KR101738785B1 - 실리콘 태양전지, 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

실리콘 태양전지의 제조 방법이 제공된다. 상기 실리콘 태양전지의 제조 방법은, 제1 면 및 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 제1 도전형의 실리콘 기판을 준비하는 단계, 상기 실리콘 기판의 상기 제 2면에 나노구조체(nanostructure)를 형성하는 단계, 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면을 제2 도전형의 도펀트(dopant)로 도핑(doping)하여, 상기 실리콘 기판 내에 P-N 접합 구조를 형성하는 단계, 상기 나노구조체 상에 금속 산화물막을 형성하는 단계, 및 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면 상에 반사방지막을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

실리콘 태양전지, 및 그 제조 방법{Silicon solar cell, and method for manufacturing same}
본 발명은 실리콘 태양전지 및 그 제조 방법에 관련된 것으로, 보다 상세하게는, 실리콘 기판의 상부면에는 반사방지막을 형성하고, 상기 실리콘 기판의 하부면에는 나노구조체 및 금속 산화물막을 형성하여 양자 효율이 향상된 실리콘 태양전지 및 그 제조 방법에 관련된 것이다.
태양전지는 태양광의 포톤(photon)을 전기로 변환시키는 PN 접합의 광전 효과를 이용하여 전기 에너지를 발생시킨다. 태양전지는 PN 접합이 구성되는 반도체 웨이퍼 또는 기판 상·하면에 각각 전면 전극과 후면 전극이 형성되어 있다. 태양전지는 반도체 웨이퍼에 입사되는 태양광에 의해 PN 접합의 광전 효과가 유도되고, 이로부터 발생된 전자들이 전극을 통해 외부로 흐르는 전류를 제공한다.
최근에는 태양전지의 에너지 변환 효율을 증가시키기 위해, 태양전지의 면적을 점차 증가시키고 있으나, 이는 태양전지의 접촉저항을 높여 태양전지의 효율을 감소시킬 수 있다. 따라서, 패널 면적의 증가에도 불구하고 태양전지의 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있는 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
예를 들어, 국제 특허 공개 공보 WO14014294A1 (출원인: SK INNOVATION CO.,LTD., 출원번호 WO2013KR006452)에는, 평판 형태로 형성되는 기반판, 상기 기반판 상에 서로 이격되어 정렬 배치되는 복수 개의 서브 모듈로서, 기판 및 상기 기판 상에 형성된 다수의 태양전지 셀을 포함하는 복수 개의 서브 모듈, 상기 서브 모듈들 사이 또는 외곽 부분에 접촉 배치되는 도전부, 상기 서브 모듈들 상면에 배치되는 덮개판을 포함하는 태양 전지 모듈을 제공함으로써, 소면적의 서브 모듈들을 배열 구성하여, 대면적의 박막형 태양전지 패널을 제작하여, 상기 박막의 균일성이 저하되는 것을 방지함으로써, 대면적의 태양전지의 에너지 변환 효율을 향상시키는 방법이 개시되어 있다.
최근 태양전지의 패널의 면적을 증가시키지 않고, 태양전지의 구조, 또는 전극의 조성물 등의 변화를 통해, 태양전지의 에너지 변환 효율을 향상시키는 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.
국제 특허 공개 공보 WO14014294A1
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 비표면적이 증가된 실리콘 태양전지 및 그 제조 방법을 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 광 흡수율이 증가된 실리콘 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 양자 효율이 향상된 실리콘 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 공정 비용이 감소된 실리콘 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 광전 변환 효율이 향상된 실리콘 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상술된 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 실리콘 태양전지의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 태양전지의 제조 방법은, 제1 면 및 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 제1 도전형의 실리콘 기판을 준비하는 단계, 상기 실리콘 기판의 상기 제 2면에 나노구조체(nanostructure)를 형성하는 단계, 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면을 제2 도전형의 도펀트(dopant)로 도핑(doping)하여, 상기 실리콘 기판 내에 P-N 접합 구조를 형성하는 단계, 상기 나노구조체 상에 금속 산화물막을 형성하는 단계, 및 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면 상에 반사방지막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 산화물막은, 아연 산화물막인 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 산화물막의 두께는, 1.4 내지 7.2nm인 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 나노구조체 상에 상기 금속 산화물막을 형성하는 단계는, 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD) 공정을 이용하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 태양전지의 제조 방법은, 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면 상에 상기 반사방지막을 형성하기 전, 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면 상에 제1 전극을 형성하고, 상기 금속 산화물막 상에 제2 전극을 형성하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 기판의 상기 후면에 상기 나노구조체를 형성하는 단계는, 습식 식각(wet etching) 공정을 이용하는 것을 포함할 수 있다.
상술된 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 실리콘 태양전지를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 태양전지는, 평평한 상부면 및 상기 상부면에 대향하고 나노구조체가 형성된 하부면을 갖고, 제1 도전형의 제1 반도체층 및 제2 도전형의 제2 반도체층을 포함하되, 상기 제1 반도체층은 상기 나노구조체가 형성된 상기 하부면을 포함하고, 상기 제2 반도체층은 평평한 상기 상부면을 포함하는 실리콘 기판, 상기 상부면 상의 반사 방지막, 및 상기 나노구조체 상의 금속 산화물막을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 산화물막은, 상기 나노구조체의 형상을 따라, 상기 하부면을 콘포말하게(conformally) 덮는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 태양전지는, 상기 실리콘 기판으로 조사되는 광에 의해, 상기 실리콘 기판의 상기 제1 및 제2 반도체층에 의해 형성된 P-N 접합 구조에서 캐리어가 생성되고, 상기 금속 산화물막은 상기 캐리어의 재결합을 방지하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 태양전지는, 상기 나노구조체의 길이에 따라서, 상기 실리콘 기판의 상기 P-N 접합구조에서 생성된 상기 캐리어의 수명이 조절되되, 상기 나노구조체의 길이 방향은, 상기 실리콘 기판의 수직방향인 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 태양전지는, 상기 나노구조체의 길이가 감소할수록, 상기 캐리어의 수명이 증가하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 반사방지막은, 상기 실리콘 기판의 상기 상부면에 도달되는 광의 반사도를 낮추는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 산화물막은, 아연 산화물막인 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 제1 면 및 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 제1 도전형의 실리콘 기판을 준비하는 단계, 상기 실리콘 기판의 상기 제 2면에 나노구조체를 형성하는 단계, 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면을 제2 도전형의 도펀트로 도핑하여, 상기 실리콘 기판 내에 P-N 접합 구조를 형성하는 단계, 상기 나노구조체 상에 금속 산화물막을 형성하는 단계, 및 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면 상에 반사방지막을 형성하는 단계를 포함하는 실리콘 태양전지의 제조 방법이 제공될 수 있다.
