KR101636893B1 - 태양전지모듈의 제조방법 - Google Patents

태양전지모듈의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양전지모듈의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 태양전지모듈의 제조방법은 결정질 실리콘 웨이퍼의 제2 표면에 제2 진성 비정질 실리콘층을 증착하는 단계, 상기 제2 진성 비정질 실리콘층의 표면에 제2 도핑 비정질 실리콘층을 증착하는 단계, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼의 제1 표면에 제1 진성 비정질 실리콘층을 증착하는 단계, 상기 제1 진성 비정질 실리콘층의 표면에 제1 도핑 비정질 실리콘층을 증착하는 단계, 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층의 표면에 하나 이상의 마이크로 결정 실리콘층을 증착하는 단계, 상기 마이크로 결정 실리콘층의 표면에 제1 투명전도막층을 증착하는 단계, 상기 제2 도핑 비정질 실리콘층의 표면에 제2 투명전도막층을 증착하는 단계, 상기 제1 투명전도막층의 표면에 상부 전극을 형성하는 단계 및 상기 제2 투명전도막층의 표면에 하부 전극을 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

태양전지모듈의 제조방법 {Manufacturing method of solar cell module}
본 발명은 태양전지모듈의 제조방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 태양전지모듈에서 생성되는 전류를 효과적으로 수집하여 개방전압 및 충진율(fill factor)을 향상시켜 전기생산효율을 높일 수 있는 태양전지모듈의 제조방법에 관한 것이다.
최근 전기에 대한 수요가 급증하면서 석탄, 석유 등과 같은 기존의 화석연료에 의해 전기를 생산하는 방식 이외에 태양광, 바이오, 풍력, 지열, 해양, 폐기물 에너지와 같은 재생에너지를 활용한 전기 생산 방식이 각광받고 있다. 이 중에서도 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지시스템에 대한 개발이 활발하다. 태양전지시스템을 이용한 태양광 발전시스템은 태양 에너지를 전기에너지로 전환시키는 과정에서 기계적, 화학적 작용이 없으므로 시스템의 구조가 단순하여 유지보수가 거의 필요치 않다. 또한, 태양광 시스템을 한번 설치하게 되면 그 수명이 길고 안전하며, 나아가 환경 친화적이라는 장점을 가지고 있다.
태양전지시스템은 태양광이 입사되는 셀(cell)을 구비하고, 태양광을 받으면 광전효과에 의해 전기를 발생시키는 셀의 특성을 이용하여 전기를 생산하게 된다. 한편, 최근에는 태양전지시스템의 전기생산효율을 향상시키기 위한 많은 연구가 활발하게 진행되고 있다. 예를 들어, 셀에 입사되는 태양광의 반사율을 낮추거나, 또는 같은 크기의 셀을 구비한 경우에도 셀로 입사되는 태양광의 입사율을 높이고자 하는 연구가 활발하다. 특히, 최근에는 동일한 크기의 셀을 구비하는 경우에도 태양광의 집광율을 높이기 위하여 집광렌즈와 같은 집광수단을 구비하고 있다. 집광수단에 의해 태양광의 집광율을 높이게 되어 동일한 크기의 셀을 구비하여도 더 많은 양의 태양광을 집광하는 것이 가능해진다. 하지만, 이와 같은 집광수단을 구비한 경우에 셀의 작동온도가 상대적으로 상승하여 충진율(fill factor) 및 전기생산효율이 떨어진다는 문제점이 야기된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 태양전지시스템을 구성하는 태양전지모듈에서 충진율(fill factor) 및 개방전압을 향상시킴으로써 태양전지모듈의 전기생산효율을 높일 수 있는 태양전지모듈의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 결정질 실리콘 웨이퍼의 제2 표면에 제2 진성 비정질 실리콘층을 증착하는 단계, 상기 제2 진성 비정질 실리콘층의 표면에 제2 도핑 비정질 실리콘층을 증착하는 단계, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼의 제1 표면에 제1 진성 비정질 실리콘층을 증착하는 단계, 상기 제1 진성 비정질 실리콘층의 표면에 제1 도핑 비정질 실리콘층을 증착하는 단계, 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층의 표면에 하나 이상의 마이크로 결정 실리콘층을 증착하는 단계, 상기 마이크로 결정 실리콘층의 표면에 제1 투명전도막층을 증착하는 단계, 상기 제2 도핑 비정질 실리콘층의 표면에 제2 투명전도막층을 증착하는 단계, 상기 제1 투명전도막층의 표면에 상부 전극을 형성하는 단계 및 상기 제2 투명전도막층의 표면에 하부 전극을 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 태양전지모듈의 제조방법에 의해 달성된다.
