KR102098705B1 - P형 및 n형 공존 웨이퍼 제조방법, 이에 의해 제조된 p형 및 n형 공존 웨이퍼, p형 및 n형 공존 웨이퍼를 이용한 태양전지 제조방법 및 이에 의해 제조된 태양전지 - Google Patents
P형 및 n형 공존 웨이퍼 제조방법, 이에 의해 제조된 p형 및 n형 공존 웨이퍼, p형 및 n형 공존 웨이퍼를 이용한 태양전지 제조방법 및 이에 의해 제조된 태양전지 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 일실시예는 P형 및 N형 공존 웨이퍼 제조방법, 이에 의해 제조된 P형 및 N형 공존 웨이퍼, P형 및 N형 공존 웨이퍼를 이용한 태양전지 제조방법 및 이에 의해 제조된 태양전지를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 P형 및 N형 공존 웨이퍼에서의 P형 도핑 영역 및 N형 도핑 영역은 기판의 수평방향으로 불순물 도핑 농도 구배가 형성된 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 P형 및 N형 공존 웨이퍼 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 P형 및 N형 공존 웨이퍼 제조방법, 이에 의해 제조된 P형 및 N형 공존 웨이퍼, P형 및 N형 공존 웨이퍼를 이용한 태양전지 제조방법 및 이에 의해 제조된 태양전지에 관한 것이다.
태양전지(solar cell)는 태양의 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 기술이다. 태양전지는 태양광을 직접 전기로 광전변환시키는 태양광 발전의 핵심소자로서, 기본적으로 p-n 접합으로 이루어진 다이오드(diode)라 할 수 있다.
태양광이 태양전지에 의해 전기로 변환되는 과정을 살펴보면, 태양전지의 반도체층에 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되고, 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 이동하게 되어 p-n 접합부 사이에 광기전력이 발생되며, 이 때 태양전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산할 수 있게 된다.
일반적으로 태양전지는 실리콘 태양전지와 박막 태양전지로 구분할 수 있는데, 실리콘 태양전지는 실리콘과 같은 반도체 물질 자체를 기판으로 이용하여 태양전지를 제조한 것이고, 박막 태양전지는 유리 등과 같은 기판 상에 CIGS계 화합물을 박막의 형태로 형성하여 제조한 것이다.
한편 하기 식 1은 태양전지 소자의 전류-전압 특성에 관한 식이다.
[식 1]
I=I0(eqV /kT-1)-IL
여기서, I0는 포화전류 값이고, IL은 부하 전류(load current) 값이고, q는 전자의 전하, V는 다이오드에 걸리는 전압, k는 볼츠만 상수, T는 다이오드 접합에서의 절대온도이다.
상기 식 1을 참조하면, 태양전지 소자의 전류값에 대한 태양전지 diode 수식에서 I0(eqV /kT-1) 값은 다이오드 전류(diode current)라고 칭하며, 이 값을 줄이는 것이 고전류를 얻는데 중요하게 작용한다. 특히 I0 (포화전류)의 값을 줄이는 것이 중요하다.
따라서, I0 (포화전류)의 값을 줄일 수 있는 기술에 대한 연구가 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 웨이퍼 내의 도핑물질을 조절하여 포화전류값을 감소시킬 수 있는 P형 및 N형 공존 웨이퍼 제조방법 및 이 제조방법에 의해 제조된 P형 및 N형 공존 웨이퍼를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 P형 및 N형 공존 웨이퍼를 이용한 태양전지 제조방법 및 이 제조방법에 의해 제조된 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 P형 및 N형 공존 웨이퍼 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 P형 및 N형 공존 웨이퍼 제조방법은 기판 상에 상기 기판의 수평방향으로 P형 도핑된 실리콘 입자들 및 N형 도핑된 실리콘 입자들을 교대로 도포하여 P 형 입자 영역 및 N형 입자 영역이 교대로 형성된 패턴을 형성하는 단계 및 상기 패턴이 형성된 기판을 가열부에 통과시켜 상기 P형 도핑된 실리콘 입자들 및 N형 도핑된 실리콘 입자들이 녹게 되고 냉각되면서 상기 P 형 입자 영역 및 N형 입자 영역을 P형 도핑 영역 및 N형 도핑 영역으로 형성하는 단계를 포함하고, 상기 P형 도핑 영역 및 N형 도핑 영역은 상기 기판의 수평방향으로 불순물 도핑 농도 구배가 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기판은 온도 저항성을 가진 기판인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기판은 SiC, SiNx 또는 SiOx가 코팅된 글래스인 것을 특징으로 한다. 상기 x는 양의 실수이다.
