WO2011078520A2 - 후면전계형 이종접합 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

후면전계형 이종접합 태양전지 및 그 제조방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a back-field heterojunction solar cell and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a back-field heterojunction solar cell which can maximize photoelectric conversion efficiency of a solar cell by combining a heterojunction solar cell and a back-field solar cell.
  • a battery and a method of manufacturing the same are examples of a back-field heterojunction solar cell and a method for manufacturing the same.
  • a solar cell is a key element of photovoltaic power generation that converts sunlight directly into electricity, and is basically a diode composed of a p-n junction.
  • photovoltaic power is generated between the pn junctions, and when a load or a system is connected to both ends of the solar cell, current flows to generate power.
  • a general solar cell has a structure in which a front electrode and a rear electrode are provided at the front and the rear, respectively.
  • the front electrode is provided on the front surface of the light receiving surface, the light receiving area is reduced by the area of the front electrode.
  • a rear field type solar cell has been proposed.
  • the back-field solar cell is characterized by maximizing the light receiving area of the solar cell by providing a (+) electrode and a (-) electrode on the back of the solar cell.
  • the solar cell may be referred to as a diode consisting of a p-n junction, which consists of a junction structure of a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer.
  • p-type impurity ions are implanted into a p-type substrate to form a p-type semiconductor layer (or vice versa) to implement a p-n junction.
  • a semiconductor layer in which impurity ions are inevitably required is required.
  • the charge generated by the photoelectric conversion is collected and recombined at interstitial sites or substitutional sites existing in the semiconductor layer of the solar cell during movement, which is caused by the photovoltaic of the solar cell. Adversely affect the conversion efficiency.
  • a so-called hetero-junction solar cell having an intrinsic layer between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer has been proposed. The recombination rate can be lowered.
  • An object of the present invention is to provide a back-field heterojunction solar cell and a method of manufacturing the same, which can maximize the photoelectric conversion efficiency of the solar cell by combining a heterojunction solar cell and a back-field solar cell.
  • a back field-type heterojunction solar cell includes a crystalline silicon substrate of a first conductivity type, an intrinsic layer sequentially stacked on the front surface of the substrate, and an amorphous silicon layer of a first conductivity type.
  • a method of manufacturing a back-side field heterojunction solar cell comprising preparing a crystalline silicon substrate of a first conductivity type, and forming a junction area of a first conductivity type and a junction area of a second conductivity type inside a rear surface of the substrate. Forming an alternating arrangement, sequentially laminating an intrinsic layer and an amorphous silicon layer of a first conductivity type on the entire surface of the substrate, and forming an anti-reflection film on the amorphous silicon layer of the first conductivity type And forming a first conductivity type electrode and a second conductivity type electrode on the junction area of the first conductivity type and the junction area of the second conductivity type, respectively.
  • a method of forming a junction region of a first conductivity type or a junction region of a second conductivity type may include selecting a substrate at a portion where a junction region of a first conductivity type or a junction region of a second conductivity type is to be formed on a rear surface of the substrate. Forming a screen mask to expose the substrate, applying a liquid first conductivity type or second conductivity type impurity onto the entire surface of the substrate including the screen mask, and heat treating the substrate to form a junction region of the first conductivity type. Or forming a junction region of the second conductivity type.
  • the method may further include forming a buffer layer on the amorphous silicon layer of the first conductivity type.
  • a back field type heterojunction solar cell and a method of manufacturing the same according to the present invention have the following effects.
  • both the (+) and (-) electrodes are provided on the rear of the solar cell, the light receiving area can be maximized, and since the intrinsic layer which is not implanted with impurity ions is provided, the recombination rate of the carrier is minimized, It is possible to improve the photoelectric conversion efficiency.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a back-field electric heterojunction solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2A to 2G are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a back field heterojunction solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a back field-type heterojunction solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • a back-field heterojunction solar cell includes a crystalline silicon substrate 101 of a first conductivity type.
  • the first conductivity type may be p-type or n-type
  • the second conductivity type is the opposite of the first conductivity type.
  • the first conductive type is n-type and the second conductive type is p-type.
  • An intrinsic layer 108 and an n-type amorphous semiconductor layer 109 are sequentially stacked on the n-type substrate 101 (n ⁇ ).
  • the intrinsic layer 108 may be formed of an amorphous silicon layer similarly to the n-type amorphous semiconductor layer 109.
