KR101662526B1 - 태양전지모듈 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양전지모듈의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 태양전지모듈의 제조방법은 결정실 실리콘 웨이퍼의 양면을 텍스쳐링하는 단계, 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 제2 도핑 비정질 실리콘층의 표면에 제2 투명전도막층을 증착하는 단계, 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층의 표면에 제1 투명전도막층을 증착하는 단계, 상기 제1 투명전도막층의 표면에 상부 전극을 형성하는 단계, 상기 제2 투명전도막층의 표면에 하부 전극을 형성하는 단계 및 상기 결정실 실리콘 웨이퍼를 커팅하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

태양전지모듈 및 그 제조방법 {Solar cell module and manufacturing method thereof}
본 발명은 태양전지모듈 및 그 제조방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 태양전지모듈에서 생성되는 전류를 효과적으로 수집하여 충진율(fill factor)을 향상시켜 전기생산효율을 높일 수 있는 태양전지모듈에 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 태양전지모듈 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 결정질 실리콘 웨이퍼의 양면을 텍스쳐링하는 단계, 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 제2 도핑 비정질 실리콘층의 표면에 제2 투명전도막층을 증착하는 단계, 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층의 표면에 제1 투명전도막층을 증착하는 단계, 상기 제1 투명전도막층의 표면에 상부 전극을 형성하는 단계, 상기 제2 투명전도막층의 표면에 하부 전극을 형성하는 단계 및 상기 결정질 실리콘 웨이퍼를 커팅하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 태양전지모듈의 제조방법에 의해 달성된다.
여기서, 상기 제1 진성 비정질 실리콘층과 상기 제2 진성 비정질 실리콘층은 6 내지 10nm의 두께를 가진다.
한편, 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층을 복수의 층으로 분할하여 증착할 수 있으며, 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층은 도핑량이 서로 상이한 하부 제1 도핑 비정질 실리콘층과 상부 제1 도핑 비정질 실리콘층을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 하부 제1 도핑 비정질 실리콘층은 상기 상부 제1 도핑 비정질 실리콘층에 비해 도핑량이 상대적으로 적으며, 상기 하부 제1 도핑 비정질 실리콘층은 에너지밴드갭이 상기 상부 제1 도핑 비정질 실리콘층에 비해 더 높으며, 상기 상부 제1 도핑 비정질 실리콘층은 전기전도도가 상기 하부 제1 도핑 비정질 실리콘층에 비해 상대적으로 높을 수 있다.
나아가, 상기 상부전극은 상기 제1 투명전도막층의 상부에 형성되어 전류를 수집하는 버스 전극 및 상기 제1 투명전도막층의 표면에 형성되어 상기 버스 전극과 연결되는 복수의 그리드전극을 포함하며, 상기 그리드전극의 선폭은 30 내지 300㎛ 일 수 있다.
전술한 구성을 가지는 본 발명의 태양전지모듈에 따르면 전류밀도의 향상에 의해 충진율도 향상되어 태양광에 의한 전기생산효율을 높일 수 있다.
도 1은 태양전지시스템의 동작원리를 도시한 개략도,
도 2는 비정질 실리콘층을 구비한 태양전지모듈의 단면도,
도 3은 태양전지모듈로 광을 모으는 집광수단을 구비한 태양전지시스템의 개략도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지모듈의 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 태양전지모듈의 제조방법을 도시한 순서도,
도 6은 웨이퍼에 마스크가 안착된 상태를 도시한 평면도,
도 7은 상부전극의 구조를 도시한 평면도,
도 8은 다른 실시예에 따른 태양전지모듈의 단면도이다.
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 2와 같은 이종접합 태양전지시스템이 개시된다.
도 2에 따른 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(1100)와, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(1100)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(1100)는 N형 실리콘으로 구성될 수 있으며, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(1100)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(1100)의 하면에 하부전극(160)을 구비한다.
