KR101153377B1 - 개선된 후면구조를 구비한 후면접합 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 개선된 후면구조를 구비한 후면접합 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 실리콘 웨이퍼(100)의 후면에 소정 깊이로 불순물을 주입하여 높이가 다르면서 소정 간격 이격되게 베이스 영역(102)과 에미터 영역(104)을 형성하고, 상기 실리콘 웨이퍼(100)의 후면 표면에 일정 두께의 패시베이션층(106)을 형성한다. 그런 다음, 상기 패시베이션층(106)에 전극 형성용 컨택트 홀(106a)(106b)을 형성한다. 그리고 상기 전극 형성용 컨택트 홀(106a)(106b) 중에서 베이스 전극용 컨택트 홀(106a)에 베이스 전극(110)을 형성하고, 상기 베이스 전극(110)의 노출된 일부를 차폐하도록 절연막(120)을 형성하고, 상기 에미터 전극용 컨택트 홀(106b)에 에미터 전극(130)을 형성한다. 이때, 상기 에미터 전극(130)은 그 폭을 넓게 연장하여 상기 베이스 전극(110)의 대략 아래 부분까지 형성되게 한다. 그와 같은 본 발명에 따르면, 반도체 기판의 전면에 입사된 빛이 에미터 전극의 연장된 부분에 의해 후면을 통해 외부로 빠져나가는 것이 방지되는 이점이 있다.
후면접합, 태양전지, 베이스 전극, 에미터 전극, 절연막, 패시베이션층
Description
본 발명은 후면접합 태양전지에 관한 것으로, 특히 반도체 기판의 전면에 입사된 빛이 후면을 통해 빠져나가지 못하게 하도록 하는 개선된 후면구조를 구비한 후면접합 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
태양전지의 전극은 태양전지의 전면과 후면에 각각 형성되지만, 상기 전면에 형성되는 전극은 태양 광에 대한 흡수율을 감소(shadowing loss)시키고 있다.
그렇기 때문에 태양전지의 효율 향상을 위하여 전면에 형성되는 전극의 면적은 최대한 미세패턴으로 하여 좁게 하는 것이 일반적인 추세이다. 하지만 이 경우에도 전면에 형성된 전극 면적만큼 태양 광을 흡수하지 못하고 있다.
따라서, 태양전지 전면에서 전극에 의한 흡수율 감소를 원천적으로 제거하여 빛의 입사를 최대화시키도록 전극 모두를 후면에 설치하는 후면접합 구조의 태양전지가 개발되었다.
도 1은 일반적인 후면접합 태양전지의 단면도이다.
도 1을 보면, 반도체 기판(10)의 전면은 표면처리(texturing)된 상태에서 전면전계영역(FSF)(11)과 반사 방지막(12)이 순차적으로 형성된다. 이는 빛의 반사율을 감소시키고 흡수 효율은 높이기 위한 것이다.
상기 반도체 기판(10)의 후면에는 베이스 영역(14)과 에미터 영역(16)이 서로 이격되게 형성된다. 이때 상기 베이스 영역(14)과 에미터 영역(16)은 단차지게 형성된다. 이는 상기 베이스 영역(14)과 에미터 영역(16)을 형성할 때 식각 공정을 통해 상기 반도체 기판(10)의 일부가 제거되기 때문이다.
상기 베이스 영역(14)과 에미터 영역(16)에는 소정 두께의 패시베이션층(passivation layer)(18)이 형성된다. 이때 상기 패시베이션층(18)도 단차 구조를 이루는 상기 베이스 영역(14)과 에미터 영역(16) 위에 형성되기 때문에, 전체적인 모양은 단차 구조가 된다.
상기 패시베이션층(18)에는 전극 형성을 위한 컨택트 홀(contact hole)홀이 형성된다. 상기 컨택트 홀은 다양한 방법, 예를 들어 레이저, 에치 페이스트, 패턴화된 마스크 등을 이용하여 형성한다.
