KR20120090553A - 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 따르면, 후면 접촉형 태양전지 및 그 제조 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 태양전지는 제1 도전형을 가지는 기판; 상기 기판의 전면의 전체 영역, 상기 기판을 관통하는 관통 홀 및 상기 기판의 후면 중 일부 영역에 분포된 제2 도전형을 가지는 에미터; 상기 기판의 후면의 상기 에미터가 분포되지 않은 영역에 상기 에미터와 교번하여 형성된 후면 전계층; 상기 기판의 후면에 형성된 상기 후면 전계층 중 비접촉 후면 전계층 상에 형성되며, 상기 에미터의 일부 영역 및 상기 후면 전계층 중 국부 후면 전계층의 일부 영역에 2 이상의 개구부를 포함하는 절연층; 상기 국부 후면 전계층 상의 상기 개구부에 형성된 제1 금속 전극; 상기 에미터 상의 상기 개구부 및 상기 개구부에 인접한 상기 절연층 상에 형성된 제2 금속 전극을 포함한다. 에미터와 후면 전계층의 면적비를 최적화할 수 있으며, 소수 캐리어의 수집을 용이하게 할 수 있다.
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 후면 접촉형 태양전지 및 그 제조방법에 관련된다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예상되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 반도체 소자를 이용하여 태양광 에너지를 직접 전기 에너지로 변화시키는 차세대 전지로서 각광받고 있다. 그러나 태양전지는 제조 단가, 변환 효율 및 수명이 문제된다. 따라서 최근의 태양전지에 관한 연구는 태양전지의 효율 향상과 관련된 기술에 집중되고 있다.
효율은 전력을 발생시키는 태양 전지의 성능과 직접 연관되기 때문에 태양 전지의 중요한 특성이다. 따라서, 태양 전지의 효율을 증가시키기 위한 기술들이 일반적으로 선호된다. 본 발명의 실시예를 통해 종래의 태양 전지에 비해 더 높은 효율을 가능하게 하는 향상된 후면 접촉 태양 전지 구조물을 개시한다.
본 발명의 실시예에서는, 후면 접촉형 태양전지에 있어서 효율 향상을 위해 최적화된 후면 전계 영역의 면적비와 후면 접촉 면적비를 적용하며, 특히 전면에서 소수 캐리어를 수집할 수 있는 태양전지 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 제1 도전형을 가지는 기판; 상기 기판의 전면의 전체 영역, 상기 기판을 관통하는 관통 홀 및 상기 기판의 후면 중 일부 영역에 분포된 제2 도전형을 가지는 에미터; 상기 기판의 후면의 상기 에미터가 분포되지 않은 영역에 상기 에미터와 교번하여 형성된 후면 전계층; 상기 기판의 후면에 형성되며, 상기 에미터의 일부 영역 및 상기 후면 전계층의 일부 영역에 2 이상의 개구부를 포함하는 절연층; 상기 후면 전계층 상의 상기 개구부에 형성된 제1 금속 전극; 및 상기 에미터 상의 상기 개구부 및 상기 개구부에 인접한 상기 절연층 상에 형성된 제2 금속 전극을 포함하는 태양전지가 제공된다. .
본 발명의 다른 양태에 따르면, 제1 도전형을 가지는 기판; 상기 기판의 전면의 전체 영역 및 상기 기판의 후면 중 일부 영역에 분포된 제2 도전형을 가지는 에미터; 상기 기판의 후면의 상기 에미터가 분포되지 않은 영역에 상기 에미터와 교번하여 형성된 후면 전계층; 상기 기판의 후면에 형성되며, 상기 에미터의 일부 영역 및 상기 후면 전계층의 일부 영역에 2 이상의 개구부를 포함하는 절연층; 상기 후면 전계층 상의 상기 개구부에 형성된 제1 금속 전극; 및 상기 에미터 상의 상기 개구부, 상기 개구부에 인접한 상기 절연층 상에서부터 상기 에미터 및 상기 기판을 관통하는 관통 홀을 통해 상기 기판의 전면에까지 형성된 제2 금속 전극을 포함하는 태양전지가 제공된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 태양전지의 후면 접촉 면적과 후면 전계 영역의 면적을 조절함으로써, 소수 캐리어의 재결합율을 감소시킴과 동시에 캐리어의 이동 경로가 너무 길어지지 않도록 하여 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조 과정을 나타낸 도면.
도 7은 도 1 내지 도 6에 도시된 방법에 따라 제조된 태양전지의 단면이 도시된 입체도.
도 9 내지 도 13는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지의 제조 과정을 나타낸 도면.
도 14은 도 9 내지 도 13에 도시된 방법에 따라 제조된 태양전지의 단면이 도시된 입체도.
도 16 내지 도 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양전지의 제조 과정을 나타낸 도면.
도 22는 도 16 내지 도 21에 도시된 방법에 따라 제조된 태양전지의 단면이 도시된 입체도.
도 7은 도 1 내지 도 6에 도시된 방법에 따라 제조된 태양전지의 단면이 도시된 입체도.
도 9 내지 도 13는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지의 제조 과정을 나타낸 도면.
도 14은 도 9 내지 도 13에 도시된 방법에 따라 제조된 태양전지의 단면이 도시된 입체도.
도 16 내지 도 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양전지의 제조 과정을 나타낸 도면.
도 22는 도 16 내지 도 21에 도시된 방법에 따라 제조된 태양전지의 단면이 도시된 입체도.
