KR101391073B1 - 양면수광형 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 소수캐리어의 재결합률을 저하시켜 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있는 양면수광형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 양면수광형 태양전지는 n형 실리콘 기판과, 상기 기판 상부에 구비된 p형 에미터와, 상기 기판 상부의 <p형 에미터가 구비된 영역> 이외의 영역에 구비된 전면전계층(n+) 및 상기 기판 하부에 구비된 후면전계층(n+)을 포함하여 이루어지며, 상기 전면전계층(n+), 기판 및 후면전계층(n+)은 고저접합(high-low junction)을 이루며, 상기 p형 에미터의 깊이는 상기 전면전계층(n+)의 깊이보다 깊은 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 양면수광형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소수캐리어의 재결합률을 저하시켜 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있는 양면수광형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양광을 수광하여 광전변환시키는 소자이다. 일반적인 태양전지는 전면과 후면에 각각 전면전극과 후면전극이 구비되는 구조를 갖는다. 그러나, 수광면인 전면에 전면전극이 구비됨에 따라, 전면전극의 면적만큼 수광면적이 줄어들게 된다.
수광면적이 축소되는 문제를 해결하기 위해 후면전극형 태양전지가 제안되었다. 후면전극형 태양전지는 태양전지의 후면 상에 (+)전극과 (-)전극을 구비시켜 태양전지 전면의 수광면적을 극대화할 수 있다.
한편, 후면전극형 태양전지를 포함한 종래의 태양전지는 전면과 후면 중 어느 한 면으로만 태양광이 수광됨에 따라, 태양광 수광에 있어 근본적인 한계가 있다. 이에, 최근에는 전면과 후면의 양면으로 수광이 가능한 양면수광형 태양전지에 대한 연구가 진행되고 있다.
양면수광형 태양전지의 구조를 살펴보면(도 1 참조), n형 기판(101)을 기준으로 기판(101) 상부에는 p형 에미터(102)가 구비되어 p-n 접합을 이루며, 상기 p형 에미터(102) 상에는 전면전극(105)이 구비된다. 또한, 기판(101) 하부에는 후면전계층(n+)(103)과 후면전극(106)이 구비되며, 기판(101) 전면과 후면에는 각각 반사방지막(104)이 구비된다.
이와 같은 종래의 양면수광형 태양전지에 있어서, 기판(101) 상부의 전면에 걸쳐 p형 에미터(102)가 구비되는 구조임에 따라, 기판(101) 내부에서 생성된 소수캐리어(정공)가 기판(101) 표면 또는 측면의 결함으로 이동되어 소멸(recombination)될 가능성이 상존한다. 소수캐리어의 재결합률이 태양전지의 광전변환효율에 지대한 역할을 한다는 점에서 소수캐리어의 재결합률을 저하시키는 것은 매우 중요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 소수캐리어의 재결합률을 저하시켜 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있는 양면수광형 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 양면수광형 태양전지는 n형 실리콘 기판과, 상기 기판 상부에 구비된 p형 에미터와, 상기 기판 상부의 <p형 에미터가 구비된 영역> 이외의 영역에 구비된 전면전계층(n+) 및 상기 기판 하부에 구비된 후면전계층(n+)을 포함하여 이루어지며, 상기 전면전계층(n+), 기판 및 후면전계층(n+)은 고저접합(high-low junction)을 이루며, 상기 p형 에미터의 깊이는 상기 전면전계층(n+)의 깊이보다 깊은 것을 특징으로 한다.
상기 p형 에미터와 연결되는 전면전극, 상기 후면전계층(n+)과 연결되는 후면전극을 더 포함하여 구성된다. 또한, 상기 p형 에미터의 일부 영역에 고농도 에미터가 구비되며, 상기 고농도 에미터 상에 전면전극이 구비될 수 있다.
