KR20120020294A - 이종접합 태양전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

태양전지는 반도체 기판, 제1 반도체층, 제1 반사 방지막, 제1 전극 및 제2 전극을 포함한다. 상기 반도체 기판은 태양광이 입사되는 제1 면 및 상기 제1 면과 마주하는 제2 면을 포함하고, 상기 제1 반도체층은 상기 반도체 기판의 제1 면 상에 형성된다. 상기 제1 반사 방지막은 상기 제1 반도체층 상에 형성되며 전도성 고분자 물질을 포함한다. 상기 제1 전극은 상기 제1 반사 방지막 상에 형성되고 상기 제1 반도체층과 전기적으로 연결된다. 상기 제2 전극은 상기 반도체 기판의 제2 면 상에 형성된다.

Description

이종접합 태양전지 및 이의 제조 방법{HETEROJUNCTION SOLAR CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 발명이다. 구체적으로는 비정질 실리콘층과 결정질 실리콘층의 접합을 갖는 이종 접합 태양전지의 특성을 향상시킨 이종접합 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 발명이다.
태양전지는 광기전력 효과(photovoltaic effect)를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치로서, 그 구성 물질에 따라서 실리콘 태양전지, 박막 태양전지, 염료감응 태양전지 및 유기고분자 태양전지 등으로 구분된다. 이러한 태양전지는 독립적으로는 전자시계, 라디오, 무인등대, 인공위성, 로켓 등의 주 전력원으로 이용되고, 상용교류전원의 계통과 연계되어 보조 전력원으로도 이용될 수 있다. 또한, 최근 대체 에너지에 대한 필요성이 증가하면서 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다.
한편, 태양전지는 p-n접합에 사용되는 p영역과 n영역의 성질에 따라 동종접합(homojunction) 태양전지와 이종접합(heterojunction) 태양전지로 나눌 수 있는데, 이중 이종접합 태양전지는 서로 다른 결정구조 또는 서로 다른 물질로 결합되는 구조를 갖는다.
일반적으로 이종접합 태양전지는 결정질 실리콘 기판 위에 얇은 비결정질 실리콘층을 증착시켜 제조하는데, 보통 30-100 Å정도 두께의 얇은 비결정질 실리콘층을 증착시키고 그 위에 반사 방지막 역할을 하는 투명 전도성 산화막층을 증착시켜 형성한다.
종래의 이종접합 태양전지에서는 반사 방지막으로 투명 전도성 산화 물질(transparent conductive oxide: TCO)인 인듐 주석 산화물(indium tin oxide: ITO) 또는 산화 아연(zinc oxide: ZnO)등을 사용 하였다. 일반적으로, 상기 투명 전도성 산화 물질은 비결정질 실리콘 박막 위에 스퍼터링 공법에 의해 증착된다.
그러나, 상기 투명 전도성 산화 물질의 증착과정에서 비결정질 실리콘층은 투명 전도성 산화 물질 입자에 의해 손상되어 태양 전지의 특성이 저하될 수 있다. 또한, 이종접합 태양전지는 공정온도가 낮아 광열화가 거의 없다는 장점을 갖지만 비결정질 실리콘의 증착 온도인 200℃ 이하에서 후속공정이 진행되는 경우에는 태양전지의 특성저하가 나타날 수 있다.
본 발명의 기술적 과제는 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 비결정질 실리콘층의 손상을 감소하고, 특성을 향상시키기 위한 이종 접합 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 태양전지를 제조하는 데 특히 적합한 태양 전지의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시 예에 따른 태양전지는 반도체 기판, 제1 반도체층, 제1 반사 방지막, 제1 전극 및 제2 전극을 포함한다. 상기 반도체 기판은 태양광이 입사되는 제1 면 및 상기 제1 면과 마주하는 제2 면을 포함하고, 상기 제1 반도체층은 상기 반도체 기판의 제1 면 상에 형성된다. 상기 제1 반사 방지막은 상기 제1 반도체층 상에 형성되며 전도성 고분자 물질을 포함한다. 상기 제1 전극은 상기 제1 반사 방지막 상에 형성되고 상기 제1 반도체층과 전기적으로 연결된다. 상기 제2 전극은 상기 반도체 기판의 상기 제2 면 상에 형성된다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 전도성 고분자 물질의 예로서는 폴리에틸렌 디옥시티오펜 (Polyethylenedioxythiophene: PEDOT), 단일겹 탄소나노튜브(Single wall carbon nanotube: SWNT) 등을 들 수 있다. 이들은 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 반도체 기판과 상기 제1 반도체층 사이에 제1 패시베이션층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 반도체 기판과 상기 제2 전극 사이에 형성되는 제2 패시베이션층, 상기 제2 패시베이션층과 상기 제2 전극 사이에 형성되는 제2 반도체층 및 상기 제2 반도체층과 상기 제2 전극 사이에 형성되는 제2 반사 방지막을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 제2 반사 방지막은 전도성 고분자 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 제2 반사 방지막은 투명 전도성 산화 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 제1 및 제2 패시베이션층들은 인트린식(intrinsic) 비정질 실리콘을 포함할 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시 예에 따른 태양전지의 제조 방법에서 태양광이 입사되는 제1 면 및 상기 제1 면과 마주하는 제2 면을 포함하는 반도체 기판의 제1 면 상에 제1 패시베이션층을 형성하고 상기 제1 패시베이션층 상에 제1 반도체층을 형성한다. 