KR100757797B1

KR100757797B1 - 단결정 태양전지의 후면전극 제조방법

Info

Publication number: KR100757797B1
Application number: KR1020060010641A
Authority: KR
Inventors: 양수미; 주현석; 김현철
Original assignee: 주식회사 실트론
Priority date: 2006-02-03
Filing date: 2006-02-03
Publication date: 2007-09-11
Anticipated expiration: 2026-02-03
Also published as: KR20070079749A

Abstract

본 발명은 단결정 태양전지의 후면전극 제조방법을 제공하기 위한 것으로, P+ 영역과 N+ 영역이 형성된 후면에 컨택 개구부 배열이 있는 후면 실리콘 산화층을 형성하는 제 1 단계와; 상기 제 1 단계 후 마스크를 이용하여 씨드층과 메탈층을 형성하는 제 2 단계를 포함하여 구성함으로서, 실크 스크린 마스크를 사용하여 태양전지의 후면전극을 제조하여 저가의 고효율 태양전지를 구현할 수 있게 되는 것이다.

태양전지, 단결정, 후면전극, 스크린 인쇄, 마스크

Description

단결정 태양전지의 후면전극 제조방법{Manufacture method for rear contact in single crystal solar cell}

도 1은 일반적인 태양전지의 구조를 보인 개념사시도이다.

도 2는 일반적인 단결정 태양전지의 후면을 보인 사시도이다.

도 3은 종래 단결정 태양전지의 후면전극 제조방법을 보인 흐름도이다.

도 4는 도 3에서 ST1 공정을 보인 단면도이다.

도 5는 도 3에서 ST2 공정을 보인 단면도이다.

도 6은 도 3에서 ST3 공정을 보인 단면도이다.

도 7은 도 3에서 ST4 공정을 보인 단면도이다.

도 8은 도 3에서 ST5 공정을 보인 단면도이다.

도 9는 도 3에서 ST6 공정을 보인 단면도이다.

도 10은 도 3에서 ST7 공정을 보인 단면도이다.

도 11은 본 발명의 일실시예에 의한 단결정 태양전지의 후면전극 제조방법을 보인 흐름도이다.

도 12는 도 11에서 ST11 공정을 보인 단면도이다.

도 13은 도 11에서 ST12 공정을 보인 단면도이다.

도 14는 도 11에서 ST13 공정을 보인 단면도이다.

도 15는 도 11에서 ST14 공정을 보인 단면도이다.

도 16은 도 11에서 ST15 공정을 보인 단면도이다.

도 17은 도 11에서 ST16 공정을 보인 단면도이다.

도 18은 도 11에서 ST17 공정을 보인 단면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 웨이퍼 12 : P+ 영역

14 : 후면 실리콘 산화층 18 : N+ 영역

28 : 도프층 30 : 실리콘 산화층

32 : 코팅층 40 : 에칭 레지스트

42 : 컨택 개구부 배열 44 : 씨드층(3층 씨드 메탈 스택)

48 : 플레이팅 레지스트 50 : 메탈층

51 : 그리드 라인 52 : 메탈층

53 : 그리드 라인 54 : 조직화된 표면

60 : 마스크

본 발명은 단결정 태양전지의 후면전극 제조방법에 관한 것으로, 특히 태양전지의 후면에 +, - 전극을 모두 두어 태양전지의 앞면 전체가 수광 면적으로 사용되는 후면전극 태양전지를 실크 스크린 마스크를 사용하여 제조하여 저가의 고효율 태양전지를 구현하기에 적당하도록 한 단결정 태양전지의 후면전극 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 태양전지는 빛을 전기로 직접 변환시켜주는 전자소자이다. 그래서 태양전지에 비춰진 빛으로 인해 전류와 전압이 생성되고, 그 결과 전력을 얻을 수 있다. 태양전지의 반도체의 재료로서는 실리콘, 갈륨비소, 카드뮴텔루르, 황화카드뮴, 인듐인 또는 이것들을 복합한 것이 있으나, 보통 사용되고 있는 것은 실리콘이다. 실리콘 태양전지는 확산법에 의해 P-N 접합을 형성하지만, 조사된 광양자의 대부분이 접합부 부근에 이르도록 확산 깊이를 갖는다.

도 1은 일반적인 태양전지의 구조를 보인 개념사시도이다.

