JP2019517744A - Ｐｅｒｌ太陽電池及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、ＢＳＦ金属層とバスバー電極とからなるＰＥＲＬ太陽電池の裏面電極を構成するに際して、パッシベーション層の開口部にＢＳＦ金属層が備えられるようにするとともに、バスバー電極がパッシベーション層上に形成されることで、パッシベーション層の開口部の形成の際に発生した機械的欠陥をいずれも治癒し太陽電池の強度特性を向上することができるＰＥＲＬ太陽電池及びその製造方法に関し、本発明に係るＰＥＲＬ太陽電池は、太陽電池の基板；前記基板の片面上に備えられ、前記基板の表面を露出させる複数の開口部を備えるパッシベーション層；前記パッシベーション層上に備えられ、前記開口部が備えられた領域と重畳しない領域に備えられるバスバー電極；及び前記複数の開口部をいずれも埋め込む形態で前記パッシベーション層上に備えられるＢＳＦ金属層を含んでなることを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、ＰＥＲＬ太陽電池及びその製造方法に係り、より詳しくは、ＢＳＦ金属層とバスバー電極とからなるＰＥＲＬ太陽電池の裏面電極を構成するに際して、パッシベーション層の開口部にＢＳＦ金属層が備えられるようにするとともに、バスバー電極がパッシベーション層上に形成されるようにすることで、パッシベーション層の開口部の形成の際に発生した機械的欠陥をすべて治癒し太陽電池の強度特性を向上することができるＰＥＲＬ太陽電池及びその製造方法に関する。
太陽電池は、太陽光を直接電気に変換する太陽光発電の核心素子であって、基本的にｐ−ｎ接合からなるダイオード（ｄｉｏｄｅ）であると言える。太陽光が太陽電池によって電気に変換される過程を見てみると、太陽電池のｐ−ｎ接合部に太陽光が入射すると、電子−正孔の対が生成され、電場によって電子はｎ層へ、正孔はｐ層へ移動するようになってｐ−ｎ接合部の間に光起電力が発生し、太陽電池の両端に負荷やシステムを接続すると電流が流れるようになり電力を生産することができるようになる。
太陽電池の光電変換効率を改善するために種々の構造の太陽電池が提示されており、その一つとして、ＰＥＲＬ(passivated emitter rear locally diffused)型太陽電池が挙げられる。ＰＥＲＬ型太陽電池は、基板（ｐ−ｔｙｐｅ）の裏面側に局所的半導体層（ｌｏｃａｌｌｙ ｐ＋）が備えられ、局所的半導体層を含む基板の裏面上にパッシベーション層(passivationlayer)が備えられ、パッシベーション層上に裏面電極が備えられる構造を有する（特許文献１参照）。
この種のＰＥＲＬ型太陽電池において、パッシベーション層の一部はレーザー（ｌａｓｅｒ）によって開口され、開口された部位を介して局所的半導体層と裏面電極とが電気的に接続される構造(locallycontact)をなす。
ＰＥＲＬ太陽電池の裏面電極は、図１及び図２に示したようにＡｇ電極１３１とＡｌ電極１３２とに分けられる。Ａｇ電極１３１はバスバー電極に該当し、Ａｌ電極１３２はＡｇ電極１３１が形成された領域以外の基板裏面の全面上に備えられる。また、Ａｇ電極１３１とＡｌ電極１３２ともに、パッシベーション層１２０の開口された部位１２１を介して基板１１０裏面の表面と接触する構造をなす。
Ａｇ電極とＡｌ電極は、スクリーン印刷の後に焼成工程を施すことで形成され、焼成時にＡｌ電極のＡｌとシリコン基板のＳｉ成分が相互拡散し、ＢＳＦ(backsurface field)を形成する（図２参照）。なお、ＡｇとＳｉとは互いに反応しない特性を持っている。このため、パッシベーション層の開口部位における、Ａｌが存在する領域ではＡｌとＳｉとが反応してＢＳＦが形成され、Ａｇが存在する領域ではＡｇとＳｉとが反応しないことによってＡｇ層とＳｉ層が境界をなして存在する形態をなす。
