KR20210010728A - 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전면 전극에 의한 그림자 손실을 방지할 수 있는 후면 전극형 태양 전지에 적합한 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지 제조 방법이 개시한다.
본 발명의 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지 제조 방법은 제 1 도전형 실리콘층의 하면을 산화 처리하여 후면 산화층을 형성하는 후면 산화층 형성 단계와 상기 후면 산화층의 일부 영역에 제 1 전이 금속 산화물을 증착시켜 터널링을 통해 제 1 전하가 통과할 수 있는 제 1 전하 선택 박막을 형성하는 제 1 전하 선택 박막 형성 단계와 상기 후면 산화층에서 상기 제 1 전하 선택 박막이 형성되지 않은 영역에 제 2 전이 금속 산화물을 증착시켜 터널링을 통해 제 2 전하가 통과할 수 있는 제 2 전하 선택 박막을 형성하는 제 2 전하 선택 박막 형성 단계와 상기 제 1 및 제 2 전하 선택 박막의 하부에 제 1 및 제 2 후면 투명 전극을 각각 형성하는 단계 및 상기 제 1 및 제 2 후면 투명 전극의 하부에 제 1 및 제 2 후면 금속 전극을 각각 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지 제조 방법은 제 1 도전형 실리콘층의 하면을 산화 처리하여 후면 산화층을 형성하는 후면 산화층 형성 단계와 상기 후면 산화층의 일부 영역에 제 1 전이 금속 산화물을 증착시켜 터널링을 통해 제 1 전하가 통과할 수 있는 제 1 전하 선택 박막을 형성하는 제 1 전하 선택 박막 형성 단계와 상기 후면 산화층에서 상기 제 1 전하 선택 박막이 형성되지 않은 영역에 제 2 전이 금속 산화물을 증착시켜 터널링을 통해 제 2 전하가 통과할 수 있는 제 2 전하 선택 박막을 형성하는 제 2 전하 선택 박막 형성 단계와 상기 제 1 및 제 2 전하 선택 박막의 하부에 제 1 및 제 2 후면 투명 전극을 각각 형성하는 단계 및 상기 제 1 및 제 2 후면 투명 전극의 하부에 제 1 및 제 2 후면 금속 전극을 각각 형성하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 전하 선택 접합형 태양 전지(solar cell with charge selective junction) 제조 방법에 관한 것으로서 특히, 전면 전극에 의한 그림자 손실(shadow loss)을 방지할 수 있는 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 태양 전지는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심 소자로서, 기본적으로 p-n 접합으로 이루어진 다이오드(Diode)라 할 수 있다.
태양광이 태양 전지에 의해 전기로 변환되는 과정을 살펴보면, 태양 전지의 p-n 접합부에 태양광이 입사되어 전자-정공쌍이 생성되고, 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 이동하게 되어 p-n 접합부 사이에 광기전력이 발생되며, 이때 태양 전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산할 수 있게 된다.
태양 전지는 일반적으로 n형 실리콘 기판 상에 p형 실리콘 박막(p형 반도체층)이 형성된 구조를 이루는데, 이때 p형 실리콘 박막은 p형 불순물의 도핑에 의해 형성된다. 이에, 실리콘 기판의 하층부는 n형 반도체층으로 남고, 상층부는 p형 반도체층을 이루게 되어 p-n 접합부를 구성한다. 그리고 실리콘 기판의 전후면에는 p-n 접합부에 의해 생성된 정공 및 전자를 포집하기 위한 금속 전극이 형성된다.
태양 전지는 실리콘 기판 표면의 패시베이션 특성을 향상시켜 전자 또는 정공과 같은 전하의 재결합율을 최소화시킴으로써 태양 전지의 발전 효율을 극대화시키는 것이 중요하다.
도 1은 종래의 전하 선택 접합형 태양 전지의 구조를 보이는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 전하 선택 접합형 태양 전지(100)는 제 1 도전성 실리콘 기판(110)의 상부에 제 2 도전성 실리콘층(120), 산화층(130)과, 상부 전하 선택 박막(140)과, 상부 투명 전극(150) 및 상부 금속 전극(155)이 순차적으로 형성되며, 제 1 도전성 실리콘 기판(110)의 하부에 산화층(160)과 하부 전하 선택 박막(170)과 하부 투명 전극(180) 및 하부 금속 전극(185)이 순차적으로 형성된 것이다.
도 1에 도시된 종래의 전하 선택 접합 실리콘 태양 전지(100)는 상부의 산화층(130) 및 상부 전하 선택 박막(140)이 정공(hole) 선택 접합을 형성하고, 하부의 산화층(160)과 하부 전하 선택 박막(170)이 전하 선택 접합(charge selective junction)을 형성함으로써 계면 결함이 감소되고, 정공 및 전하를 터널링(tunneling)시켜 전기 전도도가 우수하고, 패시베이션(passivation) 특성이 우수하여 발전 효율이 향상될 수 있다.
