KR102470790B1 - 태양 전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
태양 전지 제조 방법은 반도체 기판의 제1면에 제1 방향으로 고융점 솔더를 도포하는 단계; 고융점 솔더에 초음파 진동을 발생시켜 제1 전극을 형성하는 단계; 반도체 기판의 제1면과 반대인 제2 면에 저융점 솔더를 제1 방향으로 도포하는 단계; 및 저융점 솔더에 초음파 진동을 발생시켜 제2 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 태양 전지 제조 방법.를 포함한다.
Description
본 발명은 태양 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양 전지는 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생산하는 전지로서, 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 주목 받고 있다.
일반적인 태양 전지는 p형과 n형처럼 서로 다른 도전성 타입(conductive type)의 반도체로 이루어진 기판(substrate) 및 에미터부(emitter layer), 그리고 기판과 에미터부에 각각 연결된 전극을 구비한다. 이때, 기판과 에미터부의 계면에는 p-n 접합이 형성되어 있다.
이러한 태양 전지에 빛이 입사되면 반도체에서 복수의 전자-정공 쌍이 생성되고, 생성된 전자-정공 쌍은 광기전력 효과(photovoltaic effect)에 의해 전하인 전자와 정공으로 각각 분리되어 전자와 정공은 n형의 반도체와 p형 반도체쪽으로, 예를 들어 에미터부와 기판쪽으로 이동하고, 기판과 에미터부와 전기적으로 연결된 전극에 의해 수집되며, 이 전극들을 전선으로 연결하여 전력을 얻는다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 효율이 향상된 태양 전지 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 태양 전지 제조 방법은 반도체 기판의 제1면에 제1 방향으로 고융점 솔더를 도포하는 단계; 고융점 솔더에 초음파 진동을 발생시켜 제1 전극을 형성하는 단계; 반도체 기판의 제1면과 반대인 제2 면에 저융점 솔더를 상기 제1 방향으로 도포하는 단계; 및 저융점 솔더에 초음파 진동을 발생시켜 제2 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 고융점 솔더의 용융점이 약 150℃ 이상인 Sn-Ag-Cu계, Sn-Zn계, Sn-Pb계 중 적어도 하나의 도전성 물질을 포함할 수 있다. 여기서, 고융점 솔더에 포함되는 주석(Sn)의 함량이 약 60 내지100 중량%인 것이 바람직하다.
또한, 저융점 솔더의 용융점이 약 150℃ 이하인 Sn-Bi계, Sn-In계 중 적어도 하나의 도전성 물질을 포함할 수 있다. 여기서, 저융점 솔더에 포함되는 주석(Sn)의 함량이 약 10 내지60중량%인 것이 바람직하다.
그리고, 반도체 기판의 제1면은 후면이고, 반도체 기판의 제2면은 전면인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 태양 전지는 기판의 전/후면에 주석(Sn)이 함유된 솔더를 이용하여 전극을 형성함으로써, 태양 전지의 제조 비용을 절감할 수 있다.
그리고, 초음파 진동을 이용한 솔더링 공정을 통해 전극을 형성함으로써, 전극과 실리콘 사이의 결합력이 향상되고 접촉 저항이 감소되어 태양 전지의 효율을 극대화 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 태양 전지의 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 2는 도 1에 도시된 태양 전지를 I-I선을 따라 잘라 도시한 개략적인 단면도이다.
도 3a 내지 도 3e는 도 1에 도시한 태양 전지의 제조 방법을 순차적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 다른 태양 전지의 다른 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 5는 도 4에 도시된 A부분을 확대 도시한 도이다.
도 6 및 도 7은 도 1에 도시된 태양 전지의 다른 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명이 적용되는 태양 전지의 다른 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 2는 도 1에 도시된 태양 전지를 I-I선을 따라 잘라 도시한 개략적인 단면도이다.
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도 4는 본 발명에 다른 태양 전지의 다른 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 5는 도 4에 도시된 A부분을 확대 도시한 도이다.
도 6 및 도 7은 도 1에 도시된 태양 전지의 다른 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명이 적용되는 태양 전지의 다른 일례를 설명하기 위한 도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한 어떤 부분이 다른 부분 위에 "전체적"으로 형성되어 있다고 할 때에는 다른 부분의 전체 면에 형성되어 있는 것뿐만 아니라 가장 자리 일부에는 형성되지 않은 것을 뜻한다.
이하에서, 전면이라 함은 직사광이 입사되는 반도체 기판의 일면일 수 있으며, 후면이라 함은 직사광이 입사되지 않거나, 직사광이 아닌 반사광이 입사될 수 있는 반도체 기판의 반대면일 수 있다.
아울러, 이하의 설명에서, 서로 다른 두 구성 요소의 길이나 폭이 동일하다는 의미는 10%의 오차 범위 이내에서 서로 동일한 것을 의미한다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 태양 전지의 일례를 설명하기 위한 도이고, 도 2는 도 1에 도시된 태양 전지를 I-I선을 따라 잘라 도시한 개략적인 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 일례에 따른 태양 전지(10)는 반도체 기판(110), 에미터부(120), 제1 반사 방지막(130), 복수의 제1 전극(140), 후면 전계부(back surface field, BSF)(170), 제2 반사 방지막(132) 그리고 복수의 제2 전극(150)을 구비할 수 있다.
일례에 따른 태양 전지(10)는 반도체 기판(110)의 제1 면 및 제2 면을 통해 빛이 각각 입사되는 양면 수광형 태양 전지로써, 제1 면 및 제2 면을 통해 입사된 빛을 이용하여 전류를 생산할 수 있다.
여기서, 후면 전계부(170)는 생략될 수도 있으나, 후면 전계부(170)가 있는 경우 태양 전지의 효율이 더 향상되므로, 이하에서는 후면 전계부(170)가 포함되는 것을 일례로 설명한다.
