KR20100094224A - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 쇼트키 접합을 이용한 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실리콘 기판과 금속 실리사이드 전극과의 쇼트키 접합 특성을 나타내는 후면 전극형 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
상기 후면 전극형 태양전지는 간단한 공정으로 인해 제작비용 절감과 동시에 입사되는 태양광의 광손실을 최소화하여 고효율 태양 전지를 구현한다.
태양전지, 쇼트키 접합
Description
본 발명은 간단한 공정으로 인해 제작비용 절감과 동시에 입사되는 태양광의 광손실을 최소화하여 고효율 태양 전지를 구현할 수 있는 쇼트키 접합을 이용한 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
태양전지(solar cell)는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치로, 재료에 따라 결정질 실리콘, 비정질 실리콘, 화합물 반도체 등으로 분류된다.
실리콘 태양전지는 전자 과잉의 n-형 실리콘과 전자결핍의 p-형 실리콘을 접합한 태양전지로서, P-N 접합에서 형성되는 전기장을 이용하여 태양광에 의해 생성된 전자-정공 쌍을 분리하여 전극으로 포집하는 방법을 사용하고 있다.
P-N 접합을 형성시키기 위해서는 P형 및 N형 반도체 특성을 나타내는 불순물을 증착하고 이를 실리콘 웨이퍼로 확산시키기 위해서 고온의 열처리 공정이 필수적으로 사용되어야 한다. 이러한 고온의 열처리 공정은 실리콘 원재료 절감을 위한 박형 웨이퍼 사용에 제약을 가져올 뿐만 아니라, 공정비용의 상승을 유발하여 저가화 태양전지 구현의 크나큰 걸림돌이 되고 있다.
한편, 기존의 실리콘 태양전지와 비교하여 후면 전극형 태양전지는 모든 전 극이 후면에 배치된 것을 특징으로 한다.
이러한 후면 전극형 태양전지는 입사되는 태양광이 전면 전극에 의해 손실되는 문제를 근본적으로 해결하였을 뿐만 아니라, 후면 전극의 크기에 제약이 없기 때문에 전극에 의한 저항 손실을 최소화할 수 있다. 또한, 전면부에서 발생되는 광전하의 Auger 재결합을 줄임과 동시에 전자와 정공이 후면 전극으로 이동을 용이하게 하기 위해 박형 실리콘을 사용하기 때문에, 실리콘 원재료의 절감에 유리하다는 장점을 가지고 있다. 부가적으로, 후면 전극형 태양전지는 외관이 미려하여 건축 환경과의 조화가 가능하기 때문에 건물 일체형 태양전지 제작에 매우 유리한 구조를 가지고 있다.
대한민국 특허공개 제2002-57607호는 태양전지의 후면 전극부 형성방법을 제안하고 있다.
상기 특허에서는 광포획을 극대화시키는 후면반사 막 기능뿐 아니라 실리콘 내로의 금속 확산을 효과적으로 방지하는 기능을 포함하는 후면 전극부가 형성된 태양전지를 개시하고 있다. 그러나 이러한 구조의 태양전지는 광포획을 증가시킬 수는 있으나, 수 개의 층이 적층된 구조로 그 제조공정이 복잡하다는 문제점이 있다.
대한민국 특허공개 제2008-105280호는 태양전지의 제조 방법 및 그를 이용하여 제조된 태양전지를 개시하고 있다.
상기 특허에서는 후면에 실리콘 나이트라이드 식각방지층을 형성함으로써 후면을 평탄하게 유지하여 장파장 영역에서의 내부 반사를 증가시켜 전류 특성을 향 상시킬 수 있으며, 후면에서의 캐리어의 재결합을 줄여 전압특성을 향상시킨다고 제시하고 있다. 그러나 이 특허 또한 수 개의 층이 적층된 구조로 그 제조공정이 복잡하다는 문제점이 있다.
이에 본 발명자들은 공정이 간단하고 고효율로 작동하는 태양전지에 대해 다각적으로 연구한 결과, 기존의 실리콘 태양전지의 P-N 접합에서 형성되는 전기장을 이용하여 태양광에 의해 생성된 전자-정공 쌍을 분리하여 전극으로 포집하는 방법을 금속 실리사이드와 실리콘과의 접촉에 의해 자발적으로 형성되는 쇼트키 접합으로 대체하고, 이때 발생되는 전기장을 이용하여 태양전지를 구현함으로써 간단한 공정을 통해 고효율의 태양전지를 제작할 수 있음을 알게 되어 본 발명을 완성하였다.
