KR20180043915A - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

태양전지 및 이의 제조방법 Download PDF

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안시현
박철민
전민한
강지윤
심경배
한상욱
박수영
조재현
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성균관대학교산학협력단
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Abstract

실리콘 태양전지가 개시된다. 실리콘 태양전지는 실리콘 기판, 실리콘 기판의 전면 및 후면 상에 각각 위치하고 터널링을 통해 전하가 통과할 수 있는 제1 및 제2 터널 패시베이션층, 제1 및 제2 터널 패시베이션층 상에 각각 위치하는 에미터층 및 후면전계층, 및 상기 에미터층 및 상기 후면전계층 상에 각각 위치하는 제1 및 제2 투명전도층을 구비한다.

Description

태양전지 및 이의 제조방법{SOLAR CELL AND METHOD OF MANUFACTURING THE SOLAR CELL}
본 발명은 태양광을 이용하여 전력을 생산할 수 있는 실리콘 태양전지 및 이의 제조방법에 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.
다양한 태양전지 형태가 개발되고 있으나, 현재 실리콘 태양전지가 가장 상업적으로 제조되고 있다. 이러한 실리콘 태양전지에 있어서, PN 접합을 위한 도핑시 도핑로(Doping Furnace)에서의 확산 공정이 일반적으로 적용되나, 확산 공정을 통한 도핑프로파일은 급진적으로 형성될 수 없고, 그 결과 PN 접합 계면에서 높은 전기장을 형성하지 못하여 광생성된 EPH의 수집이 용이하지 못하고, 높은 재결합에 의한 단락전류 손실이 발생하는 문제점이 있다. 그리고 확산 공정을 통한 도핑시, 도핑프로파일을 급진적으로 형성할 수 없으므로 접합깊이를 증가시켜야 하고, 그 결과 재결합 증가 및 광흡수 손실 증가의 문제점이 발생하고, 공정시간이 증가되고 BSG 및 PSG를 제거하는 추가 공정이 요구되는 문제점도 발생한다. 또한, 종래 실리콘 태양전지에서는 실리콘 기판의 양면 상에 에미터층 및 후면전계층을 각각 직접 형성하였는데, 이 경우, 내부 전위가 낮게 형성되어 개방전압이 낮은 문제점이 있었다.
본 발명의 일 목적은 실리콘 기판과 에미터층 사이 및 실리콘 기판과 후면전계층 사이에 각각 형성된 제1 및 제2 터널 패시베이션층을 구비함으로써 재결합률을 감소시켜 고효율을 달성할 수 있는 실리콘 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 에미터층 및 상기 후면전계층을 레이저 결정화 방법으로 형성하는 상기 실리콘 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 실리콘 태양전지는 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판의 전면 상에 위치하고 터널링을 통해 전하가 통과할 수 있는 제1 터널 패시베이션층; 상기 실리콘 기판의 후면 상에 위치하고 터널링을 통해 전하가 통과할 수 있는 제2 터널 패시베이션층; 상기 제1 터널 패시베이션층 상에 위치하고 상기 실리콘 기판과 PN 접합을 형성하는 에미터층; 상기 제2 터널 패시베이션층 상에 위치하고 상기 실리콘 기판과의 계면에 전위 장벽을 형성하는 후면전계층; 상기 에미터층 상에 위치하는 제1 투명전도층; 및 상기 후면전계층 상에 위치하는 제2 투명전도층을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 터널 패시베이션층은 각각 실리콘 산화물로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 실리콘 태양전지 제조방법은 실리콘 기판의 전면 및 후면에 전하의 터널링이 가능한 제1 터널 패시베이션층 및 제2 터널 패시베이션층을 각각 형성하는 단계; 상기 제1 터널 패시베이션층 상에 제1 실리콘을 증착막을 형성한 후 레이저를 인가하여 결정화시킴으로써 에미터층을 형성하는 단계; 상기 제2 터널 패시베이션층 상에 제2 실리콘을 증착막을 형성한 후 레이저를 인가하여 결정화시킴으로써 후면전계층을 형성하는 단계; 및 상기 에미터층 및 상기 후면전계층 상에 제1 투명전도층 및 제2 투명전도층을 각각 형성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 터널 패시베이션층은 상기 실리콘 기판을 산화시킴으로써 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 및 제2 터널 패시베이션층은 산소 분위기에서 상기 실리콘 기판의 전면 및 후면에 자외선 레이저를 조사함으로써 각각 형성될 수 있다.
본 발명의 실리콘 태양전지에 따르면, 상기 실리콘 기판의 전면과 상기 에미터층 사이 및 상기 실리콘 기판의 후면과 상기 후면전계층 사이에 제1 및 제2 터널 패시베이션층을 각각 형성함으로써 재결합률을 줄여 단락전류 및 개방전압을 향상시킬 수 있다.