반도체 기판(110)은 제1 면(이하, '전면'이라 함)과 제2 면(이하, '후면'이라 함)을 포함하며, 전면(front surface)과 후면(back surface)는 서로 반대쪽에 위치한다.
반도체 기판(110)은 제1 도전성 타입, 예를 들어 n형 도전성 타입을 가질 수 있으며, 이와 같은 반도체 기판(110)은 단결정 실리콘, 다결정 실리콘 또는 비정질 실리콘 중 어느 하나의 형태로 이루어질 수 있다. 일례로, 반도체 기판(110)은 결정질 실리콘 웨이퍼로 형성될 수 있다.
반도체 기판(110)이 n형의 도전성 타입을 가질 경우, 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물이 반도체 기판(110)에 도핑(doping)될 수 있다. 하지만, 이와는 달리, 반도체 기판(110)은 p형 도전성 타입일 수 있다. 반도체 기판(110)이 p형의 도전성 타입을 가질 경우, 붕소(B), 갈륨, 인듐 등과 같은 3가 원소의 불순물이 반도체 기판(110)에 도핑될 수 있다.. 이러한 반도체 기판(110)의 전면 및 후면에서의 빛 반사도를 감소시켜 빛의흡수율을 증가시키기 위해 반도체 기판(110)의 전면 및 후면 중 적어도 한면은 복수의 요철면을 가질 수 있다. 편의상 도 1 및 도 2에서 반도체 기판(110)의 가장자리 부분만 요철면으로 도시하여 그 위에 위치하는 에미터부(120) 역시 그 가장자리 부분만 요철면으로 도시한다. 하지만, 실질적으로 반도체 기판(110)의 전면 전체가 요철면을 갖고 있으며, 이로 인해 반도체 기판(110)의 전면 위에 위치한 에미터부(120) 역시 요철면을 갖는다.
예를 들어, 복수의 요철을 갖고 있는 반도체 기판(110)의 전면 쪽으로 입사되는 빛은 에미터부(120)와 반도체 기판(110)의 표면에 형성된 복수의 요철에 의해 복수 회의 반사 동작이 발생하면서 반도체 기판(110) 내부로 입사된다. 이로 인해, 반도체 기판(110)의 전면에서 반사되는 빛의 양이 감소하여 반도체 기판(110) 내부로 입사되는 빛의 양이 증가한다. 또한, 요철 표면으로 인해, 빛이 입사되는 반도체 기판(110)과 에미터부(120)의 표면적이 증가하여 반도체 기판(110)으로 입사되는 빛의 양 또한 증가한다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 에미터부(120)는 제 1 도전성 타입의 반도체 기판(110)의 전면에 형성되며, 제 1 도전성 타입과 반대인 제 2 도전성 타입, 예를 들어, p형의 도전성 타입의 불순물이 반도체 기판(110)에 도핑된 영역으로, 반도체 기판(110)의 전면 내부에 위치할 수 있다. 따라서 제2 도전성 타입의 에미터부(120)는 반도체 기판(110) 중 제1 도전성 타입 부분과 p-n 접합을 이룬다.
이와 같은 반도체 기판(110)에 입사된 빛은 전자와 정공으로 분리되어 전자는 n형 쪽으로 이동하고 정공은 p형 쪽으로 이동할 수 있다. 따라서, 반도체 기판(110)이 n형이고, 에미터부(120)는 p형일 경우 분리된 전자는 반도체 기판(110) 후면 쪽으로 이동하고 분리된 정공은 에미터부(120)쪽으로 이동할 수 있다.
에미터부(120)는 반도체 기판(110), 즉, 반도체 기판(110)의 제1 도전성 부분과 p-n접합을 형성하므로, 본 실시예와 달리, 반도체 기판(110)이 p형의 도전성 타입을 가질 경우, 에미터부(120)는 n형의 도전성 타입을 가질 수 있다. 이 경우, 분리된 정공은 반도체 기판(110) 후면 쪽으로 이동하고 분리된 전자는 에미터부(120)쪽으로 이동할 수 있다.
에미터부(120)가 p형의 도전성 타입을 가질 경우, 3가 원소의 불순물을 반도체 기판(110)에 도핑하여 형성될 수 있고, 반대로 n형의 도전성 타입을 가질 경우, 에미터부(120)는 5가 원소의 불순물을 반도체 기판(110)에 도핑하여 형성될 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 제1 반사 방지막(130)은 반도체 기판(110)의 전면에 위치하며, 에미터부(120)가 반도체 기판(110)의 전면에 위치하는 경우, 제1 반사 방지막(130)은 에미터부(120) 상부에 위치할 수 있다.
이와 같은 제1 반사 방지막(130)은 알루미늄 산화막(AlOx), 실리콘 질화막(SiNx), 실리콘 산화막(SiOx) 및 실리콘 산화질화막(SiOxNy) 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 제1 반사 방지막(130)은 태양 전지(10)로 입사되는 빛의 반사도를 줄이고 특정한 파장 영역의 선택성을 증가시켜, 태양 전지(10)의 효율을 높인다.
이와 같은 제1 반사 방지막(130)은 반도체 기판(110)이 요철 표면을 갖는 경우, 반도체 기판(110)과 유사하게 하게 복수의 요철을 구비한 요철 표면을 갖게 된다.
본 실시예에서, 제1 반사 방지막(130)은 단일막 구조를 갖지만 이중막과 같은 다층막 구조를 가질 수 있고, 이와 같이 함으로써, 제1 반사 방지막(130)의 패시베이션 기능을 보다 강화할 수 있어 태양 전지의 광전 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 한편, 필요에 따라 제1 반사 방지막(130)은 생략될 수 있다.
