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KR20110034930A - 태양 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

태양 전지 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20110034930A
KR20110034930A KR1020090092428A KR20090092428A KR20110034930A KR 20110034930 A KR20110034930 A KR 20110034930A KR 1020090092428 A KR1020090092428 A KR 1020090092428A KR 20090092428 A KR20090092428 A KR 20090092428A KR 20110034930 A KR20110034930 A KR 20110034930A
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KR
South Korea
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type impurity
semiconductor layer
containing semiconductor
small regions
solar cell
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Application number
KR1020090092428A
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Inventor
황성호
Original Assignee
삼성전자주식회사
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Publication date
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Priority to US12/727,454 priority patent/US20110073173A1/en
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Abstract

제1 형 불순물 함유 반도체 층, 제2 형 불순물 함유 반도체 층, 상기 제1 형 불순물 함유 반도체 층과 전기적으로 연결되어 있는 제1 전극, 그리고 상기 제2 형 불순물 함유 반도체 층과 전기적으로 연결되어 있는 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 형 불순물 함유 반도체 층은 제2 형 불순물을 포함하는 복수의 소영역을 포함하는 태양 전지 및 그 제조 방법을 제공한다.
태양 전지, 양자 우물, 이온 주입, 장파장 영역

Description

태양 전지 및 그 제조 방법{SOLAR CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
태양 전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환 소자로서, 무한정 무공해의 차세대 에너지 자원으로 각광받고 있다.
태양 전지는 광활성층에서 태양 에너지를 흡수하면 반도체 내부에서 전자-정공 쌍(electron-hole pair, EHP)이 생성되고, 여기서 생성된 전자 및 정공이 n형 반도체 및 p형 반도체로 각각 이동하고 이들이 전극에 수집됨으로써 외부에서 전기 에너지로 이용할 수 있다.
태양 전지는 많은 전기 에너지를 생산하기 위해서, 태양 전지로 입사되는 광을 효과적으로 포획하는 것이 중요하다.
그런데 실리콘 기판을 사용하는 경우 실리콘의 밴드갭에 의해 약 1000nm 이상의 장파장 영역의 빛은 흡수율이 낮다.
본 발명의 일 측면은 장파장 영역의 빛을 효과적으로 포획하여 빛의 손실을 방지할 수 있는 태양 전지를 제공한다.
본 발명의 다른 측면은 상기 태양 전지의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 태양 전지는 제1 형 불순물 함유 반도체 층, 제2 형 불순물 함유 반도체 층, 상기 제1 형 불순물 함유 반도체 층과 전기적으로 연결되어 있는 제1 전극, 그리고 상기 제2 형 불순물 함유 반도체 층과 전기적으로 연결되어 있는 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 형 불순물 함유 반도체 층은 제2 형 불순물을 포함하는 복수의 소영역을 포함한다.
상기 복수의 소영역은 불연속적으로 배치되어 있을 수 있다.
상기 복수의 소영역은 실질적으로 동일한 평면 상에 위치할 수 있다.
상기 복수의 소영역은 양자 우물(quantum well), 양자 선(quantum wire) 또는 양자 점(quantum dot)을 포함할 수 있다.
상기 복수의 소영역은 약 8 내지 150nm 의 크기를 가질 수 있다.
상기 제1 형 불순물 함유 반도체 층은 상기 제2 형 불순물 함유 반도체 층과 접촉하는 제1 면 및 상기 제1 면과 마주하는 제2 면을 가지며, 상기 복수의 소영역은 상기 제1 형 불순물 함유 반도체 층의 제2 면의 표면으로부터 약 10 um 이내에 위치될 수 있다.
상기 복수의 소영역은 상기 제1 형 불순물 함유 반도체 층의 제2 면의 표면으로부터 약 3 내지 4 um 떨어진 위치에 형성될 수 있다.
상기 복수의 소영역은 약 1000nm 보다 긴 장파장 영역의 빛을 흡수할 수 있다.
