KR20120087946A - 분극 저항성 태양 전지 - Google Patents

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Abstract

분극 저항성의 태양 전지를 제공한다. 태양 전지는 전지의 앞면 상에 배치되는 이중 층의 유전체 스택을 사용한다. 유전체 스택은 전지 표면상에 직접 배치되며 SiOx 또는 SiON을 포함하여 이루어지는 패시베이션 층과, SiCN을 포함하여 이루어지는 바깥쪽의 AR 코팅을 포함한다.

Description

분극 저항성 태양 전지{POLARIZATION RESISTANT SOLAR CELL}
본 발명은 태양 전지에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 분극에 대해 저항성을 갖는 태양 전지에 관한 것이다.
태양 전지라고도 불리는 광전지(photovoltaic cell)는 광자를 전기적 에너지로 변환하는 반도체 소자로서 잘 알려져 있다. 도 1은 종래의 태양 전지(100)의 단면을 나타낸다. 이 태양 전지(100)는 일반적으로 실리콘으로 이루어지는 제1 전도형의 기판(101), 및 이 기판상에 형성되는 제2 전도형의 층(103)을 포함하며, 이들은 계면에서 p-n 접합을 형성한다. 태양 전지(100)는 기판(101)의 적어도 일부와 접하는 뒷면 전극(105)과 층(103)의 적어도 일부와 접하는 앞면 전극(107)을 더 포함한다. 태양 전지(100)에 빛이 도달하면, 전자-정공 쌍이 생성되고, 태양 전지에 의해 전기적 에너지로 변환된다.
종래의 태양 전지의 성능을 향상시키기 위해, 통상적으로 태양 전지의 앞면 위에 유전체 층(109)을 배치한다. 이 유전체 층(109)은 2가지 기능을 갖는다. 첫 번째로, 반사방지(AR) 코팅으로 작용하여, 태양 전지(100)로 들어가는 입사 광의 비율을 증가시켜서 변환 효율을 향상시킨다. 두 번째로, 층(103)의 표면상에서 패시베이션(passivation) 층을 형성한다. 일부 태양 전지에서는, 유전체 층(109)이 안쪽 패시베이션 층과 바깥쪽 AR 층의 한 쌍의 층으로 이루어진다.
태양 전지는 널리 사용되고 있는데, 에너지 비용의 증가와 통상적인 에너지원과 관련된 환경적 관심 사항이 증가함에 기인한 것이다. 태양 에너지로의 전환은 태양 전지의 성능이 점차 향상되고 전지 비용이 꾸준히 감소하는 것에 의한 영향이 크다. 예를 들어, 주거용 또는 상업용의 지붕 설치형 또는 솔라 팜(solar farm)에서 사용하기 위한 태양 전지판의 전형적인 용도에서는, 다수의 태양 패널을 서로 전기적으로 연결하는데, 각각의 태양 전지 패널은 다수의 태양 전지 어레이로 이루어진다.
태양 전지 패널 또는 태양 전지 패널의 어레이를 동작시키면, 100V를 초과하는 높은 전압이 개별 소자의 하나 이상의 단자와 패널 프레임 또는 외부 접지 사이에 존재하게 될 수 있다. 그 결과, 도 1의 패시베이션 층 및 AR 층(109)과 같은 전지의 제조에 사용되는 유전체 층에 전하를 생성할 수 있는 전계가 만들어진다. 시간이 지나면, 유전체 층상에 전하가 축적되어 표면 분극이 생기고, 전지의 p-n 접합에서 전계가 유도된다. 그 결과, 션트 저항 및 p-n 접합 특성이 크게 열화되어 전지 변환 효율이 크게 감소하고, 전지 파워 출력이 완전히 정지될 수 있다. 따라서, 표면 분극을 방지하면서, 제조 공정, 전체적인 전지 제조 비용, 또는 전지의 성능에는 크게 영향을 미치지 않는 태양 전지가 필요하다. 본 발명은 이러한 구성을 제공한다.
