KR940010161B1 - 태양 전지 - Google Patents

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누켐 게엠베하
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Abstract

내용 없음.

Description

태양 전지
제 1 도는 양호한 표면 안정화층의 캐패시턴스/전압 곡선도.
제 2 도는 앞표면상에 옴 접속을 갖는 본 발명에 따른 실리콘 태양 전지의 제1실시예도
제 3 도는 뒷표면상에 옴 접속을 갖는 실리콘 태양 전지도.
제 4 도는 뒷표면상에 옴 접속을 갖는 실리콘 태양 전지의 또다른 실시예도를 도시한 것이다.
본 발명은 실리콘과 같은 반도체 물질의 태양전지에 관한 것으로, 그러한 반도체 기판에 있어서 반도체 기판상에 옴접속부가 배열되고 방사 에너지(radiationenergy)에 의해 전하 캐리어가 발생되며, 상기 전하 캐리어는 분리가능하며 방출가능하다.
태양 전지 모듈(solar cellmoudle)에 대한 가격은 태양 전지 그 자체에 대한 비용과 모듈을 형성하기 위해 전지 배열을 캡슐형으로 구성시키는 비용의 부분으로 형성된다. 태양 전지 제조는 실제 처리 비용에 부가하여 제1요소로서 반도체 물질에 대한 비용을 수반하게 된다. 이와 같은 이유로 전기적 특성의 저하와 태양 전지의 효율에 대한 감소가 일반적으로 중요시되는 더 값싼 반도체 물질의 개발이 전세계적으로 대두되었다.
특히, 단결정 및 다결정 실리콘이 사용되었을 경우, 태양 전지의 가격을 절감하기 위한 또다른 가능성이 반도체 기판의 두께 즉, 재료 소비를 감소하는 것이다. 전지의 전체가격에 매우 큰 비중을 차지하는 반도체 재료를 감소한다는 점에 부가하여, 두께가 얇은 태양 전지는 다음과 같은 장점이 있다.
- 태양 전지의 가요성(flexibility)의 증가로 곡선형 표면에도 적합하며, 무게에 대한 성능비의 증가로, 지상용 전지는 물론 우주 운행의 적용에도 유리하고,
- 공간에서의 높은 에너지 방사에 대한 톨러런스(tolerance)의 증가와,
- 실례로, 얇은 실리콘 리본(ribbon)이 사용될 수 있어 그 제조는 리본이 더 얇아짐에 따라 더욱 경제적이며,
- 적외선 방사(infra-red radiation)가 전지내에 흡수되지 않는다면 셀의 가열 감소로 더 높은 동작 전압을 허용하고,
- 태양 전지의 뒷면(rear surface)에 충돌하는 방사를 이용하도록 전지를 구성하는 것이 가능하여 상당히 높은 전기적 출력을 가질 수 있다.
그러나, 태양 전지 두께의 감소는 또한 근본적인 문제점들을 포함하고 있는데, 반도체 기판의 두께가 소수 전하 캐리어(minority charge carriers)의 각 확산 길이 이하로 떨어진다면, 태양 전지의 뒷면상에서의 전하 캐리어의 증가된 재결합의 결과로 전기적 특성(무부하 전압, 단락회로 전류)과 태양 전지의 효울이 상당히 떨어지게 된다.
이제까지, 이러한 상기 문제점은 특히 우주 운행 전지에 있어서, 태양 전지의 뒷면상에 전기장을 발생시키므로써 해결되어져 왔다. 옴 접속부(ohmic contact)는 극도로 높은 재결합 속도로 구별되기 때문에, 소수 전하 캐리어에 대한 전위 장벽은 뒷면에서 형성되어, 상기 캐리어들은 뒷면의 옴 접속부까지 통과할 수 없게 되고 재결합될 수 없게 된다.
뒷면상의 전기장은 기체상태의 확산, 이온 주입 또는 아주 빈번한 합금 처리에 따라 불순물을 뒷면에 합체시키므로써 발생될 수 있다. n+p 실리콘 태양 전지에 있어서, 실례로 붕소 또는 알루미늄이 pp+ 접합을 발생하도록 p도핑된 실리콘 기판내로 합체된다.
이러한 상기 방법들은 항상 값비싼 고운 처리를 필요로 하는데, 이런 처리는 뒷면에 여러가지 결점을 발생시키며 전기장의 효율을 대단히 감소시켜 대량 생산에서 태양 전지 데이타의 상당한 확산분포를 유도하며 반도체 볼륨내의 캐리어 라이프 타임을 줄이게 한다. 부가하여 결점들은 태양 전지의 에지(edges)에서 발생하며, "확산 파이프(diffusion pipes)"로 부터 불완전한 합금 및 빈곤한 확산을 야기하게 된다. 또한, 불규칙한 뒷면의 금속의 침투와 불순물의 침전이 검출될 수 있다.
본 발명의 목적은 제조 과정의 간소함과 비용절감을 제공하고 큰 영역의 태양 전지 특히, 실리콘 태양 전지의 대량 생산이 가능하며, 소수 전하 캐리어에 대한 전위 장벽의 일반적인 공급없이도 옴 접속(ohmic contact) 영역에서의 재결합 속도가 상당히 감소된 서두에서 언급한 형태의 태양 전지를 제공하는 것이다.
