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KR20120026700A - 태양전지 제조방법 - Google Patents

태양전지 제조방법 Download PDF

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KR20120026700A
KR20120026700A KR1020100088734A KR20100088734A KR20120026700A KR 20120026700 A KR20120026700 A KR 20120026700A KR 1020100088734 A KR1020100088734 A KR 1020100088734A KR 20100088734 A KR20100088734 A KR 20100088734A KR 20120026700 A KR20120026700 A KR 20120026700A
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KR
South Korea
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pattern layer
solar cell
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organic pattern
organic
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KR1020100088734A
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English (en)
Inventor
이진섭
송석현
양수미
이경원
서준모
신양식
Original Assignee
현대중공업 주식회사
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10FINORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/30Coatings
    • H10F77/306Coatings for devices having potential barriers
    • H10F77/311Coatings for devices having potential barriers for photovoltaic cells
    • H10F77/315Coatings for devices having potential barriers for photovoltaic cells the coatings being antireflective or having enhancing optical properties
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy

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Abstract

본 발명의 태양전지 제조방법은 표면에 반도체층이 구비된 결정질 실리콘 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판 상에 유기 패턴층을 형성하는 단계와, 상기 기판을 열처리하여 상기 유기 패턴층을 고형화함과 함께 상기 기판 상에 실리콘 산화막을 형성하는 단계와, 상기 유기 패턴층 및 실리콘 산화막을 포함한 기판 전면 상에 반사방지막을 형성하는 단계와, 상기 유기 패턴층을 제거하는 단계, 및 상기 유기 패턴층이 제거된 위치에 금속 페이스트를 도포하는 단계를 포함한다.