본 발명에서는 간단한 공정으로 인해 제작비용 절감과 동시에 입사되는 태양광의 광손실을 최소화하여 고효율 태양 전지를 구현할 수 있는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은
텍스처링된 실리콘 기판;
상기 텍스처링된 기판 전면에 걸쳐 형성된 패시배이션막;
상기 패시배이션막 전면에 걸쳐 형성된 반사방지막;
상기 기판의 하부에 패터닝된 전극; 및
상기 전극 사이의 절연을 위해 형성된 절연막을 구비한 후면 전극형 태양전지에 있어서,
상기 전극은 금속 실리사이드를 포함하는 후면 전극형 태양전지를 제공한다.
실리콘 기판;
상기 기판의 상부에 형성된 전면 투명 전극;
상기 기판의 하부에 패터닝된 전극; 및
상기 전극 사이의 절연을 위해 형성된 절연막을 구비한 후면 전극형 태양전지에 있어서,
상기 전극은 금속 실리사이드를 포함하는 것인 후면 전극형 태양전지를 제공한다.
또한, 본 발명은
실리콘 기판을 텍스처링하는 단계;
상기 텍스처링된 기판의 전면에 걸쳐 패시배이션막을 형성하는 단계;
상기 패시배이션막 전면에 걸쳐 반사방지막을 형성하는 단계;
상기 기판의 하부에 패터닝된 절연막을 형성하는 단계;
상기 절연막 패턴 사이에 금속층을 형성하는 단계; 및
열처리를 수행하여 상기 금속층을 금속 실리사이드 전극으로 형성하는 단계
를 포함하는 후면 전극형 태양전지의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은
실리콘 기판을 제공하는 단계;
상기 기판의 상부에 전면 투명 전극을 형성하는 단계;
상기 기판의 하부에 패터닝된 절연막을 형성하는 단계;
상기 절연막 패턴 사이에 금속층을 형성하는 단계; 및
열처리를 수행하여 상기 금속층을 금속 실리사이드 전극으로 형성하는 단계
를 포함하는 후면 전극형 태양전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 태양 전지는 쇼트키 접합을 통해 전기 에너지를 발생하고, 전극을 후면에 효율적으로 배치하여 입사되는 태양광이 전면 전극에 의해서 손실되는 것을 최소화할 수 있는 이점이 있다.
이러한 후면 전극형 태양 전지는 500℃ 이하의 저온에서 제작할 수 있기 때문에 박형 실리콘 웨이퍼의 사용과 공정 단순화를 통한 태양전지의 저가화가 가능하고, 입사되는 태양광 손실의 최소화를 통한 태양전지의 고효율화를 동시에 가능케 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 실시예는 예시적인 목적을 위한 것으로서 본 발명의 범위는 이에 한정되지 아니한다.
본 발명에 따른 태양전지는 종래 불순물 증착 및 확산 공정으로 형성되는 P-N 접합에 의한 태양전지의 구현과 달리, 금속 실리사이드와 실리콘의 접촉에 의해 자발적으로 형성되는 쇼트키 접합에 의해 발생하는 전기장을 이용하여 광전하를 분 리하며 이를 전극으로 효율적으로 이동시켜 태양전지를 구현함을 특징으로 한다.
쇼트키 접합은 500℃ 이하의 저온 공정으로 형성이 가능하여 박형 실리콘 기판의 사용에 제약이 없고, 금속 실리사이드의 일함수(Workfunction)를 조절함으로써 N형 및 P형 접합 특성을 나타낼 수 있기 때문에 기존의 P-N 접합과 같은 특성의 전기장의 형성이 가능하다.
도 2는 이론적으로 계산된 쇼트키 태양전지의 에너지 변환 효율을 보여주는 그래프로, 실리콘의 경우 22∼24%, GaAs와 같이 밴드갭이 큰 화합물 반도체의 경우 ∼25% 이상이 가능하다.
도 2에서 나타낸 바와 같이, 개방전압(Voc, Open Circuit Voltage)이 쇼트키 장벽 높이에 지수 함수적으로 비례하기 때문에 쇼트키 접합 태양전지의 에너지 변환 효율을 향상시키기 위해서는 전자와 정공에 대한 쇼트키 장벽 높이를 최대화하는 것이 필수적이다.
