KR20150013306A - 헤테로접합 태양 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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기우제페 치타렐라
프랑크 뷘쉬
마티아스 에르드만
마르틴 바인케
기욤 발리
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로트 운트 라우 악치엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은, 그 전면에 태양 복사의 입사가 제공되는 헤테로 접합 태양 전지에 관한 것이며, 상기 헤테로 접합 태양 전지는 제1 전도성 유형의 결정성 반도체 재료로 구성되는 광흡수층, 헤테로 접합 태양 전지의 전면에 제공되고 광흡수층보다 더 높게 도핑되는 제1 전도성 유형의 무정형 반도체 층, 제1 전도성 유형의 도핑된 무정형 반도체 층의 전면상에 제공되는 전기 전도성 투명 전면 전도층, 헤테로 접합 태양 전지의 전면 상에 위치하고 서로 이격된 전극 구조(contact structure)를 구비한 전면 전극(front-side contact), 헤테로 접합 태양 전지의 후면에 제공되고 제1 전도성 유형에 반대되는 제2 전도성 유형의 에미터, 및 헤테로 접합 태양 전지의 후면에 배열되는 후면 전극(rear-side contact)을 포함한다. 또한, 본 발명은 상기 헤테로 접합 태양 전지를 제조하기 위한 방법에 관한 것이기도 하다. 본 발명의 과제는, 대개 헤테로 접합 태양 전지 상에서 에미터로 인한 흡수 손실을 제거하고 그럼에도 헤테로 접합 태양 전지를 제조하기 위한 표준 기술을 계속 이용할 수 있게 하는 헤테로 접합 태양 전지 개념과 상기 태양 전지를 제조하기 위한 기술을 제공하는 것에 있다.

Description

헤테로접합 태양 전지 및 그 제조 방법{Hetero-contact solar cell and method for the production thereof}
본 발명은 그 전면(前面)에 태양 복사(solar radiation)의 입사(incidence)가 제공되는 헤테로 접합 태양 전지에 관한 것이며, 상기 헤테로 접합 태양 전지는 제1 전도성 유형의 결정성 반도체 재료로 구성되는 광흡수층(absorber)과, 헤테로 접합 태양 전지의 전면에 제공되고 광흡수층보다 더 높게 도핑되는 제1 전도성 유형의 무정형 반도체 층과, 제1 전도성 유형의 도핑된 무정형 반도체 층의 전면상에 제공되는 전기 전도성 투명 전면 전도층과, 헤테로 접합 태양 전지의 전면 상에 위치하고 서로 이격된 전극 구조(contact structure)를 구비한 전면 전극(front-side contact)과, 헤테로 접합 태양 전지의 후면에 제공되고 제1 전도성 유형에 반대되는 제2 전도성 유형의 에미터와, 헤테로 접합 태양 전지의 후면에 배열되는 후면 전극(rear-side contact)을 포함한다. 또한, 본 발명은, 그 전면에 태양 복사의 입사가 제공되는 헤테로 접합 태양 전지를 제조하기 위한 방법에 있어서, 제1 전도성 유형의 결정성 반도체 재료로 이루어진 광흡수층이 제공되고, 헤테로 접합 태양 전지의 전면에 광흡수층보다 더 높게 도핑되는 제1 전도성 유형의 무정형 반도체 층이 증착되고, 제1 전도성 유형의 도핑된 무정형 반도체 층의 전면상에 전기 전도성 투명 전면 전도층이 증착되고, 헤테로 접합 태양 전지의 전면 상에 서로 이격된 전극 구조(contact structure)를 구비한 전면 전극(front-side contact)이 생성되고, 헤테로 접합 태양 전지의 후면에 제1 전도성 유형에 반대되는 제2 전도성 유형의 에미터가 증착되며, 및 헤테로 접합 태양 전지의 후면 상에 후면 전극(rear-side contact)이 생성되는, 상기 헤테로 접합 태양 전지의 제조 방법에 관한 것이기도 하다.
표준 헤테로 접합 태양 전지는, n-도핑된 결정질 실리콘으로 이루어진 중앙 광흡수층의 면이면서 광으로 향해 있는 상기 면 상에, p-도핑된 무정형 실리콘으로 이루어진 에미터와 투명 전도성 산화물층(TCO 층)이 핑거(finger) 형태의 전면 전극들 아래에 배열되는 구성을 포함한다. 광으로 향해 있는 광흡수층의 전면 상에 제공되는 에미터를 통해, 광흡수층에 더 이상 도달할 수 없는 복사(radiation)가 흡수된다. 광의 반대 방향으로 향해 있는 헤테로 접합 태양 전지의 후면 상에서 광흡수층 상에는 소수 전하 캐리어를 반사하는 표면 전계["후면 전계(Back Surface Field)", BSF]를 형성하기 위한 n+-도핑된 무정형 실리콘층이 제공되며, 이 실리콘층 상에는 전체 표면의 후면 전극이 위치된다.
광으로 향해 있는 광흡수층의 전면 상에 에미터를 포함하는 종래의 층 구조형 기하구조를 갖는 헤테로 접합 태양 전지들에서 손실을 감소시키기 위해, 종래 기술에 여러 가지 접근법이 공지되었다. 상기 접근법들 중 하나의 접근법은 광의 반대 방향으로 향해 있는 광흡수층의 면 상에 에미터를 배열하는 것에 있다. 공보 US 7,199,395 B2에서는, 후면에 제공되는 에미터가 줄무늬 형태로 형성되며, 그리고 반대되는 도핑의 무정형 줄무늬들과 인터리빙(interleaving) 방식으로 배열되어 깍지형(interdigitated) 구조를 형성한다. 다양하게 도핑된 영역들은 저항성 접촉 구조(ohmic contact structure)들을 통해 광의 반대 방향으로 향해 있는 태양 전지의 후면 상에서 접촉된다. 여기서 에미터 구조뿐 아니라 후면 전계 구조는 태양 전지의 후면에 배열되고 이 후면에서 접촉되어야 하기 때문에, 이와 결부되는 기술은 매우 복잡하다. 또한, 상기 유형의 태양 전지에서도, 광으로 향해 있는 태양 전지 전면 상에, 태양 전지의 전면 상에서 광이 생성되는 전하 캐리어들의 재결합을 감소시키는 역할을 하면서 이른바 FSF["전면 전계(Front Surface Field)"]를 형성하는 추가 부동태화 층이 제공된다.
전면에 배열되는 에미터를 통해 생성되는 손실을 감소시키기 위한 또 다른 접근법은 공보 WO 2006/111138 A1에서 추구되어 있다. 상기 공보에 기술되는 헤테로 접합 태양 전지는, 지금까지 공지된 헤테로 접합 태양 전지들과 비교하여, 반전된 층 구조형 기하구조와 그에 따른 반전된 헤테로 접합(hetero junction)을 포함한다. 이 경우, 무정형 에미터는 광의 반대 방향으로 향해 있는 광흡수층의 후면에 배열된다. 입사광의 세기는 광흡수층의 뒤쪽에서 강하게 감소되기 때문에, 에미터에 의해 복사는 거의 흡수될 수 없으며, 그럼으로써 흡수 손실은 적게 유지된다. 제안되는 헤테로 접합 태양 전지의 경우, 광흡수층의 전면 상에는 단일의 유전체 투명 반사방지층만이 위치하며, 이 반사방지층은 동시에 전기 작용하는 부동태화 층으로서 이용되고 그 외에도 미결합(dangling bond)의 포화를 통한 전하 캐리어 재결합과, 광흡수층 상에서 부동태화 층 내에 포함된 전하에 의한 소수 전하 캐리어 후방 산란형 표면 전계("전면 전계", FSF)의 형성을 방지한다. 따라서 기술한 헤테로 접합 태양 전지는 전면 상에 높게 도핑된 실리콘-FSF-층들을 필요로 하지 않는다.
