KR20160117770A - 이중막 패시베이션 구조물 및 이를 포함하는 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
PN 접합을 이루는 기판 상에 형성되는 이중막 패시베이션 구조물은 상기 기판 상에 형성되며, 상기 기판과의 계면 결함을 억제하는 진성 비정질 실리콘 물질로 이루어진 제1 패시베이션 박막 및 상기 제1 패시베이션 박막 상에 형성되며, 캐리어의 재결합을 억제하는 제2 배시베이션 박막을 포함한다. 이로써 계면 트랩 밀도가 감소되며, 고정 전하 효과가 개선될 수 있다.
Description
본 발명은 이중막 패시베이션 구조물 및 이를 포함하는 태양전지에 관한 것이다. 보다 상세하게는, PN 접합을 통하여 광조사시 기전력이 발생하는 태양 전지에 포함된 이중막 패시베이션 구조물 및 상기 이중막 패시베이션 구조물을 포함하는 태양 전지에 관한 것이다.
태양 에너지(solar energy)를 이용하는 신재생(renewable) 에너지 (renewable)는 크게 태양열을 이용하는 태양열 발전 시스템과 태양광을 이용한 태양 전지 (solar cells)로 나눌 수 있다.
이중막 태양광을 이용한 전지는 전기 에너지를 빛에너지로 바꾸는 LED나 레이저 다이오드와 반대원리를 가진 것으로, 대부분 대면적의 P-N 접합 다이오드(P-N junction diode)로 이루어져 있다.
이와 같은 구조에 있어서 열적 평형상태(thermal equilibrium)에서는 p-type 반도체와 n-type 반도체의 접합으로 이루어진 다이오드에서는 캐리어(carrier)의 농도 차이에 의한 확산으로 전하(charge)의 불균형이 생기고, 이 때문에 전기장(electric field)이 형성되어 더 이상 캐리어의 확산이 일어나지 않게 된다.
이러한 다이오드에 그 물질의 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band) 사이의 에너지 차이인 밴드갭 에너지(band gap energy) 이상의 빛을 가했을 경우, 이 빛에너지를 받아서 전자들은 가전자대에서 전도대로 여기(excited)된다.
이때 p-type 영역에서 여기된 전자들과, n-type 영역에서 만들어진 정공을 각각의 소수캐리어(minority carrier)라고 부르며, 기존 접합 전의 p-type 또는 n-type 반도체 내의 캐리어(p-type의 정공, n-type의 전자)는 이와 구분해 주요캐리어(majority carrier)라고 부른다.
이때 주요캐리어들은 전기장으로 생긴 에너지 장벽(energy barrier) 때문에 흐름의 방해를 받지만 p-type의 소수캐리어인 전자는 n-type 영역(110)쪽으로, n-type의 소수캐리어인 정공은 p-type 영역쪽으로 각각 이동할 수 있다.
이와 같은 캐리어의 확산에 의해 재료 내부의 전기적 중성(charge neutrality)이 깨짐으로써, 전압차(potential drop)가 생기고 이때 P-N접합 다이오드의 양극단에 발생된 기전력을 외부 회로에 연결하게 되면 태양전지로 작용하게 된다.
상기 태양 전지의 변환 효율을 증대시키기 위하여, 상기 PN 접합을 이루는 기판 상에 패시베이션 막을 형성할 수 있다. 상기 패시베이션 막은 기판과 상기 기판의 상부에 배치된 전극 사이에 배치됨으로써 상기 기판과 이루는 계면에 존재할 수 있는 댕글링 본드와 같은 계면 결함을 감소시킬 수 있다. 이로써 상기 계면 결함에서 발생할 수 있는 전자-전공 쌍의 재결합이 억제될 수 있다. 이와 동시에 상기 패시베이션 막은 고정 전하(fixed charge) 효과를 갖는 물질로 이루어질 경우 상기 재결합이 억제될 수 있다.
따라서, 상기 재결합을 억제하기 위하여 계면 결함의 억제 및 고정 전하 효과의 증대를 동시에 구현할 수 있는 패시베이션 구조물이 요구되고 있다.
