KR101867969B1 - 이종 접합 태양전지 - Google Patents

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KR101867969B1
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박상욱
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Abstract

본 발명의 한 측면에 따른 이종 접합 태양전지는 빛이 입사하는 전면 및 상기 전면의 반대쪽에 위치하는 후면을 포함하며, 제1 도전성 타입을 갖는 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 상기 전면 위에 위치하고, 상기 반도체 기판과 이종 접합을 형성하며, 상기 반도체 기판에서 생성된 다수 캐리어를 수집하는 전면 전계부; 상기 반도체 기판의 상기 전면 위에 위치하고, 상기 반도체 기판과 이종 접합을 형성하며, 상기 반도체 기판에서 생성된 소수 캐리어를 수집하는 후면 에미터부를 포함하며, 상기 전면 전계부는 상부막 및 상기 반도체 기판의 상기 전면과 상기 상부막 사이에 위치하는 하부막을 포함하고, 상기 상부막은 금속 산화물로 형성된다.

Description

이종 접합 태양전지{HETERO JUNCTION SOLAR CELL}
본 발명은 이종 접합 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 효율이 향상된 태양전지에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예상되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 차세대 전지로서 각광받고 있다.
이러한 태양전지는 다양한 층 및 전극을 구비하는데, 이러한 다양한 층 및 전극의 설계에 따라 태양전지 효율이 결정될 수 있다. 따라서, 태양전지의 상용화를 위해서는 태양전지의 효율을 최대화하고 제조 비용을 최소화하는 것이 요구된다.
따라서, 근래에는 이종 접합 태양전지에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있는데, 이종 접합 태양전지는 결정질 반도체 기판, 반도체 기판의 전면 위에 위치하는 전면 패시베이션막 및 반도체 기판의 후면 위에 위치하는 후면 패시베이션막, 전면 패시베이션막 위에 위치하며 상기 결정질 반도체 기판과 이종 접합을 형성하는 전면 전계부 및 후면 패시베이션막 위에 위치하며 상기 결정질 반도체 기판과 이종 접합을 형성하는 후면 전계부, 전면 전계부 위에 위치하며 전면 전계부와 전기적으로 연결되는 전면 전극 및 후면 전계부 위에 위치하며 후면 전계부와 전기적으로 연결되는 후면 전극을 포함한다.
이러한 구조의 이종 접합 태양전지에 있어서, 종래에는 전면 및/또는 후면 패시베이션막과 전면 및/또는 후면 전계부가 패시베이티드 컨택(passivated contact) 구조로 형성되는데, 패시베이티드 컨택 구조를 갖는 이종 접합 태양전지에서는 전면 및/또는 후면 패시베이션막이 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiNx), 수소화된 실리콘 질화물(SiNx:H), 알루미늄 산화물(AlOx), 실리콘 산화질화물(SiON) 또는 수소화된 실리콘 산화질화물(SiON:H) 등의 유전체 물질로 형성되거나, 진성 비정질 실리콘 또는 실리콘 카바이드와 같은 반도체 물질로 형성되고, 전면 및/또는 후면 패시베이션막 위에 위치하는 전면 및/또는 후면 전계부가 n형 또는 p형의 도전성 불순물을 함유한 n형 또는 p형 비정질 실리콘층(이하, '도핑층'이라 함)으로 형성된다.
이러한 구조의 이종 접합 태양전지에서, 비정질 실리콘층은 우수한 표면 패시베이션 효과로 인해 높은 개방전압을 얻을 수 있는 효과가 있지만, 비정질 실리콘층에 흡수된 빛의 대부분이 재결합(recombination)으로 인해 소멸되는 문제로 인해 단락전류밀도가 감소하고, 이로 인해 이종 접합 태양전지의 효율이 낮아지는 문제점이 있다.
따라서, 최근에는 패시베이티드 컨택 구조의 단점을 극복하기 위해, 상기 도핑층 대신에 금속 산화물층(이하, '전하 추출 전극층(CSC: Carrier Selective Contact)'이라 함)으로 전면 및/또는 후면 전계부를 형성하는 도펀트 프리 패시베이티드 컨택(dopant free passivated contact) 구조가 개발되고 있다.
여기에서, 금속 산화물로 형성된 선택적 전하 추출 전극층은 도전성 타입을 부여하기 위한 n형 또는 p형 불순물을 함유하지 않으면서도 반도체 기판과의 에너지 밴드의 차이로 인해 전하(전자 또는 정공)을 선택적으로 추출하여 수집할 수 있는 층으로, n형 또는 p형 불순물을 함유하지 않으므로 재결합으로 인한 광 흡수 손실을 억제할 수 있어 이종 접합 태양전지의 단락전류밀도를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
하지만, 선택적 전하 추출 전극층은 상기 도핑층에 비해 전기 전도도가 낮으므로, 도핑층을 사용하는 경우에 비해 저항이 증가하여 곡선인자(FF; Fill Factor)가 낮아지고, 이로 인해 이종 접합 태양전지의 효율을 효과적으로 개선하지 못하는 문제점이 있다.
따라서, 단락전류밀도 및 곡선인자를 모두 증가시킴으로써 상기한 문제점을 억제할 수 있는 이종 접합 태양전지의 개발이 요구되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 효율이 향상된 이종 접합 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 측면에 따른 이종 접합 태양전지는, 빛이 입사하는 전면 및 상기 전면의 반대쪽에 위치하는 후면을 포함하며, 제1 도전성 타입을 갖는 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 상기 전면 위에 위치하는 전면 패시베이션막; 상기 반도체 기판의 상기 후면 위에 위치하는 후면 패시베이션막; 상기 전면 패시베이션막 위에 위치하고, 상기 반도체 기판과 이종 접합을 형성하며, 상기 반도체 기판에서 생성된 다수 캐리어를 수집하는 전면 전계부; 상기 후면 패시베이션막 위에 위치하고, 상기 반도체 기판과 이종 접합을 형성하며, 상기 반도체 기판에서 생성된 소수 캐리어를 수집하는 후면 에미터부; 상기 전면 전계부 위에 위치하고, 상기 전면 전계부와 전기적으로 연결되는 전면 전극; 및 상기 후면 에미터부 위에 위치하고, 상기 후면 에미터부와 전기적으로 연결되는 후면 전극을 포함하며, 상기 전면 전계부는 상기 전면 패시베이션막 위에 위치하는 상부막 및 상기 전면 패시베이션막과 상기 상부막 사이에 위치하는 하부막을 포함하고, 상기 상부막은 금속 산화물로 형성된다.
상기 전면 전극은 상기 전면 전계부 위에 위치하는 전면 투명 전극 및 상기 전면 투명 전극 위에 위치하는 전면 금속 전극을 포함하고, 상기 후면 전극은 상기 후면 에미터부 위에 위치하는 후면 투명 전극 및 상기 후면 투명 전극 위에 위치하는 후면 금속 전극을 포함할 수 있다.
상기 전면 금속 전극과 상기 후면 금속 전극은 제1 방향으로 연장되며 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라 서로 이격된 복수의 핑거 전극을 각각 포함할 수 있으며, 상기 전면 금속 전극의 핑거 전극들 사이의 간격은 상기 후면 금속 전극의 핑거 전극들 사이의 간격보다 크게 형성될 수 있다.
