KR102215322B1 - 고효율 실리콘 태양전지 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 태양전지는 실리콘 기판, 상기 실리콘 기판의 전면에 위치하는 에미터층, 상기 에미터층의 전면에 위치하는 패시베이션막, 상기 에미터층에 전기적으로 연결되는 전면 전극, 상기 실리콘 기판의 후면에 위치하는 터널링층, 상기 터널링층 후면에 위치하고 밴드갭이 실리콘 보다 작은 반도체 물질을 포함하는 후면 전계층 및 상기 후면 전계층에 전기적으로 연결되는 후면 전극을 포함할 수 있고, 상기 후면 전계층을 도입하여 실리콘이 흡수하지 못하는 여분의 빛을 흡수함으로써 태양전지의 광흡수율을 증대시킬 수 있다.

Description

고효율 실리콘 태양전지 및 이를 제조하는 방법{Silicon solar cell having high efficiency and method for fabricating the same}
본 발명은 고효율 실리콘 태양전지 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
화석연료의 고갈 및 환경유해성으로 인해 친환경적이고 공급량이 풍부한 태양광 발전은 미래 에너지원으로 주목 받고 있다. 태양전지는 태양으로부터 방출되는 빛 에너지를 전기에너지로 변환하는 광전 에너지 변환 시스템의 일종이다. 입사된 태양광의 에너지에 의해 태양전지를 구성하는 반도체 내에 전자-전공 쌍이 생성되고 전계에 의해 분리, 수집되면서 전기가 발생한다.
실리콘은 화학적인 성질이 특이하고 결정 형태일 때는 독특한 고유성질을 나타낸다. 실리콘 원자는 세 개의 각에 분포하는 14개의 전자가 있는데, 원자핵에 가까이 있는 2개의 각에는 전자가 완전히 채워져 있지만 가장 외곽에 있는 각에는 전자 4개가 비어있어 이를 채우기 위해서 근처에 있는 실리콘 원자와 4개의 전자를 공유하게 된다. 일정 간격으로 분포되어있는 실리콘 원자들은 모두 자신을 둘러싼 4개의 실리콘 원자와 1개씩의 전자를 공유하는 결정구조를 지닌다. 순수한 실리콘에는 금속과 같이 자유롭게 움직일 수 있는 자유전자가 없어 전류가 잘 흐르지 않게 된다. 태양전지용 실리콘은 도펀트를 도핑하여 전류가 흐를 수 있도록 한다. 예를 들어 인(P)를 도핑하는 경우에 인의 최외각 5개 전자 중 4개는 주위의 실리콘 원자의 전자와 결합하게 된다. 열이나 빛의 형태로 실리콘에 에너지가 가해지면 일부 전자결합이 끊어져 전자가 이동하게 되고 그 자리에는 정공이 남게 된다. 떨어져 나온 전자는 자유전자가 되어 순수한 실리콘 보다 우수한 도체가 되게 한다. 순수한 실리콘에는 자유전자의 수가 너무 적어 태양전지로 사용하기 위해서는 도핑이 필수적이다.
실리콘계 태양전지는1940년 말과 1950년대 초 단결정 실리콘을 성장시키는 초콜라스키(Czochralski)법이 개발되면서 본격적으로 상품화 되었고, 1954년 Bell Lab의 Chapin에 의해 처음으로 결정성 실리콘 물질을 이용해 약 4%의 에너지 변환 효율을 갖는 태양전지가 개발되었다.
비정질 실리콘 태양전지의 특징은 광흡수 계수가 결정질 실리콘 태양전지의10배 이상 높기 때문에 0.5～1.0μm 정도의 실리콘 막으로도 충분히 제조가 가능하여 기판 소재비가 결정계 태양전이에 비해 1%이하라는 장점이 있다. 단점으로는 광전변환 효율이 낮다는 것인데, 연구용으로는 10%를 약간 넘는 것이 발표되고 있지만 실용적인 전지는 7～8% 수준이다. 비정질 실리콘 태양전지의 광전효율을 향상시키기 위해서는 비정질 실리콘과 다결정 실리콘을 적층한 다층구조 전지나 커버 유리 위에 비정질 실리콘 막을 직접 형성하는 기술 등이 연구, 개발되고 있다. 또한 비정질 실리콘 태양전지의 가장 큰 문제점은 빛의 조사에 의해 효율감소 현상인 광열화 현상의 발생이다. 이것은 광 발생에 의한 캐리어가 갭(gap) 준위에 포획되어 재결합의 원인으로 알려지고 있으며, 이 광열화 현상을 피하기 위해서는 태양전지를 얇게 하여 발생한 캐리어를 단시간에 사용하는 것이 효과적이다.
