KR20120127910A - 이종접합 태양 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지 및 그 제조방법을 개시한다. 본 발명에 따른 태양전지는 결정질 실리콘 기판; 상기 결정질 실리콘 기판의 일 측면 상에 미량 도핑된 제1 버퍼층; 상기 결정질 실리콘 기판의 다른 측면 상에 미량 도포된 제2 버퍼층; 및 상기 제1 버퍼층 및 제2 버퍼층 상에 각각 형성된 제1 비정질 실리콘층 및 제2 비정질 실리콘층을 포함한다. 본 발명에 따른 이종접합 태양전지는 버퍼층을 미량 도핑함으로써 형성하여 결정질 기판과 비정질 실리콘층 사이에 발생할 수 있는 결함을 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 전기전도도가 상당히 증가하고 태양전지의 직렬저항이 감소한다. 또한, 버퍼층 및 비정질 실리콘 층을 동일한 장비로 구현할 수 있으므로, 설비에 대한 부담도 감소하게 된다.
Description
본 발명은 이종접합 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
태양전지는 광전효과를 이용하여 빛에너지를 전기에너지로 변환시키는 반도체 소자로서, 무공해, 무소음, 무한 공급 에너지라는 이유로 최근 들어 각광을 받고 있다. 특히 지구 온난화를 막기 위하여 이산화탄소, 메탄가스 등의 온실가스 배출량을 규제하는 도쿄의정서가 2005년 2월 16일자로 발효되었고, 에너지원의 80% 이상을 수입에 의존하고 있는 우리나라로서는 태양에너지가 중요한 대체 에너지원 중의 하나로 자리잡고 있다.
태양전지란 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 주전력원으로 이용되고, 상용교류전원의 계통과 연계되어 보조전력원으로도 이용되며, 최근 대체 에너지에 대한 필요성이 증가하면서 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다.
이러한 태양전지에서는, 입사되는 태양광을 전기 에너지로 변환시키는 비율과 관계된 변환효율(Efficiency)을 높이는 것이 매우 중요하다. 변환효율을 높이기 위해서 여러가지 연구가 행해지고 있으며, 높은 광흡수 계수를 갖는 박막을 태양전지에 포함시킴으로써 변환효율을 높이고자 하는 기술 개발이 활발히 진행되고 있다.
한편, 태양광을 이용한 태양전지는 p-n 접합에 사용되는 p 영역과 n 영역의 성질에 따라 동종접합(homojunction) 태양전지와 이종접합(heterojunction) 태양전지로 나눌 수 있는데, 이 중에 이종 접합 태양전지는 서로 다른 결정구조 또는 서로 다른 물질로 결합되는 구조를 갖는다.
도 1은 종래 실리콘 이종접합 태양전지를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면 종래의 실리콘 이종접합 태양전지는 베이스(base)로서의 결정질 실리콘(c-Si) 기판(111) 상에 플라즈마 화학기상 증착(PECVD)을 이용하여 이미터(emitter)로서의 도핑된 비정질 실리콘(a-Si) 층(115)이 증착된 비정질/결정질 p-n 다이오드 구조를 갖는다.
도 1과 같은 비정질/결정질 실리콘 이종접합 태양전지는 기존의 확산형 결정질 실리콘 태양전지에 비해 낮은 온도에서 제작이 가능하며 높은 개방전압을 갖기 때문에 많은 관심이 집중되고 있다. 이러한 이종접합 태양전지의 특성을 좌우하는 가장 큰 요인으로는 비정질 실리콘 층(115)과 결정질 실리콘 기판(111) 사이의 계면에 있어서 미결합손(dangling bond) 등에 의해 발생하는 결함밀도(defect density)인 것으로 알려져 있다. 즉, 상기 계면의 결함 밀도가 큰 경우에는 태양광에 의해 생성된 전자, 정공의 재결합률(recombination rate)이 증가하여 태양전지의 효율을 저하시키게 되는 것이다. 이러한 결함이 생기는 원인으로서는 베이스로서의 결정질 실리콘 기판(111)의 표면 결함 외에 플라즈마 노출에 따른 데미지(damage)와 비정질 실리콘 층(115)에 존재하는 불순물(dopant) 등에 의한 영향들이 있을 수 있다.
즉, 이종접합 태양전지에서 결정질 기판(111)과 도핑된 비정질 실리콘 층(115, 117) 사이에는 효율 저하를 유발하는 결함이 존재할 수 있으며, 이를 억제하기 위하여 도핑층(115,117)에 비해 상대적으로 결함이 작은 인트린식 (비도핑된) 버퍼층(113)이 기판(111)과 도핑층(115,117) 사이에 삽입되어 있다.
