KR930004126B1 - 단결정 실리콘 태양전지의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
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Description
제1도는 본 발명에 의한 앞면 금속 그리드 패턴도.
제2도는 본 발명에 의한 포토 리지스트의 돌출구조도.
제3(a)도, 제3(b)도는 본 발명의 제조공정 설명도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 전지 2 : 그리드 핑거
3 : 패드
본 발명은 단결정 실리콘 태양전지의 제조방법에 관한 것으로, 특히 텍스취리제이션(Texturization)과 리프트 오프(Lift off)기술을 이용한 것이다.
발명은 상세한 설명에 앞서 태양전지의 이론적인 배경을 간단히 설명하면 다음과 같다.
태양전지는 일종의 다이오드로서 전지의 앞면에 태양광이 노출되면 광에너지에 의해 전자-정공쌍이 생성된다.
이들 전자와 정공은 전위장벽을 중심으로 서로 분리되어 전기를 발생시키며 이 태양전지에 부하를 연결하면 전류-전압 관계식은 아래의 식(1)과 같이 나타낼 수 있다.
LL-Iph-Io(eXP[qVL/nKT]-1)…………………………………………(1)
여기서 LL은 부하에 흐르는 전류, Iph는 광에 의해 생성된 전류 Io는 포화암전류, q는 캐리어의 전하량, VL은 부하의 저항 양단에 생긴 전압강하, n은 다이오드 상수(Diode qualify factor), K는 볼쯔만상수, T는 절대온도이다.
개방전압(Voc)은 IL=0의 조건으로부터 식(1)에 의해 아래의 식(2)으로 나타낼 수 있다.
Voc=nKT/q.In(Iph/Io+1)…………………………………………………(2)
또한, 단락전류(Isc)는 VL=0 조건으로부터 아래의 식(3)으로 나타낼 수 있다.
Isc=Iph………………………………………………………………………(3)
또한 태양전지의 다른 두가지 중용 요소인 증실도(FF : Full Factor)와 효율(n)은 아래의 식(4)(5)으로 나타낼 수 있다.
FF=Im. Vm/Isc. Voc………………………………………………………(4)
n=Jm. Vm/Pin=Jsc. Voc.FF/Pin…………………………………………(5)
여기서 Im, Vm은 추출해 낼 수 있는 최대출력, Pin은 입사강도, Jsc는 단락전류 밀도이다.
태양전지제조의 주안점은 저가, 고효율, 고신뢰도 등에 있으므로 먼저 고효율을 얻기 위해서는 식(5)에 나타낸 바와같이 Jsc, Voc, FF를 높여주어야만 한다.
또한 상기 Jsc를 높이기 위해서는 태양전지 표면에서 빛을 많이 흡수해야 하고 잘 반사되게 해야한다.
또한 Voc를 높이기 위해서는 벌크(Bulk), 오제이(Auger), 표면, 금속 등에서 일어나는 재 결합을 줄여 주어야 하고, FF를 높이기 위해서는 태양전지의 직렬저항을 줄이고 병렬저항을 높여야 한다.
이상과 같이 태양전지 제조시에는 상기 모든 사항들을 고려하여 설계하고 공정을 진행해야 한다.
종래의 태양전지 제조공정(대한민국 전자공학회지, 제19권 제5호 pp26-31, 1982)은 다음과 같다.
먼저 비저항 3-6Ωcm, 결정면(100), 두께 350-400㎛인 P형 단결정 실리콘의 앞면을 하이드라진 하이드레이트(Hydrazine Hydrate)와 피로케티콜(Pyrocathecol)을 혼합한 용액을 이용하여 텍스취리제인션 시킨다.
이어 뒷면에 알루미늄 전극을 형성하고 앞면에 약 100Å의 두께로 산화막을 형성한 다음 알루미늄을 증착하였다.
그리고 상기 증착된 알루미늄위에 사진 식각법을 이용하여 태양전지 전체면적의 약 13%가 되도록 앞면전극 그리드 패턴을 형성하므로써 MIS(Metal-Insulator-Semiconductor) 구조의 태양전지를 완성하였다.
