KR101276889B1 - 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양 전지에 관한 것이다. 상기 태양 전지의 한 예는 제1 도전성 타입을 갖고 결정질 반도체로 이루어진 결정질 기판, 상기 기판의 제1 면에 위치하고 제1 도전성 타입을 갖는 복수의 제1 불순물부, 상기 기판의 상기 제1 면에 위치하고 상기 제1 도전성 타입과 다른 제2 도전성 타입을 갖는 복수의 제2 불순물부, 상기 복수의 제1 불순물부와 각각 연결되어 있는 복수의 제1 전극, 그리고 상기 복수의 제2 불순물부와 각각 연결되어 있는 복수의 제2 전극을 포함하고, 상기 복수의 제1 불순물부 각각의 제1 불순물 도핑 깊이는 상기 복수의 제2 불순물부 각각의 제2 불순물 도핑 깊이와 다르다. 이로 인해, 기판의 입사면으로부터 p형 또는 n형 불순물부까지의 거리가 n형 또는 p형 불순물부까지의 거리보다 짧기 때문에, 정공이나 전자와 같이 원하는 종류의 전하 수집량이 증가하여, 태양 전지의 효율이 향상된다.
Description
본 발명은 태양 전지에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고, 이에 따라 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생산하는 태양 전지가 주목 받고 있다.
일반적인 태양 전지는 p형과 n형처럼 서로 다른 도전성 타입(conductive type)에 의해 p-n 접합을 형성하는 반도체부, 그리고 서로 다른 도전성 타입의 반도체부에 각각 연결된 전극을 구비한다.
이러한 태양 전지에 빛이 입사되면 반도체에서 복수의 전자-정공 쌍이 생성되고, 생성된 전자-정공 쌍은 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의해 전하인 전자와 정공으로 각각 분리되어, 전자는 n형의 반도체부 쪽으로 이동하고 정공은 p형 반도체부 쪽으로 이동한다. 이동한 전자와 정공은 각각 p형의 반도체부와 n형의 반도체부에 연결된 서로 다른 전극에 의해 수집되고 이 전극들을 전선으로 연결하여 전력을 얻는다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 태양 전지의 효율을 향상시키기 위한 것이다.
본 발명의 한 특징에 따른 태양 전지는 제1 도전성 타입을 갖고 결정질 반도체로 이루어진 결정질 기판, 상기 기판의 제1 면에 위치하고 제1 도전성 타입을 갖는 복수의 제1 불순물부, 상기 기판의 상기 제1 면에 위치하고 상기 제1 도전성 타입과 다른 제2 도전성 타입을 갖는 복수의 제2 불순물부, 상기 복수의 제1 불순물부와 각각 연결되어 있는 복수의 제1 전극, 그리고 상기 복수의 제2 불순물부와 각각 연결되어 있는 복수의 제2 전극을 포함하고, 상기 복수의 제1 불순물부 각각의 제1 불순물 도핑 깊이는 상기 복수의 제2 불순물부 각각의 제2 불순물 도핑 깊이와 다르다.
상기 제1 불순물 도핑 깊이와 상기 제2 불순물 도핑 깊이 사이의 비율은 50 내지 100일 수 있다.
상기 제1 불순물 도핑 깊이와 상기 제2 불순물 도핑 깊이 중 하나는 500㎚ 내지 2000㎚이고, 상기 제1 불순물 도핑 깊이와 상기 제2 불순물 도핑 깊이 중 나머지 하나는 10㎚ 내지 20㎚일 수 있다.
상기 500㎚ 내지 2000㎚의 불순물 도핑 깊이를 갖는 제1 불순물부 또는 제2 불순물부는 p형 도전성 타입을 갖고, 상기 10㎚ 내지 20㎚의 불순물 도핑 깊이를 갖는 제2 불순물부 또는 제1 불순물부는 n형 도전성 타입을 가질 수 있다.
상기 복수의 제1 불순물부와 상기 복수의 제2 불순물부 중 적어도 하나는 두께에 따라 불순물 도핑 농도가 상이할 수 있다.
상기 복수의 제1 불순물부와 상기 복수의 제2 불순물부 중 적어도 하나의 상기 불순물 도핑 농도는 상기 기판 쪽에서부터 상기 복수의 제1 전극과 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 하나 쪽으로 갈수록 증가하는 것이 좋다.
상기 불순물 도핑 농도는 1×1010atms/㎤ 내지 1×1021atms/㎤일 수 있다.
상기 복수의 제1 불순물부와 상기 복수의 제2 불순물부 중 적어도 하나는 두께에 따라 에너지 밴드 갭의 크기가 달라질 수 있다.
상기 복수의 제1 불순물부와 상기 복수의 제2 불순물부 중 적어도 하나의 상기 에너지 밴드 갭의 크기는 상기 기판 쪽에서부터 상기 복수의 제1 전극과 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 하나 쪽으로 갈수록 감소할 수 있다.
상기 기판과 상기 복수의 제1 불순물부와 상기 복수의 제2 불순물부 중 적어도 하나와 접해 있는 부분의 제1 에너지 밴드 갭과 상기 복수의 제1 불순물부와 상기 복수의 제2 불순물부 중 적어도 하나와 상기 복수의 제1 전극과 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 하나와 접해 있는 분의 제2 에너지 밴드 갭의 차이는 1eV일 수 있다.
상기 제1 에너지 밴드 갭이 상기 제2 에너지 밴드 갭보다 큰 것이 좋다.
상기 제1 에너지 밴드 갭은 1.1eV 내지 4.5eV이고, 상기 제2 에너지 밴드 갭은 1.0eV 내지 4.4eV일 수 있다.