따라서 헤테로 접합 태양 전지의 상기 형태에서, 에미터는, 공보 US 7,199,395 B2에서처럼, 줄무늬 형태의 무정형 에미터로서가 아니라, 간단하게 제조될 수 있으면서 용이하게 접촉될 수 있고 전체 웨이퍼 후면에 걸쳐 형성되는 무정형 에미터 층으로서 제공된다. 추가 장점으로서 공보 WO 2006/111138 A1에서 확인되는 점에 따르면, 투명 반사방지층 및 에미터의 분리를 통해, 반사방지층 및 에미터의 층 두께들을 상호 간에 독립적으로 최적화할 수 있다. 따라서 광의 반대 방향으로 향해 있는 광흡수층의 후면 상의 에미터는, 안정된 공간 전하 영역을 생성하고 그 결과로 에미터와 광흡수층 사이의 경계면 상에서 전자 특성들을 개량하기 위해, 광으로 향해 있는 전면 상에서보다 더 두껍게 형성될 수 있다. 반사방지층의 형성을 위한 특히 바람직한 재료로서 공보 WO 2006/111138 A1에서는 질화 규소가 제안되어 있다.
공지된 헤테로 접합 태양 전지의 후면 상에 제공되는 또 다른 저항성 접촉 구조는 에미터 상에 대면적(large area)으로 형성된다. 그 외에, 공보 WO 2006/111138 A1에는, 에미터의 접촉을 위해 전극으로서의 투명 전도성 산화물층(TCO)이 더 이상 필요하지 않다는 점이 분명하게 상술되어 있다. 상기 전극의 전류 인입선의 기능은 직접적인 전체 표면상의 금속 배선(metallization)을 통해 형성된다.
광흡수층 내에서 생성되며, 그리고 결정성 광흡수층과 무정형 에미터 사이의 헤테로 접합부에서 공간 전하 영역에서 분리되는 전하 캐리어들은, 공지된 헤테로 접합 태양 전지 구조의 경우, 태양 전지 전면 상에 제공된 미세한 전극 격자와, 태양 전지 후면 상에 제공된 대면적 전극 구조(contact structure)를 통해 방출된다.
공보 EP 1 696 492 A1에는, 헤테로 접합 태양 전지들을 에지 절연하기 위한 방법이 기술되어 있다. 이 경우, 특히 후면에 에미터가 배열되는 셀 구성이 예시되어 있다. 기술된 실시예에서, 에미터 상에는 투명 후면 전극이 제공되며, 이 후면 전극 상에는 다시 상호 간에 이격되고 전도성 페이스트로 형성된 수집 전극들이 태양 전지의 후면에 제공된다. 상기 헤테로 접합 태양 전지의 작동 원리와 관련하여 공보 EP 1 696 492 A1에는, n형 광흡수층과 n형 a-Si:H 층이 함께, p형 에미터가 광흡수층 내에서 광 조사를 통해 생성되는 정공들을 수집하는 것보다, 전자들을 더 효율적으로 수집할 수도 있다고 상술되어 있다. 그러나 이는 물리적 관점에서 이해될 수 없는데, 그 이유는 n형 도핑된 면 상에서 전자들과 p형 도핑된 면 상에서 정공들에 대한 상이한 수집 효율성이 소자들의 충전을 야기할 수도 있으며, 이는 중립성 원리에 대한 위반을 나타낼 수도 있기 때문이다. 또한, 공보 EP 1 696 492 A1에서는, 자칭 더 나은 전자 수집을 통해 헤테로 접합 태양 전지의 n형 면 상에서 금속 배선은 가늘어질 수도 있고, 그럼으로써 더 협폭인 버스 바(bus bar)와 더 적은 핑거 개수가 이용될 수도 있다고 논하고 있다. 따라서 적은 차광을 통해 더 높은 전류가 달성될 수도 있다고 되어 있다.
후면에 배열되는 에미터를 포함하는 앞서 기술한 헤테로 접합 태양 전지는 표준 헤테로 접합 태양 전지에 비해, 태양 전지 내로 유입되는 광 에너지가 훨씬 더 높은 효율성으로 전기 에너지로 변환될 수 있다는 장점을 갖는데, 그 이유는 여기서 에미터로 인한 흡수 손실이 발생하지 않기 때문이다. 또한, 예컨대 공보 WO 2006/111138 A1에 기술된 헤테로 접합 태양 전지는 상대적으로 간단한 기술로 구현될 수 있다. 그러나 이런 기술은 표준 헤테로 접합 태양 전지를 제조하기 위한 기술과 분명히 구별되며, 그럼으로써 기존의 설비 개념들은 변경되어야 하고, 개별 공정 모듈들은 더 이상 이용되지 않아야 하고 또 다른 공정 모듈들이 다시 새로 설치되어야만 한다.
그러므로 본 발명의 과제는, 대개 헤테로 접합 태양 전지에서 에미터로 인한 흡수 손실을 제거하고, 그럼에도 불구하고 헤테로 접합 태양 전지를 제조하기 위한 표준 기술을 계속 이용할 수 있게 하는, 헤테로 접합 태양 전지 개념과 상기 태양 전지를 제조하기 위한 기술을 제공하는 것에 있다.
상기 과제는, 한편으로, 후면 전극(rear-side contact)이 헤테로 접합 태양 전지의 후면의 표면에 걸쳐 연장되는 후면 전극층(rear-side contact layer)을 포함하고, 전면 전도층은 7 x 10-4 내지 50 x 10-4Ω㎝의 범위, 바람직하게는 11 x 10-4Ω㎝를 상회하는 범위, 특히 바람직하게는 14 x 10-4Ω㎝를 상회하는 범위의 비저항을 보유하는, 앞서 언급한 유형의 헤테로 접합 태양 전지를 통해 해결된다.
따라서 본 발명에 따른 헤테로 접합 태양 전지의 제조를 위해, 비록 본 발명에 따른 헤테로 접합 태양 전지의 경우 에미터가 후면 상에서, 광흡수층의 뒤쪽에 위치한다 하더라도, 반전되지 않은 표준 헤테로 접합 태양 전지의 제조를 위한 것과 동일한 단계 시퀀스가 이용될 수 있다. 태양 전지 후면 상에 위치하는 에미터를 통해, 본 발명에 따른 헤테로 접합 태양 전지의 경우, 에미터로 인한 흡수 손실은 존재하지 않는다. 또한, 본 발명에 따른 헤테로 접합 태양 전지의 경우, 에미터는 전체 표면에 제공되며, 그럼으로써 에미터는 헤테로 접합 태양 전지의 후면 상에서 전체 표면에 접촉될 수 있고 그에 따라 상대적으로 간단한 에미터 제조 및 접촉 기술이 가능하게 된다.
본 발명에 따른 헤테로 접합 태양 전지의 바람직한 변형예에서, 에미터와 후면 전극 사이에 전기 전도성 투명 후면 전도층이 제공되며, 이 후면 전도층은 7 x 10-4 내지 50 x 10-4Ω㎝의 범위, 바람직하게는 11 x 10-4Ω㎝를 상회하는 범위, 특히 바람직하게는 14 x 10-4Ω㎝를 상회하는 범위의 비저항을 보유한다.
