KR101030447B1 - 이종접합 실리콘 태양전지와 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 비정질/결정질 실리콘 이종접합 태양전지와 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 이종접합 태양전지는, 결정질 실리콘 웨이퍼의 전면에 비정질 실리콘을 형성하는 이종접합 실리콘 태양전지에 있어서, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼의 전, 후면에 증착된 SiOx막; 및 전면에 증착된 SiOx막 위에 증착된 비정질 실리콘층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, SiOx막 또는 SiOxNy막을 패시베이션막으로 사용함으로써, 이종접합태양전지의 효율을 크게 향상시키는 효과가 있다. 또한, 패시베이션막을 열처리 또는 화학적 기상 증착법을 이용한 간단한 증착방법을 이용함으로써, 대량 생산에 적합한 제조방법을 제공하는 효과가 있다.
이종접합 태양전지, 비정질/결정질 이종접합 태양전지, 패시베이션층, 비정질/결정질 태양전지
Description
본 발명은 이종접합 태양전지와 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 비정질/결정질 실리콘 이종접합 태양전지와 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 태양에너지를 이용하는 신재생 에너지는 크게 태양열을 이용하는 발전 시스템과 태양광을 이용하는 발전 시스템으로 나눌 수 있다. 이중 태양광 발전 시스템은 전기에너지를 빛에너지로 바꾸는 LED나 레이저 다이오드와 반대의 원리를 갖는 태양전지를 이용한다.
태양전지는 n-형 반도체와 p-형 반도체를 접합한 구성으로 이루어지며, n-형은 큰 전자밀도와 작은 정공밀도를 가지고 있는 반면에 p-형은 작은 전자밀도와 큰 정공밀도를 가지고 있다. 이러한 p-n 접합 다이오드는 일반적인 열적 평형상태에서 캐리어의 확산이 일어나지 않지만, 구성물질의 전도대와 가전자대 사이의 에너지 차이인 밴드갭에너지 이상의 빛이 가해질 경우 전자들이 가전자대에서 전도대로 여기된다. 전도대로 여기된 전자들은 자유롭게 이동하고, 전자들이 빠져나간 가전자대에는 정공이 형성된다. 빛에너지에 의하여 p-형 영역에서 여기된 전자들과 n- 형 영역에서 만들어진 정공을 접합전의 캐리어(주요캐리어)에 대비하여 소수캐리어라고 부른다. 주요캐리어는 전기장으로 생긴 에너지장벽 때문에 흐르지 못하지만, 소수캐리어는 계속하여 흐르기 때문에 이를 외부 회로에 연결하여 태양전지로 사용할 수 있는 것이다.
이러한 태양전지는 p-n 접합에 사용되는 p-형 반도체와 n-형 반도체의 성질에 따라서 동종접합과 이종접합으로 나뉜다. 이중, 이종접합은 서로 다른 물질 또는 결정구조를 갖는 경우를 말하며, 특히 비정질/결정질을 접합한 경우를 말한다. 특히 실리콘을 이용한 비정질/결정질 실리콘 이종접합 태양전지는 기존의 확산형 결정질 실리콘 태양전지에 비해 낮은 온도에서 같단한 공정으로 제작이 가능하여 많은 관심이 집중되고 있다.
이러한 비정질/결정질 실리콘 이종접합 태양전지의 특성을 가장 큰 요인은 비정질/결정질 계면에 있어서 미결합손(dangling bond) 등에 의해 발생하는 결함밀도(defect density)이다. 계면의 결함밀도가 큰 경우에 빛에 의해 생성된 전자와 정공의 재결합률이 증가하여 태양전지의 효율을 저하시키는 것으로 알려지고 있다. 따라서 이러한 계면결함을 줄이기 위한 노력이 계속되고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 개발된 태양전지 중에 일본 Sanyo사에서 판매되고 있는 HIT(Heterojunction with Intrisic Thinfilm) 셀 태양전지가 있다. HIT는 n-형 실리콘 베이스(200)와 p-형 비정질 실리콘 에미터 사이에 진성의 비정질 실리콘을 수 nm의 두께로 넣어서 효율 특성을 향상시킨 구조이며, 진성의 비정질 실리콘막을 패시베이션(passivation)막이라고 한다.