상기 컨택트 홀을 통해 금속전극(20)(22)이 형성된다. 즉 상기 베이스 영역(14)에는 베이스 전극(20)이 접촉되고, 상기 에미터 영역(16)에는 에미터 전극(22)이 접촉된다.
한편, 상기한 구조를 가지는 일반적인 후면접합 태양전지의 후면 전체 면적에서 반도체기판(10), 패시베이션층(18), 금속전극(20 또는 22)이 구성된 영역의 비율을 살펴보면, 우선 상기 반도체기판(10)과 금속전극(20 또는 22)으로 이루어진 영역(A)은 상기 후면 전체면적에서 약 2.5% 정도를 차지한다. 또 상기 반도체기판(10), 후면 패시베이션층(18)과 금속전극(20 또는 22)으로 이루어진 영역(B)은 79% 정도가 된다. 또 상기 반도체 기판(10)과 패시베이션층(18)으로만 이루어진 영역(C)은 18.5% 정도이다.
이러한 구조에 따르면, 상기 영역 'C'가 존재함으로써, 상기 반도체 기판(10)의 전면에 입사된 빛이 영역 'C'을 통해 반도체 기판(10) 밖으로 빠져나갈 확률이 존재한다. 즉, 상기 반도체 기판(10)에 입사된 빛이 후면까지 도달할 때, 후면 표면과의 입사각이 24.4°이하가 되면 빛이 상기 영역 'C'을 통해 반도체 기판 밖으로 빠져나가게 된다. 이는 태양전지의 성능 및 효율을 저하시키는 원인이 된다.
이를 해결하기 위해 상기 베이스 전극(20)과 에미터 전극(22)을 더 넓게 형성할 수도 있다. 하지만 이 경우 베이스 전극(20)과 에미터 전극(22)과의 간격 격차가 협소해짐으로써, 전극 간의 단락(short) 가능성이 존재한다. 이 또한 태양전지의 성능 저하를 초래한다.
따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 후면접합 태양전지에서 반도체 기판 전면에 입사된 빛이 후면을 통해 외부로 빠져나가지 못하도록 후면접합 태양전지의 개선된 후면구조를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 후면에 형성된 베이스 영역 및 에미터 영역; 상기 베이스 영역과 에미터 영역을 포함하여 상기 반도체 기판 후면의 전면적에 형성된 후면 패시베이션층; 상기 후면 패시베이션 층에 형성된 컨택트 홀; 상기 컨택트 홀을 통해 상기 베이스 영역 및 에미터 영역과 접촉하는 베이스 전극 및 에미터 전극; 그리고, 상기 베이스 전극과 에미터 전극 사이에 형성된 절연막을 포함하되, 상기 에미터 전극은 그 폭이 넓게 연장 형성되어 상기 베이스 전극 아래부분 까지 형성되게 된다.
상기 절연막은, 전기적으로 절연되는 유전체이고, 이산화규소(Si02), 질화규소(SiNx), 산화알루미늄(Al2O3) 중 하나이다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 반도체 기판의 후면에 불순물을 주입하여 베이스 영역과 에미터 영역을 형성하는 단계; 상기 반도체 기판의 후면 표면에 패시베이션층을 형성하는 단계; 상기 패시베이션층에 전극 형성용 컨택트 홀을 형성하는 단계; 상기 컨택트 홀 중에서 베이스 전극용 컨택트 홀에 베이스 전극을 형성하 는 단계; 상기 베이스 전극의 노출된 일부를 차폐하도록 절연막을 형성하는 단계; 그리고, 상기 컨택트 홀 중에서 에미터 전극용 컨택트 홀에 에미터 전극을 형성하되, 상기 에미터 전극은 그 폭을 넓게 연장하여 상기 베이스 전극의 아래 부분까지 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
상기 절연막은 상기 베이스 전극과 상기 에미터 전극 간의 단락(short) 발생을 방지한다.
상기 에미터 전극의 연장된 부분은 상기 반도체 기판의 전면에 입사된 빛이 후면을 관통하여 빠져나가지 못하게 한다.
