KR101076611B1 - 태양 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 본 발명은 제1도전형의 반도체 기판 전면에 상기 제1도전형과 반대 도전형인 제2도전형의 불순물을 주입하여 에미터층을 형성하는 단계, 상기 에미터층 상에 제1반사방지막을 형성하는 단계, 상기 제1반사방지막에서 전면 전극이 형성될 부분을 패터닝하는 단계, 상기 제1반사방지막 및 상기 에미터층 상에 제2반사방지막을 형성하는 단계 및 상기 반도체 기판의 전면에 전면 및 후면에 전극을 형성하는 단계를 포함한다. 본 발명에 의하면 전극 패턴 형태가 드러나도록 두께가 다른 2중 반사방지막 구조를 형성함으로써 전극의 얼라인먼트가 매우 용이하다는 효과가 있다.
전극, 태양전지, 패턴, 불순물, 에미터, 반사방지막, 얼라인먼트.

Description

태양 전지 및 그 제조 방법 {Solar cell and manufacturing method of the same}
본 발명은 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양전지의 표면에 반사방지막 형성 시 전면 전극 부분이 선명하게 나타나도록 하는 태양 전지 및 그 제조 방법에 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, 반도체의 성질을 이용하여 광전자(photon)를 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지가 있으며, 태양전지라고 하면 일반적으로 태양광 전지(이하, '태양전지'라 한다)를 일컫는다.
도 1은 태양전지의 기본적인 구조를 도시한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 태양전지는 다이오드와 같이 p형 반도체(101)와 n형 반도체(102)의 접합 구조를 가지며, 태양전지에 빛이 입사되면 빛과 태양전지의 반도체를 구성하는 물질과의 상호작용으로 (-) 전하를 띤 전자와 전자가 빠져나가 (+) 전하를 띤 정공이 발생하여 이들이 이동하면서 전류가 흐르게 된다. 이를 광기전력효과(光起電力效果, photovoltaic effect)라 하는데, 태양전지를 구성하는 p형(101) 및 n형 반도체(102) 중 전자는 n형 반도체(102) 쪽으로, 정공은 p형 반도체(101) 쪽으로 끌어 당겨져 각각 n형 반도체(101) 및 p형 반도체(102)와 접합된 전극(103, 104)으로 이동하게 되고, 이 전극(103, 104)들을 전선으로 연결하면 전기가 흐르므로 전력을 얻을 수 있다.
이러한 태양전지의 효율을 높이기 위해서는 태양전지에서 활성층에 도달하는 광전자(photon)의 수를 최대화하고, 전지표면의 반사에 의한 손실을 최소화하는 것은 매우 중요하다.
실리콘(Si)의 경우, 태양전지의 전면부에서의 반사율을 감소시키고, 태양전지 내에서의 빛의 통과 길이를 길게 함으로써 태양전지 내부로 빛이 흡수되도록 하여 효율을 향상시키고자 텍스처링(texturing) 공정을 거치게 된다. 한편, 기판 상에 반사방지막을 형성시켜 반사율을 감소시키는 방법도 있다.
종래 기술에 의하면, 경면 연마처리(polishing)된 기판 표면은 입사되는 태양빛의 30% 내지 50% 정도를 반사시키고, 표면을 피라미드 형태로 텍스처링 시키면 입사되는 태양 빛의 10% 내지 20% 정도를 반사하게 되어 반사율이 현저하게 줄어든다. 또한, 반사방지막을 증착시키면 반사율을 약 5% 내지 10%까지 감소시킬 수 있 다고 알려져 있다.
일반적으로, 반사 방지막은 적절한 굴절율비를 가지는 물질을 여러 층으로 코팅할수록 보다 넓은 파장 영역에서 낮은 반사율을 얻을 수 있으나, 가격 경쟁력과 제품 수율을 동시에 만족시키기 위해서 현재 대부분 3층 이하로 구성하고 있다. 기존에 가장 많이 사용하고 있는 반사 방지막으로는 ZnS/MgF2의 구조가 있으나 이 구성은 표면 패시베이션(passivation) 효과가 없어 현재 상업용으로는 SiNx, SiO2가 주로 사용되고 있다.
