KR100847741B1 - Point-contacted heterojunction silicon solar cell having passivation layer between the interface of p-n junction and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 태양광을 이용한 태양전지에 대한 전기발생원리를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining the principle of electricity generation for solar cells using sunlight.
도 2a 내지 도 2c는 종래의 실리콘 이종접합 태양전지를 모식적으로 나타낸 단면도이다.2A to 2C are cross-sectional views schematically showing a conventional silicon heterojunction solar cell.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이종접합 실리콘 태양전지를 나타낸 단면도이다.3 is a cross-sectional view showing a heterojunction silicon solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 4는 도 3의 패시베이션층(305)에 대한 평면도를 나타낸다.4 shows a top view of the
도 5a 내지 도 5f는 본 발명에 따른 이종접합 실리콘 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도들이다.5A to 5F are process cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a heterojunction silicon solar cell according to the present invention.
도 6은 상기 실시예에 따라 제조된 패터닝 되어진 패시베이션층 표면의 평면 모습(좌측)과, 이를 이용해 만들어진 태양전지의 단면 모양(우측)을 나타내는 주사전자현미경(SEM) 및 투과 전자 현미경 (TEM) 사진이다.6 is a scanning electron microscope (SEM) and transmission electron microscope (TEM) photograph showing a plan view (left) of the surface of a patterned passivation layer prepared according to the above embodiment, and a cross-sectional shape (right) of a solar cell made using the same. to be.
도 7은 실시예에 따라 제조된 실리콘 태양전지와 비교예에 따라 제조된 태양전지에 있어서, 빛의 파장에 따란 스펙트럼 응답 특성 변화 나타내는 그래프이다.7 is a graph illustrating changes in spectral response characteristics according to wavelengths of light in a silicon solar cell manufactured according to an embodiment and a solar cell manufactured according to a comparative example.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
300: 제1 타입 결정질 실리콘 베이스 기판300: first type crystalline silicon base substrate
305: 패시베이션층305: passivation layer
310: 제2 타입 비정질 실리콘 층310: type 2 amorphous silicon layer
311: 포토레지스트 패턴311: photoresist pattern
315: 공극315: void
320: 투명 전도 산화막320: transparent conductive oxide film
330: 상부전극330: upper electrode
340: 하부전극340: lower electrode
본 발명은 이종접합 실리콘 태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실리콘 태양전지의 p-n 접합층 사이의 계면에 존재하는 결함에 의한 전자와 정공의 재결합으로 인한 태양전지의 효율저하를 방지하기 위하여 p-n 이종접합층의 계면구조를 변화시킨 이종접합 실리콘 태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a heterojunction silicon solar cell and a method of manufacturing the same, and more particularly, to prevent a decrease in efficiency of a solar cell due to recombination of electrons and holes due to defects present at an interface between pn junction layers of a silicon solar cell. The present invention relates to a heterojunction silicon solar cell in which the interfacial structure of a pn heterojunction layer is changed, and a manufacturing method thereof.
태양 에너지 (solar energy)를 이용하는 신재생(renewable) 에너지 (renewable)는 크게 태양열을 이용하는 태양열 발전 시스템과 태양광을 이용한 태양 전지 (solar cells)로 나눌 수 있다.Renewable energy using solar energy can be divided into solar power generation system using solar heat and solar cells using solar light.
이중 태양광을 이용한 전지는 전기 에너지를 빛에너지로 바꾸는 LED나 레이져 다이오드와 반대원리를 가진 것으로, 대부분 대면적의 p-n 접합 다이오드(p-n junction diode)로 이루어져 있다.Dual solar cells have the opposite principle to LEDs or laser diodes that convert electrical energy into light energy, and are mostly composed of large area p-n junction diodes.
도 1은 태양광을 이용한 태양전지에 대한 전기발생원리를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining the principle of electricity generation for solar cells using sunlight.
도 1에 도시된 바와 같이 태양광 전지에는 n-type지역(110)과 p-type지역(120)으로 구성되어 있는데, 이때 n-type지역(110)은 큰 전자밀도(electron density)와 작은 정공밀도(hole density)를 가지고 있고, p-type지역(120)은 그와 정반대로 되어 있다.As shown in FIG. 1, the solar cell includes an n-
이와 같은 구조에 있어서 열적 평형상태(thermal equlibrium)에서는 p-type 반도체와 n-type 반도체의 접합으로 이루어진 다이오드에서는 캐리어(carrier)의 농도 구배에 의한 확산으로 전하(charge)의 불균형이 생기고 이 때문에 전기장(electric field)이 형성되어 더 이상 캐리어의 확산이 일어나지 않게 된다.In such a structure, in the thermal equilibrium, in the diode composed of a junction of a p-type semiconductor and an n-type semiconductor, an unbalance of charge occurs due to diffusion due to a concentration gradient of carriers. (electric field) is formed so that carrier diffusion no longer occurs.
