KR20200021375A - 태양 전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 태양 전지는, 베이스 영역을 구비하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 제1 면에 형성되며 제1 도전형 도펀트를 가지는 제1 도전형 영역; 상기 제1 면과 반대되는 상기 반도체 기판의 제2 면 위에서 비정질층으로 구성되며 상기 제1 도전형 도펀트와 반대되는 도전형을 가지는 제2 도전형 도펀트를 가지는 도펀트 제공층; 상기 도펀트 제공층 위에 형성되며 상기 도펀트 제공층과 다른 물질 또는 다른 조성을 가지는 레이저 흡수층; 상기 반도체 기판의 상기 제2 면에서 국부적으로 형성되며 상기 제2 도전형 도펀트를 가지는 제2 도전형 영역; 상기 제1 도전형 영역에 전기적으로 연결되는 제1 전극; 및 상기 도펀트 제공층 및 레이저 흡수층을 관통하여 상기 제2 도전형 영역에 전기적으로 연결되는 제2 전극을 포함한다.
Description
본 발명은 태양 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는, 구조 및 공정을 개선한 태양 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
태양 전지는 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 차세대 전지로서, 다양한 층 및 전극을 설계에 따라 형성하는 것에 의하여 제조될 수 있다. 일 예로, 반도체 기판 위에 형성되며 도펀트를 구비한 비정질 실리콘층을 도전형 영역으로 사용하여 제조 공정이 단순하고 제조 비용이 저렴한 태양 전지가 사용되고 있다.
이와 같이 비정질 실리콘층을 도전형 영역으로 사용하는 경우에는 결정질 실리콘에 비하여 낮은 전기 전도성을 가지는 비정질 실리콘층의 전기적 특성을 보상하기 위하여 금속 전극층과 함께 투명 전극층을 구비하여야 한다. 투명 전극층은 고가로서 제조 비용을 높이고 제조 공정을 복잡하게 하며 캐리어의 이동 경로를 증가시켜 캐리어 수집 효율을 저감시킬 수 있었다.
본 발명은 제조 공정을 단순화하고 제조 비용을 절감할 수 있는 태양 전지 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
특히, 본 발명은 반도체 기판 위에 형성되며 도펀트를 포함하는 비정질층으로 구성된 도펀트 제공층을 구비하는 태양 전지에서 도전형 영역을 국부적으로 형성하고 전극을 국부적으로 형성된 도전형 영역에 접촉 형성하여 제조 공정을 단순화하고 제조 비용을 저감하면서도 효율을 최대화할 수 있는 태양 전지 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 태양 전지는, 베이스 영역을 구비하는 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 일면 위에서 비정질층으로 구성되며 제2 도전형 도펀트를 가지는 도펀트 제공층과, 상기 반도체 기판의 상기 일면서 국부적으로 형성되며 상기 제2 도전형 도펀트를 가지는 제2 도전형 영역을 포함한다. 이때, 상기 도펀트 제공층 위에 형성되며 상기 도펀트 제공층과 다른 물질 또는 다른 조성을 가지는 레이저 흡수층을 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 반도체 기판의 타면에 형성되며 제1 도전형 도펀트를 가지는 제1 도전형 영역; 상기 제1 도전형 영역에 전기적으로 연결되는 제1 전극; 및 상기 도펀트 제공층 및 레이저 흡수층을 관통하여 상기 제2 도전형 영역에 전기적으로 연결되는 제2 전극을 포함한다.
상기 반도체 기판과 상기 도펀트 제공층 사이에 진성 비정질 반도체를 포함하는 패시베이션층을 더 포함할 수 있다. 상기 제2 전극이 상기 패시베이션층을 관통하여 상기 제2 도전형 영역에 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제2 전극은 상기 제2 도전형 영역에 직접 접촉하는 금속 전극층을 포함할 수 있다.
상기 제2 도전형 영역은 상기 제2 전극이 위치하는 부분에 대응하여 국부적으로 형성될 수 있다.
상기 도펀트 제공층은 비정질 실리콘층을 포함할 수 있다.
상기 도펀트 제공층 및 상기 레이저 흡수층은 상기 제2 전극이 관통하는 개구부를 제외한 부분에 전체적으로 형성될 수 있다.
상기 도펀트 제공층의 두께가 상기 레이저 흡수층의 두께보다 클 수 있다. 또는, 상기 레이저 흡수층의 두께가 상기 도펀트 제공층의 두께와 같거나 그보다 클 수 있다.
상기 베이스 영역이 상기 제2 도전형 도펀트가 상기 제2 도전형 영역 또는 상기 도펀트 제공층보다 낮은 도핑 농도로 포함되어, 상기 제1 도전형 영역이 에미터 영역을 구성하고 상기 제2 도전형 영역이 전계 영역을 구성할 수 있다.