그렇지만 도 1에 도시된 종래의 전하 선택 접합형 태양 전지(100)는 전면 전극(155) 및 후면 전극(185)을 가지며, 이 중에서 전면 전극(155)은 태양광의 그림자 손실(shadow loss)을 초래하여 발전 효율을 저하시키는 문제점이 있다.
본 발명은 전면 전극에 의한 그림자 손실을 제거할 수 있는 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지 제조 방법은 제 1 도전형 불순물을 포함하는 제 1 도전형 실리콘 기판을 제공하는 제 1 도전형 실리콘 기판 제공 단계와, 상기 제 1 도전형 실리콘 기판의 상면에 제 2 도전형 불순물을 포함하는 제 2 도전형 실리콘층을 형성하는 제 2 도전형 실리콘층 형성 단계와, 상기 제 2 도전형 실리콘층의 상면을 산화 처리하여 전면 산화층을 형성하는 전면(前面) 산화층 형성 단계와 상기 전면 산화층의 상부에 전면(前面) 반사방지막을 형성하는 단계와, 상기 제 1 도전형 실리콘 기판의 하면을 산화 처리하여 후면 산화층을 형성하는 후면(後面) 산화층 형성 단계와, 상기 후면 산화층의 하부 일부 영역에 제 1 전이 금속 산화물을 증착시켜 터널링을 통해 제 1 전하가 통과할 수 있는 제 1 전하 선택 박막을 형성하는 제 1 전하 선택 박막 형성 단계와, 상기 후면 산화층의 하부에서 상기 제 1 전하 선택 박막이 형성되지 않은 영역에 제 2 전이 금속 산화물을 증착시켜 터널링을 통해 제 2 전하가 통과할 수 있는 제 2 전하 선택 박막을 형성하는 제 2 전하 선택 박막 형성 단계와, 상기 제 1 및 제 2 전하 선택 박막의 하부에 제 1 및 제 2 후면 투명 전극을 각각 형성하는 단계 및 상기 제 1 및 제 2 후면 투명 전극의 하부에 제 1 및 제 2 후면 금속 전극을 각각 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제 1 도전형 실리콘 기판은 n형 실리콘 기판일 수 있다.
여기서, 상기 전면 산화층 형성 단계는 상기 제 2 도전형 실리콘층의 상면을 SC-1 솔루션, SC-2 솔루션, 질산, 염산, 황산, 인산 또는 불산으로 습식 산화 처리하여 상기 산화층을 형성할 수 있다.
여기서, 상기 전면 산화층은 0.5 ∼ 2nm의 두께로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 후면 산화층 형성 단계는 상기 제 1 도전형 실리콘 기판의 하면을 SC-1 솔루션, SC-2 솔루션, 질산, 염산, 황산, 인산 또는 불산으로 습식 산화 처리하여 상기 산화층을 형성할 수 있다.
여기서, 상기 후면 산화층은 0.5 ∼ 2nm의 두께로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 제 1 전하 선택 박막 형성 단계는 MoOx의 원소를 포함하는 프리커서로부터 생성되는 Mo(CO)6 소스 가스와 수증기(H2O) 또는 오존(O3)을 포함하는 산화제를 교대로 공급하는 원자층 증착 공정으로 진행되고, 상기 원자층 증착 공정은 상기 오존과 상기 수증기의 공급 횟수를 조절하여 상기 MoOx 중 x값을 조절하도록 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 제 1 전하 선택 박막은 2 ∼ 15nm의 두께로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 제 1 전이 금속 산화물은 MoOx, NiOx, VOx 및 WOx 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제 2 전하 선택 박막 형성 단계는 TiO2의 원소를 포함하는 프리커서로부터 생성되는 Titanium isopropoxide (TTIP), tetrakis-dimethyl-amidotitanium (TDMAT), TiCl4 소스 가스와 수증기(H2O) 또는 오존(O3)을 포함하는 산화제를 교대로 공급하는 원자층 증착 공정으로 진행될 수 있다.
여기서, 상기 제 2 전하 선택 박막은 2 ∼ 15nm의 두께로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 제 2 전이 금속 산화물은 Ta2O5, TiO2 및 SrTiO3 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지 제조 방법은 전하 선택 박막과 실리콘 계면에 산화층을 형성함으로써 전하 선택 박막과 실리콘의 계면에서의 계면 결함을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지 제조 방법은 전하 선택 박막과 실리콘 계면에 산화층을 형성함으로써 계면에서의 계면 트랩 전하 밀도가 증가되고 계면 특성이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지 제조 방법은 전하 선택 박막이 전하를 선택적으로 터널링시키면서 패시베이션 특성을 향상시켜 태양전지의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지 제조 방법은 후면에 제 1 전하 선택 박막(정공 선택 박막) 및 제 2 전하 선택 박막(전자 선택 박막)을 모두 형성함으로써 전면 전극에 의한 태양광의 그림자 손실을 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 전하 선택 접합형 태양 전지의 수직 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지 제조 방법의 공정도이다.
