KR20120064495A - 태양 전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양 전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지는 기판, 상기 기판의 일면에 형성된 에미터층, 상기 에미터층 상에 형성된 반사방지막, 상기 반사방지막을 관통해 상기 에미터층에 전기적으로 연결된 핑거 전극 및 상기 반사방지막 상에 형성되어 상기 에미터층과 전기적으로 연결되지 않고 상기 핑거전극과 전기적으로 연결된 버스바 전극을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면 태양전지의 전면 전극 프린팅 시 전극 간 간섭을 줄일 수 있고, 패시베이션 영역을 증가시킬 수 있다.
Description
본 발명은 결정질 태양전지의 전극 및 전극 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양전지 전면부의 패시베이션(passivation)과도 관련된다.
최근 심각한 환경 오염 문제와 화석 에너지 고갈로 차세대 청정 에너지 개발에 대한 중요성이 증대되고 있다. 또한 21세기에 접어들면서 재생에너지에 대한 요구가 급증하면서 태양 전지에 관심이 집중되고 있다. 태양 전지는 공해가 적고, 자원이 무한적이며 반 영구적인 수명을 가지고 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다.
최근 주목 받고 있는 태양 전지를 크게 구분하면 결정질 실리콘 태양 전지, 박막형 태양 전지, 염료감응 태양 전지 등이 있다.
그런데 태양광 발전 시스템 증설이 급증하면서 실리콘 원자재 및 실리콘 기판의 공급 부족으로 인하여 태양 전지의 제조 단가가 증가하는 문제가 발생하였다. 이러한 이유로 단결정 실리콘 태양 전지보다 제조 단가가 낮고, 원자재 소모가 적고, 재료 공급이 원활한 박막 실리콘 태양 전지, 염료감응 태양 전지, 플라스틱 태양 전지 등이 각광받게 되었다. 그러나 낮은 제조 단가에도 불구하고 낮은 변환 효율과 짧은 수명이 산업화에 걸림돌이 되어 왔다.
이 중 결정질 실리콘 태양전지, 즉 반도체 태양전지에서는 서로 다른 전도성 타입(conductive type)을 가지는 반도체 기판 및 이 반도체 기판의 전면에 형성되는 에미터에 의해 p-n 접합이 형성된다. 그리고 에미터 위에 전면 전극들이 형성되며, 반도체 기판의 후면에 후면 전극이 형성된다. 그리고 반도체 기판의 전면에서는 입사되는 태양광의 반사를 방지하는 반사 방지막이 형성된다.
일반적으로 반사 방지막은 우수한 굴절률을 가지는 실리콘 질화물(SiN)로 이루어진다. 그러나 실리콘 질화막으로 이루어지는 반사 방지막은 전도성을 구비하지 않으므로, 이 반사 방지막을 형성하게 되면 전면 전극과 반도체 기판을 전기적으로 연결하기 위하여 파이어 스루(fire through)를 수행하여야 한다.
좀더 상세하게 설명하면, 일반적인 태양 전지 제조 방법에 따르면, 에미터가 형성된 반도체 기판의 전면에 반사 방지막을 형성한 다음 전면 전극용 페이스트를 형성하므로, 전면 전극용 페이스트가 반사 방지막을 식각하는 파이어 스루 공정에 의해 전면 전극이 에미터에 전기적으로 연결될 수 있도록 한다.파이어 스루가 지나치게 많이 일어나면 션트(shunt)가 발생할 수 있으며, 파이어 스루가 제대로 일어나지 않으면 전면 전극이 에미터에 전기적으로 연결될 수 없다.
또한 전면 전극과 에미터가 맞닿은 부분은 전자와 정공이 재결합함으로써 태양전지의 효율을 저하시키는 요인이 되기도 한다. 태양전지의 효율 향상을 위해, 태양전지의 수광면에 있는 전면 전극의 구조나 성분 조성, 패시베이션 등에 대한 연구가 진행 중에 있다.
본 발명의 실시예는 버스바 전극이 반도체 기판과 직접 접촉하지 않고 패시베이션(passivation) 역할을 하는 층이 생길 수 있도록 하여 전자와 정공의 재결합이 발생되는 영역을 최소화하는 태양전지를 제공하고자 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양전지는 기판, 상기 기판의 일면에 형성된 에미터층 ,상기 에미터층 상에 형성된 반사방지막, 상기 반사방지막을 관통해 상기 에미터층에 전기적으로 연결된 핑거 전극 및 상기 반사방지막 상에 형성되어 상기 에미터층과 전기적으로 연결되지 않고 상기 핑거전극과 전기적으로 연결된 버스바 전극을 포함한다.
