KR101219926B1 - 역 적층 구조를 갖는 이종접촉 태양전지 - Google Patents

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Abstract

공지된 이종접촉 태양전지의 비정질 방사체는 빛과 마주하는 결정질 흡수체의 상부에 배치되어 입사광을 흡수하므로 흡수체에서의 전하 캐리어의 생성에 기여할 수 없다. pn-전이에 대하여 부정적 영향을 주는 커버층으로서의 투명 도전 산화층(TCO)을 회피할 수 있다. 본 발명의 이종접촉 태양전지(HKS)는 역 적층구조를 갖고, 따라서 역 이종접촉을 갖는다. 비정질 방사체(EM)는 빛과 마주하지 않는 결정질 흡수체(AB)의 하부면(LU) 상에 배치된다. 흡수체(AB)는 빛과 마주하는 상부면(LO) 상의 투명 반사방지 코팅(ARS)만으로 커버된다. 이 코팅은, 선택된 물질로 인하여, 동시에 전기적으로 효과적인 비활성화층(PS)이 되며, 따라서 흡수 손실을 회피할 수 있다. 물질, 시간 및 에너지 요건과 관련한 에너지 회복 시간은 방사체(EM)의 저온 제조 및 250℃ 내지 350℃에서의 플라즈마 CVD 공정에 의한 반사방지 코팅(ARS)에 의하여 감소될 수 있다. 상부 접촉 구조(OKS)는 투명 반사방지 코팅(ARS)을 손가락 모양으로 관통하고, 하부 접촉 구조(UKS)는 얇고 넓은-표면 금속층(MS)으로 구성된다.

Description

역 적층 구조를 갖는 이종접촉 태양전지{HETEROCONTACT SOLAR CELL WITH INVERTED GEOMETRY OF ITS LAYER STRUCTURE}
본 발명은 적층구조 방식의 이종접촉 태양전지에 관한 것이다. 이종접촉 태양전지는 p-타입 또는 n-타입 도핑된 결정질 반도체 물질로 형성된 흡수체 (absorber), 흡수체와 반대로 도핑된 비정질(amorphous) 반도체 물질로 형성된 방사체(emitter), 흡수체와 방사체 사이에 위치하며 비정질 반도체 물질로 형성된 진성 중간층(intrinsic interlayer), 빛과 마주하는 흡수체의 측면에 위치한 커버층 (cover layer), 소수 전하 캐리어(minority charge carriers)를 반사하는 표면 필드(surface field)를 형성하는 층뿐만 아니라, 빛과 마주하는 흡수체의 측면에 최소화된 차광 표면(minimized shading surface)을 갖는 저항 접촉 구조(ohmic contact structure), 빛과 마주하지 않는 흡수체의 측면에 위치한 저항 접촉 구조를 포함한다.
결정질 및 비정질 실리콘으로 형성된 이종접촉 태양전지는 중요한 기술적 의미를 갖는다. 이종접촉 태양전지의 일반적인 구조는, 예를 들어, 케이. 브렌델 (K.Brendel) 등의 간행물(I) "Interface properties of a Si:H/c-Si heterostructures" (Annual Report 2003, Han-Meitner-Institut, 78/79)에 개시되어 있다. 이종접촉 태양전지가 빛과 마주하고 있는 측면에서는, 결정질 p-도핑 실리콘(c-Si(p)) 및 미세결정(microcrystalline) 실리콘(μc-Si)으로 형성된 중앙 흡수체(central absorber)가, 수소가 저장 또는 농축된(alloyed or enriched) 비정질 n-도핑 비정질 실리콘(a-Si:H(n+))으로 형성된 방사체 및 손가락 모양의 전면 접점 (front contacts) 아래에 위치하는 커버층으로서의 투명 도전 산화층(transparent conductive oxide layer, TOC)을 갖는다. 빛과 마주하는 흡수체의 상부에 위치한 방사체는 방사선(radiation)을 흡수하여 흡수체에 도달하지 않게 한다. 빛과 마주하지 않는 흡수체의 하부에는 수소가 농축된 무겁게 p-도핑된 비정질 실리콘층(a-Si:H(p+))이, 소수 전하 캐리어를 반사하는 표면 필드(배면 필드(back surface field, BSF))를 형성하기 위하여, 흡수체와 배면 접점(back contact)의 전면(全面)(full-surface) 사이에 위치한다.
