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KR102547806B1 - 후면접합 실리콘 태양전지 제조방법 - Google Patents

후면접합 실리콘 태양전지 제조방법 Download PDF

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KR102547806B1
KR102547806B1 KR1020160046442A KR20160046442A KR102547806B1 KR 102547806 B1 KR102547806 B1 KR 102547806B1 KR 1020160046442 A KR1020160046442 A KR 1020160046442A KR 20160046442 A KR20160046442 A KR 20160046442A KR 102547806 B1 KR102547806 B1 KR 102547806B1
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Abstract

본 발명은 후면접합 실리콘 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 패터닝과 도핑 공정을 동시에 수행하여 후면 PN 접합층을 형성할 수 있는 후면접합 실리콘 태양전지 제조방법에 관한 것이다.

Description

후면접합 실리콘 태양전지 제조방법 {METHOD FOR BACK CONTACT SILICON SOLAR CELL}
본 발명은 후면접합 실리콘 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 패터닝과 도핑 공정을 동시에 수행하여 후면 PN 접합층을 형성할 수 있는 후면접합 실리콘 태양전지 제조방법에 관한 것이다.
최근 환경문제와 에너지 고갈에 대한 관심이 높아지면서, 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없으며 에너지 효율이 높은 대체 에너지로서의 태양 전지에 대한 관심이 높아지고 있다.
태양　전지는　태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양빛(photons)을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지로 나눌 수 있다.
그 중에서도 흡수된 광자에 의해 생성된 전자와 정공을 이용함으로써 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는　태양광 전지에 대한연구가 활발히 행해지고 있다.
이러한 태양광 전지(이하에서는 "태양전지"로 지칭함)의 대표적인 예인 실리콘 태양전지는 다결정 실리콘 혹은 단결정 실리콘의 광전 변환 효과를 이용하여 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것이다.
보다 구체적으로, 태양전지는 태양광이 다결정 혹은 단결정 실리콘 태양전지 내에 입사되면 정공과 전자가 발생되고, 발생된 정공과 전자는 각각 전극을 통해 포집되어 전기 에너지를 발생시키는 원리를 이용한다.
실리콘 태양전지는 광전 효과를 발생시키기 위하여 제1 도전형 실리콘층과 제2 도전형 실리콘층을 포함하는 실리콘 태양전지 모체와, 정공과 전자를 포집하기 위하여 제1 도전형 실리콘층과 제2 도전형 실리콘층 각각에 연결되는 전극들이 포함된다. 많은 예의 경우 제1 도전형 실리콘 기판에 제2 도전형 도펀트를 도핑하여 제2 도전형 실리콘층을 형성하고 있다.
실리콘 태양전지는 일반적으로 제1 도전형 실리콘층에 전기적으로 연결되는 제1 전극과 제2 도전형 실리콘층에 전기적으로 연결되는 제2 전극을 포함하고, 2개의 전극 중 하나는 태양전지의 전면에 형성되고, 다른 하나는 태양전지의 후면에 형성된다.
그러나, 전면에 형성되는 전극의 경우, 그 면적이 넓을수록 태양광 흡수 영역을 그만큼 감소시키게 된다. 이에 전면에 형성되는 전극의 면적을 최소화하는 구조가 제안되어 있으며, 최근에는 태양전지 후면에 제1 전극 및 제2 전극 모두를 형성한 이른바 후면접합 구조가 제안되었다.
후면접합 실리콘 태양전지를 제작하는데 있어 가장 중요한 것은 후면 패터닝 공정이다.
일반적인 후면 패터닝은 포토 레지스트, 패턴화된 마스크 등 고가의 재료비가 들어가는 포토리소그래피(photolithography) 패터닝 공정이나 공정 스텝 수가 많은 스크린 프린팅(screen printing) 패터닝 공정을 사용하고 있다.
특히, 이러한 공정들은 도핑층을 형성하기 위해 열처리 공정이 각 스텝마다 별도로 수행되어야 하고, 활용되는 재료의 종류가 많아 제조비용이 상승하는 문제점이 있다.
따라서, 후면접합 실리콘 태양전지 제조시 고가의 재료비를 소요하지 않고, 공정 스텝 수가 많지 않으면서도 보다 정확하게 후면 패터닝할 수 있는 방법의 개발이 필요하다.