여기서, 상기 하나 이상의 마이크로 결정 실리콘층을 증착하는 단계는 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층의 표면에 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층을 증착하는 단계, 상기 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층의 표면에 진성 마이크로 결정 실리콘층을 증착하는 단계 및 상기 진성 마이크로 결정 실리콘층의 표면에 제2 도핑 마이크로 결정 실리콘층을 증착하는 단계를 구비할 수 있다.
한편, 상기 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층과 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층 사이에 제3 도핑 비정질 실리콘층을 증착하는 단계를 더 구비할 수 있다. 이 때, 상기 제3 도핑 비정질 실리콘층은 상기 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층과 타입이 동일할 수 있다. 나아가, 상기 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층은 수소 희석비를 변화시키면서 마이크로 결정으로 증착될 수 있다. 이 경우, 상기 제3 도핑 비정질 실리콘층은 두께가 20 ~ 100nm의 범위를 가질 수 있다.
한편, 상기 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층과 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층 사이에 제3 도핑 마이크로 결정 실리콘층을 증착하는 단계를 더 구비할 수 있다. 이 때, 상기 제3 도핑 마이크 결정 실리콘층은 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층과 타입이 동일할 수 있다. 이 경우, 제3 도핑 마이크로 결정 실리콘층은 두께가 20 ~ 100nm의 범위를 가질 수 있다.
전술한 구성을 가지는 본 발명의 태양전지모듈의 제조방법에 따르면 상기 태양전지모듈에 마이크로 결정 실리콘층을 포함하여, 개방전압의 상승과 함께 장파장 대역의 태양광도 흡수할 수 있게 된다. 또한, 전류밀도의 향상에 의해 충진율도 향상되어 태양광에 의한 전기생산효율을 높일 수 있다.
도 1은 태양전지시스템의 동작원리를 도시한 개략도,
도 2 및 도 3은 비정질 실리콘층을 구비한 태양전지모듈의 단면도,
도 4는 태양전지모듈로 광을 모으는 집광수단을 구비한 태양전지시스템의 개략도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지모듈의 단면도,
도 6 및 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지모듈의 단면도,
도 8은 본 발명에 따른 태양전지모듈의 제조방법을 도시한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 태양전지시스템에 구비되어 태양광을 받아 전기를 생성하는 태양전지모듈(solar cell module)을 개략적으로 도시한 개략도이다. 도 1은 태양전지 셀(cell)의 측단면도이다.
도 1을 참조하면, 태양전지시스템이란 태양광을 받으면 광전효과에 의해 전기를 발생하는 전지로 정의될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 N층(3)과 P층(5)이 접합하여 PN접합으로 이루어진 셀(32)에 태양광이 입사되면, 정공쌍이 형성된다. 이 때, PN 접합부에서 생기는 전계에 의해 전자는 N층(3)으로 이동하고, 정공은 P층(5)으로 이동하게 된다. 따라서, P층(5)과 N층(3) 사이에 기전력이 발생하게 되고, 상기 양단의 전극(34, 44)에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 된다. 도면에서 설명되지 않은 도면번호 '1'은 태양광이 반사되는 것을 방지하는 반사방지막에 해당한다.
그런데, 상기와 같은 태양전지시스템은 태양전지시스템의 작동 온도가 상승하는 경우에 상기 셀(32)에서 전기를 생산하는 효율이 떨어지는 문제점을 수반한다. 이를 해결하기 위하여 도 2 및 도 3과 같은 이종접합 태양전지시스템이 개시된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 이종접합 태양전지시스템은 N층과 P층을 성질에 따라 구분한 것으로서, 구체적으로 N층과 P층이 서로 다른 결정구조 또는 서로 다른 물질로 구성된 경우를 의미한다.
도 2를 참조하면, 이종접합 태양전지시스템에서 전기를 생산하는 태양전지모듈(100A)은 결정질 실리콘 웨이퍼(110)와, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(110)의 상부에 형성되는 하나 이상의 비정질 실리콘층(120, 130)과, 상기 비정질 실리콘층(130)의 상부에 형성되는 투명전도막층(140)과, 상기 투명전도막층(140)의 상부에 형성되는 상부 전극(150)을 구비할 수 있다.
