KR20100097150A - 후면 접촉 태양 전지를 위한 높은 광 흡수 층을 갖는 반사 방지 코팅 - Google Patents

후면 접촉 태양 전지를 위한 높은 광 흡수 층을 갖는 반사 방지 코팅 Download PDF

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Abstract

후면 접촉 태양 전지(300)용 다층 반사 방지 구조(310)가 개시된다. 반사 방지 구조(310)는 후면 접촉 태양 전지(300)의 전면 상에 형성될 수 있다. 반사 방지 구조(310)는 패시베이션 레벨(312), 패시베이션 레벨(312) 위의 높은 광 흡수 층(313), 및 높은 광 흡수 층(313) 위의 낮은 광 흡수 층(314)을 포함할 수 있다. 패시베이션 레벨(312)은, N형 실리콘 기판일 수 있는 태양 전지 기판(102)의 텍스처링된 표면 상에 열적으로 성장된 실리콘 이산화물을 포함할 수 있다. 높은 광 흡수 층(313)은 기판쪽으로 들어오는 UV 복사 중 적어도 10%를 차단하도록 구성될 수 있다. 높은 광 흡수 층(313)은 하이-k 실리콘 질화물을 포함할 수 있고, 낮은 광 흡수 층(314)은 로우-k 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.

Description

후면 접촉 태양 전지를 위한 높은 광 흡수 층을 갖는 반사 방지 코팅{ANTI-REFLECTIVE COATING WITH HIGH OPTICAL ABSORPTION LAYER FOR BACKSIDE CONTACT SOLAR CELLS}
관련 출원에 대한 상호 참조
이 출원은, 그 전체가 참조로써 본 명세서에 포함되는, 2007년 12월 14일에 출원된, 미국 가출원 번호 제 61/007,758호에 대한 이점을 주장한다.
발명의 분야
본 발명은 일반적으로 태양 전지에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 태양 전지 제조 프로세스 및 구조에 관한 것이지만 그것에 대한 것만은 아니다.
배경 기술의 설명
태양 전지는 태양 복사(solar radiation)를 전기 에너지로 변환하기 위한 주지의 장치이다. 태양 전지는 반도체 처리 기술을 사용하여 반도체 기판에 제조될 수 있다. 태양 전지는 P형 및 N형 확산 영역을 포함한다. 태양 전지 상에 충돌하는 태양 복사는 확산 영역쪽으로 이동하는 전자 및 홀을 생성함으로써, 확산 영역들 사이에 전압차를 생성한다. 후면 접촉(backside contact) 태양 전지에서는, 확산 영역과, 확산 영역에 결합되는 금속 접촉 핑거(metal contact fingers) 모두가 태양 전지의 후면에 위치한다. 접촉 핑거로 인해 외부 전기 회로가 태양 전지에 결합될 수 있고 태양 전지에 의해 전력을 공급받을 수 있다.
후면 접촉 태양 전지는, 일반적으로, 업계에 공지되어 있다. 미국특허 제5,053,083호 및 제4,927,770호에 후면 접촉 태양 전지의 실례가 개시되어 있는데, 이들 모두는 그 전체가 참고 문헌으로써 본 명세서에 포함된다. 도 1은 기존의 후면 접촉 태양 전지에 대한 다른 실례를 개략적으로 나타낸다.
도 1의 예에서, 기존의 후면 접촉 태양 전지(100)는 N형 실리콘 기판(102)을 포함한다. 태양 전지(100)의 전면은 전체적으로 120으로서 레이블링되고, 전면과 대향하는 후면은 전체적으로 121로서 레이블링된다. 태양 전지의 전면은 정상 동작 동안 태양을 대면하여 태양 복사를 수집한다. 전면은 반사를 감소시키도록 무작위로 텍스처링됨으로써, 기판(102)에 수집되는 태양 복사의 양을 증가시킨다. 열적으로 성장된 실리콘 이산화물(SiO2) 층(122) 및 실리콘 질화물 층(103)을 포함하는 다층 반사 방지 구조(110)가 텍스처링된 실리콘 표면에 형성된다.
태양 전지(100)의 후면은 P형 확산 영역(105) 및 N형 확산 영역(106)을 포함한다. 확산 영역(105 및 106)은 후면으로부터의 적절한 도펀트의 확산에 의해 형성될 수 있다. 금속 핑거(109)는 P형 확산 영역(105)에 전기적으로 접속되는 한편, 금속 핑거(110)는 N형 확산 영역(106)에 전기적으로 접속된다. 금속 핑거(109 및 110)는 태양 전지(100)에서 생성된 전자가 외부 전기 회로에 의해 이용될 수 있게 한다. 층(107)은 절연을 제공하여 전기 단락을 방지한다.
후면 접촉 태양 전지의 성능은, SiO2와 Si 사이의 인터페이스 상태 밀도(interface state density)가 감소됨에 따라 개선된다. 따라서, 실리콘 이산화물 층(122)과 기판(102)의 표면 사이의 인터페이스는 그것의 인터페이스 상태 밀도를 감소시키도록 설계된다. 실리콘 질화물 층(103) 또한 태양 전지(100)의 성능에 대한 SiO2/Si 인터페이스 상태의 영향을 더 감소시킬 수 있다. SiO2/Si 인터페이스 상태 밀도 및 태양 전지 성능에 대한 그것의 영향을 감소시키는 프로세스를 또한 "패시베이션(passivation)"이라고 지칭 한다.