상기 제1 반도체층 상에 전도성 고분자 물질을 포함하는 제1 반사 방지막을 형성하고, 상기 제1 반사 방지막 상에 상기 제1 반도체층과 전기적으로 연결되는 제1 전극을 형성한다. 상기 반도체 기판의 상기 제2 면 상에 하부층을 형성하고 상기하부층 상에 제2 전극을 형성한다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 하부층을 형성하는 단계는 상기 반도체 기판의 상기 제2 면 상에 제2 패시베이션층을 형성하는 단계, 상기 제2 패시베이션층 상에 제2 반도체층을 형성하는 단계 및 상기 제2 반도체층 상에 제2 반사 방지막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 제1 및 제2 반도체층을 형성하는 단계는 각각 상기 제1 및 제2 패시베이션층 상에 별도의 반도체층을 증착시킬 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 제1 및 제2 반도체층을 형성하는 단계는 각각 상기 제1 및 제2 패시베이션층의 제1 및 제2 전극과 인접한 부분을 도펀트로 도핑할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 제1 및 제2 반사 방지막을 형성하는 단계는 드롭 캐스팅법을 이용할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 제1 및 제2 반사 방지막을 형성하는 단계는 스핀 코팅법을 이용할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 제2 반사 방지막은전도성 고분자 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 제2 반사 방지막은 투명 전도성 산화막을 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 태양전지의 반사 방지막을 전도성 고분자 물질로 형성하므로 비정질 실리콘층의 손상 없이 상온 증착이 가능하여 태양전지의 특성저하를 감소시킬 수 있다.
또한 전도성 고분자 물질은 태양전지의 반사 방지막에 일반적으로 사용되는 투명 전도성 산화막에 비해 원료의 비용이 저렴하고 진공장비를 사용하지 않고도 증착이 가능하므로 공정비용을 절감 시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 I-I'선을 따른 단면도이다.
도 3은도 1의 반사방지막으로 사용되는 물질의 일 함수를 나타내는 그래프이다.
도 4a 내지 4f는 도 1의 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 태양전지를 도시한 사시도이다.
도 6는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 태양전지를 도시한 사시도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양전지를 도시한 사시도이다. 도 2는 도 1의 I-I'선을 따른 단면도이다.
도 1 및도 2를 참조하면, 본 실시 예에 따른 태양전지(100)는태양광을 수광하는 제1 면(121) 및 상기 제1 면(121)과 대향하는 제2 면(131)을 포함하는 반도체 기판(110)을 포함한다.
상기 반도체 기판(110)은 n형 실리콘 기판일 수있다. 즉, 상기 반도체 기판(110)은 4족 원소 및5족 원소를 포함할 수 있다. 상기 반도체 기판(110)은 단결정 또는 다결정일 수있다. 본 실시 예는 상기 반도체 기판(110)을 n형 실리콘 기판으로 설명하나, 이와 다르게 p형 실리콘 기판 일수 있다.
상기 반도체 기판(110)의 상기 제1 면(121)에는 제1 패시베이션층(122), 제1 반도체층(123) 및 제1 반사 방지막(124)을 포함하는 상부층(120)과 제1 전극(140)이 형성된다.
구체적으로, 상기 베이스 기판(110)의 상기 제1 면(121) 상에는 상기 제1 패시베이션층(122)이 형성된다.
상기 제1 패시베이션층(122)은 본 발명과 같은 이종접합 태양 전지(100)의 비정질 실리콘과 결정질 실리콘 사이의 경계 면에서 전자와 정공의 재결합을 최대한으로 방지하기 위한 층이다. 따라서 상기 제1 패시베이션층(122)은 산화 실리콘(SiO2), 탄화 실리콘(SiC), 질화 실리콘(SiNx) 또는 인트린식(intrinsic) 비정질 실리콘 등을 포함하는 물질로 형성하여 전자와 정공의 재결합을 최소화하게 하는 것이 바람직하다.
상기 제1 패시베이션층(122)은 상기 반도체 기판(110) 상에 수 nm 내지 수십 nm의 두께로 증착될 수 있다. 또한, 상기 제1 패시베이션층(122)은 앞서 설명한 바와 같이 포함하고 있는 물질의 특성에 따라 후술할 반사 방지막과 더불어 이중 반사 방지막으로서의 기능도 할 수 있다.
