KR20180034091A - 실리콘 태양 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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이경무
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Abstract

기판; 상기 기판과 p-n 접합을 이루도록 상기 기판 상에 형성되는 에미터부; 상기 에미터부 상에 형성되고, 상기 에미터부와 전기적으로 연결되는 제 1 전극층; 상기 기판을 기준으로 상기 제 1 전극층의 반대측에 형성되는 보호막; 및 상기 보호막 상에 형성되고, 상기 보호막을 관통하는 관통부를 통해 상기 기판과 전기적으로 연결되는 제 2 전극층; 을 포함하는 태양 전지가 제공된다.

Description

실리콘 태양 전지 및 그 제조 방법{Silicon solar cell and Method for manufacturing thereof}
본 발명은 실리콘 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
석탄이나 석유와 같은 화학에너지의 고갈 및 화학에너지 사용에 따른 환경오염 문제로 인해 대체에너지의 개발에 관심이 증폭되고 있다.
그 중 하나가 태양 에너지를 이용한 태양광 발전(Photovoltaic Power Generation)인데, 이러한 태양광 발전은 태양 에너지(태양열 또는 태양광)를 전기에너지로 변환시키는 일련의 기술을 말한다.
태양광 발전에 대한 기본 원리를 살펴보면, P-N 접합 반도체로 구성된 태양 전지 셀(solar cell)에 태양광이 조사되면 광 에너지에 의한 전자, 정공 쌍이 생성되고, 전자와 정공이 이동하여 N층과 P층을 가로질러 전류가 흐르게 되는 광기전력 효과에 의해 기전력이 발생함으로써 외부에 접속된 부하에 전류가 흐르는 결과를 이용한다.
이처럼 무한정, 무공해의 태양 에너지를 전기 에너지로 변환시키기 위해서는 무엇보다도 태양광을 집광하기 위한 태양 전지에 대한 기술 개발이 요구된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 태양광 발전 효율을 개선할 수 있는 태양 전지를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 기판; 상기 기판과 p-n 접합을 이루도록 상기 기판 상에 형성되는 에미터부; 상기 에미터부 상에 형성되고, 상기 에미터부와 전기적으로 연결되는 제 1 전극층; 상기 기판을 기준으로 상기 제 1 전극층의 반대측에 형성되는 보호막; 및 상기 보호막 상에 형성되고, 상기 보호막을 관통하는 관통부를 통해 상기 기판과 전기적으로 연결되는 제 2 전극층; 을 포함하는 태양전지가 제공된다.
이 때, 상기 관통부는 상기 제 1 전극층 및 상기 제 2 전극층에 수직된 면 중 어느 하나로부터 다른 하나까지 연장 형성될 수 있다.
이 때, 상기 관통부는 상기 보호막을 관통하는 복수의 비아홀로 구성되고, 상기 복수의 비아홀은 서로 접하도록 형성될 수 있다.
이 때, 상기 복수의 비아홀 각각의 직경은 20nm일 수 있다.
이 때, 상기 관통부는 복수로 형성되며, 상기 관통부 각각은 소정 간격 이격되되, 서로 평행하게 형성될 수 있다.
이 때, 상기 보호막은 알루미늄 산화막으로 이루어지는 제 1 보호층; 및 실리콘 질화막으로 이루어지는 제 2 보호층을 포함하고, 상기 제 1 보호층은 상기 기판과 상기 제 2 보호층 사이에 배치될 수 있다.
이 때, 상기 제 1 보호층의 두께는 약 10 nm일 수 있다.
이 때, 상기 제 2 보호층의 두께는 25 nm일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, p형 또는 n형 중 어느 하나로 도전된 기판에 p형 또는 n형 중 다른 하나로 도전되도록 상기 기판의 일면에 불순물을 도핑하는 에미터부 형성 단계; 상기 기판을 기준으로 상기 에미터부의 반대측에 알루미늄 산화막을 적층하는 제 1 보호층 형성 단계 및 상기 제 1 보호층 상에 실리콘 질화막을 적층하는 제 2 보호층 형성 단계를 포함하는 보호막 형성 단계; 상기 제 2 보호층에 레이저 빔을 조사하여 상기 보호막을 관통하는 홀 형성 단계; 및 상기 에미터부 및 상기 제 2 보호층 상에 스크린 인쇄법으로 제 1 전극부 및 제 2 전극부를 형성하는 단계; 를 포함하는 태양전지 제조 방법이 제공된다.
