KR20200023291A - 고효율 태양전지의 제조방법 - Google Patents

고효율 태양전지의 제조방법 Download PDF

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Abstract

[과제] 광전변환효율을 향상시킬 수 있는 태양전지의 제조방법을 제공한다.
[해결수단] 본 발명은, 실리콘 반도체 기판에 pn접합을 형성하는 공정과, 실리콘 반도체 기판의 적어도 일방의 주표면 상에, 산화알루미늄막을 제막하는 공정을 포함하는 태양전지의 제조방법으로서, 산화알루미늄막을 제막하는 공정보다 전에, 1입방미터당의 수증기량이 20g 이상이며, 온도가 60℃ 이상 100℃ 이하인 분위기에서 실리콘 반도체 기판을 가열처리하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법이다. 이에 따라, 광전변환효율을 향상시킬 수 있는 태양전지의 제조방법이 제공된다.

Description

고효율 태양전지의 제조방법
본 발명은, 고효율 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
단결정 N형 실리콘 기판을 이용한 고광전변환효율의 태양전지의 개관을 도 2에, 단면구조의 모식도를 도 3에 나타낸다. 도 2, 3과 같이, 고광전변환효율 태양전지는, 수광면(200)의 집전전극으로서, 핑거 전극(202, 301)이라 불리는 백~수십μm 폭의 전극을 다수 갖는다. 인접하는 핑거 전극의 간격은 1~3mm 정도가 일반적이다. 또한, 도 2와 같이, 태양전지셀을 연결하기 위한 집전전극으로서 버스바 전극(201)을 2~4개 갖는다. 이들 전극의 형성방법으로는, 증착법, 스퍼터법 등을 들 수 있는데, 비용면에서, Ag 등의 금속미립자를 유기바인더에 혼합한 금속페이스트를, 스크린판 등을 이용하여 인쇄하고, 수백도로 열처리를 행하여 기판과 접착하는 방법이 널리 이용되고 있다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 전극 이외의 부분은 질화실리콘막 등의 반사방지막(302)으로 덮여 있다. 단결정 N형 실리콘 기판(305)의 표면(수광면)에는, 기판의 도전형과 반대인 P형층(303)이 형성된다. 이면측에도 핑거 전극(306)이 형성되고, 전극 이외의 부분은 질화실리콘 등의 막(307)으로 덮여 있다. 이면의 최표층에는 기판과 동일한 도전형의 고농도 N형층(308)이 형성되어 있다.
또한, 나아가 고광전변환효율의 태양전지 구조로는 이면 전극형 태양전지가 있다. 이 이면 전극형 태양전지의 이면의 개관을 도 4에 나타낸다. 도 4와 같이, 에미터층(402) 및 베이스층(401)이 교호로 배열되고, 각각의 층 상을 따라 핑거 전극(403, 404)이 마련되어 있다. 에미터층 폭은 수mm~수백μm, 베이스층 폭은 수백μm~수십μm이다. 또한, 전극 폭은 수백~수십μm 정도가 일반적이다. 이면 전극형 태양전지의 일부의 단면구조의 모식도를 도 5에 나타낸다. 기판(502)의 이면의 최표층 근방에 에미터층(504) 및 베이스층(503)이 형성되어 있다. 각 층 두께는 겨우 1μm 정도이다. 각 층 상에는 핑거 전극(505, 506)이 마련되고, 비전극 영역의 표면은 질화실리콘막이나 산화실리콘막(507) 등으로 덮여 있다. 수광면측에는 반사손실을 저감할 목적으로, 반사방지막(501)이 마련된다. 이면 전극형 태양전지는, 수광면에 전극이 존재하지 않기 때문에, 입사광이 차단되는 일 없이 기판 내에 들어가므로, 도 3과 같은, 수광면에 전극을 배설한 구조에 비해 광전변환효율은 높아진다.
일본특허공개 2014-175660호 공보
기판 표면(수광면, 및 비수광면인 이면)의 보호막으로는, 상기와 같은 산화실리콘이나 질화실리콘이 대표적인데, 최근, 산화알루미늄이 이용되고 있다. 보호막으로서의 산화알루미늄은, 예를 들어 특허문헌 1에 기재되어 있다. 이들 보호막은, 실리콘 기판 표면과 화학적으로 결합함으로써, 표면에서의 전자와 정공의 재결합을 억제하고, 나아가서는 광전변환효율을 향상시키는 작용을 담당한다. 따라서, 이들 막의 제막 전의 기판 표면 상태는, 광전변환효율의 향상에 중요하다.
