KR100416739B1 - 실리콘 태양전지의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실리콘 태양전지의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 실리콘 태양전지는 제조하기가 용이하고 재료의 소모가 적어서 제조가격을 낮출 수 있다. 이렇게 종래보다 저렴한 제조가격으로 제조된 전지는 효율이 매우 우수하게 유지되므로 그 활용의 폭이 넓다.

Description

실리콘 태양전지의 제조방법

본 발명은 실리콘 태양전지의 제조방법에 관한 것으로서, 상세하기로는 고효율의 태양전지를 저렴한 제조비용으로 얻을 수 있는 실리콘 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.

지금까지 알려진 태양전지의 대표적인 예로서 호주 UNSW 대학에서 개발한 PERL(Passivated Emitter Rear Locally diffused) 태양전지, 상기 PERL과 유사한 LBSF(Locally Back Surface Field) 태양전지 및 미국 스탠포드대학에서 개발한 포인트 전극(point contact) 태양전지 등이 있다.

그런데 이러한 태양전지는 반도체 집적 회로(IC) 제조시 사용되는 반도체 제조공정의 반복으로 제조할 수 있으나, 제조비용이 비싸기 때문에 우주용 태양전지 등과 같이 가격이 제한되지 않으며 고효율이 요구하는 특수용도에만 제한적으로 사용되고 있다. 따라서 상용화가 가능한 태양전지를 얻기 위해서는 높은 효율을 유지하면서 제조비용이 절감될 수 있도록 단순화된 제조공정을 설계하는 것이 필수적이다.

도 1은 기존의 LBSF 태양전지의 구조를 나타낸 도면이다. 이를 참조하여, LBSF 태양전지의 제조방법을 살펴 보면 다음과 같다.

먼저, p형 실리콘 기판 (11) 후면에 산화막을 형성한다.

산화막이 형성된 실리콘 기판 (11) 후면의 상부에 포토레지스트를 도포한 다음 새도우마스크를 이용하여 소정부위만을 노광처리한 다음, 비노광부를 세척하여 현상한다. 이러한 과정을 거쳐 형성된 포토레지스트 패턴을 마스크로 하여 산화막을 에칭하고 포토레지스트를 제거하면 에칭된 산화막 부분에 부분확산창이 형성된다. 보론을 확산시킬 표면을 고온으로 유지하여 보론을 예비증착(predeposition)한 후, 본격적으로 보론을 증착시킨다. 이러한 과정으로 부분 확산된 p⁺반도체층 (15)이 형성된다.

그 후 마스크층인 산화막을 에칭한다.

실리콘 기판 (11) 전면에 산화막을 형성하고 나서 그 산화막 상부에 포토레지스트를 도포한 다음 새도우마스크를 이용하여 소정부위만을 노광처리한 다음, 비노광부를 세척하여 현상한다. 이러한 과정을 거쳐 형성된 포토레지스트 패턴을 마스크로 하여 산화막을 에칭하고 포토레지스트를 제거한 다음, 텍스처링을 실시하여 실리콘 기판 전면에 역피라미드 구조를 형성한다. 그 후, 마스크층인 산화막을 에칭한다.

이어서, 역피라미드 구조가 형성된 실리콘 기판 (11) 전면에 산화막을 형성하고 리소그래피공정을 이용하여 포토레지스트 패턴을 마스크로 하여 산화막의 소정영역을 에칭한다.

상기 포토레지스트 패턴을 제거하고 n형 불순물을 깊게 확산하여 n⁺⁺반도체층 (13)을 형성한다. 이렇게 형성된 에미터 영역에서 전자 또는 정공이 형성된다. 이 때 전자는 실리콘 기판 표면으로 정공은 벌크 영역을 지나 실리콘 기판 후면에 도달하여 외부 단자에 전류가 흐르게 된다.

이어서, 마스크층인 산화막을 에칭한다. 그 후, 산화막을 다시 형성한 다음, 상기와 같은 리소그래피공정을 이용하여 n형 불순물을 얇게 확산하여 n⁺반도체층 (12)을 형성한다. 이어서, 마스크층인 산화막을 에칭한다.

그리고 나서, 상기 결과물상에 반사방지막(antireflection layer)으로서 작용할 수 있는 산화막 (14)을 형성한다.

