KR20130123177A - 초박형 에미터 접합층을 갖는 블랙 실리콘 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

초박형 에미터 접합층을 갖는 블랙 실리콘 태양전지 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초박형 에미터 접합층(300)(USE)을 갖는 블랙 실리콘 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 태양전지용 실리콘 기판(100), 상기 기판(100)에 피라미드 형상의 텍스쳐링 구조층(200); 상기 텍스쳐링 구조층(200)에 플라즈마 도핑에 의해 형성된 초박형 에미터 접합층(300)(USE); 상기 초박형 에미터 접합층(300)(USE)에 투명전극막(400); 상기 기판(100) 후면에 형성된 후면전극(600); 및 상기 투명전극막(400) 일부에 형성된 전면전극(500)을 포함한다.
이처럼 본 발명에 따른 초박형 에미터 접합층(300)(USE)을 갖는 블랙 실리콘 태양전지는, 피라미드 구조를 갖는 텍스쳐링 구조에 초박형 에미터 접합층(300)(USE)을 형성하여 높은 입사광량 및 양자효율(quantum efficiency) 개선에 의해 고효율의 태양전지를 제공할 수 있는 장점이 있다.

Description

초박형 에미터 접합층을 갖는 블랙 실리콘 태양전지 및 그 제조방법{black silicon solar cell with Ultra-Shallow Emitter, and manufacturing method thereof}
본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 간단한 제조공정으로 효율이 개선된 초박형 에미터 접합층(USE)을 갖는 블랙 실리콘 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 국제사회에서는 지구의 환경오염으로 인해 친환경적 에너지 생산의 연구에 매진하고 있으며, 주요 친환경적 에너지 연구로는 태양광, 태양열, 지열, 풍력, 조력, 파력, 해류 등이 있다. 특히, 태양광 에너지는 발전 과정에서 공해, 잡음, 방사능 누설, 폭발, 유해한 가스 등의 위험이 없어 문자 그대로의 무공해인 청정에너지 변환법이다. 또한 인공위성이나 무인등대 등의 전원으로서 이미 실증되어 있는 것처럼, 운전유지가 간편하고, system의 무인화나 자동화가 용이하다. 태양광 에너지의 대표적인 활용은 태양전지의 제작을 통한 전력의 생산이다.
우리나라는 부존자원이 거의 없어 소요에너지의 97%를 수입에 의존하고 있고, 그 대가로 연 300억불이 넘는 외화를 써야하는 현실에 있다. 또한, 대도시에 인구가 집중되어 있고 자동차 등록대수가 1,300 만대를 넘어 대기오염을 우려하지 않을 수 없다. 이러한 사정을 감안할 때, 우리나라가 태양에너지에 거는 기대는 그 어느 나라보다 크다고 할 수 있다.
태양전지의 종류는 재료에 따라 무기 태양전지와 유기 태양전지로 구분되고, 무기 태양전지는 실리콘과 화합물(CIGS, CdTe 등)로 구분되고, 유기 태양전지는 염료와 유기로 구분된다. 특히 무기 태양전지 재료 중에서 실리콘은 결정질 실리콘과 비결정질 실리콘으로 구분되는데, 현재 시장점유율의 75 %이상을 결정질 실리콘 태양전지가 차지하고 있으며, 8 %정도를 비정질 실리콘 태양전지가 차지하고 있다.
일반적인 실리콘 태양전지의 구동원리를 도 1에 나타내었는데 간단하게 그 원리를 살펴보면 p-n 접합이 형성된 반도체 기판에 빛을 쪼이게 되면 광에너지에 의해 전자-정공쌍이 생성되고, 생성된 전자, 정공들은 n층과 p 층을 가로질러 이동하여 광기전력 효과에 의해 기전력이 발생되어 전극을 통해 외부 부하로 흘러가며 전류를 생성하는 원리로 되어있다.
결정질 실리콘 태양전지 제작에 있어서 중요한 부분은 저가격, 고효율이다. 저가격을 위해서 저가의 웨이퍼 개발과 공정의 단순화가 필수적이고, 고효율을 위해서는 광학적 특성 개선 및 전기적 특성 개선이 필요하다. 태양전지의 광학적인 특성을 높이기 위해서는 태양전지 표면에서 입사광의 면적을 최대화 시키면서 반사를 최대한 낮추어 입사광량의 흡수율을 최대화시키는 텍스쳐링(texturing) 공정이 필수적이다. 텍스쳐링에 의한 광 포획기술은 표면에서의 반사율을 감소시키고, 태양전지 내에서 빛의 통과길이를 길게 하여 흡수된 빛의 양을 증가시키는 것으로 태양전지의 단락전류(short circuit current; Isc)를 향상시킬 수 있다.
