KR20100051444A - 태양 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
태양 전지 및 그 제조 방법을 제공한다. 상기 태양 전지는 기판, 상기 기판 위에 형성되어 있는 제1 도전막, 상기 제1 도전막 위에 제1 방향을 따라 교대로 형성되어 있는 P층 및 N층 그리고 상기 제1 도전막 위에 상기 P층 및 상기 N층을 덮도록 형성되어 있는 I층을 포함한다. 여기서, 상기 P층과 상기 N층은 제1 간격만큼 이격되어 있고, 상기 제1 간격만큼 이격되어 있는 상기 P층 및 상기 N층 사이에 상기 I층이 채워져 있으며, 상기 제1 방향을 따라 형성되어 있는 상기 P층, 상기 I층 및 상기 N층은 단위셀을 형성한다.
광흡수층, 레이저 스크라이빙(Laser Scribing)
Description
본 발명은 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
태양 전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것이다. 태양 전지는 기본적으로 PN접합으로 구성된 다이오드로서, 광흡수층으로 사용되는 물질에 따라 다양한 종류로 구분된다.
광흡수층으로 실리콘을 이용하는 태양 전지는 결정질(단결정, 다결정) 기판(Wafer)형 태양 전지와 박막형(결정질, 비정질) 태양 전지로 구분된다.
박막 태양 전지는 얇은 유리나 플라스틱 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. 일반적인 박막 태양 전지의 구조는 기판 위에 전면 투명 전도막, PIN막, 후면 반사 전극막 순으로 증착된다. 이와 같은 구조에서 광 흡수층은 상하의 높은 도핑 농도를 갖는 P와 N층에 의해 공핍(depletion)되어 내부에 전기장이 발생하므로 태양광에 의해 광흡수층에서 생성된 캐리어들은 내부전기장의 드리프트(drift)에 의해 전자는 N층, 정공은 P층으로 수집되어 전류를 발생하게 된다.
수직 방향으로 PIN 층이 형성된 경우, 서로 다른 셀(Cell)의 P층과 N층의 전극을 연결하여 셀을 서로 연결시키기 위해 여러 차례의 레이저 패터닝을 하게 되는데, 패터닝을 하게 되면, 막 손상이나 발생하거나 측면에서 잔류막이 생성되는 등으로 인해 패턴 불량이 발생하여 태양 전지의 효율이 감소할 수 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 태양 전지의 계면 특성을 향상하고, 광전효율을 높이는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지는 기판, 상기 기판 위에 형성되어 있는 제1 도전막, 상기 제1 도전막 위에 제1 방향을 따라 교대로 형성되어 있는 P층 및 N층 그리고 상기 제1 도전막 위에 상기 P층 및 상기 N층을 덮도록 형성되어 있는 I층을 포함한다. 여기서, 상기 P층과 상기 N층은 제1 간격만큼 이격되어 있고, 상기 제1 간격만큼 이격되어 있는 상기 P층 및 상기 N층 사이에 상기 I층이 채워져 있으며, 상기 제1 방향을 따라 형성되어 있는 상기 P층, 상기 I층 및 상기 N층은 단위셀을 형성한다.
상기 제1 방향은 캐리어가 이동하는 방향과 동일할 수 있다.
상기 제1 간격은 0.3um 내지 2um일 수 있다.
상기 제1 방향을 따라 형성되어 있는 단위셀들은 상기 제1 도전막을 통해 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제1 방향을 따라 형성되어 있는 단위셀들은 서로 상기 제1 간격보다 넓은 제2 간격만큼 이격될 수 있다.
상기 제2 간격만큼 이격되어 있는 상기 단위셀들 사이에 형성되어 있는 공핍층을 더 포함할 수 있다.
상기 기판 위에 형성되어 있는 상기 단위셀들은 상기 제1 방향을 따라 복수의 열로 형성되어 있고, 서로 이웃하는 열에 각각 형성되어 있는 상기 단위셀들은 상기 제1 간격보다 넓은 제3 간격만큼 이격될 수 있다.
상기 P층 및 상기 N층은 비정질 실리콘(a-Si), 미세 결정 실리콘(mc-Si) 및 비정질 실리콘 카바이드(a-SiC) 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 I층은 비정질 실리콘(a-Si) 또는 비정질 실리콘 게르마늄(a-SiGe)을 포함할 수 있다.
