KR101626248B1 - 실리콘 태양전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

실리콘 태양 전지는 제1 타입의 불순물이 도핑된 결정질 실리콘 기판, 결정질 실리콘 기판 상에 형성되는 터널 산화물 박막, 터널 산화물 박막 상에 형성되고 제1 도핑 원자로 도핑된 폴리실리콘 박막, 폴리실리콘 박막 상에 형성된 반사 방지막, 반사 방지막 상에 형성되며, 폴리실리콘 박막과 전기적으로 연결된 상부 전극, 결정질 실리콘 기판의 하부에 배치되며 제2 도핑 원자로 도핑된 비정질 실리콘 박막, 결정질 실리콘 기판 및 비정질 실리콘 박막 사이에 개재된 패시베이션 박막 및 비정질 실리콘 박막의 하부에 배치되며, 비정질 실리콘 박막과 전기적으로 연결된 하부 전극 구조물을 포함한다.

Description

실리콘 태양전지 및 이의 제조 방법{SILICON SOLAR CELL AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 실리콘 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 실리콘으로 이루어지며 PN 접합을 통하여 광조사시 기전력이 발생하는 실리콘 태양 전지 및 상기 실리콘 태양 전지의 제조 방법에 관한 것이다.
태양 에너지(solar energy)를 이용하는 신재생(renewable) 에너지 (renewable)는 크게 태양열을 이용하는 태양열 발전 시스템과 태양광을 이용한 태양 전지 (solar cells)로 나눌 수 있다.
이중 태양광을 이용한 전지는 전기 에너지를 빛에너지로 바꾸는 LED나 레이져 다이오드와 반대원리를 가진 것으로, 대부분 대면적의 P-N 접합 다이오드(P-N junction diode)로 이루어져 있다.
이와 같은 구조에 있어서 열적 평형상태(thermal equilibrium)에서는 p-type 반도체와 n-type 반도체의 접합으로 이루어진 다이오드에서는 캐리어(carrier)의 농도 차이에 의한 확산으로 전하(charge)의 불균형이 생기고, 이 때문에 전기장(electric field)이 형성되어 더 이상 캐리어의 확산이 일어나지 않게 된다.
이러한 다이오드에 그 물질의 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band) 사이의 에너지 차이인 밴드갭 에너지(band gap energy) 이상의 빛을 가했을 경우, 이 빛에너지를 받아서 전자들은 가전자대에서 전도대로 여기(excited)된다.
이와 같은 캐리어의 확산에 의해 재료 내부의 전기적 중성(charge neutrality)이 깨짐으로써, 전압차(potential drop)가 생기고 이때 P-N접합 다이오드의 양극단에 발생된 기전력을 외부 회로에 연결하게 되면 태양전지로 작용하게 된다.
상기와 같은 태양광을 이용한 태양전지는 P-N 접합에 사용되는 p영역과 n영역의 성질에 따라 동종접합(homojunction)과 이종접합(heterojunction)으로 나눌 수 있는데, 이중 이종 접합은 서로 다른 결정구조 혹 서로 다른 물질로 결합된 경우를 의미한다.
도 1은 종래기술에 따른 이종접합 태양전지의 적층 구조를 도시한 단면도이다.
도 1에 도시된 기본적인 종래의 실리콘 이종접합 태양전지 구조를 살펴보면, 먼저 결정질 실리콘 기판(베이스; 10) 양면에 플라즈마 화학기상 증착장치(PECVD)를 이용하여 비정질 실리콘층(a-Si)(에미터; 30, 35)을 증착함으로 비정질/결정질 P-N 접합구조로 형성된 것을 볼 수 있다.
다음에는, 빛이 들어오는 전면에 투명 도전성 박막(Transparent conduction oxide(TCO) 40, 45)과 소정간격으로 평형하게 이격 되어진 금속라인(50, 55)을 형성함으로 실리콘 이종접합 태양전지의 기본적인 구조가 만들어 진다.
이때, 비정질/결정질 실리콘 이종접합 태양전지는 기존의 확산형 결정질 실리콘 태양전지에 비해 낮은 온도로 제작이 가능하며 나아가 개선된 효율을 가짐에 따라 많은 관심이 집중되고 있고. 이러한 이종접합 태양전지의 특성을 좌우하는 가장 큰 요인으로는 비정질/결정질 계면에 있어서 댕글링 본드(dangling bond) 등에 의해 발생하는 결함 밀도(defect density)인 것으로 알려져 있다.
