KR20130048945A - 양면수광형 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 소수캐리어의 재결합률을 저하시켜 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있는 양면수광형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 양면수광형 태양전지의 제조방법은 n형 실리콘 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판 상부에 p형 에미터를 형성함과 함께 상기 p형 에미터 상에 제 1 확산부산물을 형성하는 단계와, 상기 확산부산물을 선택적으로 패터닝하여 상기 p형 에미터의 일부 영역을 노출시키는 단계 및 확산공정을 실시하여 기판 상부에 전면전계층(n+), 기판 하부에 후면전계층(n+)을 각각 형성하는 단계를 포함하여 이루어지며, 상기 패터닝된 확산부산물은 확산방지막의 역할을 하며, 상기 확산방지막에 의해 노출된 p형 에미터는 전면전계층(n+)으로 전환되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 양면수광형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소수캐리어의 재결합률을 저하시켜 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있는 양면수광형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양광을 수광하여 광전변환시키는 소자이다. 일반적인 태양전지는 전면과 후면에 각각 전면전극과 후면전극이 구비되는 구조를 갖는다. 그러나, 수광면인 전면에 전면전극이 구비됨에 따라, 전면전극의 면적만큼 수광면적이 줄어들게 된다.
수광면적이 축소되는 문제를 해결하기 위해 후면전극형 태양전지가 제안되었다. 후면전극형 태양전지는 태양전지의 후면 상에 (+)전극과 (-)전극을 구비시켜 태양전지 전면의 수광면적을 극대화할 수 있다.
한편, 후면전극형 태양전지를 포함한 종래의 태양전지는 전면과 후면 중 어느 한 면으로만 태양광이 수광됨에 따라, 태양광 수광에 있어 근본적인 한계가 있다. 이에, 최근에는 전면과 후면의 양면으로 수광이 가능한 양면수광형 태양전지에 대한 연구가 진행되고 있으며, 한국공개특허공보 제1998-20311호에 양면수광형 태양전지의 일 예가 개시되어 있다.
양면수광형 태양전지의 구조를 살펴보면(도 1 참조), n형 기판(101)을 기준으로 기판(101) 상부에는 p형 에미터(102)가 구비되어 p-n 접합을 이루며, 상기 p형 에미터(102) 상에는 전면전극(105)이 구비된다. 또한, 기판(101) 하부에는 후면전계층(n+)(103)과 후면전극(106)이 구비되며, 기판(101) 전면과 후면에는 각각 반사방지막(104)이 구비된다.
이와 같은 종래의 양면수광형 태양전지에 있어서, 기판(101) 상부의 전면에 걸쳐 p형 에미터(102)가 구비되는 구조임에 따라, 기판(101) 내부에서 생성된 소수캐리어(정공)가 기판(101) 표면 또는 측면의 결함으로 이동되어 소멸(recombination)될 가능성이 상존한다. 소수캐리어의 재결합률이 태양전지의 광전변환효율에 지대한 역할을 한다는 점에서 소수캐리어의 재결합률을 저하시키는 것은 매우 중요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 소수캐리어의 재결합률을 저하시켜 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있는 양면수광형 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 양면수광형 태양전지는 n형 실리콘 기판과, 상기 기판 상부에 국부적으로 구비되는 p형 에미터와, 상기 기판 상부에 구비되며, 상기 p형 에미터와 이웃하여 배치되는 전면전계층(n+)과, 상기 기판 하부에 구비된 후면전계층(n+)과, 상기 p형 에미터와 연결되는 전면전극 및 상기 후면전계층(n+)과 연결되는 후면전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 양면수광형 태양전지의 제조방법은 n형 실리콘 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판 상부에 p형 에미터를 형성함과 함께 상기 p형 에미터 상에 제 1 확산부산물을 형성하는 단계와, 상기 확산부산물을 선택적으로 패터닝하여 상기 p형 에미터의 일부 영역을 노출시키는 단계 및 확산공정을 실시하여 기판 상부에 전면전계층(n+), 기판 하부에 후면전계층(n+)을 각각 형성하는 단계를 포함하여 이루어지며, 상기 패터닝된 확산부산물은 확산방지막의 역할을 하며, 상기 확산방지막에 의해 노출된 p형 에미터는 전면전계층(n+)으로 전환되는 것을 특징으로 한다.
상기 p형 에미터를 형성하는 단계는, 상기 기판 전면 상에 p형 도핑소스를 도포하는 과정과, 상기 기판을 열처리하여 상기 p형 도핑소스가 기판 내부로 확산되도록 하여 p형 에미터를 형성하는 과정을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 전면전계층(n+) 및 후면전계층(n+)의 형성 후, 상기 기판 전면과 후면에 각각 패시베이션층을 형성하는 단계와, 상기 패시베이션층 상에 반사방지막을 형성하는 단계 및 상기 기판 전면 상에 p형 에미터와 연결되는 전면전극을 형성함과 함께 상기 기판 후면 상에 후면전계층(n+)과 연결되는 후면전극을 형성하는 단계를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 양면수광형 태양전지 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
p형 에미터가 기판 상부의 일부 영역에만 구비되는 구조를 이루고, 기판 상부 및 하부에 각각 전면전계층(n+), 후면전계층(n+)이 구비됨으로 인해 고저접합을 이루게 되어 소수캐리어가 기판 표면 및 측면의 결함으로 이동되어 재결합되는 것을 억제할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 양면수광형 태양전지의 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지의 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지에 있어서 소수캐리어의 이동 경로를 설명하기 위한 참고도.