본 발명에 따른 태양전지는 금속 실리사이드와 실리콘과의 쇼트키 접합을 통해 태양전지가 구현된다.
이러한 쇼트키 접합을 위해 본 발명에서 제시하는 금속 실리사이드는 금속과 같은 전도성을 가지고 있어서 실리콘 계면에서의 접촉 저항을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 광전하를 포집하기 위한 별도의 전극 형성 공정이 필요 없기 때문에 공정의 단순화가 가능하다.
쇼트키 접합은 금속(또는 금속 실리사이드) 간의 접촉에 의해 형성되며, 금 속과 실리콘의 일함수를 조절함으로써 N형 및 P형 다이오드(Diode) 특성을 나타낼 수 있다. 일반적으로 N형 실리콘 기판에 쇼트키 접합을 형성시키기 위해서는 금속의 일함수가 실리콘의 일함수보다 커야 하고 P형 기판에 쇼트키 접합의 형성을 위해서는 금속의 일함수가 실리콘의 일함수보다 작아야 한다.
도 3은 금속 실리사이드와 실리콘의 접촉에 의해 형성된 쇼트키 접합의 에너지 밴드 구조를 보여주는 모식도이다.
도 3에서 보이는 것처럼, 금속 실리사이드와 실리콘의 접촉 후 각각의 페르미 에너지의 차이에 의해 전자와 정공의 흐름이 발생하고 이로 인하여 공핍층이 형성되어 쇼트키 접합 내부에 전기장이 형성된다. 쇼트키 접합 장벽 높이는 금속 실리사이드와 실리콘 사이의 일함수 차이에 비례한다. 이에 따라 실리콘과 금속 실리사이드 사이의 일함수 차이를 조절하여 우수한 특성의 쇼트키 접합 태양전지의 구현이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 태양전지는 쇼트키 접합을 통해 전기장을 발생시키는 전극을 태양전지의 후면에 효율적으로 배치한 후면 전극형 태양전지로, 이러한 구조의 후면 전극형 태양전지는 입사되는 태양광이 전면 전극에 의해서 손실되는 것을 최소화하여 고효율의 태양전지를 구현함을 특징으로 한다.
도 4는 본 발명의 제1구현예에 따른 후면 전극형 태양전지의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 후면 전극형 태양전지(400)는 박형의 실리콘 기판(401); 상기 기판(401)의 상부에 텍스처링되어 형성된 패시배이션막(402); 상기 패시배이 션막(402) 전면에 걸쳐 형성된 반사방지막(403); 상기 기판(401)의 하부에 패터닝된 전극(405, 406) 및 이들 사이에 형성된 절연막(404)이 형성된 구조를 갖는다.
특히, 본 발명에 따른 후면 전극형 태양전지(400)는 전극(405, 406)이 금속 실리사이드 재질로 이루어지며, 상기 전극 중 하나는 정공 포집용 전극(405)이고, 다른 하나는 전자 포집용 전극(406)이다.
상기 금속 실리사이드는 Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ni, Ti, Co, Cu, Pt, W, Cr, Mo, W, Au, Ag, Zn, Ir, Ta, Hf, K, Li, Cs 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속을 포함하는 실리사이드이고, 바람직하기로는 PtSi, 또는 ErSi가 가능하다.
이때 정공 포집용 전극(404)과 전자 포집용 전극(405)은 각각 다른 재질로 이루어지며 기판(401) 재질인 실리콘과의 일함수를 고려하여 선정된다.
구체적으로, 정공 포집용 전극의 경우, 실리콘의 일함수(4.6eV)보다 큰 물질이 가능하고, 전가 포집용 전극은 실리콘의 일함수(4.6eV) 보다 작은 금속이 사용된다. 예를 들어, 상기 정공 포집용 전극 재질로는 Ni(5.15eV), Co(5.0eV), Cu(4.65eV), Pt(5.6eV), Au(5.1eV), Ir(5.27eV)이 가능하고, 전자 포집용 전극 재질로는 Ag(4.26eV), Zn(4.33eV), Ti(4.33eV), Ce(2.9eV), Pr(3eV), Nd(3.2eV), Pm(3eV), Sm(2.7eV), Eu(2.5eV), Gd(3.1eV), Tb(3.0eV), Dy(3.1eV), Ho(3.0eV), Er(3.1eV), Tm(3.0eV), Yb(2.59eV), Lu(3.3eV), Ta(4.25eV), Hf(3.9eV), K(2.3eV), Li(2.9eV), Cs(2.14eV)가 가능하다. 또한, 정공 포집과 전자 포집을 동시에 할 수 있는 것은 실리콘과 일함수가 비슷한 W(4.55eV), Cr(4.5eV), Mo(4.6eV)가 있다. 이러한 정공 포집용 전극(404)과 전자 포집용 전극(405)의 선정은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 적절히 선택될 수 있다.