이하에서 종래의 실리콘 텍스쳐링 기술을 살펴보면, RIE를 이용한 표면 텍스쳐링 공정에서 SF6/O2가스를 이용하면 높은 식각율과 self-masking mechanism에 의해 낮은 반사율을 가지는 블랙 실리콘이 형성된다. 이때 생성된 블랙 실리콘은 수백 nm 폭의 grass또는 바늘 구조가 수 ㎛깊이로 형성되는 것이 특징이며, 10 % 이하의 반사율을 가지게 된다.
도 2는 종래의 Grass/비늘구조의 블랙 실리콘의 태양전지의 제조공정의 모식도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 종래의 RIE 공정으로 형성된 수백 nm 폭의 grass/바늘 구조의 블랙 실리콘구조는 태양전지 제조공정 중 에미터 접합을 형성하기 위한 확산공정, 전극형성을 위한 스크린 프린팅(screen printing) 공정에 적합하지 않는 구조이다.
즉, grass/바늘 구조의 블랙 실리콘은 스크린 프린팅을 이용한 표면전극 형성 시 패이스트(paste) 내의 Ag 파우더가 바늘구조의 표면과 접촉이 어려워 직렬저항을 증가시켜서 태양전지 효율을 감소시킨다. 또한, 수 백 nm 폭의 블랙 실리콘은 확산공정 중에 쉽게 산화되어 PSG(phosphor silicate glass) 제거 단계에서 거의 완전히 제거되는 단점이 있어 태양전지제조에 적용하지 못하고 있다.
그리고, 일반적인 태양전지 제조공정에서 에미터 접합을 형성하기 위한 확산공정은 POCl3 가스를 사용한 열확산 방법을 사용한다. Grass/바늘 구조의 블랙 실리콘 또는 피라미드 구조 블랙 실리콘을 이용할 경우, 블랙 실리콘 전체가 n+ 영역으로 되어 깊은 emitter 접합을 이루게 된다. 깊은 emitter 접합의 경우, 흡수된 광에너지에 의해 생성된 전자-정공쌍중 전자는 n+영역을 지나면서 정공과 재결합하게 되어 태양전지의 효율 감소를 초래하는 문제점이 있다.
상술한 문제를 해결하고자 하는 본 발명의 과제는 종래의 grass/바늘 구조의 블랙 실리콘의 단점을 극복하고 태양전지 제조공정에 적합할 것으로 여겨지는 ㎛ 크기를 가지는 파라미드 구조와, 플라즈마 이온주입(Plasma doping) 공정을 이용하여 수십~수백 nm의 얕은 에미터 접합(USE; Ultra-Shallow Emitter)을 형성하여 n+ 영역에서 전자의 재결합되는 현상을 최소화시켜 효율이 개선된 태양전지 및 태양전지 제조방법을 제공하고자 함이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1 특징은 블랙 실리콘 태양전지로, 태양전지용 실리콘 기판, 상기 기판에 피라미드 형상의 텍스쳐링 구조층; 상기 텍스쳐링 구조층에 플라즈마 도핑에 의해 형성된 초박형 에미터 접합층(USE); 상기 초박형 에미터 접합층(USE)에 투명전극막; 상기 기판 후면에 형성된 후면전극; 및 상기 투명전극막 일부에 형성된 전면전극을 포함한다.
여기서, 상기 텍스쳐링 구조층은 메탈 그리드를 이용한 RIE 공정으로 형성된 것이 바람직하고, 상기 실리콘 기판은, P 형 단결정 실리콘 기판인 것이 바람직하며, 상기 초박형 에미터 접합층(USE)은, N 형 에미터 접합층인 것이 바람직하다.
또한, 바람직하게는 상기 텍스쳐링 구조의 깊이는 500nm 내지 1㎛인 것일 수 있다.
그리고, 본 발명의 제2 특징은 블랙 실리콘 제조방법으로, (a) 태양전지용 실리콘 기판 표면에 RIE 공정으로 텍스쳐링 구조를 형성하는 단계; (b) 상기 텍스쳐링 구조에 초박형 에미터 접합층(USE)을 형성하는 단계; (c) 상기 기판 후면에 후면전극을 형성하는 단계; (d) 상기 USE 층에 투명전극을 형성하는 단계; 및 (e) 상기 투명전극 일부에 전면전극을 형성하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 (a) 단계는, 메탈 그리드(metal grid)를 사용하여 RIE 공정으로 피라미드 형상의 텍스쳐링 구조를 형성하는 단계인 것이 바람직하고, 상기 텍스쳐링 구조의 깊이는 500nm 내지 1㎛인 것이 바람직하며, 상기 RIE 공정은, SF6와 O2의 가스 비율이 1:1인 반응가스를 사용하는 것이 바람직하다.