본 발명은 후면 PN 접합층 형성시 레이저를 활용함으로써 패터닝과 도핑 공정을 동시에 수행할 수 있는 후면접합 실리콘 태양전지 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 레이저를 활용함으로써 미세한 패턴 형성과 미세한 도핑이 가능한 후면접합 실리콘 태양전지 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 레이저를 활용함으로써 공정을 단순화할 수 있고, 버팅(butting) 현상을 효과적으로 방지할 수 있는 후면접합 실리콘 태양전지 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 버팅 현상이 최소화되고, 미세한 패턴의 PN 접합층을 갖는 후면접합 실리콘 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여,
본 발명에 따른 후면접합 실리콘 태양전지 제조방법은 유전체층 및 실리콘층이 형성된 실리콘 기판을 준비하는 단계, 상기 실리콘층의 후면에 제1 도전형 도펀트를 포함하는 제1 도전층을 형성하는 단계, 상기 제1 도전층의 일부 영역에 레이저를 조사하여, 상기 실리콘층 내에 상기 제1 도전형 도펀트를 포함하는 제1 도전영역을 형성하는 단계, 상기 제1 도전층을 에칭하는 단계 및 상기 실리콘층 내에 제1 도전영역과 이격되도록 제2 도전영역을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 도전영역을 형성하는 단계는, 상기 제1 도전영역을 포함하는 상기 실리콘층의 후면에 제2 도전형 도펀트를 포함하는 제2 도전층을 형성하는 단계, 상기 제1 도전영역과 대면하지 않는 상기 제2 도전층의 일부 영역에 레이저를 조사하여, 상기 실리콘층 내에 상기 제2 도전형 도펀트를 포함하는 제2 도전영역을 형성하는 단계 및 상기 제2 도전층을 에칭하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 도전영역을 형성하는 단계는, 상기 제1 도전영역을 포함하는 실리콘층의 후면에 절연층을 형성하는 단계, 상기 절연층의 일부에 레이저를 조사함으로써 상기 실리콘층의 일부를 노출시키는 비아홀이 형성되도록 패터닝하는 단계 및 상기 노출된 실리콘층에 상기 제2 도전영역을 형성하는 단계;를 포함하는 후면접합 실리콘 태양전지 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 상기 제2 도전영역을 형성하는 단계는, 상기 비아홀을 통해 노출된 실리콘층의 후면에 제2 도전형 도펀트를 포함하는 제2 도전층을 형성하는 단계, 상기 제2 도전층을 열처리하여, 상기 실리콘층 내에 상기 제2 도전형 도펀트를 포함하는 제2 도전영역을 형성하는 단계 및 상기 제2 도전층 및 상기 절연층을 에칭하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 도전영역을 형성하는 단계는, 제2 도전형 도펀트를 포함하는 분위기 가스 하에서 열처리하여, 상기 실리콘층 내에 상기 제2 도전형 도펀트를 포함하는 제2 도전영역을 형성하는 단계 및 상기 절연층을 에칭하는 단계를 포함할 수 있다.
전술한 방법을 통하여, 본 발명은 버팅 현상이 최소화되고, 미세한 패턴의 PN 접합층을 갖는 후면접합 실리콘 태양전지를 제공할 수 있다.
본 발명의 후면접합 실리콘 태양전지 제조방법은 레이저를 활용하여 실리콘층에 도전영역을 형성함으로써, 패터닝과 도핑을 동시에 진행하여 공정 스텝수를 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 방법에 따라 후면접합 실리콘 태양전지를 제조하는 경우, 도핑 및 패터닝 공정을 별도로 수행시 필요한 재료나 장비를 줄일 수 있어, 제조 단가를 절감할 수 있다.
또한, 상기 방법에 따라 제조된 후면접합 실리콘 태양전지는 미세한 패턴으로 도핑이 가능하여 전지 효율 및 신뢰성이 향상될 수 있다.
아울러, 상기 태양전지는 진성영역에 의해 제1 도전영역과 제2 도전영역이 직접 접촉되지 않아, 버팅 현상이 효과적으로 방지될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 후면접합 실리콘 태양전지를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 후면접합 태양전지 제조방법을 공정 순서대로 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 후면접합 태양전지 제조방법을 공정 순서대로 개략적으로 나타낸 저면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 후면접합 태양전지 제조방법을 공정 순서대로 개략적으로 나타낸 저면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 후면접합 태양전지 제조방법을 공정 순서대로 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 후면접합 태양전지 제조방법을 공정 순서대로 개략적으로 나타낸 저면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 후면접합 태양전지 제조방법을 공정 순서대로 개략적으로 나타낸 저면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 후면접합 태양전지 제조방법을 공정 순서대로 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 후면접합 태양전지 제조방법을 공정 순서대로 개략적으로 나타낸 저면도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 후면접합 태양전지 제조방법을 공정 순서대로 개략적으로 나타낸 저면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 후술하는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 후면접합 실리콘 태양전지를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 후면접합 실리콘 태양전지는 실리콘 기판(110), 유전체층(120) 및 실리콘층(130)을 포함하고, 실리콘층(130)에는 제1 도전영역(131), 제2 도전영역(132) 및 진성영역(133)이 형성되어 있다.
이 때, 상기 제 1 도전형은 제 2 도전형의 반대 도전형이다.
상기 실리콘 기판(110)은 실리콘을 포함하는 기판으로, n형 도전성 타입의 도펀트를 함유하는 결정질 실리콘 기판일 수 있고, 혹은 p형 실리콘 기판일 수 있다. 이때, 실리콘은 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘일 수 있다.
또한, 실리콘 기판(110)은 실리콘 산화물층, 폴리실리콘층, 비정질 실리콘층 등이 형성된 기판이 될 수도 있다.
