KR101541773B1 - 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
태양전지 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명에 따른 태양전지는, 단위셀 영역(A)과 배선 영역(A)으로 구성되는 단위 태양전지 영역(A, B)이 배열되는 기판(100); 기판(100) 상에 형성되며, 기판(100) 상의 배선 영역(B) 상에 제1 트렌치(T1)가 형성되는 제1 반도체층(310); 제1 반도체층(310) 상에 형성되며, 기판(100) 상의 배선 영역(B) 상에 제2 트렌치(T2)가 형성되어 제1 반도체층(310) 일부를 노출시키는 제2 반도체층(320); 제2 반도체층(320) 상에 형성되며, 기판(100) 상의 배선 영역(B) 상에 제3 트렌치(T3)가 형성되어 제2 반도체층(320) 일부를 노출시키는 제3 반도체층(330); 제1 트렌치(T1) 내부에 매립되어 기판(100) 상의 단위셀 영역(A) 상의 제1, 제2, 제3 반도체층(310, 320, 330)을 서로 절연시키는 측벽 절연층(400); 및 제3 반도체층(330) 상에 형성되며, 제2 트렌치(T2)를 통해 제1 반도체층(310)과 접속되는 전극층(500)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 패터닝 공정과 직렬 연결 구조를 단순화 할 수 있고, 단위셀간의 전기적인 간섭을 효과적으로 방지할 수 있는 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
종래의 박막형 태양전지는 광전 변환 효율이 대략 10% 미만에 불과하여 실제로 상용화 되기에는 여러 가지 어려움이 있었다. 이를 해결하기 위해, 다수개의 광전소자를 전기적으로 직렬 방식으로 연결시켜 우수한 광전 변환 효율을 구현하는 기술이 개발되어 왔다.
이러한 직렬 방식의 태양전지는 수평으로 배열된 다수개의 광전소자를 전극(배선)으로 직렬 연결시켜 필요한 전력을 얻는 방식이다.
그러나, 종래의 직렬 방식의 태양전지를 제조하기 위해서는 최소 3번의 식각(패턴) 공정을 수행하기 위해 기판을 반복적으로 반전시키는 과정이 수행되어 공정 및 설비가 복잡하고, 기판을 뒤집는 과정에서 물리적인 간섭을 초래할 수 있어 불량이 발생되는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 직렬 방식의 태양전지는 하부전극과 상부전극 사이에 다수의 반도체층이 적층된 광전소자로 이루어진 단위셀 태양전지가 서로 직렬 연결된 구조이기 때문에 구조가 복잡하고, 단위셀간의 전기적인 간섭으로 인해 광전 변환 효율이 저하되는 문제점을 가지고 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 다수의 식각 공정을 모두 기판 전면에서 수행할 수 있는 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 직렬 연결시 별도의 하부전극이 필요 없는 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 단위셀간을 전기적으로 분리시키는 측벽 절연층을 포함하는 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 단위셀 영역과 배선 영역으로 구성되는 단위 태양전지 영역이 배열되는 기판; 상기 기판 상에 형성되며, 상기 기판 상의 상기 배선 영역 상에 제1 트렌치가 형성되는 제1 반도체층; 상기 제1 반도체층 상에 형성되며, 상기 기판 상의 상기 배선 영역 상에 제2 트렌치가 형성되어 상기 제1 반도체층 일부를 노출시키는 제2 반도체층; 상기 제2 반도체층 상에 형성되며, 상기 기판 상의 상기 배선 영역 상에 제3 트렌치가 형성되어 상기 제2 반도체층 일부를 노출시키는 제3 반도체층; 상기 제1 트렌치 내부에 매립되어 상기 기판 상의 상기 단위셀 영역 상의 상기 제1, 제2, 제3 반도체층을 서로 절연시키는 측벽 절연층; 및 상기 제3 반도체층 상에 형성되며, 상기 제2 트렌치를 통해 상기 제1 반도체층과 접속되는 전극층을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지에 의해 달성된다.
이때, 상기 기판과 상기 제1 반도체층 사이에는 반사 방지층이 더 형성될 수 있다.
상기 반사 방지층은 실리콘 산화물(SiOx) 또는 실리콘 질화물(SiNx)일 수 있다.
