KR101569518B1 - 태양전지 구조 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지 구조 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 상기 태양전지는 반도체 기판과; 상기 반도체 기판의 양면에 형성되는 금속 산화막과; 상기 금속 산화막 각각에 형성되는 전면 전극 및 후면 전극과; 상기 전면 전극이 형성된 금속 산화막의 표면에 형성되는 반사방지막을 포함한다. 상기 태양전지 제조방법은, 세정된 반도체 기판을 텍스쳐링하는 단계; 상기 반도체 기판의 양면에 금속 산화막을 형성하는 단계; 상기 반도체 기판의 전면에 반사방지막을 형성하는 단계; 및 상기 반도체 기판의 전면 및 후면 각각에 전면 전극 및 후면 전극을 형성하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따른 태양전지는, 얇은 금속 산화막이 종래 pn접합을 대체하여 접합계면에서 발생되는 재결합 손실을 원천적으로 제거함으로써 효율이 증대될 수 있고, 그 제조 방법은 도핑이 불필요한 진성 반도체 기판도 선택 적용할 수 있어 원재료비 저감 및 수명 향상을 기대할 수 있으며, 종래와 같은 제조과정에서 별도의 불순물 도핑 공정, 후면 전극에 대한 소성 공정 및 전극 패드 형성 공정이 불필요하여 제조 공정의 단순화되고 가공비가 절감될 수 있다.
Description
본 발명은 태양전지 구조 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
태양전지는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 소자로서, 일반적으로 반도체 pn 접합으로 구성된 태양전지에 광이 조사되면 전자(electron)/정공(hole) 쌍이 생겨나고 전자와 정공이 이동하여 n층과 p층을 가로질러 전류가 흐르게 되는 광기전력 효과에 의해 기전력이 발생하여 외부에 접속된 부하에 전류를 흐르게 한다.
도 1은 종래 pn 접합형 태양전지(10)의 일반적인 구조도이다. 종래 태양전지는 p형 실리콘 웨이퍼(110)의 양면에 n형 불순물(dopant)(120)을 확산 주입하여 pn 접합을 형성하고, 양단에 전면 전극(132) 및 후면 전극(134)이 형성된 구조이다. 전면 전극(132) 측으로는 반사방지막(140)이 형성된다.
도 2는 종래 pn 접합형 태양전지 제조 공정에 관한 플로우차트이다. 도 2 및 도 1을 참조하여 구체적으로 살펴보면, 검사 및 세정된 p형 웨이퍼(110)를 투입한 후(도 2의 (a)), 태양광이 닿는 면적을 최대한 넓히기 위해 인위적으로 줄무늬 형식의 스크래칭 작업, 소위 텍스쳐링(texturing)을 수행한다(도 2의 (b)). 다음, 웨이퍼(110)에 전도성을 띠게 하기 불순물(120)을 도핑하고(도 2의 (c)), 불순물(120) 도핑과정에서 발생한 얇은 형광체 유리막(PSG; Phosphor Glass)을 에칭 제거하고 웨이퍼 분리 작업을 수행한다(도 2의 (d)). 다음으로 광 반사를 막아 효율을 높이기 위해 반사방지막(ARC: antirefection coating)(140)을 형성하고(도 2의 (e)), 전면 전극(132) 및 후면 전극(134)을 실크스크린 인쇄하고 저온 건조한 후 각각의 전극(132, 134)을 소재 내부로 접합시키는 전극 소성 공정을 수행한다(도 2의 (f), (g), (h), (i)). 이 경우, 후면 전극(134)을 p형 웨이퍼(110)에 침투시키기 위한 전극 소성 과정에서 후면 전극(134)이 n형 기판에 노출되어 쇼트되는 것을 방지하기 위해 전극 패드(도 1; 150)를 형성하는 공정이 추가된다. 생산된 태양전지는 검사를 거쳐 효율별로 분류된다(도 2의 (j)).
