KR101352034B1 - 결정질 실리콘 태양전지와 그 제조방법 및 제조시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 결정질 실리콘태양전지와 그 제조방법 및 이를 위한 제조장치에 관하여 개시한다. 본 발명의 결정질 실리콘 태양전지의 제조방법은, 제1도전형의 결정질 실리콘 기판을 준비하는 제1단계; 상기 기판의 일면에 상기 기판보다 더 큰 도핑농도를 가지는 제1도전형 도핑층을 형성하는 한편, 상기 기판의 타면에 제2도전형 도핑층을 형성하는 제2단계; 상기 제2도전형 도핑층의 외측에 표면에 요철구조를 갖는 막을 형성하는 제3단계; 상기 제1도전형 도핑층의 외측에 제1전극을 형성하는 한편, 상기 제3단계에서 형성된 상기 막의 외측에 제2전극을 형성하는 제4단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 본 발명에 따르면 결정질 실리콘 태양전지의 제조공정을 단순화시키고 공정시간도 크게 단축시킬 수 있다. 즉, 종래처럼 Si웨이퍼에 대한 텍스쳐링을 수행할 필요가 없기 때문에 공정이 단순화되고 공정시간이 단축된다. 또한 플라즈마를 이용하여 이온도핑을 실시하기 때문에 고온확산법에 비하여 PN접합깊이 등을 정밀하게 제어할 수 있으며 도핑시간도 훨씬 단축된다.
Description
도 1은 종래 결정질 실리콘 태양전지의 제조과정을 나타낸 공정순서도
도 2a 내지 도 2f는 종래 결정질 실리콘 태양전지의 제조과정을 나타낸 공정단면도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 결정질 실리콘 태양전지의 제조방법
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 실시예에 따른 결정질 실리콘 태양전지의 제조과정을 나타낸 공정단면도
도 5a 및 도 5b는 각각 ZnO층의 평면사진 및 단면사진
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 결정질 실리콘 태양전지 제조시스템의 구성도
도 7은 인라인 타입의 결정질 실리콘 태양전지 제조시스템의 구성도
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
100: p형 기판 110: p++도핑층
120: n+ 도핑층 130: ZnO층
140: 전면전극 150: 후면전극
본 발명은 태양전지의 제조방법과 그 제조시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 결정질 실리콘 태양전지의 제조공정을 단순화시키고 제조원가를 절감할 수 있는 방법에 관한 것이다.
태양전지는 PN접합 반도체의 내부에서 태양광에 의해 여기된 소수캐리어에 의해 기전력을 발생시키는 소자이다. 이러한 태양전지를 제조하기 위해서는 단결정실리콘, 다결정실리콘, 비정질실리콘, 화합물반도체 등의 반도체 물질을 사용하여야 한다.
이 중에서 단결정실리콘이 에너지 변환효율이 가장 좋으나 가격이 비싼 단점 때문에 다결정실리콘이 보다 많이 사용되고 있다. 또한 최근에는 유리나 플라스틱 등의 값싼 기판에 비정질실리콘이나 화합물반도체 등의 박막을 증착함으로써 매우 저렴하게 제조할 수 있는 박막형 태양전지도 많이 사용되고 있다.
본 발명은 이 중에서 단결정 또는 다결정의 결정질 실리콘을 이용하여 태양전지를 제조하는 방법과 시스템에 관한 것이다.
이하에서는 도 1의 공정순서도 및 도 2a 내지 도 2f의 공정단면도를 참조하 여 결정질 실리콘 태양전지 제조하는 종래의 방법을 설명한다.
먼저 도 2a에 도시된 바와 같이 결정질 실리콘기판(10)을 준비하고, 염기 또는 산 용액을 이용한 습식 식각을 통하여 기판절단 과정에서 발생한 손상을 제거한다. 여기서는 편의상 p형으로 도핑된 기판(10)을 이용하여 태양전지를 제조하는 과정을 설명하기로 한다. (ST11)
이어서 광 흡수율을 높이기 위하여 기판(10)의 표면에 대하여 텍스쳐링(texturing) 공정을 실시한다. 텍스쳐링은 도 2b에 도시된 바와 같이 기판(10)의 표면에 소정 형상의 미세한 요철(20)을 형성하는 공정으로서, 염기 또는 산 용액을 이용한 습식식각(wet etching)이 많이 이용되지만 최근에는 플라즈마를 이용한 건식식각법도 이용되고 있다. (ST12)
텍스쳐링 공정 이후에는 기판(10)의 내부에 PN접합구조를 형성하기 위하여 n형 도펀트(dopant)로 이온도핑을 실시한다.
주로 이용되는 도핑 방법은 고온확산(thermal diffusion) 법으로서, 기판(10)을 고온의 확산로의 내부에 안치시킨 상태에서 POCl3, PH3 등의 n형 도펀트 함유가스를 공급하는 방법이다.
이때 기판(10)의 내부로 n형 도펀트가 확산되면서 도2c에 도시된 바와 같이 기판(10)의 표층에 소정 두께의 n+ 도핑층(12)이 형성된다.
