KR20130068787A - 태양 전지 및 그의 제조 방법 - Google Patents
태양 전지 및 그의 제조 방법Info
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Abstract
본 발명은 태양 전지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 태양 전지의 일례는 제1 도전성 타입의 불순물이 도핑된 기판; 기판의 제1 면에 위치하며, 제1 도전성 타입의 불순물과 반대인 제2 도전성 타입의 불순물을 포함하고, 제1 면저항값을 갖는 제1 에미터 영역과 제2 면저항값을 갖는 제2 에미터 영역을 포함하는 에미터부; 에미터부 위에 위치하며, 제1 개구부를 포함하는 제1 반사방지막; 제1 반사방지막 위에 위치하며, 제2 개구부를 포함하는 제2 반사방지막; 제2 반사방지막 위에 위치하며, 제2 개구부를 통해 제2 에미터 영역과 접촉하는 제1 전극;을 포함하고, 제1 개구부의 폭이 제2 개구부의 폭보다 넓게 형성된다.
본 발명에 따른 태양 전지의 일례는 제1 도전성 타입의 불순물이 도핑된 기판; 기판의 제1 면에 위치하며, 제1 도전성 타입의 불순물과 반대인 제2 도전성 타입의 불순물을 포함하고, 제1 면저항값을 갖는 제1 에미터 영역과 제2 면저항값을 갖는 제2 에미터 영역을 포함하는 에미터부; 에미터부 위에 위치하며, 제1 개구부를 포함하는 제1 반사방지막; 제1 반사방지막 위에 위치하며, 제2 개구부를 포함하는 제2 반사방지막; 제2 반사방지막 위에 위치하며, 제2 개구부를 통해 제2 에미터 영역과 접촉하는 제1 전극;을 포함하고, 제1 개구부의 폭이 제2 개구부의 폭보다 넓게 형성된다.
Description
본 발명은 태양 전지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고, 이에 따라 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생산하는 태양 전지가 주목 받고 있다.
일반적인 태양 전지는 p형과 n형처럼 서로 다른 도전성 타입(conductive type)에 의해 p-n 접합을 형성하는 반도체부, 그리고 서로 다른 도전성 타입의 반도체부에 각각 연결된 전극을 구비한다.
이러한 태양 전지에 빛이 입사되면 반도체에서 복수의 전자-정공 쌍이 생성되고, 생성된 전자-정공 쌍의 전자와 정공은 p-n 접합에 의해 해당 방향으로, 즉, 전자는 n형의 반도체부 쪽으로 이동하고 정공은 p형 반도체부 쪽으로 이동한다. 이동한 전자와 정공은 각각 p형의 반도체부와 n형의 반도체부에 연결된 서로 다른 전극에 의해 수집되고 이 전극들을 전선으로 연결하여 전력을 얻는다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 태양 전지의 제조 공정을 개선하여, 태양 전지의 제조 비용을 절감하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 태양 전지의 일례는 제1 도전성 타입의 불순물이 도핑된 기판; 기판의 제1 면에 위치하며, 제1 도전성 타입의 불순물과 반대인 제2 도전성 타입의 불순물을 포함하고, 제1 면저항값을 갖는 제1 에미터 영역과 제2 면저항값을 갖는 제2 에미터 영역을 포함하는 에미터부; 에미터부 위에 위치하며, 제1 개구부를 포함하는 제1 반사방지막; 제1 반사방지막 위에 위치하며, 제2 개구부를 포함하는 제2 반사방지막; 제2 반사방지막 위에 위치하며, 제2 개구부를 통해 제2 에미터 영역과 접촉하는 제1 전극;을 포함하고, 제1 개구부의 폭이 제2 개구부의 폭보다 넓게 형성된다.
여기서, 제2 에미터 영역의 폭은 제1 개구부의 폭과 동일하거나 더 넓을 수 있고, 제1 에미터 영역의 두께는 제2 에미터 영역의 두께보다 작을 수 있다.
아울러, 제1 개구부의 내측에는 제2 반사방지막 및 제1 전극이 위치할 수 있다.
또한, 제2 반사방지막에 있어서, 제1 에미터 영역 위에 위치하는 부분의 두께는 제2 에미터 영역 위에 위치하는 부분의 두께보다 얇을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 태양 전지 제조 방법의 일례는 제1 도전성 타입의 불순물이 도핑된 기판의 제1 면에, 제1 도전성 타입의 불순물과 반대인 제2 도전성 타입의 불순물을 도핑하여 제1 에미터 영역을 형성하는 단계; 제1 에미터 영역의 위에 제1 반사방지막을 형성하는 단계; 제1 에미터 영역의 일부에 제2 도전성 타입의 불순물을 제1 에미터 영역의 불순물 농도보다 높게 도핑하여 제2 에미터 영역을 형성하는 단계; 제2 에미터 영역 및 제1 반사방지막 위에 제2 반사방지막을 형성하는 단계; 제2 에미터 영역에 위치하는 제2 반사방지막 위에 제1 전극을 형성하기 위한 제1 페이스트를 스크린 인쇄하는 단계; 및 제1 페이스트를 열처리하여, 제2 반사방지막을 뚫고 제2 에미터 영역에 전기적으로 연결되는 제1 전극을 형성하는 단계;를 포함한다.
여기서, 제2 에미터 영역을 형성하는 단계는 제1 반사방지막의 위에 제2 도전성 타입의 불순물을 형성하는 단계; 및 제2 도전성 타입의 불순물 위에 레이저를 조사하여 제1 반사방지막을 부분적으로 제거함과 아울러, 제1 반사방지막이 부분적으로 제거된 부분에 제2 도전성 타입의 불순물을 도핑시켜 제1 면저항값보다 작은 제2 면저항값을 갖는 제2 에미터 영역을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 제1 반사 방지막과 제2 반사 방지막은 서로 굴절률이 다를 수 있다.