본 발명은 분극 효과에 대해 저항성을 갖는 태양 전지를 제공한다. 태양 전지의 앞면에는 이중의 층으로 된 유전체 스택이 배치된다. 유전체 스택은, SiOx 또는 SiON(실리콘 옥시나이트라이드)으로 이루어지는, 전지의 앞면에 직접 배치된 패시베이션 층과, SiCN으로 이루어지는 바깥쪽의 반사방지(AR) 코팅을 포함한다. 본 발명의 대해서는 발명의 상세한 설명과 도면을 참조하면 그 특징과 장점에 대하여 더 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 실리콘으로 이루어진 태양 전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 소자 구성의 단면도이다.
본 발명에 관한 이하의 상세한 설명에서는, 본 발명을 실시하는 구체적인 실시예를 예시에 의해 도시하고 그 일부를 형성하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있을 정도로 충분히 설명되어 있다. 다른 실시예도 가능하며, 구조적, 논리적 및 전기적 변경도 가능하다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 바람직한 태양 전지 소자 구조체(200)의 단면을 나타낸다. 실리콘 기판(201)은 p형 또는 n형이 될 수 있다. 종래의 태양 전지와 같이, 제2 전도형의 실리콘 층(203)이 기판(201) 상에 형성되어, 전지의 p-n 접합을 구성한다. 예를 들어, 알루미늄으로 이루어지는 뒷면 전극(205)은 기판(201)의 적어도 일부와 접하거나, 도시한 바와 같이 기판의 뒷면 전체와 접한다. 소자의 앞면, 더 구체적으로는 층(203)과 접하도록 하기 위해, 바람직하게는 은(silver)으로 이루어진 앞면 전극(207)이, 당업자에게 잘 알려진, 예를 들어 손가락/버스바 구성을 사용하여 소자의 앞면에 형성된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 2개의 층으로 된 유전체 스택이 전지(200)의 앞면에 형성된다. 유전체 스택은 층(203)에 직접 형성되는 안쪽의 패시베이션 층(209)과 바깥쪽의 AR 층(211)을 포함하여 이루어진다. 패시베이션 층(209)은 실리콘 산화물, 즉 SiOx 또는 실리콘 옥시나이트라이드, 즉 SiON을 포함하여 제조될 수 있다. AR 코팅 층(211)은 비정질의 실리콘 카본 나이트라이드(SiCN)로 제조된다. 본 발명의 발명자들은 이들 2개의 유전체 층을 사용함으로써, 모듈 내에 포함된 통상 태양 전지에 의해 생기는 분극 효과(polarization effect)를, 완전히 제거하지는 못하지만, 실질적으로 감소시킨다는 것을 알게 되었다.
원하는 레벨의 표면 분극을 달성하기 위해, 패시베이션 층(209)의 두께는 1 내지 100 나노미터(nm)의 범위, 바람직하게는 1 내지 50 나노미터, 더 바람직하게는 2 내지 30 나노미터의 범위를 갖는다. 층(209)이 SiOx가 아니라 SiON을 포함하여 이루어져 있으면, 층의 산소 및 질소의 양은 층 내의 산소의 비율, 즉 산소와 산소 및 질소의 합과의 비율(즉, O/(O+N))에 의해 정해진다. 산소의 비율은 0.01 내지 0.99의 범위, 바람직하게는 0.1 내지 0.9의 범위, 더 바람직하게는 0.4 내지 0.9의 범위이다. 일례로, SiON 층(209) 내의 산소의 비율은 기판(201)에 가까운 쪽에서는 산소가 많도록 하고 기판(201)으로부터 먼 쪽에는 질소가 많도록 하여 경사 조성(graded composition)을 형성한다. 산소가 많은 영역은 양호한 패시베이션을 제공하며, 질소가 많은 영역에서는 양호한 AR 특성을 제공한다.
앞서 언급한 바와 같이, SiCN을 포함하여 이루어진 AR 층(211)은 1 내지 200 나노미터 범위의 두께, 바람직하게는 20 내지 120 나노미터 범위의 두께, 더 바람직하게는 40 내지 100 나노미터 범위의 두께를 가진다. 층(209)과 층(211)을 합한 두께는 2 내지 300 나노미터의 범위를 가지며, 굴절률은 1.5 내지 2.4의 범위가 된다. 일례로, SiCN 층(211)은 수소가 첨가되어(hydrogenated) 있다.
