KR101197633B1 - 태양 전지 및 태양 전지의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 태양 전지는 표면에 오목부와 볼록부가 형성된 반도체 기판, 상기 반도체 기판의 표면에 위치하는 파티클, 상기 반도체 기판의 p 타입 반도체 또는 n 타입 반도체와 접촉하는 제1 전극 및 상기 제1 전극과 접촉하는 상기 p 타입 반도체 또는 상기 n 타입 반도체 이외의 나머지 반도체와 접촉하는 제2 전극을 포함한다.
본 발명의 태양 전지의 제조 방법은 기판의 표면에 대하여 텍스쳐링을 하는 단계, 상기 기판의 표면에 파티클을 형성하는 단계, 상기 기판에 pn 접합을 형성하는 단계 및 상기 기판에 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
태양 전지, 파티클, 변환효율
Description
본 발명은 태양 전지 및 태양 전지의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 특히 주목 받고 있다. 태양전지에는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체 의 성질을 이용하여 태양빛(photons)을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지가 있으며, 태양전지라고 하면 일반적으로 태양광 전지(이하 태양전지라 한다)를 일컫는다.
태양전지는 다이오드와 같이 p타입 반도체와 n타입 반도체의 접합 구조를 가지며, 태양전지에 빛이 입사되면 빛과 태양전지의 반도체를 구성하는 물질과의 상호 작용으로 음전하를 띤 전자와, 전자가 빠져나가 양전하를 띤 정공이 발생하여 이들이 이동하면서 전류가 흐르게 된다.
이를 광기전력효과(光起電力效果, photovoltaic effect)라 하는데, 태양전지 를 구성하는 p타입 및 n타입 반도체 중 전자는 n타입 반도체 쪽으로, 정공은 p타입 반도체 쪽으로 이동한다. 전자와 정공은 n타입 반도체 및 p타입 반도체와 접합된 전극을 통하여 전선으로 이동하게 되면 전기가 흐르므로 전력을 얻을 수 있다.
이와 같은 태양전지의 특성은 출력 전류 Ip와 출력전압 Vp의 곱 Ip×Vp의 최대값을 태양전지로 입사하는 총광에너지(S×I: S는 소자면적, I는 태양전지에 조사되는 광의 강도)로 나눈 값인 변환효율 η에 의해 평가된다. 태양전지의 변환효율을 향상시키기 위해서는 태양전지의 태양광에 대한 반사율을 낮추어야 하며 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다
본 발명은 태양광의 반사율을 낮출 수 있는 태양 전지 및 태양 전지의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 태양 전지는 표면에 오목부와 볼록부가 형성된 반도체 기판, 상기 반도체 기판의 표면에 위치하는 파티클, 상기 반도체 기판의 p 타입 반도체 또는 n 타입 반도체와 접촉하는 제1 전극 및 상기 제1 전극과 접촉하는 상기 p 타입 반도체 또는 상기 n 타입 반도체 이외의 나머지 반도체와 접촉하는 제2 전극을 포함한다.
본 발명의 태양 전지의 제조 방법은 기판의 표면에 대하여 텍스쳐링을 하는 단계, 상기 기판의 표면에 파티클을 형성하는 단계, 상기 기판에 pn 접합을 형성하는 단계 및 상기 기판에 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 태양 전지 및 태양 전지 제조 방법은 태양광의 반사율을 낮춰 변환 효율을 높일 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
도 1a 내지 도 1i는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 나타낸 것이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 기판(100) 상에 포토 레지스트(110-1)가 도포된 후 텍스쳐링(texturing)을 위한 포토 마스크(120-1)가 배치된다. 이 때 포토 마스크(120-1)는 개구부(A)가 형성되어 있으며, 광이 포토 마스크(120-1)의 개구부(A)를 통하여 조사된다.