또한, 상기 P 형 입자 영역 및 N형 입자 영역을 P형 도핑 영역 및 N형 도핑 영역으로 형성하는 단계에서, 상기 P형 도핑된 실리콘 입자들 및 N형 도핑된 실리콘 입자들이 녹게 되고 냉각되면서 도핑물질의 편석계수에 따라 상기 기판의 수평방향으로 상기 P형 도핑 영역 및 N형 도핑 영역의 불순물 도핑 정도가 달라지는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 P형 및 N형 공존 웨이퍼를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 P형 및 N형 공존 웨이퍼는 기판, 상기 기판 상에 상기 기판의 수평방향으로 교대로 위치하는 P형 도핑 영역 및 N형 도핑 영역을 포함하고, P형 도핑 영역 및 N형 도핑 영역은 상기 기판의 수평방향으로 불순물 도핑 정도가 다른 불순물 도핑 농도 구배가 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기판은 온도 저항성을 가진 기판인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기판은 SiC, SiNx 또는 SiOx가 코팅된 글래스인 것을 특징으로 한다. 상기 x는 양의 실수이다.
또한, 상기 P형 도핑 영역은 P형 도핑된 실리콘 영역이고, 상기 N형 도핑 영역은 N형 도핑된 실리콘 영역인 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 태양전지 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 태양전지 제조방법은 상술한 P형 및 N형 공존 웨이퍼 제조방법에 의해 제조된 P형 및 N형 공존 웨이퍼를 준비하는 단계, 상기 P형 및 N형 공존 웨이퍼에서 상기 기판을 제거하여 상기 P형 도핑 영역 및 N형 도핑 영역을 활성층으로 준비하는 단계, 상기 활성층 상부에 에미터층을 형성하는 단계 및 상기 활성층 하부에 후면전계층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 에미터층을 형성하는 단계 및 상기 후면전계층을 형성하는 단계 사이에, 상기 에미터층 상에 제1 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 활성층 하부에 후면전계층을 형성하는 단계 이후에, 상기 상기 후면전계층 하부에 제2 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 후면전계층은 P형 반도체층이고, 상기 에미터층은 N형 반도체층인 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 태양전지 를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 태양전지는 수평방향으로 교대로 위치하는 P형 도핑 영역 및 N형 도핑 영역을 포함하는 활성층, 상기 활성층 상부에 위치하는 에미터층, 상기 활성층 하부에 위치하는 후면전계층, 상기 에미터층 상에 위치하는 제1 전극 및 상기 후면전계층 하부에 위치하는 제2 전극을 포함하고, 상기 P형 도핑 영역 및 N형 도핑 영역은 상기 활성층의 수평방향으로 불순물 도핑 농도 구배가 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 P형 도핑 영역은 P형 도핑된 실리콘 영역이고, 상기 N형 도핑 영역은 N형 도핑된 실리콘 영역인 것을 특징으로 한다.
상기 후면전계층은 P형 반도체층이고, 상기 에미터층은 N형 반도체층인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, P형 및 N형 공존 웨이퍼 제조방법을 제공할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 P형 및 N형 공존 웨이퍼에서 P형 도핑 영역 및 N형 도핑 영역은 기판의 수평방향으로 불순물 도핑 농도 구배가 형성될 수 있다. 이에 따라 확산 전류(diffusion current)를 드리프트 전류(drift current)로 바꾸어 주게 되어 포화전류값(I0)이 줄어든다.
따라서, 이러한 P형 및 N형 공존 웨이퍼를 이용한 태양전지를 제조함으로써 고전류를 갖는 태양전지를 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 P형 및 N형 공존 웨이퍼 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 P형 및 N형 공존 웨이퍼 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 P형 및 N형 공존 웨이퍼 제조방법을 나타낸 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 P형 및 N형 공존 웨이퍼를 이용한 태양전지를 나타낸 일 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 P형 및 N형 공존 웨이퍼를 이용한 태양전지의 전류흐름을 나타낸 일 단면도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 P형 및 N형 공존 웨이퍼 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 P형 및 N형 공존 웨이퍼 제조방법을 나타낸 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 P형 및 N형 공존 웨이퍼를 이용한 태양전지를 나타낸 일 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 P형 및 N형 공존 웨이퍼를 이용한 태양전지의 전류흐름을 나타낸 일 단면도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 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 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 P형 및 N형 공존 웨이퍼 제조방법을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 P형 및 N형 공존 웨이퍼 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 P형 및 N형 공존 웨이퍼 제조방법은 기판 상에 P형 입자 영역 및 N형 입자 영역이 교대로 형성된 패턴을 형성하는 단계(S110) 및 상기 패턴이 형성된 기판을 가열부에 통과시켜 P형 입자 영역 및 N형 입자 영역을 P형 도핑 영역 및 N형 도핑 영역으로 형성하는 단계(S120)를 포함할 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 P형 및 N형 공존 웨이퍼 제조방법을 나타낸 단면도들이다. 도 2 및 도 3을 함께 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 P형 및 N형 공존 웨이퍼 제조방법을 설명한다.