종래의 진성의 비정질 실리콘 외에 새로운 패시세이션 막에 사용할 수 있는 재료에 대한 연구가 계속되고 있으며, 특히 실리콘의 가격이 계속 상승함에 따라 이에 대한 관심이 높아지고 있는 현실이다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 새로운 패시베이션막을 이용한 이종접합 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 이종접합 태양전지는, 결정질 실리콘 웨이퍼의 전면에 비정질 실리콘을 형성하는 이종접합 실리콘 태양전지에 있어서, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼의 전, 후면에 증착된 SiOx막; 및 전면에 증착된 SiOx막 위에 증착된 비정질 실리콘층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 의한 다른 이종접합 태양전지는, 결정질 실리콘 웨이퍼의 전면에 비정질 실리콘을 형성하는 이종접합 실리콘 태양전지에 있어서, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼의 전, 후면에 증착된 SiOxNy막; 및 전면에 증착된 SiOxNy막 위에 증착된 비정질 실리콘층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼가 n-형의 실리콘이고 상기 비정질 실리콘층이 p-형의 실리콘이거나, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼가 p-형의 실리콘이고 상기 비정질 실리콘층이 n-형의 실리콘일 수 있다.
그리고 상기 SiOx막 또는 SiOxNy막의 두께가 1~10㎚이고, 상기 비정질 실리콘층의 두께가 3~5㎚인 것이 좋다.
한편 본 발명에 의한 이종접합 태양전지의 제조방법은, 결정질 실리콘 웨이 퍼의 전면에 비정질 실리콘을 형성하는 이종접합 실리콘 태양전지의 제조방법에 있어서, 결정질 실리콘 웨이퍼의 앞, 뒷면에 열처리 공정을 이용하여 SiOx을 층착하는 단계; 및 SiOx가 증착된 결정질 실리콘 웨이퍼의 앞면에 비정질 실리콘막을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 의한 다른 이종접합 태양전지의 제조방법은, 결정질 실리콘 웨이퍼의 전면에 비정질 실리콘을 형성하는 이종접합 실리콘 태양전지의 제조방법에 있어서, 결정질 실리콘 웨이퍼의 앞, 뒷면에 화학적 기상증착법을 이용하여 SiOxNy을 층착하는 단계; 및 SiOx가 증착된 결정질 실리콘 웨이퍼의 앞면에 비정질 실리콘막을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼가 n-형의 실리콘이고 상기 비정질 실리콘층이 p-형의 실리콘이거나, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼가 p-형의 실리콘이고 상기 비정질 실리콘층이 n-형의 실리콘일 수 있다.
그리고 상기 SiOx막 또는 SiOxNy막의 두께가 1~10㎚이고, 상기 비정질 실리콘층의 두께가 3~5㎚인 것이 좋다.
본 발명에 따르면, SiOx막 또는 SiOxNy막을 패시베이션막으로 사용함으로써, 이종접합태양전지의 효율을 크게 향상시키는 효과가 있다.
또한, 패시베이션막을 열처리 또는 화학적 기상 증착법을 이용한 간단한 증 착방법을 이용함으로써, 대량 생산에 적합한 제조방법을 제공하는 효과가 있다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이종접합 태양전지를 나타내는 모식도이다.
본 발명의 실시예에 따른 이종접합 태양전지는 결정질 실리콘 웨이퍼(100), 패시베이션막(101), 후면전계층(102), 비정질 실리콘층(103), 후면 반사 전극막(104), 전면 반사 방지막(105) 및 전극(106)을 포함하여 이루어진다.
결정질 실리콘 웨이퍼(100)는 n-형 또는 p-형의 결정질 실리콘 중에서 선택되며, SDR(Saw Damage Removal)처리를 하여 효율을 높인다.