본 발명은 상기 서술한 바와 같은 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 광전변환효율을 향상시킬 수 있는 태양전지의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 실리콘 반도체 기판에 pn접합을 형성하는 공정과, 상기 실리콘 반도체 기판의 적어도 일방의 주표면 상에, 산화알루미늄막을 제막하는 공정을 포함하는 태양전지의 제조방법으로서, 상기 산화알루미늄막을 제막하는 공정보다 전에, 1입방미터당의 수증기량이 20g 이상이며, 온도가 60℃ 이상 100℃ 이하인 분위기에서 상기 실리콘 반도체 기판을 가열처리하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법을 제공한다.
이와 같이, 실리콘 반도체 기판 주위의 습도를 약간 높인 상태로, 실리콘 반도체 기판을 가열하고 나서 산화알루미늄막을 제막함으로써, 실리콘 반도체 기판의 표면에서의 캐리어의 재결합이 억제되고, 광전변환효율이 향상된다. 이것은, 실리콘 반도체 기판의 표면에 수분자가 흡착하고, 이것에 산화알루미늄을 제막함으로써 표면보호 효과가 높아지기 때문이라고 생각된다.
이때, 상기 실리콘 반도체 기판을 가열처리하는 공정에 있어서의 상기 분위기는, 공기를 포함하는 것이 바람직하다.
가열처리의 분위기에 공기를 이용하면 급기, 배기가 용이하며, 안전, 저렴하게 가열처리를 행할 수 있다.
또한, 본 발명의 태양전지의 제조방법은, 상기 산화알루미늄막을 제막하는 공정보다 전에, 상기 실리콘 반도체 기판을 세정하는 공정을 갖고, 상기 실리콘 반도체 기판을 가열처리하는 공정은, 상기 실리콘 반도체 기판을 세정하는 공정의 후의 건조공정과 동시에 행해지는 것이 바람직하다.
산화알루미늄막의 제막 전에는, 일반적으로, 세정공정이 실시되므로, 이 세정공정 후의 건조공정에서 상기와 같은 가열처리를 실시할 수 있고, 이에 따라, 공정수를 늘리는 일 없이 광전변환효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 태양전지의 제조방법이면, 간이한 방법으로 산화알루미늄막의 표면 패시베이션 효과를 높이고, 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 가열처리공정을 건조공정과 겸용하는 경우에는, 공정수의 증가도 없고, 또한, 건조용 가스를 순환시킬 수도 있으므로, 가스의 사용량 그리고 가열량을 삭감할 수 있어 경제적이다.
도 1은 본 발명의 태양전지의 제조방법에 있어서의 산화알루미늄 제막 전의 전처리를 행하는 가열장치의 개념도이다.
도 2는 일반적인 양면전극형 태양전지의 개관도이다.
도 3은 일반적인 양면전극형 태양전지의 단면모식도이다.
도 4는 일반적인 이면 전극형 태양전지의 이면개관도이다.
도 5는 일반적인 이면 전극형 태양전지의 단면모식도이다.
이하, 본 발명에 대하여 실시의 형태를 설명하나, 본 발명은 이것으로 한정되는 것은 아니다. 이하의 상세한 설명에서는, 본 발명의 전체의 이해, 및 특정의 구체예에서 어떻게 실시할지를 제공하기 위해, 많은 특정의 세부가 설명된다. 그러나, 본 발명은, 이들의 특정의 세부없이 실시할 수 있는 것이 이해될 것이다. 이하에서는, 공지의 방법, 순서, 및 기술은, 본 발명을 불명료하지 않게 하기 위해, 상세하게는 나타나지 않는다. 본 발명은, 특정의 구체예에 대하여 특정의 도면을 참조하면서 설명되는데, 본 발명은 이것으로 한정되는 것은 아니다. 여기에 포함되고 기재된 도면은 모식적이며, 본 발명의 범위를 한정하지 않는다. 또한 도면에 있어서, 도시 목적으로 몇 가지의 요소의 크기는 과장되었으며, 이 때문에 축적대로는 아니다.
여기서는, 본 발명의 태양전지의 제조방법의 실시태양을 두 가지 설명한다. 제1 실시태양으로는 태양전지의 양 주표면에 전극을 형성한 양면전극형 태양전지를 제조하는 경우, 제2 실시태양으로는 태양전지의 주표면의 일방에 전극을 형성한 이면 전극형 태양전지를 제조하는 경우를 설명한다. 단, 본 발명의 태양전지의 제조방법은 이들 태양만으로 한정되는 일은 없다.