이하에서는 설명의 편의를 위하여 p형의 기판(10)에서 상기 n+도핑층(12)과 구분되는 나머지 부분을 p+층(10')으로 명명하기로 한다. (ST13)
이러한 고온 확산공정(ST13)은 통상 800℃ 이상의 고온에서 진행되는데, 이 정도의 고온에서는 기판(10)의 표면에 PSG(Phosphor-Silicate Glass)와 같은 부산물이 형성된다. 그런데 PSG는 전지의 전류를차폐시키는 역할을 하기 때문에 전지효율을 높이기 위해서 식각용액을 이용하여 반드시 제거해 주어야 한다.
만일 n형 기판에 붕소(B)를 함유하는 p형 도펀트를 확산시키는 경우에는 BSG(Boro-Silicate Glass)가 생성되는데, 이러한 BSG도 전지의 효율을 저하시키는 역할을 하므로같은 방법으로 제거해 주어야 한다. (ST14)
한편, 확산공정(ST13)에서는 도 2c에 도시된 바와 같이 기판(10)의 에지 부분에서도 n+ 도핑층(12)이 형성된다. 그런데 에지부분의 도핑층(12)을 통해서는 전면전극과 후면전극 사이의 누설전류가 발생할 수 있으므로 전지의 효율을 높이기위해서는 도 2d에 도시된 바와 같이 기판(10)의 에지에 형성된 n+ 도핑층(12)을 제거해주어야만 한다.
이러한 공정을 에지 아이솔레이션(edge isolation)이라고 하며, 구체적으로는 레이저를 이용하여 에지 부분을 절단하거나 습식식각 또는 건식식각을 통해 에지부분을 식각한다. 다만, 에지 아이솔레이션 공정은 태양전지를 완성하고 테스트를 수행하기 직전에 진행될 수도 있다. (ST15)
이어서 도 2e에 도시된 바와 같이 n+ 도핑층(12)의 상부에 반사방지막(14)을 형성한다. 특히 SiN박막을 반사방지막(14)으로 형성하면 태양광의 흡수율을 높이는 역할뿐만 아니라 기판의표면보호막(surface passivation)과 수소보호막(hydrogen passivation)의 역할도 수행한다.
SiN박막은 주로 플라즈마 강화 화학기상증착(PECVD) 법을 통해 형성되며, 스퍼터법을 통해서도 증착될 수 있다. (ST16)
SiN을 이용하여 반사방지막(14)을 형성한 이후에는 기판(10)의 전면과 후면에 도전물질을 이용하여 전극을 형성하여야 한다.
이를 위해 기판(10)의 전면과 후면에 Al 또는 Ag 을 함유한 도전성페이스트를 스크린 프린팅 기법을 이용하여 소정 패턴으로 도포하고, 상기 기판(10)을 고온의 퍼니스(furnace)에서 소결(sintering)시킨다.
도전성 페이스트가 소결되면서 도 2f에 도시된 바와 같이 기판(10)의 전면과 후면에 각각 전면전극(18)과 후면전극(16)이 형성된다.
구체적으로는 SiN의 반사방지막(14)의 상부에 도포된 도전성 페이스트는 소결과정에서 산화환원반응(Redox reaction)에 의하여 반사방지막(14)을 뚫고 n+도핑층(12)과 접촉하는 전면전극(18)으로 형성된다.
또한 기판(10)의 후면에 Al 페이스트를 도포한 후에 소결시키면, 소결 과정에서 n+도핑층(12)으로 Al이 확산하면서 p++도핑층(13)이 형성된다. 이와 같이 p형 기판(10)의 후면에 p++도핑층(13)이 형성되면 기판(10)의 후면에는 후면전계(Back Surface Field)가 형성된다.
상기 후면전계는 기판(10)의 내부에서 태양광에 의해 여기된 전자가 후면전극(16)으로 이동하여 소멸하지 않고, 전면전극(18)쪽으로 이동하여 광전류에 기여하도록 함으로써 태양전지의 효율을 높이는 역할을 한다. (ST17)
전극형성 공정이 완료된 이후에는 전지의 효율 등을 테스트하고 그 결과에 따라 분류작업을 수행한다. 테스트를 하기 전에 태양전지의 에지부분에서 발생하는 누설전류를 제거하기 위하여 기판(10)의 에지부분을 절단 또는 식각하는 에지 아이솔레이션을 진행할 수도 있다.
이어서 완성된 다수의 태양전지를 연결하는 모듈화 공정을 통해 태양전지 모듈을 제조한다. (ST18)
그런데 전술한 태양전지 제조공정은 다음과 같은 몇 가지 문제점을 가지고 있다.
첫째, 텍스쳐링 공정(ST12)에서 습식식각법을 적용하는 경우에 다결정 실리콘 기판에서는 결정면에 따라 식각속도가 수십 내지 수백 배 이상 차이나기 때문에 균일한 표면조도를 얻기가 힘들다는 문제점이 있다. 또한 건식식각법의 경우에는 아직까지 텍스쳐링 효율에 대한 검증이 미진한 상태이다.
둘째, PN접합을 형성하기 위해 종래 많이 사용하는 고온확산 공정(ST13)은 공정시간이 길고 PSG 또는 BSG와 같은 부산물을 발생시키므로 이를 제거하기 위한 별도의 제거공정을 진행하여야 하는 문제점이 있다.
또한 수평로(horizontal furnace)를 이용하여 고온확산을 진행하기 위해서는 쿼츠 재질의 안치대로 기판을 이재시켜야 하므로 전후공정과 연속되는 인라인 공정으로 진행하기에 부적합하다는 문제점이 있다.