여기서, 기판의 제1 면의 반대면인 제2 면에 제2 전극을 형성하기 위한 제2 페이스트를 형성하는 단계; 및 제2 페이스트를 열처리하여 제2 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
아울러, 본 발명은 제1 페이스트의 열처리 공정 및 제2 페이스트의 열처리 공정을 동시에 수행할 수 있다.
또한, 제2 페이스트를 열처리할 때, 기판의 제2 면에 후면 전계부가 형성될 수 있다.
또한, 기판의 제1 면에 제2 에미터 영역을 형성하기 이전에 기판의 제1 면 및 제2 면을 텍스처링(texturing) 처리하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 제2 반사방지막의 두께를 제1 반사방지막의 두께보다 두껍게 형성될 수 있다.
여기서, 제1 반사방지막은 제2 반사방지막과 기판 사이의 굴절률을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 여기서, 제2 에미터 영역의 두께를 제1 에미터 영역의 두께보다 두껍게 형성할 수 있다.
이러한 특징에 따르면, 본 발명에 따른 태양 전지 및 그의 제조 방법은 레이저 도핑으로 선택적 에미터 구조를 형성한 이후, 제2 반사 방지막을 제2 에미터 영역과 제1 반사방지막위에 제2 반사 방지막을 더 형성시킴으로써, 제1 전극을 인쇄법과 열처리 방법으로 형성할 수 있도록 하여, 기존의 태양 전지 제조 설비를 이용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지의 일부 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 태양 전지를 II-II선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 3a 내지 도 3k는 도 1에 도시된 태양 전지를 제조하는 방법의 일례에 대하여 설명하기 위한 도이다.
도 2는 도 1에 도시한 태양 전지를 II-II선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 3a 내지 도 3k는 도 1에 도시된 태양 전지를 제조하는 방법의 일례에 대하여 설명하기 위한 도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한 어떤 부분이 다른 부분 위에 “전체적”으로 형성되어 있다고 할 때에는 다른 부분의 전체 면에 형성되어 있는 것뿐만 아니라 가장 자리 일부에는 형성되지 않은 것을 뜻한다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지의 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참고로 하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지의 일부 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시한 태양 전지를 II-II선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참고로 하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지(10)는 기판(110), 빛이 입사되는 기판(110)의 면인 입사면[이하, ‘전면(front surface)’라 함]에 위치한 에미터부(121)(emitter region)(121), 에미터부(121) 위에 위치하는 반사 방지부(130), 에미터부(121) 위에 위치하는 제1 전극(140), 입사면의 반대쪽 면인 기판(110)의 면[이하, ‘후면(back surface)’라 함]에 위치하는 후면 전계부(back surface field region)(172), 그리고 후면 전계부(172) 위와 기판(110) 위에 위치하는 제2 전극(150)를 구비한다.
기판(110)은 제1 도전성 타입, 예를 들어 p형 도전성 타입의 실리콘(silicon)과 같은 반도체로 이루어진 반도체 기판(110)이다. 이때, 반도체는 다결정 실리콘 또는 단결정 실리콘과 같은 결정질 반도체이다.
기판(110)이 p형의 도전성 타입을 가질 경우, 붕소(B), 갈륨, 인듐 등과 같은 3가 원소의 불순물이 기판(110)에 도핑(doping)된다. 하지만, 이와는 달리, 기판(110)은 n형 도전성 타입일 수 있고, 실리콘 이외의 다른 반도체 물질로 이루어질 수도 있다. 기판(110)이 n형의 도전성 타입을 가질 경우, 기판(110)은 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물이 기판(110)에 도핑된다.
이러한 기판(110)의 전면과 후면은 텍스처링(texturing)되어 요철면인 텍스처링 표면(textured surface)을 가질 수 있다. 이로 인해 기판(110)의 전면 위에 위치한 반사 방지부(130) 역시 요철면을 가질 수 있다.
그러나, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 다르게, 기판(110)의 후면이 텍스처링 표면을 갖지 않는 것도 가능하다.
에미터부(121)는 기판(110)의 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입, 예를 들어, n형의 도전성 타입을 갖는 불순물부로서, 기판(110)의 전면에 위치한다. 이로 인해, 에미터부(121)는 기판(110)의 제1 도전성 타입 부분과 p-n 접합을 이룬다.
이와 같은 에미터부(121)는 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 에미터 영역(121A)과 제2 에미터 영역(121B)을 포함한다. 여기서, 제1 에미터 영역(121A)은 제2 도전성 타입의 불순물이 저농도로 도핑된 영역이며, 제2 에미터 영역(121B)은 제2 도전성 타입의 불순물이 제1 에미터 영역(121A)보다 고농도로 도핑된 영역이다.
이에 따라, 제1 에미터 영역(121A)이 제1 면저항값을 갖는 경우, 제2 에미터 영역(121B)은 제2 도전성 타입의 불순물이 상대적으로 고농도로 도핑되어 있으므로, 제2 에미터 영역(121B)은 제1 면저항값보다 작은 제2 면저항값을 가질 수 있다. 여기서, 제1 에미터 영역(121A)의 상부에는 반사 방지부(130)가 위치하며, 제2 에미터 영역(121B)의 상부에는 제1 전극(140)이 위치할 수 있다.
