KR20150073623A - 고효율 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

고효율 태양전지 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20150073623A
KR20150073623A KR1020130161547A KR20130161547A KR20150073623A KR 20150073623 A KR20150073623 A KR 20150073623A KR 1020130161547 A KR1020130161547 A KR 1020130161547A KR 20130161547 A KR20130161547 A KR 20130161547A KR 20150073623 A KR20150073623 A KR 20150073623A
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Abstract

본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 태양전지는 p형 반도체층 및 n형 반도체층을 포함하는 기판을 포함하고, 상기 기판의 표면은 특정 주기를 갖는 오목부 패턴을 복수 개 포함하며, 오목부 패턴과 인접한 다른 오목부 패턴 사이의 거리가 0.5 ㎛ 내지 5 ㎛ 범위이다.

Description

고효율 태양전지 및 그 제조방법{High Efficiency Solar Cell and Method for Preparing the Same}
본 발명은 고효율 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 광효율 및 전기적 특성이 우수한 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 환경문제와 에너지 고갈에 대한 관심이 높이지면서, 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없으며 에너지 효율이 높은 대체 에너지로서의 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다.
태양전지는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열전지와 반도체의 성질을 이용하여 태양빛을 전기에너지로 변환시키는 태양 광 전지로 나눌 수 있다.
태양전지는, 실리콘 기판, 실리콘 기판의 표면에 p-도핑 그리고, n-도핑 영역들을 가진다. 태양전지 상에 입사하는 태양광, 즉 광자들(photons)이 기판 내로 들어올 때, 기판에 전자-정공 쌍들이 생성되고, 생성된 전자들은 n-도핑 영역들로 이동하고, 생성된 정공들은 p-도핑된 영역들로 이동한다. 상기 전자들과 정공들의 이동으로 광기전력 효과(photovoltaic effect)가 생기고, p-n 접합의 양단에 전위차가 발생한다. 또한, 자유 전자와 정공들이 각각 n-도핑 그리고 p-도핑 영역들로 이동하여, 전류가 발생된다. 전위차와 전류에 의해 발생된 전력이 태양전지에 연결된 부하회로에 공급되고, 결국 태양광에너지가 전기에너지로 변환된다.
상기 태양전지는 그 구성 물질에 따라서 실리콘 태양전지, 박막형 태양전지, 염료감응형 태양전지 및 유기고분자형 태양전지 등으로 구분될 수 있으며, 그 중 실리콘 태양전지가 주류를 이루고 있다. 이러한 태양전지에서는, 입사되는 태양광을 전기 에너지로 변환시키는 비율과 관계된 변환효율(Efficiency)을 높이는 것이 매우 중요하다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점들을 극복하고 변환효율이 우수한 태양전지 및 상기 태양전지를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 p형 반도체층 및 n형 반도체층을 포함하는 기판을 포함하고, 상기 기판의 표면은 특정 주기를 갖는 오목부 패턴을 복수 개 포함하며, 상기 오목부 패턴과 인접한 다른 오목부 패턴 사이의 거리가 0.5 ㎛ 내지 5 ㎛ 범위이다.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조방법은 p형 반도체 기판의 적어도 일면에 특정 주기로 반복되는 오목 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 오목부 패턴이 형성된 면에 n형 반도체층을 형성하는 단계를 포함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.
즉, 본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지는 특정 주기의 오목 패턴에 의해 태양광의 전기 에너지로의 변환효율이 우수하고, 광 집중 현상에 의해 박막형의 실리콘을 이용하여 태양전지의 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 태양 전지의 제조방법은 박막형 실리콘에도 적용이 가능하여 비용 절감의 효과가 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 패턴화된 반도체 층의 현미경 이미지이다.
도 2는 본 발명의 실시예 2에 따른 패턴화된 반도체 층의 현미경 이미지이다.
도 3은 본 발명의 실시예 3에 따른 패턴화된 반도체 층의 현미경 이미지이다.
도 4는 본 발명의 실시예 4에 따른 패턴화된 반도체 층의 현미경 이미지이다.
