KR101073487B1 - Preparation method of silicon substrate for solar cell using optical fiber laser - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광섬유 레이저의 과초점 가공에 의한 일반형 태양전지용 실리콘 기판 앞면과 뒷면 그리고 후면 전극형 태양전지의 앞면 전체 및 뒷면 일부의 제조 방법에 관한 것이며, 더욱 구체적으로 포토리소그래피 방법을 사용하여 국부적 패턴이 형성된 실리콘 기판 뒷면 표면에 나노 다공성 구조를 형성하고 이에 국부적인 p-도핑을 한 뒤 전극 물질을 증착시킨 다음 열 산화 막을 선택적으로 형성하여 광섬유 레이저의 과초점 가공법으로 가공함으로써 뒷면 전극을 형성하는 방법에 관한 것이다. 태양전지용 실리콘 기판의 앞면의 경우 반사도를 감소시키며, 캐리어의 수명을 향상시킬 수 있고 뒷면의 경우 후면 전계 효과를 주어 개방 전압을 향상시키고, 패시베이션 효과를 높여 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 같은 방법으로 후면 전극형 태양전지의 뒷면 전극 영역을 선택적이며 국부적으로 전극을 형성함으로써 광전 효율 향상을 꾀할 수 있는 태양전지용 실리콘 기판의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing the front and rear of a silicon substrate for a general type solar cell by the hyperfocal processing of a fiber laser and a part of the front and a part of the back side of the back electrode solar cell. In the method of forming a back electrode by forming a nanoporous structure on the back surface of the formed silicon substrate, locally p-doping it, depositing an electrode material, and then selectively forming a thermal oxide film and processing it by hyperfocal processing of a fiber laser. It is about. The front surface of the silicon substrate for solar cells can reduce reflectivity, improve the life of the carrier, and the back side can improve the open circuit voltage by increasing the field effect and increase the passivation effect, thereby improving photoelectric conversion efficiency. In addition, the present invention relates to a method of manufacturing a silicon substrate for a solar cell that can improve the photoelectric efficiency by forming an electrode in the back electrode region of the back-electrode type solar cell selectively and locally.
태양전지, 실리콘 기판, 나노 다공성 구조, 선택적 패턴, 광섬유 레이저, 과초점 가공 Solar cell, silicon substrate, nanoporous structure, selective pattern, fiber laser, hyperfocal processing
Description
본 발명은 광섬유 레이저를 이용한 태양전지용 실리콘 기판을 제조하는 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 포토리소그래피 방법을 사용하여 선택적 패턴이 형성된 실리콘 기판 표면에 나노 다공성 구조를 형성하고 이에 뒷면 전극을 형성한 후, 광섬유 레이저의 과초점 가공법으로 가공하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저의 과초점 가공에 의한 태양전지용 실리콘 기판의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a silicon substrate for a solar cell using a fiber laser. More specifically, after the nanoporous structure is formed on the surface of the silicon substrate on which the selective pattern is formed by using a photolithography method and the back electrode is formed, the optical fiber laser is processed by the hyperfocal processing method of the optical fiber laser. The manufacturing method of the silicon substrate for solar cells by a focus process.
최근 심각한 환경오염 문제와 화석 에너지 고갈로 차세대 청정에너지 개발에 대한 중요성이 증대되고 있다. 그 중에서도 태양전지는 자원이 거의 무한적인 태양 에너지를 직접 전기 에너지로 전환시키는 장치로서, 공해가 적고, 반영구적인 수명을 가지고 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다.Recently, the importance of developing the next generation of clean energy is increasing due to severe environmental pollution and depletion of fossil energy. Among them, solar cells are devices that directly convert solar energy, which is almost infinite in resources, into electrical energy. It is expected to be an energy source that can solve future energy problems due to its low pollution and a semi-permanent lifetime.
태양전지는 광흡수 층으로 사용되는 물질에 따라서 다양한 종류로 구분되며, 현재 가장 많이 사용되는 것은 실리콘을 이용한 결정질 실리콘 태양전지이다. Solar cells are classified into various types according to materials used as light absorption layers, and at present, the most commonly used are crystalline silicon solar cells using silicon.
일반적으로 결정질 실리콘 태양전지는, 외부에서 들어온 빛에 의해 태양전지의 반도체 내부의 PN 접합에서 전자와 정공의 쌍이 생성되고, 이러한 전자와 정공의 쌍이 PN 접합의 공핍 층에 형성된 내부 전기장에 의해 전자는 N형 반도체로 이동하고 정공은 P형 반도체로 이동함으로써 전기가 발생된다.In general, crystalline silicon solar cells generate electron and hole pairs at a PN junction inside a semiconductor of a solar cell by light from outside, and electrons are generated by an internal electric field in which these pairs of electrons and holes are formed in a depletion layer of a PN junction. Electricity is generated by moving to the N-type semiconductor and holes moving to the P-type semiconductor.
최근 결정질 실리콘 태양전지의 효율을 높이기 위해 사용할 수 있는 방법으로 웨이퍼 표면을 조직화(texturing)하여 빛의 흡수를 극대화시키는 방법이 사용되고 있는데, 이러한 웨이퍼 표면 조직화 방법으로는 플라스마 식각을 이용한 방법, 기계적으로 홈(grooving)을 내는 방법, 포토리소그래피를 이용한 방법, 화학적인 식각 방법 등이 이용되고 있다.Recently, the method of maximizing the absorption of light by texturing the surface of the wafer as a method that can be used to increase the efficiency of the crystalline silicon solar cell, such as the surface method of the wafer surface using plasma etching, mechanical groove Grooving, photolithography, chemical etching and the like are used.