한편, 이러한 종래 pn 접합형 태양전지(10)는 불순물 도핑에 의해 형성된 pn 접합 계면에서 생성된 전자/정공 쌍이 순간적으로 재결합함으로써 발전효율을 저해하는 문제점이 있다. 또한, 반도체와 금속 전극이 직접 접촉함으로써 발생하는 쇼트키 장벽(schottky barrier) 문제를 해결하기 위해 전면 전극(132) 및 후면 전극(134) 각각에 대한 전극 소성 공정이 추가되어야 하고 후면 전극(134)에 대한 전극 패드(도 1; 150)를 형성하는 공정이 추가되는 등 공정이 복잡해지는 문제점이 있다.
상기한 종래기술이 갖는 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은 종래 태양전지의 pn 접합 계면에서 발생하는 전자/정공 쌍의 재결합 손실을 원천적으로 제거할 수 있는 새로운 태양전지 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 제조 공정이 단순화되고 선택가능한 반도체 기판의 적용범위를 확대함으로써 가공비 절감 및 원가 절감이 가능한 태양전지 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 해결과제에 대한 인식 및 이에 기초한 해결수단에 관한 본 발명의 요지는 아래와 같다.
(1) 반도체 기판과; 상기 반도체 기판의 양면에 형성되는 금속 산화막과; 상기 금속 산화막 각각에 형성되는 전면 전극 및 후면 전극과; 상기 전면 전극이 형성된 금속 산화막의 표면에 형성되는 반사방지막을 포함하는 태양전지.
(2) 상기 반도체 기판의 밴드갭과 상기 금속 산화막 사이의 에너지 준위가 아래의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 따른 태양전지.
Eg: 반도체 기판의 밴드갭
Evf: 전면에 형성된 금속 산화막의 원자가대 에너지 준위
Ecb: 후면에 형성된 금속 산화막의 전도대 에너지 준위
(3) 상기 반도체 기판은 진성 반도체인 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 따른 태양전지.
(4) 상기 금속 산화막의 두께가 1 ~ 20 nm인 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 따른 태양전지.
(5) 세정된 반도체 기판을 텍스쳐링하는 단계; 상기 반도체 기판의 양면에 금속 산화막을 형성하는 단계; 상기 반도체 기판의 전면에 반사방지막을 형성하는 단계; 및 상기 반도체 기판의 전면 및 후면 각각에 전면 전극 및 후면 전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 제조 방법.
본 발명에 따른 태양전지는, 얇은 금속 산화막이 종래 pn접합을 대체하여 접합계면에서 발생되는 재결합 손실을 원천적으로 제거함으로써 효율이 증대될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 태양전지 제조 방법은, 도핑이 불필요한 진성 반도체 기판도 선택 적용할 수 있어 원재료비 저감 및 수명 향상을 기대할 수 있고, 종래 제조과정과는 달리 별도의 불순물 도핑 공정, 후면 전극에 대한 소성 공정 및 전극 패드 형성 공정이 불필요하여 제조 공정이 단순화되고 가공비가 절감될 수 있다.
도 1은 종래 pn 접합형 태양전지의 구조도.
도 2는 종래 pn 접합형 태양전지 제조 공정에 관한 플로우차트.
도 3은 본 발명에 따른 태양전지의 구조도.
도 4는 본 발명에 따른 태양전지의 구동원리에 관한 개념도.
도 5는 본 발명에 따른 태양전지의 에너지밴드 배치에 관한 그래프.
도 6는 본 발명에 따른 태양전지 제조 공정에 관한 플로우차트.
도 2는 종래 pn 접합형 태양전지 제조 공정에 관한 플로우차트.
도 3은 본 발명에 따른 태양전지의 구조도.
도 4는 본 발명에 따른 태양전지의 구동원리에 관한 개념도.
도 5는 본 발명에 따른 태양전지의 에너지밴드 배치에 관한 그래프.
도 6는 본 발명에 따른 태양전지 제조 공정에 관한 플로우차트.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일 또는 균등물에 대해서는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하였다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함' 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 어떤 구성요소가 '선택적으로' 제공, 구비 또는 포함된다고 할 때, 이는 본 발명의 해결과제를 위한 필수적으로 채택되는 구성요소는 아니나 그러한 해결과제와 관련성을 가지고 임의적으로 채택될 수 있음을 의미한다.
