KR101047170B1

KR101047170B1 - 태양전지 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101047170B1
Application number: KR1020090116668A
Authority: KR
Inventors: 정종갑; 이유진; 이시우; 김동제
Original assignee: 주식회사 티지솔라
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2009-11-30
Publication date: 2011-07-07
Anticipated expiration: 2029-11-30
Also published as: WO2011065700A3; KR20110060162A; TW201131791A; WO2011065700A2

Abstract

태양전지 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명에 따른 태양전지는 다수개의 단위셀 영역(a)과 단위셀 영역(a) 사이에 위치하는 다수개의 배선영역(b)을 포함하는 기판(100); 기판(100) 상의 단위셀 영역(a) 상에 형성되는 하부전극(200a); 기판(100) 상의 배선영역(b) 상에 형성되며 하부전극(200a)의 일측과 동일층으로 연결되는 하부연결전극(200b); 하부전극(200a) 상에 형성되며 비정질 광전소자 또는 다결정 광전소자 중 적어도 어느 하나를 포함하는 광전소자부(300a); 광전소자부(300a)와 동일층으로 일정 간격을 두고 하부연결전극(200b)의 가장자리부 상에 형성되는 더미광전소자(300b); 광전소자부(300a)와 더미광전소자(300b) 상에 형성되고 이웃하는 단위셀 영역(a)의 하부전극(200a)과 연결된 하부연결전극(200b)의 측면과 전기적으로 접속되는 상부전극(500); 및 기판(100) 상의 배선영역(b) 상에 위치하며 하부전극(200a) 및 광전소자부(300a)의 측면과 상부전극(500) 사이에 형성되는 측벽 절연층(400)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

직렬 태양전지, 레이저 스크라이빙, 배선영역, 데드영역

Description

태양전지 및 그 제조방법{SOLAR CELL AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}

본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 하부전극과 광전소자(반도체층)를 일괄적으로 패터닝(예를 들면, 레이저 스크라이빙) 하여 패턴 공정 수를 감소시킬 수 있고, 단위셀 영역(태양전지 중 광전 변환이 일어나는 영역)의 면적을 증가시킬 수 있는 우수한 광전 변환 효율을 가지는 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.

종래의 박막형 태양전지는 광전 변환 효율이 대략 10% 미만에 불과하여 실제 상용화가 되기에는 여러가지 어려움이 있었다. 이를 해결하기 위해, 다수개의 광전소자를 전기적으로 직렬로 연결시켜 우수한 광전 변환 효율을 구현하는 기술이 개발되어 왔다.

일반적인 직렬 방식의 태양전지를 살펴보면, 광전소자를 적층시켜 양호한 광전 변환 효율을 얻을 수 있는 탠덤(tandem) 구조를 형성하는 방식과, 수평으로 배열된 다수개의 광전소자를 전극(배선)으로 직렬로 연결시켜 필요한 전력을 얻는 방식 등이 대표적이다.

먼저, 탠덤 구조의 태양전지를 살펴보면, 동일한 기판 면적에서 보다 많은 양의 전기를 생산할 수 있어 종래의 단일 접합형 태양전지보다 향상된 광전 변환 효율을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 예를 들어, Saitoh 등은 플라즈마 화학기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD)을 사용하여 p-i-n형 비정질 실리콘(amorphous Si: a-Si)/미소 결정질 실리콘(microcrystalline Si: μc-Si) 탠덤 구조의 태양전지를 제조하였고, 이때 1cm² 면적에서 초기화 변환 효율은 9.4%, 안정화된 변환 효율은 8.5%이었다.그러나, Saitoh 등이 개발한 탠덤 구조의 실리콘 태양전지는 PECVD를 이용하여 미소 결정질 실리콘을 형성할 때, 낮은 증착 압력과 높은 증착 파워 조건이 요구된다. 따라서, 증착 시간이 너무 길어지고, 공정 조건도 맞추기 어려워 양산 효율이 낮다. 또한, 복수개의 층간에서 발생하는 반사, 굴절 등으로 하부 층으로 내려갈수록 광전 변환 효율이 떨어지는 한계도 가지고 있다.

다음으로, 종래의 직렬 연결 방식의 태양전지를 살펴보면, 도 1은 종래의 태양전지의 단면을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 종래의 태양전지는 다수개의 단위셀 영역(a')과 단위셀 영역(a') 사이에 위치하는 배선영역(b')을 포함하는 기판(10)이 제공된다. 이때, 기판(10) 상의 단위셀 영역(a')에서는 하부전극(11)이 형성되고, 하부전극(11) 상에는 반도체층이 적층된 광전소자(20)가 형성된다.

