KR20160061947A - 태양 전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 태양 전지는, 베이스 영역 및 불순물 영역을 포함하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 위에 형성되며 상기 불순물 영역과 다른 도전형을 가지는 불순물층; 상기 불순물층과 상기 반도체 기판 사이에 위치하는 터널링층; 상기 불순물 영역에 연결되는 제1 전극; 및 상기 불순물층에 연결되는 제2 전극을 포함한다. 상기 베이스 영역과 상기 불순물 영역이 서로 동일한 도전형을 가지며 상기 베이스 영역의 도펀트 농도보다 상기 불순물 영역의 도펀트 농도가 높다.

Description

태양 전지 및 이의 제조 방법{SOLAR CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 태양 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 좀더 상세하게는, 구조를 개선한 태양 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예상되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양 전지는 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 차세대 전지로서 각광받고 있다.
이러한 태양 전지에서는 다양한 층 및 전극을 설계에 따라 형성하는 것에 의하여 제조될 수 있다. 그런데 이러한 다양한 층 및 전극의 설계에 따라 태양 전지 효율이 결정될 수 있다. 태양 전지의 상용화를 위해서는 낮은 효율을 극복하여야 하는바, 다양한 층 및 전극이 태양 전지의 효율을 최대화할 수 있도록 설계되는 것이 요구된다.
본 발명은 신뢰성을 향상할 수 있고 효율을 최대화할 수 있는 태양 전지 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 태양 전지는, 베이스 영역 및 불순물 영역을 포함하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 위에 형성되며 상기 불순물 영역과 다른 도전형을 가지는 불순물층; 상기 불순물층과 상기 반도체 기판 사이에 위치하는 터널링층; 상기 불순물 영역에 연결되는 제1 전극; 및 상기 불순물층에 연결되는 제2 전극을 포함한다. 상기 베이스 영역과 상기 불순물 영역이 서로 동일한 도전형을 가지며 상기 베이스 영역의 도펀트 농도보다 상기 불순물 영역의 도펀트 농도가 높다.
본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법은, 반도체 기판을 준비하는 단계; 상기 반도체 기판의 일면에 터널링층을 형성하는 단계; 상기 터널링층 위에 불순물층을 형성하는 단계; 상기 터널링층 및 상기 불순물층을 패터닝하여 개구부를 형성하는 단계; 상기 개구부를 통하여 상기 불순물층과 다른 도전형을 가지는 불순물을 도핑하여 상기 반도체 기판에 불순물 영역을 형성하는 단계; 및 상기 불순물 영역 및 상기 불순물층에 각기 연결되는 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법은, 반도체 기판을 준비하는 단계; 마스크를 이용하여 불순물을 도핑하여 상기 반도체 기판의 일면에 불순물 영역을 형성하는 단계; 상기 반도체 기판의 일면에 터널링층을 형성하는 단계; 상기 터널링층 위에 상기 불순물 영역과 다른 도전형을 가지는 불순물을 도핑하여 불순물층을 형성하는 단계; 상기 터널링층 및 상기 불순물층을 패터닝하여 상기 불순물 영역에 대응하는 영역에 개구부를 형성하는 단계; 및 상기 불순물 영역 및 상기 불순물층에 각기 연결되는 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
본 실시예에 따른 태양 전지는 상대적으로 작은 면적으로 형성될 수 있는 후면 전계 영역에 해당하는 불순물 영역을 반도체 기판에 형성하고, 상대적으로 넓은 면적을 가져야 하는 불순물층을 반도체 기판 위에 위치한 터널링층 위에 형성한다. 이에 의하여 반도체 기판에 불순물을 도핑할 때 발생할 수 있는 반도체 기판의 특성 저하, 손상 등을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 불순물층과 불순물 영역이 서로 이격된 공간에서 별개로 형성되는 것에 의하여 불순물층과 불순물 영역이 인접하여 발생할 수 있는 션트(shunt) 등을 방지할 수 있다. 이에 의하여 태양 전지의 개방 전압(Voc) 및 충밀도(fill factor)를 상승하여 태양 전지의 효율을 향상할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 태양 전지의 후면 평면도이다.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 도시한 단면도들이다.
도 4a 내지 도 4i는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 도시한 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시한 태양 전지의 후면 평면도이다.
도 7은 본 발명의 변형예에 따른 태양 전지를 도시한 후면 평면도이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 도시한 단면도들이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며 다양한 형태로 변형될 수 있음은 물론이다.
도면에서는 본 발명을 명확하고 간략하게 설명하기 위하여 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 극히 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 참조부호를 사용한다. 그리고 도면에서는 설명을 좀더 명확하게 하기 위하여 두께, 넓이 등을 확대 또는 축소하여 도시하였는바, 본 발명의 두께, 넓이 등은 도면에 도시된 바에 한정되지 않는다.
그리고 명세서 전체에서 어떠한 부분이 다른 부분을 "포함"한다고 할 때, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 부분을 배제하는 것이 아니며 다른 부분을 더 포함할 수 있다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 위치하는 경우도 포함한다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 위치하지 않는 것을 의미한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지 및 이의 제조 방법을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 태양 전지(100)는, 베이스 영역(110) 및 불순물 영역(120)을 포함하는 반도체 기판(10)과, 반도체 기판(10) 위에 형성되며 불순물 영역(120)과 다른 도전형을 가지는 불순물층(20)과, 불순물층(20)과 반도체 기판(10) 사이에 위치하는 터널링층(30)과, 불순물 영역(120)에 연결되는 제1 전극(42)와, 불순물층(20)에 연결되는 제2 전극(44)을 포함한다. 이때, 베이스 영역(110)과 불순물 영역(120)은 동일한 도전형을 가질 수 있고, 불순물층(20)은 반도체 기판(110)과 다른 물질 및/또는 결정 구조를 가질 수 있다. 또한, 반도체 기판(10)의 다른 일면 위에 반사 방지막(50)이 더 형성될 수 있고, 불순물층(20) 위에 배리어층(22)이 더 형성될 수 있다. 이를 좀더 상세하게 설명한다.
