KR100852700B1

KR100852700B1 - 고효율 태양전지 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR100852700B1
Application number: KR1020020018204A
Authority: KR
Inventors: 김대원
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2002-04-03
Filing date: 2002-04-03
Publication date: 2008-08-19
Also published as: KR20030079265A

Abstract

고효율 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 그 목적은 동종 pn 접합 구조의 결정질 실리콘 태양전지에서 표면 결함의 부동화 효과가 우수한 새로운 반사방지막 구조를 제안하는 것이다. 이를 위해 본 발명에서는 태양전지의 전면 및 후면 중의 적어도 하나 이상에 비결정질 실리콘 박막과 실리콘 질화막을 순차적으로 적층하여 실리콘의 결함을 부동화시킴과 동시에 반사방지막의 기능을 하며, 이 때 비결정질 실리콘 박막은 1 내지 20 nm 두께인 것이 바람직하며, 실리콘 질화막의 굴절률은 1.9 내지 2.3인 것이 바람직하다.

태양전지, passivation, 비결정질 실리콘

Description

고효율 태양전지 및 그 제조 방법 {High efficient solar cell and fabrication method thereof}

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 고효율 태양전지의 구조를 도시한 단면도이다.

도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 고효율 태양전지의 구조를 도시한 단면도이다.

도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 고효율 태양전지의 구조를 도시한 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따라 두께 15 nm인 비결정질 실리콘 박막 위에 실리콘 질화막을 형성한 경우, 종래 실리콘 질화막만을 부동화막을 사용한 겅우, 및 부동화막이 없는 실리콘 웨이퍼의 경우에 대해 소수 캐리어의 수명을 측정한 결과를 도시한 그래프이다.

본 발명은 고효율 실리콘 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실리콘 태양전지의 결함을 부동화(passivation)하는 부동화막의 성능이 우수한 고효율 태 양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

태양전지 상용제품의 대부분을 점유하고 있는 단결정, 다결정 및 다결정 박막을 포함한 결정질 실리콘 태양전지에서는 실리콘 표면과 내부의 결함들이 빛에 의해 생성된 전자 및 정공의 쌍의 재결합 센터로 작용하여 결과적으로 태양전지의 광전변환효율을 저하시키기 때문에, 결함을 효과적으로 부동화시킬 필요가 있다.

실리콘의 결함을 부동화하는 가장 대표적인 방법은 표면에 열산화막을 형성하는 것이다. 이 때 열산화막은 반사방지막의 역할도 할 수 있다. 일 예로서, 미국 특허 제4,927,770호, 제5,030,295호 및 제5,907,766호에 열산화막을 사용한 여러가지 반사방지막 및 부동화막이 개시되어 있다.

상기 특허에서는 모두 실리콘 표면을 부동화하기 위해 열산화막을 형성한 후, 반사방지 및 자외선 차단 효과를 위해 각각 실리콘 질화막, 다결정 실리콘 박막, 산화 티타늄(TiO₂) 박막을 사용하고 있다.

최근에는 시장점유율이 확대되고 있는 다결정 실리콘 태양전지를 중심으로 실리콘 질화막의 사용이 늘고 있다. 이는, 실리콘 질화막을 플라즈마 화학기상증착(PECVD:plasma enhanced chemical vapor depositon)법으로 형성하면 굴절율을 1.9에서 2.3까지 조절이 가능하여 이상적인 반사방지막의 역할을 할 수 있을 뿐 아니라, 박막에 포함된 다량의 수소를 사용하여 다결정 실리콘 결정립 내부, 결정립 계면 및 표면의 결함을 부동화할 수 있기 때문이다. 그러나, 일반적으로 실리콘 질화막의 표면 부동화 효과는 열산화막 보다는 떨어지는 것으로 알려져 있다.