더하여, 바람직하게는 상기 실리콘 기판을 P 형 단결정 실리콘 기판으로 사용하는 것일 수 있고, 상기 초박형 에미터 접합층(USE)을 N 형 에미터 접합 층으로 형성하는 것일 수 있다.
또한, 상기 (b) 단계는, 플라즈마 이온주입(Plasma doping)법 또는 프리디포지션에 의한 열 확산법(thermal diffusion)에 의해 초박형 에미터 접합층(USE)을 형성하는 것이 바람직하고, 상기 열 확산법에 의해 형성된 초박형 에미터 접합층(USE)은, POCL3 또는 H3PO4의 소스가스를 사용하여 형성하는 것이 바람직하다.
이처럼 본 발명에 따른 초박형 에미터 접합층(USE)을 갖는 블랙 실리콘 태양전지는, 피라미드 구조를 갖는 텍스쳐링 구조에 초박형 에미터 접합층(USE)을 형성하여 높은 입사광량 및 양자효율(quantum efficiency) 개선에 의해 고효율의 태양전지를 제공할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 일반적이 실리콘 태양전지의 구동 원리를 나타낸 모식도이고,
도 2는 종래의 Grass/비늘구조의 블랙 실리콘의 태양전지의 제조공정의 모식도이고,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초박형 에미터 접합층(USE)을 갖는 블랙 실리콘 태양전지의 구성을 나타낸 도면이고,
도 4는 초박형 에미터 접합층(USE:Ultra-Shallow Emitter) 영역에서 전자, 정공의 흐름도를 비교하여 나타낸 도면이고,
도 5는 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서, 블랙실리콘 태양전지 제조방법의 공정을 나타낸 도면이고,
도 6은 본 발명의 실시예에 적용되는 메탈 그리드를 이용하여 RIE(Reactive Ion Etching) 공정으로 피라미드 형상의 텍스쳐링 공정의 모식도이고,
도 7은 본 발명의 실시예에 적용되는 메탈 그리드를 이용하여 RIE(Reactive Ion Etching) 공정 시스템의 구성을 나타낸 도면이고,
도 8은 메탈 그리드의 유무에 따른 RIE 공정에 의한 텍스쳐링 구조 결과를 비교한 전자현미경(SEM) 사진이고,
도 9는 메탈 그리드를 사용한 RIE 공정으로 공전시간을 변화시키면서 텍스쳐링 구조를 형성한 시료의 SEM 사진이고,
도 10은 표면 처리를 하지 않은 경면(bare) 실리콘과 메탈 그리드를 사용한 RIE 공정으로 형성한 텍스쳐링 구조의 파장에 따른 반사율을 측정한 그래프이고,
도 11은 종래의 바늘모양의 블랙 실리콘과 RIE 공정을 진행한 시편을 비교한 SEM사진이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 통해 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 여기에서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 본 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
도면들에 있어서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니며 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 명세서에서 "및/또는"이란 표현은 전후에 나열된 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용된다. 또한, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "포함한다" 또는 "포함하는"으로 언급된 구성요소, 단계, 동작 및 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 소자 및 장치의 존재 또는 추가를 의미한다.
이하에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초박형 에미터 접합층(USE)을 갖는 블랙 실리콘 태양전지의 구성을 나타낸 도면이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 블랙실리콘 태양전지는, 태양전지용 실리콘 기판(100), 상기 기판(100)에 피라미드 형상의 텍스쳐링(texturing) 구조층(200); 상기 텍스쳐링 구조층(200)에 플라즈마 도핑에 의해 형성된 초박형 에미터 접합층(300)(USE); 상기 초박형 에미터 접합층(300)(USE)에 투명전극막(400); 상기 기판(100) 후면에 형성된 후면전극(600); 및 상기 투명전극막(400) 일부에 형성된 전면전극(500)을 포함하여 구성된다.
이처럼, 본 발명의 실시예는, 피라미드 형상의 텍스쳐링 구조에 플라즈마 이온주입(plasma doping) 공정을 이용하여 수십~수백 nm의 초박형 에미터 접합(USE; Ultra-Shallow Emitter)을 형성하여 n+ 영역에서 전자의 재결합되는 현상을 최소화시켜 효율을 개선한 블랙실리콘 구조의 태양전지를 제안한다.
