KR20140075026A - 태양전지용 기판의 표면처리 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지용 기판의 표면처리 방법에 관한 것이다. 본 발명의 표면처리 방법에 따르면, 태양전지용 기판에 대해 제1습식 식각 공정, 반응성 이온 식각 공정, 및 제2습식 식각 공정을 수행하여 기판 표면에 피라미드 구조를 형성한다. 이러한 피라미드 구조는 광 반사율을 낮춤으로써 태양전지의 광 흡수 효율을 향상시키는데 기여한다. 본 발명에 따르면 결정의 종류 및 방향성과 상관없이 유사 단결정 기판에 대해 효과적으로 표면처리를 함으로써 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 태양전지용 기판의 표면처리 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 기판의 격자 구조의 종류나 품질에 관계없이 효율적으로 표면 구조화가 가능한 태양전지용 기판의 표면처리 방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예상되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 태양광 에너지를 직접 전기 에너지로 변화시키는 반도체 소자를 이용한 차세대 전지로서 각광받고 있다. 태양전지는 크게 실리콘 태양전지(silicon solar cell), 화합물 반도체 태양전지(compound semiconductor solar cell) 및 적층형 태양전지(tandem solar cell)로 구분된다.
한편, 현재 양산되고 있는 대부분의 태양전지인 실리콘계 태양전지는 반도체기판으로서 실리콘을 사용하는데, 실리콘은 간접 밴드간 천이반도체(indirect interband transition semiconductor)로서, 실리콘의 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 빛만이 전자-정공쌍을 발생시킬 수 있어서, 광의 흡수율이 낮은 편이다. 따라서 실리콘계 태양전지는 태양전지 내부로 입사되는 빛 중 30% 이상을 기판인 실리콘 웨이퍼 표면에서 반사시키므로 태양전지의 효율이 저하된다.
이러한 광학적 손실을 저감화하기 위하여 실리콘 태양전지에서 표면처리(texturing) 방법을 사용한다. 표면처리 방법은 최대한 많은 양의 빛 에너지를 웨이퍼 기판 내부로 흡수시키기 위하여 실리콘 태양전지의 실리콘기판 표면에 요철을 형성시킴으로써 표면 조도를 높이는 것이다. 처음 빛이 도달하여 경사진 피라미드 벽에 부딪히면 일부는 흡수되고 일부는 반사되어 되돌아 가게 되는데 이 때 되돌아가는 빛을 주변에 있는 다른 피라미드 벽에 계속해서 부딪히게 함으로써 광 흡수량이 증가되도록 하는 것이다. 이렇게 해서 피라미드 구조로 인해 광 흡수량이 증가되고 그 결과 셀 효율 향상을 얻을 수 있게 된다. 따라서 표면처리 방법을 통해 실리콘 태양전지 기판을 제조하면, 태양전지의 표면반사의 저감, 캐리어 수집효과의 향상 및 태양전지의 내부반사에 의한 빛가둠 효과를 구현할 수 있게 된다.
표면처리 방법으로는 크게 산성 또는 알칼리성 용액을 사용하는 습식 표면처리와 반응성 이온 가스를 사용하는 건식 표면처리 2가지 방식이 있다. 습식 표면처리에는 알칼리 용액 또는 산성 용액을 사용하며 알칼리 용액은 단결정 웨이퍼에 적합하며 산성 용액은 다결정 웨이퍼의 표면처리에 적합하다. 또한, 건식 표면처리는 반응성 이온 가스를 사용하며 다결정 웨이퍼에 적합하다.
한편, 최근에는 공정이 간단하고 한 번에 많은 양을 만들 수 있어 가격 경쟁력이 높은 유사 단결정 기판을 태양전지를 제조하는데 이용하는 방법이 개발되고 있다.
상기 유사 단결정 실리콘에 대해서는 예를 들어 미국공개 제20100193031호, 유럽특허 제0748884호 등에 종결정(seed)을 이용하여 유사 단결정 실리콘을 성장시키는 방법이 개시되어 있다.
유사 단결정 실리콘은 성장 방법에 따라 단결정과 다결정 영역을 모두 함께 포함하고 있기 때문에 모든 영역을 균일하게 표면처리 하기 어렵다. 따라서 유사 단결정 실리콘을 태양전지용으로 개발하기 위해서 기판의 광 흡수를 최대로 하기 위한 표면처리 기법에 대한 연구가 필요하다.
