KR101098813B1 - 태양 전지 - Google Patents

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어영주
이헌민
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최원석
박기훈
최정훈
양현진
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Abstract

본 발명은 태양 전지에 관한 것이다. 상기 태양 전지는 제1 도전형 타입의 제1 불순물을 함유하는 결정질 반도체 기판, 상기 결정질 반도체 기판과 직접 접촉하여 상기 결정질 반도체 기판과 p-n 접합을 형성하고, 제2 도전형 타입의 제2 불순물이 제1 불순물 도핑 농도로 도핑되어 있는 제1 부분과 상기 제2 불순물이 상기 제1 불순물 도핑 농도보다 높은 제2 불순물 도핑 농도로 도핑되어 있는 제2 부분을 포함하는 제1 비결정질 불순물 반도체부, 상기 제1 비결정질 불순물 반도체부와 연결되어 있는 제1 전극, 그리고 상기 결정질 반도체 기판과 연결되어 있는 제2 전극을 포함한다. 이로 인해, 태양 전지에 패시베이션 기능을 실시하는 별도의 패시베이션막을 형성할 필요가 없으므로, 제조 공정이 간편해지고 제조 시간이 줄어든다

Description

태양 전지{SOLAR CELL}
본 발명은 태양 전지에 관한 것이다
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고, 이에 따라 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생산하는 태양 전지가 주목 받고 있다.
일반적인 태양 전지는 p형과 n형처럼 서로 다른 도전성 타입(conductive type)에 의해 p-n 접합을 형성하는 반도체부, 그리고 서로 다른 도전성 타입의 반도체부에 각각 연결된 전극을 구비한다.
이러한 태양 전지에 빛이 입사되면 반도체에서 복수의 전자-정공 쌍이 생성되고, 생성된 전자-정공 쌍은 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의해 전하인 전자와 정공으로 각각 분리되어, 전자는 n형의 반도체부 쪽으로 이동하고 정공은 p형 반도체부 쪽으로 이동한다. 이동한 전자와 정공은 각각 p형의 반도체부와 n형의 반도체부에 연결된 서로 다른 전극에 의해 수집되고 이 전극들을 전선으로 연결하여 전력을 얻는다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 태양 전지의 제조 비용을 절감하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 태양 전지의 생산성을 향상시키는 것이다.
본 발명의 한 특징에 따른 태양 전지는 제1 도전형 타입의 제1 불순물을 함유하는 결정질 반도체 기판, 상기 결정질 반도체 기판과 직접 접촉하여 상기 결정질 반도체 기판과 p-n 접합을 형성하고, 제2 도전형 타입의 제2 불순물이 제1 불순물 도핑 농도로 도핑되어 있는 제1 부분과 상기 제2 불순물이 상기 제1 불순물 도핑 농도보다 높은 제2 불순물 도핑 농도로 도핑되어 있는 제2 부분을 포함하는 제1 비결정질 불순물 반도체부, 상기 제1 비결정질 불순물 반도체부와 연결되어 있는 제1 전극, 그리고 상기 결정질 반도체 기판과 연결되어 있는 제2 전극을 포함한다.
상기 제2 불순물이 상기 제1 불순물 도핑 농도로 도핑되어 있는 상기 제1 부분은 상기 결정질 반도체 기판 위에 위치하고, 상기 제2 불순물이 상기 제2 불순물 도핑 농도로 도핑되어 있는 상기 제2 부분은 상기 제2 불순물이 상기 제1 불순물 도핑 농도로 도핑되어 있는 상기 제1 부분 위에 위치하는 것이 좋다.
상기 제1 불순물 도핑 농도는 상기 결정질 반도체 기판의 불순물 도핑 농도보다 낮고, 상기 제2 불순물 도핑 농도는 상기 결정질 반도체 기판의 불순물 도핑 농도보다 높을 수 있다.
상기 제1 불순물 도핑 농도는 1×1010 atoms/㎤ 내지 1×1015 atoms/㎤이고, 상기 제2 불순물 도핑 농도는 1×1018 atoms/㎤ 내지 1×1021 atoms/㎤일 수 있다.
상기 제1 부분의 두께는 상기 제2 부분의 두께와 동일할 수 있다.
상기 제1 비결정질 불순물 반도체부는 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 사이에 위치하고 상기 제1 및 제2 불순물 도핑 농도와 상이한 제3 불순물 도핑 농도를 갖는 제3 부분을 더 포함할 수 있다.
상기 제3 불순물 도핑 농도는 상기 제1 불순물 도핑 농도보다 크고 상기 제2 불순물 도핑 농도보다 작을 수 있다.
상기 제3 불순물 도핑 농도는 1×1016 atoms/㎤ 내지 1×1017 atoms/㎤일 수 있다.
상기 제3 부분의 두께는 상기 제1 부분의 두께의 1/2일 수 있다.
상기 제1 부분의 두께는 상기 제2 부분의 두께와 동일할 수 있다.
상기 제1 비결정질 불순물 반도체부는 빛이 입사되지 않은 상기 결정질 반도체 기판의 면 위에 바로 위치하는 것이 좋다.
상기 특징에 따른 태양 전지는 상기 제3 도전성 타입의 제3 불순물이 제4 불순물 도핑 농도로 도핑되어 있는 제1 부분과 상기 제3 불순물이 상기 제4 불순물 도핑 농도와 높은 제5 불순물 도핑 농도로 도핑되어 있는 제2 부분을 포함하는 제2 비결정질 불순물 반도체부를 더 포함할 수 있다.
