KR20110047828A - Silicon heterojunction solar cell and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 실리콘 이종접합 태양전지 및 이를 제조하는 방법에 관한 것으로, 실리콘 태양전지의 이종접합층 사이의 계면에 존재하는 결함에 의한 전자와 정공의 재결합으로 인한 태양전지의 효율저하를 방지하기 위하여 계면구조를 변화시키는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a silicon heterojunction solar cell and a method of manufacturing the same, and to prevent a decrease in efficiency of a solar cell due to recombination of electrons and holes due to defects present at an interface between heterojunction layers of a silicon solar cell. A technique for changing the structure.
태양 에너지(solar energy)를 이용하는 신재생(renewable) 에너지 (renewable)는 크게 태양열을 이용하는 태양열 발전 시스템과 태양광을 이용한 태양 전지 (solar cells)로 나눌 수 있다.Renewable energy using solar energy can be divided into solar power generation system using solar heat and solar cells using solar light.
이중 태양광을 이용한 전지는 전기 에너지를 빛에너지로 바꾸는 LED나 레이져 다이오드와 반대원리를 가진 것으로, 대부분 대면적의 P-N 접합 다이오드(P-N junction diode)로 이루어져 있다.Double solar cells have the opposite principle to LEDs or laser diodes that convert electrical energy into light energy, and are mostly composed of large-area P-N junction diodes.
태양광 전지에는 n-type 영역과 p-type 영역으로 구성되어 있는데, 이때 n- type 영역은 큰 전자밀도(electron density)와 작은 정공밀도(hole density)를 가지고 있고, p-type 영역은 그와 정반대로 되어 있다.The solar cell is composed of n-type region and p-type region, where n-type region has large electron density and small hole density, and p-type region is The opposite is true.
이와 같은 구조에 있어서 열적 평형상태(Thermal Equlibrium)에서는 p-type 반도체와 n-type 반도체의 접합으로 이루어진 다이오드에서는 캐리어(carrier)의 농도 차이에 의한 확산으로 전하(charge)의 불균형이 생기고, 이 때문에 전기장(electric field)이 형성되어 더 이상 캐리어의 확산이 일어나지 않게 된다.In this structure, in the thermal equilibrium, in the diode composed of a junction of a p-type semiconductor and an n-type semiconductor, an unbalance of charge occurs due to diffusion due to a difference in carrier concentration. An electric field is formed so that diffusion of the carrier no longer occurs.
이러한 다이오드에 그 물질의 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band) 사이의 에너지 차이인 밴드갭 에너지(band gap energy) 이상의 빛을 가했을 경우, 이 빛에너지를 받아서 전자들은 가전자대에서 전도대로 여기(excited)된다.When these diodes are subjected to light above the band gap energy, which is the difference in energy between the conduction band and valence band of the material, they receive this light energy and the electrons are excited from the valence band to the conduction band. (excited)
이때 전도대로 여기 된 전자들은 자유롭게 이동할 수 있게 되며, 가전자대에는 전자들이 빠져나간 자리에 정공이 생성된다. 이것을 잉여캐리어(excess carrier)라고 하며, 이 잉여캐리어들은 전도대 또는 가전자대 내에서 농도차이에 의해서 확산하게 된다.At this time, the electrons excited by the conduction band can move freely, and holes are generated in the valence band where electrons escape. This is called an excess carrier, and these excess carriers diffuse by concentration differences in the conduction band or the valence band.
이때 p-type 영역에서 여기된 전자들과, n-type 영역에서 만들어진 정공을 각각의 소수캐리어(minority carrier)라고 부르며, 기존 접합 전의 p-type 또는 n-type 반도체 내의 캐리어(p-type의 정공, n-type의 전자)는 이와 구분해 주요캐리어(majority carrier)라고 부른다.At this time, electrons excited in the p-type region and holes made in the n-type region are referred to as minority carriers, and carriers in a p-type or n-type semiconductor before bonding are conventional. , n-type electrons) are called major carriers.
이때 주요캐리어들은 전기장으로 생긴 에너지 장벽(energy barrier) 때문에 흐름의 방해를 받지만 p-type의 소수캐리어인 전자는 n-type 영역쪽으로, n-type의 소수캐리어인 정공은 p-type 영역쪽으로 각각 이동할 수 있다.At this time, the main carriers are interrupted by the energy barrier caused by the electric field, but electrons, p-type minority carriers, move toward the n-type region and holes, n-type minority carriers, move toward the p-type region, respectively. Can be.