상기와 같은 문제점을 해결하고자 본 발명은, 태양전지용 기판, 특히 유사 단결정 기판에 대해 결정의 종류 및 방향성과 상관없이 효과적으로 표면처리하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 태양전지용 기판에 대해 제1습식 식각을 수행하는 단계; 반응성 이온 식각(reactive ion etching)을 수행하는 단계; 및 제2습식 식각을 수행하는 단계를 포함하는 태양전지용 기판의 표면처리 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 태양전지용 기판을 효과적으로 표면처리함으로서 반사도를 낮추고 광 흡수율이 증가시켜 고효율의 태양전지를 제조할 수 있다.
또한 결정성에 따라 여러 가지 종류로 나누어지는 유사 단결정 기판들의 종류에 구애받지 않고 한 가지 기법만으로 균일한 표면 처리를 수행할 수 있게 되므로 공정의 간소화 및 비용절감을 이룰 수 있다.
도 1은 단결정 기판 및 다결정 기판에 대해 습식 표면처리한 결과를 주사 전자 현미경을 이용하여 5,000배 확대하여 촬영한 사진이다.
도 2는 다양한 품질의 기판을 보여주는 도면이다.
도 3은 유사 단결정 기판에 대해 각각 염기성 용액과, 산성 용액으로 표면처리한 결과를 현미경을 이용하여 확대하여 촬영한 사진이다.
도 4는 실시예 1에서 반응성 이온 식각 공정까지 수행한 후의 기판의 표면을 주사 전자 현미경을 이용하여 70,000배 확대하여 촬영한 사진이다.
도 5는 실시예 1에서 반응성 이온 식각 공정 및 제2습식 식각 공정까지 수행한 후의 기판의 표면을 주사 전자 현미경을 이용하여 5,000배 확대하여 촬영한 사진이다.
도 6은 표면 처리를 수행하기 전의 기판의 반사도 및 상기 실시예 1 및 비교예 1에서 표면 처리 공정을 수행한 후의 기판의 반사도를 나타내는 그래프이다.
도 2는 다양한 품질의 기판을 보여주는 도면이다.
도 3은 유사 단결정 기판에 대해 각각 염기성 용액과, 산성 용액으로 표면처리한 결과를 현미경을 이용하여 확대하여 촬영한 사진이다.
도 4는 실시예 1에서 반응성 이온 식각 공정까지 수행한 후의 기판의 표면을 주사 전자 현미경을 이용하여 70,000배 확대하여 촬영한 사진이다.
도 5는 실시예 1에서 반응성 이온 식각 공정 및 제2습식 식각 공정까지 수행한 후의 기판의 표면을 주사 전자 현미경을 이용하여 5,000배 확대하여 촬영한 사진이다.
도 6은 표면 처리를 수행하기 전의 기판의 반사도 및 상기 실시예 1 및 비교예 1에서 표면 처리 공정을 수행한 후의 기판의 반사도를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 표면처리 방법은,
태양전지용 기판에 대해 제1습식 식각을 수행하는 단계;
반응성 이온 식각(reactive ion etching)을 수행하는 단계; 및
제2습식 식각을 수행하는 단계를 포함한다.
본 발명에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용되며, 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한 본 발명에 있어서, 각 층 또는 요소가 각 층들 또는 요소들의 "상에" 또는 "위에" 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 각 층 또는 요소가 직접 각 층들 또는 요소들의 위에 형성되는 것을 의미하거나, 다른 층 또는 요소가 각 층 사이, 대상체, 기재 상에 추가적으로 형성될 수 있음을 의미한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 태양전지용 기판의 표면처리 방법을 상세하게 설명한다.
태양전지용 반도체에서 요구하는 기판은 순도, 기판 준비에 사용되는 기술의 정밀도 등에 따라 품질 및 가격 면에서 많은 차이가 난다. 주로 요구되는 조건으로는, 불순물의 농도를 최소화하는 고순도, 결정 결함을 최소화한 고품질, 대량 생산이 가능한 저가 등이 있으며, 이들이 태양전지의 양산을 결정하는 가장 중요한 부분이다. 이러한 추세에 따라 최근 개발된 기판으로는 단결정과 다결정의 형태를 모두 가지고 있는 유사 단결정 기판(mono-like multi wafer, MLM wafer)이 있다.