그 후 상술한 리소그래피공정을 반복하여 얻어진 포토레지스트 패턴을 이용하여 실리콘 기판 후면에 전도성 금속층을 증착하여 후면전극 (16)을 형성한다.

이어서, 상기 리소그래피공정을 반복하여 얻어진 포토레지스트 패턴을 이용하여 실리콘 기판의 전면상에 전도성 금속을 증착하여 전도성 금속층을 형성한다.

상기 포토레지스트 패턴과 불필요한 전도성 금속층을 제거하는 리프트 오프(lift off) 공정을 실시하고 나서, 상기 전도성 금속층 상부에 전기도금을 실시하고 어닐링하면 전면전극 (17)이 형성됨으로써 도 1에 도시된 태양전지가 완성된다.

상기에서 알 수 있는 바와 같이, LBSF형 전지는 제조시 여러 단계의 산화공정과 포토리소그래피 공정 및 보론(boron) 및 인(phosphorous) 확산 공정을 거치기 때문에 야러차례의 고온공정을 포함하고 있을 뿐만 아니라 공정과정이 매우 복잡하다. 뿐만 아니라, 각 공정사이에 실리콘 기판의 오염 방지 및 캐리아 수명이 단축되는 것을 방지하기 위하여 세정공정을 거치는 것이 요구된다. 따라서 전지 제조에 대략 2 내지 3주간의 시간과 노동력이 필요하고, 보론의 확산시 고가의 확산 장비가 반드시 필요하다.

상술한 바와 같은 이유로 인하여 전지의 제조가격이 상승되어 청정에너지 발전인 태양광 발전이 다른 범용 발전시스템 즉 화력이나 원자력 발전에 비하여 시장형성이 극히 제한된다는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 문제점을 해결하여 고효율이면서 제조비용이 저렴한 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.

도 1은 일반적인 LBSF 태양전지의 구조를 나타낸 도면이고,

도 2 및 도 3은 본 발명에 따라 제조된 태양전지의 구조를 나타낸 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11, 21, 31... p형 실리콘 기판

12, 22, 32... n⁺반도체층

13... n⁺⁺반도체층

14, 14', 23, 33, 33'... 산화막

15, 35... p⁺반도체층

16, 24, 36... 후면전극

17, 25, 37... 전면전극

본 발명의 과제는 (a) p형 실리콘 기판상에 산화막을 형성하는 단계; (b) 실리콘 기판 전면상의 산화막 상부에 포토레지스트 패턴을 형성하고, 이 포토레지스트 패턴을 이용하여 산화막을 에칭하는 단계; (c) 상기 포토레지스트 패턴을 제거하고 텍스처링을 실시하는 단계; (d) 실리콘 기판 전면상의 산화막을 에칭하는 단계; (e) 실리콘 기판 전면과 후면에 인(P)을 확산하여 n^{+`</sup>반도체층을 형성하고 나서, 실리콘 기판 전면의 n<sup>+`}반도체층 상부에 산화막을 형성하는 단계; (f) 실리콘 기판 후면 전체에 알루미늄(Al)을 증착한 다음, 소결하여 p⁺반도체층을 형성하는 단계; (g) 리소그래피공정을 이용하여 실리콘 기판 전면의 소정영역에 전도성 금속층을 형성하는 단계; (i) 리프트 오프(lift off) 공정을 실시하는 단계; (j) 실리콘 기판 후면에 전도성 금속을 증착하여 후면전극을 형성하는 단계; 및 (k) 상기 실리콘 기판 전면의 전도성 금속층 상부에 은을 전기도금을 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지의 제조방법에 의하여 이루어진다.

