KR20120040016A - 태양 전지용 기판 및 태양 전지 - Google Patents

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김진아
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양주홍
최형욱
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Abstract

본 발명은 태양 전지에 관한 것이다. 상기 태양 전지는 p형의 도전성 타입을 갖는 다결정질 반도체 기판, n형의 도전성 타입의 갖고 상기 다결정질 반도체 기판과 p-n 접합을 형성하는 에미터부, 상기 에미터부에 연결되어 있는 제1 전극, 그리고 상기 기판과 연결되어 있는 제2 전극을 포함하고, 상기 다결정질 반도체 기판의 순수 p형의 불순물 농도는 7.2×1015/cm3 내지 3.5×1016/cm3이다. 이때, 태양 전지의 브레이크다운 전압은 12V이상이다. 따라서, 브레이다운 전압이 최대 역바이어스 전압인 11.5V보다 크므로, 브레이크다운 현상이 발생하지 않아 태양 전지의 효율과 수명이 향상된다.

Description

태양 전지용 기판 및 태양 전지{SUBSTRATE FOR SOLAR CELL AND SOLAR CELL}
본 발명은 태양 전지용 기판 및 태양 전지에 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 반도체부에서 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 p형의 반도체부 쪽으로 이동한다. 이동한 전자와 정공은 각각 n형의 반도체부와 p형의 반도체부에 연결된 서로 다른 전극에 의해 수집되고 이 전극들을 전선으로 연결함으로써 전력을 얻는다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 태양 전지의 효율을 향상시키기 위한 것이다.
본 발명의 한 특징에 따른 태양전지용 기판은 p형의 도전성 타입을 갖고 반도체로 이루어져 있으며 태양 전지를 제작하기 위한 태양 전지용 기판으로서, 상기 반도체 기판은 p형의 도전성 타입을 갖는 제1 불순물, p형의 도전성 타입을 갖는 제2 불순물, 그리고 n형의 도전성 타입을 갖는 제3 불순물을 함유하고 있고, 상기 제1 불순물의 농도와 상기 제2 불순물의 농도의 합에서 상기 제3 불순물의 농도를 뺀 값 상기 기판의 순수 p형의 불순물 농도는 7.2×1015/cm3 내지 3.5×1016/cm3이다.
상기 제2 불순물의 농도는 1×1013/cm3 내지 5.5×1015/cm3일 수 있다.
상기 제1 불순물의 농도와 상기 제2 불순물의 농도의 합은 3.5×1016/cm3이하일 수 있다.
상기 제3 불순물의 농도는 약 2.8×1016/cm3이하일 수 있다.
상기 제1 불순물은 붕소(B)이고, 상기 제2 불순물은 알루미늄(Al)과 갈륨(Ga) 중 적어도 하나이고, 상기 제3 불순물은 인(P)일 수 있다.
상기 반도체 기판은 다결정 실리콘 기판인 것이 좋다.
상기 특징에 따른 태양전지용 기판은 철(Fe)을 더 함유할 수 있다.
상기 철(Fe)의 농도는 6×1015/cm3 이하일 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따른 태양 전지는 p형의 도전성 타입을 갖는 다결정질 반도체 기판, n형의 도전성 타입의 갖고 상기 다결정질 반도체 기판과 p-n 접합을 형성하는 에미터부, 상기 에미터부에 연결되어 있는 제1 전극, 그리고 상기 기판과 연결되어 있는 제2 전극을 포함하고, 상기 다결정질 반도체 기판의 순수 p형의 불순물 농도는 7.2×1015/cm3 내지 3.5×1016/cm3이다.
상기 태양 전지는 12V 내지 41V의 브레이크다운 전압을 갖는 것이 좋다.
상기 다결정 반도체 기판은 붕소(B), 알루미늄(Al)과 갈륨(Ga) 중 적어도 하나, 그리고 인(P)을 함유할 수 있다.
상기 알루미늄(Al)의 농도는 1×1013/cm3 내지 5.5×1015/cm3일 수 있다.
상기 붕소(B)의 농도와 상기 알루미늄(Al) 및 상기 갈륨(Ga) 중 적어도 하나의 농도의 합은 3.5×1016/cm3이하일 수 있다.
상기 인(P)의 농도는 2.8×1016/cm3이하일 수 있다.
상기 다결정 반도체 기판은 철(Fe)을 더 함유할 수 있다.
상기 철(Fe)의 농도는 6×1015/cm3 이하일 수 있다.
이러한 특징에 따르면, 태양 전지용 기판에 함유되어 있는 불순물들의 농도를 제어하여 태양전지의 브레이크다운 전압(breakdown voltage)의 크기를 증가시켜 태양 전지에 인가되는 역바이어스 전압으로 인한 역전류(reverse current)의 발생을 감소시킨다. 이로 인해, 태양 전지의 효율과 수명이 향상된다.
도 1은 기판 내에 함유된 순수 불순물 농도 변화에 따른 역바이어스 전압을 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지의 일부 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시한 태양 전지를 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
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.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 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 면에 형성되어 있는 것뿐만 아니라 가장 자리 일부에는 형성되지 않은 것을 뜻한다.
