KR101318326B1 - 초고효율을 나타내는 이종접합 실리콘 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 표면에 텍스처가 다수 형성된 결정질 실리콘 기판 상기 결정질 실리콘 기판의 상면에 형성된 에미터층 상기 에미터층의 상면에 형성된 패시베이션층 상기 패시베이션층의 상면에 형성된 비정질 박막 적층체 상기 비정질 박막 적층체의 상면에 형성된 전면전극 및 상기 결정질 실리콘 기판의 후면에 형성된 후면전극을 포함하는 이종접합 실리콘 태양전지를 제공한다. 본 발명에 따른 이종접합 실리콘 태양전지는 표면 텍스처링된 결정질 실리콘 기판 상에 비정질 박막 적층체를 형성함으로써 기존의 평면구조의 태양전지에 비해 면적을 향상시키고 단락전류의 일치를 통해 초고효율을 나타낼 수 있다.
Description
본 발명은 초고효율을 나타내는 이종접합 실리콘 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표면 텍스처링된 결정질 실리콘 기판 상에 비정질 박막 적층체를 형성함으로써 기존의 평면구조의 태양전지에 비해 면적을 향상시키고 단락전류의 일치를 통해 초고효율을 나타내는 이종접합 실리콘 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 심각한 환경오염 문제와 화석 에너지 고갈로 차세대 청정에너지 개발에 대한 중요성이 증대되고 있다. 그 중에서도 태양전지는 태양 에너지를 직접 전기 에너지로 전환시키는 장치로서, 공해가 적고, 자원이 무한적이며 반영구적인 수명을 가지고 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다.
태양전지는 n-형 반도체와 p-형 반도체를 접합한 구성으로 이루어지며, n-형은 큰 전자밀도와 작은 정공밀도를 가지고 있는 반면에 p-형은 작은 전자밀도와 큰 정공밀도를 가지고 있다. 이러한 p-n 접합 다이오드는 일반적인 열적 평형상태에서 캐리어의 확산이 일어나지 않지만, 구성물질의 전도대와 가전자대 사이의 에너지 차이인 밴드갭 에너지 이상의 빛이 가해질 경우 전자들이 가전자대에서 전도대로 여기된다. 전도대로 여기된 전자들은 자유롭게 이동하고, 전자들이 빠져나간 가전자대에는 정공이 형성된다. 빛에너지에 의하여 p-형 영역에서 여기된 전자들과 n-형 영역에서 만들어진 정공을 접합전의 캐리어(주요캐리어)에 대비하여 소수캐리어라고 부른다. 주요캐리어는 전기장으로 생긴 에너지장벽 때문에 흐르지 못하지만, 소수캐리어는 계속하여 흐르기 때문에 이를 외부 회로에 연결하여 태양전지로 사용할 수 있는 것이다.
이러한 태양전지는 p-n 접합에 사용되는 p-형 반도체와 n-형 반도체의 성질에 따라서 동종접합과 이종접합으로 나뉜다. 이중, 이종접합은 서로 다른 물질 또는 결정구조를 갖는 경우를 말하며, 특히 비정질/결정질을 접합한 경우를 말한다. 특히 실리콘을 이용한 비정질/결정질 실리콘 이종접합 태양전지는 기존의 확산형 결정질 실리콘 태양전지에 비해 낮은 온도에서 간단한 공정으로 제작이 가능하여 많은 관심이 집중되고 있다.
이러한 비정질/결정질 실리콘 이종접합 태양전지의 특성을 가장 큰 요인은 비정질/결정질 계면에 있어서 미결합손(dangling bond) 등에 의해 발생하는 결함밀도(defect density)이다. 계면의 결함밀도가 큰 경우에 빛에 의해 생성된 전자와 정공의 재결합률이 증가하여 태양전지의 효율을 저하시키는 것으로 알려지고 있다. 따라서 이러한 계면결함을 줄이기 위한 노력이 계속되고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 개발된 태양전지 중에 일본 Sanyo사에서 판매되고 있는 HIT(Heterojunction with Intrisic Thinfilm) 셀 태양전지가 있다. HIT는 n-형 실리콘 베이스와 p-형 비정질 실리콘 에미터 사이에 진성의 비정질 실리콘을 수 nm의 두께로 넣어서 효율 특성을 향상시킨 구조이며, 진성의 비정질 실리콘막을 패시베이션층(passivation layer)이라고 한다.
