KR100997112B1 - 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 태양 전지는 pn 접합을 형성하는 반도체 기판, 상기 반도체 기판의 p 타입 반도체 또는 n 타입 반도체와 접촉하는 제1 전극 및 상기 제1 전극과 접촉하는 상기 p 타입 반도체 또는 상기 n 타입 반도체 이외의 나머지 반도체와 접촉하는 제2 전극을 포함하며, 빛이 입사되는 상기 제2 전극들 사이의 상기 반도체 기판 영역에 오목부와, 상기 오목부 내부에 상기 오목부의 깊이보다 작은 높이를 지닌 볼록부가 위치한다.
태양 전지, 변환효율, 피라미드
Description
본 발명은 태양 전지에 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 없어 특히 주목 받고 있다. 태양전지에는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체 의 성질을 이용하여 태양빛(photons)을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지가 있으며, 태양전지라고 하면 일반적으로 태양광 전지(이하 태양전지라 한다)를 일컫는다.
태양전지는 다이오드와 같이 p형 반도체와 n형 반도체의 접합 구조를 가지며, 태양전지에 빛이 입사되면 빛과 태양전지의 반도체를 구성하는 물질과의 상호 작용으로 음전하를 띤 전자와, 전자가 빠져나가 양전하를 띤 정공이 발생하여 이들이 이동하면서 전류가 흐르게 된다.
이를 광기전력효과(光起電力效果, photovoltaic effect)라 하는데, 태양전지를 구성하는 p형 및 n형 반도체 중 전자는 n형 반도체 쪽으로, 정공은 p형 반도체 쪽으로 이동한다. 전자와 정공은 n형 반도체 및 p형 반도체와 접합된 전극을 통하여 전선으로 이동하게 되면 전기가 흐르므로 전력을 얻을 수 있다.
이와 같은 태양전지의 특성은 출력 전류 Ip와 출력전압 Vp의 곱 Ip×Vp의 최대값을 태양전지로 입사하는 총광에너지(S×I: S는 소자면적, I는 태양전지에 조사되는 광의 강도)로 나눈 값인 변환효율 η에 의해 평가된다. 태양전지의 변환효율을 향상시키기 위해서는 태양전지의 태양광에 대한 반사율을 낮추어야 하며 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다
본 발명은 태양광의 반사율을 낮출 수 있는 태양 전지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 태양 전지는 pn 접합을 형성하는 반도체 기판, 상기 반도체 기판의 p 타입 반도체 또는 n 타입 반도체와 접촉하는 제1 전극 및 상기 제1 전극과 접촉하는 상기 p 타입 반도체 또는 상기 n 타입 반도체 이외의 나머지 반도체와 접촉하는 제2 전극을 포함하며, 빛이 입사되는 상기 제2 전극들 사이의 상기 반도체 기판 영역에 오목부와, 상기 오목부 내부에 상기 오목부의 깊이보다 작은 높이를 지닌 볼록부가 위치한다.
본 발명의 태양 전지 및 태양 전지 제조 방법은 태양광의 반사율을 낮춰 변환 효율을 높일 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있 다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 나타낸 것이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(100) 상에 포토 레지스트(110-1)가 도포된 후 태양광의 산란을 위한 오목부와, 오목부 내부에 볼록부를 형성하기 위하여 포토 마스크(120-1)가 배치된다. 이 때 포토 마스크(120-1)는 개구부(A)가 형성되어 있고, 개구부(A) 내부에 광차단부(B)가 형성된다. 이후 광이 개구부(A)를 통하여 조사된다.
광이 개구부(A)를 통하여 조사된 이후, 도 1b에 도시된 바와 같이, 빛에 노출된 포토 레지스트(110-1) 가 제거되고 빛에 노출되지 않은 포토 레지스트(110, 110C)가 남아 있게 된다. 포토 레지스트(110C)는 포토 마스크(120-1)의 광차단부(B)에 의하여 형성된다.
빛에 노출된 포토 레지스트(110-1)가 제거된 후 이방성 식각이 이루어진다. 이방성 식각은 웨이퍼의 결정 방향에 따라 식각의 속도가 달라지는 것으로 본 발명의 경우 실리콘으로 이루어진 웨이퍼에 대한 이방성 식각이 이루어진다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 이방성 식각은 포토 레지스트 (110)와 마스크(120-1)의 광차단부(B)에 의하여 형성된 포토 레지스트(110C) 사이의 영역에 대한 이방성 식각이 이루어진다.