하지만 인트린식 비정질 실리콘은 비저항이 높아 셀의 직렬저항을 증가시키는 요인이 되므로 균일성이 확보되는 범위 내에서 최소한의 두께로 구현해야 하는 문제가 있다. 또한 인트린식 버퍼층(113)과 도핑층(115,117)은 동일한 PECVD를 사용할 수 없으므로 PECVD 장비 수가 늘어나야만 하는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 버퍼층과 도핑층인 비정질 실리콘 층을 하나의 장비로 구현할 수 있는 태양전지 제조방법 및 그 태양전지를 제공하는데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 결정질 실리콘 기판; 상기 결정질 실리콘 기판의 일 측면 상에 미량 도핑된 제1 버퍼층; 상기 결정질 실리콘 기판의 다른 측면 상에 미량 도포된 제2 버퍼층; 및 상기 제1 버퍼층 및 제2 버퍼층 상에 각각 형성된 제1 비정질 실리콘 층 및 제2 비정질 실리콘 층을 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이종접합 태양전지의 제조방법은 상기 결정질 실리콘 기판의 일 측면 상에 제1 버퍼층을 미량 도핑하는 단계; 상기 제1 버퍼층 상에 제1 비정질 실리콘층을 형성하는 단계; 상기 결정질 실리콘 기판의 다른 측면 상에 제2 버퍼층을 미량 도핑하는 단계; 및 상기 제2 버퍼층 상에 제2 비정질 실리콘층을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 제1 버퍼층 및 상기 제2 버퍼층은 단위 부피당 실리콘(Si) 원자 개수 대비 도핑 원자 개수가 0.001~0.1 % 범위 이내에 있는 것이 바람직하다.
상기 제1 버퍼층 및 상기 제2 버퍼층은 상기 도핑 원소의 농도범위 내에서 농도 구배가 조절되는 것이 바람직하다.
상기 제1 버퍼층 및 상기 제1 비정질 실리콘 층은 하나의 플라즈마 화학기상 증착(PECVD) 장비를 이용하여 형성되는 것이 바람직하다.
상기 제2 버퍼층 및 상기 제2 비정질 실리콘 층은 하나의 플라즈마 화학기상 증착(PECVD) 장비를 이용하여 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 인트릭식 버퍼층 대신에 미세한 양의 도핑이 되어 있는 버퍼층을 사용함으로써 결함 밀도에 큰 변화가 없을 뿐 아니라, 전기 전도도가 상당히 증가하여 태양전지의 직렬저항이 감소하므로 태양전지의 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 미량 도핑 및 도핑층을 동일한 장비로 구현할 수 있으므로 설비에 대한 부담도 감소하게 된다.
도 1은 종래 이종접합 태양전지의 기본적인 구조를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 이종접합 태양전지의 구조를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 3a 내지 도 3d는 도 2의 이종접합 태양전지의 제조 과정을 설명하는 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 이종접합 태양전지의 구조를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 3a 내지 도 3d는 도 2의 이종접합 태양전지의 제조 과정을 설명하는 공정도이다.
이하 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장된 것이며, 도면상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 이종접합 태양전지의 구조를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 2에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 이종접합 태양전지(200)는 n형 결정질 실리콘 기판(201)의 일 측면 상에 p형 버퍼층(202)를 포함하고, n형 결정질 실리콘 기판(201)의 다른 측면 상에 n형 버퍼층(203)을 포함한다. 그리고, p형 버퍼층(202) 및 n형 버퍼층(203)은 플라즈마 화학기상 증착(PECVD) 장비를 이용하여 n형 결정질 실리콘 기판(201)의 양 측면 상에 미량으로 도핑되어 있다.
그리고, 본 발명의 이종접합 태양전지(200)는 p형 버퍼층(202) 상에 형성된 p형 비정질 실리콘 층(204) 및 n형 버퍼층(203) 상에 형성된 n형 비정질 실리콘 층(205)을 포함한다.
p형 버퍼층(202)은 이종접합 태양전지(200)에서 결정질 실리콘 기판(201)과 비정질 실리콘층(204) 사이 경계면에서의 전자와 정공의 재결합을 최대한으로 방지하기 위한 층이다. 또한, n형 버퍼층(203)은 이종접합 태양전지(200)에서 결정질 실리콘 기판(201)과 비정질 실리콘층(205) 사이 경계면에서 계면결함에 의한 재결합을 억제하기 위한 층이다.
