KR101046219B1 - 선택적 에미터를 갖는 태양전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 태양전지는 제1 도전성 타입의 기판; 상기 기판의 수광면 쪽에 위치하는 제2 도전성 타입의 에미터; 및 상기 에미터 위에 위치하며, 상기 에미터와 전기적으로 연결되는 복수의 제1 전극을 포함하며, 상기 에미터는 제1 불순물 농도를 갖는 제1 에미터부와, 상기 제1 불순물 농도보다 높은 제2 불순물 농도를 갖는 제2 에미터부를 포함하고, 상기 제2 에미터부는 상기 제1 전극과 직접 접촉하며 상기 제1 전극과 중첩하는 제1 영역과, 상기 제1 영역의 주변에 위치하며 상기 제1 전극과 중첩하지 않는 제2 영역을 포함하고, 상기 제2 영역의 선폭은 상기 제1 전극의 선폭의 8배 이하로 형성된다.

Description

선택적 에미터를 갖는 태양전지{SOLAR CELL HAVING A SELECTIVE EMITTER}
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선택적 에미터를 갖는 태양전지에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지면서, 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생산하는 태양전지가 주목 받고 있다.
태양 전지는 p형과 n형처럼 서로 다른 도전성 타입(conductive type)의 반도체로 각각 이루어지는 기판(substrate) 및 에미터(emitter layer)를 구비한다. 이때, 에미터는 기판의 수광면 쪽에 위치하며, 기판과 에미터부의 계면에는 p-n 접합이 형성된다.
에미터 위에는 상기 에미터와 전기적으로 연결되는 제1 전극 및 제1 집전부가 위치하고, 수광면의 반대쪽으로 기판에는 상기 기판과 전기적으로 연결되는 제2 전극이 위치한다.
이러한 구조의 태양 전지에 빛이 입사되면 반도체 내부의 전자가 광전 효과(photoelectric effect)에 의해 자유전자(free electron)(이하, '전자'라 함)가 되고, 전자와 정공은 p-n 접합의 원리에 따라 n형 반도체와 p형 반도체 쪽으로, 예를 들어 에미터와 기판 쪽으로 각각 이동한다. 그리고 이동한 전자와 정공은 기판 및 에미터에 전기적으로 연결된 각각의 전극 및 집전부에 의해 수집된다.
그런데, 상기한 구조의 태양전지에 있어서 태양전지의 효율은 에미터에 도핑된 불순물의 농도에 영향을 받는다.
예를 들면 에미터에 도핑된 불순물의 농도가 낮은 경우, 즉 에미터가 저농도 도핑부로 형성된 경우에는 전자와 정공의 재결합(recombination)이 감소하여 단락 전류 밀도(Jsc) 및 개방전압(Voc)이 증가하는 효과를 얻을 수 있지만, 접촉 저항(contact resistance)이 증가하여 충진 팩터(FF: Fill Factor)가 감소하는 단점도 발생한다.
그리고 도핑된 불순물의 농도가 높은 경우, 즉 에미터가 고농도 도핑부로 형성된 경우에는 접촉 저항(contact resistance)이 감소하여 충진 팩터(FF: Fill Factor)가 증가하는 효과를 얻을 수 있지만, 단락 전류 밀도(Jsc) 및 개방전압(Voc)이 감소하는 단점도 발생한다.
따라서 근래에는 저농도 도핑부와 고농도 도핑부의 장점을 모두 얻을 수 있는 구조의 태양전지, 예를 들면 선택적 에미터를 갖는 태양전지가 개발되고 있다.
선택적 에미터를 갖는 태양전지는 에미터가 제1 에미터부(저농도 도핑부)와 제2 에미터부(고농도 도핑부)로 구성되고, 제2 에미터부 위에 제1 전극 및 제1 집전부가 위치하는 구조로 이루어지므로, 에미터의 전체 영역에 도핑된 불순물의 농도가 균일한 통상의(conventional) 태양전지에 비해 효율을 향상시킬 수 있다.
그런데 선택적 에미터를 갖는 태양전지에 있어서, 제1 전극 및 제1 집전부가 제2 에미터부 위의 정확한 위치에 형성되지 못하면, 병렬저항 성분이 증가하여 충진 팩터가 저하되고, 이로 인해 태양 전지의 효율을 효과적으로 향상시킬 수 없는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 효율 및 생산성이 향상된 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 태양전지는, 제1 도전성 타입의 기판; 상기 기판의 수광면 쪽에 위치하는 제2 도전성 타입의 에미터; 및 상기 에미터 위에 위치하며, 상기 에미터와 전기적으로 연결되는 복수의 제1 전극을 포함하며, 상기 에미터는 제1 불순물 농도를 갖는 제1 에미터부와, 상기 제1 불순물 농도보다 높은 제2 불순물 농도를 갖는 제2 에미터부를 포함하고, 상기 제2 에미터부는 상기 제1 전극과 직접 접촉하며 상기 제1 전극과 중첩하는 제1 영역과, 상기 제1 영역의 주변에 위치하며 상기 제1 전극과 중첩하지 않는 제2 영역을 포함하고, 상기 제2 영역의 선폭은 상기 제1 전극의 선폭의 8배 이하로 형성된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제1 전극의 선폭과 제1 영역의 선폭은 서로 동일하다. 상기 제2 에미터부의 두께는 상기 제1 에미터부의 두께보다 크게 형성된다. 이때, 상기 제1 에미터부와 제2 에미터부는 상부면이 서로 동일한 평면상에 위치하거나, 하부면이 서로 동일한 평면상에 위치할 수 있다.