상기 전면 패시베이션막과 상기 후면 패시베이션막은 진성 비정질 실리콘으로 형성될 수 있다.
상기 반도체 기판은 n형 불순물을 함유하는 결정질 실리콘 웨이퍼로 이루어질 수 있으며, 이 경우, 상기 상부막은 4.5eV 이하의 일함수 및 2.9eV 이상의 광학적 밴드갭을 갖는 금속 산화물로 형성될 수 있다.
한 예로, 상기 상부막은 니오븀(Nb)과 탄탈륨(Ta)을 포함하는 5족 원소 중에서 선택된 적어도 하나를 제1 불순물로 함유하는 티타늄 산화물, 또는 상기 제1 불순물을 함유하지 않는 티타늄 산화물로 형성될 수 있다.
이때, 제1 불순물은 0.1% 내지 10%의 비율로 함유될 수 있다.
이 경우, 상기 하부막은 0.5nm 내지 2nm의 두께를 갖는 n형 비정질 실리콘으로 형성될 수 있고, 상기 상부막은 5nm 내지 20nm의 두께로 형성될 수 있으며, 상기 후면 에미터부는 p형 불순물을 함유하는 비정질 실리콘으로 형성될 수 있고, 상기 하부막의 두께는 상기 후면 에미터부의 두께보다 작게 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 후면 에미터부는 8nm 내지 18nm의 두께로 형성될 수 있다.
다른 예로, 상기 상부막은 알루미늄(Al)과 갈륨(Ga)을 포함하는 13족 원소 중에서 선택된 적어도 하나를 제2 불순물로 함유하는 아연 산화물, 또는 상기 제2 불순물을 함유하지 않는 아연 산화물로 형성될 수 있다.
이때, 제2 불순물은 0.1% 내지 10%의 비율로 함유될 수 있다.
이 경우, 상기 하부막은 0.5nm 내지 2nm의 두께를 갖는 n형 비정질 실리콘으로 형성될 수 있고, 상기 상부막은 5nm 내지 20nm의 두께로 형성될 수 있으며, 상기 후면 에미터부는 p형 불순물을 함유하는 비정질 실리콘으로 형성될 수 있고, 상기 하부막의 두께는 상기 후면 에미터부의 두께보다 작게 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 후면 에미터부는 8nm 내지 18nm의 두께로 형성될 수 있다.
또 다른 예로, 상기 상부막은 니오븀(Nb)과 탄탈륨(Ta)을 포함하는 5족 원소 중에서 선택된 적어도 하나를 제1 불순물로 함유하는 티타늄 산화물, 또는 알루미늄(Al)과 갈륨(Ga)을 포함하는 13족 원소 중에서 선택된 적어도 하나를 제2 불순물로 함유하는 아연 산화물로 형성될 수 있다.
이때, 제1 및 제2 불순물은 각각 0.1% 내지 10%의 비율로 함유될 수 있다.
이 경우, 상기 하부막은 상기 제1 불순물을 함유하지 않는 티타늄 산화물, 또는 상기 제2 불순물을 함유하지 않는 아연 산화물로 형성될 수 있으며, 상기 하부막의 산소 함유량은 상기 상부막의 산소 함유량보다 높을 수 있다.
이와 달리, 상기 하부막은 상기 제1 불순물을 상기 상부막에 비해 적게 함유하는 티타늄 산화물, 또는 상기 제2 불순물을 상기 상부막에 비해 적게 함유하는 아연 산화물로 형성될 수 있으며, 상기 하부막의 산소 함유량은 상기 상부막의 산소 함유량보다 높을 수 있다.
이때, 하부막에 함유되는 제1 또는 제2 불순물은 0.1% 내지 10%의 비율 내에서 상부막에 함유되는 제1 또는 제2 불순물보다 낮은 함유량으로 함유될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이종 접합 태양전지는 후면 에미터부가 반도체 기판의 후면에 위치하는 후면 에미터(rear emitter) 구조를 채용하고 있으므로, 반도체 기판 자체를 통해 다수 캐리어(majority carrier)를 전면 전극으로 전송할 수 있다.
따라서, 전면 에미터(front emitter) 구조에 비해 전면 투명 전극의 저항으로 인한 손실을 줄일 수 있으므로, 후면 전극의 핑거 전극에 비해 전면 전극의 핑거 전극의 피치를 넓게 형성할 수 있다.
그리고 전면 전계부의 하부막이 n형 또는 p형 비정질 실리콘으로 형성되고, 전면 전계부의 상부막이 금속 산화물로 형성되면, 상기 하부막의 두께를 종래의 패시베이티드 컨택 구조의 도핑층에 비해 줄일 수 있으므로, 전면 전계부에서 발생하는 빛의 흡수 손실을 패시베이티드 컨택 구조에 비해 줄일 수 있으며, 전면 전계부의 전기 전도도를 도펀트 프리 패시베이티드 컨택 구조에 비해 향상시킬 수 있다.
그리고 전면 전계부의 상부막이 제1 불순물(니오븀, 탄탈륨을 포함하는 5족 원소) 또는 제2 불순물(알루미늄, 갈륨을 포함하는 13족 원소)을 함유하면, 상부막의 전기 전도도가 상기 제1 불순물 또는 제2 불순물을 함유하지 않는 경우에 비해 향상되므로, 제1 불순물 또는 제2 불순물을 함유하지 않는 경우에 비해 전면 전계부의 전기 전도도를 더욱 향상시킬 수 있다.
그리고 전면 전계부의 상부막 및 하부막이 각각 금속 산화물로 형성되면, 하부막이 n형 또는 p형 도핑층으로 형성되는 경우에 비해 전면 전계부에서 발생하는 빛의 흡수 손실을 더욱 줄일 수 있다.
따라서, 본원 발명의 실시예에 따른 이종 접합 태양전지는 패시베이티드 컨택 구조를 갖는 이종 접합 태양전지에 비해 단락전류밀도를 증가시킬 수 있음과 아울러, 도펀트 프리 패시베이티드 컨택 구조에 비해 곡선인자를 증가시킬 수 있으므로, 이종 접합 태양전지의 효율을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이종 접합 태양전지를 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 이종 접합 태양전지의 전면 금속 전극을 나타내는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이종 접합 태양전지를 도시한 단면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
본 발명을 설명함에 있어서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
"및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함할 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "결합되어" 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 결합되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 결합되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 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 포함할 수 있다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
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 가질 수 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않을 수 있다.
아울러, 이하의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이종 접합 태양전지 및 이의 제조 방법에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이종 접합 태양전지를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 이종 접합 태양전지(100)는, 베이스 영역(10)을 포함하는 반도체 기판(110)과, 반도체 기판(110)의 전면 위에 형성되는 전면 패시베이션막(120)과, 반도체 기판(110)의 후면 위에 형성되는 후면 패시베이션막(130)과, 반도체 기판(110)의 전면 쪽에서 전면 패시베이션막(120) 위에 형성되며 반도체 기판과 이종 접합을 형성하는 전면 전계부(140)와, 반도체 기판(110)의 후면 쪽에서 후면 패시베이션막(130) 위에 형성되며 반도체 기판과 이종 접합을 형성하는 후면 에미터부(150)와, 반도체 기판(110)의 전면 쪽에서 전면 전계부(140) 위에 형성되며 상기 전면 전계부(140)와 전기적으로 연결되는 전면 전극(160)과, 반도체 기판(110)의 후면 쪽에서 후면 에미터부(150) 위에 형성되며 상기 후면 에미터부(150)와 전기적으로 연결되는 후면 전극(170)을 포함한다.
