KR100967903B1

KR100967903B1 - 적층형 태양전지 및 상기 태양전지의 제조방법

Info

Publication number: KR100967903B1
Application number: KR1020080135620A
Authority: KR
Inventors: 안병태; 박규찬
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2008-12-29
Filing date: 2008-12-29
Publication date: 2010-07-06

Abstract

본 발명은 전도성 기판 상에 p+ 층, 단결정 실리콘층, 비정질 실리콘층 및 투명 전도성 산화층이 순서대로 적층된 적층형 태양전지에 있어서, 상기 단결정 실리콘층의 두께가 1 ~ 100 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 적층형 태양전지에 관한 것이다. 또한 본 발명은 전도성 기판 상에 단결정 실리콘층과 비정질 실리콘층이 형성된 적층형 태양전지 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 단결정 실리콘 기판의 양면에 p+ 층을 형성하는 단계, 상기 단결정 실리콘 기판의 소정의 깊이에 수소 이온을 주입하여 비정질 실리콘층을 형성하는 단계, 상기 p+ 층 상부면에 전도성 기판을 형성하는 단계, 상기 단결정 실리콘 기판을 수소 이온을 주입한 위치에서 절단하는 단계 및 상기 비정질 실리콘층 상부면에 투명 전도성 산화물층을 형성하는 단계를 포함하는, 전도성 기판 상에 단결정 실리콘층과 비정질 실리콘층이 형성된 적층형 태양전지를 제조하는 방법에 관한 것이다.

단결정 실리콘, 비정질 실리콘, 수소 이온, 태양전지

Description

적층형 태양전지 및 상기 태양전지의 제조방법{Tandem Solar Cell And Manufacturing Method Therefor}

본 발명은 적층형 태양전지에 관한 것으로서, 전도성 기판 상에 p+ 층, 단결정 실리콘층, 비정질 실리콘층 및 투명 전도성 산화층이 순서대로 적층된 적층형 태양전지에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 한 장의 실리콘 단결정 기판으로부터 2개의 태양전지를 제조함으로써, 제조비용을 줄일 수 있는 적층형 태양전지 제조방법에 관한 것이다.

최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어서 특히 주목받고 있다. 태양전지에는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와 반도체 성질을 이용하여 태양빛을 전기에너지로 변화시키는 태양광 전지가 있다. 일반적으로 태양전지라고 하면 태양광 전지를 일컫는 것이다.

상기의 태양전지에 사용되는 반도체 재료의 종류에는 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 비정질 실리콘, 화합물 반도체 등이 있다. 상기 단결정 실리콘이나 다결정 실리콘을 이용하면 태양전지의 발전효율은 높지만 재료비가 비싸다는 단점이 있다. 따라서 비정질 실리콘이나 반도체 화합물 등을 증착하는 박막형 태양전지가 주목을 받고 있으나, 이러한 태양전지는 에너지 변환효율이 매우 낮고 빛에 장시간 노출되면 열화현상(Staebler-Wronski Effect)이 일어나서 시간이 갈수록 효율이 저하되는 문제점이 있다.

따라서, 태양전지의 제조비용을 줄이기 위하여 단결정 실리콘의 양을 적게 사용하는 반면, 효율이 저하되지 않은 태양전지를 제조할 수 있는 방법을 고안할 필요성이 대두된다.

본 발명의 목적은 전도성 기판 상에 단결정 실리콘층과 비정질 실리콘층이 형성된 적층형 태양전지를 제조함으로써, 고효율의 적층형 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 목적은, 고효율의 적층형 태양전지에 있어서 한 장의 실리콘 단결정 기판으로부터 2개의 적층형 태양전지를 제조함으로써, 태양전지의 제조비용을 줄이는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 적층형 태양전지는, 전도성 기판 상에 p+ 층, 단결정 실리콘층, 비정질 실리콘층 및 투명 전도성 산화층이 순서대로 적층된 태양전지로서, 상기 단결정 실리콘층의 두께는 1 ~ 100 ㎛ 인 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 전도성 기판은 금속판이거나, 그래파이트 또는 투명전극이 도포된 유리판이 될 수 있다.

