KR20090031117A - High efficiency solar cell - Google Patents

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Abstract

A high efficient solar cell is provided to insert the pattern layer of cone or the corn type into the interface of the silicon semiconductor layer and silicon substrate and to improve the absorption rate of sunlight. The pattern layer(120) is formed on the substrate(110). The pattern layer has the slope etch profile. The semiconductor layer(130) is formed on the pattern layer. The transparent conduction layer(140) is formed on the semiconductor layer. The upper electrode(160) is formed on the transparent conductive layer. The bottom electrode(150) is formed in the backside surface of substrate. The unevenness pattern layer of the pyramid type or the corn type is formed in the top of the substrate by the pattern layer.

Description

고효율 태양전지{High Efficiency Solar Cell}High Efficiency Solar Cell

본 발명은 고효율의 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 피드미드형, 콘형의 요철 패턴층을 기판 상에 형성하여 태양광의 흡수 효율을 향상시킬 수 있는 고효율 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a high efficiency solar cell and a method of manufacturing the same, and more particularly, a high efficiency solar cell and a method for manufacturing the same, which form a feed-mid and cone-shaped concave-convex pattern layer on a substrate to improve the absorption efficiency of sunlight. It is about.

일반적으로 태양전지는 반도체 성질을 이용하여 태양의 광 에너지를 직접 전기 에너지로 변환 시키는 장치로 p형 반도체와 n형 반도체를 조합하여 만들어 지며 그 작동 원리는 다음과 같다. 태양전지의 표면에 햇빛을 비추면 전자-정공의 쌍이 만들어지고, 이중 음의 전기를 띤 전자들은 태양전지의 p형 반도체 쪽으로 이동하게 되고 양의 전기를 전공들은 태양전지의 n형 반도체 쪽으로 이동하게 되어 태양전지 내에서 전위차가 생기고, 이때 태양전지의 양끝에 전선을 연결시키면 전류가 흐르게 된다.In general, a solar cell is a device that converts solar energy directly into electrical energy using semiconductor properties. It is made by combining a p-type semiconductor and an n-type semiconductor. The working principle is as follows. Sunlight shining on the surface of a solar cell creates electron-hole pairs, with double negatively charged electrons moving towards the p-type semiconductor of the solar cell, and positive electricity moving toward the n-type semiconductor of the solar cell. Thus, a potential difference is generated in the solar cell, and when a wire is connected to both ends of the solar cell, current flows.

태양전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 직접 변환이 가능하게 하므로, 에너지원이 무한할 뿐만 아니라 친환경적이고 수명이 긴 장점이 있다. 그러나, 태양전지의 표면에서 빛의 전반사에 의하여 발생하는 광학적 손실, 작동 중 캐리어를 수집하는 전극 부분에서의 저항에 따른 손실, 및 캐리어의 재결합(recombination) 현상에 의한 손실 등에 의하여 높은 수준의 변환 효율을 얻을 수 없으므로 태양전지의 상용화에는 아직 어려움이 있다. 여기서, 변환 효율은 태양전지에 입사된 광 에너지에 대하여, 태양전지에 의해 전기에너지로 변환하여 뽑아낼 수 있는 에너지의 비율을 표시하는 값으로 백분율(%)로 나타낸 값을 말한다. Solar cells can directly convert solar energy into electrical energy, so the energy source is infinite, and there is an environment-friendly and long-life advantage. However, high levels of conversion efficiency due to optical loss caused by total reflection of light on the surface of the solar cell, loss due to resistance at the electrode portion collecting carriers during operation, and loss due to carrier recombination. There is still a difficulty in commercializing solar cells because it cannot be obtained. Here, the conversion efficiency is a value representing a ratio of energy that can be extracted by converting into electrical energy by the solar cell with respect to the light energy incident on the solar cell, and refers to a value expressed as a percentage (%).

상술한 바와 같은 태양전지에서 발생되는 손실 중에서 태양전지의 표면에서 빛의 전반사에 의하여 발생하는 광학적 손실이 가장 큰 손실로 되어 있다. 따라서, 태양전지의 표면에서 발생하는 태양광의 전반사를 줄여서 태양전지의 효율을 높이고자 하는 다양한 연구가 진행되어 왔다.Among the losses generated in the solar cell as described above, the optical loss caused by total reflection of light on the surface of the solar cell is the largest loss. Therefore, various studies have been conducted to increase the efficiency of solar cells by reducing total reflection of sunlight generated from the surface of solar cells.