한편, 태양전지의 전기적 손실을 줄이기 위해서는, 저농도 도핑된 높은 면저항의 이미터를 적용하여 표면 재결합을 낮추고, 전극과 기판이 접합되는 부위에는 고농도 도핑을 하여 전극과 기판의 직렬 저항을 최소화시켜주는 것이 좋다. 이러한 구조를 선택적 이미터(selective emitter) 구조라 하며, 이러한 구조는 청색 응답(blue response) 영역대인 단파장에서의 광에너지 흡수율을 높여주어 태양전지의 변환효율을 개선시킨다.
종래 선택적 이미터 구조를 포함하는 태양전지 제조공정에 있어서, 반사방지막 형성 후 패터닝을 하여 프린팅 공정시에 얼라인먼트(alignment)가 용이하지 않다는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전면 전극 형성을 용이하게 형성할 수 있도록 하는 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 선택적 이미터를 적용하여 표면 재결합 및 전극의 직렬저항을 개선시킴으로써 변환효율을 개선할 수 있는 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 제1도전형의 반도체 기판 전면에 상기 제1도전형과 반대 도전형인 제2도전형의 불순물을 주입하여 에미터층을 형성하는 단계, 상기 에미터층 상에 제1반사방지막을 형성하는 단계, 상기 제1반사방지막에서 전면 전극이 형성될 부분을 패터닝하는 단계, 상기 제1반사방지막 및 상기 에미터층 상에 제2반사방지막을 형성하는 단계 및 상기 반도체 기판의 전면에 전면 및 후면에 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 제1반사방지막을 형성하는 단계 후에, 상기 이미터층에서 상기 전면 전 극이 형성될 부분에 고농도의 불순물을 주입하여 고농도 도핑하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1반사방지막을 형성하는 단계는 열 성장 공정(thermal growing process)을 이용하여 상기 제1반사방지막을 형성할 수 있다. 이때, 상기 열 성장 공정은 습식 성장 공정(wet growing process)과 건식 성장 공정(dry growing process)을 포함할 수 있다.
상기 제1반사방지막을 형성하는 단계는 900℃의 온도에서 성장하는 열 성장 공정을 이용하여 상기 제1반사방지막을 형성할 수 있다.
상기 제1반사방지막을 형성하는 단계는 증착 공정을 이용하여 상기 제1반사방지막을 형성할 수 있다. 상기 증착 공정은 플라즈마 화학기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)으로 수행될 수 있다. 상기 증착 공정에 사용되는 증착가스는 SiH4를 포함할 수 있다.
상기 제1반사방지막은 SiO2를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 제1반사방지막에서 전면 전극이 형성될 부분을 패터닝하는 단계는, 상기 제1반사방지막에서 전면 전극이 형성될 부분을 식각하는 식각 공정으로 패터닝할 수 있다. 상기 식각 공정에 사용되는 식각 물질은 고분자 유기물을 포함할 수 있다.
상기 제2반사방지막을 형성하는 단계는 열 성장 공정을 이용하여 상기 제2반사방지막을 형성할 수 있다.
상기 제2반사방지막을 형성하는 단계는 증착 공정을 이용하여 상기 제2반사방지막을 형성할 수 있다. 이때, 상기 증착 공정은 플라즈마 화학기상 증착법(PECVD)으로 수행될 수 있다. 상기 증착 공정에 사용되는 증착가스는 SiH4를 포함할 수 있다.
상기 제2반사 방지막은 SiNx를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 제1반사 방지막은 1.5 내지 2.0의 굴절율을 갖도록 형성될 수 있으며, 상기 제2반사 방지막은 2.0 내지 2.3의 굴절율을 갖도록 형성될 수 있다.
상기 반도체 기판의 전면 및 후면에 전극을 형성하는 단계에서, 인쇄법(Printing)에 의해 전극을 형성할 수 있다.
