KR20150063578A - 광기전 태양 전지 및 모듈의 모놀리식으로 집적된 바이패스 스위치를 위한 방법 및 시스템 - Google Patents
광기전 태양 전지 및 모듈의 모놀리식으로 집적된 바이패스 스위치를 위한 방법 및 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
집적된 바이패스 스위치를 갖는 태양 전지용 구조체 및 방법이 제공된다. 일 실시형태에 따라서, 백그라운드 도핑, 전측, 및 후측을 포함하는 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치가 제공된다. 패터닝된 제1레벨 금속은 상기 층 후측 상에 위치하고, 전기 절연성 백플레인은 제1레벨 금속 상에 위치한다. 트랜치 분리 패턴은 반도체층을 태양 전지 영역과 적어도 하나의 모놀리식으로 집적된 바이패스 스위치 영역으로 분할한다. 패터닝된 제2레벨 금속은 상기 전기 절연성 백플레인 상에 위치하고, 상기 모놀리식 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체의 전기 금속화를 완성하기 위해 백플레인을 통해 제1레벨 금속에 연결된다.
Description
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2012년 10월 16일에 출원된 가출원 61/714,723의 이익을 주장하는 것이고, 이 내용은 전체가 여기에 참조된다.
본 발명은 일반적으로 태양 광기전(PV) 전지 및 모듈의 분야, 더욱 구체적으로는 광기전 (PV) 태양 전지 및 모듈의 전력 및 에너지 수확을 향상시킨 분배된 집적 셰이딩 관리(shade management)를 위한 모듈 라미네이트에 임베딩된 모놀리식으로 집적된 바이패스 스위치(MIBS)에 관한 것이다.
결정 실리콘 광기전(PV) 모듈은 현재(2012 현재) 전체 세계적 PV 연간 수요 시장 및 세계적으로 설치된 누적 PV 용량의 약 85 %를 초과하여 차지한다. 결정 실리콘 PV의 제조 공정은 초크랄스키(CZ) 실리콘 잉곳 또는 캐스트 실리콘 브릭으로 제조된 단결정 또는 다결정 실리콘 웨이퍼로 개시되는 결정 실리콘 태양 전지를 이용하는 것에 기초한다. 비결정 실리콘 기판의 박막 PV 모듈(예컨대, CdTe, CIGS, 유기, 및 비정질 실리콘 PV 모듈)은 저비용의 제조 공정의 가능성을 제공할 수 있지만, 일반적으로 주류인 결정 실리콘 PV 모듈(시판되는 결정 실리콘 모듈에 있어서 약 14 % 내지 약 20 %의 일반적인 범위, 및 거의 약 14 % 내지 17 % 범위의 모듈 효율을 제공함)과 비교하여 시판되는 박막 PV 모듈에서 매우 낮은 전환 효율(STC 모듈 효율로 한자릿수 내지 약 14 % 까지의 범위에서), 및 잘 완성된 결정 실리콘 태양 PV 모듈과 비교하여 필드 신뢰성의 증명되지 않은 장기 트랙의 기록을 제공한다. 리딩-에지(leading-edge) 결정 실리콘 PV 모듈은 다양한 다른 PV 기술과 비교하여 우수한 전체 에너지 전환 성능, 장기 필드 신뢰성, 비독성 및 라이프 사이클 지속 가능성을 제공한다. 또한, 이미 결정 실리콘 PV 모듈의 전체 제조 비용이 약 $0.65 내지 $0.80/Wp 이하까지의 최근 진보 및 발전이 추진되어 왔다. 파괴 단결정 실리콘 기술-예컨대 재사용 가능한 결정 실리콘 템플레이트, 박형(예컨대 약 10 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 일반적으로 ≤70 ㎛의 결정 실리콘 흡수체 두께) 에피택셜 실리콘, 백플레인 부착/라미네이팅, 및 다공성 실리콘 리프트 오프 기술을 이용하는 박형 실리콘 지지체를 이용하는 것에 기초하여 제조된 고효율 박형 단결정 실리콘 태양 전지-은 고효율(표준 시험 조건 또는 STC 하에서 적어도 20 %의 태양 전지 및/또는 모듈 효율) 및 대량 생산 스케일에서 $0.50/Wp 이하의 PV 모듈 제조 비용의 타협점을 제공한다.
도 1a는 GaAs 태양 전지와 같은 화합물 반도체 또는 결정 실리콘 태양 전지와 같은 일반적인 태양 전지의 등가 회로(equivalent circuit)를 나타내는 개략도이다. 태양 전지는, 다이오드를 병렬로, 또한 기생 분로 저항(parasitic shunt resistance)을 병렬로, 기생 직렬 저항을 직렬로, 광 발생 또는 IL로 나타내는 또는 쇼트 회로 전류(short circuit current) Isc(태양 전지 베이스 및 에미터 터미널(terminal)이 전기적으로 쇼트되는(shorted) 경우에 흐르는 전류)로 알려진 광 유도된 전류를 생성하는 전류 소스(current source)로 나타낼 수 있다. 전류 소스에 의해 제조되는 전류는 태양 전지 상에 태양광 조사 전력 강도의 레벨에 따라 달라진다. 바람직하지 않은 암전류(dark current)(ID는 태양 전지에서 재조합 손실에 의해 제조된다. 그 터미널이 개방되고, 임의의 로드에 연결되지 않는 경우에 태양 전지를 가로지르는 전압은 Voc 또는 개회로(open-circuit) 전압으로 알려진다. 또한, 현실적인 태양 전지 등가 회로는 도 1a 및 1b의 회로 개략도에 도시된 바와 같이 유한 직렬 저항(finite series resistance) Rs 및 유한 분로 저항(finite shunt resistance) RSH을 포함한다. 이상적인 태양 전지에서, 직렬 저항 RS은 0(즉 직렬 저항 오믹 전력 손실이 없음)이고, 분로 저항 RSH은 무한이다(분로 저항 전력 소모 손실이 없음). 그러나, 실제 및 현실적인 태양 전지에서, 유한(비제로) 직렬 저항은 그 반도체 흡수층 및 금속화 구조체에서 기생 직렬 저항 성분을 갖는다(즉, 전기 컨덕터가 완벽하지 않음)는 사실에 기인한다. 반도체층 저항 및 금속화 저항을 포함하는 이러한 기생 저항 성분은, 태양 전지 동작 동안 일부 오믹 손실 및 전력 소모(및 따라서, 필 팩터(Fill Factor)의 열화)를 야기한다. 유한(비무한) 분로 저항은 태양 전지에서 영역 기반의(area-based) 및 에지 유도된(edge-induced)(그것에 한정되지 않지만 불완전한 에지 분리를 포함함) 분로 결함 및 다른 비이상과 같은 해로운 효과에 기인하여 하나의 터미널에서 다른 터미널로 전류의 바람직하지 않은 누수에 의해 야기된다. 다시, 이상적인 태양 전지는 직렬 저항이 0이고, 무한 저항값의 분로 저항을 가질 것이다.
도 2a는 전류 소스, 광 발생 전류, 및 암전류를 나타내는(기생 직렬 및 분로 저항 성분은 도시하지 않음), 태양 전지의 등가 회로 모델을 개략적으로 다시 나타내고, 도 2b는 전지 상에 태양광 조명을 갖거나 갖지 않는 결정 실리콘 태양 전지와 같은 태양 전지의 일반적인 전류-전압(IV) 특성을 나타내는 대응하는 정량적 전류-전압(IV) 그래프이다. IL 및 ID는 각각 태양 전지의 바람직한 활성 광 발생 전류 및 바람직하지 않은 암전류이다.
광기전(PV) 모듈에 사용되는 태양 전지는 필수적으로 광다이오드이다-이들은 반도체 흡수체에 광 발생 전하 캐리어(일반적으로 전자 및 홀)를 통해 그 광 수신면에 도착하는 태양광을 전력으로 직접 전환한다. 복수의 태양 전지를 갖는 모듈에서, 임의의 셰이딩된 전지는 동일한 PV 모듈 내에 라미네이팅된 비셰이딩된 전지와 동일한 양의 전력(또는 전류)를 생산할 수 없다. 일반적인 PV 모듈에 라미네이팅된 전지 전체는 일반적으로 스트링에 직렬 연결되기 때문에, 전력의 차이는 전지(셰이딩된 vs 비셰이딩된 전지)를 통해 광 발생 전류의 차이를 야기한다. 비셰이딩된 전지와 직렬 연결된 셰이딩된(또는 부분적으로 셰이딩된) 전지를 통해 직렬 연결된 비셰이딩된 전지의 전류가 더 높도록 시도하는 경우에, 셰이딩된 전지(또는 부분적으로 셰이딩된 전지)의 전압은 사실상 네거티브가 된다(즉, 셰이딩된 전지는 효율적으로 역 바이어스(reverse biased)가 된다). 이러한 역 바이어스 조건 하에, 셰이딩된 전지는 전력을 생성하는 대신 전력을 현저히 소모 또는 소멸시킨다. 셰이딩된 또는 부분적으로 셰이딩된 전지에 의해 소모 및 소멸되는 전력은 전지를 가열시키고, 셰이딩된 전지가 위치하는 모듈 내에 국부화된 핫 스팟(hot spot)을 생성하고, 결국 가능하게는 영구 전지 및 모듈의 고장을 야기하여, 본 분야에서의 주요 신뢰성 불량 문제를 일으킬 것이다(보호 방책이 실시되지 않는다면).
표준(즉, 일반적으로 60 태양 전지를 포함하는 PV 모듈) 결정 실리콘 PV 모듈은 일반적으로 PV 모듈 내에 3개의 20-전지(또는 72-전지 모듈의 경우에 24 전지 또는 96-전지 모듈의 경우에 32 전지) 직렬 연결된 스트링으로 와이어링되고(wired), 20 전지 각각의 스트링은 외부 접합 박스 내에 위치하는 외부 바이패스 다이오드(일반적으로 pn 접합 다이오드 또는 쇼트키 다이오드)에 의해 보호된다. 20 전지의 이들 스트링은, 일반적으로 직렬 연결된 태양 전지를 포함하는 모듈의 출력 전기 리드(output electrical leads)를 제공하고, 최종 PV 모듈 어셈블리 전기적 상호연결(interconnection)을 형성하기 위해 접합 박스 내에 서로 직렬로 전기적으로 연결된다. PV 모듈이 그 표면 상에 상대적으로 균일한 태양의 조사를 수신하고, 전지가 셰이딩되지 않는 한, 모듈 내 전지는 대부분의 결정 실리콘 PV 모듈에 대해 전지 최대 전력 전압 또는 Vmp가 약 ~0.5 V 내지 0.6 V인 필수적으로 동등한 양의 전력(및 전류)을 생산할 것이다. 그 결과, 직렬 연결된 20 전지의 각각의 스트링을 가로지르는 최대 전력 전압 또는 Vmp는 결정 실리콘 전지를 이용하는 3개의 20-전지 직렬 연결된 서브-스트링을 포함하는 60-전지 PV 모듈에 대해 약 10 내지 12 V일 것이다. 균일한 모듈 조명 조건 하에서, 각각의 외부 바이패스 다이오드는 그 터미널을 가로질러 약 -10 내지 -12 V 역 바이어스 전압을 가질 것이고(예컨대, 모듈은 그 최대 전력점 또는 MPP에서 동작하지만), 바이패스 다이오드는 역 바이어스 오프 상태로 남는다(그 결과 접합 박스에 위치하는 역 바이어스 외부 바이패스 다이오드에 의한 모듈 전력 출력에 영향을 미치지 않을 것임). 20-전지 스트링의 태양 전지가 부분적으로 또는 완전히 셰이딩 되는 경우에, 비셰이딩된 전지보다 적은 전력(및 적은 전류)이 생산된다. 스트링의 전지가 일반적으로 전기 직렬로 연결되기 때문에, 셰이딩된 태양 전지는 효율적으로 역 바이어스가 되고, 전력의 소모가 시작되고, 따라서 전력을 생산하는 대신에 역 바이어스 셰이딩된 전지의 위치에서 국부화된 핫 스팟을 생성할 것이다. 적절한 주의를 기울이지 않으면, 셰이딩된 전지의 전력 소모 및 얻어진 국부화된 가열은 가능한 파국적인 고장(예컨대 역 바이어스 셰이딩된 전지의 고장, 셀-투-셀(cell-to-cell) 전기적 상호연결의 고장, 및/또는 모듈 캡슐화 및/또는 백시트와 같은 모듈 라미네이팅 재료의 고장) 및 설치된 PV 시스템의 과도한 가열 또는 핫 스팟에 기인한 가능한 화재 위험에 기인하여 불량한 전지 및 모듈의 신뢰성을 야기할 수 있다.
결정 실리콘 모듈은 종종, 태양 전지의 부분적 또는 전체 셰이딩에 의해 야기되는 상술한 핫 스팟 효과를 제거하고, 전지의 역 바이어스 가열에 기인한 안전 위험 및 얻어지는 잠재적인 전지 및 모듈 신뢰성 고장을 방지하기 위해, 외부 바이패스 다이오드를 이용한다. 셰이딩된 전지의 역 바이어스에 의해 야기되는 이러한 핫 스팟 현상은 영향받는 PV 전지에 영구히 손상을 줄 수 있고, PV 모듈 내 PV 전지의 표면에 태양광의 도달이 충분히 균일하지 않은 경우에 화재 위험을 야기할 수 있다(예컨대 하나 이상의 태양 전지의 전체 또는 부분적 셰이딩에 기인하여). 바이패스 다이오드(정류기(rectifiers))는 일반적으로 3개의 20-전지 서브 스트링을 갖는 표준 60-전지 결정 실리콘 태양 모듈에서 20 태양 전지의 서브 스트링당 하나의 외부 바이패스 다이오드인 PV 모듈 내에 태양 전지의 서브 스트링을 가로지르도록 위치한다(형태는 3개의 24-전지 서브 스트링을 갖는 72-전지 결정 실리콘 태양 모듈 내 24 태양 전지의 서브 스트링당 하나의 외부 바이패스 다이오드일 수 있고; 많은 다른 형태가 임의의 수의 태양 전지를 갖는 모듈이 가능함). 직렬 연결된 전지 스트링을 가로지르는 외부 바이패스 다이오드를 갖는 이러한 연결 형태는 모듈에서 역 바이어스 핫 스팟을 방지하고, PV 모듈이 다양한 실제 라이프 셰이딩 또는 부분적 셰이딩 또는 소일링(soiling) 조건 하에서 그 수명 내내 높은 신뢰성을 가지고 작동될 수 있다. 전지 셰이딩의 부재 하에, 스트링 내 각각의 전지는 모듈 내에 서브 스트링의 총 전압으로 역 바이어스되는 서브 스트링에 외부 바이패스 다이오드를 가지고, 서브 스트링에 다른 전지를 갖는 상대적으로 매칭된 전류값을 갖는 전류 소스로서 작용한다(예컨대, 직렬의 20 전지는 결정 실리콘 PV 모듈에서 바이패스 다이오드를 가로질러 약 10 V 내지 12 V의 역 바이어스를 생성함). 서브 스트링에서 전지의 셰이딩을 이용하여, 셰이딩된 전지는 역 바이어스되고, 셰이딩된 전지를 함유하는 서브 스트링에 대해 바이패스 다이오드를 조절하여, 비셰이딩된 서브 스트링 내 우수한 태양 전지로부터의 전류가 셰이딩된 전지를 갖는 서브 스트링과 연관된 외부 바이패스 다이오드를 통해 흐르게 한다. 외부 바이패스 다이오드(일반적으로 표준 주류 60-전지 결정 실리콘 PV 모듈 접합 박스에 포함되는 3개의 외부 바이패스 다이오드)가 전지가 셰이딩되는 경우에 PV 모듈 및 전지를 보호하지만, 이들은 실제로 셰이딩 손실 때문에 설치된 PV 시스템의 전력 수확 및 에너지 수율의 현저한 손실을 야기할 수 있다.
도 3a 및 3b는 모듈 내 임의의 전지의 셰이딩 또는 과도한 부분적 셰이딩 동안 전지를 보호하기 위해서 3개의 외부 바이패스 다이오드(4) 및 직렬 연결된 3개의 20-전지 서브 스트링(2)(직렬 연결된 각각의 서브 스트링 내에 20 전지)을 갖는 대표적인 60-전지 결정 실리콘 태양 모듈의 도면이다(도 3a는 단일 전지 셰이딩, 셰이딩된 전지(6)을 도시하고, 도 3b는 다전지 부분 셰이딩 조건, 부분적으로 셰이딩된 줄(8)을 도시한다). 예로서, 도 3a는 바닥 줄에 1개의 셰이딩된 전지를 갖는 60-전지 모듈을 도시하고(단일-전지 셰이딩에 의해 영향받는 하나의 20-전지 서브 스트링), 도 3b는 바닥 줄에 6개의 부분적으로 셰이딩된 전지를 갖는 60-전지 모듈을 도시한다(셰이딩에 의해 모두 영향받는 20-전지 서브 스트링). 하나 이상의 전지가 서브 스트링 내에 셰이딩되는(또는 상당한 정도의 셰이딩으로 부분적으로 셰이딩되는) 경우에(도 3a에 도시된 바와 같이), 셰이딩된 전지를 갖는 서브 스트링을 위한 외부 바이패스 다이오드는 활성화되고, 전체 서브 스트링을 분로하여, 핫 스팟을 방지함으로써 셰이딩된 전지를 보호하고, 또한 약 1/3로 효율적인 모듈 전력 출력을 감소시킨다(셋 중 오직 하나의 서브 스트링이 태양 전지 셰이딩에 의해 영향받는 경우). 서브 스트링당 적어도 하나의 전지가 셰이딩되는 경우에(도 3b에 도시된 바와 같이), 3개의 바이패스 다이오드 모두가 활성화되고, 전체 모듈을 분로하여, 3개의 20-전지 서브 스트링 각각에 적어도 하나의 셰이딩되거나 부분적으로 셰이딩된 전지가 있는 경우에 모듈로부터 임의의 전력의 추출을 방지한다.
실례로, 일반적인 선행기술의 외부 PV 모듈 접합 박스는 60-전지 결정 실리콘 태양 모듈 내 3개의 외부 바이패스 다이오드를 하우징할 수 있다. 외부 접합 박스 및 관련 외부 바이패스 다이오드는 재료의 PV 모듈 빌(BOM, PV module Bill of Materials) 전체 비용의 일부에 기여하고, PV 모듈 BOM 비용의 약 10 %(또는 약 5 % 내지 15 %)를 기여할 수 있다(즉, 태양 전지의 비용을 배재하고 PV 모듈 BOM 비용의 퍼센트로서). 또한, 외부 접합 박스는 설치된 PV 시스템에서의 필드 신뢰성 불량 및 화재 위험의 원인일 수 있다. 대부분의 현재의 결정 실리콘 PV 모듈은 접합 박스에 위치하는 외부 바이패스 다이오드를 갖는 외부 접합 박스를 이용하지만, 모듈 라미네이팅 공정 동안 전면 접촉 태양 전지로부터 분리되지만 PV 모듈 어셈블리 내에 직접적으로 3개의 바이패스 다이오드를 위치 및 라미네이팅하는 전면 접촉 전지를 갖는 PV 모듈의 일부 예가 있다(그러나, 여전히 전면 접촉 전지의 20-전지의 서브 스트링 당 하나의 바이패스 다이오드를 이용함). 이러한 예는 외부 바이패스 다이오드의 제한, 즉 단일 전지가 셰이딩되는 경우에, 바이패스 다이오드가 서브 스트링 내에서 셰이딩된 전지를 갖는 전지의 전체 서브 스트링을 분로하여, 설치된 PV 시스템의 전력 수확 및 에너지 수율 용량을 감소시키는 제한을 갖는다.
모듈의 직렬 스트링에서 모듈 상의 셰이딩의 신뢰성 불량 효과를 최소화 하기 위한 하나의 공지된 선행기술의 방법은, 도 5에 도시되는 예시적인 회로와 함께 도 4a 및 4b에 개략적으로 도시되는 직렬 연결된 모듈을 가로지르는 바이패스 다이오드를 이용하는 것이다. 이러한 형태는 각각의 모듈 접합 박스 내에 외부 바이패스 다이오드를 갖는 모듈과 동일한 효과가 있다. 도 4a는 태양 PV 모듈의 직렬 연결된 스트링을 위한 비셰이딩되는 전류 경로를 도시하고, 도 4b는 모듈을 분로하고, 직렬 스트링을 위한 선택적 바이패스 전류 경로를 제공하는 셰이딩된 모듈을 가로지르는 관련된 바이패스 다이오드 및 셰이딩된 하나의 모듈을 갖는 태양 PV 모듈의 동일한 직렬 연결된 스트링을 도시한다. 도 5는 모듈 서브 스트링 또는 스트링에 사용되는 외부 바이패스 다이오드를 갖는 복수의 직렬 연결된 태양 전지의 개략적인 회로 모델도이다(전류 소스, 정류기 다이오드, 및 기생 직렬 및 병렬 저항 성분을 포함하는 그 등가 전기 회로도에 도시되는 각각의 태양 전지). 직렬 연결된 스트링 내 전지가 셰이딩되지 않는 경우에, 바이패스 다이오드는 역 바이어스 상태로 유지되고, 태양 전지 스트링은 보통 태양 모듈 전력 생성에 완전히 기여하도록 작동한다. 임의의 전지가 부분적으로 또는 완전히 셰이딩되는 경우에, 셰이딩된 전지(그 결과, 직렬 연결된 스트링 내 태양 전지 전체)는 역 바이어스되고, 따라서 외부 바이패스 다이오드는 순 바이어스 되어(forward biased), 셰이딩된 전지에 핫 스팟, 신뢰성 불량, 및/또는 손상의 가능성을 없앤다. 즉, PV 모듈의 적어도 일부가 셰이딩되는 경우에, 그 바이패스 다이오드는 순 바이어스 되고, 모듈의 직렬 스트링 내 성능 열화 및 신뢰성 문제를 방지하는 전류를 전도한다. 바이패스 다이오드는 전체 셰이딩된 모듈(또는 적어도 하나의 셰이딩된 전지를 갖는 서브 스트링)의 전압을 모듈 스트링 어레이 출력에서 전체 전력 감소를 제한하는 작은 네거티브 전압(예컨대 -0.5V 내지 0.7V)으로 고정한다.
도 6은 바이패스 다이오드를 갖거나 갖지 않는 일반적인 결정 태양 전지의 전류-전압(I-V) 특성을 나타내는 그래프이다(pn 접합 바이패스 다이오드로 도시된 예; 쇼트키 다이오드에 있어서, 실제 전압 하락은 감소됨). 바이패스 다이오드는 단지 바이패스 다이오드의 턴-온(turn-on) 순 바이어스 전압 이상으로 셰이딩된 태양 전지를 가로질러 인가되는 최대 역 바이어스 전압을 제한한다(예컨대, 각각 쇼트키 또는 pn 접합 바이패스 다이오드에서 약 0.3V - 0.5V 및 0.6V - 0.7V).
도 7은 60-전지 모듈 내에 20-전지 서브 스트링당 하나의 셰이딩된(또는 부분적으로 셰이딩된) 전지를 갖는 도 4 및 5와 유사한 결정 실리콘 PV 모듈의 대표예를 도시하는 도면이고(예컨대, 셰이딩된 전지(10), 3개의 전지는 대표예에 도시된 바와 같이 모두 셰이딩됨), 모든 3개의 20-전지 서브 스트링이 셰이딩된 전지를 보호하기 위해 그 외부 바이패스에 의해 분로되기 때문에, 3개의 20-전지 서브 스트링에서 3개의 셰이딩된 전지는 전체 태양 PV 모듈에 의해 제공되는 전력의 제거를 야기한다. 20-전지 서브 스트링당 하나의 외부 바이패스 다이오드의 배열을 이용하여, 3개의 20-전지 서브 스트링에서 3개의 셰이딩된 전지를 갖는 결과, 모듈의 오직 3/60(또는 60 전지 중 3)이 셰이딩에 의해 영향받지만, PV 모듈로부터 추출되는 전력은 필수적으로 0으로 떨어지는 것이다. 다시, 외부 바이패스 다이오드를 갖는 이러한 형태의 선행기술의 PV 모듈 배열은 본 분야에서, 특히 모듈 셰이딩 및/또는 소일링 조건에 대부분 민감한 설치에서, 설치된 PV 시스템을 위한 상당한 에너지 수율 감소 및 전력 수확 패널티를 야기할 수 있다.
다중 모듈 스트링을 갖는 결정 실리콘 PV 시스템 설치에서, 모듈 셰이딩 효과 및 전력 수확 및 에너지 수율의 해로운 영향은 모듈의 단일 직렬 스트링을 갖는 상기 도시된 예보다 더 커질 수 있다. 직렬 연결된 모듈 스트링의 다중 병렬 스트링을 갖는 태양 PV 시스템에서, 병렬 스트링은 대략 서로 동일한 전압을 생산해야한다(즉, 병렬 스트링의 전압은 가까이 매칭되어야 하고, 또는 상당한 전력 손실이 있을 것이다). 따라서, 대략 동일한 전압에서 작동하는 병렬 연결되는 모든 모듈 스트링을 갖는 전기적 제약은 설치된 PV 어레이 전력의 현저한 손실 없이 바이패스 다이오드를 활성화시키기 위해 셰이딩된 스트링의 전체 유연성을 허가하지 않는다. 따라서, 모든 경우에 필수적으로, 스트링 중 하나 내에 하나의 전지에 영향을 미치는 PV 모듈 상의 셰이딩 또는 부분적 셰이딩은 전체 스트링에 의해 생성되는 전력을 사실상 차단할 수 있다. 대표예로서, 상기 예에 기재된 바와 같이 셰이딩된 하나의 비셰이딩된 PV 모듈 스트링 및 하나의 PV 모듈 스트링이 고려된다. 최대 전력점 추적(Maximum-Power-Point-Tracking, MPPT) 능력은 제1 PV 모듈 스트링으로부터 전체 전력의 생산 및 제2 PV 모듈 스트링으로부터 전체 전력의 70 %의 생산을 가능하게 한다. 이러한 방법으로, 이 두 스트링은 동일한 전압에 도달한다(병렬 스트링으로부터의 전류는 직렬 연결된 모듈의 병렬 연결된 스트링과 동일한 모듈 스트링 전압으로 가산됨). 따라서, 이러한 예에서, 및 집중화된 MPPT를 갖는 집중화된 DC-투-AC 인버터를 이용하여, PV 모듈 어레이에 의해 생산되는 전력은 임의의 모듈 셰이딩 없이 최대 가능 전력의 85 %일 것이다. 이는 PV 시스템에 15 % 전력 손실을 나타낸다.
도 8 및 9는 공지의 PV 시스템 설치의 2가지 예를 도시하는 도면이다. 도 8은 600 V DC, 900 W PV 출력을 생산하기 위해 연결되는 바이패스 다이오드를 갖는 PV 모듈의 선행기술 3 × 6 어레이(예컨대 각각이 50 W 출력을 가짐)의 예를 도시한다. 도 9는 충전 배터리와 함께 차단 다이오드(blocking diode) 및 외부 모듈 바이패스 다이오드를 갖는 3 PV 모듈의 직렬 연결을 도시한다. 종래의 결정 태양 PV 모듈에서, 직렬 및 병렬로 연결된 모듈 스트링은 일반적으로 외부 바이패스를 이용할 수 있다(또한 배터리 충전 회로의 경우에 차단 다이오드). 그러나, 앞서 기재된 예와 마찬가지로, 이들 대표적인 선행기술의 PV 모듈 설치는 전력 수확 제한 및 앞서 설명한 성능 제한 또는 문제에 기인하여 설치된 PV 시스템의 감소된 에너지 수율로부터 방해를 받는다.
선행기술의 실시의 다른 대표예는 전면 접촉(태양 전지의 전측 상에 에미터 접촉 핑거 및 부스바(busbar))으로 이용되는 모놀리식 화합물 반도체 바이패스 다이오드, 게르마늄 기판 상의 화합물 반도체(III-V), 주로 집중기(Concentrator) PV (또는 CPV) 적용을 위한 다접합 태양 전지이다. 도 10은 개시 게르마늄 기판 상에 화합물 다접합 태양 전지층을 이용하여 제조되는 전면 접촉 다접합 화합물 반도체 CPV 태양 전지를 갖는 이러한 선행기술의 모놀리식 바이패스 다이오드의 예를 도시하는 도면이다(다접합 태양 전지층의 성장을 위해 매칭하는 상대적으로 인접한 격자를 제공하기 위해). 이러한 선행기술의 예는 CPV 적용을 위한 전면 접촉 화합물 반도체, 다접합 태양 전지를 제조하기 위해 사용되는 동일한 개시 게르마늄 (Ge) 상에 이른바 바이패스 다이오드로 사용되는 다층 화합물 반도체 쇼트키 다이오드를 도시한다. 이러한 예에서, 쇼트키 바이패스 다이오드 및 화합물 반도체(갈륨 비소(gallium arsenide) 및 이 선행기술의 경우에 그 터너리(ternary) III-V 합금), 다접합 태양 전지는, 태양 전지의 태양광이 비치는 측 및 후측 상에 태양광이 비치는 측의 반대쪽에 전기 접촉을 갖는 태양 전지의 동일한 측(상면측) 상에 있고, 다른 재료층 스택을 가져(즉, 쇼트키 다이오드에 사용되는 증착 및 가공된 재료 스택은 다접합 태양 전지에 사용되는 증착 및 가공되는 재료 스택과 매우 다름), 훨씬 더 복잡하고(쇼트키 다이오드 장치에 사용되는 추가적인 재료층 및 추가되는 제조 공정 단계에 기인하여) 고가의 태양 전지 제조 공정을 제조한다(그 결과 이러한 실시형태는 단지, CPV 전지가 매우 고가이고, 결정 실리콘 태양 전지 및 다른 비-CPV 태양 전지보다 더 고가의 CPV 적용에 대해 설명한다). 이러한 선행기술 실시로 다른 제한 및 잠재적인 제조 수율 및 복잡성 문제는, 다접합 태양 전지 및 쇼트키 다이오드의 재료 스택 두께 또는 높이가 다른 것이다. 이는 쇼트키 다이오드 및 태양 전지의 상호연결 및 모놀리식 금속화 접촉의 실시를 위해 추가되는 공정 복잡성 및 다른 도전을 나타낸다. 동일한 고가의 게르마늄 기판 상에 고가의 다접합 태양 전지를 갖는 이 선행기술의 모놀리식 쇼트키 바이패스 다이오드 때문에, 이 선행기술의 다접합 태양 전지의 실시형태의 추가된 공정 단계 및 제조 비용에 기인한 전체 공정 복잡성은 실질적으로 더 증가되고, 전지의 활성 태양광이 비치는 측과 동일한 측 상에 쇼트키 바이패스 다이오드의 집적에 기인한 효과적인 태양 전지 및 태양 모듈(및 설치된 PV 시스템)의 효율 패널티 또는 손실을 일으킨다(및 상대적으로 작은 활성의 CPV 다접합 전지 영역에 대한 바이패스 다이오드의 상대적인 영역 비율이 덜 크다는 사실). 전면-에미터-접촉된 화합물 반도체 다접합 태양 전지를 갖는 게르마늄 기판 상에 제조된 이러한 모놀리식 바이패스 쇼트키 다이오드는 태양 전지 및 바이패스 다이오드에 실질적으로 다른 재료의 스택을 필요로 하고, 그 결과, 전체 모놀리식 태양 전지 및 쇼트키 다이오드 가공을 실질적으로 더 복잡하게 하고, 태양 전지 제조 공정 단계의 수를 증가시키고, 전체 제조 비용을 증가시킨다. 태양 전지의 제조에 추가되는 공정 단계 및 비용 증가에 기인하여 이러한 현저히 추가된 가공 복잡성은 사용되는 상대적으로 높은 집중 비율에 기인하여 CPV 태양 전지에 허용 가능할 수 있지만, 결정 실리콘 태양 전지와 같은 매우 높지 않은 집중-CPV 태양 전지(non-very-high concentration-CPV solar cell)에서 경제적으로 실용 가능하거나 실현 가능하지 않을 수 있다.
도 11은 다접합 화합물 반도체 CPV 전지를 갖는 공지의 모놀리식 바이패스 다이오드의 예를 도시하는 도면이다. 도 10에 도시되는 선행기술의 구조체의 모놀리식 쇼트키 바이패스 다이오드의 모든 제약 및 제한(공정의 복잡성 및 비용을 포함함)은 도 11에 도시되는 것에도 적용된다. 선행기술의 예는 화합물 반도체로서 동일한 게르마늄(Ge) 기판 상의 모놀리식 바이패스 다이오드로 사용되는 pn 접합 다이오드(쇼트키 다이오드 대신), 다접합(다층 구조체에 사용되는 터너리 GaAs 합금의 조합으로) 태양 전지를 도시한다. 이러한 예에서, pn 접합 바이패스 다이오드 및 화합물 반도체, 다접합 태양 전지는 태양 전지의 동일한 측(상부측) 상에 있고, 다른 재료 스택을 가져(그 결과, 서로에 대해서 공정 및 재료층이 조화되지 않음), 태양 전지 제조 공정을 더욱 복잡하고 고가가 되게 한다(그 결과, 이러한 실시형태는 CPV 다접합 태양 전지가 비-CPV 단일 접합 태양 전지보다 훨씬 더 고가인, CPV 적용에 대해서만 설명한다). 이러한 선행기술의 예에서, 동일한 고가의 게르마늄 기판 상의 태양 전지를 갖는 pn 접합 바이패스 다이오드의 모놀리식 집적 때문에(상대적으로 격자 매칭된 III-V 바이너리(binary) 및 터너리 화합물 반도체층의 이후 성장을 위해), 전체 제조 공정의 복잡성 및 비용은 더 증가되고, 전지의 활성 태양광이 비치는 측과 동일한 측 상에서 바이패스 다이오드의 집적에 기인하고, 관련된 pn 접합 다이오드 및 CPV 태양 전지에 사용되는 다른 재료 스택 구조체에 기인하여 효율적인 태양 전지 및 태양 모듈(및 설치된 CPV 시스템) 효율의 패널티를 발생시킨다. 다시, 전면 접촉 화합물 반도체 다접합 CPV 태양 전지 상의 바이패스 pn 접합 다이오드의 이러한 모놀리식 집적은 태양 전지 및 바이패스 다이오드에 다른 재료층 스택을 필요로 하고, 그 결과 전체 모놀리식 태양 전지 구조체 및 그 제조 가공을 실질적으로 복잡하게 하고, 태양 전지 제조 공정 단계의 수를 증가시키고, 그 제조 비용을 증가시킨다. 이러한 현저히 추가된 가공 복잡성 및 태양 전지의 제조 비용의 증가가 CPV 시스템에 사용되는 고가 및 복잡한 CPV 태양 전지에 허용 가능할 수 있지만, 매우 널리 사용되는 결정 실리콘 태양 전지 및 모듈과 같은 비-CPV(non-very-high-concentration-PV) 태양 전지에서 경제적으로 실용 가능하지 않다.
