KR20130112877A - 텍스쳐화된 앞면 및 그에 상응하는 태양전지를 가지는 태양전지의 제조방법 - Google Patents

텍스쳐화된 앞면 및 그에 상응하는 태양전지를 가지는 태양전지의 제조방법 Download PDF

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KR20130112877A
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우니페르시테트 콘스탄츠
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Abstract

본 발명은 태양전지 (100)의 제조방법 및 그에 따라 제조될 수 있는 태양전지에 관한 것이다. 태양전지 기판 (1) 상에, 예를 들어 알칼리성 식각에 의해 제조된 피라미드들 (7)을 포함할 수 있는 첫 번째 능선형(ridged) 텍스쳐 (7)는 상기 태양전지 기판 (1)의 앞면 (3) 및 후면 (5) 상에 둘 다 형성된다. 그런 다음 식각 장벽층은 상기 태양전지 기판(1)의 앞면에 적용된다. 그 다음에 상기 태양전지 기판 (1)의 후면 (5) 상의 텍스쳐 (7)는 예를 들어 산을 함유하는 등방성으로 작용하는 식각 용액 내에 식각함으로써 매끄러워지는데, 여기에서 상기 앞면 (3)은 식각 장벽층에 의해 보호된다. 그러므로, 상기 후면 (5) 상의 능선형 구조들은 피할 수 있고 이렇게 하여 반사는 증가될 수 있고 표면 패시베이션은 향상될 수 있는데, 둘 다는 증가된 잠재적 효율로 이어질 수 있다. 동시에 상기 후면 (5) 상의 태양전지 기판 (1)의 전체 표면 상으로(over) 형성된 에미터층(13)은 식각 동안에 제거될 수 있는데, 그 결과 상기 앞면 접촉 (23) 및 상기 후면 접촉 (25)의 전기적 고립은 더 이상 필요하지 않을 수 있다.

Description

텍스쳐화된 앞면 및 그에 상응하는 태양전지를 가지는 태양전지의 제조방법{METHOD FOR PRODUCING A SOLAR CELL HAVING A TEXTURED FRONT FACE AND CORRESPONDING SOLAR CELL}
본 발명은 텍스쳐화된(textured) 앞면을 가지는 태양전지의 제조방법에 관한 것이다. 나아가 본 발명은 기술된 방법에 의하여 제조될 수 있는 태양전지에 관한 것이다.
태양전지들은 예를 들어 실리콘 웨이퍼와 같은 반도체 기판(substrate)을 기반으로 대개 제조되고, 상기 전지가 사용되고 있을 때 흔히 태양을 향해 마주보는 상기 기판의 앞면(front face)이 텍스쳐화된다. 이 경우에 텍스쳐링(Texturing)은 상기 앞면의 평판 실현(flat realization)으로부터 계획적인 편차를 의미하도록 이해된다. 예를 들어 식각(etching)은 작은 피라미드들(pyramids)이 상기 기판 위에 남아있는 방법으로 소위 텍스쳐링 식각 방법에 의하여 상기 앞면에 적용될 수 있다. 이렇게 하여 상기 앞면에 부딪치는 더 많은 광선(more light striking the front face)이 상기 태양전지 기판으로 주입되기 때문에 상기 텍스쳐화된 표면은 비텍스쳐화된(non-textured) 표면 보다 더 적은 반사를 가질 수 있고, 그 결과 상기 태양전지의 효율은 증가될 수 있다.
US 2004/0259335 A1은 앞면이 가려지고(masked) 후면이 뒤로 식각된 태양전지의 제조방법 및 태양전지를 기술한다.
그러나 예를 들어 텍스쳐가 태양전지의 경우에 있어서 통상적으로 실현되는 것에 의한 방법 때문에, 성취될 수 있는 효율에 부정적으로 영향을 미칠 수 있는 어떤 약점들을 받아들이는 것이 종종 필수적이라는 것으로 알려졌다.
위의 기술된 본 발명의 특성들 및 이점들의 측면들과 발명의 특성들 및 이점들의 추가적인 측면들은 특정한 구현예들의 다음 설명으로부터 분명해지나, 어떤 설명은 수반하는 도면들의 언급을 통해 발명을 제한하는 것으로 이해되지 않는다.
도 1은 본 발명의 구현예에 따른 태양전지의 제조 방법의 연속적인(a sequence of) 공정 단계들을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 구현예에 따른 태양전지의 단면도를 보여준다.
도면들은 단지 도식으로 나타낸 것이고 범위가 정확한 것은 아니다.
발명의 요약
그러므로 태양전지의 제조방법은 특히, 상기 태양전지의 표면에서 텍스쳐의 형성으로부터 기인하는 불리한 효과들을 낮추는 것이 가능한 것으로 추구된다(is sought). 특히, 표면 텍스쳐가 비슷하게 제공된 태양전지와 비교해서, 효율성은 증가된다. 게다가 그것은 태양전지들의 산업적 생산에서 통상적으로 사용되는 그것들과 같은 공정 단계들과 바람직하게 양립할 수 있고, 추가적인 복잡한 방법 단계들 없이 성취될 수 있는 긍정적 효과들에 의해 가능한 간단한 제조방법을 제안하는데 흥미가 있다.
이것은 독립항들에 따른 상기 태양전지 및 상기 제조방법으로 성취될 수 있다. 이로운 구현예들은 종속항들에 기술된다.