상기 제2 영역은 상기 제1 영역의 어느 한쪽 측부에 위치하거나, 제1 영역의 양쪽 측부에 위치할 수 있다.
제2 영역이 제1 영역의 양쪽 측부에 위치하는 경우, 2개의 제2 영역의 선폭은 서로 동일하거나, 서로 다를 수 있다.
상기 제2 영역의 선폭은 상기 제1 전극의 선폭의 1배 이상으로 형성되며, 바람직하게는 1배 이상, 4배 이하로 형성된다. 제1 전극은 40㎛ 내지 100㎛의 미세 선폭으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 태양전지는 상기 에미터 위에 위치하며 상기 에미터와 전기적으로 연결되고, 상기 제1 전극과 교차하는 방향으로 형성되는 적어도 하나의 제1 집전부를 더 포함하며, 상기 제2 에미터부는 상기 제1 집전부와 직접 접촉하며 상기 제1 집전부와 중첩하는 제3 영역과, 상기 제3 영역의 주변에 위치하며 상기 제1 집전부와 중첩하지 않는 제4 영역을 더 포함한다.
상기 제3 영역 및 제4 영역의 선폭의 합이 상기 제1 집전부의 선폭의 1.01배 내지 1.4배로 형성되며, 상기 제1 집전부의 선폭과 제3 영역의 선폭은 서로 동일하다.
상기 제4 영역은 상기 제3 영역의 한쪽 측부에 위치하거나, 양쪽 측부에 위치할 수 있으며, 상기 제4 영역의 선폭은 상기 제1 집전부의 선폭의 0.01배 내지 0.4배로 형성되고, 상기 제4 영역의 선폭과 상기 제2 영역의 선폭은 서로 동일하다.
상기 제4 영역이 상기 제3 영역의 양쪽 측부에 각각 위치하는 경우, 2개의 제4 영역의 선폭은 서로 동일하거나 서로 다를 수 있다.
이러한 특징에 따르면, 제1 전극 및 제1 집전부를 제2 에미터부(고농도 도핑부)와 정확하게 접촉시킬 수 있으므로, 제2 에미터부에 대한 제1 전극 및 제1 집전부의 오정렬로 인해 병렬 저항 성분이 증가하여 충진 팩터가 저하하는 것을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양전지의 일부 사시도이다.
도 2는 도 1의 "Ⅱ-Ⅱ"부분 단면도이다.
도 3은 도 1의 "Ⅲ-Ⅲ"부분 단면도이다.
도 4는 도 1 내지 도 3의 태양전지에 있어서, 제2 영역의 선폭의 크기와 변환 효율의 상관 관계를 나타내는 그래프로서, 시뮬레이션 데이터이다.
도 5는 도 1 내지 도 3의 태양전지에 있어서, 충진 팩터의 상관 관계를 나타내는 그래프로서, 실측 데이터이다.
도 6은 도 1 내지 도 3의 태양전지에 있어서, 제2 영역의 선폭의 크기와 단락 전류 밀도의 상관 관계를 나타내는 그래프로서, 실측 데이터이다.
도 7은 도 1 내지 도 3의 태양전지에 있어서, 제2 영역의 선폭의 크기와 변환 효율의 상관 관계를 나타내는 그래프로서, 실측 데이터이다.
도 8은 도 1에 도시한 태양전지의 선택적 에미터를 제조하는 방법을 나타내는 공정도이다.
도 9는 도 1의 변형 실시예에 따른 태양전지의 부분 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양전지의 일부 사시도이다.
도 11은 도 10의 "Ⅹ-Ⅹ"부분 단면도이다.
도 12는 도 10의 "ⅩⅠ-ⅩⅠ"부분 단면도이다.
도 13은 도 10에 도시한 태양전지의 선택적 에미터를 제조하는 방법을 나타내는 공정도이다.