좀더 상세하게는 반도체 기판(10)은, 서로 동일한 제1 도전형 불순물을 포함하는 베이스 영역(110)과 불순물 영역(120)을 포함한다. 이때, 불순물 영역(120)은 베이스 영역(110)과 동일한 도전형을 가지는 불순물을 높은 농도로 도핑하여 형성된 것이다. 불순물 영역(120)에 의하여 원하지 않는 캐리어가 불순물 영역(120) 쪽으로 이동할 수 없도록 하는 전계 효과가 나타나므로, 불순물 영역(120)은 후면 전계(back surface field, BSF) 영역에 해당한다. 불순물 영역(120)의 형상 등에 대해서는 추후에 도 2를 참조하여 좀더 상세하게 설명한다.
이러한 불순물 영역(120)은 베이스 영역(110)과 동일한 물질, 결정 구조 및 도전형을 가지면서 도핑 농도(또는 도펀트 농도)는 베이스 영역(110)보다 높다. 일례로, 베이스 영역(110)으로 이루어진 반도체 기판(10)을 준비한 다음 반도체 기판(110)의 일부 영역에 불순물을 도핑하여 불순물 영역(120)을 형성할 수 있다. 도핑 방법으로는 열 확산법, 이온 주입법 등의 다양한 방법을 사용할 수 있다. 이에 의하여, 베이스 영역(110) 및 불순물 영역(120)을 포함하는 반도체 기판(10)을 형성할 수 있다.
반도체 기판(10)의 전면(즉 베이스 영역(110) 위)에는 전면 전계층(130)이 전체적으로 형성될 수 있다. 이러한 전면 전계층(130)은 반도체 기판(10)보다 높은 농도로 제1 도전형 불순물이 도핑된 영역으로, 후면 전계(back surface field, BSF) 영역과 유사하게 작용한다. 즉, 입사되는 태양 광에 의해 분리된 전자와 정공이 반도체 기판(10)의 전면에서 재결합되어 소멸되는 것을 방지한다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 전면 전계층(130)을 형성하지 않는 것도 가능하다. 이러한 예를 도 9를 참조하여 추후에 좀더 상세하게 설명한다.
이러한 베이스 영역(110) 및 불순물 영역(120)은, 일례로, 제1 도전형 불순물을 포함하는 실리콘을 포함할 수 있다. 실리콘으로는 단결정 실리콘이 사용될 수 있으며, 제1 도전형 불순물은 일례로 n형 또는 p형일 수 있다. 즉, 제1 도전형 불순물로 5족 원소인 인(P), 비소(As), 비스무스(Bi), 안티몬(Sb) 등의 n형 불순물을 사용할 수 있다. 또는, 제1 도전형 불순물로 3족 원소인 보론(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등의 p형 불순물을 사용할 수 있다.
이때, 베이스 영역(110) 및 불순물 영역(120)이 제1 도전형 불순물로 n형의 불순물을 가지면, 베이스 영역(110)과 터널링층(30)에 의하여 터널 정션을 이루는 불순물층(20)이 p형을 가질 수 있다. 그러면 베이스 영역(110)과의 정션에 의하여 광전 변환을 일으키는 에미터의 역할을 수행하는 불순물층(20)을 넓게 형성할 수 있고, 이에 의하여 전자보다 이동 속도가 느린 정공을 효과적으로 수집할 수 있다. 이러한 터널 정션에 광이 조사되면 광전 효과에 의해 생성된 전자가 제1 전극(22)에 의하여 수집되고, 정공이 반도체 기판(10)의 전면 쪽으로 이동하여 제2 전극(24)에 의하여 수집된다. 이에 의하여 전기 에너지가 발생한다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 베이스 영역(110) 및 불순물 영역(120)이 p형을 가지고 불순물층(20)이 n형을 가지는 것도 가능하다.
반도체 기판(10)의 전면은 텍스쳐링(texturing)되어 피라미드 등의 형태의 요철을 가질 수 있다. 이와 같은 텍스쳐링에 의해 반도체 기판(10)의 전면 등에 요철이 형성되어 표면 거칠기가 증가되면, 반도체 기판(10)의 전면을 통하여 입사되는 광의 반사율을 낮출 수 있다. 따라서 반도체 기판(10)과 불순물층(20)에 의하여 형성된 터널 정션까지 도달하는 광의 양을 증가시킬 수 있어, 광 손실을 최소화할 수 있다.
그리고 반도체 기판(10)의 후면은 경면 연마 등에 의하여 전면보다 작은 표면 거칠기를 가지는 상대적으로 매끈하고 평탄한 면으로 이루어질 수 있다. 본 실시예와 같이 반도체 기판(10)의 후면 쪽에서 터널링층(30)에 의하여 터널 정션이 형성된 경우에는 반도체 기판(10)의 후면의 특성에 따라 태양 전지(100)의 특성이 크게 달라질 수 있다. 이에 따라 반도체 기판(10)의 후면에는 텍스쳐링에 의한 요철을 형성하지 않는다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 변형이 가능함은 물론이다.
