KR20130065916A - 태양전지 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양전지에 이용되는 폴리실리콘을 형성함에 있어 아몰퍼스 실리콘을 가열장치를 이용하여 가열하여 폴리실리콘으로 물성변환하여 태양전지에서 이용할 수 있는 태양전지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명 태양전지는, 상기 기판상에 형성된 폴리실리콘층; 상기 폴리실리콘층의 제1반도체층 형성영역에 상기 폴리실리콘층표면으로부터 설정된 제1깊이만큼 형성된 제1반도체층; 상기 제1반도체층 형성영역에 소정거리 이격되어 상기 폴리실리콘층표면으로부터 설정된 제2깊이만큼 형성된 제2반도체층; 상기 제1, 제2반도체층의 소정영역이 각각 노출되는 제1, 제2콘택홀을 제외한 상기 폴리실리콘층 일측면전면에 형성된 절연층; 상기 제1콘택홀을 통해 상기 제1반도체층과 접촉하는 제1금속층; 및 상기 제2콘택홀을 통해 상기 제2반도체층과 접촉하는 제2금속층;을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

Description

태양전지 및 그의 제조 방법{Solar cell and method for fabricating thereof}

본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양전지에 이용되는 폴리실리콘을 형성함에 있어 아몰퍼스 실리콘을 가열장치를 이용하여 가열하여 폴리실리콘으로 물성변환하여 태양전지에서 이용할 수 있는 태양전지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 특히 주목 받고있다.

태양전지에는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양광(photons)을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지가 있으며, 태양전지라고 하면 일반적으로 태양광 전지(이하 태양전지라 한다)를 일컫는다.

이러한, 태양전지는 다이오드와 같이 p형 반도체와 n형 반도체의 접합 구조를 가지며, 태양전지에 태양광이 입사되면 태양광과 태양전지의 반도체를 구성하는 물질과의 상호작용으로 (-) 전하를 띤 전자와 전자가 빠져나가 (+) 전하를 띤 정공이 발생하여 이들이 이동하면서 전류가 흐르게 된다.

이를 광기전력효과(photovoltaic effect)라 하는데, 태양전지를 구성하는 p형 및 n형 반도체 중 전자는 n형 반도체 쪽으로, 정공은 p형 반도체 쪽으로 끌어 당겨져 각각 n형반도체 및 p형 반도체와 접합된 전극으로 이동하게 되고, 이 전극들을 전선으로 연결하면 전기가 흐르므로 전력을 얻을 수 있다

이와 같은 태양전지의 출력특성은 일반적으로 솔라시뮬레이터를 이용하여 얻어진 출력전류전압곡선 상에서 출력전류 Ip와 출력전압 Vp의 곱 Ip×Vp의 최대값(Pm)을 태양전지로 입사하는 총광에너지(S×I: S는 소자면적, I는 태양전지에 조사되는 광의 강도)로 나눈 값인 변환효율에 의해 평가된다.

태양전지의 변환효율을 향상시키기 위해서는 태양전지의 태양광에 대한 흡수율을 높이고, 캐리어들의 재결합 정도를 줄여야 하며, 반도체 기판 및 전극에서의 저항을 낮추어야 한다. 태양전지에 대한 연구들은 대체로 이들과 관련하여 진행되고 있다.

태양전지는 그 기판을 실리콘 소재로 제조하고 있고, 원자재인 폴리 실리콘을 사용하여 실리콘 기판을 제조하기 위해서는 먼저 실리콘 잉곳을 제조하여야 하는데 이러한 실리콘 잉곳 제조방법에는 크게 단결정 제조 방법과 다결정 제조방법이 있다.

상기한 다결정제조 방법은 폴리실리콘을 일정 형태의 몰드에 주입하여 용융하고, 이를 적정 시간 동안 냉각시키도록 하여, 블록형태의 다결정 잉곳(ingot)을 완성한다.

또한, 단결정 잉곳제조 방법으로 가장 보편적으로 사용되는 쵸크랄스키(czochralski) 방식은 폴리실리콘을 용융하여 일정한 방향으로 원통형 단결정 잉곳을 생산한다.

