KR101344230B1 - Heterojunction solar cell and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이종접합 태양전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가시광 영역에서 높은 투과도를 갖고 광변환 효율이 우수하고 저가로 제조할 수 있는 이종접합 태양전지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a heterojunction solar cell, and more particularly, to a heterojunction solar cell and a method of manufacturing the same, which have high transmittance in the visible light region, are excellent in light conversion efficiency, and can be manufactured at low cost.
실리콘(Si)이나 갈륨비소(GaAs) 등의 반도체의 PN 접합(pn junction)이나 쇼트키 접합(schottky junction)에 반도체의 에너지 갭 이상의 에너지를 가진 빛이 비춰지면 전자ㆍ정공쌍이 생성되는데, 이 전자와 정공이 접합부분의 전계에 의하여 분리되어 외부회로에 흘러 전류로 된다. 이와 같이 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광기전력 효과를 이용한 광전변환 소자인 태양전지는 태양 에너지를 직접 전기 에너지로 변환할 수 있는 소자이다.Electron-hole pairs are generated when light with energy above the energy gap of the semiconductor is illuminated at the PN junction or the Schottky junction of a semiconductor such as silicon (Si) or gallium arsenide (GaAs). Holes are separated by the electric field at the junction and flow through the external circuit to become a current. As described above, a solar cell, which is a photoelectric conversion device using a photovoltaic effect that converts light energy into electrical energy, is a device that can directly convert solar energy into electrical energy.
이러한 태양전지 기술 분야는 대체 에너지 소자로 연구 및 양산되고 있으며, 우리나라는 세계 선진국들의 수준을 뛰어넘는 기술력을 보유하고 있으나 중국의 저가 태양전지에 밀려 시장 경쟁력이 감소되고 있다. 이에 미래 원천 기술 확보 및 국가 경쟁력 확대를 위해 저가의 고품질 태양전지 제조 기술의 개발 및 보유가 절실히 요구된다.The solar cell technology field is being researched and mass-produced as an alternative energy device, and Korea has technology that exceeds the level of advanced countries in the world, but the market competitiveness is being reduced by being pushed by China's low-cost solar cells. Therefore, in order to secure future source technology and expand national competitiveness, it is urgently required to develop and possess low-cost, high-quality solar cell manufacturing technology.
단결정 실리콘 기판에 PN 접합을 형성하여 만들어지는 태양전지는 광 변환효율이 높으나 공정 가격이 비싸다는 단점이 있다. 이에 대한 대안으로 금속-반도체(Metal Semiconductor, 이하 "MS"라 함) 구조와 같은 이종접합 태양전지 구조가 제안되었다. MS 구조의 경우, 실리콘 기판과 쇼트키 접합을 형성하는 금속층을 증착함으로써 단결정 실리콘 소자에서와 같은 추가 도핑 및 열처리 등의 공정 없이 접합 부문의 전계를 형성함으로써 제조 공정을 크게 단순화시킬 수 있다. 금속층으로는 투명 전도성 박막으로 많이 사용되고 있는 ITO(indium Tin Oxide)를 적용할 수 있으나 ITO를 대체할 수 있는 물질로서 산화아연(ZnO)에 대한 연구가 이루어지고 있다. 산화아연은 ITO에 비해 저가의 소재이면서 밴드갭이 넓어 가시광 영역에서 높은 투과도를 보이면서 광전자소자로 적합한 것으로 알려져 있다.A solar cell made by forming a PN junction on a single crystal silicon substrate has a high light conversion efficiency but has a disadvantage of high process cost. As an alternative, a heterojunction solar cell structure, such as a metal-semiconductor ("MS") structure, has been proposed. In the case of the MS structure, by depositing a metal layer forming a Schottky junction with a silicon substrate, it is possible to greatly simplify the manufacturing process by forming an electric field in the bonding section without further doping and heat treatment such as in a single crystal silicon device. Indium tin oxide (ITO), which is widely used as a transparent conductive thin film, may be used as a metal layer, but research on zinc oxide (ZnO) is being conducted as a material that can replace ITO. Zinc oxide is known to be suitable as an optoelectronic device with low cost and wide band gap compared to ITO, showing high transmittance in the visible light region.
