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KR101363103B1 - 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

태양전지 및 그 제조방법 Download PDF

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KR101363103B1
KR101363103B1 KR1020120071206A KR20120071206A KR101363103B1 KR 101363103 B1 KR101363103 B1 KR 101363103B1 KR 1020120071206 A KR1020120071206 A KR 1020120071206A KR 20120071206 A KR20120071206 A KR 20120071206A KR 101363103 B1 KR101363103 B1 KR 101363103B1
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solar cell
layer
emitter
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Abstract

본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 태양전지는, 수광면인 일면으로부터 대향하는 타면까지 관통하는 비아홀이 형성되고, 제1 도전형의 불순물이 도핑된 반도체 기판과; 상기 반도체 기판의 상부 및 하부에 형성되며, 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형의 불순물이 도핑된 상부 및 하부 에미터층과; 상기 비아홀 측벽에 형성되며, 상기 제1 도전형의 불순물이 상기 반도체 기판에 비해 고농도로 도핑된 집전층과; 상기 비아홀을 충진하도록 상기 반도체 기판의 상기 일면으로부터 상기 타면까지 연장 형성되는 콘택 전극; 및 상기 상부 및 하부 에미터층과 각각 콘택되도록 형성된 상부 및 하부 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

태양전지 및 그 제조방법{SOLAR CELL AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 양면 수광형 태양전지(Bifacial solar cell) 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 특히 주목받고 있다. 태양전지에는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 광전자(photon)를 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지가 있으며, 태양광 전지는 일반적으로 태양전지(이하, '태양전지'라 한다)를 일컫는다.
태양 전지(solar cell)는 태양에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 반도체 소자로서 p-n 접합 형태를 가지며 기본 구조는 다이오드와 동일하다.
태양 전지에 빛이 입사되면 입사된 빛이 태양 전지에 흡수되어 태양 전지의 반도체를 구성하고 있는 물질과의 상호작용이 일어난다. 그 결과, 소수 캐리어(minority carrier)인 전자와 정공이 형성되고, 이들은 연결되어 있는 전극 양쪽으로 이동하여 기전력을 얻게 되며, 이를 광기전력효과(photovoltaic effect)라 한다.
한편, 양면 수광형 태양전지(Bifacial solar cell)는 태양전지의 전/후면 모두에서 태양광을 흡수하여 전기를 생산하는 것을 말한다. 일반적인 태양전지는 전면에서 태양광을 흡수하여 전기를 생산하는 것에 비해, 양면 수광형 태양전지는 전/후면에서 태양광을 흡수하므로 형성되는 전류(current)가 일반 태양전지에 비해 높기 때문에 보다 많은 전기를 생산할 수 있다.
종래의 양면 수광형 태양전지는 p-형 기판의 경우 전면에 n층을 형성하고 후면에 p층을 형성하여 구성된다.
그러나, 이러한 종래 방법으로 양면 수광형 태양전지를 형성할 경우 전/후면에서의 에너지 변환 효율에 차이가 발생하며, 일반적으로 후면의 효율이 전면대비 약 2%정도 낮게 나타난다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 일반적인 목적은 종래 기술에서의 제한 및 단점에 의해 야기되는 하나 이상의 문제점을 실질적으로 제거할 수 있는 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 보다 구체적인 다른 목적은, 양면 수광형 태양전지에서 후면이 전면에 비해 낮은 광전변환 효율을 내는 문제점을 개선할 수 있는 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