상기 제1 형 불순물은 p형 불순물이고, 상기 제2 형 불순물은 n형 불순물일수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따른 태양 전지의 제조 방법은 제1 형 불순물 함유 반도체 층 및 제2 형 불순물 함유 반도체 층을 형성하는 단계, 상기 제1 형 불순물 함유 반도체 층의 일부분에 제2 형 불순물을 포함하는 복수의 소영역을 형성하는 단계, 상기 제1 형 불순물 함유 반도체 층과 전기적으로 연결되어 있는 제1 전극을 형성하는 단계, 그리고 상기 제2 형 불순물 함유 반도체 층과 전기적으로 연결되어 있는 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 복수의 소영역을 형성하는 단계는 이온 주입법에 의해 수행할 수 있다.
상기 복수의 소영역을 형성하는 단계는 상기 제1 형 불순물 함유 반도체 층의 일면에 복수의 개구부를 가진 감광막을 형성하는 단계, 그리고 상기 감광막을 마스크로 하여 제2 형 불순물을 이온 주입하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 이온 주입하는 단계는 상기 제2 형 불순물을 상기 제1 형 불순물 함유 반도체층의 표면으로부터 약 10um 이내의 위치에 형성할 수 있다.
상기 이온 주입하는 단계는 상기 제2 형 불순물을 상기 제1 형 불순물 함유 반도체 층의 표면으로부터 약 3 내지 4 um 이내의 위치에 형성할 수 있다.
상기 감광막의 개구부는 약 8 내지 150nm의 크기를 가질 수 있다.
상기 제1 형 불순물은 p형 불순물이고, 상기 제2 형 불순물은 n형 불순물일수 있다.
반도체 층에 다른 종류의 불순물을 포함하는 소영역을 형성함으로써 장파장 영역의 빛을 효과적으로 흡수할 수 있다. 또한 소영역이 불연속적으로 형성됨으로써 반도체 층에서 생성된 전하가 이동하는 것을 방해받지 않고 생성된 전하를 효과적으로 모을 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였 다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
그러면 도 1 및 도 2를 참고하여 본 발명의 일 구현예에 따른 태양 전지를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 태양 전지를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1의 태양 전지에서 소영역의 에너지 준위를 보여주는 개략도이다.
이하에서는 설명의 편의상 반도체 기판(110)을 중심으로 상하의 위치 관계를 설명하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 이하 설명에서는 태양 에너지를 받는 측을 전면(front side)이라 하고 상기 전면의 반대측을 후면(rear side)으로 표현한다.
도 1을 참고하면, 반도체 기판(110)은 하부 반도체 층(111) 및 상부 반도체 층(112)을 포함한다. 하부 반도체 층(111)은 후면 측에 위치하고 상부 반도체 층(112)은 전면 측에 위치한다.
반도체 기판(110)은 결정질 규소로 만들어질 수 있으며, 예컨대 실리콘 웨이퍼가 사용될 수 있다. 하부 반도체 층(111)은 제1 형 불순물로 도핑된 반도체 층일 수 있고, 상부 반도체 층(112)은 제1 형 불순물과 다른 제2 형 불순물로 도핑된 반도체 층일 수 있다. 여기서 제1 형 불순물은 예컨대 붕소(B)와 같은 III족 화합물인 p형 불순물일 수 있고, 제2 형 불순물은 예컨대 인(P)과 같은 V족 화합물인 n 형 불순물일 수 있다.
하부 반도체 층(111)은 제2 형 불순물을 포함하는 복수의 소영역(113)을 포함한다. 복수의 소영역(113)은 반도체 기판(110)의 후면 측에 가깝게 배치되어 있으며, 실질적으로 동일한 평면 상에 불연속적으로 배치되어 있다.
복수의 소영역(113)은 하부 반도체 층(111)의 후면으로부터 약 10 um 이내의 위치에 배열될 수 있으며, 예컨대 하부 반도체 층(111)의 후면으로부터 약 3 내지 4 um 떨어져 있는 위치에 배열될 수 있다.
복수의 소영역(113)은 약 8 내지 150nm 크기를 가지는 양자 우물(quantum well), 양자 선(quantum wire) 또는 양자 점(quantum dot)일 수 있다.
여기서 양자 우물은 한 방향에 대하여 상기 크기를 가지는 2차원 구조이고, 양자 선은 두 방향에 대하여 상기 크기를 가지는 1차원 구조이고, 양자 점은 세 방향 모두 상기 크기를 가지는 0차원 구조이다.
