KR20170143074A - 양면 수광형 실리콘 태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양면 수광형 실리콘 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 터널링층 후면에 패터닝된 패시베이션층을 포함하는 양면 수광형 실리콘 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

Description

양면 수광형 실리콘 태양전지 및 그 제조 방법 {BIFACIAL SILICON SOLAR CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 양면 수광형 실리콘 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 터널링층 후면에 패터닝된 패시베이션층을 포함하는 양면 수광형 실리콘 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 환경문제와 에너지 고갈에 대한 관심이 높아지면서, 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 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양빛(photons)을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지로 나눌 수 있다.
그 중에서도 흡수된 광자에 의해 생성된 전자와 정공을 이용함으로써 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는　태양광 전지에 대한연구가 활발히 행해지고 있다.
이러한 태양광 전지(이하에서는 "태양전지"로 지칭함)의 대표적인 예인 실리콘 태양전지는 다결정 실리콘 혹은 단결정 실리콘의 광전 변환 효과를 이용하여 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것이다.
보다 구체적으로, 태양전지는 태양광이 다결정 혹은 단결정 실리콘 태양전지 내에 입사되면 정공과 전자가 발생되고, 발생된 정공과 전자는 각각 전극을 통해 포집되어 전기 에너지를 발생시키는 원리를 이용한다.
실리콘 태양전지는 광전 효과를 발생시키기 위하여 제1 도전형 실리콘층과 제2 도전형 실리콘층을 포함하는 실리콘 태양전지 모체와, 정공과 전자를 포집하기 위하여 제1 도전형 실리콘층과 제2 도전형 실리콘층 각각에 연결되는 전극들이 포함된다. 많은 예의 경우 제1 도전형 실리콘 기판에 제2 도전형 도펀트를 도핑하여 제2 도전형 실리콘층을 형성하고 있다.
실리콘 태양전지는 일반적으로 제1 도전형 실리콘층에 전기적으로 연결되는 제1 전극과 제2 도전형 실리콘층에 전기적으로 연결되는 제2 전극을 포함하고, 2개의 전극 중 하나는 태양전지의 전면에 형성되고, 다른 하나는 태양전지의 후면에 형성된다.
일반적인 태양전지는 전면에서 태양광을 흡수하여 전기를 생산하는데, 전면에 형성되는 전극으로 인해 태양광 흡수 영역을 그만큼 감소되거나 지면에서 반사되는 광을 수광하기는 어려운 문제가 있다.
이에 반해, 양면 수광형 태양전지는 태양전지의 전/후면 모두에서 태양광을 흡수하여 전기를 생산하기 때문에 형성되는 전류가 높아 보다 많은 전기를 생산할 수 있다.
이러한 양면 수광형 태양전지의 이점을 살려, 보다 높은 수광 효율과 제조과정에서 우수한 내구성을 갖는 양면 수광형 태양전지 구조에 대한 연구가 진행되고 있다.
본 발명은 실리콘 기판의 양면을 모두 활용하고 후면에 터널링층을 형성함으로써 우수한 터널링 효과 및 향상된 전지 효율을 갖는 양면 수광형 실리콘 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 후면 접합부에 패턴화된 패시베이션층을 구비함으로써 높은 개방 전압을 갖는 양면 수광형 실리콘 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 후면 접합부에 패턴화된 패시베이션층을 구비함으로써 모듈 제작 과정에서 터널링층과 실리콘층의 분리 현상을 줄인 양면 수광형 실리콘 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 에너지 변환 효율이 향상되고 전지 특성이 우수한 양면 수광형 실리콘 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여,
본 발명의 일 측면에 따른 양면 수광형 실리콘 태양전지는 실리콘 기판, 상기 실리콘 기판의 전면에 위치하는 제1 도전형 반도체층, 상기 실리콘 기판의 후면에 위치하는 터널링층, 상기 터널링층의 후면에 위치하며, 상기 터널링층의 일부를 노출시키는 복수의 개구부를 정의하는 패시베이션층, 상기 패시베이션층의 후면 및 상기 개구부에 위치하는 실리콘층, 상기 실리콘층의 후면에 위치하는 제2 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층에 연결되는 제1 전극 및 상기 제2 도전형 반도체층에 연결되는 제2 전극을 포함할 수 있다.
특히, 상기 실리콘층은 상기 개구부를 통해서만 상기 터널링층과 접하기 때문에 실리콘층과 터널링층의 상대적으로 낮은 접착력을 통해 발생되는 문제를 해결할 수 있다.
