KR101889776B1 - 태양 전지 및 이의 제조 방법, 그리고 태양 전지 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 실시예에 따른 태양 전지는, 광전 변환부; 및 상기 광전 변환부에 전기적으로 연결된 금속 전극을 포함한다. 상기 금속 전극의 측면이 경사면을 포함한다.

Description

태양 전지 및 이의 제조 방법, 그리고 태양 전지 모듈{SOLAR CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME, AND SOLAR CELL MODULE}
본 발명은 태양 전지 및 이의 제조 방법, 그리고 태양 전지 모듈에 관한 것이다. 좀더 상세하게, 본 발명은 구조를 개선한 태양 전지 및 이의 제조 방법, 그리고 태양 전지 모듈에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예상되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양 전지는 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 차세대 전지로서 각광받고 있다.
이러한 태양 전지는 광전 변환을 일으킬 수 있는 광전 변환부와 이에 전기적으로 연결되어 광전 변환부에 의해 생성된 전류를 수집하는 전극을 포함한다. 이때, 전극의 면적이 좁아지면 전류를 효율적으로 수집하기 어려울 수 있고, 전극의 면적이 넓어지면 전극이 형성된 부분에서 태양 전지 내부로 향하는 광이 반사되어 광의 이용률을 낮출 수 있다. 이에 따라 태양 전지의 효율을 향상할 수 있도록 전극의 구조를 개선하는 것이 요구된다.
본 실시예는 전류를 효율적으로 수집하면서도 광의 이용률을 향상하여 향상된 효율을 가지는 태양 전지 및 이의 제조 방법, 그리고 태양 전지 모듈을 제공하고자 한다.
본 실시예에 따른 태양 전지는, 광전 변환부; 및 상기 광전 변환부에 전기적으로 연결된 금속 전극을 포함한다. 상기 금속 전극의 측면이 경사면을 포함한다.
몬 실시예에 따른 태양 전지 모듈은, 광전 변환부와, 상기 광전 변환부에 전기적으로 연결된 금속 전극을 포함하는 태양 전지; 및 상기 태양 전지에서 상기 금속 전극이 형성된 면에 위치하는 기판을 포함한다. 상기 금속 전극의 측면이 경사면을 포함한다.
본 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법은, 광전 변환부를 형성하는 단계; 및 상기 광전 변환부에 전기적으로 연결되는 금속 전극을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 금속 전극을 형성하는 단계에서 상기 금속 전극의 측면이 경사면을 포함하도록 상기 금속 전극을 형성한다.
본 실시예에서는 전극의 측면이 경사면으로 형성되어 반사된 광이 기판에서 모두 전반사되도록 할 수 있다. 이에 의하여 전극에서 반사된 광을 재사용할 수 있고, 이에 따라 광의 이용률을 높여 효율을 향상할 수 있다.
이때, 전극의 측면이 경사면인 전극은 전극을 형성하는 공정에서 형성할 수 있다. 즉, 별도의 추가 공정 없이 간단한 공정에 의하여 효율을 향상할 수 있는 전극을 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지 모듈을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지 모듈을 개략적으로 도시한 부분 단면도이다.
도 3a 내지 도 3d를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 상세하게 설명한다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법에서 제1 전극을 형성하는 방법을 도시한 단면도들이다.
도 5는 도 4c의 A 부분의 yz 평면에서 시드층과 전계 인가 전극의 개략적인 배치를 도시한 도면이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법에서 제1 전극을 형성하는 방법을 도시한 단면도들이다.
도 7은 도 6b의 B 부분의 yz 평면에서 복수의 시드들과 개구부 사이의 개략적인 배치를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지 모듈을 개략적으로 도시한 부분 단면도이다.
도 9는 반도체 기판에 시드층이 형성된 사진이다.
도 10은 실험예에 의하여 형성된 제1 전극의 사진이다.
도 11은 비교예에 의하여 형성된 제1 전극의 사진이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며 다양한 형태로 변형될 수 있음은 물론이다.
도면에서는 본 발명을 명확하고 간략하게 설명하기 위하여 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 극히 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 참조부호를 사용한다. 그리고 도면에서는 설명을 좀더 명확하게 하기 위하여 두께, 넓이 등을 확대 또는 축소하여 도시하였는바, 본 발명의 두께, 넓이 등은 도면에 도시된 바에 한정되지 않는다.
그리고 명세서 전체에서 어떠한 부분이 다른 부분을 "포함"한다고 할 때, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 부분을 배제하는 것이 아니며 다른 부분을 더 포함할 수 있다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 위치하는 경우도 포함한다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 위치하지 않는 것을 의미한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지 및 이를 포함하는 태양 전지 모듈을 설명한다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지 모듈을 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지 모듈을 개략적으로 도시한 부분 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 태양 전지 모듈(100)은, 적어도 하나의 태양 전지(150)와, 적어도 하나의 태양 전지(150)의 전면에 위치하는 기판(110)(이하 "전면기판(110)")을 포함한다. 그리고 태양 전지 모듈(100)은 태양 전지(150)의 후면에 위치하는 후면 기판(200), 전면 및 후면 기판(110, 200)과 태양 전지(150) 사이에서 태양 전지(150)을 밀봉하는 제1 및 제2 밀봉재(131, 132)를 더 포함할 수 있다. 이를 좀더 상세하게 설명한다.