이어서, 광전소자(20) 상에는 상부전극(30)이 형성되어 하나의 태양전지 단위셀을 구성하는데, 상부전극(30)은 이웃하는 다른 단위셀(a')의 하부전극(11) 상 부와 배선영역(b')상에서 접속되어 전기적으로 직렬 방식으로 연결된다.

그러나, 종래의 직렬 방식 태양전지는 배선영역(b')에서 태양전지 단위셀간의 연결이 이루어질 때, 광전소자(20)의 측면과 상부전극(30)이 단락(short circuit: SC)되어 불필요한 누설전류가 발생할 수 있다. 또한, 이웃하는 단위셀의 하부전극(11) 사이에는 광전소자(20)의 반도체층 중 불순물이 도핑되어 저항이 낮은 n 형 또는 p 형 반도체층이 형성되어 있으므로, 단위셀 사이의 단락 현상(Short Circuit)을 초래할 수도 있어 광전 변환 효율이 저하될 수 있다.

특히, 종래의 태양전지는 하부전극(11)을 레이저 스크라이빙 방식으로 제1 패턴한 후, 광전소자(20)을 형성하고, 다시 광전소자(20) 만을 레이저 스크라이빙 방식으로 제2 패턴한다. 이어서, 상부전극(30)을 형성하고 레이저 스크라이빙 방식으로 제3 패턴을 수행하여 태양전지를 구현할 수 있다.

따라서, 종래의 태양전지는 최소 3번의 레이저 스크라이빙 공정이 필요하고, 공정 시간과 비용이 증가하며, 단위셀 영역의 면적비가 감소되어(즉, 태양전지의 데드영역이 증가하여) 광전 변환 효율이 저하되는 문제점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 하부전극과 광전소자(반도체층)를 일괄적으로 패터닝(예를 들면, 레이저 스크라이빙) 하여 패턴 공정 수를 감소시킬 수는 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 단위셀 영역(태양전지 중 광전 변환이 일어나는 영역)의 면적을 증가시킬 수 있는 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 직렬 연결시 발생되는 단락 현상을 방지하고 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은 다수개의 단위셀 영역과 상기 단위셀 영역 사이에 위치하는 다수개의 배선영역을 포함하는 기판; 상기 기판 상의 상기 단위셀 영역 상에 형성되는 하부전극; 상기 기판 상의 상기 배선영역 상에 형성되며 상기 하부전극의 일측과 동일층으로 연결되는 하부연결전극; 상기 하부전극 상에 형성되며 비정질 광전소자 또는 다결정 광전소자 중 적어도 어느 하나를 포함하는 광전소자부; 상기 광전소자부와 동일층으로 일정간격을 두고 상기 하부연결전극의 가장자리부 상에 형성되는 더미광전소자; 상기 광전소자부와 상기 더미광전소자 상에 형성되고 이웃하는 단위셀 영역의 하부전극과 연결된 하부연결전극의 측면과 전기적으로 접 속되는 상부전극; 및 상기 기판 상의 상기 배선영역 상에 위치하며 상기 하부전극 및 상기 광전소자부의 측면과 상기 상부전극 사이에 형성되는 측벽 절연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지에 의해 달성된다.

이때, 상기 하부전극과 상기 광전소자부는 일괄적으로 패턴될 수 있다.

상기 측벽 절연층은 실리콘 질화막(SiN_x) 또는 실리콘 산화막(SiO_x) 중 어느 하나이거나 이들의 적층막일 수 있다.

상기 기판과 상기 하부전극 사이에는 반사 방지층이 더 포함될 수 있다.

상기 광전소자부는, 상기 하부전극 상에 형성되는 제1 다결정 반도체층; 상기 제1 다결정 반도체층 상에 형성되는 제2 다결정 반도체층; 및 상기 제2 다결정 반도체층 상에 형성되는 제3 다결정 반도체층을 포함할 수 있다.

상기 광전소자부는, 상기 하부전극 상에 형성되는 제1 다결정 반도체층; 상기 제1 다결정 반도체층 상에 형성되는 제2 다결정 반도체층; 상기 제2 다결정 반도체층 상에 형성되는 제3 다결정 반도체층; 상기 제3 다결정 반도체층 상에 형성되는 제1 비정질 반도체층; 상기 제1 비정질 반도체층 상에 형성되는 제2 비정질 반도체층; 및 상기 제2 비정질 반도체층 상에 형성되는 제3 비정질 반도체층을 포함할 수 있다.