상기 절연막은 인쇄방법 또는 진공증착방법으로 형성한다.
본 발명에서는, 후면접합형 태양전지의 베이스 전극, 절연막, 에미터 전극을 순서대로 형성하여 베이스 전극과 에미터 전극 사이에 절연막이 위치되게 하고, 아울러 에미터 전극은 베이스 전극까지 그 폭을 넓게 연장시켜서 태양전지의 후면 구조를 변경하고 있다.
따라서 반도체 기판의 전면에 입사된 빛이 에미터 전극의 연장된 부분에 의해 후면을 통해 외부로 빠져나가는 것이 방지되고, 결국 반도체 기판 내부에서의 반사 성능이 현저하게 향상되어, 태양전지의 전류 값을 상승시키는 효과를 기대할 수 있다.
이하 본 발명의 개선된 후면구조를 구비한 후면접합 태양전지 및 그 제조방 법의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 실시 예에서는 설명의 편의를 위해 n형 실리콘 웨이퍼를 사용한다. 그리고 상기 실리콘 웨이퍼의 비저항은 실리콘 태양전지에서 일반적인 1Ω㎝ 수준 정도이고, 또 두께는 현재 널리 사용되고 있는 150 ~ 200㎛ 정도이다. 하지만 상기 비저항과 두께는 상기와 같이 반드시 한정하지 않아도 상관없다.
그리고 베이스 영역과 에미터 영역은 일정 간격 이격되면서 서로 단차가 있도록 형성하는 것을 예를 들어 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 후면접합 태양전지의 제조방법을 보인 단면도이다.
우선, 도 2a에는 후면에 베이스 영역(102), 에미터 영역(104) 및 그 위에 패시베이션층(106)이 형성되고, 전면에 전면전계영역(107)과 반사 방지막(108)이 형성된 실리콘 웨이퍼(100)를 도시하고 있다.
특히 도 2a에 도시된 실리콘 웨이퍼(100)의 후면은, 일반적인 후면접합 태양전지의 제조공정에 따르면 대략 수 번의 열 산화막 형성공정과 식각 공정에 의해 형성되는 것이다. 이러한 제조 공정을 간단하게 설명하면, 에칭(saw damage etching) 공정이 완료된 n형 실리콘 웨이퍼(100)의 한 면(즉, 태양 광이 입사되는 반대면)에 에미터 영역(p+층)(104)을 형성하고 그 위에 열 산화막을 형성한다. 그리고, 상기 열 산화막 중 일부 영역, 즉 이어지는 후속공정에서 베이스 영역(n+층)(102)이 형성될 부분을 제외한 부분에 스크린 인쇄법 등으로 에치 레지스트(etch resist)를 인쇄한다. 이후, 상기 에치 레지스트가 미 인쇄된 부분에 형성된 열 산화막을 식각하고, 상기 에치 레지스트를 제거한 다음, 상기 실리콘 웨이퍼(100)의 표면을 소정 깊이로 식각한다. 이때 식각 깊이는 상기 에미터 영역(p+층)(104)의 접합깊이보다 크면 된다. 상기 식각 공정이 완료되면, 상기 식각된 실리콘 웨이퍼의 표면에 'POCl3(옥시염화인)'과 같은 액체 도펀트 소스를 원료로 하여 베이스 영역(n+층)(102)을 형성한다.
이렇게 하면, 상기 실리콘 웨이퍼(100)의 후면은 상기 베이스 영역(102)과 에미터 영역(104)이 소정 간격 이격되면서 단차지게 형성되는 구조를 가지게 된다. 그와 같이 하는 이유는 상기 베이스 영역(102)과 에미터 영역(104)이 서로 접촉되면 태양전지 동작시에 누설전류의 경로 형성 및 재결합률이 높아지기 때문에 이를 방지하기 위함이다.
