KR20120021964A - 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지에 관한 것이다.
본 발명의 일례에 따른 태양 전지는 광이 입사되는 입사면과 광이 입사면의 반대면인 후면을 포함하며, 제1 도전성 타입의 기판; 기판의 후면과 전기적으로 연결되어 있고 제1 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입을 갖는 적어도 하나의 에미터부; 적어도 하나의 에미터부와 전기적으로 연결되어 있는 제 1 전극; 및 기판의 후면과 전기적으로 연결된 제 2 전극;을 포함하며, 에미터부는 내부의 Si-Si 결합의 개수가 7.48×1022/cm3 ~ 9.2×1022/cm3인 비정질 실리콘(Amorphous Silicon, A-Si)층을 포함한다.
본 발명의 일례에 따른 태양 전지는 광이 입사되는 입사면과 광이 입사면의 반대면인 후면을 포함하며, 제1 도전성 타입의 기판; 기판의 후면과 전기적으로 연결되어 있고 제1 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입을 갖는 적어도 하나의 에미터부; 적어도 하나의 에미터부와 전기적으로 연결되어 있는 제 1 전극; 및 기판의 후면과 전기적으로 연결된 제 2 전극;을 포함하며, 에미터부는 내부의 Si-Si 결합의 개수가 7.48×1022/cm3 ~ 9.2×1022/cm3인 비정질 실리콘(Amorphous Silicon, A-Si)층을 포함한다.
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고, 이에 따라 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생산하는 태양 전지가 주목 받고 있다.
일반적인 태양 전지는 p형과 n형처럼 서로 다른 도전성 타입(conductive type)에 의해 p-n 접합을 형성하는 반도체부, 그리고 서로 다른 도전성 타입의 반도체부에 각각 연결된 전극을 구비한다.
이러한 태양 전지에 빛이 입사되면 반도체에서 복수의 전자-정공 쌍이 생성되고, 생성된 전자-정공 쌍은 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의해 전하인 전자와 정공으로 각각 분리되어, 전자는 n형의 반도체부 쪽으로 이동하고 정공은 p형 반도체부 쪽으로 이동한다. 이동한 전자와 정공은 각각 p형의 반도체부와 n형의 반도체부에 연결된 서로 다른 전극에 의해 수집되고 이 전극들을 전선으로 연결하여 전력을 얻는다.
본 발명은 기판의 후면에 전극이 접촉되는 후면 접촉 태양 전지에 포함되는 비정질 실리콘(Amorphous Silicon, A-Si)층의 Si-Si 결합(Si-Si bond)의 개수를 최적화하여 광전 변환 효율이 향상된 태양 전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일례에 따른 태양 전지는 광이 입사되는 입사면과 광이 입사면의 반대면인 후면을 포함하며, 제1 도전성 타입의 기판; 기판의 후면과 전기적으로 연결되어 있고 제1 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입을 갖는 적어도 하나의 에미터부; 적어도 하나의 에미터부와 전기적으로 연결되어 있는 제 1 전극; 및 기판의 후면과 전기적으로 연결된 제 2 전극;을 포함하며, 에미터부는 내부의 Si-Si 결합의 개수가 7.48×1022/cm3 ~ 9.2×1022/cm3인 비정질 실리콘(Amorphous Silicon, A-Si)층을 포함한다.
여기서, 태양전지는 기판의 후면과 제 2 전극 사이에 배치되며, 제 1 도전성 타입을 갖는 후면 전계부;를 더 포함하며, 후면 전계부는 내부의 Si-Si 결합의 개수가 7.48×1022/cm3 ~ 9.2×1022/cm3인 비정질 실리콘(Amorphous Silicon, A-Si)층을 포함할 수 있다.
또한, 태양전지는 기판의 후면과 에미터부 및 기판의 후면과 후면 전계부 사이에 배치되는 후면 보호부;를 더 포함하며, 후면 보호부는 내부의 Si-Si 결합의 개수가 7.48×1022/cm3 ~ 9.2×1022/cm3인 비정질 실리콘(Amorphous Silicon, A-Si)층을 포함할 수 있다.
또한, 태양전지는 기판의 입사면에 배치되는 전면 보호부;를 더 포함하며, 전면 보호부는 내부의 Si-Si 결합의 개수가 7.48×1022/cm3 ~ 9.2×1022/cm3인 비정질 실리콘(Amorphous Silicon, A-Si)층을 포함할 수 있다.
여기서, 비정질 실리콘층 내부의 Si-H 결합 개수는 Si-Si 결합 개수보다 낮게 할 수 있다.
또한, 비정질 실리콘층 내부의 Si-H 결합 개수는 불포화 결합(Dangling Bond) 개수보다 높게 할 수 있다.
또한, 비정질 실리콘층은 챔버 내부에서 수소 가수(H2) 대 실란 가스(SiH4)의 비율(H2/SiH4)이 3 내지 60 사이인 상태에서 층착되어 형성될 수 있다.