(제1 실시태양)
여기서는, N형의 실리콘 반도체 기판을 이용하는 경우를 예로 구체적인 설명을 행한다. 우선, 고순도 실리콘에 인 혹은 비소·안티몬과 같은 5가 원소를 도프하고, 비저항 0.1~5Ω·cm로 한 애즈컷 단결정 {100} N형 실리콘 기판을 실리콘 반도체 기판으로서 준비한다. 단결정 실리콘 기판은, CZ법(쵸크랄스키법), FZ법(부유대역법)의 어떤 방법에 의해 제작되어도 된다. 실리콘 반도체 기판은 반드시 단결정 실리콘일 필요는 없고, 다결정 실리콘이어도 상관없다.
다음에, 슬라이스 및 연삭시에 형성되는 실리콘 반도체 기판의 표면의 기계적 데미지를, 농도 5~60%의 수산화나트륨이나 수산화칼륨과 같은 고농도의 알칼리, 혹은, 불산과 질산의 혼산 등을 이용하여 에칭해서 제거할 수 있다. 다음 공정의 텍스처 형성조건에 따라서는, 이 공정은 반드시 필요한 것은 아니어서, 생략하는 것도 가능하다.
계속해서, 실리콘 반도체 기판의 표면에 텍스처라 불리는 미소한 요철형성을 행할 수 있다. 텍스처는 미소한 피라미드형의 구조를 갖고, 결정의 면방위에 의해 에칭속도가 상이한 것을 이용하여 형성된다. 텍스처는, 가열한 수산화나트륨, 수산화칼륨, 탄산칼륨, 탄산나트륨, 탄산수소나트륨 등의 알칼리용액(농도 1~10%, 온도 60~90℃) 중에 10분 내지 30분 정도 침지함으로써 형성된다. 상기 용액 중에, 소정량의 2-프로판올을 용해시키고, 반응을 촉진시켜도 된다.
텍스처 형성 후, 염산, 황산, 질산, 불산 등, 혹은 이들의 혼합액의 산성 수용액 중에서 세정한다. 과산화수소를 혼합하여 청정도를 높일 수도 있다.
다음에, 실리콘 반도체 기판에 pn접합을 형성하는 공정을 행한다. P형층의 형성에는, 기상확산법이나 도포확산법을 이용할 수 있고, 어느 방법을 이용해도 된다. 기상확산법의 예로는, 실리콘 반도체 기판을 2매 1조로 하여 겹친 상태로 열처리로에 재치하고, BBr3과 산소의 혼합가스를 도입하여 950~1050℃에서 열처리하는 방법을 이용할 수 있다. 캐리어가스로는 질소나 아르곤이 호적하다. 또한, 도포확산법의 예로는, 붕소원을 함유시킨 도포제를 제1 주표면(태양전지로 했을 때에 수광면이 되는 면) 전체면에 도포하고, 950~1050℃에서 열처리하는 방법을 이용할 수 있다. 도포제로는, 예를 들어 붕소원으로서 붕산 1~4%, 증점제로서 폴리비닐알코올 0.1~4%를 함유시킨 수용액을 이용할 수 있다.
다음에, 제2 주표면(P형층 형성면과 반대인 면이며, 태양전지로 했을 때에 비수광면이 되는 면)에 N형층을 형성한다. N형층의 형성에는, 기상확산법, 도포확산법을 이용할 수 있고, 어느 방법을 이용해도 된다. 기상확산법의 예로는, 실리콘 반도체 기판을 2매 1조로 하여 겹친 상태로 열처리로에 재치하고, 830~950℃, 옥시염화인과 질소 및 산소 혼합가스 분위기하에서 기판을 열처리하는 방법이 가능하다. 도포확산법은, 인을 함유하는 재료를 스핀도포하거나, 인쇄하고 나서 열처리하는 방법이며, 어느 방법을 이용해도 상관없다.
확산열처리가 종료되면, 표면의 유리를 불산 등으로 제거하고, 순수 등으로 기판을 세정할 수 있다.
다음에, 본 발명의 태양전지의 제조방법에서는, 산화알루미늄막 형성의 전처리로서, 산화알루미늄막을 제막하는 공정보다 전에, 1입방미터당의 수증기량이 20g 이상이며, 온도가 60℃ 이상 100℃ 이하인 분위기에서 실리콘 반도체 기판을 가열처리하는 공정을 행한다. 1입방미터당의 수증기량은, 온도에 따라 결정되는 포화증기압에 상당하는 수증기량이 상한이다. 가열처리시간은, 특별히 한정되는 것은 아니나, 1분 이상 60분 이하 정도이면 되고, 3분 이상 20분 이하 정도인 것이 바람직하다.