패시베이션막(101)은 SDR 처리를 한 결정질 실리콘 웨이퍼(100)의 앞, 뒤 양면에 증착되어 결정질을 패시베이션(passivation) 해줌으로써 계면결함 밀도를 낮추는 효과를 통해 태양전지의 효율을 높이는 것이다. 본 발명에서는 이러한 패시베이션막(101)으로 SiOx막 또는 SiOxNy막을 증착한다. SiOx막과 SiOxNy막을 사용하면, 미결합손(Dangling bond)를 줄임으로써 소수반송자 수명시간(Minority Carrier Lifetime)을 향상시킬 뿐만 아니라, 더 높은 광학적 밴드갭(Optical band gap)을 얻을 수 있다. SiOx막은 열처리를 통하여 쉽게 형성할 수 있으며, SiOxNy막은 화학적 기상증착법(CVD)을 이용하여 양질의 박막을 대량으로 증착할 수 있다. 이들 두 가지 방법은 모두 대량생산에 적합하여 생산비용이 적게 드는 장점이 있다. SiOxNy막에 있어서는 화학적 기상증착에 의한 N2O플라즈마 처리를 통해 제작되는 SiON막이 대표적으로 이용될 수 있다. 이러한 패시베이션막(101)의 두께는 1~10㎚범위에서 선택적으로 형성이 가능하며, 최적의 두께는 5㎚이다. 패시베이션막이 1nm 보다 얇은 경우에는 패시베이션효과를 얻을 수 없으며, 10nm 보다 두꺼운 경우에는 캐리어의 이동을 블록킹하는 문제가 발생한다.
도 2는 SiON막의 두께에 따른 본 발명의 태양전지의 특성을 나타내는 그래프이다. 도 2를 통해서 SiON막의 증착에 의하여 단락전류(Jsc, short current density), 충진율(FF, fill factor), 개방전압(Voc, open-circuit voltage) 및 효율(efficiency) 특성이 뛰어난 값을 나타내는 것을 확인 할 수 있다. 나아가 5㎚부근에서 최적의 값을 갖는 것도 확인할 수 있다.
후면전계층(102)은 패시베이션막(101)이 양면에 증착된 결정질 실리콘 웨이퍼(100)의 뒷면에 형성되어 후면전계(back surface field)를 형성하는 층이다. 후면전계층(102)으로는 n+박막을 증착하여 후면전계를 형성함과 동시에 오믹접촉(Ohmic contact)을 이루도록 한다. 이러한 후면전계층(102)은 20~25㎚의 두께로 증착하며, 최적의 두께는 20㎚이다.
비정질 실리콘층(103)은 패시베이션막(101)을 사이에 두고 결정질 실리콘 웨이퍼(100)의 앞면에 형성되는 에미터층이다. 비정질 실리콘층(103)은 n-형 또는 p-형 중에서 결정질 실리콘 웨이퍼(100)와는 다른 반도체타입이 선택된다. 이러한 비정질 실리콘층(103)은 3~5㎚의 두께로 형성되며, 최적의 두께는 3㎚이다.
도 3은 P형 비정질 실리콘층의 두께에 따른 본 발명의 태양전지의 특성을 나 타내는 그래프이다. 결정질 실리콘 웨이퍼(100)를 n형으로 선택하고, 비정질 실리콘층(103)을 p형으로 선택한 경우에, 단락전류(Jsc, short current density), 충진율(FF, fill factor), 개방전압(Voc, open-circuit voltage) 및 효율(efficiency) 특성값의 변화를 통해서 P형 비정질 실리콘층 두께의 최적 값을 확인할 수 있다.
후면 반사 전극막(104)은 입사된 태양광을 반사하여 광효율을 높이면서 전기의 전도도를 향상시키는 막이다. 이러한 후면 반사 전극막(104)으로는 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 ZnO:Al 박막을 선택적으로 사용할 수 있다.
전면 반사 방지막(105)은 입사되는 태양광이 반사되지 않도록 하여 태양전지의 효율을 높이는 막이며, ITO 박막을 증착하여 형성한다. 이러한 전면 반사 방지막(105)은 80~100㎚의 두께로 증착되며, 최적의 두께는 80㎚이다.