또한, 상기 복수의 개구부를 통해 노출된 면적은 상기 실리콘 기판의 후면 면적의 10 내지 50%일 수 있고, 실리콘층과 터널링층의 접속 영역 및 비접속 영역을 모두 포함함으로써 패시베이션 성능을 극대화시켜 개방 전압값을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 양면 수광형 실리콘 태양전지 제조방법은 실리콘 기판의 후면에 터널링층을 형성하는 단계, 상기 터널링층의 후면에 패시베이션층을 형성하는 단계, 상기 패시베이션층의 일부를 제거하여, 상기 터널링층의 일부를 노출시키는 복수의 개구부를 형성하는 단계, 상이기 패시베이션층의 후면 및 상기 개구부에 실리콘층을 형성하는 단계, 상기 실리콘 기판의 전면에 제1 도전형 반도체층, 상기 실리콘 기판 후면의 상기 실리콘층에 제2 도전형 반도체층을 형성하는 단계 및 상기 제1 도전형 반도체층에 연결되는 제1 전극, 상기 제2 도전형 반도체층에 연결되는 제2 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
전술한 방법을 통하여, 본 발명은 에너지 변환 효율이 향상되고 전지 특성이 우수한 양면 수광형 실리콘 태양전지를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 양면 수광형 실리콘 태양전지는 실리콘 기판의 양면을 활용하여 수광 면적이 넓고 후면 터널 접합 구조를 갖기 때문에 발전 효율 및 수명 특성이 우수한 장점이 있다.
또한, 상기 태양전지는 후면 터널 접합 구조에서 패턴화된 패시베이션층을 포함함으로써 높은 개방 전압값 및 우수한 패시베이션 효과가 있다.
아울러, 본 발명에 따른 양면 수광형 실리콘 태양전지를 모듈화하는 경우, 제조 공정상 안정성이 뛰어날 뿐만 아니라, 모듈에서의 에너지 변환 효율이 높은 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 양면 수광형 실리콘 태양전지를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 측면에 따른 양면 수광형 실리콘 태양전지를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 측면에 따른 양면 수광형 실리콘 태양전지를 개략적으로 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 후술하는 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 구성요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 양면 수광형 실리콘 태양전지 및 그 제조방법에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 양면 수광형 실리콘 태양전지를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 양면 수광형 실리콘 태양전지는 실리콘 기판(110), 터널링층(120) 및 실리콘층(140)을 포함하고, 터널링층(120)과 실리콘층(140)사이에는 패시베이션층(130)이 구비된 특징이 있다.
또한, 상기 실리콘 기판(110)의 전면에는 제1 도전형 반도체층(151), 상기 실리콘 기판의 후면의 실리콘층(140) 후면에는 제2 도전형 반도체층을 포함하며, 각각에 연결되는 제1 전극(201) 및 제2 전극(202)를 포함한다.
이 때, 상기 제 1 도전형은 제 2 도전형의 반대 도전형이다.
상기 실리콘 기판(110)은 실리콘을 포함하는 기판으로, n형 도전성 타입의 도펀트를 함유하는 결정질 실리콘 기판일 수 있고, 혹은 p형 실리콘 기판일 수 있다. 이때, 실리콘은 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘일 수 있다.
또한, 실리콘 기판(110)은 실리콘 산화물층, 폴리실리콘층, 비정질 실리콘층 등이 형성된 기판이 될 수도 있다.
한편, 실리콘 기판(110)의 후면에는 터널링층(120)이 구비될 수 있다. 터널링층(120)은 실리콘 기판의 계면 특성을 향상시키면서 생성된 캐리어가 터널링 효과에 의해 원활하게 전달되도록 할 수 있다.
구체적으로, 터널링층(120)은 전자 및 정공에 대하여 장벽 역할을 하여, 소수 캐리어(minority carrier)는 통과되지 않도록 하면서 터널링층(120)에 인접한 구역에서 축적되어 일정 이상의 에너지를 갖는 다수 캐리어 (majority carrier)만이 통과되도록 한다.
이 때, 일정 이상의 에너지를 갖는 다수 캐리어는 터널링 효과에 의해 터널링층(120)을 용이하게 통과할 수 있고, 제2 도전형 반도체층(152) 형성시, 제2 도전형 도펀트가 실리콘 기판으로 확산되는 것을 방지하는 배리어로서의 역할을 수행할 수 있다.
