KR20090110024A - High efficiency Solar cell and Method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전면 전극과 반사방지막의 형성 순서를 개선하여 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 방법 및 이 방법에 의해 제조된 태양전지에 관한 것이다.The present invention relates to a solar cell, and more particularly, to a method for improving the efficiency of the solar cell by improving the order of forming the front electrode and the anti-reflection film, and a solar cell manufactured by the method.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 특히 주목 받고 있다. 태양전지에는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양빛(photons)을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지가 있으며, 태양전지라고 하면 일반적으로 태양광 전지(이하 태양전지라 한다)를 일컫는다.Recently, as the prediction of depletion of existing energy sources such as oil and coal is increasing, interest in alternative energy to replace them is increasing. Among them, solar cells are particularly attracting attention because they are rich in energy resources and have no problems with environmental pollution. Solar cells include solar cells that generate steam for rotating turbines using solar heat, and solar cells that convert photons into electrical energy using the properties of semiconductors. Refers to photovoltaic cells (hereinafter referred to as solar cells).
태양전지의 기본적인 구조를 나타낸 도 1을 참조하면, 태양전지는 다이오드와 같이 p형 반도체(101)와 n형 반도체(102)의 접합 구조를 가지며, 태양전지에 빛이 입사되면 빛과 태양전지의 반도체를 구성하는 물질과의 상호 작용으로 (-) 전하 를 띤 전자와 전자가 빠져나가 (+) 전하를 띤 정공이 발생하여 이들이 이동하면서 전류가 흐르게 된다. 이를 광기전력효과(光起電力效果, photovoltaic effect)라 하는데, 태양전지를 구성하는 p형(101) 및 n형 반도체(102) 중 전자는 n형 반도체(102) 쪽으로, 정공은 p형 반도체(101) 쪽으로 끌어 당겨져 각각 n형 반도체(101) 및 p형 반도체(102)와 접합된 전극(103, 104)으로 이동하게 되고, 이 전극(103, 104)들을 전선으로 연결하면 전기가 흐르므로 전력을 얻을 수 있다.Referring to FIG. 1 showing the basic structure of a solar cell, a solar cell has a junction structure of a p-
도 2는 종래기술에 따른 태양전지의 제조 방법에서 전면 전극을 형성하는 방법을 설명하기 위한 공정 개념도이다. 도면을 참조하면, 종래에는 실리콘 기판(p-type bulk)에 에미터층(n+type)을 형성하여 p-n 접합층(depletion region)을 형성한 후 그 위에 반사방지막(PECVD-SiN)을 형성한다. 그런 다음, 글라스 프릿(glass frit)이 함유된 은 페이스트를 핑거 전극(finger line)과 버스 전극(bus-bar)의 패턴으로 스크린 인쇄한 후 고온의 소성 공정을 진행하여 태양전지 기판 전면에 전극 구조를 형성한다. 참고로, 상기 소성 공정이 진행되면 은 페이스트에 함유된 글라스 프릿의 에칭 작용으로 스크린 인쇄된 전극 패턴이 반사방지막을 뚫고 들어가 에미터층과 전기적인 접속을 이룬다. 2 is a conceptual view illustrating a method of forming a front electrode in a method of manufacturing a solar cell according to the prior art. Referring to the drawings, in the related art, an emitter layer (n + type) is formed on a silicon substrate (p-type bulk) to form a p-n junction region and then an anti-reflection film (PECVD-SiN) is formed thereon. Then, the silver paste containing glass frit is screen printed with a pattern of finger lines and bus bars, followed by a high temperature firing process to form an electrode structure on the front surface of the solar cell substrate. To form. For reference, when the firing process is performed, the screen patterned electrode pattern penetrates the anti-reflection film and makes an electrical connection with the emitter layer by the etching action of the glass frit contained in the silver paste.
그런데, 상기와 같이 전면 전극을 형성하면 다음과 같은 문제가 있다.However, when the front electrode is formed as described above, there are the following problems.
첫째. 은 페이스트의 스크린 인쇄 및 소성 공정을 통해 전극을 형성하면 Ag 전극의 전도도를 하락시켜 FF(fill factor)를 떨어뜨린다.first. Forming the electrode through the screen printing and firing process of the silver paste lowers the conductivity of the Ag electrode to lower the fill factor (FF).