상기 제1 도전형 영역은 상기 반도체 기판의 일부를 구성하며 평면으로 볼 때 전체적으로 형성되는 도핑 영역으로 구성될 수 있다. 상기 제2 도전형 영역은 상기 반도체 기판의 일부를 구성하며 평면으로 볼 때 국부적으로 형성되어 상기 제1 도전형 영역보다 작은 면적으로 형성되는 도핑 영역으로 구성될 수 있다.
상기 레이저 흡수층은 실리콘 탄화물층 및 실리콘 질화물층 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법은, 반도체 기판의 일면 위에 비정질 반도체층으로 구성되며 제2 도전형 도펀트를 가지는 도펀트 제공층을 형성하는 단계; 및 상기 도펀트 제공층에 레이저를 조사하여 상기 도펀트 제공층에 개구부를 형성하면서 상기 도펀트 제공층 내에 포함된 상기 제2 도전형 도펀트를 상기 반도체 기판의 상기 제2 면에 확산시켜 국부적으로 형성되는 제2 도전형 영역을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 태양 전지의 제조 방법은, 상기 도펀트 제공층 위에 상기 도펀트 제공층과 다른 물질 또는 다른 조성을 가지는 레이저 흡수층을 형성하는 단계를 포함하고, 베이스 영역을 구비하는 반도체 기판의 제1 면 쪽에 제1 도전형 도펀트를 가지는 제1 도전형 영역을 형성하는 단계; 및 상기 제1 도전형 영역에 전기적으로 연결되는 제1 전극 및 상기 개구부를 관통하여 상기 제2 도전형 영역에 전기적으로 연결되는 제2 전극을 형성하는 단계를 더 포함한다.
상기 제2 전극은 상기 제2 도전형 영역에 직접 접촉하는 금속 전극층을 포함할 수 있다.
상기 레이저 흡수층은 실리콘 탄화물층 및 실리콘 질화물층 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 비정질층(일 예로, 비정질 반도체층)을 포함하는 태양 전지에서 상술한 비정질층으로 구성된 도펀트 제공층, 그리고 레이저 흡수층을 이용하여 도전형 영역을 형성하여 전극과 접촉하는 영역에 선택적으로 도핑을 할 수 있다. 이에 따라 도전형 영역을 반도체 기판의 내부에서 국부적으로 형성할 수 있어, 누설 전류를 최소화할 수 있다. 그리고 전극의 금속 전극층이 도전형 영역에 직접 컨택하여 접촉 저항을 줄일 수 있고 캐리어의 경로를 줄여 캐리어 수집 효율을 향상할 수 있다. 이에 의하여 태양 전지의 효율을 향상할 수 있다. 또한, 고가의 투명 전극층을 제거하여 이를 형성하는 공정을 생략할 수 있어 제조 비용을 저감시키고 제조 공정을 단순화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 태양 전지의 개략적인 전면 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 변형예에 따른 태양 전지를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 도시한 단면도들이다.
도 2는 도 1에 도시한 태양 전지의 개략적인 전면 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 변형예에 따른 태양 전지를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 도시한 단면도들이다.
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. 본 명세서에서 "제1" 또는 "제2"의 표현은 서로 간의 구별을 위하여 사용된 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시한 태양 전지의 개략적인 전면 평면도이다. 도 3은 본 발명의 일 변형예에 따른 태양 전지를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 태양 전지(100)는, 베이스 영역(110)을 포함하는 반도체 기판(10)과, 반도체 기판(10)의 제1 면(일 예로, 전면) 쪽에 위치하며 제1 도전형을 가지는 제1 도전형 영역(20)과, 제1 면 또는 전면에 반대되는 반도체 기판(10)의 제2 일면(일 예로, 후면) 위에서 비정질층으로 구성되며 제1 도전형 도펀트와 반대되는 도전형을 가지는 제2 도전형 도펀트를 가지는 도펀트 제공층(34)과, 도펀트 제공층(34) 위에 형성되며 도펀트 제공층(34)과 다른 물질 또는 다른 조성을 가지는 레이저 흡수층(36)과, 반도체 기판(10)의 제2 면에서 국부적으로 형성되며 제2 도전형 도펀트를 가지는 제2 도전형 영역(30)과, 제1 도전형 영역(20)에 전기적으로 연결되는 제1 전극(42)과, 도펀트 제공층(34) 및 레이저 흡수층(36)을 관통하여 제2 도전형 영역(30)에 전기적으로 연결되는 제2 전극(44)을 포함할 수 있다. 이때, 반도체 기판(10)과 도펀트 제공층(34) 사이에 패시베이션층(32)을 더 포함할 수 있고, 제2 전극(44)은 패시베이션층(32)을 관통하여 제2 도전형 영역(30)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이를 좀더 상세하게 설명한다.