먼저, 태양 전지를 제작하기 위한 본 실시예에 따른 기판, 즉, 반도체 기판에 대하여 설명한다.
일반적으로 태양 전지는 실리콘 등으로 이루어진 반도체 기판에서, p형의 반도체부와 n형의 반도체부를 p-n 접합시키고, p형의 반도체부와 n형의 반도체부에 각각 전극을 연결시켜, 빛이 입사된 후 p-n 접합에 의해 분리된 전자와 정공을 각 해당 전극을 통해 출력해 내어 전력을 얻는다. 이때, 하나의 태양 전지에서 출력되는 전압의 크기는 대략 0.6V이다.
이러한 태양 전지를 위한 반도체 기판은 일반적으로 단결정 실리콘 기판 또는 다결정 실리콘 기판을 이용하고 있다.
이처럼 입사되는 빛을 이용하여 전기를 생성하는 태양 전지는 일반적으로 복수 개, 예를 들어, 6×10의 행렬 구조로 배열된 후, 이들 60개의 태양 전지를 직렬 연결과 같이 전기적으로 연결하여 하나의 태양 전지 모듈로 제작한다. 따라서, 태양 전지 모듈이 설치될 공간에 적당한 개수의 태양 전지 모듈을 전기적으로 연결시킨다.
설치된 태양 전지 모듈 중 구름, 나뭇잎, 또는 먼지 등에 의해 빛이 정상적으로 입사되지 못하거나 그늘진 태양 전지(이하, '비정상 태양 전지'라 함)가 존재할 경우, 이 비정상 태양 전지에는 태양 전지의 입사면 전체에 정상적으로 빛이 입사되어 정상적인 크기의 전류와 전압을 생성하는 정상적인 태양 전지들(이하, '정상 태양 전지들'라 함)에서 생성된 전압들의 합이 비정상 태양 전지에 역바이어스 전압(reverse bias voltage)으로 인가된다.
역바이어스 전압이 인가된 비정상 태양 전지에는 인가되는 역바이어스 전압에 따른 역전류가 흐르게 되고, 역바이어스 전압이 임계값, 즉, 브레이크다운 전압(breakdown voltage)을 초과하게 되면 비정상 태양 전지에 흐르는 역전류는 급격하게 증가한다.
이처럼, 태양 전지에 역전류가 흐르면 발열로 인해 태양 전지의 열화 현상이 발생하고, 이로 인해 태양 전지의 효율 감소와 수명 저하가 발생하며, 태양 전지 모듈에서 생성되는 전력 감소를 초래한다.
이러한 급격한 역전류의 증가를 초래하는 브레이크다운 전압의 크기는 태양 전지의 기판, 즉 반도체 기판에 함유된 불순물 농도에 따라 달라진다.
따라서, 이러한 역바이어스 전압으로 인한 비정상 태양 전지와 태양 전지 모듈을 보호하기 위해, 각 태양 전지 모듈에는 적어도 하나의 바이패스 다이오드(bypass diode)가 장착되어 있다.
하지만, 일반적으로 상용화된 태양 전지 모듈 구조에서 바이패스 다이오드는 각 태양 전지마다 하나씩 장착되어 있지 않고, 복수의 태양 전지가 행렬로 배치되어 직렬 연결될 때 인접한 두 태양 전지 열로 이루어진 한 쌍의 태양 전지 열에 하나씩 장착되어 있다. 예를 들어, 6×10 행렬로 태양 전지가 배열될 경우, 바이패스 다이오드의 개수는 총 3개이다. 따라서 하나의 바이패스 다이오드에 의해 보호되는 태양 전지의 개수는 두 개의 열에 해당하는 20개가 된다.
따라서, 복수의 태양 전지가 직렬로 연결되어 있는 어느 한 태양 전지 열에서, 하나의 비정상 태양전지가 존재할 경우, 나머지 정상 태양 전지에서 생성된 전압들의 합에 해당하는 전압이 비정상 태양 전지에 역바이어스 전압으로 작용한다.
하나의 태양 전지 열에 모두 10개의 태양 전지가 직렬로 연결되어 있고, 각 태양 전지에서 생성되는 전압이 약 0.6V인 경우, 하나의 태양 전지 열에 포함된 10개의 태양 전지 중에서 하나의 태양 전지가 비정상 태양 전지이며, 정상인 하나의 태양 전지에서 출력되는 전압이 약 0.6V 이므로, (0.6V×19개)에 의해 산출된 약 11.4V의 전압이 하나의 비정상 태양 전지에 인가되는 역바이어스 전압의 크기이다. 결국, 하나의 바이패스 다이오드에 의해 보호되는 태양 전지 열의 개수는 총 20개의 태양 전지 중 정상인 19개의 태양 전지에서 출력되는 전압의 총합이 나머지 하나의 비정상 태양 전지에 모두 역전압으로 인가된다. 따라서, 6×10 행렬 구조로 복수의 태양 전지가 배열된 태양 전지 모듈에서, 각 태양 전지에 인가될 수 있는 최대 역바이어스 전압의 크기는 약 11.4V가 된다.