하지만 금속과 실리콘 이종접합 구조의 경우 계면층에 존재하는 트랩 등으로 인해 태양전지의 광전압(photovoltage) 특성이 열화되면서 효율이 크게 저하되는 치명적인 단점을 안고 있다. 이를 극복할 수 있는 방법으로 금속과 실리콘 기판 사이에 매우 얇은 절연막을 형성하여 계면을 패시베이션(passivation)하는 금속-절연체-반도체(Metal Insulator Semiconductor, 이하 "MIS"라 함) 구조와 같은 이종접합 태양전지 구조가 제안되고 있다. 종래의 기술로서 비특허문헌 1은 N형 실리콘 기판 위에 SiO 및 N형 산화아연을 증착한 MIS 이종접합 태양전지 구조에 관한 내용이다.However, the metal-silicon heterojunction structure has a fatal disadvantage in that the efficiency of the photovoltaic cell of the solar cell is deteriorated due to traps present in the interface layer. In order to overcome this, heterojunction solar cells such as metal insulator semiconductor (MIS) structures which form a very thin insulating film between a metal and a silicon substrate and passivate the interface. A structure is proposed. As a conventional technique, Non-Patent
도 1은 기존의 N형 산화아연층를 사용한 MIS 태양전지의 에너지밴드 다이어그램을 표기한 것이다. 산화아연층의 전자 친화도(electron affinity)가 실리콘보다 크기 때문에 N형 실리콘을 사용할 경우 쇼트키 접합이 형성됨을 보인다. 하지만 이러한 구조는 입사된 태양광선에 의해 전자ㆍ정공쌍이 형성되었을 때 정공의 경우 효율적인 수집이 어려운 단점을 안고 있다. 이러한 문제는 본 발명에서 제안하는 P형 산화아연을 사용함으로써 매우 효율적으로 해결된다. 도 2는 P형 산화아연을 사용한 MIS 구조의 태양전지를 보이며 쇼트키 접합 형성과 함께 정공에 대한 전위장벽이 터널링에 의해 극복될 수 있는 구조임을 보이고 있다.1 shows an energy band diagram of a MIS solar cell using a conventional N-type zinc oxide layer. Since the electron affinity of the zinc oxide layer is larger than that of silicon, the use of N-type silicon shows that a Schottky junction is formed. However, this structure has a disadvantage in that it is difficult to efficiently collect holes when electrons and hole pairs are formed by incident sunlight. This problem is solved very efficiently by using the P-type zinc oxide proposed in the present invention. FIG. 2 shows a solar cell of a MIS structure using P-type zinc oxide, and shows that a potential barrier for holes can be overcome by tunneling with the formation of a Schottky junction.
그러나 산화아연은 진성 N형이며, 견고한 P형 산화아연을 제조하는 방법은 아직 확보되지 않은 상황이다. 현재까지 질소 도핑은 P형 산화아연을 제조하기 위해 가장 널리 사용되어 온 방법이다. 그러나 이 방법의 사용은 질소 용해성과 막 구조적 품질 사이의 타협(trade-off)이 필요하다. 이는, 높은 구조적 품질이 높은 성장 온도를 요구하는 반면에 질소 용해성은 온도가 증가함에 따라 감소하기 때문이다. 질소 이외에도, P형 산화아연을 제조하기 위해 인(P)과 비소(As)와 같은 다른 5족 원소가 선택적 도펀트로서 사용되어 왔다.However, zinc oxide is intrinsic N-type, and a method for producing a solid P-type zinc oxide is not yet secured. To date, nitrogen doping is the most widely used method for producing P-type zinc oxide. However, the use of this method requires a trade-off between nitrogen solubility and membrane structural quality. This is because high structural quality requires high growth temperatures while nitrogen solubility decreases with increasing temperature. In addition to nitrogen, other Group 5 elements such as phosphorus (P) and arsenic (As) have been used as selective dopants to produce P-type zinc oxide.
종래의 기술로서 특허문헌 1은 N형 산화아연층을 형성하는 단계, 상기 N형 산화아연층에 물리적으로 질소를 주입하는 단계 및 질소가 주입된 산화아연층을 열처리하여 P형 산화아연층을 제조하는 단계를 포함하여 안정적으로 P형을 유지하는 산화아연 박막 및 그 제조방법에 관한 기술이다.As a conventional technique,
본 발명은 가시광 영역에서 높은 투과도를 갖고 광변환 효율이 우수하고 저가로 제조할 수 있는 이종접합 태양전지 및 그의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a heterojunction solar cell having a high transmittance in the visible light region, excellent in light conversion efficiency and low cost, and a method of manufacturing the same.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 이종접합 태양전지 제조 방법은, N형 실리콘 기판을 준비하는 단계 및 상기 N형 실리콘 기판의 상부에 산화아연층을 증착하고 열처리를 통해 상기 N형 실리콘 기판에 존재하는 5족 도펀트가 상기 산화아연층에 주입되는 원위치(in-situ) P형 도핑 방법에 의해 P형 산화아연층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 N형 실리콘 기판과 상기 P형 산화아연층 사이에 정공(hole) 터널링이 가능한 쇼트키 접합이 형성되는 것을 특징으로 한다.In the heterojunction solar cell manufacturing method according to the present invention for solving the above problems, preparing an N-type silicon substrate and depositing a zinc oxide layer on top of the N-type silicon substrate and heat treatment the N-type silicon substrate Forming a P-type zinc oxide layer by an in-situ P-type doping method in which a Group 5 dopant is present in the zinc oxide layer, wherein the N-type silicon substrate and the P-type zinc oxide are formed. A Schottky junction capable of hole tunneling is formed between the layers.
