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KR101000064B1 - 이종접합 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

이종접합 태양전지 및 그 제조방법 Download PDF

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KR101000064B1
KR101000064B1 KR1020070133437A KR20070133437A KR101000064B1 KR 101000064 B1 KR101000064 B1 KR 101000064B1 KR 1020070133437 A KR1020070133437 A KR 1020070133437A KR 20070133437 A KR20070133437 A KR 20070133437A KR 101000064 B1 KR101000064 B1 KR 101000064B1
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solar cell
silicon substrate
crystalline silicon
heterojunction solar
passivation layer
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어영주
김진아
윤주환
정일형
김종환
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엘지전자 주식회사
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Abstract

이종접합 태양전지 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명은 이종접합 태양전지에 있어서 결정질 실리콘 기판과 불순물로 도핑된 패시베이션 층이 pn접합을 이룸으로써 전자와 정공의 재결합이 최소화되어 그 효율이 극대화되는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 이종접합(hetero-junction) 태양전지에 있어서, 결정질 실리콘 기판, 및 상기 결정질 실리콘 기판 층 상부에 형성되며 불순물로 도핑된 패시베이션(passivation)층을 포함하는 이종접합 태양전지를 제공한다.
이종접합 태양전지, 패시베이션 층, 확산법, 재결합, pn접합

Description

이종접합 태양전지 및 그 제조방법{HETERO-JUNCTION SILICON SOLAR CELL AND FABRICATION METHOD THEREOF}
본 발명은 이종접합 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 이종접합 태양전지에 있어서 결정질 실리콘 기판과 불순물로 도핑된 패시베이션 층을 이용하여 pn접합을 이루게 함으로써 전자와 정공의 재결합을 최소화시켜 효율을 극대화하는 이종접합 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 치솟는 유가 상승과 지구환경문제와 화석에너지의 고갈, 원자력발전의 폐기물처리 및 신규발전소 건설에 따른 위치선정 등의 문제로 인하여 신·재생에너지에 대한 관심이 고조되고 있으며, 그 중에서도 무공해 에너지원인 태양전지에 대한 연구개발이 활발하게 진행되어 지고 있다.
태양전지란 광기전력 효과(Photovoltaic Effect)를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치로서, 그 구성 물질에 따라서 실리콘 태양전지, 박막 태양전지, 염료감응 태양전지 및 유기고분자 태양전지 등으로 구분된다. 이러한 태 양전지는 독립적으로는 전자시계, 라디오, 무인등대, 인공위성, 로켓 등의 주전력원으로 이용되고, 상용교류전원의 계통과 연계되어 보조전력원으로도 이용되며, 최근 대체 에너지에 대한 필요성이 증가하면서 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다.
이러한 태양전지에서는, 입사되는 태양 광을 전기 에너지로 변환시키는 비율과 관계된 변환효율(Efficiency)을 높이는 것이 매우 중요하다. 변환효율을 높이기 위해서 여러가지 연구가 행해지고 있으며, 높은 광흡수 계수를 갖는 박막을 태양전지에 포함시킴으로써 변환효율을 높이고자 하는 기술 개발이 활발히 진행되고 있다.
한편, 태양광을 이용한 태양전지는 p-n 접합에 사용되는 p 영역과 n 영역의 성질에 따라 동종접합(homojunction) 태양전지와 이종접합(heterojunction) 태양전지로 나눌 수 있는데, 이중 이종 접합 태양전지는 서로 다른 결정구조 또는 서로 다른 물질로 결합되는 구조를 갖는다.
도 1은 종래 실리콘 이종접합 태양전지를 모식적으로 나타낸 단면도이다. 먼저, 도 1a는 이종접합 태양전지의 기본적인 구조를 도시한다.