한편, 일본 Sanyo사는 2000년도에 개최된 IEEE(미국 전기전자공학회) 태양광발전 국제회의에서, n형의 단결정 실리콘(c-Si) 기판 위에 10nm 미만 두께의 얇은 진성 비정질 실리콘 박막(thin intrinsic a-Si)을 형성하고, 그 위에 p형의 비정질 실리콘(a-Si) 층을 형성한 에이치아이티(HIT, 이하 HIT라 칭한다) 구조의 태양전지가 높은 부동화효과로 인해 광전변환효율이 높다는 내용의 논문을 발표한 바 있다. 이러한 HIT 구조의 기본적인 기능은 n형의 단결정 실리콘과 p형의 비정질 실리콘으로 구성된 이종(異種, hetero) pn 접합이다. 이종 pn 접합의 계면에는 많은 결함이 있어 빛에 의해 생성된 전자 및 정공쌍이 재결합된다. HIT 구조에서 이종 pn 접합의 사이에 있는 진성 비정질 실리콘 박막이 접합 계면의 결함을 부동화시킴으로써 광전변환효율이 향상되는 것이다.

그러나, 현재 상품화되어 있는 대부분의 태양전지는 p형의 결정질 실리콘 기판에 n형의 불순물을 확산시켜 pn 접합을 형성하는 동종(同種, homo) pn 접합 구조로 되어 있다.

본 발명의 목적은 동종 pn 접합 구조의 결정질 실리콘 태양전지에서 표면 결함의 부동화 효과가 우수한 새로운 반사방지막 구조를 제안하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 태양전지의 전면 및 후면 중의 적어도 하나 이상에 비결정질 실리콘 박막과 실리콘 질화막을 순차적 으로 적층한다. 실리콘 질화막은 비결정질 실리콘 박막과 함께 표면결함을 부동화 시킬 뿐만 아니라 반사방지막의 일부로 작용한다. 이 때, 비결정질 실리콘 박막은 1 내지 20 nm 두께인 것이 바람직하며, 실리콘 질화막의 굴절률은 1.9 내지 2.3인 것이 바람직하다.

또한, 비결정질 실리콘 박막과 실리콘 질화막은 일반적인 PECVD법을 사용하여 300℃ 정도의 비교적 낮은 온도에서 연속적으로 증착하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에 따른 고효율 태양전지 및 그 제조 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 고효율 태양전지의 구조를 도시한 단면도로서, p형 실리콘 기판(1)의 전면에 n형 에미터 층(2)이 형성된 일반적인 실리콘 태양전지에 본 발명을 적용한 일례이다. 즉, 실리콘 질화막(4)의 표면 부동화 효과를 혁신적으로 향상시키기 위해 n형 에미터 층(2) 상에 비결정질 실리콘 박막(3)을 형성한 후, 비결정질 실리콘 박막(3) 상에 실리콘 질화막(4)을 형성한다. 또한, 실리콘 질화막(4)의 표면으로부터 에미터 층(2)의 상면이 노출될 때까지 다수개의 홈을 형성하고 홈 내부를 도전성 물질로 충진함으로써 n형 에미터 층(2)과 전기적으로 연결되는 전면 전극(5)이 형성되어 있고, p형 실리콘 기판(1)의 후면 상에는 후면 전극(6)이 형성되어 있다.

비결정질 실리콘 박막(3)과 실리콘 질화막(4)은 PECVD법을 이용하여 연속적으로 제조할 수 있다. PECVD법에 의한 제조조건의 일례를 표 1에 나타내었다.

	비결정질 실리콘 박막	실리콘 질화막
기판 온도 (℃)	300	300
SiH₄ 유량 (sccm)	20	20
H₂ 유량 (sccm)	50	200
NH₃ 유량 (sccm)	0	50
반응실 압력 (Torr)	0.3	0.3
RF 전력 (W)	10	50

표 1에 나타난 바와 같은 조건으로 비결정질 실리콘 박막(3)을 형성할 때, H₂ 유량과 RF 전력을 증가시키면 미세결정질 실리콘으로 제조할 수도 있다. 이와 같은 비결정질 실리콘 박막(3)은 실리콘 질화막(4)과 n형 에미터 층(2) 사이에서 완충역할을 할 수 있다.