여기서, 태양전지용 실리콘 기판(100)은 P 형 단결정 실리콘 웨이퍼를 사용하였고, 폴리실리콘 또는 단결정 실리콘 웨이퍼 모두 사용가능함은 물론이다. 그리고, 상기 단결정 실리콘 기판(100)의 텍스쳐링(texturing) 구조층(200)텍스쳐링(texturing) 구조층(200)전지 효율 개선의 중요한 요인 중 하나이다.
실리콘을 표면 텍스쳐링(texturing) 하면, 표면에 피라미드 구조가 형성되는데, 이때 피라미드 구조의 크기는 약 10 um가 광학적으로 우수하나, 양산시에 큰 피라미드는 파손증가와 FF 감소를 발생하기 때문에 4um가 가장 유리하다. 그리고 피라미드 형성 각도가 빛의 진행 방향에 중요한 역할을 수행한다.
피라미드 구조물의 각도가 클수록 반사회수가 증가하며 그만큼 광 생성된 전류를 증가하게 되고, 표면 텍스쳐링(texturing)의 효과는 (무작위 표면 텍스쳐링) < (전후면 규칙적인 피라미드 구조) < (전면 피라미드 구조) 순으로 효과적인데, 후면까지 조직화를 할 경우에는 후면 재결합 상승으로 효율이 감소하기 때문이다. 그리고, 상기 전면전극(500) 및 후면전극(600)은 기판(100) 양면에 형성하는 것으로, 광 생성된 전하를 수집하기 위한 금속전극 형성이 목적이다.
그리고, 본 발명의 핵심적 특징은 상기 텍스쳐링 구조층(200)에 플라즈마 도핑에 의해 형성된 초박형 에미터 접합층(300)(USE:Ultra-Shallow Emitter)으로, 양자효율 및 Isc 증가를 통한 태양전지 효율을 개선하기 위한 구성이다.
도 4는 초박형 에미터 접합층(300)(USE:Ultra-Shallow Emitter) 영역에서 전자, 정공의 흐름도를 비교하여 나타낸 도면이다. 도 4의 (a)는 깊은(두꺼운) 에미터 영역에서의 전자 정공의 흐름도를 나타낸 모식도이고, 도 4의 (b)는 본 발명의 실시예에 적용되는 초박형 에미터 접합층(300)(USE:Ultra-Shallow Emitter) 영역의 전자 정공 흐름을 나타낸 모식도이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 초박형 접합(Ultra shallow junction)으로 표면 광흡수에 의해 생성된 캐리어는 표면 n+ 영역에서 재결합되지 안고 전극으로 이동하게 되어 양자효율(quantum efficiency) 증가 및 단락전류(Isc) 증가로 인한 태양전지 효율이 증가 된다.
도 4의 (a)에 나타낸 바와 같이, 깊은 에미터 영역에서의 전자 정공의 흐름을 살펴보면, 입사된 빛 에너지에 의해 p-n 접합의 공핍영역에서 생성된 전자-정공 쌍이 접합부 전계에 의해 전자는 n형으로, 정공은 p형으로 이동한다. n형으로 이동한 전자는 중성 n형 영역에서 정공과 재결합하여 양자효율을 감소시키고 태양전지의 Isc를 감소시켜 태양전지의 효율을 감소시키게 된다.
이와 달리, 도 4의 (b)에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 적용되는 초박형 에미터 접합층(300)(USE:Ultra-Shallow Emitter) 영역에서의 전자 정공의 흐름을 살펴보면, 입사된 빛 에너지에 의해 p-n 접합의 공핍영역에서 생성된 전자-정공 쌍이 접합부 전계에 의해 전자는 n형으로 정공은 p형으로 이동하하는데, n형으로 이동하는 전자는 중성 n형 영역에서 정공과 재결합이 좁아진 중성 n형 영역에(Ultra-shallow junction) 의해 재결합이 감소하게 되어 양자효율을 증가시키고 태양전지의 Isc을 증가시키게 됨으로써, 태양전지의 효율을 증가시킬 수 있게 된다.
이처럼 본 발명에 따른 초박형 에미터 접합층(300)(USE)을 갖는 블랙 실리콘 태양전지는, 피라미드 구조를 갖는 텍스쳐링 구조에 초박형 에미터 접합층(300)(USE)을 형성하여 높은 입사광량 및 양자효율(quantum efficiency) 개선에 의해 고효율의 태양전지를 제공할 수 있는 장점이 있다.