상기 제4 불순물 도핑 농도로 도핑되어 있는 상기 제1 부분은 상기 결정질 반도체 기판의 표면 위에 위치하고, 상기 제5 불순물 도핑 농도로 도핑되어 있는 상기 제2 부분은 상기 제4 불순물 도핑 농도로 도핑되어 있는 상기 제1 부분 위에 위치하는 것이 좋다.
상기 제4 불순물 도핑 농도는 상기 1 불순물 도핑 농도와 동일하고, 상기 제5 불순물 도핑 농도는 상기 제2 불순물 도핑 농도와 동일할 수 있다.
상기 제2 비결정질 불순물 반도체부는 상기 제4 불순물 도핑 농도로 도핑되어 있는 상기 제1 부분과 상기 제5 불순물 도핑 농도로 도핑되어 있는 상기 제2 부분 사이에 위치하고, 상기 제3 불순물이 상기 제4 및 제5 불순물 도핑 농도와 상이한 제6 불순물 도핑 농도로 도핑되어 있는 제3 부분을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 비결정질 불순물 반도체부는 상기 제1 비결정질 불순물 반도체부와 동일한 평면 위에 위치하고 상기 제1 비결정질 불순물 반도체부와 이격되어 있으며, 상기 제2 전극은 상기 제2 비결정질 불순물 반도체를 통해 상기 결정질 반도체 기판과 연결되어 있는 것이 좋다.
상기 제2 비결정질 불순물 반도체부는 빛이 입사되지 않는 상기 결정질 반도체 기판의 면에 위치하는 것이 바람직하다.
상기 제2 비결정질 불순물 반도체부는 상기 제1 비결정질 불순물 반도체부와 마주보고 있고, 상기 제1 비결정질 불순물 반도체부와 다른 평면 위에 더 위치할 수 있다.
상기 제2 비결정질 불순물 반도체부는 상기 제1 비결정질 불순물 반도체부와 다른 평면 위에 위치할 수 있다.
상기 제2 비결정질 불순물 반도체부는 빛이 입사되는 상기 결정질 반도체 기판의 면 위에 위치할 수 있다.
본 발명의 특징에 따르면, 패시베이션 기능을 실시하는 별도의 패시베이션막을 형성할 필요가 없으므로, 제조 공정이 간편해지고 제조 시간이 줄어든다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지의 일부 단면도이다.
도 2는 불순물의 도핑 농도와 비저항값의 관계를 도시한 그래프이다.
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 상이한 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 붙였다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 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. 또한 어떤 부분이 다른 부분 위에 "전체적"으로 형성되어 있다고 할 때에는 다른 부분의 전체 면에 형성되어 있는 것뿐만 아니라 가장 자리 일부에는 형성되지 않은 것을 뜻한다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지의 일부 단면도이다.
도 1을 참고로 하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지(11)는 기판(110), 빛이 입사되는 기판(110)의 면인 입사면[이하, '전면(front surface)'라 함] 위에 위치하는 전면 불순물부(191), 전면 불순물부(191) 위에 위치하는 반사 방지부(130), 빛이 입사되지 않고 입사면의 반대쪽 면인 기판(110)의 면[이하, '후면(rear surface)'라 함] 위에 위치하는 복수의 제1 후면 불순물부(121), 기판(110)의 후면 위에 위치하고 복수의 제1 후면 불순물부(121)와 이격되어 있는 복수의 제2 후면 불순물부(172), 복수의 제1 후면 불순물부(121) 위에 각각 위치하는 복수의 제1 전극(141)과 복수의 제2 후면 불순물부(172) 위에 각각 위치하는 복수의 제2 전극(142)을 구비하는 전극부(140)를 포함한다.
기판(110)은 제1 도전성 타입, 예를 들어 n형 도전성 타입의 실리콘(silicon)으로 이루어진 반도체 기판이다. 이때, 실리콘은 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘과 같은 결정질 실리콘이므로, 기판(110)은 결정질 반도체 기판이다. 기판(110)이 n형의 도전성 타입을 가질 경우, 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물이 기판(110)에 도핑(doping)된다. 하지만, 이와는 달리, 기판(110)은 p형 도전성 타입일 수 있고, 실리콘 이외의 다른 반도체 물질로 이루어질 수도 있다. 기판(110)이 p형의 도전성 타입을 가질 경우, 기판(110)은 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등과 같은 3가 원소의 불순물이 기판(110)에 도핑된다.
이러한 기판(110)은 전면이 텍스처링(texturing)되어 요철면인 텍스처링 표면(textured surface)을 갖는다. 따라서, 기판(110)의 전면 위에 순차적으로 위치하는 전면 불순물부(191)와 반사 방지부(130) 역시 요철면을 갖는다.
기판(110)의 전면 위에 위치한 전면 불순물부(191)는 기판(110)과 동일한 도전성 타입, 예를 들어, n형의 불순물을 함유하고 있고, 비정질 실리콘(amorphous silicon, a-Si)으로 이루어져 있다. 따라서 전면 불순물부(191)는 비결정질 불순물 반도체부이다.
이때, 전면 불순물부(191)의 불순물 도핑 농도는 세로 방향, 즉, 두께 방향을 따라 연속적 또는 비연속적으로 변하고, 연속적으로 변할 경우 선형 또는 비선형적으로 변한다.
즉, 기판(110)의 표면과 전면 불순물부(191)가 접하는 부분( 즉, 경계면)에서부터 반대 면( 즉, 전면 불순물부(191)의 상부면)에 이르기까지, 즉, 경계면에서부터 반사 방지부(130) 쪽으로 위치(두께)를 이동함에 따라 불순물 도핑 농도는 증가한다.
