KR20140022508A - 후면전극형 이종접합 태양전지의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 후면전극형 이종접합 태양전지에 있어서 n형 영역을 레이저 공정을 이용하여 형성함으로써 화학기상증착 공정의 횟수를 줄임과 함께 비정질 실리콘층 및 실리콘 기판의 오염 가능성을 최소화할 수 있는 후면전극형 이종접합 태양전지의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 후면전극형 이종접합 태양전지의 제조방법은 n형 결정질 실리콘 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판의 후면 상에 진성형 비정질 반도체층(i), p형 비정질 반도체층(p) 및 투명전도산화막을 순차적으로 적층하는 단계와, 상기 기판의 후면은 p 영역과 n 영역이 교번하여 반복 배치되는 형태로 구분되며, 상기 n 영역의 진성형 비정질 반도체층(i), p형 비정질 반도체층(p) 및 투명전도산화막을 식각, 제거하는 단계와, 상기 n 영역이 형성될 영역의 기판 내부에 n형 불순물 이온을 레이저 조사를 통해 확산시켜 n 영역을 형성하는 단계와, 상기 p 영역의 투명전도산화막 상에 p 전극을 형성하고, 상기 n 영역 상에 n 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 후면전극형 이종접합 태양전지의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 후면전극형 이종접합 태양전지에 있어서 n형 영역을 레이저 공정을 이용하여 형성함으로써 화학기상증착 공정의 횟수를 줄임과 함께 비정질 실리콘층의 오염 가능성을 최소화할 수 있는 후면전극형 이종접합 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심소자로서, 기본적으로 p-n 접합으로 이루어진 다이오드(diode)라 할 수 있다. 태양광이 태양전지에 의해 전기로 변환되는 과정을 살펴보면, 태양전지의 p-n 접합부에 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되고, 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 이동하게 되어 p-n 접합부 사이에 광기전력이 발생되며, 태양전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산할 수 있게 된다.
일반적인 태양전지는 전면과 후면에 각각 전면전극과 후면전극이 구비되는 구조를 갖는다. 수광면인 전면에 전면전극이 구비됨에 따라, 전면전극의 면적만큼 수광면적이 줄어들게 된다. 이와 같은 수광면적이 축소되는 문제를 해결하기 위해 후면전극형 태양전지가 제안되었다. 후면전극형 태양전지는 태양전지의 후면 상에 (+)전극과 (-)전극을 구비시켜 태양전지 전면의 수광면적을 극대화하는 것을 특징으로 한다.
한편, 전술한 바와 같이 태양전지는 p-n 접합으로 이루어진 다이오드라 할 수 있는데, 이는 p형 반도체층과 n형 실리콘 기판의 접합 구조로 이루어진다. 통상, n형 기판에 p형 불순물 이온을 가진 층을 주입하여 p형 반도체층을 형성하여(또는 그 반대) p-n 접합을 구현한다. 이와 같이, 태양전지의 p-n 접합을 구성하기 위해서는 필연적으로 불순물 이온이 주입된 반도체층이 요구된다.
그러나, 광전변환에 의해 생성된 전하가 이동 중에 태양전지의 반도체층에 존재하는 결함에 포집되어 재결합되는 경우가 발생하며, 이는 태양전지의 광전변환효율에 악영향을 끼친다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해, p형 반도체층과 n형 기판 사이에 진성층(intrinsic layer)을 구비시키는 이른바, 이종접합형(hetero-junction) 태양전지가 제시되었으며 이를 통해 캐리어(carrier)의 재결합률을 저하시킬 수 있다(한국공개특허공보 제2012-20294호).
최근에는, 후면전극형 태양전지와 이종접합형 태양전지의 특징이 결합된 이른 바, 후면전극형 이종접합 태양전지가 제시되고 있다. 후면전극형 이종접합 태양전지는 후면전극형 태양전지의 n형 도핑층 및 p형 도핑층을 n형과 p형 비정질 실리콘층으로 대체한 구조로서 후면전극형 태양전지와 이종접합형 태양전지의 장점을 모두 기대할 수 있다.