도 3은 도 2의 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지 제조 방법에 의한 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지의 수직 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지 제조 방법의 공정도이다.
도 3은 도 2의 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지 제조 방법에 의한 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지의 수직 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지 제조 방법에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지 제조 방법의 공정도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지 제조 방법은, 제 1 도전형 실리콘 기판 제공 단계(S110)와, 제 2 도전형 실리콘층 형성 단계(S120)와, 전면 산화층 형성 단계(S130)와, 전면 반사 방지막 형성 단계(S140), 후면 산화층 형성 단계(S150), 제 1 전하 선택 박막 형성 단계(S160), 제 2 전하 선택 박막 형성 단계(S170), 제 1 및 제 2 후면 투명 전극 형성 단계(S180) 그리고 제 1 및 제 2 후면 금속 전극 형성 단계(S190)를 포함하여 이루어질 수 있다.
도 3은 도 2의 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지 제조 방법에 의한 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지의 수직 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지는 제 1 도전형 실리콘 기판(210)의 상부에 제 2 도전형 실리콘층(220)과, 전면 산화층(230)과, 전면 반사방지막(240)이 순차적으로 형성되며, 제 1 도전형 실리콘 기판(110)의 하부에 후면 산화층(250), 제 1 및 제 2 전하 선택 박막(262, 264), 제 1 및 제 2 후면 투명 전극(272, 274), 제 1 및 제 2 후면 금속 전극(282, 284)이 순차적으로 형성될 수 있다.
상기 후면 전극 전하 선택 접합형 실리콘 태양 전지(200)는 후면 산화층(250), 제 1 전하 선택 박막(262), 제 2 전하 선택 박막(264)이 각각 정공 선택 결합층(Hole Selective Contact Layer, HSCL) 및 전자 선택 접합층(Electron Selective Contact Layer, ESCL)을 형성하여 계면 결함이 감소되고, 정공 및 전자를 터널링시켜 전기 전도도가 우수하고, 패시베이션 특성이 우수하여 발전 효율이 향상될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 후면 전극 전하 선택형 태양 전지 제조 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
상기 제 1 도전형 실리콘 기판 제공 단계(S110)는 제 1 도전형 불순물을 포함하는 제 1 도전형 실리콘 기판(210)을 제공하는 단계이다. 상기 제 1 도전형 실리콘 기판(210)은 대략 평평한 상면과, 상면의 반대면으로서 대략 평평한 하면을 포함하는 반도체 기판으로 형성될 수 있다. 상기 제 1 도전형 불순물은 n형 불순물이며, 비소(As) 또는 안티몬(Sb)과 같은 5가 원소의 불순물을 함유할 수 있다. 제 1 도전형 실리콘 기판(210)이 n형일 경우 p형일 경우보다 LID특성이 우수하여, 보다 고효율의 태양 전지를 구현할 수 있다.
여기서, 상기 제 1 도전형 실리콘 기판(210)은 반사율을 감소시키고 광 포집 효율을 향상시키기 위하여 상면 또는 상면과 하면에 미세한 텍스처(texture) 구조를 구비할 수 있다. 상기 텍스처 구조는 산성 에칭과 같은 습식 에칭으로 형성될 수 있다. 상기 제 1 도전형 실리콘 기판(210)의 상면 및 하면이 각각 텍스처 구조를 가지는 경우에, 제 1 도전형 실리콘 기판(210)의 상면 및 하면에 형성되는 박막 또는 층들도 텍스처 구조를 가질 수 있다. 여기서, 상기 제 1 도전형 실리콘 기판(210)의 상면은 빛이 입사되는 면을 의미한다.
상기 제 2 도전형 실리콘층 형성 단계(S120)는 제 1 도전형 실리콘 기판(210)의 상면에 제 2 도전형 불순물을 포함하는 제 2 도전형 실리콘층(220)을 형성하는 단계이다. 상기 제 2 도전형 불순물은 p형 불순물이며, 보론(B), 인듐(In) 또는 갈륨(Ga)과 같은 3가 원소의 불순물을 포함할 수 있다.
상기 전면(前面) 산화층 형성 단계(S130)는 제 2 도전형 실리콘층(220)의 상면을 산화 처리하여 산화층을 형성하는 단계이다. 상기 산화 처리는 제 2 도전형 실리콘층(220)의 표면을, 예를 들면, SC-1 용액, SC-2 용액, 질산, 염산, 황산, 인산 또는 불산으로 습식 산화 처리(wet oxidation)하는 과정이다.
예를 들면, 상기 전면 산화층 형성 단계(S130)는 암모니아와 과산화수소와 물이 일정한 비율로 혼합된 용액(Standard Cleaning-1 용액)을 대략 50 ∼ 120℃에서 제 2 도전형 실리콘층(220)의 상면에 공급하여 전면 산화층(230)을 형성시킬 수 있다. 상기 전면 산화층 형성 단계(S130)에서 온도가 50℃보다 낮은 경우에 전면 산화층(230) 형성 속도가 매우 느릴 수 있다.