이에 따라, 실리콘의 (111) 결정 방향으로의 식각 속도와 (100) 결정 방향으 로의 식각 속도가 다르므로 도 1c와 같이 경사진 측면(130L, 130B)을 지닌 오목부(130) 및 볼록부(140)가 형성된다. 이 때 오목부(130)와 볼록부(140)는 하나의 이방성 식각 공정에 의하여 동시에 형성되므로 오목부(130) 및 볼록부(140)의 측면(130L, 140L)과 웨이퍼(100)의 밑면(100B)이 이루는 각도(θ)는 실리콘의 경우 54.76°으로 서로 같다. 이와 같이 오목부(130)와 볼록부(140)가 하나의 이방성 식각 공정을 통하여 형성되므로 제조 비용 및 제조 시간을 줄일 수 있다.
도 1c에 도시된 바와 같이, 볼록부(140)의 높이(h)는 오목부(130)의 깊이(d)보다 작다. 그 이유는 마스크(120-1)의 광차단부(B)에 의하여 형성된 포토 레지스트(110C)의 폭이 작고 이방성 식각을 하는 과정에서 포토 레지스트(110C)의 밑에 위치한 기판에서 언더컷 현상이 발생하므로 끝이 뾰족하고 높이가 오목부(130)의 깊이(d)보다 낮은 볼록부(140)가 형성된다.
이와 같은 이방성 식각은 습식 식각, 건식 식각 또는 기계적 식각 등으로 이루어질 수 있다. 습식 식각의 경우 KOH, H2O 및 이소프로필알코올로 이루어진 식각 용액이나 TMAH(Tetramethyl ammonium hydroxide)이 이용될 수 있다. 건식 식각의 경우 CHF3나 SF6 가스가 주입된 플라즈마가 이용될 수 있다. 기계적 식각은 레이저를 이용하여 경사진 측면을 지닌 오목부가 형성될 수 있다.
또한 오목부(130)의 폭(w)은 5㎛ 이상 100㎛ 이하일 수 있다. 오목부(130)의 폭(w)은 5㎛ 이하보다 작으면 오목부(130) 내부에 형성되는 볼록부(140)를 형성하기 어렵다. 따라서 오목부(130) 내부에 볼록부(140)가 형성되기 위해서는 오목 부(130)의 폭(w)이 5㎛ 이상이어야 한다. 또한 오목부(130)의 폭(w)이 100㎛보다 크면 산란된 태양광이 태양 전지 외부로 방출될 가능성이 커지므로 변환 효율이 작아질 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 오목부와 볼록부를 나타낸 사시도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 오목부(130)는 역피라미드 형상을 지니고 있으며 볼록부(140)는 피라미드 형상을 지니고 있다. 이와 같이 역피라미드 형상의 오목부(130) 내부에 피라미드 형상의 볼록부(140)가 형성됨으로써 외부에서 입사된 태양광을 산란시키기 위한 산란면이 증가한다. 이에 따라 입사된 태양광 중 반사되는 태양광이 줄어들어 태양 전지의 변환효율이 증가한다.
한편 도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 경우 포토 리소그라피 공정을 통하여 오목부(130) 및 볼록부(140)가 웨이퍼(100)에 형성되므로 오목부들(130)의 깊이(d) 및 폭(w)의 편차와 볼록부들(140)의 높이(h)의 편차는 매우 작다. 즉, 오목부들(130)의 폭(w) 및 깊이(d)는 서로 균일하고, 볼록부들(140)의 높이는 서로 균일하다. 이와 같이 균일한 오목부(130)와 볼록부(140)가 형성되므로 태양광의 산란이나 반사에 대한 제어가 용이하다.
도 3a은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지를 나타낸 것이다. 앞서 설명된 도 1c의 태양 전지의 경우 오목부(130) 내부에 하나의 볼록부(140)가 형성되나 도 3a에 도시된 바와 같이 복수 개의 볼록부(140)가 형성될 수도 있다. 이와 같이 복수 개의 볼록부(140)가 오목부(140) 내부에 형성될 경우 입사된 태양광 중 산란되는 태양광이 증가하므로 태양 전지의 변환효율이 증가한다.