그리고, 종래 실리콘 태양전지에서는 확산(Diffusion) 공정을 통해 에미터층 및 후면전계층을 형성하였으므로 점진적인(Gradual) 도핑 프로파일만을 달성할 수 있었음에 반하여, 본 발명에서는 터널 패시베이션층 위에 실리콘을 증착한 후 레이저로 결정화하여 에미터층 및 후면전계층을 형성하므로, 급진적인(Abrupt) 도핑 프로파일을 달성하여 전기장 특성 향상 및 광생성(Photogeneration)된 EHP(Electron-Hole Pair)의 수집을 증가시켜 단락전류를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 제조 공정을 단순화할 수 있다. 그리고 레이저 결정화 조건에 따라 에미터층 및 후면전계층의 밴드갭을 조정할 수 있어서 광흡수에 의한 손실을 줄일 수 있고, 내부전위(Built-in Potential)증가에 따라 개방전압을 증가시킬 수 있으며, 그 결과 초고율을 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 태양전지를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 상기 실리콘 태양전지의 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 태양전지를 설명하기 위한 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 상기 실리콘 태양전지의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 태양전지(100)는 실리콘 기판(110), 제1 터널 패시베이션층(120), 제2 터널 패시베이션층(130), 에미터층(140), 후면전계층(150), 제1 투명전도층(160), 제2 투명전도층(170), 제1 금속전극(180) 및 제2 금속전극(190)을 포함한다.
상기 실리콘 기판(110)은 결정질 실리콘 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 실리콘 기판(110)으로는 단결정 또는 다결정 실리콘 웨이퍼가 사용될 수 있다. 그리고 상기 실리콘 기판(110)은 PN 접합을 형성하기 위해, n-형 반도체 특성 및 p-형 반도체 특성 중 하나의 특성을 갖는 실리콘 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 실리콘 기판(110)이 n-형 반도체 특성을 갖는 경우, 상기 실리콘 기판(110)에는 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같은 5가 원소가 도핑될 수 있고, 상기 실리콘 기판(110)이 p-형 반도체 특성을 갖는 경우, 상기 실리콘 기판(110)에는 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등과 같은 3가 원소가 도핑될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 실리콘 기판(110)의 전면(front surface) 및 후면(back surface)은 광효율을 향상시키기 위하여 텍스처링(texturing)될 수 있다.
상기 제1 터널 패시베이션층(120)은 상기 실리콘 기판(110)의 전면 상에 형성될 수 있고, 상기 제2 터널 패시베이션층(130)은 상기 실리콘 기판(110)의 후면 상에 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 터널 패시베이션층(120, 130)은 전하의 터널링이 가능한 절연 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 및 제2 터널 패시베이션층(120, 130)은 SiOx와 같은 실리콘 산화물로 형성될 수 있고, 이 경우, 상기 제1 및 제2 터널 패시베이션층(120, 130)은 상기 실리콘 기판(110)의 전면 및 후면을 산화시킴으로써 각각 형성될 수 있다. 일 실시예로, 산소 분위기에서 상기 실리콘 기판(110)에 자외선 레이저를 조사함으로써 상기 제1 및 제2 터널 패시베이션층(120, 130)을 형성할 수 있다.
상기 에미터층(140)은 상기 제1 터널 패시베이션층(120) 상에 위치할 수 있고, 결정질 반도체 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 에미터층(140)은 단결정 또는 다결정 실리콘 재질로 형성될 수 있다.
한편, PN 접합을 형성하기 위해, 상기 에미터층(140)은 상기 실리콘 기판(110)과 반대되는 반도체 특성을 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 실리콘 기판(110)이 n-형 반도체 특성을 갖는 경우, 상기 에미터층(140)은 p-형 반도체 특성을 가질 수 있고, 상기 실리콘 기판(110)이 p-형 반도체 특성을 갖는 경우, 상기 에미터층(140)은 n-형 반도체 특성을 가질 수 있다. 상기에미터층(140)이 n-형 반도체 특성을 갖는 경우, 상기 에미터층(140)에는 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같은 5가 원소가 도핑될 수 있고, 상기 에미터층(140)이 p-형 반도체 특성을 갖는 경우, 상기 에미터층(140)에는 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등과 같은 3가 원소가 도핑될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 에미터층(140)은 상기 제1 터널 패시베이션층(120) 상에 실리콘을 증착한 후 레이저를 인가하여 결정화시킴으로써 형성될 수 있다.
