KR20030081662A - 이중층 반사방지막이 형성된 태양전지 - Google Patents

Abstract

이중층 반사방지막이 형성된 태양전지에 관한 것으로, 그 목적은 우수한 성능의 반사방지막을 저렴한 공정비용으로 형성하는 데 있다. 이를 위해 본 발명에서는 태양전지의 표면에 산화막 형성 없이 a-C:H(DLC,diamondlike carbon)과 MgF₂를 연속적으로 증착한 후 400℃의 수소 분위기에서 열처리함으로써, 안정된 구조의 a-C:H과 MgF₂로 이루어진 이중층 반사방지막을 형성하는 것을 특징으로 한다.

Description

이중층 반사방지막이 형성된 태양전지 {Solar cell with double layer antireflection coating}

본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이중층의 반사방지막이 형성된 태양전지에 관한 것이다.

일반적으로 태양전지에서 반사방지 효과를 얻기 위해 태양전지의 전면에 SiO₂를 증착하기도 하고, 이외에도, 반사방지막으로 TiO₂, MgF₂, ZnS, SiN_x등을 사용하기도 한다.

미국 특허 제4,640,001호에는 SiN_x를 반사방지막으로 사용한 기술에 개시되어 있다.

또 다른 반사방지막에 관한 종래기술로서 한국 특허 2000-1362호에서는 투광성 기재의 표면에 설치되며 투광성 기재측으로부터 공기층측으로 순서대로 3층이 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 반사방지막을 제공하며, 이 반사방지막은 가시광의 전파장 영역에 걸쳐 반사율이 낮아 저비용으로 제조할 수 있다.

한국 특허 1998-38295호에서는 반사방지성을 발휘하여 화성 콘트라스트를 저하시키지 않고 반짝임이 없는 선명한 화상을 얻을 수 있음과 동시에 광학적으로 안정한 내마모성, 내약품성을 나타내며, 또한 내오염성을 나타내는 반사방지재료 및 편광필름을 제공한다.

한국 특허 1998-23070호에서는 브라운관과 같은 영상 표시장치 표면에서 빛이 눈부시게 반사되는 것을 방지하면서 브라운관 내부로부터 발산되는 전자파도 차폐시키는 기능을 갖는 광 반사방지 및 전자파 차폐 필름에 관한 것이다.

그러나, 상기한 종래의 반사방지막의 성능에는 한계가 있기 때문에 더욱 반사방지 효과가 우수한 반사방지막에 대한 요구가 많아졌다. 이러한 요구에 부응하여 이중층 반사방지막(DLAR:double layer antireflection, 이하 DLAR라 칭한다)은 실리콘 태양전지의 고효율화에 적합한 기술로 알려져 있다.

DLAR의 증착 물질로서 비정질 고굴절률 박막으로는 ZnS, Ta₂O₅등을 사용하고 저굴절률 박막으로는 MgF₂, SiO₂등을 사용한다. DLAR 공정은 산화막을 형성하고 후속 공정으로 ZnS 와 MgF₂를 증착한 다음, 형성가스 어닐링 순서로 진행된다. 이 때 산화막을 형성하기 위해서는 800℃ 이상의 열산화라는 고온 공정을 적용하여 전지 표면에 얇은 산화막을 형성하고, 그 다음에 ZnS 와 MgF₂를 진공증착 방법으로 연속적으로 증착하여 반사 방지막을 형성한다.

그러나, DLAR에서 산화막 형성공정은 고온에서 열처리하기 때문에 열처리로(furnace)로부터 불순물의 유입이 촉진될 수 있으며, 특히 과도한 열부하(thermal budget)로 태양 전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 우수한 성능의 반사방지막을 저렴한 공정비용으로 형성하는 데 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구조를 도시한 사시도이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 태양전지의 표면에 산화막 형성 없이 a-C:H(DLC,diamondlike carbon)과 MgF₂를 연속적으로 증착한 후 400℃의 수소 분위기에서 열처리함으로써, 안정된 구조의 a-C:H과 MgF₂로 이루어진 이중층 반사방지막을 형성하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 이중층 반사방지막이 형성된 태양전지에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구조를 도시한 사시도이다.

도 1에서 보는 바와 같이, 규칙적으로 역 피라미드 패턴의 요철구조를 가지도록 텍스처링된 제1도전형(예를 들면, p형) 실리콘 기판(10)의 전면 상부에는 인(P)과 같은 제2도전형(예를 들면, n형) 불순물이 도핑되어 있는 n층(11)이 형성되어 있고, 따라서 p형 실리콘 기판(10)과 n층(11) 사이의 계면에는 pn접합이 형성되어 있다. 또한 n층(11) 상에는 전면 산화막(12)이 형성되어 있다.

