KR20090075421A - 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 개선된 전극 구조를 구비한 태양 전지에 관한 것이다. 본 발명에 따른 태양 전지는, 서로 반대되는 제1 면과 제2 면을 구비하는 제1 전도성 타입의 반도체 기판, 상기 반도체 기판의 제1 면에 전기적으로 연결되는 제1 전극, 상기 반도체 기판의 제2 면 부근에 형성되는 제2 전도성 타입의 에미터, 상기 에미터에 전기적으로 연결되는 제2 전극을 포함한다. 상기 제1 전극은, 상기 반도체 기판의 제1 면에 부분적으로 형성되는 제1 전극부와, 상기 제1 전극부를 덮으면서 상기 반도체 기판의 제1 면에 형성되는 제2 전극부를 포함한다.
태양 전지, 패시베이션, 전극, 전극부
Description
본 발명은 태양 전지에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 개선된 전극 구조를 구비한 태양 전지에 관한 것이다.
태양 전지는 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생성하는 전지로서, 친환경적이고 에너지원이 무한할 뿐만 아니라 수명이 길다는 장점이 있다. 태양 전지는 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생성하는 방식에 따라 반도체 태양 전지, 염료 감응 태양 전지 등으로 구분될 수 있다.
이 중 반도체 태양 전지에서는 서로 다른 전도성 타입(conductive type)을 가지는 반도체 기판 및 이 반도체 기판의 전면에 형성되는 에미터에 의해 p-n 접합이 형성된다. 그리고 에미터 위에 전면 전극들이 형성되며, 반도체 기판의 후면에 후면 전극들과 후면 패시베이션 막이 형성된다. 후면 패시베이션 막은 후면 전극들이 형성되지 않은 부분에 형성되어 전하의 재결합을 방지하는 역할을 한다.
전하의 재결합의 효과를 최대화하기 위해서는 후면 패시베이션 막의 면적을 증가시켜야 하며, 전극 자체의 저항을 줄여 전력 손실을 줄이기 위해서는 후면 전극의 체적을 증가시켜야 한다. 이에 따라 후면 전극들의 폭을 줄이고 후면 전극들 사이의 거리를 증가시켜 후면 패시베이션 막의 면적을 확보하는 한편, 후면 전극들을 두껍게 형성하여 저항을 줄이는 방법이 반도체 태양 전지 기술 분야에서 적용되고 있다.
그러나 후면 전극들이 두꺼워지면 전극을 형성하기 위한 제조 원가가 증가한다. 그리고 후면 전극들이 두꺼우면 열처리 공정에서의 스트레스에 의해 반도체 기판이 손상될 수 있어, 반도체 기판 또한 두껍게 형성해야 한다. 따라서 태양 전지의 제조 원가에서 가장 큰 부분을 차지하는 반도체 기판에 대한 제조 원가 또한 증가한다. 그리고 이러한 후면 전극들 및 반도체 기판의 두께 증가에 따라 태양 전지의 박형화가 어려워진다.
또한 이러한 태양 전지에서는 반도체 기판을 통과한 광이 후면 패시베이션 막이 형성된 부분에서 외부로 빠져나갈 수 있어 광전변환 효율이 좋지 않다.
한편, 지금까지의 반도체 태양 전지에 있어서 후면 전극들을 이루는 물질은 반도체 기판에 전기적으로 연결될 수 있는 물질, 예를 들어 알루미늄과 같은 물질로 한정되어 광전변환 효율을 향상하는 데 한계가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 박형화 및 제조 비용 절감이 가능하며 광전변환 효율을 향상할 수 있는 태양 전지를 제공한다.
본 발명에 따른 태양 전지는, 서로 반대되는 제1 면과 제2 면을 구비하는 제 1 전도성 타입의 반도체 기판, 상기 반도체 기판의 제1 면에 전기적으로 연결되는 제1 전극, 상기 반도체 기판의 제2 면 부근에 형성되는 제2 전도성 타입의 에미터, 상기 에미터에 전기적으로 연결되는 제2 전극을 포함한다. 상기 제1 전극은, 상기 반도체 기판의 제1 면에 부분적으로 형성되는 제1 전극부와, 상기 제1 전극부를 덮으면서 상기 반도체 기판의 제1 면에 형성되는 제2 전극부를 포함한다.
