KR20090110029A - 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다층구조 후면 패시베이션층을 포함하는 실리콘 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 다층구조 후면 패시베이션층을 포함하는 실리콘 태양전지는, 반도체층과 후면전극 사이에 후면 패시베이션층이 개재되는 구조를 포함하는 실리콘 태양전지에 있어서, 상기 후면 패시베이션층은 실리콘 옥사이드계 화합물층, 실리콘 나이트라이드계 화합물층 및 실리콘 옥시나이트라이드계 화합물층이 순차적으로 적층되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
태양전지, 후면 패시베이션
Description
본 발명은 다층구조 후면 패시베이션층을 포함하는 실리콘 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수명이 길고 열적 안정성이 우수한 다층구조 후면 패시베이션층을 포함하는 실리콘 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양 에너지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 특히 주목받고 있다. 태양 에너지의 이용방법으로는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 에너지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양광(photons)을 전기 에너지로 변환시키는 태양광 에너지가 있으며, 태양광 에너지라고 하면 일반적으로 태양광 전지(이하, '태양전지'라 함)를 일컫는다.
태양전지의 기본적인 구조를 나타낸 도 1을 참조하면, 태양전지는 다이오드 와 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, 정공은 p형 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.
현재 태양전지 제조단가를 낮추기 위해서 제조단가에서 상당한 비중을 차지하는 원자재, 즉 실리콘 웨이퍼의 두께를 종래의 약 250㎛에서 200㎛ 이하로 낮추려는 연구가 진행중에 있다. 그런데, 실리콘 웨이퍼 두께가 얇아질 경우, 종래의 후면 Al-BSF(back surface reflectance) 특성(BSR:70%이하, 및 BSRV(Back surface recombination velocity):500cm/s 이상)으로는 웨이퍼 두께가 감소하여 빛을 받을 수 있는 영역이 감소하게 될 때 그로 인한 효율 저하를 막을 수 없으므로, 태양전지의 효율이 감소하게 되고, 또한 후면전극(Al)과 반도체층(Si)간의 열 팽창계수의 차이에 의해서 bowing이 발생하여 모듈제작시 문제가 발생하게 된다.
따라서, 웨이퍼 두께가 얇아지더라도 두께 250㎛ 수준의 효율을 유지하기 위해서는 BSR가 80% 이상 및 BSRV가 500cm/s 이하인 특성을 갖는 새로운 후면 패시베이션층(passivation layer)의 개발이 시급하다. 또한 이러한 구조에서는 Al 전극와 Si과의 접촉면적이 약 5%정도이기 때문에 bowing 정도가 미미하다.
또한, 태양전지 전극 형성 방법 중 저가의 공정인 스크린프린팅(screen printing)방법은 700℃이상의 온도에서 소성(firing)이 진행되는데, 종래의 후면 패시베이션층으로는 이러한 고온의 소성을 견딜 수 없다. 따라서, 상기 온도 범위에서 열적 저항성을 가지며 Al와 반응하지 않을 수 있는 후면 패시베이션층의 개발도 요구된다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 실리콘 웨이퍼의 두께를 줄여도 태양전지의 효율 저하가 일어나지 않게 하고, 수명이 길며, 고온에서 열적 저항성이 우수한 후면 패시베이션층을 구비한 실리콘 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실리콘 태양전지는 반도체층과 후면전극 사이에 후면 패시베이션층이 개재되는 구조를 포함하는 실리콘 태양전지에 있어서, 상기 후면 패시베이션층은 실리콘 옥사이드계 화합물층, 실리콘 나이트라이계 화합물층 및 실리콘 옥시나이트라이드계 화합물층이 순차적으로 적층되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실리콘 태양전지의 제조방법은, (S1) 제1 도전형 실리콘 웨이퍼 일면에 제2 도전형 반도체층을 형성하는 단계; (S2) 상기 제2 도전형 반도체층 상에 반사방지막을 형성하는 단계; (S3) 상기 제1 도전형 실리콘 웨이퍼 반대면에 후면 패시베이션층으로서 실리콘 옥사이드계 화합물층, 실리콘 나이트라이드계 화합물층 및 실리콘 옥시나이트라이드계 화합물층을 순차적으로 형성하는 단계; (S4) 상기 제 1 도전형 실리콘 웨이퍼와 후면전극의 접촉을 위해 후면 패시베이션층에 패턴을 형성하는 단계; (S5) 상기 후면 패시베이션층 상에 후면전극 형성용 페이스트를 전면 도포하는 단계; (S6) 상기 반 사방지막 상에 소정 패턴에 따라 전면전극 형성용 페이스트를 도포하는 단계; 및 (S7) 상기 전면전극 및 후면전극 형성용 페이스트를 열처리하는 단계를 포함한다.