따라서 본 발명에 따른 헤테로 접합 태양 전지의 경우, 전면 전도층과 경우에 따라서는 후면 전도층도 상대적으로 높은 비저항을 갖는 종래의 TCO 층들로 형성된다. 본 발명에 따른 헤테로 접합 태양 전지의 경우 전면 전도층을 통해 다수 전하 캐리어가 수집되기 때문에, 전면 전도층(전면 TCO 층)의 전도도는 광흡수층(기판)의 전도도를 통해 보조받는다. 광흡수층의 횡방향 전도도로 인해, 전류는 다수 전하 캐리어들에서부터 셀의 횡단면을 통해 전면에 위치하는 전면 전극의 전극 구조(콘택 핑거)에까지 전도될 수 있으며, 그럼으로써 전면 전도층의 전도도에 대해 높은 요건이 설정되지 않아도 된다. 그에 상응하게, 태양 전지의 직렬 저항에 부정적인 영향을 미치지 않으면서도, 전면 전도층(전면 TCO 층)은 높은 투명성을 구비하여 형성될 수 있다. 전면 전도층의 투명성의 최적화를 통해, 본 발명에 따른 헤테로 접합 태양 전지의 단락 전류 밀도(JSC)에 대한 값들은 향상될 수 있다. TCO 층들의 투명성은, 전면 전도층의 전도도가 광흡수층의 전도도의 보조를 통해 낮게 유지될 수 있으므로, 상기 층들의 전도도에 반비례하는 방식으로 거동하기 때문에, 본 발명에 따른 헤테로 접합 태양 전지의 전면 전도층은 본 발명에 따라 제안되는 저항 범위에서 높은 광학 투명성을 구비하여 형성될 수 있다.
따라서 본 발명에서 태양 전지 후면 상에 에미터를 배열하는 것을 통해, 고저항성 TCO 층(전면 전도층)이 태양 전지의 전면 상에 제공될 수 있으면서, 태양 전지의 곡선 인자(fill factor: FF)는 증가된 직렬 저항을 통한 방해를 받지도 않는다. 상기 고저항성 TCO 층은 표준 헤테로 접합 태양 전지의 경우 큰 곡선 인자 손실을 야기할 수도 있다. 본 발명에 따른 태양 전지의 전면 상에서 층 시퀀스의 직렬 저항은 전면 전도층(전면 TCO 층)의 저항과 광흡수층의 저항으로 구성되기 때문에, 그리고 광흡수층의 전도도는 예컨대 저저항성 웨이퍼의 이용 또는, 이용되는 셀들의 높은 주입 레벨의 이용을 통해 매우 높게 설정될 수 있기 때문에, 전체적으로 본 발명에 따른 헤테로 접합 태양 전지 상에 낮은 직렬 저항이 발생한다.
또한, 본 발명에 따른 헤테로 접합 태양 전지의 경우, 광흡수층의 우수한 전도도는 다음의 효과를 위해 이용될 수 있다. 요컨대 확산 에미터뿐 아니라 헤테로 접합부를 구비하여 형성될 수 있는, 전면 에미터를 포함한 표준 태양 전지는, 확산 전면 에미터를 포함한 표준 태양 전지의 경우 에미터의 전도도에 의해 유의적인 영향을 받고 헤테로 접합 태양 전지의 경우에는 전면 TCO 층의 전도도에 의해 유의적인 영향을 받는 직렬 저항 성분을 항상 보유한다. 이 경우, 상기 표준 태양 전지들의 경우, 직렬 저항에 대한 광흡수층 및 태양 전지 후면의 기여도는, 태양 전지 전면에서 층들의 낮은 전도도, 다시 말하면 확산 에미터를 포함한 표준 태양 전지의 경우 에미터의 전도도, 또는 전면 에미터를 포함한 표준 헤테로 접합 태양 전지의 경우에는 TCO 층의 전도도로부터 발생하는 직렬 저항에 대한 기여도에 비하면 매우 낮다. 공지된 표준 태양 전지의 경우, 상기 직렬 저항 손실은 감수되어야만 하는데, 그 이유는 상기 직렬 저항 손실이 유의적으로 감소되지 않기 때문이다. 그에 반해, 본 발명에 따른 헤테로 접합 태양 전지의 경우, 광흡수층의 전도도가 전면 전도층(전면 TCO 층)의 전도도를 보조한다. 광흡수층을 형성하기 위해 이용되는 기판의 전도도로서, 간단히 증가될 수 있는 상기 기판의 전도도 각각에 따라, 본 발명에 따른 헤테로 접합 태양 전지의 경우 전면 TCO 층(전면 전도층)의 전도도 및 광흡수층의 전도도를 통해 함께 결정되는 태양 전지 전면의 전도도의 직렬 저항에 대한 앞서 언급한 기여도는 강력하게 감소될 수 있다. 그 결과, 간단한 평면 기술을 이용하여 본 발명에 따른 헤테로 접합 태양 전지를 형성할 수 있고, 특히 태양 전지 후면 상에서, 예컨대 공보 US 7,199,395 B2 또는 공보 DE 100 45 249 A1에서 공지된 것과 같이 태양 전지 후면 상에 깍지낀 영역들을 형성하면서 구조화가 수행되지 않아도 된다.
본 발명에 따른 헤테로 접합 태양 전지의 후면 상에서도, 상기 후면 상에 경우에 따라 제공되는 TCO 층(후면 전도층)은 기본적으로 상대적으로 낮은 전기 전도도를 구비하여 형성될 수 있는데, 그 이유는 태양 전지 후면이 예컨대 금속층처럼 후면 상에 제공되는 후면 전극층에 걸쳐서 전체 표면에서 전기 접촉되기 때문이다. 그에 상응하게, 후면 전도층은 본 발명에 따라 제공되는 저항 범위 이내에서 마찬가지로 증가된 투명성을 구비하여 형성될 수 있으며, 그럼으로써 특히 태양 전지 후면에서 IR(적외선) 손실은 감소된다.
본 발명에 따른 헤테로 접합 태양 전지의 바람직한 실시예에 따라서, 전면 전도층 및 후면 전도층은 동일한 고유 광학 및 전기 특성들을 보유한다. 그 결과, 동일한 재료로 바람직하게는 동일한 공정의 이용하에 전면 전도층 및 후면 전도층을 제조할 수 있다. 따라서 대개 전면 전도층 및 후면 전도층의 제조를 위해, 상대적으로 간단하게 형성될 수 있는 동일한 증착 설비를 이용할 수 있는데, 그 이유는, 헤테로 접합 태양 전지의 이러한 선택으로, 전면 전도층 및 후면 전도층의 광학 및 전기 특성을 별도로 설정할 필요가 없기 때문이다.
특히 바람직하게 전면 전도층 및 후면 전도층은 동일한 도펀트 및 그에 따른 동일한 비저항을 보유한다. 이는, 동일한 재료 및 동일한 도핑의 이용하에 동일한 증착 공정으로 전면 전도층 및 후면 전도층을 제조할 수 있게 한다. 따라서 본 발명에 따른 헤테로 접합 태양 전지의 특히 효율적인 제조 가능성이 보장된다. 또한, 전면 전도층 및 후면 전도층의 투명성 및 전기 특성은 동일한 방식으로 함께 목표한 바대로 설정될 수 있고, 그에 따라 두 층의 층 특성도 최적화될 수 있다.
본 발명에 따른 헤테로 접합 태양 전지의 또 다른 변형예의 경우, 전면 전도층 및 후면 전도층은 서로 다르게 도핑될 수도 있다. 그 결과, 전면 전도층 및 후면 전도층의 광학 및 전기 특성이 서로 다르게 설정될 수 있다.
바람직하게 전면 전도층 및 후면 전도층은 550㎚ 내지 1200㎚의 파장 범위에서 85%를 상회하는 투과율을 나타낸다.
이와 같은 투명한 전면 및 후면 전도층의 경우, 본 발명에 따른 헤테로 접합 태양 전지의 높은 효율성이 달성될 수 있는데, 그 이유는 그 결과 한편으로 단락 전류 밀도가 최적화될 수 있고 다른 한편으로는 태양 전지 후면 상에서 적외선에서의 광학 손실이 감소될 수 있기 때문이다.
