KR20110035510A - 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명에 따른 반도체층을 하부전극으로 이용하는 태양전지는 기판(100); 기판(100) 상에 형성되는 하부 반도체층(211); 하부 반도체층(211) 상에 형성되고 적어도 하나의 반도체층을 포함하는 상부 반도체층(221, 231); 및 상부 반도체층(221, 231) 상에 형성되는 상부전극(610)을 포함하며, 상부전극(610)은 이웃하는 다른 하부 반도체층(211)과 전기적으로 직렬 연결되는 것을 특징으로 한다.
직렬, 태양전지, 습식식각, 레이저 스크라이빙
Description
본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 광전소자의 일부만을 포토리소그래피 방식(특히, 습식식각)으로 패터닝하여 불순물이 도핑된 하부 반도체층(예를 들면, p, n)을 전극으로 구현할 수 있는 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 태양전지 분야에서는 다수개의 광전소자를 전기적으로 직렬로 연결시켜 우수한 광전 변환 효율과 전압을 구현하는 기술이 개발되어 왔다.
직렬 방식의 태양전지를 살펴보면, 광전소자를 적층시켜 양호한 광전 변환 효율을 얻을 수 있는 탠덤(tandem) 구조를 형성하는 방안과, 수평으로 배열된 다수개의 광전소자를 전극(배선)을 이용하여 전기적으로 직렬로 연결시켜 필요한 전압을 얻는 방식 등이 대표적이다.
먼저, 탠덤 구조의 태양전지를 살펴보면, 동일한 기판 면적에서 보다 많은 양의 전기를 생산할 수 있어 종래의 단일 접합형 태양전지보다 향상된 광전 변환 효율을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 예를 들어, Saitoh 등은 플라즈마 화학기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD)을 사용하여 p-i-n형 비정질 실리콘(amorphous Si: a-Si)/미소 결정질 실리콘(microcrystalline Si: μc-Si) 탠덤 구조의 태양전지를 제조하였고, 이때 1cm2 면적에서 초기화 변환 효율은 9.4%, 안정화된 변환 효율은 8.5%이었다.
그러나, Saitoh 등이 개발한 탠덤 구조의 실리콘 태양전지는 PECVD를 이용하여 미소 결정질 실리콘을 형성할 때, 낮은 증착 압력과 높은 증착 파워 조건이 요구된다. 따라서, 증착 시간이 너무 길어지고, 공정조건도 맞추기 어려워 양산효율이 낮다. 또한, 복수개의 층간에서 발생하는 반사, 굴절 등으로 하부 층으로 내려갈수록 광전 변환 효율이 떨어지는 한계도 가지고 있었다.
다음으로, 전극을 이용한 직렬 방식의 태양전지를 살펴보면, 도 1은 종래 기술에 의한 태양전지 단면을 나타내는 도면으로서, 다수개의 단위셀 영역(a')과 단위셀 영역(a') 사이에 위치하는 배선영역(b')을 포함하는 기판(10)이 제공된다. 이때, 기판(10) 상의 단위셀 영역(a')에는 하부전극(11)이 형성되고, 하부전극(11) 상에는 반도체층이 적층된 광전소자(20)가 형성된다.
이어서, 광전소자(20) 상에는 상부전극(30)이 형성되어 하나의 태양전지 단위셀을 구성하는데, 상부전극(30)은 이웃하는 다른 단위셀(a')의 하부전극(11)과 배선영역(b') 상에서 접속되어 연결된다. 따라서 다수개의 광전소자(20)는 전기적으로 직렬방식으로 연결된다.
그러나, 종래의 전극을 이용한 직렬 방식 태양전지는 배선영역(b')에서 태양전지 단위셀간의 연결이 이루어질 때, 광전소자(20)의 측면과 상부전극(30)이 단 락(short circuit: SC)되어 불필요한 누설전류가 발생할 수 있고, 상부전극(30)과 하부전극(11)의 접촉이 불량할 수 있는 문제점이 있다.
또한, 이웃하는 단위셀의 하부전극(11) 사이에는 광전소자(20)의 반도체층 중 불순물이 도핑되어 저항이 낮은 n형 또는 p형 반도체층이 형성되어 있으므로, 단위셀 사이의 단락현상(SC)을 초래할 수도 있어 광전 변환 효율이 저하될 수 있다.