각 타입의 태양전지처럼 일반적인 적층구조를 갖는 이종접촉 태양전지에 있어서, 방사체는 빛과 마주하고 있는 흡수체의 상부에 위치하고, 또한 태양전지에 흡수된 광에너지가 전기에너지로 전환될 때 손실을 받는다. 기본적으로, 태양전지의 잘못된 구조 때문에, 비정질 영역이 결정질 영역보다 전하 캐리어에 대하여 나쁜 이송(transport) 성질을 갖는다. 전환과정에서의 손실은 태양전지의 활성 영역 (active region)에서의 입사 방사선의 광자(photon) 모두가 전자-구멍 쌍 (electron-hole pairs)으로 전환되지 않기 때문이다. 여기서 활성 영역이란, 전자 및 구멍의 수명이 충분하게 길기 때문에 태양전지에서 전자 및 구멍이 수집되는 영역을 의미하며, 그리고 전자 및 구멍은 저항 접촉 시스템을 통하여 흘러나올 수 있다. 태양전지가 효율적으로 작동하기 위하여 필요한 전제 조건은, 가능한 한 많은 방사선 분할이 활성 영역으로 흡수되는 것이다. 이종접촉 태양전지에 있어서, 이러한 활성 영역은 결정질 실리콘으로 형성된 흡수체이고, 반면에 이와는 반대로, 방사체 층에서 생성된 전자 및 구멍은 비교적 짧은 수명을 갖고 거의 수집될 수 없기 때문에, 빛을 흡수체에 진입하는 비정질 실리콘으로 형성된 무겁게 도핑된 방사체는 비활성(inactive) 영역이 된다. 비정질 방사체 물질의 높은 흡수율 때문에, 입사되는 빛의 대부분이 방사체에 흡수된다.
종래 적층 구조 및 빛과 마주하고 있는 흡수체의 상부에 방사체를 갖는 이종접촉 태양전지에서 상기 언급된 손실을 줄이기 위하여, 본 발명과 가장 유사한 기술이라고 인정되는 유럽 특허출원 EP 1 187 223 A2에서는, 무겁게 도핑된 비정질 실리콘으로 형성된 방사체의 두께를 감소시키는, 즉, 5 nm의 최소 층 두께를 유지하여 pn 이종접촉을 완전하게 형성하거나, 또는 밴드갭(bandgap)의 증가에 의하여 방사체에서의 빛 흡수를 감소시키는 접근을 하고 있는, 산요사(Sanyo Company)에서 제작된 소위 "HIT" 태양전지(진성 박막층을 갖는 이종접합(heterojunction with intrinsic thin layer))에 대하여 개시하고 있다. 이러한 목적을 위하여, 방사체의 비정질 실리콘에 탄소가 혼합된다. 유럽 특허출원 EP 1 187 223 A2에 개시된 일반적인 이종접촉 태양전지는, 중앙에 n-타입으로 도핑된 결정질 실리콘 웨이퍼를 흡수체로서 갖는 적층구조를 갖는다. 흡수체의 양면에, 인접한 비정질 실리콘 층에 이종접촉이 형성된다. 빛과 마주하고 있는 흡수체의 측면에는, 두 개의 진성 중간층, 즉 비정질 방사체와 커버층으로서의 투명 도전 전극(ITO)이 위치한다. 빛과 마주하지 않는 흡수체의 측면에는, 적어도 두 개 이상의 비정질층이 BSF를 생성하기 위하여 수집 배면전극(collecting back electrode)의 전면에 제공되고, 여기서 하나의 층은 도핑되지 않는 반면에 다른 하나의 층은 n-타입 흡수체와 같이 무겁게 도핑된다. 이종접촉 태양전지의 양면은 전하 캐리어를 수집하는 ITO층 상에 격자 모양(grid-like) 접촉 시스템을 갖는다.
따라서, 종래 HIT 태양전지는 보다 낮은 도전성 비정질 방사체에서 수집된 전하를 운반하기 위하여 빛과 마주하는 상부에 투명 도전층(TCO, ITO)을 갖는다. 에이.지. 울야신(A.G.Ulyashin) 등의 간행물(Ⅱ) "The influence of the amorphous silicon deposition temperature on the efficiency of the ITO/a-Si:H/c-Si heterojunction(HJ) solar cells and properties of interfaces" (Thin solid Films 403-404 (2002) 259-362)에서는, 비정질 방사체 상에 투명 도전층을 증착하는 것이 비정질 실리콘과 결정질 실리콘 사이(방사체/흡수체)의 경계면에서 전자적 성질을 저하시키는 것으로 의심하고 있음을 나타내고 있다.