또한 고온 확산공정에서는 기판(10)의 에지부분에서도 도전층이 형성되기 때문에 전면전극과 후면전극 사이의 누설전류를 방지하기 위해서는 에지 아이솔레이션 공정을 반드시 수행하여야 하는데, 이와 같은 PSG 또는 BSG제거공정이나 에지 아이솔레이션 공정은 태양전지 제조의 생산성을 향상시키는데 있어서 제약요인이 될 수밖에 없다.
셋째, 전면전극(18)의 형성공정을 세밀하게 제어하지 않으면 전면전극(18)의 금속성분이 n+ 도핑층(12)을 지나 기판(10)의 p+층(10')과 접촉하여 누설전류를 발생시킬 수 있는 문제점이 있다.
이를 방지하기 위해서는 고온확산공정에서 n+ 도핑층(12)을 충분히 깊게 형성해야하는데 이로 인해 공정시간이 더욱 길어지는 문제점이 있다.
넷째, 최근 Si웨이퍼의 두께가 갈수록 얇아짐에 따라 후면전계를 형성하기 위하여 기판(10)의 후면에 Al 페이스트를 도포한 후에 소결시키면 기판(10)의 휨(bowing) 현상이 자주 발생한다.
또한 후면전계를 형성하기 위해 Al 페이스트를 도포하면, 기판의 두께가 두꺼워지고 과다한 비용이 소요되는 문제가 있다.
또한 전면전극(18)을 n+도핑층(12)과 접촉하도록 산화환원반응을 유도하기 위해서는 800℃ 이상의 고온에서 소결시켜야 하는데 이로 인해 기판(10)의 휨이 발생하는 경우도 많으며, 이와 같이 기판(10)이 휘면 이후의 모듈화 공정에서 문제를 발생시키게 된다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 복잡한 공정을 단순화시킴으로써 생산성을 향상시키고 비용을 절감할 수 있는 결정질 태양전지 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
또한 태양전지 제조시스템을 집적화된 시스템이나 연속적인 인라인 방식으로 설계할 수 있도록 함으로써 생산성을 높이고 전체 시스템의 풋프린트(footprint)를 절감할 수 있도록 하는데 목적이 있다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 제1도전형의 결정질 실리콘 기판을 준비하는 제1단계; 상기 기판의 일면에 상기 기판보다 더 큰 도핑농도를 가지는 제1도전형 도핑층을 형성하는 한편, 상기 기판의 타면에 제2도전형 도핑층을 형성 하는 제2단계; 상기 제2도전형 도핑층의 외측에 표면에요철구조를 갖는 막을 형성하는 제3단계; 상기 제1도전형 도핑층의 외측에 제1전극을 형성하는 한편, 상기 제3단계에서 형성된 상기 막의 외측에 제2전극을 형성하는 제4단계를 포함하는 결정질 실리콘 태양전지의 제조방법을 제공한다.
상기 결정질 실리콘 태양전지의 제조방법은, 상기 제2단계에서, 상기 기판보다 더 큰 도핑농도를 가지는 상기 제1도전형 도핑층은 상기 기판보다 에너지밴드갭이 큰 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 제2단계에서, 상기 제1도전형 도핑층과 상기 제2도전형 도핑층은 각각 플라즈마이온도핑을 통해 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 제2단계의 이후에 이온도핑된 물질을 활성화시키기 위하여 상기 기판을 가열시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로할 수 있다.
또한 상기 제2단계에서, 상기 제1도전형 도핑층을 형성하는 단계와 상기 제2도전형 도핑층을 형성하는 단계의 사이에는 상기 기판을 뒤집는 단계를 포함하는 것을특징으로 할 수 있다.
또한 상기 제3단계에서 상기 막은 빛이 투과되면서 전도성을 갖는 막인 것을 특징으로 할 수 있으며, 상기 막은 200nm이상 1000nm이하의 두께로 증착되는 ZnO층 일 수 있다.
또한 상기 ZnO층은 디에틸징크(DEZ)와, H2O 또는 O3를 원료물질로 하여 MOCVD법으로 증착되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 본 발명은, 제1도전형의 결정질 실리콘 기판; 상기 기판의 일면에 형성되며, 상기 기판보다 더 큰 도핑농도를 가지는 제1도전형 도핑층; 상기 기판의 타면에 형성되는 제2도전형 도핑층; 상기 제2도전형 도핑층의 외측에 형성되며, 표면에 요철이 형성된 전도성막; 상기 제1도전형 도핑층의 외측에 형성되는 제1전극; 상기 전도성막의 외측에 형성되는 제2전극을 포함하는 결정질 실리콘 태양전지를 제공한다.
상기 결정질 실리콘 태양전지에서, 상기 전도성막은 빛이 투과될 수 있는 것을 특징으로 할 수 있으며, 상기 전도성막은 ZnO층일 수 있다.
또한 상기 기판은 p형 기판이고, 상기 제1도전형 도핑층은 p++도핑층이며, 상기 제2도전형 도핑층은 150nm이상 250nm이하의 두께를 가지는 n+도핑층인 것을 특징으로할 수 있다.