특히, 이러한 전극을 이용한 직렬방식에서는 별도의 상부/하부전극(30, 11)을 구비하고 이를 배선으로 이용하는 구조의 한계를 가지고 있는데, 하부전극(11)은 상부에 탠덤 구조를 적용할 경우 적층 높이를 증가시키기 때문에, 전체적인 스텝 커버리지 저하 및 단위셀 간의 단락 현상이 증가될 수 있다.
또한, 고가의 레이저 장치를 이용하여 레이저 스크라이빙 방식으로 패턴을 형성하기 때문에 설비 비용이 증가하고, 레이저 스크라이빙의 특성상 식각 선택비(특정 물질만 식각하는 특성)가 불량하여 선택적인 패턴을 형성하기 어렵다는 한계를 가지고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로, 반도체층 중 일부를 하부전극으로 이용할 수 있도록 하여 별도의 하부전극이 필요하지 않는 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 포토리소그래피 방식의 식각 공정을 이용하여 식각 선택비를 향상시킬 수 있는 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 데에 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 직렬 연결시 발생되는 단락 현상을 방지하고 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 데에 또 다른 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 기판; 상기 기판 상에 형성되는 하부 반도체층; 상기 하부 반도체층 상에 형성되고 적어도 하나의 반도체층을 포함하는 상부 반도체층; 및 상기 상부 반도체층 상에 형성되는 상부전극을 포함하며, 상기 상부전극은 이웃하는 다른 하부 반도체층과 전기적으로 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 태양전지에 의해 달성된다.
또한, 본 발명의 상기 목적은 다수개의 단위셀 영역과 상기 단위셀 영역 사이에 위치하는 다수개의 배선영역을 포함하는 기판; 상기 기판 상의 상기 단위셀 영역 상에 형성되는 하부 반도체층; 상기 기판 상의 상기 배선영역 상에 형성되며 상기 하부 반도체층의 일측과 동일층으로 연결되는 연결 반도체층; 상기 하부 반도 체층 상에 형성되며 적어도 하나의 반도체층을 포함하는 상부 반도체층; 상기 상부 반도체층과 일정 간격을 두고 상기 연결 반도체층 상에 형성되며 콘택 홀을 구비하는 더미 반도체층; 상기 상부 반도체층 상에 형성되며 일정 간격을 두고 이웃하는 상기 연결 반도체층과 상기 콘택 홀을 통해 접속되는 상부전극; 및 상기 기판 상의 상기 배선영역 상에 위치하며, 상기 하부 및 상기 상부 반도체층의 측면과 상기 상부전극 사이에 형성되는 측벽 절연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지에 의해서도 달성된다.
또한, 본 발명의 상기 목적은 (a) 다수개의 단위셀 영역과 상기 단위셀 영역 사이에 위치하는 다수개의 배선영역을 포함하는 기판을 제공하는 단계; (b) 상기 기판 상에 하부 반도체층과 상부 반도체층을 적층하여 형성하는 단계; (c) 상기 기판의 상기 배선영역 상의 상기 하부 및 상기 상부 반도체층을 식각하는 단계; (d) 상기 상부 반도체층을 식각하여 상기 기판의 상기 배선영역 상의 하부 반도체층 상에 콘택 홀을 포함하는 더미 반도체층을 형성함과 동시에, 상기 기판의 단위셀 영역 상에 광전소자를 형성하는 단계; (e) 상기 기판의 상기 배선영역 상에 상기 하부 및 상기 상부 반도체층의 측면과 접하는 측벽 절연층을 형성하는 단계; 및 (f) 상기 상부 반도체층 상에 형성되며 일정 간격을 두고 이웃하는 상기 하부 반도체층과 상기 콘택 홀을 통해 접속되는 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법에 의해서도 달성된다.
이때, 상기 하부 반도체층은 n형의 도전형이고, 상기 상부 반도체층은 i형, p형의 도전형일 수 있다.
상기 하부 반도체층은 p형의 도전형이고, 상기 상부 반도체층은 i형, n형의 도전형 반도체층일 수 있다.
상기 하부 반도체층은 상기 상부 반도체층 보다 불순물 농도가 큰 것일 수 있다.
상기 더미 반도체층, 상기 상부 반도체층 및 상기 상부전극은 포토리소그래피 방식으로 패터닝될 수 있다.
