KR101199649B1 - 국부화 에미터 태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판의 수광 부위에 국부적으로 에미터 및 전극를 형성하되, 기판의 수광 부위 중 에미터 형성 영역을 제외한 부위에 에미터의 도전형과 반대 극성을 가진 도전형 불순물의 도핑 영역을 형성하고, 에미터와 전극 사이에 에미터를 통해 수집된 소수 운송자를 전극으로 전달하기 위한 보조전극층을 형성한 국부화 에미터 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 상하부면에 전면전극 및 후면전극이 구비된 실리콘 재질의 제1도전형의 기판을 포함하며, 상기 기판의 상층부에는 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역이 국부적으로 형성되되, 상기 기판의 상부 중 상기 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역의 형성 부위를 제외한 부위에는 제1도전형 불순물의 고농도 도핑 영역이 형성되며, 상기 기판과 상기 전면전극 사이에 유전층 및 보조전극층이 차례로 적층되어 구성됨으로써, 기판 내에서 광생성되어 전극으로 포집되는 소수 운송자의 재결합율를 감소시켜 소수 운송자의 라이프 타임을 증가시킬 수 있고, 전극의 선폭, 개수 및 간격 등과 같은 전극 패턴 형태에 상관없이, 기판 내에서 광생성된 소수 운송자를 안전하게 전극으로 전달하여 태양전지의 광전 변환 효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 국부화 에미터 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 기판의 수광 부위에 국부적으로 에미터 및 전극을 형성한 국부화 에미터 태양전지 및 그 제조 방법에 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, 태양전지에 태양광이 입사되어 태양전지 내부에 전자-정공 쌍이 생성되고, 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 이동하게 되어 p-n 접합부 사이에 광기전력이 발생되며, 이때 태양전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산할 수 있게 된다.
한편, 태양전지는 p-n 접합층인 광흡수층의 형태나 불순물 이온 종류에 따라 다양하게 구분되는데 광흡수층으로는 대표적으로 실리콘(Si)을 들 수 있으며, 이와 같은 실리콘계 태양전지는 형태에 따라 실리콘 웨이퍼를 광흡수층으로 이용하는 실리콘 기판형과, 실리콘을 박막 형태로 증착하여 광흡수층을 형성하는 박막형으로 구분된다.
실리콘계 태양전지 중 실리콘 기판형의 일반적인 구조를 예들 들어 살펴보면 다음과 같다.
도 1에 도시한 바와 같이, 제1도전형 반도체층(11) 위에 에미터층인 제2도전형 반도체층(12)이 적층되며, 제2도전형 반도체층(12)의 상부면에 핑거 바 또는 버스 바 등의 패턴을 가진 전면전극(14)이 형성되고 제1도전형 반도체층(11)의 하부면에 후면전극(15)이 구비된 구조를 갖는다.
이때, 제1도전형 반도체층(11) 및 제2도전형 반도체층(12)은 하나의 실리콘 기판(10)에 구현되는 것으로서, 실리콘 기판(10)의 하부는 제1도전형 반도체층(11), 실리콘 기판(10)의 상부는 제2도전형 반도체층(12)으로 구분되며, 제1도전형 반도체층(11)의 하부에는 후면 전계 형성을 위한 제1도전형 불순물의 고농도 도핑층(10-1)이 구비되고, 상부면에 전면전극(14)이 형성된 제2도전형 반도체층(12)에는 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-2)이 구비된다.
이러한, 기판형 실리콘계 태양전지의 일반적인 제조 과정을 살펴보면, 먼저 제1도전형의 실리콘 기판(10)을 준비하고, 준비된 실리콘 기판(10)의 표면 텍스쳐링, 제2도전형의 불순물 이온 주입(Doping)?확산(Diffusion)을 통한 제2도전형 반도체층(12) 형성, 전면전극(14) 및 후면전극(15) 형성 등의 공정을 거쳐 제조된다.
한편, 전면전극(14) 및 후면전극(15)의 형성 이전에는, 확산 공정에 의해 기판(10) 표면에 형성된 PSG(Phosphorus Silicate Glass)막 또는 BSG(Boron Silicate Glass)막 등의 불순물을 포함한 불순물 산화막을 제거하는 세정 공정 및 제2도전형 반도체층(12) 위에 반사방지막(13)을 형성하는 공정 등을 진행하고, 실리콘 기판(10)의 표면과 전면전극(14) 간의 접촉 저항을 감소시키기 위하여 전면전극(14)이 형성될 부위에 해당하는 제2도전형 반도체층(12)에는 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-2), 즉 에미터를 선택적으로 형성하게 된다.