그리고 전면 전계층(130) 위에는 반사 방지막(50)이 형성될 수 있다. 반사 방지막(50)은 반도체 기판(10)의 전면에 전체적으로 형성될 수 있다. 반사 방지막(50)은 반도체 기판(10)의 전면으로 입사되는 광의 반사율을 감소시키고, 전면 전계층(130)의 표면 또는 벌크 내에 존재하는 결함을 부동화 시킨다.
반도체 기판(10)의 전면을 통해 입사되는 광의 반사율을 낮추는 것에 의하여 터널 정션까지 도달되는 광량을 증가할 수 있다. 이에 따라 태양 전지(100)의 단락 전류(Isc)를 증가시킬 수 있다. 그리고 결함을 부동화하여 소수 캐리어의 재결합 사이트를 제거하여 태양 전지(100)의 개방 전압(Voc)을 증가시킬 수 있다. 이와 같이 반사 방지막(50)에 의해 태양 전지(100)의 개방 전압과 단락 전류를 증가시켜 태양 전지(100)의 변환 효율을 향상할 수 있다.
이러한 반사 방지막(50)은 다양한 물질로 형성될 수 있다. 일례로, 반사 방지막(50)은 실리콘 질화막, 수소를 포함한 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 실리콘 산화 질화막, MgF2, ZnS, TiO2 및 CeO2로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 단일막 또는 2개 이상의 막이 조합된 다층막 구조를 가질 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 반사 방지막(50)이 다양한 물질을 포함할 수 있음은 물론이다.
본 실시예에서 반도체 기판(10)의 후면에는 터널링층(30)이 형성된다. 터널링층(30)에 의하여 반도체 기판(10)의 후면의 계면 특성을 향상할 수 있으며 생성된 캐리어는 터널링 효과에 의하여 원활하게 전달되도록 할 수 있다. 이러한 터널링층(30)은 캐리어가 터널링 될 수 있는 다양한 물질을 포함할 수 있는데, 일례로, 산화물, 질화물 및 전도성 고분자 등을 포함할 수 있다.
본 실시예에서 터널링층(30)은 적어도 베이스 영역(110)과 불순물층(20) 사이에 형성될 수 있다. 일례로, 본 실시예에서는 터널링층(30)이 불순물층(20)과 대응하는 형상(즉, 실질적으로 동일한 형상)을 가질 수 있다. 구체적인 형상에 대해서는 추후에 도 2를 참조하여 좀더 상세하게 설명한다. 이는 터널링층(30) 및 불순물층(20)이 동일한 공정에서 식각하여 공정을 단순화하고, 터널링층(30) 및 불순물층(20)에 형성된 개구부(30c, 20c)를 통하여 불순물 영역(120)을 형성할 수 있기 때문이다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 터널링층(30)이 불순물층(20)이 형성된 영역 외에도 형성되거나, 베이스 영역(110)뿐만 아니라 불순물 영역(120)에 대응하는 부분 위에도 형성될 수 있다.
터널링 효과를 충분하게 구현할 수 있도록 터널링층(30)의 두께는 5.0nm 이하일 수 있고, 0.5nm 내지 5.0nm(일례로, 1.0nm 내지 3.0nm)일 수 있다. 터널링층(30)의 두께가 5.0nm를 초과하면 터널링이 원할하게 일어나지 않아 태양 전지(100)가 작동하지 않을 수 있고, 터널링층(30)의 두께가 0.5nm 미만이면 원하는 품질의 터널링층(30)을 형성하기에 어려움이 있을 수 있다. 터널링 효과를 좀더 향상하기 위해서는 터널링층(30)의 두께가 1.0nm 내지 3.0nm일 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 터널링층(30)의 두께가 달라질 수 있다.
그리고 터널링층(30) 위에 반도체 기판(10)과 반대되는 도전형을 가지는 불순물층(20)이 형성된다. 불순물층(20)은 제2 도전형 불순물을 포함하는 반도체(일례로, 실리콘)을 포함할 수 있다. 이러한 불순물층(20)은 증착, 인쇄 등의 다양한 방법에 의하여 쉽게 제조될 수 있는 비정질 실리콘, 미세 결정 실리콘, 다결정 실리콘 등에 제2 도전형 불순물을 도핑하여 형성될 수 있다. 이때, 제2 도전형 불순물은 반도체 기판(10)과 반대되는 도전형을 가지는 불순물이면 족하다. 즉, 제2 도전형 불순물이 p형일 경우에는 보론(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등의 3족 원소를 사용할 수 있다. 제2 도전형 불순물이 n형일 경우에는 인(P), 비소(As), 비스무스(Bi), 안티몬(Sb) 등의 5족 원소를 사용할 수 있다. 이러한 불순물층(20)은 베이스 영역(110)과 터널링층(30)에 의하여 터널 정션을 형성하여 광전 변환에 실질적으로 기여한다.
여기서, 터널링층(30) 및 불순물층(20)에는 불순물 영역(120)에 대응하는 부분을 개구하는 개구부(30c, 20c)가 형성된다.
불순물층(20) 위에는 불순물 영역(120)을 형성할 때 불순물층(20) 등이 오염되는 것을 방지하고 불순물 영역(120)의 형성을 돕는 배리어층(22)이 위치할 수 있다. 이러한 배리어층(22)에 대해서는 추후에 도 3a 내지 도 3g를 참조한 설명에서 다시 설명한다. 이러한 배리어층(22)은 필수적인 층은 아니며 제조 방법 등에 따라 생략될 수도 있다.
