 상에 박막의 형태로 형성한다. 상기 제2 투명도전층(550)은 상기 제1 반도체층(100)에서 생성된 캐리어, 예로서 전자를 수집하고 상기 수집한 캐리어를 후술하는 제2 전극(600)으로 이동시키는 역할을 한다. 이와 같은 제2 투명도전층(550)은 MOCVD 또는 스퍼터링법을 이용하여 ITO(Indium Tin Oxide), ZnOH, ZnO:B, ZnO:Al, SnO2, SnO2:F 등과 같은 투명한 도전물질로 형성할 수 있다.
다음, 도 5g에서 알 수 있듯이, 상기 제2 투명도전층(550) 상에, 구체적으로는, 상기 제2 투명도전층(550)의 하면 상에 제2 전극(600)을 형성한다.
상기 제2 전극(600)은 스퍼터링(Sputtering)법, 프린팅(Printing)법, 또는 도금법 등을 이용하여, Ag, Al, Ti, Ni, Cu, 이들의 2 이상의 혼합물, 또는 이들의 2 이상의 합금으로 형성할 수 있다.
상기 제2 전극(600)은 단일층으로 형성할 수도 있지만, 스퍼터링(Sputtering)법, 프린팅(Printing)법, 또는 도금법 등을 적절히 조합하여 복수층으로 형성할 수도 있다.
이상과 같은 다양한 실시예를 통해서 알 수 있듯이, 본 발명은, 하나의 RIE 공정 장비를 이용한 연속 공정을 통해서, 데미지층(120) 및 반응물(140)이 제거된 요철구조의 반도체 기판(100a)을 얻을 수 있는 데 특징이 있다. 따라서, 본 발명은 전술한 실시예에만 한정되는 것은 아니고, 요철 구조의 일면을 구비한 반도체 기판을 형성하는 공정 이후에 다양한 변형 공정을 수행하는 다양한 종류의 태양전지의 제조방법을 포함한다.
100a: 반도체 기판 100: 제1 반도체층
120: 데미지층 140: 반응물
150: 제1 버퍼층 200: 제2 반도체층
250: 제1 투명도전층 300: 반사방지층
350: 콘택부 400a, 400: 제1 전극 물질, 제1 전극
450: 제2 버퍼층 500: 제3 반도체층
550: 제2 투명도전층 600a, 600: 제2 전극 물질, 제2 전극
120: 데미지층 140: 반응물
150: 제1 버퍼층 200: 제2 반도체층
250: 제1 투명도전층 300: 반사방지층
350: 콘택부 400a, 400: 제1 전극 물질, 제1 전극
450: 제2 버퍼층 500: 제3 반도체층
550: 제2 투명도전층 600a, 600: 제2 전극 물질, 제2 전극
Claims (13)
- 반응성 이온 에칭법을 이용하여 기판의 일면을 식각하여 상기 기판의 일면에 요철구조를 형성하는 공정; 및
반응성 이온 에칭법을 이용하여 상기 기판의 일면에 생성된 데미지층 및 반응물을 동시에 제거하는 공정을 포함하여 이루어지고,
이때, 상기 데미지층 및 반응물을 동시에 제거하는 공정은, 상기 요철구조의 피크(peak)를 라운드 형태로 형성하는 공정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 라운드 형태로 형성된 요철구조는 그 폭(L)이 100 내지 500 nm 범위이고, 그 높이(H)가 50 내지 400 nm 범위인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 데미지층 및 반응물을 동시에 제거하는 공정은, SF6 및 Cl2의 혼합가스를 이용하여 수행하고, 이때, 상기 SF6 및 Cl2의 혼합가스의 조성비(sccm)는 SF6 : Cl2 = 3 : (1 ~ 3)의 범위인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 데미지층 및 반응물을 동시에 제거하는 공정은, RF 파워는 7 ~ 15 kw 범위이고, 챔버 내 압력은 0.2 ~ 0.5 torr 범위에서 수행하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 기판의 일면을 식각하여 상기 기판의 일면에 요철구조를 형성하는 공정은, SF6, O2, 및 Cl2의 혼합가스를 이용하여 수행하고, 이때, 상기 SF6, O2, 및 Cl2의 혼합가스의 조성비(sccm)는 SF6 : O2 : Cl2 = (0.5 ~ 1.5) : 1 : (0.5 ~ 1)의 