KR102540524B1 - 태양 전지의 포일 기반 금속화를 위한 레이저 정지 층 - Google Patents

태양 전지의 포일 기반 금속화를 위한 레이저 정지 층 Download PDF

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벤자민 이안 시아
가브리엘 할리
태석 김
리처드 해밀턴 세웰
성 덕 김
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맥시온 솔라 피티이. 엘티디.
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Abstract

태양 전지의 포일 기반 금속화를 위한 접근법 및 생성되는 태양 전지가 기술된다. 예로서, 태양 전지의 제조 방법은 기판 내에 또는 기판 위에 복수의 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들을 형성하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들 중 인접한 영역들 사이에 페이스트를 형성하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들 사이의 위치들과 정렬되는 비전도성 재료 영역들을 형성하기 위해 페이스트를 경화시키는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들에 금속 포일을 접착시키는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들과 정렬되는 나머지 금속 포일의 영역들을 격리시키기 위해 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들 사이의 위치들과 정렬되는 금속 포일을 관통하여 레이저 융삭하는 단계를 포함한다. 비전도성 재료 영역들은 레이저 융삭 동안 레이저 정지부로서 기능한다.

Description

태양 전지의 포일 기반 금속화를 위한 레이저 정지 층{LASER STOP LAYER FOR FOIL-BASED METALLIZATION OF SOLAR CELLS}
본 개시내용의 실시예들은 재생가능 에너지의 분야이며, 특히, 태양 전지(solar cell)의 포일 기반 금속화를 위한 접근법 및 생성되는 태양 전지를 포함한다.
통상 태양 전지로서 알려진 광기전 전지(photovoltaic cell)는 태양 방사선의 전기 에너지로의 직접 변환으로 잘 알려진 장치이다. 일반적으로, 태양 전지는 반도체 웨이퍼 또는 기판(substrate) 상에, 기판의 표면 부근에 p-n 접합을 형성하는 반도체 처리 기술을 사용하여 제조된다. 기판의 표면 상에 충돌하여 기판 내로 유입되는 태양 방사선은 기판의 대부분에서 전자 및 정공 쌍을 생성한다. 전자 및 정공 쌍은 기판 내의 p-도핑된 영역 및 n-도핑된 영역으로 이동함으로써, 도핑된 영역들 사이의 전압차를 발생시킨다. 도핑된 영역들은 태양 전지 상의 전도성 영역들에 연결되어, 전지로부터 전지에 결합된 외부 회로로 전류를 지향시킨다.
효율은 그것이 태양 전지의 발전 능력에 직접 관련되기 때문에 태양 전지의 중요한 특성이다. 마찬가지로, 태양 전지를 제조함에 있어서의 효율이 그러한 태양 전지의 비용 효율성에 직접 관련된다. 따라서, 태양 전지의 효율을 증가시키기 위한 기술, 또는 태양 전지의 제조에 있어서의 효율을 증가시키기 위한 기술이 일반적으로 바람직하다. 본 개시내용의 일부 실시예들은 태양 전지 구조물을 제조하기 위한 신규한 공정을 제공함으로써 증가된 태양 전지 제조 효율을 가능하게 한다. 본 개시내용의 일부 실시예들은 신규한 태양 전지 구조물을 제공함으로써 증가된 태양 전지 효율을 가능하게 한다.
도 1a 내지 도 1f는 본 개시내용의 일 실시예에 따른, 포일 기반 금속화를 사용하는 태양 전지의 제조에서의 다양한 단계들의 단면도.
도 1a는 태양 전지의 기판의 배면 표면의 일부분 위에 형성된 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들(이미터 영역들)의 형성 이후의 태양 전지 제조에서의 단계를 예시하는 도면.
도 1b는 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들 중 인접한 영역들 사이에 페이스트의 형성 이후의 도 1a의 구조물을 예시하는 도면.
도 1c는 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들 사이의 위치들과 정렬되는 비전도성 재료 영역들을 형성하기 위해 페이스트의 경화 이후의 도 1b의 구조물을 예시하는 도면.
도 1d는 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들의 각각 상에 금속 시드 재료 영역을 제공하는 복수의 금속 시드 재료 영역들의 선택적 형성 이후의 도 1c의 구조물을 예시하는 도면.
도 1e는 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들에 금속 포일의 접착 이후의 도 1d의 구조물을 예시하는 도면.
도 1f는 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들과 정렬되는 나머지 금속 포일의 영역들을 격리시키기 위해 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들 사이의 위치들과 정렬되는 금속 포일을 관통하여 레이저 융삭(laser ablation)한 후의 도 1e의 구조물을 예시하는 도면.
도 2는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 1a 내지 도 1f에 대응하는 바와 같은 태양 전지를 제조하는 방법에서의 동작들을 열거하는 흐름도.
도 3는 본 개시내용의 다른 실시예에 따른, 포일 기반 금속화를 갖는 다른 태양 전지의 단면도를 예시하는 도면.
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 실례로서 역할하는" 것을 의미한다. 본 명세서에 예시적인 것으로 기술된 임의의 구현예는 다른 구현예들에 비해 바람직하거나 유리한 것으로 반드시 해석되는 것은 아니다. 또한, 전술한 기술분야, 배경기술, 발명의내용, 또는 하기의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서 제시되는 임의의 명시적 또는 묵시적 이론에 의해 구애되도록 의도되지 않는다.
본 명세서는 "하나의 실시예" 또는 "일 실시예"에 대한 언급을 포함한다. 어구 "하나의 실시예에서" 또는 "일 실시예에서"의 출현은 반드시 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 특정 특징, 구조, 또는 특성이 본 개시내용과 일관되는 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다.
용어. 하기 단락들은(첨부된 청구범위를 포함한) 본 개시내용에서 보여지는 용어들에 대한 정의 및/또는 맥락을 제공한다:
"포함하는". 이 용어는 개방형(open-ended)이다. 첨부된 청구범위에서 사용되는 바와 같이, 이 용어는 추가적인 구조물 또는 단계를 배제하지 않는다.
"~하도록 구성된". 다양한 유닛들 또는 구성요소들이 작업 또는 작업들을 수행"하도록 구성된" 것으로 기술되거나 청구될 수 있다. 그러한 맥락에서, "~하도록 구성된"은 유닛들/구성요소들이 동작 동안에 이들 작업 또는 작업들을 수행하는 구조물을 포함한다는 것을 나타냄으로써 구조물을 함축하는 데 사용된다. 이와 같이, 유닛/구성요소는 명시된 유닛/구성요소가 현재 동작 중이지 않을 때에도(예를 들어, 온(on)/활성(active) 상태가 아닐 때에도) 작업을 수행하도록 구성된 것으로 언급될 수 있다. 유닛/회로/구성요소가 하나 이상의 작업을 수행"하도록 구성된" 것임을 언급하는 것은, 그 유닛/구성요소에 대해 35 U.S.C §112의 6번째 단락을 적용하지 않고자 명백히 의도하는 것이다.
"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 언급이 반드시 이 태양 전지가 시퀀스의 제1 태양 전지라는 것을 의미하지는 않는다; 그 대신에 "제1"이라는 용어는 이 태양 전지를 다른 태양 전지(예를 들면, "제2" 태양 전지)와 구별하는 데 사용된다.