상기 하부 반도체층은 제1 다결정 반도체층을 포함하고, 상기 상부 반도체층은 상기 제1 다결정 반도체층 상에 형성되는 제2 다결정 반도체층; 및 상기 제2 다결정 반도체층 상에 형성되는 제3 다결정 반도체층을 포함할 수 있다.
상기 상부 반도체층 상에 형성되는 제1 비정질 반도체층; 상기 제1 비정질 반도체층 상에 형성되는 제2 비정질 반도체층; 및 상기 제2 비정질 반도체층 상에 형성되는 제3 비정질 반도체층을 더 포함할 수 있다.
상기 측벽 절연층은 실리콘 질화막(SiNx) 또는 실리콘 산화막(SiOx) 중 어느 하나이거나 이들의 적층막일 수 있다.
상기 기판과 상기 하부 반도체층 사이에는 반사 방지층이 더 포함할 수 있다.
상기 (d) 단계와 상기 (f) 단계는 포토리소그래피 방식으로 수행될 수 있다.
본 발명에 따르면, 고가의 설비가 필요한 레이저 스크라이빙 방식이 아닌 포 토리소그래피 방식(특히, 습식식각)을 이용함으로써, 일부 반도체층만을 선택적으로 패터닝할 수 있어 비용 절감 및 별도의 하부전극이 없는 직렬 방식의 태양전지를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 태양전지의 적층 높이를 줄일 수 있고, 측면 절연층을 형성하여 직렬 연결시 발생되는 단락 현상을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 태양전지의 직렬 연결시 콘택 홀을 통해 양호한 접속 특성을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 다결정 광전소자와 비정질 광전소자를 적층한 다중접합 구조를 채용함으로써. 광전소자 마다 서로 다른 파장의 빛을 수광할 수 있어서 태양전지의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된 다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
[본 발명의 바람직한 실시예]
도 2 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체층을 하부전극으로 이용하는 태양전지의 제조 과정을 순차적으로 나타내는 도면이다.
먼저, 도 2를 참조하면, 다수개의 단위셀 영역(a)과 단위셀 영역(a) 사이에 위치하는 다수개의 배선영역(b)을 포함하는 기판(100)을 제공할 수 있다. 기판(100)의 재질은 투명 재질 또는 불투명 재질 모두 가능하며, 기판(100)의 소재는 유리, 플라스틱, 실리콘, 금속[예를 들면, SUS(Stainless Steel)] 등을 포함할 수 있다.
이때, 기판(100)의 표면은 텍스쳐링(texturing)이 수행될 수 있다. 본 발명에서 텍스쳐링이란, 태양전지의 기판 표면에 입사되는 빛이 반사되어 광학적으로 손실됨으로써 그 특성이 저하되는 현상을 방지하지 위한 것이다. 즉, 기판의 표면을 거칠게 만드는 것으로, 기판 표면에 요철 패턴(미도시 함)을 형성하는 것을 말한다. 텍스쳐링으로 기판의 표면이 거칠어지면 표면에서 한번 반사된 빛이 태양전 지 방향으로 재반사될 수 있으므로 빛이 손실되는 것을 감소시킬 수 있고, 광 포획량이 증가되어 태양전지의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
이때, 대표적인 텍스쳐링 방법으로는 샌드 블래스팅 방법을 사용할 수 있다. 본 발명에서의 샌드 블래스팅은 식각 입자를 압축 공기로 분사하여 식각하는 건식 블래스팅과 액체와 함께 식각 입자를 분사하여 식각하는 습식 블래스팅을 모두 포함하는 것이다. 한편, 본 발명의 샌드 블래스팅에 사용되는 식각 입자는 모래, 작은 금속과 같이 물리적 충격으로 기판에 요철을 형성시킬 수 있는 입자를 제한 없이 사용할 수 있다.
이어서, 기판(100) 상에는 반사 방지층(미도시)을 형성할 수 있다. 반사 방지층은 기판(100)을 통하여 입사된 태양광이 광전소자에 흡수되지 못하고 바로 외부로 반사됨으로써, 태양전지의 효율을 저하시키는 현상을 방지하는 역할을 한다. 반사 방지층의 소재는 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiNx)일 수 있으나 반드시 이에 한정되지 않는다. 반사 반지층의 형성 방법으로는 저압 화학기상 증착법(Low Pressure Chemical Vapor Deposition: LPCVD) 및 플라즈마 화학기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition: PECVD) 등을 포함할 수 있다.
