KR20120122023A - Hetero-Junction Solar Cell - Google Patents

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KR20120122023A
KR20120122023A KR1020110039973A KR20110039973A KR20120122023A KR 20120122023 A KR20120122023 A KR 20120122023A KR 1020110039973 A KR1020110039973 A KR 1020110039973A KR 20110039973 A KR20110039973 A KR 20110039973A KR 20120122023 A KR20120122023 A KR 20120122023A
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solar cell
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acf
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이상섭
양수미
주상민
허종규
김기현
임종빈
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현대중공업 주식회사
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Abstract

PURPOSE: A heterojunction solar cell is provided to prevent deterioration of an amorphous silicon thin film by including an auxiliary electrode layer made of materials which allows low temperature firing of a metal electrode. CONSTITUTION: A substrate(10) includes a first conductivity type semiconductor layer(11) on a lower layer thereof. A second conductive semiconductor layer(12) is formed on an upper layer of the substrate. A front electrode(20) has a finger bar or bus bar pattern. A front electrode is formed on the top of a front auxiliary electrode layer. A rear electrode is formed on a lower part of a rear auxiliary electrode layer.

Description

이종접합형 태양전지{Hetero-Junction Solar Cell}Hetero-junction solar cell {Hetero-Junction Solar Cell}

본 발명은 이종접합형 태양전지에 관한 것으로, 특히 패시베이션층 역할을 하는 비정질 실리콘 박막을 구비한 이종접합형 태양전지에 관한 것이다.
The present invention relates to a heterojunction solar cell, and more particularly, to a heterojunction solar cell having an amorphous silicon thin film serving as a passivation layer.

태양전지는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심소자로서, 기본적으로 p-n 접합으로 이루어진 다이오드(Diode)라 할 수 있다. The solar cell is a key element of photovoltaic power generation that converts sunlight directly into electricity, and is basically a diode composed of a p-n junction.

태양광이 태양전지에 의해 전기로 변환되는 과정을 살펴보면, 태양전지의 p-n 접합부에 태양광이 입사되어 의해 전자-정공 쌍이 생성되고, 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 이동하게 되어 p-n 접합부 사이에 광기전력이 발생되며, 이때 태양전지의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산할 수 있게 된다.In the process of converting sunlight into electricity by solar cells, solar light is incident on the pn junction of the solar cell to generate electron-hole pairs, and electrons move to n layers and holes move to p layers by the electric field. Thus, photovoltaic power is generated between the pn junctions, and when a load or a system is connected to both ends of the solar cell, current flows to generate power.

이러한 태양전지는 일반적으로 n형 실리콘 기판상에 p형 반도체층이 형성된 구조를 이루는데, 이때 p형 반도체층은 p형 불순물의 도핑에 의해 형성된다. 이에, 실리콘 기판의 하층부는 n형 반도체층을 이루게 되고, 상층부는 p형 반도체층을 이루게 되어 p-n 접합부를 구성하게 된다. 그리고 실리콘 기판의 전후면에는 p-n 접합부에 의해 광생성된 소수 운송자(정공) 및 다수 운송자(전자)를 포집하기 위한 금속전극이 형성된다.Such solar cells generally form a structure in which a p-type semiconductor layer is formed on an n-type silicon substrate, where the p-type semiconductor layer is formed by doping with p-type impurities. Accordingly, the lower layer of the silicon substrate forms an n-type semiconductor layer, and the upper layer forms a p-type semiconductor layer to form a p-n junction. In addition, metal electrodes are formed on the front and rear surfaces of the silicon substrate to collect the small number of carriers (holes) and the large number of carriers (electrons) generated by the p-n junction.

한편, 일반적인 태양전지는 그 구조상 실리콘 기판 내에서 광생성된 소수 운송자가 이동 중에 p형 반도체층의 침입형 사이트(Interstitial Sites) 또는 대체형 사이트(Substitutional Sites)에 포집되어 재결합되는 경우가 쉽게 발생하여 광전변환효율에 악영향을 끼치게 된다.On the other hand, in general solar cells, a small number of photo-generated carriers in the silicon substrate are easily trapped and recombined in the interstitial sites or substitutional sites of the p-type semiconductor layer during movement. It adversely affects the photoelectric conversion efficiency.