"결합된" - 하기의 설명은 함께 "결합되는" 요소들 또는 노드들 또는 특징부들을 언급한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 명시적으로 달리 언급되지 않는 한, "결합된"은 하나의 요소/노드/특징부가, 반드시 기계적으로는 아니게, 다른 요소/노드/특징부에 직접적으로 또는 간접적으로 결합됨(또는 그것과 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. "전면", "배면", "후방", "측방", "외측", 및 "내측"과 같은 용어는 논의 중인 구성요소를 기술하는 본문 및 관련 도면을 참조함으로써 명확해지는 일관된, 그러나 임의적인 좌표계 내에서 구성요소의 부분들의 배향 및/또는 위치를 기술한다. 그러한 용어는 위에서 구체적으로 언급된 단어, 이의 파생어, 및 유사한 의미의 단어를 포함할 수 있다.
"억제하다" - 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 억제하다는 효과를 감소 또는 최소화시키는 것을 기술하는 데 사용된다. 구성요소 또는 특징부가 동작, 움직임 또는 조건을 억제하는 것으로 기술될 때, 이는 결과 또는 성과 또는 미래의 상태를 완전하게 방지할 수 있다. 또한, "억제하다"는, 그렇지 않을 경우 발생할 수도 있는 성과, 성능 및/또는 효과의 감소 또는 완화를 또한 지칭할 수 있다. 따라서, 구성요소, 요소 또는 특징부가 결과 또는 상태를 억제하는 것으로 지칭될 때, 이는 결과 또는 상태를 완전하게 방지 또는 제거할 필요는 없다.
태양 전지의 포일 기반 금속화를 위한 접근법 및 생성되는 태양 전지가, 본 명세서에서 기술된다. 하기 설명에서, 본 개시내용의 실시예들의 완전한 이해를 제공하기 위해, 특정 페이스트 조성 및 공정 흐름 동작과 같은 많은 특정 상세사항이 기재된다. 본 개시내용의 실시예들이 이들 특정 상세사항 없이 실시될 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 다른 경우에, 리소그래피(lithography) 및 패턴화(patterning) 기술과 같은 잘 알려진 제조 기술은 본 개시내용의 실시예들을 불필요하게 모호하게 하지 않도록 상세히 기술되지 않는다. 또한, 도면에 도시된 다양한 실시예들은 예시적인 표현이고, 반드시 일정한 축척으로 작성된 것은 아님이 이해되어야 한다.
태양 전지의 제조 방법이 본 명세서에 개시된다. 일 실시예에서, 태양 전지의 제조 방법은 기판 내에 또는 기판 위에 복수의 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들을 형성하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들 중 인접한 영역들 사이에 페이스트를 형성하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들 사이의 위치들과 정렬되는 비전도성 재료 영역들을 형성하기 위해 페이스트를 경화시키는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들에 금속 포일을 접착시키는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들과 정렬되는 나머지 금속 포일의 영역들을 격리시키기 위해 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들 사이의 위치들과 정렬되는 금속 포일을 관통하여 레이저 융삭하는 단계를 포함한다. 비전도성 재료 영역들은 레이저 융삭 동안 레이저 정지부로서 기능한다.
또한 본 명세서에는 태양 전지가 개시된다. 일 실시예에서, 태양 전지는 기판을 포함한다. 기판 내에 또는 기판 위에 복수의 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들이 배치된다. 복수의 비전도성 재료 영역들은 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들 사이의 위치들과 정렬된다. 복수의 비전도성 재료 영역들은 결합제 및 불투명 안료를 포함하며, 이때 불투명 안료는 복수의 비전도성 재료 영역들의 총 중량 조성의 대략 50%를 초과하는 양이다. 복수의 전도성 접점 구조물들은 복수의 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들에 전기적으로 연결된다. 각각의 전도성 접점 구조물은 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들 중 대응하는 하나 위에 배치되고 그와 정렬되는 금속 포일 부분을 포함한다.
태양 전지를 제조하기 위한 페이스트 및 페이스트 제형이 또한 본 명세서에 개시된다. 일 실시예에서, 태양 전지의 비전도성 영역을 형성하기 위한 페이스트는 결합제, 불투명 안료, 및 결합제 및 불투명 안료와 혼합된 유기 매질을 포함한다. 불투명 안료는 페이스트의 총 중량 조성의 대략 25% 초과를 이루지만, 유기 매질은 페이스트의 총 중량 조성의 대략 50% 미만을 이룬다.
본 명세서에 기술된 하나 이상의 실시예는 태양 전지를 위한 금속(예컨대 알루미늄) 기반 금속화에 관한 것이다. 일반적인 고려사항으로서, 배면 접점 태양 전지는 전형적으로 태양 전지의 배면 상의 두 개 유형의 극성의 패턴화된 금속을 요구한다. 사전-패턴화된 금속이 블랭킷 금속의 비용, 복잡성, 또는 효율성의 이유들로 인해 이용 가능하지 않은 경우, 블랭킷 금속의 낮은 비용, 적은 재료 처리는 종종 레이저 기반 패턴 접근법들에 유리하다. 일 실시예에서, 서로 맞물린 배면 접점(interdigitated back contact, IBC) 태양 전지를 위한 알루미늄 금속화 공정이 개시된다. 일 실시예에서, M2-M1 공정이 참조되는데, 이때 M2 층은 금속 포일로 제조될 수 있는 반면, M1 층은 태양 전지의 일부분 상에 형성된 금속 층(시드 층으로 지칭될 수 있음)이다.
고효율 전지의 경우, 전지의 배면 상의 금속 패턴화 공정은 전형적으로 (1) 금속의 완전 격리, 및 (2) 손상 없는 처리라는 두 가지 요구 사항을 충족해야 한다. 대량 생산을 위해, 공정은 또한, 시간당 500개 초과 웨이퍼 처리량과 같은, 높은 처리량의 공정일 필요가 있을 수 있다. 복잡한 패턴들의 경우, 규소의 상부 상에 두껍거나(예를 들어, 1 마이크로미터 초과) 높은 반사성의 금속(예를 들어, 알루미늄)을 패턴화하기 위해 레이저를 사용하는 것은, 제조에 있어서 상당한 처리량 문제를 제기할 수 있다. 처리량 문제는, 두껍고/거나 높은 반사성의 금속을 고속으로 융삭하는 데 필요한 에너지가 아래에 있는 이미터의 손상 임계치 초과인 레이저 에너지(예를 들어, 1 J/㎠ 초과)를 요구하기 때문에, 발생한다. 완전히 격리된 금속을 가질 필요성과 금속 두께 및 레이저 에너지의 변화로 인해, 과도-에칭(over-etching)이 종종 금속 패턴화를 위해 구현된다. 특히, 금속을 완전히 제거하고, 손상을 주는 레이저 빔에 이미터를 노출시키지 않기 위해 이용 가능한 높은 처리량/낮은 비용의 단일 레이저-에너지 윈도우(energy window)는 없는 것으로 보인다.
보다 구체적으로, 일부 실시예들에서, 무기(또는 다른) 결합제를 갖는 유전체 레이저 정지 재료 층이 설명된다. 예를 들어, 스크린 인쇄 가능한 페이스트는 유전체 레이저 정지 층(또는 손상 버퍼 층)으로서 사용하기에 적합할 수 있다. 일 실시예에서, 페이스트는 레이저 융삭 저항성 및 재료 접착성을 향상시키기 위해 불투명 안료, 유기 비히클 및 무기 결합제 재료를 혼입한다. 일 실시예에서, 페이스트에 대한 언급은 추가적으로 또는 대신에 잉크, 콜로이드 재료, 또는 겔을 지칭하는 데 사용될 수 있다.
