KR20130128946A - 백-컨택형 태양 전지용 반도체 기판 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 백-컨택형 태양 전지용 반도체 기판 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 상기 반도체 기판은 비아-홀을 통한 전극 형성 물질의 충진성이 우수하여 전극의 이격 현상을 최소화할 수 있을 뿐 아니라, 수광부 면적을 보다 더 넓힐 수 있어 전류 밀도가 우수한 태양 전지의 제조를 가능케 한다.
Description
본 발명은 백-컨택형 태양 전지용 반도체 기판 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 태양 전지는 반도체 기판의 전면과 후면에 각각 전극이 구비되는 구조를 갖는데, 수광면인 전면에 전면극이 구비됨에 따라, 전면전극의 면적만큼 수광면적이 줄어들게 된다. 이와 같은 수광부 면적이 축소되는 문제를 해결하기 위해 백-컨택형 태양 전지가 제안되었다.
백-컨택형 태양 전지는 그 구조에 따라 MWA(Metallization Wrap Around), MWT(Metallization Wrap Through), EWT(Emitter Wrap Through), 백-정션(back-junction) 등으로 구분된다.
그 중, 상기 MWA형 및 EWT 형 등의 태양 전지에 적용되는 반도체 기판에는, 도 1과 같이, 상기 기판을 직선형으로 관통하는 비아-홀(via-hole)들이 형성되어 있다. 그런데, 이와 같이 직선형으로 형성된 비아-홀의 경우, 진공 압력을 이용하여 홀 내부에 전극 형성 물질을 충전하는 공정에서 전극 형성 물질이 홀 내부를 완전히 채우지 못하고 이격되어 빈 공간이 생기는 문제점이 있다.
이와 같이 비아-홀의 내부에 빈 공간이 생길 경우, 전자의 이동이 원활하게 이루어지지 못하여 직렬 저항이 증가하게 되고, 충전율(fill factor)이 감소하여, 궁극적으로 에너지 변환 효율이 감소하게 된다.
본 발명은 비아-홀 내부의 전극 이격 현상을 최소화할 수 있는 백-컨택형 태양 전지용 반도체 기판을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 백-컨택형 태양 전지용 반도체 기판의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 구현예에 따르면,
양면을 관통하는 비아-홀(via-hole)이 하나 이상 형성된 기판으로서,
상기 비아-홀은 상기 기판의 일면에서의 단면적이 다른 일면에서의 단면적보다 크게 형성된 백-컨택형 태양 전지용 반도체 기판이 제공된다.
본 발명에 따르면, 상기 반도체 기판에 형성된 비아-홀의 단면적은 상기 기판의 일면으로부터 다른 일면으로 갈수록 연속적으로 작아질 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 반도체 기판에 형성된 비아-홀의 단면적은 상기 기판의 일면으로부터 다른 일면으로 갈수록 계단식으로 작아질 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 구현예에 따르면,
반도체 기판을 준비하는 단계, 및 상기 반도체 기판의 양면을 관통하는 비아-홀을 하나 이상 형성하는 단계를 포함하며;
상기 비아-홀은 상기 기판의 일면에서의 단면적이 다른 일면에서의 단면적보다 크게 형성되는 백-컨택형 태양 전지용 반도체 기판의 제조 방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 상기 비아-홀은 레이져 드릴링 공정, 습식 에칭 공정, 건식 에칭 공정, 기계적 드릴링 공정, 워터젯 머시닝 공정 또는 이들의 혼합 공정에 의해 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 반도체 기판을 포함하는 백-컨택형 태양 전지가 제공된다.
여기서, 상기 백-컨택형 태양 전지는 에미터 랩 쓰루(Emitter Wrap Through) 구조를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 기판은 비아-홀을 통한 전극 형성 물질의 충진성이 우수하여 전극 이격 현상을 최소화할 수 있을 뿐 아니라, 수광부 면적을 보다 더 넓힐 수 있어 전류 밀도가 우수한 태양 전지의 제조를 가능케 한다.
도 1은 일반적인 백-컨택형 태양 전지에 사용되는 반도체 기판의 단면의 일부를 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3은 각각 본 발명의 구현예들에 따른 백-컨택형 태양전지용 반도체 기판의 단면의 일부를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 반도체 기판의 제조 방법을 공정순으로 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3은 각각 본 발명의 구현예들에 따른 백-컨택형 태양전지용 반도체 기판의 단면의 일부를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 반도체 기판의 제조 방법을 공정순으로 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 구현예들에 따른 백-컨택형 태양 전지용 반도체 기판 및 이의 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다.
