KR100984701B1 - 태양 전지의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 태양 전지의 제조 방법은 제1 타입의 기판에 pn 접합을 형성하기 위하여 제2 타입의 불순물을 도핑하는 단계, 상기 기판의 한쪽 표면 상에 반사 방지막을 형성하는 단계, 상기 기판의 다른 쪽 표면 상에 콘택 홀이 형성되도록 선택적으로 반사막을 형성하는 단계 및 상기 기판의 한쪽 면과 접촉하는 제1 전극과, 상기 콘택 홀을 통하여 상기 기판의 다른 쪽 표면에 접촉하는 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
Figure R1020080075780
태양 전지, 콘택 홀, 마스크

Description

태양 전지의 제조 방법{Method for Manufacturing Solar Cell}
본 발명은 태양 전지의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 특히 주목 받고 있다. 태양전지에는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체 의 성질을 이용하여 태양빛(photons)을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지가 있으며, 태양전지라고 하면 일반적으로 태양광 전지(이하 태양전지라 한다)를 일컫는다.
태양전지는 다이오드와 같이 p형 반도체와 n형 반도체의 접합 구조를 가지며, 태양전지에 빛이 입사되면 빛과 태양전지의 반도체를 구성하는 물질과의 상호 작용으로 음전하를 띤 전자와, 전자가 빠져나가 양전하를 띤 정공이 발생하여 이들이 이동하면서 전류가 흐르게 된다.
이를 광기전력효과(光起電力效果, photovoltaic effect)라 하는데, 태양전지를 구성하는 p형 및 n형 반도체 중 전자는 n형 반도체 쪽으로, 정공은 p형 반도체 쪽으로 이동한다. 전자와 정공은 n형 반도체 및 p형 반도체와 접합된 전극을 통하여 전선으로 이동하게 되면 전기가 흐르므로 전력을 얻을 수 있다.
이와 같은 태양전지의 특성은 출력 전류 Ip와 출력전압 Vp의 곱 Ip×Vp의 최대값을 태양전지로 입사하는 총광에너지(S×I: S는 소자면적, I는 태양전지에 조사되는 광의 강도)로 나눈 값인 변환효율 η에 의해 평가된다. 태양전지의 변환효율을 향상시키기 위해서는 태양전지의 태양광에 대한 반사율을 낮추어야 하며 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
한편, 태양 전지가 보편화되기 위해서는 원유 등을 채굴하고, 채굴된 원유를 정제하여 전력을 생산하는 과정에서 발생하는 비용보다 저렴해야 하며 이에 따라 태양 전지의 제조 공정을 간단하게 할 수 있는 다양한 노력이 이루어지고 있다.
본 발명은 제조 공정을 줄일 수 있는 태양 전지의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 태양 전지의 제조 방법은 제1 타입의 기판에 pn 접합을 형성하기 위하여 제2 타입의 불순물을 도핑하는 단계, 상기 기판의 한쪽 표면 상에 반사 방지막을 형성하는 단계, 상기 기판의 다른 쪽 표면 상에 콘택 홀이 형성되도록 선택적으로 반사막을 형성하는 단계 및 상기 기판의 한쪽 면과 접촉하는 제1 전극과, 상기 콘택 홀을 통하여 상기 기판의 다른 쪽 표면에 접촉하는 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 태양 전지 제조 방법은 챔버에 마스크를 같이 투입하여 복수의 반사막을 형성함으로써 태양 전지의 제조 공정을 줄일 수 있다.
본 발명의 태양 전지 제조 방법은 챔버에 마스크를 같이 투입하여 태양 전지의 제조 공정의 속도를 높일 수 있다.
본 발명의 태양 전지 제조 방법은 챔버에 마스크를 같이 투입하여 콘택홀의 얼라인을 정확하게 맞출 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
도 1a 내지 도 1g는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 나타낸 것이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 기판(100) 표면에 입사된 태양광을 산란시켜 반사량을 줄이기 위하여 기판(100)의 한쪽 표면에 대한 조직화(texturing)를 실시한다.
