KR100976454B1 - 태양 전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 태양 전지는, 서로 반대되는 제1 면과 제2 면을 구비한 제1 전도성 타입의 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 제1 면에 전기적으로 연결된 제1 전극; 상기 반도체 기판의 제2 면 부근에 형성된 제2 전도성 타입의 에미터; 상기 에미터 위에 형성되며 투명 전극으로 구성되는 반사 방지막; 및 상기 반사 방지막 위에 형성되어 상기 반사 방지막을 통해 상기 에미터에 전기적으로 연결된 제2 전극을 포함하고, 상기 반사 방지막은 태양광 스펙트럼 전체 영역에서 1.5 이상의 굴절률을 가지고, 상기 반사 방지막의 면저항은 상기 에미터의 면저항보다 작다.
태양 전지, 반사 방지막, 굴절률, 전극

Description

태양 전지 및 이의 제조 방법{SOLAR CELL AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 태양 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 우수한 특성의 반사 방지막을 구비한 태양 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
태양 전지는 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생성하는 전지로서, 친환경적이고 에너지원이 무한할 뿐만 아니라 수명이 길다는 장점이 있다. 태양 전지는 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생성하는 방식에 따라 반도체 태양 전지, 염료 감응 태양 전지 등으로 구분될 수 있다.
이 중 반도체 태양 전지에서는 서로 다른 전도성 타입(conductive type)을 가지는 반도체 기판 및 이 반도체 기판의 전면에 형성되는 에미터에 의해 p-n 접합이 형성된다. 그리고 에미터 위에 전면 전극들이 형성되며, 반도체 기판의 후면에 후면 전극이 형성된다. 그리고 반도체 기판의 전면에서는 입사되는 태양광의 반사를 방지하는 반사 방지막이 형성된다.
일반적으로 반사 방지막은 우수한 굴절률을 가지는 실리콘 질화물(SiN)로 이루어진다. 그러나 실리콘 질화막으로 이루어지는 반사 방지막은 전도성을 구비하지 않으므로, 이 반사 방지막을 형성하게 되면 전면 전극과 반도체 기판을 전기적으로 연결하기 위하여 파이어 스루(fire through)를 수행하여야 한다.
좀더 상세하게 설명하면, 일반적인 태양 전지 제조 방법에 따르면, 에미터가 형성된 반도체 기판의 전면에 반사 방지막을 형성한 다음 전면 전극용 페이스트를 형성하므로, 전면 전극용 페이스트가 반사 방지막을 식각하는 파이어 스루 공정에 의해 전면 전극이 에미터에 전기적으로 연결될 수 있도록 한다.
그런데, 파이어 스루가 지나치게 많이 일어나면 션트(shunt)가 발생할 수 있으며, 파이어 스루가 제대로 일어나지 않으면 전면 전극이 에미터에 전기적으로 연결될 수 없다. 따라서 에미터와 전면 전극을 전기적으로 우수하게 연결하기 위해서는 파이어 스루의 정도를 매우 정밀하게 제어하여야 하므로, 제조 공정이 복잡해지는 문제가 있다.
또한 파이어 스루는 고온의 온도에서 일어나므로 파이어 스루를 위하여 고온에서 열처리를 하게 되면 태양 전지가 손상될 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 반사 방지막을 전도성 물질로 형성한 구조가 적용되고 있으나, 반사 방지막의 굴절률이 낮아 태양광의 반사를 방지하는 역할에 한계가 있다. 특히 전도성 물질은 일반적으로 장파장 영역에서 굴절률이 급격하게 낮아져 장파장 영역에서 광 반사를 방지하기 어려운 문제가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 단순한 제조 방법에 의해 손상 없이 제조되며 반사 방지 효과가 우수한 태양 전지 및 이의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 태양 전지는, 서로 반대되는 제1 면과 제2 면을 구비한 제1 전도성 타입의 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 제1 면에 전기적으로 연결된 제1 전극; 상기 반도체 기판의 제2 면 부근에 형성된 제2 전도성 타입의 에미터; 상기 에미터 위에 형성되며 투명 전극으로 구성되는 반사 방지막; 및 상기 반사 방지막 위에 형성되어 상기 반사 방지막을 통해 상기 에미터에 전기적으로 연결된 제2 전극을 포함하고, 상기 반사 방지막은 태양광 스펙트럼 전체 영역에서 1.5 이상의 굴절률을 가진다. 상기 반사 방지막의 면저항은 상기 에미터의 면저항과 같거나 상기 에미터의 면저항보다 작다.
상기 반사 방지막은 40 Ω/□ 이하의 면저항을 가질 수 있다.
상기 반사 방지막은 징크 산화물(ZnO)을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 반사 방지막은 징크 산화물(ZnO)을 주성분으로 하고, 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 플루오르(F), 수소(H) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 반사 방지막은 인듐-징크 산화물(indium-zinc oxide, IZO)일 수 있다.
상기 제2 전극은 은(Ag)을 포함할 수 있다.
상기 에미터와 상기 반사 방지막 사이에 비정실 실리콘을 포함하는 패시베이션 막이 더 형성될 수 있다.
