KR102586115B1 - 양면 수광형 실리콘 태양전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양면 수광형 실리콘 태양전지에 관한 것이며, 보다 상세하게는 터널링층 후면에 교대로 배치된 비정질 실리콘 영역과 다결정 실리콘 영역을 포함하는 양면 수광형 실리콘 태양전지에 관한 것이다.

Description

양면 수광형 실리콘 태양전지{BIFACIAL SILICON SOLAR CELL}
본 발명은 양면 수광형 실리콘 태양전지에 관한 것이며, 보다 상세하게는 터널링층 후면에 교대로 배치된 비정질 실리콘 영역과 다결정 실리콘 영역을 포함하는 양면 수광형 실리콘 태양전지에 관한 것이다.
최근 환경문제와 에너지 고갈에 대한 관심이 높아지면서, 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없으며 에너지 효율이 높은 대체 에너지로서의 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다.
태양전지는　태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양빛(photons)을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지로 나눌 수 있다.
그 중에서도 흡수된 광자에 의해 생성된 전자와 정공을 이용함으로써 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는　태양광 전지에 대한연구가 활발히 행해지고 있다.
이러한 태양광 전지(이하에서는 "태양전지"로 지칭함)의 대표적인 예인 실리콘 태양전지는 다결정 실리콘 혹은 단결정 실리콘의 광전 변환 효과를 이용하여 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것이다.
보다 구체적으로, 태양전지는 태양광이 다결정 혹은 단결정 실리콘 태양전지 내에 입사되면 정공과 전자가 발생되고, 발생된 정공과 전자는 각각 전극을 통해 포집되어 전기 에너지를 발생시키는 원리를 이용한다.
실리콘 태양전지는 광전 효과를 발생시키기 위하여 제1 도전형 실리콘층과 제2 도전형 실리콘층을 포함하는 실리콘 태양전지 모체와, 정공과 전자를 포집하기 위하여 제1 도전형 실리콘층과 제2 도전형 실리콘층 각각에 연결되는 전극들이 포함된다. 많은 예의 경우 제1 도전형 실리콘 기판에 제2 도전형 도펀트를 도핑하여 제2 도전형 실리콘층을 형성하고 있다.
실리콘 태양전지는 일반적으로 제1 도전형 실리콘층에 전기적으로 연결되는 제1 전극과 제2 도전형 실리콘층에 전기적으로 연결되는 제2 전극을 포함하고, 2개의 전극 중 하나는 태양전지의 전면에 형성되고, 다른 하나는 태양전지의 후면에 형성된다.
일반적인 태양전지는 전면에서 태양광을 흡수하여 전기를 생산하는데, 전면에 형성되는 전극으로 인해 태양광 흡수 영역을 그만큼 감소되거나 지면에서 반사되는 광을 수광하기는 어려운 문제가 있다.
이에 반해, 양면 수광형 태양전지는 태양전지의 전/후면 모두에서 태양광을 흡수하여 전기를 생산하기 때문에 형성되는 전류가 높아 보다 많은 전기를 생산할 수 있다.
이러한 양면 수광형 태양전지의 이점을 살려, 보다 높은 수광 효율과 제조과정에서 우수한 내구성을 갖는 양면 수광형 태양전지 구조에 대한 연구가 진행되고 있다.
본 발명은 실리콘 기판의 양면을 모두 활용하고 후면에 터널링층을 형성함으로써 우수한 터널링 효과 및 향상된 전지 효율을 갖는 양면 수광형 실리콘 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 후면 접합부의 비정질 실리콘층을 선택적으로 도핑하여 진성 영역과 도전 영역이 교대로 배치된 실리콘층을 구비함으로써 높은 개방 전압을 갖는 양면 수광형 실리콘 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 후면 접합부의 터널링층이 도전 영역 외의 부분에서 비정질 실리콘과 접하는 구조를 포함함으로써 패시베이션 성능이 극대화된 양면 수광형 실리콘 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 향상된 에너지 변환 효율과 공정상 비용 절감 효과를 갖는 양면 수광형 실리콘 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여,
본 발명의 일 측면에 따른 양면 수광형 실리콘 태양전지는 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판의 전면에 위치하며, 제1 도전형을 가지는 도펀트로 도핑된 제1 도전형 층; 상기 실리콘 기판의 후면에 위치하는 터널링층; 상기 터널링층의 후면에 위치하며, 복수의 제2 도전형 영역 및 복수의 진성 영역을 포함하는 실리콘층; 상기 제1 도전형 층에 연결되는 제1 전극; 및 상기 제2 도전형 영역에 연결되는 제2 전극;을 포함할 수 있다.
특히, 실리콘층이 터널링층 후면에서 제2 도전형 도펀트로 도핑된 제2 도전형 영역을 선택적으로 포함함으로써, 진성 영역에 의한 패시베이션 성능이 우수하며 높은 수준의 개방전압을 나타낼 수 있다.