상기 후면전계층(150)은 상기 실리콘 기판(110)의 후면(back surface) 상에 위치하고, 결정질 반도체 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 후면전계층(150)은 단결정 또는 다결정 실리콘 재질로 형성될 수 있다. 한편, 상기 후면전계층(150)은 상기 실리콘 기판(110)과 동일한 반도체 특성을 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 실리콘 기판(110)이 n-형 반도체 특성을 갖는 경우, 상기 후면전계층(150) 역시 n-형 반도체 특성을 가질 수 있고, 상기 실리콘 기판(110)이 p-형 반도체 특성을 갖는 경우, 상기 후면전계층(150) 역시 p-형 반도체 특성을 가질 수 있다. 다만, 상기 실리콘 기판(110)과 상기 후면전계층(150) 사이에 전위 장벽을 형성하기 위하여, 상기 후면전계층(150)에 도핑되는 도펀트의 농도는 상기 실리콘 기판(110)에 도핑되는 도펀트 농도보다 높을 수 있다.
일 실시예에서, 상기 후면전계층(150)은 상기 제2터널 패시베이션층(13) 상에 실리콘을 증착한 후 레이저를 인가하여 결정화시킴으로써 형성될 수 있다.
상기 제1 투명전도층(160)은 상기 에미터층(140) 상부에 위치하여 반사방지막으로 기능하고, 투명 도전성 산화물(Transparent Conductive Oxide, TCO)로 형성될 수 있다. 상기 제1 투명전도층(160)은 상기 에미터층(140)으로부터 공급된 전하를 상기 제1 금속전극(180)으로 전달할 수 있다.
상기 제2 투명전도층(170)은 상기 후면전계층(150) 상부에 위치하고, 투명 도전성 산화물(Transparent Conductive Oxide, TCO)로 형성될 수 있다. 상기 제2 투명전도층(170)은 상기 제1 투명전도층(160)과 동일한 물질로 형성될 수도 있고, 이와 다른 물질로 형성될 수도 있다. 상기 제2 투명전도층(170)은 상기 후면전계층(150)으로부터 공급된 전하를 상기 제2 금속전극(190)으로 전달할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 투명전도층(160, 170)은 상기 에미터층(140) 및 상기 후면전계층(150) 상에 전도성 투명 산화물을 각각 증착함으로써 형성될 수 있다.
상기 제1 금속전극(180)은 상기 제1 투명전도층(160) 상부에 위치하여 상기 제1 투명전도층(160)에 전기적으로 접촉할 수 있다. 일 실시예로, 상기 제1 금속전극(180)은 일 방향으로 연장된 복수의 핑거 전극들 및 상기 핑거 전극들과 교차하는 방향으로 연장되고 상기 복수의 핑거 전극들을 전기적으로 연결하는 복수의 버스바 전극들을 포함할 수 있다. 상기 제1 금속전극(180)은 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 금(Au) 등과 같은 도전성 금속으로 형성될 수 있다.
상기 제2 금속전극(190)은 상기 후면전계층 상부에 위치하고, 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 금(Au) 등과 같은 도전성 금속으로 형성될 수 있다. 일 실시예로, 상기 제2 금속 전극은 일 방향으로 연장된 복수의 핑거 전극들 및 상기 핑거 전극들과 교차하는 방향으로 연장되고 상기 복수의 핑거 전극들을 전기적으로 연결하는 복수의 버스바 전극들을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 금속전극(180, 190)은 스크린 프린팅 공정을 통해 상기 제1 및 제2 투명전도층(160, 170) 상에 각각 형성될 수 있다.
본 발명의 실리콘 태양전지에 따르면, 상기 실리콘 기판의 전면과 상기 에미터층 사이 및 상기 실리콘 기판의 후면과 상기 후면전계층 사이에 제1 및 제2 터널 패시베이션층을 각각 형성함으로써 재결합률을 줄여 단락전류 및 개방전압을 향상시킬 수 있다.
그리고, 종래 실리콘 태양전지에서는 확산(Diffusion) 공정을 통해 에미터층 및 후면전계층을 형성하였으므로 점진적인(Gradual) 도핑 프로파일만을 달성할 수 있었음에 반하여, 본 발명에서는 터널 패시베이션층 위에 실리콘을 증착한 후 레이저로 결정화하여 에미터층 및 후면전계층을 형성하므로, 급진적인(Abrupt) 도핑 프로파일을 달성하여 전기장 특성 향상 및 광생성(Photogeneration)된 EHP(Electron-Hole Pair)의 수집을 증가시켜 단락전류를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 제조 공정을 단순화할 수 있다. 그리고 레이저 결정화 조건에 따라 에미터층 및 후면전계층의 밴드갭을 조정할 수 있어서 광흡수에 의한 손실을 줄일 수 있고, 내부전위(Built-in Potential)증가에 따라 개방전압을 증가시킬 수 있으며, 그 결과 초고율을 달성할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 실리콘 태양전지 110: 실리콘 기판
120: 제1 터널 패시베이션층 130: 제2 터널 패시베이션층
140: 에미터층 150: 후면전계층
160: 제1 투명전도층 170: 제2 투명전도층
180: 제1 금속전극 190: 제2 금속전극

