KR20100125521A - Solar cell with novel electrode structure and method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 전면 전극을 반도체 기판의 상부의 공중에 가설되도록 하여 태양광의 유효 입사 면적을 최대화시킬 수 있는 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a solar cell and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a solar cell and a method of manufacturing the same that allows the front electrode to be hypothesized in the air above the semiconductor substrate to maximize the effective incident area of sunlight.
태양 전지는 태양광 에너지를 직접 전기 에너지로 변화시키는 반도체 소자로써, p형의 반도체와 n형 반도체의 접합 형태를 가지며 그 기본 구조는 다이오드와 동일하다. 태양 전지는 크게 실리콘 태양 전지와 화합물 반도체 태양 전지 등으로 분류할 수 있다. 도 1은 일반적인 태양 전지의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1을 참조하면, 일반적으로 태양 전지는 실리콘 기판에 인, 비소, 안티몬 등과 같은 5가 원소를 첨가시킨 n형 반도체와 붕소, 칼륨 등과 같은 3가 원소를 침투시킨 p형 반도체로 이루어진 p-n 접합 구조로 이루어진다. 외부에서 빛이 태양 전지에 입사되었을 때, p형 반도체의 전도대의 전자는 입사된 광에너지에 의해 가전자대로 여기된다. 이렇게 여기된 전자는 p형 반도체 내부에 한 개의 전자-정공 쌍을 생성하게 된다. 이렇게 발생된 전자-정공쌍 중 전자는 p-n 접합 사이에 존재하 는 전기장에 의하여 n형 반도체로 넘어가게 되어 외부에 전류를 공급하게 된다. A solar cell is a semiconductor device that directly converts solar energy into electrical energy. The solar cell has a junction type of a p-type semiconductor and an n-type semiconductor, and its basic structure is the same as that of a diode. Solar cells can be broadly classified into silicon solar cells and compound semiconductor solar cells. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a typical solar cell. Referring to FIG. 1, a solar cell generally includes a pn junction structure including an n-type semiconductor including pentavalent elements such as phosphorus, arsenic, and antimony on a silicon substrate, and a p-type semiconductor penetrating trivalent elements such as boron and potassium. Is made of. When light is incident on the solar cell from the outside, electrons in the conduction band of the p-type semiconductor are excited to the valence band by the incident light energy. The excited electrons generate one electron-hole pair inside the p-type semiconductor. The electrons of the generated electron-hole pairs are transferred to the n-type semiconductor by an electric field existing between the p-n junctions to supply current to the outside.
전술한 바와 같이, 태양 전지는 태양 전지로 입사되는 광에너지의 양에 따라 생성되는 전류의 양이 결정된다. As described above, the amount of current generated in the solar cell is determined by the amount of light energy incident on the solar cell.
한편, 웨이퍼의 반사율을 감소시키고 태양 전지의 전체적인 효율을 상승시키기 위하여, 반도체 기판의 표면에 요철을 형성하는 텍스쳐링 공정이 다양하게 제안되고 있다. 하지만, 요철들이 형성된 반도체 기판의 표면에 전극을 형성할 때, 금속층을 도포한 후 패터닝하거나 트렌치를 형성하고 트렌치내에 금속 배선용 물질을 채워넣는 방식등을 사용하게 된다. 하지만, 이러한 종래의 전극 생성 방식들은 전극들이 반도체 기판의 표면 중 일정 부분을 덮게 되고, 그 결과 전극들에 의하여 태양광이 입사되는 유효 입사 면적이 감소하게 된다. 도 2는 종래의 기술에 따라 요철들이 형성된 반도체 기판의 표면에 전극들이 형성된 상태를 예시적으로 도시한 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전극이 요철과 요철 사이의 빈 공간을 모두 메움으로써, 태양광의 유효 입사 면적이 감소하게 된다. On the other hand, in order to reduce the reflectance of the wafer and increase the overall efficiency of the solar cell, various texturing processes for forming irregularities on the surface of the semiconductor substrate have been proposed. However, when the electrode is formed on the surface of the semiconductor substrate on which the irregularities are formed, a method of applying a metal layer and then patterning or forming a trench and filling a metal wiring material in the trench is used. However, these conventional electrode generation schemes cause the electrodes to cover a portion of the surface of the semiconductor substrate, and as a result, the effective incident area where sunlight is incident by the electrodes is reduced. 2 is a cross-sectional view illustrating a state in which electrodes are formed on a surface of a semiconductor substrate on which irregularities are formed according to a conventional technology. As shown in FIG. 2, as the electrode fills in all the empty spaces between the unevenness and the unevenness, the effective incident area of sunlight is reduced.
