KR102376840B1 - 인셀 바이패스 다이오드 - Google Patents

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KR102376840B1
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Abstract

태양 전지는 내장형 바이패스 다이오드를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 태양 전지는 기판의 제1 부분 내에 또는 위에 배치된 활성 영역, 및 기판의 제2 부분 내에 또는 위에 배치된 바이패스 다이오드를 포함할 수 있다. 기판의 제1 및 제2 부분은 그루브에 의해 물리적으로 분리될 수 있다. 금속화 구조물은 바이패스 다이오드에 활성 영역을 결합시킬 수 있다.

Description

인셀 바이패스 다이오드{IN-CELL BYPASS DIODE}
우선권 주장
본 출원은, 그 전체 내용이 본 명세서에 참고로 포함된, 발명의 명칭이 "멀티 다이오드 태양 전지를 위한 인셀 바이패스 다이오드(In-Cell Bypass Diode for Multi-Diode Solar Cell)"인, 2014년 5월 29일자로 출원된 할리(Harley) 등의 미국 가출원 번호 제62/004,808호의 이익을 청구한다.
통상 태양 전지(solar cell)로서 알려진 광전지(photovoltaic cell)는 전기 에너지로의 태양 방사선의 직접 변환을 위한 장치이다. 일반적으로, 태양 전지는 반도체 웨이퍼 또는 기판(substrate) 상에, 기판의 표면 부근에 P-N 접합부를 형성하기 위해 반도체 처리 기술을 사용하여 제조된다. 기판의 표면에 충돌하여 기판 내로 유입되는 태양 방사선은 기판의 대부분에 전자 및 정공 쌍을 생성한다. 전자 및 정공 쌍은 기판 내의 p-도핑된(doped) 영역 및 n-도핑된 영역으로 이동함으로써, 도핑된 영역들 사이의 전압차를 발생시킨다. 도핑된 영역은 태양 전지 상의 전도성 영역에 접속되어, 전지로부터 전지에 결합된 외부 회로로 전류를 지향시킨다.
도 1은 다양한 실시예들에 따라 바이패스 다이오드를 형성하기 위한 기판의 이격 이전의 태양 전지의 일부분의 단면도를 예시한다.
도 2는 다양한 실시예들에 따라 바이패스 다이오드를 형성하기 위한 기판의 이격 이후의 태양 전지의 일부분의 단면도를 예시한다.
도 3은 다양한 실시예들에 따라 기판 이격을 위한 버퍼를 이용하는 바이패스 다이오드를 갖는 태양 전지의 일부분의 단면도를 예시한다.
도 4는 다양한 실시예들에 따른 태양 전지용 바이패스 다이오드의 평면도를 예시한다.
도 5 내지 도 7은 다양한 실시예들에 따른 바이패스 다이오드 배열 및 크기의 다양한 예를 예시한다.
도 8a 내지 도 8c는 다양한 실시예들에 따라 태양 전지 기판을 이격하기 위한 다양한 예시적 경로를 예시한다.
도 9는 다양한 실시예들에 따른 바이패스 다이오드를 형성하는 예시적인 방법을 예시하는 흐름도이다.
하기의 상세한 설명은 사실상 예시적일 뿐이며, 본 발명 요지 또는 본 출원의 실시예 및 그러한 실시예의 사용을 제한하고자 하는 것이 아니다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 단어 "예시적인"은 "예, 사례, 또는 실례로서의 역할을 하는" 것을 의미한다. 본 명세서에 예시적인 것으로 기술된 임의의 구현예는 반드시 다른 구현예에 비해 바람직하거나 유리한 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다. 또한, 전술한 기술분야, 배경기술, 간략한 요약 또는 하기의 상세한 설명에서 제시되는 임의의 명시된 또는 암시된 이론에 의해 구애되고자 하는 의도는 없다.
본 명세서는 "일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 언급을 포함한다. 어구 "일 실시예에서" 또는 "실시예에서"의 출현은 반드시 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 특정 특징, 구조, 또는 특성이 본 개시 내용과 일관되는 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다.
용어. 하기 단락은 본 개시 내용(첨부된 청구범위를 포함함)에서 발견되는 용어에 대한 정의 및/또는 문맥을 제공한다.
"포함하는". 이 용어는 개방형(open-ended)이다. 첨부된 청구범위에 사용되는 바와 같이, 이 용어는 추가의 구조 또는 단계를 배제하지 않는다.
"~하도록 구성되는". 다양한 유닛 또는 구성요소가 작업 또는 작업들을 수행"하도록 구성되는" 것으로 기술되거나 청구될 수 있다. 그러한 문맥에서, "~하도록 구성되는"은 유닛/구성요소가 동작 동안 그러한 작업 또는 작업들을 수행하는 구조를 포함하는 것을 나타냄으로써 구조를 함축하는 데 사용된다. 따라서, 유닛/구성요소는 특정된 유닛/구성요소가 현재 동작 중이 아닐 때에도(예컨대, 온(on)/활성(active) 상태가 아님) 작업을 수행하도록 구성되는 것으로 언급될 수 있다. 유닛/회로/구성요소가 하나 이상의 작업을 수행"하도록 구성된다"고 기재하는 것은 해당 유닛/구성요소에 대해 35 U.S.C. §112, 제6절을 적용하지 않도록 명백히 의도된다.
"제1", "제2" 등. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 이들 용어는 이들 용어가 선행하는 명사에 대한 라벨로서 사용되며, 임의의 유형의 순서화(예컨대, 공간적, 시간적, 논리적 등)를 암시하지 않는다. 예를 들어, "제1" 태양 전지에 대한 언급은 반드시 이러한 태양 전지가 순서에 있어서 첫 번째 태양 전지임을 암시하지는 않으며; 대신에 용어 "제1"은 이러한 태양 전지를 다른 태양 전지(예컨대, "제2" 태양 전지)와 구별하는 데 사용된다.
