KR20070119702A - 태양 전지 - Google Patents

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큐-쎌즈 아게
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Abstract

본 발명은 제2 도핑과 반대 극성을 갖는 앞 층(14)을 통해 경계층을 형성하는 제1 도핑을 포함하는 기저층(12)을 갖는 태양전지에 관한 것이다. 상기 태양전지는 적어도 하나의 앞 접점(18) 및 적어도 하나의 뒤 접점(32)을 구비한다. 기저층(12)과 뒤 접점(32) 사이에 적어도 하나의 보호층(24) 및 하나의 터널 접점층(26, 28)이 배치된다.
태양전지

Description

태양 전지{SOLAR CELL}
본 발명은 태양 전지, 특히 더 높은 효율을 달성하기 위한 개선된 뒤 접점을 구비한 태양 전지에 관한 것이다.
태양 전지 기술 분야에서는 가능한 한 저비용으로 높은 효율을 달성하고자 하는 노력이 지속적으로 이루어지고 있다.
사용된 기판 재료에 따라 일부 실험실에서는 20%를 초과하는 효율이 달성되고 있지만, 일반적으로 시판되는 태양 전지 모듈의 전형적인 효율은 20%이하로 현저히 미달된다.
최고의 효율을 달성하기 위해 기저층 재료로서 단결정 규소가 사용되는데, 이러한 재료는 비용 절감을 위해 가능한 한 얇은 두께로 사용되어야 한다. 이러한 맥락에서 뒤 접점을 부착하는 것이 항상 문제점으로 작용한다.
예를 들어 뒤 접점이 연속적인 재료층으로서 형성되는 경우에는, 금속과 반도체 경계층에서의 재결합 손실로 인해 효율이 저하된다. 이러한 이유에서 일반적으로 뒤 접점은 바람직하게도 스크린 인쇄법으로 부착된 점접점 또는 선접점으로서 형성된다.
완전한 면으로 형성된 뒤 접점이 냉각 시 얇은 규소판에 형성되며 이외에도 강한 기계적 응력이 형성되는데, 이는 다시 파열 및 공정화와 관련된 문제점을 발생시킨다.
또한 스크린 인쇄법은 비교적 복잡하며 적어도 약 400℃의 온도를 필요로 한다. 이러한 상승된 온도로 인해 얇은 웨이퍼의 사용 시 웨이퍼가 공정에서 쉽게 파손되고 따라서 생산 수율이 현저히 낮아진다. 특수한 스크린 인쇄 페이스트는 태양 전지 제조에 있어 주요 비용 요소이며 또한 그 조성 및 접점 형성의 재현성과 관련된 점검이 복잡하다.
일본 특허 JP 10135497 A(일본 특허 요약서)에는 기저층 재료가 p 도핑된 재료이며 뒷면에는 고농도 도핑 재료 p+가 제공되는 태양 전지가 공개되어 있다. 그 위에는 ITO(인듐 주석 산화물)과 같은 전기 전도성의 투명한 재료가 부착되고 그 위에는 전극이 점 또는 선 형태의 전극으로서 도포된다. 전기 전도성의 투명한 층은 스퍼터링법으로 제조되며, 따라서 최고 온도가 200℃를 초과하지 않는다.
기판이 p 또는 n 도핑된 재료로 이루어질 수 있는 이와 유사한 구조의 셀에서는, 셀의 휨을 발생시킬 수 있는 굽힘 응력을 방지하지 위해 ITO 또는 이와 유사한 재료로 이루어진 전기 전도성의 투광성 층이 기판의 양측면에 부착된다(일본 특허 요약서 비교, JP-A-20031977943).
하지만 전과 마찬가지로 이런 태양 전지에서는, n 도핑된 기판을 사용할 때 예를 들어 ITO와 같은 전기 전도체와의 양호한 접촉이 가능하지만 p 도핑된 기저층을 사용하는 경우에는 접촉 문제가 발생하는 단점이 존재한다.
