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KR20110071374A - 후면전계형 이종접합 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

후면전계형 이종접합 태양전지 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20110071374A
KR20110071374A KR1020090127928A KR20090127928A KR20110071374A KR 20110071374 A KR20110071374 A KR 20110071374A KR 1020090127928 A KR1020090127928 A KR 1020090127928A KR 20090127928 A KR20090127928 A KR 20090127928A KR 20110071374 A KR20110071374 A KR 20110071374A
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송석현
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Abstract

본 발명은 이종접합형 태양전지와 후면전계형 태양전지를 접목시켜 태양전지의 광전변환효율을 극대화시킬 수 있는 후면전계형 이종접합 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 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.
이종접합, 후면전계

Description

후면전계형 이종접합 태양전지 및 그 제조방법{Back contact type hetero-junction solar cell and method of fabricating the same}
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.
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 접 합영역(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 마스 크(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 이종접 합 태양전지의 제조방법은 완료된다.
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.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
101 : n형 결정질 실리콘 기판 104 : p 접합영역
107 : n 접합영역 108 : 진성층
109 : n형 비정질 반도체층 110 : 버퍼층
111 : 반사방지막 112 : p 전극
113 : n 전극

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 접합영역 을 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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