본 발명의 첫번째 측면에 따르면, 태양전지의 제조방법이 기술된다. 상기 방법은 태양전지 기판을 제공하는 단계; 상기 태양전지 기판의 앞면 또는 위에, 그리고 후면 또는 위에 텍스쳐를 형성하는 단계; 상기 태양전지 기판의 상기 앞면에(to) 식각 장벽층(barrier layer)을 적용하는 단계; 및 등방성 작용 식각 용액(isotropically acting etching solution) 내에서 식각에 의하여 상기 태양전지 기판의 상기 후면의 상기 텍스쳐를 매끄럽게 하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 측면들은 그 중에서도 다음의 관측들에 기초로 하는 것으로 사려될 수 있다: 태양전지들의 생산에 있어서, 예를 들어 실리콘 웨이퍼들을 기초로 하여, 상기 웨이퍼 표면은 앞면의 반사의 축소를 달성하도록 텍스쳐 식각 용액으로 식각에 의해 대개 텍스쳐화된다. 통상적으로 이 경우에 있어서, 상기 웨이퍼는 그것의 앞면 및 후면 둘 다 텍스쳐화되므로, 상기 텍스쳐 식각 용액 내 보통 완전히 담근다. 상기 텍스쳐 식각 동안에, 상기 웨이퍼 표면의 일부는 식각되어 나가고, 상기 식각 공정은 텍스쳐 식각 용액의 이방성 작용 때문에, 전형적으로 수 마이크로미터 높이 범위 내인 작은 피라미드들이 남는 방식으로 영향받는다(During the texture etch, a portion of the wafer surface is etched away, the etching process, owing to an anisotropic action of the texture etching solution, being effected in such a way that small pyramids remain, which are typically in the range of a few micrometres in height.). 이들의 피라미드들은 입사광이 다수로 반사될 수 있는 경사진 측면들(sloping flanks)을 창조하고, 이른바 광 포획(light trapping) 때문에, 반사가 감소한다. 이것은 상기 반사를 최소화하기 위해 상기 태양전지의 앞면 상에(on) 바람직할 수 있는 반면, 그것은 상기 태양전지의 후면 상의 상기 피라미드들의 뾰족한 가장자리들이 불리한 효과를 가질 수 있는 것으로 확인되었다.
여기에 상기 태양전지의 후면 위의 텍스쳐의 뾰족한 가장자리들을 예방하는 것을 가능하게 만드는 태양전지의 제조방법이 기술된다. 이를 위해, 상기 태양전지 기판의 후면 상에(on) 미리 실현된 상기 텍스쳐가 등방성으로 작용하는 식각 용액(etching in an isotropically acting) 내에서 식각에 의해 후에(subsequently) 매끄러워지는 것이 제안된다. 이 경우에 있어서 상기 등방성으로 작용하는 즉, 선호되는 식각 방향이 없는 식각 용액은, 모든 방향들에 있어서 동일한 크기에 태양전지 기판의 재료를 식각할 수 있다. 이 경우에 있어서 “매끄럽게 하는 것(smoothing)”은 예를 들어 피라미드 구조와 같은 각진, 즉, 날이 있는(edged), 구조를 가지는 사전에 실현된 상기 텍스쳐가 산을 함유한 식각 용액 내에 식각함으로써 차후에 둥글게 되도록하는 것을 의미하도록 이해될 수 있다. 그러므로 매끄럽게 한 후, 상기 텍스쳐 구조의 가장자리들은 더 이상 각도에서 다른 하나에 인접한 평평한 표면들을 가지지 않고, 곡률 반지름을 가지는 다른 것이 된다(After smoothing, therefore, the edges of the texture structure no longer have flat surfaces that adjoin one another at an angle, but graduate into one another with a radius of curvature.) 이 경우에 있어서 예를 들어, 곡률 반지름은, 예를 들어 0.1 내지 10 μm의 범위 내의 원 텍스쳐 구조(the original texture structure)의 각각의 피라미드들과 같은, 각각의 텍스쳐 성분들의 디멘젼 순서이거나 또는 상기 디멘젼들 보다 클 수 있다.
텍스쳐화된 후면이 매끄러워진 태양전지는 증가된 후면 반사를 가질 수 있는 것으로 알려졌다. 이것은 상기 앞면으로부터 상기 태양전지 기판 안으로 관통하는 광원이 상기 후면에서 훨씬 더 반사되고, 따라서 상기 후면에서 나타나는(emerging) 대신에 상기 태양전지 기판 내에 여전히 남아있는 결과를 가질 수 있다. 이것은, 예를 들어 그것들의 후면 위의 적용된 금속층의 형상으로, 분리된 후면 반사면(reflector)을 가지지 않는 태양전지의 경우에 있어서 특히 유리할 수 있고, 장파장의 경우에 있어서 양자 효율을 향상시키는데 특히 중요할 수 있다.
더 나아가, 특히 표면 패시베이션(passivation)의 목적을 위해 유전체층으로 코팅된다면, 매끄러워진 후면은 뾰족한 가장자리로 제공된 텍스쳐화된 후면 보다 적은 표면 재결합을 가지는 것으로 알려졌다. 그러므로, 상기 텍스쳐의 매끄러움으로부터 기인하는 상기 태양전지의 후면의 표면 형태학 내의 변화 때문에, 양 효과는 제안된 방식으로 제조된 태양전지의 효율성에 있어서 향상을 초래할 수 있다.