이후, 상기 베이스 영역(102)과 에미터 영역(104)이 형성된 상기 실리콘 웨이퍼(100)의 후면 표면에 일정 두께의 후면 패시베이션층(106)이 형성되고, 상기 실리콘 웨이퍼(100)의 전면에 전면전계영역(107)과 반사 방지막(108)이 형성된다.
그와 같은 과정에 의해 도 2a와 같은 구조의 실리콘 웨이퍼(100)가 제조된다.
그 상태에서, 전극 형성을 위해 상기 후면 패시베이션층(106) 일부에 컨택트 홀(contact hole)(106a)(106b)을 형성한다. 상기 컨택트 홀(106a)(106b)은 베이스 전극용 컨택트 홀(106a)과 에미터 전극용 컨택트 홀(106b)로 구분할 수 있다. 이는 도 2b에 도시하고 있다. 상기 컨택트 홀(106a)(106b)은 다양한 방법, 예를 들어 레 이저, 에치 페이스트, 패턴화된 마스크 등을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 컨택트 홀(106a)(106b)이 형성되면, 도 2c에 도시하고 있는 바와 같이 베이스 전극용 컨택트 홀(106a)에 대해서만 베이스 전극(110)을 먼저 형성한다. 이때, 상기 베이스 전극(110)은 일반적으로 상기 콘택트 홀(106a)의 입구보다 더 넓게 형성된다. 설명의 편의를 위해 상기 콘택트 홀(106a)의 입구에 형성된 베이스 전극(110)과 아래에서 형성되는 에미터 전극(130)의 일부 영역, 즉 패시베이션층(106) 위에 형성되는 부분을 전극 폭(w)이라 칭하여 설명하기로 한다. 상기 베이스 전극(110)의 폭(w)은 종래 기술에 도시된 베이스 전극의 폭(w)과 동일하게 형성된다.
상기 베이스 전극(110)이 형성된 다음에는, 도 2d와 같이 상기 베이스 전극(110)과 후속 공정에서 형성될 에미터 전극(130) 사이를 절연물질로 하여 절역막(120)을 형성한다. 상기 절연물질은 전기적으로 절연되는 특성을 가지는 유전체이고, 예를 들면 이산화규소(Si02), 질화규소(SiNx), 산화알루미늄(Al2O3) 등이 있다. 그와 같은 절연막(120)은 인쇄방법, 진공증착 방법 등으로 형성할 수 있다. 상기 절연막(120)은 베이스 전극(110)과 에미터 전극(130) 간의 단락(short) 발생을 방지하는 역할을 한다.
상기 절연막(120)이 형성되면, 다음에는 도 2e에 도시된 바와 같이 상기 에미터 전극용 컨택트 홀(106b)에 에미터 전극(130)을 형성한다. 이때, 에미터 전극(130)은 그 폭(w)의 양 끝이 종래보다 더 길게 연장되어 상기 베이스 전극(110)의 아래 부분까지 오도록 형성한다. 이는 베이스 전극(110)과 에미터 전극(130) 사이에 절연막이 형성되어 있어 전극간 분리(isolation)가 가능하기 때문이다.
이렇게 하면, 상기 실리콘 웨이퍼(100)와 후면 패시베이션층(106)만 존재하였던 영역(D)에 금속전극(130)이 포함되는 구조를 가지게 된다. 따라서 상기 실리콘 웨이퍼(100)의 전면에 입사된 빛이 후면을 통해 외부로 빠져나갈 경로가 없어지게 되고, 이로 인하여 상기 실리콘 웨이퍼(100)의 내부 반사(inter reflection) 성능이 향상된다.
결국, 실리콘 웨이퍼(100)의 전면에 입사된 빛이 그 실리콘 웨이퍼(100) 내부에서 더 오랫동안 머물게 되기 때문에, 전체적으로 태양전지의 효율이 좋게 되는 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 후면접합 태양전지에서 베이스 전극과 에미터 전극 사이에 절연막을 형성하고, 아울러 에미터 전극을 베이스 전극과 일부 겹쳐지도록 더 넓게 형성함으로써, 실리콘 웨이퍼의 전면에 입사된 빛이 후면을 통해 빠져나가지 못하고, 이로 인해 후면접합 태양전지의 전류 특성이 좋아지게 됨을 알 수 있다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
즉 본 실시 예에서는 n형 실리콘 웨이퍼를 예를 들어 설명하고 있지만, p형 실리콘 웨이퍼에도 본 발명이 적용될 수 있다.