상기 전면 산화층(230)은 실리콘 산화막(SiO2), 알루미늄 산화막(Al2O3)일 수 있다. 또한, 상기 전면 산화층 형성 단계(S130)는 염산과 과산화수소와 물이 일정한 비율로 혼합된 용액(Standard Cleaning-2용액)을 대략 50 ∼ 120℃에서 제 2 도전형 실리콘층(220)의 상면에 공급하여 전면 산화층(230)을 형성시킬 수 있다. 상기 전면 산화층 형성 단계(S130)는 1분 내지 5분 동안 진행될 수 있다.
상기 전면 산화층(230)은 0.5 ∼ 2nm의 두께로 형성될 수 있다.
전면 산화층은 Al2O3 패시베이션층의 핵생성 위치로 작용되어 패시베이션 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 전면 반사 방지막 형성 단계(S140)는 전면 산화층(230)의 상부에 전면 반사 방지막(240)을 형성하는 과정이다. 전면 반사 방지막(240)을 형성하는 방법으로는, 화학기상증착(CVD) 방법을 이용하여 태양전지의 수광부 상에 질화실리콘(SiNx)을 증착하고, 플라즈마를 사용한 건식 식각법이나 습식 식각법으로 질화실리콘(SiNx)을 패터닝하여 반사방지막을 형성하는 방법을 대표적인 예로 들 수 있다.
상기 후면 산화층 형성 단계(S150)는 제 1 도전형 실리콘 기판(210)의 하면을 산화 처리하여 후면(後面) 산화층(250)을 형성하는 단계이다. 상기 후면 산화층 형성 단계(S140)는 제 1 도전형 실리콘 기판(210)의 표면을, 예를 들면, SC-1 용액, SC-2 용액, 질산, 염산, 황산, 인산 또는 불산으로 습식 산화 처리(wet oxidation)하는 과정이다.
예를 들면, 상기 후면 산화층 형성 단계(S150)는 암모니아와 과산화수소와 물이 일정한 비율로 혼합된 용액(Standard Cleaning-1 용액)을 대략 50 ∼ 120℃에서 제 1 도전형 실리콘 기판(210)의 하면에 공급하여 후면 산화층(250)을 형성시킬 수 있다. 상기 후면 산화층 형성 단계(S140)에서 온도가 50℃보다 낮은 경우에 후면 산화층(250) 형성 속도가 매우 느릴 수 있다.
상기 후면 산화층(250)은 실리콘 산화막(SiO2) 또는 알루미늄 산화막(Al2O3)일 수 있다. 또한, 상기 후면 산화층 형성 단계(S150)는 염산과 과산화수소와 물이 일정한 비율로 혼합된 용액(Standard Cleaning-2 용액)을 대략 50 ∼ 120℃에서 제 1 도전형 실리콘층(210)의 하면에 공급하여 후면 산화층(250)을 형성시킬 수 있다. 상기 후면 산화층 형성 단계(S140)는 1분 내지 5분 동안 진행될 수 있다.
상기 후면 산화층 형성 단계(S150)는 제 1 도전형 실리콘 기판(210)의 하면에 하이드록실(-OH) 그룹의 개수를 증가시켜, 제 1 및 제 2 전하 선택 박막(262, 264)의 증착을 위한 핵 성장 위치(nucleation cite)를 증가시킬 수 있다. 상기 후면 산화층(250)은 제 1 및 제 2 전하 선택 박막(262, 264)의 증착을 위한 핵 성장 위치(nucleation cite)를 증가시켜, 제 1 전하 선택 박막(정공 선택 박막) 및 제 2 전하 선택 박막(전자 선택 박막)이 균일하게 증착될 수 있도록 한다. 상기 후면 산화층은 제 1 및 제 2 전하 선택 박막의 표면 커버리지를 증가시켜 패시베이션 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 후면 산화층(250)은 0.5 ∼ 2nm의 두께로 형성될 수 있다. 상기 후면 산화층(250)의 두께가 너무 얇으면, 제 1 및 제 2 전하 선택 박막(262, 264)의 증착을 위한 핵 성장 위치가 감소되어 제 1 및 제 2 전하 선택 박막(262, 264)의 균일한 증착이 저해되며, 패시베이션 특성이 저하될 수 있다. 상기 후면 산화층(250)의 두께가 너무 두꺼우면, 정공 및 전하의 터널링이 감소되어 발전 효율이 감소될 수 있다. 또한, 상기 후면 산화층(250)의 두께가 너무 두꺼우면, 상대적으로 제 1 및 제 2 전하 선택 박막(262, 264)의 두께가 감소되어야 하므로 제 1 및 제 2 전하 선택 박막(262, 264)의 기능이 저하될 수 있다.