상기 MIS형 태양전지는 일종의 다이오드로서 앞면에 태양광이 흡수되면 이 광에너지에 의해 전자-정공쌍이 생성되고 이들은 열평형 상태에서 전위장벽을 중심으로 서로 분리되어 전기를 발생시킨다.
그리고 이 태양전지에 부하를 연결하여 단락전류, 개방전압(Open Voltage) 충실도 등을 측정하므로써 이 전지의 효율을 알 수 있다.
그러나 상기 종래기술은 다음과 같은 단점이 있다.
첫째, 앞면 금속 그리드 면적이 태양전지 전체면적의 약 13%를 차지하여 실제 빛을 받는 부분이 87% 밖에 되지 않으므로 자연히 단락전류(Short Current)가 감소하게 된다.
둘째, 텍스취리제이션 구조를 갖도록 태양전지를 제조하였으나 표면재결합 방지막을 형성하지 않았으므로 표면 재 결합에 의해 충실도의 저하 및 개방전압의 감소가 초래되었다.
셋째, 태양전지의 최적금속인 티타늄(Ti)/팔라듐(Pcl)/은(Ag)의 3층 전극대신 알루미늄을 사용하였다.
여기서, 알루미늄을 사용하는 이유는 효율은 조금 떨어지게 되나 사진식각법을 이용하기가 용이하기 때문이다.
왜냐하면 Ti/Pd/Ag의 3층 전극구조의 경우는 사진식각시 각층마다 각각 다른 용액에서 식각해주어야 하기 때문이다.
본 발명은 상기 단점을 제거키 위한 것으로 텍스취리제이션과 리프트 오프기술을 이용하여 단락전류를 증대시키고 공정을 단순화시키고 저가 및 고효율에 적당하도록 한 단결정 실리콘 태양전지 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 수단으로서 본 발명은 단결정 실리콘을 이용한 확산접합형 태양전지 제조에 있어서, P형 실리콘 웨이퍼를 표면상의 산화막과 유기물 및 불순물 제거를 위해 세척하는 단계와, 수산화 칼슘과 이소프로필 알콜 및 물을 적절히 혼합한 용액으로 상기 웨이퍼 앞뒤 양면을 텍스취 식각(Texture Etct)시키는 단계, 텍스취식각시킨 웨이퍼 앞뒤양면을 균일한 면저항이 얻어지도록 고체소스를 이용하여 확산시키는 단계, 리프트 오프 방법으로서 포토리지스트를 클로로벤젠을 이용하여 돌출구조(Overhang Structure)로 형성한 다음 3층 전극을 형성하는 단계, 살리콘 식각법을 이용하여 태양전지를 분리시킨 후 반사방지막 코딩을 실시하는 단계를 차례로 포함한다.
본 발명의 일실시예를 첨부된 제3(a)도, 제3(b)도를 참조하여 상술하면 다음과 같다.
먼저(A)와 같이 부유대역 용융법(Float zone Method)에 의해 성장된 결정방위(1.0.0), 비저항 0.1-0.2Ωcm, 두께 15㎜, 크기 3인치의 P형 단결정 실리콘 웨이퍼를 선택한 후 초기세척 공정을 진행한다.
여기서 금속 트위저(Tweezer)는 탈이온수에서 약 15분간 끊이며 세척하고 테프론 트위저와 보트(Boat) 및 비이커 등은 용액(H2O2: H2O : HCl=5 : 2 : 1)에서 약 2시간동안 끊이므로써 실험을 하는 도구들을 먼저 세척한다.
그리고나서 선택된 웨이퍼의 표면에 붙어 있는 유기물을 세척하기 위해 TCE, 아세톤, 메탄올 순으로 끊이면서 각각의 용액에서 약 10분간씩 세척한 후 탈이온수로 약 5분간 세척한다.
다음으로 웨이퍼 표면의 산화막층을 제거하기 위해 용액(HF : H2O=1 : 10)에서 약 15초동안 세척한 후 다시 탈이온수로 5분간 세척한다.