먼저, 태양 전지(150)는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 반도체 소자로서, 태양광을 전기 에너지로 변환하는 광전 변환부와, 광전 변환부에 전기적으로 연결되는 전극을 포함할 수 있다. 광전 변환부로는 다양한 방식 또는 구조가 적용될 수 있다. 태양 전지(150)는 광전 변환부의 구조, 방식 등에 따라 실리콘 태양 전지(silicon solar cell), 화합물 반도체 태양 전지(compound semiconductor solar cell), 탠덤형 태양 전지(tandem solar cell), 염료 감응형 태양 전지 등으로 분류될 수 있다. 본 실시예에서는 태양 전지(150)가 실리콘 태양 전지 구조인 것을 일례로 하여 설명한다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 광전 변환부가 적용될 수 있음은 물론이다.
이러한 태양 전지(150)는 복수 개가 리본(142)에 의해 전기적으로 직렬, 병렬 또는 직병렬로 연결되어 태양 전지 스트링(140)을 이룬다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 적어도 하나의 태양 전지(150)만을 구비하면 족하다.
구체적으로, 리본(142)은 태양 전지(150)의 수광면 상에 형성된 제1 전극(도2의 참조부호 24)과 인접한 다른 태양 전지(150)의 이면 상에 형성된 제2 전극(도 2의 참조부호 34)을 태빙(tabbing) 공정에 의해 연결할 수 있다.
일례로, 태양 전지(150)의 일면에 플럭스(flux)를 도포하고, 플럭스(flux)가 도포된 태양 전지(150)에 리본(142)을 위치시킨 다음, 소성을 하여 태빙 공정을 수행할 수 있다.
또는, 태양 전지(150)의 일면과 리본(142) 사이에 전도성 필름(미도시)을 부착시킨 다음, 열 압착에 의해 복수의 태양 전지(150)를 직렬 또는 병렬로 연결할 수 있다. 전도성 필름(미도시)은 도전성이 우수한 금, 은, 니켈, 구리 등으로 형성된 도전성 입자가 에폭시 수지, 아크릴 수지, 폴리이미드 수지, 폴리카보네이트 수지 등으로 형성된 필름 내에 분산된 것일 수 있다. 이러한 전도성 필름을 열을 가하면서 압착하면 도전성 입자가 필름의 외부로 노출되고, 노출된 도전성 입자에 의해 태양 전지(150)와 리본(142)이 전기적으로 연결될 수 있다. 이와 같이 전도성 필름(미도시)에 의해 복수의 태양 전지(150)를 연결하여 모듈화하는 경우는, 공정 온도가 낮아져 태양 전지 스트링(140)의 휘어짐이 방지될 수 있다.
또한, 버스 리본(145)은 태양 전지 스트링(140)의 리본(142) 양끝단을 교대로 연결하여, 태양 전지 스트링(140)을 전기적으로 연결한다. 버스 리본(145)은 태양 전지 스트링(140)의 단부에서 태양 전지 스트링(140)의 길이 방향과 교차하는 방향으로 배치될 수 있다. 이러한 버스 리본(145)은 태양 전지(150)가 생산한 전기를 모으며 전기가 역류되는 것을 방지하는 정션 박스(미도시)와 연결된다.
제1 밀봉재(131)는 태양 전지(150)의 수광면에 위치하고, 제2 밀봉재(132)는 태양 전지(150)의 이면에 위치할 수 있다. 제1 밀봉재(131)와 제2 밀봉재(132)는 라미네이션 등의 방법에 의하여 태양 전지(150)에 접착될 수 있다. 제1 밀봉재(131)와 제2 밀봉재(132)는 태양 전지(150)에 악영향을 미칠 수 있는 수분이나 산소를 차단하며, 태양 전지(150)의 각 요소들이 화학적으로 결합할 수 있도록 한다.
이러한 제1 밀봉재(131)와 제2 밀봉재(132)로는 에틸렌초산비닐 공중합체 수지(EVA), 폴리비닐부티랄, 규소 수지, 에스테르계 수지, 올레핀계 수지 등이 사용될 수 있다.
그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 제1 및 제2 밀봉재(131, 132)가 다양한 물질로 구성될 수 있으며, 라미네이션 이외의 방법에 의하여 태양전지(150)에 부착될 수 있다.
전면 기판(110)은 태양광을 투과하도록 제1 밀봉재(131) 상에 위치한다. 이때, 전면 기판(110)은 외부의 충격 등으로부터 태양 전지(150)를 보호하기 위해 강화유리로 이루어질 수 있다. 일례로, 전면 기판(110)은 태양광의 반사를 방지하고 태양광의 투과율을 높이기 위해 철분이 적게 포함된 저철분 강화유리로 이루어질 수 있다.