상기 텍스쳐의 그런 매끄러움이, 특히 실리콘으로 구성된 태양전지 기판들의 경우에 있어서, 산-함유 식각 용액으로 바람직하게는 성취될 수 있는 것으로 관찰되었다. 이 경우에 상기 산-함유 식각 용액은 상기 태양전지 기판의 재료 위로(upon) 작용하도록 의도된다. 예를 들면, 상기 산-함유 식각 용액은 플루오르화 수소산을 함유(contain)할 수 있다. 특히 실리콘 기판들을 위해 적합한 식각 용액은 예를 들어 플루오르화 수소산(HF), 질산(HNO3) 및 물(H2O)로 구성된다. 예를 들어 알카라인과 같은 많은 기본 식각 용액과 달리 산 함유 식각 용액은 보통 등방성으로 작용하며 따라서 날이 예리한(sharp-edged) 텍스쳐 구조들을 라운딩하고, 그에 의해 매끄럽게 하기 위한 식각에서 하는 수단일 수 있다.
상기 식각 공정 동안에 상기 태양전지 기판의 앞면을 보호하기 위해, 그것은 식각 장벽층(barrier layer)으로 덮힐 수 있다. 이 경우에 있어서, 식각 장벽층은, 상기 식각 용액에 의해 식각되는 것으로부터 이 앞면을 보호하기 위해, 씰 밀봉(seal tightness), 충분한 두께 및 충분한 화학적 식각 저항과 함께 상기 기판의 앞면에 적용된 층을 의미하도록 이해될 수 있다. 예를 들어, 상기 식각 장벽층은 점성 페이스트로 실현될 수 있다. 이 경우에 있어서 상기 점성 페이스트는 상기 페이스트가 상기 식각 공정 동안에 상기 기판의 앞면 상의(over) 안정한, 불침투성의(impervious) 필름을 형성할 수 있는 방법으로 개발되고 있는 점성으로 왁스 또는 액체일 수 있다.
상기 식각 장벽층은 예를 들어 스크린 프린팅 기법 또는 잉크젯 기법의 수단으로 적용될 수 있다. 상기 스크린 프린팅 기법 또는 잉크젯 기법 둘 다는 상기 태양전지의 상업적 생산 내 인정받는 기법들이고 예를 들어 금속 접촉을 형성하도록 상당히(reliably) 오랫동안 사용된 방법 기법들을 구성한다.
상기 텍스쳐를 매끄럽게 하는 것을 목적으로 수행되는 상기 식각은 20 μm 미만, 바람직하게는 10 μm 미만, 및 보다 바람직하게는 5 μm미만이 상기 태양전지 기판의 후면으로부터 제거되는 방법으로 수행될 수 있다. 따라서, 예를 들어 소윙(sawing) 손상을 제거하거나 상기 태양전지의 표면을 연마하는 것으로 수행되는 것들과 같은 태양전지들의 생산에 통상적으로 수행되는 다른 식각 단계들과 비교해 볼때, 상당히 적은 재료가 상기 태양전지의 표면으로부터 제거된다. 계속해서 희석제 기판들이 태양전지들의 생산 내에 이용되는 사실을 특히 고려해서, 그럼에도 불구하고 상기 기판의 후면 상의 구조의 충분한 매끄러움을 달성하는 것이 여전히 필요한 반면에 상기 에칭 공정 동안에 가급적 적은 기판 재료를 제거하는 것이 유리할 수 있다. 상기 기판의 후면 상의 약 1 - 20　μm, 바람직하게는 3 - 10　μm의 제거는 이것에 알맞은 것임을 증명했다.
태양전지 생산에 있어서 통상적으로 이용되는 다른 식각 공정들과 비교하여, 상기 텍스쳐를 매끄럽게 하는 것을 목적으로 하는 식각 공정은 기간(duration)이 짧을 수 있다. 예를 들어, 상기 식각은 5 분 미만, 바람직하게는 3분 미만, 및 더욱 바람직하게는 2분 미만의 기간 내에 수행될 수 있다. 그러한 짧은 식각 시간은 전체적으로 상기 태양전지의 빠른 생산에 있어서 중요할 수 있다.
상기 식각 공정 동안에, 상기 산-함유 식각 용액은 즉, 예를 들어 10 ℃ 내지 40 ℃ 범위, 바람직하게는 20 ℃ 내지 30 ℃ 범위 내에 주로 상온일 수 있다. 그러므로 그것은 예를 들어 상기 식각 용액의 열(heating)과 같이 특별한 조질(tempering)을 할 필요가 없는 경우일 수 있다. 이것은, 또한, 전체의 생산 방법을 가속화시키고 단순화하는데 있어서 중요할 수 있다.