상기 제1 전극은, 상기 반도체 기판의 제1 면에 부분적으로 형성된 제1 전극부와, 상기 제1 전극부를 덮으면서 상기 반도체 기판의 제1 면에 형성된 제2 전극부를 포함할 수 있다. 상기 태양 전지는 상기 제1 전극부가 형성되지 않은 부분에서 상기 반도체 기판의 제1 면과 상기 제2 전극부 사이에 형성되며 비정질 실리콘을 포함하는 후면 패시베이션 막을 더 포함할 수 있다. 상기 제2 전극부가 상기 제1 전극부와 상기 후면 패시베이션 막을 덮으면서 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 태양 전지 제조 방법은, 서로 반대되는 제1 면과 제2 면을 구비한 제1 전도성 타입의 반도체 기판을 준비하는 단계; 상기 반도체 기판의 제2 면에 제2 전도성 타입의 에미터를 형성하는 단계; 상기 반도체 기판의 제1 면에 패시베이션 막을 형성하는 단계; 상기 패시베이션 막 위에 제1 전극층을 형성하는 단계; 상기 제1 전극층을 열처리하여, 상기 패시베이션 막을 구성하는 물질과 상기 제1 전극층을 이루는 물질이 확산되어 형성되는 연결부를 포함하는 제1 전극부를 형성하는 단계; 상기 반도체 기판의 제2 면에서 상기 에미터 위에 투명 전극으로 구성되는 반사 방지막을 형성하는 단계; 및 상기 반사 방지막 위에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 제1 전극층을 열처리하는 단계에서 열처리 온도가 상기 제1 전극층에 포함된 금속과 상기 패시베이션 막에 포함된 물질의 공융점(eutectic point) 이하일 수 있다.
상기 반사 방지막 위에 제2 전극을 형성하는 단계 이후에, 상기 제1 전극부와 상기 패시베이션 막을 덮으면서 제2 전극부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제2 전극을 형성하는 단계는, 은 또는 산화은 입자를 포함하는 제2 전극 형성용 페이스트를 도포하는 단계; 및 상기 제2 전극 형성용 페이스트를 50℃ 내지 400℃에서 열처리하여 소성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 반사 방지막은 태양광 스펙트럼 전체 영역에서 1.5 이상의 굴절률을 가질 수 있고, 상기 반사 방지막의 면저항은 상기 에미터의 면저항과 같거나 상기 에미터의 면저항보다 작을 수 있다. 상기 반사 방지막은 40 Ω/□ 이하의 면저항을 가질 수 있다.
상기 반사 방지막은 징크 산화물(ZnO)을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 반사 방지막은 징크 산화물(ZnO)를 주성분으로 하고, 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 플루오르(F), 수소(H) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 반사 방지막은 인듐-징크 산화물(indium-zinc oxide, IZO)일 수 있다.
본 발명에 따른 태양 전지에서는 반사 방지막을 소정의 굴절률을 가지는 투명 전극으로 구성하여, 파이어 스루 없이 제2 전극을 에미터에 전기적으로 연결할 수 있으며, 태양광의 전체 영역에 걸쳐서 우수한 반사 방지 효과를 가질 수 있다. 따라서 파이어 스루 없이 단순화된 방법으로 태양 전지를 제조할 수 있으며, 우수한 반사 방지 효과에 의해 광 이용률을 향상할 수 있고, 결과적으로 태양 전지의 효율을 향상할 수 있다.
그리고 반사 방지막이 소정의 면저항을 가지도록 하여 반사 방지막이 제2 전극과 함께 전극으로 기능하게 할 수 있다. 이에 따라 전류 수집 효과를 향상하여 태양 전지의 효율을 향상할 수 있다.
또한 제1 전극이 반도체 기판과의 전기적 연결을 위한 제1 전극부와 실질적인 전하의 수집을 위한 제2 전극부를 포함하여 광전변환 효율을 향상할 수 있으며, 태양 전지의 박형화 및 제조 비용 절감이 가능하다.
즉 전기적 연결을 위한 제1 전극부를 좁은 면적으로 형성하여 반도체 기판의 제2 면에 형성되는 패시베이션 막의 형성 면적을 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 전하의 재결합을 방지할 수 있다. 그리고 제2 전극부를 우수한 전기 전도도를 가지는 물질로 반도체 기판에 전체적으로 형성하여 전하를 효과적으로 수집할 수 있다. 그리고 제2 전극부를 반사막으로 사용하여 광의 이용률 또한 증가시킬 수 있다. 이에 따라 광전변환 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고 우수한 전기 전도도의 제2 전극부를 제1 면 전체에 형성하는 것에 의해 제1 전극의 두께를 줄일 수 있다. 결과적으로 태양 전지를 박형화할 수 있으며 비용을 절감할 수 있다.
이 때, 제1 전극부를 복수의 도트 전극들로 구성하여 제1 전극부와 반도체 기판을 전체적으로 고르게 연결하면서 이들 사이에 형성되는 패시베이션 막의 면적을 최대화할 수 있다.