제1 전극(42)은 불순물 영역(120)에 연결되도록 반도체 기판(10) 위에 형성되고, 제2 전극(44)은 불순물층(20)에 연결되도록 불순물층(20) 위에서 배리어층(22)을 관통하여 형성된다. 제1 및 제2 전극(42, 44)으로는 다양한 금속 물질을 포함할 수 있다. 그리고 제1 및 제2 전극(42, 44)은 서로 전기적으로 연결되지 않으면서 불순물 영역(120) 및 불순물층(20)에 각기 연결되어 생성된 캐리어를 수집하여 외부로 전달할 수 있는 다양한 평면 형상을 가질 수 있다. 즉, 본 발명이 제1 및 제2 전극(42, 44)의 평면 형상에 한정되는 것은 아니다.
이하에서는 도 2를 참조하여, 베이스 영역(110) 및 불순물 영역(120)을 포함하는 반도체 기판(10), 불순물층(20) 및 터널링층(30), 그리고 제1 및 제2 전극(42, 44)의 평면 형상을 상세하게 설명한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지(100)의 후면 평면도이다. 도 2에서 제1 및 제2 전극(42, 44)의 형상은 일례로 제시한 것에 불과하므로 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 태양 전지(100)에서는 불순물 영역(120)이 불순물층(20)보다 좁은 면적을 가지도록 형성된다. 이에 의하여 반도체 기판(110)과 불순물층(20)의 사이에서 터널링층(30)을 통하여 형성되는 터널 정션을 좀더 넓게 형성할 수 있다. 또한, 앞서 설명한 바와 같이, 베이스 영역(110) 및 불순물 영역(120)이 n형의 도전형을 가지고 불순물층(20)이 p형의 도전형을 가질 경우에, 이동 속도가 상대적으로 느린 정공을 효과적으로 수집할 수 있다.
이를 위하여, 불순물 영역(120)은, 반도체 기판(10)의 제1 가장자리(도면의 상부 가장자리)를 따라 형성되는 제1 줄기부(120a)와, 이 줄기부(120a)로부터 제1 가장자리와 반대되는 제2 가장자리(도면의 하부 가장자리)를 향해 연장되는 복수의 제1 가지부(120b)를 포함할 수 있다. 불순물층(20)은 반도체 기판(110)의 제2 가장자리를 따라 형성되는 제2 줄기부(20a)와, 이 제2 줄기부(20a)로부터 제1 가장자리를 향해 제1 가지부(120b) 사이로 연장되는 복수의 제2 가지부(20b)를 포함할 수 있다. 불순물 영역(120)의 제1 가지부(120b)와 불순물층(20)의 제2 가지부(34b)는 서로 교번하여 위치할 수 있다. 그리고 터널링층(30)은 불순물층(20)과 동일 또는 극히 유사한 형상을 가져 제2 줄기부(20a)와 제2 가지부(20b)에 대응하는 부분을 가지면서 형성될 수 있다.
이때, 불순물 영역(120)과 불순물층(20)의 면적은 제1 및 제2 줄기부(120a, 20a) 및/또는 제1 및 제2 가지부(120b, 20b)의 폭을 다르게 하여 조절될 수 있다. 즉, 제1 줄기부(120a)의 폭을 제2 줄기부(20a)의 폭보다 작게 하거나, 및/또는 제1 가지부(120b)의 폭을 제2 가지부(20b)의 폭보다 작게 할 수 있다.
일례로, 태양 전지(100)의 전체 면적에 대한 불순물 영역(120)의 전체 면적의 비율이 0.5% 내지 30%(좀더 바람직하게는 0.5% 내지 5%)일 수 있다. 불순물 영역(120)의 전체 면적 비율이 0.5% 미만인 경우에는 제1 전극(42)과 접촉이 정확하게 이루어지지 않아 제1 전극(42)과의 접촉 저항이 커질 수 있다. 상기 면적 비율이 30%를 초과하면, 앞서 설명한 바와 같이 불순불층(20)의 면적이 적어져서 태양 전지(100)의 효율이 저하될 수 있다. 태양 전지의 효율을 좀더 생각하면 상기 면적 비율이 0.5% 내지 5%인 것이 바람직하다.
제1 전극(42)은 불순물 영역(120) 제1 줄기부(120a)에 대응하여 형성되는 줄기부(42a)와, 불순물 영역(120)의 제1 가지부(120b)에 대응하여 형성되는 가지부(42b)를 구비할 수 있다. 유사하게, 제2 전극(44)은 불순물층(20)의 제2 줄기부(20a)에 대응하여 형성되는 줄기부(44a)와, 불순물층(20)의 제2 가지부(20b)에 대응하여 형성되는 가지부(44b)를 구비할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 제1 전극(42) 및 제2 전극(44)이 다양한 평면 형상을 가질 수 있음은 물론이다.
이에 의하여 불순물층(20)이 형성되지 않은 불순물 영역(120) 상에 제1 전극(42)이 전체적으로 접촉하면서 형성되고, 불순물층(20)이 형성된 부분에서 제2 전극(44)이 전체적으로 접촉하면서 형성된다. 이에 따라 불순물층(20)의 영역을 충분하게 확보하면서도 불순물 영역(120) 및 제1 전극(42)과 불순물층(20) 및 제2 전극(44)이 서로 이격된 상태로 위치하게 된다. 이에 의하여 불순물 영역(120)과 제1 전극(42)의 전기적 연결, 그리고 불순물층(20)과 제2 전극(44)의 전기적 연결이 안정적으로 이루어질 수 있다. 또한, 불순물 영역(120) 및 제1 전극(42)과 불순물층(20) 및 제2 전극(44)을 절연하기 위한 별도의 층을 구비하지 않아도 되므로 구조 및 제조 공정을 단순화할 수 있다. 그러나 절연 특성을 향상하기 위하여 불순물 영역(120) 및 제1 전극(42)과 불순물층(20) 및 제2 전극(44)을 절연하기 위한 절연층을 구비하는 것도 가능함은 물론이다.