고효율의 태양전지 개발에는 주로 갈륨비소계와 단결정 실리콘계 물질이 사용되는데, 이러한 물질들로 이루어진 태양전지는 매우 고가이기 때문에 범용적 용도로는 사용이 불가능하며 특수목적으로 이용되고 있다. 범용적으로 사용될 수 있는 저가의 태양전지 개발이 필요한데, 실리콘의 경우 다결정 및 아몰퍼스 실리콘 태양전지 개발이 진행되고 있다. 하지만 다결정이나 아몰퍼스 실리콘의 경우 에너지 변환효율이 단결정 실리콘에 비해 낮기 때문에 이를 해결하는 것이 과제로 남아있다.
실리콘 태양전지는 실리콘 계면 상태에 따라 계면에서 광 생성 캐리어가 Electron-Hole Pair(EHP)의 재결합 센터로 작용하여 캐리어의 전기적 손실을 야기한다. 따라서 고효율의 실리콘 태양전지를 제조하지 위해서는 조사된 빛에 의해 생성된 EHP의 재결합손실을 최소화 하는 것이 필수적이다. 고순도 기판을 사용하거나 기판의 불순물을 제거하는 방법들이 이용 될 수 있으나 캐리어의 재결합은 기판 결함이 가장 많은 표면에서 주로 발생하기 때문에 고효율을 실현하기가 어렵다. 이러한 재결합 손실을 줄이기 위한 방법으로 화학적 패시베이션과 전계효과 패시베이션이 제안되고 있다.
화학적 패시베이션은 실리콘기판의 단글링 본드에 존재하는 결함을 제거하여 재결합 손실을 방지하는 것을 말한다. 일반적으로는 상업용 실리콘 태양전지 전면에 수소 분위기에서의 가스 어닐링을 통한 실리콘 질화막(a-SiNx:H) 또는 수소화 실리콘 산화막(a-SiOx:H)의 증착에 의해 패시베이션된다. 이러한 방법은 수소와 실리콘의 반응으로 생성된 Si-H 결합으로 실리콘 표면의 단글링 본드 결함을 제거함으로써 실리콘 표면을 패시베이션하게 된다.
전계효과 패시베이션은 실리콘과 절연층의 계면에서 유도된 전하의 전계효과를 이용하는 것이다. 전계효과는 계면이 양전하 또는 음전하로 대전됨에 따라 전자나 정공에 대해 반발력이 생겨 이들의 접근이 어려워지는 현상으로 전자와 정공의 재결합을 막을 수 있다. 일반적으로는 P형 실리콘 태양전지에는 전면에 양전하를 띄는 SiNx막을 증착시키고 n형 실리콘 태양전지에는 전면에 음전하를 띄는 AlOx를 이용해 캐리어 흐름을 촉진시키거나 방지시키는 방법으로 태양전지 성능을 향상시킨다.
기존 실리콘 태양전지의 효율을 개선하기 위한 또 다른 방법으로는 광흡수율을 증대시키는 것이다. 태양전지의 전류는 광흡수량에 정확히 비례하기 때문에 이는 태양전지의 효율을 높이는 가장 확실한 방법 중 하나이다. 태양광은 광대역 파장의 스펙트럼을 가지는 반면에, 흡수층으로 사용되는 결정형 실리콘은 1.1 eV, 비정질 실리콘 박막은1.4 ~ 1.9 eV 범위 내의 에너지 밴드갭을 가진다. 따라서 태양전지의 광흡수층이 상기 물질들 중 하나로만 구성될 경우에는, 태양전지는 특정대역의 빛만 흡수하게 되므로 광 흡수율에 한계가 있다.