그에 앞서, 본 명세서 전체에서 명시적인 언급이 없는 한, 전문용어는 단지 특정 구현예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다.
그리고, 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
또한, 명세서에서 사용되는 '포함'의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 또는 성분의 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구현예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명자들은 백-컨택형 태양 전지에 대한 연구 과정에서, 도 1과 같이 비아-홀이 직선형으로 형성된 기판을 사용할 경우, 홀 내부에 전극 형성 물질을 진공 압력으로 충전하는 공정에서 홀 내부에 빈 공간이 형성되고, 이는 결과적으로 에너지 변환 효율의 감소로 연계되는 하나의 요인임을 확인하였다.
이에, 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위한 연구를 거듭하는 과정에서, 기판의 일면에서의 비아-홀의 단면적이 다른 일면에서의 단면적보다 크게 형성될 경우, 진공 압력을 이용한 전극 형성 물질의 충전 효율이 향상될 수 있고, 전극 이격 현상이 최소화될 수 있음을 확인하였다. 그 뿐 아니라, 본 발명에 따른 형상의 비아-홀이 형성된 기판을 사용할 경우, 수광부 면적을 보다 더 넓힐 수 있어 전류 밀도가 우수한 태양 전지의 제조를 가능케 함을 확인하였다.
이러한 본 발명의 일 구현예에 따르면,
양면을 관통하는 비아-홀이 하나 이상 형성된 기판으로서, 상기 비아-홀은 상기 기판의 일면에서의 단면적이 다른 일면에서의 단면적보다 크게 형성된 백-컨택형 태양 전지용 반도체 기판이 제공된다.
기본적으로, 본 발명에 따른 반도체 기판은 기판의 양면을 관통하는 비아-홀이 하나 이상 형성된 것으로서, 바람직하게는 MWA(Metallization Wrap Around) 타입, EWT(Emitter Wrap Through) 타입 등의 백-컨택형 태양 전지용 기판에 적용될 수 있다.
여기서, 상기 반도체 기판의 소재는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 것일 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다. 다만, 본 발명에 따르면, 상기 반도체 기판은 실리콘 웨이퍼일 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 기판은 양면을 관통하는 비아-홀이 하나 이상 형성된 것으로서, 특히 상기 비아-홀은 상기 기판의 일면에서의 단면적이 다른 일면에서의 단면적보다 크게 형성될 수 있다. 그에 따라, 본 발명에 따른 반도체 기판은 이전의 기판에 비하여 전극 형성 물질의 충전 효율 향상 효과 및 수광부 면적 향상 효과를 가질 수 있으며, 궁극적으로 전류 밀도가 우수한 태양 전지의 제조를 가능케 한다.
도 2는 본 발명에 따른 상기 구현예 중 바람직한 일 예를 나타낸 것으로서, 반도체 기판(100)에는 기판의 일면으로부터 다른 일면으로 갈수록 단면적이 연속적으로 작아지는 형상(예를 들면, 테이퍼(taper) 형상)의 비아-홀(110)이 하나 이상 형성될 수 있다.
또한, 도 3은 본 발명에 따른 상기 구현예 중 바람직한 다른 예를 나타낸 것으로서, 반도체 기판(200)에는 기판의 일면으로부터 다른 일면으로 갈수록 단면적이 계단식으로 작아지는 형상의 비아-홀(220)이 하나 이상 형성될 수 있다.
여기서, 도 2 및 도 3과 같이, 기판의 일면에서의 비아-홀의 단면적이 다른 일면에서의 비아-홀의 단면적보다 크게 형성된 것이라면, 비아-홀의 직경, 기판의 두께 등은 특별히 제한되지 않는다.
다만, 본 발명에 따르면, 상기 비아-홀은 상대적으로 더 큰 단면적을 갖는 쪽의 직경이 50 내지 125 ㎛, 바람직하게는 60 내지 100 ㎛, 보다 바람직하게는 70 내지 90 ㎛일 수 있다.