상기 실리콘 기판(401)은 실리콘 기판이면 어느 것이든 가능하며, 본 발명에서 특별히 한정하지 않는다. 대표적으로, 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 도핑된 실리콘, 비정질 실리콘, SixGe1-X(X는 0<X<1의 수), SixN1-x(X는 0<X<1의 수), 및 SiC으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 포함하는 박형 기판이 가능하다.
상기 실리콘 기판(401)은 텍스처링하여 요철이 형성된 구조를 가져 태양광의 흡수 면적을 최대화한다.
상기 패시배이션막(402)은 태양광 입사에 의해 생성된 광 전하의 재결합을 방지할 목적으로 형성한다. 이러한 패시배이션막(402)은 수십 내지 수 나노미터의 두께로 형성한다.
상기 반사방지막(403)은 태양광 반사를 막아 효율을 높일 목적으로 사용하며, 그 재질로는 특별히 한정하지 않으며, 통상적으로 사용하는 금속 질화물이 가능하다.
상기 금속 질화물로는 Si, Ga, Ge, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ni, Ti, Co, Cu, Pt, W, Cr, Mo, W, Au, Ag, Zn, Ir, Ta, Hf, K, Li, Cs 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 물질을 포함하는 질화물이 가능하다.
이러한 반사방지막(403)은 태양광 반사 효율을 더욱 높일 목적으로 요철이 형성된 구조를 갖는다.
상기 절연막(404)은 정공 포집용 전극(405)과 전자 포집용 전극(406) 사이에 형성되어, 이들을 보호할 목적으로 형성된다.
이러한 절연막(404)은 산화물, 질화물 또는 이들의 조합이 가능하며, 그 구조에 따라 단층 또는 다층으로 형성이 가능하다.
대표적으로, 상기 산화물로는 Si, Ga, Ge, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ni, Ti, Co, Cu, Pt, W, Cr, Mo, W, Au, Ag, Zn, Ir, Ta, Hf, K, Li, Cs 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 물질이 산소(O)와 결합된 것을 포함한다.
또한, 상기 질화물로는 Si, Ga, Ge, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ni, Ti, Co, Cu, Pt, W, Cr, Mo, W, Au, Ag, Zn, Ir, Ta, Hf, K, Li, Cs 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 물질이 질소(N)와 결합된 것을 포함한다.
도 5는 본 발명의 제2구현예에 따른 후면 전극형 태양전지의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 후면 전극형 태양전지(500)는 실리콘 기판(501); 상기 기판의 상부에 형성된 전면 투명 전극(502); 상기 기판의 하부에 패터닝된 전극(503); 및 상기 전극 사이의 절연을 위해 형성된 절연막(504)이 형성된 구조를 갖는다.
상기 태양전지(500)에서 실리콘 기판(501), 전극(503) 및 절연막(504)은 제1구현예에서 언급한 바를 따른다.
이때 상기 전극(503)은 정공 또는 전자 포집용 전극이다.
상기 제2구현예의 전면 투명 전극(502)은 이 분야에서 공지된 바의 투명 전극 재질이면 어느 것이든 가능하며, 본 발명에서 특별히 한정하지는 않는다. 상기 투명 전극 재질로는 TCO(Transparent Conductive Oxide)가 가능하며, 대표적으로In2O3, SnO2, CuO, 그라핀(Graphene), ZnO, 산화인듐주석(Indium Tin Oxide(ITO)) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다.
추가로, 필요한 경우 상기 태양전지(500)는 실리콘 기판(501)을 텍스처링하여 실리콘 기판(501)의 전면 및 전면 투명 전극(502)이 요철 형태를 갖도록 한다.
전술한 바의 본 발명에 따른 후면 전극형 태양전지는 공지된 바의 제조방법을 응용하여 제조가 가능하다.