그러나, 지금까지 제시된 후면전극형 이종접합 태양전지의 경우, n형 비정질 실리콘층, p형 비정질 실리콘층, 투명전극층 형성을 위해 3번의 화학기상증착 공정이 요구되고, 각각의 층에 대한 패터닝을 위해 식각 레지스트(etch resist) 또는 식각 페이스트(etch paste)가 필연적으로 사용된다. 식각 레지스트 또는 식각 페이스트에는 유기물이 포함되어 있고 식각공정이 대기 중에서 진행됨에 따라 비정질 실리콘층이 오염되거나 산화될 가능성이 상존한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 후면전극형 이종접합 태양전지에 있어서 n형 영역을 레이저 공정을 이용하여 형성함으로써 화학기상증착 공정의 횟수를 줄임과 함께 비정질 실리콘층의 오염 가능성을 최소화할 수 있는 후면전극형 이종접합 태양전지의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 후면전극형 이종접합 태양전지의 제조방법은 n형 결정질 실리콘 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판의 후면 상에 진성형 비정질 반도체층(i), p형 비정질 반도체층(p) 및 투명전도산화막을 순차적으로 적층하는 단계와, 상기 기판의 후면은 p 영역과 n 영역이 교번하여 반복 배치되는 형태로 구분되며, 상기 n 영역의 진성형 비정질 반도체층(i), p형 비정질 반도체층(p) 및 투명전도산화막을 식각, 제거하는 단계와, 상기 n 영역이 형성될 영역의 기판 내부에 n형 불순물 이온을 레이저 조사를 통해 확산시켜 n 영역을 형성하는 단계와, 상기 p 영역의 투명전도산화막 상에 p 전극을 형성하고, 상기 n 영역 상에 n 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 n 영역을 형성하는 단계는, n형 불순물 이온을 포함한 용액을 n 영역이 형성될 기판 부위에 공급함과 함께 레이저를 국부적으로 조사하여 n형 불순물 이온을 기판 후면의 내부로 확산시켜 n 영역을 형성한다.
또한, 상기 n 영역을 형성하는 단계는, n 영역이 형성될 기판 부위에 n형 불순물 이온을 포함한 도펀트 용액 또는 도펀트 페이스트를 도포한 후, 레이저를 국부적으로 조사하여 n 영역을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 후면전극형 이종접합 태양전지의 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
n 영역을 레이저 조사 공정을 통해 형성함으로써 기존의 비정질 실리콘층의 적층 공정에 대비하여, 화학기상증착 공정을 생략할 수 있어 공정 단순화를 이룰 수 있다. 이와 함께, 비정질 실리콘층의 패터닝 공정 또한 요구되지 않아 식각 페이스트 등에 의한 비정질 실리콘층(p형)과 실리콘 기판의 오염, 손상을 미연에 방지할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 이종접합 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 순서도.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 이종접합 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 n 영역 형성공정을 설명하기 위한 공정 단면도.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 이종접합 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 n 영역 형성공정을 설명하기 위한 공정 단면도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 이종접합 태양전지의 제조방법을 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 도 1 및 도 2a에 도시한 바와 같이 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판(201)을 준비한다(S101). 그런 다음, 상기 기판(201)의 표면에 요철이 형성되도록 텍스쳐링(texturing) 공정을 진행한다(S102). 상기 텍스쳐링 공정은 광흡수를 극대화하기 위한 것이며, 습식식각 또는 반응성 이온 식각(reactive ion etching) 등의 건식식각 방법을 이용하여 진행할 수 있다. 상기 제 1 도전형은 p형 또는 n형일 수 있으며, 제 2 도전형은 제 1 도전형의 반대이다. 이하의 설명에서는 제 1 도전형이 n형, 제 2 도전형이 p형인 것을 중심으로 설명하기로 한다.