여기서, 제1도전형 불순물의 고농도 도핑층(10-1)은 제1도전형 반도체층(11)에 비해 높은 에너지 장벽을 가진 후면 전계를 형성하기 때문에, 추후 제1도전형 반도체층(11) 내에서 태양광 입사에 의해 광생성된 소수 운송자(1)가 후면전극(15)으로 이동하는 것을 차단하는 역할을 수행하게 된다.
아울러, 전면전극(14) 및 후면전극(15)의 형성 이후에는, 소성 공정을 통해 제1도전형 반도체층(11)의 하부에 제1도전형 불순물의 고농도 도핑층(10-1)을 형성하고, 레이저를 이용하여 기판 전면의 둘레를 따라 일정 깊이의 단선용 트렌치를 형성하는 절연 공정을 진행하게 된다.
이는, 제2도전형 반도체층(12) 형성시, 제2도전형 불순물 이온이 포함된 용액에 실리콘 기판(10)을 담그고 후속으로 열처리 공정을 수행하여, 제2도전형 불순물 이온을 실리콘 기판(10) 내에 확산시키는 방식으로 진행되기 때문에, 실리콘 기판(10)의 상부 이외에 측부에도 제2도전형 반도체층이 형성되는데, 이와 같이 기판의 측부에 형성된 제2도전형 반도체층은 전면전극(14)과 후면전극(15)을 단락(short)시켜 태양전지의 광전변환 효율을 저하시키는 요인으로 작용하므로, 실리콘 기판(10)의 측부에 형성된 제2도전형 반도체층에 의한 전면전극(14)과 후면전극(15) 사이의 전기적 연결을 차단시킬 필요가 있기 때문이다.
이와 같은 일반적인 태양전지에서의 광 발전시 소수 운송자(1)의 이동 과정을 살펴보면, 예컨대 제1도전형이 p형, 제2도전형이 n형인 경우, 태양광이 입사됨에 따라 제1도전형 반도체층(11) 내에서 광생성된 소수 운송자(1)인 전자는 제2도전형 반도체층(12), 즉 에미터층이 형성되어 있는 실리콘 기판(10)의 전면 쪽으로 이동하게 된다. 이때, 다수 운송자(2)인 정공은 실리콘 기판(10)의 후면 쪽으로 이동하게 된다.
이러한 일반적인 태양전지에는 깊이 방향에 따른 불순물 도핑 농도가 상부에서 가장 높고 하부쪽으로 내려갈수록 감소하는 특성을 보이며, 이에 따라 에너지 밴드 구조상 전도대(Conduction Band)가 상부쪽으로 갈수록 낮아지는 특성을 갖는 제2도전형 반도체층(12), 즉 에미터층이 실리콘 기판(10)의 수광면 전체에 형성되어 있으므로, 에미터층의 깊이 방향 에너지 밴드 구조에 의해, 제1도전형 반도체층(11)에서 광생성된 소수 운송자가 에미터층을 따라 이동하되, 특히 반사방지막(13)에 근접한 에미터층의 상부, 즉 실리콘 기판(10)의 표면을 따라 이동하다가 전면전극(14)으로 포집되게 된다.
그러나, 이와 같은 종래의 태양전지는 소수 운송자(1)의 이동 경로인 실리콘 기판(10)의 표면 부위가 결정 결함 및 불순물 등이 다수 존재하는 결함 밀도가 높은 부위이기 때문에, 소수 운송자(1)가 전면전극(14)으로 포집되기 전에 재결합하여 쉽게 소실될 우려가 있다.
더욱이, 종래의 태양전지는 100㎛ 내지 140㎛ 이내의 큰 선폭(W)을 가지는 전면전극(14)을 실리콘 기판(10)의 전면, 즉 수광면에 형성해야 하기 때문에, 수광율 유지를 위한 충분한 면적의 수광면을 확보하기 위해 전면전극(14) 간의 간격(d)이 1800㎛ 내지 2300㎛ 이내로 매우 크게 형성되어, 제1도전형 반도체층(11)에서 광생성된 소수 운송자(1)가 실리콘 기판(10)의 표면 부위를 따라 전면전극(14)까지 이동하는 거리가 길어지게 되므로, 소수 운송자(1)가 전면전극(14)으로 포집되기 전에 실기콘 기판(10)의 표면에서 재결합하여 소실될 가능성이 증가하게 된다.