  • An antireflection film 111 made of a silicon oxide film or the like is provided on the n-type amorphous semiconductor layer 109.
  • a silicon oxide layer may be further provided as the buffer layer 110 to relieve stress between the n-type amorphous semiconductor layer 109 and the silicon oxide layer.
  • the p junction region 104 and the n junction region 107 are provided in a region from the rear surface of the substrate 101 to a predetermined depth inside the substrate 101.
  • the p junction region 104 and the n junction region 107 are referred to as semiconductor regions formed by implanting p-type impurity ions and n-type impurity ions into the n-type substrate 101, respectively.
  • the n junction regions 107 are alternately disposed on the rear surface of the substrate 101.
  • the p electrode 112 and the n electrode 113 are provided on the p junction region 104 and the n junction region 107, respectively.
  • 2A to 2G are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a backside field heterojunction solar cell according to an embodiment of the present invention.
  • a first conductivity type for example, n-type crystalline silicon substrate 101 is prepared. Then, a texturing process is performed so that irregularities are formed on the surface of the substrate 101.
  • the texturing process is for maximizing light absorption, and may be performed using a dry etching method such as wet etching or reactive ion etching.
  • a process of forming the p junction region 104 and the n junction region 107 is performed.
  • the process of forming the p junction region 104 and the process of forming the n junction region 107 are independently performed sequentially, and the order is irrelevant.
  • the first substrate exposing the substrate 101 of the portion where the p junction region 104 is to be formed is formed on the rear surface of the substrate 101.
  • the screen mask 102 is formed.
  • the liquid p-type impurity 103 is applied onto the entire surface of the substrate 101 including the first screen mask 102 by using a roller or the like.
  • a heat treatment process is performed to diffuse the p-type impurity into the substrate 101 to form a p junction region 104 (see FIG. 2C).
  • the first screen mask 102 is removed and a second screen mask 105 is formed on the substrate 101.
  • the second screen mask 105 selectively exposes the substrate 101 at a portion where the n junction region 107 is to be formed.
  • the liquid n-type impurity 106 is coated on the entire surface of the substrate 101.
  • the liquid n-type impurity 106 can be applied using a roller similarly to the p-type impurity.
  • the heat treatment process is performed to diffuse the n-type impurities into the substrate 101 to form an n junction region 107 (see FIG. 2E).
  • the second screen mask 105 is removed.
  • an intrinsic layer of amorphous silicon material 108 is laminated on the entire surface of the substrate 101 as shown in FIG. 2F. .
  • the intrinsic layer 108 may be formed using plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD).
  • PECVD plasma enhanced chemical vapor deposition
  • an n-type amorphous silicon layer (n + a-Si: H) is formed on the intrinsic layer 108.
  • the n-type amorphous silicon layer may be formed by implanting n-type impurity ions when forming the amorphous silicon layer.
  • an antireflection film 111 of silicon nitride film material is formed on the n-type amorphous silicon layer.
  • a buffer layer 110 made of a silicon oxide film may be formed on the n-type amorphous silicon layer before the antireflection film 111 is formed.
  • both the (+) and (-) electrodes are provided on the rear of the solar cell, the light receiving area can be maximized, and since the intrinsic layer which is not implanted with impurity ions is provided, the recombination rate of the carrier is minimized, It is possible to improve the photoelectric conversion efficiency.

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  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

본 발명에 따른 후면전계형 이종접합 태양전지는 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판과, 상기 기판의 전면 상에 순차적으로 적층된 진성층, 제 1 도전형의 비정질 실리콘층과, 상기 제 2 도전형의 비정질 실리콘 상에 적층된 반사방지막과, 상기 기판의 후면으로부터 상기 기판 내부의 일정 깊이로 형성된 제 1 도전형의 접합영역과 제 2 도전형의 접합영역 및 상기 제 1 도전형의 접합영역과 제 2 도전형의 접합영역 상에 각각 구비된 제 1 도전형 전극과 제 2 도전형 전극을 포함하여 이루어지며, 상기 제 1 도전형 전극과 제 2 도전형 전극은 교번하여 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

후면전계형 이종접합 태양전지 및 그 제조방법
본 발명은 후면전계형 이종접합 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이종접합형 태양전지와 후면전계형 태양전지를 접목시켜 태양전지의 광전변환효율을 극대화시킬 수 있는 후면전계형 이종접합 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심소자로서, 기본적으로 p-n 접합으로 이루어진 다이오드(diode)라 할 수 있다. 태양광이 태양전지에 의해 전기로 변환되는 과정을 살펴보면, 태양전지의 p-n 접합부에 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되고, 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 이동하게 되어 p-n 접합부 사이에 광기전력이 발생되며, 태양전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산할 수 있게 된다.
