KR101142861B1 - 태양 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양 전지에 관한 것으로서, 상기 태양 전지는 제1 도전형의 기판, 상기 기판 위에 형성되어 있는 제1 보호막, 상기 기판 위에 형성되어 있는 투명한 전도성 물질로 이루어진 반사 방지막, 상기 기판의 부분에 형성되어 있고, 상기 제1 도전형과 반대의 제2 도전형의 불순물을 포함하는 복수의 도핑부, 상기 도핑부 위에 형성되어 있는 복수의 제1 전극, 그리고 상기 기판의 부분 위에 상기 제1 전극과 이격되게 형성되어 있는 복수의 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 상기 기판의 동일 면에 형성되어 있다. 이로 인해, 반사 방지막을 형성할 때 보호막에 인가되는 열에 의해 태양 전지의 효율이 감소하는 것이 방지되며, 반사 방지막의 표면을 텍스처링하므로, 태양 전지의 효율이 향상된다.
태양전지, 이종접합, 후면접촉

Description

태양 전지 및 그 제조 방법{SOLAR CELL AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 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 태양 전지는 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생성하는 전지로서, 친환경적이고 에너지원인 태양 에너지가 무한할 뿐만 아니라 수명이 길다는 장점이 있다.
태양전지는 원료 물질에 따라 크게 실리콘 태양 전지(silicon solar cell), 화합물 반도체 태양 전지(compound semiconductor solar cell) 및 적층형 태양 전지(tandem solar cell)로 구분되며, 실리콘 태양 전지가 주류를 이루고 있다.
일반적인 실리콘 태양 전지는 p형과 n형처럼 서로 다른 도전성 타입(conductive type)을 가지는 반도체로 이루어진 기판(substrate) 및 에미터부(emitter layer), 그리고 기판과 에미터부 위에 각각 형성된 전극을 구비한다. 이때, 기판과 에미터부의 계면에는 p-n 접합이 형성되어 있다.
이처럼, 기판과 에미터부 위에 각각 전극을 형성하는 대신에, 태양 전지는 빛이 입사되지 않은 기판 위에 기판 및 에미터부에 전기적으로 각각 연결된 전극을 모두 형성한 후면 접촉형(back contact) 구조를 가질 수 있다. 이러한 후면 접촉형 구조의 태양 전지는 빛이 입사되는 면적이 증가하므로, 태양 전지의 효율이 향상된다.
이러한 태양 전지에 태양 광이 입사되면, 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의해 n형 또는 p형의 불순물이 도핑된 실리콘 반도체에서 전자와 정공이 발생한다. 예를 들어, n형 실리콘 반도체로 이루어진 n형 에미터부에서는 전자가 다수 캐리어(carrier)로 발생되고, p형 실리콘 반도체로 이루어진 p형 기판에서는 정공이 다수 캐리어로 발생된다. 광기전력 효과에 의해 발생된 전자와 전공은 각각 n형 반도체인 에미터부와 p형 반도체인 기판 쪽으로 끌어 당겨져 각각 기판 및 에미터부와 전기적으로 연결된 전극으로 이동하며, 이 전극들을 전선으로 연결하여 전력을 얻는다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 태양 전지의 효율을 향상시키는 것이다.
본 발명의 한 특징에 따른 태양 전지는 제1 도전형의 기판, 상기 기판 위에 형성되어 있는 제1 보호막, 상기 기판 위에 형성되어 있는 투명한 전도성 물질로 이루어진 반사 방지막, 상기 기판의 부분에 형성되어 있고, 상기 제1 도전형과 반 대의 제2 도전형의 불순물을 포함하는 복수의 도핑부, 상기 도핑부 위에 형성되어 있는 복수의 제1 전극, 그리고 상기 기판의 부분 위에 상기 제1 전극과 이격되게 형성되어 있는 복수의 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 상기 기판의 동일 면에 형성되어 있다.
상기 투명한 전도성 물질은 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide: ITO), 주석계 산화물, 아연계 산화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다.
상기 제1 보호막은 비전도성 물질로 이루어져 있는 것이 좋다.
상기 비전도성 물질은 비정질 실리콘(a-Si), 실리콘 산화물(SiO2), 비정질 실리콘 산화물(a-SiO2) 등 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 특징에 따른 태양 전지는 상기 제1 보호막이 형성되지 않은 상기 기판 면에 형성된 제2 보호막을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 보호막은 상기 제1 보호막과 동일한 재료로 이루어져 있을 수 있다.
상기 복수의 도핑부와 상기 복수의 제2 전극은 상기 제2 보호막 위에 부분적으로 형성되어 있어, 상기 제2 보호막의 일부를 드러낼 수 있다.
상기 제2 보호막과 상기 복수의 제2 전극 사이에 형성되어 있는 복수의 후면 전기장부를 더 포함할 수 있다.
상기 특징에 따른 태양 전지는 상기 드러난 후면 보호막 위의 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 형성되어 있는 절연부를 더 포함할 수 있다.
상기 절연부는 비전도성 물질로 이루어질 수 있다.
상기 제2 보호막은 상기 기판의 다른 면에 부분적으로 형성되어, 상기 기판의 일부를 드러낼 수 있다.
상기 특징에 따른 태양 전지는 상기 드러난 기판 위의 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 형성되어 있는 절연부를 더 포함할 수 있다.
상기 반사 방지막은 상기 제1 보호막 위에 형성될 수 있다.