본 발명의 일 목적은 계면 결함의 억제 및 고정 전하 효과의 증대를 동시에 구현할 수 있는 패시베이션 구조물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 계면 결함의 억제 및 고정 전하 효과의 증대를 동시에 구현할 수 있는 패시베이션 구조물을 포함하는 태양 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 PN 접합을 이루는 기판 상에 형성되는 이중막 패시베이션 구조물은 상기 기판 상에 형성되며, 상기 기판과의 계면 결함을 억제하는 진성 비정질 실리콘 물질로 이루어진 제1 패시베이션 박막 및 상기 제1 패시베이션 박막 상에 형성되며, 캐리어의 재결합을 억제하는 제2 배시베이션 박막을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 패시베이션 박막은 2 nm 이하의 두께를 가질 경우 터널링 효과를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 패시베이션 박막은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 알루미늄 산화물 또는 하프늄 산화물로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 태양 전지는, PN 접합을 이루는 기판, 상기 기판의 전면에 형성된 이중막 패시베이션 구조물, 상기 이중막 패시베이션 구조물 상에 형성된 전면 전극, 상기 기판의 후면에 형성된 후면 전극을 포함하고, 상기 이중막 패시베이션 구조물은, 상기 기판 상에 형성되며, 상기 기판과의 계면 결함을 억제하는 진성 비정질 실리콘 물질로 이루어진 제1 패시베이션 박막 및 상기 제1 패시베이션 박막 상에 형성되며, 캐리어의 재결합을 억제하는 제2 배시베이션 박막을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 패시베이션 박막은 2 nm 이하의 두께를 가질 경우 터널링 효과를 가지며, 상기 제2 패시베이션 박막은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 알루미늄 산화물 또는 하프늄 산화물로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이중막 패시베이션 구조물은 PN 접합을 이루는 기판과 접하며 진성 비정질 실리콘으로 제1 패시베이션 박막을 형성함으로써 계면 결함 밀도가 감소시키고, 상기 제1 패시베이션 박막 상에는 고정 전하 효과를 증대시켜 재결합을 억제시킬 수 있는 제2 패시베이션 박막을 형성함으로써 재결합에 의한 손실이 억제됨으로써 결과적으로 태양전지 변환효율이 개선될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중막 패시베이션 구조물을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 도시한 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면에 있어서, 대상물들의 크기와 양은 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대 또는 축소하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중막 패시베이션 구조물을 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중막 패시베이션 구조물(100)은 제1 패시베이션 박막(110) 및 제2 패시베이션 박막(120)을 포함한다. 상기 이중막 패시베이션 구조물(100)은 PN 접합을 이루는 기판(10) 상에 형성됨으로써 전자 및 정공 쌍의 재결합(recombination)을 억제할 수 있다.
상기 제1 패시베이션 박막(110)은 상기 기판(10) 상에 형성된다. 따라서 상기 제1 패시베이션 박막(110) 및 상기 기판(10) 사이에는 계면이 형성된다.
상기 제1 패시베이션 박막(110)은 진성 비정질 실리콘 물질로 이루어진다. 따라서, 상기 제1 패시베이션 박막(110) 및 상기 기판(10) 사이의 계면에 존재할 수 있는 댕글링 본드와 같은 결함이 감소될 수 있다. 이로써 계면 트랩 밀도(intefacial trap density; Dit)가 감소함으로써 계면 재결합이 억제될 수 있다.
상기 제2 패시베이션 박막(120)은 상기 제1 패시베이션 박막(110) 상에 형성된다. 상기 제2 패시베이션 박막(120)은 상대적으로 높은 고정 전하 밀도(Qf)를 갖는 물질로 이루어진다.
예를 들면, 상기 제2 패시베이션 박막(120)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 알루미늄 산화물 또는 하프늄 산화물로 이루어질 수 있다.
즉, 상기 제1 패시베이션 박막(110)과 물리적으로 컨택하는 상기 기판(10)의 상부가 p-type 특성 또는 n-type 특성을 가질 경우, 상기 제2 패시베이션 박막(120)을 이루는 물질은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 알루미늄 산화물 또는 하프늄 산화물로 이루어질 수 있다.