광이 개구부(A)를 통하여 조사된 이후, 도 1b에 도시된 바와 같이, 빛에 노출된 포토 레지스트(110-1) 가 제거되고 빛에 노출되지 않은 포토 레지스트(110)가 남아 있게 된다. 빛에 노출된 포토 레지스트(110-1)가 제거된 후 이방성 식각이 이루어진다. 이방성 식각은 기판의 결정 방향에 따라 식각의 속도가 달라진다.
이에 따라, 실리콘의 (111) 결정 방향으로의 식각 속도와 (100) 결정 방향으로의 식각 속도가 다르므로 도 1c와 같이 경사진 측면(130L)을 지닌 오목부(130) 및 볼록부(140)가 형성된다.
이와 같은 식각은 KOH, H2O 및 이소프로필알코올로 이루어진 식각 용액이나 TMAH(Tetramethyl ammonium hydroxide)가 이용될 수 있다. 건식 식각의 경우 CHF3나 SF6 가스가 주입된 플라즈마가 이용될 수 있다. 기계적 식각은 레이저를 이용하여 경사진 측면을 지닌 오목부가 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 이방성 식각에 의한 텍스쳐링이 이루어졌으나 등방성 식각에 의하여 덱스쳐링이 이루어질 수도 있다.
이와 같은 텍스쳐링 공정에 의하여 입사된 빛이 산란함으로써 태양 전지의 변환 효율이 향상된다.
도 1d에 도시된 바와 같이, 기판의 물질과 동일한 물질을 포함하는 파티클(particle) 형성 물질과, 매개물질이 혼합된 혼합물질(150)이 텍스쳐링된 기판(100) 상에 증착된다. 본 발명의 실시예에서 기판(100)은 실리콘으로 이루어지므로 파티클 형성 물질은 실리콘일 수 있다. 이와 같이 파티클 형성 물질이 기판의 물질과 동일한 것은 이후에 형성될 파티클이 기판(100)의 표면에 보다 안정적으로 부착되도록 하기 위해서이다.
혼합물질(150)은 혼합 물질 중량의 90 wt% 내지 99 wt%인 매개 물질을 포함할 수 있으며, 혼합 물질 중량의 1 wt% 내지 10 wt%인 파티클 형성물질을 포함할 수 있다. 파티클 형성물질이 1 wt%보다 작으면 기판(100) 상에 형성된 파티클의 크기가 작아 입사된 빛이 산란하지 않아 광변환 효율 향상에 도움이 되지 않는다. 파티클 형성물질이 10 wt% 보다 크면 파티클의 크기가 필요 이상으로 커져 입사된 빛이 반사되는 빛의 증가한다.
매개물질은 파티클 형성 물질과 섞일 수 있으며 기판(100) 상에 증착이 가능 한 물질이다. 본 발명의 실시예에서 매개 물질은 알루미늄(Al)이나 크롬(Cr)과 같은 금속을 포함할 수 있다.
혼합 물질의 증착을 위하여 혼합 물질을 타겟(target)으로 한 스퍼터링 공정이 이루어질 수 있다.
도 1e에 도시된 바와 같이, 에천트(etchant)로 증착된 혼합 물질 중 매개 물질을 제거한다. 이에 따라 기판(100) 상에는 파티클(160)이 형성되며 파티클은 실리콘을 포함할 수 있다. 매개 물질이 알루미늄일 경우 Al 에천트가 사용되며, 매개 물질이 크롬일 경우 Cr 에천트가 사용될 수 있다. 이와 같은 매개 물질의 제거 과정은 파티클 형성 물질까지 제거되면 안되므로 적정 온도에서 이루어져야 한다. 본 발명의 실시예에서는 25 ℃ 이상 50 ℃ 이하의 온도에서 이루어질 수 있다. 에칭 온도가 25 ℃ 미만일 경우 매개 물질의 에칭이 제대로 이루어지지 않을 수 있고, 에칭 온도가 50 ℃보다 높을 때에는 매개 물질뿐만 아니라 파티클 형성 물질까지 제거될 수 있다.