도 1은 종래의 태양전지(10)의 구성을 나타내는 도면이다.1 is a diagram illustrating a configuration of a conventional solar cell 10.

도시한 바와 같이, 종래의 태양전지(10)는 p형으로 도핑된 실리콘 기판(11), n형 실리콘 반도체층(13) 및 투명 전도층(14)이 적층된 구조로 되어 있으며, 기판(11)의 뒷면과 투명 전도층(14)의 상면에는 각각 하부전극(15)과 상부전극(16)이 형성되어 있다. 이때, 기판(11)과 n형 반도체층(13) 계면 상에는 산화물 패턴층(12)이 형성되어 있는데, 산화물 패턴층(12)은 기판(11)과 n형 반도체층(13)이 포인트 접촉을 이루게 하여 계면에서 발생되는 전자와 정공의 재결합 현상을 저감시키는 역할을 한다. 이는 태양전지의 누설전류를 줄여주어 결과적으로는 태양전지의 효율이 향상된다. 그러나, 앞서 설명한 바와 같이 태양전지는 표면에서 발생하는 광학적 손실이 가장 크므로 산화물 패턴층을 형성하여 태양전지의 효율을 높이는 효과는 제한적이라고 밖에 할 수 없다.As illustrated, the conventional solar cell 10 has a structure in which a p-type doped silicon substrate 11, an n-type silicon semiconductor layer 13, and a transparent conductive layer 14 are stacked. The lower electrode 15 and the upper electrode 16 are formed on the back side of the c) and the upper surface of the transparent conductive layer 14, respectively. At this time, an oxide pattern layer 12 is formed on an interface between the substrate 11 and the n-type semiconductor layer 13, and the oxide pattern layer 12 has a point contact between the substrate 11 and the n-type semiconductor layer 13. This serves to reduce the recombination of electrons and holes generated at the interface. This reduces the leakage current of the solar cell and consequently improves the solar cell efficiency. However, as described above, since the solar cell has the largest optical loss occurring on the surface, the effect of increasing the efficiency of the solar cell by forming an oxide pattern layer is limited.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 변환 효율이 높은 고효율의 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems of the prior art, and an object thereof is to provide a high efficiency solar cell and a method of manufacturing the same with high conversion efficiency.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 태양전지는 태양광의 흡수 효율을 향상시키기 위해 형성된 경사 식각 프로파일을 갖는 패턴층을 포함한다.In order to achieve the above object, the solar cell according to the present invention includes a pattern layer having a gradient etching profile formed to improve the absorption efficiency of sunlight.

그리고, 상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 형성된 경사 식각 프로파일을 갖는 패턴층; 상기 패턴층 상에 형성된 반도체층; 및 상기 반도체층 상에 형성된 투명 전도층을 포함한다.And, in order to achieve the above object, the solar cell according to the present invention is a substrate; A pattern layer having a gradient etching profile formed on the substrate; A semiconductor layer formed on the pattern layer; And a transparent conductive layer formed on the semiconductor layer.

상기 기판은 다결정 실리콘을 포함할 수 있다.The substrate may comprise polycrystalline silicon.

상기 패턴층은 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.The pattern layer may include silicon oxide.

상기 패턴층의 형상은 피라미드형, 콘형을 포함할 수 있다.The pattern layer may have a pyramidal shape or a cone shape.

상기 반도체층은 n형으로 도핑된 비정질 실리콘을 포함할 수 있다.The semiconductor layer may include n-type doped amorphous silicon.

상기 투명 전도층은 ITO, ZnO를 포함할 수 있다.The transparent conductive layer may include ITO and ZnO.

그리고, 상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 태양전지 제조 방법은 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 경사 식각 프로파일을 갖는 패턴층을 형성하는 단계; 상기 패턴층 상에 반도체층을 형성하는 단계; 및 상기 반도체층 상에 형성된 투명 전도층을 형성하는 단계를 포함한다.And, in order to achieve the above object, the solar cell manufacturing method according to the present invention comprises the steps of preparing a substrate; Forming a pattern layer having a slant etch profile on the substrate; Forming a semiconductor layer on the pattern layer; And forming a transparent conductive layer formed on the semiconductor layer.