상기 제1, 제2, 제3 반도체층은 n, i, p 또는 p, i, n일 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 목적은 (a) 단위셀 영역과 배선 영역으로 구성되는 단위 태양전지 영역이 배열되는 기판을 제공하는 단계; (b) 상기 기판 상에 제1, 제2, 제3 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계; (c) 상기 배선 영역 상에서 상기 제1, 제2, 제3 반도체층을 식각하여, 인접하는 다른 단위 태양전지 영역과 분리하는 제1 트렌치를 형성하는 제1 식각 단계; (d) 상기 제1 트렌치를 매립하여 측벽 절연층을 형성하는 단계; (e) 상기 제3 반도체층 및 상기 측벽 절연층 상에 제1 마스크층을 형성하고, 상기 배선 영역 상에서 상기 제1 마스크층을 이용하여 상기 제3 반도체층 및 상기 제2 반도체층을 동시에 식각하여 상기 제1 반도체층 일부를 노출시키는 제2 트렌치를 형성하는 제2 식각 단계; (f) 상기 제1 마스크층을 제거하고, 상기 제3 반도체층 및 상기 측벽 절연층 상에 전극층을 형성하는 단계; (g) 상기 전극층 상에 제2 마스크층을 형성하고, 상기 배선 영역 상에서 상기 제2 마스크층을 이용하여 상기 전극층 및 상기 제3 반도체층을 동시에 식각하여 상기 제2 반도체층 일부를 노출시키는 제3 트렌치를 형성하는 제3 식각 단계; 및 (h) 상기 제2 마스크층을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법에 의해서도 달성된다.
이때, 상기 기판과 상기 제1 반도체층 사이에는 반사 방지층이 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 반사 방지층은 실리콘 산화물(SiOx) 또는 실리콘 질화물(SiNx)로 형성될 수 있다.
상기 제1 트렌치는 레이저 스크라이빙 방식으로 식각될 수 있다.
상기 제2 트렌치 및 상기 제3 트렌치는 습식 방식으로 식각될 수 있다.
상기 제1, 제2, 제3 식각 단계는 상기 기판의 상부에서 수행될 수 있다.
상기 전극층은 투명 전도성 소재 또는 금속 소재이거나 이들의 적층 구조로 형성될 수 있다.
상기 제1, 제2, 제3 반도체층은 n, i, p 또는 p, i, n으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 다수의 식각 공정을 모두 기판 전면에서 수행할 수 있어 기판을 반전시키는(뒤집는) 과정이 필요 없기 때문에, 공정 및 설비가 단축되고 불량 발생을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 직렬 연결시 별도의 하부전극이 필요 없어, 구조 및 공정이 단축되는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 단위셀 사이의 전기적으로 간섭을 방지할 수 있는 측벽 절연층을 포함하여, 광전 변화 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조 과정을 순차적으로 나타내는 도면이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전소자부의 상세한 구성을 나타내는 도면이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전소자부의 상세한 구성을 나타내는 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
[본 발명의 바람직한 실시예]
본 명세서에 있어서, 단위셀 영역(A) 이란 전극 사이(제1 반도체층과 전극층 사이)에 광전소자(제1 반도체층, 제2 반도체층 및 제3 반도체층을 포함함)가 위치하여 실질적으로 태양전지의 광전 변환이 이루어지는 기판 상의 영역을 의미하는 것이다.
또한, 본 명세서에 있어서, 배선 영역(B) 이란 단위셀 영역(A) 사이에 위치하며 단위셀간을 서로 분리함과 동시에 전기적으로는 연결(예를 들면, 직렬 연결)하는 기능을 수행하는 기판 상의 영역을 의미하는 것으로, 실질적으로 태양전지의 광전 변환이 일어나지 않는 데드 영역(dead region)으로 이해될 수 있다.
이와 같은 하나의 단위셀 영역(A)과 하나의 배선 영역(B)이 모여 단위 태양전지 영역(A, B)을 구성하는데, 이러한 단위 태양전지 영역(A, B) 상에는 본 발명의 실시예에 따른 제조 공정에 의해 광전 변환과 배선 기능을 모두 수행할 수 있는 단위 태양전지가 형성된다.
일 예로, 기판 상에는 다수개의 단위 태양전지 영역(A, B)은 행과 열 방향으로 배열될 수 있는데, 임의의 행에서 n 번째(n은 자연수) 단위 태양전지 영역은 단위셀 영역(An)과 배선 영역(Bn)을 포함하여 구성될 수 있다.
이때, n 번째 단위 태양전지 영역(An, Bn)과 인접하는 일측 영역에는 n+1 번째 단위 태양전지 영역[단위셀 영역(An+1)과 배선 영역(Bn+1)], n+2 번째 단위 태양전지 영역[단위셀 영역(An+2)과 배선 영역(Bn+2)] 순서로 단위 태양전지 영역이 배열될 수 있다.