본 발명의 또 다른 실시예로서 상기의 원위치(in-situ) P형 도핑을 가능하게 하기 위한 열처리 방법으로 기존의 가열로(furnace)를 이용하는 방법 및 급속열처리(rapid thermal annealing)에 의한 단시간의 열공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.In another embodiment of the present invention, a method using a conventional furnace as a heat treatment method for enabling the in-situ P-type doping and short-term heat by rapid thermal annealing It characterized by including a process.
본 발명의 또 다른 실시예로서 본 발명에 의한 이종접합 태양전지 제조 방법은, N형 실리콘 기판에 절연막을 증착하는 단계 및 상기 기판의 상부에 산화아연층을 증착하는 단계와 원위치(in-situ) P형 도핑 방법에 의해 5족 도펀트가 산화아연층에 주입되어 P형 산화아연층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In still another embodiment of the present invention, the method for manufacturing a heterojunction solar cell according to the present invention includes depositing an insulating film on an N-type silicon substrate, depositing a zinc oxide layer on the substrate, and in-situ. A group 5 dopant is implanted into the zinc oxide layer by a p-type doping method to form a p-type zinc oxide layer.
본 발명의 바람직한 일실시예로서 상기 N형 실리콘 기판을 요철 또는 줄무늬 형상으로 텍스처링(texturing)하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.As an exemplary embodiment of the present invention, the method may further include texturing the N-type silicon substrate into irregularities or stripes.
본 발명의 또 다른 실시예로서 본 발명에 의한 이종접합 태양전지는, 태양전지에 있어서, N형 실리콘 기판 및 상기 N형 실리콘 기판의 일면에 형성되고 원위치(in-situ) P형 도핑 공정에 의해 상기 N형 실리콘 기판에 존재한 5족 도펀트가 주입된 P형 산화아연층을 포함하는 것을 특징으로 한다.In still another embodiment of the present invention, the heterojunction solar cell according to the present invention may be formed on an N-type silicon substrate and one surface of the N-type silicon substrate by an in-situ P-type doping process. And a P-type zinc oxide layer into which a Group 5 dopant existing in the N-type silicon substrate is implanted.
본 발명의 바람직한 일실시예로서 상기 산화아연층을 형성하는 단계는, 상기 N형 실리콘 기판의 양면에 P형 산화아연층들을 원위치(in-situ) P형 도핑에 의해 형성하여 상기 N형 실리콘 기판의 양면에 각각 증착된 제1 P형 산화아연층과 제2 P형 산화아연층을 포함하는 양면 태양전지 제조가 가능한 것을 특징으로 한다.In the preferred embodiment of the present invention, the forming of the zinc oxide layer may include forming P-type zinc oxide layers on both sides of the N-type silicon substrate by in-situ P-type doping to form the N-type silicon substrate. It is possible to manufacture a double-sided solar cell comprising a first P-type zinc oxide layer and a second P-type zinc oxide layer respectively deposited on both sides of the.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 트랩을 포함하는 계면 특성과 산화아연층 형성 시 결정성 개선을 통한 쇼트기 배리어(schottky barrier) 제어를 목적으로 상기 N형 실리콘 기판과 상기 P형 산화아연층 사이에 형성된 절연막을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment of the present invention, the interface between the N-type silicon substrate and the P-type zinc oxide layer for the purpose of controlling the schottky barrier through the improvement of the crystallinity when forming the zinc oxide layer and interfacial properties including a trap It characterized in that it further comprises an insulating film formed on.
본 발명의 바람직한 일실시예로서 상기 절연체는 이 후 증착되는 산화아연의 결정성을 향상시킬 수 있는 산화알루미늄인 것을 특징으로 한다.In one preferred embodiment of the present invention, the insulator is characterized in that the aluminum oxide which can improve the crystallinity of the zinc oxide deposited thereafter.