또한, 기판의 일면에 형성된 비아-홀의 직경과 다른 일면에 형성된 비아-홀의 직경의 차이는 100 ㎛ 이하, 바람직하게는 30 내지 70 ㎛, 보다 바람직하게는 40 내지 60 ㎛가 되는 것이 상기 효과의 구현 측면에서 유리하다. 구체적으로, 본 발명에 따르면, 상기 다른 일면에 형성된 비아-홀의 직경은 20 내지 30 ㎛일 수 있다.
그리고, 상기 도 3과 같이 비아-홀의 단면적이 계단식으로 작아지는 경우, 형성된 단의 개수는 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 2 단인 것이 상기 효과의 구현 및 생산성 측면에서 유리하다.
한편, 본 발명의 다른 구현예에 따르면,
반도체 기판을 준비하는 단계, 및 상기 반도체 기판의 양면을 관통하는 비아-홀을 하나 이상 형성하는 단계를 포함하며;
상기 비아-홀은 상기 기판의 일면에서의 단면적이 다른 일면에서의 단면적보다 크게 형성되는 백-컨택형 태양 전지용 반도체 기판의 제조 방법이 제공된다.
즉, 상기 방법은 전술한 백-컨택형 태양 전지용 반도체 기판을 제조하기 위한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 공정을 응용하여 수행될 수 있다. 다만, 본 발명에 따르면, 상기 반도체 기판의 양면을 관통하는 비아-홀을 형성하는 단계에서, 상기 비아-홀은 레이져 드릴링 공정, 습식 에칭 공정, 건식 에칭 공정, 기계적 드릴링 공정, 워터젯 머시닝 공정 또는 이들의 혼합 공정에 의해 형성될 수 있다.
상기 제조 방법에 관한 일 구현예에 따르면, 레이져 드릴링 공정을 이용하여 비아-홀을 형성하는 경우, 사용되는 레이져는 이산화탄소 가스 레이져 또는 자외선 레이져 등일 수 있다. 자외선 레이져로 기판에 통상의 원통형 비아-홀을 형성할 경우에는, 작은 레이져 가공 스폭을 오버래핑함으로써, 즉 트리패닝 가공에 의해 실행될 수 있는데, 도 2 및 도 3과 같은 형상의 비아-홀은 이와 유사한 트리패닝 가공에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 일 구현예와 같이, 반도체 기판의 일면에서의 비아-홀의 단면적이 다른 일면에서의 단면적보다 크게 형성되도록 하기 위해서는, 레이져 가공시에 기판의 일면에서 형성되는 비아-홀의 주변부보다 중심부에서 더 가공이 진행될 수 있도록 레이져 에너지와 샷수를 조절하는 것이 바람직하다. 또한, 레이져 가공시에 레이져 가공용 엔트리 시트 또는 백업 시트를 반도체 기판의 상면 또는 하면에 배치하는 것이 작업의 원만한 진행을 위해 바람직하다. 이때, 레이져 드릴링의 가공 조건은 반도체 기판의 두께에 따라 변경될 수 있으며, 1회 샷의 에너지, 샷의 위치, 샷의 수, 전체 에너지 합 등을 고려하여 제어될 수 있다. 그리고, 본 발명의 일 예에 따르면, 상기 레이져 드릴링 가공시에는 이산화탄소 가스 레이져 가공을 실시한 후에, 작은 직경 측의 개구부를 형성하기 위하여 자외선 레이져 가공을 수행할 수도 있다.
한편, 상기 제조 방법에 관한 다른 구현예에 따르면, 상기 반도체 기판의 양면을 관통하는 비아-홀을 형성하는 단계는 레이져 드릴링과 습식 에칭의 혼합 공정에 의해 수행될 수 있다. 이하 도 4를 참고하여, 상기 혼합 공정에 따라 기판에 비아-홀을 형성하는 방법을 설명한다.
먼저, 반도체 기판을 준비한다(도 4의 a). 상기 반도체 기판은 전술한 바와 같이 실리콘 웨이퍼 등 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 것일 수 있다.
그리고, 상기 반도체 기판 상에 패시베이션층을 형성하는 공정이 수행될 수 있다(도 4의 b). 상기 공정은 후술할 습식 에칭 공정시 기판의 식각을 방지하기 위한 선공정으로서, 상기 패시베이션층은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 성분, 예를 들면 SiNx 등을 포함할 수 있으며, 물리적 증착(PVD), 화학적 증착(CVD), 플라즈마 증착(PECVD) 또는 열적 증착(thermal evaporation) 등의 방법으로 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 반도체 기판에 SiNx 층을 형성시킬 경우, 증착 가스로 SiH4 및 NH3를 포함하는 혼합 가스가 사용될 수 있고, 증착 시간은 형성하고자 하는 SiNx 층의 두께에 따라 30 내지 300초 범위에서 조절될 수 있다.