상기 복수의 제2 도전형 영역 및 복수의 진성 영역은 서로 교대로 배치될 수 있다.
상기 제2 도전형 영역의 면적은 상기 실리콘 기판의 후면 면적의 10 내지 50%일 수 있다.
상기 제2 도전형 영역은 다결정 실리콘(poly-Si)을 포함하고, 상기 진성 영역은 비정질 실리콘(a-Si)을 포함할 수 있다.
상기 터널링층은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 금속 산화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.
상기 실리콘 기판과 상기 제1 도전형 층 사이에 비정질 실리콘층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 층의 전면 또는 상기 실리콘층의 후면에 위치하는 투명 전도층을 더 포함할 수 있다.
상기 투명 전도층은 인듐주석산화물(ITO: Indium-Tin-Oxide), 불소도핑된 주석산화물(FTO: fluorine-doped tin oxide), 알루미늄도핑된 아연산화물(AZO: aluminum-doped zinc oxide)　및 이들의 조합으로부터 선택된 하나일 수 있다.
상기 실리콘 기판의 전면 및 후면 중 적어도 일면에 요철 패턴이 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 양면 수광형 실리콘 태양전지는 실리콘 기판의 양면을 활용하여 수광 면적이 넓고 후면 터널 접합 구조를 갖기 때문에 발전 효율 및 수명 특성이 우수한 장점이 있다.
또한, 상기 태양전지는 후면 터널 접합 구조에서 비정질 실리콘층에서 패턴화된 결정질 실리콘 도전 영역을 포함함으로써 우수한 패시베이션 효과를 가지며 높은 개방 전압 값을 나타낼 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 양면 수광형 실리콘 태양전지는 공정을 비교적 단순화시킬 수 있어 제조 비용 절감 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 양면 수광형 실리콘 태양전지를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 측면에 따른 양면 수광형 실리콘 태양전지를 개략적으로 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 후술하는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 양면 수광형 실리콘 태양전지 및 그 제조방법에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 양면 수광형 실리콘 태양전지를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 양면 수광형 실리콘 태양전지는 실리콘 기판(110)의 전면에는 제1 도전형을 가지는 도펀트로 도핑된 제1 도전형 층(150)을 포함하며, 실리콘 기판(110) 후면에는 터널링층(120)을 포함하고, 터널링층(120) 후면에 진성 영역(130) 및 제2 도전형 영역(140)이 교대로 구비된 특징이 있다.
또한, 제1 도전형 층(150)과 연결되는 제1 전극(201) 및 제2 도전형 영역(140)과 연결되는 제2 전극(202)를 포함한다.
이 때, 제 1 도전형은 제 2 도전형의 반대되는 도전형을 의미하는 것으로서, 제1 도전형이 n형일 경우, 제2 도전형은 p형이며, 반대로 제1 도전형이 p형일 경우, 제2 도전형은 n형을 나타내는 것으로 이해되어야 할 것이다. 제1 도전형 층(150)이 가지는 도전형과 제2 도전형 영역(140)이 가지는 도전형은 필요에 따라 적절한 도전형을 가지도록 설계될 수 있다.
실리콘 기판(110)으로는 비정질 실리콘 기판, 실리콘 산화물 기판, 단결정 실리콘 기판 또는 다결정 실리콘 기판이 사용될 수 있다. 또한, 실리콘 기판(110)은 도펀트를 포함함으로써 제1 도전형 또는 제2 도전형을 나타내는 기판일 수도 있다.
다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 실리콘 기판(110)으로 도펀트를 포함하지 않은 실리콘 기판, 즉 비도핑된 실리콘 기판(110)을 사용하며, 이 경우 도핑된 영역을 최소화함으로써 보다 높은 수준의 개방 전압을 얻을 수 있다는 이점이 있다.
한편, 실리콘 기판(110)의 후면에는 터널링층(120)이 구비될 수 있다. 터널링층(120)은 실리콘 기판의 계면 특성을 향상시키면서 생성된 캐리어가 터널링 효과에 의해 원활하게 전달되도록 할 수 있다.
구체적으로, 터널링층(120)은 전자 및 정공에 대하여 장벽 역할을 하여, 소수 캐리어(minority carrier)는 통과되지 않도록 하면서 터널링층(120)에 인접한 구역에서 축적되어 일정 이상의 에너지를 갖는 다수 캐리어(majority carrier)만이 통과되도록 한다.
이 때, 일정 이상의 에너지를 갖는 다수 캐리어는 터널링 효과에 의해 터널링층(120)을 용이하게 통과할 수 있고, 제2 도전형 영역(140) 형성시, 제2 도전형 도펀트가 실리콘 기판, 바람직하게는 도핑되지 않은 실리콘 기판으로 확산되는 것을 방지하는 배리어로서의 역할도 수행할 수 있다.
