KR100677374B1 - 박판 실리콘 기판을 이용한 다공성 실리콘 태양전지 및 그제조방법 - Google Patents
박판 실리콘 기판을 이용한 다공성 실리콘 태양전지 및 그제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 박판 실리콘 기판을 이용하여 다공성 처리를 하여 고효율 에너지 변환이 가능한 박판 실리콘 기판을 이용한 다공성 실리콘 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 결정질 p형 실리콘 기판을 준비하는 단계; 상기 p형 실리콘 기판의 전면을 다공질 처리하여 전면 다공성 실리콘층을 형성하는 단계; 상기 전면 다공성 실리콘층의 전면에 n형 실리콘 에미터층을 형성하는 단계; 상기 p형 실리콘 기판의 후면을 다공질 처리하여 후면 다공성 실리콘층을 형성하는 단계; 상기 n형 실리콘 에미터층의 전면에 반사방지막층을 형성하는 단계; 상기 반사방지막층의 전면과 상기 후면 다공성 실리콘층의 후면에 각각 전면 및 후면 금속전극을 국부적으로 형성하는 단계; 상기 전면 또는 후면 금속전극을 열처리함과 동시에 상기 후면 다공성 실리콘층의 후면 금속전극이 형성되지 않은 나머지 부분을 산화시켜 다공성 산화 실리콘층을 형성하는 단계; 및 소성 처리하여 상기 후면 금속전극과 접하는 p형 실리콘 기판의 후면에 후면 전계효과층을 형성하는 단계로 이루어진다.
태양전지, 실리콘, 기공, 금속전극
Description
도 1은 종래의 p-n 접합 분리를 설명하기 위한 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 공정도.
도 3은 다공성 실리콘 표면의 기공율 변화에 따른 표면의 구조변화를 설명하기 위한 사시도.
도 4a~도 4c는 본 발명에 따른 다공성 실리콘의 표면 기공율에 따른 전자현미경 사진.
도 5는 본 발명에 따른 다공성 실리콘 표면의 기공율 변화에 따른 반사도를 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명에 따라 다공성 실리콘 형성을 위한 화학용액 조성비를 설명하기 위한 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 태양전지의 구조를 설명하기 위한 사시도.
도 8은 본 발명에 따른 태양전지의 전기적 특성을 나타낸 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 전면 금속전극 200 : 반사방지막층
300 : n형 실리콘 에미터층 400 : 전면 다공성 실리콘층
500 : p형 실리콘 기판 600 : 다공성 산화 실리콘층
700 : 후면 금속전극 800 : 후면 전계효과층
본 발명은 박판 실리콘 기판을 이용한 다공성 실리콘 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 박판 실리콘 기판을 이용하여 다공성 처리를 하여 고효율 에너지 변환이 가능한 박판 실리콘 기판을 이용한 다공성 실리콘 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 빛에너지를 전기에너지로 바꾸는 소자인 실리콘 태양전지에 의한 발전 단가는 기존의 발전수단(예를 들어, 수력, 화력, 원자력 등)에 의한 발전단가보다 높다.
상기와 같이 태양전지에 의한 발전 단가가 높은 이유로, 태양전지에 의한 발전 단가의 대부분은 태양전지의 설치비용이 차지하는데, 태양전지의 주소재인 실리콘 기판이 태양전지 가격의 60%를 차지하고, 금속전극이 20~30%를 차지하는데, 상기 소재들의 가격이 고가이기 때문에 생산 전력당 발전비용이 높은 것이다.
따라서, 태양전지의 생산단가를 낮추기 위해서는 실리콘 기판의 소요 두께와 전극 금속의 소재 사용량을 축소시키면서 에너지 변환효율을 높여야 한다.
이와 관련하여, 기존의 태양전지 제조방법에서 기판 두께를 감축하는데 있어서 표면 조직화(texture) 공정에서 식각으로 30㎛ 이상의 실리콘을 제거하여 피라 미드 형태의 표면 조직화를 수행하였다.
상기와 같이, 기판 표면을 조직화하는 목적은 빛 수집효과를 높이면서, 전면 반사율을 감소시키고, 태양전지 내에서 빛의 통과길이를 연장하여 흡수된 빛의 이용 효율을 높이기 위한 것이다.
기존의 표면 조직화 처리 방법으로 화학적 습식 식각(chemical wet etching) 방법과 플라즈마를 이용한 건식 식각 방법을 주로 이용하였는데, 상기 플라즈마에 의한 건식 식각 방법은 최소의 식각을 달성하면서도 재현성을 가질 수 있어 대량생산이 가능한 설비 연구개발이 진행 중이나 플라즈마 식각장비의 고가이기 때문에 초기 투자비용이 상승하는 문제점이 있어서 채택하기 어렵다.
최근에는 다결정 실리콘이 화학적인 방법에 의해서는 표면 조직화가 어려워 레이저(laser)를 이용하여 홈을 형성하거나, 다면의 다아몬드 날을 이용한 피라미드를 형성하는 기술이 개발되었다. 이 방법은 다이아몬드 날을 이용하여 기계적으로 표면을 조직화한 후에, 다시 화학 용액으로 표면 결함을 제거함으로써 경사각이 35도 내외인 규칙적인 피라미드를 형성할 수 있다.