도 1a를 참조하면 종래의 실리콘 이종접합 태양전지는 베이스(base)로서의 결정질 실리콘(c-Si) 기판(111) 상에 플라즈마 화학기상 증착(PECVD)을 이용하여 이미터(emitter)로서의 비정질 실리콘(a-Si) 층(113) 이 증착된 비정질/결정질 pn 다이오드 구조로서, 광이 들어오는 전면에는 투명전도성산화막(Transparent conductive oxide;TCO; 115)이 형성되어 있고, 후면에는 알루미늄(Al) 등의 재질로 이루어지는 하부전극(117)이 형성된 형태이다.
도 1a와 같은 비정질/결정질 실리콘 이종접합 태양전지는 기존의 확산형 결정질 실리콘 태양전지에 비해 낮은 온도에서 제작이 가능하며 높은 개방전압을 갖기 때문에 많은 관심이 집중되고 있다. 이러한 이종접합 태양전지의 특성을 좌우하는 가장 큰 요인으로는 비정질 실리콘 층(113)과 결정질 실리콘 기판(111) 사이의 계면에 있어서 미결합손(dangling bond) 등에 의해 발생하는 결함밀도(defect density)인 것으로 알려져 있다. 즉, 상기 계면의 결함 밀도가 큰 경우에는 태양광에 의해 생성된 전자, 정공의 재결합률(recombination rate)이 증가하여 태양전지의 효율을 저하시키게 되는 것이다. 이러한 결함이 생기는 원인으로서는 베이스로서의 결정질 실리콘 기판(111)의 표면 결함 외에 플라즈마 노출에 따른 데미지(damage)와 비정질 실리콘 층(113)에 존재하는 불순물(dopant) 등에 의한 영향들이 있을 수 있으며, 이러한 계면 결함을 줄이기 위해서 다양한 표면처리방법, 성장방법들이 연구되었다.
도 1b는 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 이종접합 태양전지로서, 일본 산요(Sanyo)사에서 판매되고 있는 HIT(Heterojunction with Intrinsic Thin film) 셀 태양전지의 구조를 나타낸다.
도 1b를 참조하면, HIT 셀 태양전지의 가장 큰 특징은, n형 결정질 실리콘 기판(121)과 p형 비정질 실리콘 층(123) 사이에 인트린식(intrinsic) 비정질 실리콘 층(122)이 도입되어 있는 것이다. 인트린식 비정질 실리콘 층(122)은 전자의 수와 정공의 수가 동일한 수를 포함하고 있는 순수에 가까운 비정질 실리콘 층으로서 이를 이용하여 결정질 실리콘 기판(121)과 비정질 실리콘 층(124) 사이 계면의 결함 등으로 인한 전자와 정공의 재결합을 막을 수 있는 것이다.
한편, 도 1c는 산요(Sanyo) 사에서 최근 개발하여 시판하고 있는 DS HIT 셀 태양전지의 구조로서, 상기 도 1b의 HIT 셀 태양전지와 실질적으로 같은 구조, 즉, n형 결정질 실리콘 기판(131)과 p형 비정질 실리콘 층(133) 사이에 인트린식(intrinsic) 비정질 실리콘 층(132)이 도입되어 있는 구조를 갖는 이종접합 태양전지로서 결정질 실리콘 기판(131) 후면에 텍스쳐링(texturing) 구조(136) 및 후면 전계 형성층(BSF; 138)이 적용되어 있는 구조이다.
텍스쳐링 구조(136)는 결정질 실리콘 기판(131)의 표면을 소정 형태로 에칭(etching) 처리함으로써 반사율을 낮추고 빛을 모아주는 역할을 할 수 있도록 표면처리되어있는 구조이다. 한편, 후면 전계 형성층(138)은 하부전극(139)으로서의 알루미늄을 도포한 후에 고온에서 열처리해줌으로써 형성되는데, 이러한 후면 전계 형성층(138)에 의해서 하부전극(139)의 알루미늄이 결정질 실리콘 기판(131) 후면에서 불순물로 작용하여 기판(131) 후면을 p++형으로 변환시키게 되고, 이러한 p++ 층은 빛에 의해 생성된 전자의 후면 재결합을 줄여주어 태양전지의 효율을 높여주게 되는 것이다.
