KR101578356B1 - 후면전극형 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 후면전극형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 후면전극형 태양전지의 제조방법에 있어서, 반도체 기판의 후면에 형성된 에미터층과 후면전계(Back Surface Field, BSF)층의 일부를 노출하는 적어도 하나 이상의 개구부가 포함된 후면 패시베이션층을 형성하는 단계와, 상기 개구부를 통해 상기 에미터층과 후면전계층에 접촉하는 시드층(seed layer)을 형성하는 단계, 및 상기 시드층 위에, 상기 에미터층과 전기적으로 접속하는 제1 전극층 및 상기 후면전계층과 전기적으로 접속하는 제2 전극층을 형성하는 단계를 포함하며, 특히 시드층을 무전해 금속도금과 진공증착법 등의 방법 형성하고 전극층을 프린팅법으로 형성하는 방법을 제안한다.
태양전지, 후면전극형, 에미터층, BSF층, 전극층, 도금, 진공증착, 프린팅법

Description

후면전극형 태양전지 및 그 제조방법{Back contact solar cell, and Manufacturing method thereof}
본 발명은 반도체 기판의 후면에 에미터(emitter)층과 후면전계층(Back Surface Field, BSF)을 포함하는 후면전극형 태양전지를 제조하는 방법과 이를 통해 제조되는 후면전극형 태양전지에 관한 것이다.
본 발명은 후면전극형 태양전지의 후면전극을 형성하는 방법을 개선하여 후면전극형 태양전지의 전극 형성 공정을 단순화하고 공정비용과 시간을 단축하는 고효율의 태양전지의 제공에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어서 특히 주목받고 있다. 태양전지에는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양빛을 전기에너지로 변화시키는 태양광 전지가 있다. 일반적으로 태양전지라고 하면 태양광 전지를 일컫는 것이다.
앞으로 수십 년 후에 화석 연료의 고갈이 예상되어 지고 있고 동시에 많은 양의 화석 연료 사용에 따른 이산화탄소의 배출에 따른 지구 온난화와 같은 환경 문제가 대두됨에 따라서 무한한 에너지 원인 태양광을 이용하여 전기를 생산하는 태양전지에 많은 관심과 이목이 집중되고 있다.
현재 태양전지의 개발은 전력 생산 W당 단가를 낮추는 방향으로 추진되고 있는데, 이를 위해서 태양전지의 생산 원가를 낮추거나 혹은 태양전지의 효율을 높이는 방향으로 연구가 진행되고 있다.
세계 시장의 90%이상을 차지하는 벌크형 실리콘 태양전지의 경우 고효율화를 목표로 많은 대안들이 제시되었는데, 그 예로 함몰형(Buried Contact) 태양전지, HIT 태양전지, 후면전극 태양전지(Interdigitated Back Contact Solar Cell, IBC Cell)등을 들 수 있다.
이 기술들은 이미 양산에 성공하여 생산이 이루어지고 있고, 이후로도 효율을 더욱 높이고 생산원가를 낮추기 위해 신공정 및 신기술 도입을 서두르고 있는 실정인데, 본 발명 역시 이러한 고효율의 태양전지를 저비용으로 생산하기 위한 태양전지의 제조공정, 특히 전극 형성 공정의 개선에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 후면전극형 태양전지의 전극 형성 공정과 공정 시간을 최소화하여 저비용의 생산단가로 고효율의 태양전지를 제공하는데 있다. 또한 전기적 특성의 향상을 통한 광전 변환 효율이 증가된 태양전지를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
일반 태양 전지는 빛을 흡수하여 전기 에너지를 생성하는 장치이다. 실리콘 태양전지의 동작원리는 표면에 입사되는 태양 빛이 태양전지 내부의 특정 위치에서 흡수되어 캐리어(carrier, 전자와 홀)를 생성하게 된다. 생성된 캐리어는 확산 (diffusion) 에 의하여 공핍층으로 이동한 후 태양전지 표면에 형성된 전극으로 수집된다. 이 과정에서 전극은 생성된 캐리어를 수집하는 역할을 하며, 주로 전면에는 실버, 후면에는 알루미늄이 사용된다.
일반적인 실리콘 태양전지의 구조도는 도 1에 제시하였다. 도 1을 참조하면 반도체 실리콘 베이스 기판(100)을 중심으로 그 상부에 베이스 기판의 도전형과 반대되는 반도체 불순물로 도핑된 반도체층을 에미터(emitter)층(110)으로 형성한다.
상기 에미터층(110) 위의 소정 부위에 전면전극(130)이 형성되는데 전면전극이 형성되지 않은 나머지 에미터층의 상부에는 입사된 광이 반사되지 않도록 반사 방지층(120)을 형성한다.
베이스 기판(100)의 하부에는 후면전극(140)이 형성된다.
베이스 기판(100)과 에미터층(110)의 pn 접합 계면에서 입사된 광에 의해 여기된 전자와 정공 캐리어가 각각 전면전극(130)과 후면전극(140)으로 이동하여 전위차를 생성하는 원리이다.