종래문헌은 n형 실리콘 기판, 상기 실리콘 기판의 후면에 위치하는 터널링층, 상기 터널링층의 후면에 위치하는 도전성 반도체층 및 상기 실리콘 기판의 전면에 위치하는 에미터층을 포함하고, 상기 에미터층은 실리콘과 밴드갭 차이가 있는 물질을 포함하는 실리콘 태양전지를 제공하여 실리콘과 밴드갭 차이를 가지는 물질을 에미터 층에 사용해 패시베이션 효과를 유도하나, 실리콘의 밴드갭에 대응되는 파장의 빛만 흡수 하고 그 범위 외 파장대의 빛은 흡수하지 못한다는 문제가 있다.
한국공개특허 제 2018-0101679호
본 발명이 이루고자 하는 일 기술적 과제는, 밴드갭이 실리콘보다 작은 반도체 물질을 포함하는 후면 전계층을 도입해 고효율을 가지는 실리콘 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 실리콘 태양전지의 제조방법을 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 일실시예는 실리콘 태양전지를 제공한다. 상기 실리콘 태양전지는 실리콘 기판, 상기 실리콘 기판의 전면에 위치하는 에미터층, 상기 에미터층의 전면에 위치하는 패시베이션막, 상기 에미터층에 전기적으로 연결되는 전면 전극, 상기 실리콘 기판의 후면에 위치하는 터널링층, 상기 터널링층 후면에 위치하고 밴드갭이 실리콘 보다 작은 반도체 물질을 포함하는 후면 전계층 및 상기 후면 전계층에 전기적으로 연결되는 후면 전극을 포함할 수 있다.
또한, 상기 실리콘 기판은 n형 실리콘 기판이고, 상기 에미터층은 p형 에미터층이고, 상기 후면 전계층은 n형 후면 전계층일 수 있다.
또한, 상기 실리콘 기판은 p형 실리콘 기판이고, 상기 에미터층은 n형 에미터층이고, 상기 후면 전계층은 p형 후면 전계층일 수 있다.
또한, 상기 에미터층은 요철 구조로 형성될 수 있다.
또한, 상기 터널링층은 실리콘 산화물, 금속 산화물, 비정질 실리콘 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 후면 전계층은 다결정질 저마늄, 다결정질 실리콘-저마늄 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 패시베이션막 전면에 위치하는 반사방지막을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 실리콘 태양전지 제조방법을 제공한다. 상기 실리콘 태양전지 제조방법은 실리콘 기판의 전면에 에미터층을 형성하는 단계, 상기 실리콘 기판의 후면에 터널링층을 형성하는 단계, 상기 에미터층의 전면에 패시베이션막을 형성하는 단계, 상기 패시베이션막의 전면에 반사방지막을 형성하는 단계, 상기 터널링층 후면에, 밴드갭이 실리콘 보다 작은 반도체 물질을 포함하는 후면 전계층을 형성하는 단계 및 상기 에미터층에 연결되는 전면 전극을 형성함과 함께 상기 후면 전계층과 연결되는 후면 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 실리콘 기판은 n형 실리콘 기판이고, 상기 에미터층은 p형 에미터층이고, 상기 후면 전계층은 n형 후면 전계층일 수 있다.
이때, 상기 실리콘 기판은 p형 실리콘 기판이고, 상기 에미터층은 n형 에미터층이고, 상기 후면 전계층은 p형 후면 전계층일 수 있다.
이때, 상기 터널링층은 실리콘 산화물, 금속 산화물, 비정질 실리콘 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.
이때, 상기 후면 전계층은 다결정질 저마늄, 다결정질 실리콘-저마늄 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.
이때, 상기 에미터층을 형성하는 단계 전에, 상기 실리콘 기판 전면에 텍스쳐링 공정에 의해 요철을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 실리콘 태양전지는 실리콘 기판 후면의 터널링층을 통해 캐리어 재결합을 방해하여 고효율을 달성하고, 터널링층 후면에 밴드갭이 실리콘 보다 작은 반도체 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는, 후면 전계층을 도입하여 실리콘이 흡수하지 못하는 여분의 빛을 흡수함으로써 태양전지의 광흡수율을 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 태양전지의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 태양전지의 개략적인 단면도이다.