여기서, 산화층 형성을 습식 조(wet bath)에 담가서 진행할 경우 전면 산화층과 후면 산화층을 동시에 형성할 수도 있다.
상기 제 1 전하 선택 박막 형성 단계(S160)는 상기 후면 산화층(250)의 하면 일부 영역에 제 1 전이 금속 산화물을 증착시켜 제 1 전하 선택 박막(262)을 형성하는 단계이다.
상기 제 1 전하 선택 박막 형성 단계(S160)는 반도체 공정에서 일반적으로 사용되는 포토 리소그라피 공정, 나노 임프린트 공정, 스크린 프린트 공정 또는 잉크젯 프린트 공정에 의하여 형성된다. 상기 공정들은 반도체 공정 등에서 일반적으로 사용되는 공정들이므로 여기서 구체적인 설명은 생략한다.
상기 제 1 전하 선택 박막 형성 단계(S160)는 포토레지스트, 전극 페이스트에 포함되는 레진류(paste resin) 또는 반도체 공정에서 사용되는 일반적인 패터닝 재료(Octadecyltrimethoxysilane(OTMS))등에 의하여 형성될 수 있다.
폴리머 페이스트(polymer paste), 레진(resin) 또는 잉크(ink) (PR이나 OTMS같은 패터닝(patterning)할 수 있는 고분자 물질들)을 이용하여 제 1 전이 금속 산화물이 증착되지 않아야 할 영역에 패턴 인쇄를 진행하고 원자층 증착 공정(ALD)을 이용하여 제 1 전이 금속 산화물이 증착되어야 할 영역에 2 ~ 15nm 두께로 제 1 전이 금속 산화물을 증착한다. 그런 다음 아세톤 에탄올류에 1 ~ 20분간 처리하면, 리프트 오프(lift-off) 공정에 의해서 폴리머가 인쇄된 영역이 제거되면서 제 1 전이 금속 산화물이 증착된 막만이 남겨진다.
상기 제 1 전하 선택 박막(262)이 정공(hole)을 선택하기 위한 박막일 경우 상기 제 1 전이 금속 산화물(Transition Metal Oxide; TMO) 즉, 홀 선택 물질(hole-selective material)은 예를 들면, MoOx, NiOx, VOx 및 WOx중에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제 1 전하 선택 박막 형성 단계(S160)는 원자층 증착 공정으로 진행될 수 있다. 상기 원자층 증착 공정은 금속 원소를 포함하는 프리커서(precursor)로부터 생성되는 소스 가스와 수증기(H2O) 또는 오존(O3)을 포함하는 산화제를 교대로 공급하여 진행될 수 있다. 상기 원자층 증착 공정은, 제 1 전하 선택 박막(262)이 MoOx로 형성되는 경우에, Mo의 프리커서인 Mo(CO)6을 소스 가스로 사용하고, 상기 원자층 증착 공정은 소스 가스와 산화제를 교대로 공급하고 소스 가스와 산화제의 반응에 의하여 제 1 전하 선택 박막(262)을 형성한다.
이때, 상기 산화제는 수증기 또는 오존의 어느 하나만을 사용할 수 있다. 또한, 상기 원자층 증착 공정은 산화제를 수증기와 오존을 교대로 사용할 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기 원자층 증착 공정은 소스 가스를 공급하고 산화제인 오존을 공급하며, 다시 소스 가스를 공급하고 산화제인 수증기를 공급하여 진행될 수 있다. 상기 원자층 증착 공정은 산화제를 오존과 수증기를 교대로 공급함으로써 프리커서의 리간드(ligand)의 반응성을 증가시킬 수 있다.
여기서, 오존(ozone)의 조성비를 조절할 수 있다. 오존의 조성비는 수증기(water vapor) 또는 오존의 사용 정도에 의해 약간의 조정이 가능하다. 오존 플라즈마(ozone plasma)도 한 방법이 될 수 있다.
또한, 상기 원자층 증착 공정은 오존과 수증기의 공급 횟수를 조절하여 제 1 전하 선택 박막(262)의 조성비를 조절할 수 있다. 예를 들면, 상기 제 1 전하 선택 박막(262)이 MoOx인 경우에, x의 값을 조절할 수 있다. 또한, 상기 원자층 증착 공정은 증착 공정의 초기에 보다 강한 산화제에 의하여 후면 산화층(250)의 표면과 반응함으로써 계면 결함 밀도를 줄이고, Mo의 핵 생성과 Mo의 밀도를 증가시켜 계면 트랩 전하 밀도를 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 원자층 증착 공정은 후면 산화층(250)의 하면에 제 1 전하 선택 박막(262)을 증착시키므로 증착 속도가 증가될 수 있다. 상기 원자층 증착 공정은 제 1 전하 선택 박막(262)의 두께를 얇게 조절할 수 있다.