도 14는 도 10의 변형 실시예에 따른 태양전지의 부분 단면도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 다양한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
그러면 도면을 참고로 하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양전지에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양전지의 일부 사시도이고, 도 2는 도 1의 "Ⅱ-Ⅱ"부분 단면도이며, 도 3은 도 1의 "Ⅲ-Ⅲ"부분 단면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시한 것처럼, 본 실시예에 따른 태양 전지는 기판(110), 기판(110)의 일면에 위치한 선택적 에미터(120)(selective emitter), 선택적 에미터(120) 위에 위치하는 반사방지막(anti-reflection layer)(130), 선택적 에미터(120)와 전기적으로 연결된 복수의 제1 전극(140) 및 적어도 하나의 제1 집전부(150), 기판(110)의 다른 면에 위치하고 기판(110)과 전기적으로 연결된 제2 전극(160) 및 기판(110)과 제2 전극(160) 사이에 위치한 후면전계부(170)를 구비한다.
본 실시예에서, 기판(110)은 제1 도전성 타입, 예를 들어 p형 도전성 타입의 실리콘으로 이루어진 반도체 기판이다. 이때, 실리콘은 단결정 실리콘, 다결정 실리콘 기판 또는 비정질 실리콘일 수 있다.
기판(110)이 p형의 도전성 타입을 가질 경우, 붕소(B), 갈륨, 인듐 등과 같은 3가 원소의 불순물을 함유한다. 하지만, 이와는 달리, 기판(110)은 n형 도전성 타입일 수 있고, 실리콘 이외의 다른 반도체 물질로 이루어질 수도 있다.
기판(110)이 n형의 도전성 타입을 가질 경우, 기판(110)은 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 함유할 수 있다.
선택적 에미터(120)는 기판(110)의 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입, 예를 들어, n형 도전성 타입을 갖는 불순물이 도핑된 부분으로서, 빛이 입사되는 면, 즉 기판(110)의 수광면인 전면에 형성되어 있다.
이러한 선택적 에미터(120)는 서로 다른 불순물 농도를 갖는 제1 에미터부(122)(first emitter portion)와 제2 에미터부(124)(second emitter portion)를 구비한다.
본 실시예에서, 제2 에미터부(124)의 불순물 농도는 제1 에미터부(122)의 불순물 농도보다 높다. 또한 제2 에미터부(124)의 불순물 도핑 두께는 제1 에미터부(122)의 불순물 도핑 두께보다 크다. 따라서 제2 에미터부(124)의 두께는 제1 에미터부(122)의 두께보다 크며, 제1 에미터부(122)와 제2 에미터부(124)의 하부면은 서로 동일한 평면상에 위치한다. 이러한 구조의 선택적 에미터(120)는 에치백(etch back) 공정을 이용하여 형성할 수 있다.
이와 같이, 제2 에미터부(124)의 불순물 도핑 두께가 제1 에미터부(122)의 불순물 도핑 두께보다 크므로, 제2 에미터부(124)의 면저항은 제1 에미터부(122)의 면저항보다 작다. 이러한 구성의 선택적 에미터(120)는 기판(110)과 p-n 접합을 이룬다.
선택적 에미터(120)는 기판(110)과 p-n접합을 형성하므로, 기판(110)에 입사된 빛에 의해 생성된 전하인 전자-정공 쌍은 전자와 정공으로 분리되어 전자는 n형 쪽으로 이동하고 정공은 p형 쪽으로 이동한다.
따라서 기판(110)이 p형이고 선택적 에미터(120)가 n형일 경우, 분리된 정공은 기판(110)쪽으로 이동하고, 분리된 전자는 에미터(120)쪽으로 이동한다.
이와 반대로 기판(110)이 n형이고 선택적 에미터(120)가 p형일 경우, 분리된 전자는 기판(110)쪽으로 이동하고, 분리된 정공은 선택적 에미터(120)쪽으로 이동한다.
선택적 에미터(120)가 n형의 도전성 타입을 가질 경우, 선택적 에미터(120)는 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 기판(110)에 도핑하여 형성할 수 있다. 이와 반대로 선택적 에미터(120)가 p형의 도전성 타입을 가질 경우, 선택적 에미터(120)는 붕소(B), 갈륨, 인듐 등과 같은 3가 원소의 불순물을 기판(110)에 도핑하여 형성할 수 있다.
본 실시예에서, 선택적 에미터(120)의 제2 에미터부(124)는 제1 영역(124a), 제2 영역(124b), 제3 영역(124c) 및 제4 영역(124d)을 포함한다.
제1 영역(124a)과 제2 영역(124b)은 제1 전극(140)의 하부에 위치하며, 제3 영역(124c) 및 제4 영역(124d)은 제1 집전부(150)의 하부에 위치한다.
제1 영역(124a)은 제1 전극(140)과 직접 접촉하며 상기 제1 전극(140)과 중첩하는 영역이고, 제3 영역(124c)은 제1 집전부(150)와 직접 접촉하며 상기 제1 집전부(150)와 중첩하는 영역이다.
그리고 제2 영역(124b)은 제1 영역(124a)의 주변에 위치하며 상기 제1 전극(140)과 중첩하지 않는 영역이고, 제4 영역(124d)은 제3 영역(124c)의 주변에 위치하며 상기 제1 집전부(150)와 중첩하지 않는 영역이다.
