KR20100106512A - 실리콘 태양전지의 제조 방법 - Google Patents

실리콘 태양전지의 제조 방법 Download PDF

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KR20100106512A
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라이너 클라우스 크라우즈
게르드 파이퍼
한스-위르겐 아이켈만
토어스텐 뮤게
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인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션
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Abstract

본 발명은 실리콘 태양전지를 제조하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 캐리어 플레이트(100)를 제공하는 단계와, 상기 캐리어 플레이트(100)에 제1 콘택 패턴을 적용하는 단계와, 상기 제1 콘택 패턴에 다수의 실리콘 슬라이스(108)를 적용하는 단계와, 상기 다수의 실리콘 슬라이스(108)에 제2 콘택 패턴을 적용하는 단계를 포함하며, 상기 제1 콘택 패턴은 한 세트의 제1 층상 콘택부(104)를 포함하며, 상기 세트의 제1 층상 콘택부(104) 각각은 최대 2개의 실리콘 슬라이스(108)와 공간적인 층상 콘택을 하며, 상기 제2 콘택 패턴은 한 세트의 제2 층상 콘택부(200)를 포함하며, 상기 세트의 제2 층상 콘택부(200) 각각은 최대 2개의 실리콘 슬라이스(108)와 공간적인 층상 콘택을 한다.

Description

실리콘 태양전지의 제조 방법{METHOD OF MANUFACTURING A SILICON SOLAR CELL}
본 발명은 실리콘 태양전지의 제조 방법 및 실리콘 태양전지에 관한 것이다.
태양전지는 광기전력 효과를 이용해서 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치이다. 오늘날 태양전지에 대한 수요는 많은데, 그 이유는 태양전지의 응용분야가 많기 때문이다. 예를 들면, 태양전지는 계산기와 같은 저전력 장치에 사용된다. 또한 태양전지에 대한 수요의 증가는 태양전지가 차량과 위성에 사용되기 때문이다. 태양전지 기술이 오늘날 사회가 선호하는 기술분야이기 때문에 태양전지는 심지어 종래의 발전소를 대체할 잠재력이 있다. 이러한 선호 이유는 태양전지에 의해 생산되는 전기는 재생 가능한 "청정" 전기라는 사실에서 찾아낼 수 있다.
태양전지는 광기전력 효과를 통해 광자를 흡수하여 전자를 생성하는 데에 사용되는 반전도 재료(semi-conducting material)를 포함하고 있다. 태양전지를 제조하는 데에 통상적으로 사용되는 반전도 재료는 실리콘이다. 태양전지의 경우, 실리콘은 단결정 실리콘 또는 다결정 실리콘으로서 사용될 수 있다.
종래의 실리콘 태양전지는 통상적으로 한 세트의 개별 실리콘 플레이트를 구비하고 있으며, 개별 실리콘 플레이트 각각의 크기는 대략 15㎝×15㎝이다. 종래의 실리콘 플레이트를 구비한 그러한 태양전지는 다양한 단점이 있다. 예컨대, 개별 실리콘 플레이트의 크기가 크기 때문에 이들 개별 실리콘 플레이트의 배면(背面)은 모선(母線)(bus bars)을 이용하여 전기적으로 연결된다. 이들 모선을 실리콘 플레이트에 적용하려면 고온 확산 공정이 실시되며, 이 공정은 다량의 에너지를 소비하는 공정이다. 태양전지를 제조하기 위한 많은 에너지의 요구는 태양전지의 제조하는 비용 효과를 현저하게 감소시킨다.
또한 이들 모선은 비층상 배면 콘택부(non-laminar backside contacts)이므로, 태양전지의 배면과 전기적인 접촉은 최적이 아니다.
개별 플레이트의 크기가 통상적으로 크다는 것은 또 다른 단점을 유발한다. 즉 태양전지는 대개의 경우 직렬 모듈방식으로 연결되며, 부가적인 전압을 생성한다. 태양전지들, 즉 개별 플레이트들을 직렬로 연결하는 이유는 전기 라인을 통해 전기를 운반하는 데서 생기는 전기 저항 손실이 최소화하기 때문이다. 그러나 한 세트의 개별 플레이트를 구비한 태양전지 패널의 주어진 총 면적이 한정되어 있다고 가정하면, 개별 플레이트의 크기가 크기 때문에 단지 제한된 개수의 개별 플레이트만이 상술한 태양전지 패널 내에 사용될 수 있다. 이와 동시에 높은 동작 전압에 도달하기 위해서는 많은 개별 플레이트가 직렬로 연결되어야 한다. 예를 들면, 통상적인 개별 태양전지 플레이트는 단지 0.6V의 전압을 공급할 뿐이다. 태양전지 패널의 통상적인 동작 전압인 66V를 얻기 위해서는 약 100개의 개별 실리콘 플레이트가 직렬로 연결되어야 한다는 것을 의미하는데, 이것은 종래의 크기를 가진 태양전지 플레이트가 사용되는 경우 엄청난 양의 공간을 필요로 하지만, 이러한 공간은 종종 이용 불가능하다.