본 실시예에 따른 태양 전지(100)는 상대적으로 작은 면적으로 형성될 수 있는 후면 전계 영역에 해당하는 불순물 영역(120)을 반도체 기판(10)에 형성하고, 상대적으로 넓은 면적을 가져야 하는 불순물층(20)을 터널링층(30) 위에 형성한다. 이에 의하여 반도체 기판(10)에 불순물을 도핑할 때 발생할 수 있는 반도체 기판(10)의 특성 저하, 손상 등을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 불순물층(20)과 불순물 영역(120)이 서로 이격된 공간에서 별개로 형성되는 것에 의하여 불순물층(20)과 불순물 영역(120)이 인접하여 발생할 수 있는 션트(shunt) 등을 방지할 수 있다. 이에 의하여 태양 전지(100)의 개방 전압(Voc) 및 충밀도(fill factor)를 상승하여 태양 전지(100)의 효율을 향상할 수 있다.
이때, 본 실시예에와 같은 태양 전지(100)는 다양한 방법에 의하여 형성될 수 있는데, 이를 도 3a 내지 도 3g, 그리고 도 4a 내지 도 4i를 참조하여 좀더 상세하게 설명한다. 이하에서는 상술한 부분에서 설명한 내용은 상세한 설명을 생략하고, 서로 다른 부분만을 상세하게 설명한다.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 도시한 단면도들이다.
먼저, 도 3a에 도시한 바와 같이, 기판을 준비하는 단계에서는 제1 도전형 불순물을 가지는 베이스 영역(110)으로 구성되는 반도체 기판(10)을 준비한다. 본 실시예에서 반도체 기판(10)은 n형의 불순물을 가지는 실리콘으로 이루어질 수 있다. n형의 불순물로는 인(P), 비소(As), 비스무스(Bi), 안티몬(Sb) 등의 5족 원소가 사용될 수 있다.
이때, 반도체 기판(10)의 전면이 요철을 가지도록 텍스쳐링되고, 반도체 기판(10)의 후면이 경면 연마 등에 의하여 처리되어 반도체 기판(10)의 전면보다 작은 표면 거칠기를 가질 수 있다.
반도체 기판(10)의 전면의 텍스처링으로는 습식 또는 건식 텍스처링을 사용할 수 있다. 습식 텍스처링은 텍스처링 용액에 반도체 기판(10)을 침지하는 것에 의해 수행될 수 있으며, 공정 시간이 짧은 장점이 있다. 건식 텍스처링은 다이아몬드 그릴 또는 레이저 등을 이용하여 반도체 기판(10)의 표면을 깍는 것으로, 요철을 균일하게 형성할 수 있는 반면 공정 시간이 길고 반도체 기판(10)에 손상이 발생할 수 있다. 그 외에 반응성 이온 식각(RIE) 등에 의하여 반도체 기판(10)을 텍스쳐링 할 수도 있다. 이와 같이 본 발명에서는 다양한 방법으로 반도체 기판(10)을 텍스쳐링 할 수 있다. 그리고 반도체 기판(10)의 후면은 알려진 경면 연마에 의하여 처리될 수 있다.
이어서, 도 3b에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(10)의 후면에 터널링층(30) 및 불순물층(20)을 형성한다. 이때, 불순물층(20) 위에 추가적으로 배리어층(22)을 더 형성할 수 있다.
터널링층(30)은, 일례로, 열적 성장법, 증착법(예를 들어, 화학 기상 증착법(PECVD), 원자층 증착법(ALD)) 등에 의하여 형성될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 방법에 의하여 터널링층(30)이 형성될 수 있다. 불순물층(20)은 제2 도전형 불순물을 가지는 미세 결정질, 비정질, 다결정 반도체를 포함한다. 불순물층(20)은 열적 성장법, 증착법(예를 들어, 화학 기상 증착법(PECVD)) 등에 의하여 미세 결정질, 비정질, 다결정 반도체를 형성한 다음 제2 도전형 불순물을 도핑하여 형성될 수 있다. 또는, 열적 성장법, 증착법(예를 들어, 화학 기상 증착법(PECVD)) 등의 공정에서 제2 도전형 불순물을 포함하는 물질을 주입하여 미세 결정질, 비정질, 다결정 반도체를 형성하면서 제2 도전형 불순물을 도핑할 수도 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 방법에 의하여 반도체층(30)이 형성될 수 있다.
이어서, 도 3c에 도시한 바와 같이, 불순물층(20) 위에 불순물 영역(120)에 대응하는 영역을 노출하는 개구부(200a)를 가지는 마스크층(200)을 형성한다. 마스크층(200)은 다양한 감광 레지스트 등을 포함하는 층을 도포하여 형성할 수 있다. 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 방법에 의하여 마스크층(200)을 형성할 수 있다.
이어서, 도 3d에 도시한 바와 같이, 마스크층(200)의 개구부(200a)에 대응하는 부분에서 불순물층(20), 터널링층(30) 및 배리어층(22)을 제거하여 개구부(20c, 30c)를 형성한다. 해당 부분의 불순물층(20) 및 터널링층(30)을 제거하는 방법으로는 알려진 다양한 방법(일례로, 식각 등)을 이용할 수 있다. 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
이어서, 도 3e에 도시한 바와 같이, 제1 도전형 불순물을 도핑하여 개구부(20c, 30c)에 해당하는 영역에 불순물 영역(120)을 형성한다. 이때, 도핑 방법으로는 이온 주입법, 열 확산법 등의 다양한 방법을 사용할 수 있다.
