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KR101948206B1 - 태양 전지와, 이의 제조 방법 - Google Patents

태양 전지와, 이의 제조 방법 Download PDF

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KR101948206B1
KR101948206B1 KR1020120022030A KR20120022030A KR101948206B1 KR 101948206 B1 KR101948206 B1 KR 101948206B1 KR 1020120022030 A KR1020120022030 A KR 1020120022030A KR 20120022030 A KR20120022030 A KR 20120022030A KR 101948206 B1 KR101948206 B1 KR 101948206B1
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semiconductor substrate
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oxide layer
conductive
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김영수
이동훈
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인텔렉츄얼 키스톤 테크놀로지 엘엘씨
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Abstract

태양 전지와, 이의 제조 방법을 개시한다. 본 발명은 반도체 기판 상에 제 1 도전층 도핑부을 형성하는 단계;와, 반도체 기판 상에 산화물층을 제 1 차 성장시키는 단계;와, 산화물층을 제 1 차 형성하는 것에 의하여 복수의 리세스부를 형성하는 단계;와, 반도체 기판 상에 산화물층을 제 2 차 성장시키는 단계;와, 산화물층을 제 2 차 형성하는 것에 의하여 리세스부가 형성된 반도체 기판 상에 제 2 도전층 도핑부를 형성하는 단계;와, 반도체 기판 상에 제 1 도전형 도핑부와 연결되는 제 1 도전형 전극과, 제 2 도전형 도핑부와 연결되는 제 2 도전형 전극을 형성하는 단계;를 포함하되, 제 1 도전층 도핑부와, 제 2 도전층 도핑부는 상기 산화물층에 의하여 간격을 유지하는 것으로서, 배면 접합 구조의 태양 전지의 배면에 형성되는 제 1 도전층 도핑부와, 제 2 도전층 도핑부 사이의 간격을 제 1 도전층 및 제 2 도전층 도핑 농도에 따른 산화물층 성장 속도 차이를 이용하여 좁게 형성함으로써, 태양 전지의 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

태양 전지와, 이의 제조 방법{thin film type solar cell and the fabrication method thereof}
본 발명은 태양 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 도전층 도핑부들 사이의 간격 제어가 용이한 태양 전지와, 이의 제조 방법에 관한 것이다.
통상적으로, 태양 등의 빛을 전기 에너지로 변환하는 광전 변환 소자인 태양 전지는 다른 에너지원과는 달리 무한하고, 친환경적이므로, 시간이 갈수록 그 중요성이 더해가고 있다. 태양 전지의 가장 기본적인 구조는 pn 접합으로 구성된 다이오드 형태로서, 광 흡수층의 재료에 따라 구분된다.
일반적인 태양 전지는 수광면인 전면과 이와 대향되는 배면에 각각 전극이 구비되는 구조를 가질 수 있는데, 전면에 전극이 구비되면, 전극의 면적만큼 수광 면적이 줄어들게 된다. 이와 같이, 수광 면적이 감소하는 문제를 해결하기 위하여, 전극이 배면에만 구비되는 배면 접합(back contact) 구조가 사용되고 있다.
본 발명은 배면 접합 구조의 태양 전지의 도전층 도핑부들 사이의 간격을 제어하여 효율을 향상시킨 태양 전지와, 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법은,
반도체 기판 상에 제 1 도전층 도핑부을 형성하는 단계;와,
상기 반도체 기판 상에 산화물층을 제 1 차 성장시키는 단계;와,
상기 산화물층을 제 1 차 형성하는 것에 의하여 복수의 리세스부를 형성하는 단계;와,
상기 반도체 기판 상에 산화물층을 제 2 차 성장시키는 단계;와,
상기 산화물층을 제 2 차 형성하는 것에 의하여 상기 리세스부가 형성된 반도체 기판 상에 제 2 도전층 도핑부를 형성하는 단계;와,
상기 반도체 기판 상에 상기 제 1 도전형 도핑부와 연결되는 제 1 도전형 전극과, 상기 제 2 도전형 도핑부와 연결되는 제 2 도전형 전극을 형성하는 단계;를 포함하되,
상기 제 1 도전층 도핑부와, 제 2 도전층 도핑부는 상기 산화물층에 의하여 간격을 유지한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제 1 도전층 도핑부는 빛이 수광되는 반도체 기판의 전면에 대하여 반대되는 배면에 상기 반도체 기판보다 제 1 도전층 불순물을 고농도로 도핑시켜서 배면 전계를 형성한다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수의 리세스부를 형성하는 단계에서는,
상기 산화물층이 형성된 반도체 기판 상에 페이스트를 형성하는 단계;
상기 페이스트가 형성된 이외의 부분에 노출되는 산화물층을 에칭하는 단계; 및
상기 페이스트를 박리하여서, 상기 반도체 기판 상에 형성되는 적층 구조의 제 1 도전형 도핑부 및 산화물층 이외의 영역에 리세스부를 형성하는 단계;를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 리세스부는 상기 제 1 도전층 도핑부 및 산화물층이 적층된 부분과, 상기 제 1 도전층 도핑부가 제거되어서 상기 반도체 표면이 노출되는 부분과의 두께 차이에 의하여 형성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 제 1 도전층 도핑부 및 산화물층이 적층된 부분과, 상기 리세스부가 형성된 반도체 기판의 표면에 다같이 산화물층을 제 2 차 성장시켜서, 상기 산화물층의 두께가 다르게 형성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 제 1 도전층 도핑부 및 산화물층이 적층된 부분에서의 산화물층의 제 1 두께는 상기 리세스부가 형성된 반도체 기판 상에서의 산화물층의 제 2 두께보다 두껍게 형성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 리세스부가 형성된 반도체 기판 상에 형성된 산화물층을 박리한다.