일반적으로, 매우 고집중의 CPV 적용을 위해 고가의 게르마늄 기판 상에 고가의 다접합 전면 접촉 태양 전지 상에, 도시된 바와 같은 바이패스 다이오드(쇼트키 다이오드 또는 pn 접합 다이오드)의 선행기술의 모놀리식 집적은, 추가 공정 단계 및 재료 스택과 공정 단계 사이의 부조화, 추가 제조 비용, 및 태양 전지를 갖는 모놀리식 집적의 추가된 제조 공정의 복잡성에도 불구하고 특정 적용에 허용 가능할 수 있고(전혀 저비용 해결책(solution)은 아니지만), 고가의 개시 기판(고가의 MOCVD-성장 다접합 화합물 반도체 재료 스택을 가짐) 상에 고가의 화합물 반도체 다접합 태양 전지로 설명되는 선행기술의 접근법은 엄청나게 너무 복잡하고, 고가일 수 있고, 주류 플랫 패널(비집중 또는 중간 집중까지 낮음) 저비용 태양 PV 전지 및 모듈에 허용되지 않을 것이다. 또한, 앞서 설명한 바와 같이, 바이패스 다이오드의 모놀리식 집적의 선행기술의 방법은 꽤 큰 영역 부분을 소모하고, 그렇지 않으면 고가의 태양 전지로 사용되기 때문에, 태양광 흡수를 위한 유효 영역 및 태양광 흡수 영역의 손실에 기인한 유효 전지 효율을 감소시킨다. 고가의 게르마늄 기판 상에 고가의 화합물 반도체 다접합 태양 전지를 갖는 모놀리식 바이패스 다이오드의 선행기술의 설명에서, 태양 전지 및 바이패스 다이오드의 전기 금속화 및 접촉은 태양광이 비치는 측과 기판의 후측을 포함하는 장치 및 기판의 양측 상에 있고, 태양 전지 및 바이패스 다이오드의 전체 모놀리식 상호연결을 복잡하고 고가가 되게 한다.
따라서, 그것에 한정되지 않지만, 고효율 결정 실리콘 태양 전지, 또한 설치된 PV 시스템의 분배된 셰이딩 관리, 증가된 에너지 & 전력 수확, 및 에너지 수율 개선을 제공하는, 각각의 태양 전지와 모놀리식으로 집적되는 바이패스 스위치를 갖는 백플레인 및/또는 고효율 후면 접촉 태양 전지를 포함하는 태양 전지와 같은 임의의 결정 반도체(실리콘 및/또는 갈륨 비소계와 같은 다른 반도체 채료를 이용하여) 태양 전지, 또한 전지 레벨 바이패스 스위치의 이러한 모놀리식 집적 때문에 태양 전지 제조 공정의 복잡성 및 비용을 증가시키기 않고, 실질적으로 조화된 제조 공정 흐름에 기반한 태양 전지 및 PV 모듈 보호를 포함하는 고효율 태양 전지에 대한 필요성이 증가하고 있다.
개시된 주제에 따라, 이전에 개발된 태양 광기전 전지 및 모듈과 관련된 단점 및 에너지 수율 수확 제한, 또한 공지의 모놀리식 및 비모놀리식 바이패스 다이오드 이식의 제한 및 단점을 실질적으로 감소 또는 제거하는, 적어도 하나의 모놀리식으로 집적된 온-셀(on-cell) 전자 바이패스 스위치(MIBS)를 갖는 후면 접촉 태양 전지가 제공된다.
개시된 주제의 일측에 따라, 모놀리식으로 집적된 온-셀 전력 전자 장치, 더욱 구체적으로 쇼트키 다이오드(그것에 한정되지 않지만 수퍼 배리어 쇼트키 다이오드를 포함함) 또는 pn 접합 다이오드 또는 트랜지스터 기반의 스위치와 같은 태양 전지당 적어도 하나의 모놀리식 바이패스 스위치를 갖는 후면 접촉 태양 전지가 제공된다. 후면 접촉 태양 전지는 광 포획 전측 및 광 포획 전측 반대쪽인 후측, 및 백플레인을 갖는 반도체 흡수체 기판(예컨대 초크랄스키 웨이퍼 또는 캐스트 다결정 웨이퍼로부터 또는 에픽택셜 성장에 의해 형성되는 결정 실리콘 흡수체)으로 이루어진다. 또한, 후측은 양면의(bifacial) 태양 전지인 경우에 2차 광포획면으로 작용할 수 있다. 제1 맞물려진 금속화 패턴(interdigitated metallization pattern)(M1로 알려진 제1금속화 레벨)은 반도체 기판의 후측 상에 위치하고, 박형 백플레인 시트 또는 재료층(예컨대 전기 절연성의 강성 또는 유연한 재료)은 부착되고(예컨대 라미네이팅되고(laminated)), 반도체 기판의 후측을 지지한다. 패터닝된(patterned) M1의 형성 방법은, 그것에 한정되지 않지만, 물리 증기 증착(PVD) 및 적합한 금속 스택(예컨대 Al, NiV를 포함함)의 패터닝(레이저 제거 또는 마스킹된 웨트 또는 드라이 에칭 패터닝) 또는 적합한 금속 페이스트(예컨대 적합한 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 합금 페이스트)의 직접 인쇄(예컨대 스크린 인쇄 또는 스텐실 인쇄 또는 잉크젯 인쇄)에 의하는 것을 포함한다. 제2 맞물려진 금속화 패턴(M2로 알려진 제2 태양 전지 금속화 레벨)은 백플레인(전도성 비아 플러그가 M1과 M2 레벨을 상호연결하는 것을 통해 미리 정해진 비아 홀(via holes)을 제외하고 백플레인에 의해 M1로부터 전기적으로 분할 및 분리되는) 상에 위치하고, 백플레인을 통해 전도성 비아 홀의 패터닝된 어레이를 통해 지정된 자리에서 제1 맞물려진 금속화 패턴과 전기적으로 상호연결된다(따라서, 패터닝된 2레벨 금속화 구조체를 형성함). 적어도 하나의 모놀리식으로 집적된 온-셀 전자 장치 성분, 예컨대 전자 바이패스 스위치(예컨대 쇼트키 다이오드 또는 바이패스 다이오드 또는 트랜지스터 스위치)는 태양 전지의 제조에 이용되는 필수적으로 동일한 공정 단계를 이용하고, 또한 이와 동시에 태양 전지의 제조에 이용되는 동일한 반도체 기판 내에 모놀리식으로 제조되고, 패터닝된 태양 전지 금속화 구조체(M1 및/또는 M2)를 이용하여 태양 전지 터미널(예컨대 태양 전지 베이스 및 에미터 터미널)에 요구되는 극성을 갖는 병렬의 바이패스 스위치(예컨대 그것에 한정되지 않지만 정류 쇼트키 다이오드 또는 pn 접합 다이오드를 포함함)로서 전기적으로 상호연결된다.
개시된 주제의 이러한 및 다른 양태, 및 추가적인 새로운 특징은, 여기에 제공되는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 이러한 요약의 의도는 주제의 포괄적인 설명을 하려는 것이 아니라, 주제의 기능 및 실시형태의 일부의 오버뷰를 제공하기 위한 것이다. 여기에 제공되는 다른 시스템, 방법, 특징 및 이점은 이하 도면들 및 상세한 설명을 검토하면서 당업자에게 명백해질 것이다. 예컨대, 본 발명의 대표적인 실시형태가 맞물려진(또는 맞물려진 후면 접촉: IBC) 금속화 구조체를 갖는 박형 단결정 실리콘 흡수체를 이용하여 후면 접촉/후면 접합 태양 전지로 이용하기 위해 제공 및 기재되지만, 본 발명의 모놀리식으로 집적된 바이패스 스위치 실시형태(다양한 구조체 및 가공 방법) 및 컨셉은, 그것에 한정되지 않지만, 전면 접합/후면 접촉(및 비맞물려진 패터닝된 상호연결), 전측 에미터 접촉 및 후측 베이스 접촉을 갖는 태양 전지(GaAs, GaN 등과 같은 다른 반도체 재료를 포함하는 결정 실리콘 또는 구조체), 단결정 실리콘 외의 재료로 제조되는 태양 전지, 여기에 기재되는 것보다 더 두꺼운 반도체 흡수층을 이용하는 태양 전지, 금속화 랩-스루(MWT, metallization wrap-through) 태양 전지, PERC 및 PERL 태양 전지, 실리콘 헤테로 접합(SHJ) 태양 전지 등을 갖는 것(GaAs, GaN 등과 같은 다른 반도체 재료를 포함하는 결정 실리콘 또는 구조체)을 포함하는 임의의 적합한 반도체 흡수체 재료로 제조되는 다른 태양 전지 흡수체 재료 및 다른 태양 전지 구조체에 적용될 수 있다고 이해해야 한다. 이 상세한 설명 내에 포함되는 추가적인 시스템, 방법, 특징 및 이점 모두는 임의의 청구항의 범위 내에 있을 것을 의도하는 것이다.
개시되는 주제의 특징, 특성 및 이점은, 유사한 참조 번호는 유사한 특징을 나타내는 도면(스케일로 도시되지 않는 다양한 치수)과 함께 취해지는 경우에 이하에 설명되는 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다:
도 1a 및 1b는 전류 소스, 전지 암전류, 기생 한정 직렬 저항, 및 기생 한정 분로 저항을 갖는 정류 다이오드를 포함하는 태양 PV 전지를 위한 등가 회로도를 도시하는 전기 회로 개략도이다;
도 2a는 이상적인 태양 전지(도시되는 기생 직렬 또는 분로 저항이 없음)의 단순화된 등가 회로 모델을 도시하는 개략도이고, 도 2b는 어두운 조건과 태양광 조명 조건 하에서 태양 전지의 전류-전압 (IV) 특성을 나타내는 대응하는 I-V 그래프이다;
도 3a 및 3b는 각각 하나의 셰이딩된 전지(3a) 및 몇개의 부분적으로 셰이딩된 전지(3b)로 도시되는 예를 갖는 일반적인 60-전지 결정 실리콘 태양 모듈의 대표도이다;
도 4a는 태양 모듈의 직렬-연결된 스트링을 위한 비셰이딩된 전류 경로를 도시하는 도면이고, 도 4b는 모듈의 직렬-연결된 스트링을 위한 다른 바이패스 전류 경로를 제공하는 외부 바이패스 다이오드 및 셰이딩된 하나의 모듈을 갖는 태양 모듈의 동일한 직렬-연결된 스트링을 도시하는 도면이다;
도 5는 이들의 등가 회로도에 도시되는 태양 전지를 갖는 복수의 직렬-연결된 태양 전지를 포함하는 모듈 서브-스트링에 사용되는 외부 바이패스 다이오드의 개략도이다;
도 6은 보호적 바이패스 다이오드를 갖거나 갖지 않는 결정 태양 전지의 전류-전압 (I-V) 특성을 도시하는 그래프이다;
도 7은 직렬-연결된 태양 전지의 3개의 다른 20-전지 서브 스트링 상에 3개의 셰이딩된 전지를 갖는 대표적인 선행기술의 60-전지 결정 실리콘 PV 모듈의 예를 도시하는 도면이다(도시되지 않은 3 외부 바이패스 다이오드- 20-전지 직렬-연결된 서브 스트링당 1 외부 바이패스 다이오드);
도 8 및 9는 병렬 및 직렬 모듈 상호연결(바이패스 모듈에서 외부 다이오드로 도시되는 도 8) 및 전체 직렬 모듈 상호연결(외부 모듈 바이패스 다이오드로 도시되는 도 9)로 배열되는 PV 모듈의 어레이를 포함하는 대표적인 선행기술의 PV 시스템 설치의 2가지 예를 도시하는 도면이다;
도 10 및 11은 고가의 게르마늄 기판 상에 고가의 화합물 반도체 성장 공정을 통해 제조된 고가의 다접합 화합물 반도체 집중기 PV(CPV) 태양 전지를 갖는 화합물 반도체(GaAs-based) 바이패스 다이오드(쇼트키 다이오드 또는 pn 접합 다이오드)의 선행기술의 모놀리식 집적을 도시하는 도면이다; Ge 및 GaAs 기반의 다접합 태양 전지 재료 스택 및 제조 공정 흐름은 바이패스 다이오드 재료 스택 및 제조 공정 흐름과 다르고, 조화되지 않아, 바이패스 다이오드를 추가하기 때문에 상당히 추가되는 공정의 복잡성 및 제조 비용을 발생시킨다(이 설명에서 장치의 전측 및 후측 상에 형성되는 전지 및 바이패스 다이오드 금속화);
도 12는 에피택셜 실리콘 성장을 이용하는 박형 결정 실리콘, 후면 접촉/후면 접합 결정 실리콘 태양 전지의 제조 공정의 주요 가공 단계를 강조한 대표적인 공정 흐름이다(이 태양 전지는 본 발명의 일 실시형태에서 2레벨의 금속화를 갖는 백플레인 기술을 이용한다). 실시형태는, 그것에 한정되지 않지만, 개시 단결정 웨이퍼(예컨대 초크랄스키 또는 CZ) 또는 다결정 웨이퍼(캐스트 결정 브릭(cast crystalline bricks)으로부터) 또는 에피택셜 성장 또는 다른 기판 제조 방법으로부터 제조되는 태양 전지를 포함하는, 이러한 형태의 공정 흐름 및 많은 다른 전지 제조 공정 흐름을 이용하는 태양 전지에 적용될 수 있다;
도 13은 태양 전지(이들의 등가 회로도로 도시되는 태양 전지)당 하나의 내부(임베딩된) 모놀리식으로 제조된 바이패스 스위치(즉, 쇼트키 다이오드 또는 pn 접합 다이오드 또는 트랜지스터 스위치와 같은 다른 반도체 스위치)를 갖는 본 발명의 분배된 셀룰러 셰이딩 관리 시스템의 실시형태를 도시하는 개략도이다; 본 발명의 실시형태는 단일 태양 전지당 복수의 내부 모놀리식 바이패스 다이오드 또는 전지당 하나의 내부 모놀리식 바이패스 다이오드를 사용할 수 있다(여기에 기재된 실시형태는 태양 전지당 단일 모놀리식 바이패스 다이오드를 위해 제공되지만, 본 발명의 디자인, 공정 및 개념은 다른 상술된 배열에 적용 가능한 것으로 이해되어야 한다);
도 14는 트랜치 분리 영역(예컨대, 백플레인에 의해 가능한 모놀리식 형태)에 의해 주요 태양 전지 기판 영역으로부터 전기적으로 분리 및 떨어진 다이오드 기판을 갖는 전주부 폐쇄된 루프 림(full-periphery closed loop rim)(주변부의(peripheral)) MIBS 바이패스 다이오드를 이용하는 모놀리식으로 집적된 바이패스 스위치(MIBS) 태양 전지 실시형태의 태양광이 비치는 측의 뷰를 나타내는 도면이다;
도 15는 태양 전지를 모놀리식으로 형성하는 인접한 백플레인(예컨대 N이 정수인 도서(isles) 또는 섬(islands)의 N × N 어레이; N 및 M이 다른 정수인 도서 또는 섬의 다른 N × M 어레이가 사용될 수 있다)을 공유하는 복수의 태양 전지 도서 또는 섬을 둘러싸는 복수의 전주부 폐쇄된 루프 MIBS 바이패스 다이오드를 갖는 MIBS 태양 전지 실시형태의 태양광이 비치는 측의 뷰를 나타내는 도면이다-MIBS 영역 및 태양 전지의 도서 또는 섬 전체는 도서/섬 사이에 공유되고, MIBS 바이패스 다이오드에 관련되는 인접한 백플레인을 이용하여, 트랜치 분리 영역을 이용하여 전기적으로 분리된다;
도 16은 반대쪽의 n형 및 p형 반도체 도핑 극성 영역을 포함하는 전주부 폐쇄된 루프(림-형태의) 연속 pn 접합 다이오드를 이용하는 후면 접촉/후면 접합 태양 전지의 실시형태(MIBS와 인접한 백플레인을 공유하는 연관된 태양 전지)를 갖는 MIBS 장치의 상면도를 나타내는 개략도이다;
도 17은 복수의 MIBS 섬 및 인접한 백플레인을 공유하는 태양 전지를 가지고, 태양 전지의 주변부 에지를 둘러싸고, 그 주변에 위치하는 복수의 pn 접합 다이오드 섬을 이용하는 다른 기하학적 MIBS 다이오드 패턴을 갖는 후면 접촉/후면 접합 태양 전지의 실시형태와 관련된 복수의 MIBS 장치의 상면도를 나타내는 도면이다;
도 18a 및 18b는 태양 전지와 MIBS 장치에 조화되는 공정 흐름을 이용하는 태양 전지(및 공존하는 MIBS) 장치 가공의 다양한 단계에서 모놀리식으로 공유되는 인접한 백플레인 상의 태양 전지 및 MIBS 주변부 림 다이오드(MIBS peripheral rim diode)의 단면 개략도이다;
도 19a 및 19b는 모놀리식으로 집적된 셰이딩 관리로 MIBS 가능한 후면 접촉/후면 접합 태양 전지를 형성하기 위해 제조 공정의 완료 후에 후면 접촉 후면 접합 태양 전지의 MIBS 림 다이오드(도 19a에서 pn 접합 다이오드 MIBS 또는 도 19b에서 쇼트키 다이오드 MIBS) 태양 전지의 실시형태를 나타내는 단면 개략도이다;
도 20a 및 20b(도 20b는 도 20a의 부분 확대도이다)는, 예컨대 상대적으로 높은 전기 전도성의 알루미늄(또는 다른 적합한 금속 또는 금속 합금) 금속화(예컨대, PVD 후, 패터닝, 알루미늄 또는 알루미늄 실리콘 합금 또는 다른 적합한 금속 페이스트의 직접 스크린 인쇄, 또는 다른 적합한 M1 형성 방법에 의해 형성되는)를 이용하여 MIBS(쇼트키 다이오드 또는 pn 접합 다이오드를 이용하여)의 제1레벨 금속화 패턴(M1)d의 실시형태의 상면도를 나타내는 개략도이다;
도 21은 주변부 MIBS 림 다이오드를 갖는 맞물려진 후면 접촉(IBC)/후면 접합 태양 전지의 후측의 도면(옵션 1)이고(pn 접합 또는 쇼트키 다이오드를 이용하여); 이러한 도면은 지정된 영역에서 패터닝된 금속 1(M1)과 패터닝된 M2 레벨을 상호연결하고, 태양 전지 및 MIBS 림 전기적 상호연결을 완성하는 복수의 전도성 비아 플러그와 함께 제2레벨 금속(금속 2 또는 M2 핑거 및 부스바) 패턴의 개략도를 도시한다(태양 전지 및 MIBS 림 다이오드 치수는 스케일대로 도시되지 않음). M2 핑거 패턴은 M1 핑거 패턴에 실질적으로 직각 또는 수직일 수 있고, M2 핑거의 수는 M1 핑거의 수보다 실질적으로 작을 수 있고, 즉 M1 패턴은 미세한 피치(fine-pitch) 패턴이고, M2 패턴을 거친 피치(coarse-pitch) 패턴이다;
도 22는 주변부 MIBS 림 다이오드를 갖는 맞물려진 후면 접촉(IBC)/후면 접합 태양 전지의 후측의 도면(옵션 2)이고(pn 접합 또는 쇼트키 다이오드를 이용하여); 이러한 도면은 패터닝된 M2와 패터닝된 금속 1(M1)을 상호연결하고, 전지 및 MIBS 림 전기적 상호연결을 완성하는 전도성 비아 플러그와 함께 제2레벨 금속(금속 2 또는 M2)를 도시한다(태양 전지 및 MIBS 림 다이오드 치수는 스케일대로 도시되지 않음). M2 핑거 패턴은 M1 핑거 패턴에 실질적으로 직각 또는 수직일 수 있고, M2 핑거의 수는 M1 핑거의 수보다 실질적으로 작을 수 있고, 즉 M1 패턴은 미세한 피치(fine-pitch) 패턴이고, M2 패턴을 거친 피치(coarse-pitch) 패턴이다;
도 23a 내지 23l은 상대적인 MIBS 다이오드 및 태양 전지의 기하학적 배열의 다양한 대표적인 실시형태의 평면도(상면측)를 나타내는 개략도이다(이들 실시예는 전체-사각형의 태양 전지로 도시되고; 동일한 일반적인 디자인은 가장의 사각(pseudo-square) 전지 기판과 같은 다른 기판의 기하학을 이용하는 태양 전지 형태로 이용될 수 있다). 이들 개략도의 치수는 실제 스케일로 도시되지 않았다. 총 태양 전지 및 MIBS 영역의 일부로서 MIBS 영역은, 예컨대 태양 전지 영역의 약 1% 미만으로, 상대적으로 작도록 선택된다(MIBS에 할당되는 비-전기-생성 영역의 부분을 최소화하기 위해).
도 24 내지 31은 후면 접촉/후면 접합 단결정 실리콘 태양 전지 및 관련된 MIBS 장치의 제조를 위한 몇가지 대표적인 태양 전지 제조 공정 흐름의 실시형태이다(이들 대표적인 실시형태는 얻어진 태양 전지의 박형 에피택셜 성장된 실리콘 기판으로 도시되고, 본 발명의 MIBS 구조체 및 방법은, 예컨대, 그것에 한정되지 않지만, 캐스트 다결정 실리콘 브릭으로부터 와이어 소잉함으로써 제조되는 개시 다결정 실리콘 웨이퍼 또는 초크랄스키 또는 CZ 잉곳으로부터 와이어 소잉함으로써 제조되는 개시 단결정 실리콘 웨이퍼를 이용하여 제조된 후면 접촉 태양 전지를 포함하는, 다른 태양 전지와 함께 사용될 수도 있다);
도 32는 단편화된 pn 접합 다이오드로 형성되는 MIBS 림 다이오드를 갖는 MIBS 후면 접촉/후면 접합 태양 전지의 실시형태의 평면도(상면측)를 나타내는 개략도이다;
도 33a 및 33b(도 33b는 도 33a의 부분 확대도이다)는 단편화된 pn 접합 다이오드 구조체로 제조된 대표적인 MIBS 림 다이오드를 위한 태양 전지 제1레벨 금속화 패턴(금속 1 또는 M1)의 개략 상면도를 나타내는 개략도이다; 및
도 34a 및 34b(도 34b는 도 34a의 부분 확대도이다)는 pn 접합 다이오드 MIBS 또는 쇼트키 다이오드 MIBS를 이용하여 태양 전지를 위한 제1레벨 금속화(M1 레벨) 및 MIBS/태양 전지 상호연결 패턴(M1)의 평면도(상면측)를 나타내는 도면이다.
도 1a 및 1b는 전류 소스, 전지 암전류, 기생 한정 직렬 저항, 및 기생 한정 분로 저항을 갖는 정류 다이오드를 포함하는 태양 PV 전지를 위한 등가 회로도를 도시하는 전기 회로 개략도이다;
도 2a는 이상적인 태양 전지(도시되는 기생 직렬 또는 분로 저항이 없음)의 단순화된 등가 회로 모델을 도시하는 개략도이고, 도 2b는 어두운 조건과 태양광 조명 조건 하에서 태양 전지의 전류-전압 (IV) 특성을 나타내는 대응하는 I-V 그래프이다;
도 3a 및 3b는 각각 하나의 셰이딩된 전지(3a) 및 몇개의 부분적으로 셰이딩된 전지(3b)로 도시되는 예를 갖는 일반적인 60-전지 결정 실리콘 태양 모듈의 대표도이다;
도 4a는 태양 모듈의 직렬-연결된 스트링을 위한 비셰이딩된 전류 경로를 도시하는 도면이고, 도 4b는 모듈의 직렬-연결된 스트링을 위한 다른 바이패스 전류 경로를 제공하는 외부 바이패스 다이오드 및 셰이딩된 하나의 모듈을 갖는 태양 모듈의 동일한 직렬-연결된 스트링을 도시하는 도면이다;
도 5는 이들의 등가 회로도에 도시되는 태양 전지를 갖는 복수의 직렬-연결된 태양 전지를 포함하는 모듈 서브-스트링에 사용되는 외부 바이패스 다이오드의 개략도이다;
도 6은 보호적 바이패스 다이오드를 갖거나 갖지 않는 결정 태양 전지의 전류-전압 (I-V) 특성을 도시하는 그래프이다;
도 7은 직렬-연결된 태양 전지의 3개의 다른 20-전지 서브 스트링 상에 3개의 셰이딩된 전지를 갖는 대표적인 선행기술의 60-전지 결정 실리콘 PV 모듈의 예를 도시하는 도면이다(도시되지 않은 3 외부 바이패스 다이오드- 20-전지 직렬-연결된 서브 스트링당 1 외부 바이패스 다이오드);
도 8 및 9는 병렬 및 직렬 모듈 상호연결(바이패스 모듈에서 외부 다이오드로 도시되는 도 8) 및 전체 직렬 모듈 상호연결(외부 모듈 바이패스 다이오드로 도시되는 도 9)로 배열되는 PV 모듈의 어레이를 포함하는 대표적인 선행기술의 PV 시스템 설치의 2가지 예를 도시하는 도면이다;
도 10 및 11은 고가의 게르마늄 기판 상에 고가의 화합물 반도체 성장 공정을 통해 제조된 고가의 다접합 화합물 반도체 집중기 PV(CPV) 태양 전지를 갖는 화합물 반도체(GaAs-based) 바이패스 다이오드(쇼트키 다이오드 또는 pn 접합 다이오드)의 선행기술의 모놀리식 집적을 도시하는 도면이다; Ge 및 GaAs 기반의 다접합 태양 전지 재료 스택 및 제조 공정 흐름은 바이패스 다이오드 재료 스택 및 제조 공정 흐름과 다르고, 조화되지 않아, 바이패스 다이오드를 추가하기 때문에 상당히 추가되는 공정의 복잡성 및 제조 비용을 발생시킨다(이 설명에서 장치의 전측 및 후측 상에 형성되는 전지 및 바이패스 다이오드 금속화);
도 12는 에피택셜 실리콘 성장을 이용하는 박형 결정 실리콘, 후면 접촉/후면 접합 결정 실리콘 태양 전지의 제조 공정의 주요 가공 단계를 강조한 대표적인 공정 흐름이다(이 태양 전지는 본 발명의 일 실시형태에서 2레벨의 금속화를 갖는 백플레인 기술을 이용한다). 실시형태는, 그것에 한정되지 않지만, 개시 단결정 웨이퍼(예컨대 초크랄스키 또는 CZ) 또는 다결정 웨이퍼(캐스트 결정 브릭(cast crystalline bricks)으로부터) 또는 에피택셜 성장 또는 다른 기판 제조 방법으로부터 제조되는 태양 전지를 포함하는, 이러한 형태의 공정 흐름 및 많은 다른 전지 제조 공정 흐름을 이용하는 태양 전지에 적용될 수 있다;
도 13은 태양 전지(이들의 등가 회로도로 도시되는 태양 전지)당 하나의 내부(임베딩된) 모놀리식으로 제조된 바이패스 스위치(즉, 쇼트키 다이오드 또는 pn 접합 다이오드 또는 트랜지스터 스위치와 같은 다른 반도체 스위치)를 갖는 본 발명의 분배된 셀룰러 셰이딩 관리 시스템의 실시형태를 도시하는 개략도이다; 본 발명의 실시형태는 단일 태양 전지당 복수의 내부 모놀리식 바이패스 다이오드 또는 전지당 하나의 내부 모놀리식 바이패스 다이오드를 사용할 수 있다(여기에 기재된 실시형태는 태양 전지당 단일 모놀리식 바이패스 다이오드를 위해 제공되지만, 본 발명의 디자인, 공정 및 개념은 다른 상술된 배열에 적용 가능한 것으로 이해되어야 한다);
도 14는 트랜치 분리 영역(예컨대, 백플레인에 의해 가능한 모놀리식 형태)에 의해 주요 태양 전지 기판 영역으로부터 전기적으로 분리 및 떨어진 다이오드 기판을 갖는 전주부 폐쇄된 루프 림(full-periphery closed loop rim)(주변부의(peripheral)) MIBS 바이패스 다이오드를 이용하는 모놀리식으로 집적된 바이패스 스위치(MIBS) 태양 전지 실시형태의 태양광이 비치는 측의 뷰를 나타내는 도면이다;
도 15는 태양 전지를 모놀리식으로 형성하는 인접한 백플레인(예컨대 N이 정수인 도서(isles) 또는 섬(islands)의 N × N 어레이; N 및 M이 다른 정수인 도서 또는 섬의 다른 N × M 어레이가 사용될 수 있다)을 공유하는 복수의 태양 전지 도서 또는 섬을 둘러싸는 복수의 전주부 폐쇄된 루프 MIBS 바이패스 다이오드를 갖는 MIBS 태양 전지 실시형태의 태양광이 비치는 측의 뷰를 나타내는 도면이다-MIBS 영역 및 태양 전지의 도서 또는 섬 전체는 도서/섬 사이에 공유되고, MIBS 바이패스 다이오드에 관련되는 인접한 백플레인을 이용하여, 트랜치 분리 영역을 이용하여 전기적으로 분리된다;
도 16은 반대쪽의 n형 및 p형 반도체 도핑 극성 영역을 포함하는 전주부 폐쇄된 루프(림-형태의) 연속 pn 접합 다이오드를 이용하는 후면 접촉/후면 접합 태양 전지의 실시형태(MIBS와 인접한 백플레인을 공유하는 연관된 태양 전지)를 갖는 MIBS 장치의 상면도를 나타내는 개략도이다;
도 17은 복수의 MIBS 섬 및 인접한 백플레인을 공유하는 태양 전지를 가지고, 태양 전지의 주변부 에지를 둘러싸고, 그 주변에 위치하는 복수의 pn 접합 다이오드 섬을 이용하는 다른 기하학적 MIBS 다이오드 패턴을 갖는 후면 접촉/후면 접합 태양 전지의 실시형태와 관련된 복수의 MIBS 장치의 상면도를 나타내는 도면이다;
도 18a 및 18b는 태양 전지와 MIBS 장치에 조화되는 공정 흐름을 이용하는 태양 전지(및 공존하는 MIBS) 장치 가공의 다양한 단계에서 모놀리식으로 공유되는 인접한 백플레인 상의 태양 전지 및 MIBS 주변부 림 다이오드(MIBS peripheral rim diode)의 단면 개략도이다;
도 19a 및 19b는 모놀리식으로 집적된 셰이딩 관리로 MIBS 가능한 후면 접촉/후면 접합 태양 전지를 형성하기 위해 제조 공정의 완료 후에 후면 접촉 후면 접합 태양 전지의 MIBS 림 다이오드(도 19a에서 pn 접합 다이오드 MIBS 또는 도 19b에서 쇼트키 다이오드 MIBS) 태양 전지의 실시형태를 나타내는 단면 개략도이다;
도 20a 및 20b(도 20b는 도 20a의 부분 확대도이다)는, 예컨대 상대적으로 높은 전기 전도성의 알루미늄(또는 다른 적합한 금속 또는 금속 합금) 금속화(예컨대, PVD 후, 패터닝, 알루미늄 또는 알루미늄 실리콘 합금 또는 다른 적합한 금속 페이스트의 직접 스크린 인쇄, 또는 다른 적합한 M1 형성 방법에 의해 형성되는)를 이용하여 MIBS(쇼트키 다이오드 또는 pn 접합 다이오드를 이용하여)의 제1레벨 금속화 패턴(M1)d의 실시형태의 상면도를 나타내는 개략도이다;
도 21은 주변부 MIBS 림 다이오드를 갖는 맞물려진 후면 접촉(IBC)/후면 접합 태양 전지의 후측의 도면(옵션 1)이고(pn 접합 또는 쇼트키 다이오드를 이용하여); 이러한 도면은 지정된 영역에서 패터닝된 금속 1(M1)과 패터닝된 M2 레벨을 상호연결하고, 태양 전지 및 MIBS 림 전기적 상호연결을 완성하는 복수의 전도성 비아 플러그와 함께 제2레벨 금속(금속 2 또는 M2 핑거 및 부스바) 패턴의 개략도를 도시한다(태양 전지 및 MIBS 림 다이오드 치수는 스케일대로 도시되지 않음). M2 핑거 패턴은 M1 핑거 패턴에 실질적으로 직각 또는 수직일 수 있고, M2 핑거의 수는 M1 핑거의 수보다 실질적으로 작을 수 있고, 즉 M1 패턴은 미세한 피치(fine-pitch) 패턴이고, M2 패턴을 거친 피치(coarse-pitch) 패턴이다;
도 22는 주변부 MIBS 림 다이오드를 갖는 맞물려진 후면 접촉(IBC)/후면 접합 태양 전지의 후측의 도면(옵션 2)이고(pn 접합 또는 쇼트키 다이오드를 이용하여); 이러한 도면은 패터닝된 M2와 패터닝된 금속 1(M1)을 상호연결하고, 전지 및 MIBS 림 전기적 상호연결을 완성하는 전도성 비아 플러그와 함께 제2레벨 금속(금속 2 또는 M2)를 도시한다(태양 전지 및 MIBS 림 다이오드 치수는 스케일대로 도시되지 않음). M2 핑거 패턴은 M1 핑거 패턴에 실질적으로 직각 또는 수직일 수 있고, M2 핑거의 수는 M1 핑거의 수보다 실질적으로 작을 수 있고, 즉 M1 패턴은 미세한 피치(fine-pitch) 패턴이고, M2 패턴을 거친 피치(coarse-pitch) 패턴이다;
도 23a 내지 23l은 상대적인 MIBS 다이오드 및 태양 전지의 기하학적 배열의 다양한 대표적인 실시형태의 평면도(상면측)를 나타내는 개략도이다(이들 실시예는 전체-사각형의 태양 전지로 도시되고; 동일한 일반적인 디자인은 가장의 사각(pseudo-square) 전지 기판과 같은 다른 기판의 기하학을 이용하는 태양 전지 형태로 이용될 수 있다). 이들 개략도의 치수는 실제 스케일로 도시되지 않았다. 총 태양 전지 및 MIBS 영역의 일부로서 MIBS 영역은, 예컨대 태양 전지 영역의 약 1% 미만으로, 상대적으로 작도록 선택된다(MIBS에 할당되는 비-전기-생성 영역의 부분을 최소화하기 위해).