상기 제1 전극부는 서로 이격되어 형성된 복수의 도트 전극들로 구성될 수 있으며, 상기 반도체 기판의 면적에 대한 상기 제1 전극부의 면적의 비율이 1 내지 10%일 수 있다. 상기 제2 전극부는 상기 반도체 기판의 제1 면에 전체적으로 형성될 수 있다.
상기 제2 전극부의 전기 전도도가 상기 제1 전극부의 전기 전도도보다 높을 수 있다. 그리고 상기 제2 전극부는 반사막으로 기능할 수 있다.
상기 제1 전극부는 알루미늄을 포함하고, 상기 제2 전극부는 은, 금, 백금, 구리로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 태양 전지는 상기 제1 전극부가 형성되지 않은 부분에서 상기 반도체 기판과 상기 제2 전극부 사이에 형성되는 제1 패시베이션 막을 더 포함할 수 있다. 이 때 상기 제2 전극부가 상기 제1 전극부와 상기 제1 패시베이션 막을 덮으면서 형성될 수 있다.
상기 제1 패시베이션 막은 비정질 실리콘으로 이루어질 수 있다. 상기 제1 전극부는 알루미늄과 실리콘이 혼합된 연결부를 포함할 수 있다. 상기 연결부는 상기 제1 전극부 전체에 형성될 수 있다. 상기 제1 패시베이션 막의 두께는 1 내지 100 nm 일 수 있다. 이 때, 상기 제1 패시베이션 막의 두께는 5 내지 20 nm일 수 있다.
상기 에미터 위에 형성되는 반사 방지막을 더 포함할 수 있다. 상기 반사 방지막은 실리콘 질화물 또는 투명 전도성 물질을 포함할 수 있다. 상기 반사 방지막과 상기 에미터 사이에 형성되며 비정질 실리콘을 포함하는 제2 패시베이션 막을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 태양 전지에서는 제1 전극이 반도체 기판과의 전기적 연결을 위한 제1 전극부와 실질적인 전하의 수집을 위한 제2 전극부를 포함하여 광전변환 효율을 향상할 수 있으며, 태양 전지의 박형화 및 제조 비용 절감이 가능하다.
즉 전기적 연결을 위한 제1 전극부를 좁은 면적으로 형성하여 제1 패시베이션 막의 형성 면적을 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 전하의 재결합을 방지할 수 있다. 그리고 제2 전극부를 우수한 전기 전도도를 가지는 물질로 반도체 기판에 전체적으로 형성하여 전하를 효과적으로 수집할 수 있다. 그리고 제2 전극부를 반사막으로 사용하여 광의 이용률 또한 증가시킬 수 있다. 이에 따라 광전변환 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고 우수한 전기 전도도의 제2 전극부를 제1 면 전체에 형성하는 것에 의해 제1 전극의 두께를 줄일 수 있으며, 이에 따라 반도체 기판의 두께 또한 줄일 수 있다. 결과적으로 태양 전지를 박형화할 수 있으며 비용을 절감할 수 있다.
이 때, 제1 전극부를 복수의 도트 전극들로 구성하여 제1 전극부와 반도체 기판을 전체적으로 고르게 연결하면서 제1 패시베이션 막의 면적을 최대화할 수 있다.
그리고 제1 패시베이션 막이 비정질 실리콘으로 이루어지고 제1 전극부가 알루미늄으로 이루어지는 경우 저온에서도 실리콘과 알루미늄이 확산하여 반도체 기판과 전기적으로 연결되는 연결부를 형성할 수 있다. 따라서 고온 공정에 의한 태양 전지의 손상을 방지할 수 있다.
제2 패시베이션 막을 제1 패시베이션 막과 동일한 비정질 실리콘으로 형성하여 동일한 공정에서 제1 및 제2 패시베이션 막을 형성할 수 있어 공정을 단순화할 수 있다.
그리고 반사 방지막이 투명 전도성 물질로 이루어지는 경우 제2 전극을 단순한 공정에 의해 안정적으로 형성할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명은 여러 가지 다른 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시에에 따른 태양 전지의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 배면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 태양 전지(100)는 서로 반대되는 제1 면(이하 "후면")(12)과 제2 면(이하 "전면")(14)을 구비하는 반도체 기판(10), 이 반도체 기판(10)의 후면(12)에 전기적으로 연결되며 제1 전극부(32)와 제2 전극부(34)를 구비하는 제1 전극(이하 "후면 전극")(30), 반도체 기판(10)의 전면(14) 부근에 형성되는 에미터(20), 이 에미터(20)에 전기적으로 연결되는 제2 전극(이하 "전면 전극")(40)을 포함한다.