본 발명의 실시예는 후면 접촉 태양 전지의 전면 패시베이션의 열화를 방지하는데 도움이 된다.
일 실시예에서는, 후면 접촉 태양 전지를 위한 반사 방지 구조가 태양 전지의 전면에 형성된다. 반사 방지 구조는 패시베이션 레벨(passivation level), 패시베이션 레벨 위의 높은 광 흡수 층, 및 높은 광 흡수 층 위의 낮은 광 흡수 층을 포함할 수 있다. 패시베이션 레벨은, N형 실리콘 기판일 수 있는 태양 전지 기판의 텍스처링된 표면 상에 열적으로 성장된 실리콘 이산화물을 포함할 수 있다. 높은 광 흡수 층은 기판쪽으로 들어오는 UV 복사 중 적어도 10%를 차단하도록 구성될 수 있다. 높은 광 흡수 층은 하이-k 실리콘 질화물을 포함할 수 있고, 낮은 광 흡수 층은 로우-k 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.
당업자라면, 첨부 도면 및 특허청구범위를 포함하는 이 명세서 전체를 판독시에 본 발명의 이들 및 다른 특징을 쉽게 알 수 있을 것이다.
도 1은 기존의 후면 접촉 태양 전지를 개략적으로 나타낸다.
기존의 후면 접촉 태양 전지의 전면에 대한 대역도(band diagram)를 나타내는 도 2는 전면 패시베이션의 열화를 설명하는 메커니즘을 예시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 후면 접촉 태양 전지를 개략적으로 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 후면 접촉 태양 전지를 개략적으로 나타낸다.
도 5는 비정질 실리콘의 흡광계수(extinction coefficient)(k) 플롯을 광 파장의 함수로서 나타낸다.
도 6은 실리콘 질화물의 흡광계수(k) 플롯을 광 파장의 함수로서 나타낸다.
도 7은 광 특성과, 비정질 실리콘 및 실리콘 질화물의 광 강도(light intensity)에 대한 영향의 도표를 나타낸다.
도 8은, 비정질 실리콘이 후면 접촉 태양 전지의 다층 반사 방지 구조에 사용되는 경우, UV 안정성에서의 향상을 예시하는 플롯을 나타낸다.
도 9는 양자 효율(quantum efficiency)에 대한 비정질 실리콘의 영향에 대한 플롯을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 후면 접촉 태양 전지의 개략도를 나타낸다.
도 11은 하이-k 및 로우-k 실리콘 질화물 층을 위한 광 파장 함수로서의 흡광계수의 플롯을 나타낸다.
도 12는 광 특성과, 로우-k 및 하이-k 실리콘 질화물의 광 강도에 대한 영향의 도표를 나타낸다.
도 13은 후면 접촉 태양 전지의 효율에 대한 하이-k 실리콘 질화물 사용의 영향을 예시하는 실험 결과를 나타낸다.
도 14는 후면 접촉 태양 전지의 UV 신뢰성에 대한 하이-k 실리콘 질화물을 사용하는 것의 영향을 예시하는 실험 결과를 나타낸다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 후면 접촉 태양 전지 상에 다층 반사 방지 구조를 형성하는 방법의 흐름도를 나타낸다.
상이한 도면에서의 동일한 참조 라벨 사용은 동일하거나 유사한 컴포넌트를 지시한다. 도면은 비율대로 그려지지 않았다.
본 명세서에서는, 본 발명의 실시예에 대한 충분한 이해를 제공하기 위해, 재료, 프로세스 파라미터, 프로세스 단계, 및 구조의 예들과 같은, 다수의 구체적인 세부 사항이 제공된다. 그러나, 당업자라면, 구체적인 세부 사항 중 하나 이상이 없이도 본 발명이 실시될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 다른 경우로서, 본 발명의 양태를 불명료하게 하는 것을 방지하기 위해 주지의 세부 사항은 도시되지 않거나 설명되지 않는다.
이론에 의해 제한되지 않고, 본 발명자는 현재 이용 가능한 후면 접촉 태양 전지가 이하의 분석에 기초해 개선될 수 있다고 생각한다.
고효율의 후면 접촉 태양 전지를 만들기 위해서는 전면 텍스처링된 표면의 패시베이션이 중요한데, 수집된 태양 복사로부터 생성되는 전자 및 홀의 밀도가 실리콘 기판의 전면 표면에 집중되기 때문이다. 광 강도 및 실리콘 기판에서의 광생성(photo-generated) 전자 및 홀의 밀도는 기판의 전면 표면으로부터 뒤 표면까지 기하급수적으로 감소한다. 전면에서의 양호한 패시베이션없이는, 다량의 전자 및 홀이 SiO2/Si 인터페이스에서 재결합하여 감소된 태양 전지 효율을 초래할 수 있다.