그러나 이 방법은 다이아몬드 날을 이용하여 기계적으로 압력을 인가하는 방법이기 때문에 실리콘 기판의 두께가 얇아질수록 기계적인 파손량이 증가되는 문제점과 재현성이 떨어지는 문제점을 안고 있다.
상기 레이저를 이용하는 방법은 레이저 장비의 가격이 고가이기 때문에 양산 시설 투자비용이 높아지는 문제점이 있으며, 레이저 작업에 의한 처리 방식의 근본적인 문제점인 처리량의 한계를 해소할 수 없는 문제점을 안고 있다.
그런데, 화학용액을 이용하여 기판을 식각하는 방식인 습식 화학 식각(wet chemical etching)은 비용이 가장 적게 들기 때문에 태양전지 제조를 위한 실리콘 기판의 표면 조직화에 가장 상업적인 방법이라고 할 수 있다.
이와 같은 습식 화학 식각 방법을 이용하여 실리콘 기판을 표면 조직화하기 위해 종래에는 실리콘 기판의 결정 방향에 따라 서로 다른 식각 속도를 가지는 특성을 이용하여 KOH 또는 NaOH와 같은 염기성 용액으로 실리콘 기판의 표면을 식각하는 방법을 이용하였다.
즉, 태양전지용 실리콘 기판을 준비하는 과정에서 발생하는 표면손상을 제거하기 농도가 7% 이상인 KOH 또는 NaOH와 같은 염기성 용액을 70℃ 이상의 온도로 가열하여 20㎛(전면 10㎛, 후면 10㎛)를 제거한다.
그리고, 실리콘 기판의 표면 조직화 즉, 피라미드 표면 구조물을 형성하기 위해서는 85~90℃ 온도의 2% KOH IPA(2-isopropyl-alcohol)를 이용하여 20분동안 수행하여 피라미드의 크기가 약 10㎛가 되게 해야 한다.
이와 같은 피라미드 표면 구조물 형성공정에서 추가적으로 20㎛(전면 10㎛, 후면 10㎛)이 제거된다.
따라서, 1차적인 표면 손상 제거 과정에서 20㎛, 표면조직화 과정에서 20㎛, 합계 40㎛ 가량의 두께가 손실된다.
이와 같이, 습식 화학 식각 방법을 이용하여 태양전지용 실리콘 기판의 표면을 조직화하는 과정에서 손실되는 두께가 너무 많아 기계적인 파손율 증가를 초래하기 때문에 기존의 방법으로는 태양전지의 박형화에 한계가 있어서, 통상적으로 350㎛ 정도의 두께를 가지는 실리콘 기판을 사용해야만 했기 때문에 생산 단가를 낮추는 데 한계가 있었다.
또한 KOH 또는 NaOH와 같은 염기성 용액을 이용한 피라미드 표면 조직화 방법은 상기와 같은 과도한 두께의 식각 처리에 의한 문제점뿐만 아니라, 실리콘 기판의 결정 방향에 따라 서로 다른 식각 속도를 이용하여 식각 처리를 하기 때문에 다른 결정 방향을 가지는 다결정 실리콘 기판에 대한 표면 조직화를 위해서는 다른 방식의 접근 방안이 필요해지는 문제점을 안고 있다.
한편, 기존에는 p-n 접합을 분리하기 위해서 플라즈마 식각, 샌드블라스팅 식각, 레이저 식각을 이용하여 측면의 실리콘을 제거하여 분리하였다.
즉, 도 1에 나타낸 바와 같이, p-n 접합과정에서 n형 실리콘(5)이 p형 실리콘(3)의 상하면은 물론, 측면에도 형성된다(도 1의 (A) 참조). 따라서, 측면에 형성된 n형 실리콘(5)을 제거하여 도 1의 (B)에 나타낸 바와 같이, p형 실리콘(3)의 상하면에만 n형 실리콘(5a, 5b)을 잔류시켜야 하는데, 이를 위해 상기와 같은 식각 방법을 이용하였다.
그리고, 후면에 형성된 n형 실리콘(5b) 층을 그대로 유지한 상태에서 후면의 모든 부위에 알루미늄 전극을 도포하고 고온에서 열처리함으로써, 후면의 모든 영역에 알루미늄이 확산되게 하여 p+ 층을 만들어 후면 전계(back surface field)를 형성하는 기술을 사용하였다.
따라서, 금속전극이 후면 전체에 형성되기 때문에 소요되는 전극 금속량이 증가하여 생산성이 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은, 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 표면 조직화를 위해 식각되는 두께를 최소화하여 사용되는 실리콘 기판의 두께를 얇게 하고, 후면 금속전극을 국부적으로 형성하여 소요되는 전극 금속의 소요량을 줄임으로써 태양전지의 생산성을 높여 주는 박판 실리콘 기판을 이용한 다공성 실리콘 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
그리고, 본 발명은 p형 실리콘 측 후면에 국부적으로 형성되는 금속전극 외의 부분을 다공성 처리하여 저온에서도 소성이 가능하게 하여 결함 밀도를 감소시켜 광-전 에너지 변환 효율을 높여 주는 데 부차적인 목적이 있다.
