KR20100045213A - 광기전력 변환소자 및 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다중접합 태양전지용 광기전력 변환소자 및 제조방법에 관한 것이다. 광기전력 변환소자는 기판 상에 순차적으로 제1 도전층, 광흡수층, 제1 도전층과 반대 극성을 갖는 제2 도전층을 포함하는 제1 셀과 인접하는 영역에 앞서 제1 셀과 반대의 적층 순서로 제2 셀을 형성하는데 있어서 제1 셀과 제2 셀이 이격된 공간을 광흡수층으로 충진하여 광변환 효율을 향상하고, 그 위에 연결 전극을 형성함으로써 내구성 개선을 기대할 수 있다.
태양 전지, 다중접합(multi-junction), 탠덤(tandem)
Description
본 발명은 광기전력 변환소자 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양 에너지를 직접 전기로 변환시키는 광기전력 변화소자의 일종으로 태양광 발전의 핵심소자이다.
태양전지의 가장 기본적인 구조는 PN 접합으로 구성된 다이오드 형태로서 광흡수층의 재료에 따라 구분된다.
광흡수층으로 실리콘을 이용하는 태양전지는 결정질 기판(Wafer)형 태양전지와 박막형(비정질, 다결정) 태양전지로 구분할 수 있다. 또한 CIGS(CuInGaSe2)나 CdTe를 이용하는 화합물 박막 태양전지, Ⅲ-Ⅴ족 태양전지, 염료감응 태양전지와 유기 태양전지가 대표적인 태양전지라고 할 수 있다.
박막 태양 전지는 얇은 유리나 플라스틱과 같은 투명 기판 또는 스테인레스-호일(Stainless Foil)과 같은 금속 기판에 막을 입히는 방식으로, 일반적으로 박막 특성상 캐리어의 확산거리가 결정질에 비해 매우 짧아 PN접합 구조로만 제조될 경우 태양광에 의해 생성되는 전자-정공쌍(Electron-Hole Pairs)의 수집효율이 매우 낮아 광흡수율이 높은 진성 반도체 재질의 광흡수층을 P형과 N형 반도체 사이에 삽입한 PIN구조를 갖는다.
PIN 구조에서 I층인 광흡수층은 상하의 높은 도핑 농도를 갖는 P와 N층에 의해 공핍(depletion)되며 내부에 전기장이 발생하게 된다. 입사광에 의하여 I층에서 생성된 전자-정공쌍은 내부 전기장에 의한 드리프트(drift)에 의해 N층과 P층으로 각각 수집되어 전류를 발생하게 된다. 박막형 태양전지의 구조는 크게 투명 기판을 사용한 투명 도전 산화층(TCO)/PIN/전극 구조의 수퍼스트레이트(superstrate)형과 주로 금속 기판을 이용한 금속/NIP/투명 도전 산화층/그리드(grid) 구조의 서브스트레이트(substrate)형으로 구분할 수 있다. 두 구조 모두 태양광은 투명 도전 산화층/P층을 통하여 I층인 광흡수층으로 입사되는 공통점을 갖고 있는데 이는 입사광에 의해 생성된 전자와 정공의 드리프트 이동도 차이에 의한 것이다.
태양전지의 광효율에는 셀 구조와 설계 및 셀을 이루는 각 막질과 두께 등이 영향을 주며, 특히 셀 구조의 선택은 매우 신중을 기해야 하는 요소이다.
