KR20080045598A - 태양전지 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 태양전지는, 제1 도전형 반도체 기판, 상기 제1 도전형 반도체 기판 상에 형성되고 상기 제1 도전형 반도체 기판과 반대 도전형을 가지는 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 도전형 반도체 기판과 제2 도전형 반도체층 사이의 계면에 형성된 p-n 접합으로 이루어진 p-n 구조 상기 제2 도전형의 반도체층 상에 형성되고, 40 nm ~ 100 nm의 두께를 갖는 SiNx:H 박막으로 이루어진 제1 반사방지막 상기 제1 반사방지막 상에 형성되고, 실리콘산화질화막으로 이루어진 제2 반사방지막 소정 패턴에 따라 상기 제2 반사방지막 상에 형성되고, 상기 제1 및 제2 반사방지막을 관통하여 제2 도전형 반도체층과 연결되는 전면전극 및 상기 제1 도전형 반도체 기판을 사이에 두고 상기 전면전극과 반대측에, 상기 제1 도전형 반도체 기판과 연결되도록 형성된 후면전극을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 태양전지는 조사되는 빛에 대한 반사율을 최소화하고 실리콘 기판의 결함이 부동화되어 우수한 광전변환효율을 나타낸다.
태양전지, 광기전력효과, 반도체, p-n 접합, 반사방지막, 광전 변환효율

Description

태양전지 및 그의 제조방법{Solar cell and method of manufacturing the same}
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 태양전지의 기본적인 구조를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 개략적으로나타낸 도면이다.
본 발명은 태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 개선된 반사방지막 구조를 가짐으로써 광전 변환효율이 우수한 태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 특히 주목 받고 있다. 태양전지에 는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양빛(photons)을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지가 있으며, 태양전지라고 하면 일반적으로 태양광 전지(이하 태양전지라 한다)를 일컫는다.
태양전지의 기본적인 구조를 나타낸 도 1을 참조하면, 태양전지는 다이오드와 같이 p형 반도체(101)와 n형 반도체(102)의 접합 구조를 가지며, 태양전지에 빛이 입사되면 빛과 태양전지의 반도체를 구성하는 물질과의 상호 작용으로 (-) 전하를 띤 전자와 전자가 빠져나가 (+) 전하를 띤 정공이 발생하여 이들이 이동하면서 전류가 흐르게 된다. 이를 광기전력효과(光起電力效果, photovoltaic effect)라 하는데, 태양전지를 구성하는 p형(101) 및 n형 반도체(102) 중 전자는 n형 반도체(102) 쪽으로, 정공은p형 반도체(101) 쪽으로 끌어 당겨져 각각 n형 반도체(101) 및 p형 반도체(102)와 접합된 전극(103, 104)으로 이동하게 되고, 이 전극(103, 104)들을 전선으로 연결하면 전기가 흐르므로 전력을 얻을 수 있다.
이와 같은 태양전지의 출력특성은 일반적으로 솔라시뮬레이터를 이용하여 출력전류전압곡선을 측정함으로써 평가되고, 이 곡선 상에서 출력전류 Ip와 출력전압 Vp의 곱 Ip×Vp가 최대가 되는 점을 최대출력 Pm이라 부르고, 상기 Pm을 태양전지로 입사하는 총광에너지(S×I: S는 소자면적, I는 태양전지에 조사되는 광의 강도)로 나눈 값을 변환효율 η로 정의한다.
태양전지의 효율 η 은 단락전류 Jsc(전류전압곡선 상에서 V=0일 때의 출력전류), 개방전압 Voc(전류전압곡선 상에서 I=0일 때의 출력전압), 출력전류전압곡 선의 각형에 가까운 정도를 나타내는 FF(fill factor)에 의해 결정된다. 여기서, FF는 그 값이 1(100%)에 가까울수록 출력전류전압곡선이 이상적인 각형에 근접하게 되고, 변환효율 η도 높아지게 된다.
태양전지의 효율을 높이기 위해서는 Jsc 또는 Voc를 높이고, FF(fill factor)는1(100%)에 근접시켜야 한다. 주로 Jsc는 태양전지에 조사되는 빛에 대한 반사율이 감소하면 증가하고, Voc는 캐리어(전자와 정공)의 재결합 정도가 작아지면 증가하고, FF는 n형 및 p형 반도체 내 또는 이들과 전극 사이에서의 저항이 작아지면 1(100%)에 근접해진다. 이로부터 태양전지의 효율을 결정하는 인자인 Jsc, Voc 및 FF는 서로 다른 요인에 의해 조절된다는 것을 알 수 있다.