또한, 본 발명은 p형 실리콘 측 후면에 금속전극을 국부적으로 형성함으로써, 소성 과정에서 금속전극 방향으로 변형되는 것을 방지하여 신뢰성을 높여 주는 데 또 다른 목적이 있다.
본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, (a) 결정질 p형 실리콘 기판을 준비하는 단계; (b) 상기 p형 실리콘 기판의 전면을 다공질 처리하여 전면 다공성 실리콘층을 형성하는 단계; (c) 상기 전면 다공성 실리콘층의 전면에 n형 실리콘 에미터층을 형성하는 단계; (d) 상기 p형 실리콘 기판의 후면을 다공질 처리하여 후면 다공성 실리콘층을 형성하는 단계; (e) 상기 n형 실리콘 에미터층의 전면에 반사방지막층을 형성하는 단계; (f) 상기 반사방지막층의 전면과 상기 후면 다공성 실리콘층의 후면에 각각 전면 및 후면 금속전극을 국부적으로 형성하는 단계; (g) 상기 전면 또는 후면 금속전극을 열처리함과 동시에 상기 후면 다공성 실리콘층의 후면 금속전극이 형성되지 않은 나머지 부분을 산화시켜 다공성 산화 실리콘층을 형성하는 단계; 및 (h) 소성 처리하여 상기 후면 금속전극과 접하는 p형 실리콘 기판의 후면에 후면 전계효과층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박판 실리콘 기판을 이용한 다공성 실리콘 태양전지의 제조방법을 제공한다.
상기 p형 실리콘 기판은 단결정 또는 다결정 실리콘 기판이고, 그 두께가 240㎛ 이하인 실리콘 기판이다.
상기 (b)단계 또는 (d)단계의 다공질 처리는 습식 화학 식각법에 의해 이루어지고, 상기 전면 다공성 실리콘층 또는 후면 다공성 실리콘층은 산성 용액에 의한 산화 처리와 불산에 의한 산화막 제거 처리가 동시에 이루어져 형성된다.
상기 전면 다공성 실리콘층 또는 후면 다공성 실리콘층은 산화막이 형성되는 즉시 산화막 제거 처리가 이루어지게 산성 용액과 불산 용액의 비를 조절한다.
상기 산성 용액은 질산이고, 희석제로 물을 더 포함하여, 상기 전면 다공성 실리콘층은 질산 : 불산 : 물의 비율이 18 : 15 : 11가 되게 혼합한 용액에 의하여 이루어진다.
상기 후면 다공성 실리콘층은 질산 : 불산 : 물의 비율이 2: 15: 5가 되게 혼합한 용액에 의하여 이루어진다.
상기 (b)단계 또는 (d)단계는 상기 질산 성분에 의하여 생성되는 산화질소가스를 배기시키기 위한 가스 배기 처리가 동시에 이루어진다.
상기 (b)단계 또는 (d)단계는 상기 다공질 처리 중 발생되는 열을 냉각시키기 위한 냉각 처리가 동시에 이루어진다.
상기 전면 다공성 실리콘층은 기공율이 65~75%이고, 상기 후면 다공성 실리콘층은 기공율이 45~55%이다.
상기 (c)단계는 상기 전면 다공성 실리콘층의 전면에 인산용액(H3PO4)을 도포한 후 열처리하여 n형 실리콘 에미터층을 형성한다.
상기 인산용액의 도포는 스프레이 방식으로 이루어지며, 상기 인산용액은 증류수에 대하여 7~30%로 희석된 것을 사용한다.
상기 열처리는 퍼니스를 이용하여 900℃에서 10분동안 이루어진다.
(c)단계는 상기 열처리에 의한 확산 처리 중 형성된 산화막을 제거하는 단계를 더 포함하여 이루어지고, 상기 산화막의 제거는 불산에 의하여 이루어진다.
상기 (e)단계의 반사방지막층은 질화실리콘막으로 이루어지며, 상기 질화실리콘막은 굴절율이 2.1~2.2이며, 두께는 65~75nm로 형성된다.
상기 (f)단계의 상기 전면 금속전극은 은(Ag)을 이용하여, 상기 반사방지막층의 전체 면적에 대하여 5~8%의 면적으로 형성되며, 상기 (f)단계의 상기 후면 금속전극은 알루미늄(Al) 또는 3%Al/Ag를 이용하여 상기 후면 다공성 실리콘층의 전체 면적에 대하여 0.5~5%의 면적으로 형성되고, 상기 전면 또는 후면 금속전극은 스크린 인쇄방식으로 형성된다.
상기 (g)단계의 열처리는 대기 중에서 300℃에서 5분 동안 이루어지고, 상기 (h)단계의 소성 처리는 850℃에서 1초 동안 이루어진다.