추가의 맥락을 제공하기 위해, 차세대 태양 전지가 직면하는 주요 문제는 레이저를 사용하여 셀 위에 금속 구조물들을 패턴화할 때 발생할 수 있는 광기전 전지 성능에 대한 레이저 손상이다. 레이저를 사용하여 금속 구조물들을 완전히 전기적으로 격리하는 경우, 금속은 완전히 절단되어야 하며, 레이저 에너지의 일부가 아래에 있는 구조물에 도달하여 손상될 수 있다. 본 명세서에 기술된 하나 이상의 실시예는 완전한 금속 격리를 여전히 허용하면서, 레이저 에너지가 임계 전지 구성요소를 손상시키는 것을 방지하는, 손상 버퍼 재료로서 기능하는 재료를 제공하도록 설계된다. 이러한 문제를 해결하기 위한 이전의 시도는 불투명 안료를 포함하는 중합체 레이저 정지 층의 사용을 포함한다. 그러나, 그러한 시도는 중합체 수지의 낮은 레이저 융삭 저항으로 인해 아주 성공적이지 못했다. 또 하나의 가능한 해결책은 높은 소성 온도(firing temperature)의 유리 프릿 또는 세라믹 기반 결합제를 사용하는 것일 수 있지만, 이러한 재료의 필요한 소성 온도는 셀 성능에 악영향을 미칠 수 있는 온도, 섭씨 500도를 초과한다. 마지막으로, 금속 레이저 정지 층은 인쇄 회로 기판 산업에서 특히 빈번하게 사용되지만, 전기적 격리 요건으로 인해 태양 산업에서는 부적절할 것이다.
일 실시예에서, 비전도성 버퍼 영역을 형성하기 위한 전구체로서 태양 전지의 표면에 페이스트가 적용된다. 그러한 일 실시예에서, 페이스트는 불투명 안료, 결합제, 및 인쇄 비히클을 포함한다. 인쇄 및 건조/경화 후, 인쇄된 필름은 레이저 가공 중에 아래에 있는 디바이스의 손상을 차단하는 기능을 한다. 특정 실시예에서, 페이스트는 하기 성분을 사용하여 제형화된다: (1) 불투명 안료(예컨대, TiO2, BaSO4, ZnS, ZrO2, Al2O3), (2) 페이스트 제형용 유기 비히클(예컨대, 에틸 셀룰로오스, 테르피네올, 글리콜 에테르), 및 (3) 대략 섭씨 450도 미만의 경화 온도를 갖는 무기 결합제(예컨대, 실록산, 실세스퀴옥산, 다른 알콕시드).
일 실시예에서, 안료는 아래에 있는 층으로의 레이저 침투를 최소화하고 또한 레이저 정지 층에 의해 흡수된 레이저 에너지를 감소시키기 위해 광 산란기로서 페이스트 내에 포함된다(그리고 경화된 비전도성 재료 영역 내에 유지됨). 불투명 안료는 들어오는 레이저 에너지를 반사, 산란 및/또는 흡수하여 아래에 있는 층으로의 레이저 침투를 최소화하는 데 사용될 수 있다. 적합한 안료는 레이저 입사 하에서 열적 열화를 최소화하기 위해 고온 안정성을 가질 수 있다. 안료의 높은 굴절률은 광 산란을 최대화하는 데 유용할 수 있다. 포함된 안료(들)는 레이저 파장에서 흡수되거나 투명할 수 있다. 궁극적인 필름이 절연되어야 한다는 요구 사항으로 인해 전기 절연 안료가 선호될 수 있다. 그러나, 완만하게 전도성인 안료는 충분히 낮은 로딩(loading)으로 사용될 수 있다. 하기에 보다 상세히 기술되는 바와 같이, 가능한 불투명 안료는 TiO2, BaSO4, ZnS, ZrO2, Al2O3, 카본 블랙, 및 카본 나노튜브 등을 포함하지만 이로 한정되지 않는다.
일 실시예에서, 페이스트의 결합제 재료는 유기 또는 무기일 수 있지만, 결합제 재료의 고온 안정성은 특히 일차 융삭 메커니즘이 열적 융삭인 긴 펄스 길이 레이저(나노초 이상)의 경우에 높아야 한다. 일 실시예에서, 결합제는 열 응력 하에서 균열 없이 아래에 있는 전지에 접착시키는 데 사용될 수 있다. 유기 결합제는 폴리이미드 및 셀룰로오스 화합물을 포함하고 무기 결합제는 실록산, 실세스퀴옥산, 또는 다른 비-Si 알콕시드를 포함한다. 인쇄 비히클은 용매, 점도 조절제, 분산제, 및 기타 일반적으로 사용되는 스크린 인쇄용 페이스트 성분을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상술한 성분들의 적절하게 제형화된 조합은 웨이퍼 상에 페이스트의 패턴화된 스크린 인쇄를 허용하고, (1) 유기 비히클을 제거하고 (2) 안료 입자를 제 위치에 유지하는 경질 무기(또는 유기) 매트릭스 내로 무기(또는 적합한 유기) 결합제를 경화시키기 위한 건조/소성 동작으로 이어진다. 일 실시예에서, 생성되는 무기 네트워크는 폴리머 결합제보다 높은 융삭 저항을 갖지만, 고온 스크린 인쇄 애플리케이션에 사용된 유리 프릿 결합제보다 낮은 소성 온도를 갖는다. 전지 성능에 대한 부정적인 영향으로 인해 고온이 바람직하지 않을 수 있음을 이해해야 한다.
본 발명에 기술된 실시예들에 대한 다른 접근법은 유리 프릿 결합제의 사용을 포함할 수 있다. 그러나, 대부분의 저온 소성 유리 프릿 결합제는 납 및 카드뮴과 같은 독성 화합물을 함유하고 있다. 납 프리, 카드뮴 프리 유리들이 사용될 수 있지만, 요구되는 높은 소성 온도로 인해 전지 성능 열화가 초래될 수 있다. 본 명세서에 기술된 실시예는 태양 전지를 접촉시키기 위한 금속 핑거들의 침착 및 패턴화를 위한 완전히 건식 공정을 허용한다. 장점은 침착된 금속의 전기도금 및/또는 습식 에칭 패턴화와 연관된 운영 비용 감소를 포함할 수 있다. 그 결과 아래에 있는 층들에 대한 손상이 매우 바람직하지 않으며 금속 구조물의 절연이 필요한 곳에 레이저 공정이 가능할 수 있다.
