KR20110079692A - 단일체로 통합된 태양광 모듈 - Google Patents

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Abstract

태양광 모듈은 기판과, 복수 개의 전기적으로 상호 연결된 태양 전지와, 상부 분리 갭을 포함한다. 태양 전지는 기판 위에 제공된다. 태양 전지들 중 적어도 하나는 반사성 전극과, 실리콘 층 스택과, 광 투과 전극을 포함한다. 반사성 전극은 기판 위에 제공된다. 실리콘 층 스택은 반사성 전극 위에 제공되는 n-도핑 층과, n-도핑 층 위에 제공되는 진성 층과, 진성 층 위에 제공되는 p-도핑 층을 포함한다. 광 투과 전극은 실리콘 층 스택 위에 제공된다. 상부 분리 갭은 전지들 사이에 제공된다. 상부 분리 갭은, 태양 전지들 중 하나의 광 투과 전극이 태양 전지들 중 다른 하나의 반사성 전극에 전기적으로 연결되도록 태양 전지의 광 투과 전극을 서로로부터 전기적으로 분리시킨다.

Description

단일체로 통합된 태양광 모듈{MONOLITHICALLY-INTEGRATED SOLAR MODULE}
본 출원은 2008년 9월 29일 출원된 발명의 명칭이 "단일체로 통합된 태양광 모듈(Monolithically-Integrated Solar Module)"인 미국 가출원 제61/101,022호("'022 출원")의 우선권 이익을 주장한다. '022 출원의 전 기재는 본원에 그 전문이 참조로 통합된다.
본 발명은 일반적으로 태양 전지에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 태양 전지를 태양광 모듈에 단일체로 통합시키는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
태양광 모듈은 입사광을 전기로 변환시킨다. 태양광 모듈은 서로 전기적으로 직렬 연결된 여러 태양 전지를 포함한다. 각각의 태양 전지는 상부 전극과 하부 전극 사이에 끼어있는 다중 반도체 층의 스택을 포함할 수 있다. 하나의 태양 전지의 상부 전극은 이웃하는 태양 전지의 하부 전극에 전기적으로 연결된다. 반도체 층의 스택은 한 쌍의 도핑 반도체 층 사이에 끼어있는 진성 반도체 층을 포함한다. 일부 공지된 태양 전지에는, 반도체 층의 스택이 p-도핑 반도체 재료로 된 하부의 제1 증착 층과, 하부 층상에 증착된 중간의 진성 또는 약하게 도핑된 반도체 재료와, 진성 층상에 증착된 n-도핑 반도체 재료로 된 상부 층을 포함하는 것을 의미하는, 반도체 층의 P-I-N 스택을 포함한다. 다른 공지된 태양 전지에서는, 반도체 층의 스택이 n-도핑 반도체 재료로 된 하부 층과, 중간 진성 또는 약하게 도핑된 반도체 재료와, p-도핑 반도체 재료로 된 상부 층을 포함하는 것을 의미하는, 반도체 층의 N-I-P 스택을 포함한다.
태양 전지에 입사되는 광은 반도체 층 스택을 타격한다. 광의 광자는 전자를 여기시키고, 반도체 층 스택의 원자로부터 전자가 분리되게 유도한다. 전자가 원자로부터 분리될 때 상보적인 양전하 또는 정공이 생성된다. 전자는 반도체 층 스택을 통해 드리프트(drift)되거나 또는 확산되고, 상부 및 하부 전극들 중 하나에 수집된다. 정공은 반도체 층 스택을 통해 드리프트되거나 또는 확산되고, 상부 및 하부 전극들 중 다른 하나에 수집된다. 상부 및 하부 전극에의 전자 및 홀의 수집은 각각의 태양 전지의 전압차를 발생시킨다. 태양 전지의 전압차는 태양광 모듈을 가로질러 가산될 수 있다. 예를 들어, 태양 전지가 직렬 연결된다면, 각각의 태양 전지의 전압차는 함께 가산된다.
전류 및 전압은 상부 전극 및 하부 전극을 통해 그리고 이웃하는 태양 전지들 사이의 전자 및 정공의 흐름에 의해 생성된다. 각각의 태양 전지에 의해 생성된 전압은 태양광 모듈의 태양 전지를 가로질러 직렬로 가산된다. 이후, 전류는 외부 전기 부하에 사용하기 위해 태양광 모듈로부터 인출된다.
일부 공지된 태양 전지의 P-I-N 반도체 층 스택에 있어서, 반도체 층 스택의 p-도핑 비정질 또는 미결정질(microcrystalline) 실리콘 층으로부터 반도체 층 스택의 중간 진성 비정질 또는 미결정질 실리콘 층으로의 붕소의 상호 확산은 반도체 층 스택 내에서의 접합 오염(junction contamination)을 야기할 수 있다. 반도체 층 스택 내의 접합 오염은 태양광 모듈의 효율을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 비정질 반도체 층 스택을 갖는 공지된 P-I-N 태양 전지에서는, i-층 및 n-층이 증착되기 전에 p-층이 증착되어, "p/i 오염 효과"를 야기할 수 있다. p/i 오염 효과는 p-층을 형성하는데 사용되는 도펀트의 상호 확산이며, 이러한 도펀트는 예를 들어 붕소를 포함할 수 있다. 진성 층으로의 붕소의 상호 확산의 양은 진성 및 n-도핑 반도체 층이 증착되는 온도와 관련될 수 있다. 결과적으로, 진성 및 n-도핑 층의 증착 온도가 증가함에 따라 p/i 오염의 양이 증가한다.
p/i 오염의 양을 감소시키기 위해서, P-I-N 반도체 층 스택을 갖는 공지된 태양 전지는, 진성 및 n-도핑 반도체 층의 증착에 대해 낮은 증착 온도를 채용한다. 예를 들어, 일부 공지된 태양 전지는 대략 220℃보다 낮은 증착 온도를 이용할 수 있다. 대략 220℃보다 높은 증착 온도는 입사광을 전기로 변환시키는 태양 전지의 효율을 전체적으로 감소시키기에 충분한 p/i 오염을 초래할 수 있다. 다른 한편, P-I-N 반도체 층 스택의 반도체 층들 사이에 도펀트 상호 확산이 존재하지 않는 경우, 반도체 층 스택의 실리콘 막의 품질 및 전자 특성은 더 높은 증착 온도에서 향상되는 경향이 있다.
높은 증착 온도에서 태양 전지의 p/i 오염 효과의 크기를 감소시킬 수 있는 한가지 방법으로, N-I-P 반도체 층 스택의 진성 반도체 층을 증착한 후에 p-도핑 반도체 층을 증착시키는 것이 있다. 진성 층이 증착된 후에 p-도핑 층을 증착시키면 p-도핑 층이 증가된 증착 온도에 노출되는 시간이 감소된다. 예를 들어, p-도핑 층을 증착시키는데 필요한 시간은 N-I-P 층 스택을 증착시키는데 요구되는 총 시간의 단지 대략 5% 이하의 낮은 비율의 시간만을 소요할 것이다. 증착 시간의 양이 감소함에 따라, p-도핑 층의 붕소 도펀트가 진성 층으로 확산되는 양은 감소한다. 또한, p-도핑 층은 태양 전지의 효율에 부정적인 영향을 거의 혹은 전혀 주지 않으면서 낮은 증착 온도에서 증착될 수 있다. 낮은 증착 온도(예를 들어, 220℃ 이하)에서 p-도핑 층을 증착시키면, p-도핑 층의 최초 증착 동안 진성 층의 표면의 온도를 상대적으로 낮게 유지시킬 수 있다. 플라즈마 강화 화학 증기 증착 장비(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD)와 같은 플라즈마 강화 방법을 사용하여 p-도핑층이 증착된다면, p-도핑 층이 증착될 때의 진성 층의 표면과 플라즈마의 상호 작용은, 상승된 온도에서의 p-도핑 층의 붕소의 진성 층으로의 상호 확산을 현저하게 증가시킬 것이다.
N-I-P 반도체 층 스택을 갖는 일부 공지된 태양 전지는 전지의 하부를 따르는 기판, 기판상에 증착된 반사성 전극, 반사성 전극상에 증착된 비정질 또는 미결정질 n-도핑 실리콘 층, n-도핑 층상에 증착된 비정질 또는 미결정질 진성 실리콘 층, 진성 층상에 증착된 비정질 또는 미결정질 p-도핑 실리콘 층, 및 p-도핑 층상에 증착된 투명 전극을 포함한다. 층의 구조는 입사광이 기판에 대향하는 측부상의 태양 전지를 타격하는 구조로서, 태양 전지의 "기판 구조"로서 언급될 수 있다. 일부 공지된 기판 구조 태양 전지는 N-I-P 반도체 층 스택의 상부에 제2 반도체 층 스택을 포함한다. 이런 종류의 태양 전지는 "직렬 기판 구조(tandem substrate configuration)"의 태양 전지로 언급될 수 있다. 다른 종류의 공지된 태양 전지는, 기판이 광에 대해 투명하고 입사광이 기판과 동일한 측부상의 태양 전지를 타격하는 "수퍼스트레이트 구조(superstrate configuration)"의 태양 전지이다. 수퍼스트레이트 구조의 기판은 수퍼스트레이트로 언급될 수 있다.