상기 실리콘 태양전지의 광흡수율을 높이기 위해, 상기 실리콘 기판의 상기 제2 면에 상기 나노구조체를 형성하는 경우, 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면의 평편한 구조로 인해 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면에서 발생하는 Auger 재결합에 의한 광 에너지 손실을 최소화할 수 있다. 또한, 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면 상에 형성된 상기 반사방지막에 의해, 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면의 빛 반사도가 감소되어 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면으로 입사되는 빛의 양을 증가시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 실리콘 기판의 상기 제2 면에 형성된 상기 나노구조체, 및 상기 나노구조체 상에 형성된 상기 금속 산화물막으로 인해, 상기 실리콘 기판의 상기 제2 면을 투과하지 않고, 상기 실리콘 기판 내로 재입사되는 빛의 양을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 광흡수율의 향상된 상기 실리콘 태양전지가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따라, 상기 실리콘 기판 내 상기 P-N 접합 구조 형성을 위한 상기 도핑 공정을 수행하기 전, 상기 나노구조체 형성을 위한 상기 식각 공정을 수행하는 경우, 상기 실리콘 기판의 식각 레벨의 조절이 용이하여, 식각 조건의 설정이 용이한 장점이 있다. 이에 따라, 상기 나노구조체의 길이가 용이하게 조절되어, 상기 실리콘 태양 전지의 광전 변환 효율이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예 및 제1 비교 예에 따른 실리콘 태양전지의 파장별 외부양자효율(External Quantum Efficiency, EQE)을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시 예 및 제1 비교 예에 따른 실리콘 태양전지의 전압에 따른 단락회로 전류밀도(short circuit current, Jsc)를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본래의 실리콘(intrinsic Si), 평판형 실리콘(planar Si), 및 본 발명의 실시 예에 따라 나노구조체가 형성된 실리콘 기판(NS Si)의 소수 캐리어 밀도에 따른 캐리어 수명 손실을 나타내는 그래프이다.
도 6은 나노구조체의 길이에 따른 실리콘 기판의 표면 반사도를 나타내는 그래프이다.
도 7은 나노구조체의 길이에 따른 실리콘 기판의 캐리어 수명을 나타내는 그래프이다.
도 8은 나노구조체 길이가 다른 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 충진율(Fill Factor, FF)를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 제조 공정 중 금속 산화물막을 형성하는 단계 시, 요구되는 원자층 증착 공정의 공정 조건을 나타내는 그래프이다.
도 10은 금속 산화물막 두께에 따른 투과도를 나타내는 그래프이다.
도 11은 금속 산화물막 두께에 따른 광학적 밴드갭을 나타내는 그래프이다.
도 12는 금속 산화물막이 형성된 나노구조체의 TEM 이미지들이다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 모식도 및 실리콘 태양전지 내 나노구조체의 TEM 이미지들이다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지에 대하여 전산모사를 통한 밴드갭 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지에 적용된 금속 산화물의 두께에 따른 접촉 저항(contact resistance)을 나타내는 그래프이다.
도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 빛에 대한 J-V 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 빛에 대한 J-V 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 18은 본 발명의 실시 예 및 실시 예에 대한 비교 예들에 따른 실리콘 태양전지의 모식도들이다.
도 19는 본 발명의 실시 예 및 실시 예에 대한 비교 예들에 따른 실리콘 태양전지의 J-V 곡선을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 제1 면(100a) 및 상기 제1 면(100a)에 대향하는 제2 면(100b)을 갖는 제1 도전형의 실리콘 기판(100)이 준비될 수 있다(S100). 상기 제1 도전형은 P형 일 수 있다. 상기 실리콘 기판(100)은, 습식 식각(wet etching) 공정에 의해 준비될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 수산화칼륨(KOH)을 이용한 상기 습식 식각 공정에 의해 박형의 상기 실리콘 기판(100)이 준비될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 기판(100)의 두께는, 50㎛일 수 있다. 일반적으로, 실리콘 태양전지의 제작 비용의 대부분은, 실리콘 기판의 비용이 차지할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따라, 50㎛급 두께를 갖는 상기 실리콘 기판(100)을 사용하는 경우, 상기 실리콘 태양전지의 제작 비용을 대폭 감소시킬 수 있다.
상기 실리콘 기판(100)의 상기 제2 면(100b)에 나노구조체(nanostructure, 105)가 형성될 수 있다(S200). 상기 나노구조체(105)는, 상기 실리콘 기판(100)이 준비되는 공정과 마찬가지로, 상기 습식 식각 공정에 의해 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 금속 촉매를 이용한 상기 습식 식각 공정에 의해 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제2 면(100b)에 상기 나노구조체(105)가 형성될 수 있다. 상기 나노구조체(105)에 의해, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a)을 통해 입사하여 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제2 면(100b)에 입사된 빛이, 상기 실리콘 내부(100)로 용이하게 재입사될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 광전자 손실율이 감소되고, visible region에서의 양자 효율이 현저하게 증가될 수 있다. 또한, 도 2에 도시된 것과 같이, 상기 나노구조체(105)가 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제2 면(100b)에 형성되고, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a)은 평편한 구조를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a)에서 발생하는 홀-전자의 표면 재결합율이, 최소화될 수 있다. 따라서, 광전변환효율이 향상된 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지가 제공될 수 있다.