여기서, 제1 에미터 영역(121A)의 두께(T121A)는 제2 에미터 영역(121B)의 두께(T121B)보다 작을 수 있다. 이와 같이, 제1 및 제2 에미터 영역(121A, 121B)의 불순물 도핑 두께가 서로 상이하므로, 기판(110)의 표면에서부터 제1 에미터 영역(121A)과 기판(110)과의 p-n 접합면인 제1 접합면(PN1)까지의 두께(T121A)와 기판(110)의 표면에서부터 제2 에미터 영역(121B)과 기판(110)과의 p-n 접합면인 제2 접합면(PN2)까지의 두께(T121B)는 서로 상이할 수 있다.
일례로, 제1 에미터 영역(121A)의 두께(T121A)는 일례로 대략 0.2㎛~0.4㎛ 사이의 값을 가질 수 있으며, 제2 에미터 영역(121B)의 두께(T121B)는 제1 에미터 영역(121A)의 두께(T121A)보다 큰 범위에서, 일례로 대략 0.4㎛~0.6㎛ 사이의 값을 가질 수 있다.
또한, 반사 방지부(130)와 접해 있는 제1 에미터 영역(121A)과 제2 에미터 영역(121B)의 높이는 각각 동일한 높이에 위치하지만, 제1 접합면(PN1)과 제2 접합면(PN2)의 높이는 서로 상이하여, 기판(110) 내에서 제1 접합면(PN1)과 제2 접합면(PN2)은 서로 다른 선상에 위치한다. 이로 인해, 기판(110)의 후면에서부터 제1 접합면(PN1)까지의 두께(d21)는 기판(110)의 후면에서부터 제2 접합면(PN2)까지의 두께(d22)보다 크다.
또한, 제1 및 제2 에미터 영역(121A, 121B)에 도핑된 불순물의 농도 차이로 인해, 제1 및 제2 에미터 영역(121A, 121B)의 면저항값(sheet resistance) 역시 서로 상이하여, 제1 에미터 영역(121A)의 면저항값은 제2 에미터 영역(121B)의 면저항값보다 크다.
예를 들어, 제1 에미터 영역(121A)의 면저항값은 약 100Ω/sq. 내지 120Ω/sq. 이고, 제2 에미터 영역(121B)의 면저항값은 약 15Ω/sq. 내지 20Ω/sq. 일 수 있다.
따라서, 이러한 에미터부(121)는 서로 다른 면저항값을 갖는 제1 및 제2 에미터 영역(121A, 121B)을 구비한 선택적 에미터 구조(selective emitter structure)를 갖고 있다. 이와 같은 선택적 에미터 구조는 레이저를 조사하여 형성될 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 후술한다.
기판(110)과 에미터부(121) 간에 형성된 p-n 접합에 인한 내부 전위차(built-in potential difference)에 의해, 기판(110)에 입사된 빛에 의해 생성된 전하인 전자-정공 쌍은 전자와 정공으로 분리되어 전자는 n형 쪽으로 이동하고 정공은 p형 쪽으로 이동한다. 따라서, 기판(110)이 p형이고 에미터부(121)가 n형일 경우, 분리된 전자는 에미터부(121)쪽으로 이동하고 분리된 정공은 기판(110)의 후면 쪽으로 이동한다.
에미터부(121)는 기판(110)과 p-n접합을 형성하므로, 이와 달리, 기판(110)이 n형의 도전성 타입을 가질 경우, 에미터부(121)는 p형의 도전성 타입을 가진다. 이 경우, 분리된 전자는 기판(110)의 후면 쪽으로 이동하고 분리된 정공은 에미터부(121) 쪽으로 이동한다.
에미터부(121)가 n형의 도전성 타입을 가질 경우, 에미터부(121)에는 5가 원소의 불순물이 도핑될 수 있고, 반대로 에미터부(121)가 p형의 도전성 타입을 가질 경우 에미터부(121)에는 3가 원소의 불순물이 도핑될 수 있다.
제1 에미터 영역(121A)의 면저항값이 약 120Ω/sq. 이하이고 약 100Ω/sq. 이상일 경우, 제1 에미터 영역(121A) 자체에서 흡수되는 빛의 양을 좀더 감소시켜 기판(110)으로 입사되는 빛의 양을 증가시키고, 불순물에 의한 전하 손실을 좀더 감소시킨다.
또한, 제2 에미터 영역(121B)의 면저항값이 약 15Ω/sq. 이하이고 약 20Ω/sq. 이상일 경우, 제2 에미터 영역(121B)과 제1 전극(140)과의 접촉 저항이 줄어 전하의 이동 중 저항에 의한 전하 손실이 줄어든다.
또한, 제2 에미터 영역(121B)의 두께(T121B)는 제1 에미터 영역(121A)의 두께(T121A)보다 두꺼울 수 있다. 이와 같이 제2 에미터 영역(121B)의 두께(T121B)를 더 두껍게 형성함으로써, 제1 전극(140)의 열처리시 제1 전극(140)이 제2 에미터 영역(121B)을 관통하여 기판(110)과 접촉하는 션트(shunt) 발생을 줄일 수 있다.
에미터부(121) 위에 위치한 반사 방지부(130)는 투명한 실리콘 질화막(SiNx), 실리콘 산화막(SiOx), 또는 실리콘 산화 질화막(SiOxNy) 등으로 이루어진다.
