KR102133174B1 - 태양전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 태양전지는 빛에너지에 의해 생성된 캐리어의 전기적 손실 및 입사되는 빛에너지에 대한 광학적 손실을 최소화할 수 있으며, 광전효율이 우수한 효과가 있다. 또한 본 발명에 따른 태양전지는 실리콘층의 표면 요철이 크더라도 단위 금속층의 결합이 견고하도록 할 수 있음에 따라 안정적이며 방향성 있는 전류 이동 경로를 제공할 수 있는 효과가 있다. 뿐만 아니라 본 발명에 따른 태양전지 및 이의 제조 방법은 대면적의 태양전지를 제공할 수 있고, 간단하면서도 대규모 공정 설비의 구축이 용이한 효과가 있다.
Description
본 발명은 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 환경문제와 천연자원의 고갈에 대한 관심이 높아지면서, 환경오염에 대한 문제가 없으며 에너지 효율이 높은 대체 에너지로서, 실리콘 기반의 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이중 n형 결정성 실리콘층에 p형 또는 n형 비정질 실리콘층과 진성(Intrinsic) 비정질 실리콘층이 수 nm의 두께로 적층된 p-n 접합 구조를 가지는 HIT(Heterojunction with Intrinsic Thinfilm) 셀 태양전지는 조사된 빛에 의해 생성된 전자-홀쌍(Electron-Hole Pair, EHP)의 재결합손실을 최소화하는 전기적 손실 감소가 필수적이다.
최근에는 금속 그리드 또는 금속 매쉬 형태의 금속층을 포함하는 HIT 태양전지가 주로 사용되고 있고 이에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다. 그러나 태양전지에 일반적으로 사용되는 실리콘층은 통상 요철(단차)이 크게 형성되어 있기 때문에 금속층(금속매쉬 전극)과 실리콘층과의 접합이 제대로 이루어지지 않는 문제가 있어, 이론 광전효율에 현저히 미치지 못하는 문제가 있다.
따라서 빛에너지에 의해 생성된 캐리어의 전기적 손실, 입사되는 빛에너지에 대한 광학적 손실을 최소화할 수 있어야 하며, 금속층과 실리콘층의 접합 등의 문제도 해결되어야 한다. 나아가 대면적의 태양전지를 제공할 수 있고, 간단하면서도 대규모 공정 설비의 구축이 용이한 태양전지 및 이의 제조 방법에 대한 연구가 여전히 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 빛에너지에 의해 생성된 캐리어의 전기적 손실 및 입사되는 빛에너지에 대한 광학적 손실을 최소화할 수 있는 태양전지 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 대면적의 태양전지를 제공할 수 있고, 간단하면서도 대규모 공정 설비의 구축이 용이한 태양전지 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 구체적 목적은 패시베이션 역할을 포함하는 층을 별도로 포함함에도 양자 역학 터널링 효과(Quantum mechanical tunneling effect)가 극대화되고, 전기적 손실 및 광학적 손실이 최소화되는 구조를 가지는 광전효율이 우수한 태양전지 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 구체적 목적은 실리콘층의 표면 요철이 크더라도 단위 금속층의 결합이 견고하도록 할 수 있음에 따라 안정적이며 방향성 있는 전류 이동 경로를 제공할 수 있는 태양전지 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 태양전지는 단위 적층체(100)를 포함하는 태양전지로서, 상기 단위 적층체(100)는, 하부층(110); 및 다수의 상부 단위체(120U)를 포함하는 상부층(120);을 포함하며, 상기 하부층(110)은, n형 결정질 실리콘 기재층(111); 및 상기 결정질 실리콘 기재층(111) 상에 적층되는 식각차단층(112);을 포함하며, 상기 상부 단위체(120U)들은 상기 하부층(110)의 표면에 적층되되 서로 이격하여 불연속적인 패턴으로 형성되며, 상기 상부 단위체(120U)는, 상기 식각차단층(112) 상에 적층되는 진성 비정질 실리콘층(123); 상기 진성 비정질 실리콘층(123) 상에 적층되는 n형 또는 p형 비정질 실리콘층(124); 및 상기 비정질 실리콘층(124) 상에 적층되는 금속층(125);을 포함한다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 n형 또는 p형 비정질 실리콘층(124)은 제1 비정질 실리콘층(124a) 및 제2 비정질 실리콘층(124b)을 포함하여 이들 사이에 계면이 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제1 비정질 실리콘층(124a) 및 상기 제2 비정질 실리콘층(124b)은 서로 상보적이거나 상보적이지 않은 형을 가질 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 단위 적층체(100)는 n형 단위 적층체(100n) 및 p형 단위 적층체(100p)를 포함할 수 있되, 상기 n형 단위 적층체(100n) 및 상기 p형 단위 적층체(100p)의 비정질 실리콘층(124)들은 각각 n형 비정질 실리콘층(124n) 및 p형 비정질 실리콘층(124p)일 수 있으며, 상기 n형 단위 적층체(100n)와 상기 p형 단위 적층체(100p)가 각 결정질 실리콘 기재층(111)을 사이에 두고 서로 대향하여 형성될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 n형 단위 적층체(100n) 및 상기 p형 단위 적층체(100p)의 