KR101067807B1 - 태양전지 셀 및 그의 전극 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지 셀 및 그의 전극 형성 방법에 관한 것으로, 반도체 기판 상에 형성된 투명전극에 엠보싱이 형성된 홈을 형성하고, 엠보싱이 형성된 홈에 제1층 전극을 형성하고, 제1층 전극의 상부에 제2층 전극을 형성하여 투명전극과 제1층 전극의 오믹 접촉을 통해 높은 밀착성과 낮은 공극률을 갖도록 하여 비저항을 감소할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 태양전지 셀 및 그의 전극 형성 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양전지 셀의 투명전극에 엠보싱을 갖는 홈을 형성하고, 홈에 제1층 전극을 형성하고 제1층 전극 상에 제2층 전극을 형성하는 태양전지 셀 및 그의 전극 형성 방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양에너지를 전기에너지로 변환할 목적으로 제작된 광전지로서 금속과 반도체의 접촉면 또는 p(정공)형 반도체와 n(전자)형 반도체가 접합(p-n 접합)된 부분에 빛을 조사하면 광전효과에 의해 광기전력이 일어나는 것을 이용한다.
금속과 반도체의 접촉을 이용한 것으로는 셀렌광전지, 아황산구리 광전지가있고, 반도체 p-n 접합을 이용한 것으로는 실리콘광전지가 있다.
일반적으로 태양전지 셀을 제조할 때에는 p-n 접합을 형성한 반도체 기판 의 양면에 투명전극 및 하부전극을 형성하고, 투명전극에는 상부전극을 형성한다.
상부전극은 도전성 페이스트를 인쇄하여 소성함으로써 형성할 수 있는데, 도전성 페이스트는 은(Ag) 페이스트가 주로 사용되고, 은 페이스트는 은 입자, 무납 유리 프릿, 유리 비히클 등을 배합한 것이다.
은 페이스트에 포함되는 유리 프릿은 상부전극과 투명전극의 오믹(Ohmic) 접촉을 통해 접촉성을 향상시키기 위해 사용되는 것으로 800℃ 이상의 고온에서 그 효과를 발휘할 수 있다. 따라서 전극 형성 시 온도를 고온으로 높여야하는 문제점이 있으며, 전극 소성 시에 상층의 전극의 표면에 유동하고, 상층의 전극에 리드선 등을 솔더링하는 경우에 솔더 젖음성(solderability)를 저해하는 문제가 있다.
또한 상층의 전극을 형성하는 은 페이스트에 포함되는 유리 프릿이 하층의 전극에 과하게 유동하면 하층의 전극과 기판 사이의 오믹 접촉을 저해하여 태양전지 셀의 변환 효율을 저하시킬 수 있는 문제가 있다.
따라서, 저온공정(500℃ 이하)에서도 투명전극과 하층의 전극이 높은 밀착성과 낮은 공극률을 갖도록 접촉하여 비저항(Specific Resistivity)이 감소하고 전도성이 향상되는 태양전지 셀의 개발이 필요한 시점이다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 태양전지 셀 및 그의 전극 형성 방법은 p-n 접합이 형성된 반도체 기판 상에 형성된 투명전극에 엠보싱을 갖는 홈을 형성하고, 홈에 제1층 전극을 형성하고, 제1층 전극 상에 제2층 전극을 형성하여 투명전극과 제1층 전극의 오믹 접촉을 통해 높은 밀착성과 낮은 공극률을 갖도록 하여 비저항이 낮은 태양전지 셀 및 그의 전극 형성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 제1층 전극을 형성하는 페이스트는 제2층 전극을 형성하는 페이스트보다 낮은 유리전이온도를 갖도록 함으로써 소성 시 제1층 전극에서 발생하는 가스가 전부 빠져나간 후 제2층 전극을 소성하여 가스에 의한 블리스터의 발생을 최소화할 수 있는 태양전지 셀 및 그의 전극 형성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 태양전지 셀은 반도체 기판 하부면에 형성된 하부전극, 상기 반도체 기판의 상부면에 형성되며, 엠보싱이 형성된 홈이 일정 깊이로 형성된 투명전극, 상기 투명전극에 형성된 상기 홈에 형성된 상부전극을 포함하며, 상기 상부전극은, 상기 홈의 엠보싱 상에 형성된 제1층 전극 및 상기 제1층 전극에 형성된 제2층 전극을 포함할 수 있다.