플라스마를 이용한 표면 조직화 할 경우 감광제를 도포하여 패턴을 형성한 후 플라스마를 이용하여 식각한 후 마스크 층을 제거하는 방법으로 작업 시간이 오래 걸리며 고가의 진공 장비가 필요하기 때문에 아직은 상업적으로 널리 이용되지 않고 있다.In the case of surface organization using plasma, a pattern is formed by applying a photosensitive agent, followed by etching using plasma, and then removing a mask layer, which requires a long time and requires expensive vacuum equipment. have.
또한, 기계적 스크라이빙(scribing) 방법은 웨이퍼 표면에 홈(groove)을 형성하여 화학적인 식각을 이용하여 표면 조직화하는 방법으로 이는 작업 시간이 오래 걸리기 때문에 상업적인 생산이 어렵고 박막에 적용하기 어려운 문제점이 있다.In addition, the mechanical scribing method is a method of forming a groove on the surface of the wafer to organize the surface using chemical etching, which is difficult to commercially produce and difficult to apply to a thin film due to the long work time. have.
또한, 포토리소그래피를 이용한 방법의 경우 산화막이 있는 웨이퍼에 감광제를 도포하여 패턴을 형성하고 이를 이방성/등방성 식각 방법을 통해 표면 조직화 하는 방법으로 가격이 비싼 공정이기 때문에 다결정 태양전지 제작에 상업적으로 적용하기는 아직 시기상조이다.In addition, in the case of the method using photolithography, a pattern is formed by applying a photosensitive agent to a wafer with an oxide film, and the surface is formed by anisotropic / isotropic etching method. Is still premature.
그리고 화학적인 식각 방법 중 이방성 식각 방법은 용액 내 프로텍터(protector)를 형성하여 이방성 식각한 후 프로텍터와 식각 용액을 제거하는 방법으로, 짧은 공정 시간에 저렴한 가격으로 다량의 웨이퍼를 표면 조직화 할 수 있는 방법으로 가장 많이 사용되고 있으나, 다결정 웨이퍼의 경우에는 원하는 반사율을 얻을 수 없어 적용하기 힘든 문제점이 있다. 이는 다결정 웨이퍼의 경우 다양한 결정 방향을 가진 영역이 섞여 있기 때문에 반사율을 줄이기에 적합한 식각이 이루어지지 못하며, 식각 용액에 대한 관리가 쉽지 않기 때문이다.Among the chemical etching methods, the anisotropic etching method is to remove the protector and the etching solution after forming an protector in the solution, and then removing the protector and the etching solution. Most commonly used, but in the case of a polycrystalline wafer it is difficult to apply the desired reflectance can not be obtained. This is because in the case of polycrystalline wafers, since the regions having various crystal directions are mixed, the etching is not performed to reduce the reflectance, and the management of the etching solution is difficult.
본 발명의 목적은 반사도를 감소시키며, 캐리어의 수명을 향상시킬 수 있고 후면 전계 효과 향상을 통해 개방 전압을 높여 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있으며, 국부적 도핑과 패시베이션 효과 향상을 위한 광섬유 레이저의 과초점 가공 방법과 그에 준한 각종 결정질 태양전지용 실리콘 기판의 앞면 및 뒷면의 제조 방법에 관한 것이다.An object of the present invention is to reduce the reflectivity, to improve the life of the carrier and to improve the photoelectric conversion efficiency by increasing the open voltage through the improvement of the rear field effect, the hyperfocal of the fiber laser for improving the local doping and passivation effect It relates to a processing method and a manufacturing method of the front and rear surfaces of various silicon substrates for crystalline solar cells.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은,In order to achieve the above object, the present invention,
실리콘 기판 표면에 목적하는 패턴을 형성하는 단계(단계 1);Forming a desired pattern on the silicon substrate surface (step 1);
질산과 불산을 혼합하여 산성 혼합 용액을 제조한 후, 상기 산성 혼합 용액 을 산성 혼합 용액의 1~5배 부피 비의 물과 혼합하여 희석된 산성 혼합 용액을 제조하는 단계(단계 2);Preparing an acid mixed solution by mixing nitric acid and hydrofluoric acid, and then mixing the acid mixed solution with water at a volume ratio of 1 to 5 times the acid mixed solution to prepare a diluted acid mixed solution (step 2);
상기 단계 2에서 제조한 희석된 산성 혼합 용액에 단계 1에서 표면에 패턴이 형성된 실리콘 기판을 침지시켜 상기 패턴에 나노 다공성 구조를 형성하는 단계(단계 3);Forming a nanoporous structure in the pattern by dipping the silicon substrate having the pattern formed on the surface in step 1 in the diluted acid mixed solution prepared in step 2 (step 3);
상기 단계 3에서 실리콘 기판 표면에 형성된 나노 다공성 구조에 p-형 도핑 후 소성하여 열 산화 막을 형성하는 단계(단계 4);P-type doping and firing the nanoporous structure formed on the surface of the silicon substrate in step 3 to form a thermal oxide film (step 4);
상기 단계 4에서 실리콘 기판 표면에 형성된 열 산화 막을 포토리소그래피를 이용하여 국부적인 패턴 홈 영역의 산화 막만 제거하는 단계(단계 5);Removing only the oxide film of the local pattern groove region using photolithography on the thermal oxide film formed on the surface of the silicon substrate in step 4 (step 5);
상기 단계 5에서 실리콘 기판 표면에 형성된 열 산화 막이 제거되고 도핑 된 국부적인 패턴의 나노 다공성 구조를 포함하는 뒷면 전체에 알루미늄 막을 증착시키는 단계(단계 6); 및Depositing an aluminum film on the entire back side including the nanoporous structure of the doped local pattern in which the thermal oxide film formed on the surface of the silicon substrate is removed in step 5 (step 6); And
상기 단계 6에서 실리콘 기판 표면에 형성된 나노 다공성 구조에 알루미늄 막을 형성한 후 광섬유 레이저로 과초점 가공하는 단계(단계 7)를 포함하는 광섬유 레이저의 과초점 가공에 의한 태양전지용 실리콘 기판의 제조 방법을 제공한다.It provides a method of manufacturing a silicon substrate for a solar cell by the hyperfocal processing of the optical fiber laser comprising the step (step 7) of forming an aluminum film on the nanoporous structure formed on the surface of the silicon substrate in the step 6 and then hyperfocal processing with a fiber laser. do.