먼저 본 발명에 따른 태양전지의 구조에 대해 설명한다. 도 3은 본 발명에 따른 태양전지의 구조도이다.
도 3을 참조할 때, 본 발명에 따른 태양전지(20)는 기본적으로 중앙에 위치하는 반도체 기판(210)과 그 양면에 형성되는 금속 산화막(222, 224)으로 구성되는 것을 특징으로 한다. 전면 및 후면 각각의 금속 산화막(222, 224) 상에는 전면 전극(232) 및 후면 전극(234)이 형성되고, 전면 전극(232)이 형성되는 금속 산화막(222)의 표면 위로 반사방지막(240)이 형성된다. 전면 전극(232)은 후술하는 바와 같이 소성 공정을 통해 반사방지막(240)을 침투하여 전면의 금속 산화막(222)에 접속한다.
도 4는 본 발명에 따른 태양전지의 구동원리에 관한 개념도를 나타내고, 도 5는 본 발명에 따른 태양전지의 에너지밴드 배치에 관한 그래프를 나타낸다.
도 3, 도 4 및 도 5를 참조할 때, 본 발명에 따른 태양전지(20)는, 외부로부터 빛이 조사되면 전자가 반도체 기판(210)의 전도대 에너지 준위(Ec)로 여기되고 이 전자는 전면에 형성된 금속 산화막(222)의 에너지 장벽에 의해 후면 전극(234) 방향으로 선택적으로 수집된다. 상기 반도체 기판(210)의 전도대 에너지 준위(Ec)로 이동한 전자로 인해 발생한 원자가대 에너지 준위(Ev)에 형성된 정공은 후면에 형성된 금속 산화막(224)의 에너지 장벽에 의해 전면 전극(232) 방향으로 선택적으로 수집된다. 이 경우, 금속 산화막(222, 224)은 반도체 기판(210)에서 형성된 전자와 정공이 선택적으로 한쪽 방향으로 이동할 수 있도록 유도하는 역할을 수행하며, 후술하는 바와 같이 반도체 기판(210)이 갖는 에너지 밴드갭의 전도대 및 원자가대 에너지 준위와의 관계에서 소정의 상관관계를 만족하도록 선택되어야 한다.
이러한 구동 방식에 따를 때, 본 발명에 따른 태양전지(20)는 금속 산화막(222, 224)이 종래 태양전지에서의 pn 접합을 대체함으로써 접합계면에서의 전자/정공 쌍의 빠른 재결합에 따른 발전 손실을 제거하여 고효율이 구현 가능하다. 즉, 종래 일반적인 태양전지의 경우 pn 접합 구조를 가지며 태양광으로 인해 형성된 전자와 정공이 이러한 pn 접합 계면에서 빠른 재결합 손실이 발생하여 최대로 약 3%의 효율 손실이 나타나지만, 본 발명에 따른 개선된 태양전지 구조에서는 pn 접합 구조가 존재하지 않기 때문에 pn 접합 계면의 효율 손실 자체를 원천적으로 차단할 수 있게 된다.
본 발명에서, 상기 반도체 기판(210)의 에너지 밴드갭과 상기 금속 산화막(222, 224) 상호간의 에너지 준위가 아래의 식과 같이 허용오차 ±10% 범위를 만족하여야 한다.
이 경우, Eg는 반도체 기판(210)의 밴드갭을, Evf는 전면에 형성된 금속 산화막(222)의 원자가대 에너지 준위를, Ecb는 후면에 형성된 금속 산화막(224)의 전도대 에너지 준위를 각각 나타낸다. 허용오차 범위보다 크면 전자 및 정공이 금속 산화막(222, 224)을 통과해서 전면 전극(232) 및 후면 전극(234)으로 이동할 때 에너지 장벽으로 작용하여 그 이동을 방해하게 되고, 이에 따라 태양 전지(20) 양단의 전류 및 전압이 감소됨으로써 발전량 및 효율이 감소될 수 있어 바람직하지 않다.
