KR102523706B1 - 실리콘 양자우물 구조를 갖는 터널 산화막 실리콘 태양전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘 산화막/ 비정질 실리콘/ 실리콘 산화막 적층을 통해 실리콘 양자 우물(Silicon Quantum well) 구조의 형성 및 이러한 구조를 이용한 고효율 실리콘 태양전지 구조를 포함한다. 제안하는 발명은 기존에 실리콘 산화막/poly-Si층을 이용한 터널 산화막 전하선택형 실리콘 태양전지 구조에서 각각의 장비로 실리콘 산화막과 poly-Si층을 형성하였으나 본 발명을 적용하면 단일 장비를 통한 인시츄(in-situ) 공정이 가능하여 공정 단순화와 효율 향상을 이룰 수 있다.
Description
본 발명은 실리콘 양자우물 구조를 갖는 터널 산화막 실리콘 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 실리콘 양자우물 구조를 갖는 고효율 터널 산화막 전하선택형 실리콘 태양전지에 관한 것이다.
종래의 터널 산화막 전하선택형 실리콘 태양전지 구조는 퍼니스를 이용한 열적 실리콘 산화막을 형성한 후 LPCVD를 통해 도핑된 비정질 실리콘(n-a-Si)을 증착하고 고온(~950℃)의 열처리로 poly-Si를 형성한다. 비정질 실리콘의 증착 방법은 CVD와 sputter를 이용한 방법이 있으며, CVD법은 LPCVD와 PECVD 방법 등을 사용한다. 열적 산화를 이용한 실리콘 산화막 성장 시 고온 공정을 이용하며 양면이 형성되어 추가 공정이 필요하다.
기존 열적 산화로 성장시킨 실리콘 산화막은 고온 공정으로 인해 웨이퍼 내에 열적 스트레스와 낮은 성장 속도로 장시간의 공정이 필요하여 생산성 저하의 원인이 된다.
LPCVD를 통한 poly-Si층 형성 시 전면부에 증착이 되는 랩 어라운드(wrap-around) 문제가 발생하며, 전면부에 증착된 poly-Si층을 제거하는 추가 공정이 필요하다.
poly-Si층 형성 후 고온의 활성화 공정 시 도판트 (p, phosphorus)가 웨이퍼에 인터디퓨젼(inter-diffusion) 되어 특성 저하를 야기시키는 문제가 있다.
본 발명은 양자 우물 구조를 사용함으로써 기존 고효율 터널 산화막 전하선택형 실리콘 태양전지가 갖는 개방전압 하락의 문제를 해결하고, 공정 단순화 및 효율상승을 통해 가격경쟁력을 높이고자 한다.
본 발명은 인시츄(In-situ) 공정으로 실리콘 양자 우물(Silicon Quantum well) 구조 형성과 그를 통한 터널 산화막 전하선택형 실리콘 태양전지를 통해 고효율 실리콘 태양전지를 개발하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 양자우물 구조를 갖는 터널 산화막 실리콘 태양전지의 제조 방법은, 제 1 도전형의 실리콘 기판을 준비하는 단계; 상기 실리콘 기판의 후면에 실리콘 양자우물(silicon quantum well) 구조층을 형성하는 단계; 상기 실리콘 양자우물 구조층 상에 제 1 도전형의 후면 전계층을 형성하는 단계; 상기 실리콘 기판의 전면에 제 1 도전형과 상이한 제 2 도전형의 전면 에미터층을 형성하는 단계; 상기 전면 에미터층 상에 전면 패시베이션층을 형성하고 상기 후면 전계층 상에 후면 패시베이션층을 형성하는 단계; 및 전면 전극 및 후면 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 실리콘 양자우물 구조층을 형성하는 단계는, i) 상기 실리콘 기판 후면에 비정질 실리콘 옥사이드 박막을 형성하는 단계; ii)상기 비정질 실리콘 옥사이드 박막 상에 비정질 실리콘 박막을 형성하는 단계; 및 iii) 상기 비정질 실리콘 박막 상에 실리콘 옥사이드 박막을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 i) 내지 iii) 단계는 반복되어 수행될 수 있다.
