KR101345506B1 - 후면전극형 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판 내부의 소수캐리어가 기판 측면의 결함으로 이동되는 것을 억제함으로써 재결합율을 낮추고 궁극적으로 태양전지의 광전변환 효율을 향상시킬 수 있는 후면전극형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 후면전극형 태양전지는 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판과, 상기 기판 후면 내부에 교번하여 반복, 배치된 p형 도핑층 및 n형 도핑층과, 상기 기판 후면의 둘레를 따라 기판 내부를 향해 형성된 제 1 도전형의 소수캐리어 배리어 영역을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 후면전극형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기판 내부의 소수캐리어가 기판 측면의 결함으로 이동되는 것을 억제함으로써 재결합율을 낮추고 궁극적으로 태양전지의 광전변환 효율을 향상시킬 수 있는 후면전극형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양광을 직접 전기로 광전변환시키는 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, 이 때 태양전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산할 수 있게 된다.
한편, 일반적인 태양전지는 전면과 후면에 각각 전면전극과 후면전극이 구비되는 구조를 갖는데, 수광면인 전면에 전면전극이 구비됨에 따라, 전면전극의 면적만큼 수광면적이 줄어들게 된다. 이와 같이 수광면적이 축소되는 문제를 해결하기 위해 후면전극형 태양전지가 제안되었다. 후면전극형 태양전지는 태양전지의 후면 상에 (+)전극과 (-)전극을 구비시켜 태양전지 전면의 수광면적을 극대화하는 것을 특징으로 한다.
후면전극형 태양전지는 도 1에 도시한 바와 같이, 기판(101) 후면 내부에 p형 도핑층(102)과 n형 도핑층(103)이 반복, 배치되는 구조를 이루며, p형 도핑층(102)은 p 전극(105)과 연결되고 n형 도핑층(103)은 n 전극(106)과 연결된다. 이 때, p 전극(105)과 n 전극(106)이 단락되는 것을 방지하기 위해 기판(101) 후면 상에는 유전층(104)이 형성되며, 선택적으로 패터닝되어 개구부를 통해 도핑층과 전극이 연결된다.
이와 같은 후면전극형 태양전지에 있어서, 기판(101) 내부에서 광전변환에 의해 생성된 전자(-)는 n형 도핑층(103)을 거쳐 n 전극(106)으로 이동되고, 정공(+)은 p형 도핑층(102)을 거쳐 p 전극(105)으로 이동된다. 한편, 기판(101)이 n형 실리콘 기판(101)인 경우, 전자가 다수캐리어(major carrier)가 되고 정공이 소수캐리어(minor carrier)가 되는데, 다수캐리어인 전자는 n형 도핑층(103)을 거쳐 n 전극(106)에 안정적으로 수집됨에 반해, 소수캐리어인 정공은 p형 도핑층(102)을 거쳐 p 전극(105)에 수집되는 경로 중에 재결합되어(recombination) 소멸될 가능성이 크다.
구체적으로, 기판 측면부에는 다수의 결정 결함이 존재하며, 다수의 결함으로 인해서 에너지 밴드 갭 사이에는 다양한 에너지 준위가 존재하게 되어 이를 매개로하여 소수캐리어인 정공과 다수캐리어인 전자가 재결합될 수 있는 확률이 증가하고 재결합 속도가 증가하여 광생성 운송자인 정공과 전자가 소멸하여 태양전지의 에너지 변환효율을 저하시키는 원인으로 작용하게 된다.
이러한 경향은 기판 측면부에 기판의 도전형과 다른 도전형을 가진 도핑층이 형성되어 p-n 접합을 이룰 때 소수캐리어가 기판 측면부로 이동하기 용이해지고 이에 따라 다수의 결정 결함에서 재결합되어 소멸될 수 있는 확률이 증가하게 되는 문제점이 있다.
에너지 밴드 다이어그램에서 보면 전자는 에너지 준위가 낮은 쪽으로 이동하고 정공은 높은 쪽으로 이동하는 경향을 갖는다.
결정질 실리콘 태양전지 소자는 기판의 도전형에 따라 다수캐리어와 소수캐리어가 존재하는데, 입사된 태양빛 에너지에 의해 광생성되는 캐리어들이 기판 내부 및 표면에서 얼마나 손실없이 전극부까지 수집될 수 있느냐에 따라서 에너지 변환 효율이 결정된다.