또한, 독일 특허출원 DE 100 45 249 A1은 결정질 방사체가 빛과 마주하지 않는 흡수체의 측면에 배치되는 결정질 태양전지에 대하여 개시하고 있다. 결정질 방사체는 높은 온도에서의 제조 과정을 이용하여 스트립(strip) 형태로 구성되고, 반대로 도핑된 결정질 스트립과 인터리브(interleave)되어, 배면 필드(BSF)를 형성한다. 이 맞물린(interdigitated) 순수 결정질 반도체 구조는 오직 매우 복잡한 제조 과정에 의하여 생성될 수 있고, 배면 접점으로서의 역할을 하고, 배면 접점에는 빛과 마주하지 않는 태양전지의 하부에 두 개의 저항 접촉 구조가 배치되고 또한 마찬가지로 인터리브되어 있다. 통합되어 캡슐화(encapsulation)되고, 빛과 마주하는 흡수체의 상부에 제공되는 반사방지층(antireflective layer) 아래에, 공지의 태양전지는, 태양전지의 앞면에서 광-생성(light-generated) 전하 캐리어의 재결합을 감소시키나, 부가적으로 광을 흡수하는 역할을 하는 부가적인 비활성화층 (passivation layer)을 포함한다. 또한, 매우 작은 방사체 영역을 갖는 다른 맞물린 형태의 태양전지가 미국 특허번호 4,927,770에 개시되어 있고, 미국 특허출원번호 2004/0200520 A1에는 보다 큰 방사체 영역이 홈(trench) 형태로 제공되는 맞물린 형태의 태양전지가 개시되어 있다. 이러한 두 가지의 종래의 맞물린 태양전지의 경우에는, 빛과 마주하는 상부에는 비활성화층 및 반사방지층이 제공될 뿐만 아니라, 소수 전하 캐리어를 반사하는 표면 필드(전면 필드-FSF)를 형성하기 위하여 도핑된 전면층(front layer)이 함께 제공된다. 특히 표면 필드를 형성하는 층은, 만약 이 층이 무겁게 도핑된 Si 층이라면, 높은 흡수성을 갖고 결과적으로 태양전지의 활성 영역에 입사하는 광뿐만 아니라 전하 캐리어 수율을 감소시킨다. 그러나, 빛과 마주하는 상부에서, FSF 형성은 강한 광 입사로 인하여 많은 전하 캐리어가 여기에서 생성되므로 매우 중요하고, 이러한 전하 캐리어의 재결합이 최소화되어야 한다.
독일 특허출원번호 DE 100 42 733 A1에서는 광-입사 측면에 투명 유리 상층 (superstrate)과, 동시에 투명 전극 및 FSF를 구축하기 위한 층으로서의 역할을 하 고, 무겁게 p-도핑된 다결정 실리콘(p+ -pc-Si)으로 형성된 유리 상층과 흡수체 사이에 접촉층을 구비한 p-타입 도핑된 다결정 흡수체(p-pc-Si)를 갖는 순수 결정질 박막 태양전지를 개시한다. 그러나, FSF의 생성 및 빛과 마주하는 측면의 투명 전극에 의한 전류 수집은 흡수 손실을 희생하여 엔트리 윈도우(entry window)에 진입한다. 빛과 마주하는 측면의 반사방지층을 위하여는 어떠한 처리(preparation)도 이루어지지 않고, 이러한 기능은 투명 유리 상층에 의하여 수행된다. 빛과 마주하지 않는 흡수체의 측면에는, 반대쪽 면에 거친 표면을 갖는 무겁게 n-도핑된 미세결정 실리콘(n+ -μc-Si)으로 형성된 방사체가 흡수체 상에 직접적으로 위치하고, 알루미늄층이 후반사 접촉층(back-reflective contact layer) 및 전극으로서 상기 표면에 배치된다.
HIT 태양전지와 관련하여 상기에서 매우 자세하게 기술된 일반적인 이종접촉 태양전지에 기초하여, 본 발명의 목적은 이종접촉 태양전지를 위한 용이하게 제조가능한 층 구조를 생성하는 것이다. 상기 층 구조는 약간의 광 손실을 수반하고, 빛과 마주하는 측면에 투명 도전 전극(transparent conductive electrode, TCO)을 필요로 하지 않고, 그럼에도 불구하고 태양 에너지로부터의 전기 생산에 있어서, 전환 효율이 종래의 층 구조를 갖는 공지의 이종접촉 태양전지와 비교하여 떨어지지 않는다.
이러한 목적은 간단하고 비용 효율적인 제조 방법을 달성하는 한편 가능한 한 적은 물질, 시간 및 특히 에너지를 이용하면서, 제조된 이종접촉 태양전지를 위한 가능한 한 가장 짧은 에너지 회복 시간을 달성하기 위한 것이다. 이러한 목적은 본 발명의 독립항에 따른 발명에 의하여 달성될 수 있다. 본 발명의 유익한 변형은 종속항에서 제시되고 본 발명과 관련하여 매우 상세하게 설명될 것이다.
기본적으로 종래의 이종접촉 태양전지와 다른 본 발명에 따른 이종접촉 태양전지는, 역 적층구조를 가지므로 역 이종접촉을 갖는다. 비정질 방사체는 빛과 마주하지 않는 흡수체의 하부에 배치된다. 흡수체의 이면에는, 입사광의 세기가 방사체를 통과할 방사선이 거의 없을 정도로 이미 상당한 정도로 감소되고 흡수되어, 흡수 손실은 작게 유지될 수 있다.