이러한 터널링층(120)은 캐리어가 터널링될 수 있는 다양한 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 금속 산화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 물질을 포함할 수 있다.
또한, 금속 산화물은 알루미늄 산화물인 것이 가장 바람직하며, 실리콘 산화 질화물, 진성 비정질 실리콘, 진성 다결정 실리콘 등도 포함될 수 있다.
터널링층(120)은 비제한적 예시로서, 열산화 방식, 초순수 등을 이용한 습식 산화 방식, 원자층 적층 방식, 화학 기상 증착 방식, 플라즈마 증대 화학 기상 증착 방식, 저압 화학 기상 증착 방식 등 화학적 산화 방식 등을 활용하여 별도의 패터닝 없이 용이하게 형성될 수 있으며, 실리콘 기판의 후면에 전체적으로 형성됨으로써 실리콘 기판 후면의 계면 특성을 향상시킬 수 있다.
한편, 터널링층(120)은 1 내지 2nm 두께인 것이 캐리어의 통과 측면에서 가장 바람직하다. 통상적인 절연층의 경우, 캐리어가 통과할 수 없으나, 1 내지 2nm 정도의 매우 얇은 두께의 터널링은, 터널링 효과에 의해 캐리어가 통과할 수 있으면서도 실리콘 기판으로 제2 도전형 도펀트의 유입을 방지할 수 있다.
또한, 터널링층(120)의 후면에 복수의 제2 도전형 영역(140) 및 복수의 진성 영역(130)을 포함하는 실리콘층이 구비될 수 있다. 구체적으로, 실리콘층은 복수의 제2 도전형 영역(140)과 복수의 진성(intrinsic) 영역(130)이 서로 교대로 배치된 실리콘층을 의미한다. 또한, 실리콘층은 복수의 제2 도전형 영역(140)과 복수의 진성 영역(130)으로 구분되기 전 비정질 실리콘(a-Si) 층으로서 형성되며, 비정질 실리콘(a-Si) 층에 대한 선택적인 도핑 및/또는 결정화를 통해 제2 도전형 영역(140)이 구획된다. 이에 따라, 비정질 실리콘(a-Si)으로 이루어진 실리콘층은 선택적인 도핑 및/또는 결정화를 통해 제2 도전형을 가지는 제2 도전형 영역(140)과 비정질 실리콘(a-Si)으로 이루어진 진성 영역(130)으로 구획된다.
여기서, 제2 도전형 영역(140)은 제2 도전형을 가지는 도펀트로 도핑된 영역으로서, 진성 영역(130)과 구분되는 영역이다. 이 때, 진성 영역(130)은 제2 도전형 도펀트로 도핑되지 않은 순수한 실리콘 영역을 의미하나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 제2 도전형 영역(140)으로부터 확산된 제2 도전형을 가지는 도펀트가 일부 포함된 실리콘 영역도 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
따라서, 진성 영역(130)이 제2 도전형 영역(140)으로부터 확산된 제2 도전형을 가지는 도펀트를 포함할 경우, 제2 도전형 영역(140)은 진성 영역(130)보다 높은 함량의 도펀트로 도핑된 영역에 해당함으로써 진성 영역(130)과 구별될 수 있을 것이다.
또한, 제2 도전형 영역(140)은 실리콘층을 구성하는 비정질 실리콘이 부분적 또는 전체적으로 결정화된 영역으로서, 전극과의 접촉 저항을 줄이기 위해 적어도 20% 이상의 결정화도를 가지는 것이 바람직하다. 이 경우, 진성 영역(130)은 20% 미만, 바람직하게는 10% 미만, 보다 바람직하게는 5% 미만, 가장 바람직하게는 결정화가 이루어지지 않은 비정질 실리콘층이다.
또한, 제2 도전형 영역(140)은 제2 도전형을 가지는 도펀트로 도핑된 영역임과 동시에 실리콘층을 구성하는 비정질 실리콘이 부분적 또는 전체적으로 결정화된 영역으로서, 진성 영역(130)과 구분되는 영역이다. 이 때, 진성 영역(130)은 제2 도전형 도펀트를 포함하지 않거나 제2 도전형 도펀트를 포함하더라도 제2 도전형 영역(140)에 비해 월등히 낮은 수준으로 포함하는 영역이며, 결정화도가 20% 미만, 바람직하게는 10% 미만, 보다 바람직하게는 5% 미만인 비정질 실리콘층이며, 가장 바람직하게는 결정화가 이루어지지 않은 비정질 실리콘층이다
즉, 후면 전체의 영역에 다결정 실리콘층을 형성하는 것이 아니라, 비정질 실리콘층과 다결정 실리콘을 포함하는 도전 영역이 번갈아 증착된 구조를 가짐으로써, 실리콘 기판 후면에서 전 영역이 도핑된 다결정 실리콘을 갖는 일반적인 태양전지에 비하여 높은 개방 전압 값을 얻을 수 있다.