상기 제1 반도체층(123)은상기 제1 패시베이션층(122) 상에 형성된다. 본 발명과 같은 이종접합 태양전지(100)의 경우, 상기 제1 반도체층(123)은 비정질 실리콘으로 형성된다. 본 실시 예에서는 상기 제1 반도체층(123)은 p형 반도체를 포함할 수 있다. 따라서 상기 제1 반도체층(123)은 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등을 포함하는 3족 원소를 포함할 수 있다. 만약 반도체 기판이 p형 실리콘 기판인 경우, 제1 반도체층은 n형 반도체를 포함할 수 있다.
상기 제1 반도체층(123)은실질적으로 태양광이 입사되는 부분이고, 상기 태양 전지(100)의 전류가 흐르는 에미터(emitter)이다. 또한, 상기 제1 반도체층(123)은 상기 제1 패시베이션층(122) 상에 전체적으로 형성될 수 있다.
상기 제1 반사 방지막(124)은 상기 제1 반도체층(123) 상에 형성된다. 상기 제1 반사 방지막(124)은 상기 제1 반도체층(123)에입사되는 태양광의 반사를 최소화시키기 위한 층이다. 동시에, 상기 제1 반사 방지막(124)은상기 반도체 기판(110)을 보호하고 상기 제2 면(131) 상에 배치된 제2 반사 방지막(134)에외부로부터 제공되는 태양광을 제공한다.
상기 제1 반사 방지막(124)은전도성 고분자 물질을 포함할 수 있다. 상기 전도성 고분자 물질의 예로서는 폴리에틸렌 디옥시티오펜 (Polyethylenedioxythiophene: PEDOT), 단일겹 탄소나노튜브(Single wall carbon nanotube: SWNT)등을 들 수 있다. 이들은 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 제1 전극(140)은 상기 제1 반도체층(123)와 전기적으로 연결된다. 상기 제1 전극(140)에 사용할 수 있는 물질의 예로서는 전도성 금속 또는 이들의 화합물을 들 수 있다. 이러한 전도성 금속 또는 이들의 화합물의 예로서는 알루미늄(Al), 은(Ag), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 텅스텐(W), 주석(Sn), 티타늄 질화물 등을 들 수 있다. 이들은 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 제1 전극(140)은 상기 제1 반사 방지막(124)의 일부에 형성된다. 상기 제1 전극(140)은 상기 제1 방향(D1)으로 형성된 다수의 버스 라인 및 상기 제1 방향(D1)과 실질적으로 수직하는 제2 방향(D2)으로 형성된 핑거 라인을 포함할 수 있다.
상기 반도체 기판(110)의 상기 제2 면(131)에는 제2 패시베이션층(132), 제2 반도체층(133) 및 제2 반사 방지막(134)을 포함하는 하부층(130)과 제2 전극(150)이 형성된다.
구체적으로, 상기 베이스 기판(110)의 상기 제2 면(131) 상에는 상기 제2 패시베이션층(132)이 형성된다.
상기 제2 패시베이션층(132)은 상기 제1 패시베이션층(122)과 동일하게 비정질 실리콘과 결정질 실리콘 사이의 경계 면에서 전자와 정공의 재결합을 최대한으로 방지하기 위한 층이다. 따라서 상기 제2 패시베이션층(132)에 사용할 수 있는 물질의 예로서는 산화 실리콘(SiO2), 탄화 실리콘(SiC), 질화 실리콘(SiNx), 인트린식(intrinsic) 비정질 실리콘 등을 들수 있다. 이들은 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 제2 패시베이션층(132)의 두께는 수 nm 내지 수십 nm이다.
상기 제2 패시베이션층(132)의 상부에는 상기 제2 반도체층(133)이 형성된다. 상기 제2 반도체층(133)은 비정질 실리콘으로 형성된다. 본 실시 예에서는 상기 제2 반도체층(133)은 n형 반도체를 포함할 수 있다. 따라서 상기 제2 반도체층(133)은 안티몬(Sb), 비소(As), 인(P)등과 같은 5족 원소를 포함할 수 있다. 만약 반도체 기판이 p형 실리콘 기판인 경우, 제2 반도체층은 p형 반도체를 포함할 수 있다.
상기 제2 반도체층(133)은상기 반도체 기판(110)의 내부에서 상기 태양광에 의해 생성된 정공을 상기 제1 반도체층(123)으로 밀어낸다. 동시에 상기 반도체 기판(110)의 내부에서 생성된 전자가 상기 정공과 재결합하여 상기 정공을 소멸시키는 것을 방지하도록 상기 전자를 당기는 역할을 한다.