그러나, 이종접합 태양전지에 있어서, p형 결정질 실리콘 기판 상에 n형 비정질 실리콘 층을 증착하는 비정질/결정질 np 이종접합 태양전지의 구조는 상기 도 1a 내지 도 1c를 참조하여 설명한 n형 결정질 실리콘 기판 상에 p형 비정질 실리콘 층을 증착한 비정질/결정질 pn 이종접합 실리콘 태양전지에 비해 낮은 효율을 보이 는 문제가 있다. 또한, 비정질/결정질 이종접합 태양전지의 제조는 기존의 확산형 결정질 실리콘 태양전지의 제조에 비해 많은 진공 증착 장비를 요구하므로 제조공정 시간이 길고 제조 비용이 비싸지는 등의 문제가 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 이종접합 태양전지에 있어서 결정질 실리콘 기판과 불순물로 도핑된 패시베이션 층이 pn접합을 이룸으로써 전자와 정공의 재결합이 최소화되어 그 효율이 극대화된 이종접합 태양전지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은, 이종접합 태양전지의 제조에 있어서 종래 확산형 실리콘 태양전지의 제조에 사용되었던 확산법을 그대로 이용함으로써 이종접합 태양전지의 장점인 높은 개방 전압과 종래 확산형 실리콘 태양전지의 장점인 높은 단락 전류와 충진률, 빠른 공정시간, 낮은 제조 단가를 모두 취할 수 있는 이종접합 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 이종접합(hetero-junction) 태양전지에 있어서, 결정질 실리콘 기판, 및 상기 결정질 실리콘 기판 층 상부에 형성되며 불순물로 도핑된 패시베이션(passivation)층을 포함하는 이종접합 태양전지가 제공된다.
상기 결정질 실리콘 기판은 p형 결정질 실리콘 기판이며, 상기 불순물은 n 형 불순물일 수 있다.
상기 결정질 실리콘 기판은 n형 결정질 실리콘 기판이며, 상기 불순물은 p 형 불순물일 수 있다.
상기 패시베이션은, 산화 실리콘(SiO2), 탄화 실리콘(SiC), 질화 실리콘(SiNx), 진성(intrinsic) 비정질 실리콘 중 어느 하나일 수 있다.
상기 결정질 실리콘 기판의 하면에는 텍스쳐링(texturing) 구조가 형성될 수 있다.
상기 이종접합 태양전지는 상기 결정질 실리콘 기판의 하부에 형성되는 전계 형성층, 및 상기 전계 형성층 하부에 형성되는 하부 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 이종접합 태양전지는 상기 패시베이션층 상부에 형성되는 반사방지막을 더 포함할 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 이종접합 태양전지의 제조방법에 있어서, (a) 결정질 실리콘 기판 상부에 패시베이션층을 형성하는 단계, 및 (b) 상기 결정질 실리콘 기판과 상기 패시베이션층 사이의 접합을 형성하기 위해 상기 패시베이션층을 불순물로 도핑하는 단계를 포함하는 이종접합 태양전지의 제조방법이 제공된다.
상기 결정질 실리콘 기판은 p형 결정질 실리콘 기판이며, 상기 불순물은 n 형 불순물일 수 있다.
상기 결정질 실리콘 기판은 n형 결정질 실리콘 기판이며, 상기 불순물은 p 형 불순물일 수 있다.
상기 (b) 단계는, 상기 패시베이션층이 형성된 상기 결정질 실리콘 기판을 노(furnace)에 주입하고 상기 불순물을 상기 노 내부로 흘려주는 확산법에 의해 수행될 수 있다.