상기 제1 도전막은 투명 전도막 또는 반사막일 수 있다.
상기 I층 위에 형성되어 있는 제2 도전막을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지 제조 방법은 기판 위에 도전막을 형성하는 단계, 상기 도전막 위에 제1 방향을 따라 P층 및 N층을 교대로 형성하는 단계, 상기 P층 및 상기 N층을 제1 간격만큼 서로 이격하여 패터닝하는 단계 그리고 상기 도전막 위에 상기 P층 및 상기 N층을 덮고 상기 P층 및 상기 N층이 이격된 사이를 채우도록 I층을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 P층 및 N층을 교대로 형성하는 단계는 상기 P층 및 상기 N층을 마스크를 이용하여 형성할 수 있다.
상기 P층 및 상기 N층을 패터닝하는 단계는 레이저 스크라이빙 또는 휠 스크라이빙을 이용할 수 있다.
상기 P층 및 상기 N층을 패터닝하는 단계는 화학적 에칭을 이용할 수 있다.
상기 P층 및 상기 N층을 패터닝하는 단계는 상기 P층 및 상기 N층과 함께 상기 도전막을 선택적으로 식각하여 상기 P층과 상기 N층이 0.3um 내지 2um인 제1 간격만큼 이격되도록 형성하는 것을 포함할 수 있다.
상기 P층 및 상기 N층을 패터닝하는 단계는 상기 제1 간격만큼 이격되어 있는 상기 P층 및 상기 N층을 단위셀로 정의할 때, 상기 제1 간격보다 넓은 제2 간격만큼 서로 이격되도록 상기 단위셀들을 형성할 수 있다.
상기 P층 및 상기 N층을 패터닝하는 단계는 상기 기판 위에 형성되어 있는 상기 단위셀들이 상기 제1 방향을 따라 복수의 열로 형성되어 있고, 서로 이웃하는 열에 각각 형성되어 있는 상기 단위셀들은 상기 제1 간격보다 넓은 제3 간격만큼 서로 이격되도록 상기 P층, 상기 N층 및 상기 도전막을 선택적으로 식각하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 P층 및 상기 N층을 교대로 형성하는 단계는 상기 제1 간격만큼 이격되어 있는 상기 P층 및 상기 N층을 단위셀로 정의할 때, 서로 이격되어 있는 상기 단위셀들 사이에 공핍층을 형성하는 것을 포함할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 레이저 스크라이빙 횟수를 줄일 수 있어 태양 전지의 제조 원가를 절감할 수 있고, 태양 전지의 계면 특성을 향상할 수 있고 광전 변환효율을 높일 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 한 실시예에 따른 태양 전지를 나타내는 평면도이다. 도 2는 도 1의 절단선 Ⅱ-Ⅱ'를 따라 자른 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 기판(100) 위에 투명 전도막(110)이 형성되어 있다. 투명 전도막(110) 상부 표면은 텍스처링(Texturing)되어 있다.
텍스처링은 태양광이 입사하는 표면에서의 광반사를 줄여서 태양 전지 내부로 흡수되는 유효광의 양을 증가시키려는 목적으로 투명 전도막(110) 표면을 에칭하여 10㎛ 크기 이내의 피라미드 조직을 형성하는 것을 말한다.
투명 전도막(110)은 SnO2, ZnO:Al, ZnO:B, ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 등으로 형성할 수 있다.
투명 전도막(110) 위에 P 타입의 불순물을 갖는 P층(120a) 및 N 타입의 불순물을 갖는 N층(120b)이 제1 방향(D)을 따라 교대로 형성되어 있다. 제1 방향(D)은 캐리어(Carrier)가 이동하는 방향, 즉 태양 전지가 광을 흡수하여 발생하는 전기장이 이동하는 방향으로 정의할 수 있다.
P층(120a)은 붕소가 도핑된 비정질 실리콘(Boron doped a-Si), 미세 결정 실리콘(mc-Si) 및 비정질 실리콘 카바이드(a-SiC) 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. N층(120b)은 인이 도핑된 비정질 실리콘(Phosphorus doped a-Si), 미세 결정 실리콘(mc-Si) 및 비정질 실리콘 카바이드(a-SiC) 중 적어도 하나로 형성될 수 있다.