즉, 종래의 태양전지는 그 구조상, 실리콘 기판(10) 내에서 광생성된 소수 운송자(1)의 재결합율이 높아 광전 변환 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 종래의 태양전지는 실리콘 기판(10)의 수광면 확보를 위해 전면전극(14)의 개수를 감소시킬 경우, 전면전극(14) 간의 간격(d)이 더 커지게 되어 실리콘 기판(10) 표면에서의 소수 운송자 재결합율을 더욱 증가시키게 됨에 따라, 태양전지의 수광율 향상이 곤란하고, 이로 인해 태양전지의 효율 증가 역시 곤란한 문제점이 있다.
또한, 종래의 태양전지는 제조시, 산화막 제거를 위한 세정 공정 및 단선용 트렌치를 형성하는 절연 공정 등의 복잡한 공정 절차가 필요함에 따라, 제조 기간 및 제조 비용이 많이 소요되는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 기판의 수광 부위에 국부적으로 에미터 및 전극를 형성하되, 기판의 수광 부위 중 에미터 형성 영역을 제외한 부위에 에미터의 도전형과 반대 극성을 가진 도전형 불순물의 도핑 영역을 형성하고, 에미터와 전극 사이에 에미터를 통해 수집된 소수 운송자를 전극으로 전달하기 위한 보조전극층을 형성한 국부화 에미터 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는, 상하부면에 전면전극 및 후면전극이 구비된 실리콘 재질의 제1도전형의 기판을 포함하며, 상기 기판의 상층부에는 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역이 국부적으로 형성되되, 상기 기판의 상부 중 상기 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역의 형성 부위를 제외한 부위에는 제1도전형 불순물의 고농도 도핑 영역이 형성되며, 상기 기판과 상기 전면전극 사이에 유전층 및 보조전극층이 차례로 적층되어 구성되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 제1도전형 불순물의 고농도 도핑 영역은, 상기 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역 및 상기 보조전극층과 접촉하지 않도록 형성되는 것이 바람직하다.
이러한, 상기 제1도전형 불순물의 고농도 도핑 영역은, 상기 기판의 상층부에 형성되어, 광생성된 소수 운송자의 기판 표면 이동을 방지하기 위한 전계를 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1도전형 불순물의 고농도 도핑 영역은, 상기 기판의 상부면 위에 적층된 구조로 형성되어 광생성된 소수 운송자의 기판 표면 이동을 방지하기 위한 전계를 형성하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 제1도전형 불순물의 고농도 도핑 영역은, 제1도전형 불순물이 고농도 도핑된 비정질 실리콘 박막으로 이루어지는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 유전층은, 상기 기판의 상부면 중 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역의 형성 부위를 제외한 부위에 형성되는 것이 바람직하다.
이러한, 상기 유전층은, 실리콘 산화물, 알루미늄 산화물, 티타늄 산화물 또는 실리콘 질화물로 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 보조전극층은, 상기 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역에 직접 접촉하거나, 도금층을 매개로 접촉하도록 상기 유전층 위에 적층되어 형성되는 것이 바람직하다.
이러한, 상기 보조전극층은, 투명전도산화막으로 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 기판은, 하층부에 후면 전계를 형성하는 제1도전형 불순물의 고농도 도핑층을 구비하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역은, 규칙 또는 불규칙적인 선폭 및 간격을 갖는 선 패턴으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역은, 규칙 또는 불규칙적인 크기 및 간격을 갖는 점 패턴으로 형성되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 전면전극은, 상기 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역의 패턴에 평행하거나 직교하는 방향으로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 국부화 에미터 태양전지 제조 방법은, 제1도전형의 기판을 준비하는 단계와; 상기 기판의 상부에 국부적으로 제1도전형 불순물의 고농도 도핑 영역을 형성하는 단계와; 상기 기판의 표면에 유전층을 형성하는 단계와; 상기 기판의 하부면에 후면전극을 형성하는 단계와; 레이져 도핑 방식을 통해 상기 기판의 전면에 형성된 유전층을 국부적으로 제거하며, 상기 기판의 상층부에 상기 제1도전형 불순물의 고농도 도핑 영역과 접촉하지 않도록 국부적으로 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역을 형성하는 단계와; 상기 기판의 상부에 보조전극층을 증착시키는 단계와; 상기 보조전극층 위에 전면전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 후면전극을 형성하는 단계는, 상기 기판의 하부면에 금속 물질을 도포하는 단계와; 소성 공정을 진행하여 상기 기판의 하부면에 후면전극을 형성하는 단계와; 상기 소성 공정 시의 열처리에 의해, 상기 기판의 하층부에 제1도전형 불순물의 고농도 도핑층이 형성되는 단계를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 보조전극층을 증착시키는 단계는, 상기 