KR101135582B1 - 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양 전지에 관한 것이다. 상기 태양 전지는 제1 도전성 타입을 갖고 결정질 반도체로 이루어진 기판, 상기 기판의 제1 면에 위치하고 상기 제1 도전성 타입과 다른 제2 도전성 타입을 갖고 비결정질 반도체로 이루어진 복수의 에미터부, 상기 복수의 에미터부와 각각 연결되어 있는 복수의 제1 전극, 그리고 상기 기판과 전기적으로 연결되어 있는 복수의 제2 전극을 포함하고, 상기 복수의 에미터부 각각의 에너지 밴드갭은 1.8eV 내지 1.85eV이다.
Description
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 효율을 향상시키기 위한 것이다.
본 발명의 한 특징에 따른 태양 전지는 제1 도전성 타입을 갖고 결정질 반도체로 이루어진 기판, 상기 기판의 제1 면에 위치하고 상기 제1 도전성 타입과 다른 제2 도전성 타입을 갖고 비결정질 반도체로 이루어진 복수의 에미터부, 상기 복수의 에미터부와 각각 연결되어 있는 복수의 제1 전극, 그리고 상기 기판과 전기적으로 연결되어 있는 복수의 제2 전극을 포함하고, 상기 복수의 에미터부 각각의 에너지 밴드갭은 1.8eV 내지 1.85eV이다.
상기 특징에 따른 태양 전지는 상기 기판의 상기 제1 면과 상기 복수의 제2 전극 사이에 각각 위치하고 상기 제1 도전성 타입을 갖고 비결정질 반도체로 이루어지는 복수의 제1 전계부를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 제1 전계부 각각의 에너지 밴드갭은 1.75eV 내지 1.85eV인 것이 좋다.
상기 특징에 따른 태양 전지는 상기 기판과 상기 복수의 에미터부 사이에 위치하는 복수의 제1 후면 보호 부분을 더 포함할 수 있다.
상기 특징에 따른 태양 전지는 상기 기판과 상기 복수의 후면 전계부 사이에 위치하는 복수의 제2 후면 보호 부분을 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 제1 후면 보호 부분 각각의 에너지 밴드갭과 상기 복수의 제2 후면 보호 부분 각각의 에너지 밴드갭은 상이할 수 있다.
상기 복수의 제1 후면 보호 부분 각각의 에너지 밴드갭은 1.6eV 내지 1.68eV일 수 있다.
상기 복수의 제1 후면 보호 부분 각각은 위치에 무관하게 일정한 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.
상기 복수의 제1 후면 보호 부분 각각은 1.6eV 내지 1.68eV의 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.
상기 복수의 제1 후면 보호 부분 각각은 위치에 따라 상이한 적어도 두 개의 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.
상기 복수의 제1 후면 보호 부분 각각은 1.6eV의 제1 에너지 밴드갭과 1.68eV의 제2 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.
상기 기판과 인접한 부분에서부터 상기 에미터부와 인접한 부분으로 상기 복수의 제1 후면 보호 부분 각각의 에너지 밴드갭은 상기 제1 에너지 밴드갭에서 상기 제2 에너지 밴드갭으로 변할 수 있다.
상기 특징에 따른 태양 전지는 상기 기판의 상기 제1 면의 반대편에 위치하는 상기 기판의 제2 면에 위치하고, 상기 제1 도전성 타입을 갖는 제2 전계부를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 전계부는 1.75eV 내지 1.85eV의 에너지 밴드갭을 가질 수 있다
상기 특징에 따른 태양 전지는 상기 복수의 에미터부와 상기 복수의 제1 전극 사이에 위치한 복수의 제1 보조 전극 그리고 상기 복수의 제1 전계부와 상기 복수의 제2 전극 사이에 위치한 복수의 제2 보조 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 제1 보조 전극과 상기 복수의 제2 보조 전극은 투명한 도전성 물질로 이루어지는 것이 좋다.
상기 특징에 따른 태양 전지는 상기 기판과 상기 복수의 에미터부 사이에 위치하는 복수의 보호 부분을 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 후면 보호 부분 각각은 위치에 무관하게 일정한 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.
상기 복수의 후면 보호 부분 각각은 1.6eV 내지 1.68eV의 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.
상기 복수의 후면 보호 부분 각각은 위치에 따라 상이한 적어도 두 개의 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.
상기 복수의 후면 보호 부분 각각은 1.6eV의 제1 에너지 밴드갭과 1.68eV의 제2 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.
상기 기판과 인접한 부분에서부터 상기 에미터부와 인접한 부분으로 상기 복수의 후면 보호 부분 각각의 에너지 밴드갭은 상기 제1 에너지 밴드갭에서 상기 제2 에너지 밴드갭으로 변할 수 있다.
상기 특징에 따른 태양 전지는 상기 복수의 에미터부와 상기 복수의 제1 전극 사이에 위치한 복수의 보조 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 보조 전극은 각각 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다.
상기 특징에 따른 태양 전지는 상기 기판의 상기 제1 면의 반대편에 위치하는 상기 기판의 제2 면에 위치하고, 상기 제1 도전성 타입을 갖는 전계부를 더 포함할 수 있다.
상기 전계부는 1.8eV 내지 1.85eV의 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.
상기 기판의 상기 제1 면은 빛이 입사되는 상기 기판의 면의 반대편에 위치하는 것이 좋다.
본 발명의 특징에 따르면, 각 구성요소에 대한 에너지 밴드갭(energy band gap)을 태양 전지의 최적 조건에 맞게 조정하므로, 태양 전지의 효율이 향상된다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지의 일부 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 태양 전지를 II-II선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따라 전면 전계부의 에너지 밴드갭 변화에 따른 태양 전지의 기판에서 생성된 전하의 양을 그래프로 도시한 도면이다.
도 4a는 본 발명의 한 실시예에 따라 기판, 후면 보호부 및 후면 전계부의 에너지 밴드 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 4b는 본 발명의 한 실시예에 따라 후면 전계부의 에너지 밴드갭 변화에 따른 태양 전지의 단락 전류 밀도(Jsc)의 변화를 그래프로 도시한 도면이다.
도 5a는 본 발명의 한 실시예에 따라 기판, 제2 후면 보호 부분 및 에미터부의 에너지 밴드 다이어그램을 도시하고, 제2 후면 보호 부분의 에너지 밴드갭 변화에 따른 제2 후면 보호 부분의 가전도대의 준위 변화를 도시한 도면이다.
도 5b는 본 발명의 한 실시예에 따라 제2 후면 보호 부분의 에너지 밴드갭 변화에 따른 태양 전지의 필 팩터(fill factor)의 변화를 그래프로 도시한 도면이다.
