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KR100877817B1 - 고효율 태양전지 및 그것의 제조방법 - Google Patents

고효율 태양전지 및 그것의 제조방법 Download PDF

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KR100877817B1
KR100877817B1 KR1020060105386A KR20060105386A KR100877817B1 KR 100877817 B1 KR100877817 B1 KR 100877817B1 KR 1020060105386 A KR1020060105386 A KR 1020060105386A KR 20060105386 A KR20060105386 A KR 20060105386A KR 100877817 B1 KR100877817 B1 KR 100877817B1
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Abstract

본 발명은 고효율의 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 제 1 도전형 반도체 기판 상에 그에 반대 도전형의 제 2 도전형 반도체 층이 형성되어 있고 그 계면에 p-n 접합을 포함하고 있으며, 상기 제 1 도전형 반도체 기판의 적어도 일부에 접촉되어 있는 후면 전극과 상기 제 2 도전형 반도체 층의 적어도 일부에 접촉되어 있는 전면 전극을 포함하고 있고, 상기 제 1 도전형 반도체 기판의 후면 및/또는 제 2 도전형 반도체 층의 전면에 실리콘 옥시나이트라이드(silicon oxynitride)의 부동층과 실리콘 나이트라이드의 반사방지층이 순차적으로 형성되어 있는 구조를 포함하고 있는 태양전지 및 그것의 제조방법을 제공한다.
따라서, 본 발명에 따른 태양전지는 부동층 및 반사방지층의 이중 반사막 구조로 흡수된 빛의 반사율을 최소화하면서, 상기 부동층에 의해 반도체 표면에서의 캐리어(carrier)들의 재결합을 효과적으로 방지하여 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있으며, 상기 이중 반사막 구조를 in-situ로서 연속적으로 형성하여 대량 생산이 가능하여 생산 단가를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

고효율 태양전지 및 그것의 제조방법 {Solar Cell of High Efficiency and Process for Preparation of the Same}
도 1 은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 반도체 기판과 부동층 및 반사방지층으로 이루어진 태양전지의 모식도이다.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
11: 제 1 도전형 반도체 기판 12: 제 2 도전형 반도체 층
13: p-n 접합 14: 부동층
15: 반사방지층 22: 전면전극
21: 후면전극
본 발명은 고효율의 태양전지에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은, 제 1 도전형 반도체 기판과 p-n 접합을 형성하고 있는 반대 도전형의 제 2 도전형 반도체 층 상에 실리콘 옥시나이트라이드(silicon oxynitride)의 부동층과 실리콘 나이트라이드의 반사방지층이 순차적으로 형성되어 있어서, 상기 부동층 및 반사방지층의 이중 반사막 구조로 흡수된 빛의 반사율을 최소화하면서, 반도체 표면에서의 캐리어(carrier)들의 재결합을 효과적으로 방지하여 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 구조의 태양전지를 제공한다. 또한, 본 발명은 상기 이중 반사막 구조를 in-situ로서 연속적으로 형성하여 대량 생산이 가능하여 생산 단가를 감소시킬 수 있는 태양전지의 제조방법을 제공한다.
최근 환경문제와 에너지 고갈에 대한 관심이 높아지면서, 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없으며 에너지 효율이 높은 대체 에너지로서의 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다.
태양전지는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양빛(photons)을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지로 나눌 수 있다. 그 중에서도 빛을 흡수하여 생성된 p-형 반도체의 전자와 n-형 반도체의 전공이 전기 에너지로 변환하는 태양광 전지에 대한 연구가 활발히 행해지고 있다.