그리고 반도체 기판(10)의 후면(12)에는 제1 패시베이션 막(이하 "후면 페이베이션 막")(22)이 형성되고, 에미터(20) 위에 제2 패시베이션 막(이하 "전면 패시베이션 막")(24) 및 반사 방지막(26)이 형성된다.
이러한 태양 전지(100)를 좀더 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 실시예에서 반도체 기판(10)은 제1 전도성 타입인 p형의 결정질 실리콘으로 이루어진다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 반도체 기판(10)이 n형 전도성 타입일 수 있으며, 실리콘 이외의 반도체 물질로 이루어질 수도 있다.
이 반도체 기판(10)의 전면(14) 부근에 제2 전도성 타입인 n형의 에미터(20)가 형성된다. 에미터(20)는 반도체 기판(10)과 서로 다른 전도성 타입을 가져 반도체 기판(10)과 p-n 접합을 형성하면 된다. 따라서, 반도체 기판(10)이 n형 전도성 타입인 경우에는 에미터(20)는 p형 전도성 타입일 수 있다.
본 실시에에서 에미터(20)는 인(P), 비소(As), 안티몬(As) 등을 반도체 기판(10)의 전면(14) 부근에 확산시켜서 형성된다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 반도체 기판과 서로 별개의 층으로 이루어진 에미터를 반도체 기판에 적층하여 에미터를 형성할 수도 있다.
그리고 반도체 기판(10)의 후면(12)에는 후면 패시베이션 막(22)과, 제1 전 극부(32)와 제2 전극부(34)를 포함하는 후면 전극(30)이 형성된다.
즉, 반도체 기판(10)의 후면(12)에 부분적으로 후면 전극(30)의 제1 전극부(32)가 형성되고, 제2 전극부(34)가 제1 전극부(32)를 덮으면서 반도체 기판(10)의 후면(12)의 전체적으로 형성된다. 후면 패시베이션 막(22)은 제1 전극부(32)가 형성되지 않은 부분에서 반도체 기판(10)과 제2 전극부(34) 사이에 위치하게 된다.
여기서 제2 전극부(34)가 전체적으로 형성되었다고 함은 제2 전극부(34)가 반도체 기판(10)의 후면(12)의 전체면에 형성되는 것 뿐만 아니라, 에미터(20)와 제2 전극부(34)가 불필요하게 연결되는 것을 방지하거나 형성 공정의 편의를 위하여 반도체 기판(10)의 가장자리 일부에서는 형성되지 않는 것을 포함하는 것이다.
후면 패시베이션 막(22)은 반도체 기판(10)의 후면(12)을 이루는 표면 부분에서 일어나는 전하의 재결합을 방지하는 역할을 한다. 즉 반도체 기판(10)의 후면(12)을 이루는 표면 부분에는 댕글링 본드(dangling bond) 등과 같은 결함이 많이 존재하는데, 전하가 이 결함에 결합되어 전하가 손실될 수 있다. 따라서 후면 패시베이션 막(22)을 반도체 기판(10)의 후면(12)에 형성하여 전하 재결합을 방지한다.
여기서 제1 전극부(32)는 반도체 기판(10)과 제2 전극부(34)를 연결하는 역할을 하는 부분이며, 제2 전극부(34)는 반도체 기판(10) 쪽에 생성된 전하들을 제1 전극부(32)를 경유하여 수집하는 역할을 하는 부분이다.
제1 전극부(32)에서 반도체 기판(10)에 인접한 부분에는 반도체 기판(10)과 제1 전극부(32)의 전기적 연결을 위한 연결부가 구성된다. 이 연결부는 후면 패시 베이션 막(22)을 이루는 물질과 제1 전극부(32)에 포함된 전도성 물질이 확산하여 형성된 것으로서, 본 실시예에는 제1 전극부(32) 전체가 연결부로 형성된다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 전극부(32)의 일부, 즉 제1 전극부(32) 중 반도체 기판(10)에 인접한 부분에 연결부가 형성되는 것도 가능하다.