또한 본 실시 예에서는 베이스 영역과 에미터 영역이 단차가 있게 형성하고 있는 후면접합 태양전지를 예를 들어 설명하고 있지만, 단차가 없는 후면접합 태양전지에도 본 발명은 적용 가능하다.
도 1은 일반적인 후면접합 태양전지의 단면도
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 후면접합 태양전지의 제조방법을 보인 단면도
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 : 실리콘 웨이퍼 102 : 베이스 영역
104 : 에미터 영역 106 : 패시베이션층
106a, 106b : 컨택트 홀 107 : 전면전계영역
108 : 반사 방지막 110 : 베이스 전극
120 : 절연막 130 : 에미터 전극
Claims (7)
- 반도체 기판;상기 반도체 기판의 후면에 단차지게 형성된 베이스 영역 및 에미터 영역;상기 베이스 영역과 에미터 영역을 포함하여 상기 반도체 기판 후면의 전면적에 형성된 후면 패시베이션층;상기 후면 패시베이션 층에 형성된 컨택트 홀;상기 컨택트 홀을 통해 상기 베이스 영역 및 에미터 영역과 접촉하는 베이스 전극 및 에미터 전극; 그리고,상기 베이스 전극과 에미터 전극 간의 단락 발생을 방지하기 위해 상기 베이스 전극의 양 측면을 감싸도록 1회 공정으로 형성된 절연막을 포함하며,상기 에미터 전극은 에미터 전극용 컨택트 홀을 중심으로 인접하여 형성된 상기 베이스 전극을 감싸는 절연막의 상면 일부를 덮어 상기 베이스 영역과 에미터 영역 사이를 차폐하도록 형성되어 구성됨을 특징으로 하는 개선된 후면구조를 구비한 후면접합 태양전지.
- 제 1항에 있어서,상기 절연막은, 전기적으로 절연되는 유전체임을 특징으로 하는 개선된 후면구조를 구비한 후면접합 태양전지.
- 제 2항에 있어서,상기 유전체는, 이산화규소(Si02), 질화규소(SiNx), 산화알루미늄(Al2O3) 중 하나임을 특징으로 하는 개선된 후면구조를 구비한 후면접합 태양전지.
- 반도체 기판의 후면에 불순물을 주입하여 베이스 영역과 에미터 영역을 단차지게 형성하는 단계;상기 반도체 기판의 후면 표면에 패시베이션층을 형성하는 단계;상기 패시베이션층에 전극 형성용 컨택트 홀을 형성하는 단계;상기 컨택트 홀 중에서 베이스 전극용 컨택트 홀에 베이스 전극을 형성하는 단계;상기 베이스 전극과 상기 에미터 영역에 형성될 에미터 전극 간의 단락 발생을 방지하도록 절연막을 1회 형성하는 단계; 그리고,상기 컨택트 홀 중에서 에미터 전극용 컨택트 홀에 에미터 전극을 형성하되,상기 에미터 전극은 상기 베이스 영역과 에미터 영역 사이를 차폐하도록 상기 에미터 전극용 컨택트 홀을 중심으로 인접하여 형성된 상기 베이스 전극을 감싸는 절연막의 상면 일부까지 덮어 형성하는 단계를 포함하여,상기 반도체 기판의 전면에 입사된 빛이 후면을 관통하여 빠져나가지 못하게 하는 것을 특징으로 하는 개선된 후면구조를 구비한 후면접합 태양전지의 제조방법.
- 삭제
- 제 4항에 있어서,상기 절연막은 인쇄방법 또는 진공증착방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 개선된 후면구조를 구비한 후면접합 태양전지의 제조방법.
- 삭제
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