따라서 제1 전극(140)은 제2 에미터부(124)의 제1 영역(124a) 위에 위치하며 상기 제1 영역(124a)과 직접 접촉하고, 제1 집전부(150)는 제2 에미터부(124)의 제3 영역(124c) 위에 위치하며 상기 제3 영역(124c)과 직접 접촉한다.
제1 전극(140) 및 제1 집전부(150)는 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 금(Au) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 도전성 금속 물질로 이루어질 수 있다.
복수의 제1 전극(140)은 에미터(120)쪽으로 이동하는 전하, 예를 들어, 전자를 수집하여 원하는 장소로 이동시키고, 적어도 하나의 제1 집전부(150)는 제1 전극(140)을 따라 이동하는 전자를 수집하여 외부로 출력한다.
따라서 이동하는 전자의 수집 효율을 높이기 위해, 제1 집전부(150)의 선폭(W1)은 제1 전극(140)의 선폭(W2)보다 크다. 본 실시예에서, 제1 집전부(150)의 선폭(W1)은 1,000㎛ 내지 3,000㎛, 바람직하게는 1,500㎛이고, 제1 전극(140)의 선폭(W2)은 40㎛ 내지 300㎛, 바람직하게는 40㎛ 내지 100㎛이다.
본 실시예에서, 제1 영역(124a)은 제1 전극(140)의 선폭(W2)과 동일한 선폭(W2)으로 형성되며, 제2 영역(124b)의 선폭(W3)은 제1 전극(140)의 선폭(W2)의 1배 이상 그리고 8배 이하로 형성된다. 그리고 제2 영역(124b)은 제1 영역(124a)의 양쪽 측부에 서로 동일한 선폭(W3/2)으로 위치한다. 도시하지는 않았지만, 제2 영역(124b)은 제1 영역(124a)의 양쪽 측부에 서로 다른 선폭으로 위치할 수도 있다.
도 4는 제2 영역(204b)의 선폭(W3)의 크기와 변환 효율(Eff)의 상관 관계를 나타내는 그래프로서, 시뮬레이션 데이터이며, 본 시뮬레이션 데이터는 제1 전극(140)의 선폭(W1)을 100㎛로 가정한 상태에서 실시하였다.
도 4를 참조하면, 변환 효율(Eff)은 제2 영역(124b)의 선폭(W3)의 크기가 제1 전극(140)의 선폭(W2)의 8배가 될 때까지는 크게 변화하지 않고 일정한 수준, 예를 들어 17.8%를 유지하며, 8배를 넘어서게 되면 점차적으로 저하되는 것을 알 수 있다.
따라서 제2 영역(124b)의 선폭(W3)의 크기는 제1 전극(140)의 선폭(W2)의 8배 이하로 형성하는 것이 바람직하다.
또한 도 4에 따르면 변환 효율(Eff)은 제2 영역(124b)의 선폭(W3)의 크기가 0(zero)인 경우에도 상기 수준을 유지한다. 그러나 제2 영역(124b)의 선폭(W3)의 크기가 0(zero)이라는 것은 제2 에미터부(124)의 선폭(W2+W3)의 크기가 제1 전극(140)의 선폭(W2)의 크기와 동일한 것을 의미하므로, 이러한 경우에는 제1 전극(140)이 제2 에미터부(124)와 정확한 위치에 정렬된 태양전지를 대량으로 생산하는 것이 매우 어렵다.
따라서, 태양전지의 생산성을 양호하게 유지하면서도 변환 효율(Eff)을 일정한 수준으로 유지하기 위해서는 제2 영역(124b)의 선폭(W3)을 제1 전극(140)의 선폭(W2)의 1배 이상, 8배 이하로 형성하는 것이 바람직하다.
도 5 내지 도 7은 도 4의 시뮬레이션 결과를 좀 더 구체화 하기 위하여 도 1 내지 도 3의 태양전지에 있어서 제2 영역(204b)의 선폭(W3)의 크기와 충진 팩터(FF), 단락 전류 밀도(Jsc) 및 변환 효율(Efficiency)의 상관 관계를 측정한 그래프를 도시한 것으로, 실측 데이터를 나타낸다.
도면을 참조하면 제1 전극(140)의 선폭(W2)을 100㎛로 한 경우, 제2 영역(124b)의 선폭(W3)이 100㎛ 내지 400㎛이면 충진 팩터 및 단락 전류 밀도가 서로 효과를 상충하여 전체 변환 효율에 있어서 큰 차이를 보이지 않음이 확인되었다.
따라서 제2 영역(124b)의 선폭(W3)을 제1 전극(140)의 선폭(W2)의 1배 이상, 그리고 4배 이하로 형성하면, 제1 에미터부(122)의 감소로 인해 단락 전류 밀도가 감소하지만 충진 팩터가 증가하므로, 전체적인 변환 효율에 영향을 미치지 않으면서도 제2 에미터부(124)와 제1 전극(140) 사이에 오정렬이 발생하는 문제를 효과적으로 방지할 수 있다.
