KR102403698B1 - 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양전지의 전면에 단락전극을 구비시킴으로써 국부적 단락현상(local shunting)을 완화시킬 수 있는 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 태양전지는 제 2 도전형의 에미터층을 구비하는 제 1 도전형의 기판; 상기 기판 상에 구비된 절연층; 상기 절연층 상에 구비되어 에미터층과 접촉하는 전면전극; 및 상기 절연층과 전면전극 중 적어도 어느 한 곳 이상에 구비되며, 상기 절연층 및 에미터층을 관통하여 기판 내부의 제 1 도전형의 반도체층과 접촉하는 복수의 단락전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

태양전지 및 그 제조방법{Solar cell and method for fabricating the same}
본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 태양전지의 전면에 단락전극을 구비시킴으로써 국부적 단락현상(local shunting)을 완화시킬 수 있는 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심소자로서, 기본적으로 p-n 접합으로 이루어진 다이오드(diode)라 할 수 있다. 태양광이 태양전지에 의해 전기로 변환되는 과정을 살펴보면, 태양전지의 실리콘 기판 내부에 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되고, 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 이동하게 되어 p-n 접합부 사이에 광기전력이 발생되며, 태양전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산할 수 있게 된다.
일반적인 태양전지의 구조를 살펴보면, 도 1에 도시한 바와 같이 p형 기판(110)의 상부측에 n형 에미터층(120)이 구비되고, n형 에미터층(120) 상에는 반사방지막(130)이 구비된다. 또한, 기판(110) 전면 상에는 n형 에미터층(120)과 연결되는 전면전극(140)이 구비되며, 기판(110) 후면 상에는 후면전극(150)이 구비된다. 광전변환에 의해 생성된 전자는 n형 에미터층(120)을 통해 전면전극(140)으로 이동되고, 정공은 후면전극(150)으로 이동된다.
한편, 태양전지의 표면 상에 이물질이 존재하면 역전압이 발생되고, 해당 부위가 단락 지점(shunt path)이면 역전압에 의한 열이 집중되는 이른 바, 국부적 단락현상(local shunting)이 유발된다. 이와 같은 국부적 단락현상은 태양전지 모듈의 출력을 저하시킬 뿐만 아니라 태양전지 셀을 손상시키는 요인으로 작용한다.
한국등록특허 제1371865호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 태양전지의 전면에 단락전극을 구비시킴으로써 국부적 단락현상(local shunting)을 완화시킬 수 있는 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양전지는 제 2 도전형의 에미터층을 구비하는 제 1 도전형의 기판; 상기 기판 상에 구비된 절연층; 상기 절연층 상에 구비되어 에미터층과 접촉하는 전면전극; 및 상기 절연층과 전면전극 중 적어도 어느 한 곳 이상에 구비되며, 상기 절연층 및 에미터층을 관통하여 기판 내부의 제 1 도전형의 반도체층과 접촉하는 복수의 단락전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 단락전극은 직선, 대쉬(dash), 점(dot) 중 어느 한 형태 또는 이들이 혼재된 형태로 이격하여 배치된다. 또한, 상기 절연층은 반사방지막 또는 패시베이션층이다.
본 발명에 따른 태양전지의 제조방법은 제 2 도전형의 에미터층을 구비하는 제 1 도전형의 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 전면 상에 절연층을 형성하는 단계; 상기 절연층 상에 전면전극 형성을 위한 제 1 도전형 페이스트를 도포하는 단계; 상기 절연층과 제 1 도전성페이스트 중 적어도 어느 한 곳 이상에 단락전극 형성을 위한 제 2 도전형 페이스트를 도포하는 단계; 및 기판을 소성하여 전면전극 및 단락전극을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어지며, 상기 전면전극은 상기 절연층을 관통하여 상기 에미터층과 접촉하며, 상기 단락전극은 상기 절연층 및 에미터층을 관통하여 기판 내부의 제 1 도전형의 반도체층과 접촉하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 도전성 페이스트 및 제 2 도전성 페이스트 내에는 소성시 절연층 또는 기판을 관통할 수 있는 유리프릿이 포함되며, 제 1 도전성 페이스트에는 절연층을 관통할 수 있는 양의 유리프릿이 포함되며, 상기 제 2 도전성 페이스트에는 절연층 및 에미터층을 관통할 수 있는 양의 유리프릿이 포함된다.
상기 제 2 도전성 페이스트는 기판의 평면 기준으로, 직선, 대쉬(dash), 점(dot) 중 어느 하나 또는 이들이 혼재된 형태로 이격하여 도포된다.