그리고, 본 발명은 p형 실리콘 기판; 상기 p형 실리콘 기판의 전면에 형성된 전면 다공성 실리콘층; 상기 전면 다공성 실리콘층의 전면에 형성된 n형 실리콘 에미터층; 상기 n형 실리콘 에미터층의 전면에 형성된 반사방지막층; 상기 반사방지막층의 전면에 국부적으로 형성된 전면 금속전극; 상기 p형 실리콘 기판의 후면에 형성된 다공성 산화 실리콘층; 상기 다공성 산화실리콘층의 후면에 국부적으로 형성된 후면 금속전극; 및 상기 다공성 산화 실리콘층과 상기 후면 금속전극 사이에 형성된 후면 전계효과층을 포함하는 것을 특징으로 하는 박판 실리콘 기판을 이용한 다공성 실리콘 태양전지를 제공한다.
상기 p형 실리콘 기판은 단결정 또는 다결정 실리콘 기판이다.
상기 전면 다공성 실리콘층 또는 다공성 산화실리콘층의 각 기공율은 각각 65~75%, 45~55%이다.
상기 전면 금속전극은 은(Ag)을 이용하여, 상기 반사방지막층의 전체 면적에 대하여 5~8%의 면적으로 형성되고, 상기 후면 금속전극은 알루미늄(Al) 또는 3%Al/Ag를 이용하여 상기 후면 산화 실리콘층의 전체 면적에 대하여 0.5~5%의 면적으로 형성된다.
또한, 본 발명은 결정질 실리콘 기판을 이용한 태양전지 제조방법에 있어서, 광흡수를 위한 표면 조직화를 위하여, 실리콘 기판의 전면을 화학습식식각법으로 식각하여 기공을 깊이 방향으로 형성하는 것을 박판 실리콘 기판을 이용한 다공성 실리콘 태양전지의 제조방법을 제공한다.
상기 화학습식식각법은 산화와 산화에 의해 형성된 산화막 제거를 통해 이루어진다.
(실시예)
본 발명에 따른 박판 실리콘 기판을 이용한 다공성 실리콘 태양전지 및 그 제조방법에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 박판 실리콘 기판을 이용한 다공성 실리콘 태양전지의 제조 방법을 공정도인 도 2와 구성도인 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
1. p형 실리콘 기판 준비
먼저, 단결정 또는 다결정의 p형 실리콘 기판(500)을 준비한다(S 10).
이때, 상기 p형 실리콘 기판(500)은 그 두께가 240㎛ 이하인 것을 사용한다.
2. 전면 다공성 실리콘층 형성
그리고, 상기 240㎛ 이하의 p형 실리콘 기판(500)의 표면을 조직화하기 위하여, 본 발명에서는 습식화학식각법을 이용하는데, 질산과 불산 및 물이 혼합된 화학용액을 이용하여, 상기 p형 실리콘 기판(500)의 전면에 전면 다공성 실리콘층(400)을 형성한다(S 11).
즉, 상기 질산용액에 의한 산화막 형성과 상기 불산용액에 의한 산화막 제거 과정을 이용하여 상기 p형 실리콘 기판(500)의 전면에 깊이 방향으로 기공을 형성한다. 여기서, 상기 산화막 형성 속도와 상기 산화막 제거 속도는 상기 화학용액의 질산 또는 불산의 농도를 도 6과 같은 조성비 영역으로 조절함으로써 이루어지는데, 본 발명에서의 전면 다공성 실리콘층(400)은 도 6에 나타낸 영역 1의 조성으로 이루어진 화학 용액을 이용한다.
이때, 상기 기공의 기공율에 따른 상기 p형 실리콘 기판(500)의 형태는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 기공율의 정도에 따라 다르게 형성된다.
상기 p형 실리콘 기판(500)의 전면에 형성되는 전면 다공성 실리콘층(400)의 기공율은 도 3의 (C) 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 입사되는 광량이 많으면서 입사된 광이 외부로 유출되지 않도록 65~75%로 형성되는 것이 바람직하다.
여기서, 도 3 및 도 4a~도 4c를 참조하여 각 식각 정도에 따른 기공율의 변화 즉, 표면의 조직화 정도를 설명하면 다음과 같다.
도 3의 (A)는 기공율이 10~25%인 경우로 실리콘 표면에 대한 식각 처리의 초기에 해당하고, 도 3의 (B)는 기공율이 30~55%인 경우로 실리콘 표면에 대한 식각 처리 중 중기에 해당한다. 그리고, 도 3의 (C)는 기공율이 65~85%인 경우로 실리콘 표면에 대한 식각 처리 중 완성 단계에 해당한다.
상기와 같은 실리콘 기판에 대한 식각은 상기 질산용액에 의해 이루어지는 산화 작용이 먼저 발생하는 임의의 점을 기점으로 이루어지며, 실리콘 기판 표면에서 동시다발적으로 산화 작용이 이루어짐과 동시에, 산화 실리콘 부분은 상기 불산에 의해 식각이 진행된다.
본 발명에서 상기 p형 실리콘 기판(500)의 전면을 다공질 처리하여 전면 다공성 실리콘층(400)을 형성하기 위해서 사용하는 화학 용액을 구성하는 질산(HNO3) : 불산(HF) : 물(H2O) 증류수의 조성비 영역을 도 6에 나타내었다.