도 6은 제1 후면 보호 부분의 에너지 밴드 갭을 위치에 따라 변경할 경우와 그렇지 않을 경우의 태양 전지의 필 팩터를 측정하여 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따라 에미터부의 에너지 밴드갭 변화에 따른 태양 전지의 개방 전압(Voc)의 변화를 그래프로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시한 태양 전지를 II-II선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따라 전면 전계부의 에너지 밴드갭 변화에 따른 태양 전지의 기판에서 생성된 전하의 양을 그래프로 도시한 도면이다.
도 4a는 본 발명의 한 실시예에 따라 기판, 후면 보호부 및 후면 전계부의 에너지 밴드 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 4b는 본 발명의 한 실시예에 따라 후면 전계부의 에너지 밴드갭 변화에 따른 태양 전지의 단락 전류 밀도(Jsc)의 변화를 그래프로 도시한 도면이다.
도 5a는 본 발명의 한 실시예에 따라 기판, 제2 후면 보호 부분 및 에미터부의 에너지 밴드 다이어그램을 도시하고, 제2 후면 보호 부분의 에너지 밴드갭 변화에 따른 제2 후면 보호 부분의 가전도대의 준위 변화를 도시한 도면이다.
도 5b는 본 발명의 한 실시예에 따라 제2 후면 보호 부분의 에너지 밴드갭 변화에 따른 태양 전지의 필 팩터(fill factor)의 변화를 그래프로 도시한 도면이다.
도 6은 제1 후면 보호 부분의 에너지 밴드 갭을 위치에 따라 변경할 경우와 그렇지 않을 경우의 태양 전지의 필 팩터를 측정하여 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따라 에미터부의 에너지 밴드갭 변화에 따른 태양 전지의 개방 전압(Voc)의 변화를 그래프로 도시한 도면이다.
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. 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 면(또는 전면)에 형성되어 있는 것뿐만 아니라 가장 자리 일부에는 형성되지 않은 것을 뜻한다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2를 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 보호부(191), 전면 보호부(191) 위에 위치하는 반사 방지부(130), 입사면의 반대쪽에 위치하는 기판(110)의 면[이하, '후면(back surface)'라 함] 위에 위치하는 후면 보호부(192), 후면 보호부(192) 위에 위치하는 복수의 에미터부(emitter region)(121), 후면 보호부(192) 위에 위치하는 복수의 후면 전계부[back surface field (BSF) region](172), 복수의 에미터부(121) 위에 각각 위치하는 복수의 제1 보조 전극(151)과 복수의 후면 전계부(172) 위에 각각 위치하는 복수의 제2 보조 전극(152)을 구비한 보조 전극부(150), 그리고 복수의 제1 보조 전극(151) 위에 각각 위치하는 복수의 제1 전극(141)와 복수의 제2 보조 전극(152) 위에 각각 위치하는 복수의 제2 전극(142)을 구비한 전극부(140)를 포함한다.
기판(110)은 제1 도전성 타입, 예를 들어 n형 도전성 타입의 반도체 기판이다. 이때, 반도체 기판은 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘 등과 같은 결정질 실리콘으로 이루어진 결정질 반도체로 이루어진다. n형인 기판(110)에는 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물이 도핑(doping)되어, 기판(110)은 5가 원소의 불순물을 함유하고 있다.
이러한 기판(110)의 전면은 불규칙한 표면을 갖는 요철면을 갖는다. 편의상 도 1에서, 기판(110)의 가장자리 부분만 요철면으로 도시하여 그 위에 위치하는 전면 보호부(191)와 반사 방지부(130) 역시 그 가장자리 부분만 요철면으로 도시한다. 하지만, 실질적으로 기판(110)의 전면 전체가 요철면을 갖고 있으며, 이로 인해 기판(110)의 전면 위에 위치한 전면 보호부(191)와 반사 방지부(130) 역시 요철면을 갖는다.
또한, 기판(110)은 전면뿐만 아니라 후면에도 텍스처링 표면을 가질 수 있다. 이 경우, 기판(110)의 후면에 위치하는 후면 보호부(192), 복수의 에미터부(121), 후면 전계부(172), 보조 전극부(150) 및 전극부(140) 역시 요철면을 갖는다.
하지만, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 기판(110)의 후면은 텍스처링 표면 대신 평탄면을 갖는다. 이로 인해, 기판(110)의 후면에 후면 보호부(192), 에미터부(121) 및 후면 전계부(172)가 보다 균일하고 안정적으로 밀착하여 형성되며, 에미터부(121) 및 후면 전계부(172)와 그 위에 위치한 보조 전극부(150) 사이의 접촉 저항을 감소시킬 수 있다.
기판(110)의 전면 위에 위치한 전면 보호부(191)는 기판(110)의 표면 및 그 근처에 주로 존재하는 댕글링 결합(dangling bond)과 같은 결함(defect)을 안정한 결합으로 바꾸어 결함에 의해 기판(110)의 표면 쪽으로 이동한 전하가 소멸되는 것을 감소시키는 패시베이션 기능(passivation function)을 수행하여 결함에 의해 기판(110)의 표면 및 그 근처에서 손실되는 전하의 양을 감소시킨다.
본 실시예에서, 전면 보호부(191)는 약 1㎚ 내지 10㎚의 두께를 가질 수 있고, 진성 비정질 실리콘[intrinsic amorphous silicon (a-Si)]으로 이루어질 수 있다.
전면 보호부(191)의 두께가 약 2nm 이상이면 기판(110) 전면에 전면 보호부(191)가 좀더 균일하게 도포되므로 패시베이션 기능을 좀더 양호하게 수행할 수 있으며, 전면 보호부(191)의 두께가 약 5nm 이하이면 전면 보호부(191) 내에서 흡수되는 빛의 양이 좀더 감소시켜 기판(110) 내로 입사되는 빛의 양을 좀더 증가시킬 수 있다.
전면 보호부(191) 위에 위치하는 전면 전계부(171)는 기판(110)과 동일한 도전성 타입(예, n형)의 불순물이 기판(110)보다 고농도로 함유된 불순물부이다. 본 실시예의 전면 전계부(171)는 n형의 비정질 실리콘으로 이루어진다.
기판(110)과 전면 전계부(171)와의 불순물 농도 차이로 인해 전위 장벽이 형성되어 기판(110) 전면 쪽으로의 전하(예, 정공) 이동을 방해하는 전면 전계 기능을 수행한다. 따라서, 기판(110)의 전면 쪽으로 이동하는 정공은 전위 장벽에 의해 기판(110)의 후면 쪽으로 되돌아가게 되는 전면 전계 효과가 얻어지고, 이로 인해, 외부 장치로 출력되는 전하의 출력량이 증가하게 되고 기판(110)의 전면에서 재결합이나 결함에 의해 손실되는 전하의 양이 감소한다.
전면 전계부(171)는 전면 전계 기능뿐만 아니라 전면 보호부(191)와 함께 패시베이션 기능을 수행한다.
이러한 전면 전계부(171)는 약 1㎚ 내지 10㎚의 두께를 가질 수 있다.