각 결정질 실리콘 기재층(111)들은 동일 물질이거나 서로 접합되어 계면을 가지는 것일 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 태양전지는, 상기 단위 적층체(100)의 결정질 실리콘 기재층(111`)의 적층면의 타면 상에 적층되는 식각차단층(112`); 상기 식각차단층(112`) 상에 적층되는 진성 비정질 실리콘층(123`); 상기 진성 비정질 실리콘층(123`) 상에 적층되되, 상기 비정질 실리콘층(124)과 상보적인 형의 비정질 실리콘층(124`); 및 상기 비정질 실리콘층(124`) 상에 적층되는 금속층(125`);을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 단위 적층체(100)를 포함하는 태양전지의 제조 방법은, s1) n형 결정질 실리콘 기재층(111) 상에 식각차단층(112)을 적층하는 단계; s2) 상기 식각차단층(112) 상에 진성 비정질 실리콘층(123)을 적층하는 단계; s3) 상기 진성 비정질 실리콘층(123) 상에 n형 또는 p형 비정질 실리콘층(124)을 적층하는 단계; s4) 상기 비정질 실리콘층(124)의 표면에 금속층(125)을 적층하되, 상기 표면이 금속층(125)이 형성된 표면과 금속층이 형성되지 않은 표면을 포함하도록 금속층(125)을 불연속적인 패턴으로 적층하는 단계; 및 s5) 등방성의 식각 물질로 상기 금속층(125)에서 상기 실리콘 기재층(111) 방향으로 식각하여 상기 단위 적층체(100)를 제조하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 s5) 단계에서, 금속층(125)이 형성되지 않은 비정질 실리콘층(124)에서 이의 하측에 위치한 진성 비정질 실리콘층(123)이 식각되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 태양전지의 제조 방법은, 상기 s1) 단계 내지 상기 s5) 단계를 거쳐 n형 단위 적층체(100n) 또는 p형 단위 적층체(100p)를 제조하는 단계; 및 상기 n형 단위 적층체(100n) 또는 p형 단위 적층체(100p)의 결정질 실리콘 기재층(111)의 타면을 적층면으로 하여 상기 s1) 단계 내지 상기 s5) 단계를 거쳐 상기 단위 적층체와 상보적인 형의 단위 적층체를 적층하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 태양전지의 제조 방법은, s1`) 상기 s5) 단계에서 제조된 단위 적층체(100)의 결정질 실리콘 기재층(111)의 적층면의 타면 상에 식각차단층(112`)을 적층하는 단계; s2`) 상기 식각차단층(112`) 상에 진성 비정질 실리콘층(123`)을 적층하는 단계; s3`) 상기 진성 비정질 실리콘층(123`) 상에 n형 또는 p형 비정질 실리콘층(124`)을 적층하는 단계; 및 s4`) 상기 비정질 실리콘층(124`)의 표면에 금속층(125`)을 적층하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 태양전지의 제조 방법은, s1``) n형 또는 p형의 결정질 실리콘 기재층(111`) 상에 식각차단층(112`)을 적층하는 단계; s2``) 상기 식각차단층(112`) 상에 진성 비정질 실리콘층(123`)을 적층하는 단계; s3``) 상기 진성 비정질 실리콘층(123`) 상에 n형 또는 p형 비정질 실리콘층(124`)을 적층하는 단계; 및 s4``) 상기 비정질 실리콘층(124`)의 표면에 금속층(125`)을 적층하는 단계;를 더 포함할 수 있으며, 상기 s1) 단계에서, 결정질 실리콘 기재층(111)의 적층면은 상기 s4``) 단계에서 제조된 적층체의 비정질 실리콘층(124`)의 적층면의 타면일 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 태양전지의 제조 방법은, 상기 s4) 단계 및 상기 s5) 단계 사이에, 상기 금속층(125)이 형성되지 않은 비정질 실리콘층(124b)의 표면 상 및 상기 금속층(125) 상에 n형 또는 p형 비정질 실리콘층(124a)을 추가로 적층하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 s5) 단계에서, 금속층(125) 상에 추가로 적층된 비정질 실리콘층(124a)과, 금속층(125)이 형성되지 않은 비정질 실리콘층(124)에서 이의 하측에 위치한 진성 비정질 실리콘층(123)이 식각되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 추가로 적층하는 단계에서, 상기 금속층(125)과 상기 비정질 실리콘층(124) 사이에 상기 추가로 적층되는 비정질 실리콘층(124a)의 일부가 충진 및 접착될 수 있으며, 상기 s5) 단계에서, 상기 추가로 적층되는 비정질 실리콘층(124a)의 일부는 식각되지 않는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지는 식각차단층을 별도로 포함함에도 양자 역학 터널링 효과(Quantum mechanical tunneling effect)가 극대화되고, 빛에너지에 의해 생성된 캐리어의 전기적 손실 및 입사되는 빛에너지에 대한 광학적 손실을 최소화할 수 있으며, 광전효율이 우수한 효과가 있다.
본 발명에 따른 태양전지는 실리콘층의 표면 요철이 크더라도 단위 금속층의 결합이 견고하도록 할 수 있음에 따라 안정적이며 방향성 있는 전류 이동 경로를 제공할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 태양전지 및 이의 제조 방법은 대면적의 태양전지를 제공할 수 있고, 간단하면서도 대규모 공정 설비의 구축이 용이한 효과가 있다.