비정질 실리콘(a-Si:H)과 미세 결정 실리콘(mc-Si:H) 또는 비정질 실리콘-게르마늄(a-SiGe:H)을 이용한 박막 태양 전지는 광흡수층으로 수 마이크론 이하의 두께를 갖는 박막을 사용하고 실리콘 자체의 광흡수계수가 낮아, 단일 PIN 접합으로는 고효율을 달성하는데 한계가 있다. 따라서, PIN 구조의 비정질 실리콘(a-Si:H)과 미세 결정 실리콘(mc-Si:H) 태양 전지를 2층 또는 3층으로 적층하여 제조하는 적층형 태양 전지가 실제로 사용된다. 이는 태양 전지를 직렬 연결함으로써 개방 전압을 높일 수 있고, 입사광에 대한 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
적층형 태양 전지는 후면전극과 상부전극을 연결하기 위해 사진식각 공정으로 접촉구를 형성하거나 레이저 스크라이빙을 이용한다. 그러나 탠덤(tandem) 또는 다중셀(multi-cell) 구조와 같이 수직 방향으로 복수의 셀을 적층하게 되면 후면전극과 상부전극간 거리가 멀어져 전극을 두껍게 형성해야 하고 이로 인해, 전극을 통해 입사되는 태양광이 광흡수층에 도달하기 전에 두꺼운 전극에 흡수됨으로써 실제 광흡수층에 도달하는 광량이 감소하여 광변환 효율이 감소하는 문제점을 초래하게 된다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여 동일층의 인접하는 영역에 분리된 서로 반대로 적층된 복수의 셀을 연결한 구조를 통해 상하 전극간 거리 증가에 따른 전극 두께 증가로 초래되는 광효율 감소를 개선할 수 있다. 그러나 이러한 구조에서는 두 인접셀 사이에 광흡수층이 제거되어 이로인한 광효율 손실을 가져오고, 셀 측면 쪽에서 공정상 발생할 수 있는 불순물 흡착이나 화학적 오염 등에 노출되기 용이하여 상하 도전층 간의 표면 누설 전류를 발생시킬 수 있어 셀의 오작동을 초래할 수 있다. 또한, 서로 분리된 이웃하는 셀을 연결하기 위해서는 별도의 연결전극을 필요로 하는데 이때 박막 형태의 도전성 재료를 이용해 연결하게 되면 구조상 취약한 문제점을 노출하게 된다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이웃하는 셀간의 광흡수층을 연결하여 광효율을 개선하고, 아울러 측면 누설 전류 발생을 억제시키며, 또한 광흡수층 위에 형성하는 연결전극의 내구성을 향상시키고자 한다.
본 발명의 한 실시예에 따른 광기전력 변환소자는 기판 위에 순차적으로 적층된 하부 제1 도전층, 광흡수층 및 상부 제2 도전층을 포함하는 제1 셀, 상기 제1 셀과 인접하고 있으며, 상기 기판 위에 순차적으로 적층된 하부 제2 도전층, 광흡수층, 상부 제1 도전층을 포함하는 제2 셀을 포함하며, 상기 제1 셀 및 상기 제2 셀의 광흡수층은 서로 동일층으로 형성되고 연결되어 있다.
상기 제1 셀의 하부 제1 도전층 및 상기 제2 셀의 하부 제2 도전층은 서로 이격되어 있고, 그 사이에 개재된 광흡수층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 셀의 상부 제2 도전층과 상기 제2 셀의 상부 제1 도전층은 상기 광흡수층 위에 동일층으로 형성되어 있으며 서로 전기적으로 분리되어 있을 수 있다.
상기 제1 셀의 상부 제2 도전층과 상기 제2 셀의 상부 제1 도전층 사이에 형성되어 있는 공핍영역을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 셀의 상부 제2 도전층과 상기 제2 셀의 상부 제1 도전층 및 상기 공핍영역 위에 형성되어 있는 전극부를 더 포함할 수 있다.
상기 전극부는 요철부 및 평탄부를 포함하며, 상기 평탄부의 폭은 상기 제1 셀의 하부 제1 도전층과 상기 제2 셀의 하부 제2 도전층 사이의 이격 폭과 실질적으로 동일하거나 작을 수 있다.
상기 제1 셀의 상부 제2 도전층과 상기 제2 셀의 상부 제1 도전층은 상기 광흡수층 위에 동일층으로 형성되어 있으며 서로 이격되어 있을 수 있다.
상기 제1 셀의 상부 제2 도전층과 상기 제2 셀의 상부 제1 도전층 사이에 형 성된 비도전성 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 기판과 상기 제1 셀의 하부 제1 도전층 및 상기 제2 셀의 하부 제2 도전층 사이에 형성되어 있는 제1 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 셀의 상부 제2 도전층과 상기 제2 셀의 상부 제1 도전층 및 이들 사이 부분의 위에 형성되어 있는 제2 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 전극에 의하여 연결되어 있는 상기 제1 셀과 제2 셀을 셀쌍이라 할 때, 이웃하는 두 셀쌍 사이는 상기 제1 전극이 연결할 수 있다.
상기 이웃하는 두 셀쌍들 사이에 상기 하부 제1 도전층 및 하부 제2 도전층이 남아있을 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 광기전력 변환소자의 제조 방법은 기판 위에 하부 제1 도전층 및 하부 제2 도전층을 형성하는 단계, 상기 제1 도전층 및 상기 제2 도전층 위에 광흡수층을 형성하는 단계, 상기 광흡수층 위에 상부 제1 도전층 및 상부 제2 도전층을 형성하는 단계, 상기 상부 제1 도전층 및 상부 제2 도전층 위에 상부 전극층을 형성하는 단계, 상기 상부 전극층, 상부 제1 도전층 및 상부 제2 도전층, 광흡수층을 패터닝하여 상기 상부 전극층에 의하여 연결되어 셀쌍을 이루는 제1셀과 제2셀을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 기판 위에 하부 제1 도전층 및 하부 제2 도전층을 형성하는 단계 이전에 상기 기판 위에 하부 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1셀과 제2셀로 이루어진 셀쌍들 사이는 상기 하부 전극에 의하여 연결되어 있을 수 있다.