Description

태양전지 제조방법{Method for fabricating solar cell}
본 발명은 태양전지 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유기 페이스트를 이용한 실리콘 나이트라이드(SiNx) 반사방지막의 선택적 증착과 글래스 프릿을 함유하지 않는 금속 페이스트 인쇄를 이용한 태양전지 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, 이 때 태양전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산할 수 있게 된다.
한편, 태양전지는 p-n 접합층인 광흡수층의 물질, 형태에 따라 다양하게 구분되는데 광흡수층으로는 대표적으로 실리콘(Si)을 들 수 있으며, 이와 같은 실리콘계 태양전지는 형태에 따라 실리콘 웨이퍼를 광흡수층으로 이용하는 기판형과, 실리콘을 박막 형태로 증착하여 광흡수층을 형성하는 박막형으로 구분된다.
실리콘계 태양전지 중 기판형의 구조를 살펴보면 다음과 같다. 도 1에 도시한 바와 같이 p형 반도체층(101) 상에 n형 반도체층(102)이 구비되며, 상기 n형 반도체층(102)의 상부 및 p형 반도체층의 하부에 각각 전면전극(104)과 후면전극(105)이 구비된다. 이 때, 상기 p형 반도체층(101) 및 n형 반도체층(102)은 하나의 기판에 구현되는 것으로서, 기판의 하부는 p형 반도체층(101), 기판의 상부는 n형 반도체층(102)이라 할 수 있으며, 일반적으로 p형 실리콘 기판이 준비된 상태에서 p형 실리콘 기판의 상층부에 n형 불순물 이온을 주입, 확산(diffusion)시켜 n형 반도체층(102)을 형성한다. 또한, 상기 n형 반도체층(102) 상에는 표면 반사를 최소화하기 위한 반사방지막(103)이 구비된다.
이와 같은 실리콘계 태양전지는 p형 실리콘 기판의 준비, 실리콘 기판의 표면 텍스쳐링(요철 형성), n형 불순물 이온 주입 및 확산, 반사방지막 적층, 전면전극 및 후면전극의 형성 등의 공정을 거쳐 제조된다. 이 때, n형 불순물 이온을 주입, 확산시켜 상기 n형 반도체층(102)을 형성하는 공정을 구체적으로 살펴보면, p형 실리콘 기판 상에 인산 용액을 도포하고, 고온의 열처리를 통해 인산 용액의 인(P)이 p형 실리콘 기판 내부로 확산(diffusion)되도록 하여 n형 반도체층(120)이 형성되도록 한다.
기존의 일반적인 태양전지 제조공정에서 도 2에 도시한 바와 같이, 표면에 반사방지막(103)을 형성한 후 금속과 글래스 프릿(유리 입자)을 함유한 페이스트(104)를 표면에 인쇄하고 소성하여 전극을 형성한다. 글래스 프릿은 고온에서 실리콘 나이트라이드(SiNx) 반사방지막을 뚫고 실리콘 기판의 n형 반도체층(102)과 접촉하여 전극을 형성할 수 있게 해준다.
그런데, 도 3을 참조하면, 전극의 소성 과정에서 글래스 프릿이 가장 왼쪽에 도시된 바와 같이, n+ 도핑층까지만 뚫고 들어와서 형성되어야 하는데, 적정 온도보다 고온으로 소성하거나 장시간 소성할 경우, 중간에 도시된 바와 같이, 글래스 프릿이 실리콘 기판의 p형 반도체층(101)까지 뚫고 들어와서 태양전지의 병렬저항(shunt resistance)을 감소시키고, 이로 인해 외부로 나가야 할 전자가 태양전지 내부에서 소멸되어 버림으로써 결과적으로 급속한 광 변환 효율의 하락을 가져온다.
또한, 적정 온도보다 저온으로 소성하거나 단시간 소성할 경우, 도 3의 가장 오른쪽에 도시된 바와 같이, 글래스 프릿이 충분히 실리콘 나이트라이드(SiNx) 반사방지막을 뚫지 못해서 전극 형성이 이루어지지 않고, 이는 태양전지의 직렬저항(Series resistance)을 증가시켜서 마찬가지로 광 변환 효율의 급속한 하락을 가져온다.
뿐만 아니라, 금속 페이스트는 필연적으로 글래스 프릿을 함유하게 되므로 부피 대비 전도도를 하락시키는 요인이 되고, 이 역시 태양전지의 직렬저항 증가 요인으로 작용하게 되어 전체적으로 태양전지의 효율을 하락시키는 원인이 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 유기 페이스트를 이용한 실리콘 나이트라이드(SiNx) 반사방지막의 선택적 증착과 글래스 프릿을 함유하지 않는 금속 페이스트 인쇄를 이용한 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법은 표면에 반도체층이 구비된 결정질 실리콘 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판 상에 유기 패턴층을 형성하는 단계와, 상기 기판을 열처리하여 상기 유기 패턴층을 고형화함과 함께 상기 기판 상에 실리콘 산화막을 형성하는 단계와, 상기 유기 패턴층 및 실리콘 산화막을 포함한 기판 전면 상에 반사방지막을 형성하는 단계와, 상기 유기 패턴층을 제거하는 단계, 및 상기 유기 패턴층이 제거된 위치에 금속 페이스트를 도포하는 단계를 포함한다.
상기 반사방지막은 실리콘 나이트라이드(SiNx)를 포함할 수 있다.
상기 유기 패턴층은 유기 용매를 이용하여 제거될 수 있다.
상기 금속 페이스트는 은(Ag) 또는 주석(Sn)을 포함할 수 있다.
상기 기판 상에 유기 패턴층을 형성하는 단계는 스크린 프링팅, 그라비아 오프셋, 포토 리소그라피, 또는 에어로졸의 방법을 이용하여 유기 페이스트를 적층함으로써 이루어질 수 있다.
상기 유기 패턴층의 높이는 5 마이크로미터(㎛) 내지 100 마이크로미터(㎛)일 수 있다.
상기 유기 패턴층 및 실리콘 산화막을 포함한 기판 전면 상에 반사방지막을 형성하는 단계는 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)법 또는 저압 화학 기상 증착(LPCVD)법을 이용하여 이루어질 수 있다.
상기 반사방지막의 두께는 30 나노미터(㎚) 내지 120 나노미터(㎚)일 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지의 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