본 발명에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 명세서에서 기재된 효과 및 그 내재적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.
도 1은 본 발명에 따른 태양전지의 단위 적층체(100)의 제조 방법을 모식화한 공정도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 태양전지의 n-p 접합 태양전지의 제조 방법을 모식화한 공정도이다.
도 4는 본 발명에 따른 태양전지의 단위 적층체(100); 및 단위 적층체(100)를 포함하는 n-p 접합 태양전지;를 모식화하여 나타낸 것이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 태양전지의 n-p 접합 태양전지의 제조 방법을 모식화한 공정도이다.
도 4는 본 발명에 따른 태양전지의 단위 적층체(100); 및 단위 적층체(100)를 포함하는 n-p 접합 태양전지;를 모식화하여 나타낸 것이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 태양전지 및 이의 제조 방법을 상세히 설명한다.
본 명세서에 기재되어 있는 도면은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 상기 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 용어의 단수 형태는 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 해석될 수 있다.
본 명세서에서 언급되는 s1, s2, s3, ...; s1`, s2`, s3`, ...; s1``, s2``, s3``, ...; 등의 각 단계를 지칭하는 용어 자체는 어떠한 단계, 수단 등을 지칭하기 위해 사용되는 것일 뿐, 그 용어들이 지칭하는 각 대상들의 순서 관계를 의미하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 명세서에서 언급되는 “층”의 용어는 각 재료가 연속체(continuum)를 이루며 폭과 길이 대비 두께가 상대적으로 작은 디멘젼(dimension)을 가짐을 의미하는 것이다. 이에 따라, 본 명세서에서 사용된 “층”의 용어에 의해, 2차원의 편평한 평면으로 해석되어서는 안 된다.
본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 %의 단위는 별다른 정의가 없는 한 중량%를 의미한다.
본 발명에 따른 태양전지는 단위 적층체(100)를 포함하는 태양전지로서, 상기 단위 적층체(100)는, 하부층(110); 및 다수의 상부 단위체(120U)를 포함하는 상부층(120);을 포함하며, 상기 하부층(110)은, n형 결정질 실리콘 기재층(111); 및 상기 결정질 실리콘 기재층(111) 상에 적층되는 식각차단층(112);을 포함하며, 상기 상부 단위체(120U)들은 상기 하부층(110)의 표면에 적층되되 서로 이격하여 불연속적인 패턴으로 형성되며, 상기 상부 단위체(120U)는, 상기 식각차단층(112) 상에 적층되는 진성 비정질 실리콘층(123); 상기 진성 비정질 실리콘층(123) 상에 적층되는 n형 또는 p형 비정질 실리콘층(124); 및 상기 비정질 실리콘층(124) 상에 적층되는 금속층(125);을 포함한다.
본 발명에 따른 단위 적층체(100)는 서로 구분되는 하부층(110)과 상부층(120)을 포함하고, 상부층이 하부층 위에 불연속적인 패턴으로 형성되는 구조를 가짐으로써, 빛에너지에 의해 생성된 캐리어의 전기적 손실을 최소화하면서 입사되는 빛에너지를 현저히 증대시킬 수 있음에 따라 높은 광전효율을 가진다. 구체적으로, 광투과율이 상대적으로 더 증가될 수 있으면서, 식각차단층의 양자 역학 터널링 효과(Quantum mechanical tunneling effect)가 극대화되고, 태양전지의 표면, 즉, 상부층(120)으로부터 입사되는 빛에 의해 생성된 전자-홀쌍(Electron-Hole Pair, EHP)의 재결합손실이 최소화된 다.
상기 n형 또는 p형 비정질 실리콘층(124)은 제1 비정질 실리콘층(124a) 및 제2 비정질 실리콘층(124b)을 포함하여 이들 사이에 계면이 형성된 것일 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 계면은 n형 또는 p형 비정질 실리콘층(124) 내부에 형성된 것으로, 계면을 기준으로 상측 및 하측에 각각 제1 비정질 실리콘층(124a) 및 제2 비정질 실리콘층(124b)이 형성될 수 있으며, 이는 후술하는 제조 방법에 의한 것일 수 있다. 상세하게, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 금속층(125)과 비정질 실리콘층(124)의 접합 계면이 극대화되는 것이 바람직하나, 층 표면의 요철 등으로 인하여 통상적인 제조 방법으로는 이들 사이에 넓은 접합 계면의 확보가 어려울 수 있다. 넓은 접합 계면을 확보하기 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 금속층(125)이 형성된 이후에 비정질 실리콘층(124a)을 형성하고 식각하는 등의 제조 방법이 사용될 수 있다. 이 경우, 이후에 형성된 비정질 실리콘층(124a)이 이전에 형성된 비정질 실리콘층(124b)과 금속층(125) 사이의 빈 부분에 채워져 접합력이 향상되며, 금속층(125)의 상측 또는 일측에 형성될 수 있는 비정질 실리콘층(124a)은 식각에 의해 제거될 수 있으므로, 금속층 형성 이후 형성되는 비정질 실리콘층(124a)이 다른 위치에 형성됨에 따른 효율 저하를 방지할 수 있다. 따라서 처음 형성된 층인 제2 비정질 실리콘층(124b)과 이후 형성된 층인 제1 비정질 실리콘층(124a)(나중에 형성된 층) 사이에 계면이 형성될 수 있다.