또한 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 적층형 태양전지를 제조하는 방법은, 단결정 실리콘 기판의 양면에 p+ 층을 형성하는 단계, 상기 단결정 실리콘 기판의 소정의 깊이에 수소 이온을 주입하여 비정질 실리콘층을 형성하는 단계, 상기 p+ 층 상부면에 전도성 기판을 형성하는 단계, 상기 단결정 실리콘 기판을 수소 이온을 주입한 위치에서 절단하는 단계 및 상기 비정질 실리콘층 상부면에 투명 전도성 산화물층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 전도성 기판은 전도성 접착제 또는 다이렉트 본딩(direct bonding)에 의해 p+ 층 상부면에 형성될 수 있다.

바람직하게, 상기 전도성 기판은 금속판이거나, 그래파이트 또는 투명전극이 도포된 유리판인 것을 사용할 수 있다.

본 발명은 전도성 기판 상에 단결정 실리콘층과 비정질 실리콘층이 형성된 적층형 태양전지를 제조함으로써, 고효율의 태양전지를 제조할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, 한 장의 실리콘 단결정 기판으로부터 2개의 태양전지를 제조할 수 있으므로 태양전지의 제조비용을 절감할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 태양전지 구조의 단면도이다.

본 발명은 전도성 기판 상에 단결정 실리콘층과 비정질 실리콘층이 형성된 적층형 태양전지에 있어서, 전도성 기판(Conductive Substrate) 상에 p+ 층(p+), 단결정 실리콘층, 비정질 실리콘층(a-Si : H) 및 투명 전도성 산화층(TCO : Trasparent Conductive Oxide)이 순서대로 적층된 것을 포함하는 적층형 태양전지로서, 상기 단결정 실리콘층의 두께는 1 ~ 100 ㎛ 이 될 수 있다.

본 실시예의 단결정 실리콘층은 n형 단결정 실리콘 기판(n-type silicon wafer)에서 비롯된 것이다.

상기의 적층형 태양전지는 광전변환효율을 높이기 위하여 제안된 형태의 태양전지로서, 서로 다른 에너지 밴드갭(band-gap)을 갖는 물질을 2층 이상 사용하여 넓은 범위의 빛을 효과적으로 이용할 수 있게 하는 태양전지이다.

본 발명의 적층형 태양전지에 포함된 상기 단결정 실리콘의 에너지 밴드갭은 1.1eV이고, 상기 비정질 실리콘의 에너지 밴드갭은 1.7 ~ 1.8eV이므로, 이들의 광흡수 특성에는 차이가 있다. 따라서, 결정질 실리콘층은 약 350 ~ 1200nm의 파장영역의 입사광을 주로 흡수하는 반면, 비정실 실리콘층은 약 350 ~ 800nm의 파장영역의 입사광을 주로 흡수하게 된다. 그 결과, 본 발명의 단결정 실리콘층과 비정질 실리콘층을 포함하는 적층형 태양전지는 넓은 범위의 빛을 효과적으로 흡수할 수 있으므로 광전변환효율이 높다.

상기 전도성 기판(Conductive Substrate)은 금속판이거나, 그래파이트 또는 투명전극이 도포된 유리판을 사용할 수 있다. 본 실시예에서는 상기 전도성 기판(Conductive Substrate)을 전도성 접착제(Conductive Adhesive)를 사용하여 p+ 층(p+)에 부착하였다.

이하에서는 본 발명의 단결정 실리콘층과 비정질 실리콘층이 형성된 태양전지 제조방법을 도 2에 의거하여 단계별로 상세히 설명한다.

먼저, 도 2a와 같이, 단결정 실리콘 기판의 양면에 p+ 층(p+)을 형성한다. 상기의 단결정 실리콘 기판은 n형 단결정 실리콘 기판(n-type silicon wafer)을 사용하였다.

상기 p+ 층(p+)은 Boron Spin On Dopant(B-SOD)를 상기 단결정 실리콘 기판(n-type silicon wafer) 양면에 스프레이 코팅(spray coating)한 후 건조함으로써 형성시킬 수 있다.