도 5는 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서, 블랙실리콘 태양전지 제조방법의 공정을 나타낸 도면이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 블랙실리콘 태양전지 제조방법은 (a) 태양전지용 실리콘 기판(100) 표면에 RIE 공정으로 텍스쳐링 구조를 형성하는 단계; (b) 상기 텍스쳐링 구조에 초박형 에미터 접합층(300)(USE)을 형성하는 단계; (c) 상기 기판(100) 후면에 후면전극(600)을 형성하는 단계; (d) 상기 USE 층에 투명전극을 형성하는 단계; 및 (e) 상기 투명전극 일부에 전면전극(500)을 형성하는 단계를 포함하여 구성된다.
먼저 (a) 단계로서, 태양전지용 실리콘 기판(100)에 피라미드 형상의 텍스쳐링 구조를 형성하는 단계를 살펴보면, 실리콘을 표면 텍스쳐링(texturing) 하면 표면에 피라미드 구조가 형성되는데, 이때 피라미드 구조의 크기는 약 10 um가 광학적으로 우수하나, 양산시에 큰 피라미드는 파손증가와 FF 감소를 발생하기 때문에 4 um가 가장 유리하다.
그리고 피라미드 형성 각도가 빛의 진행 방향에 중요한 역할을 수행하는데, 피라미드 구조물의 각도가 클수록 반사회수가 증가하며 그만큼 광 생성된 전류를 증가하게 된다. 즉, 표면 텍스쳐링texturing_의 효과는 (무작위 표면 texturing) < (전후면 규칙적인 피라미드 구조) < (전면 피라미드 구조) 순으로 효과적인데, 후면까지 조직화를 할 경우에는 후면 재결합 상승으로 효율이 감소하기 때문이다.
또한, 반도체의 특정 면을 다른 면에 비해 빨리 용해시키는 것을 비등방성 식각이라고 하는데, 다이아몬드 격자 구조에서는 (111) 면이 (100)면보다 원자가 훨씬 조밀하게 밀집되어 있으므로 (111) 면의 식각 속도가 더 느리다. 실리콘 표면에 임의로 생성되는 기포가 식각을 느리게 하는 특성을 이용하여 KOH나 NaOH와 같은 염기성 용액으로 실리콘 표면을 텍스쳐링(texturing) 할 수 있다.
그러나, 과도하게 식각되면 사면체의 상부에서 새로운 식각이 일어나게 되어 피라미드의 구조가 손상되며 빛의 경로도 감소하게 된다. 최근 다결정 실리콘이 화학적인 방법에 의해서는 표면 텍스쳐링(texturing)이 어려워 레이저를 이용하여 홈을 형성하거나, 다수의 다이아몬드 날을 이용하여 피라미드를 형성기술이 개발되었다.
이처럼, 기존에는 KOH나 NaOH, 또는 HNO3등의 산성/염기성 용액을 사용한 습식식각이 단결정 실리콘 태양전지의 표면 텍스쳐링 공정에 사용되고 있다. 하지만 실리콘 태양전지 기판(100)의 대면적화와 초박화에 의해 습식식각을 이용한 표면 텍스쳐링 공정의 여러 문제점으로 인하여 최근에는 RIE(reactive ion etching)를 이용한 건식식각 표면 텍스쳐링(texturing) 공정으로 바뀌어 가고 있다.
RIE는 플라즈마를 이용하여 물체 표면에서 물리 화학적으로 식각하는 방법을 말한다. 일반적으로 RIE 공정에 사용되는 가스는 SF6, O2, Ar, CF4, Cl2등의 가스가 사용 되고, RIE를 이용한 표면 텍스쳐링 공정에서 SF6/O2가스를 이용하면 높은 식각율과 self-masking mechanism에 의해 낮은 반사율을 가지는 블랙 실리콘(black silicon)이 형성된다.
이때 생성된 블랙 실리콘은 수백 nm 폭의 grass또는 바늘 구조가 수 ㎛깊이로 형성되는 것이 특징이며, 10 % 이하의 반사율을 가지게 된다. 그러나 기존 grass/바늘 구조의 블랙 실리콘구조는 태양전지제조 공정 중 에미터 접합을 형성하기 위한 확산공정, 전극형성을 위한 스크린 프린팅(screen printing) 공정에 적합하지 않는 구조이다.
즉, grass/바늘 구조의 블랙 실리콘은 스크린 프린팅을 이용한 표면전극 형성 시 패이스트(paste) 내의 Ag 파우더가 바늘구조의 표면과 접촉이 어려워 직렬저항을 증가시켜서 태양전지 효율을 감소시킨다. 또한, 수백 nm 폭의 블랙 실리콘은 확산공정 중에 쉽게 산화되어 PSG(phosphor silicate glass) 제거 단계에서 거의 완전히 제거되는 단점이 있어 태양전지제조에 적용하지 못하고 있다.