또한, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제2 면(100b)에 형성되는 상기 나노구조체(105)의 길이에 따라서, 후술되는 상기 실리콘 기판(100)의 P-N 접합구조에서 생성되는 캐리어(carrier)의 수명이 조절될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 나노구조체(105)의 길이가 800~300nm인 범위 내에서, 상기 나노구조체(105)의 길이가 감소할수록, 상기 캐리어의 수명은 증가될 수 있다. 이 경우, 상기 나노구조체(105)의 길이 방향은, 상기 실리콘 기판(100)의 수직방향일 수 있다.
상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a)이 제2 도전형의 도펀트(dopant)로 도핑(doping)되어, 상기 실리콘 기판(100) 내에 상기 P-N 접합 구조가 형성될 수 있다(S300). 상기 제2 도전형의 도펀트는 N형 도펀트일 수 있다. 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a)에 인접한 일부분이 제2 도전형의 상기 도펀트로 카운터 도핑(counter-doping)되어, 제2 도전형의 제2 반도체 층이 생성될 수 있다. 또한, 상기 제2 반도체층이 형성된 일부분을 제외한 상기 실리콘 기판(100)의 나머지 부분은 제1 도전형의 제1 반도체 층으로 정의될 수 있다. 상기 나노구조체(105)가 형성된 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제2 면(100b)은 제1 도전형의 도펀트로 도핑될 수 있다. 이로 인해, 상기 제1 반도체층은 상기 제2 면(100b)에 인접한 제1 도전형의 고농도 제1 반도체층 및 상기 고농도 제1 반도체층 및 상기 제2 반도체층 사이에 배치된 제1 도전형의 저농도 제1 반도체층을 포함할 수 있다. 이에 따라, 도 2에서 알 수 있듯이, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a)에 인접한 일부분은 N 채널(n+-emitter)이 형성되고, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제2 면(100b)에 인접한 일부분은 P 채널(p+-BSF(Back Surface Field))이 형성되어, 상기 실리콘 기판(100) 내에 상기 P-N 접합 구조가 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 스핀온도핑(spin-on-doping) 공정에 의해, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a)이 상기 제2 도전형의 도펀트로 도핑될 수 있다.
또한, 상기 실리콘 기판(100)으로 조사되는 광에 의해, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 및 제2 반도체층에 의해 형성된 상기 P-N 접합 구조에서 캐리어가 생성될 수 있다. 상술된 바와 같이, 상기 P-N 접합 구조에서 생성된 캐리어의 수명은, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제2 면(100b)에 형성된 상기 나노구조체(105)의 길이에 따라 조절될 수 있다.
상기 나노구조체(105) 상에 금속 산화물막(120)이 형성될 수 있다(S400). 일 실시 예에 따르면, 상기 금속 산화물막(120)은, 아연 산화물(ZnO)막일 수 있다. 상기 나노구조체(105) 상에 상기 금속 산화물막은, 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 공정에 의해 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 나노구조체(105) 상에 상기 아연 산화물막을 형성하기 위한 상기 원자층 증착의 공정은, 퍼지가스로 질소(N2) 가스가 사용될 수 있고, 상기 아연 산화물막의 전구체 용액으로 H2O 및 DEZ(Diethyl zinc)가 사용될 수 있다. 또한, 상기 원자층 증착 공정의 1cycle에 상기 아연 산화물막의 전구체 용액인 H2O 및 DEZ(Diethyl zinc)가 0.1초 간격으로 공급될 수 있다.
상기 금속 산화물막(120)은 상기 나노구조체(105)의 형상을 따라, 상기 나노구조체(105)가 형성된 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제2 면(100b)을 콘포말하게(conformally) 덮을 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 금속 산화물막의 두께는, 1.4 내지 7.2nm일 수 있다.
또한, 상기 나노구조체(105) 상에 형성된 상기 금속 산화물막은 패시베이션(passivation)막 역할을 하여, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 P-N 접합 구조에서 생성된 캐리어가 재결합되는 것을 방지할 수 있다.
상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a) 상에 제1 전극(130a)이 형성되고, 상기 금속 산화물막(120) 상에 제2 전극(130b)이 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극(130a), 및 상기 제2 전극(130b)은 증발(evaporation) 증착법에 의해, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a) 및 상기 금속 산화물막(120) 상에 형성될 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극(130a)은 Ag 전극일 수 있고, 상기 제2 전극(130b)은 Al 전극일 수 있다.
상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a) 상에 반사방지막(140)이 형성될 수 있다(S500). 상기 반사방지막(140)은, 플라즈마 화학증착(plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD) 공정에 의해 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a) 상에 형성될 수 있다. 상기 반사방지막(140)은, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a)에 도달되는 빛의 반사도를 낮출 수 있다. 이에 따라, 상기 실리콘 기판(100) 내로 흡수되는 빛의 양의 증가될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 반사방지막(140)은, 실리콘나이트라이드(SiNx)막일 수 있다.
상술된 본 발명의 실시 예와 달리, 실리콘 태양전지의 광흡수율을 높이기 위해, 실리콘 기판의 전면(본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 제1 면 또는 상부면)에 다양한 형태의 나노구조체를 형성하는 경우, 플라즈마 데미지(plasma damage) 또는 비정질 실리콘 형성과 같은 표면 결함이 발생하여 상기 실리콘 기판의 상기 전면의 비표면적이 증가한다. 이에 따라, 상기 실리콘 기판의 상기 전면에 형성된 상기 나노구조체의 표면에서 전자와 홀이 재결합(Auger 재결합)될 확률이 증가하고, 상기 실리콘 기판 내 고도핑된 P-N 접합 부분이 넓어져 상기 실리콘 태양전지의 광전변환효율이 감소될 수 있다.