상기 (a) 단계에서 상기 패시베이션 층의 재질은, 산화 실리콘(SiO2), 탄화 실리콘(SiC), 질화 실리콘(SiNx), 진성(intrinsic) 비정질 실리콘 중 어느 하나로 할 수 있다.
상기 이종접합 태양전지의 제조방법은, 상기 (a) 단계 이전에, 상기 결정질 실리콘 기판 하면에 텍스쳐링 구조를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 이종접합 태양전지의 제조방법은, 상기 (b) 단계 이후에, (c) 상기 패시베이션층 상부에 반사방지막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 이종접합 태양전지의 제조방법은, 상기 (c) 단계 이후에, 상기 반사방지막 상부에 상부 전극을 형성하고, 상기 결정질 실리콘 기판 하부에 하부 전극을 형성하는 단계, 및 열처리하여 상기 하부 전극 중 상기 결정질 실리콘 기판 하면과 접촉하는 부분에 전계 형성층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 하부 전극의 재질은 알루미늄(Al)으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 이종접합 태양전지에 있어서 결정질 실리콘 기판과 불순물로 도핑된 패시베이션 층이 pn접합을 이룸으로써 pn계면의 결함이 최소화되고, 이에 따라 전자와 정공의 재결합이 최소화되어 그 효율이 극대화될 수 있다.
또한, 이종접합 태양전지의 제조에 있어서 종래 확산형 실리콘 태양전지의 제조에 사용되었던 확산법을 그대로 이용함으로써 이종접합 태양전지의 장점인 높은 개방 전압과 종래 확산형 실리콘 태양전지의 장점인 높은 단락 전류와 충진률, 빠른 공정시간, 낮은 제조 단가를 모두 취할 수 있다.
이하, 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태들을 상세하게 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 이종접합 태양전지의 구조를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 2에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 이종접합 태양전지(200)는 p형 결정질 실리콘 기판(201) 상에 차례로 증착되는 패시베이션(passivasion) 층(203), 반사방지막(205), 상부 전극(209), 및 상기 기판(201) 하면에 차례로 형성되는 텍스쳐링 구조(206), 전계 형성층(BSF; 207), 하부 전극(208)을 포함한다.
이종접합 태양전지(200)는 비정질/결정질 np 이종접합 구조로서, p 형 결정질 실리콘 기판(201) 상에 n형 비정질 실리콘 층으로 기능하는 패시베이션 층(203)이 증착되어 있다. 한편, 이종접합 태양전지(200)는 n형 비정질 실리콘 층을 별도로 포함하는 것이 아니라 n형으로 도핑된 패시베이션 층(203)을 이용하여 pn 접합을 형성한다. 패시베이션 층(203)의 도핑에 대해서는 후에 상세하게 설명하도록 한다.
패시베이션 층(203)은 이종접합 태양전지(200)에서 비정질 실리콘과 결정질 실리콘 사이 경계면에서의 전자와 정공의 재결합을 최대한으로 방지하기 위한 층이다. p형 결정질 실리콘 기판(201)과 n형으로 도핑된 패시베이션 층(203)이 pn 접합을 이루고 있는 이종접합 태양전지(200)에서는 패시베이션 층(203)이 그 자체로서 n형 비정질 실리콘 층으로서 기능함과 동시에 p형 결정질 실리콘 기판(201) 과의 경계에서 보호막으로서의 기능을 하게 되어 pn 접합에서의 경계면에서 발생할 수 있는 결함 등을 최소화함으로써 전자와 정공의 재결합을 최대한 방지한다.
패시베이션 층(203)은 p형 결정질 실리콘 기판(201) 상에 수 nm 내지 수십 nm 의 두께로 증착될 수 있으며, 이 경우 후에 설명할 재질의 특성에 의해 반사방지막(209)과 더불어 이중 반사방지막으로서의 기능도 할 수 있다.