이와 같은 제1 반사 방지막(130)은 물리적 기상 증착법(PECVD, plasma enhanced chemical vapor deposition) 또는 화학적 기상 증착법(CVD, chemical vapor deposition)과 같은 다양한 막 형성 방법을 이용하여 반도체 기판(110)의 전면에 형성될 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 복수의 제1 전극(140)은 반도체 기판(110)의 전면에 위에 서로 이격되어 위치하며, 각각이 제1 방향(x)으로 길게 뻗어 위치할 수 있다. 이와 같이, 반도체 기판(110)의 전면에 서로 이격되어 제1 방향(x)으로 길게 뻗어 위치하는 전극을 전면 핑거라고 명명할 수 있다.
이때, 복수의 제1 전극(140)은 제1 반사 방지막(130)을 통과하여 반도체 기판(110)의 전면에 위치한 에미터부(120)에 연결될 수 있다. 즉, 제1 전극(140)은 제1 반사 방지막(130)이 위치하지 않는 영역의 에미터부(120) 위에 위치할 수 있다.
이에 따라, 복수의 제1 전극(140)은 주석(Sn)과 같은 적어도 하나의 도전성 물질로 이루어져, 에미터부(120) 쪽으로 이동한 전하, 예를 들면, 전자를 수집할 수 있다.
본 실시예에서 복수의 제1 전극(140)은 초음파 진동을 이용한 솔더링 공정에 의해 형성될 수 있다.
구체적으로, 제1 전극(140)을 초음파 진동에 의해 형성하는 경우, 반도체 기판(110)의 전면에 도포된 저융점 솔더에 초음파 진동을 발생시킴으로써, 초음파 진동 에너지가 캐비테이션(cavitation)(CA)(공동 현상)을 일으켜 제1 반사 방지막(130)이 부분적으로 식각될 수 있다. 이에 따라, 제1 전극(140)가 제1 반사 방지막(130)을 통과하여 반도체 기판(110)의 전면에 위치한 에미터부(120)에 연결될 수 있다.
이와 같은 제1 전극(140)은 용융점이 약 150℃ 이하인 저융점 솔더로 구성되며, Sn-Bi계, Sn-In계 중 적어도 하나의 도전성 물질로 이루어 질 수 있다.
본 실시예에서, 저융점 솔더에 포함되는 주석(Sn)의 함량은 약 10 내지 60 중량%일 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 후면 전계부(170)는 반도체 기판(110)의 전면의 반대면인 후면에 위치할 수 있으며, 반도체 기판(110)과 동일한 도전성 타입의 불순물이 반도체 기판(110)보다 고농도로 도핑된 영역, 예를 들면, P+ 영역이다.
이러한 반도체 기판(110)의 제1 도전성 영역과 후면 전계부(170)간의 불순물 농도 차이로 인해 전위 장벽이 형성되고, 이로 인해, 정공의 이동 방향인 후면 전계부(170) 쪽으로 전자 이동을 방해하는 반면, 후면 전계부(170) 쪽으로의 정공 이동을 용이하게 한다. 따라서, 반도체 기판(110)의 후면 및 그 부근에서 전자와 정공의 재결합으로 손실되는 전하의 양을 감소시키고 원하는 전하(예, 정공)의 이동을 가속화시켜 제2 전극(150)으로의 전하 이동량을 증가시킨다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 제2 반사 방지막(132)은 반도체 기판(110)의 전면의 반대면인 후면에 위치할 수 있으며, 후면 전계부(170)가 반도체 기판(110)의 후면에 위치하는 경우, 제2 반사 방지막(132)는 후면 전계부(170)의 상부에 위치할 수 있다. 이때, 제 2 반사 방지막(132)은 반도체 기판(110)의 후면으로 입사되는 빛의 반사를 최소화할 수 있다.
이와 같은 제2 반사 방지막(132)은 알루미늄 산화막(AlOx), 실리콘 질화막(SiNx), 실리콘 산화막(SiOx) 및 실리콘 산화질화막(SiOxNy) 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 이때, 제2 반사 방지막(132)은 제1 반사 방지막(130)과 동일한 물질로 형성되거나 상이한 물질로 형성될 수 있다.
그리고, 제2 반사 방지막(132)은 제1 반사 방지막(130)과 동일한 형성 방법으로 형성되거나 상이한 형성 방법으로 형성될 수 있다.
한편, 도시하지 않았지만 제1 반사 방지막(130)과 에미터부(120)의 사이 및 제2 반사 방지막(132)과 후면 전계부(170)의 사이에는 보호막(passivation layer)이 더 형성될 수 있다. 보호막은 비결정질 반도체로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 보호막은 수소화된 진성 비정질 실리콘(intrinsic amorphous silicon, i-a-Si:H)으로 이루어질 수 있다. 보호막은 보호막에 함유된 수소(H)를 이용하여 기판(110)의 표면 및 그 근처에 주로 존재하는 댕글링 결합(dangling bond)과 같은 결함(defect)을 안정한 결합으로 바꾸어 결함에 의해 기판(110)의 표면 쪽으로 이동한 전하가 소멸되는 것을 감소시키는 패시베이션 기능(passivation function)을 수행하여 결함에 의해 기판(110)의 표면 및 그 근처에서 손실되는 전하의 양을 감소시킨다. 이로 인해 기판(110)의 전후면에 위치하는 보호막에 의해 결함에 의해 기판(110)의 표면 및 그 근처에서 손실되는 전하의 양이 감소됨으로써, 태양 전지의 효율이 증가될 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 복수의 제2 전극(150)은 반도체 기판(110)의 후면에 서로 이격되어 위치하며, 각각이 제1 방향(x)으로 길게 뻗어 위치할 수 있다. 이와 같이, 반도체 기판(110)의 후면에 서로 이격되어 제1 방향(x)으로 길게 뻗어 위치하는 전극을 후면 핑거라고 명명할 수 있다. 제2 전극(150)은 반도체 기판(110)을 중심으로 제1 전극(140)과 대응하여 마주하는 곳에 위치할 수 있다. 이에 따라, 제1 전극(140)과 제2 전극(150)의 개수는 동일하게 형성될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.이때, 복수의 제2 전극(150)은 제2 반사 방지막(132)을 통과하여 반도체 기판(110)의 후면에 위치한 후면 전계부(170)와 연결될 수 있다. 즉, 제2 전극(150)은 제2 반사 방지막(132)이 위치하지 않는 영역의 후면 전계부(170)에 위치할 수 있다.