도 24 내지 31은 후면 접촉/후면 접합 단결정 실리콘 태양 전지 및 관련된 MIBS 장치의 제조를 위한 몇가지 대표적인 태양 전지 제조 공정 흐름의 실시형태이다(이들 대표적인 실시형태는 얻어진 태양 전지의 박형 에피택셜 성장된 실리콘 기판으로 도시되고, 본 발명의 MIBS 구조체 및 방법은, 예컨대, 그것에 한정되지 않지만, 캐스트 다결정 실리콘 브릭으로부터 와이어 소잉함으로써 제조되는 개시 다결정 실리콘 웨이퍼 또는 초크랄스키 또는 CZ 잉곳으로부터 와이어 소잉함으로써 제조되는 개시 단결정 실리콘 웨이퍼를 이용하여 제조된 후면 접촉 태양 전지를 포함하는, 다른 태양 전지와 함께 사용될 수도 있다);
도 32는 단편화된 pn 접합 다이오드로 형성되는 MIBS 림 다이오드를 갖는 MIBS 후면 접촉/후면 접합 태양 전지의 실시형태의 평면도(상면측)를 나타내는 개략도이다;
도 33a 및 33b(도 33b는 도 33a의 부분 확대도이다)는 단편화된 pn 접합 다이오드 구조체로 제조된 대표적인 MIBS 림 다이오드를 위한 태양 전지 제1레벨 금속화 패턴(금속 1 또는 M1)의 개략 상면도를 나타내는 개략도이다; 및
도 34a 및 34b(도 34b는 도 34a의 부분 확대도이다)는 pn 접합 다이오드 MIBS 또는 쇼트키 다이오드 MIBS를 이용하여 태양 전지를 위한 제1레벨 금속화(M1 레벨) 및 MIBS/태양 전지 상호연결 패턴(M1)의 평면도(상면측)를 나타내는 도면이다.
이하 설명은 제한의 의미로 받아들여지는 것이 아니라, 본 발명의 일반적인 원리를 설명하기 위해 만들어진 것이다. 본 발명의 범위는 청구항을 참조하여 결정되어야 한다. 본 발명의 실시예는, 유사한 숫자는 유사한 것 및 각종 도면의 대응 부위를 참조하도록 사용되는 도면에 설명된다.
본 발명은 특정 실시예, 예컨대 단결정 실리콘 기판, 단결정 실리콘, 예컨대 에피택셜 실리콘 태양 전지 흡수층, 및 다른 기재된 제조 재료와 관련하여 기재되지만, 당업자라면 과도한 실험 없이도, 초크랄스키 (CZ) 단결정 실리콘 또는 캐스트 다결정 실리콘 개시 웨이퍼를 이용하여 제조된 후면 접촉 태양 전지(그 결과, 에피택셜 실리콘 증착 없는 태양 전지 기판), 다른 후면 접촉 태양 전지(예컨대 MWT 후면 접촉 태양 전지), 에피택셜 실리콘 흡수체 또는 초크랄스키 (CZ) 실리콘 개시 웨이퍼 또는 캐스트 다결정 실리콘 개시 웨이퍼를 이용하여 제조된 전면 접촉 태양 전지를 포함하는 다른 기판 형태 및/또는 태양 전지 구조체 및/또는 전체 태양 전지 제조 방법에 기초한 다른 태양 전지, 결정 실리콘 이외 다양한 반도체 재료를 포함하는 다른 제조 재료(예컨대, 결정 갈륨 비소, 갈륨 니트라이드(gallium nitride), 게르마늄 등), 기술 영역 및/또는 실시형태에 여기에 논의된 원리를 적용할 수 있다. 또한, 개시 반도체층, 예컨대 p형 또는 n형의 도펀트 농도/프로파일은 백그라운드 도핑(background doping)으로 알려진다.
따라서, 여기서 실시형태가 맞물려진 후면 접촉(즉 IBC) 결정(단결정 또는 다결정) 실리콘 태양 전지로 기재되지만, 본 발명의 개시된 양태는 태양 전지 구조체(예컨대, 금속화-랩-스루(Metallization-Wrap-Through) 또는 MWT 후면 접촉 태양 전지, 전면 접촉 태양 전지, 양면의 태양 전지 등) 및 재료(예컨대, 결정 실리콘 이외에 GaAs, Ge, 등)의 폭넓은 범위로 적용될 수 있다고 이해해야 한다.
앞서 설명한 바와 같이, 공지의 결정 실리콘(또는 다른 전지 기반) PV 시스템에서 셰이딩의 존재 하에 신뢰성 있는 모듈 작동을 제공하는 현재의 최신 태양 전지 보호 및 태양 모듈 셰이드-유도된 핫 스팟 방지 해결책은 종종 이하의 하나 또는 조합을 이용하는 것에 기초한다: 분리 또는 개별의 바이패스 다이오드, PV 모듈(일반적으로 3개의 외부 바이패스 다이오드는 모듈 내 전체 태양 전지에서 셰이딩-유도된 핫 스팟 보호를 제공하기 위해 결정 실리콘 PV 모듈당 외부 모듈 접합 박스에 위치한다) 내 직렬 연결된 태양 전지(예컨대 각각 60-전지 또는 72-전지 PV 모듈 내 서브스트링 당 20 또는 24 전지)의 하나의 서브 스트링당 가장 일반적으로 하나의 외부의 개별 바이패스 다이오드(보통 광기전 모듈 접합 박스에 위치하고 및 전기적으로 와이어링되는); 또한 최대 전력점 추적(MPPT)은 PV 모듈과 연결되는 외부 마이크로 인버터(DC에서 AC로), 또는 선택적으로 DC-to-DC 컨버터를 이용하여; 및/또는 전지 기반의 PV 모듈의 에너지 수율을 증가시키기 위해 모듈 내에 패킹된 전지들 사이에 이른바 프로그래밍 가능한 상호연결 기술을 이용하여 모듈 레벨에서 제공될 수 있다.
선행 기술의 바이패스 다이오드가 셰이딩된 전지를 보호하고, 핫 스팟을 방지하고, 핫 스팟과 셰이딩된(또는 부분적으로 셰이딩된) 역 바이어스 전지에 기인한 모듈 불량을 방지하기 위해 사용되지만, 모듈 셰이딩 또는 소일링이 존재하는 경우에 모듈 전력 추출 손실에 기인하여 현실적인 필드 작동에서의 에너지 수율 감소(연율과 같은 필드 작동의 특정 기간에 걸쳐 설치된 PV 모듈의 KWp 당 수확된 에너지의 kWh의 관점에서) 또는 현저한 에너지 수확 열화를 일으킬 수 있다. 예컨대, 표준 60-전지 PV 모듈 디자인이라 가정하면, 단일 전지는 일반적으로 필드 내에서 보통의 비셰이딩된 모듈 작동 조건 동안 총 모듈 전력의 오직 약 1/60를 차지하지만(일반적인 60-전지 PV 모듈에서), 단일 셰이딩된 전지는 모듈 전력의 약 1/3 (또는 33.33%)의 손실을 일으킬 수 있다(접합 박스 내 선행기술의 외부 바이패스 다이오드는 전지의 역 바이어스를 방지하기 위해 셰이딩된 전지를 함유하는 전체 20-전지 서브 스트링을 바이패스할 것이다). 마찬가지로, 3개의 셰이딩된 전지를 이용하고, 60-전지 PV 모듈 내 20-전지 서브 스트링 당 하나의 셰이딩된 전지를 가정하면(도 7에 도시된 것의 예), 3개의 셰이딩된 전지는 보통의 비셰이딩된 작동 조건 동안 모듈 전력의 단지 3/60th(또는 1/20th)를 차지하지만, 모든 3개의 외부 바이패스 다이오드는 활성화되고, 모듈로부터 추출된 전력은 0으로 떨어진다(또는 모듈 전력의 100% 손실).
그에 반해서, 여기에 개시된 본 발명의 분배된 모놀리식 셰이딩 관리 해결책은, 태양 전지를 제조할 때 필수적으로 증가하도록 첨가되는 제조 비용 없이, 각각의 태양 전지와 모놀리식으로 집적되고, 동시에 제조될 수 있는(따라서 외부 개별 바이패스 다이오드를 갖는 외부 접합 박스가 필요 없음), 모놀리식으로 집적된 바이패스 스위치(MIBS)를 이용하여 에너지 수율을 증가시키고 증가된 PV 모듈 전력 수확을 갖는 스마트 PV 전지 및 스마트 PV 모듈을 제공한다. 또한, 여기에 개시된 MIBS 구조체 및 실시 방법은 다른 관련된 이점 이외에 작동 수명을 확장하고, 전체 태양 전지 모듈의 신뢰성을 증가시키도록 고안된다.
게다가, 개시된 시스템 및 방법은, 극적인 PV 시스템 비용 및 전기의 레벨화된 비용 (LCOE, Levelized-Cost of Electricity) 감소(설치된 PV 시스템 비용을 <$1/W로 지지하는) 및 에너지 수율의 관점에서 성능 개선을 제공하는 추가적인 분배된 전지-레벨(셀룰러) 전력 전자 장치를 집적할 수 있는 스마트 PV 전지 및 스마트 PV 모듈을 가능하게 한다(PV 설치 부분 및 동작 조건의 상세에 따라 달라지는 전기의 레벨화된 비용 또는 LCOE가 약 $0.10/kWh 미만 및 약 $0.06/kWh 미만을 가능하게 함). 본 발명의 실시형태의 중요한 적용은, 레지던스의 옥상, 레지던스 및 상업용 빌딩 내 빌딩-집적된 광기전(BIPV), 상업용 옥상, 그라운드-마운트 유틸리티 스케일의 전력 발전소, 자동차, 휴대용 전자 장치, 휴대용 및 전달 가능한 전력 발전, 및 다른 특수 적용을 위한 전지 및 모듈을 포함한다.
앞서 설명된 바와 같이, 결정 실리콘 광기전 (PV) 모듈은 현재 전체 세계 PV 시장의 약 85 % 이상을 차지한다. 이러한 결정 실리콘 PV 모듈의 실리콘 웨이퍼 재료의 비용은 현재 총 결정 실리콘 PV 모듈 제조 비용의 약 30 % 내지 50 %를 구성한다. 도 12는 실질적으로 실리콘 사용을 줄이고, 저비용, 고효율, 후면 접합/후면 접촉 단결정 전지를 형성하기 위해 몇개의 종래의 제조 단계를 제거하는 에피택셜 실리콘/다공성 실리콘 기반의 박형-결정-실리콘 후면 접촉/후면 접합(또는 맞물려진 후면 접촉 또는 IBC라고도 알려짐) 태양 전지의 주요 공정 단계를 강조하는 대표적인 공정 흐름이다. 구체적으로, 이러한 공정 흐름은 다공성 실리콘의 분리층 상에 재사용 가능한 템플레이트 및 에피택셜 실리콘 증착을 이용하여 스마트 전지 및 스마트 모듈에 라미네이팅된 백플레인을 갖는 고효율 태양 전지(백플레인은 약 500 미크론 내지 200 미크론의 두께와 같이 상대적으로 얇고, 태양 전지 후측에 부착된 박형의 유연하거나 강성인 전기 절연성의 시트일 수 있고, 온-셀 M1 및 온-백플레인 M2 금속화 레벨을 갖는 2개 레벨의 금속화 구조체를 가능하게 함)를 제조한다. 본 발명에서, 스마트 전지는 그것과 관련된 적어도 모놀리식 바이패스 스위치를 갖는 태양 전지로 기재된다. 여기에 기재되는 스마트 전지는 조화된 제조 공정 흐름을 이용하여 태양 전지 가공 동안 동시에 제조되는 모놀리식으로 집적된 바이패스 스위치(MIBS)를 포함한다(즉, MIBS 장치는 필수적으로 추가적인 증가되는 제조 비용 없이 태양 전지에 사용되는 동일한 제조 공정 단계를 이용하여 동시에 제조됨). 도 13에 나타내는 바와 같은 대표적인 공정 흐름은 태양 전지 반도체 흡수층을 형성하기 위해 에피택셜 실리콘 및 다공성 실리콘 리프트 오프 가공에 기초하여 도시되지만, 본 발명의 실시형태는 다공성 실리콘 또는 에피택셜 실리콘 공정을 이용하지 않고(예컨대, 태양 전지를 제조하기 위해 사용되는 개시 반도체 웨이퍼를 이용함으로써), 백플레인 지지 시트를 이용하는 임의의 결정 반도체 태양 전지(단결정 초크랄스키-CZ-실리콘 개시 웨이퍼, 또는 단결정 플로트존-FZ-실리콘 개시 웨이퍼 또는 캐스트 다결정 개시 웨이퍼 또는 GaAs 웨이퍼 또는 다른 반도체 재료의 에피택셜 성장층으로부터 또는 개시 와이어 소잉된 웨이퍼로부터 형성된 다른 반도체 재료로 제조된 것을 포함함)에 완전히 적용 가능하다. 백플레인 지지 시트는 예컨대 적합한 프리프레그 재료(예컨대 짜여진(woven) 아라미드 섬유 및 적합한 수지의 조합을 이용하여 제조된 프리프레그)의 50 미크론 내지 250 미크론 두께의 시트인 반도체 기판과 매치하여 상대적으로 우수한 열 팽창계수(CTE)를 갖는 박형의 유연한 시트일 수 있다. 또는, 백플레인 재료는 후면 접촉/후면 접합(또는 IBC로 공지된 것) 태양 전지의 경우에 다른 적합한 유연한(예컨대 중합성 또는 플라스틱성) 또는 강성의 전기 절연성의 재료로 제조될 수 있다. 백플레인은 반도체 기판에 영구적으로 부착 또는 라미네이팅되고, 이하를 포함하는 몇 가지 중요한 기능을 제공하는 인접 시트일 수 있다: (i) 박형(예컨대 몇 미크론 내지 100 미크론 이상의 두께) 반도체 기판에 지지체를 제공하고, (ii) 박형(예컨대 100 미크론 미만) 반도체 흡수체와 함께 유연한 백플레인을 이용하는 경우에 밴딩 가능하고/유연한 태양 전지의 제조를 가능하게 하고, (iii) 2-레벨의 태양 전지(및 MIBS) 금속화 구조체의 제조를 가능하게 하여, 상당한 구조적 및 성능적 이점을 야기하고, (iv) 신뢰성 있는 모놀리식 지지층으로 작용하는 인접한 백플레인을 갖는 반도체층 내에 트랜치 분리 영역의 형성을 가능하게 하고, (v) 부스바 없이 온-셀 금속화(제1레벨 금속 또는 M1)의 형성을 가능하게 하여, 태양 전지로부터 전기적 셰이딩 손실을 제거하고, (vi) 상대적으로 거친(따라서 제조하기 쉬운) 금속화 피치(M1과 비교하여) 및 PV 모듈에서 셀-투-셀(cell-to-cell)에 사용되는 최종 태양 전지 부스바를 갖는 온-백플레인 금속화(제2레벨 금속 또는 M2)의 형성을 가능하게 한다.
도 12에 도시되는 대표적인 공정 흐름은, 다공성 실리콘의 박형 희생층이 형성되는(예컨대, 웨이퍼를 통과하는 전류의 존재 하에 HF/IPA 또는 HF/아세트산 웨트 화학물질에서의 표면 변형 공정을 통한 전기화학 에칭 공정에 의해) 일반적으로 p형(예컨대 무겁게-보론-도핑된(heavily-boron-doped) 단결정 실리콘 웨이퍼)으로 제조되는 재사용 가능한 결정(단결정 또는 다결정) 실리콘 템플레이트로 시작한다. 다공성 실리콘층은 적어도 2가지 다른 특성을 가질 수 있다: 더 높은 다공성 매장층(buried layer)(이후 리프트 오프 분리층으로 작용함) 및 더 낮은 다공성 표면층(이후 에피택셜 시드층(seed layer)으로 작용함). 고품질 에피택셜 시드층 및 이후 분리/리프트 오프(또는 분리)층으로 작용하는 희생 다공성 실리콘층의 형성 시에, 인시투 도핑된(in-situ-doped) 결정 실리콘의 상대적 박층(예컨대 층 두께가 몇 미크론 내지 약 100 미크론, 또는 더욱 구체적으로 몇 미크론 내지 약 70 미크론의 범위)이 형성, 이른바 에피택셜 실리콘 성장된다. 인시투 도핑된 에피택셜 결정 실리콘층은, 예컨대 적합한 실리콘 소스 가스, 예컨대 트리클로로실란 또는 TCS 및 수소(또한 적합한 도펀트 소스, 예컨대 포스핀 또는 PH3)를 포함하는 공정 주변 하에 화학 증기 증착 또는 CVD 공정(APCVD라고도 알려짐)을 이용하여 대기압 에피택셜에 의해 형성될 수 있다. 에피택셜층은 더 높은 효율의 태양 전지를 제조하기 위해 n형 도핑으로 형성될 수 있다(n형 기판은 p형 실리콘과 비교하여 더 높은 소수 캐리어 수명을 제공하고, p형 실리콘 기판을 이용하여 제조된 태양 전지에서 광-유도된 열화를 일으키는 B-O 페어링(pairing) 결함으로부터 방해받지 않는다).
주요 태양 전지 가공 단계(예컨대 후측 도핑된 에미터 및 베이스 영역, 뒤쪽 패시베이팅 구조체, 뒤쪽 베이스 및 에미터 접촉, 및 적합한 금속화 재료, 예컨대 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 합금으로 제조된 미세한 피치의 맞물려진 핑거를 갖는 패터닝된 온-셀 부스바 없는 M1 금속화층) 완료 후, 상대적으로 고가의 백플레인층(예컨대 실리콘과 매칭하여 상대적으로 근접한 CTE를 갖는 50 내지 250 미크론의 두껍고 유연한 프리프레그층)은 태양 전지의 2레벨의 전지 금속화 구조체를 가능하게 하고, 그리고 영구 전지 지지 및 강화를 위해 박형 에피택셜 실리콘층에 결합 또는 라미네이팅될 수 있다. 백플레인 재료는 태양 전지 및 PV 모듈의 공정 집적 및 신뢰성 요건을 충족하는, 인쇄된 회로판과 같은 적용으로 일반적으로 사용되는 저가의 유연한 프리프레그 재료(아라미드 섬유 프리프레그 시트와 같이 반도체 기판에 상대적으로 근접한 CTE 매칭을 갖는)와 같은 박형(예컨대 약 50 내지 250 미크론)의, 유연하고(또는 필요에 따라 강성), 전기 절연성의 재료 시트로 제조될 수 있다. 프리프레그 이외에, 다른 적합한 중합성 또는 플라스틱성 재료가 태양 전지 및 MIBS 백플레인 재료로 사용될 수 있다(유연하거나 또는 반유연하거나 또는 강성). 거의 가공된(패터닝된 M1 층을 통해 가공되고, 인접한 백플레인 시트로 라미네이팅된) 후면 접촉, 후면 접합 백플레인 강화된 대면적(예컨대 적어도 156 mm × 156 mm의 전체 사각 또는 가정 사각 포맷의 치수를 갖는 것과 같은 적어도 125 mm × 125 mm 이상의 태양 전지 영역) 태양 전지는 이후 기계적으로 약해진 희생 다공성 실리콘층을 따라 재사용 가능한 템플레이트로부터 분리 및 리프트 오프되지만(예컨대 기계적 분리-MR-공정), 템플레이트는 전체 태양 전지 및 PV 모듈 제조 비용을 더욱 최소화하기 위해 몇 번 재사용될 수 있다(예컨대 적어도 몇 번 및 일부 예에서 적어도 수십번). 최종 백앤드(back-end) 전지 가공(태양광이 비치는 측의 텍스처링, 패시베이팅, 및 반사 방지 코팅 또는 ARC 증착의 완료 후 비아 플러그 및 제2레벨 금속화 또는 M2의 완료를 포함함)은 템플레이트로부터 분리된 후 노출되는 태양 전지의 태양광이 비치는 측 상에 우선 수행될 수 있다. 태양광이 비치는 측의 가공은, 예컨대 전면 텍스처링을 완료하는 것(예컨대, 알칼리성 또는 산성 웨트 화학물질을 이용하여) 및 표면 패시베이팅 및 반사 방지 코팅(ARC) 증착(예컨대 패시베이팅 및 ARC 층 또는 PECVD 또는 ALD 및 PECVD에 의해 형성되는 SiNxHy 또는 SiOwHz/SiNxHy 또는 Al2O3/SiNxHy를 포함하는 층 스택을 이용하여) 공정을 포함할 수 있다. 상기 기재된 IBC 전지를 제조하기 위해 개시 CZ 또는 FZ 또는 다결정 실리콘 웨이퍼(재사용 가능한 기판 상에 다공성 실리콘 및 에피택셜 성장을 이용하는 것을 대신하여)를 이용하는 공정을 이용할 수 있다(도 12의 좌측에 도시된 첫번째 3개의 블럭 또는 단계는 요구되지 않을 것이고, 대신 개시 결정 실리콘 웨이퍼가 도 12의 첫번째 3 단계의 우측에 도시된 태양 전지 제조 공정을 통해 진행하기 위해 사용된다).
본 적용의 MIBS 실시 방법 및 디자인은, 실질적으로 제조 공정 단계 또는 툴의 변경 또는 추가 없이, 따라서 실질적으로 태양 전지를 제조하는 비용의 추가 없이 개시된 태양 전지 제조 공정 흐름(또한, 그것에 한정되지 않지만, 와이어 소이된 개시 웨이퍼 또는 에피택셜 성장된 태양 전지 기판을 이용하는 것을 포함하는 많은 다른 결정 실리콘 태양 전지 공정 흐름)으로 집적될 수 있다. 일 실시형태에서, 후면 접합/후면 접촉(또는 IBC) 전지 디자인과 백플레인 가능한 2 레벨의 상호연결(backplane-enabled two-level interconnection) 및 백플레인-가능한 태양 전지 지지체의 조합은 전지 레벨에서 모놀리식으로 집적된 바이패스 스위치(MIBS) 실시를 위한 가능한 태양 전지 구조체를 제공하여, 각각의 전지와 함께 또는 모듈 접합 박스와 함께 개별 다이오드와 같은 개별 성분을 이용할 필요 없게 한다. 영구 구조적 지지체/강화재로 작용하고, 고효율 결정 반도체 태양 전지(예컨대 결정 실리콘 태양 전지)에 백플레인 가능한 저비용/고전도성의 (예컨대 알루미늄 및/또는 구리 및/또는 이들의 합금 또는 다른 적합한 고전도성 금속화 재료를 이용하는) 상호연결을 제공하는 것 이외에, 이들 백플레인 기술은 태양 전지 전력과 현저히 타협하지 않고(MIBS 영역이 태양 전지 영역 중 매우 작은 부분이기 때문에), 전체 태양 전지의 제조 비용의 추가가 미미하거나 추가되지 않고 각각의 태양 전지를 갖는 효율적인 MIBS 집적을 가능하게 한다. 본 발명의 실시형태는 선행기술의 개별 바이패스 다이오드의 신뢰성 문제 및 성분 비용을 없앰으로써, MIBS를 이용하여 경제적이고 신뢰성 있는 집적된 셰이딩 관리 해결이 가능하게 한다(또한, 태양 전지 또는 모듈 접합 박스에 개별 성분의 솔더링 또는 부착이 필요 없음). 또한, 태양 전지 그 자체로 유사한 우수한 신뢰성을 제공한다(MIBS 및 태양 전지의 모놀리식 집적 및 조화된 제조 공정 및 재료를 이용한다는 사실에 기인함).
백플레인 재료는, 적합한 재료, 예컨대 박형 반도체(예컨대 결정 실리콘)층 상에 과도한 열적으로 유도된 CTE-미스매치 스트레스를 야기하는 것을 피하기 위해 반도체 기판의 CTE와 매칭하여 충분히 근접한 열 팽창계수(CTE)를 갖는 프리프레그 시트 또는 중합성 또는 플라스틱 재료와 같은 유연한 재료의 박형(예컨대 약 50 미크론 내지 250 미크론 두께; 이 범위보다 얇거나 또는 두꺼울 수 있음) 시트일 수 있다. 또한, 백플레인 재료는, 특히 태양 전지 전측의 웨트 에칭/텍스처링 동안 화학 내성 및 전측(단층 또는 다층) 패시베이팅 및 ARC 층의 이후 PECVD 증착 동안 충분한 열 안정성을 포함하는 백앤드 전지 제조 공정을 위한 공정 집적 요건을 충족해야 한다. 또한, 박형 반도체 기판에 부착되는 전기 절연성 백플레인 재료 시트는 이후 모듈-레벨 라미네이팅 공정의 열 예산 및 장기 필드 작동 신뢰성 요건을 충족해야 한다. 다양한 적합한 중합성(예컨대 플라스틱, 플루오로폴리머, 프리프레그 등) 및 적합한 비중합성 재료(예컨대 유리, 세라믹 등)가 백플레인 재료로 사용될 수 있지만(유연하거나 또는 강성인 백플레인), 백플레인 재료 선택은, 그것에 한정되지 않지만 비용, 태양 전지 공정 집적의 용이성, 장기 신뢰성, 열 안정성, 유연성, 유순성 등을 포함하는 많은 고려 사항에 따라 달라질 수 있다.
백플레인의 우수한 재료 선택은 적합한 섬유와 수지의 조합을 포함하는 프리프레그이다. 프리프레그 시트는 인쇄 회로판(PCB)의 빌딩 블럭과 같은 많은 적용에 사용되고, 적합한 수지의 및 열 팽창계수 또는 CTE-감소된 섬유(예컨대 아라미드 섬유) 또는 입자의 조합으로부터 제조될 수 있다. 백플레인 재료 시트는 저렴하고, 낮은 CTE (결정 실리콘과 같은 반도체 재료가 약 3 ppm/°C의 상대적으로 낮은 CTE 값을 갖기 때문에, 일반적으로 CTE <10 ppm/°C, 일부 예에서 CTE <5 ppm/°C), 박형(감소된 백플레인 시트 비용 및 백플레인 라미네이팅된 태양 전지의 향상된 유연성을 위해, 보통 약 50 미크론 내지 250 미크론의 범위, 일부 예에서 약 50 미크론 내지 100 미크론의 더 작은 범위)의 프리프레그 시트일 수 있고, 이는 웨트 에칭/화학물질 텍스처링(예컨대 알칼리성 또는 산성의 텍스처링 화학물질)에 상대적으로 화학적으로 내성이 있고, 적어도 약 180 ℃까지(또는 약 400 ℃-450 ℃만큼 높은 온도까지)의 온도에서 상대적으로 열적으로 안정하다. 템플레이트 상에 다공성 실리콘 상에 에피택셜 실리콘 증착을 이용하여 제조된 결정 실리콘 태양 전지의 경우에, 프리프레그 시트는, 패터닝된 M1 금속화층(태양 전지 후측 상의 제1레벨 금속)을 통해 태양 전지 제조 공정의 완료 후에 태양 전지 기판의 후측에 부착될 수 있지만, 전지 반도체 기판은 진공-열 라미네이터를 이용하여 여전히 템프레이트 상에 있다(즉, 태양 전지 기판의 리프트 오프 공정 전에). 또는, 개시 CZ 단결정 또는 FZ 단결정 또는 캐스트 단결정 웨이퍼를 이용하여 제조된 결정 실리콘 태양 전지의 경우에(및 템플레이트 상에 다공성 실리콘 상에 에피택셜 실리콘 증착을 이용하지 않음), 프리프레그 시트는, 패터닝된 M1 금속화층(태양 전지 후측 상의 제1레벨 금속)을 통해 태양 전지 제조 공정의 완료 후에, 그리고 백앤드 공정 단계의 완료 전에(예컨대 태양광이 비치는 측의 텍스처링, 패시베이팅, 및 ARC 및 백플레인과 백플레인 상에 형성된 제2레벨 금속화 레벨 또는 M2를 통한 전도성 vi 플러그), 태양 전지 웨이퍼 후측에 부착될 수 있다. 열(예컨대 약 200 ℃ 내지 300 ℃의 온도) 및 압력(예컨대 몇몇 내지 약 20 분위기의 압력)의 조합을 적용하는 동안, 박형 프리프레그 시트는 부분적으로 가공된 후면 접촉 태양 전지의 후측에 영구적으로 라미네이팅 또는 부착된다. 템플레이트 상에 다공성 실리콘 상에 에피택셜 실리콘 증착을 이용하여 제조된 결정 실리콘 태양 전지의 경우에, 리프트 오프 분리 주변부의 경계는, 예컨대 펄스 레이저 스크라이빙 툴을 이용함으로써 태양 전지의 주변을 둘러서 정의되고(일부 미리 정해진 배제 영역에 기초한 템플레이트 에지 근처), 백플레인 라미네이팅된 태양 전지 기판은 그 후 기계적 분리 또는 리프트 오프 공정을 이용하여 재사용 가능한 템플레이트로부터 분리 및 리프트 오프된다. 그 후, 분리된 백플레인-부착된 태양 전지는, 최종 구체화된 태양 전지 치수에 따라 최종dml 곧은 태양 전지 주변부 에지를 제조하기 위해 에지를 둘러 선택적으로 레이저 트리밍될 수 있다. 또는, 개시 CZ 단결정 또는 FZ 단결정 또는 캐스트 다결정 웨이퍼를 이용하여 제조된 결정 실리콘 태양 전지의 경우에(및 템플레이트 상에 다공성 실리콘 상에 에피택셜 실리콘 증착을 이용하지 않음), 분리 공정이 없고, 선택적 후 라미네이팅 레이저 트리밍 공정은 태양 전지(및 MIBS)의 활성 에지로부터 확대되는 임의의 과도한 프리프레그를 제거하기 위해 사용될 수 있다. 이후 공정 단계(에피택셜 전지를 이용하거나 또는 CZ/FZ/다결정 실리콘 웨이퍼 기반의 전지를 이용하여)는 이하를 포함할 수 있다: (i) 태양 전지의 태양광이 비치는 측 상에 전측 텍스처링 및 패시베이팅/ARC 공정의 완료, (ii) 전지 후측(태양 전지 백플레인임) 상에 태양 전지의 고전도성 금속화 완료(제2레벨 금속화 또는 M2는 알루미늄 및/또는 구리 및/또는 이들의 합금 또는 다른 적합한 금속성 재료를 포함하는 금속화 재료를 갖는 관련된 M1-M2 전도성 플러그와 함께 형성될 수 있다). 태양 전지 에미터 및 베이스 극성(핑거 및 부스바)과 상호연결을 포함하는 고전도성 금속화(예컨대 전체 태양 전지 재료 및 제조 비용을 감소시키기 위해 은과는 반대로 저가의 알루미늄 및/또는 구리를 포함하는 것)는 패터닝된 M2 층을 이용하여 라미네이팅된 태양 전지 백플레인 상에 형성된다.
본 발명의 후면 접촉 태양 전지 및 MIBS 실시형태에서, 여기에 기재되는 태양 전지 디자인 및 제조 공정은, 전기 절연성 백플레인층에 의해 분리되고, 미리 정해진 상호연결 배열에 기초하여 패터닝된 M2 및 M1 금속화 영역과 상호연결하는 전도성 비아 플러그를 통해 비아 홀의 미리 정해진 패턴에 따라 상호연결되는 2레벨의 금속화를 갖는다(온-셀 M1 또는 제1 금속화 레벨 및 온-백플레인 M2 또는 제2 금속화 레벨). 본 발명의 실시형태를 이용하는 IBC 전지에 있어서, M1 패턴은 맞물려진 베이스 및 에미터 금속화 핑거(태양 전지 효율에 전기적 셰이딩 열화 효과를 제거하기 위해 M1 상에 임의의 부스바 없이)의 상대적으로 미세한 피치의 패턴일 수 있지만, M2 패턴은 맞물려진 베이스 및 에미터 금속화 핑거의 상대적으로 거친 피치의 패턴일 수 있고, M2 핑거는 M1 핑거에 실질적으로 직각 또는 수직이고, M2 핑거의 수는 M1 핑거의 수보다 실질적으로 적다(예컨대 약 5 내지 50배). 백플레인 라미네이팅 공정 전에, 태양 전지 베이스 및 에미터 접촉 금속화 패턴은, 예컨대 스크린 인쇄된 층 또는 플라즈마 스퍼터링된(PVD) 알루미늄(또는 알루미늄 실리콘 합금) 재료층의 상대적으로 박층(약 1 미크론의 일부 내지 약 20 미크론의 두께를 갖는; 일반적으로 PVD에 의해 형성되는 더 얇은 층 및 스크린 인쇄에 의해 형성되는 더 두꺼운 층)을 이용함으로써 전치 후측(M1 금속화 레벨) 상에 직접 형성된다. 백플레인 부착 또는 라미네이팅 공정 전에 태양 전지 뒤쪽 또는 후측 상에 형성된 이러한 제1 금속화층(여기서 M1라고도 함)은 IBC 전지의 베이스 및 에미터 영역을 정의하는 미세한 피치(예컨대 약 0.5 밀리미터 내지 몇 밀리미터의 베이스 & 에미터 금속화 핑거 피치) 맞물려진 후면 접촉 (IBC) M1 컨덕터 핑거와 같은 태양 전지 접촉 금속화 패턴을 정의한다. 일부 예에서, 패터닝된 M1 층은, 태양 전지 금속화 부스바와 연관된 임의의 해로운 전기적 셰이딩 손실을 제거하기 위해 임의의 태양 전지 부스바를 갖지 않는다. M1 층(태양 전지 접촉 금속화로도 알려짐)은 태양 전지 전류 및 전압(또는 태양 전지 전력)을 추출하고, 백플레인 표면 상에 M1 후에 형성된(및 라미네이팅 또는 부착된 백플레인 시트에 의해 패터닝된 M1 층으로부터 물리적으로 분리된) 상대적으로 더 높은 전도성의 태양 전지 금속화의 제2레벨/층(여기서 M2라고도 함)에 태양 전지 전력을 전달한다. 패터닝된 M1 층의 형성 후 태양 전지 후측에 백플레인 시트의 부착 또는 라미네이팅 후, 및 템플레이트로부터 백플레인 지지된 태양 전지의 이어지는 분리 후 에피택셜 실리콘 태양 전지의 경우(태양 전지가 CZ 또는 FZ 단결정 실리콘 웨이퍼 상에 또는 캐스트 다결정 실리콘 웨이퍼 상에 제조되는 경우에 적용 가능하지 않음), 및 전측 텍스처링 및 패시베이팅 및 ARC 형성 제조 공정의 완료 후, 비아 홀은 백플레인 시트를 통해 형성되고(패터닝된 M1 층 상에 지정된 패드 상에 놓이는 홀), 상대적으로 더 높은 시트 전도성 층 M2는 백플레인 상에 형성된다(예컨대, 알루미늄 및/또는 구리를 포함하는 저가의 고전도성 금속 또는 금속 합금을 이용함). 비아 홀(일부 예에서 인접한 백플레인의 영역 내에 수백 또는 수천까지의 비아 홀)은 백플레인으로 드릴링된다(예컨대 펄스 레이저 드릴링 공정에 의해). 이들 비아 홀은, 이들 비아 홀에 형성된 전기 전도성 플러그를 통해 패터닝된 M2와 M1 층 사이에 이후 전기적 상호연결을 위한 패터닝된 M1 핑거(태양 전지 베이스 및 에미터 금속 핑거)의 미리 정해진 영역에 놓인다. 이어서, 패터닝된 더 높은 전도성의 금속화층 M2가 형성된다(예컨대, 플라즈마 스퍼터링, 전기 화학 증착 또는 플레이딩, 백플레인에 금속박의 부착, 또는 이들의 조합-M2 재료, 예컨대 상대적으로 저가 및 고전도성의 알루미늄 및/또는 구리를 포함하는 전기 컨덕터를 이용함). M1(예컨대, IBC 태양 전지당 수백의 M1 금속 핑거) 상의 미세한 피치의 IBC 핑거를 갖는 맞물려진 후면 접촉(IBC) 태양 전지에 있어서, 패터닝된 M2 층은 M1과 실질적으로 직각 또는 수직으로 그 컨덕터 핑거를 갖도록 고안 및 제조될 수 있다-즉, M2 베이스 및 에미터 핑거는 M1 베이스 및 에미터 핑거와 필수적으로 직각으로 제조된다. M2 핑거는 베이스와 에미터 극성 사이에서 번갈아 나오고, M2 층의 일부로 형성되는 상대적인 베이스 및 에미터 부스바와 연결된다. M1에 대한 M2의 이러한 직각 변형 때문에, M2 층은 M1 층보다 더 적은 IBC 핑거를 가질 수 있다(예컨대, M1 핑거와 비교하여 약 5 내지 50배 적은 M2 핑거). 그 결과, M2 층은 M1 층보다 더 넓은 M2 IBC 핑거를 갖는 더 거친 패턴을 가질 수 있다. 예컨대, M2 핑거의 평균 폭은 몇 밀리미터 내지 1 센티미터를 초과할 수 있지만, M1 핑거의 평균 폭은 수백 미크론 내지 1 밀리미터 초과일 수 있다. 태양 전지 부스바는 태양 전지 상에 부스바와 관련된 전기적 셰이딩 손실을 제거하기 위해, M1 층 상이 아닌 M2 층 상에 위치할 수 있다. 또한, 베이스 및 에미터 상호연결과 부스바는 태양 전지 후측 백플레인 상에 M2 층 상에 위치할 수 있기 때문에, 전기 접속은 백플레인 상에 태양 전지의 베이스 및 에미터 터미널에 제공된다. 또한, 패터닝된 M2 층은 전도성 비아 플러그를 형성한다(예컨대, 패터닝된 M2 층 핑거 및 부스바에 사용되는 동일한 증착된 금속층을 이용함).