상기 반도체 기판의 후면 전극은 알루미늄을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 반도체 기판의 후면 전극을 형성하는 단계는, 상기 반도체 기판의 후면에 알루미늄을 도포하는 단계 및 상기 알루미늄을 열처리하여 BSF(Back Surface Field) 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면 전극 패턴 형태가 드러나도록 두께가 다른 2중 반사방지막 구조를 형성함으로써 전극의 얼라인먼트가 매우 용이하다는 효과가 있다. 따라서, 태양전지 제조시에 제조공정이 비교적 간단해지고 비용을 낮출 수 있어서 태양전지의 상용화 및 양산화를 기대할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 선택적 에미터 공정을 사용함으로써 표면 반사율 및 단파장의 광에너지 흡수를 증대할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조해서 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 제1도전형의 반도체 기판(210) 전면에 제1도전형과 반대 도전형인 제2도전형의 불순물을 주입하여 에미터층(220)을 형성한다. 본 발명의 일 실시예에서 반도체 기판(210)은 P형 결정질 실리콘으로 되어 있으며, 인산(phosphrous)으로 저농도 도핑하여 에미터층(220)을 형성할 수 있다.
에미터층(220) 상에 제1반사방지막(230)을 형성한다. 본 발명의 일 실시예에서 제1반사방지막(230)은 SiO2를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 제1반사방지막(230)을 형성하는 것은 열 성장 공 정(thermal growing process)을 이용할 수 있다. 본 발명에서 제1반사방지막(230)은 900℃의 온도하에서 습식 성장 공정(wet growing process)과 건식 성장 공정(dry growing process)이 혼합된 열 성장 공정을 통해 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서 제1반사방지막(230)은 증착 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 본 발명에서 증착 공정은 플라즈마 화학기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)으로 수행될 수 있다. 이때, 증착 공정에 사용되는 증착가스는 SiH4를 포함할 수 있다.
다음, 제1반사방지막(230)에서 전면 전극이 형성될 부분을 패터닝한다. 본 발명에서 제1반사방지막(230)에서 전면 전극이 형성될 부분을 식각하는 식각 공정으로 제1반사방지막(230)을 패터닝할 수 있다. 도 2에서는 패터닝된 상태의 제1반사방지막(230)이 도시되어 있다. 이때, 식각 공정에 사용되는 식각 물질은 고분자 유기물을 포함할 수 있다.
본 발명에서 제1반사 방지막(230)은 1.5 내지 2.0의 굴절율을 갖는 것이 바람직하다.
다음, 에미터층(220)에서 전면 전극이 형성될 부분에 고농도의 불순물을 주입하여 고농도 도핑 영역(250)을 형성한다. 이렇게 함으로써, 에미터의 면저항을 높여 재결합을 낮추고, 전극과 기판이 접합되는 부위에 고농도 도핑을 하여 전극과 기판의 직렬 저항을 최소화시켜주는 선택적 에미터(selective emitter) 구조가 된다.
도 3을 참조하면, 제1반사방지막(230) 및 에미터층(220) 상에 제2반사방지막(260)을 형성한다. 본 발명의 일 실시예에서 제2반사방지막(260)은 SiNx를 포함하여 이루어진다. 또한, 본 발명에서 제2반사방지막(260)은 2.0 내지 2.3의 굴절율을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서 제2반사방지막(260)은 열 성장 공정을 이용하여 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서 제2반사방지막(260)은 증착 공정을 이용하여 형성할 수 있다. 이때, 증착 공정은 플라즈마 화학기상 증착법(PECVD)으로 수행될 수 있다. 증착 공정에 사용되는 증착가스는 SiH4를 포함할 수 있다.
다음, 반도체 기판(210)의 전면 및 후면에 전극(미도시)을 형성하는 공정으로 태양전지를 제조한다.
본 발명의 일 실시예에서 인쇄법(Printing)에 의해 반도체 기판(210)의 전면에 전면 및 후면에 전극을 형성할 수 있다.
본 발명에서 전면 전극은 은 전극이 사용될 수 있는데, 은 전극이 전기전도성이 우수하기 때문이다.
본 발명에서 반도체 기판(210)의 후면 전극은 알루미늄 전극으로 형성될 수 있으며, 이는 알루미늄 전극이 전도성이 우수할 뿐만 아니라 실리콘과의 친화력이 좋아서 접합이 잘 되기 때문이다. 또한, 알루미늄 전극은 3가 원소로서 반도체 기판(210)과의 접면에서 p+ 층, 즉 BSF를 형성하여 캐리어들이 표면에서 사라지지 않 고 모이도록 하여 효율을 증대시킬 수 있기 때문이다.