기판 구조 또는 직렬 기판 구조 태양 전지로 배열된 여러 태양 전지를 갖는 공지된 태양광 모듈은 도전성 재료로 형성된 기판을 포함한다. 예를 들어, 일부 공지된 태양 전지는 기판으로서 작용하는 스테인리스 스틸로 형성된 스테인리스 스틸 기판 또는 포일 시트를 포함한다. 스테인리스 스틸 기판에 태양 전지를 제조하는 것은 스틸이 전기적으로 도전성을 갖는다는 사실에 기인하여 까다롭다. 전술된 바와 같이, 태양 전지를 전기적으로 직렬 연결시키기 위해서, 태양 전지는, 스틸 기판을 스트립으로 절단한 이후 도전성 그리드를 이용하여 개개의 전지들을 다시 함께 "스티칭"함으로써 서로로부터 전기적으로 분리시킬 필요가 있다. 이러한 추가적인 전기적 분리 단계는 태양광 모듈의 제조 비용을 증가시킨다.
스테인리스 스틸 기판이 스트립으로 절단되지 않으면, 스틸의 전기적 전도 성이 인접한 전지의 반사성 전극 사이에 바람직하지 않은 전기 션트(shunt) 또는 쇼트(short)를 야기할 수 있다. 예를 들어, 스틸 기판은 반사성 전극 사이에, 0.5ohm*cm2보다 작은 면비저항(area specific resistance)을 갖는 도전성 경로를 제공할 수 있다. 또한, 직렬 연결 모듈에서는, 모듈이 작동할 때 전지 간에 전기 쇼트를 제공하는 도전성 경로가 인접한 전지들의 상부 전극 사이에 존재하지 않도록, 인접한 태양 전지의 상부 전극들을 서로로부터 분리시킬 필요가 있다.
다른 공지된 수퍼스트레이트 구조 및 직렬 수퍼스트레이트 구조 태양 전지는 비 도전성 또는 유전성 기판을 포함한다. 전극 및 반도체 층 스택(들)은 기판상에 증착되고, 이웃하는 태양 전지들 사이의 직렬 연결을 형성하기 위해 단지 전극과 반도체 층은 전기적으로 절연되어 상호 연결된다. 태양 전지가 절연성 기판에 상호 연결되는 이러한 연결 구조는 "단일체 통합"으로 언급된다.
태양 전지의 수퍼스트레이트 구조에서, 하부 전극은 투명 전극이고 상부 전극은 반사성 전극이다. 레이저 스크라이빙(scribing)은 박막 태양광 모듈의 필름 또는 반도체 재료 및 전극을 패터닝하는데 사용될 수 있는 하나의 공지된 기술이다. 수퍼스트레이트 구조 태양 전지의 레이저 스크라이빙은 하기의 3 단계로 실시될 수 있다: 첫째, 투명 하부 전극을 증착시키는데 바로 이어서 유리상에 하부 투명 전극을 패터닝 하는데 자외선("UV") 또는 적외선("IR") 레이저가 사용된다; 둘째, 반도체 층을 증착시키는데 바로 이어서 반도체 층을 제거하기 위해 수퍼스트레이트 및 투명 전극을 통해 가시광 레이저가 출사된다; 셋째, 상부 반사성 전극을 증착시킨 바로 이후에 반도체 층 스택과 상부 반사성 전극 모두를 국부적으로 제거하기 위해 유리 수퍼스트레이트 및 투명 하부 전극을 통해 가시광 레이저가 출사된다. 수퍼스트레이트 구조에서, 레이저 광은 층을 폭발식으로 제거하기 위해 반도체 층에 의해 흡수되는 파장의 범위 내에서 투명 전극을 통해 반도체 층 내로 투과된다. 레이저 광은 반도체 재료를 신속하게 가열하고 증발시켜, 결과적으로 상부 반사성 전극 및 반도체 재료가 폭발적으로 제거되게 유도하는 압력파를 생성한다.
반도체 층 스택을 패터닝하기 위해 유리 수퍼스트레이트를 통해 레이저가 출사되는 기술은 태양 전지의 공지된 기판 구조에는 적용될 수 없다. 예를 들어, 반도체 층 스택 및 상부 투명 전극을 전기적으로 절연시키기 위해, 레이저는 공지된 기판 구조 태양 전지의 하부 반사성 전극 및 기판을 통해 출사될 수 없다. 하부 반사성 전극은 실리콘에 의해 흡수되는 파장 범위에 걸쳐 레이저 광을 투과시키지 않는다. 예를 들어, 반사성 전극은, 다르게, 반도체 층 스택을 제거하는데 사용되는 레이저 광의 파장을 차단한다. 결과적으로, 레이저는, 하부 반사성 전극을 통한 조사에 의해 반도체 층을 폭발적으로 제거시킬 수 없다.
대신, 기계적 및 레이저 스크라이빙 모두가 공지된 기판 구조 태양광 모듈의 태양 전지의 여러 층을 분리하는데 요구된다. 예를 들어, 기계적 스크라이빙은 모듈의 태양 전지의 상부 전극을 전기적으로 분리시키는데 요구될 수 있다. 반도체 층 스택의 일부 및/또는 상부 전극을 제거하는데 레이저 광을 이용하면 하기의 문제들 중 적어도 하나 이상의 문제를 야기할 수 있다. 기판은, 레이저 광이, 반도체 층 스택을 선택적으로 스크라이빙함으로써 반도체 층 스택과 상부 광 투과 전극 모두를 선택적으로 제거하기 위해 기판 및 하부 반사성 전극을 통과하는 것을 허용하지 않을 수 있다. 또한, 레이저 광은, 반도체 층 스택 및 상부 전극을 제거하기 위해 상부 광 투과 전극을 통해 인가될 수 없을 수 있다. 레이저 광이 태양 전지 위로부터 상부 전극을 통해 입사하면, 레이저 광이 흡수될 때 형성되는 기화된 반도체 재료가 이제 반도체 층 스택의 상부 측에 형성된다. 반도체 재료가 증발될 때 생성되는 압력파는 기판을 향해 확장되며, 재료가 모듈로부터 용이하게 제거될 수 있는 방향으로 반도체 재료를 가압하지는 않는다.
기판 구조의 폭발적 제거의 결핍을 보상하기 위한 하나의 공지된 기술로, 레이저를 이용하여 충분한 시간 동안 반도체 층 및/또는 투명한 전극 층을 가열시키는 것이 있으며, 이로써 반도체 및 전극 층 모두가 증발된다. 그러나, 반도체 및/또는 투명 전극 층의 가열은, 통상적으로 반도체 층 및 전극 층을 둘러싸는 영역의 매우 큰 수준의 과도한 열 분산을 야기한다. 과도한 열 분산은, 레이저가 반도체 층에 입사하는 영역에 인접한 구역에서, 전극 층 및 반도체 층이 서로 상호 확산 되게 유도한다. 이러한 층들의 혼합은 인접한 태양 전지들 사이에 및/또는 단일 태양 전지 내에 전기적 션트를 형성할 수 있다. 예를 들어, 혼합은 단일 태양 전지의 전극 층 사이에 도전성 경로 또는 인접한 태양 전지의 상부 투명 전극 층 사이에 도전성 경로를 형성할 수 있다. 태양 전지를 전기적으로 쇼트시키는 것은 태양광 모듈의 효율 및 수득율을 현저하게 감소시킨다.
일 실시예에서, 태양광 모듈은 기판과, 복수 개의 전기적으로 상호 연결된 태양 전지와, 상부 분리 갭을 포함한다. 태양 전지는 기판 위에 제공된다. 태양 전지들 중 적어도 하나는 반사성 전극과, 실리콘 층 스택과, 광 투과 전극을 포함한다. 반사성 전극은 기판 위에 제공된다. 실리콘 층 스택은 반사성 전극 위에 제공되는 n-도핑 층과, n-도핑 층 위에 제공되는 진성 층과, 진성 층 위에 제공되는 p-도핑 층을 포함한다. 광 투과 전극은 실리콘 층 스택 위에 제공된다. 상부 분리 갭은 전지들 사이에 제공된다. 상부 분리 갭은, 태양 전지들 중 하나의 광 투과 전극이 태양 전지들 중 다른 하나의 반사성 전극에 전기적으로 연결되도록 태양 전지의 광 투과 전극을 서로로부터 전기적으로 분리시킨다.
다른 실시예에서, 복수 개의 전기적으로 상호 연결된 태양 전지를 갖는 태양광 모듈을 제조하는 방법은, 기판, 반사성 전극, 실리콘 층 스택, 및 광 투과 전극을 제공하는 단계를 포함한다. 실리콘 층 스택은 반사성 전극 위에 제공되는 n-도핑 층과, n-도핑 층 위에 제공되는 진성 층과, 진성 층 위에 제공되는 p-도핑 층을 포함한다. 상기 방법은 또한 태양 전지의 광 투과 전극을 서로로부터 전기적으로 분리시키기 위해 광 투과 전극의 일부를 제거하는 단계를 포함한다. 광 투과 전극의 일부는 기판에 대향하는 태양광 모듈의 측부로부터 광 투과 전극을 패터닝함으로써 제거된다.
