KR101162879B1 - 상대적으로 낮은 표면 농도를 갖는 에미터 태양전지 - Google Patents

상대적으로 낮은 표면 농도를 갖는 에미터 태양전지 Download PDF

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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Abstract

본 발명에 따른 에미터 태양전지는 제1 도전형의 실리콘 기판과, 상기 기판 상층부에 구비되는 제2 도전형의 고농도 에미터와, 상기 고농도 에미터 상에 구비되는 제2 도전형의 저농도 에미터와, 상기 저농도 에미터 상에 구비되는 반사방지막과, 상기 고농도 에미터와 접촉되는 전면전극과, 상기 기판 하층부에 구비된 제1 도전형의 후면전계층, 및 상기 후면전계층 상에 구비되는 후면전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

상대적으로 낮은 표면 농도를 갖는 에미터 태양전지{Emitter Solar cell having relatively low surface density and method thereof}
본 발명은 상대적으로 낮은 표면 농도를 갖는 에미터 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기판 내부의 일정 깊이를 갖는 영역에서 불순물 원자의 도핑 농도가 상대적으로 높은 에미터를 형성함으로써, 광생성된 운송자들의 재결합 손실을 감소시키고 수집효율을 증가시킬 수 있는 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
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 실리콘 기판 내부에 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되고, 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 이동하게 되어 p-n 접합부 사이에 광기전력이 발생되며, 태양전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산할 수 있게 된다.
기존 태양전지의 수광면은 n+형 에미터가 형성되어 p형 실리콘 기판과 p-n접합을 이루고 있다. 실리콘 기판 내부에서 광생성된 운송자들은 p-n 접합에 의해 분리되어 소수 운송자인 전자는 n+형 에미터가 있는 전면으로 이동하고, 다수 운송자인 정공은 p+ 후면전계가 있는 후면으로 이동한다. n+형 에미터는 인(phosphorus)이 표면에서 깊이 방향으로 확산되어 형성된 것이기 때문에 표면 쪽의 인의 농도가 높고 에너지 밴드 구조상 전도대(conduction band)가 표면 쪽으로 갈수록 낮아지므로 소수 운송자 전자가 표면으로 이동하게 된다.
표면은 결정 결함 및 불순물 등이 다수 존재하는 결함 밀도가 높은 영역이기 때문에 재결합 발생 확률이 매우 높아진다. 소수 운송자의 표면 재결합 속도는 PECVD SiNx와 같은 유전층 박막의 표면 패시베이션 특성에 의해 좌우된다.
종래의 실리콘 태양전지에서 에미터를 형성하기 위해 도핑된 불순물 원자의 농도는 표면에서 가장 높은 농도를 갖는다.
도핑층 내의 도핑 농도가 표면 쪽으로 갈수록 높아지므로 에너지 밴드 구조상 n+형 에미터로 이동하는 소수 운송자 전자나 p+형 후면전계로 이동하는 다수 운송자 정공은 각각의 표면으로 이동하게 된다. 그리고, 광생성 운송자들이 전극에 수집되기까지 결함 밀도가 높은 표면을 따라 이동해야 하므로 재결합에 의해 소멸될 확률이 높아지게 된다. 표면으로 이동하는 광생성 운송자들의 표면 재결합을 억제하기 위해서 유전층 박막을 표면에 증착하여 결함 밀도를 낮추거나 유전층 박막 내의 고정전하(fixed charge)에 의한 전계 효과(field effect)로서 재결합 속도를 낮추는 것에 의존하게 된다.
도 1은 종래의 태양전지의 단면도이다. 도 1을 참고하면, 종래의 태양전지의 구조는 수광면에 p-n 접합이 형성되어 있다. 통상, 표면 쪽으로 갈수록 도핑 농도가 크고, 표면 쪽이 낮은 에너지 준위를 가지기 때문에 에너지 밴드갭 구조상 전자가 표면으로 이동할 수 밖에 없고, 결함 밀도가 매우 높은 표면과 마주쳐야 하며, 전면 패시베이션 특성에 크게 좌우될 수밖에 없다. 한편, 후면으로 이동한 정공은 실리콘/금속 계면의 결함이 많은 곳을 지나게 된다.