그러나 상술한 종래의 이종접합 태양전지는 비정질 실리콘의 단락전류가 미세 결정질 실리콘의 단락전류보다 낮아 단락전류의 일치가 어려워 초고효율을 구현하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 종래의 실리콘 태양전지에 비해 에너지 변환 효율이 향상된 초고효율을 나타내는 이종접합 실리콘 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명자들은 에너지 변환 효율이 향상된 태양전지를 개발하기 위한 연구를 거듭한 결과, 결정질 실리콘 기판의 표면에 텍스처가 다수 형성된 실리콘 기판 상에 P-N 접합을 형성한 후, 이의 상면에 비정질 박막 적층체를 형성하여 이종접합 태양전지를 제조하는 경우 종래의 이종접합 태양전지에 비해 결정질 실리콘 기판과 비정질 박막 적층체 사이의 단락전류를 일치시켜 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다는 것을 알게 되어 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 표면에 텍스처가 다수 형성된 결정질 실리콘 기판 상기 결정질 실리콘 기판의 상면에 형성된 에미터층 상기 에미터층의 상면에 형성된 패시베이션층 상기 패시베이션층의 상면에 형성된 비정질 박막 적층체 상기 비정질 박막 적층체의 상면에 형성된 전면전극 및 상기 결정질 실리콘 기판의 후면에 형성된 후면전극을 포함하는 이종접합 실리콘 태양전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 결정질 실리콘 기판의 표면 상에 텍스처가 다수 형성되도록 결정질 실리콘 기판을 표면 텍스처링하는 단계(단계 1); 상기 표면 텍스처링된 결정질 실리콘 기판의 상면에 전계형성을 위한 에미터층을 형성하는 단계(단계 2); 상기 에미터층의 상면에 패시베이션층을 형성하는 단계(단계 3); 상기 패시베이션층의 상면에 비정질 박막 적층체를 형성하는 단계(단계 4); 상기 비정질 박막 적층체의 상면에 전면전극을 형성하는 단계(단계 5) 및 상기 결정질 실리콘 기판의 후면에 후면전극을 형성하는 단계(단계 6)를 포함하는 이종접합 실리콘 태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명에서 사용하는 결정질 실리콘 기판으로는 표면 텍스처링되어 표면에 사각형 육면체, 사다리꼴 육면체 등의 텍스처 또는 이들의 상단부에 반원구형과 같은 오목부가 형성된 텍스처가 다수 형성된 결정질 실리콘 기판을 사용할 수 있다.
상기 에미터층은 결정실 실리콘 기판의 상면에 전계형성을 위해 형성되며, p-타입의 결정질 실리콘 기판을 사용하는 경우 n+ 도핑층으로 형성되며, n-타입의 결정질 실리콘 기판을 사용하는 경우 p+ 도핑층으로 형성된다.
상기 패시베이션층은 에미터층의 상면에 ZnO:Al 박막 및 ITO 박막을 증착하여 형성될 수 있다.
상기 비정질 박막 적층체로는 n-i-p구조 또는 p-i-n구조의 비정질 박막 적층체를 사용할 수 있다.
상기 전면전극은 비정질 박막 적층체의 상면에 형성되며, 투명전도성 산화물 박막을 증착시켜 형성될 수 있다.
상기 후면전극은 결정질 실리콘 기판의 후면에 알루미늄 페이스트 또는 은 페이스트를 도포한 후 열처리하여 형성될 수 있다.
본 발명은 종래의 이종접합 태양전지는 비정질 실리콘의 단락전류가 미세 결정질 실리콘의 단락전류보다 낮아 단락전류가 일치되지 않아 초고효율을 구현하기 어려운 문제점을 해결하여 초고효율을 나타내는 이종접합 실리콘 태양전지 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 이종접합 실리콘 태양전지의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 이종접합 실리콘 태양전지의 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 이종접합 실리콘 태양전지의 제조공정을 개략적으로 나타낸 공정흐름도이다.
도 4는 실험예 1에 따른 텍스처가 형성된 결정질 실리콘 기판의 제조과정에서의 표면 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 5는 도 4에서 (c)의 확대 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 6은 실험예 2에 따른 텍스처가 형성된 결정질 실리콘 기판의 제조과정에서의 표면 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 7은 도 6에서 (c)의 확대 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 이종접합 실리콘 태양전지의 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 이종접합 실리콘 태양전지의 제조공정을 개략적으로 나타낸 공정흐름도이다.
도 4는 실험예 1에 따른 텍스처가 형성된 결정질 실리콘 기판의 제조과정에서의 표면 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 5는 도 4에서 (c)의 확대 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 6은 실험예 2에 따른 텍스처가 형성된 결정질 실리콘 기판의 제조과정에서의 표면 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 7은 도 6에서 (c)의 확대 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
이하 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 실리콘 태양전지를 도 1 내지 도 2를 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 이종접합 실리콘 태양전지(200)는 표면에 텍스처(101)가 다수 형성된 결정질 실리콘 기판(100); 상기 결정질 실리콘 기판(100)의 상면에 형성된 에미터층(110); 상기 에미터층(110)의 상면에 형성된 패시베이션층(120); 상기 패시베이션층(120)의 상면에 형성된 비정질 박막 적층체(130); 상기 비정질 박막 적층체(130)의 상면에 형성된 전면전극(140) 및 상기 결정질 실리콘 기판(100)의 후면에 형성된 후면전극(150)을 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 태양전지는 표면에 텍스처(101)가 다수 형성된 결정질 실리콘 기판(100) 상에 에미터층(110)을 증착시켜 P-N 접합을 형성한 후 비정질 실리콘을 사용하여 비정질 박막 적층체(130)를 이의 상면에 형성하여 제조된 것으로 이종접합 실리콘 태양전지로 명명한다.
본 발명에 따른 이종접합 실리콘 태양전지(200)의 제조시, 표면에 텍스처(101)가 다수 형성되어 3차원 형상을 나타내는 p-타입 또는 n-타입의 결정질 실리콘 기판(100)을 사용한다.