이러한 역바이어스 전압에 의한 태양 전지의 브레이크다운은 일반적으로 기판의 불순물 농도 및 p-n 접합 후 발생하는 공핍층 내의 내부 전계(field)에 따라 달라진다. 이러한 내부 전계는 역바이어스 전압이 인가 및 증가함에 따라 더욱 증가하게 되어 p형 기판으로부터 전자를 터널링(tunneling) 및 아발랑쉬(Avalanch) 브레이크다운을 발생시켜 특정 역바이어스 전압에서 역전류의 급격한 증가를 야기한다.
태양 전지를 제작하기 위한 기판에는 p형의 도전성 타입을 위해 인위적으로 주입된[도핑된(doping)] 불순물[붕소(B)] 이외에도 태양 전지용 기판으로 제작되는 반도체 웨이퍼를 생성하기 위한 원재료(예, SiO2) 속에 함유된 다른 불순물들이나 기판의 특성을 향상시키기 위해 주입된 불순불, 예를 들어, 인(P), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 철(Fe) 등을 함유한다.
이때, 태양 전지의 기판이 p형일 때, 붕소(B)와 알루미늄(Al) 및 갈륨(Ga) 중 적어도 하나는 기판과 동일한 도전성 타입을 갖는 p형 불순물이고, 인(P)은 기판과 반대인 n형의 도전성 타입을 갖는 불순물이다. 따라서 n형의 불순물에 의해 p형 기판의 실제 p형 불순물의 농도는 변하게 된다. 기판의 특성을 위해 주입되는 갈륨(Ga)은 주입되지 않을 수 있다. 따라서, 갈륨(Ga)이 기판에 주입될 경우, p형 불순물은 붕소(B), 알루미늄(Al) 및 갈륨(Ga)이고, 갈륨(Ga)이 기판에 주입되지 않을 경우, p형 불순물은 붕소(B)와 알루미늄(Al)이다.
이미 설명한 것처럼, 태양 전지용 기판의 브레이크다운 전압은 기판(p형)과 에미터부(n형)간의 p-n 접합에 의한 내부 전계(field)의 영향을 받게 되는데, p형 불순물 농도 증가는 초기(역바이어스 전압이 0인 경우) 내부 전계를 증가시키고, 이 경우, 태양 전지용 기판에 역바이어스 전압이 인가될 경우, 기판(p형)과 에미터부(n형)간의 p-n 접합에 의한 공핍층은 더욱더 증가한다. 즉, 역바이어스 전압이 태양 전지에 인가되면, 빛이 입사되는 p형 기판의 전면(front surface) 쪽에 위치한 n형의 에미터부 쪽으로 (+) 전압이 인가되고, 전면의 반대편에 위치하고 빛이 입사되지 않은 기판의 후면(back surface) 쪽으로 (-) 전압이 인가된다. 따라서 에미터부 쪽에 인가되는 (+) 전압에 의해 에미터부 쪽으로 전자(e-)가 이동하고, 기판의 후면에 인가되는 (-) 전압에 의해 기판의 후면 쪽으로 정공(h+)이 이동하여, 태양 전지에 역바이어스가 인가될 경우 p-n 접합 시 공핍층은 증가한다. 이처럼, 공핍층이 증가하면 태양 전지의 기판의 내부 전계의 값이 증가하여, 태양 전지에 인가되는 역바이어스 전압의 크기가 특정 임계치에 도달했을 때 브레이크다운 현상이 발생하게 된다.
이처럼, 태양 전지의 역바이어스 전압에 영향을 미치는 요소는 불순물의 도핑 농도와 p-n 접합 시 태양 전지 기판의 내부 전계이다.
따라서, 본 실시예에서, p형의 다결정 실리콘 기판인 태양 전지용 기판의 브레이크 전압의 크기를 증가시켜(예를 들면, 약 12V 이상), 태양 전지 모듈을 구성하는 태양 전지에 가장 큰 크기의 역 바이어스 전압(예를 들어, 약 11.4V)이 인가되어도 브레이크다운 현상이 발생하지 않도록 한다.
이 경우, 브레이크다운 전압의 크기는 기판의 불순물 농도에 영향을 받으므로, p-n 접합 시 공핍층 변화로 인한 내부 전계의 영향을 고려하여 태양 전지를 제작하기 위해 잉곳(ingot)에서 절단된 기판의 불순물의 농도를 제어한다. 이때, 기판의 도전성 타입을 위해 주입된 붕소(p형 불순물)의 농도뿐만 아니라 기판의 원재료에 함유된 불순물인 인(n형 불순물)과 알루미늄 및 갈륨 중 적어도 하나(p형 불순물) 모두의 농도를 고려하여 태양 전지용 기판의 브레이크다운 전압의 크기를 제어한다.