상기 제1셀과 제2셀로 이루어진 셀쌍들 사이에 상기 하부 제1 도전층 및 하부 제2 도전층을 남길 수 있다.
상기 기판 위에 하부 제1 도전층 및 하부 제2 도전층을 형성하는 단계는 상기 기판 위에 제1 반도체층을 형성하는 단계, 마스크를 이용하여 상기 제1 반도체층의 서로 인접하는 두 영역에 제1 불순물과 상기 제1 불순물과 반대 극성인 제2 불순물을 각각 주입하는 단계, 상기 제1 불순물과 상기 제2 불순물이 주입된 상기 제1 반도체를 패터닝하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 기판 위에 하부 제1 도전층 및 하부 제2 도전층을 형성하는 단계는 마스크를 이용하여 제1 불순물을 포함하는 반도체를 상기 기판 위의 제1 영역에 선택적으로 형성하고, 제2 불순물을 포함하는 반도체를 상기 기판 위의 제2 영역에 선택적으로 형성할 수 있다.
상기 상부 제1 도전층과 상부 제2 도전층 사이에는 공핍영역이 형성될 수 있다.
상기 광흡수층 위에 상부 제1 도전층 및 상부 제2 도전층을 형성하는 단계 다음에 상기 상부 제1 도전층과 상부 제2 도전층 사이의 영역을 일부 제거하고 비도전성 부재를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 광흡수층 위에 상부 제1 도전층 및 상부 제2 도전층을 형성하는 단계는 상기 광흡수층 위에 제2 반도체층을 형성하는 단계, 마스크를 이용하여 상기 제2 반도체층의 서로 인접하는 두 영역에 제1 불순물과 상기 제1 불순물과 반대 극성인 제2 불순물을 각각 주입하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 광흡수층 위에 상부 제1 도전층 및 상부 제2 도전층을 형성하는 단계는 마스크를 이용하여 제1 불순물을 포함하는 반도체를 상기 광흡수층 위의 제1 영역에 선택적으로 형성하고, 제2 불순물을 포함하는 반도체를 상기 광흡수층 위의 제2 영역에 선택적으로 형성하는 단계일 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 이웃하는 셀간의 광흡수층을 연결하여 광효율을 개선하고, 아울러 이웃하는 셀간의 이격 공간을 광흡수층으로 채움으로써 공정상 발생할 수 있는 불순물의 흡착이나 화학적 오염을 방지하여 측면 누설 전류 발생을 억제시킬 수 있으며, 또한 이웃하는 셀간의 연결전극을 광흡수층 위에 부유형태가 아닌 광흡수층과 접촉하여 형성함으로써 연결전극의 기계적 내구성을 향상시킬 수 있다.
첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 해당하는 광기전력 변환소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판(110) 상에 전면전극(120)이 형성되어 있다. 기판(110)은 단단한(hard) 재질의 기판 또는 가요성(flexible) 재질의 기판을 사용한다. 예를 들어, 기판으로 단단한 재질의 기판을 사용하는 경우, 유리 플레이트, 석영 플레이트, 실리콘 플레이트, 합성수지 플레이트, 금속 플레이트 등을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 기판으로 가요성 재질의 기판을 사용하는 경우, 금속 시트(Sheet), 합성수지 시트, 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 시트는 스테인리스 시트, 알미늄 호일 등을 포함할 수 있다.
전면전극(120)은 입사하는 태양광을 투과시키고 전도성을 갖는 투명 도전 물질로 형성한다. 일반적으로 광투과도 저하를 최소화하고 비저항이 낮으며 표면 거칠기가 양호한 ZnO:Al, ZnO:B, SnO2 또는 ITO 등의 물질로 같은 투명 도전 산화물(transparent conductive oxide : TCO)이 이용된다. 입사광 효율을 증대시키기 위해 전면전극(120)의 표면에 일정 높이 및 크기의 텍스쳐(texture)를 형성할 수 있다.