상기 목적은 한편으로는 전하를 분리하는데 필요한 전기정은 태양 전지의 앞면상에 발생될 수 있으며, 태양 전지의 뒷면상의 옴 접속은 반도체 기판상의 상호 연결되는 일부영역에 직접 배치되며, 적어도 제 1 표면안정화층이 반도체 기판상에 존재하는 산화물을 포함하지 않는 부분 영역사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 태양 전지에 의해 달성되어진다.
또 한편으로는, 상기 목적은 전하를 분리시키는데 필요한 전기장이 태양 전지의 뒷면상에 발생가능하고, 반도체 기판이 소수 전하 캐리어의 확산 길이와 동일하거나 더 작은 두께를 가지며, 태양 전지의 앞면상의 옴 접속이 반도체 기판상의 상호 연결되는 일부 영역에 직접 배열되고, 반도체 기판상에 존재하는 산화물을 포함하지 않는 부분 영역간에 배열된 적어도 제 1 표면 안정화층이 존재하므로써 이루어진다.
그러므로, 본 발명에 따른 해결책에 있어서, 제 1 표면 안정화층이 반도체 기판상에 직접적으로 배치될 수 있는 즉, 반도체 기판과 제 1 표면 안정화층 사이에 산화물층이 존재하지 않게 되도록 제안되었다.
옴 접속 영역을 감소시킴으로써(양호하게는 반도체 기판영역의 90% 이상), 재결합 속도에 대한 상기 접속의 영향은 감소된다. 여기에서, 옴 접속의 부분 필드간 영역내의 전하 캐리어의 재결합이 표면 안정화층 또는 절연층에 의해 크게 감소된다는 것은 특히 중요하다. 이것은 표면 안정화층/반도체 인터페이스에 대한 고품질 특성에 의해 보장된다.
본 발명의 실시에에 있어서, 전기장은 pn접합이나 MIS 접속에 의해 양호하게 발생된다. MIS 접속은 p실리콘, 고유실리콘 산화물층 또는 800℃ 이하의 온도에서 발생되는 실리콘 산화물층, 및 알루미늄 또는 마그네슘으로 양호하게 구성되며, MIS접속은 태양 전지의 뒷면 전체에 걸쳐 연장되는 것이 가능하다.
또한, 반도체 기판과 제 1 표면 안정화층 사이에는 제 2 표면 안정화층이 위치될 수 있다.
본 발명의 또다른 실시예에 있어서, 수소를 함유하는 비결정 실리콘층이 반도체 기판과 제 1 표면 안정화층 사이에 배치될 수 있으며, 그에 따라 태양 전지의 효율을 양호하게 향상시킨다.
본 발명의 또다른 실시예에 따르면, 제 1 표면 안정화층은 그것이 수소를 함유한다는 점에서 구별되며, 따라서 제 1 표면 안정화층은 양호하게 글로우 방전으로 반응 노(reaction furmace)에서의 가스 상태로 부터의 증착과 광효과 또는 캐소드 스퍼터링에 의해 발생가능한 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화질화물을 포함할 수 있으며, 이에 부가하여 알칼리 이온 또는 알루미늄 산화물 또는 알루미늄 산화질화물과 같은 이질 이온을 포함할 수 있다. 2 내지 300nm사이의 범위가 제 1 표면 안정화층에 대한 이상적인 두께이다.
본 발명의 원리에 따라 제조된 태양 전지 특히, 반도체 기판 뒷면 전체에 걸쳐 연장되지 않는 뒷표면상의 옴 접속 영역은 다음과 같은 장점을 제공한다.
1. 태양전지를 만드는데 요구되는 처리 비용이 저렴하고, 낮은 온도에서 에너지 절약 및 신뢰할 만한 증착처리가 가능하며, 표면 안정화층은 600℃ 이하의 온도에서 2내지 20분의 기간내에 증착될 수 있다.
2. 전지가 아주 얇을 경우 파손이 보다 적어지기 때문에 용이한 취급이 가능하여 처리능력의 증가를 유도한다.
3. 태양 전지의 장기간의 안정성은 뒷표면과 에지(edges)의 양호한 표면 안정화에 의해 증가되는데 표면 안정화층이 외부로 부터 이질 원자의 침투를 방지하여, 금속과 반도체를 손상되지 않게 하기 때문이다.
4. 전위 장벽이 태양 전지의 에지상에 제공되어, 소수 전하 캐리어가 앞면으로부터 뒷면으로 흐르는 것(단락회로, 병렬저항의 감소)을 방지한다. 이것은 특히 얇은 태양 전지가 주로 사용되는 경우에 특히 중요하다. 또한 앞면상의 금속이 실수로 에지 넘어로 연장하는 경우에도 단락회로의 가능성이 배제된다.
5. 태양 전지의 에지를 덮는 표면 안정화층의 경우에 있어서, 앞표면 접속이 뒷표면으로 이어져 접속될 수 있다. 태양 전지의 뒷표면에 대한 접속은 본딩 패드의 부재에 기인한 앞면상의 활성 표면(active surface)의 이득에 부가하여, 본딩 처리가 간단화되어, 본딩 처리의 신뢰도를 증가시키는 장점을 가지며, 그러한 장점은 자동 생산, 동작을 매우 분명하게 한다.