본 발명자들은 종래 문제점을 해결할 수 있으며, 실리콘 태양전지의 효율을 높일 수 있는 태양전지용 실리콘 기판의 식각 방법에 대해 연구를 거듭하였다. 그 결과, 포토리소그래피 방법 등으로 실리콘 기판에 목적하는 패턴을 형성한 후 상기 실리콘 기판을 희석된 산성 혼합 용액에 실리콘 기판을 침지시키는 경우, 실리콘 기판 상에 패턴이 형성된 부분을 식각하여 패턴이 형성된 부분에 나노 다공성 구조 를 형성시킬 수 있었다. 이와 같이 실리콘 기판의 앞면과 뒷면에 나노 다공성 구조를 형성시킨 후 이에 후면 전극을 형성하고 광섬유 레이저의 과초점 가공을 하면, 전면의 반사도를 감소시킬 뿐 아니라, 캐리어의 수명을 향상시킬 수 있고, 실리콘 기판 후면의 실리콘 결정성에 영향을 주는 것을 최소화 할 수 있다. 또한, 개방 전압을 향상시켜 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있으며, 후면 전계 효과도 향상시킬 수 있다는 것을 알게 되어 본 발명을 완성하기에 이르렀다.The present inventors have been able to solve the conventional problems, and have been studying the etching method of the silicon substrate for solar cells that can increase the efficiency of the silicon solar cell. As a result, when the desired pattern is formed on the silicon substrate by a photolithography method or the like, and then the silicon substrate is immersed in the dilute acid mixed solution, the portion on which the pattern is formed is etched by etching the portion where the pattern is formed on the silicon substrate. Nanoporous structure could be formed in the. In this way, if the nanoporous structure is formed on the front and back of the silicon substrate, and then the rear electrode is formed and the hyperfocal processing of the fiber laser, the reflectivity of the front surface is reduced, and the life of the carrier can be improved, and the silicon Influence on the silicon crystallinity of the substrate backside can be minimized. In addition, it has been found that the present invention can improve the open-circuit voltage to improve the photoelectric conversion efficiency and also improve the back field effect.
도 1은 본 발명의 광섬유 레이저의 과초점 가공에 의한 태양전지용 실리콘 기판의 제조 방법의 공정을 개략적으로 나타낸 도면이다. 하기에서 본 발명에 따른 광섬유 레이저의 과초점 가공에 의한 태양전지용 실리콘 기판의 제조 방법을 도 1을 참조하여 상세하게 설명한다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure which shows roughly the process of the manufacturing method of the silicon substrate for solar cells by the hyperfocal process of the optical fiber laser of this invention. Hereinafter, a method of manufacturing a silicon substrate for a solar cell by hyperfocal processing of a fiber laser according to the present invention will be described in detail with reference to FIG. 1.
포토리소그래피는 공정 단가가 비싸 수율이 보장되는 반도체용 공정으로 많이 쓰이지만 태양전지 제작을 위한 공정으로는 아직 이르기는 하지만 공정의 정확성으로 말미암아 선택의 여지가 있는 기술이다. 포토리소그래피는 국부적으로 선택적인 패턴을 형성하기 위해 꼭 필요한 기술이다. 단결정 및 다결정 실리콘 식각은 나노 다공성 구조를 위한 식각을 위해 필요한데 이는 감광제가 일반적으로 알칼리에는 잘 견디지 못하고 산에는 견디기 때문에 이를 이용하여 산성 용액 식각을 하면 원하는 형태에 가깝게 실리콘 기판의 앞뒤 표면 전체의 조직화나 국부적으로 선택적인 패턴을 완성할 수 있다.Photolithography is widely used as a process for semiconductors that guarantees high yields, but it is still a process for manufacturing solar cells, but it is a technology of choice due to the accuracy of the process. Photolithography is a necessary technique for forming locally selective patterns. Monocrystalline and polycrystalline silicon etching is required for etching for nanoporous structures, since photoresists are generally not resistant to alkalis and acids, and acidic solution etching with them allows the entire surface of the front and back surfaces of the silicon substrate to be close to the desired shape. Locally selective patterns can be completed.
우선, 실리콘 기판 표면에 포토리소그래피 방법 등을 이용하여 목적하는 패턴을 형성한다(단계 1).First, a desired pattern is formed on the surface of a silicon substrate using a photolithography method or the like (step 1).
상기 실리콘 기판 표면에 형성되는 패턴은 국부적으로 혹은 전체적으로 형성될 수 있다.The pattern formed on the surface of the silicon substrate may be locally or entirely formed.
