KR20110024947A - 태양 전지 - Google Patents

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KR20110024947A
KR20110024947A KR1020090083143A KR20090083143A KR20110024947A KR 20110024947 A KR20110024947 A KR 20110024947A KR 1020090083143 A KR1020090083143 A KR 1020090083143A KR 20090083143 A KR20090083143 A KR 20090083143A KR 20110024947 A KR20110024947 A KR 20110024947A
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이두열
김동섭
이진욱
고화영
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삼성전자주식회사
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Abstract

p형 및 n형 중에서 선택된 제1 도전성 타입을 가지는 부분과 p형 및 n형 중에서 선택되며 제1 도전성 타입과 다른 제2 도전성 타입을 가지는 부분을 포함하며, 일면으로부터 다른 일면까지 관통하는 복수의 접촉구를 가지는 반도체 기판, 반도체 기판의 일면에 형성되어 있으며 제1 도전성 타입을 가지는 부분과 전기적으로 연결되어 있는 제1 전극, 그리고 반도체 기판의 다른 일면에 형성되어 있으며 제1 전극과 전기적으로 연결되어 있는 제2 전극, 그리고 제2 전극과 동일한 면에 형성되어 있으며, 반도체 기판의 제2 도전성 타입을 가지는 부분과 전기적으로 연결되어 있는 제3 전극을 포함하고, 복수의 접촉구는 복수 개가 모여있는 접촉구 군(group)을 이루며, 제1 전극과 제2 전극은 접촉구 군을 이루는 접촉구 중 일부를 통하여 연결되어 있는 태양 전지를 제공한다.
태양 전지, 반도체 기판, 접촉구, 오정렬

Description

태양 전지{SOLAR CELL}
본 기재는 태양 전지에 관한 것이다.
태양 전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환 소자로서, 무한정 무공해의 차세대 에너지 자원으로 각광받고 있다.
태양 전지는 p형 반도체 및 n형 반도체를 포함하는 반도체 기판, 반도체기판 위 그리고 아래에 위치하는 전극을 포함한다. 광활성층에서 태양 광 에너지를 흡수하면 반도체 내부에서 전자-정공 쌍(electron-hole pair, EHP)이 생성되고, 여기서 생성된 전자 및 정공이 n형 반도체 및 p형 반도체로 각각 이동하고 이들이 전극에 수집됨으로써 외부에서 전기 에너지로 이용할 수 있다.
한편, 태양 전지는 태양 에너지로부터 가능한 많은 전기 에너지를 출력할 수 있도록 효율을 높이는 것이 중요하다. 태양 전지의 효율을 높이기 위하여 다양한 구조의 태양 전지가 연구되고 있으며, 이러한 다양한 구조의 태양 전지에서 공정상 불량을 줄이는 것 또한 중요하다.
태양 전지의 효율을 개선하면서 공정 불량을 줄일 수 있는 태양 전지를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 태양 전지는 p형 및 n형 중에서 선택된 제1 도전성 타입을 가지는 부분과 p형 및 n형 중에서 선택되며 제1 도전성 타입과 다른 제2 도전성 타입을 가지는 부분을 포함하며, 일면으로부터 다른 일면까지 관통하는 복수의 접촉구를 가지는 반도체 기판, 반도체 기판의 일면에 형성되어 있으며 제1 도전성 타입을 가지는 부분과 전기적으로 연결되어 있는 제1 전극, 반도체 기판의 다른 일면에 형성되어 있으며 제1 전극과 전기적으로 연결되어 있는 제2 전극, 그리고 제2 전극과 동일한 면에 형성되어 있으며, 반도체 기판의 제2 도전성 타입을 가지는 부분과 전기적으로 연결되어 있는 제3 전극을 포함하고, 복수의 접촉구는 복수 개가 모여있는 접촉구 군(group)을 이루며, 제1 전극과 제2 전극은 접촉구 군을 이루는 접촉구 중 일부를 통하여 연결되어 있다.
접촉구 군은 매트릭스(matrix) 형태로 배열되어 있을 수 있다.
제1 전극은 나란하게 배열되어 있는 부분과 이웃하는 제1 전극이 수렴하는 부분을 포함할 수 있다.