이에 본 발명에서는 메탈 그리드를 이용하여 RIE(Reactive Ion Etching) 공정으로 피라미드 형상의 텍스쳐링 구조를 형성한다. 도 6은 본 발명의 실시예에 적용되는 메탈 그리드를 이용하여 RIE(Reactive Ion Etching) 공정으로 피라미드 형상의 텍스쳐링 공정의 모식도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 적용되는 메탈 그리드를 이용하여 RIE(Reactive Ion Etching) 공정 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 마이크로 블라스터 및 그리드(grid)를 사용한 RIE 공정을 이용하여 실리콘 표면 텍스쳐링(texturing) 구조를 형성하여 태양전지의 효율을 향상시키고자 한다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 종래의 플라즈마 식각 장비와는 달리 시편과 플라즈마 사이에 grid가 있는 구조이며, Metal-Grid hole의 크기는 100 um로 hole과 hole사이의 길이는 190 um으로 일정한 hole를 형성한 구조이다. RIE 내부에 장착한 Metal-Grid는 wafer와 7 mm간격 정도 윗 부분에 장착시켰다.
시편과 플라즈마 사이에 장착된 메탈 그리드의 구멍(hole) 부분으로 플라즈마 이온들이 가속되어 시편(웨이퍼 또는 기판(100))에 충돌되고, 또한 산란되어 실리콘 표면이 불균일 식각되도록 고안된 것이다.
메탈 그리드를 사용한 RIE 공정으로 블랙실리콘의 전체 공정을 살펴보면, P형, (100) 면, 비저항 1 ~ 2Ω·cm, 50±50㎛ 두께의 4인치 단결정 실리콘 웨이퍼를 사용하며, 아세톤과 메탄올에 각각 10분간 세척한 후 5 wt% HF 용액에 5분간 식각하여 자연산화막을 제거한다. 여기서 중요 파라미터는 SF6/O2 가스 비율, RF power, 공정 압력으로 피리미드 구조의 텍스쳐링 구조를 형성하기 위해서는 적적한 조절이 필요하다.
도 8은 메탈 그리드의 유무에 따른 RIE 공정에 의한 텍스쳐링 구조 결과를 비교한 전자현미경(SEM) 사진이다. 도 8의 (a)는 메탈 그리드가 없을 때이고, 도 8의 (b)는 메탈 그리드가 있을 때의 텍스쳐링 구조를 나타낸 SEM 사진이다. Grid가 없는 일반적인 플라즈마 식각의 경우 보다(도 8의 (a)), 텍스쳐링(texturing) 구조가 더욱 균일하고 잘 형성될 수 있음을 도 8의 (b)에서 확인할 수 있다.
RIE 공정으로 블랙 실리콘(black silicon)을 형성하는 중요한 파라미터는 RF power, process pressure, SF6/O2 ratio로 블랙 실리콘을 형성하기 위해서는 정밀한 공정조건의 조절이 필요하다. 반면, 본 발명의 실시예에서는 SF6/O2=15/15 sccm, RF power는 200 W, 공정 온도는 5 ℃, process pressure 200 mTorr로 공정 시간을 5 ∼ 20 min으로 변경하여 RIE 공정함으로써 단결정(100) 실리콘 웨이퍼 표면에 피라미드 구조의 블랙 실리콘을 쉽게 구현하였다.
도 9는 메탈 그리드를 사용한 RIE 공정으로 공정시간을 변화시키면서 텍스쳐링 구조를 형성한 시료의 SEM 사진이다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 공정 시간이 5 min에서부터 단결정 (100)웨이퍼 표면이 선택 식각되어 100-200 nm 크기의 피라미드구조가 형성되고, 공정 시간이 증가함에 따라 피라미드 구조가 커지는 것을 볼 수 있다. 특히 15 min과 20 min공정 진행한 시편에서 약 1 um의 크기의 피라미드구조의 텍스쳐링 구조가 형성됨을 알 수 있다. 그리고, 공정시간을 약 15분 이상 진행한 시료에서는 피리미드와 피라미드 사이 각이 약 60°각으로 표면 광이 입사되어 들어왔을 때 표면에서 3회 이상의 반사가 일어나 단락 전류(Isc)를 증가시킬 것으로 예상할 수 있다.
