KR100408499B1 - 실리콘태양전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실리콘 기판과 그 기판상에 순차적으로 형성된 제1장벽 금속층. 제2장벽 금속층 및 전도성 금속층을 포함하는 전극이 구비되어 있는 실리콘 태양전지에 있어서, 상기 제1장벽 금속층이 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 탈륨(Ta) 및 텅스텐(W)으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속으로 형성되며, 제2장벽 금속층이 팔라듐(Pd)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지를 개시한다. 본 발명에 따르면, 실리콘 기판과 전극간의 저항이 감소됨으로써 변환효율이 향상된 전지를 얻을 수 있다.

Description

실리콘 태양전지
본 발명은 실리콘 태양전지에 관한 것으로서, 상세하기로는 실리콘 기판과 전극간의 직렬저항이 감소되어 변환효율이 개선된 실리콘 태양전지에 관한 것이다.
태양전지는 반도체의 광 기전력 효과를 이용한 것으로서, p형 반도체와 n형 반도체를 조합하여 만든다. p형 반도체와 n형 반도체가 접한 부분(pn 접합부)에 빛이 들어오면, 빛 에너지에 의하여 반도체 내부에서 마이너스의 전하(전자)와 플러스의 전하(정공)가 발생한다. 일반적으로 반도체에 밴드 갭 에너지 이하의 빛이 들어가면 반도체내의 전자들과 약하게 상호작용하고, 밴드 갭 이상의 빛이 들어가면 공유결합내의 전자를 여기시켜 캐리어(carrier)(전자 또는 정공)를 생성한다.
빛에너지에 의해 발생된 전자와 정공은 내부의 전계에 의하여 각각 n형 반도체측과 p형 반도체측으로 이동하여 양쪽의 전극부에 모아진다. 이러한 두 개의 전극을 도선으로 연결하면 전류가 흐르고 외부에서 전력으로 이용할 수 있게 된다.
제1도는 실리콘 태양전지에서의 전극의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 이를 참조하면, pn접합으로 p형 실리콘 기판 (1)에 n++반도체 영역 (2)과 n+반도체 영역 (3)이 형성되어 있고, 실리콘 기판 (1)과 전극 (8)이 접촉되어 있다. 이 때 전극 (8)은 태양광에 의하여 생성되는 광전류를 외부의 시스템과 연결시키는 통로로서 작용하며, 이는 전도성 금속층 (7), 제1 및 제2장벽 금속층 (5), (6)으로 구성된다. 이 때 전도성 금속층 형성 물질로는 원활한 전류의 수집과 이동을 위하여 납땜성 및 접착성이 우수한 금속을 이용한다. 여기에서 제1 및 제2 장벽금속층은 상기 전도성 금속층과 실리콘 기판의 접합력을 향상시키는 역할을 한다.
실리콘 기판과 전극간의 직렬저항 및 일함수(work function) 차이는 일반적으로 전극의 종류 및 그 성질에 따라 달라진다. 그런데 실리콘 기판과 전극간의 직렬저항이나 일함수 차이는 후에 완성되는 태양전지의 충실도 및 그 변환효율을 결정짓는 매우 중요한 인자이므로 전극 형성시 사용되는 금속은 매우 신중하게 선택되어야 한다.
변환효율이 높은 태양전지를 얻기 위해서는 실리콘과 금속 전극간의 접촉이 전류의 흐름을 방해하지 않는 옴접촉(ohmic contact)이여야 하며, 금속 전극의 저항에 의한 광전류의 손실이 최소화되어야 한다. 여기에서 옴접촉이란 전압-전류 특성이 옴의 법칙을 따르는 금속과 반도체와의 접촉을 가리킨다.
상기 사실로부터, 고효율의 태양전지를 얻기 위해서는 실리콘과의 일함수 차이와 저항 등이 적정범위에 있는 금속을 선택하여 전극을 형성시키는 것이 필수적이다.
상기 전도성 금속층 (7)은 통상 은(Ag)이나 금(Au)으로 형성하며, 상기 제1장벽 금속층 (5)과 제2장벽 금속층 (6)은 티타늄(Ti)과 팔라듐(Pd)으로 각각 형성한다. 그러나 이러한 전도성 금속층과 장벽 금속층으로 구성된 금속전극을 이용하여 태양전지를 제조하는 경우, 변환효율면에서 아직까지 만족할만 한 수준에 도달되지 못했다.
이에 본 발명자들은 장벽층 형성 금속으로서 실리콘과의 일함수 차이가 작으면서 저항이 작은 금속을 이용하여 전극을 완성하기에 이르렀다.
즉, 본 발명의 목적은 전극과 실리콘 기판의 직렬저항이 감소되어 변환효율이 향상된 실리콘 태양전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 실리콘 기판과 그 기판상에 순차적으로 형성된 제1장벽 금속층, 제2장벽 금속층 및 전도성 금속층을 포함하는 전극이 구비되어 있는 실리콘 태양전지에 있어서,
상기 제1장벽 금속층이 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 탈륨(Ta) 및 텅스텐(W)으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속으로 형성되며, 제2장벽 금속층이 팔라듐(Pd)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지를 제공한다.