본 발명의 과제는 또한 (a) p형 실리콘 기판상에 산화막을 형성하는 단계; (b) 실리콘 기판 전면의 산화막 상부에 포토레지스트 패턴을 형성하고, 이 포토레지스트 패턴을 이용하여 산화막을 에칭하는 단계; (c) 상기 포토레지스트 패턴을 제거하고 텍스처링을 실시하는 단계; (d) 실리콘 기판 전면의 산화막을 에칭하는 단계; (e) 실리콘 기판 전면 전체와 실리콘 기판 후면의 소정영역에 인(P)을 확산하여 n^+`반도체층을 각각 형성하고 나서, 실리콘 기판 전면 전체와 실리콘 기판 후면의 소정영역에 산화막을 형성하는 단계; (f) 상기 실리콘 기판 후면의 소정영역에 알루미늄(Al)을 확산한 후 소결하여 부분적인 p⁺반도체층을 형성하는 단계; (g) 리소그래피공정을 이용하여 실리콘 기판 전면의 소정영역에 전도성 금속층을 형성하는 단계; (i) 리프트 오프(lift off) 공정을 실시하는 단계; (j) 실리콘 기판 후면에 전도성 금속을 증착하여 후면전극을 형성하는 단계; 및 (k) 상기 실리콘 기판 전면의 전도성 금속층 상부에 은을 전기도금하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지의 제조방법에 의하여 이루어진다.

상기 전도성 금속이 니켈, 구리, 은, 알루미늄, 주석, 아연, 인듐, 티타늄, 팔라듐 및 그 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나이다.

이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 태양전지의 제조방법들을 상세히 살펴보기로 한다.

이를 참조하여, 실리콘 기판 (21) 전면과 후면상에 산화막을 형성한다. 그리고 나서, 산화막이 형성된 실리콘 기판 전면에 포토레지스트 패턴을 형성하고, 이 포토레지스트 패턴을 이용하여 상기 산화막을 에칭한다.

상기 포토레지스트 패턴을 제거해내고, 텍스처링을 실시하여 실리콘 기판 전면에 역피라미드(inverted pyramid)를 형성한다.

실리콘 기판 (21) 전면에 형성되어 있는 산화막을 에칭해낸 후, 실리콘 기판 전면과 후면 전체에 걸쳐 인(P)을 확산하여 n⁺반도체층을 형성한다 (여기에서, 실리콘 기판 후면에 형성된 n⁺반도체층은 후에 형성하는 p⁺반도체층 (24)으로 중화되어 결과적으로 없어짐). 이 때 인의 도핑물질로는 POCl₃이나 P₂O₅를 800 내지 900℃에서 도핑하여 도핑농도가 100 내지 200Ω/?가 되게 확산시킨다. 여기에서 n⁺반도체층의 접합두께는 0.5 내지 1㎛인 것이 바람직하다.

상기 실리콘 기판의 전면은 상술한 바와 같이 역피라미드 구조가 형성되어 있어서 빛의 흡수가 좋게 되어 있으며, pn 접합면을 효율적으로 늘려 전류의 밀도를 증가시킨다.

이어서, 상기 실리콘 기판의 전면에 산화막 (23)을 형성한다.

실리콘 기판 (21) 후면 전체에 걸쳐 알루미늄을 확산하고 소결하여 p⁺반도체층 (미도시)을 형성한다. 상기 p⁺반도체층은 전류의 수집을 향상시키는 후면전계(Back Surface Field : BSF)로서의 역할을 한다.

리소그래피공정을 이용하여 실리콘 기판 전면에 전도성 금속층을 형성한다. 이어서, 실리콘 기판 전면상의 레지스트 패턴과 불필요한 영역에 형성된 전도성 금속층을 제거한다(리프트 오프(lift off) 공정).

그리고 나서, 실리콘 기판 후면에 전도성 금속을 증착하여 후면전극 (24)을 형성하고, 상기 실리콘 기판 전면의 전도성 금속층 상부에 은(Ag)을 전기도금하여 전면전극 (25)을 형성한다.

도 3을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 태양전지의 제조방법을 설명하기로 한다.

이를 참조하여, 실리콘 기판 (31) 전면과 후면상에 산화막을 형성한다. 그리고 나서, 산화막이 형성된 실리콘 기판 (31) 전면에 포토레지스트 패턴을 형성하고, 이 포토레지스트 패턴을 이용하여 상기 산화막을 에칭한다.

상기 포토레지스트 패턴을 제거해내고, 텍스처링을 실시하여 실리콘 기판 전면에 역피라미드(inverted pyramid)를 형성한다.

실리콘 기판 (31) 전면에 형성되어 있는 산화막을 에칭해낸 후, 실리콘 기판 전면과 후면의 소정영역에 걸쳐 인(P)을 확산하여 n⁺반도체층 (32) 및 (34)을 각각 형성한다. 그리고 나서 실리콘 기판 (31) 전면 상부에 산화막 (33)을 형성하고, 실리콘 기판 후면의 소정영역에 산화막 (33')을 형성한다.