제3 영역(124c)은 제1 집전부(150)의 선폭(W1)과 동일한 선폭(W1)으로 형성되며, 제4 영역(124d)은 제3 영역(124c)의 양쪽 측부에 서로 동일한 선폭(W4/2)으로 위치한다. 도시하지는 않았지만, 제4 영역(124d)은 제3 영역(124c)의 양쪽 측부에 서로 다른 선폭으로 위치할 수도 있다.
제4 영역(124d)의 선폭(W4)과 제2 영역(124b)의 선폭(W3)은 서로 동일하게 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우 제1 집전부(150)의 선폭(W1)을 1,000㎛로 설계하고 제1 전극(140)의 선폭(W2)을 40㎛ 내지 100㎛로 설계하면, 제2 영역(124b)의 선폭(W3) 및 제4 영역(124d)의 선폭(W4)은 40㎛ 내지 400㎛의 범위에 속하게 된다.
따라서 제3 영역(124c)의 선폭(W1)과 제4 영역(124d)의 선폭(W4)의 합(W1+W4)은 1,040㎛ 내지 1,400㎛에 속하게 되므로, 상기 합(W1+W4)은 제1 집전부(150)의 선폭(W1)의 1.04배 내지 1.4배로 형성되고, 제4 영역(124d)의 선폭(W4)은 제1 집전부(150)의 선폭(W1)의 0.04배 내지 0.4배로 형성된다.
그리고 제1 집전부(150)의 선폭(W1)을 3,000㎛로 설계하고 제1 전극(140)의 선폭(W2)을 40㎛ 내지 100㎛로 설계하면, 제2 영역(124b)의 선폭(W3) 및 제4 영역(124d)의 선폭(W4)은 40㎛ 내지 400㎛의 범위에 속하게 된다.
따라서 제3 영역(124c)의 선폭(W1)과 제4 영역(124d)의 선폭(W4)의 합(W1+W4)은 3,040㎛ 내지 3,400㎛에 속하게 되므로, 상기 합(W1+W4)은 제1 집전부(150)의 선폭(W1)의 1.01배 내지 1.13배로 형성되고, 제4 영역(124d)의 선폭(W4)은 제1 집전부(150)의 선폭(W1)의 0.01배 내지 0.13배로 형성된다.
이에 따라, 제3 영역(124c)의 선폭(W1)과 제4 영역(124d)의 선폭(W4)의 합(W1+W4)은 제1 집전부(150)의 선폭(W1)의 1.01배 내지 1.4배로 형성되고, 제4 영역(124d)의 선폭(W4)은 제1 집전부(150)의 선폭(W1)의 0.01배 내지 0.4배로 형성된다. 이러한 구성의 제2 에미터부(124)는 그 위에 위치하는 제1 전극(140) 및 제1 집전부(150)와 직접 접촉하므로, 제1 전극(140) 및 제1 집전부(150)와의 접촉 저항을 감소시키는 저항성 접촉 부재(ohmic contact)로서 기능할 수 있다.
제1 전극(140) 및 제1 집전부(150)가 위치하지 않는 영역의 선택적 에미터(120) 위에는 실리콘 질화막(SiNx)이나 실리콘 산화막(SiO2) 등으로 이루어진 반사방지막(130)이 위치한다.
반사방지막(130)은 입사되는 태양 광의 반사도를 줄이고 특정한 파장 영역의 선택성을 증가시켜 태양 전지의 효율을 높인다. 이러한 반사방지막(130)은 대략 70nm 내지 80nm의 두께를 가질 수 있다. 반사방지막(130)은 필요에 따라 생략될 수 있다.
기판(110)의 후면에는 제2 전극(160)이 기판(110)의 후면 전체에 위치하며, 전기적으로 기판(110)과 연결되어 기판(110)쪽으로 이동하는 전하, 예를 들어 정공을 수집한다.
후면 전극(160)은 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 금(Au) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 도전성 금속 물질로 이루어질 수 있다.
후면 전극(160)과 기판(110) 사이에는 후면전계부(170)가 위치한다. 후면전계부(170)는 기판(110)과 동일한 도전성 타입의 불순물이 기판(110)보다 고농도 도핑된 영역, 예를 들면, p+ 영역이다.
이러한 구성의 후면전계부(170)는 기판(110)과 후면전계부(170)와의 불순물 농도 차이로 인해 발생하는 전위 장벽으로 인해 기판(110)의 후면쪽으로 캐리어(예를 들어, 전자)가 이동하는 것을 방해하여, 기판(110) 후면에서 전자와 정공이 재결합하여 소멸되는 것을 방지한다.
이러한 구조를 갖는 태양전지의 동작은 다음과 같다. 태양 전지로 빛이 조사되어 반사방지막(130)과 선택적 에미터(120)를 통해 기판(110)으로 입사되면 빛 에너지에 의해 기판(110)에서 전자-정공 쌍이 발생한다. 이때, 반사방지막(130)에 의해 기판(110)으로 입사되는 빛의 반사 손실이 줄어들어 기판(110)으로 입사되는 빛의 양은 증가한다.