"결합된" - 하기의 설명은 함께 "결합되는" 요소들 또는 노드들 또는 특징부들을 언급한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 명확히 달리 명시되지 않는 한, "결합된"은 하나의 요소/노드/특징부가 반드시 기계적으로 결합되는 것만은 아니게 다른 요소/노드/특징부에 직접적으로 또는 간접적으로 결합됨(또는 그와 직접적으로 또는 간접적으로 연통됨)을 의미한다.
또한, 소정 용어가 또한 단지 참조의 목적으로 하기 설명에 사용될 수 있으며, 이에 따라 제한적인 것으로 의도되지 않는다. 예를 들어, "상부", "하부", "위", 및 "아래"와 같은 용어는 참조되는 도면에서의 방향을 지칭한다. "전방", "뒤", "후방", "측방", "외측", 및 "내측"과 같은 용어는 논의 중인 구성요소를 기술하는 본문 및 관련 도면을 참조함으로써 명확해지는 일관된 그러나 임의적인 좌표계 내에서의, 구성요소의 부분들의 배향 및/또는 위치를 기술한다. 그러한 용어는 상기에 구체적으로 언급된 단어, 그것의 파생어, 및 유사한 의미의 단어를 포함할 수 있다.
바이패스 다이오드, 및 바이패스 다이오드의 형성에 대한 접근법들이 본 명세서에 기술된다. 하기의 설명에서, 본 개시 내용의 실시예의 완전한 이해를 제공하기 위해, 특정 공정 흐름 동작과 같은 많은 특정 상세 사항이 기재된다. 본 개시 내용의 실시예가 이들 특정 상세 사항 없이 실시될 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 다른 경우에, 태양 전지 이미터 영역 제조 기술과 같은 잘 알려진 제조 기술은 본 개시 내용의 실시예를 불필요하게 모호하게 하지 않도록 상세하게 기술되지 않는다. 또한, 도면에 도시된 다양한 실시예는 예시적인 표현이고, 반드시 일정한 축척으로 작성된 것은 아님이 이해되어야 한다.
현장에서 기둥 또는 나무와 같이 고정된(built-in) 차폐 물체, 및/또는 먼지 낙하 또는 모듈 상에 쌓이는 오염물(soiling)로 인한 태양 전지의 차폐는 일반적인 현상이다. 태양 전지의 일부분을 차폐하면 다이오드가 역방향 바이어스로 진입하게 하여 전력을 생성하는 대신 소실(dissipate)되게 하며, 또한 태양 전지의 발열을 초래할 수도 있다. 이는 시스템의 성능을 저하시키고, 전지 파손에 이를 수 있으며, 또한 핫스폿(hot spot)이 생성된다면 잠재적인 신뢰도 위험을 초래할 수 있다. 이러한 문제점에 대한 하나의 해결책은 태양 모듈의 접속함 내의 회로 내로 바이패스 다이오드들을 삽입시킴으로써 전지 또는 전지들의 그룹이 역방향 바이어스로 진입할 경우, 바이패스 다이오드가 활성화되고 손상 전지를 포함한 스트링(string)이 회로에서 빠지게 하는 것이다. 모듈 당 3개(12-18 셀) 스트링을 갖는 모듈의 경우, 이는 단일 전지 차폐 이벤트가 패널로부터 전력의 1/3의 손실을 초래할 것을 의미한다. 추가적으로, 다이오드의 비용은 소소하지 않은 것으로 재료 및 와트(Watt) 당 전반적 비용의 모듈 균형에 고려될 필요가 있다. 스트링-레벨 보호는 완벽하지 않고, 일부 핫스폿은 스트링-레벨 다이오드들 상에 턴온되지 않을 지도 모르며, 신뢰성 위험도 여전히 존재할 수 있다. 게다가, 이러한 구현예들에서, 핫스폿 스크리닝이 여전히 필요하고 차폐 허용도는 열악하다. 차폐는 또한 많은 지붕들이 고정된 차폐물을 갖는 주거용 응용들과, 또한 집광형 PV 응용들에서도 상당한 손실을 초래할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 통합형 셀 레벨 바이패스 다이오드는 보다 나은 해결책을 제공하도록 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 태양 전지 웨이퍼의 제1 부분(활성 전지 부분으로도 또한 지칭될 수 있음)이 태양 전지 웨이퍼의 바이패스 다이오드 부분으로부터 분리되는 것을 가능하게 하여 반대 극성의 분로(shunt)를 가능하게 하여 바이패스 다이오드를 형성하게 하는 핸들로서 금속화가 이용될 수 있다.
이제 도 1 및 도 2를 참조하면, 각각 바이패스 다이오드를 형성하기 위한 기판의 이격 이전 및 이후의 태양 전지의 일부분의 단면도가 도시되어 있다.
다양한 실시예들에서, 태양 전지는 기판(102)과 같은 기판을 포함한다. 일 실시예에서, 반도체 기판은 N형 단결정 기판으로부터 제조된 것과 같은 벌크 단결정 실리콘 기판 부분일 수 있다. 이와 같은 일 실시예에서, 도핑된 영역들은 기판 자체에 형성된, 하나 이상의 N+ 영역(예컨대, 인 또는 비소 도핑된 영역) 및 하나 이상의 P+ 영역(예컨대, 붕소 도핑된 영역)을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 각각의 실리콘 부분은 실리콘 기판 위에 형성된, 하나 이상의 다결정 실리콘(폴리실리콘) N+ 영역, 및 하나 이상의 다결정 실리콘 P+ 영역을 포함한다. 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 태양 전지는 기판(102) 위에 배치된 P형 도핑된 폴리실리콘 영역(104, 108) 및 N형 도핑된 폴리실리콘 영역(106, 110)을 구비한 기판(102)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 유전체(도시되지 않음)는 기판(102)과 도핑된 영역(104, 106, 108, 110) 사이에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 태양 전지는 접촉 영역(112, 114, 116)을 갖는 금속화 구조물을 또한 포함한다. 접촉 영역들은 정상 동작 동안에는 태양 전지로부터의 전류를 외부 회로로 라우팅하고, 태양 전지가 (예컨대, 차폐 조건으로 인해) 역방향 바이어스로 진행할 경우 태양 전지의 활성 부분으로 바이패스 다이오드를 분로시켜 바이패스 다이오드가 활성화되도록 구성되게 하는 금속 접촉들일 수 있다. 다양한 실시예들에서, 태양 전지 금속(예컨대, 금속화 구조물)은 이러한 전류 라우팅 및 분로를 용이하게 하기 위해 접촉 영역들(112, 114, 116)을 형성하도록 패턴화될 수 있다.