반도체 기판(10)은 제1 또는 제2 도전형 도펀트를 상대적으로 낮은 도핑 농도로 포함하여 제1 또는 제2 도전형을 가지는 베이스 영역(110)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 도전형 영역(20, 30)은 베이스 영역(110)과 다른 도전형을 가지거나, 베이스 영역(110)과 동일한 도전형을 가지면서 베이스 영역(110)보다 높은 도핑 농도를 가진다. 이때, 반도체 기판(10)의 전면 및 후면 중 적어도 하나에는 반사를 최소화할 수 있도록 피라미드 등의 형태의 요철을 가지는 텍스쳐링(texturing) 구조 또는 반사 방지 구조가 구비될 수 있다. 일 예로, 반도체 기판(10)의 전면 및 후면 각가에 피라미드 형태의 텍스쳐링 구조 또는 반사 방지 구조가 구비될 수 있다.
제1 및 제2 도전형 영역(20, 30) 중 베이스 영역(110)과 다른 도전형을 가지는 하나의 영역은 에미터 영역의 적어도 일부를 구성한다. 에미터 영역은 베이스 영역(110)과 pn 접합을 형성하여 광전 변환에 의하여 캐리어를 생성한다. 제1 및 제2 도전형 영역(20, 30) 중 베이스 영역(110)과 동일한 도전형을 가지는 다른 하나는 전계(surface field) 영역의 적어도 일부를 구성한다. 전계 영역은 반도체 기판(10)의 표면에서 재결합에 의하여 캐리어가 손실되는 것을 방지하는 전계를 형성한다.
이때, 제1 또는 제2 도전형 도펀트로는 n형 또는 p형을 나타낼 수 있는 다양한 물질을 사용할 수 있다. p형 도펀트로는 보론(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등의 3족 원소를 사용할 수 있고, n형 도펀트로는 인(P), 비소(As), 비스무스(Bi), 안티몬(Sb) 등의 5족 원소를 사용할 수 있다. 일 예로, p형 도펀트가 보론(B)이고 n형 도펀트가 인(P)일 수 있다.
본 실시예에서는 제1 도전형 영역(20)이 반도체 기판(10)의 일부를 구성하면서 평면으로 볼 때 전체적으로 형성되는 도핑 영역으로 구성될 수 있다. 도 1에서는 제1 도전형 영역(20)이 전체적으로 균일한 도핑 농도를 가지는 균일한 구조(homogeneous structure)를 가지는 것을 예시하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 도 3에 도시한 바와 같이, 제1 도전형 영역(20)이 제1 전극(42)에 대응하는 부분에 형성되며 낮은 저항 또는 높은 제1 도전형 도펀트의 도핑 농도를 가지는 제1 영역(20a)과, 그 외 부분에 위치하여 제1 영역(20a)보다 높은 저항 또는 낮은 제1 도전형 도펀트의 도핑 농도를 가지는 제2 영역(20b)을 포함할 수도 있다. 그리고 제2 도전형 영역(30)이 반도체 기판(10)의 일부를 구성하는 도핑 영역으로 구성되되 평면으로 볼 때 국부적으로 형성되어 제1 도전형 영역(30)보다 작은 면적으로 형성되는 도핑 영역으로 구성될 수 있다.
좀더 구체적으로, 반도체 기판(10), 또는 이에 형성된 베이스 영역(110), 그리고 제1 및 제2 도전형 영역(20, 30)은 도펀트를 포함하는 단일 결정질 반도체(예를 들어, 단일 단결정 또는 다결정 반도체, 일 예로, 단결정 또는 다결정 실리콘, 특히 단결정 실리콘)로 구성될 수 있다. 이와 같이 결정성이 높아 결함이 적은 베이스 영역(110) 또는 반도체 기판(10)을 기반으로 한 태양 전지(100)는 전기적 특성이 우수하다.
여기서, 제2 도전형 영역(30)은 반도체 기판(10)과 다른 결정 구조를 가지는 별개의 비정질층으로 형성된 도펀트 제공층(34)에 레이저를 조사하는 레이저 도핑 공정 중에 도펀트 제공층(34)에 포함된 제2 도전형 도펀트가 확산되어 형성된 영역일 수 있다. 이때, 제2 도전형 영역(30)은 제2 개구부(104) 또는 제2 전극(44)이 형성된 부분에 대응하여 국부적으로 형성될 수 있다.
일 예로, 도펀트 제공층(34)은 제2 도전형 도펀트를 구비하며 증착 등의 다양한 방법에 의하여 쉽게 제조될 수 있는 비정질 구조를 가지는 비정질층(예를 들어, 비정질 반도체층 또는 비정질 유전체층)일 수 있다. 도펀트 제공층(34)이 비정질층으로 구성되면 레이저 도핑 공정에 의하여 반도체 기판(10)의 내부로 제2 도전형 도펀트를 효과적으로 제공할 수 있으며 레이저에 의하여 쉽게 제거되어 제2 개구부(104)를 형성하는 것도 용이하며 반도체 기판(10)의 손상을 방지할 수 있다. 반면, 본 실시예와 달리 도펀트 제공층이 다결정층 또는 미세 결정층으로 구성되면 레이저를 조사하여도 반도체 기판(10)의 내부로 도핑이 잘 되지 않고, 도펀트 제공층이 레이저에 의하여 잘 제거되지 않아 제2 개구부(104)를 형성하는 데 어려움이 있으며, 반도체 기판(10)의 도핑 및 제2 개구부(104)의 형성을 위하여 레이저의 파워 등을 강하게 하면 반도체 기판(10)이 손상될 수 있다.