또한 종래의 크기를 가진 하나의 개별 태양전지 플레이트로부터 공급되는 개별 전류는 다소 높다. 즉, 표준 실리콘 플레이트의 통상적인 크기가 156mm×156㎜라고 재차 가정하면, 그러한 플레이트의 총 면적은 243㎠이다. 통상적인 플레이트는 3.6W의 전력을 공급하며, 이 전력은 변환 효율이 15%이고 통상적인 출력 전압이 0.6V일 때 6A의 전류에 대응한다. 그러나 개별 모선들이 태양전지 플레이트의 배면을 연결하는 데에 사용되기 때문에 이들 모선은 그러한 고전류를 견디기 위해서 매우 강건하게 설계될 필요가 있다. 이것은 또 다시 태양전지의 설계와 제조 비용을 증가시킨다.
따라서 개선된 실리콘 태양전지를 제조하는 방법을 제공할 필요성이 존재한다.
본 발명에 따르면, 실리콘 태양전지를 제조하는 방법이 제공되며, 이 방법은 캐리어 플레이트를 제공하는 단계와, 상기 캐리어 플레이트에 제1 콘택 패턴을 적용하되, 상기 제1 콘택 패턴은 한 세트의 제1 층상 콘택부를 포함하는, 단계와, 상기 제1 콘택 패턴에 다수의 실리콘 슬라이스를 적용하되, 상기 세트의 제1 층상 콘택부 각각은 최대 2개의 실리콘 슬라이스와 공간적인 층상 콘택을 하는, 단계와, 상기 다수의 실리콘 슬라이스에 제2 콘택 패턴을 적용하되, 상기 제2 콘택 패턴은 한 세트의 제2 층상 콘택부를 포함하며, 상기 세트의 제2 층상 콘택부 각각은 최대 2개의 실리콘 슬라이스와 공간적인 층상 콘택을 하는, 단계를 포함한다.
바람직하게는 통상적인 크기가 1㎝×2㎝×50㎛인 초박막 실리콘 슬라이스들이 본 발명에 따른 방법을 이용하여 태양전지를 조립하는 데에 사용된다. 그러나 이들 초박막 실리콘 슬라이스는 그 두께가 10㎛ 내지 20㎛의 범위인 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 방법은 대량의 개별 실리콘 슬라이스가 서로 직렬로 쉽고 저렴하게 연결될 수 있다는 장점이 있다. 그러나 일반적으로는 개별 태양전지들은 개별 실리콘 슬라이스의 위치에 대해 제1 및 제2 콘택 패턴을 단순히 적응시킴으로써 광범위한 전류/전압 비를 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 제1 및 제2 콘택 패턴에 의해 개별 실리콘 슬라이스들 사이의 직렬 및 병렬 상호 연결이 거의 임의대로 혼합될 수 있다. 또한 본 발명에 따른 방법에 의해 '유사한 배면 콘택부 성능(quasi backside contact capability)'이 제공된다.
본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 상기 세트의 제1 층상 콘택부 각각은 정확하게 2개의 실리콘 슬라이스와 공간적인 층상 콘택을 하고, 상기 세트의 제2 층상 콘택부 각각은 정확하게 2개의 실리콘 슬라이스와 공간적인 층상 콘택을 한다. 이러한 접촉에 의해 개별 실리콘 슬라이스들의 용이한 직렬 배열이 가능하다.
본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 각각의 실리콘 슬라이스는 정확하게 1개의 제1 층상 콘택부와 1개의 제2 층상 콘택부와 공간적인 층상 콘택을 한다. 이러한 구성 덕분에 개별 실리콘 슬라이스들이 최적으로 활용된다.
본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 실리콘 태양전지 제조 방법은 캐리어 플레이트 및/또는 실리콘 슬라이스의 보호처리 및/또는 반사방지 코팅을 실시하는 단계를 더 포함한다. 이러한 보호처리는 전하 캐리어(charge carriers)의 재조합이 최소화된다는 장점이 있다. 또한 반사방지 코팅은 제조된 실리콘 태양전지에 의해 흡수되는 광자의 양이 최대화된다는 장점이 있으며, 왜냐하면 제조된 실리콘 태양전지의 표면에서의 반사로 인해 손실 광자의 개수가 최소화되기 때문이다.