상기 복수의 제1 불순물부와 상기 복수의 제2 불순물부 중 적어도 하나의 하부면은 Si계 화합물 물질을 함유하고 있고, 상기 복수의 제1 불순물부와 상기 복수의 제2 불순물부 중 적어도 하나의 상부면은 GaAs계 화합물 물질을 함유할 수 있다.
상기 복수의 제1 불순물부와 상기 복수의 제2 불순물부는 확산법에 의해 상기 기판 내에 형성될 수 있다.
상기 특징에 따른 태양 전지는 서로 인접한 제1 불순물부와 제2 불순물부 사이의 상기 기판 위에 위치한 절연부를 더 포함할 수 있다.
상기 특징에 따른 태양 전지는 상기 기판의 상기 제1 면의 반대편에 위치한 상기 기판의 제2 면에 보호부를 더 포함할 수 있다.
상기 특징에 따른 태양 전지는 상기 보호부 위에 위치하고 상기 기판과 동일한 도전성 타입을 갖는 전계부를 더 포함할 수 있다.
상기 특징에 따른 태양 전지는 상기 전계부 위에 위치한 반사 방지부를 더 포함할 수 있다.
상기 기판의 상기 제1 면은 빛이 입사되는 상기 기판의 면의 반대편에 위치할 수 있다.
본 발명의 특징에 따르면, 기판의 입사면으로부터 p형 또는 n형 불순물부까지의 거리가 n형 또는 p형 불순물부까지의 거리보다 짧기 때문에, 정공이나 전자와 같이 원하는 종류의 전하 수집량이 증가하여, 태양 전지의 효율이 향상된다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지의 한 예에 대한 일부 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 태양 전지를 II-II선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 3의 (a)와 (b)는 각각 본 발명의 한 실시예에 따른 기판과 n형 불순물간의 에너지 밴드 그리고 기판과 p형 불순물간의 에너지 밴드를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지의 다른 예에 대한 일부 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 태양 전지를 II-II선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 3의 (a)와 (b)는 각각 본 발명의 한 실시예에 따른 기판과 n형 불순물간의 에너지 밴드 그리고 기판과 p형 불순물간의 에너지 밴드를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지의 다른 예에 대한 일부 단면도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한 어떤 부분이 다른 부분 위에 "전체적"으로 형성되어 있다고 할 때에는 다른 부분의 전체 면(또는 전면)에 형성되어 있는 것뿐만 아니라 가장 자리 일부에는 형성되지 않은 것을 뜻한다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 한 실시예인 태양 전지 및 그 제조 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2를 참고로 하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지(11)는 기판(110), 빛이 입사되는 기판(110)의 면인 입사면[이하, '전면(front surface)'라 함] 위에 위치하는 전면 보호부(191), 전면 보호부(191) 위에 위치하는 전면 전계부(front surface field, FSF)(171), 전면 전계부(171) 위에 위치하는 반사 방지부(130), 기판 전면의 반대쪽 면[이하, '후면(rear surface)'라 함] 위에 위치하는 복수의 에미터부(emitter portion)(121), 기판(110)의 후면 위에 위치하고 있는 복수의 후면 전계부(back surface field, BSF)(172), 복수의 에미터부(121) 위와 복수의 후면 전계부(172) 위에 각각 위치하는 복수의 제1 보조 전극(151) 및 복수의 제2 보조 전극(152)을 구비한 보조 전극부(150), 그리고 복수의 제1 보조 전극(151)과 복수의 제2 보조 전극(152) 위에 각각 위치하는 복수의 제1 전극(141) 및 복수의 제2 전극(142)을 구비한 전극부(140)를 포함한다.
기판(110)은 제1 도전성 타입, 예를 들어 n형 도전성 타입의 반도체 기판이다. 이때, 반도체 기판은 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘 등과 같은 결정질 실리콘으로 이루어진 결정질 반도체로 이루어진다. 기판(110)이 n형의 도전성 타입을 가질 경우, 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물이 기판(110)에 도핑된다. 하지만, 이와는 달리, 기판(110)은 p형 도전성 타입일 수 있고, 실리콘 이외의 다른 반도체 물질로 이루어질 수도 있다. 기판(110)이 p형의 도전성 타입을 가질 경우, 기판(110)은 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등과 같은 3가 원소의 불순물이 기판(110)에 도핑된다.
도 1 및 도 2와는 달리, 기판(110)의 전면은 텍스처링(texturing)되어 요철면인 텍스처링 표면(textured surface)을 가질 수 있다. 이 경우, 기판(110)의 전면 위에 위치한 전면 보호부(191), 전면 전계부(171) 및 반사 방지부(130) 역시 요철면을 갖는다.
이와 같이, 기판(110)의 전면이 텍스처링되어 있을 경우, 기판(110)의 입사 면적이 증가하고 빛 반사도가 감소하여 기판(110)으로 입사되는 빛의 양이 증가하므로 태양 전지(11)의 효율이 향상된다.
기판(110)의 전면 위에 위치한 전면 보호부(191)는 진성 비정질 실리콘[intrinsic amorphous silicon(a-Si)]으로 이루어져 있다.
전면 보호부(191)는 기판(110)의 표면 및 그 근처에 주로 존재하는 댕글링 결합(dangling bond)과 같은 결함(defect)을 안정한 결합으로 바꾸어 결함에 의해 기판(110)의 표면 쪽으로 이동한 전하가 소멸되는 것을 감소시키는 페시베이션 기능(passivation function)을 수행하여 결함에 의해 기판(110)의 표면이나 그 근처에서 손실되는 전하의 양을 감소시킨다.
일반적으로 결함은 기판(110)의 표면이나 그 근처에 주로 많이 존재하므로, 실시예의 경우, 전면 보호부(191)가 기판(110)의 표면에 직접 접해 있으므로 페이베이션 기능은 더욱 향상되어, 전하의 손실량은 더욱 감소한다.
본 실시예에서, 전면 보호부(191)는 약 1㎚ 내지 20㎚의 두께를 가질 수 있다.