특히, 금속 실리사이드로 이루어진 전극층은 금속층을 증착한 후, 열처리를 통해 이루어진다. 상기 열처리 온도와 분위기 조건, 실리콘 기판의 결정성 방향, 금속 실리사이드 표면 및 계면 균일도, 금속 증착 방법을 조절할 경우, 쇼트키 접합 장벽의 높이를 조절이 가능하다.
이에 본 발명에서는 열처리를 수행하여 실리콘 기판 내 실리콘(Si)이 금속층과 반응하여 금속 실리사이드로 전환된다. 부연하면, 열처리 공정은 금속과 실리 콘과의 반응이 일어나게 하는 driving force로 작용하는데, 열처리 공정 중에 금속 혹은 실리콘이 상호 확산으로 금속과 실리콘이 서로 반응하게 되어 금속 실리사이드가 형성된다.
질소가스(N2) 분위기 하에서 100 내지 1000℃의 범위에서 10초 내지 1시간 동안 수행한다. 일예로, PtSi 박막을 형성하는 경우 질소 분위기 하에서 500℃에서 1분 동안의 열처리를 수행한다.
상기 온도 범위는 사용되는 금속층의 재질 및 특성에 따라 선택이 가능하며, 구체적인 조건은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 적절히 선택된다.
또한, 열처리는 이 분야에서 사용되는 열처리 방법이면 어느 것이든 가능하고, 대표적으로 RTA(Rapid Thermal Annealing), 퍼니스 어닐링(furnace annealing), 레이저 어닐링(laser annealing) 등의 방법을 통해 수행한다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 제1구현예에 따른 후면 전극형 태양전지의 제조순서를 보여주는 단면도이다.
도 6a를 참조하면, 먼저, 실리콘 기판(401)을 텍스처링한다(도 6a의 (a) 및(b)).
상기 텍스처링(Texturing)은 태양광이 닿는 면적을 최대한 넓히기 위해 인위적으로 줄무늬 형식의 스크래칭 작업을 하는 것으로, 공지의 방법을 통해 수행한다.
이때 필요한 경우 상기 텍스처링 전에 실리콘 기판(401)을 특수 화학약품에 담그는 에칭(Etching) 공정을 수행하여 상기 기판의 표면의 오염 물질을 없앤다.
다음으로, 상기 실리콘 기판(401)의 텍스처링된 면 전체에 걸쳐 패시배이션막(402)을 형성한다(도 6a의 (c)).
상기 패시배이션막(402)은 산화물로 이루어지고, 이의 형성은 열산화(Thermal oxidation), 스퍼터링(sputtering), 전자빔 증착법(e-beam evaporation), 화학적 기상 증착법(CVD; chemical vapor deposition), 물리적 기상 증착법(PVD; physical vapor deposition), 금속 유기 화학적 기상 증착법(MOCVD; metal-organic chemical vapor deposition), 분자빔 에피택시(MBE; molecular beam epitaxy), 및 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition) 중에서 선택된 1종의 방법으로 수행하며, 본 발명에서 특별히 한정하지는 않는다.
다음으로, 상기 패시배이션막(402) 전면에 걸쳐 반사방지막(403)을 형성한다(도 6a의 (d)).
상기 반사방지막(403)은 금속 질화물로 이루어지고, 이의 형성은 스퍼터링, 전자빔 증착법, 화학적 기상 증착법, 물리적 기상 증착법, 또는 원자층 증착법 중에서 선택된 1종의 방법으로 수행하며, 본 발명에서 특별히 한정하지는 않는다.
다음으로, 상기 기판(401)의 하부에 패터닝된 절연막(404)을 형성한다(도 6b 의 (e) 및(f)).
이러한 절연막(404)은 산화물, 질화물 또는 이들의 조합을 포함하며, 사진석판(photolithography) 공정을 통해 이루어진다.
구체적으로, 기판(401) 하부에 걸쳐 절연막(404)을 증착한 다음(도 6의 (e)), 그 상부에 포토레지스트의 도포, 노광, 현상, 에칭, 포토레지스트 제거 공정을 거쳐 패터닝된 절연막(404)을 형성한다. 이때 에칭 및 포토레지스트의 제거는 기판(401)이 드러날 때까지 수행한다(도 6a의 (f)).
