KR19980075546A - 후면 부분소결형 실리콘 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 p형 실리콘기판; 피라미드 구조가 형성된 기판 전면에 순차적으로 형성되어 있는 n+형 반도체층, 산화규소(SiO2)막 및 산화티타늄(TiO2)막; 상기 기판 전면상에 소정간격으로 평형하게 이격되도록 형성되어 있고, 전도성 금속으로 된 복수개의 라인형 전면전극; 전면전극 하부에 형성된 n++형 반도체층; 평탄화된 기판 후면에 순차적으로 형성되어 있는 산화규소막, 산화티탄막 및 전도성 금속으로 된 후면전극; 상기 실리콘 기판 후면 내부로 확산되어 형성된 부분확산 p+형 반도체층; 및 실리콘 기판 후면의 산화티탄막과 후면전극사이의 소정영역에 형성된 전도성 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 부분소결형 실리콘 태양전지를 제공한다. 본 발명의 실리콘 태양전지는 실리콘 기판 전면 및 후면에 산화티타늄막과, 기판 후면에 부분확산 에미터층을 각각 형성하는 동시에, 통상적인 함몰전극형 실리콘 태양전지와 구별되는 전면전극을 형성함으로써 제조비용이 절감되는 동시에 에너지 변환효율이 매우 우수하다.
Description
본 발명은 후면 부분소결형 실리콘 태양전지에 관한 것으로서, 상세하기로는 실리콘 기판 전면 및 후면에 산화티타늄막과, 기판 후면에 부분확산 p+형 반도체층을 각각 형성하는 동시에, 통상적인 함몰전극형 실리콘 태양전지와 구별되는 전면전극을 형성함으로써 제조비용이 절감되고 에너지 변환효율이 우수한 산화티타늄 비활성화 에미터 절연막을 갖는 후면 부분소결형 실리콘 태양전지(TiO2passivated Emitter, rear Locally Sintered silicon solar cell: TELS)에 관한 것이다.
태양전지는 반도체의 광기전력을 이용한 것으로서, p형 반도체와 n형 반도체를 조합하여 만든다. p형 반도체와 n형 반도체의 접합 부분 (pn 접합부)에 빛이 들어오면 빛에너지에 의하여 반도체 내부에서 마이너스의 전하(전자)와 플러스의 전하(정공)이 발생한다.
빛에너지에 의해 발생된 전자와 정공은 내부의 전계에 의하여 각각 n형 반도체측과 P형 반도체측으로 이동하여 양쪽의 전극부에 모아진다. 이러한 두 개의 전극을 도선으로 연결하면 전류가 흐르고 외부에서 전력으로 이용할 수 있게 된다.
태양전지는 전극의 형태에 따라 스크린 프린팅형 태양전지(Screen Printing Solar Cell: SPSC)와 함몰전극형 태양전지(Buried Contact Solar Cell: BCSC)로 구분할 수 있다. 여기에서 SPSC는 일반적으로 제조하기가 쉽지만 에너지 변환효율이 작은 편이다.
한편, BCSC는 SPSC와 거의 동일한 제조원가로 제조할 수 있고, SPSC보다 에너지 변환효율이 높은 편이다.
도 1에는 일반적인 BCSC의 단면구조를 나타낸 도면이다.
이를 참조하면, p형 실리콘 기판 (11) 상부에 n+형 반도체층 (12)과 산화막으로서 산화규소막 (13)이 순차적으로 형성되어 있고, 상기 기판내로 깊게 파인 홈에 전면전극 (17)이 형성되어 있다.
실리콘 기판 (11) 후면에는 p+형 반도체층 (15)과 후면전극 (16)이 순차적으로 형성되어 있다.
그런데, 상기한 바와 같은 구조를 갖는 BCSC는 다음과 같은 문제점을 갖고 있다.
첫째, 실리콘 기판 전면 및 후면상의 산화규소막을 형성하기 위해서는 고가의 산화로(oxidation furnace)가 구비되어야 하며 장시간의 고온 산화공정을 거쳐야 한다. 또한 이러한 산화공정에서 통상적으로 수소가스를 사용하므로 제조공정상 위험성이 내포되어 있다.
둘째, 전면전극을 형성하기 위해서는 실리콘 기판 전면내에 깊은 홈을 형성해야 하는데, 이러한 홈 형성과정에서 레이저 스크라이버(laser scriber) 등과 같은 고가의 장비가 필요할 뿐만 아니라 제조시간이 많이 소요된다.