전면 보호부(191)의 두께가 약 1㎚ 이상이면 기판(110) 전면에 전면 보호부(191)가 균일하게 도포되므로 패시베이션 기능을 양호하게 수행할 수 있으며, 약 20㎚ 이하이면 전면 보호부(191) 내에서 흡수되는 빛의 양을 감소시켜 기판(110) 내로 입사되는 빛의 양을 증가시킬 수 있다.
전면 보호부(191) 위에 위치하는 전면 전계부(171)는 기판(110)과 동일한 도전성 타입(예, n형)의 불순물이 기판(110)보다 고농도로 함유된 불순물부로서, 예를 들어, n+의 불순물부일 수 있다.
본 실시예의 전면 전계부(171)는 비정질 실리콘으로 이루어질 수 있다.
기판(110)과 전면 전계부(171)와의 불순물 농도 차이로 인해 전위 장벽이 형성되어 기판(110) 전면 쪽으로의 전하(예, 정공) 이동이 방해된다. 따라서, 기판(110)의 전면 쪽으로 이동하는 정공은 전위 장벽에 의해 기판(110)의 후면 쪽으로 되돌아가게 되는 전면 전계 효과가 얻어지고, 이로 인해, 외부 장치로 출력되는 전하의 출력량이 증가하고 기판(110)의 전면에서 재결합이나 결함에 의해 손실되는 전하의 양이 감소한다.
전면 전계부(171) 위에 위치한 반사 방지부(130)는 태양 전지(11)로 입사되는 빛의 반사도를 줄이고 특정한 파장 영역의 선택성을 증가시켜, 태양 전지(11)의 효율을 높인다.
이러한 반사 방지부(130)는 실리콘 질화물(SiNx), 실리콘 산화물(SiOx), 비정질 실리콘 산화물(a-SiNx), 또는 실리콘 산화 질화물(SiOxNy) 등으로 이루어질 수 있다.
도 1 및 도 2에서, 반사 방지부(130)는 단일막 구조를 갖지만 이중막과 같은 다층막 구조를 가질 수 있다.
본 실시예에서, 기판(110)의 전면에 위치한 전면 보호부(191), 전면 전계부(171) 및 반사 방지부(130) 중 적어도 하나는 필요에 따라 생략될 수 있다.
기판(110)의 후면에 위치하는 복수의 에미터부(121)는 서로 나란하게 정해진 방향으로 뻗어 있고, 기판(110)의 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입, 예를 들어, p형의 도전성 타입을 갖고 있는 불순물부이다. 따라서, 각 에미터부(121)는 기판(110)과 p-n 접합을 형성한다.
이러한 복수의 에미터부(121)는 확산법 등으로 해당하는 도전성 타입을 갖는 불순물을 기판(110) 내부로 도핑(doping)하여 형성된다.
복수의 후면 전계부(172)는 기판(110)의 후면 위에서 서로 이격되고 복수의 에미터부(121)와 나란하게 뻗어 있다.
도 1 및 도 2에 도시한 것처럼, 후면 전계부(172)와 에미터부(121)는 기판(110) 위에서 번갈아 위치한다.
각 후면 전계부(172)는 동일한 도전성 타입의 불순물이 기판(110)보다 고농도로 도핑된 영역이다. 예를 들어, 복수의 후면 전계부(172)는 n+의 불순물부일 수 있다.
본 실시예에서, 복수의 후면 전계부(172)는 비정질 실리콘(a-Si)과 같은 비결정질 반도체로 이루어져 있다.
이러한 후면 전계부(172)는, 전면 전계부(171)와 유사하게, 기판(110)과 후면 전계부(172)와의 불순물 농도 차이로 인한 전위 장벽에 의해 전자의 이동 방향인 후면 전계부(172) 쪽으로의 정공 이동을 방해하는 반면, 후면 전계부(172) 쪽으로의 전하(예, 전자) 이동을 용이하게 한다. 따라서, 후면 전계부(172) 및 그 부근에서 전자와 정공의 재결합으로 손실되는 전하의 양을 감소시키고 전자 이동을 가속화시켜 후면 전계부(172)로의 전자 이동량을 증가시킨다.
이러한 복수의 후면 전계부(172) 역시 확산법등으로 해당하는 도전성 타입을 갖는 불순물을 기판(110) 내부로 도핑하여 형성된다.
이와 같이, 복수의 에미터부(121)와 복수의 후면 전계부(172)가 기판(110) 내부에 형성될 경우, 에미터부(121)와 후면 전계부(172)의 불순물 도핑 두께(깊이)(P1, P2)는 서로 상이하다.
즉, p형 불순물부인 각 에미터부(121)의 불순물 도핑 깊이(P1)가 n형 불순물부인 각 후면 전계부(172)의 불순물 도핑 깊이(P2)보다 더 깊다.
이때, 각 에미터부(121)의 불순물 도핑 깊이(P1)와 각 후면 전계부(172)의 불순물 도핑 깊이(P2) 사이의 비율은 50 내지 100이다. 한 예로서, p형 불순물부[예, 에미터부(121)]의 불순물 도핑 깊이(P1)에 대한 n형 불순물부[예, 후면 전계부(172)]의 불순물 도핑 깊이(P2)의 비는 50:1 내지 100:1일 수 있다. 예를 들어, p형 불순물부의 불순물 도핑 깊이는 500㎚ 내지 2000㎚일 수 있고, n형의 불순물부의 불순물 도핑 깊이는 약 10㎚ 내지 20㎚일 수 있다.
이로 인해, 기판(110)의 전면에서부터 각 에미터부(121)의 하부면, 즉, 기판(110)의 n형 도전성 부분과 각 에미터부(121)가 접해 있는 접합면까지의 최단 거리(D1)는 기판(110)의 전면에서부터 각 후면 전계부(172)의 하부면, 즉, 기판(110)의 n형 도전성 부분과 각 후면 전계부(172)가 접해 있는 접합면까지의 최단 거리(D2)보다 짧게 된다.