또한, n 번째 단위 태양전지 영역과 인접하는 타측 영역에는 n-1 번째 단위 태양전지 영역[단위셀 영역(An-1)과 배선 영역(Bn-1)], n-2 번째 단위 태양전지 영역[단위셀 영역(An-2)과 배선 영역(Bn-2)] 순서로 1 번째 단위 태양전지 영역까지 배열될 수 있다.
이하의 실시예에서는 설명의 편의를 위해 기판 상의 다수개의 단위 태양전지 영역 중 n번째 단위 태양전지 영역[단위셀 영역(An)과 배선 영역(Bn)]을 중심으로 그 단면을 도시하여 설명하도록 한다.
도 1 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조 과정을 순차적으로 나타내는 도면이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 단위셀 영역(A)과 배선 영역(B)으로 구성되는 단위 태양전지 영역(A, B)이 배열되는 기판(100)을 제공할 수 있다. 기판(100)의 재질은 투명한 유리 기판을 사용할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 기판(100)은 빛을 수광하는 방향에 따라 유리, 플라스틱과 같은 투명 재질 또는 실리콘, 금속[예를 들면, SUS(Stainless Steel)]과 같은 불투명 재질을 모두 사용할 수 있다.
이어서, 기판(100)의 표면에는 텍스쳐링(texturing)이 수행될 수 있다. 본 발명에서 텍스쳐링이란, 태양전지의 기판 표면에 입사되는 빛이 반사되어 광학적으로 손실됨으로써 그 특성이 저하되는 현상을 방지하지 위한 것이다. 즉, 기판의 표면을 거칠게 만드는 것으로, 기판 표면에 요철 패턴(미도시 함)을 형성하는 것을 말한다. 예를 들면, 텍스쳐링으로 기판의 표면이 거칠어지면 표면에서 한번 반사된 빛이 태양전지 방향으로 재반사될 수 있으므로 빛이 손실되는 것을 감소시킬 수 있고, 광 포획량이 증가되어 태양전지의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
이때, 대표적인 텍스쳐링 방법으로는 샌드 블래스팅 방법을 사용할 수 있다. 본 발명에서의 샌드 블래스팅은 식각 입자를 압축 공기로 분사하여 식각하는 건식 블래스팅과 액체와 함께 식각 입자를 분사하여 식각하는 습식 블래스팅을 모두 포함하는 것이다. 한편, 본 발명의 샌드 블래스팅에 사용되는 식각 입자는 모래, 작은 금속과 같이 물리적 충격으로 기판에 요철을 형성시킬 수 있는 입자를 제한 없이 사용할 수 있다.
이어서, 기판(100) 상에는 반사 방지층(200)을 형성할 수 있다. 반사 방지층(200)은 기판(100)을 통하여 입사된 태양광이 이후 형성되는 광전소자(반도체층)에 흡수되지 못하고 바로 외부로 반사됨으로써, 태양전지의 효율을 저하시키는 현상을 방지하는 역할을 한다. 반사 방지층의 소재는 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiNx)일 수 있으나 반드시 이에 한정되지 않는다.
반사 반지층의 형성 방법으로는 저압 화학기상 증착법(Low Pressure Chemical Vapor Deposition: LPCVD) 및 플라즈마 화학기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition: PECVD) 등을 포함할 수 있다.
이어서, 반사 방지층(200)의 상부 전면에 제1, 제2, 제3 반도체층(310, 320, 330)을 순차적으로 형성할 수 있다. 이하, 제1, 제2, 제3 반도체층(300: 310, 320, 330)은 빛 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 광전소자부로서 기능할 수 있다.
이러한 제1, 제2, 제3 반도체층(300: 310, 320, 330)은 통상적으로 사용되는 실리콘(Si)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 공지된 반도체 재질을 제한 없이 사용할 수 있다. 일 예로, p 형, i 형, n 형의 반도체층(300)을 순서대로 형성할 수 있다.
반도체층(300)의 형성 방법으로는 PECVD 또는 LPCVD와 같은 화학기상 증착법을 포함할 수 있는데, 이후 공정에 의하여 단위셀 영역(A)에서는 빛을 수광하여 전력을 생산하는 광전소자의 기능을 수행할 수 있다. 보다 구체적으로는 도 10 및 도 11을 참조한 이하의 상세한 설명에 의해 이해될 것이다.