즉, 계면의 결함 밀도가 큰 경우에는 빛에 의해 생성된 전자, 정공의 재결합률(recombination rate)이 증가하여 태양전지의 효율을 저하시키는 것으로 알려지고 있다.
이러한 결함이 생기는 원인으로서는 베이스 실리콘 기판(10)의 표면 결함 외에 플라즈마 노출에 따른 데미지(damage)와 비정질 실리콘층(30, 35)의 도펀트에 의한 영향들이 있을 수 있으며, 이러한 계면 결함을 줄이기 위해 다양한 표면처리방법, 성장방법, 비정질/결정질 계면에 진성 비정질 실리콘 박막(20, 25)을 개재시키는 방법 등이 알려져 있다.
하지만, 상기 진성 비정질 실리콘 박막(20, 25)은 그 두께가 상대적으로 두꺼워질 경우 광흡수 손실이 발생하여 단락 전류의 손실이 발생함으로써 결과적으로 태양 전지의 효율이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 또한 상기 진성 비정질 실리콘 박막의 두께 조절이 어려운 문제가 있다.
한편, 상기 진성 비정질 실리콘 박막(20, 25)이 형성된 후 고온 공정이 수행될 경우 상기 진성 비정질 실리콘 박막(20, 25)이 결정화되는 문제 또는 수소 패시베이션 효과를 일으키는 수소 원소가 빠져나감으로써 특성이 저항되는 문제가 발생할 수 있다. 나아가, 상기 고온 공정에서 상기 투명 도전 산화막(40, 45) 또한 전기 전도도의 저하와 같은 특성 저하의 현상이 발생할 수 있다.
따라서, 상기 도핑된 비정질 실리콘 박막(30, 35)의 상부 및 하부 각각에는 투명 도전성 박막(40, 45) 및 금속 전극(50, 55)과 같은 전극 구조물이 형성하는 것이 필요하다. 즉, 상기 투명 도전성 박막(40, 45)은 상기 도핑된 비정질 실리콘 박막(30, 35)에 포함된 비정질 실리콘의 전기 전도도를 보완하고 전류 스프레딩 및 반사 방지의 기능을 수행하여야 한다. 이때 상기 투명 도전성 박막(40)에 의한 광흡수 손실이 발생할 수 있다. 특히, 태양 전지의 전면에 형성된 투명 도전성 박막(40)에 의한 광흡수 손실의 문제가 심각할 수 있다.
본 발명의 일 목적은 진성 실리콘 박막 및 비정질 실리콘 박막을 대체하여 전면에 발생할 수 있는 광흡수 손실을 억제할 수 있는 실리콘 태양 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 진성 실리콘 박막 및 비정질 실리콘 박막을 대체하여 전면에 발생할 수 있는 광흡수 손실을 억제할 수 있는 실리콘 태양 전지의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 실리콘 태양 전지는 제1 타입의 불순물이 도핑된 결정질 실리콘 기판, 상기 결정질 실리콘 기판 상에 형성되는 터널 산화물 박막, 상기 터널 산화물 박막 상에 형성되고 제1 도핑 원자로 도핑된 폴리실리콘 박막, 상기 폴리실리콘 박막 상에 형성된 반사 방지막, 상기 반사 방지막 상에 형성되며, 상기 폴리실리콘 박막과 전기적으로 연결된 상부 전극, 상기 결정질 실리콘 기판의 하부에 배치되며 제2 도핑 원자로 도핑된 비정질 실리콘 박막, 상기 결정질 실리콘 기판 및 상기 비정질 실리콘 박막 사이에 개재된 패시베이션 박막 및 상기 비정질 실리콘 박막의 하부에 배치되며, 상기 비정질 실리콘 박막과 전기적으로 연결된 하부 전극 구조물을 포함한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 하부 전극 구조물은, 상기 비정질 실리콘 박막의 하면에 배치된 투명 도전성 박막 및 상기 투명 도전성 박막과 전기적으로 연결된 하부 전극을 포함한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1 타입은 N 타입 또는 P 타입 중 하나이며, 상기 제1 도핑 원자 및 상기 제2 도핑 원자 중 어느 하나는 N 타입이며, 나머지 하는 P 타입일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 상부 전극은 상기 반사 방지막을 수직으로 관통하여 상기 폴리실리콘 박막과 물리적으로 컨택할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 터널 산화물 박막은 0.1 내지 1.5 nm 범위의 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 패시베이션 박막은 실리콘 산화물 또는 실리콘 탄화물로 이루어질 수 있다. 이와 다르게, 상기 패시베이션 박막은 실리콘 질화물, 하프늄 산화물, 티타늄 산화물, 알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물 및 이트륨 산화물과 같은 금속 산화물로 이루어 질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 실리콘 태양 전지의 제조 방법에 있어서, 제1 타입의 불순물이 도핑된 결정질 실리콘 기판을 준비한 후, 상기 결정질 실리콘 기판 상에 터널 산화물 박막을 형성한다. 