이때, 전면 불순물부(191)는 불순물 도핑 농도 변화에 따라 크게 세 부분으로 나눠지고, 예를 들어, 약 1×1010 atoms/㎤ 내지 1×1015 atoms/㎤ 의 낮은 불순물 도핑 농도를 갖는 제1 부분(1911), 약 1×1016 atoms/㎤ 내지 1×1017 atoms/㎤ 의 불순물 도핑 농도를 갖는 제2 부분(1912), 그리고 약 1×1018 atoms/㎤ 내지 1×1021 atoms/㎤ 의 높은 불순물 도핑 농도를 갖는 제3 부분(1913)으로 나눠진다. 각 부분(1911-1913)은 각 정해진 범위 내에 속하는 하나의 불순물 도핑 농도를 갖거나, 각 정해진 범위 내에서 연속적 또는 비연속적으로 변하는 불순물 도핑 농도를 가질 수 있다.
이로 인해, 전면 불순물부(191)는 기판(110) 쪽으로 갈수록 진성(intrinsic) 반도체 특성이 증가하고, 반사 방지부(130) 쪽으로 갈수록 외인성(extrinsic) 반도체 특성이 증가한다.
이때, 제1 부분(1911)은 기판(110)의 불순물 도핑 농도보다 낮은 불순물 도핑 농도를 가질 수 있고, 제3 부분(1913)은 기판(110)의 불순물 도핑 농도보다 높은 불순물 도핑 농도를 가질 수 있다. 제2 부분(1912)은 기판(110)과 실질적으로 동일한 불순물 도핑 농도를 가질 수 있다.
제1 부분(1911)은 약 2㎚ 내지 10㎚의 두께를 갖고, 제2 부분(1912)은 약 1㎚ 내지 5㎚의 두께를 갖고 있으며, 제3 부분(1913)은 약 2㎚ 내지 10㎚의 두께를 갖는다. 이로 인해, 전면 불순물부(1911)의 총 두께는 약 5㎚ 내지 15㎚이다. 위에 기재된 것처럼, 제1 및 제3 부분(1911, 1913)의 두께를 실질적으로 동일할 수 있고, 제2 부분(1912)은 제1 및 제3 부분(1911, 1913)의 약 1/2의 두께를 가질 수 있다.
이때, 제1 부분(1911)은 기판(110)과 접해 있고, 제3 부분(1913)은 반사 방지부(130)와 접해 있다.
따라서, 진성 반도체 특성이 강한 제1 부분(1911)은 기판(110)의 표면과 바로 접해 있고 불순물 도핑 농도가 가장 적기 때문에 기판(110)의 표면 및 그 부근에 존재하는 댕글링 결합(dangling bond)과 같은 결함(defect)을 안정한 결합으로 바꾸어, 기판(110)의 전면 쪽으로 이동한 전하가 결함에 의해 소멸되는 양을 감소시키는 패시베이션(passivation) 기능을 수행한다.
또한, 외인성 반도체 특성이 강한 제3 부분(1913)에 의해, 기판(110)과의 전위 장벽이 형성되어, 기판(110)의 전면 쪽으로 이동하는 전하, 예를 들어, 정공의 이동이 방해된다. 따라서, 제3 부분(1913)에 의해 기판(110)의 전면 쪽으로 이동하는 정공은 기판(110)의 후면 쪽으로 되돌아가게 되므로, 제3 부분(1913)은 전면 전계(front surface field) 기능을 수행한다. 이로 인해, 기판(110)의 전면 쪽으로 원치 않는 전하(예, 정공)의 이동을 방지하고, 기판(110)의 표면 및 그 근처에서 손실되는 전하(예, 정공)의 양을 감소시킨다.
또한, 제1 및 제3 부분(1911, 1913) 사이에 존재하는 제2 부분(1912)은 제1 및 제2 부분(1911, 1913) 사이의 에너지 밴드 갭 차이를 감소시켜, 제1 부분(1911)에서 제3 부분(1913)으로의 에너지 밴드 갭 변화가 완만하게 이루어져, 제1 부분(1911)에서 제3 부분(1913)으로의 전하 이동이 원활하게 이루어질 수 있도록 한다.
전면 불순물부(191)의 두께가 약 5㎚ 이상이면, 전계(field) 발생이 좀더 안정적으로 이루어져 전면 전계 효과를 좀더 안정적으로 얻을 수 있다.
또한, 전면 불순물부(191)의 두께가 약 25㎚ 이하이면, 전면 불순물부(191) 자체에서 흡수되는 빛의 양이 방지되거나 크게 줄어들어, 기판(110)으로 입사되는 빛의 양이 좀더 증가한다.
이와 같이, 단일막으로 이루어진 전면 불순물부(191)는 위치에 따른 불순물의 농도 변화에 따라 패시베이션 기능과 전면 전계 기능을 수행하므로, 본 실시예의 태양 전지(11)는 기판(110)의 전면에서 패시베이션 기능을 별도로 수행하기 위해, 패시베이션부[예, 진성 비정질 실리콘(intrinsic-Si)막]와 전면 전계부를 별도로 구비하고 있지 않다.
이러한 전면 불순물부(191)는 예를 들어 실란(SiH4), 수소(H2), 포스핀 (phosphine, PH3) 등을 이용하여 플라즈마 기상 증착법(PECVD) 등과 같은 막 형성 방법을 통해 형성될 수 있다. 이때, 실란(SiH4)과 수소(H2)는 비정질 실리콘막 형성을 위해 사용되고, 포스핀은 n형의 불순물 도핑을 위해 사용된다. 따라서, 시간에 따라 전면 불순물부(191)를 형성하는 공정실 내로 주입되는 불순물 도핑 물질(예, 포스핀)의 공급량을 조정하여 원하는 두께와 정해진 불순물 도핑 농도를 갖는 제1 내지 제3 부분(1911-1913)을 형성할 수 있다.