6. 뒷표면상의 절연체층으로 표시되는 표면 안정화층은 열 방사의 방출을 허용한다. 이것은 전지가 가열되는 것을 방지하며, 보다 높은 동작 전압이 얻어지게 된다.
7. 태양 전지의 뒷면에 충돌하는 방사를 매우 철저하게 이용하여, 양면을 이용할 수 있는 매우 효과적이며 저렴한 태양 전지를 제공한다. 높은 표면 재결합 속도 So와 함께 비교적 두꺼운 폐기층(dead layer)이 p+ 확산중에 얻어지게 되어, 짧은 광파장이 거의 이용되지 못하는데 반하여, 본 발명에 따른 배열에서는 낮은 값의 So가 모든 파장을 수용하게 한다.
8. 표면 안정화층은 또한 역반사층(anti-reflection layer)으로 작용한다.
9. 금속층의 표면 안정화층의 전체 영역에 걸쳐 증착되는 뒷표면 반사기(reflector)를 설계하는데 문제점이 없다. 한편, 열 방사(heat radiation)는 상기 금속층으로부터 반사되고 태양 전지의 앞면으로부터 나오게 되며, 다른 한편 전자-홀쌍(electron hole pairs)을 발생하는데 유용한 긴파장의 방사경로는 연장되어, 단락회로 전류가 증가된다.
10. 표면 안정화 층내에 한정된 전하의 존재를 위해 특별한 필요조건이 없어, 상당히 더 신뢰할 수 있는 처리를 실행할 수 있다. 강력한 반전이 대응하는 절연체 전하에 기인하여 반도체내에 필연적으로 존재하게 되는 반전층 태양 전지의 앞표면과 다르게, 본 발명에 따른 제안에 있어서는 축적이나, 소모 또는 반전이 일어나는 것에 대해 무관하다. 본 발명 원리의 실제적인 장점은 반전이 발생되었을 때라도(p 실리콘에 대한 실리콘 질화물의 경우) 배열(array)의 최적의 상태로 작용하며, 소수 전하 캐리어가 전도성 반전층을 따라 옴 접속 영역으로 흐르지 않게 되어 그곳에서 재결합 하지 않게 된다. 그러나, 축적 및 반전중의 표면 재결합 속도는 표면의 상태가 전하 캐리어로 점유되므로, 소모의 경우보다 약간 늦다는 것을 주목해야 한다. 그러므로, 낮은 표면 상태 밀도값이 절연체/반도체 인터페이스에서 보다 높아야 하는 주요 상태에 부가하여, 절연체 전하의 존재는 잇점을 가지고 있다.
이러한 상태에 있어서 그리드 구조를 갖는 뒷면의 옴 접속은 단지, 전체 영역이 두껍게 도핑된 영역의 하부인 실례로, p도핑된 태양 전지 기판을 갖는 p+영역과 관련한것 만이 종래 기술이라는 것에 대한 언급은 생략되어서는 안된다. 여기에서, p+영역은 너무 얇아서는 안되며, 그렇지 않으면 증가된 재결합의 결과로서 상기 영역의 암류(dark current) 비율이 증가하게 된다. 그 결과로서 전압이 감소된다. 흔히, 금속 또는 산화물층은 공지된 p+영역상에 증착되며, 상기층은 부분적으로 표면 재결합 속도를 감소시키는데 사용되고, 부분적으로는 뒷면의 반사기 도는 역반사층으로서 작용한다.
이하 첨부한 도면을 참조로 하여 더욱 상세히 설명할 것이다.
제 1 도는 특히 표면 안정화에 적합한 캐피시터 구조의 제 1 및 제 2 표면 안정화층의 저주파 및 고주파 캐패시턴스/전압 곡선을 도시한 것이다. 이것은 P(100) 실리콘-실리콘 산화물-A12O3층은 960nm이다. (100)방위를 가지는 실리콘 기판은 P도핑된다. 곡선 a는 500℃ 의 A12O3증착 온도에서 고주파수 및 저주파스 캐패시턴스/전압 곡선을 나타내고, 곡선 b는 290℃에서의 곡선이다. A12O3층은 유기금속 혼합의 알루미늄-트리아이소프로필레이트(A1-triisopropylate)의 열분해에 의해 이루어진다. 얇은 실리콘 산화물층은 510℃ N2/O2가스에서 열산화에 의해 만들어진다. 제 1 도에 도시된 바와 같이 290℃의 A12O3증착 온도는 네가티브 플랫 밴드 전압(즉, 포지티브 절연체 전하)와 높은 표면 상태 밀도(Dit~1012cm-2eV-1)의 결과가 된다. 실제적으로는 A12O3를 500℃에서 표면 안정화하는 것이 더욱 양호하다. 네가티브 절연체 전하에 외에 특히, 상당히 낮은 표면 상태 밀도 Dit=8x1010cm-2eV-1가 제공되어, 층 구조를 이루어 본 발명에 따라 저온 표면 안정화에 매우 적합하게 한다.