마스크층(200)은 제1 도전형 불순물을 도핑한 후에 제거되는 것도 가능하나, 일반적으로는 마스크층(200)에 의한 오염 등을 방지할 수 있도록 개구부(20c, 30c)를 형성한 다음 불순물 영역(120)의 형성을 완료하기 전(일례로, 활성화 열철 ㅣ전)에 제거된다. 그러면, 배리어층(22)이 일종의 마스크와 같이 작용하여 제1 도전형 불순물이 불순물층(20)에 혼입되는 것을 방지한다. 또한, 배리어층(22)의 존재에 의하여 제1 도전형 불순물이 반도체 기판(10) 내부로 좀더 잘 확산될 수 있는 효과도 함께 가질 수 있다.
이어서, 도 3f에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(10)의 전면 쪽에 전면 전계층(130)을 형성하고, 그 위에 반사 방지막(50)을 형성한다. 전면 전계층(130)은 제1 도전형 불순물을 도핑하여 형성될 수 있다. 일례로, 이온 주입법, 열 확산법 등의 다양한 방법에 의하여 제1 도전형 불순물을 반도체 기판(10)에 도핑하여 전면 전계층(130)을 형성할 수 있다. 반사 방지막(50)은 진공 증착법, 화학 기상 증착법, 스핀 코팅, 스크린 인쇄 또는 스프레이 코팅 등과 같은 다양한 방법에 의하여 형성될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 방법이 적용될 수 있다.
이어서, 도 3g에 도시한 바와 같이, 불순물 영역(120) 및 불순물층(20)에 각기 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 전극(42, 44)을 형성한다.
배리어층(22)에 개구부를 형성하고 개구부 내에 도금법, 증착법 등의 다양한 방법으로 제1 전극(42)을 형성할 수 있다. 또는, 제1 전극 형성용 페이스트를 배리어층(22) 상에 각기 스크린 인쇄 등으로 도포한 후에 파이어 스루(fire through) 또는 레이저 소성 컨택(laser firing contact) 등을 하여 상술한 형상의 제1 전극(42)을 형성하는 것도 가능하다. 이 경우에는 별도로 개구부를 형성하는 공정을 추가하지 않아도 된다. 제2 전극(44)도 도금법, 증착법 등의 다양한 방법에 의하여 반도체 기판(10) 위(좀더 정확하게는, 불순물 영역(120) 위)에 형성될 수 있다.
이러한 제조 방법에 의하면, 불순물 영역(120)을 형성할 때 터널링층(30), 불순물층(20) 및 배리어층(22)을 마스크와 같이 사용하여 별도의 마스크 공정을 추가하지 않아도 되는 장점이 있다.
상술한 실시예에서는 터널링층(30), 불순물층(20) 및 배리어층(22)을 형성한 다음 불순물 영역(120)을 형성하고, 그 후에 전면 전계층(130) 및 반사 방지막(50)을 형성하한 다음, 제1 및 제2 전극(24, 34)을 형성하는 것을 예시하였다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 터널링층(30), 불순물층(20), 배리어층(22), 불순물 영역(120), 전면 전계층(130), 반사 방지막(50), 그리고 제1 및 제2 전극(42, 44)의 형성 순서는 다양하게 변형될 수 있다.
태양 전지(100)의 제조 방법의 다른 예를, 도 4a 내지 도 4i를 참조하여 상세하게 설명한다. 위에서 설명한 내용에 대해서는 상세한 내용을 생략하고 서로 다른 부분에 대해서만 상세하게 설명한다.
도 4a 내지 도 4i는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 도시한 단면도들이다.
먼저, 도 4a에 도시한 바와 같이, 기판을 준비하는 단계에서는 제1 도전형 불순물을 가지는 베이스 영역(110)으로 구성되는 반도체 기판(10)을 준비한다.
이어서, 도 4b 및 도 4c에 도시한 바와 같이, 개구부(202a)를 가지는 마스크(202)를 이용하여 반도체 기판(10)의 후면 쪽에 불순물 영역(20)을 형성한다. 마스크(202)를 놓은 상태에서 반도체 기판(10)의 후면 쪽에서 제1 도전형 불순물을 도핑하여 개구부(202a)에 해당하는 부분에 불순물 영역(120)을 형성한다. 이때, 마스크(202)는 반도체 기판(10) 위에 놓여지는 마스크로서, 일례로, 쉐도우 마스크(shadow mask) 등일 수 있다.
이어서, 도 4d에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(10)의 후면에 터널링층(30) 및 불순물층(20)을 형성한다. 이때, 불순물층(20) 위에 추가적으로 배리어층(22)을 더 형성할 수 있다.
이어서, 도 4e에 도시한 바와 같이, 불순물층(20) 위에 불순물 영역(120)에 대응하는 영역을 노출하는 개구부(200a)를 가지는 마스크층(200)을 형성한다.
이어서, 도 4f에 도시한 바와 같이, 마스크층(200)의 개구부(200a)에 대응하는 부분에서 불순물층(20), 터널링층(30) 및 배리어층(22)을 제거하여 개구부(20c, 30c)를 형성한다.
이어서, 도 4g에 도시한 바와 같이, 마스크층(200)을 제거한다.
이어서, 도 4h에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(10)의 전면 쪽에 전면 전계층(130)을 형성하고, 그 위에 반사 방지막(50)을 형성한다.
이어서, 도 4i에 도시한 바와 같이, 불순물 영역(120) 및 불순물층(20)에 각기 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 전극(42, 44)을 형성한다.