결정질 실리콘 기판(100)을 표면 텍스처링하여 표면에 종횡비(aspect ratio)가 높은 텍스처(101)를 형성하여 결정질 실리콘 기판(100)의 표면적을 증가시킬 수 있고, 결정질 실리콘 기판(100)의 표면적이 증가하는 경우 상면에 형성된 비정질 박막 적층체(130)의 단락전류가 증가되어 결정질 실리콘 기판(100)과의 단락전류를 일치시킴으로써 최종적으로 제조되는 이종접합 실리콘 태양전지(200)의 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 결정질 실리콘 기판(100)에 형성된 텍스처(101)의 종횡비는 2:1 이상인 것이 바람직하다.
도 1 및 도 2에서는 본 발명의 일 실시형태에 따라 상기 결정질 실리콘 기판(100)의 표면에 형성된 텍스처(101)로서 사다리꼴 육면체가 형성된 것으로 도시되었으나, 이에 제한되지 않고 결정질 실리콘 기판(100)의 표면에 형성된 텍스처(101)는 사각형 육면체, 사다리꼴 육면체 등의 형태로 제조될 수 있으며, 이들 텍스처(101)의 상단부에 반원구형과 같은 오목부가 형성된 형태로 제조되어 결정질 실리콘 기판의 표면적을 보다 증가시킬 수 있다.
상기 에미터층(110)은 상기 표면 텍스처링되어 표면에 텍스처(101)가 다수 형성된 결정질 실리콘 기판(100)의 상면에 p-n 접합을 형성하기 위하여 형성된다. 본 발명에 따른 이종접합 실리콘 태양전지(200)의 제조시 상기 에미터층(110)은 표면 텍스처링된 p-타입의 결정질 실리콘 기판(100)을 사용하는 경우 n+ 도핑층으로 형성되며, 표면 텍스처링된 n-타입의 결정질 실리콘 기판(110)을 사용하는 경우 p+ 도핑층으로 형성될 수 있다.
상기 패시베이션층(120)은 에미터층(110)의 상면에 형성되며, 상기 에미터층(110)과 비정질 박막 적층체(130)의 사이에 증착되어 형성됨으로써, 결정질 실리콘 기판(100) 상에 형성된 에이터층(110)과 비정질 박막 적층체(130) 사이의 계면에서 전자-정공의 재결합 손실을 줄일 수 있다.
상기 패시베이션층(120)으로는 ZnO:Al 박막 또는 ITO 박막을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 비정질 박막 적층체(130)는 패시베이션층(120)의 상면에 형성되며, n-i-p 구조의 비정질 박막 적층체 또는 p-i-n 구조의 비정질 박막 적층체가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 본 발명에 따른 이종접합 실리콘 태양전지(200)의 제조시, 표면 텍스처링된 n-타입의 결정질 실리콘 기판(100) 상에 에미터층(110)으로 p+ 도핑층을 형성하여 P-N 접합이 형성하는 경우 이의 상면에 n형 반도체층, i형 반도체층 및 p형 반도체층을 순차적으로 적층하여 n-i-p구조의 비정질 박막 적층체(130)를 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에 있어서, 본 발명에 따른 이종접합 실리콘 태양전지(200)의 제조시, 표면 텍스처링된 p-타입의 결정질 실리콘 기판(100) 상에 에미터층(110)으로 n+ 도핑층을 형성하여 P-N 접합이 형성하는 경우 이의 상면에 p형 반도체층, i형 반도체층 및 n형 반도체층을 순차적으로 적층하여 p-i-n 구조의 비정질 박막 적층체(130)를 형성할 수 있다.
상기 n형 반도체층은 n-타입 포스핀(P) 억셉터 불순물이 도핑된 비정질 실리콘 박막을 10~20 nm의 두께로 증착시켜 형성될 수 있으며, i형 반도체층은 i형의 수소화된 비정질 실리콘(i-type a-Si:H) 박막을 250~450 nm의 두께로 증착시켜 형성될 수 있으며, p형 반도체층은 p-타입 보론(B) 억셉터 불순물이 도핑된 수소화된 비정질 실리콘 박막을 10~20 nm의 두께로 증착시켜 형성될 수 있다.
상기 전면전극(140)은비정질 박막 적층체(130)의 상면에 형성되며, 빛이 투과될 수 있는 투명전도성 산화물 박막(TCO 박막)을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 투명전도성 산화물 박막은 불소가 도핑된 틴 옥사이드(FTO), 인듐틴옥사이드(ITO), 인듐징크옥사이드(IZO), 인듐징크틴옥사이드(IZTO) 및 알루미늄징크옥사이드(AZO)로 이루어진 군으로부터 선택된 투명전도성 산화물을 사용하여 형성할 수 있다.
상기 후면전극(150)은 결정질 실리콘 기판(100)의 후면에 알루미늄 페이스트 또는 은 페이스트를 도포한 후 열처리하여 형성되며, 이로써 후면전계를 형성할 수 있다.
이하 본 발명에 따른 이종접합 실리콘 태양전지의 제조방법을 도 3을 참조하여 설명한다.