이처럼, 기판(110)의 전면에 위치하는 전면 불순물부(191)의 패시베이션 기능과 전면 전계 기능에 의해, 손실되는 전하의 양이 감소되므로 태양 전지(11)의 효율이 향상된다. 또한 별도의 패시베이션막을 형성할 필요가 없으므로, 제조 공정과 제조 시간이 크게 단축된다.
도 1에 도시한 태양 전지(11)는 복수의 제1 및 제2 전극(141, 142)이 모두 기판(110)의 비입사면에 위치하므로, 전면 불순물부(191)를 통해 외부 장치로 전하가 출력되지 않는다. 따라서, 대안적인 예에서, 전면 불순물부(191)는 제2 부분(1912)를 구비하지 않을 수 있다. 즉, 대안적인 예에서 전면 불순물부(191)는 약 1×1010 atoms/㎤ 내지 1×1015 atoms/㎤ 의 불순물 도핑 농도를 갖는 제1 부분(1911)과 약 1×1018 atoms/㎤ 내지 1×1021 atoms/㎤ 의 불순물 도핑 농도를 갖는 제3 부분(1913)으로 나눠질 수 있고, 이미 기재된 것처럼, 제1 부분(1911)은 약 2㎚ 내지 10㎚의 두께를 갖고, 제3 부분(1913)은 약 2㎚ 내지 10㎚의 두께를 가질 수 있다.
제1 및 제3 부분(1911, 1913)의 불순물 농도는 정해진 범위 내에 속하는 하나의 값을 가질 수 있거나 정해진 범위 내에서 연속적으로 또는 비연속적으로 변할 수 있다.
이와 같은 경우, 전면 불순물부(191)의 두께가 감소하고, 이로 인해, 전면 불순물부(191)의 제조 시간이 감소한다.전면 불순물부(191) 위에 위치한 반사 방지부(130)는 태양 전지(11)로 입사되는 빛의 반사도를 줄이고 특정한 파장 영역의 선택성을 증가시켜, 태양 전지(11)의 효율을 높인다. 이러한 반사 방지부(130)는 실리콘 질화막(SiNx), 비정질 실리콘 질화막(a-SiNx), 실리콘 산화막(SiOx) 등으로 이루어지고, 약 70㎚ 내지 90㎚의 두께를 가질 수 있다.
반사 방지부(130)는 이 두께 범위 내에서 좀더 양호한 빛의 투과도를 가질 수 있어, 기판(110) 쪽으로 입사되는 빛의 양을 좀더 증가시킬 수 있다.
본 실시예에서, 반사 방지부(130)는 단일막 구조를 갖지만 이중막과 같은 다층막 구조를 가질 수 있고, 필요에 따라 생략될 수 있다.
복수의 제1 후면 불순물부(121)와 복수의 제2 후면 불순물부(172)는 기판(110)의 후면 위에서 서로 분리되어 있고, 서로 나란하게 정해진 방향으로 뻗어 있다.
이때, 도 1 및 제2 에 도시한 것처럼, 제1 후면 불순물부(121)와 제2 후면 불순물부(172)는 기판(110)의 후면 위에서 교대로 위치한다.
복수의 제1 후면 불순물부(121)는 기판(110)과 다른 도전성 타입, 예를 들어, p형의 불순물을 함유하고 있고, 기판(110)과 다른 반도체, 예를 들어, 비정질 실리콘(a-Si)과 같은 비결정질 반도체로 이루어져 있다. 따라서 복수의 제1 후면 불순물부(121)는 기판(110)과 p-n 접합을 형성하여 에미터부(emitter portion)로서 기능한다. 또한, 복수의 제1 후면 불순물부(121)는 기판(110)과 다른 반도체 물질로 이루어져 있으므로, 기판(110)과 이종 접합(hetero junction)을 형성한다. 따라서 복수의제1 후면 불순물부(121)는 비결정질 불순물 반도체부이다.
또한, 복수의 제2 후면 불순물부(172)는 기판(110)과 동일한 도전성 타입, 예를 들어, n형의 불순물을 함유하고 있고, 제1 후면 불순물부(121)와 같이 비정질 실리콘(a-Si)과 같은 비결정질 반도체로 이루어져 있다. 따라서 복수의 제2 후면 불순물부(172) 역시 기판(110)과 이종 접합(hetero junction)을 형성하므로, 복수의 제2 후면 불순물부(172)는 비결정질 불순물 반도체부이다.
기판(110)과 복수의 제1 후면 불순물부(121)와의 p-n 접합에 인한 내부 전위차(built-in potential difference)에 의해, 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 n형이고 복수의 제1 후면 불순물부(121)가 p형일 경우, 분리된 전자는 복수의 제2 후면 불순물부(172) 쪽으로 이동하고, 분리된 정공은 복수의 제1 후면 불순물부(121) 쪽으로 이동한다.
전면 불순물부(191)와 유사하게, 각 제1 후면 불순물부(121)와 각 제2 후면 불순물부(172)의 불순물 도핑 농도는 세로 방향, 즉, 두께 방향을 따라 연속적 또는 비연속적으로 변하고, 연속적으로 변할 경우 선형 또는 비선형으로 변한다. 이때, 기판(110) 쪽에서부터 제1 전극부(150) 쪽으로 위치(두께)를 이동함에 따라 불순물 도핑 농도는 증가한다.
이때, 각 전면 불순물부(191)와 유사하게, 각 제1 및 제2 후면 불순물부(121, 172)는 불순물 도핑 농도 변화에 따라 세 부분(1211-1213, 1721-1723)으로 나뉘다.
