KR102311190B1 - 전하 선택 접합 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소수 반송자(Minority carrier)의 재결합이 효과적으로 방지되고, 접촉 저항이 낮아 효율이 크게 향상된 전하 선택 접합형 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로 상기 전하 선택 접합형 태양전지는 실리콘 기판, 상기 실리콘 기판의 일면에 위치하고, 실리콘 산화물(SiOx)을 포함하여 터널링을 통해 전하를 통과시키는 버퍼층, 상기 버퍼층 상에 위치하고, 결정질의 티타늄 산화물(Crystalline TiOx)을 포함하는 전자 선택 접합층(Electron selective contact layer), 상기 전자 선택 접합층 상에 위치하고 금속 산화물 또는 금속 불화물을 포함하는 계면층, 상기 계면층 상에 위치하는 제1 전극, 상기 실리콘 기판의 타면에 위치하는 정공 선택 접합층(Hole selective contact layer), 상기 정공 선택 접합층 상에 위치하는 투명전극층 및 상기 투명전극층 상에 위치하는 제2 전극을 포함한다.

Description

전하 선택 접합 태양전지 및 이의 제조방법{A SOLAR CELL HAVING CARRIER SELECTIVE CONTACT AND PREPARING METHOD THEREOF}
본 발명은 소수 반송자(Minority carrier)의 재결합이 효과적으로 방지되고, 접촉 저항이 낮아 효율이 크게 향상된 전하 선택 접촉형 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
결정질 실리콘 태양전지의 효율은 최근 26.7%까지 도달하였다. 이에 따라 상용 태양전지의 효율도 점차 향상되고 있으나, 가까운 미래에 그 한계에 도달할 것으로 예상된다.
실리콘 태양전지의 이론적인 한계 효율은 29.4%로 알려져 있으나, 실용적인 한계 효율은 27% 수준이 될 것으로 전망된다. 실리콘 태양전지의 이론적인 효율에 접근하기 위해 해결해야 할 여러 사항 중의 하나는 금속 전극/실리콘 접촉 영역에서 소수 반송자의 재결합을 방지하는 것이다. 금속/실리콘 접촉 영역의 재결합은 태양전지의 고효율화를 제한하는 주요한 요소 중의 하나이다.
이를 극복하기 위해 기존의 태양전지와 구조가 다른 전하 선택 접합(Carrier selective contact) 태양전지에 대한 연구가 대학 및 연구소를 중심으로 활발히 진행되고 있다.
전하 선택 접촉형 태양전지는 전자 또는 정공의 어느 한쪽에 대해 장벽 높이(Barrier height)로 그 움직임을 제어하거나, 터널링(Tunneling)을 통해 선택적으로 전하를 수집할 수 있는 구조를 갖는 태양전지를 총칭하는 것이다. 이때 전자에 대한 선택형 접합을 ESC(Electron selective contact), 정공에 대한 선택형 접합을 HSC(Hole selective contact), 전자와 정공 양쪽 모두에 대한 선택형 접합을 EHSC(Electron and hole selective contact)라 한다.
한국공개특허 제10-2019-0061325호
J. Bullock et al., ACS Energy Lett. 2018, 3, 508-513 J. Bullock et al., Nat. Energy, 2016, Vol. 1, 1 X. Yang et al., Prog. Photovolt:Res. Appl. 2017, 25, 869-904
본 발명은 효율이 높은 전하 선택 접합형 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 실리콘/산화물 계면에서 전하의 재결합이 최소화되고, 접촉저항이 저감된 전하 선택 접합형 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 보다 낮은 공정 비용으로 전하 선택 접합형 태양전지를 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해 질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전하 선택 접합형 태양전지는 실리콘 기판, 상기 실리콘 기판의 일면에 위치하고, 실리콘 산화물(SiOx)을 포함하여 터널링을 통해 전하를 통과시키는 버퍼층, 상기 버퍼층 상에 위치하고, 결정질의 티타늄 산화물(Crystalline TiOx)을 포함하는 전자 선택 접합층(Electron selective contact layer), 상기 전자 선택 접합층 상에 위치하고 금속 산화물 또는 금속 불화물을 포함하는 계면층, 상기 계면층 상에 위치하는 제1 전극, 상기 실리콘 기판의 타면에 위치하는 정공 선택 접합층(Hole selective contact layer), 상기 정공 선택 접합층 상에 위치하는 투명전극층 및 상기 투명전극층 상에 위치하는 제2 전극을 포함한다.