또한, 분위기로는 이너트 가스를 이용할 수 있다. 이너트 가스로는, 질소, 아르곤 등의 불활성 가스 외에, 배기처리가 용이한 산소, 공기 등, 어느 것을 이용해도 된다. 특히, 실리콘 반도체 기판을 가열처리하는 공정에 있어서의 분위기는, 공기를 포함하는 것이 바람직하다. 가열처리의 분위기에 공기를 이용하면 급기, 배기가 용이하며, 안전, 저렴하게 가열처리를 행할 수 있다.
상기의 본 발명에 규정하는 1입방미터당의 수증기량 및 가열온도를 만족시킬만한, 가장 용이한 가열방법으로는, 핫플레이트 등의 개방된 가열기기 상에 기판을 재치하는 방법이 있다. 예를 들어 25℃, 상대습도 50%의 공기의 1입방미터당의 수증기량은 약 11.5g인 것으로부터, 해당 가열기기에 물을 공급하는 것만으로 1입방미터당의 수증기량을 상기 범위로 제어할 수 있다.
본 발명과 같은 수증기량 및 온도범위로 함으로써, 실리콘 반도체 기판의 표면의 실리콘과 물의 반응이 약간이나마 진행되고, 후의 산화알루미늄 제막에 의해 실리콘 댕글링 본드의 종단이 유효하게 행해진다. 이에 따라, 고품질의 표면보호효과가 얻어지고, 표면에서의 재결합이 억제되고, 나아가서는 태양전지의 광전변환효율이 향상된다.
1입방미터당의 수증기량이 20g 미만이면, 물의 분압이 너무 낮아 실리콘과의 반응이 진행되지 않고, 변환효율 향상효과가 얻어지지 않는다. 또한, 온도가 60℃ 미만이면 본 발명의 효과가 얻어지지 않는다. 온도가 100℃를 초과하면, 흡착한 수분자의 탈리가 진행되거나, 이너트 가스에 산소를 포함하는 경우는 기판 표면의 산화가 진행되거나 하여 바람직하지 않다. 이 때문에, 온도는 100℃ 이하로 할 필요가 있다.
또한, 실리콘 반도체 기판을 가열처리하는 공정은, 실리콘 반도체 기판을 세정하는 공정의 후의 건조공정과 동시에 행해도 된다. 여기서 말하는 세정공정이란, 확산열처리가 종료된 후의, 실리콘 반도체 기판의 표면의 유리 제거 후의 순수세정이다.
건조공정과 가열처리공정을 동시에 행하는 경우에 이용할 수 있는 가열장치의 일 예의 개념도를 도 1에 나타낸다. 가열장치(1)에서는, 가스공급부(2)로부터 취입된 가스가, 가열부(3)에서 가열되고 건조부(4)에 공급된다. 건조부(4)에는, 실리콘 반도체 기판(W)을 유지하는 캐리어(5)가 수납되어 있고, 실리콘 반도체 기판(W)과 캐리어(5)에 상기 세정공정에서 부착된 물이 건조부(4)에 반입되어 있으므로, 실리콘 반도체 기판(W)을 가열건조하는 것만으로 건조부내 분위기의 수증기량을 증가시킬 수 있다. 건조부(4)에 공급된 가스의 일부는 배기구로부터 배기부(6)에 배출되고, 남은 가스는 순환한다. 가스의 배출량을 줄이고, 순환량을 크게 함으로써, 1입방미터당의 수증기량을 20g 이상의 범위로 조정할 수 있다. 한편, 건조부(4)의 크기나 물의 반입량에 따라, 배출량은 0으로 해도 상관없다. 또한, 건조실 내의 상대습도는 90% 이하인 것이 바람직하다. 습도가 90% 이하이면 건조능력을 유지할 수 있으므로, 건조시간의 증가를 억제할 수 있다.