도3는 상기 실리콘 태양전지를 제조하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
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.
도1 및 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 태양전지(100)의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 상기 실리콘 태양전지(100)는 실리콘 기판(110), 상기 실리콘 기판(110)의 전면에 위치하는 에미터층(120), 상기 에미터층(120)의 전면에 위치하는 패시베이션막(170), 상기 에미터층(120)에 전기적으로 연결되는 전면 전극(130), 상기 실리콘 기판의 후면에 위치하는 터널링층(140), 상기 터널링층(140) 후면에 위치하고 밴드갭이 실리콘보다 작은 반도체물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 전계층(150) 및 상기 후면 전계층(150)에 전기적으로 연결되는 후면 전극(160)을 포함할 수 있다.
또한, 도 2를 참조하면, 상기 실리콘 태양전지(100)는 상기 패시베이션막(170) 전면에 위치하는 반사방지막(180)을 더 포함할 수 있다.
순수한 반도체 물질에 불순물을 첨가하면 저항을 감소 시킬 수 있는데 이러한 과정을 도핑(doping)이라고 한다. 4개의 원자가 전자를 가지는 14족 원소의 원자로 이루어진 진성 반도체의 경우에는 상온에서 아주 적은 수의 캐리어가 존재하며 전자와 양공의 수가 같다. 이런 진성 반도체를 형성하는 원자의 일부를 이들 보다 원자가 전자가 하나 더 많은 15족 원소로 치환하게 되면 남은 전자가 추가적으로 캐리어 역할을 하게 된다. n형 반도체는 전하 운반자 역할을 하는 전자의 수가 양공의 수에 비해서 훨씬 많아 진성 반도체에 비해 전자 밀도가 높아서 전기적 특성이 향상된다. 반대로, 13족 원소의 원자로 치환하게 되면 정공이 캐리어 역할을 하는 p형 반도체를 만들 수 있다.
상기 실리콘 기판(110)은 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘에 도펀트가 도핑된 실리콘 기판일 수 있다. 상기 도펀트는 15족 원소 일 수 있고 구체적으로 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb), 비스무스(Bi)일 수 있다. 또한, 상기 도펀트는 13족 원소 일 수 있고 구체적으로 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga)일 수도 있다. 상기 실리콘 기판 (110)의 전면은 요철로 이루어진 요철 구조일 수 있는데, 이러한 요철 구조는 이른바 텍스쳐링 공정에 의해 형성될 수 있다.
상기 에미터층(120)은 p형 또는 n형 일 수 있으며, 상기 실리콘 기판(110)과 p-n접합을 형성하기 위해서 상기 실리콘 기판(110)과 반대되는 도전형이다. 상기 에미터층(120)은 상기 실리콘 기판(110)과 반대되는 형의 도펀트를 포함하는 가스를 공급하여 도펀트가 기판내부로 확산 되도록 하여 형성된다. 예를 들어, 상기 도펀트는 13족 원소 일 수 있고 구체적으로 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga)일 수도 있다. 또한 상기 도펀트는 15족 원소 일 수 있고 구체적으로 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb), 비스무스(Bi)일 수 있다. 또한, 상기 도펀트는 13족 원소 일 수 있고 구체적으로 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga)일 수도 있다.
상기 에미터층(120)은 상기 실리콘 기판(110)과 접합해 전계를 발생시키고, 입사광에 의해 발생한 전자의 이동통로가 되며 전면전극과 연결되어 전하가 축적될 수 있도록 한다. 상기 에미터층(120)의 도핑의 정도에 따라 태양전지의 효율에 크게 영향을 미치게 되는데 높게 도핑(Heavy Doping) 하면, 전면전극과 접촉저항을 낮게 할 수 있으며, 전계를 크게 발생시키는 장점이 있으나 많은 불순물 주입에 따라 입사광에 의해 발생한 전자를 쉽게 잃어버리는 재결합의 문제가 있다. 상기 에미터층 (120)은 상기 실리콘 기판 (110)의 전면의 요철 구조를 그대로 순응하는 요철 구조를 가질 수 있다. 상기 에미터층(120)의 요철 구조는 입사되는 태양광의 반사를 억제하여 수광 효율을 높일 수 있어 바람직하다.