본 발명의 실시예의 다른 양태에서, "점착성" 손상 버퍼 층이 태양 전지에 포함된다. 맥락을 제공하기 위해, 태양 전지에 대한 전도성 포일의 접착은 포일의 위치를 기계적으로 또는 열적으로 시프트할 수 있는 공정 동작 동안 중요한 문제가 될 수 있다. 예를 들어, 포일이 레이저 용접 중에 전지에 잘 접착되지 않으면, 포일이 이동하여 포일과 레이저의 오정렬을 야기할 수 있다. 또 다른 예시적인 공정은 레이저 패턴화이다: 용접부가 불충분하게 강하거나 불충분하게 밀집된 경우, 패턴화의 열이 처리 중에 포일을 이동시켜 레이저 패턴과 포일의 불량한 정렬을 초래할 수 있다. 또한, 접착제를 사용하지 않으면, 포일은 포일-시드(M1-M2) 접점 영역들 사이의 영역들에서 "자유" 이동하여 잠재적으로 신뢰성 문제를 일으킬 수 있다. 다른 실시예들에서, 접착제가 별개로 적용되거나, M1-M2 용접부의 밀도가 증가된다. 열 압착 접합이 또한 접착 용액을 다루기 위해 사용될 수 있지만, 열 압착도 고밀도 용접도 M1이 없는 영역들에의 M2의 접착을 초래하지 않는다. 일 실시예에서, 손상 버퍼 층이 M1 핑거들 사이에 놓여 있기 때문에, 포일은 M1 핑거 영역들(TC 또는 용접을 통해)뿐만 아니라 중간 영역들(예를 들어, "점착성" 손상 버퍼를 통해) 둘다에 접착될 수 있다.
일 실시예에서, 점착성 손상 버퍼는 레이저 용접 또는 열 압축 동작 이전에 침착된다. 버퍼는 스크린 인쇄를 통해 침착될 수 있다. 특정 실시예에서, 접착성 버퍼 층은 전도성 포일 및 아래에 있는 규소 이미터 영역들 둘다와 강한 접착 특성을 나타낸다. 예를 들어, 알루미늄 포일을 포함하는 실시예에서, 규소 알콕시드(예컨대, 폴리페닐실세스퀴옥산) 및 알루미늄 알콕시드 둘다를 포함하는 페이스트는 규소 및 알루미늄 포일 둘다에 강한 접합을 형성하기 위해 사용된다. 접착성 또는 "점착성" 버퍼 재료는 또한 아래에 있는 규소에 대한 레이저 손상을 방지하기 위해 레이저 반사성 및/또는 흡수성 재료 성분을 포함할 수 있다. 버퍼 전구체 페이스트의 침착 및 부분 경화 후에, 포일은 스퀴지(squeegee) 방법을 사용하여 웨이퍼에 "끼워맞춰지거나" 위치될 수 있다. 이어서, 쌍을 이루는 조합은 접착제를 고정하기 위해 경화될 수 있다. 후속적으로, 포일 전지에 M1-M2 접점 형성(예를 들어, 열 압착 또는 레이저 용접을 통해)을 수행하고, 이어서 레이저 포일 패턴화를 수행할 수 있다. 대안은 이중층 손상 버퍼, 예를 들어 손상 버퍼 재료를 인쇄한 다음 그 위에 접착제를 인쇄함으로써 제조된 버퍼 층의 사용을 포함할 수 있다. 그러나, 이와 같은 대안적인 접근법은 처리 시간을 증가시킬 수 있다.
상술한 페이스트 및 생성되는 비전도성 재료 영역으로부터 이익을 얻을 수 있는 처리의 예시적인 예에서, 레이저 그루브 방법은 접점 핑거들의 서로 맞물린 패턴을 형성하기 위해 알루미늄(Al) 포일(예를 들어, 레이저 용접되거나 셀에 다른 방식으로 접합된)의 레이저 패턴화에 기초한 서로 맞물린 배면 접점 태양 전지에 대한 새로운 전극 패턴화 방법을 제공한다. 이러한 접근법의 실시예들은 웨이퍼 상에 Al 포일을 패턴화화는 것에 손상 없는(damage-free) 방법을 제공하여, 복잡한 정렬 및/또는 마스킹 공정들을 회피하도록 구현될 수 있다. 예로서, 도 1a 내지 도 1f는 본 개시내용의 일 실시예에 따른, 포일 기반 금속화를 사용하는 태양 전지의 제조에서의 다양한 단계들의 단면도를 예시한다. 도 2는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 1a 내지 도 1f에 대응하는 바와 같은 태양 전지를 제조하는 방법에서의 동작들을 열거하는 흐름도이다.
도 1a는 태양 전지의 기판의 배면 표면의 일부분 위에 형성된 이미터 영역들의 형성 이후의 태양 전지 제조에서의 단계를 예시한다. 도 1a 및 흐름도(200)의 대응하는 동작(202)을 참조하면, 복수의 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들이 기판 위에 형성된다. 특히, 기판(100)은, 각각 N형 반도체 영역들(104) 또는 P형 반도체 영역들(106)과 기판(100) 사이의 개재되는 재료로서 얇은 유전체 재료(102) 상에 배치되는 N형 반도체 영역들(104) 및 P형 반도체 영역들(106)을 기판 위에 배치하였다. 기판(100)은, N형 반도체 영역들(104) 및 P형 반도체 영역들(106)이 그 위에 형성된 배면 표면의 반대편에, 수광 표면(101)을 갖는다.
일 실시예에서, 기판(100)은 벌크 단결정 N형 도핑된 규소 기판과 같은 단결정 규소 기판이다. 그러나, 기판(100)이 전체 태양 전지 기판 상에 배치된, 다결정 규소 층과 같은 층일 수 있다는 것이 인식될 것이다. 일 실시예에서, 얇은 유전체 층(102)은 대략 2 나노미터 이하의 두께를 갖는 터널링 산화규소 층이다. 하나의 그러한 실시예에서, 용어 "터널링 유전체 층"은, 그것을 통해 전기 전도가 달성될 수 있는 매우 얇은 유전체 층을 지칭한다. 전도는, 양자 터널링, 및/또는 유전체 층 내의 얇은 지점들을 통한 직접적인 물리적 연결의 작은 영역들의 존재로 인해 이루어질 수 있다. 일 실시예에서, 터널링 유전체 층은 얇은 산화규소 층이거나 그것을 포함한다. 다른 실시예들에서, N형 및 P형 이미터 영역들이 기판 자체에 형성되는데, 이 경우에 별개의 반도체 영역들(예컨대, 영역들(104, 106)) 및 유전체 층(102)은 포함되지 않을 것이다.
일 실시예에서, 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들(104, 106)은 각각, 예를 들어, 플라즈마-강화 화학 기상 증착(PECVD) 공정을 사용함으로써, 다결정 규소로 형성된다. 하나의 그러한 실시예에서, N형 다결정 규소 이미터 영역들(104)은 인과 같은 N형 불순물로 도핑된다. P형 다결정 규소 이미터 영역들(106)은 붕소와 같은 P형 불순물로 도핑된다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들(104, 106)은 그 사이에 형성된 트렌치들(108)을 가질 수 있으며, 트렌치들(108)은 기판(100) 내로 부분적으로 연장된다. 추가적으로, 도시되지 않았지만, 일 실시예에서, 바닥 반사 방지 코팅(BARC) 재료 또는 다른 보호 층(예컨대, 층 비정질 규소)이, 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들(104, 106) 상에 형성된다.
일 실시예에서, 도 1a에 도시된 바와 같이, 수광 표면(101)은 텍스처화된 수광 표면이다. 일 실시예에서, 기판(100)의 수광 표면(101) 및, 가능하게는, 도 1a에 또한 도시된 바와 같은 트렌치(108) 표면들을 텍스처화하기 위해, 수산화물계 습식 에칭제가 채용된다. 수광 표면의 텍스처화의 시기가 달라질 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들어, 텍스처화는 얇은 유전체 층(102)의 형성 이전 또는 이후에 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 텍스처화된 표면은, 입사광을 산란시켜 태양 전지의 수광 표면(101)으로부터 반사되는 광의 양을 감소시키기 위한, 규칙적 또는 불규칙적 형상의 표면을 갖는 표면일 수 있다. 도 1a를 다시 참조하면, 추가적인 실시예들은, 수광 표면(101) 상의 패시베이션 및/또는 반사 방지 코팅(ARC) 층들(총괄적으로 층(112)으로 도시됨)의 형성을 포함할 수 있다. 패시베이션 및/또는 ARC 층들의 형성의 시기 또한 달라질 수 있음이 이해될 것이다.