ISIS ( Intelligent cellular Shade Impact Suppression ) 또는 MIBS를 이용하는 집적된 셰이딩 관리(Integrated Shade Management). 종종, PV 모듈 내에 태양 전지의 직렬 와이어링 및 상호연결에 기인하여, PV 모듈 광흡수면 상의 적은 양의 방해는 큰 출력 손실을 야기할 수 있다. 이는, 전기 직렬 및 병렬 배열로 연결된 PV 모듈의 어레이를 포함하는 설치된 PV 시스템을 고려하는 경우에도 사실이다. 전지 및 모듈 셰이딩(부분적 또는 전체 셰이딩) 때문에 전력 수확 능력의 손실의 예는 다음을 포함한다. 예컨대, PV 모듈 표면 영역의 0.15%, 2.6%, 및 11.1%의 방해는 각각 3.7%, 16.7%, 및 36.5% 출력 전력 손실을 일으켜, 부분 셰이딩의 경우에도 설치된 PV 시스템 에너지 수율의 상당한 감소를 일으킬 수 있다고 밝힌 하나의 공개된 연구. 앞서 기재된 바와 같이, 하나의 방해된 전지의 전류가 전지의 부분적 또는 전체 셰이딩에 기인하여 떨어지는 경우에, 셰이딩된 전지는 스트링 또는 서브 스트링에 직렬로 와이어링된 모든 다른 전지의 전류를 아래로 끌 수 있고(drag down), 또는 선택적으로 셰이딩된 태양 전지는, PV 모듈의 디자인 및 빌딩에 정확한 동작이 취해지지 않으면, 셰이딩된 전지 영역에서 핫 스팟 및 신뢰성 문제를 일으키는 비셰이딩된 전지에 의해 발생되는 더 큰 전류에 의해 역 바이어스될 수 있다.
여기에 개시되는 MIBS-기반의 ISIS 또는 셰이딩 관리 디자인은, 직렬 스트링 및 PV 모듈 상에 최소 영향을 미치는 임의의 방해된 또는 셰이딩된 전지를 둘러 전기의 자동 선로 변경(re-routing)(또는 바이패싱)을 제공하여-그 결과, 태양 전지 제조 공정 흐름의 실질적인 변화 없이(이른바 조화된 공정 흐름), 전체 태양 전지 제조 비용의 증가하는 추가가 미미하거나 없이, PV 모듈의 전체 에너지 수율 출력 및 PV 모듈의 전력 생산 능력을 최대화 하기 위해 바이패스 스위치(pn 접합 다이오드 또는 쇼트키 다이오드- 또는 선택적으로 적합한 트랜지스터 스위치와 같은 다른 반도체 스위치)를 모놀리식으로 집적한다. 본 발명에 기재되는 MIBS 기반의 ISIS 또는 셰이딩 관리 구조체 및 방법은 PV 모듈 내에 미스매칭되는 전류와 관련한 열 소모로부터 열적으로 유도된 임의의 스트레스를 실질적으로 완화시킴으로써 전체 전지 및 모듈의 신뢰성을 개선한다; 또한, 외부 바이패스 다이오드를 갖는 모듈 접합 박스가 필요 없고, 임의의 개별 바이패스 스위치 성분이 필요 없어, 얻어지는 스마트 PV 모듈의 와트당 비용을 감소시키고; 또한, 태양 전지 상에 개별 바이패스 다이오드 성분을 마운팅 및 솔더링하는 것과 관련된 열 및 기계적 스트레스를 제거한다.
태양 전지를 갖는 모놀리식으로 집적된 바이패스 스위치( MIBS )를 이용하여 ISIS(Intelligent cellular Shade Impact Suppression ) 또는 셰이딩 관리 해결: 이하 부분은 본 발명의 다양한 셰이딩 관리 MIBS 실시의 실시형태를 기재한다. 대표예로서, 분배된 스위치 내에 실질적인 전력 소모 손실 없이, 개시된 분배된 셀룰러 셰이딩 관리(ISIS) 시스템에서의 사용을 위한 저항에 대한 MIBS의 선택(selection of a MIBS ON resistance for use in the distributed cellular shade management (ISIS) systems)에 관한 기준 및 고려사항은, 그것에 한정되지 않지만 이하를 포함한다:
-일부 예에서 순 바이어스 다이오드보다 더 작은, 작은 온-스테이트(on-state) 전압 드롭을 가진 셀룰러 바이패스(cellular bypass) 스위치. 예컨대, Vmp=575 mV (최대 전력점 전압) 및 Imp=9.00 A (최대 전력점 전류)(약 Voc=660 mV의 개회로 전압 및 약 ISC=9.75 A의 쇼트 회로 전류에 대응하여)라고 가정하면, 50 mV의 온-스테이트 전압은 다이오드의 약 10 % 미만인 0.45 W의 온-스테이트 전력 소모를 일으킬 수 있다(산출은 스위치 직렬 저항 Rseries와 관련된 임의의 손실을 배재함).
-10m 이하의 온-스테이트 스위치 Rseries와 같은 온-스테이트 스위치 전력 소모를 최소화하기 위해 매우 작은 온-스테이트 직렬 저항을 갖는 셀룰러 바이패스 스위치(예컨대 Rseries = 5mΩ, 스위치의 오믹 전력 소모= 0.405 W).
-MIBS는 온-스테이트 또는 순 바이어스 전압이 ~0.2 V 내지 ~0.5V인 낮은 순바이어스 전압 쇼트키 다이오드, 또는 선택적으로 온-스테이트 순 바이어스 전압이 ~0.6 V 내지 ~0.7 V인 pn 접합 다이오드를 이용할 수 있다. 최적의 쇼트키 다이오드의 이용은 MIBS 스위치가 전지 셰이딩에 기인하여 활성화되는 경우에, pn 접합 다이오뎀(diodem)과 비교하여 더 낮은 전력 소모를 일으킬 수 있다.
이하 기능을 갖는 MIBS 구조체가 사용될 수 있다:
-전지 셰이딩에 기인하여 MIBS가 온(ON)으로 조절되는 경우에(MIBS 다이오드가 순 바이어스됨) 저 전력 소모. 예컨대, 오믹 손실에 기인한 MIBS 전력 소모는, 평균 전지 전력 생산보다 크지 않은, 일부 예에서 평균 태양 전지 전력 생산의 일부로 제한될 수 있다. 예컨대, 5 Wp (와트 피크) 태양 전지에 있어서, MIBS 장치 디자인(예컨대, 쇼트키 다이오드 또는 pn 접합 다이오드)은, 전체 전지 스트링 전류가 셰이딩된 전지 MIBS 장치를 통과하는 경우에, 단지 약 2 W up 내지 약 5 W로 태양 전지의 직렬 연결된 스트링 내에 셰이딩된 전지의 전력 소모를 제한할 수 있다(pn 접합 다이오드와 비교하여 쇼트키 다이오드의 더 낮은 순 바이어스 전압에 기인하여 pn 접합 MIBS와 비교하여 쇼트키 다이오드 MIBS로 더 낮은 전력 소모). MIBS 다이오드는, MIBS 장치가 활성화되는 경우에 MIBS 전력 소모를 최소화하기 위해 매우 낮은 온-저항(on-resistance)을 제공하도록 고안된다.
-태양 전지 MIBS가 오프(OFF)인 경우(역 바이어스됨) 또는 전지가 비셰이딩되고, 보통의 비셰이딩된 조건 하에서 작동되는 경우에, MIBS 장치에서의 상대적으로 낮은 역누설 전류(reverse leakage current). 예컨대, MIBS 장치는 그 역누설 전류가 태양 전지 광 발생 전류의 실질적으로 1% 미만 또는 0.1 % 미만이 되도록 고안될 수 있다.
도 13은 PV 모듈 내 태양 전지당 하나의 저전력 소모 MIBS 장치(예컨대 쇼트키 다이오드 또는 pn 접합 다이오드를 포함하는 각각의 MIBS 장치)를 이용하여 분배된 셀룰러 셰이딩 관리(ISIS-Intelligent Cellular Shade Impact Suppression)를 도시하는 개략 회로도이다. 이러한 분배된 MIBS(MIBS 장치로 pn 접합 다이오드 또는 쇼트키 다이오드를 이용하여) 배열은 외부 접합 박스 바이패스 다이오드 및 임의의 개별 온-셀 다이오드 성분이 필요 없고(그 결과, 태양 전지에 개별 다이오드의 전도성 접착제 부착 또는 솔더링을 필요로 하여, 필드 내 잠재적인 신뢰성 문제를 일으킴), 다전지 서브 스트링 배열당 하나의 바이패스 다이오드와 비교하여 PV 설치에서 모듈의 전체 에너지 수율 성능을 개선한다(예컨대 선행기술의 형태와 같은 60-전지 모듈에서 20-전지 서브스트링 배열 당 하나의 바이패스 다이오드를 이용하는 경우에). 도시된 바와 같이, 태양 전지당 하나의 MIBS(쇼트키 다이오드 또는 pn 접합 다이오드와 같은 다이오드의 정류)가 사용되기 때문에, 전체 모듈은, 예컨대 전체 전기 직렬로 연결된 모듈 내에 모든 태양 전지의 단일 스트링으로 와이어링될 수 있다(예컨대, 60-전지 모듈에 대해 직렬 연결된 60 전지의 하나의 스트링). 또는, 모듈 내 태양 전지는 모듈 전류 및 전압 요건에 따라 달라지는 직렬/병렬 상호연결 배열의 임의의 조합으로 와이어링될 수 있다. 따라서, 여기에 개시된 MIBS-기반의 ISIS 또는 셰이딩 관리 구조체 및 제조 방법의 이용은, 고전력 출력 성능 및 필드 신뢰성을 제공하지만 모듈 BOM(Bill-of-Materials) 비용을 줄이고, 모듈 제조 공정을 단순화한다.
PV 모듈 내 분배된 셰이딩 관리를 위한 모놀리식으로 집적된 바이패스 스위 치(MIBS). 외부 바이패스 스위치 및 개별 바이패스 스위치 성분이 필요 없는 모놀리식으로 집적된 셰이딩 관리의 해결책을 갖는 다양한 예의 스마트 태양 전지가 여기에 기재된다. MIBS 구조체 및 방법은, 예컨대 및 다른 이점들 중에서, 이하 이점을 제공한다:
-모놀리식으로 집적된 바이패스 스위치(MIBS)는 전지 제조 비용까지 필수적으로 제조 비용의 증가가 0인 각각의 전지 상에 실시될 수 있다(즉, 각각의 태양 전지를 갖는 MIBS 실시 때문에 전지 당 제조 비용의 증가가 미미하거나 없음).
-MIBS 사용 가능한 태양 전지는 PV 모듈 접합 박스 내에 외부의 개별 바이패스 다이오드를 포함하는 종래의 PV 모듈과 비교하여 PV 모듈 내에 향상된 에너지 수율 및 향상된 에너지 수확을 위해 전지 레벨로 직접 분배된 셰이딩 관리를 제공한다.
-여기에 기재되는 것들을 포함하는, 많은 제조 실시형태에서, MIBS 사용 가능한 태양 전지의 제조는 추가적인 전지/모듈 제조 비용을 필수적으로 추가하지 않을 수 있고, 미미한 전지 효율/전력 패널티를 발생시키지만, 모듈의 환경적 셰이딩 및/또는 소일링으로 현실적인 필드 조건에서 작동하는 PV 모듈에서의 실질적으로 향상된 에너지 수확 및 더 높은 에너지 수율을 제공할 수 있다(예컨대, 레지던스 옥상의 PV 설치 상에).
-MIBS를 이용하는 본 발명의 모놀리식 집적 해결책 및 공정은 태양 전지 공정 흐름에 필수적으로 변화를 주지 않고(그 결과, 제조 공정 흐름과 조화되는), 필수적으로 태양 전지 가공의 복잡성을 추가하지 않고, 필수적으로 태양 전지 가공 비용을 추가하지 않고, 부착 또는 라미네이팅된 백플레인 지지체를 갖는 상대적으로 박형인(예컨대 반도체 흡수체 또는 기판의 두께가 몇 미크론 내지 100 미크론 이상) 반도체(예컨대 박형 에피택셜 실리콘 기판 또는 박형 결정 실리콘 웨이퍼) 태양 전지가 제공된다. 또한, 여기에 기재된 MIBS 실시형태는 태양 전지 자체로 동일한 재료 스택 층(반도체, 유전체층, 및 금속층)을 이용할 수 있다-따라서 태양 전지의 제조 가공 및 태양 전지와 연관되는 MIBS 장치는 태양 전지의 제조에 이용되는 동일한 공정 툴을 이용하여 조화된 방법으로 동시에 수행될 수 있다.
-태양 전지에 개별 바이패스 스위치 성분 및 그 부착이 필요 없는 pn 접합 다이오드 또는 금속-전극 쇼트키 다이오드를 이용하는 MIBS 전지의 예시적인 모놀리식 집적 해결법이 제공된다.
-개별 다이오드 성분의 성분 비용 및 신뢰성 문제를 제거하는(또한, 태양 전지에 전도성 접착제에 의해 부착 또는 솔더링되는 개별 스위치 성분이 필요 없음) 저비용 및 신뢰성 있는 집적된 셰이딩 관리 해결법이 제공된다.
-개시되는 MIBS 방법 및 구조체는 태양 전지와 동일한 재료를 이용하기 때문에, 그 자체가 태양 전지와 동일한 우수한 장기 신뢰성을 갖는다. MIBS 및 그 연관 태양 전지는 태양 전지 금속화 구조체, 예컨대 M1 층 및/또는 M2 층을 이용하여 필요에 따라 상호연결된다.
-또한, 개시된 MIBS 방법 및 구조체는, 태양 전지에 부착되는 개별 솔더링된 바이패스 다이오드 성분이 없고, 근접한 MIBS 장치가 태양 전지에 대해 마이크로 크랙 보호 실드 또는 가드로 작용할 수 있기 때문에, 박형 반도체 마이크로 크랙(마이크로 크랙 생성 및/또는 전파)의 완화(mitigation)를 제공할 수 있다.
예컨대, MIBS 태양 전지의 주요 특성 및 이점은, 그것에 한정되지 않지만, 이하를 포함한다:
-여기에 개시된 MIBS 실시형태는 일반적으로 다양한 전지 기반의 PV 모듈, 및 구체적으로 박형(예컨대 약 1 ㎛ 내지 약 100 ㎛의 두께 또는 더 두꺼운 반도체 흡수체) 결정 반도체(예컨대 실리콘 및 갈륨 비소) 태양 전지를 포함하는 결정 반도체 태양 전지에 적용될 수 있다.
-여기에 개시된 MIBS 실시형태는, 복수의 MIBS 사용 가능한 태양 전지로 제조되는 PV 모듈에서 신뢰성 있는 전지-레벨 셰이딩 관리를 제공하는 각각의 태양 전지 상에 적어도 하나의 상대적으로 저전력-소모 모놀리식으로 집적되는 바이패스 스위치(MIBS)를 갖는 박형 결정 실리콘과 같은 상대적으로 박형의 결정 반도체, 태양 전지를 제조하기 위핸 제조방법 및 구조체를 제공한다.
-여기에 개시되는 구조체 및 방법은 박형(예컨대 약 1 미크론 내지 약 100 미크론 초과) 에피택셜 실리콘 리프트 오프 가공을 이용하여 제조되거나 또는 개시 결정 실리콘 웨이퍼(CZ 또는 FZ 또는 다결정 실리콘 웨이퍼)를 이용하여 다르게 제조되고, 라미네이팅되거나 부착된 백플레인 지지체를 포함하는, 고효율 후면 접촉/후면 접합(IBC라고도 함) 태양 전지에 대해 기재된다. 그러나, 개시된 주제의 구조체 및 방법은, 결정 실리콘 이외의 반도체 흡수체 재료(예컨대 갈륨 비소, 게르마늄, 갈륨 니트라이드 등) 및 다른 태양 전지 디자인(예컨대 전면 접촉 전지 또는 다른 후면 접촉 비IBC 전지)로 제조되는 태양 전지에도 적용 가능하다.
-여기에 개시된 MIBS 태양 전지의 실시형태는, 박형(반도체 전지 흡수체 두께가 약 200 미크론 미만, 일부 예에서 약 100 미크론 미만) 반도체 흡수체 및 태양 전지의 후측 상에 영구적으로 라미네이팅 또는 부착된 인접한 백플레인 지지층의 조합에 의해 사용 가능해질 수 있다.
-전지 제조 공정에 임의의 주목할만한 증가하는 비용의 추가 없이, MIBS 장치 영역의 소비가 활성 태양 전지 영역의 상대적으로 오직 작은 부분이기 때문에 전지 전력 출력을 타협하지 않고, 태양 전지 제조 공정 흐름 동안 형성되는, 예컨대 태양 전지의 주변부 림(peripheral rim) 상에 모놀리식으로 집적되는 바이패스 스위치(pn 접합 다이오드 또는 쇼트키 다이오드)를 가질 수 있다(예컨대, MIBS 영역은 태양 전지 영역의 약 1 % 미만, 1 퍼센트 부분 미만, 예컨대 약 0.1 % 내지 1 %가 되도록 선택될 수 있다).
-다각형의 태양 전지에 있어서, 주변부 림(에지에 위치한) 바이패스 스위치 다이오드는 다각측 모두를 따라 연속적으로 또는 복수의 다각측 상에 또는 다각측 중 어느 하나 상에 형성될 수 있다. 상대적으로 일반적인 사각형 태양 전지 포멧(예컨대 일반적인 치수 156 mm × 156 mm, 210 mm × 210 mm, 또는 임의의 다른 바람직한 태양 전지 치수, 예컨대 전지 영역을 약 100 cm2 미만 내지 1,000 cm2 초과의 범위를 갖는 태양 전지)의 주변부 림 다이오드(pn 접합 다이오드 또는 쇼트키 다이오드)는 태양 전지 주변의 적어도 일부 상에, 또는 인접한 백플레인 상에 지지된 매우 작은 영역의 섬(island) 림에 의해 에워싸인 더 큰 태양 전지 섬 영역을 형성하는 그 주변을 둘러 전체 태양 전지를 둘러싸는 연속 폐쇄-루프(closed-loop)(또는 연속 단편화된 폐쇄 루프) 전주부 림으로서 형성될 수 있다(도 14에 도시된 바와 같이).
-MIBS 바이패스 다이오드 및 태양 전지는 동일한 일반적인 인접한 백플레인을 공유하고, 이들의 반도체층(예컨대, CZ 또는 FZ 또는 다결정 웨이퍼로 제조되는 에피택셜 실리콘 또는 반도체 기판)은, 예컨대 장치 분리 트랜치를 형성하기 위해 스루-반도체 펄스 레이저 스크라이빙(through-semiconductor pulsed laser scribe)을 이용함으로써 전지 제조 공정 동안 수행되는 트랜치 분리 공정을 이용하여 서로로부터 완전히 분리된다. 분리 트랜치는 반도체층(예컨대 박형 에피택셜 Si)의 전체 두께를 통과하고, 전기 절연성 백플레인에서 멈출 수 있다. 트랜치 분리의 폭은 분리 스크라이빙에 이용되는 레이저 빔(예컨대 펄스 나노세컨 레이저 빔)의 특성 및 반도체층의 두께에 따라 달라질 수 있고, 예컨대 약 1 미크론 내지 약 100 미크론 초과인 범위일 수 있다(더 좁은 트랜치가 영역-관련된 손실을 줄이기 위해 형성될 수 있다). 일반적으로, 더 좁은 트랜치 분리 폭이 유리할 수 있다. 실제로, 트랜치 분리 폭은 수십 미크론일 수 있다. 또는, 트랜치 분리 영역은 펄스 레이저 스크라이빙 이외의 기술을 이용함으로써, 예컨대 기계적 다이싱 또는 초음파 스크라이빙 또는 다른 방법에 의해 형성될 수 있다. 펄스 레이저 스크라이빙 또는 커팅 공정과 같은 적합한 트랜치 분리 형성 공정은, 반도체층을 통해 선택적으로 커팅하고, 백플레인 재료의 실질적인 제거 없이 반도체 기판의 두께를 통해 커팅한 후 백플레인 시트 상에서 효과적으로 멈춘다(그 결과 인접한 백플레인 시트의 온전함을 유지함).
또한, 공유된 제조 공정 흐름을 이용하여 태양 전지와 동시에 제조되는 모놀리식으로 집적된 바이패스 스위치(MIBS)가 다른 것들 중에서 이하 이점을 제공할 수 있다:
-집적된 바이패스 스위치는 태양 전지 또는 PV 모듈에 추가되는 증가되는 제조 비용이 0이거나 미미하도록 제조될 수 있다
-태양 전지 또는 태양 전지 백플레인에 개별 바이패스 스위치를 부착할 필요가 없다.
-태양 전지에 개별 성분, 예컨대 개별 다이오드를 부착(예컨대 솔더링), 및 태양 모듈에 부착된 개별 성분을 갖는 이러한 전지를 영구적으로 라미네이팅하는 잠재적 신뢰성 문제를 해결한다.
-개별 성분 범프가 없기 때문에 모놀리식으로 집적된 바이패스 스위치를 갖는 전체 복수의 태양 전지를 유지하고, 개별 성분 높낮이(topography) 및 범프를 맞추기 위해 더 두꺼운 모듈 봉합재(예컨대 EVA 또는 폴리올레핀)를 이용할 필요가 없다.
-개별 바이패스 스위치(예컨대 다이오드 또는 트랜지스터) 및/또는 외부 바이패스 다이오드를 갖는 외부 접합 박스의 비용을 없앤다.
-태양 전지 상에 개별 바이패스 스위치 성분 어셈블리 공정(예컨대 성분 솔더링)의 비용을 없앤다.
MIBS 태양 전지는, MIBS 구조체가 동일한 태양 전지 재료 및 공정(반도체 기판, 유전체, 금속화, 및 백플레인 재료)으로부터 제조될 수 있고, 태양 전지와 모놀리식으로 집적되기 때문에, 태양 전지 자체와 비교하여 실질적으로 동일한 신뢰성을 가질 수 있다. 이는, 태양 전지 및 PV 모듈의 전체 신뢰성이 타협되지 않기 때문에 태양 전지의 수익성 문제 및 우려를 최소화한다(전지에 솔더링된 개별 성분 대신에 강한 모놀리식 바이패스 다이오드를 이용하는 것에 기인함).
모놀리식으로 집적된 바이패스 스위치(MIBS)는 태양 전지 섬을 둘러 림 pn 접합 다이오드와 같은 pn 접합 다이오드일 수 있다. 또는, MIBS는, 예컨대 n형 실리콘 상에 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 합금 쇼트키 접촉으로 제조되는 태양 전지 섬을 둘러 림 쇼트키 다이오드와 같은 금속 접촉 쇼트키 다이오드이다(일반적으로 pn 접합 다이오드보다 더 작은 순 바이어스 전압을 제공할 수 있다).
림 다이오드 디자인이 이용되는 경우에, 모놀리식으로 집적되는 바이패스 스위치(MIBS) 림은 태양 전지의 제조 동안 및/또는 후에 태양 전지에서 마이크로 크랙의 전파 및/또는 발생을 완화 또는 제거하는 추가적인 이익을 제공할 수 있다. 이는, 트랜치 분리 영역에 의해 태양 전지 섬으로부터 분리된 MIBS 림은 에지-유도되고, 에지 전파하는 마이크로 크랙을 실드 또는 가드하는 작용을 할 수 있다는 사실에 기인한다.
여기에 기재된 태양 전지 실시형태는, 전지를 갖는 집적된 MIBS 장치 및 영구적으로 부착된(예컨대 라미네이팅된) 백플레인을 갖는 후면 접촉/후면 접합 IBC 전지를 포함하는 후면 접촉 태양 전지와 같은 스마트 태양 전지 및 스마트 태양 모듈을 사용 가능하게 한다. 도 14는 전주부 레이저 스크라이빙된 분리 트랜치(22)에 의해 태양 전지 섬(24)으로부터 분리된 전주부 폐쇄된 루프 림 MIBS 바이패스 다이오드(20)를 이용한 MIBS 태양 전지의 실시형태의 태양광이 비치는 측의 뷰를 도시하는 개략도이다. MIBS 바이패스 다이오드(20) 및 태양 전지 섬(24)은 공통의 및 공유된 후측 백플레인(도시되지 않음)에 부착되고, 공통의 원래의 인접 및 이후 분할되는 태양 전지 반도체 기판으로부터(개시 반도체 웨이퍼 또는 기판으로부터) 형성된다. 분리 트랜치는, 전지 후측 상에 위치한 백플레인에 태양 전지 기판(24)을 통해 스크라이빙 방법에 의해, 예컨대 펄스 레이저 스크라이빙, 플라즈마 스크라이빙, 또는 기계적 다이싱에 의해 형성될 수 있다. 도 14는 폐쇄된 루프 전주부 림 다이오드(pn 접합 다이오드 또는 쇼트키 다이오드)를 갖는 MIBS 사용 가능한 태양 전지의 태양광이 비치는 측(전측 또는 상부측이라고도 함)의 뷰를 도시한다. 이러한 실시형태에 도시된 바와 같이, 태양 전지(24)는, 다른 태양 전지 형태 및 치수가 사용될 수 있지만, 전체 사각의 전지이고, 예컨대 156 mm × 156 mm와 같은 치수를 가질 수 있다. 태양 전지(24)는 박형 반도체(예컨대, 개시 CZ 또는 FZ 또는 다결정 웨이퍼로부터 박형 에피택셜 실리콘 또는 박형 결정 실리콘) 후면 접촉 후면 접합 태양 전지일 수 있다. 전주부 림 다이오드(22)는 10 내지 약 1000 미크론 범위의 폭, 예컨대 100 내지 500 미크론 범위의 다이오드 폭을 가질 수 있다.
태양 전지로부터 림 바이패스 다이오드를 분리 및 분할하는 전주부 스루-실리콘 트랜치(full-periphery through-silicon trench)는, 레이저 빔 직경 및 반도체층 두께에 따라 달라지는 예컨대 몇 미크론 내지 약 100 미크론의 범위의 분리 폭을 가질 수 있다(더 넓은 폭을 이용하기 위해 덜 바람직하지만 약 100 미크론보다 더 넓은 폭일 수 있음). 펄스 나노세컨(ns) 레이저 스크라이빙에 의해 형성된 일반적인 트랜치 분리 폭은, 트랜치 분리 폭이 더 작아질 수 있지만 약 20 내지 약 100 미크론일 수 있다. 펄스 레이저 제거 또는 스크라이빙은 효율적이고, 트랜치 분리 영역을 형성하기 위해 입증된 방법이지만, 다른 비기계적 및 기계적 스크라이빙 기술은 모든 MIBS 태양 전지의 실시형태를 위해 트랜치 분리 영역을 형성하기 위해 펄스 레이저 스크라이빙 대신에 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다. 다른 비레이저 방법은 플라즈마 스크라이빙, 초음파 또는 어쿠스틱 드릴링/스크라이빙, 워터젯 드릴링/스크라이빙, 또는 충분한 특정 해결법(즉, 좁은 트랜치 분리 폭)으로 반도체 기판(흡수체) 층의 선택적인 커팅 또는 스크라이빙이 가능한 다른 적합한 기계적 다이싱 또는 스크라이빙 방법을 포함한다.
모놀리식 집적된 회로의 용어는 반도체 기판으로도 알려진 반도체 재료층의 슬라이스 상에 제조된, 복수의 반도체 장치 및 대응하는 전기적 상호연결을 기재하기 위해 사용된다. 그 결과, 모놀리식 집적된 회로는 일반적으로 결정 실리콘과 같은 반도체 재료의 박형의 인접 슬라이스 또는 층 상에 제조된다. 여기에 기재된 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체는, 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치(MIBS) 장치가 반도체 기판 층의 슬라이스(에피택셜 증착에 의해 형성되는 개시 반도체 웨이퍼 또는 성장된 반도체층) 상에 형성/제조되기 때문에, 모놀리식 반도체 집적된 회로이다. 또한, 반도체 기판 층 후측에 부착된 인접한 백플레인의 조합은 개시된 주제에 따른 모놀리식 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치(또는 모놀리식으로 집적된 바이패스 스위치-MIBS)의 실시형태를 가능하게 한다.
도 15는 공통의 (일부예에서 인접한) 공유된 백플레인을 공유하고, 공통의 원래 인접 및 이후 분할(트랜치 분리 패턴을 통해 수행되는 분할)되는 태양 전지 반도체 기판으로부터 형성되는 공통의 인접한 백플레인(복수의 소형 전지 또는 더 작은 전지 섬을 포함하는 태양 전지-iCell™라고도 알려짐) 상에 위치하는 복수의 전지 섬 또는 타일에 기초하는 소형 전지 어레이를 형성하기 위해, 복수의 전주부 폐쇄된 루프 MIBS 바이패스 다이오드, 예컨대 전지 분리 트랜치(반도체 기판을 통해 커팅되고, 공유되는 인접한 백플레인 시트 상에 놓이거나 종결되는 트랜치)(28)와 같은 전주부 레이저 스크라이빙(또는 상기 기재된 다른 적합한 스크라이빙 방법) 트랜치에 의해 복수의 태양 전지(또는 인접한 백플레인을 공유하고, M1 및 M2 금속화층을 공유하는 태양 전지의 섬-iCell™라고도 함)(30a-30p)로부터 분리된 전주부 분리 트랜치(27)에 의해 전지(30a) 반도체 기판으로부터 전기적으로 분리된 그 반도체 기판을 갖는 MIBS 바이패스 다이오드(26)를 갖는 MIBS 태양 전지 실시형태의 태양광이 비치는 측의 뷰를 나타내는 개략도이다.
도 15는 공유된 인접한 영구적으로 부착된 백플레인 시트 및 단일 원래 반도체 기판(개시 CZ 또는 FZ 또는 다결정 웨이퍼, 또는 에피택셜 증착과 같이 성장된 것으로부터) 상에 복수의 소형 전지 및 전주부 폐쇄된-루프 림 다이오드)를 포함하는 MIBS 사용 가능한 태양 전지의 태양광이 비치는 측의 개략도를 도시한다. 각각의 소형 전지 섬(30a-30p)은 전주부 분리 트랜치(반도체 스크라이브 또는 영역 커팅, 공유된 인접한 백플레인 시트 상에 놓이거나 종결되는 것을 통해) 및 전주부 MIBS 림 다이오드(예컨대 MIBS 바이패스 다이오드(26) 및 전지(30a)의 주변부 분리 트랜치(27))를 가질 수 있어-각각의 소형 전지는 대응하는 MIBS 림 다이오드를 가지고, 또는 즉 iCell™에 대해 동일한 공유된 인접한 백플레인을 모두 공유하는, 소형 전지당 적어도 하나의 MIBS 림 다이오드일 수 있다. 일부 예에서, 전주부 트랜치 분리 갭(예컨대 27) 및 MIBS 장치(예컨대 26)의 총 영역은 관련된 소형 전지(예컨대 30a)의 총 영역의 상대적으로 작은 부분으로 제조된다(약 몇 퍼센트 점 미만, 특히 약 1 % 미만). 이는, 비 광 발생 태양 전지 영역에 할당되는 영역이 최대 효과 총 영역의 태양 전지 및 PV 모듈 효율을 위해 최소화되는 것을 보증하는 것을 규칙으로 하는 디자인이다. iCell™ 형태에서, 공통의 인접한 백플레인 시트를 공유하는 소형 전지는, 병렬 또는 직렬과 병렬의 조합과 같은 소형 전지의 다른 전기적 상호연결도 가능하고 실용적이지만, 전지 금속화 패턴 디자인을 통해 직렬로 전기적 연결될 수 있다. 이러한 상호연결은 전체 iCell™ M1 및 M2 금속화 층을 통해 제조된다.
대표예로서, 도 15는 공유된 인접한 백플레인 상에 iCell™를 제조하기 위해 동일한 사이즈이고 소형 전지로 형성된 4×4 어레이가 도시되고, 각각의 소형 전지는 대응하는 전주부 폐쇄된-루프 림 다이오드(쇼트키 다이오드 또는 pn 접합 다이오드)를 갖는다. 복수의 소형 전지 및 관련된 MIBS 장치의 반도체 영역은 트랜치 분리 영역을 통해 다양한 장치 기판 사이에 전기적 분리를 생성하기 위해 이후 분할되는 단일 원래 인접한 반도체 기판(개시 반도체 웨이퍼 또는 에피택셜 성장과 같은 증착 방법에 의해 성장되는 것으로부터)으로부터의 전부이다. 일반적으로 이러한 구조체는 소형 전지의 N × N 어레이 및 대응하는 전주부 폐쇠된-루프 림 다이오드를 이용할 수 있고, 여기서 N은 소형 전지 어레이를 형성하기 위해 2 이상의 정수이다. 또한, 도 15는 전체 사각형의 태양 전지를 위해 대칭적인 N × N 소형 전지 어레이를 도시하지만, 소형 전지 디자인은 N × M 소형 전지의 비대칭적인 어레이를 가질 수 있다. 소형 전지는 사각형(사각형 마스터 전지(master cell)에서 N = M인 경우) 또는 직사각형(N이 M과 동일하지 않고 및/또는 마스터 전지가 사각형 대신에 직사각형인 경우), 또는 육각형과 같은 다각형과 같은 다양한 다른 기하학 형태일 수 있다.