상기 터널 산화물 박막 상에 제1 도핑 원자로 도핑된 폴리실리콘 박막을 형성하고, 상기 폴리실리콘 박막 상에 반사 방지막을 형성한 후, 상기 반사 방지막 상에 상기 폴리실리콘 박막과 전기적으로 연결된 상부 전극을 형성한다. 한편, 상기 결정질 실리콘 기판의 하면에 패시베이션 박막을 형성하고, 상기 패시베이션 박막 아래에 제2 도핑 원자로 도핑된 비정질 실리콘 박막을 형성한다. 상기 비정질 실리콘 박막의 하부에 하부 전극 구조물을 형성한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하부 전극 구조물을 형성하기 위하여, 상기 비정질 실리콘 박막의 하면에 투명 도전성 박막을 형성한 후, 상기 투명 도전성 박막과 전기적으로 연결된 하부 전극을 형성한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 상부 전극을 형성하기 위하여, 상기 반사 방지막 상에 도전성 페이스트를 이용하여 그리드 형상의 전극 패턴을 형성한 후, 상기 전극 패턴을 소성시켜 상기 폴리실리콘 박막과 물리적으로 컨택하는 상부 전극을 형성한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 폴리실리콘 박막을 형성하기 위하여, 상기 제1 도핑 원자로 도핑된 예비 비정질 박막을 형성한 후, 상기 예비 비정질 박막에 대하여 결정화 공정을 통하여 상기 예비 비정질 박막을 폴리실리콘 박막으로 전환시킨다. 상기 결정화 공정을 위하여, 급속열처리장비(RTP), 로(Furnace), 레이저, 금속유도장비 등이 이용될 수 있다.
이와 다르게, 상기 폴리실리콘 박막은 화학 기상 증착 공정, 플라즈마 증대 화학 기상 증착 장비 또는 저압 화학 기상 증착 공정을 통하여 상기 터널 산화물 박막 상에 직접 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 터널 산화물 박막은 상기 결정질 실리콘 기판에 대한 퍼니스 또는 급속열처리 장비를 이용하는 열산화 공정 또는 습식 화학 장비를 이용하는 습식 산화 공정, 화학 기상 증착 공정, 플라즈마 증대 화학 기상 증착 장비 또는 저압 화학 기상 증착 공정을 통하여 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 패시베이션 박막은 실리콘 산화물 또는 실리콘 탄화물을 이용하여 형성될 수 있다. 이와 다르게, 상기 패시베이션 박막은 실리콘 질화물, 하프늄 산화물, 티타늄 산화물, 알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물 및 이트륨 산화물과 같은 금속 산화물로 이루어 질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 실리콘 태양전지는 기존의 이종접합 실리콘 태양전지의 전면에 포함된 투명 도전성 박막, 도핑된 비정질 실리콘 박막 및 진성 비정질 실리콘 박막을 반사방지막, 도핑된 폴리실리콘 박막 및 터널 산화물 박막으로 각각 대체함으로써 전면을 통해 입사되는 광 중 상기 투명 도전성 박막 및 상기 비정질 박막들에 의한 광흡수 손실이 억제될 수 있다. 나아가, 비정질 실리콘이 아닌 폴리실리콘으로 이루어진 폴리실리콘 박막이 형성됨에 따라 후속하는 소성 공정과 같은 파이어-스루 공정을 통하여 상부 전극이 상기 폴리실리콘 박막과 물질적으로 컨택함으로써 전기 저항이 감소될 수 있다. 이로써 상기 실리콘 태양 전지는 개선된 효율을 가질 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 실리콘 태양전지의 적층 구조를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 태양전지를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 태양전지의 제조 방법을 도시한 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면에 있어서, 대상물들의 크기와 양은 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대 또는 축소하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 태양전지를 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 실리콘 태양전지(100)는 결정질 실리콘 기판(101), 터널 산화물 박막(110), 폴리실리콘 박막(120), 반사 방지막(130), 상부 전극(140), 패시베이션 박막(160), 비정질 실리콘 박막(170) 및 하부 전극 구조물(180)을 포함한다.