상기 제2 반도체층(133)의상부에는 상기 제2 반사 방지막(134)이형성된다. 상기 제2 반사 방지막(134)은 전도성 금속층으로 형성된 상기 제2 전극(150)과 상기 제2 반도체층(133)의 접촉을 용이하게 할 수 있으며, 상기 제1 반사 방지막(124)을 통해 흡수된 태양광을 재 반사 하는 재 반사층일 수 있다. 동시에, 상기 제2 반사 방지막(134)은 상기 베이스 기판(110)을 보호할 수 있다.
상기 제2 반사 방지막(134)은투명 전도성 산화물질 또는 전도성 고분자 물질을 포함할 수 있다. 상기 전도성 고분자 물질의 예로서는 PEDOT, SWNT 등을 들수 있다. 이들은 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 투명 전도성 산화물질의 예로서는 인듐틴옥사이드(indium tin oxide: ITO) 또는 산화 아연(zinc oxide: ZnO) 등을 포함할 수 있다. 이들은 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 제2 반사 방지막(134) 상에는 상기 제2 전극(150)이 형성된다. 상기 제2 전극(150)은 상기 제2 반도체층(133)과 전기적으로 연결된다. 상기 제2 전극(150)에 사용할 수 있는 물질의 예로서는 전도성 금속 또는 이들의 화합물을 들 수 있다. 이러한 전도성 금속 또는 이들의 화합물의 예로서는 알루미늄(Al), 은(Ag), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 텅스텐(W), 주석(Sn), 티타늄 질화물 등을 들 수 있다. 이들은 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 전극(150)은 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다.
상기 태양 전지(100)의 전력 생산 원리에 대해서 간단히 설명하면, 상기 제1 반사 방지막(124) 상에 태양광이 입사되면 상기 태양광의 광자(photon)에 의해 상기 반도체 기판(110)에서 정공(hole) 및 전자(electrode)가 발생된다.
상기 정공은 상기 반도체 기판(110)과 상기 제1 반도체층(123)에의해 발생한 전기장에 의해 상기 제1 반도체층(123)을향해 이동한다. 상기 전자는 상기 전기장에 의해 상기 제2 반도체층(133)을향해 이동한다. 상기 제2 반도체층(133)으로 이동한 상기 전자들은 상기 제2 전극(150)에 축적된다. 상기 제1 반도체층(123)으로 이동한 상기 정공들은 상기 제1 전극(140)에 축적된다.
상기 제1 전극(150)과상기 제2 전극(140) 각각에 축적되는 상기 정공 및 상기 전자에 의해 상기 태양전지(100)의 상하로 전위차가 발생하게 된다. 이에 따라, 상기 태양전지(100)는 태양광에 의한 전력을 생산할 수 있다.
본 발명의 실시 예를 검토해 보면, 태양전지의 반사 방지막을 전도성 고분자 물질을 이용하여 형성한다. 상기 전도성 고분자 물질의 예로서는 PEDOT, SWNT 등을 들수 있다.
상기 PEDOT는 폴리에틸렌 디옥시티오펜 (Polyethylenedioxythiophene)으로 전도성이 높고, 투명성을 가지면서구조적으로 안정한 우수한 박막을 만들 수 있는 장점을 가지고 있다. 비용적인 면에서도 상기 PEDOT는 기존의 반사방지막으로 사용되는 ITO 또는 ZnO 등의 투명 전도성 산화물질에 비하여 저렴하다.
상기 SWNT는 단일겹 탄소나노튜브(Single-wall nanotube)로 탄소 동소체의 일종으로 탄소 원자들이 육각형 벌집 형태로 결합되어 튜브 형태를 이루고 있는 물질이다. 상기 SWNT는 높은 전기 전도도, 열 전도도 및 기계적 강도를 나타낸다.
종래의 투명 전도성 물질은 스퍼터링(sputtering) 공법 등을 이용하여 태양전지의 반사 방지막으로 증착 시켰다. 스퍼터링 공법은 플라즈마에 의해 생성된 이온을 물리적으로 가속시켜 증착시키고자 하는 표면 위에 충돌시키는 공정이다. 상기 스퍼터링 공법을 이용하여 비정질 실리콘 상에 반사 방지막을 형성하는 경우 충돌에 의해 비정질 실리콘 표면 손상이 발생하게 된다. 이러한 비정질 실리콘의 표면 손상은 태양전지의 특성 저하를 가져오게 된다.