셋째, 피라미드 구조가 형성된 실리콘 기판 후면상에 산화막 및 후면전극을 순차적으로 형성하므로 전위결함(dislocation defect)이 비교적 큰 편이고, 실리콘 기판 후면에 알루미늄층을 형성함으로써 얻어지는 후면반사효과가 낮다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 문제점을 해결하여 종래의 산화과정대신 산화티타늄의 분무증착공정을 실시하여 실리콘 기판 전면과 후면에 산화티타늄막을 각각 형성하고, 기판 후면에 부분확산 에미터층을 형성하는 동시에, 통상적인 함몰전극형 실리콘 태양전지와 다른 전면전극을 형성함으로써 절감된 제조비용으로 에너지 변환효율이 우수한 산화티타늄 비활성화 에미터 절연막을 갖는 후면 부분소결형 실리콘 태양전지를 제공하는 것이다.
도 1은 통상적인 함몰전극형 실리콘 태양전지의 단면구조를 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명에 따른 후면 부분소결형 실리콘 태양전지의 단면구조를 나타낸 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
11, 21... p형 실리콘 기판12, 24... n+형 반도체층
13, 22, 22'... 산화규소(SiO2)막15... p+형 반도체층
16, 29... 후면전극 17... 전면전극
23, 23'... 산화티탄(TiO2)막 25... 라인형 전면전극
26... n++형 반도체층27... 부분확산 p+형 반도체층
28... 전도성 금속층
본 발명의 과제는 p형 실리콘기판; 피라미드 구조가 형성된 기판 전면에 순차적으로 형성되어 있는 n+형 반도체층, 산화규소(SiO2)막 및 산화티타늄(TiO2)막; 상기 기판 전면상에 소정간격으로 평형하게 이격되도록 형성되어 있고, 전도성 금속으로 된 복수개의 라인형 전면전극; 전면전극 하부에 형성된 n++형 반도체층; 평탄화된 기판 후면에 순차적으로 형성되어 있는 산화규소막, 산화티탄막 및 전도성 금속으로 된 후면전극; 상기 실리콘 기판 후면 내부로 확산되어 형성된 부분확산 p+형 반도체층; 및 실리콘 기판 후면의 산화티탄막과 후면전극사이의 소정영역에 형성된 전도성 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 부분소결형 실리콘 태양전지에 의하여 이루어진다.
상기 전도성 금속은 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti) 및 그 산화물중에서 선택된다.
상기 부분확산 p+형 반도체층은 알루미늄(Al)으로 이루어지는 것이 바람직한데, 그 이유는 알루미늄 대신 다른 p형 불순물, 예로써 보론(B)을 확산하는 경우에는 고가의 확산장비가 반드시 필요하기 때문에 제조비용이 상승되기 때문이다.
이하, 도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 후면 부분소결형 실리콘 태양전지를 설명하기로 한다.
랜덤 피라미드(random pyramid) 구조가 형성된 p형 실리콘 기판 (21) 전면 상부에는 n+형 반도체층 (24), 산화규소막 (22'), 산화티타늄막 (23')이 순차적으로 형성되어 있다.
상기 산화규소막 (22')과 산화티타늄막 (23')은 실리콘 기판 전면에 티타늄과 산소를 함유한 화합물을 골고루 분무증착한 후 경화시키면 순차적으로 형성된다. 이 때 티타늄과 산소를 함유한 화합물로는 테트라이소프로필 티타네이트(tetraisopropyl titanate), 티타늄 테트라클로라이드(titanium tetrachloride) 등이 이용될 수 있다. 여기에서 산화티타늄막과 산화규소막의 두께는 증착조건 등의 실험조건에 따라 변화되는데, 산화규소막이 산화티타늄보다 그 두께가 얇게 형성되는 것이 일반적이다.
상기 실리콘 기판 (21) 전면상에는 소정간격으로 평형하게 이격되도록 형성되어 있고, 전도성 금속으로 된 복수개의 라인형 전면전극 (25)이 형성되어 있다. 이러한 전면전극 (25)은 pn 접합 실리콘 기판 내부에서 생성된 전류를 모아서 외부 단자와 접촉하는 역할을 하며, 선택적 도금이 가능한 무전해 도금방법이나 전기도금방법으로 전도성 금속을 도금함으로써 형성된다. 특히, 상기 전도성 금속으로서 구리(Cu)를 도금하는 경우에는 무전해 도금방법을 사용하고, 전도성 금속으로서 은(Ag)을 도금하는 경우에는 전기도금법을 사용하는 것이 바람직하다. 이 때 구리나 은을 도금하기 이전에, 이러한 금속 도금층과 피도물의 밀착력을 향상시키기 위한 중간층으로서 니켈(Ni) 도금층을 먼저 형성하는 것이 바람직하다.