텍스쳐링 공정이 진행된 상태에서, 도 2b에 도시한 바와 같이 상기 기판(201)의 후면 상에 비정질 실리콘 재질의 진성형 비정질 반도체층(i)(202)(intrinsic layer), p형 비정질 반도체층(p)(203) 및 투명전도산화막(204)을 순차적으로 적층한다(S103). 상기 진성형 비정질 반도체층(i)(202)은 불순물 이온이 포함되지 않은 비정질실리콘층이고, 상기 p형 비정질 반도체층(p)(203)은 p형 불순물 이온이 포함된 비정질실리콘층이며, 상기 진성형 비정질 반도체층(i)(202) 및 p형 비정질 반도체층(p)(203)은 플라즈마 강화 화학기상증착법(PECVD, plasma enhanced chemical vapor deposition) 등을 이용하여 형성할 수 있다. 또한, 상기 투명전도산화막(204)은 p형 비정질 반도체층(p)(203)과 후술하는 n형 비정질 반도체층(n)의 전기전도도 특성을 보완하기 위한 것으로서, ZnO, ITO(Indium Tin Oxide), IWO(Indium Tungsten Oxide), GZO(Gallium Zinc Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), IGO(Indium Gallium Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), In2O3 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
이와 같은 상태에서, 후면전극형 이종접합 태양전지의 p 영역을 형성하기 위한 패터닝 공정을 진행한다. 먼저, p 영역 이외의 영역에 형성된 투명전도산화막(204)을 제거한다(도 2c 참조). 구체적으로, 제거 대상 투명전도산화막(204) 상에 식각 페이스트를 인쇄, 도포한다. 그런 다음, 일정 온도 하에서 열처리 공정을 진행하면 식각 페이스트가 도포된 영역의 투명전도산화막(204)은 제거되며, p 영역의 투명전도산화막(204)만이 잔존하게 된다. 이어, 도 2c에 도시한 바와 같이 패터닝된 투명전도산화막(204)을 식각 마스크로 이용하여 식각 마스크에 의해 노출된 p형 비정질 반도체층(p)(203) 및 그 하부의 진성형 비정질 반도체층(i)(202)을 습식식각하여 제거한다. 상기 공정을 통해 패터닝된 투명전도산화막(204), p형 비정질 반도체층(p)(203), 진성형 비정질 반도체층(i)(202)의 구조물이 얻어지며 이는 후면전극형 태양전지의 p 영역에 해당된다(S104).
상기 p 영역을 형성한 상태에서, 후면전극형 이종접합 태양전지의 n 영역(205) 형성공정을 진행한다(도 2d 참조). 본 발명에 있어서, 상기 p 영역은 비정질 실리콘층(i)(p)을 적층하여 형성하나, n 영역(205)은 비정질 실리콘층을 적층하지 않고 n형 불순물 이온을 기판(201) 후면의 내부로 확산시켜 형성한다. 상기 n 영역(205)은 1) LCP(laser chemical process) 공정 또는 2) 도펀트를 포함한 용액 또는 페이스트 도포에 이은 레이저 조사 공정을 통해 형성할 수 있다(S105).
먼저, LCP 공정을 통한 n 영역 형성공정을 설명하기로 한다. 구체적으로, 도 3a에 도시한 바와 같이 n형 불순물 이온을 포함한 용액을 n 영역이 형성될 기판(201) 부위에 공급함과 함께 레이저를 국부적으로 조사하여 n형 불순물 이온을 기판(201) 후면의 내부로 확산시킨다. 이에 따라, n형 불순물 이온이 확산된 도핑층 즉, n 영역(205)이 형성된다.
도펀트 용액 또는 페이스트를 이용하는 방법은(도 3b 참조), n 영역이 형성될 기판(201) 부위에 n형 불순물 이온을 포함한 도펀트 용액 또는 페이스트(301)를 도포한 후, 레이저를 국부적으로 조사함으로써 n 영역(205)을 형성할 수 있다.