이들 전자-정공 쌍은 광전 효과에 의해 서로 분리되며, 전자는 n형의 도전성 타입을 갖는 선택적 에미터(120)쪽으로 이동하고, 정공은 p형의 도전성 타입을 갖는 기판(110)쪽으로 이동한다.
그리고 선택적 에미터(120)쪽으로 이동한 전자는 제2 에미터부(124)와 접촉하는 제1 전극(140)에 의해 수집된 후 제1 전극(140)을 따라 전송되어 제1 집전부(150)에 의해 수집되고, 기판(110)쪽으로 이동한 정공은 제2 전극(160)에 의해 수집된 후, 도시하지 않은 제2 집전부에 의해 수집된다.
이하, 도 1 및 도 8을 참고로 하여 본 실시예에 따른 선택적 에미터를 형성하는 방법에 대해 설명한다.
이미 언급한 바와 같이, 본 실시예는 에치백 공정을 이용하여 선택적 에미터(120)를 형성한다.
이에 대하여 보다 구체적으로 설명하면, 확산 공정을 실시하여 기판(110)의 전체 면에 고농도 도핑 영역(210)을 형성하고, 제2 에미터부(124)를 형성할 위치에 식각 방지 마스크(220)를 형성한다. 이때, 제1 전극(140)을 형성할 위치의 식각 방지 마스크(220)는 제1 영역(124a) 및 제2 영역(124b)의 선폭을 합한 크기의 선폭(W2+W3)으로 형성하고, 도시하지는 않았지만 제1 집전부(150)를 형성할 위치의 식각 방지 마스크는 제3 영역(124c) 및 제4 영역(124d)의 선폭을 합한 크기의 선폭(W1+W4)으로 형성한다. 물론, 상기 식각 방지 마스크(220)의 선폭은 제2 영역(124b)의 선폭(W3)이 제1 영역(124a)의 선폭(W2)의 8배 이하, 바람직하게는 4배 이하가 되는 범위 내에서 적절하게 형성할 수도 있다.
이어서, 상기 식각 방지 마스크(220)를 이용한 식각 공정을 실시하여 제1 에미터부(124a)를 형성할 위치의 고농도 도핑 영역(210)을 일부 두께만큼 제거하여 제1 에미터부(122)와 제2 에미터부(124)를 형성하고, 세정 공정을 진행하여 식각 방지 마스크(220)를 제거한다.
도 9는 도 1의 변형 실시예에 따른 태양전지의 부분 단면도를 도시한 것으로, 제1 전극(140)이 제1 영역(124a)의 한쪽 단부와 일치하는 위치에 위치하여 제2 영역(124b)이 제1 영역(124a)의 한쪽 측부에만 위치하거나, 도시하지는 않았지만 제1 집전부(150)가 제3 영역(124c)의 한쪽 단부와 일치하는 위치에 위치하여 제4 영역(124d)이 제3 영역(124c)의 한쪽 측부에만 위치하는 것을 제외하면 전술한 제1 실시예와 동일하게 구성된다.
이하, 도 10 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 대하여 설명한다.
본 실시예는 선택적 에미터의 구조에 대해서만 전술한 제1의 실시예와 서로 다를 뿐, 나머지 구성은 동일하다. 따라서, 동일한 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 실시예의 선택적 에미터(120)에 있어서, 제2 에미터부(124)의 불순물 도핑 깊이는 제1 에미터부(122)의 불순물 도핑 깊이보다 크다. 따라서 제1 에미터부(122)와 제2 에미터부(124)의 상부면은 서로 동일한 평면상에 위치한다.
이와 같이, 제2 에미터부(124)의 불순물 도핑 깊이가 제1 에미터부(122)의 불순물 도핑 깊이보다 크므로, 제2 에미터부(124)의 면저항은 제1 에미터부(122)의 면저항보다 작다.
이러한 구조의 선택적 에미터(120)는 레이저 도핑(laser doping)을 이용한 공정, 레이저 패터닝(laser patterning) 및 레이저 도핑을 이용한 공정, 또는 확산 방지막을 이용한 공정에 따라 형성할 수 있다.
이 중에서 확산 방지막을 이용한 공정에 대하여 도 13을 참고로 하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 확산 공정을 실시하여 기판(110)의 전체 면에 저농도 도핑 영역(310)을 형성하고, 기판(110)의 전면에 확산 방지막(320)을 형성한 후 상기 확산 방지막(320)을 패터닝 하여 마스크 패턴(330)을 형성한다.
이때, 마스크 패턴(330)은 제2 에미터부(124)를 형성할 위치에 홀 패턴(332)을 구비하는 것으로, 홀 패턴(332)을 형성하기 위해 레이저 또는 식각 페이스트를 사용할 수 있다.