투명 전도막(110) 위에 P층(120a), N층(120b)을 덮도록 I층(130)이 형성되어 있다. I층(130)은 진성 반도체로 형성하고, 광흡수층으로서 기능하며 전기장을 발 생시켜 P층(120a)에서 N층(120b)으로 캐리어를 이동시키는 경로가 된다.
P층(120a)과 N층(120b)은 제1 간격(W1)만큼 서로 이격되어 있고, 제1 간격(W1)에 I층(130)이 형성되어 있다. 이처럼 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지는 P층(120a), I층(130), N층(120b)이 측면 방향을 따라 단위셀(UC)을 형성하고 있다. 단위셀(UC)에서 P층(120a)과 N층(120b)은 상부면, 측면이 모두 I층(130)에 의해 둘러싸여 있다. I층(130)은 비정질로 형성되어 P층(120a), N층(120b)의 표면을 보호하고, 절연체로서의 기능도 하여 누설 전류를 차단하고 계면 특성을 향상하여 태양 전지의 효율을 개선한다.
제1 간격(W1)은 0.3um 내지 2um으로 형성되어 있다. I층(130)이 비정질 실리콘으로 형성되는 경우, 제1 간격(W1)이 0.3um이하이면 전자-정공 재결합(Electron-Hole Recombination)에 의해 광전환 효율이 감소될 우려가 있다. I층(130)이 미세 결정 실리콘으로 형성되는 경우에는 제1 간격(W1)이 2um이하가 적절하다. 다만, I층(130)의 결정화 정도가 단결정과 유사한 수준으로 향상되는 경우에는 제1 간격(W1)을 2um이상으로 형성하는 것이 가능하다.
제1 방향(D)을 따라 단위셀(UC)이 형성되어 있고, 단위셀(UC) 내에서 P층(120a) 및 N층(120b) 사이에는 투명 전도막(110)이 형성되어 있지 않고, I층(130)이 채워져 있다.
제1 방향(D)을 따라 형성되어 있는 단위셀(UC)들은 투명 전도막(110)을 통해 서로 전기적으로 연결되어 있다. 구체적으로, 제1 방향(D)을 따라 서로 이웃하는 단위셀(UC)은 제2 간격(W2)을 이루고 있다. 서로 이웃하는 단위셀(UC)을 연결하는 부분은 P층(120a) 및 N층(120b) 하부에 형성되어 있는 투명 전도막(110)이 끊어지지 않고 이어져 있다. 제2 간격(W2)은 제1 간격(W1)보다 상대적으로 넓게 형성할 수 있다. 투명 전도막(110)으로 연결된 각 단위셀(UC)의 연결 부분에서 P층(120a)과 N층(120b)의 간격(W2)을 단위셀(UC) 내에서의 P층(120a)과 N층(120b)의 간격(W1)보다 상대적으로 넓게 형성하여 P층(120a)과 N층(120b)이 I층(130)을 통해 PIN 다이오드를 형성하게 된다. 다른 실시예에서 서로 이웃하는 단위셀(UC)을 연결하는 부분은 P층(120a)과 N층(120b)이 서로 중첩되어 도핑되어 공핍층(Depletion layer)으로 형성될 수 있다. 상기 공핍층은 비도전성을 나타낸다.
제2 간격(W2)은 10um 내지 100um으로 형성할 수 있다.
상기 기판(100) 위에 형성되어 있는 단위셀(UC)들은 제1 방향(D)을 따라 복수의 열로 형성되어 있다. 서로 이웃하는 열에 각각 형성되어 있는 단위셀(UC)들은 제3 간격(W3)만큼 이격되어 있다. 제3 간격(W3)은 제1 방향(D)과 교차하는 방향을 따라 인접해 있는 단위셀(UC)들 사이에 상호 작용(interaction)이 발생하지 않도록 단위셀(UC) 내의 P층(120a)과 N층(120b)의 간격(W1)보다 넓게 형성되어 있다.
제3 간격(W3)은 10um 내지 100um으로 형성될 수 있다.