본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 실리콘 태양전지 제조 방법은 캐리어 플레이트로부터 벗어난 쪽에서 실리콘 슬라이스를 금속 배선하는(metallizing) 단계를 더 포함한다. 캐리어 플레이트로부터 벗어난 쪽에서 실리콘 슬라이스를 금속 배선하는 것은 실리콘 태양전지를 통해 제1 경로에서 흡수되지 못한 광자들이 실리콘 태양전지로 도로 반사되며, 이는 광자 흡수 확률을 상승시킨다는 다른 장점이 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 실리콘 태양전지 제조 방법은 제1 콘택 패턴에 실리콘 슬라이스를 적용한 후에 실리콘 슬라이스를 n형 도핑하는 단계를 더 포함한다. 그러나 일반적으로는 실리콘 슬라이스를 제1 콘택 패턴에 적용하기 전에 실리콘 슬라이스를 도핑하는 것도 가능하다.
본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 실리콘 태양전지 제조 방법은 실리콘 슬라이스를 제1 층상 콘택부에 접착하는 단계 및/또는 실리콘 슬라이스를 제2 층상 콘택부에 접착하는 단계를 더 포함한다. 실리콘 슬라이스를 제1 층상 콘택부에 접착하는 것은 모든 구성요소가 함께 접착되기 때문에 기계적으로 매우 안정적인 실리콘 태양전지가 제공될 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 실리콘 슬라이스를 제1 층상 콘택부에 접착하는 것은 한 세트의 제1 층상 콘택부 또는 실리콘 슬라이스에 제1 콘택 접착제를 적용함으로써 수행되며, 이 제1 콘택 접착제는 실리콘 슬라이스를 제1 층상 콘택부에 접착시킨다. 또한 실리콘 슬라이스를 제2 층상 콘택부에 접착하는 것은 한 세트의 제2 층상 콘택부 또는 실리콘 슬라이스에 제2 콘택 접착제를 적용함으로써 수행되며, 이 제2 콘택 접착제는 실리콘 슬라이스를 제2 층상 콘택부에 접착시킨다.
예를 들면, 실리콘 슬라이스를 제1 층상 콘택부에 접착하는 것은 양극 본딩 기법에 의해 수행되고/되거나, 실리콘 슬라이스를 제2 층상 콘택부에 접착하는 것도 역시 양극 본딩 기법에 의해 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 제1 또는 제2 콘택 패턴은 프린팅 또는 리소그래피에 의해 캐리어 플레이트에 적용된다. 예를 들면, 이 프린팅은 스크린 프린팅 공정이다. 이 프린팅은 하드 마스크에 의해 수행될 수 있다. 이 경우, 프린팅은 캐리어 플레이트를 제1 하드 마스크로 덮는 단계를 더 포함하며, 여기에서 제1 하드 마스크는 제1 구멍들의 패턴을 포함하며, 이들 제1 구멍은 상기 제1 콘택 패턴용으로 지정된 영역에서 캐리어 플레이트를 노출시킨다. 이 프린팅 공정은 캐리어 플레이트 상에 마스크 형성 재료를 제1 하드 마스크를 통해 증착하는 단계와, 이 제1 하드 마스크를 제거하는 단계와, 이 캐리어 플레이트 상에 도전성 재료를 증착하는 단계와, 이 캐리어 플레이트로부터 마스크 형성 재료를 제거하는 단계를 더 포함하며, 여기에서 잔존하는 도전성 재료는 제1 콘택 패턴을 구성한다.
제2 콘택 패턴에 대하여, 프린팅 공정은 다수의 실리콘 슬라이스를 제2 하드 마스크로 덮는 단계와, 여기에서 제2 하드 마스크는 제2 구멍들의 패턴을 포함하며, 이들 제2 구멍은 제2 콘택 패턴용으로 지정된 영역에서 다수의 실리콘 슬라이스를 노출시키며, 이 캐리어 플레이트 상에 마스크 형성 재료를 제2 하드 마스크를 통해 증착하는 단계를 포함한다. 실리콘 태양전지 제조 방법은 제2 하드 마스크를 제거하는 단계와, 다수의 실리콘 슬라이스 상에 도전성 재료를 증착하는 단계와, 이 캐리어 플레이트로부터 마스크 형성 재료를 제거하는 단계를 더 포함하며, 여기에서 잔존하는 도전성 재료는 제2 콘택 패턴을 구성한다.
본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 하드 마스크는 소프트 스탬핑 기법에 의해 제공된다. 소프트 스탬핑 기법의 사용은 폴리머 재료가 표면 상으로 쉽고 신속하게 스탬핑될 수 있다는 장점이 있으며, 이 폴리머 재료는 다시 자외선 경화되고, 마스크로서 역할을 한다. 그러한 고속의 마스크 형성 공정은 대량 생산 목적에 매우 유리하다.