상기 제1 다결정 반도체층, 상기 제2 다결정 반도체층 및 상기 제3 다결정 반도체층은 각각 p 형, i 형, n 형 다결정 반도체층이거나, 각각 n 형, i 형, p 형 다결정 반도체층일 수 있다.

상기 제1 비정질 반도체층, 상기 제2 비정질 반도체층 및 상기 제3 비정질 반도체층은 각각 p 형, i 형, n 형 비정질 반도체층이거나, 각각 n 형, i 형, p 형 비정질 반도체층일 수 있다.

상기 다결정 반도체층은 다결정 실리콘층일 수 있다.

상기 비정질 반도체층은 비정질 실리콘층 일 수 있다.

상기 다결정 반도체층은 SPC(Solid Phase Crystallization), ELA(Excimer Laser Annealing), SLS(Sequential Lateral Solidification), MIC(Metal Induced Crystallization), 및 MILC(Metal Induced Lateral Crystallization) 중 어느 하나의 방법으로 결정화될 수 있다.

또한, 본 발명의 상기 목적은 다수개의 단위셀 영역과 상기 단위셀 영역 사이에 위치하는 다수개의 배선영역을 포함하는 기판을 제공하는 단계; 상기 기판 상의 전면에 하부전도층과 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 기판 상의 상기 배선영역 상의 상기 하부전도층과 상기 반도체층을 일괄적으로 제1 패터닝하는 단계; 상기 기판 상의 상기 배선영역 상에 상기 패터닝된 하부전도층과 상기 패터닝된 반도체층의 측면과 접하는 측벽 절연층을 형성하는 단계; 상기 기판 상의 전면에 상부전도층을 형성하는 단계; 및 상기 기판 상의 상기 배선영역 상의 상기 상부전도층과 상기 패터닝된 반도체층을 일괄적으로 제2 패터닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법에 의해서도 달성된다.

이때, 상기 제1, 제2 패터닝은 레이저 스크라이빙(laser scribing)을 이용하여 수행될 수 있다.

상기 기판과 상기 하부전도층 사이에는 반사 방지층이 더 형성할 수 있다.

상기 반도체층은 실리콘층일 수 있다.

본 발명에 따르면, 하부전극과 광전소자(반도체층)를 일괄적으로 패터닝(예를 들면, 레이저 스크라이빙) 하여 패턴 공정 수, 공정 시간과 공정 비용을 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 하부전극과 광전소자를 일괄적으로 패터닝함으로써 단위셀 영역의 면적을 증가시켜 우수한 광전 변환 효율을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 하부전극과 광전소자의 측면에 별도의 절연층을 형성하여 직렬 연결시 발생되는 단락 현상을 방지하여 제품의 신뢰성과 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 광전소자는 다결정 광전소자와 비정질 광전소자를 적층한 다중접합 구조로 광전소자 마다 서로 다른 파장의 빛을 수광 할 수 있어서 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발 명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

[본 발명의 바람직한 실시예]

본 명세서에 있어서, 단위셀 영역(a) 이란 태양전지에서 광전소자(반도체층)가 위치하여 광전 변환이 이루어지는 영역을 의미하는 것이다.

또한, 본 명세서에 있어서, 배선영역(b) 이란 단위셀 영역(a) 사이에 위치하며 단위셀 간을 분리함과 동시에 전기적으로 연결(예를 들면, 직렬 연결 방식) 하는 기능을 수행하는 영역을 의미하는 것으로, 실질적으로 광전 변환이 일어나지 않 으므로 데드영역으로 이해될 수 있다.

또한, 본 명세서에 있어서, 광전소자부란 하나의 광전소자이거나 다수개의 광전소자가 적층된 것을 포괄하는 의미이다.

이하의 본 발명의 일 실시예에 따른 상세한 설명에서는, 반도체층의 소재로서 가장 일반적으로 사용되는 실리콘(Si)을 일례로 설명하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 반도체 특성을 가지는 공지된 물질들을 제한 없이 사용할 수 있다.

도 2 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조 과정을 순차적으로 나타내는 도면이다.

먼저, 도 2를 참조하면, 다수개의 단위셀 영역(a)과 단위셀 영역(a) 사이에 위치하는 다수개의 배선영역(b)을 포함하는 기판(100)을 제공할 수 있다. 기판(100)의 재질은 투명한 유리 기판을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 태양전지가 빛을 수광하는 방향에 따라 유리, 플라스틱과 같은 투명 재질 또는 실리콘, 금속[예를 들면, SUS(Stainless Steel)]과 같은 불투명 재질을 모두 사용할 수 있다.