플라즈마 실리콘 질화물의 사용에 대한 조건 설정은 표면 재결합 속도와 표면 상태 밀도에 대하여 더욱 양호하다. A12O3와는 달리, 여기에서 절연체 전하는 항상 양전하(positive)가 된다. 비교적 높은 표면 상태 밀도(Dit〉1012cm-2eV-1)가 (NH3+SiH4의) 200℃ 증착 온도에서 P(100) 실리콘 -1.5nm 실리콘 산화물 -100nm 실리콘 질화물-알루미늄 구조로 측정된다. 그러나 450℃에서의 가열냉각 후 상기 값은 Dit＜1×1010㎝-2eV-1로 떨어진다. 유사하게, 낮은 Dit값이 400℃와 500℃ 사이 온도에서 플라즈마 실리콘 질화물층의 증착에 의해 얻어진다. 또한, 포지티브 절연체 전하 밀도는 200℃에서의 Q1/q=6.5x1012cm-2로 부터 400℃ 이상의 온도에서의 Q1/q=1x1012cm-2로 떨어진다. 500℃ 이상의 고온에서, 전하가 일정하게 유지되는 동안, 표면 상태 밀도는 다시 상승한다. 이것은 400℃와 500℃ 사이의 증착/가열 냉각 온도에서의 매우 낮은 표면 상태 밀도로 인해 플라즈마 실리콘 질화물 구조를 태양 전지의 표면 안정화(낮은 표면 재결합속도)에 특히 적합하게 한다. 이러한 양호한 특성은 실리콘의 댕글링 본드(dangling bonds)를 포화시키는 절연층 내에 수소가 존재하기 때문이다.
이러한 반도체 표면의 저온 표면 안정화는 본 발명에 따라 태양 전지 표면의 유효 표면 안정화가 옴 접속과 관련하여 이루어지게 한다. 즉, 절연층이 실례로 알루미늄 옴 접속이 실행된 후 실리콘 표면과 상기 접속 위에 증착된다(동시에 부식과 심각한 손상으로부터 상기 저속을 보호한다).
850℃ 이상의 온도에서 제조되는 실리콘상의 열적 SiO2층의 표면 안정화는 반도체에 고온 손상을 유발하는데 부가하여 이후의 단계에서 옴 접속을 할 수 있게 하기위해 SiO2에칭을 갖는 복합 광 마스킹 단계를 필요로 하며, 그때 상기 접속은 또한 밖에서 보호되지 않는다.
반도체 기판상에서 직접 제공된 접속면 근접에서의 표면 안정화 방법은 특히 저렴한 제조비용과 효율성 및 간략성으로 구별되는 얇은 태양 전지 구조의 제조를 허용하게 된다. 하지만, 모든 경우에서 옴 접속 영역(매우 높은 재결합을)을 가능한 작게 유지함이 중요하다. 제 2 도에서 4도까지의 실시예는 본 발명의 장점과 상세함을 명확히 한다.
제 2 도는 본 발명에 따라 구성된 태양 전지(10)의 실시예를 나타내는 도면으로, 상기 전지는 몸체로서 p-도핑된 실리콘 기판인 반도체 기판(1), 표면 안정화층인 얇은 실리콘 산화물층(2), 실리콘 기판(1)에 직접 배치된 옴 접속부(4)와, p형 실리콘의 실리콘 기판(1), 실리콘 산화물층(2), 및 양호하게 알루미늄 또는 마그네슘의 금속화층(3)으로 구성된 MIS(금속-절연막-반도체) 접속부를 포함한다. 입사 빛은 실리콘 기판(1)에서 전자와 홀을 발생시칸다. 전자(소수 전하 캐리어)는 MIS접속부의 후부를 향해 확산하고, 상기 산화물층(2)을 통해 상기 접속부의 전기장에 의해 금속화층(3)으로 유도된다. 홀(hole)(다수 전하 캐리어)은 전방으로 확산하고 옴 접속부(4)를 통과하여 상기 실리콘 기판을 벗어난다. 그에 따라 전류는 외부 회로로 흐르게 된다. 태양 전지(20)(제 3 도)와 태양 전지(30)(제 4 도)와 달리 태양 전지(10)의 앞면은 양극이고 뒷면은 음극이 된다). MIS 접속의 실리콘 산화물층(2)은 소수 전하 캐리어에 대해 터널 절연막 역할을 하므로 두께가 3 이상 초과되지 않아야 한다. MIS 접속부의 공간 전하 영역 경계가 도면에서 쇄선으로 도시되어 있다. 그곳에서 만연된 전기장은 소수 전하 캐리어를 수집한다. 옴 접속부(4)는 반도체 기판에 불연속적으로 적용된다.
