KR100908711B1 - Thin Film Silicon Solar Cells - Google Patents
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Abstract
후면에서의 광 반사 효율을 향상시키고, 반도체 소자의 접촉 저항을 저감시킴과 아울러, 전자와 정공의 재결합 손실을 최소화하는 박막형 실리콘 태양 전지에 관한 것으로서, 박막형 실리콘 태양 전지는 절연 기판과; 절연 기판 위에 적층되는 고농도 p형 실리콘 박막과 p형 실리콘 박막 및 n형 실리콘 박막을 구비하며, 각각의 실리콘 박막이 요철 형상으로 이루어지는 반도체 소자와; 고농도 p형 실리콘 박막과 p형 실리콘 박막 사이에 부분적으로 위치하여 고농도 p형 실리콘 박막과 p형 실리콘 박막을 부분적으로 접촉시키는 절연층과; 고농도 p형 실리콘 박막 표면에 형성되는 베이스 접점부와; n형 실리콘 박막 표면에 형성되는 에미터 접점부를 포함한다.The present invention relates to a thin-film silicon solar cell which improves the light reflection efficiency at the back surface, reduces the contact resistance of the semiconductor element, and minimizes the recombination loss of electrons and holes, the thin-film silicon solar cell comprising: an insulating substrate; A semiconductor device comprising a high concentration p-type silicon thin film, a p-type silicon thin film and an n-type silicon thin film stacked on an insulating substrate, each silicon thin film having an uneven shape; An insulating layer partially positioned between the high concentration p-type silicon thin film and the p type silicon thin film to partially contact the high concentration p-type silicon thin film and the p-type silicon thin film; A base contact portion formed on the surface of the high concentration p-type silicon thin film; and an emitter contact portion formed on the n-type silicon thin film surface.
태양전지, 반도체소자, 고농도p형실리콘박막, p형실리콘박막, n형실리콘박막, 베이스접점부, 에미터접점부Solar cell, semiconductor device, high concentration p-type silicon thin film, p-type silicon thin film, n-type silicon thin film, base contact portion, emitter contact portion
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 박막형 실리콘 태양 전지의 개략도.1 is a schematic view of a thin film silicon solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1의 부분 확대도.2 is a partially enlarged view of FIG. 1;
도 3∼도 6은 본 발명의 실시예에 따른 박막형 실리콘 태양 전지의 제조 과정을 설명하기 위한 개략도.3 to 6 are schematic views for explaining a manufacturing process of a thin film silicon solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 7은 종래 기술에 의한 박막형 실리콘 태양 전지의 개략도.7 is a schematic view of a thin film silicon solar cell according to the prior art.
본 발명은 박막형 실리콘 태양 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 후면 구조를 개선하여 반도체 소자의 접촉 저항을 저감시킴과 아울러 전자와 정공의 재결합 손실을 최소화하는 박막형 실리콘 태양 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a thin film silicon solar cell, and more particularly, to a thin film silicon solar cell which improves a back structure to reduce contact resistance of a semiconductor device and minimizes recombination loss of electrons and holes.
일반적으로 태양 전지는 반도체의 pn 접합에 빛을 조사하면 광전 효과에 의해 광기전력이 일어나는 현상을 이용하여 빛을 전기로 변환시키는 광전 변환 소자의 일종으로서, 태양 전지의 한 종류로 박막형 실리콘 태양 전지가 공지되어 있다.In general, a solar cell is a type of photoelectric conversion element that converts light into electricity by using a phenomenon in which photovoltaic power is generated by a photoelectric effect when light is applied to a pn junction of a semiconductor. Known.