이에 따라, 복수의 제2 전극(150)은 주석(Sn)과 같은 적어도 하나의 도전성 물질로 이루어져, 후면 전계부(170)쪽으로부터 이동하는 전하, 예를 들어 정공을 수집할 수 있다.
본 실시예에서 제2 전극(150) 역시 제1 전극(140)과 동일하게 초음파 진동을이용한 솔더링 공정에 의해 형성될 수 있다.
구체적으로, 제2 전극(150)을 초음파 진동에 의해 형성하는 경우, 반도체 기판(110)의 후면에 도폰된 고융점 솔더에 초음파 진동을 발생시킴으로써, 초음파 진동 에너지가 캐비테이션(cavitation)(CA)(공동 현상)을 일으켜 제2 반사 방지막(132)이 부분적으로 식각될 수 있다. 이에 따라, 제2 전극(150)가 제2 반사 방지막(132)을 통과하여 반도체 기판(110)의 후면에 위치한 후면 전계부(170)에 연결될 수 있다.
이와 같은 제2 전극(150)은 용융점이 약 150℃ 이상인 고융점 솔더로 구성되며 Sn-Ag-Cu계, Sn-Zn계, Sn-Pb계 중 적어도 하나의 도전성 물질로 이루어 질 수 있다.
본 실시예에서, 고융점 솔더에 포함되는 주석(Sn)의 함량은 약 60 내지 100 중량%일 수 있다.
이러한, 제2 전극(150)은 제1 전극(140) 보다 먼저 형성될 수 있다.
종래에는 제1 전극(140)과 제2 전극(150)을 동시에 형성하거나 제1 전극(140)을 먼저 형성한 후 제2 전극(150)을 형성하였다.
하지만, 본 실시예는 용융점이 약 150℃ 이상인 고융점 솔더로 이루어지는 제2 전극(150)을 먼저 형성한 후, 용융점이 약 150℃ 이하인 저융점 솔더로 이루어지는 제1 전극(140)을 형성하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 제1 전극과 제2 전극을 동시에 형성하는 경우 제2 전극의 용융점이 제1 전극의 용융점보다 높으므로 태빙(tabbing) 작업을 실시할 때 가해지는 열에 의해 제1 전극에 포함된 저융점 솔더가 손상 또는 변질될 수 있다. 예를 들어, 태빙(tabbing) 작업은 150℃ 내지 180℃ 온도 범위에 수행되므로, 용융점이 약 150℃ 이상인 고융점 솔더로 이루어지는 제2 전극은 열에 의해 영향을 받지 않지만 용융점이 약 150℃ 이하인 저융점 솔더로 이루어지는 제1 전극은 영향을 받는다.
그리고, 제1 전극을 제2 전극보다 먼저 형성하는 경우 용융점이 약 150℃ 이하인 저융점 솔더로 이루어지는 제1 전극은 용융점이 약 150℃ 이상인 고융점 솔더로 이루어지는 제2 전극을 형성하기 위해 가해지는 열에 의해 제1 전극에 포함된 저융점 솔더가 손상 또는 변질되어 즉, 제1 전극이 휘어지거나 뒤틀리는 등의 현상이 발생하여 제1 전극(140)의 물리적 변형을 가져올 수 있다.
하지만, 용융점이 약 150℃ 이상인 고융점 솔더로 이루어지는 제2 전극을 용융점이 약 150℃ 이하인 저융점 솔더로 이루어지는 제1 전극보다 먼저 형성하는 경우 제1 전극의 용융점이 제2 전극의 용융점보다 낮으므로 제1 전극이 열에 의해 손상 또는 변질되지 않을 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 제2 전극(150)을 먼저 형성한 후 제1 전극(140)을 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 양면 수광형 태양 전지의 경우, 반도체 기판(110)의 전면을 통해 입사되는 빛의 양이 후면을 통해 입사되는 빛의 양에 비해 많으므로, 후면에는 제1 전극(141)에 비해 많은 개수의 제2 전극(150)이 형성될 수 있다. 이 경우, 도 6을 참조하면, 제2 전극(150) 간의 간격, 즉 피치(pitch)는 제1 전극(140) 간의 간격보다 작을 수 있다.
이러한 구성의 양면 수광형 태양전지에서, 태양 전지(10)로 조사된 빛이 에미터부(120) 및 후면 전계부(170)를 통해 반도체 기판(110)으로 입사되면, 반도체 기판(110)으로 입사된 빛 에너지에 의해 전자-정공 쌍이 발생한다. 이때, 반도체 기판(110)의 전면(front surface) 및/또는 후면(back surface)이 텍스처링 되어 있으므로, 반도체 기판(110)의 전면(front surface) 및 후면(back surface)에서의 빛 반사도가 감소하고, 텍스처링된 표면에서 입사와 반사 동작이 행해져 태양 전지(10) 내부에 빛이 갇히게 되므로, 빛의 흡수율이 증가되어 양면 수광형 태양 전지의 효율이 향상된다.