본 발명의 후면 패시베이션층은 실리콘 웨이퍼의 두께를 줄여도 태양전지의 효율 감소가 일어나지 않게 하고, 수명이 종래보다 우수하며, 열적 안정성이 뛰어나 저가의 스크린프린팅 전극 형성 공정의 채택을 가능하게 한다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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 실시예와 도면에 도시된 구성은 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.
도 2에는 본 발명의 실리콘 태양전지의 일 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실리콘 태양전지는 반도체층과 후면전극 사이에 후면 패시베이션층이 개재되는 구조를 포함하는 실리콘 태양전지에 있어서, 상기 후면 패시베이션층은 실리콘 옥사이드계 화합물(SiOx)층, 실리콘 나이트라이계 화합물(SiNx)층 및 실리콘 옥시나이트라이드계 화합물(SiOxNy)층이 순차적으로 적층되어 형성된다.
본 발명에 따른 실리콘 옥사이드계 화합물층은 실리콘 나이트라이드계 화합물층 안에 있는 양전하에 의해서 실리콘 표면에 유도되는 전자반전층(electron inversion layer)과 후면 Al 전극과의 파라시틱 션트(parasitic shunt)를 막아 주는 역할을 한다.
본 발명에 따른 실리콘 나이트라이계 화합물층은 Si-rich일수록 고온공정에서 열적 안정성을 보이며, 실리콘 나이트라이계 화합물층 내에는 상당한 양의 수소를 가지고 있으며 이러한 수소는 고온공정에서 Si과 SiOx/SiNx/SiOxNy 사이의 계면에서 Si쪽 댕글링 결합(dangling bond)들과 결합하여 재결합(recombination) 정도를 낮추는 패시베이션(passivation) 역할을 수행하게 된다.
본 발명에 따른 실리콘 옥시나이트라이계 화합물층은, 후면 알루미늄(Al) 전극 소성을 위한 고온공정(>700℃)에서 Al과의 반응으로 인해 SiOx/SiNx 구조의 후면 특성이 소멸되는 문제점이 있으므로, SiOx/SiNx 구조와 Al전극 사이에서 100nm이상의 두께로 형성되어 고온공정에서 Al이 SiOx/SiNx 구조에 대한 특성저하를 막아주는 배리어층(barrier layer)이 된다. 또한, 실리콘 나이트라이계 화합물층 내에 존재하는 수소가 실리콘 계면 방향으로 진행되도록 즉, 반대방향으로 빠져나가는 것을 막아주는 배리어층 역할도 수행한다.
도 3에는 후면 패시베이션층이 없는 실리콘 태양전지와 본 발명의 일 실시예에 따른 후면 패시베이션층을 구비한 실리콘 태양전지의 성능을 측정한 결과가 나타나 있다. 도 3에 따르면 본 발명의 실리콘 태양전지가 더 우수한 성능을 나타내는 것을 알 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실리콘 태양전지의 제조방법을 일실시예에 따라 설명한다.
먼저, 제1도전형 실리콘 웨이퍼 일면에 제2도전형 반도체층을 형성한다(S1).