반사 방지부(130)는 태양 전지(10)로 입사되는 빛의 반사도를 줄이고 특정한 파장 영역의 선택성을 증가시켜, 태양 전지(10)의 효율을 높인다. 또한 반사 방지부(130)를 형성할 때 주입된 수소(H) 등을 통해 반사 방지부(130)는 기판(110)의 표면 및 그 근처에 존재하는 댕글링 결합(dangling bond)과 같은 결함(defect)을 안정한 결합으로 바꾸어 결함에 의해 기판(110)의 표면 쪽으로 이동한 전하가 소멸되는 것을 감소시키는 패시베이션 기능(passivation function)을 수행한다. 따라서 결함에 의해 기판(110)의 표면 및 그 부근에서 손실되는 전하의 양이 감소하므로, 태양 전지(10)의 효율은 향상된다.
본 실시예에서, 반사 방지부(130)는 기판(110)과 접하는 제1 반사 방지막(130A)과 제1 반사 방지막(130A)과 접하여 상부에 위치하는 제2 반사 방지막(130B)을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 에미터 영역(121A)의 상부에는 제1 반사 방지막(130A)과 제2 반사 방지막(130B)으로 이루어지는 이중 반사 방지막으로 형성되며, 제2 에미터 영역(121B)의 상부에는 제2 반사 방지막(130B)으로 이루어지는 단일 반사 방지막으로 형성된다.
여기서, 제1 반사방지막(130A)의 굴절률은 제2 반사방지막(130B)의 굴절률과 기판(110)의 굴절률 사이의 값을 가질 수 있다. 이에 따라, 외부에서 입사된 빛이 제2 반사방지막(130B), 제1 반사방지막(130A) 및 기판(110)으로 순차적으로 입사될 때에 각 층간의 굴절률의 차이를 최소화할 수 있어, 입사된 빛이 다시 외부로 반사되는 것을 최소화할 수 있다.
또한, 제2 반사방지막(130B)에서 제1 에미터 영역(121A) 및 제1 반사방지막(130A)위에 위치하는 부분의 두께(T130B)는 제1 반사방지막(130A)의 두께(T130A)보다 두꺼울 수 있다. 이는 태양 전지를 제조할 때에, 제2 반사방지막(130B)의 두께(T130B)를 상대적으로 두껍게 하여 제1 전극(140)을 형성하는 페이스트가 제2 에미터 영역(121B)을 뚫고 기판(110)과 단락되는 것을 방지하기 위함이다. 이에 대해서는 본 발명에 따른 태양 전지의 제조 방법을 설명할 때에 후술한다.
아울러, 제2 반사방지막(130B)에서, 제1 에미터 영역(121A) 위에 위치하는 부분의 두께(T130B)는 제2 에미터 영역(121B) 위에 위치하는 부분의 두께보다 얇을 수 있다. 즉, 제2 반사방지막(130B)에서 제2 에미터 영역(121B) 위에 위치하는 부분의 두께는 제1 에미터 영역(121A) 위에 위치하는 제2 반사방지막(130B)의 두께(T130B)와 제1 반사방지막(130A)의 두께(T130A)의 합과 동일할 수 있다.
일례로, 기판(110)과 제2 반사방지막(130B) 사이에 위치하는 제1 반사방지막(130A)은 굴절률이 2.1 ~ 2.3 사이일 수 있으며, 두께는 30nm ~ 50nm 사이로 형성될 수 있다. 제1 반사방지막(130A) 위에 위치하는 제2 반사 방지막(130B)은 굴절률이 1.7 ~ 1.9 사이일 수 있으며, 두께는 50nm ~ 70nm 사이로 형성될 수 있다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 반사방지막(130A)은 제1 개구부를 포함하며, 제2 반사방지막(130B)은 제2 개구부를 포함하고, 여기서, 제1 개구부의 폭(H1)은 제2 개구부의 폭(H2)보다 넓게 형성된다.
이와 같이, 제1 개구부의 폭(H1)이 제2 개구부의 폭(H2)보다 넓게 형성되는 것은 본 발명에 따른 태양 전지 제조 방법을 사용할 때에 나타나는 특징 가운데 하나이다. 이와 같은 제1 개구부의 내측에는 제2 반사방지막(130B) 및 제1 전극(140)이 위치할 수 있다.
또한, 도 1에서는 제2 에미터 영역(121B)의 폭은 제1 개구부의 폭(H1)과 실질적으로 동일한 것으로 도시되어 있으나, 제2 에미터 영역(121B)의 폭은 제1 개구부의 폭(H1)보다 더 넓을 수도 있다.
제1 전극(140)은 복수의 핑거 전극(141)과 복수의 핑거 전극(141)과 연결되어 있는 복수의 전면 버스바(142)를 구비한다.
이와 같은 제1 전극(140)은 제2 반사 방지막(130B)을 관통하여 제2 에미터 영역(121B)과 전기적으로 접촉된다.
복수의 핑거 전극(141)은 에미터부(121)의 제2 에미터 영역(121B)과 전기적 및 물리적으로 연결되어 있고, 서로 이격되어 정해진 방향으로 나란히 뻗어있다. 복수의 핑거 전극(141)은 에미터부(121) 쪽으로 이동한 전하, 예를 들면, 전자를 수집한다.
복수의 전면 버스바(142)는 에미터부(121)의 제2 에미터 영역(121B)과 전기적 및 물리적으로 연결되어 있고 복수의 핑거 전극(141)과 교차하는 방향으로 나란하게 뻗어 있다.
이때, 복수의 전면 버스바(142)는 복수의 핑거 전극(141)과 동일 층에 위치하여 각 핑거 전극(141)과 교차하는 지점에서 해당 핑거 전극(141)과 전기적 및 물리적으로 연결되어 있다.
따라서, 도 1에 도시한 것처럼, 복수의 핑거 전극(141)은 가로 또는 세로 방향으로 뻗어 있는 스트라이프(stripe) 형상을 갖고, 복수의 전면 버스바(142)는 세로 또는 가로 방향으로 뻗어 있는 스트라이프 형상을 갖고 있어, 제1 전극(140)은 기판(110)의 전면에 격자 형태로 위치한다.