종래에는 태양전지의 수광측으로 입사되는 광의 반사율을 감소시켜 Jsc를 증가시킴으로써 태양전지의 효율을 증가시키기 위한 노력이 지속적으로 있어 왔다. 광의 반사율을 감소시키기 위한 방법으로는, 태양전지의 수광측에 반사방지막을 형성하여 빛의 반사율을 감소시키는 방법, 전극단자를 형성할 때 태양빛을 가리는 면적을 최소화하여 빛의 반사율을 감소시키는 방법 등이 있다. 그 중에서도 낮은 반사율을 구현할 수 있는 반사방지막에 대한 다양한 연구가 활발히 진행 중이다.
현재, 실리콘질화막으로 이루어진 반사방지막을 태양전지 전면의 에미터 위에 형성하여 반사율을 감소시키는 방법이 개발되어 널리 활용되고 있다. 일 예로, 한국공개특허 제2003-0079265호는 비결정질 실리콘 박막과 실리콘질화막이 순차적으로 적층된 2중 반사방지막 구조를 사용하여 태양전지의 성능을 향상시키는 방법을 제안하고 있다. 그런데, 비결정질 실리콘 박막은 태양전지 표면의 결함을 부동 화시켜 Voc의 증가에는 어느 정도 기여할 수 있지만, 반사방지막의 본래 기능인 반사율 감소의 측면에서는 실리콘질화막과의 관계에서 상승 효과를 유의적으로 일으키지 못한다. 즉, 79265 공개특허 발명은 태양전지의 효율을 결정하는 두가지 인자 Voc와 Jsc 중 주로 Voc를 증가시키는 것에 의해서만 태양전지의 효율을 상승시키는 메커니즘을 채용하고 있다. 따라서, 79265 공개특허 발명은 태양전지의 효율 향상을 다각도적인 측면에서 접근하고 있지 못하다는 한계가 있다.
다른 예로, 미국특허 제4,646,088호는 태양전지의 수광부 측에 실리콘 또는 실리콘산화막을 타겟으로 한 스퍼터링법에 의해 반사방지막을 형성하되, 실리콘기판의 표면으로부터 공기쪽으로 갈수록 반사방지막의 굴절률을 연속적으로 감소시키고 반사방지막의 물질 조성 또한 실리콘질화막 -> 실리콘산화질화막 -> 실리콘산화막의 순으로 연속적으로 변화시켜 빛의 반사율을 저감시키는 구성을 개시하고 있다. 088 특허는 상기와 같은 특징을 갖는 반사방지막을 이용하여 빛의 반사율을 저감시킴으로써 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다고 기술하고 있다. 하지만, 088 특허는 태양전지의 효율에 영향을 미치는 또 하나의 요소인 실리콘 기판의 부동화에 대해서는 어떠한 언급도 하고 있지 않다. 088 특허는 반사방지막을 스퍼터링법으로 형성하는데, 이러한 점은 088 특허가 실리콘 기판 표면의 부동화에 의해 태양전지의 효율을 향상시키겠다는 목적은 전혀 고려하고 있지 않다는 것을 강력하게 뒷받침한다. 스퍼터링법에 의해 실리콘 계열의 절연막을 형성하면 절연막의 계면 특성이 우수하지 못해 실리콘 기판 표면의 실질적 부동화가 어렵기 때문이다. 따라서, 088 특허는 태양전지의 효율을 결정하는 두가지 인자 Voc와 Jsc 중 주로 Jsc를 증가시키는 것에 의해서만 태양전지의 효율을 상승시키는 메커니즘을 채용하고 있다고 볼 수 있으며, 그 결과 태양전지의 효율 향상을 다각도적인 측면에서 접근하고 있지 못하다는 측면에서 79265 공개특허 발명과 맥락을 같이하고 있다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제를 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 태양전지의 기판 표면에 대한 부동화 기능과 빛의 반사율을 저감시키는 기능을 동시에 수행하여 태양전지의 효율을 다각도적으로 상승시킬 수 있는 새로운 반사방지막 구조를 갖는 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
최근, 태양전지의 반사방지막으로 사용될 수 있는 물질로서 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)법에 의해 성장된 SiNx:H 박막이 주목을 받고 있다. 여기서, SiNx:H 박막은 수소 분위기의 PECVD 법에 의해 성장되어 수소 원자가 다량 함유된 실리콘질화막을 의미한다.
