KR100937140B1 - 고효율 태양전지 - Google Patents

Abstract

고효율의 태양전지 및 그 제조 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 태양전지(100)는 기판(110), 기판(110) 상에 형성된 경사 식각 프로파일을 갖는 패턴층(120), 패턴층(120) 상에 형성된 반도체층(130), 반도체층(130) 상에 형성된 투명 전도층(140), 및 전극(150, 160)을 포함한다. 본 발명에 따르면, 피드미드형, 콘형의 요철 패턴층(120)을 기판(110) 상에 형성하여 태양광의 흡수 효율을 향상시킴으로써 고효율의 태양전지를 제조할 수 있다.

태양전지, 요철

Description

고효율 태양전지{High Efficiency Solar Cell}

본 발명은 고효율의 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 피드미드형, 콘형의 요철 패턴층을 기판 상에 형성하여 태양광의 흡수 효율을 향상시킬 수 있는 고효율 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 태양전지는 반도체 성질을 이용하여 태양의 광 에너지를 직접 전기 에너지로 변환 시키는 장치로 p형 반도체와 n형 반도체를 조합하여 만들어 지며 그 작동 원리는 다음과 같다. 태양전지의 표면에 햇빛을 비추면 전자-정공의 쌍이 만들어지고, 이중 음의 전기를 띤 전자들은 태양전지의 n형 반도체 쪽으로 이동하게 되고 양의 전기를 전공들은 태양전지의 p형 반도체 쪽으로 이동하게 되어 태양전지 내에서 전위차가 생기고, 이때 태양전지의 양끝에 전선을 연결시키면 전류가 흐르게 된다.

태양전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 직접 변환이 가능하게 하므로, 에너지원이 무한할 뿐만 아니라 친환경적이고 수명이 긴 장점이 있다. 그러나, 태양전지의 표면에서 빛의 전반사에 의하여 발생하는 광학적 손실, 작동 중 캐리어를 수집하는 전극 부분에서의 저항에 따른 손실, 및 캐리어의 재결합(recombination) 현상에 의한 손실 등에 의하여 높은 수준의 변환 효율을 얻을 수 없으므로 태양전지의 상용화에는 아직 어려움이 있다. 여기서, 변환 효율은 태양전지에 입사된 광 에너지에 대하여, 태양전지에 의해 전기에너지로 변환하여 뽑아낼 수 있는 에너지의 비율을 표시하는 값으로 백분율(%)로 나타낸 값을 말한다.

상술한 바와 같은 태양전지에서 발생되는 손실 중에서 태양전지의 표면에서 빛의 전반사에 의하여 발생하는 광학적 손실이 가장 큰 손실로 되어 있다. 따라서, 태양전지의 표면에서 발생하는 태양광의 전반사를 줄여서 태양전지의 효율을 높이고자 하는 다양한 연구가 진행되어 왔다.

도 1은 종래의 태양전지(10)의 구성을 나타내는 도면이다.

도시한 바와 같이, 종래의 태양전지(10)는 p형으로 도핑된 실리콘 기판(11), n형 실리콘 반도체층(13) 및 투명 전도층(14)이 적층된 구조로 되어 있으며, 기판(11)의 뒷면과 투명 전도층(14)의 상면에는 각각 하부전극(15)과 상부전극(16)이 형성되어 있다. 이때, 기판(11)과 n형 반도체층(13) 계면 상에는 산화물 패턴층(12)이 형성되어 있는데, 산화물 패턴층(12)은 기판(11)과 n형 반도체층(13)이 포인트 접촉을 이루게 하여 계면에서 발생되는 전자와 정공의 재결합 현상을 저감시키는 역할을 한다. 이는 태양전지의 누설전류를 줄여주어 결과적으로는 태양전지의 효율이 향상된다. 그러나, 앞서 설명한 바와 같이 태양전지는 표면에서 발생하는 광학적 손실이 가장 크므로 산화물 패턴층을 형성하여 태양전지의 효율을 높이는 효과는 제한적이라고 밖에 할 수 없다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 변환 효율이 높은 고효율의 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 태양전지는 태양광의 흡수 효율을 향상시키기 위해 형성된 경사 식각 프로파일을 갖는 패턴층을 포함한다.