나노 크기를 가지는 소영역(113)의 에너지 띠(energy diagram band)는 도 2와 같다.
도 2를 참고하면, 에너지 띠는 간략하게 전도띠(conduction band, CB)와 연속 상태(continuous state, CS) 만을 도시하였다. 나노 크기의 소영역(113)이 형성되는 경우 수 내지 수십 nm의 폭을 가지는 제한된 범위의 에너지 띠를 가지며, 제한된 범위의 에너지 띠는 복수의 에너지 준위(S1, S2, S3)를 가진다.
에너지 준위(S1, S2, S3) 사이의 에너지 차이는 실리콘의 밴드갭보다 작다. 따라서, 약 1000 nm 이상의 장파장 범위의 빛을 효과적으로 흡수할 수 있다. 소영역(113)에 의해 장파장 범위의 빛을 흡수한 경우, 각 에너지 준위(S1, S2, S3)에 있는 전자들이 에너지(E1, E2, E3)를 흡수하여 연속 상태(CS)로 여기될 수 있다.
이와 같이 소영역(113)에서 에너지 준위 사이의 흡수(intraband absorption)는 원자가 띠(valence band)로부터 전도 띠(conduction band)로의 흡수(inter-band absorption)보다 장파장 흡수가 유리하므로, 장파장 범위의 빛을 흡수할 수 있다.
한편, 복수의 소영역(113)은 불연속적으로 배치되어 있다. 소영역(113)이 연속적으로 배치된 경우 하부 반도체 층(111)에서 생성된 전하가 반도체 기판(110)의 후면 측으로 이동할 수 없어서 후술하는 후면 전극으로 전하를 모을 수 없다. 따라서 본 구현예에서는 복수의 소영역(113)을 불연속적으로 배치함으로써 하부 반도체 층(111)에서 생성된 전하의 이동을 방해하지 않고 장파장 범위의 빛을 흡수할 수 있다.
반도체 기판(110)의 표면은 표면 조직화(surface texturing) 되어 있을 수 있다. 표면 조직화된 반도체 기판(110)은 예컨대 피라미드 모양과 같은 요철 또는 벌집(honeycomb) 모양과 같은 다공성 구조일 수 있다. 표면 조직화된 반도체 기판(110)은 표면적을 넓혀 빛의 흡수율을 높이고 반사도를 줄여 태양 전지의 효율을 개선할 수 있다.
반도체 기판(110) 위에는 유전체막(120)이 형성되어 있다.
유전체막(120)은 빛을 적게 흡수하고 절연성이 있는 물질로 만들어질 수 있으며, 예컨대 질화규소(SiNx), 산화규소(SiO2), 산화티타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화마그네슘(MgO), 산화세륨(CeO2) 및 이들의 조합일 수 있으며, 단일층 또는 복수 층으로 형성될 수 있다. 유전체막(120)은 예컨대 약 200 내지 1500Å의 두께를 가질 수 있다.
유전체막(120)은 태양 전지 표면에서 빛의 반사율을 줄이고 특정한 파장 영역의 선택성을 증가시키는 반사 방지막(anti reflective coating, ARC) 역할을 하는 동시에 반도체 기판(110)의 표면에 존재하는 실리콘과의 접촉 특성을 개선하여 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.
유전체막(120)의 일면에는 복수의 전면 전극(130)이 형성되어 있다. 전면 전극(130)은 기판의 일 방향을 따라 나란히 뻗어 있으며, 유전체막(120)을 관통하여 상부 반도체 층(112)과 접촉하고 있다. 전면 전극(130)은 은(Ag) 등의 저저항 금속으로 만들어질 수 있으며, 빛 흡수 손실(shadowing loss) 및 면저항을 고려하여 그리드 패턴(grid pattern)으로 설계될 수 있다.
전면 전극(130) 위에는 전면 전극 버스 바(bus bar)(도시하지 않음)가 형성되어 있다. 전면 전극 버스 바는 복수의 태양 전지 셀을 조립할 때 이웃하는 태양 전지를 연결하기 위한 것이다.