전면 전계부(171)의 두께가 1㎚이상이면 전면 전계부(171)의 일부가 패시베이션 기능을 수행하더라도 안정적인 전면 전계 기능을 수행할 수 있는 전계 세기를 발생시키며, 또한 기판(110)과 전면 전계부(171) 사이에 위치하여 기판(110)에 작용하는 전계 세기에 악영향을 미치는 전면 보호부(191)의 영향에도 무관하게 정상 크기의 전계를 형성하여 전면 전계 기능을 안정적으로 수행할 수 있고, 전면 전계부(171)의 두께가 10㎚ 이하이면 자체에서 빛의 흡수 없이 전면 전계 기능을 수행하므로, 기판(110)으로 입사되는 빛의 양을 좀더 증가시킬 수 있다.
전면 전계부(171)로 입사되는 빛 중에서 전면 전계부(171)의 에너지 밴드갭(energy band gap) 이상의 빛 에너지를 가지는 빛은 전면 전계부(171) 자체에서 흡수되고, 전면 전계부(171)의 에너지 밴드갭 보다 낮은 에너지를 갖는 빛만 전면 전계부(171)를 통과하여 기판(110)으로 도달한다. 따라서, 본 실시예에서는 전면 전계부(171)의 에너지 밴드갭을 증가시켜, 전면 전계부(171) 자체에서 흡수되는 빛의 파장 범위(특히, 단파장 범위)는 좁아지고 이에 따라 기판(110)에 도달하는 빛의 파장대가 넓어지도록 하여 전면 전계부(171)를 통과하여 기판(110)에 도달하는 빛의 양을 증가시킨다.
이를 위해, 본 실시예에 따른 전면 전계부(171)의 에너지 밴드갭은 약 1.8eV 내지 1.85eV이고, 에너지 밴드갭은 약 1.73eV 내지 1.74eV의 에너지 밴드갭을 갖는 비교예의 경우보다 높은 수치이다.
이와 같이, 전면 전계부(171)의 에너지 밴드갭이 비교예보다 증가함에 따라 기판(110)으로 입사되는 빛의 양이 증가하고, 이로 인해, 기판(110)에서 생성되는 전하의 양 또한 증가한다.
다음, 도 3을 참고로 하여, 전면 전계부(171)의 에너지 밴드갭 변화에 따라 기판(110)에서 생성되는 전하[즉, 캐리어(carrier)]의 변화량을 살펴본다.
도 3에 도시한 것처럼, 전면 전계부(171)의 에너지 밴드갭이 증가할수록 기판(110)에서 생성되는 전하의 양이 증가함을 알 수 있다. 이는 전면 전계부(171)의 에너지 밴드갭이 증가함에 따라 기판(110)까지 전달된 빛의 파장대가 증가하여 기판(110)으로 도달하는 빛의 양이 증가하고, 이 증가된 빛에 의해 생성된 전하량이 증가한 것으로 해석된다.
도 3을 참고로 하면, 전면 전계부(171)의 에너지 밴드갭 변화에 대한 전하 생성량의 증가율(즉, 전하 생성 증가율)은 전면 전계부(171)의 에너지 밴드갭이 약 1.8eV가 될 때까지 가파르게 상승하고, 전면 전계부(171)의 에너지 밴드갭이 약 1.8eV 이상이 되면 약 1.8eV 미만일 경우에 비교할 때 전하 생성 증가율은 현저히 떨어짐을 알 수 있다.
따라서, 전면 전계부(171)의 에너지 밴드갭이 약 1.8eV 이상일 경우, 기판(110)에서 생성되는 전하량이 좀더 안정적으로 증가하고, 전면 전계부(171)의 에너지 밴드갭이 약 1.85eV 이상일 경우, 좀더 안정적으로 그 하부에 위치한 전면 보호부(191)와 함께 패시베이션 기능을 수행할 수 있고, 약 1.85eV 이하의 에너지 밴드갭을 갖는 전면 전계부(171)를 좀더 용이하게 제조할 수 있다.
전면 전계부(171)뿐만 아니라 본 실시예의 다른 구성요소의 에너지 밴드갭은 해당 구성요소를 형성할 때 공정실에 공급되는 수소(H)량, 공정실의 증착 온도 등에 따라 달라질 수 있다. 이때, 공정실에 공급되는 수소에 의해 형성된 전면 전계부(171)는 수소를 함유하게 되고, 댕글링 결합과 같은 결함이 이 수소와 결합하여 안정된 결합으로 바뀌게 된다. 따라서, 에너지 밴드갭의 크기에 따라 전면 전계부(171)에 함유된 수소의 양이 가변되고, 본 실시예의 경우, 전면 전계부(171)의 에너지 밴드갭이 약 1.85eV를 초과할 경우, 전면 전계부(171)에 함유된 수소의 양이 안정적인 패시베이션 기능에 악영향을 미치게 된다. 따라서, 이미 기재한 것처럼, 전면 전계부(171)의 에너지 밴드갭은 약 1.85eV 이하를 갖는 것이 좋다.
이와 같이, 전면 전계부(171)의 에너지 밴드갭 증가로 인해, 기판(110)에서 생성되는 전하량이 증가함에 따라, 태양 전지(11)에 흐르는 단락 전류(short circuit current, Isc)가 증가하여 태양 전지(11)의 단위 면적당 흐르는 단락 전류인 단락 전류 밀도(Jsc)가 증가하므로, 태양 전지(11)의 효율이 향상된다.
전면 전계부(171) 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 질화물(SiNx), 실리콘 산화물(SiOx), 비정질 실리콘 산화물(a-SiNx), 또는 실리콘 산화 질화물(SiOxNy) 등으로 이루어질 수 있다.
도 1 및 도 2에서, 반사 방지부(130)는 단일막 구조를 갖지만 이중막과 같은 다층막 구조를 가질 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시한 태양 전지(11)와는 달리, 기판(110)의 전면에 위치한 전면 보호부(191), 전면 전계부(171) 및 반사 방지부(130) 중 적어도 하나는 필요에 따라 생략될 수 있다.
기판(110)의 후면에 위치한 후면 보호부(192)는 서로 이격되어 있는 복수의 제1 후면 보호 부분(1921)과 복수의 제2 후면 보호 부분(1922)을 구비한다. 제1 후면 보호 부분(1921)과 제2 후면 보호 부분(1922)은 기판(110) 위에서 번갈아 위치하며 서로 나란히 정해진 방향으로 뻗어 있다.
후면 보호부(192)는 전면 보호부(191)와 동일한 물질로 이루어져 있다. 따라서, 후면 보호부(192)는 진성 비정질 실리콘으로 이루어진다.
이러한 후면 보호부(192)는 전면 보호부(191)와 동일하게 패시베이션 기능을 수행하여, 기판(110)의 후면 쪽으로 이동한 전하가 결함에 의해 소멸되는 것을 감소한다.