본 발명의 바람직한 일실시예로서 이종접합 태양전지 제조 방법에 있어서, 원위치(in-situ) 도핑 방법에 의한 N형 실리콘/P형 산화아연 구조의 태양전지 이외에 N형 실리콘 기판을 준비하는 단계 및 상기 N형 실리콘 기판의 상부에 통상의 N형 산화아연층을 증착하여 쇼트키 접합을 형성하는 N형 실리콘/N형 산화아연 구조의 태양전지를 제작하고, 계면 제어를 통한 쇼트키 배리어 제어를 위해 상기 N형 실리콘 기판과 상기 N형 산화아연층 사이에 산화아연의 결정성을 향상시킬 수 있는 Al2O3인 것을 특징으로 한다.In a heterojunction solar cell manufacturing method as a preferred embodiment of the present invention, preparing an N-type silicon substrate in addition to the N-type silicon / P-type zinc oxide structure solar cell by the in-situ doping method and the A solar cell having an N-type silicon / N-type zinc oxide structure is formed by depositing a conventional N-type zinc oxide layer on an N-type silicon substrate to form a Schottky junction, and for the Schottky barrier control through interface control. It is characterized in that the Al 2 O 3 which can improve the crystallinity of the zinc oxide between the N-type silicon substrate and the N-type zinc oxide layer.
본 발명의 바람직한 일실시예로서 상기의 N형 실리콘/N형 산화아연 구조의 태양전지를 제작하는데 있어서 상기 절연막은 계면 트랩을 패시베이션(passivation) 할 수 있는 그래핀을 사용할 수 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서 실시되는 그래파이트(graphite)가 판상 구조를 가지는데 그래파이트 한 겹을 그래핀이라 한다. 그래핀은 탄소 원자가 서로 연결돼 벌집 모양의 평면 구조를 이루는 물질로 구조적 화학적으로 안정돼있고 매우 뛰어난 전기적 성질을 가지며 트랩이 밀집된 영역에서의 효율적인 패시베이션이 가능하다.According to an exemplary embodiment of the present invention, in manufacturing the solar cell having the N-type silicon / N-zinc oxide structure, the insulating film may be graphene capable of passivating an interface trap. Graphite is implemented in the present invention has a plate-like structure, one layer of graphite is called graphene. Graphene is a honeycomb planar structure in which carbon atoms are connected to each other, which is structurally chemically stable, has excellent electrical properties, and enables efficient passivation in areas where traps are concentrated.
본 발명은 P형 산화아연층과 N형 실리콘 기판의 접합 형성 방법을 통한 광변환 효율이 우수하고 저가의 PN 접합 소자 및 태양전지(solar cell)를 제조할 수 있다.According to the present invention, a PN junction device and a solar cell having excellent light conversion efficiency and low cost through a junction formation method of a P-type zinc oxide layer and an N-type silicon substrate can be manufactured.
본 발명은 별도의 P형 도핑 공정 없이 산화아연층의 증착 및 열처리를 통해 산화아연층에 N형 실리콘 기판의 5족 도펀트가 확산되어 P형으로 원위치(in-situ) 도핑함으로써 광변환 효율이 우수하고 저가의 태양전지를 제조할 수 있다.The present invention is excellent in the light conversion efficiency by in-situ doping into the P-type dopant of the Group 5 dopant of the N-type silicon substrate diffused in the zinc oxide layer through the deposition and heat treatment of the zinc oxide layer without a separate P-type doping process And low-cost solar cells can be manufactured.
본 발명은 실리콘 기판 양면에 산화물 반도체 형성이 가능하기 때문에 고효율 특성의 양면형 태양전지를 공급할 수 있다.Since the oxide semiconductor can be formed on both surfaces of the silicon substrate, the present invention can supply a double-sided solar cell having high efficiency.
본 발명은 산화알루미늄층을 중간층으로 증착함으로써 산화아연층의 결정성이 크게 개선되어 우수한 성능의 태양전지를 제조할 수 있다.According to the present invention, the crystallinity of the zinc oxide layer is greatly improved by depositing an aluminum oxide layer as an intermediate layer, and thus a solar cell having excellent performance can be manufactured.
도 1은 기존의 N형 산화아연을 사용한 MIS 구조 태양전지의 에너지밴드 다이어그램,
도 2는 본 발명에서 제안하고 있는 P형 산화아연을 사용한 MIS 구조 태양전지의 에너지밴드 다이어그램,
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 의한 태양전지의 단면도,
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 의한 태양전지의 단면도,
도 5은 본 발명에 의한 태양전지 제조 방법을 도시한 순서도,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 태양전지의 단면도이다.1 is an energy band diagram of a conventional MIS structured solar cell using N-type zinc oxide;
2 is an energy band diagram of a MIS structured solar cell using a P-type zinc oxide proposed in the present invention;
3 is a cross-sectional view of a solar cell according to a first embodiment of the present invention;
4 is a cross-sectional view of a solar cell according to a second embodiment of the present invention;
5 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a solar cell according to the present invention;
6 is a cross-sectional view of a solar cell according to another embodiment of the present invention.