다양한 실시예들에서, 금속화 구조물은 다른 예들 중에서, 도금 금속, 인쇄 금속, 증착 금속, 및/또는 포일(예컨대, 부가적인 시드 층을 구비하거나 구비하지 않은 알루미늄 포일과 같은 전도성 포일)일 수 있다. 이와 같은 일 실시예에서, 비교적 두꺼운(예컨대, 대략 25 마이크로미터 초과)의 배면 금속이 이용된 경우, 금속 내부로 부분적 레이저 어블레이션에 대한 얼마간의 허용오차가 수용되면서도 여전히 태양 전지의 활성 부분을 바이패스 다이오드에 결합시킬만큼 충분한 기계적 보전성을 제공할 수 있다. 그러나, 얇은 금속화 구조물(예컨대, 대략 25 마이크로미터 미만)이 이용되는 경우, 신뢰성 테스트를 통과하기 위해 요구되는 금속의 전자적 및 물리적 보전성을 유지하기 위해, 금속화 구조물의 임의의 스크라이빙 없이 어블레이션이 중지되어야 할 필요가 있거나, 금속이 강화될 필요가 있다. 금속화 구조물은 도금, 인쇄에 의해, 접합 절차를 사용하여(예컨대, 포일의 경우) 제조될 수 있고, 또는 침착, 리소그래피, 및 에치 접근법에 의해 제조될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 태양 전지의 기판(102)은 기판의 바이패스 다이오드 부분으로서 또한 지칭될 수 있는 제2 부분(102b)으로부터 기판의 제1 부분(102a)을 물리적으로 분리하도록 격리되었다. 일 실시예에서, 제1 부분(102a)은 아래에서 보다 상세히 기술되는 레이저 어블레이션을 이용하여, 또는 기판을 기계적으로 스크라이빙함에 의해 바이패스 다이오드(102b)로부터 격리될 수 있다. 물리적으로 분리된 반도체 기판 부분 사이의 그루브 또는 갭은 금속화 구조물의 일부분 및/또는 도핑된 영역들의 일부분을 노출시킬 수 있다.
예시된 바와 같이, 금속화 구조물의 접촉 영역(114)은 태양 전지의 활성 부분을 전기적으로 그리고 기계적으로 바이패스 다이오드에 결합시킬 수 있다. 예를 들어, 접촉 영역(114)의 금속은 제1 부분(102a) 위에 배치된 N형 도핑된 영역(106)을 제2 부분(102b) 위에 배치된 P형 도핑된 영역(108)에 전기적으로 결합시킬 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 제1 부분(102a)을 포함하는 태양 전지의 일부분, 및 그의 대응하는 도핑된 영역들(예컨대, 도핑된 영역(104, 106))은 태양 전지의 활성 영역으로서 지칭된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 제2 부분(102b)을 포함하는 태양 전지의 일부분, 및 그의 대응하는 도핑된 영역들(예컨대, 도핑된 영역(108, 110))은 태양 전지의 바이패스 다이오드로서 지칭된다. 전반적 금속화 구조물은 또한 활성 부분의 각자의 N형 도핑된 영역을 서로 전기적으로 그리고 기계적으로 결합시키는 것은 물론, 활성 부분의 각자의 P형 도핑된 영역을 서로 전기적으로 그리고 기계적으로 결합시킬 수 있음을 유의한다.
본 명세서에 기술되는 바와 같이, 바이패스 다이오드는 기판 내에 또는 위에 배치된 P-N 접합부를 포함할 수 있다. P-N 접합부는 비정질 실리콘, 폴리실리콘, 금속, 및/또는 실리콘을 이용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 바이패스 다이오드의 P-N 접합부는 P형 폴리실리콘/N형 폴리실리콘 인접 접합부(도핑된 영역을 분리하는 트렌치가 없음), 또는 수직의 P+/N+ 폴리실리콘 접합부일 수 있다. 다른 예로서, 바이패스 다이오드의 P-N 접합부는 실리콘 기판 자체 내의 P+ 및 N+ 도핑된 영역, 금속/실리콘 접합부(예컨대, 쇼트키), 폴리실리콘/실리콘 접합부, 또는 비정질 실리콘/실리콘 접합부로부터 형성될 수 있다.
도시된 바와 같이, 바이패스 다이오드의 P-N 접합부는 금속화 구조물(예컨대, 접촉 영역(114))을 통해 활성 영역에 대응하는 기판의 일부분 내에 또는 위에(도 1 내지 도 3의 예에서는 위에) 배치된 도핑된 영역으로 결합될 수 있다.
일부 실시예들에서, 기판의 스크라이빙은 또한 도시된 바와 같이 하나 이상의 도핑된 영역(예컨대, N형 도핑된 영역(106), 및 P형 도핑된 영역(108))의 적어도 일부분을 스크라이빙할 수 있으나, 다른 실시예들의 경우 반드시 필요한 것은 아니다. 일부 실시예들에서, 접촉 영역(114)의 일부분이 또한 스크라이빙될 수 있다.