기판(100)이 단결정 실리콘과 같은 물질로 이루어진 경우 기판(100) 표면의 조직화를 위하여 이방성 식각이 이루어질 수 있다. 단결정 실리콘의 (111) 면이 (100) 면보다 원자가 조밀하게 밀집되어 있으므로 (111) 면의 식각 속도가 (100) 면의 식각 속도에 비해 느리다. 따라서 이방성 식각이 이루어지면 기판(100) 표면에 피라미드 형상의 사면체가 형성된다. 이와 같은 이방성 식각은 KOH나 NaOH와 같은 염기성 용액이 이용된다. 이방성 식각의 속도는 에칭 용액의 구성 및 농도, 에칭 온도 및 식각 시간에 따라 달라질 수 있다.
기판(100)이 다결정 실리콘으로 이루어진 경우 결정 방향이 일정치 않으므로 산 용액을 에칭액으로 사용하여 등방성 식각을 함으로써 기판(100) 표면을 조직화 할 수도 있다. 등방성 식각을 위한 에칭액으로 HNO3와 HF 등이 사용될 수 있다.
이와 같은 이방성 식각이나 등방성 식각과 같은 습식 식각 이외에도 다수의 다이아몬드 날을 이용하는 기계적 방법이나 레이저나 플라즈마를 이용하는 물리적 방법을 통하여 기판(100) 표면을 조직화할 수 있다.
기판(100) 표면의 조직화가 이루어진 후 도 1b에 도시된 바와 같이, pn 접합을 형성하기 위한 불순물 도핑이 이루어진다. 즉, 제1 타입의 기판(100)에 pn 접합을 형성하기 위하여 제2 타입의 불순물이 도핑된다. 제1 타입의 기판(100)이 p형 기판인 경우 제2 타입의 불순물은 5족 불순물형과 같은 n형 불순물일 수 있다. 반대로 제1 타입의 기판(100)이 n형 기판인 경우 제2 타입의 불순물은 3족 불순물형과 같은 p형 불순물일 수 있다. 불순물의 도핑을 위하여 고온에서 3족과 5족에 속하는 불순물을 포함한 기체 또는 고체에 기판(100) 표면을 노출시켜 불순물을 기판(100) 내부로 도핑시킨다. 이 때 불순물 소스로는 PH3, POCL3, BN 등이 사용될 수 있다.
또한 이온 주입에 의하여 3족과 5족에 속하는 불순물을 기판(100) 내부로 도핑시킬 수도 있다. 즉, 기판(100)을 진공 챔버 안에 두고 불순물 이온을 가속하여 기판(100) 표면에 불순물을 주입시킬 수도 있다.
다음으로 도 1c에 도시된 바와 같이, 입사된 태양광의 반사를 방지하기 위한 복수의 반사 방지막이 형성된다. 제1 반사 방지막(110)은 조직화가 이루어진 기판(100)의 한쪽 표면 상에 형성되며 제2 반사 방지막(120)은 제1 반사 방지막(110) 상에 형성된다. 제2 반사 방지막(120)으로부터 반사된 빛과 제1 반사 방지막(110)에서 반사된 빛은 서로 상쇄 간섭을 일으킴으로써 태양광의 반사를 줄이고 특정 파장 영역에서의 선택성을 증가시킨다.
이를 위하여 제1 반사 방지막(110)의 굴절률은 2.2 내지 2.6이고, 제2 반사 방지막(120)의 굴절귤은 1.3 내지 1.6으로 제1 반사 방지막(110)의 굴절귤이 제2 반사 방지막(120)의 굴절귤보다 크다. 제1 반사 방지막(110)은 SiNx:H를 포함할 수 있고, 제2 반사 방지막(120)은 SiOxNy를 포함할 수 있다. 이 때 x 및 y는 0보다 크고 1보다 작을 수 있다. 이와 같은 x와 y의 범위일 때 제2 반사 방지막(120)으로부터 반사된 빛과 제1 반사 방지막(110)에서 반사된 빛은 서로 상쇄 간섭이 잘 일어난다.
이와 같은 제1 반사 방지막(110) 및 제2 반사 방지막(120)은 진공증착법, 화학기상증착법, 스핀 코팅(spin coating), 스크린 인쇄 또는 스프레이 코팅(spray coating)에 의하여 형성될 수 있다.