이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 도면을 참고하여 설명한다. 예시된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만 확대 도시하고 부수적인 것은 생략하였으므로 도면에 한정하여 해석하여서는 아니 된다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The drawings illustrate only the essential features of the invention in order to facilitate clarity of the invention and are not to be construed in a limiting sense since they are not shown in the accompanying drawings.
본 발명은 N형 실리콘 기판에 P형 산화아연층을 원위치(in-situ) 도핑 공정에 의해 형성하고 중간층으로 산화알루미늄(Al2O3)과 같은 얇은 산화막을 적용함으로써 공정 단순화 및 고효율 특성을 실현한 태양전지 제조 방법에 관한 것이다.The present invention forms a P-type zinc oxide layer on an N-type silicon substrate by an in-situ doping process and applies a thin oxide film such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ) as an intermediate layer to realize process simplification and high efficiency characteristics. It relates to a solar cell manufacturing method.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 의한 태양전지의 단면도로서, N형 실리콘 기판(1)과 얇은 산화막(3)과 원위치(in-situ) 도핑 공정에 의해 형성된 P형 산화아연(ZnO)층(2)을 포함한다.3 is a cross-sectional view of a solar cell according to a first embodiment of the present invention, in which a P-type zinc oxide (ZnO) formed by an N-
종래 기술에 의한 산화아연은 박막의 특성상 진성 N형으로 안정한 P형 산화아연을 제조할 수 있는 신뢰성 있는 공정이 아직 확립되어 있지 않은 상황이다. P형 산화아연층은 1족 및 5족 모두의 원소가 원칙적으로 산화아연에서의 P형 도펀트로서 사용가능하다. 본 발명에서는 N형 실리콘 기판(1)에 산화아연층(2)을 증착하고 이 후 열처리를 통해 N형 실리콘 기판(1)에 존재하는 5족 도펀트(dopant)가 산화아연층(2)으로 침투함으로써 산화아연층(2)이 P형으로 원위치(in-situ) 도핑된다. 따라서 P형 산화아연층을 형성하기 위해 별도의 도핑 공정 없이도 산화아연층 증착 후 N형 실리콘 기판에 존재하는 5족 도펀트가 산화아연층으로 확산(out-diffusion)하여 P형 산화아연층을 제조할 수 있으므로 도핑 공정을 간략화할 수 있으며 제조비용을 감소시킬 수 있게 된다.The zinc oxide according to the prior art has a situation in which a reliable process for producing a stable P-type zinc oxide with intrinsic N-type has not yet been established due to the characteristics of the thin film. In the P-type zinc oxide layer, elements of both
특히, N형 실리콘 기판(1)에 밴드갭이 넓은 산화아연층으로 쇼트키 접합함으로써 광 투과도가 좋아 광변환 효율이 우수하면서도 MIS(Metal Insulator Semiconductor) 구조에 의해 저가의 고품질 태양전지를 제조할 수 있다. 이 경우 통상의 N형 산화아연층을 사용하여도 쇼트키 배리어 형성이 가능하지만 도 2에 표시한 바와 같이 P형 산화아연층을 사용할 경우 보다 효율적인 캐리어 수집이 가능하게 된다.In particular, by using a Schottky junction with a zinc oxide layer having a wide band gap to the N-
산화물 반도체는 비정질 또는 다결정질로 많은 결함과 결정립계면 등이 존재하여 표면 상태가 전하의 트랩으로 작용할 수 있다. 또한 반도체 물질 표면에는 높은 밀도의 불포화된 화학적 결합 상태인 댕글링 결합(dangling bonds)이 존재한다. 이러한 결합이 존재하는 소자를 태양전지로 사용할 경우 빛에 의해 생성된 전하가 쉽게 재결합되면서 전하의 수명이 단축되어 광변환 효율을 낮추게 된다. 또한, MIS 구조에서 반도체 및 금속 물질의 계면 상태 역시 접촉전위차(built-in electric field)를 감소시켜 광변환 효율을 저하시키게 된다. 이를 막기 위해 상기 절연막 (3)을 N형 실리콘 기판(1)과 N형 산화아연층(2)간에 형성함으로써 전하의 트랩으로 작용하는 표면 상태(surface state)를 보상하고 태양광 입사에 의해 생성된 광 전하의 재결합을 방지한다. 따라서, 본 발명은 우수한 쇼트키 접촉(contact) 특성을 얻을 수 있다. 상기 절연막(3)은 바람직하게는 수십 내지 수 나노미터의 두께로 형성한다.Oxide semiconductors are amorphous or polycrystalline, and many defects and grain boundaries exist, so that the surface state may act as a trap of charge. Also on the surface of the semiconductor material are dangling bonds, which are high density unsaturated chemical bonds. When a device having such a bond is used as a solar cell, the charge generated by light is easily recombined, and the life of the charge is shortened, thereby lowering the light conversion efficiency. In addition, the interface state of the semiconductor and the metal material in the MIS structure also reduces the built-in electric field to reduce the light conversion efficiency. To prevent this, the insulating