반도체 기판(110)은 결정질 반도체로 구성될 수 있다. 일 예로, 반도체 기판(110)은 단결정 또는 다결정 반도체(일 예로, 단결정 또는 다결정 실리콘 웨이퍼)로 구성될 수 있다.
본 실시예의 이종 접합 태양전지에서는 반도체 기판(110)에 별도의 도핑 영역이 형성되지 않고 반도체 기판(110)이 베이스 영역(10)만으로 구성될 수 있다.
즉, 동종 접합 태양전지에서는 베이스 영역과 다른 도전성 타입을 가지는 도핑 영역(에미터부) 또는 베이스 영역과 동일한 도전성 타입을 가지되 도핑 농도가 높은 도핑 영역(전계부) 등이 반도체 기판에 형성되어 반도체 기판이 베이스 영역, 에미터부 및 전계부를 포함하는 반면, 본 발명의 이종 접합 태양전지에서는 반도체 기판이 베이스 영역만으로 이루어지며, 에미터부 및 전계부는 반도체 기판과는 다른 재질의 반도체 물질을 반도체 기판의 전면 또는 후면에 증착하여 형성된다.
베이스 영역이 n형 도전성 타입을 가질 경우에는 인(P), 비소(As), 비스무스(Bi), 안티몬(Sb) 등의 5족 원소를 불순물로 사용할 수 있으며, 베이스 영역이 p형 도전성 타입을 가질 경우에는 보론(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등의 3족 원소를 불순물로 사용할 수 있다.
이와 같이 반도체 기판은 베이스 영역으로만 이루어지고, 도전성 타입을 부여하기 위한 불순물을 주입 및/또는 확산하여 형성하는 별도의 도핑 영역을 반도체 기판의 내부에 구비하지 않는다.
따라서, 본 발명은 통상적으로 반도체 기판의 내부에 n형 또는 p형 불순물을 주입 및/또는 확산하여 형성하는 별도의 도핑 영역을 구비하지 않는 경우를 모두 포함한다.
반도체 기판에 별도의 도핑 영역을 형성하지 않으면, 개방 전압을 향상할 수 있다. 이는 반도체 기판에 도핑 영역을 형성하는 것에 의하여 발생할 수 있는 표면 재결합을 방지할 수 있기 때문이다.
이하에서는 반도체 기판(110)의 베이스 영역이 n형 불순물을 함유하는 것을 예로 들어 설명한다. 하지만, 반도체 기판(110)의 베이스 영역이 p형 불순물을 함유하는 것도 가능하다.
반도체 기판(110)의 전면 및/또는 후면은 반사를 방지할 수 있도록 요철(112, 114)을 가질 수 있다.
좀더 구체적으로, 요철(112, 114)은 반도체 기판(110)의 전면(또는 전면 쪽 표면)에 형성되는 제1 요철(112)과 반도체 기판(110)의 후면(또는 후면 쪽 표면)에 형성되는 제2 요철(114)을 포함할 수 있다.
이에 의하여 반도체 기판(110)의 전면 및 후면으로 입사하는 광의 반사를 모두 줄일 수 있으므로, 양면 수광형(bi-facial) 구조를 가지는 이종 접합 태양전지(100)에서의 광 손실을 효과적으로 감소할 수 있다.
그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 요철(112)만 형성되는 것도 가능하다.
양면 수광형 구조를 가지는 이종 접합 태양전지에서는 위에서 설명한 바와 같이 반도체 기판의 후면을 통해서도 빛이 입사할 수 있다.
하지만, 이 경우에도 반도체 기판에 입사되는 빛의 대부분은 반도체 기판의 전면을 통해 입사되므로, 빛이 입사하는 면을 반도체 기판의 전면으로 한정하는 것도 무방하다.
반도체 기판(110)의 전면에 위치하는 제1 요철(112)은 광학적 손실을 최소화할 수 있도록 제1 요철부(112a) 및 제2 요철부(112b)을 포함할 수 있다. 제2 요철부(112b)는 제1 요철부(112a) 위에, 좀더 상세하게는, 제1 요철부(112a)를 구성하는 외면 위에 형성되며 제1 요철부(112a)보다 작은 크기를 가질 수 있다.
이에 따라 제2 요철부(112b)의 평균 크기는 제1 요철부(112a)의 평균 크기보다 작을 수 있고, 제2 요철부(112b)는 제1 요철부(112a)를 구성하는 각각의 외면 위에 적어도 하나 이상, 예를 들어, 복수 개 위치할 수 있다.
이와 같은 제1 요철부(112a)와 제2 요철부(112b)는 서로 다른 방법에 의하여 형성될 수 있다.
제1 요철부(112a)는 텍스쳐링(texturing) 공정에 의하여 형성될 수 있다. 이에 의하여 제1 요철부(112a)의 외면은 특정한 결정면들로 구성될 수 있다. 일 예로, 제1 요철부(112a)는 (111)면인 4개의 외면에 의하여 형성되는 대략적인 피라미드 형상을 가질 수 있다.
제1 요철부(112a)의 평균 크기(일 예로, 제1 요철부(112a)의 높이의 평균 값)는 마이크로미터 수준(예를 들어, 1um 내지 1mm)일 수 있는데, 일 예로, 대략 10um 내지 30um일 수 있다.
이와 같은 제1 요철부(112a)는 습식 식각에 의해 형성될 수 있다. 습식 식각에 의하여 제1 요철부(112a)를 형성하면, 간단한 공정에 의하여 짧은 시간 내에 제1 요철부(112a)를 형성할 수 있다.
제2 요철부(112b)는 제1 요철부(112a)의 외면(예를 들어, (111) 면) 상에 미세한 크기를 가지면서 형성될 수 있다.
제2 요철부(112b)은 뾰족한 단부를 가질 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 제2 요철부(112b)가 라운드진 단부를 가질 수도 있다.
제2 요철부(112b)의 평균 크기(일 예로, 제2 요철부(112b)의 높이의 평균 값)는 나노미터 수준(즉, 1um 이하, 예를 들어, 1nm 내지 1um)일 수 있는데, 일 예로, 대략 100nm 내지 500nm의 크기를 가질 수 있다.
이와 같이 제1 요철부(112a) 위에 이보다 작은 크기의 제2 요철부(112b)를 형성하게 되면 반사 방지 효과를 향상할 수 있다.
제2 요철부(112b)는 건식 식각에 의해 형성될 수 있다. 건식 식각으로는, 일 예로, 반응성 이온 식각(reactive ion etching, RIE)이 사용될 수 있다.
반응성 이온 식각에 의하면 제2 요철부(112b)를 미세하고 균일하게 형성할 수 있다.
반도체 기판(110)의 후면에 형성되는 제2 요철(114)은 제1 요철부(114a)를 구비할 수 있다.