둘째. 은 페이스트 내에 포함된 글라스 프릿이 반사방지막을 뚫기 위해 900도 이상의 고온 소성 과정이 필요하다.second. The glass frit contained in the silver paste requires a high temperature firing process of 900 degrees or more to penetrate the antireflection film.
셋째. 고온 소성이 진행될 때 소수 캐리어의 재결합을 막아주는 수소들의 탈수소화가 유발되어 이로 인해 개방전압 Voc가 낮아진다.third. As the high temperature calcination proceeds, dehydrogenation of hydrogens, which prevents the recombination of minority carriers, is induced, thereby lowering the open voltage V oc .
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 전면 전극 형성을 위해 고온의 소성 공정이 필요하지 않은 고효율의 태양전지 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 태양전지를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, to provide a high-efficiency solar cell manufacturing method that does not require a high-temperature firing process for forming the front electrode and a solar cell manufactured by the method There is this.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양전지는, 전면 전극을 구성하는 핑거 전극이 반사방지막의 하부에 매립되어 있고, 전면 전극을 구성하는 버스 전극은 반사방지막에 의해 매립되지 않고 노출되어 있는 것을 특징으로 한다.In the solar cell according to the present invention for achieving the above technical problem, the finger electrode constituting the front electrode is embedded in the lower portion of the anti-reflection film, the bus electrode constituting the front electrode is exposed without being embedded by the anti-reflection film It is characterized by.
바람직하게, 상기 핑거 전극은 글라스 프릿이 함유되지 않은 은 페이스트를 고온 소성 공정이 수반되지 않는 스크린 인쇄법에 의해 형성한 것이다. Preferably, the finger electrode is formed of a silver paste containing no glass frit by screen printing without a high temperature baking process.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양전지 제조 방법은 제1도전형의 반도체 기판 상에 제2도전형의 에미터층을 형성하는 단계; 상기 에미터층 상에 핑거 전극 패턴과 버스 전극 패턴을 글라스 프릿이 함유되지 않은 은 페이스트로 스크린 인쇄하는 단계; 스크린 인쇄된 패턴을 건조 및 저온 소성하여 전면 전극을 형성하는 단계; 및 상기 버스 전극 패턴을 마스킹한 상태에서 상기 반도체 기판의 전면에 반사방지막을 형성하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a solar cell, including: forming an emitter layer of a second conductive type on a semiconductor substrate of a first conductive type; Screen printing a finger electrode pattern and a bus electrode pattern on the emitter layer with a silver paste containing no glass frit; Drying and low temperature baking the screen printed pattern to form a front electrode; And forming an anti-reflection film on the entire surface of the semiconductor substrate while masking the bus electrode pattern.
본 발명에 따르면, 전면 전극 형성 시 글라스 프릿이 함유되지 않은 은 페이스트를 사용하므로 글라스 프릿에 의한 전극의 전도 특성 열화가 없다.According to the present invention, since the silver paste containing no glass frit is used when forming the front electrode, there is no deterioration of the conduction characteristics of the electrode by the glass frit.
나아가, 반사방지막의 펀치 쓰루를 위해 고온 소성 공정을 진행하지 않으므로 소수 캐리어의 재결합을 방지하는 수소 원자의 탈수소화가 일어나지 않는다.Furthermore, since the high-temperature firing process is not performed for the punch through of the antireflection film, dehydrogenation of hydrogen atoms that prevents recombination of minority carriers does not occur.
아울러 전면 전극 형성 과정에서 고온 소성 공정이 진행되지 않으므로 에너지 절감 효과를 기대할 수 있다.In addition, the high-temperature firing process is not performed during the formation of the front electrode, and thus energy saving effect can be expected.
위와 같이, 전면 전극의 전도 특성 열화가 없고, 수소 원자의 탈수소화가 방지되면, FF와 개방전압이 증가하여 태양전지의 효율이 향상되는 효과를 기대할 수 있다.As described above, if there is no deterioration in the conduction characteristics of the front electrode and the dehydrogenation of the hydrogen atoms is prevented, the effect of improving the efficiency of the solar cell can be expected by increasing the FF and the open voltage.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되지 않아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in this specification and claims should not be construed as being limited to the common or dictionary meanings, and the inventors can appropriately define the concept of terms in order to best describe their invention. Based on the principle, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. Therefore, the exemplary embodiments described herein are only exemplary embodiments of the present invention and do not represent all of the technical ideas of the present invention, and various equivalents and modifications that may substitute them at the time of the present application may be used. It should be understood that there may be.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양전지 제조 방법을 설명하기 위한 공정 개념도이다.3 is a conceptual view illustrating a solar cell manufacturing method according to a preferred embodiment of the present invention.