본 명세서에 있어서, 상기 패시베이션막(170)은 유전체로 형성될 수 있으며, 일례로, 알루미늄 산화막(Al2O3)으로 형성될 수 있다. 하지만, 상기 패시베이션막(170)은 실리콘 질화막(SiNx), 실리콘 산화막(SiO2), SiOxNy막, 수소화된 실리콘 산화막(SiOx:H), 수소화된 실리콘 질화산화막(SiNxOy:H), 수소화된 실리콘 산화질화막(SiOxNy:H), 수소화된 비정질 실리콘막(a-Si:H) 중에서 선택된 어느 한 재료로 형성될 수도 있고, 상기 재료들이 복수의 층으로 형성될 수도 있다.
본 명세서에 있어서, 상기 반사방지막(180)은 유전체로 형성될 수 있으며, 실리콘 질화막(SiNx), 실리콘 산화막(SiOx), 실리콘 산화질화막(SiOxNy), 실리콘 탄화막(SiCx) 및 실리콘 산화탄화막(SiOC) 중에서 선택된 어느 한 재료로 형성될 수 있으며, 상기 재료들이 복수의 층으로도 형성될 수 있다. 상기 반사방지막(180)은 수광면으로 입사하는 태양광의 재반사를 방지하여 광 포획(Light trapping)을 개선시킬 수 있다.
상기 패시베이션막(170) 및 상기 반사방지막(180)은 상기 에미터층(120)의 요철 구조 상에 형성되어서 상기 요철 구조를 그대로 순응하도록 요철 구조를 가지도록 형성될 수 있다.
상기 터널링층(140)은 캐리어가 터널링 효과에 의해 원활하게 전달되도록 하며 실리콘 기판의 결함에서 발생할 수 있는 캐리어의 재결합을 막아준다. 상기 터널링층(140)은 캐리어가 터널링 될 수 있는 다양한 물질을 포함 할 수 있다. 일 예로 실리콘 산화물, 금속 산화물, 비정질 실리콘 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다. 상기 터널링층(140)은 계면의 단글링 본드를 감소시켜 표면을 패시베이션 시키고, 질량이 작은 전자는 산화막을 통과하나 질량이 큰 정공은 통과할 수 없게 하여 캐리어의 선택적 수집이 가능하다. 상기 터널링층 (140)의 두께는 0.5nm 내지 2nm 인 것이 터널링을 가능하게 바람직하다. 상기 터널링층(140)의 두께가 0.5nm미만이면 터널링 효과가 발생하기 어렵고, 2nm이상이면 캐리어가 통과 할 수 없다. 상기 실리콘 기판 (110)을 화학적 산화 방식 등에 의해, 상기 터널링층 (120)을 형성한다. 상기 터널링층 (120)은 공지된 다양한 방법에 의해 형성될 수 있다.