다음으로, 도 2를 참조하면, 기판(100) 상의 배선 영역(B) 상에서 제1, 제2, 제3 반도체층(300: 310, 320, 330) 일부를 제1 식각(즉, P1 너비만큼 식각)하여 제1 트렌치(T1)를 형성할 수 있다.
보다 자세하게 설명하면, 제1 식각 공정(P1)에 의해 단위셀 영역(A) 및 배선 영역(B)으로 구성되는 다수개의 단위 태양전지 영역(A, B)은 서로 분리될 수 있다. 예를 들면, n 번째 단위 태양전지 영역[단위셀 영역(An)과 배선 영역(Bn)]은 인접하는 일측 영역의 n+1 번째 단위 태양전지 영역[단위셀 영역(An+1)과 배선 영역(Bn+1)] 및 타측 영역의 n-1 번째 단위 태양전지 영역[단위셀 영역(An-1)과 배선 영역(Bn-1)]과 물리적, 전기적으로 분리될 수 있다.
이러한 제1 식각 공정(P1)의 방법으로는 레이저를 이용한 레이저 스크라이빙법을 사용할 수 있는데, 예를 들면, 자외선(ultraviolet) 또는 그린(green) 파장의 레이저일 수 있다.
그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 공지된 포토리소그래피법을 포함하는 식각 방법을 제한 없이 사용할 수 있다. 레이저 스크라이빙법 사용시 레이저의 조사 방향은 기판(100) 상측 또는 하측에서 조사될 수 있으나, 본 발명에서는 패터닝 공정을 전면에서 수행할 수 있도록 도시된 바와 같이 기판(100)의 상측으로부터 조사되는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 3을 참조하면, 제3 반도체층(330) 상에는 제1 트렌치(T1) 내부에 절연성 물질을 매립하여 측벽 절연층(400)을 형성할 수 있다. 이러한 측벽 절연층(400)은 단위셀 영역(A)의 제1, 제2, 제3 반도체층(310, 320, 330)을 서로 절연시킬 수 있다.
측벽 절연층(400)을 형성하는 재질로는 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiNx), 폴리머, 레진(resin) 중 어느 하나이거나 이들 중 둘 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 이외에도 다양한 공지의 재료를 사용할 수 있다. 측벽 절연층(400)의 형성 방법으로는 노즐로 구성된 헤드를 통하여 소정의 잉크를 분사하는 잉크젯 프린팅법(ink jet printing)을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 공지된 포토리소그래피법, 스크린 인쇄법(screen printing), 롤러 코팅법(roller coating) 등을 제한 없이 사용할 수 있다.
이와 같은, 측벽 절연층(400)은 일정한 공간이 형성된 트렌치 내부에 매립되어 형성되는 구조이기 때문에, 측면으로 퍼지는 현상을 감소시켜 전체 너비를 최소화시킬 수 있다. 즉, 종래의 측벽 절연층은 소정의 잉크를 분사하는 잉크젯 프린팅법(ink jet printing)으로 형성하기 때문에, 측면으로 불필요하게 퍼지는 현상이 초래되어 전체 너비가 증가하게 되지만, 본 발명에 따른 측벽 절연층(400)은 제1 트렌치(T1)가 이를 방지할 수 있어 상대적으로 너비를 감소시킬 수 있다.
따라서, 전체 기판(100) 중 상대적으로 빛을 수광하여 전기 에너지를 생산하는 단위셀 영역(A)의 면적비가 증가됨으로, 우수한 광전 변환 효율의 태양전지를 구현할 수 있다.
다음으로, 도 4를 참조하면, 제3 반도체층(330)을 포함하는 기판(100) 상에 제1 마스크층(10)을 형성할 수 있다. 이러한 제1 마스크층(10)은 수지(resin)일 수 있는데, 예를 들면 포토리소그래피 공정시 사용되는 공지된 포토레지스트(Photoresist)를 사용할 수 있다.
이어서, 기판(100) 상의 배선 영역(B) 상에 제1 마스크층(10)의 일부를 패터닝하여 도시된 바와 같이 소정의 패턴을 가지는 제1 마스크층(10)을 형성할 수 있다. 제1 마스크층(10)의 패터닝은 레이저 또는 잉크젯 패터닝일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 공지된 다양한 패터닝 방법을 사용할 수 있다.
다음으로, 도 5를 참조하면, 배선 영역(B) 상에서 소정의 패턴을 가지는 제1 마스크층(10)으로 제2 반도체층(320) 및 제3 반도체층(330)을 제2 식각(즉, P2 너비만큼 식각)하여 제1 반도체층(310) 일부를 노출시키는 제2 트렌치(T2)를 형성할 수 있다.