SiNx:H 박막으로 이루어진 반사방지막은 태양전지에 입사하는 빛의 반사율을 감소시키는 역할과 함께 SiNx:H 박막에 포함된 수소 원자의 확산에 의해 실리콘 기판 표면의 결함을 부동화시키는 역할을 동시에 수행할 수 있는 장점이 있다. 이러한 방사방지막의 2중적 기능을 극대화시키기 위해서는, SiNx:H 박막의 굴절률과 두께를 정밀하게 조절할 필요가 있다. 여기서, 박막의 굴절률은 상대적으로 빛의 반사율 감소와 밀접한 관련이 있고, 박막의 두께는 상대적으로 실리콘 기판 표면의 부동화와 밀접한 관련이 있다.
그런데, 본 발명자는 SiNx:H 박막에 의해 반사방지막을 형성하는 기술은 다음과 같은 단점이 있다는 것을 발견하였다. 즉, SiNx:H 박막은 빛의 반사율을 최소화시킬 수 있는최적의 굴절률 및 박막 두께와 박막 내부의 수소 함량을 극대화시켜 실리콘 기판의 표면에 대한 부동화를 극대화시킬 수 있는 최적의 굴절률 및 박막 두께가 일치하지 않는다는 단점이 있다. 따라서, 1층의 SiNx:H 박막으로 반사방지막을 구성하면 실리콘 기판 표면의 부동화와 빛의 반사율 감소라는 두가지의 목적을 동시에 달성하는데 한계가 있다.
본 발명자는 위와 같은 한계를 극복하기 위해 태양전지의 실리콘 기판상에 SiNx:H 박막을 PECVD법에 의해 성막한 후 그 위에인시튜(in-situ)로 여러 가지 실리콘계 절연막을 성막한 후 태양전지의 Voc와 Jsc를 분석해 보았다. 그 결과, SiNx:H 박막 위에 실리콘산화질화막을 성막하였을때 SiNx:H 박막이 갖는 이중적 기능을 최대한 살릴 수 있을뿐만 아니라, 실리콘 기판의 부동화와 빛의 반사율 감소 효과를 극대화할 수 있는 SiNx:H 박막의 굴절률 및 두께 범위 도출이 가능하다는 것을 확인하였다.
구체적으로, 상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양전지는 제1 도전형 반도체 기판, 상기 제1 도전형 반도체 기판 상에 형성되고 상기 제1 도전형 반도체 기판과 반대 도전형을 가지는 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 도전형 반도체 기판과 제2 도전형 반도체층 사이의 계면에 형성된 p-n 접합으로 이루어진 p-n 구조 상기 제2 도전형의 반도체층 상에 형성되고, 40 nm ~ 100 nm의 두께를 갖는 SiNx:H 박막으로 이루어지는 제1 반사방지막 상기 제1 반사방지막 상에 형성 되고, 실리콘산화질화막으로 이루어진 제2 반사방지막 소정 패턴에 따라 상기 제2 반사방지막 상에 형성되고, 상기 제1 및 제2 반사방지막을 관통하여 제2 도전형 반도체층과 연결되는 전면전극 및 상기 제1 도전형 반도체 기판을 사이에 두고 상기 전면전극과 반대측에, 상기 제1 도전형 반도체 기판과 연결되도록 형성된 후면전극을 포함한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양전지 제조 방법은, (S1) 제1 도전형 반도체 기판 상에 그에 반대 도전형의 제2 도전형 반도체층을 형성하여 그 계면에 p-n 접합을 형성하는 단계 (S2) 상기 제2 도전형 반도체층 상에 40 nm ~ 100 nm의 두께를 갖는 SiNx:H 박막으로 이루어진 제1 반사방지막을 형성하는 단계 (S3) 상기 제1 반사방지막 상에 실리콘산화질화막으로 이루어진 제2 반사방지막을 형성하는 단계 (S4) 상기 제2 반사방지막 상에 제2 도전형 반도체층에 연결되는 전면전극을 형성하는 단계 (S5) 상기 제1 도전형 반도체 기판을 사이에 두고 상기 전면전극과 반대측에, 상기 제1 도전형 반도체 기판과 연결되도록 후면전극을 형성하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 상기 제1 반사방지막은 1.5 ~ 3.4의 굴절률을 갖는다.
바람직하게, 상기 제2 반사방지막은 10 nm ~ 200 nm 의 두께, 그리고 1.45 ~ 2.4의 굴절률을 가진다.
바람직하게, 상기 제1 반사방지막과 제2 반사방지막은 경계 계면에서 불연속적인 굴절률을 갖는다.
바람직하게, 상기 제1 반사방지막과 및 제2 반사방지막은 PECVD법에 의해 인시 튜로 형성된다.