패시베이션 층(203)의 재질은 p형 결정질 실리콘 기판(201) 표면을 보호하여 전자-정공의 재결합 원인이 되는 결함을 최소화할 수 있는 재질로 하는 것이 바람직하다. 이러한 물질로서는, 산화 실리콘(SiO2), 탄화 실리콘(SiC), 질화 실리콘(SiNx), 또는 인트린식(intrinsic) 비정질 실리콘 등을 예로 들 수 있다. 한편, 이러한 재질을 가지며 n형으로 도핑된 패시베이션 층(203)이 n형 비정질 실리콘 층으로 기능하게 됨에 따라 종래 이종접합 태양전지의 비정질 실리콘 층에 비해 직렬 저항이 감소되어, 이종접합 태양전지(200)의 안정성과 재연성이 높아지게 된다.
반사방지막(205)은 이종접합 태양전지(200)의 상부에서 입사되는 태양광의 반사를 최소화시키기 위한 막이다. 또한, 반사방지막(205)은 n형 비정질 실리콘 층 으로서 기능하는 패시베이션 층(203)에서 태양광에 의해 생성되는 전자의 재결합을 최소화시켜 상부 전극(209)으로 보내주기도 한다. 이에 의해 패시베이션 층(203)과 반사방지막(205) 모두 전자의 재결합을 최소화시켜주게 되어 태양전지의 효율이 최대화될 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 패시베이션 층(203)과 반사방지막(205)이 이중 반사 방지막으로서의 기능도 하게 되어 태양전지의 효율은 더욱더 극대화될 수 있다.
반사방지막(205)은 SiNx 등의 물질을 이용하여 형성시킬 수 있으며, 그 형성방법으로는 플라즈마 화학기상 증착법(PECVD) 등이 이용될 수 있으며, 약 100 nm 정도의 두께로 증착하는 것이 바람직하다.
텍스쳐링 구조(206)는 p형 결정질 실리콘 기판(201)의 하면에 형성된다. 이는 p형 결정질 실리콘 기판(201)의 하부 표면을 에칭(etching) 등의 공지 기술을 이용하여 표면 처리함으로써 형성될 수 있다. 텍스쳐링 구조(206)는 이종접합 태양전지(200)로 입사되는 태양광의 반사율을 낮추고 광을 모아주는 기능을 하며, 그 모양은 피라미드 모양, 정사각형 벌집모양, 삼각형 벌집모양 등이 될 수 있다.
전계 형성층(207)은, 하부전극(208)이 결정질 실리콘 기판(201) 하면에서 불순물로 작용하여 기판(201) 하면을 p++ 형으로 변환시키게 하고, 이러한 p++ 층이 빛에 의해 생성된 전자의 기판(201) 하면 재결합을 최소화시켜 태양전지의 효율을 높일 수 있도록 한다. 전계 형성층(207)은 하부전극(208)을 결정질 실리콘 기판(201) 하면에 인쇄한 후 열처리함으로써 얻어질 수 있으며, 이에 대해서는 후에 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 이종접합 태양전지(200)는 패시베이션 층(203)이 pn 접합에서의 n형 비정질 실리콘 층으로서 기능함과 동시에 결정질 실리콘과 비정질 실리콘 사이의 계면에서 보호막으로 작용하여 결함을 최소화함으로써 전자와 정공의 재결합을 최소화시켜 태양전지의 효율이 높아질 수 있다.
또한, 패시베이션 층(203)이 반사방지막(205)과 더불이 이중 반사 방지막으로 기능하게 되어, 태양전지(200)로 입사되는 태양광의 반사를 최소화하여 그 효율이 더욱더 높아지게 된다.
한편, 텍스쳐링 구조(206)에 의해서도 태양광의 반사가 최소화되고, 전계 형성층(207)에 의해서도 전자의 재결합이 최소화되어 이종접합 태양전지(200)의 효율이 극대화될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 이종접합 태양전지의 구조를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 3의 이종접합 태양전지(300)는 도 2의 이종접합 태양전지(200)와 실질적으로 동일한 구성을 갖는다. 다만, 기판(301)이 n형 결정질 실리콘이고, 패시베이션 층(303)이 p 형으로 도핑되어 p형 비정질 실리콘 층으로 기능하여 np 접합을 이루는 구성이라는 점에서 차이가 있다.