복수의 전면 버스바(142)는 접촉된 에미터부(121)의 제2 에미터 영역(121B)으로부터 이동하는 전하뿐만 아니라 복수의 핑거 전극(141)에 의해 수집되어 이동하는 전하를 수집한 후 해당 방향으로 수집된 전하를 전송한다.
각 전면 버스바(142)는 교차하는 복수의 핑거 전극(141)에 의해 수집된 전하를 모아서 원하는 방향으로 이동시켜야 하므로, 각 전면 버스바(142)의 폭은 각 핑거 전극(141)의 폭보다 크다.
일반적으로 많은 전하들은 에미터부(121)의 표면을 따라서 이동하므로, 제1 에미터 영역(121A)에 위치하는 전하는 제1 에미터 영역(121A)의 표면까지 이동한 후 제1 에미터 영역(121A)의 표면을 따라 인접한 제1 전극(140)으로 이동하게 된다. 이때, 제1 에미터 영역(121A)의 불순물 도핑 두께가 얇기 때문에 제1 에미터 영역(121A)의 표면까지 이동하는 전하의 이동 거리가 줄어든다. 따라서, 제1 전극(140)으로 수집되는 전하의 양이 증가하여 태양 전지(10)의 효율이 향상된다.
또한 입사면이 되는 제1 에미터 영역(121A)은 낮은 불순물 도핑 농도를 갖고 있어 불순물에 의한 전하 손실량이 줄어들어 캐리어(carrier)인 전하가 증가한다.
아울러, 제1 전극(140)과 접촉하여 전하를 출력하는 제2 에미터 영역(121B)은 높은 불순물 도핑 농도로 인해 제1 에미터 영역(121A)보다 높은 전도도와 낮은 면저항값을 갖고 있어, 제1 에미터 영역(121A)에서 제1 전극(140)으로의 전하 전송 효율이 향상된다. 따라서 태양 전지(10)의 효율이 증가한다.
복수의 전면 버스바(142)는 외부 장치와 연결되어 수집된 전하(예, 전자)를 외부 장치로 출력된다.
복수의 핑거 전극(141)과 복수의 전면 버스바(142)를 구비한 제1 전극(140)은 은(Ag)과 같은 적어도 하나의 도전성 물질로 이루어져 있다.
이처럼, 에미터부(121)가 제1 및 제2 에미터 영역(121A, 121B)을 구비한 선택적 에미터 구조를 갖고 있어, 제1 전극(140)으로의 전하 이동이 주로 행해지는 제1 에미터 영역(121A)은 낮은 불순물 도핑 농도를 갖고, 제1 전극(140)과 접해 있는 제2 에미터 영역(121B)은 높은 불순물 농도를 갖고 있다. 따라서 에미터부(121)를 통해 제1 전극(140) 쪽으로 이동하는 전하의 양과 불순물의 농도 증가로 인한 전도도 증가로 제1 전극(140)에 의해 수집된 전하의 양이 증가하여, 태양 전지(10)의 효율을 크게 향상된다.
도 1에서, 기판(110)에 위치하는 핑거 전극(141)과 전면 버스바(142)의 개수는 한 예에 불과하고, 경우에 따라 변경 가능하다.
후면 전계부(172)는 기판(110)과 동일한 도전성 타입의 불순물이 기판(110)보다 고농도로 도핑된 영역, 예를 들면, p+ 영역이다.
이러한 기판(110)의 제1 도전성 영역과 후면 전계부(172)간의 불순물 농도 차이로 인해 전위 장벽이 형성되고, 이로 인해, 정공의 이동 방향인 후면 전계부(172) 쪽으로 전자 이동을 방해하는 반면, 후면 전계부(172) 쪽으로의 정공 이동을 용이하게 한다. 따라서, 기판(110)의 후면 및 그 부근에서 전자와 정공의 재결합으로 손실되는 전하의 양을 감소시키고 원하는 전하(예, 정공)의 이동을 가속화시켜 제2 전극(150)으로의 전하 이동량을 증가시킨다.
제2 전극(150)은 후면 전극층(151)과 후면 전극층(151)과 연결되어 있는 복수의 후면 버스바(152)를 구비한다.
후면 전극층(151)은 기판(110)의 후면에 위치한 후면 전계부(172)와 접촉하고 있고, 기판(110)의 후면 가장 자리와 후면 버스바(152)가 위치한 부분을 제외하면 실질적으로 기판(110)의 후면 전체에 위치한다.
후면 전극층(151)은 제1 도전성 물질을 함유하고 있고, 일례로 알루미늄(Al)과 같은 도전성 물질을 함유할 수 있다.
이러한 후면 전극층(151)은 후면 전계부(172)쪽으로부터 이동하는 전하, 예를 들어 정공을 수집한다.
이때, 후면 전극층(151)이 기판(110)보다 높은 불순물 농도로 유지하는 후면 전계부(172)와 접촉하고 있으므로, 기판(110), 즉 후면 전계부(172)와 후면 전극층(151) 간의 접촉 저항이 감소하여 기판(110)으로부터 후면 전극층(151)으로의 전하 전송 효율이 향상된다.
복수의 후면 버스바(152)는 후면 전극층(151)이 위치하지 않는 기판(110)의 후면 위에 위치하며 인접한 후면 전극층(151)과 연결되어 있다.
또한, 복수의 후면 버스바(152)는 기판(110)을 중심으로 복수의 전면 버스바(142)와 대응되게 마주본다.