바람직하게, 상기 전면전극은 전면전극 형성용 페이스트를 제2 반사방지막 상에 소정 패턴으로 도포한 후 열처리함에 의해 형성한다. 그리고, 상기 후면전극은 후면전극 형성용 페이스트를 제1 도전형 반도체 기판 상에 소정 패턴으로 도포한 후 열처리함에 의해 형성한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 도전형 반도체 기판은 p형 실리콘 기판이고 상기 제2 도전형 반도체층은 n형 에미터층이거나 그 반대일 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체 기판과 상기 후면전극의 계면에는 BSF(Back Surface Field)로 기능하는 고농도의 불순물 도핑층(예컨대, p+층)이 형성될 수 있다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 태양전지는 p-n 구조, 제1 반사방지막(205), 제2 반사방지막(206), 전면전극(203) 및 후면전극(204)을 포함하여 이루어진다.
p-n 구조는 제1 도전형 반도체 기판(201), 상기 제1 도전형 반도체 기판(201) 상에 형성되고 상기 제1 도전형 반도체 기판(201)과 반대 도전형을 가지는 제2 도전형 반도체층(202) 및 상기 제1 도전형 반도체 기판(201)과 제2 도전형 반도체층(202) 사이의 계면에 형성되는 p-n 접합을 포함하는 것으로서, 빛을 받아 광기전력 효과에 의해 전류를 발생시킨다. 대표적으로, 상기 제1 도전형 반도체 기 판(201)은, 예를 들어 B, Ga, In 등의 3족 원소들이 도핑되어 있는 p형 실리콘 기판이고, 상기 제2 도전형 반도체층(202)은, 예를 들어 P, As, Sb 등의 5족 원소들이 도핑되어 있는 n형 이미터층으로, 상기 p형 실리콘 기판과 n형 이미터층이 접하여 p-n 접합을 형성한다. 대안적으로, n형 실리콘 기판 위에 p형 이미터층을 적층하여 p-n 접합을 형성할 수도 있다. 하지만, 본 발명의 p-n 구조가 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 p-n 구조의 제2 도전형 반도체층(202) 상에는, SiNx:H 박막으로 이루어지는 제1 반사방지막(205) 및 실리콘산화질화막으로 이루어지는 제2 반사방지막(206)이 순차적으로 형성된다. 즉, 제2 도전형 반도체층(202) 위에 제1 반사방지막(205)이, 제1 반사방지막(205) 위에 제2 반사방지막(206)이 형성된다.
상기 제1 반사방지막(205)은 실리콘 기판 표면 또는 벌크 내에 존재하는 댕글링 본드 등의 결함을 부동화하는 기능을 수행할 뿐만 아니라 실리콘 기판의 전면으로 입사되는 빛의 반사율을 감소시켜 태양광의 광전 변환 효율을 증대시킨다. 실리콘 기판의 결함이 부동화되면 소수 캐리어의 재결합 사이트가 제거되어 Voc가 증가하고, 빛의 반사율이 감소되면 p-n 접합까지 도달되는 빛의 량이 증대되어 Jsc가 증가하며, 그 결과 Voc 및 Jsc의 증가분에 해당하는 만큼 태양전지의 효율이 향상된다.
실리콘 기판의 부동화는 제1 반사방지막(205)을 이루는 SiNx:H 박막 내에 포함된 수소 원자에 의해 이루어진다. 즉, 제1 반사방지막(205)의 형성과정 또는 후속 열처리 공정에서 수소 원자가 실리콘 기판 측으로 확산하여 실리콘 기판 표면이 나 표면에 근접한 벌크 내의 결함을 부동화시킨다.
상기 제2 반사방지막(206)은 제1 반사방지막(205)과 결합되어 실리콘 기판의 전면으로 입사되는 빛의 반사율을 더욱 감소시킨다. 나아가, 제2 반사방지막(206)은 제1 반사방지막(205)의 2중적 기능(부동화 및 반사율 감소)이 극대화될 수 있도록 제1 반사방지막(205)의 굴절률 범위와 박막 두께 범위를 최적화시킨다. 다시 말해, 제2 반사방지막(206)은, SiNx:H 박막으로만 반사방지막을 구성하였을 경우 실리콘 기판의 표면 부동화의 최적화를 위한 굴절률 및 박막 두께와 빛의 반사율을 최소화하기 위한 굴절률 및 박막 두께의 상호 불일치 문제를 해소한다. 이에 따라, 제1 반사방지막(205)의 2중적 기능을 모두 발휘할 수 있도록 하는 굴절률 범위와 박막 두께 범위의 적절한 튜닝이 가능해진다.