p형 실리콘 기판(101)의 후면부에 p형 불순물 이온이 주입된 영역인 p+ 영역(후면전계 영역)(104)과 기판의 전면부에 n형 불순물 이온이 열확산에 의해 주입된 영역인 n++ 영역(에미터 영역)(102)이 구비된다. 그리고, 상기 실리콘 기판(101)의 후면부의 p+ 영역(104) 상에 금속전극(106)이 전면적으로 형성된 구조를 이룬다. 이때, 다수 운송자(majority carrier)인 전자는 확산에 의해 에미터 영역(102)으로 이동하고, 소수 운송자(minority carrier)인 정공은 p+ 영역을 따라 후면전계 영역(104)으로 이동한다.
그러나, 이러한 구조는 전후면전계 및 에미터의 도핑층에서의 부분별 도핑 농도의 차이가 없으며, 고온 전기로에서 열확산이 진행되므로 고온 공정 및 장시간이 소요되는 바, 상기 후면전계 및 에미터에서 다수 운송자인 전자의 수집을 더욱 용이하게 하고, 소수 운송자인 정공의 원활한 이동을 유도하며 상기 전자와 정공 간의 재결합을 더욱 감소시킬 필요가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출한 것으로서, 기판의 상층부에 에미터와 기판의 하층부에 후면전계층을 형성함에 있어, 에미터 내에 상대적으로 낮은 농도를 갖는 저농도 에미터(n+)층을 형성함으로써, 재결합 손실을 줄이고 접촉저항이 낮아져 수집 효율이 개선된 에미터 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 에미터 태양전지는 제1 도전형의 실리콘 기판과, 상기 기판 상층부에 구비되는 제2 도전형의 고농도 에미터와, 상기 고농도 에미터 상에 구비되는 제2 도전형의 저농도 에미터와, 상기 저농도 에미터 상에 구비되는 반사방지막과, 상기 고농도 에미터와 접촉되는 전면전극과, 상기 기판 하층부에 구비된 제1 도전형의 후면전계층, 및 상기 후면전계층 상에 구비되는 후면전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 실리콘 기판은 n형이고, 상기 반사방지막은 Al2O3 유전층 박막인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 실리콘 기판은 n형이고, 상기 반사방지막은 AlN 유전층 박막인 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 에미터 태양전지 제조방법은 제1 도전형의 실리콘 기판 상층부에 제2 도전형의 고농도 에미터 및 저농도 에미터를 형성하는 단계와, 상기 저농도 에미터 상에 반사방지막을 형성하는 단계와, 상기 고농도 에미터와 접촉하도록 전면전극을 형성하는 단계와, 상기 기판 하층부에 제1 도전형의 후면전계층을 형성하는 단계, 및 상기 후면전계층 상에 후면전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 도전형의 실리콘 기판 상층부에 제2 도전형의 고농도 에미터 및 저농도 에미터를 형성하는 단계는 상기 기판 상층부에 저농도 에미터를 형성한 후, 상기 저농도 에미터의 일정 깊이 영역에 높은 에너지로 이온 주입하여 불순물 원자를 고농도 도핑함으로써 고농도 에미터를 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제1 도전형의 실리콘 기판 상층부에 제2 도전형의 고농도 에미터 및 저농도 에미터를 형성하는 단계는 상기 기판 상층부에 고농도 에미터를 형성한 후, 상기 고농도 에미터 상층부에 상기 기판과 다른 용해도 및 확산계수를 갖는 막을 형성함으로써 기판 표면에 존재하는 불순물 원자를 외부로 확산시킴으로써 저농도 에미터를 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제1 도전형의 실리콘 기판 상층부에 제2 도전형의 고농도 에미터 및 저농도 에미터를 형성하는 단계는 상기 기판 상층부에 고농도 에미터를 형성한 후, 상기 고농도 에미터 상층부에 상기 기판과 다른 반도체 유형을 형성하는 2차 불순물 원자를 소량 주입함으로써 기존의 불순물 원자를 상쇄시켜 저농도 에미터를 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 에미터 태양전지 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
실리콘 기판의 표면 농도가 상대적으로 낮고 기판 내부의 일정 깊이 영역에서 불순물 농도가 가장 높기 때문에 에미터가 고농도 도핑된 기판 내부의 에미터층을 따라 흐르고 전면전극에 수집되기 때문에 재결합 손실이 적고 접촉 저항이 낮아지며, 수집 효율이 증가한다.