이러한 전처리의 후, 실리콘 반도체 기판의 적어도 일방의 주표면 상에, 산화알루미늄막을 제막하는 공정을 행한다. 실리콘 반도체 기판의 주표면에 형성하는 산화알루미늄의 두께는 1nm~20nm 정도로 할 수 있다. 산화알루미늄막은 P형층에 대하여, 특히 광전변환효율 개선효과가 큰데, 양면에 형성해도 상관없다. 즉, 산화알루미늄막을 제막하는 면은 제1 주표면(태양전지로 했을 때에 수광면이 되는 면) 및/또는 제2 주표면(태양전지로 했을 때에 비수광면이 되는 면)으로 할 수 있다. 산화알루미늄막의 형성에는, CVD(Chemical Vapor Deposition)법이나 ALD(Atomic Layer Deposition)법을 이용할 수 있다. 반응가스로는, 알루미늄원으로서 트리메틸알루미늄 등, 산화원으로서 물, 아산화질소, 산소, 오존, 등이 이용된다.
다음에, 제1 주표면 상에 반사방지막 형성을 행할 수 있다. 반사방지막으로는, 질화실리콘막이나 산화실리콘막을 이용할 수 있다. 질화실리콘막의 경우는 플라즈마CVD장치를 이용하여, 산화알루미늄과의 합계가 약 100nm가 되도록 제막한다. 반응가스로서, 모노실란(SiH4) 및 암모니아(NH3)를 혼합하여 이용하는 경우가 많으나, NH3 대신에 질소를 이용하는 것도 가능하며, 또한, 프로세스 압력의 조정, 반응가스의 희석을 위해, 반응가스에 수소를 혼합하는 경우도 있다. 산화실리콘막의 경우는, CVD법이어도 되는데, 열산화법에 의해 얻어지는 막인 편이 높은 특성이 얻어진다.
또한, 제2 주표면 상에도 수광면과 마찬가지로 질화실리콘막이나 산화실리콘막으로 보호막을 형성하는 것이 바람직하다.
다음에, 이면 전극으로서, 예를 들어 Ag 분말을 함유하는 페이스트를 스크린인쇄법으로 형성한다. 인쇄패턴은 빗살형상으로서, 핑거 전극과 버스바 전극을 동시에 형성하는 것이 가장 간편하다. 핑거 폭은 40~200μm 정도, 버스바 폭은 0.5~2mm 정도가 호적하다.
수광면 전극 형성에도 스크린인쇄법을 이용하고, Ag 분말과 유리플릿을 유기물 바인더와 혼합한 Ag 페이스트를 인쇄한다. 인쇄패턴은 이면과 마찬가지로 빗살형상으로서, 핑거와 버스바를 동시에 형성하는 것이 가장 간편하다. 핑거 폭은 40~100μm 정도, 버스바 폭은 0.5~2mm 정도가 호적하다.
이상의 표리면 전극 인쇄의 후, 열처리(소성)에 의해 질화실리콘막에 Ag 분말을 관통시키고(파이어스루), 전극과 실리콘을 도통시킨다. 이면 전극 및 수광면 전극의 소성은 한 번에 행하는 것도 가능하고, 각각 행해도 상관없다. 소성은, 700~850℃의 온도에서 수초~수분간 처리함으로써 행해진다.
이상, N형의 기판을 이용하는 경우를 예로 본 발명을 설명하였으나, P형 기판의 경우도 마찬가지로 본 발명의 태양전지의 제조방법을 사용할 수 있다.
(제2 실시태양)
다음에, 이면 전극형 태양전지의 제조에, 본 발명의 태양전지의 제조방법을 이용하는 경우를 설명한다. 여기서는, N형의 실리콘 반도체 기판을 이용하는 경우를 예로 구체적인 설명을 행한다. 우선, N형 실리콘 기판을 준비하고, 표면의 슬라이스 데미지를 고농도의 알칼리, 혹은, 불산과 질산의 혼산 등을 이용하여 에칭한다. 단결정 실리콘 기판은, CZ법, FZ법 어느 방법에 의해 제작된 것이어도 된다. 기판은 반드시 단결정 실리콘일 필요는 없고, 다결정 실리콘이어도 상관없다.
계속해서, 전술한 방법으로 기판 표면에 텍스처 형성을 행할 수 있다.
텍스처 형성 후, 염산, 황산, 질산, 불산 등, 혹은 이들의 혼합액의 산성 수용액 중에서 세정해도 된다. 또한, 과산화수소를 혼합하여 청정도를 향상시켜도 된다.
다음에, 이 실리콘 반도체 기판의 제2 주표면(태양전지로 했을 때에 비수광면이 되는 면)에, 에미터층을 형성한다. 에미터층은 기판과 반대의 도전형(이 경우 P형)이고 두께를 0.05~1μm 정도로 할 수 있다. 에미터층은 BBr3 등을 이용한 기상확산에 의해 형성할 수 있다. 또한, 붕소원을 함유시킨 도포제를 제2 주표면에 도포하고, 열처리하는 방법으로도 형성이 가능하다.
