KR100964153B1

KR100964153B1 - 태양전지의 제조방법 및 그에 의해 제조되는 태양전지

Info

Publication number: KR100964153B1
Application number: KR1020060115892A
Authority: KR
Inventors: 이성은
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2006-11-22
Filing date: 2006-11-22
Publication date: 2010-06-17
Also published as: TWI353065B; EP2092574B1; US8426723B2; KR20080046439A; EP2092574A4; TW200830566A; WO2008062953A1; EP2092574A1; US20100018573A1; US7838761B2; US20110017290A1

Abstract

본 발명은 태양전지의 제조방법 및 그에 의해 제조되는 태양전지에 관한 것이다. 본 발명의 태양전지의 제조방법은 (S1) 제1 도전형 반도체 기판 상에 이온주입(implantation)에 의해 그에 반대 도전형의 제2 도전형 반도체층을 형성하여, 그 계면에 p-n 접합을 형성하는 단계; (S2) 상기 제2 도전형 반도체층 위를 알칼리 용액으로 처리하여 텍스쳐링하는 단계; (S3) 텍스쳐링된 상기 제2 도전형 반도체층 상에 반사방지막을 형성하는 단계; (S4) 상기 반사방지막의 일부 영역을 관통하며 상기 제2 도전형 반도체층의 일부와 연결되는 전면전극을 형성하는 단계; 및 (S5) 상기 제1 도전형 반도체 기판을 사이에 두고 상기 전면전극과 반대측에, 상기 제1 도전형 반도체 기판과 연결되도록 후면전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 태양전지 제조방법에 따르면, 실리콘 웨이퍼의 텍스쳐링을 이온 주입에 의한 에미터층 형성 후에 진행함으로써, 에미터층이 식각정지층으로 기능하여 웨이퍼의 균일한 표면 구현이 가능하여 태양광에 대한 반사도를 크게 감소시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 제조방법에 따르면, PSG 제거 공정 및 에지 아이솔레이션 공정을 거칠 필요가 없어, 공정을 간소화하고 제조 단가를 감소시킬 수 있다.

태양전지, 광기전력효과, p-n 접합, 이온주입법 반사방지막, 텍스쳐링

Description

태양전지의 제조방법 및 그에 의해 제조되는 태양전지{Method of preparing solar cell and solar cell prepared thereby}

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.

도 1은 태양전지의 기본적인 구조를 나타낸 개략도이다.

도 2는 알칼리 용액에 의한 텍스쳐링 후 실리콘 웨이퍼의 표면 상태를 모식적으로 나타낸 도면이다.

도 3은 이온주입에 의해 실리콘 웨이퍼의 일면에 에미터층이 형성된 상태를 모식적으로 나타낸 도면이다.

도 4는 도 3의 실리콘 웨이퍼가 알칼리 용액으로 텍스쳐링된 상태를 모식적으로 나타낸 도면이다.

도 5는 본발명의 태양전지 제조방법에 의해 제조되는 태양전지의 구조를 모식적으로 나타낸 도면이다.

본 발명은 태양전지의 제조방법 및 그에 의해 제조되는 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실리콘 웨이퍼의 표면 텍스쳐링(texturing)시 웨이퍼가 고르게 식각되어 균일한 표면 구현이 가능하고, PSG 제거 공정 및 에지 아이솔레이션(edge isolation) 공정이 필요 없어 공정을 간소화하고 제조 단가를 감소시킬 수 있는 태양전지의 제조방법 및 그에 의해 제조되는 태양전지에 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, 반도체의 성질을 이용하여 태양빛(photons)을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지가 있으며, 태양전지라고 하면 일반적으로 태양광 전지(이하 태양전지라 한다)를 일컫는다.