상기 패턴층의 형상은 피라미드형, 콘형을 포함할 수 있다.The pattern layer may have a pyramidal shape or a cone shape.

상기 패턴층을 형성하는 방법은 습식 식각법, 플라즈마 식각법과 같은 등방성 식각법을 포함할 수 있다.The method of forming the pattern layer may include an isotropic etching method such as a wet etching method or a plasma etching method.

본 발명에 따르면, 태양전지의 p형 실리콘 기판과 n형 실리콘 반도체층의 계면에 피라미드형, 콘형의 패턴층(경사 식각 프로파일을 갖는 패턴층)을 삽입시킴으로써 태양전지의 태양광의 흡수율이 향상되어 태양전지의 효율이 높아지는 효과가 있다.According to the present invention, by inserting a pyramid-shaped, cone-shaped pattern layer (pattern layer having an inclined etch profile) at the interface between the p-type silicon substrate and the n-type silicon semiconductor layer of the solar cell, the solar cell absorbance of the solar cell is improved, There is an effect of increasing the efficiency of the battery.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지(100)의 구성을 나타내는 도면이다. 2 is a view showing the configuration of a solar cell 100 according to an embodiment of the present invention.

도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양전지(100)는 p형으로 도핑된 실리콘 기판(110), n형 실리콘 반도체층(130) 및 투명 전도층(140)이 적층된 구조로 되어 있으며, 기판(110)의 뒷면과 투명 전도층(140)의 상면에는 각각 하부전극(150)과 상부전극(160)이 형성되어 있다. 이때, 기판(110)은 p형으로 도핑된 다결정 실리콘을 포함할 수 있으며, 반도체층(130)은 n형으로 도핑된 비정질 실리콘을 포함할 수 있다. 또한, 투명 전도층(140)은 ITO(Indium Tin Oxide), ZnO를 포함할 수 있다.As illustrated, the solar cell 100 according to the present invention has a structure in which a p-type doped silicon substrate 110, an n-type silicon semiconductor layer 130, and a transparent conductive layer 140 are stacked. The lower electrode 150 and the upper electrode 160 are formed on the rear surface of the 110 and the upper surface of the transparent conductive layer 140, respectively. In this case, the substrate 110 may include polycrystalline silicon doped with a p-type, and the semiconductor layer 130 may include amorphous silicon doped with an n-type. In addition, the transparent conductive layer 140 may include indium tin oxide (ITO) and ZnO.

본 발명의 태양전지(100)에서 기판(110)과 n형 반도체층(130) 계면 상에는 패턴층(120)이 형성되어 있는데, 도 2에 도시한 바대로 본 발명은 패턴층(120)이 피라미드 또는 콘 형상을 가지는 것을 특징적 구성으로 하며, 그 결과 기판(110)의 표면에 요철 패턴이 형성됨으로써 태양전지에 입사되는 태양광의 표면 반사율의 저하됨에 따라 태양광의 흡수율이 증가하여 태양전지의 효율이 향상되는 효과가 있다. 아울러, 패턴층(120)에 의해 기판(110)과 n형 반도체층(130) 계면에서 발생되는 전자와 정공의 재결합에 따른 누설전류가 감소하는 이유로도 태양전지의 효율이 향상된다. 패턴층(120)은 기판(110)의 재질이 실리콘이라는 점을 감안할 때 공정의 편의상 실리콘 산화물로 이루어지는 것이 바람직하다.In the solar cell 100 of the present invention, a pattern layer 120 is formed on an interface between the substrate 110 and the n-type semiconductor layer 130. As shown in FIG. 2, the pattern layer 120 has a pyramid. Or a cone shape, and as a result, an uneven pattern is formed on the surface of the substrate 110, and as the surface reflectivity of solar light incident on the solar cell is lowered, the absorption rate of solar light is increased, thereby improving the efficiency of the solar cell. It is effective. In addition, the efficiency of the solar cell is improved even when the leakage current due to recombination of electrons and holes generated at the interface between the substrate 110 and the n-type semiconductor layer 130 is reduced by the pattern layer 120. In view of the fact that the material of the substrate 110 is silicon, the pattern layer 120 is preferably made of silicon oxide for the convenience of the process.