일반적인 태양전지는 전면과 후면에 각각 전면전극과 후면전극이 구비되는 구조를 갖는다. 수광면인 전면에 전면전극이 구비됨에 따라, 전면전극의 면적만큼 수광면적이 줄어들게 된다. 이와 같은 수광면적이 축소되는 문제를 해결하기 위해 후면전계형 태양전지가 제안되었다. 후면전계형 태양전지는 태양전지의 후면 상에 (+)전극과 (-)전극을 구비시켜 태양전지 전면의 수광면적을 극대화하는 것을 특징으로 한다.
한편, 전술한 바와 같이 태양전지는 p-n 접합으로 이루어진 다이오드라 할 수 있는데, 이는 p형 반도체층과 n형 반도체층의 접합 구조로 이루어진다. 통상, p형 기판에 p형 불순물 이온을 주입하여 p형 반도체층을 형성하여(또는 그 반대) p-n 접합을 구현한다. 이와 같이, 태양전지의 p-n 접합을 구성하기 위해서는 필연적으로 불순물 이온이 주입된 반도체층이 요구된다.
그러나, 광전변환에 의해 생성된 전하가 이동 중에 태양전지의 반도체층에 존재하는 침입형 사이트(interstitial sites) 또는 대체형 사이트(substitutional sites)에 포집되어 재결합되는 경우가 발생하며, 이는 태양전지의 광전변환효율에 악영향을 끼친다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해, p형 반도체층과 n형 반도체층 사이에 진성층(intrinsic layer)을 구비시키는 이른바, 이종접합형(hetero-junction) 태양전지가 제시되었으며 이를 통해 캐리어(carrier)의 재결합률을 저하시킬 수 있다.
본 발명은 이종접합형 태양전지와 후면전계형 태양전지를 접목시켜 태양전지의 광전변환효율을 극대화시킬 수 있는 후면전계형 이종접합 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 후면전계형 이종접합 태양전지는 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판과, 상기 기판의 전면 상에 순차적으로 적층된 진성층, 제 1 도전형의 비정질 실리콘층과, 상기 제 2 도전형의 비정질 실리콘 상에 적층된 반사방지막과, 상기 기판의 후면으로부터 상기 기판 내부의 일정 깊이로 형성된 제 1 도전형의 접합영역과 제 2 도전형의 접합영역 및 상기 제 1 도전형의 접합영역과 제 2 도전형의 접합영역 상에 각각 구비된 제 1 도전형 전극과 제 2 도전형 전극을 포함하여 이루어지며, 상기 제 1 도전형 전극과 제 2 도전형 전극은 교번하여 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 후면전계형 이종접합 태양전지의 제조방법은 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판을 준비하는 단계와, 상기 기판의 후면 내부에 제 1 도전형의 접합영역과 제 2 도전형의 접합영역을 교번하여 배치되도록 형성하는 단계와, 상기 기판 전면 상에 진성층과 제 1 도전형의 비정질 실리콘층을 순차적으로 적층하는 단계와, 상기 제 1 도전형의 비정질 실리콘층 상에 반사방지막을 형성하는 단계 및 상기 제 1 도전형의 접합영역과 제 2 도전형의 접합영역 상에 각각 제 1 도전형 전극과 제 2 도전형 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
제 1 도전형의 접합영역 또는 제 2 도전형의 접합영역을 형성하는 방법은, 상기 기판의 후면 상에 제 1 도전형의 접합영역 또는 제 2 도전형의 접합영역이 형성될 부위의 기판을 선택적으로 노출시키는 스크린 마스크를 형성하는 과정과, 상기 스크린 마스크를 포함한 기판 전면 상에 액상의 제 1 도전형 또는 제 2 도전형 불순물을 도포하는 과정과, 상기 기판을 열처리하여 제 1 도전형의 접합영역 또는 제 2 도전형의 접합영역을 형성하는 과정을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 반사방지막을 형성하는 단계 이전에, 상기 제 1 도전형의 비정질 실리콘층 상에 버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
본 발명에 따른 후면전계형 이종접합 태양전지 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
태양전지의 후면 상에 (+) 전극과 (-) 전극이 모두 구비됨에 따라 수광면적을 극대화할 수 있으며, 불순물 이온이 주입되지 않은 진성층이 구비됨으로 인해 캐리어의 재결합률을 최소화하여 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전계형 이종접합 태양전지의 단면도.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전계형 이종접합 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전계형 이종접합 태양전지 및 그 제조방법을 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전계형 이종접합 태양전지의 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전계형 이종접합 태양전지는 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판(101)을 구비한다. 상기 제 1 도전형은 p형 또는 n형일 수 있으며, 제 2 도전형은 제 1 도전형의 반대이다. 이하의 설명에서는 제 1 도전형이 n형, 제 2 도전형이 p형인 것을 중심으로 설명하기로 한다.