그러나, 상기 PEDOT 및 SWNT와 같은 전도성 고분자 물질은 드롭 캐스팅(drop casting) 공법이나 스핀 코팅(spin coating) 공법에 의해 액상 상태로 증착이 가능하다. 드롭 캐스팅 공법은 고분자 물질의 박막 형성 시 일반적으로 사용하는 공법으로서, 박막으로 형성하고자 하는 물질 자체를 액체 등 점섬이 있는 상태로 드롭시켜 형성하는 공법이다. 스핀 코팅 공법도 박막 형성 시 일반적으로 사용하는 공법으로서, 박막을 형성하고자 하는 물질의 용액이나 액체 물질을 박막을 형성할 물체 위에 떨어뜨리고, 고속으로 회전시켜 얇게 퍼지게 하는 공법이다. 드롭 캐스팅 공법이 스핀 코팅 공법에 비해 점성이 큰 물질을 이용하는데 더 적합하다. 따라서, 비정질 실리콘층의 손상 없이 반사 방지막을 형성 할 수 있다. 나아가 비정질 실리콘층의 표면 손상에 의한 태양전지의 특성 저하를 방지할 수 있다.
또한, 상기 전도성 고분자 물질은 TCO에 비해 일 함수가 커 태양전지의 개방전압(Voc)가 증가하는 결과를 가져온다.
태양전지의 개방전압(Voc)은 태양전지의 효율을 나타내는 변수로서 회로가 개방된 상태, 즉 무한대의 임피던스가 걸린 상태에서 빛을 받았을 때 태양전지의 양단에 형성되는 전위차이다. 상기 태양전지의 개방전압(Voc)은 주로 p형 반도체와 n형 반도체의 일 함수(work function)값의 차이로 주어지는 것이나, 비정질 실리콘 기판층과 전극의 일 함수 값의 차이도 영향을 주게 된다. 따라서, 동일한 반도체층을 사용하였을 경우 전극으로 사용하는 물질의 일 함수에 따라 상기 태양전지의 개방전압(Voc)이 달라지게 된다.
도 3은 반사방지막으로 사용할 수 있는 물질의 일 함수를 나타내는 그래프이다. 물질의 페르미준위와 물질 외부의 전위 사이를 전자 1개가 이동할 때 필요한 에너지의 차를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 투명 전도성 산화 물질인 ITO와 ZnO의 일 함수는 각각 4.0 eV, 4.4 내지 4.5 eV 정도 인데 반해, 전도성 고분자 물질인 PEDOT 와 SWNT는 각각 5.2eV, 4.8 eV 정도의 값을 갖는 것을 알 수 있다. 이종접합 태양전지에서 반사 방지막으로 사용되는 물질의 일 함수 값이 커지면 비정질 실리콘층과의 일 함수 값의 차이도 커진다. 따라서, 본 발명과 같이 전도성 고분자 물질을 반사 방지막으로 사용하는 경우에는 투명 도전성 산화물질을 반사 방지막으로 사용하는 경우에 비해 태양전지의 개방전압(Voc)이 증가하게 된다.
상기 반사 방지막은 상기 태양전지의 표면 및 후면 전극과 전기적으로 연결되어 전극의 역할을 동시에 하기 때문에 저항 또한 중요한 특성으로 작용한다. 저항 측면에서 고려해 보면 일반적으로 투명 전도성 산화 물질이 더 유리하나, 상기 전도성 고분자 물질의 또 다른 특징은 도핑을 통해 일 함수 값을 크게 변화시키지 않으면서 저항을 낮출 수 있어 저항 측면에서도 적절하다. 최근엔 상기 전도성 고분자 물질의 저항을 낮추어 유기 태양전지나 유기 발광소자의 다이오드 전극으로도 활용 하고 있다. 따라서, 상기 전도성 고분자 물질을 반사 방지막으로 사용하면, 저항을 낮추면서도 높은 일 함수 값을 유지할 수 있다.
또한, 상기 투명 전도성 산화물질은 200℃이상의 온도에서 증착되는 데 반해, 상기 전도성 고분자 물질은 상온에서 증착이 가능하다. 따라서, 상기 전도성 고분자 물질로 반사 방지막을 형성하는 경우 상기는 투명 전도성 산화물질을 이용하는 경우에 비해 낮은 공정온도에서 제조되는 이종접합 태양전지의 특정저하를 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 전도성 고분자 물질은 일반적으로 사용되는 투명 전도성 산화물질에 비해 원료의 비용이 저렴하고 진공장비를 사용하지 않고도 증착이 가능하기 때문에 저가의 공정이 가능한 이점이 있다.
도 4a 내지 4f는 도 1의 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2 및도 4a를 참조하면, 소정 크기로 절단된 n형 실리콘 기판의 절단면을 부분적으로 에칭하여 반도체 기판(110)을 준비한다. 상기 반도체 기판(110)은 염기 또는 산 용액을 이용한 습식 식각을 통하여 절단 과정에서 발생한 손상이 제거될 수 있다. 상기 반도체 기판(110)은 태양광이 입사되는 제1 면(121) 및 상기 제1 면(121)과 대향하는 제2 면(131)을 포함한다.
본 실시 예에서는 편의상 n형 실리콘 기판을 이용하는 상기 태양전지(100)의 제조 방법을 설명하나, 상기 반도체 기판(110)으로 n형 실리콘 기판 대신 p형 실리콘 기판이 이용될 수 있다.
