KR101161209B1 - 함몰 전극형 ｈｉｔ 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 함몰전극형 HIT 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 실리콘 기판(100)의 전면과 후면에 전극 형성용 홈(groove)(102)을 형성한다. 상기 홈(102)이 형성되면 상기 전면과 후면의 전면적에 대해 수소가 함유된 진성 아몰퍼스-실리콘(intrinsic a-Si:H)(104)을 박막 형성한다. 상기 박막 형성된 진성 아몰퍼스-실리콘층(104) 상에 상기 실리콘 기판(100)의 타입에 따라 서로 반대되는 타입의 수소가 함유된 아몰퍼스-실리콘(a-Si:H)(106)을 형성한다. 상기 형성된 수소가 함유된 아몰퍼스-실리콘층(106) 상에 TCO 층(108)을 형성한다. 그리고 상기 TCO층(108)까지 형성된 상태에서 상기 홈(102)에 전면전극(110a) 및 후면전극(110b)을 형성한다. 즉 HIT 태양전지의 전극 구조를 함몰 전극 형태로 한 것이다. 한편, 상기 전면전극(110a)과 후면전극(110b)이 시드층(seed layer)으로 사용될 경우, 상기 전면전극(110a)과 후면전극(110b) 위에 도금층(120)을 더 형성할 수도 있다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 높은 전압을 가지는 HIT 태양전지에서, 전극의 접촉 저항과 자체 저항을 감소할 수 있어 태양전지의 성능이 향상되는 이점이 있다.

태양전지, 함몰전극, HIT, 전극저항, 접촉저항

Description

함몰 전극형 ＨＩＴ 태양전지 및 그 제조방법{BURIED CONTACT TYPE SOLAR CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}

본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 특히 함몰 전극 타입을 가지는 태양전지에서의 전극 형성부분을 HIT 태양전지에 적용시킨 함몰 전극형 HIT 태양전지 및 제조방법에 관한 것이다.

태양전지는 전극의 형태에 따라 함몰 전극 타입(Buried Contact Type)과 HIT(Heterojunction Intricsic Thin Film) 타입으로 구분할 수 있다.

상기 함몰전극 타입 태양전지는 그 태양전지의 표면에 미세한 홈(groove)을 내고 홈 안에 전면전극을 형성한 구조를 가진다. 그렇기 때문에 전극의 종횡비(aspect ratio)를 높이고 접촉저항(contact 저항)을 감소시킬 수 있으며 전극의 자체저항(finger 저항)을 감소시킬 수 있다. 반면 홈 형성시 실리콘 웨이퍼 표면에 물리적인 손상이 유발될 수 있고, 특히 레이저(laser)를 사용할 경우 높은 온도로 인한 표면 재결정 현상이 발생한다.

상기 HIT 태양전지는 일본의 'Sanyo'사에서 개발한 제품명으로 비정질 실리 콘과 단결정 실리콘의 장점을 동시에 이용한 구조이다. 이 구조에서는 수소가 함유된 a-Si(amorphous Si:H)의 높은 밴드갭(약 1.7eV)에 의해 p-n접합이 되고 있어 높은 전압을 가지는 태양전지를 제조할 수 있다. 또한 a-Si:H의 수소 패시베이션(passivation)에 의한 높은 패시베이션 효과로 인하여 전하의 재결합을 감소시킬 수 있고, 전지의 전면과 후면에서 빛을 모두 흡수할 수 있어 높은 효율의 태양전지 구동이 가능하다. 반면, 금속보다 상대적으로 비저항이 큰 TCO(transparent conducting oxide) 물질을 사용하기 때문에 전면전극 및 후면전극에 의한 저항이 높고, 전극의 종횡비를 크게 하여 빛의 흡수를 방해하는 새도우 손실(shadowing loss)를 줄이기가 어렵다.

이와 같이 함몰전극 타입 태양전지와 HIT 태양전지는 일반적으로 많이 사용되고 있는 스크린 프린트 방법으로 제조된 전극 타입의 태양전지에 비하여 상술한 단점에 비해 높은 효율을 기대할 수 있다.

하지만, 상기 함몰전극 타입 태양전지는 생산 단가가 높고 공정이 복잡하기 때문에 보편적으로 사용되지 못하고 있는 실정이다.

반면, HIT 태양전지는 전면전극과 후면전극의 저항을 감소시킬 수만 있다면, 다른 타입의 태양전지에 비해 더욱 더 높은 효율을 제공할 수 있을 것이다. 즉 현재의 함몰전극 타입이나 HIT 타입의 태양전지의 구조를 개선하여 전극을 함몰시키는 구조를 상기 HIT 태양전지에 접목시키면, HIT 태양전지의 단점으로 지목되고 있는 전극의 자체 저항이나 접촉 저항을 줄일 수 있고 HIT 태양전지의 장점을 그대로 이용할 수 있을 것이다.