또한, 본 발명에 따른 이종접합 실리콘 태양전지의 제조방법은,
결정질 실리콘 기판의 표면 상에 텍스처가 다수 형성되도록 결정질 실리콘 기판(100)을 표면 텍스처링하는 단계(단계 1);
상기 표면 텍스처링된 결정질 실리콘 기판(100)의 상면에 전계형성을 위한 에미터층(110)을 형성하는 단계(단계 2);
상기 에미터층(110)의 상면에 패시베이션층(120)을 형성하는 단계(단계 3);
상기 패시베이션층(120)의 상면에 비정질 박막 적층체(130)를 형성하는 단계(단계 4);
상기 비정질 박막 적층체(130)의 상면에 전면전극(140)을 형성하는 단계(단계 5); 및
상기 결정질 실리콘 기판(100)의 후면에 후면전극(150)을 형성하는 단계(단계 6)를 포함한다.
우선, 결정질 실리콘 기판(100)의 표면 상에 텍스처가 다수 형성되도록 결정질 실리콘 기판을 표면 텍스처링한다(단계 1).
상기 결정질 실리콘 기판(100)의 텍스처는 결정실 실리콘 기판(100)에 대해 리소그래피법을 사용한 에칭공정을 수행하여 형성될 수 있으며, 텍스처는 사각형 육면체, 사다리꼴 육면체 등의 다양한 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 결정질 실리콘 기판의 표면 텍스처링의 일 실시형태에 있어서, 상기 결정질 실리콘 기판의 표면 상에 텍스처가 다수 형성되도록 결정질 실리콘 기판을 표면 텍스처링하는 방법은, p-타입 또는 n-타입의 결정질 실리콘 기판 상에 경질 마스크를 형성하는 단계, 상기 경질 마스크 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계, 상기 포토레지스트 패턴을 마스크로 하여 상기 경질 마스크를 에칭하는 단계, 상기 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계, 상기 결정질 실리콘 기판을 상기 경질 마스크의 패턴에 따라 습식 에칭하여 택스트를 형성하는 단계 및 상기 경질 마스크를 제거하는 단계를 포함한다.
상세하게는, p-타입 또는 n-타입의 결정질 실리콘 기판상에 산화 실리콘(SiOx), 질화 실리콘(SiNx) 또는 탄화 실리콘(SiCx)을 증착시켜 경질 마스크를 형성한다.
이후, 결정질 실리콘 기판의 표면 텍스처링에 부합하는 포토레지스트 패턴을 형성한다. 다시 말해, 상기 패턴에 부합하는 마스크를 준비하여 이를 통해 노광처리하며, 이어서 현상처리하여 포토레지스트 패턴을 완성할 수 있다.
다음으로, 상기 경질 마스크상에 포토레지스트 패턴이 형성된 결정질 실리콘 기판을 완충 불화수소산(buffered hydrofluoric acid)에 침지시킨다. 이에 따라, 상기 포토레지스트 패턴을 마스크로 상기 경질 마스크가 에칭된다. 이와 같이, 경질 마스크를 제거하기 위한 침지 용액으로 완충 불화수소산을 사용함으로써 포토 레지스트에 결함 발생을 방지할 수 있다.
이후, 상기 결정질 실리콘 기판을 황산과 과산화수소를 2:1 내지 10:1 중량비로 혼합한 용액에 침지시켜 상기 포토레지스트 패턴을 제거할 수 있다. 경우에 따라 포토레지스트 패턴의 제거는 아세톤에 침지시켜 초음파 처리함으로써 이루어질 수 있다.
다음으로, 상기 에칭된 경질 마스크 즉, 상기 포토레지스트 패턴에 부합하는 패턴이 형성된 경질 마스크를 마스크로 상기 결정질 실리콘 기판을 습식 에칭하여 결정질 실리콘 기판의 표면에 텍스처를 형성할 수 있다.
이때, 상기 결정질 실리콘 기판에 대해 수행하는 습식 에칭은 결정질 실리콘 기판에 대해 등방성 에칭을 수행한 후, 비등방성 에칭을 수행하는 2단계의 에칭에 의할 수 있다.
상세하게는, 탈이온수 90∼95중량%에 수산화나트륨 5∼10 중량%를 용해시켜 제조된 용액에 상기 결정질 실리콘 기판을 침지시켜 등방성 에칭을 수행할 수 있다. 이후, 탈이온수 96∼99중량%에 수산화나트륨 1∼4중량%를 용해시켜 제조된 용액에 상기 결정질 실리콘 기판을 침지시켜 비등방성 에칭을 수행한다. 여기서, 상기 비등방성 에칭시간은 2~5분간 수행하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 상기 결정질 실리콘 기판에 대해 등방성 에칭을 수행한 후, 비등방성 에칭을 수행하여 표면 텍스처링하는 경우 상기 결정질 실리콘 기판 상에 측단면 형상이 2단의 사다리꼴인 육면체의 텍스처를 형성할 수 있다.
