KR101261794B1 - 전후면전계 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 전후면전계 태양전지는 제1 도전형의 실리콘 기판과, 상기 기판 상층부에 구비된 제2 도전형의 에미터와, 상기 에미터가 형성된 영역의 일부에 구비되는 제1 도전형의 제1 부유접합층과, 상기 에미터와 제1 부유접합층 상층부에 구비되는 제1 반사방지막과, 상기 에미터와 접촉되는 전면전극과, 상기 기판 하층부에 구비된 제1 도전형의 후면전계층과, 상기 후면전계층이 형성된 영역의 일부에 구비되는 제2 도전형의 제2 부유접합층과, 상기 후면전계층과 제2 부유접합층 상층부에 구비되는 제2 반사방지막, 및 상기 후면전계층과 접촉되는 후면전극을 포함하여 이루어지며, 상기 제1 부유접합층은 상기 전면전극과 이격되어 배치되고, 상기 제2 부유접합층은 상기 후면전극과 이격되어 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

전후면전계 태양전지 및 그 제조방법{Front and Back contact electric field solar cell and method thereof}
본 발명은 전후면전계 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 에미터 및 후면전계층 내에 부유접합층을 형성함으로써, 광생성된 운송자들의 재결합 손실을 감소시키고 수집효율을 증가시킬 수 있는 양면수광형 전후면전계 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. 통상 후면에 유전층 박막을 형성하는 경우나 p+ 후면전계가 결합된 구조에서도 다수 운송자인 정공이 후면 표면으로 이동하기 때문에 유전층 박막 증착을 통한 패시베이션 특성에 크게 의존하여 후면의 재결합 속도를 낮출 필요가 있다.
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 수 밖에 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.
한국공개특허 10-2008-21812호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출한 것으로서, 기판의 상층부에 에미터와 기판의 하층부에 후면전계층을 형성함에 있어, 각 에미터 영역 및 후면전계 영역 내에 도핑 농도가 다른 부유접합층을 형성하기 위한 양면 수광형 전후면전계 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전후면전계 태양전지는 제1 도전형의 실리콘 기판과, 상기 기판 상층부에 구비된 제2 도전형의 에미터와, 상기 에미터가 형성된 영역의 일부에 구비되는 제1 도전형의 제1 부유접합층과, 상기 에미터와 제1 부유접합층 상층부에 구비되는 제1 반사방지막과, 상기 에미터와 접촉되는 전면전극과, 상기 기판 하층부에 구비된 제1 도전형의 후면전계층과, 상기 후면전계층이 형성된 영역의 일부에 구비되는 제2 도전형의 제2 부유접합층과, 상기 후면전계층과 제2 부유접합층 상층부에 구비되는 제2 반사방지막, 및 상기 후면전계층과 접촉되는 후면전극을 포함하여 이루어지며, 상기 제1 부유접합층은 상기 전면전극과 이격되어 배치되고, 상기 제2 부유접합층은 상기 후면전극과 이격되어 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 실리콘 기판은 p형이고, 상기 제1 및 제2 반사방지막은 Al2O3 유전층 박막인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 실리콘 기판은 p형이고, 상기 제1 및 제2 반사방지막은 AlN 유전층 박막인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전후면전계 태양전지의 제조방법은 제1 도전형의 실리콘 기판의 상층부에 제2 도전형의 에미터가 구비되고, 상기 기판의 하층부에 제1 도전형의 후면전계층이 구비되는 전후면전계 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 에미터가 형성된 영역의 일부에 제1 도전형의 제1 부유접합층을 형성하는 단계와, 상기 에미터와 제1 부유접합층 상에 제1 반사방지막을 형성하는 단계와, 상기 에미터와 접촉하도록 전면전극을 형성하는 단계와, 상기 후면전계층이 형성된 영역의 일부에 제2 도전형의 제2 부유접합층을 형성하는 단계와, 상기 후면전계층과 제2 부유접합층 상에 제2 반사방지막을 형성하는 단계, 및 상기 후면전계층과 접촉하도록 후면전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지며, 상기 제1 부유접합층은 상기 전면전극과 이격되어 형성되고, 상기 제2 부유접합층은 상기 후면전극과 이격되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전후면전계 태양전지 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
전면(수광면)의 경우, 도핑된 n+형 에미터 위에 p+형 부유접합층(floating junction layer)을 형성하여 전면전계(front surface field)로서 소수 운송자인 전자가 결함 밀도가 높은 표면으로 이동하는 것을 억제하여 결함 밀도가 낮은 실리콘 기판 내부에 전계를 형성하여 소수 운송자 전자의 재결합 손실없이 전극까지 이동할 수 있도록 하여 수입 효율을 높일 수 있다.