본 발명에 따른 태양 전지의 제조 방법에서는 패시베이션 막에 포함된 물질과 제1 전극부에 포함된 물질의 공융점 이하의 온도에서 열처리하여 확산에 의해 연결부를 형성할 수 있다. 즉 파이어 스루 없이 비교적 저온에서 제1 전극의 제1 전극부를 형성할 수 있어 고온에 의한 태양 전지의 손상을 방지하고 제조 방법을 단순화할 수 있다.
또한 나노 미터 수준의 은 또는 산화은 입자를 포함하는 페이스트를 이용하여 저온에서 열처리에 의해 파이어 스루 없이 제2 전극을 형성할 수 있다. 따라서 고온에 의한 태양 전지의 손상을 방지하고 제조 방법을 단순화하는 효과를 좀더 향상할 수 있다.
반도체 전면에 형성되는 패시베이션 막을 반도체 후면에 형성되는 패시베이션 막과 동일한 비정질 실리콘으로 형성하여 동일한 공정에서 패시베이션 막들을 형성할 수 있어 공정을 단순화할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명은 여러 가지 다른 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시에에 따른 태양 전지의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 배면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 태양 전지(100)는 서로 반대되는 제1 면(이하 "후면")(12)과 제2 면(이하 "전면")(14)을 구비하는 반도체 기판(10), 이 반도체 기판(10)의 후면(12)에 전기적으로 연결되며 제1 전극부(32)와 제2 전극 부(34)를 구비하는 제1 전극(이하 "후면 전극")(30), 반도체 기판(10)의 전면(14) 부근에 형성되는 에미터(20), 이 에미터(20)에 전기적으로 연결되는 제2 전극(이하 "전면 전극")(40)을 포함한다.
그리고 반도체 기판(10)의 후면(12)에는 제1 패시베이션 막(이하 "후면 페이베이션 막")(22)이 형성되고, 에미터(20) 위에 제2 패시베이션 막(이하 "전면 패시베이션 막")(24) 및 반사 방지막(26)이 형성된다.
이러한 태양 전지(100)를 좀더 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 실시예에서 반도체 기판(10)은 제1 전도성 타입인 p형의 결정질 실리콘으로 이루어진다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 반도체 기판(10)이 n형 전도성 타입일 수 있으며, 실리콘 이외의 반도체 물질로 이루어질 수도 있다.
이 반도체 기판(10)의 전면(14) 부근에 제2 전도성 타입인 n형의 에미터(20)가 형성된다. 에미터(20)는 반도체 기판(10)과 서로 다른 전도성 타입을 가져 반도체 기판(10)과 p-n 접합을 형성하면 된다. 따라서, 반도체 기판(10)이 n형 전도성 타입인 경우에는 에미터(20)는 p형 전도성 타입일 수 있다.
본 실시에에서 에미터(20)는 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등을 반도체 기판(10)의 전면(14) 부근에 확산시켜서 형성된다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 반도체 기판과 서로 별개의 층으로 이루어진 에미터를 반도체 기판에 적층하여 에미터를 형성할 수도 있다.
그리고 반도체 기판(10)의 후면(12)에는 후면 패시베이션 막(22)과, 제1 전극부(32)와 제2 전극부(34)를 포함하는 후면 전극(30)이 형성된다.
즉, 반도체 기판(10)의 후면(12)에 부분적으로 후면 전극(30)의 제1 전극부(32)가 형성되고, 제2 전극부(34)가 제1 전극부(32)를 덮으면서 반도체 기판(10)의 후면(12)의 전체적으로 형성된다. 후면 패시베이션 막(22)은 제1 전극부(32)가 형성되지 않은 부분에서 반도체 기판(10)과 제2 전극부(34) 사이에 위치하게 된다.
여기서 제2 전극부(34)가 전체적으로 형성되었다고 함은 제2 전극부(34)가 반도체 기판(10)의 후면(12)의 전체면에 형성되는 것 뿐만 아니라, 에미터(20)와 제2 전극부(34)가 불필요하게 연결되는 것을 방지하거나 형성 공정의 편의를 위하여 반도체 기판(10)의 가장자리 일부에서는 형성되지 않는 것을 포함하는 것이다.
후면 패시베이션 막(22)은 반도체 기판(10)의 후면(12)을 이루는 표면 부분에서 일어나는 전하의 재결합을 방지하는 역할을 한다. 즉 반도체 기판(10)의 후면(12)을 이루는 표면 부분에는 댕글링 본드(dangling bond) 등과 같은 결함이 많이 존재하는데, 전하가 이 결함에 결합되어 전하가 손실될 수 있다. 따라서 후면 패시베이션 막(22)을 반도체 기판(10)의 후면(12)에 형성하여 전하 재결합을 방지한다.
여기서 제1 전극부(32)는 반도체 기판(10)과 제2 전극부(34)를 연결하는 역할을 하는 부분이며, 제2 전극부(34)는 반도체 기판(10) 쪽에 생성된 전하들을 제1 전극부(32)를 경유하여 수집하는 역할을 하는 부분이다.