에미터층을 형성하면, 다음 공정인 베이스층 형성을 위한 마스크를 양 주표면 상에 형성할 수 있다. 마스크로는 산화실리콘막 혹은 질화실리콘막 등을 이용할 수 있다. CVD법을 이용하면, 도입하는 가스종을 적당히 선택함으로써, 어느 막이나 형성가능하다. 산화실리콘막의 경우는, 기판을 열산화해도 형성할 수 있다. 기판을 산소분위기 중 950~1100℃, 30분~4시간 열처리함으로써 100nm 정도의 실리콘열산화막이 형성된다. 온도, 시간, 가스 등을 적당히 선택함으로써 막 두께는 임의로 변경가능하나, 마스크기능 및 다음 공정의 부분개구의 용이성을 겸비하기 위해서는 30~300nm가 바람직하다. 이 열처리는 상기 에미터 형성을 위한 열처리에 이어서 동일 배치 내에서 실시해도 상관없다.
다음에, 베이스 영역이 되는 부분의 마스크를 부분적으로 제거(개구)한다. 구체적으로, 개구 폭이 50~250㎛, 0.6~2.0mm 정도인 간격으로 평행선상으로 개구한다. 개구에는 포토리소법이나 에칭페이스트를 사용할 수 있으나, 레이저로의 개구가 간편하여 바람직하다. 레이저원으로는, YAG계, YVO4계, GdVO4계 등의 제2차 고조파를 사용할 수 있으나, 파장이 500~700nm 정도이면 어떠한 레이저원을 이용해도 상관없다. 레이저 조건은 적당히 결정 가능하나, 예를 들어, 출력이 4~20W, 주파수가 10000~100000Hz, 플루엔스가 1~5J/㎠, 갈보 헤드를 구비하고, 스캔 속도가 100~5000mm/초, 등으로 할 수 있다.
마스크를 개구하면, 50~90℃로 가열한 KOH, NaOH 등의 알칼리 수용액 중에 기판을 침지하고, 개구부의 불필요한 에미터층을 제거(에칭)한다.
베이스층 형성에는 옥시염화인을 이용한 기상확산법을 사용할 수 있다. 기상확산법 외에, 인을 함유하는 재료를 스핀도포하거나, 인쇄하거나 하고 나서 열처리하는 방법으로도 형성가능하다.
베이스층을 형성한 후, 마스크 및 표면에 형성되는 유리를 불산 등으로 제거하고, 순수로 세정할 수 있다.
이후, 산화알루미늄막 형성의 전처리로서 전술한 방법으로, 1입방미터당의 수증기량이 20g 이상, 온도 60~100℃의 분위기에서 기판을 가열처리한다. 해당 가열처리는, 전술한 바와 같이 상기 유리 제거, 세정공정 후의 건조공정으로 할 수도 있다.
상기 전처리의 후, 제1 주표면 및/또는 제2 주표면에 산화알루미늄을 제막한다. 제막에는, CVD(Chemical Vapor Deposition)법이나 ALD(Atomic Layer Deposition)법이 사용가능하다.
다음에, 제1 주표면(태양전지로 했을 때에 수광면이 되는 면) 상에 반사방지막의 형성을 행할 수 있다. 반사방지막으로서 질화실리콘막이나 산화실리콘막을 이용할 수 있다.
또한, 제2 주표면(태양전지로 했을 때에 비수광면이 되는 면) 상에, 표면보호막을 형성할 수 있다. 표면보호막으로서 질화실리콘막이나 산화실리콘막을 이용할 수 있다.
다음에, 베이스전극을, 예를 들어 스크린인쇄법으로 형성한다. 예를 들어, 개구 폭 30~200μm, 0.6~2.0mm 간격의 평행선 패턴을 갖는 제판을 준비해 두고, Ag 분말과 유리 플릿을 유기물 바인더와 혼합한 Ag 페이스트를 베이스층을 따라 인쇄한다. 마찬가지로 하여, 에미터 전극으로서 Ag 페이스트를 인쇄한다. 베이스전극용 Ag 페이스트와 에미터 전극용 Ag 페이스트는 동일해도 되고 다른 것을 사용해도 된다. 이상의 전극인쇄의 후, 열처리에 의해 질화실리콘막에 Ag 분말을 관통시키고(파이어스루), 전극과 실리콘을 도통시킨다. 한편, 베이스층용 전극 및 에미터층용 전극의 소성은 각각 행하는 것도 가능하다. 소성은, 통상 700~850℃의 온도에서 수초~수분간 처리함으로써 행해진다.
