KR101470000B1 - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
태양전지가 개시되어 있다. 태양전지는 기판; 및 기판 상에 배치되는 전극을 포함하며, 전극은 도전체인 바디; 및 바디 내측에 배치되는 광가이드 입자를 포함한다. 전극에 입사되는 태양광은 광가이드 입자에 의해서 가이드되어 기판에 입사될 수 있다. 이에 따라서, 전극에 의해서 차단되는 광의 양을 줄이고, 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
태양, 전지, 전극, 페이스트, 광, 가이드, 입자, 피그먼트
Description
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 에너지의 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지들에 대한 개발이 진행되고 있다. 이러한 태양전지들 중 실리콘 웨이퍼를 이용한 태양전지가 상업적으로 널리 사용되고 있다.
이러한 태양전지의 효율을 높이기 위해서, 수광 면적이 증가되어야 하는데, 태양전지의 전면에 형성된 전극 등의 구조물들은 태양전지의 수광면적을 감소시킨다.
실시예는 효율이 증가되는 태양전지를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 태양전지는 기판; 및 상기 기판 상에 배치되는 전극을 포함하며, 상기 전극은 도전체인 바디; 및 상기 바디 내측에 배치되는 광가이드 입자를 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 도전성 입자, 광가이드 입자, 무기 바인더 및 유기 비히클을 포함하는 전극 페이스트 조성물을 형성하는 단계; 상기 전극 페이스트 조성물을 기판 상에 배치하는 단계; 및 상기 전극 페이스트 조성물을 열처리하여, 상기 기판 상에 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 태양전지는 광가이드 입자를 포함하는 전극을 포함한다. 특히, 광가이드 입자가 배치된 전극이 기판의 상면에 배치되기 때문에, 전극에 입사되는 광은 광가이드 입자에 의해서, 기판에 입사된다.
이에 따라서, 전극에 입사되는 광의 일부는 반사되지 않고, 기판에 입사되어, 전기에너지로 전환될 수 있다.
또한, 광가이드 입자가 피그먼트인 경우, 전극에 의한 광의 반사를 감소시킬 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지는 기판의 태양광 수광 효율을 향상시키고, 태양광의 전기에너지 변환 효율을 향상시킨다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 기판, 막, 전극, 입자 또는 층 등이 각 기판, 전극, 막, 입자 또는 층 등의 "상(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 구성요소의 상 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
도 1은 실시예에 따른 태양전지의 단면을 도시한 단면도이다. 도 2는 전면전극을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 태양전지는 기판(100), 반사방지막(200), 전면전극(300) 및 후면전극(400)을 포함한다.
상기 기판(100)은 결정질 실리콘 웨이퍼이다. 상기 기판(100)은 pn 접합을 가진다. 상기 기판(100)은 n형 반도체층(110) 및 p형 반도체층(120)을 포함한다.
상기 반사방지막(200)은 상기 n형 반도체층(110) 상에 형성된다. 상기 반사방지막(200)으로 사용되는 물질의 예로서는 실리콘 질화물 등을 들 수 있다.
상기 전면전극(300)은 상기 기판(100) 상에 배치된다. 상기 전면전극(300)은 상기 n형 반도체층(110)에 접촉하며, 상기 n형 반도체층(110)에 전기적으로 접속된다. 상기 전면전극(300)은 상기 n형 반도체층(110)의 전체 면적에 대해 약 3-10%를 차지할 수 있다.
상기 전면전극(300)의 두께는 약 5-50 ㎛ 일 수 있으며, 상기 전면전극(300)은 바디(310) 및 광가이드 입자(320)를 포함한다.
상기 바디(310)는 도전체이다. 상기 바디(310)는 다수 개의 홈(311)들이 형성되어 있다. 상기 홈(311)들 중 일부 또는 전부는 상기 바디(310)를 관통한다. 상기 바디(310)로 사용될 수 있는 물질의 예로서는 은, 알루미늄, 구리, 금, 티타늄, 텅스텐, 니켈, 크롬, 몰리브덴, 납, 팔라듐, 백금 및 이들의 합금 등을 들 수 있다.
상기 광가이드 입자(320)는 상기 바디(310) 내측에 배치된다. 상기 광가이드 입자(320)는 상기 홈(311)들의 내측에 배치될 수 있다. 상기 광가이드 입자(320)는 상기 전면전극(300)에 입사되는 태양광을 흡수 또는 투과시킨다.
또한, 상기 광가이드 입자(320)는 상기 태양광을 반사 및 굴절 등에 의해서, 상기 기판(100)에 입사시킨다. 예를 들어, 상기 전면전극(300)에 입사되는 태양광의 일부는 상기 바디(310)를 관통하는 홈(311)을 통하여 입사된다. 그리고, 상기 광가이드 입자(320)에 입사되거나 반사되고, 상기 n형 반도체층(110)에 입사된다.