후면 보호부(192)의 제1 및 제2 후면 보호 부분(1921, 1922)은 기판(110)의 후면 쪽으로 이동한 전하가 각각 제1 및 제2 후면 보호 부분(1921, 1922)을 통과하여 그 위에 각각 위치한 복수의 에미터부(121)와 복수의 후면 전계부(172) 로 이동할 수 있는 두께를 갖는다. 예를 들어, 후면 보호부(192)의 두께는 약 1㎚ 내지 10㎚일 수 있다.
각 제1 및 제2 후면 보호 부분(1921, 1922)의 두께가 약 1nm 이상이면 기판(110) 후면에 제1 및 제2 후면 보호 부분(1921, 1922)이 좀더 균일하게 도포되므로 패시베이션 효과를 좀더 얻을 수 있고, 제1 및 제2 후면 보호 부분(1921, 1922) 각각의 두께가 약 10nm 이하이면 기판(110)을 통과한 빛이 제1 및 제2 후면 보호 부분(1921, 1922) 내에서 흡수되는 빛의 양을 좀더 감소시켜 기판(110) 내로 재입사되는 빛의 양을 좀더 증가시킬 수 있다.
복수의 후면 전계부(172)는 후면 보호부(192)의 제2 후면 보호 부분(1922) 위에 존재하고, 기판(110)과 동일한 도전성 타입의 불순물이 기판(110)보다 고농도로 도핑된 영역이다. 예를 들어, 복수의 후면 전계부(172)는 n+의 불순물부일 수 있다.
각 후면 전계부(172)는 각 제2 후면 보호 부분(1922) 위에서 제2 후면 보호 부분(1922)을 따라서 정해진 방향으로 뻗어 있다. 복수의 후면 전계부(172)는 n형의 비정질 실리콘(a-Si)으로 이루어져 있으므로, 복수의 후면 전계부(172)는 예를 들어 n+의 도전성 타입을 갖는 비정실 실리콘부이다. 따라서 기판(110)은 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘과 같은 결정질 반도체로 이루어져 있고, 복수의 후면 전계부(172)는 비정질 실리콘과 같은 비결정질 반도체로 이루어져 있으므로, 기판(110)과 복수의 후면 전계부(172)는 이종 접합(hetero junction)을 형성한다.
이러한 후면 전계부(172)는 기판(110)과 후면 전계부(172)와의 불순물 농도 차이로 인한 전위 장벽에 의해 전자와 정공 중 하나(예, 전자)의 이동 방향인 후면 전계부(172) 쪽으로의 다른 전하(예, 정공) 이동을 방해하는 반면 후면 전계부(172) 쪽으로 해당 전하(예, 전자) 이동을 용이하게 한다. 따라서, 후면 전계부(172) 및 그 부근에서 전자와 정공의 재결합으로 손실되는 전하의 양을 감소시키고 후면 전계부(172)로의 전자 이동을 가속화시켜 후면 전계부(172)로의 전자 이동량을 증가시킨다.
또한 후면 전계부(172)는 제1 후면 보호 부분(1921)과 함께 패시베이션 기능을 수행한다. 따라서, 제2 후면 보호 부분(1922)과 함께 기판(110)의 표면 및 그 부근에서 소멸되는 전하의 양을 감소시킨다.
각 후면 전계부(172)는 약 10㎚ 내지 25㎚의 두께를 가질 수 있다. 후면 전계부(172)의 두께가 약 10nm 이상이면 정공의 이동을 방해하는 전위 장벽을 좀더 양호하게 형성할 수 있어 전하 손실을 좀더 감소시킬 수 있고, 후면 전계부(172)의 두께가 약 25nm 이하이면 후면 전계부(172) 내에서 흡수되는 빛의 양이 좀더 감소시켜 기판(110) 내로 재입사되는 빛의 양을 좀더 증가시킬 수 있다.
복수의 에미터부(121)는 후면 보호부(192)의 복수의 제1 후면 보호 부분(1921) 위에 위치하여, 복수의 제1 후면 보호 부분(1921) 위에서 제1 후면 보호 부분(1921)을 따라 정해진 방향으로 뻗어 있다.
따라서, 도 1 및 도 2에 도시한 것처럼, 에미터부(121)와 후면 전계부(172)는 기판(110)의 후면에서 교대로 위치한다.
각 에미터부(121)는 비정질 실리콘(a-Si)으로 이루어져 있고, 기판(110)의 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입, 예를 들어, p형의 도전성 타입을 갖고 있다. 따라서, 각 에미터부(121)는 p형의 불순물부인 p형의 비정실 실리콘부이다. 이로 인해, 복수의 에미터부(121)는 기판(110)과 이종 접합뿐만 아니라 p-n 접합을 형성한다.
기판(110)과 에미터부(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 에미터부(121)가 p형일 경우, 분리된 전자는 후면 보호부(192)의 복수의 제2 후면 보호 부분(1922)을 관통하여 복수의 후면 전계부(172) 쪽으로 이동하고, 분리된 정공은 후면 보호부(192)의 복수의 제1 후면 보호 부분(1921)을 관통하여 복수의 에미터부(121) 쪽으로 이동한다.
이들 복수의 에미터부(121) 역시 제1 후면 보호 부분(1921)과 함께 패시베이션 기능을 수행하여, 결함에 의해 기판(110)의 후면에서 소멸되는 전하의 양이 감소하여, 태양 전지(11)의 효율이 향상된다.
이러한 태양 전지(11)에서, n형의 불순물부인 각 후면 전계부(172)는 약 1.75eV 내지 1.85eV의 에너지 밴드갭을 갖는다. 이때, 전면 전계부(171)와 동일하게 후면 전계부(172)의 에너지 밴드갭은 약 1.73eV 내지 1.74eV의 에너지 밴드갭을 갖는 비교예의 후면 전계부보다 높은 수치이다.
위에 기재한 것처럼, 후면 전계부(172)의 에너지 밴드갭이 비교예보다 증가함에 따라, 가전도대(valance band)(Ev)의 준위가 낮아져 기판(110) 쪽에서 n형 불순물부인 후면 전계부(172) 쪽으로의 정공(h+) 이동을 방해한다.
즉, 도 4a를 참고하여 후면 전계부(172)의 에너지 밴드갭 변화에 따른 가전도대(Ev)의 준위 변화를 살펴보면, 후면 전계부(172)의 에너지 밴드갭이 1.65eV에서 1.85eV으로 순차적으로 증가할 때, 가전도대 준위는 점차로 낮아짐을 알 수 있다.
이로 인해, 제2 후면 보호 부분(1922)과 후면 전계부(172)의 접촉면에서의 가전도대 준위 차이가 증가하고, 이로 인해, 기판(110) 쪽에서 후면 전계부(172) 쪽으로 이동하는 정공(h+)은 제2 후면 보호 부분(1922)과 후면 전계부(172)의 접촉면에서의 가전도대 준위 차이로 인해, 후면 전계부(172) 쪽으로 이동하지 못하고 기판(110)쪽으로 되돌아오게 된다. 따라서 n형의 불순물부로서 전자를 수집하는 후면 전계부(172)로 이동하는 정공의 양이 감소하여 후면 전계부(172)로 이동한 정공에 의해 발생하는 전자와 정공의 재결합율이 줄어든다.