도 1b는 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들 중 인접한 영역들 사이에 페이스트의 형성 이후의 태양 전지 제조의 단계를 예시한다. 도 1b 및 흐름도(200)의 대응하는 동작(204)을 참조하면, 페이스트 재료(120)의 영역들은 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들(104, 106)의 인접한 영역들 사이에 형성된다. 트렌치(108)가 형성된 실시예들에서, 페이스트(120)는 도 1b에 도시된 바와 같이 트렌치(108) 내에 형성된다.
일 실시예에서, 페이스트 재료(120)의 영역들은 페이스트를 스크린 인쇄함으로써 형성된다. 그러한 일 실시예에서, 스크린 인쇄는 도 1b에 도시된 바와 같이, 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들(104, 106)의 노출된 표면들을 남기는 패턴으로 페이스트 재료(120)의 영역들을 형성하게 한다.
일 실시예에서, 페이스트 재료(120)의 영역들은 태양 전지의 비전도성 영역을 형성하기에 적합한 페이스트로부터 형성된다. 이러한 일 실시예에서, 페이스트는 결합제, 불투명 안료, 및 결합제 및 불투명 안료와 혼합된 유기 매질을 포함한다. 특정 실시예에서, 불투명 안료는 페이스트의 총 중량 조성의 대략 25% 초과를 이루지만, 유기 매질은 페이스트의 총 중량 조성의 대략 50% 미만을 이룬다.
일 실시예에서, 페이스트(120)를 다시 참조하면, 불투명 안료는 산화 티탄(TiO2), 황산 바륨(BaSO4), 황화 아연(ZnS), 산화 지르코늄(ZrO2), 산화 알루미늄(Al2O3), 카본 블랙, 또는 탄소 나노튜브와 같은 그러나 이로 한정되지 않는 하나이다. 다른 불투명 안료는 산화 아연, 탄산 칼슘, 및 규산염을 포함할 수 있다. 상기 불투명 안료는 일반적으로 백색 및 흑색 안료로 지시되는 것으로서 도시될 수 있다. 그러나, 특정 파장의 광을 타겟으로 하는 안료가 상기 열거된 안료 대신 또는 상기 열거된 안료에 부가하여 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 산화 크롬은 녹색 레이저 광과 같은 녹색 광의 불투명 안료로서 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 다시 페이스트(120)를 참조하면, 결합제는 실록산, 실세스퀴옥산, 또는 비-규소 알콕시드와 같은 그러나 이로 한정되지 않는 무기 결합제이다. 이러한 일 실시예에서, 무기 결합제는 유기 매질 중에 용해된다. 결합제에 대한 언급은 결합제 자체 또는 페이스트의 경화 시 달성되는 최종 결합제 재료에 대한 전구체일 수 있음을 이해해야 한다. 다른 실시예에서, 결합제는 폴리이미드 또는 셀룰로오스와 같은 그러나 이로 한정되지 않는 유기 결합제이다. 일 실시예에서, 용어 "셀룰로오스"의 사용은 셀룰로오스 또는 셀룰로스 유도체 또는 셀룰로오스 유도 화합물을 지칭할 수 있다. 일 실시예에서, 결합제는 페이스트의 총 중량 조성의 약 20% 초과를 이룬다. 그러나, 다른 실시예에서, 페이스트 제형은 5% 미만의 결합제를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 다시 페이스트(120)를 참조하면, 유기 매질은 에틸 셀룰로오스, 테르피네올, 글리콜 에테르, 또는 2-부톡시에틸 아세테이트와 같은 그러나 이로 한정되지 않는 하나이다. 불투명 안료, 결합제, 및 유기 매질 이외에, 페이스트(120)는 또한 분산제, 점도 조절제, 희석제, 접착 촉진제, 습윤제, 소포제 등과 같은 하나 이상의 첨가제를 포함할 수 있음을 이해해야 한다.
일 실시예에서, 다시 페이스트(120)를 참조하면, 페이스트는 대략 섭씨 450도 이하의 경화 온도를 갖는다. 그러한 일 실시예에서, 유기 매질의 실질적으로 전부는 경화 온도에서 제거 가능하지만, 결합제 및 불투명 안료의 실질적으로 어느 것도 경화 온도에서 제거 가능하지 않다. 일 실시예에서, 페이스트는 유리 프릿 재료가 없다. 그러나, 다른 실시예에서, 유리 프릿 재료가 포함된다. 일 실시예에서, 페이스트는 접착제를 추가로 포함한다.
도 1c는 페이스트의 경화 후 태양 전지 제조의 단계를 도시한다. 도 1c 및 흐름도(200)의 대응하는 동작(206)을 참조하면, 페이스트 재료(120)의 영역들은 경화되어 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들 사이의 위치들과 정렬되는 비전도성 재료 영역(122)을 형성한다.
일 실시예에서, 비전도성 재료 영역(122)을 형성하기 위해 페이스트(120)를 경화시키는 것은 대략 섭씨 450도 이하의 그러나 이로 한정되지 않는 온도로 페이스트를 가열하는 것을 포함한다. 이러한 저온 소성은 태양 전지의 손상을 거의 또는 전혀 내지 않을 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 페이스트는 예를 들어, 이러한 소성 동안 최소한의 손상만을 경험할 수 있는 전지 구조물들에 대해 섭씨 800 내지 900도까지의 온도로 소성함으로써 경화된다. 다른 실시예에서, 비전도성 재료 영역(122)을 형성하기 위해 페이스트(120)를 경화시키는 것은 자외선(UV) 방사선에 노출시키는 것 또는 가열하는 것과 UV 방사선에 노출시키는 것의 조합을 포함한다. 일 실시예에서, 경화 시, 접착제의 유기 매질의 실질적으로 전부가 제거되는 동안, 페이스트의 결합제 및 불투명 안료의 실질적으로 전부는 유지된다. 그러한 일 실시예에서, 페이스트의 결합제는 무기 결합제이고, 경화시키는 것은 무기 결합제를 비전도성 재료 영역(122)의 경질 무기 매트릭스로 전환하는 것을 포함한다.
도 1d는 도 1c의 구조물 상에 금속 층을 형성한 후의 태양 전지 제조의 단계를 도시한다. 도 1d 및 흐름도(200)의 대응하는 선택적인 동작(208)을 참조하면, 금속 층(태양 전지에 대한 금속 시드 층, 또는 M1 층으로 지칭될 수 있음)이 형성되고 층(124)으로 도시된다. 일 실시예에서, 금속 층(124)은 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들(104, 106)의 각각 상에 금속 시드 재료 영역을 갖는 복수의 금속 시드 재료 영역들을 제공하는 것으로서 도시된다. 즉, 비전도성 재료 영역(122) 및 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들(104, 106) 둘다 상에 단일의 중단되지 않은 층이 형성될 수 있지만, 금속 층(124)이 교번하는 N형 P형 반도체 영역들(104, 106)을 접촉하는 영역들은 대응하는 금속 시드 영역들로 보여질 수 있다. 대안적인 실시예에서, 패턴화된 금속 층은 대응하는 금속 시드 영역들을 제공하도록 형성된다. 어느 경우든, 일 실시예에서, 금속 층(124)은 알루미늄 층이다. 그러한 특정 실시예에서, 알루미늄 층은 대략 1 마이크로미터 미만의 두께로 물리적 기상 증착에 의해 형성된다. 다른 실시예들에서, 금속 층(124)은 니켈, 은, 코발트, 또는 텅스텐과 같은, 그러나 이로 제한되지 않는 금속을 포함한다.