따라서 본 발명의 목적은 전극이 함몰된 상태로 형성되는 HIT 태양전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 HIT 태양전지에 형성되는 전극에 의해 발생하는 새도우 손실을 줄여 효율을 향상시키고자 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 HIT 태양전지에 형성되는 전극의 자체 저항 및 접촉 저항을 감소시키도록 하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 전면과 후면에 형성된 홈; 상기 홈을 포함하여 상기 반도체 기판의 전면과 후면에 형성되는 수소가 함유된 진성 아몰퍼스-실리콘 층; 상기 반도체 기판의 타입에 따라 전면과 후면에 형성된 상기 진성 아몰퍼스-실리콘 층에 서로 반대되는 타입으로 형성되는 수소가 함유된 아몰퍼스-실리콘 층; 상기 아몰퍼스-실리콘 층에 형성되는 TCO 층; 상기 TCO 층이 형성된 홈에 함몰타입으로 형성되는 전면전극 및 후면전극;을 포함하여 구성된다.

상기 전면전극 및 후면전극을 시드 층으로 사용할 경우 상기 전면전극과 후면전극상에 형성되는 도금층을 더 포함하여 구성된다.

상기 TCO 층은 투명하고 전기 전도도가 좋은 물질이 사용되되, ITO(Indium Tin Oxide), 산화아연이 도핑된 알루미늄(AZO), 산화주석(SnO2) 등을 들 수 있다.

상기 전면전극 및 후면전극은 전기전도도가 좋고 접착력이 좋은 금속물질로서, 니켈(Ni), 은(Ag), 알루미늄(Al) 등을 들 수 있다.

상기 도금층은 전기전도도가 좋고 상기 시드층과의 접촉과 도금이 잘 될 수 있도록 주석(Sn), 은(Ag), 티타늄(Ti), 구리(Cu) 등을 들 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 반도체 기판의 전면과 후면에 전극 형성용 홈을 형성하는 단계; 상기 전면과 후면의 전면적에 대해 수소가 함유된 진성 아몰퍼스-실리콘층을 박막 형성하는 단계; 상기 진성 아몰퍼스-실리콘층 상에 상기 반도체 기판 타입에 따라 서로 반대되는 타입의 수소가 함유된 아몰퍼스-실리콘 층을 형성하는 단계; 상기 아몰퍼스-실리콘 층에서 TCO 층을 형성하는 단계; 그리고, 상기 TCO층까지 형성된 상기 홈에 전면전극과 후면전극을 각각 형성하는 단계;를 포함하여 구성된다.

상기 전면전극과 후면전극 위에 도금을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 홈은 'dry laser', 'dicing saw', 'water jet guided laser', 'wet-chemical etching' 방법 중 하나의 방법으로 형성하도록 한다.

상기 수소가 함유된 아몰퍼스-실리콘층은 스퍼터링, 증발, PECVD, CVD 방식의 진공증착방식으로 형성시킨다.

본 발명에서는, 반도체 기판의 전면과 후면에 홈을 형성한 상태에서 헤테로 접합(heterojunction)과 TCO 층을 형성하고, 특히 상기 홈에 전면전극과 후면전극을 형성하고 있다. 즉 HIT 태양전지가 가지는 장점을 그대로 이용하면서 HIT 태양전지의 단점으로 지목되고 있는 전극에 의한 저항이 높은 문제점을 함몰전극 형태로 형성함으로써 해결하고 있다. 이에 따라 본 발명은 높은 전압을 가지면서도 전극의 자체저항 및 접촉저항은 감소하고 또 전극에 의한 새도우 손실이 감소되는 태양전지를 제공할 수 있는 효과가 있다.

이하 본 발명의 함몰 전극형 HIT 태양전지 및 그 제조방법의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명은 반도체 기판의 전면과 후면에 소정 크기의 홈을 판 상태에서 헤테로 접합(heterojunction)과 TCO층을 형성한 후, 상기 홈에 금속전극을 형성하는 것이다. 상기 헤테로 접합에 사용되는 물질은 수소가 함유된 진성 아몰퍼스-실리콘(intrinsic a-Si:H)과 수소가 함유되고 도핑된 아몰퍼스-실리콘(a-Si:H)이다. 이러한 과정을 도 1을 참조하여 자세하게 설명하기로 한다.

도 1에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 함몰 전극형 HIT 태양전지의 제조방법을 보인 흐름도가 도시되어 있다.

도 1을 보면, 먼저 소정 크기의 반도체 기판, 즉 실리콘 웨이퍼의 전면과 후면에 전극이 형성될 부분에 홈(groove)을 형성한다(s10). 상기 홈은 'dry laser', 'dicing saw', 'water jet guided laser', 'wet-chemical etching' 방법 등을 사용 하여 형성할 수 있다. 이때 상기 홈 형성부분에 손상을 최소화할 수 있는 방법이 적용되는 것이 바람직하다.