이와 같이, 인접한 두 에너지 밴드갭의 가전도대 준위의 차이가 정공의 이동에 영향을 미치므로, 각 후면 전계부(172) 하부에 위치한 각 제2 후면 보호 부분(1922)의 에너지 밴드갭의 가전도대 준위 역시 기판(110)의 에너지 밴드갭의 가전도대 준위보다 낮은 것이 좋고, 후면 전계부(172)의 에너지 밴드갭의 가전도대 준위보다 같거나 낮은 것이 좋다.
이로 인해, 제2 후면 보호 부분(1922)의 에너지 밴드 갭은 약 1.1eV인 기판(110)의 에너지 밴드갭보다 크고, 약 1.75eV 내지 1.85eV인 후면 전계부(172)의 에너지 밴드갭보다 작다. 따라서, 제2 후면 보호 부분(1922)은 약 1.7eV의 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.
이로 인해, 태양 전지(11)의 제1 전극(141)과 제2 전극(142)에서 각각 출력되는 정공과 전자의 양이 증가하여 태양 전지(11)를 흐르는 단락 전류가 증가하게 되므로, 도 4b에 도시한 것처럼, 후면 전계부(172)의 에너지 밴드갭이 증가함에 따라 태양 전지(11)의 단락 전류 밀도(Jsc)가 증가한다.
도 4b를 참고로 하면, 후면 전계부(172)의 에너지 밴드갭 변화에 대한 단락 전류 밀도(Jsc)의 증가율(즉, 단락 전류 밀도 증가율)은 후면 전계부(172)의 에너지 밴드갭이 약 1.75eV가 될 때까지 가파르게 상승하고, 후면 전계부(172)의 에너지 밴드갭이 약 1.75eV 이상이 되면 약 1.75eV 미만일 경우와 비교할 때 단락 전류 밀도 증가율은 현저히 떨어져, 후면 전계부(172)의 에너지 밴드갭이 약 1.75eV 이상일 경우 안정적인 단락 전류 밀도(Jsc)를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
후면 전계부(172)의 에너지 밴드갭 변화에 따라 태양 전지(11)에서 출력되는 전류(Jsc)의 양을 도시한 도 4b를 살펴보면, 위에 기재한 것처럼 에너지 밴드갭이 증가할수록 태양 전지(11)에서 출력되는 전류(Jsc)의 양이 증가함을 알 수 있다.
따라서, 후면 전계부(172)의 에너지 밴드갭이 약 1.75eV 이상일 경우, 좀더 안정적인 단락 전류 밀도를 얻을 수 있고, 전면 전계부(171)의 에너지 밴드갭이 약 1.85eV 이하일 경우, 전면 전계부(171)와 동일하게 후면 전계부(172) 내에 함유된 수소의 양에 의해 좀더 안정적으로 그 하부에 위치한 제2 후면 보호 부분(1922)과 함께 패시베이션 기능을 수행할 수 있고, 약 1.85eV 이하의 에너지 밴드갭을 갖는 후면 전계부(172)를 좀더 용이하게 제조할 수 있다.
다른 예에서, 전면 전계부(171)은 후면 전계부(172)와 동일한 크기의 에너지 밴드갭을 가질 수 있다. 따라서 전면 전계부(171)는 약 1.75eV 내지 1.85eV의 에너지 밴드갭을 갖는다. 이 경우, 동일한 에너지 밴드 갭을 갖고 있고 같은 재료로 이루어진 전면 전계부(171)와 후면 전계부(172)의 형성할 때, 공정 온도나 수소 공급량 등과 같은 공정 조건을 변경할 필요가 없으므로 태양 전지(11)의 제조 시간이 줄어든다.
위에 기재한 후면 전계부(172)의 경우와는 달리, 각 에미터부(121)는 기판(110)으로부터의 정공은 수집해야 하고, 정공은 인접한 두 구성요소[예, 기판(110)과 제1 후면 보호 부분(1921) 또는 제1 후면 보호 부분(1921)과 에미터부(121)]의 각 에너지 밴드갭의 차이가 감소할수록, 즉 인접한 두 에너지 밴드갭의 단차가 줄어들수록 인접한 구성 요소로의 이동이 용이해진다.
따라서, 기판(110)과 각 에미터부(121) 사이에 위치한 제1 후면 보호 부분(1921)은 기판(110)과의 에너지 밴드갭의 가전도대 준위 단차 그리고 에미터부(121)와의 에너지 밴드갭의 가전도대 준위 단차를 줄이는 것이 좋다. 이를 위해, 본 실시예에 따른 제1 후면 보호 부분(1921)는 1.6eV 내지 1.68eV의 에너지 밴드갭을 갖는다.
도 5a에 도시한 것처럼, 제1 후면 보호 부분(1921)의 에너지 밴드갭이 1.65eV에서 1.80eV로 증가할수록 가전도대(Ev)의 준위는 점차로 낮아진다. 따라서, 기판(110)의 가전도대 준위와 제1 후면 보호 부분(1921)의 가전도대 준위간 차이가 점점 증가하여 기판(110)과 제1 후면 보호 부분(1921)의 에너지 밴드갭 차이 역시 증가하게 되고, 이로 인해 기판(110)의 정공은 제1 후면 보호 부분(1921)의 가전도대 준위에 막혀 에미터부(121)로 용이하게 이동하지 못하게 된다. 즉, 인접한 두 에너지 밴드갭의 가전도대 준위 차이가 증가할수록, 정공은 현재의 에너지 밴드갭의 가전도대에서 그보다 높은 에너지 밴드갭의 가전도대로 이동하는 것이 어려워진다.
하지만, 제1 후면 보호 부분(1921)의 에너지 밴드갭 감소로 인해, 제1 후면 보호 부분(1921)의 가전도대 준위가 높아질 경우, 기판(110)의 가전도대 준위와 제1 후면 보호 부분(1921)의 가전도대 준위 차이가 감소하여, 기판(110)에서 제1 후면 보호 부분(1921)으로의 정공 이동이 용이해지고, 다시 제1 후면 보호 부분(1921)에서 에미터부(121)로 정공이 용이하게 이동한다. 즉, 기판(110)에서 에미터부(121)로의 에너지 밴드갭의 가전도대의 단차를 줄이면서 순차적으로 변화시킬 경우, 제1 후면 보호 부분(1921)은 정공 이동을 좀더 용이하게 하는 완충 역할(가교 역할)을 하게 되어, 기판(110)에서 에미터부(121)로의 정공의 이동이 용이해진다.
이와 같이, 제1 후면 보호 부분(1921)의 에너지 밴드갭 변화에 따라 기판(110)에서 에미터부(121)로 이동하는 정공량이 달라짐에 따라, 제1 후면 보호 부분(1921)의 에너지 밴드 갭 변화에 따라 태양 전지(11)의 필 팩터(fill factor)가 변하게 된다.