상기 반사 방지막은 텍스처링 표면을 가지는 것이 좋다. 이때, 상기 반사 방지막은 아연계 산화물로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 특징에 따른 태양 전지의 제조 방법은 제1 온도에서 제1 도전형의 반도체 기판 위에 제1 보호막을 형성하는 단계, 제2 온도에서 상기 반도체 기판 위에 반사 방지막을 형성하는 단계, 상기 반도체 기판의 부분에 상기 제1 도전형과 반대의 제2 도전형의 복수의 도핑부를 형성하는 단계, 그리고 상기 복수의 도핑부와 상기 반도체 기판의 부분 위에 각각 복수의 제1 전극과 복수의 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제1 온도는 상기 제2 온도보다 같거나 높다.
상기 제1 보호막은 비정질 실리콘(a-Si), 실리콘 산화물(SiO2) 및 비정질 실리콘 산화물(a-SiO2) 중 적어도 하나로 형성될 수 있다.
상기 반사 방지막은 투명한 전도성 물질로 형성될 수 있다.
상기 투명한 전도성 물질은 인듐 틴 옥사이드(ITO), 주석계 산화물, 아연계 산화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나로 형성될 수 있다.
상기 특징에 따른 태양 전지의 제조 방법은 상기 제1 보호막이 형성된 반도체 기판의 반대 면에 제2 보호막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 특징에 따른 태양 전지의 제조 방법은 상기 도핑부와 이격되고, 상기 반도체 기판의 부분과 상기 제2 전극 사이에 복수의 후면 전기장부를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 보호막 형성 단계는 상기 도핑부와 상기 후면 전기장부 하부에 상기 제2 보호막을 형성될 수 있다.
상기 특징에 따른 태양 전지의 제조 방법은 상기 복수의 제1 전극과 상기 복수의 제1 전극 사이에 절연부를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 절연부는 비전도성 물질로 형성될 수 있다.
상기 특징에 따른 태양 전지의 제조 방법은 상기 반사 방지막의 표면을 텍스처링하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 특징에 따르면, 후면 접촉형 태양 전지에서, 반사 방지막을 형성할 때 보호막에 인가되는 열에 의해 태양 전지의 효율이 감소하는 것이 방지된다. 또한, 반사 방지막의 표면을 텍스처링하므로, 태양 전지의 효율이 향상된다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명 이 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 면(또는 전면)에 형성되어 있는 것뿐만 아니라 가장 자리 일부에는 형성되지 않은 것을 뜻한다.
그러면 도 1을 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지의 부분 단면도이다.
도 1를 참고로 하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지(1)는 제1 도전성 타입, 예를 들어 n형의 반도체 기판(110), 반도체 기판(10)의 일면에 형성된 전면 보호막(front passivation layer)(120), 전면 보호막(120) 위에 형성된 반사 방지막(antireflection coating layer) (130), 반도체 기판(110)의 다른 면에 형성되 어 있는 후면 보호막(rear passivation layer)(140), 후면 보호막(140) 부분 위에 형성되어 있고, 제1 도전성 타입과 반대의 제2 도전성 타입, 예를 들어 p형의 불순물이 도핑된 복수의 에미터부(emitter)(151), 후면 보호막(140) 부분 위에 복수의 에미터부(151)와 이격되게 형성되어 있는 복수의 후면 전기장(back surface field, BSF)부(152), 복수의 에미터부(151) 위에 형성되어 있는 복수의 제1 전극(161), 그리고 복수의 후면 전기장부(152) 위에 형성되어 있는 복수의 제2 전극(162)을 구비한다.
반도체 기판(110)의 상부 표면은 복수 개의 요철(111)을 구비한 텍스처링 표면(texturing surface)을 구비하고, 반도체 기판(100)은 n형의 단결정 실리콘(single crystalline silicon) 또는 다결정 실리콘(poly crystalline silicon)과 같은 결정질 실리콘(crystalline silicon)으로 이루어진다. 하지만, 이와는 달리, 반도체 기판(110)은 p형의 도전성 타입을 가질 수 있고, 실리콘 이외의 다른 반도체 물질로 이루어질 수 있다.
본 실시예에서, 빛이 입사되는 수광면에 해당하는 반도체 기판(110)의 상부표면에는 복수의 요철(111)이 형성되도록 텍스처링(texturing)되어 있다. 이로 인해, 반도체 기판(110)의 상부 표면의 빛 반사도가 감소하며, 피라미드 구조를 갖는 요철(111)에서 복수 번의 입사와 반사 동작이 행해져 태양 전지의 내부에 빛이 갇히게 되고 이로 인해 빛의 흡수율이 증가되므로 태양 전지의 효율이 향상된다.
형성된 요철(111)의 구조는 랜덤(random)한 피라미드 구조를 가질 수 있고, 이때 형성되는 요철(101)의 높이는 약 1㎛ 내지 20㎛일 수 있다.
이러한 반도체 기판(110)에 빛이 입사되면 전자와 전공 쌍이 형성되고, 분리된 전자와 전공은 캐리어(carrier)로서 작용한다.
복수의 요철(111)이 형성된 반도체 기판(100) 전면(entire surface)에 전면 보호막(120)이 형성되어 있다.
전면 보호막(120)은 반도체 기판(110)에서 형성된 캐리어가 반사 방지막(130)쪽으로 이동하지 못하도록 적절한 두께를 갖고 또한 비전도성 물질로 이루어져 있다. 비전도성 물질의 예는 비정질 실리콘(a-Si), 실리콘 산화물(SiO2), 비정질 실리콘 산화물(a-SiO2) 등 중 적어도 하나일 수 있다.
본 실시예에서 전면 보호막(120)은 단일막으로 이루어져 있지만 이중막 또는 삼중막과 같은 다층 구조를 가질 수 있다.