일부 실시예들에서, 기판 또는 웨이퍼(예컨대, 실리콘) 격리 공정 동안 금속의 손상을 억제하기 위해 예를 들어, 격리 공정을 위한 백-스톱으로서 버퍼 재료가 이용되어 금속화 구조물이 직접적으로 스크라이빙되는 것을 보호할 수 있다. 도 3은 바이패스 다이오드 격리를 위한 백-스톱으로서 버퍼 재료를 이용한 태양 전지의 일부분의 단면도를 예시한다. 일 실시예에서, 버퍼 재료(120)는 금속화 구조물이 형성되기 이전에 도핑된 영역(106, 108) 상에 형성될 수 있다. 따라서, 기판의 격리가 발생한 경우, 레이저 또는 기계적 스크라이브는 버퍼 재료(120)에 부딪히게 되어 금속화 구조물(예컨대, 접촉 영역(114))의 일부를 스크라이빙하지 않는다. 금속화 구조물을 온전하게 유지함에 의해, 기계적 그리고 전기적 보전성이 보존될 수 있다.
예시적인 버퍼 재료는 폴리이미드와 같은, 중합체성 또는 다른 금속 또는 비금속 재료를 포함한다. 중합체는 전체적으로 침착되고 난 후 패턴화되거나, 또는 다만 요구되는 영역 내에만 예컨대 인쇄에 의해 침착될 수 있다. 다른 실시예들에서, 이러한 버퍼 재료는 유전체 재료로서, 한정되는 것은 아니나 예컨대 이산화규소(SiO2), 질화규소(SiN) 또는 산질화규소(SiON)를 포함할 수 있다. 이와 같은 일 실시예에서, 유전체 재료는 저압 화학 증착(LPCVD), 플라즈마 강화 화학 증착(PECVD), 고밀도 플라즈마 화학 증착(HDPCVD) 또는 물리 증착(PVD)과 같은 그러나 이로 한정되지 않는 침착 기술을 이용하여 형성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 기판 부분들(102a, 102b) 사이의 결과적 그루브 또는 갭은 기판의 부분들(102a, 102b) 사이의 그루브 내에 배치되는, 예컨대, 에틸렌 비닐 알코올(EVA), 폴리-올레핀과 같은 봉지재 재료 또는 다른 재료로 채워질 수 있다. 일 실시예에서, 적용된 봉지재는 봉지재 재료가 얇은 그루브 내로 확실히 흘러 들어가게 하기 위해, 충분히 낮은 점성, 또는 높은 용융-흐름(melt-flow)을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 봉지재에 의해 그루브를 채우는 것은 Si/금속/중합체 복합재의 형성을 통해 시스템의 기계적 강도를 개선하는 역할을 한다. 일부 실시예들에서, 그루브는 패시베이션되거나, 격리가 수행된 이후에 그대로 남겨질 수 있다.
일 실시예에서, 본 명세서에 기술된 금속화 스킴은 전지와 그의 각자의 바이패스 다이오드의 기계적 보전성을 유지하고 제공하며, 전지의 바이패스 다이오드와 활성 부분 사이의 기판의 물리적 분리를 허용하도록 이용된다. 또한 기판을 격리시키는 것은 바이패스 다이오드가 역방향 바이어스 조건에서 기능하는 것을 가능하게 할 수 있다.
이제 도 4를 참조하면, 금속화 구조물 측방에서 본, 일 실시예에 따른 태양 전지 내의 예시적 바이패스 다이오드의 평면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 스크라이브 라인(금속화 구조물에 대향하는 측면에서부터 시작하기 때문에 파선으로서 도시됨) 위에는 바이패스 다이오드 P-N 접합부가, 그리고 스크라이브 라인 아래에는 태양 전지의 활성 영역의 p-n 접합부가 있다. P는 N에 결합되고 N은 P에 결합됨으로써 태양 전지의 P-N 접합부(다이오드)로 바이패스 다이오드를 분로한다. 바이패스 다이오드의 기판은 파선으로 나타낸 바와 같이 태양 전지의 활성 부분과 격리되어 있으므로, 예시된 구성은 인셀(in-cell) 바이패스 다이오드로서 동작할 수 있다.
도 5 내지 도 7은 다양한 실시예들에 따른 바이패스 다이오드 배열 및 크기의 다양한 예를 예시한다. 도 5에서, 바이패스 다이오드(502)는 스크라이브 라인(504)(기판 부분들이 격리된 위치에 대응함)에 의해 태양 전지의 활성 부분(500)으로부터 분리된 것으로 도시되어 있다. 유사하게, 도 6에서, 바이패스 다이오드(602)는 스크라이브 라인(604)에 의해 태양 전지의 활성 부분(600)으로부터 분리된 것으로 도시되어 있다. 일부 실시예들에서, 바이패스 다이오드는 태양 전지의 모서리, 예를 들어, 모서리가 직각이지 않은 도 5 및 도 6에 도시된 의사 모서리(pseudo corner) 내에 형성될 수 있는데, 왜냐하면 이러한 위치에서 전류를 모으기가 더욱 어려울 수 있기 때문이다. 바이패스 다이오드 영역은 태양 전지의 정상 동작 중에는 전류를 생성하지 않기 때문에, 어쨌건 전류를 모으기 어려운 바이패스 다이오드 위치를 선택하는 것이 유리할 수 있다.
게다가, 집광형 PV 응용의 경우, 바이패스 다이오드는 태양 전지의 동작 동안 직접적 빛의 입사가 덜한 태양 전지의 에지에 형성될 수 있다. 에지에 바이패스 다이오드를 형성함에 의해, 태양 전지의 보다 생산적 영역(예컨대, 중심)이 활성 영역으로서 이용되고, 보다 덜 생산적인 영역은 바이패스 다이오드로서의 사용에 희생될 수 있다.