또한 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양전지는 기판, 상기 기판과 반대로 도핑된 에미터층, 상기 에미터층 상에 형성된 반사방지막, 상기 반사방지막 상에 제1 금속 페이스트를 사용하여 형성된 핑거 전극, 상기 반사방지막 상에 상기 핑거 전극과 별도의 공정에 의하여 형성되며, 유리 프릿을 포함하지 않는 제2 금속 페이스트로 소성된 버스바 전극을 포함할 수 있다.
여기서 상기 핑거 전극은 상기 에미터층과 접촉된다.
여기서 상기 제1 금속 페이스트는 유리 프릿을 포함하며, 소성 시 파이어 스루 현상에 의해 상기 에미터층과 직접 접촉된다.
또한 상기 제1 금속 페이스트는 상기 유리 프릿을 포함하는 은 페이스트이고, 상기 제2 금속 페이스트는 상기 유리 프릿을 포함하지 않는 은 페이스트일 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면 태양전지 제조 방법은 기판 상에 에미터 층과 반사방지막이 형성된 태양전지의 전면부에 제1 금속 페이스트를 사용하여 핑거 전극을 프린팅하는 단계 및 유리 프릿을 포함하지 않는 제2 금속 페이스트를 사용하여 버스바 전극을 프린팅하는 단계를 포함한다.
여기서 상기 제1 금속 페이스트는 상기 유리 프릿을 포함한다.
또한 상기 제1 금속 페이스트는 상기 유리 프릿을 포함하는 은 페이스트이고, 상기 제2 금속 페이스트는 상기 유리 프릿을 포함하지 않는 은 페이스트일 수 있다.
본 발명에 따르면, 전면 전극 형성 시 핑거 전극과 버스바 전극을 따로 프린팅함으로써 인쇄 적성(Printability)를 높일 수 있다. 또한 전면 전극 중 버스바 전극이 에미터층에 직접 접촉되지 않게 함으로써 패시베이션 영역을 늘릴 수 있고, 이에 따라 전자와 정공의 재결합 현상을 줄일 수 있다.
도 1은 태양전지의 단면도이다.
도 2는 태양 전지의 전면을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 전면부 전극의 형성 순서를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 제1 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 제2 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 입체 사시도이다.
도 2는 태양 전지의 전면을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 전면부 전극의 형성 순서를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 제1 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 제2 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 입체 사시도이다.
이하의 도면에서, 각 구성요소는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 또한, 동일한 구성요소에 대하여서는 동일한 도번을 사용하여 설명하기로 한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2는 태양전지의 구조를 도시한 도면으로서, 도 1은 태양전지의 단면도이고 도 2는 태양 전지의 전면을 나타낸 도면이다. 도 2에는 태양전지의 전면 전극의 패턴이 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 태양전지(100)는, 실리콘 반도체 기판(110), 기판(110)의 일면 상의 에미터층(120), 기판(110)의 일면과 대향하는 기판(110)의 타면 상의 후면 전극(150)을 포함할 수 있으며, 에미터층(120) 상의 반사방지막(130)과 반사방지막(130)을 관통하여 에미터층(120)과 접속하는 전면 전극(140)을 포함할 수 있다.
기판(110)은 실리콘으로 형성될 수 있으며, P형 불순물로서 3족 원소인 B, Ga, In 등이 불순물로 도핑되어 P형으로 구현될 수 있다. 에미터층(120)은 N형 불순물로서 5족 원소인 P, As, Sb 등이 불순물로 도핑될 수 있다.
이와 같이, 기판(110)과 에미터층(120)에 반대 도전형의 불순물이 도핑 되면, 기판(110)과 에미터층(120)의 계면에는 P-N접합(junction)이 형성되고, P-N접합에 광이 조사되면 광전효과에 의해 광기전력이 발생할 수 있다.
한편, 도면에 도시하지는 않았으나, 에미터층(120)이 형성되는 기판(110)의 일면은 텍스쳐링(texturing)된 표면을 가질 수 있다. 텍스쳐링(texturing)이란 기판(110)의 표면에 요철 형상의 패턴을 형성하는 것을 의미하는 것으로, 이와 같이 텍스쳐링(texturing)으로 기판(110)의 표면이 거칠어지면 입사된 빛의 반사율이 감소됨으로써 광 포획량이 증가할 수 있다. 따라서 광학적 손실이 저감될 수 있다.