이외에도 태양 전지 기술 분야에서는 일반적으로 p 도핑 재료가 사용되며 대 량 구입 시 비교적 저가로 구입이 가능하다.
따라서 본 발명의 목적은 p 도핑 재료를 사용하는 경우에도 양호한 뒤 접점이 보장되는 개선된 태양 전지를 제공하는 것이다. 또한 태양 전지는 가능한 한 저비용으로 제조할 수 있으며 가능한 한 고효율을 갖는다.
이 목적은 제2 도핑과 반대 극성(이미터(emitter))을 갖는 앞 층을 통해 경계층을 형성하는 제1 도핑을 포함하는 기저층, 적어도 하나의 앞 접점 및 적어도 하나의 뒤 접점을 구비한 태양 전지를 통해 달성되며, 기저층과 뒤 접점 사이에 적어도 하나의 보호층 및 하나의 터널 접점층이 배치된다.
본 발명의 목적은 이러한 방식으로 완전히 달성된다.
터널 접점층의 사용은, 기저층으로서 p 도핑된 재료를 사용하는 경우에도 산화아연 또는 ITO와 같은 금속 또는 투광성 전도체, 즉 전자 전도체와의 매우 우수한 접촉이 달성되는 것을 보장한다.
본 발명의 바람직한 개선된 형태에서는 보호층이 기저층과 동일한 극성을 갖는 도핑된 재료로 이루어진다.
또한 본 발명에 따른 태양 전지에서는, 뒤 접점을 금속성 표면 접점으로서 형성하는 것이 가능하며, 이 경우 이로 인한 효율 저하는 나타나지 않는다.
이를 위해 본 발명의 바람직한 개선된 형태에서는 터널 접점층과 뒤 접점 사이에 투명한 전기 전도성 층이 제공되는데, 이 층은 바람직하게도 산화아연, 인듐 주석 산화물 또는 전도성 폴리머로 이루어진다. 또한 이 층은 뒷면에서의 반사를 개선하는 기능을 가지므로, 이로 인해 효율이 개선된다.
특히 산화아연층을 사용하는 것이 바람직한데, 그 이유는 산화아연은 ITO보다 현저히 저가이기 때문이다.
뒤 접점 및 경우에 따라서는 앞 접점은 알루미늄과 같은 금속으로 형성될 수 있으며, 고가의 사용에서는 금, 은 또는 기타 금속으로 이루어질 수 있다.
바람직하게도 보호층은 비정질 규소(a-Si)로 이루어진다.
바람직하게도 터널 접점층은 미세결정 규소(μc-Si)로 제조된다. 이 층은 반대 극성을 갖는 제2 고농도 도핑 층이 이어지는 기저층과 동일한 극성의 제1 고농도 도핑 층으로 이루어질 수 있다.
기저층이 p 도핑된 경우에는 앞 층이 n 도핑되며, 바람직하게도 보호층은 p 도핑되고, 여기에 고농도 도핑된 p+ 층의 형태로 터널 접점층이 이어지고, 다시 여기에 고농도 도핑된 n+ 층이 이어진다. n+ 층은 간단하고 신뢰성 있는 방식으로 ZnO와 같은 전자 전도성 재료와 접촉할 수 있다.
이런 맥락에서 '고농도 도핑'이란 해당층이 기저층 재료보다 더 높은 도핑을 갖는다는 것, 즉 체적 단위당 도핑 원자의 수가 예를 들어 적어도 하나의 단위정도 크다는 것을 의미한다.
대안적 실시에서는, n+ 층없이 단지 제1 p 층으로만 터널 접점층을 제조하는 것이 가능한데, 이 제1 층에는 바람직하게도 μc-Si 층으로 이루어지는 제2 p+ 층이 이어진다.
본 발명의 다른 바람직한 형태에서는 보호층과 기저층 사이에 a-Si로 이루어진 얇은 비도핑 (고유) 층이 배치된다.