유사 단결정 기판은 단결정과 다결정의 장점을 결합한 것으로 다결정 잉곳 성장법 등을 활용해 생산한다. 보통 다결정 잉곳 성장법의 하나인 열교환법(HEM?eat Exchange Method)을 활용해 단결정 잉곳을 만들어 고효율 태양전지를 생산하는데 이용할 수 있다. 다결정 잉곳 성장법은 공정이 간단하고 한 번에 많은 양을 만들 수 있어 가격 경쟁력이 높은 특성이 있어 최근 태양전지용 기판으로 활용하기 위해 개발이 이루어지고 있다.
한편, 태양전지의 광흡수를 높이기 위해 기판 표면을 텍스쳐링(tecturing, "표면 구조화" 또는 "표면 처리"로도 불린다)하는 공정이 수행된다. 텍스쳐링을 통해 태양전지 기판을 제조하면, 태양전지의 표면 반사의 저감, 캐리어 수집 효과의 향상 및 태양전지의 내부 반사에 의한 빛 가둠 효과를 구현할 수 있게 된다.
단결정 기판은 전체적으로 일관된 하나의 결정 방위를 갖는 단일 결정의 기판을 말하며, 상기 단결정 기판의 경우 NaOH나 KOH와 같은 염기성 용액으로 기판 표면을 텍스쳐링(texturing)하는 비등방성 식각이 효과적이다.
반면 다결정 기판은 다수의 무작위로 배향되는 결정이 기판의 본체 내에 있는 결정 기판을 말하며, 상기 다결정 기판의 경우는 결정 방향이 일정하지 않기 때문에, 염기보다는 산 용액을 이용한 등방성 식각이 더 효과적이다.
도 1은 단결정 기판 및 다결정 기판에 대해 습식 표면 처리한 결과를 주사 전자 현미경을 이용하여 5,000배 확대하여 촬영한 사진이다.
도 1에서, 좌측 사진은 단결정 기판에 대해 염기성 용액으로 습식 표면 처리한 사진이며, 우측 사진은 다결정 기판에 대해 산성 용액으로 습식 표면 처리한 사진을 나타낸다. 도 1을 참조하면, 단결정 기판 및 다결정 기판은 결정의 특징에 따라 각각의 형태는 다르지만, 단일 기판 내에서 균일한 식각 형태를 나타낸다.
그러나, 유사 단결정 기판은 성장 방법 및 조건에 따라 100% 단결정인 기판, 단결정과 다결정 영역이 섞인 기판, 및 100% 다결정인 기판으로 나뉘며 대체로 단결정과 다결정 영역을 모두 함께 포함하고 있기 때문에 모든 영역을 균일하게 표면 처리하기 어렵다.
도 2는 다양한 품질(grade)의 기판을 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 좌측부터 100%단결정인 기판(Mono wafer), 단결정과 다결정 영역이 섞인 유사 단결정 기판(MLM wafer grade A, B), 및 100% 다결정인 기판(Multi wafer) 등 다양한 품질로 존재함을 알 수 있다.
일반적으로 유사 단결정 기판은 단결정(mono)의 영역이 차지하는 비율에 따라, 단결정 영역이 차지하는 비율 90%이상인 것을 grade A, 70%이상인 것을 grade B, 25%이상인 것을 grade C로 하여 3가지 등급으로 분류할 수 있다.
일반적으로 grade A의 유사 단결정 기판의 경우 거의 단결정 웨이퍼와 동일하여 염기성 용액을 이용하여 식각을 할 수 있다. 하지만 그보다 저급의 기판, 즉 grade B 나 C의 기판에서는 단결정과 다결정의 영역을 각각 다수 포함하고 있기 때문에 염기성 또는 산성 용액의 처리시 최적의 텍스쳐를 구현하기에 어려움이 있다.
도 3은 유사 단결정 기판에 대해 각각 염기성 용액과, 산성 용액으로 표면 처리한 결과를 현미경을 이용하여 촬영한 사진이다. 도 3에서, 좌측 사진은 유사 단결정 기판에 대해 염기성 용액으로 표면 처리한 사진이며, 우측 사진은 유사 단결정 기판에 대해 산성 용액으로 표면 처리한 사진을 나타낸다.