기판(110)과 복수의 에미터부(121) 간에 형성된 p-n 접합에 인한 내부 전위차(built-in potential difference)에 의해, 기판(110)에 입사된 빛에 의해 생성된 전하인 전자-정공 쌍은 전자와 정공으로 분리되어 전자는 n형 쪽으로 이동하고 정공은 p형 쪽으로 이동한다. 따라서, 기판(110)이 n형이고 복수의 에미터부(121)가 p형일 경우, 분리된 정공은 각 에미터부(121)쪽으로 이동하고 분리된 전자는 기판(110)보다 불순물 농도가 높은 복수의 후면 전계부(172) 쪽으로 이동한다.
이때, 위에 설명한 것처럼, 기판(110)의 전면에서부터 각 에미터부(121)까지의 최단 거리(D1)가 각 후면 전계부(172)까지의 최단 거리(D2)보다 짧기 때문에, 기판(110)의 표면이나 그 부분에 위치한 정공(hole)의 이동 거리가 전자(electron)의 이동 거리보다 줄어든다.
일반적으로 정공의 이동 속도가 전자보다 느리기 때문에, 기판(110)의 전면에서부터 동일한 최단 거리에 각 에미터부(121)와 각 후면 전계부(172)가 동일한 최단 거리에 위치하는 비교예의 경우, 각각 에미터부(121)와 후면 전계부(172)까지 도달하는 정공과 전자의 시간은 차이가 발생한다. 즉, p형인 에미터부(121)까지 도달하는 정공의 속도가 n형인 후면 전게부(172)까지 도달하는 전자의 속도보다 느리게 되어, 같은 시간 동안 각 에미터부(121)에 도달하는 정공의 양보다 각 후면 전계부(172)에 도달하는 전자의 양이 많게 된다.
이로 인해, 기판(110)의 전면에서부터 동일한 직선 거리에 에미터부(121)와 후면 전계부(172)가 존재하는 비교예의 경우, 같은 시간 동안 각 에미터부(121)에 도달하는 정공의 양보다 각 후면 전계부(172)에 도달하는 전자의 양이 많게 되고 또한 느린 이동 속도로 인해 에미터부(121) 쪽으로 이동하는 도중 손실되는 정공의 양이 후면 전계부(172) 쪽으로 이동하는 도중 손실되는 전자의 양보다 많게 되어, 각 에미터부(121) 쪽으로 이동한 정공의 양이 각 후면 전계부(172) 쪽으로 이동한 전자의 양보다 적게 된다.
하지만, 본 예와 같이, p형인 에미터부(121)의 도핑 깊이를 n형인 후면 전계부(172)의 도핑 깊이보다 크게 하여, 기판(110)의 표면에서부터 각 에미터부(121)로 이동하는 정공의 이동 거리를 기판(110)의 표면에서부터 각 후면 전계부(172)로 이동하는 전자의 이동 거리보다 훨씬 감소시킨다. 따라서, 비교예의 경우보다 동일한 시간 동안 각 에미터부(121)로 이동하는 정공의 양이 증가하고, 또한 각 에미터부(121)로 이동하는 정공의 손실량 역시 감소하여, 각 에미터부(121)로 이동한 정공의 양은 증가한다.
본 예에서, p형 불순물부의 불순물 도핑 깊이(P1)에 대한 n형 불순물부의 불순물 도핑 깊이(P2)의 비가 50:1 이상일 경우, 전자 이동 속도보다 느린 정공의 이동 속도를 좀더 효율적으로 보상하게 되고, p형 불순물부의 불순물 도핑 깊이(P1)에 대한 n형 불순물부의 불순물 도핑 깊이(P2)의 비가 100:1 이하일 경우, 불필요한 p형 불순물부의 도핑 두께의 증가를 방지하며 전자 이동 속도보다 느린 정공의 이동 속도를 좀더 효율적으로 보상하게 된다.
또한, p형 불순물부의 불순물 도핑 깊이가 500㎚ 이상일 경우, 전자 이동 속도보다 느린 정공의 이동 속도를 좀더 효율적으로 보상하며, p형 불순물부의 불순물 도핑 깊이가 2000㎚ 이하일 경우, 불필요한 도핑 두께의 증가를 방지한다. 또한, n형의 불순물부의 불순물 도핑 깊이가 약 10㎚이상일 경우, 안정적으로 에미터부 또는 후면 전계부의 기능을 수행하며, n형의 불순물부의 불순물 도핑 깊이가 약 20㎚이상일 경우, 불필요한 두께 증가를 방지한다.
복수의 에미터부(121)가 p형의 도전성 타입을 가질 경우 에미터부(121)에는 3가 원소의 불순물이 도핑될 수 있고, 반대로 복수의 에미터부(121)가 n형의 도전성 타입을 가질 경우, 에미터부(121)에는 5가 원소의 불순물이 도핑될 수 있다.
본 실시예에서, 기판(110)의 두께 차이를 이용하여 정공과 전자의 이동 속도 차이를 보상함으로써, 각 에미터부(121)와 각 후면 전계부(172)의 폭은 서로 동일하지만, 대안적인 예에서 각 에미터부(121)와 각 후면 전계부(172)의 폭은 서로 상이할 수 있다.
예를 들어, n형의 각 후면 전계부(172)의 폭이 p형의 각 에미터부(121)보다 큰 폭을 가질 수 있다. 이와 같이, n형의 불순물부(172)의 폭이 p형의 불순물부 (121) 보다 클 경우, 후면 전계부(172)로 덮어지는 기판(110)의 표면 면적이 증가하여, 후면 전계부(172)로 인한 후면 전계 효과가 증가한다.