층(203), 유전체 층(209, 211)을 형성하기 위해 다양한 임의의 기술을 사용할 수 있으며, 콘택(205, 207)을 사용할 수 있지만, 본 발명은 구체적인 제조 방법에 한정되는 것은 아니다. 층(209)이 SiOx를 포함하여 이루어진 공정에서, 층(209)은 열적 산화, 화학적 산화 또는 CVD 산화물 증착을 사용하여 형성된다. 층(209)이 SiON으로 이루어진 공정에서, 층(209)은 인시추(in-situ) 실리콘 옥시나이트라이드 증착 공정(예를 들어, SiON의 CVD 증착)을 사용하여 증착된다. 다른 공정으로서, SiON 층은 먼저, 열적 산화, 화학적 산화 또는 CVD 산화물 증착을 이용하여 실리콘 층(203)의 상부에 바람직하게는 4 나노미터 이상의 두께로 산화물 층을 증착하여 형성된다. 다음으로, 실리콘 산화물이 원하는 두께와 조성을 갖는 실리콘 옥시나이트라이드로 변환하는 방식으로 질화물 층이 증착된다. 산화물 층 상의 질화물 층을 변환하는 예에서, 상기 설명한 바와 같은 경사 조성이 만들어진다. 이와 달리, 앞서 성장한 산화물 층이 질소 환경에서 어닐링되어, 실리콘 산화물을 원하는 실리콘 옥시나이트라이드로 변환할 수 있다.
태양 전지의 예
A. 제1 전도형의 실리콘을 포함하여 이루어진 기판;
기판상에 배치되는, 제2 전도형의 실리콘을 포함하여 이루어진 실리콘 층;
실리콘 층상에 배치되며, 실리콘 산화물과 실리콘 옥시나이트라이드(silicon oxynitride)로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 패시베이션 층(passivation layer); 및
패시베이션 층 상에 배치되며, 실리콘 카본 나이트라이드(SiCN)를 포함하여 이루어진 반사방지(AR: anti-reflection) 층을 포함하는 태양 전지.
B. 상기 예의 태양 전지에서, 패시베이션 층은 1 내지 100 나노미터 범위의 두께를 갖는다.
C. 상기 예 A-B 중의 하나의 태양 전지에서, 패시베이션 층은 1 내지 50 나노미터 범위의 두께를 갖는다.
D. 상기 예 A-C의 태양 전지에서, 패시베이션 층은 2 내지 30 나노미터 범위의 두께를 갖는다.
E. 상기 예 A-D 중의 하나의 태양 전지에서, AR 층은 1 내지 200 나노미터 범위의 두께를 갖는다.
F. 상기 예 A-E의 태양 전지에서, AR 층은 20 내지 120 나노미터 범위의 두께를 갖는다.
G. 상기 예 A-F 중의 하나의 태양 전지에서, AR 층은 40 내지 100 나노미터 범위의 두께를 갖는다.
H. 상기 예 A-G 중의 하나의 태양 전지에서, 패시베이션 층과 AR 층을 포함하여 이루어진 유전체 스택(dielectric stack)은 1.5 내지 2.4 범위의 굴절률(refractive index)을 갖는다.
I. 상기 예 A-H 중의 하나의 태양 전지에서, 패시베이션 층은 실리콘 옥시나이트라이드(SiON)를 포함하여 이루어지며, SiON 층 내의 산소 및 질소의 합계에 대한 SiON 층 내의 산소의 비율은 0.01 내지 0.99의 범위를 갖는다.
J. 상기 예 A-I 중의 하나의 태양 전지에서, 패시베이션 층은 실리콘 옥시나이트라이드(SiON)를 포함하여 이루어지며, SiON 층 내의 산소 및 질소의 합계에 대한 SiON 층 내의 산소의 비율은 0.1 내지 0.9의 범위를 갖는다.
K. 상기 예 A-J 중의 하나의 태양 전지에서, 패시베이션 층은 실리콘 옥시나이트라이드(SiON)를 포함하여 이루어지며, SiON 층 내의 산소 및 질소의 합계에 대한 SiON 층 내의 산소의 비율은 0.4 내지 0.9의 범위를 갖는다.