즉, 전 영역 덮고 있지 않는다. 여기서 옴 접속부(4)는 상호 연결된 스트립, 링 또는 도트로 형성된 기하학적 패턴을 형성할 수 있다. 표면 안정화층은 옴 접속부(4) 사이로 연장되며, 800℃ 이하에서 생성되거나 자연적으로 성장된 실리콘 산화물층(2)과 표면 안정화층과 비 반사층(anti-reflection layer) 역할을 하는 절연체층으로 구성된다. 제 1 표면 안정화층(5)의 두께는 약 80nm이며 양호하게 알루미늄 산화물이나 실리콘 질화물을 함유한다. 실리콘 산화물층(2)의 형식으로 된 다른 절연체층인 제 2 표면 안정화층은 실리콘기판(1)의 앞뒤 표면상에서 다르게 표면 안정화된다. 따라서, 상기 층이 터널 절연체로서 작용하지 않으므로, 넓은 폭의 범위내에서 앞표면의 두께를 변화하는 것이 가능하다. 또한 제 3 및 4 도 실시예 경우와 같이 제 1 표면 안정화층(5) 영역에서 실리콘 산화물층(2)을 완전히 분리하는 것이 가능하다.
실례로 열산화 또는 다른 산화방법에 의한 실리콘 산화물층과 고유 실리콘 산화물층 양쪽 모두 본 발명의 중점이 되는 표면 안정화 효과를 위해 사용될 수 있다. 고유 실리콘 산화물층은 실리콘 기판(1)에 항상 존재하며 단지 몇개의 원자층 두께인 것을 의미한다.
실리콘 산화물층(2) 그 자체의 구조적 구성은 실례로 실리콘 질화물인 제 1 표면 안정화층(5)의 그 다음의 증착에 의해 앞표면상에서 바뀔 수 있다. 따라서 실예로 실리콘 산화물은 실리콘 산화질화물로 변환함이 가능하다.
종래의 태양 전지와 달리 주로 앞면 가까이에서 빛에 의해 발생된 전하 캐리어는 뒷면의 MIS 접속에 의해 수집(collection)되도록 하기 위해 먼저 전체 실리콘 기판(1)을 통해 확산되어야 한다. 여기에서 앞면에서는 낮은 표면 재결합 속도를 가지는 것이 중요하며, 그렇지 않으면 대부분의 전하 캐리어가 그곳에서 재결합될 것이다. 접속 핑거(contact finger)로 불려지며 높은 재결합으로 특징되는 옴 접속부(4)간의 거리는 기판 두께(d)나 또는 소수 전하 캐리어의 확산 거리보다 상당히 커서 평균적으로 옴 접속영역까지의 거리보다 컬렉팅(collecting)을 하게 되는 MIS 접속부까지의 거리가 작게된다. 옴 접속부(4)의 거리는 실리콘 기판(1)에 비하여 과도하게 낮은 옴 접속 영역에 의해 증가되는 직렬 저항에 의해 제한된다. 최적거리는 1 내지 5mm이고, 접속 핑거의 폭은 50~300㎛이며, 이에따라 10% 보다 작은 접속면 비율이 달성된다. 태양 전지(10)는 컬렉팅 접속이 앞면에 있는 종래 전지와는 달리 반도체 기판을 보다 얇게하고 확산길이(L)를 보다 크게하는 (d≥L) 컬렉팅 효율을 가진다. 최대 효율은 약 50-80㎛의 실리콘 기판(1) 두께()로 얻어진다. 이것은 비싼 반도체 재료를 절약시켜 태양 전지의 제조가 상당히 값싸게 한다. 이러한 전지의 또다른 장점은 뒷면의 금속화층(3)이 긴 빛의 파장에 대한 반사기로 작용하며 단락 회로 전류를 증가시키고 작동중 전지의 열을 감소시킨다.(개방 회로 전압은 높인다). 또한, 전지의 전체 단면은 전류 흐름을 위해 이용되며 소수 전하 캐리어는 표면을 따라 높은 시트 저항의 좁은영역(실례로, n+p 태양 전지의 n+에미터영역)에 있는 접속면으로 흐르지 않게된다. 따라서 높은 충만인자(fill factor)가 프로그램된다. 또한 태양전지(10)는 집중된 태양 빛에 특히 적합하다.
또한, 뒷면의 MIS 접속이 전 표면이 아닌 실례로, MIS 접속 사이의 중간영역이 절연층(양호하게는 실리콘 질화물)으로 채워진 그리드형(grid form)으로 설계가 가능하다. 절연층은 소수 전하 캐리어(P-실리콘 전자의 경우)가 MIS 접속부에 도달할 수 있게 되는 실리콘에 반전층(inversion layer)을 유도하기 위해 실례로 P 실리콘의 경우에 양전하를 포함해야 한다. 여기에서 두개의 실시예가 가능하다.
(a) 제 3 도에 도시된 MIS 반전층 태양 전지 앞면의 경우와 같이 절연체층은 MIS 접속부 전반에 걸쳐 확장될 수 있다. 즉, 증착 또는 증착후의 처리 온도가 비교적 낮게 되어(AL.sIox/P-Si MIS 접속인 경우 350℃보다 같거나 작음) 그 결과 MIS 접속이 회복 불가능하게 손상되지 않게 된다. 이것은 기술적 관점에서 간단한 처리이며 동시에 태양 전지가 뒷면으로부터 비추어지는 것이 가능하게 된다.