에미터층(120) 상에는 반사방지막(130)이 형성될 수 있다. 반사방지막(130)은 에미터층(120)의 표면 또는 벌크 내에 존재하는 결함을 부동화하고 기판(110)의 전면으로 입사되는 태양광의 반사율을 감소시킨다.
에미터층(120)에 존재하는 결함이 부동화되면 소수 캐리어의 재결합 사이트가 제거되어 태양전지(100)의 개방전압(Voc)이 증가한다. 그리고 태양광의 반사율이 감소되면 P-N 접합까지 도달되는 광량이 증대되어 태양전지(100)의 단락전류(Isc)가 증가한다.
이처럼 반사방지막(130)에 의해 태양전지(100)의 개방전압과 단락전류가 증가되면 그만큼 태양전지(100)의 변환효율이 향상될 수 있다.
방사방지막(130)은 예를 들면, 실리콘 질화막, 수소를 포함한 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 실리콘 산화 질화막, MgF2, ZnS, TiO2 및 CeO2로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 단일막 또는 2개 이상의 막이 조합된 다층막 구조를 가질 수 있으며, 반사방지막(130)은 진공 증착법, 화학 기상 증착법, 스핀 코팅, 스크린 인쇄 또는 스프레이 코팅에 의해 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
태양 전지의 전면에는, 입사된 태양광에 의해 생성된 전하를 수집하기 위하여 금속성분을 가진 전면 전극(140)이 형성된다. 전면 전극(140)은 일 예로, 전면 전극용 페이스트를 마스크를 사용하여 전면 전극(140) 형성 지점에 스크린 인쇄한 후 열처리를 행하여 형성할 수 있다.
여기서 전면 전극용 페이스트에 유리 프릿이 함유되어 있는 경우, 전극의 소정과정을 통해 페이스트에 포함된 은이 고온에서 액상이 되었다가 다시 고상으로 재결정되면서, 유리 프릿을 매개로 하여 반사방지막(130)을 관통하는 파이어 스루(fire through) 현상에 의해 에미터층(120)과 접속하게 된다.
한편, 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 전면 전극(140)은 태양전지(100)의 가장 상부에 위치하여 입사되는 태양광을 가리게 되어 빛 흡수 손실(Shadowing Loss)이 증가할 수 있다. 이에, 전면 전극(140)의 기능을 저하시키지 않으면서 빛 흡수 손실을 최소화하기 위해 전면 전극(140)의 면적을 최소화하는 것이 중요한바, 본 발명에 따른 전면 전극(140)용 페이스트는 광개시제를 포함하여, 페이스트의 스크린 인쇄 후 표면 경화를 통해 페이스트의 퍼짐성을 방지할 수 있다. 따라서 전면 전극(140)의 형상을 용이하게 유지시킬 수 있다.
또한, 전면 전극(140)의 종횡비(높이/폭)가 향상되어 전면 전극(140)의 저항이 감소되고, 광을 흡수할 수 있는 면적이 넓어져 태양전지(100)의 효율이 향상될 수 있다.
후면 전극(150)은, 일 예로 알루미늄, 석영 실리카, 바인더 등이 첨가된 후면 전극용 페이스트를 기판(110)의 타면에 인쇄한 후 열처리를 행하여 형성할 수 있다. 인쇄된 후면 전극(150)용 페이스트의 열처리 시에는 전극 구성 물질인 알루미늄이 기판(110)의 배면을 통해 확산 됨으로써 후면 전극(150)과 기판(110)의 경계면에 후면 전계(Back Surfacefield)층(160)이 형성될 수 있다.
후면 전계층(160)은 캐리어가 기판(110)의 배면으로 이동하여 재결합되는 것을 방지할 수 있으며, 캐리어의 재결합이 방지되면 개방전압이 상승하여 태양전지(100)의 효율이 향상될 수 있다.
도 2에는 태양전지의 전면부의 모습이 도시되어, 태양전지의 전면 전극을 나타내고 있다. 이하에서 전면 전극은 핑거 전극(141)과 버스바 전극으로 구분하여 설명하도록 한다. 도 2는 조밀한 핑거 전극(141)과 이에 접속되어 있는 버스바 전극(145)으로 구성된 패턴을 도시한다.
전면 전극은 일반적으로 핑거(Finger) 전극(141) 또는 핑거 메탈 라인 등으로 지칭되는 그리드와, 상기 그리드에 전기적으로 연결되는 막대 형태의 주전극인 버스바(Bus bar) 전극(145)으로 구성된다. 태양전지에서 전기를 발전함에 따라 핑거 전극(141)으로 이동한 전자는 버스바 전극(145)에서 수집된다.
