KR101026125B1

KR101026125B1 - 불순물을 포함하는 전극을 이용한 태양전지 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101026125B1
Application number: KR1020090091841A
Authority: KR
Inventors: 이영호; 이유진; 김동제
Original assignee: 주식회사 티지솔라
Priority date: 2009-09-28
Filing date: 2009-09-28
Publication date: 2011-04-05
Anticipated expiration: 2029-09-28

Abstract

본 발명에서는 불순물을 포함하는 전극을 이용한 태양전지 및 그 제조방법이 개시된다. 이러한 본 발명에 따른 불순물을 포함하는 전극을 이용한 태양전지는, 기판(100); 기판(100) 상에 형성되는 불순물을 포함하는 하부전극(200); 하부전극(200) 상에 형성되고, 하부전극(200)으로부터 확산된 상기 불순물을 포함하는 하부영역(313)과 하부영역(313) 상에 형성된 상부영역(312)을 포함하는 제1 반도체층(311); 제1 반도체층(311) 상에 형성되고 상기 불순물과 상이한 불순물을 포함하는 제2 반도체층(321); 및 제2 반도체층(321) 상에 형성되는 상부전극(500)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

결정화, 열처리, 하부전극, 확산

Description

불순물을 포함하는 전극을 이용한 태양전지 및 그 제조방법{SOLAR CELL USING ELECTRODE INCLUDING IMPURITY AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}

본 발명은 불순물을 포함하는 전극을 이용한 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 하부전극에 포함된 불순물[예를 들면, B(붕소)]을 열처리(결정화시)로 확산시켜 두개의 반도체층만으로도 p-i-n 타입의 광전소자를 구현할 수 있는 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 비정질 실리콘(a-Si)을 이용한 박막 타입의 태양전지는 비정질 실리콘 물질 자체의 특성으로 인해 캐리어(carrier)의 확산 거리(diffusion length)가 단결정 또는 다결정 실리콘에 비해 매우 짧아 p-n 접합 구조로 제조될 경우 빛에 의해 생성된 전자-정공 쌍(electron-hole pairs)의 수집 효율이 매우 저하된다.

이러한 문제점을 극복하기 위해, 불순물이 첨가되지 않은 진성(intrinsic) 반도체층을 광 흡수층으로 사용하여 높은 불순물 도핑 농도를 갖는 p형과 n형 사이에 형성하는 p-i-n 구조와, 이를 열처리하여 다결정 실리콘(p-si)으로 결정화하는 방법이 제안되었다. 이러한 다결정 p-i-n 구조에서 광 흡수층인 i층과 높은 도핑 농도를 갖는 p층과 n층의 접합면에는 공핍(depletion) 영역이 형성되어 내부에 전계(electric field)가 발생하게 된다. 따라서, i층에서 입사광(수광)에 의해 생성된 전자-정공 쌍은 확산이 아닌 내부의 전계에 따라 전자(-)는 n형 반도체로, 정공(+)은 p형 반도체로 이동하는 표동(drift) 전류가 흐를 수 있다.

하지만, 이러한 p-i-n 구조에서는 적어도 3층의 실리콘층을 형성해야만 함으로 공정수와 시간이 증가되며, 각 층간의 계면특성에 따라 광전 변환 효율이 저하되는 문제점이 있다.

또한, 실리콘층을 고온에서 결정화 할 경우 n형과 p형 반도체에 포함된 불순물이 인접하는 광 흡수층(i형 반도체)의 계면으로 불필요하게 확산되어 광 흡수층인 i형 반도체층은 본래의 기능인 내부 전계가 감소되어 드리프트(drift) 전류의 생성을 감소시키고, 나아가서는 광전 변환 효율성의 저하를 초래할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 두개의 반도체층만으로도 p-i-n 타입의 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 반도체층 간의 계면특성(특히, p형과 i형)이 향상된 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은 기판; 상기 기판 상에 형성되는 불순물을 포함하는 하부전극; 상기 하부전극 상에 형성되고, 상기 하부전극으로부터 확산된 상기 불순물을 포함하는 하부영역과 상기 하부영역 상에 형성된 상부영역을 포함하는 제1 반도체층; 상기 제1 반도체층 상에 형성되고 상기 불순물과 상이한 불순물을 포함하는 제2 반도체층; 및 상기 제2 반도체층 상에 형성되는 상부전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지에 의해 달성된다.