이 고유 층은 웨이퍼와 보호층 사이에서 버퍼로서 기능한다. 그의 조합에서는 매우 우수한 보호 작용이 나타난다.
본 발명의 다른 형태에서는 적어도 보호층, 터널 접점층 또는 고유 층이 수소를 포함한다.
이 수소는 약 1 내지 20 at.%의 수소일 수 있으며, 이러한 수소는 고유 층에서 뿐 아니라 보호층 및 터널 접점층에도 포함된다.
수소는 "미만족 결합"(Dangling Bonds)의 보호에서 중요한 역할을 한다. 이로써 적합한 수소 농도에서는 효율이 전체적으로 더욱 개선된다.
매우 높은 효율이 요구되는 경우, 태양 전지의 기저층 재료는 바람직하게도 단결정 규소로 이루어진다.
저가의 태양 전지에서는 기저층 재료가 다결정 규소로 이루어질 수 있다(mc-Si).
태양 전지의 광 측 구조는 원칙적으로 종래 기술에서 알려져 있는 임의의 방식으로 형성될 수 있다.
이를 위해 예를 들어 금속성 앞 접점이 사용될 수 있으며, 반면 저반사 보호층을 구비한 태양 전지의 광 측 표면은 SiO2로 제조된다. 물론 보호층은 앞 접점의 영역에서 중단된다.
특히 태양 전지의 광 측 구조는 종래 기술에서 알려진 바와 같이 a-Si 이미터를 구비한 이질 접합부로서 최고 약 250℃, 바람직하게는 최고 200℃의 저온 공정으로 실시될 수 있다.
바람직하게도 태양 전지의 층들은 박막증착법, 특히 플라즈마 CVD, 스퍼터링 또는 촉매 CVD(열선 CVD)로 증착된다.
이로 인해 공정 온도는 태양 전지의 전체 제조 공정에서 최고 약 250℃, 바람직하게는 최고 200℃의 온도로 한정될 수 있다.
이러한 방식으로 얇은 기판 재료를 사용하는 경우에도 태양 전지의 휨, 볼록 현상 및 파손이 방지될 수 있다.
물론, 본 발명의 전술한 특징 및 설명되는 하기 특징은 본 발명의 범위 내에서 명시한 조합에서 뿐 아니라 다른 조합 또는 독립적으로도 사용할 수 있다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 도면의 참조 하에서 바람직한 실시예에 대한 하기 설명에서 기술된다.
도면은 다음과 같다:
단 하나의 도면인 도 1은 본 발명에 따른 태양 전지에 대한 개략적인 부분 단면도를 나타낸다.
도 1에는 부호(10)으로 표시된, 본 발명에 따른 태양 전지에 대한 개략적 횡단면도가 도시되어 있다. 태양 전지(10)는 단결정 규소으로 이루어진 p 도핑된 기저층(12)을 포함한다.
방사측에 대향하는 앞면에는 n 도핑된 규소층(14)이 부착되는데, 이 층은 기저층(12)을 포함하는 경계층(pn 전이부)을 형성한다. n 도핑된 규소층(14)은 바람직하게도 반사가 억제되는 구조를 갖는다. 앞면에서 앞 접점(18)과의 접촉은, 바람직하게도 각각 고농도 도핑된(high doped) n+ 층을 구비한 영역(20)을 통해 접촉하는 알루미늄 접점을 통해 이루어질 수 있다. 또한 앞 층(14)은 거의 SiO2로 이루어질 수 있는 보호층(16)을 통해 보호된다.
뒷면에서 비정질 규소로 이루어진 얇은 고유(intrinsic) 층(22)이 기저층(12)에 이어진다.
바람직하게도 p 도핑된 a-Si 층으로 형성된 보호층(24)이 고유 층(22) 다음에 이어진다.
고농도 도핑된(p+) 미세결정 규소 μc-Si로 이루어진 다른 층(26)이 이 층(24)에 이어진다.