이러한 제2 식각 공정(P2)의 방법으로는 수지(resin)로 이루어진 본 발명의 제1 마스크층(10)을 이용하여 제1 반도체층(310)만을 손상 없이 노출시키기 위해 식각 선택비가 우수한 습식식각을 이용할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 건식식각을 포함하는 공지된 식각 방법을 제한 없이 사용할 수 있다.
이어서, 제1 마스크층(10)을 제거하는 공정을 수행할 수 있는데, 공지된 수지(resin) 스트립 공정 기술을 제한 없이 사용할 수 있다.
다음으로, 도 6을 참조하면, 제3 반도체층(330) 및 측벽 절연층(400)을 포함하는 기판(100) 상에 전극층(500)을 형성할 수 있다. 이러한 전극층(500)의 소재는 전도성 재질을 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들면, 투명 전도층인 경우 TCO를 사용할 수 있는데, AZO(ZnO:Al), ITO(Indium-Tin-Oxide), GZO(ZnO:Ga), BZO(ZnO:B) 및 FTO(SnO2:F) 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 불투명 전도층인 경우 통상적인 금속 소재를 사용할 수 있는데, 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 아연(Zn), 티타늄(Ti) 등의 금속 및 이들의 합금일 수 있다.
또한, 전극층(500)은 투명 전도층과 금속층이 적층된 구조로 형성될 수 있는데, 예를 들면, BZO(ZnO:B)/Al일 수 있다.
전극층(500)의 형성 방법으로는 열 증착법(Thermal Evaporation), 전자빔 증착법(E-beam Evaporation), 스퍼터링(sputtering)과 같은 물리기상 증착법(Physical Vapor Deposition: PVD) 및 LPCVD, PECVD, 금속유기 화학기상 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition: MOCVD)과 같은 화학기상 증착법(Chemical Vapor Deposition: CVD)을 포함할 수 있다.
한편, 전극층(500)은 단위셀 영역(A)에서는 전도성 성질을 이용하여 상부전극의 기능을 수행할 수 있다.
다음으로, 도 7을 참조하면, 전극층(500) 상에는 제2 마스크층(20)을 형성할 수 있다. 이러한 제2 마스크층(20)은 도 5를 참조한 상세한 설명의 제1 마스크층(10)과 동일하게 소정의 패턴을 가지도록 패터닝될 수 있다.
다음으로, 도 8을 참조하면, 배선 영역(B) 상에서 소정의 패턴을 가지는 제2 마스크층(20)으로 전극층(500) 및 제3 반도체층(330)을 제3 식각(즉, P3 너비만큼 식각)하여 제2 반도체층(320) 일부를 노출시키는 제3 트렌치(T3)를 형성할 수 있다.
이러한 제3 식각 공정(P3)의 방법으로는 수지(resin)로 이루어진 본 발명의 제2 마스크층(20)을 이용하여 제2 반도체층(320)만을 손상 없이 노출시키기 위해 식각 선택비가 우수한 습식식각을 이용할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 건식식각을 포함하는 공지된 식각 방법을 제한 없이 사용할 수 있다.
마지막으로, 도 9를 참조하면, 제2 마스크층(20)을 제거하는 공정을 수행할 수 있는데, 공지된 수지(resin) 스트립 공정 기술을 제한 없이 사용할 수 있다.
따라서, 전극층(500)은 제2 트렌치(T2)에 의해 노출된 제1 반도체층(310)과 이웃하는 다른 단위 태양전지 영역 상의 제3 반도체층(330)을 전기적으로 연결하는 직렬 방식 태양전지를 구현할 수 있다.
일 예로, 전극층(500)의 일단은 n 번째 단위 태양전지 영역(An, Bn)의 배선 영역(Bn) 상에서 제2 트렌치(T2)를 통해 제1 반도체층(310)과 접속될 수 있다. 또한, 전극층(400)의 타단은 측벽 절연층(400)을 덮으면서 인접하는 n-1 번째 단위 태양전지 영역(An-1, Bn-1)의 단위셀 영역(An-1) 상의 제3 반도체층(330) 상부와 연결될 수 있다.
이로써, n 번째 단위 태양전지(An, Bn)는 일측 영역에 인접하는 n-1 번째 단위 태양전지(An-1, Bn-1)와 직렬 연결될 수 있고, 이와 동일하게 타측 영역에 인접하는 n+1 번째 단위 태양전지(An+1, Bn+1)와도 직렬 연결되어 직렬 방식의 태양전지가 구현될 수 있다.