상기 단계 1에서는, 후면 전극형 실리콘 태양전지에서 실리콘 기판의 전면에 선택적으로 패턴을 형성하는 경우나, PN 접합 영역을 확대할 경우, 태양전지용 실리콘 기판의 후면 전계를 국부적인 패턴으로 형성할 경우 등과 같이 실리콘 기판 상에 선택적으로 패턴을 형성시켜야 할 필요에 따라 실리콘 기판 상에 포토리소그래피 방법 등을 이용하여 목적하는 패턴을 형성할 수 있다.In the step 1, in the case of selectively forming a pattern on the front surface of the silicon substrate in the back electrode type silicon solar cell, in the case of enlarging the PN junction region, in the case of forming the back field of the solar cell silicon substrate in a local pattern, etc. As described above, a desired pattern may be formed on the silicon substrate by using a photolithography method or the like as needed to selectively form a pattern on the silicon substrate.
이와 같이 태양전지용 실리콘 기판 상에 포토리소그래피 방법을 사용하여 패턴을 형성하는 방법은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 실시할 수 있는 것이므로 상세한 설명은 생략한다.As described above, a method of forming a pattern using a photolithography method on a silicon substrate for a solar cell can be easily performed by a person having ordinary skill in the art, so detailed description thereof will be omitted.
이후, 질산(HNO3)과 불산(HF)을 혼합하여 산성 혼합 용액을 제조한 후, 상기 산성 혼합 용액을 산성 혼합 용액의 1~5배 부피 비의 물과 혼합하여 희석된 산성 혼합 용액을 제조한다(단계 2).Thereafter, nitric acid (HNO 3 ) and hydrofluoric acid (HF) are mixed to prepare an acid mixed solution, and then the acid mixed solution is mixed with water at a volume ratio of 1 to 5 times the acid mixed solution to prepare a diluted acid mixed solution. (Step 2).
상기 단계 2에서 산성 혼합 용액은 질산과 불산을 1:5 내지 5:1의 부피 비로 혼합하여 제조하는 것이 바람직하다. The acid mixed solution in step 2 is preferably prepared by mixing nitric acid and hydrofluoric acid in a volume ratio of 1: 5 to 5: 1.
질산과 불산을 혼합하여 산성 혼합 용액을 제조한 후, 상기 산성 혼합 용액 과 산성 혼합 용액의 1~5배 부피 비의 물을 혼합하여 희석된 산성 혼합 용액을 준비한다.After nitric acid and hydrofluoric acid are mixed to prepare an acid mixed solution, a dilute acid mixed solution is prepared by mixing the acid mixed solution with water in a 1-5 times volume ratio of the acid mixed solution.
본 발명에서는 나노 다공성 구조를 가진 실리콘 기판을 제조할 때, 질산과 불산을 1:5 내지 5:1의 부피 비로 혼합한 산성 혼합 용액 및 상기 산성 혼합 용액의 1~5배 부피 비의 물을 혼합한 산성 혼합 용액을 사용하는 것이 특징이다.In the present invention, when manufacturing a silicon substrate having a nano-porous structure, the acid mixed solution in which nitric acid and hydrofluoric acid are mixed in a volume ratio of 1: 5 to 5: 1 and water in a volume ratio of 1 to 5 times the volume of the acid mixed solution is mixed. It is characterized by the use of one acidic mixed solution.
상기 산성 혼합 용액의 1배 부피 비 미만의 물과 상기 산성 혼합 용액을 혼합하여 본 발명에서 사용하는 희석된 산성 혼합 용액을 제조한 후 상기 희석된 산성 혼합 용액에 실리콘 기판을 침지시키는 경우, 실리콘 기판 표면에 나노 다공성 구조가 원하는 만큼 형성되지 않는 문제가 있다. 또한 산성 혼합 용액을 5배 부피 비를 초과하는 물과 혼합하여 용액을 제조하여 사용하는 경우, 희석 정도에 따른 온도 상승 정도의 보상을 감안하더라도 실리콘 기판의 식각 반응 속도가 현저히 느려져 공정 효율을 감소시킬 수 있다.When a silicon substrate is immersed in the diluted acid mixed solution after preparing the diluted acid mixed solution used in the present invention by mixing the acid mixed solution with water less than one volume ratio of the acid mixed solution, There is a problem that the nanoporous structure is not formed on the surface as desired. In addition, when the acid mixture solution is mixed with water exceeding 5 times the volume ratio, the solution is prepared and used, even in view of the compensation of the temperature rise according to the degree of dilution, the etching rate of the silicon substrate is significantly slowed to reduce the process efficiency. Can be.
본 발명에서 상기 희석된 산성 혼합 용액으로는 질산과 불산을 3:7 부피 비로 혼합하여 산성 혼합 용액을 제조한 후, 상기 산성 혼합 용액과 산성 혼합 용액의 2배 부피 비의 물을 혼합하여 제조된, 희석된 산성 혼합 용액을 사용하여 실리콘 기판에 형성된 패턴에 나노 다공성 구조를 형성하는 것이 바람직하다.In the present invention, the diluted acid mixed solution is prepared by mixing nitric acid and hydrofluoric acid in a 3: 7 volume ratio to prepare an acid mixed solution, and then mixing the acid mixed solution and water in a double volume ratio of the acid mixed solution. It is preferable to form the nanoporous structure in the pattern formed on the silicon substrate using the diluted acid mixed solution.
상술한 바와 같이 제조된 희석된 산성 혼합 용액은 산성 혼합 용액이 서로 섞일 때 발열 반응에 의해 열을 발생한다. 이때 온도가 25 ℃ 내지 60 ℃ 범위, 바람직하게는 30 ℃로 유지된다면, 상기 온도로 유지되는 희석된 산성 혼합 용액에 실리콘 기판을 침지시켜 나노 다공성 구조를 형성하는 경우, 시간도 상온 기준으로 단결정 실리콘 표준 표면 조직화 단계에서 걸리는 총 소요 시간인 약 3시간보다 훨씬 짧아 질 수 있다.The diluted acid mixed solution prepared as described above generates heat by exothermic reaction when the acid mixed solutions are mixed with each other. At this time, if the temperature is maintained in the range of 25 ℃ to 60 ℃, preferably 30 ℃, when the silicon substrate is immersed in the diluted acid mixed solution maintained at the temperature to form a nanoporous structure, the time is also based on room temperature single crystal silicon It can be much shorter than about 3 hours, which is the total time required for the standard surface organization step.