상기 도 2에 따른 태양전지모듈은 N형의 실리콘 웨이퍼(1100)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.
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 3과 같이 태양전지모듈로 태양광을 모으는 집광수단을 구비한 태양전지시스템이 개발되었다.
도 3을 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 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 2에 따른 이종접합 태양전지모듈에 집광렌즈를 구비하는 경우에 높은 에너지 변환 효율을 가지는 태양전지 시스템을 구축하는 것이 가능해진다.
그런데, 전술한 도 2에 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 충진율을 향상시킴으로써 전기생산효율을 높일 수 있는 태양전지모듈에 대해서 이하 도면을 참조하여 살펴보도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지모듈(1000)을 도시한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 상기 태양전지모듈(1000)은 결정질 실리콘 웨이퍼(1100), 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(1100)의 상부에 형성되는 제1 진성 비정질 실리콘층(1200A) 및 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(1100)의 하부에 형성되는 제2 진성 비정질 실리콘층(1200B), 상기 제1 진성 비정질 실리콘층(1200A)의 상부에 형성되는 제1 도핑 비정질 실리콘층(1300A) 및 상기 제2 진성 비정질 실리콘층(1200B)의 하부에 형성되는 제2 도핑 비정질 실리콘층(1300B), 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(1300A)의 상부에 형성되는 제1 투명전도막층(1400A), 상기 제2 도핑 비정질 실리콘층(1300B)의 하부에 형성되는 제2 투명전도막층(1400B), 상기 제1 투명전도막층(1400A)에 형성되는 상부전극(1500A) 및 상기 제2 투명전도막층(1400B)에 형성되는 하부전극(1500B)을 구비할 수 있다.
상기 결정질 실리콘 웨이퍼(1100)는 예를 들어 N형 실리콘으로 형성될 수 있다. 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(1100)의 상부에 제1 진성 비정질 실리콘층(1200A)을 형성하고, 상기 제1 진성 비정질 실리콘층(1200A)의 상부에 제1 도핑 비정질 실리콘층(1300A)을 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(1300A)은 P형 실리콘으로 형성될 수 있다.
한편, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(1100)의 하부에 제2 진성 비정질 실리콘층(1200B)을 형성하고, 상기 제2 진성 비정질 실리콘층(1200B)의 하부에 제2 도핑 비정질 실리콘층(1300B)을 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 제2 도핑 비정질 실리콘층(1300B)은 N형 실리콘으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(1300A)의 상부에 제1 투명전도막층(1400A)을 증착하고, 상기 제1 투명전도막층(1400A)의 상면에 상부전극(1500A)을 형성할 수 있다. 또한, 상기 제2 도핑 비정질 실리콘층(1300B)의 하부에 제2 투명전도막층(1400B)을 증착하고, 상기 제2 투명전도막층(1400B)의 하면에 하부전극(1500B)을 형성할 수 있다.
도 5는 상기와 같은 구성을 가지는 태양전지모듈(1000)을 제조하기 위한 순서도를 도시한다.
도 5를 참조하면, 상기 태양전지모듈(1000)의 제조방법은 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(1100)의 표면에 텍스쳐링(texturing)을 수행하는 단계(S610), 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(1100)의 제2 표면에 제2 진성 비정질 실리콘층(1200B)을 증착하는 단계(S620), 상기 제2 진성 비정질 실리콘층(1200B)의 표면에 제2 도핑 비정질 실리콘층(1300B)을 증착하는 단계(S630), 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(1100)의 제1 표면에 제1 진성 비정질 실리콘층(1200A)을 증착하는 단계(S640), 상기 제1 진성 비정질 실리콘층(1200A)의 표면에 제1 도핑 비정질 실리콘층(1300A)을 증착하는 단계(S650), 상기 제2 도핑 비정질 실리콘층(1300B)의 표면에 제2 투명전도막층(1400B)을 증착하는 단계(S660), 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(1300A)의 표면에 제1 투명전도막층(1400A)을 증착하는 단계(S670), 상기 제1 투명전도막층(1400A)의 표면에 상부전극(1500A)을 형성하는 단계(S680), 상기 제2 투명전도막층(1400B)의 표면에 하부전극(1500B)을 형성하는 단계(S690) 및 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(1100)를 커팅하는 단계(S700)를 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지모듈(1000)의 제조방법은 먼저 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(1100)의 표면에 텍스쳐링(texturing) 구조를 형성한다(S610). 상기 텍스쳐링 구조는 도면에 도시되지 않지만, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(1100)의 표면에 미세한 피라미드 형태의 요철을 다수 형성하게 되며, 상기 요철의 크기는 대략 2 내지 10㎛이다. 상기 텍스쳐링 구조에 의해 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(1100)의 표면에서 태양광의 반사율을 감소시킬 수 있다.