예를 들어, 비정질 반도체층은 비정질 실리콘층일 수 있고, 비정질 유전체층은 실리콘 산화물층, 실리콘 질화물층, 실리콘 탄화물층의 단일층 또는 이들을 둘 이상 포함한 적층 구조(예를 들어, 실리콘 탄화물층 및 이 위에 형성된 실리콘 질화물층, 실리콘 질화물층 및 이 위에 형성된 실리콘 산화물층)일 수 있다. 이러한 도펀트 제공층(34)은 다양한 방법에 의하여 형성될 수 있는데, 일 예로, 플라스마 유도 화학 기상 증착(PECVD), 저압 화학 기상 증착(LPCVD, 스퍼터링 등에 의하여 형성될 수 있다.
도펀트 제공층(34)은 베이스 영역(110)보다 제2 도전형 도펀트를 높은 농도로 포함하여 제2 도전형 영역(30)의 형성 시 제2 도전형 도펀트를 제공하는 역할을 한다. 특히, 도펀트 제공층(34)이 비정질 실리콘층으로 구성되면 유전체층, 절연막 등에 제2 도전형 도펀트를 함유하는 것에 비하여 높은 도핑 농도를 가질 수 있어, 제2 도전형 영역(30)을 효과적으로 형성할 수 있다. 본 실시예에서는 제2 개구부(104)를 제외한 부분에 전체적으로 형성된 도펀트 제공층(34)을 잔류시키는데, 도펀트 제공층(34)은 제2 도전형 도펀트에 의하여 음전하 또는 양전하를 가지므로 전계 효과 패시베이션(field-effect passivation)으로서의 역할도 수행할 수 있다. 또한, 도펀트 제공층(34)은 일종의 도전층으로 작용할 수 있으므로, 제2 전극(44)의 일부가 손상되는 등의 문제가 있을 때 우회 경로를 제공하는 역할도 할 수 있다.
도펀트 제공층(34) 위에는 레이저 흡수층(36)이 형성될 수 있는데, 레이저 흡수층(36)은 레이저 도핑 시 조사되는 레이저를 흡수하여 도펀트 제공층(34)에 포함된 제2 도전형 도펀트가 효과적으로 반도체 기판(10)으로 확산하도록 하면서 제2 개구부(104)를 형성하는 데 기여하는 층일 수 있다.
레이저 흡수층(36)은 레이저를 흡수할 수 있는 다양한 물질을 포함할 수 있는데, 일 예로, 실리콘 탄화물층, 실리콘 질화물층, 또는 이들을 포함하는 둘 이상의 층으로 구성되는 적층 구조 등으로 형성될 수 있다. 이러한 레이저 흡수층(36)은 제1 및 제2 도전형 도펀트를 도펀트로서 포함하지 않는 언도프트 절연층일 수 있고, 도펀트 제공층(34)과 다른 물질 또는 다른 조성을 가질 수 있다. 참조로, 실리콘 산화물은 레이저를 그대로 투과시키므로, 실리콘 산화물층을 단독으로 레이저 흡수층으로 사용할 경우에는 레이저 도핑 공정에 의하더라도 반도체 기판(10)으로의 도핑이 일어나지 않을 수 있다. 레이저 흡수층(36)은 그대로 잔류하여 절연 효과, 패시베이션 효과, 반사 방지 효과 등을 구현할 수 있다.
이러한 레이저 흡수층(36)은 다양한 방법에 의하여 형성될 수 있는데, 일 예로, 플라스마 유도 화학 기상 증착(PECVD), 저압 화학 기상 증착(LPCVD), 스퍼터링 등에 의하여 형성될 수 있다.
반도체 기판(10)과 도펀트 제공층(34) 사이에 위치하는 패시베이션층(32)을 더 포함할 수 있다. 패시베이션층(32)은 반도체 기판(10)을 패시베이션하는 패시베이션층으로서의 역할을 할 수 있다. 패시베이션층(32)은 진성 비정질 반도체(일 예로, 진성 비정질 실리콘)을 포함하여 패시베이션 효과를 향상할 수 있다. 참조로, 패시베이션층이 알루미늄 산화물 등을 포함하면 레이저 도핑 공정에서 제거가 어려울 수 있고 제거 공정을 추가로 수행하여야 하는 문제가 있고, 패시베이션층이 실리콘 산화물 등을 포함하면 레이저 도핑 공정이 원활하게 수행되지 못할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시예에서 패시베이션층(32)은 도펀트 제공층(34) 또는 레이저 흡수층(36)과 같거나 그보다 작은 두께를 가질 수 있다. 그러나 본 실시예에서 캐리어는 제2 도전형 영역(30)에 직접 접촉한 제2 전극(44)을 통하여 직접 이동하므로, 캐리어가 패시베이션층(32)을 통과하여 이동하지 않으므로 패시베이션층(32)은 터널링층으로서의 역할을 수행하지 않는다. 이에 따라 패시베이션층(32)이 패시베이션 효과를 향상할 수 있도록 도펀트 제공층(34) 또는 레이저 흡수층(36)보다 두꺼운 두께를 가질 수도 있다.