또한, 상기 실리콘 기판(100) 내에 도핑된 상기 도펀트의 양에 따라 상기 실리콘 기판(100)의 식각 레벨이 조절되므로, 상술된 본 발명의 실시 예와 달리, 상기 실리콘 기판(100) 내 상기 P-N 접합 구조 형성을 위한 상기 도핑 공정을 진행한 후, 상기 나노구조체(100) 형성을 위한 상기 식각 공정을 수행하는 경우, 상기 실리콘 기판(100) 내에 도핑된 상기 도펀트에 의해, 상기 실리콘 기판(100)에 대한 상기 식각 조건을 설정하기 어려운 단점이 있다. 이에 따라, 상기 나노구조체(105)의 길이를 조절하는 것이 용이하지 않다.
하지만, 상술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제 2면(100b)에 나노구조체(105)를 형성하는 단계가 수행된 후, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a)을 제2 도전형의 도펀트로 도핑하여, 상기 실리콘 기판(100) 내에 P-N 접합 구조를 형성하는 단계가 수행될 수 있다. 이로 인해, 상기 나노구조체(105)의 길이를 조절하여, 광전 변환 효율이 향상된 실리콘 태양 전지가 제공될 수 있다.
상기 실리콘 태양전지의 광흡수율을 높이기 위해, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제2 면(100b)(종래의 실리콘 태양전지의 후면)에 상기 나노구조체(105)를 형성하는 경우, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a)(종래의 실리콘 태양전지의 전면)의 평편한 구조로 인해 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a)에서 발생하는 Auger 재결합에 의한 광 에너지 손실을 최소화할 수 있다. 또한, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a) 상에 형성된 상기 반사방지막(140)에 의해 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a)의 빛 반사도가 감소되어 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제1 면(100a)으로 입사되는 빛의 양이 증가될 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 실리콘 기판(100)의 상기 제2 면(100b)에 형성된 상기 나노구조체(105), 및 상기 나노구조체(105) 상에 형성된 상기 금속 산화물막(120)으로 인해, 상기 제2 면(100b)을 투과하지 않고, 상기 실리콘 기판(100) 내로 재입사되는 빛의 양을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 광흡수율의 향상된 상기 실리콘 태양전지가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따라, 상기 실리콘 기판 내 상기 P-N 접합 구조 형성을 위한 상기 도핑 공정을 수행하기 전, 상기 나노구조체 형성을 위한 상기 식각 공정을 수행하는 경우, 상기 실리콘 기판의 식각 레벨의 조절이 용이하여, 식각 조건의 설정이 용이한 장점이 있다. 이에 따라, 상기 나노구조체의 길이가 용이하게 조절되어, 상기 실리콘 태양 전지의 광전 변환 효율이 향상될 수 있다.
이하, 상술된 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지에 대한 특성 평가 결과가 설명된다.
실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 제조
수산화칼륨(KOH)을 이용한 습식 식각 공정을 이용하여 50㎛ 두께를 갖는 제1 도전형의 실리콘 기판을 제작하였다. 금속 촉매를 이용한 상기 습식 식각 공정을 통해, 제1 도전형의 상기 실리콘 기판의 제2 면(하부면)에 나노구조체를 형성하였다. 스핀온도핑 공정을 이용하여, 제1 도전형의 상기 실리콘 기판의 제1 면(상부면)을 제2 도전형의 도펀트로 도핑하여, 상기 실리콘 기판 내에 P-N 접합 구조를 형성하였다. 원자층 증착 공정을 이용하여 상기 나노구조체 상에 금속 산화물막을 콘포멀하게 형성한 후, 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면 상에 제1 전극(Ag)을 형성하고, 상기 금속 산화물막 상에 제2 전극(Al)을 형성하였다. 이후, 플라즈마 화학증착 공정을 이용하여 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면 상에 반사방지막(SiNx)을 형성하여 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지를 제작하였다.
제1 비교 예에 따른 실리콘 태양전지의 제조
실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 제조 방법에 개시된 바와 같이, 상기 습식 식각 공정을 이용하여 상기 나노구조체가 형성된 제1 도전형의 실리콘 기판을 제작하였다. 단, 제1 도전형의 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면 상에 상기 나노구조체를 형성하였다. 이후, 제1 도전형의 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면 상에 상기 제2 도전형의 상기 도펀트로 도핑하여, 상기 실리콘 기판 상기 P-N 접합 구조를 형성하여 본 발명의 실시 예에 대한 제1 비교 예에 따른 실리콘 태양전지를 제작하였다.
제2 비교 예에 따른 실리콘 태양전지의 제조
본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 제조 방법과 동일한 방법으로 제조하되, 상기 실리콘 기판의 상기 제2 면에 나노구조체 및 상기 나노구조체 상에 형성되는 금속 산화물막이 형성되지 않은 제2 비교 예에 따른 실리콘 태양전지를 제작하였다.
제3 비교 예에 따른 실리콘 태양전지의 제조
본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 제조 방법과 동일한 방법으로 제조하되, 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면 상에 상기 반사 방지막인 SiNx막이 형성되지 않은 제3 비교 예에 따른 실리콘 태양전지를 제작하였다.
도 3은 본 발명의 실시 예 및 제1 비교 예에 따른 실리콘 태양전지의 파장별 외부양자효율(External Quantum Efficiency, EQE)을 나타내는 그래프이다.
양자 효율 측정 장비(EQE-IPCE(IQE) Measurement System)를 이용하여, 400~1100nm에 대하여, 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지 및 본 발명의 실시 예에 대한 제1 비교 예에 따른 실리콘 태양전지의 파장별 외부양자효율을 측정하였다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예 및 본 발명의 실시 예에 대한 제1 비교 예에 따른 실리콘 태양전지의 파장별 외부양자효율은, 전반적인 빛의 파장 영역인 550~1000nm에서 높게 나타나는 것을 확인하였다. 또한, 약 800nm 파장의 빛에 대하여, 상기 실리콘 기판의 상기 제2 면에 상기 나노구조체가 형성된 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 외부양자효율이 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면에 상기 나노구조체가 형성된 제1 비교 예에 따른 실리콘 태양전지의 외부양자효율보다 약 30%이상 높은 것을 알 수 있었다.