이러한 다이오드에 그 물질의 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band) 사이의 에너지 차이인 밴드갭 에너지(band gap energy) 이상의 빛을 가했을 경우, 이 빛에너지를 받아서 전자들은 가전자대에서 전도대로 여기(excited)된다.When these diodes are subjected to light above the band gap energy, which is the difference in energy between the conduction band and valence band of the material, they receive this light energy and the electrons are excited from the valence band to the conduction band. (excited)
이때 전도대로 여기된 전자들은 자유롭게 이동할 수 있게 되며, 가전자대에는 전자들이 빠져나간 자리에 정공이 생성된다. 이것을 잉여캐리어(excess carrier)라고 하며, 이 잉여캐리어들은 전도대 또는 가전자대 내에서 농도차이에 의해서 확산하게 된다.At this time, the electrons excited by the conduction band can move freely, and holes are generated in the valence band where electrons escape. This is called an excess carrier, and these excess carriers diffuse by concentration differences in the conduction band or the valence band.
이때 p-type 영역(120)에서 여기된 전자들과, n-type 영역(110)에서 만들어진 정공을 각각의 소수캐리어(minority carrier)라고 부르며, 기존 접합 전의 p-type 또는 n-type 반도체 내의 캐리어(p-type의 정공, n-type의 전자)는 이와 구분해 주요캐리어(majority carrier)라고 부른다.At this time, the electrons excited in the p-
이때 주요캐리어들은 전기장으로 생긴 에너지 장벽(energy barrier) 때문에 흐름의 방해를 받지만 p-type의 소수캐리어인 전자는 n-type 영역(110)쪽으로, n-type의 소수캐리어인 정공은 p-type 영역쪽으로 각각 이동할 수 있다.At this time, the main carriers are interrupted by the energy barrier caused by the electric field, but the electrons, which are the minority carriers of the p-type, move toward the n-
이와 같은 소수캐리어의 확산에 의해 재료 내부의 전기적 중성(charge neutrality)가 깨짐으로써 전압차(potential drop)가 생기고 이때 p-n접합 다이오드의 양극단에 발생된 기전력을 외부 회로에 연결하게 되면 태양전지로 작용하게 된다.Due to the diffusion of a small number of carriers, the electric neutrality inside the material is broken, resulting in a potential drop. When the electromotive force generated at the anode terminal of the pn junction diode is connected to an external circuit, it acts as a solar cell. do.
상기와 같은 태양광을 이용한 태양전지는 p-n 접합에 사용되는 p영역과 n영역의 성질에 따라 동종접합(homojunction)과 이종접합(heterojunction)으로 나눌 수 있는데, 이중 이종 접합은 서로 다른 결정구조 혹 서로 다른 물질로 결합된 경우를 의미한다.The solar cell using the solar light can be divided into homojunction and heterojunction according to the properties of the p region and the n region used for pn junction. When combined with other materials.
도 2a 내지 도 2c는 종래의 실리콘 이종접합 태양전지를 모식적으로 나타낸 단면도이다.2A to 2C are cross-sectional views schematically showing a conventional silicon heterojunction solar cell.
먼저, 도 2a를 참조하면 종래의 실리콘 이종접합 태양전지는 결정질 실리콘 웨이퍼(베이스;200) 위에 플라즈마 화학기상 증착장치(PECVD)를 이용하여 비정질 실리콘(a-Si)(에미터; 210)을 증착함으로 비정질/결정질 pn 구조를 형성하며, 빛이 들어오는 전면에는 투명전도산화막(Transparent conduction oxide;TCO; 220)과 소정간격으로 평형하게 이격 되어진 금속라인(230)을 형성하고, 웨이퍼(200)의 후면에는 후면전극(240)을 형성함으로 기본적인 구조가 만들어 진다.First, referring to FIG. 2A, a conventional silicon heterojunction solar cell deposits amorphous silicon (a-Si) (emitter) 210 on a crystalline silicon wafer (base) 200 using a plasma chemical vapor deposition apparatus (PECVD). Thereby forming an amorphous / crystalline pn structure, and forming a
도 2a와 같은 비정질/결정질 실리콘 이종접합 태양전지는 기존의 확산형 결정질 실리콘 태양전지에 비해 낮은 온도, 간단한 공정으로 제작이 가능하여 많은 관심이 집중되고 있고. 이러한 이종접합 태양전지의 특성을 좌우하는 가장 큰 요인으로는 비정질/결정질 계면에 있어서 미결합손(dangling bond) 등에 의해 발생하는 결함밀도(defect density)인 것으로 알려져 있다.Amorphous / crystalline silicon heterojunction solar cell as shown in Figure 2a has been attracting a lot of attention because it can be produced in a low temperature, simple process compared to the conventional diffusion-type crystalline silicon solar cell. The biggest factor influencing the characteristics of such heterojunction solar cells is known to be the defect density caused by dangling bonds or the like at the amorphous / crystalline interface.
즉, 계면의 결함 밀도가 큰 경우에는 빛에 의해 생성된 전자, 정공의 재결합률(recombination rate)이 증가하여 태양전지의 효율을 저하시키는 것으로 알려지고 있다.In other words, when the defect density at the interface is large, it is known that the recombination rate of electrons and holes generated by light increases to decrease the efficiency of the solar cell.