그리고 도펀트 제공층(34)의 두께가 레이저 흡수층(36)의 두께보다 클 수 있다. 이에 의하면 제2 도전형 도펀트를 제공하는 도펀트 제공층(34)의 두께가 두꺼워서 도핑 효율이 향상될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 레이저 흡수층(36)의 두께가 도펀트 제공층(34)과 같거나 그보다 클 수 있다. 그러면, 레이저 흡수층(36)에 의한 절연 효과, 패시베이션 효과, 반사 방지 효과 등을 향상할 수 있다.
일 예로, 도펀트 제공층(34)의 두께가 5 내지 80nm일 수 있고, 레이저 흡수층(36)의 두께가 10 내지 150nm일 수 있고, 패시베이션층(32)의 두께가 5 내지 50nm 일 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
패시베이션층(32), 도펀트 제공층(34) 및 레이저 흡수층(36)을 차례로 형성한 이후에 레이저를 조사하는 레이저 도핑 공정에 의하여 제2 개구부(104)가 형성되면서 제2 도전형 영역(30)이 형성될 수 있다. 이에 의하여 패시베이션층(32), 도펀트 제공층(34) 및 레이저 흡수층(36)이 제2 개구부(104)를 제외한 부분에 전체적으로 형성될 수 있다.
본 실시예에서는, 일 예로, 베이스 영역(110)이 제2 도전형을 가져, 제1 도전형 영역(20)이 에미터 영역을 구성하고, 제2 도전형 영역(30)이 전계 영역(일 예로, 후면 전계 영역)을 구성할 수 있다. 이에 의하면 에미터 영역이 반도체 기판(10)의 전면 쪽에 위치하며 pn 접합에 도달하는 광의 경로를 최소화할 수 있다. 그리고 넓은 면적으로 형성되는 제1 도전형 영역(20)이 에미터 영역을 구성하여 광전 변환에 의한 캐리어 생성을 최대화할 수 있다. 이때, 제1 도전형 영역(20)이 반도체 기판(10)의 일부를 구성하는 도핑 영역으로 구성되어 제1 도전형 영역(20)에 의한 광의 흡수를 최소화할 수 있다. 그리고 광의 입사가 상대적으로 적은 반도체 기판(10)의 후면 쪽에 위치하며 상대적으로 좁은 면적으로 형성된 제2 도전형 영역(30)을 전계 영역으로 형성하여, 광전 변환에 큰 영향을 미치지 않을 수 있다.
반도체 기판(10)의 전면 위(좀더 정확하게는, 반도체 기판(10)의 전면에 형성된 제1 도전형 영역(20) 위)에 제1 절연막인 패시베이션막(22) 및/또는 반사 방지막(24)이 위치(일 예로, 접촉)할 수 있다. 패시베이션막(22) 및/또는 반사 방지막(24)은 제1 개구부(102)를 제외하고 실질적으로 반도체 기판(10) 위에 전체적으로 형성될 수 있다. 일례로, 패시베이션막(22), 반사 방지막(24)은 실리콘 질화막, 수소를 포함한 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 실리콘 산화 질화막, 알루미늄 산화막, 실리콘 탄화막, MgF2, ZnS, TiO2 및 CeO2로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 단일막 또는 2개 이상의 막이 조합된 다층막 구조를 가질 수 있다. 일 예로, 패시베이션막(22) 및/또는 반사 방지막(24)은 우수한 절연 특성, 패시베이션 특성 등을 가질 수 있도록 도펀트 등을 구비하지 않을 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 전극(42)은 제1 개구부(102)의 적어도 일부를 채우면서 형성되어 제1 도전형 영역(20)에 전기적으로 연결(일 예로, 접촉 형성)되고, 제2 전극(44)은 제2 개구부(104)의 적어도 일부를 채우면서 형성되며 제2 도전형 영역(30)에 전기적으로 연결(일 예로, 접촉 형성)된다. 제1 및 제2 전극(42, 44)은 다양한 도전성 물질(일 예로, 금속)으로 구성되는 금속 전극층을 구비하며 다양한 형상을 가질 수 있다. 이러한 금속 전극층은 저온(일 예로, 450℃ 이하의 온도)에서 형성될 수 있는 저온 소성형 전극층일 수 있다. 이러한 저온 소성형 전극층을 사용하면 고온의 공정에서 태양 전지(100)의 패시베이션 특성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
도 2를 참조하면, 제1 전극(42)은 일정한 피치를 가지면서 서로 이격되며 일 방향으로 형성되는 복수의 핑거 전극(42a)을 포함할 수 있다. 도면에서는 핑거 전극(42a)이 서로 평행하며 반도체 기판(10)의 가장자리에 평행한 것을 예시하였으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고 제1 전극(42)은 핑거 전극들(42a)과 교차(일 예로, 직교)하는 방향으로 형성되어 핑거 전극(42a)을 연결하는 버스바 전극(42b)을 포함할 수 있다. 이러한 버스바 전극(42b)은 하나만 구비될 수도 있고, 도 2에 도시된 바와 같이, 핑거 전극(42a)의 피치보다 더 큰 피치를 가지면서 복수 개로 구비될 수도 있다. 이때, 핑거 전극(42a)의 폭보다 버스바 전극(42b)의 폭이 클 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 버스바 전극(42b)의 폭이 핑거 전극(42a)의 폭과 동일하거나 그보다 작은 폭을 가질 수 있다.