이러한 태양광 전지는 흡수되는 빛의 양에 따라 생성되는 상기 전자와 전공의 수가 정해지며, 생성되는 전류량을 조절하기 때문에 흡수된 빛의 반사율을 감소시키는데 주안점이 있다. 따라서, 빛의 반사율을 감소시키기 위하여 반사방지층을 사용하거나, 전극단자를 형성할 때 태양빛을 가리는 면적을 최소화하는 방법을 사용한다. 그 중에서도 높은 반사율을 구연할 수 있는 반사방지층에 대한 다양한 연 구가 진행 중이다. 특히, 태양전지 중에서 점유율이 높고 단결정, 다결정 및 다결정 박막을 포함한 결정질 실리콘 태양전지에서는 상기 반사방지층을 구성하는 물질이 실리콘 내부로 확산될 가능성이 매우 높기 때문에 상기 반사방지층과 실리콘 층 사이에 별도의 부동화층을 구비하는 이중 반사막 구조가 많이 사용되고 있다.
예를 들어, 미국 등록특허 제4,927,770호에서는 실리콘 나이트라이드의 반사방지층을 사용하여 흡수된 빛의 반사율을 감소시키고, 상기 실리콘 나이트라이드와 실리콘 반도체 층 사이에 실리콘 옥사이드의 부동층을 형성하여 상기 실리콘 반도체 층의 표면을 부동화하였다. 그러나, 상기 부동층과 반사방지층을 증착하는 방법에 있어서, 상기 실리콘 옥사이드는 CVD 방법을 사용하고, 실리콘 나이트라이드는 PECVD 방법을 사용하기 때문에 연속적인 공정이 이루어질 수 없다는 단점을 가지고 있다.
또한, 한국 공개특허출원 제2003-0079265호에서는 부동층으로서 비결정질 실리콘 박막과 반사방지층으로서 실리콘 나이트라이드의 이중 반사막 구조를 사용하여 상기 비결정질 실리콘 박막으로 실리콘 반도체 층을 부동화하는 기술을 개시하고 있다. 그러나, 상기 기술은 비결정질 실리콘 박막을 사용하므로 소망하는 반사 방지 효율을 얻기 어려울 뿐만 아니라, 450℃ 이하의 저온에서 소결 공정을 수행하여야 하기 때문에 전극 형성 방법으로서 스크린 프린팅 방법 등을 사용할 수 없고 레이저 등의 고가의 장비를 이용하여야 한다. 즉, 제조 공정이 복잡해지고 제조 비용이 크게 상승하게 되는 등 많은 문제점이 있어서 실용화에 한계가 있다.
한편, 미국 등록특허 제6,518,200호는 태양전지, 센서 이미지 어레이, 디스 플레이 이미지 어레이 등이 형성된 기판 위에 실리콘 옥시나이트라이드, 실리콘 나이트라이드, 실리톤 옥시나이트라이드 층으로 구성되어 있는 층을 형성하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 상기 기술은 실리콘 옥시나이트라이드 및 실리콘 나이트라이드를 집전을 위한 유전체로서 사용하는 기술인 바, 이하에서 설명하는 바와 같이, 실리콘 옥시나이트라이드 및 실리콘 나이트라이드를 태양전지의 부동층 및 반사방지층으로 사용하는 본원발명과는 명백히 구별된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 실리콘 옥시나이트라이드의 부동층 및 실리콘 나이트라이드의 반사방지층으로 구성된 이중 반사막 구조로 흡수된 빛의 반사율을 더욱 최소화하면서, 상기 부동층에 의해 반도체 표면에서의 캐리어들의 재결합을 효과적으로 방지하여 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 구조의 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 이중 반사막 구조를 in-situ 공정으로서 연속적으로 형성하여 대량 생산이 가능하여 생산 단가를 감소시킬 수 있는 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기와 같은 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양전지는 제 1 도전형 반도체 기판 상에 그에 반대 도전형의 제 2 도전형 반도체 층이 형성되어 있고 그 계면에 p-n 접합을 포함하고 있으며, 상기 제 1 도전형 반도체 기판의 적어도 일부에 접촉되어 있는 후면 전극과 상기 제 2 도전형 반도체 층의 적어도 일부에 접촉되어 있는 전면 전극을 포함하고 있고, 상기 제 1 도전형 반도체 기판의 후면 및/또는 제 2 도전형 반도체 층의 전면에 실리콘 옥시나이트라이드(silicon oxynitride)의 부동층과 실리콘 나이트라이드의 반사방지층이 순차적으로 형성되어 있는 구조를 포함하고 있는 것으로 구성된다.
