KR101138554B1 - 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 굴절률이 서로 다른 박막을 조합하여 표면 반사율을 최소화함과 함께 캐리어 재결합률을 저하시킬 수 있는 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법은 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판 상부에 제 2 도전형의 반도체층을 형성하는 단계 및 상기 반도체층 상에 굴절률이 서로 다른 제 1, 제 2 및 제 3 반사방지막을 순차적으로 적층하는 단계를 포함하여 이루어지며, 상기 제 1 반사방지막은 실리콘 질화막, 상기 제 2 반사방지막은 실리콘 산화질화막, 상기 제 3 반사방지막은 실리콘 산화막으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 굴절률이 서로 다른 박막을 조합하여 표면 반사율을 최소화함과 함께 캐리어 재결합률을 저하시킬 수 있는 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심소자로서, 기본적으로 p-n 접합으로 이루어진 다이오드(diode)라 할 수 있다. 태양광이 태양전지에 의해 전기로 변환되는 과정을 살펴보면, 태양전지의 p-n 접합부에 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되고, 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 이동하게 되어 p-n 접합부 사이에 광기전력이 발생되며, 이 때 태양전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산할 수 있게 된다.
한편, 태양전지는 p-n 접합층인 광흡수층의 물질, 형태에 따라 다양하게 구분되는데 광흡수층으로는 대표적으로 실리콘(Si)을 들 수 있으며, 이와 같은 실리콘계 태양전지는 형태에 따라 실리콘 웨이퍼를 광흡수층으로 이용하는 기판형과, 실리콘을 박막 형태로 증착하여 광흡수층을 형성하는 박막형으로 구분된다.
실리콘계 태양전지 중 기판형의 구조를 살펴보면 다음과 같다. 도 1에 도시한 바와 같이 p형 반도체층(101) 상에 n형 반도체층(102)이 구비되며, 상기 n형 반도체층(102)의 상부 및 p형 반도체층의 하부에 각각 전면전극(105)과 후면전극(106)이 구비된다. 이 때, 상기 p형 반도체층(101) 및 n형 반도체층(102)은 하나의 기판에 구현되는 것으로서, 기판의 하부는 p형 반도체층(101), 기판의 상부는 n형 반도체층(102)이라 할 수 있으며, 일반적으로 p형 실리콘 기판이 준비된 상태에서 p형 실리콘 기판의 상층부에 n형 불순물 이온을 주입, 확산(diffusion)시켜 n형 반도체층(102)을 형성한다.
한편, 상기 n형 반도체층(102) 상에는 표면 반사를 최소화하기 위한 반사방지막(104)이 구비된다. 통상, 반사방지막(104)은 SiNx 재질의 단일층으로 형성되는데, 이와 같은 단일층 구조의 반사방지막을 적용하는 경우 표면 반사율이 기대치에 못 미치는 단점과 함께 반사방지막 내의 캐리어(carrier)가 n형 반도체층(102)으로 이동하여 재결합(recombination)되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 굴절률이 서로 다른 박막을 조합하여 표면 반사율을 최소화함과 함께 캐리어 재결합률을 저하시킬 수 있는 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양전지는 제 2 도전형의 반도체층을 구비하여 p-n 접합구조를 이루는 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판 및 상기 반도체층 상에 순차적으로 적층된 제 1, 제 2 및 제 3 반사방지막을 포함하여 이루어지며, 상기 제 1 반사방지막은 실리콘 질화막, 상기 제 2 반사방지막은 실리콘 산화질화막, 상기 제 3 반사방지막은 실리콘 산화막으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 태양전지의 제조방법은 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판 상부에 제 2 도전형의 반도체층을 형성하는 단계 및 상기 반도체층 상에 굴절률이 서로 다른 제 1, 제 2 및 제 3 반사방지막을 순차적으로 적층하는 단계를 포함하여 이루어지며, 상기 제 1 반사방지막은 실리콘 질화막, 상기 제 2 반사방지막은 실리콘 산화질화막, 상기 제 3 반사방지막은 실리콘 산화막으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1, 제 2 및 제 3 반사방지막의 순서로 굴절률이 작아지며, 상기 제 1 반사방지막의 굴절률은 1.9～2.5, 상기 제 2 반사방지막의 굴절률은 1.45～1.9, 상기 제 3 반사방지막의 굴절률은 0.5～1.45일 수 있다.