제2 전극(44)은 제1 전극(42)의 핑거 전극(42a) 및 버스바 전극(42b)에 각기 대응하는 핑거 전극 및 버스바 전극을 포함할 수 있다. 제2 전극(44)의 핑거 전극 및 버스바 전극에 대해서는 제1 전극(42)의 핑거 전극(42a) 및 버스바 전극(42b)에 대한 내용이 그대로 적용될 수 있다. 제1 전극(42)의 핑거 전극(42a)의 폭, 피치 등은 제2 전극(44)의 핑거 전극(44a)의 폭, 피치 등과 서로 동일할 수도 있고 서로 다를 수 있다. 제1 전극(42)의 버스바 전극(42b)의 폭은 제2 전극(44)의 버스바 전극의 폭과 동일할 수도 있고 서로 다를 수도 있으나, 제1 전극(42)의 버스바 전극(42b)과 제2 전극(44)의 버스바 전극은 동일한 위치에서 동일한 피치를 가지도록 배치될 수 있다.
이와 같이 제1 및 제2 전극(42, 44)이 일정한 패턴을 가지면, 태양 전지(100)는 반도체 기판(10)의 전면 및 후면으로 광이 입사될 수 있는 양면 수광형 구조를 가진다. 이에 의하여 태양 전지(100)에서 사용되는 광량을 증가시켜 태양 전지(100)의 효율 향상에 기여할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 제1 전극(42)과 제2 전극(44)의 평면 형상이 서로 다른 것도 가능하다. 그 외의 다양한 변형이 가능하다.
본 실시예에서 제1 및 제2 전극(42, 44)은 상술한 핑거 전극(42a), 버스바 전극(42b) 등을 포함하며 패턴을 가지는 금속 전극층으로 구성될 수 있는데, 이러한 금속 전극층은 제1 및 제2 개구부(102, 104)를 관통하여 제1 및 제2 도전형 영역(20, 30)에 직접 접촉할 수 있다. 이에 의하여 비정질층(일 예로, 비정질 반도체층)을 포함하는 태양 전지(100)에서 구비되던 투명 전극층(투명 전도성 산화물로 구성된 전극층)을 형성하지 않을 수 있다.
이와 같이 비정질층(일 예로, 비정질 반도체층)을 포함하는 태양 전지(100)에서 상술한 비정질층으로 구성된 도펀트 제공층(34), 그리고 레이저 흡수층(36)을 이용하여 제2 도전형 영역(30)을 형성하여 제2 전극(44)과 접촉하는 영역에 선택적인 도핑이 가능하도록 한다. 이에 따라 제2 도전형 영역(30)을 반도체 기판(10)의 내부에서 국부적으로 형성할 수 있어, 누설 전류를 최소화할 수 있다. 그리고 제2 전극(44)의 금속 전극층이 제2 도전형 영역(30)에 직접 컨택하여 접촉 저항을 줄일 수 있고 캐리어의 경로를 줄여 캐리어 수집 효율을 향상할 수 있다. 이에 의하여 태양 전지(100)의 효율을 향상할 수 있다. 또한, 고가의 투명 전극층을 제거하여 이를 형성하는 공정을 생략할 수 있어 제조 비용을 저감시키고 제조 공정을 단순화할 수 있다.
상술한 구조의 태양 전지(100)를 제조하는 방법의 일 실시예를 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 본 실시예에 따른 태양 전지(100)의 제조 방법에서 상세하게 설명한다. 상술한 설명에서 이미 설명한 내용에 대해서는 상세한 설명을 생략하고 서로 다른 부분에 대하여 상세하게 설명한다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지(100)의 제조 방법을 도시한 단면도들이다.