태양 전지는 일반적으로 실리콘(Si)과 같은 반도체 물질로 이루어지는데, 태양광을 유용한 전기적 에너지로 변환시킨다. 태양 전지는 일반적으로, 요구되는 PN 접합(junction)이 적절한 인의 원으로부터 P-타입 Si 웨이퍼로 인(P)을 확산시키므로서 형성되는 Si의 얇은 웨이퍼로 이루어진다. 태양 광이 입사되는 실리콘 웨이퍼 측은 일반적으로 태양 광의 반사 손실을 방지하기 위하여 항-반사 코팅물(ARC)로 코팅된다. 이 ARC는 태양 전지 효율을 증가시킨다.
전면(front) 컨택으로서 알려진 이차원 전극 그리드 패턴은 실리콘의 n-측으로의 연결부를 만들고, 주로 알루미늄(Al)의 코팅은 실리콘의 p-측으로의 연결부(후면 컨택)를 만든다. 또한, 은 후면(rear) 컨택으로 알려져 있으며, 은 또는 은-알루미늄 페이스트(paste)로 만들어진 컨택은 실리콘의 p-측 상에 프린트되고 소성되어 태양 전지 모듈에서 하나의 셀을 다음 것에 전기적으로 연결하는 탭의 납땜을 가능하게 한다. 이 컨택들은 PN 접합부로부터 외측 로드(load)로의 전기적 아웃렛(outlet)이다.
오늘날 많은 용도의 태양 전지 디자인은 태양광을 받아서 광 에너지가 전지로 흡수될 때 전자 흐름을 생성하는, 전면 근처에 형성된 PN-접합을 갖는다. 통상적인 전지 디자인은 전지의 전면 측상에 있는 한 셋트의 전기적 컨택 및 태양 전지의 후면 측상에 있는 두번째 셋트의 전기적 컨택을 갖는다. 일반적인 태양 전지(photovoltaic)모듈에서, 이러한 개별적인 태양 전지들은 전압을 증가시키기 위하여 전기적으로 직렬로 상호연결된다. 이러한 상호 연결은 일반적으로 하나의 태양전지의 전면 측에서 인접한 태양 전지의 후면 측으로 전도성 리본을 납땜함으로서 달성된다.
후면 컨택 실리콘 태양 전지는 통상적인 실리콘 태양 전지와 비교할 때 몇가지 이점을 갖는다. 하나는 후면 컨택 전지가 컨택 불명료화 손실(obscuration losses)을 감소시킴으로써, 보다 높은 전환율을 갖는다(컨택 그리드로부터 반사된 태양광은 전기로 전환되도록 이용불가능하다). 또 다른 것은 후면 컨택 전지의 전자회로로의 조립이 용이하고, 따라서, 두 전도성 타입 컨택이 동일면 상에 있기 때문에 보다 더 저렴하다. 예를 들면, 현재의 광전지 모듈 어셈블리와 비교할 때 상당한 비용 절감이 광전지 모듈 및 태양 전지 전기 회로를 단일 단계로 밀봉하므로서 후면 컨택 전지에서 달성될 수 있다.후면 컨택 전지는 일정한 외관을 가짐으로 인해 심미감의 측면에서도 이점을 가진다. 태양전지가 빌딩 집적 광전지 시스템 또는 자동차용 광전지 선루프 등과 같은 곳에 이용되어 노출되는 경우 태양전지의 심미감은 중요한 요소가 될 수 있다.
또한, 이하에서 도 1 내지 도 7을 참조하여 EWT(emitter-wrap-through) 태양전지의 구조 및 제조 공정들을 설명한다. 그러나 본 발명의 실시예는 EWT 태양전지에 한정되지 않고, 후면 컨택 실리콘 태양 전지에 포함되는 다양한 형태의 태양전지로 확장될 수 있다. 후면 컨택 실리콘 태양 전지에는 EWT(emitter wrap through) 태양전지 이외에도 MWA(metallization wrap around) 태양전지, MWT(metallization wrap through) 태양전지 및 후면 접합 구조(back-junction structures) 또는 양면 접합 구조 태양전지 등이 포함될 수 있다. MWT 태양전지에 대해서는 도 9 이하의 도면들을 참조하여 설명하도록 한다.
후면 패시베이션층은 실리콘 기판과 금속 전극 사이에 삽입됨으로써 표면 재결합속도를 낮추고, 후면 반사도를 높여 광흡수 경로를 증가시킬 수 있다. 사진식각기술 또는 레이저 식각기술을 사용하여 후면 패시베이션층에 균일하고 정렬된 공극 패턴을 형성할 수 있다.
후면 표면 패시베이션과 국부적 후면 전극 형성을 통해서 후면 재결합 속도를 낮출 수 있다. 결과적으로 Voc가 상승하고, 후면에서 전류값 증가를 통해서 효율 향상의 결과를 얻을 수 있다. 또한 후면 알류미늄 전극 면적을 10% 이내로 줄임에 따라서 웨이퍼 휨(bowing) 현상을 개선하여 웨이퍼의 박형화를 가능하게 한다. 결론적으로 웨이퍼 두께 감소에 따른 저가화, Voc값 및 Isc값 상승에 따른 고효율화가 가능하다.
이하 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명하도록 한다.
도 1 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 제조 방법을 나타낸 도면이며, 도 7은 본 발명의 도 1 내지 도 6에서 도시된 과정을 통해 제조된 태양전지의 단면이 개시된 입체 사시도이다.