이에 더하여, 제1 반사 방지막(130) 및 제2 반사 방지막(132)에 의해 반도체 기판(110)으로 입사되는 빛의 반사 손실이 줄어들어 반도체 기판(110)으로 입사되는 빛의 양은 더욱 증가한다.
이들 전자-정공 쌍은 반도체 기판(110)과 에미터부(120)의 p-n접합에 의해 서로 분리되며, 전자는 n형의 도전성 타입을 갖는 반도체 기판(110)의 후면쪽으로 이동하고, 정공은 p형의 도전성 타입을 갖는 에미터부(120)쪽으로 이동한다. 이때, 반도체 기판(110)은 n형의 도전성 타입을 가지고, 에미터부(120)는 p형의 도전성 타입을 가질 수 있다.
이처럼, 반도체 기판(110)쪽으로 이동한 전자는 후면 전계부(170)를 통해 제2 전극(150)으로 이동하고, 에미터부(120)쪽으로 이동한 정공은 제1 전극(140)으로 이동한다. 이러한 제1 전극(140)과 제2 전극(150)을 도선으로 연결하면 전류가 흐르게 되고, 이를 외부에서 전력으로 이용하게 된다.
도 3a 내지 도 3e는 도 1에 도시한 태양 전지의 제조 방법을 순차적으로 도시한 도면이다.
이하, 도 3a 내지 도 3e를 참조하여 본 발명의 일례에 따른 태양 전지의 제조 방법을 설명한다.
먼저, 도 3a 도시한 것처럼, 반도체 기판(110)의 전면 및 후면을 텍스처링 표면으로 형성하고, 반도체 기판(110)의 전면에는 에미터부(120)를 형성하고, 반도체 기판(110)의 후면에는 후면 전계부(170)를 형성한다.
구체적으로, n형의 반도체 기판(110)에 붕소(B), 갈륨, 인듐 등과 같은 3가 원소의 불순물을 포함하는 물질, 예를 들어, B2H6를 고온에서 열처리하여 3가 원소의 불순물을 반도체 기판(110)에 확산시켜 반도체 기판(110) 전면에 p형의 에미터부(120)를 형성한다.
본 실시예와 달리, 반도체 기판(110)의 도전성 타입이 p형인 경우, 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 포함하는 물질, 예를 들어, POCl3이나 H3PO4 등을 고온에서 열처리하여 5가 원소의 불순물을 반도체 기판(110)에 확산시켜 반도체 기판(110) 전면에 n형의 에미터부(120)를 형성할 수 있다.
그런 다음, n형 불순물 또는 p형 불순물이 반도체 기판(110) 내부로 확산됨에 따라 생성된 인을 포함하는 산화물(phosphorous silicate glass, PSG)이나 붕소를 포함하는 산화물(boron silicate glass, BSG)을 식각 공정을 통해 제거한다.
이때, 반도체 기판(110)의 전면과 후면은 습식 식각 공정 또는 플라즈마를 이용한 건식 식각 공정을 이용하여 반도체 기판(110)의 양쪽 표면이 텍스처링 표면으로 각각 형성된다. 이에 따라, 에미터부(120)는 반도체 기판(110)의 텍스처링 표면 형상에 영향을 받아 요철면을 갖는다.
다음으로, 열확산법(thermal diffusion method)을 사용하여 반도체 기판(110)의 후면에 후면 전계부(170)를 형성한다.
구체적으로, 열확산법을 사용하는 경우, 후면 전계부(170)는 붕소(B), 갈륨, 인듐 등과 같은 3가 원소의 불순물을 포함하는 물질, 예를 들어, BBr3를 선증착(predeposition)하고, 선증착된 3가 원소의 불순물을 확산(drive-in)시키는 것에 따라 형성할 수 있다.
후면 전계부(170)는 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 반도체 기판(110)의 후면 전체면에 형성할 수 있지만, 제2 전극(150)과 대응하는 위치에만 국부적으로 형성하는 것도 가능하다. 도 7에 도시한 바와 같이, 제2 전극(150)과 대응하는 위치에만 국부적으로 형성되는 후면 전계부(170)는 제3가 원소의 불순물을 후면 전계부의 형성 영역에만 증착한 후 확산 공정을 실시하는 것에 따라 형성할 수 있다.
한편, 이와 같은 에미터부(120) 및 후면 전계부(172)는 레이저 도핑(laser doping)을 이용한 공정, 레이저 패터닝(laser patterning) 및 레이저 도핑을 이용한 공정, 또는 확산 방지막을 이용한 공정 등을 통해 형성될 수 있다.
다음으로, PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)법과 같은 다양한 막 형성 방법을 이용하여 반도체 기판(110)의 전면 및 후면에 제1 반사 방지막(130) 및 제2 반사 방지막(132)을 각각 형성한다. 제1 반사 방지막(130) 및 제2 반사 방지막(132)은 동일한 물질로 형성되거나 서로 다른 물질로 형성될 수 있다.
또한, 제1 반사 방지막(130) 및 제2 반사 방지막(132)은 단일막 구조 또는 다층막 구조로 서로 동일하거나 상이하게 형성될 수 있다.
한편, 제1 반사 방지막(130)과 에미터부(120)의 사이 및 제2 반사 방지막(132)과 후면 전계부(170)의 사이에는 보호막(passivation layer)를 더 형성할 수 있다.
다음으로, 반도체 기판(110)의 전후면에 제1 및 제2 반사 방지막(130, 132)을 포함하는 태양 전지(10)를 패드(미도시) 위에 위치시킨다. 여기서, 패드는 태양 전지(10)의 전후면에 도포될 솔더보다 약 10 내지 20℃ 정도 높은 온도로 예열되어 있을 수 있다.