이와 같이 생산된 잉곳으로부터 실리콘기판을 제조하기 위해서는 와이어 소우잉(wire sawing) 방식으로 필요한 두께로 절단하여 실리콘 기판을 제조하도록 하고 있다.

그러나 상기한 다결정 잉곳제조방법인 몰드를 이용하여 실리콘 기판을 제조하는 방법은, 생산성이 상대적으로 단결정 방법(쵸크랄스키) 방법과 비교해 비교적 우수하다고 할 수 있으나, 폴리실리콘의 용융 및 냉각 시간이 장시간 소요되는 단점이 있었다.

또한, 상기한 쵸크랄스키 방식은 잉곳의 성장시간이 장시간 소요되는 문제점이 있었으며, 1회 공정으로 1개의 잉곳을 생산하기 때문에, 생산성이 현저하게 떨어지는 단점이 있었다.

더욱이, 몰드를 이용한 실리콘 기판 제조 방법과 쵸크랄스키 방식은, 잉곳에서 적정 두께(200~300마이크론)의 기판으로 절단하는 작업을 와이어 소우잉 방식으로 박판의 절단 가공을 하고 있으나, 이 공정 과정에서 와이어직경(200~230마이크론) 만큼의 실리콘이 손실되기 때문에, 원자재의 낭비와 사용효율이 낮아지는 문제점이 발생하였다.

이러한 문제를 해결하기 위한 대한민국 등록특허 10-0828254호는 태양전지용 실리콘 기판의 제조 공정에 관한 것으로, 폴리실리콘 기판의 크기와 두께를 갖는 기판홈이 구비된 형틀에서 기판을 제조하도록 함으로써, 별도의 잉곳 성장공정 및 전단 공정이 불필요하게 하고 있다.

이와 같이 태양전지의 실리콘으로는 폴리실리콘, 아몰퍼스 실리콘이 이용되는데, 아몰퍼스 실리콘은 가격이 낮은 대신, 효율 역시 낮다는 문제가 있고, 폴리실리콘의 경우 효율은 높지만 가격 역시 상대적으로 높다는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 태양전지에 이용되는 폴리실리콘을 형성함에 있어 아몰퍼스 실리콘을 가열장치를 이용하여 가열하여 폴리실리콘으로 물성변환하여 태양전지에서 이용할 수 있는 태양전지 및 그의 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 태양전지는 기판; 상기 기판 일측에 형성된 폴리실리콘층; 상기 폴리실리콘층의 제1반도체층 형성영역에 상기 폴리실리콘층표면으로부터 설정된 제1깊이만큼 형성된 제1반도체층; 상기 제1반도체층 형성영역에 소정거리 이격되어 상기 폴리실리콘층표면으로부터 설정된 제2깊이만큼 형성된 제2반도체층; 상기 제1, 제2반도체층의 소정영역이 각각 노출되는 제1, 제2콘택홀을 제외한 상기 폴리실리콘층 일측면전면에 형성된 절연층; 상기 제1콘택홀을 통해 상기 제1반도체층과 접촉하는 제1금속층; 및 상기 제2콘택홀을 통해 상기 제2반도체층과 접촉하는 제2금속층;을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 태양전지 제조방법은 태양전지 제조 방법에 있어서, 기판에 아몰포스 실리콘층을 형성하는 단계; 및 아몰포스 실리콘층을 가열장치를 통해 가열하여 폴리실리콘층으로 전환하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 태양전지 제조방법은 기판 준비하는 단계; 상기 기판 일측면에 아몰퍼스 실리콘층을 형성하는 단계; 상기 아몰퍼스 실리콘층을 열처리하여 폴리실리콘층을 형성하는 단계; 상기 폴리실리콘층의 제1반도체층 형성영역에 상기 폴리실리콘층표면으로부터 설정된 제1깊이만큼 제1반도체층을 형성하는 단계; 상기 제1반도체층 형성영역에 소정거리 이격되어 상기 폴리실리콘층표면으로부터 설정된 제2깊이만큼 제2반도체층을 형성하는 단계; 상기 폴리실리콘층상에 절연층을 형성하는 단계; 상기 제1, 제2반도체층의 소정영역이 각각 노출되도록 제1, 제2콘택홀을 형성하는 단계; 상기 제1콘택홀을 통해 상기 제1반도체층과 접촉하는 제1금속층을 형성하는 단계; 및 상기 제2콘택홀을 통해 상기 제2반도체층과 접촉하는 제2금속층을 형성하는 단계; 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다,