제1 전극은 상기 수렴 부분에서 제2 전극과 접촉할 수 있다.
제1 전극이 수렴하는 부분은 접촉구 군을 이루는 접촉구 중 일부와 중첩할 수 있다.
복수의 제1 전극이 수렴하는 부분은 이웃하는 복수 개의 제1 전극이 수렴할 수 있다.
제2 전극은 접촉구 군을 이루는 적어도 일부의 접촉구에 채워져 있을 수 있다.
제2 전극은 기판의 일 방향을 따라 뻗어 있는 막대형 부분을 포함하고, 복수의 접촉구 군은 제2 전극의 막대형 부분과 중첩하게 배열되어 있을 수 있다.
반도체 기판과 제2 전극 및 제3 전극 사이에 위치하며 복수의 개구부를 가지는 유전막을 더 포함하고, 반도체 기판과 제3 전극은 개구부를 통하여 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.
유전막은 접촉구에서 반도체 기판과 제2 전극 사이에 위치할 수 있다.
전자를 포집하는 전면 전극과 접촉구가 오정렬이 발생할지라도, 접촉구멍이 접촉구 군으로 구분되어 있기 때문에, 반도체 기판의 후면에 형성되어있는 버스 바 전극과 접촉할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였 다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
먼저 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 구현예에 따른 태양 전지를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 태양 전지의 전면을 도시한 평면도이고, 도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 태양 전지의 후면을 도시한 평면도이고, 도 3은 도 1 및 도 2의 태양 전지를 III-III 선에 따라 자른 단면도이고, 도 4는 도 1 및 도 2의 태양 전지를 Ⅳ-Ⅳ 선에 따라 자른 단면도이다.
이하에서는 설명의 편의상 반도체 기판(110)의 일면을 중심으로 전면(front surface) 및 후면(rear surface), 상부 및 하부의 위치 관계를 설명하지만 보는 관점에 따라 그 위치 관계는 바뀔 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 태양 전지(100)는 반도체 기판(110)을 포함한다. 반도체 기판(110)은 결정질 규소 또는 화합물 반도체로 만들어질 수 있으며, 결정질 규소인 경우 예컨대 실리콘 웨이퍼가 사용될 수 있다.
반도체 기판(110)은 도 3에서 보는 바와 같이 제1 반도체 층(110a)과 제1 반도체 층(110a)을 둘러싸는 제2 반도체 층(110b)을 포함한다. 제1 반도체 층(110a)과 제2 반도체 층(110b) 중 하나는 p형 불순물로 도핑된 반도체 층이고 다른 하나는 n형 불순물로 도핑된 반도체 층일 수 있으며, 예컨대 제1 반도체 층(110a)이 p 형 반도체 층이고 제2 반도체 층(110b)이 n형 반도체 층일 수 있다. 이 때 p형 불순물은 붕소(B)와 같은 III족 원소일 수 있고, n형 불순물은 인(P)과 같은 V족 원소일 수 있다.
반도체 기판(110)은 전면부터 후면까지 관통하고 있는 복수의 접촉구(115a)을 가진다. 도 1을 참고하면, 복수의 접촉구(115a)은 소정 위치에 모여 위치하는 접촉구 군(group)(115)을 이루며, 접촉구 군(115)은 가로 열 및 세로 열을 따라 매트릭스(matrix) 형태로 배열되어 있다.
복수의 접촉 구 그룹은 각각 복수개의 접촉구(115a)을 포함하고, 각 접촉구 군(115)은 소정의 간격만큼 떨어져 있다. 또한, 각 접촉구 군(115)의 각 접촉구(115a)들도 소정의 간격만큼 떨어져 있다. 도 1에서는 예시적으로 각 접촉구 군(115)이 2 개의 접촉구(115a)을 포함함을 도시하였지만, 이에 한정되지 않고 다양한 개수를 가질 수 있다.
반도체 기판(110)의 표면은 표면 조직화(surface texturing) 되어 있을 수 있다. 표면 조직화된 반도체 기판(110)은 예컨대 피라미드 모양과 같은 요철 또는 벌집(honeycomb) 모양과 같은 다공성 구조일 수 있다. 표면 조직화된 반도체 기판(110)은 표면적을 넓혀 빛의 흡수율을 높이고 반사도를 줄여 태양 전지의 효율을 개선할 수 있다.