이와 같은 소수캐리어의 확산에 의해 재료 내부의 전기적 중성(charge neutrality)가 깨짐으로써, 전압차(potential drop)가 생기고 이때 P-N접합 다이오드의 양극단에 발생된 기전력을 외부 회로에 연결하게 되면 태양전지로 작용하게 된다.The diffusion of a small number of carriers breaks the electrical neutrality of the material, which leads to a potential drop. When the electromotive force generated at the anode terminal of the PN junction diode is connected to an external circuit, it acts as a solar cell. Done.
상기와 같은 태양광을 이용한 태양전지는 P-N 접합에 사용되는 p영역과 n영역의 성질에 따라 동종접합(homojunction)과 이종접합(heterojunction)으로 나눌 수 있는데, 이중 이종 접합은 서로 다른 결정구조 혹 서로 다른 물질로 결합된 경우를 의미한다.The solar cell using the solar light can be divided into homojunction and heterojunction according to the properties of p region and n region used for PN junction. When combined with other materials.
도 1은 종래기술에 따른 이종접합 태양전지의 적층 구조를 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a laminated structure of a heterojunction solar cell according to the prior art.
도 1에 도시된 기본적인 종래의 실리콘 이종접합 태양전지 구조를 살펴보면, 먼저 결정질 실리콘 기판(베이스; 10) 양면에 플라즈마 화학기상 증착장치(PECVD)를 이용하여 비정질 실리콘층(a-Si)(에미터; 30, 35)을 증착함으로 비정질/결정질 P-N 접합구조로 형성된 것을 볼 수 있다.Referring to the basic structure of a conventional silicon heterojunction solar cell shown in FIG. 1, first, an amorphous silicon layer (a-Si) (emitter) is formed by using a plasma chemical vapor deposition apparatus (PECVD) on both surfaces of a crystalline silicon substrate (base) 10. 30, 35) can be seen to form an amorphous / crystalline PN junction structure.
다음에는, 빛이 들어오는 전면에 투명전도산화막(Transparent conduction oxide(TCO) 40, 45)과 소정간격으로 평형하게 이격 되어진 금속라인(50, 55)을 형성함으로 실리콘 이종접합 태양전지의 기본적인 구조가 만들어 진다.Next, the basic structure of the silicon heterojunction solar cell is formed by forming the
이때, 비정질/결정질 실리콘 이종접합 태양전지는 기존의 확산형 결정질 실리콘 태양전지에 비해 낮은 온도, 간단한 공정으로 제작이 가능하여 많은 관심이 집중되고 있고. 이러한 이종접합 태양전지의 특성을 좌우하는 가장 큰 요인으로는 비정질/결정질 계면에 있어서 미결합손(dangling bond) 등에 의해 발생하는 결함밀도(defect density)인 것으로 알려져 있다.At this time, the amorphous / crystalline silicon heterojunction solar cell has been attracting a lot of attention because it can be manufactured in a low temperature, simple process compared to the conventional diffusion-type crystalline silicon solar cell. The biggest factor influencing the characteristics of such heterojunction solar cells is known to be the defect density caused by dangling bonds or the like at the amorphous / crystalline interface.
즉, 계면의 결함 밀도가 큰 경우에는 빛에 의해 생성된 전자, 정공의 재결합률(recombination rate)이 증가하여 태양전지의 효율을 저하시키는 것으로 알려지고 있다.In other words, when the defect density at the interface is large, it is known that the recombination rate of electrons and holes generated by light increases to decrease the efficiency of the solar cell.
이러한 결함이 생기는 원인으로서는 베이스 실리콘 기판(10)의 표면 결함외에 플라즈마 노출에 따른 데미지(damage)와 비정질 실리콘층(30, 35)의 도펀트에 의한 영향들이 있을 수 있으며, 이러한 계면 결함을 줄이기 위해 다양한 표면처리방법, 성장방법들이 연구되고 있다.In addition to the surface defects of the
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 구조로서, 일본 산요(Sanyo)사에서 판매되고 있는 HIT(Heterojunction with Intrinsic Thin film) 셀 태양전지로가 개발되었다. As a structure for solving the above problems, a HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin film) cell solar cell furnace sold by Sanyo, Japan, has been developed.