본 발명에 따른 태양전지 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
기판 전면에 n형 에미터층을 관통하여 기판 내부의 p형 반도체층과 접촉하는 복수의 단락전극이 구비됨에 따라, 역전압으로 인한 열 발생시 복수의 단락전극으로 열을 분산시킬 수 있어 국부적 단락현상(local shunting)을 완화시킬 수 있게 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 태양전지의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구성도.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 공정 참고도.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시예에 따른 단락전극을 나타낸 참고도.
본 발명은 태양전지의 전면측에 단락전극을 구비시킴으로써 국부적 단락현상(local shunting)을 완화시키는 기술을 제시한다.
'발명의 배경이 되는 기술'에서 언급한 바와 같이, 국부적 단락현상(local shunting)은 이물질 등에 의한 발생된 역전압 현상과 단락 현상이 결합되어 열이 집중되는 현상을 일컬으며, 이와 같은 국부적 단락현상은 태양전지 모듈의 출력 저하를 넘어 태양전지를 손상시키는 요인으로 작용한다.
본 발명은 태양전지의 전면측에 인위적으로 복수의 단락전극으로 구비시킴으로써 이물질 등에 의한 발생된 역전압 현상과 단락 현상이 결합되어 열이 발생되면 해당 열이 복수의 단락전극으로 분산되도록 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 및 그 제조방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 제 1 도전형의 불순물 예를 들어, p형 불순물 이온이 도핑된 p형 실리콘 기판(210)을 구비한다.
상기 기판(210)의 상부측에는 제 2 도전형의 불순물 예를 들어, n형 불순물 이온이 도핑된 n형 에미터층(220)이 구비된다. 또한, 상기 n형 에미터층(220) 상부의 기판(210) 전면 상에는 절연층(230)이 구비되며, 상기 절연층(230) 상에는 n형 에미터층(220)과 전기적으로 연결되는 전면전극(240)이 구비된다. 이와 함께, 상기 기판(210) 후면 상에는 후면전극(260)이 구비된다. 여기서, 상기 절연층(230)은 반사방지막 또는 패시베이션층을 의미한다.
상기 전면전극(240)은 세부적으로, 핑거전극(241)과 버스바전극(242)으로 구분된다. 상기 핑거전극(241)은 기판(210) 전면 상에 일정 간격으로 배치되어 n형 에미터층(220)의 캐리어(carrier)를 수집하며, 상기 버스바전극(242)은 상기 핑거전극(241)과 직교하는 방향으로 배치되어 핑거전극(241)에 의해 수집된 캐리어를 인터커넥터(interconnector)(도시하지 않음)를 통해 외부의 캐패시터 등으로 전달하는 역할을 한다.
한편, 상기 기판(210) 전면에는 국부적 단락현상(local shunting)을 완화시키기 위한 복수의 단락전극(250)이 구비된다. 상기 단락전극(250)은 절연층(230) 또는 전면전극(240) 상에 구비되며, p형 기판(210)의 p형 반도체층과 전기적으로 연결되는 형태를 이룬다.
상기 단락전극(250)이 절연층(230) 상에 구비되는 경우, 상기 단락전극(250)은 절연층(230) 및 n형 에미터층(220)을 관통하여 n형 에미터층(220) 하부에 위치한 p형 기판(210) 즉, p형 반도체층과 접촉하는 형태를 이룬다. 또한, 상기 단락전극(250)이 전면전극(240) 즉, 핑거전극(241) 또는 버스바전극(242) 상에 구비되는 경우, 상기 단락전극(250)은 전면전극(240), 절연층(230) 및 n형 에미터층(220)을 관통하여 n형 에미터층(220) 하부에 위치한 p형 기판(210)의 p형 반도체층과 접촉하는 형태를 이룬다.
이물질 등으로 인해 역전압이 발생됨과 함께 태양전지에 존재하는 단락지점(shunt path)에 단락 현상이 발생되더라도 단락지점뿐만 아니라 상기 복수의 단락전극(250)에 열이 분산됨에 따라, 단락지점에 열이 집중되는 국부적 단락현상(local shunting)을 완화시킬 수 있게 된다.
상기 복수의 단락전극(250)은 다양한 형태로 구성할 수 있다. 전술한 바와 같이 절연층(230), 핑거전극(241), 버스바전극(242) 중 어느 한 곳에 구비되거나, 절연층(230), 핑거전극(241), 버스바전극(242) 중 적어도 어느 한 곳 이상에 구비될 수 있다.
또한, 기판(210) 전면의 평면 기준으로, 상기 단락전극(250)은 직선 형태를 이루거나 대쉬(dash) 또는 점(dot) 형태를 이룰 수 있다. 이와 같은 직선, 대쉬, 점 형태의 단락전극(250)은 절연층(230), 핑거전극(241), 버스바전극(242) 중 적어도 어느 한 곳 이상에 이격, 배치된다(도 4a 내지 도 4f 참조).