한편, 상기 반도체 기판(210)은 재질이나 형태는 특별히 제한되지 않으며, p형 또는 n형의 불순물 반도체, 실리콘 이외에 게르마늄(Ge) 및 III-V 화합물 반도체 재료도 가능하다. 다만, 상기 반도체 기판(210)을 진성 반도체로 구성할 경우, p 또는 n형 불순물이 거의 존재하지 않기 때문에 태양전지의 수명이 연장될 수 있으며 원재료의 가격도 p 또는 n형 반도체 재료에 비해 저렴한 장점이 있다.
상기 전면에 형성되는 금속 산화막(222)은 반도체 기판(210)과 거의 같은 원자가대 에너지 준위(Evf)를 갖는 재질로부터 선택되며, 이러한 측면에서 반도체 기판(210)을 진성 실리콘으로 하는 경우 바람직하게는 NiO, CuAlO2 등이 이용될 수 있다.
또한, 상기 후면에 형성되는 금속 산화막(224)은 반도체 기판(210)과 거의 같은 전도대 에너지 준위(Ecb)를 갖는 재질로부터 선택되며, 이러한 측면에서 반도체 기판(210)을 진성 실리콘으로 하는 경우 바람직하게는 TiO2, ZnO, ITO 등이 이용될 수 있다.
상기 전면 및 후면에 형성되는 금속 산화막(232, 234)의 두께는 1 ~ 20nm인 것이 바람직하다. 두께가 1nm 미만인 경우 막의 신뢰성을 보장하기 어렵고, 반대로 두께가 20nm을 초과하면 전자 및 정공의 원활한 이동을 방해할 수 있어 바람직하지 않다.
상기 전면 전극(232), 후면 전극(234) 및 반사방지막(240)에 사용되는 재료는 특별히 제한되지 않으며, 종래 태양전지에 사용되는 통상의 재료로 구성할 수 있다.
다음으로 본 발명에 따른 태양전지의 제조 방법에 대해 설명한다. 도 6는 본 발명에 따른 태양전지 제조 공정에 관한 플로우차트를 나타낸다. 태양전지(20)의 구조와 이와 관련된 도면 식별자는 도 3을 참조한다.
먼저 반도체 기판(210)을 검사 및 세정한 후(도 6의 (a)), 종래와 마찬가지로 태양광이 닿는 면적을 넓히기 위한 반도체 기판(210)에 대해 텍스쳐링을 수행한다(도 6의 (b)).
다음으로, 반도체 기판(210)의 전면 및 후면 각각에 금속 산화막(222, 224)을 형성한다(도 6의 (c) 및 (d)). 금속 산화막(222, 224)은 물리적 또는 화학적 증착 방식으로 수행될 수 있다.
이 경우 금속 산화막(222, 224)의 두께는 상술한 바와 같이 1 ~ 20 nm 범위 내에서 제어된다.
다음으로, 수광면측, 즉 전면에 형성된 금속 산화막(222)의 면측으로 광 반사 억제를 위한 반사방지막(240)을 종래와 마찬가지로 형성한다(도 6의 (e)).
다음으로, 전면 전극(232) 및 후면 전극(234)을 종래와 마찬가지로 실크스크린 인쇄 방식으로 형성한다(도 6의 (f), (g)).
이 경우, 본 발명에서 특징적인 부분 중 하나는 종래 금속 재질의 전극과 반도체 사이의 쇼트키 배리어를 제거하여 오믹 컨택(ohmic contact)을 유도하기 위한 소성 공정은 불필요하다. 또한, 종래의 경우 후면 전극이 p형 기판에 침투되기 위해서는 전극 소성이 필요하고 이 과정에서 후면 전극이 n형 기판에 노출되어 쇼트되는 것을 방지하기 위해 전극 패드가 필요하지만, 본 발명의 경우 이러한 전극 패드도 필요하지 않다. 다만, 본 발명의 경우에도 전면 전극(232)이 반사방지막(240)을 통과하여 전면 금속 산화막(222)에 접촉하기 위해서는 소성 공정이 필요하다(도 6의 (h)).