후면 기판(200)은 태양 전지(150)의 후면에서 태양 전지(150)를 보호한다. 후면 기판(200)은, 유리로 이루어지며 판상 형태를 가지거나, 수지 등으로 이루어지며 필름 또는 시트의 형태를 가질 수 있다. 후면 기판(200)은 태양 전지(150)의 이면에서 태양 전지(150)를 보호하는 층으로서, 방수, 절연 및 자외선 차단 기능을 한다. 후면 기판(150)은 TPT(Tedlar/PET/Tedlar) 타입일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 또한, 후면 기판(200)은 전면 기판(110) 측으로부터 입사된 태양광을 반사하여 재이용될 수 있도록 반사율이 우수한 재질일 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 후면 기판(200)이 태양광이 입사될 수 있는 투명 재질로 형성되어 양면 태양 전지 모듈(100)을 구현할 수도 있다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 태양 전지(150)는, 반도체 기판(10), 반도체 기판(10)의 제1 면(이하 "전면") 쪽에 위치하며 제1 도전형 불순물을 포함하는 에미터층(20), 반도체 기판(10)의 제2 면(이하 "후면") 쪽에 위치하며 제2 도전형 불순물을 포함하는 후면 전계층(30), 반도체 기판(10)의 전면에 형성되는 반사 방지막(22) 및 제1 전극(24), 반도체 기판(10)의 후면에 위치하는 패시베이션 막(32) 및 제2 전극(34)을 포함할 수 있다.
여기서, 서로 다른 도전형에 의하여 pn 접합을 형성하는 반도체 기판(10)과 에미터층(20)은 광전 변환에 실질적으로 관여하는 광전 변환부라 할 수 있다. 좀더 넓은 개념으로는 전계에 의하여 광전 변환 작용을 돕는 후면 전계층(30) 또한 광전 변환부에 포함될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 광전 변환부로는 다양한 구조를 적용할 수 있으며 본 발명이 아래의 구조에 한정되는 것은 아니다. 그리고 제1 전극(24) 및 제2 전극(34)이 광전 변환부에 전기적으로 연결되는 전극에 해당한다.
이러한 태양 전지(150)를 좀더 상세하게 설명하면 다음과 같다.
반도체 기판(10)은 다양한 반도체 물질을 포함할 수 있는데, 일례로 제2 도전형 불순물을 포함하는 실리콘을 포함할 수 있다. 실리콘으로는 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘이 사용될 수 있으며, 제2 도전형 불순물은 일례로 n형일 수 있다. 즉, 반도체 기판(10)은 인(P), 비소(As), 비스무스(Bi), 안티몬(Sb) 등의 5족 원소가 도핑된 단결정 또는 다결정 실리콘으로 이루어질 수 있다.
이와 같이 n형의 불순물을 가지는 반도체 기판(10)을 사용하면, 반도체 기판(10)의 전면에 p형의 불순물을 가지는 에미터층(20)이 형성되어 pn 접합(junction)을 이루게 된다. 이러한 pn 접합에 광이 조사되면 광전 효과에 의해 생성된 전자가 반도체 기판(10)의 후면 쪽으로 이동하여 제2 전극(34)에 의하여 수집되고, 정공이 반도체 기판(10)의 전면 쪽으로 이동하여 제1 전극(24)에 의하여 수집된다. 이에 의하여 전기 에너지가 발생한다.
이때, 전자보다 이동 속도가 느린 정공이 반도체 기판(10)의 후면이 아닌 전면으로 이동하여 변환 효율이 향상될 수 있다.
도면에 도시하지 않았지만, 반도체 기판(10)의 전면 및/또는 후면은 텍스쳐링(texturing)에 의하여 형성된 피라미드 등의 형태의 요철을 가질 수 있다. 이와 같이 텍스쳐링에 의해 반도체 기판(10)의 전면 등에 요철이 형성되어 표면 거칠기가 증가되면, 반도체 기판(10)의 전면 등을 통하여 입사되는 광의 반사율을 낮출 수 있다. 따라서 반도체 기판(10)과 에미터층(20)의 계면에 형성된 pn 접합까지 도달하는 광량을 증가시킬 수 있어, 광 손실을 최소화할 수 있다.
반도체 기판(10)의 전면 쪽에는 제1 도전형 불순물을 가지는 에미터층(20)이 형성될 수 있다. 본 실시예에서 에미터층(20)은 제1 도전형 불순물로 3족 원소인 보론(B), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등의 p형 불순물을 사용할 수 있다.
반도체 기판(10)의 전면에서 에미터층(20) 상에 반사 방지막(22) 및 제1 전극(24)이 형성된다.
반사 방지막(22)은 제1 전극(24)이 형성된 부분을 제외하고 실질적으로 반도체 기판(10)의 전면 전체에 형성될 수 있다. 반사 방지막(22)은 반도체 기판(10)의 전면으로 입사되는 광의 반사율을 감소시키고, 에미터층(20)의 표면 또는 벌크 내에 존재하는 결함을 부동화 시킨다.
반사 방지막(22)은 반도체 기판(10)의 전면을 통해 입사되는 광의 반사율이 낮추는 것에 의하여 반도체 기판(10)과 에미터층(20)의 계면에 형성된 pn 접합까지 도달되는 광량을 증가시킬 수 있다. 이에 따라 태양 전지(150)의 단락 전류(Isc)를 증가시킬 수 있다. 그리고 반사 방지막(22)이 에미터층(20)에 존재하는 결함을 부동화하여 소수 캐리어의 재결합 사이트를 제거할 수 있고, 이에 의하여 태양 전지(150)의 개방 전압(Voc)을 증가시킬 수 있다. 이와 같이 반사 방지막(22)에 의하여 태양 전지(150)의 개방 전압과 단락 전류를 증가시켜 태양 전지(150)의 효율을 향상할 수 있다.