도 1은 종래의 에미터 태양전지의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고농도 에미터 및 저농도 에미터를 구비하는 에미터 태양전지의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에미터 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 공정 순서도이다.
도 4a 내지 4f는 본 발명의 일 실시예에 따른 에미터 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 에미터 태양전지의 구조 및 그 제조방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이하에서는 제1 도전형은 p형으로, 제2 도전형은 n형으로 하는 실시예 즉, p형 실리콘 기판을 베이스(base)로 적용하여 제조되는 태양전지에 관하여 설명하고, p형 실리콘 기판 대신 n형 실리콘 기판을 사용하는 경우 도핑층의 구조는 반대로 형성될 수 있다. 또한, 태양전지의 구조를 단순화하여 나타내기 위해 기판 표면의 텍스처 구조는 생략되었다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고농도 에미터 및 저농도 에미터를 구비하는 에미터 태양전지의 구조를 나타내는 개략도이다. 도 2를 살펴보면, p형 실리콘 기판(201) 상층부에 고농도 에미터(n++)(202)가 구비되고, 상기 고농도 에미터(n+)(202) 상에는 저농도 에미터(n+)가 구비된다. 상기 저농도 에미터(n+)(202) 상에는 반사방지막(204)이 구비된다. 그리고, 상기 반사방지막(204) 및 저농도 에미터(n+)를 관통하여 상기 고농도 에미터(n++)(202)와 접촉되도록 전면전극(205)이 구비된다.
한편, 상기 기판(201) 하층부에 후면전계층(p+)(206)이 구비된다. 상기 후면전계층(p+)(206)의 전면 상에는 후면전극(209)이 형성된다.
이와 같이, 에미터 내에 불순물 원자의 도핑 농도 분포가 실리콘 기판 내부의 일정 깊이를 갖는 영역에서 가장 높고 표면에서는 상대적으로 낮은 도핑 농도를 갖도록 구성함으로써 광생성에 의해 발생되는 전자가 고농도 에미터를 경유하여 이에 접촉되도록 구비된 전면전극으로 수집될 수 있다. 실리콘 기판 표면은 도핑 농도가 낮기 때문에 태양광이 입사될 때 표면 쪽에서 광생성된 운송자들이 재결합될 확률이 감소하기 때문에 재결합 손실이 적어지고 효율이 증가할 수 있다.
즉, 수광부의 실리콘 기판 표면 쪽 에미터는 도핑 농도가 낮기 때문에 면저항이 높고 기판 내부 쪽은 도핑 농도가 높기 때문에 면저항이 낮으므로 광생성된 소수 운송자인 전자는 에미터 내에서 기판 내부 쪽의 고농도 도핑된 에미터층을 따라 이동하기 용이하다. 실리콘 기판 내부는 표면에 비해 결함 밀도가 낮기 때문에 재결합 손실을 막을 수 있다. 전면전극이 저농도 도핑층(면저항이 높은 영역)보다 깊이 침투하여 고농도 도핑층(면저항이 낮은 영역)에 접촉함으로써 광생성된 소수 운송자인 전자들은 저항이 낮은 고농도 도핑층으로 이동하면서 전면전극과 접촉된 부위에서 수집된다.
한편, 상기 실리콘 기판이 n형인 경우, 상기 반사방지막은 Al2O3 유전층 박막 또는 AlN 유전층 박막인 것을 특징으로 할 수 있다.
n형 실리콘 기판(201)과 다른 타입의 p+형 저농도 에미터(p+) 표면이 수광부가 되기 때문에 이에 적합한 유전층이 사용되어야 한다. p+ 도핑층의 패시베이션을 위한 유전층으로는 고정 음전하(fixed negative charge)를 갖는 유전층이 바람직하며 이에는 Al2O3, AlN 등이 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에미터 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 공정 순서도이고, 도 4a 내지 4f는 본 발명의 일 실시예에 따른 에미터 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
도 3 및 도 4a 내지 4f를 살펴보면, p형 실리콘 기판이 준비되고(도 4a), 상기 p형 실리콘 기판 상층부에 고농도 에미터(n++) 및 저농도 에미터(n+)를 형성한다(도 4b). 그 후, 상기 저농도 에미터(n+) 상에 반사방지막을 형성하고(도 4c), 상기 고농도 에미터(n++)와 접촉하도록 전면전극을 형성한다(도 4d). 그리고, 상기 기판 하층부에 후면전계층(p+)을 형성한 후(도 4e), 상기 후면전계층(p+) 상에 후면전극을 형성한다(도 4f).