이어서, 기판(100)의 상부 전면에 p형과 n형의 전도성을 가지는 반도체층이 적층되거나 p형, i형, n형의 반도체층이 적층될 수 있다. 물론, 그 역일 수도 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 일례로, p형, i형, n형의 반도체층(200: 210, 220, 230)을 순서대로 형성할 수 있는데, 반도체층(200)의 재질은 통상적으로 사용 되는 실리콘일 수 있으며 이하에서는 실리콘층(200)으로 설명한다. 이러한, 실리콘층(200)은 PECVD 또는 LPCVD와 같은 화학기상 증착법으로 할 수 있으며, 이후 공정에 의하여 단위셀 영역(a)에서는 광을 수광하여 광기전력(전력)을 생산할 수 있는 광전소자의 기능을 수행할 수 있는데, 보다 구체적으로는 도 8 및 도 9를 참조한 이하의 상세한 설명에 의해 이해될 것이다.
다음으로, 도 3을 참조하면, 제1, 제2, 제3 실리콘층(210, 220, 230)을 배선영역(b)에서 일괄적으로 패터닝하여 서로 절연된 일정한 단위 패턴을 형성할 수 있다. 이러한 패터닝으로는 레이저 광원을 이용한 식각방법인 레이저 스크라이빙(laser scribing)을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 공지된 포토리소그래피법(photolithography)을 포함하는 식각 방법을 제한 없이 사용할 수 있다.
다음으로, 도 4를 참조하면, 배선영역(b) 상의 패터닝된 제1, 제2, 제3 실리콘층(210, 220, 230) 중 제1 실리콘층(210)을 제외한 제2, 제3 실리콘층(220, 230)만을 식각하여 일정 패턴의 더미 실리콘층(240)을 형성할 수 있다. 이러한 식각 과정에서는 더미 실리콘층(240) 형성과 동시에 콘택 홀(250)을 형성할 수 있는데, 콘택 홀(250)은 제1 실리콘층(210)이 노출되도록 더미 실리콘층(240)을 관통할 수 있다. 즉, 이러한 콘택 홀(250)은 이후 형성될 상부전극(610)이 제1 실리콘층(210)과 안정적으로 접속할 수 있는 통로가 된다.
이러한 더미 실리콘층(240)의 형성 방법으로는 포토리소그래피법(Photolithography)을 사용할 수 있는데, 바람직하게는 건식식각 또는 습식식각 방식을 사용할 수 있다. 이는 건식식각 또는 습식식각시 사용되는 식각가스 또는 식각액의 식각 선택비에 따라 제1 실리콘층(210)은 남기고 제2, 제3 실리콘층(220, 230)만을 선택적으로 식각할 수 있기 때문이다. 상술된 건식식각 또는 습식식각은 이미 공지된 기술이므로 본 발명에서는 상세한 설명을 생략한다. 또한, 더미 실리콘층(240)의 형성 방법으로 포토리소그래피법 대신에 소정의 잉크로 레지스트를 용해하여 패터닝하는 잉크젯 리소그래피법을 사용할 수도 있다.
한편, 이하에서는 태양전지의 동작 회로와 등가적으로 설명하기 위해 단위셀 영역(a)에 형성된 제1 실리콘층(210)은 하부 실리콘층(211)으로, 제2, 3 실리콘층(220, 230)은 상부 실리콘층(221, 231)으로 설명하고, 배선영역(b)에 형성된 제1 실리콘층(210)은 연결 실리콘층(212)으로, 제2, 3 실리콘층(220, 230)은 더미 실리콘층(240)으로 구분하여 설명한다.
즉, 배선영역(b) 상에는 하부 실리콘층(211)의 일측과 동일층으로 연결되는 연결 실리콘층(212)이 위치되고, 연결 실리콘층(212) 상에는 상부 실리콘층(221, 231)과 동일층으로 일정 간격을 두고, 콘택 홀(250)을 구비하는 더미 실리콘층(240)이 위치된다.
이때, 하부 실리콘층(211)과 상부 실리콘층(221, 231)은 광전소자(201)의 기능을 수행하며, 동시에 하부 실리콘층(211)은 전극(하부전극)의 역할을 수행할 수 있다. 또한, 연결 실리콘층(212)은 서로 이웃하는 광전소자(201)끼리 직렬 연결시 접속부의 역할을 수행할 수 있다.