유전체층(120)은 실리콘 기판(110) 후면에 형성되어 있다.
이러한 유전체층(120)은 실리콘층(130)의 제1 도전영역(131) 및 제2 도전영역(132)에서 생성된 전하의 누설을 방지하는 역할을 하며, 아울러 실리콘 기판의 표면 패시베이션 역할을 한다.
상기 유전체층(120)은 실리콘산화물(SiOx), 실리콘질화물(SiNx), 실리콘질화산화물(SiON), 금속산화물(AlOx 등) 등을 포함할 수 있고, 단일층으로 형성되거나 복수의 층으로 형성될 수 있다.
유전체층(120)의 두께는 0.5nm 내지 5nm 정도가 될 수 있다. 이러한 유전체층(120)은 통상적으로 사용하는 증착 방식, 열산화 방식 등에 의해 형성될 수 있다.
실리콘층(130)은 유전체층(120) 후면에 배치되며, 전면에 배치된 실리콘 기판과 반대되는 도전성 타입으로 형성된다.
또한, 상기 실리콘층(130)은 폴리 실리콘이나 비정질 실리콘으로 형성될 수 있고, 이러한 실리콘층(130)은 30 내지 500nm 정도의 두께로 구비될 수 있고, 이에 따라 안정적으로 도전영역을 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 실리콘층(130)은 제1 도전영역(131), 제2 도전영역(132) 및 진성영역(133)을 포함한다.
예를 들어, 제1 도전영역(131)에 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같은 5가 원소의 n형 도펀트가 도핑되고, 제2 도전영역(132)에는 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등과 같은 3가 원소의 p형 도펀트가 도핑될 수 있다. 또는, 제1 도전영역(131)에 p형 도펀트가 도핑되고, 제2 도전영역(132)에 n형 도펀트가 도핑될 수 있다.
한편, 도 1을 참조하면, 제1 도전영역(131)과 제2 도전영역(132) 사이에는 진성(intrinsic) 영역(133)이 형성되어 있다.
여기서, 진성영역(133)이라 함은, 도펀트가 포함되지 않은 순수한 실리콘 영역에 국한되는 것이 아니라, 제1 도전영역(131) 및 제 도전영역(132)에서 확산된 제1 도전형 도펀트, 제2 도전형 도펀트가 일부 포함된 실리콘 영역도 포함되는 것으로 의미된다.
이러한 진성영역(133)에 의해, 제1 도전영역(131)과 제2 도전영역(132)이 직접 접촉하지 않는다. 제1 도전영역(131)과 제2 도전영역(132)이 직접 접촉하는 경우 전자-정공 재결합이 급격히 증가하여 태양전지 효율이 저하되는 버팅(butting) 현상이 문제된다.
종래 태양전지에서 이러한 버팅 현상을 개선하기 위하여, 제1 도전영역과 제2 도전영역의 경계부에 절연체 박막을 형성하는 경우도 있으나, 이 경우, 접합부 홀 형성 공정, 절연체 증착 공정 등이 추가로 요구되는 문제점이 있었다.
그러나, 본 발명에 따르면 레이저를 통해 이러한 진성영역(133)이 정의되도록 함으로써, 제1 도전영역(131)과 제2 도전영역(132)이 직접 접촉하여 발생할 수 있는 버팅 현상을 효과적으로 최소화하면서도 경제적으로 태양전지를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 후면접합 실리콘 태양전지 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 2 내지 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 후면접합 태양전지 제조방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 유전체층 및 실리콘층이 형성된 실리콘 기판을 준비하는 단계, 상기 실리콘층의 후면에 제1 도전형 도펀트를 포함하는 제1 도전층을 형성하는 단계, 상기 제1 도전층의 일부 영역에 레이저를 조사하여, 상기 실리콘층 내에 상기 제1 도전형 도펀트를 포함하는 제1 도전영역을 형성하는 단계, 상기 제1 도전층을 에칭하는 단계, 및 상기 실리콘층 내에 제1 도전영역과 이격되도록 제2 도전영역을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 제2 도전영역을 형성하는 단계는 상기 제1 도전영역을 포함하는 상기 실리콘층의 후면에 제2 도전형 도펀트를 포함하는 제2 도전층을 형성하는 단계, 상기 제1 도전영역과 대면하지 않는 상기 제2 도전층의 일부 영역에 레이저를 조사하여, 상기 실리콘층 내에 상기 제2 도전형 도펀트를 포함하는 제2 도전영역을 형성하는 단계 및 상기 제2 도전층을 에칭하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법에 따르면, 각 도전층 형성 후 레이저를 그 일부 영역에 조사함으로써 별개의 도핑장비, 패터닝 장비 또는 패터닝시 필요한 재료 등이 없이도 실리콘층에 각 도전영역을 도핑할 수 있다.