방사 방지막(22)은 다양한 물질로 형성될 수 있다. 일례로, 반사 방지막(22)은 실리콘 질화막, 수소를 포함한 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 실리콘 산화 질화막, 알루미늄 산화막, MgF2, ZnS, TiO2 및 CeO2로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 단일막 또는 2개 이상의 막이 조합된 다층막 구조를 가질 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 반사 방지막(22)이 다양한 물질을 포함할 수 있음은 물론이다.
제1 전극(24)이 반사 방지막(22)을 관통하여 에미터층(20)에 전기적으로 연결된다. 제1 전극(24)에 대해서는 추후에 다시 상세하게 설명한다.
그리고 반도체 기판(10)의 후면 쪽에는 반도체 기판(10)보다 높은 도핑 농도로 제2 도전형 불순물을 포함하는 후면 전계층(30)이 형성된다. 후면 전계층(30)은 전자와 정공의 후면 재결합을 최소화하여 태양전지의 효율 향상에 기여할 수 있다. 이러한 후면 전계층(30)은 인(P), 비소(As), 비스무스(Bi), 안티몬(Sb) 등을 포함할 수 있다.
이와 함께 반도체 기판(10)의 후면에는 패시베이션 막(32)과 제2 전극(34)이 형성될 수 있다.
패시베이션 막(32)은 제2 전극(34)이 형성된 부분을 제외하고 실질적으로 반도체 기판(10)의 후면 전체에 형성될 수 있다. 이러한 패시베이션 막(32)은 반도체 기판(10)의 후면에 존재하는 결함을 부동화하여 소수 캐리어의 재결합 사이트를 제거할 수 있다. 이에 의하여 태양 전지(150)의 개방 전압(Voc)을 증가시킬 수 있다.
이러한 패시베이션 막(32)은 광이 투과될 수 있도록 투명한 절연 물질로 이루어질 수 있다. 따라서, 이러한 패시베이션 막(32)을 통하여 반도체 기판(10)의 후면을 통해서도 광이 입사될 수 있도록 하여 태양 전지(150)의 효율을 향상할 수 있다. 일례로, 패시베이션 막(32)은 실리콘 질화막, 수소를 포함한 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 실리콘 산화 질화막, 알루미늄 산화막, MgF2, ZnS, TiO2 및 CeO2로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 단일막 또는 2개 이상의 막이 조합된 다층막 구조를 가질 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 패시베이션 막(32)이 다양한 물질을 포함할 수 있음은 물론이다.
제2 전극(34)은 전기 전도성이 우수한 다양한 금속 등을 포함할 수 있다. 일례로, 제2 전극(34)으로는 전기 전도성이 우수하며 높은 반사율을 가지는 은(Ag)을 포함할 수 있다. 제2 전극(34)으로 반사율이 높은 은을 사용하면, 반도체 기판(10)의 후면으로 빠져나가는 광을 반사하여 다시 반도체 기판(10) 내부로 향하게 하여, 광의 사용량을 증가시킬 수 있다.
상술한 설명에서는 반도체 기판(10)이 n형을 가지고, 에미터층(20)이 p형을 가지는 것을 예시로 하여 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 반도체 기판(10)이 p형을 가지고, 에미터층(20)이 n형을 가지는 등 다양하게 변형이 가능하다.
본 실시예에서는 제1 전극(24)이 광의 사용량을 증가할 수 있는 구조로 형성되는데 이에 대하여 좀더 상세하게 설명한다.
본 실시예에서 제1 전극(24)은 측면이 경사면(P1, P2)을 포함한다. 이는 광이 제1 전극(24)의 측면에서 반사된 후에 전면 기판(110)의 표면에서 전반사(total reflection)되어 태양 전지(150) 쪽으로 향하도록 하기 위함이다. 좀더 상세하게는 전면 기판(110)을 통하여 입사된 광(도 2의 실선 화살표)이 제1 전극(24)의 측면에서 반사되어 전면 기판(110) 쪽으로 향하게 된다(도 2의 점선 화살표). 이때, 입사각(A2)이 일정 범위 내에 속하면 전면 기판(110)의 표면(즉, 전면 기판(110)과 외부와의 경계면)에서 광의 전반사가 일어나서 태양 전지(150) 쪽으로 광이 향하게 된다(도 2의 이중선 화살표).
일례로, 일반적인 태양 전지 모듈(100)에 적용되는 전면 기판(110)에서는 입사각(A2)이 41.8도 내지 90도인 경우에 전면 기판(110)의 표면에서 전반사가 일어날 수 있다. 제1 전극(24)에서 반사된 광이 상술한 입사각(A2)을 가지도록 하기 위하여 제1 전극(24)의 측면의 경사각(즉, 제1 전극(24)의 바닥면(B)과 제1 전극(24)의 측면 사이의 각도)(A1)이 20.9도 내지 45도의 각도를 가질 수 있다.