도 7은 다른 예시적 바이패스 다이오드 구성을 예시한다. 도시된 바와 같이, 바이패스 다이오드(702)는 기판의 바이패스 다이오드 부분으로부터 기판의 활성 부분을 분리하기 위한 제1 및 제2 그루브를 형성하고 있는 다수의 스크라이브 라인, 스크라이브 라인(704, 706)에 의해 태양 전지의 활성 부분(700)으로부터 분리된다.
다양한 실시예들에서, 바이패스 다이오드의 크기는 다수의 인자들, 예컨대, 다른 예들 중에서, 응용(예컨대, 집광형 또는 1개 태양(1-sun) PV), 태양 전지의 크기, 전지의 효율, 예상 열 소산(예컨대, 바이패스 다이오드 영역으로부터의 열을 소산하기 위해 히트 싱크 또는 다른 열 소산법이 구현되었는지 여부)에 의존할 수 있다. 일 실시예에서, 도 7의 예시적 태양 전지는 바이패스 다이오드의 열 충격이 덜 기대되는 1개 태양 응용이다. 따라서, 바이패스 다이오드로서 보다 작은 풋프린트가 이용될 수 있는데, 이것이 태양 전지의 모서리(본 예의 경우 의사 모서리) 중 하나 내에 존재하는 반면, 다른 모서리들은 활성 부분의 일부로서 이용가능하게 된다.
도 5 및 도 6의 예들은 제조 효율의 일부 장점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 도 5 및 도 6의 태양 전지가 원래 쿼터 셀로 다이싱되기 이전의 동일한 보다 큰 태양 전지의 일부였다는 시나리오를 고려해본다. 이와 같은 시나리오에서, 바이패스 다이오드(502, 602)는 보다 큰 태양 전지가 다이싱되기 이전에 단일 스크라이브의 일부였던 스크라이브들(504, 604)을 갖는 단일 스크라이브 라인을 구비한 단일 바이패스 다이오드로서 원래 형성되었을 수 있다. 이러한 예에서 더 나아가, 보다 큰 셀을 다이싱하기 이전에, 기판의 다른 부분을 격리시키고 보다 큰 태양 전지의 반대측 상에 다른 보다 큰 바이패스 다이오드를 형성하기 위해 기판의 다른 단일 스크라이브가 형성될 수 있다. 본 명세서에 기술되는 바와 같이, 보다 큰 태양 전지는 이어서 쿼터 셀들로 다이싱되며, 여기서 각각의 쿼터 셀은 각자의 쿼터 셀을 구비한 자신만의 각자의 바이패스 다이오드를 가지고 있고, 대응하는 바이패스 다이오드는 기판 내에 격리되어 있을 수 있다.
도 5 내지 도 7에 도시되지는 않았으나, 태양 전지 금속은 바이패스 다이오드 및 활성 영역 다이오드를 분로시킴으로써 태양 전지가 역방향 바이어스로 진입한 경우(예컨대, 차폐 조건에서) 바이패스 다이오드가 턴온되도록 구성될 수 있게 패턴화될 수 있다.
다양한 실시예들에서, 인셀 바이패스 다이오드를 구비한 개시된 태양 전지들의 스트링들은 PV 모듈 또는 PV 라미네이트 내에 함께 이용될 수 있다.
바이패스 다이오드를 형성하기 위해 태양 전지 기판을 이격하는 대표적 예로서, 도 8(a) 내지 도 8(c)는 기판을 격리시키기 위한 다양한 예시적 경로들을 예시한다. 도 8을 참조하면, 태양 전지(800)는 실리콘 기판(802), 및 실리콘 기판의 배면 상의 금속화 구조물(804)을 포함한다. 도핑된 영역들은 이해의 용이함을 위해 예시되지 않는다.
도 8(a)를 참조하면, 스크라이빙 플러스 자르기(scribe plus break) 응용이 도시되어 있으며, 여기서 (i) 기판은 부분적으로 스크라이빙되어 있고(예컨대, 대략 70% 깊이), 이어서 (ii) 자르기에 따라 균열되다가 금속화 구조물에서 종단된다. 도 8(b)를 참조하면, 스크라이빙 전용(scribe-only) 응용이 도시되어 있으며, 여기서 실리콘의 레이저 어블레이션은 금속화 구조물의 금속 상에서(또는 부분적으로 그 내부로 들어가) 정지한다. 도 8(c)를 참조하면, 스크라이빙-버퍼 재료(scribe plus buffer material) 응용이 도시되어 있으며, 여기서 실리콘의 레이저 어블레이션은 실리콘의 전체 깊이를 관통해 수행되고 이어서 금속화 구조물의 금속과 구별되는 버퍼 재료 상에서(또는 부분적으로 그 내부로 들어가) 정지한다. 이들 경우들 임의의 경우에서, 레이저 파라미터들은 개시된 스크라이빙을 달성하기 위해 구성될 수 있다. 예를 들어, 보다 깨끗한 공정, 보다 낮은 재조합, 보다 낮은 용융된 도핑된 영역을 통한 분로 위험, 및 보다 좁은 스크라이브 폭을 갖는 피코-초 레이저 어블레이션이 옵션으로 포함될 수 있다. 다른 옵션에는 보다 넓은 스크라이브 라인 및 보다 높은 처리량, 그러나 증가된 재조합 및 잠재적 먼지를 갖는 나노-초, 또는 보다 긴 레이저가 포함된다.
이제 도 9를 참조하면, 일부 실시예들에 따른 바이패스 다이오드의 형성 방법을 예시한 흐름도가 도시되어 있다. 다양한 실시예들에서, 도 9의 방법은 예시된 것보다 추가적인 (또는 더 적은) 블록들을 포함할 수 있다.