상기 방법의 일 구현예에서, 상기 텍스쳐가 매끄러워지기 전에, 에미터층(emitter layer)은 상기 태양전지 기판의 후면 및 앞면 상에 둘 다 실현된다. 상기 앞면이 식각 장벽층으로 이 후에 보호되기 때문에, 상기 텍스쳐를 매끄럽게 하는 것을 목적으로 그 다음의 식각 동안에 상기 에미터층은 태양전지 기판의 후면 상으로 오직 제거된다. 이렇게 하여, 상기 태양전지 기판의 가능한 대로 옆모서리(lateral edges) 및 그것의 후면 상의 오직 에미터층을 가지는 태양전지를 생산하는 것이 가능한데, 그렇지 않으면 상기 후면 상에 기저(base)로서 제공되는 상기 태양전지 기판은 매끄럽게 하는 것을 목적으로 하는 식각 단계로 인해 거기에 존재하는 상기 에미터층을 벗어나고(relieved), 상기 기저는 상기 후면 상에 바로 접촉될 수 있다.그러므로, 많은 통상적으로 생산되는 태양전지들의 경우에 있어서, 상기 후면 상의 에미터로부터 전기적으로 고립되도록 상기 기판의 후면 상에 기생하는(parasitic) 에미터를 위해, 이것은 예를 들어 차폐(masking) 없이 하나의 단일면 상의 습식 화학적 에미터 식각, 레이져에 의한 가장자리 고립, 플라즈마에 의한 가장자리 고립 또는 소윙에 의한 가장자리 분리와 같은 추가적인 방법 단계들이 요구되기 때문에, 그것은 더 이상 필수적이지 않다. 다시 말해서, 거기에 실현된 상기 텍스쳐를 매끄럽게 하는 것을 목적으로 상기 기판의 후면을 식각하는 방법 단계는 동시에 상기 기판의 후면 상에 미리 실현된 기생하는 에미터를 식각하여 떨어지도록(away) 위해 이용될 수 있다. 그런 이유로, 그것은 후면 접촉에 의해 접촉된 상기 기판의 후면과 앞면 접촉에 의해 접촉된 상기 태양전지 앞면의 전기적인 고립을 위해 추가적인 방법 단계들이 필요하지 않을 수 있다.
상기 생산 방법의 추가적인 구현예에서, 상기 텍스쳐가 매끄러워진 후, 패시베이션층(passivation layer)은 상기 태양전지 기판의 후면에 적용된다. 이 경우에 있어서 상기 패시베이션층은 반도체 기판의 표면에 보호막을 씌우고, 그 결과 표면 재결합의 감소된 비율을 초래하는 층인 것으로 이해될 수 있다. 상기 패시베이션층은 예를 들어 질화 규소(SixNy), 실리콘 산화물(SiO2), 산화 알루미늄(Al2O3) 또는 비정질 실리콘(a-Si)으로 형성된 유전체층일 수 있다. 특히 태양전지의 후면 상의 어떤 텍스쳐는 이전에 기술된 방식으로 매끄러워진다는 것이 알려졌고, 그런 패시베이션층은 특히 유리한 효과를 가질 수 있다. 특히, 패시베이션층으로 제공된 매끄러운 후면 표면은 패시베이션층 및 날카로운 가장자리와 함께 마찬가지로 제공되는 매끄럽지 않은 후면 표면보다 표면 재결합의 더 낮은 비율을 가지는 것으로 알려졌다.
추가적인 구현예에서, 상기 기판 후면의 기술된 매끄럽게 하는 것은 선택적인 에미터의 형성으로 결합될 수 있다. 이런 경우에 상기 선택적인 에미터는 식각 용액 내에 식각함으로써 실현될 수 있다. 이 경우 선택적인 에미터는 에미터의 방식으로 도핑된(doped) 층을 의미하도록 이해되고, 도핑 농도는 위치상으로 다르다. 다시 말해서, 동질로 도핑된 에미터층은 첫 번째로 발생되고, 그 다음에 이것은 위치상으로 떨어진 곳에 부분적으로 식각될 수 있다. 상기 후면을 매끄럽게 하도록 제공되는 식각 단계 전에, 어떤 경우든 앞면 상에 디포지트된(deposited) 상기 식각 장벽층은 이 경우에 상기 앞면의 선택적인 식각과 이 식각 장벽층에 의하여 적절하게 구성될 수 있고, 선택적인 에미터의 결과적인 발생이 또한 실현될 수 있다.
예를 들면, 상기 식각 장벽층(15)은 다른 하나 위로(above one another) 배치되는 두 개의 부분층들을 가질 수 있는데, 그것들은 상기 부분층들을 제거하는데 사용되는 스트리핑 용액들에 대한 다른 저항 능력들을 가진다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 태양전지는 후면 상의 매끄러워진 텍스쳐 및 앞면 상의 각진 텍스쳐를 가지는 태양전지 기판으로 기술된다. 그러한 태양전지는 앞서 기술된 방법에 의해 생산될 수 있다. 상기 후면 상의 매끄러워진 텍스쳐는 둥근 모서리들을 가질 수 있는 반면에, 이 경우에 상기 앞면 상의 각진 텍스쳐는 날카로운 모서리들을 가질 수 있다. 그러나 이 경우에 상기 태양전지의 후면은 완전히 매끄러울, 즉 평평(flat)할 필요는 없지만, 기복형상(undulation)으로 일종의 텍스쳐를 분명히 가질 수 있으며 결과적으로 평평하지 않을 수 있다. 그러나 상기 후면 상의 제공된 매끄러워진 텍스쳐는 날카로운 모서리들을 가질 수 없도록 의도된다. 바람직하게는, 상기 태양전지 기판의 후면은 패시베이션층으로 뒤덮혀 있다.
제안된 생산 방법 및 태양전지는 그 중에서도 다음의 이점들이 성취되는 것을 가능하게 한다.
- 특히 상기 후면이 바람직하게는 유전체 패시베이션층으로 추가적으로 제공되는 경우, 그것의 후면 상의 매끄러워진 텍스쳐로 제공되는 상기 태양전지는 향상된 효율을 가질 수 있다. 상기 매끄러워진 텍스쳐 및 장파장 범위에 있어서 태양전지의 양자 효율 내에 증가를 야기하는 상기 태양전지를 위한 광선의 증가된 투입의 결과로서, 향상된 효율은 상기 태양전지의 후면 상의 증가된 반사로부터 발생할 수 있다. 매끄러워진 텍스쳐로 제공되는 표면-패시베이티드된 후면 표면(surface-passivated rear-face surface)은 특히 그들의 후면 상에 국부적으로 접촉된 태양전지들을 위해 증가된 잠재적인 효율을 가능하게 할 수 있다.