이상에서 설명된 바와 같이, 본 발명의 태양전지는 레이저 스크라이빙 및 식각공정(예를 들면, 습식식각)을 모두 기판(100)의 상부에서 순차적으로 수행할 수 있어서 공정 및 공정 설비를 감소시킬 수 있다.
또한, 별도의 하부전극 없이도 직렬 연결을 구현할 수 있어 구조 및 공정이 단축되는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 단위셀 사이를 전기적으로 분리시키는 측벽 절연층을 포함하여, 우수한 광전 변환 효율의 태양전지를 구현할 수 있다.
광전소자부의 구성
도 10 및 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전소자부의 상세한 구성을 나타내는 도면이다.
먼저, 도 10을 참조하면, 광전소자부(300)는 일 예로 3층의 비정질 실리콘층(310, 320, 330)으로 형성될 수 있다. 더 구체적으로, 기판(100) 상에는 제1 비정질 실리콘층(310)을 형성할 수 있으며, 이어서 제1 비정질 실리콘층(310) 상에는 제2 비정질 실리콘층(320)을 형성할 수 있으며, 이어서 제2 비정질 실리콘층(320) 상에는 제3 비정질 실리콘층(330)을 형성하여 하나의 광전소자를 구성할 수 있다. 이때, 제1, 제2, 제3 비정질 실리콘층(310, 320, 330)의 형성 방법으로는 PECVD 또는 LPCVD와 같은 화학기상 증착법을 이용하여 형성할 수 있다.
다음으로, 도 11을 참조하면, 광전소자부(300)는 일 예로 3층의 다결정 실리콘층(311, 321, 331)으로 형성될 수 있다. 더 구체적으로, 기판(100) 상에는 제1 다결정 실리콘층(311)을 형성할 수 있으며, 이어서 제1 다결정 실리콘층(311) 상에는 제2 다결정 실리콘층(321)을 형성할 수 있으며, 이어서 제2 다결정 실리콘층(321) 상에는 제3 다결정 실리콘층(331)을 형성하여 하나의 광전소자를 구성할 수 있다.
이때, 제1, 제2, 제3 다결정 실리콘층(311, 321, 331)의 형성 방법으로는 도 13의 제1, 제2, 제3 비정질 실리콘층(310, 320, 330)을 열처리하여 결정화하는 과정을 수행할 수 있다. 즉, 제1 비정질 실리콘층(310)은 제1 다결정 실리콘층(311)으로, 제2 비정질 실리콘층(320)은 제2 다결정 실리콘층(321)으로, 제3 비정질 실리콘층(330)은 제3 다결정 실리콘층(331)으로 각각 결정화할 수 있다.
이때, 제1, 제2, 제3 비정질 실리콘층(310, 320, 330)의 결정화 방법은 SPC(Solid Phase Crystallization), ELA(Excimer Laser Annealing), SLS(Sequential Lateral Solidification), MIC(Metal Induced Crystallization), 및 MILC(Metal Induced Lateral Crystallization) 중 어느 하나의 방법을 사용할 수 있다. 상기의 비정질 실리콘의 결정화 방법은 공지의 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 본 명세서에서는 생략하기로 한다.
상기에서는 제1, 제2, 제3 비정질 실리콘층(310, 320, 330)을 모두 형성한 후에 이들 층을 동시에 결정화시키는 것으로 설명하고 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 하나의 비정질 실리콘층 마다 결정화 공정을 별도로 진행할 수 있으며, 또한 두 개의 비정질 실리콘층은 동시에 결정화 공정을 진행하고 나머지 하나의 비정질 실리콘층은 별도로 결정화 공정을 진행할 수도 있다.
결국, 기판(100) 상에는 제1, 제2, 제3 비정질 실리콘층(310, 320, 330) 또는 제1, 제2, 제3 다결정 실리콘층(311, 321, 331)으로 구성되는 광전소자가 형성된다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 필요에 따라서는 미세 결정질(microcrystalline) 실리콘층으로 구성되는 광전소자를 사용할 수도 있다. 또한, 태양전지의 광 흡수층의 재료로 실리콘 이외에 공지된 재료를 제한 없이 사용할 수도 있다.