본 발명의 특별한 변형예에서, 헤테로 접합 태양 전지의 후면 전도층은 적외선 스펙트럼 범위에서 전면 전도층보다 더 큰 투과율을 보유한다. 그 결과, 태양 전지의 후면 상에서 적외선에서의 광학 손실은 감소되는 반면에, 최적화된 광학 및 전기 특성을 갖는 전면 전도층이 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 헤테로 접합 태양 전지의 추가 선택사항에 따라서, 전면 전도층 및 후면 전도층은 하나 이상의 인듐-주석 산화물층(ITO 층)을 포함한다. ITO 층들은 매우 우수한 투명성을 보유하고 그와 동시에 전기 전도도도 높으며, 그에 따라 높은 효율성을 갖는 헤테로 접합 태양 전지를 제공하기 위한 적합성도 매우 우수하다.
본 발명의 또 다른 변형예에서, 헤테로 접합 태양 전지의 전면 전도층 및 후면 전도층은 알루미늄으로 도핑된 하나 이상의 아연 산화물층(ZnO:Al-층)을 포함할 수 있다. ZnO:Al은 ITO보다 더 저렴하지만, 그러나 그 전도도가 헤테로 접합 태양 전지를 위해 충분하도록 층이 우수한 전도성을 나타내야만 한다면 더 낮은 투명성을 보유한다. 앞서 논의한 것처럼, 본 발명에 따른 헤테로 접합 태양 전지의 경우 전면 및 후면 전도층의 전도도는 종래의 헤테로 접합 태양 전지의 TCO 층들의 전도도보다 전적으로 더 낮을 수 있기 때문에, ZnO 층의 도핑은 적게 설정되고 그에 따라 높은 투명성이 달성될 수 있다. 따라서 전면 및 후면 전도층의 형성을 위해 알루미늄으로 도핑된 아연 산화물층들의 이용이 전적으로 유리할 수 있다.
또한, 바람직하게 본 발명에 따른 헤테로 접합 태양 전지의 전면 전도층 및 후면 전도층은 하나 이상의 인듐 산화물층(IO 층)을 포함할 수도 있다. IO 층들도 전도도 및 투명성의 적합한 관계를 구비하여 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 헤테로 접합 태양 전지의 바람직한 구성에서, 제1 전도성 유형, 다시 말하면 광흡수층, 및 광흡수층의 전면상에 제공되는 도핑된 무정형 반도체 층의 전도성 유형은 n-도핑을 통해 형성되고, 제2 전도성 유형, 다시 말하면 에미터 층의 전도성 유형은 p-도핑을 통해 형성된다. 비록 기본적으로 광흡수층을 p형으로 도핑하고 에미터는 n형으로 도핑할 수 있긴 하지만, 헤테로 접합 태양 전지의 앞서 제안한 변형예가 특히 효과적인데, 그 이유는 실리콘으로 이루어진 n-전도성 광흡수층이 매우 우수한 수송 특성 및 높은 전하 캐리어 수명을 나타내기 때문이다. 따라서 n-전도성 광흡수층에서 전자인 다수 전하 캐리어는 바람직하게는 광흡수층을 통해 전면 전극 쪽으로 전도될 수 있다.
본 발명에 따른 헤테로 접합 태양 전지의 바람직한 형성에 따라서, 광흡수층과 전면에 제공되는 도핑된 무정형 반도체 층 사이에, 및/또는 광흡수층과 에미터 사이에 진성인, 다시 말하면 비도핑된 무정형 반도체 층이 제공된다. 진성 반도체 층은 전형적으로 매우 얇게, 다시 말하면 수 나노미터의 층 두께를 구비하여 형성된다. 추가로 제공되는 진성 반도체 층(들)을 통해, 각각의 층들 사이의 전체 표면 특성은 개량되고 효율성 손실은 감소되는데, 그 이유는 진성 층 내에는 생성된 전하 캐리어들의 재결합이 개시될 수 있는 최소의 결함만이 존재하기 때문이다.
예컨대 진성 무정형 반도체 층은 수소를 함유한 무정형 실리콘층이다.
더욱 바람직하게, 도핑된 무정형 반도체 층 및/또는 에미터 층은 수소를 함유한 실리콘층이거나, 또는 x≤2인 SiOx 층이다. 이 경우, 도핑된 무정형 반도체 층 및 에미터는 그에 상응하게 서로 반대로 도핑된다.
특히 바람직하게, 본 발명에 따른 헤테로 접합 태양 전지의 경우, 에미터는 비구조화된 방식으로, 다시 말하면 연속 층으로서 형성된다. 따라서 에미터는 특히 간단히 제조되고 후속하여 접촉될 수 있다.
또한, 본 발명의 과제는, 전면 전도층의 증착을 위해, 상기 층의 비저항이 7 x 10-4 내지 50 x 10-4Ω㎝의 범위, 바람직하게는 11 x 10-4Ω㎝를 상회하는 범위, 특히 바람직하게는 14 x 10-4Ω㎝를 상회하는 범위가 되게 하는 재료들이 선택되며, 그리고 후면 전극은 헤테로 접합 태양 전지의 후면의 표면에 걸쳐 연장되는 후면 전극층으로서 증착되는, 앞서 명시한 유형에 따른 헤테로 접합 태양 전지를 제조하기 위한 방법을 통해 해결된다.
그 밖에도, 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예에서, 에미터와 후면 전극 사이에 전기 전도성 투명 후면 전도층이 형성되며, 후면 전도층의 증착을 위해 상기 층의 비저항이 7 x 10-4 내지 50 x 10-4Ω㎝의 범위, 바람직하게는 11 x 10-4Ω㎝를 상회하는 범위, 특히 바람직하게는 14 x 10-4Ω㎝를 상회하는 범위가 되게 하는 재료들이 선택된다.
이 경우, 매우 특히 바람직하게 전면 전도층 및 후면 전도층은 동시에 동일한 증착 챔버 내에서 제조된다.
따라서 본 발명에 따른 방법의 경우, 헤테로 접합 태양 전지를 제조하기 위한 표준 공정들이 이용되지만, 그러나 본 발명에 따른 방법에 의해, 에미터가 헤테로 접합 태양 전지의 후면 상에, 다시 말하면 광의 반대 방향으로 향해 있는 면 상에 배열되는 반전된 헤테로 접합 태양 전지가 제조된다는 점에서 차이가 있다. 그 외에도, WO 2006/111138 A1에 기술된 기술과 달리, 헤테로 접합 태양 전지 구조의 전면뿐 아니라 후면 상에도 전기 전도성 투명 층들, 다시 말하면 전형적으로 TCO 층들이 형성된다. 전면 전도층 또는 후면 전도층으로서 기술되는 TCO 층들은 상대적으로 높은 비저항을 나타낸다. 그러나 이는 본원에서 불리하게 작용하지 않는데, 그 이유는 광흡수층이, 결과적으로 태양 전지 전면 상에서 전면 전도층의 낮은 전도도가 보상될 수 있을 정도로 높은 전도도를 보유하기 때문이다. 태양 전지의 후면 상에서도 후면 전도층의 상대적으로 큰 비저항은 임계 사항이 아닌데, 그 이유는 상기 비저항이 헤테로 접합 태양 전지의 후면의 전체 표면에 걸쳐 연장되는 후면 전극층을 통해 보상되기 때문이다.