상기 비정질 실리콘 옥사이드 박막의 두께는 1 내지 2nm인 것이 바람직하다.
상기 실리콘 양자우물 구조층 상에 제 1 도전형의 후면 전계층을 형성하는 단계는, 상기 비정질 실리콘 옥사이드 박막 상에 제 1 도전형의 물질이 도핑된 비정질 실리콘 박막을 형성한다.
상기 실리콘 양자우물 구조층 상에 제 1 도전형의 후면 전계층을 형성하는 단계 이후, 상기 비정질 실리콘 옥사이드 박막 및 상기 비정질 실리콘 박막을 열처리하여 결정화시키는 단계를 추가로 포함한다.
상기 실리콘 양자우물 구조층 상에 제 1 도전형의 후면 전계층을 형성하는 단계 이후, 상기 비정질 실리콘 옥사이드 박막 및 상기 비정질 실리콘 박막을 열처리하여 결정화시키는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 양자우물 구조를 갖는 터널 산화막 실리콘 태양전지는, 제 1 도전형의 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판의 후면에 형성된 실리콘 양자우물(silicon quantum well) 구조층; 상기 실리콘 양자우물 구조층 상의 제 1 도전형의 후면 전계층; 상기 실리콘 기판의 전면 상에 형성된 제 1 도전형과 상이한 제 2 도전형의 전면 에미터층; 상기 전면 에미터층 상의 전면 패시베이션층 및 상기 후면 전계층 상의 후면 패시베이션층; 및 전면 전극 및 후면 전극를 포함한다.
상기 실리콘 양자우물 구조층은, i) 상기 실리콘 기판 후면 상의 비정질 실리콘 옥사이드 박막; ii) 상기 비정질 실리콘 옥사이드 박막 상의 비정질 실리콘 박막; 및 iii) 상기 비정질 실리콘 박막 상의 실리콘 옥사이드 박막을 포함한다.
상기 실리콘 양자우물 구조층은 i) 내지 iii)이 복수회 적층되어 있다.
상기 비정질 실리콘 옥사이드 박막의 두께는 1 내지 2nm인 것이 바람직하다.
상기 비정질 실리콘 박막의 두께는 0.5 내지 10nm인 것이 바람직하다.
상기 실리콘 양자우물 구조층 상의 제 1 도전형의 후면 전계층은 상기 비정질 실리콘 옥사이드 박막 상에 형성된 제 1 도전형의 물질이 도핑된 비정질 실리콘 박막이다.
상기 제 1 도전형의 후면 전계층의 두께는 30 내지 100nm로 제어되어 양면 수광이 가능하다.
본 발명에 따르면, 인시츄 공정을 통한 실리콘 양자 우물(Silicon Quantum well) 구조를 이용하여 패시베이션 효과가 우수하고, 기존 공정에서 인터디퓨젼, LPCVD 공정으로 인한 랩 어라운드로 발생하는 효율 저하 문제를 최소화하며, 기존 터널 산화막 전하선택형 실리콘 태양전지 대비 효율상승과 공정 단순화가 가능하다.
양자우물은 반도체의 얇은 층(일반적으로 <10nm)이 더 큰 밴드갭 에너지를 가지는 다른 반도체 사이에 끼워질 때 형성된다. 본 발명에 따르면, 양자우물에서 전자는 밴드 갭의 불연속성으로 인해 발생하는 전위장벽에 의해 더 작은 밴드 갭 물질에 갇혀 있게 되며, 양자 역학적으로 양자화된 에너지 준위를 가지게 된다. 변경된 양자화된 에너지 준위에 의해 벌크 반도체 재료보다 낮은 표면 재결합 속도를 제공하여 태양전지의 성능을 향살 시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 양자 우물을 구성하는 대표적인 물질인 SiOx는 후면 전계층의 열처리시 도핑물질에 대한 높은 고체 용해도(Solid solubility)로 도핑 물질을 함유할 수 있어 실리콘 기판으로 인의 확산을 감소시켜 태양전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 양자우물 구조를 갖는 터널 산화막 실리콘 태양전지의 제조 방법의 순서도를 도시한다.