UV 복사는 후면 접촉 태양 전지의 전면 패시베이션을 열화시켜, 효율을 감소시키고 신뢰성 문제를 발생시킬 수 있다. 기존의 후면 접촉 태양 전지의 전면에 대한 대역도(band diagram)를 나타내는 도 2는 전면 패시베이션의 열화를 설명할 수 있는 메커니즘을 예시한다. 실리콘 이산화물의 전도 대역과 실리콘의 전도 대역 사이의 에너지 차이는 3.1eV이다. 이 에너지는 400nm 파장을 갖는 광자(photon) 에너지에 해당된다. 400nm보다 짧은 파장을 갖는 UV 복사는 실리콘 전도 대역으로부터 실리콘 이산화물 전도 대역으로 전자를 여기시키기에 충분한 에너지를 가지므로, SiO2/Si 결함 상태 밀도(defect state density)를 증가시킬 것이다. 따라서, 이 프로세스는 전면에서의 전자와 홀의 증가된 재결합을 초래하여 태양 전지 효율을 감소시킨다. P. E. Gruenbaum, R. R. King, R. M. Swanson, "Photoinjected hot-electron damage in silicon point-contact solar cells," Journal of Applied Physics, vol. 66, p. 6110-6114, 1989를 또한 참고한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 후면 접촉 태양 전지(300)를 개략적으로 나타낸다. 태양 전지(300)는 110보다는 310의 반사 방지 구조를 사용한다는 것을 제외하면 도 1의 태양 전지(100)와 동일하다. 양자의 태양 전지(100 및 300)에 공통적인 컴포넌트는 도 1을 참조하여 앞서 설명되었다.
일 실시예에서, 반사 방지 구조(310)는 패시베이션 층(312), 패시베이션 층(312) 위에 형성된 높은 광 흡수 층(313), 및 높은 광 흡수 층(313) 위에 형성된 낮은 광 흡수 층(314)을 포함한다. 일 실시예에서, 패시베이션 층(312)은 약 0.5nm 내지 100nm의 두께로 열적으로 성장된 실리콘 이산화물을 포함하는 한편, 낮은 광 흡수 층(314)은 플라즈마 강화 화학적 기상 증착(plasma enhanced chemical vapor deposition) 또는 반응성 스퍼터링(reactive sputtering)에 의해 약 5nm 내지 100nm의 두께로 증착된 실리콘 질화물을 포함한다.
높은 광 흡수 층(313)은, 낮은 광 흡수 층(314)에 비해, 높은 광 흡수 층(313)을 통과하는 광의 상당 비율을 높은 광 흡수 층(313)이 흡수하기 때문에 그렇게 명명되었다. 일 실시예에서, 높은 광 흡수 층(313)은 400nm 이하의 파장을 갖는 광의 적어도 10%를 차단하도록 구성된다. 일반적으로, 높은 광 흡수 층은 태양 전지 기판에 도달하는 광량을 감소시킬 수 있기 때문에, 태양 전지의 전면에 높은 광 흡수 층을 사용하는 것이, 대부분의 태양 전지 설계에서 추천되지 않으므로 태양 전지 산업에서의 통상적인 실시는 아니다. 다시 말해, 높은 광 흡수 층은 태양 전지 효율에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 이것은 태양 전지의 전면에 낮은 광 흡수 층이 사용되는 것이 일반적으로 선호되는 이유이기도 하다. 그러나, 이하에서 좀더 분명히 알 수 있는 바와 같이, 높은 광 흡수 층을 전면에 사용하면, 높은 광 흡수 층이 효율에 부정적인 영향을 미치지 않으면서 태양 전지 안정성을 개선할 수 있다는 점에서, 그것이 후면 접촉 태양 전지에 사용되는 경우 예상치 못한 이점을 가진다. 사실상, 본 발명자에 의해 수행된 연구는, 후면 접촉 태양 전지 전면의 높은 광 흡수 층이 일부 경우에서는 효율을 증가시키는데 실제로 도움이 될 수 있다는 것을 나타낸다.
UV 안정성을 개선하고 시간에 따른 최소한의 성능 열화를 달성하기 위해, 높은 광 흡수 층(313)은, 가시광에 대한 최소 필터링 효과를 이용하여, 태양 전지(300)의 (일반적으로 "104"로서 레이블링된) SiO2/Si 인터페이스를 어택(attack)하는 UV 복사량을 감소시키도록 구성된다. 예를 들어, 높은 광 흡수 층(313)은 가시광에 대해서는 비교적 투과성이지만 UV 복사(즉, 400nm 이하 범위의 파장을 가진 광)에 대해서는 상당히 흡수성인 재료를 구비할 수 있다. 높은 광 흡수 층(313)은, 일 실시예에서 N형 실리콘을 포함하는 실리콘 기판(102)과 실리콘 이산화물 패시베이션 층(312) 사이의 인터페이스에 대한 UV 복사 손상을 감소시킨다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 후면 접촉 태양 전지(300A)를 개략적으로 나타낸다. 태양 전지(300A)는, 높은 광 흡수 층이 비정질 실리콘 층(413)을 포함하고 낮은 광 흡수 층이 실리콘 질화물 층(414)을 포함하는 태양 전지(300)(도 3 참조)의 특정 실시예이다. 태양 전지(300A)의 다층 반사 방지 구조는 총체적으로 "310A"로서 레이블링된다. 그 점을 제외하면, 태양 전지(300A 및 300)는 동일하다.