상기 광가이드 입자(320)는 투명 또는 반투명하며, 직경이 약 0.05 내지 10㎛일 수 있다. 상기 광가이드 입자(320)는 구형상, 판형상 및 기둥 형상을 가질 수 있다.
상기 광가이드 입자(320)로 사용될 수 있는 물질의 예로서는 루테늄 산화물, 니켈 산화물, 크롬 산화물, 코발트 산화물, 철 산화물, 인 산화물, 몰리브덴 산화 물, 텅스텐 산화물, 알루미늄 산화물, 티타늄 산화물, 아연 산화물 및 망간 산화물 등을 들 수 있다.
또한, 상기 광가이드 입자(320)로 사용될 수 있는 물질의 예로서는 루테늄 화합물, 구리-크롬계 흑색 복합 산화물, 구리-철계 흑색 복합 산화물, 코발트-알루미늄계 복합 산화물 등을 들 수 있다.
상기 광가이드 입자(320)는 흑색, 청색 또는 녹색 계열의 피그먼트이다. 또한, 상기 광가이드 입자(320)는 상기 바디(310)보다 더 높은 연화점을 가진다. 즉, 상기 광가이드 입자(320)는 상기 바디(310)보다 더 높은 열안정성을 가진다. 예를 들어, 상기 광가이드 입자(320)는 약 300 내지 약 900℃에서 내열성을 가진다.
상기 바디(310)는 상기 전면전극(300)에 71 내지 99 wt%로 포함되고, 상기 광가이드 입자(320)는 상기 전면전극(300)에 1 내지 29 wt%로 포함된다.
또한, 상기 전면전극(300)은 상기 바디(310) 및 상기 n형 반도체층(110)의 결합력을 향상시키기 위한 무기 바인더(301)를 더 포함할 수 있다. 상기 무기 바인더(301)는 예를 들어, 글래스 프릿일 수 있다.
더 자세하게, 상기 무기 바인더(301)는 PbO-SiO2계, PbO-SiO2-B2O3계, ZnO-SiO2계, ZnO-B2O3-SiO2 계 또는 Bi2O3-B2O3-ZnO-SiO2계 글래스 프릿일 수 있다.
또한, 상기 무기 바인더(301)는 Fe, Mn, Cr, Cu, V, Ni, Ru, Co 및 Mo의 산화물들 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 흑색 색상을 가질 수 있다.
상기 후면전극(400)은 상기 기판(100)의 아래에 배치되며, 알루미늄으로 이 루어진 제 1 후면전극(410) 및 은 또는 은/알루미늄 합금으로 이루어진 제 2 후면전극(420)을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지는 상면을 통하여 태양광을 입사받는다. 이때, 상기 전면전극(300)이 배치되는 영역에 입사되는 태양광의 일부는 상기 광가이드 입자(320)에 의해서, 가이드되어 상기 n형 반도체층(110)에 입사된다.
즉, 상기 태양광의 일부는 상기 바디(310)를 관통하는 홈(311)을 관통하고, 상기 n형 반도체층(110)에 입사될 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지는 태양광의 수광효율을 향상시키고, 태양광의 전기에너지 변환효율을 향상시킨다.
또한, 상기 광가이드 입자(320)가 색상을 가지는 피그먼트일 때, 상기 광가이드 입자(320)는 반사되는 태양광의 양을 감소시킨다. 따라서, 상기 광가이드 입자(320)는 더 많은 태양광을 입사받고, 상기 n형 반도체층(110)에 더 많은 광을 가이드 할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 태양전지는 상기 바디(310) 및 상기 광가이드 입자(320)의 비율을 조절하여, 상기 전면전극(300)의 표면 저항 및 태양광의 투과 비율을 조절할 수 있다.
도 3a 및 도 3c는 실시예의 태양전지의 제조방법에 따른 공정을 도시한 단면도들이다. 도 3b는 도 3a에서 A부분을 확대한 도면이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, p형 반도체 기판(100)에 n형 불순물을 주입하 여, n형 반도체층(110) 및 p형 반도체층(120)을 포함하는 기판(100)이 형성된다.
이후, 상기 기판(100)상에 실리콘 질화물을 포함하는 반사방지막(200)을 형성한다.
이후, 전면전극(300) 형성을 위한 전극 페이스트 조성물(300a)이 형성된다. 상기 전극 페이스트 조성물(300a)은 다음과 같이 형성된다.
먼저, 바인더 폴리머를 솔벤트에 넣고, 혼합하여, 유기 비히클을 제조한다. 상기 유기 비히클은 소포제 및 분산제를 더 포함할 수 있다.
이후, 상기 유기 비히클, 도전입자(310a)들, 무기 바인더(301) 및 광가이드 입자(320)들을 혼합하여, 혼합물을 형성한다.