도 2는 실리콘 양자우물 구조층을 형성하는 방법에 대한 순서도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 양자우물 구조를 갖는 터널 산화막 실리콘 태양전지의 구조도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 실리콘 양자 우물을 적용한 터널 산화막 전하선택형 실리콘 태양전지 구조를 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 실리콘 양자 우물 구조를 적용한 태양전지의 밴드 다이어그램의 모식도를 도시한다.
도 6은 일반적인 Tox/n-poly-Si 구조와 QW/n-poly-Si 구조의 캐리어 수명 특성 비교를 도시한다.
도 7은 일반적인 Tox/n-poly-Si 구조와 Si QW/n-poly-Si 구조의 SIMS 결과 비교를 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
도 2는 실리콘 양자우물 구조층을 형성하는 방법에 대한 순서도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 양자우물 구조를 갖는 터널 산화막 실리콘 태양전지의 구조도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 실리콘 양자 우물을 적용한 터널 산화막 전하선택형 실리콘 태양전지 구조를 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 실리콘 양자 우물 구조를 적용한 태양전지의 밴드 다이어그램의 모식도를 도시한다.
도 6은 일반적인 Tox/n-poly-Si 구조와 QW/n-poly-Si 구조의 캐리어 수명 특성 비교를 도시한다.
도 7은 일반적인 Tox/n-poly-Si 구조와 Si QW/n-poly-Si 구조의 SIMS 결과 비교를 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 실리콘 산화막/ 비정질 실리콘/ 실리콘 산화막 적층을 통해 실리콘 양자 우물(Silicon Quantum well) 구조의 형성 및 이러한 구조를 이용한 고효율 실리콘 태양전지 구조를 포함한다. 제안하는 발명은 기존에 실리콘 산화막/poly-Si층을 이용한 터널 산화막 전하선택형 실리콘 태양전지 구조에서 각각의 장비로 실리콘 산화막과 poly-Si층을 형성하였으나 본 발명을 적용하면 단일 장비를 통한 인시츄(in-situ) 공정이 가능하여 공정 단순화와 효율 향상을 이룰 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 양자우물 구조를 갖는 터널 산화막 실리콘 태양전지의 제조 방법의 순서도를 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 양자우물 구조를 갖는 터널 산화막 실리콘 태양전지의 제조 방법은, 제 1 도전형의 실리콘 기판을 준비하는 단계(S 110); 상기 실리콘 기판의 후면에 실리콘 양자우물(silicon quantum well) 구조층을 형성하는 단계(S 120); 상기 실리콘 양자우물 구조층 상에 제 1 도전형의 후면 전계층을 형성하는 단계(S 130); 상기 실리콘 기판의 전면에 제 2 도전형의 전면 에미터층을 형성하는 단계(S 140); 상기 전면 에미터층 상에 전면 패시베이션층을 형성하고 상기 후면 전계층 상에 후면 패시베이션층을 형성하는 단계(S 150); 및 전면 전극 및 후면 전극을 형성하는 단계(S 160)를 포함한다.