그러나 본 발명의 범위는 여기에 한정되지 않으며, 경우에 따라, 등방성 에칭만으로 결정질 실리콘 기판상에 텍스처를 형성할 수 있으며, 상기 등방성 또는 비등방성 에칭에 이용되는 식각 용액은 수산화칼륨(KOH), 이소프로판올(IPA) 및 탈이온수를 포함하는 혼합용액을 적용할 수 있다. 이때, 상기 혼합용액 총중량을 기준으로 상기 수산화칼륨은 약 15중량%, 상기 이소프로판올은 약 13중량% 으로 포함되는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 표면 텍스처링된 결정질 실리콘 기판(100)의 상면에 에미터층(110)을 형성한다(단계 2).
상기 단계 2에서 상기 표면 텍스처링된 결정질 실리콘 기판(100)의 상면에 p-n 접합을 형성하기 위하여 n형 불순물 또는 p형 불순물을 증착시켜 에미터층(110)을 형성하며, 예를 들어, 상기 표면 텍스처링된 결정질 실리콘 기판(100)으로서 p-타입의 결정질 실리콘 기판을 사용하는 경우 p-타입의 결정질 실리콘 기판의 상면에 n+ 도핑층을 형성하여 에미터층(110)을 형성하고, 상기 표면 텍스처링된 결정질 실리콘 기판(100)으로서 n-타입의 결정질 실리콘 기판을 사용하는 경우 n-타입의 실리콘 웨이퍼 상면에 p+ 도핑층을 형성하여 에미터층(110)을 형성할 수 있으며, 에미터층(110)은 500∼700nm의 두께로 증착시켜 형성하는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 에미터층(110)의 상면에 패시베이션층(120)을 형성한다(단계 3).
상기 패시베이션층(120)은 에미터층(110)과 비정질 박막 적층체(130) 사이에 증착되며, 알루미늄 산화아연(AZO) 또는 인듐 산화주석(ITO)을 상기 에미터층(110)의 상면에 스퍼터링 방식 등을 사용하여 50∼200 nm의 두께의 ZnO:Al 박막 또는 ITO 박막을 증착시켜 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 패시베이션층(120)의 상면에 비정질 박막 적층체(130)를 형성한다(단계 4).
상기 비정질 박막 적층체(130)는 상기 패시베이션층(120)의 상면에 n-i-p 구조의 비정질 박막 적층체 또는 p-i-n 구조의 비정질 박막 적층체를 증착시켜 형성될 수 있다.
상기 n형 반도체층은 SiH4, H2, PH3를 가스 주입하여 PECVD 등의 증착방법에 의해 n-타입 포스핀(P) 억셉터 불순물이 도핑된 비정질 실리콘 박막을 증착시켜 형성될 수 있다.
상기 i형 반도체층은 SiH4, H2를 주입하여 PECVD 등의 증착방법에 의해 i형의 수소화된 비정질 실리콘(i-type a-Si:H) 박막을 증착시켜 형성될 수 있다.
상기 p형 반도체층은 SiH4, H2, B2H6을 주입하여 PECVD 등의 증착방법에 p-타입 보론(B) 억셉터 불순물이 도핑된 수소화된 비정질 실리콘 박막 또는 산화질소 가스를 주입하여 형성된 수소화된 실리콘 산화막(a-SiOX:B)을 증착시켜 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 비정질 박막 적층체(130)의 상면에 전면전극(140)을 형성한다(단계 5).
상기 전면전극(140)은 빛이 입사되는 면으로써 투명전도성 산화물, 예를 들어, 불소가 도핑된 틴 옥사이드(FTO), 인듐틴옥사이드(ITO), 인듐징크옥사이드(IZO), 인듐징크틴옥사이드(IZTO), 알루미늄징크옥사이드(AZO) 등을 상기 비정질 박막 적층체(130)의 상면에 50∼200 nm 두께로 증착시켜 형성된 투명전도성 산화물 박막(Transparent Conductive Oxide film, TCO film)일 수 있다.
마지막으로, 상기 결정질 실리콘 기판(100)의 후면에 후면전극(150)을 형성한다(단계 6).
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 결정질 실리콘 기판(100)의 후면에 알루미늄 페이스트 또는 은 페이스트를 도포한 후 900∼1000℃에서 열처리함으로써 후면전계층 및 후면전극을 형성할 수 있다.
상기 후면전극(150)은 알루미늄과 은을 단일물질로서 도포하여 형성될 수 있으며, 은과 알루미늄을 적층 형태로 형성할 수 있으며, 20∼30 nm 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
실험예 1: 수산화나트륨을 이용한 결정질 실리콘 기판의 2단계 에칭
p형 결정질 실리콘 기판을 준비하여, 실리카(SiO2)를 증착시켜 145nm 두께의 경질 마스크를 형성하고, 상기 경질 마스크상에 포토레지스트층을 형성하였다. 이후, 패턴 너비 11㎛, 패턴 간격 5㎛의 사각형 패턴이 규칙적으로 배열된 포토 마스크를 준비하여 포토레지스트층에 10초 동안 i -line 365nm 파장의 자외선을 조사하여 노광처리하고, 이어서 40초 동안 현상용액(AZ 300 MIF developer)에 침지시켜 현상함으로써 포토레지스트 패턴을 형성하였다.
다음으로, 상기 포토레지스트 패턴이 형성된 결정질 실리콘 기판을 물과 물 100중량부를 기준으로 130 중량부의 완충 불화수소산(buffered hydrofluoric acid, HF:NH4F=1:6)이 혼합된 불화수소산 수용액에 침지시켜 상기 경질 마스크를 에칭한 후, 아세톤에 침지시켜 5분간 초음파 처리하여 상기 포토레지스트 패턴을 제거하였다.