一方、レーザーを用いてパッシベーション層の一部を開口させる過程においてパッシベーション層の当該部位には、レーザーアブレーション(laserablation)による転位(dislocation)などの機械的欠陥が発生し、このような機械的欠陥は太陽電池の強度特性を低下させる要因として作用する。
パッシベーション層の開口部位における、ＢＳＦが形成された領域ではＢＳＦによってレーザーアブレーションによる機械的欠陥が治癒されるが、Ａｇ電極が位置する領域では機械的欠陥がそのまま維持される。
韓国公開特許２０１２-８７０２２号
本発明は、前記したような問題点を解決するためになされたものであって、ＢＳＦ金属層とバスバー電極とからなるＰＥＲＬ太陽電池の裏面電極を構成するに際して、パッシベーション層の開口部にＢＳＦ金属層が備えられるようにするとともに、バスバー電極がパッシベーション層上に形成されるようにすることで、パッシベーション層の開口部の形成の際に発生した機械的欠陥をすべて治癒し太陽電池の強度特性を向上することができるＰＥＲＬ太陽電池及びその製造方法を提供することにその目的がある。
前記した目的を達成するための本発明に係るＰＥＲＬ太陽電池は、太陽電池の基板；前記基板の片面上に備えられ、前記基板の表面を露出させる複数の開口部を備えるパッシベーション層；前記パッシベーション層上に備えられ、前記開口部が備えられた領域と重畳しない領域に備えられるバスバー電極；及び前記複数の開口部をいずれも埋め込む形態で前記パッシベーション層上に備えられるＢＳＦ金属層を含んでなることを特徴とする。
前記複数の開口部が、上下及び左右方向に離間して備えられる
本発明に係るＰＥＲＬ太陽電池の製造方法は、太陽電池の基板を準備する段階；前記基板の片面上にパッシベーション層を積層する段階；前記パッシベーション層の一部を選択的に除去して基板の表面を露出させる複数の開口部を形成する段階；前記開口部が備えられた領域と重畳しない領域のパッシベーション層上にバスバー電極の形成のための第１導電性ペーストを塗布する段階；前記複数の開口部がいずれも埋め込まれるように前記パッシベーション層上にＢＳＦ金属層の形成のための第２導電性ペーストを塗布する段階；及び基板を焼成してバスバー電極及びＢＳＦ金属層を形成する段階;を含んでなることを特徴とする。
第１導電性ペーストはバスバー電極に変換され、第２導電性ペーストは金属層に変換され、且つ第２導電性ペーストの導電性物質がパッシベーション層の開口部を介して基板の内部へ拡散してＢＳＦ層が形成される。
本発明に係るＰＥＲＬ太陽電池及びその製造方法は、次のような効果がある。
Ａｇを主成分とするバスバー電極の、パッシベーション層の開口部との接触が回避されるとともに、Ａｌを主成分とするＢＳＦ金属層によってパッシベーション層のすべての開口部が埋め込まれ、すべての開口部の周辺にＢＳＦ層が形成されることによって、レーザーの照射によって開口部の周辺に発生した機械的欠陥がすべて治癒され、その結果、太陽電池の機械的強度を向上することができる。
従来技術に係るＰＥＲＬ太陽電池の構成図。 従来技術に係るＰＥＲＬ太陽電池の背面図。 本発明の一実施例に係るＰＥＲＬ太陽電池の構成図。 本発明の一実施例に係るＰＥＲＬ太陽電池の製造方法を説明するための工程参考図。 本発明の一実施例に係るＰＥＲＬ太陽電池の製造方法を説明するための工程参考図。 本発明の一実施例に係るＰＥＲＬ太陽電池の製造方法を説明するための工程参考図。 本発明の一実施例に係るＰＥＲＬ太陽電池の製造方法を説明するための工程参考図。 本発明の一実施例に係るＰＥＲＬ太陽電池の製造方法を説明するための工程参考図。 本発明の一実施例に係るＰＥＲＬ太陽電池の背面図。 本発明の一実施例に係るＰＥＲＬ太陽電池の背面図。 本発明の一実施例に係るＰＥＲＬ太陽電池の背面図。 本発明の一実施例に係るＰＥＲＬ太陽電池の背面図。 本発明の一実施例に係るＰＥＲＬ太陽電池の背面図。