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지에 대해 설명하였다. 다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법에 대해 설명하기로 한다.
먼저, 도 3a에 도시한 바와 같이 태양전지 기판(210)을 준비한다.
상기 기판(210)은 제 1 도전형(예를 들어, p형)의 실리콘 기판(210)이며, 상기 기판(210)의 표면부에는 제 2 도전형(예를 들어, n형)의 에미터층(220)이 구비된다. 또한, 상기 기판(210)의 전면 상에는 절연층(230)이 구비되며, 상기 절연층(230)은 반사방지막 또는 패시베이션층을 의미한다.
태양전지 기판(210)이 준비된 상태에서, 상기 절연층(230) 상에 전면전극(240) 형성을 위한 제 1 도전성 페이스트(10)를 도포한다(도 3b 참조). 상기 제 1 도전성 페이스트(10)가 도포되는 영역은 핑거전극(241) 및 버스바전극(242)이 형성될 영역이며, 핑거전극(241) 영역과 버스바전극(242) 영역에 순차적으로 제 1 도전성 페이스트(10)를 도포할 수 있다.
또한, 상기 제 1 도전성 페이스트(10)는 스크린 인쇄법을 통해 도포될 수 있으며, 상기 제 1 도전성 페이스트(10)는 도전성 물질과 유리프릿(glass frit)을 포함하여 이루어진다. 상기 도전성 물질은 Ag 등의 금속성분이며, 상기 유리프릿은 후속의 소성 공정시 용융되는 특성을 갖는다.
전면전극(240)이 형성될 영역에 제 1 도전성 페이스트(10)가 도포된 상태에서, 단락전극(250) 형성을 위한 제 2 도전성 페이스트(20)를 도포한다(도 3c 참조). 상기 제 2 도전성 페이스트(20)는 상기 절연층(230) 상에 도포되거나 상기 제 1 도전성 페이스트(10) 상에 도포될 수 있다. 즉, 상기 제 2 도전성 페이스트(20)는 절연층(230), 핑거전극(241)이 형성될 영역, 버스바전극(242)이 형성될 영역 중 적어도 어느 한 곳 이상에 도포될 수 있다. 또한, 상기 제 2 도전성 페이스트(20)는 기판(210)의 평면 기준으로, 직선, 대쉬(dash), 점(dot) 중 어느 하나 또는 이들이 혼재된 형태로 이격하여 도포된다.
제 2 도전성 페이스트(20)는 제 1 도전성 페이스트(10)와 마찬가지로 스크린 인쇄법을 통해 인쇄할 수 있다. 또한, 제 2 도전성 페이스트(20)에는 제 1 도전성 페이스트(10)와 마찬가지로 Ag와 같은 도전성 물질이 포함되어 있다.
한편, 제 1 도전성 페이스트(10)와 제 2 도전성 페이스트(20)를 구성함에 있어서, 유리프릿의 양이 조절되어야 한다. 상기 제 1 도전성 페이스트(10)와 제 2 도전성 페이스트(20)는 후속의 소성 공정에 의해 각각 전면전극(240)과 단락전극(250)으로 변환되고 기판(210)의 일부를 침투한 형태를 이루게 되는데, 기판(210)으로의 침투를 가능하게 하는 것은 제 1 도전성 페이스트(10)와 제 2 도전성 페이스트(20)에 포함되어 있는 유리프릿 성분 때문이다. 소성시 유리프릿은 용융되어 기판(210) 내부로 침투되며, 도전성 페이스트 내의 도전성 물질은 용융된 유리프릿과 함께 기판(210) 내부로 침투된다.
본 발명에 있어서, 전면전극(240)은 그 하단이 n형 에미터층(220)과 접촉하는 반면, 단락전극(250)은 그 하단이 p형 기판(210)의 p형 반도체층에 접촉되도록 설계된다. 즉, 전면전극(240)이 절연층(230)을 관통하여 n형 에미터층(220)과 접촉하는 반면, 단락전극(250)은 절연층(230) 및 n형 에미터층(220)을 모두 관통하여 p형 반도체층과 접촉하는 구조를 이룬다.
전면전극(240)과 단락전극(250)의 기판(210) 침투 깊이를 서로 다르게 하기 위해서는, 제 1 도전성 페이스트(10)와 제 2 도전성 페이스트(20) 각각에 포함되는 유리프릿의 양을 달리 해야 한다. 기판(210) 침투 깊이가 전면전극(240)보다 큰 단락전극(250)을 형성하기 위해서는 제 1 도전성 페이스트(10)에 비해 제 2 도전성 페이스트(20)에 포함되는 유리프릿이 양이 커야 함은 당연하다.