(b) 그러나, 절연체층은(양쪽면으로 빛이 입사하는 태양 전지의) 특정영역으로 확장하는 이러한 핑거형오프닝의 얇은 산화물(약 1nm~1.5nm)상에 위치된 금속(MIS 접속)을 가진 뒷면상에서 역시 중단될 수 있다. 하지만, 금속은 전체 절연층(실례로, 얇은 실리콘 산화물/실리콘 질화물)으로 확장될 수 있으며, 이에 따라 이상적인 뒷면 반사기를 제공한다.
(b)로 설명된 중단된 절연층을 가진 구조는 고온(금속화 이전에 600℃ 이하)에서 절연체층의 적용을 허용하여 양호한 인터페이스 특성(낮은 표면 상태 밀도등)을 성취한다. 하지만 상기 제조 공정은 광 마스킹(photo-masking)과 얼라이먼트(alignment)의 사용으로 상당히 비싸다
제 3 및 4 도는 본 발명에 일치하는 태양 전지(20 및 30)의 다른 실시예를 기술한다. 각각의 옴 접속은 제 2 도와 관련하여 앞서 명확해진 바와 같이 특정 영역 즉, 태양 전지(20 또는 30)의 뒷면에 위치한다. 제 3 도에 도시된 태양 전지(20)는 독일 틀허출원 제28 40 096호에 기술된 MIS 접속을 가진 실리콘 질화물 반전층 태양 전지에 따른 설계 기준에 대응한다. 그래서 몸체인 실리콘 기판 또는 반도체 기판(6)은 특히 MIS 접속 영역에 있는 제 2 도 태양 전지 구조의 뒷면상의 산화물층에 대응하는 표면 안정화층인 얇은 실리콘 산화물층(7)을 갖는다. MIS 접속 사이의 영역에 있어서 상기 산화물층(7)은 넓은 범위를 갖는 두께로 변화될 수 있다. 제 2 도에 도시된 태양 전지 구조(10)의 앞면상에 있는 산화물층(2)과 관련하여 기술된 것이 여기서 적용될 수 있다. 양호하게 알루미늄이나 마그네슘의 형태인 MIS 접속부의 금속층(8)은 양호하게 스트립(strips)으로 태양 전지(20)의 앞면에 배치된다. 실리콘 질화물층인 다른 절연체층(9)은 태양 전지의 전체 표면으로 확장되며, 상기 층은 양호하게는 실리콘 질화물을 포함한다. 고유 전하와 외부 이온에 의해 발생된 전하를 구비하는 고밀도의 양전하는 실리콘 질화물 층(9)에 위치되야 하며 P 도핑된 실리콘 기판(6)의 표면상의 전자를 구비하는 반전층을 야기시킨다. 빛에 의해 발생된 전자(소수 전하 캐리어)는 제 2 도의 태양 전지(10)와 달리 앞면으로 확산되고 양 절연체 전하에 의해 발생된 전기장에서 가속되며 고도전성 반전층을 따라 반도체 기판(6), 표면 안정화층(7) 및 금속화층(8)으로 구성된 MIS 접속부로 이동하여 이곳을 통해 실리콘 기판을 떠나 외부 회로로 이동한다.
홀(hole)은 후면을 향해 확산되면 옴 접속부(26)을 경유하여 실리콘 기판(6)을 떠난다(태양 전지(30)와 같이 태양 전지(20)도 앞면이 음극, 후면이 양극이다). 옴 접속부(26) 사이의 표면 안정화 영역은 특히 뒷면으로부터 빛이 입사하는 경우 전자가 홀과 재결합하는 것을 방지한다. 높은 밀도의 양전하가 절연체 층(9)에서 플러스부호로 표시되고, 반전층이 점선으로 표시된다. 또한 쇄선은 공간 전하 영역의 폭을 나타낸다. 본 발명에서 다루어진 표면 안정화층(제 2 도에서의 폭층(5), 제 3 도에서의 층(11), 제 4 도에서의 층(18))과 다리 실리콘 질화물층인 절연체층(9)은 오직 낮은 온도(300℃ 이하)에서 증착될 수 있거나 또는 어닐링(annealing)될 수 있으며, 그렇지 않을 경우는 MIS 접속이 상당히 큰 영향을 받게 된다.
그런 이유로, 간단한 방법으로 300℃ 내지 600℃ 사이 온도에서 앞면상의 표면 안정화층을 공급하거나 또는 어닐링함으로써 본 발명의 표면 재결합 속도를 감소시키는 효과를 달성한다는 것은 불가능하다. 이것은 실례로, 앞면상의 절연체층(9)을 차단하고 금속 스트림을 사용하는 상기 핑거형 오프닝에 MIS 접속을 제공하는 더욱 값비싼 공정에 의해서만 달성될 수 있게 된다. 그에 따라 금속 증착에 앞서, 보다 높은 온도(600℃ 이하)에서 절연체층을 공급하거나 또는 어닐링하는 것이 가능하다. 하지만 상기 경우와는 달리 값비싼 구성단계가 필요하게 된다. 제 3 도에 따른 태양 전지의 뒷면은 스트립형(양호하게는 알루미늄)의 옴 접속부(26)와, 상기 접속부 사이의 에지에 이중 절연체층을 구비하며 상기 층은 얇은 실리콘 산화물층(7)과 양호하게는 알루미늄 산화물 또는 실리콘 질화물인 절연체층(11)으로 형성된다.