본 발명에 따른 양면수광형 태양전지의 제조방법은 n형 실리콘 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판 상부의 일부 영역에 p형 에미터를 형성하는 단계와, 확산공정을 실시하여 상기 기판 상부와 하부에 각각 전면전계층(n+)과 후면전계층(n+)을 형성하는 단계와, 상기 기판 전면과 후면에 각각 패시베이션층을 형성하는 단계와, 상기 패시베이션층 상에 반사방지막을 형성하는 단계 및 상기 기판 전면 상에 p형 에미터와 연결되는 전면전극을 형성함과 함께 상기 기판 후면 상에 후면전계층(n+)과 연결되는 후면전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 p형 에미터를 형성하는 단계는, 상기 기판 전면의 일부 영역 상에 p형 도핑소스를 도포하는 과정과, 상기 기판을 열처리하여 상기 p형 도핑소스가 기판 내부로 확산되도록 하여 p형 에미터를 형성하는 과정을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 p형 에미터를 형성하는 단계는, 상기 기판 상부에 p형 불순물 이온을 주입하여 p형 에미터를 형성할 수 있다.
상기 기판의 열처리에 의해 p형 에미터가 형성됨과 함께 상기 p형 에미터 상에 제 1 확산부산물이 형성되며, 상기 확산공정에 의해 상기 전면전계층(n+) 상에 제 2 확산부산물이 형성되며, 상기 제 1 및 제 2 확산부산물은 상기 패시베이션층으로 이용될 수 있다. 이 때, 상기 제 1 확산부산물은 BSG막이고, 상기 제 2 확산부산물은 PSG막일 수 있다.
상기 제 2 확산부산물의 일부를 제거하여 제 1 확산부산물을 노출시키고, 노출된 제 1 확산부산물층을 레이저로 조사하여 불순물 이온을 확산시켜 고농도 에미터를 형성하고, 상기 고농도 에미터 상에 전면전극을 형성할 수 있다.
이와 함께, 상기 p형 에미터의 깊이가 상기 전면전계층(n+)의 깊이보다 깊도록 상기 p형 에미터를 형성한다.
본 발명에 따른 양면수광형 태양전지 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
기판 상부 및 하부에 각각 전면전계층(n+), 후면전계층(n+)이 구비됨에 따라, 고저접합을 이루게 되어 소수캐리어가 기판 표면 및 측면의 결함으로 이동되어 재결합되는 것을 억제할 수 있다. 또한, p형 에미터를 전면전계층(n+)보다 깊도록 함으로써 소수캐리어 수집효율을 극대화할 수 있게 된다.
이와 함께, 확산부산물인 BSG막 및 PSG막을 패시베이션층으로 이용할 수 있으며, 이 경우 BSG막 및 PSG막를 도핑소스로 이용하여 전면전극과의 접합 부위에 고농도 에미터를 형성할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 양면수광형 태양전지의 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지의 단면도.
도 3은 도 2의 A-A`선에 따른 에너지밴드 다이어그램.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지의 단면도.
도 3은 도 2의 A-A`선에 따른 에너지밴드 다이어그램.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지 및 그 제조방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지는 제 1 도전형의 실리콘 기판(401)을 구비한다. 상기 제 1 도전형은 제 2 도전형의 반대 도전형이며, 이하에서는 제 1 도전형이 n형, 제 2 도전형이 p형인 것을 기준으로 설명하기로 한다.
n형 실리콘 기판(401)의 내부에는 반도체층이 형성되어 있는데, 구체적으로 기판(401) 상부에는 전면전계층(n+)(406)이 구비되고, 기판(401) 하부에는 후면전계층(n+)(407)이 구비된다. 또한, 기판(401) 상에는 전면전극(230)이 구비되는데, 상기 전면전극(230)이 구비된 위치에 상응하는 기판(401) 상부의 내부에는 p형 에미터(404)가 구비된다. 즉, 기판(401) 하부에는 전면에 걸쳐 후면전계층(n+)(407)이 구비되고, 기판(401) 상부에는 기본적으로 전면전계층(n+)(406)이 전면에 걸쳐 구비되나 전면전극(230)이 구비되는 영역에는 p형 에미터(404)가 형성되어 있다.