태양전지의 기본적인 구조를 나타낸 도 1을 참조하면, 태양전지는 다이오드와 같이 p형 반도체(101)와 n형 반도체(102)의 접합 구조를 가지며, 태양전지에 빛이 입사되면 빛과 태양전지의 반도체를 구성하는 물질과의 상호 작용으로 (-) 전하를 띤 전자와 전자가 빠져나가 (+) 전하를 띤 정공이 발생하여 이들이 이동하면서 전류가 흐르게 된다. 이를 광기전력효과(光起電力效果, photovoltaic effect)라 하는데, 태양전지를 구성하는 p형(101) 및 n형 반도체(102) 중 전자는 n형 반도체(102) 쪽으로, 정공은 p형 반도체(101) 쪽으로 끌어 당겨져 각각 n형 반도 체(101) 및 p형 반도체(102)와 접합된 전극(103, 104)으로 이동하게 되고, 이 전극(103, 104)들을 전선으로 연결하면 전기가 흐르므로 전력을 얻을 수 있다.

이와 같은 태양전지의 출력특성은 일반적으로 솔라시뮬레이터를 이용하여 출력전류전압곡선을 측정함으로써 평가되고, 이 곡선 상에서 출력전류 Ip와 출력전압 Vp의 곱 Ip×Vp가 최대가 되는 점을 최대출력 Pm이라 부르고, 상기 Pm을 태양전지로 입사하는 총광에너지(S×I: S는 소자면적, I는 태양전지에 조사되는 광의 강도)로 나눈 값을 변환효율 η로 정의한다. 변환효율 η를 높이기 위해서는 단락전류Isc(전류전압곡선 상에서 V=0일 때의 출력전류) 또는 개방전압 Voc(전류전압곡선 상에서 I=0일 때의 출력전압)를 높이거나 출력전류전압곡선의 각형에 가까운 정도를 나타내는 FF(fill factor)를 높여야 한다. FF의 값이 1에 가까울수록 출력전류전압곡선이 이상적인 각형에 근접하게 되고, 변환효율 η도 높아지는 것을 의미하게 된다.

태양전지의 효율을 결정짓는 상기 세 가지 인자 중, 단락전류(Isc)는 태양전지에 조사되는 빛에 대한 태양전지의 흡수율 또는 반사율에 의해 결정된다. 따라서, 반사율을 감소시키고자 다양한 노력이 행해지고 있으며, 그 중에서 태양광이 조사되는 태양전지의 전면에 반사방지막을 형성하거나 전면전극의 면적을 최소화하는 방법이 대표적이다. 아울러, 실리콘 웨이퍼의 전면을 알칼리 용액으로 식각하여 요철을 형성하여 반사율을 감소시키는 방법이 이용되며, 이를 텍스쳐링(texturing)이라 한다.

그러나, 다결정 실리콘 웨이퍼에서는 결정면에 따른 식각 속도의 차이로 인 해 도 2에 나타난 바와 같이 표면 텍스쳐링이 불균일하여 텍스쳐링에 의한 반사율 감소 효과는 그다지 큰 것이 아니었다. 이에, 이와 같은 문제를 해결하고자 하는 노력이 관련 분야에서 꾸준하게 이루어져 왔으며, 이러한 기술적 배경하에서 본 발명이 안출된 것이다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제를 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 종래의 태양전지의 제조공정을 개선하여 실리콘 웨이퍼의 표면 텍스쳐링(texturing)시 웨이퍼가 고르게 식각되어 균일한 표면 구현이 가능하고 PSG 제거 공정 및 에지 아이솔레이션(edge isolation) 공정이 필요 없어 공정을 간소화하고 제조 단가를 감소시킬 수 있는 태양전지의 제조방법 및 그에 의해 제조되는 태양전지를 제공하는데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제의 달성을 위해 본 발명은, (S1) 제1 도전형 반도체 기판 상에 이온주입(implantation)에 의해 그에 반대 도전형의 제2 도전형 반도체층을 형성하여, 그 계면에 p-n 접합을 형성하는 단계; (S2) 상기 제2 도전형 반도체층 위를 알칼리 용액으로 처리하여 텍스쳐링하는 단계; (S3) 텍스쳐링된 상기 제2 도전형 반도체층 상에 반사방지막을 형성하는 단계; (S4) 상기 반사방지막의 일부 영역을 관통하며 상기 제2 도전형 반도체층의 일부와 연결되는 전면전극을 형성하는 단계; 및 (S4) 상기 제1 도전형 반도체 기판을 사이에 두고 상기 전면전극과 반대측에, 상기 제1 도전형 반도체 기판과 연결되도록 후면전극을 형성 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법을 제공한다.