또 다른 실시예에서는, 다른 태양광 모듈이 제공된다. 태양광 모듈은 비 도전성 기판과, 복수 개의 상호 연결된 태양 전지와, 상부 분리 갭을 포함한다. 태양 전지는 기판 위에 제공된다. 태양 전지들 중 적어도 하나는 반사성 전극과, 하부 실리콘 층 스택과, 상부 실리콘 층 스택과, 광 투과 전극을 포함한다. 반사성 전극은 기판 위에 제공된다. 하부 실리콘 층 스택은 반사성 전극 위에 증착되는 N-I-P 층 스택을 포함한다. 상부 실리콘 층 스택은 하부 실리콘 층 스택 위에 증착되는 N-I-P 층 스택을 포함한다. 광 투과 전극은 상부 실리콘 층 스택 위에 제공된다. 상부 분리 갭은 태양 전지들 사이에 제공되며 태양 전지의 광 투과 전극을 서로로부터 전기적으로 분리시킨다. 태양 전지들 중 하나의 광 투과 전극은 태양 전지들 중 다른 하나의 반사성 전극에 전기적으로 연결된다.
도 1은 일 실시예에 따른 기판 구조 태양광 모듈의 사시 개략도 및 태양광 모듈의 단면부의 확대도이다.
도 2는 태양광 모듈의 제조의 일 단계에서의, 도 1에 도시된 태양광 모듈의 확대도의 개략도이다.
도 3은 태양광 모듈의 제조의 다른 단계에서의, 도 1에 도시된 태양광 모듈의 확대도의 개략도이다.
도 4는 도 2, 도 3, 및/또는 도 5에 도시된 갭을 생성하기 위해 사용되는 레이저 스크라이브 라인의 도면이다.
도 5는 태양광 모듈의 제조의 또 다른 단계에서의, 도 1에 도시된 태양광 모듈의 확대도의 개략도이다.
본 발명의 특정 실시예의 하기의 상세한 기재와 함께, 전술된 요약된 기재는 첨부된 도면과 관련하여 읽을 때 더 잘 이해될 것이다. 본원에 사용된 바와 같이, 단일의 것으로 상술되고 단수("a" 또는 "an")로 기재된 요소 또는 단계는 이들의 복수 개의 배제가 명확하게 언급되지 않는 한, 상기 요소 또는 단계의 복수 개를 배제하지 않는 것으로 이해해야 한다. 또한, 본 발명의 "일 실시예"에 대한 참조는 기재된 특징부를 더 통합시킨 추가적 실시예의 존재를 배제하는 것으로 의도되지 않는다. 또한, 명확하게 반대되게 기재되지 않는다면, 특정 특성을 갖는 요소 또는 복수 개의 요소를 "포함하는" 또는 "갖는" 실시예는 이러한 특성을 갖지 않는 이와 같은 요소를 추가로 포함할 수 있다. 하나 이상의 실시예가 레이저를 사용하여 실리콘 태양 전지를 단일체로 통합하기 위한 시스템과 관련하여 기술될 수 있지만, 본원에 기술된 실시예는 실리콘계 태양 전지 또는 레이저로 제한되지 않는다는 것을 알아야 한다. 특히, 하나 이상의 실시예는 실리콘과 다른 재료를 포함할 수 있고 및/또는 레이저 스크라이빙과 상이한 패터닝 기술을 채용할 수 있다.
도 1은 하나 이상의 실시예에 따른 기판 구조 태양광 모듈(100)의 개략도의 사시도 및 태양광 모듈(100)의 단면부의 확대도(110)이다. 태양광 모듈(100)은 광발전("PV") 장치(100)로서 언급될 수 있다. 태양광 모듈(100)은 전기적으로 서로 직렬 연결된 복수 개의 태양 전지(102)를 포함한다. 예를 들어, 태양광 모듈(100)은 서로 직렬 연결된 25개 이상의 태양 전지(102)를 가질 수 있다. 최외각 태양 전지(102) 각각은 또한 복수 개의 리드(104, 106) 중 하나와 전기적으로 연결될 수 있다. 리드(104, 106)는 태양광 모듈(100)의 대향 단부(128, 130)들 사이로 연장한다. 리드(104, 106)는 회로(108)와 연결된다. 회로(108)는 태양광 모듈(100)에 의해 생성된 전류가 수집되거나 인가되는 부하이다.
각각의 태양 전지(102)는 다중 층의 스택을 포함한다. 예를 들어, 태양 전지(102)는 비 도전성 기판(112), 하부 전극(114), 반도체 층 스택(116), 상부 전극(118), 상부 접착제(120), 및 커버 시트(122)를 포함할 수 있다. 태양광 모듈(100)의 태양 전지(102)는 전기적으로 직렬 연결될 수 있다. 하나의 태양 전지(102)의 상부 전극(118)은 다른 태양 전지(102)의 하부 전극(114)과 전기적으로 연결된다. 예를 들어, 하나의 태양 전지(102)의 상부 전극(118)은 이웃하는 태양 전지(102)들 사이에 도전성 경로를 제공하기 위해 이웃하거나 인접하는 태양 전지(102)의 하부 전극(114)과 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 태양광 모듈(100)의 태양 전지(102)는 전기적으로 직렬 연결된다. 반도체 층 스택(116)은 적어도 3개의 반도체 층을 포함한다. 예를 들어, 반도체 층 스택(116)은 반도체 층의 N-I-P 스택을 포함할 수 있다. 선택적으로, 반도체 층 스택(116)은 직렬 반도체 스택 배열체에서 서로 위아래로 배치된 2개 또는 3개의 N-I-P 스택을 포함할 수 있다.
태양광 모듈(100)은 태양광 모듈(100)의 상부 표면(124)에 입사하는 광으로부터 전류를 발생시킨다. 태양광 모듈(100)의 상부 표면(124)은 태양광 모듈(100)의 막 측부로서 언급될 수 있다. 대향하는 하부 표면(126)은 태양광 모듈(100)의 기판 측부로 언급될 수 있다. 광은 커버 시트(122), 상부 접착제(120), 및 상부 전극(118)을 통과한다. 광은 반도체 층 스택(116)에 의해 흡수된다. 광의 일부는 반도체 층 스택(116)을 통과할 수 있다. 이러한 광은 하부 전극(114)에 의해 반도체 층 스택(116)으로 다시 반사될 수 있다. 광의 광자는 전자를 여기시키고, 반도체 층 스택(116)의 원자로부터 전자가 분리되게 유도한다. 전자가 원자로부터 분리될 때 상보적인 양전하 또는 정공이 생성된다. 전자는 반도체 층 스택(116)을 통해 드리프트되거나 확산되고, 상부 전극(118) 및 하부 전극(114) 중 하나에 수집된다. 정공은 반도체 층 스택(116)을 통해 드리프트되거나 확산되고, 상부 전극(118) 및 하부 전극(114) 중 다른 하나에 수집된다. 상부 전극(118) 및 하부 전극(114)에서의 전자 및 정공의 수집은 태양 전지(102)의 전압차를 발생시킨다. 태양 전지(102)의 전압차는 전체 태양광 모듈(100)을 가로질러 가산될 수 있다. 예를 들어, 여러 태양 전지(102)의 전압차는 함께 가산된다. 전기적으로 직렬 연결된 태양 전지(102)의 수가 증가함에 따라, 직렬의 태양 전지(102)를 가로지르는 가산 전압차 또한 증가할 수 있다.
전자 및 정공은 하나의 태양 전지(102)의 상부 전극(118) 및 하부 전극(114)을 통해 이웃하는 태양 전지(102)의 대향하는 전극(114, 118)으로 흐른다. 예를 들어, 광이 반도체 층 스택(116)을 타격할 때 전자가 제1 태양 전지(102)의 하부 전극(114)으로 흐르면, 이후 전자는 하부 전극(114)을 통해 이웃하는 태양 전지(102)의 상부 전극(118)으로 흐른다. 유사하게, 정공이 제1 태양 전지(102)의 상부 전극(118)으로 흐르면, 이후 정공은 상부 전극(118)을 통해 이웃하는 태양 전지(102)의 하부 전극(114)으로 흐른다.
전류 및 전압은 상부 전극(118) 및 하부 전극(114)을 통해 그리고 이웃하는 태양 전지(102) 사이의 전자 및 정공의 흐름에 의해 생성된다. 각각의 태양 전지(102)에 의해 생성된 전압은 복수 개의 태양 전지(102)를 가로질러 직렬로 가산된다. 이후 전류는, 최외각 태양 전지(102)의 상부 전극(118) 및 하부 전극(114)에 리드(104, 106)를 연결함으로써 회로(108)로 인출된다. 예를 들어, 제1 리드(104)는 최좌측 태양 전지(102)의 상부 전극(118)에 전기적으로 연결될 수 있으며, 제2 리드(106)는 최우측 태양 전지(102)의 하부 전극(114)에 전기적으로 연결된다.