도 5 및 도 6은, 각각, 비정질 실리콘 및 실리콘 질화물의 흡광계수(k)의 플롯을 광 파장의 함수로서 나타낸다. 태양 전지의 맥락에서, 흡광계수는 재료가 광을 얼마나 잘 흡수하는지의 측정치이다. 따라서, 비정질 실리콘 또는 실리콘 질화물이 반사 방지 코팅(310A)에 사용되는 경우에 후면 접촉 태양 전지(300A)의 SiO2/Si 인터페이스(104)에 도달하는 광 강도는 2개 재료의 흡광계수를 사용하여 평가될 수 있다.
도 7은 광 특성과 비정질 실리콘 및 실리콘 질화물의 광 강도에 대한 영향의 도표를 나타낸다. 도 7의 도표는 광 파장, 흡광계수(k), 계산된 흡수계수(α), 광 강도를 (1/e인) 64%만큼 떨어뜨리기 위해 각 재료에서 요구되는 두께, 그리고 광 강도를 10%만큼 떨어뜨리기 위해 비정질 실리콘(a-Si) 및 실리콘 질화물을 위해 요구되는 두께의 기재 사항(entries)을 갖는다.
비정질 실리콘의 흡광계수 및 흡수계수가 좀더 크기 때문에, 광 강도를 상당량 감소시키기 위해 요구되는 비정질 실리콘의 두께는 실리콘 질화물의 두께에 비해 비교적 얇다. SiO2/Si 인터페이스를 심각하게 손상시킬 수 있는 UV 스펙트럼에서의 가장 긴 파장인 400nm 파장을 갖는 광을 고려할 때, 광의 10%를 필터링하여 제거하기 위해 약 11nm의 비정질 실리콘이 필요하다. 350nm 파장에 대해서는, 광의 10%를 필터링하여 제거하기 위해 약 1nm의 비정질 실리콘만이 필요하다. 이러한 두께는 실리콘 질화물을 위한 두께에 비해 현저하게 차이가 난다. 400nm에서, 광의 10%를 필터링하여 제거하기 위해 약 1545nm의 실리콘 질화물이 필요하다. 태양 전지의 통상적인 반사 방지 구조에서, 실리콘 질화물의 두께는 대부분 이 값의 1/10 보다 작다. 따라서, 400nm 보다 짧은 파장을 갖는 UV 복사는 본질적으로 필터링없이 실리콘 질화물을 통과할 것이다. 반사 방지 구조(310A)에서와 같이, 다층 반사 방지 구조의 실리콘 질화물과 실리콘 이산화물 사이에 11nm 보다 큰 비정질 실리콘이 형성되는 경우, UV 복사의 90% 미만이 비정질 실리콘을 통과할 것이다. 따라서, 비정질 실리콘은 후면 접촉 태양 전지의 SiO2/Si 인터페이스를 보호하기 위한 훌륭한 UV 필터로서 이용될 수 있다. 비정질 실리콘은, 후면 접촉 전지의 다층 반사 방지 구조에서 높은 광 흡수 층으로서 이용되는 경우, 태양 전지의 전면으로부터 들어오는 태양 복사의 적어도 25%를 필터링하여 제거하거나 차단하도록 형성되는 것이 바람직하다.
도 8은, 도 4의 태양 전지(300A)에서와 같이, 비정질 실리콘이 후면 접촉 태양 전지의 다층 반사 방지 구조에 사용되는 경우에 UV 안정성에서의 개선을 예시하는 플롯을 나타낸다. 도 8의 플롯은 후면 접촉 태양 전지에 관한 실험으로부터 얻어진다. 도 8에서, 수직 축은 실험에 관련된 후면 접촉 태양 전지의 개방 회로 전압(Voc)에서의 백분율 변화를 표현하는 한편, 수평 축은 태양 전지가 UV 복사하에 있었던 시간량을 시간(hour)으로 표현한다. 플롯(801)은 단지 참조를 위한 것으로, 태양 전지가 어떠한 UV 복사에도 노출되지 않은 경우의 시간에 따른 개방 회로 전압의 백분율 변화를 나타낸다. 플롯(802)은 100nm 두께의 실리콘 질화물 층(414) 및 60nm 두께의 비정질 실리콘 층(413)을 갖는 태양 전지(300A)와 같은 후면 접촉 태양 전지에 대한 것이고, 플롯(803)은 100nm 두께의 실리콘 질화물 층(414) 및 30nm 두께의 비정질 실리콘 층(413)을 갖는 태양 전지(300A)와 같은 후면 접촉 태양 전지에 대한 것이다. 플롯(804)은 태양 전지(100)(도 1 참조)와 같은 후면 접촉 태양 전지에 대한 것이다. 즉, 플롯(804)은 태양 전지의 반사 방지 구조에 비정질 실리콘 층을 갖지 않는 기존의 후면 접촉 태양 전지에 대한 것이다.