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역에 직접 접촉하도록 도금층(Seed Layer)을 증착하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 국부화 에미터 태양전지 제조 방법은, 제1도전형의 기판을 준비하는 단계와; 상기 기판의 상부면 위에 국부적으로 제1도전형 불순물의 고농도 도핑 영역을 형성하는 단계와; 상기 기판의 표면에 유전층을 형성하는 단계와; 상기 기판의 하부면에 후면전극을 형성하는 단계와; 레이져 도핑 방식을 통해 상기 기판의 전면에 형성된 유전층을 국부적으로 제거하며, 상기 기판의 상층부에 상기 제1도전형 불순물의 고농도 도핑 영역과 접촉하지 않도록 국부적으로 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역을 형성하는 단계와; 상기 기판의 상부에 보조전극층을 증착시키는 단계와; 상기 보조전극층 위에 전면전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 제1도전형 불순물의 고농도 도핑 영역을 형성하는 단계는, 상기 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역이 형성될 부위를 제외한 상기 기판의 상부면 위에 제1도전형 불순물이 고농도 도핑된 비정질 실리콘(a-Si) 박막을 패터닝하는 단계를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 국부화 에미터 태양전지 및 그 제조 방법에 의하면, 기판의 수광 부위에 국부적으로 에미터 및 전극를 형성하되, 기판의 수광 부위 중 에미터 형성 영역을 제외한 부위에 에미터의 도전형과 반대 극성을 가진 도전형 불순물의 도핑 영역을 형성하고, 에미터와 전극 사이에 에미터를 통해 수집된 소수 운송자를 전극으로 전달하기 위한 보조전극층을 형성함으로써, 기판 내에서 광생성되어 전극으로 포집되는 소수 운송자의 재결합율를 감소시켜 소수 운송자의 라이프 타임을 증가시킬 수 있고, 전극의 선폭, 개수 및 간격 등과 같은 전극 패턴 형태에 상관없이, 기판 내에서 광생성된 소수 운송자를 안전하게 전극으로 전달하여 태양전지의 광전 변환 효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 국부화 에미터 태양전지 및 그 제조 방법에 의하면, 기판의 수광 부위에 형성될 전극의 선폭 및 개수를 감소시키고 전극 간 간격을 최대화시키는 등, 기판의 수광면을 최대로 확보할 수 있는 전극 패턴을 형성할 수 있고, 이로 인해 태양전지의 수광율을 극대화시켜 태양전지의 효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 국부화 에미터 태양전지 및 그 제조 방법에 의하면, 산화막 제거를 위한 세정 공정이나 단선용 트렌치 형성을 위한 절연 공정 등을 수행할 필요가 없어, 공정 절차를 간소화하여 제조 기간을 단축시킬 수 있으며, 제조 비용도 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 태양전지의 구조를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 국부화 에미터 태양전지의 평면도.
도 3은 도 2에 있어서, A-A'에 따른 국부화 에미터 태양전지의 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 국부화 에미터 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 순서도.
도 5 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 국부화 에미터 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 국부화 에미터 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 국부화 에미터 태양전지의 평면도.
도 3은 도 2에 있어서, A-A'에 따른 국부화 에미터 태양전지의 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 국부화 에미터 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 순서도.
도 5 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 국부화 에미터 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 국부화 에미터 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 국부화 에미터 태양전지 및 그 제조 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 국부화 에미터 태양전지는 상하부에 전면전극(14) 및 후면전극(15)이 구비된 실리콘 재질의 제1도전형의 기판(10)을 포함하며, 이때 기판(10)의 상부에는 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-2)이 국부적으로 형성되되, 기판(10)의 상부 중 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-2)의 형성 부위를 제외한 부위에는 제1도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-3)이 형성되며, 기판(10)과 전면전극(14) 사이에 유전층(20) 및 보조전극층(30)이 차례로 적층된 구조를 가진다. 여기서, 제1도전형은 n형 또는 p형일 수 있으며, 이하에서는 제1도전형은 p형, 제2도전형은 n형인 것을 일 예로 들어 설명하기로 한다.
제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-2)은 기판(10) 내에서 p-n 접합을 형성함으로써, 태양광 입사에 의해 광생성된 소수 운송자의 이동을 가능케 하여 기판(10) 내부에서 전위차를 발생시킬 수 있다.
