KR20120129013A - 후면전극형 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 소수캐리어의 재결합되는 것을 억제하여 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있는 후면전극형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 후면전극형 태양전지는 n형 결정질 실리콘 기판 및 상기 기판의 후면 내부에 교번하여 반복, 배치되는 p형 도핑층 및 n형 도핑층을 포함하여 이루어지며, p형 도핑층 또는 n형 도핑층과 기판 내부의 경계면은 제 1 계면이고, 상기 기판 후면의 표면은 제 2 계면이며, 상기 제 1 계면에서 상기 p형 도핑층의 표면적은 n형 도핑층의 표면적보다 크며, 상기 제 2 계면에서 상기 n형 도핑층의 표면적은 p형 도핑층의 표면적보다 큰 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 후면전극형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소수캐리어가 재결합되는 것을 억제하여 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있는 후면전극형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양광을 직접 전기로 광전변환시키는 태양광 발전의 핵심소자로서, 기본적으로 p-n 접합으로 이루어진 다이오드(diode)라 할 수 있다. 태양광이 태양전지에 의해 전기로 변환되는 과정을 살펴보면, 태양전지의 실리콘 기판 내부에 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되고, 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 이동하게 되어 p-n 접합부 사이에 광기전력이 발생되며, 이 때 태양전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산할 수 있게 된다.
한편, 일반적인 태양전지는 전면과 후면에 각각 전면전극과 후면전극이 구비되는 구조를 갖는데, 수광면인 전면에 전면전극이 구비됨에 따라, 전면전극의 면적만큼 수광면적이 줄어들게 된다. 이와 같이 수광면적이 축소되는 문제를 해결하기 위해 후면전극형 태양전지가 제안되었다. 후면전극형 태양전지는 태양전지의 후면 상에 (+)전극과 (-)전극을 구비시켜 태양전지 전면의 수광면적을 극대화하는 것을 특징으로 한다.
후면전극형 태양전지는 도 1에 도시한 바와 같이, 기판(101) 후면 내부에 p형 도핑층(102)과 n형 도핑층(103)이 반복, 배치되는 구조를 이루며, p형 도핑층(102)은 p 전극(105)과 연결되고 n형 도핑층(103)은 n 전극(106)과 연결된다. 이 때, p 전극(105)과 n 전극(106)이 단락되는 것을 방지하기 위해 기판(101) 후면 상에는 유전층(104)이 형성되며, 선택적으로 패터닝되어 개구부를 통해 도핑층과 전극이 연결된다.
이와 같은 후면전극형 태양전지에 있어서, 기판(101) 내부에서 광전변환에 의해 생성된 전자(-)는 n형 도핑층(103)을 거쳐 n 전극(106)으로 이동되고, 정공(+)은 p형 도핑층(102)을 거쳐 p 전극(105)으로 이동된다. 한편, 기판(101)이 n형 실리콘 기판(101)인 경우, 전자가 다수캐리어(major carrier)가 되고 정공이 소수캐리어(minor carrier)가 되는데, 다수캐리어인 전자는 n형 도핑층(103)을 거쳐 n 전극(106)에 안정적으로 수집됨에 반해, 소수캐리어인 정공은 p형 도핑층(102)을 거쳐 p 전극(105)에 수집되는 경로 중에 재결합되어(recombination) 소멸될 가능성이 크다.
구체적으로, 기판(101) 내부에서 생성된 소수캐리어인 정공(+)은 이동 중에 n형 도핑층(103)의 표면과 접하여 재결합되거나(도 2의 ⓐ 참조), p형 도핑층(102)으로 이동이 성공한 경우에도 기판(101) 후면에 존재하는 표면 결함과 결합(도 2의 ⓑ 참조)하여 소멸된다. 이와 같은 소수캐리어의 재결합은 태양전지의 광전변환 특성을 저하시키는 요인으로 작용한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 소수캐리어가 재결합되는 것을 억제하여 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있는 후면전극형 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 후면전극형 태양전지는 n형 결정질 실리콘 기판 및 상기 기판의 후면 내부에 교번하여 반복, 배치되는 p형 도핑층 및 n형 도핑층을 포함하여 이루어지며, p형 도핑층 또는 n형 도핑층과 기판 내부의 경계면은 제 1 계면이고, 상기 기판 후면의 표면은 제 2 계면이며, 상기 제 1 계면에서 상기 p형 도핑층의 표면적은 n형 도핑층의 표면적보다 크며, 상기 제 2 계면에서 상기 n형 도핑층의 표면적은 p형 도핑층의 표면적보다 큰 것을 특징으로 한다.