상기 전면전계층(n+)(406)은 구비시키는 이유는, 상기 전면전계층(n+)(406)이 n형 기판(401)과 고저접합(high-low junction)을 이루도록 하여 n형 기판(401) 내부에서 생성된 소수캐리어 즉, 정공이 기판(401) 표면 또는 측면의 결함으로 이동되는 것을 억제하기 위함이며, 궁극적으로 소수캐리어(정공)가 상기 p형 에미터(404)에 수집되도록 유도하기 위함이다. 도 3을 참고하면, 상기 전면전계층(n+)(406)과 후면전계층(n+)(407)의 가전자대(Ev, valence band)가 n형 기판(401)의 가전자대보다 낮기 때문에 n형 기판(401) 내부의 소수캐리어(정공)가 기판(401)의 표면 또는 측면으로 이동되는 것이 억제된다. 한편, 상기 기판(401)의 측부에 측면전계층(n+)이 더 구비될 수도 있으며, 상기 측면전계층(n+) 역시 n형 기판(401)과의 고저접합을 이루어 소수캐리어의 재결합을 억제하는 역할을 한다.
소수캐리어인 정공의 수집효율을 향상시키기 위해 상기 p형 에미터(404)의 형성 깊이는 상기 전면전계층(n+)(406)의 깊이보다 깊도록 할 수 있다. 상기 p형 에미터(404)의 형성 깊이가 길어질수록 소수캐리어의 이동거리를 줄일 수 있고, 소수캐리어가 수집되는 면적을 늘릴 수 있기 때문이다.
상기 기판(401) 전면과 후면에는 각각 패시베이션층(210)과 반사방지막(220)이 순차적으로 적층되며, 상기 기판(401) 전면 상에는 상기 p형 에미터(404)와 전기적으로 연결되는 전면전극(230)이 구비되고 상기 기판(401) 후면 상에는 상기 후면전계층(n+)(407)과 전기적으로 연결되는 후면전극(240)이 구비된다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지의 제조방법을 설명하기로 한다.
먼저, 도 4a에 도시한 바와 같이 n형 실리콘 기판(401)을 준비한다. 그런 다음, 텍스쳐링 공정을 통해 기판(401) 표면을 요철(401) 형상으로 가공하여 빛 반사를 최소화시킨다. 이어, 상기 기판(401) 전면의 일부 영역에 p형 불순물(예를 들어, 붕소(B))을 포함하는 도핑소스 즉, p형 도핑소스(403)를 도포한다. 상기 p형 도핑소스(403)는 페이스트(paste) 또는 스프레이 형태로 도포하거나 화학기상증착법(PECVD), 상압기상증착법 (APCVD) 등의 증착방법으로 증착할 수 있다. 또한, 상기 p형 도핑소스(403)를 도포하지 않고 p형 도핑소스(403)가 도포될 영역의 기판(401) 내부에 이온주입방법(ion implantation)을 이용하여 p형 이온주입층을 형성할 수도 있다.
상기 p형 도핑소스(403)가 도포된 상태에서, 열처리를 진행하면 도 4b에 도시한 바와 같이 상기 p형 도핑소스(403) 내의 p형 불순물 이온이 기판(401) 내부로 확산되어 p형 에미터(404)가 형성된다. 또한, 상기 p형 에미터(404) 상에는 확산부산물인 BSG(boro-silicate glass)막이 형성된다. 상기 BSG막(405)은 p형 도핑소스(403) 내의 p형 불순물(B)이 기판(401)의 실리콘(Si)과 반응하여 형성된 것이다. 한편, p형 도핑소스(403) 대신에 p형 이온주입층이 형성된 경우에는, 산화분위기 하에서 열처리를 하여 상기 p형 이온주입층 상에 BSG막(405)을 형성할 수 있다.