상기 알칼리 용액은 대표적으로 수산화나트륨, 수산화칼륨 또는 수산화암모늄과 같은 알칼리를 포함하여 이루어지며, 일반적으로 이들 알칼리에 이소프로필알코올 및 탈이온수(DI water)를 혼합하여 사용한다. 상기 알칼리 용액의 pH는 8~14이고, 상기 알칼리 용액에 의한 처리 시간은 10 내지 90 분인 것이 바람직하다.

상기 반사방지막은 실리콘나이트라이드로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 반사방지막은 플라즈마 화학기상증착(PECVD) 또는 화학기상증착(CVD)으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 제1 도전형 반도체 기판은 p형 실리콘 기판이고, 상기 제2 도전형 반도체층은 n형 이미터층인 것이 바람직하다.

본 발명은 또한 상기와 같은 태양전지의 제조방법 외에 상기 제조방법을 통해 제조되는 태양전지를 제공한다.

이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명의 태양전지 제조방법은 실리콘 웨이퍼의 텍스쳐링 전에, 이온주입에 의해 에미터층을 형성함으로써 웨이퍼 표면이 균일하게 텍스쳐링되게 하여, 태양광에 대한 반사율을 크게 감소시킬 수 있다.

이와 같은 본 발명의 태양전지 제조방법에 따르면, 먼저 제1 도전형 반도체 기판 상에 이온주입(implantation)에 의해 그에 반대 도전형의 제2 도전형 반도체층 즉 에미터층을 형성하여, 그 계면에 p-n 접합을 형성한다. 이온주입은 이온을 고에너지로 가속시켜 재료의 표면에 이온을 주입하여 표면에 개질된 층을 만드는 대표적인 표면개질 기술 중 하나이다. 이온주입기술은 주입되는 이온의 양이나 에너지에 따라서 주입 깊이, 분포 및 조성을 쉽게 조절할 수 있으므로 고집적회로(IC)를 위한 반도체의 도핑(doping)과정에 주로 사용되고 있다.

상기와 같이 형성되는 p-n 구조는 빛을 받아 광기전력효과에 의해 전류를 발생시킨다. 대표적으로 상기 제1 도전형 반도체 기판은 예를 들어 B, Ga, In 등의 3족 원소들이 도핑되어 있는 p형 실리콘 기판이고, 상기 제2 도전형 반도체층(202)은, 예를 들어 P, As, Sb 등의 5족 원소들이 도핑되어 있는 n형 이미터층으로, 상기 p형 실리콘 기판과 n형 이미터층이 접하여 p-n 접합을 형성할 수 있다. 다만, 상기 p-n 구조가 이에 한정되는 것은 아니다.

도 3은 이온주입에 의해 제1 도전형 반도체 기판의 일면에 제2 도전형 반도체층(302)이 형성된 상태를 모식적으로 나타낸 도면이다. 화살표는 이온주입 방향을 나타내는데, 화살표 방향으로 이온이 주입되면, 이온이 주입된 영역은 제1 도전형 반도체 기판의 다른 영역(301)과 상이한 도전형을 갖게 되어 제2 도전형 반도체층(302)을 형성하게 된다. 이온은 웨이퍼의 소정 깊이까지만 주입되며, 이온이 주입되는 깊이는 주입되는 이온의 주입 에너지에 의해 결정되는데, 일반적으로 이온 주입 에너지는 100KeV~3MeV이며, 그에 따른 이온 주입 깊이는 0.5~10㎛이다. 아울러, 이온 주입량은 일반적으로 1×10¹⁴/cm²~5×10¹⁶/cm²이다. 또한, 이온은 반도체 기판의 표면부터 균일한 농도로 주입되는 것이 아니라, 표면으로부터 소정 깊이까지는 이온이 거의 주입되지 않으며, 대부분의 이온은 그 깊이를 초과하는 영역에 주 입되어, 그 깊이를 초과하는 영역에서만 이온이 풍부하게 존재하게 된다. 따라서, 제2 도전형 반도체층(302) 내에서도 이온이 거의 존재하기 않는 층(도 3의 에미터층 중 연한 부분) 및 이온이 풍부하게 존재하는 층(도 3의 에미터층 중 진한 부분) 사이에는 이온 농도의 급격한 변화가 나타나게 된다.