또한, 상기 절연막(404) 사이의 공간에 전극(405, 406)이 형성되는데, 이때 절연막(404)의 패턴의 모양과 크기는 금속 실리사이드의 전자와 정공의 확산거리를 고려하여 결정하고 전자 및, 정공의 효율적인 포집을 위해 패턴 사이의 간격을 최소화 하는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 절연막(404) 패턴 사이에 전극용 금속층(405a, 406a)을 형성한다(도 6a 및 6b의 (f) 및(g)).
즉, 상기 절연막(404)패턴 사이에 각 전극 재료에 포함되는 금속을 증착시킨다. 이러한 증착을 통해 정공 포집 전극용 금속층(405a)을 형성하고, 이후 다른 하나는 전자 포집 전극용 금속층(406a)을 형성한다.
이러한 금속층(405a, 406a)의 형성은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 스퍼터링, 전자빔 증착법, 화학적 기상 증착법, 물리적 기상 증착법, 금속 유기 화학적 기상 증착법, 분자빔 에피택시, 및 원자층 증착법 중에서 선택된 1종의 방법 으로 수행한다.
다음으로, 열처리를 수행하여 상기 금속층(405a, 406a)을 금속 실리사이드 전극(405, 406)으로 형성한다. 이때 열처리의 자세한 공정은 전술한 바를 따른다(도 6b의 (h)).
도 7은 본 발명의 제2구현예에 따른 후면 전극형 태양전지의 제조순서를 보여주는 단면도이다.
도 7을 참조하면, 먼저, 실리콘 기판(501) 상부에 전면 투명 전극(502)을 형성한다(도 7의 (a) 및(b)).
상기 전면 투명 전극(502) 형성은 전술한 바의 투명 전극 재질을 이용하여 스퍼터링, 전자빔 증착법, 화학적 기상 증착법, 물리적 기상 증착법, 금속 유기 화학적 기상 증착법, 분자빔 에피택시, 및 원자층 증착법 중에서 선택된 1종의 방법으로 수행한다.
이때 필요한 경우 상기 실리콘 기판(501)은 텍스처링을 수행하여 도 3에서 보이는 바의 요철 구조를 갖도록 한다.
다음으로, 상기 기판(501)의 하부에 패터닝된 절연막(503)을 형성한다(도 7의 (c) 및(d))
다음으로, 상기 절연막(503) 패턴 사이에 금속층을 증착 후 열처리하여 금속 실리사이드 전극(503)을 형성한다(도 7의 (e)).
상기 절연막 및 금속 실리사이드 전극층은 상기 제1구현예에서 언급한 바를 따른다.
이러한 단계를 거쳐 제조된 본 발명에 따른 후면 전극형 태양전지는 금속 실리사이드-실리콘과의 쇼트키 접합을 통한 태양전지 구현이 가능하여 하기 이점을 갖는다.
첫째로, 태양전지는 쇼트키 접합을 위한 금속 실리사이드는 금속과 같은 전도성을 가지고 있어서 실리콘 계면에서의 접촉 저항을 최소화하고, 광전하를 포집하기 위한 별도의 전극 형성 공정이 필요 없기 때문에 공정의 단순화가 가능하다.
둘째로, N형 및 P형 접합 특성을 나타내는 쇼트키 접합을 태양전지 후면에 효율적으로 배치하여 입사되는 태양광이 전면 전극에 의해서 손실되는 것을 최소화하여 고효율 태양전지 구현이 가능하다.
셋째로, 박형 실리콘 웨이퍼의 사용과 공정 단순화를 통한 태양전지의 저가화가 가능하다.
이러한 본 발명에 따른 태양전지는 고효율 후면전극 태양전지, 박막형 태양전지 또는 휴대용 태양전지로 응용이 가능하다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영 역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 태양전지는 고효율 후면전극 태양전지, 박막형 태양전지 또는 휴대용 태양전지로 응용이 가능하다.
도 1은 종래 후면 전극형 태양전지 구조를 보여주는 모식도.
도 2는 이론적으로 계산된 쇼트키 접합 태양전지의 에너지 변환 효율을 보여주는 그래프.
도 3은 금속 실리사이드와 실리콘의 접촉에 의해 형성된 쇼트키 접합의 에너지 밴드 구조를 보여주는 모식도.
도 4는 본 발명의 제1구현예에 따른 후면 전극형 태양전지의 단면도.
도 5는 본 발명의 제2구현예에 따른 후면 전극형 태양전지의 단면도.
도 6a 및 6b는 본 발명의 제1구현예에 따른 후면 전극형 태양전지의 제조순서를 보여주는 단면도.
