KR101172619B1 - Ａｉｎ 패시베이션막을 구비하는 실리콘 태양전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 굴절률이 우수한 AlN 을 패시베이션층으로 형성함으로써, 표면 반사율을 최소화함과 함께 표면 패시베이션 효과를 극대화할 수 있는 태양전지에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 p형 실리콘 태양전지는 p형 실리콘 기판과, 상기 기판 상층부에 구비된 에미터(n+)와, 상기 에미터(n+) 상에 구비된 반사방지막과, 상기 기판 하층부에 구비된 후면전계층(p+), 및 상기 후면전계층(p+) 상에 구비된 후면 패시베이션막을 포함하여 이루어지며, 상기 후면 패시베이션막은 AlN 패시베이션막으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

ＡＩＮ 패시베이션막을 구비하는 실리콘 태양전지{Solar cell having AlN passivation layer}
본 발명은 AlN 패시베이션막을 구비하는 실리콘 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 매우 넓은 에너지 갭과 높은 열전도도, 낮은 전기 전도도, 및 우수한 기계적 물성을 갖는 AlN 박막을 패시베이션층으로 적용함으로써, AlN 박막 내 고정 음전하(fixed negative charge)에 의한 표면 재결합 속도 감소 및 열적 내구성에 의한 고온 열처리 공정의 용이성과 같은 효과를 제공할 수 있는 실리콘 태양전지에 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 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.
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.
한편, 태양전지의 효율 향상을 위해서는 광생성된 전하들의 재결합에 의한 손실을 최소화하는 패시베이션(passivation) 기술이 매우 중요하다. p형 실리콘 태양전지의 p+형 후면전계(후면)층과 n형 실리콘 태양전지의 p+형 에디터(전면)에는 고정 음전하(fixed negative charge)를 갖는 패시베이션층이 유리하다. 여기서, 전면 패시베이션층은 반사방지막으로서, 2.0~2.1 범위의 굴절률이 요구되고, 후면 패시베이션층으로서 SiO2 또는 Al2O3 단일층은 소성시 Al 후면전극에 의해 고온 소성시 침식되어 패시베이션 기능이 크게 저하된다. 또한, SiNx 는 열적 내구성은 있지만, 고정 양전하(fixed positive charge)에 의해 누설 전류가 증가한다.
종래의 p형 실리콘 태양전지의 구조를 살펴보면 다음과 같다. 도 1에 도시한 바와 같이, p형 반도체층(101) 상에 n+형 에미터(102), 반사방지막(103)이 구비되며, 상기 p형 반도체층(101)의 하부에 p+형 후면전계층(104)이 구비된다. 그리고, 상기 p형 반도체층(101)의 상부 및 상기 p+형 후면전계층(104)의 하부에 각각 전면전극(105)과 후면전극(106)이 구비된다. 도 2에 도시한 바와 같이, p+ 후면전계층(204) 상에 후면 패시베이션막(205)이 더 구비될 수 있고, 도 3에 도시한 바와 같이, 후면전계층(304)은 기판 하층부에 국부적으로 구비될 수 있다.
한편, 종래의 후면전극형 태양전지는 도 4에 도시한 바와 같이, n형 실리콘 기판, 상기 기판 상층부에 구비된 에미터(n+), 상기 에미터(n+) 상에 구비된 전면 패시베이션막, 상기 전면 패시베이션막 상에 구비된 반사방지막, 상기 기판 하층부에 교번하여 배치되는 에미터(p+)와 후면전계층(n++), 상기 에미터(p+)와 후면전계층(n++) 상에 각각 구비된 시드층, 및 상기 시드층을 사이에 두고 이격되어 구비된 후면 패시베이션막을 포함하여 이루어지며, 상기 전면 및 후면 패시베이션막은 SiO2로 형성된다.
상기 n+형 에미터(102, 202, 302, 402) 상에는 표면 반사를 최소화하기 위한 반사방지막(103, 203, 303, 404)이 구비된다. 통상, 반사방지막은 SiNx 재질의 단일층으로 형성되는데, 이와 같은 단일층 구조의 반사방지막을 적용하는 경우 표면 반사율이 기대치에 못 미치는 단점과 함께 패시베이션 효과가 미미한 문제점이 있다.