이때, 기판(100)의 표면은 텍스쳐링(texturing)이 수행될 수 있다. 본 발명에서 텍스쳐링이란, 태양전지의 기판 표면에 입사되는 빛이 반사되어 광학적으로 손실됨으로써 그 특성이 저하되는 현상을 방지하지 위한 것이다. 즉, 기판의 표면을 거칠게 만드는 것으로, 기판 표면에 요철 패턴(미도시 함)을 형성하는 것을 말한다. 예를 들면, 텍스쳐링으로 기판의 표면이 거칠어지면 표면에서 한번 반사된 빛이 태양전지 방향으로 재반사될 수 있으므로 빛이 손실되는 것을 감소시킬 수 있고, 광 포획량이 증가되어 태양전지의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.

이때, 대표적인 텍스쳐링 방법으로는 샌드 블래스팅 방법을 사용할 수 있다. 본 발명에서의 샌드 블래스팅은 식각 입자를 압축 공기로 분사하여 식각하는 건식 블래스팅과 액체와 함께 식각 입자를 분사하여 식각하는 습식 블래스팅을 모두 포함하는 것이다. 한편, 본 발명의 샌드 블래스팅에 사용되는 식각 입자는 모래, 작은 금속과 같이 물리적 충격으로 기판에 요철을 형성시킬 수 있는 입자를 제한 없이 사용할 수 있다.

이어서, 기판(100) 상에는 반사 방지층(미도시)을 형성할 수 있다. 반사 방지층은 기판(100)을 통하여 입사된 태양광이 광전소자에 흡수되지 못하고 바로 외부로 반사됨으로써, 태양전지의 효율을 저하시키는 현상을 방지하는 역할을 한다. 반사 방지층의 소재는 실리콘 산화물(SiO_x), 실리콘 질화물(SiN_x)일 수 있으나 반드시 이에 한정되지 않는다.

반사 반지층의 형성 방법으로는 저압 화학기상 증착법(Low Pressure Chemical Vapor Deposition: LPCVD) 및 플라즈마 화학기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition: PECVD) 등을 포함할 수 있다.

이어서, 기판(100) 상부 전면에 전도성 재질의 하부전도층(200)을 형성할 수 있다. 하부전도층(200)의 소재는 빛을 수광하는 방향에 따라 투명 또는 불투명한 전도성 재질을 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들면, 접촉 저항이 낮으면서 투명 한 성질을 갖는 투명 전극인 TCO(Transparent Conductive Oxide)을 사용할 수 있는데, 일례로 AZO(ZnO:Al), ITO(Indium-Tin-Oxide), GZO(ZnO:Ga), BZO(ZnO:B) 및 SnO₂(SnO₂:F) 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 접촉 저항이 낮으면서 고온 공정을 진행하더라도 전기적 특성이 저하되지 않는 불투명한 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 몰리텅스텐(MoW) 중 어느 하나이거나 이들의 합금을 포함할 수 있다.

하부전도층(200)의 형성 방법으로는 열 증착법(Thermal Evaporation), 전자빔 증착법(E-beam Evaporation), 스퍼터링(sputtering)과 같은 물리기상 증착법(Physical Vapor Deposition; PVD) 및 LPCVD, PECVD, 금속유기 화학기상 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD)과 같은 화학기상 증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD)을 포함할 수 있다.

이어서, 하부전도층(200)의 상부 전면에 p 형과 n 형의 전도성을 가지는 반도체층이 적층되거나 p 형, i형, n 형의 반도체층이 적층될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 일례로, p 형, i 형, n 형의 반도체층을 순서대로 형성할 수 있는데, 반도체층의 재질은 통상적으로 사용되는 실리콘일 수 있으며 이하에서는 실리콘층(300)으로 설명한다. 실리콘층(300)은 PECVD 또는 LPCVD와 같은 화학기상 증착법으로 형성할 수 있는데, 이후 공정에 의하여 단위셀 영역(a)에서는 광을 수광하여 전력을 생산할 수 있는 광전소자의 기능을 수행할 수 있다. 이에 관하여는 도 7 및 도 8을 참조한 이하의 상세한 설명을 통해 자세히 알아보기로 한다.