이어, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(1100)의 제2 표면에 소정의 증착장치, 예를 들어 PECVD(Plasma-enhanced chemical vapor deposition)를 이용하여 제2 진성 비정질 실리콘층(1200B)을 증착하게 된다(S620). 여기서, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(1100)의 제2 표면은 도 4에서 결정질 실리콘 웨이퍼(1100)의 하부면에 해당한다. 즉, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(1100)의 하부면이 위쪽에 위치하도록 상기 증착장치의 내부에 배치하고, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(1100)의 제2 표면에 상기 제2 진성 비정질 실리콘층(1200B)을 증착하게 된다. 이 경우, 상기 제2 진성 비정질 실리콘층(1200B)은 대략 6 내지 10nm의 두께로 증착되어 표면 패시베이션층(passivation layer)을 형성하게 된다.
이어서, 상기 제2 진성 비정질 실리콘층(1200B)의 표면에 제2 도핑 비정질 실리콘층(1300B)을 증착하게 된다(S630). 이 경우, 인(P)을 도핑하여 N형 실리콘으로 이루어진 제2 도핑 비정질 실리콘층(1300B)을 증착할 수 있다. 상기 제2 도핑 비정질 실리콘층(1300B)은 대략 100 내지 200nm의 두께로 증착되어 개방전압을 향상시키게 된다.
상기 제2 도핑 비정질 실리콘층(1300B)을 증착한 다음, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(1100)의 제1 표면이 위쪽에 위치하도록 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(1100)를 회전시킨 다음, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(1100)의 제1 표면에 제1 진성 비정질 실리콘층(1200A)을 증착한다(S640). 여기서, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(1100)의 제1 표면은 도 4에서 결정질 실리콘 웨이퍼(1100)의 상부면에 해당한다. 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(1100)의 상부면이 위쪽에 위치하도록 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(1100)를 상기 증착장치의 내부에서 또는 상기 증착장치의 외부에서 회전시키게 된다. 그리고, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(1100)의 제1 표면에 제1 진성 비정질 실리콘층(1200A)을 증착하게 된다. 이 경우, 상기 제1 진성 비정질 실리콘층(1200A)은 대략 6 내지 10nm의 두께로 증착되어 표면 패시베이션층(passivation layer)을 형성하게 된다.
이어서, 상기 제1 진성 비정질 실리콘층(1200A)의 표면에 제1 도핑 비정질 실리콘층(1300A)을 증착하게 된다(S650). 이 경우, 붕소(B)를 도핑하여 P형 실리콘으로 이루어진 제1 도핑 비정질 실리콘층(1300A)을 증착할 수 있다. 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(1300A)은 대략 5 내지 10nm의 두께로 증착되어 접합층을 형성하게 된다.
상기 제1 진성 비정질 실리콘층(1200A)과 상기 제2 진성 비정질 실리콘층(1200B)은 대략 6 내지 10nm의 두께로 증착되는데, 하기 [표 1]은 진성 비정질 실리콘층이 상기 대략 6 내지 7nm의 두께를 가지는 실시예1과 진성 비정질 실리콘층이 5nm 이하의 두께를 가지는 비교예1과 개방전압, 전류밀도 및 충진율을 비교한 실험결과를 도시한다.