상기 제2 도전형 영역의 면적은 상기 실리콘 기판의 후면 면적의 10 내지 50%일 수 있고, 바람직하게는 20 내지 30%일 수 있다.
즉, 상기 제2 도전형 영역이 기판 후면에서 차지하는 총 면적과 상기 진성 영역이 기판 후면에서 차지하는 총 면적의 비율은 1:9 내지 1:1일 수 있다.
또한, 도 1 및 도 2의 태양전지의 종단면에서 바라볼 때, 상기 제2 도전형 영역의 평균 너비와 상기 진성 영역의 평균 너비는 1:3 내지 1:1 일 수 있다.
이와 같이, 실리콘 기판(110) 후면의 전 영역을 다결정질의 실리콘으로 구비하지 않고 터널링층과 인접한 비정질 실리콘층을 구비함으로써, 별도의 패시베이션 층을 구비하지 않고도 패시베이션 효과를 증대시킬 뿐만 아니라, 원하는 영역에만 선택적으로 도핑하여 소자 성능을 극대화할 수 있다.
한편, 도 2를 참조하면, 실리콘 기판(110)과 제1 도전형 층(150) 사이에 개재된 비정질 실리콘층(170)을 더 포함할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 태양전지는 제1 도전형 층이 기판에 직접 맞닿아 있지 않는 구조를 통해 개방전압, 열적 안정성 및 장기 신뢰성이 보다 개선될 수 있다.
종래의 일반적인 태양전지는 기판 자체의 내부로 도펀트 도핑이 진행됨으로써 전압 수준 즉, 패시베이션 성능이 저하되는 문제가 있었다. 또한, 이를 피하기 위한 다른 구조들은 열적 안정성이 떨어져 모듈 수준에서 효율 감소가 큰 단점이 있다.
이에, 본 발명은 실리콘 기판(110) 전면부에 비정질 실리콘층(170)을 구비시킴으로써, 실리콘 기판(110) 내부로 제1 도전형 도펀트가 도핑되는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 패시베이션 성능이 저하되는 것을 방지하고, 열적 안정성이 향상된 태양전지를 구현하는 것이 가능하다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(110)의 전면에 제1 도전형 층(150)이 위치하며, 실리콘 기판(110)의 후면에 위치하는 실리콘층에 제2 도전형 영역(140)이 구비될 수 있다.
실리콘 기판(110) 전면에는 도전형 부분이 층으로서 구비되고, 실리콘 기판(110) 후면에는 도전형 부분이 선택적으로 필요한 영역에만 형성되는 차이가 있다.
예를 들어, 제1 도전형 층(150)에는 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb), 비스무스(Bi) 등과 같은 5가 원소의 n형 도펀트가 포함되고, 제2 도전형 영역(140)에는 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등과 같은 3가 원소의 p형 도펀트가 포함될 수 있다.
이러한 도전형 층들은 열 확산법, 기체 확산법, 레이저 화학공정, 또는 도펀트를 포함한 용액 또는 페이스트 도포에 이은 레이저 조사 공정을 통해 형성할 수 있다.
또한, 제1 도전형 층(150)에 p형 도펀트가 포함되고, 제2 도전형 영역(140)에 n형 도펀트가 포함될 수 있다. 한편, 제1 도전형 층(150) 및 제2 도전형 영역(140) 각각에 포함되는 도펀트 농도가 실리콘 기판(110)에 포함되는 도펀트 농도보다 더 높을 수 있다.
제1 전극(201)은 제1 도전형 층(150)에, 제2 전극(202)은 제2 도전형 영역(140)에 전기적, 물리적으로 연결되며, 각각의 전극(201, 202)은 다양한 금속 물질을 포함할 수 있다.
또한, 제1 전극(201) 및 제2 전극(202)는 서로 전기적으로 연결되지 않으면서 제1 도전형 층(150) 및 제2 도전형 영역(140)에 각각 연결되어 생성된 캐리어를 수집하여 외부로 전달할 수 있는 다양한 평면 형상을 가질 수 있다.
제1 전극(201) 및 제2 전극(202)은 일정한 패턴을 가지면서 형성되어 반사 등에 의하여 태양전지로 입사되는 광을 이용하여 광전 변환을 수행할 수 있다. 따라서, 태양전지에서 사용되는 광량을 최대화할 수 있고, 태양전지의 효율을 효과적으로 형성할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 양면 수광형 실리콘 태양전지는, 전면 혹은 후면으로부터 입사되는 태양광에 의해 실리콘 기판(110)에서 생성되는 전자 및 정공 중 어느 하나는 실리콘 기판 전면의 제1 도전형 층(150)으로 이동하고, 다른 하나는 터널링층(120)을 통과하여 실리콘 기판 후면의 복수의 제2 도전형 영역(140)으로 이동하여, 각각의 전극(201, 202)에 포집된다.
