KR20200058735A - 광 특성이 조절 가능한 후면 에미터 결정질 실리콘 태양전지의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 HIT(Heterostructure with intrinsic thin layer) 태양전지 수광부에 p-type 이미터가 아닌 n-type nc-SiO FSF (Front surface field)층을 사용하고 이미터를 후면에 적용한 후면 이미터 HIT 태양전지 제작 방법이다. 고효율의 후면 이미터 HIT 태양전지의 제작을 위하여 기존 사용되는 비정질 실리콘(a-Si) 도핑층으로 전기적 특성 및 광학적 특성이 좋은 nc-SiO 층을 FSF 층으로 적층 하는 태양전지 제작에 관한 것이다. n-type nc-SiOx:H은 고밴드갭 이면서, a-Si 보다 높은 전도도를 유지하며, refractive index 값을 1.5~3.5까지 조절이 가능한 물질로서 전도층 및 light reflection 이중 역할이 가능하다. 단락전류 상승에 의한 태양전지 변환효율의 상승을 기대할 수 있을 것이다.
Description
본 발명은 광 특성이 조절 가능한 후면 에미터 결정질 실리콘 태양전지의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 전기에 대한 수요가 급증하면서 석탄, 석유 등과 같은 기존의 화석연료에 의해 전기를 생산하는 방식 이외에 태양광, 바이오, 풍력, 지열, 해양, 폐기물 에너지와 같은 재생에너지를 활용한 전기 생산 방식이 각광받고 있다. 이 중에서도 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지시스템에 대한 개발이 활발하다. 태양전지 시스템을 이용한 태양광 발전시스템은 태양 에너지를 전기에너지로 전환시키는 과정에서 기계적, 화학적 작용이 없으므로 시스템의 구조가 단순하여 유지보수가 거의 필요치 않다. 또한, 태양광 시스템을 한번 설치하게 되면 그 수명이 길고 안전하며, 나아가 환경 친화적이라는 장점을 가지고 있다.
태양전지시스템은 태양광이 입사되는 셀(cell)을 구비하고, 태양광을 받으면 광전효과에 의해 전기를 발생시키는 셀의 특성을 이용하여 전기를 생산하게 된다. 한편, 최근에는 태양전지시스템의 전기생산효율을 향상시키기 위한 많은 연구가 활발하게 진행되고 있다.
기존 사용되는 고효율 HIT 태양전지에 정션(junction)을 이루기 위하여 통상적으로 도핑층으로 a-Si 박막을 투명전도막과 웨이퍼 사이에 삽입하는데 이 a-Si 물질의 광특성이 좋지 않아서 입사되는 광을 박막 자체에서 흡수하여 광생성층까지 광을 충분히 전달하지 못하는 문제점이 존재한다.
이러한 물질적인 광 특성의 한계로 단락전류가 하락하고 결과적으로 태양전지의 효율 한계가 나타나는 문제점이 있었다.
본 발명은 위의 문제를 극복하고자 수광부에 삽입되는 도핑층을 a-Si 박막보다 광투과성 및 전기적 특성이 우수한 nc(nano-crystal)-SiO 박막으로 대체하여 태양전지의 특성 향상을 제안한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광 특성이 조절 가능한 후면 에미터 결정질 실리콘 태양전지의 제조 방법은, 결정질 실리콘 웨이퍼의 양면을 텍스처링하는 단계; 상기 결정질 실리콘 웨이퍼의 상면에 제 1 진성 비정질 실리콘층을 증착하는 단계; 상기 제 1 진성 비정질 실리콘층 상에 제 1 도핑된 실리콘 옥사이드층을 증착하는 단계; 상기 제 1 도핑된 실리콘 옥사이드층에 이산화탄소를 주입하여 굴절률을 조절하는 단계; 상기 결정질 실리콘 웨이퍼의 하면에 제 2 진성 비정질 실리콘층을 증착하는 단계; 상기 제 2 진성 비정질 실리콘층 상에 제 2 도핑된 실리콘 옥사이드층을 증착하는 단계; 상기 제 2 도핑된 실리콘 옥사이드층에 이산화탄소를 주입하여 굴절률을 조절하는 단계; 상기 제 1 도핑된 비정질 실리콘층 표면 및 상기 제 2 도핑된 비정질 실리콘층 표면에 각각 제 1 투명 전도막 및 제 2 투명 전도막을 증착하는 단계; 및 상기 제 1 투명 전도막 및 상기 제 2 투명 전도막 상에 각각 제 1 전극 및 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 제 1 진성 비정질 실리콘층 및 상기 제 2 진성 비정질 실리콘층의 두께는 6 내지 10nm인 것을 특징으로 한다.