본 발명에 따른 이종접촉 태양전지는 빛과 마주하는 흡수체의 상부에, 커버층으로서 향상된 반사방지 성질을 갖는 오직 하나의 투명 반사방지층을 포함한다. 투명 반사방지층은 선택된 물질이 동시에 전기적으로 활성인 비활성화층으로서의 기능을 하므로, 소수 전하 캐리어를 후방산란하는 표면 필드(FSF)가 형성되어 전하 캐리어의 재결합을 방지한다.
반사방지층의 반사방지 특성은, 공기의 굴절율(nL)보다 크고 흡수체의 결정질 반도체 물질의 굴절율(nAB)보다 작은 굴절율(nARS)(즉, nL<nARS<nAB)을 갖는 반사방지층을 형성하는 물질의 선택에 의하여 결정된다. 커버층의 투명 반사방지층 및 비활성화층으로서의 이중 기능으로 인하여, 빛과 마주하는 측면의 투명 도전 전극(TCO)이 필요하지 않다. 이는 전류를 전도하는 상기 전극의 기능이 상부 접촉 시스템으로서 미세(fine) 접촉 격자에 의하여 수행될 수 있기 때문이다. 더욱이, 다른 층 특히 무겁게 도핑된 Si-FSF 층 및 높은 흡수 비활성화층은 물론 태양전지의 다른 처리 또한 불필요하게 된다. 본 발명에 따른 이종접촉 태양전지의 경우에, 부가적인 커버층의 제거로 인하여, 물질, 시간 및 에너지의 관점에서 제조 노력이 상당하게 감소되고 단순화된다.
빛과 마주하지 않는 흡수체의 측면에 결정질, 스트립상(strip-like) 방사체를 갖는 공지된 맞물린 결정질 태양전지와는 대조적으로, 본 발명에 따른 이종접촉 태양전지의 비정질 방사체는 인접한(contiguous) 층으로서 구성되기 때문에, 제조하기가 용이하고 효율적으로 기능하며 용이하게 접촉될 수 있다. 또한, 이종접촉 태양전지의 방사체는 900℃ [1652℉] 이상의 온도에서 관련된 도핑 종류를 확산하여 형성되는 것이 아니라, 예를 들어, 250℃ [482℉] 이하의 기판 온도에서 가스 상태로부터 플라즈마 향상 화학증기증착(plasma enhanced chemical vapor deposition from the gas phase, PECVD)에 의하여 형성된다.
더욱이, 본 발명에 따른 이종접촉 태양전지의 경우에, 투명 반사방지층과 방사체를 분리함으로써, 이들 층의 두께가 상호 독립적으로 최적화될 수 있다. 예를 들어, 빛과 마주하지 않는 흡수체의 하부의 방사체의 층 두께는 양호하고 안정된 공간 전하 영역을 제공하는 빛과 마주하는 상부의 층보다 더 두꺼운 층 두께를 가질 수 있다. 결과적으로 방사체와 흡수체 사이의 활성 경계면의 전자적 성질은 개선된다. 투명 반사방지층이 제조될 때, 아래에 위치하는 층 및 이들의 전자적 성질에 관한 효과를 고려할 필요가 더 이상 없다.
흡수체에서 생성된 전하 캐리어는 결정질 흡수체와 비정질 방사체 사이의 이종접촉 상의 공간 전하 영역에서 분리되고, 저항 접촉 구조를 통하여 유동된다. 이러한 과정에서, 빛과 마주하는 흡수체의 상부의, 최소화된 차광 표면을 갖도록 구성된, 저항 접촉 구조는 투명 반사방지층을 관통한다. 다른 저항 접촉 구조는 빛과 마주하지 않는 흡수체의 하부의 방사체의 넓은 표면에 걸쳐 구성된다. 바람직하게는, 전하 캐리어를 반사하는 영역은 투명 반사방지층을 관통하는 접촉 구조 아래에 있는 흡수체 안에 구성될 수 있고, 그 결과, 투명 반사방지층에 의하여 형성된 전하 캐리어를 후방산란하는 표면 필드(FSF)와 함께, 흡수체의 전체 표면에 연속적인 표면 필드가 생성된다. 방사체와 접촉하기 위하여, 비정질 방사체 상의 증착이 이종 전이(heterotransition)에서 전자적 성질을 저하하는 원인으로 의심받고 있는, 전극으로서의 투명 도전 산화층(TCO, 예를 들어, ITO)이 더 이상 필요하지 않다(상기 참조).