그래서 전형적인 태양전지는 이미터(Emitter)인 N 영역과 베이스(Base)인 P 영역으로 구성되어 있다. 또한 표면에는 보통 빛이 투과할 수 있도록 전극을 총 표면적의 5~15% 사이로 만들고, 후면에는 전 면적에 걸쳐 전극이 형성되어 있다. 또한 표면에는 빛 반사방지용의 산화막이 코팅되어 있다.

그래서 단결정 태양전지의 후면에는 웨이퍼(10) 상에 P 영역과 N 영역에 각각 연결되는 전극(Contact)인 메탈층(50, 52)이 형성된다. 또한 메탈층(50, 52)은 각각 그리드 패턴(Grid Pattern)이 형성된 그리드 라인(Grid Line)(51, 53)과 연결된다. 또한 단결정 태양전지의 후면에는 조직화된 표면(Textured surface)(54)이 있다.

한편 미국 특허출원 US 2004/0200520은 태양전지의 메탈전극 구조를 위한 제 조방법을 개시하고 있다. 이는 다음의 도 3 내지 도 10을 참조하여 설명한다.

도 3은 종래 단결정 태양전지의 후면전극 제조방법을 보인 흐름도이다. 또한 도 4는 도 3에서 ST1 공정을 보인 단면도이고, 도 5는 도 3에서 ST2 공정을 보인 단면도이며, 도 6은 도 3에서 ST3 공정을 보인 단면도이고, 도 7은 도 3에서 ST4 공정을 보인 단면도이며, 도 8은 도 3에서 ST5 공정을 보인 단면도이고, 도 9는 도 3에서 ST6 공정을 보인 단면도이며, 도 10은 도 3에서 ST7 공정을 보인 단면도이다.

이에 도시된 바와 같이, P+ 영역과 N+ 영역이 형성된 후면에 후면 실리콘 산화층(Silicon oxide layer)(14)을 형성하고, 후면에 형성된 상기 후면 실리콘 산화층(14) 상에 패턴화된 에칭 레지스트(Etching resist)(40)를 형성하며, P와 N 영역에 형성된 상기 후면 실리콘 산화층(14)을 화학적으로 에칭하여 컨택 개구부 배열(Contact opening array)(42)을 형성하고, 상기 에칭 레지스트(40)를 제거하는 단계(ST1 ~ ST3)와; 상기 에칭 레지스트(40)의 제거 후 얇은 3층의 씨드 메탈 스택인 씨드층(Seed layer)(44)을 형성하고, 상기 씨드층(44) 상에 패턴화된 플레이팅 레지스트(Plating resist)(48)를 형성하며, 패턴화된 상기 플레이팅 레지스트(48)가 없는 영역에 메탈층(Metal layer)(50)의 두께를 전해 도금 또는 비전해 도금에 의해 증가시키고, 메탈 필름을 에칭하여 상기 플레이팅 레지스트(48)를 제거하고 도금된 전도성 라인 사이의 상기 씨드층(44)을 제거하는 단계(ST4 ~ ST7)를 수행한다.

이와 같이 구성된 종래기술의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 웨이퍼(10)는 도프층(Doped layer)(28), 실리콘 산화층(Silicon oxide layer)(30), 코팅층(Coating layer)(32)이 전면에 있어 반사방지 기능을 수행한다.

그래서 후면전극을 형성하기 위해서는 도 4에서와 같이, P+ 영역과 N+ 영역이 형성된 후면에 후면 실리콘 산화층(14)을 형성한다(ST1).

그리고 도 5에서와 같이, 후면에 형성된 후면 실리콘 산화층(14) 상에 패턴화된 에칭 레지스트(40)를 형성한다(ST2).

또한 도 6에서와 같이, P와 N 영역에 형성된 후면 실리콘 산화층(14)을 화학적으로 에칭하여 컨택 개구부 배열(42)을 형성하고, 에칭 레지스트(40)를 제거한다(ST3). 그래서 전극이 형성될 부근을 오프닝(Opening)하게 된다.

그리고 도 7에서와 같이, 에칭 레지스트(40)의 제거 후 얇은 3층의 씨드 메탈 스택인 씨드층(44)을 형성한다(ST4). 이는 도금을 하기 위한 씨앗 층으로써, 약 400nm의 얇은 3층의 금속층들로 이루어져 있다. 즉, Al(ohmic 전극)/TiW(또는 Ni, Cr)/Cu로 구성할 수 있다.

또한 도 8에서와 같이, 씨드층(44) 상에 패턴화된 플레이팅 레지스트(48)를 형성한다(ST5). 그러면 도금을 할 부근만 남기고, 나머지 부분은 도금이 되지 않도록 하기 위한 레지스트(48)를 패터닝하게 된다.