이러한 구조를 통하여, 전면 및 후면 모두에서 수광이 가능하며, 수광에 의해 실리콘 기판(110)에서 발생하는 전자 및 정공을 각각의 반도체 부분(150, 140)으로 효과적으로 이동시킬 수 있다.
여기서, 제1 전극(201) 및 제2 전극(202)은 각각 태양전지의 전면 및 후면의 전체 면적 중 1% 내지 30%를 점유하도록 배치되는 것이 바람직하다. 제1 전극(201) 및 제2 전극(202)의 점유 면적이 1% 미만인 경우, 태양전지에서 생성된 전하의 포집 효과가 부족할 우려가 있는 반면, 제1 전극(201) 및 제2 전극(202)의 점유 면적이 30%를 초과할 경우, 제1 전극(201) 및 제2 전극(202)에 의한 점유 면적이 지나치게 넓어 태양전지의 전면 및 후면으로 입사되는 태양광의 이용율이 저하될 우려가 있다.
또한, 본 발명의 태양전지는 제1 도전형 층(150)의 전면 또는 상기 실리콘층의 후면에 위치하는 투명 전도층을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 투명 전도층은 투명 전도성 소재로는 투명 전도성 산화물, 탄소질 전도성 소재, 금속성 소재 또는 전도성 고분자 등으로 구현될 수 있다.투명 전도성 산화물로는 ITO (Indium Tin Oxide), ICO (Indium Cerium Oxide), IWO (Indium Tungsten Oxide), ZITO (Zinc Indium Tin Oxide), ZIO (Zinc Indium Oxide), ZTO (Zinc Tin Oxide), GITO (Gallium Indium Tin Oxide), GIO (Gallium Indium Oxide), GZO (Gallium Zinc Oxide), AZO(Aluminum doped Zinc Oxide), FTO (Fluorine Tin Oxide) 또는 ZnO 등이 사용될 수 있다. 탄소질 전도성 소재로는 그래핀 또는 카본나노튜브 등이 사용될 수 있으며, 금속성 소재로는 금속(Ag) 나노 와이어, Au/Ag/Cu/Mg/Mo/Ti와 같은 다층 구조의 금속 박막이 사용될 수 있다. 전도성 고분자로는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리싸이오펜, 폴리-3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜-폴리스타이렌설포네이트(PEDOT-PSS), 폴리-[비스(4-페닐)(2,4,6-트리메틸페닐)아민](PTAA), 스파이로-미오타드(Spiro-MeOTAD) 또는 폴리아닐린-캄포설폰산(PANI-CSA) 등이 사용될 수 있다.
투명 전도층은 생략하는 것도 가능하지만,　태양전지의 효율을 향상시키기 위해서는 투명 전도층을 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 투명 전도층을 형성하게 되면 광흡수층을 투과한 태양광이　투명 전도층을 통과하면서 산란을 통해 다양한 각으로 진행하게 되어, 재입사되는 광의 비율을 증가시킬 수 있다.
제2 전극(202)은 상기 투명 전도층(162)과 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 양면 수광형 실리콘 태양전지는 제1 도전형 층(150)의 전면 또는 실리콘층의 후면에 캡핑층을 더 구비할 수 있다.
이러한 캡핑층은 패시베이션 효과를 높여 결과적으로 태양전지의 수광 효율을 높일 수 있다.
구체적으로, 캡핑층은 단일층 또는 다층구조일 수 있고, 실리콘 산화물층, 실리콘 질화물층, 수소 함유 실리콘 질화물층, 실리콘 산화 질화물층, 알루미늄 산화물층 등일 수 있다.
한편, 전면 캡핑층은 제1 도전형 층(150)의 전면에 위치하는 알루미늄 산화물층과 알루미늄 산화물층 전면에 위치하는 실리콘 질화물층을 포함하는 다층 구조이다.
아울러, 후면 캡핑층은 제2 도전형 영역(140)을 포함하는 실리콘층 후면에 위치하는 실리콘 질화물층과, 실리콘 질화물층 후면에 위치하는 알루미늄 산화물층을 포함하는 다층 구조인 것이 수광 효율 측면에서 보다 바람직하다.
본 발명과 같이 양면 수광형으로 마련된 태양전지의 경우, 태양전지의 내부에서 흡수되어 전하의 생성을 위해 이용되지 못한 태양광은 태양전지를 빠져나가게 된다. 이 경우, 태양전지의 내부에 광의 이용율(즉, 수광 효율)을 향상시킬 수 있는 반사 구조가 도입된 경우, 태양전지로 입사된 태양광이 태양전지를 빠져나가기 전 태양전지 내부에 도입된 반사 구조를 통해 반사되어 재활용될 수 있다는 이점이 있다.