본 발명에서는 이러한 기술적인 어려움을, 넓은-표면 접촉 구조를 생성하기 위하여, 예를 들어 열기화(thermal vaporization) 수단에 의하여 넓은 표면에 걸쳐 양호한 접촉을 가능하게 하는 비정질 방사체의 온화한 금속화에 의하여 회피한다. 본 발명에서, 넓은 표면 접촉 구조는 마스킹 기술을 이용함으로써 방사체의 하부 전체 또는 상당한 표면을 커버할 수 있다.
만일 흡수체가 n-타입 도핑 결정질 실리콘으로 형성되고, 방사체가 진성, 즉 도핑되지 않은, 비정질 중간층을 갖는 p-타입 도핑 비정질 실리콘으로 형성되면, 상기 언급된 장점은 역 이종 전이를 갖는 본 발명에 따른 이종접촉 태양전지에 관하여 특히 유익한 효과를 갖는다. 이러한 물질이 선택된 경우에는, 기술적으로 다루기 용이하고 양호한 전송 특성 뿐만 아니라 긴 전하 캐리어 수명을 갖는 실리콘으로 형성된 n-도전 흡수체가 달성되고, 상기 실리콘은 단결정, 다결정 또는 미세결정으로 구성될 수 있다. 이러한 물질 시스템의 선택을 통하여, FSF를 형성하는 비활성화층은 종래 기술분야에서 수행된 바와 같은 실리콘 산화물이 아니라 실리콘 아질산염(nitrite)으로 형성될 수 있고, 이것의 광굴절율은 공기와 실리콘의 광굴절율 사이에 있어, 따라서 비활성화층은 동시에 양호한 투명 반사방지층으로도 기능한다.
또한, 이러한 이중 기능 투명 반사방지층은 흡수체가 p-도전성(p-conductive)이 되도록 도핑되면 가능하다. 선택된 물질의 굴절율은 다시 공기와 실리콘의 굴절율 사이에 존재하여야 하며, 상기 물질은 흡수체에 대하여 비활성화 효과를 가져야 한다. 또한, 빛과 마주하지 않는 실리콘 흡수체의 하부는, 개방 결합(open bonds), 소위 불포화 결합(dangling bonds)이 화학적으로 매우 효율적으로 포화되기 때문에 매우 약간 경계면 재결합으로 전환하는, 저온 공정을 이용한 간단한 방식에 의하여 비정질 실리콘으로 형성된 방사체에 의하여 비활성화될 수 있다. 밴드 갭이 결정질 실리콘의 밴드 갭보다 충분히 높은 비정질 실리콘으로의 포화는 매우 양호한 pn-이종접촉 전이를 제공한다. 방사체의 비정질 실리콘은 대조적으로 명확한 흡수 및 재결합 행위를 나타낸다. 따라서, 활성 영역 이면의 얇은 방사체의 배치는 최적이 된다.
더욱이, 저항 접촉 구조 중 하나는 은 또는 알루미늄으로 형성된 접촉 손가락 또는 접촉 격자로서 빛과 마주하는 흡수체의 상부에 구성될 수 있고, 반면에 다른 저항 접촉 구조는 금 또는 다른 적당한 물질의 얇고 평평한 금속층으로서 방사체에 구성될 수 있다. 비록 이러한 귀금속 모두는 상대적으로 비싸지만, 그들의 우수한 도전성 및 가공(processing) 특성을 고려하여 매우 적은 양으로 이용된다. 또한, 넓은-표면 구조가 사용되는 경우에는, 보다 싼 금속을 이용하여 접촉을 두껍게 하는 것을 생각할 수 있다. 또한, 흡수체는 비교적 두꺼운 자립형(self-supporting) 웨이퍼, 특히 실리콘 웨이퍼로서 구성될 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 태양전지는 또한 박막 기술, 즉, ㎚ 또는 ㎛ 범위의 두께를 갖는 개별적인 층으로 구성될 수 있으며, 이러한 층은 빛과 마주하지 않는 흡수체의 하부의 유리 기판으로부터 필요한 안전성을 얻을 수 있다. 다른 배치, 물질 시스템 및 제조 과정은 하기의 특정 설명 부분으로부터 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 역 적층구조를 갖는 이종접촉 태양전지의 실시예를 개략적인 도면을 참고하여 하기에서 자세하게 기술한다.
도 1은 이종접촉 태양전지의 단면 적층구조를 나타낸다;
도 2는 제작된 이종접촉 태양전지의 어둠(dark) 및 밝음(light) 특성 곡선을 나타낸다; 그리고
도 3은 도 2에 따른 이종접촉 태양전지의 스펙트럼 양자 수율을 나타낸다.