ＰＥＲＬ太陽電池を具現するに際する開口部の形成の際に、レーザーの照射によって太陽電池の基板に機械的欠陥が発生し、かかる機械的欠陥は太陽電池の機械的強度を劣化させる要因として作用する。
本発明は、太陽電池の基板の機械的欠陥を治癒する作用をしないバスバー電極は開口部との接触を回避させてパッシベーション層上だけに形成し、これとともに基板上のすべての開口部を、機械的欠陥を治癒する作用をするＢＳＦ金属層で埋め込み、開口部の形成の際に発生した機械的欠陥を治癒することで、太陽電池の機械的強度が高められる技術を提示する。
詳しくは、本発明は、ＰＥＲＬ太陽電池を具現するに際して、パッシベーション層のすべての開口部がＢＳＦ金属層によって埋め込まれるようにするとともに、バスバー電極が備えられる領域とパッシベーション層の開口部の領域が重畳しないようにして、ＢＳＦ層によって開口部の周辺の機械的欠陥が治癒できるようにする技術を提示する。
本発明は、エミッタ層が基板の上部側に位置する前面接合型(front-junction)ＰＥＲＬ太陽電池だけでなく、エミッタ層が基板の下部側に位置する裏面接合型(back-junction)ＰＥＲＬ太陽電池にも適用可能である。以下の説明では、前面接合型(front-junction)ＰＥＲＬ太陽電池を基準に説明することにする。
以下、図面を参考して本発明の一実施例に係るＰＥＲＬ太陽電池及びその製造方法について詳しく説明することにする。
図３を参考すると、本発明の一実施例に係るＰＥＲＬ太陽電池は、基板２１０の裏面上にパッシベーション層２４０を備える。
前記パッシベーション層２４０は、基板２１０の裏面上に備えられて主に表面不動態化の役割をし、アルミニウム酸化膜（ＡｌＯｘ）、シリコン酸化膜（ＳｉＯｘ）またはシリコン窒化膜（ＳｉＮｘ）などからなるものであってよい。一方、前記基板２１０は、第１導電型（例えば、ｐ型）のシリコン基板２１０であり、前記基板２１０内部の上部側には、第２導電型（例えば、ｎ型）のエミッタ層２２０が備えられ、前記基板２１０の前面上には反射防止膜２３０が備えられる。また、前記反射防止膜２３０上には、エミッタ層２２０と電気的に接続される前面電極（図示せず）が備えられる。
前記パッシベーション層２４０には複数の開口部２４１が備えられ、前記開口部２４１によって基板２１０の裏面の表面が露出する。前記複数の開口部２４１は、パッシベーション層２４０の平面基準で左右及び上下方向に沿って所定の間隔を隔てて離間して配置される。
前記開口部２４１を含むパッシベーション層２４０の前面上には裏面電極が備えられる。すなわち、パッシベーション層２４０に備えられた複数の開口部２４１は、前記裏面電極によって埋め込まれる形態をなす。前記裏面電極は、細かくは、ＢＳＦ金属層とバスバー電極２５１とに分けられる。
前記ＢＳＦ金属層は、基板２１０の内部で光電変換によって生成されたキャリア(carrier)を収集するものであって、ＢＳＦ(backsurface field)層の形成を誘導する基板２１０の裏面上の金属層２５２だけでなくＢＳＦ層２５３を含む意味である。
基板２１０の内部に形成されたＢＳＦ層２５３は、基板２１０内部のキャリアが金属層２５２へ移動する過程で再結合（ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）することを防止する役割をし、前記金属層２５２は、ＢＳＦ層２５３を経て移動したキャリアを収集する役割をする。基板２１０がｐ型である場合、前記金属層２５２は、Ａｌなどの３族金属元素からなり、前記ＢＳＦ層２５３は、金属層２５２の３族金属元素が基板２１０の内部へ拡散した形態で形成される。基板２１０がｎ型である場合は、金属層２５２及びＢＳＦ層２５３は５族金属元素からなる。