예를 들어, 실리콘층을 구성하는 제2 도전형 영역(140)이 제2 도전형을 가지는 도펀트로 도핑된 영역인 경우, 후면 전도층(162)의 후면에 위치하는 후면 캡핑층은 태양전지의 전면으로부터 입사된 태양광을 실리콘 기판(110)을 향해 반사시킴으로써 실리콘 기판(110) 내부에서의 전하 생성 효율을 향상시키는 것이 가능하다.
또한, 제2 도전형 영역(140)은 제2 도전형을 가지는 도펀트로 도핑된 영역임과 동시에 실리콘층을 구성하는 비정질 실리콘이 부분적 또는 전체적으로 결정화된 영역인 경우, 후면 캡핑층은 후면 전도층(162)을 대체하는 것이 가능하다. 즉, 제2 도전형 영역(140)이 부분적 또는 전체적으로 결정화됨에 따라 전도성이 향상되기 때문에 실리콘층의 전도성을 전체적으로 향상시키는 것이 가능하며, 후면에 추가적으로 도입되는 금속층 또는 금속 전극과의 접촉 저항을 줄이는 것 또한 가능하다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따라 전면에 위치하는 제1 도전형 층(150)이 붕소(B) 등의 불순물을 가진 경우에는 (+) 전하(charge)를 가지게 되며, 제2 도전형 영역(140)이 인(P) 등의 불순물을 가진 경우에는 (-) 전하(charge)를 가지게 된다.
이 각각의 반도체 부분(150, 140)에 인접하여 형성되는 캡핑층이 본 발명의 일 실시예와 같이 복수의 층으로 형성되는 경우, 각 캡핑층은 이웃한 반도체층의 전하와 반대의 전하로 구성되는 것이 패시베이션 효과 및 전지 성능을 보다 향상시킬 수 있다.
즉, 전면의 제1 도전형 층이 P형((+) 전하)일 경우, (-) 전하를 가진 알루미늄 산화층이 이웃하게 되어야 바람직하며, 후면의 제2 도전형 층이 N 형((-) 전하)일 경우, (+) 전하를 가진 실리콘 질화물층이 이웃하게 되는 것이 보다 바람직하다.
한편, 전면 캡핑층의 알루미늄 산화물층 및 후면 캡핑층의 알루미늄 산화물층은 동시에 형성될 수 있다.
또한, 실리콘 기판(110)의 전면 및 후면 중 적어도 일면에 요철 패턴이 형성될 수 있다. 도 1 및 2는 실리콘 기판(110)의 전면에 요철 패턴이 형성된 경우를 나타낸 것이다.
아울러, 실리콘 기판의 후면에도 요철 패턴이 형성되어 있을 수 있다. 이러한 요철 패턴은 이른바 텍스쳐링 공정에 의해 형성될 수 있다. 이러한 요철 패턴은 태양전지에 입사하는 광의 반사를 억제하여, 수광 효율을 높일 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 양면 수광형 실리콘 태양전지 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다.
실리콘 기판의 후면에 터널링층을 형성할 수 있고, 상기 터널링층은 실리콘 기판의 전면 및 측면에도 함께 형성될 수 있다.
터널링층은, 열적 성장법, 증착법(예를 들어, 화학 기상 증착법, 원자층 증착법 등에 의하여 형성될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 터널링층은 다양한 방법에 의하여 형성될 수 있다.
또한, 터널링층의 후면에 진성 비정질 실리콘층을 형성하는데, 진공 증착법, 화학 기상 증착법, 스핀 코팅, 스크린 인쇄 또는 스프레이 코팅 등과 같은 다양한 방법에 의하여 형성될 수 있다.
터널링층 후면에 진성 비정질 실리콘층을 형성함으로써 패시베이션 성능을 높이는 효과가 있다.
이후, 진성 비정질 실리콘층의 후면에 제2 도전형 도펀트 함유층을 형성하고, 그 일부 영역에 레이저를 조사하여 선택적으로 원하는 부분에만 도핑을 실시할 수 있다.
이때, 제2 도전형 도펀트 함유층의 레이저가 조사되는 영역과 대면하는 비정질 실리콘층의 일부에만 제2 도전형 영역이 형성될 수 있고, 따라서 도핑이 동시에 진행될 수 있다.
또한, 레이저 공정을 통하여 비정질 실리콘이 다결정 실리콘으로 결정화될 수 있어, 도핑과 동시에 결정화를 진행하여 공정 최소화가 가능한 이점이 있다.
한편, 제2 도전형 영역의 면적은 실리콘 기판의 후면 면적의 10 내지 50%일 수 있고, 바람직하게는 20 내지 30%로 형성될 수 있다.