먼저, 도 4a에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(10)의 전면 쪽에 제1 도전형 영역(20), 패시베이션막(22) 및 반사 방지막(24)을 형성하고, 반도체 기판(10)의 후면 위에 패시베이션층(32), 도펀트 제공층(34) 및 레이저 흡수층(36)을 차례로 형성한다. 이들의 형성 방법, 형성 공정, 형성 순서 등은 다양하게 변형될 수 있다.
이어서, 도 4b에 도시한 바와 같이 제1 개구부(02) 및 제2 개구부(104)를 형성하고, 도 4c에 도시한 바와 같이 제1 개구부(102)를 관통하여 제1 도전형 영역(20)에 전기적으로 연결되는 제1 전극(42)을 형성하고 제2 개구부(104)를 관통하여 제2 도전형 영역(30)에 전기적으로 연결되는 제2 전극(44)을 형성한다. 도 4b 및 도 4c에서는 제1 및 제2 개구부(102, 104)를 형성한 이후에 제1 및 제2 전극(42, 44)을 형성하는 것을 예시하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 제1 개구부(102), 제1 전극(42), 제2 개구부(104), 제2 전극(44)의 순서, 제2 개구부(104), 제2 전극(44), 제1 개구부(102), 제1 전극(42)의 순서 등으로 형성이 가능하며 그 외의 다양한 변형도 가능하다. 또한, 제1 및 제2 개구부(102, 104)를 별도로 형성하지 않고 제1 전극(42)을 형성하는 공정(즉, 소성 공정)에서 파이어 스루 등에 의하여 제1 개구부(102)가 형성될 수도 있다.
도 4b와 관련하여, 제2 개구부(104)를 형성하면서 제2 도전형 영역(30)을 형성할 수 있다. 즉, 제2 전극(44)이 위치할 부분에 대응하여 도펀트 제공층(34)에 레이저(300)를 조사하여 도펀트 제공층(34), 레이저 흡수층(36) 및/또는 패시베이션층(32)에 제2 개구부(104)를 형성하면서 도펀트 제공층(34) 내에 포함된 제2 도전형 도펀트를 반도체 기판(10)의 후면으로 확산시켜 국부적으로 형성되는 제2 도전형 영역(30)을 형성할 수 있다. 그러면, 레이저 도핑 공정에서 제2 개구부(104)를 함께 형성할 수 있어 공정을 단순화할 수 있다.
레이저로는 레이저 도핑 공정을 수행할 수 있는 다양한 파장(예를 들어, 532nm, 1064nm 등)을 가지는 레이저를 사용할 수 있고, 다양한 펄스(단파 펄스(short pulse), 나노 펄스(nano pulse), 피코 펄스(pico pulse) 등)의 레이저를 사용할 수 있다. 레이저 도핑 공정에 의하여 제2 개구부(104) 주변에서 도펀트 제공층(34), 레이저 흡수층(36) 및/또는 패시베이션층(32)의 부분이 결정화되어 부분적으로 결정화된 부분을 구비할 수 있다. 또는, 레이저 도핑 공정에 의하여 제2 개구부(104) 주변에서 도펀트 제공층(34), 레이저 흡수층(36) 및/또는 패시베이션층(32)에 버(burr)가 형성되거나, 단면으로 볼 때 제2 개구부(104) 주변에서 도펀트 제공층(34), 레이저 흡수층(36) 및/또는 패시베이션층(32) 중 적어도 하나가 불룩 튀어나온 부분이 형성될 수 있다. 이로부터 레이저 도핑 공정이 이루어졌음을 알 수 있다.
제1 개구부(102)는 레이저(300)에 의하여 형성될 수도 있고, 식각 페이스트 등에 의하여 형성될 수 있다.
도 4c와 관련하여, 제1 및/또는 제2 전극(42, 44)은 도금, 스퍼터링, 인쇄 등의 다양한 방법으로 형성될 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.