제1도전형의 실리콘 기판 상에 제1도전형과 반대 도전형을 갖는 제2도전형의 에미터층을 형성한다. 에미터층이 형성되면, 상기 실리콘 기판에는 p-n 접합이 형성된다. 여기서, 상기 실리콘 기판은 p형 및 n형이 모두 사용될 수 있으며, 그 중 p형 실리콘 기판은 소수 캐리어의 수명 및 모빌리티(mobility)가 커서(p형의 경우 전자가 소수 캐리어임) 가장 바람직하게 사용될 수 있다. p형 실리콘 기판에는 대표적으로 B, Ga, In 등의 3족 원소들이 도핑되어 있다. 실리콘 기판이 p형인 경우, n형 에미터층은 P, As, Sb 등의 5족 원소들을 확산시켜 형성한다.
상기 제2도전형의 에미터층을 형성할 때에는, 먼저 실리콘 기판을 확산로(diffusion furnace)(미도시)에 로딩하고, 산소 가스와 제2도전형의 불순물 가스를 주입하여 기판 상부에 불순물이 유입된 산화막을 형성한다. 여기서, 실리콘 기판이 p형인 경우, 불순물 가스로는 POCl3가 사용될 수 있다. 그런 다음, 고온 열처리를 통해 산화막 내의 불순물을 실리콘 기판 표면으로 드라이브-인(drive-in) 시 킨다. 그러고 나서, 기판 표면에 잔류하는 산화막을 제거한다. 그러면 실리콘 기판 상부에 소정 두께의 에미터층이 형성된다. 한편, 본 발명은 에미터층의 형성 방법에 의해 한정되지 않으므로, 본 발명이 속한 기술분야에서 공지된 다양한 에미터층 형성 방법이 적용될 수 있을 것임은 자명하다.
다음으로, 상기 제2도전형 반도체층 상에 반사방지막을 형성한다(S2).
반사방지막은 태양광에 대한 반사율을 낮추기 위해 형성되는 것으로, 실리콘 질화막, 수소를 포함한 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 실리콘 산화질화막, MgF2, ZnS, MgF2, TiO2 및 CeO2 로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 단일막 또는 2개 이상의 물질막이 조합된 다중막 구조로 형성할 수 있다. 그리고 상기 반사방지막은 진공 증착법, 화학 기상 증착법, 스핀 코팅, 스크린 인쇄, 스프레이 코팅 등의 방법으로 형성할 수 있다. 하지만 본 발명은 반사방지막의 종류 및 형성 방법에 의해 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 상기 제1 도전형 실리콘 웨이퍼 반대면에 후면 패시베이션층으로서 실리콘 옥사이드계 화합물층, 실리콘 나이트라이드계 화합물층 및 실리콘 옥시나이트라이드계 화합물층을 순차적으로 형성한다(S3).
본 발명에서 상기 후면 패시베이션층을 형성하는 방법으로는 플라즈마 화학기상증착(PECVD)이 바람직하다. PECVD 공정시 각 층의 제조를 위한 원료기체(source gas)로는 실리콘 옥사이드계 화합물층은 SiH4와 NO2를 사용하며, 실리콘 나이트라이계 화합물층은 NH3와 SiH4를 사용하고, 실리콘 옥시나이트라이드계 화합 물층은 NH3, SiH4 및 NO2를 사용한다. 원료기체의 주입량을 조절하면 필요한 두께를 얻을 수 있다. 또한, 원료기체별 주입속도의 비를 조절하면 원하는 RI(refractive index)를 얻을 수 있다. 이는 필요에 따라 최적의 값을 얻도록 조절할 수 있으며, 바람직하게는 80% 이상의 BSR(Back surface reflectance)을 얻도록 RI를 조절한다. 이를 위해서는 실리콘 옥사이드계 화합물층은 RI가 1.4 내지 1.7이며, 실리콘 나이트라이계 화합물층은 RI가 1.9 내지 3.0이고, 실리콘 옥시나이트라이드계 화합물층은 RI가 1.5 내지 1.9인 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 제1도전형 실리콘 웨이퍼와 후면전극의 접촉을 위해 후면 패시베이션층에 패턴을 형성한다(S4).