복수의 후면 버스바(152)는 복수의 전면 버스바(142)와 유사하게, 후면 전극층(151)으로부터 전달되는 전하를 수집한다.
복수의 후면 버스바(152) 역시 외부 장치와 연결되어, 복수의 후면 버스바(152)에 의해 수집된 전하(예, 정공)는 외부 장치로 출력된다.
이러한 복수의 후면 버스바(152)는 후면 전극층(151)보다 양호한 전도도를 갖는 물질로 이루어질 수 있고, 예를 들어, 은(Ag)과 같은 적어도 하나의 도전성 물질을 함유한다.
이와 같은 구조를 갖는 본 실시예에 따른 태양 전지(10)의 동작은 다음과 같다.
태양 전지(10)로 빛이 조사되어 반사 방지부(130)를 통해 기판(110)으로 입사되면 빛 에너지에 의해 반도체부에서 전자-정공 쌍이 발생한다. 이때, 기판(110)의 텍스처링 표면과 반사 방지부(130)에 의해 기판(110)으로 입사되는 빛의 반사 손실이 줄어들어 기판(110)으로 입사되는 빛의 양이 증가한다.
이들 전자-정공 쌍은 기판(110)과 에미터부(121)의 p-n 접합에 의해 서로 분리되어 전자와 정공은, 예를 들어, n형의 도전성 타입을 갖는 에미터부(121)과 p형의 도전성 타입을 갖는 기판(110) 쪽으로 각각 이동한다. 이처럼, 에미터부(121) 쪽으로 이동한 전자는 복수의 핑거 전극(141)과 복수의 전면 버스바(142)에 의해 수집되어 복수의 전면 버스바(142)를 따라 이동하고, 기판(110) 쪽으로 이동한 정공은 인접한 후면 전극층(151)와 복수의 후면 버스바(152)에 의해 수집되어 복수의 후면 버스바(152)를 따라 이동한다. 이러한 전면 버스바(142)와 후면 버스바(152)를 도선으로 연결하면 전류가 흐르게 되고, 이를 외부에서 전력으로 이용하게 된다.
이때, 에미터부(121)가 선택적 에미터 구조를 갖는 에미터부(121)에 의해, 전하의 손실량은 감소하여, 제1 전극(140)으로 이동하는 전하의 양은 증가하여, 태양 전지(10)의 효율은 크게 향상된다.
다음, 도 3a 내지 도 3k를 참고로 하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지(10)의 제조 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 도 3a과 같이 제1 도전성 타입의 불순물이 도핑된 기판(110)을 준비한다. 이와 같은 기판(110)에 인곳(ingot)으로부터 태양 전지용 기판(110)을 형성할 때 발생하는 기판(110)의 표면에 발생되는 손상층을 제거하는 소데미지 에칭(saw damage etching)을 수행한다.
이후, 도 3b와 같이, 건식 식각법이나 습식 식각법 또는 반응성 이온 식각법(reaction ion etching, RIE) 등과 같은 식각법을 이용하여 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘 등으로 이루어진 결정질 반도체 기판(110)의 제1 면 및 제2 면을 식각하여 복수의 요철을 갖는 텍스처링 표면을 형성시킬 수 있다.
다음, 도 3c와 같이, 제1 도전성 타입의 불순물이 도핑된 기판(110)의 제1 면에, 제1 도전성 타입의 불순물과 반대인 제2 도전성 타입의 불순물을 도핑하고 제1 면저항값을 갖는 제1 에미터 영역(121A)을 형성시킬 수 있다.
이와 같이 기판(110)의 제1 면에 제1 에미터 영역(121A)을 형성시키는 방법은 열확산법 등이 이용될 수 있다. 이와 같이 기판(110)의 제1 면에 전체적으로 형성되는 제1 에미터 영역(121A)은 제2 에미터 영역(121B)과 비교하여 상대적으로 저농도로 제2 도전성 타입의 불순물이 도핑되며, 이에 따라 제1 에미터 영역(121A)의 면저항값도 상대적으로 낮은 제1 면저항값을 갖게 된다.
이후, 도 3d와 같이, 제1 에미터 영역(121A) 위에 제1 반사방지막(130A)을 형성시킨다.
여기서, 제1 반사방지막(130A)을 형성시키기 위해서는 일례로 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD) 또는 플라즈마 화학 기상 증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD) 등이 이용될 수 있다.
이때, 제1 에미터 영역(121A)위에 형성되는 제1 반사방지막(130A)은 앞서 전술한 바와 같이 제2 반사방지막(130B)과 비교하여 두께가 상대적으로 얇고, 굴절률은 기판(110)의 굴절률과 제2 반사방지막(130B)의 굴절률 사이의 값을 가질 수 있다.
일례로, 제1 반사방지막(130A)은 굴절률이 2.1~2.3 사이일 수 있으며, 두께는 30nm ~50nm 사이로 형성될 수 있다.
이후, 도 3e에 도시된 바와 같이, 제1 반사방지막(130A)의 위에 제2 도전성 타입의 불순물(I-121B)을 증착시킨다.
여기서, 제1 반사방지막(130A) 위에 증착되는 제2 도전성 타입의 불순물(I-121B)은 제1 에미터 영역(121A)에 도핑된 제2 도전성 타입의 불순물(I-121B)과 동일한 물질일 수 있다.