이를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 수광면인 일면으로부터 대향하는 타면까지 관통하는 비아홀이 형성되고, 제1 도전형의 불순물이 도핑된 반도체 기판과; 상기 반도체 기판의 상부 및 하부에 형성되며, 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형의 불순물이 도핑된 상부 및 하부 에미터층과; 상기 비아홀 측벽에 형성되며, 상기 제1 도전형의 불순물이 상기 반도체 기판에 비해 고농도로 도핑된 집전층과; 상기 비아홀을 충진하도록 상기 반도체 기판의 상기 일면으로부터 상기 타면까지 연장 형성되는 콘택 전극; 및 상기 상부 및 하부 에미터층과 각각 콘택되도록 형성된 상부 및 하부 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예의 태양전지는 상기 상부 및 하부 에미터층 상에 각각 형성된 상부 및 하부 반사 방지층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 태양전지는 상기 상부 및 하부 반사 방지층이 굴절률이 서로 다른 복수의 층으로 구성된 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조방법은 (a) 제1 도전형의 반도체 기판상에 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형의 불순물이 도핑된 상부 및 하부 에미터층을 형성하는 과정과; (b) 상기 에미터층 상에 상부 및 하부 반사 방지층을 형성하는 과정과; (c) 상기 상부 반사 방지층, 상부 에미터층, 반도체 기판, 하부 에미터층 및 하부 반사 방지층을 차례로 식각하여 비아홀을 형성하는 과정과; (d) 상기 비아홀 측벽에 상기 제1 도전형의 불순물이 상기 반도체 기판에 비해 고농도로 도핑된 집전층을 형성하는 과정과; (e) 상기 상부 및 하부 반사 방지층 일부를 식각하여 상기 상부 및 하부 에미터층 일부를 노출시키는 과정; 및 (f) 상기 비아홀 및 상기 노출된 에미터 상에 전극을 형성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예의 태양전지 제조방법은 반도체 기판 표면을 식각하여 텍스쳐링을 형성하는 과정을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 태양전지 제조방법은 상부 및 하부 반사 방지층을 굴절률이 서로 다른 복수의 층으로 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 태양전지 제조방법에서, 상기 (f) 과정은 상기 비아홀에 Ti 또는 Ni를 증착한 후 Al 또는 Ag 패이스트 공정을 진행함으로써 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지 및 그 제조방법에 의하면, 반도체 기판의 전면과 후면을 동일구조로 형성하여 후면에서도 얕은(shallow) n영역과 p영역으로 구분되어 동작할 수 있도록 함으로써 양면 수광형 태양전지에서 후면이 전면에 비해 낮은 광전변환 효율을 내는 문제점을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 태양전지의 설치 면적을 최소화할 수 있으며, 소음 방지막 등의 응용 부문에 활용이 용이하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
먼저, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 태양전지(100)는 반도체 기판(110)과, 상부 및 하부 에미터층(120, 130)과, 상부 및 하부 반사방지층(140, 150)과, 집전층(160)과, 상부 및 하부 전극(170, 180)과, 콘택 전극(190)을 포함한다.
상기 반도체 기판(110)은 예를 들면, 제1 도전형의 불순물이 저농도로 도핑된(p-) 실리콘 기판으로서, 반도체 기판(100)의 전면으로부터 후면까지 관통하는 비아홀(111)을 구비하고 있다. 여기서, 제1 도전형의 불순물 및 제2 도전형의 불순물 중 어느 하나는 p형 불순물이고, 다른 하나는 n형 불순물일 수 있다.
이와 같이, 반도체 기판(110)은 p형 기판을 사용할 수도 있고 n형 기판을 사용할 수도 있지만 자유 전자의 흐름이 빨라 단결정 태양전지에서는 보편적으로 p형 기판을 사용한다. 본 실시예에서도 p형 기판으로 도시하고 설명하며, n형 기판을 사용할 수 있음은 물론이다.
또한, 상기 반도체 기판(110) 표면은 텍스쳐링(texturing) 될 수 있다. 텍스쳐링은 반도체 기판 표면을 식각하여 요철을 형성하는 것으로, 이러한 표면 텍스쳐링에 의해 수광면의 면적이 증가뿐만 아니라 반도체 기판 표면에서의 광 반사율을 감소시킴으로써 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 텍스쳐링 방향과 경사각을 적절히 조절하여 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 반도체 기판(110)이 텍스쳐링 구조를 가짐에 따라 그 위에 형성되는 에미터층(120, 130), 반사 방지층(140, 150) 또한 텍스쳐링 구조를 갖는다.
상기 상부 및 하부 에미터층(120, 130)은 상기 반도체 기판(110)의 상면(또는 전면) 및 하면(또는 배면)에 형성되며, 제2 도전형의 불순물이 도핑된 층이다. 이와 같이 제1 도전형의 불순물이 도핑된 반도체 기판(110) 상에 제2 도전형의 불순물이 도핑된 상부 및 하부 에미터층(120, 130)을 형성함으로써 태양전지의 PN 접합이 형성된다. 예컨대, 반도체 기판(110)은 p형 반도체이고, 에미터층(120, 130)은 n형 반도체일 수 있다. 여기서, 반도체 기판(110)은 복수개의 n형 반도체층을 포함하거나, 혹은 복수개의 p형 반도체층을 포함할 수 있으며, 또는, 반도체 기판(110)은 n형 반도체이고, 에미터층(120, 130)은 p형 반도체가 될 수도 있다.
상기 상부 및 하부 반사 방지층(140, 150)은 각각 상기 상부 에미터층(120)의 상면과 하면에 형성되며, 외부로부터 반도체 기판(110)으로 입사되는 태양광의 반사를 억제함으로써 태양전지(100)의 광 반사율을 낮출 수 있고, 이에 따라 태양전지의 효율을 향상시키는 역할을 한다.