도 1은 광 방사(자연적 또는 인공적, 눈에 보이는 및/또는 눈에 안보이는)(화살표)에 의하여 빛과 마주하고 있는 상부면(LO)을 갖는 흡수체(AB)를 포함하는 이종접촉 태양전지(HKS)를 나타낸다. 흡수체(AB)는 층 두께(dAB)를 갖고 n-타입 도핑 결정질 실리콘(n c-Si)으로 형성된 자립형 웨이퍼로 구성된다. 여기서, 사용된 실리콘은 단결정, 다결정, 멀티결정(multicrystalline), 또는 미세결정 (microcrystalline)이 될 수 있다.
실리콘 아질산염(Si3N4)으로 형성된 투명 반사방지층(ARS)은 빛과 마주하고 있는 흡수체(AB)의 상부면(LO) 상에 커버층(DS)으로서 배치되고, 그리고 이 반사방지층(ARS)은 동시에 흡수체(AB) 상의 비활성화층(PS)으로도 기능을 한다. 전하 캐리어를 후방산란하는 표면 필드(FSF)(도 1에서 점선으로 표시됨)가 광 입사면에 전하 캐리어의 재결합을 방지하기 위하여 형성된다. 커버층(DS)의 이중 기능은 흡수체 기능을 하는 물질을 선택함으로써 얻어진다. 투명 반사방지층의 반사방지 특성은 공기의 굴절율(nL)과 흡수체 물질의 굴절율(nAB) 사이의 광 굴절율(nARS)(즉, nL<nARS<nAB)을 채택함으로써 결정된다. 비활성화 특성은 상기 채택된 물질이 흡수체 표면에서 갖는 전기 효과에 의존한다. 흡수체(AB) 상에서의 하나의 커버층(DS)으로 인하여, 흡수를 통한 광자 손실은 방사체(EM)가 빛과 마주하고 있는 흡수체(AB)의 상부면(LO) 상에 배치되는 종래의 이종접촉 태양전지 구조에 비하여 상당히 감소하게 된다. 또한, 투명 반사방지층(ARS)이 형성된 경우에도, 아래에 놓인 층 및 그들 의 전자적 성질에 대하여 나쁜 영향을 미칠 위험도 없다.
역 적층구조를 갖는 이종접촉 태양전지(HKS)에 있어서, 방사체(EM)는 빛과 마주하지 않는 흡수체(AB)의 하부면(LU) 상에 배치된다. 선택된 실시예에서는, 방사체(EM)는 수소(H)가 농축된 p-타입 도핑 비정질 실리콘(p a-Si:H)으로 형성된다. 방사체(EM)의 흡수체(AB) 뒤의 역 위치로 인하여, 방사체(EM)는 어떠한 광도 흡수할 수 없고, 또한 방사체의 층두께(ddot)는 개별적으로 정해질 수 있고 특히 충분히 두껍께 형성될 수 있다. 그러나, 비정질 실리콘에서의 전하 캐리어의 이동도 (mobility)는 결정질 실리콘에서의 이동도보다 훨씬 낮기 때문에, 방사체의 층 두께(ddot)도 너무 두꺼우면 안 된다. 그러므로, 방사층의 층 두께(ddot)는 이종접촉 태양전지(HKS)의 일부분에서의 적은 직렬 저항의 관점에서 최적화될 수 있다. 층두께(di)를 갖고 흡수체(AB)와 방사체(EM) 사이에 위치하는 매우 얇은 진성(도핑되지 않은) 중간층(IZS)은 선택된 실시예에서는 비정질 실리콘(i a-Si:H)으로 형성된다.
역 적층구조를 갖는 이종접촉 태양전지(HKS)는 빛과 마주하는 상부면에, 흡수체(AB)를 최소 표면으로 차광하도록 구성된 상부 접촉 구조(OKS)를 갖고, 최대 광 입사를 가능하게 한다. 이러한 목적을 위하여, 상부 접촉 구조(OKS)는 손가락 모양 또는 격자 모양의 구조를 가질 수 있다. 선택된 실시예에서, 상부 접촉 구조 (OKS)는 은(Ag)으로 만들어진 접촉 격자(KG)로 형성된다. 투명 반사방지층(AR)은 접촉 격자(KG)의 영역에서 관통되어, 처음에는 소수 전하 캐리어를 반사하는 표면 필드(FSF)가 접촉 손가락 아래에서는 바로 형성되지 않는다. 그러나, 접촉 격 자(KG)가 형성되는 동안에, 선택된 실시예에서 흡수체(AB)에서 접촉 격자(GK) 아래의 무겁게 n-도핑된 삽입(n+)을 형성하는 수단(measures)이 취해지고, 그 결과 소수 전하 캐리어를 반사하는 표면 필드(FSF)(도 1에서 일점 쇄선으로 표시됨)가 형성된다. 결과적으로, 흡수체(AB)의 전 표면이 비활성화될 수 있다.