이어서, 레이져를 이용하여 상기 패시베이션층이 형성된 기판을 소정의 깊이까지 드릴링하는 공정이 수행될 수 있다(도 4의 c). 다만, 상기 공정에서 레이져 드릴링 대신 건식 에칭, 습식 에칭, 기계적 드릴링 또는 워터젯 머시닝 등 다른 방법에 의하여 수행되어도 무방하다. 레이져 드릴링을 이용하는 경우, 홀당 0.5 내지 5 ms와 같은 최단 시간에 홀들이 형성될 수 있도록 작동 파장에서 충분한 파워 또는 강도의 레이져가 사용되는 것이 바람직하다. 본 발명에 따르면, Nd:YAG 레이져가 이용될 수 있으며, 이때 형성되는 홀의 직경은 50 내지 125 ㎛, 바람직하게는 60 내지 100 ㎛, 보다 바람직하게는 70 내지 90 ㎛일 수 있다.
그리고, 상기 레이져 드릴링이 수행된 반대편에 대하여, 일부 패시베이션층을 제거하는 공정이 수행될 수 있다(도 4의 d 및 도 4의 e). 상기 공정은 기판의 반대편을 에칭하여 계단형 비아-홀을 형성시키기 위한 선공정으로서, 앞선 공정에서 형성된 홀에 대응하는 위치의 패시베이션층의 일부를 제거하는 공정이다. 여기서, 제거되는 패시베이션층의 면적은 형성되는 비아-홀이 테이퍼형 또는 계단형이 될 수 있도록 조절될 수 있으며, 앞서 형성된 홀의 직경과 제거되는 패시베이션층의 직경의 차이는 100 ㎛ 이하, 바람직하게는 30 내지 70 ㎛, 보다 바람직하게는 40 내지 60 ㎛가 되도록 할 수 있다. 본 발명에 따르면, 상기 공정은 패시베이션층에 대한 에칭성을 갖는 통상의 페이스트(비제한적인 예로, MERCK 사의 SolarEtch series 등)를 인쇄(비제한적인 예로, 잉크젯 프린팅, 마스킹, 스텐실, 스크린 프린팅 등)하고, 인쇄된 에칭 페이스트를 0.1~0.5% KOH 용액으로 제거한 후, 5~30분 동안 초음파 세척하는 방법으로 수행될 수 있다.
그리고, 상기 기판을 에칭하여 기판을 관통하는 비아-홀을 형성하고, 패시베이션층을 제거하는 공정(도 4의 f 및 도 4의 g)이 수행될 수 있다. 여기서, 상기 기판의 에칭에는 습식 에칭 또는 건식 에칭이 적용될 수 있으나, 습식 에칭을 적용하는 것이 비아-홀의 형상 조절에 보다 유리하다. 이때, 통상적인 습식 에칭액(비제한적인 예로, 농도 5~20%의 KOH 또는 NaOH 용액)을 1~15분 동안 기판에 적용함으로써 패시베이션층이 제거된 영역의 기판이 드릴링될 수 있다. 그 후, 드릴링된 기판에 1~10% 농도의 HF 용액 등을 1~5분 동안 적용하여 잔존하는 패시베이션층을 제거할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 전술한 반도체 기판을 포함하는 백-컨택형 태양 전지가 제공된다.
상기 백-컨택형 태양 전지는 MWT(Metallization Wrap Through) 구조 또는 EWT(Emitter Wrap Through) 구조일 수 있으며, 바람직하게는 EWT 구조일 수 있다.
그리고, 상기 백-컨택형 태양 전지는 전술한 구조의 기판을 포함하는 것을 제외하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 구조를 가질 수 있다. 따라서, 에미터 전극, 베이스 전극 등에 관한 구성은 통상의 기술자가 쉽게 적용 가능할 것이므로, 그에 대한 내용은 특별히 한정하지 않는다.