제1 전극부(32)에 포함된 전도성 물질은 후면 패시베이션 막(22)을 이루는 물질과 확산이 잘 될 수 있는 물질일 수 있다. 일례로 후면 패시베이션 막(22)은 비정질 실리콘으로 이루어지고 제1 전극부(32)는 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다. 즉 제1 전극부(32)의 연결부는 알루미늄과 실리콘이 혼재되어 형성될 수 있다.
본 실시예에서는 제1 전극부(32)는 반도체 기판(10)과의 전기적인 연결을 위한 정도로 형성되면 되므로, 좁은 면적으로 형성될 수 있다. 따라서, 제1 전극부(32)가 형성되지 않은 부분에 형성되는 후면 패시베이션 막(22)을 넓은 면적으로 형성할 수 있다. 따라서 후면 패시베이션 막(22)의 전하 재결합 방지 효과를 향상할 수 있다.
이 때, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 제1 전극부(32)를 서로 이격되는 복수의 도트 전극들로 구성하여, 후면 패시베이션 막(22)의 형성 면적을 최대화할 수 있다. 또한 복수의 도트 전극들을 반도체 기판(10)의 후면(12)에 고르게 분포시켜 반도체 기판(10)과 제2 전극부(34)를 전체적으로 고르게 연결할 수 있다.
반도체 기판(10)의 면적에 대한 제1 전극부(32)의 면적 비율은 1 내지 10% 일 수 있다. 이 비율이 10%를 초과하는 경우에는 후면 패시베이션 막(22)의 형성 면적이 줄어들어 전하 재결합 방지 효과가 저감될 수 있으며, 이 비율이 1% 미만인 경우에는 반도체 기판(10)과 제1 전극부(32)의 전기적 연결이 안정적이지 않을 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 상기 비율은 다양한 값을 가질 수 있다. 따라서 전하 재결합 방지 효과를 최대화하기 위해서 상기 비율을 1% 이하로 할 수도 있다.
제2 전극부(34)는 제1 전극부(32)보다 높은 전기 전도도를 가지는 물질, 즉 낮은 비저항을 가지는 물질로 이루어질 수 있다. 이러한 제2 전극부(34)의 높은 전기 전도도에 의해 제2 전극부(34)의 전하 수집을 원활하게 할 수 있으며 소비 전력을 저감할 수 있다.
그리고 본 실시예에서는 제2 전극부(34)가 우수한 반사율을 가지는 물질로 이루어지게 하여, 제2 전극부(34)를 반사막으로 사용할 수 있다. 즉 후면 패시베이션 막(22)을 통과한 광을 태양 전지(100) 내부로 반사하여 광의 이용률을 향상시킬 수 있다.
이를 위해 제2 전극부(34)는 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu) 등으로 이루어질 수 있다. 특히 제2 전극부(34)가 은으로 이루어지는 경우에는 높은 전기 전도도와 높은 반사율에 의해 광전변환 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 우수한 납땜성으로 인해 외부와의 연결이 용이하게 이루어질 수 있다.
이와 같이 본 실시예의 후면 전극(30)은 반도체 기판(10)과의 전기적 연결을 위한 제1 전극부(32)와 전하의 수집을 위한 제2 전극부(34)를 별도로 구비한다. 이에 따라 제1 전극부(32)를 좁은 면적으로 형성하여 후면 패시베이션 막(22)의 효과 를 증대할 수 있으며, 우수한 전기 전도도 및 반사율의 제2 전극부(34)를 전체적으로 형성할 수 있다. 결과적으로 태양 전지의 광전변환 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고 우수한 전기 전도도의 제2 전극부(34)에 의해 후면 전극(30)의 두께를 줄일 수 있다. 이에 따라, 열처리 공정에서의 스트레스에 의한 반도체 기판(10)의 손상 위험이 줄어들어 반도체 기판(10)의 두께 또한 줄일 수 있다. 즉 태양 전지(100)를 박형화할 수 있으며 후면 전극(30)과 반도체 기판(10)의 줄어든 두께만큼 비용을 절감할 수 있다.
한편, 에미터(20) 위에 전면 패시베이션 막(24), 반사 방지막(26) 및 전면 전극(40)이 차례로 형성된다.