S 110 단계에서는 제 1 도전형의 실리콘 기판을 준비한다. 실리콘 기판은 다결정 실리콘 웨이퍼 또는 단결정양자우물은 반도체의 얇은 층(일반적으로 <10nm)이 더 큰 밴드갭 에너지를 가지는 다른 반도체 사이에 끼워질 때 형성된다. 본 발명에 따르면, 양자우물에서 전자는 밴드 갭의 불연속성으로 인해 발생하는 전위장벽에 의해 더 작은 밴드 갭 물질에 갇혀 있게 되며, 양자 역학적으로 양자화된 에너지 준위를 가지게 된다. 변경된 양자화된 에너지 준위에 의해 벌크 반도체 재료보다 낮은 표면 재결합 속도를 제공하여 태양전지의 성능을 향살 시킬 수 있다. 실리콘 웨이퍼가 이용될 수 있다. 준비된 웨이퍼는 전처리 공정으로 실리콘 잉곳 슬라이싱 가공 중에 실리콘 웨이퍼의 표면에 발생된 소우 데미지(saw damage)를 습식 식각하여 제거한 기판일 수 있다. 실리콘 기판은 PN 접합을 형성하기 위해, n-형 반도체 특성 및 p-형 반도체 특성 중 하나의 특성(제 1 도전형)을 갖는 실리콘 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 에미터층을 형성하기 위해 실리콘 기판이 제 1 도전형으로 n-형 반도체 특성을 갖는 경우에는에미터층을 형성하기 위해 제 2 도전형인 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같은 5가 원소가 도핑될 수 있고, 실리콘 기판이 제 1 도전형으로 p-형 반도체 특성을 갖는 경우에는 제 2 도전형으로 붕소(B), 갈륨(Ga), 인(In) 등과 같은 3가 원소가 도핑될 수 있다. 정리하면, 제 1 도전형과 제 2 도전형은 서로 다른 반도체 특성으로 n형 특성 및 p형 특성을 각각 서로 상이하게 갖는다.
기판에는 요철이 형성되어 있을 수 있으며, 이러한 요철은 기판의 전면 및 후면 중 어느 하나 또는 모두에 형성되어 있을 수 있다. 이러한 요철을 형성하는 방법으로는 플라즈마를 조사하는 플라즈마 처리, 에너지 정도를 조절하여 결함을 발생시키는 레이저 스크라이빙, 미세한 팁(tip)으로 흠집을 내는 스크래칭, 산이나 염기 처리 중 어느 하나를 이용할 수 있다.
S 120 단계에서는 실리콘 기판의 후면에 실리콘 양자우물 구조층을 형성한다. 도 2는 실리콘 양자우물 구조층을 형성하는 방법에 대한 순서도를 도시한다.
도 2에서 도시된 것처럼, 실리콘 양자우물 구조층은 i) 상기 실리콘 기판 후면에 비정질 실리콘 옥사이드 박막을 형성하는 단계(S 210); ii)상기 비정질 실리콘 옥사이드 박막 상에 비정질 실리콘 박막을 형성하는 단계(S 220); 및 iii) 상기 비정질 실리콘 박막 상에 실리콘 옥사이드 박막을 형성하는 단계(S 230)를 포함한다.
S 210 단계는 i) 단계로서 실리콘 기판의 후면에 비정질 실리콘 옥사이드 박막을 형성한다. 비정질 실리콘 옥사이드 박막의 두께는 1~2nm인 것이 바람직하다. 이러한 비정질 실리콘 옥사이드 박막은 습식산화막형성법, 열처리산화막형성법, 플라즈마증착법 등으로 형성 가능하다. 비정질 실리콘 옥사이드 박막의 두께는 1 내지 2nm인 것이 바람직하다. 비정질 실리콘 옥사이드 박막의 두께가 1nm 보다 얇은 경우 pin-hole 형성의 가능성이 증가하며, 이에 따라 표면재결합가 증가하여 태양전지의 특성이 열화된다. 비정질 실리콘 옥사이드 박막의 두께가 2nm 보다 두꺼은 경우 실리콘 태양전지내에서 발생된 전자의 터널링이 제한되어 직렬저항이 크게 증가하여 태양전지의 특성이 열화된다.