이러한 터널링층(120)은 캐리어가 터널링될 수 있는 다양한 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 금속 산화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 물질을 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속 산화물은 알루미늄 산화물인 것이 가장 바람직하며, 실리콘 산화 질화물, 진성 비정질 실리콘, 진성 다결정 실리콘 등도 포함될 수 있다.
상기 터널 절연층(120)은 각종 증착 방식, 화학적 산화 방식 등으로 별도의 패터닝 없이 용이하게 형성될 수 있고, 실리콘 기판의 후면에 전체적으로 형성됨으로써 실리콘 기판 후면의 계면 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 터널링층(120)은 1 내지 2nm 두께인 것이 캐리어의 통과 측면에서 가장 바람직하다. 통상적인 절연층의 경우, 캐리어가 통과할 수 없으나, 1 내지 2nm 정도의 매우 얇은 두께의 터널링은, 터널링 효과에 의해 캐리어가 통과할 수 있으면서도 실리콘 기판으로 제2 도전형 도펀트의 유입을 방지할 수 있다.
상기 터널링층(120)후면에 패시베이션층(130)이 구비될 수 있다. 상기 패시베이션층(130)은 일층 또는 다층 구조일 수 있고, 실리콘 질화물층, 실리콘 탄화물층 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것이 가장 바람직하다.
구체적으로, 상기 패시베이션층(130)은 패터닝된 구조를 가져 상기 터널링층(120)의 일부를 노출시키는 복수의 개구부를 정의한다.
즉, 패시베이션층(130)은 터널링층(120) 후면을 전체로서 덮는 구조가 아니고 그 일부에 구비되어, 터널링층(120)의 일부 영역을 패시베이션하는 효과를 가진다.
한편, 도 2를 참조하면, 상기 패시베이션층 후면에 터널링층을 더 포함하여 패시베이션층이 형성됨으로써 저하될 수 있는 터널링 효과를 보강할 수 있다.
이러한 패시베이션층(130) 및 이로 인해 정의되는 개구부 구조는 후에 형성되는 실리콘층(140)과 터널링층(120)의 접촉 면적을 감소시켜 수광 효율 및 모듈화 공정시 제품 안정성을 높일 수 있다.
구체적으로, 패시베이션층(130)이 터널링층(120)의 전체 면적 중 50 내지 90%의 면적을 성막함으로써, 실리콘층과 터널링층의 접촉 영역이 10 내지 50%로 구현될 수 있다.
즉, 상기 복수의 개구부를 통해 노출된 면적은 상기 실리콘 기판의 후면 면적의 10 내지 50%이고, 바람직하게는 20 내지 30%일 수 있는 바 이는 패시베이션 효과 및 터널링 효과 두 측면을 고려할 때 가장 최적화된 구조이다.
또한, 터널링 효과를 보강하기 위하여 상기 복수의 개구부를 통해 노출된 영역은 추가적 터널링층을 포함할 수 있고, 따라서 패시베이션층 전면의 터널링층에 비하여 개구부에 구비된 터널링층의 두께가 더 두꺼울 수 있다.
또한, 상기 패시베이션층(130)의 후면 및 상기 개구부에 실리콘층(140)이 구비될 수 있다. 상기 실리콘층(140)은 전면에 배치된 실리콘 기판(110)과 반대되는 도전성 타입으로 형성된다.
상기 실리콘층(140)은 폴리실리콘 또는 비정질 실리콘으로 형성된 후 도핑 과정에서 인가되는 열에 의해 결정화된 마이크로 크리스탈 실리콘(μc-Si)으로 이루어질 수 있다. 폴리실리콘 또는 마이크로 크리스탈 실리콘의 경우 캐리어의 이동이 가능하기 때문에, 태양전지 구동효율에 영향을 미치지는 않는다.
이러한 실리콘층(140)은 30 내지 500nm 정도의 두께로 구비될 수 있고, 이에 따라 안정적으로 제2 도전형 도펀트를 포함하여 제2 도전형 반도체층(152)를 구비할 수 있다.
특히, 상기 실리콘층(140)은 상기 개구부를 통해 상기 터널링층(120)과 접할 수 있는데, 상기 터널링층(120)과 상기 실리콘층(140)이 부분적으로 접속됨으로써 패시베이션 성능이 극대화될 수 있어 소자의 개방전압값을 높이는 효과가 있다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판의 전면에 제1 도전형 반도체층(151)은 위치하며, 실리콘 기판의 후면의 실리콘층(140) 후면에 제2 도전형 반도체층(152)이 구비될 수 있다.