이와 같은 태양 전지(100)의 제조 방법에 의하면 상술한 구조의 태양 전지(100)을 간단한 공정에 의하여 쉽게 제조할 수 있다. 그러나 상술한 바와 같이 구체적인 순서 및 방법은 다양하게 변형될 수 있다.
이하, 도 5 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 다른 실시예들에 따른 태양 전지를 좀더 상세하게 설명한다. 상술한 실시예와 동일 또는 유사한 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략하고 서로 다른 부분을 상세하게 설명한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이고, 도 6은 도 5에 도시된 태양 전지의 후면 평면도이다. 좀더 간략한 도시를 위하여 도 6에서는 절연층(24)의 도시를 생략한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 실시예에서 불순물 영역(120)은, 제1 전극(42)에 연결되는 복수의 제1 영역(120c)을 포함하고, 복수의 제1 영역(120c)이 아일랜드(island) 형상을 가질 수 있다. 그러면, 불순물 영역(120)의 면적을 최소화하면서도 반도체 기판(10)에 전체적으로 불순물 영역(120)이 위치하도록 할 수 있다. 즉, 불순물 영역(120)에 의하여 표면 재결합을 효과적으로 방지하면서도 불순물층(34)의 면적을 최대화할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 불순물 영역(120)이 불순물 영역(120)의 면적을 최소화할 있는 다양한 형상을 가질 수 있음은 물론이다.
또한, 도면에서는 불순물 영역(120)이 원형의 형상을 가지는 것을 예시하였으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 불순물 영역(120)이 각기 타원형, 또는 삼각형, 사각형, 육각형 등의 다각형의 평면 형상을 가질 수도 있음은 물론이다.
이때, 불순물 영역(120)의 폭 또는 직경이 50㎛ 내지 1000㎛일 수 있다. 불순물 영역(120)의 폭 또는 직경이 50㎛ 미만인 경우에는 제1 전극(42)과의 전기적 연결이 원활하게 이루어지기 어려울 수 있고, 1000㎛를 초과하는 경우에는 불순물층(20)의 면적이 줄어들거나 불순물 영역(120) 사이의 피치가 커질 수 있다. 제1 전극(42)과의 연결, 면적 비율 등을 좀더 고려하면 불순물 영역(120)의 폭 또는 직경이 100㎛ 내지 500㎛일 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 상황에 따라 구체적인 수치가 달라질 수 있다.
불순물층(20)은 전체적으로 연결된 일체의 구조를 가지면서 제1 영역(120c)에 대응하는 부분에서 개구부(20d)를 가질 수 있다. 이와 유사하게 터널링층(30)도 전체적으로 연결된 일체의 구조를 가지면서 제1 영역(120c)에 대응하는 부분에서 개구부(30d)를 가질 수 있다. 배리어층(22)을 구비하는 경우에는 배리어층(22)에도 해당 부분에 개구부가 형성된다. 불순물층(20) 및 터널링층(30)의 개구부(20d, 30d)는 제1 영역(120c)보다 큰 면적을 가지고 제1 영역(120c)이 개구부(20d, 30d) 내에 전체적으로 위치할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 다양한 변형이 가능함은 물론이다.
불순물 영역(120)을 포함하는 반도체 기판(10) 및 불순물층(20)(또는, 배리어층(22))의 위에 불순물 영역(120)과 불순물층(20)의 절연을 위한 절연층(24)이 형성될 수 있다. 절연층(24)에는 제1 전극(42)과 불순물 영역(120)의 제1 영역(120c)의 연결을 위한 제1 컨택 홀(24a)과, 제2 전극(44)과 불순물층(20)의 연결을 위한 제2 컨택 홀(24b)이 형성될 수 있다. 이때, 제1 컨택 홀(24a)은 제1 영역(120c)에 대응하도록 아일랜드 형상을 가지면서 형성될 수 있고, 제2 컨택 홀(24b)은 제2 전극(44)의 형상에 따라 전체적으로 제2 전극(44)과 동일 또는 유사한 형상을 가질 수 있다. 즉, 제2 컨택 홀(24b)이 줄기부(44a)와 가지부(44b)에 대응하는 부분을 구비할 수 있다. 이와 같이 제1 컨택 홀(24a)과 제2 컨택 홀(24b)이 아일랜드 영역의 불순물 영역(120) 및 전체적으로 연결된 불순물층(20)의 형상을 고려하여 서로 다른 형상을 가질 수 있다. 이에 의하여 제1 전극(42)과 아일랜드 형상의 불순물 영역(120)의 전기적인 연결이 잘 이루어지도록 하면서 제1 전극(42)과 불순물층(20) 사이의 절연이 안정적으로 유지될 수 있다. 그리고 제2 전극(44)은 불순물층(20)과 전체적으로 접촉하도록 하여 캐리어 수지 효율을 향상할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 제1 및 제2 컨택 홀(24a, 24b)의 형상 등은 달라질 수 있다.
본 실시예에서는 제1 전극(42)이 도 1의 실시예와 동일한 형상을 가지는 것을 예시하였으나, 제1 전극(42)의 형상 등이 다양하게 변형될 수 있다. 도 7을 참조하여 일 변형예를 설명한다.
도 7은 본 발명의 변형예에 따른 태양 전지를 도시한 후면 평면도이다.