단계 902에 도시된 바와 같이, 반도체 기판의 제1 부분 위에 P-N 접합부가 형성될 수 있다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, P-N 접합부는 비정질 실리콘, 폴리실리콘, 금속, 및/또는 실리콘과 같은 다양한 재료를 이용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 바이패스 다이오드는 (예컨대, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같은 트렌치 없이 인접 접합부를 형성함에 의해) P형 폴리실리콘 및 N형 폴리실리콘을 구비하여 형성될 수 있다. 다른 예로서, 접합부는 다른 예들 중, P형 실리콘 및 N형 실리콘, 또는 금속 및 실리콘(예컨대, 쇼트키 다이오드), 또는 폴리실리콘 및 실리콘, 또는 비정질 실리콘 및 실리콘을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 바이패스 다이오드 P-N 접합부를 형성하는 것은 활성 부분의 P-N 접합부 (및 각자의 N형 도핑된 영역 및 P형 도핑된 영역)을 형성하기 위해 이용되는 동일한 공정(예컨대, 도핑, 등)에 발생할 수 있다.
단계 904에서, P-N 접합부를 기판의 제2 부분 내에 또는 위에 배치된 도핑된 영역으로 결합시키기 위해 기판의 제1 표면 위에 금속화 구조물이 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 반도체 기판의 제1 표면 위에 금속화 구조물을 형성하는 것은 반도체 기판의 위에 또는 내에 배치된 도핑된 영역 위에 금속화 구조물을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 금속화 구조물을 형성하는 것은 핑거 패턴(예컨대, 맞물린 형태의 핑거 패턴)으로 금속화 구조물을 패턴화하는 것은 물론 바이패스 다이오드를 태양 전지로 분로시키는 것을 또한 포함할 수 있다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 금속화 구조물은 금속 포일, 인쇄 금속, 도금 금속, 금속의 적층, 또는 이들의 일부 조합일 수 있다. 금속의 패턴화는 다른 패턴화 예들 중, 레이저 패턴화, 마스크 및 에칭에 의해 수행될 수 있다. 임의의 경우에서, 일 실시예에서 금속화 구조물은 태양 전지의 활성 부분을 바이패스 다이오드 부분으로 브리지하기에 충분한 기계적 속성을 갖도록 형성된다.
단계 906에 예시된 바와 같이, 기판의 제1 부분은 제2 부분으로부터 격리될 수 있다. 일 실시예에서, 반도체 기판은 금속화 구조물의 대향 표면에서부터 스크라이빙될 수 있다. 스크라이빙은 그러한 대향 표면으로부터 금속화 구조물의 일부분들이 노출될 때 정지될 수 있다.
일 실시예에서, 스크라이빙은 금속화 구조물의 금속에 의해 정지될 수 있다. 그러나 다른 실시예들에서, 손상 버퍼 재료가 금속화 구조물의 금속을 보호하기 위해 이용될 수 있다. 이와 같은 일 실시예에서, 손상 버퍼는 위에 기술된 바와 같이 중합체 재료일 수 있다. 다른 실시예에서, 손상 버퍼는 금속화 구조물의 금속과 구별되는 금속일 수 있다.
일 실시예에서, 스크라이빙은 레이저를 이용해 수행될 수 있다. 그러나, 레이저 스크라이빙 공정 대신에 또는 이와 공조하여 기계적 스크라이빙 공정이 구현될 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들어, 특정 실시예에서, 부분적 레이저 스크라이빙이 수행되고 이어서 깊이 제어를 겸한 자르기 또는 소잉(sawing)이 뒤따른다.
일 실시예에서, 스크라이빙은 다수의 방향으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 도 7의 예에 도시된 바와 같이, 다수의 방향으로 스크라이빙함에 의해 다수의 스크라이브 라인이 형성될 수 있다. 이와 같은 일 예에서, 다수의 방향은 서로에 대해 대략적으로 수직일 수 있다.
다양한 실시예들에서, 예를 들어 제조의 효율을 위해, 보다 큰 태양 전지가 보다 작은 셀들로 다이싱될 수 있다(예컨대, 도 5 및 도 6과 관련하여 기술된 바와 같음). 이들 실시예 중 일부 실시예들에서, 보다 큰 태양 전지에 대한 기판의 단일 스크라이빙은 보다 큰 태양 전지가 다이싱될 경우 다수의 바이패스 다이오드를 생성할 수 있다. 도 5 및 도 6의 태양 전지의 예를 들면, 전지들이 다이싱되기 전에 도 5의 태양 전지의 우측이 도 6의 태양 전지의 좌측에 연결되었다는 시나리오를 고려한다.
또한, 이와 같이 다이싱된 2개의 다른 태양 전지가 원래의 보다 큰 태양 전지의 일부라는 것, 도 5 및 도 6의 이러한 태양 전지에서 2개의 다른 전지는 각각 보다 큰 전지의 쿼터 셀인 것을 고려한다. 일 실시예에서, 바이패스 다이오드에 대한 기판의 스크라이빙은 2개의 스크라이브 라인을 이용하여 수행될 수 있다. 간단한 일 예로서, 탑다운 사시도(top-down perspective)로 볼때, 실리콘 기판의 상부 및 하부 에지는 (예컨대, 본 명세서에 기술된 스크라이빙 기술에 의해) 중심 부분으로부터 격리될 수 있고, 대응하는 P-N 접합부들이 중심 부분은 물론 바이패스 다이오드들에 대응하는 (스크라이빙 이전의) 상부 및 하부 부분 위에 형성될 수 있다.
다양한 실시예들에서, 태양 전지들을 실제로 이격되도록 다이싱하기 위해 추가의 스크라이빙이 수행될 수 있다. 이러한 추가의 (예컨대, 레이저 또는 기계적) 스크라이빙은 태양 전지의 다이싱이 의도된 경우에서 격리가 기판에서뿐만 아니라 금속화 구조물을 관통하여 발생함으로써 전체 분리를 이끌어낸다는 것 외에는, 본 명세서에 기술된 것과 실질적으로 동일할 수 있다.