한편, 도시하지는 않았지만, 광생성된 정공의 후면전극으로의 수집을 원활하게 하기 위해 후면전계층 영역에 형성되는 국부적 고농도 후면전계층(n++)을 더 포함할 수 있다.
상기 고농도 후면전계층(310)을 제조하기 위하여, 레이저의 열적 반응을 사용하여 도핑 소스를 표면 도포하거나 액상 공급하여 이와 함께 상기 실리콘 기판의 표면을 국부적으로 가열하여 열확산시킴으로써 도핑 농도를 조절하는 방법이 있다. 이 방법은 실리콘 기판 표면에 도핑 소스를 포함하는 액체 또는 페이스트를 도포한 후 레이저를 사용하여 실리콘 기판 표면을 국부적으로 가열시켜 레이저의 열적 반응에 의해 도핑 원자가 실리콘 기판으로 확산되며, 국부적인 고농도 도핑층을 형성할 수 있다. 또한, 일부 특수한 용도로 제작된 레이저 장비의 경우 도핑 소스가 포함된 액체와 함께 레이저를 실리콘 기판표면에 조사하여 국부적인 고농도 도핑층을 형성할 수 있다.
상기 고농도 선택적 후면전계층을 제조하기 위하여, 상압 화학 기상 증착법(APCVD)을 사용하여 실리콘 기판 표면에 PSG(phospho-silicate glass) 또는 BSG(boro-silicate glass) 층을 도포한 후, 레지스트 또는 사진 식각 등의 방법을 사용하여 도포된 PSG 또는 BSG 층을 부분적으로 식각하여 제거함으로써 도핑 소스를 포함하는 층을 패터닝한 후 전기로에서 열처리하여 도핑 원자가 실리콘 기판으로 확산되도록 하여 국부 고농도 도핑층을 형성할 수 있다.
한편, p형 실리콘 기판 상층부에 고농도 에미터(n++) 및 저농도 에미터(n+)를 형성하는 단계는, 상기 기판 상층부에 저농도 에미터(n+)를 형성한 후, 상기 저농도 에미터(n+)의 일정 깊이 영역에 높은 에너지로 이온 주입하여 불순물 원자를 고농도 도핑함으로써 고농도 에미터(n++)를 형성할 수 있다.
또한, 상기 기판 상층부에 고농도 에미터(n++)를 형성한 후, 상기 고농도 에미터(n++) 상층부에 상기 기판과 다른 용해도 및 확산계수를 갖는 막을 형성함으로써 기판 표면에 존재하는 불순물 원자를 외부로 확산시킴으로써 저농도 에미터(n+)를 형성할 수 있다.
그리고, 상기 기판 상층부에 고농도 에미터(n++)를 형성한 후, 상기 고농도 에미터(n++) 상층부에 상기 기판과 다른 반도체 유형을 형성하는 2차 불순물 원자를 소량 주입함으로써 기존의 불순물 원자를 상쇄시켜 저농도 에미터(n+)를 형성할 수도 있다.
상기와 같은 방법으로 제조되는 본 발명의 에미터 태양전지 구조는 수광면에서, 고저 접합(high-low)이 있어서 소수 운송자인 전자가 표면으로 이동하는 것이 결함 밀도가 적은 결정 내부에서 방지되어, 전면전극 아래의 고농도 에미터층으로 이동하게 된다. 따라서, 표면에서의 재결합에 의한 소멸을 최소화하고 이동하기에 용이하게 된다. 따라서, 광생성 전하들의 전면 재결합 속도가 줄어들고 수집에 유리한 경로를 제공함으로써 태양전지 효율이 향상된다.