도 8로부터 명백히 알 수 있는 바와 같이, 실리콘 질화물만이 반사 방지 구조에 사용되는 경우(플롯 804)에는, UV 복사에 80 시간 노출된 후, 태양 전지의 개방 회로 전압이 1.2%보다 크게 열화되었다. (11nm보다 큰) 30nm의 비정질 실리콘이 반사 방지 구조에 추가되는 경우(플롯 803), 태양 전지는 UV 손상에 대해 강건해진다. 30nm 두께의 비정질 실리콘에 대해, 태양 전지의 개방 회로 전압은 동일한 80 시간 주기에 걸쳐 0.1%보다 작게 떨어졌다. 60nm 비정질 실리콘이 사용되는 경우, 개방 회로 전압은, UV 복사에 노출되지 않은 태양 전지의 그것과 유사한 프로파일(플롯 801)을 가지며, 훨씬 적은 열화를 나타내었다(플롯 802). 따라서, 후면 접촉 태양 전지의 반사 방지 구조에 비정질 실리콘을 추가하는 것은, 시간에 따른 패시베이션 레벨 열화를 최소화하면서, 태양 전지의 UV 안정성을 개선하는 효과적인 방법이다.
비정질 실리콘이 후면 접촉 태양 전지의 UV 안정성을 개선하기는 하지만, 비정질 실리콘이 가시광 영역에서 높은 흡수를 갖는다는 점에서 한가지 문제를 발생시킨다. 이것은, 전면 방사 방지 구조의 비정질 실리콘이 태양 전지의 효율을 감소시킬 수 있다는 것을 의미한다. 이 현상은 도 9를 참조하여 설명된다.
도 9는 양자 효율에 대한 비정질 실리콘의 영향에 대한 플롯을 나타낸다. 태양 전지의 맥락에서, 양자 효율은, 전자-홀 쌍을 발생시킬, 태양 전지 표면에 충돌하는 광자의 백분율이다. S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, 2nd Ed. 1981을 또한 참고한다. 도 9의 실례에서, 수평 축은 광 파장을 표현하는 한편, 수직 축은 등가 양자 효율(equivalent quantum efficiency)을 백분율로 나타낸다. 플롯(902)은 100nm 두께의 실리콘 질화물 층(414) 및 60nm 두께의 비정질 실리콘 층(413)을 갖는 태양 전지(300A)와 같은 후면 접촉 태양 전지에 대한 것이고, 플롯(903)은 100nm 두께의 실리콘 질화물 층(414) 및 30nm 두께의 비정질 실리콘 층(413)을 갖는 태양 전지(300A)와 같은 후면 접촉 태양 전지에 대한 것이다. 플롯(904)은 태양 전지(100)(도 1 참조)에서와 같이 태양 전지의 반사 방지 구조에 비정질 실리콘 층을 갖지 않는 후면 접촉 태양 전지에 대한 것이다. 플롯(904)을 플롯(902 및 903)과 비교하면, 후면 접촉 태양 전지의 전면에 비정질 실리콘을 추가하는 것이 등가 양자 효율을 감소시킨다는 것이 명백하다. 추가되는 비정질 실리콘이 두꺼울수록, 효율의 감소는 커진다.
이제 도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 후면 접촉 태양 전지(300B)의 개략도가 표시된다. 태양 전지(300B)는, 높은 광 흡수 층이 하이-k 실리콘 질화물 층(513)을 포함하고 낮은 광 흡수 층이 로우-k 실리콘 질화물 층(514)을 포함하는 태양 전지(300)(도 3 참조)의 특정 실시예이다. 태양 전지(300B)의 다층 반사 방지 구조는 총체적으로 "310B"로서 레이블링된다. 그 점을 제외하면, 태양 전지(300B 및 300A)는 동일하다.
"하이-k 실리콘 질화물" 및 "로우-k 실리콘 질화물"은, 각각, 높은 흡광계수 및 낮은 흡광계수를 갖는 실리콘 질화물을 의미한다. 하이-k 실리콘 질화물은 400nm 이하의 광 파장에서 적어도 0.03의 흡광계수를 갖는 실리콘 질화물을 포함한다. 일 실시예에서, 하이-k 실리콘 질화물은 플라즈마 강화 화학적 기상 증착 또는 반응성 스퍼터링에 의해 형성될 수 있다. 로우-k 실리콘 질화물은 400nm 이상의 광 파장에서 많아야 0.03의 흡광계수를 갖는 실리콘 질화물을 포함한다. 일 실시예에서, 로우-k 실리콘 질화물은 플라즈마 강화 화학적 기상 증착 또는 반응성 스퍼터링에 의해 형성될 수 있다.
도 11은 하이-k 및 로우-k 실리콘 질화물 층을 위한 흡광계수 플롯을 광 파장의 함수로서 나타낸다. 도 11의 실례에서, 수평 축은 광 파장을 나타내고, 수직 축은 흡광계수를 나타낸다. 플롯(921)은 하이-k 실리콘 질화물에 대한 것인 한편, 플롯(922)은 로우-k 실리콘 질화물에 대한 것이다. 도 11로부터 명백히 알 수 있는 바와 같이, 하이-k 실리콘 질화물의 흡광계수는 400nm 이하의 파장에서 로우-k 실리콘 질화물의 흡광계수보다 크기의 차수(orders of magnitude)가 높다.