일부 실시예들에서, 반도체 기판의 수광 표면은 반도체 기판의 스크라이빙 이전 또는 이후에 텍스처화될 수 있다. 이러한 일 실시예에서, 기판의 부분적 그루빙이 우선 수행되고, 이어서 실리콘 에칭 공정 동안 임의의 손상이 제거된다(예컨대, 텍스처화됨). 그러나, 다른 실시예들에서, 스크라이빙이 수행되고 이어서 후속의 습식 에칭이 구현된다. 임의의 경우에서, 태양 전지의 수광 표면을 텍스처화하는 것은, 일 실시예에서, 하이드록사이드 기반의 에칭 공정을 이용한 텍스처화를 수반할 수 있다. 텍스처화된 표면은, 입사광을 산란시켜 태양 전지의 수광 표면으로부터 반사되는 광의 양을 감소시키기 위한 규칙적인 또는 불규칙한 형상의 표면을 갖는 것일 수 있다는 것이 이해될 것이다. 추가의 실시예가 수광 표면 상에서의 패시베이션 또는 반사-방지 코팅 층의 형성을 포함할 수 있다.
종합적으로, 소정 재료가 구체적으로 전술되었지만, 일부 재료는 본 발명의 실시예의 사상 및 범주 내에 있는 다른 그러한 실시예에서 다른 재료로 용이하게 대체될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, III-V족 재료의 기판과 같은 상이한 재료의 기판이 실리콘 기판 대신에 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 다결정(polycrystalline) 또는 다중-결정(multi-crystalline) 실리콘 기판이 사용된다. 더욱이, N+ 및 P+형 영역이 구체적으로 기술되어 있는 경우, 고려되는 다른 실시예들이 뒤바뀐 전도형 유형, 예를 들어 P+ 및 N+형 영역을 각각 포함한다는 것이 이해될 것이다.
본 명세서에 기술된 실시예들의 하나 이상의 이득 또는 장점은 바이패스 다이오드 형성을 전지 제조 공정의 일부로서 통합함에 의해 제조 공정을 단순화하고, 이로서 모듈 레벨에서의 추가적 바이패스 다이오드 어셈블리를 제거할 수 있다는 것을 포함할 수 있다. 추가적으로, 개시된 기술들은 다수의 전지 사이에 단일의 바이패스 다이오드가 공유되는 시나리오에 비해 보다 신뢰성 있게 전지들을 보호할 수 있는, 개별적 전지 레벨에서의 보호를 제공할 수 있다. 게다가, 보다 큰 태양 전지가 다이싱되는 응용에서, 기판을 스크라이빙하여 바이패스 다이오드를 형성하는 것은 다이싱 공정의 일부가 되면서도, 공정에 그다지 크지 않은 추가 비용(비용이 있다면)을 부가할 수 있다.
특정 실시예들이 상기에 기술되었지만, 이러한 실시예들은 단일 실시예만이 특정 특징부에 대해 기술되는 경우라도 본 개시내용의 범주를 제한하도록 의도되지 않는다. 본 명세서에 제공된 특징의 예는, 달리 언급되지 않는 한, 제한적이기보다는 예시적인 것으로 의도된다. 상기의 설명은, 본 발명의 이익을 갖는 당업자에게 명백할 바와 같이, 그러한 대안, 변경 및 등가물을 포괄하도록 의도된다.
본 발명의 범주는, 본 명세서에서 다루어진 문제들 중 임의의 것 또는 전부를 완화시키든지 또는 그렇지 않든지 간에, (명시적으로 또는 묵시적으로) 본 명세서에 개시된 임의의 특징 또는 특징들의 조합, 또는 이들의 임의의 일반화를 포함한다. 따라서, 새로운 청구항이 본 출원(또는 이에 대한 우선권을 주장하는 출원)의 절차 진행 동안 임의의 그러한 특징들의 조합에 대해 만들어질 수 있다. 특히, 첨부된 청구범위와 관련하여, 종속 청구항으로부터의 특징이 독립 청구항의 특징과 조합될 수 있고, 각각의 독립 청구항으로부터의 특징들이 단지 첨부된 청구범위에 열거된 특정 조합이 아닌 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.
일 실시예에서, 태양 전지는 태양 전지의 기판을 포함한다. 기판의 제1 부분 내에 또는 위에 활성 영역이 배치된다. 기판의 제2 부분 내에 또는 위에 바이패스 다이오드가 배치되며, 기판의 제1 및 제2 부분은 제1 그루브에 의해 물리적으로 분리된다. 금속화 구조물은 바이패스 다이오드에 활성 영역을 결합시킨다.
일 실시예에서, 바이패스 다이오드는 P형 도핑된 폴리실리콘 및 N형 도핑된 폴리실리콘을 포함하는 P-N 접합부를 포함한다.
일 실시예에서, 기판은 N형 도핑된 기판이고, 바이패스 다이오드는 N형 도핑된 기판 내에 배치된 P형 도핑된 영역을 포함하는 P-N 접합부를 포함한다.
일 실시예에서, 바이패스 다이오드는 태양 전지의 에지에 위치된다.
일 실시예에서, 기판의 제1 및 제2 부분은 제1 그루브 및 제2 그루브에 의해 물리적으로 분리된다.
일 실시예에서, 금속화 구조물은 또한 활성 영역의 각자의 n형 도핑된 영역들을 서로 결합시키고, 활성 영역의 각자의 p형 도핑된 영역들을 서로 결합시킨다.
일 실시예에서, 태양 전지의 바이패스 다이오드는 태양 전지의 기판의 제1 부분 내에 또는 위에 배치된 P-N 접합부를 포함하며, P-N 접합부는 금속화 구조물을 통해, 기판의 제2 부분 내에 또는 위에 배치된 도핑된 영역으로 결합된다. 기판의 제1 및 제2 부분은 제1 그루브에 의해 분리되고, 그루브는 금속화 구조물의 일부분을 노출시킨다.