또한, 에미터부의 폭은 후면 전계부의 폭보다 크게 할 수 있다.
일례로, 에미터부의 폭 대비 후면 전계부의 폭에 대한 비는 1.5 내지 2.5 사이가 되도록 할 수 있다.
또한, 후면 보호부 중 기판의 후면과 에미터부 사이에 위치한 후면 보호부 일부의 두께 또는 기판의 후면과 후면 전계부 사이에 위치한 후면 보호부 일부의 두께는 후면 보호부 나머지 부분의 두께보다 얇게 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지는 전술한 바와 같이 비정질 실리콘층 내부의 Si-Si 결합 개수를 조절함으로써 광전 변환 효율을 향상시키는 효과가 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 태양전지의 일례에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 3는 비정질 실리콘층 내부의 Si-Si 결합 개수에 따른 태양 전지의 효율에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 4은 수소 가스와 실란 가스의 비율에 따른 Si-Si 결합 개수에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 일례에 따른 태양 전지에 대하여 상세하게 설명한다.
도 3는 비정질 실리콘층 내부의 Si-Si 결합 개수에 따른 태양 전지의 효율에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 4은 수소 가스와 실란 가스의 비율에 따른 Si-Si 결합 개수에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 일례에 따른 태양 전지에 대하여 상세하게 설명한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한 어떤 부분이 다른 부분 위에 “전체적”으로 형성되어 있다고 할 때에는 다른 부분의 전체 면(또는 전면)에 형성되어 있는 것뿐만 아니라 가장 자리 일부에는 형성되지 않은 것을 뜻한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 태양전지를 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참고로 하여 본 발명의 일례에 따른 태양 전지에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지의 일부 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시한 태양 전지를 II-II선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참고로 하면, 본 발명의 일례에 따른 태양 전지(1)는 기판(110), 빛이 입사되는 기판(110)의 면인 입사면[이하, ‘전면(front surface)’라 함] 위에 위치하는 전면 보호부(191), 전면 보호부(191) 위에 위치하는 반사 방지부(130), 빛이 입사되지 않고 입사면의 반대쪽 면인 기판(110)의 면[이하, ‘후면(rear surface)’라 함] 위에 위치하는 후면 보호부(192), 후면 보호부(192) 위에 위치하는 복수의 에미터부(121), 후면 보호부(192) 위에 위치하고 복수의 에미터부(121)와 이격되어 있는 복수의 후면 전계부(172)(back surface field, BSF)(172), 그리고 복수의 에미터부(121) 위에 각각 위치하는 복수의 제1 전극(141)과 복수의 후면 전계부(172) 위에 각각 위치하는 복수의 제2 전극(142)을 포함할 수 있다.
여기의 도 1 및 도 2에서는 본 발명의 일례에 따른 태양 전지(1)가 기판(110), 에미터부(121), 제 1 전극(141) 및 제 2 전극(142) 이외에 전면 보호부(191), 반사 방지부(130), 후면 보호부(192), 후면 전계부(172)를 더 포함하는 것을 일례로 설명하고 있으나, 전면 보호부(191), 반사 방지부(130), 후면 보호부(192), 후면 전계부(172)를 생략하는 것도 가능하다.
기판(110)은 제1 도전성 타입, 예를 들어 n형 도전성 타입의 실리콘으로 이루어진 반도체 기판(110)이다. 이때, 실리콘은 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘 등과 같은 결정질 실리콘이다. 기판(110)이 n형의 도전성 타입을 가질 경우, 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물이 기판(110)에 도핑된다. 하지만, 이와는 달리, 기판(110)은 p형 도전성 타입일 수 있고, 실리콘 이외의 다른 반도체 물질로 이루어질 수도 있다. 기판(110)이 p형의 도전성 타입을 가질 경우, 기판(110)은 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등과 같은 3가 원소의 불순물이 기판(110)에 도핑된다.
이러한 기판(110)은 전면이 텍스처링(texturing)되어 요철면인 텍스처링 표면(textured surface)을 갖는다. 편의상 도 1에서, 기판(110)의 가장자리 부분만 텍스처링 표면으로 도시하여 그 위에 위치하는 전면 보호부(191) 및 반사 방지부(130) 역시 그 가장자리 부분만 요철면으로 도시한다. 하지만, 실질적으로 기판(110)의 전면 전체가 텍스처링 표면을 갖고 있으며, 이로 인해 기판(110)의 전면 위에 위치한 전면 보호부(191) 및 반사 방지부(130) 역시 요철면을 갖는다.
또한, 기판(110)은 전면뿐만 아니라 후면에도 텍스처링 표면을 가질 수 있다. 이 경우, 기판(110)의 후면에 위치하는 후면 보호부(192), 복수의 에미터부(121), 후면 전계부(172), 그리고 제1 및 제2 전극부(150, 140) 역시 요철면을 갖는다.