이러한 방식의 태양전지는 빛이 입사되는 전면에 전극이 형성되기 때문에 빛이 흡수되는 면적이 줄어드는 전극의 빛 가림(shading) 손실과 좁은 전극 폭에 의한 높은 전기 저항 등의 문제점을 가지고 있다.
상기와 같은 문제점을 개선하기 위해서 후면전극형 태양전지(back contact solar cell)구조가 제안되었다. 후면전극형 태양전지는 태양광이 입사되지 않은 후면에 p+와 n+ 영역과 전극이 모두 형성된다는 것이다. 이러한 방식의 태양전지는 전면 전극에 의한 빛 가림 손실을 완전히 제거할 수 있고, 또한 전극 면적을 증가시킬 수 있어 태양전지의 광학적, 전기적 특성을 모두 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
후면전극형 태양전지의 구조도는 도 2a와 같다. 도 2a를 참조하여 알 수 있듯이, 반도체 실리콘 웨이퍼 기판(200)의 수광면에는 전극이 형성되지 않는다.
태양광이 입사하는 반도체 기판(200)의 수광면 상부에는 반도체 기판의 도전형과 같은 도전형의 반도체 불순물이 더 고농도로 도핑된 반도체 불순물 도핑층(210)이 형성되고, 그 위에는 입사광이 재반사되지 않도록 반사방지층(220)이 형성된다.
상기 반도체 기판(200)의 수광면의 반대면인 비수광면에는 pn 접합 계면을 이루는 반도체 기판의 도전형과 반대 도전형의 불순물이 도핑된 에미터층(230)이 형성된다. 동일한 비수광면에는 반도체 기판(200)의 도전형과 동일 도전형의 불순물이 도핑된 후면전계(Back Surface Field, BSF)층(240)이 형성된다.
후면전극은 상기 에미터층과 BSF층에 접속되어 각각 형성될 수 있는데, 전극이 형성되지 않는 반도체층의 안정성과 보호를 위하여 에미터층(230)과 BSF층(240)의 일부면이 노출되는 개구부를 가지는 후면 패시베이션층(250)이 형성될 수 있다.
상기 후면 패시베이션층(250)의 개구부를 통해 에미터층이나 BSF층과 컨택하는 시드층(seed layer)(260)을 형성하고 그 위에 메탈 전극층(270)이 형성된다.
후면전극형 태양전지의 기존 전극의 형성공정은, 진공 증착으로 다층의 시드층(seed layer)(260)을 형성하고, 그 위에 메탈(metal)을 추가로 도금하는 방식으로 전극층(270)을 형성하였다. 이러한 방식의 전극공정은 진공 증착 후에 도금이 수행되는 것이 특징이며, 특히 진공 증착공정은 복잡한 공정 프로세스에 의한 비용 및 시간의 증가를 초래할 수 있어 제품 가격을 상승시킬수 있다. 덧붙여 현재 사용하는 도금공정은 패터닝 마스크에 의한 노광(lithography)공정이 수행되어야 하는 단점도 있다.
도 2b는 후면전극형 태양전지의 구조 중에서 특히 후면에 형성되는 시드층과 전극층을 포함하는 확대도를 나타낸 것이다. 일반적으로 종래의 후면전극형 태양전지의 전극은 도 2b와 같이 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화물로 이루어진 보호층을 사이에 두고 개구부를 통해 3단의 시드층을 형성한 후 그 위에 메탈 전극층을 형성 한다.
도 2b에서 제시되는 시드층은, 3개의 시드 금속층이 스퍼터링법이나 진공증착법 등을 통하여 순차로 적층되어 있다. 특히 에미터층이나 BSF층에 접속하는 제1층(261)의 시드층은 알루미늄 등으로 이루어지고, 중간 시드층인 제2층(263)은 TiW로 구성되며, 메탈 전극과 접하는 제3층(265)은 구리 등으로 이루어져 있다. 즉, Al(ohmic전극)/TiW(또는 Ni, Cr)/Cu로 구성할 수 있다. 제3층의 시드층 상부에는 메탈 전극 플레이트가 구비된다. 따라서 종래의 기술에 따른 후면전극의 형성은 그 과정이 복잡하고 복잡한 공정으로 인한 비용과 시간의 소요가 매우 큰 실정이다.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지는 후면에 형성되는 전극층의 제조공정을 개선하여 제조 공정에 소요되는 시간과 비용을 절약하는 제조방법과 그로부터 제조되는 태양전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지는, 기판의 후면에 에미터층과 BSF층과 메탈 전극이 모두 형성되는 후면전극형 태양전지(back contact solar cell)에 있어서, 금속의 무전해 도금 또는 금속의 증착으로 선택적인 시드층을 형성하고, 그 위에 은과 같은 메탈을 프린팅하는 방식으로 메탈 전극을 구현하는 구조를 가진다.