도 2는 태양광 모듈(100)의 제조의 일 단계에의 태양광 모듈(100)의 확대도(110)의 개략도이다. 기판(112)은 유리 시트와 같은 비 도전성 재료를 포함한다. 기판(112)은 기판(112)에 임의의 추가 층을 증착시키기 전에 거칠어질 수 있는 상부 표면(200)을 갖는다. 상부 표면(200)을 거칠게 하면 기판(112)의 광 분산 특성이 향상될 수 있다. 기판(112)의 광 분산 특성의 향상은 입사광을 전기로 변환시키는 태양광 모듈(100)의 효율을 개선시킬 수 있다. 상부 표면(200)은 상부 표면(200)을 샌드 블라스팅(sand blasting)함으로써 거칠어질 수 있다.
하부 전극(114)은 기판(112) 위에 제공된다. 예를 들어, 하부 전극(114)은 하부 전극(114)을 기판(112)에 스퍼터링(sputtering)함으로써 기판(112)에 증착될 수 있다. 하부 전극(114)은 기판(112)을 가로질러 지속적으로 증착될 수 있다. 도 2에 도시된 도면은, 후술된 바와 같이, 하부 전극(114)의 일부의 제거에 의해 초래된 하부 전극(114)의 하부 분리 갭(202)을 도시한다. 하부 전극(114)은, 하부 전극(114)이 증착된 이후에 어떠한 하부 분리 갭(202)도 하부 전극(114)에 존재하지 않도록 증착될 수 있다. 하부 전극(114)은 광 반사성, 도전성 재료를 포함한다. 예를 들어, 하부 전극(114)은 하나 이상의 은(Ag), 알루미늄(Al), 및 니크롬(NiCr)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 하부 전극(114)은, 상승된 온도, 예를 들어, 대략 100 내지 500℃에서 기판(112)에 증착되는 은을 포함한다. 상승된 온도에서 기판(112)에 은을 증착시키면 하부 전극(114)의 상부 표면이 거칠어질 수 있다. 하부 전극(114)은 이러한 재료의 조합으로 된 금속 스택을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하부 전극(114)은 기판(112)에 증착된 대략 30nm 두께의 니크롬 층, 니크롬에 증착된 대략 100 내지 500nm 두께의 알루미늄 층, 알루미늄에 증착된 대략 50 내지 500nm 두께의 은 층을 포함한다.
점착성 층은 전술된 하나 이상의 도전성 층 아래에 제공된다. 예를 들어, 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 또는 니크롬을 포함하는 점착성 층이, 하부 전극(114)의 다양한 층과 함께 부착되는 것을 돕도록, 하부 전극(114)의 금속 층 각각의 아래에 증착될 수 있다.
일 실시예에서, 하부 전극(114)은 하부 전극(114) 위에 제공되는 버퍼 층(buffer layer)을 포함한다. 예를 들어, 버퍼 층은 전술된 도전성 층(들)의 상부에 증착될 수 있다, 버퍼 층은 하부 전극(114)의 도전성 층(들)을 안정시키고, (도 1에 도시된) 반도체 층 스택(116)으로의 도전성 재료의 화학적 확산을 방지하는 것을 돕는 재료를 포함한다. 예를 들어, 버퍼 층은 하부 전극(114)으로부터 반도체 층 스택(116)으로 확산되는 은의 양을 감소시킬 수 있다. 버퍼 층은 반도체 층 스택(116)의 플라스몬 흡수 손실을 감소시킬 수 있다. 일 실시예에서, 버퍼 층은 하부 전극(114)의 도전성 층에 대략 100nm의 버퍼 층을 스퍼터링시킴으로써 증착된다. 하부 전극(114)의 도전성 재료(들)는, 도전성 재료(들)에의 버퍼 층의 부착을 돕기 위해 도전성 재료(들)에 버퍼 층을 스퍼터링시키기 이전에 거칠어 질 수 있다. 다르게, 버퍼 층은 PECVD와 같은 화학 증기 증착 기술을 사용하여 증착될 수 있다. 버퍼 층은 하부 전극(114)의 도전성 재료(들)에 대략 1㎛의 두께로 증착될 수 있다. 버퍼 층이 증착된 이후에, 하부 전극(114)의 상부 표면(204)은 거칠어질 수 있다. 상부 표면(204)은 버퍼 층을 화학적으로 식각함으로써 거칠어질 수 있다. 예를 들어, 상부 표면(204)은 대략 2분 이하 동안 1%의 염산(HCl)과 99%의 물(H2O)의 용액과 같은 산에 노출될 수 있다.
하부 전극(114)의 일부는 하부 전극(114)의 하부 분리 갭(202)을 노출시키기 위해 제거된다. 단지 일례로서, 하부 전극(114)의 일부는 하부 전극(114)의 일부를 선택적으로 제거하기 위해 하부 전극(114)에 패터닝 기술을 이용함으로써 제거될 수 있다. 일 실시예에서, 패터닝 기술(206)은 하부 전극(114)의 하부 분리 갭(202)을 스크라이빙하는 레이저 광이다. 다르게, 레이저 광과 다른 에너지원이 패터닝 기술(206)로서 사용될 수 있다. 패터닝 기술(206)은 예시된 실시예에서 태양광 모듈(100)의 하부 또는 기판 측부(126)로부터 하부 전극(114)으로 유도되는 레이저 광일 수 있다. 선택적으로, 패터닝 기술은 하부 전극(114)의 상부 표면(204)으로부터 하부 전극(114)으로 유도될 수 있는 레이저 광(206)일 수 있다. 레이저 광(206)은, 하부 분리 갭(202)을 생성하기 위해 하부 전극(114)의 일부를 제거하도록 기판(112)을 통과한다. 하부 분리 갭(202)은, 대략 10 내지 100㎛의, 기판(112)의 상부 표면(200)에 평행한 방향의 폭(208)을 갖는다. 일 실시예에서, 폭(208)은 대략 50㎛이다. 하부 분리 갭(202)을 생성하기 위해 하부 전극(114)의 일부를 제거한 이후에, 하부 전극(114)의 남은 부분은 도 2의 평면을 횡단하는 방향으로 연장하는 선형 스트립으로 배열된다. 예를 들어, 하부 전극(114)은 폭(208)이 측정되는 방향에 횡단하는 선형 스트립으로 배열될 수 있다. 하부 전극(114)의 선형 스트립은 폭(208)이 측정되는 방향에 평행한 방향의 폭(210)을 갖는다. 일 실시예에서, 하부 전극(114) 선형 스트립의 폭(210)은 대략 5 내지 15mm이다.
도 3은 태양광 모듈(100)의 제조의 다른 단계에서의 태양광 모듈(100)의 확대도(110)의 개략도이다. 반도체 층 스택(116)은 하부 전극(114) 및 기판(112) 위에 제공된다. 예를 들어, 반도체 층 스택(116)은 하부 전극(114) 및 기판(112)상에 증착될 수 있다. 반도체 층 스택(116)은 하부 전극(114)의 (도 2에 도시된) 하부 분리 갭(202)의 기판(112)상에 증착될 수 있다. 도 1에 도시된 실시예의 각각의 셀(102)에서, 반도체 층 스택(116)은, 모듈(100)의 상부 표면(124)과 하부 표면(126) 사이로 연장하는 수직 방향(324)으로 상부 전극(118)과 하부 전극(114) 사이에, 그리고 인접한 전극(102)의 하부 전극(114)들 사이에 횡방향(326)으로 증착된다.
반도체 층 스택(116)의 확대도(300)에 도시된 바와 같이, 반도체 층 스택(116)은 예시된 실시예에서 실리콘 층으로 된 2개의 N-I-P 스택(302, 304)의 직렬 배열체를 포함한다. 하부 스택(302)은 실리콘 층으로 된 N-I-P 스택을 포함하고, 상부 스택(304)은 실리콘 층으로 된 다른 N-I-P 스택을 포함한다. 상부 및 하부 N-I-P 스택(302, 304) 사이에는 중간 층(306)이 제공될 수 있다. 다르게, 중간 층(306)은 층 스택(116)에 포함되지 않을 수 있다. 중간 층(306)은 모듈(100)상의 입사광을 적어도 부분적으로 반사시키는 재료의 층을 포함한다. 예를 들어, 중간 층(306)은 N-I-P 층의 상부 스택(304)으로 입사광을 다시 부분적으로 반사시킬 수 있으며, 중간 층(306)을 통해 하부 스택(302)으로 광의 일부를 통과시킬 수 있다. 중간 층(306)은 산화 아연(ZnO), 비화학량론(non-stoichiometric) 산화 규소(SiOx), 또는 실리콘 질화물(SiNx)과 같은 재료를 포함할 수 있다.