도 12는 광 특성과 로우-k 및 하이-k 실리콘 질화물의 광 강도에 대한 영향의 도표를 나타낸다. 도 12로부터, 로우-k 실리콘 질화물은 사실상 UV 복사에 투과성이다. 반대로, 하이-k 실리콘 질화물은 UV 범위에서 꽤 많은 흡수를 갖는다(α 참조). 400nm에서, 하이-k 실리콘 질화물을 이용하여 광의 10%를 제거하기 위해서는 약 10nm의 두께가 필요하다. 350nm에서는, 동일한 결과를 위해 약 6nm의 두께만이 필요하다. 따라서, 하이-k 실리콘 질화물은 아주 양호한 UV 복사 필터이고 태양 전지의 UV 안정성을 개선하는데 사용될 수 있다.
양호한 UV 복사 필터일 뿐만 아니라, 하이-k 실리콘 질화물은 또한 가시 범위에서는 비교적 투과성이기도 하다. 이것은 하이-k 실리콘 질화물이 비정질 실리콘에 비해 다층 반사 방지 구조의 높은 광 흡수 층으로서 좀더 바람직하게 한다. 도 12로부터, 535nm의 파장에서 광의 10%를 제거하기 위해서는 약 668nm의 하이-k 실리콘 질화물이 필요한 반면, 비정질 실리콘은 151nm의 두께만을 요구한다(도 7 참조). 따라서, 하이-k 실리콘 질화물은, 대부분의 가시광이 전기 에너지로의 변환을 위해 태양 전지의 실리콘 기판쪽으로 진입하는 것을 여전히 허용하면서, 비교적 양호한 UV 필터로서 사용될 수 있다.
바람직하게는, 반사 방지 구조에서의 하이-k 실리콘 질화물의 두께는, UV 안정성을 개선하면서 적어도 태양 전지 효율을 유지할 정도이다. 하이-k 실리콘 질화물의 두께는 후면 접촉 태양 전지의 세부 사항(particulars)에 따라 달라질 수 있다. 일반적으로, 하이-k 실리콘 질화물의 두께는 다음의 식 1에 따라 판정될 수 있다.
높은 광 흡수 층 두께 > ln(0.9)λ/(-4 πk) (식 1)
여기에서, λ는 광 파장으로 400nm 이하이고, k는 흡광계수이다. 바람직스럽기로는, 하이-k 실리콘 질화물은, 태양 전지가 노출되는 UV 복사(400nm 이하 파장)의 적어도 10%를 필터링하여 제거하도록 구성된다. 수학식 1은, 하이-k 실리콘 질화물만이 아니라, 높은 광 흡수 층의 두께를 판정하는데 일반적으로 사용될 수 있다는 것에 유의해야 한다.
도 13은 후면 접촉 태양 전지의 전반적인 효율에 대한 하이-k 실리콘 질화물을 사용하는 것의 영향을 예시하는 실험 결과를 나타낸다. 도 13에서, "With high-k SiN"으로 레이블링된 열은 후면 접촉 태양 전지(300B)(도 10)에서와 같이 하이-k 실리콘 질화물을 갖는 후면 접촉 태양 전지에 대한 것이고, "Only Low-k SiN"으로 레이블링된 열은 후면 접촉 태양 전지(100)(도 1)에서와 같이 하이-k 실리콘 질화물을 갖지 않는 후면 접촉 태양 전지에 대한 것이다. 도 13으로부터 명백히 알 수 있는 바와 같이, 하이-k 실리콘 질화물은 효율에는 최소한의 영향을 미치고 일부 실례에서는 심지어 더 높은 효율을 초래한다. 다층 반사 방지 구조에 하이-k 실리콘 질화물을 갖는 것은 효율에 부정적인 영향을 미치지 않는다.
도 14는 후면 접촉 태양 전지의 개방 회로 전압의 백분율 변화에 대한 하이-k 실리콘 질화물을 사용하는 것의 영향을 예시하는 실험 결과를 나타낸다. 도 14에서, "With high-k SiN"으로 레이블링된 열은 후면 접촉 태양 전지(300B)(도 10)에서와 같이 하이-k 실리콘 질화물을 갖는 후면 접촉 태양 전지에 대한 것이고, "Only Low-k SiN"으로 레이블링된 열은 후면 접촉 태양 전지(100;도 1)에서와 같이 하이-k 실리콘 질화물을 갖지 않는 후면 접촉 태양 전지에 대한 것이다. "Ref"로 레이블링된 열은 단지 참조를 위한 것으로 UV 복사에 노출되지 않은 후면 접촉 태양 전지(100)에 대한 것이다. 열(columns)은, 태양 전지가 UV 복사에 노출된 시간량을, 시간(0 및 189.7 시간)으로, 나타낸다. 도 14로부터, 다층 반사 방지 구조 상에 하이-k 실리콘 질화물을 갖는 것은 UV 노출로 인한 개방 회로 전압의 열화를 최소화함으로써 태양 전지를 안정화시킨다는 것을 알 수 있다. 따라서, 하이-k 실리콘 질화물의 사용은 효율에 부정적인 영향을 미치지 않으면서 후면 접촉 태양 전지의 UV 안정성을 개선한다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른, 후면 접촉 태양 전지에 다층 반사 방지 구조를 형성하는 방법(500)의 흐름도가 표시된다. 후면 접촉 태양 전지는 정상적인 동작 동안 태양을 대면하는 전면 및 전면에 대향하는 후면을 포함한다. 확산 영역 및 확산 영역을 접촉시키기 위한 금속 접촉 모두가 태양 전지의 후면에 형성된다.