또한, 마스터 전지 또는 iCell™를 포함하는 소형 전지(마스터 전지는 공통의 인접한 백플레인 시트를 공유하는 소형 전지의 어레이를 말하고, 전체는 원래 동일한 태양 전지 기판(개시 와이어-소잉된 웨이퍼로부터 또는 에피택셜 성장과 같은 증착 방법에 의해 성장된)으로부터 발생되고, 이후 트랜치 분리 영역을 통해 소형 전지 영역으로 분할됨)은, 요구되지 않지만, 실질적으로 동일한 영역을 선택적으로 가질 수 있다. 소형 전지 어레이에서 소형 전지는 레이저 스크라이빙 또는 플라즈마 스크라이빙(또는 워터젯 스크라이빙 또는 초음파 스크라이빙 등)과 같은 스크라이빙 기술 또는 적합한 커팅에 의해 형성되는 트랜치 분리를 이용하여 서로 전기적으로 분리될 수 있다. 또한, 각각의 소형 전지 반도체 기판은 트랜치 분리 갭을 이용하여 대응하는 인접한 전주부 폐쇄된-루프 MIBS 다이오드 반도체 기판으로부터 전기적으로 분리되지만, 기판은 동일한 인접한 전기 절연된 백플레인을 공유한다. 태양 전지 상의 트랜치 분리 영역 전체는 동일한 제조 공정 단계, 예컨대 전지 제조 공정 흐름 동안 펄스 레이저-스크라이빙 공정 단계와 같은 단일 공정 단계 동안 형성될 수 있다.
MIBS 다이오드는 MIBS 장치 또는 셰이딩 관리 스위치로 사용되는 pn 접합 다이오드일 수 있다. MIBS 사용 가능한 태양 전지를 제조하기 위한 pn 접합 MIBS 다이오드 제조 공정은 다른 것들 중에서 이하의 특성 및 이점을 가질 수 있다:
-본 발명에 기재된 백플레인-사용 가능한 2레벨 금속화 구조체를 갖는 IBC 태양 전지와 같은 일부 태양 전지 가공 디자인에서, MIBS를 실시하기 위해 주요 태양 전지 제조 공정 흐름에서 추가되는 공정 단계/툴이 필수적으로 변경되지 않을 것이다(예컨대, 에피택셜 실리콘 및 다공성 실리콘/재사용 가능한 결정 실리콘 템플레이트와 함께 리프트 오프 가공 또는 개시 CZ/FZ 단결정 실리콘 웨이퍼로부터 실리콘 기판이나 개시 캐스트 다결정 실리콘 웨이퍼로부터 실리콘 기판을 이용하고, 또한 태양 전지와 MIBS 장치 사이에 공유되는 전기 절연성의 인접한 백플레인을 이용하는 후면 접합/후면 접촉 결정 실리콘 태양 전지의 제조라고 가정하면). 따라서, 태양 전지와 함께 MIBS를 실시하기 위해 추가되는 제조 비용이 필수적으로 없을 것이다.
-에피택셜 리프트 오프 전지 공정에 의해 또는 개시 결정(CZ 단결정 또는 FZ 단결정 또는 캐스트 다결정 웨이퍼)으로부터 형성되는 반도체 기판과 같은 결정 반도체 흡수층을 이용하는 후면 접촉/후면 접합(또는 IBC) 태양 전지 디자인에서, 대부분의 후면 접촉 후면 접합 전지 가공 단계를 포함하는 전지 가공의 완료 후(후측 도핑된 베이스 및 에미터 영역, 후측 패시베이팅, 베이스 및 에미터 접촉 개방부, 및 패터닝된 M1 금속화층), 이하 공정이 수행될 수 있다(IBC 공정 흐름의 많은 변형 및 실시형태가 가능하고, 본 발명에 전체가 포함 및 구체적으로 기재되지 않는 다양한 가능한 공정 흐름의 예로 제공됨): (i) 태양 전지 후측에 백플레인 시트 부착 또는 라미네이팅; (ii) 재사용 가능한 템플레이트 상에 다공성 실리콘 상에 에피택셜 성장된 실리콘층을 이용하는 경우에: 에피택셜 실리콘 리프트 오프 분리 경계를 정의하기 위해 반도체 기판(즉, 박형 에피택셜 실리콘 기판)의 전분리된 트랜치 분리 스크라이빙(예컨대 펄스 나노세컨 레이저 스크라이빙 툴을 이용하거나 또는 플라즈마 스크라이빙이나 기계적 다이싱 스크라이빙과 같은 다른 스크라이빙 툴을 이용하여)(주의: 이 단계는 태양 전지 및 MIBS가 재사용 가능한 템플레이트 상에 실리콘의 에피택셜 성장을 이용하지 않고 CZ 단결정 웨이퍼 또는 FZ 단결정 웨이퍼 또는 캐스트 다결정 웨이퍼 상에 제조되는 경우에 요구되지 않는다); (iii) 재사용 가능한 템플레이트 상에 다공성 실리콘 상에 에피택셜 성장된 실리콘층을 이용하는 경우에: 재사용 가능한 결정 실리콘 템플레이트로부터 백플레인-지지된 전지의 기계적 리프트 오프 분리 및 그 분리(detachment)(주의: 이 단계는 재사용 가능한 템플레이트 상에 실리콘의 에피택셜 성장을 이용하지 않고 태양 전지 및 MIBS가 CZ 단결정 웨이퍼 또는 FZ 단결정 웨이퍼 또는 캐스트 다결정 웨이퍼 상에 제조되는 경우에 요구되지 않는다); (iv) 태양 전지와 함께 그 관련된 MIBS의 최종 소망되는 정확한 치수를 확립하고, 정확한 트림을 위해 백플레인-라미네이팅된 전지의 선택적인 레이저 트리밍(예컨대 펄스 나노세컨 또는 마이크로세컨 또는 피코세컨 레이저 소스를 이용하여); (v) 내부 태양 전지 반도체 섬 및 주변부 림 다이오드 반도체 영역을 정의하고, 트랜치 분리 영역을 형성하기 위해 태양 전지의 태양광이 비치는 측 상에 펄스 나노세컨 레이저 스크라이빙(또는 플라즈마 스크라이빙 또는 기계적 다이싱 스크라이빙 또는 워터젯 스크라이빙 또는 다른 적합한 스크라이빙 기술), 이 단계는 트랜치 분리(트랜치 갭) 영역을 통해 태양 전지 반도체 영역으로부터 전기적으로 분리된 반도체 영역을 갖는 MIBS 영역을 제공 및 정의한다; (vi) 및 필요에 따라 이후 전지의 태양광이 비치는 측의 선택적 웨트 에칭(예컨대 필요에 따라 실리콘 기판을 얇게 하기 위해), 텍스처링 및 후텍스처링 표면 세정 후, PECVD 태양광이 비치는 측의 패시베이팅 및 반사 방지 코팅층 증착과 같은 추가적인 전지 가공 단계, 및 패터닝된 M1 층의 미리 정해진 영역에 접근 및 패터닝된 제2레벨 금속화(또는 패터닝된 M2) 및 전도성 비아 플러그의 형성을 제공하기 위해 백플레인을 통해 비아 홀을 포함하는 뒤쪽 전지 금속화의 최종 완료(예컨대, 전도성 비아 플러그의 미리 정해진 패턴에 따라 패터닝된 M2 및 패터닝된 M1 층을 상호연결하기 위해 드릴링된 비아 홀을 통해 M2 금속의 투과에 의해). 상기 기재된 대표적인 공정 흐름에서, 태양 전지 및 그 관련된 MIBS의 재사용 가능한 템플레이트 상에 다공성 실리콘 상에 에피택셜 성장된 실리콘 층을 이용하는 경우에, 트랜치 분리 스크라이빙 공정 및 툴은 선택적으로 백플레인-라미네이팅된 태양 전지 및 MIBS 기판의 전분리 트랜치 스크라이빙 및/또는 후분리 정확성 트리밍에 사용되는 공정 및 툴과 동일할 수 있다.
-레이저 스크라이빙된(또는 반도체 기판층의 전체 두께를 통해 상대적으로 좁은 트랜치를 형성하고, 백플레인 시트 재료의 미미한 제거 또는 트랜칭으로, 인접한 백플레인 시트의 온전함을 타협하지 않고 백플레인 시트 상에 놓이고 종결할 수 있는 임의의 적합한 스크라이빙 또는 커팅 공정) 트랜치 분리 공정은 반도체 층(예컨대 개시 결정 실리콘 웨이퍼로부터 에피택셜 실리콘 또는 실리콘 기판)의 전체 두께를 통해 박형 반도체 기판 층 내에 스루-반도체(through-semiconductor)(예컨대 실리콘 기반의 태양 전지 및 MIBS의 경우에 스루-실리콘(through-silicon)) 트랜치 영역을 생성하고, 백플레인 재료의 최소 또는 미미한 제거로 백플레인에서 실질적으로 중단하여, n형 베이스(그 결과 n형 반도체 전지 및 MIBS 기판층) 및 p+ 에미터 태양 전지(후면 접촉/후면 접합 또는 IBC 태양 전지의 일반적인 도핑 형태임)를 가정하면, 태양 전지의 반도체 섬 영역 및 MIBS 다이오드의 전기적으로 분리된 반도체 림 영역(예컨대 n형 IBC 전지를 형성하는 경우에 n형 결정 실리콘)을 형성하기 위해 수행될 수 있다(예컨대 펄스 나노세컨 레이저 소스를 이용하여). 필요에 따라, 반도체 기판은 p형 실리콘층(그 결과, 태양 전지의 p형 베이스)이고, 전지 후측 상의 도핑된 필드 에미터 영역은 n+ 도핑된(예컨대 인 또는 비소 도핑된) 접합 영역일 수 있다.
pn 접합 MIBS 다이오드 패턴은 많은 가능한 패턴 디자인 중 하나일 수 있다. 예컨대, 하나의 MIBS 다이오드 패턴에서, 주변부 림 다이오드 p+ 에미터 영역(IBC 태양 전지 도핑된 에미터 영역과 동시에 형성되는)은 n형 베이스 영역들(또한, n형 반도체는 태양 전지의 베이스로서 태양 전지 섬 내에 사용된다) 사이에 샌드위칭되는(또는 n형 베이스 영역에 의해 둘러싸이는) 연속 폐쇄된 루프 밴드일 수 있고, 이러한 패턴은 도 16에 도시된다(치수는 스케일대로 표시하지 않음).
도 16은 전주부 폐쇄된-루프 연속 pn 접합 다이오드를 갖는 MIBS 후면 접촉/후면 접합(즉, IBC) 태양 전지의 실시형태의 상면도를 도시하는 개략도이다(MIBS 림 다이오드 폭 및 다른 상대적인 전지 치수는 치수대로 도시하지 않음). 이러한 대표적인 실시형태는 n형 반도체층을 이용하여 기재된다(즉, IBC 태양 전지의 n형 베이스). 그러나, 유사한 구조체는 p형 반도체층(즉, IBC 태양 전지의 p형 베이스)을 이용하여 제조될 수 있다. 태양 전지 섬(40)(예컨대 n형 베이스를 갖는 IBC 태양 전지)은 n형(예컨대 인 또는 비소 도핑된) 영역(38) 및 p+ 도핑된(예컨대 보론 또는 갈륨 도핑된) 표면 영역(34)(p+ 도핑된 영역(34)이 둘러싸거나 또는 샌드위치한 내부 n 도핑 영역(38) 및 외부 n 도핑 영역(32))을 포함하는 MIBS 림 반도체 기판 영역으로부터 태양 전지 반도체 기판(40)을 분리한 전주부 트랜치 분리 영역(36)에 의해 둘러싸이고, 또한, n 도핑된 기판 영역은 p+ 아래에 있고, 외부 n 도핑된 영역(32)은 서로 전기적으로 연결되어 있고, MIBS 장치의 pn 접합 다이오드를 형성하는 그 측면 상에 및 아래에 p+ 도핑된 표면 영역(34)을 둘러싸고, 이들 전체는 공통의 인접한 백플레인을 공유하고, 원래 공동으로 인접하고, 트랜치 분리 갭을 이용하여 이후 분할되는 태양 전지 반도체 기판으로부터 형성된다. 도 16은 태양 전지(40)와 동일한 인접한 백플레인 시트 또는 기판에 부착 또는 라미네이팅되는 전주부 MIBS 림 다이오드의 p+ 도핑된(pn 접합 다이오드의 p+ 영역 및 태양 전지의 필드 에미터 접합으로 작용함) 및 n-도핑된 실리콘 기판(태양 전지 섬(40)에서 n-도핑된 기판 영역은 태양 전지 베이스 영역으로도 작용함) 영역을 도시한다. n형 베이스 및 p+ 에미터를 갖는 IBC 전지의 이러한 대표적인 예에서, 태양 전지 자체는 n형 실리콘 태양 전지 베이스 및 p+ 도핑된 실리콘 태양 전지 에미터 접합 영역을 갖는다. 쇼트키 다이오드가 pn 접합 다이오드 대신에 MIBS로 사용되는 경우에, MIBS 림 영역에서 p+ 도핑된 영역(34)은 n형 실리콘과 접촉하는 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 합금 쇼트키로 대체될 수 있다(따라서, Al/n-형 실리콘 쇼트키 접촉의 형성을 가능하게 하기 위해서 이후 시나리오에서 MIBS 영역에서의 p+ 도핑이 없음). 일부 예에서, 쇼트키 접촉 정류기는, 쇼트키 다이오드가 pn 접합 다이오드와 비교하여 더 작은 순 바이어스 전압으로 제조될 수 있어, pn 접합 MIBS와 비교하여 쇼트키 다이오드 MIBS가 더 작은 전력을 소모하기 때문에 pn 접합 다이오드와 비교하여 우수한 MIBS 장치를 제공할 수 있다(예컨대, pn 접합 다이오드에서 약 0.6 V 내지 0.8 V인 것과 비교하여 쇼트키 다이오드에서 약 0.2 V 내지 0.5 V).
도 16은 도핑된 MIBS pn 접합 다이오드 영역을 도시한다: p+n 접합 다이오드를 형성하는 도핑된 p+ 다이오드 영역(34) 및 p+ 도핑된 폐쇄된 루프 밴드를 샌드위칭 또는 둘러싸는 및 에워싸는 둘러싸인 n형 실리콘 영역(32 및 38). 조화된 및 동시의 MIBS 및 태양 전지 제조 공정 흐름을 이용하여, MIBS pn 접합 다이오드의 p+ 도핑된 영역은, 태양 전지의 베이스 영역으로서 에피택시(예컨대 CZ 또는 FZ 단결정 웨이퍼 또는 캐스트 다결정 웨이퍼) 상에 의존하지 않고 인시투-도핑된 n형 에피택셜 실리콘 또는 n형 개시 웨이퍼를 이용하여 후면 접촉/후면 접합(즉 IBC) 태양 전지 제조 공정 흐름 동안 주요 태양 전지의 p+ 에미터와 동시에 및 함께 형성될 수 있다(이중-도핑된 선택적 에미터 및 도핑된 에미터 접촉 영역을 갖는 태양 전지의 경우에 필드 에미터 또는 p+ 도핑된 에미터 접촉 영역). 마찬가지로, 그 베이스 영역(n형 베이스를 갖는 IBC 태양 전지의 경우에)으로 태양 전지 및 그 관련된 MIBS에 사용되는 n형 실리콘 영역은 태양 전지의 n형 반도체 베이스이다(예컨대, 인시투-도핑된 에피택셜 실리콘 증착 공정 동안 형성되는 재사용 가능한 템플레이트 상에 다공성 실리콘 상에 에피택셜 성장된 실리콘 층을 이용하는 경우에). 또한, MIBS 다이오드의 가볍게 도핑(lightly-doped)되거나 n형 영역의 전도성(예컨대 M1 층에 의해 금속성) 오믹 접촉(ohmic contact)을 위한 n+ 도핑된 영역은, 태양 전지의 n형 베이스 영역의 전도성(예컨대 M1 층에 의해 금속성) 오믹 접촉을 위한 n+ 도핑된 베이스 접촉 영역으로 알려진 더욱 무겁게 도핑되는 것과 동시에 함께 형성될 수 있다. 따라서, MIBS pn 접합 다이오드 장치 층 및 제조 공정 단계는 MIBS 없이 태양 전지 자체인 것과 동일하고, 필수적으로 조화되어, 태양 전지 제조와 함께 MIBS 다이오드 실시를 위해 추가되는 제조 비용은 필수적으로 없거나 오직 미미할 수 있다.
전주부 p+ 도핑된 영역(34)(n형 기판 영역에 의해 에워싸거나 둘러싸는(enveloped and surrounded by the n-type substrate region))은 MIBS 림 pn 접합 다이오드 에지 또는 측벽으로부터 떨어진 p+n 접합 에지 및 감소 영역 에지(depletion region edges)를 유지하기 위해(pn 접합 다이오드의 파손 전압의 감소 또는 열화를 방지하고, 역 누설 전류의 증가 또는 열화를 방지하기 위해), 내부 n형 영역(38) 및 외부 n형 영역(32)(내부 및 외부 n형 영역은 필수적으로 n형 기판 영역임)에 의해 MIBS의 측벽 에지 및 트랜치 분리된 림 다이오드의 에지로부터 분리될 수 있고, 트랜치 분리된 림 반도체 기판 표면 영역의 대부분을 점유할 수 있다(예컨대, 약 5 % 내지 약 95 %, 및 더욱 특히 약 20 % 내지 약 80 %). p+ 도핑된 영역(태양 전지 에미터와 동시에 형성되는)은, 부분적 또는 전체 셰이딩인 경우에 태양 전지의 역 바이어스 보호 및 집적된 전지-레벨 셰이딩 관리를 위한 MIBS pn 접합 림 다이오드를 형성한다. MIBS p+n 접합 다이오드 및 그 관련된 감소 영역 에지는, 우수한 바이패스 다이오드 성능 및 관련된 낮은 역 누수 전류 및 높은 역 파손 전압을 보증하기 위해, 림 다이오드의 패시베이팅된 에지로부터 떨어져(리세스되어) 유지될 수 있다(림 다이오드의 측벽 에지를 형성하는 외부 경계 및 분리 트랜치(36)에서의 내부 경계). 또한, 트랜치-분리된 MIBS 림 pn 접합 다이오드의 에지는, 예컨대 비정질 실리콘 또는 비정질 실리콘 산화물 또는 비정질 실리콘 옥시니트라이드 또는 비정질 실리콘 옥시카바이드 또는 실리콘 디옥사이드 또는 알루미늄 옥사이드 또는 이들의 조합을 포함하는 언더라잉 패시베이팅 층과 수소화 실리콘 니트라이드의 조합 또는 수소화 실리콘 니트라이드를 증착하기 위해 플라즈마-강화된 화학-증기 증착 또는 PECVD 공정에 의해 ARC 층을 형성하기 위해 이용되는 ARC 공정 및 동일한 패시베이팅을 이용하여 동시에 패시베이팅될 수 있다. 예로서, 예컨대 약 400 미크론의 총 림(내부 n형 영역(38), 외부 n형 영역(32) 및 p+ 도핑된 영역(34)을 포함함) 반도체(예컨대 결정 실리콘) 폭을 가정하면, 도핑된 p+ 영역은 약 300 미크론의 폭을 가질 수 있고, 약 50 미크론으로 각각의 측벽의 에지로부터 분리된다(즉, 각각이 약 50 미크론의 폭을 갖는 내부 n형 영역(38) 외부 n형 영역(32)). 또는, 다른 예로서, 예컨대 약 600 미크론의 총 림(내부 n형 영역(38), 외부 n형 영역(32) 및 p+ 도핑된 영역(34)을 포함함) 반도체(예컨대 결정 실리콘) 폭을 가정하면, 도핑된 p+ 영역은 약 200 미크론의 폭을 가질 수 있고, 약 200 미크론으로 각각의 측벽의 에지로부터 분리된다(즉, 각각이 약 200 미크론의 폭을 갖는 내부 n형 영역(38) 외부 n형 영역(32)). 더 작고 큰 다른 절대적인 및 상대적인 치수가 개시된 주제에 따라 가능하다. 또한, 도 16의 MIBS 다이오드의 실시형태가 폐쇄된-루프 전주부 림 pn 접합 다이오드로 도시되지만, MIBS 다이오드의 많은 다른 실시형태가, 그것에 한정되지 않지만, 이하를 포함하는 것이 가능하다: 비폐쇄된-루프 트랜치-분리된 MIBS 림 다이오드(non-closed-loop trench-isolated MIBS rim diode), 태양 전지의 에지 또는 부근에 클러스터링된 트랜치 분리된 MIBS 다이오드(도 17에 도시됨), 태양 전지 영역 전체에 분배된 트랜치-분리된 MIBS 다이오드 섬 등.
또는, 도 16에 도시된 구조체와 관련하여 기재된 MIBS 림 다이오드는 도 16에 도시되고, 상기 기재된 pn 접합 다이오드 대신에 전주부 폐쇄된-루프 연속 쇼트키 다이오드를 가질 수 있다(MIBS 림 다이오드의 폭 및 다른 상대적인 전지 치수는 스케일대로 도시하지 않음). 쇼트키 다이오드 MIBS 실시형태에서, 도 16의 p+n 접합 다이오드를 형성하는 p+ 다이오드 영역(34)은, 적합한 쇼트키 배리어 접촉, 예컨대 알루미늄/n형 Si 쇼트키 배리어 접촉 폐쇄된 루프 밴드를 형성하기 위해 사용되는 가볍게 도핑된 n형 실리콘(태양 전지 n형 실리콘 기판 자체 또는 태양 전지 n형 베이스에 사용되는 것과 동일할 수 있음)으로 대체되고, 선택적으로 형성되지 않고, 여기서 알루미늄 쇼트키 배리어 접촉은 도 16에 도시된 바와 같이 p+ 다이오드 영역(34)과 동일한 전체 구조를 필수적으로 가지고, n형 실리콘 기판 영역에 의해 둘러싸이거나 에워싸이고, 샌드위칭된다. 재사용 가능한 템플레이트 상에 다공성 실리콘 상에 에피택셜 성장된 실리콘 층을 이용하는 경우에, 이후 알루미늄 쇼트키 배리어 접촉에 사용되는 MIBS 다이오드의 n형 실리콘 영역은 태양 전지의 베이스 영역으로 인시투 도핑된 n형 에피택셜 실리콘 증착을 이용하여 후면 접촉/후면 접합 태양 전지 제조 공정 흐름 동안 주요 태양 전지의 n형 에피택셜 베이스와 동시에 및 함께 형성될 수 있다. 마찬가지로, 재사용 가능한 템플레이트 상에 다공성 실리콘 상에 에피택셜 성장된 실리콘 층을 이용하는 경우에, n형 실리콘 영역(MIBS 쇼트키 다이오드의 비-쇼트키/오믹 접촉 영역 및 태양 전지에 사용됨)은 에피택셜 실리콘 증착 공정 동안 형성되는 태양 전지의 동일한 인시투-도핑된 에피택셜 베이스일 수 있다. 또는, 에피택셜 실리콘 증착 대신에 개시 결정 실리콘 웨이퍼(예컨대, CZ 단결정 또는 FZ 단결정 또는 캐스트 다결정 웨이퍼)를 이용하는 경우에, 개시 결정 실리콘 웨이퍼로부터 n형 실리콘 기판은 이후 알루미늄 쇼트키 배리어 접촉 형성에 사용되는 MIBS 다이오드 n형 영역 및 주요 태양 전지의 n형 베이스 영역으로 작용한다. 각각의 경우에(에피택시 없이 n형 결정 개시 웨이퍼를 이용하거나 n형 에피택셜 실리콘 성장을 이용하는), MIBS 쇼트키 다이오드의 n형 영역의 저저항 오믹 접촉을 위해 무겁게 도핑된 영역을 제공하는 n+ 도핑된 영역(예컨대, 인과 같은 n형 도펀트로 도핑되는 더욱 무겁게 도핑된 영역)(알루미늄/n형 실리콘 쇼트키 접촉 밴드와 같은 쇼트키 접촉의 양측 또는 적어도 일측 상에 위치하여, 금속성(예컨대 알루미늄) 쇼트키 접촉 밴드를 샌드위칭 또는 둘러싸고, 션트 또는 증가되는 역 누수 전류를 방지하기 위해 알루미늄 쇼트키 배리어 접촉의 에지로부터 떨어져 있는)은 태양 전지의 n형 베이스 영역의 저저항 오믹 접촉을 위한 n+ 도핑된 영역과 함께 형성될 수 있다. 따라서, MIBS pn 접합 다이오드를 가짐으로써, MIBS 쇼트키 배리어 다이오드 장치 층 및 제조 공정 단계는, MIBS 없는 태양 전지와 동일하고 필수적으로 조화되어, MIBS 쇼트키 배리어 다이오드의 실시를 위한 제조 비용의 증가가 없거나 또는 미미하다.
MIBS 장치의 전주부 알루미늄/n형 실리콘 쇼트키 배리어 접촉 영역은 트랜치 분리된 주변부 림 표면 영역의 작은 부분(몇 퍼센트 점과 같이 낮은)에서 대부분(예컨대, 약 95 %만큼 큰)까지 점유할 수 있고, 일부 예에서 쇼트키 배리어(예컨대 알루미늄/n형 실리콘) 쇼트키 접촉 에지 및 패시베이팅된 MIBS 림 다이오드 에지 또는 측벽으로부터 떨어진 반도체 소모 영역 에지를 유지하기 위해(역 바이어스 전류 및 역 파손 전압 및 순 바이어스 특성과 같은 쇼트키 배리어 다이오드 특성의 열화를 방지하기 위해), 내부 및 외부 n형 영역(쇼트키 배리어 접촉 영역을 둘러싸는 패시베이팅되고, n+ 접촉된 n형 영역)에 의해 구조체의 측벽 에지 및 트랜치-분리된 림 다이오드의 에지로부터 이격 및 분리될 수 있다. 알루미늄/n형 실리콘 쇼트키 접촉 영역은 전지-레벨 셰이딩 관리 및 역 바이어스 보호를 위해 MIBS 쇼트키 림 다이오드를 형성한다. 무겁게 도핑된 n+ 접촉 영역을 통해 둘러싸이는 n형 영역과 접촉하는 오믹 금속(예컨대 알루미늄 또는 알루미늄 실리콘 합금) 및 가볍게 도핑된 n형 영역과 접촉하는 쇼트키 배리어 금속(예컨대, 알루미늄 또는 알루미늄 실리콘 합금)은 태양 전지의 패터닝된 M1 층을 형성하기 위해 사용되는 동일한 공정을 이용하고, 동시에 패터닝되는 M1과 동일한 금속층을 이용하여 MIBS 장치 상에 형성될 수 있다. 알루미늄/n형 실리콘 또는 알루미늄-실리콘 합금/n형 실리콘 쇼트키 배리어 접촉과 같은 MIBS 장치 쇼트키 배리어 접촉은, 순 바이어스 및 역 바이어스 특성을 포함하는 우수한 바이패스 다이오드 성능 특성을 보증하기 위해, 내부 및 외부 n형 실리콘 영역(쇼트키 배리어 금속에 의해 커버되지 않고 둘러싸이는 n형 영역) 경계에 의해 림 다이오드의 패시베이팅된 에지로부터 떨어질 수 있다. 또한, 트랜치 분리된 MIBS 림 쇼트키 다이오드의 에지는, 태양 전지의 태양광이 비치는 측의 패시베이팅 및 ARC 층이 예컨대 PECVD(단층 또는 다층 패시베이팅 & ARC를 증착하기 위해) 공정 또는 원자층 증착 또는 ALD(예컨대, 알루미늄 산화물 패시베이팅 층을 증착하기 위해) 및 PECVD(수소화 실리콘 니트라이드 패시베이팅/ARC 층을 증착하기 위해) 공정의 조합에 의해 증착되는 것과 동시에 패시베이팅될 수 있다. 동일한 패시베이팅 및 ARC 공정 및 태양 전지의 태양광이 비치는 측에 이용되는 막은 MIBS 전측(패터닝된 M1 측과 반대측) 상에 패시베이팅을 형성한다.
도 17은 태양 전지와 관련된 복수의 pn 접합 다이오드 섬을 이용하여 선택적인 기하학적 MIBS 다이오드 패턴을 갖는 MIBS 후면 접촉/후면 접합(또는 IBC) 태양 전지의 실시형태의 상면도를 도시하는 개략도이다. 중요하게, 도 16과 관련하여 앞서 기재된, 이러한 실시형태는 pn 접합 다이오드 MIBS 대신에 쇼트키 배리어 다이오드 MIBS를 이용할 수도 있다. 도 17의 MIBS 다이오드 태양 전지는 태양 전지(50) 및 태양 전지의 주변 에지를 둘러 및 부근에 클러스터링된 복수의 단편화되거나 분리된 MIBS 다이오드 섬(48)(MIBS 다이오드 치수는 스케일대로 도시되지 않음)을 포함하고, MIBS 섬 전체 및 태양 전지 기판은 공통의 인접한 백플레인을 공유하고, 원래 공통으로 인접하고 이후 트랜치 분리 분할되는 태양 전지 반도체 기판(앞서 기재된 바와 같이 에피택셜 실리콘 리프트 오프에 의해 형성되거나 개시 실리콘 웨이퍼로부터 형성되는)으로부터 형성된다. 이러한 대표적인 실시형태는 태양 전지(50) 및 태양 전지의 주변 에지를 둘러 및 부근에 클러스터링되는 복수의 단편화 또는 분리된 MIBS 다이오드 섬(48)을 도시하지만, 다른 실시형태 및 디자인은 태양 전지 기판 영역 전체에 임의의 바람직한 패턴에 따라 분배된 복수의 단편화 또는 분리된 MIBS 다이오드 섬(48)을 이용할 수 있다고 이해되어야 한다(또한 태양 전지의 주변 에지를 둘러 및 부근에 오직 클러스터링된 것이 아님). n형 반도체(베이스)층을 갖는 IBC 전지의 경우에, MIBS 다이오드 섬(48)은 p+ 도핑된 접합 영역(46)(태양 전지 p+ 필드 에미터 및/또는 에미터 접촉 확산 영역과 동시에 형성되고, 또한 알루미늄 또는 n형 실리콘에 알루미늄-실리콘 합금 접촉과 같은 적합한 쇼트키 배리어 금속 접촉을 포함하는 쇼트키 다이오드 섬일 수 있는)으로 형성되고, n 도핑된(가볍게 n 도핑된) 실리콘 영역(44)(태양 전지의 베이스 영역으로 사용되는 원래의 n형 반도체 기판과 동일할 수 있는) 및 공유된 인접한 전기 절연성 백플레인 시트 또는 기판 상에 놓이고, 종결되는 전주부 분리 트랜치(42)에 의해 태양 전지(50) 기판으로부터 전기적으로 분리되는 MIBS 반도체 기판에 의해 둘러싸이고 에워싸이는 pn 접합 MIBS 다이오드 섬이다.
MIBS 장치의 복수의 pn-접합 다이오드 섬은, 예컨대 그것에 한정되지 않지만 사각 또는 원형 또는 직사각 또는 다른 다각형을 포함하는 임의의 기하학적 형태로 제조될 수 있고, 예컨대 약 100 미크론 미만 내지 약 수백 미크론 범위이고, 몇 밀리미터만큼 커질 수도 있는 측면 치수를 가질 수 있다. 트랜치-분리된 MIBS 다이오드 섬의 수는 적어도 2 내지 수십 또는 몇백 범위의 MIBS 섬일 수 있다. MIBS 섬은 임의의 바람직한 분배 패턴에 따라 태양 전지 기판 전체에 분배될 수 있다(그것에 한정되지 않지만 임의의 다른 바람직한 분배 패턴 또는 태양 전지의 에지를 둘러 및 부근에 클러스터링되거나 태양 전지 기판 전체에 균일한 규치적인 분배 패턴을 포함하는). MIBS 다이오드 섬(48) 전체는 태양 전지 실리콘 기판 영역으로부터 MIBS 다이오드 실리콘 섬의 적절한 전기적 분리를 위해 트랜치 분리된 에지를 갖는다(전체는 동일한 인접한 전기 절연성 백플레인 시트 또는 기판을 공유함). 도 17에 도시된 바와 같이(n형 베이스/기판 IBC 태양 전지를 갖는 MIBS에 기재된 예), MIBS 섬 각각의 p+ 도핑된 접합 영역은 n-도핑된 영역(44)에 의해 트랜치 분리된 MIBS 다이오드의 에지로부터 분리 및 떨어질 수 있다(개시 웨이퍼 또는 성장된 n형 에피택셜 층으로부터 원래의 n형 실리콘 기판층과 동일하고, 태양 전지 n형 베이스 영역과 n형 실리콘 기판 재료층이 동일할 수 있음). p+ 도핑된 영역(태양 전지 필드 p+ 에미터 및/또는 p+ 에미터 접촉 확산 영역의 형성을 위해 사용되는 동일한 공정을 이용하고, 후에 IBC에 선택적 에미터 공정을 이용하고, 동시에 형성되는)은 각각의 MIBS 섬에서 pn 접합 다이오드를 동시에 형성한다. MIBS 섬에 형성되는 p+n 접합은 MIBS pn 접합 다이오드의 패시베이팅된 에지로부터 떨어지고 이격될 것이다(에지로부터 반도체 pn 접합 소모층 에지를 떨어뜨리고, 임의의 에지-유도된 열화 없이 최상의 pn 접합 다이오드 순 바이어스 및 역 바이어스 특성을 얻기 위해). MIBS 다이오드 섬의 에지(및 전면 영역)는, 태양 전지의 태양광이 비치는 측의 패시베이팅 & ARC 층이, 예컨대 PECVD 패시베이팅 공정(또는 필요에 따라 PECVD 및 ALD와 같은 다른 공정의 조합)에 의해 증착되는 것과 동시에 패시베이팅된다. 대표예로서, 예컨대 약 500 미크론의 MIBS 다이오드 섬의 측면 치수를 가정하면, 도핑된 p+ 영역(46)은 각각의 측벽 에지가 약 50 미크론으로 분리된 약 400 미크론의 측면 치수를 가질 수 있지만(즉 p+ 도핑된 영역에 인접한 n-도핑된 영역(44)의 폭은 약 50 미크론임), 다른 치수 및 배열도 가능하다. 또는 및 수많은 가능성 중의 다른 대표예는, MIBS 다이오드 섬의 측면 치수가, 예컨대 약 600 미크론이라 가정하면, 도핑된 p+ 영역(46)은 약 200 미크론으로 각각의 측벽 에지로부터 분리되는 약 200 미크론의 측벽 치수를 가질 수 있다(즉, p+ 도핑된 영역에 인접한 n-도핑된 영역(44)의 폭은 약 200 미크론임).