유사 단결정 기판에 대해 염기성 용액을 표면 조직화를 수행할 경우, 단결정 영역은 결정 방향이 동일하기 때문에 낮은 반사율을 갖는 미세 피라미드 구조로 식각이 이루어지지만, 다결정 영역은 결정 방향이 다양하기 때문에 단결정과 다른 식각 형태를 나타낸다. 이와 같은 단결정과 다결정의 불균일한 표면 조직화로 인하여 도 3의 좌측 사진과 같이, 단풍나무의 잎사귀와 같은 형상의 maple-shape 현상이 발생하는 것을 볼 수 있다. 이러한 현상은 상품 가치를 떨어지게 하는 원인이 되기 때문에 적합하지 못하다.
반면 산성 용액으로 표면 조직화를 수행할 경우 결정 방향과 무관하게 동일한 식각 속도로 랜덤한 형상의 피라미드(random pyramid)를 형성하기 때문에 도 3의 우측 사진과 같이 maple-shape이 나타나지는 않는다. 그러나, 산성 용액에 의해 표면 조직화한 기판은, 염기성 용액에 의해 표면 조직화한 기판에 비하여 높은 반사도를 나타낸다. 따라서, 산성 용액에 의한 표면 조직화 역시 적합하지 않다.
본 발명의 표면처리 방법에 따르면, 기판 표면의 단결정 영역 또는 다결정 영역과 같은 격자 구조에 구애받지 않고 표면 조직화가 가능하다. 따라서, 균일한 표면 조직화를 구현하여, 격자 구조에 따라 표면 조직화가 다르게 나타나는 현상으로써 maple-shape이 발생하는 문제를 해결할 수 있으며, 이에 따라 maple-shape의 발생으로 인해 상품 가치가 떨어지게 되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 공정 절차가 간단하여 공정 시간 및 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 표면처리 방법에 있어서, 표면처리의 대상이 되는 태양전지용 기판은 유사 단결정 기판일 수 있다. 상기 유사 단결정 기판은 상술한 바와 같이, 단결정 기판이거나, 단결정과 다결정 영역이 섞인 기판이거나, 또는 다결정 기판일 수 있으며 다양한 grade의 기판일 수 있다. 본 발명의 표면처리 방법에 따르면, 기판의 종류나 grade에 관계없이 공정을 적용할 수 있다. 따라서, 상대적으로 가격이 낮은 저급 grade의 기판을 사용하여도 고급 grade의 기판을 사용한 경우에 준하는 표면처리 결과를 얻을 수 있어 생산 비용을 현저히 절감할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 태양전지용 기판은 예를 들어 p형 도전성 타입의 실리콘으로 이루어진 기판일 수 있다. 상기 태양전지용 기판이 p형의 도전성 타입을 가질 경우, 붕소(B), 갈륨, 인듐 등과 같은 3가 원소의 불순물을 함유한다.
또는, 상기 태양전지용 기판은 n형 도전성 타입의 실리콘으로 이루어진 기판일 수 있다. 상기 태양전지용 정 기판이 n형의 도전성 타입을 가질 경우, 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 함유할 수 있다.
상기와 같은 태양전지용 기판에 대해 먼저, 제1습식 식각(wet etching)을 수행한다.
상기 제1습식 식각 공정에 의해 절단 데미지 제거(sawing damage removal) 및 기판 표면에 대한 제1 텍스쳐링(texturing)을 동시에 달성할 수 있다. 상기 절단 데미지 제거는 기판의 절삭에 따른 결함을 제거하고 표면에 형성된 산화막을 제거하는 공정이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1습식 식각은 산(acid) 용액을 사용하여 수행된다.
보다 구체적으로, 상기 제1습식 식각 공정에 이용하는 산 용액은 HF, HNO3, 및 H2O를 포함하며, HF: HNO3: H2O를 약 1 : 2 내지 4 : 1 내지 3, 바람직하게는 약1 : 3 : 2의 부피비로 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1습식 식각은 상기 용액에 기판을 약 5 내지 약 10℃의 온도에서 약 1분 내지 약 5분 동안, 바람직하게는 약 1 내지 약 2분 동안 침지시킴으로써 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기와 같은 제1 습식 식각 공정을 수행한 다음, DI water로 1차 린스(rinse), KOH와 같은 염기성 용액으로 중화 공정, DI water 로 2차 린스, HF 세정 및 DI water 로 3차 린스하는 공정을 더 수행할 수 있다.