태양전지의 전면 전극(140) 중 핑거 전극(141)은 전자와 정공의 외부 이동 통로로서의 역할을, 버스바 전극(145)은 핑거 전극(141)을 통해 나온 전자와 정공을 수집하는 역할을 주로 담당한다. 핑거 전극(141)은 핑거 메탈 라인(finger metal line)이라고도 지칭된다. 핑거 전극(141)과 버스바 전극(145)은 소성 과정 중 SiN로 이루어진 반사방지막(130)을 관통하여 에미터층(120)과 직접 접촉된다.
일반적인 태양전지의 전면 전극(140)의 메탈 라인(metal line)들은 금속 페이스트와 스크린 프린팅(creen printing) 공정을 이용하여 형성된다. 이때 금속 페이스트로는 은 페이스트(Ag paste)가 사용될 수 있으며, 일반적으로 태양전지의 전면 전극용 은 페이스트에는 유리 프릿(glass frit) 성분이 함유되어 있다. 따라서 은 페이스트로 프린팅 된 전극은 소성 공정을 거치면 파이어 스루 현상에 의해 에미터층(Si-wafer)과 직접 접촉된다. 그 결과 일반적인 태양전지의 전면 전극(140)은 모두 에미터층과 맞닿게 된다.
앞서 설명한 바와 같이, 핑거 전극(141)과 버스바 전극(145)을 포함하는 전면 전극(140)의 역할은 태양전지 안에서 형성된 전자와 정공이 외부로 나올 수 있게 하는 통로를 제공하는 것이다. 그러나 핑거 전극(141)과 버스바 전극(145)이 에미터층(120)과 직접 접촉하는 영역이 발생함으로 인해 전자와 정공이 재결합하는 영역이 발생된다. 따라서 태양전지의 전면 전극(140)의 면적은 적정 수준으로 유지될 필요가 있다.
따라서 본 발명의 실시예에서는 버스바 전극(145)은 기판(110) 상에 형성된 에미터층(120)과 직접 접촉하지 않고 패시베이션(passivation) 역할을 하는 층이 생길 수 있도록 하여 전자와 정공의 재결합이 발생 가능한 영역을 최소화하는 것을 목적으로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 전면부 전극의 형성 순서를 나타낸 도면이다.
도 3의 (a)는 전면 전극 형성 시 먼저 핑거 전극(141)이 프린팅된 모습을 나타내며, 도 3의 (b)는 핑거 전극(141)의 프린팅 후 버스바 전극(145)을 프린팅한 모습을 나타낸다. 이와 같이 핑거 전극(141)과 버스바 전극(145)을 별도로 프린팅하여 소성하면 상호 전극의 프린팅 간에 간섭이 없고, 인쇄 적성(printability)이 좋아질 수 있다.
태양전지의 반사방지막 상에 전면 전극을 형성함에 있어, 우선 제1 금속 페이스트를 이용하여 핑거 전극(145)을 먼저 프린팅한다. 그리고 제2 금속 페이스트를 이용하여 버스바 전극(145)을 프린팅한다. 여기서 제1 금속 페이스트는 유리 프릿을 포함하며, 제2 금속 페이스트는 유리 프릿을 포함하지 않는다. 그리고 제1 금속 페이스트와 제2 금속 페이스트는 은 페이스트일 수 있다.
전극 프린팅 후 열처리 공정은 핑거 전극(141)과 버스바 전극에 대하여 각각 따로 수행되거나, 함께 수행될 수 있다. 핑거 전극(141)과 버스바 전극(145)을 따로 열처리하는 경우, 핑거 전극(141)은 파이어 스루가 일어나는 고온에서, 버스바 전극(145)은 핑거 전극에 비하여 낮은 온도에서 열처리가 될 수 있다.
핑거 전극(141)과 버스바 전극에 대한 열처리 공정이 함께 수행된다고 해도, 핑거 전극(141)과 버스바 전극의 성분이 상이하므로 핑거 전극(141)의 파이어 스루 현상은 버스바 전극에 영향을 끼치지 않는다.