입사광에 노출되지 않는 하부 접촉 구조(UKS)는 방사체(EM)의 하부면 상에 위치한다. 결과적으로, 하부 접촉 구조(UKS)의 차광 표면은 최소화되지 않으나, 분리된 전하 캐리어를 수집하기 위하여 하부 접촉 구조(UKS)는 가능한 한 가장 넓은 표면 영역에 걸쳐 낮은 도전성 비정질 방사체(EM)에 접촉할 수 있다. 선택된 실시예에서, 하부 접촉 구조(UKS)는 금(Au)으로 만들어진 얇고, 평평한 금속층(MS)으로 형성될 수 있다.
도 1에 도시되는 역 적층구조를 갖는 이종접촉 태양전지(HKS)는, 예를 들어, 하기 순서에 따라 제조될 수 있다. 그러나, 다른 제조 방법도 마찬가지로 이용될 수 있다.
층두께(dAB)를 갖는 흡수체(AB)를 형성하기 위하여, 공지된 표준 공정 (formulation)에 따라, 0.7 Ω㎝ 내지 1.5 Ω㎝의 n-도핑된 실리콘 웨이퍼의 흡수체 구역상에 습식 화학 공정(wet chemical process)에 의하여 수소(H)-말단 (hydrogen(H)-terminated)된 표면이 준비된다. 그 후에, 325℃ 내지 345℃[617℉ 내지 653℉]의 온도에서 플라즈마 수단(CVD)을 이용하여 준비된 표면에 대략 70 nm 두께의 실리콘 아질산염(Si3N4)이 투명 반사방지층(ARS)으로서 침전된다. 그리고 이 실리콘 아질산염 층은 600℃ 내지 800℃ [1112℉ 내지 1472℉]의 온도에서(투명 반사방지층(ARS)을 통하여 접점을 태움(firing)), 상업적으로 이용가능한 인 공급원 (phosphorus source)을 갖는 은 도전성 페이스트를 이용하여 실크-스크린하여 형성된 접촉 격자(KG)에 의하여 관통될 수 있다. 인의 부분 확산으로 인하여, 접촉 격자(KG) 아래에 표면 필드(FSF)로서 무겁게 n-도핑된 영역(n+)이 생성되고, 이들 영역은 소수 전하 캐리어를 반사하고, 빛에 의하여 생성된 전하 캐리어의 재결합을 감소시키며, 접촉 격자(KG)의 영역에서 투명 반사방지층(ARS)의 소수 전하 캐리어를 반사하는 표면 필드(FSF)를 닫는다(close). 대안적으로, 빛과 마주하고 있는 상부면(LO)에서 흡수체(AB)의 실리콘과 접촉 격자(KG)로서의 증기-증착된 알루미늄을 저항성으로 접촉시키기 위하여, 투명 반사방지층(ARS)은, 예를 들어 석판 단계 (photolithographic steps)를 이용하여 부분적으로 열릴 수 있다.
빛과 마주하지 않는 흡수체(AB)의 하부면(LU)에 대한 묽은 불화수소산 (hydrofluoric acid)을 이용한 식각 세정(etching cleansing) 단계 후에, 태양전지 (SZ)의 방사체(EM)로서 비정질 실리콘을 증착시키기 위하여 플라즈마 증착이 마찬가지로 수행된다. 이것은 두 단계로 수행된다: 우선, 도핑되지 않은 실리콘(i a-Si:H)이 수 nm의 층 두께(di)를 갖는 얇은 진성 중간층(IS) 상에서 성장하고, 이어서 약 10,000 ppm의 붕소로 도핑되고 20 nm 내지 40 nm의 두께(층두께 ddot)를 갖는 방사체층(p a-Si:H)이 도포된다.
이후, 다음 단계에서, 빛과 마주하지 않는 방사체(EM)의 하부면(LU)이 금(Au)으로 형성된 약 150 nm 두께의 금속층의 증기-증착에 의하여 금속화되어 하부 접촉 구조(UKS)를 형성하고, 이에 의하여, 그것의 측면 확장은 다른 크기의 마스크를 이용함으로써 결정될 수 있다.
대안적으로, 상부 접촉 구조(OKS)가, 투명 반사방지층(ARS) 상에 실리콘 아질산염(Si3N4)으로 형성된 투명 반사방지층(ARS)을 부분적으로 식각하고, 이렇게 노출된 영역을 갈륨-인듐 공정 혼합물(eutectic mixture)(GaIn)로 습윤(wetting)하고, 이어서 은을 포함하는 도전성 접착제로 캡슐화(encapsulating)함으로써 수공으로(maunally) 제조될 수 있다.