개방전압(V) 전류밀도(mA/㎠) 충진율(%)
실시예1 0.748 540 64
비교예1 0.745 552 48
상기 [표 1]을 참조하면, 상기 실시예1의 경우에 상기 비교예1과 비교하여 전류밀도는 다소 떨어지지만 개방전압이 향상되었으며, 특히 충진율이 48%에서 64%로 상승하여 대략 33.3% 이상 향상되었음을 알 수 있다. 이는 상기 진성 비정질 실리콘층의 두께가 두꺼울수록 태양광의 집광으로 인한 전자와 정공과 같은 캐리어의 이동에 있어 진성 비정질 실리콘층에 의한 패시베이션 효과가 우수하기 때문이다.
한편, 본 발명에서는 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(1300A)을 증착하는 경우에 2층 이상의 복수층으로 분할하여 증착할 수 있다. 상기와 같이 제1 도핑 비정질 실리콘층(1300A)을 2개 이상의 층으로 분할하여 증착하는 이유는 태양전지모듈의 에너지밴드갭(energy bandgap)과 전기전도도를 모두 향상시키기 위함이다. 즉, 태양전지모듈에서 일반적으로 에너지밴드갭과 전기전도도는 일종의 트레이드 오프(trade off) 관계를 형성한다. 즉, 어느 하나의 수치가 올라가면 다른 하나의 수치는 낮아질 수 밖에 없다. 따라서, 본 실시예에서는 상기와 같은 문제점을 해결하여 상기 에너지밴드갭과 전기전도도를 모두 향상시키기 위해서 상기 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(1300A)을 증착하는 경우에 2층 이상의 복수층으로 증착하게 된다.
구체적으로, 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(1300A)의 하부에 위치한 하부 제1 도핑 비정질 실리콘층(1310A)은 상기 태양전지모듈의 에너지밴드갭을 확보하기 위한 층이고, 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(1300A)의 상부에 위치한 상부 제1 도핑 비정질 실리콘층(1320A)은 전기전도도를 향상시키기 위한 층이다.
이 경우, 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(1300A)을 형성하기 위하여 예를 들어 디보란(diborane)(B2H6)을 도핑하게 되는데 상기 하부 제1 도핑 비정질 실리콘층(1310A)과 상부 제1 도핑 비정질 실리콘층(1320A)에서 상기 디보란의 도핑량이 상이하게 결정될 수 있다. 하기 [표 2]는 상기 하부 제1 도핑 비정질 실리콘층(1310A)과 상부 제1 도핑 비정질 실리콘층(1320A)을 증착하는 경우에 디보란 가스, 수소희석비를 나타내며, 아울러 각 층의 에너지밴드갭과 전기전도도를 도시한다.
수소희석비
(H2/SiH4)		 디보란(B2H6)
(sccm)		 에너지밴드갭
(eV)		 전기전도도
(S/cm)
하부 제1도핑 비정질 실리콘층 90 5 1.8 이상 10-7
상부 제1도핑 비정질 실리콘층 10 30 1.6 이하 10-4
상기 [표 2]를 참조하면, 상기 하부 제1 도핑 비정질 실리콘층(1310A)은 상기 상부 제1 도핑 비정질 실리콘층(1320A)에 비해 디보란의 도핑량이 상대적으로 적으며, 수소희석비는 상대적으로 높게 된다. 이 경우, 상기 [표 2]에 도시된 바와 같이 상기 하부 제1 도핑 비정질 실리콘층(1310A)의 에너지밴드갭은 대략 1.8eV이상으로 상부 제1 도핑 비정질 실리콘층(1320A)에 비해 더 높은 수치를 나타내며, 상기 태양전지모듈의 에너지밴드갭을 확보하게 된다.