본 발명에 따르면 기판에 태양전지에서 이용되는 저렴한 가격의 아몰퍼스 실리콘을 형성한 후 이를 가열장치를 통해 열처리하여 효율이 우수한 폴리실리콘으로 물성전환함으로써 저렴하면서도 우수한 태양전지를 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 태양전지를 설명하기 위한 도면이다.
도 2 내지 도 9는 본 발명에 따른 태양전지의 제조 공정을 설명하기 위한 공정 순서도이다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

아울러, 본 발명에서 사용되는 용어는 가능한한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며 이 경우는 해당되는 발명의 설명부분에서 상세히 그 의미를 기재하였으므로, 단순한 용어의 명칭이 아닌 용어가 가지는 의미로서 본 발명을 파악하여야 함을 밝혀두고자 한다. 또한 실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고, 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.

도 1은 본 발명에 따른 태양전지를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명에 따른 태양전지는 도 1에 나타낸 바와 같이, 기판(10)과, 기판(12) 상측에 형성된 폴리실리콘층(16)과, 폴리실리콘층(16)의 제1반도체층 형성영역에 폴리실리콘층(16)표면으로부터 설정된 제1깊이만큼 형성된 제1반도체층(24)과, 제1반도체층 형성영역에 소정거리 이격되어 폴리실리콘층(16)표면으로부터 설정된 제2깊이만큼 형성된 제2반도체층(28)과, 제1, 제2반도체층(24)(28)의 소정영역이 각각 노출되는 제1, 제2콘택홀을 제외한 폴리실리콘층(16) 일측면전면에 형성된 절연층(20)과, 제1콘택홀을 통해 상기 제1반도체층(24)과 접촉하는 제1금속층(30) 및 제2콘택홀을 통해 제2반도체층(28)과 접촉하는 제2금속층(32)으로 구성된다.

여기서, 폴리실리콘층(16)은 P형 또는 N형 폴리실리콘층으로 이루어진다.

이때, 제1반도체층(24)과 제2반도체층(28)은 N형 반도체층 또는 P형 반도체층으로 이루어진다.

그리고, 제1반도체층(24)과 제2반도체층(28)은 폴리실리콘층(16)보다 상대적으로 고농도의 불순물이 주입된 반도체층이다.

한편, 제1금속층(30)과 제2금속층(32)은 알루미늄(Al)과 은(Ag) 중 하나로 이루어진다.

그리고, 절연층(20)은 산화막 또는 질화막 중 하나 이상으로 이루어진다.

한편, 기판(10)과 폴리실리콘층(16) 사이에는 반사방지막(12)이 더 형성될 수 있다.

그리고, 태양전지의 폴리실리콘층(16), 제1반도체층(24), 제2반도체층(28), 절연층(20), 제1금속층(30) 및 제2금속층(32)은 기판(10)의 양면에 각각 형성될 수 있다.

참고로 기판(10)은 유리기판, 탄소판 또는 그래핀으로 구성할 수 있다.

도 2 내지 도 9는 본 발명에 따른 태양전지의 제조 공정을 설명하기 위한 공정 순서도이다.

본 발명에 따른 태양전지의 제조 공정은 우선 도 2에 나타낸 바와 같이 기판을 준비한다.

이어, 도 3에 나타낸 바와 같이 기판(10) 일측에 반사방지막(12)과 아몰퍼스 실리콘층(14)을 차례로 형성한다.