상기 후면 전계층(150)은 밴드갭이 실리콘보다 작은 반도체 물질을 포함하여 실리콘이 흡수하지 못하는 여분의 빛을 흡수함으로써 광흡수율을 증대시킬 수 있다. 상기 밴드갭이 실리콘보다 작은 반도체 물질은 300K에서 밴드갭이 1.12eV미만인 반도체 물질인 것이 실리콘이 흡수할 수 없는 파장대의 빛을 추가적으로 흡수 할 수 있어 바람직하며, 예를 들어 상기 밴드갭이 실리콘보다 작은 반도체물질은 다결정질 저마늄, 다결정질 실리콘-저마늄 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
직접 밴드갭(direct bandgap)물질의 경우 전도대(conduction band)의 최소값과 가전자대(valence band)의 최대값이 모두 전자의 운동량이 0일때 위치한다. 따라서 전도대에서 가전자대로 수직으로 에너지를 방출하며 내려올 수 있다. 그러나 간접 밴드갭(indirect bandgap)물질의 경우 전자가 띠 사이를 이동할 때 전도대의 최소값에서 수직으로 에너지를 방출 하며 내려올 수 없어 수평 이동이 필요하다. 이에 따라 전자의 운동량이 변해야 하므로 에너지가 소모되고 에너지 전환 효율이 감소하게 된다. 저마늄은 직접 밴드갭 물질이므로 빛에너지를 온전히 방출 할 수 있으므로 상기 후면 전계층(150)은 다결정질 저마늄 또는 다결정질 실리콘-저마늄을 포함 하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 후면 전계층(150)은 도펀트를 함유할 수 있다. 일례로, 상기 도펀트는 15족 원소 일 수 있고 구체적으로 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 및 비스무스(Bi)와 같이 n형도펀트일 수 있다. 또한, 상기 도펀트는 13족 원소 일 수 있고 구체적으로 붕소(B), 알루미늄(Al) 및 갈륨(Ga)과 같이 p형 도펀트일 수도 있다. 상기 후면 전계층(150)은 후면전계(Back Surface Field)(BSF) 역할을 수행한다. 계면이 양전하 또는 음전하로 대전됨에 따라 전자나 정공에 대해 반발력이 생겨 이들의 접근이 방지해 전자와 정공의 재결합을 막기 위해서는 상기 후면 전계층(150)은 상기 실리콘 기판 (110)과 같은 도전형이며, 상기 실리콘 기판(110)에 도핑된 도펀트의 농도보다 더 고농도의 동일한 도전형 도펀트가 도핑되는 것이 바람직하다. 이에 따라 상기 후면 전계층(150)은 패시베이션 효과를 극대화하여 개방전압 성능을 높일 수 있다. 또한, 상기 후면 전계층 (150)은 상기 에미터층 (120)과는 반대되는 도전형 도펀트를 함유한다. 상기 실리콘 태양전지 (100)는 상기 터널링층 (140) 및 상기 후면 전계층 (150)에 의해 터널접합구조의 후면 전계를 형성하여 고효율 특성을 나타낼 수 있다. 상기 후면 전계층(150)의 두께는 50nm 내지 150nm 일 수 있다.
상기 전면 전극(130)과 상기 후면 전극(160)은 상기 실리콘 태양전지 (100)내로 태양광이 입사되어 발생된 정공과 전자를 각각 포집하는 기능을 한다.
본 명세서에 있어서, 상기 상기 전면 전극(130) 및 상기 후면 전극(160)은 각각 독립적으로 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 주석(Sn) 또는 아연 (Zn)과 같은 다양한 금속 물질을 포함할 수 있다.
이때, 상기 전면 전극(130) 및 상기 후면 전극(160)은 저온 페이스트를 사용하여 스크린프린팅(screen printing), 디스펜싱(dispensing), e-빔(e-beam) 등의 방법에 의해 금속으로 형성되거나, 또는 스퍼터링 공정으로 금속을 증착하여 형성할 수 있다.
이하에서는 상기 실리콘 태양전지(100)를 제조하는 방법에 대해 설명한다.
본 발명의 또 다른 실시예는 실리콘 태양전지 제조방법을 제공한다.
도 3을 참조하면, 상기 실리콘 태양전지의 제조방법은, 실리콘 기판의 전면에 에미터층을 형성하는 단계, 상기 실리콘 기판의 후면에 터널링층을 형성하는 단계, 상기 에미터층의 전면에 패시베이션막을 형성하는 단계, 상기 패시베이션막의 전면에 반사방지막을 형성하는 단계, 상기 터널링층 후면에, 밴드갭이 실리콘 보다 작은 반도체 물질을 포함하는 후면 전계층을 형성하는 단계 및 상기 에미터층에 연결되는 전면 전극을 형성함과 함께 상기 후면 전계층과 연결되는 후면 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 에미터층을 형성하는 단계 전에, 상기 실리콘 기판 전면에 텍스쳐링 공정에 의해 요철을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 실리콘 태양전지를 제조하는 방법에 의해 전술한 실리콘 태양전지(100)를 제조할 수 있다. 따라서, 각 구성 요소에 대한 상세한 설명은 전술한 바와 같다.