도 2를 참조하면, 먼저, 기판(100) 상에 P형 입자 영역(210) 및 N형 입자 영역(220)이 교대로 형성된 패턴을 형성한다(S110).
구체적 예로, 기판(100) 상에 상기 기판(100)의 수평방향으로 P형 도핑된 실리콘 입자들(10) 및 N형 도핑된 실리콘 입자들(20)을 교대로 도포하여 P 형 입자 영역(210) 및 N형 입자 영역(220)이 교대로 형성된 패턴을 형성할 수 있다.
이때, P형 도핑된 실리콘 입자들(10) 및 N형 도핑된 실리콘 입자들(20)을 적어도 1회 이상 교대로 도포할 수 있다.
이때의 기판(100)은 온도 저항성을 가진 기판(100)인 것을 특징으로 한다. 이는 실리콘 입자들을 가열시켜 녹이는 과정에서 기판(100)이 녹지 않아야 하기 때문이다. 예를 들어, 이때의 기판(100)은 800 ℃ 내지 1400 ℃의 온도에서 녹지 않고 견딜 수 있는 온도 저항성을 가진 기판(100)을 사용하는 것이 바람직하다.
구체적 예를 들어, 온도 저항성을 가진 기판(100)은 SiC, SiNx 또는 SiOx가 코팅된 글래스일 수 있다.
또한, 이때의 P형 도핑된 실리콘 입자들(10)은 P형 불순물이 도핑된 실리콘 입자들이다. 따라서 이때의 P형 불순물은 5가 물질일 수 있다. 구체적 예로, 이때의 P형 불순물은 B, Al, Ga 또는 In을 포함할 수 있다.
예를 들어, 이러한 P형 도핑된 실리콘 입자들(10)은 EG-Si(Electronic Grade-Silicon)을 석출한 후 이를 볼밀링법 등 공지된 방법을 이용하여 분쇄하여 실리콘 입자를 형성한 후, P형 불순물을 도핑하여 제조할 수 있다.
또한, 이때의 N형 도핑된 실리콘 입자들(20)은 N형 불순물이 도핑된 실리콘 입자들이다. 따라서 이때의 N형 불순물은 3가 물질일 수 있다. 구체적 예로, 이때의 N형 불순물은 P, As 또는 Sb를 포함할 수 있다.
예를 들어, 이러한 N형 도핑된 실리콘 입자들(20)은 EG-Si(Electronic Grade-Silicon)을 석출한 후 이를 볼밀링법 등 공지된 방법을 이용하여 분쇄하여 실리콘 입자를 형성한 후, N형 불순물을 도핑하여 제조할 수 있다.
또한, 기판(100) 상에 상기 기판(100)의 수평방향으로 P형 도핑된 실리콘 입자들(10) 및 N형 도핑된 실리콘 입자들(20)을 교대로 도포하는 방법으로 스크린 프린팅법(Screen printing), 스프레이법(spray) 또는 스핀코팅법(Spin coating)을 수행하여 형성할 수 있다.
그 다음에, 도 3을 참조하면, 상기 패턴이 형성된 기판(100)을 가열부에 통과시켜 상기 P형 입자 영역(210) 및 N형 입자 영역(220)을 P형 도핑 영역(310) 및 N형 도핑 영역(320)으로 형성한다(S120).
이때의 가열부(heat source)는 P형 도핑된 실리콘 입자들(10) 및 N 형 도핑된 실리콘 입자들(20)을 녹일 수 있는 온도를 갖는 것이 바람직하다.
일반적인 실리콘 녹는점은 약 1400 ℃이다. 이러한 실리콘이 입자형태로서 입자의 크기가 작아질수록 녹는점은 1400 ℃보다 낮아질 수 있다. 즉, 실리콘 입자가 나노입자가 될 경우 녹는점은 더 낮아질 수 있다.
이에, 예컨대 가열부의 온도는 800 ℃ 내지 1400 ℃로 설정할 수 있다.