도 1e는 도 1d의 구조물 상에 금속 포일의 위치설정(또는 위치지정 또는 끼워맞춤) 및 접착 후에 태양 전지 제조의 단계를 도시한다. 도 1e 및 흐름도(200)의 대응하는 동작(210)을 참조하면, 금속 포일(126)은 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들(104, 106)에 접착된다. 도시된 실시예에서, 금속 포일(126)은 금속 층(124) 상에 배치되고 용접 영역들(128)에서 금속 층(124)에 용접되거나 그렇지 않으면 결합된다. 그러한 일 실시예에서, 용접 영역들(128)은 도 1d에 도시된 바와 같이, 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들(104, 106) 위의 위치들에서 형성된다.
일 실시예에서, 도 1d에 도시된 바와 같이, 금속 시드 재료 영역(예를 들어, 금속 층(124)과 같은)은 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들(104, 106) 각각 상에 제공된다. 이러한 실시예에서, 금속 포일(126)은 복수의 금속 시드 재료 영역들(124)에 금속 포일(126)을 접착시킴으로써 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들(104, 106)에 접착된다. 이러한 특정 실시예에서, 레이저 용접 공정, 열 압축 공정 또는 초음파 접합 공정과 같은 그러나 이로 한정되지 않는 기술이 사용된다.
일 실시예에서, 금속 포일(126)은 대략 5 내지 100 마이크로미터 범위의 두께, 그리고 바람직하게는, 대략 50 마이크로미터 범위 미만의 두께를 갖는 알루미늄(Al) 포일이다. 일 실시예에서, Al 포일은 알루미늄 및 제2 요소(구리, 망간, 규소, 마그네슘, 아연, 주석, 리튬, 또는 이들의 조합과 같은, 그러나 이들로 한정되지 않음)를 포함하는 알루미늄 합금 포일이다. 일 실시예에서, Al 포일은, F 등급(제조될 때), O 등급(완전 소프트(full soft)), H 등급(변형 경화(strain hardened)) 또는 T 등급(열 처리(heat treated))과 같은, 그러나 이로 한정되지 않는 템퍼 등급의(temper grade) 포일이다.
다른 실시예에 따라, 시드리스(124 금속 층이 없음) 접근법이 구현될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 이러한 접근법에서, 금속 포일(126)은 도 3과 관련하여 이하에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들(104, 106)의 재료에 직접 접착된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 금속 포일(126)은 교번하는 N형 및 P형 다결정 규소 영역들에 직접 접착된다.
다른 실시예에서, 금속 포일 대신에, 본 명세서에 기술된 접근법은 다른 블랭킷 벌크 금속화 공정(예를 들어, 블랭킷 금속 페이스트, 블랭킷 도금 등)에 적합할 수 있다. 블랭킷 또는 패턴화된 금속 시드 또는 블랭킷 스퍼터링된 금속에 기초한 제조 접근법은 본 명세서에 기술된 페이스트로부터 또한 이익을 얻을 수 있다. 또한, 금속 포일을 기술하는 실시예들은 M1 또는 M2 층을 지칭할 수 있음을 이해해야 한다. 이와 같이, 본 명세서에 기술된 접근법은 블랭킷 금속 페이스트, 도금된 금속, 증발, 스퍼터링 등과 같은 시드 형태 또는 벌크 형태의 블랭킷 침착된 금속을 포함할 수 있다.
도 1f는 도 1e의 구조물의 금속 포일을 패턴화한 후의 태양 전지 제조의 단계를 도시한다. 도 1f 및 흐름도(200)의 대응하는 동작(212)을 참조하면, 레이저 융삭 공정(130)은 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들(104, 106)과 정렬되는 나머지 금속 포일(126)의 영역들을 격리시키기 위해 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들(104, 106) 사이의 위치들과 정렬되는 금속 포일(126)을 관통하여 수행된다. 비전도성 재료 영역들(122)은 레이저 융삭(130) 동안 레이저 정지부로서 기능한다.
일 실시예에서, 금속 포일(126)을 관통하여 레이저 융삭하는 것(130)은 파장을 갖는 레이저를 사용하는 것을 포함한다. 페이스트(120) 및 생성되는 비전도성 재료 영역들(122)은 레이저의 파장의 광을 산란 또는 흡수하기 위한 불투명 안료를 포함한다. 일 실시예에서, 레이저 융삭(130)은 마스크 없이 수행되지만; 다른 실시예들에서, 마스크 층이 레이저 융삭 이전에 금속 포일(126)의 일부분 상에 형성되고, 레이저 융삭 이후에 제거된다.
상술한 바와 같이, 다른 실시예에서, 금속 층(124)(즉, 금속 시드)이 형성되지 않는다. 예로서, 도 3는 본 개시내용의 다른 실시예에 따른, 포일 기반 금속화를 갖는 다른 태양 전지의 단면도를 예시한다. 도 3을 참조하면, 금속 포일(126)은 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들(104, 106)에 직접 접착된다(예를 들어, 용접부(128)에 의해). 이러한 실시예에서, 금속 포일은 비전도성 재료 영역(122)과 직접 접촉하게 된다. 일 실시예에서, 페이스트(120) 및 생성되는 비전도성 재료 영역(122)은 접착제를 포함한다. 그러한 일 실시예에서, 금속 포일(126)은, 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들(104, 106) 및 비전도성 재료 영역들(122)의 노출된 부분들로 금속 포일(126)을 끼워맞추기 위해 스퀴지를 사용함으로써, 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들(104, 106)의 노출된 부분들에 직접 그리고 비전도성 재료 영역들(122)에 직접 접착된다.
본 명세서에 기술된 실시예들은 전술한 접근법들 중 하나 이상에 따른 태양 전지의 제조를 포함한다. 도 1f 및 도 3을 참조하면, 일 실시예에서, 태양 전지는 기판(100)을 포함한다. 기판(100) 내에(도시되지 않음) 또는 기판(100) 위에(도시됨) 복수의 교번하는 N형(104) 및 P형(106) 반도체 영역들이 배치된다. 복수의 비전도성 재료 영역들(122)은 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들(104, 106) 사이의 위치와 정렬된다. 일 실시예에서, 복수의 비전도성 재료 영역들(122)은 결합제 및 불투명 안료를 포함하며, 이때 불투명 안료는 복수의 비전도성 재료 영역들의 총 중량 조성의 대략 50%를 초과하는 양이다. 복수의 전도성 접점 구조물들은 복수의 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들(104, 106)에 전기적으로 연결된다. 각각의 전도성 접점 구조물은 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들(104, 106) 중 대응하는 하나 위에 배치되고 그와 정렬되는 금속 포일 부분(126)을 포함한다. 특정 실시예에서, 특히 도 1f를 참조하면, 각각의 전도성 접점 구조물은 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들(104, 106) 중 대응하는 하나와 금속 포일 부분(126) 사이에 직접 배치되는 금속 시드 층(124)을 추가로 포함한다.