기판(110)의 전면 위에 위치한 전면 보호부(191)는 진성 비정질 실리콘[intrinsic amorphous silicon(a-Si)]층을 포함할 수 있다.
이와 같은 전면 보호부(191)에 포함되는 비정질 실리콘층은 내부의 Si-Si 결합의 개수가 7.48×1022/cm3 ~ 9.2×1022/cm3 사이에서 형성될 수 있다.
기판(110)의 표면 및 그 근처에 주로 존재하는 댕글링 결합(dangling bond)과 같은 결함(defect)을 안정한 결합으로 바꾸어 결함에 의해 기판(110)의 표면 쪽으로 이동한 전하가 소멸되는 것을 감소시키는 페시베이션 기능(passivation function)을 수행하여 결함에 의해 기판(110)의 표면이나 그 근처에서 손실되는 전하의 양을 감소시킨다.
일반적으로 결함은 기판(110)의 표면이나 그 근처에 주로 많이 존재하므로, 실시예의 경우, 전면 보호부(191)가 기판(110)의 표면에 직접 접해 있으므로 페이베이션 기능을 더욱 향상되어, 전하의 손실량은 더욱 증가한다.
본 실시예에서, 전면 보호부(191)는 약 1㎚ 내지 30㎚의 두께를 가질 수 있다.
전면 보호부(191)의 두께가 약 1nm 이상이면 기판(110) 전면에 전면 보호부(191)가 균일하게 도포되므로 패시베이션 기능을 양호하게 수행할 수 있으며, 약 30nm 이하면 전면 보호부(191) 내에서 흡수되는 빛의 양이 감소시켜 기판(110) 내로 입사되는 빛의 양을 증가시킬 수 있다.
기판(110)의 후면에 바로 위치한 후면 보호부(192)는 전면 보호부(191)와 동일하게 패시베이션 기능을 수행하여, 기판(110)의 후면 쪽으로 이동한 전하가 결함에 의해 소멸되는 것을 감소한다.
후면 보호부(192)는 전면 보호부(191)와 동일하게, 비정질 실리콘 등으로 이루어질 수 있다.
후면 보호부(192)는 기판(110)의 후면 쪽으로 이동한 전하가 후면 보호부(192)를 통과하여 복수의 후면 전계부(172) 또는 복수의 에미터부(121)로 이동할 수 있는 두께를 갖는다. 본 실시예에서, 후면 보호부(192)의 두께의 한 예는 약 1 내지 10㎚일 수 있다.
후면 보호부(192)의 두께가 약 1nm 이상이면 기판(110) 후면에 후면 보호부(192)가 균일하게 도포되므로 패시베이션 효과를 좀더 얻을 수 있고, 약 10nm 이하면 기판(110)을 통과한 빛이 후면 보호부(192) 내에서 흡수되는 빛의 양이 감소시켜 기판(110) 내로 재입사되는 빛의 양을 증가시킬 수 있다.
복수의 후면 전계부(172)는 기판(110)과 동일한 도전성 타입의 불순물이 기판(110)보다 고농도로 도핑된 영역이다. 예를 들어, 복수의 후면 전계부(172)는 n+의 불순물 영역일 수 있다.
복수의 후면 전계부(172)는 후면 보호부(192) 위에서 서로 이격되어 나란하게 정해진 방향으로 뻗어 있다. 본 실시예에서, 복수의 후면 전계부(172)는 비정질 실리콘(a-Si)과 같은 비결정질 반도체로 이루어져 있다.
이러한 후면 전계부(172)는 기판(110)과 후면 전계부(172)와의 불순물 농도 차이로 인한 전위 장벽에 의해 전자의 이동 방향인 후면 전계부(172) 쪽으로의 정공 이동을 방해하는 반면, 후면 전계부(172) 쪽으로의 전하(예, 전자) 이동을 용이하게 한다. 따라서, 후면 전계부(172) 및 그 부근 또는 제1 및 제2 전극부(150, 140)에서 전자와 정공의 재결합으로 손실되는 전하의 양을 감소시키고 전자 이동을 가속화시켜 후면 전계부(172)로의 전자 이동량을 증가시킨다.
각 후면 전계부(172)는 약 10㎚ 내지 25㎚의 두께를 가질 수 있다. 후면 전계부(172)의 두께가 약 10nm 이상이면 정공의 이동을 방해하는 전위 장벽을 좀더 양호하게 형성할 수 있어 전하 손실을 더 감소시킬 수 있고, 약 25nm 이하면 후면 전계부(172) 내에서 흡수되는 빛의 양이 감소시켜 기판(110) 내로 재입사되는 빛의 양을 증가시킬 수 있다.
복수의 에미터부(121)는 기판(110)의 후면 위에서 복수의 후면 전계부(172)와 이격되어 있고, 복수의 후면 전계부(172)와 나란하게 뻗어 있다.
도 1 및 도 2에 도시한 것처럼, 후면 전계부(172)와 에미터부(121)는 기판(110) 위에서 번갈아 위치한다.