상기 결정질 실리콘 웨이퍼(110)는 N형 실리콘으로 구성될 수 있으며, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(110)의 상부에 진성 비정질 실리콘층(120)을 증착하고, 그 상부에 P형 비정질 실리콘층(130)을 증착한다. 태양광이 입사되는 상면에는 투명전도막층(140)을 형성하고, 그 상부에 상부전극(150)을 구비하고, 실리콘 웨이퍼(110)의 하면에 하부전극(160)을 구비한다.
상기 도 2에 따른 태양전지모듈은 일본의 'Sanyo'에서 개발하여 시판하는 소위 'HIT(Heterojunction with Intrinsic Thin layer) 셀 태양전지'의 구조로서, N형의 실리콘 웨이퍼(110)와 P형 비정질 실리콘층(130) 사이에 진성 비정질 실리콘층(120)을 수 nm의 두께로 삽입하여 기존의 도 1에 따른 태양전지모듈에 비해 현저히 높은 20% 이상의 광전환 효율을 나타낸다.
한편, 도 3은 전술한 도 2와 유사한 구조에서, 결정질 실리콘 웨이퍼(110)의 상부에 제1 진성 비정질 실리콘층(120A), 도핑 비정질 실리콘층(130), 제1 투명전도막층(140A) 및 상부 전극(150A)을 구비하고, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(110)의 하부에 제2 진성 비정질 실리콘층(120B), 전계 형성층(125), 제2 투명전도막층(140B) 및 하부 전극(150B)을 구비한 태양전지모듈(100B)을 도시한다.
상기와 같은 이종접합 태양전지시스템에서 태양광이 입사되는 투명전도막층(140, 140A, 140B)은 태양광이 반사되지 않고 입사되도록 하는 반사방지막의 역할을 한다.
상기 태양전지시스템은 태양 에너지를 전기에너지로 전환시키는 과정에서 기계적, 화학적 작용이 없으므로 시스템의 구조가 단순하여 유지보수가 거의 필요치 않으며, 태양광 시스템을 한번 설치하게 되면 그 수명이 길고 안전하며, 나아가 환경 친화적이라는 장점을 가지고 있다. 하지만, 태양전지시스템은 초기 설치비용이 많이 소요되는 문제점을 수반하며, 특히 태양광의 입사면적을 넓히기 위하여 실리콘 웨이퍼를 대형화하는 것은 태양전지시스템의 초기 비용을 높이는 주된 요인으로 작용한다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 도 4와 같이 태양전지모듈로 태양광을 모으는 집광수단을 구비한 태양전지시스템이 개발되었다.
도 4를 참조하면, 태양전지시스템(200)의 태양전지모듈(100')은 베이스(180)에 안착되며, 상기 태양전지모듈(100')에서 소정거리를 두고 집광수단, 예를 들어 집광렌즈(210)가 구비된다. 집광렌즈(210)는 태양광의 빛을 모아서 하부의 태양전지모듈(100')로 입사시키게 된다. 상기 태양전지모듈(100')과 집광렌즈(210) 사이의 거리는 상기 집광렌즈(210)의 초점거리에 따라 집광렌즈(210)를 지난 태양광의 대부분이 태양전지모듈(100')로 입사되도록 적절히 결정될 수 있다. 결국, 종래에는 대면적의 실리콘 웨이퍼를 필요로 하였으나, 집광렌즈(210)를 구비함으로써 웨이퍼의 크기를 현저히 줄이어 태양전지시스템의 초기 비용을 낮출 수 있게 된다. 따라서, 도 2 및 도 3에 따른 이종접합 태양전지모듈에 집광렌즈를 구비하는 경우에 높은 에너지 변환 효율을 가지는 태양전지 시스템을 구축하는 것이 가능해진다.
그런데, 전술한 도 2 및 도 3에 따른 이종접합 태양전지모듈의 경우 태양광이 입사되는 경우에 최대 4배의 집광형 타입까지 적용되고 있으며, 대략 10배 ~ 100배의 소위 고집광형 타입의 경우 집광에 따른 온도 증가로 인하여 충진율이 급격히 감소하게 된다. 따라서, 상기 고집광형 타입에도 적용할 수 있으며 집광 시에 온도가 상승하는 경우에도 개방전압을 상승시켜 충진율을 향상시킴으로써 전기생산효율을 높일 수 있는 태양전지모듈에 대해서 이하 도면을 참조하여 살펴보도록 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지모듈(100C)을 도시한 단면도이다.