제1 전극부(32)에서 반도체 기판(10)에 인접한 부분에는 반도체 기판(10)과 제1 전극부(32)의 전기적 연결을 위한 연결부가 구성된다. 이 연결부는 후면 패시베이션 막(22)을 이루는 물질과 제1 전극부(32)에 포함된 전도성 물질이 확산하여 형성된 것으로서, 본 실시예에는 제1 전극부(32) 전체가 연결부로 형성된다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 전극부(32)의 일부, 즉 제1 전극부(32) 중 반도체 기판(10)에 인접한 부분에 연결부가 형성되는 것도 가능하다.
제1 전극부(32)에 포함된 전도성 물질은 후면 패시베이션 막(22)을 이루는 물질과 확산이 잘 될 수 있는 물질일 수 있다. 일례로 후면 패시베이션 막(22)은 비정질 실리콘으로 이루어지고 제1 전극부(32)는 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다. 즉 제1 전극부(32)의 연결부는 알루미늄과 실리콘이 혼재되어 형성될 수 있다.
본 실시예에서는 제1 전극부(32)는 반도체 기판(10)과의 전기적인 연결을 위한 정도로 형성되면 되므로, 좁은 면적으로 형성될 수 있다. 따라서, 제1 전극부(32)가 형성되지 않은 부분에 형성되는 후면 패시베이션 막(22)을 넓은 면적으로 형성할 수 있다. 따라서 후면 패시베이션 막(22)의 전하 재결합 방지 효과를 향상할 수 있다.
이 때, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 제1 전극부(32)를 서로 이격되는 복수의 도트 전극들로 구성하여, 후면 패시베이션 막(22)의 형성 면적을 최대화할 수 있다. 또한 복수의 도트 전극들을 반도체 기판(10)의 후면(12)에 고르게 분포시켜 반도체 기판(10)과 제2 전극부(34)를 전체적으로 고르게 연결할 수 있다.
반도체 기판(10)의 면적에 대한 제1 전극부(32)의 면적 비율은 1 내지 10% 일 수 있다. 이 비율이 10%를 초과하는 경우에는 후면 패시베이션 막(22)의 형성 면적이 줄어들어 전하 재결합 방지 효과가 저감될 수 있으며, 이 비율이 1% 미만인 경우에는 반도체 기판(10)과 제1 전극부(32)의 전기적 연결이 안정적이지 않을 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 상기 비율은 다양한 값을 가질 수 있다. 따라서 전하 재결합 방지 효과를 최대화하기 위해서 상기 비율을 1% 이하로 할 수도 있다.
제2 전극부(34)는 제1 전극부(32)보다 높은 전기 전도도를 가지는 물질, 즉 낮은 비저항을 가지는 물질로 이루어질 수 있다. 이러한 제2 전극부(34)의 높은 전기 전도도에 의해 제2 전극부(34)의 전하 수집을 원활하게 할 수 있으며 소비 전력을 저감할 수 있다.
그리고 본 실시예에서는 제2 전극부(34)가 우수한 반사율을 가지는 물질로 이루어지게 하여, 제2 전극부(34)를 반사막으로 사용할 수 있다. 즉 후면 패시베이션 막(22)을 통과한 광을 태양 전지(100) 내부로 반사하여 광의 이용률을 향상시킬 수 있다.
이를 위해 제2 전극부(34)는 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu) 등으로 이루어질 수 있다. 특히 제2 전극부(34)가 은으로 이루어지는 경우에는 높은 전기 전도도와 높은 반사율에 의해 광전변환 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 우수한 납땜성으로 인해 외부와의 연결이 용이하게 이루어질 수 있다.
이와 같이 본 실시예의 후면 전극(30)은 반도체 기판(10)과의 전기적 연결을 위한 제1 전극부(32)와 전하의 수집을 위한 제2 전극부(34)를 별도로 구비한다. 이에 따라 제1 전극부(32)를 좁은 면적으로 형성하여 후면 패시베이션 막(22)의 효과를 증대할 수 있으며, 우수한 전기 전도도 및 반사율의 제2 전극부(34)를 전체적으 로 형성할 수 있다. 결과적으로 태양 전지의 광전변환 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고 우수한 전기 전도도의 제2 전극부(34)에 의해 후면 전극(30)의 두께를 줄일 수 있다. 이에 따라, 열처리 공정에서의 스트레스에 의한 반도체 기판(10)의 손상 위험이 줄어들어 반도체 기판(10)의 두께 또한 줄일 수 있다. 즉 태양 전지(100)를 박형화할 수 있으며 후면 전극(30)과 반도체 기판(10)의 줄어든 두께만큼 비용을 절감할 수 있다.
한편, 에미터(20) 위에 전면 패시베이션 막(24), 반사 방지막(26) 및 전면 전극(40)이 차례로 형성된다.