상기 결정질 실리콘층이 n 타입인 경우, 제 1 도핑된 실리콘 옥사이드층은 n 도핑된 실리콘 옥사이드층이고, 제 2 도핑된 실리콘 옥사이드층은 p 도핑된 실리콘 옥사이드층이다.
상기 결정질 실리콘층이 p 타입인 경우, 제 1 도핑된 실리콘 옥사이드층은 p 도핑된 실리콘 옥사이드층이고, 제 2 도핑된 실리콘 옥사이드층은 n 도핑된 실리콘 옥사이드층이다.
상기 제 1 도핑된 실리콘 옥사이드층 및 상기 제 2 도핑된 실리콘 옥사이드층의 두께는 20 내지 40nm인 것을 특징으로 한다.
상기 이산화탄소의 주입에 의해 굴절률이 감소하여 반사율을 감소시킴으로써 광 특성이 향상된다.
상기 조절된 굴절률은 2.1 내지 2.8인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 기존의 도핑된 a-Si 박막을 nc-SiO 기반 후면 이미터 양면수광형 HIT 태양전지 형태로 고안함으로 기존의 고효율 태양전지 제작의 병목점인 낮은 단락전류와 충진률의 향상이 가능하다는 장점을 갖는다.
본 발명에 따르면, 양면 수광형 HIT 태양전지 형태로 구조화될 수 있으며, 양면 수광형일 경우 전면뿐만 아니라 후면에서도 CO2에 의한 굴절률 조절에 의해 광의 흡수율을 향상시킬 수 있는 장점을 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 특성이 조절 가능한 후면 에미터 결정질 실리콘 태양전지의 제조 방법의 순서도를 도시한다.
도 2는 광 특성이 조절 가능한 후면 에미터 결정질 실리콘 태양전지의 제조 방법에 따라 제조된 태양전지의 모식도를 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
도 2는 광 특성이 조절 가능한 후면 에미터 결정질 실리콘 태양전지의 제조 방법에 따라 제조된 태양전지의 모식도를 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 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.
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.
본 발명은 고효율 태양전지 제작을 위해서 광특성 조절이 가능한 수광층을 태양전지에 적용하여 전면에서 반사되는 광을 최소로 하여 결과적으로 광생성층에 도달하는 광량을 최대로 하여 후면 이미터 결정질 실리콘 기반의 HIT (Heterostructure with intrinsic thin layer) 태양전지 제작 방법 및 그 관련 기술에 관련한 발명이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 특성이 조절 가능한 후면 에미터 결정질 실리콘 태양전지의 제조 방법의 순서도를 도시하고, 도 2는 광 특성이 조절 가능한 후면 에미터 결정질 실리콘 태양전지의 제조 방법에 따라 제조된 태양전지의 모식도를 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광 특성이 조절 가능한 후면 에미터 결정질 실리콘 태양전지의 제조 방법은, 결정질 실리콘 웨이퍼의 양면을 텍스처링하는 단계(S 110); 상기 결정질 실리콘 웨이퍼의 상면에 제 1 진성 비정질 실리콘층을 증착하는 단계(S 120); 상기 제 1 진성 비정질 실리콘층 상에 제 1 도핑된 실리콘 옥사이드층을 증착하는 단계(S 130); 상기 제 1 도핑된 실리콘 옥사이드층에 이산화탄소를 주입하여 굴절률을 조절하는 단계(S 140); 상기 결정질 실리콘 웨이퍼의 하면에 제 2 진성 비정질 실리콘층을 증착하는 단계(S 150); 상기 제 2 진성 비정질 실리콘층 상에 제 2 도핑된 실리콘 옥사이드층을 증착하는 단계(S 160); 상기 제 2 도핑된 실리콘 옥사이드층에 이산화탄소를 주입하여 굴절률을 조절하는 단계(S 170); 상기 제 1 도핑된 비정질 실리콘층 표면 및 상기 제 2 도핑된 비정질 실리콘층 표면에 각각 제 1 투명 전도막 및 제 2 투명 전도막을 증착하는 단계(S 180); 및 상기 제 1 투명 전도막 및 상기 제 2 투명 전도막 상에 각각 제 1 전극 및 제 2 전극을 형성하는 단계(S 190)를 포함한다.