HIT 셀 태양전지는 도 1에 도시된 바와 같이, n형 실리콘 기판(10)과 비정질 p형 실리콘 에미터(30, 35) 사이에 진성(intrinsic) 비정질 실리콘층(20, 25)을 추가하여, 태양전지 효율 특성을 획기적으로 향상시킨 구조를 취한다.As shown in FIG. 1, an HIT cell solar cell includes an intrinsic
여기서, 진성 비정질 실리콘층(20, 25)은 전자의 수와 정공의 수가 동일한 수를 포함하고 있는 순수에 가까운 비정질 실리콘 층으로서 이를 이용하여 결정질 실리콘 기판(10)과 비정질 실리콘층(30, 35) 사이 계면의 결함 등으로 인한 전자와 정공의 재결합을 막을 수 있는 것이다.Here, the intrinsic
그러나, 진성 비정질 실리콘층(20, 25)의 두께가 두꺼워질 경우 일반적인 비 정질/결정질 P-N 이종접합 실리콘 태양전지에 비해 오히려 낮은 효율을 보이는 문제가 있는데, 진성 비정질 실리콘층(20, 25)은 PE-CVD(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) 또는 HW-CVD(Hot-Wire Chemical Vapor Deposition) 와 같은 장비를 이용하여 형성하게 되므로, 두께 조절이 용이하지 못한 문제가 있다.However, when the thickness of the intrinsic
특히 PE-CVD의 경우 VHF(Very High Frequency) 방식으로 증착하기 때문에 매우 빠른 증착률을 가져서 10nm 이하의 두께까지 미세하게 조절하지 못하는 문제가 있다. In particular, PE-CVD has a very high deposition rate because it is deposited by the VHF (Very High Frequency) method has a problem that can not be finely adjusted to a thickness of less than 10nm.
따라서, 진성 비정질 실리콘층을 포함하는 이종접합 태양전지는 일반의 비정질/결정질 이종접합 태양전지의 제조에 비해 까다롭고 제조가 용이하지 못한 문제가 있다. 아울러, 공정 시간이 길고 제조 비용이 증가되는 등의 문제가 있다.Therefore, the heterojunction solar cell including the intrinsic amorphous silicon layer has a problem that it is difficult and not easy to manufacture compared to the production of a typical amorphous / crystalline heterojunction solar cell. In addition, there is a problem that the process time is long and the manufacturing cost is increased.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 비정질/결정질 실리콘 이종접합 태양전지에 있어서 결정질의 계면을 패시베이션(passivation) 효과가 높은 물질로 보호하고, 결정질/비정질 영역 간에 P-N 다이오드를 형성함으로써, P-N 계면에 있어서의 결함에 의한 재결합률을 감소시키고 효율 안정성과 재연성이 높은 이종접합 실리콘 태양전지 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to protect a crystalline interface with a material having a high passivation effect in an amorphous / crystalline silicon heterojunction solar cell, and to form a PN diode between the crystalline / amorphous regions, thereby forming a PN diode. It is to provide a heterojunction silicon solar cell having a low recombination rate due to defects and high efficiency stability and reproducibility and a method of manufacturing the same.
본 발명에 따른 실리콘 이종접합 태양전지의 제조 방법은 (a) 제1 타입 결정질 실리콘 기판을 준비하는 단계와, (b) 상기 제1 타입 결정질 실리콘 기판 상에 산화공정을 이용하여 패시베이션층을 형성하는 단계와, (c) 상기 패시베이션층 상에 제2 타입 비정질 실리콘층을 형성하는 단계와, (d) 상기 제2 타입 비정질 실리콘층 상에는 투명 전도막 및 상부전극을 형성하는 단계 및 (e) 상기 제1 타입 결정질 실리콘 기판 하면에 하부전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Method for manufacturing a silicon heterojunction solar cell according to the present invention comprises the steps of (a) preparing a first type crystalline silicon substrate, (b) forming a passivation layer on the first type crystalline silicon substrate using an oxidation process (C) forming a second type amorphous silicon layer on the passivation layer, (d) forming a transparent conductive film and an upper electrode on the second type amorphous silicon layer; and (e) Forming a lower electrode on the lower surface of the one-type crystalline silicon substrate.
여기서, 상기 (c) 단계 후, 상기 제2 타입 비정질 실리콘층 상에 산화공정을 이용하여 패시베이션층을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 패시베이션층은 SiO2, SiC, SiNx, 진성 비정질 실리콘(Intrinsic a-Si:H) 중 선택되는 것을 특징으로 하고, 상기 패시베이션층은 0.1 ~ 10nm의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하고, 상기 산화공정은 70 ~ 90℃의 초순수에 50 ~ 70분 동안 상기 실리콘 기판을 침지시켜 수행하는 것을 특징으로 하고, 상기 산화공정은 25 ~ 30℃ 온도에서 60 ~ 80%(v/v)의 HNO3 용액에 10 ~ 20분 동안 상기 실리콘 기판을 침지시켜 수행하는 것을 특징으로 한다.Here, after the step (c), further comprising forming a passivation layer on the second type of amorphous silicon layer using an oxidation process, wherein the passivation layer is SiO 2 , SiC, SiNx, It is characterized in that the intrinsic amorphous silicon (Intrinsic a-Si: H), characterized in that the passivation layer is formed to a thickness of 0.1 ~ 10nm, the oxidation process is 50 ~ 70 in ultrapure water of 70 ~ 90 ℃ It is characterized in that it is carried out by immersing the silicon substrate for minutes, the oxidation process by immersing the silicon substrate for 10 to 20 minutes in 60 ~ 80% (v / v) HNO 3 solution at 25 ~ 30 ℃ temperature It is characterized by performing.