전면 패시베이션 막(24)은 반도체 기판(10)의 전면(14) 부근에서 일어나는 전하의 재결합을 방지하는 역할을 한다. 전면 패시베이션 막(24)은 일례로 비정질 실리콘으로 이루어질 수 있다. 이와 같이 전면 패시베이션 막(24)이 후면 패시베이션 막(22)과 동일한 물질로 이루어지면, 전면 패시베이션 막(24)과 후면 패시베이션 막(22)을 동일 공정에서 함께 형성하여 제조 공정을 단순화할 수 있다.
반사 방지막(26)은 태양 전지의 내부로 입사될 광이 반사되어 손실되는 것을 방지하는 역할을 하는 것이다. 이러한 반사 방지막(26)은 투명 전도성 물질을 포함하는 투명 전극으로 구성될 수 있다.
본 실시예에서는 반사 방지막(26)이 투명 전극으로 이루어지므로 반사 방지막(26)이 전면 전극(40)과 함께 전하를 수집하는 전극으로서의 역할을 한다. 반사 방지막(26)이 전극으로서 기능할 수 있도록, 반사 방지막(26)은 에미터(20)과 같거나 에미터(20)보다 작은 면저항을 가질 수 있다. 이는 반사 방지막(26)의 면저항 이 에미터(20)의 면저항보다 커지면 반사 방지막(26)이 전극의 역할을 하는 데 어려움이 있음을 고려한 것이다.
예를 들어, 에미터(20)가 40 Ω/□ 이상의 면저항을 가짐을 고려하여, 반사 방지막(26)의 면저항을 40 Ω/□ 이하로 할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 태양 전지의 고효율화에 따라 에미터의 면저항이 60 Ω/□ 이상으로 증가하고 있으므로 이에 따라 반사 방지막(26)의 면저항도 변화할 수 있음은 물론이다.
반사 방지막(26)의 전기 전도성에 의해 전면 전극(40)을 반사 방지막(26) 위에 형성하여도 에미터(20)와 전면 전극(40)이 전기적으로 연결된다. 따라서 파이어 스루 공정을 거치지 않아도 되므로 제조 공정을 단순화할 수 있으며 전면 전극(40)을 좀더 안정적으로 형성할 수 있다.
본 실시예에서 반사 방지막(26)은 태양광 스펙트럼 전체 영역에서 1.5 이상의 굴절률을 가진다. 본 실시예에서는 굴절률이 낮아지는 장파장 영역에서의 굴절률을 일정 수준 이상으로 하여, 장파장 영역에서도 반사 방지 역할이 원활하게 이루어질 수 있도록 한다.
이 경우 반사 방지막(26)은 징크 산화물(ZnO)을 주성분으로 할 수 있으며, 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 불소(F) 및 수소(H) 등이 첨가될 수 있다. 일례로 반사 방지막(26)은 인듐-징크 산화물(indium-zinc oxide, IZO)로 구성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 징크 산화물을 포함하는 반사 방지막은 태양광 스펙트럼의 전체 영역에서 1.5 이상의 굴절률을 가짐을 알 수 있다. 이에 따라 태양광 스펙트럼의 전체 영역에서 종래의 실리콘 질화물로 구성되는 반사 방지막과 유사한 굴절률을 가질 수 있음을 알 수 있다. 반면, 투명 도전성 물질이라고 하더라도, 인듐-틴 산화물(indium-tin oxide)은 장파장 영역으로 갈수록 굴절률이 급격하게 저하되어 800nm를 초과하는 파장에서는 굴절률이 1.5 이하의 값을 가짐을 알 수 있다.
도 4를 참조하면, 태양광 스펙트럼 전체 영역에서 1.5 이상의 굴절율을 가지는 징크 산화물로 이루어진 반사 방지막은, 800nm를 초과하는 파장에서 1.5 이하의 굴절율을 가지는 인듐-틴 산화물로 이루어진 반사 방지막에 비해 800nm를 초과하는 파장에서 반사율이 매우 낮음을 알 수 있다. 즉 본 실시예에 따른 반사 방지막은 굴절율의 범위를 한정함으로써 장파장 영역에서의 반사율을 낮추어 광 이용률을 향상할 수 있다.
이와 같이 본 실시예에서는 반사 방지막의 굴절률과 면저항을 일정 범위 내로 한정하는 것에 의하여, 반사 방지막의 반사 방지 효과를 향상시키면서 반사 방지막이 전극으로 기능하게 하여, 태양 전지의 효율을 향상하고 태양 전지의 제조 공정을 단순화할 수 있다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 전면 전극(40)은 일례로 복수의 스트라이프 전극들과 이들을 일측에서 연결하는 전극을 포함하는 빗 형상 등으로 이루어질 수 있다. 그리고 전면 전극(40)은 은(Ag) 등으로 이루어질 수 있다.
이하에서는 본 실시예에서 후면 패시베이션 막(22) 및 전면 패시베이션 막(24)이 비정질 실리콘으로 이루어질 경우에 전하 재결합 방지를 위한 적절한 두 께를 살펴본다. 전하 재결합 방지 효과, 즉 패시베이션 효과는 QSSPC (Quasi Steady State Photo Conductance) 법으로 전자의 유효 수명(effective lifetime)을 측정하여 평가할 수 있다.