또한 본 발명은, 기판이송수단을 구비하는 이송챔버; 상기 이송챔버의 제1측부에 연결되며, 기판의 일면에 플라즈마 이온도핑을 통해 제1도전형 도핑층을 형성하는 제1공정챔버; 상기 이송챔버의 제2측부에 연결되며, 상기 기판의 타면에 플라즈마 이온도핑을 통해 제2도전형 도핑층을 형성하는 제2공정챔버; 상기 이송챔버의 제3측부에 연결되며, 상기 제2도전형 도핑층의 상부에 ZnO층을 형성하는 제3공정챔버; 상기 이송챔버의 측부에 연결되며 외부와의 기판교환을 위하여 대기압상태와 진공상태를 교번하는 로드락챔버를 포함하는 결정질 실리콘 태양전지 제조시스 템을 제공한다.
이때 상기 이송챔버의 측부에는 상기 제1공정챔버 및 상기 제2공정챔버에서 도핑된 이온을 활성화시키기 위해 상기 기판을 가열시키는 활성화 챔버가 결합하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 이송챔버의 측부에는 상기 제1공정챔버에서 공정을 마친 기판을 뒤집어주는 플리퍼가 설치되는 것을 특징으로할 수 있다.
또한 상기 이송챔버와 상기 제1공정챔버, 상기 제2공정챔버 또는 상기 제3공정챔버 사이의 기판이송은 다수의 기판을 적재할 수 있는 트레이를 통해 이루어지며, 상기 제1내지 제3 공정챔버는 상기 트레이에 다수의 기판을 적재한 상태에서 공정을 진행하는 것을 특징으로할 수 있다.
또한 본 발명은, 외부로부터 기판을 반입하기 위하여 대기압과 진공상태를 교번하는 로딩챔버; 상기 로딩챔버의 측부에 설치되며, 기판의 일면에 플라즈마 이온도핑을 통해 제1도전형 도핑층을 형성하는 제1공정챔버; 상기 제1공정챔버의 측부에 설치되며, 상기 제1공정챔버에서 공정을 마친 기판을 뒤집어주는 플리퍼; 상기 플리퍼의 측부에 설치되며, 상기 기판의 타면에 플라즈마 이온도핑을 통해 제2도전형 도핑층을 형성하는 제2공정챔버; 상기 제2공정챔버의 측부에 설치되며, 상기 제1공정챔버 및 상기 제2공정챔버에서 도핑된 이온을 활성화시키기 위해 상기 기판을 가열시키는 활성화 챔버; 상기 활성화챔버의 측부에 설치되며, 상기 제2도전형 도핑층의 상부에 ZnO층을 형성하는 제3공정챔버; 상기 제3공정챔버의 측부에 설치되며 외부로 기판을 반출하기 위하여 대기압상태와 진공상태를 교번하는 언로 딩챔버를 포함하는 결정질 실리콘태양전지 제조시스템을 제공한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 결정질 실리콘 태양전지 제조과정은 도 3의 흐름도에 도시된 바와 같다.
먼저 도 4a에 도시된 바와 같이 결정질 실리콘기판(100)을 준비하고, 염기 또는 산 용액을 이용한 습식 식각을 통하여 기판절단 과정에서 발생한 손상을 제거한다. 본 명세서에서는 편의상 p형으로 도핑된 기판(100)을 이용하여 태양전지를 제조하는 과정을 설명하기로 하며, p형 기판(100) 대신에 n형 기판이 이용될수도 있음은 물론이다. (ST110)
이어서 도 4b에 도시된 바와 같이 기판(100)의 후면에 후면전계(BSF)를 형성하기 위한 p++도핑층(110)을 형성한다.
특히 본 발명의 실시예에서는 고온확산법 대신에 플라즈마 이온도핑법을 이용하여 도핑을 실시하며, 따라서 종래처럼 Al 페이스트를 도포할 필요가 없어져 태양전지를 최대한 얇게 제조할 수 있을 뿐만 아니라 비용을 절감할 수 있게 된다.
구체적으로 플라즈마 발생장치의 내부에 P형 기판(100)을 안치한 상태에서 B2H6 등과 같이 붕소(B) 성분을 함유한 P형 도펀트를 공급하여 플라즈마를 발생시키면, 이 과정에서 플라즈마 내부의 B이온이 RF전기장에 의해 가속되어 기판(100) 의 표면으로 입사함으로써 p형 기판(100)에 대한 이온 도핑이 이루어진다.
이하에서는 설명의 편의를 위하여 p형기판(100)에서 p++도핑층(110)이 형성된 나머지 부분을 p+층(100')으로 명명하기로 한다.
따라서 기판(100)의 p+층(100')과 p++도핑층(110)의 사이에 형성되는 후면전계는 기판(10)의 내부에서 태양광에 의해 여기된 전자가 후면전극(16)으로 이동하여 소멸하지 않고, 전면전극(18)쪽으로 이동하여 광전류에 기여하도록 함으로써 태양전지의 효율을 높이는 역할을 한다.
본 발명의 실시예에서는 약500nm정도의 두께로 p++도핑층(110)을 형성하며, 이와 같이 p++도핑층(110)을 이용하여 후면전계를 형성하면, 종래처럼 Al을 이용하여 후면전계를 형성하는 경우에 비하여 실리콘 웨이퍼의 휨현상이 방지되는 장점이 있다.