아울러, 본 발명에 따른 실리콘 이종접합 태양전지는 상술한 방법으로 제조된 것을 특징으로 한다.In addition, the silicon heterojunction solar cell according to the present invention is characterized in that it is manufactured by the above-described method.
본 발명의 실시예에 따른 이종접합 실리콘 태양전지에 의하면 초순수 또는 HNO3 용액을 이용한 산화공정으로 패시베이션층을 형성함으로써, 패시베이션층의 두께를 최적화할 수 있고, 유니폼한 패시베이션층을 용이하게 형성할 수 있는 효과를 제공한다. According to the heterojunction silicon solar cell according to the embodiment of the present invention, by forming a passivation layer by an oxidation process using ultrapure water or HNO 3 solution, the thickness of the passivation layer can be optimized and a uniform passivation layer can be easily formed. Provide the effect.
따라서 비정질/결정질 실리콘 간의 계면 결함을 줄일 수 있으며 P-N 다이오드 특성향상을 통해 태양전지의 충진율의 증가 및 향상된 효율을 극대화 시킬 수 있는 효과를 제공한다.Therefore, the interface defect between amorphous and crystalline silicon can be reduced, and the P-N diode characteristics can be improved to maximize solar cell filling rate and improve efficiency.
이하에서는 상술한 본 발명의 기술에 근거하여 고효율의 실리콘 이종접합 태 양전지 및 이를 제조하는 방법에 대해 상세히 설명하는 것으로 한다.Hereinafter, a high efficiency silicon heterojunction solar cell and a method of manufacturing the same will be described in detail based on the technology of the present invention described above.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, only the present embodiments to make the disclosure of the present invention complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention belongs. It is provided to fully inform the person having the scope of the invention, which is defined only by the scope of the claims.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 태양전지를 도시한 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing a heterojunction solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이종접합 실리콘 태양전지로서 제1 타입 실리콘 기판(100), 패시베이션층(120), 제2 타입 실리콘층(130), 투명 전도막(150), 상부전극(170), 전계 형성층(BSF, 140) 및 하부전극(160)을 포함한다.2, as a heterojunction silicon solar cell according to an embodiment of the present invention, a first
다만, 상기에서 제1 타입과 제2 타입은 p 또는 n 형을 의미하는 것으로서, 서로 같은 타입일 수는 없으며, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 제1 타입을 n타입, 제2 타입을 p타입에 국한하여 설명하도록 한다.However, in the above description, the first type and the second type mean p or n type, and may not be the same type. Hereinafter, for convenience of description, the first type and the second type are referred to as the n type and the second type. Explain it locally.
제1 타입 실리콘 기판(100)은 결정질(crystal) n형 실리콘 기판으로서, 단결정 또는 다결정 중 어느 것이라도 무방하다.The first
제2 타입 실리콘층(130)은 비정질(amorphous) p형 실리콘층으로 되어 있으며, 이 또한 비정질 실리콘이 아닌 다른 물질의 p형이어도 무방하다.The second
이때, 패시베이션층(120)은 제2 타입 실리콘층(130)과 제1 타입 실리콘 기 판(100)의 계면에 생기는 계면결함(interface defect)을 감소시켜 전자와 홀의 재결합(recombination)을 최소화 시키고, 최종적으로 제조되는 태양전지의 효율을 향상시켜 안정된 효율을 나타낼 수 있다.In this case, the
즉, 비정질/결정질 실리콘 이종접합의 경우 비정질/결정질의 계면에서의 결함밀도가 태양전지의 특성을 좌우하는 가장 큰 요소인데, 이러한 결함밀도의 발생원인이 되는 플라즈마 손상(plasma damage), 도펀트에 의한 손상 등을 최소화하기 위하여 비정질/결정질 사이의 계면에 결함생성을 최소화시켜줄 수 있는 물질로 결정질을 패시베이션(passivation) 해줌으로써, 계면결함 밀도를 낮출 수 있고 이로 인한 계면에서의 캐리어들의 재결합율을 낮출 수 있는 것이다.That is, in the case of amorphous / crystalline silicon heterojunction, the defect density at the amorphous / crystalline interface is the biggest factor that determines the characteristics of the solar cell, and the plasma damage and dopant, which are the causes of the defect density, are caused. By minimizing defect formation at the interface between amorphous and crystalline to minimize damage, the passivation of the crystalline can lower the density of interfacial defects and thereby lower the recombination rate of carriers at the interface. It is.