실리콘 질화막(4)은 반사방지막의 일부로 작용하기 때문에 굴절율과 두께 균일도의 조절이 중요하다. 굴절율과 두께 균일도는 RF전력, 반응실 압력, 가스유량으로 조절할 수 있다. 따라서, 실리콘 질화막의 제조조건은 원하는 굴절율과 두께 균일도를 얻기 위해 최적화되어야 한다. 실리콘 질화막의 굴절율은 반사방지막의 구조에 따라 1.9 내지 2.3의 값이 요구되며, 두께는 균일할수록 바람직하다.

일반적인 평행평판형 PECVD 시스템을 사용하여 비결정질 실리콘 박막 및 실리콘 질화막을 제조하는 경우 플라즈마를 구성하는 양이온이 기판표면을 두드려 기판에 결함이 발행하는 현상은 불가피하다. 그러나, 그 정도는 RF 전력과 반응실 압력 등의 조절에 의해 최소화할 수 있다. 따라서, 실리콘 질화막(4)의 제조조건은 반사방지막 용도로 최적화하고, 비결정질 실리콘 박막(3)의 제조조건은 실리콘 표면의 결함을 최소화하도록 최적화하면 실리콘 기판 표면의 결함발생을 최소화하면서 반사방지막을 제조할 수 있다. 그 결과 실리콘 질화막(4)의 실리콘 표면 부동화 효과를 혁신적으로 향상시킬 수 있다.

다만, 비결정질 실리콘 박막(3)은 태양전지로 들어가는 빛의 일부를 흡수하여 태양전지의 효율을 저하시킬 수 있으므로 두께는 가능한 한 얇은 것이 바람직하다. 비결정질 실리콘 박막(3)의 두께를 20 nm 이하로 하면 광흡수에 의한 효율저하의 우려 없이 실리콘 표면의 부동화 효과를 극대화할 수 있다. 또한, 비결정질 실리콘 박막은 그 효과를 발휘하기 위해서는 1 nm 이상인 것이 바람직하다.

도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 고효율 태양전지의 구조를 도시한 단면도이다. 도 2에 도시된 태양전지는 실리콘 기판(10)의 후면에 n형 에미터(11)와 p형 베이스(12)를 모두 형성하고, n형 에미터(11) 및 p형 베이스(12)와 각각 전기적으로 연결되는 에미터 전극(15)과 베이스 전극(16)을 형성한 후면접합형 태양전지이며, 실리콘 기판(10)의 전면에 비결정질 실리콘 박막(13)과 실리콘 질화막(14)을 차례로 적층되어 있다.

이와 같은 후면접합형 태양전지는 전면에 전극이 형성되어 있지 않으므로 특히 집광형 태양전지에 유리한 구조이다. 비결정질 실리콘 박막(13)과 실리콘 질화막(14)의 제조방법은 도 1 구조의 제1실시예와 동일하다. 후면접합형 태양전지에서는 실리콘 기판(10) 전면의 부동화가 더욱 중요하므로 본 발명에 의한 효과가 더욱 현저할 것으로 기대된다.

도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 태양전지의 구조를 도시한 단면도로서, 여기에 도시된 구조는 p형 실리콘 기판(20)의 전면에 n형 에미터 층(21)이 형성된 실리콘 태양전지의 전면 및 후면에 각각 비결정질 실리콘 박막(22a, 22b)과 실리콘 질화막(23a, 23b)이 적층된 구조이다. 즉, n형 에미터 층(21)의 전면에 비결정질 실리콘 박막(22a)과 실리콘 질화막(23a)이 차례로 형성되어 있고, p형 실리콘 기판(20)의 후면에 비결정 실리콘 박막(22b)과 실리콘 질화막(23b)이 차례로 형성되어 있다. 또한, 태양전지의 전면에는 실리콘 질화막(23a)의 표면으로부터 n형 에미터 층(21)의 상면이 노출될 때까지 다수개의 홈을 형성하고 홈 내부를 도전성 물질로 충진함으로써 n형 에미터 층(21)과 전기적으로 연결되는 전면 전극(24)이 형성되어 있고, 태양전지의 후면에는 실리콘 질화막(23b)의 표면으로부터 p형 실리콘 기판(20)의 후면이 노출될 때까지 다수개의 홈을 형성하고 홈 내부를 도전성 물질로 충진함으로써 p형 실리콘 기판(20)과 전기적으로 연결되는 후면 전극(25)이 형성되어 있다.