도 3a와 같은 태양 전지를 형성하기 위하여 도 3b에 도시된 바와 같이 포토 마스크(120-1)의 개구부(A) 내에 복수 개의 광차단부(B)가 형성된다. 도 3b와 같은 포토 마스크(120-1)에 광이 조사되면 이방성 식각 과정에서 복수 개의 광차단부(B)에 의하여 형성된 포토 레지스트 주변의 웨이퍼가 이방성 식각되므로 복수 개의 볼록부(140)가 오목부(130) 내에 형성될 수 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 포토 마스크(120-1)의 개구부(A')의 모서리가 돌출될 경우, 도 4b에 도시된 바와 같이 오목부(130)의 모서리 부분이 굴곡지게 형성될 수도 있다.
도 5는 오목부 내부에 볼록부가 형성된 태양 전지를 나타낸 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 태양 전지는 반도체 기판(P), 제1 전극(E1), 및 제2 전극(E2)를 포함한다.
반도체 기판(P)은 불순물의 확산이나 이온임플란테이션(ion implantation) 등에 의하여 도핑되어 p 타입 반도체와 n 타입 반도체의 pn 접합이 형성된다. 도 5에서 제1 반도체(S1)와 제2 반도체(S2)의 경계가 pn 접합이다. 제1 전극(E1)은 반도체 기판의 p 타입 반도체 또는 n 타입 반도체와 접촉한다. 또한 제2 전극(E2)은 제1 전극(E1)과 접촉하는 p 타입 반도체 또는 n 타입 반도체 이외의 나머지 반도체와 접촉한다. 즉, 제1 전극(E1)이 반도체 기판의 n 타입 반도체와 접촉하면 제2 전극(E2)는 p 타입 반도체와 접촉하고, 제1 전극(E1)이 반도체 기판의 p 타입 반도체와 접촉하면 제2 전극(E2)는 n 타입 반도체와 접촉한다.
또한 제2 전극(E2)은 태양광이 투과할 수 있는 ITO(Indium Tin Oxide)와 같 은 투명 전극일 수 있다.
앞서 설명된 바와 같이, 빛이 입사되는 제2 전극(E2)과 제2 전극(E2) 사이의 반도체 기판(P) 영역에는 오목부(130)와, 오목부(130) 내부에 오목부(130)의 깊이보다 작은 높이를 지닌 볼록부(140)가 위치한다.
이와 같이 외부에서 입사된 태양광 중 오목부(130) 및 볼록부(140)에 의하여 산란된 태양광은 광기전력 효과를 일으켜 n 타입 반도체 및 p 타입 반도체의 전자와 정공을 제1 전극(E1) 및 제2 전극(E2)으로 이동시킴으로써 전력을 발생시킨다.
이 때 오목부(130) 및 볼록부(140)는 산란되는 태양광을 증가시키므로 변환효율이 증가하게 된다.
도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 태양 전지를 나타낸 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 오목부(130)의 측면(130L')과 볼록부(140)의 측면(140L')은 각각 서로 다른 기울기를 지닌다. 즉, 오목부(130)의 측면(130L')과 볼록부(130)의 측면(140L')은 꺾여 있다. 이와 같이 오목부(130)의 측면(130L')과 볼록부(130)의 측면(140L')이 꺾이면 산란면이 증가하고 반사되는 빛이 줄어들어 변환 효율이 증가한다.
이와 같은 도 6의 태양 전지는 소정 시간 동안 이방성 식각을 통하여 도 2와 같은 오목부(130)와 볼록부(140)가 형성된 후 이방성 식각이 이루어진 시간보다 짧은 시간 동안 등방성 식각이 이루어지면 이방성 식각에 의하여 형성된 오목부(130)와 볼록부(140)의 측면(130L, 140L)의 기울기와 다른 기울기를 지닌 측면(130L') 140L')이 형성된다.
이 때, 등방성 식각은 이방성 식각을 위한 에칭 용액이 이용될 수 있으며, 등방성 식각을 위하여 이방성 식각을 위한 에칭 용액의 농도보다 높다. 이와 같이 에칭 용액의 농도가 높으므로 등방성 식각이 이루어지는 시간은 이방성 식각이 이루어지는 시간보다 짧다. 등방성 식각이 이루어지는 시간이 이방성 식각이 이루어지는 시간보다 크면, 등방성 식각이 과하게 이루어져 오히려 광의 반사가 커진다.