이러한 결함이 생기는 원인으로서는 베이스 실리콘 웨이퍼(200)의 표면 결함외에 플라즈마 노출에 따른 데미지(damage)와 비정질 실리콘(210)의 도펀트에 의한 영향들이 있을 수 있으며, 이러한 계면 결함을 줄이기 위해 다양한 표면처리방법, 성장방법들이 연구되어 있다.In addition to the surface defects of the
도 2b는 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 구조가 제시되어 있는 일본 Sanyo사에서 판매되고 있는 HIT(Heterojunction with Intrinsic Thinfilm) 셀 태양전지로서, n형 실리콘 베이스(200)와 비정질 p형 실리콘 에미터(210) 사이에 인트린식(intrinsic) 비정질 실리콘(205)을 수 nm의 두께로 넣어서 효율 특성을 획기적으로 향상시킨 구조이다.FIG. 2B is a HIT (Heterojunction with Intrinsic Thinfilm) cell solar cell sold by Sanyo, Japan, in which a structure for solving the above problem is presented. The n-
또한, 도 2c는 상기 도 2b와 같은 구조에 있어서 웨이퍼(200)의 후면에 텍스쳐링(texturing) 및 후면 전계 형성층을 적용한 구조를 나타내고 있다.In addition, FIG. 2C illustrates a structure in which a texturing and a backside field forming layer are applied to the backside of the
그러나, 상기에서 설명한 현재 n형 웨이퍼실리콘을 사용한 p(비정질)/n(결정질) 이종접합 실리콘 태양전지특성에 비해서 p형 웨이퍼 실리콘을 사용한 n(비정질)/p(결정질) 구조에서는 높은 효율을 보여주고 있지 못하고 있다.However, compared with the current p (amorphous) / n (crystalline) heterojunction silicon solar cell characteristics using the n-type wafer silicon described above, the n (amorphous) / p (crystalline) structure using p-type wafer silicon shows high efficiency. I can't give it.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 비정질/결정질 실리콘 이종접합 태양전지에 있어서 결정질의 계면을 패시베이션(passivation) 효과가 높은 물질로 보호하고, 결정질/비정질 영역 간에 점접촉(point contact) pn 다이오드를 형성함으로써 p-n 계면에 있어서의 결함에 의한 재결합률을 감소시킴으로써 효율 안정성과 재연성이 높은 이종접합 실리콘 태양전지를 제공 하는 데에 있다.The technical problem to be achieved by the present invention is to protect the crystalline interface with a material having a high passivation effect in the amorphous / crystalline silicon heterojunction solar cell by forming a point contact pn diode between the crystalline / amorphous region The present invention provides a heterojunction silicon solar cell having high efficiency stability and reproducibility by reducing the recombination rate due to defects at the pn interface.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 이종접합 실리콘 태양전지의 제조방법을 제공 하는 데에 있다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing the heterojunction silicon solar cell.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이종접합 실리콘 태양전지는 제1 타입 결정질 실리콘 웨이퍼 상에 제2 타입 비정질 실리콘층이 형성되어 있고, 제2 타입 비정질 실리콘층 상에는 투명전도막과 상부전극이, 제1 타입 결정질 실리콘 웨이퍼 하면에는 하부전극이 형성되어 있는 구조를 가지고 있는 이종접합 실리콘 태양전지에 있어서, 제1 타입 결정질 실리콘 웨이퍼와 제2 타입 비정질 실리콘층의 계면에는, 자체의 전면과 후면을 관통하는 복수개의 공극이 형성되어 있어, 공극을 통해서만 제1 타입 결정질 실리콘 웨이퍼와 제2 타입 실리콘층이 접촉하도록 해주는 패시베이션층이 삽입되어 있는 것을 특징으로 한다.In the heterojunction silicon solar cell according to the embodiment of the present invention for solving the above technical problem, a second type amorphous silicon layer is formed on a first type crystalline silicon wafer, and a transparent conductive film is formed on the second type amorphous silicon layer. In the heterojunction silicon solar cell having the upper electrode and the lower electrode formed on the lower surface of the first type crystalline silicon wafer, the interface between the first type crystalline silicon wafer and the second type amorphous silicon layer has its own structure. A plurality of voids penetrating the front and rear surfaces are formed, and the passivation layer is inserted to allow the first type crystalline silicon wafer and the second type silicon layer to contact only through the voids.
상기의 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이종접합 실리콘 태양전지의 제조방법은 (a) 제1 타입 결정질 실리콘 기판 상에 패시베이션층을 형성하는 단계; (b) 패시베이션층 상에 포토레지스트막을 도포한 후 노광 및 현상 공정을 통해 패시베이션층의 일부영역이 노출되도록 포토레지스트막의 일부를 제거하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; (c) 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 노출된 상기 패시베이션층을 제거하여, 패시베이션층 하부의 제1 타입 실리콘 기판의 표면이 노출되도록 하는 복수개의 공극을 형성하여 주는 단계; 및 (d) 공극이 형성된 패시베이션층 상에 제2 타입 비정질 실리콘을 증착하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a heterojunction silicon solar cell, including: (a) forming a passivation layer on a first type crystalline silicon substrate; (b) forming a photoresist pattern by applying a photoresist film on the passivation layer and removing a portion of the photoresist film to expose a portion of the passivation layer through an exposure and development process; (c) removing the passivation layer exposing the photoresist pattern with an etch mask to form a plurality of voids to expose the surface of the first type silicon substrate under the passivation layer; And (d) depositing a second type of amorphous silicon on the passivation layer in which the voids are formed.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.Specific details of other embodiments are included in the detailed description and the accompanying drawings.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, only the present embodiments to make the disclosure of the present invention complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention belongs. It is provided to fully inform the person having the scope of the invention, which is defined only by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.