前記金属層２５２は、パッシベーション層２４０上に備えられるとともに、パッシベーション層２４０の開口部２４１を埋め込む形態で備えられ、前記ＢＳＦ層２５３は、パッシベーション層２４０の開口部２４１を基準とした放射状に形成される。このとき、パッシベーション層２４０のすべての開口部２４１は、前記金属層２５２によって埋め込まれる。
前記バスバー電極２５１は、前記ＢＳＦ金属層によって収集されたキャリアをインターコネクター（ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｏｒ）（図示せず）を介してモジュール外部のキャパシターなどに受け渡す役割をし、Ａｇ成分からなるか、又はＡｇ成分を含んでなる。通常、太陽電池は２〜１２つのインターコネクターを介して外部に接続され、インターコネクター１つには１〜１０つのバスバー電極２５１が接続される。
前記ＢＳＦ金属層がパッシベーション層２４０の開口部２４１を埋め込む形態で備えられるのに対し、前記バスバー電極２５１は、パッシベーション層２４０上だけに備えられる。すなわち、前記バスバー電極２５１はパッシベーション層２４０の開口部２４１内に位置せず、パッシベーション層２４０の開口部２４１を介して基板２１０裏面の表面と接触しない。
前記パッシベーション層２４０の開口部２４１がＢＳＦ金属層によって埋め込まれるようにするとともに、前記バスバー電極２５１をパッシベーション層２４０上だけに備える理由は、パッシベーション層２４０の開口部２４１の形成の際のレーザーの照射によって発生した機械的欠陥をＢＳＦ層２５３の形成によって治癒するためである。「背景技術」のところで説明したように、焼成時にＡｌは基板２１０のＳｉ成分と反応してＢＳＦを形成し、このようなＢＳＦの形成によって開口部２４１周辺の機械的欠陥が治癒されるが、バスバー電極２５１の主成分であるＡｇは基板２１０のＳｉと反応を起こさない。したがって、パッシベーション層２４０の開口部２４１周辺の機械的欠陥を治癒するためには、ＡｇとＳｉとの接触を回避し、ＡｌとＳｉとの接触を誘導するのが最も好ましい。参考までに、ＡｌとＳｉとの反応、またはＡｇとＳｉとの反応は、高温での固相拡散(solid state diffusion)反応を意味する。
上述したように、Ａｇを主成分とするバスバー電極２５１は、パッシベーション層２４０上だけに備えられて基板２１０裏面の表面との接触が回避され、Ａｌを主成分とするＢＳＦ金属層は、パッシベーション層２４０の開口部２４１をいずれも埋め込む形態で備えられることによって、開口部２４１の形成の際に発生した開口部２４１周辺の転位（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）などの機械的欠陥がＢＳＦ層２５３の形成によって治癒され、かかる機械的欠陥の治癒によって太陽電池の強度特性が向上する。
前記パッシベーション層２４０上だけに備えられるとともに、パッシベーション層２４０の開口部２４１との接触が回避されるバスバー電極２５１は、開口部２４１の接触を回避する条件を満たす前提下において、図５ａ〜図５ｅに示したように種々の形態で構成することができる。これらの開口部２４１の間の領域上にバスバー電極２５１を備えさせたり、バスバー電極２５１の形状に合わせて開口部２４１の配設位置を変更することもできる。図５ａ〜図５ｅの実施例について具体的に説明すれば、次のとおりである。