이 때, 상기 홀 형성 단계는 상기 홀이 상기 제 1 전극 층 및 상기 제 2 전극 층에 수직된 면 중 어느 하나로부터 다른 하나까지 연장 형성되도록, 연속적으로 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 보호막 형성 단계 이후, 상기 제 1 전극부 및 상기 제 2 전극부 형성 단계 전, 상기 에미터부 상에 실리콘 질화막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 태양 전지의 기판과 후면 전극을 연결하는 비아홀의 형상에 따른 최적화된 페이스트를 이용하여 에너지 변환 효율을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 후면을 촬영한 전자 현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법의 공정도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 단면도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 후면을 촬영한 전자 현미경 사진이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법의 공정도이다.
본 명세서에 있어서, 도 1에 도시된 기판의 텍스처링(14)된 면을 전면 또는 입사면이라 하고, 홀이 형성된 면을 후면이라 지칭한다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지(1)를 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지(1)는 기판(10), 빛이 입사되는 측에 적층된 에미터부(20), 에미터부(20) 상에 위치하는 전면 보호층(12), 에미터부(20)와 전기적으로 연결되는 전면 전극층(40), 후면에 위치하는 보호막 및 상기 보호막을 관통하여 기판(10)과 전기적으로 연결되는 관통부(51)를 구비하는 후면 전극층(50)을 포함할 수 있다.
이 때, 기판(10)은 실리콘으로 이루어지며, 단결정 실리콘, 다결정 실리콘 또는 비결정질 실리콘일 수 있다. 일반적으로 태양 전지(1)는 p 형으로 도전된 웨이퍼를 기판으로 이용한다. 이는 상기 p형 웨이퍼의 전자 이동도가 정공 이동도보다 높기 때문이나, 반드시 이에 한하는 것은 아니다.
입사면을 통해 입사된 태양광은 실리콘 기판(10)의 전자와 정공을 분리하고 분리된 전자와 정공은 각각 다른 전극으로 배치될 수 있다. 이를 위해, 실리콘 태양 전지(1)는 p형 반도체와 n형 반도체의 p-n접합이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 에미터부(20)는 기판(10)과 p-n접합을 이루도록 도전될 수 있다. 전술한 바와 같이, 기판(10)이 p형으로 도전된 바, 기판(10)에 불순물을 주입하여 n형으로 도전된 부분을 형성할 수 있다. 인, 비소 또는 안티몬과 같은 5족 원소를 도핑하여 n형으로 도전된 에미터부(20)를 형성할 수 있다.
이 때, 기판(10)과 에미터부(20)는 p-n접합을 형성할 수 있으며, 기판(10)의 입사면을 통해 입사된 태양광에 의해 전자와 정공이 분리될 수 있다. 정공은 p형 기판(10)으로 이동하고 전자는 n형의 에미터부(20)로 기전력을 발생시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 기판(10) 전면 측 전면 보호층(12)은 텍스처링 구조(14)를 구비할 수 있다. 텍스처링 구조(14)는 입사면으로 입사되는 태양광의 반사율을 감소시켜 태양광 흡수율을 증가시키기 위함이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 대략의 피라미드 형태의 요철 구조로 형성될 수 있다.
이 때, 전면 보호층(12)의 외부로 노출된 부분에는 전면 전극층(40)이 형성될 수 있다. 전면 전극층(40)은 도 1에 도시된 바와 같이 기판(10)의 y 축 방향으로 연장되어 형성되거나, 평면에서 패턴을 이룰 수 있다. 전면 전극층(40)은 알루미늄 등의 도전성의 금속을 스크린 인쇄하여 형성할 수 있다.
이 때, 전면 전극층(40)은 하부에 위치한 에미터부(20)와 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 태양광에 의해 분리된 전자가 n형의 에미터부(20)를 거쳐 전면 전극층(40)으로 이동하여 후술하는 후면 전극층(50)과 전위차가 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 전면 전극층(40)에 대향하는 후면에 후면 보호막(30)이 형성될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 후면 보호막(30)은 제 1 보호층과 제 2 보호층(34)으로 구성될 수 있다. 후면 보호막(30)은 기판(10)의 후면에서 전하의 재결합율을 감소시키고 기판(10)을 통과한 태양광의 내부 반사율을 향상시켜 태양광의 재입사를 유도할 수 있다.
제 1 보호층은 알루미늄 산화막으로 이루어질 수 있으며, 제 2 보호층(34)은 실리콘 질화막으로 이루어질 수 있다. 이 때, 알루미늄 산화막의 두께는 5nm 내지 20nm일 수 있으며 바람직하게는 10nm로 형성될 수 있다. 또한 실리콘 질화막의 두께는 20nm 내지 50nm일 수 있으며 바람직하게는 25nm로 형성될 수 있다.
구체적으로 알루미늄 산화막은 음전하를 가져 기판(10)의 후면쪽으로 전자가 이동되는 것을 감소시킬 수 있으며, 실리콘 질화막은 기판(10)의 후면에 위치하는 불안정한 결합을 안정화된 결합으로 바꿀 수 있다.