도 4는 본 발명의 실시 예 및 제1 비교 예에 따른 실리콘 태양전지의 전압에 따른 단락회로 전류밀도(short circuit current, Jsc)를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지 및 본 발명의 실시 예에 대한 제1 비교 예에 따른 실리콘 태양전지에 빛이 조사된 상태에서 0.0~0.6V의 전압을 인가하여, 인가된 전압에 따른 단락회로 전류밀도 값을 측정하였다. 또한, 본 발명의 실시 예 및 제1 비교 예에 따른 실리콘 태양전지의 개방전압(Voc), 충진율(FF), 및 광전변환효율(η)을 측정하여 아래 [표 1]에 나타내었다.
구분 Etching surface Jsc(mA/cm2) Voc(mV) FF(%) η(%)
제1 비교 예 제1 면(front) 20.9 520 71 7.7
실시 예 제2 면(back) 26.4 564 70 10.4
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지 및 본 발명의 실시 예에 대한 제1 비교 예에 따른 실리콘 태양전지 모두 약 0.4V 이상의 전압에서 단락회로 전류밀도가 감소하는 것을 확인하였다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 0.0~0.4V의 전압에 따른 단락회로 전류밀도는 약 26.4 mA/cm2로 일정하게 유지되고, 본 발명의 실시 예에 대한 제1 비교 예에 따른 실리콘 태양전지의 0.0~0.4V의 전압에 따른 단락회로 전류밀도는 약 20.9 mA/cm2로 일정하게 유지되는 것을 확인하였다. 이에 따라, 제1 비교 예에 따른 실리콘 태양전지보다 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 단락회로 전류밀도 특성이 우수한 것을 알 수 있었다.
[표 1]을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지 및 본 발명의 실시 예에 대한 제1 비교 예에 따른 실리콘 태양전지의 광전변환효율은 각각 10.4%, 7.7%로, 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 광전변환효율이 제1 비교 예에 따른 실리콘 태양전지의 광전변환효율보다 약 2.7% 증가한 것을 알 수 있었다.
도 5는 본래의 실리콘(intrinsic Si), 평판형 실리콘(planar Si), 및 본 발명의 실시 예에 따라 나노구조체가 형성된 실리콘 기판(NS Si)의 소수 캐리어 밀도에 따른 캐리어 수명 손실을 나타내는 그래프이다.
본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 제조 방법에 개시된 바와 같이 상기 제2 면에 상기 나노구조체가 형성된 상기 실리콘 기판과 본래의 실리콘 및 평판형 실리콘에 대하여 소수 캐리어 밀도에 따른 캐리어 수명 손실 값을 측정하였다.
도 5를 참조하면, 소수 캐리어 밀도에 따른 캐리어 수명 손실 값은, 상기 본래의 실리콘, 상기 평판형 실리콘, 및 본 발명의 실시 예에 따라 상기 나노구조체가 형성된 상기 실리콘 기판 순으로 큰 것을 확인하였다. 본 발명의 실시 예에 따라 상기 나노구조체가 형성된 상기 실리콘 기판의 캐리어 수명 손실 값은, 상기 평판형 실리콘의 캐리어 수명 손실 값보다 약 5배 낮은 것을 확인하였다. 특히, 본 발명의 실시 예에 따라 상기 나노구조체가 형성된 상기 실리콘 기판의 소수 캐리어 밀도에 따른 캐리어 수명 손실 값은, 소수 캐리어 밀도가 증가함에도 불구하고 값의 변화가 거의 없는 것을 알 수 있었다.
도 6은 나노구조체의 길이에 따른 실리콘 기판의 표면 반사도를 나타내는 그래프이다.
상기 제2 면 상에 상기 나노구조체의 길이를 300nm, 500nm, 및 800nm로 달리하여 상기 실리콘 기판을 제작하였다. 상기 나노구조체의 길이가 다른 상기 실리콘 기판 및 상기 평판형 실리콘에 대하여 파장에 따른 표면 반사도를 측정하였다.
도 6을 참조하면, 상기 평판형 실리콘의 파장에 따른 표면 반사도가 가장 높은 것을 확인하였다. 다음으로는, 상기 나노구조체의 길이가 300nm인 경우의 상기 실리콘 기판의 표면 반사도 값이 크고, 상기 나노구조체의 길이가 500nm, 800nm인 경우의 상기 실리콘 기판의 표면 반사도 값은 큰 차이가 없이 가장 낮은 것을 확인하였다.
도 7은 나노구조체의 길이에 따른 실리콘 기판의 캐리어 수명을 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하여 설명한 된 것과 동일한 방법으로, 상기 나노구조체의 길이가 다른(300nm, 500nm, 800nm) 상기 실리콘 기판을 준비하여, 소수 캐리어 밀도에 따른 캐리어 수명을 측정하였다.
도 7을 참조하면, 상기 나노구조체의 길이가 증가할수록, 상기 실리콘 기판의 소수 캐리어 밀도에 따른 캐리어 수명이 감소하는 것을 확인하였다.
도 6 및 도 7의 결과로부터, 상기 나노구조체의 길이가 증가할수록 상기 실리콘 기판의 표면 반사도 값이 크나, 소수 캐리어 밀도에 따른 캐리어 수명이 낮아지는 것을 확인하였다. 이에 따라, 상기 실리콘 기판의 표면 부동태화(surface passivation)가 가능한 물질이 요구되는 것을 알 수 있었다.
도 8은 나노구조체 길이가 다른 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 충진율(Fill Factor, FF)를 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하여 설명한 된 것과 동일한 방법으로, 상기 나노구조체의 길이가 다른(300nm, 500nm, 800nm) 상기 실리콘 기판을 준비하여 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지를 제작한 후, 전압에 따른 전류밀도 값을 측정하였다.