또한 웨이퍼 표면을 깨끗이 해주기 위해 용액(NH4OH : H2O2: H2O=1 : 1 : 5)에서 끊이면서 약 5분간 세척한 후 탈이온수로 5분간 세척하고 마지막으로 웨이퍼 표면의 금속불순물을 없애주기 위해 용액(H2O : H2O2: HCl=5 : 2 : 1)에서 끊이면서 15분간 세척하고 다시 탈이온수로 약 5분간 세척한 후 드라이(Dry)한다.
이 세척공정은 반도체 공정중에서 상당히 중요하며, 특히 공정을 시작하기전과 높은 온도공정전 및 금속을 입히기전의 세척공정은 더욱 중요하다.
왜냐하면, 이들 세척공정을 잘못하게 되면 양질의 웨이퍼가 많은 손상을 입어 웨이퍼의 성능이 떨어지게 되기 때문이다.
이어 텍스취리제이션 공정과 세척공정을 진행하게 되는데 다음의 사항을 유의해야 한다.
일반적으로 반도체의 특정면을 다른면에 비해 훨씬 빨리 용해시키는 것을 방향성 에치라고 하며, 다이아몬드와 징크 브랜드(zinc-blend)격자 구조에서는(1.1.1)면이 (1.0.0)면보다 원자가 훨씬 조밀하게 밀집되어 있으므로(1.1.1)면의 에칭속도가 더 느리게 된다.
또한, 텍스취리제어션의 장점은 실리콘 표면의 반사율을 줄여서 단락전류를 증가시키는데 있으나 반면에 표면재결합율이 높아져서 개방전압이 낮아지고 전자가 이동하는 거리가 증가되므로 직렬저항이 높아져서 충실도가 낮아지게 되는 단점이 있다.
따라서, 텍스취리제이션 구조를 적용할 때에는 반드시 표면 재결합 방지막을 해주어야 한다.
또한 에치용액은 매우 유해하므로 조심스럽게 공정을 진행하여야 하고 완료된 후에는 세척을 충분히 하므로써 전자, 전공의 수평시간을 연장시키도록 한다.
본 발명의 실시예에 따른 텍스취리제이션 제조공정과 세척공정(B)은 다음과 같다.
먼저 500ml의 탈이온수에 7.65ml의 KOH를 섞고 핫 플레이트(Hot Plate)에서 65℃까지 온도를 올린 후에 37.5ml의 이소프로필 알콜을 섞는다.
이 혼합용액에 관측용 웨이퍼(Dummy Wafer)를 넣고 온도를 85℃까지 올리면서 45분간 텍스취 에치를 행하며 이때 용액의 증발을 방지하기 위해 겉을 막아준다.
이어 이 관측용 웨이퍼를 꺼내 확인한 후에 온도를 85℃로 유지시키면서 본 웨이퍼를 45분간 텍스취 에치시켜 텍스취리제이션 구조를 완성한다.
그리고나서 용액(H2SO4: H2O2=9 : 1)을 약 120℃로 하여 여기에서 약 10분간 세척한 후 탈이온수로 10분간 린스하며, 80℃의 용액 DI : H2O2: HCl=6.5 : 1 : 1)에서 10분간 다시 세척한 후 탈이온수(DI)에서 5분간 린스하고 드라이시킨다.
이 공정(B)을 거치면 피라미드(Piramid)의 높이는 5-10㎛ 정도가 된다.
다음공정(C)은 웨이퍼의 뒷면에 보론(Boron)을 확산시킬 때 장벽 역할을 해주는 실리콘 산화막을 앞면에 입히는 공정 및 세척공정인데 본 실시예에서는 화학증착법을 이용하여 산화막을 약 5000Å의 두께로 형성하였으며 세척공정은 상기한 (A)에서의 초기세척 공정과 동일하나 산화막이 형성된 상태이므로 산화막을 제거하는 공정은 피해야 하는 것에 주의해야 한다.