도 7은 종래 기술에 의한 박막형 실리콘 태양 전지(이하, '태양 전지'라 약칭한다)의 개략도로서, 태양 전지(1)는 절연 기판(3) 위에 고농도 p형 실리콘 박막(5)과 p형 실리콘 박막(7) 및 n형 실리콘 박막(9)을 순서대로 적층하여 반도체 소자(11)를 형성하고, p형 실리콘 박막(7) 위에 베이스 접점부(13)를, 그리고 n형 실리콘 박막(9) 위에 에미터 접점부(15)를 형성하여 반도체 소자(11)에서 생성된 전기를 외부 회로(미도시)로 인출하게 된다.7 is a schematic view of a thin film silicon solar cell according to the prior art (hereinafter, abbreviated as "solar cell"), wherein the
그러나 전술한 태양 전지(1)는 전도율이 낮은 p형 실리콘 박막(7) 위에 베이스 접점부(13)가 위치하고, 전도율이 높은 고농도 p형 실리콘 박막(5)이 전체적으로 p형 실리콘 박막(7)과 접촉하는 구조로 이루어지므로, p형 실리콘 박막(7)과 고농도 p형 실리콘 박막(5) 사이의 높은 접촉 저항에 의해 베이스 접점부(13)로 흐르는 전류의 저항 손실이 크게 발생하는 단점을 안고 있다.However, in the above-described
더욱이 전술한 태양 전지(1)는 그 후면에 패시베이션층을 구비하고 있지 않으므로, 반도체 소자(11)의 표면 결함 등에 의해 전자와 정공의 재결합이 발생하여 태양 전지의 효율을 저하시킬 수 있으며, 절연 기판(3)과 고농도 p형 실리콘 박막(5) 등을 포함하는 후면 구조가 모두 평평하게 이루어지므로 후면에서의 광 반사 효율이 우수하지 못하여 태양 전지의 광 포획 능력이 저하되는 단점을 안고 있다.Furthermore, since the above-described
따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 p형 실리콘 박막과 고농도 p형 실리콘 박막 사이의 접촉 저항을 감소시켜 전류의 저항 손실을 최소화하고, 후면에서 발생하는 전자와 정공의 재결합 손실을 억제하며, 후면에서의 광 반사 효율을 높여 광 포획 능력을 향상시키는 박막형 실리콘 태양 전지를 제공하는데 있다.Therefore, the present invention is to solve the above problems, an object of the present invention is to reduce the contact resistance between the p-type silicon thin film and the high concentration p-type silicon thin film to minimize the resistance loss of the current, electrons and holes generated from the back It is to provide a thin-film silicon solar cell that suppresses the recombination loss of the, and improves the light trapping ability by increasing the light reflection efficiency at the back.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,In order to achieve the above object, the present invention,
절연 기판과, 절연 기판 위에 적층되는 고농도 p형 실리콘 박막과 p형 실리콘 박막 및 n형 실리콘 박막을 구비하면서 각각의 실리콘 박막이 요철 형상으로 이루어지는 반도체 소자와, 고농도 p형 실리콘 박막과 p형 실리콘 박막 사이에 위치하여 고농도 p형 실리콘 박막과 p형 실리콘 박막을 부분적으로 접촉시키는 절연층과, 고농도 p형 실리콘 박막 표면에 형성되는 베이스 접점부와, n형 실리콘 박막 표면에 형성되는 에미터 접점부를 포함하는 박막형 실리콘 태양 전지를 제공한다.A semiconductor device comprising an insulating substrate, a highly concentrated p-type silicon thin film, a p-type silicon thin film, and an n-type silicon thin film stacked on the insulating substrate, wherein each silicon thin film has an uneven shape, and a highly concentrated p-type silicon thin film and a p-type silicon thin film An insulating layer interposed between the high concentration p-type silicon thin film and the p-type silicon thin film, a base contact portion formed on the surface of the high concentration p-type silicon thin film, and an emitter contact portion formed on the surface of the n-type silicon thin film It provides a thin-film silicon solar cell.
바람직하게, 상기 절연 기판과 반도체 소자 사이에는 결정질 실리콘 박막으로 이루어지는 씨드층이 형성되며, 상기 고농도 p형 실리콘 박막은 브이(V)자 형상의 요부(凹部)들과, 각각의 요부 사이에 위치하는 평평한 개구부로 이루어진다.Preferably, a seed layer made of a crystalline silicon thin film is formed between the insulating substrate and the semiconductor device, and the high concentration p-type silicon thin film is disposed between the V-shaped recesses and each recess. It consists of flat openings.
그리고 상기 절연층이 고농도 p형 실리콘 박막의 요부에 선택적으로 형성되어 상기 p형 실리콘 박막이 개구부를 통해 고농도 p형 실리콘 박막과 부분적으로 접촉하여 두 실리콘 박막 사이의 접촉 저항을 최소화한다.In addition, the insulating layer is selectively formed in the main portion of the high concentration p-type silicon thin film so that the p-type silicon thin film partially contacts the high concentration p-type silicon thin film through an opening to minimize contact resistance between the two silicon thin films.
이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 박막형 실리콘 태양 전지(이하, '태양 전지'라 약칭한다)의 개략도이고, 도 2는 도 1의 부분 확대도이다.1 is a schematic view of a thin film silicon solar cell (hereinafter, abbreviated as “solar cell”) according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a partially enlarged view of FIG. 1.