- 상기 앞면 에미터가 식각되지 않았기 때문에, 상기 태양전지 기판의 앞면 상에 디포지트된 식각 장벽층은 상기 앞면 상의 이미 실현된 에미터층을 완전히 확실하게 보호할 수 있다. 특히, 적용하기 쉽고 제거되기 쉬운 점성 페이스트가 식각 장벽층으로 사용되는 경우, 상기 식각 장벽층은 제거된 후에도 앞면 에미터의 시트 저항 내에 변화는 주목되지 않는다.
- 오직 소량의 재료는 상기 텍스쳐를 매끄럽게 하는 것을 목적으로 상기 태양전지 기판의 후면으로부터 식각되어 떨어진다. 그러므로 식각 공정은 짧은 공정 기간에 수행될 수 있다. 재료의 적은 손실에도 불구하고, 상기 후면 반사에 있어서 상당한 증가는 상기 후면 텍스쳐를 매끄럽게 하는 것의 결과로서 성취될 수 있다.
- 상기 후면 텍스쳐를 매끄럽게 하는 것은 후면 에미터의 제거로 결합될 수 있다. 후자(latter)를 매끄럽게 하는 것을 목적으로 후면의 식각 동안에 재료의 제거의 결과로서, 상기 후면 에미터는 동시에 부수적으로 제거된다. 그것은 기생하는 후면 에미터의 분리된 전기적인 고립을 없애기 위해 가능하다.
- 상기 후면 텍스쳐를 매끄럽게 하는 것을 위해 여기에 제안된 방법은 이른바 선택적인 에미터가 상기 기판의 후면 위에 발생되는 방법으로 결합될 수 있다. 이 경우에 상기 선택적인 에미터는, 보다 큰 시트 저항을 가지는 에미터 부분들(regions)이 거기에 있기 때문에, 상기 앞면이 식각 장벽층에 의해 부분적으로 보호되고, 그 다음에 보호되지 않은 부분들에 있어서 다시 식각함으로써 부분적으로 제거되는 것으로 발생될 수 있다. 식각 장벽층이 상기 태양전지 기판의 앞면 상에 선택적으로 적용된 단일 마스킹 단계(masking step)는 상기 후면 텍스쳐를 매끄럽게 하는 것의 목적과 그러한 방식으로 생산된 선택적인 에미터를 발생시키는 목적을 위해 충분할 수 있다. 더 나아가, 단일 식각 공정은 상기 에미터를 다시 선택적으로 식각하고 상기 후면 텍스쳐를 매끄럽게 하도록 충분할 수 있다.
- 상기 제안된 방법은 예를 들어 스크린 프린팅 또는 잉크젯 프린팅과 습식 화학적 식각 방법들과 같이 산업적 규모에 대해 비용 효율이 높은 기술들을 활용할 수 있다. 이러한 방법들은 태양전지들의 생산에 있어서 이미 다년간 사용되어 왔고 제시된 방법을 위해 쉽게 조정될 수 있다.
발명의 특징들 및 구현예들이 상기 태양전지 및 그 생산 방법에 관해 부분적으로 여기에 기술된 것임을 주지할 것이다. 그러나, 통상의 기술자들은 상응하는 특징들이 태양전지 및 그 생산 방법에 또한 비슷하게 전환될 수 있는 것을 인식할 수 있다. 특히 기술된 특징들은 어떤 의미에서 또한 서로서로(one another) 결합될 수 있다.
발명의 선호되는 구현예들의 설명
본 발명의 구현예에 따른 태양전지의 제조 방법은 도 1을 참고로 하여 기술된다. 도면에 있어서 특히, 발명에 따른 방법을 위해 필수적인 몇몇의 공정 단계들을 도식적으로 나타낸 것임을 주지할 것이다. 전체 태양전지의 제조 방법은 추가적인 공정 단계들을 포함할 수 있다. 그러한 추가적인 공정 단계들의 일부가 한 예로서 다음의 설명에 명시되었다. 그러나 청구항들에 명시된 방법의 필수적인 공정 단계들은 또한 전체의 생산 순서를 구성하기 위해 다른 공정 단계들과 결합될 수 있는 것임을 주지할 것이다.
첫째로, 단계 (a)에 있어서, 태양전지 기판 1은 제공된다. 이것은 예를 들어 200　μm 미만의 두께를 가지는 얇은 실리콘 웨이퍼 일 수 있다. 상기 태양전지 기판은 예를 들어 상기 기판의 소윙 동안에 유발되는 소윙 손상이 제거되는 것에 의하여 세정 단계들 및 식각 단계들에 의해 추가적인 공정 전에 준비될 수 있다.