일 실시예에서, 비전도성 재료 영역들(122)의 불투명 안료는 산화 티탄(TiO2), 황산 바륨(BaSO4), 황화 아연(ZnS), 산화 지르코늄(ZrO2), 산화 알루미늄(Al2O3), 카본 블랙, 또는 탄소 나노튜브와 같은 그러나 이로 한정되지 않는 하나이다. 일 실시예에서, 비전도성 재료 영역들(122)의 결합제는 실록산, 실세스퀴옥산, 또는 비-규소 알콕시드와 같은 그러나 이로 한정되지 않는 무기 결합제이다. 다른 실시예에서, 비전도성 재료 영역들(122)의 결합제는 폴리이미드 또는 셀룰로오스와 같은 그러나 이로 한정되지 않는 유기 결합제이다.
일 실시예에서, 복수의 비전도성 재료 영역들(122)은 태양 전지의 태양 에너지 흡수 효율을 증가시킨다. 이러한 일 실시예에서, IR 유형의 파장 광의 개선된 배면 측 반사가 달성된다. 즉, IR 전송으로부터의 전형적인 손실은, 특히 텍스처된 트렌치를 갖는 블랙 백시트 애플리케이션에 대해 보여지는 바와 같이, 더 긴 파장을 전지에 반사시키도록 설계된 후면 측 상에 페이스트를 사용함으로써 회복될 수 있다.
특히, 도 3을 참조하면, 일 실시예에서, 복수의 비전도성 재료 영역들(122)은 접착제를 추가로 포함한다. 각각의 전도성 접점에 대해, 금속 포일 부분(126)은 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들(104 또는 106) 중 대응하는 하나에 직접 그리고 복수의 비전도성 재료 영역들(122) 중 하나의 일부분 상에 직접 배치된다. 그러한 일 실시예에서, 복수의 비전도성 재료 영역들(122)은 규소 알콕시드 또는 알루미늄 알콕시드, 또는 둘다를 포함한다.
소정의 재료가 상술한 실시예들을 참조하여 위에서 구체적으로 기술되었지만, 일부 재료는 다른 재료로 용이하게 대체될 수 있으며, 다른 그러한 실시예는 본 개시내용의 실시예의 사상 및 범주 내에 남는다. 예를 들어, 실시예에서, III-V족 재료의 기판과 같은 상이한 재료의 기판이 규소 기판 대신에 사용될 수 있다. 부가적으로, 대부분 배면 접점 태양 전지 구성이 언급되지만, 본 명세서에 기술된 접근법이 전면 접전 태양 전지에도 또한 적용될 수 있음이 이해될 것이다. 다른 실시예들에서, 전술한 접근법들은 태양 전지 이외의 제조에 적용 가능할 수 있다. 예를 들어, 발광 다이오드(LED들)의 제조는 본 명세서에 기술된 접근법들로부터 이익을 얻을 수 있다.
이와 같이, 태양 전지의 포일 기반 금속화를 위한 접근법 및 생성되는 태양 전지가 개시되었다.
특정 실시예들이 전술되었지만, 특정 특징부에 대해 단일 실시예만이 기술된 경우에도, 이들 실시예는 본 개시내용의 범주를 제한하도록 의도되지 않는다. 본 개시내용에 제공된 특징부들의 예들은, 달리 언급되지 않는다면, 제한적이기보다는 예시적인 것으로 의도된다. 상기 설명은, 본 개시내용의 이익을 갖는 당업자에게 명백하게 되는 바와 같이, 그러한 대안예, 수정예 및 등가물을 포함하고자 의도된다.
본 개시내용의 범주는, 본 명세서에서 다루어지는 문제들 중 어느 문제 또는 모든 문제점들을 완화시키든 그렇지 않든 간에, 본 명세서에 (명백히 또는 암시적으로) 개시된 임의의 특징부 또는 특징부들의 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 특징들이 독립 청구항의 특징들과 조합될 수 있고, 각각의 독립 청구항으로부터의 특징들이 단지 첨부된 청구범위에 열거된 특정 조합이 아닌 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.
일 실시예에서, 태양 전지를 제조하는 방법은, 기판 내에 또는 기판 위에 복수의 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들을 형성하는 단계, 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들 중 인접한 영역들 사이에 페이스트를 형성하는 단계, 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들 사이의 위치들과 정렬되는 비전도성 재료 영역들을 형성하기 위해 페이스트를 경화시키는 단계, 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들에 금속 포일을 접착시키는 단계, 및 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들과 정렬되는 나머지 금속 포일의 영역들을 격리시키기 위해 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들 사이의 위치들과 정렬되는 금속 포일을 관통하여 레이저 융삭하는 단계를 포함하며, 비전도성 재료 영역들은 레이저 융삭 동안 레이저 정지부로서 기능한다.
일 실시예에서, 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들 중 인접한 영역들 사이에 페이스트를 형성하는 단계는 페이스트를 스크린 인쇄하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 비전도성 재료 영역들을 형성하기 위해 페이스트를 경화시키는 단계는 페이스트를 대략 섭씨 450도 이하의 온도로 가열하는 단계, 또는 자외선(UV) 방사선에 노출하는 단계, 또는 둘다를 포함한다.
일 실시예에서, 비전도성 재료 영역들을 형성하기 위해 페이스트를 경화시키는 단계는 페이스트의 유기 매질의 실질적으로 전부를 제거하는 단계 및 페이스트의 결합제 및 불투명 안료의 실질적으로 전부를 유지하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 결합제는 무기 결합제이고, 비전도성 재료 영역을 형성하기 위해 페이스트를 경화시키는 단계는 무기 결합제를 비전도성 재료 영역의 경질 무기 매트릭스로 전환하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 금속 포일을 관통하여 레이저 융삭하는 단계는 파장을 갖는 레이저를 사용하는 단계를 포함하고, 페이스트 및 생성되는 비전도성 재료 영역들은 파장의 광을 산란 또는 흡수하기 위한 불투명 안료를 포함한다.
일 실시예에서, 방법은, 금속 포일을 접착시키는 단계 이전에, 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들의 각각 상에 금속 시드 재료 영역을 제공하기 위해 복수의 금속 시드 재료 영역들을 형성하는 단계를 추가로 포함하며, 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들에 금속 포일을 접착시키는 단계는 복수의 금속 시드 재료 영역들에 금속 포일을 접착시키는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 복수의 금속 시드 재료 영역들에 금속 포일을 접착시키는 단계는 레이저 용접 공정, 열 압착 공정 및 초음파 접합 공정으로 이루어진 군으로부터 선택되는 기술을 사용하는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들에 금속 포일을 접착시키는 단계는 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들의 노출된 부분들에 직접 그리고 비전도성 재료 영역들에 직접 금속 포일을 접착시키는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 페이스트 및 생성되는 비전도성 재료 영역들은 접착제를 포함하고, 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들의 노출된 부분들에 직접 그리고 비전도성 재료 영역들에 직접 금속 포일을 접착시키는 단계는, 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들 및 비전도성 재료 영역들의 노출된 부분으로 금속 포일을 끼워맞추기 위해 스퀴지를 사용하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 태양 전지는, 기판, 기판 내에 또는 기판 위에 배치되는 복수의 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들, 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들 사이의 위치들과 정렬되는 복수의 비전도성 재료 영역들 - 복수의 비전도성 재료 영역들은 결합제 및 불투명 안료를 포함하며, 불투명 안료는 대략 복수의 비전도성 재료 영역들의 총 중량 조성의 50% 초과의 양임 -, 및 복수의 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들에 전기적으로 연결되는 복수의 전도성 접점 구조물들 - 각각의 전도성 접점 구조물은 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들 중 대응하는 하나 위에 그리고 그와 정렬되어 배치되는 금속 포일 부분을 포함함 -을 포함한다.