즉, 상기 방법을 통해 후면접합 실리콘 태양전지를 제조할 경우 공정 스텝수와 공정 비용을 감소시킬 수 있고, 레이저를 통해 도핑 및 패터닝을 수행하기 때문에 도핑 농도의 조절이 용이하며 미세한 패턴을 구현할 수 있는 장점이 있다.
구체적으로, 도 2는 태양전지의 단면을, 도 3 및 도 4는 저면을 통해 제조공정을 순차적으로 도시한 것으로 도 2의 (a) 내지 (g)는 도 3 및 도 4의 (a) 내지 (g)와 대응된다. 한편, 도 3은 제2 도전영역이 라인 패턴인 경우를, 도 4는 제2 도전영역이 도트패턴인 경우를 나타낸 것이다.
도 2의 (a)를 참조하면, 유전체층 및 실리콘층이 형성된 실리콘 기판은 상업적으로 제조되어 유전체층 및 실리콘층이 기형성된 실리콘 기판을 이용할 수 있고, 또는 실리콘 기판(110)의 후면에 실리콘산화물 등으로 유전체층(120)을 형성하고, 이후 유전체층 후면에 실리콘층(130)을 순차적으로 형성하는 단계를 거쳐 직접 준비할 수 있다.
실리콘 기판(110)은 전술한 바와 같이, 실리콘을 포함하는 다양한 형태가 될 수 있으며, 보다 바람직하게는 n형 도전성 타입의 실리콘 기판이다.
유전체층(120)은 실리콘 산화물로 형성되어 이후 레이저 공정 수행시 실리콘 기판(110)을 효과적으로 패시베이션 할 수 있다.
또한, 실리콘층(130)은 제1 도전영역 및 제2 도전영역의 형성이 가능한 폴리 실리콘이나 비정질 실리콘으로 형성될 수 있으며, 보다 바람직하게는 p형 도전성 타입의 실리콘 층이다.
도 2의 (b)를 참조하면, 제1 도전영역을 형성하기 위하여, 상기 실리콘층(130)의 후면에 제1 도전형 도펀트를 포함하는 제1 도전층(140)을 형성한다.
상기 제1 도전층(140)은 제1 도전영역의 도전 타입에 따라서 PSG (phosphorous silicate glass) 및 BSG (boron silicate glass) 중 선택적으로 형성될 수 있으며, 이외에도 원하는 도전형의 도펀트가 도핑된 실리콘탄화물, 원하는 도전형의 도펀트가 도핑된 비정질 실리콘 등으로 형성될 수 있다.
도 2의 (c)를 참조하면, 상기 제1 도전층의 일부 영역에 레이저(L)를 조사하여, 상기 실리콘층 내에 상기 제1 도전형 도펀트를 포함하는 제1 도전영역을 형성할 수 있다.
이때, 상기 제1 도전층의 레이저가 조사되는 영역과 대면하는 실리콘층의 일부에만 제1 도전영역이 형성될 수 있고, 따라서 별도의 패터닝 장비나 재료 없이도 패터닝과 도핑이 동시에 진행될 수 있다.
또한, 레이저를 통해 패터닝하기 때문에 미세 패턴의 구현이 가능하며, 레이저를 통해 도펀트가 실리콘층으로 주입되기 때문에 레이저의 조사량에 따라 도핑 농도의 조절이 용이한 장점이 있다.
상기 제1 도전층에 조사되는 레이저는 및 후술하는 제2 도전층에 조사되는 레이저는 100 내지 850 nm 파장의 레이저, 예를 들어, 248 nm 파장의 KrF 레이저, 193 nm 파장의 ArF　레이저, 355 nm, 532 nm 파장의 그린 레이저 등이 적용용될 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 도전영역(131)은 상기 실리콘층의 두께의 70 내지 100%의 깊이까지 형성될 수 있고, 바람직하게는 70 내지 95%, 보다 바람직하게는 80 내지 90%의 깊이까지 형성될 수 있다. 상기 제1 도전영역(131)은 유전체층(120)과 접촉되지 않도록 도핑되는 것이 바람직하며, 이러한 깊이로 도전영역을 형성함으로써 태양전지의 효율을 극대화할 수 있다.
또한, 상기 제1 도전영역(131)의 도펀트 농도는 상기 실리콘층의 표면으로부터 실리콘 기판을 향해 점진적으로 감소할 수 있다. 도펀트의 농도는 후면 실리콘층(130)의 표면일수록 높고, 그 전면에 배치된 실리콘 기판(110)을 향하는 방향으로 향할수록 낮아진다. 즉, 유전체층(120)과 접촉되지 않고, 유전체층(120)과 제1 도전영역(131) 사이에는 일종의 진성영역이 구비될 수 있다.
도 2의 (d)를 참조하면, 제2 도전영역을 형성하기 위하여 상기 제1 도전층을 에칭하며, 이때 제거되는 제1 도전층은 실리콘층에 제1 도전영역 형성 후 잔존하는 부분이다.