즉, 본 실시예에서는 제1 전극(24)의 바닥면(B)와 제1 전극(24)의 측면의 경사각(A1)을 일정 범위 내로 형성하여 제1 전극(24)에서 반사된 광이 전면 기판(110)에서 모두 전반사되도록 할 수 있다. 이에 의하여 제1 전극(24)에서 반사된 광을 재사용할 수 있도록 한다. 이에 의하여 광의 이용률을 높일 수 있고 태양 전지 모듈(100)의 효율을 향상할 수 있다.
이때, 재사용되는 광량을 증가시킬 수 있도록 제1 전극(24)의 양쪽 측면을 모두 경사면(P1, P2)으로 형성할 수 있다. 그러면, 제1 전극(24)의 외면이 경사면(P1, P2)으로 이루어져 제1 전극(24)의 단면이 삼각형의 형상을 가질 수 있다. 이와 같이 제1 전극(24)의 외면 전체에서 반사된 광이 전면 기판(110)의 표면에서 모두 전반사될 수 있도록 하여, 태양 전지(150)에서 사용되는 광의 양을 최대화할 수 있다.
제1 전극(24)은 반사율이 우수한 금속(일례로 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 또는 이들의 합금)으로 이루어질 수 있다. 이때, 은(Ag)은 반사도가 우수하며 전기 전도도가 높아 제1 전극(24)으로 사용하기에 바람직하다.
이때, 본 실시예에서는 제1 전극(24)의 밀도를 크게 하여 제1 전극(24)의 측면에서 반사가 좀더 잘 일어나도록 할 수 있다. 이는 밀도가 낮은 경우보다 밀도가 높은 경우에 반사가 좀더 잘 일어날 수 있기 때문이다. 제1 전극(24)이 높은 밀도로 형성되도록 하기 위하여 제1 전극(24)을 도금에 의하여 형성할 수 있는데, 이에 대해서는 후술한다.
도면에서는 제1 전극(24)의 바닥면(B)이 편평한 것을 예시하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 전술한 바와 같이, 제1 전극(24)의 바닥면(B)에 텍스쳐링에 의한 요철이 형성될 수도 있다. 이 경우에는 제1 전극(24)의 측면과 전면 기판(110)의 표면이 이루는 각도를 제1 전극(42)의 측면의 경사각(A1)으로 할 수 있다.
이하, 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 상세하게 설명한다. 그러나 아래의 제조 방법은 일례로서 제시된 것에 불과할 뿐, 공정 순서 등은 다양하게 변형될 수 있다.
본 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법에서는, 광전 변환부를 형성한 다음, 도금에 의하여 상기 광전 변환부에 전기적으로 연결되는 금속 전극을 형성한다. 이를 좀더 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 3a에 도시한 바와 같이, 제2 도전형 불순물을 가지는 반도체 기판(10)을 준비한다. 도면에 도시하지 않았지만, 반도체 기판(10)의 전면 및 후면은 텍스쳐링에 의하여 요철을 가질 수 있다. 텍스처링으로는 습식 또는 건식 텍스처링을 사용할 수 있다. 습식 텍스처링은 텍스처링 용액에 반도체 기판(10)을 침지하는 것에 의해 수행될 수 있으며, 공정 시간이 짧은 장점이 있다. 건식 텍스처링은 다이아몬드 그릴 또는 레이저 등을 이용하여 반도체 기판(10)의 표면을 깍는 것으로, 요철을 균일하게 형성할 수 있는 반면 공정 시간이 길고 반도체 기판(10)에 손상이 발생할 수 있다. 또는 반응성 이온 식각(RIE) 등에 의하여 반도체 기판(10)의 전면 및 후면 중 어느 하나에만 텍스쳐링을 형성할 수도 있다. 이와 같이 본 발명에서는 다양한 방법으로 반도체 기판(10)을 텍스쳐링 할 수 있다.
이어서, 도 3b에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(10)에 에미터층(20) 및 후면 전계층(30)을 형성한다. 에미터층(20) 및 후면 전계층(30)은 이온 주입법, 열 확산법 등의 다양한 방법에 의하여 형성될 수 있다.
이어서, 도 3c에 도시한 바와 같이, 에미터층(20) 위에 반사 방지막(22)을 형성하고, 후면 전계층(30) 위에 패시베이션 막(32)을 형성한다. 반사 방지막(22) 및 패시베이션 막(32)은 진공 증착법, 화학 기상 증착법, 스핀 코팅, 스크린 인쇄 또는 스프레이 코팅 등과 같은 다양한 방법에 의하여 형성될 수 있다.
이어서, 도 3d에 도시한 바와 같이, 에미터층(20)에 전기적으로 연결되는 제1 전극(24) 및 후면 전계층(30)에 전기적으로 연결되는 제2 전극(34)을 형성한다.
이때, 패시베이션 막(32)에 개구부를 형성하고 이 개구부 내에 도금법, 증착법 등의 다양한 방법으로 금속층을 형성하여 제2 전극(34)을 형성할 수 있다. 또는, 제2 전극 형성용 페이스트를 패시베이션 막(32) 상에 각기 스크린 인쇄 등으로 도포한 후에 파이어 스루(fire through) 또는 레이저 소성 컨택(laser firing contact) 등을 하여 상술한 형상의 제2 전극(34)을 형성하는 것도 가능하다. 이 경우에는 별도로 개구부를 형성하는 공정을 수행하지 않아도 된다.