다음으로, 도 3b에 도시한 것처럼, 반도체 기판(110)의 후면에 제1 방향(x)으로 제2 금속 솔더(150a)를 도포할 수 있다. 이때, 제2 금속 솔더(150a)는 약 150℃ 이상인 고융점 금속으로서 액체 상태로 이루어질 수 있다. Sn-Ag-Cu계, Sn-Zn계, Sn-Pb계 중 적어도 하나의 도전성 물질로 이루어 질 수 있다. 도전성 물질은 고융점 솔더로써, 주석(Sn)의 함량이 약 60 내지 100 중량%일 수 있다.
다음으로, 도 3c에 도시한 것처럼, 제2 금속 솔더(150a)에 초음파 진동을 발생시켜 제2 전극(150)을 형성한다.
구체적으로, 초음파 진동 에너지가 캐비테이션(cavitation)(CA)(공동 현상)을 일으켜 제2 금속 솔더(150a)가 도포된 부분의 제2 반사 방지막(132)이 제거될 수 있다.
이러한 캐비테이션(Cavitation) 방법은 초음파공동현상(ultrasonic cavitation)으로 공기 방울을 생성하여, 공기 방울이 터지는 충격파 에너지를 이용하여 제2 금속 솔더(150a)가 도포된 부분의 제2 반사 방지막(132)을 제거하는 기술이다.
종래에는 스크린 인쇄법 등을 이용하여 전극 페이스트를 인쇄한 후, 약 120℃ 내지 200℃에서 건조하여 전극 패턴을 형성한 후, 약 750℃ 내지 800℃의 온도에서 소성(firing)하여 전극을 형성하였다.
하지만, 본 실시예는 캐비테이션 현상을 이용하여 제2 금속 솔더(150a)가 도포된 부분의 제2 반사 방지막(132)을 제거하여 소성 공정을 생략할 수 있다. 더욱이, 제2 금속 솔더(150a)가 주석(Sn)으로 이루어짐으로써, 재료비가 더욱 절감될 수 있다. 따라서, 후면 전계부(170)와의 접착력 감소 없이 공정의 간소화 및 재료비를 절감시킴으로써 태양 전지의 효율이 더욱 증가할 수 있다.
여기서, 초음파 진동은 약 20 Hz 내지 50Hz 사이의 주파수를 가질 수 있다.
초음파 진동이 20Hz 보다 낮은 경우 캐비테이션 강도가 높아지고, 공기 입자가 크게 형성되어 제2 금속 솔더(150a)가 도포된 부분의 제2 반사 방지막(132)이 완전히 제거되지 않을 수 있다.
한편, 초음파 진동이 50Hz 보다 높은 경우 캐비테이션 강도가 낮아지고, 공기 입자가 미세해지므로, 제2 반사 방지막(132)뿐만 아니라 후면 전계부(170) 또는 반도체 기판(110)의 표면이 파괴될 수 있다.
따라서, 초음파 진동이 약 30Hz 내지 40Hz일 때 제2 금속 솔더(150a)가 도포된 부분의 제2 반사 방지막(132)만을 완전히 제거할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 제2 금속 솔더(150a)가 도포된 부분의 제2 반사 방지막(132)만을 완전히 제거되지 않는 실시예에 대해서는 도 4 및 도 5를 참조하여 후술한다.
다음으로, 도 3d에 도시한 것처럼, 반도체 기판(110)의 전면에 제1 방향(x)으로 제1 금속 솔더(140a)를 도포할 수 있다. 이때, 제1 금속 솔더(140a)는 약 150℃ 이하인 저융점 금속으로서 액체 상태로 이루어질 수 있다. Sn-Bi계, Sn-In계 중 적어도 하나의 도전성 물질로 이루어 질 수 있다. 도전성 물질은 저융점 솔더로써, 주석(Sn)의 함량이 약 10 내지 60 중량%일 수 있다.
다음으로, 도 3e에 도시한 것처럼, 제1 금속 솔더(140a)에 초음파 진동을 발생시켜 제1 전극(140)을 형성한다.
구체적으로, 초음파 진동 에너지가 캐비테이션(cavitation)(CA)(공동 현상)을 일으켜 제1 금속 솔더(140a)가 도포된 부분의 제1 반사 방지막(130)이 제거될 수 있다.
이러한 캐비테이션(Cavitation) 방법은 초음파공동현상(ultrasonic cavitation)으로 공기 방울을 생성하여, 공기 방울이 터지는 충격파 에너지를 이용하여 제1 금속 솔더(140a)가 도포된 부분의 제1 반사 방지막(130)을 제거하는 기술이다.
종래에는 스크린 인쇄법 등을 이용하여 전극 페이스트를 인쇄한 후, 약 120℃ 내지 200℃에서 건조하여 전극 패턴을 형성한 후, 약 750℃ 내지 800℃의 온도에서 소성(firing)하여 전극을 형성하였다.
하지만, 본 실시예는 캐비테이션 현상을 이용하여 제1 금속 솔더(140a)가 도포된 부분의 제1 반사 방지막(130)을 제거하여 소성 공정을 생략할 수 있다. 더욱이, 제1 금속 솔더(140a)가 주석(Sn)으로 이루어짐으로써, 재료비가 더욱 절감될 수 있다. 따라서, 에미터부(120)와의 접착력 감소 없이 공정의 간소화 및 재료비를 절감시킴으로써 태양 전지의 효율이 더욱 증가할 수 있다.
여기서, 초음파 진동은 약 20 Hz 내지 50Hz 사이의 주파수를 가질 수 있다.
초음파 진동이 20Hz 보다 낮은 경우 캐비테이션 강도가 높아지고, 공기 입자가 크게 형성되어 제1 금속 솔더(140a)가 도포된 부분의 제1 반사 방지막(130)이 완전히 제거되지 않을 수 있다.