그리고 도 9에서와 같이, 패턴화된 플레이팅 레지스트(48)가 없는 영역에 메탈층(50)의 두께를 전해 도금 또는 비전해 도금에 의해 증가시킨다(ST6). 여기서 플레이팅 레지스트(48)는 도금을 할 부근만 남기고, 나머지 부분은 도금이 되지 않도록 하기 위한 레지스트이며, 메탈층(50)은 전해 또는 무전해의 도금 전극이다.

또한 도 10에서와 같이, 메탈 필름을 에칭하여 플레이팅 레지스트(48)를 제거하고, 도금된 전도성 라인 사이의 씨드층(44)을 제거하여 단결정 태양전지의 후면전극을 제조하게 된다(ST7).

이와 같이 종래기술에서는, 전극이 형성될 부근을 국부적으로 오프닝(Opening)한다. 즉, 양극과 음극에 동시에 도금을 위한 씨드(seed) 금속을 증착한다. 또한 도금을 하기 전에 국부적으로 도금을 하기 위해서 도금방지막을 사용한다. 또한 도금 후 도금방지막과 양극과 음극 전극 사이의 씨드 금속을 선택적으로 제거한다.

그러나 이러한 종래기술은 다음과 같은 문제점이 있었다.

즉, 종래기술에서는 사진 식각(Etching) 공정을 이용하기 때문에 제조공정이 복잡한 문제점이 있었다. 그리고 종래기술에서는 사진 식각 및 레이저 공법을 이용하기 때문에 실제 제조공정이 40 공정 이상이 소요되어 제조공정이 복잡하고, 고비용이 소요되는 한계가 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 실크 스크린 마스크를 사용하여 태양전지의 후면전극을 제조하여 저가의 고효율 태양전지를 구현할 수 있는 단결정 태양전지의 후면전극 제조방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 의한 단결정 태양전지의 후면전극 제조방법은,

P+ 영역과 N+ 영역이 형성된 웨이퍼의 후면에 컨택 개구부 배열이 있는 후면 실리콘 산화층을 형성하는 제 1 단계와; 상기 제 1 단계 후 마스크를 이용하여 P+ 영역과 N+ 영역 상에 씨드층과 메탈층을 형성하는 제 2 단계를 포함하여 수행함을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

이하, 상기와 같은 본 발명, 단결정 태양전지의 후면전극 제조방법의 기술적 사상에 따른 일실시예를 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 11은 본 발명의 일실시예에 의한 단결정 태양전지의 후면전극 제조방법을 보인 흐름도이다. 또한 도 12는 도 11에서 ST11 공정을 보인 단면도이고, 도 13은 도 11에서 ST12 공정을 보인 단면도이며, 도 14는 도 11에서 ST13 공정을 보인 단면도이고, 도 15는 도 11에서 ST14 공정을 보인 단면도이며, 도 16은 도 11에서 ST15 공정을 보인 단면도이고, 도 17은 도 11에서 ST16 공정을 보인 단면도이며, 도 18은 도 11에서 ST17 공정을 보인 단면도이다.

이에 도시된 바와 같이, P+ 영역과 N+ 영역이 형성된 웨이퍼의 후면에 컨택 개구부 배열(42)이 있는 후면 실리콘 산화층(14)을 형성하는 제 1 단계(ST11 ~ ST13)와; 상기 제 1 단계 후 마스크(60)를 이용하여 P+ 영역과 N+ 영역 상에 씨드층(44)과 메탈층(50)을 형성하는 제 2 단계(ST14 ~ ST17)를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 2 단계에서 상기 마스크(60)는, 패턴화된 마스크인 것을 특징으로 한다.

상기 제 2 단계는, 스크린 인쇄를 이용하여 상기 마스크(60)를 상기 후면 실 리콘 산화층(14)에 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 1 단계는, P+ 영역과 N+ 영역이 형성된 단결정 태양전지의 후면에 후면 실리콘 산화층(14)을 형성하는 제 11 단계(ST11)와; 상기 제 11 단계 후 상기 후면 실리콘 산화층(14) 상에 패턴화된 에칭 레지스트(40)를 형성하는 제 12 단계(ST12)와; 상기 제 12 단계 후 P+ 영역과 N+ 영역 상에 컨택 개구부 배열(42)을 형성하고, 상기 에칭 레지스트(40)를 제거하는 제 13 단계(ST13)를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 2 단계는, 상기 제 1 단계 후 패턴화된 상기 마스크(60)를 상기 후면 실리콘 산화층(14)에 형성하는 제 14 단계(ST14)와; 상기 제 14 단계 후 패턴화된 상기 마스크(60)를 이용하여 씨드층(44)을 형성하는 제 15 단계(ST15)와; 상기 제 15 단계 후 패턴화된 상기 마스크(60)를 이용하여 상기 메탈층(50)을 형성하기 위한 도금을 수행하는 제 16 단계(ST16)와; 상기 제 16 단계 후 패턴화된 상기 마스크(60)를 제거하는 제 17 단계(ST17)를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 단결정 태양전지의 후면전극 제조방법의 동작을 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 본 발명은 후면전극 태양전지를 실크 스크린 마스크를 사용하여 제조하여 저가의 고효율 태양전지를 구현하고자 한 것이다.