도 5b를 참고로 하여, 제1 후면 보호 부분(1921)의 에너지 밴드갭 변화에 따른 태양 전지(11)의 필 팩터의 변화를 살펴본다.
도 5b에 도시한 것처럼, 제1 후면 보호 부분(1921)의 에너지 밴드갭이 감소할수록 에미터부(121)로 이동하는 정공량이 증가하여 태양 전지(11)의 필 팩터 값은 향상된다. 이때, 제1 후면 보호 부분(1921)의 에너지 밴드갭이 약 1.68eV일 때까지 제1 후면 보호 부분(1921)의 에너지 밴드갭에 대한 필 팩터의 증가율(즉, 필 팩터 증가율)은 완만하게 하강하고, 제1 후면 보호 부분(1921)의 에너지 밴드갭이 약 1.68eV를 초과하면 약 1.68eV 이하일 경우와 비교할 때 필 팩터 증가율이 급격하게 하락한다.
따라서, 제1 후면 보호 부분(1921)의 에너지 밴드갭이 약 1. 68eV 이하일 경우, 좀더 안정적인 필 팩터를 얻을 수 있고, 제1 후면 보호 부분(1921)의 에너지 밴드갭이 약 1.6eV이상일 경우 제1 후면 보호 부분(1921)에 함유된 수소의 양에 의해 안정적으로 패시베이션 기능을 수행하면서 안정적인 필 팩터를 얻을 수 있게 된다.
다른 대안적인 예에서, 각 에미터부(121)와 접해 있는 각 제1 후면 보호 부분(1921)은 위치에 따라 다른 에너지 밴드갭을 갖는다. 예를 들어, 기판(110)과 접해 있는 각 제1 후면 보호 부분(1921)은 약 1.6eV의 에너지 밴드 갭을 갖고, 에미터부(121)와 접해있는 제1 후면 보호 부분(1921)은 약 1.73eV의 에너지 밴드 갭을 갖는다.
일단, 제1 후면 보호 부분(1921)으로 이동한 정공은 제1 후면 보호 부분(1921) 내에서 용이하게 이동하므로, 기판(110)에서 제1 후면 보호 부분(1921)으로 정공의 이동은 기판(110)과 제1 후면 보호 부분(1921)의 접경 면에서의 에너지 밴드 갭 변화에 영향을 받는다.
따라서 기판(110)과 접해 있어 기판(110)에서 제1 후면 보호 부분(1921)으로의 정공 이동이 행해지는 부분인 제1 후면 보호 부분(1921)의 하부면 쪽의 에너지 밴드 갭을 각 에미터부(121)와 접해 있는 제1 후면 보호 부분(1921)의 상부면 쪽의 에너지 밴드 갭보다 작게 정하여, 기판(110)에서 가전도대를 따라 상승 방향으로 제1 후면 보호 부분(1921)으로 이동하는 정공의 이동을 용이하게 한다. 이로 인해, 기판(110)에서 제1 후면 보호 부분(1921)으로 이동한 정공의 양이 증가한다.
따라서, 본 예에서, 각 제1 후면 보호 부분(1921)의 에너지 밴드 갭은 기판(110)쪽에서부터 에미터부(121) 쪽으로 증가하여, 한 예로서, 각 제1 후면 보호 부분(1921)의 에너지 밴드 갭은 1.6eV에서 1.73eV로 증가할 수 있다. 이때, 기판(110)에서부터 각 에미터부(121)로 갈수록 제1 후면 보호 부분(1921)의 에너지 밴드 갭의 값은 연속적으로 증가하거나 비연속적으로 증가할 수 있다.
이처럼, 제1 후면 보호 부분(1921)의 에너지 밴드 갭이 위치에 따라 상이할 경우(A)와 제1 후면 보호 부분(1921)의 에너지 밴드 갭이 위치에 무관할 경우(B), 태양 전지의 필 팩터의 값은 도 6과 같다.
도 6의 "A"는 제1 후면 보호 부분(1921)의 에너지 밴드 갭을 1.6eV에서 1.73eV까지 순차적으로 변경할 때 측정한 태양 전지의 필 팩터를 도시한 것이고, 도 6의 "B"는 제1 후면 보호 부분(1921)의 에너지 밴드 갭을 1.73eV로 고정될 때 측정한 태양 전지의 필 팩터이다. 도 6에 도시한 것처럼, 제1 후면 보호 부분(1921)의 에너지 밴드 갭을 가변시킬 경우(A)의 필 팩터가 그렇지 않은 경우(B)의 필 팩터보다 훨씬 큼을 알 수 있으므로, 제1 후면 보호 부분(1921)의 에너지 밴드 갭을 위치에 따라 변경할 때 태양 전지의 효율이 향상됨을 알 수 있다.
본 예에서, 1.6eV의 에너지 밴드 갭을 갖는 부분은 결정질 실리콘으로 이루어진 기판(110) 위에 진성 비정실 실리콘으로 에미터부(121)를 형성할 경우, 기판(110)의 결정질 실리콘을 시드 결정(seed crystal)으로 하여 기판(110)과의 접경 부분에 에피택셜 성장(epitaxy growth)이 이루어져 형성된 부분인 에피택셜 성장층일 수 있다.
본 예에서, 제1 후면 보호 부분(1921)의 에너지 밴드 갭이 1.6eV이상이거나 1.73eV이하일 경우, 제1 후면 보호 부분(1921)의 에너지 밴드 갭 조정을 좀더 용이하게 할 수 있다.
또한, 본 실시예에서, 각 에미터부(121)는 약 1.8eV 내지 1.85eV의 에너지 밴드갭을 갖는다. 에미터부(121)의 에너지 밴드갭이 증가하면 내부 전위 장벽(built-in potential)이 상승하고, 이 전위 장벽이 상승하면 태양 전지(11)의 개방 전압(Voc, open circuit voltage)이 증가한다. 따라서 도 7에 도시한 것처럼, 에미터부(121)의 에너지 밴드갭이 변화하면 그에 따라 태양 전지(11)의 개방 전압이 달라진다. 도 7은 p형 불순물인 에미터부(121)의 에너지 밴드갭 변화에 대한 태양 전지(11)의 개방 전압의 변화를 그래프로 도시한 도면이다.
도 7을 참고로 하면, 에미터부(121)의 에너지 밴드갭 변화에 대한 개방 전압(Voc)의 증가율(즉, 개방 전압 증가율)은 에미터부(121)의 에너지 밴드갭이 약 1.8eV가 될 때까지 가파르게 상승하고, 에미터부(121)의 에너지 밴드갭이 약 1.8eV 이상이 되면 약 1.8eV 이하일 경우와 비교할 때 개방 전압 증가율은 현저히 떨어짐을 알 수 있다. 즉, 에미터부(121)의 에너지 밴드갭이 약 1.8eV 이상일 경우 개방 전압 증가율이 안정화됨을 알 수 있다.