반면, 본 예와 달리, 기판(110)이 p이고, 두께(D1)를 갖는 부분에 p형의 후면 전계부(172)가 위치하고, 두께(D2)를 갖는 부분에 n형의 에미터부(121)가 위치할 경우, n형인 에미터부(121)의 폭이 p형인 후면 전계부(172)의 폭보다 크기 때문에, p-n 접합 영역이 증가하여, 전하의 생성량이 증가한다.
본 예에서, 각 p형의 불순물부에 대한 각 n형의 불순물부의 폭의 비율은 1:1 내지 1:5일 수 있다.
p형의 불순물부에 대한 각 n형의 불순물부의 비율이 1:5 이상일 경우, 정공의 이동 속도와 전자의 이동 속도의 차이가 좀더 효율적으로 보상되고, p형의 불순물부에 대한 각 n형의 불순물부의 비율이 1:5 이하일 경우, 후면 전계 효과나 p-n 접합을 좀더 효율적으로 향상시키면서 정공의 이동 속도와 전자의 이동 속도의 차이가 좀더 효율적으로 보상된다. 이때, 한 예로서, 각 p형의 불순물부의 폭은 약 400㎚ 내지 550㎚일 수 있고, 각 n형의 불순물부의 폭은 약 2000㎚ 내지 2750㎚일 수 있다.
복수의 에미터부(121) 위에 위치하는 복수의 제1 보조 전극(151)은 각 에미터부(121)를 따라서 뻗어 있고, 복수의 후면 전계부(172) 위에 위치하는 복수의 제2 보조 전극(152)은 각 후면 전계부(172)를 따라서 뻗어 있다.
이들 제1 및 제2 보조 전극(151)은 ITO, ZnO, SnO2 등이나 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 투명한 도전성 산화물(transparent conductive oxide) 등과 같은 도전성이 있는 투명한 도전 물질로 이루어진다.
본 실시예에서, 제1 및 제2 보조 전극(151, 152) 각각은 사용되는 재료에 따라서 약 5㎚ 내지 100㎚의 두께를 가질 수 있고, 제1 및 제2 보조 전극(151, 152)의 두께가 약 5㎚ 이상이면 좀더 양호한 크기의 전도도나 접촉 저항을 얻을 수 있어, 전하의 전송 동작이 좀더 향상될 수 있고, 제1 및 제2 보조 전극(151, 152)의 두께가 약 100㎚ 이하이며, 불필요한 재료의 낭비를 절감할 수 있다.
따라서, 복수의 제1 및 제2 보조 전극(151, 152)은 각각 복수의 에미터부(121)와 복수의 후면 전계부(172)를 통해 기판(110)과 전기적으로 연결된다.
이로 인해, 복수의 제1 및 제2 보조 전극(151, 152)은 복수의 에미터부(121)와 복수의 후면 전계부(172) 쪽으로 각각 이동한 전하, 예를 들어 정공과 전자를 각각 복수의 제1 전극(141)과 복수의 제2 전극(142)으로 전달하고, 기판(110)을 통과한 빛을 기판(110) 쪽으로 반사시켜 기판(110)으로 입사되는 빛의 양을 증가시키는 반사막(reflector)으로서 기능할 수 있다.
이러한 복수의 제1 및 제2 보조 전극(151, 152)에 의해, 복수의 에미터부(121)와 복수의 후면 전계부(172)는 대기 중의 산소나 수분 등으로부터 보호되어, 에미터부(121)와 후면 전계부(172)의 특성 변화가 방지된다.
도 1 및 도 2에서, 복수의 제1 및 제2 보조 전극(151, 152)의 평면 면적은 각각 그 하부에 위치한 에미터부(121)와 후면 전계부(172)의 평면 면적과 상이하여, 복수의 제1 및 제2 보조 전극(151, 152)은 각각 복수의 에미터부(121)와 복수의 후면 전계부(172)와 상이한 평면 형상을 갖고 있지만, 각각 복수의 에미터부(121)와 복수의 후면 전계부(172)와 동일한 평면 형상을 가질 수 있다.
복수의 제1 보조 전극(151) 위에 위치하는 복수의 제1 전극(141)은 복수의 제1 보조 전극(151)을 따라서 길게 연장되어 있고, 복수의 제1 보조 전극(151)과 전기적 및 물리적으로 연결되어 있다.
각 제1 전극(141)은 해당 에미터부(121) 쪽으로 이동하여 제1 보조 전극(151)을 통해 전송되는 전하, 예를 들어, 정공을 수집한다.
복수의 제2 보조 전극(152) 위에 위치하는 복수의 제2 전극(142)은 복수의 제2 보조 전극(152)을 따라서 길게 연장되어 있고, 복수의 제2 보조 전극(152)과 전기적 및 물리적으로 연결되어 있다.
각 제2 전극(142)은 해당 후면 전계부(172) 쪽으로 이동하여 제2 보조 전극(152)을 통해 전송되는 전하, 예를 들어, 전자를 수집한다.
도 1 및 도 2에서, 제1 및 제2 전극(141, 142) 각각은 그 하부에 위치하는 제1 및 제2 보조 전극(151, 152)과 상이한 평면 형상을 갖지만, 이와는 달리 동일한 평면 형상을 가질 수 있다. 이때, 제1 및 제2 보조 전극(151, 152)과 제1 및 제2 전극(141, 142)간의 접촉 면적이 증가할수록 접촉 저항이 감소하여, 보조 전극(151, 152)으로부터 전극(141, 142)으로의 전하 전송 효율은 증가한다.
복수의 제1 및 제2 전극(141, 142)은 알루미늄(Al)이나 은(Ag)과 같은 금속 물질을 함유하고 있지만, 니켈(Ni), 구리(Cu), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 금(Au) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 도전성 금속 물질 또는 이외의 다른 도전성 금속 물질로 이루어질 수 있다.