I층(130) 위에 후면 전도막(140)이 형성되어 있다. 후면 전도막(140)은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 등으로 형성할 수 있다. 후면 전도막(140) 상부면은 텍스처링(Texturing)되어 있다. 후면 전도막(140)은 빛이 흡수되는 경로(path)를 증가시켜 광흡수율을 높이는 역할을 한다.
후면 전도막(140) 위에 반사막(150)이 형성되어 있다. 본 발명의 실시예에서의 후면 전도막(140)과 반사막(150)은 수직형 구조의 태양 전지에서 전극 역할을 할 수 있다. 하지만, 본 발명의 실시예에서는 전류가 투명 전도막(110), P층(120a), I층(130), N층(120b), 투명 전도막(110) 순으로 주로 수평 방향으로 이동하므로 반사막(150)은 전극의 역할을 하지 않고, 단지 기판(100)을 통해 들어온 빛을 반사하는 역할을 한다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 나타내는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 기판(100) 위에 투명 전도막(110)을 증착한다. 투명 전도막(110)은 SnO2, ZnO:Al, ZnO:B, ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 등으로 형성할 수 있다. 투명 전도막(110)의 상부면을 에칭하여 텍스처를 형성한다. 투명 전도막(110) 위에 제1 방향(D)을 따라 P층(120a)과 N층(120b)을 교대로 형성한다. 이하에서, P층(120a)과 N층(120b)을 교대로 형성하는 다양한 방법에 대해 구체적으로 설명한다.
먼저, P층(120a)과 N층(120b)을 교대로 형성하기 위해 투명 전도막(110) 위에 제1 방향(D)을 따라 교대로 위치하는 제1 영역 및 제2 영역을 정의한다. 그 다음으로, 마스크(Mask)를 이용하여 상기 제2 영역을 가린 후 상기 제1 영역에 P층(120a)을 증착한다. P층(120a)은 플라스마 강화 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)을 이용하여 증착할 수 있다. 그 다 음으로, 마스크(Mask)를 이용하여 상기 제1 영역을 가린 후 상기 제2 영역에 N층(120b)을 증착한다. N층(120b)은 플라스마 강화 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)을 이용하여 증착할 수 있다.
다른 방법으로, 우선 투명 전도막(110) 위에 비정질 실리콘층을 형성하고, 상기 비정질 실리콘층 전면에 P형 이온을 주입한다. 다음, P층(120a)이 형성될 부분은 가리고 N층(120b)이 형성될 부분은 노출하도록 마스크를 배치하고 N형 불순물을 고농도로 주입하여 P층(120a)과 N층(120b)을 교대로 형성한다.
또 다른 방법으로, 우선 투명 전도막(110) 위에 비정질 실리콘층을 형성하고, 상기 비정질 규소층 위에 N층(120b)이 형성될 부분은 가리고 P층(120a)이 형성될 부분은 노출하도록 마스크를 배치하고 P형 불순물을 주입하여 P층(120a)을 형성한다. 이어서 P층(120a)이 형성될 부분은 가리고 N층(120b)이 형성될 부분은 노출하도록 마스크를 배치하고 N형 불순물을 주입하여 N층(120b)을 형성한다.
또 다른 방법으로, 플라스마 강화 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD) 등을 이용하여 투명 전도막(110) 위에 P형 불순물이 도핑된 비정질 실리콘층을 증착한다. 그 다음으로, P형 불순물이 도핑된 비정질 실리콘층 위에 마스크를 배치하여 P층(120a)이 될 부분을 가리고 N형의 이온을 주입하여 N층(120b)을 형성한다. 처음에 P형이었던 것이 N형 이온이 주입됨에 따라 I형 층으로 변하고, 이후 N형 층으로 변한다. 따라서, 제1 방향(D)을 따라 P층(120a)과 N층(120b)을 교대로 형성할 수 있다.
도 4는 P층(120a)과 N층(120b)을 교대로 형성하는 방법에 관한 다른 실시예 를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1 및 도 4를 참고하면, 제2 간격(W2)을 갖고 서로 이웃하는 단위셀(UC) 사이에 공핍층(d)을 형성한다. 플라스마 강화 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD) 또는 이온 주입 방법을 이용하여 P층(120a)과 N층(120b)을 형성할 때, 단위셀(UC1)과 단위셀(UC2)이 연결되는 부분에서 P층(120a)과 N층(120b)이 서로 중첩되도록 형성할 수 있다. 단위셀(UC)이 연결되는 부분을 전기적으로 비도전성인 공핍층(d)으로 형성하면 추후에 레이저 스크라이빙 등을 이용하여 단위셀(UC)이 연결되는 부분을 제거할 필요가 없다.