후면전극 태양전지는 사진 식각에 의한 후면전극 형성방법과 레이저를 이용하여 홀을 뚫은 후 전면의 전극을 후면으로 끌어내는 공정으로 대표된다. 이 두 공정 모두 변환효율의 증대를 위해서 전면의 수광 면적을 넓게 하는 효과를 가지고 있어 기존의 양면 태양전지에 비해 작게는 5%에서 크게는 7%까지의 변환효율 증대를 꾀할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 변환효율 증대에도 불구하고 실질적인 상용화 부분에서 어려움을 갖는 것은 제조공정이 일반 양면전극 태양전지에 비해 복잡하며, 제조 비용 또한 고비용이 소요되기 때문에 이를 대체하는 제조공정 개발이 필요하다.

이에 본 발명에서는 사진 식각 또는 레이저를 이용한 공정이 아닌 양면전극 형성 시에 사용하는 확산 공정을 이용하는 기술로 MCLT(Minority Carrier Life Time)가 비교적 긴 N형(N-type) (100) 단결정 실리콘(Si) 기판을 사용한다. 이러한 N형 기판은 P형(P-type) 기판에 비해 MCLT 값이 100배 이상 높다. 또한 기존의 양면 태양전지 전극형성에 사용되는 실크 스크린 공법을 사용하여 일부 고정의 사진식각 공정을 대체 함으로써 태양전지 제조공정을 간소화한다.

그래서 제 1 단계에서는 P+ 영역과 N+ 영역이 형성된 후면에 컨택 개구부 배열(42)이 있는 후면 실리콘 산화층(14)을 형성한다.

이를 위해 먼저 도 12에서와 같이, P+ 영역과 N+ 영역이 형성된 단결정 태양전지의 후면에 후면 실리콘 산화층(14)을 형성한다(ST11). 이때 웨이퍼(10)의 전면은 도프층(28)을 형성하고, 실리콘 산화층(30)을 형성하며, 코팅층(32)을 형성한다. 그리고 도프층(28)은 N 영역으로 도핑(Doping)할 수 있다. 또한 실리콘 산화층(30)은 SiO₂로 구성할 수 있다. 또한 코팅층(32)은 SiNx 또는 TiO₂ 등으로 구성할 수 있다.

또한 도 13에서와 같이, 후면 실리콘 산화층(14) 상에 패턴화된 에칭 레지스트(40)를 형성한다(ST12).

또한 도 14에서와 같이, 상기 P+ 영역과 N+ 영역 상에 컨택 개구부 배열(42)을 형성하고, 에칭 레지스트(40)를 제거한다(ST13). 이를 통해 전극이 형성될 부근을 오프닝(Opening) 하게 된다.

한편 제 2 단계에서는 마스크(60)를 이용하여 씨드층(44)과 메탈층(50)을 형성하게 된다. 이때 마스크(60)는 패턴화된 마스크를 사용한다. 또한 스크린 인쇄를 이용하여 마스크(60)를 후면 실리콘 산화층(14)에 형성한다.

여기서 스크린 인쇄란 스테인리스 망사에 유제로 개구부가 형성된 스크린 마스크를 이용하여 페이스트(Paste)를 스퀴즈(Squeeze)로 문질러 기판 표면에 패턴을 형성하는 방법이다. 그래서 스크린 인쇄시 페이스트와 스크린 마스크, 그리고 인쇄기의 특성이 중요한 요인으로 작용한다. 페이스트는 높은 형상 유지성과 양호한 판 분리성이 필요하며, 스크린 마스크는 초기 정밀도를 유지하는 것은 물론 여러 번의 인쇄 후 웨이퍼(10)의 신장이 발생하지 않고, 초기 치수를 유지시킬 수 있도록 한다.