이와 같은 패시베이션층(120)은 실리콘 기판(100)의 소수캐리어(minority carrier)인 전자(e-)를 p형 실리콘층(130)으로 이동시켜줄 수 있어야 하고, p형 실리콘층(130)의 소수캐리어인 정공을 p형 실리콘 기판(100)으로 이동시켜 줄 수 있어야 하기 때문에, 일정한 공극으로 연결되어 있어야 한다.Such a
상기한 바와 같이, 패시베이션층(120)은 P-N 계면 결함을 최소화할 수 있는 물질로 형성하여 P-N계면 결함을 최소화하는 버퍼층(buffer layer) 층의 역할을 수행함과 동시에 그 내부에는 패시베이션층(120)의 상면과 하면을 관통(through)하는 복수개의 공극(through hole)을 형성함으로써 상기에서 설명한 소수캐리어들의 이동을 자유롭게 해줄 수 있도록 하는 기능을 하는 층인 것이다.As described above, the
다만, 이와 같은 패시베이션층(120)을 두게 되면 P-N접합이 전면적에서 이루어지는 것이 아니라, 공극을 통해서만 제1 타입 결정질 실리콘 기판(100)과 제2 타 입 실리콘층(130)이 연결될 수 있으므로, 소수캐리어의 수집능력 내지는 이동력은 떨어질 수 있으나, 표면의 패시베이션에 의한 벌크영역에서 소수캐리어들의 확산에 의한 수집능력은 오히려 증가할 수 있게 된다.However, when the
따라서, 패시베이션층(130)은 상기에서 설명한 바와 같이 P-N계면의 결함을 최소화시켜줄 수 있는 물질로 형성하는데, 구체적으로 SiO2, SiC, SiNx, 진성 비정질 실리콘(Intrinsic a-Si:H) 중 선택되는 하나 이상으로 형성하는 것이 바람직하다.Accordingly, the
상술한 패시베이션층(120)에 있어서, 평면도 표면적을 기준으로 공극이 차지하는 비율은 평면도 기준 전체 표면적의 50% 이하의 범위를 가지는 것이 바람직하고, 서로 이웃하는 공극의 중심간의 거리(d)는 수 nm ~ 수 ㎛ 범위, 구체적으로 1nm ~ 9㎛에서 자유롭게 결정될 수 있다. 그리고 공극의 형상은 평면도를 기준으로 볼 때 사각형, 삼각형, 원형, 타원형, 기타 다각형의 형태로 자유롭게 설계할 수 있다.In the
이상과 같이, 상기에서 패시베이션층(120)에 형성된 공극의 구체적인 사항에 대하여 설명하였으나, 상기에서 설명한 패시베이션층(120)의 기능을 원활하게 수행하기 위하여, 즉 P-N 다이오드 형성을 통한 내부 전계효과에 의한 전자 및 홀의 수집이 가능하게 할 수 있도록 하기 위해서는, 공극의 크기와 서로 이웃하는 공극간의 간격은 적절히 조절될 필요가 있다.As described above, specific details of the voids formed in the
이를 위해서, 패시베이션층(120)의 두께는 수 nm ~ 수십 nm 인 것이 바람직하지만, 반사율을 최소화하기 위한 조건으로 0.1 ~ 10nm 의 범위에서 자유롭게 결정되어야 한다. 패시베이션층의 두께가 0.1nm 미만이면 패시베이션층으로서의 기능을 수행할 수 없으므로, 형성 의미가 없어질 수 있고, 패시베이션층의 두께가 10nm를 초과하게 되면, 상술한 바와 같이 일반 비정질/결정질 P-N 이종접합 실리콘 태양전지에 비해 오히려 낮은 효율을 보일 수 있는 문제가 있다.To this end, the thickness of the
따라서, 그 두께 조절이 필수적인데 반하여 종래의 경우 패시베이션층을 PE-CVD 또는 HW-CVD와 같은 장치를 이용하여 형성하는 관계로, 상기와 같은 두께 조절이 용이하지 못하였다. 따라서 본 발명에서는 패시베이션층(120) 형성 방법을 초순수 또는 HNO3 용액을 이용한 산화공정(Oxidation)을 도입함으로써, 미세한 두께 조절이 가능할 수 있도록 하였다. 아울러, 종래에는 얇은 두께의 패시베이션층을 유니폼하게 형성하는 것이 어려웠으나, 본 발명에 따른 방법으로는 가능하였으며, 더 치밀한(Dense) 패시베이션층이 형성될 수 있도록 하였다.Therefore, while the thickness control is essential, in the related art, since the passivation layer is formed by using a device such as PE-CVD or HW-CVD, the thickness control as described above was not easy. Therefore, in the present invention, the method of forming the
다음으로, 투명 전도막층(150)은 제2 타입 실리콘층(130)상에 형성되며, 상기 투명 전도막층(150)의 상부에는 태양전지가 외부도선과 연결되는 상부전극(170)이 외부에서 입사되는 빛의 입사를 위하여 일정한 간격을 유지한 상태로 형성되어 있다.Next, the transparent