상기 버퍼층은 두께가 1.0nm 내지 2.0nm일 수 있다.
상기 전자 선택 접촉층은 비정질의 티타늄 산화물(amorphous TiOx)을 포함하는 영역; 및 아나타제(Anatase) 결정구조를 갖는 결정질의 티타늄 산화물(Crystalline TiOx)을 포함하는 영역을 포함하는 것일 수 있다.
상기 전자 선택 접합층은 상기 제1 영역을 30부피% 내지 70부피%, 상기 제2 영역을 30부피% 내지 70부피%로 포함하는 것일 수 있다.
상기 전자 선택 접촉층은 두께가 2.0nm 내지 8.0nm일 수 있다.
상기 전자 선택 접촉층은 전자빔 증착(electron beam evaporation)을 통해 형성된 것일 수 있다.
상기 계면층은 알루미늄 산화물(AlOx)을 포함하는 금속 산화물; 또는 리튬 불화물(LiFx), 칼슘 불화물(CaFx) 및 마그네슘 불화물(MgFx) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 계면층은 두께가 1.0nm 이하일 수 있다.
상기 제1 전극은 알루미늄, 은 또는 알루미늄과 은을 주성분으로 하는 합금을 포함하는 박막일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전하 선택 접합형 태양전지의 제조방법은 실리콘 기판을 제공하는 단계; 상기 실리콘 기판의 일면에 실리콘 산화물(SiOx)을 포함하여 터널링을 통해 전하를 통과시키는 버퍼층을 형성하는 단계, 상기 버퍼층 상에 티타늄 산화물을 전자빔 진공증착(electron beam evaporation)시켜 전자 선택 접합층을 형성하는 단계, 상기 전자 선택 접합층 상에 제1 전극을 형성하는 단계, 상기 전자 선택 접촉층과 제1 전극을 어닐링(Annealing)하여 상기 전자 선택 접합층에 결정질의 티타늄 산화물(Crystalline TiOx)을 형성하고, 상기 전자 선택 접합층 및 제1 전극 사이에 계면층을 형성하는 단계, 상기 실리콘 기판의 타면에 정공 선택 접합층을 형성하는 단계, 상기 정공 선택 접합층 상에 투명전극층을 형성하는 단계 및 상기 투명전극층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제조방법은 상기 전자 선택 접촉층과 제1 전극을 수소 및 질소의 혼합 가스 분위기에서 200℃ 내지 550℃로 어닐링하는 것일 수 있다.
본 발명에 따르면 효율이 높은 전하 선택 접합형 태양전지를 얻을 수 있다.
본 발명에 따르면 전하의 재결합이 최소화되고, 접촉저항이 크게 저감된 전하 선택 접합형 태양전지를 얻을 수 있다.
본 발명에 따르면 낮은 공정 비용으로 고효율의 전하 선택 접합형 태양전지를 얻을 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 전하 선택 접촉형 태양전지를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 태양전지에 포함된 전자 선택 접합층을 구체적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전하 선택 접합형 태양전지의 제조방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예로서 버퍼층을 형성하는 단계에서 침지 시간에 따른 상기 버퍼층의 두께를 측정한 결과이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예로서 버퍼층의 유무에 따른 소수 반송자 수명의 변화를 측정한 결과이다.