도 8을 참조하면, 상기 나노구조체의 길이가 800nm인 경우, 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 충진율이 급격히 낮아지는 것을 확인하였다(그래프 내 보라색 화살표 방향 참고). 이에 따라, 상기 나노구조체의 길이를 500nm로 고정시키 후, 상기 실리콘 기판의 상기 제2 면의 부동태화가 가능한 물질을 통해 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 광전변환효율을 증가시킬 필요가 있다는 것을 알 수 있었다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 제조 공정 중 금속 산화물막을 형성하는 단계 시, 요구되는 원자층 증착 공정의 공정 조건을 나타내는 그래프이다.
도 9를 참조하면, 상기 나노구조체 상에 금속 산화물막인 아연 산화물(ZnO)막을 형성하기 위해, 질소(N2) 가스를 퍼지가스로 사용하고, 원자층 증착 공정의 1cycle에 H2O 및 DEZ(Diethyl zinc)이 0.1초 간격으로 공급되는 것을 알 수 있었다. 상기 원자층 증착 공정에 의해 상기 나노구조체 상에 상기 아연 산화물막이 콘포멀하게 형성됨을 알 수 있었다.
도 10은 금속 산화물막 두께에 따른 투과도를 나타내는 그래프이다.
금속 산화물인 아연 산화물의 두께를 달리하여(0nm, 1.4nm, 4.3nm, 7.2nm) glass 상에 증착하였다. 증착된 아연 산화물막의 두께가 다른 glass에 대하여 빛에 대한 투과도를 측정하였다.
도 10을 참조하면, glass 상에 증착된 아연 산화물막의 두께가 감소할수록, 빛에 대한 투과도가 증가하는 것을 확인하였다. 특히, glass 상에 증착된 아연 산화물막의 두께가 1.4nm인 경우의 빛에 대한 투과도는 glass(아연 산화물 두께 0nm)의 투과도와 거의 차이가 없는 것을 알 수 있었다.
도 11은 금속 산화물막 두께에 따른 광학적 밴드갭을 나타내는 그래프이다.
도 10을 참조하여 설명된 동일한 방법으로, 아연 산화물의 두께를 달리하여(4.3nm, 7.2nm) glass 상에 증착하였다. 증착된 아연 산화물막의 두께가 다른 glass에 대하여 광학적 밴드갭을 측정하였다.
도 11을 참조하면, photon energy가 약 4.0eV인 경우, 증착된 아연 산화물막의 두께가 4.3nm인 glass의 광학적 밴드갭(α2)은 약 10x1011cm-2 이고, 증착된 아연 산화물막의 두께가 7.2nm인 glass의 광학적 밴드갭은 약 5x1011cm-2 인 것을 확인하였다. 이로부터, 증착된 아연 산화물막의 두께가 4.3nm인 glass의 광학적 밴드갭이, 증착된 아연 산화물막의 두께가 7.2nm인 glass의 광학적 밴드갭보다 약 2배 큰 것을 알 수 있었다.
도 12는 금속 산화물막이 형성된 나노구조체의 TEM 이미지들이다. 구체적으로, 도 12의 (a)는 1.4nm 두께의 금속 산화물막이 형성된 나노구조체의 TEM 이미지이고, 도 12의 (b)는 4.3nm 두께의 금속 산화물막이 형성된 나노구조체의 TEM 이미지이고, 도 12의 (c)는 7.2nm 두께의 금속 산화물막이 형성된 나노구조체의 TEM 이미지이다.
TEM(transmission electron microscope) 기기를 이용하여, 상기 실리콘 기판의 상기 제2 면에 형성된 상기 나노구조체 상에 도 9를 참조하여 설명된 원자층 증착 공정을 이용하여 금속 산화물막인 아연 산화물막을 형성하였다.
도 12의 (a), (b), 및 (c)를 참조하면, 상기 실리콘 기판의 상기 제2 면에 형성된 상기 나노구조체 상에 각각 1.4nm, 4.3nm, 7.2nm 두께의 아연 산화물막이 콘포멀하게 형성된 것을 확인하였다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 모식도 및 실리콘 태양전지 내 나노구조체의 TEM 이미지들이다. 구체적으로 도 13의 (a)는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 모식도이고, 도 13의 (b)는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지 내 나노구조체의 TEM 이미지들이다.
본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 제조 방법에 따라, 상기 실리콘 태양전지를 제작한 후, 상기 실리콘 태양전지의 상기 실리콘 기판의 상기 제2 면에 형성된 나노구조체 부분을 TEM(transmission electron microscope) 기기를 이용하여 측정하였다.
도 13의 (a)를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 실리콘 태양전지는, P-N 접합 구조를 갖는 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면 상에는 상기 제1 전극인 Ag 전극이 형성되고, 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면 상에 반사방지막인 SiNx막이 형성된 것을 확인하였다. 또한, 상기 실리콘 기판의 상기 제2 면에는 상기 나노구조체가 형성되고, 상기 나노구조체 상에 상기 금속 산화물막인 아연 산화물막이 형성된 후, 상기 제2 전극인 Al 전극이 형성된 것을 확인하였다.
도 13의 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 나노구조체의 형상을 따라, 상기 나노구조체 상에 4.3nm 두께의 아연 산화물막이 콘포멀하게 형성된 것을 알 수 있었다. 또한, 상기 아연 산화물막 상에 상기 제2 전극인 Al전극이 형성된 것을 확인하였다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지에 대하여 전산모사를 통한 밴드갭 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 제조 방법에 따라, 상기 실리콘 태양전지를 제작하되, 상기 나노구조체 상에 형성되는 상기 금속 산화물막의 두께를 4.3nm로 하여 상기 실리콘 태양전지를 제작한 후, 전산모사를 통해 밴드갭 에너지를 분석하였다.
도 14를 참조하면, 4.3nm 두께의 상기 금속 산화물을 상기 나노구조체 상에 증착하는 경우, 표면 결함 준위를 피해 캐리어 흐름이 향상된 상기 실리콘 태양전지의 제작이 가능한 것을 확인하였다.