또한 상기의 실시예에서는 p+ 층(p+)을 형성하기 위하여, B(보론)을 사용하였으나, B 뿐만 아니라 Ga(갈륨) 또는 Al(알루미늄)등의 원소를 사용할 수 있다. 그리고 상기의 실시예에서는 스프레이 코팅 후 건조하는 방법으로 p+ 층을 형성하였으나, 그 외에도 스핀 코팅(spin coating) 또는 스크린 프린트(screen print) 후 건조하는 방법을 사용할 수도 있다.

다음으로, 도 2b와 같이, 비정질 실리콘층(a-Si : H)을 형성하기 위하여 상기 단결정 실리콘 기판(n-type silicon wafer)의 소정의 깊이에 수소 이온을 주입한다. 본 실시예에서는 약 50μm 깊이에 수소 이온을 5 × 10¹⁶/cm²이상 주입하여 비정질 실리콘층(a-Si : H)을 형성한다. 이와 같이, 다량의 수소이온을 단결정 실 리콘 기판(n-type silicon wafer)에 주입하면 이온 주입 깊이(Rp) 근처는 이온 주입 데미지(damage)에 의해 단결정 실리콘이 비정질화되는 것이다. 따라서, 본 발명의 태양전지는 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)과 같은 비정질 실리콘 도포 공정을 거치지 않아도 비정질 실리콘층을 포함하게 된다.

상기 PECVD와 같은 공정을 이용하여 단결정 실리콘 기판 위에 비정질 실리콘을 도포하는 경우, 도포속도가 매우 느리기 때문에 태양전지의 양산 장비가 대형화되는 문제점이 있다. 뿐만 아니라, 비정질 실리콘을 도포하는 공정을 거치는 경우, 계면의 산화막이나 오염을 제거하기 위한 세정공정의 적정화가 중요하며, 플라즈마 데미지(plasma damage)에 의해 태양전지의 특성에 악영향을 줄 수 있다는 문제점도 고려해야 한다. 그러나 본 발명은 상기와 같은 비정질 실리콘 도포공정을 거치지 않으므로, 상기와 같은 문제점을 고려할 필요가 없다.

다음으로, 수소 이온을 5x10¹⁶/cm²이상의 상당한 양을 주입함으로써 Rp 영역에 수소를 응집시켜 상기 기판(n-type silicon wafer)이 분리되기 쉬운 상태로 만든다.

다음으로, 상기 기판(n-type silicon wafer)의 양면에 형성된 p+ 층(p+) 상부면에 전도성 기판(Conductive Substrate)을 형성한다. 상기 전도성 기판(Conductive Substrate)은 도 2c와 같이 전도성 접착제(Conductive Adhesive)에 의해 p+ 층(p+) 상부면에 형성될 수 있다. 상기 전도성 접착제(Conductive Adhesive)는 Cotronics社의 Duralco^TM 124을 사용할 수 있다. 상기 전도성 기 판(Conductive Substrate)은 전도성인 알루미늄 쉬트(aluminum sheeet)등의 금속판을 사용하거나, 그래파이트 또는 투명전극이 도포된 유리판을 사용할 수 있다.

본 실시예에서는 전도성 접착제(Conductive Adhesive)에 의해 상기 전도성 기판(Conductive Substrate)이 p+ 층(p+) 상부면에 형성되었으나, 상기 방법에 제한되지 않고, 다이렉트 본딩(direct bonding)에 의해서도 형성될 수 있다.

다음으로, 도 2d와 같이, 상기 단결정 실리콘 기판(n-type silicon wafer)을 수소 이온을 주입한 위치에서 절단하여 2개로 분리한다(wafer cleaving). 상기 절단공정에 의해 단결정 실리콘 층의 두께는 1 ~ 100 ㎛ 이 될 수 있다.