일 실시예에 있어서, 상기 리세스부가 형성된 반도체 기판 상에 제 2 도펀트를 함유하는 소재를 주입하여 반도체 기판 내에 제 2 도전형 불순물을 확산시켜서 제 2 도전형 도핑부를 형성한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제 2 도전형 도핑부는 상기 제 1 도전형 도핑부와 동일한 반도체 기판의 면에 형성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 제 2 도전형 도핑부가 형성된 반도체 기판 상에 캐핑층을 형성하고, 텍스쳐링 공정을 통하여 반도체 기판의 다른 면에 형성된 제 2 도전형 도핑부를 제거한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제 1 도전층 도핑부는 산화물층에 커버되고, 상기 제 2 도전층 도핑부는 산화물층에 커버된 제 1 도전층 도핑부 사이에 형성되어서, 상기 산화물층의 두께와 대응되는 간격을 유지한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제 1 도전층 도핑부와, 제 2 도전층 도핑부는 상기 산화물층에 의하여 아이솔레이션된다.
일 실시예에 있어서, 상기 제 1 도전형 도핑부는 상기 반도체 기판 상에서 산화물층에 커버되고, 상기 산화물층에 컨택 홀을 형성하여서, 상기 제 1 도전형 전극에 연결되어서 저항 접점을 형성하고, 상기 제 2 도전형 도핑부는 상기 반도체 기판 내에 확산되어 형성되어서, 상기 제 2 도전형 전극에 연결되어서 저항 접점을 형성한다.
일 실시예에 있어서, 빛이 수광되는 반도체 기판의 전면에는 패시베이션층과 반사 방지막이 순차적으로 형성된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지는,
반도체 기판의 일면에 형성된 제 1 도전층 도핑부와, 제 2 도전층 도핑부;와,
상기 제 1 도전층 도핑부를 커버하는 산화물층;과,
상기 제 1 도전층 도핑부 및 제 2 도전층 도핑부와 각각 연결되어서 저항 접점을 형성하는 제 1 도전형 전극과, 제 2 도전형 전극;을 포함하되,
상기 제 1 도전층 도핑부와 제 2 도전층 도핑부는 상기 산화물층에 의하여 간격이 형성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 제 2 도전층 도핑부는 상기 제 1 도전층 도핑부 및 산화물층이 적층된 영역 사이의 반도체 기판 내에 형성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 간격은 상기 제 1 도전층 도핑부를 커버하는 산화물층의 두께와 대응되는 크기이다.
일 실시예에 있어서, 상기 빛이 수광되는 반도체 기판의 면에는 패시베이션층과, 반사층이 형성된다.
상기와 같이, 본 발명의 태양 전지와, 이의 제조 방법은 배면 접합 구조의 태양 전지의 배면에 형성되는 제 1 도전층 도핑부와, 제 2 도전층 도핑부 사이의 간격을 제 1 도전층 및 제 2 도전층 도핑 농도에 따른 산화물층 성장 속도 차이를 이용하여 좁게 형성함으로써, 태양 전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 제 1 도전층 도핑부와, 제 2 도전층 도핑부 사이의 간격을 조절하기 위한 추가적인 패턴 공정이 필요없으므로, 태양 전지의 제조 공정 시간이 줄어들고, 제조 원가를 절감할 수 있다.
더욱이, 셀프 얼라이먼트(self-alignment)가 가능하므로, 얼라이먼트의 오차로 인한 션트 패스(shunt path)가 발생하지 않는다.
아울러, 제 1 도전층 도핑부의 라인 폭과 제 2 도전층 도핑부의 라인폭을 크게 줄일 수 있어서, 반도체 기판 내의 라인의 개수를 많게 형성할 수 있다.
도 1a 내지 도 1k는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 태양 전지를 제조하는 과정을 순차적으로 도시한 것으로서,
도 1a는 본 발명의 반도체 기판이 준비된 이후의 상태를 도시한 단면도,
도 1b는 도 1a의 기판 상에 n+ 도전층 도핑부를 형성한 이후의 상태를 도시한 단면도,
도 1c는 도 1b의 기판 상에 산화규석층을 형성한 이후의 상태를 도시한 단면도,
도 1d는 도 1c의 기판 상에 페이스트를 패터화한 이후의 상태를 도시한 단면도,
도 1e는 도 1d의 기판 상에 산화규석층을 에칭한 이후의 상태를 도시한 단면도,
도 1f는 도 1e의 기판 상에 페이스트를 박리한 이후의 상태를 도시한 단면도,
도 1g는 도 1f의 기판 상에 리세스를 형성한 이후의 상태를 도시한 단면도,
도 1h는 도 1g의 기판 상에 산화규석층을 형성한 이후의 상태를 도시한 단면도,
도 1i는 도 1h의 기판 상에 산화규석층을 에칭한 이후의 상태를 도시한 단면도,
도 1j는 도 1i의 기판 상에 p+ 도전층 도핑부를 형성한 이후의 상태를 도시한 단면도,
도 1k는 도 1j의 기판 상에 패시베이션층, 반사 방지막, 제 1 도전형 전극, 제 2 도전형 전극을 형성한 이후의 상태를 도시한 단면도,
도 2는 도 1h의 A 부분을 확대 도시한 단면도,
도 3은 도 1j의 B 부분을 확대 도시한 단면도,
도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판 상에 산화규석층을 형성한 이후의 상태를 도시한 단면도,
도 4b는 도 4a의 기판 상에 p+ 도전층 도핑부를 형성한 이후의 상태를 도시한 단면도.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되어서는 안된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, “포함한다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1k는 본 발명의 일 실시예에 따른 배면 접합 구조의 태양 전지(100)를 도시한 것이다.