다음으로, 도 3을 참조하면, 하부전도층(200)과 실리콘층(300)을 배선영 역(b)에서 일괄적으로 제1 패터닝(10)하여 서로 분리(절연)된 일정한 단위 패턴을 형성할 수 있다.

이러한 제1 패터닝(10)으로는 레이저 광원을 이용한 식각 방법인 레이저 스크라이빙법(laser scribing)을 사용하여 수행될 수 있다. 레이저는 IR-ns(Infrared ray-nanosecond) 또는 IR-ps(Infrared ray-picosecond) 레이저를 사용할 수 있다. 레이저 조사에 의하여 하부전도층(200) 블로우-업(blow-up)시 실리콘층(300)을 팝핑(popping) 메커니즘을 통해 동시에 패터닝 할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 공지된 포토리소그래피법(photolithography)을 포함하는 식각 방법을 제한 없이 사용할 수 있다.

이하에서는 태양전지의 구동 회로와 등가적으로 설명하기 위하여, 패터닝된 하부전도층(200)을 단위셀 영역(a) 상에서는 하부전극(200a)으로 배선영역(b) 상에서는 하부연결전극(200b)으로 구분하여 설명한다. 이와 동일한 원리로, 패터닝된 실리콘층(300)을 단위셀 영역(a) 상에서는 광전소자부(300a)로 배선영역(b) 상에서는 더미광전소자(300b)로 구분하여 설명한다.

광전소자부(300a)는 광을 수광하여 발생한 전자(electron)와 정공(hole)이 하부전극(200a)과 이후 형성될 상부전극(500)으로 이동하면서 광기전력(전력)을 생산하나, 더미광전소자(300b)는 이후 공정(도 6 참조)에 의해 광전소자부(300a)와 분리되어 실질적으로 전력을 생산하지 못하게 된다. 또한, 하부연결전극(200b)은 광전소자부(300a)에서 생성된 전기 에너지를 다른 단위셀의 상부전극(500)과 양호하게 접속시켜 직렬 연결 방식의 태양전지를 구현하는 기능을 수행할 수 있다.

다음으로, 도 4를 참조하면, 광전소자부(300a)와 하부전극(200a)의 측면과 배선영역(b) 상에는 측벽 절연층(400)이 형성될 수 있다. 측벽 절연층(400)은 실리콘 질화막(SiN_x) 또는 실리콘 산화막(SiO_x) 중 어느 하나이거나 이들의 적층막일 수 있다. 이러한 측벽 절연층(400)에 의하여 태양전지 단위셀간의 양호한 전기적 절연 특성을 얻을 수 있다.

측벽 절연층(400)의 형성 방법은 노즐로 구성된 헤드를 통하여 잉크를 분사하는 잉크젯 프린팅법(ink jet printing)을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 공지된 포토리소그래피법(photolithography) 방식을 제한 없이 사용할 수 있다.

다음으로, 도 5를 참조하면, 기판(100)의 상부 전면에 전도성 재질인 상부전도층(510)을 형성할 수 있다. 상부전도층(510)의 소재는 빛을 수광하는 방향에 따라 투명 또는 불투명한 전도성 재질을 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들면, 투명 전도성 소재인 TCO(transparent conductive oxide) 이거나 통상적인 전도성 소재인 구리(Cu), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 은(Ag) 등의 금속 및 이들의 합금을 포함할 수 있다. 또한, 상부 전도층(510)은 TCO막과 금속막을 적층시킨 적층막 구조로 형성할 수도 있다.

상부전도층(510)의 형성 방법으로는 스퍼터링과 같은 물리기상 증착법 및 LPCVD, PECVD, MOCVD와 같은 화학기상 증착법 등을 포함할 수 있다.

다음으로, 도 6을 참조하면, 상부전도층(510)과 패턴된 실리콘층(300)을 배 선영역(b)에서 일괄적으로 제2 패터닝(20)하여 일정 패턴의 상부전극(500)과 더미광전소자(300b)를 각각 형성할 수 있다.

이러한 재2 패터닝(20)으로는 레이저 광원을 이용한 식각 방법인 레이저 스크라이빙법(laser scribing)을 이용하여 수행될 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 공지된 포토리소그래피법(photolithography)을 포함하는 식각 방법을 제한 없이 사용할 수 있다.