반도체 기판(110) 위에는 복수의 전면 전극(120)이 형성되어 제2 반도체 층(110b)와 접촉하고 있다. 전면 전극(120)은 반도체 기판(110)의 일 방향을 따라 각각 뻗어 있으며, 전면 전극(120)의 일부분은 접촉구 군(115)을 이루는 접촉 구(115a) 중 일부와 중첩하고 있다.
도 1을 참고하면, 태양 전지(100)의 전면(front surface)은 복수의 전면 전극(120)이 나란하게 배열되어 있는 부분(A)과 이웃하는 전면 전극(120)이 수렴하는 부분(B)을 포함한다. 이웃하는 전면 전극(120)이 수렴하는 부분(B)은 접촉구 군(115)을 이루는 접촉구(115a)의 일부와 중첩하고 있다.
도 1에서는 전면 전극(120)이 3 개씩 수렴한 것을 예시적으로 보였지만, 이에 한정되는 것은 아니며 개수 및 모양은 다양할 수 있다.
전면 전극(120)은 은(Ag)과 같은 저저항 금속으로 만들어질 수 있고, 그리드 패턴(grid pattern)으로 설계됨으로써 빛 흡수 손실(shadowing loss) 및 면저항을 줄일 수 있다.
전면 전극(120)과 반도체 기판(110) 사이에 태양 전지 표면에서 빛의 반사율을 줄이고 특정한 파장 영역의 선택성을 증가시키는 반사 방지막(anti reflective coating, ARC) 역할을 하는 절연막이 형성될 수 있다.
반도체 기판(110)의 후면에는 유전막(130)이 형성되어 있다. 유전막(130)은 반도체 기판(110)의 후면에서 제1 반도체 층(110a)을 드러내는 접촉 구멍(131)을 가지며, 접촉 구멍(131)을 통하여 후술하는 후면 전극(140)이 반도체 기판(110)과 접촉할 수 있다.
유전막(130)은 산화알루미늄(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 질화산화알루미늄(AlON) 및 이들의 조합에서 선택된 하나를 포함할 수 있으며, 약 30 내지 1000Å 의 두께를 가질 수 있다.
도면에서는 유전막(130)이 단일층인 경우를 도시하였지만, 이에 한정되지 않고 두 개 이상의 층으로 형성될 수도 있다
유전막(130) 하부에는 후면 전극(140)과 버스 바 전극(150)이 서로 분리되어 형성되어 있다. 도 2를 참고하면, 버스 바 전극(150)은 가로로 뻗은 부분과 세로로 뻗은 부분을 포함하며, 버스 바 전극(150)이 형성된 부분을 제외한 반도체 기판(110)의 후면의 전면에는 후면 전극(140)이 형성되어 있다. 그러나 후면 전극(140)과 버스 바 전극(150)의 배치는 다양하게 변형될 수 있다.
후면 전극(140)은 제1 반도체 층(110a)과 접촉되어 있다. 후면 전극(140)은 알루미늄(Al)과 같은 불투명 금속으로 만들어질 수 있으며, 약 2 내지 50㎛의 두께를 가질 수 있다.
후면 전극(140)과 제1 반도체 층(110a)이 접촉된 부분에서는 후면 전극(140)을 이루는 예컨대 알루미늄과 같은 금속과 제1 반도체 층(110a)을 이루는 실리콘이 접촉하고, 이 때 알루미늄이 p형 불순물로 작용하여 내부 자기장이 형성됨으로써 반도체 기판(110)에서 생성된 전자가 반도체 기판(110)의 후면 측으로 이동하는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라 반도체 기판(110)의 후면 측에서 전하들이 재결합하여 소멸되는 것을 방지하여 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.
버스 바 전극(150)은 전면 전극(120)과 전기적으로 연결되어 있다. 이와 같이 전면 전극(120)과 연결되어 있는 버스 바 전극(150)이 반도체 기판(110)의 후면에 형성됨으로써 반도체 기판(110)의 전면에서 금속이 차지하는 면적을 줄여 빛 흡 수 손실(shadowing loss)을 줄일 수 있고 이에 따라 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.
