KR101068800B1 - 태양전지의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양전지의 표면적 및 광흡수율을 증가시키는 기술에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 표면적을 증가시키고 빛의 반사율을 낮춰서 빛의 흡수율을 향상시키는 WET 텍스춰링 공정과; 상기 WET 텍스춰링한 웨이퍼 표면에 추가로 표면적을 증가시키고 반사율이 저하되도록 하기 위한 추가 텍스춰링 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

태양전지, 텍스춰링, 표면적, 광흡수율

Description

태양전지의 제조 방법{METHOD OF MANUFACTURING SOLAR CELL}

본 발명은 태양전지의 제조 공정에 관한 것으로, 특히 태양전지 제작 공정상에서 화학적으로 텍스춰링한 웨이퍼에 추가적으로 텍스춰링을 실시하여 표면적 및 광흡수율을 증가시킬 수 있도록 한 태양전지의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 태양전지는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심 소자로 현재 우주에서부터 가정에 이르기까지 그 응용 범위가 매우 넓다.

태양전지는 기본적으로 pn 접합으로 구성된 다이오드로서 그 동작원리는 다음과 같다. 태양전지의 pn 접합에 반도체의 에너지 밴드 갭보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되고, 이들 전자-정공이 pn 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로 정공은 p층으로 이동함에 따라 pn간에 광기전력이 발생하게 되는데, 이때 태양전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산하게 된다.

태양전지는 광 흡수층으로 사용되는 물질에 따라 다양하게 구분되는데, 광 흡수층으로 실리콘을 이용하는 실리콘계 태양전지가 대표적이다. 실리콘계 태양전지는 크게 기판형[단결정(single crystal), 다결정(poly crystal)] 태양전지와 박막형 [비정질(amorphous), 다결정(poly crystal)] 태양전지로 구분된다.

태양전지의 제조 공정을 살펴보면, 먼저 케미컬을 사용하여 웨이퍼(예: si Wafer) 표면을 에칭하거나 표면에 형성된 산화막(Phosphoric silicate glass layer)을 제거하는 산성 표면절삭결함 제거 공정(Saw damage etching)을 수행하고, 표면적을 증가시키고 빛의 반사율을 낮춰서 빛의 흡수율을 향상시키는 텍스춰링(texturing) 공정을 수행한다.

참고로, 상기 웨이퍼는 단결정 웨이퍼(Mono Wafer)와 다결정 웨이퍼(Multi Wafer)로 분류된다. 상기 단결정 웨어퍼는 쵸크랄스키 법(Czochralski method)과 플롯존 법(float zone)을 이용하여 물리적으로 정제한다. 이에 비하여, 상기 다결정 웨이퍼는 도가니에서 1400℃ 이상으로 가열하여 융용시키고, 이를 다시 냉각하여 잉곳(ingot)을 제조하는 캐스팅 방법으로 정제한다.

이어서, 포스포러스 확산(Phosphorous diffusion) 공정을 수행하고, 이 확산 공정 중에 생성된 PSG층을 제거하기 위한 PSG 에칭(PSG etching) 공정을 수행한다.

이후, 표면에서의 반사율을 줄이기 위해 반사방지막을 형성하는 안티-리플렉션 코팅(Anti-reflection coating)하고, 실리콘 질화막(SiNx)을 PECVD에 의하여 증착하는 공정을 수행한다.

이어서, 금속전극을 형성할 때 패턴을 형성한 스크린 마스크 위에 페이스트(paste)를 스퀴지(squeegee)로 일정의 압력을 가하면서 이동시켜 스크린의 개구부에 의해 페이스트가 압출되어 기판의 패턴 위에 인쇄되도록 하는 공정(Metallization & Fast Firing)을 수행한다.

이후, 전지의 전면과 후면을 전기적으로 분리시키기 위해 전지 주변의 P+ 도핑된 디퓨젼 영역을 제거하는 측면 분리(Edge isolation) 공정을 수행한다.

끝으로, 태양전지용 셀의 제조 공정이 완료되면 이의 특성을 평가하고, 성능에 따라 분류하는 평가와 분류(Cell testing & Sorting) 공정을 수행하는 것으로, 일련의 제작 공정이 완료된다.