그리고 도 4에 나타낸 바와 같이 아몰퍼스 실리콘층을 가열장치(18)를 통해 가열하여 폴리실리콘층(16)으로 물성전환한다. 이때, 가열장치(18)는 텅스텐 또는 탄소섬유를 이용할 수 있으며, 가열장치(18)를 통해 아몰퍼스 실리콘층(14) 표면을 900℃ 내지 1150℃ 열처리하여 폴리실리콘층(16)으로 형성한다. 이때, 도 4 및 도 5에서와 같이 아몰퍼스 실리콘층(14) 일측에서 다른 일측으로 열처리할 수 있다.

그 다음 도 6에 나타낸 바와 같이 폴리실리콘층(16) 상에 산화막 또는 질화막 중 하나를 이용하여 절연층(20)을 형성한다.

이어서 도 7에 나타낸 바와 같이 폴리실리콘층(16)에 제1감광막(22)을 형성한 후 제1반도체층 형성영역을 정의하고, 노광 및 현상으로 제1반도체층 형성영역을 노출한 후 제1반도체층을 형성하기 위한 불순물을 주입하고 확산하여 제1반도체층(24)을 형성한다.

그 다음 도 8에 나타낸 바와 같이 폴리실리콘층(16)에 제2감광막(26)을 형성한 후 제2반도체층 형성영역을 정의하고, 노광 및 현상으로 제2반도체층 형성영역을 노출한 후 제2반도체층을 형성하기 위한 불순물을 주입하고 확산하여 제2반도체층(28)을 형성한다.

이때, 폴리실리콘층(16)이 P형 폴리실리콘층인 경우 제1반도체층(24)은 N형 반도체층이고, 제2반도체층(28)은 폴리실리콘층(16)보다 상대적으로 고농도의 P형 반도체층이며, 폴리실리콘층(16)이 N형 폴리실리콘층인 경우 제1반도체층(24)은 P형 반도체층이고, 제2반도체층(28)은 폴리실리콘층(16)보다 상대적으로 고농도의 N형 반도체층이다.

이어, 도 9에 나타낸 바와 같이 통상의 공정으로 제1반도체층(24)과 제2반도체층(28)의 절연층(20) 각각에 콘택홀을 형성한 후 제1금속층(30)과 제2금속층(32)을 형성한다. 이때, 제1금속층(30) 알루미늄(Al)인 경우 제2금속층은 은(Ag)으로 이루어지고, 제1금속층은 은(Ag)인 경우 제2금속층은 알루미늄(Al)으로 이루어진다.

이상과 같은 예로 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 예들에 국한되는 것이 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서 본 발명에 개시된 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 예들에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 기판 12 : 반사방지막
14 : 아몰퍼스 실리콘층 16 : 폴리실리콘층
18 : 가열장치 20 : 절연층
22, 26 : 포토레지스트 24 : 제1반도체층
28 : 제2반도체층 30 : 제1금속층
32 : 제2금속층

Claims (22)