이로써, 우수한 고정 전하 밀도를 갖는 제2 패시베이션 박막(120)이 형성됨에 따라 전자 및 정공 쌍의 재결합이 억제될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 패시베이션 박막(110)은 2nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 이 경우, 상기 제1 패시베이션 박막(110)을 통하여 상기 터널링 효과에 따른 터널 전류가 흐름에 따라 상기 패시베이션 구조물(100)의 상부에 형성되는 전면 전극에 대한 컨택 패시베이션(contact passivation) 효과가 추가적으로 달성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 패시베이션 구조물(100)은 진성 비정질 실리콘 물질로 이루어진 제1 패시베이션 박막(110) 및 상대적으로 높은 고정 전하 밀도(Qf)를 갖는 물질로 이루어진 제2 패시베이션 박막(120)을 포함하는 이중막 구조를 가짐에 따라 감소된 계면 트랩 밀도 및 증가한 고정 전하 밀도를 동시에 구현할 수 있다. 이로써 상기 패시베이션 구조물(100)이 태양 전지에 적용될 경우, 상기 태양 전지에 있어서 전자 및 정공 쌍의 재결합이 감소됨으로써 개선된 변환 효율을 이룰 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지를 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 태양전지(200)는 PN 접합을 이루는 기판(20), 이중막 패시베이션 구조물(210), 전면 전극(220) 및 하부 전극(230)을 포함한다.
상기 기판(20)은 결정질 결정 구조를 갖는 실리콘 물질로 이루어진다. 상기 실리콘 물질은 예를 들면, 단결정 결정 구조 또는 다결정 결정 구조를 가질 수 있다. 상기 기판(20)의 내부에는 제1 불순물이 도핑된다. 상기 제1 불순물은 예를 들면 붕소, 알루미늄, 갈륨, 인듐, 탄탈륨과 같은 P형 원소를 포함할 수 있다. 이와 다르게, 상기 제1 불순물은 질소, 인, 비소, 안티몬, 비스무트와 같은 N형 원소를 포함할 수 있다. 이하, 제1 불순물은 P형 원소에 해당하는 것으로 기술한다.
이와 다르게, 상기 기판(20)은 비정질 실리콘(a-Si), 실리콘 화합물(SiC, SiGe 등), 화합물 반도체(GaN, GaAs, GaN, InP, GaAsP, AlGaAs, InGaAsP AlGaInAs 등)과 같은 물질로 이루어질 수 있다.
상기 기판(20)의 상부에는 상기 제1 불순물과 반대되는 극성을 갖는 제2 불순물로 도핑된 불순물 도핑층(22)이 형성된다. 이로써 상기 기판의 하부(21) 및 상기 불순물 도핑층(22)이 PN 접합을 형성한다.
상기 이중막 패시베이션 구조물(210)은 상기 기판(20) 상에 형성된다. 보다 구체적으로 상기 이중막 패시베이션 구조물(210)은 상기 기판(20)의 상부, 즉 상기 결정질 실리콘층(22) 상에 형성된다.
상기 이중막 패시베이션 구조물(210)은 제1 패시베이션 박막(211) 및 제2 패시베이션 박막(213)을 포함한다. 상기 이중막 패시베이션 구조물(210)은 PN 접합을 이루는 기판(20) 상에 형성됨으로써 전자 및 정공 쌍의 재결합(recombination)을 억제할 수 있다.
상기 제1 패시베이션 박막(211)은 상기 기판(20) 상에 형성된다. 따라서 상기 제1 패시베이션 박막(211) 및 상기 기판(20) 사이에는 계면이 형성된다.
상기 제1 패시베이션 박막(211)은 진성 비정질 실리콘 물질로 이루어진다. 따라서, 상기 제1 패시베이션 박막(211) 및 상기 기판(20) 사이의 계면에 존재할 수 있는 댕글링 본드와 같은 결함이 감소될 수 있다. 이로써 계면 트랩 밀도(intefacial trap density; Dit)가 감소함으로써 계면 재결합이 억제될 수 있다.