본 발명에서 후면전극을 형성하는 방법을 상세히 설명하면, 반도체 기판(210)의 후면에 알루미늄을 도포하여 알루미늄층(242)을 형성하고, 알루미늄층(242)을 열처리하여 BSF(Back Surface Field) 층(244)을 형성하는 공정으로 형성될 수 있다. 이렇게 함으로써, 후면 전계를 형성하여 후면에서의 재결합을 감소시킬 수 있다.
본 발명에서 전면전극 및 후면전극 형성은 그 순서를 변경해도 무방하다.
도 4는 도 3에 도시된 태양전지를 위에서 바라본 모양을 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 제1반사방지막(230)과 제2반사방지막(260)이 함께 형성된 부분(A)은 진한 검정색으로 도시되고, 이외 제2반사방지막(260)만 형성된 부분(B)이 도시되어 있다. 이처럼, 본 발명에서는 전극이 형성될 부분에서 색상차이가 발생하기 때문에 얼라인먼트(alignment)가 용이하여 전극형성이 매우 용이하다는 효과가 있다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
도 1은 태양전지의 기본적인 구조를 도시한 개략도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 태양전지를 위에서 바라본 모양을 도시한 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
210 반도체 기판 220 에미터 층
230 제1반사방지막 240 후면전극
250 고농도 도핑 영역 260 제2반사방지막
242 알루미늄 층 244 BSF 층

Claims (22)

  1. 제1도전형의 반도체 기판 전면에 상기 제1도전형과 반대 도전형인 제2도전형의 불순물을 주입하여 에미터층을 형성하는 단계;
    상기 에미터층 상에 제1반사방지막을 형성하는 단계;
    상기 제1반사방지막에서 전면 전극이 형성될 부분을 패터닝하는 단계;
    상기 제1반사방지막 및 상기 에미터층 상에 제2반사방지막을 형성하는 단계; 및
    상기 반도체 기판의 전면에 전면 및 후면에 전극을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 제1반사방지막에서 전면 전극이 형성될 부분을 패터닝하는 단계는, 상기 제1반사방지막에서 전극이 형성될 부분을 식각하는 식각 공정으로 패터닝하는 것임을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1반사방지막을 형성하는 단계 후에,
    상기 이미터층에서 상기 전면 전극이 형성될 부분에 고농도의 불순물을 주입하여 고농도 도핑하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1반사방지막을 형성하는 단계는 열 성장 공정(thermal growing process)을 이용하여 상기 제1반사방지막을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열 성장 공정은 습식 성장 공정(wet growing process)과 건식 성장 공정(dry growing process)을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1반사방지막을 형성하는 단계는 900℃의 온도에서 성장하는 열 성장 공정을 이용하여 상기 제1반사방지막을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1반사방지막을 형성하는 단계는 증착 공정을 이용하여 상기 제1반사방지막을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 증착 공정은 플라즈마 화학기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)으로 수행되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 증착 공정에 사용되는 증착가스는 SiH4를 포함하는 것임을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1반사방지막은 SiO2를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 식각 공정에 사용되는 식각 물질은 고분자 유기물을 포함하는 것임을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제2반사방지막을 형성하는 단계는, 열 성장 공정을 이용하여 상기 제2반사방지막을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제2반사방지막을 형성하는 단계는 증착 공정을 이용하여 상기 제2반사방지막을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 증착 공정은 플라즈마 화학기상 증착법(PECVD)으로 수행되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 증착 공정에 사용되는 증착가스는 SiH4를 포함하는 것임을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 제2반사 방지막은 SiNx를 포함하여 이루어지는 것임을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제1반사 방지막은 1.5 내지 2.0의 굴절율을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 제2반사 방지막은 2.0 내지 2.3의 굴절율을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 기판의 전면 및 후면에 전극을 형성하는 단계에서, 인쇄법(Printing)에 의해 전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 기판의 후면 전극은 알루미늄을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 반도체 기판의 후면 전극을 형성하는 단계는,
    상기 반도체 기판의 후면에 알루미늄을 도포하는 단계; 및
    상기 알루미늄을 열처리하여 BSF(Back Surface Field) 층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따른 제조 방법을 이용하여 제조된 태양 전지.
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