한편, 상기 상부 제1 도핑 비정질 실리콘층(1320A)은 전기전도도가 대략 10-4 S/cm로서, 상기 하부 제1 도핑 비정질 실리콘층(1310A)에 비해 높은 수치를 나타내며, 상기 태양전지모듈의 전기전도도를 향상시키게 된다.
또한, 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(1300A)을 증착하는 경우에 수소희석비, 예를 들어 실란(silane)가스와 수소가스의 비율을 종래에 비해 변화시킬 수 있다. 하기 [표 3]은 상기 수소희석비에 따른 충진율을 도시한 표이다. 실시예2는 상기 수소희석비가 대략 40R(수소가 실란의 40배)인 경우이며, 비교예2는 상기 수소희석비가 대략 10R(수소가 실란의 10배)인 경우이다.
개방전압(V) 전류밀도(mA/㎠) 충진율(%)
실시예2 0.748 540 64
비교예2 0.747 538 62
상기 [표 3]을 참조하면, 상기 수소희석비를 10R에서 40R로 조절하는 경우에 태양전지모듈의 충진율이 대략 2% 이상 상승함을 알 수 있다.
이어서, 상기 제2 도핑 비정질 실리콘층(1300B)의 표면에 제2 투명전도막층(1400B)을 증착하고(S660), 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(1300A)의 표면에 제1 투명전도막층(1400A)을 증착한다(S670).
구체적으로, 스퍼터링 방식을 이용하여 상기 제2 도핑 비정질 실리콘층(1300B)의 표면에 내부 반사율을 증가시키기 위하여 대략 140 내지 200nm의 제2 투명전도막층(1400B)을 증착한다. 이어서, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(1100)의 제1 표면이 위쪽에 위치하도록 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(1100)를 회전시킨 다음, 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(1300A)의 표면에 대략 80 내지 140 nm의 제1 투명전도막층(1400A)을 증착한다.
이 때, 상기 제1 투명전도막층(1400A)은 도 6에 도시된 바와 같이 웨이퍼(W)의 일면, 즉 상면에 투명전도막층을 형성하기 위하여 마스크(300)를 안착하여 소정의 면적, 소정의 형태를 가지도록 증착한다. 여기서 설명하는 웨이퍼는 전술한 셀(cell)에서 투명전도막층이 생략된 형태의 집합체로서 각 태양전지모듈에 적합한 형태로 절삭되기 전의 집합체로 이해될 수 있다.
상기 투명전도막층은 인듐주석산화물계로 이루어지므로, 스퍼터링 등의 방식에 의해 웨이퍼(W)의 상부에 증착되어 형성된다. 이 경우, 태양전지모듈의 형태로 증착하기 위하여 마스크(300)를 상기 웨이퍼(W)의 상부에 배치한다. 상기 마스크(300)는 투명전도막층이 증착되도록 복수개의 개구부(310)를 구비할 수 있다. 즉, 증착을 하는 경우에 상기 개구부(310)를 통하여 상기 웨이퍼(W)의 상부에 증착막이 형성되며, 상기 증착막이 투명전도막층을 형성하게 된다.
하기 [표 4]는 상기 제2 투명전도막층(1400B)이 170nm로 증착된 경우의 실시예3과 상기 제2 투명전도막층이 없는 경우의 비교예3과 충진율을 비교한 결과를 도시한다.
개방전압(V) 전류밀도(mA/㎠) 충진율(%)
실시예3 0.748 540 64
비교예3 0.743 512 53
상기 [표 4]를 참조하면, 상기 제2 투명전도막층이 없는 비교예3과 비교하여 상기 제2 투명전도막층(1400B)을 구비한 실시예3의 경우에 개방전압 및 전류밀도가 향상되며, 특히 충진율은 53%에서 64%로 상승하여 대략 20% 이상 향상됨을 알 수 있다.