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지에 적용된 금속 산화물의 두께에 따른 접촉 저항(contact resistance)을 나타내는 그래프이다.
도 10을 참조하여 설명된 것과 동일한 방법으로, 아연 산화물막의 두께를 달리하여(1.4nm, 4.3nm, 7.2nm) 상기 실리콘 태양전지를 제작한 후, number of grid pitches에 따른 접촉 저항의 변화를 측정하였다.
도 15를 참조하면, 상기 나노구조체 상에 형성된 아연 산화물막의 두께가 1.4nm로 얇은 두께에서는 number of grid pitches에 따른 접촉 저항이 약 0.44Ω·cm2이지만, 상기 나노구조체 상에 형성된 아연 산화물막의 두께가 4.3nm, 7.2nm로 증가하는 경우, number of grid pitches에 따른 접촉 저항이 약 0.1Ω·cm2로 감소하는 것을 확인하였다. 이에 따라, 상기 나노구조체 상에 형성된 아연 산화물막의 두께가 4.3nm 이상인 경우, 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지 내 전기적 흐름이 큰 폭으로 향상될 것을 판단된다.
도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 빛에 대한 J-V 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 10을 참조하여 설명된 것과 동일한 방법으로, 아연 산화물막의 두께를 달리하여(0nm, 1.4nm, 4.3nm, 7.2nm) 상기 실리콘 태양전지를 제작한 후, 전압에 따른 전류밀도를 측정하였다. 또한, 아연 산화물막의 두께가 다른 상기 실리콘 태양전지에 대하여, 개방전압(Voc), 단락회로 전류밀도(short circuit current, Jsc), 충진율(FF), 및 광전변환효율(CE)을 측정하여 아래 [표 2]에 나타내었다.
구분 ZnO의 두께(nm) Voc(mV) Jsc(mA/cm2) FF(%) CE(%)
B-NS 0 564 26.42 70.13 10.45
B-NS+ZnO 1.4 567 27.81 71.68 11.29
4.3 566 30.68 73.29 12.73
7.2 534 28.16 70.47 10.59
[표 2]를 참조하면, 상기 나노구조체 상에 아연 산화물막이 형성되지 않은 경우(B-NS(CE 10.45%))보다, 상기 나노구조체 상에 아연 산화물막이 형성된 경우(B-NS+ZnO_1.4nm(CE 11.29%), B-NS+ZnO_4.3nm(CE 12.73%), B-NS+ZnO_7.2nm(CE 10.59%))의 상기 실리콘 태양전지의 광전변환효율이 우수한 것을 확인하였다.
도 16에서도 알 수 있듯이, 상기 나노구조체 상에 아연 산화물막이 형성되지 않은 경우의 상기 실리콘 태양전지보다, 상기 나노구조체 상에 아연 산화물막이 형성된 경우의 상기 실리콘 태양전지의 전압에 따른 전류밀도 값이 우수한 것을 확인하였다. 또한, 상기 나노구조체 상에 형성된 아연 산화물막의 두께가 7.2nm인 경우, 상기 나노구조체 상에 형성된 아연 산화물막의 두께가 1.2nm, 4.3nm인 경우보다 상기 실리콘 태양전지의 전압에 따른 전류밀도 값이 낮은 것을 확인하였다. 이로부터, 상기 나노구조체 상에 형성된 아연 산화물막의 두께가 약 7nm 이상으로 증가하는 경우, 상기 실리콘 태양전지의 효율이 저하되는 것을 알 수 있었다. 이는, 상기 나노구조체 상에 형성되는 아연 산화물막의 두께가 증가하는 경우, 상기 실리콘 태양전지 내 캐리어 수집율이 감소되어 나타나는 결과로 판단된다.
도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 빛에 대한 J-V 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 16을 참조하여 설명된 동일한 방법으로, 증착된 아연 산화물막의 두께가 다른(0nm, 4.3nm, 7.2nm) 상기 실리콘 태양전지에 대하여 전압에 따른 전류밀도를 측정하였다.
도 17을 참조하면, 상기 나노구조체 상에 형성된 아연 산화물막의 두께가 증가함에 따라, 포화전류가 증가하는 것을 확인하였다. 이는, 상기 나노구조체 상에 형성되는 아연 산화물막의 두께가 증가함에 따라, 상기 실리콘 태양전지 내 캐리어 흐름이 감소되어, 상기 실리콘 기판 내 캐리어 재결합이 증가되어 나타나는 결과로 판단된다.
도 18은 본 발명의 실시 예 및 실시 예에 대한 비교 예들에 따른 실리콘 태양전지의 모식도들이다. 구체적으로, 도 18의 (a)는 본 발명의 실시 예에 대한 제2 비교 예에 따른 실리콘 태양전지의 모식도이고, 도 18의 (b)는 본 발명의 실시 예에 대한 제3 비교 예에 따른 실리콘 태양전지의 모식도이고, 도 18의 (c)는 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 모식도이다.
도 18의 (a), (b), 및 (c)에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지는, 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면 상에 상기 반사방지막이 형성된 본 발명의 실시 예에 대한 제1 비교 예에 따른 실리콘 태양전지의 구조와 상기 실리콘 기판의 상기 제2 면에 상기 나노구조체 및 상기 나노구조체 상의 상기 금속 산화물막이 형성된 제2 비교 예에 따른 실리콘 태양전지의 구조가 합쳐진 구조임을 알 수 있다.
도 19는 본 발명의 실시 예 및 실시 예에 대한 비교 예들에 따른 실리콘 태양전지의 J-V 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 18을 참조하여 설명된 것과 동일한 구조의 본 발명의 실시 예 및 실시 예에 대한 비교 예들에 따른 실리콘 태양전지들을 제작한 후, 전압에 따른 전류 밀도 값을 측정하였다.