전면 보호막(120) 위에는 반사 방지막(130)이 형성되어 있다. 반사 방지막(130)은 태양 전지(1)로 입사되는 빛의 반사 손실을 줄이기 위한 것이다. 반사 방지막(130)은 전기 전도도와 투명성을 갖고, 전면 보호막(120)과 후면 보호막(140) 중 적어도 하나의 공정 온도와 같거나 낮은 공정 온도를 갖는 투명한 전도성 물질(transparent conductive oxide material)로 이루어진다.
이러한 반사 방지막(130)은 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide: ITO), 주석계 산화물(SnO2 등), 아연계 산화물(ZnO, ZnO:Al, ZnO:B 등) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나로 형성될 수 있다. 이때, 반사 방지막(130)은 굴절율과 두께를 조절하여 표면 반사를 최소화할 수 있다. 본 실시예에 서 반사 방지막(130)은 약 550nm 파장의 빛에 대하여 약 1.8 내지 2.1의 굴절율을 가질 수 있고, 약 80 내지 100nm의 두께를 가질 수 있다.
반도체 기판(110)과 전도성 물질로 이루어진 반사 방지막(130) 사이에 비전도성 물질로 이루어진 전면 보호막(120)에 의해, 반도체 기판(110)에서 생성된 캐리어가 반사 방지막(130)쪽으로 이동하는 것이 방지되고, 분리된 전자와 전공이 반도체 기판(110)과 반사 방지막(130) 사이의 계면 부근에서 재결합되어 소멸하는 것이 방지된다.
빛이 입사되지 않은 반도체 기판(110)의 후면 전면에는 후면 보호막(140)이 형성되어 있다.
후면 보호막(140)은 전면 보호막(140)과 동일하게 비전도성 물질로 이루어질 수 있고, 비전도성 물질의 예는 비정질 실리콘(a-Si), 실리콘 산화물(SiO2), 비정질 실리콘 산화물(a-SiO2) 등 중 적어도 하나일 수 있다.
후면 보호막(140)은 분리된 전자와 정공이 반도체 기판(110)와 에미터부(151)의 계면 부근 그리고 반도체 기판(110)과 후면 전기장부(152)의 계면 부근에서 재결합되어 소멸하는 것을 방지하며, 반도체 기판(110)을 통한 제1 및 제2 전극(161, 162) 간의 전류 누설(current leakage) 현상을 방지한다.
후면 보호막(140)은 약 10nm 이하의 매우 얇은 두께로 형성되므로, 후면 보호막(140)이 비전도성 물질로 이루어져도 제1 및 제2 전극(161, 162)으로 이동하는 캐리어의 이동에 악영향을 주지 않는다.
본 실시예에서 후면 보호막(140) 또한 전면 보호막(120)과 같이 이중막 또는 삼중막과 같은 다층 구조를 가질 수 있다.
후면 보호막(140) 부분 위에 복수의 에미터부(151)가 서로 이격되게 한 방향으로 연장되어 있다. 각 에미터부(151)는 비정질 실리콘(a-Si)으로 이루어져 있으며, 반도체 기판(110)의 도전성 타입과 반대의 도전성 타입의 불순물, 예를 들어 p형 불순물이 도핑되어 있다. 이로 인해, 복수의 에미터부(151)는 반도체 기판(110)과 p-n 접합을 형성한다. 에미터부(151)는 반도체 기판(110)과 p-n 접합을 형성하면 되므로, 반도체 기판(110)이 p형 도전성 타입일 경우, 에미터부(151)는 n형 도전성 타입일 수 있다.
후면 보호막(140) 부분 위에는 또한 복수의 후면 전기장부(152)가 복수의 에미터부(151)와 동일한 방향으로 이격되게 형성되어 있고, 복수의 후면 전기장부(152) 또한 서로에 대해 이격되어 있다.
후면 전기장부(152)는 비정질 실리콘(a-Si)으로 이루어져 있으며, 반도체 기판(110)과 동일한 도전성 타입의 불순물, 예를 들어, n형 불순물이 고농도로 도핑되어 있다. 이러한 후면 전기장부(152)는 BSF 효과를 발생시켜 반도체 기판(110)의 후면 근처에서 전자와 전공이 재결합되어 소멸하는 것이 방지한다.
또한, 본 실시예에서, 에미터부(151)와 후면 전기장부(152)는 정공과 전자와 같은 캐리어의 이동 통로로서, 예를 들어, 정공은 에미터부(151) 방향으로 이동하여 모이게 되고, 전자는 후면 전기장부(152) 방향으로 이동하여 모이게 된다.
에미터부(151)와 후면 전기장부(152) 위에는 각각 복수의 제1 전극(161)과 복 수의 제2 전극(162)이 형성되어 있다.
제1 및 제2 전극(161, 162)은 각각 그 하부막인 에미터부(151) 및 후면 전기장부(152)와 동일한 평면 형상을 갖지만 이에 한정되지 않지, 제1 및 제2 전극(161, 162) 중 적어도 하나는 그 하부막인 에미터부(151) 및 후면 전기장부(152)보다 좁거나 넓은 폭을 가질 수 있다.
제1 및 제2 전극(161, 162)은 적어도 하나의 도전성 금속 물질로 이루어져 있다. 이들 도전성 금속 물질의 예는 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 하나일 수 있지만, 이외의 다른 도전성 금속 물질로 이루어질 수 있다.