제2 요철(114)의 제1 요철부(114a)에 대해서는 제1 요철(112)의 제1 요철부(112a)에 대한 설명이 그대로 적용될 수 있으므로, 이에 대한 상세한 설명을 생략한다.
이와 같이 반도체 기판(110)의 제2 요철(114)이 제1 요철부(114a)만을 구비하여 제1 및 제2 요철부(112a, 112b)를 가지는 제1 요철(112)과 다른 형상을 가지면, 제1 요철(112)에 의하여 광의 입사량이 많은 반도체 기판(110)의 전면에서의 반사를 효과적으로 방지할 수 있고, 제2 요철(114)은 간단한 구조를 가지도록 하여 태양전지(100)의 제조 공정을 단순화할 수 있다.
그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 변형이 가능하다.
반도체 기판(110)의 전면 위에는 전면 패시베이션막(120)이 형성되고, 반도체 기판(110)의 후면 위에는 후면 패시베이션막(130)이 형성된다. 이에 의하여 반도체 기판(110)의 전면 및 후면을 각기 패시베이션할 수 있다.
본 명세서에서는 전면 패시베이션막(120) 및 후면 패시베이션막(130)이라는 용어를 사용하였으나, 전면 패시베이션막(120) 및/또는 후면 패시베이션막(130)이 터널링막으로서의 역할도 수행할 수 있다.
전면 및 후면 패시베이션막(120, 130)은 진성 비정질 반도체, 예를 들어, 진성 비정질 실리콘(i-a-Si)층으로 형성될 수 있다.
그러면, 전면 및 후면 패시베이션막(120, 130)이 반도체 기판(110)과 동일한 반도체 물질을 포함하여 유사한 특성을 가지기 때문에 반도체 기판(110)의 표면 특성을 좀더 효과적으로 향상할 수 있다.
이에 의하여 패시베이션 특성을 크게 향상할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
따라서 전면 및/또는 후면 패시베이션막(120, 130)은 진성 비정질 실리콘 탄화물(i-a-SiCx) 또는 진성 비정질 실리콘 산화물(i-a-SiOx)로 형성될 수도 있다.
또한, 전면 및/또는 후면 패시베이션막(120, 130)은 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiNx), 수소화된 실리콘 질화물(SiNx:H), 알루미늄 산화물(AlOx), 실리콘 산화질화물(SiON) 또는 수소화된 실리콘 산화질화물(SiON:H)과 같은 유전체 재질로 형성될 수도 있다.
이때, 전면 및 후면 패시베이션막(120, 130)은 반도체 기판(110)의 전면 및 후면에 각기 전체적으로 형성될 수 있다. 이에 따라 반도체 기판(110)의 전면 및 후면을 전체적으로 패시베이션할 수 있고, 별도의 패터닝 없이 쉽게 형성될 수 있다.
전면 패시베이션막(120) 위에는 반도체 기판에서 생성된 다수 캐리어(majority carrier)를 수집하는 전면 전계부(140)가 형성되고, 후면 패시베이션막(130) 위에는 반도체 기판에서 생성된 소수 캐리어(minority carrier)를 수집하는 후면 에미터부(150)가 형성된다.
전면 전계부(140)는 전면 패시베이션막(120)에 직접 접촉하고, 후면 에미터부(150)는 후면 패시베이션막(130)에 직접 접촉할 수 있다. 그러면, 태양전지(100)의 구조가 단순화되고, 전면 및 후면 패시베이션막(120, 130)의 터널링 효과가 최대화될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
전면 전계부(140) 및 후면 에미터부(150)가 반도체 기판(110) 위에서 반도체 기판(110)과 별개로 형성되므로, 반도체 기판(110)과 다른 물질 및/또는 결정 구조를 가질 수 있다.
예를 들어, 전면 전계부(140)는 전면 패시베이션막(120) 위에 위치하는 상부막(140A)과, 전면 패시베이션막(120)과 상부막(140A) 사이에 위치하며 전면 패시베이션막(120)과 직접 접촉하는 하부막(140B)으로 형성될 수 있다.
이때, 하부막(140B)은 상부막(140A)과는 다른 반도체 물질, 한 예로, n형 비정질 실리콘으로 형성될 수 있고, 상부막(140A)은 하부막(140B)과는 다른 물질, 한 예로, 4.5eV 이하의 일함수 및 2.9eV 이상의 광학적 밴드갭을 갖는 금속 산화물로 형성될 수 있다.
패시베이티드 컨택 구조를 갖는 종래의 이종 접합 태양전지에서, 전면 전계부를 형성하는 n형 또는 p형 도핑층(n형 또는 p형 비정질 실리콘층)은 패시베이션 기능과 전면 전극과의 전기적 접촉 저항을 낮추는 2가지 기능을 수행하기 위해 반도체 기판에 가까운 부분보다 전면 전극에 가까운 부분의 n형 또는 p형 불순물의 농도가 높게 형성된다.
이에, 본 실시예에 있어서, 상부막(140A)은 패시베이티드 컨택 구조를 갖는 종래의 이종 접합 태양전지에 있어서 전면 전계부의 n형 또는 p형 불순물의 농도가 높은 부분을 대체하는 것으로 생각할 수 있다.
여기에서, 상부막(140A)의 일함수와 광학적 밴드갭을 상기 범위로 한정하는 것은 패시베이티드 컨택 구조를 갖는 종래의 이종 접합 태양전지에 있어서 전면 전계부의 n형 또는 p형 불순물의 농도가 높은 부분의 일함수와 광학적 밴드갭을 고려한 것이다.
금속 산화물로 형성되는 상부막(140A)은 도펀트 프리 패시베이티드 컨택 구조를 갖는 종래의 이종 접합 태양전지에서 전면 전계부를 형성하는 선택적 전하 추출 전극층일 수 있다.
여기에서, 금속 산화물은 금속을 포함하는 산화물을 말하며, 상기 금속은 특히 전이금속(예를 들면, 몰리브덴, 티타늄, 바나듐, 텅스텐, 아연, 망간, 니켈, 및 크롬 등)일 수 있다.
따라서, 상기 전이금속을 포함하는 금속 산화물은 이성분계 금속 산화물이라고 말할 수 있다.
금속 산화물로 형성된 상부막(140A)은 전자 또는 정공을 선택적으로 추출하여 수집할 있으며, 함유된 전이원소의 고유의 페르미 레벨에 의하여 n형 도전성 타입을 갖는다.
따라서, 금속 산화물로 형성된 상부막(140A)은 도전성 타입을 부여하기 위한 n형 불순물을 포함하지 않으면서도 전면 전계부로 기능할 수 있다.
상부막(140A)은 반도체 기판의 페르미 레벨보다 높은 페르미 레벨을 가지며, 반도체 기판의 일함수보다 작은 일함수를 가질 수 있다.
예를 들어, 상부막(140A)의 일함수는 0.1eV 내지 4.5eV일 수 있다.
그리고 상부막(140A)은 2.9eV 이상의 광학적 밴드갭(optical bandgap)을 가질 수 있다.