한편, 상기 제1 투명전도막층(1400A)을 증착하는 스퍼터링 방식의 경우에 플라즈마를 이용할 수 있으며, 이 경우 상기 플라즈마에 제공되는 파워(W)에 따라 상기 플라즈마에 의해 상기 제1 도핑 비정질 실리콘층(1300A)에 손상이 발생할 수 있다. 하기 [표 5]는 상기 플라즈마의 파워 변화에 따른 충진율(%)의 변화를 도시한다.
파워(W) 200 300 400 500 600
충진율(%) 64.1 63.8 63.1 62.9 61.2
상기 [표 5]를 참조하면, 상기 플라즈마에 제공되는 파워가 600W에서 200W로 낮아지는 경우에 상기 충진율이 61.2%에서 64.1%로 상승하여 대략 5%이상 충진율이 향상됨을 알 수 있다.
다음으로, 상기 제1 투명전도막층(1400A)의 표면에 상부전극(1500A)을 형성하고(S680), 상기 제2 투명전도막층(1400B)의 표면에 하부전극(1500B)을 형성하게 된다(S690).
본 실시예에서는 상기 전극을 형성할 수 있는 증발증착법(evaporation), 스퍼터링법(sputtering), 스크린인쇄법(screen printing) 등 다양한 방법들 중에 공정 비용이 가장 저렴한 스크린인쇄법을 이용한다. 또한, 상기 상부전극(1500A) 및 하부전극(1500B)의 형성을 위해서 저온형 은 페이스트(Ag paste)를 스크린 마스크를 사용하여 증착한다. 상기 은 페이스트는 대략 200℃ 이하의 온도에서도 전기전도도를 가지는 특성을 나타낸다.
상기 스크린인쇄법은 상기 상부전극(1500A)을 증착하는 경우에 다른 공정 방법에 비해 10㎛ 이상의 높은 두께로 쉽게 형성할 수 있으며, 태양광의 수광면적의 감소 없이 높은 전류 밀도를 얻을 수 있다. 또한, 상기 하부전극(1500B)의 경우에도 다른 방식에 비해 접합성 및 결합강도가 우수하여 후속하는 커팅 단계에서도 견고하게 결합상태를 유지할 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 상부전극 구조를 도시하는 평면도이다.
도 7을 참조하면, 상기 제1 투명전도막층(1400A)의 상부에 상부전극(1500A)이 배치된다. 이 경우, 상기 상부전극(1500A)은 상기 제1 투명전도막층(1400A)의 상부에 형성되며, 생성되는 전류를 수집하는 버스 전극(1520A, 1520B) 및 상기 제1 투명전도막층(1400A)의 표면에 형성되어 상기 버스 전극(1520A, 1520B)과 연결되는 복수의 그리드전극(1510)을 포함할 수 있다.
즉, 제1 투명전도막층(1400A)의 표면을 가로질러 상대적으로 얇은 선폭을 가지는 그리드전극(1510)이 형성되며, 상기 그리드전극(1510)으로부터 전류를 수집하는 버스 전극(1520A, 1520B)이 상기 제1 투명전도막층(1400A)에 형성된다
예를 들어, 상기 버스 전극(1520A, 1520B)은 상기 제1 투명전도막층(1400A)의 상부의 양측에 마주보도록 둘 이상 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 버스 전극(1520A, 1520B)은 상기 제1 투명전도막층(1400A)의 가장자리에 인접하여 형성될 수 있다. 한편, 상기 그리드전극(1510)은 복수개가 형성되며, 상기 복수개의 그리드전극(1510)은 상기 버스 전극(1520A, 1520B)의 적어도 하나에 전기적으로 연결될 수 있다.