또한 플라즈마 이온도핑은 가스유량이나 RF전력을 조절함으로써 도핑농도나 PN접합 깊이를 비교적 정확하게 제어할 수 있기 때문에 고온확산법에 비하여 보다 정밀하고 재현성이 높은 공정이 가능하고 또한공정시간이 빠른 장점이 있다.
또한 플라즈마 이온도핑은 상대적으로 저온에서 진행되기 때문에 고온확산 공정에서 부산물로 발생하던 PSG나 BSG가 생성되지 않으며, 따라서 이들 부산물을 제거하기 위한 별도의 제거공정을 거칠 필요가 없어 생산성 면에서 매우 유리하다.
또한 기판(100)의 표면에 대하여 수직방향으로 입사하는 이온에 의하여 도핑이 진행되기 때문에 고온 확산공정에서처럼 기판(100)의 에지부분에도핑층이 형 성되지는 않으며, 따라서 누설전류 방지를 위하여 에지 아이솔레이션 공정을 별도로 진행할 필요가없어 역시 생산성 면에서매우 유리하다. (ST120)
이어서 기판(100)을 뒤집어서 기판(100)의 전면에 도 4c에 도시된 바와 같이 n+층(120)을 형성한다. 이 경우에도 플라즈마 이온도핑법을 이용하여 n+층(120)을 형성하며 이때 예를 들어 인(P)을 함유한 물질을 N형 도펀트로 사용한다.
이러한 기판구조에서는, BSF를 형성하는 p++도핑층(110)이 p+층(100')에 비해 에너지 밴드갭이 크고, p+층(100')은 n+층(120)에 비해 에너지 밴드갭이 크게 된다. (ST130)
이와 같이 기판(100)의 후면과 전면에 각각 플라즈마 이온도핑을 수행한 이후에는 도 4d에 도시된 바와 같이 상기 기판(100)을 적정한 온도로 가열하는 활성화 공정을 거치는 것이 바람직하다.
활성화 공정은 도핑된 이온이 Si과 결합할 수 있도록 기판(100)에 추가적인 에너지를 공급하여 도핑된 이온을 활성화시키는 공정이며, 이러한 활성화 공정을 거치지 않으면 도핑된 이온은 단순한 불순물로 작용하게 된다.
한편, 활성화 공정을 통해 후술하는 ZnO증착공정에 필요한 기판예열 효과도 얻을 수 있다.
활성화 공정은 램프히터 등의 광학식 가열수단을 가지거나 기판안치대에 저항식 발열코일 등의 히터가 내장된 별도의 활성화 챔버에서 진행되는 것이 바람직 하다. 구체적인 가열온도와 가열시간은 도핑물질이나 활성화 정도에 따라 달라질 수 있다. (ST140)
이와 같이 기판(100)의 후면과 전면에 각각 p++도핑층(110)과 n+층(120)을 형성한 다음에 도 4e에 도시된 바와 같이 n+층(120)의 상부에 ZnO층(130)을 형성한다. 상기 ZnO층(130)은 n+층(120)에 대한 패시베이션막의 역할을 수행함과 함께 광흡수율을 높이는 역할을한다.
즉, ZnO는 10-3~10-4Ωcm정도의 비저항을 가지는 투명전도성 산화막(TCO: Transparent Conductive Oxide)의 일종으로서 도 5a 및 도5b의 평면사진 및 단면사진에 도시된 바와 같이 텍스쳐링 공정을 한 것과 같이 매우 거친 표면조도를 가지는 특징이있다.
따라서 이와 같이 ZnO층(130)을 증착하면 Si기판에 별도의 텍스쳐링 공정을 수행하지 않아도 빛의 난반사를 이용하여 광흡수율을 크게 향상시킬 수 있다.
ZnO층(130)의 두께는 200nm 이상 1000nm이하인 것이 바람직하고, 700nm이상 1000nm이하인 것이 보다 바람직하다. 200nm이하로 증착하면 난반사 정도가 너무 약해서 광흡수율의 향상을 기대하기 어렵고, 1000nm이상으로 증착하는 경우에도 광학적 특성이 저하되는 문제점이 있기 때문이다.
또한 ZnO층(130)은 도전성을 가지기 때문에 n+층(120)에서 생성된 전하가 ZnO층(130)을 거쳐 전면전극(140)으로 수집되는 것이 가능하다. 따라서 전면전극(140)을 ZnO층(130)을 관통하여 직접 n+층(120)과 접촉시킬 필요가 없으며, 이를 위해 산화환원반응(Redox reaction)을 유도할 필요도 없어진다.
즉, 종래에는 산화환원반응을 유도하기 위하여 도전성 페이스트를 800℃이상의 고온에서 소결시켜야 했으나, 본 발명의 실시예에서는 그 보다 훨씬 낮은 온도에서 전면전극(140)을 형성할 수 있게 되는 것이다.
또한 n+층(120)의 상부에 ZnO층(130)을 형성하는 경우에는 n+층(120)의 두께를 약 150nm이상 250nm 이하로 형성하여도 무방하다. 150nm의 이하에서는 전지효율이 너무 낮아지고, 250nm이상에서도 전자-정공쌍의 재결합으로 인하여 전지효율이 낮아지는 경향이 있기 때문이다.