보다 상세하게 설명하면, 더미광전소자(300b)는 광전소자부(200a)와 동일층으로 일정 간격을 두고 하부연결전극(200b)의 가장자리부 상에 형성될 수 있다. 상부전극(500)은 단위셀 영역(a) 상에서는 광전소자부(300a)의 전극의 기능을 수행할 수 있으며, 배선영역(b) 상에서는 광전소자부(300a)를 이웃하는 다른 광전소자부(300a)와 연결하는(즉, 태양전지 단위셀간을 직렬로 연결하는) 배선의 기능을 수행할 수 있다. 이때, 본 발명에서는 상부전극(500)을 통하여 단위셀 영역(a)의 광전소자부(300a)의 상부면과 배선영역(b)의 하부연결전극(200b)의 측면이 전기적으로 연결된다.

이상에서 설명된 본 발명의 일 실시예에 의한 태양전지는 총 2회의 패턴 공정(10, 20)만을 수행함으로써, 종래의 3회에 비해 패턴 공정 수를 감소시킬 수 있다. 즉, 본 발명의 태양전지는 하부전도층(200)과 실리콘층(300)을 일괄적으로 패턴하기 때문에 상대적으로 단위셀 영역(a)의 면적이 증가하여(즉, 데드영역(b)의 면적이 감소하여), 우수한 광전 변환 효율을 얻을 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 광전소자부(300a)는 비정질 광전소자 또는 다결 정 광전소자 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전소자부의 상세한 구성을 나타내는 도면이다.

도 7을 참조하면, 기판(100)의 단위셀 영열(a) 상에 형성된 광전소자부(300a)는 다결정 광전소자일 수 있다. 보다 상세하게 설명하면, 도시 되지는 않았지만, 기판(100) 상의 하부전극(200a) 상에는 제1 비정질 실리콘층을 형성하고, 이어서 제1 비정질 실리콘층 상에는 제2 비정질 실리콘층을 형성하고, 이어서 제2 비정질 실리콘층 상에는 제3 비정질 실리콘층을 형성하여 하나의 광전소자를 구성할 수 있다. 이때, 제1, 제2, 제3 비정질 실리콘층의 형성 방법으로는 PECVD 또는 LPCVD와 같은 CVD 방법을 이용하여 형성할 수 있다.

이어서, 제1, 제2, 제3 비정질 실리콘층을 고온 열처리하여 결정화하는 과정을 수행할 수 있다. 즉, 제1 비정질 실리콘층은 제1 다결정 실리콘층(311)으로, 제2 비정질 실리콘층은 제2 다결정 실리콘층(312)으로, 제3 비정질 실리콘층은 제3 다결정 실리콘층(313)으로 각각 결정화할 수 있다. 결국, 제1, 제2, 제3 다결정 실리콘층(311, 312, 313)으로 구성되는 다결정 광전소자부(300a)가 형성될 수 있다.

제1, 제2, 제3 비정질 실리콘층의 결정화 방법은 SPC(Solid Phase Crystallization), ELA(Excimer Laser Annealing), SLS(Sequential Lateral Solidification), MIC(Metal Induced Crystallization), 및 MILC(Metal Induced Lateral Crystallization) 중 어느 하나의 방법을 사용할 수 있다. 이와 같은 비 정질 실리콘의 결정화 방법은 공지의 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 본 명세서에서는 생략하기로 한다.

한편, 상기에서는 제1, 제2, 제3 비정질 실리콘층을 모두 형성한 후에 이들 층을 동시에 결정화시키는 것으로 설명하고 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 하나의 비정질 실리콘층 마다 결정화 공정을 별도로 진행할 수 있으며, 또한 두 개의 비정질 실리콘층은 동시에 결정화 공정을 진행하고 나머지 하나의 비정질 실리콘층은 별도로 결정화 공정을 진행할 수도 있다.

이러한 다결정 광전소자는 광이 수광되어 발생되는 광기전력으로 전력을 생산할 수 있는 p 형, i 형, n 형의 다결정 실리콘층이 순서대로 적층된 p-i-n 다이오드의 구조일 수 있다. 여기서 i 형은 불순물이 도핑되지 않은 진성(intrinsic)을 의미한다. 또한, n 형 또는 p 형 도핑은 비정질 실리콘층 형성시에 불순물을 인시츄(in situ) 방식으로 도핑하는 것이 바람직하다. P 형 도핑시 불순물로서는 보론(B)을 n 형 도핑시 불순물로서는 인(P) 또는 비소(As)를 사용하는 것이 일반적이나, 이에 한정되는 것은 아니며 공지된 기술을 제한 없이 사용할 수 있다.