전면 패시베이션 막(24)은 반도체 기판(10)의 전면(14) 부근에서 일어나는 전하의 재결합을 방지하는 역할을 한다. 전면 패시베이션 막(24)은 일례로 비정질 실리콘으로 이루어질 수 있다. 이와 같이 전면 패시베이션 막(24)이 후면 패시베이션 막(22)과 동일한 물질로 이루어지면, 전면 패시베이션 막(24)과 후면 패시베이션 막(22)을 동일 공정에서 함께 형성하여 제조 공정을 단순화할 수 있다.
반사 방지막(26)은 태양 전지의 내부로 입사될 광이 반사되어 손실되는 것을 방지하는 역할을 하는 것이다. 이러한 반사 방지막(26)은 실리콘 질화물(SiNx) 또는 투명 전도성 물질로 이루어질 수 있다.
반사 방지막(26)이 실리콘 질화물로 이루어지는 경우에는, 반사 방지막(26)이 전하 재결합을 방지할 수 있어 전면 패시베이션 막(24)을 형성하지 않아도 된다. 이 경우에는 전면 전극(40)을 파이어 스루 공정을 이용하여 형성한다. 즉 반사 방지막(26) 위에 프린팅 된 전극 페이스트가 파이어 스루(fire through) 공정에 의해 반사 방지막(26)을 녹여 에미터(20)에 전기적으로 연결되어, 전면 전극(40)을 형성한다.
반사 방지막(26)이 투명 전도성 물질로 이루어지는 경우에는 반사 방지막(26)이 전하 수집의 역할을 할 수 있다. 또한 반사 방지막(26)의 전기 전도성에 의해 전면 전극(40)을 반사 방지막(26) 위에 형성하여도 에미터(20)와 전면 전극(40)이 전기적으로 연결된다. 따라서 파이어 스루 공정을 거치지 않아도 되므로 제조 공정을 단순화할 수 있으며 전면 전극(40)을 좀더 안정적으로 형성할 수 있다.
이 경우 반사 방지막(26)은 산화 아연(ZnO)을 주성분으로 할 수 있으며, 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 불소(F) 및 수소(H) 등이 첨가될 수 있다.
전면 전극(40)은 일례로 복수의 스트라이프 전극들과 이들을 일측에서 연결하는 전극을 포함하는 빗 형상 등으로 이루어질 수 있다. 그리고 전면 전극(40)은 은(Ag) 등으로 이루어질 수 있다.
이하에서는 본 실시예에서 후면 패시베이션 막(22) 및 전면 패시베이션 막(24)이 비정질 실리콘으로 이루어질 경우에 전하 재결합 방지를 위한 적절한 두께를 살펴본다. 전하 재결합 방지 효과, 즉 패시베이션 효과는 QSSPC (Quasi Steady State Photo Conductance) 법으로 전자의 유효 수명(effective lifetime)을 측정하여 평가할 수 있다.
도 3은 비정질 실리콘 막의 두께에 따른 전자의 유효 수명(effective lifetime)의 관계를 도시한 그래프이다.
패시베이션 효과를 위하여 비정질 실리콘 막으로 이루어지는 후면 패시베이션 막(22) 및 전면 패시베이션 막(24)의 두께가 1 nm 이상일 수 있다. 도 3을 참조하면, 비정질 실리콘 막의 두께가 대략 10 nm 이상인 경우에는 우수한 유효 수명을 가지므로, 후면 및 전면 패시베이션 막(22, 24)의 두께를 대략 10 nm 이상으로 형성하여 효과를 증가할 수 있다. 그리고 후면 패시베이션 막(22) 및 전면 패시베이션 막(24)의 두께가 100 nm를 초과하는 경우에는 두께의 증가로 인해 제조 비용이 상승하고 후면 및 전면 패시베이션 막(22, 24)에서 광이 흡수되는 문제가 있다. 따라서 후면 패시베이션 막(22) 및 전면 패시베이션 막(24)의 두께는 100 nm 이하일 수 있다.
유효 수명 및 두께를 고려하여 후면 패시베이션 막(22) 및 전면 패시베이션(24)의 두께는 20 내지 50 nm로 형성할 수 있다. 그러나 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같은 태양 전지로 광이 입사되면, 광전 효과에 의해 생성된 정공-전자 쌍이 분리되어 전자가 n형의 에미터(20)에 집적되고 정공은 p형의 반도체 기판(10)에 집적된다. 이러한 전하들이 전면 및 후면 전극들(30, 40)에 의해 수집되어 흐르게 되어 태양 전지가 작동한다.