상기 홈이 형성되면, 상기 홈 표면을 포함하여 상기 실리콘 웨이퍼의 전면 및 후면에 수소가 함유된 진성 아몰퍼스-실리콘(intrinsic a-Si:H)을 증착하여 아몰퍼스-실리콘 박막을 형성한다(s20). 이때 상기 아몰퍼스-실리콘 박막은 홈 형성된 실리콘 웨이퍼의 표면을 따라 형성된다. 상기 박막 형성은 플라즈마화학기상증착(PECVD:Plasma-enhanced chemical vapor deposition) 및 화학기상증착(CVD:Chemical vapor deposition) 방법으로 할 수 있다.

상기 실리콘 웨이퍼의 전면에 형성된 상기 아몰퍼스-실리콘 박막 상에 수소가 함유된 P- 타입 아몰퍼스-실리콘 층을 증착하고, 상기 실리콘 웨이퍼의 후면에 형성된 상기 아몰퍼스-실리콘 박막상에 수소가 함유된 N- 타입 아몰퍼스-실리콘 층을 증착한다(s30). 이때 전면과 후면에 증착되는 아몰퍼스-실리콘의 타입은 상기 실리콘 웨이퍼의 타입에 따라 달라진다. 상기 P- 타입 아몰퍼스-실리콘 층과 N- 타입 아몰퍼스-실리콘 층은 PECVD 및 CVD 방법으로 증착된다.

상기 실리콘 기판에서의 P - N 접합이 완성되면, TCO(Transparent conducting oxide) 층을 형성한다(s40). 상기 TCO 층은 투명하고 전기 전도도가 좋은 산화물이 사용된다. 예로, ITO(Indium Tin Oxide), 산화아연이 도핑된 알루미늄(AZO), 산화주석(SnO2) 등이다. 상기 TCO은 스퍼터링(sputtering), PECVD, 증발 등의 진공증착방식과 잉크-젯 등의 페이스트(paste)를 이용하여 형성할 수 있다.

상기 실리콘 기판에 상기 수소가 함유된 진성 아몰퍼스-실리콘, 수소가 함유된 P 또는 N 타입 아몰퍼스-실리콘, TCO 층이 형성된 상태에서, 전면전극과 후면전극을 상기 홈에 형성한다(s50). 상기 전면전극과 후면전극에 사용되는 물질로는 전기전도도가 좋고 상기 홈과의 접착력이 우수해야 한다. 예를 들어, 니켈(Ni), 은(Ag), 알루미늄(Al) 등이 될 수 있다.

한편, 상기 전면전극과 후면전극을 시드 층(seed layer)으로 사용할 경우 그 위에 도금층을 형성한다. 도금물질로는 전기전도도가 우수하고 상기 시드층으로 사용되는 전극과의 접촉 및 도금이 우수한 물질이 사용된다. 예를 들어, 주석(Sn), 은(Ag), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 구리(Cu) 등이 될 수 있다.

그와 같은 공정으로 완성된 태양전지는, HIT 태양전지의 장점은 그대로면서 함몰 형상으로 전극을 형성하였을 때의 장점도 나타낼 수 있다. 즉 높은 전압을 제공할 수 있고, 아울러 실리콘 기판에 형성한 홈에 전극을 함몰시킴으로써 종횡비를 개선할 수 있어 새도우 손실을 줄일 수 있고, 또 전극 자체의 저항 및 접촉저항을 줄일 수 있게 된다.

이와 같은 공정을 단면도로서 도시하고 있는 도 2를 참조하여 설명하기로 한다.

먼저 도 2a에서와 같이 실리콘 웨이퍼(100)의 일정 부분, 즉 전극을 형성할 부분에 도 2b와 같이 실리콘 웨이퍼(100)의 전면과 후면에 일정 크기의 홈(102)(groove)을 형성한다. 상기 홈(102)은 도면에서와 같이 반드시 라운드 형태로 형성될 필요는 없으며, 함몰전극의 특성을 최대한 제공할 수 있는 형상으로 형 성할 수 있다.

상기 실리콘 웨이퍼(100)의 전면과 후면의 표면을 따라 수소가 함유된 진성 아몰퍼스-실리콘층(104)을 형성한다. 이는 도 2c에 도시되어 있다.

상기 박막 형성된 진성 아몰퍼스-실리콘(104)상에 수소가 함유된 P-타입 또는 N-타입 아몰퍼스-실리콘층(106)을 도 2d와 같이 형성한다. 상기 P-타입과 N-타입은 상기 실리콘웨이퍼(100)의 타입에 따라 달라질 수 있다. 도 2d에서는 전면에 P-타입 아몰퍼스-실리콘이고 후면에 N-타입 아몰퍼스-실리콘이 형성되어 있다.