여기서, 기판(10)의 전면을 역 피라미드 패턴의 요철구조로 형성하는 것은평평한 구조에 비해 입사하는 빛의 흡수율을 향상시키기 위함이다.

n층(11) 내에는 에미터 영역인 n+영역(13)이 형성되어 있으며, 이는 이후에 형성되는 전면 전극(15)과 기판(10) 사이의 접촉 저항을 줄이는 역할을 한다.

전면 산화막(12)은 일부분이 오프닝되어 n+영역(13)의 일부를 드러내는 전면 전극 패턴(14)이 형성되어 있으며, 그 상부 상부에는 전면 전극 패턴(14)을 통하여 n+영역(13)과 전기적으로 연결되는 전면 전극(15)이 소정 폭으로 형성되어 있다.

전면 전극 패턴(14)의 n+영역(13)과 전면 전극(15) 사이에는 전면 전극(15)의 구리(Cu) 또는 은(Ag) 등의 저저항 도전 물질이 실리콘 기판(10)의 내부로 확산되는 것을 방지하거나 접촉 특성을 향상시킬 수 있는 금속층(16)이 형성되어 있다.

여기서, 전면 전극(15)은 p-n 접합 실리콘 기판(10) 내부에서 생성된 전류를 모아서 외부 단자와 접촉하는 역할을 하며, 선택적 도금이 가능한 무전해 도금 방법이나 전기 도금 방법으로 전도성 금속을 도금함으로써 형성된다.

전면전극(15)의 상부 전면에는 외부단자와 연결되는 말단부를 제외하고 a-C:H(21a)와 MgF₂(21b)의 이중층으로 이루어진 반사방지막(21)이 형성되어 있다.

본 발명에서 사용한 a-C:H과 MgF₂의 이중층 반사방지막은 산화막을 필요로 하지 않는다. a-C:H는 넓은 파장영역에서 투과율이 높으며, 0.5 ~ 3.0 eV의 큰 에너지 밴드 갭을 가지는 것이 특징이며, 굴절률이 1.7 ~ 2.2로서 고굴절률 박막으로 사용할 수 있다. 또한 내구성이 높고, 외부환경에 강해 보호층으로 사용할 수 있다.

MgF₂는 진공자외선의 120 nm부터 적외선의 9000 nm까지 넓은 파장영역에서 투과율이 높고, 가시광선에서는 저굴절률 물질로 무반사 코팅에 많이 이용되고 있으며, 내구성이 높아 보호층으로도 사용된다.

반사 방지막은 막의 광학적 두께가 입사광의 1/4 파장이 되어야 정확한 무반사 코팅이 되며, 반사율을 보다 줄이고 일층에 의한 두께 오차를 줄이기 위하여 2층 막으로 구성된다. 이 때의 무반사 코팅은 흡수가 없는 박막으로써 투과율을 증가시키고 반사율을 감소시켜 태양전지의 효율을 증가시킨다.

한편, 평탄화된 실리콘 기판(10)의 후면에는 p형 불순물이 도핑되어 있는 p+영역(17)이 부분적으로 형성되어 있으며, 기판(10)의 후면 상부에는 p+영역(17)을 드러내는 후면 전극 패턴(18)을 가지는 후면 산화막(19)이 형성되어 있다.

또한, 기판(10)의 후면 상부에는, 후면 전극 패턴(18)을 통하여 p+영역(17)과 연결되어 있고 Cu 또는 Ag의 저저항 도전 물질로 이루어진 후면 전극(20)이 형성되어 있다. p+영역(17)은 전류의 수집을 향상시키는 후면 전계(back surface field: BSF)로서의 역할을 한다.

다음은, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.

먼저, 실리콘 기판(10)의 전면에 습식 식각을 이용한 사진 식각 공정으로 역 피라미드 패턴의 요철구조를 형성한다. 즉, 역 피라미드 패턴을 형성하기 위해서는 기판(10)의 전면 상에 희생층으로 사용될 산화막(도시하지 않음)을 형성한 후, 산화막의 상부에 감광막 패턴(도시하지 않음)을 형성하고, 감광막 패턴을 마스크로 하여 산화막을 식각한 다음, 감광막 패턴을 제거하고 식각된 산화막을 마스크로 하여 기판의 전면을 텍스처링하여 기판(10)의 전면에 역 피라미드 패턴을 형성한다.