상기 결정질 실리콘 기판(101)은 결정질(crystal) 실리콘으로 이루어질 수 있다. 이때 상기 결정질 실리콘 기판(101)은 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 결정질 실리콘 기판(101)에는 제1 타입의 불순물이 도핑되어 있다. 여기서 제1 타입은 n형에 해당할 경우, 상기 불순물은 인, 비소, 안티몬과 같은 5족 원소를 포함할 수 있다. 이와 다르게, 제1 타입은 p형에 해당할 경우, 상기 불순물은 붕소, 알루미늄, 갈륨, 인듐과 같은 3족 원소를 포함할 수 있다.
상기 터널 산화물 박막(110)은 상기 결정질 실리콘 기판(101) 상에 형성된다. 즉, 상기 터널 산화물 박막(110)은 상기 태양전지(100)의 전면에 형성될 수 있다. 따라서, 상기 터널 산화물 박막(110)은 종래의 이종접합 실리콘 태양 전지에 포함된 비정질 실리콘 박막(도1의 참조번호 20 참조)을 대체한다. 이로써 상기 종래의 이종접합 실리콘 태양 전지에 포함된 진성 비정질 실리콘 박막(intrinsic silicon thin layer, 도1의 참조번호 20)에 의한 발생하는 광흡수 손실이 억제될 수 있다. 또한 상기 진성 비정질 실리콘 박막이 구비된 종래의 이종접합 실리콘 태양 전지의 경우 후속하는 고온 공정에서 상기 진성 비정질 실리콘 박막이 결정화되는 문제가 있으나, 상기 터널 산화물 박막(110)이 상기 진성 비정질 실리콘 박막을 대체함으로써 후속하여 고온 공정이 수행될 수 있다.
상기 터널 산화물 박막(110)은 0.1 내지 1.5 nm 범위의 두께로 형성될 수 있다. 이로써 상기 터널 산화물 박막(110)을 통하여 상기 결정질 실리콘 박막(101) 및 상기 폴리실리콘 박막(120) 사이에 터널링 전류가 흐를 수 있다.
상기 폴리실리콘 박막(120)은 상기 터널 산화물 박막(110) 상에 형성된다. 상기 폴리실리콘 박막(120)은 상대적으로 넓은 밴드갭 에미터로서 이용될 수 있다.
이와 다르게, 상기 에미터로서, GaP, AlP, GaAs, AlAs 및 InP과 같은 Ⅲ족-Ⅴ족 화합물, ZnS, ZnSe 및 CdS과 같은 Ⅱ족-Ⅵ족 화합물 또한 적용될 수 있다.
상기 폴리실리콘 박막(120)이 종래의 이종접합 실리콘 태양 전지에 포함된 도핑된 비정질 실리콘 박막(도1의 참조번호 30 참조)을 대체할 수 있다. 이로써 후속하는 고온 공정에서 상기 폴리실리콘 박막(120)에 대한 영향이 억제될 수 있다.
상기 폴리실리콘 박막(120)에는 제1 도핑 원자들이 도핑된다. 상기 제1 도핑 원자들은 N형 또는 P형 원소를 포함할 수 있다.
상기 반사 방지막(130)은 상기 폴리실리콘 박막(120) 상에 형성된다. 상기 반사 방지막(130)은 외부로부터 입사되는 외부광의 반사를 억제함으로써 상기 외부광이 충분히 이용될 수 있도록 한다.
상기 반사 방지막(130)은 1.4＜n＜3 범위의 굴절율 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 반사 방지막(130)은 실리콘 질화물, 실리콘 탄화물 또는 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 이와 다르게, 상기 반사 방지막(130)은 알루미늄 산화물 등의 금속산화물을 포함할 수 있다. 또한, 상기 반상 방지막(130)은 단일층 구조 또는 복층이 적층된 적층 구조를 가질 수 있다.
상기 반사 방지막(130)은 20 내지 110 nm 범위 두께로 형성될 수 있다. 상기 반사 방지막(130)은 종래의 이종접합 실리콘 태양 전지에 포함된 투명 도전성 산화물 박막(도 1의 참조번호 40 참조)을 대체한다. 이로써 상기 종래의 이종접합 실리콘 태양 전지에 포함된 투명 도전성 산화물(transparent conductive oxide, TCO) 박막에 의한 발생하는 광흡수 손실이 억제될 수 있다.
나아가 상기 진성 비정질 실리콘 박막이 구비된 종래의 이종접합 실리콘 태양 전지의 경우 후속하는 고온 공정에서 상기 진성 비정질 실리콘 박막이 결정화되는 문제가 있으나, 상기 터널 산화물 박막(110)이 상기 진성 비정질 실리콘 박막을 대체함으로써 후속하여 도전성 페이스트를 소성하여 상부 전극을 형성하는 상대적으로 높은 온도에서 수행되는 파이어-스루(fire-through) 공정이 용이하게 수행될 수 있다.