이러한, 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-2)은 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 기판(10)의 상부에 규칙적인 크기 및 간격을 갖는 점 패턴으로 형성되거나, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 기판(10)의 상부에 규칙적인 선폭 및 간격을 갖는 선 패턴으로 형성되는 것이 바람직하나, 불규칙적인 크기 및 간격을 갖는 점 패턴, 또는 불규칙적인 선폭 및 간격을 갖는 선 패턴으로도 형성될 수 있다. 즉, 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-2)은 패턴 형태의 제약 없이 다양한 형태로 기판(10)의 상부에 형성될 수 있다. 단, 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-2)은 기판(10) 내에서 광생성된 소수 운송자의 이동 거리를 감소시켜 주기 위하여 좁은 간격(예를 들어, 450㎛ 내지 2300㎛ 정도)을 갖고 형성되되, 적절한 폭(예를 들어, 20㎛ 내지 40㎛ 정도)을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 제1도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-3)은 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-2) 및 보조전극층(30)과 접촉하지 않도록 기판(10)의 상부에 형성되되, 제1도전형 불순물이 기판(10)의 내부로 도핑된 구조로 형성되어, 광생성된 소수 운송자의 기판(10) 표면 이동을 방지하게 된다.
즉, 제1도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-3)은 기판(10)의 상부에 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-2)과 일정 간격을 갖고 교번하도록 형성되는 것이 바람직하다.
이로 인해, 기판(10) 내에서 광생성된 소수 운송자는 제1도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-3)에 의해 생성되는 전계에 의해 기판(10)의 표면으로 접근하지 못하고, 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-2) 까지 최단 거리를 이동하여 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-2) 및 보조전극층(30)을 통해 전면전극(14)으로 포집됨으로써, 기존에 비해 표면 재결합율이 현저히 감소된다.
한편, 유전층(20)은 기판(10)의 상부 중 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-2)의 노출 부위를 제외한 부위에 적층되어 형성된다.
이러한, 유전층(20)은 실리콘 산화물(SiO2), 알루미늄 산화물(AlO3), 티타늄 산화물(TiO2) 또는 실리콘 질화물(Si3N4) 등으로 구성될 수 있으며, 기판(10)의 전면 패시베이션(Passivation) 역할을 수행한다.
한편, 보조전극층(30)은 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-2)에 직접 또는 시드층(Seed Layer)을 매개로 접촉하도록 유전층(20) 위에 적층되어 형성된다.
이러한, 보조전극층(30)은 기판(10)의 내부에서 광생성되어 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-2)을 통해 수집된 소수 운송자가 전면전극(14)까지 표동하여 이동할 수 있는 이동 경로를 제공하는 물질로 구성되는데, 예컨대 투명전도산화막(TCO) 등으로 이루어질 수 있다.
이와 같은, 유전층(20) 및 보조전극층(30)은 굴절률을 고려한 소정의 두께로 각각 형성되어 기판(10)의 상부면, 즉 수광면의 빛 반사 손실을 방지하는 수 있는 반사방지막(ARC: Anti-Reflective Coating) 역할을 수행하게 된다.
한편, 기판(10)의 하부에는 광생성된 소수 운송자의 후면쪽 이동을 차단하기 위한 후면 전계를 형성하는 제1도전형 불순물의 고농도 도핑층(10-1)이 구비된다.
아울러, 전면전극(14)은 기판(10)의 상부에 전체적으로 적층된 보조전극층(30)을 통해 소수 운송자를 포집할 수 있기 때문에, 굳이 기판(10)의 상부에 국부적으로 형성된 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-2)의 형성 위치에 대응하도록 패턴화할 필요가 없으므로, 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-2)의 형성 위치에 대응하지 않도록 보조전극층(30)의 상부면에 형성될 수 있다. 물론, 필요에 따라 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-2)의 형성 위치에 대응하도록 보조전극층(30)의 상부면에 전면전극(14)이 형성될 수도 있다.
예를 들어, 전면전극(14)은 핑거 라인 형태 등의 패턴으로 형성될 수 있으며, 이때 약 20㎛ 내지 40㎛ 정도의 좁은 선폭(W)을 갖고, 약 1800㎛ 내지 2300㎛ 이내 정도의 전극 간의 간격(d)을 갖도록 형성되거나, 필요에 따라 기판(10)의 수광면을 초과하지 않는 범위 이내에서 2300㎛를 초과하는 전극 간의 간격(d)을 갖도록 형성됨으로써, 일반적인 태양전지의 수광면에 비해 월등히 넓은 수광면을 확보할 수 있다. 아울러 전면전극(14)은 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-2)의 패턴에 평행하거나 직교하는 방향으로 형성될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 국부화 에미터 태양전지의 제조 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1도전형의 실리콘 재질의 기판(10)을 준비한다(S100).