도 5a는 오목 패턴화된 반도체에 대한 개략도이다.
도 5b는 비교예 1의 태양전지에 660 nm 광 조사 시 전계 분포도이다.
도 5c는 실시예 1 내지 4의 태양전지의 SEM 사진, 660 nm 광 조사 시 A-A' line 및 B-B' line에서의 전계 분포도이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1 내지 4에서 파장 별 흡수광 증대 효과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1 내지 4의 광전류의 계산값과 측정값을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1 내지 4의 입사광에 대한 외부 양자 효율(External Quantum Efficiency, EQE) 값을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예 1 내지 4의 입사광에 대한 내부 양자 효율(Internal Quantum Efficiency, IQE) 값을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below 또는 beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있으며, 이 경우 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 p형 반도체층 및 n형 반도체층을 포함하는 기판을 포함하고, 상기 기판의 표면은 특정 주기를 갖는 오목부 패턴을 복수 개 포함하며, 상기 오목부 패턴과 인접한 다른 오목부 패턴 사이의 거리가 0.5 ㎛ 내지 5 ㎛ 범위이다.
태양전지는 상기 반도체층들 내에서 전자들이 비대칭적으로 존재하는데, 열적 평형상태에서 n형 반도체층과 p형 반도체층의 접합으로 이루어진 반도체층 내에서는 캐리어의 농도 구배에 의한 확산으로 전하의 불균형이 생기고, 이로 인해 전기장(electric field)이 형성된다.
이에, 반도체층 내부로, 반도체층을 이루는 물질의 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band) 사이의 에너지 차이인 밴드갭 에너지(band gap energy)보다 큰 에너지를 갖는 빛이 조사되었을 경우, 빛 에너지를 받은 전자들은 가전자대에서 전도대로 여기(excite)되며, 전도대로 여기된 전자들은 자유롭게 이동할 수 있게 된다.
또한, 가전자대에는 전자들이 빠져나간 자리에 정공이 생성된다.
이렇게 생성된 자유전자와 정공을 과잉(excess) 캐리어라고 하며, 과잉 캐리어들은 전도대 또는 가전자대 내에서 농도 차이에 의해서 확산하게 된다.
이때, 과잉 캐리어, 즉 p형 반도체층에서 여기된 전자들과 n형 반도체층에서 만들어진 정공을 각각의 소수 캐리어(minority carrier)라 정의하며, 기존 접합 전의 n형 또는 p형 반도체층 내의 캐리어(즉, p형의 정공 및 n형의 전자)는 이와 구분해 다수 캐리어(majority carrier)라 정의된다.
이때, 다수 캐리어들은 전기장으로 인한 에너지 장벽(energy barrier) 때문에 흐름의 방해를 받지만, p형 반도체층의 소수 캐리어인 전자는 n형 반도체층으로 이동할 수 있게 된다.
따라서, 소수 캐리어의 확산에 의해 반도체층 내부에 전압차(potential difference)가 생기게 되며, 반도체층 양측에 위치하는 제1 전극 및 제2 전극을 외부 회로에 연결하여 기전력을 활용함으로써, 상기 반도체층을 전지로서 사용하게 된다.
이에, 태양전지 내부로 많은 광이 입사되고, 입사된 광의 경로를 향상시키게 되면, 태양전지의 광 흡수율을 높이게 됨으로써 에너지 변환효율이 향상되고, 이를 통해 반도체층 내부의 전압차(potential difference)가 더욱 커지게 됨으로써, 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 것이다.
본 발명의 태양전지는, 상기와 같은 주기적인 오목부 패턴 구조를 포함함으로써, 반사율이 낮고 높은 캐리어 수집효율을 나타낼 수 있다. 이는 상기 오목부들의 사이 연결부위에서 상부면 뿐만 아니라 측면부에서도 p-n 접합이 발생하여, 공간 전하 영역(space charge region)의 연면적이 증가하기 때문이다.