상기 상부 전극(140)은 상기 폴리실리콘 박막(130) 상에 형성된다. 상기 상부 전극(140)은 그리드 형상을 가질 수 있다. 상기 상부 전극(140)은 상기 반사 방지막(130)을 관통하여 상기 폴리실리콘 박막(120)의 상면과 직접적으로 컨택하도록 구비된다. 이로써 상기 상부 전극(140) 및 상기 폴리실리콘 박막(120) 사이의 저항이 감소될 수 있다.
한편, 상기 패시베이션 박막(160)은 상기 결정질 실리콘 기판(101) 및 상기 비정질 실리콘 박막(170) 사이에 개재된다. 상기 패시베이션 박막(160)은 상기 결정질 실리콘 기판(101)의 하면 상에 형성된다.
상기 패시베이션 박막(160)은 상기 결정질 실리콘 기판(101) 및 상기 비정질 실리콘 박막(170) 사이의 계면에 존재하는 댕글링 본드를 제거한다. 이로써 상기 패시베이션 박막(160)은 상기 결정질 실리콘 기판(101) 및 상기 비정질 실리콘 박막(170) 사이에서 발생할 수 있는 전자 및 정공 간의 재결합을 억제할 수 있다.
즉, 비정질/결정질 실리콘 박막이 상호 이종접합의 경우 비정질/결정질의 계면에서의 결함 밀도가 태양전지의 특성을 좌우하는 가장 큰 요소이다. 이러한 결함밀도의 발생 원인이 되는 플라즈마 손상(plasma damage), 도펀트에 의한 손상 등을 감소시키기 위하여 비정질/결정질 사이의 계면에 결함생성을 최소화시켜줄 수 있는 물질로 패시베이션(passivation) 해줌으로써, 계면결함 밀도를 낮출 수 있고 이로 인한 계면에서의 캐리어들의 재결합율을 낮출 수 있다.
상기 패시베이션 박막(160)은 상기에서 설명한 바와 같이 P-N계면의 결함을 최소화시켜줄 수 있는 물질로 형성하는데, 실리콘 산화물 또는 실리콘 탄화물로 이루어질 수 있다. 이와 다르게, 상기 패시베이션 박막(160)은 실리콘 질화물 또는 하프늄 산화물, 티타늄 산화물, 알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물 및 이트륨 산화물과 같은 금속 산화물로 이루어 질 수 있다.
상기 비정질 실리콘 박막(170)은 상기 패시베이션 박막(160)의 하면에 형성된다. 상기 비정질 실리콘 박막(170)에는 제2 도핑 원자가 도핑될 수 있다. 여기서, 상기 제2 도핑 원자는 상기 제1 도핑 원자에 반대되는 타입을 가질 수 있다. 예를 들면 상기 제2 도핑 원자가 N 타입일 경우, 상기 제1 도핑 원자는 P 타입이다. 이와 반대의 경우도 물론 가능하다.
상기 비정질 실리콘 박막(170)이 태양전지의 후면에 선택적으로 형성됨에 따라, 상기 비정질 실리콘 박막이 전면에 형성되는 경우와 비교할 때, 비정질 실리콘 박막에 의한 광흡수 손실에 따른 개방 전류의 저하가 억제될 수 있다. 이로써 상기 비정질 실리콘 박막에 의한 개방 전류의 감소에 따른 태양 전지의 효율 감소가 상대적으로 억제될 수 있다.
상기 하부 전극 구조물(180)은 상기 비정질 실리콘 박막의 하부에 배치된다. 상기 하부 전극 구조물(180)은 상기 비정질 실리콘 박막(170)과 전기적으로 연결된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하부 전극 구조물(180)은 투명 도전성 박막(181) 및 하부 전극(186)을 포함한다.
상기 투명 도전성 박막(181)은 상기 비정질 실리콘 박막(170)의 하면에 배치된다. 상기 투명 도전성 박막(181)은 인듐 주석산화물, 알루미늄 도핑된 아연 산화물, 불소 도핑된 주석 산화물, 탄탈 산화물, 안티몬 주석 산화물, 게르마늄 산화물, 지르코늄 산화물, 티타늄 산화물, 갈륨 산화물, 카드뮴 안티몬 산화물과 같은 투명한 도전성 산화물들을 포함한다.