본 실시예의 중심이 되는 후면 배치는 특히 주목할만한 실리콘 산화물층(2)(제 3 도의 층(7)과 대응)를 구비하는 제 2 도에 도시된 태양 전지(10)의 앞면과 대응한다.
뒷면의 절연체층(11)을 증착 또는 어닐링하는데 이용되는 400℃-600℃ 사이의 온도 처리가 앞면에 터널산화물층(7)을 발생시키고 옴 접속부(26)을 형성하는데 필요하므로 옴 접속부(26)와 조합하여 뒷면의 표면 안정화층은 저온 전지(MIS 반전층 태양 전지)형과 충분히 양립할 수 있는 처리를 나타낸다. 이러한 처리들은 자연적으로 앞면의 MIS 접속의 형성과 비 반사층인 절연체층(9)의 증착에 앞선다. 이러한 전지 형태는 앞뒷면 사이에 단락회로를 방지하기 위한 에지 안정화가 통상 문제가 되는 얇은 반돛 기판(6)에 특히 적당하다. 상기의 경우 이러한 모든 것은 표면 안정화층 즉, 절연체층을 적용함으로써 자동적으로 해결된다. 제 3 도와 같이 전위 장벽은 겹쳐져 있는 두개의 절연체층(9,11)에 기인한 에지 부근의 전지 상부 표면상의 반도체에 형성되고 에지에서 후면으로 흐르는 반도체 표면상의 전하 캐리어를 저지한다. 전위 장벽은 앞면의 절연체층(9)에 있는 높은 양전하 밀도와 후면과 에지 절연체층(11)에 있는 옴 전하 또는 크게 감소된 양전하 밀도에 기인한다. 제 3 도와 같이 전체 태양 전지(20)는 불침투성 절연체층(9,11)으로 둘러싸이게 되어 외부의 영향으로부터 보호된다. 본 발명에서 기술된 뒷면의 표면 안정화는 감소된 열 상승 효과를 포함하여 얇은 태양 전지의 모든 잇점이 이루어질 수 있게 된다.
특별한 장점은 전지(20)가 양면에 충돌하는 방사 즉, 화이트 표면(white surface)에서 분산되거나 반사되고 또는 뒷면에서 부딪치는 방사를 효과적으로 이용하는 것이다. 때문에 뒷면의 절연체층(11)은 또한 비반사층으로 작용한다. 이와 같이 전지(20)의 출력을 상당히 증가시킬 수 있다. 때문에 저온에서 제조될 수 있는 간단한 전지형은 햇빛이 상당한 수준까지 이용되게 될수 있도록 하는 부가적인 추가 비용없이 값비싼 반도체 재료의 감량이 가능하게 된다. 특히 단파의 빛은 양질의 뒷면상에서 잘 이용될 수 있다. 이전의 경험으로는 뒷면에 입사하는 빛은 전면에서 입사하는 빛보다 적은 단지 10% 효율의 전류로 바뀐다. 만일 후면으로 입사하는 방사(radiation)가 사용되지 않는다면, 후면 반사기는 후면 절연체층(11)에 금속층을 공급함으로써 쉽게 제공되어 진다. 부가하여 앞뒤면은 전지에 결합되는 빛을 증가시키기 위해 결(texture)을 가질 수 있다.
제 4 도에는 본 발명의 원리에 따른 태양 전지(30)가 기술된다. 상기 전지는 종래의 n+p 또는 p+n 태양 전지일 수 있다. 한 실시예에서, n+p 태양 전지(30)는 반도체 기판(12)과 역시 반도체 기판인 상당하게 도핑된 표면층(13)(여기에서는 n+)과 그리드형의 옴 접속부(14) 및 앞면의 비반사층(15)를 구비한다. 역시, 전체 표면에 걸쳐, 배치되지 않으며 양호하게 그리고 형인 저항성 접속부(16)가 비 반사층인 절연체층(18)과 실리콘 산화물층(17)의 형태로 본 발명을 특징화하는 표면 안정화층과 같이 뒤면에 위치된다. 절연체층(18)은 양호하게는 알루미늄 산화물이나 실리콘 질화물로 만들어진다. 본 발명에 따른 뒷면을 갖는 n+p 태양 전지(30)의 형성에 의해 양면으로의 빛 입사용으로 설계된 태양전지가 간단한 방법으로 제공되며, 장파의 열 방사가 전지로부터 출력되어 동작 온도가 떨어지게 되는 (개방 회로 전압의 증가) 부가적 장점을 갖게된다. 또한, 특히 뒷면에 결을 갖게하는 것이(textruing) 쉽게 가능하다. [17,118]에 의한 에지 표면 안정화에 부가하여 불투과성 절연체층(18 또는 15)으로서 전지(30)를 완전하게 에워싸게 하여 보호하는 것이 가능하다. 또한, 후면 반사기로서 금속층을 절연체층(18)에 적용하는 것이 가능하다.