따라서, 본 발명에 따른 태양전지는 제 2 도전형 반도체 층과 실리콘 나이트라이드의 반사방지층 사이에 실리콘 옥시나이트라이드의 부동층이 존재함으로써, 상기 부동층이 반사방지층과 더불어 이중 반사막 구조를 형성하여 흡수된 빛의 반사율을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 부동층에 의해 반도체 표면에서의 캐리어들의 재결합을 효과적으로 방지하여, 태양전지의 효율을 더욱 높일 수 있다.
상기 부동층과 반사방지층은 제 2 도전형 반도체 층의 전면에 형성되는 것이 바람직하다. 하나의 바람직한 예에서, 상기 부동층은 제 2 도전형 반도체 상에 1 내지 40 nm의 두께로 형성되고, 부동층 상에 형성되는 상기 반사방지층은 1.9 내지 2.3의 굴절률을 가지도록 구성되어 있다.
상기 제 1 도전형 반도체 기판은, 예를 들어 B, Ga, In 등의 3족 원소들이 도핑되어 있는 p-형 실리콘 기판이고, 상기 제 2 도전형 반도체 층은, 예를 들어 P, As, Sb 등의 5족 원소들이 도핑되어 있는 n-형 이미터(emitter) 층으로 상기 제 1 도전형 기판 및 제 1 도전형 층이 접하여 p-n 접합을 형성된다.
도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 태양전지의 구성을 나타내는 모식도가 도시되어 있다. 이는 이해의 편의를 위한 것으로 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1을 참조하면, 제 1 전도형 반도체 기판(11) 상에 그에 반대 도전형의 제 2 도전형 반도체 층(12)을 형성하여 그 계면에 p-n 접합(13)을 형성하고 있다. 제 2 도전형 반도체 층(12) 상에는 실리콘 옥시나이트라이드의 부동층(14)이 형성되어 있고, 부동층(14) 상에 실리콘 나이트라이드의 반사방지층(15)이 형성되어 있다.
후면전극(21)은 제 1 도전형 반도체 기판(11) 상에 전기적으로 연결되도록 형성되어 있다. 반면에, 전면전극(22)은 제 2 도전형 반도체 층(12)에 접속된 상태로 부동층(14)와 반사방지층(15)을 가로 질러 반사반지층(15)의 상단으로 돌출되어 있다.
본 발명은 또한 상기 태양전지의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법은,
(a) 제 1 도전형 반도체 기판 상에 그에 반대 도전형의 제 2 도전형 반도체 층을 형성하여 그 계면에 p-n 접합을 형성하는 과정;
(b) 상기 제 2 도전형 반도체 층 상에 실리콘 옥시나이트라이드의 부동층을 형성하는 과정;
(c) 상기 부동층 상에 실리콘 나이트라이드의 반사방지층을 형성하는 과 정;
(d) 상기 제 1 도전형 반도체 기판의 후면에 전극을 형성하는 과정; 및
(e) 상기 반사방지층 상에 제 2 도전형 반도체 층에 접속되는 전극을 형성하는 과정;
을 포함하는 것으로 구성되어 있다.
본 발명에 따른 제조방법을 각 단계별로 더욱 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
단계(a)에서, 예를 들어, B, Ga, In 등의 3족 원소들이 도핑되어 있는 p-형 실리콘 기판으로서 상기 제 1 도전형 반도체 기판과, 예를 들어, P, As, Sb 등의 5족 원소들이 도핑되어 있는 n-형 이미터 층으로서의 제 2 도전형 반도체 층, 및 이들의 p-n 접합은 공지된 방법으로 형성되는 바, 예를 들어, 고온 확산 방법으로 형성될 수 있다.
