결정질 실리콘 태양전지와 그 제조방법 및 제조시스템 document_id A220623047429

태양전지는 PN접합 반도체의 내부에서 태양광에 의해 여기된 소수캐리어가 PN접합면을 가로질러 확산함에 따라기판의 양단에 기전력을 발생시키는 소자이다. 이러한 태양전지를 제조하기 위해서는 단결정실리콘, 다결정실리콘, 비정질실리콘, 화합물반도체 등의 반도체 물질을 사용한다. 이 중에서 단결정실리콘의 에너지 변환효율이 가장 좋으나 가격이 비싸기 때문에 다결정실리콘이 보다 많이 사용되고 있다. 또한 최근에는 유리나 플라스틱 등의 값싼 기판에 비정질실리콘이나 화합물반도체 등의 박막을 증착함으로써 매우 저렴하게 제조할 수 있는 박막형 태양전지도 많이 사용되고 있다. 본 발명은 이 중에서 단결정 또는 다결정의 결정질 실리콘을 이용하여 태양전지를 제조하는 방법과 시스템에 관한 것이다. 이하에서는 도 1의 공정순서도 및 도 2a 내지 도 2f의 공정단면도를 참조하여 종래 결정질 실리콘 태양전지를 제조하는 과정을 설명한다. 먼저 p형으로 도핑된 결정질 실리콘 기판(10)을 준비한다. (ST11, 도 2a) 이어서 광 흡수율을 높이기 위하여 기판(10)의 표면에 미세한 요철을 형성하는 텍스쳐링(texturing) 공정을 실시한다. 텍스쳐링 공정은 염기 또는 산 용액을 이용한 습식식각(wet etching)법이 많이 이용되지만 최근에는 플라즈마를 이용한 건식식각법도 이용되고 있다. (ST12, 도 2b) 텍스쳐링 공정 이후에는 기판(10)의 내부에 PN접합구조를 형성하기 위하여 n형 도펀트(dopant)를 고온확산(thermal diffusion) 법으로 도핑하여 기판(10)의 표층에 n+ 도핑층(12)을 형성한다. 도면에서 p형 기판(10)에서 n+도핑층(12)과 구분되는 나머지 부분을 편의상 p+층(10')으로 표기하였다. (ST13, 도 2c) 고온 확산공정(ST13)에서는 전지효율을 저하시키는 PSG(Phosphor-Silicate Glass) 등의 부산물이 발생하고, 기판(10)의 에지 부분에도 n+ 도핑층(12)이 형성되므로 이로 인해 누설전류가 발생한다. 따라서 전지의 효율을 높이기 위해서는 PSG제거공정과 에지의 n+ 도핑층(12)을 제거하는 에지 아이솔레이션(edge isolation) 공정을 수행하여야 한다. (ST14, ST15, 도 2d) 이어서 n+ 도핑층(12)의 상부에 SiN을 이용한 반사방지막(14)을 형성한다. (ST16, 도 2e) 이어서 기판(10)의 전면과 후면에 전면전극(18)과 후면전극(16)을 형성한다. 이를 위해 기판(10)의 전면과 후면에 Al 또는 Ag 을 함유한 도전성 페이스트를 소정 패턴으로 도포하고, 상기 기판(10)을 고온의 퍼니스(furnace)에서 소결(sintering)시킨다. 구체적으로는 반사방지막(14)의 상부에 도포된 도전성 페이스트는 소결과정에서 산화환원반응(Redox reaction)에 의하여 반사방지막(14)을 뚫고 n+도핑층(12)과 접촉하는 전면전극(18)으로 형성된다. 또한 기판(10)의 후면에 도포된 Al 페이스트는 소결과정에서 n+도핑층(12)으로 Al을 확산시켜서 p++도핑층(13)을 형성함으로써 기판(10)의 후면에 후면전계(Back Surface Field)를 형성하는 역할도 한다. (ST17, 도 2f) 이렇게 제조된 태양전지는 테스트 및 분류작업을 거친 이후 모듈로 제조된다. (ST18) 이러한 종래의 태양전지 제조공정은 다음과 같은 몇 가지 문제점을 가지고 있다. 첫째, 텍스쳐링 공정에서 습식식각법을 적용하는 경우에 다결정 실리콘 기판에서는 결정면에 따라 식각속도가 수십 내지 수백 배 이상 차이나기 때문에 균일한 표면조도를 얻기가 힘들다는 문제점이 있다. 또한 건식식각법의 경우에는 아직까지 텍스쳐링 효율에 대한 검증이 미진한 상태이다. 둘째, PN접합을 형성하기 위한 고온확산 공정은 공정시간이 길고 PSG 또는 BSG와 같은 부산물을 발생시키므로 이를 제거하는 공정을 별도로 진행하여야 한다. 또한 고온 확산공정의 이후에는 에지 아이솔레이션 공정을 반드시 수행하여야 하며, 이와 같은 부수적인공정은 생산성 향상의 제한요인으로 작용한다. 또한 수평로(horizontal furnace)를 이용하여 고온확산을 진행하기 위해서는 쿼츠 재질의 안치대로 기판을 이재시켜야 하므로 확산공정과 전후공정을 인라인 방식으로 연속 진행하기에 부적합하다는 문제점이 있다. 또한 고온 확산공정에서는 POCl3 등의 부식성 물질을 사용해야 하므로 항상 취급상의 위험을 수반하는 문제점이 있다. 셋째, 전면전극(18)을 형성하기 위한 산화환원반응(Redox reaction)을 정밀하게 제어하지 않으면 전면전극(18)의 금속성분이 n+ 도핑층(12)을 지나 기판(10)의 p+층(10')과 접촉하여 누설전류를 발생시킬 수 있다. 따라서 이를 방지하기 위해서는 고온확산공정에서 n+ 도핑층(12)을 충분히 깊게 형성해야 하는데 이로 인해 공정시간이 더욱 길어지는 문제점이 있다. 넷째, 종래처럼 후면전계를 형성하기 위하여 기판(10)의 후면에 Al 페이스트를 도포한 후에 소결시키면 기판(10)의 휨(bowing) 현상이 발생하는 문제점이 있다. 또한 후면전계를 형성하기 위해 Al 페이스트를 도포하면, 기판의 두께가 두꺼워지고 비용부담이 증가하는 문제점이 있다. 또한 전면전극(18)을 n+도핑층(12)과 접촉하도록 산화환원반응을 유도하기 위해서는 800℃ 이상의 고온에서 소결시켜야 하는데 이로 인해 기판(10)의 휨이 발생하는 경우도 많으며, 이와 같이 기판(10)이 휘면 이후의 모듈화 공정에서 문제를 발생시키게 된다.