1. 기판;
   상기 기판상에 형성된 폴리실리콘층;
   상기 폴리실리콘층의 제1반도체층 형성영역에 상기 폴리실리콘층표면으로부터 설정된 제1깊이만큼 형성된 제1반도체층;
   상기 제1반도체층 형성영역에 소정거리 이격되어 상기 폴리실리콘층표면으로부터 설정된 제2깊이만큼 형성된 제2반도체층;
   상기 제1, 제2반도체층의 소정영역이 각각 노출되는 제1, 제2콘택홀을 제외한 상기 폴리실리콘층 일측면전면에 형성된 절연층;
   상기 제1콘택홀을 통해 상기 제1반도체층과 접촉하는 제1금속층; 및
   상기 제2콘택홀을 통해 상기 제2반도체층과 접촉하는 제2금속층;을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 태양전지.
2. 제 1항에 있어서,
   상기한 폴리실리콘층은 P형 폴리실리콘층 또는 N형 폴리실리콘층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지.
3. 제 1항에 있어서,
   상기한 제1반도체층은 N형 반도체층 또는 P형 반도체층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지.
4. 제 1항에 있어서,
   상기한 제2반도체층은 상기 폴리실리콘층보다 상대적으로 고농도의 P형 반도체층 도는 N형 반도체층인 것을 특징으로 하는 태양전지.
5. 제 1항에 있어서,
   상기한 제1금속층은 알루미늄(Al) 또는 은(Ag)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지.
6. 제 1항에 있어서,
   상기한 제2금속층은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지.
7. 제 1항에 있어서,
   상기한 폴리실리콘층은 아몰퍼스 실리콘을 열처리하여 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지.
8. 제 1항에 있어서,
   상기한 절연층은 산화막 또는 질화막 중 하나 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지.
9. 제 1항에 있어서,
   상기 기판과 상기 폴리실리콘층 사이에 반사방지막이 더 형성된 것을 특징으로 하는 태양전지.
10. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지의 상기 폴리실리콘층, 상기 제1반도체층, 상기 제2반도체층, 상기 절연층, 상기 제1금속층 및 상기 제2금속층은 상기 기판의 양측에 각각 형성됨을 특징으로 하는 태양전지.
11. 태양전지 제조방법에 있어서,
    기판에 아몰포스 실리콘층을 형성하는 단계; 및
    상기 아몰포스 실리콘층을 가열장치를 통해 가열하여 폴리실리콘층으로 전환하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 가열장치는 텅스텐 또는 탄소섬유를 이용하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.
13. 제11항에 있어서,
    상기 가열 시 상기 아몰퍼스 실리콘층 일측에서 타측으로 상기 가열장치를 이동시키면서 가열하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.
14. 제11항에 있어서,
    상기 가열 시 900℃ 내지 1150℃에서 가열하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.
15. 기판 준비하는 단계;
    상기 기판 일측면에 아몰퍼스 실리콘층을 형성하는 단계;
    상기 아몰퍼스 실리콘층을 열처리하여 폴리실리콘층을 형성하는 단계;
    상기 폴리실리콘층의 제1반도체층 형성영역에 상기 폴리실리콘층표면으로부터 설정된 제1깊이만큼 제1반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제1반도체층 형성영역에 소정거리 이격되어 상기 폴리실리콘층표면으로부터 설정된 제2깊이만큼 제2반도체층을 형성하는 단계;
    상기 폴리실리콘층상에 절연층을 형성하는 단계;
    상기 제1, 제2반도체층의 소정영역이 각각 노출되도록 제1, 제2콘택홀을 형성하는 단계;
    상기 제1콘택홀을 통해 상기 제1반도체층과 접촉하는 제1금속층을 형성하는 단계; 및
    상기 제2콘택홀을 통해 상기 제2반도체층과 접촉하는 제2금속층을 형성하는 단계; 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
16. 제15항에 있어서,
    상기 아몰퍼스 실리콘층을 상기 폴리실리콘층으로 열처리하는 단계는,
    상기 아몰퍼스 실리콘층 표면을 900℃ 내지 1150℃ 열처리하여 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.
17. 제 15항에 있어서,
    상기 열처리는 상기 아몰퍼스 실리콘층 일측에서 다른 일측으로 열처리하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.
18. 제 15항에 있어서,
    상기 열처리는 텅스텐 또는 탄소섬유를 이용하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.
19. 제 15항에 있어서,
    상기 폴리실리콘층은 P형 폴리실리콘층이고, 상기 제1반도체층은 N형 반도체층이며, 상기 제2반도체층은 상기 폴리실리콘층보다 상대적으로 고농도의 P형 반도체층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.
20. 제 15항에 있어서,
    상기 폴리실리콘층은 N형 폴리실리콘층이고, 상기 제1반도체층은 P형 반도체층이며, 상기 제2반도체층은 상기 폴리실리콘층보다 상대적으로 고농도의 N형 반도체층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.
21. 제 15항에 있어서,
    상기 제1금속층은 알루미늄(Al)이고, 상기 제2금속층은 은(Ag)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.
22. 제 15항에 있어서,
    상기 제1금속층은 은(Ag)이고, 상기 제2금속층은 알루미늄(Al)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.

Images