도면을 참조하면, 상기 태양 전지(100)는 반도체 기판(101)을 포함한다. 상기 반도체 기판(101)은 광 흡수층이다. 상기 반도체 기판(101)은 단결정 실리콘 기판이나, 다결정 실리콘 기판을 포함할 수 있다. n형 불순물로는 인(P), 비소(As)와 같은 5족의 화학 원소를 포함할 수 있다.
본 실시예에서는 상기 반도체 기판(101)이 n형 불순물을 포함하는 실리콘 기판을 사용하는 경우를 예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 상기 반도체 기판(101)으로 p형 불순물을 포함하는 단결정 실리콘 기판이나, 다결정 실리콘 기판을 사용할 수 있음은 물론이다. p형 불순물은 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga)과 같은 3족의 화학 원소를 포함한다.
상기 반도체 기판(101)은 텍스쳐(texture) 구조를 포함한다. 상기 태양 전지(100)는 화살표로 표시한 바와 같이 빛이 수광되는 반도체 기판(101)의 전면(120)에 피라미드 형태의 단면을 가진다. 상기 태양 전지(100)는 텍스쳐 구조를 통하여 입사광의 반사율을 감소시키고, 상기 반도체 기판(101) 내에서의 빛의 통과 길이를 길게 하며, 내부 반사를 이용하여 흡수된 빛의 양을 증가시킬 수 있다. 따라서, 상기 태양 전지(100)의 단락 전류를 향상시킬 수 있다.
상기 반도체 기판(101)의 전면(120)에는 패시베이션층(117)이 형성되어 있다. 상기 패시베이션층(117)은 불순물이 도핑된 비정질 실리콘(α-Si)이나, 질화규소(SiNx)를 포함한다. 상기 패시베이션층(117)이 불순물이 도핑된 비정질 실리콘을 포함하는 경우, 상기 반도체 기판(101)과 동일한 도전성의 불순물이 반도체 기판(101)보다 고농도로 도핑된 상태일 수 있다.
상기 패시베이션층(117)은 상기 반도체 기판(101)에서 생성된 캐리어의 표면 재결합을 방지하여 캐리어의 수집 효율을 향상시킬 수 있다. 예컨대, 상기 패시베이션층(117)은 캐리어가 반도체 기판(101)의 전면으로 이동하는 것을 방지하므로, 상기 반도체 기판(101)의 전면(120) 근처에서 전자와 정공이 재결합하여 소멸되는 것을 방지할 수 있다.
상기 패시베이션층(117) 상에는 반사 방지막(118)이 형성되어 있다. 상기 반사 방지막(118)은 태양광이 입사될 때, 빛이 반사되어 상기 태양 전지(100)의 빛 흡수 손실이 발생하는 것을 방지함으로써, 상기 태양 전지(100)의 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 반사 방지막(118)은 투명한 소재를 포함한다. 예컨대, 상기 반사 방지막(118)은 산화규소(SiOx)나, 질화규소(SiNx)나, 산질화규소(SiOxNy)나, 산화티타늄(TiOx)나, 산화아연(ZnO)나, 황화아연(ZnS) 등을 포함한다. 상기 반사 방지막(118)은 단일층이나, 서로 굴절율이 다른 복수의 층을 적층함으로써, 형성할 수 있다.
본 실시예에서는 상기 패시베이션층(117)과 반사 방지막(118)이 각각 별개의 층으로 형성된 경우를 도시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 질화규소(SiNx)를 형성함으로써, 패시베이션층(117)의 기능과 반사 방지막(118)의 기능을 동시에 수행할 수 있다.
상기 반도체 기판(101)의 배면(130)에는 에미터층(112)이 형성되어 있다. 상기 에미터층(112)은 반도체 기판(101)과 p-n 접합을 형성한다. 상기 반도체 기판(101)이 n형인 경우, 상기 에미터층(112)은 p형 불순물을 포함하며, 상기 반도체 기판(101)이 p형인 경우, 상기 에미터층(112)은 n형 불순물을 포함한다. 상기 에미터층(112)은 p형(또는 n형) 불순물이 도핑되어서 형성되며, 확산 영역은 스트라이프형(stripe type)이나, 원형이나 타원형과 같은 도트형(dot type)일 수 있다. 본 실시예에서는 상기 에미터층(112)은 p+ 도전층 도핑부에 해당된다.