상기 에칭 공정은 예를 들어 BOE(buffered oxide etchant, 불산(HF) 및 불화암모늄(NH4F)의 혼합물)이나 HF를 이용하여 습식 에칭을 진행하게 된다. 각 물질의 역할을 살펴보면, HF는 산화물 등을 직접 에칭하는데 관여하게 되며, NH4F는 에칭 속도(etch rate)를 조절하여 평탄화될 수 있게 완충용액의 역할을 하게 된다.
도 2의 (e)내지 (g)는 상기 실리콘층(130) 내에 제1 도전영역(131)과 이격되도록 제2 도전영역(132)을 형성하는 단계를 도시한 것이다.
상기 제2 도전영역(132)은 전술한 제1 도전영역(131)을 형성하는 방법과 동일한 방법으로 형성된다.
도 2의 (e)를 참조하면, 제2 도전영역을 형성하기 위하여, 상기 제1 도전영역(131)을 포함하는 상기 실리콘층(130)의 후면에 제2 도전형 도펀트를 포함하는 제2 도전층(150)을 형성한다.
상기 제2 도전층(150)은 제1 도전층(140)에 포함되는 도펀트와 반대되는 도전형의 도펀트가 포함된 물질로 형성될 수 있다.
예를 들어, 제1 도전층(140)이 BSG로 형성된다면, 제2 도전층은 PSG(150)로 형성될 수 있고, p형의 제1 도전영역 형성을 위하여 제1 도전층이 보론 도핑된 실리콘질화물로 형성된다면, 제2 도전층은 인 도핑된 실리콘질화물로 형성될 수 있다.
도 2의 (f)를 참조하면, 상기 제1 도전영역(131)과 대면하지 않는 상기 제2 도전층(150)의 일부 영역에 레이저(L)를 조사하여, 상기 실리콘층(130) 내에 상기 제2 도전형 도펀트를 포함하는 제2 도전영역(132)을 형성할 수 있다.
이때, 전술한 제1 도전영역 형성방법과 같이, 상기 제2 도전층의 레이저가 조사되는 영역과 대면하는 실리콘층의 일부에만 제2 도전영역이 형성될 수 있고, 따라서 별도의 패터닝 장비나 재료 없이도 패터닝과 도핑이 동시에 진행될 수 있다.
상기 제2 도전층에 조사되는 레이저 역시 전술한 제1 도전층에 조사되는 레이저와 동일할 수 있다.
또한, 상기 제2 도전영역(132)도 상기 실리콘층의 두께의 70 내지 100%의 깊이까지 형성될 수 있다.
바람직하게는 70 내지 90%의 깊이까지 형성됨으로써, 상기 제2 도전영역(132)이 유전체층(120)과 접촉되지 않도록 도핑될 수 있고, 상기 제2 도전영역(132)의 도펀트 농도는 상기 실리콘층의 표면으로부터 실리콘 기판을 향해 점진적으로 감소할 수 있다.
한편, 상기 실리콘층(130)에 형성된 상기 제1 도전영역(131)과 상기 제2 도전영역(132) 사이에는 진성영역(132)이 정의될 수 있다.
상기 제1 도전영역(131)과 상기 제2 도전영역(132)은 그 사이에 상기 진성영역(133)이 존재하도록 패터닝됨으로써, 제1 도전영역(131)과 제2 도전영역(132)이 직접 접촉됨으로써 발생할 수 있는 버팅 현상을 방지할 수 있다.
또한, 상기 제1 도전영역(131)과 상기 제2 도전영역(132) 사이뿐만 아니라, 제1 도전영역(131)및 제2 도전영역(132)과 유전체층(120) 사이에도 일종의 진성영역이 정의되도록 형성되어 태양전지 안정성을 유지시킬 수 있다.
도 2의 (g)를 참조하면, 상기 제2 도전층을 에칭하여, 진성영역(133)에 의해 서로 이격된 제1 도전영역(131) 및 제2 도전영역(132)을 포함하는 실리콘층(130)을 노출시킨다.
상기 에칭은 전술한 (d) 단계의 제1 도전층 에칭과 동일한 방법으로 수행될 수 있다.
아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조 단계를 저면도로 도시한 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 제1 도전영역 및 상기 제2 도전영역은 각각 라인(line) 또는 도트(dot) 패턴으로 형성될 수 있다.
도 3 및 도 4의 (f)를 참조하면, 제2 도전영역(130) 형성시 라인 또는 도트 패턴으로 레이저 조사를 수행할 수 있다.
특히, 도트패턴으로 제2 도전영역(132)이 형성되는 경우 랜덤(random)한 형태로도 형성될 수 있으나, 제2 전극과의 접촉을 위해서는 도 4의 (g)에 도시된 예와 같이 다수의 열 혹은 행으로 형성되는 것이 보다 바람직하다.
이때, 제1 도전층 및 제2 도전층에 레이저 조사시, 각각의 도전영역이 접촉하지 않으면 어떠한 패턴으로든 구현될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명에 따른 후면접합 실리콘 태양전지 제조방법은 상기 제2 도전영역(132)을 형성시 변형된 방법으로 수행될 수 있다.