또한, 본 발명의 상기 목적은 (a) 기판 상에 불순물을 포함하는 하부전극을 형성하는 단계; (b) 상기 하부전극 상에 제1 비정질 반도체층을 형성하는 단계; (c) 상기 제1 비정질 반도체층 상에 상기 불순물과 상이한 불순물을 포함하는 제2 비정질 반도체층을 형성하는 단계; (d) 열처리를 수행하여 상기 제1 비정질 반도체층 하부영역에 상기 불순물을 확산시킴과 동시에, 상기 제1, 제2 비정질 반도체층을 제1, 제2 다결정 반도체층으로 결정화시키는 단계; 및 (e) 상기 제2 다결정 반 도체층 상에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법에 의해서도 달성된다.

이때, 상기 하부전극은 ZnO(Zinc Oxide)일 수 있다.

상기 불순물은 3족 물질일 수 있다.

상기 불순물은 붕소(B)일 수 있다.

상기 상이한 불순물은 5족 물질일 수 있다.

상기 제1 반도체층의 하부, 상부영역과 상기 제2 반도체층은 각각 p, i, n형의 도전형일 수 있다.

상기 제1, 제2 반도체층은 다결정 반도체층일 수 있다.

본 발명에 따르면, 반도체층의 수를 감소시킬 수 있으므로, 제조공정 및 시간을 획기적으로 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 한번의 열처리로 반도체층에 도전형을 형성함과 동시에 결정화할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 불순물의 확산을 적절하게 조절하고, 반도체층(특히, p형과 i형) 간의 계면특성을 향상시켜 광전 변환 효율성을 향상시킬 수 있다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

[본 발명의 바람직한 실시예]

이하의 본 발명의 일 실시예에 따른 상세한 설명에서는, 반도체층의 형성 물질로 가장 일반적으로 사용되는 실리콘을 일례로 설명하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 반도체 특성을 가지는 공지된 물질들을 제한 없이 사용할 수 있다.

또한, 이하의 본 발명의 일 실시예에 따른 상세한 설명에서, 하부전극으로 ZnO(Zinc Oxide)에 보론[boron: 붕소(B)]이 도핑된 BZO(ZnO:B)를 일례로 설명하지 만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 도전성 재질의 전극에 3족, 5족의 불순물이 도핑된 경우를 포괄적으로 의미하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 불순물을 포함하는 하부전극을 이용한 태양전지의 제조 과정을 나타내는 도면이다.

먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라, 기판(100)을 제공할 수 있다. 이러한 기판(100)의 재질은 태양전지가 빛을 수광하는 방향에 따라 투명 재질 또는 불투명 재질 모두 가능하며, 일례로 유리, 플라스틱, 실리콘, 금속[예를 들면, SUS(Stainless Steel)] 등을 포함할 수 있다.

이어서, 기판(100)의 표면은 텍스쳐링(texturing)이 수행될 수 있다. 본 발명에서 텍스쳐링이란, 태양전지의 기판 표면에 입사되는 빛이 반사되어 광학적으로 손실됨으로써 그 특성이 저하되는 현상을 방지하지 위한 것이다. 즉, 기판의 표면을 거칠게 만드는 것으로, 기판 표면에 요철 패턴(미도시 함)을 형성하는 것을 말한다. 텍스쳐링으로 기판의 표면이 거칠어지면 표면에서 한번 반사된 빛이 태양전지 방향으로 재반사될 수 있으므로 빛이 손실되는 것을 감소시킬 수 있고, 광 포획량이 증가되어 태양전지의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.