따라서 p형의 도전성 타입에 영향을 미치는 절단된 기판의 불순물 농도(Ct)는 붕소(B)과 같은 p형 불순물의 농도(C1), p형과 반대의 도전성 타입을 갖는 n형의 불순물인 인(P)의 농도(C2) 그리고 p형의 불순물인 알루미늄(Al)와 갈륨(Ga) 중 적어도 하나의 농도(C3)를 모두 고려하여, 실제 p형 기판의 도전 타입에 영향을 미치는 불순물의 농도를 제어한다. 따라서, p형의 도전성 타입에 영향을 미치는 기판의 불순물 도핑 농도(Ct)는 p형의 불순물들의 농도의 합, 즉, (붕소)의 농도(C1)와 알루미늄(Al)과 갈륨(Ga) 중 적어도 하나의 농도(C3)의 합(C1+C3)에서 n형의 불순물(인)의 농도(C2)를 뺀 값이 된다, 즉, Ct=(C1+C3)-C2. 이때, p형의 불순물과 n형의 불순물 모두의 도핑 농도를 고려한 p형 기판의 불순물 도핑 농도[Ct=(C1+C3)-C2]를 p형 기판의 '순수 불순물 농도'라 한다. 즉, 순수 불순물 농도는 순수 p형의 불순물 농도라고 할 수 있다.
결국, 이러한 순수 p형 불순물 농도의 증가는 에미터부(n형) 형성 시 기판(p형)과 에미터부(n형)간의 p-n 접합에 의한 공핍층내 내부 전계를 증가시키고, 태양 전지용 기판에 역바이어스 전압이 인가될 경우, 이러한 내부 전계는 급격하게 증가하게 되고 브레이크다운을 발생하게 된다.
본 실시예에서, 변경된 브레이크다운 전압의 기준 전압인 12V는, 이미 설명한 것처럼, 6×10 행렬로 배열된 태양 전지를 구비한 태양 전지 모듈에서 하나의 비정상 태양 전지에 인가될 수 있는 가장 큰 역바이어스 전압(11.4V)이 인가되어도 브레이크다운 현상의 발생을 방지하기 위한 값이다. 결국, 본 실시예는 비정상 태양 전지에 가장 큰 크기의 역바이어스 전압이 인가되어도 브레이크다운 현상이 발생하지 않도록 기판에 함유된 불순물들의 농도를 제어하여 기판의 브레이크다운 전압의 크기를 변경하는 것이다.
따라서 p-n 접합 시 역바이어스 전압에 의해 변하는 내부 전계를 고려하여, 브레이크다운 전압의 크기가 12V 이상이 되도록 태양 전지용으로 절단된 기판의 불순물들의 농도는 다음과 같다.
절단된 태양 전지용 기판의 순수 불순물 농도(Ct)는 약 7.2×1015/cm3 내지 약 3.5×1016/cm3이다. 이때, 알루미늄(Al)의 농도(C3)는 약 1×1013/cm3 내지 약 5.5×1015/cm3이고, p형 불순물들의 합인 붕소(B)와 알루미늄(Al) 및 갈륨(Ga) 중 적어도 하나의 합산 농도(C1+C3)는 약 3.5×1016/cm3이하이다. p형 불순물들의 합인 붕소(B)와 알루미늄(Al) 및 갈륨(Ga) 중 적어도 하나의 합산 농도(C1+C3)는 약 3.5×1016/cm3이하인 경우, n형 불순물인 인(P)의 농도(C2)는 약 2.8×1016/cm3이하이다. 또한 철(Fe)의 농도는 약 6×1015/cm3 이하이다.
기판의 순수 불순물 농도(Ct)가 약 3.5×1016/㎤ 이하일 경우, 브레이크다운전압의 크기는 최소값인 약 12V가 되고, 기판의 순수 불순물 농도(Ct)가 약 7.2×1015/㎤ 이상이면 기판의 도전성 타입이 안정적으로 p형을 유지한다.
위에 기재한 것과 같이 p형 불순물의 농도와 n형 불순물의 농도를 갖는 기판으로 태양 전지를 제작할 경우, 이 태양 전지에 대한 이론적인 브레이크다운 전압을 살펴보면 도 1과 같다.
도 1은 약 0.7eV 내지 0.76eV의 밴드갭 에너지(band gap energy)을 갖는 p형의 다결정 실리콘 기판에서, 순수 불순물 농도에 따른 브레이크다운 전압의 이론적인 범위를 도시한 것으로, 각 순수 불순물 농도에 따른 브레이크다운 전압의 하한값은 다결정 실리콘 기판이 0.7eV의 밴드갭 에너지를 가질 경우의 이론적인 값이고, 각 순수 불순물 농도에 따른 브레이크다운 전압의 상한값은 다결정 실리콘 기판이 0.76eV의 밴드갭 에너지를 가질 경우의 이론적인 값이다.
이러한 이론적인 브레이크다운 전압은 다음의 수식에 의해 계산될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
Ex는 내부 전계값, q는 전하량, 즉, 1.6×1019(coulomb), Na는 순수 불순물 농도, Nd는 에미터부 도핑 농도(예, 1×1020/cm3), Vbi는 빌트인 전위(built-in potential), 그리고 εSi는 실리콘의 유전율(permittivity) 이다.
이러한 [수학식 1]에서, 브레이크다운 전압(Va)은 다음의 [수학식 2]에 의해 산출된다.
[수학식 2]
여기서, E는 브레이크다운이 발생할 때의 내부 전계값(즉, 브레이크다운 전계값)이다.