즉, 제2 도전형 영역이 기판 후면에서 차지하는 총 면적과 진성 영역이 실리콘 기판 후면에서 차지하는 총 면적의 비율은 1:9 내지 1:1일 수 있으며, 태양전지의 종단면에서 바라볼 때, 제2 도전형 영역의 평균 너비와 진성 영역의 평균 너비는 1:3 내지 1:1 일 수 있다.
이와 같이, 실리콘 기판 후면의 전 영역을 다결정질의 실리콘으로 구비하지 않고 터널링층과 인접한 비정질 실리콘층을 형성함으로써, 별도의 패시베이션 층을 구비하지 않고도 패시베이션 효과를 증대시킬 뿐만 아니라, 레이저를 이용하여 원하는 영역에만 선택적으로 도핑하여 소자 성능을 극대화할 수 있다.
한편, 제2 도전형 영역 및 진성 영역을 포함하는 실리콘층의 후면에 폴리실리콘층을 더 증착시킬 수 있다.
또한, 제1 도전형 층 또는 제2 도전형 영역을 포함하는 실리콘층 형성 이전에, 텍스쳐링 공정을 통하여 실리콘 기판 전면 또는 후면의 표면에 요철 패턴을 형성할 수 있다.
실리콘 기판 전면의 표면 요철은 터널링층 형성 이전에도 형성될 수 있다. 또한, 실리콘 기판 후면의 표면에도 요철 패턴을 형성할 수 있고, 실리콘 기판 후면의 요철 패턴은 터널링층 형성 이전에도 형성될 수 있다.
예를 들어, 실리콘 기판의 전면만 텍스쳐링을 수행하는 경우 실리콘 기판의 후면 실리콘층에 마스크층을 형성한 후에 수행한다. 이를 통해, 발생할 수 있는 손상, 전지 특성 저하, 원하지 않는 산화막이난 반생성된 실리콘 기판의 전면 부분을 제거하는 역할도 할 수 있다.　
이러한 요철 패턴은 피라미드 등의 형태일 수 있으며, 이를 통해 표면 거칠기가 증가되기 때문에 태양전지에 입사하는 광의 반사를 억제하여, 수광 효율을 높일 수 있다.
이후, 실리콘 기판의 전면에 제1 도전형 층을 형성할 수 있다.
구체적으로, 실리콘 기판의 전면에 제1 도전형 도펀트 함유층을 형성할 수 있다.
예를 들어, 제1 도전형 층이 p형 반도체층일 경우, 제1 도전형 도펀트 함유층은 BSG (boro silicate glass)로 형성될 수 있다. 반대로, 제1 도전형 층이 n형 반도체층일 경우, 제1 도전형 도펀트 함유층은 PSG (phospho silicate glass)로 형성될 수 있다.
이외에도 원하는 도전형의 도펀트가 도핑된 실리콘 탄화물, 원하는 도전형의 도펀트가 도핑된 비정질 실리콘 등으로 형성될 수 있다.
한편, 제1 도전형 층을 증착하기 전에 기판의 전면에 비정질 실리콘층을 형성할 수 있다.
이와 같이 비정질 실리콘으로 이루어진 진성 영역을 기판 전면에 구비함으로써, 제1 도전형 도펀트가 기판 내부로 유입되지 않아 보다 높은 개방 전압과 열적 안정성을 얻을 수 있다.
즉, 태양전지의 실리콘 기판의 전면 및 후면을 이종-터널접합 구조로 제작함으로써 높은 개방 전압 값을 나타낼 수 있다.
또한, 제1 도전형 층 및 제2 도전형 영역과 상기 진성 영역을 포함하는 실리콘층을 형성한 이후, 제1 도전형 층의 전면 또는 상기 실리콘층 층의 후면에 투면 도전층을을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 투명 전도층은 투명 전도성 산화물, 탄소질 전도성 소재, 금속성 소재 및 전도성 고분자 등을 사용하여 형성될 수 있다.구체적으로, 투명 전도층은 진공증착 공정인 스퍼터링법, MOCVD(metal organic chemicalvapor deposition)법 등의 증착법, 이온 플라즈마법 등의 진공증착법, 분무열분해법 등으로 제조될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
또한, 본 발명에 따른 양면 수광형 실리콘 태양전지는 제1 도전형 층의 전면 또는 실리콘층의 후면에 캡핑층을 더 구비할 수 있다.
구체적으로, 캡핑층은 단일층 또는 다층구조일 수 있고, 실리콘 산화물층, 실리콘 질화물층, 수소 함유 실리콘 질화물층, 실리콘 산화 질화물층, 알루미늄 산화물층 등일 수 있다.
바람직한 예로, 실리콘 기판의 전면에 위치하는 제1 도전형 층의 전면에 알루미늄 산화물층을 형성한 후, 알루미늄 산화물층 전면에 실리콘 질화물층을 형성하는 방법으로 형성될 수 있다.