도 4는 도 2의 A-A`선에 따른 에너지밴드 다이어그램.
도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지의 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지에 있어서 소수캐리어의 이동 경로를 설명하기 위한 참고도.
도 4는 도 2의 A-A`선에 따른 에너지밴드 다이어그램.
도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지 및 그 제조방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지는 제 1 도전형의 실리콘 기판(501)을 구비한다. 상기 제 1 도전형은 제 2 도전형의 반대 도전형이며, 이하에서는 제 1 도전형이 n형, 제 2 도전형이 n형인 것을 기준으로 설명하기로 한다.
상기 기판(501) 상부에는 p형 에미터(504)가 국부적으로 구비된다. 즉, 상기 p형 에미터(504)는 기판(501) 전면에 걸쳐 형성되지 않고, 기판(501) 전면의 일부 영역에만 구비되며, 상기 p형 에미터(504)가 구비되는 영역은 전면전극(512)이 구비되는 영역에 상응한다. 전면전극(512)과 p형 에미터(504) 사이의 전기적 특성이 저하되는 것을 방지하기 위해 전면전극(512)의 폭보다 상기 p형 에미터(504)의 폭을 넓게 설계하는 것이 바람직하다. 상기 p형 에미터(504)가 기판(501) 전면에 걸쳐 형성되지 않고, 국부적으로 형성됨에 따라, 기판(501) 내부에서 생성된 소수캐리어가 기판(501) 표면 및 측면의 결함으로 이동되어 소멸되는 것을 방지할 수 있게 된다(도 3 참조).
또한, 상기 기판(501) 상부에는 전면전계층(n+)(506)이 구비된다. 상기 전면전계층(n+)(506)은 상기 p형 에미터(504)와 이웃하여 배치된다. 한편, 상기 기판(501) 하부에는 후면전계층(n+)(507)이 구비되며, 상기 기판(501) 측면에는 측면전계층(n+)(508)이 구비될 수 있다. 상기 후면전계층(n+)(507)과 측면전계층(n+)(508)은 각각 n형 기판(501)과 고저접합(high-low junction)을 이루어, n형 기판(501) 내부에서 생성된 소수캐리어 즉, 정공이 기판(501) 표면 또는 측면의 결함으로 이동되는 것을 억제한다. 도 4를 참고하면, 상기 측면전계층(n+)(508)의 가전자대(Ev, valence band)가 n형 기판(501)의 가전자대보다 낮기 때문에 n형 기판(501) 내부의 소수캐리어(정공)가 기판(501)의 측면으로 이동되는 것이 억제된다. 후면전계층(n+)(507)과 기판(501)의 경우에도 동일한 원리가 적용된다.
상기 기판(501) 전면과 후면에는 각각 패시베이션층(510)과 반사방지막(511)이 순차적으로 적층되며, 상기 기판(501) 전면 상에는 상기 p형 에미터(504)와 전기적으로 연결되는 전면전극(511)이 구비되고 상기 기판(501) 후면 상에는 상기 후면전계층(n+)(507)과 전기적으로 연결되는 후면전극(513)이 구비된다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지의 제조방법을 설명하기로 한다.
먼저, 도 5a에 도시한 바와 같이 n형 실리콘 기판(501)을 준비한다. 그런 다음, 텍스쳐링 공정을 통해 기판(501) 표면을 요철(502) 형상으로 가공하여 빛 반사를 최소화시킨다. 이어, 상기 기판(501) 전면 상에 p형 불순물(예를 들어, 붕소(B))을 포함하는 도핑소스 즉, p형 도핑소스(503)를 도포한다. 상기 p형 도핑소스(503)는 페이스트(paste) 또는 스프레이 형태로 도포할 수 있다.
상기 p형 도핑소스(503)가 도포된 상태에서, 열처리를 진행하면 도 5b에 도시한 바와 같이 상기 p형 도핑소스(503) 내의 p형 불순물 이온이 기판(501) 내부로 확산되어 p형 에미터(504)가 형성된다. 또한, 상기 p형 에미터(504) 상에는 확산부산물인 BSG(boro-silicate glass)막이 형성된다. 상기 BSG막(505)은 p형 도핑소스(503) 내의 p형 불순물(B)이 기판(501)의 실리콘(Si)과 반응하여 형성된 것이다.