예를 들어, 제1 도전형 반도체층(151)에는 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb), 비스무스(Bi) 등과 같은 5가 원소의 n형 도펀트가 포함되고, 제2 도전형 반도체층(152)에는 붕소(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등과 같은 3가 원소의 p형 도펀트가 포함될 수 있다.
이러한 도전형 반도체층들은 열 확산법, 기체 확산법, 레이저 화학공정, 또는 도펀트를 포함한 용액 또는 페이스트 도포에 이은 레이저 조사 공정을 통해 형성할 수 있다.
또한, 제1 도전형 반도체층(151)에 p형 도펀트가 포함되고, 제2 도전형 반도체층(152)에 n형 도펀트가 포함될 수 있다. 한편, 제1 도전형 반도체층(151) 및 제2 도전형 반도체층(152) 각각에 포함되는 도펀트 농도가 실리콘 기판(110)에 포함되는 도펀트 농도보다 더 높을 수 있다.
제1 전극(201)은 제1 도전형 반도체층(151)에, 제2 전극(202)은 제2 도전형 반도체층(152)에 전기적, 물리적으로 연결되며, 각각의 전극(201, 202)은 다양한 금속 물질을 포함할 수 있다.
또한, 제1 전극(201) 및 제2 전극(202)는 서로 전기적으로 연결되지 않으면서 제1 도전형 반도체층(151) 및 제2 도전형 반도체층(152)에 각각 연결되어 생성된 캐리어를 수집하여 외부로 전달할 수 있는 다양한 평면 형상을 가질 수 있다.
한편, 상기 기판의 전면에 진성(intrinsic) 영역이 형성될 수 있다. 즉, 본원 발명에 따른 태양전지는 제1 도전형 반도체층이 기판에 직접 맞닿아 있지 않는 구조가 될 수 있다.
이와 같이 기판 전면부에 비정질 실리콘으로 이루어진 진성영역이 존재함으로써, 기판 내부로 제1 도전형 도펀트가 도핑되지 않을 수 있어 개방전압, 열적 안정성 및 장기 신뢰성을 보다 높일 수 있다.
　또한, 상기 제1 전극(201) 및 상기 제2 전극(202)은 일정한 패턴을 가지면서 형성되어 반사 등에 의하여 태양전지로 입사되는 광을 이용하여 광전 변환을 수행할 수 있다. 따라서, 태양전지에서 사용되는 광량을 최대화할 수 있고, 태양전지의 효율을 효과적으로 형성할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 양면 수광형 실리콘 태양전지는, 전면 혹은 후면으로부터 입사되는 태양광에 의해 실리콘 기판(110)에서 생성되는 전자 및 정공 중 어느 하나는 실리콘 기판 전면의 제1 도전형 반도체층(151)으로 이동하고, 다른 하나는 터널링층(120)을 통과하여 실리콘 기판 후면의 제2 도전형 반도체층(152)으로 이동하여, 각각의 전극(201, 202)에 포집된다.
이러한 구조를 통하여, 전면 및 후면 모두에서 수광이 가능하며, 수광에 의해 실리콘 기판(110)에서 발생하는 전자 및 정공을 각각의 반도체층(151, 152)으로 효과적으로 이동시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 양면 수광형 실리콘 태양전지는 상기 제1 도전형 반도체층의 전면 또는 상기 제2 도전형 반도체층의 후면에 캡핑층을 더 구비할 수 있다.
이러한 캡핑층은 패시베이션 효과를 높여 결과적으로 태양전지의 수광 효율을 높일 수 있다.
구체적으로, 상기 캡핑층은 단일층 또는 다층구조일 수 있고, 실리콘 산화물층, 실리콘 질화물층, 수소 함유 실리콘 질화물층, 실리콘 산화 질화물층, 알루미늄 산화물층 등일 수 있고, 실리콘 실리콘 질화물층, 알루미늄 산화물층 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것이 가장 바람직하다.
한편, 전면 캡핑층은 제1 도전형 반도체층(151) 전면에 위치하는 알루미늄 산화물층(171)과 알루미늄 산화물층(171) 전면에 위치하는 실리콘 질화물층(161)을 포함하는 다층 구조이다.