마지막으로, 생산된 태양전지(20)는 검사를 거쳐 효율별로 분류된다(도 2의 (i)).
이와 같이 본 발명에 따른 태양전지 제조 방법은, 도핑이 불필요한 진성 반도체 기판도 선택 적용할 수 있어 원재료비 저감 및 수명 향상을 기대할 수 있고, 종래 제조과정과는 달리 별도의 불순물 도핑 공정, 후면 전극에 대한 소성 공정 및 전극 패드 형성 공정이 불필요하여 제조 공정이 단순화되고 가공비가 절감될 수 있다.
이상의 설명은, 본 발명의 구체적인 실시예에 관한 것이나 본 발명에 따른 상기 실시예는 설명의 목적으로 개시된 사항이고 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되지는 않으며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질을 벗어나지 아니하고, 개시된 실시예에 대해 다양한 변경 및 수정이 가능한 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 이러한 모든 수정과 변경은 특허청구범위에 개시된 발명의 범위 또는 이들의 균등물에 해당하는 것으로 이해될 수 있다.
20: 태양전지
210: 반도체 기판
222, 224: 금속 산화막
232: 전면 전극
234: 후면 전극
240: 반사방지막
210: 반도체 기판
222, 224: 금속 산화막
232: 전면 전극
234: 후면 전극
240: 반사방지막
Claims (5)
- 반도체 기판과;
상기 반도체 기판의 양면에 형성되는 금속 산화막과;
상기 금속 산화막 각각에 형성되는 전면 전극 및 후면 전극과;
상기 전면 전극이 형성된 금속 산화막의 표면에 형성되는 반사방지막을 포함하고,
상기 반도체 기판의 밴드갭과 상기 금속 산화막 사이의 에너지 준위가 아래의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
Eg: 반도체 기판의 밴드갭
Evf: 전면에 형성된 금속 산화막의 원자가대 에너지 준위
Ecb: 후면에 형성된 금속 산화막의 전도대 에너지 준위
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 반도체 기판은 진성 반도체인 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 금속 산화막의 두께가 1 ~ 20 nm인 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 세정된 반도체 기판을 텍스쳐링하는 단계;
상기 반도체 기판의 양면에 금속 산화막을 형성하는 단계;
상기 반도체 기판의 전면에 반사방지막을 형성하는 단계; 및
상기 반도체 기판의 전면 및 후면 각각에 전면 전극 및 후면 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 반도체 기판의 밴드갭과 상기 금속 산화막 사이의 에너지 준위가 아래의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.
Eg: 반도체 기판의 밴드갭
Evf: 전면에 형성된 금속 산화막의 원자가대 에너지 준위
Ecb: 후면에 형성된 금속 산화막의 전도대 에너지 준위
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140154744A KR101569518B1 (ko) | 2014-11-07 | 2014-11-07 | 태양전지 구조 및 그 제조 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140154744A KR101569518B1 (ko) | 2014-11-07 | 2014-11-07 | 태양전지 구조 및 그 제조 방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101569518B1 true KR101569518B1 (ko) | 2015-11-17 |
Family
ID=54786174
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020140154744A KR101569518B1 (ko) | 2014-11-07 | 2014-11-07 | 태양전지 구조 및 그 제조 방법 |
Country Status (1)
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|---|---|
| KR (1) | KR101569518B1 (ko) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006222192A (ja) | 2005-02-09 | 2006-08-24 | Sanyo Electric Co Ltd | 光起電力装置、光起電力モジュールおよびその製造方法 |
| KR101020767B1 (ko) | 2010-08-13 | 2011-03-09 | (주)유시스텍 | 투명성 전도박막 제조방법 |
-
2014
- 2014-11-07 KR KR1020140154744A patent/KR101569518B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
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