그리고 제1 전극(140)을 형성할 위치의 홀 패턴(332)은 제1 영역(124a) 및 제2 영역(124b)의 선폭을 합한 크기의 선폭(W2+W3)으로 형성하고, 도시하지는 않았지만 제1 집전부(150)를 형성할 위치의 홀 패턴은 제3 영역(124c) 및 제4 영역(124d)의 선폭을 합한 크기의 선폭(W1+W4)으로 형성한다. 물론, 상기 홀 패턴(332)의 선폭은 제2 영역(124b)의 선폭(W3)이 제1 영역(124a)의 선폭(W2)의 4배 이하가 되는 범위 내에서 적절하게 형성할 수도 있다.
이후, 확산 공정을 한번 더 진행하여 상기 홀 패턴(332)을 통해 불순물을 주입함으로써, 제1 에미터부(122)에 비해 깊은 깊이를 갖는 제2 에미터부(124)를 형성하고, 세정 공정을 진행하여 마스크 패턴(330)을 제거한다.
확산 방지막을 이용한 선택적 에미터의 제조 방법으로는 상기한 공정 외에, 마스크 패턴을 먼저 형성한 후 고농도 도핑 영역을 형성하고, 마스크 패턴을 제거한 후 저농도 도핑을 실시하는 방법, 또는 마스크 패턴의 두께를 조절하여 상기 마스크 패턴을 반투과막처럼 사용함으로써, 한번의 확산 공정으로 홀 패턴 부분의 제2 영역 및 나머지 부분의 제1 영역을 형성하는 방법 등이 사용될 수 있다.
한편, 도면에 도시하지는 않았지만 레이저 도핑을 이용하여 선택적 에미터를 형성하는 경우에는 기판의 전체 면에 저농도 도핑 영역을 형성한 후, 일부 영역에 레이저를 조사하여 상기 레이저가 조사된 영역을 제2 에미터부로 형성할 수 있다.
그리고 레이저 패터닝 및 레이저 도핑을 이용하여 선택적 에미터를 형성하는 경우에는 기판의 전체 면에 저농도 도핑 영역을 형성하고, 기판의 전면에 반사방지막을 형성한 후, 레이저 조건을 조절하여 반사방지막의 패터닝 및 제2 에미터부의 형성을 동시에 실시할 수 있다.
도 14는 도 10의 변형 실시예에 따른 태양전지의 부분 단면도를 도시한 것으로, 제1 전극(140)이 제1 영역(124a)의 한쪽 단부와 일치하는 위치에 위치하여 제2 영역(124b)이 제1 영역(124a)의 한쪽 측부에만 위치하거나, 도시하지는 않았지만 제1 집전부(150)가 제3 영역(124c)의 한쪽 단부와 일치하는 위치에 위치하여 제4 영역(124d)이 제3 영역(124c)의 한쪽 측부에만 위치하는 것을 제외하면 전술한 제2 실시예와 동일하게 구성된다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
110: 기판 120: 선택적 에미터
122: 제1 에미터부 124: 제2 에미터부
130: 반사방지막 140: 제1 전극
150: 제1 집전부 160: 제2 전극
170: 후면전계부

Claims (37)

  1. 제1 도전성 타입의 기판;
    상기 기판의 수광면 쪽에 위치하는 제2 도전성 타입의 에미터; 및
    상기 에미터 위에 위치하며, 상기 에미터와 전기적으로 연결되는 복수의 제1 전극
    을 포함하며,
    상기 에미터는 제1 불순물 농도를 갖는 제1 에미터부와, 상기 제1 불순물 농도보다 높은 제2 불순물 농도를 갖는 제2 에미터부를 포함하고,
    상기 제2 에미터부는 상기 제1 전극과 직접 접촉하며 상기 제1 전극과 중첩하는 제1 영역과, 상기 제1 영역의 주변에 위치하며 상기 제1 전극과 중첩하지 않는 제2 영역을 포함하며,
    상기 제2 영역의 선폭은 상기 제1 전극의 선폭의 8배 이하로 형성되는 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 전극의 선폭과 제1 영역의 선폭이 서로 동일한 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  3. 제2항에서,
    상기 제2 에미터부의 두께는 상기 제1 에미터부의 두께보다 크게 형성되는 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  4. 제3항에서,
    상기 제1 에미터부와 제2 에미터부의 상부면이 서로 동일한 평면상에 위치하는 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  5. 제3항에서,
    상기 1 에미터부와 제2 에미터부의 하부면이 서로 동일한 평면상에 위치하는 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  6. 제2항에서,
    상기 제2 영역은 상기 제1 영역의 어느 한쪽 측부에 위치하는 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  7. 제6항에서,
    상기 제2 영역의 선폭은 상기 제1 전극의 선폭의 1배 이상으로 형성되는 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  8. 제7항에서,
    상기 제2 영역의 선폭은 상기 제1 전극의 선폭의 4배 이하로 형성되는 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  9. 제6항에서,
    상기 제1 전극이 40㎛ 내지 100㎛의 미세 선폭을 갖는 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  10. 제6항에서,
    상기 에미터 위에 위치하며 상기 에미터와 전기적으로 연결되고, 상기 제1 전극과 교차하는 방향으로 형성되는 적어도 하나의 제1 집전부를 더 포함하며, 상기 제2 에미터부는 상기 제1 집전부와 직접 접촉하며 상기 제1 집전부와 중첩하는 제3 영역과, 상기 제3 영역의 주변에 위치하며 상기 제1 집전부와 중첩하지 않는 제4 영역을 더 포함하는 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  11. 제10항에서,
    상기 제3 영역 및 제4 영역의 선폭의 합이 상기 제1 집전부의 선폭의 1.01배 내지 1.4배로 형성되는 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  12. 제10항에서,