S 110 단계에서는 결정질 실리콘 웨이퍼의 양면을 텍스처링한다. 텍스쳐링 구조는 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(1100) 표면에 미세한 피라미드 형태의 요철을 다수 형성하게 되며, 상기 요철의 크기는 대략 2 내지 10㎛이다. 상기 텍스쳐링 구조에 의해 상기 결정질 실리콘 웨이퍼의 표면에서 태양광의 반사율을 감소시킬 수 있다. 상기 실리콘 기판(10)은 결정질 실리콘 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 실리콘 기판(10)으로는 단결정 또는 다결정 실리콘 웨이퍼가 사용될 수 있다. 그리고 상기 실리콘 기판(10)은 n-형 반도체 특성 및 p-형 반도체 특성 중 하나의 특성을 갖는 실리콘 재질로 형성될 수 있다. 상기 실리콘 기판(10)이 n-형 반도체 특성을 갖는 경우, 상기 실리콘 기판(10)에는 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같은 5가 원소가 도핑될 수 있고, 상기 실리콘 기판(10)이 p-형 반도체 특성을 갖는 경우, 상기 실리콘 기판(10)에는 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등과 같은 3가 원소가 도핑될 수 있다.
S 120 단계에서는 상기 결정질 실리콘 웨이퍼의 상면에 제 1 진성 비정질 실리콘층(21)을 증착한다. 이러한 증착은 소정의 증착 장치, 예를 들어 PECVD(Plasma-enhanced chemical vapor deposition) 또는 CVD를 이용하여 증착할 수 있다. 상기 제 1 진성 비정질 실리콘층의 두께는 대략 6 내지 10nm의 두께로 증착되어 표면 패시베이션층을 형성하게 된다.
S 130 단계에서는 상기 제 1 진성 비정질 실리콘층 상에 제 1 도핑된 실리콘 옥사이드층을 증착한다. 상기 제 1 도핑된 실리콘 옥사이드층의 두께는 20 내지 40nm인 것이 바람직하다.
S 140 단계에서는 상기 제 1 도핑된 실리콘 옥사이드층에 이산화탄소를 주입하여 굴절률을 조절한다. CO2 가스를 주입함으로써 굴절률이 감소되며, 이에 의해 광의 반사도를 낮추게 되므로 광 특성이 좋아지는 것이다. 이산화탄소에 의해 조절된 굴절률은 2.1 내지 2.8인 것이 바람직하다.
S 150 단계에서는 상기 결정질 실리콘 웨이퍼의 하면에 제 2 진성 비정질 실리콘층(22)을 증착한다. 이러한 증착은 소정의 증착 장치, 예를 들어 PECVD 또는 CVD를 이용하여 증착할 수 있다. 상기 제 1 진성 비정질 실리콘층의 두께는 대략 6 내지 10nm의 두께로 증착되어 표면 패시베이션층을 형성하게 된다.
S 160 단계에서는 상기 제 2 진성 비정질 실리콘층 상에 제 2 도핑된 실리콘 옥사이드층을 증착한다. 상기 제 2 도핑된 실리콘 옥사이드층의 두께는 20 내지 40nm인 것이 바람직하다.