다음, 도 5에 나타낸 바와 같이, P층(120a)과 N층(120b)을 패터닝하여 이웃하는 P층(120a)과 N층(120b)을 소정의 간격만큼 이격시킨다. P층(120a)과 N층(120b)을 패터닝하는 것은 단위셀(UC)을 형성하면서, 전극을 연결하는 공정이다. 구체적으로, P층(120a)과 N층(120b)이 서로 인접한 영역을 레이저 스크라이빙(Laser scribing), 휠 스크라이빙(wheel scribing) 또는 화학적 에칭(Chemical etching)을 이용하여 패터닝한다.
단위셀(UC) 내에서 P층(120a)과 N층(120b) 사이가 제1 간격(W1)이 되도록 패터닝한다. 제1 간격(W1)은 0.3um 내지 2um가 되도록 형성한다. 제1 방향(D)을 따라 형성되어 있는 단위셀(UC)들 사이의 간격이 제2 간격(W2)이 되도록 패터닝한다. 제2 간격(W2)은 제1 간격(W1)보다 넓게 형성할 수 있다. 제2 간격(W2)은 10um 내지 100um이 되도록 형성할 수 있다.
P층(120a)과 N층(120b)을 패터닝하면서 투명 전도막(110)을 선택적으로 패터 닝할 수 있다. 구체적으로, 도 4에 나타낸 것처럼, 단위셀(UC1)과 단위셀(UC2)이 연결되는 부분의 경우, 투명 전도막(110)은 그대로 두고, P층(120a)과 N층(120b)이 인접한 영역만을 선택적으로 패터닝한다. 따라서, 단위셀(UC1, UC2)들은 투명 전도막(110)을 통해 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 단위셀(UC1, UC2)을 구성하는 영역은 P층(120a)과 N층(120b)과 더불어 투명 전도막(110)을 동시에 패터닝한다. 레이저 스크라이빙 공정을 이용하는 경우에는 레이저의 파장과 출력을 조절함으로써, 그리고 화학적 에칭 공정을 이용하는 경우에는 식각액(Etchant)의 선택에 따라 상기에서 설명한 패터닝이 가능하다.
기판(100) 위에 형성되어 있는 단위셀(UC)들은 제1 방향(D)을 따라 복수의 열로 형성되어 있다. 서로 이웃하는 열에 각각 형성되어 있는 단위셀(UC)들 사이에 제3 간격(W3)을 갖도록 패터닝한다. 제3 간격(W3)은 제1 간격(W1)보다 상대적으로 넓게 형성하여 인접한 단위셀(UC)간에 상호 작용(interaction)이 발생하지 않도록 한다. 제3 간격(W3)은 10um 내지 100um으로 형성할 수 있다.
도 6을 참조하면, 투명 전도막(110) 위에 P층(120a) 및 N층(120b)을 덮도록 I층(130)을 증착한다. I층(130)은 비정질 실리콘으로 형성할 수 있다. I층(130)은 플라스마 강화 화학 기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)을 이용하여 형성할 수 있다.
증착된 I층(130)은 광흡수층 역할을 하고, 측면 방향을 따라 P층(120a), I층(130) 및 N층(120b)이 접합하여 다이오드를 형성한다.
I층(130) 위에 후면 전도막(140)이 형성되어 있다. 후면 전도막(140)의 상 부면을 에칭하여 텍스처를 형성할 수 있다. 후면 전도막(140)은 빛이 흡수되는 경로(path)를 증가시켜 광흡수율을 높이는 역할을 한다.
후면 전도막(140) 위에 반사막(150)을 증착하면 도 1에서 나타낸 바와 같은 태양 전지가 형성된다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지를 나타내는 단면도이다.