각 에미터부(121)는 기판(110)의 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입, 예를 들어, p형의 도전성 타입을 갖고 있고, 기판(110)과 다른 반도체, 예를 들어, 비정질 실리콘으로 이루어져 있다. 따라서, 에미터부(121)는 기판(110)과 p-n 접합뿐만 아니라 이종 접합(hetero junction)을 형성한다.
기판(110)과 복수의 에미터부(121) 간에 형성된 p-n 접합에 인한 내부 전위차(built-in potential difference)에 의해, 기판(110)에 입사된 빛에 의해 생성된 전하인 전자-정공 쌍은 전자와 정공으로 분리되어 전자는 n형 쪽으로 이동하고 정공은 p형 쪽으로 이동한다. 따라서, 기판(110)이 n형이고 복수의 에미터부(121)가 p형일 경우, 분리된 정공은 후면 보호부(192)을 관통하여 각 에미터부(121)쪽으로 이동하고 분리된 전자는 후면 보호부(192)을 관통하여 기판(110)보다 불순물 농도가 높은 복수의 후면 전계부(172) 쪽으로 이동한다.
각 에미터부(121)는 기판(110)과 p-n접합을 형성하므로, 본 실시예와 달리, 기판(110)이 p형의 도전성 타입을 가질 경우, 에미터부(121)는 n형의 도전성 타입을 가진다. 이 경우, 분리된 전자는 후면 보호부(192)를 통해 복수의 에미터부(121)쪽으로 이동하고 분리된 정공은 후면 보호부(192)를 통해 복수의 후면 전계부(172)쪽으로 이동한다.
복수의 에미터부(121)가 p형의 도전성 타입을 가질 경우 에미터부(121)에는 3가 원소의 불순물이 도핑될 수 있고, 반대로 복수의 에미터부(121)가 n형의 도전성 타입을 가질 경우, 에미터부(121)에는 5가 원소의 불순물이 도핑될 수 있다.
이들 복수의 에미터부(121)는 후면 보호부(192)와 함께 패시베이션 기능을 수행할 수 있고, 이 경우 결함에 의해 기판(110)의 후면에서 소멸되는 전하의 양이 감소하여 태양 전지(11)의 효율이 향상된다.
각 에미터부(121)는 약 5㎚ 내지 15㎚의 두께를 가질 수 있다. 에미터부(121)의 두께가 약 5nm 이상이면 p-n 접합을 좀더 양호하게 형성할 수 있고, 약 15nm 이하면 에미터부(121) 내에서 흡수되는 빛의 양이 감소시켜 기판(110) 내로 재입사되는 빛의 양을 증가시킬 수 있다.
본 실시예의 경우, 복수의 에미터부(121)와 복수의 후면 전계부(172) 하부에 위치하고 불순물이 존재하지 않거나 거의 없는 진성 반도체 물질(진성 a-Si)의 후면 보호부(192)로 인해, 결정질 반도체 물질로 이루어진 기판(110) 위에 바로 복수의 에미터부(121)와 복수의 후면 전계부(172)가 위치할 때보다 복수의 에미터부(121)와 복수의 후면 전계부(172) 형성시 결정화 현상이 줄어든다. 이로 인해, 비정질 실리콘 위에 위치하는 복수의 에미터부(121)와 복수의 후면 전계부(172)의 특성이 향상된다.
복수의 에미터부(121) 위에 위치하는 복수의 제1 전극(141)은 복수의 에미터부(121)를 따라서 연장되어 있고, 복수의 에미터부(121)와 전기적으로 연결되어 있다.
복수의 에미터부(121) 위에 위치하는 복수의 제1 전극(141)은 복수의 에미터부(121)를 따라서 길게 연장되어 있고, 복수의 에미터부(121)와 전기적?물리적으로 연결되어 있다.
각 제1 전극(141)은 해당 에미터부(121)쪽으로 이동한 전하, 예를 들어, 정공을 수집한다.
복수의 후면 전계부(172) 위에 위치하는 복수의 제2 전극(142)은 복수의 후면 전계부(172)를 따라서 길게 연장되어 있고, 복수의 후면 전계부(172)와 전기적?물리적으로 연결되어 있다.
각 제2 전극(142)은 해당 후면 전계부(172)쪽으로 이동하는 전하, 예를 들어, 전자를 수집한다.
도 1 및 도 2에서, 제1 및 제2 전극(141, 142) 각각은 그 하부에 위치하는 에미터부(121) 및 후면 전계부(172)와 상이한 평면 형상을 가지지만, 동일한 평면 형상을 가질 수 있다. 에미터부(121) 및 후면 전계부(172)와 제1 및 제2 전극(141, 142)간의 접촉 면적이 증가할수록 접촉 저항이 감소하여, 전극(141, 142)으로의 전하 전송 효율은 증가한다.