이때, 대표적인 텍스쳐링 방법으로는 샌드 블래스팅 방법을 사용할 수 있다. 본 발명에서의 샌드 블래스팅은 식각 입자를 압축 공기로 분사하여 식각하는 건식 블래스팅과 액체와 함께 식각 입자를 분사하여 식각하는 습식 블래스팅을 모두 포함하는 것이다. 한편, 본 발명의 샌드 블래스팅에 사용되는 식각 입자는 모래, 작은 금속과 같이 물리적 충격으로 기판에 요철을 형성시킬 수 있는 입자를 제한 없 이 사용할 수 있다.

이어서, 기판(100) 상에는 반사 방지층(미도시)을 형성할 수 있다. 반사 방지층은 기판(100)을 통하여 입사된 태양광이 광전소자에 흡수되지 못하고 바로 외부로 반사됨으로써, 태양전지의 효율을 저하시키는 현상을 방지하는 역할을 한다. 반사 방지층의 소재는 실리콘 산화물(SiO_x), 실리콘 질화물(SiN_x)일 수 있으나 반드시 이에 한정되지 않는다. 반사 반지층의 형성 방법으로는 저압 화학기상 증착법(Low Pressure Chemical Vapor Deposition: LPCVD) 및 플라즈마 화학기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition: PECVD) 등을 포함할 수 있다.

이어서, 기판(100) 상에는 불순물을 포함하는 전도성 재질의 하부전극(200)을 형성할 수 있다. 일례로, 본 발명의 일 실시예에 따른 하부전극(200)은 전도성 재질인 ZnO에 3족 불순물인 붕소(B)가 도핑된 BZO(ZnO:B)를 사용할 수 있다. 이러한 하부전극(200)은 이후 설명되는 열처리 공정에 의해 붕소(B)가 반도체층으로 확산되어 결국, 전도성의 ZnO가 하부전극(200)의 기능을 수행하게 된다.

하부전극(200)의 형성 방법으로는 열 증착법(Thermal Evaporation), 전자빔 증착법(E-beam Evaporation), 스퍼터링(sputtering)과 같은 물리기상 증착법(Physical Vapor Deposition: PVD) 및 LPCVD, PECVD, 금속유기 화학기상 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition: MOCVD)과 같은 화학기상 증착법(Chemical Vapor Deposition: CVD)을 포함할 수 있다. 이때, 하부전극(200)의 표면에는 상술된 기판(100)의 표면과 마찬가지로 태양전지의 광전 변환 효율성을 향상시키기 위하여 요철 패턴을 형성하는 텍스쳐링 과정을 수행할 수도 있다.

다음으로, 도 2를 참조하면, 하부전극(200) 상에 실리콘층(310, 320)을 형성할 수 있다. 보다 상세하게 설명하면, 하부전극(200) 상에는 제1 비정질 실리콘층(310)을 형성하고, 이어서 제1 비정질 실리콘층(310) 상에는 제2 비정질 실리콘층(320)을 형성할 수 있다. 이러한 제1, 제2 비정질 실리콘층(310, 320)의 형성 방법으로는 PECVD 또는 LPCVD와 같은 화학기상 증착법을 이용하여 형성할 수 있다.

이때, 제1 비정질 실리콘층(310)은 i형의 도전형으로 형성할 수 있고, 제2 비정질 실리콘층(320)은 n형의 도전형으로 형성할 수 있는데, 이후 설명되는 열처리 공정에 의해 제1 비정질 실리콘층(310)의 하부영역은 i형에서 p형으로 변환될 수 있다. 보다 상세한 설명은 도 3을 참조한 이하의 상세한 설명에 의해 이해될 것이다.

여기서, i형은 불순물이 도핑되지 않은 진성(intrinsic)을 의미하며, p형 불순물로서는 보론(B: 붕소)을 n형 도핑시 불순물로서는 인(P)을 사용하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 공지된 기술을 제한 없이 사용할 수 있다.