이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
201, 401 : p형 실리콘 기판
202, 402 : 고농도 에미터(n++) 203, 403 : 저농도 에미터(n+)
204, 404 : 반사방지막 205, 405 : 전면전극
206, 406 : 후면전계층(p+) 207, 407 : 후면전극

Claims (7)

  1. 제1 도전형의 실리콘 기판;
    상기 기판 상층부에 형성되며, 기판 표면으로부터 일정 깊이의 영역에 형성된 제 2 도전형의 저농도 에미터;
    상기 기판 내부에 형성되며, 상기 저농도 에미터의 하부에 형성된 제 2 도전형의 고농도 에미터;
    상기 저농도 에미터 상에 구비되는 반사방지막;
    상기 고농도 에미터와 접촉되는 전면전극;
    상기 기판 하층부에 구비된 제1 도전형의 후면전계층; 및
    상기 후면전계층 상에 구비되는 후면전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 에미터 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 기판은 n형이고, 상기 반사방지막은 Al2O3 유전층 박막인 것을 특징으로 하는 에미터 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 기판은 n형이고, 상기 반사방지막은 AlN 유전층 박막인 것을 특징으로 하는 에미터 태양전지.
  4. 삭제
  5. 제1 도전형의 실리콘 기판 상층부에 제2 도전형의 고농도 에미터 및 저농도 에미터를 형성하는 단계;
    상기 저농도 에미터 상에 반사방지막을 형성하는 단계;
    상기 고농도 에미터와 접촉하도록 전면전극을 형성하는 단계;
    상기 기판 하층부에 제1 도전형의 후면전계층을 형성하는 단계; 및
    상기 후면전계층 상에 후면전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지며,
    상기 제1 도전형의 실리콘 기판 상층부에 제2 도전형의 고농도 에미터 및 저농도 에미터를 형성하는 단계는,
    상기 기판 상층부에 저농도 에미터를 형성한 후, 상기 저농도 에미터의 일정 깊이 영역에 이온 주입하여 불순물 원자를 고농도 도핑함으로써 상기 저농도 에미터의 하부에 고농도 에미터를 형성하는 것을 특징으로 하는 에미터 태양전지 제조방법.
  6. 제1 도전형의 실리콘 기판 상층부에 제2 도전형의 고농도 에미터 및 저농도 에미터를 형성하는 단계;
    상기 저농도 에미터 상에 반사방지막을 형성하는 단계;
    상기 고농도 에미터와 접촉하도록 전면전극을 형성하는 단계;
    상기 기판 하층부에 제1 도전형의 후면전계층을 형성하는 단계; 및
    상기 후면전계층 상에 후면전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지며,
    상기 제1 도전형의 실리콘 기판 상층부에 제2 도전형의 고농도 에미터 및 저농도 에미터를 형성하는 단계는,
    상기 기판 상층부에 고농도 에미터를 형성한 후, 상기 고농도 에미터 상층부에 상기 기판과 다른 용해도 및 확산계수를 갖는 막을 형성함으로써 기판 표면에 존재하는 불순물 원자를 외부로 확산시킴으로써 상기 고농도 에미터 상부에 저농도 에미터를 형성하는 것을 특징으로 하는 에미터 태양전지 제조방법.
  7. 제1 도전형의 실리콘 기판 상층부에 제2 도전형의 고농도 에미터 및 저농도 에미터를 형성하는 단계;
    상기 저농도 에미터 상에 반사방지막을 형성하는 단계;
    상기 고농도 에미터와 접촉하도록 전면전극을 형성하는 단계;
    상기 기판 하층부에 제1 도전형의 후면전계층을 형성하는 단계; 및
    상기 후면전계층 상에 후면전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지며,
    상기 제1 도전형의 실리콘 기판 상층부에 제2 도전형의 고농도 에미터 및 저농도 에미터를 형성하는 단계는,
    상기 기판 상층부에 고농도 에미터를 형성한 후, 상기 고농도 에미터 상층부에 상기 기판과 다른 반도체 유형을 형성하는 2차 불순물 원자를 소량 주입함으로써 기존의 불순물 원자를 상쇄시켜 저농도 에미터를 형성하는 것을 특징으로 하는 에미터 태양전지 제조방법.
KR1020100139944A 2010-12-31 2010-12-31 상대적으로 낮은 표면 농도를 갖는 에미터 태양전지 KR101162879B1 (ko)

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