예를 들어, 상기 패턴이 형성된 기판(100)을 가열부에 통과시켜 상기 P형 도핑된 실리콘 입자들(10) 및 N형 도핑된 실리콘 입자들(20)이 녹게 되고 냉각되면서 상기 P 형 입자 영역(210) 및 N형 입자 영역(220)을 P형 도핑 영역(310) 및 N형 도핑 영역(320)으로 형성할 수 있다.
한편, 다른 실시예로서, 기판(100) 상에 가열부를 기판(100)의 일측에서 타측으로 이동시켜 P형 도핑 영역(310) 및 N형 도핑 영역(320)을 형성할 수도 있다.
따라서, 이때의 P형 도핑 영역(310)은 P형 도핑된 실리콘 영역이고, 상기 N형 도핑 영역(320)은 N형 도핑된 실리콘 영역이 될 수 있다.
따라서, 이때의 P형 도핑 영역(310) 및 N형 도핑 영역(320)은 상기 기판(100)의 수평방향으로 불순물 도핑 농도 구배가 형성된 것을 특징으로 한다. 따라서, P형 및 N형 도핑 영역이 공존하며, 불순물 도핑 농도 구배가 형성된 그래디언트 웨이퍼(gradient wafer)를 제조할 수 있다.
이는, 상기 P형 도핑된 실리콘 입자들(10) 및 N형 도핑된 실리콘 입자들(20)이 녹게 되고 냉각되면서 도핑물질의 편석계수(segregation coefficient)에 따라 상기 기판(100)의 수평방향으로 상기 P형 도핑 영역(310) 및 N형 도핑 영역(320)의 불순물 도핑 정도가 달라지는 것을 특징으로 한다.
편석이란 금속과 합금에 있어 성분 원소, 불순물 등이 국부적으로 농축 또는 묽어지는 현상을 말한다.
따라서, P형 도핑된 실리콘 입자들(10) 및 N형 도핑된 실리콘 입자들(20)이 가열부를 지나가면서 녹게 되고 다시 냉각되는 과정에서, 도핑물질의 편석계수(segregation coefficient)에 따라 P형 도핑 영역(310) 내에서 가열부를 먼저 통과하여 먼저 냉각되는 영역의 도핑 농도가 낮고 가열부를 나중에 통과하여 나중에 냉각되는 영역의 도핑 농도가 높게 된다.
마찬가지로 N형 도핑 영역(320) 내에서 가열부를 먼저 통과하여 먼저 냉각되는 영역의 도핑 농도가 낮고 가열부를 나중에 통과하여 나중에 냉각되는 영역의 도핑 농도가 높게 된다.
예컨대, P형 도핑 영역(310) 및 N형 도핑 영역(320)은 각각 일방향으로 불순문 도핑농도가 증가하는 농도구배가 형성될 수 있다.
따라서, 기판(100)의 수평방향으로 상기 P형 도핑 영역(310) 및 N형 도핑 영역(320) 각각의 불순물 도핑 정도가 달라짐으로써, 웨이퍼 내의 확산 전류(diffusion current)를 드리프트 전류(drift current)로 바꾸어 줄 수 있다.
즉, 웨이퍼 내의 도핑물질의 농도 차이를 주어 Minority carrier가 한 방향으로 흐르도록 유도함으로써 웨이퍼 내의 확산 전류(diffusion current)가 드리프트 전류(drift current)로 바뀌게 되는 것이다.
이러한 확산 전류(diffusion current)는 다이오드 전류(diode current)에 해당하며, 확산 전류(diffusion current)를 드리프트 전류(drift current)로 바꾸어 주면 결국 포화전류(I0)의 값이 줄어든다. 따라서, 이를 통해 고전류 특성을 갖는 태양전지 소자를 제공할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 P형 및 N형 공존 웨이퍼 제조방법을 나타낸 개념도이다.
도 4를 참조하면, 특정한 온도 저항성을 가진 기판(100) 상에 P형으로 도핑된 실리콘 구형입자들과 N형으로 도핑된 실리콘 구형 입자들을 교대로 도포하여 P형 도핑 영역(210) 및 N형 도핑 영역(220)이 교대로 위치하는 패턴을 형성한다.
이렇게 패턴이 형성된 기판(100)을 가열부(Heat source)를 통과시키면 P형 도핑된 실리콘 입자들 및 N형 도핑된 실리콘 입자들이 녹게 되고 냉각되면서 상기 P 형 입자 영역(210) 및 N형 입자 영역(220)을 P형 도핑 영역(310) 및 N형 도핑 영역(320)으로 형성할 수 있다. 이때, 도핑물질의 편석계수(segregation coefficient)에 따라 상기 기판(100)의 수평방향으로 상기 P형 도핑 영역(310) 및 N형 도핑 영역(320)의 불순물 도핑 정도가 달라지게 되는 바, 불순물 도핑 농도 구배가 형성된 그래디언트 웨이퍼(Gradient wafer)를 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 P형 및 N형 공존 웨이퍼를 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 P형 및 N형 공존 웨이퍼는 상술한 본 발명 P형 및 N형 공존 웨이퍼 제조방법에 의해 제조된 웨이퍼일 수 있다. 따라서, 도 3을 참조하여 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 P형 및 N형 공존 웨이퍼는 기판(100), 상기 기판(100) 상에 상기 기판(100)의 수평방향으로 교대로 위치하는 P형 도핑 영역(310) 및 N형 도핑 영역(320)을 포함하고, P형 도핑 영역(310) 및 N형 도핑 영역(320)은 상기 기판의 수평방향으로 불순물 도핑 정도가 다른 불순물 도핑 농도 구배가 형성된 것을 특징으로 한다.
이때의 기판(100)은 온도 저항성을 가진 기판인 것을 특징으로 한다. 이는 실리콘 입자들을 가열시켜 녹이는 과정에서 기판이 녹지 않아야 하기 때문이다. 예를 들어, 이때의 기판(100)은 800 ℃ 내지 1400 ℃의 온도에서 녹지 않고 견딜 수 있는 온도 저항성을 가진 기판을 사용하는 것이 바람직하다.
구체적 예를 들어, 온도 저항성을 가진 기판(100)은 SiC, SiNx 또는 SiOx가 코팅된 글래스일 수 있다.
이때의 P형 도핑영역(310)은 P형 도핑된 실리콘 영역이고, 상기 N형 도핑 영역(320)은 N형 도핑된 실리콘 영역일 수 있다.
따라서, P형 도핑영역(310)이 P형 도핑된 실리콘 영역인 경우, 이때의 P형 불순물은 B, Al, Ga 또는 In을 포함할 수 있다.
또한, N형 도핑영역(320)이 N형 도핑된 실리콘 영역인 경우, 이때의 N형 불순물은 P, As 또는 Sb를 포함할 수 있다.
이때, 상기 기판의 수평방향으로 P형 도핑 영역(310) 및 N형 도핑 영역(320)이 적어도 1회 이상 교대로 위치할 수 있다.
도 3에서는 P형 도핑 영역(310) 및 N형 도핑 영역(320)이 2회 교대로 위치한 예를 도시하였으나, 이에 한정되지 않는다.
이때, 상기 P형 도핑 영역(310)은 P형 도핑된 실리콘 영역이고, 상기 N형 도핑 영역(320)은 N형 도핑된 실리콘 영역인 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 태양전지 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 태양전지 제조방법은 상술한 P형 및 N형 공존 웨이퍼 제조방법에 의해 제조된 P형 및 N형 공존 웨이퍼를 준비하는 단계, 상기 P형 및 N형 공존 웨이퍼에서 상기 기판을 제거하여 상기 P형 도핑 영역 및 N형 도핑 영역을 활성층으로 준비하는 단계, 상기 활성층 상부에 에미터층을 형성하는 단계 및 상기 활성층 하부에 후면전계층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
먼저 상술한 P형 및 N형 공존 웨이퍼 제조방법에 의해 제조된 P형 및 N형 공존 웨이퍼를 준비한다.
그 다음에, 상기 P형 및 N형 공존 웨이퍼에서 상기 기판을 제거하여 상기 P형 도핑 영역 및 N형 도핑 영역을 활성층으로 준비한다.
예를 들어, 이때 기판을 제거하는 방법은 습식 에칭법 또는 건식 에칭법 등 공지된 방법을 수행하여 제거할 수 있다.
그 다음에 이러한 활성층 상부에 에미터층을 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 에미터층은 N형 반도체층일 수 있다.
이러한 에미터층은 적층-확산 공정법 또는 이온 주입 방법(ion implanting)을 이용하여 활성층 상부에 형성할 수 있다. 한편, 이에 한정되지 않고, 공지된 다양한 방법을 수행하여 에미터층을 형성할 수 있다.
예를 들어, 활성층 상부에 APCVD(atmosphere pressure chemical vapor deposition), PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 또는 LPCVD(low pressure chemical vapor deposition)를 이용하여 N형 불순물을 포함하는 도핑소스층을 적층한 후, 확산공정을 실시하여 N형 반도체층인 에미터층을 형성할 수 있다. 예를 들어, 이때의 N형 불순물은 P, As 또는 Sb를 포함할 수 있다.
그 다음에, 이러한 활성층 하부에 후면전계층을 형성할 수 있다. 이때의 후면전계층은 P형 반도체층일 수 있다.
이러한 후면전계층은 적층-확산 공정법 또는 이온 주입 방법(ion implanting)을 이용하여 활성층 하부에 형성할 수 있다. 한편, 이에 한정되지 않고, 공지된 다양한 방법을 수행하여 후면전계층을 형성할 수 있다.
예를 들어, 활성층 하부에 APCVD(atmosphere pressure chemical vapor deposition), PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 또는 LPCVD(low pressure chemical vapor deposition)를 이용하여 p형 불순물을 포함하는 도핑소스층을 적층한 후, 확산공정을 실시하여 p형 반도체층인 후면전계층을 형성할 수 있다. 예를 들어, 이때의 P형 불순물은 B, Al, Ga 또는 In을 포함할 수 있다.
또한, 상기 에미터층을 형성하는 단계 및 상기 후면전계층을 형성하는 단계 사이에, 상기 에미터층 상에 제1 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 경우에 따라 후면전계층을 형성하는 단계 이후에, 상기 에미터층 상에 제1 전극을 형성할 수도 있다.
예를 들어, 제1 전극(600)은 Al, Au, Cu, Pt, Ag, W, Ni, Zn, Ti, Zr, Hf, Cd, Pd 및 이들의 합금 중에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 전극은 스퍼터링법(sputtering), 진공증착법(evaporation), 유기 금속 화학 기상 증착법(metal organic chemical vapour deposition; MOCVD) 또는 분자빔 에피택시법(molecular beam epitaxy; MBE) 등을 이용하여 형성할 수 있다.
또한, 상기 활성층 하부에 후면전계층을 형성하는 단계 이후에, 상기 상기 후면전계층 하부에 제2 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 제2 전극(700)은 Mo, Al, Au, Cu, Pt, Ag, W, Ni, Zn, Ti, Zr, Hf, Cd, Pd 및 이들의 합금 중에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 제2 전극은 스퍼터링법(sputtering), 진공증착법(evaporation), 유기 금속 화학 기상 증착법(metal organic chemical vapour deposition; MOCVD) 또는 분자빔 에피택시법(molecular beam epitaxy; MBE) 등을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 태양전지를 제공한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 P형 및 N형 공존 웨이퍼를 이용한 태양전지를 나타낸 일 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지는 수평방향으로 교대로 위치하는 P형 도핑 영역(310) 및 N형 도핑 영역(320)을 포함하는 활성층(300), 상기 활성층(300) 상부에 위치하는 에미터층(400), 상기 활성층(300) 하부에 위치하는 후면전계층(500), 상기 에미터층(400) 상에 위치하는 제1 전극(600) 및 상기 후면전계층(500) 하부에 위치하는 제2 전극(700)을 포함하고, 상기 P형 도핑 영역(310) 및 N형 도핑 영역(320)은 각각 상기 활성층의 수평방향으로 불순물 도핑 농도 구배가 형성된 것을 특징으로 한다.
활성층(300)은 수평방향으로 교대로 위치하는 P형 도핑 영역(310) 및 N형 도핑 영역(320)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이때의 P형 도핑 영역(310)은 P형 도핑된 실리콘 영역이고, N형 도핑 영역(320)은 N형 도핑된 실리콘 영역일 수 있다.
특히, 본 발명은 활성층(300)을 구성하는 P형 도핑 영역(310) 및 N형 도핑 영역(320)은 활성층(300)의 수평방향으로 불순물 도핑 농도 구배가 형성된 것을 특징으로 한다. 따라서, 이러한 불순물 도핑 농도 구배가 형성됨으로써, 활성층(300) 내의 확산 전류(diffusion current)를 드리프트 전류(drift current)로 바꾸어 주게 되어 포화전류값(I0)이 줄어든다. 따라서, 고전류를 갖는 태양전지를 제공할 수 있다.
또한, 활성층(300) 내에서, 상호 인접하는 P형 도핑 영역(310) 및 N형 도핑 영역(320)은 P-N 접합을 이룬다. 상기 P-N 접합으로 인해 발생하는 내부 전위차(built-inpotential difference)로 인해 활성층(300)에 입사된 빛에 의해 생성된 전하인 전자-정공 쌍은 전자와 정공으로 분리되어 전자는 N형 도핑 영역(320) 쪽으로 이동하고 정공은 P형 도핑 영역(310) 쪽으로 이동할 것이다.
또한, 에미터층(400)은 상기 활성층(300) 상부에 위치할 수 있다. 예를 들어, 이러한 에미터층(400)은 N형 반도체층일 수 있다.
따라서, 에미터층(400)이 N형 반도체층인 경우, 에미터층(400)과 활성층(300)의 P형 도핑 영역(310)은 P-N 접합을 이룬다.
또한, 후면전계층(500)은 상기 활성층(300) 하부에 위치할 수 있다. 예를 들어, 이러한 후면전계층(500)은 P형 반도체층일 수 있다.
따라서, 후면전계층(500)이 P형 반도체층인 경우, 후면전계층(500)과 활성층(300)의 N형 도핑영역(320)은 P-N 접합을 이룬다.
또한, 제1 전극(600)은 상기 에미터층(400) 상에 위치할 수 있다.
제1 전극(600)은 상술한 P-N 접합부에서 발생한 전자를 수집하는 캐소드(cathode)의 역할을 수행할 수 있다. 제1 전극(600)은 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 이러한 제1 전극(600)은 금속 또는 이들의 함금으로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 제1 전극(600)은 Al, Au, Cu, Pt, Ag, W, Ni, Zn, Ti, Zr, Hf, Cd, Pd 및 이들의 합금 중에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 제2 전극(700)은 상기 후면전계층(500) 하부에 위치할 수 있다.
제2 전극(700)은 상술한 P-N 접합부에서 발생한 정공을 수집하는 애노드(anode) 역할을 수행할 수 있다. 따라서, 제2 전극(700)은 낮은 저항을 가지는 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 이러한 제2 전극(700)은 금속 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 제2 전극(700)은 Mo, Al, Au, Cu, Pt, Ag, W, Ni, Zn, Ti, Zr, Hf, Cd, Pd 및 이들의 합금 중에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 P형 및 N형 공존 웨이퍼를 이용한 태양전지의 전류흐름을 나타낸 일 단면도이다.
도 6을 참조하면, 활성층(300) 내의 P형 도핑 영역(310) 및 N형 도핑 영역(320)은 P-N 접합을 이룬다. 상기 P-N 접합으로 인해 발생하는 내부 전위차로 인해 활성층(300)에 입사된 빛에 의해 생성된 전하인 전자-정공 쌍은 전자(e)와 정공(h)으로 분리되어 전자는 N형 도핑 영역(320) 쪽으로 이동한 후 제1 전극(600)으로 이동하고 정공은 P형 도핑 영역(310) 쪽으로 이동한 후 제2 전극(700)으로 이동할 것이다.
또한, 도 6에서는 p형 도핑 영역(310)과 N형 도핑 영역(320)사이의 계면은 도면에 실제계면이라고 도시된 바와 같이 반듯하지 않다. 이는 열에 의한 확산으로 인해 웨이퍼 내의 온도 분포가 일정하지 않고 확산에 의해 계면이 형성 되기 때문이다.
본 발명의 실시예에 따르면, P형 및 N형 공존 웨이퍼 제조방법을 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 P형 및 N형 공존 웨이퍼에서 P형 도핑 영역 및 N형 도핑 영역은 기판의 수평방향으로 불순물 도핑 농도 구배가 형성될 수 있다. 이에 따라 확산 전류(diffusion current)를 드리프트 전류(drift current)로 바꾸어 주게 되어 포화전류값(I0)이 줄어든다.