이러한 광전소자는 광이 수광되어 발생되는 광기전력으로 전력을 생산할 수 있는 p 형, i 형, n 형의 실리콘층이 순서대로 적층된 p-i-n 다이오드의 구조일 수 있다. 여기서 i 형은 불순물이 도핑되지 않은 진성(intrinsic)을 의미한다. 또한, n 형 또는 p 형 도핑은 비정질 실리콘층 형성시에 불순물을 인시츄(in situ) 방식으로 도핑하는 것이 바람직하다. P 형 도핑시 불순물로서는 보론(B)을 n 형 도핑시 불순물로서는 인(P) 또는 비소(As)를 사용하는 것이 일반적이나, 이에 한정되는 것은 아니며 공지된 기술을 제한 없이 사용할 수 있다.
한편, 광전소자는 p, i, n 형 이외에도 p+, i, n+ 형, n, i, p 형(특히, n+, i, p+), p, p, n 형(특히, p+, p-, n+), p, n, n 형(특히, p+, n-, n+) 또는 n, n, p 형(특히, n+, n-, p+)의 실리콘층으로 형성될 수도 있다. 여기서, +와 -의 의미는 도핑 농도의 상대적인 차이를 나타내며 +가 -보다 고농도의 도핑 농도를 가짐을 의미한다. 예를 들어, n+가 n- 보다 하이 도핑되어 있음을 의미한다. + 또는 -의 표시가 없는 경우에는 도핑 농도의 특별한 제한이 없음을 의미한다. 또한, p와 n 형 사이에 위치하는 반도체층은 광 흡수층(예를 들면, i 형)의 기능을 한다.
한편, 제1 다결정 실리콘층(311), 제2 다결정 실리콘층(321), 제3 다결정 실리콘층(331)의 제반 특성을 보다 향상시키기 위하여 이들 다결정 실리콘층을 소정의 온도에서 추가로 열처리하여 결함을 제거하는 결함 제거 공정, 또한 이들 다결정 실리콘층을 수소 플라즈마 처리하여 다결정 실리콘층 내에 존재하는 댕글링 본드를 제거하는 수소 패시배이션(hydrogen passivation) 공정을 수행할 수 있다.
다른 예로, 광전소자부(300)는 하나의 광전소자 상에 다른 광전소자가 더 형성된 적층 구조[즉, 탠덤(tandem) 구조]일 수도 있다. 즉, 광전소자부(300)는 다결정 광전소자층과 비정질 광전소자층이 적층된 구조, 마이크로결정질 광전소자층과 비정질 광전소자층이 적층된 구조 등을 가질 수 있으나, 이중 이상으로 적층되는 구조를 포괄적으로 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
이를 도 9를 참조하여 본 발명에 적용하면 다음과 같다. 하부에 배치되는 광전소자를 제1, 제2, 제3 반도체층이라 하고, 상부에 배치되는 광전소자를 제4, 제5, 제6 반도체층이라 하면, 도 9에서 310으로 도시된 반도체층은 제1 반도체층이 배치되며, 320으로 도시된 반도체층에 제2, 제3, 제4, 제5 반도체층이 배치되며, 330으로 도시된 반도체층에 제6 반도체층이 배치됨에 따라 탠덤 구조를 이룰 수 있다.
한편, 탠덤 구조의 광전소자부(300)에서 하나의 광전소자와 다른 광전소자 사이에는 투명 전도체인 연결층(미도시)이 추가로 형성될 수 있다. 상기 연결층은 적층된 광전소자 사이[일 예로, 다결정 광전소자와 비정질 광전소자 사이]에 오믹 접촉(ohmic contact)이 이루어지게 하여, 태양전지의 광전 변환 효율을 향상시키는 역할을 할 수 있다. 상기 연결층은 ZnO에 Al이 소량 첨가된 AZO(ZnO:Al)인 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되지 않으며 통상적인 ITO, ZnO, IZO, FTO(SnO2:F), BZO 등과 같은 투명 전도성 소재를 특별한 제한 없이 사용할 수 있다.