EWT 태양전지는 에미터(110)가 기판(100)을 관통하여 형성되는 구조를 가진다. 그리고 EWT 태양전지의 특이점은 태양전지의 수광면인 전면 상에 금속 전극이 형성되지 않는다는 점이다. 따라서 EWT 태양전지의 경우, 입사광이 전면 전극에 의해 차단되는 쉐이딩 로스가 발생하지 않아, 변환 효율이 향상될 수 있다.
EWT 태양전지는 전면에서 이면으로 실리콘 기판(100)에 있는 도핑된 전도성 채널을 통하여 에미터(110)가 기판(100)을 관통하여 둘러싸는 구조를 가진다. 에미터(110)는 반도체 기판(100) 상에서, 상기 반도체 기판(100)과 반대 특성의 불순물로 도핑된 영역을 일컫는다. 전술한 전도성 채널은 예컨대 레이저를 이용하여 실리콘 기판(100)을 관통하는 관통 홀(hole)(115)을 형성하고, 이어서 태양전지의 전면 및 후면 및 상기 관통 홀(155) 내에 에미터(110)를 형성함으로서 생성될 수 있다.
상술한 과정을 통해 기판(100)의 전면의 전체 영역과 후면의 일부 영역, 그리고 기판을 관통하는 홀 내에 에미터(110)가 형성된다. 그리고 기판(100) 후면에 국부적으로 형성된 에미터(110)의 사이에는 후면 전계층(Back Surface Field, BSF)(120)이 형성된다. 고온 확산 프로세스를 사용하여 기판(100)에 국지적으로 주입된 불순물들을 확산시킴으로써 후면 전계층(120)을 형성할 수 있다.
이에 따라 후면 상에 에미터(110)와 후면 전계층(120)은 교번하여 배열된다. 이하 본 발명의 실시예들에 있어서, 태양 전지는 후면에 형성되는 후면 전계층(120) 및 전면 및 후면에 에미터(110)를 갖는다. 에미터(110)는 태양 전지에서 소수 전하 캐리어들을 수집하도록 구성되는 한편, 후면 전계층(120)은 다수 전하 캐리어들을 수집하도록 구성된다.
후면에 금속 전극들이 형성되기 전에, 절연층(130)이 형성된다. 절연층(130)은 패시베이션 기능을 가질 수 있다. 절연층(130)은 주로 에미터(110)들의 끝단에 걸쳐서, 후면 전계층(120) 상에 형성되는데, 제1 금속 전극(140)이 형성될 부분에 위치한 후면 전계층(120) 상에는 개구부를 가진다. 후면 전계층(120) 중, 제1 금속 전극(140)과 접촉면을 가지는 후면 전계층(120)은 국부 후면 전계층으로, 절연층(130)에 덮여 제1 금속 전극(140) 또는 제2 금속 전극(150)과 직접 접촉되는 영역을 가지지 않는 후면 전계층을 비접촉 후면 전계층으로 지칭할 수 있다.
절연층(130)이 형성되면, 절연층(130)에 의해 함몰되지 않은 후면 전계층(120), 즉 후면 전계층(120) 상의 절연층(130)의 개구부, 즉 국부 후면 전계층 상에 제1 금속 전극(140)이 형성된다. 그리고 관통 홀(115)이 위치한 곳의 에미터(110) 및 절연층(130) 상에는 제2 금속 전극(150)이 형성된다.
이 밖에 전면 에미터(110) 상에는 반사방지막(미도시)이 더 형성될 수 있으며, 수광면인 전면의 기판(100) 및 에미터(110)는 텍스처링 처리될 수 있다.
후면 접합 전지는 태양 전지의 이면 상에 음양의 극성 수집 접합부를 갖는다. 대부분의 광이 수광면인 전면 근처에서 흡수되고, 따라서 대부분의 캐리어들이 광 생성되기 때문에, 후면 접합부 전지는 캐리어들이 후면상에 수집 접합부를 전면에서 이면으로 확산하기에 충분한 시간을 갖도록 하기 위해서는 태양전지를 구성하는 물질들에 대해 매우 높은 품질이 요구된다. 그러나 이에 비하여 EWT 태양전지는 전면 상에 전류 수집 접합부를 유지한다. 따라서 EWT 태양전지는 고효율의 전류 수집에 있어 적합한 구조를 가진다.
후면 접촉 태양전지의 경우, 후면 접촉의 면적을 가변함으로써 태양전지의 효율을 증가시킬 수 있다. 특히 후면 전극 간 간격(spacing) 또는 2 이상의 후면 전계층 간의 간격을 가변시킴으로써 후면 접촉 면적을 가변시킬 수 있으며, 이로 인하여 최적의 면적비를 적용하여 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.
도 8 내지 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지의 제조 방법을 나타낸 도면이며, 도 14는 도 8 내지 도 13에서 도시된 과정을 통해 제조된 태양전지의 단면이 개시된 입체 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따라 MWT 태양전지를 제조하기 위해, 우선 기판(100) 상에 도 8에 도시된 바와 같이 홀을 형성한다. 기판(100)을 전면에서 후면까지 관통하는 관통 홀을 형성한다. 관통 홀은 레이저 드릴링(laser drilling), 레이저 식각 등에 의해 기판을 관통함으로써 형성될 수 있다. 상기 레이저의 광원으로 여러가지가 이용될 수 있고, 일례로, 그린레이저원(green laser source), Nd/YAG 레이저원이 이용될 수 있다. 관통 홀의 폭은 100 ㎛ 이하일 수 있다.