상기한 단계 S100에서는 기판(10)의 커팅 공정의 결과로 생성된 결함 부분을 제거하기 위하여 화학적 방식으로 기판(10)을 식각하는 쏘 데미지 에칭(Saw Damage Etching) 공정을 진행하게 된다. 이때 식각 용액으로 수산화칼륨(KOH) 용액 등을 사용하여 기판(10)의 표면을 전체적으로 일정 깊이만큼 식각한 후, DIW(Deionized Water) 등을 사용하여 세정하는 것이 바람직하다.
아울러, 쏘 데미지 에칭(Saw Damage Etching) 공정 이후에는, 산(Acid) 또는 알카리(Alkaline) 등을 이용한 습식 텍스쳐링 공정이나 건식 텍스쳐링 공정을 진행하게 된다. 이러한 텍스쳐링 공정에 의해 형성되는 기판(10)의 표면 요철 구조는 도면의 간략화를 위해 도 5 내지 도 13에 도시하지 않았다.
상기한 단계 S100을 통해 기판(10)이 준비된 상태에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-2)이 형성될 부위를 제외한 기판(10)의 상부, 특히 기판(10)의 상층부에 제1도전형 불순물을 국부적으로 고농도 도핑시켜 제1도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-3)을 형성한다(S110).
상기한 단계 S110에서는 불순물 이온 주입 공정이나 레이져 도핑 또는 불순물 페이스트를 소스로 한 확산 공정을 등을 수행할 수 있다. 이때 확산 공정시에는 확산 방지막을 사용할 수도 있고 사용하지 않을 수도 있다.
상기한 단계 S110을 통해 기판(10)의 상부에 형성된 제1도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-3)은 예컨대, p+ 영역으로 이루어질 수 있으며, 기판(10)의 전면에서 소수 운송자의 접근을 방지하기 위한 전계를 형성하는 역할을 담당하게 된다.
상기한 단계 S110 이후에는, 열처리 공정 또는 증착 공정 등을 수행하여 도 6에 도시된 바와 같이, 기판(10)의 표면에 유전층(20, 21)을 형성한다(S120).
상기한 단계 S110에서는 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 공정 등의 화학기상증착 공정 등을 수행하여 기판(10)의 상부에만 실리콘 질화막(Si3N4)으로 구성된 유전층(20)을 증착시켜 형성할 수 있다.
상기한 단계 S110 이후, 기판(10)의 후면에 알루미늄(Al) 및 은(Ag) 등을 포함하는 금속 물질을 도포하고, 소성 공정을 진행하여 도 7에 도시된 바와 같이, 기판(10)의 하부면에 후면전극(15)을 형성한다(S130).
상기한 단계 S130에서는 소성 공정 시의 열처리에 의해, 기판(10)의 하부면에 도포된 금속 물질 중 알루미늄(Al)을 소스로 한 제1도전형 불순물의 고농도 도핑층(10-1)이 기판(10)의 하부에 자연 형성되는데, 이때 상기한 단계 S120을 통해 기판(10)의 하부면에 형성된 유전층(21)은 알루미늄(Al)을 소스로 한 제1도전형 불순물의 도핑으로 인해 제1도전형 불순물의 고농도 도핑층(10-1) 내에 포함되는 것이 바람직하다.
상기한 단계 S130 다음에는, 레이져 도핑 공정을 수행하여 도 8에 도시된 바와 같이, 기판(10)의 상부에 형성된 유전층(20)을 국부적으로 제거함과 동시에, 그 유전층(20)이 제거된 기판(10)의 상층부에 제2도전형 불순물을 고농도 도핑시켜 기판(10)의 상층부에 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-2)을 국부적으로 노출시켜 형성한다(S140).
상기한 단계 S140을 통해 기판(10)의 상층부에 형성된 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-2)은 제1도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-3)과 접촉없이 교번하도록 형성되는 것이 바람직하며, 예컨대 n++ 영역으로 이루어질 수 있다.
상기한 단계 S140 이후, 도 9에 도시된 바와 같이, 기판(10)의 상부에 보조전극층(30)을 증착시킨다(S150).
상기한 단계 S150를 통해 기판(10)의 상부에 형성된 보조전극층(30)은 유전층(20) 위에 증착될 뿐 아니라, 기판(10)의 상부에 국부적으로 노출된 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-2)에 직접 접촉되도록 증착될 수 있다.