그런데, 종래의 텍스춰링 공정에 의한 태양전지의 경우 표면적이 일정 이상 향상시킬 수 없고, 광 흡수율 또한 낮추는데 한계가 있어광전 효율을 향상시키는데 어려움이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 태양전지 제작 공정상에서 화학적으로 텍스춰링한 웨이퍼에 추가로 텍스춰링을 실시하여 표면적 및 광흡수율이 증가되도록 하는데 있다.

본 발명의 목적들은 앞에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 아래 설명에 의해 더욱 분명하게 이해될 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

반사방지막을 형성하기 위한 WET 텍스춰링 공정과;

상기 1차로 WET 텍스춰링한 웨이퍼 표면에 추가로 표면적을 증가시키고 반사율 이 저하되도록 하기 위한 추가 텍스춰링 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 추가 텍스춰링 공정은 단결정 실리콘 웨이퍼의 표면을 애니소트로픽 에칭으로 보통 10μm 이하의 피라미드를 형성한 후 RIE(Reactive Ion Etching)를 이용하여 균일한 모양의 미세 구조물을 형성하는 공정을 포함하여 이루어진다.

바람직하게, 상기 균일한 모양의 미세 구조물은 0.15μm 크기의 삼각형 구조물이다.

바람직하게, 상기 추가 텍스춰링 공정은 다결정 실리콘 웨이퍼의 표면을 아이소트로픽 에칭으로 보통 10μm 이하의 크라운 모양의 요철을 형성한 후 RIE(Reactive Ion Etching)를 이용하여 균일한 모양의 미세 구조물을 형성하는 공정을 포함하여 이루어진다.

바람직하게, 상기 균일한 모양의 미세 구조물은 0.15μm 크기의 구조물이다.

추가 텍스춰링 공정은 본 발명에서 사용한 RIE(Reactive Ion Etching) 외에도 상압 에칭(AP etching)이나 레이저(laser) 등 다양한 방법으로 적용이 가능하다.

본 발명은 태양전지 제조 공정상에서 화학적으로 텍스춰링한 웨이퍼에 대하여 추가로 추가 텍스춰링을 실시함으로써, 표면적이 증가되고 광흡수율이 증가되어 광전효율이 향상되는 효과가 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

기판 절단 시 발생한 손상을 제거하고, 표면적을 증가시키고 빛의 반사율을 낮춰서 빛의 흡수율을 향상시키는 WET 텍스춰링(texturing) 공정을 수행한다. 이때, 다결정 실리콘 웨어퍼(Multi Wafer)에 대해서는 애시드(acid)로 텍스춰링을 수행한다. 이에 비하여 단결정 실리콘 웨이퍼에 대해서는 IPA 및 KOH 등 알칼리(Alkali)를 이용하여 텍스춰링을 수행한다.

이어서, 상기와 같이 케미컬로 WET 텍스춰링한 웨이퍼 표면에 RIE(Reactive Ion Etching)를 이용하여 추가 텍스춰링(Deep Crown)을 실시하여 표면적이 증가되고 반사율이 저하되어 광전효율이 향상되도록 하였는데, 이에 대하여 도 1 내지 도 6을 참조하여 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

WET 텍스춰링 후, 도 1의 (a)와 같이 그레인 동작(Grain Orientation)이 일정한 단결정 실리콘 웨이퍼(1)에 대해서는 그의 상부 표면을 도 1의 (b)에서와 같이 애니소트로픽 에칭(Anisotropic Etching)으로 10μm 이하의 피라미드를 형성한다.

이후, 상기와 같이 형성된 피라미드에 도 1의 (c)에서와 같이 RIE를 이용하여 균일한 모양의 미세 구조물을 형성한다. 도 1의 (d)는 상기 균일한 모양의 미세 구조물(예: 약 0.15μm 크기의 삼각형 구조물)을 확대 표현한 것으로 기존 공정에서 형성된 것보다 작은 미세 구조물로 표면적이 10배 이상 증가됨을 알 수 있고, 빛에 대한 반사도 측정 결과 50% 이상 낮아짐을 확인하였다.

이에 비하여, WET 텍스춰링 후 도 2의 (a)와 같이 그레인 동작(Grain Orientation)이 일정하지 않은 다결정 실리콘 웨이퍼(2)에 대해서는 그의 상부 표면을 도 2의 (b)에서와 같이 아이소트로픽 에칭(Isotropic Etching)으로 10μm 이하의 크라운 모양의 홀을 형성한다.