도 5를 참조하면, 상기 태양전지모듈(100C)은 도 2 또는 도 3에 따른 태양전지모듈(100C)의 구조에서 하나 이상의 마이크로 결정 실리콘층(170)을 더 포함하게 된다. 상기 하나 이상의 마이크로 결정 실리콘층(170)을 포함하게 되면 종래 이종접합 태양전지모듈에 비해 개방전압을 2배 이상으로 향상시킬 수 있으며 마이크로 결정 구조로 인해 장파장 대역의 태양광도 흡수하는 것이 가능해진다. 따라서, 태양전지모듈의 전류밀도를 향상시켜 충진율을 높일 수 있게 된다. 이하 본 발명에 따른 태양전지모듈(100C)에 대해서 구체적으로 살펴보기로 한다.
상기 태양전지모듈(100C)은 결정질 실리콘 웨이퍼(110), 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(110)의 상부에 형성되는 제1 진성 비정질 실리콘층(120A) 및 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(110)의 하부에 형성되는 제2 진성 비정질 실리콘층(120B), 상기 제1 진성 비정질 실리콘층(120A)의 상부에 형성되는 제1 도핑 비정질 실리콘층(130A) 및 상기 제2 진성 비정질 실리콘층(120B)의 하부에 형성되는 제2 도핑 비정질 실리콘층(130B), 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(130A)의 상부에 형성되는 하나 이상의 마이크로 결정 실리콘층(170), 상기 마이크로 결정 실리콘층(170)의 상부에 형성되는 제1 투명전도막층(140A), 상기 제2 도핑 비정질 실리콘층(130B)의 하부에 형성되는 제2 투명전도막층(140B), 상기 제1 투명전도막층(140A)에 형성되는 상부 전극(150A) 및 상기 제2 투명전도막층(140B)에 형성되는 하부 전극(150B)을 구비할 수 있다.
상기 결정질 실리콘 웨이퍼(110)는 예를 들어 N형 실리콘으로 형성될 수 있다. 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(110)의 상부에 제1 진성 비정질 실리콘층(120A)을 형성하고, 상기 제1 진성 비정질 실리콘층(120A)의 상부에 제1 도핑 비정질 실리콘층(130A)을 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(130A)은 P형 실리콘으로 형성될 수 있다.
한편, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(110)의 하부에 제2 진성 비정질 실리콘층(120B)을 형성하고, 상기 제2 진성 비정질 실리콘층(120B)의 하부에 제2 도핑 비정질 실리콘층(130B)을 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 제2 도핑 비정질 실리콘층(130B)은 N형 실리콘으로 형성될 수 있다.
상기와 같은 구성에서 본 발명에 따른 태양전지모듈(100C)은 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(130A)의 상부에 하나 이상의 마이크로 결정 실리콘층(170)을 형성할 수 있다.
상기 마이크로 결정 실리콘층(170)은 하나 이상의 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170A, 170C)과 진성 마이크로 결정 실리콘층(170B)을 포함할 수 있으며, 상기 진성 마이크로 결정 실리콘층(170B)의 상부 및 하부에 상기 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170A, 170C)이 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 하나 이상의 마이크로 결정 실리콘층(170)은 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(130A)의 상부에 형성되는 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170A)과, 상기 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170A)의 상부에 형성되는 진성 마이크로 결정 실리콘층(170B) 및 상기 진성 마이크로 결정 실리콘층(170B)의 상부에 형성되는 제2 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170C)을 포함할 수 있다.
상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(130A)이 P형 실리콘으로 형성되는 경우에 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(130A)의 상부에 형성되는 상기 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170A)은 인(P)이 도핑된 N형 마이크로 결정 실리콘으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 제2 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170C)은 붕소(B)가 도핑된 P형 마이크로 결정 실리콘으로 형성될 수 있다.
한편, 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(130A)의 상부에 상기 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170A)을 증착하는 경우에 하부의 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(130A)과 상부의 상기 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170A) 사이의 계면에서 점결함 및 선결함 발생으로 인한 결정격자 뒤틀림에 의해 충진율이 급격히 감소하게 된다. 이로 인해 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(130A)과 상기 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170A) 사이에서 결정격자 뒤틀림을 방지하기 위하여 본 발명에서는 상기 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170A)과 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(130A) 사이에 제3 도핑 비정질 실리콘층(130C)을 더 포함할 수 있다. 도 6은 상기 제3 도핑 비정질 실리콘층(130C)이 형성된 태양전지모듈(100D)을 도시한다.