도 1d에 도시된 바와 같이, 기판(100)의 다른 쪽 표면 상에 반사막(130)을 형성하기 위하여 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition)와 같은 증착 공정이 진공 챔버(150) 안에서 이루어지며 이후에 형성될 제2 전극의 콘택 홀 형성을 위하여 콘택 홀(CH)의 패턴이 형성된 마스크(140)가 진공 챔버(150) 안에 위치한다. 화학 기상 증착 방법은 챔버(150) 안에 반사막의 원료 가스를 여기시켜 기상화학반응을 통해 반사막을 형성한다.
기판(100) 상에 복수의 반사층으로 이루어진 반사막(130)이 형성될 경우 증 착 공정의 횟수는 반사막(130)의 반사층 수와 동일할 수 있다. 또한 2회 이상의 증착 공정이 이루어지는 과정에서 콘택 홀(CH)의 패턴은 동일해야 하므로 동일한 마스크(140)가 증착 공정이 이루어질 때마다 사용된다.
따라서 기판(100)이 하나의 진공 챔버(150)에서 다음 진공 챔버(150)로 이동하는 것과 동시에 콘택 홀(CH)의 형성을 위한 마스크(140) 또한 이동한다. 이와 같이 복수의 반사층(L1, L2, L3)으로 이루어진 반사막(130)이 형성될 때 복수의 진공 챔버(150)를 통하여 기판(100)과 마스크(140)가 동시에 이동하여 증착공정이 이루어지므로 반사막(130)을 이루는 각 반사층의 콘택 홀 패턴의 얼라인이 향상되고 제조 공정의 속도 또한 빨라진다.
즉, 복수의 반사층으로 이루어진 반사막(130)에 콘택 홀을 형성하기 위하여 스크린 프린팅이 2회 이상 이루어질 경우, 스크린 프린팅이 이루어질 때마다 스크린 마스크 상에 남아있는 잔여물을 제거하고 다시 얼라인한 후 스크린 프린팅을 해야 하므로 반사막(130) 각 반사층의 콘택 홀 패턴이 얼라인되기 어려울 뿐만 아니라 제조 공정 수가 증가하고 제조 속도 또한 느리다. 더욱이 반사막(130) 각 반사층의 콘택 홀 패턴의 얼라인이 정확하게 이루어지지 않으면 이후에 콘택 홀 내부에 형성되는 제2 전극의 저항이 커져 효율이 떨어진다.
한편, 반사막(130)으로서 기판(100) 상에 SiOx 층(L1), SiOxNy 층(L2) 및 SiOx:H 층(L3)이 차례로 형성된다. 반사막(130)을 이루는 복수의 반사층(L1, L2, L3)의 굴절귤은 빛의 반사를 용이하게 하기 위하여 기판(100)의 표면과 가까울수록 크다. 즉, 기판(100) 표면 상에 형성된 제1 반사층(L1)의 굴절율이 가장 크고, 기 판(100) 표면과 거리가 가장 먼 제3 반사층(L3)의 굴절율이 가장 작다. 따라서 SiOx 층(L1)의 굴절귤이 가장 크고 SiOx:H 층(L3)의 굴절귤은 가장 작다. 이와 같은 굴저률을 제공하기 위하여 x 및 y는 0보다 크고 1보다 작다.
제1 반사 방지막(110), 제2 반사 방지막(120) 및 복수의 반사층으로 이루어진 반사막(130)이 증착 공정을 통하여 형성될 경우, 도 1e에 도시된 바와 같이 연속으로 배치된 증착용 진공 챔버들(150)을 통하여 제1 반사 방지막(110), 제2 반사 방지막(120) 및 반사막(130)이 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 5 개의 진공 챔버들(150)이 연속적으로 배치되며 이를 통하여 제1 및 제2 반사 방지막(120)과 3 개의 반사층(L1, L2, L3)으로 이루어진 반사막(130)이 증착 공정을 통하여 형성된다.
다음으로 도 1f에 도시된 바와 같이, 스크린 마스크(160) 상에 제1 전극 페이스트(170)를 스퀴즈(squeeze)(미도시)로 문질러 제1 전극의 패턴을 제2 반사 방지막(120) 상에 형성한다. 제1 전극 페이스트(170)는 Ag와 함께 글라스 프릿(glass frit)을 포함할 수 있다. 또한 스크린 프린팅을 통하여 제2 전극 페이스트(180)가 반사막(130)의 콘택 홀을 통하여 밀려들어간다. 제2 전극 페이스트(180)는 알루미늄을 포함할 수 있다. 이에 따라 도 1g의 제2 전극(E2)은 기판(100)의 다른 쪽 표면과 접촉한다.