이러한 반사 방지층(140, 150)은 단일층(single layer) 구조 또는 복수층(multi layer) 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 굴절률이 서로 다른 복수의 층으로 구현할 수 있으며, 바깥쪽에 형성되는 반사 방지층의 굴절률이 상대적으로 안쪽에 형성되는 반사방지층의 굴절률보다 낮게 되도록 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 가장 안쪽에 형성되는 반사 방지층의 굴절률은 반도체 기판(110)의 굴절률보다 낮은 것이 바람직하다. 즉, 외부로부터 태양광이 입사되는 순서에 따라, 즉, 바깥쪽 반사 방지층, 안쪽 반사 방지층, 반도체 기판의 순서로 굴절률이 증가하도록 형성하는 것이 바람직하다.
이와 같은 반사 방지층의 굴절률 변화에 의해 외부로부터 입사되는 태양광의 진행방향이 광 반사율이 저감 될 수 있는 방향으로 변경됨에 따라 태양전지의 반사율을 낮출 수 있다.
상기 집전층(160)은 반도체 기판(110)의 비아홀(111) 측벽에 형성되어 캐리어 전달 저항을 감소시킴으로써 전하 수집 효율을 향상시키는 역할을 하며, 반도체 기판(110)에 도핑된 불순물과 동일한 도전형의 불순물인 제1 도전형의 불순물이 고농도로 도핑된 층(p+)으로 이루어진다.
상기 상부 전극 및 하부 전극(170, 180)은 각각 상부 에미터층(120), 하부 에미터층(130)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 상부 및 하부 전극(170, 180)은 입사되는 광에 의해 생성된 캐리어 중 하나, 예컨대 정공을 수집하여 출력할 수 있다.
상기 콘택 전극(190)은 비아홀 측벽에 형성된 집전층(160) 사이에서 상기 비아홀을 채우도록 구성된다.
즉, 본 실시예에 따른 태양전지는 도 2의 평면도에 도시한 바와 같이 p형의 반도체 기판을 관통하는 p+ 접합이 형성되어 양전하(hole)를 끌어내는 구조이며, 상부 전극과 하부 전극의 중앙에 홀 콘택(hole contact), 양 옆의 핑거(finger) 중앙에 n- 영역의 음전하를 수집하는 접합으로 구성되어 있다. 또한, 비아홀 중심에 콘택 전극이 채워져 있어 양전하가 이동하는데 가이드 역할을 하도록 구성되어 있다.
이를 통하여 종래 양면 수광형 태양전지는 후면에서 pn 접합형태로 빛을 수광하던 것을 후면에서도 얕은(shallow) n영역과 p영역으로 구분되어 동작할 수 있어 후면이 전면에 비해 낮은 광전변환 효율을 내는 문제점을 개선할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 먼저, SDR 및 세정공정을 진행하여 웨이퍼 절단시 발생한 결함, 이물질 등을 제거한다(S310). 이때, 반도체 기판 표면에 텍스쳐링을 형성할 수 있으며, 텍스쳐링은 방응성 이온 식각법(reaction ion etching, RIE) 등과 같은 건식 식각법을 이용하여 반도체 기판의 전면을 식각함으로써 복수의 돌출부를 갖는 텍스쳐링 표면을 형성하는 공정이다. 이러한 테긋처링 공정에 의해 표면 반사 손실을 줄이고 빛을 가두엉 광 흡수율을 높이며 난반사를 일으켜 입사한 광이 손실되는 것을 최소화할 수 있다.
다음으로, 텍스쳐링된 반도체 기판 상에 POCl3를 도핑하여 상부 및 하부 에미터층을 형성한다(S320). 여기서, n형 기판에 p형 에미터층을 형성하기 위해서는 주기율표의 Ⅲ족을 포함하는 물질로 BBr3가 사용되며, p형 기판에 n형 에미터층을 형성하기 위해서는 주기율표 V족을 포함하는 보통 POCl3, H3PO4 등의 가스가 사용된다. 보통 750℃에서 1000℃ 내의 적절한 온도의 전기로(Furnace) 내부에서 지그(Quartz diffusion tuve)에 웨이퍼를 넣고 POCl3의 가스를 흘려 줌으로써 n형 에미터(emitter)를 형성할 수 있으며 이 과정에 반도체 기판 전체, 즉 앞면, 뒷면, 둘레를 포함한 외부의 표면에서 확산하여 n형의 에미터(emitter)가 되며, 도핑 깊이는 대개 500nm 정도이다.
다음으로, 반도체 기판으로 주로 사용되는 실리콘 기판 표면에 도핑(Doping) 과정의 n형 불순물 확산 시 발생한 인을 포함한 원치 않는 산화물을 PSG공정으로 제거한다(S330).