구체적으로 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지의 제조방법은, 후면전극형 태양전지의 제조방법에 있어서, 제1 도전형의 반도체 영역과 제2 도전형의 반도체 영역이 형성된 제1 도전형의 반도체 기판의 후면에, 상기 제1 도전형의 반도체 영역과 제2 도전형의 반도체 영역의 일부를 노출하는 적어도 하나 이상의 개구부가 포함된 후면 패시베이션층을 형성하는 단계와, 상기 개구부를 통해 상기 제1 도전형의 반도체 영역과 제2 도전형의 반도체 영역에 접촉하는 시드층(seed layer)을 형성하는 단계와, 및 상기 시드층 위에, 상기 제1 도전형의 반도체 영역과 전기적으로 접속하는 제1 전극층과, 상기 제2 도전형의 반도체 영역과 전기적으로 접속하는 제2 전극층을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 제1 도전형은 n형이고, 상기 제2 도전형은 p형일 수 있으며, 역으로 상기 제1 도전형은 p형이고, 제2 도전형은 n형일 수 있다.
상기 후면 패시베이션층은, 상기 제1 도전형의 반도체 영역과 제2 도전형의 반도체 영역 위에 SiO2, SiNx, SiC, 인트린식 비정질 실리콘 중 선택되는 어느 하나의 물질층을 증착하는 단계와, 상기 물질층 위에 상기 제1 도전형의 반도체 영역과 제2 도전형의 반도체 영역의 상부에 위치하는 개구부를 가지는 마스크층을 형성하는 단계와, 및 상기 마스크층의 개구부를 통해 물질층을 제거하여 상기 제1 도전형의 반도체 영역과 제2 도전형의 반도체 영역의 일부를 노출한 후, 상기 마스크층을 제거하는 단계를 수행하므로써 형성될 수 있다. 상기 물질층은 편의상 규정한 용어이며, 마스크층이 제거된 최종적인 상태에서의 후면 패시베이션층과 다를 것이 없는 층이다.
본 발명에서 상기 마스크층의 개구부를 통한 물질층의 제거는 HF, KOH, NaOH, 및 상기 용액 중에서 선택되는 하나 이상의 용액과 HNO3, H3PO4, CH3COOH 중에서 선택되는 하나 이상의 용액의 혼합물로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 어느 하 나 이상의 에칭 용액을 스크린 프린팅법 또는 다이렉트 프린팅법으로 도포하여 제거하므로써 수행되지만, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며 해당 분야에 공지된 식각 공정으로 적용할 수 있음은 물론이다.
상기 시드층은 금속원소를 상기 개구부를 통해 상기 제1 도전형의 반도체 영역과 제2 도전형의 반도체 영역에 각각 접촉하도록 무전해 도금하는 방법으로 형성될 수 있다. 이때 금속원소는 무전해 도금(electro-less plating)이 가능하고 전기 도전성을 가지는 금속이면 족할 것이고 특히 제한되지는 않는다.
본 발명에서 상기 무전해 도금에 사용되는 금속원소는 니켈(Ni), 니켈-인(Ni-P)합금, 니켈-보론(Ni-B)합금, 니켈-금(Ni-Au)합금, 금(Au), 구리(Cu) 중 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.
무전해 도금법은 외부로부터 전기에너지를 공급받지 않고 금속염 수용액 중의 금속이온을 환원제의 힘에 의해 자기 촉매적으로 환원시켜 목적 대상의 표면 위에 금속으로 석출시키는 방법이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 후면전극형 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 시드층은, 상기 개구부를 통해 상기 제1 도전형의 반도체 영역과 제2 도전형의 반도체 영역에 모두 접촉하는 금속원소로 이루어진 1차 시드층을 스퍼터링(Sputtering)법 또는 진공증착(Vacuum Evaporation)법으로 형성하는 단계와, 및 상기 제1 전극층과 제2 전극층을 형성한 후 전극층이 형성되지 않은 1차 시드층 부분을 제거하는 단계를 수행한다. 이 때 상기 스퍼터링(Sputtering)법 또는 진공증착(Vacuum Evaporation)법으로 형성되는 금속원소는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 팔 라듐(Pd), 니켈(Ni), 구리(Cu) 중 어느 하나일 수 있다.
상기 본 발명의 다양한 실시예의 태양전지 제조방법에 있어서, 시드층 위에 형성되는 제1 전극층과 제2 전극층은 금속원소를 스크린 프린팅(screen printing)법 또는 다이렉트 프린팅(direct printing)법으로 형성한다.
이때 제1 전극층과 제2 전극층은 은(Ag) 또는 은 합금(Ag alloy)으로 이루어지는 것일 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 후면전극형 태양전지는 제1 도전형 반도체 기판, 상기 제1 도전형 반도체 기판의 후면에 형성되고 제1 도전형과 반대되는 도전형을 가진 에미터층, 상기 제1 도전형 반도체 기판의 후면에 상기 에미터층과 이격되어 형성되고, 제1 도전형과 동일한 도전형을 가지는 후면전계(Back Surface Field, BSF)층, 상기 에미터층과 후면전계층이 형성된 제1 도전형의 반도체 기판의 후면에 형성되고, 상기 에미터층과 후면전계층의 일부를 각각 노출하는 개구부가 포함된 후면 패시베이션층, 상기 후면 패시베이션층 위에 형성되고, 상기 개구부를 통해 에미터층과 후면전계층과 각각 연결된 시드층; 상기 에미터층과 연결된 시드층의 상부에 형성된 제1 전극, 및 상기 후면전계층과 연결된 시드층의 상부에 형성된 제2 전극을 포함한다.