이후, 상기 에칭된 경질 마스크를 마스크로 하여 탈이온수 92중량%에 수산화나트륨 8중량%를 용해시켜 제조된 용액에 상기 결정질 실리콘 기판을 침지시켜 4분 30초 동안 등방성 에칭을 수행하였다.
다음으로, 탈이온수 97중량%에 수산화나트륨 3중량%를 용해시켜 제조된 용액에 상기 결정질 실리콘 기판을 침지시켜 5분 동안 비등방성 에칭을 수행하였다.
실험예 1에 따른 텍스처가 형성된 결정질 실리콘 기판의 제조과정에서의 표면 SEM 이미지를 도 4에 나타내었다. 여기서 (a)는 노광 및 현상 후 포토레지스트 패턴을 나타낸 것이고, (b)는 포토레지스트 패턴의 제거 후 실리카 경질 마스크의 패턴을 나타낸 것이며, (c)는 텍스처가 형성된 결정질 실리콘 기판을 나타낸 것이다.
또한 상기 도 4의 (c)의 확대 SEM 이미지를 도 5에 나타내었다. 여기서, (a)는 하나의 텍스처를 확대한 측면도이며, (b)는 표면을 확대하여 나타낸 것이다.
도 4 및 도 5에 따르면, 포토레지스트 패턴을 마스크로 경질 마스크를 에칭하고, 에칭된 경질 마스크를 마스크로 결정질 실리콘 기판을 에칭하는 과정에서 패턴의 너비가 점차 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
도시된 바와 같이, 포토레지스트 패턴에서의 패턴 너비는 10.2㎛, 실리카 경질 마스크의 패턴 너비는 9.7㎛, 최종적으로 결정질 실리콘의 패턴 너비는 3.8㎛인 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 최종적으로 형성될 실리콘 기판의 텍스처의 크기를 고려하여 최초의 포토레지스트 마스크 패턴을 적용해야 함을 알 수 있었다.
또한, 결정질 실리콘 기판에 대한 등방성 에칭 및 비등방성 에칭의 2 단계의 에칭을 수행함으로써 측단면이 2단의 사다리꼴인 텍스처를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다. 도시된 바와 같이, 하나의 텍스처의 프로파일을 보면, 등방성 에칭에 의한 부분과 비등방성 에칭에 의한 부분으로 이루어진 것을 볼 수 있었으며, 텍스처 상부의 높이는 3.3㎛, 하부의 높이는 1㎛로 나타났으며, 결정질 실리콘 기판의 표면을 기준으로 텍스처 상부의 경사는 71°, 하부의 경사는 40°로 나타났다.
이에 따라, 필요한 텍스처의 형상에 따라 등방성 에칭과 비등방성 에칭을 함께 이용하거나 이 중 하나의 에칭 방법을 선택하여 수행할 수 있음을 알 수 있다.
실험예 2: 수산화칼륨을 이용한 결정질 실리콘 기판의 1단계 에칭
p 타입의 결정질 실리콘 기판을 준비하여, 실리카(SiO2)를 증착시켜 160nm 두께의 경질 마스크를 형성하고, 상기 경질 마스크상에 포토레지스트층을 형성하였다. 이후, 상기 실험예 1에서와 동일한 패턴의 포토 마스크를 준비하여 포토레지스트층에 50초 동안 i -line 365nm 파장의 자외선을 조사하여 노광처리하고, 이어서 60초 동안 현상용액(AZ 300 MIF developer)에 침지시켜 현상함으로써 포토레지스트 패턴을 형성하였다.
다음으로, 상기 포토레지스트 패턴이 형성된 결정질 실리콘 기판을 물과 물 100중량부를 기준으로 130 중량부의 완충 불화수소산(HF:NH4F=1:6)이 혼합된 불화수소산 수용액에 침지시켜 상기 경질 마스크를 에칭한 후, 아세톤에 침지시켜 5분간 초음파 처리하여 상기 포토레지스트 패턴을 제거하였다.
이후, 상기 에칭된 경질 마스크를 마스크로 하여 13wt% 이소프로판올 및 15wt%의 수산화칼륨을 포함한 수용액에 상기 결정질 실리콘 기판을 침지시켜 9분 동안 등방성 에칭을 수행하였다.
실험예 2에 따른 텍스처가 형성된 결정질 실리콘 기판의 제조과정에서의 표면 SEM 이미지를 도 6에 나타내었다. 여기서 (a)는 노광 및 현상 후 포토레지스트 패턴을 나타낸 것이고, (b)는 포토레지스트 패턴의 제거 후 실리카 경질 마스크의 패턴을 나타낸 것이며, (c)는 텍스처가 형성된 결정질 실리콘 기판을 나타낸 것이다.
또한 상기 도 6의 (c)의 확대 SEM 이미지를 도 7에 나타내었다. 여기서, (a)는 하나의 텍스처를 확대한 측면도이며, (b)는 표면을 확대하여 나타낸 것이다.