상술한 바와 같은 태양 전지 제조 방법의 일 실시예를 도 4, 도 5a 내지 도 5h를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 아래의 일 실시예는 상술한 태양 전지를 좀더 명확하게 설명하기 위한 것으로서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 그리 고 앞서 설명된 부분에 대해서는 구체적인 설명을 생략한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법의 흐름도이다. 도 5a 내지 도 5h는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법의 각 단계를 도시한 단면도들이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 다른 태양 전지의 제조 방법은, 반도체 기판 준비 단계(ST10), 에미터 형성 단계(ST20), 전면 및 후면 패시베이션 막 형성 단계(ST30), 제1 전극층 형성 단계(ST40), 제1 전극부 형성 단계(ST50), 반사 방지막 형성 단계(ST60), 전면 전극 형성 단계(ST70), 및 제2 전극부 형성 단계(ST80)를 포함한다.
이러한 각 단계들을 도 4와 함께 도 5a 내지 도 5h를 참조하여 좀더 상세하게 설명한다.
먼저, 도 5a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판 준비 단계(ST10)에서는 p형 전도성 타입이며 실리콘으로 이루어지는 반도체 기판(10)을 준비한다.
이어서, 도 5b에 도시된 바와 같이, 에미터 형성 단계(ST20)에서는 반도체 기판(10)의 전면(14)에 인, 비소, 안티몬 등의 도펀트를 도핑하여 n형 전도성 타입의 에미터(20)를 형성한다. 도핑 방법으로 고온 확산법, 스프레이법, 스크린 인쇄법, 이온 샤워법 등이 적용될 수 있다.
일례로, 본 실시예에서는 확산 로(diffusion furnace) 내에 포스포릴클로라이드(POCl3)를 열분해하여 반도체 기판(10)의 표면에 포스포실리케이스 글래 스(phosphosilicate glass, PSG)층(이하 "PSG 층")(도시하지 않음)을 형성하고, 이 PSG 층 내의 인을 반도체 기판(10) 내부로 확산시켜 에미터(20)를 형성할 수 있다. 그 후에 희석된 불산(HF)를 이용하여 PSG 층을 제거하고, 수산화 칼륨(KOH)과 같은 알칼리 용액을 이용하여 반도체 기판(10)의 전면(14) 이외 부분에서 인이 확산된 부분을 제거한다.
그러나 본 발명이 이에 한정되지는 않으며 다양한 도펀트를 사용한 다양한 도핑 방법에 의하여 에미터(20)를 형성할 수 있음은 물론이다. 또는 반도체 기판(10)과 별개로 형성된 에미터를 반도체 기판(10)의 전면(14)에 적층하여 에미터를 형성할 수도 있다.
이어서, 도 5c에 도시된 바와 같이, 전면 및 후면 패시베이션 막 형성 단계(ST30)에서 반도체 기판(10)의 후면(12) 및 전면(14)에 비정질 실리콘으로 이루어지는 후면 및 전면 패시베이션 막(22, 24)을 각기 형성한다. 이러한 후면 및 전면 패시베이션 막(22, 24)은 플라즈마 화학 기상 증착(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD) 법에 의해 형성될 수 있다.
이어서, 도 5d에 도시된 바와 같이, 제1 전극층 형성 단계(ST40)에서는 반도체 기판(10)의 후면(12)에 복수의 도트 전극들 형태로 제1 전극층(320)을 형성한다. 이러한 제1 전극층(320)은 마스크(도시하지 않음)를 자석에 의해 반도체 기판에 의해 밀착시킨 후 진공 증착법 또는 스퍼터링 법 등을 수행하여 형성될 수 있다.
이어서, 도 5e에 도시된 바와 같이, 제1 전극부 형성 단계(ST50)에서는 열처 리를 수행하여 연결부를 포함하는 제1 전극부(32)를 형성한다. 연결부는 제1 전극층(320)(도 5d 참조, 이하 동일)에 대응하는 위치의 후면 패시베이션 막(22)의 실리콘과 제1 전극층(320)의 알루미늄이 상호 확산하여 형성된 것으로서, 연결부와 반도체 기판(10)은 충분히 낮은 접촉 저항을 가져 서로 전기적으로 연결된다.