아울러, 후면 캡핑층은 제2 도전형 반도체층(152) 후면에 위치하는 실리콘 질화물층(162)과, 실리콘 질화물층(162) 후면에 위치하는 알루미늄 산화물층(172)을 포함하는 다층 구조인 것이 수광 효율 측면에서 보다 바람직하다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따라 전면에 위치하는 제1 도전형 반도체층(151)이 붕소(B) 등의 불순물을 가진 경우에는 (+) 전하(charge)를 가지게 되며, 제2 도전형 반도체층(152)이 인(P) 등의 불순물을 가진 경우에는 (-) 전하(charge)를 가지게 된다.
이 각각의 반도체층(151, 152)에 인접하여 형성되는 캡핑층이 본 발명의 일 실시예와 같이 복수의 층으로 형성되는 경우, 각 캡핑층은 이웃한 반도체층의 전하와 반대의 전하로 구성되는 것이 패시베이션 효과 및 전지 성능을 보다 향상시킬 수 있다.
즉, 전면의 제1 도전형 반도체층이 P형((+) 전하)일 경우, (-) 전하를 가진 알루미늄 산화층(171)이 이웃하게 되어야 바람직하며, 후면의 제2 도전형 반도체층이 N 형((-) 전하)일 경우, (+) 전하를 가진 실리콘 질화물층(162)이 이웃하게 되는 것이 보다 바람직하다.
한편, 전면 캡핑층의 알루미늄 산화물층(171) 및 후면 캡핑층의 알루미늄 산화물층(172)은 동시에 형성될 수 있다.
또한, 상기 실리콘 기판(110)의 전면 및 후면 중 적어도 일면에 요철 패턴이 형성될 수 있다. 도 1 및 2는 실리콘 기판(110)의 전면에 요철 패턴이 형성된 경우이고, 도 3은 실리콘 기판(110)의 전면 및 후면 모두에 요철 패턴이 형성된 경우이다.
아울러, 실리콘 기판의 후면에도 요철 패턴이 형성되어 있을 수 있다. 이러한 요철 패턴은 이른바 텍스쳐링 공정에 의해 형성될 수 있다. 이러한 요철 패턴은 태양전지에 입사하는 광의 반사를 억제하여, 수광 효율을 높일 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 양면 수광형 실리콘 태양전지 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 실리콘 기판의 후면에 터널링층을 형성하는 단계, 상기 터널링층의 후면에 패시베이션층을 형성하는 단계, 상기 패시베이션층의 일부를 제거하여, 상기 터널링층의 일부를 노출시키는 복수의 개구부를 형성하는 단계, 상이기 패시베이션층의 후면 및 상기 개구부에 실리콘층을 형성하는 단계, 상기 실리콘 기판의 전면에 제1 도전형 반도체층, 상기 실리콘 기판 후면의 상기 실리콘층에 제2 도전형 반도체층을 형성하는 단계 및 상기 제1 도전형 반도체층에 연결되는 제1 전극, 상기 제2 도전형 반도체층에 연결되는 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 양면 수광형 태양전지 제조방법을 제공할 수 있다.
실리콘 기판의 후면에 터널링층을 형성할 수 있고, 상기 터널링층은 실리콘 기판의 전면 및 측면에도 함께 형성될 수 있다.
상기 터널링층은, 열적 성장법, 증착법(예를 들어, 화학 기상 증착법, 원자층 증착법 등에 의하여 형성될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 터널링층은 다양한 방법에 의하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 터널링층의 후면에 패시베이션층을 형성하고, 진공 증착법, 화학 기상 증착법, 스핀 코팅, 스크린 인쇄 또는 스프레이 코팅 등과 같은 다양한 방법에 의하여 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 패시베이션층은 상기 터널링층의 후면에 실리콘 질화물층, 상기 실리콘 질화물층의 후면에 실리콘 탄화물층이 증착된 2층 구조로 구현될 수 있다.
이 후, 상기 패시베이션층의 일부를 제거하여, 상기 터널링층의 일부를 노출시키는 복수의 개구부를 형성할 수 있다.
구체적으로, 상기 패시베이션층을 식각 용액, 식각 페이스트 또는 레이저 등을 이용하여 패터닝하여, 터널링층의 후면 중 일부를 노출킨다.
이러한 패시베이션층 및 이로 인해 정의되는 개구부 구조는 후에 형성되는 실리콘층과 터널링층의 접촉 면적을 감소시켜 수광 효율 및 모듈화 공정 단계에서 제품 안정성을 높일 수 있다.
또한, 상기 패시베이션층의 패터닝은 상기 복수의 개구부를 통해 노출된 면적은 상기 실리콘 기판의 후면 면적의 10 내지 50%가 되도록 수행될 수 있다.