상술한 바에 따라 홀이 형성된 기판(100)의 전면에는 에미터(110)가 형성된다. 에미터(110)는 홀이 형성된 기판(100)의 전면의 전체 영역-여기서, 홀 부분은 물론 제외된다- 및 기판(100)의 후면의 일부 영역 중 홀의 주변 부분에 형성된다. 그리고 기판(100)의 후면에는, 전면에 에미터(110)가 형성되면서 홀을 통해 후면에도 에미터(110)가 함께 형성되며 이때 형성된 에미터(110)가 홀 주변에 남아있게 된다. 도면에서 위로 향하는 면이 기판(100)의 후면이며, 아래로 향하게 도시된 면이 기판(100)의 전면이다.
그리고 도면 상에 도시되지는 않았으나, 기판(100)의 전면은 입사광의 반사도를 줄이기 위하여 텍스쳐링 될 수 있다. 상기 기판(100)의 전면의 텍스쳐링은 습식화학식각공정, 반응이온성식각(RIE) 공정을 비롯한 건식 화학 식각공정 또는 레이저 조사공정 등에 의할 수 있다. 또한 기판(100)의 후면은 내부 반사도(internal reflection)을 줄이기 위하여 평탄화 될 수 있고, 텍스쳐링 될 수도 있다. 상기 반도체 기판의 후면의 평탄화는 습식화학식각공정, 반응이온성식각(RIE) 공정을 비롯한 건식 화학 식각공정에 의할 수 있다.
에미터(110)상에는 실리콘 질화막(SiNx)이나 실리콘 산화막(SiO2) 등으로 이루어진 반사 방지막(미도시)이 하나 이상 형성될 수 있다. 예를 들면, SiNx/SiON 또는 SiNx/SiOx 와 같은 두개 층을 이용하거나, SiOx/SiNx/SiOx 와 같은 세개 층을 이용하는 등 다층막을 이용하여 반사방지막을 형성할 수 있다. 상기 반사방지막은 태양전지의 반사율을 최소화하는 기능을 할 뿐만 아니라, 패시베이션층의 기능도 수행한다.전면 전계층 위에 형성된 반사 방지막은 입사되는 태양 광의 반사율을 줄이고 특정한 파장 영역의 선택성을 증가시켜, 태양 전지의 효율을 높인다.
기판(100)으로는 p형 불순물 반도체 기판 또는 n형 불순물 반도체 기판이 사용될 수 있다. 에미터(110)는 기판(100)과 상반되는 타입의 도전형을 가진다. 즉, p형 불순물 반도체 기판이 사용되는 경우에는 n형 에미터가 형성되고, n형 불순물 반도체 기판에는 p형 에미터층이 형성됨으로써, p-n 접합을 형성한다.
에미터(110)는 열확산법 또는 포스포러스 옥시클로라이드(Phosphorous Oxychloride, POCl3) 확산법에 의해 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면 에미터(110)는 기판(100)의 전면과 후면의 전체 영역과, 기판(100)에 형성된 홀의 내부의 표면에도 형성될 수 있다.
후면의 에미터(110)들 사이에는 후면 전계층(120)이 형성된다. 따라서 후면에는 에미터(110)와 후면 전계층(120)이 교번하여 배열된다. 또한 태양전지의 후면에서 에미터(110)와 후면 전계층(120)이 모두 국부적으로 형성되므로, 에미터(110)와 후면 전계층(120)이 전체 기판의 면적에서 차지하는 면적비 및 에미터(110)와 후면 전계층(120) 간의 면적비를 조절할 수가 있다.
여기서 후면 전계층(120)은 이후 절연막의 제거 패턴 또는 절연층(130)의 패턴에 따라 전극과 접촉되지 않는 제1 금속 전극(140)과 접촉면을 가지는 국부 후면 전계층(123)과, 절연층(130)으로 덮힌 비접촉 후면 전계층(121)으로 구분될 수 있다. 이 중, 특히 비접촉 후면 전계층(121)은 금속 전극 형성 후 열처리 과정에 의해 형성되지 못하므로 기판(100)과 반대의 도전형을 가지는 불순물을 에미터(110)들 사이에 고농도로 도핑함으로써 도 17에 도시된 바와 같이 형성될 수 있다.
즉 본 발명의 실시예와 같은 후면 구조를 가지는 태양전지의 경우, 최적의 효율을 위한 에미터(110)와 후면 전계층(120)의 면적비를 개선할 수 있다. 이러한 에미터(110)와 후면 전계층(120)의 면적비는 0.1% 내지 10% 정도일 수 있다.
에미터(110)의 끝단에 걸쳐서 콘택리스 후면 전계층(120)을 커버하는 부분에 분로(shunt) 손실을 방지하기 위해 절연층(130)이 마련된다. 즉, 절연층(130)은 비접촉 후면 전계층(121)만 덮도록 형성된다. 그리고 절연층(130)은 스퍼터링(sputtering)법, 화학 기상 증착(chemical vapor deposition)법, 잉크젯 인쇄(inkjet printing)법 등과 같은 다양한 막 적층법을 통해 형성된다. 후면의 전 영역에 절연막을 형성한 후 레이저를 이용하여 선택적으로 절연막을 제거함으로써 도-11에 도시된 바와 같이 절연층(130)을 형성할 수 있다. 도-11에 도시된 바와 같이 절연층(130)을 형성하기 위해, 절연막 중 홀과 홀 주변 에미터 일부 영역에 형성된 절연막, 그리고 이후 제1 금속 전극이 형성될 일부의 후면 전계층 상에 형성된 절연막 일부가 제거된다.