매개 물질의 제거에 따라 기판(100)의 물질과 동일한 물질을 포함하는 파티클(160)이 기판(100)의 표면에 형성된다. 파티클(160)의 크기는 아래 표와 같이 혼합 물질의 증착 두께에 따라 달라진다.
| 증착 두께 | 파티클의 크기 |
| 1 ㎛ | 200 nm |
| 700 nm | 100 nm |
| 400 nm | 50 nm |
| 200 nm | 20 내지 30 nm |
기판 표면(100)에 형성된 파티클(160)의 크기가 50 nm 보다 작을 경우, 파티클(160)의 크기가 너무 작아 입사된 빛을 산란시킬 수 없다. 따라서 파티클(160)의 크기는 50 nm 이상이어야 한다.
또한 파티클(160)의 크기는 빛의 파장보다는 작을 수 있다. 즉, 파티클(160)의 크기가 빛의 파장보다 작으면 파티클(160)에 의하여 입사되는 빛이 산란되어 광변환 효율이 향상된다. 일반적으로 태양 전지에 입사되는 빛의 파장이 300 nm 내지 1000 nm 이므로 파티클(160)의 크기는 300 nm 이하일 수 있다.
도 2는 기판(100) 상에 형성된 파티클(160)을 나타내는 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진으로 크기가 100 nm 내외의 파티클(160)들이 엉겨 있거나 흩어져 있다.
도 1f에 도시된 바와 같이, 입사된 태양광의 반사를 방지하기 위한 복수의 반사 방지막(170, 180)이 형성된다. 제1 반사 방지막(170)은 파티클(160)이 형성된 기판(100)의 한쪽 표면 상에 형성되며 제2 반사 방지막(180)은 제1 반사 방지막(170) 상에 형성된다. 제2 반사 방지막(180)으로부터 반사된 빛과 제1 반사 방지막(170)에서 반사된 빛은 서로 상쇄 간섭을 일으킴으로써 입사된 빛의 반사를 줄이고 특정 파장 영역에서의 선택성을 증가시킨다.
이와 같은 제1 반사 방지막(170) 및 제2 반사 방지막(180)은 진공증착법, 화학기상증착법, 스핀 코팅(spin coating), 스크린 인쇄 또는 스프레이 코팅(spray coating)에 의하여 형성될 수 있다.
이 때 기판(100)과 접촉하는 제1 반사 방지막(170)의 두께(t)는 파티클(160)의 크기보다 클 수 있다. 즉, 제1 반사 방지막(170)의 두께(t)가 파티클(160)의 크기보다 큼으로써 제1 반사 방지막(170)이 파티클(160)을 덮으므로 제2 반사 방지막(180)과 더불어 안정적으로 빛의 반사를 막을 수 있다.
도 1g에 도시된 바와 같이, pn 접합을 형성하기 위한 불순물 도핑이 이루어진다. 즉, 제1 타입의 기판(100)에 pn 접합을 형성하기 위하여 제2 타입의 불순물이 도핑된다. 제1 타입의 기판(100)이 p타입 기판인 경우 제2 타입의 불순물은 5족 불순물타입과 같은 n타입 불순물일 수 있다. 반대로 제1 타입의 기판(100)이 n타입 기판인 경우 제2 타입의 불순물은 3족 불순물타입과 같은 p타입 불순물일 수 있다. 불순물의 도핑을 위하여 고온에서 3족과 5족에 속하는 불순물을 포함한 기체 또는 고체에 기판(100) 표면을 노출시켜 불순물을 기판(100) 내부로 도핑시킨다. 이 때 불순물 소스로는 PH3, POCL3, BN 등이 사용될 수 있다.
또한 이온 주입에 의하여 3족과 5족에 속하는 불순물을 기판(100) 내부로 도핑시킬 수도 있다. 즉, 기판(100)을 진공 챔버 안에 두고 불순물 이온을 가속하여 기판(100) 표면에 불순물을 주입시킬 수도 있다.