또한, p+ 후면전계 내에 n+형의 부유접합층을 삽입하여 다수 운송자인 정공이 결함 밀도가 높은 표면으로 이동하는 것을 억제함으로써 재결합 손실을 최소화하여 후면 전극으로의 수집 효율을 높일 수 있다.
즉, 에미터 및 후면전계 내에 부유접합으로 도핑층을 삽입하여 광생성된 운송자가 표면으로 이동하는 것을 억제할 수 있으므로 표면 재결합 속도의 감소를 기대할 수 있다.
한편, 양면 수광형 태양전지 구조의 적용에 따른 효과는 다음과 같다.
빛을 양면에서 받을 수 있으므로 태양광을 흡수할 수 있는 양이 커지고 태양빛을 전면에서 받을 수 있고 지표면에서 반사된 빛을 받을 수도 있다. 따라서, 광생성 운송자의 양이 증가하여 단락전류가 증가하고 효율이 상승된다.
또한, 양면이 동일한 구조이므로 고온 공정 후 휨(bowing) 현상이 적어지므로 제조 공정 중의 파손을 줄일 수 있다.
후면 전체에 전극을 도포하지 않으므로 전극 사용량이 줄어들어 원가절감이 가능하다.
유전층 박막을 동시에 양면 증착하는 공정을 적용할 경우 공정수를 줄일 수 있어서 원가절감할 수 있다. 또한, 미관상 좋아진다.
도 1은 종래의 전후면전계 태양전지의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 부유접합층이 전후면 구조에 적용된 양면 수광형 전후면전계 태양전지의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 수광형 전후면전계 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 공정 순서도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전후면전계 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 부유접합층이 전후면 구조에 적용된 양면 수광형 전후면전계 태양전지의 구조를 나타내는 개략도이다. 도 2를 살펴보면, p형 실리콘 기판(201) 상층부에 에미터(n++)(202)가 구비되고, 상기 에미터(n++)(202)가 형성된 영역의 일부에는 제1 부유접합층(p+)(203)이 형성되어 있다. 상기 제1 부유접합층(p+)(203)은 상기 에미터(n++)(202) 내의 상층부에 서로 교번하여 배치될 수 있다. 상기 에미터(n++)(202)와 제1 부유접합층(p+)(203)의 상층부에는 제1 반사방지막(204)이 구비된다. 상기 제1 반사방지막(204)을 관통하여 상기 에미터(n++)(202)와 접촉되도록 전면전극(205)이 형성된다. 그리고, 상기 제1 부유접합층(p+)(203)은 상기 전면전극(205)과 이격되어 형성된다. 한편, 상기 기판(201) 하층부에 후면전계층(p++)(206)이 구비된다. 상기 후면전계층(p++)(206)이 형성된 영역의 일부에는 제2 부유접합층(n+)(207)이 형성되어 있다. 상기 제2 부유접합층(n+)(207)은 상기 후면전계층(p++)(206)의 상층부에 서로 교번하여 배치될 수 있다. 상기 후면전계층(p++)(206)과 제2 부유접합층(n+)(207)의 상층부에는 제2 반사방지막(208)이 구비된다. 상기 제2 반사방지막(208)을 관통하여 상기 후면전계층(p++)(206)과 접촉되도록 후면전극(209)이 형성된다. 그리고, 상기 제2 부유접합층(n+)(207)은 상기 후면전극(209)과 이격되어 형성된다.
이와 같이, 전면 수광부에 n++형으로 도핑된 에미터(n++)(202) 내에 p+형으로 도핑된 부유접합층(p+)(203)을 형성하고, 후면 수광부에 p++형으로 도핑된 후면전계층(p++)(206)을 형성함으로써, 광생성되어 전면으로 이동한 소수 운송자인 전자가 결함 밀도가 높은 실리콘 표면으로 이동하지 않고 결함 밀도가 상대적으로 낮은 내부의 n++ 도핑된 에미터층(n++)(202)을 따라 전면전극으로 이동하고, 후면으로 이동한 정공이 p++ 도핑된 후면전계층(p++)(206)를 따라 후면전극(209)으로 이동하므로 재결합 손실을 줄일 수 있다. 부유접합(floating junction)을 이루는 도핑층들(203, 207))은 전극들(205, 209)과 접촉하지 않아야 한다.