즉, 태양전지를 개발하는 경우에는 항상 실리콘 기판 표면의 패시베이션 특성을 향상시켜 소수 운송자의 재결합율을 최소화시킴으로써 태양전지의 광전변환효율을 극대화시키는 것이 과제로 작용하게 된다.That is, when developing a solar cell, it is always a task to maximize the photoelectric conversion efficiency of the solar cell by minimizing the recombination rate of a few carriers by improving the passivation characteristics of the silicon substrate surface.

이에, 종래에는 운송자의 터널링(Tunnelling)에 의한 전기 전도도가 우수하여 패시베이션 특성이 우수한 비정질 실리콘(a-Si) 박막을 실리콘 기판과 전극 사이의 패시베이션층으로 구비시켜 광생성된 소수 운송자의 재결합율을 저하시킨, 이른바 이종접합형(Hetero-Junction) 태양전지가 제시되어 있다.Therefore, in the related art, an amorphous silicon (a-Si) thin film having excellent passivation characteristics due to excellent electrical conductivity by tunneling of a transporter is provided as a passivation layer between a silicon substrate and an electrode, thereby improving the recombination rate of the photogenerated minority transporter. Reduced, so-called hetero-junction solar cells are proposed.

이러한 종래의 이종접합형 태양전지는 그 제조 시, 패시베이션층 상에 금속 페이스트(Paste)를 스크린 인쇄한 후 고온 소성하여 금속전극을 형성하게 되는데, 이때의 고온에 의해 패시베이션층을 구성하는 비정질 실리콘 박막이 열화됨에 따라 비정질 실리콘 박막의 상평형이 깨져 결정계로 상전이 일어나게 되어 비정질 실리콘 박막의 패시베이션 특성이 저하되는 문제점이 있다.In the conventional heterojunction type solar cell, a metal electrode is formed by screen printing a metal paste on the passivation layer and baking it at a high temperature, thereby forming an amorphous silicon thin film constituting the passivation layer by the high temperature. As this deterioration occurs, the phase equilibrium of the amorphous silicon thin film is broken and phase transition occurs in the crystal system, thereby causing a problem in that the passivation characteristics of the amorphous silicon thin film are deteriorated.

또한, 종래의 이종접합형 태양전지는 그 구조상, 실리콘 기판의 전면에만 수광 부위가 형성되고, 실리콘 기판의 후면에 전체적으로 금속전극이 형성되기 때문에, 지표면에서 반사되어 실리콘 기판의 후면으로 입사되는 태양광의 경우에는 전혀 흡수할 수 없는 문제점이 있다.
In addition, in the conventional heterojunction type solar cell, since the light receiving portion is formed only on the front surface of the silicon substrate and the metal electrode is formed entirely on the back surface of the silicon substrate, the heterojunction solar cell is reflected from the ground and incident on the back surface of the silicon substrate. If there is a problem that can not be absorbed at all.

본 발명은 전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 안출된 것으로, 패시베이션층 역할을 하는 비정질 실리콘 박막과 금속전극 사이에 금속전극의 저온 소성이 가능한 재질의 보조 전극층을 구비한 이종접합형 태양전지를 제공하는데, 그 목적이 있다.The present invention has been made to achieve the above object, and provides a heterojunction solar cell having an auxiliary electrode layer of a material capable of low-temperature firing of the metal electrode between the amorphous silicon thin film and the metal electrode serving as a passivation layer. There is a purpose.