상기 p형 도핑층과 n형 도핑층의 일부 영역은 중첩되는 구조를 이루며, 상기 일부 영역에서 상부에는 p형 도핑층이 구비되고, 하부에는 n형 도핑층이 구비되며, 상기 제 1 계면에서는 p형 도핑층이 수평적으로 확장된 형태를 이루고, 제 2 계면에서는 n형 도핑층이 수평적으로 확장된 형태를 이룬다.
상기 기판 후면 상에 유전층이 구비되며, 상기 유전층 상에는 상기 p형 도핑층, n형 도핑층과 각각 연결되는 p 전극, n 전극이 더 구비될 수 있다.
본 발명에 따른 후면전극형 태양전지의 제조방법은 n형 결정질 실리콘 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판의 후면 상에 p형 도핑소스를 일정 간격을 두고 도포하는 단계와, 상기 기판을 열처리하여, 기판 후면 내부에 이격되어 반복, 배치되는 p형 도핑층을 형성함과 함께 상기 p형 도핑층 상에 확산부산물층을 형성하는 단계와, 상기 확산부산물층의 일부를 제거하여 상기 p형 도핑층의 일부 영역을 노출시키는 단계 및 상기 기판 후면의 전면(全面) 상에 n형 도핑소스를 도포한 후 열처리하여, 최초 p형 도핑소스가 도포되지 않은 영역의 기판 후면에 n형 도핑층을 형성함과 함께, 상기 확산부산물층이 일부 제거되어 노출된 p형 도핑층의 일부를 n형 도핑층으로 전환시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 p형 도핑소스가 도포되는 영역(A1)의 면적은 상기 p형 도핑소스가 도핑되지 않는 영역의 면적보다 크다.
본 발명에 따른 후면전극형 태양전지 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
n형 기판 내부에서 p형 도핑층의 면적을 최대화함과 함께 n형 도핑층의 면적을 최소화함으로써 소수캐리어인 정공이 p형 도핑층으로 수집될 확률을 높일 수 있다. 또한, 기판 후면의 표면에 노출되는 p형 도핑층을 최소화시킴으로써 정공이 표면 결함에 의해 재결합되는 것을 억제할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 후면전극형 태양전지의 단면도.
도 2는 종래 기술에 따른 후면전극형 태양전지에 있어서 소수캐리어가 재결합되는 요인을 설명하기 위한 참고도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지의 단면 구성도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지에 있어서 소수캐리어의 이동 경로를 설명하기 위한 참고도.
도 5a 내지 도 5g는 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
도 2는 종래 기술에 따른 후면전극형 태양전지에 있어서 소수캐리어가 재결합되는 요인을 설명하기 위한 참고도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지의 단면 구성도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지에 있어서 소수캐리어의 이동 경로를 설명하기 위한 참고도.
도 5a 내지 도 5g는 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지 및 그 제조방법을 상세히 설명하기로 한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지의 단면 구성도이다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지는 먼저, 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판(301)을 구비한다. 이 때, 상기 제 1 도전형은 제 2 도전형의 반대 도전형이며, 이하에서는 제 1 도전형은 n형, 제 2 도전형이 p형인 것을 기준으로 설명하기로 한다.
