KR101150686B1 - 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판 내부의 소수캐리어가 기판 측면 또는 표면의 결함으로 이동되는 것을 억제함으로써 재결합율을 낮추고 궁극적으로 태양전지의 광전변환 효율을 향상시킬 수 있는 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 태양전지는 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판과, 상기 기판 상부에 형성된 제 2 도전형의 반도체층 및 상기 기판 표면의 둘레를 따라 기판 내부를 향해 형성된 제 1 도전형의 소수캐리어 배리어 영역을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 상기 소수캐리어 배리어 영역의 두께는 상기 제 2 도전형의 반도체층의 두께보다 크며, 상기 소수캐리어 배리어 영역의 불순물 농도는 상기 기판의 불순물 농도보다 크다. 또한, 상기 제 1 도전형의 소수캐리어 배리어 영역은 3족 원소와 실리콘의 공융층 또는 5족 원소와 실리콘의 공융층이다.
Description
본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기판 내부의 소수캐리어가 기판 측면 또는 표면의 결함으로 이동되는 것을 억제함으로써 재결합율을 낮추고 궁극적으로 태양전지의 광전변환 효율을 향상시킬 수 있는 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양광을 직접 전기로 광전변환시키는 태양광 발전의 핵심소자로서, 기본적으로 p-n 접합으로 이루어진 다이오드(diode)라 할 수 있다. 태양광이 태양전지에 의해 전기로 변환되는 과정을 살펴보면, 태양전지의 실리콘 기판 내부에 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.
태양전지의 구조를 살펴보면, 도 1에 도시한 바와 같이 p형 결정질 실리콘 기판(101) 둘레를 따라 일정 깊이로 n형 반도체층(102)이 구비되며, 기판 전면과 후면에 각각 전면전극(104)과 후면전극(105)이 구비된다. 또한, 기판(101) 전면 상에는 반사방지막(103)이 구비된다.
한편, 상기 n형 반도체층은 n형 불순물 이온을 포함하는 가스(예를 들어, POCl3)를 공급하여 인(P) 이온이 기판 내부로 확산(diffusion)되도록 하여 형성하거나, n형 불순물 이온이 포함된 용액 예를 들어, 인산(H3PO4) 용액 내에 상기 기판을 침적시키고 후속의 열처리를 통해 인(P) 이온이 기판 내부에 확산되도록 하여 형성할 수 있다.
이와 같은 방식을 통해 형성된 n형 반도체층은 기판 둘레를 따라 형성되는데, 기판 측면(edge) 부위는 기판 내부보다 결함 밀도가 높아 기판 내부의 소수캐리어(전자)가 기판 측면으로 이동하여 재결합되는 문제점이 있으며, 이와 함께 소수캐리어가 후면전극과 접촉하여 단락되는 문제가 있다. 따라서, 측부 및 하부의 n형 반도체층에 의한 전면전극과 후면전극 사이의 전기적 연결은 방지되어야 한다.
이를 위해 종래의 경우, 레이저를 이용하여 기판 둘레를 따라 일정 깊이로 단선용 트렌치(도 1의 도면부호 106)를 형성하는 방법 즉, 레이저 아이솔레이션(laser isolation) 방법을 택하고 있다. 레이저 아이솔레이션으로 인해 기판 표면이 노출됨과 함께 기판 표면에 다수의 결함이 생성되는데, 광전변환에 의해 생성된 소수 캐리어((-), 전자)가 상기 기판 표면의 결함으로 이동되어 소멸(recombination)되는 문제점이 있다. 이를 에너지밴드 다이어그램으로 확인하면(도 2a 및 도 2b 참조), 기판 표면에 노출된 단선용 트렌치 부분에서 전도대(Ec)의 에너지준위가 현격히 낮아짐을 알 수 있다. 또한, 이와 같은 기판 측면에서의 소수캐리어 수명 저하 현상은 도 4a 및 도 4b를 통해 확인된다.