반도체 기판(110)의 후면에는 유전체막(도시하지 않음)이 형성될 수 있다. 유전체막은 산화규소(SiO2), 질화규소(SiNx), 산화알루미늄(Al2O3) 등으로 만들어질 수 있으며, 전하의 재결합을 방지하는 동시에 전류가 새는 것을 방지하여 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.
유전체막의 일면에는 후면 전극(150)이 형성되어 있다.
후면 전극(150)은 알루미늄(Al)과 같은 불투명 금속으로 만들어질 수 있으며, 유전체막의 전면에 형성되어 반도체 기판(110)을 통과한 빛을 다시 반도체 기판으로 반사시킴으로써 빛의 누설을 방지하여 효율을 높일 수 있다. 후면 전극(150)은 유전체막을 관통하여 하부 반도체 층(111)과 전기적으로 연결되어 있다.
그러면 도 3 내지 도 6을 도 1과 함께 참고하여 본 발명의 다른 구현예에 따른 태양 전지의 제조 방법에 대하여 설명한다.
도 3 내지 도 6은 도 1의 태양 전지를 제조하는 방법을 차례로 보여주는 단면도이다.
먼저 실리콘 웨이퍼와 같은 반도체 기판(110)을 준비한다. 이 때 반도체 기판(110)은 예컨대 p형 불순물이 도핑되어 있을 수 있다.
이어서, 반도체 기판(110)을 표면 조직화한다. 표면 조직화는 예컨대 질산 및 불순과 같은 강산 또는 수산화나트륨과 같은 강염기 용액을 사용하는 습식 방법으로 수행하거나 플라스마를 사용한 건식 방법으로 수행할 수 있다.
이어서, 반도체 기판(110)에 예컨대 n형 불순물을 도핑한다. 여기서 n형 불순물은 POCl3 또는 H3PO4 등을 고온에서 확산시킴으로써 도핑할 수 있다. 이에 따라 도 3에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(110)은 다른 불순물로 도핑된 하부 반도 체 층(111)과 상부 반도체 층(112)을 포함한다.
다음 도 4를 참고하면, 반도체 기판(110)의 후면에 감광막(도시하지 않음)을 도포하고 패터닝하여 복수의 개구부(50a)를 가지는 감광 패턴(50)을 형성한다.
다음 도 5를 참고하면, 감광 패턴(50)을 마스크를 하여 반도체 기판(110)의 후면에서 n형 불순물을 주입한다. 이 때 n형 불순물은 이온 주입법에 의해 수행할 수 있다. 이온 주입법은 수십 내지 수백 keV, 예컨대 약 200 내지 400 keV의 에너지로 이온 빔을 만들어서 주입할 수 있다.
이에 따라 도 6에 도시한 바와 같이, n형 불순물을 포함하는 복수의 소영역(113)이 형성될 수 있으며, 이 때 생성된 복수의 소영역(113)은 이온 주입법에 의해 실질적으로 동일한 깊이에 형성되므로 실질적으로 동일한 평면 상에 위치할 수 있다.
이 때 소영역(113)의 위치에 따라 가속 에너지를 조절할 수 있다. 즉, 소영역(113)이 반도체 기판(110)의 표면으로부터 깊숙한 위치에 형성하고자 하는 경우 강한 가속으로 이온 빔을 주입할 수 있고, 반도체 기판(110)의 표면으로부터 얕은 위치에 형성하고자 하는 경우 약한 가속으로 이온 빔을 주입할 수 있다. 예컨대 소영역(113)을 반도체 기판(110)의 후면으로부터 약 3 내지 4 um 떨어진 위치에 형성하기 위하여 약 200 내지 400 keV 로 가속할 수 있다.
다음 도 1을 참고하면, 반도체 기판(110)의 전면에 유전체막(120)을 형성한다. 유전체막(120)은 예컨대 질화규소 따위를 플라스마 화학 기상 증착(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)으로 형성할 수 있다.
이어서 유전체막(120) 위에 전면 전극용 도전성 페이스트를 예컨대 스크린 인쇄 방법으로 형성하고 건조한다.