그런 다음, 상기 BSG막(505)을 선택적으로 패터닝하여 상기 p형 에미터(504)의 일부를 노출시킨다(도 5c 참조). 이와 같은 상태에서, 확산공정을 실시하여 기판(501) 상부와 하부에 각각 전면전계층(n+)(506)과 후면전계층(n+)(507)을 형성한다(도 5d 참조). 이 때, 상기 BSG막(505)이 잔존하는 영역에는 상기 BSG막(505)이 확산방지막의 역할을 하여 n형 불순물이 확산되지 못해 전면전계층(n+)(506)이 형성되지 않으며, 상기 BSG막(505)에 의해 노출된 p형 에미터(504)에는 n형 불순물이 확산되어 p형 에미터(504)가 전면전계층(n+)(506)으로 전환된다. 결과적으로, 기판(501) 상부에서는 p형 에미터(504)와 전면전계층(n+)(506)이 이웃하여 배치되는 형태를 이루게 된다.
상기 확산공정은 챔버 내에 상기 n형 실리콘 기판(501)을 구비시키고 상기 챔버 내에 n형 불순물 이온을 포함하는 가스(예를 들어, POCl3)를 공급하여 인(P) 이온이 기판(501) 내부로 확산(diffusion)되도록 실시할 수 있으며, 상기 확산공정으로 인해 기판(501) 표면에는 또 다른 확산부산물인 PSG(phosphor-silicate glass)막이 형성된다.
상기 p형 에미터(504) 및 전면전계층(n+)(506), 후면전계층(n+)(507)이 형성된 상태에서, 상기 기판(501)의 전면 및 후면에 각각 패시베이션층(510)(passivation layer)을 형성한다. 상기 패시베이션층(510)은 상기 BSG막(505) 및 PSG막(509)을 제거한 상태에서 실리콘 산화막을 적층하여 형성할 수 있다.
그런 다음, 상기 기판(501) 전면 및 후면의 패시베이션층(510) 상에 각각 반사방지막(511)을 적층한다(도 5e 참조). 상기 반사방지막(511)은 실리콘 질화막을 이용하여 형성할 수 있다. 이어, 상기 기판(501) 전면 및 후면의 반사방지막(511) 상에 전면전극(512)과 후면전극(513)을 하고(도 5f 참조), 레이저 아이솔레이션 공정을 진행하여 전면전계층(n+)(506)의 일부를 단선시키면 본 발명의 일 실시예에 따른 양면수광형 태양전지의 제조방법은 완료된다.
501 : n형 실리콘 기판 502 : 요철
503 : p형 도핑소스 504 : p형 에미터
505 : BSG막 506 : 전면전계층(n+)
507 : 후면전계층(n+) 508 : 측면전계층(n+)
509 : PSG막 510 : 패시베이션층
511 : 반사방지막 512 : 전면전극
513 : 후면전극
503 : p형 도핑소스 504 : p형 에미터
505 : BSG막 506 : 전면전계층(n+)
507 : 후면전계층(n+) 508 : 측면전계층(n+)
509 : PSG막 510 : 패시베이션층
511 : 반사방지막 512 : 전면전극
513 : 후면전극
Claims (4)
- n형 실리콘 기판;
상기 기판 상부에 국부적으로 구비되는 p형 에미터;
상기 기판 상부에 구비되며, 상기 p형 에미터와 이웃하여 배치되는 전면전계층(n+);
상기 기판 하부에 구비된 후면전계층(n+);
상기 p형 에미터와 연결되는 전면전극; 및
상기 후면전계층(n+)과 연결되는 후면전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 양면수광형 태양전지.
- n형 실리콘 기판을 준비하는 단계;
상기 기판 상부에 p형 에미터를 형성함과 함께 상기 p형 에미터 상에 제 1 확산부산물을 형성하는 단계;
상기 확산부산물을 선택적으로 패터닝하여 상기 p형 에미터의 일부 영역을 노출시키는 단계; 및
확산공정을 실시하여 기판 상부에 전면전계층(n+), 기판 하부에 후면전계층(n+)을 각각 형성하는 단계를 포함하여 이루어지며,
상기 패터닝된 확산부산물은 확산방지막의 역할을 하며, 상기 확산방지막에 의해 노출된 p형 에미터는 전면전계층(n+)으로 전환되는 것을 특징으로 하는 양면수광형 태양전지의 제조방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 p형 에미터를 형성하는 단계는,
상기 기판 전면 상에 p형 도핑소스를 도포하는 과정과,
상기 기판을 열처리하여 상기 p형 도핑소스가 기판 내부로 확산되도록 하여 p형 에미터를 형성하는 과정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 양면수광형 태양전지의 제조방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 전면전계층(n+) 및 후면전계층(n+)의 형성 후,
상기 기판 전면과 후면에 각각 패시베이션층을 형성하는 단계와,
상기 패시베이션층 상에 반사방지막을 형성하는 단계 및
상기 기판 전면 상에 p형 에미터와 연결되는 전면전극을 형성함과 함께 상기 기판 후면 상에 후면전계층(n+)과 연결되는 후면전극을 형성하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 양면수광형 태양전지의 제조방법.
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-
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