본 발명에 따른 방법의 경우, 에미터가 헤테로 접합 태양 전지의 후면 상에서 광흡수층의 뒤쪽에 배열되는 것을 통해, 에미터로 인한 흡수 손실은 존재하지 않으며, 높은 효율성을 갖는 태양 전지가 제공될 수 있다. 태양 전지 전면 상에서 에미터가 생략되기 때문에, 태양 전지의 전면 상에, 다시 말하면 광흡수층 상에 위치하는 층들은 더 이상 반전되지 않은 구조를 갖는 표준 헤테로 접합 태양 전지의 경우 필요한 것처럼 층 저항에 대해 높은 요건을 설정하지 않는다. 따라서 전면 전도층을 위해 투명성은 동일하지만 예컨대 재료 비용은 낮은 조건에서 전적으로 불충분한 전도도를 갖는 재료들도 이용될 수 있다. 그 외에 태양 전지 후면 상에 상대적으로 낮은 전기 전도도를 갖는 후면 전도층이 형성될 수 있기 때문에, 상기 층은 특히 적외선 범위에서 상대적으로 더 높은 투명성을 구비하여 형성될 수 있다. 그 결과, 태양 전지 후면 상에서 적외선 손실은 감소될 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 방법은 이미 존재하는 최적화된 태양 전지 제조 설비들 및 태양 전지 제조 공정 단계들을 이용하여 실행될 수 있으며, 그럼에도 자신의 반전된 구조를 통해 종래의 헤테로 접합 태양 전지에 비해 증가된 효율성을 갖는 헤테로 접합 태양 전지가 제조된다. 이 경우, 에미터는 간단한 방식으로, 예컨대 비구조화된 층으로서 태양 전지 후면 상에 제공되며, 그리고 이 태양 전지 후면 상에서 마찬가지로 간단한 방식으로 헤테로 접합 태양 전지의 후면의 표면에 걸쳐 연장되는 후면 전극층에 의해 접촉될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 특히 바람직한 실시예에서, 전면 전도층의 증착을 위해, 그리고 후면 전도층의 증착을 위해, 동일한 재료로 이루어진 타겟(target)들이 이용된다. 따라서 전면 전도층뿐 아니라 후면 전도층도 하나의 설비에서 단일의 공정으로 제조될 수 있다. 그 결과, 헤테로 접합 태양 전지의 제조를 위해 특히 낮은 생산 비용이 달성될 수 있다. 이런 방식으로, 전면 전도층 및 후면 전도층은 동일하거나, 또는 매우 유사한 광학 및 전기 특성을 구비하여 형성된다. 요컨대 매우 바람직하게 셀 개념은 상기 조건들 하에서도 최대 효율성을 달성할 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 변형예에서, 바람직하게 전면 전도층 및 후면 전도층의 증착을 위해 서로 다른 재료로 이루어지고, 및/또는 서로 다른 도펀트 농도를 갖는 타겟들이 이용될 수도 있다. 이런 경우에, 한편으로 전면 전도층과 다른 한편으로는 후면 전도층의 특성들이 결정된 적용 분야를 위해 최적화된 헤테로 접합 태양 전지를 제조하기 위해 목표한 바대로 설정될 수 있다.
타겟들은 예컨대 인듐-주석 산화물으로, 알루미늄으로 도핑된 아연 산화물로, 및/또는 인듐 산화물로 선택될 수 있다. 그러나 그 밖에도, 전면 전도층 및 후면 전도층을 제조하기 위해 다수의 추가의 적합한 재료도 존재한다. 그러나 앞서 언급한 TCO 재료들은 자신들의 바람직한 광학 및 전기 특성을 특징으로 하며, 특히 알루미늄으로 도핑된 아연 산화물은 추가로 상대적으로 낮은 비용과도 결부된다.
본 발명에 따른 방법의 추가 실시예에서, 전면 전도층을 증착하고 후면 전도층을 증착할 때 증착 챔버에서 이용되는 O2 흐름 또는 상기 층들의 도핑을 위해 이용되는 O2 농도는 동일하다. 그 결과, 형성된 헤테로 접합 태양 전지의 전면 및 후면 상에서 TCO 층들(전면 전도층 및 후면 전도층)의 도핑은 동일하거나 매우 유사하다. 따라서 전면 및 후면 전도층을 증착할 때 가스 분리 없는 단일 챔버에서 단일의 산소 가스 공급만이 이용될 수 있으며, 그럼으로써 설비 비용뿐 아니라 공정 비용도 적게 유지될 수 있다. 이 경우, 전면 전도층 및 후면 전도층은 동일한 가스 조건에서 증착되고 그에 따라 동일하거나 매우 유사한 전기 및 광학 특성을 구비하여 형성된다. 동일하거나 매우 유사한 전기 및 광학 특성을 구비한 경우는 종래 기술에 따라서 헤테로 접합 태양 전지를 제조할 때 오히려 불리한데, 그 이유는 대개 태양 전지 전면 상의 TCO 층을 최대한 전도성 있게 형성하고자 하고 그에 따라 태양 전지 후면 상에도 전도성 TCO 층을 제조함으로써, 다시금 태양 전지 후면에서 적외선 손실이 발생하기 때문이다. 대개 본 발명에 따른 방법의 경우 태양 전지 전면 상의 TCO 층, 다시 말해 투명 전면 전도층을 더 낮은 전도성으로 제조하고 이를 위해 광흡수층의 전도도가 투명 전면 전도층의 전도도를 보조하므로 더 투명하게 제조할 수 있기 때문에, 본 발명에 따른 방법의 경우, 태양 전지 후면 상의 TCO 층, 다시 말해 후면 전도층도 더 투명하게 형성될 수 있으며, 그럼으로써 태양 전지 후면에서 적외선 손실은 감소될 수 있게 된다.
본 발명의 바람직한 실시예들, 그 구성, 기능 및 장점들은 하기에서 도면들에 따라서 더 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 헤테로 접합 태양 전지의 가능한 구성에서 그 층 구성을 절단하여 개략적으로 도시한 횡단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 방법에 상응하게 본 발명에 따른 헤테로 접합 태양 전지를 제조하기 위한 가능한 공정 시퀀스를 나타낸 개략도이다.
도 1에는, 본 발명에 따른 헤테로 접합 태양 전지(10)의 일 실시예가 그 층 구성을 절단한 횡단면도로 개략적으로 도시되어 있다.
헤테로 접합 태양 전지(10)는 전면(11)을 포함하고, 이 전면에 태양 복사(13)의 입사가 제공된다. 전면(11)에 대향하여 위치하는 헤테로 접합 태양 전지(10)의 면은 후면(12)이다.
헤테로 접합 태양 전지(10)는 기판 또는 광흡수층(1)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 광흡수층(1)은 n-도핑되고 결정질 실리콘으로 구성된다. 본 발명의 또 다른 미도시된 실시예에서, 광흡수층(1)은 또 다른 반도체 재료로도 구성될 수 있다. 바람직하게 상기 재료는 단결정질이지만, 그러나 폴리결정질(polycrystalline), 다결정질(multicrystalline), 또는 미세결정질(microcrystalline)일 수도 있다. 또한, 광흡수층(1)은 본 발명의 또 다른 변형예들에서 p-도핑될 수도 있다. 이 경우, 각각 이용되는 도펀트들의 선택 시 매우 다양한 가능성이 존재한다. 예컨대 도 1에 도시된 광흡수층(1)은 인으로 n-도핑될 수 있다.
광흡수층(1)의 전면(前面) 표면 상에는, 도 1에 도시된 실시예에서, 진성인, 다시 말해 비도핑된 무정형 반도체 층(2)이 제공된다. 반도체 층(2)은 도시된 실시예에서 수소로 농후화된 진성 무정형 실리콘층이지만, 그러나 본 발명의 또 다른 실시예들에서는 각각 이용되는 광흡수층 재료에 따라, 또 다른 적합한 진성 무정형 반도체 재료로 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 미도시된 실시예들에서, 진성 무정형 반도체 층(2)은 배제될 수도 있다.