이종접합 태양전지(300)에서 또한 패시베이션 층(303)이 np 접합을 이루는 p형 비정질 실리콘 층으로 기능함과 동시에 보호막으로서 기능하여 전자와 정공의 재결합을 최소화시키는 기능을 한다.
이종접합 태양전지(200)와 이종접합 태양전지(300)의 효율은 동일하며, 필요에 따라 선택적으로 구현 가능하다.
도 4는 도 2의 이종접합 태양전지(200)의 제조 과정을 설명하는 공정도이다. 이하, 도 4를 참조하여 이종접합 태양전지(200)의 제조 과정을 설명하도록 한다.
먼저, 도 4a에 도시되는 바와 같이 p형 결정질 실리콘 기판(201)의 하부 표면을 처리하여 텍스쳐링 구조(206)를 형성시킨다. 표면 처리 방식으로는 에칭 등의 공지 기술을 이용할 수 있으며, 텍스쳐링 구조(206)의 형태는 피라미드 모양 또는 사각형 벌집 모양 등 다양한 형태로 형성시킬 수 있다.
그 후, 도 4b에 도시되는 바와 같이, p형 결정질 실리콘 기판(201) 상부에 패시베이션 층(203)을 형성시킨다. 패시베이션 층(203)의 형성은 플라즈마 화학기상 증착법(PECVD) 등 공지의 증착법을 이용하여 수행될 수 있다. 패시베이션 층(203)의 재질은 전술한 바와 같이 산화 실리콘(SiO2), 탄화 실리콘(SiC), 질화 실리콘(SiNx), 또는 인트린식(intrinsic) 비정질 실리콘 등으로 할 수 있으며, 상기 증착은 패시베이션 층(203)의 이중 반사 방지막으로서의 기능을 고려하여 수 nm 내지 수십 nm 의 두께로 하는 것이 바람직하다.
그 후, 4c에 도시되는 바와 같이, 이종접합 태양전지에 있어서 pn 접합을 이루기 위해 패시베이션 층(203)을 n형으로 도핑시킨다. 이는 패시베이션 층(203)을 n형 불순물(예를 들면, 5가인 인(P))로 도핑하여 패시베이션 층(203)을 n형으로 변환시킴으로써 수행된다.
도핑 방법으로는 기존의 확산법을 그대로 이용할 수 있다. 즉, 패시베이션 층(203)이 증착되어 있는 p형 결정질 실리콘 기판(201)을 고온의 노(furnace)에 주입하고 약 850℃에서 n형 불순물(예를 들면, POCl3)를 상기 노 내부로 흘려주어 도핑시키는 방법을 이용할 수 있다. 또한, 이온 임플란테이션(ino implatation)법을 이용하여 패시베이션 층(203)에 n형 분순물을 직접 주입함으로써 n 형으로 도핑된 패시베이션 층(203)을 얻을 수도 있다.
이렇게 종래 확산형 실리콘 태양전지의 제조에 사용되었던 확산법, 즉, p형 실리콘 기판에 포함된 p형 불순물(예를 들면, 3가인 붕소(B))보다 더욱 높은 농도로 n형 불순물(예를 들면, 5가인 인(P))을 도핑하여 n+ 형 이미터(emitter)를 형성하는 확산법을 그대로 이용할 수 있음으로써, 종래 확산형 실리콘 태양전지의 장점인 높은 단락 전류와 충진률, 빠른 공정시간, 낮은 제조 원가 등을 모두 취할 수 있게 된다.