상술한 바와 같이 제1 전극(24)은 도금에 의하여 형성하여 높은 밀도를 가질 수 있다. 이때, 본 실시예에서는 도금 공정에서 제1 전극(24)의 측면에 경사면(P1, P2)이 형성되도록 하여 별도의 추가 공정 없이 원하는 형상의 제1 전극(24)을 형성할 수 있다. 본 실시예에 따른 제1 전극(24)을 형성하는 다양한 방법을 도 4a 내지 도 4d, 도 5, 도 6a 내지 도 6d, 그리고 도 7을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법에서 제1 전극을 형성하는 방법을 도시한 단면도들이다.
간략하고 명확한 설명을 위하여 도 4a 내지 도 4d에는 반도체 기판(10)의 후면 쪽에 위치하는 제2 전극(34)이 형성되지 않은 것으로 도시하였다. 제2 전극(34)은 제1 전극(24)을 형성하기 전에 이미 형성된 상태일 수도 있고, 제1 전극(24)을 형성한 후에 형성할 수도 있다. 또는, 제1 전극(24)을 형성할 때 제2 전극(34)을 동시에 형성할 수도 있다.
먼저, 도 4a에 도시한 바와 같이, 제1 전극(24)이 형성될 부분에 대응하여 반사 방지막(22)에 개구부(22a)를 형성한다. 일례로, 반사 방지막(22) 위에 개구부(22a)에 대응하는 부분을 노출하는 마스크층(도시하지 않음)을 형성한 다음 반사 방지막(22)을 식각하여 형성될 수 있다. 식각 방법으로 다양한 방법이 사용될 수 있는데, 일례로, 불산(HF), 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 질산(HNO3), 인산(H3PO4), 아세트살(CH3COOH) 등을 포함하는 식각 용액을 사용할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 알려진 다양한 패터닝 방법을 이용하여 개구부(22a)를 형성할 수 있다.
도 4a에서는 반사 방지막(22)에 개구부(22a)를 형성하는 것을 일 예로 도시하였다. 제1 전극(24)을 형성할 때 제2 전극(34)을 동시에 형성하는 경우에는 반사 방지막(22)에 개구부(22a)를 형성할 때 패시베이션 막(32)에도 개구부를 형성할 수도 있다.
이어서, 도 4b에 도시한 바와 같이, 개구부(22a) 내에 시드층(24a)을 형성한다. 이러한 시드층(24a)은 제1 전극(24)이 도금될 때 시드(seed) 역할을 하는 층으로서, 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 일례로, 시드층(24a)은 무전해 도금, 스퍼터링, 증착 등에 의하여 형성될 수 있다. 이 중에서도 특히 무전해 도금을 사용하면 반사 방지막(22) 상에는 시드층(24a)이 형성되지 않으므로 반사 방지막(22) 상에 형성된 시드층(24a)을 제거하는 공정을 생략할 수 있다.
시드층(24a)은 다양한 물질을 포함할 수 있는데, 일례로, 니켈(Ni), 니켈-인(Ni-P)합금, 니켈-보론(Ni-B)합금, 니켈-금(Ni-Au)합금, 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd) 등의 금속이 사용될 수 있다.
시드층(24a)을 형성한 후에 풀림 또는 어닐링(annealing)하는 공정을 수행하면 에미터층(20)과 시드층(24a)의 계면에 실리콘과 시드층(24a) 물질의 화합물(예를 들어, 니켈 실리사이드, 알루미늄 실리사이드 등)이 형성된다. 이러한 실리사이드 화합물에 의하여 반도체 기판(10)과의 접촉 저항이 작아지고 열에 의한 스트레스가 최소화된다.
이어서, 도 4c에 도시한 바와 같이, 시드층(24a)이 형성된 반도체 기판(10)에 도금을 수행한다. 본 실시예에서 제1 전극(24)은 전해 도금으로 수행될 수 있다.
좀더 상세하게 설명하면, 도금액(242)이 담겨진 도금 욕조(240) 내에 시드층(24a)이 형성된 반도체 기판(10)을 넣는다. 도금 욕조(240) 내에는 반도체 기판(10)에 대향하도록 도금 전극(244)이 위치하게 된다. 이때, 반도체 기판(10)이 캐소드 전극이 되고, 도금 전극(244)이 애노드 전극이 되도록 전류를 흘려주면, 전계에 의하여 금속 이온이 반도체 기판(10)의 시드층(24a) 상으로 이동하여 시드층(24a)에 도금되어 시드층(24a)상에 형성된 도금층을 구성하게 된다.
이때, 본 실시예에서는 반도체 기판(10)과 도금 전극(244) 사이에 전계를 인가하는 전계 인가 부재(250)를 구비할 수 있다. 전계 인가 부재(250)는 제1 부재(252) 및 제2 부재(254)를 구비하며, 제1 및 제2 전계 전극부(252, 254)는 제1 전극(24)에 대응하여 형성되는 전계 인가 전극(252a, 254a)을 포함한다.
전계 인가 전극(252a, 254a)에 대해서는 도 5를 참조하여 좀더 상세하게 설명한다. 도 5는 도 4c의 A 부분의 yz 평면에서 시드층(24a)과 전계 인가 전극(254a)의 개략적인 배치를 도시한 도면이다. 도 5에는 전계 인가 전극(252a, 254a) 중 제2 부재(254)에 형성된 전계 인가 전극(254a)만을 도시하였다. 제1 부재(252)에 형성된 전계 인가 전극(252a)은 도 5에 도시한 제2 부재(254)에 형성된 전계 인가 전극(254a)과 동일한 형상 및 배치를 가질 수 있다.