S 220 단계는 ii) 단계로서 비정질 실리콘 옥사이드 박막 상에 비정질 실리콘 박막을 형성한다. 이러한 비정질 실리콘 박막은 PECVD 등의 방법을 이용하여 형성할 수 있으며 이에 반드시 제한되는 것은 아니다. 비정질 실리콘 박막의 두께는 0.5 내지 10nm인 것이 바람직하다.
S 230 단계는 iii) 단계로서 비정질 실리콘 박막 상에 실리콘 옥사이드 박막을 형성한다. 비정질 실리콘 옥사이드 박막의 두께는 1 내지 2nm인 것이 바람직하다.
이러한 i) 내지 iii) 단계를 통해 본 발명에 따른 실리콘 양자우물 구조층을 기판의 후면에 형성한다. 한편, 실리콘 양자우물 구조층은 i) 내지 iii) 단계를 반복하여 수행하여 형성될 수 있다. 실리콘 양자우물 구조가 반복된 다중 양자우물 구조는 표면 재결합 속도를 더욱 낮출 수 있다.
S 130 단계에서는 실리콘 양자우물 구조층 상에 제 1 도전형의 후면 전계층을 형성한다. 이러한 후면 전계층은 실리콘 기판의 도전형과 동일한 도전형으로 이루어진다. 정리하면, 후면전계층은 상기 실리콘 기판과 동일한 반도체 특성을 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 실리콘 기판이 n-형 반도체 특성을 갖는 경우, 상기 후면전계층 역시 n-형 반도체 특성을 가질 수 있고, 상기 실리콘 기판이 p-형 반도체 특성을 갖는 경우, 상기 후면전계층 역시 p-형 반도체 특성을 가질 수 있다. 다만, 상기 실리콘 기판과 상기 후면전계층 사이에 전위 장벽을 형성하기 위하여, 상기 후면전계층에 도핑되는 도펀트의 농도는 상기 실리콘 기판에 도핑되는 도펀트 농도보다 높을 수 있다.
실리콘 양자우물 구조층 상에 제 1 도전형의 후면 전계층을 형성하는 단계는 실리콘 양자우물 구조층의 비정질 실리콘 옥사이드 박막 상에 제 1 도전형의 물질이 도핑된 비정질 실리콘 박막을 형성한다.
이러한 실리콘 양자우물 구조층 상에 제 1 도전형의 후면 전계층을 형성하는 단계 이후, 비정질 실리콘 옥사이드 박막 및 비정질 실리콘 박막을 열처리하여 결정화시키는 단계를 추가로 포함한다. 열처리는 레이저 등의 기타 어떠한 방식을 이용해도 가능하다.
S 140 단계에서는 실리콘 기판의 전면에 제 2 도전형의 전면 에미터층을 형성한다. 실리콘 기판이 n-형 반도체 특성을 갖는 경우, 에미터층은 p-형 반도체 특성을 가질 수 있고, 실리콘 기판이 p-형 반도체 특성을 갖는 경우, 에미터층은 n-형 반도체 특성을 가질 수 있다. 에미터층이 n-형 반도체 특성을 갖는 경우, 에미터층에는 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같은 5가 원소가 도핑될 수 있고, 에미터층이 p-형 반도체 특성을 갖는 경우, 에미터층에는 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등과 같은 3가 원소가 도핑될 수 있다.
S 150 단계에서는 전면 에미터층 상에 전면 패시베이션층을 형성하고 후면 전계층 상에 후면 패시베이션층을 형성한다. 전면 및/또는 후면 패시베이션막은 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiNx), 수소화된 실리콘 질화물(SiNx:H), 알루미늄 산화물(AlOx), 실리콘 산화질화물(SiON) 또는 수소화된 실리콘 산화질화물(SiON:H)과 같은 유전체 재질로 형성될 수 있으나, 이에 반드시 제한되는 것은 아니다.
S 160 단계에서는 전면 전극 및 후면 전극을 형성한다. 이러한 전극은 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 금(Au) 등과 같은 도전성 금속으로 형성될 수 있다.