복수의 제1 및 제2 전극(141, 142)은 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 금(Au) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 도전성 물질로 이루어질 수 있지만, 이외의 다른 도전성 금속 물질로 이루어질 수 있다. 이처럼, 복수의 제1 및 제2 전극(141, 142)이 금속 물질로 이루어져 있으므로, 기판(110)을 통과한 빛을 기판(110)쪽으로 반사시킨다.
이와 같은 구조를 갖는 본 실시예에 따른 태양 전지(1)는 복수의 제1 전극(141)과 복수의 제2 전극(142)이 빛이 입사되지 않은 기판(110)의 후면에 위치하고, 기판(110)과 복수의 에미터부(121)가 서로 다른 종류의 반도체로 이루어져 있는 태양 전지로서, 그 동작은 다음과 같다.
태양 전지(1)로 빛이 조사되어 반사 방지부(130) 및 전면 보호부(191)를 순차적으로 통과하여 기판(110)으로 입사되면 빛 에너지에 의해 기판(110)에서 전자-정공 쌍이 발생한다. 이때, 기판(110)의 표면이 텍스처링 표면이므로 기판(110) 전면에서의 빛 반사도가 감소하고, 텍스처링 표면에서 입사와 반사 동작이 행해져 빛의 흡수율이 증가되므로, 태양 전지(1)의 효율이 향상된다. 이어 더하여, 반사 방지부(130)에 의해 기판(110)으로 입사되는 빛의 반사 손실이 줄어들어 기판(110)으로 입사되는 빛의 양은 더욱더 증가한다.
이들 전자-정공 쌍은 기판(110)과 에미터부(121)의 p-n 접합에 의해 서로 분리되어 정공은 p형의 도전성 타입을 갖는 에미터부(121)쪽으로 이동하고, 전자는 n형의 도전성 타입을 갖는 후면 전계부(172)쪽으로 이동하여, 각각 제1 전극(141)과 제2 전극(142)으로 전달되어 제1 및 제2 전극(141, 142)에 의해 수집된다. 이러한 제1 전극(141)과 제2 전극(142)을 도선으로 연결하면 전류가 흐르게 되고, 이를 외부에서 전력으로 이용하게 된다.
이때, 기판(110)의 후면뿐만 아니라 기판(110)의 전면에 보호부(192, 191)가 위치하므로, 기판(110)의 전면 및 후면 표면 그리고 그 근처에 존재하는 결함으로 인한 전하 손실량이 줄어들어 태양 전지(1)의 효율이 향상된다. 이때, 후면 보호부(192)뿐만 아니라 전면 보호부(191)가 결함의 발생 빈도가 높은 기판(110)의 표면에 직접 접해 있으므로, 페이베이션 효과는 더욱더 향상된다.
한편, 전술한 에미터부(121), 후면 전계부(172) 및 전면 보호부(191) 중 적어도 하나는 비정질 실리콘층을 포함할 수 있으며, 이와 같은 비정질 실리콘층은 내부의 Si-Si 결합의 개수가 7.48×1022/cm3 ~ 9.2×1022/cm3 사이에서 형성될 수 있다.
이는 비정질 실리콘층을 이루는 결정 구조때문이다. 구체적으로 비정질 실리콘은 Si-Si 결합, Si-H 결합, Si-댕글링 결합(dangling bond)과 같은 3가지 형태의 원자간 결합을 포함한다.
이와 같은, 비정질 실리콘은 입방 정계의 안정적인 결정 구조를 가진 결정질 실리콘과 달리 정형화된 결정 구조를 가지고 있지 않다.
따라서, 비정질 실리콘의 결정 구조는 결정질 실리콘의 결정 구조와 달리 불안정하여, 실리콘 원자가 실리콘 원자간 결합을 하지 못하여 댕글링 결합(dangling bond)을 하는 결정질 실리콘에 비하여 빈도가 상대적으로 높다.
이와 같은 댕글링 결합(dangling bond)은 비정질 실리콘층 내에 전하가 흐를 때에 전하의 흐름을 방해하여 태양 전지의 효율에 악영향을 미치게 된다.
그러나, 전술한 바와 같이 비정질 실리콘층 내부의 Si-Si 결합의 개수가 7.48×1022/cm3 이상이 되도록 하면 비정질 실리콘층 내에서 형성될 수 있는 댕글링 결합(dangling bond)을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
비정질 실리콘층 내부의 Si-Si 결합의 개수가 9.2×1022/cm3 이하가 되도록 하는 비정질 실리콘층 내부에서 적절한 Si-H 결합의 개수를 유지하기 위함이다. 수소(H)는 비정질 실리콘층의 결합력을 높이는 기능과 함께, 비정질 실리콘층 내부에 형성되는 Si- 댕글링 결합을 제거함으로써 비정질 실리콘층 내에서 전하의 흐름을 원할하게 함으로써 전하의 이동도를 높이는 기능을 한다. 이에 따라 태양 전지의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있는 것이다.
이하에서는 이에 대해 보다 상세하게 설명한다.