도 6은 전자빔 진공증착 장치를 예시적으로 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예로서 전자 선택 접합층을 형성하는 단계에서 증착 속도에 따른 소수 반송자 수명을 측정한 결과이다.
도 8은 본 발명의 실시예로서 전자 선택 접촉층의 두께에 따른 재결합 속도(surface recombination velocity, SRV) 및 접촉저항(Contact specific resistance, Rsp)을 측정한 결과이다.
도 9는 본 발명의 실시예로서 전자 선택 접촉층을 어닐링하였을 때, 상기 전자 선택 접촉층의 미세구조 변화를 투과 전자 현미경(Transmission electron microscopy, TEM)으로 관찰한 결과이다.
도 10은 본 발명의 비교예 및 실시예로서 어닐링을 수행하지 않은 경우 및 수행한 경우 각각에 대한 소수 반송자의 수명을 측정한 결과이다.
도 11은 본 발명의 실시예로서 어닐링의 온도를 달리하며 접촉저항을 측정한 결과이다. 좌측 상단의 소도면은 어닐링의 온도가 400℃ 미만일 때 측정된 I-V 커브이고, 우측 상단의 소도면은 어닐링의 온도가 400℃일 때 측정된 I-V 커브이다.
도 12는 본 발명의 실시예로서 어닐링의 온도를 달리하며 소수 반송자의 수명을 측정한 결과이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범 위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.
도 1은 본 발명에 따른 전하 선택 접촉형 태양전지를 개략적으로 도시한 단면도이다. 이를 참조하면, 상기 CSC 태양전지는 실리콘 기판(10), 상기 실리콘 기판(10)의 일면에 위치하고, 실리콘 산화물(SiOx)을 포함하여 터널링(Tunneling)을 통해 전하를 통과시키는 버퍼층(20), 상기 버퍼층(20) 상에 위치하고, 결정질의 티타늄 산화물(Crystalline TiOx)을 포함하는 전자 선택 접합층(Electron selective contact layer, 30), 상기 전자 선택 접합층(30) 상에 위치하고 금속 산화물 또는 금속 불화물을 포함하는 계면층(40), 상기 계면층(40) 상에 위치하는 제1 전극(50), 상기 실리콘 기판(10)의 타면에 위치하는 정공 선택 접합층(Hole selective contact layer, 60), 상기 정공 선택 접합층(60) 상에 위치하는 투명전극층(70) 및 상기 투명전극층(70) 상에 위치하는 제2 전극(80)을 포함한다.
상기 전하 선택 접합형 태양전지는 상기 실리콘 기판(10)에서 생성된 전자와 정공이 각각 전자 선택 접합층(30)과 정공 선택 접합층(60)으로 수집되면서 작동한다.
본 발명은 상기 전하 선택 접합형 태양전지의 각 구성 간의 계면에서의 전하 재결합에 의한 손실을 최소화하고, 전자 선택 접합층(30)의 다수 반송자 전하의 선택성을 높이며, 접촉저항을 최대한 낮춤으로써 그 발전 효율을 극대화한 것을 특징으로 한다. 이하 각 구성에 대해 구체적으로 설명한다.
상기 실리콘 기판(10)은 n형 반도체 기판 또는 p형 반도체 기판일 수 있다.
예를 들어, 상기 실리콘 기판(10)은 n형 불순물을 포함하는 결정질 실리콘 기판이며, 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등의 5가 원소의 불순물을 함유하는 것일 수 있다.
또한 상기 실리콘 기판(10)은 p형 불순물을 포함하는 결정질 실리콘 기판이며, 붕소(B), 칼륨(K) 등의 3가 원소의 불순물을 함유하는 것일 수 있다.