상기 제1 비정질 실리콘층(124a) 및 상기 제2 비정질 실리콘층(124b)이 존재할 경우, 이들은 서로 상보적이거나 상보적이지 않은 형을 가질 수 있다. 제1 비정질 실리콘층(124a) 및 상기 제2 비정질 실리콘층(124b)이 서로 상보적인 것, 즉, 하나가 n형일 경우 다른 하나가 p형인 것이 바람직하나, 이들이 서로 동일한 것도 가능함은 물론이다.
상기 상부 단위체(120U)는 다수가 식각차단층(112)의 상측에 적층되며, 이때 각 상부 단위체(120U)들은 서로 소정 간격만큼 떨어져 위치한다. 상부 단위체(120U) 간의 이격거리는 HIT 셀 태양전지 분야에서 사용되는 금속층의 금속 매쉬 간격 또는 금속 그리드의 간격을 의미할 수 있으며, 이는 적절히 조절될 수 있는 사항이며 널리 공지되어 있으므로 크게 제한되지 않는다. 구체적인 일 예로 10 nm 내지 100 ㎛일 수 있으나, 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 반드시 제한되어 해석되는 것은 아니다.
상기 상부 단위체(120U)는 금속층(125)을 포함하며, 각 금속층(125U)은 전도성 금속닷, 금속 그리드(와이어) 또는 이를 포함하는 전도성 금속 매쉬(전도성 네트워크 와이어)를 의미할 수 있다. 금속층(125)의 단면 형상은 크게 제한되지 않으며, 예컨대 원형, 타원형, n각형(n은 3 이상의 자연수)일 수 있다. 하지만 이외에도 다양한 형상을 가질 수 있으므로, 본 발명이 이에 반드시 제한되어 해석되는 것은 아니다. 나아가, 도 1 내지 도 4의 금속층(125)은 단위 적층체(100)의 일 지점의 단면을 도시한 것이므로, 금속층(125)을 원형으로 표시하였으나, 금속층은 금속닷 외에도 전도성 와이어, 이를 포함하는 전도성 네트워크 등 모두 가능하므로, 절단면의 위치에 따라 선, 면 형태도 가질 수 있음은 물론이다.
본 발명에서는 상술한 단위 적층체(100)를 포함하는 n-p 접합 태양전지를 제공할 수 있다.
본 발명의 제1 양태에 따른 태양전지는, 도 4의 좌측 하단 이미지에서와 같이, 상기 단위 적층체(100)는 n형 단위 적층체(100n) 및 p형 단위 적층체(100p)를 포함할 수 있으며, 이 경우, 상기 n형 단위 적층체(100n) 및 상기 p형 단위 적층체(100p)의 비정질 실리콘층(124)들은 각각 n형 비정질 실리콘층(124n) 및 p형 비정질 실리콘층(124p)일 수 있으며, 상기 n형 단위 적층체(100n)와 상기 p형 단위 적층체(100p)가 각 결정질 실리콘 기재층(111)을 사이에 두고 서로 대향하여 형성될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 예에 따른 태양 전지의 최외곽면 및 타면이 모두 불연속적으로 형성된 금속층(125)을 가질 수 있다.
이때 상기 n형 단위 적층체(100n) 및 상기 p형 단위 적층체(100p)의 각 결정질 실리콘 기재층(111)들은 동일 물질이거나 서로 접합되어 계면을 가지는 것일 수 있다. 각 단위 적층체(100)의 결정질 실리콘 기재층(111)들이 동일 물질이라 함은 제조 방법상의 차이로 동일한 물질이면서 이들 사이에 계면을 갖는 것; 또는 각 단위 적층체(100)의 결정질 실리콘 기재층(111)이 단일한 것, 즉, 하나의 결정질 실리콘 기재층(111)을 기준으로 양측에 단위 적층체들이 형성된 것 모두 가능하다. 하지만 이는 바람직한 예로 설명된 것으로, 상기 n형 단위 적층체(100n) 및 상기 p형 단위 적층체(100p)의 각 결정질 실리콘 기재층(111)들은 상이한 물질일 수도 있음은 물론이다.
본 발명의 제2 양태에 따른 태양전지는, 도 4의 우측 하단 이미지에서와 같이, 상기 단위 적층체(100)의 결정질 실리콘 기재층(111`)의 적층면의 타면 상에 적층되는 식각차단층(112`); 상기 식각차단층(112`) 상에 적층되는 진성 비정질 실리콘층(123`); 상기 진성 비정질 실리콘층(123`) 상에 적층되되, 상기 비정질 실리콘층(124)과 상보적인 형의 비정질 실리콘층(124`); 및 상기 비정질 실리콘층(124`) 상에 적층되는 금속층(125`);을 더 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 예에 따른 태양 전지는, 일면은 불연속적으로 형성된 금속층(125)이면서 타면은 연속적으로 형성된 금속층(125`)일 수 있다.
상기 결정질 실리콘 기재층(111, 111`)은 n형 결정질 실리콘(n-type crystalline silicon, c-si(n))으로 제조된 것으로서, 이는 태양전지 분야에서 널리 공지된 물질이므로, 공지된 문헌을 참고하면 된다.