도 6을 참조하면, 상기 제3 도핑 비정질 실리콘층(130C)은 상기 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170A)과 타입이 동일하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170A)이 N형 마이크로 결정 실리콘으로 형성되는 경우에 상기 제3 도핑 비정질 실리콘층(130C)도 인(P)이 도핑된 N형 비정질 실리콘으로 형성될 수 있다.
이때, 상기 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170A)은 증착을 하는 경우 수소 희석비를 변화시키면서 마이크로 결정으로 증착될 수 있다.
이 경우, 상기 제3 도핑 비정질 실리콘층(130C)은 그 두께가 대략 20 ~ 100nm의 범위를 가질 수 있다.
한편, 상기 진성 마이크로 결정 실리콘층(170B)은 상기 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170A)의 상부에 10nm의 이하로 증착될 수 있다. 이때, 상기 진성 마이크로 결정 실리콘층(170B)의 두께는 대략 1000 ~ 2000nm이며, 결정화율은 대략 30 ~ 50% 정도이다.
한편, 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(130A)과 상기 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170A)의 계면으로 인해 태양전지모듈(100C)의 충진율 저하를 방지하기 위하여 상기 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170A)과 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(130A) 사이에 제3 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170D)을 더 포함할 수 있다. 도 7은 상기 제3 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170D)이 형성된 태양전지모듈(100E)을 도시한다.
도 7을 참조하면, 상기 제3 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170D)은 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(130A)과 타입이 동일하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(130A)이 P형 비정질 실리콘으로 형성되는 경우에 상기 제3 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170D)도 붕소(B)가 도핑된 P형 마이크로 결정 실리콘으로 형성될 수 있다.
이때, 상기 제3 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170D)은 그 두께가 대략 20 ~ 100nm의 범위를 가질 수 있다.
한편, 전술한 제3 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170D)과 제3 도핑 비정질 실리콘층(130C)을 모두 포함하는 것도 가능하지만, 제조비용 및 경제성 등을 고려할 때 어느 하나만 형성하는 것도 물론 가능하다.
도 5를 참조하면, 상기 마이크로 결정 실리콘층(170)의 상부에 제1 투명전도막층(140A)을 증착하고, 상기 제1 투명전도막층(140A)의 상면에 상부 전극(150A)을 형성할 수 있다. 또한, 상기 제2 도핑 비정질 실리콘층(130B)의 하부에 제2 투명전도막층(140B)을 증착하고, 상기 제2 투명전도막층(140B)의 하면에 하부 전극(150B)을 형성할 수 있다.
도 8은 상기와 같은 구성을 가지는 태양전지모듈(100C)을 제조하기 위한 순서도를 도시한다.
도 8을 참조하면, 상기 태양전지모듈(100C)의 제조방법은 결정질 실리콘 웨이퍼(110)의 제2 표면에 제2 진성 비정질 실리콘층(120B)을 증착하는 단계(S810), 상기 제2 진성 비정질 실리콘층(120B)의 표면에 제2 도핑 비정질 실리콘층(130B)을 증착하는 단계(S820), 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(110)의 제1 표면에 제1 진성 비정질 실리콘층(120A)을 증착하는 단계(S830), 상기 제1 진성 비정질 실리콘층(120A)의 표면에 제1 도핑 비정질 실리콘층(130A)을 증착하는 단계(S840), 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(130A)의 표면에 하나 이상의 마이크로 결정 실리콘층(170)을 증착하는 단계(S850), 상기 마이크로 결정 실리콘층(170)의 표면에 제1 투명전도막층(140A)을 증착하는 단계(S860), 상기 제2 도핑 비정질 실리콘층(130B)의 표면에 제2 투명전도막층(140B)을 증착하는 단계(S870), 상기 제1 투명전도막층(140A)의 표면에 상부 전극(150A)을 형성하는 단계(S880) 및 상기 제2 투명전도막층(140B)의 표면에 하부 전극(150B)을 형성하는 단계(S890)를 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지모듈(100C)의 제조방법은 먼저 결정질 실리콘 웨이퍼(110)의 제2 표면에 소정의 증착장치(미도시)를 이용하여 제2 진성 비정질 실리콘층(120B)을 증착하게 된다(S810). 여기서, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(110)의 제2 표면은 도 5에서 결정질 실리콘 웨이퍼(110)의 하부면에 해당한다. 즉, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(110)의 하부면이 위쪽에 위치하도록 상기 증착장치의 내부에 배치하고, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(110)의 제2 표면에 상기 제2 진성 비정질 실리콘층(120B)을 증착하게 된다.