이후, 도 3f에 도시된 바와 같이, 제1 반사방지막(130A) 위에 부분적으로 레이저 조사 장비(GL)를 이용하여 레이저를 조사한다. 이에 따라 레이저가 조사된 제1 반사방지막(130A)은 부분적으로 제거되고 제1 반사방지막(130A)이 제거된 부분에 기판(110)이 노출된다. 이때, 제1 반사방지막(130A) 위에 증착된 제2 도전성 타입의 불순물(I-121B)은 레이저에 의해 열확산되어 기판(110)의 제1 면 중에서 제1 반사방지막(130A)이 제거된 부분을 통해 기판(110) 내부로 도핑된다.
이에 따라, 기판(110)의 제1 면에 부분적으로 제1 면저항값보다 작은 제2 면저항값을 갖는 제2 에미터 영역(121B)을 형성된다.
이때, 형성되는 제2 에미터 영역(121B)의 제2 면저항값은 제1 에미터 영역(121A)의 제1 면저항값보다 낮은 값을 가지게 되고, 제2 에미터 영역(121B)의 두께(T121B)는 제1 에미터 영역(121A)의 두께(T121A)보다 두꺼워진다.
이후, 도 3g에 도시된 바와 같이, 제1 반사방지막(130A)의 상부에 증착된 제2 도전성 타입의 불순물(I-121B)을 제거한다.
이후, 도 3h에 도시된 바와 같이, 제2 에미터 영역(121B) 및 제1 반사방지막(130A) 위에 제1 반사방지막(130A)과 굴절률이 다른 제2 반사방지막(130B)을 형성시킨다.
여기서, 제2 반사방지막(130B)의 두께(T130B)는 제1 반사방지막(130A)의 두께(T130A)보다 두꺼울 수 있다. 일례로, 제2 반사방지막(130B)(130B)은 굴절률이 1.7~1.9 사이일 수 있으며, 두께는 50nm~70nm 사이로 형성될 수 있다.
다음, 도 3i에 도시된 바와 같이, 제2 반사방지막(130B) 중 제2 에미터 영역(121B)에 위치하는 제2 반사방지막(130B) 위에 제1 전극(140)을 형성하기 위해 은(Ag)을 포함하는 제1 페이스트(P140)를 스크린 인쇄(screen printing)법을 이용하여 도포한다.
이후, 제1 페이스트(P140)를 건조시켜 제1 전극(140)을 형성하기 위한 패턴을 형성시킨다. 여기서 제1 페이스트(P140)의 건조 온도는 약 120℃ 내지 약 200℃일 수 있다.
여기서, 제1 페이스트(P140)는 제1 전극(140)에 포함되는 핑거 전극의 패턴을 형성하기 위한 페이스트(P141)와 제1 전극(140)에 포함되는 전면 버스바의 패턴을 형성하기 위한 페이스트(P142)를 포함할 수 있다.
다음, 도 3g에 도시된 것처럼, 기판(110)의 제1 면과 반대면인 제2 면에 제2 전극(150)을 형성하기 위해 알루미늄(Al)을 함유하는 제2 페이스트(P150)를 형성시킨다.
이후, 제1 페이스트(P140)를 건조시켜 제1 전극(140)을 형성하기 위한 패턴을 형성시킨다.
이와 같은 제2 페이스트(P150)는 제2 전극(150)에 포함되는 후면 전극층을 형성하기 위한 페이스트(P151)와 제2 전극(150)에 포함되는 후면 버스바를 형성하기 위한 페이스트(P152)를 포함한다.
이후, 도 3k에 도시된 바와 같이, 제1 페이스트(P140)와 제2 페이스트(P150)에 동시에 고온의 열을 가하는 열처리 공정이 수행된다.
이와 같은 열처리 공정은 기판(110)에 최고 약 750℃ 내지 약 800℃의 열을 가하여 수행된다.
이와 같은 열처리 공정에 의해 제1 페이스트(P140)는 제2 반사방지막(130B)을 뚫고 제2 에미터 영역(121B)에 전기적으로 연결되면서 소성되어 제1 전극(140)으로 형성되고, 제2 페이스트(P150)도 소성되어 제2 전극(150)으로 형성될 수 있다.
아울러, 이와 같은 열처리 공정에 의해 제2 페이스트(P150)가 열처리될 때에, 기판(110)의 제2 면에는 후면 전계부(172)가 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 제2 페이스트(P150)가 열처리될 때에, 제2 페이스트(P150)에 함유하는 제1 도전성 타입의 전도성 물질이 기판(110)의 제2 면 내부로 확산되어 기판(110)의 후면에는 기판(110)과 동일한 제1 도전성 타입의 불순물이 기판(110)보다 고농도로 함유되는 후면 전계부(172)가 형성될 수 있다.
이로 인해, 후면 전극층(151)은 후면 전계부(172)와 접촉하여 기판(110)과 전기적으로 연결된다.
아울러, 이와 같은 열처리 공정을 수행할 때에, 본 발명은 제2 반사방지막(130B)의 두께(T130B)를 제1 반사방지막(130A)의 두께(T130A)보다 상대적으로 두껍게 형성하여, 제1 페이스트(P140)가 제2 에미터 영역(121B)을 뚫고 기판(110)까지 연결되는 것, 즉 션트(shunt)를 방지할 수 있다.
아울러, 이와 같은 열처리 공정의 온도와 시간은 제2 반사방지막(130B)의 두께(T130B)와 제2 에미터 영역(121B)의 두께(T121B)에 따라 조절될 수 있다.