상기 단계(b) 및 단계(c)에서, 제 2 도전형 반도체 층 상에 부동층을 형성하는 과정과, 그러한 부동층 상에 반사방지층을 형성하는 과정은, 예를 들어, 일련의 화학기상증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition: PECVD)법에 의해 연속적으로 수행될 수 있다. 따라서, 해당 공정들이 번잡하지 않고 간단하므로 태양전지의 제조비용을 절감할 수 있다.
상기 단계(d)에서, 상기 후면 전극은 예를 들어 알루미늄(Al)을 포함하는 페이스트를 제 1 도전형 반도체 기판 상에 스크린 프린팅 한 후 소결하여 형성될 수 있다.
또한, 단계(e)에서, 상기 전면 전극은 예를 들어 은(Ag)를 포함하는 페이스트를 반사방지층 상부에 스크린 프린팅 한 후 소결하여 형성하면, 부동층과 반사방지층을 관통하여 제 2 도전형 반도체 기판에 접속되면서 전면 전극이 형성될 수 있다.
실리콘 옥시나이트라이드의 부동층을 제외한 나머지 구성요소들의 형성 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 그에 대한 구체적인 설명은 본 명세서에서 생략한다.
또한, 상기 과정들 중의 일부는 공정의 순서를 바꾸거나 함께 수행할 수 있으며, 예를 들어, 단계(d)와 단계(e)의 전극 형성 과정은 반대의 순서로 수행할 수 있으며, 경우에 따라서는 해당 페이스트로 패턴을 형성한 후 함께 소결하는 형성할 수도 있다.
이하, 실시예를 참조하여 본 발명의 내용을 상세히 설명하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
붕소 도핑(Boron doping)으로 구성된 p-형 실리콘 기판에 포스포러스 도핑(Phosphorous doping)으로 구성된 n-형 이미터 층을 형성하여 p-n 접합을 형성하였다. 그러한 n-형 이미터 층 상에 부동층으로서 실리콘 옥시나이트라이드(SiOxNy) 를 PECVD 방식으로 약 30 nm의 두께로 증착한 다음, 상기 실리콘 옥시나이트라이드 상에 반사방지층으로서 1.9의 굴절률을 가진 실리콘 나이트라이드(SiNx)를 PECVD 방식으로 형성하였다. 그런 다음, p-형 실리콘 기판에 Al을 포함하는 페이스트를 스크린 프린팅하고, 실리콘 나이트라이드 상에 Ag를 포함하는 페이스트를 스크린 프린팅하여 패턴을 형성한 후, 800℃ 전후의 온도에서 약 30 초간 소결하여, p-형 실리콘 기판에 접속되는 후면 전극과 n-형 이미터 층에 접속되는 전면전극을 동시에 형성함으로써 태양전지를 제조하였다.
[비교예 1]
n-형 이미터 층 상에 부동층으로서 실리콘 옥시나이트라이드 대신 실리콘 옥사이드(SiO2)를 증착하였다는 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지를 제조하였다.
[비교예 2]
n-형 이미터 층 상에 실리콘 옥시나이트라이드 부동층을 증착하지 않았다는 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지를 제조하였다.
[실험예 1]
실시예 1과 비교예 1 및 2에서 각각 제조된 태양전지의 효율을 측정하기 위 해 회로가 개방된 상태의 전위차(open-circuit voltage; Voc) 및 회로가 단락된 상태의 전류밀도(Short-circuit current; Jsc)를 각각 측정하였고, 이를 바탕으로 Fill Factor(FF) 및 태양전지 효율을 측정하였으며, 그에 대한 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 여기서, FF는 최대전력점에서의 전류밀도와 전압값의 곱(Vmp×Jmp) 을 Voc와 Jsc의 곱으로 나눈 값이고, 태양전지의 효율은 전지에 의해 생산된 최대 전력과 입사광 에너지 Pin 사이의 비이다.