이어서, 상기 제2 진성 비정질 실리콘층(120B)의 표면에 제2 도핑 비정질 실리콘층(130B)을 증착하게 된다(S820). 이 경우, 인(P)을 도핑하여 N형 실리콘으로 이루어진 제2 도핑 비정질 실리콘층(130B)을 증착할 수 있다.
상기 제2 도핑 비정질 실리콘층(130B)을 증착한 다음, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(110)의 제1 표면이 위쪽에 위치하도록 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(110)를 회전시킨 다음, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(110)의 제1 표면에 제1 진성 비정질 실리콘층(120A)을 증착한다(S830). 여기서, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(110)의 제1 표면은 도 5에서 결정질 실리콘 웨이퍼(110)의 상부면에 해당한다. 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(110)의 상부면이 위쪽에 위치하도록 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(110)를 상기 증착장치의 내부에서 또는 상기 증착장치의 외부에서 회전시키게 된다. 그리고, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(110)의 제1 표면에 제1 진성 비정질 실리콘층(120A)을 증착하게 된다.
이어서, 상기 제1 진성 비정질 실리콘층(120A)의 표면에 제1 도핑 비정질 실리콘층(130A)을 증착하게 된다(S840). 이 경우, 붕소(B)를 도핑하여 P형 실리콘으로 이루어진 제1 도핑 비정질 실리콘층(130A)을 증착할 수 있다.
상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(130A)을 증착한 다음, 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(130A)의 표면에 하나 이상의 마이크로 결정 실리콘층(170)을 증착하게 된다(S850).
여기서, 상기 하나 이상의 마이크로 결정 실리콘층을 증착하는 단계는 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(130A)의 표면에 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170A)을 증착하는 단계와, 상기 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170A)의 표면에 진성 마이크로 결정 실리콘층(170B)을 증착하는 단계 및 상기 진성 마이크로 결정 실리콘층(170B)의 표면에 제2 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170C)을 증착하는 단계를 구비할 수 있다.
상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(130A)이 P형 실리콘으로 형성되는 경우에 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(130A)의 상부에 형성되는 상기 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170A)은 인(P)을 도핑하여 N형 마이크로 결정 실리콘으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 제2 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170C)은 붕소(B)를 도핑하여 P형 마이크로 결정 실리콘으로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 태양전지모듈 제조방법은 상기 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170A)과 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(130A) 사이에 제3 도핑 비정질 실리콘층(130C)을 증착하는 단계를 더 구비할 수 있다. 이는 전술한 바와 같이 상기 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170A)과 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(130A) 사이의 계면으로 인해 태양전지모듈의 충진율이 저하되는 것을 방지하기 위함이다.
여기서, 상기 제3 도핑 비정질 실리콘층(130C)은 상기 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170A)과 타입이 동일하게 증착될 수 있다. 즉, 상기 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170A)이 N형 마이크로 결정 실리콘으로 형성되는 경우에 상기 제3 도핑 비정질 실리콘층(130C)도 인(P)이 도핑된 N형 비정질 실리콘으로 형성될 수 있다.
이때, 상기 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170A)은 증착을 하는 경우 수소 희석비를 변화시키면서 마이크로 결정으로 증착될 수 있다.
이 경우, 상기 제3 도핑 비정질 실리콘층(130C)은 그 두께가 대략 20 ~ 100nm의 범위를 가질 수 있다.
한편, 상기 진성 마이크로 결정 실리콘층(170B)은 상기 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170A)의 상부에 10nm의 이하로 증착될 수 있다. 이때, 상기 진성 마이크로 결정 실리콘층(170B)의 두께는 대략 1000 ~ 2000nm이며, 결정화율은 대략 30 ~ 50% 정도이다.
한편, 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(130A)과 상기 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170A)의 계면으로 인해 태양전지모듈(100C)의 충진율 저하를 방지하기 위하여 상기 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170A)과 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(130A) 사이에 제3 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170D)을 증착할 수 있다.