이러한 페르미 레벨 및 일함수를 가지는 상부막(140A)이 전면 패시베이션막(120)과 하부막(140B)을 사이에 두고 반도체 기판(110)과 접합되면, 반도체 기판(110)과 상부막(140A)의 페르미 레벨이 같은 값을 가질 수 있도록 정렬되어 접합되므로, 반도체 기판(110) 내의 전도대에 있는 전자는 전면 패시베이션막(120)을 통과하여 상부막(140A)의 전도대로 쉽게 이동할 수 있다. 반면에, 반도체 기판(110) 내의 정공은 전면 패시베이션막(120)을 통과하지 못한다.
전자를 선택적으로 추출 및 수집할 수 있는 상부막(140A)을 형성하는 이성분계 금속 산화물로는 티타늄 산화물(일 예로, TiO2), 아연 산화물(일 예로, ZnO), 니오븀 산화물 등을 들 수 있다.
특히, 상부막(140A)이 티타늄 산화물 또는 아연 산화물을 포함하면 전자를 선택적으로 수집하는 효과가 우수하다.
이때, 상부막(140A)을 형성하는 티타늄 산화물 또는 아연 산화물은 상부막(140A)의 전기 전도도를 증가시키기 위한 불순물을 포함할 수 있다.
한 예로, 상부막(140A)은 니오븀(Nb)과 탄탈륨(Ta)을 포함하는 5족 원소 중에서 선택된 적어도 하나를 제1 불순물로 함유하는 티타늄 산화물로 형성되거나, 알루미늄(Al)과 갈륨(Ga)을 포함하는 13족 원소 중에서 선택된 적어도 하나를 제2 불순물로 함유하는 아연 산화물로 형성될 수 있다.
이때, 제1 또는 제2 불순물은 0.1% 내지 10%의 비율로 함유될 수 있다.
니오븀이나 탄탈륨이 도핑된 티타늄 산화물, 및 알루미늄이나 갈륨이 도핑된 아연 산화물은 DC 스퍼터링 공정에 의해 형성하는 것이 가능하며, 증착 속도가 매우 빠르므로 양산 적용시에 유리한 이점이 있다.
위에서 설명한 바와 달리, 반도체 기판이 p형 도전성 타입을 갖는 경우, 전면 전계부(140)의 상부막(140A)은 정공을 선택적으로 추출 및 수집할 수 있는 금속 산화물로 형성될 수 있으며, 하부막(140B)은 p형 비정질 실리콘으로 형성될 수 있다.
정공을 선택적으로 추출 및 수집할 수 있는 이성분계 금속 산화물은, 반도체 기판의 페르미 레벨(fermi level)보다 낮은 페르미 레벨을 가지며, 반도체 기판의 일함수(work function)보다 큰 일함수를 가질 수 있다.
예를 들어, 상부막(140A)이 정공을 선택적으로 추출 및 수집하는 경우, 상부막(140A)의 일함수는 5eV 내지 7eV일 수 있으며, 상부막(140A)의 광학적 밴드갭은 3eV 이상일 수 있다.
정공을 선택적으로 추출 및 수집할 수 있는 금속 산화물로는 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물(일 예로, WO3), 바나듐 산화물, 니켈 산화물, 레늄 산화물 등을 들 수 있다. 특히, 상부막(140A)이 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물 또는 니켈 산화물로 형성되면 정공을 선택적으로 수집하는 효과가 우수하다.
그리고 상부막(140A)이 정공을 선택적으로 추출 및 수집하는 경우, 상기 금속 산화물은 전기 전도도를 향상시키기 위한 불순물을 더 포함할 수 있다.
금속 산화물로 형성된 상부막(140A)은 도전성 타입을 부여하기 위한 n형 또는 p형 불순물을 함유하지 않으므로, 재결합을 방지하여 개방 전압을 향상시킬 수 있다.
그리고 비정질 실리콘으로 형성된 막에 비하여 광 흡수에 의한 손실을 저감할 수 있어 단락 전류 밀도를 향상할 수 있다. 이에 의하여 태양 전지의 효율을 향상할 수 있다.
또한, 도전성 타입을 부여하기 위한 별도의 n형 또는 p형 불순물을 도핑하는 공정, n형 또는 p형 불순물을 활성화하는 공정 등을 생략하여 제조될 수 있으며, 특히 고온 공정이 요구되지 않아 저온에서 공정이 가능하여 제조 공정을 단순화하고 제조 비용을 절감할 수 있다. 따라서 태양 전지의 생산성을 향상할 수 있다.
한편, 전면 전계부(140)에 있어서, 하부막(140B)의 두께(T1)는 패시베이티드 컨택 구조를 갖는 종래의 이종 접합 태양전지에서의 도핑층의 두께보다 얇게 형성된다.
한 예로, 패시베이티드 컨택 구조를 갖는 이종 접합 태양전지에서는 전면 전계부가 대략 3nm 내지 5nm의 두께로 형성되는데, 본 실시예의 전면 전계부(140)의 하부막(140B)은 0.5nm 내지 2nm의 두께(T1)로 형성된다.
하부막(140B)이 상기 두께(T1)로 형성되면, 패시베이션 기능을 효과적으로 수행하면서도 전면 전계부(140)에서 발생하는 빛 흡수 손실을 최소화하는 것이 가능하다.
그리고 상부막(140A)은 5nm 내지 20nm의 두께(T2)로 형성된다. 상부막(140A)이 상기 두께(T2)로 형성되면, 전면 전계부(140)의 전기 전도도를 양호하게 유지할 수 있다.
한편, 반도체 기판(110)의 후면을 통해 입사되는 빛의 양이 반도체 기판의 전면을 통해 입사되는 빛의 양에 비해 매우 적으므로, 후면 패시베이션막(130) 위에 위치하는 후면 에미터부(150)는 패시베이티드 컨택 구조에 의해 형성된 도핑층(p형 또는 n형 비정질 실리콘층)으로 형성될 수 있다.
이 경우, 후면 에미터부(150)는 8nm 내지 18nm의 두께(T3)로 형성될 수 있다. 따라서, 하부막(140B)의 두께(T1)는 후면 에미터부(150)의 두께(T3)보다 작게 형성된다.
이와 달리, 도시하지는 않았지만, 후면 에미터부(150)는 도펀트 프리 패시베이티드 컨택 구조에 의해 형성된 선택적 정공 또는 전자 추출 전극층으로 형성될 수도 있으며, 또한 전면 전계부와 동일하게 이중막 구조로 형성될 수도 있다.
후면 에미터부(150)가 이중막 구조로 형성될 경우, 후면 에미터부(150)는 후면 패시베이션막과 직접 접촉하며 반도체 기판의 도전성과 반대인 p형(반도체 기판이 n형인 경우) 또는 n형(반도체 기판이 p형인 경우) 비정질 실리콘으로 형성된 하부막 및 하부막 위에 위치하며 정공(반도체 기판이 n형인 경우) 또는 전자(반도체 기판이 p형인 경우)를 선택적으로 추출 및 수집하는 금속 산화물로 형성된 상부막을 포함할 수 있다.
그리고 하부막(140B) 및 후면 에미터부(150)에 각각 서로 다른 도전성 타입을 부여하기 위한 불순물로는 보론(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등의 3족 원소를 포함하는 p형 불순물과, 인(P), 비소(As), 비스무스(Bi), 안티몬(Sb) 등의 5족 원소를 포함하는 n형 불순물이 있다.