진성 무정형 반도체 층(2) 상에는, 도 1의 실시예에서, n+-도핑된 무정형 반도체 층(3)이 제공될 수 있다. 다시 말하면, 도핑된 무정형 반도체 층(3)은 광흡수층(1)보다 더 높은 도펀트를 포함한다. 도 1에 도시된 실시예에서, 도핑된 무정형 반도체 층(3)은 예컨대 인 도펀트와 같은 n형 도펀트를 포함하고 수소로 농후화된 무정형 실리콘(a-Si:H)으로 구성된다. 본 발명의 또 다른 미도시된 실시예들에서, 광흡수층(1)에 대한 재료의 각각의 선택에 따라, 도핑된 무정형 반도체 층(3)에 대해 또 다른 적합한 반도체 재료들 및/또는 또 다른 적합한 도펀트들도 이용될 수 있다.
도핑된 무정형 반도체 층(3) 상부에서, 헤테로 접합 태양 전지(10)의 전면(11) 상에는 투명 전면 전도층(4)이 제공된다. 투명 전면 전도층(4)은 TCO(투명 전도성 산화물) 층이다. 투명 전면 전도층(4)은 도 1에 도시된 실시예에서 알루미늄으로 도핑된 아연 산화물로 구성되지만, 그러나 본 발명의 또 다른 미도시된 실시예들에서 예컨대 인듐-아연 산화물층 또는 인듐 산화물층일 수도 있다.
투명 전면 전도층(4)은 7 x 10-4 내지 50 x 10-4Ω㎝ 범위의 층 저항을 나타낸다. 전면 전도층의 층 두께는 헤테로 접합 태양 전지(10) 내로 입사되는 광 빔의 λ/4n에 최적화되며, 여기서 n은 전면 전도층(4)의 굴절률이다. 도시된 실시예에서, 투명 전면 전도층(4)의 층 두께는 70 내지 120㎚에 달한다.
또한, 헤테로 접합 태양 전지(10)의 전면(11) 상에서 투명 전면 전도층(4) 상에는 서로 이격된 복수의 전극 구조(5)를 포함한 전면 전극이 제공된다. 전극 구조(5)는 전문가들 사이에서 보통 콘택 핑거(contact finger)로도 지칭된다. 전극 구조(5)는 예컨대 은으로 형성될 수 있다. 그러나 기본적으로 금속처럼 우수한 전도성의 또 다른 재료들도 전극 구조(5)의 형성을 위해 고려된다.
도 1의 헤테로 접합 태양 전지(10)의 경우, 광흡수층(1)의 후면 표면 상에는 얇고 진성인, 다시 말해 비도핑된 무정형 반도체 층(6)이 제공된다. 진성 무정형 반도체 층(6)은 앞서 기술한 진성 무정형 층(2)과 동일하거나 유사한 특성을 보유하며, 따라서 여기서는 진성 무정형 반도체 층(6)에도 적용되는 진성 무정형 반도체 층(2)에 대한 상술한 설명 내용이 참조된다. 또한, 본 발명의 또 다른 미도시된 실시예들에서, 진성 무정형 반도체 층(6)은 생략될 수도 있다.
진성 무정형 반도체 층(6) 상에는 에미터(7)가 제공된다. 에미터(7)는 도 1의 예시에서 p+-도핑된 무정형 실리콘으로 구성된다. 도시된 실시예에서, 에미터(7)는 p형 도펀트를 포함하고 수소로 농후화된 무정형 실리콘(a-Si:H)으로 구성된다. 에미터(7)는 헤테로 접합 태양 전지(10) 내로 입사되는 태양 복사(13)의 관점에서 광흡수층(1)의 뒤쪽에 위치된다. 따라서 에미터(7)를 통해 광흡수층(1) 내로 유입되는 광은 실제로 흡수될 수 없다. 그에 상응하게, 적합한 두께를 갖는 에미터(7)를 형성할 수 있으며, 이는, 표준 헤테로 접합 태양 전지의 경우에서처럼 에미터가 전면 상에 형성된다면, 에미터를 통한 흡수 손실을 적게 유지하기 위해 제한적으로만 가능하다. 또한, 에미터(7)는 상대적으로 높은 도펀트를 구비할 수 있으며, 그럼으로써 에미터는 바람직한 전기 전도도를 보유하게 된다. 바람직한 전기 전도도는 표준 헤테로 접합 태양 전지의 경우 불가능한데, 그 이유는 증가된 도펀트가 불충분한 투명성을 야기하고, 이는 다시금 태양 전지 전면 상에서 부정적이다. 그러나 이는 본 발명의 경우 에미터(7)에 대해 중요하지 않은데, 그 이유는 광의 반대 방향으로 향해 있는 헤테로 접합 태양 전지(10)의 면 상에서 광흡수층(1) 뒤쪽에 위치되기 때문이다. 에미터(7)는 도 1의 예시에서 연속 층으로서 광흡수층(1) 상에 제공된다.
헤테로 접합 태양 전지(10)의 경우, 에미터(7)의 후면 표면 상에 후면 전도층(8)이 제공된다. 후면 전도층(8)은 TCO 층이며, 다시 말하면 후면 전도층은 전기 전도성 투명 산화물층이다. 도 1의 실시예에서, 후면 전도층(8)은 알루미늄으로 도핑된 아연 산화물로 구성된다. 본 발명의 또 다른 미도시된 실시예들에서, 후면 전도층(8)의 형성을 위해, 인듐-주석 산화물층(ITO 층), 인듐 산화물층, 또는 또 다른 적합한 TCO 층도 이용될 수 있다.
후면 전도층(8)은 특히 적외선 범위에서 높은 투명성을 보유한다. 바람직하게는 앞서 기술한 전면 전도층(4) 및 후면 전도층(8)의 투과율은 550㎚ 내지 1200㎚의 파장 범위에서 85%를 상회한다.
후면 전도층(8)은 비구조화된 층으로서 에미터 층(7) 상에 제공된다. 후면 전도층은 광흡수층(1)과 에미터(7) 사이의 공간 전하 영역에서 생성되고 분리된 전하 캐리어들을 수집하기 위한 전극으로서 이용된다. 상기 전하 캐리어들은 후면 전도층(8)에서부터, 헤테로 접합 태양 전지(10)의 후면(12) 상에서 후면 전도층(8) 상에 제공된 후면 전극으로 전달된다. 헤테로 접합 태양 전지(10)의 후면 전극은 도 1의 실시예에서 후면 전도층(8)의 전체 표면에 걸쳐 연장되는 후면 전극층(9)으로 구성된다. 후면 전극층(9)은 예컨대 은으로 형성될 수 있다. 그러나 기본적으로 후면 전극층(9)의 형성을 위해, 다양한 금속들처럼 매우 우수한 전기 전도성의 추가 재료들도 적합하다.
본 발명의 또 다른 미도시된 실시예들에서, 후면 전도층(8)은 생략될 수도 있고, 그에 따라 후면 전극층(9)이 에미터(7) 상에 직접 형성될 수 있다. 후면 전도층(8)으로서 앞서 기술한 TCO 층이 태양 전지의 후면에서 생략되는 상기 경우에, 태양 전지 후면에서 전체 표면의 금속 배선, 다시 말하면 후면 전극층(9)의 전체 표면 증착이 필요하다. 그러나 앞서 기술한 것처럼 후면 전도층(8)이 에미터(7)와 후면 전극층(9) 사이에 제공된다면, 후면 전극층(9)을 전체 표면의 금속 배선으로서, 또는 태양 전지 전면 상의 전극 구조(5)와 같은 핑거들을 포함한 구조로서도 형성할 수 있다.
도 2에는, 예컨대 도 1에 개략적으로 도시된 것과 같은 헤테로 접합 태양 전지(10)를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법을 설명하는 가능한 공정 시퀀스가 개략적으로 도시되어 있다.