한편, 초음파 진동이 50Hz 보다 높은 경우 캐비테이션 강도가 낮아지고, 공기 입자가 미세해지므로, 제1 반사 방지막(130)뿐만 아니라 에미터부(120) 또는 반도체 기판(110)의 표면이 파괴될 수 있다.
따라서, 초음파 진동이 약 30Hz 내지 40Hz일 때 제1 금속 솔더(140a)가 도포된 부분의 제1 반사 방지막(130)만을 완전히 제거할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
이와 같이, 반도체 기판(110)의 후면에 고융점 솔더로 이루어진 제2 전극(150)을 먼저 형성함으로써, 저융점 솔더로 이루어진 제1 전극(140)을 형성하는 동안 제2 전극(150)이 물리적인 영향을 받지 않는다. 이에 반해, 제1 전극(140)을 제2 전극(150)보다 먼저 형성하는 경우, 제2 전극(150)의 용융점이 제1 전극(140)의 용융점보다 높으므로 제1 전극(140)이 휘어지거나 뒤틀리는 등의 현상이 발생하여 제1 전극(140)의 물리적 변형을 가져올 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 제2 전극(150)을 먼저 형성한 후 제1 전극(140)을 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 본 실시예와 달리 반도체 기판의 전면에 고융점 솔더로 이루어진 전면 전극이 형성되고, 반도체 기판의 후면에 저융점 솔더로 이루어진 후면 전극이 형성될 수 있다.
전면 전극이 고융점 솔더를 포함하므로 저융점 솔더로 이루어진 후면 전극보다 먼저 형성될 수 있다.
이와 같이, 반도체 기판의 전면에 고융점 솔더로 이루어진 전면 전극을 먼저 형성함으로써, 저융점 솔더로 이루어진 후면 전극을 형성하는 동안 전면 전극이 물리적인 영향을 받지 않는다. 이에 반해, 저융점 솔더를 포함하는 후면 전극을 고융점 솔더를 포함하는 전면 전극 보다 먼저 형성하는 경우, 전면 전극의 용융점이 후면 전극의 용융점보다 높으므로 후면 전극이 휘어지거나 뒤틀리는 등의 현상이 발생하여 후면 전극의 물리적 변형을 가져올 수 있다.
따라서, 고융점 솔더를 포함하는 전면 전극을 먼저 형성한 후 저융점 솔더를제1 포함하는 후면 전극을 형성하는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명에 다른 태양 전지의 다른 일례를 설명하기 위한 도이고, 도 5는 도 4에 도시된 A부분을 확대 도시한 도이다.
이하의 도 4 및 도 5에서는 도 1 및 도 2에 도시한 본 발명에 따른 태양 전지에 적용될 수 있는 전극 구조의 다른 일례에 대해 설명한다.
도 4 및 도 5에서는 도 1 및 도 2에 기재된 내용과 중복되는 내용에 대한 상세한 설명은 생략하고, 다른 점을 위주로 설명한다.
따라서, 도 4 및 도 5에 도시한 태양 전지와 동일한 기능을 수행하는 구성요소에 대해서는 도 1 및 도 2와 동일한 부호를 부여하고 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 태양 전지(20)는 반도체 기판(110)의 전면 및 후면에 위치하는 제1 및 제2 연결층(160, 162)을 포함할 수 있다.
도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 제1 연결층(160)은 반도체 기판(110)의 전면에 위치하며, 제1 전극(140)과 에미터부(120) 사이에 위치할 수 있다.
제1 연결층(160)은 다수개의 균열(creak, CR)을 포함하고, 균열(CR)에 의해 제1 전극(140)과 에미터부(120)가 전기적 및 물리적으로 연결될 수 있다.
제1 연결층(160)은 초음파 진동에 의해 제1 금속 솔더(140a)가 도포된 부분의 제1 반사 방지막(130)에 캐비테이션 현상이 발생할 때, 제1 반사 방지막(130)이 전부 제거되지 못하고, 일부가 균열(CR)을 포함하는 층으로 형성될 수 있다.
이와 같은 제1 연결층(160)은 에미터부(120)와 전기적 및 물리적으로 원활히 연결되기 위해 제1 금속 솔더(140a)가 제1 반사 방지막(130) 보다 높게 함유될 수 있다. 이에 제1 연결층(160)은 제1 반사 방지막(130)의 두께보다 얇게 형성되거나 동일하게 형성될 수 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, 제2 연결층(162)은 반도체 기판(110)의 후면에 위치하며, 제2 전극(150)과 후면 전계부(170) 사이에 위치할 수 있다.
제2 연결층(162)은 다수개의 균열(creak, CR)을 포함하고, 균열(CR)에 의해 제2 전극(150)과 후면 전계부(170)가 전기적으로 연결될 수 있다.
제2 연결층(162)은 초음파 진동에 의해 제2 금속 솔더(150a)가 도포된 부분의 제2 반사 방지막(132)에 캐비테이션 현상이 발생할 때, 제2 반사 방지막(132)이 전부 제거되지 못하고, 일부가 균열(CR)을 포함하는 층으로 형성될 수 있다.
이러한 제2 연결층(162)은 제2 반사 방지막(132)의 두께보다 얇게 형성되거나 동일하게 형성될 수 있다.
이와 같은 제2 연결층(162)은 후면 전계부(170)와 전기적 및 물리적으로 원활히 연결되기 위해 제2 금속 솔더(150a)가 제2 반사 방지막(132) 보다 높게 함유될 수 있다. 이에, 제1 연결층(160)과 제2 연결층(162)의 두께는 서로 동일하거나 상이하게 형성될 수 있다.