상기 반도체 기판(101)의 배면(130)에는 베이스층(102)이 형성되어 있다. 상기 베이스층(102)은 상기 반도체 기판(101)과 동일한 형태의 불순물을 포함한다. 상기 베이스층(102)은 상기 반도체 기판(101)보다 불순물이 고농도로 도핑된 상태로서, 배면 전계(back surface field, BSF)를 형성한다.
상기 베이스층(102)은 n형(또는 p형) 불순물이 도핑되어서 형성되며, 불순물의 확산 영역은 스트라이프형이나, 원형이나 타원형과 같은 도트형일 수 있다. 상기 에미터층(112)과, 베이스층(102)은 상기 반도체 기판(101)의 배면(130)에서 서로 맞물리도록(interdigitated) 형성된다. 본 실시예에서는 상기 베이스층(102)은 n+ 도전층 도핑부에 해당된다.
상기 베이스층(102)의 상부에는 제 1 도전형 전극(113)이 형성되어 있다. 이때, 상기 베이스층(102)과 제 1 도전형 전극(113) 사이에는 절연층(103)이 형성되어 있다. 상기 제 1 도전형 전극(113)은 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 및 이들의 합금을 포함한다. 상기 제 1 도전형 전극(113)은 콘택 홀(115)을 통하여 상기 베이스층(102)에 대하여 저항 접점(ohmic contact)을 형성하고 있다.
상기 에미터층(112)의 상부에는 제 2 도전형 전극(114)이 형성되어 있다. 상기 제 2 도전형 전극(114)은 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 및 이들의 합금을 포함한다. 상기 제 2 도전형 전극(114)은 에미터층(112)에 대하여 저항 접점(ohmic contact)을 형성하고 있다.
한편, 상기 절연층(103)은 실리콘으로 된 반도체 기판(101)을 성장시킨 산화물층인 산화규소층을 포함한다.
상기와 같은 구조를 가지는 배면 접합 구조의 태양 전지(100)를 제조하는 과정을 살펴보면 다음과 같다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(101)을 준비한다.
상기 반도체 기판(101)은 단결정 실리콘 기판이나, 다결정 실리콘 기판을 포함한다. 상기 반도체 기판(101)은 n형이나, p형 불순물이 포함된 단결정이나 다결정의 실리콘 기판일 수 있다. 본 실시예에서는 상기 반도체 기판(101)은 n형 불순물을 포함하는 경우를 설명한다. 상기 반도체 기판(101)은 그 표면에 부착된 물리적, 화학적 불순물을 제거하기 위하여 산이나 알칼리 용액을 이용한 세정 공정이 수행될 수 있다.
이어서, 도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 반도체 기판(101)의 표면에는 n+ 도전층 도핑부(102)를 형성하게 된다. 상기 반도체 기판(101)의 일면에는 배면 전계(BSF)를 형성하기 위하여, 상기 반도체 기판(101)을 확산 챔버(diffusion chamber)에 장입하고, n형 도펀트를 함유하는 가스, 예컨대, 옥시염화인(POCl3)를 주입한 후에 고온에서 열처리하여 n+ 도전층 도핑부(102)를 형성하게 된다.
다음으로, 도 1c에 도시된 바와 같이, 상기 반도체 기판(101)은 습식 산화 공정(wet oxidation process)에 의하여 실리콘을 성장시켜서 표면에 산화물층인 산화규석층(103)을 형성하게 된다. 이때, 상기 산화규석층(103)의 두께는 1000Å 이상이다. 한편, 실리콘을 성장시키는 챔버내 분위기는 산소(O2)와 질소(N2)의 혼합 가스 분위기이다.
상기 산화규석층(103)을 형성시킨 이후에는 도 1d에 도시된 바와 같이 상기 반도체 기판(101)의 배면에는 유기물로 된 페이스트(104)를 패턴화시킨다. 상기 유기물로 된 페이스트(104)는 스크린 프린트법에 의하여 형성된다. 이때, 상기 유기물로 된 페이스트(104)는 스트라이프형이나, 도트형으로 패턴화시킨다.
이어서, 도 1e에 도시된 바와 같이, 옥사이드 에칭 용액(buffered oxide etchant, BOE)이나, 불소(HF) 용액을 이용하여 상기 산화규석층(103)을 에칭하게 된다. 이에 따라, 상기 유기물로 된 페이스트(104)가 패턴화된 이외의 외부로 노출되는 산화규석층(103)을 박리하게 된다.
다음으로, 도 1f에 도시된 바와 같이, 유기물로 된 페이스트(104)를 박리하게 된다. 상기 유기물로 된 페이스트(104)는 저농도의 수산화칼륨(KOH)를 이용하여 디핑조(dipping bath)에 침지시키는 것에 의하여 박리가능하다. 이에 따라, 상기 반도체 기판(101) 상에는 패턴화된 산화규석층(103)이 형성되어 있다.
산화규석층(103)을 패턴화시킨 다음에는 도 1g에 도시된 바와 같이 고농도의 수산화칼륨(KOH)를 이용하여 디핑조에 침지시키는 것에 의하여 상기 n+ 도전층 도핑부(102)를 에칭하게 된다. 상기 반도체 기판(101) 상에는 패턴화된 산화규석층(103)이 형성된 이외의 외부로 노출되는 n+ 도전층 도핑부(102)가 박리된다.