S 170 단계에서는 상기 제 2 도핑된 실리콘 옥사이드층에 이산화탄소를 주입하여 굴절률을 조절한다. CO2 가스를 주입함으로써 굴절률이 감소되며, 이에 의해 광의 반사도를 낮추게 되므로 광 특성이 좋아지는 것이다. 이산화탄소에 의해 조절된 굴절률은 2.1 내지 2.8인 것이 바람직하다.
S 180 단계에서는 상기 제 1 도핑된 비정질 실리콘층 표면 및 상기 제 2 도핑된 비정질 실리콘층 표면에 각각 제 1 투명 전도막(41) 및 제 2 투명 전도막(42)을 증착한다. 투명 전도막(41, 42)은 투명 도전성 산화물(Transparent Conductive Oxide, TCO)로 형성될 수 있다.
S 190 단계에서는 상기 제 1 투명 전도막 및 상기 제 2 투명 전도막 상에 각각 제 1 전극(51) 및 제 2 전극(52)을 형성한다. 금속전극(51, 52)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 금속전극(51, 52)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 결정질 실리콘층(10)이 n 타입인 경우, 제 1 도핑된 실리콘 옥사이드층(31)은 n 도핑된 실리콘 옥사이드층이고, 제 2 도핑된 실리콘 옥사이드층(32)은 p 도핑된 실리콘 옥사이드층이고, 상기 결정질 실리콘층(10)이 p 타입인 경우, 제 1 도핑된 실리콘 옥사이드층(31)은 p 도핑된 실리콘 옥사이드층이고, 제 2 도핑된 실리콘 옥사이드층(32)은 n 도핑된 실리콘 옥사이드층이 된다.
본 발명에 따르면, 양면 수광형 HIT 태양전지 형태로 구조화될 수 있으며, 양면 수광형일 경우 전면뿐만 아니라 후면에서도 CO2에 의한 굴절률 조절에 의해 광의 흡수율을 향상시킬 수 있는 장점을 갖는다.
이하에서는 구체적인 실시예와 함께 본 발명의 내용을 추가적으로 설명하도록 하겠다.
도 2는 굴절률 조절이 가능한 n, p type nc-SiO (Front Surface Field)층을 적용한 n-type 웨이퍼를 빛흡수층으로 사용한 후면 에미터형 bifacial(양방향 빛 조사) HIT 실리콘 태양전지 제작 예를 나타낸다.
먼저 RCA 클리닝된 n-type wafer 기판에 전후면에 고품위 i-type a-Si:H layer 3~5 nm 증착 후 전면에 n-타입 인(P) 도너 분순물이 도핑 되고 CO2 가스를 주입하여 굴절률을 조정하여 만든 결정성 있는 수소화 실리콘 산화막(n-type nc-SiO:H)을 증착하였다.
n-type 층의 굴절률이 조절하면서 n층에서의 입사광의 반사가 줄어들게 하여 궁극적으로 빛 흡수층에서 빛을 많이 흡수할 수 있게 도와주기 때문에 굴절률이 낮을수록 단락전류 향상을 통한 고효율의 태양전지 제작이 가능하나 그 굴절률이 너무 낮으면 박막 자체의 전도도가 현저히 떨어지기 때문에 적정 귤절률은 2.1~2.8로 조절하였다.
이후 후면에 p-타입 보론(B) 억셉터 분순물이 도핑 된 미세결정 실리콘(nc-SiO:H)을 증착하는 단계로 정적 두께는 25~30 nm이다.
다음으로 전후면 이미터 HIT 태양전지 전후면의 TCO 물질 증착하였으며, 면저항이 약 30 Ω/□ 담보되는 두께로 결정하였다.
이후 그리드 콘택(grid contact)을 형성하였고, 형성 방법은 evaporation 혹은 screen printing 방법을 이용하였다. 물질로는 알루미늄(Al) 혹은 실버(Ag)을 형성하였다.