이하의 도 8 및 도 9는 본 발명이 적용되는 태양 전지의 다른 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 1에 도시한 본 발명에 따른 전극 형성 방법이 적용될 수 있는 태양 전지의 다른 일례는 도 8에 도시한 바와 같이 도 1 및 도 2와 다르게, 제1 전극(140)이 제1 방향(x)으로 길게 뻗은 전면 핑거(141)뿐만 아니라, 전면 핑거(141)의 길이 방향과 교차하는 방향인 제2 방향(y)으로 길게 뻗은 전면 버스바(142)를 구비할 수도 있다.
또한, 제2 전극(150)은 반도체 기판(110)의 후면 위에 서로 이격되어 위치하며 제1 방향(x)으로 길게 뻗은 후면 핑거(151)과, 후면 핑거(151)와 길이 방향으로 교차하는 제2 방향(y)으로 길게 뻗은 후면 버스바(152)를 구비할 수 있다.
예를 들어, 후면 핑거(151)는 제1 전극(140)의 전면 핑거(141)에 대응하는 위치에 형성되고, 후면 버스바(152)는 제1 전극(140)의 전면 버스바(142)에 대응하는 위치에 형성될 수 있다.
그리고, 도 9에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(110)의 후면에 제1 전극(140)과 제2 전극(150)이 위치하는 구조를 갖는 태양 전지도 적용이 가능하다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10, 20: 태양 전지 110: 기판
120: 에미터부 130: 재1 반사 방지막
132: 제2 반사 방지막 170: 후면 전계부
140: 제1 전극 150: 제2 전극
160, 162: 제1 및 제2 연결층
120: 에미터부 130: 재1 반사 방지막
132: 제2 반사 방지막 170: 후면 전계부
140: 제1 전극 150: 제2 전극
160, 162: 제1 및 제2 연결층
Claims (19)
- 반도체 기판의 제1면에 제1 방향으로 고융점 솔더를 도포하는 단계;
상기 고융점 솔더에 초음파 진동을 발생시켜 제1 전극을 형성하는 단계;
상기 반도체 기판의 제1면과 반대인 제2 면에 저융점 솔더를 상기 제1 방향으로 도포하는 단계; 및
상기 저융점 솔더에 초음파 진동을 발생시켜 제2 전극을 형성하는 단계;
를 포함하는 태양 전지 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 고융점 솔더의 용융점이 약 150℃ 이상인 태양 전지 제조 방법. - 제2항에 있어서,
상기 고융점 솔더는 Sn-Ag-Cu계, Sn-Zn계, Sn-Pb계 중 적어도 하나의 도전성 물질을 포함하는 태양 전지 제조 방법. - 제3항에 있어서,
상기 고융점 솔더에 포함되는 주석(Sn)의 함량이 약 60 내지 100 중량%인 태양 전지 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 저융점 솔더의 용융점이 약 150℃ 이하인 태양 전지 제조 방법. - 제5항에 있어서,
상기 저융점 솔더는 Sn-Bi계, Sn-In계 중 적어도 하나의 도전성 물질을 포함하는 태양 전지 제조 방법. - 제6항에 있어서,
상기 저융점 솔더에 포함되는 주석(Sn)의 함량이 약 10 내지 60 중량%인 태양 전지 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1면은 후면이고, 상기 제2면은 전면인 태양 전지 제조 방법. - 제8항에 있어서,
상기 제1 및 제2면은 양쪽 모두 빛이 입사되는 입사면인 태양 전지 제조 방법. - 제9항에 있어서,
상기 고융점 솔더를 도포하기 이전에 상기 반도체 기판의 제1면에 제1 반사 방지막을 형성하는 단계; 및
상기 저융점 솔더를 도포하기 이전에, 상기 반도체 기판의 제2면에 에미터부와 상기 에미터부 위에 위치하는 제2 반사 방지막를 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 제1 전극을 형성하는 단계는,
상기 초음파 진동에 의해 캐비테이션 현상이 발생하여 상기 제1 반사 방지막의 일부분이 식각되는 단계; 및
상기 제1 반사 방지막의 식각된 부분을 통해 상기 고융점 솔더가 상기 반도체 기판의 제1면과 연결되는 단계를 포함하는 태양 전지 제조 방법. - 제11항에 있어서,
상기 제1 전극과 상기 반도체 기판의 제1면 사이에 제1 연결층을 더 포함하는 태양 전지 제조 방법. - 제12항에 있어서,
상기 제1 연결층을 형성하는 단계는,
상기 캐비테이션 현상에 의해 상기 제1 반사 방지막의 내부에 균열이 발생하여 형성되는 태양 전지 제조 방법. - 제13항에 있어서,
상기 제1 연결층에는 상기 제1 반사 방지막과 상기 고융점 솔더가 혼합되어 위치하는 태양 전지 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 반도체 기판의 제1면과 상기 제1 반사 방지막 사이에 후면 전계부를 형성하는 단계를 더 포함하는 태양 전지 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 제2 전극을 형성하는 단계는,
상기 초음파 진동에 의해 캐비테이션 현상이 발생하여 상기 제2 반사 방지막의 일부분이 식각되는 단계; 및
상기 제2 반사 방지막의 식각된 부분을 통해 상기 저융점 솔더가 상기 에미터부와 연결되는 단계를 포함하는 태양 전지 제조 방법. - 제16항에 있어서,
상기 제2 전극과 상기 에미터부 사이에 위치하는 제2 연결층을 더 포함하는 태양 전지 제조 방법. - 제17항에 있어서,
상기 제2 연결층은,
상기 캐비테이션 현상에 의해 상기 제2 반사 방지막의 내부에 균열이 발생하여 형성되는 태양 전지 제조 방법. - 제17항에 있어서,
상기 제2 연결층에는 상기 제2 반사 방지막과 상기 저융점 솔더가 혼합되어 위치하는 태양 전지 제조 방법.
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