도 3a 내지 도 3e는 실리콘 산화물 패턴층(120)을 형성하는 과정을 나타내는 도면이다.3A to 3E are views illustrating a process of forming the silicon oxide pattern layer 120.

도 3a를 참조하면, 태양전지의 제작에 사용될 기판(110)을 준비한다. 상술한 바와 같이, 기판(110)은 p형으로 도핑된 다결정 실리콘을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3A, a substrate 110 to be used for manufacturing a solar cell is prepared. As described above, the substrate 110 may include polycrystalline silicon doped with p-type.

도 3b를 참조하면, 기판(110) 상에 실리콘 산화물층(102)을 형성한다. 실리콘 산화물층(102)을 형성하는 방법은 열 산화법, PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)법 등을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3B, a silicon oxide layer 102 is formed on the substrate 110. The method of forming the silicon oxide layer 102 may include a thermal oxidation method, a Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) method, or the like.

도 3c를 참조하면, 통상적인 포토 리소그래피 공정을 이용하여 실리콘 산화물층(102) 상에 포토 레지스트 패턴층(104)을 형성한다. 통상적인 포토 리소그래피 공정은 이미 공지의 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.Referring to FIG. 3C, the photoresist pattern layer 104 is formed on the silicon oxide layer 102 using a conventional photolithography process. Conventional photolithography processes are already known in the art and detailed description thereof is omitted.

도 3d를 참조하면, 포토 레지스트층(104) 사이로 노출되어 있는 실리콘 산화물층(102)을 식각하여 피라미드 또는 콘의 형상을 갖는 실리콘 산화물 패턴층(120) 을 형성한다. 이때, 포토 레지스트 패턴층(104)은 실리콘 산화물층(102)의 식각 마스크의 역할을 한다. 실리콘 산화물층(102)의 식각 방법으로는 습식 식각(wet etching)법 또는 플라즈마 식각(plasma etching)법 등과 같은 등방성 식각(isotropic etching)법을 포함할 수 있다. 이와 같은 등방성 식각법을 적용함으로써 실리콘 산화물 패턴층(120)은 피라미드형 또는 콘형의 경사 식각 프로파일을 가지게 된다. 실리콘 산화물 패턴층(120)의 크기는 수백 nm 내지 수 ㎛의 범위로 하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 3D, the silicon oxide layer 102 exposed between the photoresist layers 104 is etched to form a silicon oxide pattern layer 120 having a pyramid or cone shape. In this case, the photoresist pattern layer 104 serves as an etching mask of the silicon oxide layer 102. The etching method of the silicon oxide layer 102 may include an isotropic etching method such as a wet etching method or a plasma etching method. By applying the isotropic etching method as described above, the silicon oxide pattern layer 120 has a pyramidal or cone-shaped gradient etching profile. The size of the silicon oxide pattern layer 120 is preferably in the range of several hundred nm to several μm.

도 3e를 참조하면, 포토 레지스트 패턴층(104)을 제거한다. 그 결과, 경사 식각 프로파일을 갖는 실리콘 산화물 패턴층(120)이 기판(110) 상에 형성된다.Referring to FIG. 3E, the photoresist pattern layer 104 is removed. As a result, a silicon oxide pattern layer 120 having an oblique etching profile is formed on the substrate 110.

이어서, 실리콘 산화물 패턴층(120) 상에 n형 실리콘 반도체층(130), 투명 전도층(140)을 차례로 형성하고 기판(110)의 뒷면과 투명 전도층(140)의 상면에 각각 하부전극(150)과 상부전극(160)을 형성하게 되면 최종적으로 본 발명에 따른 태양전지(100)가 완성된다.Subsequently, an n-type silicon semiconductor layer 130 and a transparent conductive layer 140 are sequentially formed on the silicon oxide pattern layer 120, and a lower electrode (rear) is formed on the rear surface of the substrate 110 and the upper surface of the transparent conductive layer 140, respectively. When 150 and the upper electrode 160 is formed, the solar cell 100 according to the present invention is finally completed.