범위인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 기판의 일면을 식각하여 상기 기판의 일면에 요철구조를 형성하는 공정은, RF 파워는 15 ~ 30 kw 범위이고, 챔버 내 압력은 0.15 ~ 0.5 torr 범위에서 수행하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 기판의 일면에 요철구조를 형성하는 공정 및 상기 데미지층 및 반응물을 동시에 제거하는 공정은, 동일한 반응성 이온 에칭 장비 내에서 연속 공정으로 수행하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 기판의 일면에 생성된 데미지층 및 반응물을 동시에 제거하는 공정 이후에,
상기 기판의 일면에 도펀트를 도핑하여 제1 반도체층 및 제2 반도체층으로 이루어진 PN접합층을 형성하는 공정;
상기 제2 반도체층 상에 반사방지층을 형성하는 공정;
상기 반사방지층 상에 제1 전극 물질을 코팅하고 상기 제1 반도체층 상에 제2 전극 물질을 코팅하는 공정; 및
상기 제1 전극 물질 및 제2 전극 물질에 대해서 열처리를 수행하는 공정을 추가로 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 기판의 일면에 생성된 데미지층 및 반응물을 동시에 제거하는 공정 이후에,
상기 기판의 일면에 도펀트를 도핑하여 제1 반도체층 및 제2 반도체층으로 이루어진 PN접합층을 형성하는 공정;
상기 제2 반도체층 상에 반사방지층을 형성하는 공정;
상기 제1 반도체층 상에 제2 전극 물질을 코팅하는 공정;
상기 제2 전극 물질에 대해서 열처리를 수행하는 공정;
상기 반사방지층의 소정 영역을 제거하여 콘택부를 형성하는 공정; 및
상기 콘택부를 통해서 상기 제2 반도체층과 연결되는 제1 전극을 형성하는 공정을 추가로 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 기판의 일면에 생성된 데미지층 및 반응물을 동시에 제거하는 공정 이후에,
상기 기판의 일면에 제1 버퍼층, 제2 반도체층, 제1 투명도전층, 및 제1 전극을 차례로 형성하는 공정; 및
상기 기판의 타면에 제2 버퍼층, 제3 반도체층, 제2 투명도전층, 및 제2 전극을 차례로 형성하는 공정을 추가로 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 소정의 극성을 갖는 제1 반도체층;
상기 제1 반도체층과 상이한 극성을 가지며 상기 제1 반도체층의 일면에 형성된 제2 반도체층;
상기 제2 반도체층 상에 형성된 반사방지층;
상기 반사방지층 상에서부터 상기 제2 반도체층까지 연장되어 상기 제2 반도체층과 연결되는 제1 전극;
상기 제1 반도체층의 타면에 형성된 제3 반도체층; 및
상기 제3 반도체층 상에 형성된 제2 전극을 포함하여 이루어지고,
이때, 상기 제2 반도체층의 일면에 요철구조가 형성되어 있고, 상기 요철구조의 피크(peak)는 라운드 형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1 반도체층;
상기 제1 반도체층의 일면에 차례로 형성된 제1 버퍼층, 제2 반도체층, 제1 투명도전층, 및 제1 전극; 및
상기 기판의 타면에 차례로 형성된 제2 버퍼층, 제3 반도체층, 제2 투명도전층, 및 제2 전극을 포함하여 이루어지고,
이때, 상기 제1 반도체층의 일면에 요철구조가 형성되어 있고, 상기 요철구조의 피크(peak)는 라운드 형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 라운드 형태로 형성된 요철구조는 그 폭(L)이 100 내지 500 nm 범위이고, 그 높이(H)가 50 내지 400 nm 범위인 것을 특징으로 하는 태양전지.
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| KR20160091485A (ko) * | 2015-01-23 | 2016-08-03 | 주성엔지니어링(주) | 웨이퍼형 태양전지 및 그의 제조 방법 |
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