지금까지 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 양자우물 구조를 갖는 터널 산화막 실리콘 태양전지의 제조 방법에 대해 설명하였으며, 이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 양자우물 구조를 갖는 터널 산화막 실리콘 태양전지에 대해 설명하도록 하겠다. 위에서 설명한 내용과 중복되는 부분에 대해서는 반복 설명을 생략하도록 하겠다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 양자우물 구조를 갖는 터널 산화막 실리콘 태양전지의 구조도를 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 양자우물 구조를 갖는 터널 산화막 실리콘 태양전지는, 제 1 도전형의 실리콘 기판(10); 상기 실리콘 기판의 후면에 형성된 실리콘 양자우물(silicon quantum well) 구조층(30); 상기 실리콘 양자우물 구조층 상의 제 1 도전형의 후면 전계층(40); 상기 실리콘 기판의 전면 상에 형성된 제 2 도전형의 전면 에미터층(20); 상기 전면 에미터층 상의 전면 패시베이션층(51) 및 상기 후면 전계층 상의 후면 패시베이션층(52); 및 전면 전극(61) 및 후면 전극(62)를 포함한다.
실리콘 양자우물 구조층(30)은, i) 실리콘 기판 후면 상의 비정질 실리콘 옥사이드 박막; ii) 비정질 실리콘 옥사이드 박막 상의 비정질 실리콘 박막; 및 iii) 비정질 실리콘 박막 상의 실리콘 옥사이드 박막을 포함한다. 또한, 이러한 실리콘 양자우물 구조층은 i) 내지 iii)이 복수회 적층되어 있을 수 있다.
비정질 실리콘 옥사이드 박막의 두께는 1 내지 2nm인 것이 바람직하다.
실리콘 양자우물 구조층 상의 제 1 도전형의 후면 전계층은 비정질 실리콘 옥사이드 박막 상에 형성된 제 1 도전형의 물질이 도핑된 비정질 실리콘 박막이다.
상기 제 1 도전형의 후면 전계층의 두께는 30 내지 100nm로 제어되어 양면 수광이 가능한 구조가 될 수 있다. 이러한 양면 수광이 가능한 구조로 제작되어 태양전지의 효율을 더욱 높일 수 있다.
이하에서는 구체적인 실시예와 함께 본 발명의 내용을 추가적으로 설명하도록 하겠다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 실리콘 양자 우물 (Silicon Qauntum well)을 적용한 터널 산화막 전하선택형 실리콘 태양전지 구조를 도시한다.
1) 먼저 n형 실리콘 기판을 준비하였으며, 상기 실리콘 기판 준비 단계는 에칭 (saw damage etching), 텍스처링(texturing), 세정 (cleaning) 단계를 포함한다.
2) 이후 상기 실리콘 기판 후면에 비정질 실리콘 옥사이드 박막을 형성하는 단계를 진행하였다. 상기 비정질 실리콘 옥사이드 박막의 두께는 1~2nm인 것이 바람직하다. 상기 비정질 실리콘 옥사이드 박막은 습식산화막형성법, 열처리산화막형성법, 플라즈마증착법 등으로 형성 가능하다.
3) 다음으로 상기 비정질 실리콘 옥사이드 박막 상에 비정질 실리콘 박막을 형성하는 단계를 PECVD를 이용하여 진행하였으며 이 경우 상기 RF 파워는 약 15~30W, 기판온도는 200~250℃, 공정압력 100~300 mTorr로 제어하였다.
4) 다음으로 상기 비정질 실리콘 박막 상에 실리콘 옥사이드 박막을 형성하였으며, 상기 비정질 실리콘 옥사이드 박막의 두께는 1~2nm인 것이 바람직하다. 상기 비정질 실리콘 옥사이드 박막은 습식산화막형성법, 열처리산화막형성법, 플라즈마증착법 등으로 형성 가능하다.