이어서 반도체 기판(110)의 후면에 유전체막(도시하지 않음)을 형성하고 그 위에 후면 전극(150)을 예컨대 스크린 인쇄 방법으로 형성하고 건조한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 태양 전지를 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 2는 도 1의 태양 전지의 소영역 부분의 에너지 준위를 보여주는 개략도이고,
도 3 내지 도 6은 도 1의 태양 전지를 제조하는 방법을 차례로 보여주는 단면도이다.

Claims (16)

  1. 제1 형 불순물 함유 반도체 층,
    제2 형 불순물 함유 반도체 층,
    상기 제1 형 불순물 함유 반도체 층과 전기적으로 연결되어 있는 제1 전극, 그리고
    상기 제2 형 불순물 함유 반도체 층과 전기적으로 연결되어 있는 제2 전극
    을 포함하고,
    상기 제1 형 불순물 함유 반도체 층은 제2 형 불순물을 포함하는 복수의 소영역을 포함하는 태양 전지.
  2. 제1항에서,
    상기 복수의 소영역은 불연속적으로 배치되어 있는 태양 전지.
  3. 제2항에서,
    상기 복수의 소영역은 실질적으로 동일한 평면 상에 위치하는 태양 전지.
  4. 제1항에서,
    상기 복수의 소영역은 양자 우물(quantum well), 양자 선(quantum wire) 또는 양자 점(quantum dot)을 포함하는 태양 전지.
  5. 제1항에서,
    상기 복수의 소영역은 8 내지 150nm 의 크기를 가지는 태양 전지.
  6. 제1항에서,
    상기 제1 형 불순물 함유 반도체 층은 상기 제2 형 불순물 함유 반도체 층과 접촉하는 제1 면 및 상기 제1 면과 마주하는 제2 면을 가지며,
    상기 복수의 소영역은 상기 제1 형 불순물 함유 반도체 층의 제2 면의 표면으로부터 10 um 이내에 위치되어 있는
    태양 전지.
  7. 제6항에서,
    상기 복수의 소영역은 상기 제1 형 불순물 함유 반도체 층의 제2 면의 표면으로부터 3 내지 4 um 떨어진 위치에 형성되어 있는 태양 전지.
  8. 제1항에서,
    상기 복수의 소영역은 1000nm 보다 긴 장파장 영역의 빛을 흡수하는 태양 전지.
  9. 제1항에서,
    상기 제1 형 불순물은 p형 불순물이고, 상기 제2 형 불순물은 n형 불순물인 태양 전지.
  10. 제1 형 불순물 함유 반도체 층 및 제2 형 불순물 함유 반도체 층을 형성하는 단계,
    상기 제1 형 불순물 함유 반도체 층의 일부분에 제2 형 불순물을 포함하는 복수의 소영역을 형성하는 단계,
    상기 제1 형 불순물 함유 반도체 층과 전기적으로 연결되어 있는 제1 전극을 형성하는 단계, 그리고
    상기 제2 형 불순물 함유 반도체 층과 전기적으로 연결되어 있는 제2 전극을 형성하는 단계
    를 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  11. 제10항에서,
    상기 복수의 소영역을 형성하는 단계는 이온 주입법에 의해 수행하는 태양 전지의 제조 방법.
  12. 제11항에서,
    상기 복수의 소영역을 형성하는 단계는
    상기 제1 형 불순물 함유 반도체 층의 일면에 복수의 개구부를 가진 감광막을 형성하는 단계, 그리고
    상기 감광막을 마스크로 하여 제2 형 불순물을 이온 주입하는 단계
    를 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
  13. 제12항에서,
    상기 이온 주입하는 단계는
    상기 제2 형 불순물을 상기 제1 형 불순물 함유 반도체층의 표면으로부터 10 um 이내의 위치에 형성하는 태양 전지의 제조 방법.
  14. 제13항에서,
    상기 이온 주입하는 단계는 상기 제2 형 불순물을 상기 제1 형 불순물 함유 반도체층의 표면으로부터 3 내지 4 um 이내의 위치에 형성하는 태양 전지의 제조 방법.
  15. 제12항에서,
    상기 감광막의 개구부는 8 내지 150nm의 크기를 가지는 태양 전지의 제조 방법.
  16. 제10항에서,
    상기 제1 형 불순물은 p형 불순물이고, 상기 제2 형 불순물은 n형 불순물인 태양 전지의 제조 방법.
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