한편, 다결정 광전소자는 p, i, n 형 이외에도 p+, i, n+ 형, n, i, p 형(특히, n+, i, p+), p, n, n 형(특히, p+, p-, n+) 또는 n, n, p형(특히, n+, n-, p+)의 실리콘층으로 형성될 수 있다. 여기서, +와 -의 의미는 도핑 농도의 상대적인 차이를 나타내며 +가 -보다 고농도의 도핑 농도를 가짐을 의미한다. 예를 들어, n+가 n- 보다 하이 도핑되어 있음을 의미한다. + 또는 -의 표시가 없는 경우에는 도핑 농도의 특별한 제한이 없음을 의미한다. 또한, p와 n 형 사이에 위치하는 반 도체층은 광 흡수층(예를 들면, i 형)의 기능을 한다.

또한, 도시되지는 않았지만 다결정 실리콘층(311, 312, 313)의 성질을 보다 향상시키기 위하여 결함 제거 공정을 추가로 진행할 수 있다. 본 발명에서는 다결정 실리콘층을 고온 열처리하거나 수소 플라즈마 처리하여 다결정 실리콘층 내에 존재하는 결함(예를 들어, 불순물 및 댕글링 본드 등)을 제거할 수 있다.

한편, 도 6의 태양전지에 도 7의 광전소자부(300a)가 적용된다면, 본 발명에서는, 태양전지의 임의의 단위셀의 제1 다결정 실리콘층(311)과 하부전극(200a)이 연결되고, 하부전극(200a)은 하부연결전극(200b)과 연결되고, 하부연결전극(200b)은 상부전극(500)과 연결되고, 상부전극(500)은 상기 임의의 단위셀의 인접셀의 제3 다결정 실리콘층(313)과 연결되는 단위셀간의 전기적 연결 관계가 구현된다. 따라서, 광전소자부(300a)가 p, i, n 형 다결정 실리콘층이 적층된 구조를 갖는다면, 단위셀간에 p 형 다결정 실리콘층과 n 형 다결정 실리콘층이 전기적으로 직접 연결되는 직렬 연결 방식의 태양전지를 구현할 수 있게 된다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 형태의 광전소자부의 상세한 구성을 나타내는 도면이다.

도 8을 참조하면, 이상에서 설명된 제1, 제2, 제3 다결정 실리콘층(311, 312, 313)으로 구성된 다결정 광전소자(310) 상에 다른 광전소자가 더 형성될 수 있는데, 이러한 다른 광전소자는 비정질 실리콘층인 상부 제1, 제2, 제3 비정질 실리콘층(321, 322, 323)이 적층된 비정질 광전소자(320)일 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 광전소자(310, 320)가 탠덤 구조로 형성된 광전소자 부(300a)를 구현할 수 있다. 한편, 이러한 탠덤 구조는 광전소자가 삼중 이상으로 적층된 다중 접합 구조를 포괄적으로 의미할 수 있다.

한편, 도시되어 있지 않지만, 다결정 광전소자(310)와 비정질 광전소자(320) 사이에는 투명 전도체인 연결층(미도시)이 추가로 형성될 수 있다. 상기 연결층은 다결정 광전소자(310)와 비정질 광전소자(320) 사이에 터널 접합(tunnel junction)이 이루어지게 하여, 그 결과 태양전지의 광전 변환 효율을 향상시키는 역할을 할 수 있다. 상기 연결층은 ZnO에 Al이 소량 첨가된 AZO(ZnO:Al)인 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되지 않으며 통상적인 ITO, ZnO, IZO, FSO(SnO:F) 등과 같은 투명 전도성 소재를 특별한 제한 없이 사용할 수 있다.

이상의 상세한 설명에서 본 발명은 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

도 1은 종래의 태양전지의 단면을 나타내는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 기판

200: 하부전도층

200a: 하부전극

200b: 하부연결전극

300: 반도체층(실리콘층)

300a: 광전소자부(광전소자)

300b: 더미광전소자

400: 측벽 절연층

500: 상부전극

510: 상부전도층

Claims

다수개의 단위셀 영역과 상기 단위셀 영역 사이에 위치하는 다수개의 배선영역을 포함하는 기판;

상기 기판 상의 상기 단위셀 영역 상에 형성되는 하부전극;

상기 기판 상의 상기 배선영역 상에 형성되며 상기 하부전극의 일측과 동일층으로 연결되는 하부연결전극;

상기 하부전극 상에 형성되며 비정질 광전소자 또는 다결정 광전소자 중 적어도 어느 하나를 포함하는 광전소자부;

상기 광전소자부와 동일층으로 일정간격을 두고 상기 하부연결전극의 가장자리부 상에 형성되는 더미광전소자;