도 5는 비정질 실리콘 막의 두께에 따른 전자의 유효 수명(effective lifetime)의 관계를 도시한 그래프이다.
패시베이션 효과를 위하여 비정질 실리콘 막으로 이루어지는 후면 패시베이션 막(22) 및 전면 패시베이션 막(24)의 두께가 1 nm 이상일 수 있다. 도 5를 참조하면, 비정질 실리콘 막의 두께가 대략 10 nm 이상인 경우에는 우수한 유효 수명을 가지므로, 후면 및 전면 패시베이션 막(22, 24)의 두께를 대략 10 nm 이상으로 형성하여 효과를 증가할 수 있다. 그리고 후면 패시베이션 막(22) 및 전면 패시베이션 막(24)의 두께가 100 nm를 초과하는 경우에는 두께의 증가로 인해 제조 비용이 상승하고 후면 및 전면 패시베이션 막(22, 24)에서 광이 흡수되는 문제가 있다. 따라서 후면 패시베이션 막(22) 및 전면 패시베이션 막(24)의 두께는 100 nm 이하일 수 있다.
유효 수명 및 두께를 고려하여 후면 패시베이션 막(22) 및 전면 패시베이션(24)의 두께는 20 내지 50 nm로 형성할 수 있다. 그러나 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같은 태양 전지로 광이 입사되면, 광전 효과에 의해 생성된 정공-전자 쌍이 분리되어 전자가 n형의 에미터(20)에 집적되고 정공은 p형의 반도체 기판(10)에 집적된다. 이러한 전하들이 전면 및 후면 전극들(30, 40)에 의해 수집되어 흐르 게 되어 태양 전지가 작동한다.
상술한 바와 같은 태양 전지 제조 방법의 일 실시예를 도 6, 도 7a 내지 도 7h를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 아래의 일 실시예는 상술한 태양 전지를 좀더 명확하게 설명하기 위한 것으로서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고 앞서 설명된 부분에 대해서는 구체적인 설명을 생략한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법의 흐름도이다. 도 7a 내지 도 7h는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법의 각 단계를 도시한 단면도들이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 다른 태양 전지의 제조 방법은, 반도체 기판 준비 단계(ST10), 에미터 형성 단계(ST20), 전면 및 후면 패시베이션 막 형성 단계(ST30), 제1 전극층 형성 단계(ST40), 제1 전극부 형성 단계(ST50), 반사 방지막 형성 단계(ST60), 전면 전극 형성 단계(ST70), 및 제2 전극부 형성 단계(ST80)를 포함한다.
이러한 각 단계들을 도 6와 함께 도 7a 내지 도 7h를 참조하여 좀더 상세하게 설명한다.
먼저, 도 7a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판 준비 단계(ST10)에서는 p형 전도성 타입이며 실리콘으로 이루어지는 반도체 기판(10)을 준비한다.
이어서, 도 7b에 도시된 바와 같이, 에미터 형성 단계(ST20)에서는 반도체 기판(10)의 전면(14)에 인, 비소, 안티몬 등의 도펀트를 도핑하여 n형 전도성 타입의 에미터(20)를 형성한다. 도핑 방법으로 고온 확산법, 스프레이법, 스크린 인쇄 법, 이온 샤워법 등이 적용될 수 있다.
일례로, 본 실시예에서는 확산 로(diffusion furnace) 내에 포스포릴클로라이드(POCl3)를 열분해하여 반도체 기판(10)의 표면에 포스포실리케이스 글래스(phosphosilicate glass, PSG)층(이하 "PSG 층")(도시하지 않음)을 형성하고, 이 PSG 층 내의 인을 반도체 기판(10) 내부로 확산시켜 에미터(20)를 형성할 수 있다. 그 후에 희석된 불산(HF)를 이용하여 PSG 층을 제거하고, 수산화 칼륨(KOH)과 같은 알칼리 용액을 이용하여 반도체 기판(10)의 전면(14) 이외 부분에서 인이 확산된 부분을 제거한다.
그러나 본 발명이 이에 한정되지는 않으며 다양한 도펀트를 사용한 다양한 도핑 방법에 의하여 에미터(20)를 형성할 수 있음은 물론이다. 또는 반도체 기판(10)과 별개로 형성된 에미터를 반도체 기판(10)의 전면(14)에 적층하여 에미터를 형성할 수도 있다.
이어서, 도 7c에 도시된 바와 같이, 전면 및 후면 패시베이션 막 형성 단계(ST30)에서 반도체 기판(10)의 후면(12) 및 전면(14)에 비정질 실리콘으로 이루어지는 후면 및 전면 패시베이션 막(22, 24)을 각기 형성한다. 이러한 후면 및 전면 패시베이션 막(22, 24)은 플라즈마 화학 기상 증착(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD) 법에 의해 형성될 수 있다.