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 의한 양면 태양전지의 단면도로서, N형 실리콘 기판(4)의 양면에 제1 P형 산화아연층(5)과 제2 P형 산화아연층(7)을 증착하고, 중간층으로서 각각 제1 절연막(6)과 제2 절연막(8)이 형성된 태양전지 구조이다. 도 4에 도시된 본 발명에 의한 태양전지는 제1 P형 산화아연층(5)의 결정 성장을 보다 양호하게 하면서 계면을 패시베이션(passivation)할 수 있는 제1 절연막(6)으로서 산화알루미늄층을 삽입하였다. 산화알루미늄층 증착 후 산화아연층 형성 시 결정성이 매우 우수한 박막을 형성할 수 있음을 실험을 통해 확인하였다. 도 4에 도시된 태양전지는 도 3에 도시된 태양전지와 동일하거나 유사한 구성을 포함하므로 동일하거나 유사한 구성의 설명은 도 3에 관한 설명으로 대체한다.4 is a cross-sectional view of a double-sided solar cell according to a second embodiment of the present invention, wherein the first P-type zinc oxide layer 5 and the second P-type zinc oxide layer 7 are formed on both surfaces of the N-type silicon substrate 4. Is deposited and the first insulating film 6 and the second insulating film 8 are formed as intermediate layers, respectively. The solar cell according to the present invention shown in FIG. 4 uses the aluminum oxide layer as the first insulating film 6 which can passivate the interface while making the crystal growth of the first P-type zinc oxide layer 5 better. Inserted. After the deposition of the aluminum oxide layer, it was confirmed through experiments that a thin crystal film having excellent crystallinity could be formed. Since the solar cell illustrated in FIG. 4 includes the same or similar configuration as the solar cell illustrated in FIG. 3, the description of the same or similar configuration is replaced with the description of FIG. 3.
상기 N형 실리콘 기판(4)은 양면 텍스처링(texturing)이 이루어진 기판을 사용하여 양면형 태양전지를 제조할 수 있다. 상기 N형 실리콘 기판(4)은 일면 또는 양면을 텍스처링하여 요철을 형성하거나 인위적으로 줄무늬 형식의 스크래칭하여 태양광의 흡수 면적을 최대화시킬 수 있다.The N-type silicon substrate 4 may manufacture a double-sided solar cell using a substrate on which double-sided texturing is performed. The N-type silicon substrate 4 may form irregularities by texturing one surface or both surfaces, or may maximize the absorption area of sunlight by artificially scratching stripes.
상기 N형 실리콘 기판(4)의 일면뿐만 아니라 타면에 쇼트키 접합을 형성한 것으로서, 타면에는 제2 절연막층(8)과 제2 P형 산화아연층(7)이 형성된다. 도 4에 도시된 양면형 태양전지에 의해 광변환 효율을 크게 향상시킬 수 있다.A Schottky junction is formed not only on one surface of the N-type silicon substrate 4 but also on the other surface, and the second insulating film layer 8 and the second P-type zinc oxide layer 7 are formed on the other surface. By the double-sided solar cell shown in Figure 4 it is possible to significantly improve the light conversion efficiency.
도 5는 본 발명에 의한 태양전지 제조 방법을 도시한 순서도이다.5 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a solar cell according to the present invention.
먼저, N형 실리콘 기판을 텍스처링(texturing)한다. 필요한 경우 텍스트링 전에 N형 실리콘 기판을 특수 화학약품에 담그는 에칭(Etching) 공정을 수행하여 상기 N형 기판의 표면의 오염 물질을 없앤다.First, an N-type silicon substrate is textured. If necessary, an etching process is performed to immerse the N-type silicon substrate in a special chemical before texting to remove contaminants on the surface of the N-type substrate.
텍스처링된 N형 실리콘 기판에 산화알루미늄층 등의 절연막을 증착한다. 상기 절연막은 바람직하게는 수 내지 수십 나노미터(nm) 두께로 형성한다. Aluminum oxide layer on textured N-type silicon substrate Insulating films, such as these, are deposited. The insulating film is preferably formed to a few to several tens of nanometers (nm) thickness.