상기 광전소자부와 상기 더미광전소자 상에 형성되고 이웃하는 단위셀 영역의 하부전극과 연결된 하부연결전극의 측면과 전기적으로 접속되는 상부전극; 및

상기 기판 상의 상기 배선영역 상에 위치하며 상기 하부전극 및 상기 광전소자부의 측면과 상기 상부전극 사이에 형성되는 측벽 절연층

을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
제1항에 있어서,

상기 하부전극과 상기 광전소자부는 일괄적으로 패턴된 것을 특징으로 하는 태양전지.
제1항에 있어서,

상기 측벽 절연층은 실리콘 질화막(SiN_x) 또는 실리콘 산화막(SiO_x) 중 어느 하나이거나 이들의 적층막인 것을 특징으로 하는 태양전지.
제1항에 있어서,

상기 기판과 상기 하부전극 사이에는 반사 방지층이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
제1항에 있어서,

상기 광전소자부는,

상기 하부전극 상에 형성되는 제1 다결정 반도체층;

상기 제1 다결정 반도체층 상에 형성되는 제2 다결정 반도체층; 및

상기 제2 다결정 반도체층 상에 형성되는 제3 다결정 반도체층

을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
제1항에 있어서,

상기 광전소자부는,

상기 하부전극 상에 형성되는 제1 다결정 반도체층;

상기 제1 다결정 반도체층 상에 형성되는 제2 다결정 반도체층;

상기 제2 다결정 반도체층 상에 형성되는 제3 다결정 반도체층;

상기 제3 다결정 반도체층 상에 형성되는 제1 비정질 반도체층;

상기 제1 비정질 반도체층 상에 형성되는 제2 비정질 반도체층; 및

상기 제2 비정질 반도체층 상에 형성되는 제3 비정질 반도체층

을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
제5항 또는 제6항에 있어서,

상기 제1 다결정 반도체층, 상기 제2 다결정 반도체층 및 상기 제3 다결정 반도체층은 각각 p 형, i 형, n 형 다결정 반도체층이거나, 각각 n 형, i 형, p 형 다결정 반도체층인 것을 특징으로 하는 태양전지.
제6항에 있어서,

상기 제1 비정질 반도체층, 상기 제2 비정질 반도체층 및 상기 제3 비정질 반도체층은 각각 p 형, i 형, n 형 비정질 반도체층이거나, 각각 n 형, i 형, p 형 비정질 반도체층인 것을 특징으로 하는 태양전지.
제5항 또는 제6항에 있어서,

상기 다결정 반도체층은 다결정 실리콘층인 것을 특징으로 하는 태양전지.
제6항에 있어서,

상기 비정질 반도체층은 비정질 실리콘층인 것을 특징으로 하는 태양전지.
제5항 또는 제6항에 있어서,

상기 다결정 반도체층은 SPC(Solid Phase Crystallization), ELA(Excimer Laser Annealing), SLS(Sequential Lateral Solidification), MIC(Metal Induced Crystallization), 및 MILC(Metal Induced Lateral Crystallization) 중 어느 하나의 방법으로 결정화된 것을 특징으로 하는 태양전지.
다수개의 단위셀 영역과 상기 단위셀 영역 사이에 위치하는 다수개의 배선영역을 포함하는 기판을 제공하는 단계;

상기 기판 상의 전면에 하부전도층과 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계;

상기 기판 상의 상기 배선영역 상의 상기 하부전도층과 상기 반도체층을 일괄적으로 제1 패터닝하는 단계;

상기 기판 상의 상기 배선영역 상에 상기 패터닝된 하부전도층과 상기 패터닝된 반도체층의 측면과 접하는 측벽 절연층을 형성하는 단계;

상기 기판 상의 전면에 상부전도층을 형성하는 단계; 및

상기 기판 상의 상기 배선영역 상의 상기 상부전도층과 상기 패터닝된 반도체층을 일괄적으로 제2 패터닝하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
제12항에 있어서,

상기 제1 및 상기 제2 패터닝은 레이저 스크라이빙(laser scribing)을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
제12항에 있어서,

상기 측벽 절연층은 실리콘 질화막(SiN_x) 또는 실리콘 산화막(SiO_x) 중 어느 하나이거나 이들의 적층막인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
제12항에 있어서,

상기 기판과 상기 하부전도층 사이에는 반사 방지층이 더 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
제12항에 있어서,

상기 반도체층은 실리콘층인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.