그 다음의 단계 (b)에 있어서, 텍스쳐 7는 상기 태양전지 기판 1의 앞면 3 및 후면 5 상에 둘 다 실현된다. 이를 위해, 상기 기판 1은 예를 들어 수산화칼륨(KaOH)을 함유한 뜨거운 알칼리 식각 용액 내에 완전히 침지될(immersed) 수 있다. 이 경우에 상기 알칼리 식각 용액은 태양전지 기판의 표면들이 이방성(anisotropic) 식각을 겪도록(undergo) 선택되고, 그것에 대해 작은 피라미드-타입 구조들이 실현된다. 단계 (b)를 위해, 이런 경우, 도 1은 분명하게 오른쪽 상에 보여지는 확장된 시각화(visualization)에 있어서 그런 식각 단계의 결과로서, 그 중에서도 날카로운 모서리의 텍스쳐 7가 후면 5 상에 실현되는 것을 보여준다. 이 경우에 있어서 피라미드들 9은 상기 후면 5 상의 각진 구조 11 내에 실현된다.
그 대신에, 상기 태양전지 기판1은 이방성의 식각 특성 때문에 날카로운 모서리의 텍스쳐를 비슷하게 야기할 수 있는, 플루오르화 수소산(HF), 질산(HNO3) 및 물(H2O)의 혼합물을 가지는 특별한 산 용액에 있어서 또한 식각될 수 있다. 이렇게 하여, 다결정 태양전지 기판들도 텍스쳐화(textured)될 수 있다.
단계 (C)에 있어서, 그러한 방식으로 텍스쳐화된 상기 태양전지 기판 1은 에미터 확산(diffusion)에 적용된다. 이 경우, 얇은 에미터층 13은 상기 태양전기 기판 1의 전체 표면 상에 형성한다. 이를 위해, 도판트들(dopants)은 맞은편 반도체 유형의 얇은 에미터층 13을 형성하기 위해 기본 유형의(base-type) 반도체 태양전지 기판 1 안에 표면적으로 확산된다. 이런 경우에 상기 에미터 층은 상기 후면 5 및 상기 앞면 3을 포함하면서, 상기 태양전기 기판 1의 전체 표면 상으로 확장한다.
그런 다음, 단계 (d)에 있어서, 식각 장벽층 15은 상기 앞면 3 상의 태양전지 기판에 적용된다. 이런 경우에 상기 식각 장벽층 15은 상기 앞면 3 상의 통상적인 스크린 프린팅 기법들 또는 잉크젯 기법들에 의하여, 예를 들어 왁스 페이스트와 같은 점성 페이스트 형태로 적용될 수 있다. 예를 들어, 그 중에서도 썬 케미칼 코포레이션의 썬젯(SunJet by Sun Chemical Corporation)(GB)의 명칭으로 널리 분포된(as distributed) 소위 잉크젯 왁스는 잉크제터(ink-jetter)에 의하여 상기 앞면 3 상에 5 - 10　μm의 두께로 적용될 수 있다. 그렇지 않으면, 그 중에서도 피터스 레크워커 지엠비에이취(Peters Lackwerke GmbH)(독일)에 의해 널리 분포된 점성 페이스트는 스크린 프린터에 의하여 상기 앞면 3 상에 5 - 10　μm의 두께로 적용될 수 있다.
그 다음에, 단계 (e)에 있어서, 그러한 방식으로 준비된 상기 태양전지 기판 1은 산 함유 식각 용액 내에 침지된다. 상기 식각 장벽층 15에 의해 보호되는 부분들은 이 경우에 상기 식각 용액에 의해 공격당하지 않는다. 그러나 노출된 부분들 17은 산 식각 용액에 의해 등방성으로 식각함으로써 공격당하고 식각되어 떨어진다(etched away) 식각된다. 이 경우에 상기 산 식각 용액은 예를 들어 19:60:20비율로 플루오르화 수소산(HF), 질산(HNO3) 및 아세트산(CH3COOH)을 함유할 수 있다. 상기 식각 용액은 게다가 물(H2O)을 함유할 수 있다. 이 경우에 상기 식각 용액의 온도는 거의 상온에 일치할 수 있다. 상기 식각 공정은 2 분 미만 동안 지속될 수 있다. 이런 경우에, 경험적으로, 10　μm 미만의 두께를 가지는 층은 노출된 부분들 17로부터 제거될 수 있다.
산 함유 식각 용액 내에 식각 공정은 등방성이므로, 날카로운 모서리들로 이전에 실현된 상기 텍스쳐 7는 둥글게 되고, 그렇게 함으로써(thereby) 매끄러워진다. 동시에, 전형적으로 근소한(a few) 100 nm 두께인 이전에 확산된 에미터층 13은 식각 단계 동안에 제거된다.
상기 식각 공정 및 식각 장벽층 15은 상기 기판의 후면 상의 매끄럽게 하는 것에 더하여, 선택적인 에미터는 상기 기판의 앞면 상에 실현될 수 있도록 특별히 조정될 수 있다. 상기 기판의 앞면 3 상의 상기 에미터층 13의 위치상(positionally) 선택적인 식각 백(etching back)은 나노미터 규모에서 야기된다(effected). 반면에 상기 후면 5의 식각은 마이크로미터 규모에서 야기된다. 그러므로 식각 매체 및/또는 식각 기간은 상기 후면을 위해 조정되어야 한다.