<표 1>
Figure 112006078556911-pat00001
상기 표 1의 결과에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 태양전지는, 실리콘 옥시사이드의 부동층의 이중 반사막 구조인 경우(비교예 1) 및 반사방지층으로서 실리콘 나이트라이드 층만을 형성한 경우(비교예 2)와 비교할 때, Jsc 수치를 저하시키지 않으면서 Voc 수치가 크게 상승됨으로써, 결과적으로 전지 효율을 0.14% 이상 향상시키는 것으로 확인되었다. 이러한 효율 향상은 본 발명이 속하는 분야에서 매우 주목할 만한 결과이며, 이중 반사막 구조로서 흡수된 빛의 반사율을 최소화하는 동시에, 실리콘 옥시나이트라이드의 부동층으로 인해 반도체 표면에서의 캐리어들의 재결합이 효과적으로 방지되었기 때문인 것으로 추측된다.
상기에서 본 발명을 구체적인 예들을 중심으로 상세히 설명하였지만, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백할 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속한다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 태양전지는 부동층 및 반사방지층의 이중 반사막 구조로 흡수된 빛의 반사율을 최소화하면서, 상기 부동층에 의해 반도체 표면에서의 캐리어들의 재결합을 효과적으로 방지하여 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있으며, 더욱이 상기 이중 반사막 구조를 in-situ로서 연속적으로 형성하여 대량 생산이 가능하므로 생산 단가를 크게 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 제 1 도전형 반도체 기판 상에 그에 반대 도전형의 제 2 도전형 반도체 층이 형성되어 있고 그 계면에 p-n 접합을 포함하고 있으며, 상기 제 1 도전형 반도체 기판의 적어도 일부에 접촉되어 있는 후면 전극과 상기 제 2 도전형 반도체 층의 적어도 일부에 접촉되어 있는 전면 전극을 포함하고 있고, 상기 제 1 도전형 반도체 기판의 후면 및/또는 제 2 도전형 반도체 층의 전면에 실리콘 옥시나이트라이드(silicon oxynitride)의 부동층과 실리콘 나이트라이드의 반사방지층이 순차적으로 형성되어 있으며, 상기 부동층의 두께가 1 내지 40 nm인 구조로 이루어진 태양전지.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 반사방지층은 1.9 내지 2.3의 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 부동층과 반사방지층은 제 2 도전형 반도체 층의 전면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 도전형 반도체 기판은 p-형 실리콘 기판이고, 제 2 도전형 반도체 층은 n-형 이미터(emitter) 층인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  6. (a) 제 1 도전형 반도체 기판 상에 그에 반대 도전형의 제 2 도전형 반도체 층을 형성하여 그 계면에 p-n 접합을 형성하는 과정;
    (b) 상기 제 2 도전형 반도체 층 상에 실리콘 옥시나이트라이드의 부동층을 형성하는 과정;
    (c) 상기 부동층 상에 실리콘 나이트라이드의 반사방지층을 형성하는 과정;
    (d) 상기 제 1 도전형 반도체 기판의 후면에 후면 전극을 형성하는 과정; 및
    (e) 상기 반사방지층 상에 제 2 도전형 반도체 층에 접속되는 전면 전극을 형성하는 과정;
    을 포함하는 것으로 구성된 태양전지의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 도전형 반도체 기판은 p-형 실리콘 기판이고, 제 2 도전형 반도체 층은 n-형 이미터 층인 것을 특징으로 하는 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 n-형 이미터 층 상에 PECVD 방식으로 부동층을 형성하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 부동층 상에 PECVD 방식으로 반사방지층을 형성하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 전면 전극은 Ag를 포함하는 페이스트를 반사방지층 상부에 스크린 프린팅 한 후 소결하여 형성되고, 상기 후면 전극은 Al을 포함하는 페이스트를 제 1 도전형 반도체 기판 상에 스크린 프린팅 한 후 소결하여 형성하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
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