따라서, 태양전지의 광전변환 효율을 향상시키기 위해서는 소수 캐리어가 기판 측면 또는 표면의 결함으로 이동되는 것을 방지하여 재결합율(recombination rate)을 낮추어야 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 기판 내부의 소수캐리어가 기판 측면 또는 표면의 결함으로 이동되는 것을 억제함으로써 재결합율을 낮추고 궁극적으로 태양전지의 광전변환 효율을 향상시킬 수 있는 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양전지는 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판과, 상기 기판 상부에 형성된 제 2 도전형의 반도체층 및 상기 기판 표면의 둘레를 따라 기판 내부를 향해 형성된 제 1 도전형의 소수캐리어 배리어 영역을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 소수캐리어 배리어 영역의 두께는 상기 제 2 도전형의 반도체층의 두께보다 크며, 상기 소수캐리어 배리어 영역의 불순물 농도는 상기 기판의 불순물 농도보다 크다. 또한, 상기 제 1 도전형의 소수캐리어 배리어 영역은 3족 원소와 실리콘의 공융층 또는 5족 원소와 실리콘의 공융층이다.
본 발명에 따른 태양전지의 제조방법은 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판 상부에 제 2 도전형의 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 기판 상에 3족 원소 또는 5족 원소를 포함하는 페이스트를 도포하는 단계 및 상기 기판을 소성하여 상기 기판 내부에 <3족 원소와 실리콘> 또는 <5족 원소와 실리콘>이 반응된 공융층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 페이스트는 3족 원소와 유리 프릿의 혼합물 또는 5족 원소와 유리 프릿의 혼합물이다. 또한, 상기 기판 상에 3족 원소 또는 5족 원소를 포함하는 페이스트를 도포하는 단계 이전에, 상기 기판 상에 반사방지막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지 및 그 제조방법을 다음과 같은 효과가 있다.
기판의 측부에 3족 원소와 실리콘이 반응된 공융층이 형성되어 소수캐리어의 배리어 역할을 수행함에 따라, 기판 내부의 소수캐리어가 기판의 측면(또는 표면)의 결함으로 이동되는 것을 억제할 수 있다. 이를 통해 재결합률이 저하되어 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 태양전지의 단면도.
도 2는 종래 기술에 따른 태양전지의 부분 단면도.
도 3은 도 2의 A-A`선에 따른 에너지밴드 다이어그램.
도 4a 및 도 4b는 각각 n형 기판, p형 기판을 사용한 태양전지에서 소수캐리어의 수명을 나타낸 참고도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구성도.
도 6은 도 5의 B-B`선에 따른 에너지밴드 다이어그램.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
도 2는 종래 기술에 따른 태양전지의 부분 단면도.
도 3은 도 2의 A-A`선에 따른 에너지밴드 다이어그램.
도 4a 및 도 4b는 각각 n형 기판, p형 기판을 사용한 태양전지에서 소수캐리어의 수명을 나타낸 참고도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구성도.
도 6은 도 5의 B-B`선에 따른 에너지밴드 다이어그램.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 및 그 제조방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판(501)이 구비하고, 상기 기판(501)의 상부에는 제 2 도전형의 반도체층(502)이 구비된다. 여기서, 상기 제 1 도전형과 제 2 도전형은 서로 반대되는 도전형이며, 상기 제 1 도전형은 p형 또는 n형이다. 이하에서는, 제 1 도전형은 p형, 제 2 도전형은 n형인 것을 기준으로 설명하기로 한다.
상기 기판(501) 전면에는 기판(501) 표면 둘레를 따라 일정 깊이로 소수캐리어 배리어 영역(504)(p+)이 구비된다. 상기 소수캐리어 배리어 영역(504)(p+)은 기판(501) 내부의 소수캐리어((-), 전자)가 기판(501)의 측면 또는 표면 결함으로 이동하는 것을 억제하는 역할을 한다.