즉, 상기 개구부의 총 면적이 상기 범위로 구비되도록 패시베이션층을 패터닝함으로써, 패시베이션 효과 및 터널링 효과 양 측면을 모두 고려하여 전지 성능을 최적화시킬 수 있다.
상기 개구부는 다양한 패터닝 방법에 의하여 형성될 수 있는데, 예를 들어 레이저를 이용하여 원하는 형상 및 폭을 갖도록 구현할 수 있다.
다만, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며 포토 리소그라피, 식각 페이스트 등의 알려진 다양한 패터닝 방법이 적용될 수 있다.
또한, 상기 패시베이션층 패터닝 후 패시베이션층 및 개구부 후면에 터널링층을 한번 더 증착시킬 수 있다.
상기 패시베이션층의 후면 및 상기 개구부에 실리콘층이 형성될 수 있고, 이는 실리콘 기판의 전면에도 형성될 수 있다.
상기 실리콘층은 폴리 실리콘 증착 공정으로 형성될 수 있다. 다른 예로, 실리콘층은 비정질 실리콘으로 형성되며, 제2 도전형 반도체층을 형성하기 위한 도핑 과정에서 인가되는 500 내지 900℃ 정도의 열처리에 의해 결정화된 마이크로 크리스탈 실리콘(μc-Si)으로 될 수 있다.
이후, 실리콘층 후면에 마스크를 형성한 후, 실리콘 기판의 전면 및 측면에 형성된 터널링층과 전면 터널링층의 전면에 구비된 실리콘층을 제거할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 도전형 반도체층 형성 이전에, 텍스쳐링 공정을 통하여 실리콘 기판 전면의 표면에 요철 패턴을 형성할 수 있다.
실리콘 기판 전면의 표면 요철은 터널링층 형성 이전에도 형성될 수 있다. 또한, 실리콘 기판 후면의 표면에도 요철 패턴을 형성할 수 있고, 실리콘 기판 후면의 요철 패턴은 터널링층 형성 이전에도 형성될 수 있다.
예를 들어, 실리콘 기판의 전면만 텍스쳐링을 수행하는 경우 실리콘 기판의 후면 실리콘층에 마스크층을 형성한 후에 수행한다. 이를 통해, 발생할 수 있는 손상, 전지 특성 저하, 원하지 않는 산화막이난 반생성된 실리콘 기판의 전면 부분을 제거하는 역할도 할 수 있다.　
이러한 요철 패턴은 피라미드 등의 형태일 수 있으며, 이를 통해 표면 거칠기가 증가되기 때문에 태양전지에 입사하는 광의 반사를 억제하여, 수광 효율을 높일 수 있다.
이후, 상기 실리콘 기판의 전면에 제1 도전형 반도체층, 상기 실리콘 기판 후면의 상기 실리콘층에 제2 도전형 반도체층을 형성한다.
구체적으로, 상기 실리콘 기판의 전면에 제1 도전형 도펀트 함유층을 형성할 수 있다.
예를 들어, 제1 도전형 반도체층이 p형 반도체층일 경우, 제1 도전형 도펀트 함유층은 BSG(boro silicate glass)로 형성될 수 있다. 반대로, 제1 도전형 반도체층이 n형 반도체층일 경우, 제1 도전형 도펀트 함유층은 PSG(phospho silicate glass)로 형성될 수 있다.
이외에도 원하는 도전형의 도펀트가 도핑된 실리콘 탄화물, 원하는 도전형의 도펀트가 도핑된 비정질 실리콘 등으로 형성될 수 있다.
한편, 제1 도전형 반도체층을 증착하기 전에 기판의 전면에 비정질 실리콘층을 형성할 수 있다.
이와 같이 비정질 실리콘으로 이루어진 진성 영역을 기판 전면에 구비함으로써, 제1 도전형 도펀트가 기판 내부로 유입되지 않아 보다 높은 개방 전압과 열적 안정성을 얻을 수 있다.
이후, 제2 도전형 도펀트를 포함하는 가스 분위기에서 실리콘 기판의 전면 및 후면을 열처리한다.
예를 들어, 기체상의 POCl3, P2O5 및 PH3에서 하나 이상 선택된 물질인 제2 도전형 도펀트를 불활성 기체의 캐리어 가스와 혼합하여 공급하고, 800˚C 내지 900˚C의 온도로 열처리 하여 상기 제2 도전형 도펀트를 상기 실리콘층(140)에 도핑하여 제2 도전형 반도체층을 형성할 수 있다.