도 2의 공정 시퀀스에서, 맨 먼저, 단계 201에서 광흡수층(1)이 제공된다. 광흡수층(1)은 앞서 이미 상술한 것처럼, 도 2의 실시예에서 예컨대 n-도핑된 실리콘 기판인 적합한 반도체 기판이다.
단계 202에서, 특히 광흡수층(1)의 표면 제조가 수행되며, 그럼으로써 광흡수층(1)의 표면이 구조화(texturization)된다. 구조화는, 형성될 헤테로 접합 태양 전지의 반사가 감소되게 하면서, 상기 헤테로 접합 태양 전지에서 광흡수를 높이기 위해 이용된다. 구조화 후에 다수의 단계로 세척이 수행된다.
후속되는 공정 단계 203에서, 광흡수층(1)의 전면 상에는 진성 무정형 실리콘층의 형태로 얇고 수소로 농후화된 진성 무정형 층(2)이 증착된다.
그 다음, 단계 204에서는, 진성 무정형 층(2) 상에 도핑된 무정형 반도체 층(3)의 증착이 이루어진다. 도핑된 무정형 반도체 층(3)은 도시된 실시예에서 n+-도핑된다.
공정 단계 205에서는, 광흡수층(1)의 후면 상에, 수소로 농후화된 진성 무정형 실리콘층의 형태로 진성 무정형 반도체 층(6)이 증착된다. 진성 무정형 반도체 층(6) 상에는 공정 단계 206에서 수소로 농후화된 무정형 실리콘으로 구성되고 p+-도핑된 에미터(7)가 증착된다.
본 발명에 따른 방법의 마찬가지로 적합한 또 다른 선택적인 방법에서, 진성 반도체 층들 및 도핑된 무정형 반도체 층들(2, 3, 6 및 7)을 증착하기 위한 앞서 기술한 단계 시퀀스는 또 다른 시퀀스로도 실행될 수 있다. 따라서 예컨대 우선 광흡수층(1)의 후면 상에 진성 무정형 반도체 층(6)이, 그리고 그 위에 에미터(7)가 증착될 수 있는 반면에, 후속하여 광흡수층(1)의 전면 상에 진성 무정형 반도체 층(2)이, 그리고 그 위에 n+-도핑된 무정형 반도체 층(3)이 증착된다.
그 다음, 단일의 공정 단계 207에서 전면 전도층(4)(전면 TCO) 및 후면 전도층(8)(후면 TCO)이 PVD(물리적 기상 증착) 공정을 이용하여 증착된다. 예시의 실시예에서, 두 층(4 및 8)은, 전면의 TCO 층의 도핑뿐 아니라 후면의 TCO 층의 도핑에도 동일한 영향을 미치는 챔버 내 단일의 O2 농도를 갖는 동일한 공정 챔버에서 증착되며, 그 결과 두 층(4 및 8)은 동일하거나 매우 유사한 광학 및 전기 특성을 보유하게 된다.
후면 전극의 형성은, PVD 공정, 또는 스크린 인쇄, 또는 또 다른 금속 증착 공정(예: 플레이팅 등)을 이용하여 공정 단계 208에서 후면 전도층(8) 상에 후면 전극층(9)의 형성을 통해 수행된다. 전면 전극은 단계 209에서 전극 구조의 스크린 인쇄, 또는 또 다른 금속 증착 공정들(예: 플레이팅 등)을 통해 생성된다.
앞서 기술한 단계들에서 알 수 있는 것처럼, 상기 단계들은 원칙적으로 모두 표준 헤테로 접합 태양 전지의 제조를 위해서도 이용될 수 있다. 그 결과, 기본적으로 본 발명에 따른 헤테로 접합 태양 전지(10)를 제조하기 위한 공정 단계들 및 대응하는 설비들에서 표준 헤테로 접합 태양 전지 공정 시퀀스들에 비해 어떠한 변경도 실행하지 않아도 된다. 단순한 공정 파라미터 조정만 실행하면 된다. 그럼에도, 앞서 기술한 기술로, 표준 헤테로 접합 태양 전지의 에미터로 인한 흡수 손실이 존재하지 않고 그에 따라 제조될 수 있는 헤테로 접합 태양 전지(10)의 효율성이 매우 높은, 반전된 헤테로 접합 태양 전지 구조(후면 헤테로 접합)가 제공된다. 본 발명에 따른 기술 시퀀스 및 이로써 제조될 수 있는 헤테로 접합 태양 전지(10)의 상기 장점들을 바탕으로, 예컨대 비용의 최소화를 위해, 다양하고 비록 효율성을 높이지만 값비싼 재료들의 이용은 배제될 수 있다. 따라서 예컨대 투명 전면 전도층(4) 또는 투명 후면 전도층(8)을 제조하기 위한 상대적으로 비용 집약적인 ITO 층들 대신, 예컨대 알루미늄으로 도핑된 아연 산화물과 같은 더 경제적인 재료들이 이용될 수 있다.
본 발명에 따라 이용되는 후면 헤테로 접합 태양 전지 개념을 통해, 에미터(7)는 자신의 층 두께 및/또는 자신의 도펀트의 관점에서 최적화될 수 있으면서, 예컨대 최대 무부하 전압(VOC)과 같은 매우 바람직한 전기 특성을 형성한다. 그러나 최대 무부하 전압은 표준 헤테로 접합 태양 전지의 경우 그렇지 못한데, 그 이유는 이 경우 항상 무부하 전압(VOC)과 단락 전류 밀도(JSC) 사이에서 에미터의 층 두께에 대한 절충안을 찾아야만 하기 때문이다.
또한, 본 발명에 따른 태양 전기 제조 기술은, 예컨대 헤테로 접합 태양 전지(10)의 후면(12)을 연마하는 점도 가능하게 한다. 이런 경우에, 후면 부동화와 관련된 후면 연마제의 장점은 종래의 헤테로 접합 태양 전지에서보다 훨씬 더 큰데, 그 이유는 에미터가 연마된 후면 상에 위치되기 때문이다. 요컨대 더 나은 부동화를 위한 특징으로서 더 작은 표면은 에미터에 대향하여 위치하는 표면 전계에서보다 에미터 상에서 더 바람직하다.
1: 기판 또는 광흡수층
2: 비도핑된 진성 무정형 반도체 층
3: 제1 전도성 유형의 무정형 반도체 층
4: 전면 투명 전도층
5: 서로 이격된 복수의 전면 전극 구조
6: 비도핑된 진성 무정형 반도체 층
7: 제2 전도성 유형의 에미터
8: 후면 투명 전도층
9: 후면 전극층
10: 헤테로 접합 태양 전지
11: 헤테로 접합 태양 전지(10)의 전면
12: 헤테로 접합 태양 전지(10)의 후면
13: 태양 복사

Claims (23)

  1. 그 전면(11)에 태양 복사(13)의 입사가 제공되는 헤테로 접합 태양 전지(10)로서, 상기 헤테로 접합 태양 전지는,
    제1 전도성 유형의 결정성 반도체 재료로 구성되는 광흡수층(1),
    상기 헤테로 접합 태양 전지(10)의 전면에 제공되고 상기 광흡수층(1)보다 더 높게 도핑되는 제1 전도성 유형의 무정형 반도체 층(3),
    상기 제1 전도성 유형의 도핑된 무정형 반도체 층(3)의 전면 상에 제공되는 투명 전면 덮개층,
    상기 헤테로 접합 태양 전지(10)의 전면(11) 상에 위치하고 서로 이격된 전극 구조(5)를 구비한 전면 전극(front-side contact),
    상기 헤테로 접합 태양 전지(10)의 후면에 제공되고 상기 제1 전도성 유형에 반대되는 제2 전도성 유형의 에미터(7), 및
    상기 헤테로 접합 태양 전지(10)의 후면(12)에 배열되는 후면 전극(rear-side contact)을 포함하며,
    상기 전면 덮개층은 상기 전면의 도핑된 무정형 반도체 층(3)과 상기 전면 전극 사이에 제공되는 전기 전도성 투명 전면 전도층(4)이며,
    상기 후면 전극은 상기 헤테로 접합 태양 전지(10)의 후면(12)의 표면에 걸쳐 연장되는 후면 전극층(9)을 포함하며, 상기 전면 전도층(4)은 7 x 10-4 내지 50 x 10-4Ω㎝의 범위, 바람직하게는 11 x 10-4Ω㎝를 상회하는 범위, 특히 바람직하게는 14 x 10-4Ω㎝를 상회하는 범위의 비저항을 나타내는 것을 특징으로 하는 헤테로 접합 태양 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 에미터(7)와 상기 후면 전극 사이에, 7 x 10-4 내지 50 x 10-4Ω㎝의 범위, 바람직하게는 11 x 10-4Ω㎝를 상회하는 범위, 특히 바람직하게는 14 x 10-4Ω㎝를 상회하는 범위의 비저항을 나타내는 전기 전도성 투명 후면 전도층(8)이 제공되는 것을 특징으로 하는 헤테로 접합 태양 전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전면 전도층(4) 및 상기 후면 전도층(8)은 동일한 고유 광학 및 전기 특성을 나타내는 것을 특징으로 하는 헤테로 접합 태양 전지.