이러한 태양전지(30)(제 4 도)는 이질원자(실례로, 형광체)로 강하게 도핑된 표면층이 고온 처리에 의해 실리콘 판(12)에 적용되어 n+p 접합과 전기장이 실리콘 기판층(12,13)사이에 발생된다는 점에서 MIS 반전층 태양전지(제 3 도 ; 20)와 상이하다. 빛에 의해 발생된 전자는 전기장을 따라 표면으로 가는데, 고전도성 n+층인 실리콘 기판(13)를 이탈한다(태양전지(30)의 앞면은 음극, 후면은 양극이다).
그러므로, 태양전지(30)의 경우에서, 실리콘 기판은 실질적으로 두개의 부분[12,13]을 포함하고, 태양전지(10)(제 2 도) 및 (20)(제 3 도)는 각각 동종의 실리콘 기판(1) 및 (6)을 포함하며, 상기 실리콘 기판은 전지의 제조 과정에 따라 변경되지 않는다.

Claims (20)

  1. 실리콘과 같은 반도체 물질의 태양 전지(10,20,30)로서, 상기 전지의 반도체 기판(1,6,12,13)에서의 전하 캐리어가 방사 에너지(radiation energy)에 의해 발생되고, 상기 전하 캐리어는 전기장에 의해 분리가능하여 방전가능하며, 옴 접속 영역이 반도체 기판상에 서로간 상호 간격을 두고 배열되어 상호 연결되고 표면 안정화층(5,11,18)이 적어도 옴 접속 영역 사이에 배치되는 상기 태양 전지(10,20,30)에 있어서 상기 표면 안정화층(5,11,18)이 직접 또는 간접적으로 반도체 기판상에 증착되어, 옴 접속영역(4,26,16)을 덮는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 옴 접속 영역이 태양 전지(10)의 앞면상에 배치되고, 전기장이 태양 전지(10)의 뒷면상에 발생가능한 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 표면 안정화층(5,11,18)은 반도체 기판(1,6,12,13)상에 형성된 산화물과는 상이한 물질인 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 반도체 기판(1,6,12,13)은 소수 전하 캐리어의 확산 길이와 동일하거나 그보다 작은 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 옴 접속 영역(4,26,16)의 표면은 반도체 기판의 표면중 20% 미만의 표면만을 덮는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 전기장은 전하를 포함하는 절연체층(9)과 함께 반도체 기판(12 및 13)간의 pn접합에 의해 발생가능한 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 표면 안정화층은 제 1 표면 안정화층(5,11,18)이며, 제 2 표면 안정화층(2,7,17)은 반도체기판(1,6,12)과 제 1 표면 안정화층(5,11,18)사이에 배치되고, 상기 제 2 표면 안정화층은 자연적으로 성장된 실리콘 산화물인 실리콘 산화물 또는 열산화에 의해 발생된 실리콘 산화물인 양호하게 5nm이하인 두께의 실리콘 산화물을 갖는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 표면 안정화층은 제 1 표면 안정화층(5,11,18)이며, 수소를 함유하는 비결정 실리콘층이 반도체 기판(1,6,12)과 제 1 표면 안정화층(5,11,18)사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 표면 안정화층(5,11,18)은 필요할 경우 알칼리이온과 같은 이질 이온을 포함하며, 글로우 방전으로 반응 노(reactionfurnace)에서의 가스 상태로부터의 증착, 광 효과 또는 캐소드 스퍼터링(cathode sputtering)에 의해 발생 가능한 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화질화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 표면 안정화층(5,11,18)은 알루미늄 산화물 또는 알루미늄 산화질화물을 함유하거나 구비하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 표면 안정화층(5,11,18)은 가스 상태로부터 증착된 실리콘 산화물인 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 표면 안정화층(5,11,18)은 수소를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 표면 안정화층(5,11,18)은 2nm 내지 300nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  14. 제 6 항에 있어서, 반도체기판(1), 표면 안정화층(2) 및 금속화층(3)으로 구성된 상기MIS 접속부가 태양 전지(10)의 전체 뒷표면에 걸쳐 연장되는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 표면 안정화층(5,11,18) 및 제 2 표면 안정화층(2,7,17)은 태양 전지(10,20,30)의 앞뒤 표면사이의 옆 에지를 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  16. 제 1 항에 있어서, 태양 전지(10,20,30)의 앞뒤 표면은 결(textrure)을 갖는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  17. 제 6 항에 있어서, 반도체 기판(1 ; 6), 표면 안정화층(2 ; 7) 및 금속화층 (3 ; 8)으로 구성된 MIS 접속부는 p-실리콘, 고유 실리콘 산화물층 또는 800℃ 이하의 온도에서 발생된 실리콘 산화물층과 알루미늄 또는 마그네슘을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 표면 안정화층(5,11,18)은 300℃ 내지 600℃의 온도 범위에서 제조되며, 상기 온도 범위에서 어닐링(annealing)되는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  19. 제 1 항에 있어서, 금속층이 뒤표면 반사기로 작용하도록 제 1 표면 안정화층(5,11,18)의 외측상에 증착되는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 전기장은 전하를 포함하는 절연층919)과 함께 반도체 기판 (1 ; 6) 표면 안정화층(2 ; 7) 및 금속화층(3 ; 8)으로 구성된 MIS 접속에 의해 발생가능한 것을 특징으로 하는 태양 전지.
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