이어 진행되는 뒷면 보론 확산공정(D)은 종래의 확산방법인 액체소스(Liquid source)를 이용하지 않고 고체소스(B2O8, BN등)를 이용하여 950℃에서 50분간 확산하므로써 면저항(Sheet Resistance)을 약 5Ω/□으로 조절해 주고 접합깊이는 10㎛ 정도로 하였다(제2도에서 P+).
이 뒷면 확산공정(D)후에 웨이퍼의 앞뒷면에 있는 산화막을 제거하고 (E) 다시 앞면에 인을 확산하기 (G)전에 화학증착법을 이용하여 두께 약 5000Å의 실리콘 산화막을 형성하고 세척을 실시하였다(F).
전면인 확산공정(G) 또한 고체소스(P2O5등)를 이용한 것으로 830℃에서 약 20분간 확산하므로써 면저항 약 100Ω/□, 접합깊이 0.2-0.25㎛가 되도록 하였다(제2도에서 N+).
상기 전면인 확산공정(G)후에 웨이퍼의 앞뒷면의 산화막을 제거하고 (H) 세척한 다음 리프트 오프방법을 위해 사진식각(1)을 해주었다.
이어 금속형성전 세척공정(J)을 실시하고 웨이퍼 앞뒷면 전극형성 및 리프트 오프공정(K)을 실시한다.
금속에칭과정이 생략되는 장점을 지닌 리프트 오프방법을 제3도와 같이 포토 리지스트를 돌출구조로 만들어주므로써 위에 3층구조의 전극(금속)을 증착시킨 후 상기 포토리지스트를 제거할 때 위에 증착된 금속까지 제거시키도록 한 것으로 중요한 점은 돌출구조를 만들어주는데 있다. 본 발명의 실시예에서는 이를 위해 클로로벤젠(Chrolo benzen)을 사용하였는데 포토리지스트를 이 용액에 담궈 놓게 되면 포토리지스트의 윗부분이 아랫부분 보다 굳어지므로 후에 현상하였을 경우 제2도와 같이 돌출구조를 만들 수 있게 된다.
즉 포토리지스트를 4000rpm의 속도에서 코딩한 다음 95℃에서 25분간 소프트 베이크(soft bake)하였다.
이어 10초간 자외선을 조사하고 10분간 클로로벤젠에 담근 다음 용액(현상액 : 탈이온수=1 : 3.5)에서 현상하므로써 돌출구조를 형성하였다.
이런 패턴을 형성한 후에는 전극형성이 잘되도록 용액(HF : H2O=1 : 10)에서 약 10초간 세척에 주었다.
여기서 태양전지의 앞면 금속그리드는 태양광을 받는 것과 직렬 저항에 관계가 있으므로 전면 그리드를 설계할 때는 전체금속 면적을 줄여 태양광을 받는 면적을 늘리고 금속 그리드 사이의 간격을 줄여 전자가 받는 저항을 줄여주는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 종래의 그리드 패턴과는 달리 제1도와 같이 그리드를 설계하였다.
즉, 전지(1)의 크기는 1cm×1cm로 하고 그리드핑거(2)의 폭은 10㎛, 패드(3)의 크기는 600㎛×600㎛, 그리드 핑거(2)의 갯수는 태양전지 하나에 14개씩으로 하여 전체전극 면적이 태양전지 면적의 약 1%가 되게 하여 직렬저항은 낮게 되고 태양광은 많이 받아 단락전류가 증대되도록 하였다.
또한 본 발명의 실시예에서는 전극으로서 Ti/Pcl/Ag의 3층 전극을 이용하였는데 이것은 진공도를 10-7torr 이하로 유지한 상태에서 전자비임 증착기를 이용하여 Ti를 약 500Å의 두께로 증착하고 Pd와 Ag는 열증착기를 이용하여 약 500Å, 약 1000Å의 두께로 각각 증착한 다음 앞면 전극의 패턴을 만들어 주기 위해 아세톤내에서 포토리지스트를 제거하였다.