상기 n형 실리콘 기판(301)의 후면 내부에는 p형 도핑층(303)과 n형 도핑층(306)이 반복, 배치된다. 상기 p형 도핑층(303)과 n형 도핑층(306) 각각은 기판(301) 후면의 표면으로부터 기판(301) 내부로 일정 깊이만큼 형성되며, 설명의 편의상 기판(301) 내부와 접하는 p형 도핑층(303)(또는 n형 도핑층(306))의 표면을 제 1 계면이라 하고, 기판(301) 후면의 표면에 노출되는 p형 도핑층(303)(또는 n형 도핑층(306))의 표면을 제 2 계면이라 칭하기로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 p형 도핑층(303)과 n형 도핑층(306)은 상기 제 1 계면, 제 2 계면에 따라 그 표면적이 서로 다름을 특징으로 한다. 구체적으로, 제 1 계면의 경우 p형 도핑층(303)의 표면적(S1_p)이 n형 도핑층(306)의 표면적(S1_n)보다 크며, 제 2 계면의 경우 n형 도핑층(306)의 표면적(S2_n)이 p형 도핑층(303)의 표면적(S2_p)보다 크다. 이와 같이, 제 1 계면에서 p형 도핑층(303)의 표면적을 상대적으로 크게 하고 n형 도핑층(306)의 표면적을 상대적으로 작게 함으로써, 기판(301) 내부의 소수캐리어 즉, 정공이 제 1 계면의 n형 도핑층(306) 표면에서 재결합되는 것을 억제함과 함께 정공이 p형 도핑층(303)으로 수집될 수 있는 확률을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 상기 p형 도핑층(303)과 n형 도핑층(306)이 이웃하여 반복, 배치되는 조건과 상술한 바와 같은 제 1, 제 2 계면에 따라 p형 도핑층(303)과 n형 도핑층(306)이 상이한 표면적으로 갖도록 하는 것을 만족시키기 위해, p형 도핑층(303)과 n형 도핑층(306)의 일부 영역은 중첩되는 구조를 갖는다. 즉, p형 도핑층(303)과 n형 도핑층(306)이 반복, 배치됨에 있어서, 일부 영역의 경우 상부에는 p형 도핑층(303)이 구비되고, 하부에는 n형 도핑층(306)이 구비되는 구조를 갖는다. 이에 따라, 제 1 계면에서는 p형 도핑층(303)이 수평적으로 확장된 형태를 이루고, 제 2 계면에서는 n형 도핑층(306)이 수평적으로 확장된 형태를 이룬다. 이와 같이, 제 2 계면에서 n형 도핑층(306)이 수평적으로 확장된 형태를 이룸에 따라, p형 도핑층(303)이 기판(301) 후면의 표면과 접하는 면적이 최소화되며, 이를 통해 소수캐리어인 정공이 기판(301) 후면의 표면 결함과 재결합되는 것을 억제할 수 있다.
상술한 바와 같은 p형 도핑층(303)과 n형 도핑층(306)의 구조 및 그에 따른 효과를 정리하면, 1) 제 1 계면에서 p형 도핑층(303)의 표면적을 n형 도핑층(306)의 표면적보다 상대적으로 크게 하여 n형 기판(301) 내부의 정공이 n형 도핑층(306)의 표면에 재결합되는 것을 억제할 수 있으며, 2) 제 2 계면에서 n형 도핑층(306)의 표면적을 p형 도핑층(303)의 표면적보다 상대적으로 크게 하여 궁극적으로 p형 도핑층(303)이 기판(301) 후면의 표면과 접하는 면적을 최소화함으로써 p형 도핑층(303) 내의 정공이 기판(301) 후면의 표면 결함과 재결합되는 것을 최소화할 수 있게 된다.
한편, 상기의 구조를 갖는 p형 도핑층(303), n형 도핑층(306) 이외에 유전층(308) 및 p 전극(309), n 전극(310)이 구비되는데, 상기 p 전극(309)과 n 전극(310)은 유전층(308)을 사이에 두고 각각 p형 도핑층(303), n형 도핑층(306)과 연결된다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지를 설명하였다. 다음으로 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지의 제조방법을 설명하기로 한다.
먼저, 도 5a에 도시한 바와 같이 n형 결정질 실리콘 기판(301)을 준비한다. 그런 다음, 상기 기판(301)의 후면 상에 일정 간격을 두고 p형 불순물(예를 들어, 붕소(B))을 포함하는 도핑 소스를 도포한다. 이 때, 상기 p형 불순물을 포함하는 도핑 소스(이하, p형 도핑소스(302)라 함)가 도포되는 영역(A1)은 p형 도핑소스(302)가 도포되지 않는 영역(A2)보다 그 면적이 커야 된다(A1〉A2). 상기 p형 도핑소스(302)는 페이스트(paste) 또는 스프레이 형태로 도포하거나 화학기상증착법(PECVD), 상압기상증착법 (APCVD) 등의 증착방법으로 증착할 수 있다. 또한, 상기 p형 도핑소스(302)를 도포하지 않고 p형 도핑소스(302)가 도포될 영역의 기판 내부에 이온주입방법(ion implantation)을 이용하여 p형 이온주입층을 형성할 수도 있다.