후면 전극층(50)은 후면 보호막(30)의 하부측에 위치할 수 있다. 전면 전극층(40)과 마찬가지로 도전성의 물질로 이루어질 수 있으며, 도전성의 물질을 스크린 인쇄를 이용하여 형성할 수 있다. 후술하는 관통부(51)를 통해 기판(10)과 후면 전극층(50)이 전기적으로 연결될 수 있으며, 태양광에 의해 분리된 정공은 p형 기판(10)을 통해 후면 전극층(50)으로 이동할 수 있다.
도 2를 참조하면, 후면 전극층(50)은 후면 보호막(30)을 관통하는 관통부(51)를 구비할 수 있다. 이 때, 관통부(51)는 기판(10)과 후면 전극층(50)을 전기적으로 연결하여, 기판(10)으로 이동한 정공이 후면 전극층(50)으로 이동하게 할 수 있다.
관통부(51)는 도 1에 도시된 바와 같이, 전면 전극층(40)과 동일한 y축 방향으로 연장 형성될 수 있다. 또한 후면 전극층(50)을 이루는 도전성의 물질이 관통부(51) 내에 배치되어 기판(10)과 후면 전극층(50)이 전기적으로 연결될 수 있다.
도 3을 참조하면, 관통부(51)는 기판(10)의 일 측면으로부터 다른 측면까지 연장될 수 있으며, 그 길이는 기판(10)의 크기에 따라 달라질 수 있으나, 관통부(51)의 넓이는 20nm일 수 있다. 또한, 후면 보호막(30)을 관통하여 기판(10)과 연결되므로 관통부(51)의 깊이는 제 1 보호층(32) 및 제 2 보호층(34)의 두께에 따라 달라질 수 있다.
도 4는 관통부(51)를 현미경으로 촬영한 사진으로 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지(1)의 관통부(51)는 도 4에 나타난 바와 같이, 단위 홀이 연속하여 이루어질 수 있다. 즉, 각각의 단위 홀은 직경이 대략 20nm로 이루어질 수 있으며, 레이저 빔을 이용할 수 있다. 이 때, 레이저의 파장은 보호막의 물질 및 두께에 따라 달리 결정될 수 있다.
상기와 같은 구조를 가지는 태양 전지(1)의 동작은 다음과 같다.
먼저 태양 전지(1)의 입사면으로 태양광이 입사되면, n형 에미터부(20)와 p형 기판(10)의 p-n접합에 의해 전자 정공 쌍이 분리될 수 있다. 이 때, 입사면에 형성된 텍스처링 구조(14)는 입사된 태양광의 반사를 막고 재입사율을 향상시킬 수 있다.
분리된 전자는 n형의 에미터부(20)로 이동할 수 있으며, 정공은 p형의 기판(10)으로 이동할 수 있다. 또한 에미터부(20)로 이동한 전자는 에미터부(20)와 전기적으로 연결된 전면 전극층(40)으로 이동하고, 기판(10)으로 이동한 정공은 관통부(51)를 통해 후면 전극층(50)으로 이동할 수 있다.
이로써, 전면 전극층(40)과 후면 전극층(50) 사이에 전위차가 발생하고 도선을 이용하여 부하를 연결함으로써 태양 전지(1)로 생산한 전력을 이용할 수 있다.
이 때, 후면 전극층(50)과 기판(10) 사이에 배치된 후면 보호막(30)은 기판(10)을 투과한 태양광을 재반사시키고 불안정한 결합에 의한 전하 재결합을 방지하여 태양 전지(1)의 효율을 증가시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지(1)의 제조 방법을 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5a에 도시된 바와 같이 기판(10)의 입사면인 전면에 텍스처링 구조(14)를 형성할 수 있다. 에칭 공정을 이용할 수 있으며, 기판 실리콘의 결정질 여부 및 단결정 여부에 따라 이용되는 용액이 달라질 수 있다. 일반적으로 NaOH등의 염기성 용액을 이용할 수 있다.
도 5b를 참조하면, p형으로 도전된 기판(10)에 인, 비소 또는 안티몬 등의 5족 원소를 주입하여 n형으로 도핑된 에미터부(20)를 형성할 수 있다. 이 때 확산(diffusion)이 이용될 수 있다. 만약 n형 기판(10)인 경우 3족 원소를 확산을 통해 주입하여 p형 에미터부(20)를 형성할 수 있다.
이후 도 5c 및 5d에 도시된 바와 같이, 기판(10)의 후면에 플라즈마 화학 기상 증착법(PECVD)를 이용하여 알루미늄 산화막을 적층하여 제 1 보호층(32)을 형성하고 실리콘 질화막을 적층하여 제 2 보호층(34)을 형성할 수 있다.