다음, 기판(10)의 전면에 형성되어 있는 산화막을 제거한 후, 기판(10)의 전면 전체에 걸쳐 인과 같은 n형 불순물을 확산하여 n층(11)을 형성한다. 여기서, 인의 도핑 물질로는 POCl₃이나 P₂O₅를 사용한다.

다음, n층(11)을 부분적으로 제거하여 전면 전극 패턴(14)을 형성한 후, 전면 전극 패턴(14)으로 인해 노출되는 부분의 n층(11)에 인과 같은 n형 불순물을 고농도로 도핑 및 확산하여 n+영역(13)을 형성하고, 이어서, n+영역(13) 상부의 전면 전극 패턴(14) 안쪽에 금속층(16)을 형성한다.

다음, 기판(10)의 후면 상에 후면 산화막(19)을 형성하고, 후면 산화막(19)을 부분적으로 제거하여 후면 전극 패턴(18)을 형성한 다음, 후면 전극 패턴(18)을 통해 기판(10) 내로 알루미늄을 확산하여 p+영역(17)을 형성한다.

다음, 무전해 도금법 또는 전기 도금법을 이용하여 기판(10)의 전면 및 후면에 은 또는 구리로 이루어진 전면 전극(15) 및 후면 전극(20)을 동시에 형성한다.

다음, 태양 전지의 전면에 a-C:H(21a)와 MgF₂(21b)의 이중층으로 반사방지막(21)을 형성한다.

반사방지막은 Mo, Ta, 또는 W 보트를 이용한 열저항이나 전자빔으로 쉽게 증착할 수 있으며, 이 외에도 전자빔을 사용한 진공증착법, 스퍼터링법, 화학 기상증착 등을 이용할 수 있다. 이중층 반사방지막을 형성한 후에는 시편을 수소 분위기에서 400℃로 가열한 후 서서히 냉각시킨다.

따라서, 본 발명은 기존의 DLAR 공정에서 전지표면에 산화막을 형성하기 위해 수행하였던 800℃ 이상의 열산화라는 고온 공정이 필요치 않는 장점이 있는 것이다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 이중층 반사방지막 형성 시 400℃ 정도의 온도까지 가열하는데, 이는 종래의 800℃ 이상의 고온 공정에 비해 공정 온도가 낮으므로 제조 원가가 절감되는 효과가 있으며, 따라서 태양전지의 대량 생산이 더욱 유리해지는 효과가 있다.

또한, 종래 800℃ 이상의 고온 공정시 열처리 로(furnace)로부터 불순물의 유입이 촉진되거나 과도한 열부하로 인해 태양 전지의 성능이 저하되는 문제점이 미연에 방지되므로 태양전지의 성능이 보다 더 향상되는 효과가 있다.

그리고, 본 발명에 따른 이중층 반사방지막은 단결정 실리콘 태양 전지 뿐만 아니라 다결정의 박막 태양전지에도 적용할 수 있으며, 다결정의 박막 태양전지에 본 발명을 적용하면 전지 효율 향상 효과가 더욱 증대된다.

Claims (4)

1. 제1도전형의 반도체 기판;

   상기 제1도전형의 반도체 기판 상에 형성되고 상기 제1도전형의 반도체 기판과 반대 도전형을 가지는 제2도전형의 반도체층;

   상기 제1도전형의 반도체 기판과 제2도전형의 반도체층 사이의 계면에 형성된 pn 접합;

   상기 제2도전형 반도체층의 적어도 일부분과 접촉하는 전면전극;

   상기 제1도전형 반도체 기판의 적어도 일부분과 접촉하는 후면전극; 및

   상기 전면전극 상에 형성되고, a-C:H(DLC,diamondlike carbon) 및 MgF₂의 이중층으로 이루어진 반사방지막

   을 포함하는 태양전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 반사 방지막의 광학적 두께는 상기 태양전지에 입사하는 태양광의 1/4 파장인 태양전지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제1도전형의 반도체 기판은 규칙적인 역 피라미드 패턴의 요철구조를 가지는 태양전지.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제2도전형 반도체층의 상기 전면전극과 접촉하는 소정영역에는 제2도전형의 불순물이 고농도로 도핑되고,

   상기 제1도전형 반도체 기판의 상기 후면전극과 접촉하는 소정영역에는 제1도전형의 불순물이 고농도로 도핑된 태양전지.