상기 p형 에미터(404)가 형성된 상태에서, 확산공정을 실시하여 기판(401) 상부와 하부에 각각 전면전계층(n+)(406)과 후면전계층(n+)(407)을 형성한다(도 4c 참조). 구체적으로, 챔버 내에 상기 n형 실리콘 기판(401)을 구비시키고 상기 챔버 내에 n형 불순물 이온을 포함하는 가스(예를 들어, POCl3)를 공급하여 인(P) 이온이 기판(401) 내부로 확산(diffusion)되도록 한다. 이를 통해, 상기 기판(401) 상측의 내부에는 전면전계층(n+)(406)이 형성되고, 기판(401) 하측의 내부에는 후면전계층(n+)(407)이 형성되며, 기판(401)의 측면부에도 인(P) 이온이 확산되어 측면전계층(n+)(408)이 형성될 수 있다. 이 때, 상기 p형 에미터(404) 상에는 확산부산물인 BSG막(405)이 구비되어 있음에 따라, 상기 p형 에미터(404) 영역에는 인(P) 이온이 확산되지 못한다. 즉, 상기 BSG막(405)이 확산방지막의 역할을 한다. 또한, 상기 확산공정으로 인해 기판(401) 표면에는 또 다른 확산부산물인 PSG(phosphor-silicate glass)막이 형성된다.
한편, 상기 확산공정을 통해 형성되는 전면전계층(n+)(406)은 상기 p형 에미터(404)보다 그 높이가 얕아야 한다. 그 이유는, 전술한 바와 같이 소수캐리어(정공)가 p형 에미터(404)에 수집되는 수집거리를 짧게 함과 함께 p형 에미터(404)의 수집면적을 증가시키기 위함이다.
상기 p형 에미터(404) 및 전면전계층(n+)(406), 후면전계층(n+)(407)이 형성된 상태에서, 상기 기판(401)의 전면 및 후면에 각각 패시베이션층(passivation layer)을 형성한다. 상기 패시베이션층은 상기 BSG막(405) 및 PSG막(409)을 제거한 상태에서 실리콘 산화막을 적층하여 형성하거나, 상기 기판(401) 전면 및 후면에 적층된 BSG막(405) 및 PSG막(409)을 패시베이션층으로 이용할 수도 있다.
그런 다음, 상기 기판(401) 전면 및 후면의 패시베이션층 상에 각각 반사방지막(410)을 적층한다(도 4d 참조). 상기 반사방지막(410)은 실리콘 질화막을 이용하여 형성할 수 있다. 이어, 상기 기판(401) 전면 및 후면의 반사방지막(410) 상에 전면전극(413)과 후면전극(411)을 하고, 레이저 아이솔레이션 공정을 진행하여 전면전계층(n+)(406)의 일부를 단선시키면 본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지의 제조방법은 완료된다.
한편, 상기 전면전극(413) 형성시, 레이저 도핑을 이용한 고농도 에미터(412) 형성 및 전기도금을 이용한 전면전극(413) 형성 공정을 적용할 수도 있다. 이 경우, 확산공정에 의해 생성된 BSG막(405) 및 PSG막(409)을 제거하지 않고 패시베이션층으로 사용됨이 전제된다. 구체적으로, 상기 기판(401) 후면의 반사방지막(410) 상에 후면전극(411)을 형성한 상태에서, BSG막(405)에 대해 레이저를 조사하면 상기 BSG막(405) 내의 p형 불순물 이온(예를 들어, 붕소 이온)이 활성화되어 p형 에미터(404) 내부에서 확산되며 궁극적으로 고농도 에미터(412)가 형성된다(도 4e 참조). 이와 같은 상태에서, 잔존하는 BSG막(405)을 제거하여 고농도 에미터(412)를 노출시킨 다음 도 4f에 도시한 바와 같이, 상기 고농도 에미터(412)에 전기도금법을 이용하여 전면전극(413)을 형성하면 고농도 에미터(412) 및 전면전극(413) 형성이 완료된다. 이 때, 상기 전면전극(413)은 무전해 도금방법(electroless-plating) 또는 전해 도금방법(electro-plating)을 이용할 수 있다.