이 때, 도 5c에 도시된 알루미늄 산화막은 약 35nm 두께로 적층될 수 있으며 도 5d에 도시된 실리콘 질화막은 약 25nm 두께로 적층될 수 있다.
이후 기판(10)의 전면부인 입사면에 플라즈마 화학 기상 증착법을 이용하여 실리콘 질화막을 적층할 수 있다.
이후 도 5f를 참조하면, 기판(10)의 후면에 홀을 형성할 수 있다. 이 때, 홀을 형성하는 공정은 보호막을 관통할 수 있는 적절한 파장의 레이저 빔을 이용하는 레이저 드릴링 공정일 수 있다. 이 때, 레이저 드릴링으로 직경이 20nm인 단위 홀이 형성될 수 있으며, 이러한 단위 홀이 연속하여 형성되도록 드릴링 할 수 있다. 이 때, 홀은 보호막을 관통하여 기판(10)과 연결될 수 있는 깊이로 형성될 수 있다.
다음으로, 도 5g에 도시된 바와 같이, 도전성 물질을 스크린 인쇄법을 이용하여 기판(10)의 전면 및 후면에 배치하여 전면 전극층(40) 및 후면 전극층(50)을 형성할 수 있다. 이 때, 드릴링을 이용해 형성한 홀에 도전성 물질이 배치되어 후면 전극층(50)과 기판(10)이 전기적으로 연결될 수 있다. 또한 전면 전극층(40)은 에미터부(20)와 전기적으로 연결될 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당해 기술분야의 평균적인 기술자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다고 할 것이다.
1 태양 전지 10 기판
12 전면 보호층 14 텍스처링 구조
20 에미터부 30 후면 보호막
32 제 1 보호층 34 제 2 보호층
40 전면 전극층 50 후면 전극층
51 관통부

Claims (11)

  1. 기판;
    상기 기판과 p-n 접합을 이루도록 상기 기판 상에 형성되는 에미터부;
    상기 에미터부 상에 형성되고, 상기 에미터부와 전기적으로 연결되는 제 1 전극층;
    상기 기판을 기준으로 상기 제 1 전극층의 반대측에 형성되는 보호막; 및
    상기 보호막 상에 형성되고, 상기 보호막을 관통하는 관통부를 통해 상기 기판과 전기적으로 연결되는 제 2 전극층; 을 포함하는 태양 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 관통부는 상기 제 1 전극층 및 상기 제 2 전극층에 수직된 면 중 어느 하나로부터 다른 하나까지 연장 형성되는 태양 전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 관통부는 상기 보호막을 관통하는 복수의 비아홀로 구성되고, 상기 복수의 비아홀은 서로 접하도록 형성되는 태양 전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수의 비아홀 각각의 직경은 20nm인 태양 전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 관통부는 복수로 형성되며, 상기 관통부 각각은 소정 간격 이격되되, 서로 평행하게 형성되는 태양 전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호막은 알루미늄 산화막으로 이루어지는 제 1 보호층; 및
    실리콘 질화막으로 이루어지는 제 2 보호층을 포함하고,
    상기 제 1 보호층은 상기 기판과 상기 제 2 보호층 사이에 배치되는 태양 전지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 보호층의 두께는 약 10 nm인 태양 전지.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 보호층의 두께는 25 nm인 태양 전지.
  9. p형 또는 n형 중 어느 하나로 도전된 기판에 p형 또는 n형 중 다른 하나로 도전되도록 상기 기판의 일면에 불순물을 도핑하는 에미터부 형성 단계;
    상기 기판을 기준으로 상기 에미터부의 반대측에 알루미늄 산화막을 적층하는 제 1 보호층 형성 단계 및 상기 제 1 보호층 상에 실리콘 질화막을 적층하는 제 2 보호층 형성 단계를 포함하는 보호막 형성 단계;
    상기 제 2 보호층에 레이저 빔을 조사하여 상기 보호막을 관통하는 홀 형성 단계; 및
    상기 에미터부 및 상기 제 2 보호층 상에 스크린 인쇄법으로 제 1 전극부 및 제 2 전극부를 형성하는 단계; 를 포함하는 태양 전지 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 홀 형성 단계는 상기 홀이 상기 제 1 전극 층 및 상기 제 2 전극 층에 수직된 면 중 어느 하나로부터 다른 하나까지 연장 형성되도록, 연속적으로 이루어지는 태양 전지 제조 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 보호막 형성 단계 이후, 상기 제 1 전극부 및 상기 제 2 전극부 형성 단계 전, 상기 에미터부 상에 실리콘 질화막을 형성하는 단계를 더 포함하는 태양 전지 제조 방법.
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CN113284958A (zh) * 2021-04-27 2021-08-20 泰州隆基乐叶光伏科技有限公司 一种电极结构、太阳能电池及其制作方法

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