도 7은 본 발명의 제2구현예에 따른 후면 전극형 태양전지의 제조순서를 보여주는 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
401 : 실리콘 기판 402 : 패시배이션막
403 : 반사방지막 404 : 절연막
405 : 전자 포집용 전극 406 : 정공 포집용 전극
501 : 실리콘 기판 502 : 투명 전극
503 : 절연막 503 : 전자 또는 정공 포집용 전극
Claims (13)
- 텍스처링된 실리콘 기판;상기 텍스처링된 기판 전면에 걸쳐 형성된 패시배이션막;상기 패시배이션막 전면에 걸쳐 형성된 반사방지막;상기 기판의 하부에 패터닝된 전극; 및상기 전극 사이의 절연을 위해 형성된 절연막을 구비한 후면 전극형 태양전지에 있어서,상기 전극은 금속 실리사이드를 포함하는 것인 후면 전극형 태양전지.
- 실리콘 기판;상기 기판의 상부에 형성된 전면 투명 전극;상기 기판의 하부에 패터닝된 전극; 및상기 전극 사이의 절연을 위해 형성된 절연막을 구비한 후면 전극형 태양전지에 있어서,상기 전극은 금속 실리사이드를 포함하는 것인 후면 전극형 태양전지.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 금속 실리사이드는 Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ni, Ti, Co, Cu, Pt, W, Cr, Mo, W, Au, Ag, Zn, Ir, Ta, Hf, K, Li, Cs Co, Cu, Pt, W, Cr, Mo 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속을 포함하는 실리사이드인 것인 후면 전극형 태양전지.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 실리콘 기판은 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 도핑된 실리콘, 비정질 실리콘, SixGe1-X(X는 0<X<1의 수), SixN1-x(X는 0<X<1의 수), 및 SiC으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 포함하는 박형 기판인 것인 후면 전극형 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 패시배이션막은 실리콘 산화막인 것인 후면 전극형 태양전지.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 절연막은 Si, Ga, Ge, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ni, Ti, Co, Cu, Pt, W, Cr, Mo, W, Au, Ag, Zn, Ir, Ta, Hf, K, Li, Cs 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속을 포함하는 산화물인 것인 후면 전극형 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 전극은 정공 포집용 전극 및 전자 포집용 전극인 것인 후면 전극형 태 양전지.
- 제1항에 있어서,상기 반사방지막은 Si, Ga, Ge, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ni, Ti, Co, Cu, Pt, W, Cr, Mo, W, Au, Ag, Zn, Ir, Ta, Hf, K, Li, Cs 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속을 포함하는 산화물, 질화물 또는 이들의 조합인 것인 후면 전극형 태양전지.
- 제2항에 있어서,상기 전극은 정공 포집용 전극 또는 전자 포집용 전극인 것인 후면 전극형 태양전지.
- 제2항에 있어서,상기 전면 투명 전극은 In2O3, SnO2, CuO, 그라핀(Graphene), ZnO, 산화인듐주석(Indium Tin Oxide(ITO)) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 포함하는 것인 후면 전극형 태양전지.
- 실리콘 기판을 텍스처링하는 단계;상기 텍스처링된 기판의 상부에 패시배이션막을 형성하는 단계;상기 패시배이션막 전면에 걸쳐 반사방지막을 형성하는 단계;상기 기판의 하부에 패터닝된 절연막을 형성하는 단계;상기 절연막 패턴 사이에 전극용 금속층을 형성하는 단계; 및열처리를 수행하여 상기 금속층을 금속 실리사이드를 포함하는 전극으로 형성하는 단계를 포함하는 제1항의 후면 전극형 태양전지의 제조방법.
- 실리콘 기판을 제공하는 단계;상기 기판의 상부에 전면 투명 전극을 형성하는 단계;상기 기판의 하부에 패터닝된 절연막을 형성하는 단계;상기 절연막 패턴 사이에 전극용 금속층을 형성하는 단계; 및열처리를 수행하여 상기 전극용 금속층을 금속 실리사이드 전극으로 형성하는 단계를 포함하는 제2항의 후면 전극형 태양전지의 제조방법.
- 제11항 또는 제12항에 있어서,상기 열처리는 질소가스(N2) 분위기 하에서 100℃∼1000℃에서 10초 내지 1시간 동안 수행하는 것인 후면 전극형 태양전지의 제조방법.
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