도 3는 비정질 실리콘층 내부의 Si-Si 결합 개수에 따른 태양 전지의 효율에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 3에는 비정질 실리콘층 내부의 Si-Si 결합 개수와 효율의 관계에 대한 데이터가 도시되어 있다.
전술한 바와 같이, 비정질 실리콘층을 포함하는 태양전지의 효율을 향상시키기 위해 비정질 실리콘층 내부의 Si-Si 결합 개수는 전술한 바와 같이 7.48×1022/cm3 ~ 9.2×1022/cm3가 되도록 형성될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 비정질 실리콘층 내부의 Si-Si 결합의 개수가 7.48×1022/cm3 ~ 9.2×1022/cm3에서는 효율이 상대적으로 높은 대략 18.8% ~ 21.8%로서 높은 수준인 것을 알 수 있다.
이를 고려하면, 비정질 실리콘층 내부의 Si-Si 결합 개수를 7.48×1022/cm3 ~ 9.2×1022/cm3가 되도록 조절하는 것이 비정질 실리콘층을 포함하는 태양전지의 효율을 향상시키는데 바람직할 수 있다는 것을 알 수 있다.
한편, 비정질 실리콘층 내부의 Si-Si 결합 개수가 대략 7.48×1022/cm3 이하 이거나 9.2×1022/cm3 이상인 경우에는 효율이 대략 16% 이하로 매우 낮은 수준인 것을 알 수 있다.
비정질 실리콘층 내부의 Si-Si 결합 개수가 대략 7.48×10222/cm3 미만인 경우에는, 비정질 실리콘층 내부에서 Si-Si 결합의 개수가 과도하게 적기 때문에 Si 입자들 중 Si-Si 결합을 이루지 않는 Si 입자들이 다수 존재하게 된다. 이와 같이, Si 입자들 중 Si-Si 결합을 이루지 않는 Si 입자들은 Si-Dangling bond 또는 Si-H bond를 형성하게 되는데, 이러한 Si-Dangling bond 또는 Si-H bond들은 비정질 실리콘층 내에서 과도하게 많은 경우에 결함(Defect)으로 작용할 수 있기 때문에, 태양전지의 효율이 크게 저하될 수 있는 것이다.
또한, 비정질 실리콘층 내부의 Si-Si 결합 개수가 대략 9.2×1022/cm3 이상인 경우에는, 비정질 실리콘층 내부에서 Si-Si 결합의 개수가 과도하게 많기 때문에, 오히려 비정질 실리콘층 내부에서 수소(H) 입자의 양이 과도하게 적을 수 있다.
비정질 실리콘층 내부에서 수소(H)는 태양전지의 효율을 결정하는 변수 중 하나로서 그 양이 과도하게 적은 경우에는 비정질 실리콘층 자체의 결합력이 떨어져 오히려 태양전지의 효율이 낮아질 수 있다.
따라서, 태양전지의 효율을 고려하면 비정질 실리콘층 내부에서 수소의 양이 과도하게 적은 경우는 바람직하지 않으며, Si-Si 결합의 개수는 충분히 많아야 한다. 또한, 비정질 실리콘층 내부에서 결함인 불포화 결합(Dangling Bond)의 개수는 작은 것이 유리하다.
아울러, 비정질 실리콘층 내부에서 수소는 Si 입자와 결합하여 Si-H bond를 형성할 수 있다. 또한, 비정질 실리콘층 내부에서 불포화 결합은 Si 입자와 결합하여 Si-Dangling bond를 형성할 수 있다.
따라서 태양전지의 효율을 고려하면, 비정질 실리콘층 내부에서 Si-H 결합 개수는 Si-Si 결합 개수보다 낮은 것이 바람직할 수 있으며, 아울러 Si-H 결합 개수는 불포화 결합(Dangling Bond)의 밀도보다 높은 것이 바람직할 수 있다.
다음, 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법에 대해 도 4를 첨부하여 설명한다.
도 4는 수소 가스와 실란 가스의 비율에 따른 Si-Si 결합 개수에 대해 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 태양전지에서 비정질 실리콘층은 플라즈마 화학증착(PECVD) 공법을 이용하여 제조될 수 있는데, 이때 소스 가스(Source Gas)로서 수소(H2)가스와 실란(SiH4)가스가 사용될 수 있다.
아울러, 플라즈마 화학증착(PECVD)장치의 챔버 내부에서 소스 가스로 사용되는 수소(H2)가스와 실란(SiH4)가스의 비율을 조절함으로써 비정질 실리콘층 내부에 포함되는 Si-Si 결합 개수를 조절할 수 있다.
자세하게는, 도 4의 경우와 같이 수소(H2)가스와 실란(SiH4)가스의 비율(H2/SiH4)이 대략 100~60인 경우 증착되는 비정질 실리콘층 내부의 Si-Si 결합 개수는 대략 5.2×1022/cm3 ~ 7.4×1022/cm3인 것을 알 수 있다.