절연막의 제거 여부에 따라 후면 전계층(120)은 다음과 같이 구분될 수 있다. 즉, 절연층(130)으로 덮인 후면 전계층(120)은 비접촉 후면 전계층(121)으로, 절연막이 제거된 후면 전계층(120)은 전극과 접촉하는 국부적 후면 전계층(123)으로 구분될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 절연층(130)은 복수 개의 개구부를 형성하여 금속전극과 연결될 국부적 후면 전계층(123)과, 상기 에미터가 형성된 홀 주변부는 노출시킨다. 이 때 상기 절연층(130)은, 패시베이션 기능을 가질 수 있다. 추후 금속 전극이 형성될 부분의 접합 계면에 절연층(130)을 형성함으로써 전지의 역포화 밀도를 줄여 개방전압을 높이고 온도 증가에 의한 개방전압의 감소도 줄여주어 태양전지의 효율 저하를 일부 방지할 수 있다.
후면 패시베이션은 기판(100)의 표면을 안정화시켜 보호하고, 전자-전공 표면 재결합을 최소화시켜서 전자-정공 표면 재결합 속도(BSRV :Back Surface Recombination Velocity)를 500cm/sec 미만으로 줄여 태양전지의 효율을 높이는 역할을 한다. 절연층(130)은, 급속 열처리(RTP : Rapid Thermal Process)를 위한 노(furnace) 내부에서 수행되는 급속 열 산화(RTO : Rapid Thermal Oxidation)방식으로 형성되는 실리콘 산화물(SiO2) 등의 열적 산화물일 수 있다. 상기 방식 외에 SiO2을 타겟(target) 물질로 하는 스퍼터링법(sputtering) 또는 기상화학증착(PECVD) 법에 의해 형성된 절연성 물질 또는 SiO2, SiNx, SiOxNy 와 같은 물질도 절연층(130)에 사용될 수 있다.
도 12를 참조하면, 절연층(130)의 개구부가 형성된 후면 전계부(120)인 국부 후면 전계층(123)상에는 제1 금속 전극(140)이 형성된다. 그리고 도 13을 참조하면, 상기 절연층 및 비접촉 후면 전계층(121)을 포함하여 상기 전면에 형성된 에미터(110)에 전기적으로 연결된 제2 금속 전극(150)이 형성된다. 제2 금속 전극(150)은 에미터(110) 및 기판을 관통하여 기판(100)의 전면에까지 이르도록 형성될 수 있다.
제2 금속 전극(150)은 기판(100)을 관통하여, 전면에도 그리드를 형성한다. 여기서 설명하는 실시예는 MWT 태양전지이므로, 전면에 핑거 전극이 형성되고 후면에는 버스바가 위치하게 된다.
제1 금속 전극(140)과 제2 금속 전극(150)을 형성하기 위해서는, 기판(100)의 전면에 금속 전극용 페이스트를 스크린 프린팅 하여 건조한 후, 상기 반도체 기판의 후면에도 금속 전극용 페이스트를 스크린 프린팅 하여 건조한다. 금속 전극용 페이스트는 주로 은(Ag) 페이스트가 사용된다.
특히 제2 금속 전극(150) 형성 시, 금속 전극용 페이스트는 기판(100)의 관통 홀(155)의 상부와 하부에 각각 패터닝되어 인쇄되어야 하며, 이후 공정에서 열처리 소성 과정을 통해 관통 홀 내부에 금속전극이 채워지면서 최종적으로 금속전극을 완성하게 된다.
제2 금속 전극이 기판을 관통하여 전면에도 그리드를 형성함으로써, 태양전지의 전면부에서 주로 생성되는 소수 캐리어의 수집이 용이해지며, 따라서 소수 캐리어의 수집율도 향상에 따라 변환 효율도 좋아질 수 있다.
도 15 내지 도 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양전지의 제조 방법을 나타낸 도면이며, 도 22는 도 15 내지 도 21에서 도시된 과정을 통해 제조된 태양전지의 단면이 개시된 입체 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따라 MWT 태양전지를 제조하기 위해, 우선 기판(100) 상에 도 15에 도시된 바와 같이 홀을 형성한다. 기판(100)을 전면에서 후면까지 관통하는 관통 홀을 형성한다. 관통 홀은 레이저 드릴링(laser drilling), 레이저 식각 등에 의해 기판을 관통함으로써 형성될 수 있다. 상기 레이저의 광원으로 여러가지가 이용될 수 있고, 일례로, 그린레이저원(green laser source), Nd/YAG 레이저원이 이용될 수 있다. 관통 홀의 폭은 100 ㎛ 이하일 수 있다.
상술한 바에 따라 홀이 형성된 기판(100)의 전면에는 에미터(110)가 형성된다. 그리고 기판(100)의 후면에는, 전면에 에미터(110)가 형성되면서 홀을 통해 후면에도 에미터(110)가 함께 형성되며 이때 형성된 에미터(110)가 홀 주변에 남아있게 된다. 도 15 내지 도 21에서도, 도면에서 위로 향하는 면이 기판(100)의 후면이며, 아래로 향하게 도시된 면이 기판(100)의 전면이다.