반도체 기판과 반대의 도전성 타입을 갖는 에미터부(150)가 반도체 기판의 후면에 형성되면, 반도체 기판 자체를 통해 다수 캐리어(majority carrier)를 전면 전극으로 전송할 수 있으므로, 전면 전극의 핑거 전극을 후면 전극의 핑거 전극에 비해 넓은 피치로 형성하더라도 전면 전극 구조로 인해 발생할 수 있는 저항 손실을 크게 줄일 수 있으므로 곡선인자 향상에 매우 유리하다. 이러한 전극 구조에 대해 설명한다.
전면 전계부(140) 위에는 전면 전극(160)이 위치(일 예로, 접촉)하고, 후면 에미터부(150) 위에는 후면 전극(170)이 위치(일 예로, 접촉)한다.
전면 전극(160)은 전면 전계부(140) 위에 차례로 적층되는 전면 투명 전극(1601) 및 전면 금속 전극(1602)을 포함할 수 있다.
이때, 전면 투명 전극(1601)은 전면 전계부(140) 위에서 전체적으로 형성(일 예로, 접촉)될 수 있다.
여기에서, 전체적으로 형성된다고 함은, 빈 공간 또는 빈 영역 없이 전면 전계부(140)의 전체를 덮는 것뿐만 아니라, 불가피하게 일부 부분이 형성되지 않는 경우를 포함할 수 있다.
이와 같이 전면 투명 전극(1601)이 전면 전계부(140) 위에 전체적으로 형성되면, 캐리어가 전면 투명 전극(1601)을 통하여 쉽게 전면 금속 전극(1602)까지 도달할 수 있어, 수평 방향에서의 저항을 줄일 수 있다.
이와 같이 전면 투명 전극(1601)이 전면 전계부(140) 위에서 전체적으로 형성되므로, 전면 투명 전극(1601)은 인듐-주석 산화물(indium tin oxide, ITO), 알루미늄-아연 산화물(aluminum zinc oxide, AZO), 보론-아연 산화물(boron zinc oxide, BZO), 인듐-텅스텐 산화물(indium tungsten oxide, IWO) 및 인듐-세슘 산화물(indium cesium oxide, ICO) 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 전면 투명 전극(1601)은 상기 물질들 이외의 다양한 물질을 포함할 수 있다.
전면 투명 전극(1601)은 상술한 물질을 주요 물질로 하면서 수소를 포함할 수 있다. 즉, 전면 투명 전극(1601)은 수소를 포함하는 인듐-틴 산화물(ITO:H), 수소를 포함하는 알루미늄-아연 산화물(AZO:H), 수소를 포함하는 보론-아연 산화물(BZO:H), 수소를 포함하는 인듐-텅스텐 산화물(IWO:H) 및 수소를 포함하는 인듐-세슘 산화물(ICO:H) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전면 투명 전극(1601)은 증착에 의하여 형성될 수 있는데, 증착 시에 수소 가스를 함께 주입하면 전면 투명 전극(1601)에 수소가 포함될 수 있다.
이와 같이 전면 투명 전극(1601)이 수소를 포함하면 전자 또는 정공의 이동도(mobility)가 개선될 수 있으며 투과도가 향상될 수 있다.
전면 투명 전극(1601) 위에 위치하는 전면 금속 전극(1602)은 전면 투명 전극(1601)보다 우수한 전기 전도도를 갖는 물질로 구성될 수 있다.
이에 의하여 전면 금속 전극(1602)에 의한 캐리어 수집 효율, 저항 저감 등의 특성을 좀더 향상할 수 있다. 일 예로, 전면 금속 전극(1602)은 우수한 전기 전도도를 가지는 불투명한 또는 전면 투명 전극(1601)보다 투명도가 낮은 금속으로 구성될 수 있다.
이와 같이 전면 금속 전극(1602)은 불투명하거나 투명도가 낮아 광의 입사를 방해할 수 있으므로 쉐이딩 손실(shading loss)를 최소화할 수 있도록 일정한 패턴을 가질 수 있다.
전면 금속 전극(1602)은 저온 소성(일 예로, 300℃ 이하의 공정 온도의 소성)에 의하여 소성될 수 있는 물질로 구성될 수 있다.
일 예로, 전면 금속 전극(1602)은 유리 프릿(glass frit)을 구비하지 않고, 전도성 물질과 수지(바인더, 경화제, 첨가제)만을 포함할 수 있다. 전도성 물질은 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 등을 포함할 수 있으며, 수지는 셀룰오스계 또는 페놀릭계 등의 바인더, 아민계 등의 경화제 등을 포함할 수 있다.
전면 금속 전극(1602)이 전면 투명 전극(1601)에 접촉하여 형성되므로, 본 실시예의 이종 접합 태양전지를 제조할 때 절연막 등을 관통하는 파이어 스루(fire-through)가 요구되지 않는다.
이와 달리, 전면 금속 전극(1602)은 도금에 의하여 형성될 수도 있다.
전면 금속 전극(1602)의 평면 형상을 도 2를 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 도 1에 도시한 이종 접합 태양전지(100)의 전면 금속 전극(1602)의 평면도이다.
도 2를 참조하면, 전면 금속 전극(1602)은 제1 방향(X-X)으로 연장되며 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향(Y-Y)을 따라 일정한 피치(P1)를 가지면서 서로 이격되는 복수의 핑거 전극(160a)과, 핑거 전극들(160a)과 교차하는 방향으로 연장되어 핑거 전극들(160a)을 물리적 및 전기적으로 연결하는 버스바 전극(160b)을 포함할 수 있다. 이러한 버스 전극(160b)은 하나만 구비될 수도 있고, 도 2에 도시된 바와 같이, 핑거 전극(160a)의 피치(P1)보다 더 큰 피치를 가지면서 복수 개로 구비될 수도 있다.
이때, 핑거 전극(160a)의 폭보다 버스바 전극(160b)의 폭이 클 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 버스바 전극(160b)의 폭이 핑거 전극(160a)의 폭과 동일하거나 그보다 작은 폭을 가질 수 있다.
도 2에서는 핑거 전극(160a)이 서로 평행하며 반도체 기판(110)의 가장자리에 대해 평행한 것을 예시하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
후면 전극(170)은 전면 전극(160)와 동일한 구조로 형성될 수 있다. 즉, 후면 전극(170)은 후면 투명 전극(1701)과, 후면 금속 전극(1702)을 포함할 수 있으며, 후면 금속 전극(1702)은 제1 방향으로 연장되며 제2 방향을 따라 서로 이격된 복수의 핑거 전극(170a)과, 복수의 핑거 전극(170a)과 교차하는 방향으로 연장된 버스바 전극(170b)을 포함할 수 있다.
다만, 이 경우, 핑거 전극(170a)의 피치(P2)는 핑거 전극(160a)의 피치(P1)보다 작게 형성될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시예에서는 이종 접합 태양전지(100)의 전면 및 후면 전극(160, 170) 중에 불투명한 또는 금속을 포함하는 전면 및 후면 금속 전극(1602, 1702)이 일정한 패턴을 가져 반도체 기판(110)의 전면 및 후면으로 광이 입사될 수 있는 양면 수광형(bi-facial) 구조를 가진다.