상기 제1 도전형 반도체 기판은 n형 실리콘 기판이고, 상기 에미터층은 p+층이고, 상기 후면전계층은 n+형 반도체층일 수 있다. 또는 제1 도전형 반도체 기판은 p형 실리콘 기판이고, 상기 에미터층은 n+층이고, 상기 후면전계층은 p+형 반도체층일 수 있다.
상기 후면 패시베이션층은 SiO2, SiNx, SiC, 인트린식 비정질 실리콘 중 선택되는 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있으나 이에 제한되지 않고 실리콘 반도체층의 안정성을 위한 보호층으로 공지된 물질을 적용하여 구현할 수 있다.
상기 시드층은 상기 제1 전극 또는 제2 전극의 밀도보다 더 고밀도의 금속층일 수 있다. 즉, 시드층을 구성하는 금속원소의 결합이 제1 전극 또는 제2 전극의 금속원소의 결합보다 더욱 고밀도의 치밀한 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 전극 또는 제2 전극은 스크린 프린팅 또는 다이렉트 프린팅법 등으로 형성하게 되는데 이러한 공정은 유기물 등이 포함될 수 있다. 반면 본 발명의 일 실시예에 따른 시드층은 전기도금법이나 증착법 등을 이용하여 형성하므로 제1 전극 또는 제2 전극의 금속결합보다 더 치밀하고 고밀도의 금속결합을 가지는 금속층으로 형성될 수 있다. 본 발명은 이러한 치밀한 금속결합 구조를 가지는 시드층으로 인해 전기저항 특성을 향상하고, 그 후에 스크린 프린팅법이나 다이렉트 프린팅법을 사용하여 제1 전극과 제2 전극을 비교적 쉬운 공정으로 형성함으로써 저항특성의 개선과 생산 공정개선을 동시에 향상할 수 있는 장점을 가지게 된다.
본 발명에서 상기 시드층은 단일층으로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 종래의 시드층은 3개의 층으로 분리되어 복잡한 공정 프로세스에 의한 비용과 생산공정 시간의 증가를 초래하여 최종 태양전지 제품의 가격을 상승시킬 수 있으나, 본 발명의 시드층은 단일층으로 구성하여 이러한 문제점들을 개선시킬 수 있다.
또한, 상기 시드층은 무전해 도금된 니켈(Ni), 니켈-인(Ni-P)합금, 니켈-보 론(Ni-B)합금, 니켈-금(Ni-Au)합금, 금(Au), 구리(Cu) 중 어느 하나 이상의 금속원소로 이루어질 수 있다.
또는, 상기 시드층은 스퍼터링(Sputtering)법 또는 진공증착(Vacuum Evaporation)법으로 형성된 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 구리(Cu) 중 어느 하나 이상의 금속원소로 이루어질 수도 있다.
본 발명의 태양전지는 후면 전극을 형성하기 위한 시드층의 공정을 다양하게 선택하지만, 시드층 위에 형성되는 제1 전극 및 제2 전극은 모두 스크린 프린팅(screen printing)법 또는 다이렉트 프린팅(direct printing)법으로 형성한다. 제1 전극 및 제2 전극은 외부에 노출되는 최종적인 메탈 후면 전극으로서, 은(Ag) 또는 은 합금(Ag alloy)으로 이루어질 수 있으나 반드시 이에 제한되는 것은 아니며 공지의 태양전지의 전극에 적용되는 금속으로서 알루미늄, 티타늄, 팔라듐, 니켈, 구리 등이 가능하다.
본 발명의 후면전극형 태양전지에서 전극이 형성되는 제1 도전형 반도체 기판의 후면부의 반대면, 즉 태양광이 입사하는 쪽의 수광면에는 기판의 도전형과 동일한 도전형의 반도체 불순물이 도핑된 도핑층과 반사방지층이 형성될 수 있다.
태양광이 입사되는 반도체 기판의 수광면인 전면부는 텍스처링 공정을 통해 요철을 형성할 수 있다. 기판의 요철면 위에 반도체 도핑층과 반사방지층이 형성된다. 다른 실시예로서, 상기 반도체 도핑층과 반사방지층 사이에는 실리콘 산화물(SiO2)로 이루어진 산화막층을 더 포함할 수 있다.
상기 반사방지층은 수광면으로 입사하는 태양광의 재반사를 방지하여 광 포획(light trapping)을 개선시키는데, Si3N4, TiO2, SiO2, MgO, ITO(INDIUM TIN OXIDE), SnO2, ZnO, Ta2O5, MgF2, CeO2, Cr2O3 및 ZnS 등의 물질 중에서 하나 이상 선택하여 구성될 수 있다.