이와 같이 이방성 식각 후 등방성 식각이 이루어지면 오목부(130)의 끝부분과 볼록부(140)의 끝부분이 등방성 식각되므로 등방성 식각된 오목부(130) 및 볼록부(140)의 측면(130L', 140L')의 기울기는 이방성 식각된 오목부(130) 및 볼록부(140)의 측면(130L, 140L)의 기울기와 다르다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 오목부와 볼록부를 나타낸 사시도이다.
도 3a은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지를 나타낸 것이다.
도 3b는 도 3a의 태양 전지를 형성하기 위한 포토 마스크를 나타낸 것이다.
도 4a는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 태양 전지를 제작하기 위한포토 마스크를 나타낸 것이다.
도 4b는 도 4a의 포토 마스크를 통하여 제작된 태양 전지를 나타낸 것이다.
도 5는 오목부 내부에 볼록부가 형성된 태양 전지를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 태양 전지를 나타낸 것이다.
Claims (18)
- pn 접합이 형성된 반도체 기판;상기 반도체 기판의 p 타입 반도체 또는 n 타입 반도체와 접촉하는 제1 전극; 및상기 제1 전극과 접촉하는 상기 p 타입 반도체 또는 상기 n 타입 반도체 이외의 나머지 반도체와 접촉하는 제2 전극을 포함하며,빛이 입사되는 상기 반도체 기판의 표면에는 역 피라미드 형태의 오목부와 상기 역 피라미드의 내부에 피라미드 형태를 지닌 볼록부가 위치하는 요철부가 형성되며,상기 요철부에서 상기 피라미드 형태를 가지는 볼록부의 높이는 상기 역피라미드 형태의 오목부의 높이보다 작고,상기 요철부는 상기 역피라미드 형태에 대응하는 제1 마스크 패턴과 상기 제1마스크 패턴의 내부에 위치하여 상기 피라미드 형태에 대응하는 제2 마스크 패턴을 갖는 마스크를 이용하여 이방성 에칭에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 오목부의 폭은 5㎛ 이상 100㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 제1항에 있어서,복수 개의 상기 볼록부가 상기 오목부 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 오목부들의 폭 및 깊이는 균일한 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 볼록부들의 높이는 균일한 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 오목부 및 상기 볼록부의 측면과 상기 반도체 기판의 밑면이 이루는 각도는 서로 같은 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 볼록부 각각의 경사면에서의 기울기는 상기 볼록부의 정점에서의 기울기와 서로 다른 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 제 11 항에 있어서,상기 오목부의 제 1 면 및 상기 볼록부의 제 1 면 각각은 상기 오목부 및 상기 볼록부의 상부에 위치하고,상기 오목부의 제 2 면 및 상기 볼록부의 제 2 면 각각은 상기 오목부 및 상기 볼록부의 하부에 위치하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 제 11 항에 있어서,상기 오목부의 제 1 면 및 상기 볼록부의 제 1 면 각각은 등방성 식각에 의하여 형성되며,상기 오목부의 제 2 면 및 상기 볼록부의 제 2 면 각각은 이방성 식각에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 제 11 항에 있어서,상기 오목부의 제 1 면 및 상기 볼록부의 제 1 면 각각의 기울기는 상기 제 2 면의 기울기보다 완만한 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 제 11 항에 있어서,상기 오목부의 제 1 면 및 상기 볼록부의 제 1 면 각각은 상기 오목부의 제 2 면 및 상기 볼록부의 제 2 면 각각이 먼저 형성된 이후에 형성되는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 제 13 항에 있어서,상기 등방성 식각은 상기 이방성 식각에 사용되는 에칭 용액이 사용되는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 제 13 항에 있어서,상기 등방성 식각을 위한 에칭 용액의 농도는 상기 이방성 식각을 위한 에칭 용액의 농도보다 높은 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 제 17 항에 있어서,상기 제 1 측면을 형성하기 위해 등방성 식각이 이루어지는 시간은 상기 제 2 측면을 형성하기 위해 이방성 식각이 이루어지는 시간 보다 짧은 것을 특징으로 하는 태양 전지.
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