종래에는 n+층(120)과 전면전극을 접촉시켜야 했으므로 전면전극의 금속이 확산하여 n+층(120)을 지나 p+층(100')과 접촉할 우려가 있었기 때문에 n+층(120)을 통상 300~1000nm의 두께로 형성해야 했지만 본 발명의 실시예에서는 ZnO층(130)이 도전성이므로 n+층(120)과 전면전극(140)을 직접 접촉시킬 필요가 없어져 n+층(120)을 더 얇게 형성하는 것이 가능하기 때문이다.
이와 같이 n+층(120)을 얇게 형성하면 공정시간이 단축되어 생산성이 향상됨은 물론이다.
한편 ZnO층(130)은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법으로 증착하는것이 바람직하며, 소스물질로는 다이에틸징크(DEZ)와 H2O 또는 O3가 사용된다. (ST150)
ZnO층(130)을 형성한 이후에는 기판(100)의 전면과 후면에 도 4f에 도시된 바와 같이 도전물질을 이용하여 전극을 형성한다.
이를 위해 기판(100)의 전면과 후면에Al 또는 Ag 을 함유한 도전성페이스트를 스크린 프린팅 기법을 이용하여 소정 패턴으로 도포하고, 상기 기판을 고온의 퍼니스(furnace)에서 소결(sintering)시킨다.
본 발명의 실시예에서는 전면전극(140)을 n+층(120)과 접촉시키기 위해 산화환원반응을 유도할 필요가 없고, 기판(100)의 후면에 후면전계를 형성하기 위해Al을 확산시킬 필요가 없기 때문에 종래에 비하여 훨씬 저온에서 소결공정을 진행할 수 있다. (ST160)
전극형성 공정이 완료된 이후에는 전지의 효율 등을 테스트하고 그 결과에 따라 분류작업을 수행하고, 완성된 다수의태양전지를 연결하여 모듈화 공정을 거침으로써 태양전지모듈을 제조한다. (ST170)
한편 본 발명의 실시예에 따르면 다른 공정과 연속적으로 진행하는데 어려움이 있는 고온확산법 대신에 플라즈마 이온도핑법을 채용하고 있기 때문에 전체 공정을 연속적으로 진행하면서도 풋프린트를 최소화한 태양전지 제조시스템을 설계할 수 있다.
도 6은 이중에서 클러스터형 태양전지 제조시스템(200)을 예시한 것으로서, 기판의 이송을 담당하는 이송챔버(210)의 측부에 로드락챔버(220), 제1공정챔버(230), 제2공정챔버(240), 제3공정챔버(250), 활성화챔버(260)가 연결된 구성을 가진다.
이송챔버(210)와 각 챔버의 사이에는 출입통로를 선택적으로 개폐하는 슬롯밸브가 설치된다.
여기서 제1공정챔버(230)는 기판(100)의 후면에 p++도핑층(110)을 형성하는 챔버이고, 제2공정챔버(240)는 기판(100)의 전면에 n+도핑층(120)을 형성하는 챔버이며, 제3공정챔버(250)는 n+도핑층(120)의 상부에 MOCVD법으로 ZnO층(130)을 형성하는 챔버이며, 활성화챔버(260)는 제1공정챔버(230) 및 제2공정챔버(240)에서 도핑된 이온에 활성화 에너지를 공급하기 위하여 기판을 가열시키는 역할을 하는 한편 ZnO 증착 전에 기판을 예열시키는 역할을 한다.
한편, 제1공정챔버(230)는 기판(100)의 후면에 p++층(110)을 형성하고, 제2공정챔버(240)는 기판(100)의 전면에 n+층(120)을 형성하기 때문에 제1공정챔버(230)에서 제2공정챔버(240)로 기판(100)을 이송하는 중간에 기판(100)을 뒤집어야 할 필요가 있다.
따라서 상기 태양전지 제조시스템(200)에는 기판(100)을 뒤집어주는 플리퍼(Flipper)를 설치하여야 한다. 이러한 플리퍼는 이송챔버(210)의 내부나 외측부에 설치될 수 있고, 기판(100)을 이송하는 이송로봇(100)과 일체로 설치될 수도 있다.
로드락챔버(220)는 외부와 기판교환을 수행하며, 따라서 진공상태와 대기압상태를 교번한다. 이송챔버(210)의 내부에는 기판이송을 위하여 이송로봇이 설치된다.
따라서 외부에서 로드락챔버(220)로 반입되는 기판(100)은 p++도핑층(110)을 형성하기 위해 이송로봇에 의하여 제1공정챔버(230)로 이송되고, 이어서 n+층(120)을 형성하기 위해 제2공정챔버(240)로 이송된다.
이때 제2공정챔버(240)로 기판을 이송하기 전에 전술한 플리퍼를 이용하여 기판을 뒤집어주어야 한다.
제2공정챔버(240)에서 n+층(120)을 형성한 기판(100)은 활성화챔버(260)로 이송되어 가열되며, 이어서 ZnO층(130)을 형성하기 위해 제3공정챔버(250)로 반입되어 ZnO층(130)을 형성한 후에 로드락챔버(220)를 통해 외부로 반출한다.
반출된 기판(100)에 대해서는 전면전극(140) 또는 후면전극(150)을 형성한다.
만일 이송챔버(210)의 측부에 전극형성용 챔버(미도시)가 결합되어 있는 경우에는 ZnO층(130)을 형성한 다음 전극형성용 챔버에서 전면전극(140) 또는 후면전극(150)을 형성한 후에 로드락챔버(220)를 통해 기판을 반출한다.