도 1h에 도시된 바와 같이, 기판(100)의 다른 쪽 표면 상에 반사막(190)이 된다. 반사막(190)은 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition)와 같은 증착 공정에 의하여 형성되며, 이후에 형성될 전극을 위한 콘택 홀이 형성된다. 화학 기상 증착 방법은 챔버(150) 안에 반사막의 원료 가스를 여기시켜 기상화학반응을 통해 반사막을 형성한다.
도 1i에 도시된 바와 같이, 기판(100)의 양쪽 면에 제1 전극(E1) 및 제2 전극(E2)이 형성됨으로써 태양 전지가 완성된다. 이 때, 제1 전극(E1)은 제1 전극 페이스트(paste)에 포함된 저융점 글라스 프릿(glass frit)이 제1 반사 방지막(170) 및 제2 반사 방지막(180)을 뚫고 기판(100)과 접촉하게 된다.
제1 전극(E1)은 p 타입 반도체 또는 n 타입 반도체와 접촉한다. 제2 전극(E2)은 제1 전극(E1)과 접촉하는 p 타입 반도체 또는 n 타입 반도체 이외의 나머지 반도체와 접촉한다. 본 발명의 실시예에서 제1 전극(E1)은 n 타입 반도체와 접촉하고, 제2 전극(E2)은 p 타입 반도체와 접촉한다.
도 3은 본 발명과 같이 기판 표면에 파티클이 형성될 경우 반사율을 나타낸 것이다. 도 3의 가로축은 빛의 파장을 나타내고, 세로축은 파티클이 있는 경우 및 없는 경우의 반사율을 나타낸다. 도 3에 도시된 바와 같이, 태양 전지에 입사되는 300 nm 내지 1000 nm 영역의 빛에 대하여 파티클이 있는 경우의 반사율이 파티클이 없는 경우의 반사율보다 낮음을 알 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1a 내지 도 1i는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 나타낸 것이다.
도 2는 기판 상에 형성된 파티클을 나타내는 SEM 사진이다.
도 3은 본 발명과 같이 기판 표면에 파티클이 형성될 경우 반사율을 나타낸 것이다.
Claims (11)
- 표면에 오목부와 볼록부가 형성된 반도체 기판;상기 반도체 기판의 표면에 접하여 위치하는 파티클;상기 반도체 기판의 p 타입 반도체 또는 n 타입 반도체와 접촉하는 제1 전극; 및상기 제1 전극과 접촉하는 상기 p 타입 반도체 또는 상기 n 타입 반도체 이외의 나머지 반도체와 접촉하는 제2 전극을 포함하고,상기 파티클은 상기 기판의 물질과 동일한 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 파티클은 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 파티클의 크기는 입사되는 빛의 파장보다 작은 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 파티클의 크기는 50 nm 이상 300 nm 이하인 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 기판의 표면에 위치하는 하나 이상의 반사 방지막을 더 포함는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 제6항에 있어서,상기 기판과 접촉하는 반사 방지막의 두께는 상기 파티클의 크기보다 큰 것을 특징으로 하는 태양 전지.
- 기판의 표면에 대하여 텍스쳐링을 하는 단계;상기 기판의 표면에 파티클을 형성하는 단계;상기 기판에 pn 접합을 형성하는 단계; 및상기 기판에 전극을 형성하는 단계를 포함하고,상기 기판의 표면에 파티클을 형성하는 단계는상기 기판의 표면에 매개 물질과 파티클 형성 물질을 포함하는 혼합 물질을 증착하는 단계와 상기 혼합 물질로부터 상기 매개 물질을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법.
- 삭제
- 제8항에 있어서,상기 매개 물질은 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법.
- 제8항에 있어서,상기 혼합 물질은 상기 혼합 물질 중량의 90 wt% 이상 99 wt% 이하의 매개 물질과, 상기 혼합 물질 중량의 1 wt% 이상 10 wt% 이하의 파티클 형성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법.
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