다음으로, 상기 단계 2에서 제조한 희석된 산성 혼합 용액에 상기 단계 1에서 패턴이 형성된 실리콘 기판을 침지시켜 상기 실리콘 기판에 형성된 패턴에 나노 다공성 구조를 형성한다(단계 3).Next, the silicon substrate having the pattern formed in step 1 is immersed in the diluted acid mixed solution prepared in step 2 to form a nanoporous structure in the pattern formed on the silicon substrate (step 3).
상기 단계 3에서는 실리콘 기판 표면에 형성된 선택적 패턴에 나노 다공성 구조를 형성하기 위하여 상술한 희석된 산성 혼합 용액에 목적하는 패턴이 형성된 실리콘 기판을 침지시킨다. 이때, 상기 단계 3에서는 목적하는 패턴이 형성된 실리콘 기판을 희석된 산성 혼합 용액에 온도와 희석 비율을 고려하여 최대 50분을 넘지 않는 동안 침지시키는 것이 바람직하다.In step 3, the silicon substrate having the desired pattern is immersed in the diluted acid mixed solution described above in order to form a nanoporous structure in the selective pattern formed on the surface of the silicon substrate. At this time, in step 3, it is preferable to immerse the silicon substrate on which the desired pattern is formed in a diluted acidic mixed solution for up to 50 minutes in consideration of temperature and dilution ratio.
본 발명에서 상기 실리콘 기판으로는 비 가공 상태의 결정질 실리콘 기판, 단결정질 실리콘 기판, 삼결정질 실리콘 기판, 다결정질 실리콘 기판 등을 사용할 수 있다.In the present invention, the silicon substrate may be a non-processed crystalline silicon substrate, a single crystalline silicon substrate, a tricrystalline silicon substrate, a polycrystalline silicon substrate and the like.
본 발명의 나노 다공성 구조를 가진 선택적 패턴이 형성된 태양전지용 실리콘 기판의 제조 방법은 최초 실리콘 기판 준비 단계, 표면 기초 세정 단계, 실톱 손상 표면 제거 단계, 표면 조직화 단계 등 어느 단계에 관계없이 상술한 희석된 산성 용액을 사용하여 실리콘 기판 표면에 나노 다공성 구조를 형성할 수 있다. 다만 알칼리 용액을 이용한 표면 조직화의 경우 중복 효과를 피하는 것이 바람직하지만 꼭 필요한 경우 본 발명의 방법을 사용할 수 있다.The method for producing a silicon substrate for a solar cell with a selective pattern having a nanoporous structure of the present invention is prepared by diluting the above-described thin film irrespective of any of the first steps, such as preparing a silicon substrate, cleaning a surface-based, removing a damaged surface of a jigsaw, and organizing a surface. The acidic solution can be used to form nanoporous structures on the silicon substrate surface. However, in the case of surface organization using an alkaline solution, it is preferable to avoid overlapping effects, but if necessary, the method of the present invention can be used.
다음으로, 상기 단계 3에서 실리콘 기판 표면에 형성된 나노 다공성 구조에 p-형 도핑 후 소성하여 열 산화 막을 형성한다(단계 4).Next, in step 3, the nanoporous structure formed on the surface of the silicon substrate is p-type doped and calcined to form a thermal oxide film (step 4).
상기 단계 4에서는 상기 단계 3에서 실리콘 기판 표면에 형성된 나노 다공성 구조에 주기율표의 3족 원소인 붕소, 갈륨, 인듐 등의 p-형 물질을 사용하여 도핑한 후 900~950 ℃에서 소성시킴으로써 상기 단계 3에서 실리콘 기판 상의 패턴에 형성된 나노 다공성 구조에만 p-형 도핑과 열 산화 막을 선택적으로 형성할 수 있다. In step 4, the nanoporous structure formed on the surface of the silicon substrate in step 3 is doped with p-type materials such as boron, gallium, and indium, which are Group 3 elements of the periodic table, and then calcined at 900 to 950 ° C. In p-type doping and thermal oxide film can be selectively formed only in the nanoporous structure formed in the pattern on the silicon substrate.
본 발명의 일 실시 형태에서, 상기 실리콘 기판 표면에 형성된 나노 다공성 구조에 p-형 도핑 과정은 나노 다공성 구조가 형성된 실리콘 기판 표면에 붕소 페이스트를 스크린 인쇄하여 수행할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the p-type doping process on the nanoporous structure formed on the surface of the silicon substrate may be performed by screen printing boron paste on the surface of the silicon substrate on which the nanoporous structure is formed.
본 발명에서는 상기 실리콘 기판 표면에 형성된 나노 다공성 구조에 p-형 도핑 후 열 산화 막을 형성함으로써 열 산화 막에 의한 절연 분리를 만들 수 있다.In the present invention, the insulating separation by the thermal oxide film can be made by forming a thermal oxide film after p-type doping in the nanoporous structure formed on the surface of the silicon substrate.
다음으로, 상기 단계 4에서 실리콘 기판 표면에 형성된 열 산화 막을 포토리소그래피를 이용하여 국부적인 패턴 홈 영역의 산화 막만 제거한다(단계 5).Next, the thermal oxide film formed on the surface of the silicon substrate in step 4 is removed by only the oxide film of the local pattern groove region using photolithography (step 5).