지금까지는 수퍼스트레이트(Superstrate) 구조의 태양 전지에 대하여 설명하였다. 수퍼스트레이트(Superstrate) 구조의 태양 전지는 기판을 통해 빛이 들어오는 구조인데 반해 서브스트레이트(Substrate) 구조의 태양 전지는 기판의 반대편에서 빛이 들어오는 구조이다. 이하에서는 도 6을 참조하여 본 발명의 다른 실시예인 서브스트레이트(Substrate) 구조의 태양 전지에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 서브스트레이트(Substrate) 구조의 태양 전지는 본 발명의 실시예에 따른 수퍼스트레이트(Superstrate) 구조의 태양 전지와 동일한 평면 모양을 가지는바, 도 1을 다시 참조하기로 한다. 단, 도 1에서 기판(100), I층(130)은 본 발명의 실시예에 따른 수퍼스트레이트(Superstrate) 구조의 태양 전지에서는 기판(200), I층(230)으로 도면 번호가 대체된다.
도 1 및 도 7을 참조하면, 기판(200) 위에 반사 전극막(210)이 형성되어 있다. 반사 전극막(210) 위에 P형 불순물을 갖는 P층(220a) 및 N형 불순물을 갖는 N층(220b)이 제1 방향(D)을 따라 교대로 형성되어 있다. 제1 방향(D)은 캐리어(Carrier)가 이동하는 방향, 즉 태양 전지가 광을 흡수하여 발생하는 전기장이 이동하는 방향으로 정의할 수 있다.
반사 전극막(210) 위에 P층(220a), N층(220b)을 덮고 있는 I층(230)이 형성되어 있다. I층(230)은 진성 반도체로 형성되어 있고, 광흡수층으로 전기장을 발생시켜 P층(220a)에서 N층(220b)으로 캐리어를 이동시키는 경로가 된다.
본 발명의 실시예에 따른 태양 전지에서, 반사 전극막(210)은 P층(220a)에서 N층(220b)의 전극으로 사용됨과 동시에 반사층의 역할도 한다. 반사 전극막(210)은 금속 물질로 형성될 수 있다.
반사 전극막(210) 위에 P형 불순물을 갖는 P층(220a) 및 N형 불순물을 갖는 N층(220b)이 제1 방향(D)을 따라 교대로 형성되어 있다. 제1 방향(D)은 캐리어(Carrier)가 이동하는 방향, 즉 태양 전지가 광을 흡수하여 발생하는 전기장이 이동하는 방향으로 정의할 수 있다.
반사 전극막(210) 위에 P층(220a), N층(220b)을 덮도록 I층(230)이 형성되어 있다. I층(230)은 진성 반도체로 형성되어 있고, 광흡수층으로 전기장을 발생시켜 P층(220a)에서 N층(220b)으로 캐리어를 이동시키는 경로가 된다.
P층(220a)과 N층(220b)은 제1 간격(W1)만큼 서로 이격되어 있고, 제1 간격(W1)에 I층(230)이 형성되어 있다. 이처럼 서브스트레이트(Substrate) 구조의 태양 전지는 본 발명의 한 실시예에 따른 수퍼스트레이트(Superstrate) 구조의 태양 전지와 마찬가지로 P층(220a), I층(230), N층(220b)이 측면 방향을 따라 단위셀(UC)을 형성하고 있다.
단위셀(UC)에서 P층(220a)과 N층(220b)은 상부면과 측면이 I층(230)에 의해 둘러싸여 있다. I층(130)은 비정질층으로 형성되어 P층(220a), N층(220b)의 표면 보호(surface passivation) 역할을 하고, 누설 전류를 차단하고 계면 특성을 향상시켜 태양 전지의 효율을 개선한다.
제1 방향(D)을 따라 단위셀(UC)이 형성되어 있고, 단위셀(UC) 내에서 P층(220a)과 N층(220b) 사이에는 반사 전극막(210)이 형성되어 있지 않고, I층(230)이 채워져 있다.