본 발명은 후면전극형 태양전지의 금속 전극의 구조를 간결하게 하고 금속 전극의 형성 방법을 용이하게 수행되도록 개선한 것으로서, 기존의 복잡한 진공증착과 도금공정의 복잡한 전극 공정 프로세스에서 발생하는 제작 비용과 시간이 증가하는 단점을 극복하는 효과가 있다.
따라서, 전극 형성 공정을 단순화하고 제작 공정이 간편해지므로 후면전극형 태양전지의 제조원가가 낮아져 경제적인 고효율의 후면전극형 태양전지를 제공할 수 있다.
특히 본 발명은 후면전극형 태양전지의 전극에 이용되는 시드층을 니켈 무전해 도금 또는 알루미늄 진공증착에 의해 형성될 수 있기 때문에, 이전 공정상태에 따라 선택하여 진행될 수 있으며, 시드층의 형성 후에는 공히 스크린 프린팅 또는 다이렉트 프린팅 방식으로 메탈을 증착하기 때문에 전극 높이를 증가시켜 전극의 전기 저항을 줄일 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명의 구체적인 다양한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하 기로 한다.
하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지의 제조방법의 공정순서는 도 3 내지 도 8에 도시된 것이 하나의 방법일 수 있으며, 다른 하나의 방법은 도 3 내지 도 5, 도 9 및 도10에 걸쳐서 설명될 수 있다.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 후면전극형 태양전지의 공통적인 제조공정이 될 수 있다. 본 발명에 따른 후면전극형 태양전지의 제조공정상 후면 전극 부분의 형성에 있어서 차이가 있으므로 이를 분리하여 설명하고자 한다.
도 3은 후면전극형 태양전지의 제조공정을 통하여 반도체 웨이퍼 기판(300)의 수광면에 반도체 불순물 도핑층(310)과 반사방지층(320)을 순차로 형성한 도면이다.
상기 반도체 웨이퍼 기판의 비수광면에는 반도체 기판의 도핑 불순물과 반대되는 타입의 도전형을 가지는 반도체 영역으로서의 에미터층(330)과 동일한 타입의 도전형을 가지는 반도체 영역으로서의 BSF층(340)이 형성되어 있다. 이들 에미터층(330)과 BSF층(340)의 상부에는 반도체 영역의 보호층인 후면 패시베이션층(350) 이 형성된다.
도 3에서의 후면전극형 태양전지는 반도체 기판(300)의 수광면을 텍스처링하여 요철을 형성하고 광포획율을 높여 고효율의 태양전지를 구현하고 있다.
도 3에는 도시되어 있지 않으나 상기 반도체 불순물 도핑층(310)과 반사방지층(320) 사이에는 실리콘 옥사이드(SiO2) 와 같은 산화물층이 추가로 더 형성될 수 있다.
구체적으로 반도체 웨이퍼 기판은 n타입의 실리콘 웨이퍼로 형성될 수 있다.
n형 실리콘 웨이퍼 기판(300)의 수광면의 상부에 n형 불순물을 고농도로 도핑한 n+ 반도체 도핑층(310)이 형성되고, 그 위에 반사방지층(320)이 형성된다.
n형 반도체 불순물은 인(P), 비소(As), 안티모니(Sb)로 구성된 5족 원소 중에서 선택되는 어느 하나의 원소를 포함하는 화합물이다. n형 불순물 잉크를 주입하고 furnace 에서 소성하는데 n형 실리콘 웨이퍼 기판의 수광면에서의 불순물 잉크의 농도를 고농도로 하면 n+ 반도체 도핑층(310)이 형성될 수 있다.
상기 반사방지층(320)은 수광면으로 입사하는 태양광의 재반사를 방지하여 광 포획(light trapping)을 개선시키는데, Si3N4, TiO2, SiO2, MgO, ITO(INDIUM TIN OXIDE), SnO2, ZnO, Ta2O5, MgF2, CeO2, Cr2O3 및 ZnS 등을 사용하여 구성한다.
n형 실리콘 웨이퍼 기판(300)의 후면은 태양광이 입사되는 면의 반대면으로서 p+ 에미터층(330)과 n+ BSF층(340)이 각각 형성된다.
p+ 에미터층(330)과 n+ BSF층(340)은 당해 분야에서 공지된 방법으로 형성되 는 과정일 수 있다. 바람직하게는 반도체 기판의 후면에, 해당되는 반도체 불순물이 포함된 화합물, 즉 BBr3 혹은 POCl3와 같은 화합물을 기상(gas phase)으로 주입하여 증착하거나, 해당되는 반도체 불순물의 도펀트 소스가 포함된 페이스트(paste)를 반도체 기판의 후면의 영역에 패터닝하여 열처리하여 주입한다.
상기 후면 패시베이션층(350)은 이러한 p+에미터층과 n+ BSF층의 상부에 형성하는데, SiO2, SiNx, SiC, 인트린식 비정질 실리콘 등의 물질로 구성된다.