N형 실리콘 기판의 측면에 p형 고농도 도핑층이 형성된 경우의 에너지 밴드 다이어그램을 확인하면 (도 2 참조), 기판 측면부의 가전자대 (Ev : valence band)가 높기 때문에 소수캐리어인 정공이 측면으로 이동하기 용이하고 이에 따라 측면부에 존재하는 다수의 결정 결함에 의해 재결합 속도가 증가할 확률이 높아짐을 알 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 기판 내부의 소수캐리어가 기판 측면의 결함으로 이동되는 것을 억제함으로써 재결합율을 낮추고 궁극적으로 태양전지의 광전변환 효율을 향상시킬 수 있는 후면전극형 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 후면전극형 태양전지는 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판과, 상기 기판 후면 내부에 교번하여 반복, 배치된 p형 도핑층 및 n형 도핑층과, 상기 기판 후면의 둘레를 따라 기판 내부를 향해 형성된 제 1 도전형의 소수캐리어 배리어 영역을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 소수캐리어 배리어 영역의 불순물 농도는 상기 기판의 불순물 농도보다 크다. 또한, 상기 소수캐리어 배리어 영역의 두께는 상기 p형 도핑층 및 n형 도핑층의 두께보다 크다.
상기 제 1 도전형의 소수캐리어 배리어 영역은 5족 원소와 실리콘의 공융층 또는 3족 원소와 실리콘의 공융층이거나 제 1 도전형의 이온이 주입된 이온주입층일 수 있다.
본 발명에 따른 후면전극형 태양전지의 제조방법은 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판 후면 내부에 p형 도핑층 및 n형 도핑층을 교번하여 반복, 배치되도록 형성하는 단계 및 상기 기판 후면의 둘레를 따라 기판 내부를 향해 제 1 도전형의 소수캐리어 배리어 영역을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 도전형의 소수캐리어 배리어 영역을 형성하는 단계는, 상기 기판 상에 3족 원소 또는 5족 원소를 포함하는 페이스트를 도포하는 과정과, 상기 기판을 소성하여 상기 기판 내부에 <3족 원소와 실리콘> 또는 <5족 원소와 실리콘>이 반응된 공융층을 형성하는 과정을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 페이스트는 3족 원소와 유리 프릿의 혼합물 또는 5족 원소와 유리 프릿의 혼합물이다.
본 발명에 따른 후면전극형 태양전지 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
기판의 측부에 소수캐리어의 배리어 영역이 구비됨에 따라, 기판 내부의 소수캐리어가 기판의 측면의 결함으로 이동되는 것을 억제할 수 있다. 이를 통해 재결합률이 저하되어 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 후면전극형 태양전지의 단면도.
도 2는 도 2의 A-A`선에 따른 에너지밴드 다이어그램.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지의 구성도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지의 평면도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 후면전극형 태양전지의 평면도.
도 6은 도 3의 B-B`선에 따른 에너지밴드 다이어그램.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
도 2는 도 2의 A-A`선에 따른 에너지밴드 다이어그램.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지의 구성도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지의 평면도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 후면전극형 태양전지의 평면도.
도 6은 도 3의 B-B`선에 따른 에너지밴드 다이어그램.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지 및 그 제조방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지는 먼저, 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판(301)을 구비한다. 이 때, 상기 제 1 도전형은 제 2 도전형의 반대 도전형이며, 이하에서는 제 1 도전형은 n형, 제 2 도전형이 p형인 것을 기준으로 설명하기로 한다.
상기 n형 기판(301)의 후면 내부에는 일정 폭과 깊이를 갖는 p형 도핑층(302)과 n형 도핑층(303)이 교번하여 반복, 배치된다. 상기 p형 도핑층(302)과 n형 도핑층(303)은 각각 핑거라인 도핑층과 버스바 도핑층으로 구성되거나(도 4 참조), 버스바 도핑층 없이 기판(301)의 일단에서 다른 일단까지 배치되도록 구성할 수 있다(도 5 참조).