상기 식각차단층(112, 112`)은 제조 과정에서 이의 하측에 위치한 층이 식각되지 않도록 하는 역할과 함께 패시베이션 역할을 가진다. 따라서 제조가 간단하고 용이할 뿐만 아니라, 전자와 정공의 재결합을 방지하여 광전환 효율을 향상시킨다. 식각차단층(112, 112`)은 식각 차단 역할과 패시베이션 역할을 가지는 것이라면 무방하며, 예를 들어 질화규소층, 산화규소층, 탄화규소층), 산화티탄층, 산화알루미늄층(Al2O3) 등을 들 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 반드시 제한되어 해석되는 것은 아니다.
상기 비정질 실리콘층(123, 123`)은 n형 또는 p형 비정질 실리콘(n-type or p-type amorphous silicon, a-si:H(n) or a-si:H(p))으로 제조된 것으로서, 이는 태양전지 분야에서 널리 공지된 물질이므로, 공지된 문헌을 참고하면 된다.
상기 진성 비정질 실리콘층(124, 124`)은 진성 비정질 실리콘(Intrinsic amorphous silicon, a-si:H(i))으로 제조된 것으로서, 이는 태양전지 분야에서 널리 공지된 물질이므로, 공지된 문헌을 참고하면 된다.
상기 금속층(125, 125`)은 전도성 물질로서 태양전지 분야에서 널리 공지된 것이므로 공지문헌을 참고하면 무방하며, 예를 들어 알루미늄, 은, 구리 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 반드시 제한되어 해석되는 것은 아니다.
상기 결정질 실리콘 기재층(111, 111`)의 평균두께는 HIT 셀 태양전지 분야에 공지된 것이므로 적절히 조절될 수 있는 사항이며, 일 예로 30 내지 100㎛일 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 반드시 제한되어 해석되는 것은 아니다.
상기 식각차단층(112, 112`)의 평균두께는 1 내지 50 nm, 바람직하게는 1 내지 10 nm일 수 있다. 상한값을 초과하는 경우, n형 또는 p형 비정질 실리콘층(124), 진성 비정질 실리콘층(123) 및 결정질 실리콘 기재층(111) 사이에 전류의 생성이 불가능해질 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 반드시 제한되어 해석되는 것은 아니다.
상기 진성 비정질 실리콘층(123, 123`)의 평균두께는 HIT 셀 태양전지 분야에 공지된 것이므로 적절히 조절될 수 있는 사항이며, 일 예로 1 내지 10 nm일 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 반드시 제한되어 해석되는 것은 아니다.
상기 비정질 실리콘층(124, 124`)의 평균두께는 HIT 셀 태양전지 분야에 공지된 것이므로 적절히 조절될 수 있는 사항이며, 일 예로 5 내지 10 nm일 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 반드시 제한되어 해석되는 것은 아니다.
상기 금속층(125, 125`)의 평균두께는 HIT 셀 태양전지 분야에 공지된 것이므로 적절히 조절될 수 있는 사항이며, 일 예로 10 nm 내지 10 ㎛일 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 반드시 제한되어 해석되는 것은 아니다.
본 명세서에서 언급되는 각 층의 형상, 형태는 제한되지 않으며, 각 층은 평면 형태를 포함할 수 있지만, 현실적으로 완전한 평면 형태의 표면을 갖지 않고 일정한 요철들이 존재하는 거친 표면을 갖는 것이 통상적이므로, 각 층은 표면 요철(단차)을 가질 수 있다. 구체적인 일 예로, 각 층의 표면거칠기는 30 내지 300 nm일 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양전지는 하부층(110)의 표면에 적층되되 서로 이격하여 불연속적인 패턴으로 형성되는 단위 상부 단위체(120U)를 포함하는 상부층(120)과 하부층(110)을 포함하는 구조를 가짐에 따라, 상기 효과들이 구현되며, 이러한 구조를 가짐에 따라 태양전지는 보다 간단한 수단으로 우수한 공정 효율로서 제조될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 태양전지의 제조 방법을 자세히 설명한다.
본 발명의 일 예에 따른 단위 적층체(100)를 포함하는 태양전지의 제조 방법은, 즉, 단위 적층체(100)의 제조 방법은, 도 1에 도시된 바와 같이, s1) n형 결정질 실리콘 기재층(111) 상에 식각차단층(112)을 적층하는 단계; s2) 상기 식각차단층(112) 상에 진성 비정질 실리콘층(123)을 적층하는 단계; s3) 상기 진성 비정질 실리콘층(123) 상에 n형 또는 p형 비정질 실리콘층(124)을 적층하는 단계; s4) 상기 비정질 실리콘층(124)의 표면에 금속층(125)을 적층하되, 상기 표면이 금속층(125)이 형성된 표면과 금속층이 형성되지 않은 표면을 포함하도록 금속층(125)을 불연속적인 패턴으로 적층하는 단계; 및 s5) 등방성의 식각 물질로 상기 금속층(125)에서 상기 실리콘 기재층(111) 방향으로 식각하여 상기 단위 적층체(100)를 제조하는 단계;를 포함한다. 이때 상기 s5) 단계에서, 금속층(125)이 형성되지 않은 비정질 실리콘층(124)에서 이의 하측에 위치한 진성 비정질 실리콘층(123)이 식각되는 것일 수 있다.