전면전극(120) 위에 동일층으로 제1 도전층(131)과 제1 도전층(131)과 반대 극성을 갖는 제2 도전층(132)이 서로 이웃하여 형성되어 있다. 제1 도전층(131) 및 제2 도전층(132)은 패터닝 공정을 통해 서로 이격되어 있다. 제1 도전층(131)과 제2 도전층(132)의 사이에는 전면전극(120)을 관통하여 기판(110)을 노출하는 접촉구(134)가 형성되어 있다.
제1 도전층(131) 및 제2 도전층(132) 위에 진성 반도체 물질로 이루어진 광흡수층(140)이 형성되어 있다. 이때, 광흡수층(140)은 앞서 형성된 접촉구(134)를 통하여 기판(110)과 접촉하며 제1 도전층(131)과 제2 도전층(132)을 서로 분리한다.
광흡수층(140) 위에 앞서 설명된 제1 도전층(131) 및 제2 도전층(132)과 각각 대응하는 제2 도전층(132) 및 제1 도전층(131)이 동일층으로 서로 인접하도록 형성되어 있다. 제2 도전층(132) 및 제1 도전층(131)이 서로 접하는 영역은 제2 도전층(132) 및 제1 도전층(131)에 각각 주입된 서로 다른 극성의 불순물의 전자 및 정공이 서로 결합하여 공핍영역(135)이 되고, 전기적으로 비전도성을 갖는다. 공핍영역(135)을 제거하고 무기물이나 유기물로 이루어진 절연부재(233)로 대체하는 것도 가능하다.
제2 도전층(132), 공핍영역(135) 및 제1 도전층(131) 위에 후면전극(150)이 형성되어 있다. 후면전극(150)은 요철부(152) 및 평탄부(151)를 포함하며, 평탄부(151)의 폭은 하부 접촉구(134)에 대응되므로 접촉구(134)의 폭과 실질적으로 동일하거나 작다. 후면전극(150)은 대개 은(Ag)과 같은 물질로 형성되며, 제2 도전층(132), 공핍영역(135) 및 제1 도전층(131)과 후면전극(150) 사이에 반사막(미도시)을 더 포함할 수도 있다.
후면전극(150)에 의하여 연결되어 있는 제1 셀(171)과 제2 셀(172)을 셀쌍이 라 할 때, 이웃하는 두 셀쌍 사이는 전면 전극(120)이 연결한다.
이와 같이 제1 도전층(131), 광흡수층(140), 제2 도전층(132)으로 형성된 제1 셀(171)과 제2 도전층(132), 광흡수층(140), 제1 도전층(131)으로 형성된 제2 셀(172)이 서로 이웃하여 동일층으로 형성됨으로써, 탠덤(tandem)이나 트리플(triple)같은 수직 적층형 구조의 셀과 동일한 효과를 가지는 셀을 수평으로 적층하여 형성할 수 있다. 특히, 광흡수층(140)이 하부 제1 도전층(131)과 제2 도전층(132) 사이 접촉구(134)에 형성되어 있고, 제1 셀(171)과 제2 셀(172)의 경계부에도 연결되어 형성됨으로써 공정상 발생할 수 있는 불순물의 흡착이나 화학적 오염에 의해 유발되는 셀 측면 누설전류 발생을 감소시킬 수 있다. 아울러 이웃하는 두 셀간 경계부에 형성된 광흡수층은 새로운 캐리어 공급원으로 기여함으로써 셀 내 소수 캐리어(minority carrier)의 라이프타임(lifetime) 증가를 가져와 광효율 향상에 기여할 수 있다.
또한, 인접하는 셀 간 연결전극이 제1 셀(171)의 제2 도전층(132)과 제2 셀(172)의 제1 도전층(131) 사이에 형성된 공핍영역(135) 위에 위치함으로써 부유상태가 아닌 하부층과 접촉하고 있는 상태이므로 기계적 내구성이 향상된 구조의 실현이 가능하다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광기전력 변환소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 기판(210) 위에 후면전극(220)이 형성되어 있다.
기판(210)은 전면으로 입사하는 태양광의 반사효율을 증대시키기 위해 표면 에 요철을 포함할 수 있다.
후면전극(220)은 입사하는 태양광에 대한 반사도가 높은 Mo과 같은 금속을 이용하여 형성한다.
후면전극(220) 위에 동일층으로 제1 도전층(231)과 제1 도전층(231)과 반대 극성을 갖는 제2 도전층(232)이 서로 이웃하여 형성되어 있다. 제1 도전층(231) 및 제2 도전층(232)은 패터닝 공정을 통해 서로 이격되어 있다. 제1 도전층(231)과 제2 도전층(232)의 사이에는 후면전극(220)을 관통하여 기판(110)을 노출하는 접촉구(234)가 형성되어 있다.