도 2 및도 4b를 참조하면, 상기 반도체 기판(110)의 상기 제1 면(121) 상에 제1 패시베이션층(122)을 형성한다. 상기 제1 패시베이션층(121)의 형성은 플라즈마 화학기상 증착법(PECVD) 등 공지의 증착 방법을 이용할 수 있다. 상기 제1 패시베이션층(122)은 산화 실리콘(SiO2), 탄화 실리콘(SiC), 질화 실리콘(SiNx) 또는 인트린식(intrinsic) 비정질 실리콘 등을 포함하는 물질로 형성될 수 있다.
도 2 및 도 4c를 참조하면, 상기 제1 패시베이션층(122)이 형성된 상기 반도체 기판(110) 상에 제1 반도체층(123)을 형성한다.
상기 제1 반도체층(123)은상기 제1 패시베이션층(122)의 상부에 p형 도펀트를 주입하여 형성될 수 있다. 상기 p형 도펀트는 열 확산법 또는 이온 주입법 등 공지의 방법을 이용할 수 있다. 상기 p형 도펀트는 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등을 포함하는 3족 원소를 포함할 수 있다. 상기와 같은 방법을 이용하는 경우, 도핑과정에서 불필요한 산화막이 생길 수 있는데, 이러한 불필요한 산화막은 불산 용액을 이용한 습식 에칭법 등 공지의 기술을 이용하여 제거할 수 있다.
또는, 상기 제1 반도체층(123)은상기 제1 패시베이션층(122) 상에 별도의 3족 원소로 도핑된 p형 반도체층을 증착시켜 형성될 수 있다.
만약 반도체 기판이 p형 실리콘 기판인 경우, 제1 반도체층은 n형 반도체를 포함할 수 있다.
도 2 및 도 4d를 참조하면, 상기 제1 반도체층(123) 상에 제1 반사 방지막(124)을 형성한다. 상기 제1 반사 방지막(124)은 전도성 고분자 물질을 포함할 수 있다. 상기 전도성 고분자 물질의 예로서는 PEDOT, SWNT 등을 들 수 있다. 따라서, 상기 제1 반사 방지막(124)은 드롭 캐스팅(drop-castin)법 또는 스핀 코팅(spin-coating)법을 이용하여 액상 상태로 상온에서 증착할 수 있다.
도 2 및 도 4e를 참조하면, 상기 제1 반사 방지막(124)이형성된 상기 반도체 기판(110) 상에 제1 전극(140)를형성한다. 상기 제1 전극(140)는상기 제1 반도체층(123)과전기적으로 연결된다. 상기 제1 전극(140)은 상기 제1 반사 방지막(124)과 직접 접촉한다. 상기 제1 전극(140)은 전도성 금속을 포함할 수 있다. 상기 전도성 금속의 예로서는 알루미늄(Al), 은(Ag) 등을 들 수 있다.
상기 제1 전극(140)은 상기 제1 반사 방지막(124)의 일부에 형성된다. 상기 제1 전극(140)은 제1 방향으로 형성된 다수의 버스 라인 및 상기 제1 방향과 실질적으로 수직하는 방향으로 형성된 핑거라인을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극(140)은 스크린 프린팅법을 이용하여 형성할 수 있다.
도 2 및 도 4f를 참조하면, 상기 반도체 기판(110)의 상기 제2 면(131) 상에 상기 제1 패시베이션층(122)과 동일한 과정으로 제2 패시베이션층(132)을 형성 될 수 있다.
상기 제2 패시베이션층(132)이 형성된 상기 반도체 기판(110) 상에 제2 반도체층(133)을 형성한다. 상기 제2 반도체층(133)은 n형 반도체를 포함할 수 있는 것을 제외 하고는 제1 반도체층(123)과동일한 과정으로 형성될 수 있다.
상기 제2 반도체층(133)이형성된 상기 반도체 기판(110) 상에 제2 반사방지막(134)을 형성한다. 상기 제2 반사 방지막(134)은 전도성 고분자 물질 또는 투명 전도성 산화 물질을 포함할 수 있다. 상기 제2 반사 방지막(134)이 전도성 고분자 물질을 포함하는 경우에는 상기 제1 반사 방지막(124)과 동일한 과정으로 형성될 수 있다. 상기 제2 반사 방지막(134)이 투명 전도성 산화 물질을 포함하는 경우에는 스퍼터링법 등 공지의 방법을 이용할 수 있다.
상기 제2 반사 방지막(134)이형성된 상기 반도체 기판(110) 상에 제2 전극(150)을형성한다. 상기 제2 전극(150)은상기 제1 전극(140)와동일한 과정으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 태양전지(100)의 제조 방법은 상기 설명한 순서와 다른 공정 순서에 의해 형성 할 수 있으며, 반드시 본 실시 예에 제한되는 것은 아니다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 태양전지를 도시한 사시도이다.