즉, 버스바 전극(145)은 유리 프릿을 함유하지 않은 금속 페이스트를 사용함으로써 소성 시 파이어 스루 현상이 일어나지 않아 버스바 전극(145)이 에미터에 직접 접촉되는 것을 막을 수 있다. 이에 따라 전자와 정공이 재결합되는 영역을 줄일 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 절단 방향 별 단면도이다. 또한 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 입체 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지를 제1 방향(도 3의 310 참조)으로 절단한 경우를 가정하여 도시한 제1 단면도, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지를 제2 방향(도 3의 320 참조)으로 절단한 경우를 가정하여 도시한 제2 단면도이다. 제1 단면도에는 핑거 전극(141)이, 제2 단면도에는 버스바 전극(145)이 도시된다.
도 4 내지 도 6에서 도시된 바와 같이, 태양전지는 기판(110) 상에 에미터층(120), 반사방지막(130)이 형성되어 있다. 그리고 다른 면에는 후면 전극(150), 후면 전계층(160)이 형성되어 있다. 전면 전극(140)은 반사방지막(130) 상에 프린팅되는데, 핑거 전극(141)은 반사방지막(130)을 거쳐 에미터층(120)에 직접 접촉되어 있다. 반면, 버스바 전극(145)은 반사방지막(130) 상에 형성되어 있으며, 에미터층(120)과는 연결되지 않는다.
버스바 전극(145)의 면적만큼 종래에는 에미터층(120)에 전면 전극(140)이 직접 접촉되었으나, 본 발명의 실시예에서는 핑거 전극(141)만이 에미터층(120)에 접촉된다 따라서 버스바 전극(145)의 면적만큼 패시베이션 영역이 증가될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100 : 태양전지 110 : 기판
120 : 에미터층 130 : 반사방지막
140 : 전면 전극 141 : 핑거 전극
145 : 버스바 전극 150 : 후면 전극
160 : 후면전계층
120 : 에미터층 130 : 반사방지막
140 : 전면 전극 141 : 핑거 전극
145 : 버스바 전극 150 : 후면 전극
160 : 후면전계층
Claims (11)
- 태양전지 제조 방법에 있어서,
기판의 일면에 에미터층과 반사방지막이 형성된 태양전지의 전면부에 제1 금속 페이스트를 사용하여 핑거 전극을 프린팅하는 단계; 및
유리 프릿을 포함하지 않는 제2 금속 페이스트를 사용하여 버스바 전극을 프린팅하는 단계를 포함하는 태양전지 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 금속 페이스트는 상기 유리 프릿을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 금속 페이스트는 상기 유리 프릿을 포함하는 은 페이스트이고, 상기 제2 금속 페이스트는 상기 유리 프릿을 포함하지 않는 은 페이스트인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 핑거 전극과 상기 버스바 전극을 열처리하는 단계를 더 포함하는 태양전지 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 버스바 전극을 프린팅하기 전에, 상기 제1 금속 페이스트에 파이어 스루가 일어나는 고온에서 상기 핑거 전극을 열처리하는 단계; 및
상기 버스바 전극을 프린팅한 후 상기 버스바 전극을 상기 핑거 전극보다 낮은 온도에서 열처리하는 단계를 더 포함하는 태양전지 제조방법. - 기판;
상기 기판의 일면에 형성된 에미터층;
상기 에미터층 상에 형성된 반사방지막;
상기 반사방지막을 관통해 상기 에미터층에 전기적으로 연결된 핑거 전극; 및
상기 반사방지막 상에 형성되어 상기 에미터층과 전기적으로 연결되지 않고 상기 핑거전극과 전기적으로 연결된 버스바 전극을 포함하는 태양전지. - 제6항에 있어서,
상기 핑거 전극은 제1 금속 페이스트로 형성되고 상기 버스바 전극은 유리 프릿을 포함하지 않는 제2 금속 페이스트로 형성되며,
상기 핑거 전극과 상기 버스바 전극은 별도의 프린팅 공정에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제7항에 있어서,
상기 제1 금속 페이스트는 유리 프릿을 포함하며, 상기 핑거 전극은 소성 시 파이어 스루 현상에 의해 상기 에미터층과 직접 접촉되는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제7항에 있어서,
상기 제1 금속 페이스트는 상기 유리 프릿을 포함하는 은 페이스트이고, 상기 제2 금속 페이스트는 상기 유리 프릿을 포함하지 않는 은 페이스트인 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제6항에 있어서,
프린팅된 상기 핑거 전극과 상기 버스바 전극은 함께 열처리되는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제6항에 있어서,
상기 핑거 전극은 파이어 스루가 일어나는 고온에서 열처리되며, 상기 버스바 전극은 상기 핑거 전극보다 낮은 온도에서 별도로 열처리되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
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