도 18a 및 18b는 태양 전지 및 MIBS 가공의 다른 단계에서 공유된 인접한 백플레인 기판(태양 전지 및 그 관련된 MIBS 장치가 형성된 원래의 반도체 기판에 영구적으로 라미네이팅 및 부착된) 상에 태양 전지 및 MIBS 림 다이오드의 단면도이다. 다른 도에서와 같이, 이들 도에서 MIBS 림 다이오드 및 태양 전지의 상대적인 치수는 스케일대로 도시되지 않았다. 이 대표예는 태양 전지 실리콘 기판 영역(개시 실리콘 웨이퍼 또는 에피택셜 실리콘 리프트 오프 공정으로부터 동일한 원래의 실리콘 기판으로부터 형성된)으로부터 주변부(예컨대 전주부 림) MIBS 다이오드 실리콘 기판 영역을 정의 및 분리하기 위한 트랜치 분리(예컨대 펄스 레이저 커팅 또는 반도체 기판을 통해 스크라이빙) 공정 전후에 백플레인-라미네이팅된 태양 전지 반도체 기판을 도시한다. 에피택셜 실리콘 리프트 오프 공정을 이용하여 제조된 후면 접촉/후면 접합 태양 전지의 경우에, 트랜치 분리 공정은, 재사용 가능한 템플레이트로부터 분리 및 태양 전지 에피택셜 리프트 오프 및 백플레인 라미네이팅의 완료 후 및 패터닝된 M1 금속화층의 완료를 통해 후면 접촉/후면 접합 태양 전지 가공의 완료 후 태양광이 비치는 측으로부터 실리콘 기판을 통해 스크라이빙 함으로써 수행된다. 또는, 결정 실리콘(예컨대 CZ 단결정 또는 FZ 단결정 또는 캐스트 다결정 실리콘) 웨이퍼를 이용하여 제조된 후면 접촉/후면 접합 태양 전지의 경우에, 트랜치 분리 공정은, 태양 전지 후측 상에 백플레인 라미네이팅 공정이 완료된 후 및 패터닝된 M1 금속화층의 완료를 통해 후면 접촉/후면 접합 태양 전지 가공의 완료 후 태양광이 비치는 측으로부터 실리콘 기판을 통해 스크라이빙 함으로써 수행된다.
도 18a는 박형(예컨대 약 1 미크론 내지 약 200 미크론 및 더욱 특히 약 100 미크론 미만의 두께 범위) 실리콘 기판, 예컨대 반도체 기판의 두께가 약 5 미크론 내지 80 미크론 범위의 에피택셜 실리콘 층 또는 태양 전지 기판 제조 후 후-라미네이팅된 실리콘 기판의 두께가 약 50 미크론 내지 200 미크론의 범위인 실리콘 웨이퍼(CZ 단결정 또는 FZ 단결정 또는 캐스트 다결정 실리콘 웨이퍼)를 포함하는 후면 접촉/후면 부착(IBC) 태양 전지(60)에 부착 또는 라미네이팅된 상대적으로 박형(예컨대 약 50 미크론 내지 250 미크론 두께 범위)의 백플레인 시트를 도시하는 단면도이다. 도시된 바와 같이, 에피택셜 실리콘 층은 n형 백그라운드 도핑을 갖는다. 태양 전지의 에피택셜 실리콘 리프트 오프 가공의 경우에, 박형 실리콘 기판 제조 단계는 패터닝된 M1 금속화층, 백플레인 라미네이팅, 및 에피택셜 실리콘 리프트 오프 분리 및 재사용 가능한 실리콘 템플레이트로부터 분리의 완료를 통해 온-템플레이트(on-template) 후면 접촉/후면 접합 전지 가공을 포함할 수 있다(리프트 오프 분리 및 분리(separation)는 에피택셜 리프트 오프 실리콘 기판 대신에 개시 실리콘 웨이퍼를 이용하는 경우에 공정에서 사용되지 않음). 도 18a의 후면 접촉/후면 접합 전지는, MIBS 림 다이오드 기판을 전기적으로 분리 또는 분할을 정의하고, MIBS 림 다이오드 분리 경계로 작용하기 위해 트랜치 분리 영역(예컨대, 펄스 레이저 스크라이빙에 의해 형성될)의 형성 전(before formation)이 도시된다. 박형 백플레인 시트(62)는 약 50 내지 200 미크론 범위의 두께를 갖고, 실리콘 기판과 상대적으로 근접한 CTE 매칭을 갖는(예컨대, 적합한 아라미드 섬유/수지 프리프레그 재료를 이용함으로써) 유연한 전기 절연성 프리페그(prepeg) 시트일 수 있다. 박형 백플레인 시트(62)는 후면 접촉/후면 접합 태양 전지(60)의 뒤쪽에 라미네이팅되고(예컨대 열/진공/압력 라미네이팅에 의해), 태양 전지 및 MIBS 림 다이오드에 의해 공유되는 공통의 인접한 백플레인 기판으로 작용한다. 백플레인은 집적된 태양 전지 및 패터닝된 M1 및 M2 층 및 백플레인을 공유하는 MIBS 장치 전체의 구조적 집적성을 유지한다.
도 18b는 MIBS 림 다이오드(66) 및 태양 전지 섬(68)을 정의 및 분리하기 위해 트랜치 분리 영역(64)의 형성 후(예컨대, 펄스 레이저 스크라이빙 또는 다른 적합한 방법에 의해), 도 18a의 그 인접한 백플레인 시트(62)에 부착되는 태양 전지(60)를 도시하는 단면도이다. 트랜치 분리 공정은 반도체 기판층의 총 두께를 커팅하고, 인접한 백플레인 시트로 실질적으로 파이지(digging) 않는(백플레인 시트의 두께에 따라 달라지고, 트랜치 분리 공정이 노출된 트랜치 영역에서의 백플레인 재료의 몇 미크론 내지 약 수십 미크론의 제거가 허용되는, 일부 실시예에서 백플레인 재료 시트의 상대적으로 작은 양을 제거하거나 또는 전혀 제거되지 않는) 트랜치 분리 좁은 갭(예컨대 몇 미크론 내지 수백 미크론의 폭을 갖는 트랜치, 더욱 특히 <100 미크론의 트랜치 폭)을 형성한다. 예컨대, 태양 전지 섬(68)은 약 156m m × 156 mm 또는 약 210 mm × 210 mm 범위의 사각(또는 가장의 사각) 측면 치수를 가질 수 있다(몇 cm2 내지 수백 cm2 및 1000 cm2 초과의 넓은 범위에 걸쳐 태양 전지 영역을 제공하기 위해 태양 전지에 다른 치수가 선택될 수 있다). 트랜치 분리 영역(64)은 몇 미크론 내지 약 100 미크론(또는 더 넓은) 범위의 폭을 가질 수 있다. 펄스 레이저 트랜칭은 약 20 내지 60 미크론 상에 상대적으로 좁은 폭(바람직하게는)의 트랜치 분리 영역을 형성할 수 있다(그 결과, 작은 실리콘 기판이 태양 전지와 MIBS 장치 사이에 트랜치 분리의 중요한 목적을 위해 폐기된다). MIBS 림 다이오드 영역(66)은 약 200 미크론 내지 600 미크론(더 작거나 큰 폭도 가능함) 범위의 전주부 림 다이오드일 수 있고, pn 접합 다이오드 또는 쇼트키 배리어 다이오드 바이패스 스위치일 수 있다. 일부 예에서, 전주부 림 다이오드의 전체 폭은, MIBS 장치 영역을 총 태양 전지 영역의 상대적으로 작은 부분으로 만들기 위해 가능한 한 작게 선택된다(태양 전지 및 얻어지는 태양 PV 모듈의 총 영역 효율을 최대화하기 위해). 전체 태양 전지 및 MIBS 제조 공정의 해상 능력(resolution capability)(예컨대, 스크린 인쇄, 레이저 제거 등)은 전주부 림 MIBS 장치의 얻어질 수 있는 최소의 폭에 대한 능력을 결정한다.
도 19a 및 19b는, 태양 전지 및 MIBS 장치에서 패시베이팅/ARC 코팅층(70, 72)로 도시되는 태양 전지(및 MIBS 장치)의 텍스처링된 표면 상에 전측 패시베이팅 및 ARC 코팅을 포함하는, MIBS 사용 가능한 후면 접촉/후면 접합 IBC 태양 전지를 형성하기 위해 제조 공정의 완료 후 공유된 인접한 백플레인(62) 상에 도 18b에 도시된 후면 접촉/후면 접합 태양 전지의 MIBS 림 또는 전주부 다이오드 태양 전지의 실시형태를 설명하는 단면도이다. 패터닝된 M1 및 M2 금속화층과 같은 태양 전지 및 MIBS 구조체의 상세는 여기에 도시되지 않는다. 도 19a는 pn 접합 주변부 림 다이오드 바이패스 스위치를 이용하는 MIBS 실시를 도시한다. 트랜치-분리된 MIBS 림 pn 접합 다이오드 영역(72)은 n-도핑된(예컨대 인 도핑된) 영역 및 p+ 도핑된(예컨대 무겁게 보론 도핑된) 영역을 포함하고, pn 접합 다이오드 바이패스 스위치로 사용된다. MIBS 림 pn 접합 다이오드 영역(72)은, 예컨대 약 200 내지 600 미크론 범위의 폭을 갖는 전주부 림 다이오드일 수 있다(앞서 기재한 바와 같이 더 작거나 큰 치수가 가능함). MIBS 림 다이오드 및 태양 전지의 상대적인 치수는 스케일대로 도시되지 않았다. 하나의 제조 실시형태에서, 도 19a는 패터닝된 제1레벨 금속화 또는 M1(예컨대 스크린 인쇄된 또는 PVD 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 합금 또는 니켈을 포함하는 다른 적합한 금속 등으로 제조된), 백플레인 라미네이팅, 에피택셜 실리콘 리프트 오프 분리 및 결정 실리콘 재사용 가능한 템플레이트로부터 분리(기판을 형성하기 위해 에피택셜 실리콘 리프트 오프를 이용하는 경우-개시 결정 실리콘 웨이퍼를 이용하는 경우에는 이 공정이 적용 불가능함), MIBS 림 다이오드 보더를 정의하기 위해 트랜치 분리 영역의 형성(예컨대 펄스 레이저 스크라이빙 또는 커팅에 의해), 선택적 실리콘 에칭, 텍스처링 및 후-텍스처링 세정, 패시베이팅 & ARC 증착(예컨대 PECVD 또는 ALD와 PECVD의 조합에 의해), 및 백플레인 상에 최종 패터닝된 제2레벨 금속 또는 M2(전도성 비아 플러그와 함께)의 제조를 통해 후면 접촉/후면 접합 전지 가공의 완료를 포함하는 MIBS-사용 가능한 후면 접촉/후면 접합(IBC) 태양 전지의 제조 공정의 완료 후, 백플레인-라미네이팅된(또는 백플레인-부착된) MIBS-사용 가능한 태양 전지를 도시한다.
도 19a에 도시될 수 있는 바와 같이, 태양 전지의 p+ 에미터 영역(필드 에미터 영역 및/또는 무겁게 도핑된 에미터 접촉 영역)을 형성하기 위해 이용되는 공정은 MIBS pn 접합 형성을 위해 p+ 접합 도핑을 형성하도록 이용될 수 있다. 예컨대, 알루미늄 또는 알루미늄과 일부 실리콘이 첨가된 것과 같은 알루미늄 합금으로 제조된 패터닝된 M1 금속(도시되지 않음)은 태양 전지의 제1레벨 금속화 또는 접촉 금속화를 제공할 뿐 아니라, MIBS pn 접합 다이오드에 금속화 접촉을 생성한다(n+도핑된 접촉 윈도우를 통해 p+ 영역 및 n형 기판 영역과). MIBS pn 접합 다이오드의 n-도핑된 실리콘 영역은 태양 전지의 베이스 영역으로서도 작용하는 동일한 n형 실리콘 기판으로부터 형성되고(예컨대, 에피택시 없이 개시 n형 결정 실리콘 웨이퍼를 이용하는 경우에 n형 실리콘 웨이퍼로부터, 또는 태양 전지 및 MIBS 기판을 형성하기 위해 에피택셜 실리콘 리프트 오프 가공을 이용하는 경우에 에피택셜 증착에 의해 형성되는 인시투 도핑된 n형 결정 실리콘층으로부터)-기판 벌크(bulk) 영역 도핑은 기판의 백그라운드 도핑이라고도 할 수 있다. 패터닝된 M1 및 M2 금속화 구조체는 소망되는 모놀리식 태양 전지 및 MIBS pn 접합 다이오드 전기적 상호연결을 완성하고, 또한, 전지-레벨 집적된 셰이딩 관리 및 셰이딩에 대한 연속적 태양 전지 보호를 제공하기 위해 MIBS 다이오드 터미널이 상대적인 태양 전지 베이스 및 에미터 터미널에 적절히 상호연결되는 것을 보증한다. 도 19a에 도시될 수 있는 바와 같이, MIBS pn 접합 다이오드의 상부면 및 측벽 에지는, 태양 전지의 태양광이 비치는 측 및 에지, 패시베이팅/ARC 코팅층(70)을 패시베이팅 하기 위해 사용되는 공정 및 동일한 패시베이팅 층을 이용하여 패시베이팅된다. 도 19a는 패터닝된 M1 및 M2 금속화, 뒤쪽 패시베이팅 층, M1 접촉 홀, 백플레인을 통한 M1-M2 비아 홀, 및 MIBS 장치 구조체에서 n형 기판 M1 연결을 위한 n+ 도핑된 접촉 윈도우와 같은 MIBS 구조체 및 태양 전지의 일부 상세를 도시하지 않는다.
도 19b는 주변의 쇼트키 림 다이오드 바이패스 스위치를 이용하는 MIBS 실시를 도시한다. 분리된 쇼트키 림 다이오드 바이패스 스위치 영역(74)은 내부 및 외부 n+ 영역 및 n-도핑된 영역을 포함하고, 쇼트키 다이오드 바이패스 스위치로 사용된다. 쇼트키 림 다이오드 바이패스 스위치 영역(74)은 200 내지 600 미크론 범위의 폭을 갖는 전주부 림 다이오드일 수 있다(이 치수는 이 범위보다 더 크거나 더 작게 선택될 수 있다).
하나의 제조 실시형태에서, 도 19b는, 패터닝된 제1레벨 금속화 또는 M1을 통해 후면 접촉/후면 접합 전지 가공(예컨대 무겁게 도핑된 실리콘 상에 효율적인 오믹 접촉과 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 합금과 같은 가볍게 도핑된 실리콘 상에 효율적인 쇼트키 배리어 접촉으로 작용할 수 있는 적합한 컨덕터로 제조되는), 백플레인 라미네이팅, 에피택셜 리프트 오프 실리콘 기판이 이용되는 경우에 결정 실리콘 재사용 가능한 템플레이트로부터 에피택셜 실리콘 리프트 오프 분리 및 분리(에피택셜 리프트 오프 기판 대신에 개시 결정 실리콘 웨이퍼를 이용하는 경우에 이 공정이 적용 불가능하거나 요구되지 않음), MIBS 림 쇼트키 다이오드 보더를 정의하기 위해 트랜치 분리의 형성(예컨대 펄스 레이저 스크라이빙 또는 커팅에 의해), 선택적 실리콘 박화(thinning) 에칭, 텍스처링 및 후 텍스처링 세정, 패시베이팅 및 ARC의 형성(예컨대 PECVD 또는 ALD와 같은 다른 공정과 PECVD의 조합에 의해), 및 백플레인(전도성 M1-M2 비아 플러그와 함께) 상에 최종 패터닝된 제2레벨 금속 또는 M2의 제조의 완료를 포함하는 MIBS 사용 가능한 후면 접촉/후면 접합 태양 전지를 위한 제조 공정의 완료 후에 백플레인-라미네이팅되거나 백플레인-부착된 MIBS 사용 가능한 태양 전지를 도시한다.
도 19b에 도시된 바와 같이, 태양 전지의 베이스 영역으로 사용되기도 하는 n형 실리콘 기판(예컨대 에피택셜 리프트 오프 가공을 이용하는 경우에 인시투 도핑된 에피택셜 증착을 통해, 또는 에피택셜 리프트 오프 가공을 이용하지 않는 경우에 개시 n형 결정 실리콘 웨이퍼로부터 형성되는)은 MIBS 쇼트키 다이오드의 n형 실리콘 기판 영역으로 사용되기도 한다. 예컨대, 알루미늄 또는 알루미늄과 일부 실리콘이 첨가된 것과 같은 적합한 알루미늄 합금으로 제조된 M1 금속(도시되지 않음)은 태양 전지에(n+ 도핑된 접촉 개방부를 통해 베이스 영역 및 태양 전지의 p+ 도핑된 접촉 개방부를 통해 에미터 접촉 영역에) M1 오믹 접촉 금속화를 만들 뿐 아니라, MIBS 쇼트키 다이오드(가볍게 도핑된 n형 실리콘 기판 영역 상에 비오믹(non-ohmic) 쇼트키 배리어 접촉 및 무겁게 도핑된 n+ 도핑된 영역을 통해 n형 실리콘에 오믹 접촉)에 금속화 접촉을 생성한다. MIBS 다이오드의 가볍게 도핑된 n형 실리콘 기판 영역은 태양 전지에 사용되는 동일한 n형 기판으로부터이고, 그 베이스 영역으로 작용한다(예컨대, n형 기판은, 에피택셜 실리콘 리프트 오프 가공을 이용하는 경우에 인시투-도핑된 n형 에피택셜 실리콘 증착에 의해 또는 에피택셜 실리콘 리프트 오프 가공을 이용하지 않는 경우에 개시 n형 결정 실리콘 웨이퍼로부터 형성될 수 있다). n형 실리콘 기판에 MIBS 쇼트키 다이오드 오믹 접촉을 위해 n형 실리콘 영역의 무겁게 도핑된 n+ 확산 도핑은 태양 전지에 무겁게 도핑된 n+ 도핑된 베이스 접촉 영역을 제조하기 위해 사용되는 동일한 공정을 이용하여 동시에 형성될 수 있다(이후 패터닝된 M1 금속화의 제조 시에). 패터닝된 M1 및 M2 금속화 구조체의 조합은 태양 전지 및 MIBS 쇼트키 다이오드 전기적 상호연결을 완성하고, 전지-레벨 집적된 셰이딩 관리 및 태양 전지 보호를 제공하기 위해 MIBS 다이오드 터미널이 태양 전지 터미널에 적절히 연결되는 것을 보증한다. 도 19b에 도시될 수 있는 바와 같이, MIBS 쇼트키 다이오드의 상부면 및 측벽 에지는, 태양 전지의 에지 및 태양광이 비치는 측 상에 패시베이팅 및 ARC 층을 형성하기 위해 사용되는 동일한 패시베이팅 & ARC 층 및 공정을 이용하여 패시베이팅된다-주의 패시베이팅/ARC 코팅층(70). 다시, 도 19b는 그것에 한정되지 않지만 패터닝된 M1 및 M2 금속화층을 포함하는 태양 전지 구조체의 동일한 구조적 상세를 도시하지 않는다.
여기에 개시된 MIBS 실시형태는 MIBS 장치의 반도체 기판 영역과 태양 전지 사이에 분할 및 전기적 분리를 확립하기 위해 공유된 백플레인 기판과 함께 트랜치 분리를 적용한다. 트랜치 분리 영역을 생성하기 위한 하나의 방법은 펄스(예컨대 펄스 나노세컨) 레이저 스크라이빙이다. 앞서 기재된 전주부 MIBS 림 다이오드 또는 pn 접합 또는 쇼트키 다이오드와 같이 태양 전지 기판 영역으로부터 MIBS 다이오드 기판 영역을 분할 및 전기적으로 분리하는 트랜치 분리 영역을 형성하기 위해 레이저 스크라이빙 공정을 이용하기 위한 주요한 고려사항 및 레이저 특성이 이하에 요약된다:
-트랜치 분리 형성을 위한 펄스 레이저 스크라이빙은 실리콘을 통해 스크라이빙 및 커팅하는 것으로 입증되고, 일반적으로 사용되는 적합한 파장(예컨대, 백플레인 재료에 대해 반도체 기판층을 커팅하기 위해 상대적으로 우수한 선택성을 갖는 반도체층을 제거하기 위해 녹색 또는 적외 또는 다른 적합한 파장)에서 펄스 나노세컨(ns) 레이저 소스를 사용할 수 있다. 레이저 소스는 플랫 탑(flat-top)(탑 햇(top-hat)으로도 알려짐) 또는 논-플랫 탑(non-flat-top)(예컨대 가우시안(Gaussian)) 레이저 빔 프로파일을 가질 수 있다. 실리콘에 잘 흡수되지만, 백플레인을 통해 부분적으로 또는 완전히 투과할 수 있는 펄스 레이저 소스 파장을 이용하는 것이 가능하다(그 결과, 스루-반도체층 레이저 커팅이 완료되고, 빔이 백플레인 시트에 도달한 후, 백플레인 재료를 실질적으로 제거하지 않은 반도체층을 커팅함). 예컨대, 효율적으로 실리콘 기판 층을 커팅하고, 부분적으로 백플레인 재료를 통해 투과할 수 있는 펄스 나노세컨 IR 또는 녹색 레이저 빔을 이용할 수 있다(그 결과, 트랜치 분리 커팅 동안 백플레인 재료의 미미한 양으로 조금 제거함).
-펄스 레이저 빔 직경 및 펄스 나노세컨 레이저 소스의 다른 특성은, 약 100 미크론 초과의 폭은 꽤 과도하고, 귀중한 실리콘 기판 영역의 불필요한 낭비 및 태양 전지 및 모듈의 총 영역 효율의 일부 감소를 일으키기 때문에, 분리 스크라이빙 폭이 몇 미크론 내지 수십 미크론의 범위가 되도록 선택될 수 있다. 따라서, 매우 바람직한 태양 전지 영역과 비교하여 트랜치 분리 영역을 최소화하는 것이 유리하다. 실제로, 펄스 나노세컨 레이저 커팅은 약 20 미크론 내지 약 60 미크론의 바람직한 범위의 폭을 갖는 트랜치 분리 영역을 생성할 수 있다. 예컨대, 156 mm × 156 mm 태양 전지에서, 30 미크론의 트랜치 분리 폭은 전지 영역의 일부로서 트랜치 분리 영역의 0.077%의 영역 비율에 대응한다. 이는, 태양 전지 영역과 비교하여 미미한 영역을 나타내고, 즉 이러한 작은 비율은 총 영역의 태양 전지 및 모듈 효율의 미미한 손실을 보증하고, 태양 전지 영역의 낭비가 미미한 것을 제공한다.
-펄스 나노세컨(ns) 레이저 스크라이빙 또는 트랜치 분리를 형성하기 위한 커팅은 여기에 기재된 후면 접촉/후면 접합 태양 전지의 제조 공정에서 태양 전지 및 관련된 MIBS 장치를 제조하기 위해 개시 결정 실리콘 웨이퍼를 이용하는 경우에(또한, 백플레인 라미네이팅 공정 및 이후 재사용 가능한 템플레이트로부터 라미네이팅된 전지의 리프트 오프 분리의 완료 후 및 태양 전지의 펄스 레이저 트리밍 전후에, 에피택셜 실리콘 리프트 오프 가공을 이용하여 제조되는 태양 전지 및 MIBS의 경우에) 백플레인 라미네이팅 공정 후에 즉시 수행될 수 있다. 에피택셜 실리콘 리프트 오프 가공을 이용하여 제조된 태양 전지 및 MIBS의 경우에, 트랜치 분리 스크라이빙 또는 커팅 공정은 라미네이팅된 태양 전지의 후분리(post-release) 트리밍에 사용되고 및/또는 리프트 오프 분리 경계를 정의하기 위해 에피택셜 실리콘 층의 전분리(pre-release) 스크라이빙에 사용되는 것과 동일한 펄스 레이저 툴 및 소스를 선택적으로 이용할 수 있다. 따라서, 트랜치 분리 영역을 형성하기 위해 추가적인 레이저 공정 툴이 요구되지 않을 수 있다.
-트랜치 분리를 형성하기 위한 펄스 나노세컨(ns) 레이저 스크라이빙은 림에 의해 정의되고, 림에 의해 둘러싸이는 분리된 태양 전지 섬의 외측에 완전히 분리된 MIBS 림 다이오드 영역을 정의하기 위해 사용될 수 있다. 또는, 펄스 ns 레이저 스크라이빙 공정은, 다중 MIBS 다이오드 섬 디자인 및 많은 다른 가능한 MIBS 패턴 디자인과 같은 MIBS 다이오드의 다른 디자인을 형성할 수 있다.
-펄스 레이저 스크라이빙은 박형(예컨대 200 미크론 미만 및 더욱 특히 100 미크론 미만) 실리콘 기판층(태양광이 비치는 측으로부터)을 커팅하고, 백플레인 재료 시트 상에 실질적으로 중단하기 위해 사용될 수 있다. 소망 및/또는 요구되는 경우에, 반사율 모니터링을 이용하는 것과 같은 단순한 실시간 인시투 레이저 스크라이브 공정 종결점은, 스루-반도체층 레이저 커팅을 완전히 가능하게 하지만, 백플레인 시트에서 트랜칭 또는 재료 제거를 최소화하기 위해 종결점화 및 공정 제어를 위해 사용될 수 있다.
-MIBS 림 다이오드 영역 및 태양 전지의 측벽은, 이어서, 태양 전지 제조 공정 단계를 유지하는 동안, 웨트 에칭(예컨대 태양 전지의 일부로서 태양광이 비치는 측의 웨트 에칭/텍스처링 공정), 후텍스처링 세정, 및 패시베이팅(패시베이팅 및 ARC 층의 증착에 의해)될 수 있다.
이하에, 주요 공정 흐름 특성이 MIBS 장치의 실시에 사용되는 pn 접합 다이오드를 이용하는 태양 전지와 관련하여 기재된다.
-태양 전지 공정 흐름은, 각각의 태양 전지를 갖는 MIBS pn 접합 다이오드를 실시하기 위해 요구되는 추가적인 제조 공정 툴 없이 MIBS 장치의 실시를 위해 필수적으로 변화되지 않고 조화되도록 유지될 수 있다(그 결과, 추가되는 증가하는 제조 비용이 미미하거나 없는).
-전주부 MIBS 림 다이오드 영역 및 태양 전지 섬(또는 MIBS 다이오드 배열을 위한 임의의 다른 디자인)을 정의하는 트랜치 분리 공정은, 예컨대 실리콘 기판에 백플레인 라미네이팅 및 패터닝된 M1 층을 통한 전지 가공의 완료 후에 태양광이 비치는 측 또는 전측 상에 수행될 수 있고(태양 전지가 에피택셜 기판 분리 공정 후, 에피택셜 실리콘 리프트 오프 가공으로부터 제조되는 경우에), 또한 태양 전지가 에피택셜 실리콘 리프트 오프 가공으로부터 제조되는 경우에, 분리 툴의 일부로 전분리 실리콘 스크라이빙에 사용되는 동일한 펄스 레이저 소스를 이용할 수 있다. 트랜치 분리 레이저 스크라이빙은 실리콘 기판층을 완전히 스크라이빙하고, 이어서 백플레인 재료를 적게 또는 미미하게 제거하면서 백플레인 상에서 중단된다.
-MIBS pn 접합 다이오드 p+ 도핑된 접합 영역은 태양 전지 p+ 도핑된 필드 에미터(또는 에미터 접촉 영역 및 필드 에미터에 2개의 다른 에미터 무겁게 도핑된 영역을 포함하는 선택적인 에미터 공정을 갖는 IBC 전지 공정의 경우에, 태양 전지 p+ 도핑된 에미터 접촉 영역)를 형성하는 동일한 공정 단계와 동시에 형성될 수 있다. MIBS pn 접합 다이오드 n-도핑된 영역은 태양 전지 기판 및 베이스 영역(또는 인시투-도핑된 에피택셜 태양 전지 베이스 영역과 동일한, 에피택셜 실리콘 리프트 오프 가공으로부터 제조되는 태양 전지의 경우에)으로 사용되는 개시 n형 결정 실리콘 웨이퍼와 동일할 수 있다. 예컨대, 후면 접합/후면 접촉 태양 전지를 제조하기 위해 사용되는 동일한 태양 전지 에미터 및 베이스 도핑 공정(예컨대 APCVD, 레이저 제거 및 열 가공을 갖는)은 추가되는 증가하는 공정 비용 없이 동시에 바람직한 p+/n 림 다이오드 장치 구조체를 형성하기 위해 사용될 수도 있다.
-금속-1(M1) 및 금속-2(M2) 컨덕터 패턴은, MIBS pn 접합 다이오드의 p+ 도핑된 전극이 태양 전지의 n형 베이스와 연결되고, MIBS 다이오드의 n형 기판 영역 오믹 접촉(태양 전지 n+ 도핑된 베이스 접촉 영역과 함께 형성되는 n+ 도핑된 접촉 영역을 통해) 전극이 태양 전지의 p+ 에미터와 연결되도록 고안될 수 있다. 이러한 적절히 형성된 연결은, MIBS 다이오드가 태양 전지의 셰이딩 때문에 태양 전지를 활성화 및 바이패싱할 때마다 바람직하지 않은 전류 클라우딩(crowding) 및 국부화된 핫 스팟을 최소화하기 위해 분배된 포멧으로 고안될 수 있다.
-전지 부스바(베이스 및 에미터 부스바) 및 맞물려진 베이스 및 에미터 핑거의 최종 거친 피치 패턴은 제2레벨 금속 M2 패턴(백플레인의 노출된 표면, 즉 태양 전지의 태양광이 비치는 측의 반대쪽 면 상에 형성될 수 있음) 상에 형성될 수 있다. 또한, 패터닝된 M2는 그 MIBS 장치를 갖는 태양 전지의 상호연결을 모놀리식으로 완성한다. M1 패턴은 부스바에 기인한 전기적 셰이딩을 제거하기 위해 부스바 없이 미세한 피치의 맞물려진 베이스 및 에미터 핑거만을 갖는다.
다음 부분에서, pn 접합 다이오드 MIBS 실시의 실시형태를 이용하는 요구되는 MIBS 다이오드 영역이 기재된다. 예시의 목적을 위해, 이러한 실시예는 156 mm × 156 mm의 태양 전지로 기재된다. 최소 MIBS 바이패스 다이오드 영역은 다이오드의 최대 허용 가능한 순 바이어스(온-스테이트(ON-state)) 저항과 같은 고려사항에 의해 지배된다-또는 즉 MIBS 다이오드가 태양 전지 셰이딩 때문에 활성화 및 순 바이어스된다. n형 기판 영역을 가정하면, 약 3×1015 cm-3의 인 도핑된 태양 전지 베이스는 약 1.60 Ω.cm의 n형 기판(또는 n형 베이스 영역) 저항률에 대응한다. 또한, 약 40 ㎛(미크론) 두께의 상대적으로 박형인 결정 실리콘 베이스 영역을 가정하면, 허용 가능한 직렬 저항값(접촉 저항을 배제함)의 3가지 다른 레벨의 요구되는 MIBS 바이패스 다이오드는 다음과 같이 산출될 수 있다(이 예는 개략적인 가이드라인으로 매우 대략적인 규모의 산출으로 제공된다):
최대 허용 가능한 직렬 저항이 Rs = 0.010 Ω (최대 R.I2 = 5W 전지에 대해 1W 전력 소모):
-영역=(1.6 Ω.cm × 40×10- 4 cm)/0.01 Ω = 0.64 cm2 (MIBS 장치 영역 ~ 태양 전지 영역의 0.26%)
-156 mm × 156 mm 전지의 림 폭: 0.64 / (15.6×4) = 0.010 cm = 0.10 mm 또는 100 미크론
최대 허용 가능한 직렬 저항이 Rs = 0.005 Ω (최대 R.I2 = 5W 전지에 대해 0.5W 전력 소모):
-영역=(1.6 Ω.cm × 40×10- 4 cm)/0.005 Ω = 1.28 cm2 (MIBS 장치 영역 ~태양 전지 영역의 0.52%)
-156 mm × 156 mm 전지의 림 폭: 1.28 / (15.6×4) = 0.020 cm = 0.20 mm 또는 200 미크론
최대 허용 가능한 직렬 저항이 Rs = 0.002 Ω (최대 R.I2 = 5W 전지에 대해 0.1W 전력 소모):
-영역=(1.6 Ω.cm × 40×10- 4 cm)/0.002 Ω = 3.20 cm2 (MIBS 장치 영역 ~태양 전지 영역의 1.30%)
-156 mm × 156 mm 전지의 림 폭: 3.20 / (15.6×4) = 0.050 cm = 0.50 mm 또는 500 미크론
상기 대략적인 산출에 기초하여, 156 mm × 156 mm의 태양 전지에서, 약 100 ㎛ 내지 500 ㎛ 범위의 MIBS 림 다이오드 폭은, 림 다이오드 영역이 태양 전지 영역의 약 ~0.26% 내지 ~1.3%이 합리적일 수 있다(태양 전지 영역 비율에 대해 상대적으로 작은 MIBS를 유지하면서 온-저항-유도된 전력 소모(on-resistance-induced power dissipation)를 제한하는 관점에서).
도 20a는 도 16에 도시된 바와 같이 주변 MIBS 림 pn 접합 다이오드를 갖는 후면 접촉/후면 접합(IBC) 태양 전지에 대해, 예컨대 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 합금 금속화(또는 다른 적합한 금속 또는 금속 합금 재료)를 이용하여 제1레벨 금속화 패턴(M1)의 실시형태(반도체 기판에 인접한 백플레인 라미네이팅 전제 MIBS 후측 표면 및 전지에 형성되는 패터닝된 M1 금속층)의 평면도를 도시하는 개략도이다. 도 20b는 설명의 목적으로 제공되는 도 20a의 확대된 부분도이다. 도 20a 및 20b는, MIBS pn 접합 다이오드 다이오드 p 및 n 접촉을 형성하는 알루미늄(또는 알루미늄-실리콘 또는 다른 적합한 컨덕터) 및 패터닝된 M1 층(예컨대 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 합금) 맞물려진 베이스 및 에미터 금속 핑거(96)로 형성된 부스바 없는 맞물려진 태양 전지 베이스 및 에미터 금속을 도시한다. 트랜치 분리 영역(86)은 MIBS 바이패스 다이오드 반도체 기판 영역으로부터 태양 전지 반도체 기판을 분할 및 전기적으로 분리한다. 알루미늄(또는 알루미늄-실리콘 합금 또는 다른 적합한 금속) 접촉 금속은, n 도핑된 영역의 금속화 접촉(82)으로 도시되는 MIBS 바이패스 다이오드(92)의 n-도핑된 영역 상에, 그리고 베이스 금속화 핑거(88)로 도시되는 태양 전지의 n-도핑된 영역 상에 위치한다(알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 합금의 오믹 접촉은 도핑된 n+ 접촉 확산 영역을 통해 형성된다). 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 합금 접촉 금속은 p+ 도핑된 영역의 금속화 접촉(84)로 도시되는 MIBS 바이패스 다이오드(94)의 p+ 도핑된 영역 상에, 그리고 에미터 금속화 핑거(90)로 도시되는 태양 전지의 p+ 도핑된 영역 상에 위치한다(도핑된 p+ 접촉 확산 영역을 통해). 패터닝된 M1 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 합금 금속화층은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 페이스트 층의 패터닝 스크린 인쇄에 의해 또는 알루미늄 또는 알루미늅 합금(예컨대 알루미늄 실리콘)의 물리 증기 증착(PVD) 후 패터닝 공정(예컨대 레이저 제거)에 의해 형성될 수 있다. 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 합금 층(M1 층)의 두께는, 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 합금 페이스트의 스크린 인쇄에 의해 형성되는 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 합금에 대해 몇 미크론 내지 수십 미크론의 범위(예컨대 약 20 미크론)에서, PVD에 의해 형성되는 M1 알루미늄에 대해 1 미크론 내지 약 몇 미크론의 작은 부분의 범위일 수 있다.