이에 따라, 상기 반도체 기판(101) 상에는 상기 n+ 도전층 도핑부(102) 및 산화규석층(103)이 적층된 부분 이외의 영역에 존재하는 n+ 도전층 도핑부(102)가 제거되어서, n+ 도전층 도핑부(102)가 제거된 리세스부(recess portion, 119)가 형성된다. 상기 리세스부(119)는 상기 n+ 도전층 도핑부(102) 및 산화규석층(103)이 적층된 부분과, 상기 n+ 도전층 도핑부(102)가 제거되어서 반도체 기판(101)의 표면이 노출된 부분과의 두께 차이로 형성된 영역에 해당된다.
한편, 상기 수산화칼륨 용액에 이소프로필 알코올(isopropyl-alcohol, IPA)을 첨가제로 혼합하면, 상기 반도체 기판(101)의 표면이 매끄럽게 된다.
이어서, 도 1h에 도시된 바와 같이, 상기 반도체 기판(101)은 습식 산화 공정에 의하여 제 2 차 성장 시켜 산화규석층(103)을 더욱 두껍게 형성시킨다. 이때, 습식 산화 공정에 의한 성장은 도핑 농도와 실리콘 격자의 방향성 및 상기 반도체 기판(101)의 표면 거칠기(roughness)가 중요한데, 도 1g의 수산화칼륨+이소프로필 알코올의 혼합액(KOH+IPA)으로 상기 리세스부(119)를 형성시에 버티컬(vertical)한 {010}면 및 매끄러운 표면의 구현이 가능하다.
상기와 같은 제 2 차 성장에 의하여 상기 산화규석층(103)은 두께가 증가하게 된다. 이때, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 n+ 도전층 도핑부(102)를 커버하는 산화규석층(103a)의 제 1 두께(d1)는 상기 n+ 도전층 도핑부(102)가 제거된 영역, 즉, 상기 리세스부(119)가 형성된 반도체 기판(101)의 표면으로부터 성장시킨 산화규석층(103b)의 제 2 두께(d2)에 비하여 두껍게 형성된다. 상기 제 1 두께(d1)는 상기 제 2 두께보다 2.5 내지 3 배정도 산화물층의 성장 속도가 빠르다.
즉, 상기 실리콘에 도펀트, 즉, 불순물을 주입시키면, 실리콘 안에 공극(vacancy)이 생성되고, 이러한 불순물 및 공극은 실리콘의 결합 구조를 약화시킨다. 상기한 작용으로 산소들이 용이하게 실리콘과 결합하게 된다. 따라서, 도펀트를 많이 주입할수록 산화물층의 성장 속도가 빠르게 된다.
한편, 실리콘을 성장시키는 챔버내 분위기는 산소(O2)와 질소(N2)의 혼합 가스 분위기이다.
다음으로, 도 1i에 도시된 바와 같이, 옥사이드 에칭 용액(BOE)이나, 불소(HF) 용액을 이용하여 상기 산화규석층(103)을 에칭하게 된다. 이에 따라, 상기 n+ 도전층 도핑부(102)가 형성되지 않은 영역의 산화규석층(도 2의 103b)은 박리되고, 상기 n+ 도전층 도핑부(102)가 형성된 부분을 커버하는 산화규석층(도 2의 103a)만 남게 된다.
즉, 상기 n+ 도전층 도핑부(102)가 형성된 부분을 커버하는 산화규석층(103a)은 상기 n+ 도전층 도핑부(102)가 형성되지 않은 영역의 산화규석층(103b)보다 2.5 배내지 3배 정도 두껍게 형성되어 있으므로, 상기 n+ 도전층 도핑부(102)가 형성되지 않은 영역의 산화규석층(103b)이 제거하는 시간동안만 에칭 공정을 수행한다.
이어서, 도 1j에 도시된 바와 같이, 상기 반도체 기판(101)의 배면에는 p+ 도전층 도핑부(112)를 형성하게 된다. 이를 위하여, 상기 반도체 기판(101)을 챔버 내에 장입하고, p형 도펀트를 함유하는 가스, 예컨대, 보론트리브로마이드(Boron tribromide, BBr3)를 주입한 후에 고온에서 열처리하게 된다.
이에 따라, 상기 리세스부(119)에는 P형 도펀트가 상기 반도체 기판(101)의 내부로 확산되어서 p+ 도전층 도핑부(112)를 형성하게 된다. 이때, 상기 p+ 도전층도핑부(112)의 표면에는 Br층(boron-rich layer)이 형성된다. Br층은 불소(HF)를 이용하여 제거하게 된다.
한편, 상기 p+ 도전층 도핑부(112)는 상기 반도체 기판(101)의 배면뿐만 아니라, 상기 반도체 기판(101)의 전면 및 측면에도 동시에 형성될 수 있다. 이를 제거하기 위하여, 상기 반도체 기판(101)의 배면에는 캐핑층(capping layer)인 유에스지(undoped silicon glass, USG)막을 증착시키고, 수산화칼륨+이소프로필 알코올의 혼합액(KOH+IPA)을 이용한 텍스쳐링 공정(texturing process)을 통하여 상기 반도체 기판(101)의 전면 및 측면에 형성된 p+ 도전층 도전부를 제거하게 된다.