바람직하게, 상기 제1 반사방지막(205)의 굴절률은 1.5 ~ 3.4이고, 박막 두께는 40 nm ~ 100 nm 이다. 이러한 조건으로 제1 반사방지막(205)을 형성하면, 제1 반사방지막(205)의 2중적 기능을 극대화시킬 수 있다. 즉, 제2 반사방지막(206)의 존재로 인해, 제1 반사방지막(205)의 2중적 기능을 극대화할 수 있는 굴절률 및 박막 두께 범위의 튜닝이 가능해 지는 것이다.
상기 제1 반사방지막(205)의 굴절률에 대한 수치한정과 관련하여, 상기 하한치에 미달하면 오히려 반사가 더 잘 일어나 반사방지막으로서의 역할을 할 수 없을 뿐만 아니라 실리콘 기판에 대한 부동화 효과가 저하되어 태양전지 효율이 저하되며, 상기 상한치를 초과하면 반사방지막 자체의 흡수로 인한 광전효율이 저하되기 때문에 바람직하지 못하다. 또한, 제1 반사방지막(205)의 두께에 대한 수치한정과 관련하여, 상기 하한치에 미달하면 반사방지막(206)으로서의 기능을 하기에 충분하지 못하며, 상기 상한치를 초과하면 반사방지막 자체의 광흡수가 발생하여 바람직하지 못하다.
바람직하게, 상기 제2 반사방지막(206)의 굴절률은 1.45 ~ 2.4이다. 제2 반사방지막(206)의 굴절률은 제1 반사방지막(205)의 굴절률과 대비하여 더 작되, 제1 반사방지막(205)을 기준으로 할 때 제2 반사방지막(206)의 굴절률은 경계 계면에서 불연속적으로 감소하는 것이 바람직하다. 상기 제2 반사방지막(206)의 굴절률에 대한 수치한정과 관련하여, 상기 하한치에 미달하는 굴절률은 실리콘산화질화막으로 구현할 수 없으며, 상기 상한치를 초과하면 반사방지막 자체의 흡수가 커서 오히려 광전변환효율이 저하되어 바람직하지 못하다.
바람직하게, 상기 제2 반사방지막(206)의 두께는 10 nm ~ 200 nm이다. 제2 반사방지막(206)의 두께에 대한 수치한정과 관련하여, 상기 하한치에 미달하면 반사방지막(206)으로서의 기능을 하기에 충분하지 못하며, 상기 상한치를 초과하면 반사방지막 자체의 광흡수가 발생하여 바람직하지 못하다.
상기 제1 반사방지막(205)은 실리콘질화막 내에 수소 원자를 다량 포함할 수 있는 증착 방식으로 형성한다. 바람직하게, 상기 제1 반사방지막(205)은 수소 분위기의 형성이 가능한 화학적 증착법, 더욱 바람직하게는 PECVD 법에 의해 형성한다. 제2 반사방지막(206)은 제1 반사방지막(206)과 동일한 방식으로 형성한다. 바람직하게, 제1 반사방지막(205)과 제2 반사방지막(206)은 동일한 증착 챔버를 이용한 인시튜 공정으로 형성한다.
상기 전면전극(203)은 소정의 패턴으로 제1 및 제2 반사방지막(205, 206) 위에 형성되며, 제1 및 제2 반사방지막(205, 206)을 관통하여 제2 도전형 반도체층(202)과 연결된다. 또한, 상기 후면전극(204)은 상기 반사방지막들(205, 206) 및 상기 제1 도전형 반도체 기판(201) 등을 사이에 두고 전면전극(203)과 반대측에, 제1 도전형 반도체 기판(201)과 연결되도록 형성된다. 이들 전극(203, 204)에 부하를 연결하면 태양전지에서 발생한 전기를 이용할 수 있다. 전면전극(203)으로는 대표적으로 은 전극이 사용되는데 이는 은 전극이 전기전도성이 우수하기 때문이며, 후면전극(204)으로는 대표적으로 알루미늄 전극이 사용되는데 이는 알루미늄 전극이 전도성이 우수할 뿐만 아니라 실리콘과의 친화력이 좋아서 접합이 잘 되기 때문이다. 또한, 알루미늄 전극은 3가 원소로서 실리콘 기판과의 접면에서 p+ 층, 즉 BSF(Back surface field)를 형성하여 캐리어들이 표면에서 사라지지 않고 모이도록 하여 태양전지의 효율을 증대시킬 수 있기 때문이다.