제2 도전형 영역을 포함하는 실리콘층의 후면에는 실리콘 질화물층을 형성한 후, 실리콘 질화물층 후면에 알루미늄 산화물층을 형성하는 방법으로 형성될 수 있다.
이러한 전면 캡핑층은 제1 도전형 층 전면에 위치하는 알루미늄 산화물층과 알루미늄 산화물층 전면에 위치하는 실리콘 질화물층을 갖는 구조이고, 후면 캡핑층은 제2 도전형 영역 및 진성 영역을 포함하는 실리콘층 후면에 위치하는 실리콘 질화물층과, 실리콘 질화물층 후면에 위치하는 알루미늄 산화물층을 구비하는 구조인 것이 수광 효율 측면에서 보다 바람직하다.
한편, 전면 및 후면의 알루미늄 산화물층은 동시에 형성될 수 있고, 순차적으로도 형성될 수 있다.
이러한 캡핑층은 패시베이션 효과를 높여 결과적으로 태양전지의 수광 효율 및 전지 특성을 향상시킬 수 있다.
이후, 제2 도전형 영역에 연결되는 제2 전극을 형성하고, 제1 도전형 층에 연결되는 제1 전극을 형성한다.
또한, 최종적으로 제1 전극 및 제2 전극을 형성하기 이전 혹은 제1 전극 및 제2 전극을 모두 형성한 후에, 기판의 패시베이션 성능 향상을 얻기 위하여, 500 내지 700의 온도 범위에서 열처리를 통한 수소주입화 공정이 포함될 수 있다. 이러한 수소 주입화 공정은 또한 제1 전극 및 제2 전극의 열처리나 금속 실리사이드 형성에 이용될 수도 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
110: 실리콘 기판
120: 터널링층
130: 진성 영역
140: 제2 도전형 영역
150: 제1 도전형 층
161, 162: 투명 전도층
170: 비정질 실리콘층
201: 제1 전극
202: 제2 전극

Claims (13)

  1. 실리콘 기판;
    상기 실리콘 기판의 전면에 위치하며, 제1 도전형을 가지는 도펀트로 도핑된 제1 도전형 층;
    상기 실리콘 기판의 후면에 위치하는 터널링층;
    상기 터널링층의 후면에 위치하며, 복수의 제2 도전형 영역 및 복수의 진성 영역을 포함하는 실리콘층;
    상기 제1 도전형 층에 연결되는 제1 전극; 및
    상기 제2 도전형 영역에 연결되는 제2 전극;
    을 포함하고,
    상기 실리콘층은 선택적인 도핑을 통해 구획된 상기 제2 도전형 영역을 포함하며, 상기 제2 도전형 영역은 제2 도전형을 가지는 도펀트로 도핑된,
    양면 수광형 실리콘 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 기판을 도핑되지 않은 실리콘 기판인,
    양면 수광형 실리콘 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제2 도전형 영역 및 복수의 진성 영역은 서로 교대로 배치되는,
    양면 수광형 실리콘 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도전형 영역의 면적은 상기 실리콘 기판의 후면 면적의 10 내지 50%인,
    양면 수광형 실리콘 태양전지.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도전형 영역은 실리콘층을 구성하는 실리콘이 부분적 또는 전체적으로 결정화된 영역인,
    양면 수광형 실리콘 태양전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 도전형 영역은 다결정 실리콘(poly-Si)을 포함하고, 상기 진성 영역은 비정질 실리콘(a-Si)을 포함하는,
    양면 수광형 실리콘 태양전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘층과 상기 제2 전극 사이에 개재되는 투명 전도층 및 후면 캡핑층을 포함하는,
    양면 수광형 실리콘 태양전지.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 실리콘층과 상기 제2 전극 사이에 개재되는 후면 캡핑층을 포함하는,
    양면 수광형 실리콘 태양전지.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 후면 캡핑층은 실리콘 산화물층, 실리콘 질화물층, 수소 함유 실리콘 질화물층, 실리콘 산화 질화물층 및 알루미늄 산화물층로부터 선택되는 적어도 하나의 층을 포함하는 단층 또는 복층 구조인,
    양면 수광형 실리콘 태양전지.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 터널링층은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 금속 산화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는,
    양면 수광형 실리콘 태양전지.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 기판과 상기 제1 도전형 층 사이에 비정질 실리콘층을 더 포함하는,
    양면 수광형 실리콘 태양전지.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 기판의 전면 및 후면 중 적어도 일면에 요철 패턴이 형성된,
    양면 수광형 실리콘 태양전지.
KR1020160101569A 2016-08-10 2016-08-10 양면 수광형 실리콘 태양전지 KR102586115B1 (ko)

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