상기 실리콘 기판(10)은 반사율을 감소시키고, 광 포집 효율을 높이기 위해 일면 또는 양면에 미세한 텍스쳐 구조를 구비할 수 있다. 상기 실리콘 기판(10)에 상기 텍스쳐 구조가 형성되는 경우에는 그 상에 추가되는 각 층들 역시 동일하게 텍스쳐 구조를 갖도록 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(20)은 전하의 터널링이 가능한 물질로 형성될 수 있다. 구체적으로 상기 버퍼층(20)은 실리콘 산화물(SiOx)로 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
상기 버퍼층(20)은 두께가 1.0nm 내지 2.0nm인 것일 수 있다. 상기 버퍼층(20)의 두께가 너무 얇으면 패시베이션(Passivation) 작용이 떨어질 수 있고 계면 결함을 감소시키는 정도가 미미할 수 있다. 반면에 그 두께가 너무 두꺼우면 전하의 터널링이 감소되어 발전 효율이 떨어질 수 있다.
상기 전자 선택 접촉층(30)은 자유전하 전자(Electron)를 선택적으로 이송시키면서 동시에 자유전하 정공(Hole)의 재결합 손실을 저감시켜 패시베이션 작용을 하는 구성이다.
도 2은 본 발명에 따른 상기 전자 선택 접합층(30)을 구체적으로 도시한 단면도이다. 이를 참조하면, 상기 전자 선택 접합층(30)은 비정질의 티타늄 산화물(amorphous TiOx)을 포함하는 제1 영역(A) 및 아나타제(Anatase) 결정구조를 갖는 결정질의 티타늄 산화물(Crystalline TiOx)을 포함하는 제2 영역(B)이 혼재되어 있는 구조를 갖는 것일 수 있다. 본 발명은 상기 전자 선택 접촉층(30)에 대한 어닐링(Annealing) 공정을 수행하는데, 그 과정에서 상기 비정질의 티타늄 산화물(amorphous TiOx)의 적어도 일부가 결정화되어 상기 결정질의 티타늄 산화물(Crystalline TiOx)이 형성된다. 이에 대해서는 제조방법에서 구체적으로 설명한다.
상기 결정질의 티타늄 산화물을 포함하는 제2 영역(B)은 제1 영역(A)에 비해 전자 전도도가 우수하여 접촉 저항을 저감시키는 장점이 있는 반면, 상기 제2 영역(B)은 소수 반송자의 재결합 센터로 작용하기 때문에 소수 반송자의 수명을 떨어뜨리는 원인이 된다. 따라서 본 발명에서는 상기 제2 영역(B)와 제1 영역(A)을 혼재시켜 상기 전자 선택 접촉층(30)의 패시베이션 작용 기능과 재결합 방지 정도를 적절한 수준으로 조절한 것을 특징으로 한다. 이는 상기 전자 선택 접촉층(30)에 대한 어닐링 온도 조건으로 조절할 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.
상기 전자 선택 접합층(30)은 상기 제1 영역(A)을 30부피% 내지 70부피%, 상기 제2 영역(B)을 30부피% 내지 70부피%로 포함하는 것일 수 있다. 상기 제2 영역(B)의 부피 분율이 너무 낮으면 접촉 저항이 커지고, 너무 높으면 패시베이션 성능이 낮아질 수 있다.
상기 전자 선택 접합층(30)의 두께는 2.0nm 내지 8.0nm인 것일 수 있다. 상기 전자 선택 접합층(30)의 두께가 위 수치 범위에 속해야 소수 반송자의 재결합을 효과적으로 방지하면서 접촉저항을 낮게 유지할 수 있다.
상기 전자 선택 접합층(30)은 전자빔 증착(Electron beam evaporation)을 통해 형성할 수 있다. 이에 대해서는 제조방법에서 구체적으로 설명한다.
상기 계면층(40)은 상기 전자 선택 접합층(30)의 물성 제어를 위한 구성으로서, 금속 산화물 또는 금속 불화물을 포함할 수 있다. 구체적으로 알루미늄 산화물(AlOx)을 포함하는 금속 산화물; 또는 리튬 불화물(LiFx), 칼슘 불화물(CaFx) 및 마그네슘 불화물(MgFx) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금속 불화물을 포함할 수 있다.