또한, 도면에서 층과 막 또는 영역들의 크기 두께는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어 기술된 것이며, 어떤 막 또는 층이 다른 막 또는 층의 "상에" 형성된다라고 기재된 경우, 상기 어떤 막 또는 층이 상기 다른 막 또는 층의 위에 직접 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 다른 막 또는 층이 개재될 수도 있다.In addition, in the drawings, the size and thickness of layers and films or regions are exaggerated for clarity of description, and when any film or layer is described as being formed "on" of another film or layer, It may be directly on top of the other film or layer, and a third other film or layer may be interposed therebetween.
도 3a은 본 발명의 실시예에 따른 이종접합 실리콘 태양전지를 나타낸 단면도이고, 도 4는 도 3의 패시베이션층(305)에 대한 평면도를 나타낸다.3A is a cross-sectional view illustrating a heterojunction silicon solar cell according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a plan view of the
도 3a에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 이종접합 실리콘 태양전지(30)는 제1 타입 실리콘 베이스 기판(300), 패시베이션층(305), 제2 타입 실리콘층(310), 투명 전도막(320), 상부전극(330), 및 하부전극(340)을 포함한다.As shown in FIG. 3A, the heterojunction silicon solar cell 30 according to the exemplary embodiment of the present invention may include a first type
다만, 상기에서 제1 타입과 제2 타입은 p 또는 n 형을 의미하는 것으로서, 서로 같은 타입일 수는 없으며, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 제1 타입을 p타 입, 제2 타입을 n타입에 국한하여 설명하도록 한다.However, in the above description, the first type and the second type mean p or n type, and may not be the same type. Hereinafter, for convenience of description, the first type and the second type are n type. Explain only to.
제1 타입 실리콘 베이스 기판(300)은 결정질(crystal) p형 실리콘 기판으로서, 단결정이어도 다결정이어도 무방하다.The first type
제2 타입 실리콘층(310)은 일정표면적이 상기 제1 타입 실리콘 베이스 기판(300)과 접촉하고 있으며, 비정질(amorphous) n형 실리콘 층으로 되어 있다. 이 또한 비정질 실리콘이 아닌 다른 물질의 n형이어도 무방하다.The second
도 3a과 도 4를 참조하면, 패시베이션층(305)는 제2 타입 실리콘층(310)과 제1 타입 실리콘 베이스 기판(300)의 계면에 생기는 계면결함(interface defect)을 줄여주어 전자와 홀의 재결합(recombination)을 최소화 시켜주고, 최종적으로 제조되는 태양전지의 효율을 향상시키고 안정된 효율을 나타내기 위하여 도입된 층이다.3A and 4, the
즉, 비정질/결정질 실리콘 이종접합의 경우 비정질/결정질의 계면에서의 결함밀도가 태양전지의 특성을 좌우하는 가장 큰 요소인데, 이러한 결함밀도의 발생원인이 되는 플라즈마 손상(plasma damage), 도펀트에 의한 손상 등을 최소화하기 위하여 비정질/결정질 접촉면적을 최소화하고 대부분의 영역은 결함생성을 최소화시켜줄 수 있는 물질로 결정질을 패시베이션(passivation) 해줌으로써 계면결함 밀도를 낮출 수 있고 이로 인한 계면에서의 캐리어들의 재결합율을 낮출 수 있다.That is, in the case of amorphous / crystalline silicon heterojunction, the defect density at the amorphous / crystalline interface is the biggest factor that determines the characteristics of the solar cell, and the plasma damage and dopant, which are the causes of the defect density, are caused. In order to minimize damages, the amorphous / crystalline contact area is minimized and most areas are passivated with crystalline materials that can minimize defect formation, thereby reducing the density of interfacial defects and thereby recombining carriers at the interface. Can lower the rate.
이와 같은 패시베이션층(305)은 베이스층(300)의 소수캐리어(minority carrier)인 전자(e-)를 n형 실리콘층(310)으로 이동시켜줄 수 있어야 하고, n형 실리콘층(310)의 소수캐리어인 정공을 p형 베이스층(300)으로 이동시켜 줄 수 있어야 하기 때문에, p-n 계면 전체를 덮고 있으면 안 되고, 일정한 공극(through hole; 315)이 형성되어 있어야 한다.Such a
즉, 패시베이션층(305)은 p-n 계면 결함을 최소화할 수 있는 물질로 형성하여 p-n계면 결함을 최소화하는 버퍼층(buffer layer) 층의 역할을 수행함과 동시에 그 내부에는 패시베이션층(305)의 상면과 하면을 관통(through)하는 복수개의 공극(through hole; 315)을 형성함으로써 상기에서 설명한 소수캐리어들의 이동을 자유롭게 해줄 수 있도록 하는 기능을 하는 층이다.That is, the
다만, 이와 같은 패시베이션층(305)을 두게 되면 p-n접합이 전면적에서 이루어지는 것이 아니라, 공극(315)을 통해서만 제1 타입 결정질 실리콘 베이스 기판(300)과 제2 타입 실리콘층(310)이 점접촉, 또는 일부면 접촉의 방식으로 이루어지므로 소수캐리어의 수집능력 내지는 이동력은 떨어질 수 있으나, 표면의 패시베이션에 의한 벌크영역에서 소수캐리어들의 확산에 의한 수집능력은 오히려 증가할 수 있게 된다.However, when the
패시베이션층(305)은 상기에서 설명한 바와 같이 p-n계면의 결함을 최소화시켜줄 수 있는 물질로 형성하는데, 구체적으로 SiO2, SiC, SiNx, 인트린식 비정질 실리콘(intrinsic amorphous silicon) 중 선택되는 하나로 형성하는 것이 바람직하다.As described above, the
패시베이션층(305)에 있어서, 평면도 표면적을 기준으로 공극(315)이 차지하는 비율은 평면도 기준 전체 표면적의 0%초과 내지 50% 이하의 범위를 가지는 것이 바람직하고, 서로 이웃하는 공극의 중심간의 거리(d)는 수 nm~수 ㎛ 범위, 구체적으로 1nm ~ 9㎛에서 자유롭게 결정될 수 있다.In the
평면도를 기준으로 볼 때 공극(315)의 형상은 도 4에서는 사각형인 경우를 도시하였으나, 삼각형, 원형, 타원형, 기타 다각형의 형태로 자유롭게 설계할 수 있다.Although the shape of the void 315 is a quadrangular shape in FIG. 4 when viewed from the top view, it may be freely designed in the form of a triangle, a circle, an ellipse, or another polygon.