본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 실리콘 태양전지 제조 방법은 실리콘 슬라이스에 충전재 재료를 적용하는 단계를 더 포함하며, 이 충전재 재료는 인접한 실리콘 슬라이스 사이의 틈새를 채우며, 이 충전재 재료는 전기적으로 절연된다. 이 충전재 재료는 실리콘 태양전지 배열을 추가로 안정화시키고, 이에 따라 조립 절차 동안에 태양전지의 취급을 용이하게 해준다.
다른 양태에서, 본 발명은 실리콘 태양전지에 관한 것이다. 이 태양전지는 캐리어 플레이트와, 제1 캐리어 플레이트와, 제1 콘택 패턴을 포함하며, 이 제1 콘택 패턴을 캐리어 플레이트 상에 위치하며, 이 제1 콘택 패턴 한 세트의 제1 층상 콘택부를 포함한다. 이 태양전지는 다수의 실리콘 슬라이스를 더 포함하며, 이들 다수의 실리콘 슬라이스는 제1 콘택 패턴 상에 위치하며, 한 세트의 제1 층상 콘택부 각각은 최대 2개의 실리콘 슬라이스와 공간적인 층상 콘택을 한다. 이 태양전지는 제2 콘택 패턴을 더 포함하며, 이 제2 콘택 패턴은 다수의 실리콘 슬라이스 상에 위치하며, 이 제2 콘택 패턴은 한 세트의 제2 층상 콘택부를 포함하며, 한 세트의 제2 층상 콘택부 각각은 최대 2개의 실리콘 슬라이스와 공간적인 층상 콘택을 한다.
본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 제1 콘택 패턴은 제2 콘택 패턴에 대해 상대적으로 하나의 실리콘 슬라이스의 연장 길이만큼 변위 방향으로 변위된다. 그러한 변위는 실리콘 태양전지의 개별 슬라이스들의 직렬 연결을 위해 제1 콘택 패턴, 실리콘 슬라이스, 및 제2 콘택 패턴의 최적의 상대적인 배열을 제공한다. 직렬 배열된 태양전지를 얻기 위해 필요한 전기적인 내부 연결이 매우 용이하며, 이는 오작동 위험을 줄이고, 또한 제조 공정을 용이하게 해주며, 이것은 다음에 본 발명에 따른 실리콘 태양전지를 저가로 제조할 수 있게 해준다.
본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 제1 및/또는 제2 콘택 패턴은 실리콘 슬라이스에 의한 에너지 변환에 유용한 빛에 투과성이 있다. 예를 들면, 제1 및/또는 제2 콘택 패턴의 재료는 도핑된 ZnO 또는 산화인듐주석(ITO)을 포함한다. 투명한 콘택 패턴을 사용함으로써, 제1 및/또는 제2 콘택 패턴은 개별 실리콘 슬라이스의 전체 표면이 어떤 방해 또는 어떤 틈새도 없이 전기적인 콘택부로 덮이는 방식으로 배열될 수 있다. 이것은 태양전지의 전력 밀도(power density)를 최대화할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 따르면,실리콘 슬라이스는 p형 도핑된 실리콘을 포함한다. 또한, 바람직하게는 실리콘 슬라이스는 광활성 pn 접합을 포함한다.
본 발명은 개선된 실리콘 태양전지를 제조하는 방법을 제공한다.
하기의 본 발명의 바람직한 실시 형태들이 단지 아래의 도면을 참조하여 일례로서 보다 상세하게 설명될 것이다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명에 따른 실리콘 태양전지 제조 방법을 보여주고 있으며,
도 2a 내지 도 2c는 실리콘 슬라이스(slicon slices)에 대한 제1 및 제2 층상 콘택부 배열을 보여주고 있으며,
도 3은 한 세트의 실리콘 슬라이스의 배선을 보여주고 있으며,
도 4는 본 발명에 따른 태양전지의 종단면도이며,
도 5는 본 발명에 따른 실리콘 태양전지 제조 방법을 보여주는 흐름도이다.