도 5를 참조하면, 전계 인가 전극(254a)은 제1 전극(24)의 중심선(CL)을 따라 형성되며, 제1 전극(24)의 폭보다 작은 폭을 가지도록 형성된다. 그러면, 제1 전극(24)의 중심선(CL)에 해당하는 부분에서 전계를 최대한 집중시키고, 제1 전극(24)의 중심선(CL)으로부터 멀어지면서 전계가 점진적으로 줄어들게 한다. 이와 같이 제1 전극(24)의 중심선(CL)에 해당하는 부분에서 전계가 집중되어 전류 밀도를 증가되면 제1 전극(24)의 중심선(CL)에 해당하는 부분의 도금 두께가 가장 두꺼워진다. 그리고 제1 전극(24)의 중심선(CL)으로부터 멀어질수록 도금의 두께가 점진적으로 줄어들게 된다. 이에 따라, 도 4d에 도시한 바와 같이, 양측면이 경사면(P1, P2)을 가지는 제1 전극(24)이 형성될 수 있다.
이와 같이 본 실시예에서는 도금 공정에서 제1 전극(24)의 측면에 경사면(P1, P2)이 형성되도록 하여 별도의 추가 공정 없이 원하는 형상의 제1 전극(24)을 형성할 수 있다. 이에 따라 양측면에서 전체적으로 반사가 일어날 수 있는 제1 전극(24)을 간단한 공정에 의하여 형성할 수 있다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법에서 제1 전극을 형성하는 방법을 도시한 단면도들이다.
간략하고 명확한 설명을 위하여 도 6a 내지 도 6c에는 반도체 기판(10)의 후면 쪽에 위치하는 제2 전극(34)이 형성되지 않은 것으로 도시하였다. 제2 전극(34)은 제1 전극(24)을 형성하기 전에 이미 형성된 상태일 수도 있고, 제1 전극(24)을 형성한 후에 형성할 수도 있다. 또는, 제1 전극(24)을 형성할 때 제2 전극(34)을 동시에 형성할 수도 있다. 상술한 실시예와 동일 또는 극히 유사한 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략하고 서로 다른 부분에 대해서만 설명한다.
먼저, 도 6a에 도시한 바와 같이, 제1 전극(24)이 형성될 부분에 대응하여 반사 방지막(22)에 개구부(22a)를 형성한다.
이어서, 도 6b에 도시한 바와 같이, 개구부(22a) 내에 시드층(24a)을 형성한다. 본 실시예에서 시드층(24)은 하나의 제1 전극(24)에 대응하는 복수의 시드들(240a)을 포함할 수 있다.
복수의 시드들(240a)에 대해서는 도 7을 참조하여 좀더 상세하게 설명한다. 도 7은 도 6b의 B 부분의 yz 평면에서 복수의 시드들(240a)과 개구부(22a) 사이의 개략적인 배치를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 라인 형상의 복수의 시드들(240a) 사이의 거리는 제1 전극(24)의 중심선(CL)에서 멀어질수록 점진적으로 커질 수 있다. 즉, 제1 전극(24)의 중심선(CL)에 대응하는 부분에서는 시드들(240a)이 형성 밀도가 높고, 중심선(CL)에서 멀어질수록 시드들(240a)의 형성 밀도가 점진적으로 작아질 수 있다.
이어서, 도 6c에 도시한 바와 같이, 도금에 의하여 제1 전극(24)을 형성한다. 그러면, 시드들(240a)의 형성 밀도가 높은 제1 전극(24)의 중심선(CL) 부근에서 도금 두께가 가장 두꺼워진다. 그리고 제1 전극(24)의 중심선(CL)으로부터 멀어질수록 도금의 두께가 점진적으로 줄어들게 된다. 이에 따라, 도 6d에 도시한 바와 같이, 양측면이 경사면(P1, P2)을 가지는 제1 전극(24)이 형성될 수 있다.
이와 같이 본 실시예에서는 도금 공정에서 제1 전극(24)의 측면에 경사면(P1, P2)이 형성되도록 하여 별도의 추가 공정 없이 원하는 형상의 제1 전극(24)을 형성할 수 있다. 이에 따라 양측면에서 전체적으로 반사가 일어날 수 있는 제1 전극(24)을 간단한 공정에 의하여 형성할 수 있다.
도면 및 상술한 설명에서는 제1 전극(24)의 측면만이 경사면(P1, P2)를 가지는 것을 예시하였으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 도 8에 도시한 바와 같이, 제2 전극(34a) 또한 제1 전극(24)과 같은 형상으로 형성하여 후면 기판(200)에서의 반사 및/또는 전반사를 유도하는 것도 가능하다.
이하에서는 본 발명의 실험예에 의하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 것에 불과할 뿐, 본 발명이 실험예에 한정되는 것은 아니다.