먼저, 반도체 기판을 준비한다. 반도체 기판으로는 p 타입의 실리콘 기판(Si p-type bulk)을 사용한다. First, a semiconductor substrate is prepared. A p-type silicon substrate (Si p-type bulk) is used as the semiconductor substrate.
그런 다음, 반도체 기판과 반대 도전형의 불순물을 기판 전면에 주입하여 에미터층(Si n+ type)을 형성한다. 에미터층이 형성되면 기판 내에 p-n 접합층(depletion region)이 형성된다. 반도체 기판이 p 타입이므로 에미터층은 n 타입이 된다. 불순물 주입은 본 발명이 속한 기술분야에서 공지된 건식 또는 습식 확산 공정을 이용하여 수행한다.Then, an impurity opposite to the semiconductor substrate is implanted into the entire surface of the substrate to form an emitter layer (Si n + type). When the emitter layer is formed, a p-n depletion region is formed in the substrate. Since the semiconductor substrate is p type, the emitter layer is n type. Impurity implantation is performed using dry or wet diffusion processes known in the art.
이어서, 에미터층 상부에 글라스 프릿이 포함되지 않은 은 페이스트를 이용하여 핑거 전극과 버스 전극의 형상에 대응되는 패턴으로 스크린 인쇄한다. 그런 다음, 스크린 인쇄된 패턴을 건조시킨 후 탈수소화를 유발하지 않는 저온에서 소성시킨다. 탈수소화를 방지하기 위한 온도 조건은 실험적 방법으로 용이하게 설정할 수 있다. 나중에 형성하는 반사방지막은 수소 분위기에서 형성하는데, 이런 경우 수소원자가 기판 측으로 확산하여 들어감으로써 소수 캐리어의 재결합을 방지하는 작용을 한다. 상기 탈수소화는 기판으로 확산해 들어간 수소 원자가 다시 기판 밖으로 빠져나오는 것을 의미한다. 그런데 본 발명은 반사방지막보다 전면 전극을 먼저 형성하므로 탈수소화를 문제를 심각하게 고려하지 않아도 되는 이점이 있다.Subsequently, screen printing is performed using a silver paste containing no glass frit on the emitter layer in a pattern corresponding to the shape of the finger electrode and the bus electrode. The screen printed pattern is then dried and calcined at low temperatures without causing dehydrogenation. The temperature conditions for preventing dehydrogenation can be easily set by an experimental method. The antireflection film to be formed later is formed in a hydrogen atmosphere, in which case hydrogen atoms diffuse into the substrate to prevent recombination of minority carriers. The dehydrogenation means that the hydrogen atoms diffused into the substrate come out of the substrate again. However, the present invention has the advantage of not having to seriously consider the problem of dehydrogenation since the front electrode is formed before the antireflection film.
그 다음, 버스 전극 상부를 마스킹한 상태에서 반도체 기판의 전면에 반사방지막을 형성한다. 버스 전극 상부를 마스킹하기 위해, 반사방지막 형성 공정의 진행에 앞서 버스 전극 상부에 마스킹 패턴을 형성하는 것이 바람직하다. 마스킹 패턴은 반사방지막 형성 공정이 완료된 후 습식 세정 공정을 진행하여 제거한다. 마 스킹 패턴은 포토레지스터 등 반도체 제조 공정에서 마스킹 패턴으로 사용되는 다양한 물질로 형성할 수 있다.Next, an antireflection film is formed on the entire surface of the semiconductor substrate while masking the upper portion of the bus electrode. In order to mask the upper portion of the bus electrode, it is preferable to form a masking pattern on the upper portion of the bus electrode prior to the progress of the anti-reflection film forming process. The masking pattern is removed by performing a wet cleaning process after the anti-reflection film forming process is completed. The masking pattern may be formed of various materials used as a masking pattern in a semiconductor manufacturing process such as a photoresist.