그리고 복수개의 라인형 전면전극 (25)과 실리콘 기판 (21)간의 전기적 접촉저항을 줄이기 위한 n++형반도체층 (26)이 도 2에 도시된 바와 같이 형성되어 있다.
평탄화된 실리콘 기판 (21) 후면에는 산화규소막 (22), 산화티타늄막 (23) 및 후면전극인 알루미늄층 (29)이 차례로 형성되어 있다. 이 실리콘 기판 (21) 후면내에는 금속 마스크를 이용한 알루미늄의 부분 확산으로 얻어진 부분확산 p+형 반도체층 (27)이 형성되어 있다.
그리고, 산화티타늄 (23)과 후면전극 (29)사이의 소정영역에는 전도성 금속층 (28)이 형성되어 있다. 이 전도성 금속층은 상기 전면전극 (25)의 형성과정에서 동시에 제조된다.
상기한 바와 같은 구조를 갖는 본 발명의 실리콘 태양전지에서는, 실리콘 기판의 전면과 후면에 형성된 산화티타늄막은 반사방지, 절연 및 보호막으로서의 역할을 동시에 하는 동시에 확산공정시 마스크로서도 작용한다. 그리고 평탄화된 실리콘 기판 후면에 부분확산 P+형반도체층을 형성하여 기판 후면에서의 전위결함이 감소되는 동시에 소수 전하 캐리어들의 재결합이 줄어들어 에너지 변환효율이 향상된다. 또한, 전면전극 형성시, 종래와 같이 기판내로 깊게 홈을 형성하지 않고, 산화막 형성시 고온의 산화공정을 거치지 않아도 되므로 레이저 장비나 산화로 등과 같은 고가의 장비가 불필요하므로 제조시간과 비용을 매우 절감할 수 있다.
본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 산화티타늄막의 분무증착공정을 이용함으로써 실리콘 기판 전면 및 후면상에 산화티타늄과 산화규소막을 동시에 형성할 수 있다. 이렇게 형성된 2중막은 반사방지막, 절연막 및 보호막 역할을 동시에 수행한다. 따라서 종래의 산화공정을 생략할 수 있어서 제조공정이 단순화됨으로써 제조시간이 줄어들 뿐만 아니라 산화로(oxidation furnace) 등과 같은 고가의 장비가 불필요하게 됨으로써 제조비용이 절감된다.
둘째, 통상적인 함몰전극형 실리콘 태양전지와는 달리 전면전극 형성시 기판내부로 깊게 파인 홈을 별도로 제조하지 않아도 되므로 레이저 스크라이버 등과 같은 고가의 장비가 불필요하고 제조소요시간이 절감된다.
셋째, 평탄화된 실리콘 기판 후면에 부분확산 p+형 반도체층을 형성함으로써 실리콘 기판 후면에서의 캐리어들의 재결합과 전위결함을 감소시킴으로써 전지의 개방전압이 향상된다. 그 결과, 에너지 변환효율이 향상된다.
넷째, 부분확산 p+형 반도체층 형성시, 종래에는 번거로운 사진식각공정을 사용하는 반면, 본 발명에서는 금속 마스크(metal mask)을 이용한 진공증착법을 이용하므로 제조하기가 용이하고 제조시간을 절감할 수 있다.
Claims (3)
- p형 실리콘기판;피라미드 구조가 형성된 기판 전면에 순차적으로 형성되어 있는 n+형 반도체층, 산화규소(SiO2)막 및 산화티타늄(TiO2)막;상기 기판 전면상에 소정간격으로 평형하게 이격되도록 형성되어 있고, 전도성 금속으로 된 복수개의 라인형 전면전극;전면전극 하부에 형성된 n++형 반도체층;평탄화된 기판 후면에 순차적으로 형성되어 있는 산화규소막, 산화티탄막 및 전도성 금속으로 된 후면전극;상기 실리콘 기판 후면 내부로 확산되어 형성된 부분확산 p+형 반도체층; 및실리콘 기판 후면의 산화티탄막과 후면전극사이의 소정영역에 형성된 전도성 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 후면 부분소결형 실리콘 태양전지.
- 제1항에 있어서, 상기 전도성 금속이 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti) 및 그 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 후면 부분소결형 실리콘 태양전지.
- 제1항에 있어서, 상기 부분확산 p+형 반도체층이 알루미늄으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 후면 부분소결형 실리콘 태양전지.
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