따라서, 본 실시예와 같이, 각 에미터부(121)의 에너지 밴드갭이 약 1.8eV 이상일 경우, 좀더 안정적이고 증가된 개방 전압을 얻을 수 있고, 각 에미터부(121)의 에너지 밴드갭이 약 1.85eV 이하일 경우, 에미터부(121)에 함유된 수소의 양에 의해 그 하부에 위치한 제1 후면 보호 부분(1921)과 함께 좀더 안정적으로 패시베이션 기능을 수행할 수 있고, 약 1.85eV 이하의 에너지 밴드갭을 갖는 에미터부(121)를 좀더 용이하게 제조할 수 있다.
복수의 에미터부(121) 위에 위치하는 복수의 제1 보조 전극(151)은 각 에미터부(121)를 따라서 뻗어 있고, 복수의 후면 전계부(172) 위에 위치하는 복수의 제2 보조 전극(152)은 각 후면 전계부(172)를 따라서 뻗어 있다.
이들 제1 및 제2 보조 전극(151, 152)는 ITO, ZnO, SnO2 등이나 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 투명한 도전성 산화물(transparent conductive oxide, TCO) 등과 같은 도전성이 있는 투명한 도전 물질로 이루어진다.
본 실시예에서, 제1 및 제2 보조 전극(151, 152) 각각은 사용되는 재료에 따라서 약 5㎚ 내지 100㎚의 두께를 가질 수 있고, 제1 및 제2 보조 전극(151, 152)이 약 5㎚ 이상이면 좀더 양호한 크기의 전도도나 접촉 저항을 얻을 수 있어, 전하의 전송 동작이 좀더 향상될 수 있고, 약 100㎚ 이하이면 불필요한 재료의 낭비를 절감할 수 있다.
따라서, 복수의 제1 및 제2 보조 전극(151, 152)은 각각 복수의 에미터부(121)와 복수의 후면 전계부(172)를 통해 기판(110)과 전기적으로 연결된다.
이로 인해, 복수의 제1 및 제2 보조 전극(151, 152)은 복수의 에미터부(121)와 복수의 후면 전계부(172) 쪽으로 각각 이동한 전하, 예를 들어 정공과 전자를 각각 복수의 제1 전극(141)과 복수의 제2 전극(142)으로 전달하고, 기판(110)을 통과한 빛을 기판(110) 쪽으로 반사시켜 기판(110)으로 입사되는 빛의 양을 증가시키는 반사막(reflector)으로서 기능할 수 있다.
이러한 복수의 제1 및 제2 보조 전극(151, 152)에 의해, 복수의 에미터부(121)와 복수의 후면 전계부(172)는 대기 중의 산소나 수분 등으로부터 보호되어, 에미터부(121)와 후면 전계부(172)의 특성 변화가 방지된다.
도 1 및 도 2에서, 복수의 제1 및 제2 보조 전극(151, 152)의 평면 면적은 각각 그 하부에 위치한 에미터부(121)와 후면 전계부(172)의 평면 면적과 상이하여, 복수의 제1 및 제2 보조 전극(151, 152)은 각각 복수의 에미터부(121)와 복수의 후면 전계부(172)와 상이한 평면 형상을 갖고 있지만, 각각 복수의 에미터부(121)와 복수의 후면 전계부(172)와 동일한 평면 형상을 가질 수 있다.
복수의 제1 보조 전극(151) 위에 위치하는 복수의 제1 전극(141)은 복수의 제1 보조 전극(151)을 따라서 길게 연장되어 있고, 복수의 제1 보조 전극(151)과 전기적 및 물리적으로 연결되어 있다.
각 제1 전극(141)은 해당 에미터부(121) 쪽으로 이동하여 제1 보조 전극(151)을 통해 전송되는 전하, 예를 들어, 정공을 수집한다.
복수의 제2 보조 전극(152) 위에 위치하는 복수의 제2 전극(142)은 복수의 제2 보조 전극(152)을 따라서 길게 연장되어 있고, 복수의 제2 보조 전극(152)과 전기적 및 물리적으로 연결되어 있다.
각 제2 전극(142)은 해당 후면 전계부(172) 쪽으로 이동하여 제2 보조 전극(152)을 통해 전송되는 전하, 예를 들어, 전자를 수집한다.
도 1 및 도 2에서, 제1 및 제2 전극(141, 142) 각각은 그 하부에 위치하는 제1 및 제2 보조 전극(151, 152)과 상이한 평면 형상을 가지지만, 이와는 달리 동일한 평면 형상을 가질 수 있다. 이때, 제1 및 제2 보조 전극(151, 152)과 제1 및 제2 전극(141, 142)간의 접촉 면적이 증가할수록 접촉 저항이 감소하여, 전극(141, 142)으로의 전하 전송 효율은 증가한다.
복수의 제1 및 제2 전극(141, 142)은 알루미늄(Al)이나 은(Ag)과 같은 금속 물질을 함유하고 있지만, 니켈(Ni), 구리(Cu), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 금(Au) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 도전성 금속 물질 또는 이외의 다른 도전성 금속 물질로 이루어질 수 있다.
이처럼, 복수의 제1 및 제2 전극(141, 142)이 금속 물질로 이루어져 있으므로, 복수의 제1 및 제2 전극(141, 142)은 제1 및 제2 보조 전극(151, 152)을 각각 통과한 빛을 기판(110) 쪽으로 반사시킨다.
본 실시예에서, 실리콘과 같은 반도체 물질로 이루어진 복수의 에미터부(121)와 후면 전계부(172) 그리고 금속 물질로 이루어진 복수의 제1 및 제2 전극(141, 142) 사이에 투명한 도전성 물질로 이루어진 복수의 제1 및 제2 보조 전극(151, 152)이 존재하여 접착력(접촉 특성)이 약한 반도체 물질[에미터부(121) 및 후면 전계부(172)]과 금속 물질[즉, 제1 및 제2 전극(141, 142)] 간의 접착력이 향상된다. 이로 인해, 복수의 에미터부(121)와 복수의 제1 전극(141) 사이 그리고 복수의 후면 전계부(172)와 복수의 제2 전극(142) 사이의 접착력이 향상되고, 복수의 에미터부(121)와 복수의 제1 전극(141) 사이 그리고 복수의 후면 전계부(172)과 복수의 제2 전극(142) 사이에 오믹 콘택(ohmic contact)이 형성된다. 따라서, 복수의 에미터부(121)와 복수의 제1 전극(141) 사이 그리고 복수의 후면 전계부(172)와 복수의 제2 전극(142) 사이의 전도도가 향상되어, 태양 전지(11)의 직렬 저항이 감소하여 복수의 에미터부(121)와 복수의 후면 전계부(172)로부터 각각 복수의 제1 및 제2 전극(141, 142)으로의 전하 전송 효율이 증가하여 필 팩터(fill factor, FF)가 증가하여 태양 전지(11)의 효율이 향상된다.