図５ａは、１つのバスバー電極２５１が備えられ、バスバー電極２５１が備えられていない領域に複数の開口部２４１が均一に形成された構造である。図５ｂは、インターコネクターが配置される領域に２つのバスバー電極２５１が互いに離間して備えられ、インターコネクターが配置されていない領域には複数の開口部２４１が均一に形成されるとともに、インターコネクターが配置される領域における開口部２４１の密度及び面積は、その他の領域の開口部に比べて小さめにした構造である。図５ｂの構造においては、太陽電池の基板を中心に前面及び裏面の同じ位置に対称的にインターコネクターが位置しており、インターコネクターの位置する部分は、インターコネクターによって入射光が遮蔽されてキャリアの生成が減少するようになる。したがって、この部分は、開口部２４１の密度を減少させて電荷収集程度を低減させ、その代わりに、パッシベーションで不動態化した領域を増加させて再結合損失を低減させ、セル効率を増加させることができる。減少される開口部２４１の密度は、基板の伝導度、金属層２５２の抵抗、インターコネクターの幅などに応じて異なり、与えられたセル仕様及び設計を前提に最適化することができる。
図５ｃ及び図５ｄは、バスバー電極を離間して配置された複数の単位バスバー電極から構成した場合における、単位バスバー電極と開口部２４１との位置関係を示したものであり、図５ｅは、円滑な電流収集のために同一のインターコネクターの下部に位置したバスバー電極２５１が互いに接続されるように形成した形態における、バスバー電極２５１と開口部２４１との位置関係を示したものである。
一方、上述の図５ａ〜５ｅにおいて、開口部２４１とバスバー電極２５１が形成された基板の裏面にＢＳＦ層２５３を形成する金属層２５２にてすべての開口部２４１を埋め込むように形成する。金属層２５２とバスバー電極２５１とは、互いに異なる領域上に備えられ、金属層２５２とバスバー電極２５１のオーミックコンタクト(ohmic contact)特性を向上するために、金属層２５２が備えられる領域とバスバー電極２５１が備えられる領域とが所定の部分重畳されていてよい。
また、前記ＢＳＦ金属層とバスバー電極２５１とは互いに異なる領域上に備えられ、ＢＳＦ金属層とバスバー電極２５１のオーミックコンタクト特性を向上するために、ＢＳＦ金属層が備えられる領域とバスバー電極２５１が備えられる領域とが所定部分重畳されていてよい。
以上、本発明の一実施例に係るＰＥＲＬ太陽電池について説明した。次いで、本発明の一実施例に係るＰＥＲＬ太陽電池の製造方法について説明することにする。
先ず、図４ａに示したように太陽電池の基板２１０を準備する。
前記基板２１０は、第１導電型（例えば、ｐ型）のシリコン基板２１０であり、前記基板２１０内部の上部側には第２導電型（例えば、ｎ型）のエミッタ層２２０が備えられ、基板２１０の前面上には反射防止膜２３０が備えられる。また、前記反射防止膜２３０上にはエミッタ層２２０と電気的に接続される前面電極が備えられていてよい。
前記基板２１０が準備された状態で、前記基板２１０裏面の全面上にパッシベーション層２４０を積層する。前記パッシベーション層２４０は、化学気相蒸着（ＣＶＤ）などによって積層してよく、且つシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜などから構成していてよい。
パッシベーション層２４０が積層された状態で、前記パッシベーション層２４０の一部を選択的に除去して、基板２１０裏面の表面を露出させる複数の開口部２４１を形成する（図４ｂ参照）。前記複数の開口部２４１は、所定の間隔で離間して備えられ、一実施例において、パッシベーション層２４０の平面基準で左右方向及び上下方向に沿って離間して配置されてよい。また、前記開口部２４１は、レーザーを照射して(laserablation)形成してよい。
前記複数の開口部２４１は、後述するバスバー電極２５１と重畳せず、このような条件下でバスバー電極２５１の形成位置に応じて前記複数の開口部２４１の形成位置を多様に設計してよい。
前記パッシベーション層２４０に基板２１０裏面の表面を選択的に露出させる複数の開口部２４１が形成された状態で、裏面電極の形成工程を進める。