도 10은 표면 처리를 하지 않은 경면(bare) 실리콘과 메탈 그리드를 사용한 RIE 공정으로 형성한 텍스쳐링 구조의 파장에 따른 반사율을 측정한 그래프이다. 도 10에 나타낸 바와 같이, RIE 공정을 수행한 블랙 실리콘의 반사율은 300 ~ 900 nm의 파장에서 10 % 이하의 낮은 균일한 수치를 보였으며, 표면 처리를 하지 않은 경면실리콘 과의 반사율(35-45%)보다 30 %이하의 표면 반사율을 보였다. 이는 RIE 공정을 수행한 시편의 표면이 검게 변하여 블랙 실리콘으로 되면서 반사율이 낮아졌으며 태양전지 셀 제작 시 단락전류(Isc)가 증가하여 우수한 특성을 보일 것으로 예상된다.
종래의 바늘 모양의 블랙 실리콘 역시 RIE 공정을 진행 후 반사율은 10 %이하로 측정되며 반사 방지막 형성 시 낮은 반사율을 갖는다. 바늘모양의 블랙 실리콘은 SF6/O2 가스로만 혼합하여 self-masking mechanism과정 통해 검게 변화되면서 바늘 모양의 구조로 형성되는데 반사율은 10 %이하로 측정되며 반사방지막 형성 시에는 더 낮은 반사율을 갖는다. 반사율 차이로만 본다면 기존 바늘 모양의 블랙 실리콘과 다른 바가 없다.
그러나 기존 블랙 실리콘구조는 태양전지 제조 공정 중 에미터 접합을 형성하기 위한 확산공정, 전극형성을 위한 스크린 프린팅(screen printing) 공정에 적합지 않는 구조이며, 특히 확산공정 중 블랙실리콘이 산화되어 PSG 제거 단계에서 바늘모양의 블랙 실리콘이 식각되는 단점이 있어 실제 태양전지(Solar cell) 제조에 적용하지 못하는 단점이 있다.
이에 본 발명에서 제안하는 메탈 그리드를 사용한 RIE 텍스쳐링 공정 기술은 1um 이상의 피라미드구조를 형성할 수 있어 바늘모양의 블랙 실리콘 구조가 가지는 위의 단점들을 극복할 수 있고, 실제 태양전지(Solar cell) 제조공정에 용이하게 적용 가능하다. 도 11은 기존 바늘모양의 블랙 실리콘과 RIE 공정을 진행 한 시편을 비교한 SEM사진이다.
(b) 단계로, 상기 텍스쳐링 구조에 플라즈마 이온주입(plasma dopping) 공정으로 초박형 에미터 접합층(300)(USE)을 형성하는 단계는, 상술한 바와 같이, 초박형 에미터 접합층(300)(USE)을 형성하여 표면 광흡수에 의해 생성된 캐리어는 표면 n+ 영역에서 재결합되지 안고 전극으로 이동하게 되어 양자효율(quantum efficiency) 증가 및 Isc 증가로 인한 태양전지 효율이 증가시키기 위함이다. 또한 프리디포지션만을 사용하여(Drive-in은 생략) POCL3 등을 이용한 역확산법으로도 형성이 가능함은 물론이다.
여기서, 플라즈마 이온주입은 실리콘 기판(100) 주위에 인가된 펄스 전압으로 인하여 플라즈마 sheath가 형성되며 플라즈마 중 양이온들은 sheath 경계에 수직하는 방향으로 실리콘 표면에 입사하게 된다. 실리콘 웨이퍼 표면에 입사된 이온들은 높은 운동 에너지로 실리콘 표면을 뚫고 침투하게 되어 이온주입이 일어나게 되며, 비결정질 층을 형성한다. 실리콘 기판(100)에 인가되는 전압의 크기를 조절하여 이온의 주입 깊이를 조절할 수 있으며, 플라즈마 밀도를 조절함으로써 단위 시간당 이온의 주입량을 제어할 수 있다.
플라즈마 이온주입은 불순물(dopant)을 주입하는 진공 챔버에 실리콘 웨이퍼를 장입한다. 챔버에 불순물(dopant)을 주입할 수 있는 진공상태로 만들고 불순물(dopant)소스가스를 주입한다. 200W의 파워를 RF (radiofrequency)에 실어 외부 장착 안테나를 통해 반구형의 유전체(dielectricplate)에 인가하여 유도 결합형 펄스 플라즈마를 발생시킨다. 그리고 웨이퍼가 놓여있는 기판(100)에 304500V의 전압을 DC 펄스 형태로 인가하여 불순물(dopant) 이온이 웨이퍼 기판(100)에 가속되도록 에너지를 제공하는 원리로 되어있다.