이로써, 전극이 형성된 부분은 광이 흡수되지 못하고 반사되거나 에너지 생성에 도움이 되지 못하는 문제점이 있다. 또한, 직렬 저항 성분이 증가하게 되는 문제점이 있다. 일반적으로 상용화되고 있는 태양 전지 제품에 있어서 전체 면적 중 전극이 차지하는 비율이 약 10% 정도되며, 실질적으로 이러한 비율은 태양 전지의 효율에 나쁜 영향을 미치게 된다. As a result, the portion where the electrode is formed has a problem in that light is not absorbed and is not reflected or helps to generate energy. In addition, there is a problem that the series resistance component is increased. In general, in the solar cell products that are commercially available, the electrode occupies about 10% of the total area, and the ratio substantially affects the efficiency of the solar cell.
전술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 태양광의 유효 입사 면적을 최대화시킬 수 있는 전극 구조를 갖는 태양 전지를 제공하는 것이다. In order to solve the above problems, it is an object of the present invention to provide a solar cell having an electrode structure capable of maximizing the effective incident area of sunlight.
본 발명의 다른 목적은 전술한 태양 전지를 제조하는 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing the solar cell described above.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제1 특징은 공중 가설된 전극 구조를 갖는 태양 전지에 관한 것으로서, 상기 태양 전지는 전면에 피라미드 형상의 요철들이 반복적으로 형성되고, 특정 유형의 불순물이 도핑된 반도체 기판; 상기 반도체 기판의 요철들이 형성된 전면에 형성되고, 상기 반도체 기판과는 반대 유형의 불순물이 도핑된 에미터층; 상기 에미터층의 상부에 형성된 절연층; 금속 배선이 상기 에미터층의 요철들의 꼭지점들을 연결하고, 상기 금속 배선에 의해 상기 요철들의 꼭지점들에만 접촉되고 나머지 영역에는 접촉되지 않도록 형성된 전면 전극; 상기 반도체 기판의 후면에 형성된 후면 전극;을 구비한다. A first aspect of the present invention for achieving the above technical problem relates to a solar cell having an aerial structure, the solar cell is a pyramidal shape irregularities are repeatedly formed on the front surface, and a certain type of impurities are doped Semiconductor substrates; An emitter layer formed on an entire surface of the semiconductor substrate, wherein the emitter layer is doped with impurities of a type opposite to that of the semiconductor substrate; An insulation layer formed on the emitter layer; A front electrode formed of a metal wire connecting the vertices of the unevenness of the emitter layer and being in contact with only the vertices of the unevenness by the metal wire and not in the remaining area; And a rear electrode formed on the rear surface of the semiconductor substrate.