상기 제1층 전극의 재료인 금속 입자(파우더)의 유리전이온도(Tg1)는 상기 제2층 전극의 재료인 금속 입자(파우더)의 유리전이온도(Tg2)보다 낮은 것을 특징으로 한다.
상기 제1층 및 제2층 전극의 재료인 금속 입자는 은(Ag), 알루미늄(Al), 리튬(Li) 입자 중 선택된 어느 하나일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 태양전지 셀의 전극 형성 방법은 반도체 기판 상에 형성된 투명전극에 엠보싱이 형성된 홈들을 형성하는 제1 단계, 상기 엠보싱이 형성된 홈들에 제1층 전극 재료용 페이스트를 인쇄하는 제2 단계 및 상기 제1층 전극 재료용 페이스트의 상부에 제2층 전극 재료용 페이스트를 인쇄하는 제3 단계를 포함할 수 있다.
상기 제3 단계 이후에, 인쇄된 상기 제1층 및 제2층 전극 재료용 페이스트를 소성하여 상부전극을 형성하는 제4 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제4 단계는, 상기 제1층 및 제2층 전극 재료용 페이스트는 500℃ 미만의 온도에서 소성될 수 있다.
상기 제1 단계는, 레이저 스크라이빙(laser scribing) 방식에 의해 상기 투명전극에 엠보싱이 형성된 홈을 일정 깊이로 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지 셀 및 그의 전극 형성 방법은 p-n 접합이 형성된 반도체 기판 상에 형성된 투명전극에 엠보싱을 갖는 홈을 형성하고, 홈에 제1층 전극을 형성하고, 제1층 전극 상에 제2층 전극을 형성하여 투명전극과 제1층 전극의 오믹 접촉을 통해 높은 밀착성과 낮은 공극률을 갖도록 하여 비저항을 감소할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 태양전지 셀의 투명전극에 형성되는 제1층 전극을 형성하는 페이스트에 포함된 금속 입자는 제2층 전극을 형성하는 페이스트에 포함된 금속 입자보다 낮은 유리전이온도를 갖도록 함으로써 소성 시 제1층 전극에서 발생하는 가스가 전부 빠져나간 후 제2층 전극을 소성하여 가스에 의한 블리스터의 발생을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 제1층 전극 및 제2층 전극을 형성하는 페이스트에 포함된 금속 입자의 유리전이온도는 모두 500℃보다 낮아, 낮은 온도에서의 전극 형성이 가능하고, CIGS(구리·인듐·갈륨·셀레나이드, Copper Indium Gallium Selenide) 등 비실리콘계의 태양전지에 적용이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 셀을 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 셀의 전극 형성 방법을 나타내는흐름도.
도 3은 도 2의 제조 방법에 따른 각 단계를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1층 및 제2층 전극을 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 셀의 전극 형성 방법을 나타내는흐름도.
도 3은 도 2의 제조 방법에 따른 각 단계를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1층 및 제2층 전극을 나타내는 단면도.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시에를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 셀을 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 태양전지 셀(100)은 반도체 기판(110), 투명전극(120), 제1층 전극(130) 및 제2층 전극(140)을 포함하여 구성되며, 하부전극(150) 및 반사방지막(160)을 더 포함하여 구성된다.
반도체 기판(110)은 n형 반도체층(111)과 p형 반도체층(113)이 접합되는 것으로 이 접합된 부분에 태양광이 입사하면 광전효과에 의해 광기전력이 발생한다.
반도체 기판(110)의 양면에는 각각 상부전극과 하부전극(150)이 형성된다. 도시되지는 않았으나 투명전극(120)의 상부면에 형성된 상부전극 즉, 후술할 제1층 및 제2층 전극(130, 140)과 하부전극(150)이 서로 연결되어 전류가 흐르게 된다.
또한, 반사방지막(160)은 수광면으로 기능하는 투명전극(120) 상에 형성되며, 공지의 구성으로서 SiNx, SiO2, TiO2 등의 재료로 이루어지는 막이다.