아울러, 이와 같은 본 발명에 따른 태양 전지 제조 방법의 일례는 선택적 에미터 구조를 형성시키기 위해 레이저를 이용함으로써 기판(110)에 최소한의 영향을 미치면서 형성된 선택적 에미터 구조의 특성을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
아울러, 본 발명에 따른 태양 전지 제조 방법의 일례는 도 3f와 같은 레이저 도핑을 수행한 이후, 제1 전극(140)을 형성하기 위해 상대적으로 설비 투자 비용이 고가인 플레이팅(plating) 장비 및 어닐링(annealing) 설비 등을 사용해야하는 플레이팅(plating) 방법 대신에, 제2 반사방지막(130B)을 제2 에미터 영역(121B) 및 제1 반사방지막(130A) 위에 형성시킨 후 열확산 방법으로 제1 전극(140)을 형성시킴으로써, 기존에 태양 전지 제조 공정에서 주로 사용되던 열확산 장비를 사용할 수 있도록 하였다.
이에 따라, 본 발명에 따른 태양 전지 제조 방법의 일례는 제조 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
Claims (15)
- 제1 도전성 타입의 불순물이 도핑된 기판;
상기 기판의 제1 면에 위치하며, 상기 제1 도전성 타입의 불순물과 반대인 제2 도전성 타입의 불순물을 포함하고, 제1 면저항값을 갖는 제1 에미터 영역과 제2 면저항값을 갖는 제2 에미터 영역을 포함하는 에미터부;
상기 에미터부 위에 위치하며, 제1 개구부를 포함하는 제1 반사방지막;
상기 제1 반사방지막 위에 위치하며, 제2 개구부를 포함하는 제2 반사방지막;
상기 제2 반사방지막 위에 위치하며, 상기 제2 개구부를 통해 상기 제2 에미터 영역과 접촉하는 제1 전극;을 포함하고,
상기 제1 개구부의 폭이 상기 제2 개구부의 폭보다 넓게 형성되는 태양전지. - 제1 항에서,
상기 제2 에미터 영역의 폭은 상기 제1 개구부의 폭과 동일하거나 더 넓은 태양전지. - 제1 항에서,
상기 제1 에미터 영역의 두께는 상기 제2 에미터 영역의 두께보다 작은 태양전지. - 제1 항에서,
상기 제1 개구부의 내측에는 상기 제2 반사방지막 및 상기 제1 전극이 위치하는 태양전지. - 제1 항에서,
상기 제2 반사방지막에 있어서, 상기 제1 에미터 영역 위에 위치하는 부분의 두께는 상기 제2 에미터 영역 위에 위치하는 부분의 두께보다 얇은 태양전지. - 제1 도전성 타입의 불순물이 도핑된 기판의 제1 면에, 상기 제1 도전성 타입의 불순물과 반대인 제2 도전성 타입의 불순물을 도핑하여 제1 에미터 영역을 형성하는 단계;
상기 제1 에미터 영역의 위에 제1 반사방지막을 형성하는 단계;
상기 제1 에미터 영역의 일부에 상기 제2 도전성 타입의 불순물을 상기 제1 에미터 영역의 불순물 농도보다 높게 도핑하여 제2 에미터 영역을 형성하는 단계;
상기 제2 에미터 영역 및 제1 반사방지막 위에 제2 반사방지막을 형성하는 단계;
상기 제2 에미터 영역에 위치하는 제2 반사방지막 위에 제1 전극을 형성하기 위한 제1 페이스트를 스크린 인쇄하는 단계; 및
상기 제1 페이스트를 열처리하여, 상기 제2 반사방지막을 뚫고 상기 제2 에미터 영역에 전기적으로 연결되는 제1 전극을 형성하는 단계
를 포함하는 태양 전지 제조 방법. - 제6 항에서,
상기 제2 에미터 영역을 형성하는 단계는
상기 제1 반사방지막의 위에 상기 제2 도전성 타입의 불순물을 형성하는 단계; 및
상기 제2 도전성 타입의 불순물 위에 레이저를 조사하여 상기 제1 반사방지막을 부분적으로 제거함과 아울러, 상기 제1 반사방지막이 부분적으로 제거된 부분에 상기 제2 도전성 타입의 불순물을 도핑시켜 상기 제1 에미터 영역의 제1 면저항값보다 작은 제2 면저항값을 갖는 제2 에미터 영역을 형성하는 단계;를 포함하는 태양 전지 제조 방법. - 제6 항에서,
상기 제1 반사 방지막과 상기 제2 반사 방지막은 서로 굴절률이 다른 태양 전지 제조 방법. - 제6항에서,
상기 기판의 제1 면의 반대면인 제2 면에 제2 전극을 형성하기 위한 제2 페이스트를 형성하는 단계; 및
상기 제2 페이스트를 열처리하여 제2 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 태양 전지 제조 방법. - 제9 항에서,
상기 제1 페이스트의 열처리 공정 및 상기 제2 페이스트의 열처리 공정을 동시에 수행하는 태양 전지 제조 방법. - 제9 항에서,
상기 제2 페이스트를 열처리할 때, 상기 기판의 제2 면에 후면 전계부를 형성하는 태양 전지 제조 방법. - 제6 항에서,
상기 기판의 제1 면에 상기 제2 에미터 영역을 형성하기 이전에 상기 기판의 제1 면 및 제2 면을 텍스처링(texturing) 처리하는 단계;를 더 포함하는 태양 전지 제조 방법. - 제6 항에서,
상기 제2 반사방지막의 두께를 상기 제1 반사방지막의 두께보다 두껍게 형성하는 태양 전지 제조 방법. - 제6 항에서,
상기 제1 반사방지막은 상기 제2 반사방지막과 상기 기판 사이의 굴절률을 갖는 물질로 형성하는 태양 전지 제조 방법. - 제6 항에서,
상기 제2 에미터 영역의 두께를 상기 제1 에미터 영역의 두께보다 두껍게 형성하는 태양 전지 제조 방법.
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