그리고, 상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 형성된 경사 식각 프로파일을 갖는 패턴층; 상기 패턴층 상에 형성된 반도체층; 및 상기 반도체층 상에 형성된 투명 전도층을 포함한다.

상기 기판은 다결정 실리콘을 포함할 수 있다.

상기 패턴층은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.

상기 패턴층의 형상은 피라미드형, 콘형을 포함할 수 있다.

상기 반도체층은 n형으로 도핑된 비정질 실리콘을 포함할 수 있다.

상기 투명 전도층은 ITO, ZnO를 포함할 수 있다.

그리고, 상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 태양전지 제조 방법은 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 경사 식각 프로파일을 갖는 패턴층을 형성하는 단계; 상기 패턴층 상에 반도체층을 형성하는 단계; 및 상기 반도체층 상에 형성된 투명 전도층을 형성하는 단계를 포함한다.

상기 패턴층의 형상은 피라미드형, 콘형을 포함할 수 있다.

상기 패턴층을 형성하는 방법은 습식 식각법, 플라즈마 식각법과 같은 등방성 식각법을 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 태양전지의 p형 실리콘 기판과 n형 실리콘 반도체층의 계면에 피라미드형, 콘형의 패턴층(경사 식각 프로파일을 갖는 패턴층)을 삽입시킴으로써 태양전지의 태양광의 흡수율이 향상되어 태양전지의 효율이 높아지는 효과가 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세하게 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지(100)의 구성을 나타내는 도면이다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양전지(100)는 p형으로 도핑된 실리콘 기판(110), n형 실리콘 반도체층(130) 및 투명 전도층(140)이 적층된 구조로 되어 있으며, 기판(110)의 뒷면과 투명 전도층(140)의 상면에는 각각 하부전극(150)과 상부전극(160)이 형성되어 있다. 이때, 기판(110)은 p형으로 도핑된 다결정 실리콘을 포함할 수 있으며, 반도체층(130)은 n형으로 도핑된 비정질 실리콘을 포함할 수 있다. 또한, 투명 전도층(140)은 ITO(Indium Tin Oxide), ZnO를 포함할 수 있다.

본 발명의 태양전지(100)에서 기판(110)과 n형 반도체층(130) 계면 상에는 패턴층(120)이 형성되어 있는데, 도 2에 도시한 바대로 본 발명은 패턴층(120)이 피라미드 또는 콘 형상을 가지는 것을 특징적 구성으로 하며, 그 결과 기판(110)의 표면에 요철 패턴이 형성됨으로써 태양전지에 입사되는 태양광의 표면 반사율의 저하됨에 따라 태양광의 흡수율이 증가하여 태양전지의 효율이 향상되는 효과가 있다. 아울러, 패턴층(120)에 의해 기판(110)과 n형 반도체층(130) 계면에서 발생되는 전자와 정공의 재결합에 따른 누설전류가 감소하는 이유로도 태양전지의 효율이 향상된다. 패턴층(120)은 기판(110)의 재질이 실리콘이라는 점을 감안할 때 공정의 편의상 실리콘 산화물로 이루어지는 것이 바람직하다.

도 3a 내지 도 3e는 실리콘 산화물 패턴층(120)을 형성하는 과정을 나타내는 도면이다.

도 3a를 참조하면, 태양전지의 제작에 사용될 기판(110)을 준비한다. 상술한 바와 같이, 기판(110)은 p형으로 도핑된 다결정 실리콘을 포함할 수 있다.

도 3b를 참조하면, 기판(110) 상에 실리콘 산화물층(102)을 형성한다. 실리콘 산화물층(102)을 형성하는 방법은 열 산화법, PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)법 등을 포함할 수 있다.