이때, 브레이크다운 전계값(E)는 이론적인 브레이크다운 전계값의 약 75% 내지 80%의 해당하는 값이다.
이론적인 브레이크다운 전계값(Ebr)은 [수학식 3]에 의해 산출된다.
[수학식 3]
Figure pat00003
이론적인 브레이크다운 전계값(Ebr)은 실리콘 기판이 이상적인 결정도를 갖고 불순물이 존재하지 않을 경우 이론적으로 산출되는 전계값이다.
하지만 실제 다결정 실리콘 기판은 결정이 형성될 때는 결정 상태(즉, 결정도)와 불순물의 존재 등으로 이론적인 브레이크다운 전계값(Ebr)을 갖지 못하고, [수학식 3]에 의해 산출된 이론적인 브레이크다운 전계값(Ebr)의 약 75% 내지 80%에 해당하는 전계값을 통상적으로 갖게 된다. 따라서, 브레이크다운 전계값(E)는 이론적인 브레이크다운 전계값(Ebr)의 75% 내지 80%에 해당하는 값으로 산출된다.
따라서, 도 1은 이와 같은 값은 수학식을 통해 산출된 이론적인 브레이크다운 전압을 그래프로 도시한 것이고, [표 1]은 산출된 이론적인 브레이크다운 전압을 표로 도시한 것이다.
Na(/cm3) 6E+16 5E+16 4E+16 3.5E+16 3E+16
Nd(/cm3) 1E+20 1E+20 1E+20 1E+20 1E+20
Vbi(V) 0.9929678 0.50873433 0.609815 0.7192898 0.880973623
E0.75(V/cm) 405068.08 391129.1907 375322.2 366459.664 356735.3372
E0.8(V/cm) 432072.62 417204.4701 400343.6 390890.309 380517.6931
Va0.75(V) 7.9 8.9 10.4 11.4 12.7
Va0.8(V) 9.1 10.3 12.1 13.1 14.6
[표 1에서], E0 . 75은 이론적인 브레이크다운 전계값(Ebr)의 75%를 브레이크다운 전계값(E)으로 산출할 때의 값이고, E0 .8은 이론적인 브레이크다운 전계값(Ebr)의 80%를 브레이크다운 전계값(E)으로 산출할 때의 값이다.
한, Va0 . 75은 E0 .75를 기초로 하여 산출된 브레이크다운 전압이고, 또한, Va0 .8은 E0 . 8를 기초로 하여 산출된 브레이크다운 전압이다.
이와 같이, 도 1과 [표 1]를 산출할 때, 기판의 순수 불순물 농도(Na)가 약 3.5×1016/cm3 이하를 가질 경우, 브레이크다운 전압(Va)이 12V 이상을 갖게 됨을 알 수 있다. 이미 기재한 것처럼, 순수 불순물 농도가 7.2×1015/cm3 미만이면 기판에 부분적으로 n형의 도전성 타입을 갖는 부분이 발생한다. 따라서 기판의 순수 불순물 농도는 7.2×1015/cm3 이상이어야 하고 이때 브레이크다운 전압(Va)은 약 41V이다. 따라서 본 실시예에 따른 브레이크다운 전압(Va)의 범위는 약 12V 내지 41V가 된다.
도 1에서, 실제 측정값은 본 실시예에 따른 태양 전지용 기판을 이용하여 p형의 다결정 실리콘으로 이루어진 태양 전지를 제작한 후, 태양 전지에서 직접 측정한 브레이크다운 전압이다. 실제 측정값 역시 기판의 순수 불순물 농도가 약 3.5×1016/cm3 이하를 가질 경우, 브레이크다운 전압(Va)이 12V 이상을 갖게 됨을 알 수 있다.
본 실시예에 따라 정의된 대로 불순물들을 함유할 경우, 기판의 브레이크다운 전압의 최소값은 12V가 되므로, 6×10 행렬로 배열된 태양 전지를 구비한 태양 전지 모듈에서 최대 크기의 역바이어스 전압(즉, 최대 역바이어스 전압)인 11.4V가 어느 한 비정상 태양전지에 인가되어도 브레이크다운 현상을 발생하지 않으므로, 태양 전지와 태양 전지 모듈의 수명을 연장시키고 효율을 향상시킨다.
이와 같은 각 불순물들의 도핑 농도와 순수 불순물 도핑 농도를 갖고 있는 기판을 이용하여 제작한 태양 전지의 구조를 도 2 및 도 3을 참고로 하여 설명한다.
도 2 및 도 3에 도시한 것처럼, 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지(11)는 기판(110), 빛이 입사되는 기판(110)의 면인 입사면[이하, '전면(front surface)'라 함]에 위치한 에미터부(emitter region)(121), 에미터부(121) 위에 위치하는 반사 방지부(130), 에미터부(121)와 연결되어 있는 전면 전극부(140), 빛이 입사되지 않고 입사면의 반대쪽에 위치한 기판(110)의 면인 비입사면[이하, '후면(back surface)'이라 함]에 위치하는 후면 전계(back surface field, BSF)부(BSF region)(172), 그리고 기판(110)의 후면 위에 위치하는 후면 전극부(150)를 구비한다.