이로써, 태양전지의 실리콘 기판 표면에 단순한 2차원 패턴층이 아니라 피라미드형 또는 콘형과 같은 수백 나노미터에서 수 마이크론 크기로 패턴층을 형성하여 표면에 요철 구조를 만듦으로써 태양전지에 입사되는 태양광의 반사율 감소 및 흡수율을 증가시켜 태양전지의 효율이 향상된다.As a result, rather than a simple two-dimensional pattern layer on the surface of the silicon substrate of the solar cell, a pattern layer is formed in the size of hundreds of nanometers to several microns, such as a pyramidal or cone shape, thereby forming an uneven structure on the surface, thereby reflecting the solar light incident on the solar cell. The efficiency of the solar cell is improved by decreasing and increasing the absorption rate.

본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 전신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경에는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.Although the present invention has been illustrated and described with reference to the preferred embodiments as described above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications may be made by those skilled in the art without departing from the whole body of the present invention. Modifications and variations are possible. Such modifications and variations are intended to fall within the scope of the invention and the appended claims.

도 1은 종래의 태양전지의 구성을 나타내는 도면.1 is a view showing the configuration of a conventional solar cell.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구성을 나타내는 도면.2 is a view showing the configuration of a solar cell according to an embodiment of the present invention.

도 3a 내지 도 3e는 실리콘 산화물의 패턴층을 형성하는 과정을 나타내는 도면.3A to 3E are views illustrating a process of forming a pattern layer of silicon oxide.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

100: 태양전지100: solar cell

110: 다결정 실리콘 기판110: polycrystalline silicon substrate

120: 실리콘 산화물 패턴층120: silicon oxide pattern layer

130: n형 비정질 실리콘층130: n-type amorphous silicon layer

140: 투명 전도층140: transparent conductive layer

150: 하부 전극150: lower electrode

160: 상부 전극160: upper electrode

Claims (10)

태양광의 흡수 효율을 향상시키기 위해 형성된 경사 식각 프로파일을 갖는 패턴층을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.A solar cell comprising a pattern layer having a gradient etching profile formed to improve the absorption efficiency of sunlight. 기판;Board; 상기 기판 상에 형성된 경사 식각 프로파일을 갖는 패턴층;A pattern layer having a gradient etching profile formed on the substrate; 상기 패턴층 상에 형성된 반도체층; 및A semiconductor layer formed on the pattern layer; And 상기 반도체층 상에 형성된 투명 전도층A transparent conductive layer formed on the semiconductor layer 을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.Solar cell comprising a. 제2항에 있어서, The method of claim 2, 상기 기판은 다결정 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지. The substrate is a solar cell, characterized in that it comprises polycrystalline silicon. 제2항에 있어서, The method of claim 2, 상기 패턴층은 실리콘 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지. The pattern layer is a solar cell, characterized in that containing silicon oxide. 제2항에 있어서, The method of claim 2, 상기 패턴층의 형상은 피라미드형, 콘형을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지. The shape of the pattern layer is a solar cell, characterized in that it comprises a pyramid-shaped, cone-shaped. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 반도체층은 n형으로 도핑된 비정질 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지. The semiconductor layer is a solar cell, characterized in that containing the amorphous silicon doped with n-type. 제2항에 있어서, The method of claim 2, 상기 투명 전도층은 ITO, ZnO를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.The transparent conductive layer is a solar cell, characterized in that it comprises ITO, ZnO. 기판을 준비하는 단계;Preparing a substrate; 상기 기판 상에 경사 식각 프로파일을 갖는 패턴층을 형성하는 단계;Forming a pattern layer having a slant etch profile on the substrate; 상기 패턴층 상에 반도체층을 형성하는 단계; 및Forming a semiconductor layer on the pattern layer; And 상기 반도체층 상에 형성된 투명 전도층을 형성하는 단계Forming a transparent conductive layer formed on the semiconductor layer 를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.Solar cell manufacturing method comprising a. 제8항에 있어서, The method of claim 8, 상기 패턴층의 형상은 피라미드형, 콘형을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조 방법. The pattern layer has a shape of a solar cell, characterized in that it comprises a pyramid-shaped, cone-shaped. 제9항에 있어서, The method of claim 9, 상기 패턴층을 형성하는 방법은 습식 식각법, 플라즈마 식각법과 같은 등방 성 식각법을 포함하는 특징으로 하는 태양전지 제조 방법.The method of forming the pattern layer is a solar cell manufacturing method comprising an isotropic etching method such as wet etching, plasma etching.
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