상기 p형 도핑소스(302)가 도포된 상태에서, 열처리를 진행하면 기판(301) 후면의 내부에 p형 도핑층(303)이 일정 간격을 두고 형성되며, 기판(301) 후면의 각각의 p형 도핑층(303) 상에는 확산부산물인 BSG(boro-silicate glass)막이 형성된다(도 5b 참조). 상기 BSG막(304)은 p형 도핑소스(302) 내의 p형 불순물(B)이 기판(301)의 실리콘(Si)과 반응하여 형성된 것이다. 한편, p형 도핑소스 대신에 p형 이온주입층이 형성된 경우에는, 산화분위기 하에서 열처리를 하여 상기 p형 이온주입층 상에 BSG막을 형성할 수 있다.
이와 같은 상태에서, 상기 BSG막(304)의 일부를 선택적으로 제거하여 p형 도핑층(303)의 일부를 노출시킨다(도 5c 참조). 그런 다음, 도 5d에 도시한 바와 같이 상기 BSG막(304)을 포함한 기판(301) 후면의 전면(全面) 상에 n형 불순물(예를 들어, 인(P))을 포함하는 도핑 소스(이하, n형 도핑소스(305)라 함)를 도포하고, 열처리를 진행한다. 상기 n형 도핑소스(305)는 상기 p형 도핑소스(302)와 마찬가지로 페이스트(paste) 또는 스프레이 형태로 도포하거나 화학기상증착법(PECVD), 상압기상증착법 (APCVD) 등의 증착방법으로 증착할 수 있으며, 상기 n형 도핑소스(305)를 도포하지 않고 n형 도핑소스(305)가 도포될 영역의 기판 내부에 이온주입방법(ion implantation)을 이용하여 n형 이온주입층을 형성할 수도 있다.
이에 따라, p형 도핑소스(302)가 도포되지 않은 영역(A2)의 기판(301) 후면 내부에는 n형 불순물이 확산되어 n형 도핑층(306)이 형성된다(도 5e 참조). 이와 함께, 상기 BSG막(304)이 일부 제거된 p형 도핑층(303)에도 n형 불순물이 확산되어 기판(301) 후면의 표면에 가까운 p형 도핑층(303) 영역이 n형 도핑층(306)으로 전환되며, 상대적으로 기판(301) 후면의 표면으로부터 먼 곳에 위치한 p형 도핑층(303)은 그대로 유지된다. 이 때, 상기 BSG막은 n형 불순물이 기판 내부로 확산되는 것을 방지하는 확산방지막 역할을 한다.
결과적으로, 상기 BSG막(304)이 제거된 부위의 경우, 기판(301) 후면의 표면 근처에는 n형 도핑층(306)이 형성되고, 그 하부에는 p형 도핑층(303)이 형성되어, 수직 구조상으로 n형 도핑층(306)과 p형 도핑층(303)이 중첩된 구조를 이루게 된다. 한편, n형 도핑층(306) 상에는 확산부산물층인 PSG막(307)이 형성되는데, 상기 PSG막(307) 및 잔존하는 BSG막(304)을 제거하면 본 발명의 일 실시예에 따른 p형 도핑층(303), n형 도핑층(306) 구조가 완성된다(도 5f 참조). 이 때, 상기 PSG막(307) 및 잔존하는 BSG막(304)은 제거하지 않고 후술하는 유전층(308)으로 이용할 수도 있다.
완성된 p형 도핑층(303)과 n형 도핑층(306)의 구조를 살펴보면, p형 도핑층(303)과 n형 도핑층(306)은 이웃하여 배치됨과 함께 중첩된 구조를 이루며, 제 1 계면(도핑층과 기판(301) 내부의 경계면)에서는 p형 도핑층(303)이 확장된 형태를 이루고, 제 2 계면(기판(301) 후면의 표면)에서는 n형 도핑층(306)이 확장된 형태를 이룸을 알 수 있다.
상기 p형 도핑층(303)과 n형 도핑층(306)이 형성된 상태에서, 도 5g에 도시한 바와 같이 상기 기판(301) 후면 상에 유전층(308)을 적층한 다음, 상기 p형 도핑층(303)과 연결되는 p 전극(309), n형 도핑층(306)과 연결되는 n 전극(310)을 형성하면 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지의 제조방법은 완료된다.