제1 도전층(231) 및 제2 도전층(232) 위에 진성 반도체 물질을 이용하여 광흡수층(240)이 형성되어 있다. 이때 광흡수층(240)은 앞서 형성된 접촉구(234)를 통하여 기판(210)과 접촉하며 제1 도전층(231)과 제2 도전층(232)을 서로 분리한다.
광흡수층(240) 위에 앞서 설명된 제1 도전층(231) 및 제2 도전층(232)과 각각 대응하는 제2 도전층(232) 및 제1 도전층(231)이 동일층으로 서로 인접하도록 형성되어 있다. 제2 도전층(232) 및 제1 도전층(231)이 서로 접하는 영역은 제2 도전층(232) 및 제1 도전층(231)에 각각 주입된 서로 다른 극성의 불순물의 전자 및 정공이 서로 결합하여 공핍영역(135)이 되고, 전기적으로 비전도성을 갖는다. 공핍영역(233)을 제거하고 무기물이나 유기물로 이루어진 절연부재로 대체하는 것도 가능하다.
제2 도전층(232), 공핍영역(233) 및 제1 도전층(231) 위에 전면전극(250)이 형성되어 있다. 제2 도전층(232), 공핍영역(233) 및 제1 도전층(231)과 전면전극(250) 사이에 반사방지막을 더 포함할 수 있다. 반사방지막은 실리콘 질화막(silicon nitride), 티타늄 산화막(titanium oxide), MgF2 중 적어도 하나의 물질을 이용하여 형성될 수 있다.
전면 전극(250)에 의하여 연결되어 있는 제1 셀(271)과 제2 셀(272)을 셀쌍이라 할 때 이웃하는 셀쌍들 사이는 후면전극(220)이 연결한다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광기전력 변환소자의 제조방법에 대하여 순서에 따라 도시한 것이다.
도 3은 기판(310) 상에 전면전극(320)을 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 기판(310) 상에 전면전극층(321)을 형성한다. 예를 들어, 전면전극층(321)은 물리적 기상증착법에 의해 형성한다. 전면전극층(321)은 투명하고 도전성을 갖는 ZnO:Al, ZnO:B, SnO2 또는 산화인듐주석(Indium Tin Oxide; ITO) 등의 물질로 형성된다. 입사광 효율을 증대시키기 위해 표면에 일정 높이 및 크기의 텍스쳐(texture)를 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 텍스쳐는 엠보싱 패턴, 요철형상, 돌출부, 리세스(Recess), 그루브(Groove), 프리즘 패턴 등을 포함할 수 있다.
전면전극(320)을 형성하기 위해 전면전극층(321)을 패터닝한다. 패터닝 방법으로는 레이저 스크라이빙법을 이용할 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 전면전극(321) 위에 제1 도전층(331) 및 제2 도전 층(332)을 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 전면전극(321) 위에 제1 도전층(331) 및 제2 도전층(332)을 전면전극(321) 위에 동일층으로 서로 인접하도록 형성한다. 이때, 화학적 기상증착법을 이용할 수 있다. 이때, 하드마스크(미도시)를 사용하여 소정영역만을 노출하고 제1 불순물을 포함한 증착 기체를 이용하여 박막을 증착함으로써 소정영역에만 선택적으로 제1 도전층(331)을 형성하고, 하드마스크를 사용하여 제1 도전층(331)과 인접하는 영역을 노출하고 제1 불순물과 반대 극성을 가진 제2 불순물을 포함한 증착 기체를 사용하여 박막을 증착함으로써 제1 도전층(331)과 인접하는 영역에만 선택적으로 제2 도전층(332)을 형성한다. 제1 도전층(331)과 제2 도전층(332) 사이에는 불순물이 도핑되지 않은 영역(333)이 존재할 수 있다.
제1 도전층(331)과 제2 도전층(332)을 형성하는 다른 방법으로 불순물을 포함하지 않은 진성 반도체층을 전면전극(321) 위에 형성하고, 하드마스크를 통하여 각기 다른 극성의 불순물을 인접 영역에 각각 주입하는 방법도 있다.
또 다른 방법으로는 불순물을 포함하지 않은 진성 반도체층을 전면전극(321) 위에 형성하고, PH3 나 B2H6와 같은 불순물을 포함한 기체 분위기 내에서 레이저를 조사하여 용융된 반도체층과 기체 분위기 내 불순물이 반응하여 제1 도전층(331)과 제2 도전층(332)을 각각 형성하도록 할 수도 있다.