상기에서 패시베이션층(305)에 형성된 공극(315)의 구체적인 사항에 대하여 설명하였으나, 상기에서 설명한 패시베이션층(305)의 기능을 수행하고, 공극(315)의 기능을 수행하기 위하여, 즉 p-n 다이오드 형성을 통한 내부 전계효과에 의한 전자 및 홀의 수집이 가능하게 할 수 있도록 공극(315)의 크기와 서로 이웃하는 공극간의 간격은 적절히 조절될 필요가 있다.Although the details of the
패시베이션층(305)의 두께는 수 nm 인 것이 바람직하지만, 반사율을 최소하하기 위한 조건으로 수십 nm, 구체적으로 1~90nm정도의 범위에서 자유롭게 결정될 수 있다.Although the thickness of the
다시 도 3a을 참조하면, 투명 전도막층(320)은 제2 타입 실리콘층(310)상에 형성되며, 상기 투명 전도막층(320)의 상부에는 태양전지가 외부도선과 연결되는 상부전극(330)이 외부에서 입사되는 빛의 입사를 위하여 일정한 간격을 유지하고 형성되어 있다.Referring again to FIG. 3A, a transparent
본 발명 태양전지의 하부전극(340)은 제1 타입 실리콘 베이스 기판(300)의 하부면에 형성되어 있으며, 상기에서 설명한 상부전극(330)과 하부전극(340)은 모두 전기전도도가 우수한 금속, 예컨대, Al, Pt, Au, Cu 등을 이용하여 형성한다.The
도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이종접합 실리콘 태양전지를 나타낸 단면도이다.3B is a cross-sectional view of a heterojunction silicon solar cell according to another embodiment of the present invention.
다만, 도 3b에서 도 3a와 동일한 참조부호는 동일 부재를 나타낸다. 따라서, 도 3b에 있어서 도 3a와 동일한 참조부호는 도 3a를 참조하여 해석하기로 하고 이하에서는 도 3a와 구별되는 점에 대해서만 설명하기로 한다.In FIG. 3B, the same reference numerals as used in FIG. 3A denote the same members. Therefore, in FIG. 3B, the same reference numerals as in FIG. 3A will be interpreted with reference to FIG. 3A, and only the points distinguishing from FIG. 3A will be described below.
도 3b를 참조하면, 제2 타입 실리콘층(310)은 공극(315)과 패시베이션층(305) 상부에 형성된 것이아니라, 오직 공극(315) 내부에만 형성되어 있다는 점에서 차이가 있다.Referring to FIG. 3B, the second
즉, 제2 타입 실리콘층(310)은 하부의 베이스 기판(300)과 p-n접합을 이루기만 하면되므로, 굳이 두껍게 형성할 필요가 없고, p-n접합을 이룰 수 있는 공극(315) 부분에만 형성되어 있어도 본 발명에서 예상하는 효과를 얻을 수 있을 것이다.That is, since the second
도 5a 내지 도 5f는 본 발명에 따른 이종접합 실리콘 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도들이다.5A to 5F are process cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a heterojunction silicon solar cell according to the present invention.
다만, 도 5a 내지 도 5b에 있어서 도 3과 동일 참조부호는 동일부재를 나타낸다.5A to 5B, the same reference numerals as used in FIG. 3 denote the same members.
따라서, 도 5a 내지 도 5f를 해석함에 있어서는 도 3과 동일한 참조부호에 대해서는 도 3을 참조하기로 한다.Therefore, in interpreting FIGS. 5A to 5F, reference numerals similar to those of FIG. 3 will be referred to FIG. 3.
도 5a에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 이종접합 실리콘 태양전지를 제조하기 위해서는 먼저, 제1 타입 결정질 실리콘 베이스 기판(300) 상에 패시베이션 층(305)을 형성한다.To fabricate the heterojunction silicon solar cell according to the present invention as shown in FIG. 5A, first, a
다음으로, 도 5b에서와 같이 패시베이션층(305) 상에 포토레지스트막을 도포하고, 노광(exposure) 및 현상(development)을 거쳐 식각하고자 하는 패시베이션층(305)을 노출시켜는 포토 레지스트 패턴(311)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 5B, a photoresist film is coated on the
이때, 사용되는 포토 레지스트막은 포지티브(positive)형, 네가티브(negative)형을 불문하나, 공정상의 용이함을 위하여 포지티브형 포토레지스트를 이용하는 것이 바람직하다. At this time, the photoresist film to be used may be a positive type or a negative type, but a positive type photoresist is preferably used for ease of processing.