아래의 설명에서 유사한 요소에는 동일한 참조 번호가 표시된다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명에 따른 실리콘 태양전지 제조 방법을 보여주고 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 제1 단계에서는 캐리어 플레이트(carrier plate)(100)가 제공된다. 이 단계 다음에는 도 1b 및 도 1c에 도시된 단계들이 이어지며, 이들 단계는 제1 콘택 패턴을 캐리어 플레이트(100)에 적용하는 것을 보여준다. 상세하게 설명하면, 도 1b에 도시된 바와 같이, 마스크(102)가 캐리어 플레이트(100)에 적용된다. 도 1b에서 볼 수 있듯이, 마스크는 폴리머 재료로 구성된 직사각형 격자(grid)이다. 마스크 형성 폴리머 재료는 예를 들면 하드 마스크에 의해 캐리어 플레이트(100) 상에 증착될 수 있다. 여기에서 하드 마스크는 제1 구멍들로 이루어진 패턴을 포함하며, 이들 제1 구멍은 제1 콘택 패턴용으로 지정된 영역에서 캐리어 플레이트를 덮고 있다. 선택적으로는 마스크 형성 폴리머 재료(102)를 소프트 스탬핑(soft stamping)에 의해 캐리어 플레이트(100) 상으로 스탬핑할 수 있다.
도전성 재료를 캐리어 플레이트 상에 증착하는 것은 도 1b 및 도 1c에는 도시되어 있지 않다. 여기에서 마스크 형성 재료(102)의 존재로 인해 도전성 재료는 마스크 형성 재료(102)로 덮이지 아니한 영역에서 캐리어 플레이트 상에 증착될 뿐이다. 도 1c에는 캐리어 플레이트(100) 상으로 증착된 도전성 재료가 참조부호 104로 표시되어 있다. 도전성 재료(104)는 제1 콘택 패턴을 구성한다.
하드 마스크 기법을 이용한 전술한 프린팅 방법(printing method)은 그 밖의 표준 리소그래피 또는 프린팅 기술로 대체될 수 있다는 것을 말해두고자 한다. 그러나 실리콘 태양전지 제조 방법은 고도로 효율적인 제조 공정에 최적화되어 있기 때문에 하드 마스크 기술의 사용이 유리하다.
도 1c를 다시 참조하면, 도 1c에는 캐리어 플레이트(100)가 제1 층상 콘택부(104)으로 덮이고, 이들 콘택부는 직사각형 마스크(102)에 의해 전기적으로, 공간적으로 차단되어 있다. 도 1에 도시 생략한 다른 단계에서 마스크 형성 재료(102)가 제거된다. 그러한 재료 제거 공정은 당업계에서 '스트립핑(stripping)' 공정으로서 알려져 있다.
마지막으로 도 1d에서 캐리어 플레이트는 부착된 실리콘 슬라이스들(108)과 함께 도시되어 있다. 여기에서 이들 실리콘 슬라이스(108)는 제1 콘택 패턴(104)에 부착되어 있다. 이들 실리콘 슬라이스(108)는 가령 픽앤플레이스 기술(pick and place technology)에 의해 제1 콘택 패턴(104)에 적용될 수 있다. 본 발명에 따른 실리콘 태양전지를 완성하기 위해 추가의 제2 콘택 패턴이 다수의 실리콘 슬라이스에 적용되어야 한다. 게다가 이 공정은 도 1b 및 도 1c에서 이미 설명된 단계들을 이용하여 수행될 수 있다.
도 1d에서 볼 수 있듯이, 인접한 실리콘 슬라이스(108) 사이에는 틈새(110)가 존재한다. 태양전지의 안정성을 높이기 위해서는 충전재 재료(여기에서, 도시 생략)가 실리콘 슬라이스들에 적용되며, 이때 충전재 재료는 인접한 실리콘 슬라이스(108) 사이의 틈새(110)를 채운다.
실리콘 태양전지에 고전압 출력을 제공하기 위해, 개별 실리콘 슬라이스들은 직렬로 연결되어야 한다. 그러나 이 공정은 실리콘 태양전지의 대량 생산 공정들과 호환할 수 있는 그런 방식으로 수행되어야 한다. 그러한 문제점에 대한 해결책이 도 2에 도시되어 있다.
도 2a 내지 도 2c는 실리콘 슬라이스에 대한 제1 및 제2 층상 콘택부 배열을 보여주고 있다. 도 2a에는 한 세트의 제1 층상 콘택부(104)의 평면도가 도시되어 있으며, 이들 콘택부는 틈새에 의해 서로 분리되어 있다. 이것이 의미하는 바는 도 2a의 평면도에서 캐리어 플레이트(100)의 블랭크 영역(blank areas)(106)을 볼 수 있다는 것이다. 이들 블랭크 영역(106)에서는 제1 층상 콘택부(104)가 캐리어 플레이트(100)를 덮고 있지 않다. 도 2b는 직사각형 격자 형태로 서로에 대해 배열되어 있는 다수의 실리콘 슬라이스(108)를 보여주고 있다. 여기에서 격자의 총 크기(total dimensions)는 캐리어 플레이트(100)의 총 크기에 대응한다.