상기 제3 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170D)은 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(130A)과 타입이 동일하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(130A)이 P형 비정질 실리콘으로 형성되는 경우에 상기 제3 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170D)도 붕소(B)가 도핑된 P형 마이크로 결정 실리콘으로 형성될 수 있다.
이때, 상기 제3 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170D)은 그 두께가 대략 20 ~ 100nm의 범위를 가질 수 있다.
한편, 전술한 제3 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170D)과 제3 도핑 비정질 실리콘층(130C)을 모두 증착하는 것도 가능하지만, 제조비용 및 경제성 등을 고려할 때 어느 하나만 증착하는 것도 물론 가능하다.
이어서, 상기 마이크로 결정 실리콘층(170)의 표면에 제1 투명전도막층(140A)을 증착하고(S860), 상기 제2 도핑 비정질 실리콘층(130B)의 표면에 제2 투명전도막층(140B)을 증착한다(S870).
다음으로, 상기 제1 투명전도막층(140A)의 표면에 상부 전극(150A)을 형성하고(S880),상기 제2 투명전도막층(140B)의 표면에 하부 전극(150B)을 형성하게 된다(S890).
본 발명자는 본 발명에 따른 태양전지모듈과 종래 태양전지모듈을 비교하기 위하여, 개방전압, 단락전류밀도, 충진율 및 변환효율을 측정하는 각종 실험을 수행하였는 바, 이하 구체적으로 살펴보기로 한다.
개방전압(V) 단락전류밀도
(mA/㎠)		 충진율(%) 변환효율(%)
실시예 1.4 18.2 72 18.5
비교예 1 1.4 12.8 72 13.1
상기 [표 1]에서 '실시예'는 본 발명에 따른 결정질 실리콘 웨이퍼를 포함하는 이종접합 태양전지모듈을 나타내며, '비교예 1'은 글라스(glass)에 각종 실리콘층이 적층된 이종접합 태양전지모듈을 나타낸다.
상기 [표 1]에 도시된 바와 같이 '실시예'와 '비교예 1'은 개방전압과 충진율에 있어서는 거의 유사한 값을 나타낸다. 하지만, 결정실 실리콘 웨이퍼의 에너지 밴드갭(band gap)은 대략 1.12eV로서, 상대적으로 낮은 에너지 밴드갭을 가지게 된다. 따라서, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼를 포함하는 태양전지모듈의 경우에 넓은 범위의 태양광 스펙트럼에서 상대적으로 많은 양의 태양광을 흡수하여 전류를 생산할 수 있다. 따라서, '실시예'와 '비교예 1'의 단락전류밀도를 비교해보면 '실시예'가 18.2 mA/㎠로서 '비교예 1'에 비해 대략 42% 이상의 향상된 값을 나타낸다. 이러한 단락전류밀도의 차이에 의해 태양광의 변환효율을 살펴보면 '실시예'의 경우 18.5%로서 '비교예 1'의 13.1%에 비해 수치상으로 대략 41% 이상 향상됨을 알 수 있다.
개방전압(V) 단락전류밀도
(mA/㎠)		 충진율(%) 변환효율(%)
실시예 1.35 18.2 72 18.5
비교예 2 0.75 35.8 65 17.6
한편, 상기 [표 2]에서 '실시예'는 본 발명에 따라 도 5에 따른 이종접합 태양전지모듈을 나타내며, '비교예 2'는 전술한 도 3에 따른 이종접합 태양전지모듈을 나타낸다.
상기 '실시예'에 따른 태양전지모듈의 경우 마이크로 결정 실리콘층의 적층으로 인해 '비교예 2'에 비해 개방전압은 상승하고, 단락전류밀도는 감소하게 된다. 이 경우, 상기 '실시예'에 따른 태양전지모듈에서 마이크로 결정 실리콘층과 하부 구조 사이의 전류 매칭을 통해 안정적인 충진율 확보가 가능하게 되며, 이에 따라 변환효율이 상승된다. 즉, 상기 [표 2]에 도시된 바와 같이 충진율에 있어서 '실시예'가 '비교예 2'에 비해 11% 이상의 향상된 값을 나타냄을 알 수 있다. 결과적으로 태양광의 변환효율을 살펴보면 '실시예'의 경우 18.5%로서 '비교예 2'의 17.6%에 비해 수치상으로 대략 5% 이상 향상됨을 알 수 있다.