상기 전도성 금속층은 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 및 주석(Sn)중에서 선택된 금속으로 형성하는데, 그중에서 납땜성과 접착성이 우수한 은(Ag)으로 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 제1장벽 금속층의 형성 물질로서 Cr, Mo, Ta 및 W중에서 선택된 금속을, 제2장벽 금속층의 형성 물질로서 팔라듐을 이용한 것이다. 이 때 제1장벽 금속층 형성 물질로는 증착조건 등을 고려해 볼 때 크롬이 바람직하다. 여기에서 제1장벽 금속층의 두께는 300 내지 500Å이, 제2장벽 금속층의 두께는 300 내지 500Å이 적절하다.
Cr, Mo, Ta, W을 포함한 몇몇 금속들의 일함수 차이와 그 금속자체의 특성이 하기 표 1과 2에 각각 나타나 있다.
표 1은 n형 실리콘에 대한 금속의 쇼트키 장벽층(schottky barrier) 높이를나타낸 것이다.
상기 표 1로부터, 본 발명의 장벽층 형성 금속이 n형 실리콘과의 일함수 차이가 작다는 것을 알 수 있다.
상기 표 2는 금속들의 저항, 밀도 등의 특성을 나타낸 것으로서, 이로부터Cr, Mo, Ta 및 W은 Ti에 비하여 저항과 일함수 차이가 작고 실리콘과의 접합력이 우수함을 알 수 있다.
한편, Al은 표 2에서 알 수 있듯이 n형 실리콘과의 일함수 차이가 작은 편이지만, 전지 제조공정중 열처리하는 동안 Al이 실리콘 내부로 침투하여 단락이 빈번해지므로 그 사용이 바람직하지 못하다.
생성된 광전류의 주요 경로는 전도성 금속층으로서, 이 층에서의 전류의 손실을 줄이기 위해서는 전도성 금속층이 충분한 면적을 가져야 한다. 전도성 전극층의 면적은 태양전지의 면적에 따라 약간씩 달라지지만 약 200㎛2의 면적을 가지는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명을 실시예를 들어 상세히 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
( 실시예 )
2인치 실리콘 플로트 존(float zone) 기판상에 면적이 2×2㎠인 태양전지 2개를 다음과 같이 제조하였다.
먼저 실리콘 기판상에 텍스처링을 실시한 후, 실리콘 기판을 세정하였다. 세정된 실리콘 기판의 전면과 후면에 약 1000∼1500Å 두께의 산화막을 형성한 다음, 실리콘 기판 전면에 형성되어 있는 산화막의 일부 영역을 제거하였다. 이 영역을 통하여 실리콘 기판의 전면에 인을 약 860℃에서 20분에 걸쳐 확산시켰다(200Ω/□).
실리콘 기판 후면의 산화막을 완전히 제거한 다음, 알루미늄을 증착, 소결시켜 후면전계를 형성하였다.
실리콘 기판 전면에 형성된 약 1000Å 두께의 산화막 위에 리소그래피공정을 이용하여 포토레지스트 패턴을 형성하였다. 이 포토레지스트 패턴을 이용하여 산화막 일부를 제거하고, 여기에 장벽 금속층으로서 약 500Å 두께의 Cr층과 Pd층을 순차적으로 증착시켰다. 얻어진 결과물을 아세톤하에서 초음파세척하여 상기 포토레지스트 패턴을 제거하였다.
실리콘 기판의 후면에 알루미늄을 증착하여 후면전극을 형성하였다. 이어서 얻어진 실리콘 기판을 열처리한 다음, 실리콘 기판 전면의 Pd층 상부에 전도성 금속층인 은을 도금하였다.
(비교예)
장벽 금속층으로서 Ti층과 Pd층을 순차적으로 형성한 것을 제외하고는, 실시예와 동일한 방법으로 실시하였다.
상기 실시예 및 비교예에 따라 제조된 태양전지의 개방회로전압(VOC), 단락회로전류밀도(JSC), 충실도(fill factor: FF), 직렬저항(RS) 및 전체변환효율 (Eff)를측정하여 다음의 표 4에 나타내었다.
상기 표 4로부터, 실시예에 따른 전극을 갖는 태양전지가 비교예의 경우보다 직렬저항이 낮고 충실도가 높아짐으로써 전지의 변환효율이 보다 향상됨을 알 수 있다.
본 발명에 따르면, 실리콘 기판과 전극간의 저항이 감소됨으로써 변환효율이 향상된 실리콘 태양전지를 얻을 수 있다.
제1도는 실리콘 태양전지에서 전극의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1. p형 실리콘 기판
2. n++반도체 영역
3. n+반도체 영역
4. 산화막
5. 제1장벽 금속층
6. 제2장벽 금속층
7. 전도성 금속층
8. 전극

Claims (3)

  1. 실리콘 기판과 그 기판상에 순차적으로 형성된 제1장벽 금속층, 제2장벽 금속층 및 전도성 금속층을 포함하는 전극이 구비되어 있는 실리콘 태양전지에 있어서,
    상기 제1장벽 금속층이 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 탈륨(Ta) 및 텅스텐(W)으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속으로 형성되며,
    상기 제2장벽 금속층이 팔라듐(Pd)으로 형성되며,
    상기 전도성 금속층이 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 및 주석(Sn)중에서 선택된 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1장벽 금속층의 두께가 300 내지 500Å인 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2장벽 금속층의 두께가 300 내지 500Å인 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지.
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