도 2c는 제2 층상 콘택부를 형성하는 타일(tiles)(200)을 보여주고 있다. 제1 층상 콘택부(104)와 유사하게 제2 층상 콘택부(200)도 틈새(206)에 의해 분리되어 있다. 도 2c를 도 2a 위에 중첩시켜 보면 제1 층상 콘택부(104)는 제2 층상 콘택부(200)에 대해 상대적으로 하나의 실리콘 슬라이스(108)의 연장 길이만큼 변위 방향으로(좌측에서 우측으로) 변위되어 있다는 것이 명백하며, 이 변위 방향은 도 2a 내지 도 2c에서는 수평 방향을 의미한다. 제2 층상 콘택부(200)에 대한 제1 층상 콘택부(104)의 상대적인 배열의 목적은 도 2a에서 위치(204)로 표시된 위치에서 2개의 개별 슬라이스를 고려하면 명백하게 된다. 개별 슬라이스(108)의 격자를 가진 도 2b를 도 2a 상에 중첩하면, 위치(204)는 도 2b에서 음영 영역으로 표시된 슬라이스에 해당한다. 도 2c 및 도 2b를 중첩하면, 도 2b에서 음영 영역으로 표시된 슬라이스는 도 2c에서 슬라이스 위치(202)에 해당한다. 이것이 의미하는 바는 제1 층상 콘택부(106)와, 제1 층상 콘택부(104) 상에 개별 실리콘 슬라이스(108)의 상대적인 위치 설정과, 개별 실리콘 슬라이스(108) 상에 제2 층상 콘택부(200)의 상대적인 위치 설정에 의해, 수평 방향으로 개별 실리콘 슬라이스(108)의 직렬 상호 연결이 얻어진다는 것이다.
이러한 사실을 더욱 명백하게 하기 위해 한 세트의 실리콘 슬라이스의 배선이 도 3에 도시되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 최상부 수평 라인은 제2 층상 콘택부(200)에 해당하며, 여기에서 수평 최하부 라인은 제1 층상 콘택부(104)에 해당한다. 제1 층상 콘택부(104)와 제2 층상 콘택부(200) 사이에는 개별 실리콘 슬라이스(108)가 위치한다. 수평 방향의 인접한 개별 실리콘 슬라이스(108)를 제1 층상 콘택부(104)와 제2 층상 콘택부(200)와 번갈아 연결함으로써 수평 방향의 개별 실리콘 슬라이스(108)의 직렬 상호 연결이 달성된다. 여기에서 중요한 것은 이러한 직렬 배열(serialization)이 제1 및 제2 층상 콘택 패턴을 캐리어 플레이트에 단순히 적용함으로써 달성된다는 점이다. 실리콘 슬라이스의 수평 직렬 라인 내에서 추가의 배선은 필요하지 않다. 단지 수직 방향으로 직렬 배열된 인접한 실리콘 슬라이스의 직렬 연결을 위해서만 최상부에서 최하부까지 추가 연결, 즉 제2 콘택부(200)에서 제1 콘택부(104)까지 추가 연결이 필요하다.
그러나 제2 층상 콘택부(200)에서 제1 층상 콘택부(104)까지 그러한 추가 연결이 불필요한 경우, 수평 방향으로 직렬로 연결된 개별 슬라이스는 수직 방향의 인접한 제1 층상 콘택부(104)와 수직 방향의 인접한 제2 층상 콘택부(200)에 대해 상호 연결될 수 있으며, 이것은 수직 방향으로 실리콘 슬라이스의 추가적인 병렬 배열(parallelization)을 만들지만 수평 방향으로 실리콘 슬라이스의 직렬 배열을 유지시킨다. 이러한 방식으로 고출력 태양전지가 제조된다.
도 4는 본 발명에 따른 태양전지의 종단면도를 보여주고 있다. 태양전지의 최하부는 캐리어 플레이트(100)를 포함하며, 이 캐리어 플레이트(100)는 최하부로부터 입사하는 빛에 투과성이 있다. 캐리어 플레이트(100) 상의 두 번째 층은 제1 층상 콘택부(104)이다. 도 4의 종단면도에서는 좌우측에 2개의 제1 층상 콘택부(104)가 제공되며, 전기적으로 비전도성을 가진 충전재 재료(400)에 의해 분리되어 있다. 제1 층상 콘택부(104) 상에는 실리콘 슬라이스(108)가 위치한다. 각각의 실리콘 슬라이스(108)는 전기적으로 비전도성을 가진 다른 충전재 재료(400)에 의해 인접한 실리콘 슬라이스(108)로부터 분리되어 있다.