다음으로, 도 3을 참조하면, 고온의 열처리(10) 공정을 수행하여 제1, 제2 비정질 실리콘층(310, 320)의 비정질 실리콘을 다결정 실리콘으로 결정화시킬 수 있다. 즉, 제1, 제2 비정질 실리콘층(310, 320)이 열처리(10)에 의해 각각 제1, 제2 다결정 실리콘층(311, 321)으로 결정화될 수 있는데, 본 발명에서는 이와 동시에, 하부전극(200)에 도핑된 불순물 붕소(B)가 제1 비정질 실리콘층(310)의 하부영역(313)으로 확산(20) 될 수 있다.

따라서, 제1 비정질 실리콘층(310)의 하부영역(313)은 3족의 불순물과 비정질 실리콘이 결합되어 p형의 도전형으로 변화됨과 동시에 결정화될 수 있고, 하부영역(313) 상의 상부영역(312)은 i형의 도전형을 그대로 유지하면서 결정화될 수 있다.

결국, 하나의 반도체층인 제1 다결정 실리콘층(311)이 서로 다른 도전형이 적층된 구조로 형성되어, 결정화된 제1, 제2 다결정 실리콘층(311, 321)은 빛을 수광하여 전력을 생산할 수 있는 p형, i형, n형의 다결정 실리콘층이 적층된 광전소자(300)의 기능을 수행할 수 있다.

이러한 비정질 실리콘층의 결정화 방법으로는 SPC(Solid Phase Crystallization), ELA(Excimer Laser Annealing), SLS(Sequential Lateral Solidification), MIC(Metal Induced Crystallization), 및 MILC(Metal Induced Lateral Crystallization) 중 어느 하나의 방법을 사용할 수 있는데, 상기의 비정질 실리콘의 결정화 방법은 공지의 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 본 명세서에서는 생략하기로 한다.

다음으로, 도 4를 참조하면, 제2 다결정 실리콘층(321) 상에 전도성 재질의 상부전극(500)을 형성할 수 있다. 상부전극(500)의 재질은 ITO(Indium-Tin-Oxide), ZnO(Zinc Oxide), IZO(indium zinc oxide), AZO(ZnO:Al), FSO(SnO:F) 중 어느 하나인 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 상부전극(500)의 형성 방법으로는 스퍼터링과 같은 물리기상 증착법 및 LPCVD, PECVD, MOCVD와 같은 화학기상 증착법 등을 포함할 수 있다.

이와 같이, 하부전극(200)에 포함된 불순물을 열처리에 의해 확산시킴으로써, 두개의 반도체층만 형성하여도 p-i-n 타입의 태양전지를 얻을 수 있다. 따라서, 태양전지에 별도로 p형 반도체층을 형성할 필요가 없어 제조공정을 획기적으로 개선시킬 수 있고, p형과 i형 반도체층 간의 계면특성을 향상시켜 광전 변환 효율성을 향상시킬 수 있다.

또한, 하부전극(200)의 불순물 농도를 조절하거나, 열처리 온도와 시간을 조절함으로써, 불순물의 확산을 제어할 수 있어 p형 반도체층(하부영역)의 두께를 적절하게 형성할 수 있다. 이때, 한번의 열처리로 결정화를 동시에 달성할 수 있다는 장점도 있다.

탠덤형 태양전지

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전소자의 다른 구성을 나타내는 도면이다.

도 5를 참조하면, 이상에서 설명된 제1, 제2 다결정 실리콘층(311, 321)으로 구성된 다결정 광전소자(300) 상에 다른 광전소자가 더 형성될 수 있는데, 이러한 다른 광전 소자는 비정질 실리콘층인 상부 제1, 제2, 제3 비정질 실리콘층(410, 420, 430)이 적층된 비정질 광전소자(400)일 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 다결정 광전소자(300)와 비정질 광전소자(400)가 탠덤 구조로 형성될 수 있어, 다양한 파장대의 빛을 수광할 수 있는 광전 변환 효율이 향상된 태양전지를 구현할 수 있다. 이러한 탠덤 구조는 광전소자가 삼중 이상으로 적층된 다중 접합 구조를 포괄적으로 의미할 수 있다.