상기 소수캐리어 배리어 영역(504)(p+)은 3족 원소(예를 들어, Al)와 실리콘(Si)이 반응하여 형성된 공융층(504)(eutectic layer)으로서, 실리콘 기판(501) 내에 3족 원소가 침투된 형태를 이룸에 따라, p형 불순물이 도핑된 p형 반도체층(502)이라 할 수 있다. 상기 공융층(504)은 3족 원소를 포함한 페이스트(503)를 기판(501) 상에 인쇄한 후 소성하여 형성할 수 있는데, 이에 대해서는 후술하는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법에서 설명하기로 한다. 여기서, 소수캐리어 배리어 영역(504)이 n형일 경우에는 상술한 3족 원소 대신 5족 원소가 이용된다.
한편, 소수캐리어의 기판(501) 표면 결함으로의 이동 억제를 보다 강화하기 위해 상기 소수캐리어 배리어 영역(504)(p+)의 불순물 농도는 상기 p형 기판(501)의 불순물 농도보다 크도록 설계된다. 즉, 기판(501) 중앙에 대비하여 기판(501) 측면 부위(소수캐리어 배리어 영역(504))의 불순물 농도를 높게 함으로써(high-low junction) 소수캐리어가 기판(501) 측면쪽으로 이동되는 것을 최소화할 수 있게 된다. 이를 에너지밴드 다이어그램으로 확인하면(도 6 참고), 소수캐리어 배리어 영역(504)의 전도대가 기판(501) 내부의 전도대보다 낮아 양자우물(quantum well)을 형성하고, 이와 같은 구조로 인해 기판(501) 내부의 소수캐리어가 기판(501) 측면 또는 표면으로 이동되는 것이 억제된다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 살펴보기로 한다. 전술한 바와 같이 본 발명의 핵심 특징은 기판(501) 표면 둘레를 따라 기판(501) 내부로 일정 깊이의 소수캐리어 배리어 영역(504)이 구비되는 것이다. 이와 같은 소수캐리어 배리어 영역(504)의 형성은, 확산 공정을 통해 제 1 도전형의 기판(501)에 제 2 도전형의 반도체층(502)(n형 또는 p형 반도체층(502))이 형성된 상태에서 진행되며, 이에 따라 반사방지막이 적층된 이후나 이전에 실시할 수 있다.
구체적으로, 도 7a에 도시한 바와 같이 p형 결정질 실리콘 기판(501)이 준비된 상태에서, 확산 공정을 통해 n형 반도체층(502)(n형 기판(501)일 경우에는 p형 반도체층(502))을 형성한다.
n형 반도체층(502)이 형성된 상태에서, 상기 기판(501) 표면의 둘레를 따라 3족 원소를 포함하는 페이스트(503)(paste)를 도포한다(도 7b 참조). 상기 페이스트(503)는 유리 프릿(glass frit)과 3족 원소 분말의 혼합물이며, 상기 3족 원소로는 알루미늄(Al)이 이용될 수 있다. 또한, 상기 기판(501)이 n형일 경우에는 상기 3족 원소 대신 5족 원소가 이용된다.
이와 같은 상태에서, 기판(501)을 소성(firing)하면 유리 프릿이 용융되어 기판(501) 내부로 침투되며, 용융된 유리 프릿 내에 3족 원소가 포함되어 있음에 따라 3족 원소 역시 기판(501) 내부로 침투된다. 기판(501) 내부로 침투된 3족 원소는 기판(501)의 실리콘(Si)과 반응하여 공융층(504)(Al-Si eutectic layer)을 형성한다(도 7c 참조). 3족 원소와 실리콘이 반응된 공융층(504)은 달리 표현하여 실리콘에 p형 불순물(Al)이 포함된 형태임에 따라, p형 반도체층(502)의 형태를 띠게 되며, 이와 같은 공융층(504)은 소수캐리어 배리어 영역(504)의 역할을 수행한다.