본 발명의 제2 특징에 따른 태양 전지 제조 방법은, (a) 반도체 기판의 전면을 텍스쳐링하여 상기 반도체 기판의 전면에 피라미드 형상의 요철들을 형성하는 단계; (b) 상기 반도체 기판의 전면에 상기 반도체 기판과 반대 유형의 불순물을 도핑하여 에미터층을 형성하는 단계; (c) 상기 에미터층들이 서로 연결되도록 상기 요철들의 꼭지점들만을 연결하는 전면 전극을 형성하는 단계; (d) 상기 반도체 기 판의 요철이 형성되지 않은 후면에 후면 전극을 형성하는 단계;를 구비하고, 상기 전면 전극은 상기 에미터층의 꼭지점들만을 연결되도록 형성하고 꼭지점을 제외한 나머지 영역들에는 형성되지 않도록 하여, 반도체 기판의 표면에 공중 가설된 형태로 이루어진다. According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a solar cell, the method comprising: (a) forming a pyramid-shaped irregularities on a front surface of the semiconductor substrate by texturing the front surface of the semiconductor substrate; (b) forming an emitter layer on a front surface of the semiconductor substrate by doping impurities of a type opposite to that of the semiconductor substrate; (c) forming a front electrode connecting only the vertices of the concavities and convexities so that the emitter layers are connected to each other; (D) forming a rear electrode on the rear surface of the semiconductor substrate is not formed, the front electrode is formed so as to connect only the vertices of the emitter layer and is not formed in the remaining areas except the vertex In order to prevent this, it is made in the form of an air hypothesis on the surface of a semiconductor substrate.
전술한 제2 특징에 따른 태양 전지 제조 방법에 있어서, 상기 (c) 단계는, (c1) 별도의 기판을 준비하는 단계; (c2) 상기 기판의 표면에 상기 요철의 꼭지점들을 연결할 수 있는 형상의 금속 배선 패턴을 형성하는 단계; (c3) 상기 기판의 금속 배선 패턴이 형성된 면과 상기 반도체 기판의 전면을 본딩하는 단계; (c4) 상기 기판을 제거하는 단계;를 구비하여 전면 전극을 형성하는 것이 바람직하다. In the solar cell manufacturing method according to the second feature described above, the step (c), (c1) preparing a separate substrate; (c2) forming a metal wiring pattern on the surface of the substrate to connect the vertices of the unevenness; (c3) bonding the front surface of the semiconductor substrate with a surface on which the metal wiring pattern is formed; (c4) removing the substrate; preferably, forming a front electrode.
본 발명에 따른 태양 전지는 반도체 기판의 표면을 텍스쳐링하여 피라미드 형상의 요철을 형성한 후 전면 전극을 반도체 기판의 상부의 공중에 가설함으로써, 반도체 기판의 전체 면적 중 전극이 차지하는 비율을 최소화시킬 수 있게 된다. 그 결과, 태양 전지가 태양광을 흡수할 수 있는 유효 입사면적을 최대화시킬 수 있게 되어 태양 전지의 효율을 상승시키게 된다. 예컨대, 전극의 폭이 50um 인 경우, 전극이 차지하는 비율은 25%가 되나, 본 발명에 따른 공중 가설 구조의 전극을 형성하면 꼭지점만을 가리게 되므로 전극에 의해 가려지는 부분이 6.25% 으로 감소하게 되는 것이다. In the solar cell according to the present invention, the surface of the semiconductor substrate is textured to form pyramidal irregularities, and then the front electrode is hypothesized in the air above the semiconductor substrate, thereby minimizing the proportion of the electrode in the total area of the semiconductor substrate. do. As a result, the solar cell can maximize the effective incidence area capable of absorbing sunlight, thereby increasing the efficiency of the solar cell. For example, when the width of the electrode is 50um, the electrode occupies 25%, but when forming the electrode of the public hypothesis structure according to the present invention, since only the vertex is covered, the portion covered by the electrode is reduced to 6.25%. .