이와 같은 본 발명의 백-컨택형 태양 전지는 전술한 구조의 기판이 사용됨에 따라 전극의 이격 현상이 최소화될 수 있을 뿐 아니라, 수광부 면적을 보다 더 넓힐 수 있어, 이전의 기판이 사용된 태양 전지에 비해 높은 전류 밀도를 나타낼 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예들을 제시한다. 그러나 하기의 실시예들은 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명을 이들만으로 한정하는 것은 아니다.
실시예
다음과 같은 방법으로 백-컨택형 태양 전지용 반도체 기판을 제조하였다.
먼저 두께 약 180 ㎛의 실리콘 웨이퍼를 준비하였다. 플라즈마 증착법을 이용하여 상기 실리콘 웨이퍼의 양면에 두께 약 80 nm의 실리콘 나이트라이드 막을 형성시켰다(SiH4 및 NH3의 혼합 가스 사용, 증착시간 약 200초).
이어서, 레이져 드릴링 장치(Nd-YAG 레이져)를 이용하여, 상기 실리콘 나이트라이드 막이 형성된 실리콘 웨이퍼의 일면에 다수의 홀(깊이 약 180 ㎛, 직경 약 80 ㎛)을 형성시켰다.
그 후, 상기 레이져 드릴링된 실리콘 웨이퍼의 다른 일면에 대하여, 앞서 형성된 홀에 대응하는 각 위치에 실리콘 나이트라이드 에칭 페이스트(제품명: SolarEtch series, 제조사: MERCK)를 스크린 인쇄(직경 약 25 ㎛)하였다. 그리고, 인쇄된 에칭 페이스트를 0.5% KOH 용액으로 제거하는 방법으로 실리콘 나이트라이드 막을 식각하였고, 약 10 분 동안 초음파 세척하였다.
이어서, 상기 실리콘 웨이퍼에 농도 5%의 KOH 용액을 약 10분 동안 적용하여 실리콘 나이트라이드 막이 식각된 위치에 대응하는 실리콘 웨이퍼를 습식 식각하였다. 그리고, 농도 5%의 HF 용액을 1분 동안 적용하여 잔존하는 실리콘 나이트라이드 막을 제거하는 방법으로, 도 4와 같이 계단형 비아-홀이 형성된 반도체 기판을 얻었다.
100, 200: 반도체 기판
110, 220: 비아-홀
110, 220: 비아-홀
Claims (9)
- 양면을 관통하는 비아-홀(via-hole)이 하나 이상 형성된 기판으로서,
상기 비아-홀은 상기 기판의 일면에서의 단면적이 다른 일면에서의 단면적보다 크게 형성된 백-컨택형 태양 전지용 반도체 기판.
- 제 1 항에 있어서,
상기 비아-홀의 단면적이 상기 기판의 일면으로부터 다른 일면으로 갈수록 연속적으로 작아지는 백-컨택형 태양 전지용 반도체 기판.
- 제 1 항에 있어서,
상기 비아-홀의 단면적이 상기 기판의 일면으로부터 다른 일면으로 갈수록 계단식으로 작아지는 백-컨택형 태양 전지용 반도체 기판.
- 반도체 기판을 준비하는 단계, 및 상기 반도체 기판의 양면을 관통하는 비아-홀을 하나 이상 형성하는 단계를 포함하며;
상기 비아-홀은 상기 기판의 일면에서의 단면적이 다른 일면에서의 단면적보다 크게 형성되는 백-컨택형 태양 전지용 반도체 기판의 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서,
상기 비아-홀의 단면적이 상기 기판의 일면으로부터 다른 일면으로 갈수록 연속적으로 작아지도록 형성되는 백-컨택형 태양 전지용 반도체 기판의 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서,
상기 비아-홀의 단면적이 상기 기판의 일면으로부터 다른 일면으로 갈수록 계단식으로 작아지는 백-컨택형 태양 전지용 반도체 기판의 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서,
상기 비아-홀은 레이져 드릴링 공정, 습식 에칭 공정, 건식 에칭 공정, 기계적 드릴링 공정, 워터젯 머시닝 공정 또는 이들의 혼합 공정에 의해 형성되는 백-컨택형 태양 전지용 반도체 기판의 제조 방법.
- 제 1 항에 따른 반도체 기판을 포함하는 백-컨택형 태양 전지.
- 제 8 항에 있어서,
에미터 랩 쓰루(Emitter Wrap Through) 구조의 백-컨택형 태양 전지.
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