버스 바 전극(150)은 복수의 접촉구 군(115)이 배열된 방향을 따라 반도체 기판(110)의 후면에 길게 형성되어 있으며, 각 접촉구 군(115)을 이루는 모든 접촉구(115a)에 채워져 있다. 도 4에서는 예시적으로 모든 접촉구(115a)에 버스 바 전극(150)이 채워져 있음을 도시하였지만, 이에 한정되지 않고 각 접촉구 군(115)을 이루는 적어도 일부의 접촉구(115a)에 버스 바 전극(150)이 채워져 있을 수 있다.
버스 바 전극(150)은 접촉구 군(115)을 이루는 접촉구(115a) 중 일부를 통하여 이웃하는 전면 전극(120)의 수렴 부분(B)과 접촉하고 있다.
본 발명의 구현예에서는 접촉구(115a)가 복수 개 모여서 접촉구 군(115)을 이룸으로써 전면 전극(120)과 반도체 기판(110)의 접촉구(115a)의 오정렬이 발생한 경우에도 전면 전극(120)과 버스 바 전극(150)의 접촉을 양호하게 유지할 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 구현예에 따른 태양 전지의 단면을 도시한 도면이다.
본 구현예에 따른 태양 전지는 전술한 구현예와 거의 동일한 구조를 가지며, 단지 유전막(130)이 전술한 구현예와는 달리 반도체 기판(110) 후면 및 접촉 구멍(115)을 둘러싸는 반도체 기판(110)의 측면 위에 형성되어 있다.
반도체 기판(110)에 접촉 구멍(115a)이 형성될 때 접촉 구멍(115a) 주변의 반도체 기판(110)이 손상될 수 있는데, 이러한 손상된 부분을 통해 전하들이 이동하여 분로 전류를 형성할 수 있고, 이러한 전하들은 버스 바 전극(150)의 금속의 전하들과 재결합하여 소멸될 수 있다. 유전막(130)은 표면에 형성되어 있는 고정 전하(fixed charge)를 이용하여 반도체 기판(110)의 손상된 부분을 통해 이동하는 전하들이 전극 쪽으로 이동하는 것을 차단함으로써 분로 전류에 의해 발생할 수 있는 전기적 손실을 줄이고 전하들이 재결합에 의해 소멸되는 것을 방지할 수 있다.
도 7 및 도 8은 전면 전극이 비스듬하게 형성되어 전면 전극과 반도체 기판의 접촉구 사이에 오정렬이 발생한 경우를 도시한 도면이다.
도 7을 참고하면, 전면 전극(120)이 반도체 기판(110)에 대하여 오른쪽 부분이 올라가도록 비스듬히 배열된 경우에, 전면 전극(120)의 좌측 수렴부(B1)는 접촉구 군(115)의 두 번째 행에 위치한 접촉구(115a)와 중첩되고, 전면 전극(120)의 우측 수렴부(B2)는 접촉구 군(115)의 첫 번째 행에 위치한 접촉구(115a)와 중첩된다. 즉 전면 전극(120)과 접촉구(115a) 사이에 오정렬이 발생한 경우에도 전면 전극(120)은 접촉구 군(115)을 이루는 접촉구(115a) 중 어느 것과도 중첩할 수 있어서 접촉구(115a)을 통한 전면 전극(120)과 버스 바 전극(150)의 접촉 불량을 방지할 수 있다.