이후, 상기와 같이 형성된 홀에 도 2의 (c)에서와 같이 RIE(Reactive Ion Etching)를 이용하여 균일한 모양의 미세 구조물을 형성한다. 도 2의 (d)는 상기 균일한 모양의 미세 구조물(약 0.15μm 크기의 구조물)을 확대 표현한 것으로 기존 공정에서 형성된 것보다 작은 미세 구조물로 표면적이 10배 이상 증가됨을 알 수 있고, 빛에 대한 반사도 측정 결과 낮아짐을 확인하였다.

도 3의 (a)는 상기 도 1의 (b)와 같은 피라미드 구조물을 확대 촬영한 실제 사진이고, 도 3의 (b)는 상기 도 1의 (c)와 같은 미세 구조물을 확대 촬영한 실제 사진이다.

또한, 도 4의 (a)는 상기 도 2의 (b)와 같은 크라운 모양의 요철을 확대 촬영한 실제의 사진이고, 도 4의 (b)는 상기 도 2의 (c)와 같은 미세 구조물을 확대 촬영한 실제 사진이다.

한편, 도 5는 WET 텍스춰링한 웨이퍼 표면에 본 발명에 따라 텍스춰링(Deep Crown)을 실시한 후의 특성 변화를 나타낸 비교표로서 각종 특성이 바람직한 방향으로 개선되었음을 알 수 있다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 Process Trend 비교 결과를 나타낸 것으로, 단결정 웨이퍼 및 다결정 웨이퍼 모두에서 상승된 것을 알 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니라 다음의 청구범위에서 정의하는 본 발명의 기본 개념을 바탕으로 보다 다양한 실시예로 구현될 수 있으며, 이러한 실시예들 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

도 1의 (a)-(d)는 단결정 웨이퍼에 적용된 본 발명의 태양전지의 제조 공정을 나타낸 설명도.

도 2의 (a)-(d)는 다결정 웨이퍼에 적용된 본 발명의 태양전지의 제조 공정을 나타낸 설명도.

도 3의 (a)는 단결정 웨이퍼 표면상의 피라미드 구조물을 확대 촬영한 사진.

도 3의 (b)는 단결정 웨이퍼 표면상의 미세 구조물을 확대 촬영한 사진.

도 4의 (a)는 다결정 웨이퍼 표면상의 크라운 모양의 홀을 확대 촬영한 사진.

도 4의 (b)는 다결정 웨이퍼 표면상의 미세 구조물을 확대 촬영한 사진.

도 5는 본 발명에 따라 텍스춰링을 실시한 후의 특성 변화를 나타낸 비교표.

도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 Process Trend 비교 결과를 나타낸 그래프.

***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명***

1 : 단결정 실리콘 웨이퍼 2 : 다결정 실리콘 웨이퍼

Claims (5)

1. 삭제
2. 표면적을 증가시키고 빛의 반사율을 낮춰서 빛의 흡수율을 향상시키는 WET 텍스춰링 공정과;

   상기 WET 텍스춰링한 웨이퍼 표면에 추가로 표면적을 증가시키고 반사율이 저하되도록 하기 위한 추가 텍스춰링 공정을 포함하여 이루어지되,

   상기 추가 텍스춰링 공정은 단결정 실리콘 웨이퍼의 표면을 애니소트로픽 에칭으로 10μm 이하의 피라미드를 형성한 후 RIE(Reactive Ion Etching)를 포함하는 에칭(etching) 공정을 이용하여 균일한 모양의 미세 구조물을 형성하는 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
3. 제2항에 있어서, 균일한 모양의 미세 구조물은 1차 형성된 피라미드 보다 작은 모양으로 추가로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
4. 표면적을 증가시키고 빛의 반사율을 낮춰서 빛의 흡수율을 향상시키는 WET 텍스춰링 공정과;

   상기 WET 텍스춰링한 웨이퍼 표면에 추가로 표면적을 증가시키고 반사율이 저하되도록 하기 위한 추가 텍스춰링 공정을 포함하여 이루어지되,

   추가 텍스춰링 공정은 다결정 실리콘 웨이퍼의 표면을 아이소트로픽 에칭으로 10μm 이하의 크라운 모양의 요철을 형성한 후 RIE(Reactive Ion Etching)를 포함하는 에칭(etching) 공정을 이용하여 균일한 모양의 미세 구조물을 형성하는 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
5. 제4항에 있어서, 균일한 모양의 미세 구조물은 1차 형성된 크라운 모양의 요철에 보다 작은 모양으로 미세구조물이 추가로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.

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