이상, N형 기판의 경우를 예로 서술하였으나, P형의 실리콘 반도체 기판을 이용하는 경우는 에미터층 형성에 인, 비소, 안티몬 등을 확산시키고, 베이스층 형성에는 붕소, Al 등을 확산시키면 되고, 이 경우에도 본 발명의 방법이 이용 가능하다.
실시예
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 나타내어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하나, 본 발명은 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
이하의 실시예에서는, 본 발명의 태양전지의 제조방법을 이용하여, 이면 전극형 태양전지의 제작을 행하였다.
(실시예 1)
두께 200μm, 비저항 1Ω·cm의, 인도프 {100} N형 애즈컷 실리콘 기판에 대하여, 열농수산화칼륨 수용액에 의해 데미지층을 제거 후, 72℃의 수산화칼륨/2-프로판올 수용액 중에 침지하고 텍스처 형성을 행하고, 계속해서 75℃로 가열한 염산/과산화수소 혼합용액 중에서 세정을 행하였다.
다음에, 기판을 2매 1조로 하여 겹친 상태로 열처리로에 재치하고, BBr3과 산소와 아르곤의 혼합가스를 도입하여 1000℃에서 10분 열처리를 행하였다. 사탐침법으로 측정한 결과, 시트저항은 50Ω으로 되었다. 이것을 1000℃에서 3시간, 산소분위기 중에서 열산화하여 마스크를 형성하였다.
이면의 마스크를 레이저로 개구하였다. 레이저원은 Nd:YVO4의 제2차 고조파를 이용하였다. 개구 패턴은, 간격 1.2mm 평행선상으로 하였다. 출력은 18W, 스캔 속도는 600mm/초로 하였다. 이것을 80℃의 KOH에 침지하여 개구부의 에미터층을 제거하였다.
다음에, 옥시염화인 분위기 하, 870℃에서 수광면끼리를 겹친 상태로 40분간 열처리하고, 개구부에 인 확산층(베이스층)을 형성하였다.
이후, 농도 12%의 불산에 침지함으로써 표면유리를 제거하고, 순수로 린스하고 건조시켰다.
밀폐된 용기에 핫플레이트를 넣고, 핫플레이트 상에 순수를 넣은 샬레 그리고 기판을 재치한 후, 밀폐용기 내를 질소로 치환하고, 80℃에서 가열하였다. 밀폐용기의 내용적은 25리터(0.025m3), 증발한 순수의 양은 0.5g이었던 것으로부터, 용기 내의 수증기량은 1입방미터당 20g이었다.
다음에, 이 기판의 양면에, 플라즈마 CVD법에 의해 산화알루미늄을 제막하였다. 막 두께는 모두 약 10nm로 하였다.
이상의 처리의 후, 플라즈마 CVD장치를 이용하여 질화실리콘막을 양면에 형성하였다. 막 두께는 표리 모두 90nm로 하였다.
다음에, Ag 페이스트를 베이스층 상 및 에미터층 상에 각각 인쇄하여 건조하였다. 이것을 780℃의 공기 분위기하에서 소성하였다.
(실시예 2)
산화알루미늄막의 형성 전의 전처리에 있어서, 밀폐용기 내에 증발시킨 순수량을 1.0g으로 한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 이면 전극형 태양전지의 제작을 행하였다. 용기 내의 수증기량은 1입방미터당 40g이 되었다.
(실시예 3)
산화알루미늄막의 형성 전의 전처리에 있어서, 밀폐용기 내에 증발시킨 순수량을 2.0g으로 한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 이면 전극형 태양전지의 제작을 행하였다. 용기 내의 수증기량은 1입방미터당 80g이 되었다.
(실시예 4)
산화알루미늄막의 형성 전의 전처리에 있어서, 밀폐용기 내에 증발시킨 순수량을 6.5g으로 한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 이면 전극형 태양전지의 제작을 행하였다. 용기 내의 수증기량은 1입방미터당 260g이 되었다.
(비교예 1)
표면유리 제거, 린스, 건조까지 실시예 1과 마찬가지로 실시한 후, 특히 전처리는 행하지 않고, 산화알루미늄 제막공정 이후를 실시예 1과 마찬가지로 행하였다. 한편, 유리 제거 후의 건조에는, 옥내 공기를 필터를 통과하여 80℃로 가열한 것을, 기판에 분사하는 방법으로 행하였다(비교예 2~3, 실시예 1~4 및 실시예 5~8도 동일함). 실내온도는 약 25℃, 상대습도는 약 50%로 제어하고 있으므로, 건조시의 1입방미터당 수증기량은 약 11.5g으로 추정된다.