상기한 단계 S150 이후, 스크린 프린팅 공정을 수행하여 도 10에 도시된 바와 같이, 보조전극층(30) 위에 수광면을 최대한 확보할 수 있도록 간격(d)을 최대한 넓히는 등의 패턴으로 전면전극(14)을 형성한다(S160).
상기한 단계 S160에서 전면전극(14) 형성 시에는 보조전극층(30) 위에 원하는 패턴으로 은(Ag) 등으로 구성된 금속 물질을 도포한 후, 소성 공정을 진행하는 것이 바람직하다.
한편으로는, 상기한 단계 S150에서 도 11에 도시된 바와 같이, 우선 기판(10)과의 접촉시 비저항을 낮추어 주는 시드층(Seed Layer)(20-1)을, 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-2)에 직접 접촉하도록 증착시킨 후, 기판(10)의 상부에 전체적으로 보조전극층(30)을 증착시킨 다음, 상기한 단계 S160을 수행하여 도 12에 도시된 바와 같은 국부화 에미터 태양전지를 제조할 수 있다.
다르게는, 상기한 단계 S100을 통해 기판(10)이 준비된 상태에서, 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-2)이 형성될 부위를 제외한 기판(10)의 상부면 위에 제1도전형 불순물이 고농도 도핑된 비정질 실리콘(a-Si) 박막을 패터닝함으로써, 기판(10)의 상부면 위에 제1도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-3)을 국부적으로 형성한 다음, 상기한 단계 S120 내지 S160을 수행하여 도 11에 도시된 바와 같이, 제1도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-3)이 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역(10-2) 및 보조전극층(14)과 접촉하지 않도록 기판(10)의 상부면 위에 적층된 구조를 갖는 국부화 에미터 태양전지를 제조할 수 있다. 다만, 상기한 단계 S120 내지 S160 수행시, 열처리 공정을 수행하는 경우에는 기판(10)의 상부면 위에 패터닝되어 있는 비정질 실리콘(a-Si) 박막의 손상 방지를 위하여 400℃ 이하의 온도로 열처리 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 국부화 에미터 태양전지 및 그 제조 방법은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.
1: 소수 운송자 2: 다수 운송자
10: 기판 10-1: 제1도전형 불순물의 고농도 도핑층
10-2: 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역
10-3: 제1도전형 불순물의 고농도 도핑 영역
11: 제1도전형 반도체층 12: 제2도전형 반도체층
13: 반사방지막 14: 전면전극
15: 후면전극 20, 21: 유전층
20-1: 시드층 30: 보조전극층
10: 기판 10-1: 제1도전형 불순물의 고농도 도핑층
10-2: 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역
10-3: 제1도전형 불순물의 고농도 도핑 영역
11: 제1도전형 반도체층 12: 제2도전형 반도체층
13: 반사방지막 14: 전면전극
15: 후면전극 20, 21: 유전층
20-1: 시드층 30: 보조전극층
Claims (18)
- 상하부에 전면전극 및 후면전극이 구비된 실리콘 재질의 제1도전형의 기판을 포함하며,
상기 기판의 상부에는 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역이 국부적으로 형성되되,
상기 기판의 상부 중 상기 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역의 형성 부위를 제외한 부위에는 제1도전형 불순물의 고농도 도핑 영역이 형성되며,
상기 기판과 상기 전면전극 사이에 유전층 및 보조전극층이 차례로 적층되어 구성되며,
상기 유전층은, 상기 제1도전형 불순물의 고농도 도핑 영역과 상기 보조전극층 간의 절연을 위해, 상기 기판의 상부 중 상기 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역의 형성 부위를 제외한 부위에 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 국부화 에미터 태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 제1도전형 불순물의 고농도 도핑 영역은,
상기 기판의 상부에 상기 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역과 일정 간격을 갖고 교번하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 국부화 에미터 태양전지.
- 제2항에 있어서,
상기 제1도전형 불순물의 고농도 도핑 영역은,
상기 제1도전형 불순물이 상기 기판의 내부로 도핑된 구조로 형성되어, 광생성된 소수 운송자의 기판 표면 이동을 방지하기 위한 전계를 형성하는 것을 특징으로 하는 국부화 에미터 태양전지.
- 제2항에 있어서,
상기 제1도전형 불순물의 고농도 도핑 영역은,
상기 기판의 상부에 적층된 구조로 형성되어, 광생성된 소수 운송자의 기판 표면 이동을 방지하기 위한 전계를 형성하는 것을 특징으로 하는 국부화 에미터 태양전지.