이처럼, 복수의 제1 및 제2 전극(141, 142)이 금속 물질로 이루어져 있으므로, 복수의 제1 및 제2 전극(141, 142)은 제1 및 제2 보조 전극(151, 152)을 각각 통과한 빛을 기판(110) 쪽으로 반사시킨다.
본 실시예에서, 실리콘과 같은 반도체 물질로 이루어진 복수의 에미터부(121)와 후면 전계부(172) 그리고 금속 물질로 이루어진 복수의 제1 및 제2 전극(141, 142) 사이에 투명한 도전성 물질로 이루어진 복수의 제1 및 제2 보조 전극(151, 152)이 존재하여 접착력(접촉 특성)이 약한 반도체 물질[에미터부(121) 및 후면 전계부(172)]과 금속 물질[즉, 제1 및 제2 전극(141, 142)] 간의 접착력이 향상된다. 이로 인해, 복수의 에미터부(121)와 복수의 제1 전극(141) 사이 그리고 복수의 후면 전계부(172)와 복수의 제2 전극(142) 사이의 접착력이 향상되고, 복수의 에미터부(121)와 복수의 제1 전극(141) 사이 그리고 복수의 후면 전계부(172)과 복수의 제2 전극(142) 사이에 오믹 콘택(ohmic contact)이 형성된다. 따라서, 복수의 에미터부(121)와 복수의 제1 전극(141) 사이 그리고 복수의 후면 전계부(172)와 복수의 제2 전극(142) 사이의 전도도가 향상되어, 태양 전지(11)의 직렬 저항이 감소하여 복수의 에미터부(121)와 복수의 후면 전계부(172)로부터 각각 복수의 제1 및 제2 전극(141, 142)으로의 전하 전송 효율이 증가하여 필 팩터(fill factor, FF)가 증가하여 태양 전지(11)의 효율이 향상된다.
하지만, 본 예와 달리, 보조 전극부(150)는 생략 가능하다.
본 예에서, 각 에미터부(121)와 각 후면 전계부(172)는 위치에 무관하게 동일한 불순물 도핑 농도를 갖는다. 예를 들어, 각 에미터부(121)에 도핑된 p형 불순물의 도핑 농도는 약 1×1021atoms/㎤일 수 있고, 각 후면 전계부(172)에 도핑된 n형 불순물의 도핑 농도는 약 1×1021atoms/㎤일 수 있다.
하지만 다른 예에서, 각 에미터부(121)와 각 후면 전계부(172) 중 적어도 하나의 불순물 도핑 농도는 세로 방향, 즉 두께 방향을 따라 연속적 또는 비연속적으로 변하고, 연속적으로 변할 때 선형 또는 비선형으로 변한다. 이때, 기판(110) 쪽에서부터 보조 전극부(150) 쪽으로 위치(두께)를 이동함에 따라 불순물 도핑 농도는 증가한다.
이때, 각 에미터부(121)와 각 후면 전계부(172)의 불순물 도핑 농도는 약 1×1010 atoms/㎤ 내지 1×1021 atoms/㎤ 의 불순물 도핑 농도를 가질 수 있다.
결국, 에미터부(121)와 후면 전계부(172) 중 적어도 하나는 기판(110) 쪽으로 갈수록 진성(intrinsic) 반도체 특성이 증가하고, 보조 전극부(150) 쪽으로 갈수록 외인성(extrinsic) 반도체 특성이 증가한다.
따라서 각 에미터부(121)와 후면 전계부(172) 중 적어도 하나는 기판(110) 쪽으로 갈수록 불순물의 도핑 농도가 낮기 때문에 기판(110)의 표면 및 그 부근에 존재하는 결함을 안정한 결합으로 바꾸어, 기판(110) 쪽으로 이동한 전하가 결함에 의해 소멸되는 양을 감소시키는 패시베이션 기능을 수행하고, 결함을 유발하는 불순물의 도핑 양이 적기 때문에 패시베이션 기능은 더욱 효율적으로 행해진다.
또한, n형과 p형 불순물의 불순물 도핑 농도가 증가할수록 비저항값이 감소하여 전도도(conductivity)와 오믹 콘택(ohmic contact)이 증가하므로, 보조 전극부(150) 쪽으로 갈수록 불순물 도핑 농도가 증가하여 전도도와 접촉 특성이 향상된다. 이로 인해, 에미터부(121)와 후면 전계부(172) 중 적어도 하나의 상부면, 즉, 에미터(121) 및 후면 전계부(172)와 보조 전극(150)[또는 전극부(140)] 간의 접합면으로 갈수록 전하 전송 능력이 더욱 향상되고 그 상부에 위치한 보조 전극(150)[또는 전극부(140)]과의 접촉력이 더욱 증가한다.
추가로 후면 전계부(172)일 경우, 후면 전계부(172)의 상부면으로 갈수록 불순물의 도핑 농도가 증가하여, 기판(110)와 후면 전계부(172) 간의 농도 차이가 증가하여 농도 차이로 인해 발생하는 전위 장벽(즉, 전계)의 세기가 증가한다. 따라서, 후면 전계부(172)의 전계 효과는 더욱 효율적으로 향상된다.
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이와 같은 구조를 갖는 본 실시예에 따른 태양 전지(11)는 복수의 제1 전극(141)과 복수의 제2 전극(142)이 빛이 입사되지 않은 기판(110)의 후면에 위치하는 태양 전지로서, 그 동작은 다음과 같다.
태양 전지(11)로 빛이 조사되어 반사 방지부(130), 전면 전계부(171) 및 전면 보호부(191)를 순차적으로 통과한 후 기판(110)으로 입사되면 빛 에너지에 의해 기판(110)에서 전자-정공 쌍이 발생한다. 이때, 반사 방지부(130)에 의해 기판(110)으로 입사되는 빛의 반사 손실이 줄어들어 기판(110)으로 입사되는 빛의 양은 더욱더 증가한다.