이어서, 상기 n⁺반도체층 (34)과 산화막 (33')이 형성된 실리콘 기판 (21) 후면에 알루미늄을 금속 마스크(metal mask)를 이용하여 부분적으로 증착한다. 상기 결과물을 소결하여 부분적인 p⁺반도체층 (35)을 형성하면, 실리콘 기판 전면에서 후면까지 전류가 흐르는 통로가 만들어지게 된다.

상기 n⁺반도체층 (32) 및 (34)은 p형 실리콘 기판과 접촉하여 pn접합을 형성하는데, 이 접합은 외부의 단자와 격리되어 있는 접합(floating junction)으로서 전류의 흐름에 영향을 미치지 않는다. 그러나 이러한 접합은 태양광을 받아 태양전지가 동작을 할 때, 전자들을 축적하여 태양전지의 전면으로 전자들을 밀어내어 실리콘 표면의 재결합을 줄이게 된다. 그리고 이렇게 실리콘 표면의 재결합이 감소되면 태양전지 특성을 나타내는 중요상수인 개방전압(open circuit voltage: V_oc)을 향상시킴으로써 효율이 증가하게 된다.

상기 리소그래피공정을 이용하여 실리콘 기판 전면에 전도성 금속층을 형성한다. 이어서, 실리콘 기판 전면상의 레지스트 패턴과 불필요한 영역에 형성된 전도성 금속층을 제거한다(리프트 오프(lift off) 공정).

그리고 나서, 실리콘 기판 후면에 전도성 금속을 증착하여 후면전극 (36)을 형성하고, 상기 실리콘 기판 전면의 전도성 금속층 상부에 은(Ag)을 전기도금하여 전면전극 (37)을 형성한다.

이하, 본 발명을 실시예를 들어 상세히 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.

<실시예>

p형 실리콘 기판의 전면과 후면에 약 1300Å 두께의 SiO₂막을 형성하였다. 그리고 나서 상기 실리콘 기판의 전면의 산화막 상부에 포지티브 포토레지스트를 약 1㎛ 두께로 도포한 다음, 새도우마스크를 이용하여 소정부위만을 노광처리한 다음, 비노광부를 세척하여 현상하였다.

이러한 과정을 거쳐 형성된 포토레지스트 패턴을 마스크로 하고 7:1 BHF용액을 이용하여 SiO₂막을 2분 30초동안 에칭한 다음, 포토레지스트를 제거하였다.

그 후, 약 8% 수산화칼륨(KOH) 용액을 이용하여 70℃에서 8분동안 텍스처링하였다. 이어서, 실리콘 기판 전면상의 SiO₂막을 7:1 BHF용액을 이용하여 2분 30초동안 에칭하였다.

상기 실리콘 기판 전면과 후면에 POCl₃을 약 840℃에서 20분동안 확산하여 약 150 내지 240Ω/? 정도의 시트 저항을 갖는 n^+`반도체층을 형성하고 나서, 실리콘 기판 전면의 n⁺반도체층 상부에 SiO₂막을 형성하였다.

실리콘 기판 후면 전체에 알루미늄을 증착하고 900 내지 980℃에서 1 내지 2시간동안 소결하여 약 2㎛ 접합 두께의 p⁺반도체층을 형성하였다.

리소그래피공정을 이용하여 실리콘 기판 전면의 홈에 약 600Å 두께의 Td, 약 600Å 두께의 Pd 및 약 600Å 두께의 Ag을 순차적으로 증착하였다.

그 후, 리프트 오프(lift off) 공정을 실시하여 레지스트와 불필요한 Td, Pd 및 Ag층을 제거하였다. 이어서 실리콘 기판 후면에 알루미늄을 증착하여 후면전극을 형성하였고 Ag을 전기도금하여 전면전극을 형성하였다.

상술한 제조방법에 따르면, 텍스처링에 약 8시간이 소요되고, 인의 도핑 및 산화공정에 약 4시간, 알루미늄 증착 및 열처리에 약 4시간, 전면전극 형성에 약 4시간이 소요되었다. 그러므로 통상적인 태양전지의 제조시 2 내지 3주일이 소요되는 것에 비하여 제조시간이 매우 감소되어 전지 제조가격이 큰 폭으로 절감되었다.