본 발명에 있어서, 제 1 도전성 페이스트(10)와 제 2 도전성 페이스트(20) 각각에 포함되는 유리프릿의 양을 특정하지는 않으나, 제 1 도전성 페이스트(10)에 포함되는 유리프릿의 양은 절연층(230)을 관통하여 n형 에미터층(220)과 접촉이 가능한 정도의 양으로 정의하고, 제 1 도전성 페이스트(10)에 포함되는 유리프릿의 양은 절연층(230) 및 n형 에미터층(220)을 관통하여 p형 기판(210)의 p형 반도체층과 접촉이 가능한 정도의 양으로 정의한다.
제 1 도전성 페이스트(10) 및 제 2 도전성 페이스트(20)가 도포된 상태에서, 소성 공정을 진행한다(도 3d 참조). 소성에 의해 제 1 도전성 페이스트(10)에 포함되어 있는 유리프릿이 용융되며, 제 1 도전성 페이스트(10)의 도전성 물질은 용융된 유리프릿과 함께 절연층(230)을 관통하여 n형 에미터층(220)과 접촉하게 되며, 이와 같은 소성을 통해 에미터층(220)과 접촉하는 전면전극(240) 즉, 핑거전극(241)과 버스바전극(242)이 완성된다.
제 1 도전성 페이스트(10)가 전면전극(240)으로 변환됨과 함께, 소성에 의해 제 2 도전성 페이스트(20)에 포함되어 있는 유리프릿이 용융되며, 제 2 도전성 페이스트(20)의 도전성 물질은 용융된 유리프릿과 함께 절연층(230) 및 n형 에미터층(220)을 관통하여 p형 기판(210)의 p형 반도체층과 접촉하게 되며, 이와 같은 소성을 통해 p형 반도체층과 접촉하는 단락전극(250)이 완성된다.
10 : 제 1 도전성 페이스트 20 : 제 2 도전성 페이스트
210 : 기판 220 : 에미터층
230 : 절연층 240 : 전면전극
241 : 핑거전극 242 : 버스바전극
250 : 단락전극 260 : 후면전극

Claims (7)

  1. 제 2 도전형의 에미터층을 구비하는 제 1 도전형의 기판;
    상기 기판 상에 구비된 절연층;
    상기 절연층 상에 구비되어 에미터층과 접촉하는 전면전극; 및
    상기 절연층과 전면전극 중 적어도 어느 한 곳 이상에 구비되며, 상기 절연층 및 에미터층을 관통하여 기판 내부의 제 1 도전형의 반도체층과 접촉하는 복수의 단락전극;을 포함하여 이루어지며,
    태양전지 전면의 이물질로 인한 국부적 단락현상(local shunting) 발생시 상기 단락전극으로 열이 분산되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 단락전극은 직선, 대쉬(dash), 점(dot) 중 어느 한 형태 또는 이들이 혼재된 형태로 이격하여 배치되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 절연층은 반사방지막 또는 패시베이션층인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  4. 제 2 도전형의 에미터층을 구비하는 제 1 도전형의 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판 전면 상에 절연층을 형성하는 단계;
    상기 절연층 상에 전면전극 형성을 위한 제 1 도전형 페이스트를 도포하는 단계;
    상기 절연층과 제 1 도전성페이스트 중 적어도 어느 한 곳 이상에 단락전극 형성을 위한 제 2 도전형 페이스트를 도포하는 단계; 및
    기판을 소성하여 전면전극 및 단락전극을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어지며,
    상기 전면전극은 상기 절연층을 관통하여 상기 에미터층과 접촉하며, 상기 단락전극은 상기 절연층 및 에미터층을 관통하여 기판 내부의 제 1 도전형의 반도체층과 접촉하며,
    태양전지 전면의 이물질로 인한 국부적 단락현상(local shunting) 발생시 상기 단락전극으로 열이 분산되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 도전성 페이스트 및 제 2 도전성 페이스트 내에는 소성시 절연층 또는 기판을 관통할 수 있는 유리프릿이 포함되며,
    제 1 도전성 페이스트에는 절연층을 관통할 수 있는 양의 유리프릿이 포함되며, 상기 제 2 도전성 페이스트에는 절연층 및 에미터층을 관통할 수 있는 양의 유리프릿이 포함되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 제 2 도전성 페이스트는 기판의 평면 기준으로, 직선, 대쉬(dash), 점(dot) 중 어느 하나 또는 이들이 혼재된 형태로 이격하여 도포되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 절연층은 반사방지막 또는 패시베이션층인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
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