이러한 2) 내지 4) 단계를 통해 형성된 층이 실리콘 양자우물에 해당한다.
5) 상기 비정질 실리콘 옥사이드 박막 상에 인이 도핑된 비정질 실리콘 박막(후면 전계층)을 형성하였다. 이 경우 상기 RF 파워는 약 15~30W, 기판온도는 200~250℃, 공정압력 100~300 mTorr로 제어하였다.
6) 상기 비정질 실리콘 옥사이드/비정질 실리콘 박막의 열처리를 통한 결정화시킨 후 표면을 세정하였다.
7) 다음으로 실리콘 기판 전면에 보론을 도핑하여 에미터층을 형성하여 PN접합을 형성하였으며 이후 보론 도핑층 위에 형성된 BSG(borosilicate glass) 제거하였다.
8) 전면 AlOx/SiNx 패시베이션층 형성하였고, 후면 SiNx 패시베이션층을 형성하였다.
9) 전면/후면 전극 형성하였다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 실리콘 양자 우물 구조를 적용한 태양전지의 밴드 다이어그램의 모식도를 도시한다.
도 6은 일반적인 Tox/n-poly-Si 구조와 QW/n-poly-Si 구조의 캐리어 수명 특성 비교를 도시한다. 일반적인 Tox/n-poly-Si 구조에서는 3.91 ms의 캐리어 수명을 가지며, Si QW(Quantum Well)/n-poly-Si 구조에서는 9.36 ms의 캐리어 수명을 가짐을 확인하였다. Si QW 형성 시 QW의 에너지 준위가 양자화되어 Si QW내의 디펙트(defect)도 양자화되어 패시베이션에 유리하다.
도 7은 일반적인 Tox/n-poly-Si 구조와 Si QW/n-poly-Si 구조의 SIMS 결과 비교를 도시한다. Tox/n-poly-Si 구조와 QW/n-poly-Si 구조의 SIMS 프로파일 측정 결과 양자우물 적용 시 P의 인터 디퓨젼(inter-diffusion)이 감소함을 확인하였다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (15)
- 제 1 도전형의 실리콘 기판을 준비하는 단계;
상기 실리콘 기판의 후면에 실리콘 양자우물(silicon quantum well) 구조층을 형성하는 단계;
상기 실리콘 양자우물 구조층 상에 제 1 도전형의 후면 전계층을 형성하는 단계;
상기 실리콘 기판의 전면에 제 1 도전형과 상이한 제 2 도전형의 전면 에미터층을 형성하는 단계;
상기 전면 에미터층 상에 전면 패시베이션층을 형성하고 상기 후면 전계층 상에 후면 패시베이션층을 형성하는 단계; 및
전면 전극 및 후면 전극을 형성하는 단계를 포함하되,
상기 실리콘 양자우물 구조층을 형성하는 단계는,
i) 상기 실리콘 기판 후면에 비정질 실리콘 옥사이드 박막을 형성하는 단계;
ii) 상기 비정질 실리콘 옥사이드 박막 상에 비정질 실리콘 박막을 형성하는 단계; 및
iii) 상기 비정질 실리콘 박막 상에 실리콘 옥사이드 박막을 형성하는 단계를 포함하는,
실리콘 양자우물 구조를 갖는 터널 산화막 실리콘 태양전지의 제조 방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 i) 내지 iii) 단계는 반복되어 수행되는,
실리콘 양자우물 구조를 갖는 터널 산화막 실리콘 태양전지의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 비정질 실리콘 옥사이드 박막의 두께는 1 내지 2nm인,
실리콘 양자우물 구조를 갖는 터널 산화막 실리콘 태양전지의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 실리콘 양자우물 구조층 상에 제 1 도전형의 후면 전계층을 형성하는 단계는,
상기 비정질 실리콘 옥사이드 박막 상에 제 1 도전형의 물질이 도핑된 비정질 실리콘 박막을 형성하는,
실리콘 양자우물 구조를 갖는 터널 산화막 실리콘 태양전지의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 실리콘 양자우물 구조층 상에 제 1 도전형의 후면 전계층을 형성하는 단계 이후,
상기 비정질 실리콘 옥사이드 박막 및 상기 비정질 실리콘 박막을 열처리하여 결정화시키는 단계를 추가로 포함하는,
실리콘 양자우물 구조를 갖는 터널 산화막 실리콘 태양전지의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 실리콘 양자우물 구조층 상에 제 1 도전형의 후면 전계층을 형성하는 단계 이후,
상기 비정질 실리콘 옥사이드 박막 및 상기 비정질 실리콘 박막을 열처리하여 결정화시키는 단계를 추가로 포함하는,
실리콘 양자우물 구조를 갖는 터널 산화막 실리콘 태양전지의 제조 방법.