401 : n형 실리콘 기판 402 : 요철
403 : p형 도핑소스 404 : p형 에미터
405 : BSG막 406 : 전면전계층(n+)
407 : 후면전계층(n+) 408 : 측면전계층(n+)
409 : PSG막 410 : 반사방지막
411 : 후면전극 412 : 고농도 에미터
413 : 전면전극
403 : p형 도핑소스 404 : p형 에미터
405 : BSG막 406 : 전면전계층(n+)
407 : 후면전계층(n+) 408 : 측면전계층(n+)
409 : PSG막 410 : 반사방지막
411 : 후면전극 412 : 고농도 에미터
413 : 전면전극
Claims (11)
- n형 실리콘 기판을 준비하는 단계;
상기 기판 상부의 일부 영역에 p형 에미터를 형성하는 단계;
확산공정을 실시하여 상기 기판 상부와 하부에 각각 전면전계층(n+)과 후면전계층(n+)을 형성하는 단계;
상기 기판 전면과 후면에 각각 패시베이션층을 형성하는 단계;
상기 패시베이션층 상에 반사방지막을 형성하는 단계; 및
상기 기판 전면 상에 p형 에미터와 연결되는 전면전극을 형성함과 함께 상기 기판 후면 상에 후면전계층(n+)과 연결되는 후면전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지며,
상기 p형 에미터의 깊이가 상기 전면전계층(n+)의 깊이보다 깊도록 상기 p형 에미터를 형성하는 것을 특징으로 하는 양면수광형 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 p형 에미터를 형성하는 단계는,
상기 기판 전면의 일부 영역 상에 p형 도핑소스를 도포하는 과정과,
상기 기판을 열처리하여 상기 p형 도핑소스가 기판 내부로 확산되도록 하여 p형 에미터를 형성하는 과정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 양면수광형 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 p형 에미터를 형성하는 단계는,
상기 기판 상부에 p형 불순물 이온을 주입하여 p형 에미터를 형성하는 것을 특징으로 하는 양면수광형 태양전지의 제조방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 기판의 열처리에 의해 p형 에미터가 형성됨과 함께 상기 p형 에미터 상에 제 1 확산부산물이 형성되며, 상기 확산공정에 의해 상기 전면전계층(n+) 상에 제 2 확산부산물이 형성되며,
상기 제 1 및 제 2 확산부산물은 상기 패시베이션층으로 이용되는 것을 특징으로 하는 양면수광형 태양전지의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 확산부산물은 BSG막이고, 상기 제 2 확산부산물은 PSG막인 것을 특징으로 하는 양면수광형 태양전지의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서, 제 1 확산부산물층을 레이저로 조사하여 불순물 이온을 확산시켜 고농도 에미터를 형성하고, 상기 고농도 에미터 상에 전면전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 양면수광형 태양전지의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 전면전극은 전기도금법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 양면수광형 태양전지의 제조방법.
- 삭제
- n형 실리콘 기판;
상기 기판 상부에 구비된 p형 에미터;
상기 기판 상부의 <p형 에미터가 구비된 영역> 이외의 영역에 구비된 전면전계층(n+); 및
상기 기판 하부에 구비된 후면전계층(n+)을 포함하여 이루어지며,
상기 전면전계층(n+), 기판 및 후면전계층(n+)은 고저접합(high-low junction)을 이루며, 상기 p형 에미터의 깊이는 상기 전면전계층(n+)의 깊이보다 깊으며,
상기 p형 에미터의 일부 영역에 고농도 에미터가 구비되며, 상기 고농도 에미터 상에 전면전극이 구비되는 것을 특징으로 하는 양면수광형 태양전지.
- 제 9 항에 있어서, 상기 p형 에미터와 연결되는 전면전극, 상기 후면전계층(n+)과 연결되는 후면전극을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 양면수광형 태양전지.
- 삭제
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