또한, 본 발명에 따른 태양 전지는 피라미드 형상의 요철의 꼭지점들을 연결하여 전극을 형성함으로써 많은 수의 전극을 형성할 수 있게 된다. 그 결과, 캐리 어의 이동 거리를 짧게 할 수 있어 캐리어의 수집이 용이하게 할 수 있게 된다. In addition, the solar cell according to the present invention can form a large number of electrodes by connecting the vertices of the pyramidal irregularities to form the electrode. As a result, the moving distance of the carrier can be shortened and the collection of carriers can be facilitated.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공중 가설된 전극 구조를 갖는 태양 전지 및 그 제조 방법에 대하여 구체적으로 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail with respect to a solar cell and a method for manufacturing the solar cell having an aerial structure according to a preferred embodiment of the present invention.
제1 First 실시예Example : 공중가설된 전극구조를 갖는 태양 전지 : Solar cell with aerial structure
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 공중 가설된 전극 구조를 갖는 태양 전지를 도시한 단면도이다. 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 태양 전지(30)는 반도체 기판(300), 에미터층(310), 절연층(320), 전면 전극(330), 후면 전극(340)을 구비하며, 상기 전면 전극(330)은 절연층의 상부에 공중 가설되는 것을 특징으로 한다. 3 is a cross-sectional view of a solar cell having an aerial structured electrode structure according to a first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, the solar cell 30 according to the present exemplary embodiment includes a
상기 반도체 기판(300)은 전체적으로 p형 또는 n형 불순물로 도핑되어 있으며, 텍스쳐링 공정을 통해 반도체 기판의 전면에 피라미드 형상의 요철들(350)이 반복적으로 형성되어 있다. 특히 반도체 기판은 실리콘 웨이퍼로 이루어지는데, 실리콘 웨이퍼의 결정 방향에 따라 식각 속도가 달라지기 때문에, 텍스쳐링 공정에 의해 반도체 기판의 표면에 피라미드 형상의 요철들이 형성된다. 즉, 실리콘의 (100)면보다 (111)면이 더 느린 식각 속도를 가지므로, (100) 단결정으로 이루어진 반도체 기판의 표면에는 피라미드 형상의 요철들이 형성되고 반도체 기판의 (111) 면이 피라미드의 노출면이 된다. 또한, 텍스쳐링 공정전에 반도체 기판의 후면에는 식각 방지층을 도포함으로써, 텍스쳐링 공정을 수행하더라도 반도체 기판의 후면은 식각되지 아니하고 반도체 기판의 전면에만 피라미드 형상의 요철들이 형성된다. 상기 식각 방지층은 반도체 질화막을 사용할 수 있다. The
상기 에미터층(310)은 상기 반도체 기판의 전면에 반도체 기판과 반대 유형의 불순물을 고농도 도핑되어 형성된다. 만약 반도체 기판이 n형 불순물이 도핑된 경우에는 상기 에미터층은 p+ 층으로 형성될 것이며, 반도체 기판이 p형 불순물이 도핑된 경우에는 상기 에미터층은 n+ 층으로 형성될 것이다. The
상기 절연층(320)은 상기 에미터층(310)위에 SiN2 또는 SiO2 층으로 형성될 수 있으며, 패시베이션(passivation)층으로 사용되거나 반사방지막으로 사용될 수 있을 것이다.The
상기 에미터층(310) 및 절연층(320)은 피라미드 형상의 요철들이 형성된 반도체 기판상에 형성되므로, 상기 에미터층 및 절연층도 반도체 기판과 동일하게 피라미드 형상의 요철들을 구비하게 된다. Since the
상기 전면 전극(330)은 상기 에미터층의 요철들의 꼭지점들을 연결하는 금속 배선들로 이루어진다. 상기 전면 전극의 금속 배선들은 상기 에미터층의 요철들의 꼭지점들을 연결하므로, 상기 전면 전극은 상기 요철들의 꼭지점들에만 접촉되고 나머지 영역('a' 표시 영역)에는 접촉되지 않도록 형성된다. 그 결과, 상기 에미터층의 꼭지점을 제외한 나머지 영역에는 금속 배선이 형성되지 않게 되어 전면 전극이 공중 가설된 구조를 갖게 된다. The
상기 후면 전극(340)은 상기 반도체 기판의 후면에 형성된다. The
전술한 구조를 갖는 본 발명에 따른 태양 전지는 공중 가설된 구조를 갖는 전면 전극을 구비함으로써, 빛을 흡수하는 에미터층 영역이 전면 전극에 의해 가려지는 면적을 최소화시키게 되고 전극에 의해 반사되는 빛의 양도 최소화시키게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 태양 전지는 빛 흡수면적을 최대화시킬 수 있게 되어, 소자의 효율을 증가시키게 된다. The solar cell according to the present invention having the above-described structure includes a front electrode having an air hypothesized structure, thereby minimizing an area of the emitter layer absorbing light by the front electrode and minimizing the amount of light reflected by the electrode. The amount is also minimized. Therefore, the solar cell according to the present invention can maximize the light absorption area, thereby increasing the efficiency of the device.