상기 공간 전하 영역은 반도체 흡수체(absorber)에서 다른 영역 보다 더 높은 캐리어 수집 확률을 가진다. 전기적 관점에서, 공간 전하 영역의 위치는 직경에 따른 수집 길이에 영향을 미칠 수 있고, 특히 광발생 전류 및 전압을 조절할 수 있다.
하나의 예에서, 상기 오목부 패턴과 인접한 다른 오목부 패턴 사이의 거리가 0.5 ㎛ 내지 5 ㎛ 범위일 수 있다. 상기 인접하는 오목부 패턴들 사이의 거리가 0.5 ㎛ 미만인 경우에는 p형 반도체층의 공간이 협소하여 소망하는 효율 및 전기적 특성을 얻기 힘들 뿐만 아니라, 공정 측면에서도 미세 공정의 어려움이 있어 바람직하지 않다. 상기 인접하는 오목부 패턴들 사이의 거리가 5 ㎛ 초과인 경우에는 반사율 저하 효과 및 에너지 변환 효율 증가 효과가 미미하여 바람직하지 않다. 상기와 같은 이유로, 상기 인접하는 오목부 패턴들 사이의 거리는 1 내지 3 ㎛ 범위인 것이 더욱 바람직하다.
상기 오목부 패턴의 폭은 마이크로 사이즈이면 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, 1 내지 6 ㎛ 범위일 수 있다. 상기 오목부 패턴의 폭이 1 ㎛ 미만인 경우에는 제조 공정이 어려운 문제가 있고, 가리움 효과가 발생할 수 있어 바람직하지 않고, 6 ㎛ 초과인 경우에는 소망하는 효율 향상 효과가 미미하여 바람직하지 않다. 상기와 같은 이유로, 2 내지 4 ㎛ 범위인 것이 더욱 바람직하다.
상기 오목부 패턴의 형상 역시 특별히 한정되지는 않지만, 예를 들어, 반구 형태, 기둥 형태 및 역피라미드 형태 등으로 이루어질 수 있다. 공정의 편의성 및 효율의 향상을 모두 만족시킬 수 있도록, 상기 오목부의 표면과 심부에서 폭이 일정한 기둥 형상이 바람직할 수 있다.
상기 오목부 패턴의 수평 단면은 어느 것이든 제한되지 않는다. 예를 들어, 원형 또는 다각형일 수 있고, 상기 다각형은, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형, 칠각형, 팔각형 등을 모두 포함하는 표현이다. 상기 다각형은 각 변의 길이가 동일할 수도 있고 동일하지 않을 수도 있다.
상기 오목부 패턴은 특정 주기를 가지는 복수의 패턴이면 그 배열에는 따로 제한이 없지만, 하나의 예에서, 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 이 때, x축 방향 주기와 y축 방향 주기는 동일할 수도 있고, 서로 상이할 수도 있다. 매트릭스 형태로 오목부 패턴이 배열되어 있을 때, 하나의 오목부에 인접하는 다른 오목부는 최대 8개까지 가능하다. 예를 들어, x축 방향 및 y축 방향 주기가 동일할 경우, 각 축 방향의 인접 오목부들 4개는 상기 하나의 오목부에서 동일한 거리에 위치하고, 축 방향에 대각에 위치한 오목부들 4개는 상기 하나의 오목부에서 동일하고, 상기 축방향 인접 오목부보다 멀리 위치한다.
상기 n형 반도체층의 두께는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어, 100 nm 내지 400 nm 범위일 수 있다.
상기 오목부 패턴의 깊이는 p형 반도체층의 두께에 따라 달라질 수 있지만, 예를 들어, 상기 오목부 패턴의 폭 대비 0.2배 내지 1.2배 범위인 것을 들 수 있지만 이것으로 한정되는 것은 아니다.
상기 오목부 패턴의 주기(Period)는 상기 오목부 패턴이 반복 형성되는 사이클(cycle)을 의미하는 것으로, 인접하는 오목부 패턴들의 내측 면 사이의 거리에 오목부 패턴의 폭을 합한 길이를 의미한다. 따라서, 상기 오목부 패턴의 주기는 상기 오목부 패턴의 폭 보다 크다.