투명전극(120)은 TCO(Transparent conductive oxide)라고도 일컬으며 투명전극(120)에 사용되는 도전 재료는 금, 은, 구리 등의 금속과 ITO(Indium Tin Oxide, 인듐주석산화물) 등의 금속산화물이 있으나 ITO가 가장 일반적으로 사용된다. 투명전극(120)은 반도체 기판(110)에서 만들어진 캐리어(carrier)를 수집하는 이동통로의 기능을 한다.
투명전극(120)은 상부면에 일정 깊이로 홈(121)이 형성된다. 또한, 홈(121)의 바닥면에는 엠보싱(123)이 형성된다. 엠보싱(123)이 형성된 홈(121)은 공지의 다양한 방식에 의해 형성될 수 있으나 레이저 스크라이빙(laser scribing) 방식을 사용하는 것이 일반적이다.
본 발명의 실시예에 따른 태양전지 셀(100)은 2층 구조로 형성된 상부전극즉, 제1층 전극(130) 및 제2층 전극(140)을 갖는다.
제1층 전극(130)은 투명전극(120)의 홈(121)에 형성되고, 제2층 전극(140)은 제1층 전극(130) 상에 형성된다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 상부전극은 투명전극(120)에 일부가 삽입되는 형태를 갖게 되며, 반도체 기판(110)과 접하지 않게 형성된다.
제1층 및 제2층 전극(130, 140)의 재료는 모두 페이스트 형태로 제조되어, 페이스트를 인쇄한 후 소성 과정을 거쳐 형성된다. 구체적으로, 제1층 전극(130) 재료인 페이스트는 투명전극(120)에 형성된 홈(121)의 엠보싱(123) 상에 인쇄되고, 제2층 전극(140) 재료인 페이스트는 제1층 전극(130) 재료인 페이스트 상에 인쇄된다. 이후 소성 과정을 거쳐 제1층 및 제2층 전극(130, 140)이 형성된다.
이때, 제1층 및 제2층 전극(130, 140) 재료인 페이스트는 모두 전극을 형성하기 위한 해당 금속 입자(파우더)에 바인더를 배합하여 제조된다.
종래의 전극 페이스트는 전극끼리의 접촉성을 증가시키기 위한 페이스트 제조 시 유리 프릿이라는 물질을 사용하는데, 본 발명의 실시예에 따른 투명전극(120)에는 엠보싱(123)이 형성된 홈(121)이 형성되어 있으므로 제1층 전극(130)을 형성하는 페이스트를 홈(121)의 엠보싱(123) 상에 인쇄하면 엠보싱(123)에 의해 투명전극(120)과 페이스트의 접촉 면적이 증가되어 밀착성이 향상되고 공극률이 줄어 오믹(ohmic) 접촉이 가능하게 하고 이에 따라 비저항(Specific Resistivity)을 감소시키는 효과를 발휘한다.
또한, 유리 프릿이 전극끼리의 접촉성을 증가시키는 효과를 발휘하기 위해서는 800℃ 이상의 고온이 필요하지만 본 발명의 실시예에 따른 제1층 및 제2층 전극(130, 140)을 형성하는 페이스트는 유리 프릿을 재료로 사용하지 않으므로 저온에서도 전극을 형성할 수 있는 장점이 있다.
제1층 및 제2층 전극(130, 140) 재료인 페이스트는 은(Ag) 입자, 알루미늄(Al) 입자, 리튬(Li) 입자에 바인더를 배합하여 제조할 수 있는데, 본 발명의 실시예에 따른 제1층 전극(130)은 은 페이스트를 홈(121) 내부에 일정 두께로 인쇄하고, 제2층 전극(140)은 알루미늄 페이스트 또는 리튬 페이스트는 은 페이스트 상에 인쇄한 후 소성 과정을 거쳐 형성하는 것이 바람직하다.
이때, 제1층 전극(130)을 형성하는 페이스트에 포함되는 은 입자의 유리전이온도(Tg1)는 제2층 전극(140)을 형성하는 페이스트에 포함되는, 예컨대 알루미늄이나 리튬 입자의 유리전이온도(Tg2)보다 낮은 것이 바람직하다.