제1 도전층(331)과 제2 도전층(332)을 형성한 후, 레이저 스크라이빙을 이용하여 제1 도전층(331) 및 제2 도전층(332)의 경계부와 하부 전면전극(320)을 제거하여 기판(310) 일부를 노출시키는 복수의 접촉구(334)를 형성한다. 상기 접촉 구(334)는 평면상 일방향으로 뻗은 도랑 형태로 형성될 수도 있다. 이때, 접촉구(334)를 중심으로 좌측과 우측은 각각 동일한 극성의 도전층이 형성되도록 제1 도전층(331) 및 제2 도전층(332)의 경계부를 하나씩 걸러 제거한다.
도 5는 광흡수층(340)과 제2 도전층(332) 및 제1 도전층(331), 후면전극(350)을 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 5를 참조하면, 전면전극(320), 제1 도전층(331) 및 제2 도전층(332), 접촉구(334)가 형성된 기판(310) 전면에 광흡수층(340)을 화학 기상증착법을 이용하여 성막한다. 다음 광흡수층(340) 위에 제2 도전층(332) 및 제1 도전층(331)을 형성한다. 이때, 하부의 제1 도전층(331) 및 제2 도전층(332)의 수직방향으로 대응되는 위치에 서로 반대 극성을 갖는 제2 도전층(332) 및 제1 도전층(331)을 배치한다. 도전층을 형성하는 방법은 하부의 도전층을 형성하는 방법과 동일할 수 있다. 이때 제2 도전층(332)과 제1 도전층(331) 사이에는 공핍영역(335)이 형성될 수 있다. 공핍영역(335)은 서로 다른 극성을 가진 불순물이 주입됨으로 인하여 전자-정공쌍의 결합이 이루어지고, 이 영역에서 전하 캐리어가 공핍되어 전기적으로 단절되는 영역이다. 상부의 제2 도전층(332)과 제1 도전층(331)을 하드마스크를 통한 불순물 주입을 통해 형성하는 경우, 제2 도전층(332)과 제1 도전층(331)을 서로 이격되게 형성하여 제2 도전층(332)과 제1 도전층(331) 사이를 진성 반도체 영역으로 잔류시킬 수도 있으며 이를 통해서도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또는 상기 공핍영역(335)을 제거하고, 무기막이나 유기막 재질의 절연부재로 대체할 수도 있다.
광흡수층(340) 상부 제2 도전층(332), 제1 도전층(331) 및 공핍영역(335)이 형성된 위에 후면전극(350)을 형성한다. 후면전극(350)을 구성하는 물질은 Ag, Mo, Al 중 적어도 하나일 수 있다.
다음, 레이저 스크라이빙 또는 사진 식각 등의 방법을 사용하여 후면전극(350), 상부 제2 도전층(332) 및 상부 제1 도전층(331), 광흡수층(340) 그리고 하부 제1 도전층(331) 및 하부 제2 도전층(332)을 패터닝하여 제1 셀(371)과 제2 셀(372)이 후면전극(350)에 의하여 연결되어 쌍을 이루고 제1 셀(371)과 제2 셀(372) 쌍들 사이는 전면 전극(320)에 의하여만 연결되는 구조를 형성한다.
이와 같이 제1 도전층, 광흡수층, 제2 도전층으로 형성된 제1 셀과 제2 도전층, 광흡수층, 제1 도전층으로 형성된 제2 셀이 서로 이웃하여 동일층으로 형성됨으로써, 탠덤(tandem)이나 트리플(triple)같은 수직 적층형 구조의 셀과 같은 동일한 효과를 가지는 셀을 수평으로 적층할 수 있다. 특히, 광흡수층이 하부 제1 도전층과 제2 도전층 사이 접촉구에 형성되어 있고, 제1 셀과 제2 셀의 경계부에도 연결되어 형성됨으로써 공정상 발생할 수 있는 불순물의 흡착이나 화학적 오염에 의해 유발되는 셀 측면 누설전류 발생을 감소시킬 수 있다. 아울러 이웃하는 두 셀간 경계부에 형성된 광흡수층은 새로운 캐리어 공급원으로 기여함으로써 셀 내 소수 캐리어(minority carrier)의 라이프타임(lifetime) 증가를 가져와 광효율 향상에 기여할 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양전지용 광기전력 변환소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6의 실시예는 도 1의 실시예와 비교하여, 제1 셀(171)과 제2 셀(172)이 후면전극(150)에 의하여 연결되어 있는 셀쌍들 사이에 전면 전극(120)뿐만 아니라 하부 제1 도전층(131)과 하부 제2 도전층(132)의 일부 및 하부 제 1 도전층(131)과 하부 제2 도전층(132) 사이에 형성된 공핍영역도 제거하지 않고 남긴 것이 다르다. 이를 통해 레이저 스크라이빙에 의해 제거해야 하는 부분이 감소함으로써 레이저 조사에 의한 소자의 열적손상을 줄일 수 있다.