상기 하부 전극(186)은 상기 투명 도전성 박막(181) 상에 형성된다. 상기 하부 전극(186)은 상기 투명 도전성 박막(181)과 전기적으로 연결된다. 상기 하부 전극(186)은 그리드 형상을 가질 수 있다. 상기 하부 전극(186)은 전기전도도가 우수한 금속, 예컨대, Al, Pt, Au, Cu 및 Ag 중 하나 이상을 이용하여 형성한다.
한편, 도시되지는 않았으나 상술한 각 층들 사이의 계면에는 에칭(etching) 처리에 의한 텍스처링(texturing) 구조의 표면이 형성될 수 있는데, 이러한 텍스처링 구조는 반사율을 낮추고 빛을 모아주는 기능을 향상시킬 수 있도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 태양전지의 제조 방법을 도시한 순서도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 태양전지의 제조 방법에 있어서, 먼저 제1 타입의 불순물이 도핑된 결정질 실리콘 기판(101)을 준비한다(S110).
상기 결정질 실리콘 기판(101)은 결정질(crystal) 실리콘으로 이루어질 수 있다. 이때 상기 결정질 실리콘 기판은 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 결정질 실리콘 기판(101)에는 제1 타입의 불순물을 도핑하는 도핑 공정이 수행될 수 있다. 여기서 제1 타입은 n형에 해당할 경우, 상기 불순물은 인, 비소, 안티몬과 같은 5족 원소를 포함할 수 있다. 이와 다르게, 제1 타입은 p형에 해당할 경우, 상기 불순물은 붕소, 알루미늄, 갈륨, 인듐과 같은 3족 원소를 포함할 수 있다. 상기 도핑 공정은 이온 주입 공정을 통하여 수행될 수 있다.
이어서, 상기 결정질 실리콘 기판(101) 상에 터널 산화물 박막(110)을 형성한다(S120). 즉, 상기 터널 산화물 박막(110)은 상기 태양전지의 전면에 형성될 수 있다.
상기 터널 산화물 박막(110)은 상기 결정질 실리콘 기판(101)의 전면에 대하여 열산화 공정을 수행함으로써 형성될 수 있다. 상기 열산화 공정을 수행하기 위하여, 퍼니스 또는 급속열처리 장비가 이용될 수 있다.
이와 다르게, 상기 터널 산화물 박막(110)은 초순수 또는 HNO3 용액을 이용한 습식 산화공정(Oxidation)으로 형성될 수도 있다. 나아가, 상기 터널 산화물 박막(110)은 원자층 적층 공정, 화학 기상 증착 공정, 플라즈마 증대 화학 기상 증착 공정 또는 저압 화학 기상 증착 공정을 통하여 형성될 수도 있다.
상기 터널 산화물 박막(110)은 0.1 내지 1.5 nm 의 두께를 가지도록 형성될 수 있다.
이후, 상기 터널 산화물 박막(110) 상에 제1 도핑 원자로 도핑된 폴리실리콘 박막(120)을 형성한다(S130). 상기 폴리실리콘 박막(120)을 형성하기 위하여, 제1 도핑 원자로 도핑된 비정질 실리콘 박막을 형성한 후, 상기 비정질 실리콘 박막에 대하여 열을 가하는 열결정화 공정을 통하여 상기 비정질 실리콘 박막을 결정화시켜 상기 폴리실리콘 박막(120)이 형성될 수 있다. 이때 상기 결정화 공정은 급속열처리공정, 금속유도공정, 퍼니스 공정 또는 레이저 공정을 포함할 수 있다.
이와 다르게, 상기 폴리실리콘 박막(120)은 플라즈마 증대 화학적 기상 증착(PECVD) 공정 또는 저압 화학적 기상 증착(LPCVD) 공정을 통하여 형성될 수도 있다.
상기 폴리실리콘 박막(120) 상에 반사 방지막(130)을 형성한다(S140). 상기 반사 방지막(130)은 1.4＜n＜3 범위의 굴절율 갖는 물질을 이용하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 반사 방지막(130)은 실리콘 질화물, 실리콘 탄화물 또는 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 이와 다르게, 상기 반사 방지막(130)은 알루미늄 산화물 등의 금속산화물을 이용하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 반사 방지막(130)은 단일층 구조 또는 복층이 적층된 적층 구조를 가질 수 있다. 상기 반사 방지막(130)은 20 내지 110 nm 범위 두께로 형성될 수 있다.
상기 반사 방지막(130)은 플라즈마 증대 화학적 기상 증착(PECVD) 공정, 저압 화학적 기상 증착(LPCVD) 공정 또는 퍼니스를 이용한 열산화 공정을 통하여 형성될 수도 있다.