AlN 은 굴절률이 약 2.1이고, 에너지 밴드 갭이 약 6eV 이며, 고정 음전하를 가지므로 패시베이션층으로서 기능성이 있으며, AlN 대신 AlON 도 고려될 수 있다. 따라서, 반사방지막 및 패시베이션층을 AlN 층으로 구성하여 패시베이션효과를 극대화하여 기판 표면의 재결합 속도를 최소화할 필요가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 굴절률이 우수한 AlN 을 패시베이션층으로 형성함으로써, AlN 박막 내 고정 음전하에 의한 표면 재결합 속도를 감소시키고 열적 내구성에 의한 고온 열처리 공정이 용이한 태양전지를 제공하는데 목적이 있다.
AlN 박막은 증착 방법 및 후속 열처리 공정에 따라 고정 음전하(fixed negative charge)를 가질 수 있으며, 고정 음전하의 크기가 다를 수 있다. AlN 박막은 알루미늄 금속 전극의 소성 공정중 열적 내구성을 갖고 알루미늄이 실리콘 기판과 함께 용융되어 p+ 도핑층을 만드는 것을 억제할 수 있기 때문에 AlN 박막을 태양전지의 후면에 적용하여 후면 패시베이션 및 후면 반사방지막으로 사용할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 p형 실리콘 태양전지는 p형 실리콘 기판과, 상기 기판 상층부에 구비된 에미터(n+)와, 상기 에미터(n+) 상에 구비된 반사방지막과, 상기 기판 하층부에 구비된 후면전계층(p+), 및 상기 후면전계층(p+) 상에 구비된 후면 패시베이션막을 포함하여 이루어지며, 상기 후면 패시베이션막은 AlN 패시베이션막으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 후면전계층(p+)은 상기 기판 하층부에 부분적으로 구비된 국부 후면전계층인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 반사방지막은 AlN 패시베이션막으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 n형 실리콘 태양전지는 n형 실리콘 기판과, 상기 기판 상층부에 구비된 에미터(p+)와, 상기 에미터(p+) 상에 구비된 전면 패시베이션막, 및 상기 기판 하층부에 구비된 후면전계층(n+)을 포함하여 이루어지며, 상기 전면 패시베이션막은 AlN 패시베이션막으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 후면전계층(n+) 상에 구비되는 후면 패시베이션막을 더 포함할 수 있다.
상기 후면전계층(n+)은 상기 기판 하층부에 부분적으로 구비된 국부 후면전계층인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 후면 패시베이션막은 AlN 패시베이션막으로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 n형 실리콘 태양전지는 n형 실리콘 기판과, 상기 기판 상층부에 구비된 후면전계층(n+)과, 상기 후면전계층(n+) 상에 구비된 전면 패시베이션막과, 상기 기판 하층부에 구비된 에미터(p+), 및 상기 에미터(p+) 상에 구비된 후면 패시베이션막을 포함하여 이루어지며, 상기 전면 패시베이션막 및 후면 패시베이션막은 AlN 패시베이션막으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 후면전극형 실리콘 태양전지는 n형 실리콘 기판과, 상기 기판 상층부에 구비된 에미터(n+)와, 상기 에미터(n+) 상에 구비된 전면 패시베이션막과, 상기 기판 하층부에 교번하여 배치되는 에미터(p+)와 후면전계층(n++)과, 상기 에미터(p+)와 후면전계층(n++) 상에 각각 구비된 시드층, 및 상기 시드층을 사이에 두고 이격되어 구비된 후면 패시베이션막을 포함하여 이루어지며, 상기 전면 및 후면 패시베이션막은 AlN 패시베이션막으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 AlN 패시베이션막을 구비하는 실리콘 태양전지는 다음과 같은 효과가 있다.
굴절률이 우수한 AlN 을 패시베이션층으로 형성함으로써, 표면 재결합 속도 감소 및 열적 내구성에 의한 고온 열처리 공정의 용이성과 같은 효과를 극대화할 수 있다.
도 1 내지 3은 종래 기술에 따른 p형 실리콘 태양전지의 단면도이다.
도 4는 종래 기술에 따른 후면전극형 실리콘 태양전지의 단면도이다.
도 5는 AlN 후면 패시베이션막을 구비하는 p형 실리콘 태양전지의 단면도이다.
도 6은 AlN 후면 패시베이션막과, 국부적인 후면전계층(p+)을 구비하는 p형 실리콘 태양전지의 단면도이다.