일 실시예에서, 기판의 제1 및 제2 부분은 또한 제2 그루브에 의해 분리된다.
일 실시예에서, P-N 접합부는 기판의 제1 부분 위에 배치된, 인접한 도핑된 P형 및 N형 폴리실리콘 영역을 포함한다.
일 실시예에서, 기판은 N형 도핑된 기판이고, P-N 접합부는 N형 도핑된 기판 내에 배치된 P형 도핑된 영역을 포함한다.
일 실시예에서, 태양 전지용 바이패스 다이오드의 제조 방법은 반도체 기판의 제1 부분 위에 P-N 접합부를 형성하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 반도체 기판의 제2 부분 내에 또는 위에 배치된 도핑된 영역으로 P-N 접합부를 결합시키기 위해 반도체 기판의 제1 표면 위에 금속화 구조물을 형성하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 제2 부분으로부터 반도체 기판의 제1 부분을 격리시키는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 스크라이빙 단계는 제1 방향 및 제2 방향을 따라 반도체 기판을 스크라이빙하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 스크라이빙 단계는 레이저를 이용한 스크라이빙을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 제1 부분 위에 P-N 접합부를 형성하는 단계는 인접한 P형 및 N형 폴리실리콘 영역을 형성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 방법은 상기 P-N 접합부를 형성하는 단계를 수행하기 위해 이용되는 것과 동일한 하나 이상의 공정 단계의 일부로서, 반도체 기판의 제2 부분 내에 또는 위에 도핑된 영역 및 다른 도핑된 영역들을 형성하는 단계를 추가로 포함한다.
일 실시예에서, 상기 금속화 구조물을 형성하는 단계는 금속을 도금 및 패턴화 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 방법은 반도체 기판의 제3 부분 위에 다른 P-N 접합부를 형성하는 단계를 추가로 포함한다. 상기 금속화 구조물을 형성하는 단계는 또한 반도체 기판의 제4 부분 내에 또는 위에 배치된 다른 도핑된 영역에 다른 P-N 접합부를 결합시킨다. 방법은 또한 제4 부분으로부터 반도체 기판의 제3 부분을 격리시키기 위해 반도체 기판을 스크라이빙하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 제1 및 제2 부분으로부터 반도체 기판의 제3 및 제4 부분을 격리시키는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 방법은 반도체 기판의 제1 및 제2 부분에 대응하는 금속화 구조물의 일부분으로부터, 반도체 기판의 제3 및 제4 부분에 대응하는 금속화 구조물의 일부분을 격리시키는 단계를 추가로 포함한다.
일 실시예에서, 방법은 P-N 접합의 일부분을 포함하는 각자의 바이패스 다이오드를 각각 갖는 2개 서브 셀을 형성하기 위해, 태양 전지를 다이싱하는 단계를 추가로 포함한다.

Claims (20)

  1. 태양 전지로서,
    태양 전지의 기판(substrate);
    기판의 제1 부분 내에 또는 제1 부분보다 위에 배치되는 도핑된 영역을 갖는 활성 영역;
    기판의 제2 부분의 외부에서 제2 부분보다 위에 배치되는 P-N 접합부를 갖는 바이패스 다이오드 - 기판의 제1 및 제2 부분은 제1 그루브에 의해 물리적으로 분리됨 -; 및
    바이패스 다이오드에 활성 영역을 결합시키는 금속화 구조물을 포함하고,
    상기 활성 영역 및 상기 바이패스 다이오드는 제1 그루브에 의해 물리적으로 분리되는 태양 전지.
  2. 제1항에 있어서, 바이패스 다이오드는 P형 도핑된 폴리실리콘 및 N형 도핑된 폴리실리콘을 포함하는 P-N 접합부를 포함하는 태양 전지.
  3. 제1항에 있어서, 기판은 N형 도핑된 기판이고, 바이패스 다이오드는 N형 도핑된 기판 내에 배치된 P형 도핑된 영역을 포함하는 P-N 접합부를 포함하는 태양 전지.
  4. 제1항에 있어서, 바이패스 다이오드는 태양 전지의 에지에 위치된 태양 전지.
  5. 제1항에 있어서, 기판의 제1 및 제2 부분은 제1 그루브 및 제2 그루브에 의해 물리적으로 분리되는 태양 전지.
  6. 제1항에 있어서, 금속화 구조물은 또한 활성 영역의 각자의 n형 도핑된 영역들을 서로 결합시키고, 활성 영역의 각자의 p형 도핑된 영역들을 서로 결합시키는 태양 전지.
  7. 태양 전지용 바이패스 다이오드로서,
    태양 전지의 기판의 제1 부분의 외부에서 제1 부분보다 위에 배치된 P-N 접합부 - P-N 접합부는 금속화 구조물을 통해, 기판의 제2 부분 내에 또는 위에 배치된 도핑된 영역으로 결합됨 - 를 포함하고,
    기판의 제1 및 제2 부분은 제1 그루브에 의해 분리되고, 그루브는 금속화 구조물의 일부분을 노출시키며,
    상기 도핑된 영역 및 상기 바이패스 다이오드는 제1 그루브에 의해 물리적으로 분리되는 바이패스 다이오드.
  8. 제7항에 있어서, 기판의 제1 및 제2 부분은 또한 제2 그루브에 의해 분리되는 바이패스 다이오드.
  9. 제7항에 있어서, P-N 접합부는 기판의 제1 부분 위에 배치된, 인접한 도핑된 P형 및 N형 폴리실리콘 영역을 포함하는 바이패스 다이오드.
  10. 제7항의 바이패스 다이오드를 포함하는 태양 전지.
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