기판(110)은 제1 도전성 타입, 예를 들어 p형 도전성 타입을 갖고 있고 다결정 실리콘으로 이루어진 반도체 기판이다. 기판(110)이 p형의 도전성 타입을 가질 경우, 붕소(B)와 같은 3가 원소의 불순물이 기판(110)에 도핑(doping)된다.
이러한 기판(110)의 전면은 텍스처링(texturing)되어 요철면인 텍스처링 표면(textured surface)을 갖는다. 편의상 도 1에서, 기판(110)의 가장자리 부분만 텍스처링 표면으로 도시하여 그 위에 위치하는 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 반사 방지부(130) 역시 요철면을 갖는다.
복수의 돌출부를 구비한 텍스처링 표면에 의해, 빛에 대한 태양 전지(11)의 반사 방지 효율이 크게 향상되어, 태양 전지(11) 내부로 입사되는 빛의 양이 증가한다.
이러한 기판(110)은 p형을 위한 도펀트인 붕소(B), p형인 알루미늄(Al)과 갈륨(Ga) 중 적어도 하나, n형의 도펀트인 인(P), 기판(110)의 도전성에 영향을 미치지 않는 철(Fe) 등과 같은 많은 불순물을 함유하고 있다.
본 실시예에 따른 기판(110)의 순수 불순물 농도는 약 7.2×1015/㎤ 내지 약 3.5×1016/㎤이다. 기판(110) 내에 함유된 알루미늄(Al)의 농도는 약 1×1013/㎤ 내지 약 5.5×1015/cm3이다. 기판(110)의 p형 도전성 타입을 위해 외부로부터 인가된 불순물인 붕소(B)와 알루미늄(Al) 및 갈륨(Ga) 중 적어도 하나의 합산 농도는 약 3.5×1016/cm3이하이며, 이 경우, 기판(110) 내에 함유된 n형 도전성 타입을 위한 인(P)의 농도는 약 2.8×1016/cm3이하이다. 또한 철(Fe)의 농도는 약 6×1015/cm3 이하이다. 이들 농도는 에미터부(121)와 후면 전계부(172)가 위치하지 않는 기판(110)의 부분에서 측정된 불순물의 농도이다. 이러한 불순물 농도를 갖는 기판(110)에 의해, 태양 전지(11)의 브레이크다운 전압은 약 12V 내지 41V이다.
에미터부(121)는 기판(110)의 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입, 예를 들어, n형의 도전성 타입의 불순물이 기판(110)에 도핑된 영역으로, 입사면인 기판(110)의 전면에 위치한다. 따라서 제2 도전성 타입의 에미터부(121)는 기판(110) 중 제1 도전성 타입 부분과 p-n 접합을 이룬다.
기판(110)과 에미터부(121)와의 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, 분리된 정공은 p형인 기판(110) 후면 쪽으로 이동하고 분리된 전자는 n형인 에미터부(121) 쪽으로 이동한다.
에미터부(121)는 5가 원소의 불순물을 기판(110)에 도핑하여 형성될 수 있다.
에미터부(121) 위에 위치한 반사 방지부(130)는 실리콘 질화물(SiNx)이나 실리콘 산화물(SiOx) 등으로 이루어질 수 있다.
반사 방지부(130)는 태양 전지(11)로 입사되는 빛의 반사도를 줄이고 특정한 파장 영역의 선택성을 증가시켜 태양 전지(11)의 효율을 높인다. 이러한 반사 방지부(130)는 도 2 및 도 3에 도시한 단일막 구조를 갖고 있지만 이중막과 같은 다층막 구조를 가질 수 있다. 필요에 따라 반사 방지부(130)는 생략 가능하다.
전면 전극부(140)는 복수의 전면 전극(141)과 복수의 전면 전극(141)과 연결되어 있는 복수의 전면 버스바(142)를 구비한다.
복수의 전면 전극(141)은 에미터부(121)와 전기적 및 물리적으로 연결되어 있고, 서로 이격되어 정해진 방향으로 나란히 뻗어있다. 복수의 전면 전극(141)은 에미터부(121) 쪽으로 이동한 전하, 예를 들면, 전자를 수집한다.
복수의 전면 버스바(142)는 에미터부(121)와 전기적 및 물리적으로 연결되어 있고 복수의 전면 전극(141)과 교차하는 방향으로 나란하게 뻗어 있다.
이때, 복수의 전면 버스바(142)는 복수의 전면 전극(141)과 동일 층에 위치하여 각 전면 전극(141)과 교차하는 지점에서 해당 전면 전극(141)과 전기적 및 물리적으로 연결되어 있다.
따라서, 도 2에 도시한 것처럼, 복수의 전면 전극(141)은 가로 또는 세로 방향으로 뻗어 있는 스트라이프(stripe) 형상을 갖고, 복수의 전면 버스바(142)는 세로 또는 가로 방향으로 뻗어 있는 스트라이프 형상을 갖고 있어, 전면 전극부(140)는 기판(110)의 전면에 격자 형태로 위치한다.