또는, 후면 접촉 후면 접합 (IBC) 태양 전지의 주변의 MIBS 림 쇼트키 다이오드 MIBS 실시의 실시형태에서, 제1레벨 금속화(M1) 패턴(예컨대 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 합금 금속화)은 도 20a 및 20b에 도시된 것과 동일할 수 있다. 도 20b에 관해 기재된 주변 MIBS 림 쇼트키 다이오드 MIBS의 실시에서, 전지는, 무겁게 도핑된 n+ 실리콘(후에 n형 기판에 오믹 접촉을 위한) 상에 오믹 접촉 및 가볍게 도핑된 n형 실리콘 상에 MIBS 다이오드 비오믹 쇼트키 배리어를 형성하는 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 금속화 접촉과 부스바 없는 맞물려진 태양 전지 베이스 및 에미터 금속(예컨대 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 합금) 오믹 핑거(96)를 포함한다. 패터닝된 M1의 일부로서, 알루미늄(또는 알루미늄 실리콘 합금) 접촉 금속은, 베이스 금속 오믹 핑거(88)로 도시되는 태양 전지의 n형 기판 영역 상에 형성되는 무겁게 도핑된 n+ 영역에 또는 상에, 그리고 n 도핑된 영역의 금속화 오믹 접촉(82)(n-도핑된 실리콘 기판과 접촉하는 무겁게 n+ 도핑된 접촉 확산 영역)으로 도시되는 MIBS 쇼트키 바이패스 다이오드(92)의 n형 기판 영역 상에 형성되는 n+ 도핑되는 오믹 접촉 영역 상에 위치한다. 또한, 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 접촉 금속(패터닝된 M1 층의 일부로서)은 에미터 금속화 오믹 핑거(90)에 도시되는 태양 전지의 무겁게 p+ 도핑된 영역 상에 위치한다(p+ 도핑된 접촉 확산 영역을 통해). 또한, 패터닝된 M1의 일부로서, 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 쇼트키 배리어 접촉 금속(84)은 정류기의 쇼트키 배리어 영역을 형성하기 위해, 예컨대 n형 표면 상에만 MIBS 바이패스 다이오드(94)의 가볍게 도핑된 n형 기판 영역 상에 직접 위치한다. 패터닝된 M1 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 합금(또는 다른 적합한 재료) 금속화층은, 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘(또는 다른 적합한 전도성 재료) 페이스트 층의 패터닝된 스크린 인쇄에 의해 또는 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘(또는 다른 적합한 전도성 재료)의 물리 증기 증착(PVD) 후 패터닝 공정(예컨대 레이저 제거)에 의해 형성될 수 있다. 알루미늄 층의 두께는, PVD에 의해 형성된 M1 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 합금에 대해 1 미크론 내지 몇 미크론의 작은 부분의 범위 및 대응하는 페이스트의 스크린 인쇄에 의해 형성되는 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘에 대해 몇 미크론 내지 수십 미크론(예컨대 약 20 미크론까지)의 범위일 수 있다.
후면 접촉/후면 접합 IBC 태양 전지 및 관련된 MIBS 다이오드는 완성된 태양 전지를 형성하기 위해 금속화 및 상호연결된다. 예시적인 금속화는, 예컨대 알루미늄 또는 작은 퍼센트의 실리콘을 갖는 알루미늄과 같은 적합한 알루미늄 합금으로 제조되고, 백플레인 부착/라미네이팅 전에 형성되는 제1레벨 접촉 금속화 패턴(M1) 및 예컨대 알루미늄 및/또는 구리 또는 이들의 조합을 포함하고, 배리어 층 및/또는 상부 솔더층과 같은 추가적인 층을 선택적으로 갖는 더 두꺼운 고전도성 컨덕터로 제조되는 제2레벨 최종 패턴화된 금속화층(M2)을 갖는 MIBS 공유된 백플레인 및 태양 전지에 의해 사용 가능해지는 2-레벨의 금속화 구조체를 이용한다. M1과 M2 사이의 내부-레벨(inter-level) 연결은 드릴링된 비아 홀을 통해 전도성 비아 플러그를 이용하여 제조되거나 또는 전기 절연성 내부-레벨 유전체층으로 작용하는 백플레인을 갖는 패터닝된 M2 층의 형성 전에 백플레인층으로 형성될 수 있다. 상기 기재된 2-레벨의 모놀리식 태양 전지 및 MIBS 금속화 구조체의 주요 특성은 이하와 같다:
-제1레벨 금속 M1(예컨대 백플레인 부착 및 라미네이팅 전제 태양 전지 후측 상에 형성되는)은 PVD(플라즈마 스퍼터링 증착, 이온빔 증착 등) 알루미늄 또는 스크린 인쇄된 알루미늄(또는 알루미늄 합금) 페이스트로 제조되는 패터닝된 알루미늄층(및/또는 Al 및 Si와 같은 알루미늄을 포함하는 합금)일 수 있다.
-패터닝된 M1은 접촉 금속화로 작용하고, 태양 전지 상에 맞물려진 베이스 및 에미터 금속화 선(line)을 형성한다(일부 실시형태에서, 부스바와 관련된 전기적 셰이딩을 제거 또는 최소화하기 위해 M1 상에 부스바가 없다).
-일부 실시형태에서, 패터닝된 맞물려진 M1 금속화 핑거는 트랜치 분리 영역 아래로 오버랩하기 위해 태양 전지 섬을 넘어 확장되지 않고, MIBS 림 다이오드 영역으로 확장된다. 태양 전지와 그 관련된 MIBS 장치 사이의 전기적 상호연결은, 미리 정해진 상호연결 디자인에 따라 패터닝된 M1과 M2 층 사이에 패터닝된 상호연결을 만드는 전도성 비아 플러그 및 패터닝된 M2 층을 이용하여 제조된다.
-MIBS에 사용되는 전주부 림 다이오드 디자인의 경우에, M1 알루미늄 또는 알루미늄 합금 금속화층은 MIBS 림 다이오드의 p+ 도핑된 접합 영역에 및 n-도핑된 기판 영역 내부 및 외부에(n+ 도핑된 접촉 확산 영역을 통해) 전기적 오믹 접촉을 만들기 위해 3개의 동심의(concentric) 전주부 연속 알루미늄 금속화 루프(사각형 전지를 위해 사각형 루프로 도시됨)를 형성하도록 고안될 수 있다.
-M2 금속 레벨은 스크린 인쇄 및/또는 PVD(예컨대 알루미늄을 포함하는 금속화를 위해, 예컨대 플라즈마 스퍼터링 및/또는 열 증착 및/또는 전기 빔 증착) 및/또는 전기화학 증착 또는 플레이팅(예컨대 구리를 포함하는 금속화를 위해) 또는 상대적으로 저렴하고, 구리 및/또는 알루미늄(또는 이들의 조합)을 포함하는 저 저항성의 전도성 재료로 다른 금속화 공정(또는 이들의 조합)을 이용하여 형성될 수 있다.
-패터닝된 M2 금속은 복수의 전도성 비아 플러그를 통해 맞물려진 온-셀 M1 핑거에 연결되는 실질적으로 직각으로 맞물려진 핑거로 패터닝될 수 있다. 이 디자인에서, 태양 전지의 맞물려진 더 미세한 피치의 M1 핑거와 관련하여 태양 전지의 거친 피치의 M2 핑거의 수직 배열은, M2 핑거의 수가 M1 핑거의 수보다 실질적으로 적도록 해준다. 예컨대, 태양 전지는, 백플레인 라미네이팅 후에 형성되는 M2 핑거의 수가 일반적으로 M1 핑거의 수보다 역 5 내지 약 50배이지만, 백플레인 라미네이팅 전에 전지 상에 직접 형성되는 수백의 M1 핑거를 가질 수 있다.
-또한, 패터닝된 M2 금속은 각각 태양 전지의 베이스 및 에미터 부스바에 MIBS pn 접합 다이오드의 무겁게 p+ 도핑된 및 n형 기판 접촉 M1 금속화를 연결할 수 있다. 또는, MIBS의 쇼트키 배리어 다이오드를 이용하는 경우에, 패터닝된 M2 금속은 각각 태양 전지의 베이스 및 에미터 부스바에 쇼트기 배리어 접촉(예컨대 가볍게 도핑된 n형 실리콘 상에 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 합금 비오믹 쇼트키 접촉) 및 n형 오믹 접촉 M1 금속화를 연결할 수 있다.
다시, 여기에 기재되는 실시형태는 박형 결정 실리콘 흡수층 및 인접한 백플레인을 이용하여 후면 접촉/후면 접합 결정 실리콘 태양 전지와 연결하여 넓게 설명되지만, 개시된 주제의 양태는, 그것에 한정되지 않지만, 이하를 포함하는 당업자에 의해 다른 태양 전지 및 모듈의 실시에 적용할 수 있다고 이해해야 하는 것을 숙지하는 것은 중요하다: 비(non)-IBC 후면 접촉 태양 전지(그것에 한정되지 않지만 MWT 태양 전지를 포함함), 전면 접촉 태양 전지 및 대응하는 PV 모듈; 비결정 실리콘 태양 전지 및 결정 GaAs, GaN, Ge, 및/또는 다른 요소 및 화합물 반도체로 제조되는 것과 같은 모듈; 및 CZ 단결정 실리콘 웨이퍼, FZ 단결정 실리콘 웨이퍼, 및 캐스트 다결정 실리콘 웨이퍼와 같은 결정 반도체 웨이퍼로부터 제조되는 후면 접촉/전면 접합, 후면 접촉/후면 접합 및 전면 접촉 태양 전지를 포함하는 다양한 웨이퍼 기반의 태양 전지.
그러나, 앞서 언급한 바와 같이, 후면 접촉 전지의 이용은 MIBS 실시가 최종 모듈 제조에 실질적으로 영향을 주지 않고 후면 접촉 전지에 적용될 수 있는 일부 양태에 유리할 수 있다. 또한, 전지의 후측 상에 리드되는 에미터 및 베이스 상호연결의 이용 가능성은 추가적인 전지-레벨 모니터링 및 제어 기능 및 향상된 에너지 수확을 위해 온-셀 전자 장치의 전체 실시를 더 단순화할 수 있다.
도 21은 제2레벨 금속화 패턴(M2) 실시형태를 도시하는 주변 MIBS 림 다이오드(예컨대 pn 접합 다이오드 또는 쇼트키 배리어 다이오드)를 갖는 후면 접촉/후면 접합 태양 전지의 후측의 개략도이다. 이 디자인에서, 패터닝된 M2는 백플레인 시트에 의해 M1 층으로부터 물리적으로 분리되고, 공유된 전기 절연성 백플레인 상에 위치한다. 패터닝된 M2 층은 MIBS pn 접합 다이오드 p+ 도핑된 영역 M1 오믹 접촉 금속에 연결되는 베이스 부스바(104)(예컨대, 패터닝된 M2 금속화층의 일부로 형성된 도 20b에서 p+ 도핑된 영역 금속화 접촉(84)), MIBS pn 접합 다이오드 n-도핑된 기판 영역 M1 오믹 접촉에 연결되는 에미터 부스바(102)(예컨대, 도 20b에서 n 도핑된 영역 금속화 접촉(82)), 미리 정해진 패턴에 따라 M2 핑거와 M1 핑거를 상호연결하는 전도성 비아 플러그(100)(각각의 M2 베이스 핑거는 전도성 비아 플러그를 통해 M1 베이스 핑거 전체와 연결되고, 각각의 M2 에미터 핑거는 전도성 비아 플러그를 통해 M1 에미터 핑거 전체와 연결됨), 에미터 맞물려진 핑거(112) 및 베이스 맞물려진 핑거(106)를 포함한다. 도 21은, 예컨대 도 20a에 도시된 것과 같은 MIBS 다이오드 오믹 접촉을 형성하는 알루미늄(또는 알루미늄-실리콘 합금) 금속화 접촉 및 부스바 없이 맞물려진 태양 전지 베이스 및 에미터 금속 핑거를 포함하는 패터닝된 M1 층일 수 있는 패터닝된 M1 층(도면에 도시되지 않음) 상에 M1 핑거에 대해 실질적으로 수직 또는 직각 배향으로 오버레이된 패터닝된 M2 층을 도시한다. MIBS 림 다이오드(pn 접합 다이오드 또는 쇼트키 배리어 다이오드) 및 태양 전지 및 관련된 금속화 치수는 상대적인 스케일로 도시되지 않았다. 복수의 전도성 비아 플러그(100)는 의도된 M1 영역 상에 놓이고, 백플레인을 통해 비아를 드릴링하고, 이어서 M1 금속화층의 특정 부분에 M2 금속화의 바람직한 부분을 상호연결하기 위해 M2 금속화 공정에 의해 전도성 비아 플러그를 형성함으로써 형성된다(즉, M2 에미터 핑거는 전도성 비아 플러그에 의해 M1 에미터 핑거 및 MIBS n형 기판에의 M1 접촉에 연결되고; M2 베이스 핑거는 전도성 비아 플러그에 의해 M1 베이스 핑거 및 pn 접합 다이오드의 p+ 영역에의 M1 접촉 또는 쇼트키 배리어 다이오드의 쇼트키 배리어 M1 금속 영역에 연결된다). 도 20a에 도시된 M1 패턴과 전도성 비아 플러그를 통해 연결된 도 21에 도시된 M2 패턴의 조합은 전체 태양 전지를 완성하고, MIBS 장치 금속화 및 전지 레벨에서 모놀리식 맞물려진 셰이딩 관리 상호연결을 형성하기 위해 이용될 수 있는 태양 전지 터미널에 MIBS 터미널의 모놀리식 분배된 상호연결을 연관된다.
전기적 극성의 차별을 위해, 도 21은 2개의 그레이로 셰이딩된 M2 층을 도시한다. M2 패턴의 더 어두운 그레이 부분은, MIBS 림 pn 접합 다이오드 p+ 도핑된(또는 쇼트키 다이오드가 MIBS에 사용되는 경우에 쇼트키 다이오드 알루미늄/n형 실리콘 쇼트키 접촉) 언더라잉 M1 금속화 영역과 연결되는 태양 전지 베이스 부스바(104)를 포함한다. 대표적인 실시형태에 도시된 바와 같이, 태양 전지 상호연결에 대한 MIBS의 M2-M1 상호연결은 태양 전지 기판의 3개 측면 상에 위치하는 전도성 비아 플러그를 통해 제조된다: 베이스 부스바(104) 및 M2의 왼측 및 오른측 상에 2개의 수직 베이스 부스바 핑거(108)(각각의 측 상에 하나의 핑거) 내에. 이러한 구조체는 태양 전지의 베이스와 MIBS pn 접합 다이오드의 pn 접합 다이오드 p+ 터미널 사이에 분배된 상호연결을 형성한다(또는 알루미늄(또는 알루미늄-실리콘)/MIBS 쇼트키 다이오드의 n형 실리콘 쇼트키 배리어 접촉 터미널). M2의 내부 상에 베이스 부스바(104)와 연결된 수직 핑거로 도시되는 맞물려진 베이스 핑거(106)는 전도성 비아 플러그를 통해 언더라잉 M1 맞물려진 베이스 핑거(도시되지 않음)에 연결된다. 도 20a에 도시된 M1 패턴에 상대적으로 M2 패턴의 수직 변형을 이용하여, M1 베이스 핑거의 수와 비교하여 M2 베이스 핑거의 수는 일반적으로 약 5 내지 약 50배로 실질적으로 감소될 수 있다. M2 패턴의 더 밝은 그레이 부분은 언더라잉 M1 금속화 영역의 일부로 형성된 MIBS 림 쇼트키 배리어 다이오드 n형 실리콘 오믹 접촉(n형 실리콘 오믹 접촉에 도핑된 n+ 접촉 확산을 통해) 또는 MIBS 림 pn 접합 다이오드 n형 실리콘 기판 오믹 접촉에 연결되는 태양 전지 에미터 부스바(102)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 상호연결은 태양 전지의 3개 측면 상의 전도성 비아 플러그를 통해 제조된다: 에미터 부스바(102) 및 왼측 및 오른측 상에 4개의 에미터 부스바 핑거(110)(각각의 측 상에 두개의 핑거) 내에. 이러한 구조체는 태양 전지의 에미터와 MIBS pn 접합 다이오드 또는 MIBS 쇼트키 배리어 다이오드의 n형 실리콘 기판(오믹 접촉을 위한 n+ 접촉 확산을 통해) 터미널 사이에 분배된 상호연결을 형성한다. M2의 내부 상에 에미터 부스바와 연결된 에미터 맞물려진 핑거(112)는 전도성 비아 플러그를 통해 언더라잉 M1 맞물려진 에미터 핑거와 연결된다. 다시, M1 패턴에 대한 M2 패턴의 수직 변형을 이용함으로써, M1 에미터 핑거의 수와 비교한 M2 에미터 핑거의 수는 일반적으로 약 5 내지 약 50배로 실질적으로 감소될 수 있다. M2 패턴 수직 변형의 결과로, M2 패턴(예컨대 핑거)은 M1 핑거 패턴보다 더 큰 최소 치수(또는 평균 핑거 폭)를 가질 수 있다. 예컨대, M2 상에 맞물려진 태양 전지 베이스 및 에미터 핑거 및 부스바는 더 넓은 금속 핑거를 가지고, 패터닝된 M1 층 상에 맞물려진 태양 전지 베이스 및 에미터 핑거보다 핑거 피치로 더 큰 핑거를 가질 수 있다. 이러한 형태에서, 가장 좁은 M2 핑거는 MIBS 림 다이오드와 태양 전지 터미널(전도성 비아 플러그를 통해 연결되는) 사이에 M2-M1의 측면 핑거(베이스 부스바 핑거(108) 및 에미터 부스바 핑거(110))이다. 이러한 형태에서, MIBS 장치에 태양 전지의 연결은 M2에서 M1으로 전도성 비아 플러그를 통한 MIBS 및 태양 전지의 3개의 측면 상에 제조된다.
도 22는 다른 제2레벨 금속화 패턴(M2) 실시형태를 도시하는 주변 MIBS 림 다이오드(예컨대 pn 접합 다이오드 또는 쇼트키 배리어 다이오드)를 갖는 후면 접촉/후면 접합 태양 전지의 후측의 개략도이다. 패터닝된 M2는 라미네이팅된 백플레인에 의해 M1 층으로부터 물리적으로 분리되고, 전기 절연성의 인접한 백플레인을 공유하도록 위치한다. 패터닝된 M2는 MIBS pn 접합 다이오드 p+ 도핑된 영역 M1 금속과 연결되는 베이스 부스바(124)(예컨대 도 20b에 p+ 도핑된 영역 금속화 접촉(84)), MIBS 다이오드 n-도핑된 기판 영역 M1 금속 오믹 접촉과 연결되는 에미터 부스바(122)(예컨대, 도 20b에서 n 도핑된 영역의 금속화 접촉(82)), M1과 M1을 연결하는 전도성 비아 플러그(120), 및 맞물려진 에미터 핑거(128)(전도성 비아 플러그를 통해 M1 맞물려진 에미터 핑거와 연결됨), 및 맞물려진 베이스 핑거(126)(전도성 비아 플러그를 통해 M1 맞물려진 베이스 핑거와 연결됨)을 포함한다. 도 22는, 예컨대 도 20a에 도시된 MIBS 다이오드 금속화 접촉 영역을 형성하는 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 합금 금속화 접촉 및 부스바 없이 맞물려진 태양 전지 베이스 및 에미터 금속 핑거를 포함하는 패터닝된 M1 층일 수 있는 패터닝된 M1 층(언더라잉 M1 층은 도시되지 않음) 상에 오버레이된 패터닝된 M2 층을 도시한다.
MIBS 림 다이오드(pn 접합 다이오드 또는 쇼트키 배리어 다이오드) 및 태양 전지 및 관련된 금속화 치수는 상대적인 스케일로 도시되지 않는다. 복수의 전도성 비아 플러그(120)는 M1 금속화 층의 특정 부분과 M2 금속화의 바람직한 부분을 연결하고, 의도된 M1 영역에 백플레인을 통해 비아를 드릴링한 후, M2 금속화 동안 전도성 비아 플러그를 형성함으로써 형성될 수 있다. 도 20a에 도시된 M1 패턴과 전도성 비아 플러그를 통해 연결되는 도 22에 도시된 M2 패턴의 조합은 태양 전지 전체 및 MIBS 장치 금속화 및 전지 레벨에서 모놀리식 맞물려진 셰이딩 관리 상호연결을 형성하기 위해 이용될 수 있는 태양 전지 터미널에 MIBS 장치 터미널의 모놀리식 분배된 상호연결을 완성한다.
전기적 극성의 차별을 위해, 도 22는 2개의 그레이로 셰이딩된 M2 층을 도시한다. M2 패턴의 더 어두운 그레이 부분은, 태양 전지의 두 측면(일측은 부스바 측면임) 상에 전도성 비아 플러그를 통한 MIBS 림 pn 접합 다이오드 p+ 도핑된(또는 쇼트키 배리어 다이오드가 MIBS에 사용되는 경우에 쇼트키 배리어 다이오드 알루미늄/n형 실리콘 쇼트키 접촉) 언더라잉 M1 금속화 영역과 연결되는 태양 전지 베이스 부스바(124)를 포함한다: M2의 왼측 상에 수직 핑거로 도시되는 베이스 부스바 핑거(130) 및 베이스 부스바 내에. 이러한 구조체는 MIBS pn 접합 다이오드의 p+ 터미널(또는 MIBS 쇼트키 배리어 다이오드의 알루미늄/n형 실리콘 쇼트키 접촉 터미널)과 태양 전지의 베이스 영역 사이에 분배된 상호연결을 형성한다. M2의 내부 상에 수직 핑거로 도시된 맞물려진 베이스 핑거(126)는 베이스 부스바와 연결되고, 전도성 비아 플러그를 통해 언더라잉 M1 맞물려진 베이스 핑거와 연결된다. M1 패턴에 대한 M2 패턴의 수직 변형은 M1 베이스 핑거의 수와 비교되는 M2 베이스 핑거의 수가 일반적으로 약 5 내지 약 50배로 실질적으로 감소되도록 한다. M2 패턴의 더 밝은 그레이 부분은 MIBS 림 pn 접합 다이오드 n형 실리콘 기판 오믹 접촉(도핑된 n+ 영역과 오믹 접촉을 통해) 또는 언더라잉 패터닝된 M1 금속화 영역의 일부로 형성되는(태양 전지의 두 측면 상에 전도성 비아 플러그를 통해 제조되는 M2-M1 연결: M2의 오른측 상에 수직 에미터 부스바 핑거(132) 및 에미터 부스바 내에) MIBS 림 쇼트키 배리어 다이오드 n형 실리콘 기판 오믹 접촉(n형 실리콘 오믹 접촉을 위한 n+ 접촉 확산을 통해)과 연결되는 태양 전지 에미터 부스바(122)를 포함한다. 이러한 구조체는 MIBS pn 접합 다이오드 또는 MIBS 쇼트키 배리어 다이오드의 n형 실리콘 기판(오믹 접촉을 위한 n+ 접촉 확산을 통해) 터미널과 태양 전지의 에미터 사이에 분배된 상호연결을 형성한다. M2의 내부 상에 수직 핑거로 도시된 맞물려진 에미터 핑거(128)는 에미터 부스바와 연결되고, 전도성 비아 플러그를 통해 언더라잉 M1 맞물려진 에미터 핑거와 연결된다. 다시, M1 패턴에 대한 M2 패턴의 수직 변형을 이용함으로써, M1 에미터 핑거의 수와 비교되는 M2 에미터 핑거의 수는 일반적으로 약 5 내지 50배로 실질적으로 감소될 수 있다. M2 패턴 수직 변형의 결과로, M2 패턴(예컨대 맞물려진 핑거)은 M1 패턴(또는 M1 평균 핑거 폭)보다 더 큰 최소 치수(또는 평균 핑거 폭)을 가질 수 있다. 예컨대, 맞물려진 베이스 핑거(126), 맞물려진 에미터 핑거(128) 및 M2 상의 부스바는 더 넓은 금속 핑거 또는 선을 가질 수 있고, M1 층 상에 형성된 맞물려진 태양 전지 베이스 및 에미터보다 핑거 피치로 더 큰 핑거를 가질 수 있다. 이러한 형태에서, 가장 좁은 M2 핑거는 전도성 비아 플러그를 통해 MIBS 림 다이오드와 태양 전지 터미널 사이의 M2-M1 상호연결을 위해 2개의 측면 핑거(수직 베이스 부스바 핑거(130) 및 수직 에미터 부스바 핑거(132))일 수 있다. 이러한 형태에서, 태양 전지와 MIBS 장치의 전기적 상호연결은 태양 전지의 두측 및 MIBS(M2에서 M1으로 전도성 비아 플러그가 연결된) 상에 제조된다. 이러한 형태는 태양 전지와 MIBS 장치 사이에 분배된 상호연결을 만들기 위해 태양 전지 및 MIBS의 측 상에(즉 주요 태양 전지 부스바레 두개의 측면이 사용되지 않음) 더 넓은 핑거, 수직 베이스 부스바 핑거(130) 및 수직 에미터 부스바 핑거(132)를 가능하게 한다.
여기에 기재되는 MIBS 장치는 쇼트키 배리어 다이오드 또는 pn 접합 다이오드를 이용한다. 쇼트키 배리어 다이오드가 MIBS로 이용되는 경우에, 쇼트키 접촉으로 MIBS 실리콘 기판 영역 내에 가볍게 도핑된 n형 실리콘 상에 위치하는 알루미늄 금속 전극, 또는 일부 실리콘 함량을 갖는 알루미늄이 사용될 수 있다. 쇼트키 배리어 다이오드 MIBS 실시형태와 관련되는 주요 특성 및 설명은 이하를 포함한다:
-MIBS 쇼트키 배리어 다이오드는 반도체 표면 상에(예컨대 실리콘 상에) 2개의 금속 접촉(동일한 M1 층으로부터)을 형성함으로써 제조될 수 있다. 반도체 기판의 무겁게 도핑된 영역 상에 형성될 수 있는 하나의 금속성 접촉은 오믹 접촉(예컨대 n형 기판의 고안된 영역 상에 위치하는 n+ 도핑된 영역을 통해 형성되는)이고, 다른 접촉이 반도체 기판의 가볍게 도핑된 n형 영역 상에 형성되고, 다이오드 정류 전기 특성을 제공하는 금속 대 n형 반도체 쇼트키 배리어(비오믹) 접촉을 형성한다. 동일한 금속(M1 패턴)은 태양 전지의 제조를 위한 추가적인 제조 비용이 최소이거나 없는 MIBS 쇼트키 다이오드의 n형 기판 오믹 접촉(후에 n형 기판 상에 도핑된 n+ 영역을 통해) 및 쇼트키 배리어(비오믹) 접촉에 이용될 수 있다.
-n형 실리콘이 반도체 기판(예컨대, 여기에 기재되는 결정 실리콘 후면 접촉/후면 접합 전지의 태양 전지 베이스 영역)에 이용되는 경우에, 알루미늄 또는 일부 실리콘 함량을 갖는 알루미늄 합금은 쇼트키 배리어 금속으로 이용될 수 있다. 이들 재료는 우수한 쇼트키 배리어 다이오드 성능 특성을 제공하고, 태양 전지 공정 흐름 및 재료와 양립 가능하다. 알루미늄은 n형 실리콘 일 함수(work function) 미만인 일 함수를 가지고, 가볍게 도핑된 n형 실리콘 상에 우수한 쇼트키 배리어를 형성하고, 여기서 가볍게 도핑된 실리콘 표면은 태양 전지 베이스 및 흡수체로 사용될 수 있는 n형 실리콘 기판에 의해 제공된다. 알루미늄, 또는 일부 실리콘 함량을 갖는 알루미늄의 합금은 쇼트키 다이오드의 다른 터미널의 n+ 도핑된 실리콘 상에 오믹 접촉(즉, n+ 도핑된 영역을 통해 n형 실리콘 기판에 오믹 접촉)으로 사용될 수 있다.
-고성능 쇼트키 배리어 다이오드에 있어서, 전면 접촉 또는 후면 접촉 태양 전지에서, n형 실리콘 기판은 p형 실리콘 기판과 비교하여 이용될 수 있다. n형 실리콘 기판의 이용은 임의의 벌크 광-유도된 열화(일반적으로 p형 실리콘 웨이퍼로 관측되는) 없이 고효율 태양 전지의 제조에 유리하다.
-n-도핑된 실리콘(쇼트키 접촉이라고도 함) 상에 알루미늄 쇼트키 배리어 접촉 금속 전극에 양 전위(positive potential)를 가하는 것은 실리콘 층을 가로질러 더 작은 전위를 야기하고- 따라서 알루미늄 쇼트키 접촉 전극에 가볍게 도핑된 n형 실리콘 기판으로부터 전자 주입을 위한 배리어 높이가 감소된다. 따라서, 더욱 많은 전자가 실리콘보다 금속을 향해 확산될 것이고, 전제 전류는 접합을 통해 흐를 것이다. 이는 쇼트키 배리어 다이오드의 순 바이어스 또는 온 상태(ON state)이다. 이러한 순 바이어스 조건은 셰이딩의 경우에 태양 전지에 보호를 제공하는 MIBS 상태이다.
-음 전압(또는 역 바이어스 전압)이 쇼트키 알루미늄 금속 전극에 적용되기 때문에, 배리어를 가로지르는 전위는 n형 실리콘 기판으로부터 금속 전극으로 전자 주입을 억제하고, 제거층을 증가시킨다. 얻어진 전위 배리어는 금속 전극에 흐르는 전극을 제한하고, 미미한 전류를 야기한다(MIBS 쇼트키 다이오드의 오프 상태(OFF state)-이러한 역 바이어스 조건은 태양 전지 셰이딩이 없는 경우에 MIBS 상태를 나타낸다). 알루미늄-반도체 쇼트키 접촉 접합은 MIBS로 이용될 우수한 정류 특성을 제공할 수 있다. MIBS의 바람직한 특성으로, 큰 전류가 순 바이어스(온 상태) 하에 존재할 수 있지만, 미미한 전류가 역 바이어스(오프 상태) 하에 흐른다.
-일부 예에서, 쇼트키 배리어 다이오드는 MIBS 실시에서의 pn 접합 다이오드와 비교하여 이용될 수 있다. 쇼트키 배리어 다이오드는 pn 접합 다이오드보다 더 작은 온 상태의 순바이어스 전압을 가져(예컨대, 쇼트키 다이오드가 약 ~0.2 V 내지 0.5V vs pn 접합 다이오드가 ~0.6 V 내지 0.8 V), 쇼트키 배리어 다이오드가 MIBS로 이용되는 경우에 MIBS 장치에 의해 더 낮은 전력 소모를 일으킨다(태양 전지가 셰이딩되는 경우에, MIBS 장치는 태양 전지를 보호하기 위해 켜진다). pn 접합 다이오드와 비교하여 쇼트키 배리어 다이오드의 더 작은 전력 소모는 매우 유리하고, 쇼트키 배리어 다이오드가 MIBS 장치의 우수한 선택이 되도록 한다.
-MIBS 림 쇼트키 다이오드 MIBS 실시는 주요 도핑된 다이오드 영역과 상대적으로 가볍게 도핑된 n형 실리콘 기판을 이용할 수 있다. 에피택셜 성장된 n형 베이스 및 후면 접촉/후면 접합 태양 전지 디자인을 갖는 에피택셜 실리콘 리프트 오프 태양 전지 공정을 이용하는 태양 전지 기판의 제조 공정에서, MIBS 다이오드의 n형 실리콘 영역은 에피택셜 n-도핑된 실리콘(또는 태양 전지의 베이스 영역)과 동일한 기판으로부터 형성되고, 이들은 이어서 전지 가공 동안 트랜치 분리를 이용하여 서로로부터 전기적으로 분리된다. 이러한 경우에, 쇼트키 알루미늄 접촉에 이용되는 영역은, 무겁게 도핑된 n+ 베이스 접촉 확산 영역 없이, 태양 전지 베이스 도핑과 동일한(예컨대 인 도핑 약 3 x 1015 cm-3, 도핑이 태양 전지 디자인 요건에 따라 달라지는 이러한 양보다 더 작거나 또는 클 수 있음), 가벼운 n형 도핑을 가진다. n형 실리콘 기판에의 오믹 접촉(쇼트키 다이오드의 제2터미널)은 n형 기판의 지정된 영역 상에 형성되는 n+ 도핑된(무겁게 도핑된 인) 오믹 접촉 영역을 통해 패터닝된 M1 금속화층의 일부로 알루미늄(또는 일부 실리콘 함량을 갖는 알루미늄의 합금)을 이용하여 제조될 수도 있다.
-MIBS 쇼트키 배리어 다이오드의 오믹 접촉은, 무겁게 도핑된 n+ 도핑된 접촉 확산 영역을 통해 n형 실리콘 기판 영역과 알루미늄 오믹 접촉을 이용함으로써 형성된다(이는 후면 접합/후면 접촉 태양 전지의 베이스 오믹 접촉에 이용되는 n+ 도핑된 영역을 형성하는 동일한 공정 동안 및 동일한 공정을 이용하여 형성된다).