제1 방향(D)을 따라 형성되어 있는 단위셀(UC)들은 반사 전극막(210)을 통해 서로 전기적으로 연결되어 있다. 구체적으로, 제1 방향(D)을 따라 서로 이웃하는 단위셀(UC)은 서로 제2 간격(W2)만큼 이격되어 있다. 서로 이웃하는 단위셀(UC)을 연결하는 부분에서는 P층(220a) 및 N층(220b) 하부에 형성되어 있는 반사 전극막(210)이 끊어지지 않고 이어져 있다. 제2 간격(W2)은 제1 간격(W1)보다 상대적으로 넓게 형성할 수 있다. 따라서, 반사 전극막(210)으로 연결된 각 단위셀(UC)의 연결 부분에서 P층(220a)과 N층(220b)의 간격(W2)을 단위셀(UC) 내에서의 P층(220a)과 N층(220b)의 간격(W1)보다 상대적으로 넓게 형성하여 P층(220a)과 N층(220b)이 I층(230)을 통해 PIN 다이오드를 형성하게 된다.
상기 기판(200) 위에 형성되어 있는 단위셀(UC)들은 제1 방향(D)을 따라 복수의 열로 형성되어 있다. 서로 이웃하는 열에 각각 형성되어 있는 단위셀(UC)들은 서로 제3 간격(W3)만큼 이격되어 있다. 제3 간격(W3)은 제1 방향(D)과 교차하는 방향을 따라 인접해 있는 단위셀(UC)들 사이에서 상호 작용(interaction)이 발생하지 않도록 단위셀(UC) 내의 P층(220a)과 N층(220b)의 간격(W1)보다 넓게 형성되어 있다.
I층(230) 위에 반사 방지막(250)이 형성되어 있다. 수퍼스트레이트(Superstrate) 구조의 태양 전지에서는 기판(200)의 반대편에서 빛이 입사하는데, 반사 방지막(250)은 I층(230)을 보호하고, I층(230)을 향해 입사하는 빛이 반사되지 않도록 하여 광흡수율을 높이는 역할을 한다. 본 발명의 실시예에 따른 수퍼스트레이트(Superstrate) 구조의 태양 전지에서는 반사 방지막(250) 위에 별도로 연결 전극을 형성할 필요가 없으므로 기존과 달리 상기 연결 전극으로 인해 빛을 받는 면적이 감소되는 것을 해소하여 광흡수율을 높일 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지에서 전극을 형성하는 구조를 나타내는 평면도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 단위셀(UC)은 기본적으로 지그재그(zig-zag) 형태로 직렬 연결되어 있다. 모듈 형성시 모든 셀(cell)을 직렬 연결하게 되면 데드 셀(dead cell)이나 불량 셀들이 발생한 경우에 현저한 효율 저하를 가져올 수 있고, 심한 경우에는 태양 전지가 동작하지 않을 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지는 모듈화 공정시 투명 전도막의 가장자리와 연결되는 커넥터(300, 400)를 몇 개의 구역(section)이 서로 병렬 연결되도록 형성하여 데드 셀(dead cell)이나 불량 셀들에 의한 단락 및 효율 저하를 방지할 수 있다.
또한, 커넥터(300, 400)를 형성하는 방법에 따라 출력 전압/전류를 조절할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 한번의 패터닝 공정으로 전극 및 단위셀의 형 성이 가능하므로, 기존에 2번 이상의 패터닝 공정으로 인해 발생하는 계면 결함, 패턴 불량 등의 문제를 해결할 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 태양 전지를 나타내는 평면도이다.
도 2는 도 1의 절단선 Ⅱ-Ⅱ'를 따라 자른 단면도이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양 전지를 나타내는 단면도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지에서 전극을 형성하는 구조를 나타내는 평면도이다.
Claims (19)
- 기판,상기 기판 위에 형성되어 있는 제1 도전막,상기 제1 도전막 위에 제1 방향을 따라 교대로 형성되어 있는 P층 및 N층 그리고상기 제1 도전막 위에 상기 P층 및 상기 N층을 덮도록 형성되어 있는 I층을 포함하고,상기 P층과 상기 N층은 제1 간격만큼 이격되어 있고, 상기 제1 간격만큼 이격되어 있는 상기 P층 및 상기 N층 사이에 상기 I층이 채워져 있으며, 상기 제1 방향을 따라 형성되어 있는 상기 P층, 상기 I층 및 상기 N층은 단위셀을 형성하는 태양 전지.
- 제1항에서,상기 제1 방향은 캐리어가 이동하는 방향과 동일한 태양 전지.