제2 2nd 실시예Example : 태양 전지의 제조 방법 : Manufacturing Method of Solar Cell
이하, 도 4 내지 도 6를 참조하여 전술한 구조의 태양 전지의 제조 방법을 구체적으로 설명한다. 도 4는 본 발명에 따른 태양 전지의 제조 방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이며, 도 5는 태양 전지가 제작된 중간 과정의 반도체 기판을 도시한 평면도이며, 도 6은 금속 배선 패턴을 도시한 평면도이다. Hereinafter, a method of manufacturing the solar cell of the above-described structure will be described in detail with reference to FIGS. 4 to 6. 4 is a flowchart schematically illustrating a method of manufacturing a solar cell according to the present invention, FIG. 5 is a plan view illustrating a semiconductor substrate in an intermediate process in which a solar cell is manufactured, and FIG. 6 is a plan view illustrating a metal wiring pattern. .
도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 태양 전지 제조 방법은 먼저 반도체 기판의 후면에는 식각 방지층을 도포하고 식각함으로써, 반도체 기판의 전면을 텍스쳐링하여 상기 반도체 기판의 전면에 피라미드 형상의 요철들을 형성한다(단계 400). 도 5는 반도체 기판의 표면위에 피라미드 형상의 요철들이 형성된 상태를 도시한 평면도이다. 다음, 상기 반도체 기판의 전면에 상기 반도체 기판과 반대 유형의 불순물을 도핑하여 에미터층을 형성한다(단계 410). 4 to 6, in the method of manufacturing a solar cell according to the present invention, first, by applying and etching an etch stop layer on a rear surface of a semiconductor substrate, the front surface of the semiconductor substrate is textured to form pyramidal irregularities on the front surface of the semiconductor substrate. Form (step 400). 5 is a plan view showing a state in which pyramidal irregularities are formed on a surface of a semiconductor substrate. Next, an emitter layer is formed on the entire surface of the semiconductor substrate by doping impurities of a type opposite to that of the semiconductor substrate (step 410).