도 6 및 도 7에 따르면, 포토레지스트 패턴을 마스크로 경질 마스크를 에칭하고, 에칭된 경질 마스크를 마스크로 결정질 실리콘 기판을 에칭하는 과정에서 패턴의 너비가 다소 감소하였다. 도시된 바와 같이, 포토레지스트 패턴에서의 패턴 너비는 11.6㎛, 실리카 경질 마스크의 패턴 너비는 11.3㎛, 최종적으로 결정질 실리콘의 패턴 너비는 11.5㎛인 것을 확인할 수 있다. 상기 실험예 1에 비하여 패턴 너비의 변화 폭이 매우 작은 것으로 나타났다.
결정질 실리콘 기판에 대한 등방성 에칭만을 수행함으로써 측단면이 사다리꼴인 육면체인 텍스처를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.
도시된 바와 같이, 하나의 텍스처의 프로파일을 보면, 등방성 에칭에 의한 부분과 비등방성 에칭에 의한 부분으로 이루어진 것을 볼 수 있었으며, 텍스처의 높이는 4.64㎛로 나타났으며, 결정질 실리콘 기판의 표면을 기준으로 텍스처 상부의 경사는 51°로 나타났다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 표면 텍스처링된 결정질 실리콘 기판
101: 텍스처 110: 에미터층
120: 패시베이션층 130: 비정질 박막 적층체
140: 전면전극 150: 후면전극
200: 이종접합 실리콘 태양전지
101: 텍스처 110: 에미터층
120: 패시베이션층 130: 비정질 박막 적층체
140: 전면전극 150: 후면전극
200: 이종접합 실리콘 태양전지
Claims (28)
- 표면에 텍스처가 다수 형성된 결정질 실리콘 기판;
상기 결정질 실리콘 기판의 상면에 형성된 에미터층;
상기 에미터층의 상면에 형성된 패시베이션층;
상기 패시베이션층의 상면에 형성된 비정질 박막 적층체;
상기 비정질 실리콘층의 상면에 형성된 전면전극; 및
상기 결정질 실리콘 기판의 후면에 형성된 후면전극;
을 포함하는 이종접합 실리콘 태양전지.
- 청구항 1에 있어서,
상기 결정질 실리콘 기판의 표면에 형성된 텍스처는 사각형 육면체, 사다리꼴 육면체 또는 이들의 상단부에 오목부가 형성된 텍스처인 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지.
- 청구항 1에 있어서,
상기 결정질 실리콘 기판의 텍스처는 결정실 실리콘 기판에 대해 리소그래피법을 사용한 에칭공정을 수행하여 형성된 것임을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지.
- 청구항 1에 있어서,
상기 에미터층은 p-타입의 결정질 실리콘 기판을 사용하는 경우 n+ 도핑층으로 형성되며, n-타입의 결정질 실리콘 기판을 사용하는 경우 p+ 도핑층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지.
- 청구항 1에 있어서,
상기 패시베이션층은 ZnO:Al 박막 및 ITO 박막으로 이루어진 군으로부터 선택된 박막인 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지.
- 청구항 1에 있어서,
상기 비정질 박막 적층체는 n-i-p구조 또는 p-i-n구조의 비정질 박막 적층체인 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지.
- 청구항 6에 있어서,
상기 n-i-p구조의 비정질 박막 적층체는 n형 반도체층, i형 반도체층 및 p형 반도체층이 순차적으로 형성된 비정질 박막 적층체이며, p-i-n구조의 비정질 박막 적층체는 p형 반도체층, i형 반도체층 및 n형 반도체층이 순차적으로 형성된 비정질 박막 적층체인 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지.
- 청구항 7에 있어서,
상기 n형 반도체층은 두께가 15~35 nm인 n-타입 포스핀(P) 억셉터 불순물이 도핑된 비정질 실리콘 박막인 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지.
- 청구항 7에 있어서,
상기 i형 반도체층은 두께가 250~450 nm인 수소화된 진성 비정질 실리콘(a-Si:H) 박막인 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지.
- 청구항 7에 있어서,
상기 p형 반도체층은 두께가 10~20 nm인 p-타입 보론(B) 억셉터 불순물이 도핑된 수소화된 비정질 실리콘 박막인 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지.
- 청구항 1에 있어서,
상기 전면전극은 투명전도성 산화물 박막인 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지.
- 청구항 11에 있어서,
상기 투명전도성 산화물 박막은 불소가 도핑된 틴 옥사이드(FTO), 인듐틴옥사이드(ITO), 인듐징크옥사이드(IZO), 인듐징크틴옥사이드(IZTO) 및 알루미늄징크옥사이드(AZO)로 이루어진 군으로부터 선택된 투명전도성 산화물을 사용하여 형성된 박막인 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지.
- 청구항 1에 있어서,
상기 후면전극은 결정질 실리콘 기판의 후면에 알루미늄 페이스트 또는 은 페이스트를 도포한 후 열처리하여 형성된 것임을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지.