포지티브 포토레지스트는 노광 공정시 빛이 조사되는 부분이 연화(softening)되어 후에 현상공정에서 제거되는 것을 말한다.Positive photoresist means that the portion to which light is irradiated during the exposure process is softened and then removed in the developing process.
다음으로, 상기와 같은 포토레지스트 패턴(311)을 식각마스크(etching mask)로 하여 노출된 패시베이션층(305)을 식각한다.Next, the exposed
이때, 식각은 건식식각(dry etching), 습식식각(wet etching)을 불문하나, 비록 등방성(isotropy) 식각이 이루어져 식각면이 매끄럽지 못하다는 단점은 있으나, 소재의 선택성(selectivity)이 우수한 습식식각을 이용하는 것이 바람직하다.At this time, the etching may be dry etching or wet etching, but although the etching surface is not smooth due to isotropy etching, the wet etching with excellent selectivity is excellent. It is preferable to use.
상기 식각공정은 노출된 패시베이션층(305) 영역이 모두 식각되어 하부의 제1 타입 실리콘 베이스 기판(300)이 노출될 때 까지 행하여 진다.The etching process is performed until all of the exposed
따라서, 상기 공정에서 습식식각 공정을 이용한다면 식각공정에 사용되는 식각액은 패시베이션층(305)에 대한 선택성은 높고, 결정질 실리콘 기판에 대한 선택성이 낮은 용액을 사용하는 것이 바람직하다. Therefore, if the wet etching process is used in the above process, the etchant used in the etching process may be a solution having high selectivity to the
다음으로, 도 5d에서와 같이, 포토레지스트 패턴(311)을 제거하게 되면, 하 부의 제1 타입 실리콘 베이스 기판(300)을 노출시키는 공극(315)이 형성되어 있는 패시베이션층(305)이 남아 있게 된다.Next, as shown in FIG. 5D, when the
이러한 공극을 형성시키는 방법으로는 포토 레지스트를 이용하여 식각공정으로 이루어 질 수 도 있으며, 나노 임프린트 공정 및 자기배열 유기물을 이용한 다양한 패터닝 방법이 적용 될 수도 있다.As the method for forming the pores, the etching process may be performed using a photoresist, and various patterning methods using a nanoimprint process and a self-aligned organic material may be applied.
다음으로, 도 5e에서와 같이, 패시베이션층(305) 상에 제2 타입 비정질 실리콘을 증착하여 제2 타입 비정질 실리콘층(310)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 5E, the second type amorphous silicon is deposited on the
이때, 제2 타입 비정질 실리콘물질은 상기 패시베이션층(305)의 상부와 공극(315)에 의해 노출되어 있는 제1 타입 실리콘 베이스 기판(300)층에 증착되며, 증착시간을 계속 유지하게 되면, 공극(315)은 모두 제2 타입 비정질 실리콘 물질로 채워지게 되어, 도 5e와 같은 구조를 가지게 된다.In this case, the second type amorphous silicon material is deposited on the first type
다만, 상기 5d공정과 도 5e공정 순서를 바꾸게 되면, 즉 포토레지스트패턴(311)이 존재하는 상태에서 제2 타입 비정질 실리콘 물질을 증착한 후, 포토레지스트 패턴을 제거해주게 되면, 앞서 제시하였던 도 3b와 같이 오직 공극(315) 내부에서만 p-n접합을 이루면서 동시에 패시베이션층(305)의 상부에는 제2 타입실리콘물질이 형성되어 있지 않는 구조를 얻을 수 있게 된다.However, if the order of the process of 5d and 5e is changed, that is, when the second type of amorphous silicon material is deposited in the state where the
다음으로, 도 5f에서와 같이, 제2 타입 실리콘층(310) 상에 ITO(Indium Tin Oxide)나 AZO(Aluminum-doped zinc oxide)와 같은 물질을 이용하여 투명전도막(320)을 형성하고, 상기 투명전도막(320) 상에 상부 금속전극(330)을 섀도마스크나 스크린 프린팅을 이용하여 일정한 간격을 유지하면서 형성하고, 마지막으로 제1 타입 실리콘 베이스 기판(300)의 하부에 하부전극(340)을 형성하게 되면, 본 발명에 따른 이종접합 실리콘 태양전지가 완성된다.Next, as shown in FIG. 5F, the transparent
이하에서는 본 발명의 실시예들에 따른 이종접합 실리콘 태양전지에 의할 경우 효율의 안정성과 재연성이 매우 우수하다는 것을 구체적인 실험예들을 들어 설명한다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략한다.Hereinafter will be described with reference to specific experimental examples that the stability and reproducibility of the efficiency is very excellent when the heterojunction silicon solar cell according to the embodiments of the present invention. Details not described herein are omitted because they can be sufficiently inferred by those skilled in the art.