다음, 상기 에미터층들이 서로 연결되도록 상기 요철들의 꼭지점들만을 연결하는 전면 전극을 형성한다(단계 420). 본 발명에 따른 전면 전극을 형성하는 일 실시 형태는 다음과 같다. 도 6은 상기 전면 전극을 형성하기 위하여 사용되는 금 속 배선 패턴을 갖는 기판을 도시한 평면도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 별도의 기판을 준비하고, 상기 기판의 표면에 상기 요철의 꼭지점들을 연결할 수 있는 형상의 금속 배선 패턴을 형성한다. 이 때, 상기 기판은 유리 기판인 것이 바람직하고, 상기 기판의 표면에 금속 배선용 물질을 금속 배선 모양으로 스크린 프린팅하거나 기판의 표면에 금속 배선용 물질을 도포한 후 패터닝하여 금속 배선 패턴을 형성할 수 있다. 다음, 상기 기판의 금속 배선 패턴이 형성된 면과 상기 반도체 기판의 전면을 본딩한 후, 상기 기판을 제거함으로써, 전면 전극이 완성된다. 공중 가설된 구조를 갖는 전면 전극을 형성하기 위하여 본 명세서에 설명된 방법외에도 다양한 방법이 사용될 수 있다. Next, to form the front electrode connecting only the vertices of the irregularities so that the emitter layers are connected to each other (step 420). An embodiment of forming the front electrode according to the present invention is as follows. 6 is a plan view showing a substrate having a metal wiring pattern used to form the front electrode. As shown in FIG. 6, a separate substrate is prepared, and a metal wiring pattern having a shape capable of connecting vertices of the unevenness is formed on a surface of the substrate. In this case, the substrate is preferably a glass substrate, and the metal wiring pattern may be formed by screen printing the metal wiring material on the surface of the substrate in the shape of a metal wiring or by applying the metal wiring material on the surface of the substrate and then patterning the metal wiring material. . Next, after bonding the front surface of the semiconductor substrate and the surface on which the metal wiring pattern is formed, the front electrode is completed by removing the substrate. In addition to the methods described herein, various methods may be used to form the front electrode having an air hypothesized structure.
다음, 반도체 기판의 후면에 반도체 기판과 동일한 유형의 불순물을 고농도로 도핑하고 금속 배선용 물질을 도포한 후 패터닝하여 후면 전극을 완성한다(단계 430).Next, the back electrode of the semiconductor substrate is heavily doped with impurities of the same type as the semiconductor substrate, coated with a metal wiring material, and patterned to complete the back electrode (step 430).
도 7은 전술한 공정에 의해 완성된 태양 전지를 도시한 평면도이다. 도 7의 A-A' 방향을 따라 도시한 단면도가 도 3의 소자이다. 7 is a plan view showing a solar cell completed by the above-described process. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 7.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments thereof, this is merely an example and is not intended to limit the present invention, and those skilled in the art do not depart from the essential characteristics of the present invention. It will be appreciated that various modifications and applications which are not illustrated above in the scope are possible. And differences relating to such modifications and applications should be construed as being included in the scope of the invention as defined in the appended claims.
본 발명은 태양 전지 분야에 널리 사용될 수 있다. The present invention can be widely used in the field of solar cells.
도 1은 일반적인 태양 전지의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a typical solar cell.
도 2는 종래의 기술에 따라 요철들이 형성된 반도체 기판의 표면에 전극들이 형성된 상태를 예시적으로 도시한 단면도이다. 2 is a cross-sectional view illustrating a state in which electrodes are formed on a surface of a semiconductor substrate on which irregularities are formed according to a conventional technology.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 공중 가설된 전극 구조를 갖는 태양 전지를 도시한 단면도이다. 3 is a cross-sectional view of a solar cell having an aerial structured electrode structure according to a first embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 태양 전지의 제조 방법을 개략적으로 설명하는 흐름도이며, 도 5는 태양 전지가 제작된 중간 과정의 반도체 기판을 도시한 평면도이며, 도 6은 금속 배선 패턴을 도시한 평면도이다. 4 is a flowchart schematically illustrating a method of manufacturing a solar cell according to the present invention, FIG. 5 is a plan view illustrating a semiconductor substrate in an intermediate process in which a solar cell is manufactured, and FIG. 6 is a plan view illustrating a metal wiring pattern. .
도 7은 본 발명에 따른 태양 전지의 제조 방법에 의해 완성된 태양 전지를 도시한 평면도이다.7 is a plan view showing a solar cell completed by the method for manufacturing a solar cell according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
30 : 태양 전지30: solar cell
300 : 반도체 기판300: semiconductor substrate
310 : 에미터층310: emitter layer
320 : 절연층320: insulation layer
330 : 전면 전극330: front electrode
340 : 후면 전극340: rear electrode
350 : 요철들350: irregularities
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