또한, 도 4에 도시된 태양전지의 중앙에 위치한 2개의 인접한 실리콘 슬라이스(108)는 제2 층상 콘택부(200)에 의해 상호 연결되며, 이로써 이들 실리콘 슬라이스(108)의 직렬 상호 연결이 이루어진다. 도 3에 도시된 회로도를 감안한다면, 이 회로도는 도 4의 태양전지 종단면도가 반영된 것인데, 즉 도 4에서 좌측에서 우측으로 보면, 전류는 가장 좌측의 실리콘 슬라이스(108)에서 그 하부의 제1 층상 콘택부(104)로, 이 콘택부(104)에서 다음의 실리콘 슬라이스(108)로, 이 실리콘 슬라이스(108)에서 제2 층상 콘택부(200)로, 이 제2 층상 콘택부(200)로부터 다음의 우측 실리콘 슬라이스(108)로, 이 실리콘 슬라이스(108)에서 그 하부의 제1 층상 콘택부(104)로, 그러고 나서 다시 다음의 우측 실리콘 슬라이스(108)로 흐를 수 있다.
또한 도 4에는 태양전지의 효율을 낮추는 재결합 효과를 감소시키기 위해 예컨대 보호 코팅이 될 수 있는 추가의 코팅(404)이 도시되어 있다. 또한 이 층(404)은 캐리어 플레이트(100)에 입사되지만 실리콘 슬라이스(108)에 의해 흡수되지는 않는 배면광을 반사시키기 위해 흡수 확률을 증가시키는 고반사 재료, 예컨대 은 또는 알루미늄을 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 실리콘 태양전지 제조 방법을 보여주는 흐름도이다. 단계(500)에서, 습식 벤치(wet bench)를 이용하여 유리 캐리어 플레이트를 세정한다. 이것은 원하지 않는 먼지 또는 티끌이 끼어들지 않고 고품질 태양전지를 제조할 수 있는 것을 보장한다. 단계(500) 다음에는, 가령 프린팅 또는 리소그래피 기술을 이용하여 최하부 콘택부용 패턴을 형성하는 단계(502)가 이어진다. 바람직하게는 단계(502)에서는 하드 마스크를 이용하여 캐리어 플레이트 상으로 폴리머를 인쇄하며, 이 하드 마스크는 후속 단계(504)에서 인쇄된 폴리머를 경화시키는 데에 필요하다. 그러한 경화는 예컨대 열경화 또는 자외선 경화가 될 수 있다.
캐리어 플레이트 상으로 인쇄된 폴리머는 제1 콘택 패턴에 의해 덮이도록 지정되지 아니한 영역을 네거티브 프린트로서 덮이며, 이 제1 콘택 패턴은 단계(506)에서 캐리어 플레이트 상으로 증착된다. 예를 들면, 단계(506)에서는 가령 ALZnO와 같은 제1 콘택 패턴 재료를 스퍼터링에 의해 증착한다. 이 단계 다음에는, 증착된 제1 콘택 패턴을 가진 캐리어 플레이트를 다시 세정하는 단계(508)가 이어진다. 도 5에는 캐리어 플레이트로부터 인쇄된 폴리머를 스트립하는, 즉 제거하는 단계는 도시되어 있지 않은데, 왜냐하면 이러한 폴리머 마스크는 태양전지의 다른 제조 단계에 더 이상 필요로 하지 않기 때문이다.
세정 단계(508) 후에, 단계(510)에서는 단계(506)에서 사전에 증착되었던 제1 콘택 패턴에 콘택 접착제(contact glue)를 증착한다. 예를 들면, 콘택 패턴 상으로 콘택 접착제를 증착하는 것은 가령 SMD 하드 마스크를 이용하여 종래의 프린팅 기술로 실시될 수 있다. 콘택 접착제를 사용하는 대신에, 콘택 패턴 상에 실리콘 슬라이스들을 고정하기 위해 양극 본딩(anodic bonding)을 이용하는 것도 역시 가능하다. 이들 실리콘 슬라이스는 단계(512)에서 픽앤드플레이스 기술로 콘택 패턴 상에 위치하게 된다. 단계(510)에서 접착제를 사용하는 경우, 단계(514)에서는 콘택 접착제를 경화시킨다.
단계(506)에서는 인쇄된 폴리머의 존재로 인해 단지 어떤 영역만이 제1 콘택부로 덮이기 때문에, 그리고 단계(512)에서는 실리콘 슬라이스들이 이 제1 콘택부 상에 위치하기 때문에, 인접하게 위치한 실리콘 슬라이스들 사이에는 틈새가 존재한다. 이들 틈새는 단계(516)에서 절연 폴리머(isolation polymer)를 이용하여 채워진다. 이러한 폴리머는 단계(518)에서 가령 열경화 또는 자외선 경화를 이용하여 경화된다. 마지막 단계(520)에서는 홀수 번째 슬라이스들이 프린팅 배선 기술을 이용하여 상측에서 연결된다. 그러나 일반적으로는 상측에서 홀수 번째 슬라이스들을 연결하는 것은 제1 콘택 패턴을 증착하는 전술한 동일 단계들, 즉 단계(502, 504, 506)를 이용하여 실시될 수 있다.