한편, 상기 n형 기판(301) 후면에는 기판(301) 둘레를 따라 일정 깊이로 소수캐리어 배리어 영역(n+)(305)이 구비된다. 상기 소수캐리어 배리어 영역(n+)(305)은 기판(301) 내부에서 생성된 소수캐리어(정공, (+))가 기판(301) 측면의 결함으로 이동하는 것을 억제하는 역할을 한다. 상술한 p형 도핑층(302) 및 n형 도핑층(303)은 상기 소수캐리어 배리어 영역의 내측에 위치한다.
소수캐리어가 기판(301) 측면의 결함으로 이동되는 것을 억제하기 위해 상기 소수캐리어 배리어 영역(n+)(305)의 불순물 농도는 상기 n형 기판(301)의 불순물 농도보다 크도록 설계된다. 즉, 기판(301) 내부에 대비하여 기판(301) 측면 부위(소수캐리어 배리어 영역(504))의 불순물 농도를 높게 함으로써(high-low junction) 소수캐리어가 기판(301) 측면쪽으로 이동되는 것을 최소화할 수 있게 된다. 이를 에너지밴드 다이어그램으로 확인하면(도 6 참고), 소수캐리어 배리어 영역의 가전자대(Ev)가 기판(301) 내부의 가전자대보다 낮기 때문에 기판(301) 내부의 소수캐리어(+)가 기판(301) 측면 또는 표면으로 이동되는 것이 억제된다.
상기 소수캐리어 배리어 영역(n+)(305)은 n형 불순물 이온을 확산시켜 도핑층(doped layer)의 형태로 형성하거나 5족 원소와 실리콘이 반응하여 형성된 공융층(eutectic layer) 또는 실리사이드층(silicide layer)의 형태로 구성할 수 있다. 상기 도핑층은 5족 원소를 포함한 페이스트를 기판 후면 상에 인쇄한 후 확산하여 형성할 수 있는데, 이에 대해서는 후술하는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법에서 설명하기로 한다. 여기서, 소수캐리어 배리어 영역이 p형일 경우에는 상술한 5족 원소 대신 3족 원소가 이용된다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지의 제조방법을 살펴보기로 한다. 전술한 바와 같이 본 발명의 핵심 특징은 기판(301) 후면에 있어서 기판(301) 둘레를 따라 기판(301) 내부로 일정 깊이의 소수캐리어 배리어 영역이 구비되는 것이다. 이와 같은 소수캐리어 배리어 영역의 형성은, p형 도핑층(302) 및 n형 도핑층(303)이 형성된 상태에서 진행된다.
먼저, 도 7a에 도시한 바와 같이 n형 결정질 실리콘 기판(301)이 준비된 상태에서, 기판(301) 후면 내부에 복수의 p형 도핑층(302)과 n형 도핑층(303)을 교번하여 형성한다. 상기 p형 도핑층(302) 및 n형 도핑층(303)은 p형 도핑소스, n형 도핑소스를 각각 기판(301) 후면의 표면 상에 도포한 후, 열처리를 진행하여 형성할 수 있다.
상기 p형 도핑층(302) 또는 n형 도핑층(303)은 핑거라인 도핑층, 버스바 도핑층으로 구분하여 형성하거나, 버스바 도핑층 없이 기판(301)의 일단에서 다른 일단까지 배치되도록 구성할 수 있다.
상기 p형 도핑층(302) 및 n형 도핑층(303)이 형성된 상태에서, 상기 기판(301) 후면의 둘레를 따라 5족 원소를 포함하는 페이스트(304)(paste)를 도포한다(도 7b 참조). 상기 페이스트(304)는 유리 프릿(glass frit)과 5족 원소 분말의 혼합물이며, 상기 5족 원소로는 붕소(B)가 이용될 수 있다. 또한, 상기 기판(301)이 p형일 경우에는 상기 5족 원소 대신 3족 원소가 이용된다. 상기 페이스트(304)가 도포되는 영역은 상기 p형 도핑층(302) 및 n형 도핑층(303)이 형성된 영역의 외곽이다. 상기 페이스트(304)를 구성함에 있어 상기 유리 프릿 이외에 고분자 화합물(polymer compound)이 이용될 수도 있다.