본 발명은 상기 설명한 바와 같은 태양전지와 함께 그의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 태양전지의 제조방법에 따르면, 먼저 제1 도전형 반도체 기판(201) 상에 그에 반대 도전형의 제2 도전형 반도체층(202)을 형성하여 그 계면에 p-n 접합을 형성한다. 제1 도전형 반도체 기판(201)으로는 대표적으로 p형 실리콘 기판이 이용되며, 예를 들어 p형 실리콘 기판에 n형 도펀트(dopant)를 도포한 후 열처리하여 n형 도펀트가 p형 실리콘 기판으로 확산되도록 함으로써 p-n 접합을 형성할 수 있다. 이와 반대로, n형 실리콘 기판 위에 p형 도펀트를 확산시켜 p-n 접 합을 형성하여도 무방하다.
다음으로, 제2 도전형 반도체층(202) 상에 SiNx:H 박막으로 이루어진 제1 반사방지막(205)을 형성한다. 제1 반사방지막(205)은 수소 분위기의 형성이 가능한 화학적 증착법, 바람직하게는 PECVD법을 이용하여 형성한다. 다음으로, 제1 반사방지막(205) 상에 실리콘산화질화막으로 이루어지는 제2 반사방지막(206)을 형성한다. 제2 반사방지막(206)은 제1 반사방지막(205)과 동일한 화학적 증착법으로 형성하며, 바람직하게는 PECVD법으로 형성한다. 제1 및 제2 반사방지막(205, 206)은 하나의 증착 챔버에서 인시튜 공정으로 형성하는 것이 바람직하다.
다음으로, 제2 반사방지막(206) 상에 제2 도전형 반도체층(202)에 연결되는 전면전극(203)을 형성하고, 상기 제1 도전형 반도체 기판(201)을 사이에 두고 상기 전면전극(203)과 반대측에, 상기 제1 도전형 반도체 기판(201)과 연결되도록 후면전극(204)을 형성한다.
전면전극(203) 및 후면전극(204)은 예를 들어, 전극 형성용 페이스트를 소정 패턴에 따라 도포한 후 열처리함에 의해 형성될 수 있다. 열처리를 통해 전면전극(203)은 제1 및 제2 반사방지막(205, 206)을 뚫고 들어가 제2 도전형 반도체층(202)과 연결되게 되고(punch throuth), 후면전극과 제1 도전형 반도체 기판(201)에는 BSF가 형성된다. 전면전극(203) 형성 및 후면전극(204) 형성은 그 순서를 바꾸어도 무방하며, 각각의 페이스트를 도포한 후 동시에 열처리함에 의해서도 역시 가능하다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하 기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다.
실시예 1
도 2에 도시된 바와 같이 2중 반사방지막을 갖는 구조의 태양전지를 제조하였다. 이때, 반도체 기판으로는 125×125cm2 사이즈의 p형 다결정 실리콘 기판(0.5~2Ω)을 사용하였으며, 60Ω/sheet으로 n+ 에미터층을 형성하였다. 상기 에미터층 위에 Remote MW Frequency(2.45 GHz) PECVD법을 이용하여 SiNx:H 박막으로 이루어진 제1 반사방지막(굴절률: 2.2, 두께: 55 nm)을 형성하고, Direct High Frequency(13.56MHz) PECVD를 이용하여 제1 반사방지막 위에 실리콘산화질화막으로 이루어진 제2 반사방지막(굴절률: 1.57, 두께: 100nm)을 형성하였다. 제1 및 제2 반사방지막의 증착온도는 각각 400℃, 350℃이었다. 다음, 스크린 프린팅으로 제2 반사방지막 위에 은 전극 패턴을 인쇄하고, 스크린 프린팅으로 반도체 기판의 에미터층이 형성된 면과 반대면에 알루미늄 전극을 인쇄하고, 800℃에서 30초간 열처리하여 전면전극 및 후면전극을 형성하였다.
비교예 1
SiNx:H 박막으로 이루어진 단일 반사방지막 구조를 갖는 태양전지를 제조하 였다. 이때, 반도체 기판으로는 125×125cm2 사이즈의 p형 다결정 실리콘 기판(0.5~2Ω)을 사용하였으며, 60Ω/sheet으로 n+ 에미터층을 형성하였다. 상기 에미터층 위에 Remote MW Frequency(2.34 GHz) PECVD법을 이용하여 SiNx:H 박막으로 이루어진 반사방지막(굴절률: 2.03, 두께: 75nm)을 단일층으로 형성하였다. 반사방지막의 증착온도는 400℃이었다. 다음, 스크린 프린팅으로 반사방지막 위에 은 전극 패턴을 인쇄하고, 스크린 프린팅으로 반도체 기판의 에미터층이 형성된 면과 반대면에 알루미늄 전극을 인쇄하고, 800℃에서 30초간 열처리하여 전면전극 및 후면전극을 형성하였다.