이러한 패턴 형성은 당분야에서 통상적으로 사용되는 방법을 사용할 수 있다.
패턴을 형성한 후에는, 상기 후면 패시베이션층 상에 후면전극 형성용 페이스트를 전면 도포한다(S5).
후면 전극 형성용 페이스트는 당분야에서 통상적으로 사용되는 알루미늄, 석영 실리카, 바인더 등을 혼합하여 제조할 수 있다. 알루미늄 전극은 전기 전도성이 우수할 뿐만 아니라 실리콘 반도체로 이루어진 기판과의 친화력이 우수하여 접합이 잘 되는 장점이 있다.
다음으로, 상기 반사방지막 상에 소정 패턴에 따라 전면전극 형성용 페이스트를 도포한다(S6).
전면전극 형성용 페이스트는 당분야에서 통상적으로 사용되는 은(Ag), 유리 프릿(glass frit) 및 바인더 등을 혼합하여 제조할 수 있다. 은은 전기 전도성이 매우 우수하다.
이어서, 상기 전면전극 및 후면전극 형성용 페이스트를 열처리한다(S7).
전면전극과 후면전극의 형성 순서는 필요에 따라 결정할 수 있으며, 경우에 따라서는 전면 전극용 페이스트와 후면 전극용 페이스트를 동시에 도포한 후 한번의 열처리를 시행하여 전면전극)과 후면 전극을 함께 형성할 수도 있다. 또한, 전면전극과 후면전극은 스크린프린팅법 이외에도 통상적인 사진 식각 공정과 금속 증착 공정을 이용하여 형성할 수도 있다. 이러한 경우에도 전극의 콘택 특성 향상을 위해 열처리 공정을 진행하는 것이 바람직하다.
열처리 온도는 당분야에 알려진 적절한 온도를 채택할 수 있으며, 특히 후면전극의 경우에는 700℃ 이상의 온도도 가능하다. 본 발명에서는 후면 패시베이션층의 열적 안정성이 우수하므로 700℃ 이상의 온도에서도 후면 패시베이션층의 특성이 저하되지 않는다. 따라서, 약 800℃ 정도의 고온을 요구하는 스크린프린팅법을 사용하여 후면전극을 형성시킬 수 있다.
열처리가 시행되면, 전면 전극의 경우에는 펀치 쓰루(punch through) 현상에 의해 은이 반사방지막을 뚫고 반도체층과 접속된다. 또한, 후면전극의 경우에는 전극 구성 물질인 알루미늄이 기판의 배면을 통해 확산됨으로써 후면 전극과 기판의 경계면에 후면 전계(Back Surface field)층이 형성될 수도 있다. 후면 전계층이 형성되면 캐리어가 기판의 배면으로 이동하여 재결합되는 것을 방지할 수 있다. 캐리 어의 재결합이 방지되면 개방전압과 충실도가 상승하여 태양전지의 변환효율이 향상된다.
도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 태양전지의 제조공정에서 열처리 전후의 수명(life time)을 측정한 결과를 나타내었다. 열처리를 통해 수명이 현저하게 상승되는 것을 확인할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
도 1은 종래 기술에 따른 실리콘 태양전지의 개략적인 구조를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 태양전지의 개략적인 구조를 도시한 단면도이다..
도 3은 후면 패시베이션층이 없는 실리콘 태양전지와 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 태양전지의 성능을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 태양전지의 제조공정에서 열처리 전후의 수명(life time)을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
Claims (18)
- 제1 도전형을 갖는 기판,상기 기판에 위치하고, 상기 제1 도전형과 반대인 제2 도전형을 갖는 에미터층(emitter layer),상기 에미터층에 연결되는 제1 전극,상기 기판 위에 위치하는 패시베이션층(passivation layer), 그리고상기 패시베이션층 위에 상기 제1 전극과 분리되게 위치하고, 상기 기판과 연결되는 제2 전극을 포함하는 태양 전지.
- 제1항에서,상기 패시베이션층은 다층 구조를 갖는 태양 전지.