도 3c를 참조하면, 통상적인 포토 리소그래피 공정을 이용하여 실리콘 산화물층(102) 상에 포토 레지스트 패턴층(104)을 형성한다. 통상적인 포토 리소그래피 공정은 이미 공지의 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 3d를 참조하면, 포토 레지스트층(104) 사이로 노출되어 있는 실리콘 산화물층(102)을 식각하여 피라미드 또는 콘의 형상을 갖는 실리콘 산화물 패턴층(120) 을 형성한다. 이때, 포토 레지스트 패턴층(104)은 실리콘 산화물층(102)의 식각 마스크의 역할을 한다. 실리콘 산화물층(102)의 식각 방법으로는 습식 식각(wet etching)법 또는 플라즈마 식각(plasma etching)법 등과 같은 등방성 식각(isotropic etching)법을 포함할 수 있다. 이와 같은 등방성 식각법을 적용함으로써 실리콘 산화물 패턴층(120)은 피라미드형 또는 콘형의 경사 식각 프로파일을 가지게 된다. 실리콘 산화물 패턴층(120)의 크기는 수백 nm 내지 수 ㎛의 범위로 하는 것이 바람직하다.

도 3e를 참조하면, 포토 레지스트 패턴층(104)을 제거한다. 그 결과, 경사 식각 프로파일을 갖는 실리콘 산화물 패턴층(120)이 기판(110) 상에 형성된다.

이어서, 실리콘 산화물 패턴층(120) 상에 n형 실리콘 반도체층(130), 투명 전도층(140)을 차례로 형성하고 기판(110)의 뒷면과 투명 전도층(140)의 상면에 각각 하부전극(150)과 상부전극(160)을 형성하게 되면 최종적으로 본 발명에 따른 태양전지(100)가 완성된다.

이로써, 태양전지의 실리콘 기판 표면에 단순한 2차원 패턴층이 아니라 피라미드형 또는 콘형과 같은 수백 나노미터에서 수 마이크론 크기로 패턴층을 형성하여 표면에 요철 구조를 만듦으로써 태양전지에 입사되는 태양광의 반사율 감소 및 흡수율을 증가시켜 태양전지의 효율이 향상된다.

본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 전신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경에는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.

도 1은 종래의 태양전지의 구성을 나타내는 도면.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구성을 나타내는 도면.

도 3a 내지 도 3e는 실리콘 산화물의 패턴층을 형성하는 과정을 나타내는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 태양전지

110: 다결정 실리콘 기판

120: 실리콘 산화물 패턴층

130: n형 비정질 실리콘층

140: 투명 전도층

150: 하부 전극

160: 상부 전극

Claims (10)

1. 삭제
2. 기판;

   상기 기판 상에 형성된 경사 식각 프로파일을 갖는 실리콘 산화물로 이루어진 패턴층;

   상기 패턴층 상에 형성된 반도체층; 및

   상기 반도체층 상에 형성된 투명 전도층

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
3. 제2항에 있어서,

   상기 기판은 다결정 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
4. 삭제
5. 제2항에 있어서,

   상기 패턴층의 형상은 피라미드형, 콘형을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
6. 제2항에 있어서,

   상기 반도체층은 n형으로 도핑된 비정질 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
7. 제2항에 있어서,

   상기 투명 전도층은 ITO, ZnO를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
8. 기판을 준비하는 단계;

   상기 기판 상에 경사 식각 프로파일을 갖는 실리콘 산화물로 이루어진 패턴층을 형성하는 단계;

   상기 패턴층 상에 반도체층을 형성하는 단계; 및

   상기 반도체층 상에 형성된 투명 전도층을 형성하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 패턴층의 형상은 피라미드형, 콘형을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.
10. 제9항에 있어서,

    상기 패턴층을 형성하는 방법은 등방성 식각법을 포함하는 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.

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