본 발명은 HIT(Heterostructure with intrinsic thin layer) 태양전지 수광부에 p-type 이미터가 아닌 n-type nc-SiO FSF (Front surface field)층을 사용하고 이미터를 후면에 적용한 후면 이미터 HIT 태양전지 제작 방법이다. 고효율의 후면 이미터 HIT 태양전지의 제작을 위하여 기존 사용되는 비정질 실리콘(a-Si) 도핑층으로 전기적 특성 및 광학적 특성이 좋은 nc-SiO 층을 FSF 층으로 적층 하는 태양전지 제작에 관한 것이다. n-type nc-SiOx:H은 고밴드갭 이면서, a-Si 보다 높은 전도도를 유지하며, refractive index 값을 1.5~3.5까지 조절이 가능한 물질로서 전도층 및 light reflection 이중 역할이 가능하다. 단락전류 상승에 의한 태양전지 변환효율의 상승을 기대할 수 있을 것이다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.
Claims (7)
- 결정질 실리콘 웨이퍼의 양면을 텍스처링하는 단계;
상기 결정질 실리콘 웨이퍼의 상면에 제 1 진성 비정질 실리콘층을 증착하는 단계;
상기 제 1 진성 비정질 실리콘층 상에 제 1 도핑된 실리콘 옥사이드층을 증착하는 단계;
상기 제 1 도핑된 실리콘 옥사이드층에 이산화탄소를 주입하여 굴절률을 조절하는 단계;
상기 결정질 실리콘 웨이퍼의 하면에 제 2 진성 비정질 실리콘층을 증착하는 단계;
상기 제 2 진성 비정질 실리콘층 상에 제 2 도핑된 실리콘 옥사이드층을 증착하는 단계;
상기 제 2 도핑된 실리콘 옥사이드층에 이산화탄소를 주입하여 굴절률을 조절하는 단계;
상기 제 1 도핑된 비정질 실리콘층 표면 및 상기 제 2 도핑된 비정질 실리콘층 표면에 각각 제 1 투명 전도막 및 제 2 투명 전도막을 증착하는 단계; 및
상기 제 1 투명 전도막 및 상기 제 2 투명 전도막 상에 각각 제 1 전극 및 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하는,
광 특성이 조절 가능한 후면 에미터 결정질 실리콘 태양전지의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 진성 비정질 실리콘층 및 상기 제 2 진성 비정질 실리콘층의 두께는 6 내지 10nm인 것을 특징으로 하는,
광 특성이 조절 가능한 후면 에미터 결정질 실리콘 태양전지의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 결정질 실리콘층이 n 타입인 경우, 제 1 도핑된 실리콘 옥사이드층은 n 도핑된 실리콘 옥사이드층이고, 제 2 도핑된 실리콘 옥사이드층은 p 도핑된 실리콘 옥사이드층인,
광 특성이 조절 가능한 후면 에미터 결정질 실리콘 태양전지의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 결정질 실리콘층이 p 타입인 경우, 제 1 도핑된 실리콘 옥사이드층은 p 도핑된 실리콘 옥사이드층이고, 제 2 도핑된 실리콘 옥사이드층은 n 도핑된 실리콘 옥사이드층인,
광 특성이 조절 가능한 후면 에미터 결정질 실리콘 태양전지의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 도핑된 실리콘 옥사이드층 및 상기 제 2 도핑된 실리콘 옥사이드층의 두께는 20 내지 40nm인 것을 특징으로 하는,
광 특성이 조절 가능한 후면 에미터 결정질 실리콘 태양전지의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 이산화탄소의 주입에 의해 굴절률이 감소하여 반사율을 감소시킴으로써 광 특성이 향상되는,
광 특성이 조절 가능한 후면 에미터 결정질 실리콘 태양전지의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 조절된 굴절률은 2.1 내지 2.8인 것을 특징으로 하는,
광 특성이 조절 가능한 후면 에미터 결정질 실리콘 태양전지의 제조 방법.
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2018
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