도 7의 실시예는 도 2의 실시예와 비교하여, 제1 셀(271)과 제2 셀(272)이 전면전극(250)에 의하여 연결되어 있는 셀쌍들 사이에 전면 전극(250)뿐만 아니라 하부 제1 도전층(231)과 하부 제2 도전층(232)의 일부 및 하부 제1 도전층(231)과 하부 제2 도전층(232) 사이에 형성된 공핍영역도 제거하지 않고 남긴 것이 다르다. 이를 통해 레이저 스크라이빙에 의해 제거해야 하는 부분이 감소함으로써 레이저 조사에 의한 소자의 열적손상을 줄일 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양전지용 광기전력 변환소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지용 광기전력 변화소자를 설명 하기 위한 단면도이다.
도 3 내지 5는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지용 광기전력 변환소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양전지용 광기전력 변화소자를 설명하기 위한 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110,210,310 : 기판 120,250,320 : 전면전극
150,220,350 : 후면전극 131,231,331 :제1 도전층
132,232,332 : 제2 도전층 140,240,340 : 광흡수층
135,335 : 공핍영역 233 : 절연부재
Claims (22)
- 기판 위에 순차적으로 적층된 하부 제1 도전층, 광흡수층 및 상부 제2 도전층을 포함하는 제1 셀,상기 제1 셀과 인접하고 있으며, 상기 기판 위에 순차적으로 적층된 하부 제2 도전층, 광흡수층, 상부 제1 도전층을 포함하는 제2 셀을 포함하며, 상기 제1 셀 및 상기 제2 셀의 광흡수층은 서로 동일층으로 형성되고 연결되어 있는 광기전력 변환소자.
- 제1항에서,상기 제1 셀의 하부 제1 도전층 및 상기 제2 셀의 하부 제2 도전층은 서로 이격되어 있고, 그 사이에 개재된 광흡수층을 더 포함하는 광기전력 변환소자.
- 제2항에서,상기 제1 셀의 상부 제2 도전층과 상기 제2 셀의 상부 제1 도전층은 상기 광흡수층 위에 동일층으로 형성되어 있으며 서로 전기적으로 분리되어 있는 광기전력 변환소자.
- 제3항에서,상기 제1 셀의 상부 제2 도전층과 상기 제2 셀의 상부 제1 도전층 사이에 형 성되어 있는 공핍영역을 더 포함하는 광기전력 변환소자.
- 제4항에서,상기 제1 셀의 상부 제2 도전층과 상기 제2 셀의 상부 제1 도전층 및 상기 공핍영역 위에 형성되어 있는 전극부를 더 포함하는 광기전력 변환소자.
- 제5항에서,상기 전극부는 요철부 및 평탄부를 포함하며, 상기 평탄부의 폭은 상기 제1 셀의 하부 제1 도전층과 상기 제2 셀의 하부 제2 도전층 사이의 이격 폭과 실질적으로 동일하거나 작은 광기전력 변환소자.
- 제2항에서,상기 제1 셀의 상부 제2 도전층과 상기 제2 셀의 상부 제1 도전층은 상기 광흡수층 위에 동일층으로 형성되어 있으며 서로 이격되어 있는 광기전력 변환소자.
- 제7항에서,상기 제1 셀의 상부 제2 도전층과 상기 제2 셀의 상부 제1 도전층 사이에 형성된 비도전성 부재를 더 포함하는 광기전력 변환소자.
- 제1항에서,상기 기판과 상기 제1 셀의 하부 제1 도전층 및 상기 제2 셀의 하부 제2 도전층 사이에 형성되어 있는 제1 전극을 더 포함하는 광기전력 변환소자.
- 제9항에서,상기 제1 셀의 상부 제2 도전층과 상기 제2 셀의 상부 제1 도전층 및 이들 사이 부분의 위에 형성되어 있는 제2 전극을 더 포함하는 광기전력 변환소자.
- 제10항에서,상기 제2 전극에 의하여 연결되어 있는 상기 제1 셀과 제2 셀을 셀쌍이라 할 때, 이웃하는 두 셀쌍 사이는 상기 제1 전극으로 연결하는 광기전력 변환소자.