다음으로, 도 5를 참조하면, 배선영역(b) 상의 하부 실리콘층(211)과 상부 실리콘층(221, 231)의 측면에는 측벽 절연층(500)이 형성될 수 있다. 측벽 절연층(500)은 실리콘 질화막(SiNx) 또는 실리콘 산화막(SiOx) 중 어느 하나이거나 이들의 적층막일 수 있다. 측벽 절연층(500)의 형성 방법은 노즐로 구성된 헤드를 통하여 잉크를 분사하는 잉크젯 프린팅법(ink jet printing) 또는 공지된 포토리소그래피법(Photolithography) 방식을 제한 없이 사용할 수 있다.
이러한 측벽 절연층(500)에 의하여 하부 실리콘층(211)과 상부 실리콘층(221, 231)을 포함하는 광전소자(201)를 이웃하는 다른 광전소자(201)와 전기적으로 절연시킬 수 있다.
다음으로, 도 6을 참조하면, 기판(100)의 상부 전면에 전도성 재질인 상부전도층(600)을 형성할 수 있다. 상부전도층(600)은 접촉 저항이 낮은 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 몰리텅스텐(MoW) 중 어느 하나이거나 이들의 합금인 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되지 않으며 통상적인 전도성 소재인 구리, 알루미늄, 티타늄 등 및 이들의 합금을 포함할 수 있다. 이러한 상부전도층(600)의 형성 방법으로는 물리기상 증착법(Physical Vapor Deposition: PVD) 및 화학기상 증착법(Chemical Vapor Deposition: CVD)을 사용할 수 있다.
다음으로, 도 7을 참조하면, 상부전도층(600)을 패터닝하여 일정 패턴의 상부전극(610)을 형성할 수 있다. 단위셀 영역(a)의 상부전극(610)은 광전소자(201)의 전극의 역할을 수행하며, 배선영역(b)의 상부전극(610)은 광전소자(201)를 이웃하는 다른 광전소자(201)와 연결하는 배선의 역할을 수행할 수 있다. 즉, 단위셀 영역(a) 상의 상부전극(610)은 배선영역(b) 상의 연결 실리콘층(212)에 콘택 홀(250)을 통해 접속될 수 있다. 이때, 상부전도층(600)만을 선택적으로 식각할 수 있도록 포토리소그래피법(Photolithography)을 사용할 수 있는데, 바람직하게는 건식식각 또는 습식식각 방식을 사용할 수 있다. 또한, 상부전극(610)의 형성 방법으로 포토리소그래피법 대신에 소정의 잉크로 레지스트를 용해하여 패터닝하는 잉크젯 리소그래피법을 사용할 수도 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 일 실시예에 의한 태양전지는 제1 실리콘층(210)인 하부 및 연결 실리콘층(211, 212)을 전극과 배선의 용도로 사용할 수 있어 별도의 하부전극 없이도 직렬 방식의 태양전지를 구현할 수 있다.
이때, 하부 실리콘층(211)과 상부 실리콘층(221, 231)은 앞선 설명한 바와 같이 순차적으로 p, i, n형 또는 n, i, p형의 도전형일 수 있는데, 하부 실리콘층(211)은 n+형, p+형과 같이 상부 실리콘층(221, 231) 보다 불순물 농도가 상대적으로 큰 전도성이 우수한 것이 바람직하다.
다결정
태양전지
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전 소자의 상세한 구성을 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 단위셀 영열(a) 상에 형성된 하부 실리콘층(211)과 상부 실리콘층(221, 231)으로 구성된 광전소자(201)는 앞서 설명된 바와 같이 제1, 제2, 제3 실리콘층(210, 220, 230)으로 형성할 수 있다.
보다 상세하게 설명하면, 제1, 제2, 제3 실리콘층(210, 220, 230)은 비정질 실리콘으로 형성될 수 있어, 기판(100) 상에는 제1 비정질 실리콘층(210)을 형성하고, 이어서 제1 비정질 실리콘층(210) 상에는 제2 비정질 실리콘층(220)을 형성하고, 이어서 하부 제2 비정질 실리콘층(220) 상에는 제3 비정질 실리콘층(230)을 형성하여 하나의 광전소자를 구성할 수 있다. 이때, 제1, 제2, 제3 비정질 실리콘층(210, 220, 230)의 형성 방법으로는 PECVD 또는 LPCVD와 같은 CVD 방법을 이용하여 형성할 수 있다.