그리고 도면 상에 도시되지는 않았으나, 기판(100)의 전면은 입사광의 반사도를 줄이기 위하여 텍스쳐링 될 수 있다. 상기 기판(100)의 전면의 텍스쳐링은 습식화학식각공정, 반응이온성식각(RIE) 공정을 비롯한 건식 화학 식각공정 또는 레이저 조사공정 등에 의할 수 있다. 또한 기판(100)의 후면은 내부 반사도(internal reflection)을 줄이기 위하여 평탄화 될 수 있고, 텍스쳐링 될 수도 있다. 상기 반도체 기판의 후면의 평탄화는 습식화학식각공정, 반응이온성식각(RIE) 공정을 비롯한 건식 화학 식각공정에 의할 수 있다.
에미터(110)상에는 실리콘 질화막(SiNx)이나 실리콘 산화막(SiO2) 등으로 이루어진 반사 방지막(미도시)이 하나 이상 형성될 수 있다. 예를 들면, SiNx/SiON 또는 SiNx/SiOx 와 같은 두개 층을 이용하거나, SiOx/SiNx/SiOx 와 같은 세개 층을 이용하는 등 다층막을 이용하여 반사방지막을 형성할 수 있다. 상기 반사방지막은 태양전지의 반사율을 최소화하는 기능을 할 뿐만 아니라, 패시베이션층의 기능도 수행한다.전면 전계층 위에 형성된 반사 방지막은 입사되는 태양 광의 반사율을 줄이고 특정한 파장 영역의 선택성을 증가시켜, 태양 전지의 효율을 높인다.
기판(100)으로는 p형 불순물 반도체 기판 또는 n형 불순물 반도체 기판이 사용될 수 있다. 에미터(110)는 기판(100)과 상반되는 타입의 도전형을 가진다. 즉, p형 불순물 반도체 기판이 사용되는 경우에는 n형 에미터가 형성되고, n형 불순물 반도체 기판에는 p형 에미터층이 형성됨으로써, p-n 접합을 형성한다.
에미터(110)는 열확산법 또는 포스포러스 옥시클로라이드(Phosphorous Oxychloride, POCl3) 확산법에 의해 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면 에미터(110)는 기판(100)의 전면과 후면의 전체 영역과, 기판(100)에 형성된 홀의 내부의 표면에도 형성될 수 있다.
후면의 에미터(110)들 사이에는 후면 전계층(120)이 형성된다. 따라서 후면에는 에미터(110)와 후면 전계층(120)이 교번하여 배열된다. 또한 태양전지의 후면에서 에미터(110)와 후면 전계층(120)이 모두 국부적으로 형성되므로, 에미터(110)와 후면 전계층(120)이 전체 기판의 면적에서 차지하는 면적비 및 에미터(110)와 후면 전계층(120) 간의 면적비를 조절할 수가 있다.
여기서 후면 전계층(120) 중, 특히 제2 금속 전극(150) 뿐만이 아니라 제1 금속 전극(140)과도 접촉면을 가지지 않는 비접촉 후면 전계층(121)은 기판(100)과 반대의 도전형을 가지는 불순물을 에미터(110)들 사이에 고농도로 도핑함으로써, 도 11에 도시된 바와 같이 형성될 수 있다. 제1 금속 전극(140)과의 접촉면을 가지는 국부 후면 전계층(123)는 비접촉 후면 전계층(121)과 같은 방법으로 형성될 수도 있으며, 이후 제1 금속 전극(140)이 형성된 후 열처리 과정에 의하여 형성될 수도 있다.
즉 본 발명의 실시예와 같은 후면 구조를 가지는 태양전지의 경우, 최적의 효율을 위한 에미터(110)와 후면 전계층(120)의 면적비를 개선할 수 있다. 이러한 에미터(110)와 후면 전계층(120)의 면적비는 0.1% 내지 10% 정도일 수 있다.
에미터(110)의 끝단에 걸쳐서 콘택리스 후면 전계층(120)을(즉, 후면전계층에는 형성하지 않고, 비접촉 후면 전계층만 덮도록 형성) 커버하는 부분에 분로(shunt) 손실을 방지하기 위해 절연층(130)이 마련된다. 그리고 절연층(130)은 스퍼터링(sputtering)법, 화학 기상 증착(chemical vapor deposition)법, 잉크젯 인쇄(inkjet printing)법 등과 같은 다양한 막 적층법을 통해 형성된다.
도 18에 도시된 바와 같이 후면의 전 영역에 절연막을 형성한 후 레이저를 이용하여 선택적으로 절연막을 제거함으로써, 도 19에 도시된 바와 같은 절연층(130)을 형성할 수 있다. 도 19에 도시된 바와 같이 절연층(130)을 형성하기 위해, 절연막 중 홀과 홀 주변 에미터 일부 영역에 형성된 절연막, 그리고 이후 제1 금속 전극이 형성될 일부의 후면 전계층 상에 형성된 절연막 일부가 제거된다.