또한 상기 실시예에 따라 제조된 전지는 통상적인 경우보다 제조공정이 간단하여 제조하기가 용이하고 재료의 소모가 적었을 뿐만 아니라 전지의 효율이 매우 우수하였다.

본 발명에 따라 제조된 실리콘 태양전지는 제조하기가 용이하고 재료의 소모가 적어서 제조가격을 낮출 수 있다. 이렇게 종래보다 저렴한 제조가격으로 제조된 전지는 효율이 매우 우수하게 유지되므로 그 활용의 폭이 넓다.

본 발명에 따라 제조된 실리콘 태양전지는 입사된 빛을 전기에너지로 변환하는 반도체 소자로 전기에너지가 필요한 모든 분야에 폭넓게 적용가능하다. 즉, 가정용의 소규모 가전제품 전원에서 태양광을 이용한 대규모 발전으로 화력발전소나 원자력 발전소와 같이 수 MW급의 발전소 건설에 이용할 수 있다. 이 밖에도 우주선이나 통신위성의 에너지원으로 위성체의 수명이상으로 전력을 공급할 수 있다.

Claims (4)

1. (a) p형 실리콘 기판상에 산화막을 형성하는 단계;

   (b) 실리콘 기판 전면상의 산화막 상부에 포토레지스트 패턴을 형성하고, 이 포토레지스트 패턴을 이용하여 산화막을 에칭하는 단계;

   (c) 상기 포토레지스트 패턴을 제거하고 텍스처링을 실시하는 단계;

   (d) 실리콘 기판 전면상의 산화막을 에칭하는 단계;

   (e) 실리콘 기판 전면과 후면에 인(P)을 확산하여 n^{+`</sup>반도체층을 형성하고 나서, 실리콘 기판 전면의 n<sup>+`}반도체층 상부에 산화막을 형성하는 단계;

   (f) 실리콘 기판 후면 전체에 알루미늄(Al)을 증착한 다음, 소결하여 p⁺반도체층을 형성하는 단계;

   (g) 리소그래피공정을 이용하여 실리콘 기판 전면의 소정영역에 전도성 금속층을 형성하는 단계;

   (i) 리프트 오프(lift off) 공정을 실시하는 단계;

   (j) 실리콘 기판 후면에 전도성 금속을 증착하여 후면전극을 형성하는 단계; 및

   (k) 상기 실리콘 기판 전면의 전도성 금속층 상부에 은을 전기도금을 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 전도성 금속이 니켈, 구리, 은, 알루미늄, 주석, 아연, 인듐, 티타늄, 팔라듐 및 그 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지의 제조방법.
3. (a) p형 실리콘 기판상에 산화막을 형성하는 단계;

   (b) 실리콘 기판 전면의 산화막 상부에 포토레지스트 패턴을 형성하고, 이 포토레지스트 패턴을 이용하여 산화막을 에칭하는 단계;

   (c) 상기 포토레지스트 패턴을 제거하고 텍스처링을 실시하는 단계;

   (d) 실리콘 기판 전면의 산화막을 에칭하는 단계;

   (e) 실리콘 기판 전면 전체와 실리콘 기판 후면의 소정영역에 인(P)을 확산하여 n^+`반도체층을 각각 형성하고 나서, 실리콘 기판 전면 전체와 실리콘 기판 후면의 소정영역에 산화막을 형성하는 단계;

   (f) 상기 실리콘 기판 후면의 소정영역에 알루미늄(Al)을 확산한 후 소결하여 부분적인 p⁺반도체층을 형성하는 단계;

   (g) 리소그래피공정을 이용하여 실리콘 기판 전면의 소정영역에 전도성 금속층을 형성하는 단계;

   (i) 리프트 오프(lift off) 공정을 실시하는 단계;

   (j) 실리콘 기판 후면에 전도성 금속을 증착하여 후면전극을 형성하는 단계; 및

   (k) 상기 실리콘 기판 전면의 전도성 금속층 상부에 은을 전기도금하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지의 제조방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 전도성 금속이 니켈, 구리, 은, 알루미늄, 주석, 아연, 인듐, 티타늄, 팔라듐 및 그 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지의 제조방법.

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