등방성 식각(isotropic etching)은 도 1에 도시된 바와 같이, 상부층(120)의 상부에서 하부 방향으로 직선 방향 또는 직선 방향에 근접한 방향으로 식각부(E)의 하부가 식각되는 것을 의미할 수 있다. 이렇게 등방성으로 식각됨으로써, 하부층(110)의 표면에 상부층(120)이 불연속적인 패턴으로 형성된다.
상기 식각은 금속층(125, 125`) 및 식각차단층(112, 112`)의 식각을 방지하면서 상기 실리콘층들을 식각할 수 있으며 등방성 식각(이 가능한 수단이라면 무방하다. 일 예로, 상기 식각 수단으로 반응성 이온 식각법(Reactive ion etching, RIE), 산 용액(HF-HNO3 등)을 이용한 습식법 등을 들 수 있다. 반응성 이온 식각법의 구체적인 일 예로, 수산화나트륨 2 내지 10 중량% 및 이소프로필알코올 3 내지 15 중량%를 포함하는 혼합 수용액에서 60 내지 100℃를 유지하면서 10 내지 60 분 동안 식각 대상의 표면 조직화 단계를 수행한 후, 반응성 이온 식각 단계를 수행할 수 있다. 상기 반응성 이온 식각 단계에서, 육불화황 및 산소를 1:0.5~2 부피비(25℃, 1 atm)로 포함하는 혼합 가스가 식각 물질로 사용될 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 반드시 제한되어 해석되는 것은 아니다.
본 발명의 제1 양태에 따른 n-p 접합 태양전지의 제조 방법은, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 s1) 단계 내지 상기 s5) 단계를 거쳐 n형 단위 적층체(100n) 또는 p형 단위 적층체(100p)를 제조하는 단계; 및 상기 n형 단위 적층체(100n) 또는 p형 단위 적층체(100p)의 결정질 실리콘 기재층(111)의 타면을 적층면으로 하여 상기 s1) 단계 내지 상기 s5) 단계를 거쳐 상기 단위 적층체와 상보적인 형의 단위 적층체를 적층하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 즉, 이러한 단계를 거쳐 n-p 접합 태양전지가 제조될 수 있다.
본 발명의 제2 양태에 따른 n-p 접합 태양전지의 제조 방법은, 도 3에 도시된 바와 같이, s1`) 상기 s5) 단계에서 제조된 단위 적층체(100)의 결정질 실리콘 기재층(111)의 적층면의 타면 상에 식각차단층(112`)을 적층하는 단계; s2`) 상기 식각차단층(112`) 상에 진성 비정질 실리콘층(123`)을 적층하는 단계; s3`) 상기 진성 비정질 실리콘층(123`) 상에 n형 또는 p형 비정질 실리콘층(124`)을 적층하는 단계; 및 s4`) 상기 비정질 실리콘층(124`)의 표면에 금속층(125`)을 적층하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 양태에 따른 n-p 접합 태양전지의 다른 제조 방법으로, 상기 제조 방법은, s1``) n형 또는 p형의 결정질 실리콘 기재층(111`) 상에 식각차단층(112`)을 적층하는 단계; s2``) 상기 식각차단층(112`) 상에 진성 비정질 실리콘층(123`)을 적층하는 단계; s3``) 상기 진성 비정질 실리콘층(123`) 상에 n형 또는 p형 비정질 실리콘층(124`)을 적층하는 단계; 및 s4``) 상기 비정질 실리콘층(124`)의 표면에 금속층(125`)을 적층하는 단계;를 더 포함할 수 있으며, 상기 s1) 단계에서, 결정질 실리콘 기재층(111)의 적층면은 상기 s4``) 단계에서 제조된 적층체의 비정질 실리콘층(124`)의 적층면의 타면일 수 있다.
상술한 바와 같이, 실리콘층은 통상 요철이 존재할 수 있으므로, 각 층 표면의 불가피한 표면 요철로 인해, 금속층(125)과 비정질 실리콘층(124)의 계면의 접촉 면적이 적을 수 있다. 즉, 금속층(125)과 적층면의 일부는 비정질 실리콘층(124)의 표면과 접하지 않은 상태로 비정질 실리콘층(124)의 상부에 떠 있을 수 있으므로, 금속층(125)의 일부분이 랜덤하게 비정질 실리콘층(124)과 접하고 나머지 부분은 비정질 실리콘층(124)과 물리적으로 접촉하지 않게 되어, 금속층(125)과 비정질 실리콘층(124)간 계면 저항의 증가뿐만 아니라, 물리적으로도 불안정한 접촉이 이루어지게 되는 문제가 발생할 수 있다.