상기 P-타입 또는 N-타입 아몰퍼스-실리콘(106)층에 도 2e와 같이 TCO 층(108)을 형성한다.

그와 같은 상태에서, 도 2f와 같이 상기 홈(102)에 전면전극(110a)과 후면전극(110b)을 형성한다. 상기 전면전극(110a)과 후면전극(110b)은 도면에서와 같이 상기 TCO 층(108)과 평평하게 형성할 수도 있고, 또는 상기 홈의 바깥 방향으로 약간 볼록한 형상으로 형성할 수 있다.

상기 도 2f가 완성된 태양전지이다.

그리고 상기 금속전극전면전극(110a)과 후면전극(110b)을 시드 층으로 사용할 경우에는 상기 전면전극(110a)과 후면전극(110b) 위에 도금층(120)을 더 형성할 수도 있다. 이는 도 2g에 도시되어 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 실시 예는 HIT 태양전지에서 전면전극과 후면전극을 반도체 기판의 홈 영역에 함몰시켜 형성하고 있어, HIT 태양전지의 단점으로 지적되고 있는 전극저항 및 접촉저항을 줄일 수 있게 되고, 또 빛의 흡수 능 력이 향상되기 때문에 새도우 손실이 줄어들게 된다.

본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 함몰 전극형 HIT 태양전지의 제조방법을 보인 흐름도

도 2는 도 1의 제조공정을 보인 단면도

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100 : 실리콘 웨이퍼 102 : 홈

104 : 진성 아몰퍼스-실리콘 106 : 아몰퍼스-실리콘

108 : TCO 층 110a: 전면전극

110b: 후면전극 120 : 도금층

Claims (9)

1. 반도체 기판;

   상기 반도체 기판의 전면과 후면에 형성된 홈;

   상기 홈을 포함하여 상기 반도체 기판의 전면과 후면에 형성되는 수소가 함유된 진성 아몰퍼스-실리콘 층;

   상기 반도체 기판의 타입에 따라 전면과 후면에 형성된 상기 진성 아몰퍼스-실리콘 층에 서로 반대되는 타입으로 형성되는 수소가 함유된 아몰퍼스-실리콘 층;

   상기 아몰퍼스-실리콘 층에 형성되는 TCO 층; 그리고,

   상기 TCO 층이 형성된 홈에 함몰타입으로 형성되는 전면전극 및 후면전극;을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 함몰 전극형 HIT 태양전지.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 전면전극 및 후면전극을 시드 층으로 사용할 경우 상기 전면전극과 후면전극상에 형성되는 도금층을 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 함몰 전극형 HIT 태양전지.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 TCO 층은, ITO(Indium Tin Oxide), 산화아연이 도핑된 알루미늄(AZO), 산화주석(SnO2) 인 것을 특징으로 하는 함몰 전극형 HIT 태양전지.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 전면전극 및 후면전극은, 니켈(Ni), 은(Ag), 알루미늄(Al) 인 것을 특징으로 하는 함몰 전극형 HIT 태양전지.
5. 제 2항에 있어서,

   상기 도금층은, 주석(Sn), 은(Ag), 티타늄(Ti), 구리(Cu) 인 것을 특징으로 하는 함몰 전극형 HIT 태양전지.
6. 반도체 기판의 전면과 후면에 전극 형성용 홈을 형성하는 단계;

   상기 전면과 후면의 전면적에 대해 수소가 함유된 진성 아몰퍼스-실리콘층을 박막 형성하는 단계;

   상기 진성 아몰퍼스-실리콘층 상에 상기 반도체 기판 타입에 따라 서로 반대되는 타입의 수소가 함유된 아몰퍼스-실리콘 층을 형성하는 단계;

   상기 아몰퍼스-실리콘 층에서 TCO 층을 형성하는 단계; 그리고,

   상기 TCO층까지 형성된 상기 홈에 전면전극과 후면전극을 각각 형성하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 함몰 전극형 HIT 태양전지의 제조방 법.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 전면전극과 후면전극 위에 도금을 형성하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 함몰 전극형 HIT 태양전지의 제조방법.
8. 제 6항에 있어서,

   상기 홈은 'dry laser', 'dicing saw', 'water jet guided laser', 'wet-chemical etching' 방법 중 하나의 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 함몰 전극형 HIT 태양전지의 제조방법.
9. 제 6항에 있어서,

   상기 수소가 함유된 아몰퍼스-실리콘층은 스퍼터링, 증발, PECVD, CVD 방식의 진공증착방식으로 형성하는 것을 특징으로 하는 함몰 전극형 HIT 태양전지의 제조방법.

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