반도체 층 스택(116)은 하부 전극(114) 위에 미결정질 n-도핑 실리콘으로 된 제1 층(308)을 가장 먼저 제공함으로써 제공될 수 있다. 예를 들어, 제1 층(308)은 하부 전극(114)상에 증착될 수 있다. 선택적으로, n-도핑 실리콘으로 된 제1 층(308)은 비정질 층으로 제공된다. n-도핑 실리콘으로 된 제1 층(308)은 대략 5 내지 30nm의 두께로 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 층(308)은 상대적으로 높은 증착 온도에서 증착된다. 예를 들어, 제1 층(308)은 대략 315℃의 온도에서 증착될 수 있다. 다른 예시에서, 제1 층(308)은 대략 300 내지 400℃의 온도에서 증착될 수 있다. 일 실시예에서, 이러한 온도는 기판(112)의 온도이다. 다른 실시예에서, 제1 층(308)은 낮은 온도에서 증착된다. 예를 들어, 제1 층(308)은 대략 180 내지 300℃의 기판 온도에서 증착될 수 있다.
진성 또는 약하게 도핑된 실리콘으로 된 제2 층(310)은 제1 층(308) 위에 제공된다. 예를 들어, 제2 층(310)은 제1 층(308)상에 증착될 수 있다. 제2 층(310)은 실리콘으로 된 미결정질 또는 비정질 층일 수 있다. 제2 층(310)은 제1 층(308)보다 큰 두께로 제공될 수 있다. 단지 일례로서, 미결정질 제2 층(310)은 대략 2㎛ 또는 대략 1 내지 3㎛의 두께로 증착될 수 있다. 다른 예시로서, 비정질 제2 층(310)은 대략 300nm 또는 대략 200 내지 400nm의 두께로 제공될 수 있다. 제2 층(310)은 상대적으로 높은 증착 온도에서 증착될 수 있다. 예를 들어, 제2 층(310)은 대략 300 내지 400℃의 기판 온도에서 증착될 수 있다. 다르게, 제2 층(310)은 180 내지 300℃와 같은 낮은 증착 온도에서 증착된다.
p-도핑 실리콘으로 된 제3 층(312)은 제2 층(310) 위에 제공된다. 예를 들어, 제3 층(312)은 제2 층(310)상에 증착될 수 있다. 일 실시예에서, 제3 층(312)은 미결정질 층으로서 제공된다. 다르게, 제3 층(312)은 비정질 층으로서 제공된다. 제3 층(312)은 제1 층(308)의 두께보다 다소 작은 두께로 증착될 수 있다. 예를 들어, 제3 층(312)은 대략 5 내지 20nm의 두께로 증착될 수 있다. 제3 층(312)은, 제3 층(312)의 도펀트가 제2 층(310)으로 상호 확산되는 것을 감소시키기 위해 상대적으로 낮은 기판 온도에서 증착될 수 있다. 예를 들어, 제3 층(312)은 대략 180 내지 400℃의 기판 온도에서 증착될 수 있다. 일 실시예에서, 중간 층(306)은 제3 층(312)상에 증착될 수 있다.
n-도핑 실리콘으로 된 제4 층(314)은 중간 층(306) 위에 제공된다. 다르게, 제4 층(314)은 제3 층(312) 위에 제공된다. 제4 층(314)은 실리콘으로 된 비정질 또는 미결정질 층으로서 중간 층(306) 또는 제3 층(312)상에 증착될 수 있다. 제4 층(314)은 대략 5 내지 30nm 이하의 두께로 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 제4 층(314)은 대략 180 내지 400℃의 기판 온도에서 증착된다. 진성의 또는 약하게 도핑된 실리콘으로 된 제5 층(316)은 제4 층(314) 위에 제공된다. 제5 층(316)은 실리콘으로 된 비정질 층일 수 있다. 일 실시예에서, 제5 층(316)은 대략 70 내지 300nm의 두께로 제공될 수 있다. 다른 예시에서, 제5 층(316)은 대략 200 내지 400nm의 두께로 증착된다. 제5 층(316)은 300 내지 400℃의 기판 온도에서 증착될 수 있다. 비정질 또는 미결정질 p-도핑 실리콘으로 된 제6 층(318)은 제5 층(315) 위에 제공된다. 제6 층(318)은 대략 5 내지 20nm의 두께로 제공될 수 있다. 제6 층(318)은 제6 층(318)의 도펀트가 제5 층(316)으로 상호 확산되는 것을 감소시키기 위해 상대적으로 낮은 기판 온도에서 제공된다. 예를 들어, 제6 층(318)은 대략 180 내지 400℃의 기판 온도에서 증착될 수 있다.
본원의 기재는 반도체 층의 직렬 배열체를 포함하는 반도체 층(116)을 기술하였지만, 다른 반도체 층 스택 및/또는 중간 층이 반도체 층(116)에 포함될 수 있다. 예를 들어, 반도체 층 스택(116)은 비정질 실리콘 층으로 된 단일 또는 다중 N-I-P 스택을 포함할 수 있다. 다르게, 반도체 층 스택(116)은 미결정질 실리콘 층으로 된 단일 또는 다중 N-I-P 스택을 포함할 수 있다. 다른 예시에서, 반도체 층 스택(116)은, 중간 접합부가 접합부의 하부상의 n-도핑 미결정질 실리콘 층과, n-도핑 층상에 증착된 진성의 또는 약하게 도핑된 실리콘 또는 실리콘 게르마늄(SiGe)으로 된 비정질 층과, 진성 층상에 증착된 실리콘으로 된 p-도핑 비정질 층을 포함하는, 삼중 접합부 층 스택을 포함할 수 있다.
층(308 내지 316)의 불포화 결합(dangling bond)은 입사광을 전기로 변환시키는 태양광 모듈(100)의 효율을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 생성된 전자 또는 정공은, 광이 진성 층(310, 316)을 타격할 때 포획될 수 있고, 진성 층(310, 316)과 진성 층(310, 316)의 양 측상의 하나 이상의 층(308, 312, 314, 318)들 사이의 계면 부근에의 또는 진성 층(310, 316)에의 불포화 결합에 재결합될 수 있다. 불포화 결합의 수가 증가함에 따라, 전극(114, 118)에 도달하는 전자의 양은 감소할 수 있다. 전극(114, 118)에 도달하는 전자의 수가 감소함에 따라, 태양 전지(102)에 의해 발생되는 전력 또한 감소될 수 있다.
층(308 내지 318)의 불포화 결합의 수는 불포화 결합과 수소 사이의 결합의 형성에 의해 감소될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 층(308 내지 318)을 증착시키는데 이용되는 증착 가스의 수소는 불포화 결합과 함께 화학적으로 결합될 수 있다. 증착 가스는 실란(SiH4) 또는 수소 가스(H2)를 포함할 수 있다. 수소는 실리콘을 포함하는 층(308 내지 318)에 SiH2를 형성하기 위해 불포화 실리콘 결합과 함께 결합될 수 있다. 통상적으로, 층(308 내지 318)의 SiH2의 양은 전지(102)에서의 광 유도 열화의 양과 관련된다. 전지(102)의 비정질 진성 층의 품질을 향상시키기 위한 한가지 기술로는 SiH2 결합에 대한 SiH 결합의 비율을 증가시키는 것이 있다. 예를 들어, 층(316)의 품질은 SiH2 결합에 대한 SiH의 비율을 증가시킴으로써 증가될 수 있다. SiH2 결합에 대한 SiH의 비율은 FTIR을 이용하여 측정될 수 있다.
층(308 내지 312)이 제공되는 순서는, 공지된 수퍼스트레이트 구조 태양광 모듈에서 사용된 온도보다 더 높은 온도에서 반도체 층 스택(116)의 진성의 또는 약하게 도핑된 층이 증착되게 허용할 수 있다. 반도체 층 스택(116)의 진성 층의 증착 온도를 증가시키면 진성 층의 전자 품질을 현격하게 떨어뜨리지 않고 반도체 층 스택(116)의 진성 층의 증착 속도를 증가시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 하나 이상의 층(308 내지 318)의 불포화 결합의 수는, 일부 공지된 증착법에 사용된 온도보다 높은 증착 온도에서 층(308 내지 318)을 증착시킴으로써 감소될 수 있다. 예를 들어, 진성 층(310, 316)은 대략 300 내지 400℃의 기판 온도에서 증착될 수 있다. 다르게, 층(308 내지 318)의 다른 하나는 높은 증착 온도에서 증착될 수 있다. 높은 증착 온도에서 층을 증착시키면 진성 층(310, 316)의 증착 표면상의 원자의 이동도가 증가된다. 원자가 더 큰 이동도를 가짐에 따라, 원자는 증착되는 진성 층(310, 316)의 성장 비정질 또는 미결정질 실리콘 표면상의 오픈 사이트(open site) 또는 불포화 결합을 더 잘 발견해낼 수 있다. 원자는, 증착되는 진성 층(310, 316)의 오픈 격자 사이트 및 불포화 결합의 수를 감소시키기 위해 오픈 사이트 또는 불포화 결합에 결합될 수 있다. 전술된 바와 같이, 불포화 결합 또는 오픈 사이트의 수가 감소함에 따라 불포화 결합 또는 오픈 사이트와 결합하는데 요구되는 수소의 양은 감소한다. 일 실시예에서, 비정질 진성 층(316)의 SiH2 결합의 비율은 대략 7 원자% 이하이다. 다른 실시예에서, 비정질 진성 층(316)의 SiH2 결합의 비율은 대략 5 원자% 이하이다. 제3 실시예에서, 비정질 진성 층(316)의 SiH2 결합의 비율은 대략 2.5 원자% 이하이다. 비정질 진성 층(316)의 수소의 농도에 있어서, 일 실시예에서는 수소의 함량이 대략 21 원자% 이하이고, 다른 실시예에서는 대략 15 원자% 이하이고, 또 다른 실시예에서는 대략 7.5 원자% 이하이다.