바람직한 일 예에 따른 태양전지의 제조 방법은, 상기 문제를 해결할 수 있는 측면에서, 상기 s4) 단계 및 상기 s5) 단계 사이에, 상기 금속층(125)이 형성되지 않은 비정질 실리콘층(124b)의 표면 상 및 상기 금속층(125) 상에 n형 또는 p형 비정질 실리콘층(124a)을 추가로 적층하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 비정질 실리콘층(124a)이 추가로 적층될 경우, 금속층(125)의 형성 이전에 형성되는 전술한 비정질 실리콘층(124)은 도 1에 도시된 바와 같이 비정질 실리콘층(124b)를 지칭하는 것으로 해석될 수 있다. 이후에 형성된 비정질 실리콘층(124a)이 이전에 형성된 비정질 실리콘층(124b)과 금속층(125) 사이의 빈 부분에 채워져 접합력이 향상되며, 금속층(125)의 상측 또는 일측에 형성될 수 있는 비정질 실리콘층(124a)은 식각에 의해 제거될 수 있으므로, 금속층 형성 이후 형성되는 비정질 실리콘층(124a)이 다른 위치에 형성됨에 따른 효율 저하를 방지할 수 있다. 즉, 추가로 적층되는 비정질 실리콘층(124a)은 캡핑층 역할을 하고, 금속층(125)를 비정질 실리콘층(124)에 견고하게 부착시키며, 안정적이며 방향성 있는 전류 이동 경로를 제공할 수 있는 효과가 있다. 이러한 효과는 비정질 실리콘층(124)의 표면에 미세 요철이 큰 경우에 더 효과적이다.
이때 추가로 적층되는 비정질 실리콘층(124a)은 금속층(125)과 접하는 비정질 실리콘층(124b)과 상보적인 형을 가질 수도 있으나 바람직하게는 동일한 형인 것이 좋다.
상기 추가로 적층하는 단계에서, 금속층(125)과 비정질 실리콘층(124b) 사이에 추가로 적층되는 비정질 실리콘층(124a)의 일부가 충진 및 접착되며, 상기 s5) 단계에서, 상기 충진 및 접착된 비정질 실리콘층(124a)의 일부가 식각되지 않음에 따라 높은 접착 특성을 가진다. 하지만 식각 전에 금속층(125)의 상측 또는 일측에 형성될 수 있는 비정질 실리콘층(124a)은 남아 있거나, 또는 일부가 남아 있을 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 언급되는 실리콘층들은 다양한 방법으로 형성될 수 있으며, 예를 들어 원자층 증착(ALD), 플라즈마-강화 화학 기상 증착(PECVD), 대기압 화학 기상 증착(APCVD) 등의 다양한 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 이때 증착 조건, 예를 들어 증착 온도, 증착 분위기, 증착 압력 등은 기 공지된 사항으로서 제한되지 않으며 공지된 문헌을 참고하면 무방하다.
본 명세서에서 도 1 내지 도 4는 모식도로서, 크기, 비율, 형태가 도시된 도면에 제한되어 해석되어서는 안 된다.
100 : 단위 적층체, 100n : n형 단위 적층체,
100p : p형 단위 적층체, 110 : 하부층,
111 : n형 결정질 실리콘 기재층, 112(112`) : 식각차단층,
120 : 상부층, 120U : 상부 단위체,
120U1 : 제1 상부 단위체, 120U2 : 제2 상부 단위체,
123(123`) : 진성 비정질 실리콘층,
124(124`, 124a) : n형 또는 p형 비정질 실리콘층,
124n : n형 비정질 실리콘층, 124p : p형 비정질 실리콘층,
125(125`) : 금속층, E : 식각부
100p : p형 단위 적층체, 110 : 하부층,
111 : n형 결정질 실리콘 기재층, 112(112`) : 식각차단층,
120 : 상부층, 120U : 상부 단위체,
120U1 : 제1 상부 단위체, 120U2 : 제2 상부 단위체,
123(123`) : 진성 비정질 실리콘층,
124(124`, 124a) : n형 또는 p형 비정질 실리콘층,
124n : n형 비정질 실리콘층, 124p : p형 비정질 실리콘층,
125(125`) : 금속층, E : 식각부
Claims (14)
- 단위 적층체(100)를 포함하는 태양전지로서,
상기 단위 적층체(100)는, 하부층(110); 및 다수의 상부 단위체(120U)를 포함하는 상부층(120);을 포함하며,
상기 하부층(110)은,
n형 결정질 실리콘 기재층(111); 및
상기 결정질 실리콘 기재층(111) 상에 적층되는 식각차단층(112);
을 포함하며,
상기 상부 단위체(120U)들은 상기 하부층(110)의 표면에 적층되되 서로 이격하여 불연속적인 패턴으로 형성되며,
상기 상부 단위체(120U)는,
상기 식각차단층(112) 상에 적층되는 진성 비정질 실리콘층(123);
상기 진성 비정질 실리콘층(123) 상에 적층되는 n형 또는 p형 비정질 실리콘층(124); 및
상기 비정질 실리콘층(124) 상에 적층되는 금속층(125);을 포함하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 n형 또는 p형 비정질 실리콘층(124)은 제1 비정질 실리콘층(124a) 및 제2 비정질 실리콘층(124b)을 포함하여 이들 사이에 계면이 형성되는 태양전지. - 제2항에 있어서,
상기 제1 비정질 실리콘층(124a) 및 상기 제2 비정질 실리콘층(124b)은 서로 상보적이거나 상보적이지 않은 형을 가지는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 단위 적층체(100)는 n형 단위 적층체(100n) 및 p형 단위 적층체(100p)를 포함하되, 상기 n형 단위 적층체(100n) 및 상기 p형 단위 적층체(100p)의 비정질 실리콘층(124)들은 각각 n형 비정질 실리콘층(124n) 및 p형 비정질 실리콘층(124p)이며,