이때, 제1 및 제2 후면 불순물부(121, 172)의 제1 및 제3 부분(1211, 1721, 1213, 1723)의 불순물 농도는 전면 불순물부(191)의 제1 및 제3 부분(1911, 1913)과 실질적으로 동일하고, 제1 및 제2 후면 불순물부(121, 172)의 제2 부분(1212, 1722)의 불순물 농도는 전면 불순물부(191)의 제2 부분(1912)과 실질적으로 동일하다.
따라서, 제1 및 제2 후면 불순물부(121, 172)의 제1 부분(1211, 1721)은 약 1×1010 atoms/㎤ 내지 1×1015 atoms/㎤ 의 불순물 도핑 농도는 갖고, 제1 및 제2 후면 불순물부(121, 172)의 제2 부분(1222, 1722)은 약 1×1016 atoms/㎤ 내지 1×1017 atoms/㎤ 의 불순물 도핑 농도를 가지며, 제1 및 제2 후면 불순물부(121, 172)의 제3 부분(1213, 1723)은 약 1×1018 atoms/㎤ 내지 1×1021 atoms/㎤ 의 불순물 도핑 농도를 가질 수 있다. 각 부분(1911-1913)과 동일하게, 각 부분(1211-1213, 1721-1723) 내에서의 불순물 도핑 농도를 각 정해진 범위 내에 속하는 하나의 값을 가지거나, 각 정해진 범위 내에서 연속적 또는 비연속적으로 변할 수 있다..
또한, 제1 및 제2 후면 불순물부(121, 172)의 제1 및 제3 부분(1211, 1721, 1213, 1723)의 두께 역시 전면 불순물부(191)의 제1 및 제3 부분(1911, 1913)과 실질적으로 동일하고, 제1 및 제2 후면 불순물부(121, 172)의 제2 부분(1212, 1722)의 두께는 전면 불순물부(191)의 제2 부분(1912)과 실질적으로 동일하다.
따라서, 제1 및 제2 후면 불순물부(121, 172)의 제1 및 제3 부분(1211, 1721, 1213, 1723)은 약 2㎚ 내지 10㎚의 두께를 갖고, 제1 및 제2 후면 불순물부(121, 172)의 제2 부분(1212, 1722)은 약 1㎚ 내지 5㎚의 두께를 가질 수 있다. 이로 인해, 각 제1 및 제2 후면 불순물부(121, 172)의 총 두께는 약 5㎚ 내지 15㎚이다.
이때, 제1 및 제2 후면 불순물부(121, 172)의 제1 부분(1211, 1721)의 불순물 도핑 농도는 기판(110)의 불순물 도핑 농도보다 낮을 수 있고, 제3 부분(1213, 1723)의 불순물 도핑 농도는 기판(110)의 불순물 도핑 농도보다 높을 수 있다. 또한 경우에 따라, 제1 및 제2 후면 불순물부(121, 172)의 제2 부분(1212, 1722)은 기판(110)과 실질적으로 동일한 불순물 도핑 농도를 가질 수 있다.
전면 불순물부(191)의 경우와 동일하게, 불순물의 도핑 농도가 가장 낮은 제1 및 제2 후면 불순물부(121, 172)의 제1 부분(1211, 1721)에는 결함을 유발하는 불순물의 도핑 양이 적기 때문에 패시페이션 기능을 효율적으로 실시한다.
또한 도 2에 도시한 것처럼, n형과 p형 불순물의 불순물 도핑 농도가 증가할수록 비저항값이 감소하여 전도도와 오믹 콘택(ohmic contact)이 증가한다. 따라서, 불순물의 도핑 농도가 가장 높은 제1 및 제 후면 불순물부(121, 172)의 제3 부분(1213, 1723)은 각각 고농도의 불순물에 의해 제1 및 제2 부분(1211, 1212, 1721, 1722)보다 높은 전도도(conductivity)과 양호한 접촉특성을 갖는다. 이로 인해, 제1 및 제2 후면 불순물부(121, 172)는 제3 부분(1213, 1723) 쪽으로 갈수록 전하 전송 능력과 그 상부에 위치하는 제1 전극부(150)간의 접촉력이 증가한다.
또한, 제2 후면 불순물부(172)의 경우, 전면 불순물부(191)의 제3 부분(1913)과 유사하게, 불순물의 농도가 가장 높은 제3 부분(1723)에 의해 기판(110)과 제3 부분(1723) 간의 전위 장벽이 형성되고, 이로 인해, 기판(110)의 후면 쪽으로 이동하는 전하(예, 정공) 이동을 방해하는, 반면 제2 후면 불순물부(172) 쪽으로의 전하(예, 전자) 이동을 용이하게 한다. 이처럼, 제2 후면 불순물부(172)의 제3 부분은 후면 전계부로서 기능하고, 이에 따라 복수의 제2 후면 불순물부(172) 쪽으로 이동한 정공에 의한 전자의 손실량을 감소시키고 전자 이동을 가속화시켜 기판(110)에서부터 제2 후면 불순물부(172)로의 전자 이동량을 증가시키다. 따라서 태양 전지(11)의 효율은 향상된다.
이로 인해, 패시베이션 기능을 수행하기 위해 진성 비정질 실리콘 등으로 이루어진 별도의 패시베이션부를 형성하지 않아도 되므로, 태양 전지(11)의 제조 시간이나 제조 비용이 절감된다.