본 발명의 태양전지는 상기 n형 반도체의 p-n 접합면의 반대 면에 접하는 보호막층을 더 포함할 수 있다. 상기 보호막층은 상기 p형 및 n형 반도체층을 보호하는 역할뿐만 아니라, 반사 방지막으로서의 기능도 수행할 수 있다. 상기 보호막층은 질화 실리콘으로 형성될 수 있으나 이것만으로 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 보호막층의 두께는 50 내지 90 nm 범위일 수 있다. 상기 보호막층의 두께가 50 nm 미만인 경우에는 반도체층 보호 역할을 효과적으로 발휘하지 못할 수 있고, 90 nm 초과인 경우에는 입사광 이용 효율을 저하시킬 수 있어 바람직하지 않다.
본 발명의 하나의 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은, p형 반도체 기판의 적어도 일면에 특정 주기로 반복되는 오목부 패턴을 형성하는 단계, 및 상기 오목부 패턴이 형성된 면에 n형 반도체층을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 패터닝하는 방법은 특별히 한정되지는 않지만, 예를 들어, 포토레지스트법으로 이루어질 수 있다.
상기 패터닝된 면에 n형 반도체를 형성하는 방법으로는, 예를 들어, n형 도핑법을 들 수 있다. 상기 n형 도핑법은 상기와 같이 패턴이 형성된 p형 반도체에 n형 도핑 소스를 열처리하여 표면을 n형 반도체로 도핑시키는 것이다. 상기 n형 도핑 소스는 안티몬(Sb), 비소(As), 인(P) 등을 포함하는 화합물을 들 수 있고, 예를 들어 POCl3를 들 수 있지만 이것만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 열처리는 700 ℃ 내지 900 ℃ 범위에서 30분 내지 60분 동안 이루어질 수 있으나, 이 범위만으로 한정되는 것은 아니다. 사용되는 물질의 종류, 도핑 농도, 도핑 두께 등을 고려하여 열처리 온도 및 시간을 조절할 수 있음은 물론이다.
또한, n형 반도체를 별도의 층으로 증착시킬 수도 있다. 다만, 이 경우에는 p형 반도체 패터닝을 더욱 정밀하게 해야할 필요가 있고, 상기 오목부 패터닝의 측면부에도 균일하게 증착될 수 있도록 해야한다.
본 발명의 태양전지 제조방법은, 상기 n형 반도체층 상에 보호막을 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 보호막은 p형 및 n형 반도체층을 보호하고, 태양전지의 성능에 심각한 악영향을 주지 않는 물질이면 어느 것이나 사용이 가능하다. 하나의 바람직한 예로는, 상기 보호막층은 질화 실리콘, 실리콘 산화물(SiOx), MgF2, MgO, Al2O3 등을 들 수 있다. 또한, 경우에 따라, 상기 보호막은 반사 방지막으로서의 역할도 할 수 있다.
실시예 1
p형 실리콘 웨이퍼 상에, 식각하는 동안 보호 마스크로 작용할 PR 패턴을 상기 실리콘 기판 상에 형성하였다. C4F8 기체를 가하여 고분자 코팅 막을 형성하고, SF6 플라즈마로 잔여 폴리머 층 및 PR 마스크 없는 실리콘 기판을 식각하였다. PR-마스크를 기판에서 제거함으로써, 오목부 홀 직경 2.83 ㎛이고, 주기가 7.19 ㎛인 오목 기둥 형태의 패턴을 형성하였다.
p-n 접합 형성을 위해, 기둥 구조인 실리콘 웨이퍼에 n형 도핑제로 POCl3를 이용하여 화로에서 40분 간 800℃에서 가열하여 도핑시켰다. 포스포실리케이트 유리(PSG)를 제거하기 위해 5%의 HF 완충용액을 사용하였다. 이후, 얇은 SiNx 층을 플라즈마-강화 화학기상 증착법(PECVD)를 이용하여 증착시켜 p-n 접합 반도체층을 제조하였고, 이를 현미경으로 관찰한 사진을 도 1에 나타내었다.