이온주입에 의해 제2 도전형 반도체층(302)이 형성되면, 상기 제2 도전형 반도체층(302) 위를 알칼리 용액으로 처리하여 텍스쳐링한다.

도 4는 도 3의 반도체 기판이 알칼리 용액으로 텍스쳐링된 상태를 모식적으로 나타낸 도면이다. 알칼리 용액은 제2 도전형 반도체층(302) 중 이온의 농도가 낮은 부분은 잘 식각시키지만, 이온의 농도가 높은 부분은 잘 식각시키지 못한다. 따라서, 제2 도전형 반도체층(302) 중 이온의 농도가 높은 부분은 식각 정지층(etch stop)으로 기능하여, 식각은 이온의 농도가 낮은 영역까지만 이루어지게 되는 바, 도 4에 도시된 바와 같이 웨이퍼 표면의 균일한 식각이 가능해진다.

텍스쳐링시에 상기 알칼리 용액은 대표적으로 수산화나트륨, 수산화칼륨 또는 수산화암모늄과 같은 알칼리를 포함하여 이루어지며, 일반적으로 이들 알칼리에 이소프로필알코올 및 탈이온수(DI water)를 혼합하여 사용한다. 상기 알칼리 용액의 pH는 8~14이고, 상기 알칼리 용액에 의한 처리 시간은 10 내지 90 분인 것이 바람직하다.

텍스쳐링 후에는 상기 제2 도전형 반도체층 상에 반사방지막을 형성한다. 반사방지막은 태양전지의 반사율을 감소시키기 위해 형성되는 것으로, 대표적으로 실리콘나이트라이드층이 사용되며, 통상적으로 화학기상증착(CVD) 또는 플라즈마 화 학기상증착법(PECVD)에 의해 형성된다. 반사방지막은 제2 도전형 반도체층 상에 직접 형성할 수도 있으나, 반사방지막 형성에 앞서 제2 도전형 반도체층 상에 부동층을 형성한 후에, 부동층 상에 반사방지막을 형성할 수도 있다.

반사방지막 형성 후에는 전면전극 및 후면전극을 형성하게 된다. 도 5는 본발명의 태양전지 제조방법에 의해 제조되는 태양전지의 구조를 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 전면전극(503)은 반사방지막(505)의 일부 영역을 관통하며 상기 제2 도전형 반도체층(502)의 일부와 연결되도록 형성된다. 또한, 상기 후면전극(504)은 상기 제1 도전형 반도체 기판(501) 등을 사이에 두고 전면전극(503)과 반대측에, 제1 도전형 반도체 기판(501)과 연결되도록 형성된다. 이들 전극(503, 504)에 부하를 연결하면 태양전지에서 발생한 전기를 이용할 수 있다. 전면전극(503)으로는 대표적으로 은 전극이 사용되는데 이는 은 전극이 전기전도성이 우수하기 때문이며, 후면전극(504)으로는 대표적으로 알루미늄 전극이 사용되는데 이는 알루미늄 전극이 전도성이 우수할 뿐만 아니라 실리콘과의 친화력이 좋아서 접합이 잘 되기 때문이다. 또한, 알루미늄 전극은 3가 원소로서 실리콘 기판과의 접면에서 p+ 층, 즉 BSF(Back surface field)를 형성하여 캐리어들이 표면에서 사라지지 않고 모이도록 하여 효율을 증대시킬 수 있기 때문이다.

전면전극(503)은, 예를 들어 반사방지막 위에 전극 형성용 페이스트를 소정 패턴에 따라 도포한 후 열처리함에 의해 형성될 수 있다. 열처리를 통해 전면전극은 반사방지막을 뚫고 들어가 제2 도전형 반도체층과 연결되게 된다(punch through). 또한, 후면전극(504)은, 예를 들어 제1 도전형 기판에 전극 형성용 페이 스트를 소정 패턴에 따라 도포한 후 열처리함에 의해 형성될 수 있으며, 이러한 열처리에 의해 후면전극 형성 물질들이 제1 도전형 반도체 기판으로 도핑되어 BSF가 형성된다.