여기서, 상기 그리드전극(1510)은 대략 30 내지 300 ㎛의 선폭을 가질 수 있다. 상기 그리드전극(1510)의 선폭이 30 ㎛보다 작게 되면 집광수단을 구비한 태양전지모듈에서 생성되는 전류를 효율적으로 수집하기 어려워진다. 따라서, 본 실시예에서 상기 그리드전극(1510)의 선폭은 30 ㎛ 이상으로 결정된다. 한편, 상기 그리드전극(1510)의 선폭이 300 ㎛보다 커지게 되면 태양전지모듈에서 생성되는 전류를 보다 효과적으로 수집할 수 있지만, 상기 그리드전극(1510)이 투명전도막층을 가리는 면적이 증가하게 되어 태양광의 입사율이 떨어지게 된다. 따라서, 본 실시예에서 상기 그리드전극(1510)은 대략 30 내지 300 ㎛의 선폭을 가지게 된다.
하기 [표 6]은 상기 그리드전극(1510)의 선폭에 따른 태양전지모듈의 충진율의 변화를 도시한다.
그리드전극 선폭(㎛) 30 80 100 200 300
충진율 40.8 45.0 55.9 61.1 64.7
상기 [표 6]을 참조하면, 상기 그리드전극의 선폭이 증가함에 따라 상기 충진율이 증가하는 것을 알 수 있으며, 이는 상기 그리드전극의 선폭 증가에 따라 상기 그리드전극을 따라 이동하는 캐리어가 소멸되지 않고 상대적으로 더 많은 양의 캐리어가 이동할 수 있음을 의미한다. 따라서, 상기 태양전지모듈의 수광면적을 줄이지 않는 범위에서 적절하게 상기 그리드전극의 선폭을 증가시키는 것이 필요하다.
이어서, 상기 웨이퍼(W)를 태양전지모듈의 형태로 커팅(cutting)하게 된다(S700).
상기 커팅 시에는 상기 웨이퍼(W)의 결정 방향으로의 절단을 방지하기 위해 일반적으로 레이져(laser)를 이용하여 원하는 크기에 맞추어 절단한다.
그런데, 도 2에 도시된 바와 같이 웨이퍼(W)를 태양전지모듈의 형태에 따라 레이져 등을 사용하여 절단하는 경우에 상기 투명전도막층(140)을 하부의 절단면에 딱 맞추어 절단하게 되면 상기 투명전도막층(140)에 레이져에 의한 열적 손상이 발생하게 되며 이는 충진율(fill factor)의 저하를 가져오게 된다.
도 8은 전술한 문제점을 해결하기 위한 다른 실시예에 따른 태양전지모듈(2000)의 구조를 도시한 측단면도이다.
도 8을 참조하면, 상기 웨이퍼(W) 상에 제1 투명전도막층(1400C)을 증착하는 경우에 상기 제1 투명전도막층(1400C)의 증착면적이 하부에 위치한 웨이퍼(W)의 절단면적에 비해 상대적으로 더 작도록 증착될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 투명전도막층(1400C)의 증착면적은 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(1100), 상기 제1 진성 비정질 실리콘층(1200A) 및 제1 도핑 비정질 실리콘층(1300A)의 면적에 비해 상대적으로 작도록 형성될 수 있다.
또는 상기 제1 투명전도막층(1400C)을 증착하고 상기 웨이퍼(W)를 절단하는 경우에 상기 제1 투명전도막층(1400C)의 각 가장자리면에서 대략 0.1mm 떨어진 절단면을 따라 상기 웨이퍼(W)를 절단할 수 있다.
상기와 같은 경우 상기 웨이퍼(W)를 태양전지모듈의 형태에 따라 절단하는 경우에도 레이져 등의 절단수단에 의한 열적 손상이 상기 제1 투명전도막층에 전달되는 것을 방지할 수 있게 되어, 충진율의 저하를 방지할 수 있게 된다.
본 발명자는 도 4와 같이 제1 투명전도막층의 면적이 하부의 웨이퍼의 절단면적과 동일한 경우(비교예4)와 도 8과 같이 투명전도막층의 면적이 하부의 웨이퍼의 절단면적에 비해 작은 경우(실시예4)를 비교하여 실험을 수행하였다. 하기 [표 7]은 상기 실험에 따른 결과를 도시한다.