Claims (5)

  1. 실리콘 기판;
    상기 실리콘 기판의 전면 상에 위치하고 터널링을 통해 전하가 통과할 수 있는 제1 터널 패시베이션층;
    상기 실리콘 기판의 후면 상에 위치하고 터널링을 통해 전하가 통과할 수 있는 제2 터널 패시베이션층;
    상기 제1 터널 패시베이션층 상에 위치하고 상기 실리콘 기판과 PN 접합을 형성하는 에미터층;
    상기 제2 터널 패시베이션층 상에 위치하고 상기 실리콘 기판과의 계면에 전위 장벽을 형성하는 후면전계층;
    상기 에미터층 상에 위치하는 제1 투명전도층; 및
    상기 후면전계층 상에 위치하는 제2 투명전도층을 포함하는, 실리콘 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 터널 패시베이션층은 각각 실리콘 산화물로 형성된 것을 특징으로 하는, 실리콘 태양전지.
  3. 실리콘 기판의 전면 및 후면에 전하의 터널링이 가능한 제1 터널 패시베이션층 및 제2 터널 패시베이션층을 각각 형성하는 단계;
    상기 제1 터널 패시베이션층 상에 제1 실리콘을 증착막을 형성한 후 레이저를 인가하여 결정화시킴으로써 에미터층을 형성하는 단계;
    상기 제2 터널 패시베이션층 상에 제2 실리콘을 증착막을 형성한 후 레이저를 인가하여 결정화시킴으로써 후면전계층을 형성하는 단계; 및
    상기 에미터층 및 상기 후면전계층 상에 제1 투명전도층 및 제2 투명전도층을 각각 형성하는 단계를 포함하는, 실리콘 태양전지의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 터널 패시베이션층은 상기 실리콘 기판을 산화시킴으로써 형성되는 것을 특징으로 하는, 실리콘 태양전지의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 터널 패시베이션층은 산소 분위기에서 상기 실리콘 기판의 전면 및 후면에 자외선 레이저를 조사함으로써 각각 형성되는 것을 특징으로 하는, 실리콘 태양전지의 제조방법.
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