그래서 도 15에서와 같이, 패턴화된 마스크(60)를 후면 실리콘 산화층(14)에 형성한다(ST14). 이는 스크린 인쇄를 사용하여 수행한다. 즉, 페이스트는 스퀴즈와 스크린 기판이 접촉하는 위치에서 스퀴즈의 이동으로 유동하게 되는 데, 스퀴즈 각 면에서 수직 방향으로 힘을 받아 이 압력이 앞으로 전달된다. 압력을 받은 페이스트는 스크린 망사의 개구부를 통해 기판에 도달하며, 유제로 둘러 쌓였던 공간에서 는 페이스트가 충전된다. 공간에 페이스트가 충전되면 그 후의 압력을 받았던 페이스트는 반작용으로 위쪽으로 흐르고, 스퀴즈 면을 타고 전방으로 회전한다. 이러한 페이스트의 롤링에 의해 패턴화된 마스크(60)를 후면 실리콘 산화층(14)에 형성하게 된다. 기판 위에 형성된 페이스트는 건조와 소결과정을 거쳐 원하는 특성을 얻을 수 있게 된다.

또한 도 16에서와 같이, 패턴화된 마스크(60)를 이용하여 P+ 영역과 N+ 영역 상에 씨드층(44)을 형성한다.

그리고 도 17에서와 같이, 패턴화된 마스크(60)를 이용하여 상기 씨드층(44) 상에 메탈층(50)을 형성하기 위한 도금을 수행한다.

또한 도 18에서와 같이, 패턴화된 상기 마스크(60)를 제거하여 단결정 태양전지의 후면전극을 제조하게 된다(ST17).

이처럼 본 발명은 후면전극 태양전지를 실크 스크린 마스크를 사용하여 제조하여 저가의 고효율 태양전지를 구현하게 되는 것이다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 한정하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 따라서 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 응용할 수 있고, 이러한 응용도 하기 특허청구범위에 기재된 기술적 사상을 바탕으로 하는 한 본 발명의 권리범위에 속하게 됨은 당연하다 할 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 단결정 태양전지의 후면전극 제 조방법은 후면전극 태양전지를 실크 스크린 마스크를 사용하여 제조하여 저가의 고효율 태양전지를 구현할 수 있는 효과가 있게 된다.

Claims

P+ 영역과 N+ 영역이 형성된 웨이퍼의 후면에 컨택 개구부 배열이 있는 후면 실리콘 산화층을 형성하는 제 1 단계와;

상기 제 1 단계 후 마스크를 이용하여 P+ 영역과 N+ 영역 상에 씨드층과 메탈층을 순차적으로 형성하는 제 2 단계를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 하는 단결정 태양전지의 후면전극 제조방법.
청구항 1에 있어서, 상기 제 2 단계에서 상기 마스크는,

패턴화된 마스크인 것을 특징으로 하는 단결정 태양전지의 후면전극 제조방법.
청구항 1에 있어서, 상기 제 2 단계는,

스크린 인쇄를 이용하여 상기 마스크를 상기 후면 실리콘 산화층에 형성하는 것을 특징으로 하는 단결정 태양전지의 후면전극 제조방법.
청구항 1에 있어서, 상기 제 1 단계는,

P+ 영역과 N+ 영역이 형성된 단결정 태양전지의 후면에 후면 실리콘 산화층을 형성하는 제 11 단계와;

상기 제 11 단계 후 상기 후면 실리콘 산화층 상에 패턴화된 에칭 레지스트를 형성하는 제 12 단계와;

상기 제 12 단계 후 P+ 영역과 N+ 영역 상에 컨택 개구부 배열을 형성하고, 상기 에칭 레지스트를 제거하는 제 13 단계를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 하는 단결정 태양전지의 후면전극 제조방법.
청구항 1에 있어서, 상기 제 2 단계는,

상기 제 1 단계 후 패턴화된 상기 마스크를 상기 후면 실리콘 산화층에 형성하는 제 14 단계와;

상기 제 14 단계 후 패턴화된 상기 마스크를 이용하여 씨드층을 형성하는 제 15 단계와;

상기 제 15 단계 후 패턴화된 상기 마스크를 이용하여 상기 메탈층을 형성하기 위한 도금을 수행하는 제 16 단계와;

상기 제 16 단계 후 패턴화된 상기 마스크를 제거하는 제 17 단계를 포함하여 수행하는 것을 특징으로 하는 단결정 태양전지의 후면전극 제조방법.