본 실시예와 달리, 기판(110)이 p형의 도전성 타입을 가질 경우, 기판(110)과 에미터부(121)와의 p-n 접합을 형성하므로 에미터부(제1 후면 불순물부)(121)가 n형의 도전성 타입을 가지고, 이 경우 분리된 전자는 복수의 제1 후면 불순물부(121) 쪽으로 이동하고 분리된 정공은 복수의 제2 후면 불순물부(172) 쪽으로 이동한다.
복수의 제1 후면 불순물부(121)가 p형의 도전성 타입을 가질 경우 제1 후면 불순물부(121)에는 3가 원소의 불순물이 도핑될 수 있고, 반대로 복수의 제1 후면 불순물부(121)가 n형의 도전성 타입을 가질 경우, 제1 후면 불순물부(121)에는 5가 원소의 불순물이 도핑될 수 있다.
본 실시예에서, 각 제1 후면 불순물부(121)와 각 제2 후면 불순물부(172)의 폭(W1, W2)은 서로 상이하다. 즉, 제2 후면 불순물부(172)의 폭(W2)이 제1 후면 불순물부(121)의 폭(W2)보다 크다. 이로 인해, 제2 후면 불순물부(172)로 덮어지는 기판(110)의 표면 면적이 증가하여, 제2 후면 불순물부(172)의 제3 부분(1723)에 의한 후면 전계 효과가 증가한다.
하지만, 이와는 달리, 제1 후면 불순물부(121)의 폭(W2)이 제2 후면 불순물부(172)의 폭(W1)보다 클 수 있다. 이 경우, p-n 접합 영역이 증가하므로 전자-정공 쌍의 발생량이 증가하고, 전자에 비해 이동도가 낮은 정공의 수집에 유리하다.
한 예로서, 제1 및 제2 후면 불순물부(121, 172) 역시 전면 불순물부(191)와 유사하게 실란(SiH4)와 수소(H2)를 이용하여 비정질 실리콘막을 형성할 수 있다. 이때, p형의 불순물이 도핑된 제1 후면 불순물부(121)를 위해 디보란(diborane, B2H6)과 같은 불순물 도핑 물질이 사용될 수 있으며, n형의 불순물이 도핑된 제2 후면 불순물부(172)을 위해서는 포스핀(PH3)과 같은 불순물 도핑 물질이 사용될 수 있다. n형과 p형의 위한 불순물 도핑 물질을 물론 변경 가능하다.
따라서, 전면 불순물부(191)과 동일하게, 시간에 따라 제1 및 제2 후면 불순물부(121, 172)를 형성하기 위한 공정실에 주입되는 불순물 도핑 물질의 공급량을 조정하여 원하는 두께와 불순물 도핑 농도를 갖는 제1 내지 제3 부분(1211-1213, 1721-1723)을 형성할 수 있다. 이때, 제1 및 제2 후면 불순물부(121, 172)는 별개의 공정실에서 각각 형성되거나 동일 공정실에서 형성될 수 있다.
각 제1 후면 불순물부(121)의 두께가 약 5㎚ 이상이면, 안정적으로 p-n 결합이 형성되어 전자-정공 쌍의 분리 및 이동이 좀더 원활하게 이루어져 태양 전지(11)의 출력 효율이 좀더 향상될 수 있고, 각 제2 후면 불순물부(172)의 두께가 약 5㎚ 이상이면, 후면 전계 효과를 전계 발생이 안정적으로 이루어져 후면 전계 효과를 좀더 안정적으로 얻을 수 있다.
제1 및 제2 후면 불순물부(121, 172)의 두께가 약 25㎚ 이하이면, 제1 및 제2 후면 불순물부(121, 172) 자체에서 흡수되는 빛의 양이 방지되거나 크게 줄어들어, 기판(110)으로 재입사되는 빛의 양이 좀더 증가한다. 또한, 제1 후면 불순물부(121)의 두께가 약 25㎚ 이하이면, 에미터부의 면저항값 증가로 인한 태양 전지(11)의 직렬 저항 증가가 방지되므로, 태양 전지(11)의 출력 효율이 좀더 향상된다.
이와 같이, 별도의 패시베이션막을 형성하지 않고, 제1 후면 불순물부(121)와 제2 후면 불순물부(172)를 형성할 때, 공정실 내로 주입되는 불순물 도핑 물질의 양만 변경하면 된다. 따라서 별도의 패시베이션막을 형성하기 위한 별도의 공정실이 필요 없으므로, 태양 전지(11)의 제조 시간과 제조 비용이 크게 줄어든다.
또한, 기판(110)과 복수의 제1 후면 불순물부(121) 사이 그리고 기판(110)과 제2 후면 불순물부(172) 사이에 진성 반도체로 이루어진 별도의 패시베이션막이 존재하지 않으므로, 기판(110)과 복수의 제1 후면 불순물부(121) 사이의 계면 및 그 부근 그리고 기판(100)과 제2 후면 불순물부(172) 사이의 계면 및 그 부근의 에너지 밴드 갭 차이가 줄어든다. 이로 인해, 기판(110)과 복수의 제1 및 제2 후면 불순물부(121, 172) 사이의 계면 및 그 부근에서의 에너지 밴드 변화가 완만하게 이루어져, 기판(110)으로부터 제1 및 제2 후면 불순물부(121, 177)로의 전하(정공 및 전자) 이동이 좀더 용이하게 행해진다.
이에 더하여, 별도로 위치하는 패시베이션막의 두께가 두꺼울 경우, 전하의 터널링(tunneling)을 방해하게 되고 전도도가 낮은, 즉, 저항이 높은 진성 반도체층을 통과해야 하므로, 전극부(140)로 이동하는 전하의 이동을 방해하여, 태양 전지의 효율을 감소시켰다. 특히, 이동도가 좋지 않은 정공의 경우, 제1 후면 불순물부(121)로의 이동 효율은 더욱더 감소되었다.