상기 도전입자(310a)들로 사용되는 물질의 예로서는 은, 알루미늄, 구리, 금, 티타늄, 텅스텐, 니켈, 크롬, 몰리브덴, 납, 팔라듐, 백금 및 이들의 합금 등을 들 수 있다.
또한, 상기 도전입자(310a)는 약 0.1 내지 10㎛의 직경을 가지는 구형 입자 또는 직경이 약 0.1 내지 10㎛이고, 두께가 약 0.05-2㎛인 판형 입자일 수 있다. 상기 도전입자(310a)는 상기 혼합물에 대하여, 50 내지 85 wt%의 비율로 혼합될 수 있다.
이때, 상기 유기 비히클은 상기 혼합물에 대하여, 약 10 내지 48 wt%의 비율로 혼합될 수 있다.
상기 무기 바인더(301)는 PbO-SiO2계, PbO-SiO2-B2O3계, ZnO-SiO2계, ZnO- B2O3-SiO2 계 또는 Bi2O3-B2O3-ZnO-SiO2계 글래스 프릿일 수 있다. 또한, 상기 무기 바인더(301)는 Fe, Mn, Cr, Cu, V, Ni, Ru, Co 및 Mo의 산화물들 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 흑색 색상을 가질 수 있다.
상기 무기 바인더(301)는 상기 혼합물에 대하여, 약 1 내지 20wt%의 비율로 혼합될 수 있다. 또한, 상기 무기 바인더(301)는 평균 직경이 약 1 내지 10㎛이고, 연화점이 약 300 내지 600℃인 글래스 프릿일 수 있다.
상기 광가이드 입자(320)는 약 0.05 내지 10㎛의 직경을 가지며, 상기 혼합물에 대하여, 약 1 내지 20wt%의 비율로 혼합될 수 있다. 또한, 상기 광가이드 입자(320)는 약 300 내지 900℃에서 내열성을 가지며, 상기 도전입자(310a)보다 높은 연화점을 가진다.
이후, 상기 혼합물은 약 1 내지 12 시간 동안 숙성(aging)되고, 3롤밀(3 roll mill)에 의해서 기계적으로 2차 혼합된다.
이후, 2차 혼합된 혼합물을 필터링(filtering) 및 탈포를 통해서 상기 전극 페이스트 조성물(300a)이 형성된다.
이후, 상기 전극 페이스트 조성물(300a)은 스크린 프린팅법에 의해서, 상기 n형 반도체층(110)의 노출된 영역에 프린팅된다. 이때, 상기 전극 페이스트 조성물(300a)은 약 5-50㎛의 두께로 일정한 압력 및 속도로 프린팅된다.
이후, 프린팅된 전극 페이스트 조성물(300a)은 약 80 내지 200℃에서 건조된다.
도 3c를 참조하면, 상기 프린팅된 전극 페이스트 조성물(300a)은 급속 열처 리되어 전면전극(300)이 형성된다. 이때, 상기 급속 열처리 공정은 상기 도전입자(310a)의 연화점보다 높고, 상기 광가이드 입자(320)의 연화점보다 낮은 온도에서 진행된다.
예를 들어, 상기 급속 열처리 공정은 약 700 내지 900℃의 온도에서 진행될 수 있다.
이때, 상기 도전입자(310a)들은 연화되어 서로 엉겨붙어 바디(310)를 형성한다. 또한, 상기 유기 비히클은 증발된다. 또한, 상기 무기 바인더(301)는 용융되어, 상기 바디(310) 주위를 감싸며, 상기 바디(310)와 상기 n형 반도체층(110)의 결합력을 향상시킬 수 있다.
이후, 상기 기판(100)의 바닥면에 후면전극(400)을 형성한다.
상기 급속 열처리 공정은 상기 광가이드 입자(320)의 연화점보다 낮은 온도에서 진행되기 때문에, 상기 광가이드 입자(320)는 용융되거나, 엉겨붙지 않고, 형태를 유지한다.
이에 따라서, 상기 광가이드 입자(320)는 상기 바디(310)를 관통하는 홈(311)(이하, 관통홈(311))을 지지하고, 태양광을 상기 n형 반도체층(110)으로 가이드 할 수 있다.
즉, 광가이드 입자(320)를 포함하지 않고, 급속 열처리 공정이 진행된 경우, 상기 관통홈(311)이 따로 형성되지 않을 수 있다. 따라서, 상기 광가이드 입자(320)에 의해서, 상기 관통홈(311)이 형성된다.