마찬가지로, 도 8을 참고하면, 전면 전극(120)이 반도체 기판(110)에 대하여 왼쪽 부분이 올라가도록 비스듬히 배열된 경우에, 전면 전극(120)의 좌측 수렴부(B3)는 접촉구 군(115)의 첫 번째 행에 위치한 접촉구(115a)와 중첩되고 전면 전극(120)의 우측 수렴부(B4)는 접촉구 군(115)의 두 번째 행에 위치한 접촉구(115a) 중첩된다. 즉 전면 전극(120)과 접촉구(115a) 사이에 오정렬이 발생한 경우에도 접촉구 군(115)을 이루는 접촉구(115a) 중 어느 것과 중첩할 수 있어서 접촉 구(115a)을 통한 전면 전극(120)과 버스 바 전극(150)의 접촉 불량을 방지할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 구현예에서는 접촉구(115a)가 복수개의 접촉구 군(115)으로 이루어져 있으므로, 전면 전극(120)이 반도체 기판(110)의 일 방향에 나란하게 정렬되지 않고 비스듬히 배열되어 있다 하더라도, 접촉구 군(115)은 복수개의 접촉구(115a)를 포함하고 있으므로, 접촉구 군(115) 내의 접촉구(115a)에 정렬된다. 그리고, 이러한 접촉구(115a)를 통하여 버스 바 전극(150)과 연결될 수 있어서 접촉 불량을 방지할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 태양 전지의 전면을 도시한 평면도이고,
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 태양 전지의 후면을 도시한 평면도이고,
도 3은 도 1 및 도 2의 태양 전지를 III-III 선에 따라 자른 단면도이고,
도 4는 도 1 및 도 2의 태양 전지를 Ⅳ-Ⅳ 선에 따라 자른 단면도이고,
도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 구현예에 따른 태양 전지의 단면을 도시한 도면이다.
도 7 및 도 8은 전면 전극이 비스듬하게 형성되어 전면 전극과 반도체 기판의 접촉구 사이에 오정렬이 발생한 경우를 도시한 도면이다.

Claims (10)

  1. p형 및 n형 중에서 선택된 제1 도전성 타입을 가지는 부분과 p형 및 n형 중에서 선택되며 제1 도전성 타입과 다른 제2 도전성 타입을 가지는 부분을 포함하며, 일면으로부터 다른 일면까지 관통하는 복수의 접촉구를 가지는 반도체 기판,
    상기 반도체 기판의 일면에 형성되어 있으며 상기 제1 도전성 타입을 가지는 부분과 전기적으로 연결되어 있는 제1 전극,
    상기 반도체 기판의 다른 일면에 형성되어 있으며 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되어 있는 제2 전극, 그리고
    상기 제2 전극과 동일한 면에 형성되어 있으며, 상기 반도체 기판의 상기 제2 도전성 타입을 가지는 부분과 전기적으로 연결되어 있는 제3 전극
    을 포함하고,
    상기 복수의 접촉구는 복수 개가 모여있는 접촉구 군(group)을 이루며,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 상기 접촉구 군을 이루는 접촉구 중 일부를 통하여 연결되어 있는 태양 전지.
  2. 제1항에서,
    상기 접촉구 군은 매트릭스(matrix) 형태로 배열되어 있는 태양 전지.
  3. 제1항에서,
    상기 제1 전극은 나란하게 배열되어 있는 부분과 이웃하는 상기 제1 전극이 수렴하는 부분을 포함하는 태양 전지.
  4. 제3항에서,
    상기 제1 전극은 상기 수렴 부분에서 상기 제2 전극과 접촉하는 태양 전지.
  5. 제3항에서,
    상기 제1 전극이 수렴하는 부분은 상기 접촉구 군을 이루는 접촉구 중 일부와 중첩하는 태양 전지.
  6. 제3항에서,
    상기 복수의 제1 전극이 수렴하는 부분은 이웃하는 복수 개의 제1 전극이 수렴하는 태양 전지.
  7. 제1항에서,
    상기 제2 전극은 상기 접촉구 군을 이루는 적어도 일부의 접촉구에 채워져 있는 태양 전지.
  8. 제1항에서,
    상기 제2 전극은 상기 기판의 일 방향을 따라 뻗어 있는 막대형 부분을 포함하고,
    상기 복수의 접촉구 군은 상기 제2 전극의 막대형 부분과 중첩하게 배열되어 있는 태양 전지.
  9. 제1항에서,
    상기 반도체 기판과 상기 제2 전극 및 제3 전극 사이에 위치하며 복수의 개구부를 가지는 유전막을 더 포함하고,
    상기 반도체 기판과 상기 제3 전극은 상기 개구부를 통하여 전기적으로 연결되어 있는 태양 전지.
  10. 제9항에서,
    상기 유전막은 상기 접촉구에서 상기 반도체 기판과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 태양 전지.
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