종래의 경우, n 영역 역시 p 영역과 마찬가지로 비정질 실리콘층(i)(n)을 순차적으로 적층, 패터닝하여 형성하나, 본 발명에서는 레이저를 이용하여 n형 불순물 이온이 기판(201) 내부로 확산되도록 하여 n 영역을 형성하는 방식을 택함에 따라, 화학기상증착 공정을 생략할 수 있어 공정을 단순화할 수 있을 뿐만 아니라, 비정질 실리콘층의 패터닝 공정이 요구되지 않음에 따라 식각 페이스트 등에 의한 기판(201) 및 p형 비정질 실리콘층(p)의 오염, 손상을 미연에 방지할 수 있게 된다. 또한, 상기 n 영역의 레이저 공정은 통상의 확산공정(diffusion process)보다 낮은 온도에서 진행됨에 따라, 비정질 실리콘이 결정화되는 것을 억제할 수 있다.
상기 p 영역과 n 영역(205)의 형성이 완료된 상태에서, 도 2e에 도시한 바와 같이 도금 등의 공정을 통해 상기 p 영역의 투명전도산화막(204)과 n 영역 상에 각각 금속전극을 형성하여 p 전극(206), n 전극(207)을 형성하면(S106) 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 이종접합 태양전지의 제조방법은 완료된다.
한편, 상기 기판(201)의 상부에는 전면전계층과 반사방지막이 더 구비될 수 있는데, 상기 전면전계층 및 반사방지막의 형성공정은 상술한 일련의 제조공정 중 특정 시점에서 선택적으로 적용할 수 있다. 예를 들어, 전면전계층 및 반사방지막 형성은 텍스쳐링 공정 이후에 진행할 수 있다.
본 발명에서, 상기 n 영역은 기판 평면 상에 라인 형태로 구현되거나 점 패턴 형태로 구현될 수 있다.
201 : n형 결정질 실리콘 기판 202 : 진성형 비정질 반도체층(i)
203 : p형 비정질 반도체층(p) 204 : 투명전도산화막
205 : n 영역 206 : p 전극
207 : n 전극
301 : 도펀트 용액 또는 도펀트 페이스트
203 : p형 비정질 반도체층(p) 204 : 투명전도산화막
205 : n 영역 206 : p 전극
207 : n 전극
301 : 도펀트 용액 또는 도펀트 페이스트
Claims (3)
- n형 결정질 실리콘 기판을 준비하는 단계;
상기 기판의 후면 상에 진성형 비정질 반도체층(i), p형 비정질 반도체층(p) 및 투명전도산화막을 순차적으로 적층하는 단계;
상기 기판의 후면은 p 영역과 n 영역이 교번하여 반복 배치되는 형태로 구분되며, 상기 n 영역의 진성형 비정질 반도체층(i), p형 비정질 반도체층(p) 및 투명전도산화막을 식각, 제거하는 단계;
상기 n 영역이 형성될 영역의 기판 내부에 n형 불순물 이온을 레이저 조사를 통해 확산시켜 n 영역을 형성하는 단계;
상기 p 영역의 투명전도산화막 상에 p 전극을 형성하고, 상기 n 영역 상에 n 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 후면전극형 이종접합 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 n 영역을 형성하는 단계는,
n형 불순물 이온을 포함한 용액을 n 영역이 형성될 기판 부위에 공급함과 함께 레이저를 국부적으로 조사하여 n형 불순물 이온을 기판 후면의 내부로 확산시켜 n 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 후면전극형 이종접합 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 n 영역을 형성하는 단계는,
n 영역이 형성될 기판 부위에 n형 불순물 이온을 포함한 도펀트 용액 또는 페이스트를 도포한 후, 레이저를 국부적으로 조사하여 n 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 후면전극형 이종접합 태양전지의 제조방법.
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|---|---|---|---|---|
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| CN114068731A (zh) * | 2021-11-30 | 2022-02-18 | 福建金石能源有限公司 | 一种以低激光损伤为特征的背接触异质结太阳能电池及其制造方法 |
-
2012
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Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20120813 |
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