상기 계면층(40)은 상기 전자 선택 접합층(30) 상에 제1 전극(50)을 형성한 뒤 어닐링하는 과정에서 상기 전자 선택 접합층(30)과 제1 전극(50) 사이에 형성되는 구성이다. 상기 계면층(40)이 형성됨에 따라 접촉저항이 낮아지고, 소수 반송자의 수명이 크게 늘어난다.
상기 계면층(40)의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 1.0nm 이하일 수 있다.
상기 제1 전극(50)은 그리드 형태가 아니라 박막 형태의 것일 수 있다. 상기 제1 전극(50)은 알루미늄, 은 또는 알루미늄과 은을 주성분으로 하는 합금을 포함하는 박막일 수 있다.
상기 정공 선택 접합층(60)은 자유전하 정공을 선택적으로 수집하면서, 동시에 계면에서 전자-전공 재결합 손실을 저감하는 패시베이션 작용을 하는 구성이다. 상기 정공 선택 접합층(60)은 전이 금속 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 정공 선택 접합층(60)은 WO3, V2O5, MoOx(1<x<3)을 포함할 수 있다.
상기 투명전극층(70)은 반사 방지 역할을 하면서 전극 역할도 수행할 수 있다. 상기 투명전극층(70)은 예를 들어 ITO(Indium tin oxide), IZO (Indium zinc oxide), FTO (Fluorine doped tin oxide), ATO (Antimony doped tin oxide) 또는 AZO(Aluminium doped zinc oxide)를 포함할 수 있다.
상기 제2 전극(80)은 상기 투명전극층(70) 상에 그리드 형태로 형성될 수 있다. 상기 제2 전극(80)은 예를 들어 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 팔리듐(Pd) 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 전하 선택 접합형 태양전지의 제조방법을 도시한 흐름도이다. 이를 참조하면, 상기 제조방법은 실리콘 기판을 제공하는 단계(S10), 상기 실리콘 기판의 일면에 실리콘 산화물(SiOx)을 포함하여 터널링을 통해 전하를 통과시키는 버퍼층을 형성하는 단계(S20), 상기 버퍼층 상에 티타늄 산화물을 전자빔 진공증착(electron beam evaporation)시켜 전자 선택 접합층을 형성하는 단계(S30), 상기 전자 선택 접합층 상에 제1 전극을 형성하는 단계(S40), 상기 전자 선택 접합층과 제1 전극을 어닐링(Annealing)하여 상기 전자 선택 접합층에 결정질과 비정질이 혼합 된 티타늄 산화물(Crystalline TiOx)을 형성하고, 상기 전자 선택 접촉층 및 제1 전극 사이에 계면층을 형성하는 단계(S50), 상기 실리콘 기판의 타면에 정공 선택 접합층을 형성하는 단계(S60), 상기 정공 선택 접합층 상에 투명전극층을 형성하는 단계(S70) 및 상기 투명전극층 상에 제2 전극을 형성하는 단계(S80)를 포함한다.
이하 본 발명에 따른 전하 선택 접합형 태양전지의 제조방법을 실시예와 함께 구체적으로 설명한다.
상기 실리콘 기판(10)으로는 n형 반도체 기판 또는 p형 반도체 기판을 사용할 수 있다.
상기 실리콘 기판(10)을 산화 용액에 일정 시간 동안 침지시켜 버퍼층(20)을 형성할 수 있다(S20).
상기 산화 용액으로는 RCA1, RCA2 또는 Piranha를 사용할 수 있다. 또한 상기 침지는 5분 내지 60분 동안 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예로서, 상기 실리콘 기판(10)으로 n형 반도체 기판을 사용하고, 이를 RCA1 용액에 각각 5분, 15분, 30분, 60분 동안 침지시켜 상기 버퍼층(20)을 형성하였다. 그 결과는 도 4와 같다. 이를 참조하면, 위와 같이 버퍼층(20)을 형성하면 그 두께는 약 1.0nm 내지 2.0nm, 구체적으로 약 1.0nm 내지 1.3nm가 됨을 알 수 있다. 또한 침지 시간이 증가할수록 상기 버퍼층(20)의 두께가 증가함을 알 수 있다.