상기 반도체층 상에 굴절률이 서로 다른 제 1, 제 2 및 제 3 반사방지막을 순차적으로 적층하는 단계는, 챔버 내에 SiH4와 NH3 가스를 공급하여 반도체층 상에 실리콘 질화막으로 이루어지는 제 1 반사방지막을 형성하는 제 1 공정과, 상기 실리콘 질화막이 형성된 상태에서, 챔버 내에 SiH4, NH3 및 N2O 가스를 공급하여 상기 실리콘 질화막 상에 실리콘 산화질화막으로 이루어지는 제 2 반사방지막을 형성하는 제 2 공정과, 챔버 내에 SiH4 및 N2O 가스를 공급하여 상기 실리콘 산화질화막 상에 실리콘 산화막으로 이루어지는 제 3 반사방지막을 형성하는 제 3 공정을 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 태양전지 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
굴절률이 서로 다른 복수의 박막을 순차적으로 적층하여 반사방지막 구조를 형성함으로써 표면 반사율을 최소화할 수 있으며, 외부 환경으로부터 태양전지를 효과적으로 보호할 수 있게 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 태양전지의 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 단면도.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 순서도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 단면도.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 순서도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 및 그 제조방법을 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구조를 살펴보면, 도 2에 도시한 바와 같이 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판(201)을 구비한다. 여기서, 상기 제 1 도전형은 p형 또는 n형일 수 있으며, 후술하는 제 2 도전형은 제 1 도전형의 반대이며, 이하의 설명에서는 제 1 도전형은 p형, 제 2 도전형은 n형인 것을 기준으로 한다.
상기 제 1 도전형의 기판(201) 상부에는 제 2 도전형의 반도체층(203) 즉, n형 반도체층(203)이 구비된다. 또한, 상기 n형 반도체층(203) 상에는 제 1, 제 2 및 제 3 반사방지막(204)(205)(206)이 순차적으로 적층된다. 상기 제 1, 제 2 및 제 3 반사방지막(204)(205)(206)에 있어서, 굴절률은 제 1, 제 2, 제 3 반사방지막(204)(205)(206)의 순서이며, 상기 제 1 반사방지막(204)은 1.9～2.5, 상기 제 2 반사방지막(205)은 1.45～1.9, 상기 제 3 반사방지막(206)은 0.5～1.45의 굴절률을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제 1 반사방지막(204)은 실리콘 질화막(SiNx), 상기 제 2 반사방지막(205)은 실리콘 산화질화막(SiON), 상기 제 3 반사방지막(206)은 실리콘 산화막(SiOx)으로 구성될 수 있으며, 각 반사방지막의 두께는 상술한 굴절률을 갖도록 조절될 수 있다.
한편, 상기 제 1 내지 제 3 반사방지막(204)(205)(206)을 관통하는 형태로 전면전극(207)이 구비되며, 상기 제 1 내지 제 3 반사방지막(204)(205)(206)을 관통한 전면전극(207)은 상기 n형 반도체층(203)과 접촉하는 구조를 갖는다. 또한, 상기 기판(201)의 후면 상에는 후면전극(208)이 구비된다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 살펴보기로 한다.
먼저, 도 3a에 도시한 바와 같이 제 1 도전형(예를 들어, p형)의 결정질 실리콘 기판(201)을 준비하고, 상기 p형 실리콘 기판(201)의 상부면에 요철(202)이 형성되도록 텍스쳐링(texturing) 공정을 진행한다. 상기 텍스쳐링 공정은 기판(201) 표면에서의 광흡수를 극대화하기 위한 것이며, 습식 식각 또는 반응성 이온 식각(reactive ion etching) 등의 건식 식각 방법을 이용하여 진행할 수 있다.
텍스쳐링 공정이 완료된 상태에서, 도 3b에 도시한 바와 같이 확산공정을 실시하여 n형 반도체층(203)을 형성한다. 구체적으로, 챔버 내에 상기 실리콘 기판(201)을 구비시키고 상기 챔버 내에 제 2 도전형 불순물 이온 즉, n형 불순물 이온을 포함하는 가스(예를 들어, POCl3)를 공급하여 인(P) 이온이 기판(201) 내부로 확산(diffusion)되도록 한다. 이에 따라, 기판(201) 둘레를 따라 일정 깊이로 n형 반도체층(203)이 형성된다.
기판(201) 전면 상에 n형 반도체층(203)이 형성된 상태에서, 상기 n형 반도체층(203) 상에 제 1, 제 2 및 제 3 반사방지막(204)(205)(206)을 순차적으로 형성한다. 상기 제 1, 제 2 및 제 3 반사방지막(204)(205)(206)은 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)을 통해 동일 챔버 내에서 연속적으로 형성할 수 있다.