先ず、パッシベーション層２４０上にバスバー電極２５１を形成するための第１導電性ペースト１０を塗布する（図４ｃ参照）。前記第１導電性ペースト１０が塗布される領域は、開口部２４１が位置する領域と重畳しない。次いで、第１導電性ペースト１０が塗布されていないパッシベーション層２４０上にＢＳＦ金属層の形成のための第２導電性ペースト２０を塗布する（図４ｄ参照）。第２導電性ペースト２０は、パッシベーション層２４０上に塗布されるとともに、パッシベーション層２４０のすべての開口部２４１を埋め込む形態で塗布される。このとき、第１導電性ペースト１０と第２導電性ペースト２０とは、境界部位で所定の部分重畳される形態で塗布されてよい。
前記第１導電性ペースト１０はＡｇを主成分とし、第２導電性ペースト２０はＡｌを主成分として構成されてよく、第１導電性ペースト１０と第２導電性ペースト２０はスクリーン印刷法によって塗布してよい。
第１導電性ペースト１０及び第２導電性ペースト２０が塗布された状態で、前記基板２１０を所定の温度で焼成する（図４ｅ参照）。焼成によって前記第１導電性ペースト１０はバスバー電極２５１に変換され、第２導電性ペースト２０は金属層２５２に変換される。また、第２導電性ペースト２０の導電性物質であるＡｌがパッシベーション層２４０の開口部２４１を介して基板２１０の内部へ拡散してＢＳＦ層２５３が形成される。完成されたバスバー電極２５１は開口部２４１と重畳せず、パッシベーション層２４０のすべての開口部２４１は金属層２５２によって埋め込まれ、開口部２４１と接触する基板２１０の内部にはＢＳＦ層２５３が形成されて、レーザーの照射による開口部２４１周辺の機械的欠陥がＢＳＦ層２５３によって治癒される。
１０：第１導電性ペースト
２０：第２導電性ペースト
２１０：基板
２２０：エミッタ層
２３０：反射防止膜
２４０：パッシベーション層
２４１：開口部
２５１：バスバー電極
２５２：金属層
２５３：ＢＳＦ層
Ａｇを主成分とするバスバー電極の、パッシベーション層の開口部との接触が回避されるとともに、Ａｌを主成分とするＢＳＦ金属層によってパッシベーション層のすべての開口部が埋め込まれ、すべての開口部の周辺にＢＳＦ層が形成されることによって、レーザーの照射によって開口部の周辺に発生した機械的欠陥がすべて治癒される。

Claims (4)

  1. 太陽電池の基板；
    前記基板の片面上に備えられ、前記基板の表面を露出させる複数の開口部を備えるパッシベーション層；
    前記パッシベーション層上に備えられ、前記開口部が備えられた領域と重畳しない領域に備えられるバスバー電極；及び
    前記複数の開口部をいずれも埋め込む形態で前記パッシベーション層上に備えられるＢＳＦ金属層を含んでなることを特徴とするＰＥＲＬ太陽電池。
  2. 前記複数の開口部が、上下及び左右方向に離間して備えられることを特徴とする請求項１に記載のＰＥＲＬ太陽電池。
  3. 太陽電池の基板を準備する段階；
    前記基板の片面上にパッシベーション層を積層する段階；
    前記パッシベーション層の一部を選択的に除去して基板の表面を露出させる複数の開口部を形成する段階；
    前記開口部が備えられた領域と重畳しない領域のパッシベーション層上にバスバー電極の形成のための第１導電性ペーストを塗布する段階；
    前記複数の開口部がいずれも埋め込まれるように前記パッシベーション層上にＢＳＦ金属層の形成のための第２導電性ペーストを塗布する段階；及び
    基板を焼成してバスバー電極及びＢＳＦ金属層を形成する段階;を含んでなることを特徴とするＰＥＲＬ太陽電池の製造方法。
  4. 第１導電性ペーストはバスバー電極に変換され、第２導電性ペーストは金属層に変換され、且つ第２導電性ペーストの導電性物質がパッシベーション層の開口部を介して基板の内部へ拡散してＢＳＦ層が形成されることを特徴とする請求項３に記載のＰＥＲＬ太陽電池の製造方法。

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