또한 상기 버퍼층(20) 상에 티타늄 산화물을 포함하는 전자 선택 접합층(30)을 약 7nm의 두께로 성막한 뒤, 소수 반송자의 수명을 측정하였다. 비교예로는 상기 버퍼층(20)을 형성하지 않고, 실리콘 기판 상에 직접적으로 전자 선택 접합층을 형성한 것을 사용하였다. 그 결과는 도 5와 같다. 이를 참조하면, 상기 버퍼층(20)을 형성하면 소수 반송자의 수명이 크게 향상됨을 알 수 있다. 이는 버퍼층(20)을 형성한 실시예가 비교예에 비해 소수 반송자의 재결합을 효과적으로 방지할 수 있음을 의미한다.
이후 상기 버퍼층(20) 상에 티타늄 산화물을 전자빔 진공증착(Electron beam evaporation)시켜 전자 선택 접합층(30)을 형성할 수 있다(S30). 전자빔 진공증착은 도 6과 같은 장치를 사용하여 수행할 수 있다. 예를 들어, 증착 소스를 챔버 또는 도가니 등에 장입하고, 전자 총(Electron gun) 등으로 상기 증착 소스에 전자 스트림(Electron stream)을 조사하여 기재에 티타늄 산화물을 증착할 수 있다.
구체적으로 TiO2, Ti3O5 및 Ti2O3 중 적어도 어느 하나를 포함하는 증착 소스를 이용하여 증착 속도 0.1Å/s 내지 0.6Å/s의 조건으로 상기 버퍼층(20) 상에 티타늄 산화물을 증착시켜 전자 선택 접합층(30)을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예로서, 증착 소스로 TiO2를 사용하고, 증착 속도를 각각 0.1Å/s, 0.2Å/s, 0.3Å/s, 0.4Å/s, 0.6Å/s으로 조절하여 상기 버퍼층(20) 상에 전자 선택 접합층(30)을 형성하였다. 이후 상기 전자 선택 접합층(30)을 어닐링한 뒤, 각 시료의 소수 반송자 수명을 측정하였다. 그 결과는 도 7과 같다. 이를 참조하면, 0.1Å/s의 증착 속도로 상기 전자 선택 접합층(30)을 형성하였을 때, 소수 반송자 수명이 가장 길고 증착 속도가 증가할수록 점점 줄어드는 것을 알 수 있다. 따라서 상기 전자빔 진공증착은 증착 속도가 0.1Å/s 내지 0.3Å/s, 바람직하게는 0.1Å/s 내지 0.2Å/s인 조건으로 수행할 수 있다.
또한 상기 전자 선택 접합층(30)의 두께를 달리하며 각 시료의 재결합 속도(surface recombination velocity, SRV) 및 접촉저항(Contact specific resistance, Rsp)을 측정하였다. 그 결과는 도 8과 같다. 이를 참조하면, 상기 전자 선택 접합층(30)의 두께가 약 4nm일 때, 재결합 속도 및 접촉저항이 모두 낮은 것을 알 수 있다. 따라서 상기 전자 선택 접합층(30)은 두께가 2nm 내지 8nm, 바람직하게는 4nm 내지 8nm, 보다 바람직하게는 4nm 내지 5nm일 수 있다.
이후 상기 전자 선택 접합층(30) 상에 제1 전극(50)인 알루미늄 박막을 성막(S40)하고, 그 결과물을 퍼니스(Furnace)를 이용하여 수소 및 질소의 혼합 가스 분위기에서 특정 온도로 어닐링할 수 있다(S50).