일반적으로 실리콘은 기계적으로 취약하기 때문에 통상적인 방법으로 실리콘 두께를 얇게 하는 공정에서 손상되는 문제점이 생기기 때문에, 이와 같은 문제점이 발생하는 것을 방지하기 위하여 실리콘 두께는 150 ㎛ 이상으로 하여 사용되고 있다. 그러나, 본 발명과 같은 수소 이온 주입 공정을 사용할 경우에는 단결정 실리콘층의 두께를 1 ~ 100 ㎛ 로 하여도 상기와 같은 문제점이 발생할 가능성이 낮다. 따라서, 본 발명은 얇은 두께의 단결정 실리콘층이 형성된 태양전지를 제조할 수 있으므로, 태양전지의 제조비용을 감소시킬 수 있다.

다음으로, 도 2e 와 같이, 상기 비정질 실리콘층(a-Si : H) 상부면에 투명 전도성 산화물(TCO : Transparent Conductive Oxide)층을 형성하여, 단결정 실리콘층과 비정질 실리콘층이 형성된 태양전지를 완성한다. 상기 투명 전도성 산화물층(TCO)은 태양전지에서 전극으로 사용된다.

상기 태양전지는 열화 현상(light induced degradation)과 짧은 광확산 거 리(short light diffusion length) 때문에, 태양전지의 효율을 높이려면 박막층이 얇게 제조되어야 한다. 그런데, 박막층의 두께가 얇아지면 광흡수층이 줄어들게 되므로 태양전지의 효율이 낮아질 수 있으므로, 광흡수를 높이기 위해서 투명 전도성 산화물층(TCO)을 피라미드 형태 등으로 텍스쳐링할 수 있다.

상기에서 설명한 바와 같이, 도 2a 내지 도 2e에 도시된 본 발명의 적층형 태양전지의 제조공정을 거쳐서, 한 장의 실리콘 단결정 기판으로부터 2개의 적층형 태양전지를 제조할 수 있다. 따라서 본 발명에 의하면 태양전지의 제조비용을 절감할 수 있다.

이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 범위에 속한다. 또한 본 명세서에서 설명한 각 구성요소의 물질은 당업자가 공지된 다양한 물질로부터 용이하게 선택하여 대체할 수 있다. 또한 당업자는 본 명세서에서 설명된 구성요소 중 일부를 성능의 열화없이 생략하거나 성능을 개선하기 위해 구성요소를 추가할 수 있다. 뿐만 아니라, 당업자는 공정 환경이나 장비에 따라 본 명세서에서 설명한 방법 단계의 순서를 변경할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.

도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 태양전지의 제조방법을, 공정단계에 따라 개략적으로 나타낸 적층형 태양전지 구조의 단면도이다.

Claims

전도성 기판 상에 p+ 층, 단결정 실리콘층, 비정질 실리콘층 및 투명 전도성 산화층이 순서대로 적층된 적층형 태양전지에 있어서,

상기 단결정 실리콘층의 두께는 1 ~ 100 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 적층형 태양전지.
제 1 항에 있어서,

상기 전도성 기판은 금속판이거나, 그래파이트 또는 투명전극이 도포된 유리판인 것을 특징으로 하는 적층형 태양전지.
전도성 기판 상에 단결정 실리콘층과 비정질 실리콘층이 형성된 적층형 태양전지 제조방법에 있어서,

단결정 실리콘 기판의 양면에 p+ 층을 형성하는 단계;

상기 단결정 실리콘 기판의 소정의 깊이에 수소 이온을 주입하여 비정질 실리콘층을 형성하는 단계;

상기 p+ 층 상부면에 전도성 기판을 형성하는 단계;

상기 단결정 실리콘 기판을 수소 이온을 주입한 위치에서 절단하는 단계; 및

상기 비정질 실리콘층 상부면에 투명 전도성 산화물층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 기판 상에 단결정 실리콘층과 비정질 실리콘층이 형성된 적층형 태양전지 제조방법.
제 3 항에 있어서,

상기 전도성 기판은 전도성 접착제 또는 다이렉트 본딩(direct bonding)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 전도성 기판 상에 단결정 실리콘층과 비정질 실리콘층이 형성된 적층형 태양전지 제조방법.
제 3 항에 있어서,

상기 전도성 기판은 금속판이거나, 그래파이트 또는 투명전극이 도포된 유리판인 것을 특징으로 하는 전도성 기판 상에 단결정 실리콘층과 비정질 실리콘층이 형성된 적층형 태양전지 제조방법.