이때, 상기 관통홈(311)의 개수 및 크기는 상기 광가이드 입자(320)의 크기 및 비율에 따라서 달라진다. 따라서, 상기 전면전극(300)에 입사되는 태양광 중 상기 n형 반도체층(110)에 입사되는 광의 양은 상기 광가이드 입자(320)의 크기 및 비율에 따라서 달라진다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법에 의해서, 상기 전면전극(300)에 입사되는 태양광의 일부가 상기 n형 반도체층(110)으로 가이드되는 태양전지를 제공할 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 태양광을 효율적으로 전기에너지로 전환할 수 있는 태양전지를 제공한다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
실험예
폴리머 및 유기 용매를 혼합하여 유기 비히클을 형성하고, 아래의 표와 같은 비율로, 은 분말, 글래스 프릿(PbO-SiO2계) 및 피그먼트(Co, Al, Ti 포함 청색복합산화물; Shepherd社 Blue 424, Co, Cr, Mg, Al, Zn 포함 녹색복합산화물; Shepherd 社 Green 260)를 혼합하였다.
이후, 상기 혼합물들을 12시간 동안 숙성시키고, 상기 혼합물을 3롤밀에 의해서 기계적으로 다시 혼합하여, 은 전극 페이스트 조성물(300a)을 형성하였다.
상기 은 전극 페이스트 조성물(300a)을 n형 반도체층(110) 상에, 스크린 프린팅법에 의해서, 아래 표와 같은 두께들로 프린팅하였다.
이후, 상기 프린팅된 은 전극 페이스트 조성물(300a)은 약 200℃ 온도에서, 약 60초 동안 건조되었다. 이후, 상기 프린팅된 은 전극 페이스트 조성물(300a)은 약 900℃ 온도에서, 약 5초 동안 급속 열처리되어, 상기 n형 반도체층(110) 상에 전면전극(300)이 형성되었다.
각각의 실시예에 대한 전면전극(300)의 저항이 아래 표에서 설명된다. 또한, 도 4에서, 각각의 실시예에 대한 전면전극(300)의 반사율이 도시된다.
도 4에서 볼 수 있듯이, 피그먼트를 포함하는 실시예에서, 반사율이 감소함을 볼 수 있다. 장파장(예를 들어, 1000 내지 1100nm의 파장)의 광은 반사율이 약 5 내지 10% 감소하였고, 단파장(예를 들어, 400 내지 700nm의 파장)의 광은 반사율이 약 15 내지 25% 감소하였다.
이때, 반사되지 않은 광의 많은 양이 상기 피그먼트에 의해서 흡수되거나, 가이드되어, 상기 n형 반도체층(110)에 입사하였음을 알 수 있다.
| 은 및 글래스 프릿의 함량(wt%) | 피그먼트의 종류 | 피그먼트의 함량(wt%) | 표면 저항(mΩ/sq) | 두께(㎛) | |
| 비교예 | 85% | - | - | 4.2 | 6 |
| 실험예1 | 85% | 청색 | 2.5 | 4.6 | 7 |
| 실험예2 | 85% | 청색 | 5.0 | 6.0 | 7 |
| 실험예3 | 85% | 녹색 | 2.5 | 4.2 | 6 |
| 실험예4 | 85% | 녹색 | 5.0 | 5.5 | 7 |
도 1은 실시예에 따른 태양전지의 단면을 도시한 단면도이다.
도 2는 전면전극을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 3a 및 도 3c는 실시예의 태양전지의 제조방법에 따른 공정을 도시한 단면도들이다.
도 3b는 도 3a에서 A부분을 확대한 단면도이다.
도 4는 각각의 실험예에서 파장에 따른 반사율을 도시한 그래프이다.
Claims (11)
- 기판; 및상기 기판 상에 배치되는 전극을 포함하며,상기 전극은,도전체이고, 홈들을 포함하는 바디; 및상기 홈 내측에 배치되는 광가이드 입자를 포함하고,상기 광가이드 입자는 흑색, 청색 또는 녹색 계열의 피그먼트이고,상기 광가이드 입자는 상기 바디보다 더 높은 연화점을 가지고,상기 광가이드 입자는 300℃ 내지 900℃의 내열성을 가지는 태양전지.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 홈은 상기 바디를 관통하는 태양전지.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 광가이드 입자는 구형상, 판형상 또는 기둥형상을 가지는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광가이드 입자의 직경은 0.05 내지 10㎛ 인 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광가이드 입자는 루테늄 산화물, 니켈 산화물, 크롬 산화물, 코발트 산화물, 구리 산화물, 철 산화물, 인 산화물, 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물, 알루미늄 산화물, 티타늄 산화물, 아연 산화물, 마그네슘 산화물 및 망간 산화물 중 적어도 하나를 포함하는 태양 전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 바디는 상기 전극의 71 내지 99 wt% 이고, 상기 광가이드 입자는 상기 전극의 1 내지 29 wt%인 태양전지.
- 삭제
- 삭제
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| JP2005116302A (ja) * | 2003-10-07 | 2005-04-28 | Sony Corp | 光電変換素子および電子装置 |
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