이로 이해, 실리콘 기판의 전면에서는 제1 도전형 도펀트가 확산되어 제1 도전형 반도체층이 형성되고, 실리콘 기판의 후면의 실리콘층 후면측에는 제2 도전형 도펀트가 확산되어 제2 도전형 반도체층이 형성될 수 있다.
즉, 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층은 동시에 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층을 형성하는 공정은, 상기 제1 도전형 반도체층 전면에 배리어층을 형성한 후, 제2 도전형 도펀트를 포함하는 가스 분위기에서 실리콘 기판의 후면을 열처리하여 제2 도전형 반도체층을 형성하는 단계 및 상기 배리어층을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은 제1 도전형 반도체층을 먼저 형성하고 나서 그 후에 제2 도전형 반도체층을 형성한다.
우선, 실리콘 기판의 전면에 제1 도전형 도펀트 함유층을 형성한다. 여기에 열처리를 수행하여, 실리콘 기판의 전면 측에 제1 도전형 도펀트를 확산시켜 제1 도전형 반도체층을 형성한 후, 제1 도전형 도펀트 함유층을 제거한다.
이후, 제1 도전형 반도체층 전면에 배리어층을 형성하여, 제2 도전형 반도체층을 형성하는 공정에서 제2 도전형 도펀트가 제1 도전형 반도체층에 유입되는 것을 방지한다. 상기 배리어층은 실리콘 산화물, 실리콘질화물, 실리콘탄화물 등으로 형성될 수 있다.
상기 배리어층 형성 후, 제2 도전형 도펀트를 포함하는 가스 분위기에서 열처리를 수행하여, 실리콘층의 후면에 제2 도전형 도펀트를 확산시켜 제2 도전형 반도체층을 형성하고, 배리어층을 제거한다.
이와 같이 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층을 형성한 이후, 상기 제1 도전형 반도체층의 전면 또는 상기 제2 도전형 반도체층의 후면에 캡핑층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층의 전면 및 상기 제2 도전형 반도체층의 후면에 캡핑층을 더 구비할 수 있다.
구체적으로, 상기 캡핑층은 단일층 또는 다층구조일 수 있고, 실리콘 산화물층, 실리콘 질화물층, 수소 함유 실리콘 질화물층, 실리콘 산화 질화물층, 알루미늄 산화물층 등일 수 있고, 실리콘 실리콘 질화물층, 알루미늄 산화물층 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인 것이 가장 바람직하다.
바람직한 예로, 실리콘 기판의 전면에 위치하는 제1 도전형 반도체층의 전면에 알루미늄 산화물층을 형성한 후, 알루미늄 산화물층 전면에 실리콘 질화물층을 형성하는 방법으로 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층의 후면에는 실리콘 질화물층을 형성한 후, 실리콘 질화물층 후면에 알루미늄 산화물층을 형성하는 방법으로 형성될 수 있다.
이러한 전면 캡핑층은 제1 도전형 반도체층 전면에 위치하는 알루미늄 산화물층과 알루미늄 산화물층 전면에 위치하는 실리콘 질화물층을 갖는 구조이고, 후면 캡핑층은 제2 도전형 반도체층 후면에 위치하는 실리콘 질화물층과, 실리콘 질화물층 후면에 위치하는 알루미늄 산화물층을 구비하는 구조인 것이 수광 효율 측면에서 보다 바람직하다.
한편, 전면 및 후면의 알루미늄 산화물층은 동시에 형성될 수 있고, 순차적으로도 형성될 수 있다.
이러한 캡핑층은 패시베이션 효과를 높여 결과적으로 태양전지의 수광 효율 및 전지 특성을 향상시킬 수 있다.
이후, 제2 도전형 반도체층에 연결되는 제2 전극을 형성하고, 제1 도전형 반도체층에 연결되는 제1 전극을 형성한다.