하나 이상의 층(308 내지 318)의 최종 수소 농도는 2차 이온 질량 분광계 ("SIMS")를 이용하여 측정될 수 있다. 하나 이상의 층(308 내지 318)의 샘플은 SIMS에 놓여진다. 이후, 샘플은 이온 빔으로 스퍼터링된다. 이온 빔은 2차 이온이 샘플로부터 방출되게 유도한다. 2차 이온이 수집되고 질량 분광계를 이용하여 분석된다. 이후, 질량 분광계는 샘플의 분자의 조성을 결정한다. 질량 분광계는 샘플의 수소의 원자 비율을 결정할 수 있다. 다르게, 하나 이상의 층(308 내지 318)의 최종 수소 농도는 푸리에 변환 적외선 분광기("FTIR")를 사용하여 측정될 수 있다. 이후, FTIR의 적외선 광의 빔은 하나 이상의 층(308 내지 318)의 샘플을 통해 보내진다. 샘플의 다양한 분자 구조 및 종류는 적외선 광을 상이하게 흡수할 수 있다. 샘플의 다양한 분자 종류의 상대적인 농도에 기반하여, 샘플의 분자 종류의 스펙트럼이 획득된다. 샘플의 수소의 원자 비율은 이러한 스펙트럼으로부터 결정될 수 있다. 다르게, 여러 스펙트럼들이 획득되고 샘플의 수소의 원자 비율이 스펙트럼들의 그룹으로부터 결정된다.
반도체 층 스택(116)은, 반도체 층 스택(116)의 일부를 제거하고 반도체 층 스택(116)에 반도체 층간 갭(320)을 제공하기 위해 에너지의 집속 빔(focused beam)에 노출될 수 있다. 에너지의 집속 빔은 레이저 광(322)을 포함할 수 있다. 레이저 광(322)은 반도체 층 스택(116)을 제거하거나 또는 레이저 스크라이빙하도록 적용될 수 있다. 레이저 광(322)은 예시된 실시예의 태양광 모듈(100)의 막 측부로부터 반도체 층 스택(116)으로 유도된다. 레이저 광(322)은 펄스형 레이저 광(pulsing laser light)으로 생성될 수 있다. 예를 들어, 레이저 광(322)은 상대적으로 짧은 기간 동안, 예를 들어, 10 나노초보다 짧은 기간 동안 한꺼번에 발생될 수 있다. 다른 예시에서, 레이저 광(322)은 1000 피코초보다 짧은 기간 동안 한꺼번에 발생될 수 있다. 다르게, 레이저 광(322)은 비 펄스형 레이저 광에 의해 제공될 수 있다. 다른 실시예에서는, 레이저 스크라이빙과 다른 기술이 반도체 층 스택(116)의 일부를 제거하는데 사용된다.
도 3을 계속해서 참조하여, 도 4는, 반도체 층간 갭(320)을 생성하는데 사용되는 레이저 스크라이브 라인(400)의 도면이다. 레이저 광(322)은, 레이저 광(322)이 이웃하는 전지(102)의 반도체 층 스택(116)을 분리시킬 때까지, 예를 들어 반도체 층 스택(116)을 향해 지속 시간 동안 레이저 광(322)을 생성하고, 반도체 층 스택(116)으로부터 레이저 광(322)을 제거하고, 레이저 광(322)의 소스 및 반도체 층 스택(116)을 서로에 대해 이동시키고, 지속된 시간 동안 반도체 층 스택 (116)을 향해 레이저 광(322)을 발생시키며, 펄스를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 레이저 광(322)은, 레이저 스크라이브 라인(400)이 인접한 전지(102)의 반도체 층 스택(116)을 서로로부터 분리시킬 때까지, 예를 들어, 10 나노 초 이하 동안 반도체 층 스택(116)의 대략 원형의 제1 펄스 마크(402)를 레이저 식각할 수 있고, 레이저 광(322)을 불활성 시킬 수 있고, 반도체 층 스택(116)에 대해 레이저를 이동시킬 수 있고, 10 나노 초 이하 동안 반도체 층 스택(116)의 제2 펄스 마크(404)를 식각할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 레이저 스크라이브 라인(400)은 반도체 층 스택(116)으로의 사실상 선형 라인의 식각 마크로 나타날 수 있다. 식각 마크는 대략 원형 형상의 레이저 광을 가질 수 있거나 또는 상이한 형상을 가질 수 있다.
도 5는 태양광 모듈(100)의 제조의 다른 단계에서의 태양광 모듈(100)의 확대도(110)의 개략도이다. 상부 전극(118)은 반도체 층 스택(116) 위에, 그리고 (도 3에 도시된) 레이저 광(322)에 의해 패터닝된 (도 3에 도시된) 반도체 층간 갭(320)에 제공된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 상부 전극(118)은 반도체 층 스택(116)에 수직 방향(324)으로, 인접한 전지(102)의 반도체 층 스택(116) 사이의 갭(320)에 횡단 방향(326)으로 증착된다. 예를 들어, 상부 전극(118)은, 저압력 화학적 증기 증착(LPCVD)과 같은 방법을 사용하여 반도체 층 스택(116)에 스퍼터링 또는 증착될 수 있다. 상부 전극(118)은 광 투과 및 도전성 재료를 포함한다. 예를 들어, 상부 전극(118)은, 상부 전극(118)에의 입사광의 적어도 80%가 상부 전극(118)을 구성하는 재료를 통과하게 할 수 있다. 다른 예시에서, 상부 전극(118)은 상이한 양의 입사광이 상부 전극(118)을 통과하게 할 수 있다. 예를 들어, 상부 전극(118)은 입사광의 60%, 40%, 또는 20%가 상부 전극(118)을 통과하게 할 수 있다. 투과되는 광의 양은 입사광의 파장에 의존할 수 있다. 상부 전극(118)은 대략 80nm 내지 2㎛ 두께의 층의 인듐 주석 산화물("ITO")로 증착될 수 있다. 다르게, 상부 전극(118)은 알루미늄 도핑 산화 아연(Al:ZnO), 붕소 도핑 산화 아연(B:ZnO), 갈륨 도핑 산화 아연(Ga:ZnO), 또는 다른 종류의 산화 아연(ZnO)으로 된 층으로 증착될 수 있다. 다른 실시예에서, 상부 전극(118)은 상부 전극(118)의 상부 표면(500)에 형성된 은으로 된 도전성 그리드를 갖춘 ITO의 층을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상부 전극(118)의 상부 표면(500)은 상부 표면(500)의 거칠기를 증가시키기 위해 식각된다. 예를 들어, 상부 전극(118)은 1%의 염산(HCl) 및 99%의 물(H2O)의 용액을 사용하는 화학적 식각에 노출될 수 있으며, 상부 전극(118)은 대략 2분 이하 동안 화학적 식각에 노출된다. 상부 표면(500)은 상부 전극(118)의 광 포획 특성을 증가시키도록 거칠어질 수 있다. 예를 들어, 상부 표면(500)의 거칠기가 증가함에 따라, 상부 전극(118)을 통과하고 상부 전극(118)으로 다시 반사되는 입사광이, 상부 표면(500)을 떠나 반도체 층 스택(116)을 향해 다시 내부로 반사될 수 있다.
상부 전극(118)의 일부는 상부 전극(118)을 패터닝 기술(504)에 노출시킴으로써 제거된다. 패터닝 기술(504)은 전지(102)의 상부 전극(118)을 서로로부터 전기적으로 분리시키기 위해 상부 전극(118)의 일부를 선택적으로 제거한다. 패터닝 기술(504)은 모듈(100) 및 전지(102)의 막 측부로부터 상부 전극(118)으로 유도된다. 예를 들어, 패터닝 기술(504)은 기판(112)에 대향하는 전지(102) 및 모듈(100)의 측부상의 상부 전극(118)에 입사된다. 하기에 더 상세하게 기술된 바와 같이, 상부 분리 갭(502)은 모듈(100)의 상이한 전지(102)의 상부 전극(118)을 전기적으로 분리시킨다. 일 실시예에서, 패터닝 기술(504)은 레이저 광과 같은, 에너지의 집속 빔이다. 레이저 광은 상부 전극(118)을 레이저 스크라이빙하는데 적용될 수 있다. 일 실시예에서, 레이저 광은 펄스형 레이저 광으로 발생된다. 예를 들어, 레이저 광은 상대적으로 짧은 기간 동안에, 예를 들어, 10 나노초보다 짧은 기간 동안 한꺼번에 발생될 수 있다. 다른 예시에서, 레이저 광은 상대적으로 짧은 기간 동안, 예를 들어, 1000 피코초보다 짧은 기간 동안 한꺼번에 발생될 수 있다. 다르게, 레이저 광은 비 펄스형 레이저 광일 수 있다. 레이저 광은 도 4에 도시된 레이저 스크라이브 라인(400)과 유사한 레이저 스크라이브를 생성할 수 있다.