이러한 열처리는 실리콘과 알루미늄의 산화를 방지하기 위하여 질소 또는 아르곤과 같은 비활성 기체에 수소가 3% 정도 포함된 가스 분위기에서 실리콘과 알루미늄의 공융점(eutectic point) 이하의 온도에서 이루어질 수 있다. 이와 같이 본 실시예에서는 공융점보다 낮은 온도에서 연결부를 형성하여 고온의 열처리에 의한 태양 전지의 손상을 방지할 수 있다.
이어서, 도 5f에 도시된 바와 같이, 반사 방지막 형성 단계(ST60)에서는 전면 페이베이션 막(24) 위에 투명 전도성 물질로 반사 방지막(26)을 형성한다. 반사 방지막(26)은 스퍼터링 법 등에 의해 형성할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 전면 패시베이션 막(24)을 형성하지 않은 상태에서 실리콘 질화물로 이루어지는 반사 방지막을 형성하는 것도 가능하다.
이어서, 도 5g에 도시된 바와 같이, 전면 전극 형성 단계(ST70)에서는 반사 방지막(26) 위에 전면 전극(40)을 형성한다. 이러한 전면 전극(40)은 산화은 나노 페이스트를 스크린 인쇄법으로 도포한 후 소성하여 형성할 수 있다. 산화은 페이스트는 수십 나노 수백 나노미터의 입자로 구성되어 저온, 일례로 200℃에서 소성하여도 은의 비저항, 약 1.6 X 10-6Ω·cm과 유사한 비저항을 가질 수 있다.
이어서, 도 5h에 도시된 같이, 제2 전극부 형성 단계(ST80)에서는 제1 전극부(32)와 후면 패시베이션 막(22)의 전체면을 덮도록 제2 전극부(34)를 형성하여 후면 전극(30)의 제조를 완료한다. 제2 전극부(34)는 은, 백금, 금, 구리 등을 진공 증착법 또는 스퍼터링 법으로 증착하여 형성할 수 있다.
본 실시예에서는 제1 전극부 형성 단계(ST50) 및 전면 전극 형성 단계(ST70)에서의 열처리가 저온에서 이루어질 수 있으므로, 고온 공정에 의한 손상을 방지할 수 있으므로 다양한 물질을 태양 전지에 적용할 수 있다. 일례로 투명 전도성 물질은 고온에 의해 손상될 수 있는 물질이지만, 본 실시예에서는 저온에서 열처리가 이루어지므로 반사 방지막(26)을 투명 전도성 물질로 형성할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실험예와 비교예에 의해 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.
실험예
두께가 150 ㎛인 n형 실리콘 반도체 기판을 준비하였다. 확산 로(diffusion furnace) 내에 포스포릴클로라이드(POCl3)를 열분해하여 이 반도체 기판의 표면에 PSG 층을 형성하고, 이 PSG 층 내의 인을 반도체 기판 내부로 확산시켜 0.5 ㎛ 두께의 에미터를 형성하였다. 희석된 불산(HF)를 이용하여 PSG 층을 제거하고, 수산화 칼륨(KOH)을 이용하여 반도체 기판의 전면 이외 부분에서 인이 확산된 부분을 제거하였다.
반도체 기판의 후면 및 전면에 비정질 실리콘으로 이루어지는 후면 및 전면 패시베이션 막을 각기 형성하였다. 이러한 후면 및 전면 패시베이션 막은 플라즈마 화학 기상 증착법으로 형성하였다.
알루미늄을 포함하는 페이스트를 후면 패시베이션 막 위에 형성한 후 질소에 수소가 3% 정도 포함된 가스 분위기에서 500℃로 열처리하여 제1 전극부를 형성하였다.
전면 페이베이션 막 위에 스퍼터링 법에 의해 인듐-징크 옥사이드(indium zinc oxide)로 이루어지는 반사 방지막을 형성하였다. 그리고 이러한 산화은 나노 페이스트를 스크린 인쇄법으로 도포한 후 소성하여 전면 전극을 형성하였다.
후면 패시베이션 막과 제1 전극부를 덮으면서 스퍼터링 법에 의해 은을 증착하여 제2 전극부를 제조하여 태양 전지의 제조를 완료하였다.