한편, 다결정 광전소자(300)는 앞서 설명된 바와 같이 제1, 제2 다결정 실리콘층(311, 321)을 모두 형성한 후에 이들 층을 동시에 결정화시키는 것으로 설명하고 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 하나의 비정질 실리콘층 마다 결정화 공정을 별도로 진행할 수도 있다.

또한, 도시되지는 않았지만 제1 다결정 실리콘층(311), 제2 다결정 실리콘층(321)은 다결정 실리콘의 성질을 보다 향상시키기 위하여 결함 제거 공정을 추가로 진행할 수 있다. 본 발명에서는 다결정 실리콘층을 고온 열처리하거나 수소 플라즈마 처리하여 다결정 실리콘층 내에 존재하는 결함(예를 들어, 불순물 및 댕글링 본드 등)을 제거할 수 있다.

이상의 상세한 설명에서 본 발명은 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 기판

200: 하부전극

300: 다결정 광전소자

310: 제1 비정질 실리콘층

311: 제1 다결정 실리콘층

312: 상부영역

313: 하부영역

320: 제2 비정질 실리콘층

321: 제2 다결정 실리콘층

400: 비정질 광전소자

500: 상부전극

Claims

기판;

상기 기판 상에 형성되는 불순물을 포함하는 하부전극;

상기 하부전극 상에 형성되고, 상기 하부전극으로부터 확산된 상기 불순물을 포함하는 하부영역과 상기 하부영역 상에 형성된 상부영역을 포함하는 제1 반도체층;

상기 제1 반도체층 상에 형성되고 상기 불순물과 상이한 불순물을 포함하는 제2 반도체층; 및

상기 제2 반도체층 상에 형성되는 상부전극

을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
제1항에 있어서,

상기 하부전극은 ZnO(Zinc Oxide)인 것을 특징으로 하는 태양전지.
제1항에 있어서,

상기 불순물은 3족 물질인 것을 특징으로 하는 태양전지.
제3항에 있어서,

상기 불순물은 붕소(B)인 것을 특징으로 하는 태양전지.
제1항에 있어서,

상기 상이한 불순물은 5족 물질인 것을 특징으로 하는 태양전지.
제1항에 있어서,

상기 제1 반도체층의 하부, 상부영역과 상기 제2 반도체층은 각각 p, i, n형의 도전형인 것을 특징으로 하는 태양전지.
제1항에 있어서,

상기 제1, 제2 반도체층은 다결정 반도체층인 것을 특징으로 하는 태양전지.
(a) 기판 상에 불순물을 포함하는 하부전극을 형성하는 단계;

(b) 상기 하부전극 상에 제1 비정질 반도체층을 형성하는 단계;

(c) 상기 제1 비정질 반도체층 상에 상기 불순물과 상이한 불순물을 포함하는 제2 비정질 반도체층을 형성하는 단계;

(d) 열처리를 수행하여 상기 제1 비정질 반도체층 하부영역에 상기 불순물을 확산시킴과 동시에, 상기 제1, 제2 비정질 반도체층을 제1, 제2 다결정 반도체층으로 결정화시키는 단계; 및

(e) 상기 제2 다결정 반도체층 상에 상부전극을 형성하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
제8항에 있어서,

상기 하부전극은 BZO(ZnO:B)로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
제8항에 있어서,

상기 불순물은 3족 물질인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
제10항에 있어서,

상기 불순물은 붕소(B)인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
제8항에 있어서,

상기 상이한 불순물은 5족 물질인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
제8항에 있어서,

상기 제1 반도체층의 하부영역과 상기 하부영역 상의 상부영역 및 상기 제2 반도체층은 각각 p, i, n형의 도전형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.