이와 같은 상태에서, 기판(301)을 열처리하면 페이스트 내에 포함된 5족 원소가 실리콘 기판(301) 내부로 확산되어 도핑층(Boron doped layer)을 형성한다(도 7c 참조). 이 때, 5족 원소와 실리콘이 반응하여 기판 계면 근처에서 공융층(B-Si eutectic layer) 또는 실리사이드층 (silicide layer)이 형성될 수도 있다. 상기 도핑층(또는 공융층, 실리사이드층)은 n형 반도체층의 형태를 띠게 되어 고-저 접합 (high-low junction)을 형성하게 되며 이와 같은 고-저 접합을 이루는 도핑층은 소수캐리어에 대한 배리어 영역의 역할을 수행한다.
상기 도핑층 즉, 소수캐리어 배리어 영역(n+)(305)의 두께는 상기 p형 도핑층(302) 및 n형 도핑층(303)의 두께보다 커야 한다. 이는 n형 기판(301) 내부와 소수캐리어 배리어 영역이 수평적으로 고저접합(high-low junction)을 이루도록 하기 위함이다.
한편, 상기 소수캐리어 배리어 영역은 상술한 바와 같은 페이스트(304) 도포-열처리 공정을 통해 형성하는 것 이외에, 상기 기판(301) 후면의 둘레에 선택적으로 이온을 주입하여 형성할 수도 있다.
301 : n형 기판 302 : p형 도핑층
303 : n형 도핑층 304 : 페이스트
305 : 소수캐리어 배리어 영역
303 : n형 도핑층 304 : 페이스트
305 : 소수캐리어 배리어 영역
Claims (13)
- 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판;
상기 기판 후면 내부에 교번하여 반복, 배치된 p형 도핑층 및 n형 도핑층;
상기 기판 후면의 둘레를 따라 기판 내부를 향해 형성된 제 1 도전형의 소수캐리어 배리어 영역을 포함하여 이루어지며,
상기 소수캐리어 배리어 영역의 불순물 농도는 상기 기판의 불순물 농도보다 큰 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 소수캐리어 배리어 영역의 두께는 상기 p형 도핑층 및 n형 도핑층의 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 도전형의 소수캐리어 배리어 영역은 5족 원소 또는 3족 원소가 확산된 도핑층인 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 도전형의 소수캐리어 배리어 영역은 5족 원소와 실리콘의 공융층 또는 3족 원소와 실리콘의 공융층인 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 도전형의 소수캐리어 배리어 영역은 제 1 도전형의 이온이 주입된 이온주입층인 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지.
- 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판을 준비하는 단계;
상기 기판 후면 내부에 p형 도핑층 및 n형 도핑층을 교번하여 반복, 배치되도록 형성하는 단계; 및
상기 기판 후면의 둘레를 따라 기판 내부를 향해 제 1 도전형의 소수캐리어 배리어 영역을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지며,
상기 소수캐리어 배리어 영역은 상기 기판보다 불순물 농도가 크도록 형성하는 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 도전형의 소수캐리어 배리어 영역을 형성하는 단계는,
상기 기판 상에 3족 원소 또는 5족 원소를 포함하는 페이스트를 도포하는 과정과,
상기 기판을 소성하여 상기 기판 내부에 3족 원소 또는 5족 원소가 확산된 도핑층을 형성하는 과정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 도전형의 소수캐리어 배리어 영역을 형성하는 단계는,
상기 기판 상에 3족 원소 또는 5족 원소를 포함하는 페이스트를 도포하는 과정과,
상기 기판을 소성하여 상기 기판 내부에 <3족 원소와 실리콘> 또는 <5족 원소와 실리콘>이 반응된 공융층 또는 실리사이드층을 형성하는 과정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 도전형의 소수캐리어 배리어 영역을 형성하는 단계는,
상기 기판 후면의 둘레를 따라 이온을 주입하여 이온주입층을 형성하는 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지의 제조방법.
- 삭제
- 제 7 항에 있어서, 상기 소수캐리어 배리어 영역의 두께는 상기 p형 도핑층 및 n형 도핑층의 두께보다 크도록 형성하는 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지의 제조방법.
- 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 페이스트는 3족 원소와 유리 프릿의 혼합물 또는 5족 원소와 유리 프릿의 혼합물인 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지의 제조방법.
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