도 3은 상기 실리콘 태양전지(100)를 제조하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 상기 실리콘 태양전지(100)를 제조하는 방법의 각 단계에 대하여 구체적으로 설명한다.
먼저, 제1도전형 실리콘 기판 (110)을 준비한다. 상기 제1도전형 실리콘 기판 (110)은 전술한 바와 같이, 실리콘을 포함하는 다양한 형태가 될 수 있으며, 예를 들어, n형 도펀트가 도핑된 n형 실리콘 기판 또는 p형 도펀트가 도핑된 p형 실리콘 기판일 수 있다. 그런 다음, 텍스쳐링 공정을 통해 상기 실리콘 기판(110) 표면을 요철 형상으로 가공하여 빛 반사를 최소화시킬 수 있다.
다음으로, 상기 실리콘 기판의 전면에 p형 또는 n형 도펀트를 포함하는 가스를 공급하여 도펀트가 상기 실리콘 기판의 내부로 확산되도록 하여 에미터층(120)을 형성할 수 있다.
이어서, 상기 실리콘 기판의 후면에 상기 터널링층(140)을 형성할 수 있으며, 이는 상기 실리콘 기판(110)을 화학적 산화 방식 등 공지된 다양한 방식으로 처리하여 상기 실리콘 기판의 후면에 상기 터널링층(140)을 형성하도록 수행될 수 있다. 상기 터널링층(140)이 실리콘 산화막으로 형성되는 경우, 상기 실리콘 산화막은 상기 실리콘 기판의 후면에 열 산화(thermal oxidation) 방법으로 형성될 수 있다. 이와 같은 상기 터널링층(140)은 열 산화 방법 이외에도 다양한 방법으로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 인시츄 산화 공정에 의하는 경우 실리콘 산화물층을 형성함으로써 상기 터널링층 (120)을 형성할 수 있고, 공정을 단순화할 있는 이점이 있다.
이때, 상기 터널링층은 실리콘 산화물, 금속 산화물, 비정질 실리콘 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다. 상기 터널링층의 두께는 0.5nm 내지 2nm가 되도록 수행될 수 있으며, 상기 범위 미만의 경우 터널링 효과가 발생하기 어렵고, 상기 범위 초과에서는 캐리어가 통과할 수 없으므로 바람직하지 않다.
다음으로, 도 3 (d)에서 도시한 바와 같이, 상기 에미터층(120)의 전면에 상기 패시베이션막(170)을 형성하고, 상기 패시베이션막(170)의 전면에 반사방지막(180)을 형성한다.
상기 패시베이션막(170)은 알루미늄 산화막(Al2O3)으로 형성될 수 있지만, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 예컨대, 실리콘 질화막(SiNx), 실리콘 산화막(SiO2), SiOxNy막, 수소화된 실리콘 산화막(SiOx:H), 수소화된 실리콘 질화산화막(SiNxOy:H), 수소화된 실리콘 산화질화막(SiOxNy:H), 수소화된 비정질 실리콘막(a-Si:H) 중에서 선택된 어느 한 재료로 형성될 수도 있고, 상기 재료들이 복수의 층으로 형성될 수도 있다.
상기 반사방지막(180)은 실리콘 질화막(SiNx), 실리콘 산화막(SiOx), 실리콘 산화질화막(SiOxNy), 실리콘 탄화막(SiCx) 및 실리콘 산화탄화막(SiOC) 중에서 선택된 어느 한 재료로 형성될 수 있으며, 상기 재료들이 복수의 층으로도 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 터널링층(140)의 후면에, 밴드갭이 실리콘 보다 작은 반도체 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는, 상기 후면 전계층(150)을 형성할 수 있다(도 3(e) 참조). 이때, 상기 후면 전계층(150)은 약 50nm 내지 150nm두께로 형성할 수 있다. 상기 후면 전계층(150)의 두께는 50nm미만이면 광흡수율이 충분히 확보되지 못하고 150nm이상이면 전하가 포집되기 전 소멸될 수 있으므로 약 50nm 내지 150nm인 것이 바람직하다. 상기 후면 전계층(150)은 다결정질 저마늄, 다결정질 실리콘-저마늄 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함 할 수 있다. 상기 터널링층 (140)과 상기 후면 전계층(150)은 동시에 인시츄로도 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 에미터층(120)과 연결되는 상기 전면 전극(130) 및 상기 후면 전계층과 연결되는 후면 전극(160)을 형성한다(도 3(f) 참조). 상기 전면 전극 (130) 및 상기 후면 전극 (160)은 공지된 방법에 따라 제조될 수 있으며, 예컨대, 상기 전면 전극 (130) 및 상기 후면 전극 (160)은 저온 페이스트를 사용하여 스크린 프린팅 (screen printing), 디스펜싱 (dispensing), e-빔 (e-beam) 등의 방법에 의해 금속으로 형성하거나, 또는 스퍼터링 공정으로 금속을 증착하여 형성할 수 있다.