패시베이션 층(203)의 도핑 과정에서는 불필요한 산화막이 생길 수 있는데, 이러한 불필요한 산화막은 도 4d에 도시되는 바와 같이 에칭 등에 의해 제거되고, 이와 함께 가장자리를 정리하는 에지 아이솔레이션(edge isolation) 공정이 더 수행될 수 있다. 상기 산화막 제거 방법으로는 불산 용액을 이용한 습식 에칭법 등 공지의 기술을 이용하여 수행될 수 있다.
그 후, 도 4e에 도시되는 바와 같이, 패시베이션 층(203) 상에 반사방지막(205)을 형성시킨다. 반사방지막(205)은 화학기상 증착법(PECVD) 등의 증착법을 이용하여 증착될 수 있으며, 질화 실리콘(SiNx) 등의 물질을 이용할 수 있다. 그 두께는 약 100 nm 정도로 하는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 4f에 도시되는 바와 같이, 상부 전극(209)과 하부 전극(208)을 형성시키고, 열처리하여 전계 형성층(207)을 형성시킨다.
상부 전극(209)은 은(Ag) 등의 물질을 사용하여 형성시킬 수 있으며, 형성 방법으로는 스크린 인쇄법(Screen printing) 등을 이용할 수 있고, 후의 열처리 공정을 거치면, 상부 전극(209)이 반사 방지막(205)을 뚫고 들어가 n 형 비정질 실리콘 층으로 기능하는 패시베이션 층(203)과 전기적인 접촉을 이루게 된다. 한편, 상부 전극(209)의 형성 두께는 약 15㎛ 정도로 하는 것이 바람직하다.
하부 전극(208)은 알루미늄(Al) 등의 물질을 사용하여 형성시킬 수 있으며, 역시 스크린 인쇄법 등을 이용하여 형성할 수 있다. 상부 전극(209)과 하부 전극(208)을 인쇄한 후, 고온(약 750~900℃)에서 열처리하면, 하부 전극(208) 중 p형 결정질 실리콘 기판(201)의 하면과 접촉된 부분이 전계 형성층(207)으로 형성되게 된다. 이러한 전계 형성층(207)이 태양광에 의해 생성된 전자의 후면 재결합을 줄여주어 태양전지의 효율을 높여주게 된다. 한편, 하부 전극(208)의 형성 두께는 약 20~30㎛로 하는 것이 바람직하다.
도 3의 이종접합 태양전지(300)의 제조는 도 4를 참조하여 설명한 이종접합 태양전지(200)의 제조 과정에서 p형 결정질 실리콘 기판(201) 대신 n형 결정질 실리콘 기판(301)을 사용하고, 패시베이션 층(203)을 n형으로 도핑하는 대신 패시베 이션 층(303)을 p형으로 도핑하는 점만이 차이가 있을 뿐, 그 제조 과정은 실질적으로 동일하다.
본 발명의 이종접합 태양전지(300)의 제조 과정에서는 종래 확산형 실리콘 태양전지의 제조에 사용되었던 확산법을 그대로 사용할 수 있음에 따라, 이종접합 태양전지의 장점인 높은 개방 전압을 달성할 수 있음과 동시에 확산형 실리콘 태양전지의 장점인 높은 단락 전류와 충진률, 빠른 공정시간, 낮은 제조 단가를 모두 취할 수 있게 된다.