또한, 본 발명은 기판의 양면에 수광 부위를 형성하여 기판의 전면과 더불어 기판 후면을 통해 지표면에서 반사되는 태양광까지도 흡수할 수 있도록 하는 이종접합형 태양전지를 제공하는데, 그 목적이 있다.
Another object of the present invention is to provide a heterojunction type solar cell, in which light-receiving portions are formed on both sides of a substrate to absorb even sunlight reflected from the ground surface through the rear surface of the substrate.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이종접합형 태양전지는, 제1도전형 반도체층을 하층부에 구비하고 제2도전형 반도체층을 상층부에 구비한 실리콘 재질의 기판과; 상기 기판의 상부에 구비되며, 핑거 바 또는 버스 바 패턴을 갖는 전면전극이 저온 소성에 의해 상부에 형성되는 전면 보조 전극층과; 상기 기판의 하부에 구비되며, 핑거 바 또는 버스 바 패턴을 갖는 후면전극이 저온 소성에 의해 하부에 형성되는 후면 보조 전극층과; 상기 기판과 상기 전면 보조 전극층 사이에 형성된 반사방지막과; 상기 기판과 상기 후면 보조 전극층 사이에 형성되어 후면 패시베이션층 역할을 하는 제1도전형의 비정질 실리콘 박막을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.A heterojunction solar cell according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is a silicon substrate having a first conductive semiconductor layer on the lower layer and a second conductive semiconductor layer on the upper layer. and; A front auxiliary electrode layer provided on the substrate and having a front electrode having a finger bar or bus bar pattern formed thereon by low temperature baking; A rear auxiliary electrode layer provided below the substrate and having a rear electrode having a finger bar or bus bar pattern formed at a lower portion by low temperature baking; An anti-reflection film formed between the substrate and the front auxiliary electrode layer; It is preferable that the first conductive amorphous silicon thin film is formed between the substrate and the rear auxiliary electrode layer to serve as a rear passivation layer.

여기서, 상기 전면 보조 전극층은, 표면에 상기 전면전극이 형성되는 제1ACF(Anisotropic Conductive Film)과; 상기 기판과 상기 제1ACF 사이에 형성된 제1TCO(Transparent Conductive Oxide)층을 구비하여 이루어지는 것이 바람직하다.The front auxiliary electrode layer may include: a first anisotropic conductive film (ACF) having the front electrode formed on a surface thereof; It is preferable to include a first transparent conductive oxide (TCO) layer formed between the substrate and the first ACF.

아울러, 상기 후면 보조 전극층은, 표면에 상기 후면전극이 형성되는 제2ACF과; 상기 기판과 상기 제2ACF 사이에 형성된 제2TCO층을 구비하여 이루어지는 것이 바람직하다.In addition, the rear auxiliary electrode layer may include: a second ACF having the rear electrode formed on a surface thereof; It is preferred to have a second TCO layer formed between the substrate and the second ACF.

그리고, 상기 제1ACF 및 상기 제2ACF는, 나노 파우더(Powder) 또는 캡슐 형태의 ITO, Ag, Au, TiO2 또는 ZnO을 포함하는 폴리머 재질의 투명 전극층이 50 nm 내지 100 nm의 두께로 형성되어 이루어지는 것이 바람직하다.In addition, the first ACF and the second ACF may be formed of a transparent electrode layer made of a polymer material including nanopowder or capsule-shaped ITO, Ag, Au, TiO 2 or ZnO having a thickness of 50 nm to 100 nm. It is preferable.

그리고, 상기 비정질 실리콘 박막은, 1015cm-3eV-1 이하의 결함 밀도를 가지며, 1 nm 내지 100 nm의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
In addition, the amorphous silicon thin film has a defect density of 10 15 cm −3 eV −1 or less, and is preferably formed to a thickness of 1 nm to 100 nm.

본 발명에 따른 이종접합 태양전지에 의하면, 패시베이션층 역할을 하는 비정질 실리콘 박막과 금속전극 사이에 금속전극의 저온 소성이 가능한 재질의 보조 전극층을 구비함으로써, 금속전극 형성 시 비정질 실리콘 박막의 열화를 방지하여 비정질 실리콘 박막의 우수한 패시베이션 특성을 유지시킬 수 있는 효과가 있다.According to the heterojunction solar cell according to the present invention, an auxiliary electrode layer made of a material capable of low-temperature firing of a metal electrode is provided between an amorphous silicon thin film serving as a passivation layer and a metal electrode, thereby preventing deterioration of the amorphous silicon thin film when the metal electrode is formed. Therefore, there is an effect that can maintain excellent passivation characteristics of the amorphous silicon thin film.