- 결정질 실리콘 기판의 표면 상에 텍스처가 다수 형성되도록 결정질 실리콘 기판을 표면 텍스처링하는 단계(단계 1);
상기 표면 텍스처링된 결정질 실리콘 기판의 상면에 전계형성을 위한 에미터층을 형성하는 단계(단계 2);
상기 에미터층의 상면에 패시베이션층을 형성하는 단계(단계 3);
상기 패시베이션층의 상면에 비정질 박막 적층체를 형성하는 단계(단계 4);
상기 비정질 박막 적층체의 상면에 전면전극을 형성하는 단계(단계 5); 및
상기 결정질 실리콘 기판의 후면에 후면전극을 형성하는 단계(단계 6);
를 포함하는 이종접합 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 청구항 14에 있어서,
상기 결정질 실리콘 기판을 표면 텍스처링하는 단계는 p-타입 또는 n-타입의 결정질 실리콘 기판 상에 산화 실리콘(SiOx), 질화 실리콘(SiNx) 또는 탄화 실리콘(SiCx)을 증착시켜 경질 마스크를 형성하는 단계, 상기 경질 마스크 상에 포토 레지스트를 형성하는 단계 및 상기 결정질 실리콘 기판 상에 텍스처를 형성할 부분에 증착된 경질 마스크를 제거하고 상기 포토레지스트를 제거한 후 습식 에칭법을 수행하는 단계를 포함하여 수행되는 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 청구항 15에 있어서,
상기 경질 마스크를 제거하기 위하여 완충 불화수소산(buffered hydrofluoric acid)에 경질 마스크가 증착된 결정질 실리콘 기판을 침지시키는 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 청구항 15에 있어서,
상기 결정질 실리콘 기판으로부터 포토 레지스트를 제거하기 위하여 황산과 과산화수소를 2:1 내지 10:1 중량비로 혼합한 후, 이에 결정질 실리콘 기판을 침지시켜 포토 레지스트를 제거하여 수행되는 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 청구항 15에 있어서,
상기 결정질 실리콘 기판에 대해 수행하는 습식 에칭법은 결정질 실리콘 기판을 수산화나트륨, 과산화수소 및 탈이온수의 혼합용액에 침지시켜 등방성 에칭을 수행한 후, 비등방성 에칭을 수행하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 청구항 18에 있어서,
상기 등방성 에칭은 수산화나트륨 5∼10 중량%를 과산화수소와 탈이온수의 혼합용액 90∼95%에 용해시켜 제조된 용액에 상기 결정질 실리콘 기판을 침지시켜 수행되며, 상기 비등방성 에칭은 수산화나트륨 1∼4 중량%를 과산화수소와 탈이온수의 혼합용액 96∼99%에 용해시켜 제조된 용액에 상기 결정질 실리콘 기판을 침지시켜 수행되는 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 청구항 14에 있어서,
상기 단계 2에서 상기 표면 텍스처링된 결정질 실리콘 기판으로서 p-타입의 결정질 실리콘 기판을 사용하는 경우 p-타입의 결정질 실리콘 기판의 상면에 n+ 도핑층을 형성하여 에미터층을 형성하고, 상기 표면 텍스처링된 결정질 실리콘 기판으로서 n-타입의 결정질 실리콘 기판을 사용하는 경우 n-타입의 실리콘 웨이퍼 상면에 p+ 도핑층을 형성하여 에미터층을 형성하는 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 청구항 14에 있어서,
상기 에미터층은 n형 불순물 또는 p형 불순물을 상기 표면 텍스처링된 결정질 실리콘 기판의 상면에 500∼700 nm의 두께로 증착시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 청구항 14에 있어서,
상기 패시베이션층은 알루미늄 산화아연(AZO) 또는 인듐 산화주석(ITO)을 상기 에미터층의 상면에 스퍼터링하여 50∼200 nm의 두께로 증착시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 청구항 14에 있어서,
상기 비정질 박막 적층체는 상기 패시베이션층의 상면에 n형 반도체층, i형 반도체층 및 p형 반도체층을 순차적으로 증착시켜 형성된 n-i-p 구조의 비정질 박막 적층체이거나 상기 패시베이션층의 상면에 p형 반도체층, i형 반도체층 및 n형 반도체층을 순차적으로 증착시켜 형성된 p-i-n 구조의 비정질 박막 적층체인 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 청구항 23에 있어서,
상기 n형 반도체층은 SiH4, H2, PH3을 가스 주입하여 PECVD에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 청구항 23에 있어서,
상기 i형 반도체층은 SiH4, H2를 주입하여 PECVD에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 청구항 23에 있어서,
상기 p형 반도체층은 SiH4, H2, B2H6를 주입하여 PECVD에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 청구항 14에 있어서,
상기 전면전극은 불소가 도핑된 틴 옥사이드(FTO), 인듐틴옥사이드(ITO), 인듐징크옥사이드(IZO), 인듐징크틴옥사이드(IZTO) 및 알루미늄징크옥사이드(AZO)로 이루어진 군으로부터 선택된 투명전도성 산화물을 상기 비정질 실리콘층의 상면에 50∼200 nm의 두께로 증착시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지의 제조방법.
- 청구항 14에 있어서,
상기 후면전극은 결정질 실리콘 기판의 후면에 알루미늄 페이스트 또는 은 페이스트를 도포한 후 900∼1000℃에서 열처리하여 20∼30 nm의 두께로 형성된 것임을 특징으로 하는 이종접합 실리콘 태양전지의 제조방법.
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