또한, 최종적으로 제1 전극 및 제2 전극을 형성하기 이전 혹은 제1 전극 및 제2 전극을 모두 형성한 후에, 기판의 패시베이션 성능 향상을 얻기 위하여, 500 내지 700?의 온도 범위에서 열처리를 통한 수소주입화 공정이 포함될 수 있다. 이러한 수소 주입화 공정은 또한 제1 전극 및 제2 전극의 열처리나 금속 실리사이드 형성에 이용될 수도 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
110: 실리콘 기판
120: 터널링층
130: 패시베이션층
140: 실리콘층
151, 151a: 제1 도전형 반도체층
152: 제2 도전형 반도체층
161, 162: 실리콘 질화물층
171, 172: 알루미늄 산화물층
201: 제1 전극
202: 제2 전극

Claims (18)

  1. 실리콘 기판;
    상기 실리콘 기판의 전면에 위치하는 제1 도전형 반도체층;
    상기 실리콘 기판의 후면에 위치하는 터널링층;
    상기 터널링층의 후면에 위치하며, 상기 터널링층의 일부를 노출시키는 복수의 개구부를 정의하는 패시베이션층;
    상기 패시베이션층의 후면 및 상기 개구부에 위치하는 실리콘층;
    상기 실리콘층의 후면에 위치하는 제2 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층에 연결되는 제1 전극; 및
    상기 제2 도전형 반도체층에 연결되는 제2 전극;을 포함하는,
    양면 수광형 실리콘 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘층은 상기 개구부를 통해 상기 터널링층과 접하는,
    양면 수광형 실리콘 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 패시베이션층 후면에 위치하는 터널링층을 더 포함하는,
    양면 수광형 실리콘 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 개구부를 통해 노출된 면적은 상기 실리콘 기판의 후면 면적의 10 내지 50%인,
    양면 수광형 실리콘 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 터널링층은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 금속 산화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는,
    양면 수광형 실리콘 태양전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 패시베이션층은 실리콘 질화물층, 실리콘 탄화물층및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인,
    양면 수광형 실리콘 태양전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘층은 마이크로 크리스탈 실리콘(μc-Si) 또는 폴리실리콘을 포함하는,
    양면 수광형 실리콘 태양전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층의 전면 또는 상기 제2 도전형 반도체층의 후면에 위치하는 캡핑층을 더 포함하는,
    양면 수광형 실리콘 태양전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 캡핑층은 실리콘 질화물층, 알루미늄 산화물층 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나인,
    양면 수광형 실리콘 태양전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 기판의 전면 및 후면 중 적어도 일면에 요철 패턴이 형성된,
    양면 수광형 실리콘 태양전지.
  11. 실리콘 기판의 후면에 터널링층을 형성하는 단계;
    상기 터널링층의 후면에 패시베이션층을 형성하는 단계;
    상기 패시베이션층의 일부를 제거하여, 상기 터널링층의 일부를 노출시키는 복수의 개구부를 형성하는 단계;
    상이기 패시베이션층의 후면 및 상기 개구부에 실리콘층을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 기판의 전면에 제1 도전형 반도체층, 상기 실리콘 기판 후면의 상기 실리콘층에 제2 도전형 반도체층을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 도전형 반도체층에 연결되는 제1 전극, 상기 제2 도전형 반도체층에 연결되는 제2 전극을 형성하는 단계;를 포함하는,
    양면 수광형 실리콘 태양전지 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 실리콘층은 상기 개구부를 통해 상기 터널링층과 접하도록 형성되는,
    양면 수광형 실리콘 태양전지 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 실리콘층을 형성하는 단계 전에, 상기 패시베이션층의 후면 및 개구부에 터널링층을 형성하는 단계를 더 포함하는,
    양면 수광형 실리콘 태양전지 제조방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 개구부를 통해 노출된 면적은 상기 실리콘 기판의 후면 면적의 10 내지 50%가 되도록 형성되는,
    양면 수광형 실리콘 태양전지 제조방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 실리콘층을 형성하는 단계는, 상기 실리콘 기판의 전면에 실리콘층을 형성하는 단계를 더 포함하는,
    양면 수광형 실리콘 태양전지 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 실리콘층을 형성하는 단계 이후, 실리콘 기판의 전면 및 후면 중 하나 이상을 텍스쳐링하는 단계를 더 포함하는,
    양면 수광형 실리콘 태양전지 제조방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층을 형성하는 단계는,
    상기 실리콘 기판의 전면에 제1 도전형 도펀트 함유층을 형성하는 단계;
    제2 도전형 도펀트를 포함하는 가스 분위기에서 실리콘 기판의 전면 및 후면을 열처리하여, 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층을 동시에 형성하는 단계; 및
    상기 제1 도전형 도펀트 함유층을 제거하는 단계;를 포함하는,
    양면 수광형 실리콘 태양전지 제조방법.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층을 형성한 이후,
    상기 제1 도전형 반도체층의 전면 또는 상기 제2 도전형 반도체층의 후면에 캡핑층을 형성하는 단계를 더 포함하는,
    양면 수광형 실리콘 태양전지 제조방법.
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