이러한 경우는 앞선 도 3에서 살펴보면 바와 같이, 비정질 실리콘층 내부에서 Si-Si 결합 개수가 과도하게 낮아서 효율이 낮은 경우이다.
또한, 수소(H2)가스와 실란(SiH4)가스의 비율(H2/SiH4)이 대략 2인 경우 증착되는 비정질 실리콘층 내부의 Si-Si 결합 개수는 대략 9.7×1022/cm3 것을 알 수 있다.
이러한 경우는, 비정질 실리콘층 내부에서 Si-Si 결합 개수가 과도하게 높아서 효율이 낮은 경우이다.
반면에, 수소(H2)가스와 실란(SiH4)가스의 비율(H2/SiH4)이 대략 3 ~ 60인 경우 증착되는 비정질 실리콘층 내부의 Si-Si 결합 개수는 대략 7.4×1022/cm3 ~ 9.18×1022/cm3 인 것을 알 수 있다.
이러한 경우는 태양전지의 효율이 높은 수준인 것을 도 3에서 알 수 있다.
이를 고려하면, 비정질 실리콘층의 제조 공정 시 수소 가스(H2)와 실란 가스(SiH4)의 비율이 3:1 ~ 60:1인 분위기에서 비정질 실리콘층을 증착할 수 있다.
이상에서는 소스 가스로서 수소 가스(H2)와 실란 가스(SiH4)를 사용하는 PECVD 공법만을 예로 들어 설명하였지만, 수소 가스(H2)와 실란 가스(SiH4)를 사용하여 비정질 실리콘층을 형성하는 공법이라면 어떠한 방법이라도 적용할 수 있을 것이다. 예컨대, Photo-CVD, 열선 CVD 공법 등도 적용될 수 있을 것이다.
앞선 도 1 내지 도 4에서는 후면 보호부(192)의 두께가 일정하고, 에미터부(121)의 폭이 후면전계부의 폭과 동일한 것을 일례로 설명하였으나, 이와 다르게 태양 전지의 효율을 더 향상시키기 위해서 후면 보호부(192)의 일부 두께가 나머지 부분에 비하여 상대적으로 더 얇고, 에미터부(121)의 폭이 후면 전계부(172)의 폭보다 상대적으로 더 넓게 형성될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 다른 일례에 따른 태양 전지에 대하여 상세하게 설명한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 다른 일례에 따른 태양 전지는 태양 전지의 효율을 더 향상시키기 위해서 후면 보호부(192)의 일부 두께(t2)가 나머지 부분에 비하여 상대적으로 더 얇고, 에미터부(121)의 폭(w1)이 후면 전계부(172)의 폭보다 상대적으로 더 넓게 형성될 수 있다.
이와 같이 도 5에 도시된 태양 전지는 도 1에 도시된 태양 전지와 비교하여 후면 보호부(192)의 두께나 에미터부(121)의 폭을 제외한 나머지 부분은 도 1에 도시된 태양 전지와 실질적으로 동일하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 예를 들면, 도 5에 도시된 태양 전지도 도 1에 도시된 태양 전지와 같이, 후면 전계부(172) 및 전면 보호부(191) 중 적어도 하나는 비정질 실리콘층을 포함할 수 있으며, 이와 같은 비정질 실리콘층은 내부의 Si-Si 결합의 개수가 7.48×1022/cm3 ~ 9.2×1022/cm3 사이에서 형성될 수 있는 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 일례의 태양 전지는 에미터부(121)의 폭(W1)이 상기 후면 전계부(172)의 폭(W2)보다 크게 형성될 수 있다.
이에 따라 에미터부(121) 상에 형성된 제 1 전극(141)의 폭(W1)도 후면 전계부(172) 상에 형성된 제 2 전극(142)의 폭(W2)보다 크게 형성될 수 있다.
이는 도 1 및 2에서 설명한 바와 같이, 기판(110)이 n형 도전성 타입의 실리콘으로 이루어진 반도체 기판(110)인 경우, 정공은 에미터부(121)쪽으로 이동하며, 전자는 후면 전계부(172)쪽으로 이동하게 된다. 이때, 에미터부(121)의 폭(W1)을 후면 전계부(172)의 폭보다 크게함으로써 제 1 전극(141)으로 수집되는 마이너리티 케리어인 정공의 이동 거리를 단축시킬 수 있어 태양 전지의 광전 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 것이다.
일례로 상기 에미터부(121)의 폭(W1) 대비 상기 후면 전계부(172)의 폭(W2)에 대한 비(W1/W2)는 1.5 내지 2.5 사이가 되도록 할 수 있다.