전극 형성공정이 넓은 범위의 온도 및 시간에서 가능하므로 용이해진다. 또한, 금속 페이스트에 글래스 프릿이 함유되어 있지 않으므로 전도도가 향상된다. 그리고, SiOx막의 추가로 인해 표면 패시베이션 효과가 증대된다. 그리고, 전극을 형성하는 금속과 실리콘 기판의 넓은 접촉으로 인해 직렬저항이 감소한다.
도 1은 종래의 실리콘계 태양전지 중 기판형의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2는 종래의 태양전지 제조방법에서 금속전극을 형성하는 과정을 나타내는 단면도이다.
도 3은 종래의 태양전지 제조방법에서 글래스 프릿이 실리콘 기판과 접촉하여 금속전극을 형성하는 예들을 나타내는 도면이다.
도 4은 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5a 내지 도 5f는 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 금속전극 형성방법을 설명하기로 한다. 도 4는 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 5a 내지 도 5f는 본 발명에 따른 태양전지의 금속전극 형성방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
먼저, 도 4 및 도 5a에 도시한 바와 같이, 표면에 반도체층(202)이 구비된 결정질 실리콘 기판을 준비한다(S401). 상기 실리콘 기판의 하부는 p형의 결정질 실리콘 기판(201)일 수 있으며, 상기 반도체층(202)은 p형 실리콘 기판(201)이 준비된 상태에서 상기 p형 실리콘 기판(201)의 상층부에 n형 불순물 이온을 주입, 확산(diffusion)시켜 형성한 n형 반도체층(202)일 수 있다.
이어, 도 4 및 5b에 도시된 바와 같이, 상기 기판 상에 유기 패턴층(100)을 형성한다(S402). 상기 기판 상에 유기 패턴층(100)을 형성하는 단계는 스크린 프린팅(screen printing), 그라비아 오프셋(Gravure-Offset), 포토 리소그래피(Photo-Lithography), 에어로졸의 방법을 이용하여 유기 페이스트를 적층함으로써 이루어질 수 있다. 이 때, 상기 유기 패턴층(100)의 높이는 최소 수 마이크로미터(㎛) 내지 약 100 마이크로미터(㎛)가 되도록 형성될 수 있다.
그 후, 도 4 및 5c에 도시된 바와 같이, 상기 기판을 열처리하여 상기 유기 패턴층(100)을 고형화한다. 또한, 열처리에 의해 상기 기판 상에 실리콘 산화막(SiOx)(203)이 형성된다(S403). 이 과정에서, 상기 유기 패턴층(100)이 인쇄된 부분은 마스크 층이 형성되고, 상기 유기 패턴층(100)이 인쇄되지 않은 부분은 실리콘 산화막(SiOx)(203)이 부가적으로 형성된다. 이러한 열처리를 통해 제조된 상기 실리콘 산화막(203)은 기판 표면의 패시베이션 효과를 유도하여서 태양전지의 효율을 향상시킨다.
그 다음, 도 4 및 5d에 도시된 바와 같이, 상기 유기 패턴층(203) 및 실리콘 산화막(203)을 포함한 기판 전면 상에 반사방지막(204)을 형성한다(S404). 상기 반사방지막(204)은 실리콘 나이트라이드(SiNx)를 포함할 수 있다. 상기 유기 패턴층(203) 및 실리콘 산화막(203)을 포함한 기판 전면 상에 반사방지막(204)을 형성하는 단계는 플라즈마 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)법 또는 저압 화학 기상 증착(LPCVD)법을 이용해서 이루어질 수 있다. 이 때, 상기 실리콘 나이트라이드 층(204)의 두께는 약 30 나노미터(㎚) 내지 약 120 나노미터(㎚)일 수 있다. 한편, 상기 건조된 유기 패턴층(100)의 두께는 수십 마이크로미터(㎛)이므로 두께의 차이가 최대 1000배까지 날 수 있고, 따라서 상기 유기 패턴층(100)이 인쇄된 영역에서는 상기 실리콘 나이트라이드 층(204)이 상기 유기 패턴층(100) 위에 완전히 증착되지 않게 된다.
이 후, 도 4 및 5e에 도시된 바와 같이, 상기 유기 패턴층(100)을 제거한다(S405). 상기 유기 패턴층은 유기 용매를 이용하여 제거될 수 있다. 유기 용매를 이용하여 상기 유기 패턴층(100)을 제거하면, 상기 실리콘 나이트라이드 층(204)과 상기 실리콘 산화막(203)은 유기 용매에 녹지 않아서 남고 상기 유기 패턴층(100)만 제거가 된다. 즉, 이전 단계에서 유기 패턴층(100)이 적층되지 않은 부분은 실리콘 나이트라이드 층(204)과 실리콘 산화막(203)이 남게 되고, 상기 유기 패턴층(100)이 적층되어 패턴이 형성된 부분은 상기 유기 패턴층(100)이 제거됨으로써, n형 반도체층(202)이 외부로 노출되게 된다.
이와 같이 선택적으로 실리콘 나이트라이드 층(204)이 증착된 실리콘 기판 상에 도 4 및 5f에 도시된 바와 같이, 금속 페이스트(205)를 도포한다(S406). 상기 도포된 금속 페이스트(205)는 이 후 건조된다. 상기 금속 페이스트(205)는 상기 유기 페이스트 패턴층(100)이 제거된 위치에 인쇄된다. 상기 금속 페이스트(205)는 글래스 프릿을 함유하지 않은 금속 페이스트(205)를 사용하고 저온에서 건조시킬 수 있다. 이렇게 하여, 상기 유기 페이스트 패턴층(100)이 제거된 위치에 금속 페이스트(205)를 형성하여, 금속 전극이 완성된다. 상기 금속 페이스트(205)는 은(Ag) 또는 주석(Sn)을 포함할 수 있다. 상기 글래스 프릿을 함유하지 않는 은(Ag) 또는 주석(Sn)을 금속 페이스트의 재료로 사용함으로써 전기 전도도가 향상된 금속 전극을 형성할 수 있다.
상기 방법에 의해 제조된 태양전지의 특징은 금속 페이스트에 글래스 프릿이 함유되어 있지 않으므로 금속 전극의 전도도가 향상된다. 또한, 실리콘 산화층의 추가로 인해 표면 패시베이션 효과가 증대된다. 전극 형성 공정이 넓은 범위의 온도 및 시간에서 가능하므로 제작이 용이하고, 전극 금속과 실리콘 기판의 넓은 접촉으로 인해 태양전지의 직렬저항이 감소될 수 있다.
201 : 실리콘 기판 202 : 반도체층
203 : 실리콘 산화막 204 : 반사방지막(실리콘 나이트라이드 층)
205 : 금속 페이스트