구체적으로, 챔버 내에 기판(201)을 장착시킨 상태에서 챔버 내에 일정 공정 조건 하에서 SiH4와 NH3 가스를 공급하면, 상기 n형 반도체층(203) 상에 실리콘 질화막(SiNx) 즉, 제 1 반사방지막(204)이 형성된다(도 3c 참조). 상기 실리콘 질화막이 일정 두께 형성된 상태에서, 상기 NH3 가스의 공급량을 줄임과 함께 산소(O2)를 포함한 가스 예를 들어, N2O 가스를 챔버 내에 공급하면 상기 실리콘 질화막 상에 제 2 반사방지막(205)을 구성하는 실리콘 산화질화막(SiON)이 형성된다(도 3d 참조). 이 때, SiH4 가스는 계속적으로 공급된다. 최종적으로, 상기 실리콘 산화질화막이 일정 두께 형성된 상태에서 NH3 가스의 공급을 중단하고 N2O 가스와 SiH4 가스를 챔버 내에 공급하면 상기 실리콘 산화질화막 상에 제 3 반사방지막(206)을 구성하는 실리콘 산화막(SiOx)이 형성된다(도 3e 참조).
상기 제 1, 제 2 및 제 3 반사방지막(204)(205)(206)을 각각 구성하는 상기 실리콘 질화막(SiNx), 상기 실리콘 산화질화막(SiON), 상기 실리콘 산화막(SiOx)의 형성 두께는 공정가스의 공급량 제어를 통해 조절할 수 있으며, 이 때의 각 박막의 형성두께는 굴절률을 고려하여 설계된다. 즉, 상기 제 1 반사방지막(204)은 1.9～2.5, 상기 제 2 반사방지막(205)은 1.45～1.9, 상기 제 3 반사방지막(206)은 0.5～1.45의 굴절률을 갖도록 형성두께가 조절되어야 한다.
상기 n형 반도체층(203) 상에 상기 제 1 내지 제 3 반사방지막(204)(205)(206)이 순차적으로 형성된 상태에서, 상기 기판(201) 전면의 제 3 반사방지막(206) 및 기판(201) 후면 상에 도전성 물질을 스크린 인쇄법 등을 통해 도포한 후, 소성 공정을 진행하면 도 3f에 도시한 바와 같이 전면전극(207)과 후면전극(208)이 형성되며, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 완료된다.
201 : 기판 202 : 요철
203 : n형 반도체층 204 : 제 1 반사방지막
205 : 제 2 반사방지막 206 : 제 3 반사방지막
207 : 전면전극 208 : 후면전극
203 : n형 반도체층 204 : 제 1 반사방지막
205 : 제 2 반사방지막 206 : 제 3 반사방지막
207 : 전면전극 208 : 후면전극
Claims (6)
- 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판을 준비하는 단계;
상기 기판 상부에 제 2 도전형의 반도체층을 형성하는 단계; 및
상기 반도체층 상에 굴절률이 서로 다른 제 1, 제 2 및 제 3 반사방지막을 순차적으로 적층하는 단계를 포함하여 이루어지며,
상기 제 1 반사방지막은 실리콘 질화막, 상기 제 2 반사방지막은 실리콘 산화질화막, 상기 제 3 반사방지막은 실리콘 산화막으로 구성되며,
상기 제 1, 제 2 및 제 3 반사방지막의 순서로 굴절률이 작아지며,
상기 제 1 반사방지막의 굴절률은 1.9～2.5, 상기 제 2 반사방지막의 굴절률은 1.45～1.9, 상기 제 3 반사방지막의 굴절률은 0.5～1.45이며,
상기 반도체층 상에 굴절률이 서로 다른 제 1, 제 2 및 제 3 반사방지막을 순차적으로 적층하는 단계는,
챔버 내에 SiH4와 NH3 가스를 공급하여 반도체층 상에 실리콘 질화막으로 이루어지는 제 1 반사방지막을 형성하는 제 1 공정과,
상기 실리콘 질화막이 형성된 상태에서, 챔버 내에 SiH4, NH3 및 N2O 가스를 공급하여 상기 실리콘 질화막 상에 실리콘 산화질화막으로 이루어지는 제 2 반사방지막을 형성하는 제 2 공정과,
챔버 내에 SiH4 및 N2O 가스를 공급하여 상기 실리콘 산화질화막 상에 실리콘 산화막으로 이루어지는 제 3 반사방지막을 형성하는 제 3 공정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 삭제
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