이러한 기술을 이용하면, 태양 기술에 사용하는 실리콘 재료가 90%까지 감소되는 것이 보증된다. 이것은 엄청난 비용 절감을 가능하게 해준다. 제조 공정은 또한 우수한 조립 자동화를 가능하게 한다. 배면 콘택부는 용이한 연결 기술에 의해 확보된다. 전지는 통상적으로 0.6V/12A에서 시작해서 220V/0.06A까지의 임의의 전압/전류 비를 위해 간단히 구성될 수 있다.
100 캐리어 플레이트
102 마스크
104 제1 층상 콘택부
106 블랭크 플레이트
108 실리콘 슬라이스
110 틈새
200 제2 층상 콘택부
202 위치
204 위치
206 틈새
400 충전재
404 코팅

Claims (10)

  1. 실리콘 태양전지를 제조하는 방법으로서,
    캐리어 플레이트(100)를 제공하는 단계와,
    상기 캐리어 플레이트(100)에 제1 콘택 패턴을 적용하되, 상기 제1 콘택 패턴은 한 세트의 제1 층상 콘택부(104)를 포함하는, 단계와,
    상기 제1 콘택 패턴에 다수의 실리콘 슬라이스(108)를 적용하되, 상기 세트의 제1 층상 콘택부(104) 각각은 최대 2개의 실리콘 슬라이스(108)와 공간적인 층상 콘택을 하는, 단계와,
    상기 다수의 실리콘 슬라이스(108)에 제2 콘택 패턴을 적용하되, 상기 제2 콘택 패턴은 한 세트의 제2 층상 콘택부(200)를 포함하며, 상기 세트의 제2 층상 콘택부(200) 각각은 최대 2개의 실리콘 슬라이스(108)와 공간적인 층상 콘택을 하는, 단계
    를 포함하는 것인 실리콘 태양전지 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 세트의 제1 층상 콘택부(104) 각각은 정확하게 2개의 실리콘 슬라이스(108)와 공간적인 층상 콘택을 하고,
    상기 세트의 제2 층상 콘택부(200) 각각은 정확하게 2개의 실리콘 슬라이스(108)와 공간적인 층상 콘택을 하는
    것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    각각의 실리콘 슬라이스는 정확하게 1개의 제1 층상 콘택부와 1개의 제2 층상 콘택부와 공간적인 층상 콘택을 하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐리어 플레이트(100) 및/또는 상기 실리콘 슬라이스(108)의 보호처리 및/또는 반사방지 코팅을 실시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐리어 플레이트(100)로부터 벗어난 쪽에서 상기 실리콘 슬라이스(108)를 금속 배선하는(metallizing) 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 콘택 패턴에 상기 실리콘 슬라이스(108)를 적용한 후에 상기 실리콘 슬라이스(108)를 n형 도핑하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실리콘 슬라이스(108)를 상기 제1 층상 콘택부(104)에 접착하는 단계, 및/또는 상기 실리콘 슬라이스(108)를 상기 제2 층상 콘택부(200)에 접착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지 제조 방법.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 또는 제2 콘택 패턴은 프린팅 또는 리소그래피에 의해 상기 캐리어 플레이트(100)에 적용되는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지 제조 방법.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실리콘 슬라이스(108)에 충전재 재료(400)를 적용하는 단계를 더 포함하며, 상기 충전재 재료(400)는 인접한 실리콘 슬라이스 사이의 틈새(110)를 채우며, 상기 충전재 재료(400)는 전기적으로 절연되는 것을 특징으로 하는 실리콘 태양전지 제조 방법.
  10. 캐리어 플레이트(100)와,
    상기 캐리어 플레이트(100) 상에 위치하고, 한 세트의 제1 층상 콘택부(104)를 포함하는 제1 콘택 패턴과,
    상기 제1 콘택 패턴 상에 위치하되, 상기 세트의 제1 층상 콘택부(104) 각각은 최대 2개의 실리콘 슬라이스(108)와 공간적인 층상 콘택을 하는, 다수의 실리콘 슬라이스(108)와,
    상기 다수의 실리콘 슬라이스(108) 상에 위치하고 한 세트의 제2 층상 콘택부(200)를 포함하되, 상기 세트의 제2 층상 콘택부(200) 각각은 최대 2개의 실리콘 슬라이스(108)와 공간적인 층상 콘택을 하는, 제2 콘택 패턴
    을 포함하는, 실리콘 태양전지.
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