도 7를 참조하면, 제1 전극(42)의 가지부(42b)는, 불순물 영역(120)의 제1 영역(120c)에 대응하는 복수의 제1 부분(421b)와, 복수의 제1 부분(421b)을 연결하면서 제1 부분(421b)보다 작은 폭을 가지는 제2 부분(422b)를 포함할 수 있다. 즉, 제1 영역(120c)에 대응하는 제1 부분(421b)을 폭을 다른 부분보다 크게 하여, 각 제1 영역(120c)의 면적, 또는 제1 전극(42)과 제1 영역(120c)을 연결하는 각 컨택홀(24)의 면적을 충분하게 확보할 수 있다. 이에 의하여 제1 전극(42)과 제1 영역(120c)의 전기적 연결을 좀더 원활하게 할 수 있다.
상술한 도 5 내지 도 7의 태양 전지(100)를 제조하는 방법을 도 8a 내지 도 8c를 참조하여 상세하게 설명한다. 도 3a 내지 도 3g, 그리고 도 4a 내지 도 4i 등을 참조하여 설명한 부분과 동일 또는 유사한 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략하고, 서로 다른 부분에 대하여 설명한다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 도시한 단면도들이다.
도 8a에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(10)에 불순물 영역(120)을 형성하고, 반도체 기판(10) 상에 개구부(30d, 20d)를 구비하는 터널링층(30), 불순물층(20) 및 배리어층(22)을 형성한다.
이어서, 도 8b에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(10), 터널링층(30), 불순물층(20) 및 배리어층(22)을 덮으면서 전체적으로 절연층(24)을 형성한다. 절연층(24)은 절연 특성을 가지는 다양한 물질(예를 들어, 산화물, 질화물 등)을 포함할 수 있으며, 진공 증착법, 화학 기상 증착법, 스핀 코팅, 스크린 인쇄 또는 스프레이 코팅 등과 같은 다양한 방법에 의하여 형성될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 방법이 적용될 수 있다.
이어서, 도 8c에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(110)의 전면에 전면 전계층(130) 및 반사 방지막(50)을 형성한다. 그리고 제1 컨택 홀(24a) 및 제2 컨택 홀(24b)에 의하여 각기 불순물 영역(120) 및 불순물층(20)에 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 전극(42, 44)을 형성한다.
이와 같은 제조 방법에 의하여 상술한 구조의 태양 전지(100)을 쉽게 간단하게 형성할 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양 전지를 도시한 단면도이다.
도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 태양 전지에서는 반도체 기판(10)이 베이스 영역(110)으로만 이루어지고 별도의 전면 전계층(도 1의 참조부호 130, 이하 동일)이 형성되지 않는다. 대신, 반도체 기판(10)의 베이스 영역(110)에 접촉하며 고정 전하(fixed charge)를 가지는 전계 효과 형성층(52)이 형성된다. 이러한 전계 효과 형성층(52)은 전면 전계층(130)과 같이 일정한 전계 효과를 발생시켜 표면 재결합을 방지할 수 있도록 한다. 이러한 전계 효과 형성층(52)은 음전하를 가지는 알루미늄 산화물, 양전하를 가지는 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 등으로 구성될 수 있다. 도면에 별도로 도시하지는 않았지만 전계 효과 형성층(52) 위에 별도의 반사 방지막(도 1의 참조부호 50)이 더 형성될 수 있다.
이와 같이 본 실시예에서는 반도체 기판(10)에 형성되는 도핑 영역의 면적을 크게 줄여 공정을 단순화할 수 있다. 또한, 도핑 영역의 형성 시 발생될 수 있는 반도체 기판(10)에 손상을 효과적으로 거감시킬 수 있다.
여기서, 전계 효과 형성층(52)의 고정 전하의 양은, 일례로, 1 X 1012 개/cm2 내지 9 X 1013 개/cm2 일 수 있다. 이러한 고정 전하의 양은 도핑 영역을 구비하지 않는 반도체 기판(10)에 전계 효과를 발생시킬 수 있는 양이다. 전계 효과를 좀더 고려하면, 고정 전하의 양이 1 X 1012 개/cm2 내지 1 X 1013 개/cm2일 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 고정 전하의 양이 변화될 수 있음은 물론이다.
이때, 도핑 영역이 형성되지 않은 베이스 영역(110)의 비저항이 0.5 ohmㆍcm 내지 20 ohmㆍcm(일례로, 1 ohmㆍcm 내지 15 ohmㆍcm)일 수 있다. 이에 따라 전계 효과 형성층(52)에 인접한 부분에서 반도체 기판(10)의 비저항이 0.5 ohmㆍcm 내지 20 ohmㆍcm(일례로, 1 ohmㆍcm 내지 15 ohmㆍcm)일 수 있다. 그러나 이러한 비저항은 인(P)을 불순물로 사용하는 n형 베이스 영역(110)을 포함하는 반도체 기판(10)의 경우를 예시로 한 것인바, 도전형, 불순물의 종류 등에 따라 달라질 수 있다.
상술한 바에 따른 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 반도체 기판
110: 베이스 영역
120: 불순물 영역
130: 전면 전계층
20: 불순물층
30: 터널링층

Claims (1)

  1. 베이스 영역 및 불순물 영역을 포함하는 반도체 기판;
    상기 반도체 기판 위에 형성되며 상기 불순물 영역과 다른 도전형을 가지는 불순물층;
    상기 불순물층과 상기 반도체 기판 사이에 위치하는 터널링층;
    상기 불순물 영역에 연결되는 제1 전극; 및
    상기 불순물층에 연결되는 제2 전극
    을 포함하고,
    상기 베이스 영역과 상기 불순물 영역이 서로 동일한 도전형을 가지며 상기 베이스 영역의 도펀트 농도보다 상기 불순물 영역의 도펀트 농도가 높은 태양 전지.
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