절연막의 제거 여부에 따라 후면 전계층(120)은 다음과 같이 구분될 수 있다. 즉, 개구부를 포함하지 않는 절연층(130)으로 덮인 후면 전계층(120)은 비접촉 후면 전계층(121)으로, 절연막이 일부 제거되어 개구부를 포함하는 절연층(130) 아래에 있어 이후 제1 금속 전극(140)과 접촉면을 가지게 되는 후면 전계층(120)은 전극과 접촉하는 국부적 후면 전계층(123)으로 구분될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 절연층(130)은 복수 개의 개구부를 형성하여 금속전극과 연결될 국부적 후면 전계층(123)와, 상기 에미터가 형성된 홀 주변부는 노출시킨다. 이 때 상기 절연층(130)은, 패시베이션 기능을 가질 수 있다. 추후 금속 전극이 형성될 부분의 접합 계면에 절연층(130)을 형성함으로써 전지의 역포화 밀도를 줄여 개방전압을 높이고 온도 증가에 의한 개방전압의 감소도 줄여주어 태양전지의 효율 저하를 일부 방지할 수 있다.
후면 패시베이션은 기판(100)의 표면을 안정화시켜 보호하고, 전자-전공 표면 재결합을 최소화시켜서 전자-정공 표면 재결합 속도(BSRV :Back Surface Recombination Velocity)를 500cm/sec 미만으로 줄여 태양전지의 효율을 높이는 역할을 한다. 절연층(130)은, 급속 열처리(RTP : Rapid Thermal Process)를 위한 노(furnace) 내부에서 수행되는 급속 열 산화(RTO : Rapid Thermal Oxidation)방식으로 형성되는 실리콘 산화물(SiO2) 등의 열적 산화물일 수 있다. 상기 방식 외에 SiO2을 타겟(target) 물질로 하는 스퍼터링법(sputtering) 또는 기상화학증착(PECVD) 법에 의해 형성된 절연성 물질 또는 SiO2, SiNx, SiOxNy 와 같은 물질도 절연층(130)에 사용될 수 있다.
도 20을 참조하면, 상술한 국부 후면 전계층(123) 상에는 제1 금속 전극(140)이 형성된다. 그리고 도 21을 참조하면, 상기 절연층(130) 및 후면의 에미터(110)를 포함하여, 기판(100)을 관통하여 상기 전면에 형성된 에미터(110)에까지 전기적으로 연결된 제2 금속 전극(150)이 형성된다. 즉 제2 금속 전극(150)은 에미터(110) 및 기판(100)을 관통하여 기판(100)의 전면에까지 이르도록 형성될 수 있다. 제2 금속 전극(150)의 형성을 위해 금속 전극용 페이스트를 후면에 프린팅하여 열처리한 후, 전면에도 프린팅하여 열처리하여 기판(100) 내 관통 홀(155)에 금속 전극용 페이스트가 충진되도록 함으로써 제2 금속 전극(150)이 기판(100)을 관통하는 구조를 가질 수 있도록 한다.
제2 금속 전극(150)은 기판(100)을 관통하여, 전면에도 그리드를 형성한다. 여기서 설명하는 실시예는 MWT 태양전지이므로, 전면에 핑거 전극이 형성되고 후면에는 버스바 전극이 위치하게 된다.
제1 금속 전극(140)과 제2 금속 전극(150)을 형성하기 위해서는, 기판(100)의 전면에 금속 전극용 페이스트를 스크린 프린팅 하여 건조한 후, 상기 반도체 기판의 후면에도 금속 전극용 페이스트를 스크린 프린팅 하여 건조한다. 금속 전극용 페이스트는 주로 은(Ag) 페이스트가 사용된다.
특히 제2 금속 전극(150) 형성 시, 금속 전극용 페이스트는 기판(100)의 관통 홀(155)의 상부와 하부에 각각 패터닝되어 인쇄되어야 하며, 이후 공정에서 열처리 소성 과정을 통해 관통 홀 내부에 금속전극이 채워지면서 최종적으로 금속전극을 완성하게 된다.
제2 금속 전극(150)이 기판(100)을 관통하여 전면에도 그리드를 형성함으로써, 태양전지의 전면부에서 주로 생성되는 소수 캐리어의 수집이 용이해지며, 따라서 소수 캐리어의 수집율도 향상에 따라 변환 효율도 좋아질 수 있다.
다만, 본 실시예에서는 제2 금속 전극(150)이 절연층(130)을 완전히 커버하지 않는다. 즉, 하나의 전면 그리드는 하나의 금속 전극 관통 홀과 하나의 후면 그리드에 대응되며, 이들이 하나의 제2 금속 전극(150)을 형성한다. 따라서 본 실시예에 따르면 기판의 후면 상에 국부적으로 형성된 비접촉 후면 전계층(121)은 제1 금속 전극(140)과 접촉되지 않는 것은 물론, 제2 금속 전극(150)과 오버랩되는 영역도 가지지 않는다.
정상 동작에서, 소수 전하 캐리어들은 태양 전지의 에미터 영역들에서 수집되고 다수 전하 캐리어들은 후면 전계 영역들에서 수집된다. N-형 기판을 구비한 후면 접촉 태양 전지의 경우에 있어서, 소수 전하 캐리어들은 P-형 확산 영역(이 경우에서는 에미터(110)에 의해 수집되어, 금속 그리드를 통해 포지티브(positive) 단자로 도전된다. 다수 전하 캐리어들은 N-형 확산 영역(이 경우에서는 후면 전계층(120)에 의해 수집되어 금속 그리드에 의해 네거티브(negative) 단자로 도전된다.