다르게, 패터닝 기술(504)은 화학적 식각액을 포함할 수 있다. 예를 들어, 산성 식각액이 잉크젯 프린팅 장치에 의해 상부 분리 갭(502)의 상부 전극(118)으로 유도될 수 있다. 산성 식각액은 상부 분리 갭(502)의 상부 전극(118)을 제거할 수 있다. 다른 실시예에서는, 희생용 광 흡수 층(sacrificial light-absorbing layer)이 반도체 층 스택(116)과 상부 전극(118) 사이의 패터닝 기술(504)로서 제공될 수 있다. 광 흡수 층은, 상부 전극(118)이 증착되기 전에, 반도체 층 스택(116)과 상부 전극(118) 사이의 상부 분리 갭(502)에 흡수 층을 증착시키는 잉크젯 프린팅 장치를 이용하여 증착될 수 있다. 흡수 층은, 투명 전극이 투명해지는 파장을 이용하여 막 측부로부터 조사될 때 레이저 광을 흡수할 수 있다. 이후, 이는 투명 전극이 희생용 광 흡수 층 위에서 제거되도록 유도할 수 있다. 이후, 상부 분리 갭(502)의 상부 전극(118)을 제거하기 위해, 흡수 층과 상부 전극(118)의 결합이 레이저 스크라이빙에 의해 제거될 수 있다. 다른 예시에서는, 상부 분리 갭(502)의 상부 전극(118)을 제거하기 위해 기계적 스크라이빙 또는 포토리소그라피가 사용될 수 있다.
전술된 바와 같이, 전극(118)과 반도체 층 스택(116) 사이의 상당한 상호 확산은 인접한 전지(102)의 상부 전극(118)들 사이에 전기적 쇼트 또는 도전성 브릿지를 초래할 수 있다. 다르게, 반도체 층 스택(116)의 n-도핑, 진성, 및 p-도핑 서브층(sublayer) 내의 상당한 상호 확산은 개개의 전지(102)의 반사성 전극(114)과 상부 전극(118) 사이에 전기적 쇼트 또는 도전성 브릿지를 초래할 수 있다. 레이저 광(322) 또는 다른 에너지원은, 상부 전극(118) 및/또는 반도체 층 스택(116)에 분산된 열의 양을 크게 증가시키지 않으면서 상부 분리 갭(502)의 상부 전극(118)을 제거하기 위해, 상대적으로 짧은 펄스 폭 또는 펄스 동안 상부 전극 및/또는 반도체 층 스택(116)을 향해 발생된다. 예를 들어, 레이저 광(504)은, 인접한 상부 전극(118)들 사이의 또는 상부 전극(118)과 반사성 전극(114) 사이의 상호 확산을 통해, 도전성 경로가 형성되게 유도하는 상부 전극(118) 및 반도체 층 스택(116) 내로의 충분한 열 에너지의 전달을 막기 위해, 매우 짧은 펄스에 걸쳐 발생될 수 있다. 상부 전극(118)과 반도체 층 스택(116) 사이의 상호 확산의 양이 감소하면, 인접한 전지(102)의 상부 전극(118)들 사이에, 그리고 인접한 전지(102)의 상부 전극(118)과 반사성 전극(114) 사이에 충분히 큰 임피던스 또는 저항이 유지될 수 있다.
인접한 전지(102)의 상부 전극(118)들 사이로 연장하는 반도체 층 스택(116)의 전기적으로 절연된 영역(506)은 인접한 전지(102)의 상부 전극(118)들을 서로로부터 전기적으로 분리시킨다. 상부 분리 갭(502)은 전기적으로 분리된 영역(506)에 의해 이웃하는 전지(102)의 상부 전극(118)을 분리시킴으로써 상부 전극(118)들 사이의 전기적 쇼트를 막을 수 있다. 단지 일례로서, 상부 분리 갭(502)은, 각각의 인접한 전지(102)의 상부 전극(118)과 하부 전극(114) 사이의 전압차가 대략 -0.1 내지 0.1V일 때, 인접한 전지(102)의 상부 전극(118)들 사이에 500ohms*cm2보다 작은 면비저항을 갖는 어떠한 도전성 경로로 존재하지 않도록, 상부 전극(118)들을 서로로부터 분리할 수 있다. 다른 예시에서, 상부 분리 갭(502)은, 각각의 인접한 전지(102)의 상부 전극(118)과 하부 전극(114) 사이의 전압차가 대략 -0.1 내지 0.1V일 때, 인접한 전지(102)의 상부 전극(118)들 사이에 1000ohms*cm2보다 작 은 면비저항을 갖는 어떠한 도전성 경로도 존재하지 않도록 상부 전극(118)들을 서로로부터 분리할 수 있다. 다른 예시에서, 상부 분리 갭(502)은 상부 전극(118)과 하부 전극(114) 사이의 전압차가 대략 -0.1 내지 0.1V일 때, 인접한 전지(102)의 상부 전극(118)들 사이에 2000ohms*cm2보다 작은 면비저항을 갖는 어떠한 도전성 경로도 존재하지 않도록 상부 전극(118)들을 서로로부터 분리할 수 있다. 다르게, 전기적으로 분리된 영역(506)의 전기 저항은 더 큰 양일 수 있다.
도 1로 돌아가서, 접착성 재료(120)로 된 층은 반도체 층 스택(116)이 제거된 반도체 층간 갭(320)의 반도체 층 스택(116) 위에, 상부 전극(118) 위에 제공된다. 예를 들어, 접착성 층(120)은 반도체 층간 갭(320)의 반도체 층 스택(116)상에, 상부 전극(118)상에 증착될 수 있다. 접착성 층(120)은 예를 들어 폴리비닐 부티랄("PVB"), 서린, 또는 에틸렌 비닐 아세테이트("EVA") 공중합체와 같은 재료를 포함할 수 있다. 이후, 광 투과 재료로 된 커버 시트(120)는 접착성 층(120) 위에 위치된다. 예를 들어, 커버 시트(120)는 접착성 층(120)상에 위치될 수 있다. 커버 시트(122)는 광 투과 재료 또는 유리와 같은 투명 또는 반투명 재료를 포함하거나 이들로 형성된다. 예를 들어, 커버 시트(122)는 강화 유리(tempered glass)를 포함할 수 있다. 다르게, 커버 시트(122)는 소다 석회 유리(soda-lime glass), 저철분 강화 유리(low-iron tempered glass), 또는 저철분 어닐링 유리(low-iron annealed glass)를 포함할 수 있다. 커버 시트(122)에 강화 유리를 사용하면 물리적 손상으로부터 모듈(100)을 보호하는 것을 도울 수 있다. 예를 들어, 강화 유리 커버 시트(122)는 우박 및 다른 환경적 손상으로부터 모듈(100)을 보호하는 것을 도울 수 있다. 상부 유리 커버 시트를 증착시키기 이전에, 모듈(100)은 상이한 광발전 용도에 사용할 수 있도록, 2.2m*2.6m보다 작은 크기로, 또는 다른 유사한 치수로 절단될 수 있다.
본원에 기술된 하나 이상 실시예는 단일체로 통합된 태양광 모듈을 제공한다. 본원에 기재된 모듈은 p-도핑 층을 증착시키기 이전에 반도체 층 스택의 진성 층을 증착시키는 기판 구조 태양광 모듈을 포함할 수 있다. 진성 층을 증착시킨 이후에 p-도핑 층을 층착시키면, 진성 층이 공지된 수퍼스트레이트 구조 태양광 모듈의 온도보다 높은 온도에서 증착될 수 있다. 또한, 진성 층이 증착된 이후에 p-도핑 층을 증착시키면, p-도핑 층과 진성 층 사이의 상호 확산을 감소시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 태양 전지들은, 에너지원에 상부 전극을 노출시킴으로써 서로로부터 전기적으로 절연될 수 있으며, 상부 전극 및 반도체 층 스택의 현저한 상호 확산을 막을 수 있다. 상부 전극 및 반도체 층 스택의 현저한 상호 확산을 막으면 인접한 전지의 상부 전극들 사이의 전기적 쇼트를 막을 수 있다.
전술된 기재는 예시적인 것이며, 제한적인 것으로 의도되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 전술된 실시예(및/또는 그 태양)는 서로 결합되어 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 본 발명의 교시에 특정 상황 또는 재료를 적용하여 많은 변경이 이루어질 수 있다. 본원에 기재된 다양한 조성의 치수, 재료의 종류, 배향, 및 다양한 조성의 개수 및 위치는 특정 실시예의 파라미터를 형성하려는 의도이며, 결코 제한하려는 의도가 아니며, 단지 예시적인 실시예일 뿐이다. 많은 다른 실시예 및 청구항의 사상 및 범주 내의 변경은 전술된 기재를 검토할 때 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 범주는 청구항이 포함되는 등가물의 전체 범주와 함께, 이러한 첨부된 청구항을 참조하여 결정되어야 한다. 첨부된 청구항에서, 용어 "포함하는(including)" 및 "여기서(in which)"는, 각각의 용어 "포함하는(comprising)" 및 "여기에서(wherein)"의 명백한 영어 표현의 등가물로서 사용된다. 또한, 하기의 청구항에서, 용어 "제1", "제2", 및 "제3" 등은 단지 분류상 표기로서 사용된 것이며, 그 대상의 수치적 필요성을 부과하려는 의도는 아니다. 또한, 하기의 청구항은 수단 더하기 기능의 형식으로 쓰여지도록 제한되지 않으며, 이러한 청구항이 "~를 위한 수단"의 문구에 이은 추가적 구조가 없는 기능의 문구로 제한하지 않는 이상, 35 U.S.C§ 112의 6번째 단락에 기초하여 이해해서는 안 된다.