< 실시예><Example>
p형 실리콘 기판 (1~2Ω·cm)을 RCA 방법을 통한 표면 처리를 한 이후 묽은 불산으로 자연 산화막을 제거하고 로(furnace)에서 약 850℃의 습식 열처리를 통해 전면 및 후면에 30 nm 두께의 패시 베이션막으로서 SiO2 막을 형성하였다.After the p-type silicon substrate (1 ~ 2Ωcm) was surface treated by RCA method, the natural oxide film was removed with dilute hydrofluoric acid and wet annealed at about 850 ° C in the furnace to have a thickness of 30 nm on the front and back. An SiO 2 film was formed as the passivation film.
그 후, 상기 실리콘 기판의 전면의 SiO2 막 상부에 포지티브 포토레지스트를 약 1㎛의 두께로 도포한 다음, 포토마스크를 이용하여 소정부위만을 노광 처리한 다음 현상하였다.Thereafter, a positive photoresist was applied on the SiO 2 film on the entire surface of the silicon substrate to a thickness of about 1 μm, and only a predetermined portion was exposed using a photomask and then developed.
이러한 과정을 거쳐 형성된 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 하고 에칭용액을 이용하여 SiO2막을 습식(Wet) 에칭을 통해 에칭한 다음 포토레지트를 제거하였다.The photoresist pattern formed through this process was used as an etching mask, and the SiO 2 film was etched by wet etching using an etching solution, and then the photoresist was removed.
그 후 패터닝 된 실리콘 기판을 HF:H2O (1:100) 용액에 30초 정도 에칭하여 노출된 SiO2를 제거한 다음, 플라즈마 화학기상 증착장치(PECVD)에 넣고 H2, SiH4, PH3 혼합 가스를 이용하여 n 타입 비정질 실리콘을 10 nm 정도 증착하였다.Subsequently, the patterned silicon substrate was etched in HF: H 2 O (1: 100) solution for about 30 seconds to remove the exposed SiO 2, and then placed in a plasma chemical vapor deposition apparatus (PECVD), followed by H 2 , SiH 4 , and PH 3. N-type amorphous silicon was deposited by about 10 nm using a mixed gas.
그 후, 비정질 실리콘 위에 투명 전도 산화막인 ZnO를 스파터링 방식을 이용하여 80nm 정도 증착하였다.Thereafter, ZnO, a transparent conductive oxide film, was deposited on the amorphous silicon by about 80 nm using a spattering method.
투명 전도 산화막 상에 새도우 마스크를 이용하여 일정한 간격을 유지하는 전면 전극으로 Ag를 열기상방식(thermal evaporation)으로 1㎛ 증착하고, 마지막으로 뒷면 전극으로 Al을 500nm 정도를 올렸다.Ag was deposited on the transparent conductive oxide film by using a shadow mask at a constant interval of 1 μm by thermal evaporation, and finally, Al was 500 nm on the back electrode.
정확한 면적 정의를 위해 1cm × 1cm 면적 외의 지역은 습식(wet)에칭을 통해 ZnO를, Reactive Ion Etching(RIE)를 이용하여 비정질 실리콘(a-Si)을 드라이 에칭으로 제거하였다.Areas outside the 1 cm x 1 cm area were wet-etched to remove ZnO and wet-etched amorphous silicon (a-Si) using Reactive Ion Etching (RIE).
< 비교예>Comparative Example
실시예와 동일한 실리콘 p형 웨이퍼를 이용하여 RCA 표면처리 이후 HF:H2O (1:100) 용액에 30초 정도 에칭 하여 노출된 SiO2를 제거한 다음, 플라즈마 화학기상 증착장치(PECVD)에 넣고 H2,SiH4,PH3 혼합 가스를 이용하여 n 타입 비정질 실리콘을 10 nm 정도 증착하였다.After the RCA surface treatment using the same silicon p-type wafer as in Example, the exposed SiO 2 was etched in HF: H 2 O (1: 100) solution for about 30 seconds, and then placed in a plasma chemical vapor deposition apparatus (PECVD). N-type amorphous silicon was deposited by about 10 nm using H 2 , SiH 4 , PH 3 mixed gas.
그 후 비정질 실리콘 위에 투명 전도산화막인 ZnO를 스파터링 방식을 이용하여 80 nm 정도 증착하였고, 그 위에 쉐도우 마스크를 이용하여 일정한 간격을 유지 하는 전면 전극으로 Ag를 열기상방식(thermal evaporation)으로 1㎛ 증착하고, 마지막으로 뒷면 전극으로 Al을 500nm 정도를 올렸다.After that, ZnO, a transparent conductive oxide film, was deposited on the amorphous silicon by about 80 nm by using a spattering method, and Ag was used as a thermal evaporation method with a front electrode that maintains a constant interval using a shadow mask thereon. After evaporation, Al was finally raised to about 500 nm with the back electrode.
정확한 면적 정의를 위해 1cm × 1cm 면적 외의 지역은 습식(wet)에칭을 통해 ZnO를, RIE를 이용하여 a-Si을 드라이 에칭으로 제거하였다. Areas outside the 1 cm x 1 cm area were removed by dry etching with ZnO by wet etching and a-Si using RIE for accurate area definition.
모든 오차를 줄이기 위해 실시예와 비교예의 샘플은 플라즈마 화학기상 증착장치를 통한 비정절 실리콘 증착부터 동시에 이루어졌다.In order to reduce all errors, the samples of Examples and Comparative Examples were simultaneously made from amorphous silicon deposition through a plasma chemical vapor deposition apparatus.