개방전압
(V)		 단락전류밀도
(mA/㎠)		 충진율
(%)		 광변환 효율
(%)
비교예4 0.669 35.79 0.558 13.35
실시예4 0.703 39.12 0.686 18.85
상기 [표 7]에 도시된 바와 같이, 상기 제1 투명전도막층의 면적이 하부의 웨이퍼의 절단면적과 동일한 경우에 비해 상기 제1 투명전도막층의 면적이 하부의 웨이퍼의 절단면적에 비해 작은 경우에 개방전압, 단락전류밀도, 충진율이 모두 향상되었음을 알 수 있으며, 이로 인해 광변환 효율이 13.35%에서 18.85%로 대략 40% 이상 효율이 향상되었음을 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.
1100..결정질 실리콘 웨이퍼
1200A..제1 진성 비정질 실리콘층
1200B..제2 진성 비정질 실리콘층
1300A..제1 도핑 비정질 실리콘층
1300B..제2 도핑 비정질 실리콘층
1400A..제1 투명전도막층
1400B..제2 투명전도막층
1500A..상부전극
1500B..하부전극

Claims (6)

  1. 결정질 실리콘 웨이퍼의 양면을 텍스쳐링하는 단계;
    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 제2 도핑 비정질 실리콘층의 표면에 제2 투명전도막층을 증착하는 단계;
    상기 제1 도핑 비정질 실리콘층의 표면에 제1 투명전도막층을 증착하는 단계;
    상기 제1 투명전도막층의 표면에 상부 전극을 형성하는 단계;
    상기 제2 투명전도막층의 표면에 하부 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 결정질 실리콘 웨이퍼를 커팅하는 단계;를 구비하고,
    상기 제1 투명전도막층을 증착하는 단계에서 상기 제1 투명전도막층의 증착면적은 상기 결정질 실리콘 웨이퍼, 상기 제1 진성 비정질 실리콘층 및 제1 도핑 비정질 실리콘층의 면적에 비해 상대적으로 작도록 형성되며, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼를 커팅하는 단계에서 상기 제1 투명전도막층의 각 가장자리면에서 미리 결정된 거리만큼 떨어진 절단면을 따라 상기 결정질 실리콘 웨이퍼를 절단하는 것을 특징으로 하는 태양전지모듈의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 진성 비정질 실리콘층과 상기 제2 진성 비정질 실리콘층은 6 내지 10nm의 두께의 가지는 것을 특징으로 하는 태양전지모듈의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도핑 비정질 실리콘층을 복수의 층으로 분할하여 증착하는 것을 특징으로 하는 태양전지모듈의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 도핑 비정질 실리콘층은 도핑량이 서로 상이한 하부 제1 도핑 비정질 실리콘층과 상부 제1 도핑 비정질 실리콘층을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지모듈의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 하부 제1 도핑 비정질 실리콘층은 상기 상부 제1 도핑 비정질 실리콘층에 비해 도핑량이 상대적으로 적으며,
    상기 하부 제1 도핑 비정질 실리콘층은 에너지밴드갭이 상기 상부 제1 도핑 비정질 실리콘층에 비해 더 높으며, 상기 상부 제1 도핑 비정질 실리콘층은 전기전도도가 상기 하부 제1 도핑 비정질 실리콘층에 비해 상대적으로 높은 것을 특징으로 하는 태양전지모듈의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 상부전극은 상기 제1 투명전도막층의 상부에 형성되어 전류를 수집하는 버스 전극 및 상기 제1 투명전도막층의 표면에 형성되어 상기 버스 전극과 연결되는 복수의 그리드전극을 포함하며, 상기 그리드전극의 선폭은 30 내지 300㎛ 인 것을 특징으로 하는 태양전지모듈의 제조방법.


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