- 제 1 항, 제 3항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 실리콘 양자우물 구조를 갖는 실리콘 태양전지의 제조 방법에 의해 제조된,
실리콘 양자우물 구조를 갖는 터널 산화막 실리콘 태양전지.
- 제 1 도전형의 실리콘 기판;
상기 실리콘 기판의 후면에 형성된 실리콘 양자우물(silicon quantum well) 구조층;
상기 실리콘 양자우물 구조층 상의 제 1 도전형의 후면 전계층;
상기 실리콘 기판의 전면 상에 형성된 제 1 도전형과 상이한 제 2 도전형의 전면 에미터층;
상기 전면 에미터층 상의 전면 패시베이션층 및 상기 후면 전계층 상의 후면 패시베이션층; 및
전면 전극 및 후면 전극를 포함하되,
상기 실리콘 양자우물 구조층은,
i) 상기 실리콘 기판 후면 상의 비정질 실리콘 옥사이드 박막;
ii) 상기 비정질 실리콘 옥사이드 박막 상의 비정질 실리콘 박막; 및
iii) 상기 비정질 실리콘 박막 상의 실리콘 옥사이드 박막을 포함하는,
실리콘 양자우물 구조를 갖는 터널 산화막 실리콘 태양전지.
- 삭제
- 제 9 항에 있어서,
상기 실리콘 양자우물 구조층은 i) 내지 iii)이 복수회 적층되어 있는,
실리콘 양자우물 구조를 갖는 터널 산화막 실리콘 태양전지.
- 제 9 항에 있어서,
상기 비정질 실리콘 옥사이드 박막의 두께는 1 내지 2nm인,
실리콘 양자우물 구조를 갖는 터널 산화막 실리콘 태양전지.
- 제 9 항에 있어서,
상기 비정질 실리콘 박막의 두께는 0.5 내지 10nm인,
실리콘 양자우물 구조를 갖는 터널 산화막 실리콘 태양전지.
- 제 9 항에 있어서,
상기 실리콘 양자우물 구조층 상의 제 1 도전형의 후면 전계층은 상기 비정질 실리콘 옥사이드 박막 상에 형성된 제 1 도전형의 물질이 도핑된 비정질 실리콘 박막인,
실리콘 양자우물 구조를 갖는 터널 산화막 실리콘 태양전지.
- 제 14 항에 있어서,
상기 제 1 도전형의 후면 전계층의 두께는 30 내지 100nm로 제어되어 양면 수광이 가능한,
실리콘 양자우물 구조를 갖는 터널 산화막 실리콘 태양전지.
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| KR20200058735A (ko) * | 2018-11-20 | 2020-05-28 | 성균관대학교산학협력단 | 광 특성이 조절 가능한 후면 에미터 결정질 실리콘 태양전지의 제조 방법 |
-
2021
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Kirchartz, Thomas, et al. "Efficiency limits of Si/SiO2 quantum well solar cells from first-principles calculations." Journal of Applied Physics 105.10 (2009): 104511.(2009.5.26.)* |
Also Published As
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|---|---|
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