이어서, 도 7d에 도시된 바와 같이, 제1 전극층 형성 단계(ST40)에서는 반도체 기판(10)의 후면(12)에 복수의 도트 전극들 형태로 제1 전극층(320)을 형성한 다. 이러한 제1 전극층(320)은 마스크(도시하지 않음)를 자석에 의해 반도체 기판에 의해 밀착시킨 후 진공 증착법 또는 스퍼터링 법 등을 수행하여 형성될 수 있다.
이어서, 도 7e에 도시된 바와 같이, 제1 전극부 형성 단계(ST50)에서는 열처리를 수행하여 연결부를 포함하는 제1 전극부(32)를 형성한다. 연결부는 제1 전극층(320)(도 7d 참조, 이하 동일)에 대응하는 위치의 후면 패시베이션 막(22)의 실리콘과 제1 전극층(320)의 알루미늄이 상호 확산하여 형성된 것으로서, 연결부와 반도체 기판(10)은 충분히 낮은 접촉 저항을 가져 서로 전기적으로 연결된다.
이러한 열처리는 실리콘과 알루미늄의 산화를 방지하기 위하여 질소 또는 아르곤과 같은 비활성 기체에 수소가 3% 정도 포함된 가스 분위기에서 제1 전극층(320)에 포함된 알루미늄과 후면 패시베이션 막(22)을 구성하는 실리콘의 공융점(eutectic point) 이하의 온도에서 이루어질 수 있다. 즉 이러한 열처리는 실리콘과 알루미늄의 공융점인 577℃ 이하에서 이루어질 수 있다.
이와 같이 본 실시예에서는 공융점보다 낮은 온도에서 연결부를 포함하는 제1 전극부를 형성할 수 있어 고온의 열처리에 의한 태양 전지의 손상을 방지할 수 있다.
이어서, 도 7f에 도시된 바와 같이, 반사 방지막 형성 단계(ST60)에서는 전면 페이베이션 막(24) 위에 투명 전도성 물질로 반사 방지막(26)을 형성한다. 반사 방지막(26)은 스퍼터링 법 등에 의해 형성할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 이러한 반사 방지막(26)은 징크 산화물(ZnO)을 주성 분으로 할 수 있으며, 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 불소(F) 및 수소(H) 등이 첨가될 수 있다. 일례로 반사 방지막(26)은 인듐-징크 산화물(indium-zinc oxide, IZO)로 구성될 수 있다.
이어서, 도 7g에 도시된 바와 같이, 전면 전극 형성 단계(ST70)에서는 반사 방지막(26) 위에 전면 전극(40)을 형성한다. 이러한 전면 전극(40)은 수십~수백 나노미터 수준의 은 또는 산화은 입자를 포함하는 전면 전극용 페이스트를 스크린 인쇄법으로 도포한 후 열처리하여 소성하여 형성할 수 있다. 이러한 전면 전극용 페이스트는 나노미터 수준의 입자로 구성되어 50 내지 400 ℃의 저온에서 소성하여도 은의 비저항, 약 1.6 X 10-6Ω·cm과 유사한 비저항을 가질 수 있다.
이어서, 도 7h에 도시된 같이, 제2 전극부 형성 단계(ST80)에서는 제1 전극부(32)와 후면 패시베이션 막(22)의 전체면을 덮도록 제2 전극부(34)를 형성하여 후면 전극(30)의 제조를 완료한다. 제2 전극부(34)는 은, 백금, 금, 구리 등을 진공 증착법 또는 스퍼터링 법으로 증착하여 형성할 수 있다.
본 실시예에서는 전면 전극(40)과 후면 전극(30)이 모두 파이어 스루 없이 형성되므로 이들의 소송을 위한 열처리가 저온에서 이루어질 수 있다. 따라서, 고온 공정에 의한 손상을 방지할 수 있으므로 다양한 물질을 태양 전지에 적용할 수 있다. 일례로 반사 방지막(26)을 구성하는 투명 전도성 물질은 고온에 의해 손상될 수 있는 물질이지만, 본 실시예에서는 저온에서 열처리가 이루어지므로 반사 방지막(26)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위 속하는 것은 당연하다.
도 1은 본 발명의 실시에에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 배면도이다.
도 3은 각기 인듐-틴 산화물, 실리콘 질화물, 인듐-징크 산화물로 구성된 반사 방지막에서 파장에 따른 굴절률을 보여주는 그래프이다.
도 4는 각기 인듐-틴 산화물, 실리콘 질화물, 인듐-징크 산화물로 구성된 반사 방지막에서 파장에 따른 반사율을 보여주는 그래프이다.
도 5는 비정질 실리콘 막의 두께에 따른 전자의 유효 수명(effective lifetime)의 관계를 도시한 그래프이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법의 흐름도이다.
도 7a 내지 도 7h는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법의 각 단계를 도시한 단면도들이다.