상기와 같은 제1 습식 식각을 수행함으로써, 기판의 절단에 의한 데미지를 제거하고, 기판 표면이 1차적으로 식각되어 높이가 약 2 내지 약 10㎛, 바람직하게는 약 3 내지 약 5㎛인 요철 구조가 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 제1습식 식각 공정을 수행한 기판에 대해 반응성 이온 식각(reactive ion etching, RIE) 공정을 수행한다.
상기 반응성 이온 식각 공정은 에칭 가스(etching gas)를 플라즈마화하여 반응성이 강한 상태로 활성화하여 기판의 표면에 충돌시킴으로써 실시될 수 있다. 상기 에칭 가스로는 F2, SF6, CF4 와 같은 플루오린계 가스, Cl2과 같은 염소계 가스, 및 O2 등으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 혼용하여 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 반응성 이온 식각 공정에서, 식각 형태를 조절하기 위해, 상기 에칭 가스에 O2를 포함할 수 있다. 상기 에칭 가스에 O2를 포함함으로써, 이온 포격이 되지 않는 측면에 마스크 역할을 하는 산화막이 형성되고 이온 포격이 되는 하부에는 막이 형성되지 않음으로써 하부로만 식각되는 현상에 의하여 식각 형태 조절이 가능하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 에칭 가스로 Cl2, SF6, 및 O2를 이용하여 식각 공정을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로는, 챔버에 상기 기판을 위치시킨 후, 에칭 가스를 챔버에 주입한다. 다음에, 상기 기판 사이에 설치된 두 개의 전극에 일정한 크기의 전력을 인가하여, 두 전극 사이의 공간에 상기 에칭 가스에 기초한 플라즈마를 생성시킨다. 생성된 플라즈마는 반응성이 강한 활성종(radical)과 이온(ion)을 구비하고 있다. 이렇게 생성된 플라즈마 입자를 가속시켜 기판의 표면에 충돌시킨다. 이에 따라, 물리적인 충격과 화학 반응의 결합에 의해 상기 기판의 표면에 복수의 요철 구조물이 형성될 수 있다.
상기 반응성 이온 식각 공정에 있어서, 일반적인 플라즈마 식각보다 더 높은 에너지의 이온 가격이 기판에 가해지는데 이는 접지된 전극에 비해 더 높은 음전위가 전극에 형성되기 때문이다.
상기와 같은 반응성 이온 식각 공정에 의해 상기 기판 표면에 대해 제2텍스쳐링을 수행함으로써, 상기 기판 표면에 피라미드 구조가 형성된다.
상기 피라미드 구조는 기판 표면의 광 반사율을 낮춤으로써 태양전지의 광 흡수 효율을 향상시키는데 기여한다. 상기 피라미드 구조는 반응성 이온 식각 공정의 공정 조건, 즉, 에칭 가스, 압력, 온도, 전극 높이, 파워를 조절함으로써 다양한 형태 및 크기로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 피라미드 구조에 있어, 너비(width)에 대한 높이(height)의 비(height/width)가 약 0.75 내지 약 1.1일 수 있다. 또한, 상기 비율을 유지하는 범위에서, 수 나노미터 내지 수백 나노미터의 높이 및 너비를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 피라미드의 너비는 약 100 내지 약 300 nm, 높이는 약 150 내지 약 350 nm일 수 있다. 본 발명에 따르면 상기와 같이 제1습식 식각 및 반응성 이온 식각 공정을 단계적으로 수행함으로써 기판의 결정 구조에 관계없이 표면에 균일한 피라미드 구조가 형성될 수 있다. 이에 따라 표면으로부터 반사되는 빛의 양이 감소하여 낮은 반사도를 구현할 수 있다.
그러나, 상기 반응성 이온 식각 공정의 플라즈마 충격에 의한 표면 손상이 발생할 수 있다. 표면 손상을 제거하지 않으면 표면 재결합 속도 상승으로 인하여 전류값이 감소하게 되며, 이로부터 셀 변환 효율의 증가도 기대하기 어렵다. 즉, 반응성 이온 식각 공정에 의해 반사도가 낮아져 빛 흡수가 증가할 수 있지만, 이와 함께 발생하는 표면 손상으로 인해 전자-정공쌍의 소멸도 빨라지므로 증가된 빛 흡수의 효과를 얻을 수 없게 된다. 이는 낮은 Voc 와 FF의 원인이 된다.