복수의 전면 버스바(142)는 접촉한 에미터부(121)의 부분으로부터 이동하는 전하뿐만 아니라 복수의 전면 전극(141)에 의해 수집되어 이동하는 전하를 수집한다.
각 전면 버스바(142)는 교차하는 복수의 전면 전극(141)에 의해 수집된 전하를 모아서 원하는 방향으로 이동시켜야 하므로, 각 전면 버스바(142)의 폭은 각 전면 전극(141)의 폭보다 크다.
복수의 전면 버스바(142)는 외부 장치와 연결되어 있으므로, 복수의 전면 버스바(142)에 의해 수집된 전하(예, 전자)는 외부 장치로 출력된다.
복수의 전면 전극(141)과 복수의 전면 버스바(142)를 구비한 전면 전극부(140)는 은(Ag)과 같은 적어도 하나의 도전성 물질로 이루어져 있다.
도 2에서, 기판(110)에 위치하는 전면 전극(141)과 전면 버스바(142)의 개수는 한 예에 불과하고, 경우에 따라 변경 가능하다.
이처럼, 에미터부(121)와 전기적 및 물리적으로 연결되어 있는 전면 전극부(140)로 인해, 반사 방지부(130)는 전면 전극부(140)가 위치하지 않는 에미터부(121) 위에 위치한다.
후면 전계부(172)는 기판(110)과 동일한 도전성 타입의 불순물이 기판(110)보다 고농도로 기판(110)에 도핑된 영역, 예를 들면, P+ 영역이다.
이러한 기판(110)의 제1 도전성 영역과 후면 전계부(172)간의 불순물 농도 차이로 인해 전위 장벽이 형성되고, 이로 인해, 정공의 이동 방향인 후면 전계부(172) 쪽으로 전자 이동은 방해되는 반면, 후면 전계부(172) 쪽으로의 정공 이동은 용이해진다. 따라서, 후면 전계부(172)는 기판(110)의 후면 및 그 부근에서 전자와 정공의 재결합으로 손실되는 전하의 양을 감소시키고 원하는 전하(예, 정공)의 이동을 가속화시켜 후면 전극부(150)로의 전하 이동량을 증가시킨다.
후면 전극부(150)는 후면 전극(151)과 후면 전극(151)과 연결되어 있는 복수의 후면 버스바(152)를 구비한다.
후면 전극(151)은 기판(110)의 후면에 위치한 후면 전계부(172)와 접촉하고 있고, 후면 버스바(152)가 위치한 부분을 제외하면 실질적으로 기판(110)의 후면 전체에 위치한다. 대안적인 예에서, 후면 전극(151)은 기판(110)의 후면 가장자리 부분에 위치하지 않을 수 있다.
후면 전극(151)은 알루미늄(Al)과 같은 도전성 물질을 함유하고 있다.
이러한 후면 전극(151)은 후면 전계부(172)쪽으로부터 이동하는 전하, 예를 들어 정공을 수집한다.
이때, 후면 전극(151)이 기판(110)보다 높은 불순물 농도로 유지하는 후면 전계부(172)와 접촉하고 있으므로, 기판(110), 즉 후면 전계부(172)와 후면 전극(151) 간의 접촉 저항이 감소하여 기판(110)으로부터 후면 전극(151)으로의 전하 전송 효율이 향상된다.
복수의 후면 버스바(152)는 후면 전극(151)이 위치하지 않는 기판(110)의 후면 위에 위치하며 인접한 후면 전극(151)과 연결되어 있다.
또한, 복수의 후면 버스바(152)는 기판(110)을 중심으로 복수의 전면 버스바(142)와 대응되게 마주본다.
복수의 후면 버스바(152)는 복수의 전면 버스바(142)와 유사하게, 후면 전극(151)으로부터 전달되는 전하를 수집한다.
복수의 후면 버스바(152) 역시 외부 장치와 연결되어 있으므로, 복수의 후면 버스바(152)에 의해 수집된 전하(예, 정공)는 외부 장치로 출력된다.
이러한 복수의 후면 버스바(152)는 후면 전극(151)으로부터 전달된 전하를 외부 장치로 출력해야 하므로, 후면 전극(151)보다 양호한 전도도를 갖는 물질로 이루어질 수 있고, 예를 들어, 은(Ag)과 같은 적어도 하나의 도전성 물질을 함유한다.
대안적인 예에서, 후면 전극(151)은 후면 버스바(152)가 위치한 기판(110)의 후면 부분에도 위치할 수 있고, 이 경우, 복수의 후면 버스바(152)는 기판(110)을 중심으로 복수의 전면 버스바(142)와 대응되게 마주보며 후면 전극(151) 위에 위치한다. 이때, 경우에 따라 후면 전극(151)은 후면의 가장 자리 부분을 제외한 실질적인 후면 전체 면에 위치할 수 있다.
이와 같은 구조를 갖는 본 실시예에 따른 태양 전지(11)의 동작은 다음과 같다.