- 제2항에서,상기 패시베이션층은,실리콘 옥사이드계 화합물(SiOx)로 이루어진 제1 층,상기 제1 층 위에 위치하고 실리콘 나이트라이계 화합물(SiNx)로 이루어진 제2 층, 그리고상기 제2층 위에 위치하고, 실리콘 옥시나이트라이드계 화합물(SiOxNy)로 이루어진 제3 층을 포함하는 태양 전지.
- 제3항에서,상기 제3층은 100nm이상의 두께를 갖는 태양 전지.
- 제3항에서,상기 제2 층의 굴절율은 상기 제1 층의 굴절율보다 크고 상기 제3 굴절율보다 작은 태양 전지.
- 제5항에서,상기 제1 층의 굴절율은 1.4 내지 1.7이고, 상기 제2 층의 굴절율은 1.9 내지 3.0이며, 상기 제3 층의 굴절율은 1.5 내지 1.9인 태양 전지.
- 제1항에서,상기 제2 전극의 일부가 상기 패시베이션층을 관통하여 상기 기판과 연결되는 태양 전지.
- 제7항에서,상기 기판과 상기 기판과 접촉하는 패시베이션층 사이에 위치한 후면 전계(back surface field)층을 더 포함하는 태양 전지.
- 제1항에서,상기 에미터층 위에 위치하는 반사 방지막을 더 포함하고,상기 제1 전극은 상기 반사 방지막을 관통하여 상기 에미터층과 연결되는 태양 전지.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에서,상기 기판은 반도체 기판인 태양 전지.
- 제1 도전형의 기판 위에 상기 제1 도전형과 반대인 제2 도전형의 에미터층을 형성하는 단계,상기 기판 위에 패시베이션층을 형성하는 단계, 그리고상기 에미터층과 연결되는 전면 전극과 상기 패시베이션 위에 상기 기판과 연결되는 후면 전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
- 제11항에서,상기 패시베이션층 형성 단계는,상기 기판 위에 실리콘 옥사이드계 화합물층을 형성하는 단계,상기 실리콘 옥사이드계 화합물층 위에 실리콘 나이트라이드계 화합물층을 형성하는 단계, 그리고상기 실리콘 나이트라이드계 화합물층 위에 실리콘 옥시나이트라이드계 화합물층을 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
- 제12항에서,상기 패시베이션층은 플라즈마 화학기상증착법으로 형성되는 태양 전지의 제제조 방법.
- 제13항에서,상기 실리콘 옥사이드계 화합물층을 형성하기 위한 원료 기체는 SiH4와 NO2이고,상기 실리콘 나이트라이드계 화합물층을 형성하기 위한 원료 기체는 NH3와 SiH4이고,상기 실리콘 옥시나이트라이드계 화합물층을 형성하기 위한 원료 기체는 NH3, SiH4 및 NO2인태양 전지의 제조 방법.
- 제14항에서,상기 실리콘 옥사이드계 화합물층, 상기 실리콘 나이트라이드계 화합물층 및 상기 실리콘 옥시나이트라이드계 화합물층의 두께는 각각 상기 원료 기체의 주입량에 따라 조절되는 태양 전지의 제조 방법.
- 제14항에서상기 실리콘 옥사이드계 화합물층, 상기 실리콘 나이트라이드계 화합물층 및 상기 실리콘 옥시나이트라이드계 화합물층의 굴절율(refractive index)은 각각 상기 원료 기체의 주입 속도에 따라 가변되는 태양 전지의 제조 방법.
- 제11항에서,상기 에미터층 위에 반사 방지막을 형성하는 단계를 더 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
- 제17항에서,상기 제1 및 제2 전극 형성 단계는상기 패시베이션층에 후면 전극과의 연결을 위한 패턴을 형성하는 단계,상기 패시베이션층 위에 후면전극 형성용 페이스트를 도포하는 단계,상기 반사 방지막 위에 전면전극 형성용 페이스트를 도포하는 단계, 그리고상기 후면전극 형성용 페이스트와 상기 전면전극 형성용 페이스트를 열처리하는 단계를 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
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