실리콘 반도체층의 면과 후면 전극이 최종적으로 컨택하기 위해서는, p+에미터층과 n+ BSF층의 소정의 일부가 외부에 노출되어야 하는데, 이들 반도체층의 상부에 형성된 상기 후면 패시베이션층(350)이 선택적으로 제거되어야 한다.
이를 위하여 도 4와 같이 후면 패시베이션층(350)의 상부에 패터닝을 위한 마스크층(351)을 형성한다.
상기 마스크층(351)은 포토레지스트를 이용한 노광(lithography)공정 또는 마크크용 paste를 스크린 프린팅하여 형성할 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 마스크층을 구성하는 물질은, 이후에 후면 패시베이션층의 일부를 제거하는 제거용액에 대한 내성이 있는 물질이면 족할 것이다.
후면 패시베이션층의 실리콘 산화물 등의 물질을 제거하는 용액은 산 또는 산들의 혼합 용액이 될 수 있는데 상기 마스크층은 이들 산성 용액에 내구성이 있는 내산성 물질이면 족할 것이다.
도 5는 p+ 에미터층(330)과 n+ BSF층(340)의 일부를 노출하도록 개구부가 패 터닝된 마스크층의 개구부를 통하여 후면 패시베이션층의 일부가 제거된 상태를 도시한 것이다. 구체적으로 후면 패시베이션층(350)을 제거하는 제거용액은 산 또는 산 혼합액일 수 있으며, 특히, HF, KOH, NaOH, 및 상기 용액 중에서 선택되는 하나 이상의 용액과 HNO3, H3PO4, CH3COOH 중에서 선택되는 하나 이상의 용액의 혼합물로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 에칭 용액일 수 있다.
마스크층의 개구부를 통하여 이들 에칭용액을 스크린 프린팅법 또는 다이렉트 프린팅법으로 도포하면 도 5와 같이 후면 패시베이션층(350)의 개구부(352)가 형성된다. 이는 후에 후면전극이 p+ 에미터층(330)과 n+ BSF층(340)과 각각 접촉하는 홀이 된다.
도 5의 이후 과정은 시드층을 활용하여 메탈 후면 전극을 형성하는 과정인데, 본 발명에서는 크게 두 가지 실시예로서 형성된다.
본 발명의 실시예에 따른 후면전극형 태양전지의 후면 전극 형성 공정은 도 6 내지 도 8의 과정이다.
이 과정은 시드층을 스퍼터링법 또는 진공 증착법을 통해 형성하고 패터닝한 후 메탈 전극을 스크린 프린팅 또는 다이렉트 프린팅하여 형성하는 공정이다.
도 6은 개구부가 포함된 후면 패시베이션층(350)에 시드층(360)으로서 단일의 금속층을 형성하는 공정을 도시한 것이다.
시드층(360)용 금속은 특별히 제한되지 않으나, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 구리(Cu) 등의 금속이 사용될 수 있다.
특히 알루미늄이 바람직한데, 본 발명의 일 실시예에 따르면 시드층용 알루미늄은 스퍼터(sputter) 또는 진공증착기(evaporator)를 이용하여 증착하게 되며, 실리콘 반도체층인 p+에미터층과 n+ BSF층의 일부 노출면과 SiO2 로 이루어지는 후면패시베이션층의 일부면 위에 모두 증착될 수 있다.
이후 forming 가스 분위기에서 400℃ 내지 700℃의 온도로 풀림 또는 어닐링(annealing)하는 과정을 통하여 알루미늄의 시드층(360)과 p+에미터층(330)과 n+ BSF층(340)의 실리콘 반도체층 계면에 알루미늄 실리사이드(AlSix)가 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극을 형성하는 태양전지의 제조방법에 있어서, 증착된 알루미늄 시드층(360)위에 도 7과 같이 메탈 전극층(370)을 스크린 프린팅 또는 direct 프린팅 방식으로 증착하게 된다. 메탈 전극층(370)을 스크린 프린팅 또는 direct 프린팅 방식으로 패터닝하여 증착함으로써 원하는 높이만큼 전극 높이를 증가시킬 수 있어 활용의 폭이 넓어지고 전극의 전기저항 역시 줄일 수 있는 효과가 있게된다.
전극층(370)을 구성하는 메탈은 은(Ag) 또는 은 합금(Ag alloy)이 바람직하지만 반드시 이에 해당하지 않으며 공지의 후면전극을 구성하는 금속과 그 합금이 사용될 수 있다.
도 8은 은(Ag) 또는 은 합금(Ag alloy)의 메탈로 형성된 전극층(370)이 증착된 시드층(360)을 제외한 알루미늄 시드층(360)을 스트리퍼(stripper)용액으로 제거하여 후면전극형 태양전지의 전극공정을 완료한 상태를 도시한 것이다.