상기 태양전지 제조시스템(200)의 구성은 예시에 불과한 것이므로 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 기판교환의 효율성을 높이기 위하여 로드락챔버(220)는 2 이상 설치될 수도 있다.
한편 이러한 태양전지 제조시스템에서 기판이송은 전술한 이송로봇에 의하여 기판 단위로 이루어질 수도 있고, 다수의 기판을적재하는 트레이(미도시)에 의해 이루어질 수도 있다. 즉, 다수 기판을 적재한 트레이를 제1공정챔버(230), 제2공정챔버(240), 제3공정챔버(250) 등으로 반입하여 공정을 진행할 수 있다.
또한 기판 또는 트레이를이송하기 위하여 기판 또는 트레이를 들어올려 이송하는 이송로봇이 이용될 수도 있고, 롤러나 리니어 모터 등을 설치한 후에 이를 이용하여 인라인 방식으로 기판이나 트레이를 이송시킬 수도 있다. 후자의 경우에는 각 챔버의 내부에도 이러한 장치가설치되어야 한다.
도 7은 인라인형 태양전지 제조시스템(300)의 구성을 예시한 도면이다.
즉, 기판 또는 트레이가 외부에서 반입되는 로딩챔버(310)와 외부로 반출하는 언로딩챔버(370)의 사이에 공정 순서에 맞게 제1공정챔버(320), 플리퍼(330), 제2공정챔버(340), 활성화챔버(350), 제3공정챔버(360) 등을 설치한다.
제1공정챔버(320)는 기판(100)의 후면에 p++층(110)을 형성하는 챔버이고, 플리퍼(330)는 기판(100)을 뒤집는 역할을 하며, 제2공정챔버(340)는 기판(100)의 전면에 n+층(120)을 형성하는 챔버이고, 활성화챔버(350)는 기판(100)을 가열하여 도펀트를 활성화시키는 챔버이고, 제3공정챔버(360)는 ZnO층(130)을 형성하기 위하여 MOCVD공정을 진행하는 챔버이다.
상기 각 챔버의 내부에는 기판이나 트레이를 인접 챔버로 이동할 수 있는 인라인 방식의 이송수단, 예를 들어 롤러, 리니어 모터 등이 설치되어야 한다.
또한 각 챔버의 사이에는 출입통로를 개폐하는 슬롯밸브가 설치된다.
이러한 인라인 방식의 태양전지 제조시스템은 고가의 이송로봇을 생략할 수 있기 때문에 전체 시스템의 단가를 낮출 수 있는 이점이 있고, 클러스터 타입 시스템을설치하기 어려운 일자형 공간에도 설치할 수 있기 때문에 공간활용도를 높일 수 있는 장점이 있다.
한편 이상에서는 p형 기판에 n형 도펀트를 도핑하여 결정질 태양전지를 제조하는 경우를 설명하였으나, 반대의 경우, 즉, n형 기판에 p형 도펀트를 도핑하여 결정질 태양전지를 제조하는 경우에도 본 발명이 거의 그대로 적용될 수 있음은 물론이다.
본 발명에 따르면 결정질 실리콘 태양전지의 제조공정을 단순화시키고 공정시간도 크게 단축시킬 수 있다.
즉, 종래처럼 Si웨이퍼에 대한 텍스쳐링을 수행할 필요가 없기 때문에 공정이 단순화되고 공정시간이 단축된다.
또한 플라즈마를 이용하여 이온도핑을 실시하기 때문에 고온확산법에 비하여 PN접합깊이 등을 정밀하게 제어할 수 있으며 도핑시간도 훨씬 단축된다.
특히 플라즈마 이온도핑은 상대적으로 저온에서 실시할 수 있기 때문에 PSG나 BSG등의 발생을 방지할 수 있고, 따라서 이들 부산물을 제거하는 공정을 생략할 수 있어 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한 기판에 대해 수직방향으로 입사하는 이온에 의하여 도핑이 이루어지기 때문에 에지 아이솔레이션 공정을 생략할 수 있어 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한 전면전극을 도핑층과 접촉시키기 위해 고온의 산화환원반응을 유도할 필요가없고 후면전계를 형성하기 위하여 Al을 확산시킬 필요가 없기 때문에 고온으로 인한 기판의 휨 현상을 방지할 수 있다.
또한 후면전계를 형성하기 위해 Al층을 증착할 필요가 없기 때문에 생산 원가를 크게 낮출 수 있을 뿐만 아니라 소자를 보다 얇게 제조할 수 있다.
또한 전면전극을 도핑층과 접촉시킬 필요가 없기 때문에 전극물질의 확산으로 인한 단락의 우려가 적으므로 도핑층을 종래보다 훨씬 얇게 형성하는 것이 가능하며 이로 인해 공정시간이 크게 단축된다.
또한 기판을 별도 용기에 이재시켜야 하는 등의 이유로 다른 공정과 연속적으로 진행하기 어려웠던 고온확산공정이 플라즈마 이온도핑공정으로 대체됨으로 인하여 제조공정의 대부분을 클러스터형 또는 인라인형의 제조시스템을 통해 진행하는 것이 가능하며, 이로 인해 기판이송시간의 단축 및 풋프린트 감소의 효과를 얻 을 수 있다.