L. 상기 예 A-K 중의 하나의 태양 전지에서, AR 층은 수소가 첨가된(hydrogenated) 것이다.
M. 상기 예 A-K 중의 하나의 태양 전지는 기판의 뒷면에 형성된 제1 금속 전극과, 상기 제2 전도형의 실리콘 층과 접촉하는 제2 금속 전극을 더 포함한다.
여러 도면에서 사용되는 동일한 요소의 부호는 동일한 구성 또는 동일한 기능을 갖는 구조체를 의미한다는 것으로 해석하여야 한다. 또한, 도면은 예시에 불과하며 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니며 실측으로 되어 있지 않다.
본 발명의 여러 실시예에 대하여 설명하였지만, 상기 설명이 전부를 나타내는 것으로 해석되어서는 안 된다. 구체적인 실시예 본원에 설명하고 예시하고 있지만, 당업자라면, 이러한 구체적인 실시예를 대신하여 동일한 목적을 달성할 수 있는 임의의 구성이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본원은 본 발명의 임의의 변경이나 변형을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 상기 실시예의 조합 및 다른 실시예는 상기 설명으로부터 당업자에게 명백할 것이다.
본 출원은 2009년 12월 24일에 제출된 미국 출원번호 12/647,201호와 2009년 10월 27일에 제출된 미국 가 출원번호 61/279,842호에 대하여 우선권을 주장하며, 본원에 참조에 의해 원용한다.

Claims (13)

  1. 제1 전도형의 실리콘을 포함하여 이루어진 기판;
    상기 기판상에 배치되는, 제2 전도형의 실리콘을 포함하여 이루어진 실리콘 층;
    상기 실리콘 층상에 배치되며, 실리콘 산화물과 실리콘 옥시나이트라이드(silicon oxynitride)로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 패시베이션 층(passivation layer); 및
    상기 패시베이션 층 상에 배치되며, 실리콘 카본 나이트라이드(SiCN)를 포함하여 이루어진 반사방지(AR: anti-reflection) 층
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 패시베이션 층은 1 내지 100 나노미터 범위의 두께를 갖는, 태양 전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 패시베이션 층은 1 내지 50 나노미터 범위의 두께를 갖는, 태양 전지.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 패시베이션 층은 2 내지 30 나노미터 범위의 두께를 갖는, 태양 전지.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 AR 층은 1 내지 200 나노미터 범위의 두께를 갖는, 태양 전지.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 AR 층은 20 내지 120 나노미터 범위의 두께를 갖는, 태양 전지.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 AR 층은 40 내지 100 나노미터 범위의 두께를 갖는, 태양 전지.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 패시베이션 층과 상기 AR 층을 포함하여 이루어진 유전체 스택(dielectric stack)은 1.5 내지 2.4 범위의 굴절률(refractive index)을 갖는, 태양 전지.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 패시베이션 층은 상기 실리콘 옥시나이트라이드(SiON)를 포함하여 이루어지며, 상기 SiON 층 내의 산소 및 질소의 합계에 대한 상기 SiON 층 내의 산소의 비율은 0.01 내지 0.99의 범위를 갖는, 태양 전지.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 패시베이션 층은 상기 실리콘 옥시나이트라이드(SiON)를 포함하여 이루어지며, 상기 SiON 층 내의 산소 및 질소의 합계에 대한 상기 SiON 층 내의 산소의 비율은 0.1 내지 0.9의 범위를 갖는, 태양 전지.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 패시베이션 층은 상기 실리콘 옥시나이트라이드(SiON)를 포함하여 이루어지며, 상기 SiON 층 내의 산소 및 질소의 합계에 대한 상기 SiON 층 내의 산소의 비율은 0.4 내지 0.9의 범위를 갖는, 태양 전지.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 AR 층은 수소가 첨가된(hydrogenated) 것인, 태양 전지.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판의 뒷면에 형성된 제1 금속 전극과, 상기 제2 전도형의 실리콘 층에 접촉하는 제2 금속 전극을 더 포함하는 태양 전지.
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