Claims (26)

  1. 태양광 모듈이며,
    비 도전성 기판과,
    기판 위에 제공되는 복수 개의 전기적으로 상호 연결된 태양 전지와,
    태양 전지들 사이에 제공되는 상부 분리 갭을 포함하며,
    태양 전지들 중 적어도 하나는
    기판 위에 제공되는 반사성 전극과,
    반사성 전극 위에 제공되는 n-도핑 층과, n-도핑 층 위에 제공되는 진성 층과, 진성 층 위에 제공되는 p-도핑 층을 포함하는 실리콘 층 스택과,
    실리콘 층 스택 위에 제공되는 광 투과 전극을 포함하며,
    상부 분리 갭은 태양 전지의 광 투과 전극을 서로로부터 전기적으로 분리시키며, 태양 전지들 중 하나의 광 투과 전극은 태양 전지들 중 다른 하나의 반사성 전극에 전기적으로 연결되는
    태양광 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    복수 개의 태양 전지는 전기적으로 직렬 연결된 적어도 25개의 태양 전지를 포함하는
    태양광 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상부 분리 갭은 태양 전지의 광 투과 전극들 사이에 실리콘 층 스택을 노출시키는
    태양광 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    분리 갭의 광 투과 전극들 사이로 연장하는 실리콘 층 스택의 영역은, 인접한 태양 전지의 광 투과 전극과 반사성 전극 사이의 전압차가 -0.1 내지 0.1V일 때, 적어도 대략 1000ohms*cm2의 전기 션트 면비저항을 갖는
    태양광 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    분리 갭의 광 투과 전극들 사이로 연장하는 실리콘 층 스택의 영역은, 인접한 태양 전지의 광 투과 전극과 반사성 전극 사이의 전압차가 -0.1 내지 0.1V일 때, 적어도 대략 500ohms*cm2의 전기 션트 면비저항을 갖는
    태양광 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    반사성 전극와 실리콘 층 스택 사이에 제공되는 버퍼 층을 더 포함하는
    태양광 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    태양 전지들 사이에 제공되는 하부 분리 갭을 더 포함하고,
    상기 하부 분리 갭은 태양 전지의 반사성 전극들을 서로로부터 전기적으로 분리시키는
    태양광 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    실리콘 층 스택은 미결정질 실리콘 층 스택으로서 제공되는
    태양광 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    실리콘 층 스택은 n-도핑 층, 진성 층, 및 p-도핑 층으로 된 하부 층 스택을 포함하고, 실리콘 층 스택은 하부 층 스택 위에 제공되는 상부 층 스택을 더 포함하고, 상부 층 스택은 상부 스택 n-도핑 층, 상부 스택 n-도핑 층 위에 제공되는 상부 스택 진성 층, 및 상부 스택 진성 층 위에 제공되는 상부 스택 p-도핑 층을 포함하는
    태양광 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    하부 층 스택과 상부 층 스택 사이에 배치되는 중간 층을 더 포함하고, 중간 층은 입사광을 상부 층 스택으로 다시 적어도 부분적으로 반사시키는
    태양광 모듈.
  11. 제9항에 있어서,
    하부 층 스택의 진성 층은 대략 2.5 원자% 이하의 SiH2의 함량을 갖는 비정질 진성 층인
    태양광 모듈.
  12. 제1항에 있어서,
    진성 층은 대략 2.5 원자% 이하의 SiH2의 함량을 갖는
    태양광 모듈.
  13. 제1항에 있어서,
    태양 전지들 사이에 제공되는 실리콘 층간 갭을 더 포함하고,
    실리콘 층간 갭은 인접한 태양 전지의 광 투과 전극을 분리시키며, 실리콘 층간 갭은 사실상 선형 라인의 원형 제거 마크를 갖는 레이저 스크라이브 라인을 포함하는
    태양광 모듈.
  14. 복수 개의 전기적으로 상호 연결된 태양 전지를 갖는 태양광 모듈을 제조하는 방법이며,
    기판, 반사성 전극, 실리콘 층 스택, 및 광 투과 전극을 제공하는 단계로서, 실리콘 층 스택은 반사성 전극 위에 제공되는 n-도핑 층과, n-도핑 층 위에 제공되는 진성 층과, 진성 층 위에 제공되는 p-도핑 층을 포함하는, 제공하는 단계와,
    태양 전지의 광 투과 전극을 서로로부터 전기적으로 분리시키기 위해 광 투과 전극의 일부를 제거하는 단계를 포함하며,
    광 투과 전극의 일부는 기판에 대향하는 태양광 모듈의 측부로부터의 패터닝 기술에 광 투과 전극을 노출시킴으로써 제거되는
    태양광 모듈 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    패터닝 기술은 레이저 광을 포함하는
    태양광 모듈 제조 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    패터닝 기술은 대략 1000 피코초 이하의 펄스 폭의 펄스형 레이저 광을 포함하는
    태양광 모듈 제조 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    패터닝 기술은 대략 30 나노초 이하의 펄스 폭의 펄스형 레이저 광을 포함하는
    태양광 모듈 제조 방법.
  18. 제14항에 있어서,
    광 투과 전극의 일부를 제거하는 단계는 태양 전지들 사이의 실리콘 층 스택의 영역을 노출시키며, 노출된 영역은 인접한 태양 전지의 광 투과 전극과 반사성 전극 사이의 전압차가 -0.1 내지 0.1V일 때, 적어도 대략 1000ohms*cm2의 전기 면비저항을 갖는
    태양광 모듈 제조 방법.
  19. 제14항에 있어서,
    광 투과 전극의 일부를 제거하는 단계는 태양 전지들 사이의 실리콘 층 스택의 영역을 노출시키며, 노출된 영역은 인접한 태양 전지의 광 투과 전극과 반사성 전극 사이의 전압차가 -0.1 내지 0.1V일 때, 적어도 대략 500ohms*cm2의 전기 면비저항을 갖는
    태양광 모듈 제조 방법.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 제공하는 단계는 기판 위에 반사성 전극을 제공하는 단계와, 반사성 전극 위에 실리콘 층 스택을 제공하는 단계와, 실리콘 층 스택 위에 광 투과 전극을 제공하는 단계를 포함하는
    태양광 모듈 제조 방법.
  21. 제14항에 있어서,
    실리콘 층 스택의 p-도핑 층보다 높은 온도에서 실리콘 층 스택의 진성 층을 증착시키는 단계를 포함하는
    태양광 모듈 제조 방법.
  22. 태양광 모듈이며,
    비 도전성 기판과,
    기판 위에 제공되는 복수 개의 전기적으로 상호 연결된 태양 전지와,
    태양 전지들 사이에 제공되는 상부 분리 갭을 포함하며,
    태양 전지들 중 적어도 하나는
    기판 위에 제공되는 반사성 전극과,
    반사성 전극 위에 증착되는 N-I-P 층 스택을 포함하는 하부 실리콘 층 스택과,
    하부 실리콘 층 스택 위에 증착되는 N-I-P 층 스택을 포함하는 상부 실리콘 층 스택과,
    상부 실리콘 층 스택 위에 제공되는 광 투과 전극을 포함하며,
    상부 분리 갭은 태양 전지의 광 투과 전극을 서로로부터 전기적으로 분리시키며, 태양 전지들 중 하나의 광 투과 전극은 태양 전지들 중 다른 하나의 반사성 전극에 전기적으로 연결되는
    태양광 모듈.
  23. 제22항에 있어서,
    하부 실리콘 층 스택과 상부 실리콘 층 스택 모두는 비정질 N-I-P 층 스택을 포함하는
    태양광 모듈.
  24. 제22항에 있어서,
    하부 실리콘 층 스택은 미결정질 N-I-P 층 스택이고, 상부 실리콘 층 스택은 비정질 N-I-P 층 스택인
    태양광 모듈.
  25. 제22항에 있어서,
    상부 분리 갭의 광 투과 전극들 사이로 연장하는 상부 실리콘 층 스택의 영역은, 인접한 태양 전지의 광 투과 전극과 반사성 전극 사이의 전압차가 -0.1 내지 0.1V일 때, 적어도 대략 1000ohms*cm2의 전기 션트 면비저항을 갖는
    태양광 모듈.
  26. 제22항에 있어서,
    태양 전지들 사이에 제공되는 반도체 층간 갭을 더 포함하고, 반도체 층간 갭은 태양 전지의 광 투과 전극을 서로로부터 분리시키고, 반도체 층간 갭은 레이저 스크라이브 라인을 포함하는
    태양광 모듈.
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