이에 따라, 도 3에 도시된 바와 같이, n+ 도전층 도핑부(102)와, p+ 도전층 도핑부(112)는 상기 n+ 도전층 도핑부(102)를 커버하는 상기 산화규석층(103)으로 인하여 수백 Å의 간격(gap)을 유지하게 된다. 상기 간격(g)에 해당되는 부분은 상기 태양 전지(100)의 작동시 효율과는 무관한 영역이므로, 간격(g)에 해당되는 영역이 크면 클수록 태양 전지(100)의 효율은 떨어지게 된다. 따라서, 상기 간격(g)이 형성된 부분을 최대한 줄여야 한다.
본 실시예에 따르면, 상기 n+ 도전층 도핑부(102)와, p+ 도전층 도핑부(112) 사이의 간격을 종래의 간격보다 1/1000 수준으로 줄이면서, 상기 n+ 도전층 도핑부(102)와, p+ 도전층 도핑부(112) 각각의 아이솔레이션(isolation)이 보장된다.
더욱이, 상기 n+ 도전층 도핑부(102)와, p+ 도전층 도핑부(112) 사이의 간격을 유지하기 위한 별도의 간격을 형성시키기 위한 패턴 공정이 필요없다. 이처럼, 상기 n+ 도전층 도핑부(102)와, p+ 도전층 도핑부(112)가 셀프 얼라이먼트(self-alignment) 방식으로 형성되므로, 미세한 폭을 가지는 n+ 도전층 도핑부(102)와, p+ 도전층 도핑부(112)의 구현이 가능하다.
한편, 상기 p+ 도전층 도핑부(112)를 형성시키는 방식은 BBr3을 이용하는 방식이외에도, 상기 반도체 기판(101)에 p+ 도전층 도핑부(112)를 형성시킬 수 있다면 어느 하나에 한정되는 것은 아니다.
즉, 상기 반도체 기판(101) 상에 대기압 고온 화학기상증착(APCVD)법에 의하여 보론 실리케이트 글래스(boron silicate glass, BSG)를 증착하고, 이를 고온에서 열처리하게 된다. 이에 따라, 상기 리세스부(119)에는 p형 도펀트가 상기 반도체 기판(101)의 내부로 확산되어서 p+ 도전층 도핑부(112)를 형성하게 된다. 이때, 보론 실리케이트 글래스(BSG)는 마스크 등을 이용하여 상기 반도체 기판(101)의 일면 상에는 증착되며, 상기 p+ 도전층 도핑부(112)가 형성된 이후에는 나머지 부분의 보론 실리케이트 글래스는 불소(HF)를 이용하여 제거하게 된다.
또한, 상기 p+ 도전층 도핑부(112)는 레이저 방식에 의하여 형성시킬 수 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(401) 상에 상술한 방식으로 패턴화된 n+ 도전층 도핑부(402)와, 이를 커버하도록 산화규석층(402)을 패턴화한 다음, 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 반도체 기판(401) 상에 보론 소재를 코팅하고, 보론 소재에 대하여 레이저를 조사하는 것에 의하여 리세스부(419)를 통하여 반도체 기판(401)의 내부로 p형 도펀트를 확산시켜서 p+ 도전층 도핑부(412)를 형성할 수 있다.
이상과 같이, 상기와 같은 공정을 통하여 반도체 기판(401)의 배면에 산화물층으로 인하여 좁은 간격을 유지하는 n+ 도전층 도핑부(402)와, p+ 도전층 도핑부(412)가 서로 맞물리도록 형성시키는 것이 가능하다.
이어서, 도 1k에 도시된 바와 같이, 상기 반도체 기판(101)은 텍스쳐링 공정을 통하여 상기 반도체 기판(101)의 전면(120)에 피라미드면을 형성시킨다. 이를 위하여, 상기 반도체 기판(101)은 수산화칼륨+이소프로필 알코올의 혼합액(KOH+IPA)을 이용하게 된다.
이어서, 텍스쳐링 공정에 따라 형성된 피라미드면을 가지는 상기 반도체 기판(101)의 전면(120)에는 패시베이션층(117)과, 반사 방지막(118)을 순차적으로 형성한다. 상기 패시베이션층(117)을 형성하기 이전에 반도체 기판(101)의 세정이 수행될 수 있다.
상기 패시베이션층(117)은 불순물이 도핑된 비정질 실리콘을 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 패시베이션층(117)은 n형 반도체 기판(101)의 표면에 고농도의 n+ 층으로 형성될 수 있으며, 이와 같이 형성된 패시베이션층(117)은 정공과 전자의 재결합에 따른 손실을 줄이기 위한 전면 전계(front surface field, FSF)를 형성할 수 있다.
대안으로는, 상기 패시베이션층(117)은 질화규소(SiNx)를 포함할 수 있다. 상기 패시베이션층(117)은 플라즈마 기상 증착법(PECVD)에 의하여 형성될 수 있다.
상기 패시베이션층(117)은 상기 반도체 기판(101)의 수광면인 전면(120)측에 형성되므로, 광 흡수를 줄이기 위하여 밴드 갭을 조절할 수 있다. 예컨대, 첨가물을 추가함으로써, 밴드 갭을 증가시켜 광 흡수를 줄이고, 입사광이 반도체 기판(101)의 내부로 흡수되도록 할 수 있다.