또한 상기 반응성 이온 식각 공정으로 생성된 피라미드 구조가 너무 날카롭게(needle) 유지되면 피라미드의 상층 부분에서 높은 누설 전류(leakage current)가 발생하게 될 수 있다.
따라서 낮은 반사도를 유지하면서 전기적 표면 손상을 제거하기 위해, 상기 반응성 이온 식각 공정 후에, 표면 손상 제거(damage removal etching, DRE) 공정을 실시한다.
상기 표면 손상 제거 공정은 반응성 이온 식각 공정에서 발생한 표면 손상을 제거하기 위한 것이지만, 상기 표면 손상 제거 공정을 지나치게 진행하게 되면 표면이 과도하게 식각되어 반응성 이온 식각 공정에 의해 형성된 피라미드가 제거되어 낮은 반사도 효과를 얻을 수 없다. 따라서, 상기 표면 손상 제거 공정은 반응성 이온 식각 공정에 의해 형성된 피라미드 구조를 유지하는 동시에 O2에 의해 생성된 산화막을 제거하고 표면 손상도 효과적으로 제거할 수 있는 최적의 조건으로 수행할 필요가 있다.
본 발명의 표면처리 방법에 따르면, 상기 표면 손상 제거 공정으로 제2 습식 식각을 수행한다. 보다 구체적으로, 상기 제2 습식 식각 공정은 HF, HNO3, 및 H2O를 포함하는 산 용액을 이용하여 수행하며, HF: HNO3: H2O를 약 1: 13 내지 17: 15 내지 19, 바람직하게는 약 1: 15: 17 의 부피비로 포함하는 용액을 이용하여 수행할 수 있다. 상기와 같은 조건으로 표면 손상 제거 공정을 수행함으로써, 표면의 과도한 식각 없이 반응성 이온 식각 공정에 의해 형성된 피라미드의 구조를 유지하고, 상기 피라미드 구조의 너비에 대한 높이의 비를 유지하면서도 피라미드 구조의 상층 부분을 부드럽게(smoothly) 만들어 반사도를 향상시고, 누설 전류의 발생을 방지할 수 있다. 또한, 후속하는 반사방지막의 형성 공정에서 효과적인 반사방지막의 증착(deposition)을 가능하게 하여 이와의 시너지 효과로 반사도가 추가로 향상되는 효과를 가져올 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 표면 손상 제거 공정을 실시함으로써 상기 표면 손상 제거 공정을 수행하기 전보다 반사도가 약 1 내지 약 3% 더 향상될 수 있다.
이때 제2 습식 식각 공정의 공정 온도는 상온으로, 예를 들어 약 20 내지 약 30℃로 할 수 있으며, 약 10초 내지 약 60초 동안, 바람직하게는 약 20초 내지 약 50초 동안 침지하여 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 습식 식각 공정에 의한 식각량이 상기 제2 습식 식각 공정을 수행하기 전의 기판의 중량에 대하여, 약 0.009 내지 약 0.035%가 되도록 상기 제2 습식 식각 공정을 수행할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 표면 처리 방법을 이용하여 표면 처리를 수행한 기판은 약 9 내지 약 12%의 표면 반사율을 나타낼 수 있다.
상기와 같이 표면 처리 공정을 거친 기판에 대해 이후에 태양전지의 일반적인 제조방법에 따라 에미터층, 반사방지막, 전면전극 및 후면전극을 형성함으로써 고효율의 태양전지를 수득할 수 있다.
보다 구체적으로는, 표면처리된 상기 태양전지용 기판의 상부에 에미터층을 형성한다. 상기 에미터층에는 상기 기판과 반대되는 불순물로 도핑함으로써 P-N 접합(P-N junction)을 형성할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 에미터층은 약 100 내지 약 500nm의 두께로 얕은 에미터층 형성하여 고효율 태양전지에 적용할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 에미터층은 광전변환 효율이 고효율인 높은 면저항, 예를 들어 약 85 내지 약 100Ω/sq 의 면저항을 가질 수 있다.