301 : n형 결정질 실리콘 기판 302 : p형 도핑소스
303 : p형 도핑층 304 : BSG막
305 : n형 도핑소스 306 : n형 도핑층
307 : 유전층 308 : p 전극
309 : n 전극
303 : p형 도핑층 304 : BSG막
305 : n형 도핑소스 306 : n형 도핑층
307 : 유전층 308 : p 전극
309 : n 전극
Claims (10)
- n형 결정질 실리콘 기판; 및
상기 기판의 후면 내부에 교번하여 반복, 배치되는 p형 도핑층 및 n형 도핑층을 포함하여 이루어지며,
p형 도핑층 또는 n형 도핑층과 기판 내부의 경계면은 제 1 계면이고,
상기 기판 후면의 표면은 제 2 계면이며,
상기 제 1 계면에서 상기 p형 도핑층의 표면적은 n형 도핑층의 표면적보다 크며, 상기 제 2 계면에서 상기 n형 도핑층의 표면적은 p형 도핑층의 표면적보다 큰 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 p형 도핑층과 n형 도핑층의 일부 영역은 중첩되는 구조를 이루며, 상기 일부 영역에서 상부에는 p형 도핑층이 구비되고, 하부에는 n형 도핑층이 구비되며,
상기 제 1 계면에서는 p형 도핑층이 수평적으로 확장된 형태를 이루고, 제 2 계면에서는 n형 도핑층이 수평적으로 확장된 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기판 후면 상에 유전층이 구비되며, 상기 유전층 상에는 상기 p형 도핑층, n형 도핑층과 각각 연결되는 p 전극, n 전극이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지.
- n형 결정질 실리콘 기판을 준비하는 단계;
상기 기판의 후면 상에 p형 도핑소스를 일정 간격을 두고 도포하는 단계;
상기 기판을 열처리하여, 기판 후면 내부에 이격되어 반복, 배치되는 p형 도핑층을 형성함과 함께 상기 p형 도핑층 상에 확산부산물층을 형성하는 단계;
상기 확산부산물층의 일부를 제거하여 상기 p형 도핑층의 일부 영역을 노출시키는 단계; 및
상기 기판 후면의 전면(全面) 상에 n형 도핑소스를 도포한 후 열처리하여,
최초 p형 도핑소스가 도포되지 않은 영역의 기판 후면에 n형 도핑층을 형성함과 함께, 상기 확산부산물층이 일부 제거되어 노출된 p형 도핑층의 일부를 n형 도핑층으로 전환시키는 단계를 포함하여 이루어지며,
상기 확산부산물층은 n형 도핑소스가 기판 내부로 확산되는 것을 방지하는 역할을 하는 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 p형 도핑층 또는 n형 도핑층과 기판 내부의 경계면은 제 1 계면이고, 상기 기판 후면의 표면은 제 2 계면이며,
상기 제 1 계면에서 상기 p형 도핑층의 표면적은 n형 도핑층의 표면적보다 크며, 상기 제 2 계면에서 상기 n형 도핑층의 표면적은 p형 도핑층의 표면적보다 큰 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 p형 도핑소스가 도포되는 영역(A1)의 면적은 상기 p형 도핑소스가 도핑되지 않는 영역의 면적보다 큰 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 p형 도핑층과 n형 도핑층의 일부 영역은 중첩되는 구조를 이루며, 상기 일부 영역에서 상부에는 p형 도핑층이 구비되고, 하부에는 n형 도핑층이 구비되며,
상기 제 1 계면에서는 p형 도핑층이 수평적으로 확장된 형태를 이루고, 제 2 계면에서는 n형 도핑층이 수평적으로 확장된 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 p형 도핑층 및 n형 도핑층의 완성 후,
상기 p형 도핑층 및 n형 도핑층을 포함한 기판 후면 상에 유전층을 형성하는 단계,
상기 유전층 상에 p형 도핑층과 연결되는 전극, n형 도핑층과 연결되는 n 전극을 형성하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 p형 도핑소스 또는 n형 도핑소스는 페이스트(paste) 또는 스프레이 형태로 도포하거나 화학기상증착법을 통해 증착하는 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 n형 도핑층이 형성되는 단계에서, 상기 n형 도핑층 상에 n형 불순물을 포함하는 제 2 의 확산부산물층이 형성되며,
상기 p형 도핑층 형성시 생성된 확산부산물층 및 상기 제 2 의 확산부산물층은 유전층으로 이용되고,
상기 유전층 상에 n형 전극 및 p형 전극을 형성하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지의 제조방법.
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