상기 단계 5에서 포토리소그래피를 이용하여 국부적인 패턴 홈 영역의 산화 막만 제거하는 과정은 본 발명의 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 수행될 수 있다.The process of removing only the oxide film of the local pattern groove region by using photolithography in step 5 may be easily performed by a person skilled in the art.
상기 단계 5에서 실리콘 기판 표면에 형성된 열 산화 막이 제거되고 도핑 된 국부적인 패턴의 나노 다공성 구조를 포함하는 뒷면 전체에 알루미늄 막을 증착시 킨다(단계 6). In step 5, the thermal oxide film formed on the surface of the silicon substrate is removed and an aluminum film is deposited on the entire back surface including the doped local pattern of the nanoporous structure (step 6).
상기 단계 6에서 알루미늄 막을 증착시키는 단계는 상기 나노 다공성 구조가 형성된 실리콘 기판의 표면 전체에 진공 증착 또는 스퍼터링 등의 방법을 사용하여 알루미늄 막을 증착시킬 수 있다.In the step 6 of depositing the aluminum film, the aluminum film may be deposited using a method such as vacuum deposition or sputtering on the entire surface of the silicon substrate on which the nanoporous structure is formed.
마지막으로, 상기 단계 6에서 실리콘 기판 표면에 형성된 나노 다공성 구조가 형성된 실리콘 기판의 표면 전체에 진공 증착 또는 스퍼터링 등의 방법을 사용하여 형성된 막을 광섬유 레이저로 과초점 가공하여 본 발명의 태양전지용 실리콘 기판을 제조한다(단계 7).Finally, the silicon substrate for solar cell of the present invention is prepared by hyperfocusing the film formed by using a method such as vacuum deposition or sputtering on the entire surface of the silicon substrate having the nanoporous structure formed on the surface of the silicon substrate in step 6. To manufacture (step 7).
상기 단계 7에서는 실리콘 기판 표면의 알루미늄 막이 형성된 부분을 광섬유 레이저를 사용하여 과초점 가공함으로써 전극 접촉을 형성하면 더욱 넓은 면적에 대해 후면 전계 효과를 볼 수 있으며, 광섬유 레이저의 과초점 가공법을 사용함으로써 실리콘 기판의 손상을 최소화할 수 있다. 광섬유 레이저는 1,064 nm의 파장을 사용하는 Q-스위칭 방식의 Nd:YAG 레이저의 한 종류이며, 과초점 가공법은 레이저 가공 높이를 초점 거리보다 약간 멀게 혹은 가깝게 하여 가공하는 방법으로서, 해당 광섬유 레이저의 큰 출력을 적당히 줄여 가공하는 것으로 가공 영역에 있는 실리콘의 결정성을 어느 정도 유지하여 손상이 최소가 되도록 레이저 열을 가할 수 있는 방법이다. 따라서 이미 정렬된 상태의 실리콘 기판 위에 알루미늄이 패턴에 들어가 있는 상태에서 레이저로 열을 가하는 것이므로, 일종의 국부적인 소성 공정을 수행하는 것이다. In the step 7, if the electrode contact is formed by overfocusing the aluminum film formed on the surface of the silicon substrate using a fiber laser, the back field effect can be seen over a larger area. Damage to the substrate can be minimized. The fiber laser is a type of Q-switching Nd: YAG laser that uses a wavelength of 1,064 nm, and the hyperfocal method is a method in which the laser processing height is processed at a distance slightly closer or closer than the focal length. It is a method to apply laser heat to minimize the damage by maintaining the crystallinity of silicon in the processing area by processing the output with a moderate reduction. Therefore, since the aluminum is applied to the pattern on the silicon substrate in the already aligned state, the laser is applied to heat, thereby performing a kind of local firing process.
본 발명에 따라 제조된 후면 전극형 태양전지용 실리콘 기판은 포토리소그래피 방법을 사용하여 실리콘 기판 표면에 목적하는 패턴이 형성된 후, 상기 기판의 앞면에는 나노 다공성 구조가 형성되며 이 구조는 빛 가둠 효과에 의해 반사도를 감소시킬 수 있으며 캐리어의 수명도 증가시킬 수 있다. 한편 뒷면에는 목적하는 패턴이 형성되어 희석된 산성 혼합 용액에 의해 나노 다공성 구조를 가지게 되면 PN 접합의 영역을 넓힐 수 있어 생성되는 전류 밀도를 높이게 되고 이는 전체적으로 태양전지의 광전 변환 효율을 높이는데 기여할 수 있다.The silicon substrate for a back electrode solar cell manufactured according to the present invention has a desired pattern formed on the surface of the silicon substrate using a photolithography method, and then a nanoporous structure is formed on the front surface of the substrate, and the structure is formed by a light confinement effect. The reflectivity can be reduced and the life of the carrier can be increased. On the other hand, if the desired pattern is formed on the back and has a nanoporous structure by dilute acidic mixed solution, the area of the PN junction can be widened to increase the generated current density, which can contribute to the overall photoelectric conversion efficiency of the solar cell. have.
또한, 본 발명에 따라 제조된 전후면 전극을 가진 일반적인 태양전지의 경우 상기 실리콘 기판에 형성된 나노 다공성 구조에 후면 전극을 형성한 후 광섬유 레이저로 과초점 가공하는 경우 후면 전계 효과를 향상시킬 수 있고, 이와 같이 제조된 후면 전극이 형성된 태양전지용 실리콘 기판은 나노 다공성 구조의 홈에 알루미늄이 충전되어 알루미늄과 접촉하는 면적이 넓어져 태양전지의 개방 전압을 향상시킬 수 있다.In addition, in the case of a general solar cell having a front and back electrode manufactured according to the present invention, if the back electrode is formed on the nanoporous structure formed on the silicon substrate and the hyperfocal processing with a fiber laser, the rear field effect can be improved, The solar cell silicon substrate having the back electrode manufactured as described above may be filled with aluminum in the groove of the nanoporous structure to increase the area of contact with the aluminum, thereby improving the open voltage of the solar cell.