도 1에 따라 앞서 언급된 방법에 의하여 제조된 역 적층구조를 갖는 이종접촉 태양전지(HKS)만이, 결정질 실리콘에 전형적인 외부 스펙트럼 양자 수율 (external spectral quantum yield)(도3, 도 2에 따른 태양전지에 대한 스펙트럼 양자 수율, 외부 양자 수율(eQA) 대 파장(λ)(nm))에서 11.05% 이상의 효율(도 2, 어둠(dark) 및 밝음(light) 특성 곡선, 전류 밀도(SD)(A/㎠) 대 전위(P)(V))을 나타낸다. 비교적 높은 직렬 저항에 의하여 제한되는 효율은 상부 접촉 구조(OKS)를 최적화함으로써 현저하게 증가될 수 있다.
참조번호 목록
AB 흡수체
ARS 투명 반사방지층
dAB 흡수체의 층 두께
ddot 도핑된 방사체의 층 두께
di 진성 중간층의 층 두께
DS 커버층
EM 방사체
FSF 소수 전하 캐리어를 반사하는 표면 필드
HKS 이종접촉 태양전지
IZS 진성 중간층
i a-Si:H 진성 비정질 실리콘
KG 접촉 격자
LO 빛과 마주하는 상부면
LU 빛과 마주하지 않는 하부면
MS 금속층
nAB 흡수체의 광 굴절율
nARS 반사방지층의 광 굴절율
n c-Si n-타입 도핑된 결정질 실리콘
nL 공기의 광 굴절율
OKS 상부 접촉 구조
p a-Si:H p-타입 도핑된 비정질 실리콘
P 전위
PS 비활성화층
eQA 외부 양자 수율
SD 전류 밀도
UKS 하부 접촉 구조

Claims (7)

  1. p-타입 또는 n-타입 도핑된 결정질 반도체 물질로 형성된 흡수체, 상기 흡수체와는 반대로 도핑된 비정질 반도체 물질로 형성된 방사체, 상기 흡수체와 방사체 사이에 위치하며 비정질 반도체 물질로 형성된 진성 중간층, 흡수체의 빛과 마주하는 측면에 위치하는 커버층, 소수 전하 캐리어를 반사하는 표면 필드를 형성하는 층, 흡수체의 빛과 마주하는 측면에 위치하는 최소화된 차광 표면을 갖는 상부 저항 접촉 구조, 그리고 흡수체의 빛과 마주하지 않는 측면에 위치하는 하부 저항 접촉 구조를 포함하는 적층 구조의 이종접촉 태양전지에 있어서,
    역 적층구조에서, 상기 방사체(EM)는 흡수체(AB)의 빛과 마주하지 않는 하부면(LU) 상에 배치되고, 상기 흡수체(AB)의 빛과 마주하는 측면에 위치하는 커버층(DS)은 선택된 물질에 의하여 흡수체(AB)의 비활성화층(PS) 및 투명 반사방지층(ARS)으로서 구성되고, 상기 비활성화층(PS)은 소수 전하 캐리어를 반사하는 표면 필드(FSF)를 형성하고, 흡수체(AB)의 빛과 마주하는 상부면(LO) 상의 상부 저항 접촉 구조(OKS)는 투명 반사방지층(ARS)을 관통하고, 반면 하부 저항 접촉 구조(UKS)는 흡수체(AB)의 빛과 마주하지 않는 하부면(LU) 상의 방사체(EM)의 넓은 표면에 걸쳐 구성되는 이종접촉 태양전지.
  2. 제1항에 있어서, 전하 캐리어를 반사하는 영역(n+)은 상기 투명 반사방지층(ARS)을 관통하는 상부 접촉 구조(OKS) 아래의 흡수체(AB)에 형성되는 것을 특징으로 하는 이종접촉 태양전지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 흡수체(AB)는 n-타입 도핑된 결정질 실리콘(n c-Si)으로 형성되고, 방사체는 p-타입 도핑된 비정질 실리콘(p a-Si:H)으로 형성되고, 진성 중간층(IZS)은 도핑되지 않은 비정질 실리콘(i a-Si:H)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이종접촉 태양전지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 투명 반사방지층(ARS)은 실리콘 아질산염(Si3N4)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이종접촉 태양전지.
  5. 제1항에 있어서, 상기 상부 저항 접촉 구조(OKS)는 은(Ag)으로 형성된 접촉 손가락 또는 접촉 격자(KG)로서 흡수체(AB)의 빛과 마주하는 상부면(LO) 상에 구성되고, 반면에 하부 저항 접촉 구조(UKS)는 금(Au)으로 형성된 얇고 평평한 금속층(MS)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 이종접촉 태양전지.
  6. 제1항에 있어서, 상기 흡수체(AB)는 자립형 웨이퍼로 구성되는 것을 특징으로 하는 이종접촉 태양전지.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 박막 층 구조가 태양전지(SZ)의 층으로 제공되고, 부하-베어링(load-bearing) 유리 기판이 흡수체(AB)의 빛과 마주하지 않는 하부면(LU) 상에 제공되는 것을 특징으로 하는 이종접촉 태양전지.
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