도 6의 영역 1은 p형 실리콘 기판(500)의 표면에 전면 다공성 실리콘층(400)을 형성하기 위해 사용되는 즉, 전면 다공성 실리콘층(400)의 기공율이 65~75%로 형성될 때에 사용되는 화학용액의 조성비 영역이고, 영역 2는 아래에 설명한, 상기 p형 실리콘 기판(500)의 후면에 형성된 다공성 산화 실리콘층(600)에 45~55%의 기공율로 기공을 형성하기 위한 화학용액의 조성비 영역이다.
상기 영역 1은 태양광이 태양전지의 전면 입사하므로 반사율을 줄이기 위해서 높은 기공율로 기공을 형성하기 위한 조건이고, 상기 영역 2는 태양전지 후면에서의 재결합 손실을 축소하기 위해 낮은 기공율로 기공을 형성하기 위한 조건이다.
식각 정도를 조절하는 방법은, 도 6에 나타낸 영역 1 및 2에서 보는 바와 같이, 질산(HNO3) 및 불산(HF)의 농도가 임의의 농도로 일정하게 설정된 상태에서 상기 전면 다공성 실리콘층(400) 또는 다공성 산화 실리콘층(600)에 기공율을 조절하면서 기공을 형성하기 위해서는 화학용액의 온도를 25℃에서 10℃까지의 범위에서 온도의 하강 속도를 조절하거나, 식각 처리 시간을 줄여서 기공율을 조절하거나, 반대로 화학용액의 온도를 10℃에서 25℃까지의 범위에서 온도의 상승 속도를 조절하거나, 식각 처리 시간을 늘여서 기공율을 조절한다.
이와 같이 이루어지는 식각 처리의 초기에는 식각되는 깊이가 낮고, 기공의 폭이 좁은데, 식각 처리 시간이 늘어나면 실리콘 본체(10a~10c)에 식각된 기공(11a~11c)의 깊이가 증가하고 폭이 넓어지면서 기공율이 증가한다.
도 4a~도 4c에 도 3에서 설명한 다공성 실리콘의 각 기공율에 따른 실제 다 공성 실리콘 표면의 전자현미경 사진을 나타내었는데, 도 4a는 다공성 실리콘 표면의 전자현미경 검사결과로 기공율은 약 10%이고, 도 4b는 다공성 실리콘 표면의 기공율은 약 30%인 경우이며, 도 4c는 다공성 실리콘 표면의 기공율이 약 70%에 이르는 경우이다.
상기와 같이 실리콘 표면에 기공을 형성하여 표면을 조직화하는 목적은 태양전지의 전면에 입사되는 태양광의 반사율을 감소시키고, 빛의 내부반사를 이용하여 통과길이를 향상시킴으로써, 태양광의 흡수량을 증가시켜 태양광의 이용효율을 향상시켜서 광전 변환효율을 높이기 위한 것이다.
다시 말하면, 정규적인 표면 조직 구조가 2차원적으로 반복될 때에 구조물의 크기와 형성각도가 빛의 진행 방향에 중요한 역할을 수행한다.
즉, 표면조직 구조물의 각도와 그에 따른 빛의 반사경로에서, 만약 표면조직이 30도 경사의 기울기로 형성되는 V자형태의 홈 하단부에서만 빛이 2회 반사되는 경로를 가지고, 표면조직 경사기울기가 45도인 경우에서는 모든 입사광이 2회 반사되는 경로를 가지며, 표면조직 경사기울기가 54도 인 V자 형태의 홈 하단부에서는 빛이 3회 반사되는 경로를 가지며, 표면조직 경사기울기가 60도인 경우에는 모든 입사광이 3회 반사되는 경로를 가진다.
본 발명과 같이 형성된 상기 전면 다공성 실리콘층(400)은 기공(410)이 실리콘 본체(420)에 대하여, 깊이 방향으로 형성되어 있기 때문에 기공(410)의 내부로 입사된 광의 반사회수가 기존의 V자형태의 홈으로 형성된 구조에 비하여 증가하며, 그 만큼 광 생성된 전류가 증가된다.
그리고, 태양전지는 태양광 영역 중에서 파장 길이가 300~1200nm인 광선영역에서 주로 광전 변환이 이루어지므로, 상기 전면 다공성 실리콘(400)은 3,000~10,000nm의 두께를 확보하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 전면 다공성 실리콘층(400)을 형성하기 위한 습식 화학 식각 처리는 화학 반응 중에 열과 산화질소가스가 발생되므로 이를 냉각시키기 위한 냉착 처리와 배기 처리가 필요하다.
아울러, 도 5에 전면 다공성 실리콘층(400)의 기공율 변화에 따른 표면 반사도 측정 결과를 나타내었다. 즉, 실리콘 본체(420)에 대해 기공(410)이 차지하는 비율인 표면 기공율이 20%인 경우는 300~1,200nm의 광선영역의 범위에서 표면 반사도가 평균 34%이고, 기공율이 50%에 이르면 반사도가 평균 11%로 기존의 KOH 또는 NaOH에 의한 알칼라인에 의해 표면 조직화된 경우와 유사한 표면 반사도 결과를 나타낸다. 기공율이 70%에 달하면 표면 반사도가 최저인 약 5%로 감소하다가, 식각 처리를 더 진행하면 표면 반사도는 다시 증가한다. 따라서 본 발명에서는 상기 전면 다공성 실리콘 표면(400)에 55~80%의 기공율로 기공을 형성한 것을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 65~75%의 기공율로 형성하는 것이 좋다.