이와같이 앞뒷면 전극형성 후 (L)과 같이 전기 전도도를 높이고 직렬 저항을 줄이기 위해 은전기도금을 2.5㎃/㎠의 전류밀도하에서 약 30분간 실시하여 최종 금속두께를 약 8㎛ 정도로 만들었다.
이어 본 실시예에서는 3인치 웨이퍼 위에 제1도와 같은 태양전지를 12개 만들었으므로 이들 태양전지를 분리시켜 주기 위해(M)과 같이 사진식각을 행한 다음 (N)과 같이 용액(HF : HNO3: CH3COOH=44 : 26 : 29)으로 약 5-10초 동안 실리콘을 약 10㎛정도 식각시켰다.
그리고 식각공정 후에 남은 포토리지스트를 제거하고(0)와 같이 400℃, N2분위기하에서 약 15분간 열처리를 행하여 오옴성 접촉을 증진시키고 접착력을 증가시켰다.
이어(P)와 같이 마지막 공정으로 질화실리콘(Si3N4)을 750-800Å의 두께로 입혀 반사방지막을 형성한 후(Q)와 같이 검사공정을 거치므로써 태양전지의 제조공정이 완료된다.
상기 공정을 거쳐 제조된 태양전지는 아래의 표(1)과 같은 결과를 얻었다.
[표 (1)]
이상과 같이 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 확산공정후에 행하는 열처리공정을 없애고, 인확산공정만을 잘 조절하므로써 웨이퍼의 표면저항을 균일하게 하고 접합깊이를 얇게 하므로 공정을 줄이게 되고 표면층에 존재하는 데드층 또한 최대한 줄이게 된다.
따라서, 단락전류 밀도가 향상되었다.
둘째, 텍스취리제이션 구조를 형성하므로써 실리콘 표면의 반사율을 감소시켜 단락전류가 증대되었다.
셋째, 리프트 오프방법을 이용하므로써 금속에치 공정이 생략된다.
넷째, 앞뒷면 전극형성 후 은전기도금을 행하므로서 전기 전도도를 높이고 직렬저항을 줄이게 된다.
Claims (3)
- 단결정 실리콘을 이용한 확산접합형 태양전지 제조에 있어서, P형 실리콘 웨이퍼를 표면상의 산화막과 유기물 및 불순물 제거를 위해 세척하는 단계와, 수산화칼슘과 이소프로필 알콜 및 물을 적절히 혼합한 용액으로 웨이퍼 앞뒤 양면을 텍스취 에치하는 단계, 웨이퍼 앞뒤 양면에 균일한 면저항이 얻어지도록 고체소스를 이용하여 확산시키는 단계, 리프트 오프방법으로서 포토리지스트를 클로로벤젠을 이용하여 돌출구조로 형성하고 이어 3층 전극을 형성하는 단계, 실리콘 식각법을 이용하여 태양전지를 분리시킨 후 반사방지막 코팅을 실시하는 단계가 차례로 포함됨을 특징으로 하는 단결정 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 텍스취 에치는 500ml의 탈이온수에 7.65ml의 koH를 섞은 다음 핫 플레이트에서 65℃까지 온도를 올린 후에 37.5ml의 이소프로필 알콜을 섞어 에치용액을 만드는 단계와, 상기 용액을 관측용 웨이퍼를 넣고 온도를 85℃까지 올리면서 45분간 에치하는 단계, 상기 관측용 웨이퍼를 꺼내서 확인한 후 온도 약 85℃의 온도에서 약 45분간 에치하는 단계가 차례로 진행되어 이루어짐을 특징으로 하는 단결정 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 돌출구조는 포토리지스트를 4000rpm의 속도에서 코팅한 후 약 95℃에서 25분간 소프트 베이크하는 단계와, 약 10초간 자외선을 조사한 다음 약 10분간 클로로벤젠에 담그는 단계, 용액(현상액 : 탈이온수=1 : 3.5)에서 90초 동안 현상하는 단계를 차례로 진행하므로써 형성됨을 특징으로 하는 단결정 실리콘 태양전지의 제조방법.
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