제1 전극(161)은 전기적으로 접촉하고 있는 하부의 에미터부(151)를 통해 이동하는 정공을 수집하여 외부로 출력하고, 제2 전극(162)은 전기적으로 접촉하고 있는 하부의 후면 전기장부(152)를 통해 이동하는 전자를 수집하여 외부로 출력한다. 이와 같은 구조를 갖는 본 실시예에 따른 태양 전지는 제1 전극(161)과 제2 전극(162)이 모두 빛이 입사되지 않은 반도체 기판(100)의 후면에 형성되어 있고, 반도체 기판(110)은 결정질 실리콘으로 이루어지고 에미터부(151)는 비정질 실리콘으로 이루어져 이종 접합(hetero junction)을 형성하는 이종 접합 후면 접촉형 태양전지로서, 그 동작은 다음과 같다.
즉, 태양 전지로 빛이 조사되어 반사 방지막(1300과 전면 보호막(120)을 통해 반도체 기판(110)으로 입사되면 빛 에너지에 의해 반도체 기판(110)에서 전자와 정공이 발생한다. 일반적으로 반도체에 밴드 갭 에너지 이하의 빛이 들어가면 반도체 내의 전자들과 약하게 상호 작용하고, 밴드 갭 이상의 빛이 들어가면 공유 결합 내의 전자를 여기시켜 전자와 정공과 같은 캐리어를 생성한다. 빛 에너지에 의해 발생된 캐리어는 후면 보호막(140)을 통과하여 에미터부(151)와 후면 전기장부(152)쪽으로 이동하여, 각각 전기적으로 연결된 제1 전극(161)과 제2 전극(162)에 의해 수집된다. 예를 들어, 정공은 에미터부(151)쪽으로 이동하여 제1 전극(161)에 의해 수집되고, 전자는 후면 전기장부(152) 쪽으로 이동하여 제2 전극(161)에 의해 수집된다. 이러한 제1 전극(161) 및 제2 전극(162)을 도선으로 연결하면 전류가 흐르게 되고, 이를 외부에서 전력으로 이용하게 된다.
다음, 도2a 내지 도 2i를 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법에 대하여 설명한다.
도 2a 내지 도 2i는 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 공정도이다.
도 2a를 참고로 하면, 먼저, n형 단결정 또는 다결정 실리콘으로 이루어진 반도체 기판(110)의 후면에 실리콘 산화막(SiO2)과 같은 산화막을 고온에서 성장시켜 텍스처링 방지막(180)을 형성한다.
다음, 도 2b에 도시한 것처럼, 텍스처링 방지막(180)을 마스크로 하여, 텍스처링 방지막(180)이 형성되지 않은 반도체 기판(110)의 상부 표면을 텍스처링하여 반도체 기판(110)의 상부 표면에 복수의 요철(111)을 형성한 후, 텍스처링 방지막(180)을 제거한다. 텍스처링은 알칼리 용액을 이용하여 행해질 수 있다.
일 예로, 텍스처링은 약 80℃의 온도의 알카리 용액에서 약 20분 내지 40분간 행해진다. 텍스처링이 이루어지면 텍스처링 방지막(180)에 의해 반도체 기판(110)의 하부 표면은 보호되어 식각되지 않고, 텍스처링 방지막(140)이 없는 반도체 기판(110)의 상부 표면만 식각되어 랜덤한 피라미드 구조를 갖는 요철(111)이 형성된다. 이러한 텍스처링에 의해 반도체 기판(110)의 표면에 요철(111)이 형성되는 이유는 반도체 기판(100)의 결정방향에 따라 식각 속도가 달라지기 때문이다. 이때, 실리콘 산화막(SiO2)으로 이루어진 텍스처링 방지막(180)은 알칼리 용액에 대해 식각 내성을 가지므로 텍스처링 반응이 나타나지 않는다.
이때, 형성되는 요철(111)의 높이, 즉 각 피라미드 구조의 높이는 약 1㎛ 내지 20㎛일 수 있다.
다음, 도 2c에 도시한 것처럼, 텍스처링된 반도체 기판(110) 위에 화학적 증착(chemical vapor deposition, CVD)법이나 스퍼터링법(sputtering) 등을 이용하여 전면 보호막(120)을 형성한다. 이때, 전면 보호막(120)은 비정질 실리콘(a-Si), 실리콘 산화물(SiO2), 비정질 실리콘 산화물(a-SiO2) 등으로 이루어지고, 약 200℃에서 형성될 수 있다.
다음, 도 2d에 도시한 것처럼, 전면 보호막(120) 위에 CVD법나 스퍼터링법을 이용하여 반사 방지막(130)을 형성한다. 이 경우, 반사 방지막(130)은 ITO, 주석계 산화물(SnO2 등), 아연계 산화물(ZnO 등) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것과 같은 투명한 전도성 물질로 이루어진다. 이때, 반사 방지 막(130)은 그 하부막인 전면 보호막(120)의 공정 온도와 거의 동일한 약 200℃의 온도에서 행해지며, 약 550nm의 빛 파장에서 약 1.8 내지 2.1의 굴절율을 가질 수 있다.
일반적으로 반사 방지막(130)이 실리콘 질화물(SiNx) 계열의 물질로 형성될 경우, 전면 보호막(120)의 공정 온도인 약 200℃보다 높은 약 400℃의 온도에서 반사 방지막(130)의 형성 공정이 행해지므로, 이미 형성되어 있는 전면 보호막(120)에 악영향을 미치게 된다. 즉, 반사 방지막(130)이 이미 형성되어 있는 다른 막의 공정 온도보다 높은 온도에서 형성될 경우, 전면 보호막(120)의 비정질 물질이 결정화가 되거나 원소 결합 상태가 바뀌는 것과 같이 전면 보호막(120)의 특성이 바뀌게 되고, 플라즈마 CVD를 이용하여 반사 방지막(130)을 형성할 경우, 생성되는 플라즈마에 의해 이미 형성된 막인 전면 보호막(120)의 일부가 손상을 받을 수 있는 문제가 발생한다.