본 발명은 실리콘 기판의 기본 모양을 유지할 수 있으면서도 실리콘 기판에 형성된 패턴에 나노 다공성 구조를 형성할 수 있으며, 상기 나노 다공성 구조에 후면 전극을 형성시켜 광섬유 레이저를 사용하여 과초점 가공함으로써 제조된 후면 전극을 가진 일반형 태양전지용 실리콘 기판의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 태양전지용 실리콘 기판의 제조방법은 태양전지용 실리콘 기판 앞면의 반사도를 감소시키며, 캐리어의 수명을 향상시킬 수 있다. 개방 전압을 향상시켜 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있으며, 국부적인 후면 전계 효과도 향상시킬 수 있으며 기판의 손상을 최소화할 수 있고 결정성도 손상을 많이 입지는 않는다.The present invention can maintain the basic shape of the silicon substrate, but can form a nanoporous structure in the pattern formed on the silicon substrate, the back electrode prepared by forming a back electrode on the nanoporous structure by hyperfocal processing using a fiber laser It provides a method of manufacturing a silicon substrate for a general solar cell having a. The method of manufacturing a silicon substrate for a solar cell according to the present invention can reduce the reflectivity of the front surface of the silicon substrate for a solar cell and improve the life of the carrier. By improving the open voltage, the photoelectric conversion efficiency can be improved, local back field effect can be improved, the damage of the substrate can be minimized, and the crystallinity is not damaged much.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시 예를 설명한다. 하지만 하기 실시 예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허 청구 범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, preferred embodiments will be described in order to help understanding of the present invention. However, it is apparent to those skilled in the art that the following examples are merely illustrative of the present invention, and various changes and modifications can be made within the scope and spirit of the present invention, and such modifications and variations belong to the appended claims.
실시 예 1Example 1
결정질 실리콘 웨이퍼 후면에 포토리소그래피 방법을 사용하여 패턴을 형성하여 후면 전계를 형성하였다. 이후, 질산과 불산을 3:7 비율로 혼합하여 100 ml 산성 혼합 용액을 제조한 후, 상기 산성 혼합 용액의 2배 부피 비에 해당하는 200 ml의 물을 상기 산성 혼합 용액에 혼합하여 희석된 산성 혼합 용액을 제조하였다. 상기 희석된 산성 혼합 용액에 상기 후면 전계가 형성된 결정질 실리콘 기판을 약 30 ℃에서 20분 동안 침지시킨 후, 상기 실리콘 기판을 세척하고 건조하여 본 발명의 태양전지용 결정질 실리콘 기판을 제조하였다. 상기와 같이 제조된 실리콘 기판에서 패턴이 형성된 표면에 나노 다공성 구조가 형성된 부분을 주사전자현미경으로 촬영하여 도 2에 나타내었다. 이후, 상기 실리콘 기판 상에 형성된 나노 다공성 구 조가 형성된 부분에 도핑용 붕소 페이스트를 스크린 인쇄하여 국부적으로 위치를 정렬시켜 인쇄한 다음 가열로에서 900~950 ℃에서 소성하여 국부적으로 p+ 도핑을 수행하면서 열 산화 막도 같이 생기도록 하였다. 이와 같이 실리콘 기판을 소성하여 열 산화 막을 형성한 후 포토리소그래피 공정을 이용하여 붕소가 도핑된 국부적인 패턴에 있는 BSG(BoroSilicate Glass)를 불산 희석 용액에 담가 제거한 다음 도포된 감광제를 아세톤 등으로 제거하여 국부적인 패턴에는 붕소가 도핑 된 홈의 나머지 부분에는 산화막이 있도록 하였다. 진공 증착에 의해 알루미늄 막을 실리콘 기판 중 국부적인 패턴이 있는 면의 전체에 증착시켰고, 이에 대해 광학현미경으로 촬영하여 도 3 및 도 4에 나타내었다. 이후 광섬유 레이저를 사용한 과초점 가공법으로 알루미늄이 채워진 국부적인 패턴의 나노 다공성 구조 부분을 가공하여 국부적인 패턴의 전극 접촉을 형성시켜 본 발명의 태양전지용 실리콘 기판의 후면 전극을 제조하였다.A pattern was formed on the back side of the crystalline silicon wafer using a photolithography method to form the back side electric field. Thereafter, nitric acid and hydrofluoric acid were mixed at a ratio of 3: 7 to prepare a 100 ml acid mixed solution, and then 200 ml of water corresponding to a double volume ratio of the acid mixed solution was mixed with the acid mixed solution to dilute acid. Mixed solution was prepared. After immersing the crystalline silicon substrate having the back electric field in the diluted acidic mixed solution at about 30 ° C. for 20 minutes, the silicon substrate was washed and dried to prepare a crystalline silicon substrate for a solar cell of the present invention. In the silicon substrate manufactured as described above, a portion formed with the nanoporous structure on the patterned surface was photographed with a scanning electron microscope, and is shown in FIG. 2. Subsequently, the doping boron paste is screen-printed on a portion where the nanoporous structure formed on the silicon substrate is formed, and then locally aligned and printed. It was calcined at 900 ~ 950 ° C. to locally produce p + doping to produce a thermal oxide film. After firing the silicon substrate to form a thermal oxide film, BSG (BoroSilicate Glass) in a boron-doped local pattern was removed by dipping in a hydrofluoric acid dilution solution using a photolithography process, and then the applied photosensitive agent was removed with acetone or the like. The local pattern has an oxide film in the rest of the boron-doped grooves. The aluminum film was deposited on the entire surface of the local pattern of the silicon substrate by vacuum deposition, which was taken with an optical microscope and shown in FIGS. 3 and 4. Subsequently, a nanoporous structure part of a local pattern filled with aluminum was processed by a hyperfocal method using a fiber laser to form a local pattern of electrode contacts, thereby manufacturing a rear electrode of the silicon substrate for a solar cell of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 태양전지용 실리콘 기판은 그 뒷면에 형성된 국부적인 패턴 부분에만 나노 다공성 구조가 형성됨을 알 수 있고, 도 3 및 도 4를 참조하면 상기 실리콘 기판 상에 형성된 나노 다공성 구조에 알루미늄이 채워진 것을 알 수 있다. 