상기 n형 기판(101)(n-) 상에는 진성층(108)(intrinsic layer)과 n형 비정질 반도체층(109)(n+ a-Si:H)이 순차적으로 적층된다. 상기 진성층(108)은 상기 n형 비정질 반도체층(109)과 마찬가지로 비정질 실리콘층으로 구성될 수 있다. 상기 n형 비정질 반도체층(109) 상에는 실리콘 산화막 등으로 이루어진 반사방지막(111)이 구비된다. 상기 n형 비정질 반도체층(109)과 실리콘 산화막 사이에 응력을 완화시키기 위해 버퍼층(110)으로서 실리콘 산화막층이 더 구비될 수도 있다.
한편, 상기 기판(101)의 후면으로부터 기판(101) 내부의 일정 깊이까지의 영역에 p 접합영역(104)과 n 접합영역(107)이 구비된다. 상기 p 접합영역(104)과 n 접합영역(107)은 각각 n형 기판(101)에 p형 불순물 이온과 n형 불순물 이온이 주입되어 형성된 반도체 영역을 일컬으며, 상기 p 접합영역(104)과 n 접합영역(107)은 상기 기판(101)의 후면에 교번하여 배치된다. 또한, 상기 p 접합영역(104)과 n 접합영역(107) 상에는 각각 p 전극(112)과 n 전극(113)이 구비된다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전계형 이종접합 태양전지의 제조방법을 설명하기로 한다. 도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전계형 이종접합 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
먼저, 도 2a에 도시한 바와 같이 제 1 도전형 예를 들어, n형의 결정질 실리콘 기판(101)을 준비한다. 그런 다음, 상기 기판(101)의 표면에 요철이 형성되도록 텍스쳐링(texturing) 공정을 진행한다. 상기 텍스쳐링 공정은 광흡수를 극대화하기 위한 것이며, 습식 식각 또는 반응성 이온 식각(reactive ion etching) 등의 건식 식각 방법을 이용하여 진행할 수 있다.
이어, p 접합영역(104) 및 n 접합영역(107) 형성공정을 진행한다. 상기 p 접합영역(104) 형성공정과 n 접합영역(107) 형성공정은 독립적으로 순차적으로 진행되며, 그 순서는 무관하다.
p 접합영역(104) 형성공정을 먼저 진행하는 경우, 도 2b에 도시한 바와 같이 상기 기판(101)의 후면 상에 p 접합영역(104)이 형성될 부위의 기판(101)을 노출시키는 제 1 스크린 마스크(102)를 형성한다. 그런 다음, 액상의 p형 불순물(103)을 롤러 등을 이용하여 상기 제 1 스크린 마스크(102)를 포함한 기판(101) 전면 상에 도포한다. 이어, 열처리 공정을 진행하여 상기 p형 불순물을 상기 기판(101) 내부로 확산시켜 p 접합영역(104)을 형성한다(도 2c 참조).
이와 같은 상태에서, 도 2d에 도시한 바와 같이 상기 제 1 스크린 마스크(102)를 제거하고 제 2 스크린 마스크(105)를 상기 기판(101) 상에 형성한다. 상기 제 2 스크린 마스크(105)는 n 접합영역(107)이 형성될 부위의 기판(101)을 선택적으로 노출시킨다. 상기 제 2 스크린 마스크(105)가 형성된 상태에서, 기판(101) 전면 상에 액상의 n형 불순물(106)을 도포한다. 이 때, 액상의 n형 불순물(106)은 상기 p형 불순물과 마찬가지로 롤러를 이용하여 도포할 수 있다. 그런 다음, 열처리 공정을 진행하여 상기 n형 불순물을 상기 기판(101) 내부로 확산시켜 n 접합영역(107)을 형성한다(도 2e 참조). 이어, 제 2 스크린 마스크(105)를 제거한다.