상기 반사방지막은 PECVD법을 이용하여 SiN막으로 형성한다. 대안적으로, 상기 반사방지막은 실리콘산화막, 실리콘산화질화막, 티타늄산화막 등으로 형성하여도 되고, SiN막을 포함하여 상기 열거된 절연막 중에서 선택된 2층 이상의 다층막 구조로 반사방지막을 형성한다.The anti-reflection film is formed of a SiN film using PECVD. Alternatively, the antireflection film may be formed of a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, a titanium oxide film, or the like, and forms an antireflection film with a multilayer structure of two or more layers selected from the above-described insulating films including a SiN film.
상기 방지방지막의 형성 및 마스킹 패턴의 제거가 완료되면, 반도체 기판의 배면에 알루미늄 전극을 형성한다. 알루미늄 전극은 기판 후면에 알루미늄 페이스트를 스크린 인쇄한 후 건조 및 소성하여 형성할 수 있다. 소성이 이루어지는 과정에서 알루미늄 전극에 포함된 알루미늄 원자가 반도체 기판 측으로 확산하므로, 알루미늄 전극과 기판의 계면에는 후면 전계(BSF: Back Surface field)가 형성된다. 한편, 알루미늄 전극 형성공정은 굳이 반사방지막 형성 공정 이후에 진행하지 않아도 된다. 예를 들어 전면 전극 형성을 위한 은 페이스트의 스크린 인쇄 시 기판 후면에 알루미늄 페이스트까지 함께 스크린 인쇄하고 1번의 건조 및 소성으로 전면 전극과 후면 전극을 동시에 형성할 수도 있다. 이런 경우, 전극 형성 공정을 단순화할 수 있는 이점이 있다.When the formation of the protection layer and the removal of the masking pattern are completed, an aluminum electrode is formed on the rear surface of the semiconductor substrate. The aluminum electrode may be formed by screen printing aluminum paste on the back of the substrate and then drying and firing the same. Since the aluminum atoms included in the aluminum electrode diffuse to the semiconductor substrate in the process of firing, a back surface field (BSF) is formed at the interface between the aluminum electrode and the substrate. On the other hand, the aluminum electrode forming step does not have to proceed after the antireflection film forming step. For example, when screen printing silver paste for forming the front electrode, the aluminum paste may be screen printed together on the back of the substrate, and the front electrode and the back electrode may be simultaneously formed by one drying and firing. In this case, there is an advantage that the electrode forming process can be simplified.
상술한 방법으로 제조된 태양전지는 다음과 같은 구조적 특징을 가진다. 즉 전면 전극을 구성하는 핑거 전극은 반사방지막 하부에 매립되고, 전면 전극을 구성하는 버스 전극은 반사방지막 하부에 매립되지 않고 노출된다. 종래에는 핑거 전극의 패시베이션을 실시해야 하는 등의 번거로움이 있지만, 본 발명에서는 핑거 전극 이 반사방지막을 이루는 절연물질에 의해 매립되어 있으므로 별도의 패시베이션 공정을 진행하지 않아도 되는 이점이 있다.The solar cell manufactured by the above-described method has the following structural features. That is, the finger electrode constituting the front electrode is buried under the antireflection film, and the bus electrode constituting the front electrode is exposed without being buried under the antireflection film. Conventionally, there is a hassle such as the passivation of the finger electrode, but in the present invention, since the finger electrode is embedded by an insulating material constituting the antireflection film, there is an advantage of not having to perform a separate passivation process.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다. As described above, although the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto, and the technical idea of the present invention and the following by those skilled in the art to which the present invention pertains. Various modifications and variations are possible, of course, within the scope of equivalents of the claims to be described.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.The following drawings attached to this specification are illustrative of preferred embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the invention to serve to further understand the technical spirit of the present invention, the present invention is a matter described in such drawings It should not be construed as limited to.
도 1은 태양전지의 기본적인 구조를 나타낸 개략도이다. 1 is a schematic diagram showing the basic structure of a solar cell.
도 2는 종래의 태양전지 제조 방법에서 전면 전극을 형성하는 과정을 개략적으로 도시한 공정 개념도이다.2 is a process conceptual view schematically illustrating a process of forming a front electrode in a conventional solar cell manufacturing method.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 태양전지의 전면 전극을 형성하는 과정을 개략적으로 도시한 공정 개념도이다.3 is a process conceptual view schematically showing a process of forming a front electrode of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
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