또한, 본 발명에 따른 이종접합형 태양전지에 의하면, 기판의 양면에 수광 부위를 형성하여 기판의 전면과 더불어 기판 후면을 통해 지표면에서 반사되는 태양광까지도 흡수함으로써, 태양광 흡수량을 증가시켜 태양전지의 구동 효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
In addition, according to the heterojunction solar cell according to the present invention, by forming a light-receiving portion on both sides of the substrate to absorb the sunlight reflected from the ground surface through the back of the substrate as well as the front surface of the substrate, increasing the amount of sunlight absorbed solar cells There is an effect that can maximize the driving efficiency.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종접합형 태양전지의 단면도.1 is a cross-sectional view of a heterojunction solar cell according to an embodiment of the present invention.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이종접합형 태양전지에 대하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a heterojunction solar cell according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이종접합형 태양전지는 제1도전형 반도체층(11)을 하층부에 구비하고 제2도전형 반도체층(12)을 상층부에 구비한 결정질 실리콘(예를 들어, c-Si 등) 재질의 기판(10)과, 기판(10)의 상부에 구비되며, 핑거 바 또는 버스 바 패턴을 갖는 전면전극(20)이 저온 소성에 의해 상부에 형성되는 전면 보조 전극층(50)과, 기판(10)의 하부에 구비되며, 핑거 바 또는 버스 바 패턴을 갖는 후면전극(21)이 저온 소성에 의해 하부에 형성되는 후면 보조 전극층(55)과, 기판(10)과 전면 보조 전극층(50) 사이에 형성된 반사방지막(30)과, 기판(10)과 후면 보조 전극층(55) 사이에 형성되어 후면 패시베이션층 역할을 하는 제1도전형의 비정질 실리콘(예를 들어, a-Si 또는 a-Si: H 등) 박막(40)을 포함하여 이루어진다. 여기서, 제1도전형은 n형 또는 p형일 수 있으며, 이하에서는 제1도전형이 n형인 경우 제2도전형은 p형인 것을 일 예로 들어 설명하기로 한다.Referring to FIG. 1, a heterojunction solar cell according to an exemplary embodiment of the present invention includes a crystalline silicon having a first conductive semiconductor layer 11 at a lower layer and a second conductive semiconductor layer 12 at an upper layer. A substrate 10 made of a material (for example, c-Si, etc.) and a front electrode 20 provided on the substrate 10 and having a finger bar or bus bar pattern are formed thereon by low temperature baking. The rear auxiliary electrode layer 50 and the rear auxiliary electrode layer 55 provided below the substrate 10 and having a finger bar or bus bar pattern formed on the lower side by low temperature firing, and the substrate ( 10) and the anti-reflection film 30 formed between the front auxiliary electrode layer 50 and the first conductive amorphous silicon (eg, formed between the substrate 10 and the back auxiliary electrode layer 55 as a back passivation layer) For example, a-Si or a-Si: H, etc.) thin film 40 is included. Here, the first conductivity type may be n-type or p-type. Hereinafter, when the first conductivity type is n-type, the second conductivity type will be described as an example.

전면전극(20) 및 후면전극(21)은 예컨대, 은(Ag) 등의 금속 재질로 구성될 수 있다.The front electrode 20 and the rear electrode 21 may be made of a metal material such as silver (Ag).

한편, 전면 보조 전극층(50)은 표면에 전면전극이 형성되는 ACF(Anisotropic Conductive Film)(50-1)과, 기판(10)과 ACF(50-1) 사이에 형성된 TCO(Transparent Conductive Oxide)층(50-2)을 구비하여 이루어지고, 후면 보조 전극층(55)은 표면에 후면전극(21)이 형성되는 ACF(55-1)과, 기판(10)과 ACF(55-1) 사이에 형성된 TCO층(55-2)을 구비하여 이루어진다.Meanwhile, the front auxiliary electrode layer 50 includes an anisotropic conductive film (ACF) 50-1 having a front electrode formed on a surface thereof, and a transparent conductive oxide (TCO) layer formed between the substrate 10 and the ACF 50-1. 50-2, and the rear auxiliary electrode layer 55 is formed between the ACF 55-1 and the substrate 10 and the ACF 55-1 having the rear electrode 21 formed on the surface thereof. A TCO layer 55-2 is provided.