결국, 전면 보호막(120)의 형성 온도보다 높은 온도에서 반사 방지막(130)이 형성될 경우, 반사 방지막(130)의 형성 시 인가되는 고온으로 인해 이미 형성되어 있는 전면 보호막(120)에 악영향이 미쳐 전면 보호막(120)의 특성이 나빠지는 문제가 발생한다.
하지만, 본 실시예와 같이, 반사 방지막(130)을 투명한 전도성 물질로 형성할 경우, 약 400℃보다 휠씬 낮고 전면 보호막(120)의 공정 온도와 거의 동일한 약 200℃에서 반사 방지막(130)이 형성되므로, 고온으로 인한 전면 보호막(120)의 특성 변화가 발생하지 않는다.
다음, 도 2e에 도시한 것처럼, 반도체 기판(110)의 다른 면에 CVD)이나 스퍼터링법 등을 이용하여 후면 보호막(140)을 형성한다. 후면 보호막(140)은 전면 보호막(120)과 동일한 재료인 비정질 실리콘(a-Si), 실리콘 산화물(SiO2), 비정질 실리콘 산화물(a-SiO2) 등과 같이 비전도성 물질로 이루어지고, 약 200℃에서 형성될 수 있다.
반사 방지막(130)을 위해 본 실시예에서 기재된 투명한 전도성 물질 이외에도, 반사 방지막(130)의 기능을 수행하면서 전면 보호막(120)와 후면 보호막(140) 중 적어도 하나의 공정 온도와 같거나 낮은 온도에서 적층되어 반사 방지막(130)을 형성하는 물질이나 재료이면 본 실시예에 적용 가능하다.
이어, 도 2f에 도시한 것처럼, 비정질 실리콘(a-Si)에 붕소, 갈륨, 인듐 등과 같은 3가 원소의 불순물이 도펀트로 포함된 제1 불순물막(155)을 CVD법이나 스퍼터링법 등을 이용하여 후면 보호막(140) 전면에 적층한 후, 도 2g에 도시한 것처럼, 감광막(도시하지 않음) 등을 식각 마스크로 이용하여 원하는 부분을 제거하여 후면 보호막(140) 위에 반도체 기판(110)과 반대의 도전성 타입인 p형의 복수의 에미터부(151)를 형성한다. 복수의 에미터부(151)은 반도체 기판(110)과 함께 p-n 접합을 형성한다.
대안적인 실시예에서, 복수의 에미터부(151)를 3가 원소의 불순물이 포함된 실리콘 계열의 페이스트(paste)를 스크린 인쇄법(screen printing) 등으로 직접 원하는 부분에 인쇄한 후 열처리하여 복수의 에미터부(151)를 형성하거나 마스크를 이 용하여 원하는 부분에만 에미터부(151)를 적층하여 형성할 수 있다.
그런 다음, 도 2h에 도시한 것처럼, 비정질 실리콘(a-Si)에 인, 비소, 안티몬 등과 같은 5가 원소의 불순물이 도펀트로서 고농도로 포함된 제2 불순물막(156)을 CVD법이나 스퍼터링법 등을 이용하여 복수의 에미터부(151)와 노출된 후면 보호막(140) 위에 형성한다.
다음, 도 2i에 도시한 것처럼, 식각 마스크 등을 이용하여 원하는 부분의 제2 불순물막(156)만 남기고 모두 제거하여, 후면 보호막(140) 위에 반도체 기판(110)과 동일한 도전성 타입인 n형의 복수의 후면 전기장부(152)를 형성한다. 이때, 복수의 후면 전기장부(152)의 두께는 복수의 에미터부(151)의 두께와 다를 수 있다. 예를 들어, 후면 전기장부(152)의 두께가 에미터부(151)의 두께보다 높거나 낮을 수 있다.
이와는 달리, 복수의 에미터부(151)와 마찬가지로, 대안적인 실시예에서 스크린 인쇄법이나 마스크를 이용하여 원하는 부분에만 복수의 후면 전기장부(152)를 바로 적층할 수 있다.
본 실시예와는 달리, 반도체 기판(110)이 p형 도전성 타입의 반도체로 이루어질 경우, 에미터부(151)는 n형이므로, 5가 원소의 불순물을 도펀트로 이용하여 n형의 에미터부(151)를 형성하고, 3가 원소의 불순물을 도펀트로 이용하여 p형의 후면 전기장부(152)를 형성할 수 있다.
그런 다음, 스크린 인쇄법 또는 진공 증착법 등을 이용하여 복수의 에미터부(151) 위에 적층된 제1 전극(161)과 복수의 후면 전기장부(152) 위에 도전성 금 속 물질은 각각 적층하여, 제1 전극(161)과 제2 전극(162)을 형성한다(도 1). 이때, 도전성 금속 물질은 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 하나일 수 있다.
본 실시예에서, 반도체 기판(110)의 표면을 텍스처링 한 후, 전면 보호막(120)과 반사 방지막(130)을 형성한 후 후면 보호막(140)을 형성하였지만, 이와는 달리, 반도체 기판(110)의 표면을 텍스처링 한 후, 후면 보호막(140)을 먼저 형성한 후 전면 보호막(120)과 반사 방지막(130)을 형성할 수 있다. 이 경우, 반사 방지막(130)을 형성하기 전에 이미 전면 보호막(120)과 후면 보호막(140)이 형성되어 있지만, 이미 설명한 것처럼 반사 방지막(130)의 공정 온도가 보호막(120, 140)의 공정 온도와 거의 유사하므로, 보호막(120, 140)의 특성 변화에 영향을 미치지 않는다. 또한, 이와는 달리, 반도체 기판(110)에 전면 보호막(120)과 후면 보호막(140)을 형성 한 후, 에미터부(151) 및 후면 전기장부(152)와 제1 및 제2 전극(161, 162)중 적어도 하나를 형성한 후 반사 방지막(130)을 형성할 수도 있다.