상기 제 1 전하 선택 박막(262)은 정공(hole)을 선택적으로 터널링시키면서 패시베이션 작용을 할 수 있다. 상기 제 1 전하 선택 박막(262)이 직접 제 1 도전형 실리콘 기판(210)의 하면에 형성되는 경우에, 제 1 도전형 실리콘 기판(210)과의 계면에서 계면 트랩 전하 밀도가 감소하여 계면 결함이 발생될 수 있다. 이에 비하여 상기 제 1 전하 선택 박막(262)은 후면 산화층(259)인 실리콘 산화막(SiO2)이 형성된 제 1 도전형 실리콘 기판(210)의 표면에 형성되므로 계면 결함이 감소될 수 있다.
상기 제 2 전하 선택 박막 형성 단계(S170)는 제 1 전하 선택 박막 형성 단계(S160)에서 인쇄된 폴리머가 제거된 영역에 반대 형태의 전하 선택 물질을 증착할 수 있도록 폴리머를 패터닝 인쇄하고 원자층 증착 공정(ALD)에 의해 제 2 전하 선택 박막(264)을 증착하고 다시 아세톤류에 처리하면 최종적으로 도 3에 도시된 구조가 형성된다.
상기 제 2 전하 선택 박막 형성 단계(S170)는 반도체 공정에서 일반적으로 사용되는 포토 리소그라피 공정, 나노 임프린트 공정, 스크린 프린트 공정 또는 잉크젯 프린트 공정에 의하여 형성되며, 상기 공정들은 반도체 공정 등에서 일반적으로 사용되는 공정들이므로 여기서 구체적인 설명은 생략한다.
상기 제 2 전하 선택 박막(264)이 전자(electron)를 선택하기 위한 박막일 경우 상기 제 2 전이 금속 산화물(Transition Metal Oxide; TMO)은 예를 들면, Ta2O5, TiO2, SrTiO3일 수 있다. 상기 제 2 전하 선택 박막 형성 단계(S170)는 원자층 증착 공정(ALD)으로 진행될 수 있다. 상기 원자층 증착 공정은 금속 원소를 포함하는 프리커서로부터 생성되는 소스 가스와 수증기(H2O) 또는 오존(O3)을 포함하는 산화제를 교대로 공급하여 진행될 수 있다. 상기 원자층 증착 공정은, 제 2 전하 선택 박막(264)이 TiO2로 형성되는 경우에, Ti의 프리커서(precursor)인 Titanium isopropoxide (TTIP), tetrakis-dimethyl-amidotitanium (TDMAT), TiCl4를 소스 가스로 사용하고, 상기 원자층 증착 공정은 소스 가스와 산화제를 교대로 공급하고 소스 가스와 산화제의 반응에 의하여 제 2 전하 선택 박막(264)을 형성한다.
이때, 상기 산화제는 수증기 또는 오존의 어느 하나만을 사용할 수 있다. 또한, 상기 원자층 증착 공정은 산화제로서 수증기와 오존을 교대로 사용할 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기 원자층 증착 공정은 소스 가스를 공급하고 산화제인 오존을 공급하며, 다시 소스 가스를 공급하고 산화제인 수증기를 공급하여 진행될 수 있다. 상기 원자층 증착 공정은 산화제를 오존과 수증기를 교대로 공급함으로써 프리커서의 리간드(ligand)의 반응성을 증가시킬 수 있다.
여기서, 오존(ozone)의 조성비를 조절할 수 있다. 제 1 전하 선택 박막(정공 선택 박막)에서와 같이 수증기(water vapor) 또는 오존의 사용 정도에 의해 약간의 조정이 가능하다. 오존 플라즈마(ozone plasma)도 한 방법이 될 수 있다.
또한, 상기 원자층 증착 공정은 증착 공정의 초기에 보다 강한 산화제에 의하여 후면 산화층의 표면과 반응함으로써 계면 결함 밀도를 줄이고, Ti의 핵 생성을 증가시켜서 산화티탄(TiOx)의 전이층(transition layer)의 두께를 줄이고, 계면 트랩 전하 밀도를 증가시킬 수 있다.
전이층(transition layer)은 조성비가 변화하는 부분으로서 예를 들면 이산화티탄(TiO2)층이 되어야 하는데, 실리콘(Si)과 이산화티탄(TiO2)박막의 계면이 산화티탄(TiOx)(0.1<x<2)의 조성을 갖는 층을 말한다. 산화층을 사용함으로써 핵생성이 잘되어 전이층(transition layer)을 줄일 수 있으며, 전이층(transition layer)이 계면 트랩 전하를 생성하게 된다.
또한, 상기 원자층 증착 공정은 후면 산화층의 상면에 제 2 전하 선택 박막을 증착시키므로 증착 속도가 증가될 수 있다. 상기 원자층 증착 공정은 제 2 전하 선택 박막의 두께를 얇게 조절할 수 있다.