이와 같이, 플라즈마 이온주입 공정을 이용하면, 수십 ~ 수백 nm의 초박형 에미터 접합층(300)(USE)을 피라미드 구조의 텍스쳐링 구조에 용이하게 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 공정 제어가 용이하여 USE 층의 깊이 또는 두께를 정밀하게 조절할 수 있는 큰 장점이 있다.
(d) 단계에서, 투명전극(TCO)은 ZnO, ITO, AZO 등을 사용할 수 있고, USE 구조 형성에 따른 측면방향 저항 증가효과를 감소하고, 소자 표면을 보호할 뿐만 아니라, 패시베이션(passivation) 효과와 n+ 에미터 영역과 저항성 접촉형성을 위한 역할을 수행한다. 그리고 (c) 및 (e) 단계에서, 후면전극(600)은 통상적인 태양전지 제조공정에 사용되는 Al 전극을 사용하고, 전면전극(500)은 Ag, Au/Ni/Cr 등의 전극을 사용하는 것이 바람직하다.
이처럼 본 발명은, 메탈 그리드를 사용한 RIE 공정으로 피라미드 형상의 텍스쳐링 구조를 형성하고, 플라즈마 이온주입(Plasma doping) 공정을 이용하여 수십~수백 nm의 초박형 에미터 접합층(300)(USE; Ultra-Shallow Emitter)을 형성하여 n+ 영역에서 전자의 재결합되는 현상을 최소화시켜 태양전지의 효율을 크게 향상시킬 수 있는 태양전 및 그 제조방법을 제공한다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능 하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
100: 기판, 200: 텍스쳐링 구조, 300: 초박형 에미터 접합층, 400: 투명전극
500: 전면전극, 600: 후면전극

Claims (13)

  1. 태양전지용 실리콘 기판(100),
    상기 기판(100)에 피라미드 형상의 텍스쳐링 구조층(200);
    상기 텍스쳐링 구조층(200)에 플라즈마 도핑에 의해 형성된 초박형 에미터 접합층(300)(USE);
    상기 초박형 에미터 접합층(300)(USE)에 투명전극막(400);
    상기 기판(100) 후면에 형성된 후면전극(600); 및
    상기 투명전극막(400) 일부에 형성된 전면전극(500)을 포함하는 것을 특징으로 하는 블랙실리콘 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 텍스쳐링 구조층(200)은 메탈 그리드를 이용한 RIE 공정으로 형성된 것을 특징으로 하는 블랙실리콘 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 기판(100)은,
    P 형 단결정 실리콘 기판(100)인 것을 특징으로 하는 블랙실리콘 태양전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 초박형 에미터 접합층(300)(USE)은,
    N 형 에미터 접합층인 것을 특징으로 하는 블랙실리콘 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 텍스쳐링 구조의 깊이는 500nm 내지 1㎛인 것을 특징으로 하는 블랙실리콘 태양전지.
  6. (a) 태양전지용 실리콘 기판(100) 표면에 RIE 공정으로 텍스쳐링 구조를 형성하는 단계;
    (b) 상기 텍스쳐링 구조에 초박형 에미터 접합층(300)(USE)을 형성하는 단계;
    (c) 상기 기판(100) 후면에 후면전극(600)을 형성하는 단계;
    (d) 상기 USE 층에 투명전극을 형성하는 단계; 및
    (e) 상기 투명전극 일부에 전면전극(500)을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 블랙실리콘 태양전지 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    메탈 그리드(metal grid)를 사용하여 RIE 공정으로 피라미드 형상의 텍스쳐링 구조를 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 피라미드 구조의 블랙실리콘 태양전지 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 텍스쳐링 구조의 깊이는 500nm 내지 1㎛인 것을 특징으로 하는 피라미드 구조의 블랙실리콘 태양전지 제조방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 RIE 공정은,
    SF6와 O2의 가스 비율이 1:1인 반응가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 블랙실리콘 태양전지 제조방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 실리콘 기판(100)을 P 형 단결정 실리콘 기판(100)으로 사용하는 것을 특징으로 하는 블랙실리콘 태양전지 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 초박형 에미터 접합층(300)(USE)을 N 형 에미터 접합 층으로 형성하는 것을 특징으로 하는 블랙실리콘 태양전지 제조방법.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    플라즈마 이온주입(Plasma doping)법 또는 프리디포지션에 의한 열 확산법(thermal diffusion)에 의해 초박형 에미터 접합층(300)(USE)을 형성하는 것을 특징으로 하는 블랙실리콘 태양전지 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 열 확산법에 의해 형성된 초박형 에미터 접합층(300)(USE)은,
    POCL3 또는 H3PO4의 소스가스를 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 블랙실리콘 태양전지 제조방법.














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