상기 반사 방지막(118)은 상기 패시베이셔층(117) 상에 형성시킨다. 상기 반사 방지막(118)은 산화규소(SiOx), 질화규소(SiNx), 산질화규소(SiOxNy) 등을 포함하며, CVD, 스퍼터링, 스핀 코팅 등의 방법에 의하여 형성된다. 예컨대, 상기 반사 방지막(118)은 산화규소(SiOx), 질화규소(SiNx), 산질화규소(SiOxNy)의 단일막으로 형성되거나, 또는 이들의 복합층으로 형성될 수 있다.
본 실시예에서는 패시베이션층(117)과, 반사 방지막(118)을 각각 형성하는 경우를 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 상기 패시베이션층(117)과, 반사 방지막(118)은 하나의 층으로 형성될 수 있다. 즉, SiNx를 포함하는 층을 형성함으로써, 패시베이션의 효과 및 반사 방지의 효과를 얻을 수 있다.
이어서, 상기 n+ 도전층 도핑부(102) 상에는 제 1 도전형 전극(113)이, 상기 p+ 도전층 도핑부(112) 상에는 제 2 도전형 전극(114)이 형성된다.
이를 위하여, 상기 산화규석층(115)에 컨택 홀(contcat hole, 115)을 형성하게 된다. 상기 콘택 홀(115)은 상기 n+ 도전층 도핑부(102)와 대응되는 영역에 형성된다. 상기 콘택 홀(115)은 레이저를 이용하거나, 에칭 페이스트를 이용한 스크린 프린팅 등에 의하여 형성시킬 수 있다.
다음으로, 상기 반도체 기판(101)의 배면(130) 상에 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 등과 같은 도전성 페이스트를 스크린 프린팅이나, 도금 등을 통한 패턴 인쇄를 수행한 이후에 열처리하게 된다.
이에 따라, n+ 도전층 도핑부(102)에 대하여 저항 접점을 형성하는 제 1 도전형 전극(113)을 연결하고, p+ 도전층 도핑부(112)에 대하여 저항 접점을 형성하는 제 2 도전형 전극(114)를 연결하게 된다.
상기와 같은 과정을 통하여 n+ 도전층 도핑부(102)와, p+ 도전층 도핑부(112) 사이의 간격을 최대한 좁힌 배면 접합 구조의 태양 전지(100)를 제조할 수 있다.
본 출원인의 실험에 따른 태양 전지(100)의 간격을 살펴보면 표 1에 도시된 바와 같다.
비교예(㎛) 실시예(㎛)
에미터 영역 1550 1750
간격 100 0.1
여기서, 비교예는 종래의 n+ 도전층 도핑부와, p+ 도전층 도핑부 사이의 간격을 스크린 프린팅법과, 습식 화학 공정 이후에 별도의 간격 패턴 공정을 추가하는 것에 의하여 형성한 것이고, 실시예는 본 발명의 산화규석층(103)에 의하여 n+ 도전층 도핑부(102)와, p+ 도전층 도핑부(112) 사이의 간격을 유지하는 것이다.
표 1을 참조하면, 비교예의 경우, p+ 도전층 도핑부와 대응되는 에미터 영역의 폭이 1550 나노미터인데 반하여, 실시예의 경우, 에미터 영역의 폭이 1750 마이크로미터로서, 200 마이크로미터 정도 넓어지게 된다.
또한, 비교예의 경우, n+ 도전층 도핑부와, p+ 도전층 도핑부 사이의 간격이 100 마이크로미터인데 반하여, 실시예의 경우, n+ 도전층 도핑부와, p+ 도전층 도핑부 사이의 간격이 0.1 마이크로미터로서, 간격이 1/1000 정도 줄어든다는 것을 알 수 있다.