실시예 2
상기 포토레지스트를 사용하여 오목부 홀 직경 2.90 ㎛이고, 주기가 4.05 ㎛인 오목 기둥 형태의 패턴을 형성하였다는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 p-n 접합 반도체층을 제조하였고, 이를 현미경으로 관찰한 사진을 도 2에 나타내었다.
실시예 3
상기 포토레지스트를 사용하여 오목부 홀 직경 5.43 ㎛이고, 주기가 7.66 ㎛인 오목 기둥 형태의 패턴을 형성하였다는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 p-n 접합 반도체층을 제조하였고, 이를 현미경으로 관찰한 사진을 도 3에 나타내었다.
실시예 4
상기 포토레지스트를 사용하여 오목부 홀 직경 5.41 ㎛이고, 주기가 9.93 ㎛인 오목 기둥 형태의 패턴을 형성하였다는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 p-n 접합 반도체층을 제조하였고, 이를 현미경으로 관찰한 사진을 도 4에 나타내었다.
비교예 1
패턴을 형성하지 않았다는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 p-n 접합 반도체층을 제조하였다.
실험예 1
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1의 660 nm 광 조사 시의 전계 분포를 측정하였다.
도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 도 5a에서는 오목 패턴화된 반도체에 대한 개략도이고, 도 5b는 비교예 1의 태양전지에 660 nm 광 조사 시 전계 분포도이며, 도 5c는 실시예 1 내지 4의 태양전지의 SEM 사진, 660 nm 광 조사 시 A-A' line 및 B-B' line에서의 전계 분포도이다.
W는 오목부의 폭이고, P는 오목부의 주기이고, D는 오목부의 깊이를 나타낸다.
그 결과, 실시예 1 내지 4의 모든 오목 패턴화된 부위(A-A' line)에서 강한 전계가 나타남을 확인할 수 있었고, 오목 패턴화되지 않은 간격 부위(B-B' line)에서도 도 5b 대비 강한 전계가 확인되었다. 반면에 오목 패턴화되지 않은 비교예 1에서는 전계 효과가 나타나지 않았다. 즉, B-B' line 사진의 양측면은 X축 방향에서 오목부 사이의 연결부분(Interconnect)이 되므로 강한 전계를 형성하고, 중앙 부위도 비록 상대적으로 약하지만 대각선 방향으로 인접한 오목부 사이에 위치하므로 비교예 1에 비해서는 강한 전계를 발생하게 된다.
실험예 2
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1의 반도체층의 양면에 제1 전극 및 제2 전극을 형성하여 태양전지를 각각 제조하였다. 이후, 각 태양전지에 대하여 태양전지 성능 시험을 실시하여 그 결과를 각 태양전지의 구조와 함께 하기 표 1에 나타내었다.
직경(㎛) 주기(㎛) 효율(%) Voc(V) Jsc(mA/cm2)
실시예 1 2.83 7.19 11.8 570 31.1
실시예 2 2.90 4.05 12.7 562 33.1
실시예 3 5.43 7.66 10.8 556 32.5
실시예 4 5.41 9.93 12.0 567 31.7
비교예 1 - - 10.8 559 29.4
표 1을 참조하면, 약 3 ㎛ 직경의 오목부 형태 패턴을 가지는 실시예 1 및 2의 태양전지의 효율이 상기와 같은 패턴을 가지지 않는 비교예 1의 태양전지 대비 높은 광전 효율을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이 중에서, 3 ㎛ 직경, 1 ㎛의 오목부와 오목부 간의 간격인 실시예 2에서 가장 높은 광전 효율이 나타남을 확인할 수 있었다.
도 6을 참조하면, 보다 구체적으로, 파장대 영역을 400 내지 1100 nm에 걸쳐서 흡수 강화(Absorption Enhancement)를 비교예 1의 대비 강화된 정도로 측정하였을 때, 400 내지 500 nm 영역에서 1.04 내지 1.1배 정도 흡수 강화가 높게 나타남을 확인할 수 있고, 특히 실시예 2 및 실시예 3의 오목 패턴화된 반도체에서 높은 비율로 나타남을 확인할 수 있었다.