이어서, 상기 반사 방지막(130) 상에 상기 폴리실리콘 박막과 전기적으로 연결된 상부 전극(140)을 형성한다(S150).
상기 상부 전극(140)을 형성하기 위하여, 상기 반사 반지막(130) 상에 도전성 페이스트를 이용하여 그리드 형상의 전극 패턴을 형성한다. 상기 전극 패턴을 제1 온도와 같은 고온에서 소성시켜 상부 전극(140)을 형성한다. 이때 상기 상부 전극(140)은 상기 폴리실리콘 박막(120)과 상면과 물리적으로 컨택하도록 구비된다. 이로써 상기 상부 전극(140) 및 상기 폴리실리콘 박막(120) 사이의 전기 저항이 감소될 수 있다.
상기 제1 온도는 500 내지 900ㅀC의 온도에 해당할 수 있다. 이 경우, 상기 도전성 페이스트에 포함된 글라스 프릿의 작용에 의하여 상기 반사 방지막을 용해하거나 제거할 수 있다. 이로써 상기 상부 전극(140)이 상기 반사 방지막(130)을 지나 상기 폴리실리콘 박막(120)과 물리적으로 컨택할 수 있다.
이와 다르게, 상기 반사 방지막(130)은 레이저, 식각 페이스트 등의 방법을 통하여 선택적 식각하여 패터닝될 수 있다. 이후, 상기 패터닝된 반사 방지막 상에 상부 전극(140)을 형성할 수도 있다. 여기서, 상기 상부 전극(140)은 도금 공정 또는 저온 소송 페이스트 공정을 통하여 형성될 수 있다.
한편, 상기 결정질 실리콘 기판(101)의 하면에 패시베이션 박막(160)을 형성한다.(S160) 즉, 상기 패시베이션 박막(160)은 상기 결정질 실리콘 기판(101) 및 후속하여 형성되는 비정질 실리콘 박막(170) 사이에 개재되도록 형성된다. 이로써 상기 패시베이션 박막(160)은 상기 결정질 실리콘 기판(101) 및 상기 비정질 실리콘 박막(170) 사이의 계면에 존재하는 댕글링 본드를 제거할 수 있다. 결과적으로 상기 패시베이션 박막(160)은 상기 결정질 실리콘 기판(101) 및 상기 비정질 실리콘 박막(170) 사이에서 발생할 수 있는 전자 및 정공 간의 재결합을 억제할 수 있다.
상기 패시베이션 박막(160)은 상기에서 설명한 바와 같이 P-N계면의 결함을 최소화시켜줄 수 있는 물질을 이용하여 형성된다. 즉, 상기 패시베이션 박막(160)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 탄화물로 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 패시베이션 박막(160)은 산화 공정 또는 탄화 공정을 통하여 형성될 수 있다. 이와 다르게, 상기 패시베이션 박막(160)은 실리콘 질화물 또는 하프늄 산화물, 티타늄 산화물, 알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물 및 이트륨 산화물과 같은 금속 산화물로 이루어 질 수 있다.
이어서, 상기 패시베이션 박막(160) 아래에 제2 도핑 원자로 도핑된 비정질 실리콘 박막(170)을 형성한다(S170). 상기 비정질 실리콘 박막(170)은 플라즈마 증대 화학적 기상 증착 공정을 통하여 형성될 수 있다.
이후, 상기 비정질 실리콘 박막(170)의 하부에 하부 전극 구조물(180)을 형성한다.(S180)
상기 하부 전극 구조물(180)은 투명 도전성 박막(181) 및 하부 전극(186)을 포함하도록 형성될 수 있다.
상기 투명 도전성 박막(181)은 인듐 주석산화물, 알루미늄 도핑된 아연 산화물, 불소 도핑된 주석 산화물, 탄탈 산화물, 안티몬 주석 산화물, 게르마늄 산화물, 지르코늄 산화물, 티타늄 산화물, 갈륨 산화물, 카드뮴 안티몬 산화물과 같은 투명한 도전성 산화물들을 이용하여 형성될 수 있다.