마찬가지로 고농도 도핑되었지만 반대 극성(n+)을 갖는 미세결정 규소 μc-Si로 이루어진 다른 층(28)이 이 μc-Si 층(26)에 이어진다.
n+ 도핑이 이어지는 p+ 도핑을 포함하는 μc-Si로 이루어진 양측 층(26, 28)은 함께 터널 접점층(tunnel contact layer)을 형성한다.
n+ 도핑된 μc-Si 층(28)에는 산화아연층(30)이 이어지는데, 예를 들어 알루미늄으로 이루어질 수 있는 연속되는 금속층으로서 뒤 접점층(32)이 이 산화아연층에 형성된다.
층(22, 23, 24, 25, 26, 27, 28)은 바람직하게도 1 내지 20 at.%(원자퍼센트)의 수소를 포함한다.
기저층(12)이 저농도 p 도핑 층임에도 불구하고, 이러한 층 구조로 인해 기저층(12)과 전자 전도체 사이에서 매우 양호한 접촉이 보장된다. 이러한 양호한 접촉은 미세결정 n+ 층이 이어지는 미세결정 p+ 층으로 형성된 터널 접점층(26, 28)을 통해 달성된다. 동일하게 양호한 결과를 얻는다는 조건 하에서, 대안적으로 터널 접점층(26, 28)은 p+ 도핑된 미세결정 μc-Si 층이 이어지는 p 도핑된 제1 a-Si 또는 μc-Si 층으로 이루어질 수 있다.
바람직하게는 선택적으로 사용된 a-Si 고유 층(22)의 층 두께는 약 5 내지 20 nm, 바람직하게는 약 10 nm이다. 보호층(24)의 층 두께는 약 20 내지 60 nm, 더욱 바람직하게는 약 40 nm이다. 미세결정 층(26)의 층 두께는 바람직하게도 약 5 내지 25 nm, 특히 약 10 nm이다. 미세결정 층(28)의 층 두께는 바람직하게도 약 1 내지 15 nm, 특히 약 5 nm이다.
ZnO, ITO 또는 이와 유사한 물질로 이루어진 투명한 전기 전도성 층의 층 두께는 바람직하게도 약 20 내지 150 nm, 특히 약 40 내지 120 nm, 예를 들어 약 80 nm이다.
예를 들어, 알루미늄으로 이루어진 뒤 접점층(32)은 약 0.5 내지 5㎛, 예를 들어 1㎛의 두께를 가질 수 있다.
예를 들어, ZnO로 이루어진 투명한(관련된 파장대에서) 재료를 포함하는 전기 전도성 층(30)은 뒤 접점층(32)의 반사를 개선하고 이로써 효율을 증대시킨다. 원칙적으로 ZnO대신 ITO와 같은 다른 층 재료도 사용할 수 있지만, ZnO가 양산 측면에서 현저히 저가이다.
기저층에서 층의 증착은 플라즈마 화학기상증착법(Plasma Enhanced CVD, PECVD), 스퍼터링, 열선 화학기상증착법(Hot-Wire-CVD) 등과 같은 박막 증착법을 통해 이루어진다. 층(22, 23, 24, 25, 26, 27, 28) 내에서 바람직한 수소 확산은 최대 약 200℃의 최종 온도 증대를 통해 이루어진다.
본 발명에 따른 태양 전지의 실험실 샘플의 제조에서 한편으로 PECVD, 다른 한편으로는 열선 CVD 방법이 적용되었다. a-Si 고유 층은 PECVD에서 13.56 MHz의 플라즈마 주파수 및 200 mTorr의 압력 및 4 와트의 출력 조건 하에서 실란(SiH4) 및 수소를 통해 증착되었다. 도핑된 a-Si 층은 80 MHz의 플라즈마 주파수 및 400 mTorr의 압력 및 20 와트의 출력 조건 하에서 실란, 수소 및 디보란(B2H6), 대안적으로 포스핀(PH4)을 통해 제조되었다.