도 7은 AlN 후면 패시베이션막과, 국부적인 후면전계층(p+)과, AlN 전면 패시베이션막을 구비하는 p형 실리콘 태양전지의 단면도이다.
도 8은 AlN 전면 패시베이션막을 구비하는 n형 실리콘 태양전지의 단면도이다.
도 9는 AlN 전면 패시베이션막과 후면 패시베이션막을 구비하는 n형 실리콘 태양전지의 단면도이다.
도 10은 AlN 전면 패시베이션막과 후면 패시베이션막, 및 국부적 후면 전계층(n+)을 구비하는 n형 실리콘 태양전지의 단면도이다.
도 11은 AlN 전후면 패시베이션막을 구비하는 n형 실리콘 태양전지의 단면도이다.
도 12는 AlN 전후면 패시베이션막과 국부적 후면전계층(n+)을 구비하는 n형 실리콘 태양전지의 단면도이다.
도 13은 AlN 전후면 패시베이션막과 후면전계층(n+), 및 에미터(p+)를 구비하는 n형 실리콘 태양전지의 단면도이다.
도 14는 AlN 전후면 패시베이션막과 교번하여 배치되는 에미터(p+)와 후면전계층(n++)을 구비하는 후면전극형 태양전지의 단면도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 태양전지를 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구조를 살펴보면, 도 5에 도시한 바와 같이, p형 실리콘 기판(501)을 구비한다. 상기 p형의 기판(501) 상층부에는 에미터(n+)가 구비된다. 또한, 상기 에미터(n+) 상에는 반사방지막(503)이 구비된다. 상기 반사방지막(503)은 <실리콘 나이트라이드층>(SiNx)으로 구성되며, 약 80nm 이하의 두께를 갖는다. 상기 반사방지막(503)은 패시베이션막으로서의 기능도 한다. 상기 기판(501) 하층부에는 후면전계층(p+)(504)을 구비하고, 상기 후면전계층(p+)(504) 상에 후면 패시베이션막(505)을 구비한다. 상기 후면 패시베이션막(505)은 AlN 패시베이션막으로 형성된다.
상기 에미터(n+)(502)는 약 1㎛ 이하이고, 상기 후면전계층(p+)(504)은 약 8㎛ 이하일 수 있으며, 상기 후면 패시베이션막(505)은 약 30㎚ 이하일 수 있다.
한편, 상기 후면전계층(p+)(604)은 도 6에 도시된 바와 같이, 기판(601) 하층부에 부분적으로 구비된 국부 후면전계층(p+)(604)일 수 있다. 또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 반사 방지막(703)은 AlN 패시베이션막으로 형성될 수 있다.
도 8은 AlN 전면 패시베이션막을 구비하는 n형 실리콘 태양전지의 단면도이다. 도 8을 참조하면, n형 실리콘 기판(801)을 구비한다. 상기 기판(801) 상층부에는 에미터(p+)(802)와 전면 패시베이션막(803)이 순차적으로 구비된다. 상기 기판(801) 하층부에는 후면전계층(n+)(804)이 구비되며, 상기 전면 패시베이션막(803)은 AlN 패시베이션막으로 형성된다. 상기 전면 패시베이션막(803)은 약 80㎚ 이하의 두께를 가질 수 있고, 상기 에미터(p+)(802)는 약 1㎛ 이하의 두께를 가질 수 있다. 상기 후면전계층(n+)(804)은 약 8㎛ 이하의 두께를 가질 수 있다.
한편, 도 9에 도시한 바와 같이, 상기 후면전계층(n+)(904) 상에 후면 패시베이션막(905)을 더 포함할 수 있다. 상기 후면 패시베이션막(905)은 SiO2로 형성될 수 있다. 또한, 상기 후면 패시베이션막(905)은 SiNx 또는 Al2O3 로 형성될 수 있으며, 약 100㎚ 이하의 두께로 형성될 수 있다.
또한, 도 10에 도시한 바와 같이, 상기 후면전계층(n+)(1004)은 상기 기판(1001) 하층부에 부분적으로 구비된 국부 후면전계층(n+)일 수 있다. 상기 국부 후면전계층(n+)(1004)은 약 8㎛ 이하의 두께를 가질 수 있다.