단계(501)에서, 태양 전지의 전면은 무작위로 텍스처링된다. 무작위 텍스처링(random texturing)은 N형 실리콘 기판의 전면 표면에 형성될 수 있다. 기판의 전면 표면은, 예를 들어, 수산화 칼륨(potassium hydroxide), 물, 및 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol)을 포함하는 습식 에칭 프로세스를 사용해 텍스처링될 수 있다. 습식 에칭 프로세스는 전면을 무작위 피라미드(random pyramids)로써 텍스처링함으로써, 태양 복사 수집 효율을 개선한다는 장점을 갖는다.
단계(502)에서는, 텍스처링된 전면 표면 위에 패시베이션 레벨이 형성된다. 일 실시예에서, 패시베이션 레벨은 텍스처링된 전면 표면 상에 약 0.5nm 내지 100nm의 두께로, 바람직하게는 약 50nm의 두께로 열적 성장된 실리콘 이산화물 층을 포함한다.
단계(503)에서는, UV 복사를 차단하도록 구성되는 높은 광 흡수 층이 패시베이션 레벨 위에 형성된다. 바람직하게는, 높은 광 흡수 층은 전면으로부터 실리콘 기판쪽으로 들어오는 400nm 이하 파장의 광 중 적어도 10%를 차단하도록 구성된다. 높은 광 흡수 층의 두께는 애플리케이션에 따라 달라질 수 있다. 하이-k 실리콘 질화물을 위해 앞서 논의된 수학식 1이 다른 재료를 위한 높은 광 흡수 층의 두께를 계산하기위해 또한 사용될 수 있다. 높은 광 흡수 층은 플라즈마 강화 화학적 기상 증착 또는 반응성 스퍼터링에 의해 약 1nm 내지 100nm의 두께로, 바람직하게는 약 12nm의 두께로 형성된 하이-k 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.
단계(504)에서는, 높은 광 흡수 층 위에 낮은 광 흡수 층이 형성된다. 낮은 광 흡수 층은 플라즈마 강화 화학적 기상 증착, 반응성 스퍼터링, 또는 다른 적당한 프로세스에 의해 20nm 내지 100nm의 두께로, 바람직하게는 약 60nm의 두께로 성막된 로우-k 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.
후면 접촉 태양 전지를 위한 개선된 다층 반사 방지 구조 및 그것을 제작하는 프로세스가 개시되었다. 본 발명의 특정 실시예가 제공되었지만, 이들 실시예는 예시를 위한 것으로 제한하려는 것이 아니라는 것을 이해할 수 있어야 한다. 당업자라면, 이 명세서를 판독하면서 다수의 추가적인 실시예들을 분명히 알 수 있을 것이다.

Claims (25)

  1. 후면 접촉 태양 전지를 제조하는 방법으로서,
    상기 후면 접촉 태양 전지의 전면 상의 실리콘 기판의 표면을 텍스처링하여 텍스처링된 전면 표면을 생성하는 단계 - 상기 후면 접촉 태양 전지는 상기 전면과 대향하는 후면 상에 확산 영역들 및 상기 확산 영역들에 전기적으로 결합되는 금속 접촉들을 갖고, 상기 전면은 정상 동작 동안 태양을 대면하여 태양 복사를 수집함 - ;
    상기 텍스처링된 전면 표면 위에 실리콘 이산화물을 포함하는 패시베이션 레벨을 형성하는 단계;
    상기 패시베이션 레벨 위에 하이-k 실리콘 질화물 층을 형성하는 단계 - 상기 하이-k 실리콘 질화물 층은 상기 전면으로부터 상기 실리콘 기판쪽으로 들어오는 UV 복사 중 적어도 10%를 차단하도록 구성됨 - ; 및
    상기 하이-k 실리콘 질화물 층 위에 로우-k 실리콘 질화물 층을 형성하는 단계
    를 포함하는 후면 접촉 태양 전지 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하이-k 실리콘 질화물 층은 400nm 이하 파장을 갖는 광에 대해 적어도 0.03의 흡광계수를 갖고, 상기 로우-k 실리콘 질화물 층은 400nm 이상 파장을 갖는 광에 대해 많아야 0.03의 흡광계수를 갖는 후면 접촉 태양 전지 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 기판은 N형 실리콘 기판을 포함하는 후면 접촉 태양 전지 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 패시베이션 레벨은 열적으로 성장된 실리콘 이산화물을 포함하는 후면 접촉 태양 전지 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하이-k 실리콘 질화물은 1nm 내지 100nm 범위의 두께를 갖는 후면 접촉 태양 전지 제조 방법.