유리전이온도(Tg)는 고분자 물질이 온도에 의해 분자들이 활성을 가지며 움직이기 시작하는 시점의 온도를 말하는데, 일반적으로 저분자 물질은 열을 가하면 고체상에서 액체상으로 상변화를 시작하지만 고분자의 경우 이런 상변화를 거치기 전에 또 다른 변화를 보이는 시점이 있다. 이 시점의 온도가 바로 유리전이온도이다. 예컨대, 단단한 고분자는 유리전이온도에서 부드러운 고무처럼 변하게 되는데 고체에서 액체로 변화하기 전에 탄성을 가진 고무 같은 변화를 갖게 된다.
따라서, 제1층 전극(130)은 은 페이스트를 사용하고 제2층 전극은 알루미늄 또는 리튬 페이스트를 사용함으로써 제1층 전극(130)의 유리전이온도가 제2층 전극(140)의 유리전이온도보다 낮도록 할 수 있다.
이와 같이 Tg1이 Tg2보다 낮도록 형성하면, 소성 시 제1층 전극(130)에서 발생하는 가스가 전부 빠져나간 후에 제2층 전극(140)의 소성이 완료되므로 가스에 의해 블리스터(blister)가 발생하는 것을 최소화할 수 있다.
한편, 유리전이온도는 같은 물질이라도 입자의 크기에 따라 달라진다. 구체적으로 입자의 크기를 나노사이즈로 매우 작게하는 경우 사이즈가 작아지면 유리전이온도가 낮아지는 특징이 있다. 따라서, 제1층 및 제2층 전극(130, 140)으로 은 페이스트, 알루미늄 페이스트, 리튬 페이스트 중 어느 하나를 동일하게 사용하더라도 Tg1이 Tg2보다 낮으면서, Tg1 및 Tg2가 모두 500℃ 미만이 되도록 입자의 크기를 조절하여 낮은 온도에서도 소성이 가능하도록 할 수 있으므로 공극률이 낮아지는 효과가 있다.
또한, 제1층 전극 및 제2층 전극을 형성하는 페이스트에 포함된 금속 입자의 유리전이온도는 모두 500℃보다 낮아, 낮은 온도에서의 전극 형성이 가능하고, CIGS(구리·인듐·갈륨·셀레나이드, Copper Indium Gallium Selenide) 등 비실리콘계의 태양전지에 적용이 가능한 효과가 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 셀의 전극 형성 방법을 나타내는흐름도이고, 도 3은 도 2의 제조 방법에 따른 각 단계를 나타내는 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 먼저 S210과정에서 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 p-n 접합이 형성된 반도체 기판(110)을 준비한다. 반도체 기판(110)은 n형 반도체층(111) 및 p형 반도체층(113)을 포함한다.
다음으로 S220과정에서 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 반도체 기판(110)의 n형 반도체층(111) 상에 투명전극(120)을 형성한다.
다음으로 S230과정에서 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이 투명전극(120) 상에 엠보싱(123)이 형성된 홈(121)을 형성한다. 이때에는 레이저 스크라이빙(lser scribing) 방식에 의해 형성하는 것이 바람직하다.
다음으로 S240과정에서 도 3의 (d)에 도시된 바와 같이 투명전극(120)에 형성된 홈(121) 즉, 엠보싱(123) 상에 제1층 전극(130)의 재료인 페이스트를 인쇄한다.
다음으로 S250과정에서 도 3의 (d)에 도시된 바와 같이 제1층 전극(130)의 재료인 페이스트 상에 제2층 전극(140)의 재료인 페이스트를 인쇄한다.
마지막으로 S260과정에서 인쇄된 제1층 및 제2층 전극(130, 140)의 재료인 페이스트를 소성하면 전극 형성이 완료된다. 이때, 소성은 500℃ 미만의 낮은 온도에서도 수행될 수 있다.
그리고 도시되지는 않았으나 하부전극(150) 및 반사방지막(160)을 공지의 방법으로 형성하면 본 발명에 따른 태양전지 셀(100)의 제조가 완료된다.
이와 같은 과정을 거쳐 제1층 및 제2층 전극(130, 140)의 재료로 유리 프릿을 사용하지 않고도 오믹 접촉을 가능하게 하고, 낮은 온도에서 소성이 가능하며, 소성 시 가스에 의한 블리스터의 발생을 최소화할 수 있는 태양전지 셀(100)을 제조할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1층 및 제2층 전극을 나타내는 단면도이다.