상기 도 9 및 10에서, 상기 후면 패시베이션막(905, 1005)은 AlN 패시베이션막으로 형성될 수 있다. 즉, 도 11 및 12와 같이, 상기 SiO2 후면 패시베이션막(905, 1005)은 AlN 패시베이션막(1105, 1205)으로 형성될 수 있다.
한편, 도 13은 AlN 전후면 패시베이션막과 후면전계층(n+), 및 에미터(p+)를 구비하는 n형 실리콘 태양전지의 단면도이다. 도 13을 참조하면, n형 실리콘 기판(1301)을 구비한다. 상기 기판(1301) 상층부에는 후면전계층(n+)(1304)이 구비되고, 상기 후면전계층(n+)(1304) 상에 전면 패시베이션막(1303)이 구비된다. 상기 기판(1301) 하층부에는 에미터(p+)(1302) 및 후면 패시베이션막(1305)이 순차적으로 구비된다. 상기 전면 및 후면 패시베이션막(1303, 1305)은 AlN 패시베이션막으로 형성된다.
한편, 도 14는 AlN 전후면 패시베이션막과 교번하여 배치되는 에미터(p+)와 후면전계층(n++)을 구비하는 후면전극형 태양전지의 단면도이다. 도 14를 참조하면, n형 실리콘 기판(1401)을 구비한다. 상기 기판(1401) 상층부에는 에미터(n+)(1402)와 전면 패시베이션막(1403)이 순차적으로 구비된다. 상기 기판(1401) 하층부에는 교번하여 배치되는 에미터(p+)(1404)와 후면전계층(n++)(1405)이 구비되고, 상기 에미터(p+)(1404) 와 후면전계층(n++)(1405) 상에는 각각 시드층(1409)이 구비된다. 또한, 상기 시드층(1409)을 사이에 두고 이격되어 구비된 후면 패시베이션막(1406)을 포함한다. 상기 전면 및 후면 패시베이션막(1403, 1406)은 AlN 패시베이션막으로 형성된다. 상기 전면 패시베이션막(1403)은 약 10 내지 100㎚ 의 두께로, 상기 후면 패시베이션막(1406)은 약 10 내지 약 1㎛의 두께로 형성될 수 있다. 상기 에미터(n+)(1402)는 약 0.38㎛ 이하의 두께로 약 100ohm/sq. 이하의 면저항을 가질 수 있다. 또한, 상기 에미터(p+)(1404)는 약 1.8㎛ 이하의 두께로 약 16ohm/sq. 이하의 면저항을 가질 수 있고, 상기 후면전계층(n++)(1405)은 약 0.9㎛ 이하의 두께로 약 40ohm/sq. 이하의 면저항을 가질 수 있다. 한편, 상기 시드층(1409)은 약 400㎚ 이하의 두께로 알루미늄(Al), 티타늄-텅스텐(TiW) 또는 구리(Cu)로 형성될 수 있다.
상기 AlN 패시베이션막은 넓은 에너지 밴드갭을 가지고, 굴절률이 약 2.1을 가지므로, 반사방지막과 패시베이션막으로서의 역할을 충분히 수행할 수 있다. 상기와 같은 p형, n형 실리콘 태양전지 및 후면전극형 태양전지를 구성함으로써, 표면 반사율을 최소화함과 함께 표면 패시베이션 효과를 극대화할 수 있다.
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.
501 : 기판 502 : 에미터(n+)
503 : 반사방지막 504 : 후면전계층(p+)
505 : 후면 패시베이션막 506 : 전면전극
507 : 후면전극

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. n형 실리콘 기판;
    상기 기판 상층부에 구비된 에미터(n+);
    상기 에미터(n+) 상에 구비된 전면 패시베이션막;
    상기 기판 하층부에 교번하여 배치되는 에미터(p+)와 후면전계층(n++);
    상기 에미터(p+)와 후면전계층(n++) 상에 각각 구비된 시드층; 및
    상기 시드층을 사이에 두고 이격되어 구비된 후면 패시베이션막을 포함하여 이루어지며,
    상기 전면 및 후면 패시베이션막은 AlN 패시베이션막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 후면전극형 실리콘 태양전지.
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KR100844505B1 (ko) * 2006-11-15 2008-07-08 준 신 이 질화-산화알루미늄 박막 내의 음성 고정전하를 이용한 박판실리콘 태양전지의 제조방법
JP2010067920A (ja) 2008-09-12 2010-03-25 Sharp Corp 光電変換装置

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