여기서, 비율이 1 : 1.5 이상이 되도록 하는 것은 전자와 정공의 이동 속도를 고려하여, 정공의 이동 거리가 최소가 되도록 하기 위함이며, 비율은 1 : 2.5 이하가 되도록 하는 것은 기판(110)의 면적은 한정되어 있어 에미터부(121)의 폭(W1)이 과도하게 커지면, 상대적으로 후면 전계부(172)의 폭(W2)이 과도하게 작아질 수 있으므로 효율에 영향이 없는 범위 내에서 최소한의 후면 전계부(172)의 폭(W2)을 확보하기 위함이다. 이에 따라 태양 전지의 광전 효율을 최적화 시킬 수 있는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 일례의 태양 전지는 상기 후면 보호부(192) 중 상기 기판(110)의 후면과 상기 에미터부(121) 사이에 위치한 상기 후면 보호부(192) 일부의 두께나 상기 기판(110)의 후면과 상기 후면 전계부(172) 사이에 위치한 상기 후면 보호부 (192) 일부의 두께(t2)가 후면 보호부(192) 나머지 부분의 두께(t1)보다 얇게 형성될 수 있다.
이와 같이 후면 보호부(192)를 형성함으로써 후면 보호부(192) 중 상기 기판(110)의 후면과 상기 에미터부(121) 사이의 부분에서 전하가 후면 전계부(172) 또는 에미터부(121)로 보다 용이하게 통과할 수 있도록 하는 효과가 있으며, 후면 보호부(192) 중 나머지 부분에서는 패시베이션 효과를 보다 강화할 수 있는 것이다.
이와 같이 본 발명에 따른 태양 전지는 기판(110)의 후면에 제 1 전극(141)과 제 2 전극(142)이 연결되는 후면 접촉 태양 전지 제조함에 있어, 전면 보호부(191), 후면 보호부(192), 에미터부(121) 및 후면 전계부(172) 중 적어도 어느 하나가 비정질 실리콘층으로 형성되도록 함으로써 제조 비용을 절감할 수 있으며, 아울러 비정질 실리콘층의 실리콘 간 결합(Si-Si 결합)개수를 적절하게 형성하고, 후면 보호부(192)의 일부 두께와 에미터부(121)의 폭을 최적화 시킴으로써 태양 전지의 효율을 향상시키는 효과가 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (10)
- 광이 입사되는 입사면과 광이 상기 입사면의 반대면인 후면을 포함하며, 제1 도전성 타입의 기판;
상기 기판의 후면과 전기적으로 연결되어 있고 상기 제1 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입을 갖는 적어도 하나의 에미터부;
상기 적어도 하나의 에미터부와 전기적으로 연결되어 있는 제 1 전극; 및
상기 기판의후면과 전기적으로 연결된 제 2 전극;을 포함하며,
상기 에미터부는 내부의 Si-Si 결합의 개수가 7.48×1022/cm3 ~ 9.2×1022/cm3인 비정질 실리콘(Amorphous Silicon, A-Si)층을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 태양전지는
상기 기판의 후면과 상기 제 2 전극 사이에 배치되며, 상기 제 1 도전성 타입을 갖는 후면 전계부;를 더 포함하며,
상기 후면 전계부는 내부의 Si-Si 결합의 개수가 7.48×1022/cm3 ~ 9.2×1022/cm3인 비정질 실리콘(Amorphous Silicon, A-Si)층을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 태양전지는
상기 기판의 후면과 상기 에미터부 및 상기 기판의 후면과 상기 후면 전계부 사이에 배치되는 후면 보호부;를 더 포함하며,
상기 후면 보호부는 내부의 Si-Si 결합의 개수가 7.48×1022/cm3 ~ 9.2×1022/cm3인 비정질 실리콘(Amorphous Silicon, A-Si)층을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 태양전지는
상기 기판의 입사면에 배치되는 전면 보호부;를 더 포함하며,
상기 전면 보호부는 내부의 Si-Si 결합의 개수가 7.48×1022/cm3 ~ 9.2×1022/cm3인 비정질 실리콘(Amorphous Silicon, A-Si)층을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제 1 항 내지 제 4 항에 있어서,
상기 비정질 실리콘층 내부의 Si-H 결합 개수는 상기 Si-Si 결합 개수보다 낮은 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제 1 항 내지 제 4 항에 있어서,
상기 비정질 실리콘층 내부의 Si-H 결합 개수는 불포화 결합(Dangling Bond) 개수보다 높은 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제 1 항 내지 제 4 항에 있어서,
상기 비정질 실리콘층은 챔버 내부에서 수소 가수(H2) 대 실란 가스(SiH4)의 비율(H2/SiH4)이 3 내지 60 사이인 상태에서 층착되어 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제 2 항에 있어서,
상기 에미터부의 폭은 상기 후면 전계부의 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제 8 항에 있어서,
상기 에미터부의 폭 대비 상기 후면 전계부의 폭에 대한 비는 1.5 내지 2.5 사이인 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제 3 항에 있어서,
상기 후면 보호부 중 상기 기판의 후면과 상기 에미터부 사이에 위치한 상기 후면 보호부 일부의 두께 또는 상기 기판의 후면과 상기 후면 전계부 사이에 위치한 상기 후면 보호부 일부의 두께는 후면 보호부 나머지 부분의 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 태양전지.
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