다음으로, 반사 방지층(anti reflection coating; ARC) 형성 공정을 진행한다(S340). 반사 방지층은 광 반사손실을 감소시키기 위해 형성하는 얇은 박막층으로 박막 자체에서 빛의 흡수가 일어나지 않도록 밴드 격차가 크고 전기적 절연성이 우수하며, 습기와 부식에 강한 특성이 있는 물질 예를 들면, SiNx, SiO2, TiO2 등이 사용된다. 이러한 반사 방지층은 플라스마 여기 화학기상증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition; PECVD)을 이용하여 형성할 수 있다.
다음으로, 상부 반사 방지층, 상부 에미터층, 반도체 기판, 하부 에미터층, 하부 반사방지층을 차례로 식각하여 반도체 기판을 관통하는 비아홀을 형성한다(S350).
다음으로, 비아홀 측벽에 붕소(B)를 도핑하여 p+층을 형성한다(S360).
다음으로, 상부 및 하부 반사 방지층 일부를 식각하여 상부 및 하부 에미터층 일부를 노출시킨다. 즉, 에미터 콘택을 오픈 한다(S370). 에미터 콘택 오픈은 예를 들면, 포토리소그래피 공정을 통해 형성할 수 있다.
다음으로, 콘택 오픈 영역 및 비아홀 콘택에 Al, Ag, AgAl 등의 금속 패이스트를 금속 스크린 인쇄기법에 의해 도포하여 상부 및 하부 전극(에미터 콘택)과 콘택 전극(비아홀 콘택)을 형성한(380) 다음 코-파이어링(Co-firing) 공정을 진행한다. 금속인쇄를 스크린 인쇄방식으로 한다.
다른 방법으로, ALD 또는 스퍼터(sputter) 장비를 이용하여 Ti 또는 Ni를 먼저 증착하고 Al 또는 Ag 패이스트 공정을 진행할 수도 있다. 이 경우 이후 파이어링 공정 중에 Ti 또는 Ni 실리사이드(silicide)가 형성되며 이를 티타늄 실리사이드(Ti silicide) 또는 니켈 실리사이드(Ni silicide)라 한다.
한편, 본 발명의 상세한 설명 및 첨부도면에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들을 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110 : 반도체 기판 120, 130 : 에미터층
140, 150 : 반사 방지층 160 : 집전층
170, 180 : 전극 190 : 콘택 전극

Claims (7)

  1. 수광면인 일면으로부터 대향하는 타면까지 관통하는 비아홀이 형성되고, 제1 도전형의 불순물이 도핑된 반도체 기판과;
    상기 반도체 기판의 상부 및 하부에 형성되며, 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형의 불순물이 도핑된 상부 및 하부 에미터층과;
    상기 비아홀 측벽에 형성되며, 상기 제1 도전형의 불순물이 상기 반도체 기판에 비해 고농도로 도핑된 반도체층으로 이루어진 집전층과;
    상기 집전층 사이에, 상기 비아홀을 충진하도록 상기 반도체 기판의 상기 일면으로부터 상기 타면까지 연장 형성되는 콘택 전극; 및
    상기 콘택 전극과 이격되며, 상기 상부 및 하부 에미터층과 각각 콘택되도록 형성된 상부 및 하부 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 및 하부 에미터층 상에 각각 형성된 상부 및 하부 반사 방지층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 상부 및 하부 반사 방지층은 굴절률이 서로 다른 복수의 층으로 구성된 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  4. (a) 제1 도전형의 반도체 기판상에 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형의 불순물이 도핑된 상부 및 하부 에미터층을 형성하는 과정과;
    (b) 상기 에미터층 상에 상부 및 하부 반사 방지층을 형성하는 과정과;
    (c) 상기 상부 반사 방지층, 상부 에미터층, 반도체 기판, 하부 에미터층 및 하부 반사 방지층을 차례로 식각하여 비아홀을 형성하는 과정과;
    (d) 상기 비아홀 측벽에 상기 제1 도전형의 불순물이 상기 반도체 기판에 비해 고농도로 도핑된 반도체층으로 이루어진 집전층을 형성하는 과정과;
    (e) 상기 상부 및 하부 반사 방지층 일부를 식각하여 상기 상부 및 하부 에미터층 일부를 노출시키는 과정; 및
    (f) 상기 집전층 사이의 상기 비아홀을 충진하도록 콘택 전극을 형성하고, 상기 노출된 에미터 상에 상기 콘택 전극과 이격되도록 상부 및 하부 전극을 형성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 반도체 기판 표면을 식각하여 텍스쳐링을 형성하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 테양전지 제조방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 상부 및 하부 반사 방지층은 굴절률이 서로 다른 복수의 층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 (f) 과정은
    상기 비아홀에 Ti 또는 Ni를 증착한 후 Al 또는 Ag 패이스트 공정을 진행하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
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