Claims (18)
- 제1도전형의 결정질 실리콘 기판을 준비하는 제1단계;상기 기판의 일면에 상기 기판보다 더 큰 도핑농도를가지는 제1도전형 도핑층을 형성하는 한편, 상기 기판의 타면에 평탄한 표면을 이루는 제2도전형 도핑층을 형성하는 제2단계;상기 제2도전형 도핑층의 외측에 투명전도성 물질인 ZnO로 이루어지고 표면에 요철구조를 갖는 막을 형성하는 제3단계;상기 제1도전형 도핑층의 외측에 제1전극을 형성하는 한편, 상기 제3단계에서 형성된 상기 막의 외측에 상기 막의 표면과 접촉하며 상기 막에 의해 상기 제 2도전형 도핑층과 이격되어 위치하는 제2전극을 형성하는 제4단계를 포함하고,상기 막은 디에틸징크(DEZ)와, H2O 또는 O3를 원료물질로 하여 MOCVD법으로 증착되어 상기 요철구조를 갖는 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘태양전지의 제조방법
- 제1항에 있어서,상기 제2단계에서, 상기 기판보다 더 큰 도핑농도를 가지는 상기 제1도전형 도핑층은 상기 기판보다 에너지밴드갭이 큰 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘 태양전지의 제조방법
- 제1항에 있어서,상기 제2단계에서, 상기 제1도전형 도핑층과 상기 제2도전형 도핑층은 각각 플라즈마 이온도핑을 통해 형성하는 것을 특징으로 하는결정질 실리콘 태양전지의 제조방법
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- 제1항에 있어서,상기 제2단계에서, 상기 제1도전형 도핑층을 형성하는 단계와 상기 제2도전형 도핑층을 형성하는 단계의 사이에는 상기 기판을 뒤집는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘 태양전지의 제조방법
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- 제1항에 있어서,상기 ZnO층은 200nm이상 1000nm이하의 두께로 증착되는 것을 특징으로 하는결정질 실리콘 태양전지의 제조방법
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- 제1도전형의 결정질 실리콘기판;상기 기판의 일면에 형성되며, 상기 기판보다 더 큰 도핑농도를 가지는 제1도전형 도핑층;상기 기판의 타면에 형성되며 평탄한 표면을 이루는 제2도전형 도핑층;상기 제2도전형 도핑층의 외측에 형성되며, 투명전도성 물질인 ZnO로 이루어지고, 디에틸징크(DEZ)와, H2O 또는 O3를 원료물질로 하여 MOCVD법으로 증착되어 표면에 요철이 형성된 전도성막;상기 제1도전형 도핑층의 외측에 형성되는 제1전극;상기 전도성막의 외측에 형성되고, 상기 전도성막의 표면과 접촉하며 상기 전도성막에 의해 상기 제 2도전형 도핑층과 이격되어 위치하는 제2전극;을 포함하는 결정질 실리콘태양전지
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- 제10항에 있어서,상기 기판은 p형 기판이고, 상기 제1도전형 도핑층은 p++도핑층이며, 상기 제2도전형 도핑층은 150nm이상 250nm이하의 두께를 가지는 n+도핑층인 것을 특징으 로 하는 결정질 실리콘 태양전지
- 기판이송수단을 구비하는 이송챔버;상기 이송챔버의 제1측부에 연결되며, 기판의 일면에 플라즈마 이온도핑을 통해 제1도전형 도핑층을 형성하는 제1공정챔버;상기 이송챔버의 제2측부에 연결되며, 상기 기판의 타면에 플라즈마 이온도핑을 통해 평탄한 표면을 이루고 150nm이상 250nm이하의 두께를 갖는 제2도전형 도핑층을 형성하는 제2공정챔버;상기 이송챔버의 제3측부에 연결되며, 상기 제2도전형 도핑층의 상부에 디에틸징크(DEZ)와, H2O 또는 O3를 원료물질로 하여 MOCVD법으로 증착되어 표면에 요철구조를 갖는 ZnO층을 형성하는 제3공정챔버;상기 이송챔버의 제4측부에 연결되며, 상기 제1도전형 도핑층의 외측에 제1전극을 형성하는 한편, 상기 ZnO층의 외측에 제2전극을 형성하는 전극형성 챔버;상기 이송챔버의 측부에 연결되며 외부와의 기판교환을 위하여 대기압상태와 진공상태를 교번하는 로드락챔버를 포함하고,상기 제2전극은 상기 ZnO층의 표면과 접촉하며 형성됨으로써 상기 ZnO충에 의해 상기 제 2도전형 도핑층과 이격되어 위치하는 결정질 실리콘태양전지 제조시스템
- 제14항에 있어서,상기 이송챔버의 측부에는 상기 제1공정챔버 및 상기 제2공정챔버에서 도핑된 이온을 활성화시키기 위해 상기 기판을 가열시키는 활성화 챔버가 결합하는 것을 특징으로 하는 결정질 실리콘 태양전지 제조시스템
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Priority Applications (1)
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| KR1020070065652A KR101352034B1 (ko) | 2007-06-29 | 2007-06-29 | 결정질 실리콘 태양전지와 그 제조방법 및 제조시스템 |
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2007
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Patent Citations (4)
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