  4. 제3항에 있어서, 상기 전면 전도층(4) 및 상기 후면 전도층(8)은 동일한 도펀트 및 그에 따른 동일한 비저항을 나타내는 것을 특징으로 하는 헤테로 접합 태양 전지.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 전면 전도층(4) 및 상기 후면 전도층(8)은 서로 다르게 도핑되는 것을 특징으로 하는 헤테로 접합 태양 전지.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전면 전도층(4) 및 상기 후면 전도층(8)은 550㎚ 내지 1200㎚의 파장 범위에서 85%를 상회하는 투과율을 나타내는 것을 특징으로 하는 헤테로 접합 태양 전지.
  7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 후면 전도층(8)은 적외선 스펙트럼 범위에서 상기 전면 전도층(4)보다 더 큰 투과율을 나타내는 것을 특징으로 하는 헤테로 접합 태양 전지.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전면 전도층(4) 및/또는 상기 후면 전도층(8)은 하나 이상의 인듐-주석 산화물층을 포함하는 것을 특징으로 하는 헤테로 접합 태양 전지.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전면 전도층(4) 및/또는 상기 후면 전도층(8)은 알루미늄으로 도핑된 하나 이상의 아연 산화물층을 포함하는 것을 특징으로 하는 헤테로 접합 태양 전지.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전면 전도층(4) 및/또는 상기 후면 전도층(8)은 하나 이상의 인듐 산화물층을 포함하는 것을 특징으로 하는 헤테로 접합 태양 전지.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 전도성 유형은 n-도핑을 통해 형성되고 상기 제2 전도성 유형은 p-도핑을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 헤테로 접합 태양 전지.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광흡수층(1)과 전면에 제공되는 상기 도핑된 무정형 반도체 층(3) 사이에, 및/또는 상기 광흡수층(1)과 상기 에미터(7) 사이에 진성 무정형 반도체 층(2, 6)이 제공되는 것을 특징으로 하는 헤테로 접합 태양 전지.
  13. 제12항에 있어서, 상기 진성 무정형 반도체 층(2, 6)은 수소를 함유한 무정형 실리콘층인 것을 특징으로 하는 헤테로 접합 태양 전지.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도핑된 무정형 반도체 층(3) 및/또는 상기 에미터(7)는 수소를 함유한 실리콘층이거나, 또는 x≤2인 SiOx 층인 것을 특징으로 하는 헤테로 접합 태양 전지.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에미터(7)는 비구조화(unstructured)된 것을 특징으로 하는 헤테로 접합 태양 전지.
  16. 그 전면(11)에 태양 복사(13)의 입사가 제공되는 헤테로 접합 태양 전지(10)의 제조 방법으로서,
    제1 전도성 유형의 결정성 반도체 재료로 이루어진 광흡수층(1)이 제공되고,
    상기 헤테로 접합 태양 전지(10)의 전면에 상기 광흡수층(1)보다 더 높게 도핑된 제1 전도성 유형의 무정형 반도체 층(3)이 증착되고,
    상기 제1 전도성 유형의 도핑된 무정형 반도체 층(3)의 전면 상에 전기 전도성 투명 전면 전도층(4)이 증착되고,
    상기 헤테로 접합 태양 전지(10)의 전면(11) 상에 서로 이격된 전극 구조(contact structure)를 포함하는 전면 전극(front-side contact)이 생성되고,
    상기 헤테로 접합 태양 전지(10)의 후면에 상기 제1 전도성 유형에 반대되는 제2 전도성 유형의 에미터(7)가 증착되고,
    상기 헤테로 접합 태양 전지(10)의 후면(12) 상에 후면 전극(rear-side contact)이 생성되며,
    상기 전면 전도층(4)의 증착을 위해, 상기 층의 비저항이 7 x 10-4 내지 50 x 10-4Ω㎝의 범위, 바람직하게는 11 x 10-4Ω㎝를 상회하는 범위, 특히 바람직하게는 14 x 10-4Ω㎝를 상회하는 범위가 되도록 하는 재료가 선택되며,
    상기 후면 전극은 상기 헤테로 접합 태양 전지(10)의 후면(12)의 표면에 걸쳐 연장되는 후면 전극층(9)으로서 증착되는 것을 특징으로 하는 헤테로 접합 태양 전지의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 에미터(7)와 상기 후면 전극의 사이에 전기 전도성 투명 후면 전도층(8)이 형성되며, 상기 후면 전도층(8)의 증착을 위해 상기 층의 비저항이 7 x 10-4 내지 50 x 10-4Ω㎝의 범위, 바람직하게는 11 x 10-4Ω㎝를 상회하는 범위, 특히 바람직하게는 14 x 10-4Ω㎝를 상회하는 범위가 되도록 하는 재료가 선택되는 것을 특징으로 하는 헤테로 접합 태양 전지의 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 전면 전도층(4) 및 상기 후면 전도층(8)은 동일한 증착 챔버 내에서 동시에 생성되는 것을 특징으로 하는 헤테로 접합 태양 전지의 제조 방법.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 전면 전도층(4)의 증착을 위해, 그리고 상기 후면 전도층(8)의 증착을 위해 동일한 재료로 이루어진 타겟들이 이용되는 것을 특징으로 하는 헤테로 접합 태양 전지의 제조 방법.
  20. 제17항에 있어서, 상기 전면 전도층(4) 및 상기 후면 전도층(8)의 증착을 위해, 서로 다른 재료로 이루어지고, 및/또는 서로 다른 도펀트 농도를 갖는 타겟들이 이용되는 것을 특징으로 하는 헤테로 접합 태양 전지의 제조 방법.
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서, 상기 타겟들은 인듐-주석 산화물, 알루미늄으로 도핑된 아연 산화물, 및/또는 인듐 산화물에서 선택되는 것을 특징으로 하는 헤테로 접합 태양 전지의 제조 방법.
  22. 제18항에 있어서, 상기 증착 챔버 내에서 상기 전면 전도층(4) 및 상기 후면 전도층(8)을 증착할 때 동일한 O2 농도가 상기 층들의 도핑을 위해 이용되는 것을 특징으로 하는 헤테로 접합 태양 전지의 제조 방법.
  23. 제16항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 후면 연마된 광흡수층(1)이 이용되는 것을 특징으로 하는 헤테로 접합 태양 전지의 제조 방법.
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