3. n형 실리콘 에미터층 형성
상기와 같이 전면 다공성 실리콘층(400)이 형성된 후에, 상기 전면 다공성 실리콘층(400)의 전면에, p-n 접합 구조를 만들기 위해 n형 실리콘 에미터층(300)을 형성한다(S 12).
상기 n형 실리콘 에미터층(300)의 형성은 상기 전면 다공성 실리콘층(400)의 전면에 증류수에 7~30%로 희석한 인산용액(H2PO4)을 스프레이 방식으로 도포한 후에, 퍼니스(furnace)에서 860℃의 온도로 10분동안 열처리하여 이루어진다.
이때, 상기 전면 다공성 실리콘층(400)의 p형 실리콘을 n형 실리콘으로 변환하기 위해 첨가되는 인(P) 성분을 확산시키기 위한 열처리 과정에서 형성되는 산화막(PSG)은 10%의 불산을 이용하여 20초간 식각 처리하여 제거하고 순수를 이용하여 세정한 후에 건조한다.
4. 후면 다공성 실리콘층 형성
상기 p형 실리콘 기판(500)의 후면에 대해 상기 전면 다공성 실리콘층(400)의 형성 방법과 유사한 방법으로 다공질 처리를 하여, 후면 다공성 실리콘층을 형성함으로써, p-n 접합을 분리한다(S 13).
즉, 기존에는 p-n 접합을 분리하기 위해 도 1에 나타낸 바와 같이 측면에 형성된 p-n 접합 부분을 플라즈마 식각, 샌드블라스팅 식각, 레이저 식각과 같은 여러 식각방법 중 한 식각방법을 이용하여 제거하였는데, 본 발명에서는 상기 p형 실리콘 기판(500)의 후면에 상기 전면 다공성 실리콘층(400)의 형성 과정과 유사한 방법으로 후면 다공성 실리콘층을 형성함으로써 n형 실리콘 에미터층(300)과 p형 실리콘 기판(500)의 후면간을 전기적으로 절연시키는 p-n 접합 측면분리(edge isolation)가 이루어진다.
이때, 상기 후면 다공성 실리콘층에 형성된 기공의 기공율은, 상기 전면 다공성 실리콘층(400)에 대한 설명에서 언급한 바와 같이, 45~55%의 범위 내로 형성 한다.
즉, 후면 다공성 실리콘층은, 도 6의 영역 2와 같이 조성된 화학용액에 의하여 기공(610)이 실리콘 본체(620)에 대하여 깊이 방향으로 형성되는데, 식각이 먼저 진행되어 구멍이 형성된 상기 기공(610)과, 식각이 느리게 진행되어 표면이 평탄한 부분인 실리콘 본체(620)로 이루어져, 45~55%의 범위 내의 기공율을 형성하는데, 이는 태양전지 후면에서의 재결합 손실을 축소하기 위한 조건이다.
5. 반사방지막층 형성
상기 n형 실리콘 에미터층(300)의 전면에 태양광의 반사 방지와 표면 결함 밀도 감소를 위해서 실리콘질화막(SiNx)으로 이루어진 반사방지막층(200)을 형성한다(S 14).
상기 반사방지막층(200)은 수소를 포함하고 있는 실리콘질화막으로, 단 한번의 공정으로 반사방지막층(200)의 형성과 표면/벌크 패시베이션 역할을 하기 때문에 태양전지 제작에 널리 쓰인다.
이때, 상기 반사방지막층(200)으로 이용되는 실리콘질화막의 증착 방법에 따라서 실리콘질화막의 화학적, 기계적, 광학적, 전기적 특성과 패시베이션의 효과가 달라진다. 따라서, 본 발명에서는 모노사일레인(SiH4)와 암모니아(NH3) 및 질소(N2) 또는 아르곤(Ar) 가스를 사용하여 플라즈마 여기 화학 기상 증착법(PECVD)으로 증착함으로써, 반사방지 기능에 적합한 굴절율 2.1~2.2, 두께 65~75nm의 실리콘질화막을 형성하였다.
6. 전면/후면 금속전극 형성
상기 반사방지막층(200)의 전면과 상기 후면 다공성 실리콘층의 후면에 각각 전면 금속전극(100)과 후면 금속전극(700)을 국부 면적으로 형성한다(S 15).
상기 전면 금속전극(100)은 상기 반사방지막층(200)의 전면에 전체면적의 5~8% 범위내로 은(Ag)을 스크린 인쇄하고, 상기 후면 금속전극(700)은 상기 후면 다공성 실리콘층의 후면에 전체면적의 0.5~5% 범위 내로 알루미늄(Al) 또는 3%알루미늄/은(3%Al/Ag) 금속전극을 스크린 인쇄한다.
이때, p형 실리콘 기판(500)의 두께를 250㎛로 하고, 금속전극 특히 후면 금속전극(700)으로 알루미늄을 15㎛ 두께로 도포하여 후면 전계효과층을 형성하기 위한 열처리 조건인 750도 이상의 고온에서 소성하면 알루미늄 쪽으로 2mm 이상 굽어지는 현상이 발생하여 파손되는 경우가 있으므로, 본 발명에서는 상기와 같이 후면 금속전극(700)을 국부적으로 30~100㎛의 선폭으로 도포하여 형성하였다.