일 실시예에서, 불투명 안료는 산화 티탄(TiO2), 황산 바륨(BaSO4), 황화 아연(ZnS), 산화 지르코늄(ZrO2), 산화 알루미늄(Al2O3), 카본 블랙, 및 탄소 나노튜브로 구성되는 군으로부터 선택된다.
일 실시예에서, 결합제는 실록산, 실세스퀴옥산, 및 비-규소 알콕시드로 이루어진 군으로부터 선택되는 무기 결합제이다.
일 실시예에서, 결합제는 폴리이미드 및 셀룰로오스로 이루어진 군으로부터 선택되는 유기 결합제이다.
일 실시예에서, 각각의 전도성 접점 구조물은 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들 중 대응하는 하나와 금속 포일 부분 사이에 직접 배치되는 금속 시드 층을 추가로 포함한다.
일 실시예에서, 복수의 비전도성 재료 영역들은 접착제를 추가로 포함하고, 각각의 전도성 접점에 대해, 금속 포일 부분은 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들 중 대응하는 하나에 직접 그리고 복수의 비전도성 재료 영역들 중 하나의 일부분 상에 직접 배치된다.
일 실시예에서, 복수의 비전도성 재료 영역들은 규소 알콕시드 또는 알루미늄 알콕시드, 또는 둘다를 포함한다.
일 실시예에서, 복수의 비전도성 재료 영역들은 태양 전지의 태양 에너지 흡수 효율을 증가시킨다.
일 실시예에서, 태양 전지의 비전도성 영역을 형성하기 위한 페이스트는, 결합제, 불투명 안료, 및 결합제 및 불투명 안료와 혼합된 유기 매질을 포함하며, 페이스트의 총 중량 조성의 대략 25% 초과는 불투명 안료이고, 페이스트의 총 중량 조성의 대략 50% 미만은 유기 매질이다.
일 실시예에서, 불투명 안료는 산화 티탄(TiO2), 황산 바륨(BaSO4), 황화 아연(ZnS), 산화 지르코늄(ZrO2), 산화 알루미늄(Al2O3), 카본 블랙, 및 탄소 나노튜브로 구성되는 군으로부터 선택된다.
일 실시예에서, 결합제는 실록산, 실세스퀴옥산, 및 비-규소 알콕시드로 이루어진 군으로부터 선택되는 무기 결합제이다.
일 실시예에서, 무기 결합제는 유기 매질 중에 용해된다.
일 실시예에서, 결합제는 폴리이미드 및 셀룰로오스로 이루어진 군으로부터 선택되는 유기 결합제이다.
일 실시예에서, 페이스트의 총 중량 조성의 대략 20% 초과는 결합제이다.
일 실시예에서, 유기 매질은 에틸 셀룰로오스, 테르피네올, 글리콜 에테르, 및 2-부톡시에틸 아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택된다.
일 실시예에서, 페이스트는 대략 섭씨 450도 이하의 경화 온도를 가지며, 유기 매질의 실질적으로 전부는 경화 온도에서 제거 가능하지만 결합제 및 불투명 안료의 실질적으로 어느 것도 경화 온도에서 제거 가능하지 않다.
일 실시예에서, 페이스트는 유리 프릿 재료가 없다.
일 실시예에서, 페이스트는 접착제를 추가로 포함한다.

Claims (29)

  1. 태양 전지로서,
    기판;
    기판 내에 또는 기판 위에 배치되는 복수의 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들;
    교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들 사이의 위치와 정렬되는 복수의 비전도성 재료 영역들 - 복수의 비전도성 재료 영역들은 페이스트를 포함하며, 상기 페이스트는 실록산, 실세스퀴옥산, 및 비-규소 알콕시드로 구성된 군 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 결합제, 특정 색을 발산하도록 특정 파장의 광을 타겟으로 하는 불투명 안료, 및 에틸 셀룰로오스, 테르피네올, 글리콜 에테르, 및 2-부톡시에틸 아세테이트로 구성된 군 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하며, 불투명 안료는 복수의 비전도성 재료 영역들의 총 중량 조성의 50% 초과의 양이고, 상기 페이스트는 섭씨 800-900의 온도 범위로 소성함으로써 경화됨 -; 및
    복수의 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들에 전기적으로 연결되는 복수의 전도성 접점 구조물들 - 각각의 전도성 접점 구조물은 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들 중 대응하는 하나 위에 그리고 그와 정렬되어 배치되는 금속 포일 부분을 포함함 -
    을 포함하는, 태양 전지.
  2. 제1항에 있어서, 불투명 안료는 산화 티탄(TiO2), 황산 바륨(BaSO4), 황화 아연(ZnS), 산화 지르코늄(ZrO2), 산화 알루미늄(Al2O3), 카본 블랙, 및 탄소 나노튜브로 구성되는 군으로부터 선택되는, 태양 전지.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 각각의 전도성 접점 구조물은 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들 중 대응하는 하나와 금속 포일 부분 사이에 직접 배치되는 금속 시드 층을 추가로 포함하는, 태양 전지.
  6. 제1항에 있어서, 복수의 비전도성 재료 영역들은 접착제를 추가로 포함하고, 각각의 전도성 접점에 대해, 금속 포일 부분은 교번하는 N형 및 P형 반도체 영역들 중 대응하는 하나에 직접 그리고 복수의 비전도성 재료 영역들 중 하나의 일부분 상에 직접 배치되는, 태양 전지.
  7. 제6항에 있어서, 복수의 비전도성 재료 영역들은 규소 알콕시드 또는 알루미늄 알콕시드, 또는 둘다를 포함하는, 태양 전지.
  8. 제1항에 있어서, 복수의 비전도성 재료 영역들은 태양 전지의 태양 에너지 흡수 효율을 증가시키는, 태양 전지.
  9. 태양 전지의 비전도성 영역을 형성하기 위한 페이스트로서,
    실록산, 실세스퀴옥산, 및 비-규소 알콕시드로 구성된 군 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 결합제;
    특정 색을 발산하도록 특정 파장의 광을 타겟으로 하는 불투명 안료; 및
    결합제 및 불투명 안료와 혼합된 유기 매질 - 상기 유기 매질은 에틸 셀룰로오스, 테르피네올, 글리콜 에테르, 및 2-부톡시에틸 아세테이트로 구성된 군 중에서 선택된 적어도 하나를 포함함 -
    을 포함하며, 페이스트의 총 중량 조성의 25% 초과는 불투명 안료이고, 페이스트의 총 중량 조성의 50% 미만은 유기 매질이며,
    상기 페이스트는 섭씨 800-900의 온도 범위로 소성함으로써 경화되는, 페이스트.
  10. 제9항에 있어서, 불투명 안료는 산화 티탄(TiO2), 황산 바륨(BaSO4), 황화 아연(ZnS), 산화 지르코늄(ZrO2), 산화 알루미늄(Al2O3), 카본 블랙, 및 탄소 나노튜브로 구성되는 군으로부터 선택되는, 페이스트.
  11. 삭제
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