100: 실리콘 태양전지
110: 실리콘 기판
120: 에미터층
130: 전면 전극
140: 터널링층
150: 후면 전계층
160: 후면 전극
170: 패시베이션막
180: 반사방지막

Claims (13)

  1. 실리콘 기판;
    상기 실리콘 기판의 전면에 위치하는 에미터층;
    상기 에미터층의 전면에 위치하는 패시베이션막;
    상기 에미터층에 전기적으로 연결되는 전면 전극;
    상기 실리콘 기판의 후면에 위치하는 터널링층;
    상기 터널링층 후면에 위치하고 밴드갭이 실리콘 보다 작은 반도체 물질을 포함하는 후면 전계층; 및
    상기 후면 전계층에 전기적으로 연결되는 후면 전극을 포함하는 것을 특징으로 하고,
    상기 실리콘 기판과 상기 에미터층은 서로 반대되는 도전형이고, 상기 실리콘 기판과 상기 후면 전계층은 서로 동일한 도전형인 것을 특징으로 하고,
    상기 후면 전계층은 다결정질 저마늄, 다결정질 실리콘-저마늄 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 패시베이션막(170) 전면에 위치하는 반사방지막(180)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 기판은 n형 실리콘 기판이고,
    상기 에미터층은 p형 에미터층이고,
    상기 후면 전계층은 n형 후면 전계층인 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 기판은 p형 실리콘 기판이고,
    상기 에미터층은 n형 에미터층이고,
    상기 후면 전계층은 p형 후면 전계층인 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 에미터층은 요철 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지.
  6. ◈청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제1항에 있어서,
    상기 터널링층은 실리콘 산화물, 금속 산화물, 비정질 실리콘 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지.
  7. 삭제
  8. 실리콘 기판의 전면에 에미터층을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 기판의 후면에 터널링층을 형성하는 단계;
    상기 에미터층의 전면에 패시베이션막을 형성하는 단계;
    상기 패시베이션막의 전면에 반사방지막을 형성하는 단계;
    상기 터널링층 후면에, 밴드갭이 실리콘 보다 작은 반도체 물질을 포함하는 후면 전계층을 형성하는 단계; 및
    상기 에미터층에 연결되는 전면 전극을 형성함과 함께 상기 후면 전계층과 연결되는 후면 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하고,
    상기 실리콘 기판과 상기 에미터층은 서로 반대되는 도전형이고, 상기 실리콘 기판과 상기 후면 전계층은 서로 동일한 도전형인 것을 특징으로 하고,
    상기 후면 전계층은 다결정질 저마늄, 다결정질 실리콘-저마늄 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 실리콘 기판은 n형 실리콘 기판이고,
    상기 에미터층은 p형 에미터층이고,
    상기 후면 전계층은 n형 후면 전계층인 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 실리콘 기판은 p형 실리콘 기판이고,
    상기 에미터층은 n형 에미터층이고,
    상기 후면 전계층은 p형 후면 전계층인 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지 제조방법.
  11. ◈청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제8항에 있어서,
    상기 터널링층은 실리콘 산화물, 금속 산화물, 비정질 실리콘 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지 제조방법.
  12. 삭제
  13. 제8항에 있어서,
    상기 에미터층을 형성하는 단계 전에, 상기 실리콘 기판 전면에 텍스쳐링 공정에 의해 요철을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지 제조방법.
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