한편, 상기 실리콘 기판(201)이 p형인 경우, 상기 제1 및 제2 반사방지막(204, 208)은 Al2O3 유전층 박막일 수 있고, AlN 유전층 박막일 수도 있다. 종래의 p형 실리콘 기판을 사용하는 경우, n형 에미터의 표면이 수광부가 되는 데에 반해, 본 발명의 경우 p형 실리콘 기판(201)과 동일한 타입의 p+형 부유접합 도핑층(p+)(203) 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 전후면전계 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 공정 순서도이다. 도 3을 참조하면, p형 실리콘 기판의 상층부에 에미터(n++)가 구비되고, 상기 기판의 하층부에 후면전계층(p++)이 구비되는 전후면전계 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 에미터(n++)가 형성된 영역의 일부에 제1 부유접합층(p+)을 형성하는 단계(S401)와, 상기 에미터(n++)와 제1 부유접합층(p+) 상에 반사방지막을 형성하는 단계(S402)와, 상기 에미터(n++)와 접촉하도록 전면전극을 형성하는 단계(S403)와, 상기 후면전계층(p++)이 형성된 영역의 일부에 제2 부유접합층(n+)을 형성하는 단계(S404)와, 상기 후면전계층(p++)과 제2 부유접합층(n+) 상에 제2 반사방지막을 형성하는 단계(S405)와, 상기 후면전계층(p++)과 접촉하도록 후면전극을 형성하는 단계(S406)를 포함하여 이루어지며, 상기 제1 부유접합층(p+)은 상기 전면전극과 이격되어 형성되고, 상기 제2 부유접합층(n+)은 상기 후면전극과 이격되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 방법으로 제조되는 본 발명의 전후면전계 태양전지 구조는 수광면에서, 고저 접합(high-low)이 있어서 소수 운송자인 전자가 표면으로 이동하는 것이 결함 밀도가 적은 결정 내부에서 방지되어, 전면전극 아래의 도핑층으로 이동하게 된다. 또한, 후면에서는 정공이 후면전계층 내에 존재하는 n+ 부유접합층에 의해 후면으로 이동하는 것이 제한되고, p++ 도핑층으로 이동하고 금속과 접촉한 면으로 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 : p형 실리콘 기판
202 : 에미터(n++) 203 : 제1 부유접합층(p+)
204 : 제1 반사방지막 205 : 전면전극
206 : 후면전계층 207 : 제2 부유접합층(n+)
208 : 제2 반사방지막 209 : 후면전극
310 : 국부적 고농도 후면전계층(p++)

Claims (4)

  1. p형의 실리콘 기판;
    상기 기판 상층부에 구비된 n형 에미터(n++);
    상기 n형 에미터(n++)가 형성된 영역의 일부에 구비되는 p형 제1부유접합층(p+);
    상기 n형 에미터(n++)와 p형 제1부유접합층(p+) 상층부에 구비되는 제1 반사방지막;
    상기 n형 에미터(n++)와 접촉되는 전면전극;
    상기 기판 하층부에 구비된 p형 후면전계층(p++);
    상기 p형 후면전계층(p++)이 형성된 영역의 일부에 구비되는 n형 제2부유접합층(n+);
    상기 p형 후면전계층(p++)과 n형 제2부유접합층(n+) 상층부에 구비되는 제2 반사방지막; 및
    상기 p형 후면전계층(p++)과 접촉되는 후면전극을 포함하여 이루어지며,
    상기 p형 제1부유접합층(p+)은 상기 전면전극과 이격되어 배치되고, 상기 n형 제2부유접합층(n+)은 상기 후면전극과 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 전후면전계 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 기판은 p형이고, 상기 제1 및 제2 반사방지막은 Al2O3 유전층 박막인 것을 특징으로 하는 전후면전계 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 기판은 p형이고, 상기 제1 및 제2 반사방지막은 AlN 유전층 박막인 것을 특징으로 하는 전후면전계 태양전지.
  4. p형의 실리콘 기판의 상층부에 n형 에미터(n++)가 구비되고, 상기 기판의 하층부에 p형 후면전계층(p++)이 구비되는 전후면전계 태양전지의 제조방법에 있어서,
    상기 n형 에미터(n++)가 형성된 영역의 일부에 p형 제1부유접합층(p+)을 형성하는 단계;
    상기 n형 에미터(n++)와 p형 제1부유접합층(p+) 상에 제1 반사방지막을 형성하는 단계;
    상기 n형 에미터(n++)와 접촉하도록 전면전극을 형성하는 단계;
    상기 p형 후면전계층(p++)이 형성된 영역의 일부에 n형 제2부유접합층(n+)을 형성하는 단계;
    상기 p형 후면전계층(p++)과 n형 제2부유접합층(n+) 상에 제2 반사방지막을 형성하는 단계; 및
    상기 p형 후면전계층(p++)과 접촉하도록 후면전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지며,
    상기 p형 제1부유접합층(p+)은 상기 전면전극과 이격되어 형성되고, 상기 n형 제2부유접합층(n+)은 상기 후면전극과 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 전후면전계 태양전지의 제조방법.
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