비교예2
실시예1과 같이 태양전지를 제조하였다. 다만, SiNx:H 박막으로 이루어진 제1 반사방지막과 실리콘산화질화막으로 이루어진 제2 반사방지막의 굴절률은 실시예1과 동일하게 하되, 각 반사방지막의 두께는 본 발명이 제시한 수치범위의 하한치보다 작게 선택하였다. 즉, 제1 반사방지막은 100 nm의 두께로, 제2 반사방지막은 30 nm의 두께로 형성하였다.
태양전지의 파라미터 및 효율 측정
솔라 시뮬레이터를 이용하여 실시예 1, 비교예 1 및 비교예2에 따른 각 태양전지의 단락전류(Jsc), 개방전압(Voc), FF 및 광전변환효율을 측정하였다. 측정결과는 다음 표1과 같다.
구분 단락전류(mA) 개방전압(mV) FF(%) 광전변환효율(%)
실시예 1 33.3 619.7 78.2 16.1
비교예 1 32.6 617.5 77.5 15.6
비교예 2 32.1 615.5 75.5 14.0
실시예1과 비교예1을 비교하면, 반사방지막을 2중막으로 구성하는 것이 단일막으로 구성하는 경우에 비해 Voc, Jsc 및 FF가 모두 증가하여 광전변환 효율이 향상되는 것을 알 수 있다. 이로부터, SiNx:H 박막 위에 실리콘산화질화막을 적층하면 빛의 반사율을 더욱 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라 실리콘 기판의 부동화에도 더욱 효과가 있음을 알 수 있다. 결과적으로, 실시예1의 태양전지는 비교예1의 태양전지에 비해 효율이 0.5% 정도 더 높다.
한편, 단일막일 경우를 기준으로 보면, SiNx:H 박막이 두꺼우면 두꺼울수록 박막에 포함되는 수소원자의 량이 증가되므로 실리콘 기판의 부동화 효과가 커져 Voc의 증가 정도도 더 커진다. 다만, SiNx:H 박막의 두께가 증가되면 반사율 감소의 측면에서는 부정적 효과가 있다. 비교예1의 태양전지는 실리콘 기판의 부동화에 관여하는 SiNx:H 박막의 두께가 실시예1의 태양전지보다 5nm 정도 더 두껍다. 하지만, 상기 표1에 의하면, 비교예1의 개방전압 Voc는 실시예1의 태양전지보다 오히려 더 작다. 이는 SiNx:H 박막 위에 실리콘산화질화막을 형성하여 반사방지막을 2중막으로 구성하면, 실리콘산화질화막의 적층 효과에 의해 SiNx:H 박막에 의한 실리콘 기판의 부동화 효과에 시너지 효과를 창출한다는 것을 뒷받침한다. 또한, SiNx:H 박막과 실리콘산화질화막을 2중으로 적층하면, SiNx:H 박막의 2중적 기능이 모두 구현될 수 있도록 굴절률 및 박막 두께 범위의 튜닝이 가능하여 SiNx:H 박막 만으로 반사방지막을 형성하는 경우와 비교해 볼 때 Jsc 및 Voc의 상승에 의해 태양전지 효율이 더욱 향상되는 것을 알 수 있다.