도 5의 본 실시 예에 따른 태양전지(200)는 제2 전극(250)을제외하고, 도 1 및 도 2의 태양전지(100)와 실질적으로 동일하다. 따라서, 도 1 및 도2의 태양 전지(100)와 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를부여하고, 반복되는 설명은 생략한다.
본 실시 예에 따른 태양전지(200)은 반도체기판(110), 제1 패시베이션층(122), 제1 반도체층(123), 제1 반사방지막(124), 제1 전극(140), 제2 패시베이션층(132), 제2 반도체층(133), 제2 반사방지막(134) 및 제2 전극(250)을 포함한다.
상기 제2 전극(250)는상기 제1 전극과 달리 태양광이 입사하지 않는 면에 형성되므로, 섀도잉(shadowing)에 의한 태양광 입사면적을 고려하지 않아도 된다. 따라서 본 실시 예에 따른 태양전지에서는, 상기 제2 전극(250)은 상기 반도체 기판(210)의 전면에 형성될 수 있다.
상기 제2 전극(250)에 사용할 수 있는 물질의 예로서는 전도성 금속 또는 이들의 화합물을 들 수 있다. 이러한 전도성 금속 또는 이들의 화합물의 예로서는 알루미늄(Al), 은(Ag), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 텅스텐(W), 주석(Sn), 티타늄 질화물 등을 들 수 있다. 이들은 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 전극(250)은 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다.
본 실시 예에 따른 태양전지(200)는 상기 제2 전극(250)을 제외하고 도 1 및 도 2의 태양전지(100)와 실질적으로 동일하므로, 상기 반도체기판(110), 상기 제1 패시베이션층(122), 상기 제1 반도체층(123), 상기 제1 반사방지막(124), 상기 제1 전극(140), 상기 제2 패시베이션층(132), 상기 제2 반도체층(133), 상기 제2 반사방지막(134)은 도 1 및 도 2의 태양전지(100)와 실질적으로 동일한 과정에 의해서 제조 될 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 제2 전극(250)은 상기 반도체 기판(110)의 전면에 형성되어야 한다. 따라서, 상기 제2 전극(250)은 스크린 프린팅법(screen printing) 등을 이용하여 형성할 수 있다.
도 6는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 태양전지를 도시한 단면도이다.
도 6의 본 실시 예에 따른 태양전지(300)는 백 콘택(back contact) 태양전지를 나타낸다. 도 1 및 도 2의 태양 전지(100)와 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를부여하고, 반복되는 설명은 생략한다.
도 6을 참조하면, 본 실시 예에 따른 태양전지(300)는 태양광이 입사되는 제1 면(321) 및 상기 제1 면(321)과 대향하는 제2 면(331)을 포함하는 반도체 기판(310)을 포함한다. 상기 반도체 기판(310)은 단결정 또는 다결정일 수 있다.
상기 반도체 기판(310)의 상기 제1 면(321) 상에는 제1 반사 방지막(322)이형성된다. 상기 제1 반사 방지막(322)은전도성 고분자 물질을 포함할 수 있다. 상기 전도성 고분자 물질의 예로서는 PEDOT, SWNT 등을 들 수 있다.
상기 반도체 기판(310)의 상기 제2 면(331) 상에는 상기 패시베이션층(332)이 형성된다. 상기 패시베이션층(332) 상에는 상기 제1 및 제2 반도체층들(323, 333)이 형성된다. 상기 제1 반도체층(323) 및 제2 반도체층(333)는 각각 p형 반도체와 n형 반도체를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 반도체층들(323, 333)은 서로 이격되어 형성된다. 상기 제1 및 제2 반도체층들(323, 333)은 각각 제1 방향(D1)으로 형성된 라인형상일 수 있다. 상기 제1 및 제2 반도체층들(323, 333)은 제2 방향(D2)에 따라 교번적으로 형성될 수 있다.
상기 제1 및 제2 반도체층들(323, 333) 상에 제2 반사 방지막(334)을 형성한다. 상기 제2 반사 방지막(334)은 투명 전도성 산화 물질 또는 전도성 고분자 물질을 포함할 수 있다. 상기 제2 반사 방지막(334)은 상기 제1 및 제2 반도체층들(323, 333) 상에 상기 제2 방향(D2)으로 이격되어 형성된다.
상기 제2 반사 방지막(334) 상에는 제1 및 제2 전극들(340, 350)이 형성된다. 상기 제1 및 제2 전극들(340, 350)은 각각 상기 제1 및 제2 반도체층들(323, 333)과 전기적으로 연결된다.