도 6은 상기 실시예에 따라 제조된 패터닝 되어진 패시베이션층 표면의 평면 모습(좌측)과, 이를 이용해 만들어진 태양전지의 단면 모양(우측)을 나타내는 주사전자현미경(SEM) 및 투과 전자 현미경 (TEM) 사진이다.6 is a scanning electron microscope (SEM) and transmission electron microscope (TEM) photograph showing a plan view (left) of the surface of a patterned passivation layer prepared according to the above embodiment, and a cross-sectional shape (right) of a solar cell made using the same. to be.
도 6을 참조하면, p/n 형성을 위한 일정한 간격으로 이격 패터닝된 실리콘 웨이퍼의 평면을 잘 보여주고 있으며, 단면에서 비정질/결정질 접촉에 의해 생성된 다이오드 지역과 SiO2로 패시베이션 되어진 영역, 비정질실리콘과 투명전도 산화막의 계면을 보여주고 있다.Referring to FIG. 6, the plane of the patterned silicon wafer spaced at regular intervals for p / n formation is shown well, and in the cross-section, the region of the silicon passivated by SiO 2 and the region of amorphous silicon, which is formed by amorphous / crystalline contact, amorphous silicon And the interface of the transparent conductive oxide film.
표 1은 상기 실시예와 비교예에 의해 만들어진 태양전지의 변환효율의 결과를 나타낸다. Table 1 shows the results of the conversion efficiency of the solar cell produced by the above Examples and Comparative Examples.
표 1을 참조하면, 실시예의 태양전지의 경우 비교예보다 개방 회로 전압(Voc), 단락 회로 전류 밀도(Jsc)의 감소에도 불구하고, 충진율(fill factor : FF) 의 증가로 인해서 조금 더 나아진 효율의 특성을 보여주고 있음을 알 수 있다.Referring to Table 1, in the case of the solar cell of the embodiment, despite the reduction of the open circuit voltage (Voc) and the short-circuit current density (Jsc), compared to the comparative example, a slightly better efficiency due to the increase of the fill factor (FF) It can be seen that the characteristics of.
또한 여러 개의 샘플을 제작 비교한 결과 실시예에 의해 제작된 태양전지의 경우 효율의 안정성과 재연성을 보여주었다.In addition, as a result of fabricating and comparing several samples, the solar cell manufactured according to the example showed stability of stability and reproducibility.
도 7은 실시예에 따라 제조된 실리콘 태양전지와 비교예에 따라 제조된 태양전지에 있어서, 빛의 파장에 따란 스펙트럼 응답 특성 변화 나타내는 그래프이다.7 is a graph illustrating changes in spectral response characteristics according to wavelengths of light in a silicon solar cell manufactured according to an embodiment and a solar cell manufactured according to a comparative example.
도 7을 참조하면, p/n 접촉 지역의 감소에 따른 공핍층 영역의 감소로 인해 단파장영역에서 실시예의 경우 약간 낮은 응답특성을 보이지만 장파장 영역에서는 더 높아진 스펙트럼 응답 특성을 보여주고 있음을 알 수 있다.Referring to FIG. 7, it can be seen that the embodiment shows a slightly lower response in the short wavelength region due to the decrease in the depletion layer region due to the decrease in the p / n contact region, but shows a higher spectral response characteristic in the long wavelength region. .
이것은 벌크영역에 있어서 실시예의 경우 스펙트럼 응답 특성의 증가로 인해 단락 전류 밀도에 기여함을 보여주고 있는 것이다.This shows that in the bulk region, the embodiment contributes to the short circuit current density due to the increase in the spectral response characteristic.
이러한 특징은 반사도의 감소와 함께 주입된 에너지의 증가와 표면 패시베이션으로 인한 재결함율 감소에 따른 이유라고 볼 수 있다. This characteristic can be attributed to the increase of the injected energy with the decrease of reflectivity and the reduction of the re-defect rate due to surface passivation.
이를 참조하면 결정질 표면의 패시베이션의 효과를 통해 표면 결함 감소효과, pn 다이오드 특성 향상 및 FF의 증가와 함께 효율의 향상에 기여함을 알 수 있다. Referring to this, it can be seen that the effect of passivation of the crystalline surface contributes to the improvement of efficiency with the reduction of surface defects, the improvement of pn diode characteristics, and the increase of FF.
이상 첨부된 도면 및 표를 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings and tables, the present invention is not limited to the above embodiments, but may be manufactured in various forms, and common knowledge in the art to which the present invention pertains. Those skilled in the art can understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive.
본 발명의 실시예에 따른 이종접합 실리콘 태양전지에 의하면 비정질/결정질 실리콘 간의 접촉면적을 최소화 함으로써, 계면 결함을 줄일 수 있으며, 최소한의 점접촉 내지는 일부면 접촉을 통한 p-n 다이오드 특성향상을 통해 태양전지의 충진율의 증가 및 향상된 효율을 보여주었다.According to the heterojunction silicon solar cell according to the embodiment of the present invention, by minimizing the contact area between amorphous and crystalline silicon, interface defects can be reduced, and the solar cell can be improved through pn diode characteristics through minimum point contact or partial surface contact. Increased filling rate and improved efficiency.
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