상기 제 2 전하 선택 박막(264)은 전자(electron)를 선택적으로 터널링시키면서 패시베이션 작용을 할 수 있다. 상기 제 2 전하 선택 박막(264)이 직접 제 1 도전형 실리콘 기판(210)의 하면에 형성되는 경우에, 제 1 도전형 실리콘 기판(210)과의 계면에서 계면 트랩 전하 밀도가 감소하여 계면 결함이 발생될 수 있다. 이에 비하여 상기 제 2 전하 선택 박막(264)은 후면 산화층(250)인 실리콘 산화막(SiO2)이 형성된 제 1 도전형 실리콘 기판(210)의 표면에 형성되므로 계면 결함이 감소될 수 있다.
상기 제 2 전하 선택 박막(264)은 2 ∼ 15nm의 두께로 형성될 수 있다. 상기 제 2 전하 선택 박막(264)의 두께가 너무 두꺼우면 접촉 저항이 증가되고 전자의 터널링이 감소될 수 있다. 또한, 상기 제 2 전하 선택 박막(264)의 두께가 너무 얇으면 패시베이션 특성이 약해질 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 후면 투명 전극 형성 단계(S180)는 제 1 및 제 2 전하 선택 박막(262, 264)의 하면에 제 1 및 제 2 후면 투명 전극(272, 274)을 각각 형성하는 단계이다.
상기 제 1 및 제 2 후면 투명 전극(272, 274)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, ITO(indium tin oxide) 또는 도핑된 ZnO 박막으로 형성될 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 후면 투명 전극 형성 단계(S180)는 태양 전지 제조 공정에서 일반적으로 사용되는 투명 전극을 형성하는 방법으로 진행될 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 후면 투명 전극(272, 274)은 반사 방지 역할을 하는 동시에 전극 역할을 수행할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 후면 투명 전극(272, 274)은 제 1 도전형 실리콘 기판(210)의 하면이 텍스처 구조를 갖는 경우에, 마찬가지로 텍스처 구조를 포함하여 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 후면 금속 전극 형성 단계(S190)는 제 1 및 제 2 후면 투명 전극(272, 274)의 하부에 제 1 및 제 2 후면 금속 전극(282, 284)을 각각 형성하는 단계이다. 상기 제 1 및 제 2 후면 금속 전극 형성 단계(S190)는 태양 전지 제조 공정에서 일반적으로 사용되는 금속 전극을 형성하는 방법으로 진행될 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 후면 금속 전극(282, 284)은 각각 바 형태 또는 그리드 형태로 형성될 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 후면 금속 전극(282, 284)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 금, 은, 구리, 알루미늄, 니켈, 팔라듐의 단독 또는 합금으로 형성될 수 있다.
제 1 후면 투명 전극과 제 2 후면 투명 전극(282, 284)을 형성하기 전에 제1 전하 선택 박막(262)과 제 2 전하 선택 박막(264)의 경계를 패터닝한다. 패터닝 과졍은 일반적으로 반도체에서 사용하는 포토 레지시트(photoresist)를 사용한다. 저렴하게 할 수 있는 방법은 스크린 프린트를 이용하여 경계 부분에 폴리머를 인쇄하고 제 1 후면 투명 전극과 제 2 후면 투명 전극을 증착한 다음, 폴리머를 용액으로 에칭하여 분리하는 방법일 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 후면 금속 전극(282, 284)은 알루미늄(Al)과 같은 도전성 물질을 함유하는 페이스트를 제 1 및 제 2 후면 투명 전극(272, 274) 하면에 스크린 프린팅과 같은 방식으로 도포하고 건조 및 소정 과정을 통하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 제 1 및 제 2 후면 금속 전극(282, 284)은 진공 증착법에 의하여 도전성 물질을 증착하여, 건조 및 소성을 진행하지 않고 500℃ 이하의 온도에서 FGA(forming gas anneal)분위기에서 형성될 수 있다.
제 1 및 제 2 후면 금속 전극(282, 284)에 있어서, 진공증착을 이용할 경우에는 태양전지의 앞에 메쉬 그리드(mesh grid)를 설치하여 증착시 메쉬 그리드에 의해 셰도우(shadow)되어 그 부분에 증착이 안 되게 하는 방식으로 진행하고, 구리 도금을 이용할 경우에는 TCO 위에 도금 시드층(seed layer)인 Ni, TiW, Cu 합금(alloy) 등을 300nm이내의 두께로 증착한 후 구리 도금을 진행한다.