본 발명에 따른 실시예로서, 상기 전자 선택 접합층(30)과 제1 전극(50)을 약 500℃의 온도로 어닐링한 뒤, 상기 전자 선택 접합층(30)의 미세구조 변화를 투과 전자 현미경(Transmission electron microscopy, TEM)으로 관찰하였다. 그 결과는 도 9와 같다. 도 9는 버퍼층(20)과 전자 선택 접합층(30)의 계면에 대한 TEM 관찰 결과이다. 이를 Gatan microscopy suite software로 분석한 결과 상기 전자 선택 접합층(30)에 격자 크기가 아나타제(Anatase) 결정구조와 동일한 결정질의 티타늄 산화물(Crystalline TiOx)이 존재함을 알 수 있었다.
다음으로 비교예로서, 상기 전자 선택 접합층(30) 상에 알루미늄을 증착하여 제1 전극(50)을 성막한 상태에서 어닐링을 하지 않고 소수 반송자의 수명을 측정하였다. 또한 본 발명에 따른 실시예로서, 어닐링을 수행한 뒤 소수 반송자의 수명을 측정하였다. 그 결과는 도 10과 같다. 이를 참조하면, 제1 전극(50)을 증착한 직후 소수 반송자의 수명이 감소하였으나, 어닐링 후 다시 크게 향상되었음을 알 수 있다. 이는 상기 전자 선택 접합층(30)과 상기 제1 전극(50) 사이에 알루미늄 산화물(AlOx)을 포함하는 계면층(40)이 형성되어 상기 전자 선택 접합층(30)의 산소 결핍이 유발되었기 때문이다.
또한 어닐링 온도를 달리하고 각 온도에서의 접촉저항 및 소수 반송자의 수명을 평가하였다. 먼저 접촉저항의 측정 결과는 도 11과 같다. 이를 참조하면, 어닐링 온도가 400℃ 미만에서는 Ohmic 특성을 보이지 않다가(곡선), 400℃ 이상에서 Ohmic 특성을 보이면서(직선) 접촉저항이 급감함을 알 수 있다. 또한 어닐링 온도가 높아질수록 접촉 저항이 낮아짐을 알 수 있다.
다음으로 소수 반송자의 수명을 측정한 결과는 도 12와 같다. 이를 참조하면, 어닐링 온도가 약 450℃에서 소수 반송자의 수명이 최대가 됨을 알 수 있다.
따라서 상기 어닐링은 온도가 200℃ 내지 550℃, 바람직하게는 400℃ 내지 550℃, 보다 바람직하게는 400℃ 내지 500℃인 조건으로 수행할 수 있다.
이후 상기 실리콘 기판의 타면에 정공 선택 접합층을 형성하는 단계(S60), 상기 정공 선택 접합층 상에 투명전극층을 형성하는 단계(S70) 및 상기 투명전극층 상에 제2 전극을 형성하는 단계(S80)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통용되는 방법 및 소재 중 적절한 것을 선택하여 수행할 수 있다.