여기에서, 비정질 실리콘 도핑층(204, 205)의 경우 통상적으로 단위 부피당 실리콘(Si) 원자 개수 대비 도핑 원자 개수가 0.1~2 % 정도이다. 구체적으로, n형 비정질 실리콘 층(205)에서 인(P) 의 개수가 실리콘 원자 개수의 0.1~2 % 의 범위 이내에 있으며, p형 비정질 실리콘 층(204)에서 붕소(B)의 원자 개수가 실리콘 원자 개수의 0.1~2 % 의 범위 이내에 있다.
그리고, n형 결정질 실리콘 기판(201)의 양 측면 상에 미량으로 도핑되어 있는 p형 버퍼층(202) 및 n형 버퍼층(203)의 경우에는, 통상적으로 단위 부피당 실리콘(Si) 원자 개수 대비 도핑 원자 개수가 0.001~0.1 % 정도이다. 구체적으로, n형 버퍼층(203)에서 도핑 원자 예컨대, 인(P)의 원자 개수가 실리콘 원자 개수의 0.001~0.1 % 의 범위 이내에 있으며, p형 버퍼층(202)에서 도핑 원자 예컨대, 붕소(B)의 개수가 실리콘 원자 개수의 0.001~0.1 % 의 범위 이내에 있다. 또한, 도핑된 버퍼층(202,203) 내에서 도핑원소의 농도범위 내에서 농도 구배가 조절될 수 있다.
이와 같이, 도핑된 버퍼층(202,203)은 미세한 양의 도핑이 되어 있으므로, 결함 밀도에 큰 변화가 없을 뿐 아니라, 전기 전도도가 상당히 증가하여 태양전지의 직렬저항이 감소하므로 태양전지의 효율을 증가시킬 수 있다. 그리고, 버퍼층(202 또는 203)은 미량 도핑되어 형성되기 때문에 버퍼층(202 또는 203)과 비정질 실리콘 층(204 또는 205)은 동일한 장비로 형성될 수 있다. 또한, 본 발명의 이종접합 태양전지(200)는 p형 비정질 실리콘 층(204) 상의 제1 ITO(Indium tin oxide)층(206) 및 n형 비정질 실리콘 층(205) 상의 제2 ITO층(207)을 포함한다. 또한, 본 발명의 이종접합 태양전지(200)는 제1 ITO(Indium tin oxide)층(206) 상에 형성된 전극(210)을 포함하고, 제2 ITO(Indium tin oxide)층(207) 상에 형성된 Ag층(220)을 포함한다.
도 3a 내지 도 3d는 도 2의 이종접합 태양전지의 제조 과정을 설명하는 공정도이다. 이하, 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 이종접합 태양전지(200)의 제조 과정을 설명하도록 한다.
먼저, 도 3a에 도시되는 바와 같이, n형 결정질 실리콘 기판(201)을 마련한다. 이어서, 도 3b에 도시된 바와 같이, n형 결정질 실리콘 기판(201)의 일측면 상에 p형 버퍼층(202) 및 p형 비정질 실리콘 층(204)을 차례대로 형성한다. 이 경우, p형 버퍼층(202)은 결정질 실리콘 기판(201)의 일면 상에 미량 도핑된다. 즉, p형 버퍼층(202)에서 도핑 원자 예컨대, 붕소(B)의 개수가 실리콘 원자 개수의 0.001~0.1 % 의 범위 이내에 있다. 또한, 도핑된 버퍼층(202) 내에서 도핑원소의 농도 범위 내에서 농도 구배가 조절될 수 있다. 그리고, p형 버퍼층(202)은 미량 도핑되기 때문에, p형 버퍼층(202) 및 p형 비정질 실리콘 층(204)은 하나의 플라즈마 화학기상 증착(PECVD) 장비를 이용하여 형성될 수 있다.
이어서, 도 3c에 도시된 바와 같이, n형 결정질 실리콘 기판(201)의 다른 측면 상에 n형 버퍼층(203) 및 n형 비정질 실리콘 층(205)을 형성한다. 이 경우, n형 버퍼층(203)이 미량 도핑된다. 즉, n형 버퍼층(203)에서 도핑 원자 예컨대, 인(P)의 개수는 실리콘 원자 개수의 0.001~0.1 % 의 범위 이내에 있다. 또한, 도핑된 버퍼층(203) 내에서 도핑원소의 농도범위 내에서 농도 구배가 조절될 수 있다. 그리고, n형 버퍼층(203)은 미량 도핑되기 때문에, n형 버퍼층(203) 및 n형 비정질 실리콘 층(205)은 하나의 플라즈마 화학기상 증착(PECVD) 장비를 이용하여 형성될 수 있다.