Claims (8)

  1. 표면에 반도체층이 구비된 결정질 실리콘 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판 상에 유기 패턴층을 형성하는 단계;
    상기 기판을 열처리하여 상기 유기 패턴층을 고형화함과 함께 상기 기판 상에 실리콘 산화막을 형성하는 단계;
    상기 유기 패턴층 및 실리콘 산화막을 포함한 기판 전면 상에 반사방지막을 형성하는 단계;
    상기 유기 패턴층을 제거하는 단계; 및
    상기 유기 패턴층이 제거된 위치에 금속 페이스트를 도포하는 단계를 포함하는 태양전지 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반사방지막은 실리콘 나이트라이드(SiNx)를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유기 패턴층은 유기 용매를 이용하여 제거되는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속 페이스트는 은(Ag) 또는 주석(Sn)을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기판 상에 유기 패턴층을 형성하는 단계는
    스크린 프링팅, 그라비아 오프셋, 포토 리소그라피, 또는 에어로졸의 방법을 이용하여 유기 페이스트를 적층함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유기 패턴층의 높이는 5 마이크로미터(㎛) 내지 100 마이크로미터(㎛)인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유기 패턴층 및 실리콘 산화막을 포함한 기판 전면 상에 반사방지막을 형성하는 단계는
    플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)법 또는 저압 화학 기상 증착(LPCVD)법을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 반사방지막의 두께는 30 나노미터(㎚) 내지 120 나노미터(㎚)인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
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Date Code Title Description
PA0109 Patent application

Patent event code: PA01091R01D

Comment text: Patent Application

Patent event date: 20100910

PG1501 Laying open of application
PC1203 Withdrawal of no request for examination
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid