KR102103999B1 - 전하선택접촉접합 실리콘 태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전하 선택 접촉층으로 아이오딘화 구리 박막을 이용하는 전하선택접촉접합 실리콘 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전하선택접촉접합 실리콘 태양전지는, 도전형 실리콘 기판; 상기 도전형 실리콘 기판의 상면과 하면에 각각 위치하는 제1 및 제2 패시베이션층; 상기 제1 패시베이션층 상면에 형성되는 정공 선택 접촉층; 상기 정공 선택 접촉층 상면에 형성되는 상부 투명 전극; 상기 상부 투명 전극 상부에 형성되는 상부 금속 전극; 상기 제2 패시베이션층 하면에 형성되는 전자 선택 접촉층; 상기 전자 선택 접촉층 하면에 형성되는 하부 금속 전극;을 포함하되, 상기 정공 선택 접촉층은, 정공의 선택적 이동을 위하여 아이오딘 박막의 상면과 하면에 아이오딘화 구리 박막이 겹쳐진 샌드위치 구조 다층막을 저온 열처리하여 단일막의 아이오딘화 구리 박막인 것을 특징으로 한다.

Description

전하선택접촉접합 실리콘 태양전지 및 그 제조 방법{Carrier Selective Contact Silicon Solar Cell And Method For The Same}
본 발명은 전하 선택 접촉층으로 아이오딘화 구리 박막을 이용하는 전하선택접촉접합 실리콘 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
태양전지는 일반적으로 n형 실리콘 기판 상에 p형 실리콘 박막(p형 반도체층)이 형성된 구조를 이루는데, 이때 p형 실리콘 박막은 p형 불순물의 도핑에 의해 형성된다. 이에, 실리콘 기판의 하층부는 n형 반도체층으로 남고, 상층부는 p형 반도체층을 이루게 되어 p-n 접합부를 구성한다. 그리고 실리콘 기판의 전후면에는 p-n 접합부에 의해 광생성된 정공 및 전자를 포집하기 위한 금속 전극이 형성된다.
태양전지는 실리콘 기판 표면의 패시베이션 특성을 향상시켜 전자 또는 정공과 같은 전하의 재결합율을 감소시켜 태양전지의 광전변환 효율을 극대화시키는 것이 중요하다.
전하선택형접촉 태양전지(carrier selective contact;CSC)는 에너지 밴드에서 전자 또는 정공 한쪽에 대해 장벽 높이(barrier height)에 의한 움직임을 제어하거나 블록킹(blocking) 또는 터널링(tunneling)을 통해 선택적으로 전하를 수집할 수 있는 구조를 가지고 있다. CSC는 금속접촉에서 전하의 재결합이 최소화되고 효과적으로 전하를 이송시키기 위하여 이종접합(heterojuction) 기술을 이용한다.
이종접합 기술을 이용한 실리콘 태양전지의 일 예로서, 일본공개특허 제2012-234847호(2012.11.29 공개)에는 실리콘계 반도체층 상에 탄소계 박막을 형성하고 그 위에 도전성 산화물층을 형성함으로써 광전변화 효율을 향상시키는 기술이 개시되어 있다.
CSC는 전자에 대한 선택형 접촉을 ESC(electron selective contact), 정공에 대한 선택형 접촉을 HSC(hole selective contact), 그리고 전자와 정공 양쪽 모두에 대한 선택형 접촉을 EHSC(electron and hole selective contact)으로 분류한다.
태양전지 제조시에 p형 반도체층의 형성을 위한 보론(boron)의 도핑이 필요하나, 보론 도핑 공정은 공정비용이 높은 문제가 있다.
최근에는 정공 선택 접촉층(HSC)으로 전이금속 산화물(transition metal oxide;TMO)을 이용함으로써 p형 반도체층의 형성을 위한 보론의 도핑을 대체하는 연구개발이 이루어지고 있다. 예를 들어 n형 실리콘 기판위에 MoOx을 증착시킨 MoOx/Si 태양전지에 대한 연구가 진행되고 있으나 MoOx의 열악한 표면 패시베이션 특성으로 인하여 변환효율이 낮아 이를 개선하기 위한 노력이 계속되고 있다.
일본공개특허 제2012-234847호
없음
본 발명의 목적은 저온 열처리를 통하여 아이오딘화 구리 박막을 형성하여 강력한 p형 반도체 특성을 유지함으로써 광전변환 효율을 향상할 수 있는 전하선택접촉접합 실리콘 태양전지 및 그 제조 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 샌드위치 구조로 얇은 아이오딘화 구리박막들 사이에 개재된 아이오딘 박막의 두께에 따라 아이오딘 소스의 조성비를 쉽게 조절할 수 있는 전하선택접촉접합 실리콘 태양전지 및 그 제조 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전하선택접촉접합 실리콘 태양전지는, 도전형 실리콘 기판; 상기 도전형 실리콘 기판의 상면과 하면에 각각 위치하는 제1 및 제2 패시베이션층; 상기 제1 패시베이션층 상면에 형성되는 정공 선택 접촉층; 상기 정공 선택 접촉층 상면에 형성되는 상부 투명 전극; 상기 상부 투명 전극 상부에 형성되는 상부 금속 전극; 상기 제2 패시베이션층 하면에 형성되는 전자 선택 접촉층; 상기 전자 선택 접촉층 하면에 형성되는 하부 금속 전극;을 포함하되, 상기 정공 선택 접촉층은, 정공의 선택적 이동을 위하여 아이오딘 박막의 상면과 하면에 아이오딘화 구리 박막이 겹쳐진 샌드위치 구조 다층막을 저온 열처리하여 단일막의 아이오딘화 구리 박막인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 샌드위치 구조 다층막의 아이오딘화 구리 박막은 5~15nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 샌드위치 구조 다층막의 아이오딘 박막은 1~10nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 단일막의 아이오딘화 구리 박막은 20nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 단일막의 아이오딘화 구리 박막의 조성비가 Cu:I=1:1인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 저온 열처리의 공정 분위기 온도는 100~200℃인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제1 및 제2 패시베이션층은 전자-정공의 재결합을 억제할 수 있도록 진성 비정질 실리콘 박막(a-Si:H)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 정공 선택 접촉층은 상기 도전형 실리콘 기판의 일 함수보다 높은 일 함수(Φ > 5.0 eV)의 물질로 형성되고, 상기 전자 선택 접촉층은 상기 도전형 실리콘 기판의 일 함수보다 낮은 일 함수(Φ < 3.8 eV)의 물질로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전하선택접촉접합 실리콘 태양전지의 제조 방법은, 도전형 불순물을 포함하는 도전형 실리콘 기판을 준비하는 도전형 실리콘 기판 준비 단계; 상기 도전형 실리콘 기판의 상면과 하면에 각각 제1 및 제2 패시베이션층을 형성하는 패시베이션층 형성 단계; 상기 제2 패시베이션층 하면에 전자 선택 접촉층을 형성하는 전자 선택 접촉층 형성 단계; 상기 제1 패시베이션층 상면에 정공 선택 접촉층을 형성하는 정공 선택 접촉층 형성 단계; 상기 정공 선택 접촉층 상면에 상부 투명 전극을 형성하는 상부 투명 전극 형성 단계; 상기 상부 투명 전극 상부에 상부 금속 전극을 형성하는 상부 금속 전극 형성 단계; 상기 전자 선택 접촉층 하면에 하부 금속 전극을 형성하는 하부 금속 전극 형성 단계;를 포함하되, 상기 정공 선택 접촉층 형성 단계는, 정공의 선택적 이동을 위하여 아이오딘 박막의 상면과 하면에 아이오딘화 구리 박막을 증착하여 샌드위치 구조 다층막을 형성하고, 상기 샌드위치 구조 다층막을 저온 열처리하여 단일막의 아이오딘화 구리 박막을 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 정공 선택 접촉층 형성 단계는 p형 반도체층 특성을 가지는 아이오딘화 구리 박막을 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 정공 선택 접촉층 형성 단계는 저온 열처리의 공정 분위기 온도가 100~200℃인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 정공 선택 접촉층 형성 단계는 단일막의 아이오딘화 구리 박막의 조성비가 Cu:I=1:1인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 전하선택접촉접합 실리콘 태양전지는 아이오딘화 공정에서 발생될 수 있는 아이오딘 결핍(iodine vacancy)을 방지할 수 있도록 저온 열처리를 통하여 아이오딘화 구리 박막을 형성하므로 정공 선택 접합층의 p 형 반도체 특성이 강화됨으로써 광전변환효율의 특성을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명은 저온 열처리에 의한 아이오딘화 공정시 아이오딘 소스가 상하부의 얇은 아이오딘화 박막에 주입되면서 샌드위치 구조의 다층막이 하나의 단일막으로 일체로 되어 제조 공정을 단순화할 수 있고, 얇은 아이오딘화 구리 박막들 사이에 개재된 아이오딘 박막의 두께에 따라 아이오딘 소스의 조성비를 쉽게 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전하선택접촉접합 실리콘 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 정공 선택 접촉층의 제조 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 아이오딘화 구리 박막의 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 아이오딘화 구리 박막의 원자퍼센트를 나타낸 테이블이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 아이오딘화 구리 박막의 전기적 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전하선택접촉접합 실리콘 태양전지 제조 방법의 공정도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명함으로써 본 발명을 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한 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.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전하선택접촉접합 실리콘 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 정공 선택 접촉층의 제조 공정을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전하선택접촉접합 실리콘 태양전지(100)는 제 1 도전형 실리콘 기판(110), 패시베이션층(120)(130), 전자 선택 접촉층(140), 정공 선택 접촉층(150), 상부 투명 전극(160), 상부 금속 전극(170), 및 하부 금속 전극(180)을 포함하여 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전하선택접촉접합 실리콘 태양전지(100)는 정공 선택 접촉층(150)으로 저온 열처리를 통하여 아이오딘화 구리 박막을 형성하여 강력한 p형 반도체 특성을 유지함으로써 전기 전도도가 우수하고, 패시베이션 특성이 우수하여 광전변환 효율이 향상될 수 있다.
상기 도전형 실리콘 기판(110)은 대략 평평한 상면과, 이의 반대면으로서 대략 평평한 하면을 포함하는 반도체 기판으로 형성될 수 있다. 상기 도전형 실리콘 기판(110)은 n형 불순물을 포함하는 결정질 실리콘 기판이며, 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 함유할 수 있다. 상기 도전형 실리콘 기판은(110)의 일 함수(work function)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만 전자 선택 접촉층(140)의 일 함수보다 크고 정공 선택 접촉층(150)의 일 함수보다 작은 예를 들면 Φ
Figure 112018107702190-pat00001
4.2 eV 가 될 수 있다.
상기 도전형 실리콘 기판(110)은 반사율을 감소시키고 광 포집 효율을 향상시키기 위하여 상면 또는 상면과 하면에 미세한 텍스처 구조를 구비할 수 있다. 상기 텍스처 구조는 산성 에칭과 같은 습식 에칭으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 도전형 실리콘 기판(110)의 상면 또는 하면이 텍스처 구조로 형성되는 경우에, 상면 또는 하면에 추가로 형성되는 박막들도 동일하게 텍스처 구조로 형성될 수 있다.
상기 패시베이션층(120)(130)은 전자-정공의 재결합을 억제할 수 있도록 도전형 실리콘 기판(110)의 상면과 하면에 형성될 수 있다. 상기 패시베이션층(120)(130)은 진성 비정질 실리콘 박막(a-Si:H)을 포함할 수 있다. 진성 비정질 실리콘 박막은 전자-정공의 개수가 현저히 적으므로 전자-정공의 재결합이 억제되어 열의 발생을 감소시키고, 전류의 손실을 감소시킬 수 있다.
상기 패시베이션층(120)(130)은 통상의 화학적 기상증착법(CVD), 상압 화학적 기상증착법(APCVD), 저압 화학적 기상증착법(LPCVD), 플라즈마 강화 화학적 기상증착법(PECVD), 원자층 증착법(ALD), 물리적 기상증착법(PVD), 스퍼터링 또는 고온증발 증착법 등으로 형성될 수 있다.
상기 전자 선택 접촉층(140)은 패시베이션층(130)의 하면에 형성될 수 있다. 상기 전자 선택 접촉층(140)은 전자의 선택적인 이동을 위한 전자수송층(electron-transfer layer)의 역할을 하는 것으로, 낮은 일 함수(Φ < 3.8 eV)의 물질로 금속, 산화금속, 알칼리 희토류 금속염(alkaline rare earth salt) 등으로 형성될 수 있다. 상기 전자 선택 접촉층(140)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, LiF, KF, CsF, TiO2, Cs2CO3, 등으로 형성될 수 있다. 상기 전자 선택 접촉층(140)은 전자를 선택적으로 이동시키면서 패시베이션 작용을 할 수 있다.
상기 정공 선택 접촉층(150)은 패시베이션층(120)의 상면에 형성될 수 있다. 상기 정공 선택 접촉층(150)은 정공의 선택적인 이동을 위한 정공수송층(hole-transfer layer)의 역할을 하는 것으로, 높은 일 함수(Φ > 5.0 eV)의 물질로 형성될 수 있다. 상기 정공 선택 접촉층(150)은 정공을 선택적으로 이동시키면서 패시베이션 작용을 할 수 있다.
상기 정공 선택 접촉층(150)은 20nm의 두께 정도로 형성될 수 있다. 상기 정공 선택 접촉층(150)의 두께가 너무 두꺼우면 접촉 저항이 증가될 수 있다. 또한 상기 정공 선택 접촉층(150)의 두께가 너무 얇으면 패시베이션 특성이 약해질 수 있다.
상기 정공 선택 접촉층(150)은 p형 반도체층 특성을 가지는 아이오딘화 구리 박막(CuI film)으로 형성될 수 있다. 상기 아이오딘화 구리 박막이 우수한 P형 반도체 특성을 유지하기 위해서는 아이오딘화 구리 박막에 주입되는 아이오딘 소스(I2)의 손실을 줄이는 것이 중요하며, 바람직하게는 아이오딘화 구리 박막의 조성비가 Cu:I=1:1 에서 우수한 p형 반도체 특성을 유지할 수 있다.
상기 패시베이션층(120)의 상면에 열진공 증착법(thermal evaporator)을 이용하여 원하는 두께의 아이오딘화 구리 박막을 형성하는 경우, 아이오딘 결핍(iodine vacancy)이 발생되어 p형 반도체 특성이 약해질 수 있다. 또한 스퍼터링(sputtering) 공정 또는 급속 열처리 공정(RTP)을 이용하여 아이오딘화 구리 박막을 형성하는 경우에는 하기의 문제가 걸림돌이 될 수 있다. 예를 들어 스퍼터링 공정을 이용하여 구리(Cu) 또는 아이오딘화 구리 박막(CuI film)에 아이오딘 소스(I2)를 주입하는 아이오딘화 공정 진행시 기존 형성된 박막에 손상을 초래하게 된다. 급속 열처리 공정을 이용하여 아이오딘화 구리 박막을 형성하는 경우에도 많은 양의 아이오딘 소스(I2)가 공기 중으로 날아가 아이오딘 결핍 현상이 발생하게 된다. 또한 원자층 증착법(ALD)을 이용하여 아이오딘화 구리 박막을 형성할 수 있으나, 아이오딘 소스는 고온 환경에서 휘발성이 강하여 아이오딘화 공정시 아이오딘 주입량이 부족하게 되며, 예를 들어 아이오딘화 구리 박막의 조성비가 Cu:I=1.2:0.8 에 불과하여 우수한 p형 반도체 특성을 유지하기 어렵다.
이에 본 발명의 실시예서는 아이오딘화 구리 박막(CuI film)을 형성하기 위한 아이오딘화 공정에서 주입되는 아이오딘 소스의 손실을 억제하고 기존 형성된 박막이 손상 받지 않도록 하기 위하여 새로운 아이오딘화 공정을 이용하여 원하는 두께의 아이오딘화 구리 박막에 대한 형성 방법을 제시하며, 이를 도 2에 따라 설명한다.
먼저 패시베이션층(120) 상면에 아이오딘 박막(Iodine film)(151)과 아이오딘화 구리 박막(CuI film)(152)을 증착하여 다층막을 형성한다. 아이오딘 박막(151)의 두께는 1~10nm 이고, 아이오딘화 구리 박막의 두께는 5~15nm 로 형성할 수 있다. 다층막은 아이오딘 박막(151)의 상면과 하면에 아이오딘화 구리 박막(152)이 겹쳐진 샌드위치 구조로 형성될 수 있다.
그런 다음 저온 열처리(100~200℃ annealing)하여 단일막으로 일체화된 아이오딘화 구리 박막(150)을 형성한다. 저온 열처리 진행하는 동안 아이오딘 소스(I2)가 아이오딘 박막(151)의 상면 및 하면에 위치한 아이오딘화 구리 박막(152)으로 확산된다. 이렇게 아이오딘 소스(I2)가 상면 및 하면으로 확산되어 최종의 아이오딘화 구리 박막(150)을 형성함에 따라 아이오딘화 구리 박막의 조성비가 Cu:I=1:1 을 충족할 수 있다.
이렇게 저온 열처리를 통하여 아이오딘화 구리 박막을 형성함으로써 강력한 p형 반도체 특성이 유지되어 전기 전도도가 우수하고, 패시베이션 특성이 우수한 정공 선택 접촉층(150)을 형성할 수 있고, 이에 따라 태양전지의 광전변환 효율이 향상될 수 있다. 또한 얇은 아이오딘화 구리박막들 사이에 개재된 아이오딘 박막의 두께에 따라 아이오딘 소스의 조성비를 쉽게 조절할 수 있다.
[시험예]
(공정 1) 진성 비정질 실리콘 박막(a-Si:H)이 상면과 하면에 증착된 n형 실리콘 기판을 준비한다.
(공정 2) 도 2에 도시한 바와 같이, 열진공 증착법(thermal evaporator)을 이용하여 진성 비정질 실리콘 박막(120)의 상면에 아이오딘화 구리 박막(152)을 15nm 두께로 증착한다.
(공정 3) 아이오딘화 구리 박막(152)의 상면에 아이오딘 용액(Iodine solution) 0.2ml를 스핀코팅(3000rpm) 하여 아이오딘 박막(151)을 증착한다.
(공정 4) 열진공 증착법(thermal evaporator)을 이용하여 아이오딘 박막(151)의 상면에 아이오딘화 구리 박막(152)을 15nm 두께로 증착한다.
(공정 5) 급속 열처리방법(RTP)을 이용하여 진공에서 저온 열처리(190℃) 하여, 일체화된 아이오딘화 구리 박막(150)을 형성한다.
[시험예]에서 형성된 아이오딘화 구리 박막에 대한 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 분석 결과, 도 3에 도시된 바와 같이, 종래 기술에서와 같은 단일막으로 형성된 아이오딘화 구리 박막(as-dep. CuI film)의 Binding Enegy(eV)(red line)과 본 발명에 따른 샌드위치 구조의 다층막을 저온 열처리하여 일체화된 아이오딘화 구리 박막(190℃ annealing)의 Binding Enegy(eV)(black line)은 비슷한 유형을 가진다.
도 4를 참고하여, 종래 기술에서 단일막으로 형성된 아이오딘화 구리 박막(as-dep. CuI film)의 아이오딘(I3d5)은 44.96%로서 조성비가 Cu:I=1.11:1 이고, 본 발명에 따른 샌드위치 구조의 다층막을 저온 열처리하여 일체화된 아이오딘화 구리 박막(190℃ annealing)의 아이오딘(I3d5)은 46.16%로서 조성비가 Cu:I=1.03:1 이다. 본 발명에 따르면 아이오딘화 구리 박막의 조성비가 Cu:I=1:1 에 매우 근접하고 있음을 확인할 수 있다.
따라서 본 발명에 따르면 일체화된 아이오딘화 구리 박막은 종래 기술보다 아이오딘 소스의 주입량이 증가하였음을 확인할 수 있다.
또한 도 5를 참고하여, 본 발명에 따른 샌드위치 구조의 다층막을 저온 열처리하여 일체화된 아이오딘화 구리 박막의 면저항(Rsheet(㏀/sq);□)은 종래 기술에서 단일막으로 형성된 아이오딘화 구리 박막의 면저항보다 낮아진 것을 확인할 수 있다. 면저항이 낮아지면 전기 전도도가 증가한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 면저항은 정공밀도와 전자이동도와 관련되어 있다. 본 발명에 따른 샌드위치 구조의 다층막을 저온 열처리하여 일체화된 아이오딘화 구리 박막의 정공밀도(ρ(×1019㎝-3);△)는 종래 기술에서 단일막으로 형성된 아이오딘화 구리 박막의 정공밀도보다 소폭 증가하고, 본 발명에 따른 샌드위치 구조의 다층막을 저온 열처리하여 일체화된 아이오딘화 구리 박막의 전자이동도(μ(㎝2V-1S-1);○)는 종래 기술에서 단일막으로 형성된 아이오딘화 구리 박막의 전자이동도보다 증가한 것을 확인할 수 있다.
[시험예]에 따르면, 샌드위치 구조의 다층막을 저온 열처리하여 일체화된 아이오딘화 구리 박막의 정공밀도와 전자이동도가 종래 기술에서 단일막으로 형성된 아이오딘화 구리 박막보다 증가함에 따라 면저항이 낮아져 p형 반도체 특성이 강화되었음을 확인할 수 있다.
상기 상부 투명 전극(160)은 정공 선택 접촉층(150)의 상면에 형성될 수 있다. 상기 상부 투명 전극(160)은 반사 방지 역할을 하는 동시에 전극 역할을 수행할 수 있다. 상기 상부 투명 전극(160)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, ITO(indium tin oxide) 또는 도핑된 ZnO 박막으로 형성될 수 있다.
상기 상부 금속 전극(170)은 상부 투명 전극(160)의 상부에 형성될 수 있다. 상기 상부 금속 전극(170)은 그리드 형태로 형성될 수 있다. 상기 상부 금속 전극(170)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 금, 은, 구리, 알루미늄, 니켈, 팔라듐의 단독 또는 합금으로 형성될 수 있다.
상기 하부 금속 전극(180)은 전자 선택 접촉층(140)의 하면에 형성될 수 있다. 상기 하부 금속 전극(180)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 금, 은, 구리, 알루미늄, 니켈, 팔라듐의 단독 또는 합금으로 형성될 수 있다.
도 6을 참고하여, 본 발명의 실시예에 따른 전하선택접촉접합 실리콘 태양전지 제조 방법은, 도전형 실리콘 기판 준비 단계(200), 패시베이션층 형성 단계(210), 전자 선택 접촉층 형성 단계(220), 정공 선택 접촉층 형성 단계(230), 상부 투명 전극 형성 단계(240), 상부 금속 전극 형성 단계(250), 하부 금속 전극 형성 단계(260)를 포함하여 이루어질 수 있다.
한편, 상기 전하선택접촉접합 실리콘 태양전지 제조 방법은 각 박막 또는 층들을 형성하는 추가 공정을 포함할 수 있다.
상기 전하선택접촉접합 실리콘 태양전지 제조 방법에 의한 전하선택접촉접합 실리콘 태양전지(100)는, 도전형 실리콘 기판(110)의 상부에 패시베이션층(120), 정공 선택 접촉층(150), 상부 투명 전극(160), 및 상부 금속 전극(170)이 순차적으로 형성되고, 도전형 실리콘 기판(110)의 하부에 패시베이션층(130), 전자 선택 접촉층(140), 및 하부 금속 전극(180)이 순차적으로 형성될 수 있다. 상기 전하선택접촉접합 실리콘 태양전지(100)는, 정공 선택 접촉층(150)으로 저온 열처리를 통하여 아이오딘화 구리 박막을 형성하여 강력한 p형 반도체 특성을 유지함으로써 전기 전도도가 우수하고, 패시베이션 특성이 우수하여 광전변환 효율이 향상될 수 있다.
상기 도전형 실리콘 준비 단계(200)는 도전형 불순물을 포함하는 도전형 실리콘 기판(100)을 준비하는 단계이다. 도전형 실리콘 기판(100)은 n형 불순물을 포함하는 결정질 실리콘 기판이며, 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 함유할 수 있다. 상기 도전형 실리콘 기판은(110)의 일 함수(work function)는, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만 전자 선택 접촉층(140)의 일 함수보다 크고 정공 선택 접촉층(150)의 일 함수보다 작은 예를 들면 Φ
Figure 112018107702190-pat00002
4.2 eV 로 할 수 있다.
상기 도전형 실리콘 기판(110)은 반사율을 감소시키고 광 포집 효율을 향상시키기 위하여 상면 또는 상면과 하면에 미세한 텍스처 구조를 구비할 수 있다. 상기 텍스처 구조는 산성 에칭과 같은 습식 에칭으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 도전형 실리콘 기판(110)의 상면 또는 하면이 텍스처 구조로 형성되는 경우에, 상면 또는 하면에 추가로 형성되는 박막들도 동일하게 텍스처 구조로 형성될 수 있다.
상기 패시베이션층 형성 단계(210)는 도전형 실리콘 기판(110)의 상면과 하면에 패시베이션층(120)(130)을 형성하는 단계이다. 상기 패시베이션층(120)(130)은 진성 비정질 실리콘 박막(a-Si:H)을 포함할 수 있다. 진성 비정질 실리콘 박막은 전자-정공의 개수가 현저히 적으므로 전자-정공의 재결합이 억제되어 열의 발생을 감소시키고, 전류의 손실을 감소시킬 수 있다.
상기 패시베이션층(120)(130)은 통상의 화학적 기상증착법(CVD), 상압 화학적 기상증착법(APCVD), 저압 화학적 기상증착법(LPCVD), 플라즈마 강화 화학적 기상증착법(PECVD), 원자층 증착법(ALD), 물리적 기상증착법(PVD), 스퍼터링 또는 고온증발 증착법 등으로 형성될 수 있다.
상기 전자 선택 접촉층 형성 단계(220)는 패시베이션층(130)의 하면에 상기 전자 선택 접촉층(140)을 형성하는 단계이다. 상기 전자 선택 접촉층(140)은 전자의 선택적인 이동을 위한 전자수송층(electron-transfer layer)의 역할을 하는 것으로, 낮은 일 함수(Φ < 3.8 eV)의 물질로 금속, 산화금속, 알칼리 희토류 금속염(alkaline rare earth salt) 등으로 형성될 수 있다. 상기 전자 선택 접촉층(140)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, LiF, KF, CsF, TiO2, Cs2CO3, 등으로 형성될 수 있다. 상기 전자 선택 접촉층(140)은 전자를 선택적으로 이동시키면서 패시베이션 작용을 할 수 있다.
상기 정공 선택 접촉층 형성 단계(230)는 패시베이션층(120)의 상면에 정공 선택 접촉층(150)을 형성하는 단계이다. 상기 정공 선택 접촉층(150)은 높은 일 함수(Φ > 5.0 eV)의 물질로 형성될 수 있다. 상기 정공 선택 접촉층(150)은 정공을 선택적으로 이동시키면서 패시베이션 작용을 할 수 있다.
상기 정공 선택 접촉층(150)은 20nm의 두께로 형성될 수 있다. 상기 정공 선택 접촉층(150)의 두께가 너무 두꺼우면 접촉 저항이 증가될 수 있다. 또한 상기 정공 선택 접촉층(150)의 두께가 너무 얇으면 패시베이션 특성이 약해질 수 있다.
상기 정공 선택 접촉층(150)은 p형 반도체층 특성을 가지는 아이오딘화 구리 박막(CuI film)으로 형성될 수 있다. 상기 아이오딘화 구리 박막이 우수한 P형 반도체 특성을 유지하기 위해서는 아이오딘화 구리 박막에 주입되는 아이오딘 소스(I2)의 손실을 줄이는 것이 중요하며, 바람직하게는 아이오딘화 구리 박막의 조성비가 Cu:I=1:1 에서 우수한 p형 반도체 특성을 유지할 수 있다.
본 발명의 실시예서는 아이오딘화 구리 박막(CuI film)을 형성하기 위한 아이오딘화 공정에서 주입되는 아이오딘 소스의 손실을 억제하고 기존 형성된 박막이 손상 받지 않도록 하기 위하여 새로운 아이오딘화 공정을 제시한다.
먼저 패시베이션층(120) 상면에 아이오딘 박막(Iodine film)(151)과 아이오딘화 구리 박막(CuI film)(152)을 증착하여 다층막을 형성한다. 다층막은 아이오딘 박막(151)의 상면과 하면에 아이오딘화 구리 박막(152)이 겹쳐진 샌드위치 구조로 형성될 수 있다. 아이오딘 박막(151)의 두께는 1~10nm 이고, 아이오딘화 구리 박막의 두께는 5~15nm 로 형성할 수 있다.
그런 다음 저온 열처리(100~200℃ annealing)하여 단일막으로 일체화된 아이오딘화 구리 박막(150)을 형성한다. 저온 열처리 진행하는 동안 아이오딘 소스(I2)가 아이오딘 박막(151)의 상면 및 하면에 위치한 아이오딘화 구리 박막(152)으로 확산된다. 이렇게 아이오딘 소스(I2)가 상면 및 하면으로 확산되어 최종의 아이오딘화 구리 박막(150)을 형성함에 따라 구리와 아이오딘의 조성비가 1:1로 조절될 수 있다.
이렇게 저온 열처리를 통하여 아이오딘화 구리 박막을 형성함으로써 강력한 p형 반도체 특성이 유지되어 전기 전도도가 우수하고, 패시베이션 특성이 우수한 정공 선택 접촉층(150)을 이용할 수 있고, 이에 따라 태양전지의 광전변환 효율이 향상될 수 있다. 또한 얇은 아이오딘화 구리박막들 사이에 개재된 아이오딘 박막의 두께에 따라 아이오딘 소스의 조성비를 쉽게 조절할 수 있다.
상기 상부 투명 전극 형성 단계(240)는 정공 선택 접촉층(150)의 상면에 상부 투명 전극(160)을 형성하는 단계이다. 상기 상부 투명 전극(160)은 반사 방지 역할을 하는 동시에 전극 역할을 수행할 수 있다. 상기 상부 투명 전극(160)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, ITO(indium tin oxide) 또는 도핑된 ZnO 박막으로 형성될 수 있다.
상기 상부 금속 전극 형성 단계(250)는 상부 투명 전극(160)의 상부에 상부 금속 전극(170)을 형성하는 단계이다. 상기 상부 금속 전극(170)은 그리드 형태로 형성될 수 있다. 상기 상부 금속 전극(170)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 금, 은, 구리, 알루미늄, 니켈, 팔라듐의 단독 또는 합금으로 형성될 수 있다.
상기 하부 금속 전극 형성 단계(260)는 전자 선택 접촉층(140)의 하면에 하부 금속 전극(180)을 형성하는 단계이다. 상기 하부 금속 전극(180)은, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만, 금, 은, 구리, 알루미늄, 니켈, 팔라듐의 단독 또는 합금으로 형성될 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.
즉, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 전하선택접촉접합 태양전지
110 : 도전형 실리콘 기판
120, 130 : 패시베이션층
140 : 전자 선택 접촉층
150 : 정공 선택 접촉층
151 : 아이오딘 박막
152 : 아이오딘화 구리 박막
160 : 상부 투명 전극
170 : 상부 금속 전극
180 : 하부 금속 전극

Claims (12)

  1. 도전형 실리콘 기판;
    상기 도전형 실리콘 기판의 상면과 하면에 각각 위치하는 제1 및 제2 패시베이션층;
    상기 제1 패시베이션층 상면에 형성되는 정공 선택 접촉층;
    상기 정공 선택 접촉층 상면에 형성되는 상부 투명 전극;
    상기 상부 투명 전극 상부에 형성되는 상부 금속 전극;
    상기 제2 패시베이션층 하면에 형성되는 전자 선택 접촉층;
    상기 전자 선택 접촉층 하면에 형성되는 하부 금속 전극;을 포함하되,
    상기 정공 선택 접촉층은, 정공의 선택적 이동을 위하여 p형 반도체층 특성을 가지고 아이오딘 박막의 상면과 하면에 아이오딘화 구리 박막이 겹쳐진 샌드위치 구조 다층막을 형성하고, 저온 열처리 공정에서 상기 아이오딘 박막이 아이오딘 소스(I2)로 작용하여 상기 아이오딘 소스(I2)가 상면과 하면으로 확산되어 최종적으로 단일막의 아이오딘화 구리 박막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전하선택접촉접합 실리콘 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 샌드위치 구조 다층막의 아이오딘화 구리 박막은 5~15nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 전하선택접촉접합 실리콘 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 샌드위치 구조 다층막의 아이오딘 박막은 1~10nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 전하선택접촉접합 실리콘 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단일막의 아이오딘화 구리 박막은 20nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 전하선택접촉접합 실리콘 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단일막의 아이오딘화 구리 박막의 조성비가 Cu:I=1:1인 것을 특징으로 하는 전하선택접촉접합 실리콘 태양전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 저온 열처리의 공정 분위기 온도는 100~200℃인 것을 특징으로 하는 전하선택접촉접합 실리콘 태양전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 패시베이션층은 전자-정공의 재결합을 억제할 수 있도록 진성 비정질 실리콘 박막(a-Si:H)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전하선택접촉접합 실리콘 태양전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 정공 선택 접촉층은 상기 도전형 실리콘 기판의 일 함수보다 높은 일 함수(Φ > 5.0 eV)의 물질로 형성되고,
    상기 전자 선택 접촉층은 상기 도전형 실리콘 기판의 일 함수보다 낮은 일 함수(Φ < 3.8 eV)의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 전하선택접촉접합 실리콘 태양전지.
  9. 도전형 불순물을 포함하는 도전형 실리콘 기판을 준비하는 도전형 실리콘 기판 준비 단계;
    상기 도전형 실리콘 기판의 상면과 하면에 각각 제1 및 제2 패시베이션층을 형성하는 패시베이션층 형성 단계;
    상기 제2 패시베이션층 하면에 전자 선택 접촉층을 형성하는 전자 선택 접촉층 형성 단계;
    상기 제1 패시베이션층 상면에 p형 반도체층 특성을 가지는 정공 선택 접촉층을 형성하는 정공 선택 접촉층 형성 단계;
    상기 정공 선택 접촉층 상면에 상부 투명 전극을 형성하는 상부 투명 전극 형성 단계;
    상기 상부 투명 전극 상부에 상부 금속 전극을 형성하는 상부 금속 전극 형성 단계;
    상기 전자 선택 접촉층 하면에 하부 금속 전극을 형성하는 하부 금속 전극 형성 단계;를 포함하되,
    상기 정공 선택 접촉층 형성 단계는, 상기 제1 패시베이션층 상면에 열진공 증착법을 이용하여 아이오딘화 구리 박막을 증착하고, 상기 아이오딘화 구리 박막 상면에 아이오딘 용액을 스핀 코팅하여 아이오딘 박막을 증착하며, 열진공 증착법을 이용하여 아이오딘 박막 상면에 아이오딘화 구리 박막을 증착하여 샌드위치 구조 다층막을 형성하며, 저온 열처리 공정에서 샌드위치 구조 다층막에 개재된 상기 아이오딘 박막이 아이오딘 소스(I2)로 작용하여 상기 아이오딘 소스(I2)가 상면과 하면으로 확산되어 최종적으로 단일막의 아이오딘화 구리 박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 전하선택접촉접합 실리콘 태양전지의 제조 방법.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 정공 선택 접촉층 형성 단계는 저온 열처리의 공정 분위기 온도가 100~200℃인 것을 특징으로 하는 전하선택접촉접합 실리콘 태양전지의 제조 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 정공 선택 접촉층 형성 단계는 단일막의 아이오딘화 구리 박막의 조성비가 Cu:I=1:1인 것을 특징으로 하는 전하선택접촉접합 실리콘 태양전지의 제조 방법.
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