- 제4항에 있어서,
상기 제1도전형 불순물의 고농도 도핑 영역은,
제1도전형 불순물이 고농도 도핑된 비정질 실리콘 박막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 국부화 에미터 태양전지.
- 삭제
- 제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 유전층은,
실리콘 산화물, 알루미늄 산화물, 티타늄 산화물 또는 실리콘 질화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 국부화 에미터 태양전지.
- 제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 보조전극층은,
상기 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역에 직접 접촉하거나, 시드층(Seed Layer)을 매개로 접촉하도록 상기 유전층 위에 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 국부화 에미터 태양전지.
- 제8항에 있어서,
상기 보조전극층은,
투명전도산화막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 국부화 에미터 태양전지.
- 제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 기판은,
하부에 후면 전계를 형성하는 제1도전형 불순물의 고농도 도핑층을 구비하는 것을 특징으로 하는 국부화 에미터 태양전지.
- 제2항에 있어서,
상기 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역은,
규칙 또는 불규칙적인 선폭 및 간격을 갖는 선 패턴으로 형성되는 것을 특징으로 하는 국부화 에미터 태양전지.
- 제2항에 있어서,
상기 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역은,
규칙 또는 불규칙적인 크기 및 간격을 갖는 점 패턴으로 형성되는 것을 특징으로 하는 국부화 에미터 태양전지.
- 제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 전면전극은,
상기 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역의 패턴에 평행하거나 직교하는 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 국부화 에미터 태양전지.
- 제1도전형의 기판을 준비하는 단계와;
상기 기판의 상부에 국부적으로 제1도전형 불순물을 고농도 도핑시켜 상기 기판의 상부에 국부적으로 제1도전형 불순물의 고농도 도핑 영역을 형성하는 단계와;
상기 기판의 상부에 유전층을 증착시키는 단계와;
상기 기판의 하부에 후면전극을 형성하는 단계와;
레이져 도핑 방식을 통해 상기 기판의 상부 중, 상기 제1도전형 불순물의 고농도 도핑 영역의 형성 부위를 제외한 부위에 증착되어 있는 유전층을 국부적으로 제거하며, 상기 유전층이 국부적으로 제거된 상기 기판의 상부에 제2도전형 불순물을 고농도 도핑시켜 상기 기판의 상부에 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역을 형성하는 단계와;
상기 기판의 상부에 보조전극층을 증착시키는 단계와;
상기 보조전극층 위에 전면전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 국부화 에미터 태양전지 제조 방법.
- 제1도전형의 기판을 준비하는 단계와;
상기 기판의 상부에 국부적으로 제1도전형 불순물이 고농도 도핑된 비정질 실리콘 박막을 패터닝하는 단계와;
상기 기판의 상부에 유전층을 증착시키는 단계와;
상기 기판의 하부에 후면전극을 형성하는 단계와;
레이져 도핑 방식을 통해 상기 기판의 상부 중, 상기 제1도전형 불순물이 고농도 도핑된 비정질 실리콘 박막이 패터닝된 부위를 제외한 부위에 증착되어 있는 유전층을 국부적으로 제거하며, 상기 유전층이 국부적으로 제거된 상기 기판의 상부에 제2도전형 불순물을 고농도 도핑시켜 상기 기판의 상부에 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역을 형성하는 단계와;
상기 기판의 상부에 보조전극층을 증착시키는 단계와;
상기 보조전극층 위에 전면전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 국부화 에미터 태양전지 제조 방법.
- 삭제
- 제14항 또는 제15항에 있어서,
상기 후면전극을 형성하는 단계는,
상기 기판의 하부에 금속 물질을 도포하는 단계와;
소성 공정을 진행하여 상기 기판의 하부에 후면전극을 형성하는 단계와;
상기 소성 공정 시의 열처리에 의해, 상기 기판의 하부에 제1도전형 불순물의 고농도 도핑층이 형성되는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 국부화 에미터 태양전지 제조 방법.
- 제17항에 있어서,
상기 보조전극층을 증착시키는 단계는,
상기 제2도전형 불순물의 고농도 도핑 영역에 직접 접촉하도록 시드층(Seed Layer)을 증착하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 국부화 에미터 태양전지 제조 방법.
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|---|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|---|
| US11264529B1 (en) * | 2020-08-24 | 2022-03-01 | Jinko Green Energy (Shanghai) Management Co., LTD | Solar cell and method for manufacturing the same |
| US11721783B2 (en) | 2020-08-24 | 2023-08-08 | Shangrao Jinko Solar Technology Development Co., Ltd | Solar cell and method for manufacturing the same |
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