다음에, 상기 에미터층의 상부에 반사방지막을 형성한다.
상기 반사방지막은 진공 증착법, 화학 기상 증착법, 스핀 코팅, 스크린 인쇄 또는 스프레이 코팅에 의해 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 상기 반사방지막은 예를 들면 실리콘 질화막, 수소를 포함한 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 실리콘 산화 질화막, MgF2, ZnS, TiO2 및 CeO2로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 단일막 또는 2개 이상의 막이 조합된 다층막 구조를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 반사방지막은 약 2.0 내지 약 2.2의 굴절률을 가지는 실리콘 질화막으로, 약 75 내지 약 85nm의 두께로 형성할 수 있다.
다음에 은(Ag) 페이스트를 스크린 프린트한 후 열처리하여 전면 전극을 형성하고 알루미늄 페이스트를 기판의 배면에 프린팅한 후 열처리하여 후면 전극을 형성함으로써 태양전지를 제조할 수 있다. 상기 알루미늄(Al) 페이스트의 열처리시 알루미늄이 기판의 배면을 통해 확산됨으로써 후면 전극과 기판의 경계면에 후면 전계(Back Surface field)층이 형성될 수 있다. 후면 전계층이 형성되면 캐리어가 기판의 배면으로 이동하여 재결합되는 것을 방지할 수 있으며, 캐리어의 재결합이 방지되면 개방전압이 상승하여 태양전지의 효율이 향상될 수 있다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예를 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이러한 실시예는 발명의 예시로 제시된 것에 불과하며, 이에 의해 발명의 권리범위가 정해지는 것은 아니다.
<
실시예
>
실시예
1
3족 원소의 불순물이 도핑된 p-type 유사 단결정 기판(MLM wafer, Grade B)을 준비하였다. 기판에 대해 HF: HNO3: H2O 를 1:3:2 부피비로 포함하는 용액에 온도 7℃에서 1분 30초 동안 침지하여 제1 습식 식각을 수행함으로써 절단 데미지 제거와 제1텍스쳐링을 동시에 진행하였다. 상기 제1텍스쳐링에 의해 표면으로부터 3 내지 5 ㎛의 깊이로 식각이 이루어졌다.
다음에, 에칭 가스로 Cl2/SF6/O2를 사용하여 반응성 이온 식각 공정을 실시하였다. 상기 반응성 이온 식각 공정에 의해 생성된 pyramid 구조물들은 높이(Height)와 너비(width)의 비 H/W가 0.75 내지 1.1의 분포를 나타내었다.
제2습식 식각으로 HF: HNO3: H2O 를 1:15:17의 부피비로 포함하는 용액에 온도 25℃에서 30초 동안 침지하여 식각을 수행하기 전에 비하여 0.025%의 중량이 감소되도록 식각함으로써 표면 처리를 완료하였다.
POCL3을 사용하는 확산 공정 통해 인(P)을 도핑하여 85 Ω/sq 저항을 가지는 에미터층을 형성하였다. 상기 에미터층 상에 PECVD 장비를 이용하여 2.0~2.2 의 범위 내의 굴절률을 가지는 실리콘 질화막을 두 층으로 하여 총 85nm 두께로 형성하였다.
Al paste 를 이용하여 후면에 스크린 프린팅 진행하고, 200℃미만의 온도에서 dry공정을 거친 후, Ag paste를 사용하여 70 ㎛ 크기의 폭으로 전면 전극을 형성하며, 200℃ 미만의 온도에서 dry공정을 거친 후, 940℃의 belt 소성로(firing)에서 소결하여 전면 전극 및 후면 전극을 형성하였다.
비교예
1
반응성 이온 식각 공정을 수행하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지를 제조하였다.
<
실험예
>
표면 처리 결과 평가
도 4는 상기 실시예 1에서 반응성 이온 식각 공정까지 수행한 후의 기판의 표면을 주사 전자 현미경을 이용하여 70,000배 확대하여 촬영한 사진이다.
도 5는 상기 실시예 1에서 반응성 이온 식각 공정 및 제2 습식 식각 공정까지 수행한 후의 기판의 표면을 주사 전자 현미경을 이용하여 5,000배 확대하여 촬영한 사진이다.