- 제2항에서,상기 제1 간격은 0.3um 내지 2um인 태양 전지.
- 제3항에서,상기 제1 방향을 따라 형성되어 있는 단위셀들은 상기 제1 도전막을 통해 서로 전기적으로 연결되어 있는 태양 전지.
- 제2항에서,상기 제1 방향을 따라 형성되어 있는 단위셀들은 서로 상기 제1 간격보다 넓은 제2 간격만큼 이격되어 있는 태양 전지.
- 제5항에서,상기 제2 간격만큼 이격되어 있는 상기 단위셀들 사이에 형성되어 있는 공핍층을 더 포함하는 태양 전지.
- 제2항에서,상기 기판 위에 형성되어 있는 상기 단위셀들은 상기 제1 방향을 따라 복수의 열로 형성되어 있고, 서로 이웃하는 열에 각각 형성되어 있는 상기 단위셀들은 상기 제1 간격보다 넓은 제3 간격만큼 이격되어 있는 태양 전지.
- 제1항에서,상기 P층 및 상기 N층은 비정질 실리콘(a-Si), 미세 결정 실리콘(mc-Si) 및 비정질 실리콘 카바이드(a-SiC) 중의 적어도 하나를 포함하는 태양 전지.
- 제1항에서,상기 I층은 비정질 실리콘(a-Si) 또는 비정질 실리콘 게르마늄(a-SiGe)을 포함하는 태양 전지.
- 제1항에서,상기 제1 도전막은 투명 전도막 또는 반사막인 태양 전지.
- 제10항에서,상기 I층 위에 형성되어 있는 제2 도전막을 더 포함하는 태양 전지.
- 기판 위에 도전막을 형성하는 단계,상기 도전막 위에 제1 방향을 따라 P층 및 N층을 교대로 형성하는 단계,상기 P층 및 상기 N층을 제1 간격만큼 서로 이격하여 패터닝하는 단계 그리고상기 도전막 위에 상기 P층 및 상기 N층을 덮고 상기 P층 및 상기 N층이 이격된 사이를 채우도록 I층을 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지 제조 방법.
- 제12항에서,상기 P층 및 N층을 교대로 형성하는 단계는상기 P층 및 상기 N층을 마스크를 이용하여 형성하는 태양 전지 제조 방법.
- 제13항에서,상기 P층 및 상기 N층을 패터닝하는 단계는 레이저 스크라이빙 또는 휠 스크라이빙을 이용하는 태양 전지 제조 방법.
- 제13항에서,상기 P층 및 상기 N층을 패터닝하는 단계는 화학적 에칭을 이용하는 태양 전지 제조 방법.
- 제12항에서,상기 P층 및 상기 N층을 패터닝하는 단계는상기 P층 및 상기 N층과 함께 상기 도전막을 선택적으로 식각하여 상기 P층과 상기 N층이 0.3um 내지 2um인 제1 간격만큼 이격되도록 형성하는 것을 포함하는 태양 전지 제조 방법.
- 제16항에서,상기 P층 및 상기 N층을 패터닝하는 단계는상기 제1 간격만큼 이격되어 있는 상기 P층 및 상기 N층을 단위셀로 정의할 때, 상기 제1 간격보다 넓은 제2 간격만큼 서로 이격되도록 상기 단위셀들을 형성하는 태양 전지 제조 방법.
- 제17항에서,상기 P층 및 상기 N층을 패터닝하는 단계는상기 기판 위에 형성되어 있는 상기 단위셀들이 상기 제1 방향을 따라 복수의 열로 형성되어 있고, 서로 이웃하는 열에 각각 형성되어 있는 상기 단위셀들은 상기 제1 간격보다 넓은 제3 간격만큼 서로 이격되도록 상기 P층, 상기 N층 및 상기 도전막을 선택적으로 식각하는 단계를 포함하는 태양 전지 제조 방법.
- 제12항에서,상기 P층 및 상기 N층을 교대로 형성하는 단계는상기 제1 간격만큼 이격되어 있는 상기 P층 및 상기 N층을 단위셀로 정의할 때, 서로 이격되어 있는 상기 단위셀들 사이에 공핍층을 형성하는 것을 포함하는 태양 전지 제조 방법.
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