도시한 바와 같이 태양 전지(2)는 절연 기판(4)과, 절연 기판(4) 위에 적층 되는 고농도 p형 실리콘 박막(6)과 p형 실리콘 박막(8) 및 n형 실리콘 박막(10)을 구비하며 각각의 실리콘 박막이 요철 형태로 이루어지는 반도체 소자(12)와, 고농도 p형 실리콘 박막(6)과 p형 실리콘 박막(8) 사이에 부분적으로 위치하여 두 실리콘 박막을 부분 접촉시키는 절연층(14)과, 전도율이 높은 고농도 p형 실리콘 박막(6) 표면에 형성되는 베이스 접점부(16)와, n형 실리콘 박막 표면(10)에 형성되는 에미터 접점부(18)를 포함한다.As illustrated, the
상기 절연 기판(4)과 반도체 소자(12) 사이에는 실리콘 박막 성장을 위한 씨드(seed)층(20)이 위치할 수 있으며, 씨드층(20)은 일례로 결정질 실리콘 박막으로 이루어진다.A
그리고 상기 고농도 p형 실리콘 박막(6)은 수 ㎛의 두께로 씨드층(20) 위에 형성되며, 내부에 B 또는 Ga 등의 불순물을 고농도로 함유한다. 이러한 고농도 p형 실리콘 박막(6)은 후술하는 텍스쳐링(texturing)에 의해 표면이 요철 처리되어 다수의 브이(V)자형 요부(凹部)(6a)와, 각각의 요부(6a) 사이로 평평한 개구부(6b)를 형성하며, 단면에서 보아 그 형상이 브이자형 요부(6a)와 평평한 개구부(6b)가 반복 배열된 복수의 사다리꼴 형상으로 이루어진다.The high concentration p-type silicon
상기 절연층(14)은 고농도 p형 실리콘 박막(6) 중 요부(6a)에 선택적으로 형성되어 고농도 p형 실리콘 박막(6)의 개구부(6b)를 선택적으로 노출시키며, 바람직하게 절연층(14)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 이루어지고, 수∼수천 Å의 두께로 요부(6a) 위에 형성된다.The insulating
그리고 상기 p형 실리콘 박막(8)은 고농도 p형 실리콘 박막(6)과 절연층(14) 위에 수십 ㎛의 두께로 형성되며, 고농도 p형 실리콘 박막(6)의 요철 형상에 의해 그 위에 요철 형상으로 성장한다. 이러한 p형 실리콘 박막(8)은 고농도 p형 실리콘 박막(6)의 개구부(6b)를 통해 고농도 p형 실리콘 박막(6)과 부분적으로 접촉한다.The p-type silicon
이와 같이 고농도 p형 실리콘 박막(6)과 p형 실리콘 박막(8)이 절연층(14)에 의해 부분 접촉함에 따라, 본 실시예에 의한 태양 전지(2)는 두 실리콘 박막 사이의 접촉 저항이 감소하여 전류의 저항 손실을 최소화한다. 또한 상기 절연층(14)은 패시베이션층으로 기능하여 고농도 p형 실리콘 박막(6)과 p형 실리콘 박막(8)의 표면 결함 등에 의한 전자와 정공의 재결합 손실을 감소시키는 기능을 갖는다.As the high concentration p-type silicon
상기 고농도 p형 실리콘 박막(6)에서 개구부(6b)가 차지하는 면적은 고농도 p형 실리콘 박막(6) 표면적의 2∼20% 범위가 바람직하다. 이는 후면 저항 성분을 최소로 줄이면서 후면 패시베이션 효과를 최대로 얻기 위한 것으로, 개구부(6b)가 차지하는 면적이 위 범위보다 작으면 저항이 증가하고, 위 범위보다 크면 후면 반사와 패시베이션 효과가 감소된다.The area occupied by the
그리고 상기 n형 실리콘 박막(10)은 p형 실리콘 박막(8) 위에 요철 형상으로 성장하며, 반도체 소자(12)를 구성하는 고농도 p형 실리콘 박막(6)과, p형 실리콘 박막(8) 및 n형 실리콘 박막(10) 모두가 요철 형상으로 이루어진다. 이러한 반도체 소자(12)의 요철 형상, 특히 태양 전지(2)의 후면에 위치하는 고농도 p형 실리콘 박막(6)의 요철 형상에 의해 광 반사 효율이 향상되어 태양 전지의 광 포획 성능이 향상된다.
The n-type silicon
또한 상기한 n형 실리콘 박막(10)의 일부 표면에는 Ti, Pd, Ag, Ni 또는 Cu 등의 금속으로 이루어진 에미터 접점부(18)가 형성되고, 고농도 p형 실리콘 박막(6)의 일부가 노출되어 노출된 표면으로 Al 등의 금속으로 이루어진 베이스 접점부(16)가 위치한다. 이로서 반도체 소자(12) 내부에서 생성된 전류는 에미터 접점부(16)와 베이스 접점부(18)를 통해 도시하지 않은 외부 회로로 인출된다.In addition, an
이 때, 상기 에미터 접점부(18)를 제외한 n형 실리콘 박막(10)의 표면에는 산화물 또는 질화물로 이루어진 패시베이션층(22)이 형성되어 n형 실리콘 박막(10)의 표면 결함 등에 의한 전자와 정공의 재결합 손실을 최소화한다.At this time, the
다음으로, 도 2∼도 6을 참고하여 전술한 태양 전지의 제조 방법에 대해 설명한다.Next, the manufacturing method of the solar cell mentioned above is demonstrated with reference to FIGS.