그 다음으로, 본 발명에 따른 태양전지의 하부전극(160)은 제1 타입 실리콘 기판(100)의 하부면에 형성되어 있으며, 상기에서 설명한 상부전극(170)과 하부전극(160)은 모두 전기전도도가 우수한 금속, 예컨대, Al, Pt, Au, Cu 및 Ag 중 하나 이상을 이용하여 형성한다.Next, the
아울러 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 타입 실리콘 기판(100) 및 하부전극(160) 사이의 계면에는 전계 형성층(BSF, 140)이 적용되어 있는 구조가 사용될 수도 있다. 후면 전계 형성층(140)은 하부전극으로서의 금속층을 도포한 후에 고온에서 열처리해줌으로써 형성되는데, 이러한 후면 전계 형성층(140)에 의해서 하부전극의 금속층이 결정질 실리콘 기판 후면에서 불순물로 작용하여 기판 후면을 n+형으로 변환시키게 되고, 이러한 n+ 층은 빛에 의해 생성된 전자의 후면 재결합을 줄여주어 태양전지의 효율을 높여주게 되는 것이다.In addition, as shown in FIG. 2, a structure in which an electric field forming layer (BSF) 140 is applied may be used at an interface between the first
한편, 도시되지는 않았으나 상술한 각 층들 사이의 계면에는 에칭(etching) 처리에 의한 텍스처링(texturing) 구조의 표면이 형성될 수 있는데, 이러한 텍스처링 구조는 반사율을 낮추고 빛을 모아주는 기능을 향상시킬 수 있도록 한다. Although not shown, a surface of a texturing structure may be formed at an interface between the above-described layers by an etching process. Such a texturing structure may lower reflectance and improve light collection. Make sure
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 실리콘 이종접합 태양전지는 패시베이션층을 포함하되, 패시베이션층의 효과를 극대화시키기 위하여 초순수 또는 HNO3 용액을 이용한 산화공정으로 0.1 ~ 10nm 의 두께로 형성하는 것을 특징으로 한다.As described above, the silicon heterojunction solar cell according to the present invention includes a passivation layer, and in order to maximize the effect of the passivation layer, an oxide process using ultrapure water or HNO 3 solution is formed to a thickness of 0.1 to 10 nm. do.
이에 대한 기본 적인 실시예로서 상기 도 2는 실리콘 기판(100)과 비정질 실리콘층(130) 사이의 계면에 패시베이션층이 형성된 것을 나타낸 것이고, 하기 도 3은 비정질 실리콘층(220)과 투명 전도막(250) 사이의 계면에 패시베이션층이 형성 되는 것을 나타낸 것이다.2 illustrates that a passivation layer is formed at an interface between the
따라서 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이종접합 태양전지를 도시한 단면도이다.3 is a cross-sectional view showing a heterojunction solar cell according to another embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 제1 타입 실리콘 기판(200), 제2 타입 실리콘층(220), 패시베이션층(230), 투명 전도막(250), 상부전극(270), 전계 형성층(BSF, 240) 및 하부전극(260)의 기능 및 형상이 모두 상기 도 2의 구조와 동일하게 적용이 된다.Referring to FIG. 3, a first
여기서, 패시베이션층(230)은 초순수 또는 HNO3 용액을 이용한 산화공정(Oxidation)으로 형성함으로써, 0.1 ~ 10nm 범위의 미세한 두께 조절이 가능하도록 하였고, 이로 인하여 계면 특성이 향상될 수 있도록 하였다.Here, the
이하에서는 상술한 두 가지 실시예에 적용되는 패시베이션층 형성 방법 및 그 형성 조건에 관하여 보다 상세히 설명하는 것으로 한다. Hereinafter, a method of forming a passivation layer and forming conditions thereof applied to the above-described two embodiments will be described in more detail.