다음, 도 3을 이용하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지(10)를 설명한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 부분 단면도이다.
도 3에서, 도 1과 비교할 때 동일한 기능을 수행하는 구성요소에 대해서는 도 1과 동일한 도면 부호를 부여하고, 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 3에 도시한 태양 전지(10)는 도 1에 도시한 태양 전지(1)와 유사한 구조 를 갖고 있다.
즉, 도 3을 참고하면, 본 실시예에 따른 태양 전지(10)는 복수의 요철(111)을 갖는 반도체 기판(110)의 일면에 순차적으로 적층된 전면 보호막(120)과 반사 방지막(130), 반도체 기판(110)의 다른 면에 적층된 후면 보호막(140), 후면 보호막(140) 부분에 서로 이격되게 형성되어 있는 복수의 에미터부(151)와 복수의 후면 전기장부(152), 그리고 에미터부(151) 및 후면 전기장부(152) 위에 각각 형성되어 있는 복수의 제1 전극(161) 및 복수의 제2 전극(162)을 구비한다. 도 1에 도시한 태양 전지(1)와 동일하게, 반사 방지막(130)은 투명한 전도성 물질로 이루어진다.
하지만, 도 1과 달리, 도 3에 도시한 본 실시예에 따른 태양 전지(10)는 에미터부(151) 및 그 상부의 제1 전극(151)과 후면 전기장부(152) 및 그 상부의 제2 전극(152) 사이에 절연부(170)가 더 형성되어 있다.
절연부(170)는 전기 전도성이 매우 낮은 비전도성 물질로 이루어질 수 있다. 따라서 절연부(170)는 후면 보호막(140)과 동일한 물질로 이루어질 수 있다. 비전도성 물질은 예를 들어, a-Si, SiNx, a-SiNx, SiO2, a-SiO, TiO, 비전도성 폴리머 등일 수 있다.
이로 인해, 에미터부(151) 및 제1 전극(151)과 후면 전기장부(152)와 제2 전극(152) 사이에 발생하는 전류 누설 현상을 방지하여, 본 실시예에 따른 태양 전지(10)는 도 1에 도시한 태양 전지(1)보다 높은 효율을 갖는다.
이러한 태양 전지(10)를 제조하는 방법은 도 2a 내지 도 2h에 도시한 공정을 통해 제1 및 제2 전극(161, 162)까지 형성한 후, 스크린 인쇄법으로 원하는 부분에 절연부(170)를 형성하여 태양 전지(10)를 완성한다.
이와는 달리, 스핀 코팅(spin coating)법을 이용하거나 CVD법 또는 스퍼터링법 등을 통해서는 원하는 부분에 절연부(170)를 형성할 수 있다.
또한 도 4를 참고로 한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양 전지(11)를 살펴보면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양 전지의 부분 단면도이다.
도 4에서, 도 1 및 도 3과 비교할 때 동일한 기능을 수행하는 구성요소에 대해서는 도 1 및 도 3과 동일한 도면 부호를 부여하고, 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 4에 도시한 태양 전지(11)는 도 3에 도시한 태양 전지(10)와 유사한 구조를 갖고 있다.
즉, 도 3을 참고하면, 본 실시예에 따른 태양 전지(10)는 복수의 요철(111)을 갖는 반도체 기판(110)의 일면에 순차적으로 적층된 전면 보호막(120)과 반사 방지막(130), 반도체 기판(110)의 다른 면에 적층된 후면 보호막(141), 후면 보호막(141) 부분에 서로 이격되게 형성되어 있는 복수의 에미터부(151)와 복수의 후면 전기장부(152), 에미터부(151) 및 후면 전기장부(152) 위에 각각 형성되어 있는 복수의 제1 전극(161) 및 복수의 제2 전극(162), 그리고 에미터부(151) 및 그 상부의 제1 전극(151)과 후면 전기장부(152)와 그 상부의 제2 전극(152) 사이에 절연부(171)를 구비한다.
하지만, 도 3과 달리, 도 4에 도시한 본 실시예에 따른 태양 전지(11)에서,후면 보호막(141)은 반도체 기판(110)의 전면이 아니라 반도체 기판(110) 부분에 부분적으로 형성되어 있다. 또한, 후면 보호막(141)위에만 에미터부(151)와 후면 전기장부(152)이 형성되어 있으며, 그 위에 각각 제1 전극(161) 및 제2 전극(162)이 형성되어 있다. 이로 인해, 절연부(171) 또한 도 3에 도시한 절연부(170)와 달리 에미터부(151) 및 그 상부의 제1 전극(151)과 후면 전기장부(152) 및 그 상부의 제2 전극(152) 사이에 노출된 후면 보호막(140) 위가 아니라 반도체 기판(110) 위까지 형성되어 있다. 절연부(171)는 또한 도 3에 도시한 절연부(170)와 동일하게 비전도성 물질로 형성되어 있다.
다음, 도 5 및 도 6을 참고로 하여 본 발명의 또 다른 실시예에 대하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양 전지의 부분 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시한 태양 전지의 반사 방지막을 텍스처링 한 후 반사 방지막의 일부 표면을 촬영한 도면이다.