상기 제2 패시베이션 박막(213)은 상기 제1 패시베이션 박막(211) 상에 형성된다. 상기 제2 패시베이션 박막(213)은 상대적으로 높은 고정 전하 밀도(Qf)를 갖는 물질로 이루어진다.
예를 들면, 상기 제2 패시베이션 박막(213)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 알루미늄 산화물 또는 하프늄 산화물로 이루어질 수 있다.
즉, 상기 제1 패시베이션 박막(211)과 물리적으로 컨택하는 상기 기판(20)의 상부가 p-type 특성 또는 n-type 특성을 가질 경우, 상기 제2 패시베이션 박막(213)을 이루는 물질은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 알루미늄 산화물 또는 하프늄 산화물로 이루어질 수 있다.
이로써, 우수한 고정 전하 밀도를 갖는 제2 패시베이션 박막(213)이 형성됨에 따라 전자 및 정공 쌍의 재결합이 억제될 수 있다.
상기 전면 전극(220)은 상기 이중막 패시베이션 구조물(210), 제2 패시베이션 박막(213) 상에 형성된다. 상기 상부 전극(140)은 그리드 형상을 가질 수 있다. 상기 전부 전극(220)은 상기 이중막 패시베이션 구조물(210)을 관통하여 상기 결정질 실리콘층(22)의 상면과 직접적으로 컨택하도록 구비된다. 이로써 상기 전면 전극(220) 및 상기 결정질 실리콘층(22) 사이의 저항이 감소될 수 있다.
상기 후면 전극(230)은 상기 기판(20)의 후면에 배치된다. 상기 후면 전극(230)은 알루미늄(Al) 또는 은(Ag)로 형성될 수 있다.
상기 태양 전지(200)는 상기 후면 전극(230) 및 상기 기판(20) 사이에 배치된 후면 전계 효과층(240)을 더 포함할 수 있다.
상기 후면 전계 효과층(240)은 전자 및 전공의 재결합에 의한 광전류 손실이 억제될 수 있다. 결과적으로 본 발명에 따른 태양 전지(200)가 개선된 광변환 효율을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 이중막 패시베이션 구조물은 태양 전지에 적용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (6)
- PN 접합을 이루는 기판 상에 형성되는 이중막 패시베이션 구조물에 있어서,
상기 기판 상에 형성되며, 상기 기판과의 계면 결함을 억제하는 진성 비정질 실리콘 물질로 이루어진 제1 패시베이션 박막; 및
상기 제1 패시베이션 박막 상에 형성되며, 캐리어의 재결합을 억제하는 제2 배시베이션 박막을 포함하는 이중막 패시베이션 구조물. - 제1항에 있어서, 상기 제1 패시베이션 박막은 2 nm 이하의 두께를 가질 경우, 터널링 효과를 갖는 것을 특징으로 하는 이중막 패시베이션 구조물.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 패시베이션 박막은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 알루미늄 산화물 또는 하프늄 산화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 이중막 패시베이션 구조물.
- PN 접합을 이루는 기판;
상기 기판의 전면에 형성된 이중막 패시베이션 구조물;
상기 이중막 패시베이션 구조물 상에 형성된 전면 전극;
상기 기판의 후면에 형성된 후면 전극;
상기 이중막 패시베이션 구조물은, 상기 기판 상에 형성되며,
상기 기판과의 계면 결함을 억제하는 진성 비정질 실리콘 물질로 이루어진 제1 패시베이션 박막 및
상기 제1 패시베이션 박막 상에 형성되며, 캐리어의 재결합을 억제하는 제2 배시베이션 박막을 포함하는 태양 전지. - 제4항에 있어서, 상기 제1 패시베이션 박막은 2 nm 이하의 두께를 가질 경우, 터널링 효과를 가지며,
상기 제2 패시베이션 박막은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 알루미늄 산화물 또는 하프늄 산화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양 전지. - 제4항에 있어서, 상기 기판은, 비정질 실리콘 기판, 결정질 실리콘, 실리콘 화합물 기판 및 화합물 반도체 기판 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지.
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|---|---|---|---|---|
| CN111668320A (zh) * | 2020-06-15 | 2020-09-15 | 中国科学院微电子研究所 | 硅漂移探测器及其加工方法 |
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