이상으로 본 발명의 실험예 및 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실험예 및 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10: 실리콘 기판 20: 버퍼층 30: 전자 선택 접합층
40: 계면층 50: 제1 전극 60: 정공 선택 접합층
70: 투명전극층 80: 제2 전극

Claims (17)

  1. 실리콘 기판;
    상기 실리콘 기판의 일면에 위치하고, 실리콘 산화물(SiOx)을 포함하여 터널링을 통해 전하를 통과시키는 버퍼층;
    상기 버퍼층 상에 위치하고, 결정질의 티타늄 산화물(Crystalline TiOx)을 포함하는 전자 선택 접합층(Electron selective contact layer);
    상기 전자 선택 접합층 상에 위치하고 금속 산화물 또는 금속 불화물을 포함하는 계면층;
    상기 계면층 상에 위치하는 제1 전극;
    상기 실리콘 기판의 타면에 위치하는 정공 선택 접합층(Hole selective contact layer);
    상기 정공 선택 접합층 상에 위치하는 투명전극층; 및
    상기 투명전극층 상에 위치하는 제2 전극;을 포함하고,
    상기 전자 선택 접합층은 비정질의 티타늄 산화물(amorphous TiOx)을 포함하는 제1 영역; 및 아나타제(Anatase) 결정구조를 갖는 결정질의 티타늄 산화물(Crystalline TiOx)을 포함하는 제2 영역을 포함하며,
    상기 전자 선택 접합층은 상기 제1 영역을 30부피% 내지 70부피%, 상기 제2 영역을 30부피% 내지 70부피%로 포함하는 것인 전하 선택 접합형 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼층은 두께가 1.0nm 내지 2.0nm인 전하 선택 접합형 태양전지.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전자 선택 접촉층은 두께가 2.0nm 내지 8.0nm인 전하 선택 접합형 태양전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전자 선택 접합층은 전자빔 증착(electron beam evaporation)을 통해 형성된 것인 전하 선택 접합형 태양전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 계면층은 알루미늄 산화물(AlOx)을 포함하는 금속 산화물; 또는
    리튬 불화물(LiFx), 칼슘 불화물(CaFx) 및 마그네슘 불화물(MgFx) 중 적어도 어느 하나를 포함하는금속 불화물을 포함하는 것인 전하 선택 접합형 태양전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 계면층은 두께가 1.0nm 이하인 전하 선택 접합형 태양전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은 알루미늄, 은 또는 알루미늄과 은의 합금을 포함하는 박막인 전하 선택 접합형 태양전지.
  10. 실리콘 기판을 제공하는 단계;
    상기 실리콘 기판의 일면에 실리콘 산화물(SiOx)을 포함하여 터널링을 통해 전하를 통과시키는 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 버퍼층 상에 티타늄 산화물을 전자빔 진공증착(electron beam evaporation)시켜 전자 선택 접합층을 형성하는 단계;
    상기 전자 선택 접합층 상에 제1 전극을 형성하는 단계;
    상기 전자 선택 접합층과 제1 전극을 어닐링(Annealing)하여 상기 전자 선택 접합층에 결정질 및 비정질 구조가 혼합된 티타늄 산화물(Crystalline TiOx)을 형성하고, 상기 전자 선택 접합층 및 제1 전극 사이에 계면층을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 기판의 타면에 정공 선택 접합층을 형성하는 단계;
    상기 정공 선택 접합층 상에 투명전극층을 형성하는 단계; 및
    상기 투명전극층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 전자 선택 접합층은 비정질의 티타늄 산화물(amorphous TiOx)을 포함하는 제1 영역; 및 아나타제(Anatase) 결정구조를 갖는 결정질의 티타늄 산화물(Crystalline TiOx)을 포함하는 제2 영역을 포함하며,
    상기 전자 선택 접합층은 상기 제1 영역을 30부피% 내지 70부피%, 상기 제2 영역을 30부피% 내지 70부피%로 포함하는 것인 전하 선택 접합형 태양전지의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 버퍼층은 두께가 1.0nm 내지 2.0nm인 전하 선택 접합형 태양전지의 제조방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 전자 선택 접촉층은 두께가 2.0nm 내지 8.0nm인 전하 선택 접촉형 태양전지의 제조방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제1 전극은 알루미늄, 은 또는 알루미늄과 은의 합금을 포함하는 박막인 전하 선택 접합형 태양전지의 제조방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 전자 선택 접합층과 제1 전극을 수소 및 질소의 혼합 가스 분위기에서200℃ 내지 550℃로 어닐링하는 것인 전하 선택 접촉형 태양전지의 제조방법.
  15. 삭제
  16. 제10항에 있어서,
    상기 계면층은 알루미늄 산화물(AlOx)을 포함하는 것인 전하 선택 접합형 태양전지의 제조방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 계면층은 두께가 1.0nm 이하인 전하 선택 접촉형 태양전지의 제조방법.
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