이와 같은 전면 금속전극(100) 또는 후면 금속전극(700)은 스크린 인쇄를 통한 라인 유형이나 그물 메쉬 유형이 바람직하다.
7. 금속전극의 건조/다공성 산화실리콘층 형성
상기와 같이 전면 금속전극(100) 및 후면 금속전극(700)을 스크린 인쇄한 후에, 온도 300℃에서 5분 동안 열처리하여 건조시킨다(S 16).
이때, 상기 건조를 위한 열처리 과정에서 상기 후면 금속전극(700)이 형성되지 않은 92~95%의 다른 부분의 후면 다공성 실리콘층은 산화되어 다공성 산화 실리콘층(600)으로 변환된다.
그러나, 상기 전면 다공성 실리콘층(400)은 반사방지막층(200)에 의해 보호되기 때문에 아무런 상태 변화가 없다.
8. 후면 전계효과층 형성
상기와 같이 전면금속전극(100) 및 후면 금속전극(700)을 건조하기 위한 열처리 후에, 850℃의 온도에서 1초 동안 급속 열처리하여 소성(Firing)시킨다(S 17).
상기와 같이 소성처리되면, 상기 후면 금속전극(700)의 전면 즉, 상기 후면 금속전극(700)과 상기 p형 실리콘 기판(500)이 접하는 부분에 국부적으로 후면 전계효과층(800)이 형성되어 태양전지가 완성된다.
상기와 같은 과정을 통하여 완성된 본 발명에 따른 태양전지는 도 7에 나타낸 바와 같이, 250㎛의 두께를 가지는 p형 실리콘 기판(500)을 기준으로 하여, 상기 p형 실리콘 기판의 전면에 전면 다공성 실리콘층(400)이 형성되고, 상기 전면 다공성 실리콘층(400)의 전면에 n형 실리콘 에미터층(300)이 형성되며, 상기 n형 실리콘 에미터층의 전면에 반사방지막층(200)과, 상기 반사방지막층(200)의 전면에 전면 금속전극(100)이 국부적으로 형성되어 있다.
그리고, 상기 p형 실리콘 기판(500)의 후면에 후면 다공성 실리콘층이 산화되어 이루어진 다공성 산화 실리콘층(600)이 형성되고, 상기 다공성 산화실리콘층(600)의 후면에 국부적으로 후면 금속전극(700)이 형성되며, 상기 다공성 산화 실리콘층(600)과 상기 후면 금속전극(700) 사이에 형성된 후면 전계효과층(800)이 형 성되어 이루어진다.
상기와 같이 이루어진 본 발명에 따라 제조된 변의 길이가 125mm이고, 면적이 147cm2인 태양전지의 경우에 제 1실시예 및 제 2실시예 모두 표 1 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 광전 에너지 변환효율이 17% 이상이었다.
여기서, 상기 제 1실시예 및 제 2실시예는 각각 전면금속전극(100) 및 후면 금속전극(700)을 건조하기 위한 열처리 후에, 제 1실시예로 850℃의 온도에서 1초 동안 급속 열처리하여 소성(Firing)하고, 제 2실시예로 830℃의 온도에서 1.5초간 급속 열처리하여 소성(Firing)하여 달성된 태양전지를 대상으로 하였다.
| 구분 | 제 1실시예 | 제 2실시예 | |
| 항목 | 단위 | ||
| 단락전류밀도(JSC) | mA/cm2 | 35.95 | 34.8 |
| 개방전압(VOC) | mV | 614.8 | 609.9 |
| 단락전류(ISC) | A | 5.32 | 5.15 |
| 최대출력전력(Pm) | W | 2.51 | 2.52 |
| 최대출력전압(Vm) | mV | 522.64 | 519.92 |
| 최대출력전류(Im) | A | 4.80 | 4.85 |
| 곡선인자(FF) | 0.767 | 0.8028 | |
| 에너지변환효율(Eff) | % | 17.07 | 17.04 |
| 직렬저항(Rs) | mΩ | 7 | 5 |
| 병렬저항(Rsh) | Ω | 38.82 | 18.35 |
상기와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 태양전지는 실리콘 기판의 두께를 240㎛로 하고, 기존 후면금속전극 소모량의 1/10을 이용하여 제조되었음에도 불구하고, 열처리에 따른 기판의 손상 현상이 발생되지 않으면서 에너지 변환효율이 17% 이상으로 높다.
상기와 같이 이루어진 본 발명은 태양전지의 전면에 대한 표면 조직화를 습식 화학 식각법으로 처리함으로써, 기존의 1/10 두께를 제거하면서도 표면 조직화를 이룩하고, 표면 반사도를 5%~10%로 가능하게 하고, 인산(H3PO4)의 균일한 코팅으로 인하여 균일한 n형 실리콘 에미터의 형성이 가능하면서 연속 공정이 용이하여 대량으로 균일한 도핑 공정이 가능하다. 그리고, 고효율의 광전 에너지 변환효율을 가지는 태양전지의 제작이 가능하다.