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 에미터부(121)가 서로 다른 종류의 반도체로 이루어져 있는 태양 전지로서, 그 동작은 다음과 같다.
태양 전지(11)로 빛이 조사되어 반사 방지부(130), 전면 전계부(171) 및 전면 보호부(191)를 순차적으로 통과한 후 기판(110)으로 입사되면 빛 에너지에 의해 기판(110)에서 전자-정공 쌍이 발생한다. 이때, 기판(110)의 표면이 요철면인 텍스처링 표면이므로 기판(110)의 입사 면적이 증가하고 빛 반사도가 감소하여 기판(110)으로 입사되는 빛의 양이 증가하므로 태양 전지(11)의 효율이 향상된다. 이에 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(121)의 p-n 접합에 의해 서로 분리되어, 정공은 p형의 도전성 타입을 갖는 에미터부(121) 쪽으로 이동하고 전자는 n형의 도전성 타입을 갖는 후면 전계부(172)쪽으로 이동하며, 이동한 정공과 전자는 각각 제1 및 제2 보조 전극(151, 152)을 통해 제1 전극(141)과 제2 전극(142)으로 각각 전달되어 제1 및 제2 전극(141, 142)에 의해 수집된다. 이러한 제1 전극(141)과 제2 전극(142)을 도선으로 연결하면 전류가 흐르게 되고, 이를 외부에서 전력으로 이용하게 된다.
이때, 기판(110)의 후면뿐만 아니라 기판(110)의 전면에 보호부(191)가 위치하므로, 기판(110)의 전면 및 후면 표면 그리고 그 근처에 존재하는 결함으로 인한 전하 손실량이 줄어들어 태양 전지(11)의 효율이 향상된다. 이때, 후면 보호부(192)뿐만 아니라 전면 보호부(191)가 결함의 발생 빈도가 높은 기판(110)의 표면에 직접 접해 있으므로, 패이베이션 효과는 더욱더 향상된다.
또한, 기판(110)의 전면과 후면에 위치한 전계부(171, 172)로 인해 전하의 손실량이 더욱 감소하여 태양 전지(11)의 효율은 더욱 향상된다.
전면 전계부(171)와 후면 전계부(172), 제1 후면 보호 부분(1921) 및 에미터부(121)에 각각 정해진 에너지 밴드갭에 의해 태양 전지(11)의 단락 전류 밀도(Jsc), 개방 전압(Voc) 및 필 팩터가 증가하므로, 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.
110: 기판 121: 에미터부
130: 반사 방지부 140: 전극부,
141, 142: 전극 150: 보조 전극부
151, 152: 보조 전극 171, 172: 전계부
191: 전면 보호부 192: 후면 보호부
1921, 1922: 후면 보호 부분
130: 반사 방지부 140: 전극부,
141, 142: 전극 150: 보조 전극부
151, 152: 보조 전극 171, 172: 전계부
191: 전면 보호부 192: 후면 보호부
1921, 1922: 후면 보호 부분
Claims (29)
- 제1 도전성 타입을 갖고 결정질 반도체로 이루어진 기판,
상기 기판의 제1 면 위에 위치하는 복수의 제1 보호 부분,
상기 기판의 상기 제1 면 위에 위치하는 복수의 제2 보호 부분,
상기 복수의 제1 보호 부분 위에 위치하고, 상기 제1 도전성 타입과 다른 제2 도전성 타입을 가지며 비결정질 반도체로 이루어진 복수의 에미터부,
상기 복수의 제2 보호 부분 위에 위치하고, 상기 제1 도전성 타입을 가지며 비결정질 반도체로 이루어지는 복수의 제1 전계부,
상기 복수의 에미터부와 각각 연결되어 있는 복수의 제1 전극, 그리고
상기 복수의 제1 전계부와 각각 연결되어 있는 복수의 제2 전극
을 포함하고,
상기 복수의 제1 보호 부분 각각의 에너지 밴드갭과 상기 복수의 제2 보호 부분 각각의 에너지 밴드갭은 상이한
태양 전지. - 삭제
- 제1항에서,
상기 복수의 제1 전계부 각각의 에너지 밴드갭은 1.75eV 내지 1.85eV인 태양 전지. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에서,
상기 복수의 제1 후면 보호 부분 각각의 에너지 밴드갭은 1.6eV 내지 1.68eV이고, 상기 제1 보호 부분 각각의 에너지 밴드갭은 1.7eV인 태양 전지. - 제7항에서,
상기 복수의 제1 후면 보호 부분 각각은 위치에 무관하게 일정한 에너지 밴드갭을 갖는 태양 전지. - 삭제
- 제1항에서,
상기 복수의 제1 후면 보호 부분 각각은 위치에 따라 상이한 적어도 두 개의 에너지 밴드갭을 갖는 태양 전지. - 제8항에서,
상기 복수의 제1 후면 보호 부분 각각은 1.6eV의 제1 에너지 밴드갭과 1.73eV의 제2 에너지 밴드갭을 갖는 태양 전지. - 제11항에서,
상기 기판과 인접한 부분에서부터 상기 에미터부와 인접한 부분으로 상기 복수의 제1 후면 보호 부분 각각의 에너지 밴드갭은 상기 제1 에너지 밴드갭에서 상기 제2 에너지 밴드갭으로 변하는 태양 전지. - 제1항에서,
상기 기판의 상기 제1 면의 반대편에 위치하는 상기 기판의 제2 면에 위치하고, 상기 제1 도전성 타입을 갖는 제2 전계부를 더 포함하는 태양 전지. - 제13항에서,
상기 제2 전계부는 1.8eV 내지 1.85eV의 에너지 밴드갭을 갖는 태양 전지. - 제1항에서,
상기 복수의 에미터부와 상기 복수의 제1 전극 사이에 위치한 복수의 제1 보조 전극 그리고 상기 복수의 제1 전계부와 상기 복수의 제2 전극 사이에 위치한 복수의 제2 보조 전극을 더 포함하는 태양 전지. - 제15항에서,
상기 복수의 제1 보조 전극과 상기 복수의 제2 보조 전극은 투명한 도전성 물질로 이루어져 있는 태양 전지. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에서,
상기 기판의 상기 제1 면은 빛이 입사되는 상기 기판의 면의 반대편에 위치하는 태양 전지. - 제1항에서,
상기 복수의 에미터부 각각의 에너지 밴드갭은 1.8eV 내지 1.85eV인 태양 전지. - 제3항에서,
상기 제2 보호 부분 각각의 에너지 밴드갭은 상기 기판의 에너지 밴드갭보다 크고, 상기 제1 전계부의 에너지 밴드갭보다 작은 태양 전지.
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| KR20100089538A (ko) * | 2009-02-04 | 2010-08-12 | 엘지전자 주식회사 | 태양 전지 및 그 제조 방법 |
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2010
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