상기 제 1 및 제 2 후면 금속 전극(282, 284)은 제 1 도전성 반도체 기판(210))으로부터 이동하는 정공 및 정공을 수집하여 외부 장치로 출력한다. 상기 제 1 및 제 2 후면 금속 전극(282, 284)은 알루미늄(Al) 대신, 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 금(Au) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 도전성 물질을 함유할 수 있고, 이외의 다른 도전성 물질을 함유할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 전하 선택 접합 실리콘 태양 전지 제조 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100...전하 선택형 태양 전지
110...제 1도전성 실리콘 기판 120...제 2 도전성 실리콘층
130..상부 산화층 140...상부 전하 선택 박막
150...상부 투명 전극 155...상부 금속 전극
160...하부 산화층 170...하부 전하 선택 박막
180...하부 투명 전극 185...하부 금속 전극
200...후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지
210...제 1 도전성 실리콘 기판 220...제 2 도전성 실리콘층
230...전면 산화층 240...전면 반사 방지막
250...후면 산화층 262, 264...전하 선택 박막
272,274...후면 투명 전극 282, 284...후면 금속 전극
110...제 1도전성 실리콘 기판 120...제 2 도전성 실리콘층
130..상부 산화층 140...상부 전하 선택 박막
150...상부 투명 전극 155...상부 금속 전극
160...하부 산화층 170...하부 전하 선택 박막
180...하부 투명 전극 185...하부 금속 전극
200...후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지
210...제 1 도전성 실리콘 기판 220...제 2 도전성 실리콘층
230...전면 산화층 240...전면 반사 방지막
250...후면 산화층 262, 264...전하 선택 박막
272,274...후면 투명 전극 282, 284...후면 금속 전극
Claims (12)
- 제 1 도전형 불순물을 포함하는 제 1 도전형 실리콘 기판을 제공하는 제 1 도전형 실리콘 기판 제공 단계;
상기 제 1 도전형 실리콘 기판의 상면에 제 2 도전형 불순물을 포함하는 제 2 도전형 실리콘층을 형성하는 제 2 도전형 실리콘층 형성 단계;
상기 제 2 도전형 실리콘층의 상면을 산화 처리하여 전면 산화층을 형성하는 전면(前面) 산화층 형성 단계;
상기 전면 산화층의 상부에 전면(前面) 반사방지막을 형성하는 단계와 상기 제 1 도전형 실리콘 기판의 하면을 산화 처리하여 후면 산화층을 형성하는 후면(後面) 산화층 형성 단계;
상기 후면 산화층의 하부 일부 영역에 제 1 전이 금속 산화물을 증착시켜 터널링을 통해 제 1 전하가 통과할 수 있는 제 1 전하 선택 박막을 형성하는 제 1 전하 선택 박막 형성 단계;
상기 후면 산화층의 하부에서 상기 제 1 전하 선택 박막이 형성되지 않은 영역에 제 2 전이 금속 산화물을 증착시켜 터널링을 통해 제 2 전하가 통과할 수 있는 제 2 전하 선택 박막을 형성하는 제 2 전하 선택 박막 형성 단계;
상기 제 1 및 제 2 전하 선택 박막의 하부에 제 1 및 제 2 후면 투명 전극을 각각 형성하는 단계; 및
상기 제 1 및 제 2 후면 투명 전극의 하부에 제 1 및 제 2 후면 금속 전극을 각각 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 도전형 실리콘 기판은 n형 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 전면 산화층 형성 단계는 상기 제 2 도전형 실리콘층의 상면을 SC-1 솔루션, SC-2 솔루션, 질산, 염산, 황산, 인산 또는 불산으로 습식 산화 처리하여 형성하는 것을 특징으로 하는 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지 제조 방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 전면 산화층은 0.5 ∼ 2nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 후면 산화층 형성 단계는 상기 제 1 도전형 실리콘 기판의 하면을 SC-1 솔루션, SC-2 솔루션, 질산, 염산, 황산, 인산 또는 불산으로 습식 산화 처리하여 형성하는 것을 특징으로 하는 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지 제조 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 후면 산화층은 0.5 ∼ 2nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전하 선택 박막 형성 단계는 MoOx의 원소를 포함하는 프리커서로부터 생성되는 Mo(CO)6 소스 가스와 수증기(H2O) 또는 오존(O3)을 포함하는 산화제를 교대로 공급하는 원자층 증착 공정으로 진행되고,
상기 원자층 증착 공정은 상기 오존과 상기 수증기의 공급 횟수를 조절하여 상기 MoOx 중 x값을 조절하는 것을 특징으로 하는 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지 제조 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 1 전하 선택 박막은 2 ∼ 15nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지 제조 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 전이 금속 산화물은 MoOx, NiOx, VOx 및 WOx 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 전하 선택 박막 형성 단계는 TiO2의 원소를 포함하는 프리커서로부터 생성되는 Titanium isopropoxide (TTIP), tetrakis-dimethyl-amidotitanium (TDMAT), TiCl4 소스 가스와 수증기(H2O) 또는 오존(O3)을 포함하는 산화제를 교대로 공급하는 원자층 증착 공정으로 진행되는 것을 특징으로 하는 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지 제조 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 2 전하 선택 박막은 2 ∼ 15nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지 제조 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 제 2 전이 금속 산화물은 Ta2O5, TiO2 및 SrTiO3 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 전극 전하 선택 접합형 태양 전지 제조 방법.
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2019
- 2019-07-18 KR KR1020190087104A patent/KR102243251B1/ko active IP Right Grant
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