도 19를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지, 제2 비교 예에 따른 실리콘 태양전지, 제3 비교 예에 따른 실리콘 태양전지 순으로 전압에 따른 전류밀도 값이 높은 것을 확인하였다. 이에 따라, 상기 실리콘 기판이 상기 제1 면 상에 상기 반사방지막이 형성되고, 상기 실리콘 기판의 상기 제2 면에 상기 나노구조체, 및 상기 나노구조체 상의 상기 금속 산화물막이 형성된 구조의 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지의 전기적 특성이 현저하게 우수한 것을 알 수 있었다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 실리콘 태양전지는, 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면의 평편한 구조, 및 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면 상에 형성된 상기 반사방지막으로 인해, 빛 반사도를 감소시켜 상기 실리콘 기판의 상기 제1 면으로 입사되는 빛의 양을 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 실리콘 기판의 상기 제2 면에 형성된 상기 나노구조체 및, 상기 나노구조체 상에 패시베이션막으로써 형성된 상기 금속 산화물막으로 인해, 상기 실리콘 기판의 상기 제2 면에 투과되지 않고, 상기 실리콘 기판 내로 재입사되는 빛의 양을 증가시켜 상기 실리콘 태양전지의 광흡수율을 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 실리콘 기판의 상기 제2 면에 형성된 상기 나노구조체의 길이를 조절하여, 상기 실리콘 기판의 상기 P-N 접합 구조에서 생성되는 캐리어의 수명이 용이하게 조절되는 상기 실리콘 태양전지가 제공될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 실리콘 기판
100a: 제1 면(상부면)
100b: 제2 면(하부면)
105: 나노구조체
120: 금속 산화물막
130a: 제1 전극
130b: 제2 전극
140: 반사방지막

Claims (13)

  1. 제1 면 및 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 제1 도전형의 실리콘 기판을 준비하는 단계;
    상기 실리콘 기판의 상기 제 2면에 선택적으로 나노구조체(nanostructure)를 형성하는 단계;
    상기 실리콘 기판의 평평한 상기 제1 면을 제2 도전형의 도펀트(dopant)로 도핑(doping)하고 상기 나노구조체가 형성된 상기 제2 면을 제1 도전형의 도펀트로 도핑하여, 상기 나노구조체를 갖는 상기 제1 도전형의 고농도 제1 반도체층, 상기 고농도 제1 반도체층보다 상기 제1 도전형의 도핑 농도가 낮은 상기 제1 도전형의 저농도 제1 반도체층, 및 상기 제2 도전형의 제2 반도체층이 차례로 적층된 상기 실리콘 기판 내에 P-N 접합 구조를 형성하는 단계;
    상기 나노구조체의 형상을 따라 금속 산화물막을 콘포말하게 형성하는 단계; 및
    상기 실리콘 기판의 상기 제1 면 상에 반사방지막을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 금속 산화물막의 두께에 따라서 캐리어 수집율이 제어되는 것을 포함하는 실리콘 태양전지의 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 금속 산화물막은, 아연 산화물막인 것을 포함하는 실리콘 태양전지의 제조 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 금속 산화물막의 두께는, 7.2nm 미만인 것을 포함하는 실리콘 태양전지의 제조 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 나노구조체 상에 상기 금속 산화물막을 형성하는 단계는, 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD) 공정을 이용하는 것을 포함하는 실리콘 태양전지의 제조 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 나노구조체의 길이에 따라서, 상기 실리콘 기판의 상기 P-N 접합구조에서 생성된 캐리어의 수명이 조절되되,
    상기 나노구조체의 길이 방향은, 상기 실리콘 기판의 수직방향인 것을 포함하는 실리콘 태양전지의 제조 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 실리콘 기판의 상기 제2 면에 상기 나노구조체를 형성하는 단계는, 습식 식각(wet etching) 공정을 이용하는 것을 포함하는 실리콘 태양전지의 제조 방법.
  7. 평평한 상부면 및 상기 상부면에 대향하고 나노구조체가 형성된 하부면을 갖고, 제1 도전형의 제1 반도체층 및 제2 도전형의 제2 반도체층을 포함하되, 상기 제1 반도체층은 상기 나노구조체가 형성된 상기 하부면을 포함하고, 상기 제2 반도체층은 평평한 상기 상부면을 포함하는 실리콘 기판;
    상기 상부면 상의 반사 방지막; 및
    상기 나노구조체 상의 형상을 따라 콘포말하게 금속 산화물막을 포함하되,
    상기 제1 반도체층은,
    상기 나노구조체를 갖는 고농도 제1 반도체층; 및
    상기 고농도 제1 반도체층보다 상기 제1 도전형의 도핑 농도가 낮고, 상기 고농도 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층 사이에 배치되는 저농도 제1 반도체층을 포함하고,
    상기 금속 산화물막의 두께에 따라서 캐리어 수집율이 제어되는 것을 포함하는 실리콘 태양전지.
  8. 삭제
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 실리콘 기판으로 조사되는 광에 의해, 상기 실리콘 기판의 상기 제1 및 제2 반도체층에 의해 형성된 P-N 접합 구조에서 캐리어가 생성되고, 상기 금속 산화물막은 상기 캐리어의 재결합을 방지하는 것을 포함하는 실리콘 태양전지.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 나노구조체의 길이에 따라서, 상기 실리콘 기판의 상기 P-N 접합구조에서 생성된 상기 캐리어의 수명이 조절되되,
    상기 나노구조체의 길이 방향은, 상기 실리콘 기판의 수직방향인 것을 포함하는 실리콘 태양전지.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 나노구조체의 길이가 감소할수록, 상기 캐리어의 수명이 증가하는 것을 포함하는 실리콘 태양전지.
  12. 제7 항에 있어서,
    상기 반사방지막은, 상기 실리콘 기판의 상기 상부면에 도달되는 광의 반사도를 낮추는 것을 포함하는 실리콘 태양전지.
  13. 제7 항에 있어서,
    상기 금속 산화물막은, 아연 산화물막인 것을 포함하는 실리콘 태양전지.
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