이후 전극 패턴을 지닌 제1 전극 페이스트(170), 제1 반사 방지막(110), 제2 반사 방지막(120), 반사막(130) 및 제2 전극 페이스트(180)에 대한 소성 공정이 이루어진다. 즉, 1회 공정으로 제1 전극 페이스트(170), 제1 반사 방지막(110), 제2 반사 방지막(120), 반사막(130) 및 제2 전극 페이스트(180)에 대한 소성이 이루어진다. 1회의 소성을 위하여 열처리가 이루어지면 제1 전극 페이스트(170)에 포함된 저융점 글라스 프릿이 제1 반사 방지막(110) 및 제2 반사 방지막(120)을 뚫고 기판(100)과 접촉하게 된다. 이에 따라 열처리가 완료되면 도 1g에 도시된 바와 같이 제1 전극(E1)이 형성된다. 이와 같이 소성 과정에서 제1 전극 페이스트(170)가 복수의 반사 방지막들(110, 120)을 뚫고 기판(100)의 한쪽 표면과 접촉하므로 제1 전극(E1)의 두께(te)는 복수의 반사 방지막들(110, 120)의 두께의 합(t1+t2)보다 같거나 클 수 있다.
또한 열처리 과정은 반사 방지막의 디펙트 패시베이션(defect passivation)의 형성뿐만 아니라 후면 전계(BSF : Back Surface Field)를 형성한다. 후면 전계는 Al을 포함하는 제2 전극 페이스트(180)가 열처리될 때 p- 타입의 기판(100) 뒷면에 p+ 층이 형성되어 이루어지며 p 영역의 전자가 뒷면으로 이동하여 재결합하는 것을 방지한다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함 되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1a 내지 도 1g는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 나타낸 것이다.

Claims (10)

  1. 제1 타입의 기판에 pn 접합을 형성하기 위하여 제2 타입의 불순물을 도핑하는 단계;
    상기 기판의 한쪽 표면 상에 반사 방지막을 형성하는 단계;
    상기 기판의 다른 쪽 표면 상에 콘택 홀이 형성되도록 선택적으로 반사막을 형성하는 단계; 및
    상기 기판의 한쪽 면과 접촉하는 제1 전극과, 상기 콘택 홀을 통하여 상기 기판의 다른 쪽 표면에 접촉하는 제2 전극을 형성하는 단계
    를 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 불순물을 도핑하기 전에 상기 기판의 한쪽 표면에 조직화를 실시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    진공 챔버 안에 상기 콘택 홀의 패턴이 형성된 마스크를 위치시켜 상기 반사막을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 반사막은 굴절률이 서로 다른 복수의 반사층들을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 반사막에 포함된 상기 복수의 반사층들을 형성하기 위하여 연속적으로 배치된 상기 진공 챔버들 내부로 상기 기판과 상기 마스크가 동시에 이동하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 복수의 반사층들은 SiOx 층, SiOxNy 층 및 SiOx:H 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법.
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 복수의 반사층들 중 상기 기판의 다른 쪽 표면과 가까운 반사층의 굴절률이 상기 기판의 다른 쪽 표면과 먼 반사층의 굴절률보다 큰 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 반사 방지막을 형성하기 위하여 상기 기판이 별도의 진공 챔버로 이동하고,
    상기 반사막에 포함된 상기 복수의 반사층들을 형성하기 위하여 상기 별도의 진공 챔버와 연속적으로 배치된 진공 챔버들 내부로 상기 기판과 상기 마스크가 동시에 이동하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 형성하기 위하여 제1 전극 페이스트와 제2 전극 페이스트가 각각 상기 반사 방지막 및 상기 반사막 상에 위치하며,
    열처리를 통하여 상기 제1 전극 페이스트, 상기 반사 방지막, 상기 제2 전극 페이스트 및 상기 반사막이 동시에 소성되는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극의 두께는 상기 반사 방지막의 두께보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법.
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