(실시예 5)
산화알루미늄막의 형성 전의 전처리에 있어서, 핫플레이트의 가열온도를 60℃로 한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 이면 전극형 태양전지의 제작을 행하였다.
(실시예 6)
산화알루미늄막의 형성 전의 전처리에 있어서, 핫플레이트의 가열온도를 100℃로 한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 이면 전극형 태양전지의 제작을 행하였다.
(비교예 2)
산화알루미늄막의 형성 전의 전처리에 있어서, 핫플레이트의 가열온도를 57℃로 한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 이면 전극형 태양전지의 제작을 행하였다.
(비교예 3)
산화알루미늄막의 형성 전의 전처리에 있어서, 1입방미터당 수증기량을 17g으로 한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 이면 전극형 태양전지의 제작을 행하였다.
(실시예 7)
표면유리 제거, 린스, 건조까지 실시예 1과 마찬가지로 실시한 후, 밀폐용기 내를 질소로 치환하지 않고(즉 공기 중에서) 80℃에서 가열하였다. 용기 내의 수증기량은 1입방미터당 20g으로 하였다. 산화알루미늄 제막공정 이후는 실시예 1과 마찬가지로 행하였다.
(실시예 8)
표면유리 제거, 린스까지 실시예 1과 마찬가지로 실시한 후, 기판을 건조시키지 않고 클린오븐에 재치시키고, 80℃에서 15분 가열하였다. 오븐용적이 컸으므로, 배기는 행하지 않고 건조시켰다. 오븐용적 675리터에 대해, 기판 및 기판 캐리어에 부착되어 있던 수분 17g이 완전히 건조된 것으로부터, 오븐 내의 수분량은 1입방미터당 37g인 것으로 추정된다. 산화알루미늄 제막공정 이후는 실시예 1과 마찬가지로 행하였다.
(평가방법)
이상과 같이 하여 얻어진 태양전지의 샘플에 대하여, 야마시타덴소사제 솔라시뮬레이터를 이용하여 AM1.5스펙트럼, 조사강도 100mW/cm2, 25℃의 조건하에서, 전류전압 특성을 측정하고 광전변환효율을 구하였다. 얻어진 결과를 하기의 표 1에 나타낸다.
Figure pct00001
비교예에 비해, 실시예 1~4는 모두 개방전압이 높고, 변환효율이 높다. 산화알루미늄 제막 전에, 기판 주위의 수증기량을 20g/m3 이상으로 기판을 가열처리한 것에 따른 효과라고 생각된다.
비교예에 비해, 실시예 5, 6은 모두 개방전압이 높고, 변환효율이 높다. 산화알루미늄 제막 전의 기판 가열 온도는 60~100℃이면 변환효율을 향상시킬 수 있다.
비교예에 비해, 실시예 7은 개방전압이 높고, 변환효율이 높다. 산화알루미늄제막 전의 기판 가열시의 이너트 가스는 공기여도 변환효율을 향상시킬 수 있다.
비교예에 비해, 실시예 8은 개방전압이 높고, 변환효율이 높다. 산화알루미늄제막 전의 기판 가열처리는 건조공정과 겸용할 수 있다.
한편, 본 발명은, 상기 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 상기 실시형태는 예시이며, 본 발명의 특허청구의 범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 가지며, 동일한 작용효과를 나타내는 것은, 어떠한 것이어도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

Claims (3)

  1. 실리콘 반도체 기판에 pn접합을 형성하는 공정과, 상기 실리콘 반도체 기판의 적어도 일방의 주표면 상에, 산화알루미늄막을 제막하는 공정을 포함하는 태양전지의 제조방법으로서,
    상기 산화알루미늄막을 제막하는 공정보다 전에, 1입방미터당의 수증기량이 20g 이상이며, 온도가 60℃ 이상 100℃ 이하인 분위기에서 상기 실리콘 반도체 기판을 가열처리하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 반도체 기판을 가열처리하는 공정에 있어서의 상기 분위기는, 공기를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 산화알루미늄막을 제막하는 공정보다 전에, 상기 실리콘 반도체 기판을 세정하는 공정을 가지고,
    상기 실리콘 반도체 기판을 가열처리하는 공정은, 상기 실리콘 반도체 기판을 세정하는 공정의 후의 건조공정과 동시에 행해지는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
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