도 4의 (a)를 참조하면, 제1층 전극(230a)은 엠보싱(223a)이 형성된 홈(221a)의 높이보다 더 낮게 형성되었다. 그리고 도 4의 (b)를 참조하면, 제1층 전극(230b)은 엠보싱(223b)이 형성된 홈(221b)의 높이보다 더 높게 형성되었다.
또한, 도 1, 도 4의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이 제1층 전극(130, 230a, 230b) 및 제2층 전극(140, 240a, 240b)을 모두 합한 높이는 투명전극(120, 220a, 220b)의 상부면보다 돌출되도록 형성되었다.
비용적인 측면을 고려하는 경우 도 4의 (a)와 같이 형성하는 것이 가장 바람직한데, 일반적으로 제1층 전극(230a)을 형성하는 은 페이스트는 제2층 전극(240a)을 형성하는 알루미늄 페이스트나 리튬 페이스트보다 고가이므로 제1층 전극(230a)의 두께를 제2층 전극(240a)보다 얇게 형성하여 비용 감소의 효과를 얻을 수 있다.
또한, 같은 종류의 페이스트를 사용하여 제1층 및 제2층 전극(230a, 240a)을 형성하는 경우 유리전이온도가 낮아지도록 금속 입자의 사이즈를 줄이면 제조 비용이 상승한다. 예컨대, 제1층 및 제2층 전극(230a, 240a) 모두 은 페이스트를 인쇄한 후 소성하여 형성하는 경우에도 은 입자의 사이즈를 작게하여 유리전이온도가 상대적으로 낮은 제1층 전극(230a)을 은 입자의 사이즈를 크게하여 유리전이온도가 상대적으로 높은 제2층 전극(230b)보다 얇게 형성하므로 제조 비용을 감소할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100 : 태양전지 셀 110 : 반도체 기판
111 : n형 반도체층 113 : p형 반도체층
120 : 투명전극 121 : 홈
123 : 엠보싱 130 : 제1층 전극
140 : 제2층 전극 150 : 하부전극
160 : 반사방지막
111 : n형 반도체층 113 : p형 반도체층
120 : 투명전극 121 : 홈
123 : 엠보싱 130 : 제1층 전극
140 : 제2층 전극 150 : 하부전극
160 : 반사방지막
Claims (7)
- 반도체 기판 하부면에 형성된 하부전극;
상기 반도체 기판의 상부면에 형성되며, 엠보싱이 형성된 홈이 일정 깊이로형성된 투명전극;
상기 투명전극에 형성된 상기 홈에 형성된 상부전극;을 포함하며,
상기 상부전극은,
상기 홈의 엠보싱 상에 형성된 제1층 전극 및 상기 제1층 전극에 형성된 제2층 전극을 포함하는 태양전지 셀. - 제1항에 있어서,
상기 제1층 전극의 재료인 금속 입자(파우더)의 유리전이온도(Tg1)는 상기 제2층 전극의 재료인 금속 입자(파우더)의 유리전이온도(Tg2)보다 낮은 것을 특징으로 하는 태양전지 셀. - 제2항에 있어서,
상기 제1층 및 제2층 전극의 재료인 금속 입자는 은(Ag), 알루미늄(Al), 리튬(Li) 입자 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지 셀. - 반도체 기판 상에 형성된 투명전극에 엠보싱이 형성된 홈들을 형성하는 제1 단계;
상기 엠보싱이 형성된 홈들에 제1층 전극 재료용 페이스트를 인쇄하는 제2 단계; 및
상기 제1층 전극 재료용 페이스트의 상부에 제2층 전극 재료용 페이스트를 인쇄하는 제3 단계;를 포함하는 태양전지 셀의 전극 형성 방법. - 제4항에 있어서, 상기 제3 단계 이후에,
인쇄된 상기 제1층 및 제2층 전극 재료용 페이스트를 소성하여 상부전극을 형성하는 제4 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 셀의 전극 형성 방법. - 제5항에 있어서, 상기 제4 단계는,
상기 제1층 및 제2층 전극 재료용 페이스트는 500℃ 미만의 온도에서 소성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 셀의 전극 형성 방법. - 제6항에 있어서, 상기 제1 단계는,
레이저 스크라이빙(laser scribing) 방식에 의해 상기 투명전극에 엠보싱이 형성된 홈을 일정 깊이로 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지 셀의 전극 형성 방법.
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