이들 전자-정공 쌍은 기판(110)과 에미터부(121)의 p-n 접합에 의해 서로 분리되어, 정공은 p형의 도전성 타입을 갖는 에미터부(121) 쪽으로 이동하고 전자는 n형의 도전성 타입을 갖는 후면 전계부(172)쪽으로 이동하며, 이동한 정공과 전자는 각각 제1 및 제2 보조 전극(151, 152)을 통해 제1 전극(141)과 제2 전극(142)으로 각각 전달되어 제1 및 제2 전극(141, 142)에 의해 수집된다. 이러한 제1 전극(141)과 제2 전극(142)을 도선으로 연결하면 전류가 흐르게 되고, 이를 외부에서 전력으로 이용하게 된다.
이때, 기판(110)의 전면에 보호부(191)가 위치하므로, 기판(110)의 전면 및 후면 표면 그리고 그 근처에 존재하는 결함으로 인한 전하 손실량이 줄어들어 태양 전지(11)의 효율이 향상된다.
또한, 기판(110)의 전면과 후면에 위치한 전계부(171, 172)로 인해 전하의 손실량이 더욱 감소하여 태양 전지(11)의 효율은 더욱 향상된다.
추가로, 정공이 각 에미터부(121)로 이동할 경우, 기판(110)의 표면에서부터 각 에미터부(121)까지의 최단 거리가 각 후면 전계부(172)까지의 최단 거리보다 짧기 때문에, 정공의 이동 거리가 전자의 이동 거리보다 줄어든다. 이로 인해, 각 에미터부(121)로 이동한 정공의 양과 각 후면 전계부(172)로 이동한 전자의 양 차이가 줄어들거나 방지되어, 태양 전지(11)의 효율이 향상된다.
다음, 도 4를 참고로 하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지의 다른 예들에 대하여 설명한다. 이하의 예들에서, 도 1 및 도 2의 태양 전지(11)와 동일한 구조를 갖고 같은 기능을 수행하는 구성 요소에 대해서는 같은 도면 부호를 부여하고 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
먼저, 도 4에 도시한 태양 전지(12)는 도 1 및 도 2에 도시한 태양 전지(11)와 비교할 때, 인접한 에미터부(121)와 후면 전계부(172) 사이의 드러난 기판(110) 위에 절연부(161)가 더 위치한 것을 제외하면, 동일한 구조를 갖고 있다.
따라서, 도 4에 도시한 태양 전지(12)는 이미 도 1 및 도 2를 참고로 하여 설명한 태양 전지(11)와 동일하게 n형 기판(110)의 후면 내에 위치한 p형 불순물부와 n형 불순물부인 복수의 에미터부(121)와 복수의 후면 전계부(172)의 불순물 도핑 깊이는 서로 상이하다. 예를 들어, p형 불순물부[예, 에미터부(121)]의 불순물 도핑 깊이(P1)에 대한 n형 불순물부[예, 후면 전계부(172)]의 불순물 도핑 깊이(P2)의 비는 50:1 내지 100:1일 수 있다. 예를 들어, p형 불순물부의 불순물 도핑 깊이가 500㎚ 내지 2000㎚일 수 있고, n형의 불순물부의 불순물 도핑 깊이는 약 10㎚ 내지 20㎚일 수 있다. 이로 인해, 각 에미터부(121)로 이동하는 정공의 이동 거리가 각 후면 전계부(172)로 이동하는 전자의 이동 거리보다 짧아져, 각 에미터부(121)로 이동하는 정공의 양을 증가시켜, 태양 전지(12)의 효율을 향상시킨다.
도 4에 도시한 태양 전지(12)의 절연부(161)는 비정질 실리콘(a-Si)이나 비정질 실리콘 산화물(a-SiOx), 비정질 실리콘 질화물(a-SiNx) 등으로 이루어져 있고, 인접한 에미터부(121)와 후면 전계부(172) 사이의 기판(110) 위에 위치한다.
이로 인해, 노출된 후면 전계부(172)와 에미터부(121)이 공기나 수분 등으로부터 보호되어 후면 전계부(172)와 에미터부(121)가 산화되거나 특성이 변화되는 것이 방지된다. 또한, 절연부(161)에 의해 기판(110)의 표면 및 그 부근에 존재하는 결함이 안정적인 결합으로 바뀜에 따라 절연부(161)에 의해 패시베이션 기능을 이루어진다.
이에 더하여, 절연부(161)에 의해 전극(151 및 152, 141 및 142) 사이의 전기적인 간섭 현상이 방지되어 전하의 재결합량이 감소한다.
따라서, 도 4에 도시한 태양 전지(12)는 도 1 및 도 2에 도시한 태양 전지(11)에 의해 얻어지는 효과 이외에도 위에 기재한 것과 같은 효과가 추가로 발생하므로, 태양 전지(12)의 효율을 더욱더 향상된다.
위에 기재한 실시예와는 달리, 기판(110)이 p형일 경우, 복수의 에미터부(121)는 전자가 이동하는 n형이고 복수의 후면 전계부(172)는 정공이 이동하는 p형이 된다. 이 경우, 전자보다 이동 속도가 느린 정공은 복수의 후면 전계부(172) 쪽으로 이동하므로, 이미 기술한 것과는 달리, 복수의 후면 전계부(172)의 불순물 도핑 깊이(P2)가 복수의 에미터부(121)의 불순물 도핑 깊이(P1)보다 커, 기판(110)의 전면에서부터 각 후면 전계부(172)까지의 최단 거리(D2)는 각 에미터부(121)까지의 최단 거리(D1)보다 짧다. 이로 인해, 정공의 이동 거리를 전자보다 짧게 하여, 각 후면 전계부(172)로 이동하는 정공의 양을 증가시킨다.