이어서, 제1, 제2, 제3 비정질 실리콘층(210, 220, 230)을 고온 열처리하여 결정화하는 과정을 수행할 수 있다. 즉, 제1 비정질 실리콘층(210)은 제1 다결정 실리콘층(310)으로, 제2 비정질 실리콘층(220)은 제2 다결정 실리콘층(320)으로, 제3 비정질 실리콘층(230)은 제3 다결정 실리콘층(330)으로 각각 결정화할 수 있다. 결국, 제1, 제2, 제3 다결정 실리콘층(310, 320, 330)으로 구성되는 다결정 광전소자(300)가 형성될 수 있다.
이러한 광전소자(300)는 다결정 실리콘층이 적층된 구조로 광이 수광되어 발생되는 광기전력으로 전력을 생산할 수 있는 p형, i형, n형의 다결정 실리콘층이 순서대로 적층된 p-i-n 다이오드의 구조일 수 있다. 여기서 i형은 불순물이 도핑되지 않은 진성(intrinsic)을 의미한다. 또한, n형 또는 p형 도핑은 비정질 실리콘층 형성시에 불순물을 인시츄(in situ) 방식으로 도핑하는 것이 바람직하다. p형 도핑시 불순물로서는 보론(B)을 n형 도핑시 불순물로서는 인(P) 또는 비소(As)를 사용하는 것이 일반적이나, 이에 한정되는 것은 아니며 공지된 기술을 제한 없이 사용할 수 있다.
이때, 제1, 제2, 제3 비정질 실리콘층(210, 220, 230)의 결정화 방법은 SPC(Solid Phase Crystallization), ELA(Excimer Laser Annealing), SLS(Sequential Lateral Solidification), MIC(Metal Induced Crystallization), 및 MILC(Metal Induced Lateral Crystallization) 중 어느 하나의 방법을 사용할 수 있다. 상기의 비정질 실리콘의 결정화 방법은 공지의 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 본 명세서에서는 생략하기로 한다.
한편, 상기에서는 제1, 제2, 제3 비정질 실리콘층(210, 220, 230)을 모두 형성한 후에 이들 층을 동시에 결정화시키는 것으로 설명하고 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 하나의 비정질 실리콘층 마다 결정화 공정을 별도로 진행할 수 있으며, 또한 두 개의 비정질 실리콘층은 동시에 결정화 공정을 진행하고 나머지 하나의 비정질 실리콘층은 별도로 결정화 공정을 진행할 수도 있다.
또한, 도시되지는 않았지만 제1 다결정 실리콘층(310), 제2 다결정 실리콘층(320), 제3 다결정 실리콘층(330)은 다결정 실리콘의 성질을 보다 향상시키기 위하여 결함 제거 공정을 추가로 진행할 수 있다. 본 발명에서는 다결정 실리콘층을 고온 열처리하거나 수소 플라즈마 처리하여 다결정 실리콘층 내에 존재하는 결함(예를 들어, 불순물 및 댕글링 본드 등)을 제거할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 형태의 광전 소자의 상세한 구성을 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 이상에서 설명된 제1, 제2, 제3 다결정 실리콘층(310, 320, 330)으로 구성된 다결정 광전소자(300) 상에 다른 광전 소자가 더 형성될 수 있는데, 이러한 다른 광전 소자는 비정질 실리콘층인 상부 제1, 제2, 제3 비정질 실리콘층(410, 420, 430)이 적층된 비정질 광전소자(400)일 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 광전소자(300, 400)가 탠덤 구조로 형성될 수 있다. 한편, 이러한 탠덤 구조는 광전소자가 삼중 이상으로 적층된 다중 접합 구조를 포괄적으로 의미할 수 있다.