태양 전지(11)로 빛이 조사되어 반사 방지부(130)를 통해 반도체부인 에미터부(121)와 기판(110)으로 입사되면 빛 에너지에 의해 반도체부에서 전자-정공 쌍이 발생한다. 이때, 기판(110)의 텍스처링 표면과 반사 방지부(130)에 의해 기판(110)으로 입사되는 빛의 반사 손실이 줄어들어 기판(110)으로 입사되는 빛의 양이 증가한다.
이들 전자-정공 쌍은 기판(110)과 에미터부(121)의 p-n 접합에 의해 서로 분리되어 전자와 정공은, n형의 도전성 타입을 갖는 에미터부(121)과 p형의 도전성 타입을 갖는 기판(110) 쪽으로 각각 이동한다. 이처럼, 에미터부(121) 쪽으로 이동한 전자는 복수의 전면 전극(141)과 복수의 전면 버스바(142)에 의해 수집되어 복수의 전면 버스바(142)를 따라 이동하고, 기판(110) 쪽으로 이동한 정공은 인접한 후면 전극(151)와 복수의 후면 버스바(152)에 의해 수집되어 복수의 후면 버스바(152)를 따라 이동한다. 이러한 전면 버스바(142)와 후면 버스바(152)를 도선으로 연결하면 전류가 흐르게 되고, 이를 외부에서 전력으로 이용하게 된다.
이러한 태양 전지의 브레이크다운 전압의 크기는 약 12V 이상을 갖고 있으므로, 태양 전지(11)에 약 11.4V의 최대 역바이어스 전압이 인가되어도, 태양 전지(11)는 브레이크다운 현상이 발생하지 않는다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
11: 태양 전지 110: 기판
121: 에미터부 130: 반사 방지부
140: 전면 전극부 141: 전면 전극
142: 전면 버스바 150: 후면 전극부
151: 후면 전극 152: 후면 버스바
172: 후면 전계부

Claims (16)

  1. p형의 도전성 타입을 갖고 반도체로 이루어져 있으며 태양 전지를 제작하기 위한 태양 전지용 기판에서,
    상기 반도체 기판은 p형의 도전성 타입을 갖는 제1 불순물, p형의 도전성 타입을 갖는 제2 불순물, 그리고 n형의 도전성 타입을 갖는 제3 불순물을 함유하고 있고, 상기 제1 불순물의 농도와 상기 제2 불순물의 농도의 합에서 상기 제3 불순물의 농도를 뺀 값 상기 기판의 순수 p형의 불순물 농도는 7.2×1015/ cm3 내지 3.5×1016/cm3인 태양전지용 기판.
  2. 제1항에서,
    상기 제2 불순물의 농도는 1×1013/cm3 내지 5.5×1015/cm3인 태양전지용 기판.
  3. 제1항에서,
    상기 제1 불순물의 농도와 상기 제2 불순물의 농도의 합은 3.5×1016/cm3이하인 태양 전지용 기판.
  4. 제3항에서,
    상기 제3 불순물의 농도는 약 2.8×1016/cm3이하인 태양전지용 기판.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에서,
    상기 제1 불순물은 붕소(B), 상기 제2 불순물은 알루미늄(Al) 및 갈륨(Ga) 중 적어도 하나이고, 상기 제3 불순물은 인(P)인 태양전지용 기판.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에서,
    상기 반도체 기판은 다결정 실리콘 기판인 태양전지용 기판.
  7. 제1항에서,
    상기 태양전지용 기판은 철(Fe)을 더 함유하는 태양전지용 기판.
  8. 제7항에서,
    상기 철(Fe)의 농도는 6×1015/cm3 이하인 태양전지용 기판.
  9. p형의 도전성 타입을 갖는 다결정질 반도체 기판,
    n형의 도전성 타입의 갖고 상기 다결정질 반도체 기판과 p-n 접합을 형성하는 에미터부,
    상기 에미터부에 연결되어 있는 제1 전극, 그리고
    상기 기판과 연결되어 있는 제2 전극
    을 포함하고,
    상기 다결정질 반도체 기판의 순수 p형의 불순물 농도는 7.2×1015/cm3 내지 3.5×1016/cm3인
    태양 전지.
  10. 제9항에서,
    상기 태양 전지는 12V 내지 41V의 브레이크다운 전압을 갖는 태양 전지.
  11. 제9항에서,
    상기 다결정 반도체 기판은 붕소(B), 알루미늄(Al) 및 갈륨(Ga) 중 적어도 하나, 그리고 인(P)을 함유하는 태양전지.
  12. 제11항에서,
    상기 알루미늄(Al)의 농도는 1×1013/cm3 내지 5.5×1015/cm3인 태양전지.
  13. 제11항에서,
    상기 붕소(B)의 농도와 상기 알루미늄(Al) 및 갈륨(Ga) 중 적어도 하나의 농도의 합 3.5×1016/cm3이하인 태양 전지.
  14. 제13항에서,
    상기 인(P)의 농도는 2.8×1016/cm3이하인 태양 전지.
  15. 제11항에서,
    상기 다결정 반도체 기판은 철(Fe)을 더 함유하는 태양전지.
  16. 제15항에서,
    상기 철(Fe)의 농도는 6×1015/cm3 이하인 태양전지.
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