먼저 도 3에 도시한 바와 같이, 절연 기판(4) 위에 씨드층(20)을 형성한다. 상기 씨드층(20)은 결정질 실리콘 박막으로 이루어지며, 금속 촉매 위에 비정질 실리콘 박막을 증착한 후 500℃ 이상의 고온에서 장시간 열처리하여 비정질 실리콘 박막을 결정화시키는 금속 유도 결정화(metal induced crystallization)법 또는 비정질 실리콘 박막을 증착한 후 이를 열처리하여 결정화시키는 방법으로 씨드층(20)을 형성한다.First, as shown in FIG. 3, the
그리고 상기 씨드층(20) 위로 액상 에피택시(liquid phase epitaxy)법 또는 화학기상증착(CVD)법을 이용하여 B 또는 Ga이 고농도로 도핑된 고농도 p형 실리콘 박막(6)을 수 ㎛ 이상의 두께로 형성한다.The high concentration p-type silicon
다음으로 도 4에 도시한 바와 같이, 고농도 p형 실리콘 박막(6) 표면을 화학 적 또는 기계적 방법으로 텍스쳐링(texturing)하여 고농도 p형 실리콘 박막(6)을 요철 처리하고, 요철 처리된 고농도 p형 실리콘 박막(6) 표면으로 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물을 수∼수천 Å 두께로 증착하여 절연층(14)을 형성한다.Next, as shown in FIG. 4, the surface of the high concentration p-type silicon
그리고 기준선(도 4에서 점선으로 표시) 상단의 절연층(14)과 고농도 p형 실리콘 박막(6)의 일부를 제거하여 도 5에 도시한 바와 같이, 고농도 p형 실리콘 박막(6)의 일부를 노출시켜 개구부(6b)를 형성한다. 이 때, 절연층(14)은 개구부(6b) 사이의 브이자형 요부(6a)에 선택적으로 위치하며, 개구부(6b)가 차지하는 면적은 고농도 p형 실리콘 박막(6) 표면적의 2∼20% 범위가 되도록 한다.Then, as shown in FIG. 5, a portion of the high concentration p-type silicon
어어서 도 6에 도시한 바와 같이, 고농도 p형 실리콘 박막(6) 위로 p형 실리콘 박막(8)과 n형 실리콘 박막(10)을 연속으로 성장시켜 반도체 소자(12)를 완성한다. 상기 p형 실리콘 박막(8)과 n형 실리콘 박막(10)은 요철 처리된 고농도 p형 실리콘 박막(6)에 의해 요철 모양으로 성장하며, 에미터 접점부가 형성될 위치를 제외한 n형 실리콘 박막(10) 표면으로 산화물 또는 질화물을 적층하여 패시베이션층(22)을 형성한다.6, the
다음으로 도 1에 도시한 바와 같이, 실리콘 에칭 용액을 이용하여 n형 실리콘 박막(10)과 p형 실리콘 박막(8) 및 절연층(14)의 일부를 제거하여 고농도 p형 실리콘 박막(6)의 일부를 노출시킨 후, 그 표면에 알루미늄 등의 금속을 증착하여 베이스 접점부(16)를 형성한다. 이와 더불어 전면 개방된 n형 실리콘 박막(10)의 일부 표면에 Ti, Pd, Ag, Ni 또는 Cu 등의 금속을 증착하여 에미터 접점부(18)를 형성한다.
Next, as shown in FIG. 1, a portion of the n-type silicon
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the range of.
이와 같이 본 발명에 따르면, 절연층을 이용하여 고농도 p형 실리콘 박막과 p형 실리콘 박막 사이의 접촉 저항을 감소시킴에 따라, 베이스 접점부로 흐르는 전류의 저항 손실을 최소화하며, 절연층을 통해 태양 전지 후면에서의 전자와 정공의 재결합 손실을 억제하고, 반도체 소자의 요철 형상에 의해 태양 전지 후면에서의 광 반사 효율을 높여 광 포획 능력을 향상시킨다.As described above, according to the present invention, as the contact resistance between the high concentration p-type silicon thin film and the p-type silicon thin film is reduced by using the insulating layer, the resistance loss of the current flowing to the base contact portion is minimized, and the solar cell is provided through the insulating layer. The recombination loss of electrons and holes at the back side is suppressed, and the light reflection efficiency at the back side of the solar cell is improved by the uneven shape of the semiconductor element, thereby improving the light trapping ability.
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