이때, ACF(50-1, 55-1)는 예컨대, 나노 파우더(Powder) 또는 캡슐 형태의 ITO, Ag, Au, TiO2 또는 ZnO을 포함하는 폴리머 재질의 투명 전극층이 50 nm 내지 100 nm의 두께로 형성되어 이루어질 수 있다.In this case, the ACF 50-1, 55-1 may be, for example, a transparent electrode layer made of a polymer material including ITO, Ag, Au, TiO 2, or ZnO in the form of nano powder or capsule, having a thickness of 50 nm to 100 nm. It may be formed to.

즉, 본 발명에 따른 이종접합형 태양전지는 전후면 보조 전극층(50, 55), 특히 금속전극의 저온 소성이 가능한 재질의 ACF(50-1, 55-1) 표면에 각각 금속 재질의 전면전극(20) 및 후면전극(21)을 저온 소성을 통해 형성할 수 있어, 금속전극 형성 시 기판(10) 상에 형성되어 있는 비정질 실리콘 재질의 박막이 열화될 우려가 없으므로 패시베이션 특성이 저하되는 것을 방지할 수 있게 된다.That is, in the heterojunction solar cell according to the present invention, the front and back side auxiliary electrode layers 50 and 55, in particular, the front electrode made of metal on the surface of the ACF 50-1 and 55-1 of the material capable of low temperature firing of the metal electrode, respectively. 20 and the back electrode 21 can be formed through low-temperature firing, so that the thin film of amorphous silicon material formed on the substrate 10 is not deteriorated when the metal electrode is formed, thereby preventing the passivation property from deteriorating. You can do it.

그리고, TCO(50-2, 55-2)는 예컨대, ZnO, ITO(Indium Tin Oxide), GZO(Gallium Zinc Oxide), IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), IGO(Indium Gallium Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), In2O3 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.The TCOs 50-2 and 55-2 may be, for example, ZnO, indium tin oxide (ITO), gallium zinc oxide (GZO), indium gallium zinc oxide (IGZO), indium gallium oxide (IGO), or indium zinc (IZO). Oxide) and In2O3.

한편, 반사방지막(30)은 예컨대, 실리콘 질화물(Si3N4)층이 1 nm 내지 100 nm의 두께로 형성되어 이루어질 수 있다.Meanwhile, the anti-reflection film 30 may be formed by, for example, a silicon nitride (Si 3 N 4 ) layer having a thickness of 1 nm to 100 nm.

비정질 실리콘 박막(40)은 예컨대, 1015cm-3eV-1 이하의 결함 밀도를 가지며, 1 nm 내지 100 nm의 두께로 형성되어 이루어질 수 있다.The amorphous silicon thin film 40 has, for example, a defect density of 10 15 cm −3 eV −1 or less, and may be formed to have a thickness of 1 nm to 100 nm.

이러한 비정질 실리콘 박막(40)은 SiH4 가스가 채워진 분위기 내에 H2 가스의 양을 점차 증가시키면서 기판(10)의 하부에 증착시켜 형성할 수 있으며, 이때 증착 시간 가변을 통해 박막의 두께를 제어할 수 있다.
The amorphous silicon thin film 40 may be formed by depositing a lower portion of the substrate 10 while gradually increasing the amount of H 2 gas in an atmosphere filled with SiH 4 gas, and controlling the thickness of the thin film by varying deposition time. Can be.

본 발명에 따른 이종접합형 태양전지는 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.
The heterojunction solar cell according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be carried out by variously changing within the range permitted by the technical idea of the present invention.