상기 전면전극(503) 형성 및 후면전극(504) 형성은 그 순서를 바꾸어도 무방하며, 각각의 페이스트를 도포한 후 동시에 열처리함에 의해서도 역시 이루어질 수 있다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되지 않아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명의 태양전지 제조방법에 따르면, 실리콘 웨이퍼의 텍스쳐링을 이온 주입에 의한 에미터층 형성 후에 진행함으로써, 에미터층이 식각정지층으로 기능하여 웨이퍼의 균일한 표면 구현이 가능하여 태양광에 대한 반사도를 크게 감소시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 제조방법에 따르면, PSG 제거 공정 및 에지 아이솔레이션 공정을 거칠 필요가 없어, 공정을 간소화하고 제조 단가를 감소시킬 수 있다.

Claims

제1 도전형 반도체 기판의 한 면에 이온주입(implantation)에 의해 이온이 주입된 제1 부분과 상기 제1 부분보다 높은 이온 농도를 갖는 제2 부분을 포함하고, 상기 제1 도전형과 반대 도전형인 제2 도전형을 갖는 제2 도전형 반도체층을 형성하는 단계,

상기 제2 도전형 반도체층의 상기 제1 부분을 식각하여 텍스쳐링하는 단계;

상기 제2 도전형 반도체층에 연결되는 제1 전극을 형성하는 단계, 그리고

상기 제1 도전형 반도체 기판에 연결되는 제2 전극을 형성하는 단계

를 포함하고

상기 제2 도전성 반도체층의 표면으로부터 상기 제1 부분까지의 거리는 상기 표면으로부터 상기 제2 부분까지의 거리보다 짧은

태양전지의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 텍스쳐링 단계는 알칼리 용액을 사용하여 상기 제1 부분을 식각하고, 상기 알칼리 용액은 수산화나트륨, 수산화칼륨 및 수산화암모늄으로 이루어진 군에서 선택되는 알칼리를 포함하여 이루어지는 태양전지의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 텍스쳐링된 상기 제2 도전형 반도체층 위에 반사 방지막을 형성하는 단계를 더 포함하고,

상기 제1 전극은 상기 반사 방지막의 일부 영역을 관통하여 상기 제2 도전형 반도체층의 일부와 연결되는 태양전지의 제조방법.
제2항에 있어서,

상기 알칼리 용액에 의한 처리 시간은 10 내지 90 분인 태양전지의 제조방법.
제3항에 있어서,

상기 반사 방지막은 실리콘나이트라이드로 형성되는 태양전지의 제조방법.
제3항에 있어서,

상기 반사 방지막은 플라즈마 화학기상증착(PECVD) 또는 화학기상증착(CVD)으로 형성되는 태양전지의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 제1 도전형은 p형이고, 상기 제2 도전형은 n형인 태양전지의 제조방법.
제1 도전형 반도체 기판,

상기 제1 도전형 반도체 기판에 형성되고, 이온이 주입된 제1 부분과 상기 제1 부분보다 높은 이온 농도를 갖는 제2 부분을 포함하고 상기 제1 도전형과 반대 도전형인 제2 도전형을 갖는 제2 도전형 반도체층,

상기 제2 도전형 반도체층에 연결되는 제1 전극, 그리고

상기 제1 도전형 반도체 기판에 연결되는 제2 전극

을 포함하고,

상기 제2 도전형 반도체층의 표면으로부터 상기 제1 부분까지의 거리는 상기 표면으로부터 상기 제2 부분까지의 거리보다 짧고, 상기 제1 부분은 텍스쳐링된

태양전지.
제8항에 있어서,

상기 제2 도전형 반도체층 위에 위치하는 반사 방지막을 더 포함하고,

상기 제1 전극은 상기 반사 방지막의 일부를 관통하여 상기 제2 도전형 반도체층에 연결되는 태양 전지.