그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 후면 전극(170)의 후면 금속 전극(1702)이 반도체 기판(110)의 후면 쪽에서 전체적으로 형성되는 구조를 가지는 것도 가능하다.
전면 투명 전극(1601)의 두께는 후면 투명 전극(1701)의 두께보다 크게 형성될 수 있다. 즉, 전면 투명 전극(1601)이 광의 반사를 방지할 수 있는 반사 방지막으로서의 역할을 할 수 있도록 상대적으로 큰 두께를 가지고, 반사 방지막으로서의 역할이 크게 필요하지 않은 후면 투명 전극(1701)은 상대적으로 작은 두께를 가질 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 이종 접합 태양전지에 대해 설명한다.
본 실시예의 이종 접합 태양전지(100-1)를 설명함에 있어서, 전면 전계부(140-1)의 구성을 제외한 나머지 구성은 전술한 제1 실시예와 동일 또는 극히 유사하므로, 이에 대한 상세한 설명을 생략하고 서로 다른 부분에 대해서만 상세하게 설명한다.
전술한 제1 실시예의 이종 접합 태양전지(100)에 있어서, 전면 전계부(140)의 상부막(140A)과 하부막(140B)는 서로 다른 물질로 형성되었다.
그러나, 본 실시예의 이종 접합 태양전지(100-1)에 있어서, 전면 전계부(140-1)의 상부막(140A-1)과 하부막(140B-1)은 서로 동일한 물질로 형성되며, 전기 전도도를 향상시키기 위한 제1 또는 제2 불순물의 함유량 차이로 인해 서로 다른 전기 전도도(또는 캐리어 농도)를 갖는다.
이에 대해 구체적으로 설명하면, 본 실시예의 이종 접합 태양전지(100-1)에 있어서, 전면 전계부(140-1)는 니오븀(Nb)과 탄탈륨(Ta)을 포함하는 5족 원소 중에서 선택된 적어도 하나를 제1 불순물로 함유하는 티타늄 산화물, 또는 알루미늄(Al)과 갈륨(Ga)을 포함하는 13족 원소 중에서 선택된 적어도 하나를 제2 불순물로 함유하는 아연 산화물로 형성되는 상부막(140A-1)과, 상기 제1 불순물을 함유하지 않는 티타늄 산화물, 또는 상기 제2 불순물을 함유하지 않는 아연 산화물로 형성되는 하부막(140B-1)으로 이루어질 수 있다.
이때, 제1 또는 제2 불순물은 각각 0.1% 내지 10%의 비율로 함유될 수 있다.
이와 달리, 전면 전계부(140-1)의 하부막(140B-1)은 상기 제1 불순물을 상기 상부막(140A-1)에 비해 적게 함유하는 티타늄 산화물, 또는 상기 제2 불순물을 상기 상부막(140A-1)에 비해 적게 함유하는 아연 산화물로 형성될 수도 있다.
이때, 상부막(140A-1)에 함유되는 제1 또는 제2 불순물은 0.1% 내지 10%의 비율로 각각 함유될 수 있으며, 하부막(140B-1)에 함유되는 제1 또는 제2 불순물은 각각 0.1% 내지 10%의 비율 내에서 상부막(140A-1)에 비해 낮은 비율로 함유될 수 있다.
이와 같이, 전기 전도도를 향상시키기 위한 제1 또는 제2 불순물을 상부막(140A-1)만 포함하거나, 상부막(140A-1)과 하부막(140B-1)이 제1 또는 제2 불순물을 각각 포함하되, 하부막(140B-1)에 함유되는 제1 또는 제2 불순물이 상부막(140A-1)에 함유되는 제1 또는 제2 불순물에 비해 낮은 비율로 함유되므로, 상부막(140A-1)의 전기 전도도(또는 캐리어 농도)는 하부막(140B-1)의 전기 전도도(또는 캐리어 농도)보다 높게 형성된다.
따라서, 전면 투명 전극(1601)과 전면 전계부(140-1)의 접촉 저항이 낮아진다.
그리고, 하부막(140B-1)의 산소 함유량은 상부막(140A-1)의 산소 함유량보다 높게 형성된다.
따라서, 하부막(140B-1)의 저항이 상부막(140A-1)의 저항보다 높게 형성되므로, 하부막(140B-1)이 전계부로 작용한다.
이러한 구성의 전면 전계부를 구비한 이종 접합 태양전지는 전술한 제1 실시예에 비해 전면 전계부에서 발생하는 빛 흡수 손실을 더욱 감소시킬 수 있어 전술한 제1 실시예에 비해 단락전류밀도를 더욱 증가시킬 수 있다.
아래의 표 1은 시뮬레이터를 이용하여 비교예와 실시예 1 및 2의 Light I-V를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
아래의 표 1에서, 비교예의 이종 접합 태양전지는 프론트 에미터 구조를 갖는 패시베이티드 컨택 구조의 이종 접합 태양전지로서, n형의 결정질 반도체 기판, 진성 비정질 실리콘으로 형성되며 반도체 기판의 전면 및 후면에 각각 위치하는 전면 패시베이션막 및 후면 패시베이션막, 전면 패시베이션막 위에 위치하며 p형 비정질 실리콘으로 형성되는 에미터부, 후면 패시베이션막 위에 위치하며 n형 비정질 실리콘으로 형성되는 후면 전계부를 포함하는 이종 접합 태양전지이다.
그리고 실시예 1의 이종 접합 태양전지는 본원 발명의 제1 실시예에 따른 이종 접합 태양전지로서, n형의 결정질 반도체 기판, 진성 비정질 실리콘으로 형성되며 반도체 기판의 전면 및 후면에 각각 위치하는 전면 패시베이션막 및 후면 패시베이션막, 전면 패시베이션막 위에 위치하며 n형 비정질 실리콘으로 형성되는 하부막 및 상기 하부막 위에 위치하며 제1 불순물(니오븀)이 도핑된 티타늄 산화막으로 형성되는 상부막을 포함하는 전면 전계부, 후면 패시베이션막 위에 위치하며 p형 비정질 실리콘으로 형성되는 후면 에미터부를 포함하는 이종 접합 태양전지이다.
그리고 실시예 2의 이종 접합 태양전지는 본원 발명의 제2 실시예에 따른 이종 접합 태양전지로서, n형의 결정질 반도체 기판, 진성 비정질 실리콘으로 형성되며 반도체 기판의 전면 및 후면에 각각 위치하는 전면 패시베이션막 및 후면 패시베이션막, 전면 패시베이션막 위에 위치하며 제1 불순물(니오븀)이 제1 도핑 농도로 도핑된 티타늄 산화막으로 형성되는 하부막 및 상기 하부막 위에 위치하며 제1 불순물(니오븀)이 제1 도핑 농도보다 큰 제2 도핑 농도로 도핑된 티타늄 산화막으로 형성되는 상부막을 포함하는 전면 전계부, 후면 패시베이션막 위에 위치하며 p형 비정질 실리콘으로 형성되는 후면 에미터부를 포함하는 이종 접합 태양전지이다.