도 8을 참조하여 알 수 있듯이, 반도체 기판의 후면에 형성된 실리콘 층인 p+에미터층(330)과 n+ BSF층(340)의 일부와 각각 컨택하는 시드층(360)을 통하여 메탈 전극층(370)이 전기적으로 연결되어 있므으로 태양광에 의해 여기된 캐리어들이 상기 전극층으로 용이하게 포집될 수 있게 된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 후면전극형 태양전지의 후면 전극 형성 공정은 도 9 내지 도 10의 과정이다.
이들 과정은 시드층에 사용되는 금속을 무전해 도금하는 방법으로 형성하고 그 위에 스크린 프린팅법이나 다이렉트 프린팅법으로 간편하게 메탈 전극층을 형성하는 과정이다.
도 9는 개구부가 포함된 후면 패시베이션층(350)에 시드층으로서 단일의 금속층을 형성하는 공정을 도시한 것인데, 상기 시드층은 반도체 기판의 후면에 형성된 p+에미터층(330)과 연결된 시드층(361) 및 n+ BSF층(340)과 연결된 시드층(362)를 포함한다.
이들 시드층은 후면 패시베이션층의 개구부에 니켈 등의 금속을 무전해로 도금한 것이다. 시드층(360)용 금속으로서 무전해 도금되는 금속은 특별히 제한되지 않으나, 니켈(Ni), 니켈-인(Ni-P)합금, 니켈-보론(Ni-B)합금, 니켈-금(Ni-Au)합금, 금(Au), 구리(Cu) 등의 금속이 사용될 수 있다.
특히 니켈이 바람직한데, 본 발명의 일 실시예에 따르면 시드층용 니켈은 무전해 도금되어 p+에미터층(330)과 n+ BSF층(340)의 일부 노출면에 각각 형성되고 SiO2 로 이루어지는 후면패시베이션층(350) 위에는 형성되지 않기 때문에 상기 진공증착과정을 통한 시드층을 형성하는 일 실시예와 달리 시드층의 제거 공정이 불필요하다.
이후 forming 가스 분위기에서 400℃ 내지 700℃의 온도로 풀림 또는 어닐링(annealing)하는 과정을 통하여 무전해 도금된 니켈의 시드층(360)과 p+에미터층(330)과 n+ BSF층(340)의 실리콘 반도체층 계면에 니켈 실리사이드(NiSix)가 형성된다.
이렇게 형성된 니켈 무전해 도금의 시드층(361,362) 위에 직접 메탈 전극층(370)이 스크린 프린팅 또는 direct 프린팅 방식으로 증착하게 된다. 이에 대한 단면도는 도 10과 같다. 상기 도 9와 도 10의 공정을 통해 완성되는 후면전극형 태양전지 역시 메탈 전극층(370)을 스크린 프린팅 또는 direct 프린팅 방식으로 패터닝하여 증착함으로써 원하는 높이만큼 전극 높이를 증가시킬 수 있어 활용의 폭이 넓어지고 전극의 전기저항 역시 줄일 수 있는 효과가 있다.
이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 범위에 속한다. 또한, 본 명세서에서 설명한 각 구성요소의 물질은 당업자가 공지된 다양한 물질로부터 용이하게 선택하여 대체할 수 있다. 또한 당업 자는 본 명세서에서 설명된 구성요소 중 일부를 성능의 열화 없이 생략하거나 성능을 개선하기 위해 구성요소를 추가할 수 있다. 뿐만 아니라, 당업자는 공정 환경이나 장비에 따라 본 명세서에서 설명한 방법 단계의 순서를 변경할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.
도 1은 종래 기술의 일 실시예에 따른 태양전지의 구조를 나타낸 단면도.
도 2a 및 도 2b는 종래 기술의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지의 구조를 나타낸 단면도 및 후면전극의 확대도.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 후면전극형 태양전지의 제조방법의 공정순서를 나타낸 단면도.
도 3 내지 도 5, 도 9 및 도10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 후면전극형 태양전지의 제조방법의 공정을 나타낸 단면도.