한편, 전술한 바와 같이 패시베이션 층(203)에 의해 pn 접합 또는 np 접합 계면에서의 전자-정공 재결합이 최소화되어 이종접합 태양전지의 효율이 극대화될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시형태 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명 이 상기의 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시형태에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도 1a는 종래 이종접합 태양전지의 기본적인 구조를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 1b는 일본 산요(Sanyo)사에서 판매하고 있는 HIT(Heterojunction with Intrinsic Thin film) 셀 태양전지의 구조를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 1c는 산요(Sanyo) 사에서 판매하고 있는 DS HIT 셀 태양전지의 구조모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 이종접합 태양전지의 구조를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 3는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 이종접합 태양전지의 구조를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 2의 이종접합 태양전지를 제조하는 과정을 나타내는 공정도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
201, 301: 결정질 실리콘 기판
203, 303: 패시베이션(passivasion) 층
205, 305: 반사방지막
206, 306: 텍스쳐링(texturing) 구조
207, 307: 전계 형성층
208, 308: 하부전극
209, 309: 상부전극

Claims (17)

  1. 제1 도전형을 갖는 결정질 실리콘 기판;
    상기 결정질 실리콘 기판상에 형성되고, 상기 제1 도전형과 반대의 제2 도전형을 갖는 불순물로 도핑되어 상기 결정질 실리콘 기판과 PN 접합을 이루는 패시베이션(passivation)층;
    상기 패시베이션층과 전기적으로 연결된 제1 전극; 및
    상기 결정질 실리콘 기판과 전기적으로 연결된 제2 전극;을 포함하는 이종접합 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 결정질 실리콘 기판은 p형 결정질 실리콘 기판이며, 상기 불순물은 n 형 불순물인 것을 특징으로 하는 이종접합 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 결정질 실리콘 기판은 n형 결정질 실리콘 기판이며, 상기 불순물은 p 형 불순물인 것을 특징으로 하는 이종접합 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 패시베이션 층의 재질은, 산화 실리콘(SiO2), 탄화 실리콘(SiC), 질화 실리콘(SiNx) 및 인트린식(intrinsic) 비정질 실리콘 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이종접합 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 결정질 실리콘 기판의 상면 및 하면 중 적어도 일면에는 텍스쳐링(texturing) 구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 이종접합 태양전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 결정질 실리콘 기판과 상기 제2 전극 사이에 후면전계층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이종접합 태양전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 패시베이션층 상부에 형성되는 반사방지막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이종접합 태양전지.
  8. 제1 도전형을 갖는 결정질 실리콘 기판 상부에 패시베이션(passivation)층을 형성하는 단계;
    상기 결정질 실리콘 기판과 PN 접합을 형성하기 위해 상기 패시베이션층을 상기 제1 도전형과 반대의 제2 도전형을 갖는 불순물로 도핑하는 단계;
    상기 패시베이션층상에 제1 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 결정질 실리콘 기판상에 제2 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 이종접합 태양전지의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 결정질 실리콘 기판은 p형 결정질 실리콘 기판이며, 상기 불순물은 n 형 불순물인 것을 특징으로 하는 이종접합 태양전지의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 결정질 실리콘 기판은 n형 결정질 실리콘 기판이며, 상기 불순물은 p 형 불순물인 것을 특징으로 하는 이종접합 태양전지의 제조방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 불순물은 열확산법 또는 이온주입법에 의해 도핑하는 것을 특징으로 하는 이종접합 태양전지의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 열확산법은, 상기 패시베이션 층이 형성된 상기 결정질 실리콘 기판을 노(furnace)에 주입하고 상기 불순물을 상기 노 내부로 흘려주는 확산법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 이종접합 태양전지의 제조방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 패시베이션층은, 산화 실리콘(SiO2), 탄화 실리콘(SiC), 질화 실리콘(SiNx) 및 인트린식(intrinsic) 비정질 실리콘 중 적어도 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 이종접합 태양전지의 제조방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 결정질 실리콘 기판의 상면 또는 하면 중 적어도 일면에 텍스쳐링 구조를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이종접합 태양전지의 제조방법.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 패시베이션 층 상부에 반사방지막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이종접합 태양전지의 제조방법.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 제2 전극과 상기 결정질 실리콘 기판이 접촉하는 부분에 후면전계층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이종접합 태양전지의 제조방법.
  17. 제8항에 있어서,
    상기 제2 전극의 재질은 알루미늄(Al)으로 하는 것을 특징으로 하는 이종접합 태양전지의 제조방법.
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