10: 기판 11: 제1도전형 반도체층
12: 제2도전형 반도체층 20: 전면전극
21: 후면전극 30: 반사방지막
40: 비정질 실리콘 박막 50: 전면 보조 전극층
55: 후면 보조 전극층
10: substrate 11: first conductive semiconductor layer
12: second conductive semiconductor layer 20: front electrode
21: rear electrode 30: antireflection film
40: amorphous silicon thin film 50: front auxiliary electrode layer
55: rear auxiliary electrode layer

Claims (5)

제1도전형 반도체층을 하층부에 구비하고 제2도전형 반도체층을 상층부에 구비한 실리콘 재질의 기판과;
상기 기판의 상부에 구비되며, 핑거 바 또는 버스 바 패턴을 갖는 전면전극이 저온 소성에 의해 상부에 형성되는 전면 보조 전극층과;
상기 기판의 하부에 구비되며, 핑거 바 또는 버스 바 패턴을 갖는 후면전극이 저온 소성에 의해 하부에 형성되는 후면 보조 전극층과;
상기 기판과 상기 전면 보조 전극층 사이에 형성된 반사방지막과;
상기 기판과 상기 후면 보조 전극층 사이에 형성되어 후면 패시베이션층 역할을 하는 제1도전형의 비정질 실리콘 박막을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이종접합형 태양전지.
A silicon substrate provided with a first conductive semiconductor layer at a lower layer and a second conductive semiconductor layer at an upper layer;
A front auxiliary electrode layer provided on the substrate and having a front electrode having a finger bar or bus bar pattern formed thereon by low temperature baking;
A rear auxiliary electrode layer provided below the substrate and having a rear electrode having a finger bar or bus bar pattern formed at a lower portion by low temperature baking;
An anti-reflection film formed between the substrate and the front auxiliary electrode layer;
The heterojunction solar cell of claim 1, further comprising an amorphous silicon thin film of a first conductivity type formed between the substrate and the rear auxiliary electrode layer to serve as a rear passivation layer.
제1항에 있어서,
상기 전면 보조 전극층은,
표면에 상기 전면전극이 형성되는 제1ACF(Anisotropic Conductive Film)과;
상기 기판과 상기 제1ACF 사이에 형성된 제1TCO(Transparent Conductive Oxide)층을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이종접합형 태양전지.
The method of claim 1,
The front auxiliary electrode layer,
A first anisotropic conductive film (ACF) having the front electrode formed on a surface thereof;
A heterojunction solar cell comprising a first transparent conductive oxide (TCO) layer formed between the substrate and the first ACF.
제2항에 있어서,
상기 후면 보조 전극층은,
표면에 상기 후면전극이 형성되는 제2ACF과;
상기 기판과 상기 제2ACF 사이에 형성된 제2TCO층을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이종접합형 태양전지.
The method of claim 2,
The rear auxiliary electrode layer,
A second ACF having the rear electrode formed on a surface thereof;
A heterojunction solar cell comprising a second TCO layer formed between the substrate and the second ACF.
제3항에 있어서,
상기 제1ACF 및 상기 제2ACF는,
나노 파우더(Powder) 또는 캡슐 형태의 ITO, Ag, Au, TiO2 또는 ZnO을 포함하는 폴리머 재질의 투명 전극층이 50 nm 내지 100 nm의 두께로 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 이종접합형 태양전지.
The method of claim 3,
The first ACF and the second ACF,
A heterojunction solar cell, characterized in that a transparent electrode layer made of a polymer material including nano powder (Powder) or capsule form of ITO, Ag, Au, TiO 2 or ZnO is formed in a thickness of 50 nm to 100 nm.
제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 비정질 실리콘 박막은,
1015cm-3eV-1 이하의 결함 밀도를 가지며, 1 nm 내지 100 nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 이종접합형 태양전지.
The method according to any one of claims 1 to 4,
The amorphous silicon thin film,
A heterojunction solar cell having a defect density of 10 15 cm −3 eV −1 or less and formed to a thickness of 1 nm to 100 nm.
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