이처럼, 태양 전지의 효율에 관여하지 못하는 n+ 도전층 도핑부(102)와, p+ 도전층 도핑부(112) 사이의 간격을 최소화시킬 수 있음에 따라서, 태양 전지의 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
100...태양 전지 101...반도체 기판
102...n+ 도전층 도핑부 103...산화규석층
104...페이스트 112...p+ 도전층 도핑부
113...제 1 도전형 전극 114...제 2 도전형 전극
117...패션베이션층 118...반사 방지막
119...리세스부

Claims (18)

  1. 반도체 기판 상에 제 1 도전층 도핑부를 형성하는 단계;
    상기 반도체 기판 상에 산화물층을 제 1 차 성장시키는 단계;
    상기 산화물층을 제 1 차 형성하는 것에 의하여 복수의 리세스부를 형성하는 단계;
    상기 반도체 기판 상에 상기 산화물층을 제 2 차 성장시키는 단계;
    상기 산화물층을 제 2 차 형성하는 것에 의하여 상기 리세스부가 형성된 반도체 기판 상에 제 2 도전층 도핑부를 형성하는 단계; 및
    상기 반도체 기판 상에 상기 제 1 도전층 도핑부와 연결되는 제 1 도전형 전극과, 상기 제 2 도전층 도핑부와 연결되는 제 2 도전형 전극을 형성하는 단계;를 포함하되,
    상기 제 1 도전층 도핑부와, 상기 제 2 도전층 도핑부는 상기 산화물층에 의하여 간격을 유지하며,
    상기 제 1 도전층 도핑부는 상기 산화물층에 의하여 커버되고, 상기 제 2 도전층 도핑부는 상기 산화물층에 의하여 커버된 인접한 제 1 도전층 도핑부 사이에 형성되어서, 상기 산화물층의 두께와 대응되는 간격을 유지하며,
    상기 산화물층은 상기 제 1 도전층 도핑부 및 상기 제 2 도전층 도핑부 사이에 노출된 상기 반도체 기판의 표면에 직접적으로 접촉되며, 노출된 상기 반도체 기판의 표면은 상기 반도체 기판에 마주보는 상기 제 1 도전층 도핑부의 아랫면과 동일한 수평면을 이루는 태양 전지의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 도전층 도핑부는 빛이 수광되는 반도체 기판의 전면에 대하여 반대되는 배면에 상기 반도체 기판보다 제 1 도전층 불순물을 고농도로 도핑시켜서 배면 전계를 형성하는 태양 전지의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 리세스부를 형성하는 단계에서는,
    상기 산화물층이 형성된 반도체 기판 상에 페이스트를 형성하는 단계;
    상기 페이스트가 형성된 이외의 부분에 노출되는 산화물층을 에칭하는 단계; 및
    상기 페이스트를 박리하여서, 상기 반도체 기판 상에 형성되는 적층 구조의 제 1 도전층 도핑부 및 산화물층 이외의 영역에 리세스부를 형성하는 단계;를 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 리세스부는 상기 제 1 도전층 도핑부 및 산화물층이 적층된 부분과, 상기 제 1 도전층 도핑부가 제거되어서 상기 반도체 기판의 표면이 노출되는 부분과의 두께 차이에 의하여 형성되는 태양 전지의 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 도전층 도핑부 및 산화물층이 적층된 부분과, 상기 리세스부가 형성된 반도체 기판의 표면에 다같이 산화물층을 제 2 차 성장시켜서, 상기 산화물층의 두께가 다르게 형성되는 태양 전지의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 도전층 도핑부 및 산화물층이 적층된 부분에서의 산화물층의 제 1 두께는 상기 리세스부가 형성된 반도체 기판 상에서의 산화물층의 제 2 두께보다 두껍게 형성되는 태양 전지의 제조 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 리세스부가 형성된 반도체 기판 상에 형성된 산화물층을 박리하는 태양 전지의 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 리세스부가 형성된 반도체 기판 상에 제 2 도펀트를 함유하는 소재를 주입하여 반도체 기판 내에 제 2 도전형 불순물을 확산시켜서 제 2 도전층 도핑부를 형성하는 태양 전지의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 도전층 도핑부는 상기 제 1 도전층 도핑부와 동일한 반도체 기판의 면에 형성되는 태양 전지의 제조 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 도전층 도핑부가 형성된 반도체 기판 상에 캐핑층을 형성하고,
    텍스쳐링 공정을 통하여 반도체 기판의 다른 면에 형성된 제 2 도전층 도핑부를 제거하는 태양 전지의 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 도전층 도핑부와, 제 2 도전층 도핑부는 상기 산화물층에 의하여 아이솔레이션되는 태양 전지의 제조 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 도전층 도핑부는 상기 반도체 기판 상에서 산화물층에 커버되고, 상기 산화물층에 컨택 홀을 형성하여서, 상기 제 1 도전형 전극에 연결되어서 저항 접점을 형성하고,
    상기 제 2 도전층 도핑부는 상기 반도체 기판 내에 확산되어 형성되어서, 상기 제 2 도전형 전극에 연결되어서 저항 접점을 형성하는 태양 전지의 제조 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    빛이 수광되는 반도체 기판의 전면에는 패시베이션층과 반사 방지막이 순차적으로 형성되는 태양 전지의 제조 방법.
  15. 반도체 기판의 일면에 형성된 제 1 도전층 도핑부와, 제 2 도전층 도핑부;
    상기 제 1 도전층 도핑부를 커버하는 산화물층; 및
    상기 제 1 도전층 도핑부 및 제 2 도전층 도핑부와 각각 연결되어서 저항 접점을 형성하는 제 1 도전형 전극과, 제 2 도전형 전극;을 포함하되,
    상기 제 1 도전층 도핑부와 상기 제 2 도전층 도핑부는 상기 산화물층에 의하여 간격을 유지하며,
    상기 간격은 상기 제 1 도전층 도핑부를 커버하는 상기 산화물층의 두께와 대응되며,
    상기 산화물층은 상기 제 1 도전층 도핑부 및 상기 제 2 도전층 도핑부 사이에 노출된 상기 반도체 기판의 표면에 직접적으로 접촉되며, 노출된 상기 반도체 기판의 표면은 상기 반도체 기판에 마주보는 상기 제 1 도전층 도핑부의 아랫면과 동일한 수평면인 태양 전지.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 2 도전층 도핑부는 상기 제 1 도전층 도핑부 및 산화물층이 적층된 영역 사이의 반도체 기판 내에 형성된 태양 전지.
  17. 삭제
  18. 제 15 항에 있어서,
    빛이 수광되는 반도체 기판의 면에는 패시베이션층과, 반사층이 형성된 태양 전지.
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