한편, 상기 공융층(504) 즉, 소수캐리어 배리어 영역(504)(p+)의 두께는 상기 n형 반도체층(502)의 두께보다 커야 하며, p형 기판(501)보다 불순물 농도가 높아야 한다. 통상, n형 반도체층(502)은 0.3～0.5㎛의 두께로 형성되는데, 상기 소수캐리어 배리어 영역(504)의 두께는 1～10㎛ 정도로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 소수캐리어 배리어 영역(504)(p+)의 불순물 농도를 p형 기판(501)의 불순물 농도보다 크게 하는 이유는, p형 기판(501) 내부의 소수캐리어가 소수캐리어 배리어 영역(504)을 통과하지 못하도록 하여 기판(501) 측면(또는 표면)의 결함으로 이동하는 것을 억제하기 위함이다.
상기 소수캐리어 배리어 영역(504)의 형성 공정은 반사방지막이 적층된 상태에서도 진행할 수 있다. 이 경우, 반사방지막 상에 페이스트(503)를 도포한 후 소성 공정을 진행하면 기판(501) 내부에 공융층(504)이 형성된다. 상기 소수캐리어 배리어 영역(504)의 형성 후 상기 기판(501) 또는 반사방지막 상에 잔존하는 페이스트(503)는 그대로 두거나 또는 제거할 수도 있다.
501 : 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판
502 : 제 2 도전형의 반도체층
503 : 3족 원소 또는 5족 원소를 포함하는 페이스트
504 : 소수캐리어 배리어 영역(공융층)
502 : 제 2 도전형의 반도체층
503 : 3족 원소 또는 5족 원소를 포함하는 페이스트
504 : 소수캐리어 배리어 영역(공융층)
Claims (9)
- 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판;
상기 기판 상부에 형성된 제 2 도전형의 반도체층; 및
상기 기판 표면의 둘레를 따라 기판 내부를 향해 형성된 제 1 도전형의 소수캐리어 배리어 영역을 포함하여 이루어지며,
상기 소수캐리어 배리어 영역의 불순물 농도는 상기 기판의 불순물 농도보다 큰 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 소수캐리어 배리어 영역의 두께는 상기 제 2 도전형의 반도체층의 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 도전형의 소수캐리어 배리어 영역은 3족 원소와 실리콘의 공융층 또는 5족 원소와 실리콘의 공융층인 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판을 준비하는 단계;
상기 기판 상부에 제 2 도전형의 반도체층을 형성하는 단계;
상기 기판 상에 3족 원소 또는 5족 원소를 포함하는 페이스트를 도포하는 단계; 및
상기 기판을 소성하여 상기 기판 내부에 <3족 원소와 실리콘> 또는 <5족 원소와 실리콘>이 반응된 공융층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 공융층은 상기 기판보다 불순물 농도가 크도록 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 공융층의 두께는 상기 반도체층의 두께보다 크도록 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 페이스트는 3족 원소와 유리 프릿의 혼합물 또는 5족 원소와 유리 프릿의 혼합물인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 기판 상에 3족 원소 또는 5족 원소를 포함하는 페이스트를 도포하는 단계 이전에, 상기 기판 상에 반사방지막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
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| KR1020100129811A KR101150686B1 (ko) | 2010-12-08 | 2010-12-17 | 태양전지 및 그 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101150686B1 (ko) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007281044A (ja) | 2006-04-04 | 2007-10-25 | Canon Inc | 太陽電池 |
| KR20070106818A (ko) * | 2006-05-01 | 2007-11-06 | 주식회사 엘지화학 | 실리콘 태양전지의 선택적 에미터의 제조방법 |
| KR100846306B1 (ko) | 2007-09-06 | 2008-07-15 | 주식회사 코나텍 | 태양전지용 전극 조성물 |
| JP2010503190A (ja) | 2006-09-04 | 2010-01-28 | フラウンホッファー−ゲゼルシャフト ツァー フェーデルング デア アンゲバンテン フォルシュング エー ファー | 半導体基板に対して同時にドーピングおよび酸化を実行する方法および当該方法の利用 |
-
2010
- 2010-12-17 KR KR1020100129811A patent/KR101150686B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
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| KR100846306B1 (ko) | 2007-09-06 | 2008-07-15 | 주식회사 코나텍 | 태양전지용 전극 조성물 |
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