위에 기재한 실시예들에서, p형 불순물부[예, 에미터부(121)]의 불순물 도핑 깊이가 n형 불순물부[예, 후면 전계부(172)]의 불순물 도핑 깊이보다 큰 것을 한 예로 들었습니다. 하지만, 다른 실시예에서 이와는 반대로 n형 불순물부의 불순물 도핑 깊이가 p형 불순물부의 불순물 도핑 깊이보다 클 수 있습니다. 이 경우, 역시, p형 불순물부의 불순물 도핑 깊이와 n형 불순물부의 불순물 도핑 깊이 사이의 비율은 50 내지 100이므로, 한 예로서, n형 불순물부의 불순물 도핑 깊이에 대한 p형 불순물부의 불순물 도핑 깊이의 비는 50:1 내지 100:1이다. 한 예로서, n형 불순물부의 불순물 도핑 깊이는 500㎚ 내지 2000㎚일 수 있고, p형의 불순물부의 불순물 도핑 깊이는 약 10㎚ 내지 20㎚일 수 있다. 이처럼, n형 불순물부의 불순물 도핑 깊이가 p형 불순물부의 불순물 도핑 깊이 보다 클 경우, 전자의 이동거리가 정공의 이동거리보다 짧아져, 전자의 수집량이 증가한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
110: 기판 121: 에미터부
130: 반사 방지부 140: 전극부,
141, 142: 전극 150: 보조 전극부
151, 152: 보조 전극 161: 절연부
171, 172: 전계부 191: 전면 보호부
130: 반사 방지부 140: 전극부,
141, 142: 전극 150: 보조 전극부
151, 152: 보조 전극 161: 절연부
171, 172: 전계부 191: 전면 보호부
Claims (20)
- 결정질 반도체로 이루어진 결정질 기판,
상기 기판의 제1 면에 위치하는 복수의 p형 불순물부,
상기 기판의 상기 제1 면에 위치하는 복수의 n형 불순물부,
상기 복수의 p형 불순물부와 각각 연결되어 있는 복수의 제1 전극, 그리고
상기 복수의 n형 불순물부와 각각 연결되어 있는 복수의 제2 전극
을 포함하고,
상기 복수의 p형 불순물부 각각의 p형 불순물 도핑 깊이는 상기 복수의 n형 불순물부 각각의 n형 불순물 도핑 깊이보다 크며,
상기 p형 불순물 도핑 깊이는 상기 n형 불순물 도핑 깊이의 50배 내지 100배인 태양 전지. - 삭제
- 제1항에서,
상기 p형 불순물 도핑 깊이는 500㎚ 내지 2000㎚이고, 상기 n형 불순물 도핑 깊이는 10㎚ 내지 20㎚인 태양 전지. - 삭제
- 제1항에서,
상기 복수의 p형 불순물부와 상기 복수의 n형 불순물부 중 적어도 하나는 두께에 따라 불순물 도핑 농도가 상이한 태양 전지. - 제5항에서,
상기 복수의 p형 불순물부와 상기 복수의 n형 불순물부 중 적어도 하나의 상기 불순물 도핑 농도는 상기 기판 쪽에서부터 상기 복수의 제1 전극과 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 하나 쪽으로 갈수록 증가하는 태양 전지. - 제5항 또는 제6항에서,
상기 불순물 도핑 농도는 1×1010atms/㎤ 내지 1×1021atms/㎤인 태양 전지. - 제1항에서,
상기 복수의 p형 불순물부와 상기 복수의 n형 불순물부 중 적어도 하나는 두께에 따라 에너지 밴드 갭의 크기가 달라지는 태양 전지. - 제8항에서,
상기 복수의 p형 불순물부와 상기 복수의 n형 불순물부 중 적어도 하나의 상기 에너지 밴드 갭의 크기는 상기 기판 쪽에서부터 상기 복수의 제1 전극과 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 하나 쪽으로 갈수록 감소하는 태양 전지. - 제9항에서,
상기 기판과 상기 복수의 p형 불순물부와 상기 복수의 n형 불순물부 중 적어도 하나와 접해 있는 부분의 제1 에너지 밴드 갭과 상기 복수의 p형 불순물부와 상기 복수의 n형 불순물부 중 적어도 하나와 상기 복수의 제1 전극과 상기 복수의 제2 전극 중 적어도 하나와 접해 있는 분의 제2 에너지 밴드 갭의 차이는 0.1eV인 태양 전지. - 제10항에서,
상기 제1 에너지 밴드 갭이 상기 제2 에너지 밴드 갭보다 큰 태양 전지 - 삭제
- 삭제
- 제1항에서,
상기 복수의 p형 불순물부와 상기 복수의 n형 불순물부는 확산법에 의해 상기 기판 내에 형성된 태양 전지. - 제1항에서,
서로 인접한 p형 불순물부와 n형 불순물부 사이의 상기 기판 위에 위치한 절연부를 더 포함하는 태양 전지. - 제1항에서,
상기 기판의 상기 제1 면의 반대편에 위치한 상기 기판의 제2 면에 보호부를 더 포함하는 태양 전지. - 제16항에서,
상기 보호부 위에 위치하고 상기 기판과 동일한 도전성 타입을 갖는 전계부를 더 포함하는 태양 전지. - 제17항에서,
상기 전계부 위에 위치한 반사 방지부를 더 포함하는 태양 전지. - 제1항에서,
상기 기판의 상기 제1 면은 빛이 입사되는 상기 기판의 면의 반대편에 위치하는 태양 전지. - 제1항에서,
상기 n형 불순물부의 폭이 상기 p형 불순물부의 폭의 1배 내지 5배인 태양 전지.
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