상기 p 접합영역(104) 및 n 접합영역(107)이 형성된 상태에서, 도 2f에 도시한 바와 같이 상기 기판(101) 전면 상에 비정질 실리콘 재질의 진성층(108)(intrinsic layer)을 적층한다. 상기 진성층(108)은 플라즈마 강화 화학기상증착법(PECVD, plasma enhanced chemical vapor deposition) 등을 이용하여 형성할 수 있다. 그런 다음, 상기 진성층(108) 상에 n형 비정질 실리콘층(n+ a-Si:H)을 형성한다. 상기 n형 비정질 실리콘층은 비정질 실리콘층의 형성시 n형 불순물 이온을 주입하여 형성할 수 있다.
이와 같은 상태에서, 상기 n형 비정질 실리콘층 상에 실리콘 질화막 재질의 반사방지막(111)을 형성한다. 이 때, 상기 반사방지막(111)과 n형 비정질 실리콘층 사이의 응력을 완화시키기 위해 상기 반사방지막(111) 형성 전에 실리콘 산화막 재질의 버퍼층(110)을 상기 n형 비정질 실리콘층 상에 형성할 수도 있다. 이어, 도 2g에 도시한 바와 같이 상기 p 접합영역(104)과 n 접합영역(107) 상에 각각 p 전극(112)과 n 전극(113)을 형성하면 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전계형 이종접합 태양전지의 제조방법은 완료된다.
태양전지의 후면 상에 (+) 전극과 (-) 전극이 모두 구비됨에 따라 수광면적을 극대화할 수 있으며, 불순물 이온이 주입되지 않은 진성층이 구비됨으로 인해 캐리어의 재결합률을 최소화하여 태양전지의 광전변환효율을 향상시킬 수 있게 된다.

Claims (5)

  1. 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판;
    상기 기판의 전면 상에 순차적으로 적층된 진성층, 제 1 도전형의 비정질 실리콘층;
    상기 제 2 도전형의 비정질 실리콘 상에 적층된 반사방지막;
    상기 기판의 후면으로부터 상기 기판 내부의 일정 깊이로 형성된 제 1 도전형의 접합영역과 제 2 도전형의 접합영역; 및
    상기 제 1 도전형의 접합영역과 제 2 도전형의 접합영역 상에 각각 구비된 제 1 도전형 전극과 제 2 도전형 전극을 포함하여 이루어지며,
    상기 제 1 도전형 전극과 제 2 도전형 전극은 교번하여 배치되는 것을 특징으로 하는 후면전계형 이종접합 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 도전형의 비정질 실리콘층과 반사방지막 사이에 버퍼층이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 후면전계형 이종접합 태양전지.
  3. 제 1 도전형의 결정질 실리콘 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판의 후면 내부에 제 1 도전형의 접합영역과 제 2 도전형의 접합영역을 교번하여 배치되도록 형성하는 단계;
    상기 기판 전면 상에 진성층과 제 1 도전형의 비정질 실리콘층을 순차적으로 적층하는 단계;
    상기 제 1 도전형의 비정질 실리콘층 상에 반사방지막을 형성하는 단계; 및
    상기 제 1 도전형의 접합영역과 제 2 도전형의 접합영역 상에 각각 제 1 도전형 전극과 제 2 도전형 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 후면전계형 이종접합 태양전지의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 제 1 도전형의 접합영역 또는 제 2 도전형의 접합영역을 형성하는 방법은,
    상기 기판의 후면 상에 제 1 도전형의 접합영역 또는 제 2 도전형의 접합영역이 형성될 부위의 기판을 선택적으로 노출시키는 스크린 마스크를 형성하는 과정과,
    상기 스크린 마스크를 포함한 기판 전면 상에 액상의 제 1 도전형 또는 제 2 도전형 불순물을 도포하는 과정과,
    상기 기판을 열처리하여 제 1 도전형의 접합영역 또는 제 2 도전형의 접합영역을 형성하는 과정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 후면전계형 이종접합 태양전지의 제조방법.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 반사방지막을 형성하는 단계 이전에,
    상기 제 1 도전형의 비정질 실리콘층 상에 버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 후면전계형 이종접합 태양전지의 제조방법.
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