하지만, 본 실시예의 경우, 복수의 제1 및 제2 후면 불순물부(121, 172)는 불순물을 함유하지 않은 진성 반도체 부분이 존재하지 않으므로, 제1 및 제2 후면 불순물부(121, 172)로의 전하 이동도가 향상되며, 제1 및 제2 후면 불순물부(121, 172)는 별도의 진성 반도체부를 거치지 않고 바로 기판(110)과 접해 있으므로, 전하의 이동 거리가 감소하여 전하의 전송 효율은 더욱더 증가한다.
이미 설명한 것처럼, 전극부(140)는 에미터부로서 기능하는 복수의 제1 후면 불순물부(121)의 제3 부분(1213) 위에 각각 위치하여 하부의 에미터부(121)를 따라 길게 뻗어 있는 복수의 제1 전극(141)과 복수의 제2 후면 불순물부(172)의 제3 부분(1723) 위에 각각 위치하여 하부의 제2 후면 불순물부(172)를 따라 길게 뻗어 있는 복수의 제2 전극(142)을 구비한다.
각 제1 전극(141)은 해당 에미터부(121) 쪽으로 이동한 전하, 예를 들어, 정공을 수집한다.
각 제2 전극(142)은 해당 제2 후면 불순물부(172)쪽으로 이동한 전하, 예를 들어, 전자를 수집한다.
도 1에서, 제1 및 제2 전극(141, 142) 각각은 그 하부에 위치하는 제1 및 제2 후면 불순물부(121, 172)과 상이한 평면 형상을 가지지만, 동일한 평면 형상을 가질 수 있다. 제1 및 제2 후면 불순물부(121, 172)와 제1 및 제2 전극(141, 142)간의 접촉 면적이 증가할수록 접촉 저항이 감소하여, 제1 및 제2 전극(141, 142)으로의 전하 전송 효율은 증가한다.
특히, 제1 전극(141)과 제2 전극(142)은 각각 불순물 도핑 농도가 높은 제3 부분(1213, 1723)과 접해 있다. 이로 인해, 제1 전극(141)과 제1 후면 불순물부(121)의 제3 부분(1213) 그리고 제2 전극(142)과 제2 후면 불순물부(172)의 제3 부분(1723)과의 전하 전송 능력이 향상되어, 각 제1 후면 불순물부(121)에서 제1 전극(141)으로 전송되는 전하량 그리고 각 제2 후면 불순물부(172)에서 제2 전극(142)으로 전송되는 전하량이 더욱더 증가한다.
복수의 제1 및 제2 전극(141, 142)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 있지만, 이외의 다른 도전성 금속 물질로 이루어질 수 있다. 이처럼, 복수의 제1 및 제2 전극(141, 142)이 금속 물질로 이루어져 있으므로, 기판(110)을 통과한 빛을 기판(110)쪽으로 반사시킨다.
이와 같은 구조를 갖는 본 실시예에 따른 태양 전지(11)는 복수의 제1 전극(141)과 복수의 제2 전극(142)이 빛이 입사되지 않은 기판(110)의 후면에 위치하고, 기판(110)과 복수의 제1 후면 불순물부(121), 즉, 에미터부가 서로 다른 종류의 반도체로 이루어져 있는 태양 전지로서, 그 동작은 다음과 같다.
태양 전지(11)로 빛이 조사되어 반사 방지부(130)와 전면 불순물부(191)를 순차적으로 통과하여 기판(110)으로 입사되면 빛 에너지에 의해 기판(110)에서 전자-정공 쌍이 발생한다. 이때, 기판(110)의 표면이 텍스처링 표면이므로 기판(110) 전면에서의 빛 반사도가 감소하고, 텍스처링 표면에서 입사와 반사 동작이 행해져 빛의 흡수율이 증가되므로, 태양 전지(11)의 효율이 향상된다. 이어 더하여, 반사 방지부(130)에 의해 기판(110)으로 입사되는 빛의 반사 손실이 줄어들어 기판(110)으로 입사되는 빛의 양은 더욱더 증가한다.
이들 전자-정공 쌍은 기판(110)과 에미터부(제1 후면 불순물부)(121)의 p-n 접합에 의해 서로 분리되어 정공은 p형의 도전성 타입을 갖는 에미터부(121)쪽으로 이동하고, 전자는 n형의 도전성 타입을 갖는 제2 후면 불순물부(172) 쪽으로 이동하여, 각각 제1 전극(141)과 제2 전극(142)으로 전달되어 수집된다. 이러한 제1 전극(141)과 제2 전극(142)을 도선으로 연결하면 전류가 흐르게 되고, 이를 외부에서 전력으로 이용하게 된다.
또한, 본 실시예에 따른 태양 전지(11)는 전면 전계 효과와 후면 전계 효과 및 기판(110)의 표면 및 그 부근에서의 패시베이션 효과를 얻기 위해 저항값이 높은 불순물을 함유하고 있지 않는 진성 반도체층(예, 진성 비정질 실리콘층)을 구비하지 않으므로, 태양 전지(11)의 직렬 저항이 감소하여 태양 전지(11)의 필 팩터(fill factor)가 증가하고 이로 인해 태양 전지(11)의 효율이 향상된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (20)

  1. 제1 도전형 타입의 제1 불순물을 함유하는 결정질 반도체 기판,
    상기 결정질 반도체 기판과 직접 접촉하여 상기 결정질 반도체 기판과 p-n 접합을 형성하고, 제2 도전형 타입의 제2 불순물이 제1 불순물 도핑 농도로 도핑되어 있는 제1 부분과 상기 제2 불순물이 상기 제1 불순물 도핑 농도보다 높은 제2 불순물 도핑 농도로 도핑되어 있는 제2 부분을 포함하는 제1 비결정질 불순물 반도체부,
    상기 제1 비결정질 불순물 반도체부와 연결되어 있는 제1 전극, 그리고
    상기 결정질 반도체 기판과 연결되어 있는 제2 전극
    을 포함하고,
    상기 제1 불순물 도핑 농도는 상기 결정질 반도체 기판의 불순물 도핑 농도보다 낮고, 상기 제2 불순물 도핑 농도는 상기 결정질 반도체 기판의 불순물 도핑 농도보다 높은 태양 전지.