개방전압(V) 단락전류밀도
(mA/㎠)		 충진율(%)
실시예 1 1.61 9.4 73.5
실시예 2 1.61 9.4 76.1
실시예 3 1.56 9.4 52.0
한편, 상기 [표 3]에서 '실시예 1'은 본 발명에 따른 이종접합 태양전지모듈에서 전술한 제3 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170D)의 두께가 대략 50nm인 경우를 나타내며, '실시예 2'는 본 발명에 따른 이종접합 태양전지모듈에서 전술한 제3 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170D)의 두께가 대략 75nm인 경우를 나타낸다. 또한, '실시예 3'의 경우에 본 발명에 따른 이종접합 태양전지모듈에서 전술한 제3 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170D)을 포함하지 않는 경우를 나타낸다.
상기 [표 3]에 도시된 바와 같이 제3 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170D)을 포함하지 않은 '실시예 3'에 비해 '실시예 1' 및 '실시예 2'의 경우 전술한 점결함 및 선결함 발생으로 인한 결정격자 뒤틀림을 감소시켜 저항값이 개선되는 것을 확인할 수 있었고, 이로 인해 개방전압 및 충진율이 향상된다.
구체적으로 '실시예 3'에 비해 '실시예 1' 및 '실시예 2'의 경우 개방전압이 상대적으로 더 향상된 값을 나타내며, 이에 따라 충진율도 '실시예 1' 및 '실시예 2'의 값이 '실시예 3'에 비해 각각 41% 및 46% 정도 향상됨을 알 수 있다. 특히, '실시예 1'과 '실시예 2'를 비교해보면 상기 제3 도핑 마이크로 결정 실리콘층(170D)의 두께가 대략 50nm인 경우(실시예 1)에 비해 두께를 대략 75nm로 늘린 경우(실시예 2)에 충진율이 향상됨을 알 수 있다.
본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.
110..결정질 실리콘 웨이퍼
120A..제1 진성 비정질 실리콘층
120B..제2 진성 비정질 실리콘층
130A..제1 도핑 비정질 실리콘층
130B..제2 도핑 비정질 실리콘층
140A..제1 투명전도막층
140B..제2 투명전도막층
150A..상부전극
150B..하부전극
170..마이크로 결정 실리콘층

Claims (9)

  1. 결정질 실리콘 웨이퍼의 제2 표면에 제2 진성 비정질 실리콘층을 증착하는 단계;
    상기 제2 진성 비정질 실리콘층의 표면에 제2 도핑 비정질 실리콘층을 증착하는 단계;
    상기 결정질 실리콘 웨이퍼의 제1 표면에 제1 진성 비정질 실리콘층을 증착하는 단계;
    상기 제1 진성 비정질 실리콘층의 표면에 제1 도핑 비정질 실리콘층을 증착하는 단계;
    상기 제1 도핑 비정질 실리콘층의 표면에 하나 이상의 마이크로 결정 실리콘층을 증착하는 단계;
    상기 마이크로 결정 실리콘층의 표면에 제1 투명전도막층을 증착하는 단계;
    상기 제2 도핑 비정질 실리콘층의 표면에 제2 투명전도막층을 증착하는 단계;
    상기 제1 투명전도막층의 표면에 상부 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 투명전도막층의 표면에 하부 전극을 형성하는 단계;를 구비하고,
    상기 하나 이상의 마이크로 결정 실리콘층을 증착하는 단계는
    상기 제1 도핑 비정질 실리콘층의 표면에 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층을 증착하는 단계;
    상기 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층의 표면에 진성 마이크로 결정 실리콘층을 증착하는 단계; 및
    상기 진성 마이크로 결정 실리콘층의 표면에 제2 도핑 마이크로 결정 실리콘층을 증착하는 단계;를 구비하고,
    상기 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층과 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층 사이에 제3 도핑 비정질 실리콘층을 증착하는 단계 또는 상기 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층과 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층 사이에 제3 도핑 마이크로 결정 실리콘층을 증착하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 태양전지모듈의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제3 도핑 비정질 실리콘층은 상기 제1 도핑 마이크로 결정 실리콘층과 타입이 동일한 것을 특징으로 하는 태양전지모듈의 제조방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제3 도핑 마이크 결정 실리콘층은 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층과 타입이 동일한 것을 특징으로 하는 태양전지모듈의 제조방법.

  9. 삭제
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