실험예
제1 전극이 형성될 부분에 대응하여 반도체 기판 상에 니켈을 포함하는 시드층을 형성하였다. 시드층이 형성된 반도체 기판을 도금 용액이 담겨진 도금 욕조 내에 넣고, 반도체 기판을 캐소드로 하고 도금 전극을 애노드로 하여 도금을 수행하였다. 이때, 도금 용액은 은(Ag)을 도금할 수 있는 용액이었으며, 전계 인가 전극을 구비하는 전계 인가 부재에 의하여 제1 전극의 중심선에 대응하는 부분에 전계를 인가하였다. 이에 의하여 시드층 상에 은(Ag)을 포함하는 제1 전극을 형성하였다.
비교예
제1 전극이 형성될 부분에 대응하여 반도체 기판 상에 니켈을 포함하는 시드층을 형성하였다. 시드층이 형성된 반도체 기판을 도금 용액이 담겨진 도금 욕조 내에 넣고, 반도체 기판을 캐소드로 하고 도금 전극을 애노드로 하여 도금을 수행하였다. 이때, 도금 용액은 은(Ag)을 도금할 수 있는 용액이었다. 이에 의하여 시드층 상에 은(Ag)을 포함하는 제1 전극을 형성하였다.
반도체 기판에 시드층이 형성된 사진을 도 9에 나타내었고, 실험예에 의하여 형성된 제1 전극의 사진을 도 10에 나타내었으며, 비교예에 의하여 형성된 제1 전극의 사진을 도 11에 나타내었다.
도 10을 참조하면, 실험예에 의하여 형성된 제1 전극은 양측면이 경사면을 가지며 경사면의 경사각이 대략 30도인 것을 알 수 있다. 그러면, 제1 전극의 양측면 전체에서 반사된 광이 전면기판의 표면에서 모두 전반사되어 재이용 될 수 있다. 이와 같이 광의 이용률이 향상되면 태양 전지의 효율을 향상할 수 있다.
반면, 도 11을 참조하면, 비교예에 의하여 형성된 제1 전극은 제1 전극의 모서리 부분에서만 전면기판의 표면에서 전반사될 수 있는 각도로 광을 반사할 수 있다. 즉, 제1 전극의 대부분의 영역에서 반사된 광은 전반사가 될 수 있는 입사각의 범위를 벗어나게 되어 전면기판을 통해 다시 외부로 유출된다. 이에 따라 대부분의 광을 재이용할 수 없게 된다.
이와 같이 본 실시예에 따르면 광의 이용률을 향상할 수 있는 전극을 간단한 공정에 의하여 형성할 수 있다.
상술한 바에 따른 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 반도체 기판
20: 에미터층
30: 후면 전계층
22: 반사 방지막
33: 패시베이션 막
24: 제1 전극
34: 제2 전극

Claims (20)

  1. 광전 변환부; 및
    상기 광전 변환부에 전기적으로 연결된 금속 전극
    을 포함하고,
    상기 금속 전극의 측면이 경사면을 포함하고,
    상기 금속 전극은 시드층과
    상기 시드층 상에 형성된 도금층을 포함하며,
    상기 금속 전극의 도금층은 상기 금속 전극의 중앙선 부분에서 두께가 가장 높고, 상기 중앙선으로부터 멀어질수록 도금층의 두께가 줄어 경사면이 형성되며,
    상기 시드층은 중앙선 부분의 형성 밀도가 가장 높고 상기 중앙선 부분으로부터 멀어질수록 형성밀도가 낮아지며,
    상기 광전 변환부 및 상기 시드층 사이에 실리사이드 화합물이 형성되는 태양 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 전극의 바닥면과 상기 금속 전극의 상기 경사면이 20.9도 내지 45도 각도를 가지는 태양 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속 전극의 양측면이 각기 경사면인 태양 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속 전극의 측면 전체가 경사면으로 이루어지는 태양 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 전극의 단면이 삼각형인 태양 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속 전극이 은, 알루미늄, 티타늄, 팔라듐, 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 태양 전지.
  7. 광전 변환부와, 상기 광전 변환부에 전기적으로 연결된 금속 전극을 포함하는 태양 전지; 및
    상기 태양 전지에서 상기 금속 전극이 형성된 면에 위치하는 기판
    을 포함하고,
    상기 금속 전극의 측면이 경사면을 포함하며,
    상기 금속 전극은 라인 형상의 복수 개의 시드들과 상기 복수 개의 시드들 상에 형성된 도금층을 포함하고,
    상기 시드들은 중앙선 부분의 형성 밀도가 가장 높고, 상기 중앙선으로부터 멀어질수록 상기 시드들의 형성 밀도가 낮아지는 태양 전지 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 금속 전극의 상기 경사면에서 반사된 광은 상기 기판의 표면에서 전반사되는 태양 전지 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 금속 전극의 상기 경사면의 경사각이 20.9도 내지 45도인 태양 전지 모듈.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 기판의 표면에서 상기 금속 전극에 의해 반사된 광의 입사각이 41.8도 내지 90도인 태양 전지 모듈.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 금속 전극의 양측면이 각기 경사면인 태양 전지 모듈.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 금속 전극의 측면 전체가 경사면으로 이루어지는 태양 전지 모듈.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 금속 전극의 단면이 삼각형인 태양 전지 모듈.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 금속 전극이 은, 알루미늄, 티타늄, 팔라듐, 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 태양 전지 모듈.
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