열선 증착의 경우에는 약 1700℃의 열선 온도 및 100 mTorr의 압력이 사용되었다. 모든 증착은 고진공 시스템 또는 초고진공 시스템에서 이루어진다.
실험실 규모에서는 μc-Si n+가 이어지는 μc-Si p+로 이루어지는 터널 접점층을 포함하는 경우에서 뿐 아니라 μc-Si p+가 이어지는 μc-Si p를 구비한 대안적 터널 접점층을 사용하는 경우에도 본 발명에 따른 태양 전지에서 적어도 20%의 효율을 달성할 수 있다. 이를 위해 뒤 접점층으로서 오로지 Al 도핑된 ZnO만 사용된다. 현저히 고가인 ITO가 포함된 접점은 필요치 않았다.
산업적 제조를 위해 연속 처리 플랜드가 필요할 수도 있다.
본 발명에 따른 뒤 접점은 앞면에서 사용된 접점의 종류와는 무관하게 모든 규소 태양 전지에 적합하다.

Claims (19)

  1. 제2 도핑과 반대 극성을 갖는 앞 층(14)을 통해 경계층을 형성하는 제1 도핑을 포함하는 기저층(12), 하나 이상의 앞 접점(18) 및 하나 이상의 뒤 접점(32)을 구비한 태양 전지로써, 기저층(12)과 뒤 접점(32) 사이에 하나 이상의 보호층(24) 및 터널 접점층(26, 28)이 배치되는 태양 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 보호층(24)이 상기 기저층(12)과 동일한 극성을 갖는 도핑 재료 또는 고농도 도핑 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 뒤 접점(32)이 금속 표면 접점으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 뒤 접점(32) 또는 앞 접점(18)이 알루미늄, 금, 은 또는 다른 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보호층(24)이 비정질 규소(a-Si)를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 터널 접점층(26, 28)이 미세결정 규소(μc-Si)를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 터널 접점층(26, 28)이 제1 고농도 도핑 층(26) 및 반대 극성의 제2 고농도 도핑 층(28)을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기저층(12)이 p 도핑되며, 앞 층이 n 도핑되고 상기 터널 접점층(26, 28)이 고농도 p+ 층(26) 및 고농도 도핑 n+ 층(28)을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 터널 접점층이 제1 도핑 층(26) 및 동일한 극성의 제2 고농도 도핑 층(28)을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기저층(12)이 p 도핑되며, 앞 층이 n 도핑되고 상기 터널 접점층(26, 28)이 제1 p 층(26) 및 제2 고농도 도핑 p+ 층(28)을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  11. 제8항 또는 제10항에 있어서, 상기 보호층(24)이 p 도핑층 또는 고농도 도핑 p+ 층인 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보호층(24)과 상기 기저층(12) 사이에 a-Si를 포함하는 고유 층이 배치되는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 터널 접점층(26, 28)과 뒤 접점(32) 사이에 투명한 전기 전도성 층(30)이 제공되며, 이 층이 바람직하게도 산화아연(ZnO), 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 전도성 폴리머를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 상기 보호층(24), 상기 터널 접점층(26, 28) 또는 고유 층(22)이 수소를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  15. 제14항에 있어서, 적어도 상기 보호층(24), 상기 터널 접점층(26, 28) 또는 고유 층(22)이 1 내지 20 at.%(원자퍼센트)의 수소를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기저층(12)이 단결정 규소 또는 다결정 규소(mc-Si)를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 앞 접점(18)의 영역에서 단절된 상기 보호층(16)이 상기 앞 층(14)에 제공되는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 층은 박막증착법, 특히 플라즈마 CVD, 스퍼터링 또는 촉매 CVD(열선 CVD)로 제조되는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 층들이 최고 약 250℃, 바람직하게는 최고 200℃에서 증착되는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
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