도 4a 내지 도 4c는 상기 도 2 구조의 패시베이션층을 형성하는 이종접합 태양전지 제조 방법을 도시한 단면도들이다.4A to 4C are cross-sectional views illustrating a heterojunction solar cell manufacturing method for forming the passivation layer of the FIG. 2 structure.
먼저 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 실리콘 이종접합 태양전지를 제조하기 위해서 제1 타입 결정질 실리콘 기판(300)의 양면에 패시베이션층(310, 315)을 형성한다.First, referring to FIGS. 4A and 4B, passivation layers 310 and 315 are formed on both surfaces of a first type
이때, 패시베이션층(310, 315)은 초순수 또는 HNO3 용액을 이용한 산화공 정(Oxidation)으로 형성한다.In this case, the passivation layers 310 and 315 are formed by oxidation using ultrapure water or HNO 3 solution.
초순수를 이용하는 경우는 70 ~ 90℃의 초순수에 50 ~ 70분 동안 상기 실리콘 기판(300)을 침지시켜 수행하고, HNO3 용액을 이용하는 경우는 25 ~ 30℃ 온도의 60 ~ 80%(v/v) HNO3 용액에 10 ~ 20분 동안 상기 실리콘 기판(300)을 침지시켜 수행하는 것이 바람직하다.In the case of using ultrapure water, the
여기서, 초순수 또는 HNO3 용액의 온도를 유지시키고, 실리콘 기판(300)을 침지시키는 장치는 하기 도 6에서 개략적으로 나타내었다. 초순수의 온도가 70℃ 미만일 경우 침지시간이 70분을 초과하는 문제가 발생할 수 있고, 초순수의 온도가 90℃를 초과하는 경우에는 산화 속도가 빨라서 패시베이션층의 두께 조절이 용이하지 못한 문제가 발생할 수 있다.Here, an apparatus for maintaining the temperature of ultrapure water or HNO 3 solution and immersing the
또한, 60%(v/v) 미만의 농도를 갖는 HNO3 용액을 이용하는 경우, 산화 공정이 지나치게 지연 될 수 있고, 80%(v/v) 초과하는 농도를 갖는 HNO3 용액을 이용하는 경우 산화 속도가 빨라져서 패시베이션층의 두께 조절이 용이하지 못한 문제가 발생할 수 있다.In addition, when using HNO 3 solution having a concentration of less than 60% (v / v), the oxidation process may be excessively delayed, and the oxidation rate when using HNO 3 solution having a concentration exceeding 80% (v / v). This may cause a problem that the thickness of the passivation layer is not easy to be increased.
아울러, HNO3 용액의 온도가 25℃미만이고, 침지시키는 시간이 10분 미만이면 산화 공정이 미흡하게 수행되어 패시베이션층이 정상적으로 형성되지 않을 수 있고, HNO3 용액의 온도가 30℃를 초과하고, 침지시간이 20분을 초과하는 경우에는 산화 공정이 과도하게 수행되어 패시베이션층의 두께 조절이 용이하지 못한 문제가 발생할 수 있다.In addition, if the temperature of the HNO 3 solution is less than 25 ℃, and the time to immerse less than 10 minutes, the oxidation process is insufficient to perform the passivation layer is not normally formed, the temperature of the HNO 3 solution exceeds 30 ℃, If the immersion time exceeds 20 minutes, the oxidation process is excessively performed, which may cause a problem in that the thickness of the passivation layer is not easily adjusted.
도 4c를 참조하면, 상기와 같은 산화공정을 진행한 후 상기 실리콘 기판(300)의 하면에 형성된 패시베이션층(315)을 제거하는 공정을 수행한다. 이때, 패시베이션층을 제거하는 공정은 HF(Hydrofluoric Acid) 및 BOE(Buffered Oxide Etch)의 혼합 용액에 30초 ~ 2분간 침지시키는 제1 단계와, DI수(DI water)에 연속하여 두 번 침지시켜 세정하는 제2 단계로 진행하는 것이 바람직하다. 상기와 같은 후면 패시베이션층(315)을 제거하는 용액 침지 단계 사진은 하기 도 7에 나타내었다.Referring to FIG. 4C, after performing the oxidation process as described above, a process of removing the
다음으로, 패시베이션층(310) 상에 제2 타입 비정질 실리콘층을 형성하고, 그 다음으로 제2 타입 실리콘층(310) 상에 ZnO(Zinc Oxide), ITO(Indium Tin Oxide) 및 AZO(Aluminum-doped zinc oxide)와 같은 물질을 이용하여 투명 전도막을 형성하고, 상기 투명 전도막 상에 상부 금속전극을 형성한다.Next, a second type amorphous silicon layer is formed on the
마지막으로 제1 타입 실리콘 베이스 기판(300)의 하부에 하부전극을 형성하게 되면, 본 발명에 따른 이종접합 실리콘 태양전지가 완성된다.Finally, when the lower electrode is formed under the first type
도 5a 내지 도 5c는 상기 도 3 구조의 패시베이션층을 형성하는 이종접합 태양전지 제조 방법을 도시한 단면도들이다.5A to 5C are cross-sectional views illustrating a heterojunction solar cell manufacturing method for forming a passivation layer of the FIG. 3 structure.