본 실시 예에 따른 태양전지(300)는 도 1, 2 및 도 4를 참조하여 언급한 태양전지들(100, 200)과 다르게 상기 제1 및 제2 전극들(340, 350)이 모두 상기 반도체 기판(310)의 상기 제2 면(331) 상에 형성된다. 따라서, 태양광이 입사되는 상기 제1 면(321)에 형성되는 전극으로 인하여 태양광을 차단하지 않으므로 태양전지(300)의 효율을 높일 수 있다.
이상에서는 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 전도성 고분자 물질은 종래의 태양전지의 반사 방지막으로 이용되는 투명 전도성 산화물질과 달리, 액상 상태로도 증착이 가능하여, 하부에 형성되는 비정질 실리콘 층의 표면 손상을 줄일 수 있고, 상온에서 증착이 가능하므로 온도에 의한 특성저하를 방지할 수 있다. 따라서 상기 태양 전지의 에너지 효율을 향상 시킬 수 있다.
또한, 기존의 투명 전도성 산화물질에 비해 비용이 저렴하고 진공장비를 사용하지 않고도 증착이 가능하기 때문에 저가의 공정이 가능하다.

Claims (16)

  1. 태양광이 입사되는 제1 면 및 상기 제1 면과 마주하는 제2 면을 포함하는 반도체 기판;
    상기 제1 면 상에 형성되는 제1 반도체층;
    상기 제1 반도체층 상에 형성되고 전도성 고분자 물질을 포함하는 제1 반사 방지막;
    상기 제1 반사 방지막 상에 형성되고 상기 제1 반도체층과 전기적으로 연결된 제1 전극; 및
    상기 제2 면 상에 형성되는 제2 전극을 포함하는 태양전지.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 전도성 고분자 물질은 폴리에틸렌 디옥시티오펜(Polyethylenedioxythiophene: PEDOT) 또는 단일겹 탄소나노튜브(Single wall carbon nanotube:SWNT)를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 반도체 기판과 상기 제1 반도체층 사이에 제1 패시베이션층을 더 포함하는 태양전지
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체 기판과 상기 제2 전극 사이에 형성되는 제2 패시베이션층;
    상기 제2 패시베이션층과 상기 제2 전극 사이에 형성되는 제2 반도체층; 및
    상기 제2 반도체층과 상기 제2 전극 사이에 형성되는 제2 반사 방지막을 더 포함하는 태양전지
  5. 제 4항에 있어서, 상기 제2 반사 방지막은 전도성 고분자 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 제2 반사 방지막은 투명 전도성 산화물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  7. 제 4항에 있어서, 상기 제1 및 제2 패시베이션층들은 인트린식(intrinsic) 비정질 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 제2 전극은 반도체 기판의 전면에 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  9. 태양광이 입사되는 제1 면 및 상기 제1 면과 마주하는 제2 면을 포함하는 반도체 기판의 제1 면 상에 제1 패시베이션층을 형성하는 단계;
    상기 제1 패시베이션층 상에 제1 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제1 반도체층 상에 전도성 고분자 물질을 포함하는 제1 반사 방지막을 형성하는 단계;
    상기 제1 반사 방지막 상에 상기 제1 반도체층과 전기적으로 연결되는 제1 전극을 형성하는 단계;
    상기 반도체 기판의 제2 면 상에 하부층을 형성하는 단계; 및
    상기 하부층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 하부층을 형성하는 단계는,
    상기 반도체 기판의 상기 제2 면 상에 제2 패시베이션층을 형성하는 단계;
    상기 제2 패시베이션층 상에 제2 반도체층을 형성하는 단계;및
    상기 제2 반도체층 상에 제2 반사 방지막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 제1 및 제2 반도체층들을 형성하는 단계는 각각 상기 제1 및 제2 패시베이션층들 상에 별도의 반도체층을 증착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
  12. 제 10항에 있어서, 상기 제1 및 제2 반도체층들을 형성하는 단계는 각각 상기 제1 및 제2 패시베이션층들의 제1 및 제2 전극과 인접한 부분을 도펀트로 도핑하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
  13. 제 10항에 있어서, 상기 제1 및 제2 반사 방지막들을 형성하는 단계는 드롭 캐스팅법(drop casting)을 이용하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
  14. 제 10 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 반사 방지막들을 형성하는 단계는 스핀 코팅법(spin coating)을 이용하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
  15. 제10 항에 있어서, 상기 제2 반사 방지막은 전도성 고분자 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
  16. 제 10에 있어서, 상기 제2 반사 방지막은 투명 전도성 산화물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
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KR20140112649A (ko) * 2013-03-13 2014-09-24 엘지전자 주식회사 태양전지
KR20160097922A (ko) * 2015-02-10 2016-08-18 엘지전자 주식회사 태양 전지
KR20190008390A (ko) * 2016-11-23 2019-01-23 엘지전자 주식회사 태양 전지 및 이의 제조 방법

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20140112649A (ko) * 2013-03-13 2014-09-24 엘지전자 주식회사 태양전지
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