100: 태양 전지
10: 반도체 기판
20: 제1 도전형 영역
22: 패시베이션막
24: 반사 방지막
30: 제2 도전형 영역
32: 패시베이션층
34: 도펀트 제공층
36: 레이저 흡수층
10: 반도체 기판
20: 제1 도전형 영역
22: 패시베이션막
24: 반사 방지막
30: 제2 도전형 영역
32: 패시베이션층
34: 도펀트 제공층
36: 레이저 흡수층
Claims (14)
- 베이스 영역을 구비하는 반도체 기판;
상기 반도체 기판의 제1 면에 형성되며 제1 도전형 도펀트를 가지는 제1 도전형 영역;
상기 제1 면과 반대되는 상기 반도체 기판의 제2 면 위에서 비정질층으로 구성되며 상기 제1 도전형 도펀트와 반대되는 도전형을 가지는 제2 도전형 도펀트를 가지는 도펀트 제공층;
상기 도펀트 제공층 위에 형성되며 상기 도펀트 제공층과 다른 물질 또는 다른 조성을 가지는 레이저 흡수층;
상기 반도체 기판의 상기 제2 면에서 국부적으로 형성되며 상기 제2 도전형 도펀트를 가지는 제2 도전형 영역;
상기 제1 도전형 영역에 전기적으로 연결되는 제1 전극; 및
상기 도펀트 제공층 및 레이저 흡수층을 관통하여 상기 제2 도전형 영역에 전기적으로 연결되는 제2 전극
을 포함하는 태양 전지. - 제1항에 있어서,
상기 반도체 기판과 상기 도펀트 제공층 사이에 진성 비정질 반도체를 포함하는 패시베이션층을 더 포함하고,
상기 제2 전극이 상기 패시베이션층을 관통하여 상기 제2 도전형 영역에 전기적으로 연결되는 태양 전지. - 제1항에 있어서,
상기 제2 전극은 상기 제2 도전형 영역에 직접 접촉하는 금속 전극층을 포함하는 태양 전지. - 제1항에 있어서,
상기 제2 도전형 영역은 상기 제2 전극이 위치하는 부분에 대응하여 국부적으로 형성되는 태양 전지. - 제1항에 있어서,
상기 도펀트 제공층은 비정질 실리콘층을 포함하는 태양 전지. - 제1항에 있어서,
상기 도펀트 제공층 및 상기 레이저 흡수층은 상기 제2 전극이 관통하는 개구부를 제외한 부분에 전체적으로 형성되는 태양 전지. - 제6항에 있어서,
상기 도펀트 제공층의 두께가 상기 레이저 흡수층의 두께보다 큰 태양 전지. - 제6항에 있어서,
상기 레이저 흡수층의 두께가 상기 도펀트 제공층의 두께와 같거나 그보다 큰 태양 전지. - 제1항에 있어서,
상기 베이스 영역이 상기 제2 도전형 도펀트가 상기 제2 도전형 영역 또는 상기 도펀트 제공층보다 낮은 도핑 농도로 포함되어, 상기 제1 도전형 영역이 에미터 영역을 구성하고 상기 제2 도전형 영역이 전계 영역을 구성하는 태양 전지. - 제1항에 있어서,
상기 제1 도전형 영역은 상기 반도체 기판의 일부를 구성하며 평면으로 볼 때 전체적으로 형성되는 도핑 영역으로 구성되고,
상기 제2 도전형 영역은 상기 반도체 기판의 일부를 구성하며 평면으로 볼 때 국부적으로 형성되어 상기 제1 도전형 영역보다 작은 면적으로 형성되는 도핑 영역으로 구성되는 태양 전지. - 제1항에 있어서,
상기 레이저 흡수층은 실리콘 탄화물층 및 실리콘 질화물층 중 적어도 하나를 포함하는 태양 전지. - 베이스 영역을 구비하는 반도체 기판의 제1 면 쪽에 제1 도전형 도펀트를 가지는 제1 도전형 영역을 형성하는 단계;
상기 제1 면과 반대되는 상기 반도체 기판의 제2 면 위에서 비정질 반도체층으로 구성되며 상기 제1 도전형과 반대되는 제2 도전형 도펀트를 가지는 도펀트 제공층을 형성하는 단계;
상기 도펀트 제공층 위에 상기 도펀트 제공층과 다른 물질 또는 다른 조성을 가지는 레이저 흡수층을 형성하는 단계; 및
상기 도펀트 제공층에 레이저를 조사하여 상기 도펀트 제공층 및 상기 레이저 흡수층에 개구부를 형성하면서 상기 도펀트 제공층 내에 포함된 상기 제2 도전형 도펀트를 상기 반도체 기판의 상기 제2 면에 확산시켜 국부적으로 형성되는 제2 도전형 영역을 형성하는 단계; 및
상기 제1 도전형 영역에 전기적으로 연결되는 제1 전극 및 상기 개구부를 관통하여 상기 제2 도전형 영역에 전기적으로 연결되는 제2 전극을 형성하는 단계
를 포함하는 태양 전지의 제조 방법. - 제12항에 있어서,
상기 제2 전극은 상기 제2 도전형 영역에 직접 접촉하는 금속 전극층을 포함하는 태양 전지의 제조 방법. - 제12에 있어서,
상기 레이저 흡수층은 실리콘 탄화물층 및 실리콘 질화물층 중 적어도 하나를 포함하는 태양 전지.
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| KR1020180097055A KR20200021375A (ko) | 2018-08-20 | 2018-08-20 | 태양 전지 및 이의 제조 방법 |
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| KR1020180097055A KR20200021375A (ko) | 2018-08-20 | 2018-08-20 | 태양 전지 및 이의 제조 방법 |
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| KR20200021375A true KR20200021375A (ko) | 2020-02-28 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112447863A (zh) * | 2020-11-20 | 2021-03-05 | 横店集团东磁股份有限公司 | 一种太阳能电池及其制备方法 |
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2018
- 2018-08-20 KR KR1020180097055A patent/KR20200021375A/ko unknown
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