이와 관련하여, 도 5 내지 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 후면접합 태양전지 제조방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
구체적으로, 도 5는 태양전지의 단면을, 도 6 및 도 7은 저면을 통해 제조공정을 순차적으로 도시한 것으로 도 5의 (a) 내지 (h)는 도 6 및 도 7의 (a) 내지 (h)와 대응된다. 한편, 도 6은 제2 도전영역이 라인 패턴인 경우를, 도 7은 제2 도전영역이 도트패턴인 경우를 나타낸 것이다.
도 5의 (a) 내지 (d)는 전술한 후면접합 실리콘 태양전지 제조방법의 도 2의 (a) 내지 (d)와 동일하게 실리콘층(130) 내에 제1 도전영역(131)을 형성하며, 제2 도전영역(132)를 형성하는 방법에 있어서 차이가 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 제2 도전영역을 형성하는 단계는 상기 제1 도전영역을 포함하는 실리콘층의 후면에 절연층을 형성하는 단계, 상기 절연층의 일부에 레이저를 조사함으로써 상기 실리콘층의 일부를 노출시키는 비아홀이 형성되도록 패터닝하는 단계 및 상기 노출된 실리콘층에 상기 제2 도전영역을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
도 5의 (e)를 참조하면, 상기 제1 도전영역(131)을 포함하는 실리콘층(130)의 후면에 절연층(210)을 형성한다.
상기 절연층(210)은 실리콘 질화물, 실리콘 산화물, 실리콘 탄화물 등으로 형성될 수 있고, 절연층(210)이 성막된 부분은 이후 단계에서 도핑이 되지 않는다.
도 5의 (f)를 참조하면, 상기 절연층(210)의 일부에 레이저를 조사함으로써 상기 실리콘층(130)의 일부를 노출시키는 비아홀(211)이 형성되도록 패터닝할 수 있다.
레이저를 통해 절연층(210)이 제거되는 부분은, 제1 도전영역(131)과 중첩되지 않는 부분이며, 상기 비아홀(211)을 통해 노출된 부분이 제2 도전영역이 형성되는 부분이다.
구체적으로, 상기 절연층(210)은 상기 제1 도전영역(131)의 가장자리로부터 소정의 마진을 두고 비아홀(211)이 형성되도록 패터닝될 수 있다.
즉, 상기 절연층(210)은 제1 도전영역(131)의 후면에서 이를 덮도록 구비되며, 제1 도전영역과 대응되는 면뿐만 아니라, 제1 도전영역(131)의 단면의 너비보다 큰 너비로 형성된다.
상기 마진에 해당하는 부분은 후에 진성영역(133)으로 정의되어, 제1 도전영역(131)과 제2 도전영역(132)이 접촉되지 않을 수 있어 버팅 현상을 최소화할 수 있다.
한편, 상기 비아홀(211)은 라인 또는 도트 패턴으로 형성될 수 있고, 이는 이후 형성되는 제2 도전영역(132)의 패턴과 대응되며, 비아홀(211)에 의해 노출된 실리콘층(130)은 제1 도전성 도펀트를 포함하지 않는다.
도 5의 (g)내지 (i)는 상기 실리콘층(130) 내에 제1 도전영역(131)과 이격되도록 제2 도전영역(132)을 형성하는 단계를 도시한 것이다.
상기 제2 도전영역(132)은 전술한 제1 도전영역(131)을 형성하는 방법과 달리, 절연층을 이용한 열처리방법으로 형성될 수 있다.
도 5의 (g)를 참조하면, 상기 비아홀(211)을 통해 노출된 실리콘층(130)의 후면에 제2 도전형 도펀트를 포함하는 제2 도전층(150)을 형성할 수 있다.
상기 제2 도전층(150)은 제1 도전층(140)에 포함되는 도펀트와 반대되는 도전형의 도펀트가 포함된 물질로 형성될 수 있다.
예를 들어, 제1 도전층(140)이 BSG로 형성된다면, 제2 도전층은 PSG(150)로 형성될 수 있고, p형의 제1 도전영역 형성을 위하여 제1 도전층이 보론 도핑된 실리콘질화물로 형성된다면, 제2 도전층은 인 도핑된 실리콘질화물로 형성될 수 있다.
도 5의 (h)를 참조하면, 상기 제2 도전층(150)을 열처리(H)하여, 상기 실리콘층 내에 상기 제2 도전형 도펀트를 포함하는 제2 도전영역(132)을 형성할 수 있다.
열처리에 의해 제2 도전형 도펀트를 실리콘층(130)으로 확산시킬 때, 제2 도전층(150)의 제2 도전형 도펀트 원소가 제2 도전층 각각의 상부에 대응하는 실리콘층(130)에 확산되도록 하여, 상기 비아홀(211)을 통해 노출된 실리콘층(130)에 제2 도전영역(132)가 형성된다.
이 때, 상기 절연층(210)은 제1 도전영역(131)의 가장자리로부터 소정의 마진을 두고 비아홀(211)이 형성되도록 패터닝 되기 때문에, 서로 이격된 제1 도전영역(131) 및 제2 도전영역(132)을 형성될 수 있다.