또한 700 nm 이상의 파장대 영역에서 파장이 길어질수록 비교예 1보다 흡수 강화가 점점 커지는 경향이 나타났다. 특히 실시예 2의 오목 패턴화된 구조에서 가장 높은 흡수 강화가 나타남을 확인할 수 있었다.
또한, 발생하는 전압 및 전류도 실시예 2의 태양전지가 비교예 1의 태양전지보다 높은 것을 확인할 수 있다. 이는 광발생 캐리어가 오목부에서 측면으로도 이동할 수 있게 됨으로써, 이동 효율이 증가하여 전압 및 전류가 상승한 것을 확인할 수 있다.
도 7에서는 실시예 1 내지 4에 대하여 광전류의 세기를 측정하였다. 관찰 결과 오목부의 직경의 길이와는 무관하게 오목부와 오목부를 연결하는 간격이 짧을수록 실제 측정된 광전류의 세기가 높게 측정되었으며(실시예 2, 실시예 3), 반면에 오목부와 오목부의 간격이 길수록 광전류의 세기가 낮게 나타남을 확인할 수 있었다.(실시예 1, 실시예 4)
도 8은 실시예 1 내지 4 및 비교예 1의 외부 양자 효율(External Quantum Efficiency, EQE)을 측정하여 나타낸 그래프이고, 도 9는 실시예 1 내지 4 및 비교예 1의 내부 양자 효율(Internal Quantum Efficiency, IQE)을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 8을 참조하면, 실시예 1 내지 4는 모두 패턴이 없는 비교예 1과 비교하여 외부 양자 효율이 높게 나타났다. 이는 패턴 구조로 인하여 반사율이 감소했음을 의미한다.
도 9를 참조하면, 실시예 1 내지 4는 모두 패턴이 없는 비교예 1과 비교하여 내부 양자 효율이 높게 나타났다. 이는 패턴 구조로 인하여 캐리어 수집효율이 증가하였음을 의미한다.
이상 실험예 및 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (14)

  1. p형 반도체층 및 n형 반도체층을 포함하는 기판을 포함하고,
    상기 기판의 표면은 특정 주기를 갖는 오목부 패턴을 복수 개 포함하며,
    상기 오목부 패턴과 인접한 다른 오목부 패턴 사이의 거리가 0.5 ㎛ 내지 5 ㎛ 범위인 태양전지.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 오목부 패턴의 폭은 1 내지 6 ㎛ 범위인 태양전지.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 오목부 패턴은 반구 형태, 기둥 형태 및 역피라미드 형태로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 태양전지.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 오목부 패턴의 수평 단면은 원 또는 다각형인 태양전지.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 오목부 패턴과 인접한 다른 오목부 패턴 사이의 거리가 1 내지 3 ㎛ 범위인 태양전지.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 오목부 패턴은 매트릭스 형태로 배열된 태양전지.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 n형 반도체층 상에 보호막층을 더 포함하는 태양전지.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 보호막층은 질화실리콘(SiNx), 실리콘 산화물 (SiO, SiO2), MgF2, MgO, Al2O3 의 물질중에서, 하나 이상을 사용하는 태양전지.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 보호막층의 두께는 50 내지 90 nm 범위인 태양전지.
  10. p형 반도체 기판의 적어도 일면에 특정 주기로 반복되는 오목부 패턴을 형성하는 단계, 및
    상기 오목부 패턴이 형성된 면에 n형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 제조방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 오목부 패턴을 형성하는 방법은 포토레지스트법으로 이루어지는 태양전지 제조방법.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 n형 반도체를 형성하는 단계는 n형 도핑법으로 이루어지는 태양전지 제조방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    n형 도핑법은 상기 패턴이 형성된 면에 n형 도핑 소스를 열처리하여 이루어지는 태양전지 제조방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 n형 반도체층 상에 보호막을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 태양전지 제조방법.
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CN110137283A (zh) * 2019-06-10 2019-08-16 通威太阳能（安徽）有限公司 一种增大比表面积的单晶硅电池片及其制绒方法

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