상기 절연막의 상부에 원위치(in-situ) 공정에 의해 P형 산화아연층을 형성한다. 산화아연층 증착 후 열처리를 통해 5족 도펀트를 사용하면 P형 금속산화물 층으로 제어할 수 있다. 실온에서 5족 도펀트(예를 들면, N, As, P)는 이온화 에너지가 커서 활성화되지 않으나, 산화아연층의 증착 및 후속 열공정 시 형성되는 온도 조건에 의해 원위치(in-situ) P형 도핑 방법에 의해 산화아연층의 하부에 존재하는 5족 도펀트가 산화아연층으로 확산하여 P형 산화아연층이 되도록 활성화시킨다. 따라서 N형 실리콘 기판과 P형 산화아연층 사이에 쇼트키 접합이 형성된다. 별도의 P형 도핑 없이 N형 실리콘 기판에 존재하는 5족 도펀트에 의해 상기 산화아연층이 P형으로 상기 원위치(in-situ) 도핑에 의해 P형 도핑 및 증착됨으로써 저가이면서도 고성능의 태양전지가 제조될 수 있다.A P-type zinc oxide layer is formed on the insulating film by an in-situ process. After deposition of the zinc oxide layer, the Group 5 dopant may be used to control the P-type metal oxide layer. Group 5 dopants (e.g., N, As, P) at room temperature are not activated due to their high ionization energy, but are in-situ P-type doped due to temperature conditions formed during deposition and subsequent thermal processing of the zinc oxide layer. By the method, a Group 5 dopant existing under the zinc oxide layer is diffused into the zinc oxide layer and activated to become a P-type zinc oxide layer. Thus, a Schottky junction is formed between the N-type silicon substrate and the P-type zinc oxide layer. The low-cost and high-performance solar cell is manufactured by the P-type doping and deposition of the zinc oxide layer into the P-type by the in-situ doping with a Group 5 dopant present on the N-type silicon substrate without a separate P-type doping. Can be.
본 발명은 원위치(in-situ) P형 도핑을 가능하게 하기 위한 열처리 방법으로 기존의 가열로(furnace)를 이용하는 방법 및 급속열처리(rapid thermal annealing)에 의한 단시간의 열 공정을 사용할 수 있다.The present invention can use a conventional method of using a furnace (furnace) as a heat treatment method to enable in-situ P-type doping and a short time thermal process by rapid thermal annealing.
아울러 본 발명의 다른 실시예로 도 6을 참조하면, 기존의 N형 산화아연을 사용한 MIS 구조의 태양전지를 제작함에 있어서도 중간층으로 산화알루미늄(Al2O3) 층을 증착한 결과 산화아연(ZnO)층의 결정성을 개선시키는 것으로 실험적으로 확인되었다. 도 6에 도시된 태양전지는 N형 실리콘 기판(9)에 절연막으로 산화알루미늄층(10)이 증착되며, 산화알루미늄층(10) 상부에 N형 산화아연층(11)이 증착된다. 본 발명은 산화알루미늄층(10)을 얇은 절연막으로 증착함으로써 산화아연층(11)의 결정성이 크게 개선되어 우수한 성능의 태양전지를 제조할 수 있다.In addition, referring to FIG. 6 as another embodiment of the present invention, zinc oxide (ZnO) was formed as a result of depositing an aluminum oxide (Al 2 O 3 ) layer as an intermediate layer even when fabricating a solar cell having a MIS structure using a conventional N-type zinc oxide. It was confirmed experimentally to improve the crystallinity of the) layer. In the solar cell illustrated in FIG. 6, an
절연막으로서 산화알루미늄층 외에 1차원의 그래핀을 증착하여 계면에 존재하는 트랩을 효율적으로 패시베이션할 수 있다. 통상 그래핀층의 증착 방법은 열ㅈ즈증착(thermal oxidation), 스퍼터링(sputtering), 전자빔 증착법(e-beam evaporation), 화학적 기상 증착법(chemical vapor deposition), 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition), 금속 유기 화학적 기상 증착법(metal-organic chemical vapor deposition), 분자빔 에피택시(molecular beam epitaxy) 및 원자층 증착법(atomic Layer Deposition) 중에서 선택된 1종의 방법으로 수행하며, 본 발명에서 특별히 한정하지는 않는다.In addition to the aluminum oxide layer as an insulating film, one-dimensional graphene is deposited to efficiently passivate traps present at the interface. Typically, the deposition method of the graphene layer is thermal oxidation, sputtering, e-beam evaporation, chemical vapor deposition, physical vapor deposition, metal organic It is carried out by one method selected from among metal-organic chemical vapor deposition, molecular beam epitaxy, and atomic layer deposition, and is not particularly limited in the present invention.