따라서, 이러한 P형 및 N형 공존 웨이퍼를 이용한 태양전지를 제조함으로써 고전류를 갖는 태양전지를 제공할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: P형 도핑된 실리콘 입자 20: N형 도핑된 실리콘 입자
100: 기판 210: P형 입자 영역
220: N형 입자 영역 300: 활성층
310: P형 도핑 영역 320: N형 도핑 영역
400: 에미터층 500: 후면전계층
600: 제1 전극 700: 제2 전극
100: 기판 210: P형 입자 영역
220: N형 입자 영역 300: 활성층
310: P형 도핑 영역 320: N형 도핑 영역
400: 에미터층 500: 후면전계층
600: 제1 전극 700: 제2 전극
Claims (15)
- 기판 상에 상기 기판의 수평방향으로 P형 도핑된 실리콘 입자들 및 N형 도핑된 실리콘 입자들을 교대로 도포하여 P 형 입자 영역 및 N형 입자 영역이 교대로 형성된 패턴을 형성하는 단계; 및
상기 패턴이 형성된 기판을 가열부에 통과시켜 상기 P형 도핑된 실리콘 입자들 및 N형 도핑된 실리콘 입자들이 녹게 되고 냉각되면서 상기 P 형 입자 영역 및 N형 입자 영역을 P형 도핑 영역 및 N형 도핑 영역으로 형성하는 단계를 포함하고,
상기 P형 도핑 영역 및 N형 도핑 영역은 상기 기판의 수평방향으로 불순물 도핑 농도 구배가 형성된 것을 특징으로 하는 P형 및 N형 공존 웨이퍼 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 기판은 온도 저항성을 가진 기판인 것을 특징으로 하는 P형 및 N형 공존 웨이퍼 제조방법. - 제2항에 있어서,
상기 기판은 SiC, SiNx 또는 SiOx가 코팅된 글래스인 것을 특징으로 하고, 상기 x는 양의 실수인 것인 P형 및 N형 공존 웨이퍼 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 P 형 입자 영역 및 N형 입자 영역을 P형 도핑 영역 및 N형 도핑 영역으로 형성하는 단계에서, 상기 P형 도핑된 실리콘 입자들 및 N형 도핑된 실리콘 입자들이 녹게 되고 냉각되면서 도핑물질의 편석계수에 따라 상기 기판의 수평방향으로 상기 P형 도핑 영역 및 N형 도핑 영역의 불순물 도핑 정도가 달라지는 것을 특징으로 하는 P형 및 N형 공존 웨이퍼 제조방법. - 기판; 및
상기 기판 상에 상기 기판의 수평방향으로 교대로 접하여 위치하는 P형 도핑 영역 및 N형 도핑 영역을 포함하고,
상기 P형 도핑 영역 및 N형 도핑 영역은 상기 기판의 수평방향으로 불순물 도핑 정도가 다른 불순물 도핑 농도 구배가 형성된 것을 특징으로 하는 P형 및 N형 공존 웨이퍼. - 제5항에 있어서,
상기 기판은 온도 저항성을 가진 기판인 것을 특징으로 하는 P형 및 N형 공존 웨이퍼. - 제6항에 있어서,
상기 기판은 SiC, SiNx 또는 SiOx가 코팅된 글래스인 것을 특징으로 하고, 상기 x는 양의 실수인 것인 P형 및 N형 공존 웨이퍼. - 제5항에 있어서,
상기 P형 도핑 영역은 P형 도핑된 실리콘 영역이고, 상기 N형 도핑 영역은 N형 도핑된 실리콘 영역인 것을 특징으로 하는 P형 및 N형 공존 웨이퍼. - 제1항의 P형 및 N형 공존 웨이퍼 제조방법에 의해 제조된 P형 및 N형 공존 웨이퍼를 준비하는 단계;
상기 P형 및 N형 공존 웨이퍼에서 상기 기판을 제거하여 상기 P형 도핑 영역 및 N형 도핑 영역을 활성층으로 준비하는 단계;
상기 활성층 상부에 에미터층을 형성하는 단계; 및
상기 활성층 하부에 후면전계층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 에미터층을 형성하는 단계 및 상기 후면전계층을 형성하는 단계 사이에,
상기 에미터층 상에 제1 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 태양전지 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 활성층 하부에 후면전계층을 형성하는 단계 이후에,
상기 상기 후면전계층 하부에 제2 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 태양전지 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 후면전계층은 P형 반도체층이고, 상기 에미터층은 N형 반도체층인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법. - 수평방향으로 교대로 위치하는 P형 도핑 영역 및 N형 도핑 영역을 포함하는 활성층;
상기 활성층 상부에 위치하는 에미터층;
상기 활성층 하부에 위치하는 후면전계층;
상기 에미터층 상에 위치하는 제1 전극; 및
상기 후면전계층 하부에 위치하는 제2 전극을 포함하고,
상기 P형 도핑 영역 및 N형 도핑 영역은 상기 활성층의 수평방향으로 불순물 도핑 농도 구배가 형성된 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제13항에 있어서,
상기 P형 도핑 영역은 P형 도핑된 실리콘 영역이고, 상기 N형 도핑 영역은 N형 도핑된 실리콘 영역인 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제13항에 있어서,
상기 후면전계층은 P형 반도체층이고, 상기 에미터층은 N형 반도체층인 것을 특징으로 하는 태양전지.
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