상기 열처리는 대략 800 내지 1100℃에서 수행될 수 있다.
열처리시, 절연층(210)과 실리콘층(130)이 맞닿아 있는 부분에는 제2 도전형 도펀트가 확산되지 않게 되고, 이에 따라 제1 도전영역(131)과 제2 도전영역(132) 사이에 도펀트가 확산되지 않은 진성영역(133)이 존재하게 된다.
도 5의 (i)를 참조하면, 상기 제2 도전층 및 절연층을 에칭하여, 진성영역(133)에 의해 서로 이격된 제1 도전영역(131) 및 제2 도전영역(132)을 포함하는 실리콘층(130)을 노출시킨다.
상기 에칭 공정은 예를 들어 BOE(buffered oxide etchant, 불산(HF) 및 불화암모늄(NH4F)의 혼합물)이나 HF를 이용하여 습식 에칭을 진행하게 된다. 각 물질의 역할을 살펴보면, HF는 산화물 등을 직접 에칭하는데 관여하게 되며, NH4F는 에칭 속도(etch rate)를 조절하여 평탄화될 수 있게 완충용액의 역할을 하게 된다.
아울러, 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지 제조 단계를 저면도로 도시한 도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 제1 도전영역 및 상기 제2 도전영역은 각각 라인(line) 또는 도트(dot) 패턴으로 형성될 수 있다.
특히, 실리콘층(130)이 도트(dot) 형태로 노출되도록 절연층(210)을 패터닝하는 경우에는 제1 도전영역과 제2 도전영역의 분리가 보다 확실하게 이뤄져 정공과 전자의 상호 재결합 현상을 감소시킬 수 있으며, 후속 공정으로 전극을 형성시키기는 과정에서 후면의 노출되는 영역이 줄어들게 되어 기판의 후면 노출에 따른 유전체의 패시베이션 성능 및 누설에 의한 효율성 저하를 사전에 예방할 수 있다.
도 6 및 도 7의 (f)를 참조하면, 상기 절연층(210)의 비아홀(211)은 라인 또는 도트 패턴으로 형성될 수 있고, 이는 이후 형성되는 제2 도전영역(132)의 패턴과 대응되며, 비아홀(211)에 의해 노출된 실리콘층(130)은 제1 도전성 도펀트를 포함하지 않는다.
이때, 제2 도전층에 열처리시, 상기 비아홀(211)의 형태에 따라 제2 도전영역은 제1 도전영역과 접촉하지 않으면 어떠한 패턴으로든 구현될 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 본 발명에 따른 후면접합 실리콘 태양전지 제조방법은 상기 제2 도전영역(132)을 형성시 변형된 방법으로 수행될 수 있다.
이와 관련하여, 도 8 내지 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 후면접합 태양전지 제조방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
구체적으로, 도 8은 태양전지의 단면을, 도 9 및 도 10은 저면을 통해 제조공정을 순차적으로 도시한 것으로 도 8의 (a) 내지 (h)는 도 9 및 도 10의 (a) 내지 (h)와 대응된다. 한편, 도 6은 제2 도전영역이 라인 패턴인 경우를, 도 7은 제2 도전영역이 도트패턴인 경우를 나타낸 것이다.
도 8의 (a) 내지 (f)는 도 5의 (a) 내지 (f)와 동일한 방법으로 수행되며, 즉 상기 제1 도전영역은 제1 도전층과 레이저 조사를 통해 패터닝과 도핑이 동시해 수행됨으로써 형성될 수 있다.
또한, 상기 절연층(210)은 상기 제1 도전영역(131)의 가장자리로부터 소정의 마진을 두고 비아홀(211)이 형성되도록 패터닝됨으로써, 상기 마진에 해당하는 부분이 후에 진성영역(133)으로 정의되어, 제1 도전영역(131)과 제2 도전영역(132)이 접촉되지 않을 수 있어 버팅 현상을 최소화할 수 있다.
도 8의 (g) 를 참조하면, 제2 도전형 도펀트를 포함하는 분위기 가스(G) 하에서 열처리하여, 상기 실리콘층 내에 상기 제2 도전형 도펀트를 포함하는 제2 도전영역을 형성할 수 있다.
예를 들어, 기체상의 POCl3, P2O5 및 PH3에서 하나 이상 선택된 물질인 제2 도전형 도펀트를 불활성 기체의 캐리어 가스와 혼합하여 공급하고, 800˚C 내지 900˚C의 온도로 열처리 하여 상기 제2 도전형 도펀트를 상기 실리콘층(130)에 도핑할 수 있다.
열처리시, 절연층(210)과 실리콘층(130)이 맞닿아 있는 부분에는 제2 도전형 도펀트가 확산되지 않게 되고, 이에 따라 제1 도전영역(131)과 제2 도전영역(132) 사이에 도펀트가 확산되지 않은 진성영역(133)이 존재하게 된다.