이상의 상세한 설명에서 본 발명은 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다. 따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 기판
200: 반사 방지층
310: 제1 반도체층(제1 비정질 실리콘층)
311: 제1 다결정 실리콘층
320: 제2 반도체층(제2 비정질 실리콘층)
321: 제2 다결정 실리콘층
330: 제3 반도체층(제3 비정질 실리콘층)
331: 제3 다결정 실리콘층
400: 측벽 절연층
500: 전극층
200: 반사 방지층
310: 제1 반도체층(제1 비정질 실리콘층)
311: 제1 다결정 실리콘층
320: 제2 반도체층(제2 비정질 실리콘층)
321: 제2 다결정 실리콘층
330: 제3 반도체층(제3 비정질 실리콘층)
331: 제3 다결정 실리콘층
400: 측벽 절연층
500: 전극층
Claims (12)
- 단위셀 영역과 배선 영역으로 구성되는 단위 태양전지 영역이 배열되는 기판;
상기 기판 상에 형성되며, 상기 기판 상의 상기 배선 영역 상에 제1 트렌치가 형성되는 제1 반도체층;
상기 제1 반도체층 상에 형성되며, 상기 기판 상의 상기 배선 영역 상에 제2 트렌치가 형성되어 상기 제1 반도체층 일부를 노출시키는 제2 반도체층;
상기 제2 반도체층 상에 형성되며, 상기 기판 상의 상기 배선 영역 상에 제3 트렌치가 형성되어 상기 제2 반도체층 일부를 노출시키는 제3 반도체층;
상기 제1 트렌치 내부에 매립되어 상기 기판 상의 상기 단위셀 영역 상의 상기 제1, 제2, 제3 반도체층을 서로 절연시키는 측벽 절연층; 및
상기 제3 반도체층 상에 형성되며, 상기 제2 트렌치를 통해 상기 제1 반도체층과 접속되는 전극층
을 포함하고,
상기 제1, 제2, 제3 반도체층은 n형, i형, p형 반도체층 또는 p형, i형, n형 반도체층인 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 기판과 상기 제1 반도체층 사이에는 반사 방지층이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제2항에 있어서,
상기 반사 방지층은 실리콘 산화물(SiOx) 또는 실리콘 질화물(SiNx)인 것을 특징으로 하는 태양전지. - 삭제
- (a) 단위셀 영역과 배선 영역으로 구성되는 단위 태양전지 영역이 배열되는 기판을 제공하는 단계;
(b) 상기 기판 상에 제1, 제2, 제3 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계;
(c) 상기 배선 영역 상에서 상기 제1, 제2, 제3 반도체층을 식각하여, 인접하는 다른 단위 태양전지 영역과 분리하는 제1 트렌치를 형성하는 제1 식각 단계;
(d) 상기 제1 트렌치를 매립하여 측벽 절연층을 형성하는 단계;
(e) 상기 제3 반도체층 및 상기 측벽 절연층 상에 제1 마스크층을 형성하고, 상기 배선 영역 상에서 상기 제1 마스크층을 이용하여 상기 제3 반도체층 및 상기 제2 반도체층을 동시에 식각하여 상기 제1 반도체층 일부를 노출시키는 제2 트렌치를 형성하는 제2 식각 단계;
(f) 상기 제1 마스크층을 제거하고, 상기 제3 반도체층 및 상기 측벽 절연층 상에 전극층을 형성하는 단계;
(g) 상기 전극층 상에 제2 마스크층을 형성하고, 상기 배선 영역 상에서 상기 제2 마스크층을 이용하여 상기 전극층 및 상기 제3 반도체층을 동시에 식각하여 상기 제2 반도체층 일부를 노출시키는 제3 트렌치를 형성하는 제3 식각 단계; 및
(h) 상기 제2 마스크층을 제거하는 단계
를 포함하고,
상기 제1, 제2, 제3 반도체층은 n형, i형, p형 반도체층 또는 p형, i형, n형 반도체층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제5항에 있어서,
상기 기판과 상기 제1 반도체층 사이에는 반사 방지층이 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 반사 방지층은 실리콘 산화물(SiOx) 또는 실리콘 질화물(SiNx)로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제5항에 있어서,
상기 제1 트렌치는 레이저 스크라이빙 방식으로 식각되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제5항에 있어서,
상기 제2 트렌치 및 상기 제3 트렌치는 습식 방식으로 식각되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제5항에 있어서,
상기 제1, 제2, 제3 식각 단계는 상기 기판의 상부에서 수행되는 것은 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제5항에 있어서,
상기 전극층은 투명 전도성 소재 또는 금속 소재이거나 이들의 적층 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 삭제
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| KR1020140056376A KR101541773B1 (ko) | 2014-05-12 | 2014-05-12 | 태양전지 및 그 제조방법 |
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Publications (1)
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| KR101541773B1 true KR101541773B1 (ko) | 2015-08-04 |
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ID=53884601
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Citations (2)
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| JP2005101384A (ja) | 2003-09-26 | 2005-04-14 | Sanyo Electric Co Ltd | 光起電力装置及びその製造方法 |
| KR101039148B1 (ko) | 2010-03-31 | 2011-06-07 | 주식회사 티지솔라 | 태양전지 및 그 제조방법 |
-
2014
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Patent Citations (2)
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