전극(106)은 태양전지의 앞면과 뒷면에 형성되며, Al을 사용한다. 앞면의 전극은 태양광이 입사될 수 있도록 소정거리 이격되어 형성된다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에만 국한되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위는 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 첨부된 특허청구범위에 의해 정해지는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이종접합 태양전지를 나타내는 모식도이다.
도 2는 SiON막의 두께에 따른 본 발명의 태양전지의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3은 P형 비정질 실리콘층의 두께에 따른 본 발명의 태양전지의 특성을 나타내는 그래프이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
100: 결정질 실리콘 웨이퍼 101: 패시베이션막
102: 후면전계층 103: 비정질 실리콘층
104: 후면 반사 전극막 105: 전면 반사 방지막
106: 전극
Claims (14)
- 결정질 실리콘 웨이퍼와 비정질 실리콘층이 p-n접합을 구성하고 전면 전극과 후면 전극을 포함하는 이종접합 실리콘 태양전지에 있어서,상기 결정질 실리콘 웨이퍼의 전, 후면에 증착된 SiOx막을 더 포함하고;상기 비정질 실리콘층이 상기 결정질 실리콘 웨이퍼의 전면에 증착된 SiOx막 위에 증착된 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지.
- 청구항 1에 있어서,상기 전, 후면에 증착된 SiOx막의 두께가 1~10㎚인 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지.
- 결정질 실리콘 웨이퍼와 비정질 실리콘층이 p-n접합을 구성하고 전면 전극과 후면 전극을 포함하는 이종접합 실리콘 태양전지에 있어서,상기 결정질 실리콘 웨이퍼의 전, 후면에 증착된 SiOxNy막을 더 포함하고;상기 비정질 실리콘층이 상기 결정질 실리콘 웨이퍼의 전면에 증착된 SiOxNy막 위에 증착된 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지.
- 청구항 3에 있어서,상기 전, 후면에 증착된 SiOxNy막의 두께가 1~10㎚인 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지.
- 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,상기 결정질 실리콘 웨이퍼가 n-형의 실리콘이고, 상기 비정질 실리콘층이 p-형의 실리콘인 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지.
- 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,상기 결정질 실리콘 웨이퍼가 p-형의 실리콘이고, 상기 비정질 실리콘층이 n-형의 실리콘인 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지.
- 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,상기 비정질 실리콘층의 두께가 3~5㎚인 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지.
- 결정질 실리콘 웨이퍼와 비정질 실리콘층이 p-n접합을 구성하고 전면 전극과 후면 전극을 포함하는 이종접합 실리콘 태양전지의 제조방법에 있어서,결정질 실리콘 웨이퍼의 앞, 뒷면에 열처리 공정을 이용하여 SiOx을 증착하는 단계; 및SiOx가 증착된 상기 결정질 실리콘 웨이퍼의 앞면에 비정질 실리콘층을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 청구항 8에 있어서,상기 결정질 실리콘 웨이퍼의 앞, 뒷면에 증착된 SiOx의 두께가 1~10㎚인 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 결정질 실리콘 웨이퍼와 비정질 실리콘층이 p-n접합을 구성하고 전면 전극과 후면 전극을 포함하는 이종접합 실리콘 태양전지의 제조방법에 있어서,결정질 실리콘 웨이퍼의 앞, 뒷면에 화학적 기상증착법을 이용하여 SiOxNy을 증착하는 단계; 및SiOxNy가 증착된 상기 결정질 실리콘 웨이퍼의 앞면에 비정질 실리콘층을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 청구항 10에 있어서,상기 결정질 실리콘 웨이퍼의 앞, 뒷면에 증착된 SiOxNy의 두께가 1~10㎚인 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 청구항 8 또는 청구항 10에 있어서,상기 결정질 실리콘 웨이퍼가 n-형의 실리콘이고, 상기 비정질 실리콘층이 p-형의 실리콘인 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 청구항 8 또는 청구항 10에 있어서,상기 결정질 실리콘 웨이퍼가 p-형의 실리콘이고, 상기 비정질 실리콘층이 n-형의 실리콘인 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 청구항 8 또는 청구항 10에 있어서,상기 비정질 실리콘층의 두께가 3~5㎚인 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지의 제조방법.
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