도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 실리콘 이종접합 태양전지를 제조하기 위해서 제1 타입 결정질 실리콘 기판(400)의 상부에 제2 타입 비정질 실리콘층(410)을 형성하고, 상기 구조물의 양면에 패시베이션층(410, 415)을 형성한다.5A to 5C, a second type amorphous
이때, 패시베이션층(410, 415)은 상술한 조건에 따라서 초순수 또는 HNO3 용액을 이용한 산화공정(Oxidation)으로 형성한다.In this case, the passivation layers 410 and 415 are formed by oxidation using ultrapure water or HNO 3 solution according to the conditions described above.
다음으로, 하면에 형성된 패시베이션층(415)을 제거하는 공정과, 투명 전도막을 형성하고, 상기 투명 전도막 상에 상부 금속전극을 형성하는 공정 또한 상기 도 4a 내지 도 4c의 과정과 동일한 과정으로 수행한다.Next, a process of removing the passivation layer 415 formed on the lower surface, forming a transparent conductive film, and forming an upper metal electrode on the transparent conductive film are also performed by the same process as that of FIGS. 4A to 4C. do.
아울러, 상기 초순수 또는 HNO3 용액을 이용한 산화공정(Oxidation)은 도 6에서 나타내었고, 후면 패시베이션층을 제거하는 방법은 도 7에 나타내었다.In addition, the oxidation process using the ultrapure water or HNO 3 solution (Oxidation) is shown in Figure 6, the method of removing the back passivation layer is shown in Figure 7.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 실리콘 이종접합 태양전지에 의할 경우, 안정적인 패시베이션층 형성할 수 있다. 특히, 10nm 이하의 얇은 패시베이션층을 유니폼하게 형성시킬 수 있으며, 더 치밀한 구조로 형성함에 따라서 태양전지 효율의 안정성과 재연성이 매우 우수하게 나타날 수 있다.As described above, in the case of the silicon heterojunction solar cell according to the embodiments of the present invention, a stable passivation layer may be formed. In particular, a thin passivation layer of 10 nm or less can be uniformly formed, and as a more compact structure can be formed, the stability and reproducibility of solar cell efficiency can be very excellent.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본발명의 실시예들을 설명하였으나, 본발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것 을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited to the above embodiments and can be modified in various forms, and having ordinary skill in the art to which the present invention pertains. It will be appreciated that one can implement other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.
도 1은 종래기술에 따른 이종접합 태양전지의 적층 구조를 도시한 단면도.1 is a cross-sectional view showing a laminated structure of a heterojunction solar cell according to the prior art.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 태양전지를 도시한 단면도.Figure 2 is a cross-sectional view showing a heterojunction solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이종접합 태양전지를 도시한 단면도.Figure 3 is a cross-sectional view showing a heterojunction solar cell according to another embodiment of the present invention.
도 4a 내지 도 4c는 상기 도 2 구조의 패시베이션층을 형성하는 이종접합 태양전지 제조 방법을 도시한 단면도들.4A to 4C are cross-sectional views illustrating a heterojunction solar cell manufacturing method for forming a passivation layer of the FIG. 2 structure.
도 5a 내지 도 5c는 상기 도 3 구조의 패시베이션층을 형성하는 이종접합 태양전지 제조 방법을 도시한 단면도들.5A to 5C are cross-sectional views illustrating a heterojunction solar cell manufacturing method for forming a passivation layer of the FIG. 3 structure.
도 6은 초순수 또는 HNO3 용액을 이용한 산화공정을 수행하는 방법을 개략적으로 나타낸 사진.6 is a photo schematically showing a method of performing an oxidation process using ultrapure water or HNO 3 solution.
도 7은 후면 패시베이션층을 제거하는 방법을 개략적으로 나타낸 사진.7 is a photo schematically showing how to remove the back passivation layer.
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