<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>
10: 반도체 기판 20: 에미터
22: 제1 패시베이션 막 24: 제2 패시베이션 막
26: 반사 방지막 30: 제1 전극
32: 제1 전극부 34: 제2 전극부
40: 제2 전극

Claims (19)

  1. 서로 반대되는 제1 면과 제2 면을 구비한 제1 전도성 타입의 반도체 기판;
    상기 반도체 기판의 제1 면에 전기적으로 연결된 제1 전극;
    상기 반도체 기판의 제2 면 부근에 형성된 제2 전도성 타입의 에미터;
    상기 에미터 위에 형성되며 투명 전극으로 구성되는 반사 방지막; 및
    상기 반사 방지막 위에 형성되어 상기 반사 방지막을 통해 상기 에미터에 전기적으로 연결된 제2 전극
    을 포함하고,
    상기 반사 방지막은 태양광 스펙트럼 전체 영역에서 1.5 이상의 굴절률을 가지고,
    상기 반사 방지막의 면저항은 상기 에미터의 면저항과 같거나 상기 에미터의면저항보다 작고,
    상기 제1 전극은, 상기 반도체 기판의 제1 면에 부분적으로 형성된 제1 전극부와, 상기 제1 전극부를 덮으면서 상기 반도체 기판의 제1 면에 형성된 제2 전극부를 포함하는 태양 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반사 방지막은 40 Ω/□ 이하의 면저항을 가지는 태양 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반사 방지막은 징크 산화물(ZnO)을 포함하는 태양 전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 반사 방지막은 징크 산화물(ZnO)을 주성분으로 하고, 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 플루오르(F), 수소(H) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 태양 전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 반사 방지막은 인듐-징크 산화물(indium-zinc oxide, IZO)인 태양 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극은 은(Ag)을 포함하는 태양 전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 에미터와 상기 반사 방지막 사이에 비정실 실리콘을 포함하는 패시베이션 막이 더 형성되는 태양전지.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 태양 전지는 상기 제1 전극부가 형성되지 않은 부분에서 상기 반도체 기판의 제1 면과 상기 제2 전극부 사이에 형성되며 비정질 실리콘을 포함하는 후면 패시베이션 막을 더 포함하고,
    상기 제2 전극부가 상기 제1 전극부와 상기 후면 패시베이션 막을 덮으면서 형성된 태양 전지.
  10. 서로 반대되는 제1 면과 제2 면을 구비한 제1 전도성 타입의 반도체 기판;
    상기 반도체 기판의 제1 면에 전기적으로 연결되는 제1 전극;
    상기 반도체 기판의 제2 면 부근에 형성된 제2 전도성 타입의 에미터;
    상기 에미터 위에 형성되며 징크 산화물을 포함하는 투명 전극으로 구성되는 반사 방지막; 및
    상기 반사 방지막 위에 형성되어 상기 반사 방지막을 통해 상기 에미터에 전기적으로 연결된 제2 전극
    을 포함하고,
    상기 제1 전극은, 상기 반도체 기판의 제1 면에 부분적으로 형성된 제1 전극부와, 상기 제1 전극부를 덮으면서 상기 반도체 기판의 제1 면에 형성된 제2 전극부를 포함하는 태양 전지.
  11. 서로 반대되는 제1 면과 제2 면을 구비한 제1 전도성 타입의 반도체 기판을 준비하는 단계;
    상기 반도체 기판의 제2 면에 제2 전도성 타입의 에미터를 형성하는 단계;
    상기 반도체 기판의 제1 면에 패시베이션 막을 형성하는 단계;
    상기 패시베이션 막 위에 제1 전극층을 형성하는 단계;
    상기 제1 전극층을 열처리하여, 상기 패시베이션 막을 구성하는 물질과 상기 제1 전극층을 이루는 물질이 확산되어 형성되는 연결부를 포함하는 제1 전극부를 형성하는 단계;
    상기 반도체 기판의 제2 면에서 상기 에미터 위에 투명 전극으로 구성되는 반사 방지막을 형성하는 단계; 및
    상기 반사 방지막 위에 제2 전극을 형성하는 단계
    를 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 전극층을 열처리하는 단계에서 열처리 온도가 상기 제1 전극층에 포함된 금속과 상기 패시베이션 막에 포함된 물질의 공융점(eutectic point) 이하인 태양 전지의 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 반사 방지막 위에 제2 전극을 형성하는 단계 이후에, 상기 제1 전극부와 상기 패시베이션 막을 덮으면서 제2 전극부를 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제2 전극을 형성하는 단계는,
    은 또는 산화은 입자를 포함하는 제2 전극 형성용 페이스트를 도포하는 단계; 및
    상기 제2 전극 형성용 페이스트를 50 내지 400 ℃에서 열처리하여 소성하는 단계
    를 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 반사 방지막은 태양광 스펙트럼 전체 영역에서 1.5 이상의 굴절률을 가지고,
    상기 반사 방지막의 면저항은 상기 에미터의 면저항과 같거나 상기 에미터의 면저항보다 작은 태양 전지의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 반사 방지막은 40 Ω/□ 이하의 면저항을 가지는 태양 전지의 제조 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 반사 방지막은 징크 산화물(ZnO)을 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 반사 방지막은 징크 산화물(ZnO)를 주성분으로 하고, 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 플루오르(F), 수소(H) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 반사 방지막은 인듐-징크 산화물(indium-zinc oxide, IZO)인 태양 전지의 제조 방법.
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