  2. 제1항에서,
    상기 제2 불순물이 상기 제1 불순물 도핑 농도로 도핑되어 있는 상기 제1 부분은 상기 결정질 반도체 기판 위에 위치하고, 상기 제2 불순물이 상기 제2 불순물 도핑 농도로 도핑되어 있는 상기 제2 부분은 상기 제2 불순물이 상기 제1 불순물 도핑 농도로 도핑되어 있는 상기 제1 부분 위에 위치하는 태양 전지.
  3. 삭제
  4. 제1항에서,
    상기 제1 불순물 도핑 농도는 1×1010 atoms/㎤ 내지 1×1015 atoms/㎤이고, 상기 제2 불순물 도핑 농도는 1×1018 atoms/㎤ 내지 1×1021 atoms/㎤인 태양 전지.
  5. 제4항에서,
    상기 제1 부분의 두께는 상기 제2 부분의 두께와 동일한 태양 전지.
  6. 제1항에서,
    상기 제1 비결정질 불순물 반도체부는 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 사이에 위치하고 상기 제2 불순물이 상기 제1 및 제2 불순물 도핑 농도와 상이한 제3 불순물 도핑 농도로 도핑되어 있는 제3 부분을 더 포함하는 태양 전지.
  7. 제6항에서,
    상기 제3 불순물 도핑 농도는 상기 제1 불순물 도핑 농도보다 크고 상기 제2 불순물 도핑 농도보다 작은 태양 전지.
  8. 제7항에서,
    상기 제3 불순물 도핑 농도는 1×1016 atoms/㎤ 내지 1×1017 atoms/㎤인 태양 전지.
  9. 제6항 또는 제7항에서,
    상기 제3 부분의 두께는 상기 제1 부분의 두께의 1/2인 태양 전지.
  10. 제9항에서,
    상기 제1 부분의 두께는 상기 제2 부분의 두께와 동일한 태양 전지.
  11. 제1항에서,
    상기 제1 비결정질 불순물 반도체부는 빛이 입사되지 않은 상기 결정질 반도체 기판의 면 위에 바로 위치하는 태양 전지.
  12. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항 에서,
    제3 도전성 타입의 제3 불순물이 제4 불순물 도핑 농도로 도핑되어 있는 제1 부분과 상기 제3 불순물이 상기 제4 불순물 도핑 농도와 높은 제5 불순물 도핑 농도로 도핑되어 있는 제2 부분을 포함하는 제2 비결정질 불순물 반도체부를 더 포함하는 태양 전지.
  13. 제12항에서,
    상기 제4 불순물 도핑 농도로 도핑되어 있는 상기 제1 부분은 상기 결정질 반도체 기판 위에 위치하고, 상기 제5 불순물 도핑 농도로 도핑되어 있는 상기 제2 부분은 상기 제4 불순물 도핑 농도로 도핑되어 있는 상기 제1 부분 위에 위치하는 태양 전지.
  14. 제12항에서,
    상기 제4 불순물 도핑 농도는 상기 1 불순물 도핑 농도와 동일하고, 상기 제5 불순물 도핑 농도는 상기 제2 불순물 도핑 농도와 동일한 태양 전지.
  15. 제12항에서,
    상기 제2 비결정질 불순물 반도체부는 상기 제4 불순물 도핑 농도로 도핑되어 있는 상기 제1 부분과 상기 제5 불순물 도핑 농도로 도핑되어 있는 상기 제2 부분 사이에 위치하고, 상기 제3 불순물이 상기 제4 및 제5 불순물 도핑 농도와 상이한 제6 불순물 도핑 농도로 도핑되어 있는 제3 부분을 더 포함하는 태양 전지.
  16. 제12항에서,
    상기 제2 비결정질 불순물 반도체부는 상기 제1 비결정질 불순물 반도체부와 동일한 평면 위에 위치하고 상기 제1 비결정질 불순물 반도체부와 이격되어 있으며,
    상기 제2 전극은 상기 제2 비결정질 불순물 반도체를 통해 상기 결정질 반도체 기판과 연결되어 있는 태양 전지.
  17. 제16항에서,
    상기 제2 비결정질 불순물 반도체부는 빛이 입사되지 않는 상기 결정질 반도체 기판의 면에 위치하는 태양 전지.
  18. 제17항에서,
    상기 제2 비결정질 불순물 반도체부는 상기 제1 비결정질 불순물 반도체부와 마주보고 있고, 상기 제1 비결정질 불순물 반도체부와 다른 평면 위에 더 위치하는 태양 전지.
  19. 제12항에서,
    상기 제2 비결정질 불순물 반도체부는 상기 제1 비결정질 불순물 반도체부와 다른 평면 위에 위치하는 태양 전지.
  20. 제19항에서,
    상기 제2 비결정질 불순물 반도체부는 빛이 입사되는 상기 결정질 반도체 기판의 면 위에 위치하는 태양 전지.
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