이와 같이 실리콘 기판 상에 국부적으로 형성된 패턴에 나노 다공성 구조를 형성하고 이에 도핑 물질을 스크린 인쇄한 다음 가열로를 이용하여 소성하고 국부적인 패턴을 제외한 곳에만 열 산화 막을 형성하여 뒷면에 국부적인 알루미늄 증착이나 스퍼터링을 통한 전극 형성 준비를 한 다음 광섬유 레이저를 사용한 과초점 가공법으로 알루미늄이 채워진 나노 다공성 구조 부분을 가공하면 전극 접 촉이 형성된다. 태양전지용 실리콘 기판 뒷면에 상기와 같이 전극을 형성하게 되면 패시베이션 효과를 얻을 수 있고, 국부적인 패턴을 통한 후면 전계 효과 향상을 기할 수 있다. 또한 후면 전극형 태양전지의 경우 희석된 산성 혼합 용액을 이용하여 앞면 전체에 나노 다공성 구조를 형성시키면 반사도가 감소하며, 캐리어의 수명이 향상될 뿐 아니라 그 뒷면의 P 영역에 적용할 경우 PN 접합 영역을 확대함으로써 전류 밀도 향상을 꾀하여 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다. Referring to FIG. 2, it can be seen that the nanoporous structure of the solar cell silicon substrate of the present invention is formed only on a local pattern portion formed on the back side thereof. Referring to FIGS. 3 and 4, the nanoporous structure formed on the silicon substrate is described. You can see that the aluminum is filled. In this way, the nanoporous structure is formed on the locally formed pattern on the silicon substrate, the doping material is screen printed, and then fired using a heating furnace, and a thermal oxide film is formed only on the non-local pattern so that local aluminum deposition or The electrode contact is formed by preparing the electrode formation through sputtering and then processing the aluminum-porous structure filled with aluminum by hyperfocal processing using a fiber laser. If the electrode is formed on the back surface of the silicon substrate for solar cells, the passivation effect can be obtained, and the rear field effect can be improved through the local pattern. In addition, in the case of the back electrode type solar cell, when the nanoporous structure is formed on the entire front surface using a dilute acid mixed solution, the reflectivity is reduced, and the life of the carrier is improved, and when applied to the P region on the back side, the PN junction region is used. By enlarging, the current density can be improved to improve the photoelectric conversion efficiency.
도 1은 본 발명의 광섬유 레이저의 과초점 가공에 의한 태양전지용 실리콘 기판의 제조 방법의 공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure which shows roughly the process of the manufacturing method of the silicon substrate for solar cells by the hyperfocal process of the optical fiber laser of this invention.
도 2는 본 발명의 실시 예 1에서 결정질 실리콘 기판에서 나노 다공성 구조가 형성된 표면을 촬영한 150,000배 배율의 주사전자현미경 사진이다.FIG. 2 is a scanning electron micrograph at 150,000 times magnification of a surface having a nanoporous structure formed on a crystalline silicon substrate in Example 1 of the present invention.
도 3은 본 발명의 실시 예 1에서 결정질 실리콘 기판에 형성된 나노 다공성 구조에 알루미늄이 채워진 상태를 촬영한 1,000배 배율의 광학현미경 사진이다.FIG. 3 is an optical micrograph at 1,000 times magnification in which a nanoporous structure formed on a crystalline silicon substrate is filled with aluminum in Example 1 of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시 예 1에서 결정질 실리콘 기판에 형성된 나노 다공성 구조에 알루미늄이 채워진 상태를 촬영한 500배 배율의 광학현미경 사진이다.FIG. 4 is an optical micrograph at 500 times magnification in which a nanoporous structure formed on a crystalline silicon substrate is filled with aluminum in Example 1 of the present invention.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따라 나노 다공성 구조를 가진 국부적 패턴이 형성된 결정질 실리콘 기판 용 포토마스크(왼쪽) 및 상기 태양전지용 실리콘 기판 뒷면에 알루미늄을 증착 혹은 스퍼티링 한 후 광섬유 레이저 과초점 가공을 하여 열처리함으로써 후면 전계가 형성되는 개념을(오른쪽) 나타낸 도면이다.FIG. 5 is a photomask for a crystalline silicon substrate (left) on which a local pattern having a nanoporous structure is formed according to an embodiment of the present invention, and an optical fiber laser hyperfocal after depositing or sputtering aluminum on the back surface of the silicon substrate for the solar cell The figure which shows the concept (right side) in which a back side electric field is formed by processing and heat-processing.
도 6은 본 발명에서 사용하는 광섬유 레이저의 과초점 가공법을 개략적으로 나타낸 도면이다.6 is a view schematically showing a hyperfocal processing method of a fiber laser used in the present invention.
Claims (12)
Priority Applications (1)
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Applications Claiming Priority (1)
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