도 8의 (h)를 참조하면, 상기 절연층(210)을 에칭하여, 진성영역(133)에 의해 서로 이격된 제1 도전영역(131) 및 제2 도전영역(132)을 포함하는 실리콘층(130)을 노출시킨다.
상기 에칭은 전술한 도 5의 (i) 단계의 절연층 에칭과 동일한 방법으로 수행될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 후면접합 실리콘 태양전지 제조 방법은 성막 공정 및 레이저 공정만으로도 도전영역을 형성할 수 있어, 공정 단순화 및 재료비 절감 효과를 가질 수 있다.
아울러, 본 발명에 따라 제조된 후면접합 실리콘 태양전지는 진성 영역에 의해 제1 도전 영역과 제2 도전 영역이 직접 접촉되지 않아, 버팅 현상이 최소화될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
110 : 실리콘 기판 120 : 유전체층
130 : 실리콘층 131 : 제1 도전영역
132 : 제2 도전영역 133 : 진성영역
140 : 제1 도전층 150 : 제2 도전층
210 : 절연층 211 : 비아홀

Claims (14)

  1. 유전체층 및 실리콘층이 형성된 실리콘 기판을 준비하는 단계;
    상기 실리콘층의 후면에 제1 도전형 도펀트를 포함하는 제1 도전층을 형성하는 단계;
    상기 제1 도전층의 일부 영역에 레이저를 조사하여, 상기 실리콘층 내에 상기 제1 도전형 도펀트를 포함하는 제1 도전영역을 형성하는 단계;
    상기 제1 도전층을 에칭하는 단계; 및
    상기 실리콘층 내에 제1 도전영역과 이격되도록 제2 도전영역을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 제1 도전영역의 도펀트 농도는 상기 실리콘층의 표면으로부터 실리콘 기판을 향해 점진적으로 감소하는,
    후면접합 실리콘 태양전지 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘층에 형성된 상기 제1 도전영역과 상기 제2 도전영역 사이에는 진성영역이 정의되는,
    후면접합 실리콘 태양전지 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전영역은 상기 실리콘층의 두께의 70 내지 100%의 깊이까지 형성되는,
    후면접합 실리콘 태양전지 제조방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전층으로 조사되는 레이저의 파장은 100 내지 850 nm 인,
    후면접합 실리콘 태양전지 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전영역 및 상기 제2 도전영역은 각각 라인(line) 또는 도트(dot) 패턴으로 형성되는,
    후면접합 실리콘 태양전지 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도전영역을 형성하는 단계는,
    상기 제1 도전영역을 포함하는 상기 실리콘층의 후면에 제2 도전형 도펀트를 포함하는 제2 도전층을 형성하는 단계;
    상기 제1 도전영역과 대면하지 않는 상기 제2 도전층의 일부 영역에 레이저를 조사하여, 상기 실리콘층 내에 상기 제2 도전형 도펀트를 포함하는 제2 도전영역을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 도전층을 에칭하는 단계;를 포함하는,
    후면접합 실리콘 태양전지 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 도전영역은 상기 실리콘층의 두께의 70 내지 100%의 깊이까지 형성되는,
    후면접합 실리콘 태양전지 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제2 도전영역의 도펀트 농도는 상기 실리콘층의 표면으로부터 실리콘 기판을 향해 점진적으로 감소하는,
    후면접합 실리콘 태양전지 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도전영역을 형성하는 단계는,
    상기 제1 도전영역을 포함하는 실리콘층의 후면에 절연층을 형성하는 단계;
    상기 절연층의 일부에 레이저를 조사함으로써 상기 실리콘층의 일부를 노출시키는 비아홀이 형성되도록 패터닝하는 단계; 및
    상기 노출된 실리콘층에 상기 제2 도전영역을 형성하는 단계;를 포함하는,
    후면접합 실리콘 태양전지 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 절연층은 상기 제1 도전영역의 가장자리로부터 소정의 마진을 두고 비아홀이 형성되도록 패터닝되는,
    후면접합 실리콘 태양전지 제조방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 비아홀은 라인 또는 도트 패턴으로 형성되는,
    후면접합 실리콘 태양전지 제조방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제2 도전영역을 형성하는 단계는,
    상기 비아홀을 통해 노출된 실리콘층의 후면에 제2 도전형 도펀트를 포함하는 제2 도전층을 형성하는 단계;
    상기 제2 도전층을 열처리하여, 상기 실리콘층 내에 상기 제2 도전형 도펀트를 포함하는 제2 도전영역을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 도전영역 및 상기 절연층을 에칭하는 단계;를 포함하는,
    후면접합 실리콘 태양전지 제조방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제2 도전영역을 형성하는 단계는,
    제2 도전형 도펀트를 포함하는 분위기 가스 하에서 열처리하여, 상기 실리콘층 내에 상기 제2 도전형 도펀트를 포함하는 제2 도전영역을 형성하는 단계; 및
    상기 절연층을 에칭하는 단계;를 포함하는,
    후면접합 실리콘 태양전지 제조방법.

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