그것을 매끄럽게 만들기 위해서, 상기 후면 5 상의 텍스쳐7의 식각과 상기 앞면 3 상의 에미터층 13의 선택적인 식각-백(etching-back)은 다음에 기술된 것처럼 단일 마스킹 단계에 의해 실현될 수 있다: 이 경우에, 사용(use)은 상기 식각 장벽층 15의 부분적인 층들의 역할을 하는 두 개의 식각 마스크들(masks)의 스트리핑의 상이한 정도(differing degrees)로 이루어져 있다. 첫 번째로, 더 많은 저항 마스크는 선택적인 에미터의 낮은 옴 저항 부분(ohmic resistance region)을 보호하도록 제공한다. 두 번째로, 상기 후면 5이 그것을 매끄럽게 만들기 위해 식각되므로, 상기 첫 번째 마스크 상으로 모든 표면(full-surface) 식각 마스크는 상기 전체 앞면 3을 보호하도록 제공한다. 상기 후면 5이 식각된 후, 상기 모든 표면 식각 마스크는 습식 화학적 스트리핑에 의해 제거된다. 그것의 보다 큰 저항 능력(예를 들어, 경화된(hardened) 식각 마스크) 때문에, 상기 부분적 식각 마스크 하부는 상기 선택적인 에미터 식각 단계를 위해 효과적이도록 첫 번째 스트리핑에 의해 영향을 받지 않는다. 이 마스킹 단계는 경화된 식각 마스크들을 위해 적합한 스트리핑 용액 내에 부분적인 마스크의 그 다음 스트리핑과 상기 에미터층 13의 습식 화학적 식각이 뒤따른다.
또 다른 가능성은 앞서 기술된 것처럼, 두 개의 마스크들 대신에 오직 하나의 마스크를 사용하는 것이다. 이 경우에 있어서, 오직 상기 에미터층 13의 선택적인 식각-백을 위한 마스크는 예를 들어 상기 앞면 3의 가장자리에서 추가적인 '선'으로 적용될 것이다. 그러면, 뒤따르는 매끄러운-식각 단계에 있어서, 상기 태양전지 기판은 상기 앞면 3이 상기 식각 용액과 접촉하지 않기 때문에 상기 용액 상의 후면 5으로 오직 흘러가지만(floats), 식각 용액 내에 완전히 침지되지 않는다. 그 뒤에, 상기 에미터의 식각-백은 웨이퍼의 모든 침지(full immersion)에 의해 영향받을 수 있다.
상기 식각 공정 후, 식각 장벽층 15은 다시 제거된다. 이를 위해, 상기 식각 장벽층 15으로 제공된 상기 태양전지 기판1은 약간의 알칼리 용액 내에 침지될 수 있고 상기 식각 장벽층 15은 상기 기판 1으로부터 스트리핑될 수 있다. 이와 같이 그 결과는, 단계 (e), 도 1에 보여진 구조로, 그 안에 확산된 에미터층 13을 포함하면서 날카로운 모서리인 텍스쳐 7는 상기 태양전지 기판 1의 앞면 3 상에 남아있고, 둥근 매끄러운 텍스쳐 19는 확산된 에미터층 없이 후면 5 상에 보여질 수 있다. 상기 둥근 텍스쳐 19는 날카로운 모서리들을 가지고 있지 않다. 그런 둥근 텍스쳐의 완화된 광-포획 효과 때문에, 상기 후면의 반사는 각지게 텍스쳐화된 앞면에 비해서 증가되었다.
그 다음의 공정 단계들에 있어서, 추가적인 층들은, 도 2에서 나타낸 것처럼, 그러한 방식으로 텍스쳐화되고 앞면 에미터층 13으로 제공되는 상기 태양전지 기판1 상에 디포지트될 수 있고 금속 접촉들은 궁극적으로 태양전지 100를 달성하기 위해 적용될 수 있다. 이런 경우에, 예를 들어 질화 규소, 실리콘 산화물 또는 산화알루미늄으로 구성된 유전체층의 형상으로, 추가적인 패시베이션층 21은 매끄럽고, 텍스쳐화된 후면 5 및 각지게 텍스쳐화된 앞면 3 상에 디포지트된다. 이 경우에, 상기 앞면 3 상의, 상기 패시베이션층 21은 상기 에미터층 13을 덮는다. 상기 후면 5에서 상기 패시베이션층 21은 바로 상기 태양전지 기판 1의 기저(base)를 덮는다. 상기 태양전지 기판 1의 후면 5 상의 상기 둥근 매끄러운 텍스쳐 19 및 상기 유전체층 때문에, 표면 재결합이 줄어든다.
앞면 접촉 23 및 후면 접촉 25은 상기 태양전지 기판 1을 위치상으로 접촉할 수 있다. 이 경우에 상기 앞면 접촉 23은 상기 에미터층 13을 접촉한다. 상기 앞면 접촉 23은 예를 들어 스크린 프린팅에 의해 생산될 수 있는데, 여기에서 선형(linear) 금속 구조들은 상기 패시베이션 21을 통해 상기 앞면 3 상에 프린트될 수 있고 그런 다음 가열될 수 있다. 공정을 통한 가열은 상기 앞면 접촉 23 내에 함유된 금속이 상기 에미터층 13(수치 내에 나타나지 않은 투명도를 돕기 위해)과 접촉하는 것을 야기한다. 상기 후면 접촉 25은 상기 패시베이션층을 통해 선형 구조로서 실현될 수 있고 스크린 프린팅에 의하여 상기 패시베이션층 21에 적용될 수 있으며, 그런 다음 가열될 수 있다.
상기 제시된 제조방법에 의하여, 2.5 ohms-cm 의 저항력을 가지는 p-유형 Cz 실리콘으로 산업 생산에 알맞은 스크린 프린팅 방법을 통해 대면적(125 x 125　mm2) 태양전지들을 생산하는 것이 이미 가능해졌다. 이 경우에 상기 후면은 모든-표면 알루미늄 BSF (후면 표면 전계)를 가졌다. 상기 앞면은 동질의 에미터를 가졌다. 18.4　%까지의 효율성이 성취되었고, 약 10,000 ohms-cm2 의 태양전지의 병렬저항이 측정되고, 이것은 합선들의 창출 없이 상기 기판의 후면 상의 에미터의 성공적인 제거를 보여주었다.