이어서, 도 3d에 도시된 바와 같이, p형 비정질 실리콘 층(204) 상에 제1 ITO층(206)을 형성하고, 제1 ITO층(206) 상에 전극을 형성하며, n형 비정질 실리콘 층(207) 상에 제2 ITO층(207)을 형성하고, 제2 ITO층(207) 상에 Ag층(220)을 형성한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 이종접합 태양전지는 버퍼층을 미량 도핑함으로써 형성하여 결정질 기판과 비정질 실리콘층 사이에 발생할 수 있는 결함을 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 전기전도도가 상당히 증가하고 태양전지의 직렬저항이 감소한다. 또한, 버퍼층 및 비정질 실리콘 층을 동일한 장비로 구현할 수 있으므로, 설비에 대한 부담도 감소하게 된다.
이상 도면과 명세서에서 최적 실시예들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
201: 결정질 실리콘 기판
202, 203: 버퍼층
204, 205: 비정질 실리콘 층
206, 207: ITO층
210: 전극
202, 203: 버퍼층
204, 205: 비정질 실리콘 층
206, 207: ITO층
210: 전극
Claims (10)
- 결정질 실리콘 기판;
상기 결정질 실리콘 기판의 일 측면 상에 미량 도핑된 제1 버퍼층;
상기 결정질 실리콘 기판의 다른 측면 상에 미량 도포된 제2 버퍼층;
상기 제1 버퍼층 및 제2 버퍼층 상에 각각 형성된 제1 비정질 실리콘층 및 제2 비정질 실리콘층을 포함하는 이종접합 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 제1 버퍼층 및 상기 제2 버퍼층은 단위 부피당 실리콘(Si) 원자 개수 대비 도핑 원자 개수가 0.001~0.1 % 범위 이내에 있는 것을 특징으로 하는 이종접합 태양전지. - 제2항에 있어서,
상기 제1 버퍼층 및 상기 제2 버퍼층은 상기 도핑 원소의 농도범위 내에서 농도 구배가 조절되는 것을 특징으로 하는 이종접합 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 제1 버퍼층 및 상기 제1 비정질 실리콘 층은 하나의 플라즈마 화학기상 증착(PECVD) 장비를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 이종접합 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 제2 버퍼층 및 상기 제2 비정질 실리콘 층은 하나의 플라즈마 화학기상 증착(PECVD) 장비를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 이종접합 태양전지. - 상기 결정질 실리콘 기판의 일 측면 상에 제1 버퍼층을 미량 도핑하는 단계;
상기 제1 버퍼층 상에 제1 비정질 실리콘층을 형성하는 단계;
상기 결정질 실리콘 기판의 다른 측면 상에 제2 버퍼층을 미량 도핑하는 단계; 및
상기 제2 버퍼층 상에 제2 비정질 실리콘층을 형성하는 단계를 포함하는 이종접합 태양전지의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 제1 버퍼층 및 상기 제2 버퍼층은 단위 부피당 실리콘(Si) 원자 개수 대비 도핑 원자 개수가 0.001~0.1 % 범위 이내에 있는 것을 특징으로 하는 이종접합 태양전지의 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 제1 버퍼층 및 상기 제2 버퍼층은 상기 도핑 원소의 농도범위 내에서 농도 구배가 조절되는 것을 특징으로 하는 이종접합 태양전지의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 제1 버퍼층 및 상기 제1 비정질 실리콘 층은 하나의 플라즈마 화학기상 증착(PECVD) 장비를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 이종접합 태양전지 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 제2 버퍼층 및 상기 제2 비정질 실리콘 층은 하나의 플라즈마 화학기상 증착(PECVD) 장비를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 이종접합 태양전지 제조방법.
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| KR1020110045694A KR20120127910A (ko) | 2011-05-16 | 2011-05-16 | 이종접합 태양 전지 및 그 제조 방법 |
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| KR20120127910A true KR20120127910A (ko) | 2012-11-26 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105870224A (zh) * | 2015-01-23 | 2016-08-17 | 新日光能源科技股份有限公司 | 异质结太阳能电池及其制造方法 |
| KR101662526B1 (ko) * | 2015-08-26 | 2016-10-14 | 주식회사 테스 | 태양전지모듈 및 그 제조방법 |
| CN112216747A (zh) * | 2020-09-22 | 2021-01-12 | 长沙壹纳光电材料有限公司 | 一种异质结太阳能电池及其制备方法与应用 |
-
2011
- 2011-05-16 KR KR1020110045694A patent/KR20120127910A/ko not_active Application Discontinuation
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