또한, 본 발명은 습식 화학 식각을 이용하여 실리콘 기판의 후면을 다공질화 한 후에 다공성 산화실리콘층을 형성함으로써, p-n 접합을 용이하게 분리할 수 있고, 후면 다공성 실리콘층의 표면을 저온에서 빠르게 산화시켜서 표면에 미결합 실리콘 결함을 제거하여 단락전류 개선과 곡선인자 특성을 개선하여 변환효율을 개선한다. 그리고, 금속전극을 국부적으로 형성하여 금속전극소재의 소모량을 줄이고 열처리에 따른 형태 왜곡을 방지하여 박판의 태양전지를 제작할 수 있고, 금속전극이 국부적으로 형성되어 개방전압이 상승하는 효과를 제공한다.
Claims (12)
- (a) 결정질 p형 실리콘 기판을 준비하는 단계;(b) 상기 p형 실리콘 기판의 전면을 다공질 처리하여 전면 다공성 실리콘층을 형성하는 단계;(c) 상기 전면 다공성 실리콘층의 전면에 n형 실리콘 에미터층을 형성하는 단계;(d) 상기 p형 실리콘 기판의 후면을 다공질 처리하여 후면 다공성 실리콘층을 형성하는 단계;(e) 상기 n형 실리콘 에미터층의 전면에 반사방지막층을 형성하는 단계;(f) 상기 반사방지막층의 전면과 상기 후면 다공성 실리콘층의 후면에 각각 전면 및 후면 금속전극을 국부적으로 형성하는 단계;(g) 상기 전면 또는 후면 금속전극을 열처리함과 동시에 상기 후면 다공성 실리콘층의 후면 금속전극이 형성되지 않은 나머지 부분을 산화시켜 다공성 산화 실리콘층을 형성하는 단계; 및(h) 소성 처리하여 상기 후면 금속전극과 접하는 p형 실리콘 기판의 후면에 후면 전계효과층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 박판 실리콘 기판을 이용한 다공성 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 p형 실리콘 기판은 단결정 또는 다결정 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 박판 실리콘 기판을 이용한 다공성 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 p형 실리콘 기판은 그 두께가 240㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 박판 실리콘 기판을 이용한 다공성 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 (b)단계 또는 (d)단계의 다공질 처리는 습식 화학 식각법에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 박판 실리콘 기판을 이용한 다공성 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 제 4항에 있어서, 상기 습식 화학 식각은 산성 용액에 의한 산화막 형성과, 불산에 의한 산화막 제거 속도를 조절하여 기공율을 조절하는 것을 특징으로 하는 박판 실리콘 기판을 이용한 다공성 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 전면 다공성 실리콘층은 기공율이 65~75%이고, 상기 후면 다공성 실리콘층은 기공율이 45~55%인 것을 특징으로 하는 박판 실리콘 기판을 이용한 다공성 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 (c)단계의 n형 실리콘 에미터층은 상기 전면 다공성 실리콘층의 전면에 인산용액(H3PO4)을 도포한 후 열처리하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 박판 실리콘 기판을 이용한 다공성 실리콘 태양전지의 제조방법.
- p형 실리콘 기판;상기 p형 실리콘 기판의 전면에 형성된 전면 다공성 실리콘층;상기 전면 다공성 실리콘층의 전면에 형성된 n형 실리콘 에미터층;상기 n형 실리콘 에미터층의 전면에 형성된 반사방지막층;상기 반사방지막층의 전면에 국부적으로 형성된 전면 금속전극;상기 p형 실리콘 기판의 후면에 형성된 다공성 산화 실리콘층;상기 다공성 산화실리콘층의 후면에 국부적으로 형성된 후면 금속전극; 및상기 다공성 산화 실리콘층과 상기 후면 금속전극 사이에 형성된 후면 전계효과층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 박판 실리콘 기판을 이용한 다공성 실리콘 태양전지.
- 제 8항에 있어서, 상기 전면 다공성 실리콘층 또는 다공성 산화실리콘층의 각 기공율은은 각각 65~75%, 45~55%인 것을 특징으로 하는 박판 실리콘 기판을 이용한 다공성 실리콘 태양전지.
- 제 8항에 있어서, 상기 후면 금속전극은 알루미늄(Al) 또는 3%Al/Ag를 이용하여 상기 후면 산화 실리콘층의 전체 면적에 대하여 0.5~5%의 면적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 박판 실리콘 기판을 이용한 다공성 실리콘 태양전지.
- 결정질 실리콘 기판을 이용한 태양전지 제조방법에 있어서,광흡수를 위한 표면 조직화를 위하여, 실리콘 기판의 전면을 화학습식식각법으로 산화와, 산화에 의해 형성된 산화막 제거를 통해 기공을 깊이 방향으로 형성하는 것을 박판 실리콘 기판을 이용한 다공성 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 제 11항에 있어서, 상기 기공은 상기 실리콘 기판의 전면에 65~75%, 후면에 45~55%의 기공율로 형성되는 것을 특징으로 하는 박판 실리콘 기판을 이용한 다공성 실리콘 태양전지의 제조방법.
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