다음으로, 실시예1과 비교예2를 상호 대비하면, 2중 반사방지막을 구성하는 각 물질층의 굴절률이 서로 동일하더라도 각 물질층의 두께가 본 발명이 제시한 수치범위 내로 최적화되어 있지 않으면 Jsc, Voc 및 FF 가 모두 감소한다. 특히, Voc 및 FF의 감소 정도가 Jsc의 감소 정보보다 더 크다. 이로부터, SiNx:H 박막으로 이루어진 제1 반사방지막과 제2 반사방지막을 본 발명이 제시한 수치범위 정도의 두께로 형성하지 않으면 바람직한 실리콘 기판의 부동화 효과를 얻을 수 없고 또 전극형성 공정에서도 전극과 기판과의 저항 특성이 열화되어 태양전지의 효율에 부정적 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명이 제시한 SiNx:H 박막으로 구성된 제1 반사방지막의 굴절률 및 두께 범위는 실리콘산화질화막으로 이루어진 제2 반사방지막의 존재를 전제로SiNx:H 박막에 의한 실리콘 기판의 부동화와 반사율 감소 효과를 극대화할 수 있도록 튜닝된 최적의 수치범위임을 다시 한번 확인할 수 있다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되지 않아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 태양전지는 SiNx:H 박막으로 이루어진 제1 반사방지막과 실리콘산화질화막으로 이루어진 제2 반사방지막이 순차적으로 적층된 2중 반사방지막을 포함함으로써, 실리콘 기판의 부동화와 빛의 반사율 감소가 동시에 가능하여 태양전지의 광전 변환효율을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, SiNx:H 박막과 실리콘산화질화막은 인시튜공정으로 연속 형성이 가능하여 생산 단가를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (22)

  1. 제1 도전형 반도체 기판, 상기 제1 도전형 반도체 기판 상에 형성되고 상기 제1 도전형 반도체 기판과 반대 도전형을 가지는 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 도전형 반도체 기판과 제2 도전형 반도체층 사이의 계면에 형성된 p-n 접합으로 이루어진 p-n 구조
    상기 제2 도전형의 반도체층 상에 형성되고, 40 nm ~ 100 nm의 두께를 갖는 SiNx:H 박막으로 이루어진 제1 반사방지막
    상기 제1 반사방지막 상에 형성되고, 실리콘산화질화막으로 이루어진 제2 반사방지막
    소정 패턴에 따라 상기 제2 반사방지막 상에 형성되고, 상기 제1 및 제2 반사방지막을 관통하여 제2 도전형 반도체층과 연결되는 전면전극 및
    상기 제1 도전형 반도체 기판을 사이에 두고 상기 전면전극과 반대측에, 상기 제1 도전형 반도체 기판과 연결되도록 형성된 후면전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반사방지막은 1.5 ~ 3.4의 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반사방지막은 10 nm ~200 nm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반사방지막은 1.45 ~ 2.4의 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반사방지막 및 제2 반사방지막은 경계 계면에서 불연속적인 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반사방지막은 PECVD법 또는 CVD법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반사방지막은 PECVD법 또는 CVD법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반사방지막과 제2 반사방지막은 PECVD법에 의해 인시튜 공정으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체 기판은 p형 실리콘 기판이고, 상기 제2 도전형 반도체층은 n형 이미터층인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체 기판과 상기 후면전극의 계면에는 고순도 불순물이주입된 BSF(Back Surface Field) 층이 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  11. (S1) 제1 도전형 반도체 기판 상에 그에 반대 도전형의 제2 도전형 반도체층을 형성하여 그 계면에 p-n 접합을 형성하는 단계
    (S2) 상기 제2 도전형 반도체층 상에 40 nm ~ 100 nm의 두께를 갖는 SiNx:H 박막으로 이루어지는 제1 반사방지막을 형성하는 단계
    (S3) 상기 제1 반사방지막 상에 실리콘산화질화막으로 이루어지는 제2 반사방지막을 형성하는 단계
    (S4) 상기 제2 반사방지막 상에 제2 도전형 반도체층에 연결되는 전면전극을 형성하는 단계
    (S5) 상기 제1 도전형 반도체 기판을 사이에 두고 상기 전면전극과 반대측에, 상기 제1 도전형 반도체 기판과 연결되도록 후면전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 반사방지막은 1.5 ~ 3.4의 굴절률을 갖도록 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제2 반사방지막은 10 nm ~ 200 nm의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제2 반사방지막은 1.45 ~ 2.4의 굴절률을 가지도록 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 제1 반사방지막 및 제2 반사방지막은 경계 계면에서 불연속적인 굴절률을 갖도록 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 제1 반사방지막은 PECVD법 또는 CVD법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 제2 반사방지막은 PECVD법 또는 CVD법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 제1 반사방지막과 제2 반사방지막은 PECVD법에 의해 인시튜 공정으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체 기판은 p형 실리콘 기판이고, 상기 제2 도전형 반도체층은 n형 이미터층인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체 기판과 상기 후면전극의 계면에 고순도 불순물이 도핑된 BSF 층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  21. 제11항에 있어서,
    상기 (S4) 단계에서 상기 전면전극은 전면전극 형성용 페이스트를 제2 반사방지막 상에 소정 패턴으로 도포한 후 열처리함에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  22. 제11항에 있어서,
    상기 (S5) 단계에서 상기 후면전극은 후면전극 형성용 페이스트를 상기 제1 도전형 반도체 기판 상에 소정 패턴으로 도포한 후 열처리함에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
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