    상기 제1 집전부의 선폭과 제3 영역의 선폭이 서로 동일한 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  13. 제12항에서,
    상기 제4 영역은 상기 제3 영역의 한쪽 측부에 위치하는 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  14. 제13항에서,
    상기 제4 영역의 선폭은 상기 제1 집전부의 선폭의 0.01배 내지 0.4배로 형성되는 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  15. 제13항에서,
    상기 제4 영역의 선폭과 상기 제2 영역의 선폭이 서로 동일한 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  16. 제12항에서,
    상기 제4 영역은 상기 제3 영역의 양쪽 측부에 각각 위치하는 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  17. 제16항에서,
    상기 제3 영역의 양쪽 측부에 위치하는 2개의 제4 영역의 선폭이 서로 동일한 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  18. 제16항에서,
    상기 제3 영역의 양쪽 측부에 위치하는 2개의 제4 영역의 선폭이 서로 다른 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  19. 제14항에서,
    상기 제4 영역의 선폭의 합이 상기 제1 집전부의 선폭의 0.01배 내지 0.4배로 형성되는 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  20. 제16항에서,
    상기 제4 영역의 선폭의 합과 상기 제2 영역의 선폭의 합이 서로 동일한 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  21. 제2항에서,
    상기 제2 영역은 상기 제1 영역의 양쪽 측부에 각각 위치하는 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  22. 제21항에서,
    상기 제1 영역의 양쪽 측부에 위치하는 2개의 제2 영역의 선폭의 합이 상기 제1 전극의 선폭의 1배 이상으로 형성되는 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  23. 제22항에서,
    상기 제2 영역의 선폭의 합이 상기 제1 전극의 선폭의 4배 이하로 형성되는 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  24. 제21항에서,
    상기 제1 전극이 40㎛ 내지 100㎛의 미세 선폭을 갖는 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  25. 제21항에서,
    상기 제1 영역의 양쪽 측부에 위치하는 2개의 제2 영역의 선폭이 서로 동일한 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  26. 제21항에서,
    상기 제1 영역의 양쪽 측부에 위치하는 2개의 제2 영역의 선폭이 서로 다른 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  27. 제21항에서,
    상기 에미터 위에 위치하며 상기 에미터와 전기적으로 연결되고, 상기 제1 전극과 교차하는 방향으로 형성되는 적어도 하나의 제1 집전부를 더 포함하며, 상기 제2 에미터부는 상기 제1 집전부와 직접 접촉하며 상기 제1 집전부와 중첩하는 제3 영역과, 상기 제3 영역의 주변에 위치하며 상기 제1 집전부와 중첩하지 않는 제4 영역을 더 포함하는 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  28. 제26항에서,
    상기 제3 영역 및 제4 영역의 선폭의 합이 상기 제1 집전부의 선폭의 1.01배 내지 1.4배로 형성되는 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  29. 제27항에서,
    상기 제1 집전부의 선폭과 제3 영역의 선폭이 서로 동일한 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  30. 제29항에서,
    상기 제4 영역은 상기 제3 영역의 한쪽 측부에 위치하는 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  31. 제30항에서,
    상기 제4 영역의 선폭이 상기 제1 집전부의 선폭의 0.01배 내지 0.4배로 형성되는 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  32. 제30항에서,
    상기 제4 영역의 선폭과 상기 제2 영역의 선폭이 서로 동일한 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  33. 제29항에서,
    상기 제4 영역은 상기 제3 영역의 양쪽 측부에 각각 위치하는 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  34. 제33항에서,
    상기 제3 영역의 양쪽 측부에 위치하는 2개의 제4 영역의 선폭이 서로 동일한 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  35. 제33항에서,
    상기 제3 영역의 양쪽 측부에 위치하는 2개의 제4 영역의 선폭이 서로 다른 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  36. 제33항에서,
    상기 제4 영역의 선폭의 합이 상기 제1 집전부의 선폭의 0.01배 내지 0.4배로 형성되는 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
  37. 제33항에서,
    상기 제4 영역의 선폭의 합과 상기 제2 영역의 선폭의 합이 서로 동일한 선택적 에미터를 갖는 태양전지.
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