캐리어의 생성이 대부분 태양 전지의 앞면에서 발생하는 경우, 다수 및 소수 전하 캐리어들 모두는 확산 영역들에 의해 수집되기 위해 생성 지점으로부터 배면으로 이동해야 한다. 이 거리는, "캐리어 경로 길이"라고도 하며, 후면 접촉 태양 전지의 성능을 결정하는 중요한 파라미터가 된다. 따라서 본 발명에서처럼 전면과 후면에 모두 에미터(110)와 제1 금속 전극(140)이 형성되어 있는 경우 캐리어 경로 길이의 단축을 통해 태양전지의 효율이 향상된다.
본 발명의 실시예에 따른 태양전지는 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성에 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
또한, 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 이해되어서는 안될 것이다.
100 : 기판 110 : 에미터
120 : 후면 전계층 130 : 절연층
140 : 제1 금속 전극 150 : 제2 금속 전극
155 : 관통 홀
120 : 후면 전계층 130 : 절연층
140 : 제1 금속 전극 150 : 제2 금속 전극
155 : 관통 홀
Claims (15)
- 제1 도전형을 가지는 기판;
상기 기판의 전면의 전체 영역, 상기 기판을 관통하는 관통 홀 및 상기 기판의 후면 중 일부 영역에 분포된 제2 도전형을 가지는 에미터;
상기 기판의 후면의 상기 에미터가 분포되지 않은 영역에 상기 에미터와 교번하여 형성된 후면 전계층;
상기 기판의 후면에 형성된 상기 후면 전계층 중 비접촉 후면 전계층 상에 형성되며, 상기 에미터의 일부 영역 및 상기 후면 전계층 중 국부 후면 전계층의 일부 영역에 2 이상의 개구부를 포함하는 절연층;
상기 국부 후면 전계층 상의 상기 개구부에 형성된 제1 금속 전극;
상기 에미터 상의 상기 개구부 및 상기 개구부에 인접한 상기 절연층 상에 형성된 제2 금속 전극을 포함하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 후면 전계층의 면적은 상기 기판의 전체 면적 중에서 0.1% 이상 5% 이하인 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 기판의 상기 후면에 형성된 상기 에미터의 면적은 상기 기판의 전체 면적 중에서 0.1% 이상 5% 이하인 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 에미터를 형성하기 전에, 레이저 식각 또는 레이저 드릴링 중 하나의 방법을 통해 상기 기판을 관통하는 관통 홀을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 기판의 전면에 전면 전계층을 더 포함하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 기판의 전면에 반사방지막을 더 포함하는 태양전지. - 제1 도전형을 가지는 기판;
상기 기판의 전면의 전체 영역 및 상기 기판의 후면 중 일부 영역에 분포된 제2 도전형을 가지는 에미터;
상기 기판의 후면의 상기 에미터가 분포되지 않은 영역에 상기 에미터와 교번하여 형성된 후면 전계층;
상기 기판의 후면에 형성된 상기 후면 전계층 중 비접촉 후면 전계층 상에 형성되며, 상기 에미터의 일부 영역 및 상기 후면 전계층 중 국부 후면 전계층의 일부 영역에 2 이상의 개구부를 포함하는 절연층;
상기 국부 후면 전계층 상에 형성된 제1 금속 전극;
상기 에미터 상의 상기 개구부, 상기 개구부에 인접한 상기 절연층 상에서부터 상기 에미터 및 상기 기판을 관통하는 관통 홀을 통해 상기 기판의 전면에까지 형성된 제2 금속 전극을 포함하는 태양전지. - 제7항에 있어서,
상기 제2 금속 전극은 상기 기판의 후면 상에서 2 이상의 상기 개구부를 커버하는 영역에 형성된 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제7항에 있어서,
상기 금속 전극은 상기 기판의 후면 상에서 하나의 개구부와 상기 개구부에 인접한 절연층 상에 형성되며,
상기 후면 전계층은 상기 제2 금속 전극가 오버랩되는 영역을 가지지 않는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제7항에 있어서,
상기 제2 금속 전극이 형성되기 전에 상기 기판을 관통하는 상기 관통 홀이 형성되며, 상기 관통 홀은 레이저 드릴링(laser drilling) 또는 레이저 식각 중 하나 이상의 방법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제7항에 있어서,
상기 후면 전계층은 상기 기판의 전체 면적 중에서 0.1% 이상 5% 이하인 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제7항에 있어서,
상기 기판의 상기 후면에 형성된 상기 에미터는 상기 기판의 전체 면적 중에서 0.1% 이상 5% 이하인 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제7항에 있어서,
상기 기판의 타면에 반사방지막을 형성하는 단계를 더 포함하는 태양전지. - 제7항에 있어서,
상기 기판의 전면에 전면 전계 영역을 형성하는 단계를 더 포함하는 태양전지. - 제7항에 있어서,
상기 기판의 상기 전면은 텍스처링된 것을 특징으로 하는 태양전지.
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|---|---|---|---|
| KR1020110011038A KR20120090553A (ko) | 2011-02-08 | 2011-02-08 | 태양전지 및 그 제조방법 |
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| KR1020110011038A KR20120090553A (ko) | 2011-02-08 | 2011-02-08 | 태양전지 및 그 제조방법 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014046978A1 (en) * | 2012-09-18 | 2014-03-27 | Applied Materials, Inc. | Tape assisted single step peel-off on sin layer above metal |
-
2011
- 2011-02-08 KR KR1020110011038A patent/KR20120090553A/ko active Search and Examination
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| US9627211B2 (en) | 2012-09-18 | 2017-04-18 | Applied Materials, Inc. | Tape assisted single step peel-off on sin layer above metal electrodes |
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