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.Although described above with reference to the embodiments, those skilled in the art can be variously modified and changed within the scope of the present invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below. I can understand.
1 : N형 실리콘 기판 2 : P형 산화아연층
3 : 절연막(Al2O3) 4 : N형 실리콘 기판
5 : 제1 P형 산화아연층 6 : 제1 절연막
7 : 제2 P형 산화아연층 8 : 제2 절연막
9 : N형 실리콘 기판 10 : 산화알루미늄 or 그래핀
11 : N형 산화아연층1: N-type silicon substrate 2: P-type zinc oxide layer
3: insulating film (Al 2 O 3 ) 4: N-type silicon substrate
5: first P-type zinc oxide layer 6: first insulating film
7: second P-type zinc oxide layer 8: second insulating film
9: N-type silicon substrate 10: aluminum oxide or graphene
11: N-type zinc oxide layer
Claims (9)
N형 실리콘 기판을 준비하는 단계 및
상기 N형 실리콘 기판의 양면에 산화아연층을 증착하는 공정 중 상기 N형 실리콘 기판에 존재하는 5족 도펀트가 상기 산화아연층에 주입되는 원위치(in-situ) P형 도핑 방법에 의해 P형 산화아연층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 N형 실리콘 기판과 상기 P형 산화아연층 사이에 정공 터널링이 가능한 PN 접합이 형성되는 것을 특징으로 하는 이종접합 태양전지 제조 방법.A method of manufacturing a solar cell,
Preparing an N-type silicon substrate, and
P-type oxidation by an in-situ P-type doping method in which a Group 5 dopant present in the N-type silicon substrate is injected into the zinc oxide layer during the process of depositing a zinc oxide layer on both surfaces of the N-type silicon substrate. Forming a zinc layer,
A method of manufacturing a heterojunction solar cell, wherein a PN junction capable of hole tunneling is formed between the N-type silicon substrate and the P-type zinc oxide layer.
N형 실리콘 기판에 절연막을 증착하는 단계 및
상기 절연막에 원위치(in-situ) P형 도핑 방법에 의해 5족 도펀트가 산화아연층으로 확산됨으로써 P형 산화아연층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 P형 산화아연층은 상기 N형 실리콘 기판의 양면에 형성되는 것을 특징으로 하는 이종접합 태양전지 제조 방법.A method of manufacturing a solar cell,
Depositing an insulating film on the N-type silicon substrate; and
Forming a P-type zinc oxide layer by diffusing Group 5 dopants into the zinc oxide layer by an in-situ P-type doping method in the insulating film,
The P-type zinc oxide layer is a heterojunction solar cell manufacturing method characterized in that formed on both sides of the N-type silicon substrate.
상기 N형 실리콘 기판을 요철 또는 줄무늬 형상으로 텍스처링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이종접합 태양전지 제조 방법.3. The method according to claim 1 or 2,
A heterojunction solar cell manufacturing method further comprising the step of texturing the N-type silicon substrate in an uneven or striped shape.
N형 실리콘 기판 및
상기 N형 실리콘 기판의 양면에 형성되고 원위치(in-situ) P형 도핑 공정에 의해 상기 N형 실리콘 기판에 존재한 5족 도펀트가 주입된 P형 산화아연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 이종접합 태양전지.In solar cells,
N-type silicon substrate and
Heterojunction comprising a P-type zinc oxide layer formed on both sides of the N-type silicon substrate and implanted with a Group 5 dopant present in the N-type silicon substrate by an in-situ P-type doping process Solar cells.
상기 N형 실리콘 기판과 상기 P형 산화아연층 사이에 형성된 산화알루미늄층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이종접합 태양전지.The method of claim 5,
The heterojunction solar cell further comprises an aluminum oxide layer formed between the N-type silicon substrate and the P-type zinc oxide layer.
상기 N형 실리콘 기판은 요철 또는 줄무늬 형상으로 양면 텍스처링된 것을 특징으로 하는 양면형 이종접합 태양전지.The method according to claim 5 or 6,
The N-type silicon substrate is a double-sided heterojunction solar cell, characterized in that both surfaces textured with irregularities or stripes.
N형 실리콘 기판을 제공하는 단계;
상기 N형 실리콘 기판의 상부에 산화알루미늄층을 형성하는 단계 및
N형 산화아연층을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이종접합 태양전지 제조 방법.A method of manufacturing a solar cell,
Providing an N-type silicon substrate;
Forming an aluminum oxide layer on the N-type silicon substrate;
Heterojunction solar cell manufacturing method comprising the step of depositing an N-type zinc oxide layer.
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