상기 n형 단위 적층체(100n)와 상기 p형 단위 적층체(100p)가 각 결정질 실리콘 기재층(111)을 사이에 두고 서로 대향하여 형성되는 태양전지. - 제4항에 있어서,
상기 n형 단위 적층체(100n) 및 상기 p형 단위 적층체(100p)의 각 결정질 실리콘 기재층(111)들은 동일 물질이거나 서로 접합되어 계면을 가지는 것인 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 단위 적층체(100)의 결정질 실리콘 기재층(111`)의 적층면의 타면 상에 적층되는 식각차단층(112`);
상기 식각차단층(112`) 상에 적층되는 진성 비정질 실리콘층(123`);
상기 진성 비정질 실리콘층(123`) 상에 적층되되, 상기 비정질 실리콘층(124)과 상보적인 형의 비정질 실리콘층(124`); 및
상기 비정질 실리콘층(124`) 상에 적층되는 금속층(125`);을 더 포함하는 태양전지. - 단위 적층체(100)를 포함하는 태양전지의 제조 방법으로서,
s1) n형 결정질 실리콘 기재층(111) 상에 식각차단층(112)을 적층하는 단계;
s2) 상기 식각차단층(112) 상에 진성 비정질 실리콘층(123)을 적층하는 단계;
s3) 상기 진성 비정질 실리콘층(123) 상에 n형 또는 p형 비정질 실리콘층(124)을 적층하는 단계;
s4) 상기 비정질 실리콘층(124)의 표면에 금속층(125)을 적층하되, 상기 표면이 금속층(125)이 형성된 표면과 금속층이 형성되지 않은 표면을 포함하도록 금속층(125)을 불연속적인 패턴으로 적층하는 단계; 및
s5) 등방성의 식각 물질로 상기 금속층(125)에서 상기 실리콘 기재층(111) 방향으로 식각하여 상기 단위 적층체(100)를 제조하는 단계;를 포함하는 태양전지의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 s5) 단계에서, 금속층(125)이 형성되지 않은 비정질 실리콘층(124)에서 이의 하측에 위치한 진성 비정질 실리콘층(123)이 식각되는 태양전지의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 s1) 단계 내지 상기 s5) 단계를 거쳐 n형 단위 적층체(100n) 또는 p형 단위 적층체(100p)를 제조하는 단계; 및
상기 n형 단위 적층체(100n) 또는 p형 단위 적층체(100p)의 결정질 실리콘 기재층(111)의 타면을 적층면으로 하여 상기 s1) 단계 내지 상기 s5) 단계를 거쳐 상기 단위 적층체와 상보적인 형의 단위 적층체를 적층하는 단계;를 더 포함하는 태양전지의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
s1`) 상기 s5) 단계에서 제조된 단위 적층체(100)의 결정질 실리콘 기재층(111)의 적층면의 타면 상에 식각차단층(112`)을 적층하는 단계;
s2`) 상기 식각차단층(112`) 상에 진성 비정질 실리콘층(123`)을 적층하는 단계;
s3`) 상기 진성 비정질 실리콘층(123`) 상에 n형 또는 p형 비정질 실리콘층(124`)을 적층하는 단계; 및
s4`) 상기 비정질 실리콘층(124`)의 표면에 금속층(125`)을 적층하는 단계;를 더 포함하는 태양전지의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
s1``) n형 또는 p형의 결정질 실리콘 기재층(111`) 상에 식각차단층(112`)을 적층하는 단계;
s2``) 상기 식각차단층(112`) 상에 진성 비정질 실리콘층(123`)을 적층하는 단계;
s3``) 상기 진성 비정질 실리콘층(123`) 상에 n형 또는 p형 비정질 실리콘층(124`)을 적층하는 단계; 및
s4``) 상기 비정질 실리콘층(124`)의 표면에 금속층(125`)을 적층하는 단계;를 더 포함하며,
상기 s1) 단계에서, 결정질 실리콘 기재층(111)의 적층면은 상기 s4``) 단계에서 제조된 적층체의 비정질 실리콘층(124`)의 적층면의 타면인 태양전지의 제조 방법. - 제7항 내지 제11항에서 선택되는 어느 한 항에 있어서,
상기 s4) 단계 및 상기 s5) 단계 사이에, 상기 금속층(125)이 형성되지 않은 비정질 실리콘층(124b)의 표면 상 및 상기 금속층(125) 상에 n형 또는 p형 비정질 실리콘층(124a)을 추가로 적층하는 단계를 더 포함하는 태양전지의 제조 방법. - 제12항에 있어서,
상기 s5) 단계에서, 금속층(125) 상에 추가로 적층된 비정질 실리콘층(124a)과, 금속층(125)이 형성되지 않은 비정질 실리콘층(124)에서 이의 하측에 위치한 진성 비정질 실리콘층(123)이 식각되는 태양전지의 제조 방법. - 제13항에 있어서,
상기 추가로 적층하는 단계에서, 상기 금속층(125)과 상기 비정질 실리콘층(124) 사이에 상기 추가로 적층되는 비정질 실리콘층(124a)의 일부가 충진 및 접착되며,
상기 s5) 단계에서, 상기 추가로 적층되는 비정질 실리콘층(124a)의 일부는 식각되지 않는 태양전지의 제조 방법.
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| KR1020190007613A KR102133174B1 (ko) | 2019-01-21 | 2019-01-21 | 태양전지 및 이의 제조 방법 |
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-
2019
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