이 때, 실리콘 기판(20)의 품질이 우수하거나 두께가 얇은 경우 후면에서의 부동화는 태양전지의 성능에 큰 영향을 줄 수 있으며, 본 발명을 적용함으로써 태양전지 변환효율의 향상을 기대할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따라 두께 15 nm인 비결정질 실리콘 박막 위에 실리콘 질화막을 형성한 구조에서 소수 캐리어의 수명(lifetime)을 측정한 결과로서, 종래 실리콘 질화막만을 부동화막으로 사용한 겅우와, 부동화막이 없는 실리콘 웨이퍼의 경우에 대한 소수 캐리어 수명 측정 결과와 비교하여 도시한 그래프이다. 이 때 소수 캐리어의 수명은 태양전지의 성능을 결정하는 결정적인 인자이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 비결정질 실리콘 박막과 실리콘 질화막을 형성하면, 종래 실리콘 질화막만을 형성한 것에 비해 소수 캐리어의 수명 의 2배 정도 향상됨을 알 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따라 비결정질 실리콘 박막과 실리콘 질화막을 차례로 증착하여 부동화막으로 사용하면, 종래의 열산화막 또는 실리콘 질화막 단독에 의한 것보다 부동화 효과가 대폭 향상되어 태양전지의 성능이 향상되는 효과가 있다.

또한, 본 발명에서는 비결정질 실리콘 박막과 실리콘 질화막을 형성할 때 기판온도가 300℃ 정도이므로, 종래 1000℃ 정도에 비하여 제조공정 온도를 크게 낮추고, 이로 인해 제조 원가가 낮아지는 효과가 있다.

Claims

제1도전형의 반도체 기판;

상기 제1도전형의 반도체 기판 상에 형성되고 상기 제1도전형의 반도체 기판과 반대 도전형을 가지는 제2도전형의 반도체층;

상기 제1도전형의 반도체 기판과 제2도전형의 반도체층 사이의 계면에 형성된 pn 접합;

상기 제2도전형 반도체층의 적어도 일부분과 접촉하는 전면전극;

상기 제1도전형 반도체 기판의 적어도 일부분과 접촉하는 후면전극;

상기 제2도전형 반도체층의 전면 및 상기 제1도전형 반도체 기판의 후면 중 적어도 하나에 형성된 비결정질 실리콘 박막;

상기 비결정질 실리콘 박막에 직접 접촉되어 형성된 실리콘 질화막

을 포함하는 태양전지.
제 1 항에 있어서, 상기 비정질 실리콘 박막은 1~20 nm 의 두께인 태양전지.
제 1 항에 있어서, 상기 실리콘 질화막의 굴절률은 1.9 내지 2.3인 태양전지.
반도체 기판;

상기 반도체 기판의 후면으로부터 소정깊이로 형성된 다수개의 홈과, 상기 홈의 내부에 충진된 제1도전형의 물질로 이루어진 에미터;

상기 반도체 기판의 후면으로부터 소정깊이로 형성된 다수개의 홈과, 상기 홈의 내부에 충진된, 제1도전형과 반대 도전형을 가지는 제2도전형 물질로 이루어진 베이스;

상기 에미터 상에 형성된 에미터 전극;

상기 베이스 상에 형성된 베이스 전극;

상기 반도체 기판의 전면에 형성된 비결정질 실리콘 박막;

상기 비결정질 실리콘 박막에 직접 접촉되어 형성된 실리콘 질화막

을 포함하는 태양전지.