도 5에서, 도 1과 비교할 때 동일한 기능을 수행하는 구성요소에 대해서는 도 1과 동일한 도면 부호를 부여하고, 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 5에 도시한 태양 전지(20)는 도 1에 도시한 태양 전지(1)와 유사한 구조를 갖고 있다.
즉, 도 5를 참고하면, 본 실시예에 따른 태양 전지(20)는 복수의 요철(111)을 갖는 반도체 기판(110)의 일면에 순차적으로 적층된 전면 보호막(120)과 반사 방지막(131), 반도체 기판(110)의 다른 면에 적층된 후면 보호막(140), 후면 보호막(140) 부분에 서로 이격되게 형성되어 있는 복수의 에미터부(151)와 복수의 후면 전기장부(152), 그리고 에미터부(151) 및 후면 전기장부(152) 위에 각각 형성되어 있는 복수의 제1 전극(161) 및 복수의 제2 전극(162)을 구비한다. 이때, 반사 방지막(131)은 ZnO, ZnO:Al, ZnO:B 등과 같은 아연계 산화물로 형성되는 것이 좋다.
하지만, 도 1에 비하여, 도 5에 도시한 태양 전지(20)는 표면이 텍스터링된 반사 방지막(131)을 구비하고 있다. 이때, 반사 방지막(131)의 표면 텍스터링은 산성 용액을 이용한 식각 공정을 이용하여 행해진다. 이로 인해, 도 1의 반사 방지막(130)과 비교할 때, 반상 방지막(131)은 도 6에 도시한 것처럼 텍스처링된 반도체 기판(110)의 표면 윤곽을 따라 형성된 요철(111) 이외에도 이 요철(111)보다 작은 미세한(micro) 복수의 요철(133)을 더 갖는 표면을 얻게 된다. 이로 인해, 입사되는 빛의 입사 경로(path)가 증가하여 빛의 흡수율이 좀더 향상된다. 이때, 반사 방지막(131)의 재료 등과 같은 특성을 고려하여 식각 시간을 조절하여 텍스터링 정도를 조정할 수 있다.
이런 태양 전지(20)를 제조하는 제조 방법에 대하여, 도 7a 및 도 7b 뿐만 아니라 도 2a 내지 도 2i를 참고로 하여 설명한다.
도 7a 및 도 7b는 도 5에 도시한 태양 전지를 제조하는 공정 중 일부 공정도이다.
먼저, 도 2a 내지 도 2c에 도시한 것과 동일하게, 반도체 기판(110)에 후면 보호막(140)을 형성하고, 후면 보호막(140)으로 덮여지지 않은 반도체 기판(110)의 표면을 텍스처링한 후, 전면 보호막(120)을 적층한다.
그런 다음, 도 7a에 도시한 것처럼, 적층된 전면 보호막(120) 위에 스퍼터링법을 이용하여 아연계 산화물로 이루어진 반사 방지막(131)을 적층한다. 이때, 식각되는 정도를 고려하여 도 2d에 적층된 반사 방지막(130)의 두께보다 좀더 두껍게 고려하는 것이 좋다. 대안적인 실시예에서, 반사 방지막(131)는 CVD법과 같은 다른 방식을 통해 전면 보호막(120) 위에 형성될 수 있다.
다음, 산성 용액을 이용한 습식 식각으로 반사 방지막(131)의 표면을 원하는 두께만큼 식각하여, 반사 방지막(131)의 표면은 반도체 기판(110)의 텍스처링에 의해 형성된 요철 구조(133)보다도 좀더 미세한 요철 구조는 갖게 된다. 이때, 반사 방지막(131)은 식각 동작에 의해 감소한 두께를 갖는다.
이처럼, 산성 용액을 이용하여 반사 방지막(131)의 표면을 텍스처링한 후, 도 2e 내지 도 2i에 도시한 것과 같이 순차적으로 에미터부(151), 후면 전기장부(152), 그리고 제1 및 제2 전극(161, 162)을 형성하여, 태양 전지(20)를 완성한다.
도 5에 도시한 실시예는 도 1에 도시한 태양 전지(1)의 구조를 이용하여 설명하였지만, 이에 한정되지 않고, 도 3 및 도 4에 도시한 태양 전지(10, 11)에도 물론 적용된다.
이와 같은 본 발명의 실시예들에 따르면, 후면 접촉형 태양 전지일 때, 반사 방지막을 투명한 전도성 물질로 형성하여, 반사 방지막을 형성할 때의 공정 온도가 낮아져 이미 형성된 다른 막이 고온 공정으로 특성이 변하는 현상이 감소한다. 이 로 인해, 태양 전지의 동작 효율이 향상된다. 또한, 반사 방지막의 표면을 텍스처링하므로, 입사되는 빛의 양을 증가시킨다.
본 발명의 실시예는 이종 접합 태양 전지를 예로 들어 설명하였지만, 이와는 달리 반도체 기판과 에미터부가 같은 종류의 반도체로 형성되어 있는 동종 접합 태양 전지에 대해서도 적용 가능하다.
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.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지의 부분 단면도이다.
도 2a 내지 도 2i는 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 공정도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 부분 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양 전지의 부분 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양 전지의 부분 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시한 태양 전지의 반사 방지막을 텍스처링한 후 반사 방지막의 일부 표면을 촬영한 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 도 5에 도시한 태양 전지를 제조하는 공정 중 일부를 도시한 도면이다.