  6. 후면 접촉 태양 전지로서,
    상기 후면 접촉 태양 전지의 전면 실리콘 기판 상의 텍스처링된 표면 - 상기 전면은 정상 동작 동안 태양을 대면하여 태양 복사를 수집함 - ;
    상기 텍스처링된 표면 상에 형성되는 패시베이션 레벨;
    상기 패시베이션 레벨 상에 형성되는 높은 광 흡수 층(high optical absorption layer) - 상기 높은 광 흡수 층은 상기 전면으로부터 상기 실리콘 기판쪽으로 들어오는 UV 복사 중 적어도 10%를 차단하도록 구성됨 - ; 및
    상기 높은 광 흡수 층 상에 형성되는 낮은 광 흡수 층
    을 포함하는 후면 접촉 태양 전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 높은 광 흡수 층은 400nm 이하 파장을 갖는 광에 대해 적어도 0.03의 흡광계수를 갖고, 상기 낮은 광 흡수 층은 400nm 이상 파장을 갖는 광에 대해 많아야 0.03의 흡광계수를 갖는 후면 접촉 태양 전지.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 높은 광 흡수 층은 하이-k 실리콘 질화물을 포함하는 후면 접촉 태양 전지.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 낮은 광 흡수 층은 로우-k 실리콘 질화물을 포함하고, 상기 높은 광 흡수 층은 하이-k 실리콘 질화물을 포함하는 후면 접촉 태양 전지.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 패시베이션 레벨은 실리콘 이산화물을 포함하는 후면 접촉 태양 전지.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 실리콘 기판은 N형 실리콘을 포함하는 후면 접촉 태양 전지.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 높은 광 흡수 층은 400nm 이하 파장을 갖는 광에 대해 적어도 0.03의 흡광계수를 갖는 하이-k 실리콘 질화물을 포함하는 후면 접촉 태양 전지.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 높은 광 흡수 층은 1nm 내지 100nm 범위의 두께로 형성되는 하이-k 실리콘 질화물을 포함하는 후면 접촉 태양 전지.
  14. 후면 접촉 태양 전지를 제조하는 방법으로서,
    상기 후면 접촉 태양 전지의 태양 전지 기판의 전면의 표면을 텍스처링하여 텍스처링된 전면 표면을 생성하는 단계 - 상기 전면은 정상적인 동작 동안 태양을 대면하여 태양 복사를 수집함 - ;
    상기 텍스처링된 전면 표면 위에 패시베이션 레벨을 형성하는 단계;
    상기 패시베이션 레벨 위에 높은 광 흡수 층을 형성하는 단계 - 상기 높은 광 흡수 층은 상기 전면으로부터 상기 기판쪽으로 들어오는 UV 복사 중 적어도 10%를 차단하도록 구성됨 - ; 및
    상기 높은 광 흡수 층 위에 낮은 광 흡수 층을 형성하는 단계
    를 포함하는 후면 접촉 태양 전지 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 패시베이션 레벨은 열적으로 성장된 실리콘 이산화물을 포함하는 후면 접촉 태양 전지 제조 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 낮은 광 흡수 층은 400nm 이하 파장을 갖는 광에 대해 많아야 0.03의 흡광계수를 갖는 로우-k 실리콘 질화물을 포함하는 후면 접촉 태양 전지 제조 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 높은 광 흡수 층은 400nm 이하 파장을 갖는 광에 대해 적어도 0.03의 흡광계수를 갖는 하이-k 실리콘 질화물을 포함하는 후면 접촉 태양 전지 제조 방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 기판은 N형 실리콘을 포함하는 후면 접촉 태양 전지 제조 방법.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 기판은 N형 실리콘을 포함하고, 상기 패시베이션 레벨은 상기 N형 실리콘의 표면 상에 열적으로 성장된 실리콘 이산화물을 포함하는 후면 접촉 태양 전지 제조 방법.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 높은 광 흡수 층은 1nm 내지 100nm 범위의 두께로 형성된 하이-k 실리콘 질화물을 포함하는 후면 접촉 태양 전지 제조 방법.
  21. 후면 접촉 태양 전지로서,
    상기 후면 접촉 태양 전지의 기판의 전면 상에 형성되는 패시베이션 레벨;
    상기 패시베이션 레벨 상에 형성되는 높은 광 흡수 층 - 상기 높은 광 흡수 층은 상기 전면으로부터 상기 기판쪽으로 들어오는 UV 복사를 차단하도록 구성됨 - ; 및
    상기 높은 광 흡수 층 상에 형성되며 상기 높은 광 흡수 층 및 상기 패시베이션 레벨과 함께 다층 반사 방지 구조를 형성하는 낮은 광 흡수 층
    을 포함하는 후면 접촉 태양 전지.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 높은 광 흡수 층은 400nm 이하 파장의 광에 대해 적어도 0.03의 흡광계수를 갖는 후면 접촉 태양 전지.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 높은 광 흡수 층은 하이-k 실리콘 질화물을 포함하는 후면 접촉 태양 전지.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 패시베이션 레벨은 상기 기판의 텍스처링된 표면 상에 형성되는 후면 접촉 태양 전지.
  25. 제21항에 있어서,
    상기 패시베이션 레벨은 실리콘 이산화물을 포함하는 후면 접촉 태양 전지.
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