{도면의 주요부분에 대한 부호의 설명}
100,200,300: 반도체 기판 110: 에미터층
120,220,320: 반사방지층 130: 전면전극
140: 후면전극 210,310: 반도체 불순물 도핑층
230,330: 에미터층 240,340: BSF층
250,350: 후면 패시베이션층 351: 마스크층
352: 개구부
260,261,263,265,360,361,362: 시드층 270,370: 전극층

Claims (18)

  1. 후면전극형 태양전지의 제조방법에 있어서,
    제1 도전형의 반도체 영역과 제2 도전형의 반도체 영역이 형성된 제1 도전형의 반도체 기판의 후면에, 상기 제1 도전형의 반도체 영역과 제2 도전형의 반도체 영역의 일부를 노출하는 적어도 하나 이상의 개구부가 포함된 후면 패시베이션층을 형성하는 단계;
    상기 개구부를 통해 상기 제1 도전형의 반도체 영역과 제2 도전형의 반도체 영역에 접촉하는 시드층(seed layer)을 형성하는 단계; 및
    상기 시드층 위에, 상기 제1 도전형의 반도체 영역과 전기적으로 접속하는 제1 전극층과, 상기 제2 도전형의 반도체 영역과 전기적으로 접속하는 제2 전극층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층은, 상기 시드층 위에 금속원소를 스크린 프린팅(screen printing)법 또는 다이렉트 프린팅(direct printing)법으로 패터닝한 상태로 형성되고,
    상기 시드층은 단일층으로 이루어지며,
    상기 제1 전극층과 제2 전극층은 은(Ag) 또는 은 합금(Ag alloy)으로 이루어지는 후면전극형 태양전지의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 후면 패시베이션층은,
    상기 제1 도전형의 반도체 영역과 제2 도전형의 반도체 영역 위에 SiO2, SiNx, SiC, 인트린식 비정질 실리콘 중 선택되는 어느 하나의 물질층을 증착하는 단계;
    상기 물질층 위에 상기 제1 도전형의 반도체 영역과 제2 도전형의 반도체 영 역의 상부에 위치하는 개구부를 가지는 마스크층을 형성하는 단계; 및
    상기 마스크층의 개구부를 통해 물질층을 제거하여 상기 제1 도전형의 반도체 영역과 제2 도전형의 반도체 영역의 일부를 노출한 후, 상기 마스크층을 제거하는 단계를 수행하므로써 형성되는 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지의 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 마스크층의 개구부를 통한 물질층의 제거는 HF, KOH, NaOH, 및 이들 중 하나 이상의 용액과 HNO3, H3PO4, CH3COOH 중에서 선택되는 하나 이상의 용액의 혼합물로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 에칭 용액을 스크린 프린팅법 또는 다이렉트 프린팅법으로 도포하여 제거함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 시드층은 금속원소를 상기 개구부를 통해 상기 제1 도전형의 반도체 영역과 제2 도전형의 반도체 영역에 각각 접촉하도록 무전해 도금하는 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지의 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 금속원소는 니켈(Ni), 니켈-인(Ni-P)합금, 니켈-보론(Ni-B)합금, 니켈-금(Ni-Au)합금, 금(Au), 구리(Cu) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 시드층은,
    상기 개구부를 통해 상기 제1 도전형의 반도체 영역과 제2 도전형의 반도체 영역에 모두 접촉하는 금속원소로 이루어진 1차 시드층을 스퍼터링(Sputtering)법 또는 진공증착(Vacuum Evaporation)법으로 형성하는 단계; 및
    상기 제1 전극층과 제2 전극층을 형성한 후 전극층이 형성되지 않은 1차 시드층 부분을 제거하는 단계를 수행하므로써 형성되는 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지의 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 금속원소는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지의 제조방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 도전형은 n형이고, 상기 제2 도전형은 p형인 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지의 제조방법.
  11. 제1 도전형 반도체 기판;
    상기 제1 도전형 반도체 기판의 후면에 형성되고 제1 도전형과 반대되는 도전형을 가진 에미터층;
    상기 제1 도전형 반도체 기판의 후면에 상기 에미터층과 이격되어 형성되고, 제1 도전형과 동일한 도전형을 가지는 후면전계(Back Surface Field, BSF)층;
    상기 에미터층과 후면전계층이 형성된 제1 도전형의 반도체 기판의 후면에 형성되고, 상기 에미터층과 후면전계층의 일부를 각각 노출하는 개구부가 포함된 후면 패시베이션층;
    상기 후면 패시베이션층 위에 형성되고, 상기 개구부를 통해 에미터층과 후면전계층과 각각 연결된 시드층;
    상기 에미터층과 연결된 시드층의 상부에 형성된 제1 전극; 및
    상기 후면전계층과 연결된 시드층의 상부에 형성된 제2 전극을 포함하고,
    상기 시드층은 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극의 밀도보다 더 고밀도의 금속층이고,
    상기 시드층은 단일층으로 이루어지며,
    상기 제1 전극층과 제2 전극층은 은(Ag) 또는 은 합금(Ag alloy)으로 이루어지는 후면전극형 태양전지.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체 기판은 n형 실리콘 기판이고, 상기 에미터층은 p+층이고, 상기 후면전계층은 n+형 반도체층인 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 후면 패시베이션층은 SiO2, SiNx, SiC, 인트린식 비정질 실리콘 중 선택되는 어느 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제 11항에 있어서,
    상기 시드층은 무전해 도금된 니켈(Ni), 니켈-인(Ni-P)합금, 니켈-보론(Ni-B)합금, 니켈-금(Ni-Au)합금, 금(Au) 중 어느 하나 이상의 금속원소로 이루어진 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지.
  17. 제 11항에 있어서,
    상기 시드층은 스퍼터링(Sputtering)법 또는 진공증착(Vacuum Evaporation)법으로 형성된 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni) 중 어느 하나 이상의 금속원소로 이루어진 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지.
  18. 제 11항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 제2 전극은 스크린 프린팅(screen printing)법 또는 다이렉트 프린팅(direct printing)법으로 형성된 것을 특징으로 하는 후면전극형 태양전지.
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