상기 하부 전극(186)은 상기 투명 도전성 박막(181) 상에 형성된다. 상기 하부 전극(186)은 상기 투명 도전성 박막(181)과 전기적으로 연결된다. 상기 하부 전극(186)은 그리드 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 상기 하부 전극(186)은 전기전도도가 우수한 금속, 예컨대, Al, Pt, Au, Cu, Ni 및 Ag 중 하나 이상을 이용하여 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 실리콘 태양 전지 및 이의 제조 방법은 실리콘을 이용하는 태양 전지에 적용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (12)

  1. 제1 타입의 불순물이 도핑된 결정질 실리콘 기판;
    상기 결정질 실리콘 기판 상에 형성되는 터널 산화물 박막;
    상기 터널 산화물 박막 상에 형성되고 제1 도핑 원자로 도핑된 폴리실리콘 박막;
    상기 폴리실리콘 박막 상에 형성된 반사 방지막;
    상기 반사 방지막 상에 형성되며, 상기 폴리실리콘 박막과 전기적으로 연결된 상부 전극;
    상기 결정질 실리콘 기판의 하부에 배치되며 제2 도핑 원자로 도핑된 비정질 실리콘 박막;
    상기 결정질 실리콘 기판 및 상기 비정질 실리콘 박막 사이에 개재된 패시베이션 박막; 및
    상기 비정질 실리콘 박막의 하부에 배치되며, 상기 비정질 실리콘 박막과 전기적으로 연결된 하부 전극 구조물을 포함하고,
    상기 터널 산화물 박막은 0.1 내지 1.5 nm 범위의 두께를 가짐으로써, 상기 결정질 실리콘 기판 및 상기 폴리실리콘 박막 사이에 터닐링 전류가 흐르도록 구비된 것을 특징으로 하는 실리콘 태양 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하부 전극 구조물은,
    상기 비정질 실리콘 박막의 하면에 배치된 투명 도전성 박막; 및
    상기 투명 도전성 박막과 전기적으로 연결된 하부 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양 전지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 타입은 N 타입 또는 P 타입 중 어느 하나이며,
    상기 제1 도핑 원자 및 상기 제2 도핑 원자 중 어느 하나는 N 타입이며, 나머지 하는 P 타입인 것을 특징으로 하는 실리콘 태양 전지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 상부 전극은 상기 반사 방지막을 수직으로 관통하여 상기 폴리실리콘 박막과 물리적으로 컨택하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양 전지.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 패시베이션 박막은 실리콘 산화물 또는 실리콘 탄화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 실리콘 태양 전지.
  7. 제1 타입의 불순물이 도핑된 결정질 실리콘 기판을 준비하는 단계;
    상기 결정질 실리콘 기판 상에 터널 산화물 박막을 형성하는 단계;
    상기 터널 산화물 박막 상에 제1 도핑 원자로 도핑된 폴리실리콘 박막을 형성하는 단계;
    상기 폴리실리콘 박막 상에 반사 방지막을 형성하는 단계;
    상기 반사 방지막 상에 상기 폴리실리콘 박막과 전기적으로 연결된 상부 전극을 형성하는 단계;
    상기 결정질 실리콘 기판의 하면에 패시베이션 박막을 형성하는 단계;
    상기 패시베이션 박막 아래에 제2 도핑 원자로 도핑된 비정질 실리콘 박막을 형성하는 단계; 및
    상기 비정질 실리콘 박막의 하부에 하부 전극 구조물을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 터널 산화물 박막은 0.1 내지 1.5 nm 범위의 두께를 가짐으로써, 상기 결정질 실리콘 기판 및 상기 폴리실리콘 박막 사이에 터닐링 전류가 흐르도록 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 태양 전지의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 하부 전극 구조물을 형성하는 단계는,
    상기 비정질 실리콘 박막의 하면에 투명 도전성 박막을 형성하는 단계; 및
    상기 투명 도전성 박막과 전기적으로 연결된 하부 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양 전지의 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 상부 전극을 형성하는 단계는,
    상기 반사 방지막 상에 도전성 페이스트를 이용하여 그리드 형상의 전극 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 전극 패턴을 소성시켜 상기 폴리실리콘 박막과 물리적으로 컨택하는 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양 전지의 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 폴리실리콘 박막을 형성하는 단계는,
    상기 제1 도핑 원자로 도핑된 예비 비정질 박막을 형성하는 단계; 및
    상기 예비 비정질 박막에 대하여 결정화 공정을 통하여 상기 예비 비정질 박막을 폴리실리콘 박막으로 전환시키는 단계를 포함하는 실리콘 태양 전지의 제조 방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 터널 산화물 박막은 상기 결정질 실리콘 기판에 대한 열산화 공정 또는 습식 산화 공정을 통하여 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양 전지의 제조 방법.
  12. 제7항에 있어서, 상기 패시베이션 박막은 실리콘 산화물 또는 실리콘 탄화물을 이용하여 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 태양 전지의 제조 방법.
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