또한 실험실 규모에서 이미 생산된 태양전지들은 유전체로 패시베이트된(passivated) 후면으로 제공되었다. 이 경우에 20% 이상(over)의 효율성이 FZ 실리콘 상에 성취되었다. 상기 기판의 후면에서 반사의 측정은 상기 텍스쳐화된 후면 표면들의 매끄러워짐 후 알칼리 식각된 표면에 관하여 평균 약 10%가 되는 반사가 크게 증가되었고 경우에 따라서는 평균 약 35%까지 이르는 것을 가능하게 만들었다. 동시에, 날카로운 가장자리 후면 텍스쳐를 가지는 비식각된(non-etched) 기판들과 비교할 때, 다양한 패시베이션층들을 시험하는 것이 가능했고, 효과적인 소수 대전입자(charge-carrier) 수명에 있어서 중요한 증가는 매끄러운 식각된 기판들의 경우로 측정되었다.
마지막으로, "포함한다", "가지다" 등등의 용어들이 더 나아가 추가적인 요소들의 존재를 제외하도록 의도하지 않는 것임이 주지될 것이다. 또한 "하나의"란 용어는 다수의 요소들 또는 대상들의 존재를 제외하지 않는다. 게다가, 추가적인 방법 단계들은, 청구항들에 기재된 방법 단계들에 더하여, 예를 들어 궁극적으로 완성된 태양전지를 생산하기 위하여 필요하거나 또는 유리할 수 있다. 청구항들에 있어서 참조들은 단지 식별도를 돕기 위해 제공되는 것이나, 어떤 방법으로도 상기 청구항들의 보호 범위를 제한하지 않는다.
1 태양전지 기판
3 앞면
5 후면
7 텍스쳐
9 피라미드
11 각진 구조
13 에미터층
15 식각 장벽층
17 노출된 부분
19 매끄러워진 텍스쳐
21 패시베이션층
23 앞면 접촉
25 후면 접촉

Claims (14)

  1. 태양전지 기판(1)을 제공하는 단계;
    상기 태양전지 기판(1)의 앞면(3) 및 후면(5)에(at) 텍스쳐(7)를 형성하는 단계;
    상기 태양전지 기판(1)의 상기 앞면(3)에(to) 식각 장벽층(barrier layer)(15)을 적용하는 단계; 및
    상기 텍스쳐가 매끄러워짐에 따라 (7), 등방성 작용 식각 용액(isotropically acting etching solution) 내에서 식각에 의하여 상기 태양전지 기판(1)의 상기 후면(5)의 상기 텍스쳐(7)를 매끄럽게 하여, 상기 텍스쳐(7)가 각진 구조(11)로(with an angular structure) 실현되고(being realized) 상기 텍스쳐 구조의 가장자리가 기복 형상으로(in the form of an undulation) 둥글게 되도록(7) 하는 단계;
    를 포함하는 태양전지(100)의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 등방성으로 작용하는 식각 용액은 산을 함유(contain)하는 것인, 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 산-함유 식각 용액은 플루오르화 수소산(hydrofluoric acid)을 함유하는 것인, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 식각 장벽층(15)은 점성 페이스트로(with) 실현된 것인, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 식각 장벽층(15)은 스크린 프린팅 기법 또는 잉크젯 기법에 의하여 적용되는 것인, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 식각은 20 μm 미만이 상기 태양전지 기판(1)의 후면(5)으로부터 제거되는 방법으로(in such a way that less than 20　μm is removed from the rear face (5) of the solar cell substrate (1)) 수행되는 것인, 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 식각은 5분 미만의 기간 동안 수행되는 것인, 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 식각 용액은 식각 동안에 10　°C 내지 40　°C범위의 온도인 것인, 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 텍스쳐(7)가 매끄럽기 전에, 에미터층(emitter layer)(13)이 상기 태양전지 기판(1)의 상기 앞면(3) 및 상기 후면(5) 둘 다에 실현되고, 상기 텍스쳐(7)가 매끄러워짐에 따라 상기 에미터층(13)은 상기 태양전지 기판(1)의 상기 후면(5)에서 제거되는 것인, 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 텍스쳐(7)가 매끄러워진 후, 패시베이션층(passivation layer)(21)은 상기 태양전지 기판(1)의 후면(5)에 적용되는 것인, 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 식각 장벽층(15)이 상기 태양전지 기판(1)의 후면(3)에 적용된 후, 선택적 에미터(emitter)는 상기 식각 용액 내에서 식각에 의하여 실현되는 것인, 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 식각 장벽층(15)은 다른 하나 위에(above) 배치되고 부분층들을 제거하도록 사용된 스트리핑(stripping) 용액에 대한 다른 저항 능력들(differing resistance capabilities)을 가지는 두 개의 부분층들을 가지는 것인, 방법.
  13. 앞면(3)에 각진 텍스쳐(7)(angular texture)를 가지며, 후면(5)에 기복(undulation) 형상으로 둥근 텍스쳐(19)를 가지는 태양전지 기판(1)을 포함하는 태양전지(100).
  14. 제13항에 있어서,
    상기 태양전지 기판(1)의 앞면(3)에 선택적 에미터를 더 포함하는 것인, 태양전지.
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