도 6은 표면 처리를 수행하기 전의 기판과, 상기 실시예 1 및 비교예 1에서 표면 처리 공정을 수행한 후의 기판의 반사도를 나타내는 그래프이다.
태양전지의 전기적 성능 평가
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 태양전지의 전기적 성능을 ASTM G-173-03에 따라 AM 1.5 태양 조건 하에서 중국에 소재하는 Hanwha Solarone limited(HSOL)의 solar tester, H.a.l.m cetis PV-products를 사용하여 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 하기 표1에서, Isc는 임피던스가 낮을 때 단락 회로 조건에 상응하는 태양전지를 통해 전달되는 최대 전류를 의미 또 한 태양전지 양단의 전압이 0 일 때 흐르는 전류이며 단위 면적당 흐르는 전류를 Jsc, Voc는 전류가 0일 때 태양전지 양단에 나타나는 전압으로 태양전지로부터 얻을 수 있는 최대 전압 의미하며, 병렬저항은 어떤 회로를 병렬로 접속한 저항을 말하며 낮은 병렬저항은 누설전류를 일으켜 전류 전압을 감소시킨다. 직렬 저항(RS)는 태양전지 상부와 하부 전극 사이에 직렬(series)로 작용하는 저항으로, 태양전지의 에미터와 베이스를 통한 전류 흐름. 즉 수직 저항성분을 RS라 정의하고 큰 영향을 받는 파라미터는 FF이다. FF[%]는 태양전지 품질에 있어서 가장 중요한 척도이며, Fill Factor는 최대 전력을 개방전압과 단락 전류에서 출력하는 이론상 전력과 비교하여 계산, Eta[%]는 효율을 의미하며 태양전지의 성능을 나타내는 가장 중요한 인자로 태양으로부터 입사된 에너지에 대한 출력에너지의 비로 정의된다.
| Eta(%) | Voc(mV) | Isc (A) |
Jsc(mA/cm2) | Rs(Ω) | Rsh(Ω) | FF(%) | |
| 비교예 1 | 17.13 | 629 | 8.59 | 35.29 | 0.0017 | 390 | 77.18 |
| 실시예 1 | 18.09 | 634 | 8.87 | 36.44 | 0.0013 | 557 | 78.28 |
상기 표 1의 결과와 같이 본 발명의 표면처리 방법을 실시한 기판을 사용하여 제조한 태양전지의 경우, 습식 식각만으로 표면처리를 수행한 기판에 비해, 전기적 성능이 향상됨을 알 수 있다.
Claims (9)
- 태양전지용 기판에 대해 제1습식 식각을 수행하는 단계;
반응성 이온 식각(reactive ion etching)을 수행하는 단계; 및
제2습식 식각을 수행하는 단계를 포함하는 태양전지용 기판의 표면처리 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제1습식 식각에 의해 절단 데미지 제거(saw damage removal) 및 제1 텍스쳐링(texturing)이 동시에 수행되는 태양전지용 기판의 표면처리 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제1습식 식각은 HF: HNO3: H2O를 1 : 2 내지 4 : 1 내지 3의 부피비로 포함하는 용액을 이용하여 수행하는 태양전지용 기판의 표면처리 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 반응성 이온 식각에 의해 제2 텍스쳐링을 수행하여 상기 기판의 표면에 피라미드 구조를 형성하는 태양전지용 기판의 표면처리 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 반응성 이온 식각은 Cl2, SF6, 및 O2 를 포함하는 가스를 이용하여 수행하는 태양전지용 기판의 표면처리 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 피라미드 구조의 너비(width)에 대한 높이(height)의 비(height / width)는 0.75 내지 1.1인 태양전지용 기판의 표면처리 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 습식 식각 공정은 HF: HNO3: H2O를 1 : 13 내지 17 : 15 내지 19의 부피비로 포함하는 용액을 이용하여 수행하는 태양전지용 기판의 표면처리 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 습식 식각 공정은 20 내지 30℃의 온도에서 10초 내지 60초 동안 수행하는 태양전지용 기판의 표면처리 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 태양전지용 기판은 단결정 기판, 단결정과 다결정 영역이 섞인 기판 및 다결정 기판으로 이루어진 군에서 선택되는 1종인 유사 단결정 기판인 태양전지용 기판의 표면처리 방법.
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