이상의 상세한 설명에서 본 발명은 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도 1은 종래기술에 의한 태양전지의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체층을 하부전극으로 이용하는 태양전지의 제조 과정을 순차적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전소자의 상세한 구성을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 형태의 광전소자의 상세한 구성을 나타내는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 기판
200: 반도체층(실리콘층)
210, 220, 230: 제1, 2, 3 반도체층
201: 광전소자
211: 하부 반도체층
212: 연결 반도체층
221, 231: 상부 반도체층
240: 더미 반도체층
250: 콘택 홀
300: 다결정 광전소자
400: 비정질 광전소자
500: 측면 절연층
610: 상부전극
Claims (15)
- 기판;상기 기판 상에 형성되는 하부 반도체층;상기 하부 반도체층 상에 형성되고 적어도 하나의 반도체층을 포함하는 상부 반도체층; 및상기 상부 반도체층 상에 형성되는 상부전극을 포함하며,상기 상부전극은 이웃하는 다른 하부 반도체층과 전기적으로 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 다수개의 단위셀 영역과 상기 단위셀 영역 사이에 위치하는 다수개의 배선영역을 포함하는 기판;상기 기판 상의 상기 단위셀 영역 상에 형성되는 하부 반도체층;상기 기판 상의 상기 배선영역 상에 형성되며 상기 하부 반도체층의 일측과 동일층으로 연결되는 연결 반도체층;상기 하부 반도체층 상에 형성되며 적어도 하나의 반도체층을 포함하는 상부 반도체층;상기 상부 반도체층과 일정 간격을 두고 상기 연결 반도체층 상에 형성되며 콘택 홀을 구비하는 더미 반도체층;상기 상부 반도체층 상에 형성되며 일정 간격을 두고 이웃하는 상기 연결 반도체층과 상기 콘택 홀을 통해 접속되는 상부전극; 및상기 기판 상의 상기 배선영역 상에 위치하며, 상기 하부 및 상기 상부 반도체층의 측면과 상기 상부전극 사이에 형성되는 측벽 절연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 하부 반도체층은 n형의 도전형이고, 상기 상부 반도체층은 i형, p형의 도전형인 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 하부 반도체층은 p형의 도전형이고, 상기 상부 반도체층은 i형, n형의 도전형인 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 하부 반도체층은 상기 상부 반도체층 보다 불순물 농도가 큰 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제2항에 있어서,상기 더미 반도체층, 상기 상부 반도체층 및 상기 상부전극은 포토리소그래 피 방식으로 패터닝된 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 하부 반도체층은 제1 다결정 반도체층을 포함하고,상기 상부 반도체층은 상기 제1 다결정 반도체층 상에 형성되는 제2 다결정 반도체층; 및 상기 제2 다결정 반도체층 상에 형성되는 제3 다결정 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제7항에 있어서,상기 상부 반도체층 상에 형성되는 제1 비정질 반도체층;상기 제1 비정질 반도체층 상에 형성되는 제2 비정질 반도체층; 및상기 제2 비정질 반도체층 상에 형성되는 제3 비정질 반도체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제2항에 있어서,상기 측벽 절연층은 실리콘 질화막(SiNx) 또는 실리콘 산화막(SiOx) 중 어느 하나이거나 이들의 적층막인 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 기판과 상기 하부 반도체층 사이에는 반사 방지층이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- (a) 다수개의 단위셀 영역과 상기 단위셀 영역 사이에 위치하는 다수개의 배선영역을 포함하는 기판을 제공하는 단계;(b) 상기 기판 상에 하부 반도체층과 상부 반도체층을 적층하여 형성하는 단계;(c) 상기 기판의 상기 배선영역 상의 상기 하부 및 상기 상부 반도체층을 식각하는 단계;(d) 상기 상부 반도체층을 식각하여 상기 기판의 상기 배선영역 상의 하부 반도체층 상에 콘택 홀을 포함하는 더미 반도체층을 형성함과 동시에, 상기 기판의 단위셀 영역 상에 광전소자를 형성하는 단계;(e) 상기 기판의 상기 배선영역 상에 상기 하부 및 상기 상부 반도체층의 측면과 접하는 측벽 절연층을 형성하는 단계; 및(f) 상기 상부 반도체층 상에 형성되며 일정 간격을 두고 이웃하는 상기 하부 반도체층과 상기 콘택 홀을 통해 접속되는 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제11항에 있어서,상기 하부 반도체층은 n형의 도전형으로, 상기 상부 반도체층은 i형, p형의 도전형으로 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제11항에 있어서,상기 하부 반도체층은 p형의 도전형으로, 상기 상부 반도체층은 i형, n형의 도전형으로 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제11항에 있어서,상기 하부 반도체층은 상기 상부 반도체층 보다 불순물 농도가 크도록 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제11항에 있어서,상기 (d) 단계와 상기 (f) 단계는 포토리소그래피 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
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2009
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