비교예
두께가 240 ㎛인 n형 반도체 기판을 준비하고 실험예와 동일한 방법으로 에미터를 형성하였다. 반도체 기판의 전면에 플라즈마 화학 기상 증착법을 이용하여 실리콘 질화물로 이루어지는 반사 방지막을 형성하였다.
알루미늄을 포함하는 페이스트를 반도체 기판의 후면에 도포하고 전면 페이베이션 막에 은을 포함하는 페이스트를 반도체 기판의 전면에 도포한 후 파이어 스루가 일어나는 온도에서 열처리하여 에미터에 연결되는 전면 전극과 반도체 기판에 연결되는 후면 전극을 형성하였다.
실험예에 따른 태양 전지와 비교예에 따른 태양 전지의 광전변환 효율을 국제규격 IEC 60904에 따라 측정하였다. 그 결과 실험예에 따른 태양 전지는 광전변환 효율이 18% 정도인 반면, 비교예에 따른 태양 전지는 광전변환 효율이 15% 정도였다. 즉, 본 실험에 따른 태양 전지는 반도체 기판의 두께를 90 ㎛ 정도 줄여 제조 원가를 20% 정도 절감하면서도 광전변환 효율을 3% 정도 증가할 수 있음을 알 수 있다.
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 범위 속하는 것은 당연하다.
도 1은 본 발명의 실시에에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 배면도이다.
도 3은 비정질 실리콘 막의 두께에 따른 전자의 유효 수명(effective lifetime)의 관계를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법의 흐름도이다.
도 5a 내지 도 5h는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법의 각 단계를 도시한 단면도들이다.
<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>
10: 반도체 기판 20: 에미터
22: 제1 패시베이션 막 24: 제2 패시베이션 막
26: 반사 방지막 30: 제1 전극
32: 제1 전극부 34: 제2 전극부
40: 제2 전극
Claims (15)
- 서로 반대되는 제1 면과 제2 면을 구비한 제1 전도성 타입의 반도체 기판;상기 반도체 기판의 제1 면에 전기적으로 연결된 제1 전극;상기 반도체 기판의 제2 면 부근에 형성된 제2 전도성 타입의 에미터;상기 에미터에 전기적으로 연결된 제2 전극; 및을 포함하고,상기 제1 전극은, 상기 반도체 기판의 제1 면에 부분적으로 형성된 제1 전극부와, 상기 제1 전극부를 덮으면서 상기 반도체 기판의 제1 면에 형성된 제2 전극부를 포함하는 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 제1 전극부는 서로 이격되어 형성된 복수의 도트 전극들로 구성된 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 반도체 기판의 면적에 대한 상기 제1 전극부의 면적의 비율이 1 내지 10%인 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 제2 전극부는 상기 반도체 기판의 제1 면에 전체적으로 형성된 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 제2 전극부의 전기 전도도가 상기 제1 전극부의 전기 전도도보다 높은 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 제2 전극부는 반사막인 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 제1 전극부는 알루미늄을 포함하고,상기 제2 전극부는 은, 금, 백금, 구리로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 태양 전지는 상기 제1 전극부가 형성되지 않은 부분에서 상기 반도체 기판과 상기 제2 전극부 사이에 형성된 제1 패시베이션 막을 더 포함하고,상기 제2 전극부가 상기 제1 전극부와 상기 제1 패시베이션 막을 덮으면서 형성된 태양 전지.
- 제8항에 있어서,상기 제1 패시베이션 막은 비정질 실리콘으로 이루어진 태양 전지.
- 제9항에 있어서,상기 제1 전극부는 알루미늄과 실리콘이 혼합된 연결부를 포함하는 태양 전지.
- 제10항에 있어서,상기 연결부는 상기 제1 전극부 전체에 형성되는 태양 전지.
- 제8항에 있어서,상기 제1 패시베이션 막의 두께는 1 내지 100 nm인 태양 전지.
- 제1항에 있어서,상기 에미터 위에 형성되는 반사 방지막을 더 포함하는 태양 전지.
- 제13항에 있어서,상기 반사 방지막은 실리콘 질화물 또는 투명 전도성 물질을 포함하는 태양 전지.
- 제13항에 있어서,상기 반사 방지막과 상기 에미터 사이에 형성되며 비정질 실리콘을 포함하는 제2 패시베이션 막을 더 포함하는 태양 전지.
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