- 제11항에서,상기 이웃하는 두 셀쌍들 사이에 상기 하부 제1 도전층 및 하부 제2 도전층과 동일층에 형성되는 공핍영역을 더 포함하는 광기전력 변환소자
- 기판 위에 하부 제1 도전층 및 하부 제2 도전층을 형성하는 단계,상기 제1 도전층 및 상기 제2 도전층 위에 광흡수층을 형성하는 단계,상기 광흡수층 위에 상부 제1 도전층 및 상부 제2 도전층을 형성하는 단계,상기 상부 제1 도전층 및 상부 제2 도전층 위에 상부 전극층을 형성하는 단계,상기 상부 전극층, 상부 제1 도전층 및 상부 제2 도전층, 광흡수층을 패터닝하여 상기 상부 전극층에 의하여 연결되어 셀쌍을 이루는 제1셀과 제2셀을 형성하는 단계,를 포함하는 광기전력 변환소자의 제조 방법.
- 제13항에서,상기 기판 위에 하부 제1 도전층 및 하부 제2 도전층을 형성하는 단계 이전에 상기 기판 위에 하부 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 광기전력 변환소자의 제조 방법.
- 제14항에서,상기 제1셀과 제2셀로 이루어진 셀쌍들 사이는 상기 하부 전극에 의하여 연결되어 있는 광기전력 변환소자의 제조 방법.
- 제15항에서,상기 제1셀과 제2셀로 이루어진 셀쌍들 사이에 상기 하부 제1 도전층 및 하부 제2 도전층과 동일층에 형성되는 공핍영역을 더 포함하는 광기전력 변환소자의 제조 방법.
- 제13항에서,상기 기판 위에 하부 제1 도전층 및 하부 제2 도전층을 형성하는 단계는상기 기판 위에 제1 반도체층을 형성하는 단계,마스크를 이용하여 상기 제1 반도체층의 서로 인접하는 두 영역에 제1 불순물과 상기 제1 불순물과 반대 극성인 제2 불순물을 각각 주입하는 단계,상기 제1 불순물과 상기 제2 불순물이 주입된 상기 제1 반도체를 패터닝하는 단계를 포함하는 광기전력 변환소자의 제조 방법.
- 제13항에서,상기 기판 위에 하부 제1 도전층 및 하부 제2 도전층을 형성하는 단계는마스크를 이용하여 제1 불순물을 포함하는 반도체를 상기 기판 위의 제1 영역에 선택적으로 형성하고, 제2 불순물을 포함하는 반도체를 상기 기판 위의 제2 영역에 선택적으로 형성하는 광기전력 변환소자의 제조 방법.
- 제13항에서,상기 상부 제1 도전층과 상부 제2 도전층 사이에는 공핍영역이 형성되는 광기전력 변환소자의 제조 방법.
- 제13항에서,상기 광흡수층 위에 상부 제1 도전층 및 상부 제2 도전층을 형성하는 단계 다음에상기 상부 제1 도전층과 상부 제2 도전층 사이의 영역을 일부 제거하고 비도전성 부재를 형성하는 단계를 더 포함하는 광기전력 변환소자의 제조 방법.
- 제13항에서,상기 광흡수층 위에 상부 제1 도전층 및 상부 제2 도전층을 형성하는 단계는상기 광흡수층 위에 제2 반도체층을 형성하는 단계,마스크를 이용하여 상기 제2 반도체층의 서로 인접하는 두 영역에 제1 불순물과 상기 제1 불순물과 반대 극성인 제2 불순물을 각각 주입하는 단계를 포함하는 광기전력 변환소자의 제조 방법.
- 제13항에서,상기 광흡수층 위에 상부 제1 도전층 및 상부 제2 도전층을 형성하는 단계는마스크를 이용하여 제1 불순물을 포함하는 반도체를 상기 광흡수층 위의 제1 영역에 선택적으로 형성하고, 제2 불순물을 포함하는 반도체를 상기 광흡수층 위의 제2 영역에 선택적으로 형성하는 단계인 광기전력 변환소자의 제조 방법.
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|---|---|---|---|---|
| KR20110131588A (ko) * | 2010-05-31 | 2011-12-07 | 한양대학교 산학협력단 | 쇼트키 태양전지 및 그 제조 방법 |
| KR101315065B1 (ko) * | 2012-03-08 | 2013-10-08 | 한국과학기술원 | 태양전지 및 그 제조방법 |
-
2008
- 2008-10-23 KR KR1020080104295A patent/KR20100045213A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20110131588A (ko) * | 2010-05-31 | 2011-12-07 | 한양대학교 산학협력단 | 쇼트키 태양전지 및 그 제조 방법 |
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