Claims (31)

  1. 결정질 실리콘으로 이루어진 제1 도전형의 기판,
    상기 기판의 제1 면 위에 위치하는 제1 보호막,
    상기 제1 보호막 위에 위치하고 금속 산화물을 포함한 투명한 반사 방지막,
    상기 제1 면의 반대편에 위치하는 상기 기판의 제2 면 위에 위치하고, 상기 제1 도전형과 반대인 제2 도전형의 불순물을 포함하는 비정질 실리콘으로 이루어져 있는 복수의 도핑부,
    상기 복수의 도핑부에 위치하는 복수의 제1 전극, 그리고
    상기 기판의 상기 제2 면 위에 상기 제1 전극과 이격되게 위치하는 복수의 제2 전극
    을 포함하는 태양 전지.
  2. 제1항에서,
    상기 투명한 반사 방지막은 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide: ITO), 주석계 산화물, 아연계 산화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나인 태양 전지.
  3. 제1항에서,
    상기 제1 보호막은 비전도성인 태양 전지.
  4. 제3항에서,
    상기 제1 보호막은 비정질 실리콘(a-Si), 실리콘 산화물(SiO2), 비정질 실리콘 산화물(a-SiO2) 중 적어도 하나로 이루어져 있는 태양 전지.
  5. 제1항 또는 제3항에서,
    상기 기판의 상기 제2 면 위에 위치한 제2 보호막을 더 포함하는 태양 전지.
  6. 제5항에서,
    상기 제2 보호막은 상기 제1 보호막과 동일한 재료로 이루어져 있는 태양 전지.
  7. 제5항에서,
    상기 복수의 도핑부와 상기 복수의 제2 전극은 상기 제2 보호막 위에 부분적으로 위치하고 있어, 상기 제2 보호막의 일부를 드러내는 태양 전지.
  8. 제7항에서,
    상기 제2 보호막과 상기 복수의 제2 전극 사이에 위치하고, 상기 제1 도전형의 불순물을 포함하는 비정질 실리콘으로 이루어져 있는 복수의 후면 전기장부를 더 포함하는 태양 전지.
  9. 제7항에서,
    드러나 상기 제2 보호막 위에 그리고 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 위치한 절연부를 더 포함하는 태양 전지.
  10. 제9항에서,
    상기 절연부는 비전도성 물질로 이루어져 있는 태양 전지.
  11. 제5항에서,
    상기 제2 보호막은 상기 기판의 상기 제2 면 위에 부분적으로 위치하여, 상기 기판의 일부를 드러내는 태양 전지.
  12. 제11항에서,
    드러난 상기 기판 위에 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치한 절연부를 더 포함하는 태양 전지.
  13. 삭제
  14. 제1항에서,
    상기 투명한 반사 방지막은 텍스처링 표면을 갖는 태양 전지.
  15. 제14항에서,
    상기 투명한 반사 방지막은 아연계 산화물로 이루어져 있는 태양 전지.
  16. 제1 온도에서 제1 도전형의 반도체 기판 위에 제1 보호막을 형성하는 단계,
    제2 온도에서 상기 반도체 기판 위에 반사 방지막을 형성하는 단계,
    상기 반도체 기판 위에 상기 제1 도전형과 반대인 제2 도전형의 복수의 도핑부를 부분적으로 형성하는 단계, 그리고
    상기 복수의 도핑부 위와 상기 반도체 기판의 부분 위에 각각 복수의 제1 전극과 복수의 제2 전극을 형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제1 온도는 상기 제2 온도보다 같거나 높은 태양 전지의 제조 방법.
  17. 제16항에서,
    상기 제1 보호막은 비정질 실리콘(a-Si), 실리콘 산화물(SiO2) 및 비정질 실리콘 산화물(a-SiO2) 중 적어도 하나로 형성되는 태양 전지의 제조 방법.
  18. 제16항에서,
    상기 반사 방지막은 전도성을 갖는 물질로 형성되는 태양 전지의 제조 방법.
  19. 제16항에서,
    상기 반사 방지막은 인듐 틴 옥사이드(ITO), 주석계 산화물, 아연계 산화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나로 형성되는 태양 전지의 제조 방법.
  20. 제16항에서,
    상기 제1 보호막이 형성된 반도체 기판의 반대 면 위에 제2 보호막을 형성하는 단계를 더 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  21. 제16항에서,
    상기 복수의 도핑부와 이격되고, 상기 반도체 기판과 상기 제2 전극 사이에 상기 제1 도전형의 복수의 후면 전기장부를 형성하는 단계를 더 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  22. 제21항에서,
    상기 제2 보호막 형성 단계는 상기 복수의 도핑부와 상기 후면 전기장부 하부에 상기 제2 보호막을 형성하는 태양 전지의 제조 방법.
  23. 제16항에서,
    상기 복수의 제1 전극과 상기 복수의 제1 전극 사이에 절연부를 형성하는 단계를 더 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  24. 제23항에서,
    상기 절연부는 비전도성 물질로 형성되는 태양 전지의 제조 방법.
  25. 제16항에서,
    상기 반사 방지막의 표면을 텍스처링하는 단계를 더 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  26. 제1항에서,
    상기 투명한 반사 방지막은 전도성을 갖는 태양 전지.
  27. 제3항에서,
    상기 제1 보호막은 실리콘을 포함하는 태양 전지.
  28. 제3항에서,
    상기 제1 보호막은 산화물인 태양 전지.
  29. 제16항에서,
    상기 반사 방지막은 금속 산화물을 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  30. 제16항에서,
    상기 제1 보호막은 실리콘을 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  31. 제16항에서,
    상기 제1 보호막은 산화물로 형성되는 태양 전지의 제조 방법.
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