Normalized Light I-V parameters
(Solar simulator 1.5G)
Voc FF Jsc Eff
비교예 1.000 1.000 1.000 1.000
실시예 1 1.001 1.014 1.029 1.045
실시예 2 1.001 1.014 1.037 1.053
상기 [표 1]은 비교예의 이종 접합 태양전지의 개방전압(Voc), 곡선인자(FF), 단락전류밀도(Jsc), 및 효율(Eff)를 각각 1로 볼 때, 실시예 1 및 2의 이종 접합 태양전지의 상기 파라미터들의 증가량을 기재한 것이다.
[표 1]에서 알 수 있듯이, 실시예 1의 이종 접합 태양전지는 개방전압(Voc), 곡선인자(FF), 단락전류밀도(Jsc)가 비교예에 비해 각각 0.1%, 1.4% 및 2.9% 증가하고, 이에 따라 비교예에 비해 효율(Eff)이 4.5%만큼 개선된 것을 알 수 있다.
그리고 실시예 2의 이종 접합 태양전지는 개방전압(Voc), 곡선인자(FF), 단락전류밀도(Jsc)가 비교예에 비해 각각 0.1%, 1.4% 및 3.7% 증가하고, 이에 따라 비교예에 비해 효율(Eff)이 5.5%만큼 개선된 것을 알 수 있으며, 실시예 1에 비해 단락전류밀도(Jsc)가 증가하여 실시예 1에 비해 효율이 더욱 개선된 것을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 태양전지 110: 반도체 기판
120: 전면 패시베이션막 130: 후면 패시베이션막
140: 전면 전계부 150: 후면 에미터부
160: 전면 전극 170: 후면 전극

Claims (17)

  1. 빛이 입사하는 전면 및 상기 전면의 반대쪽에 위치하는 후면을 포함하며, 제1 도전성 타입으로 이루어지는 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 상기 전면 위에 위치하는 전면 패시베이션막;
    상기 반도체 기판의 상기 후면 위에 위치하는 후면 패시베이션막;
    상기 전면 패시베이션막 위에 위치하고, 상기 반도체 기판과 이종 접합을 형성하며, 상기 반도체 기판에서 생성된 다수 캐리어를 수집하는 전면 전계부;
    상기 후면 패시베이션막 위에 위치하고, 상기 반도체 기판과 이종 접합을 형성하며, 상기 제1 도전성 타입의 반대인 제2 도전성 타입으로 이루어져 상기 반도체 기판에서 생성된 소수 캐리어를 수집하는 후면 에미터부;
    상기 전면 전계부 위에 위치하고, 상기 전면 전계부와 전기적으로 연결되는 전면 전극; 및
    상기 후면 에미터부 위에 위치하고, 상기 후면 에미터부와 전기적으로 연결되는 후면 전극
    을 포함하며,
    상기 전면 전계부는 상기 전면 패시베이션막 위에 위치하는 상부막 및 상기 전면 패시베이션막과 상기 상부막 사이에 위치하는 하부막을 포함하고,
    상기 상부막과 상기 하부막은 상기 반도체 기판의 도전성 타입과 서로 동일한 상기 제1 도전성 타입으로 각각 이루어지며,
    상기 상부막은 금속 산화물로 형성되며,
    상기 전면 전극은 상기 상부막 위에 위치하는 전면 투명 전극 및 상기 전면 투명 전극 위에 위치하는 전면 금속 전극을 포함하는 이종 접합 태양전지.
  2. 제1항에서,
    상기 후면 전극은 상기 후면 에미터부 위에 위치하는 후면 투명 전극 및 상기 후면 투명 전극 위에 위치하는 후면 금속 전극을 포함하는 이종 접합 태양전지.
  3. 제2항에서,
    상기 전면 금속 전극과 상기 후면 금속 전극은 제1 방향으로 연장되며 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라 서로 이격된 복수의 핑거 전극을 각각 포함하고,
    상기 전면 금속 전극의 핑거 전극들 사이의 간격은 상기 후면 금속 전극의 핑거 전극들 사이의 간격보다 크게 형성되는 이종 접합 태양전지.
  4. 제3항에서,
    상기 전면 패시베이션막과 상기 후면 패시베이션막은 진성 비정질 실리콘으로 형성되는 이종 접합 태양전지.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에서,
    상기 반도체 기판은 n형 불순물을 함유하는 결정질 실리콘 웨이퍼로 이루어지며, 상기 상부막은 4.5eV 이하의 일함수 및 2.9eV 이상의 광학적 밴드갭을 갖는 금속 산화물로 형성되는 이종 접합 태양전지.
  6. 제5항에서,
    상기 상부막은 니오븀(Nb)과 탄탈륨(Ta)을 포함하는 5족 원소 중에서 선택된 적어도 하나를 제1 불순물로 함유하는 티타늄 산화물, 상기 제1 불순물을 함유하지 않는 티타늄 산화물, 알루미늄(Al)과 갈륨(Ga)을 포함하는 13족 원소 중에서 선택된 적어도 하나를 제2 불순물로 함유하는 아연 산화물, 또는 상기 제2 불순물을 함유하지 않는 아연 산화물 중에서 선택된 어느 하나로 형성되는 이종 접합 태양전지.
  7. 제6항에서,
    상기 하부막은 0.5nm 내지 2nm의 두께를 갖는 n형 비정질 실리콘으로 형성되고,
    상기 상부막은 5nm 내지 20nm의 두께로 형성되는 이종 접합 태양전지.
  8. 제7항에서,
    상기 후면 에미터부는 p형 불순물을 함유하는 비정질 실리콘으로 형성되는 이종 접합 태양전지.
  9. 제8항에서,
    상기 하부막의 두께는 상기 후면 에미터부의 두께보다 작게 형성되는 이종 접합 태양전지.
  10. 제8항에서,
    상기 후면 에미터부는 8nm 내지 18nm의 두께로 형성되는 이종 접합 태양전지.
  11. 제5항에서,
    상기 상부막은 니오븀(Nb)과 탄탈륨(Ta)을 포함하는 5족 원소 중에서 선택된 적어도 하나를 제1 불순물로 함유하는 티타늄 산화물, 또는 알루미늄(Al)과 갈륨(Ga)을 포함하는 13족 원소 중에서 선택된 적어도 하나를 제2 불순물로 함유하는 아연 산화물로 형성되는 이종 접합 태양전지.
  12. 제11항에서,
    상기 하부막은 상기 제1 불순물을 함유하지 않는 티타늄 산화물, 또는 상기 제2 불순물을 함유하지 않는 아연 산화물로 형성되는 이종 접합 태양전지.
  13. 제12항에서,
    상기 하부막의 산소 함유량은 상기 상부막의 산소 함유량보다 높은 이종 접합 태양전지.
  14. 제11항에서,
    상기 하부막은 상기 제1 불순물을 상기 상부막에 비해 적게 함유하는 티타늄 산화물, 또는 상기 제2 불순물을 상기 상부막에 비해 적게 함유하는 아연 산화물로 형성되는 이종 접합 태양전지.
  15. 제14항에서,
    상기 하부막의 산소 함유량은 상기 상부막의 산소 함유량보다 높은 이종 접합 태양전지.
  16. 제1항에서,
    상기 전면 전계부와 상기 후면 에미터부는 서로 다른 층 구조를 갖는 이종 접합 태양전지.
  17. 제1항에서,
    상기 전면 전계부와 상기 후면 에미터부는 서로 동일한 층 구조를 갖는 이종 접합 태양전지.
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