-n형 실리콘 쇼트키 접촉에 알루미늄(또는 알루미늄 실리콘)을 및 n+ 실리콘(및 n형 실리콘) 오믹 접촉에 알루미늄(또는 알루미늄 실리콘)을 만들기 위해 이용되는 알루미늄(또는 Al/Si 합금)은 태양 전지에서 맞물려진 베이스 및 에미터 접촉 금속화를 만들기 위해 이용되는 동일한 금속-1(M1) 알루미늄(및/또는 알루미늄 실리콘) 층일 수 있다. 예컨대, 실리콘에 고품질 전기 오믹(및 쇼트키) 접촉을 만들기 위해 일부 실리콘 함량을 갖는 고전도성 알루미늄 층일 수 있다(실리콘으로 접합 스파이킹(junction spiking) 또는 알루미늄 스파이킹을 방지하기 위해 실리콘의 몇 퍼센트 점). 패터닝된 M1 알루미늄 층은 스크린 인쇄, 스텐실 인쇄, 에어로졸 제트 인쇄, 또는 알루미늄(또는 알루미늄 합금) 페이스트 또는 알루미늄(또는 알루미늄 합금) 잉크(다시, 예컨대, 접합 스파이킹을 방지하기 위해 실리콘 함량 퍼센트를 갖는)의 잉크젯 인쇄 후, 페이스트 또는 잉크의 열 경화를 이용하여 제조될 수 있다. 또는, 금속 1(M1)은 다른 적합한 방법, 예컨대 증착 방법, 예컨대 플라즈마 스퍼터링, 열 또는 전자빔 증착, 이온빔 증착, 또는 다른 블랭킷 증착법(blanket deposition method) 후 M1 패터닝에 의해(예컨대 레이저 제거 또는 웨트 에칭 패터닝에 의해) 형성될 수 있다. M1 알루미늄 또는 알루미늄 합금층의 두께는 알루미늄 층의 저항률에 따라 달라질 수 있다. 일반적으로, 물리 증기 증착 또는 PVD(예컨대 플라즈마 스퍼터링 또는 열 증착 또는 전자빔 증착)와 같은 기술은 벌크 전기 전도성 근처의 알루미늄 층을 증착하고(예컨대 저항률 ~3 Ω.cm), 따라서 M1 알루미늄 층의 요구되는 두께는 약 100 nm 내지 약 2000 nm의 범위일 수 있다(2 레벨의 M1-M2 금속화 구조체에 기인하여 더 두꺼운 M1 금속은 요구되지 않음). 반면에, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 페이스트 또는 잉크로부터 M1의 형성은 일반적으로 재료 저항률 ~30 Ω.cm 내지 ~200 Ω.cm 범위의 더 낮은 금속 전도성(벌크 알루미늄보다 매우 낮은 전도성)을 야기한다. 따라서, M1이 페이스트 또는 잉크로부터 제조되는 경우에 더 두꺼운 금속층이 요구될 것이다(예컨대 약 1 미크론 내지 약 20 미크론 범위의 두께로 스크린 인쇄되는 M1).
도 23a 내지 23l은 전체 사각형 태양 전지를 갖는 MIBS로 도시되는 상대적인 MIBS 다이오드 및 태양 전지 기하학적 배열의 다양한 대표적인 실시형태의 평면도를 도시하는 개략도이다. 태양 전지 및 MIBS 치수는 실제 또는 상대 스케일로 도시되지 않았다. 도 23의 대표적인 실시형태에 도시된 바와 같이, 총 MIBS 다이오드 영역(임의의 관련된 트랜치 분리의 영역을 포함하는)은 태양 전지 영역보다 매우 적을 수 있다(태양 전지 영역에 총 MIBS & 트랜치 분리 영역의 부분은 <1%가 되도록 선택되고, 종종 약 0.3% 미만이다). 물론 더 큰 영역의 비율이 이용될 수 있다(감소된 총-영역 전지 및 모듈 효율의 바람직하지 않은 결과로).
도 23a는 전주부 트랜치 분리 영역(142)에 의해 분할 및 전기적으로 분리되는 전주부 MIBS 림 다이오드(144)에 의해 둘러싸이는 태양 전지 섬(140)을 포함하는 여기에 이미 기재된 전주부 폐쇄된-루프 림 MIBS 디자인을 도시한다. 또한, 이러한 디자인은 소정의 이점을 가질 수 있지만, 무한한 수의 다른 MIBS 태양 전지 디자인의 가능성이 이용될 수도 있다.
예컨대, 도 23b, 23c 및 23f는 비-전주부 MIBS 다이오드 디자인(non-full-periphery MIBS diode design)의 예를 도시하고, 여기서 MINS 다이오드는 사각형 태양 전지의 1, 2, 또는 3 측 상에 비폐쇄된 루프 림 다이오드가 제조될 수 있다(사각형 태양 전지의 모든 4 측 상에 형성되는 전주부 MIBS 다이오드와 반대로). 도 23b는 트랜치 분리 영역(148)에 의해 분할 및 전기적으로 분리되는 비-전주부 MIBS 림 다이오드(150), 트랜치 분리 영역(148), 태양 전지 영역(146)을 포함하는 일측 상에 MIBS 림 다이오드를 갖는 태양 전지를 도시한다. 도 23c는 트랜치 분리 영역(154)에 의해 분할 및 전기적으로 분리되는 비-전주부 MIBS 림 다이오드(156), 트랜치 분리 영역(154), 태양 전지 영역(152)을 포함하는 일측 상에 MIBS 림 다이오드를 갖는 태양 전지를 도시한다. 도 23f는 트랜치 분리 영역(172)에 의해 분할 및 전기적으로 분리되는 비-전주부 MIBS 림 다이오드(174), 트랜치 분리 영역(172), 태양 전지 영역(170)을 포함하는 일측 상에 MIBS 림 다이오드를 갖는 태양 전지를 도시한다.
다른 실시형태로서, 도 23d는 태양 전지 영역(158) 내에 폐쇄된 루프 트랜치 분리 영역(160)에 의해 정의 및 전기적으로 분리/분할되는 섬 MIBS 다이오드(162)를 포함하는 태양 전지 영역 내에 단일 섬으로 구성되는 MIBS를 도시한다(도 23d는, 섬이 태양 전지 영역의 어느 곳에도 위치될 수 있지만, MIBS 섬이 태양 전지의 중앙을 둘러싸는 예를 도시한다). MIBS 섬은 임의의 기하학적 형태일 수 있다(도 23d 및 23e는 직사각형의 MIBS 다이오드 섬을 도시한다; 다른 다각 또는 다른 기하학 형태가 이용될 수 있다). 도 23e는, 태양 전지 영역(164) 내에 폐쇄된 루프 트랜치 분리 영역(166)에 의해 정의 및 전기적으로 분리/분할되는 복수의 섬 MIBS 다이오드(168)을 포함하는 복수의 개별 MIBS 섬의 형태로(M1 및 M2 금속화 패턴을 통해 전기적으로 상호연결될 수 있는) MIBS 실시를 도시한다.
도 23g에 도시된 다른 실시형태에서, MIBS 장치는 태양 전지의 코너에 위치할 수 있다. 코너 MIBS 다이오드(180)를 포함하는 도 23g는 태양 전지 영역(176)의 하나의 코너에 트랜치 분리 영역(178)에 의해 정의 및 전기적으로 분리된다. 도 23g는 3각형 코너 MIBS를 도시하지만, 코너 MIBS의 형태는 임의의 기하학적 형태일 수 있다(예컨대 사각, 직사각 등). 또한, 코너 MIBS 장치의 수는 1 이상, 예컨대 도 23h에 도시되는 2개의 코너 MIBS 장치, 3, 또는 도 23i에 도시되는 4개의 코터 MIBS 장치일 수 있다. 도 23h는 태양 전지 영역(182)의 두개의 코너에 트랜치 분리 영역에 의해 정의 및 전기적으로 분리/분할되는 복수의 코너 MIBS 다이오드(186)를 포함하는 형태를 도시한다. 도 23i는 태양 전지 영역(188)의 4개의 코너에 트랜치 분리 영역에 의해 정의 및 전기적으로 분리/분할되는 복수의 코너 MIBS 다이오드(192)를 포함하는 형태를 도시한다.
도 23j에 도시된 다른 실시형태에서, MIBS 장치는 태양 전지의 반대쪽 다각 코너로 확장되는 하나의 코너로부터 다각 스트립으로 형성될 수 있다. 도 23j는 하나의 코너로부터 태양 전지 영역(194)의 반대쪽 코너까지 확대되는 트랜치 분리 영역(196)에 의해 정의 및 전기적으로 분리/분할되는 좁은 다각 스트립 MIBS 다이오드(198)를 포함하는 형태를 도시한다. 또는, MIBS 장치는 도 23k에 도시되는 태양 전지의 2개의 반대측 사이에 확장되는 단일 스트립 또는 도 23l에 도시되는 태양 전지의 2개의 반대측 사이에 확장되는 복수의 스트립일 수 있다. 도 23k는 트랜치 분리 영역(202)에 의해 정의 및 전기적으로 분리/분할되고, 태양 전지 영역(200)의 한쪽에서 반대쪽까지 및 중앙에 위치하는 한쪽에서 다른 쪽으로(side to side)의 스트립 MIBS 다이오드(204)를 포함하는 형태를 도시한다. 도 23j는 태양 전지 영역(206)의 한쪽에서 반대쪽까지 트랜치 분리 영역(208)에 의해 정의 및 전기적으로 분리/분할되는 한쪽에서 다른쪽으로의 복수의 스트립 MIBS 다이오드(210)를 포함하는 다른 형태를 도시한다.
도 23에 도시되는 대표적인 구조체는 필수적으로 무한한 수의 가능한 MIBS 기하학적 디자인에서 태양 전지에 관한 MIBS 기하학적 디자인의 단지 몇 가지 예이다. 또한, 예는 전체 사각 태양 전지로 도시되지만, 개시된 주제의 다양한 개념 및 실시형태는 그것에 한정되지 않지만 가정 사각, 직사각, 육각, 다른 다각형, 원형 등을 포함하는 임의의 기하학적 형태로 제조되는 태양 전지에 적용될 수 있다고 이해되어야 한다.
도 24 내지 31은 박형 에피택셜 실리콘 리프트 오프 및 재사용 가능한 결정 실리콘 템플레이트를 이용하여 후면 접촉/후면 접합 단결정 실리콘 태양 전지 및 관련된 MIBS 장치(pn 접합 다이오드 또는 쇼트키 배리어 다이오드)의 제조를 위한 다양한 대표적인 공정 흐름의 실시형태이다. 또한, 이하 태양 전지 및 MIBS 제조 공정 흐름은 예로서 백플레인 및 2-레벨의 금속화(온-셀 M1 및 온-백플레인 M2)를 갖는 박형(예컨대 100 미크론 미만) 에피택셜 실리콘 후면 접합/후면 접촉 태양 전지가 제공되지만, 여기에 개시된 디자인, 개념 및 다양한 실시형태는, 그것에 한정되지 않지만, 벌크 단결정 잉곳 또는 캐스트 다결정 브릭 또는 다결정 리본(예컨대 슬러리 또는 다이아몬드 와이어 소잉, 수소 이온 주입 및 박리, 금속 스트레스 유도된 박리, 등)으로부터 형성되는 결정 실리콘 웨이퍼, 표준 두께 CZ 또는 FZ 단결정 실리콘 웨이퍼 상에 제조되는 결정 실리콘 태양 전지, n형 실리콘 웨이퍼를 이용하는 전면 접촉 호모 접합 및 헤테로 접합 태양 전지, 실리콘 이외에 반도체 재료(예컨대 갈륨 비소, 갈륨 니트라이드 등)로 제조되는 전면 접촉 또는 후면 접촉 태양 전지, 및 2 이상의 금속 레벨을 이용하여 단일 금속화층 또는 다레벨 금속화를 이용하는 다양한 금속화 스캠을 포함하는 다양한 다른 태양 전지 디자인으로 집적된 MIBS에 적용 및 확대될 수 있다고 이해되어야 한다. 공정 흐름은, MIBS 장치(pn 접합 다이오드 또는 쇼트키 배리어 다이오드로 여기에 기재된)가 공정의 복잡성, 제조 공정 툴, 또는 MIBS-관련된 증가하는 제조 비용이 미미하게 추가되거나 추가되지 않지만, 고효율 후면 접촉/후면 접합 백플레인-라미네이팅된 태양 전지와 모놀리식으로 집적될 수 있다는 것을 보여준다. 여기에 개시된 필수적으로 전체의 실시형태는 태양 전지의 제조에 이미 이용될 수 있는 것과 동일한 재료의 층 및 MIBS 실시를 위한 공정을 이용한다.
도 24는 pn 접합 다이오드 MIBS 실시를 갖는 에피택셜 실리콘 태양 전지를 제조하기 위한 대표적인 공정 흐름의 실시형태이다. 도 24의 공정 흐름은 선택적 에미터 영역의 무겁게 도핑된 p+ 필드 에미터 및 더욱 무겁게 도핑된 p++ 도핑된 오믹 접촉(p+ 및 p++ 영역 전체는 보론 도핑됨)을 형성하기 위해 2개의 APCVD BSG 공정(이중-BSG 선택적 에미터 공정이라고도 함)을 이용하는 제조 공정 동안 관련된 MIBS pn 접합 다이오드와 함께 고효율 후면 접촉/후면 접합 태양 전지를 제조하기 위한 옵션이 도시된다. 태양 전지 및 MIBS 공통의 기판은 에피택셜 시드 및 리프트 오프 분리층으로 작용하는 희생 다공성 실리콘의 형성 후 재사용 가능한 결정 실리콘 템플레이트 상에 n형 실리콘의 에피택셜 증착에 의해 형성된다(툴 1). 인시투 도핑된 에피택셜층(툴 2에 의해 형성된)은 후면 접촉/후면 접합 태양 전지의 n형 기판 및 베이스 영역을 위한 바람직한 n형 도핑을 갖는다(MIBS pn 접합 다이오드 n형 기판으로도 이용되는). 후면 접촉/후면 접합 전지 가공(패터닝된 M1 층을 통한 전지 가공)의 대부분은, 에피택셜층이 템플레이트에 의해 지지되는 동안 이어서 수행된다. 이러한 공정 단계는 M1 금속화층 형성을 통해 후면 접합/후면 접촉 태양 전지 가공 단계를 완성하기 위해, APCVD(Atmospheric-Pressure Chemical-Vapor Deposition), 펄스 레이저 제거, 로 열 가공(furnace thermal processing), 및 스크린 인쇄 및 패터닝된 M1에 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 합금 페이스트의 경화의 조합을 이용할 수 있다. 이들 공정은, 태양 전지가 재사용 가능한 결정 실리콘 템플레이트 상에 지지되는 동안 수행된다. 다음으로, 백플레인은 템플레이트 상에 태양 전지의 후측에 영구적으로 부착 및 라미네이팅된다(툴 12). 이어서(툴 13에서), 태양 전지, 및 관련된 MIBS는 분리 경계를 정의하기 위해 레이저 스크라이빙, 기계적 리프트 오프 분리, 및 리프팅된 태양 전지의 선택적 레이저 트리밍에 의해 재사용 가능한 템플레이트로부터 리프트 오프 및 분리된다. MIBS 기판 영역을 분할 및 전기적으로 분리하기 위해 트랜치 분리 영역은, 예컨대 실리콘의 전분리 및/또는 태양 전지 및 MIBS 주변부 경계의 후분리 트리밍을 수행하기 위해 이용되는 동일한 펄스 레이저 소스 또는 툴을 이용하여 분리된 백플레인-라미네이팅된 태양 전지로부터 스크라이빙 함으로써 형성된다. 그 후, 남아 있는 백앤드 태양 전지(및 MIBS) 가공 단계가 완료된다(툴 14 내지 18). 이러한 단계는 태양광이 비치는 측의 텍스처링 및 후 텍스처링 웨트 세정(레이저-스크라이빙 분리 트랜치를 세정하고, 트랜치 분리 영역에서의 임의의 레이저-생성된 손상을 제거할 수 있음), PECVD 태양광이 비치는 측의 패시베이팅 7 ARC(MIBS 전면 및 측벽/에지를 패시베이팅함), 및 백플레인 상의 전도성 비아 홀 및 M2 금속화의 최종 고전도성 패터닝(예컨대, 스크린 인쇄, PVD, 및/또는 플레이팅 중 하나 또는 이들의 적당한 조합을 이용함으로써)을 포함한다.
도 24의 공정 흐름에서, 태양 전지를 갖는 MIBS 실시는 임의의 추가적인 제조 공정 툴 또는 공정 단계를 필요로 하지 않는다. 트랜치 분리 영역은 분리 전후에 태양 전지를 스크라이빙 및/또는 트리밍하기 위해 이용되는 동일한 툴 또는 레이저 소스를 이용하여 형성된다. 따라서, MIBS 태양 전지의 실시를 위해 증가하는 비용이 미미하거나 없다. 도 24의 공정 흐름은 대표예로서 제공되지만, 추가되는 제조 공정의 복잡성 또는 비용 없이 태양 전지 및 관련된 MIBS를 제조하기 위해 이러한 공정 흐름의 많은 다른 변형이 가능하다. 도 24의 공정 흐름은 에피택셜 실리콘 리프트 오프 기판 형성을 이용하여 제조된 태양 전지 및 MIBS를 도시 및 기재하지만, 에피택셜 실리콘 리프트 오프 기판 형성 없이 개시 결정 실리콘 웨이퍼 상에 태양 전지 및 관련된 MIBS 장치를 제조하기 위해 유사한 공정 흐름이 이용될 수 있다. 이는 개시 FZ 또는 CZ 또는 캐스트 와이어-소잉 결정 실리콘 웨이퍼를 이용함으로써 행해질 수 있다(그 결과 툴 1 및 2를 제거함). 이 경우에, 리프트 오프 분리가 없을 수 있고, 툴 13에 도시된 공정 단계는 트랜치 분리 영역을 형성할 수 있다. 도 24에 도시된 다른 공정 단계 전체는 에피택셜 실리콘 리프트 오프 가공을 위해 도시되는 것과 동일할 수 있다.
다시, n형 에피택셜 실리콘 층(또는 에피택셜 실리콘 기판 대신에 CZ 또는 FZ 또는 다결정 웨이퍼를 이용하는 경우에 n형 결정 실리콘 웨이퍼)은 태양 전지 및 MIBS 장치의 모놀리식 기판으로 작용한다. 이러한 n형 층은 MIBS pn 접합 다이오드의 n형 기판 영역 및 태양 전지의 흡수체 기판 및 베이스로 작용한다. p+ 필드 에미터 및 p++ 도핑된 에미터 접촉 영역을 형성하는 에미터 공정은 pn 접합 다이오드의 MIBS p+ (및/또는 p++) 영역을 형성한다. n+ 무겁게 도핑된 영역을 형성하기 위해 APCVD PSG 어시스트된(assisted) 공정은 pn 접합 다이오드의 n형 기판 영역에 MIBS 오믹 접촉 및 태양 전지 베이스 오믹 접촉 영역에 이용된다. 태양 전지 M1-M2 금속화는 MIBS pn 접합 다이오드에 접촉을 만들고, 집적된 셰이딩 관리 바이패스 스위치로 태양 전지와 함께 모놀리식 상호연결을 완성한다.
도 25는 단일(이중 대신에) APCVD BSG를 이용하여 선택적 에미터 없이 MIBS pn 접합을 갖는 에피택셜 실리콘 태양 전지를 제조하기 위한 공정 흐름의 실시형태이다. 이 공정 흐름은 무겁게 보론 도핑된 p+ 에미터(이중-BSG 선택적 에미터라고 함)를 형성하기 위해 하나의 APCVD BSG 공정을 이용하는 공정 흐름을 이용하여 고효율 후면 접촉/후면 접합 태양 전지 및 관련된 MIBS를 위한 제조 옵션을 도시한다. 다시, n형 에피택셜 실리콘 층은 태양 전지와 MIBS 장치를 위한 모놀리식 기판으로 작용한다. 이러한 n형 층은 MIBS pn 접합 다이오드의 n형 기판 영역 및 태양 전지의 흡수체 및 베이스 영역으로 작용한다. 또한, p+ 에미터 영역을 형성하는 에미터 공정은 MIBS pn 접합 다이오드의 MIBS p+ 영역을 형성한다. n+ 무겁게 도핑된 영역을 형성하기 위해 APCVD PSG 어시스트되는 공정은, 태양 전지 베이스 오믹 접촉 영역 및 pn 접합 다이오드의 n형 기판 영역에 MIBS 오믹 접촉에 이용된다. 태양 전지 M1-M2 금속화는 MIBS pn 접합 다이오드에 접촉을 만들고, 집적된 셰이딩 관리 바이패스 스위치로 태양 전지와 함께 모놀리식 상호연결을 완성하기 위해 이용된다. 도 25의 공정 흐름이 에피택셜 실리콘 리프트 오프 기판 형성을 이용하여 제조되는 태양 전지 및 MIBS에 대해 도시 및 기재되지만, 에피택셜 실리콘 리프트 오프 기판 형성 없이 개시 결정 실리콘 웨이퍼 상에 태양 전지 및 관련된 MIBS 장치를 제조하기 위해 유사한 공정 흐름이 이용될 수 있다. 이는, 개시 FZ 또는 CZ 또는 캐스트 와이어-소잉 결정 실리콘 웨이퍼를 이용함으로써 행해질 수 있다(그 결과 툴 1 및 2를 제거함). 이러한 경우에, 리프트 오프 분리가 없을 수 있고, 툴 11에 도시된 공정 단계가 트랜치 분리 영역을 형성할 수 있다. 도 25에 도시된 다른 공정 단계 전체는 에피택셜 실리콘 리프트 오프 가공을 위해 도시된 것과 동일할 수 있다.
도 26 내지 31은 MIBS 장치로 이용되는 쇼트키 배리어 다이오드를 갖는 태양 전지를 제조하기 위한 공정 흐름의 실시형태이다. 개시된 공정 흐름의 양태는 개시된 주제에 따라 MIBS 태양 전지를 위한 다양한 다른 가공 기술로 조합 및/또는 확대될 수 있다.
도 26은 MIBS 알루미늄/n형 실리콘 쇼트키 배리어 다이오드를 갖는 에피택셜 태양 전지(선택적 에미터를 갖는 태양 전지)를 제조하기 위한 공정 흐름이다. 도 26의 공정 흐름은, 선택적 에미터 영역(이중-BSG 선택적 에미터라고 함)의 무겁게 도핑된 p+ 필드 에미터 및 더욱 무겁게 도핑된 p++ 도핑된 에미터 오믹 접촉(p+ 및 p++ 영역 전체는 보론 도핑됨)을 형성하기 위해 2개의 APCVD BSG 공정을 이용하는 고효율 후면 접촉/후면 접합 태양 전지와 함께 관련된 MIBS 쇼트키 배리어 다이오드를 제조하기 위한 옵션을 도시한다. 태양 전지 및 MIBS 공통의 기판은 에피택셜 시드 및 리프트 오프 분리층으로 작용하는 희생 다공성 실리콘 층의 형성 후 재사용 가능한 결정 실리콘 템플레이트 상에 n형 실리콘의 에피택셜 증착에 의해 형성된다(툴 1). 인시투 도핑된 에피택셜층(툴 2에 의해 형성된)은 후면 접촉/후면 접합 태양 전지의 베이스에 바람직한 n형 도핑을 갖는다(MIBS 쇼트키 배리어 다이오드 기판으로도 이용되는). 후면 접촉/후면 접합 전지 가공의 대부분은, 에피택셜층이 템플레이트에 의해 지지되는 동안 이어서 수행될 수 있다. 이러한 공정 단계는 M1 금속화층을 통해 후면 접합/후면 접촉 태양 전지 가공 단계를 완성하기 위해, APCVD(Atmospheric-Pressure Chemical-Vapor Deposition), 펄스 레이저 제거, 로 열 가공, 및 스크린 인쇄 및 알루미늄 페이스트의 경화(도 26에서 툴 12를 통해)의 조합을 이용할 수 있다. 이들 공정 전체는, 태양 전지가 재사용 가능한 실리콘 템플레이트 상에 지지되는 동안 수행된다.
하나의 특정 공정 툴은 APCVD PSG/USG 공정 직후 및 MIBS 쇼트키 배리어 다이오드의 제조를 가능하게 하기 위한 로 어닐링 공정 전에 PSG/UGS 층의 펄스 피코세컨(또는 펄스 펨토세컨 또는 나노세컨) 레이저 제거를 수행하기 위해 공정에 추가된다(툴 8). 이러한 단일 추가되는 공정 단계 및 툴은 패터닝된 M1 공정 동안 쇼트키 접촉(알루미늄 또는 n형 실리콘으로 알루미늄-실리콘)의 이어지는 제조를 가능하게 한다. 다음으로, 백플레인은 템플레이트 상에 태양 전지의 후측에 영구적으로 부착 및 라미네이팅된다(툴 13). 이어서(툴 14에서), 태양 전지(및 그 관련된 MIBS)는 재사용 가능한 템플레이트로부터 리프트 오프 및 분리되고(분리 경계를 정의하기 위해 레이저 스크라이빙, 기계적 리프트 오프 분리, 및 리프팅된 태양 전지의 레이저 트리밍에 의해), MIBS 영역을 정의 및 전기적으로 분리하기 위한 트랜치 분리 영역은, 예컨대 실리콘의 전분리 스크라이빙 및/또는 태양 전지 및 MIBS 주변부 경계의 후 분리 트리밍을 수행하기 위해 이용되는 동일한 펄스 레이저 소스 또는 툴을 이용하여 분리된 백플레인-라미네이팅된 태양 전지의 태양광이 비치는 측으로부터 스크라이빙 함으로써 형성된다. 그 후, 남아 있는 백앤드 태양 전지(및 MIBS) 가공 단계는 태양광이 비치는 측의 텍스처링 및 후 텍스처링 웨트 세정(레이저-스크라이빙 분리 트랜치를 세정할 수 있음), PECVD 태양광이 비치는 측의 패시베이팅 및 ARC 증착(MIBS 전면 및 측벽/에지를 패시베이팅할 수도 있음), 및 백플레인 상에 최종 고전도성 M2 금속화(스크린 인쇄, PVD, 및/또는 플레이팅 중 하나 또는 이들의 적당한 조합을 이용하여)을 포함하여 완료된다(툴 15 내지 19).
도 26의 MIBS 쇼트키 다이오드 태양 전지의 실시는, 하나의 추가적인 공정 단계(APCVD PSG/USG 공정 직후 PSG/USG 제거)를 수행하기 위해 오직 하나의 추가적인 제조 공정 툴(툴 8)을 필요로 한다. 트랜치 분리 영역은 분리 전후에 태양 전지를 스크라이빙 및/또는 트리밍하기 위해 사용되는 동일한 툴 또는 레이저 소스를 이용하여 형성될 수 있다. 따라서, 도 26의 대표적인 제조 공정 흐름을 이용하여 태양 전지와 함께 이러한 MIBS 쇼트키 다이오드 실시형태의 실시에 상대적으로 작은 증가되는 비용이 있다. 도 26의 공정 흐름은 에피택셜 실리콘 리프트 오프 기판 형성을 이용하여 제조되는 태양 전지 및 MIBS에 대해 도시 및 기재되지만, 유사한 공정 흐름은, 에피택셜 실리콘 리프트 오프 기판 형성 없이 개시 결정 실리콘 웨이퍼 상에 태양 전지 및 관련된 MIBS 장치를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 이는 개시 FZ 또는 CZ 또는 캐스트 와이어-소잉 결정 실리콘 웨이퍼를 이용함으로써 행해질 수 있다(그 결과 툴 1 및 2는 제거됨). 이러한 경우에, 리프트 오프 분리가 없을 수 있고, 툴 14에 도시되는 공정 단계는 트랜치 분리 영역을 형성할 수 있다. 도 26에 도시되는 다른 공정 단계 전체는 에피택셜 실리콘 리프트 오프 가공을 위해 도시된 것과 동일할 수 있다.
도 26의 공정 흐름은 대표예로 도시되고, 이러한 공정 흐름의 많은 다른 변형은 추가적인 공정의 복잡성 또는 상당한 비용 추가 없이 태양 전지 및 그 관련된 MIBS의 조합을 제조하는 것이 가능하다. 다시, n형 에피택셜 실리콘 층(또는 에피택셜 실리콘 리프트 오프 가공 대신에 웨이퍼를 이용하는 경우에 n형 실리콘 웨이퍼)은 태양 전지와 MIBS 장치의 모놀리식 기판으로 작용한다. 이러한 n형 실리콘 기판 층은 MIBS 쇼트키 배리어 다이오드의 n형 기판 영역(n형 실리콘 쇼트키 접촉에 M1 알루미늄을 포함함) 및 태양 전지의 흡수체 및 베이스로 작용한다. n+ 무겁게 도핑된 영역을 형성하기 위해 APCVD PSG 어시스트된 공정은 태양 전지 베이스 오믹 접촉 및 MIBS 쇼트키 다이오드의 n형 영역에 MIBS 오믹 접촉을 위해 이용될 수 있다. 태양 전지 M1-M2 금속화는 MIBS 쇼트키 배리어 다이오드에 접촉을 만들고, 집적된 셰이딩 관리 바이패스 스위치로서 태양 전지와 모놀리식 상호연결을 완성한다. 도 26의 공정 흐름은, MIBS 장치(쇼트키 배리어 다이오드의 경우)가 하나의 추가되는 단순한 공정 단계(툴 8)를 가지고, 상대적으로 작은 증가되는 MIBS-관련된 제조 비용으로, 임의의 추가적인 재료를 추가하지 않고 고효율 후면 접촉/후면 접합 백플레인-라미네이팅된 태양 전지와 모놀리식으로 집적될 수 있는 것을 도시한다. 도 26의 실시형태는 태양 전지 제조를 위해 이미 사용되는 것과 같은 MIBS 실시를 위한 동일한 재료층 및 공정을 이용할 수 있다.
도 27은 MIBS 알루미늄/n형 실리콘 쇼트키 배리어 다이오드(에미터 없는 태양 전지)를 갖는 에피택셜 태양 전지의 대표적인 제조 공정 흐름을 도시한다. 이러한 공정 흐름은, 무겁게 도핑된 p+ 에미터(단일-BSG 에미터라고 함-선택적 에미터가 없음)를 형성하기 위해 하나의 APCVD BSG 공정을 이용하는 공정 흐름을 이용하여 고효율 후면 접촉/후면 접합 태양 전지와 함께 그 관련된 MIBS 쇼트키 배리어 다이오드를 제조하기 위한 옵션을 도시한다. 이전 흐름(도 26)에 기재된 이중 BSG 대신에 이러한 흐름에서 단일 BSG의 이용을 제외하고, 도 26 및 27의 공정 흐름은 비교할만하다. 도 27의 공정 흐름은 에피택셜 실리콘 리프트 오프 기판 형성을 이용하여 제저된 태양 전지 및 MIBS에 대해 도시 및 기재되지만, 유사한 공정 흐름은 에피택셜 실리콘 리프트 오프 기판 형성 없이 개시 결정 실리콘 웨이퍼 상에 태양 전지 및 관련된 MIBS 장치를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 이는, 개시 FZ 또는 CZ 또는 캐스트 와이어-소잉 결정 실리콘 웨이퍼를 이용함으로써 행해질 수 있다(그 결과 툴 1 및 2는 제거됨). 이러한 경우에, 리프트 오프 분리가 없을 수 있고, 툴 12에 도시되는 공정 단계는 트랜치 분리 영역을 형성할 수 있다. 도 27에 도시되는 다른 공정 단계 전체는 에피택셜 실리콘 리프트 오프 가공을 위해 도시된 것과 동일할 수 있다.
도 28은 MIBS 알루미늄/n형 실리콘 쇼트키 다이오드를 갖는 에피택셜 태양 전지(선택적 에미터 공정 없는 태양 전지)를 위한 다른 대표적인 제조 공정 흐름을 도시한다. 이러한 공정 흐름은 무겁게 도핑된 p+ 에미터(단일-BSG 에미터라고 함-선택적 에미터가 없음)를 형성하기 위해 하나의 APCVD BSG 공정을 이용하는 공정 흐름을 이용하여 고효율 후면 접촉/후면 접합 태양 전지와 함께 그 관련된 MIBS 쇼트키 배리어 다이오드를 제조하기 위한 옵션을 도시한다. 이러한 실시형태에서 MIBS 쇼트키 배리어 다이오드의 제조를 가능하게 하기 위해, 하나의 특정 공정 툴은, 이후 MIBS 쇼트키 접촉에 이용될(M1 알루미늄 또는 알루미늄 실리콘 합금을 이용하여) n형 실리콘 영역을 보호하기 위해 산화물의 언도핑된 층을 증착하기 위해 흐름에 추가된다(툴 5; APCVD USG 또는 언도핑된 산화물). 또한, 이렇게 추가된 툴 5는 p+ 에미터 영역으로부터 태양 전지 n+ 도핑된 영역의 분리를 가능하게 함으로써 태양 전지 공정 흐름에 유리할 수 있다(분리된 접합을 형성함으로써 인접한 접합을 방지하기 위해). 베이스 및 에미터 접촉을 개방하기 위해 이후 이용되는 펄스 피코세컨(또는 펄스 펨토세컨 또는 펄스 나노세컨) 레이저 제거 툴(툴 9)은 MIBS 쇼트키 접촉을 위한 n형 실리콘 영역을 개방하기 위해 이용된다. 이러한 단일 추가된 공정 단계 및 툴(툴 5)은 패터닝된 M1 공정 동안 쇼트키 접촉(n형 실리콘에 알루미늄)의 이후 제조를 가능하게 한다. MIBS 쇼트키 배리어 다이오드를 사용 가능하게 하는 이러한 공정 흐름에 도시된 바와 같이, 이러한 실시형태에서의 태양 전지를 갖는 MIBS 실시는 오직 1 추가적인 공정 단계(두개의 레이저 제거 공정 단계 사이에 APCVD USG)를 수행하기 위해 오직 하나의 추가적인 제조 공정 툴(툴 5)을 필요로 한다. 도 28에서의 공정 흐름은 에피택셜 실리콘 리프트 오프 기판 형성을 이용하여 제조된 태양 전지 및 MIBS에 대해 도시 및 기재되지만, 유사한 공정 흐름은, 에피택셜 실리콘 리프트 오프 기판 형성 없이 개시 결정 실리콘 웨이퍼 상에 태양 전지 및 관련된 MIBS 장치를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 이는 개시 FZ 또는 CZ 또는 캐스트 와이어-소잉 결정 실리콘 웨이퍼를 이용함으로써 행해질 수 있다(그 결과 툴 1 및 2는 제거됨). 이러한 경우에, 리프트 오프 분리가 없을 수 있고, 툴 13에 도시되는 공정 단계는 트랜치 분리 영역을 형성할 수 있다. 도 28에 도시되는 다른 공정 단계 전체는 에피택셜 실리콘 리프트 오프 가공을 위해 도시된 것과 동일할 수 있다.
도 29는 MIBS 알루미늄/n형 실리콘 쇼트키 배리어 다이오드를 갖는 에피택셜 태양 전지(선택적 에미터 공정 있는 태양 전지)를 위한 다른 대표적인 제조 공정 흐름을 도시한다. 이러한 공정 흐름은 선택적 에미터 영역(이중-BSG 선택적 에미터 공정이라고 함)을 위한 무겁게 도핑된 p+ 필드 에미터 및 더욱 무겁게 도핑된 p++ 도핑된 에미터 오믹 접촉(p+ 및 p++ 영역은 보론 도핑됨) 영역을 형성하기 위해 두개의 APCVD BSG 공정을 이용하는 공정 흐름을 이용하여 고효율 후면 접촉/후면 접합 태양 전지와 함께 그 관련된 MIBS 쇼트키 배리어 다이오드를 제조하기 위한 옵션을 도시한다. MIBS 쇼트키 배리어 다이오드의 제조를 가능하게 하기 위해서, 하나의 특정 추가적인 공정은, M1을 갖는 MIBS 쇼트키 접촉 형성을 위한 노출된 가볍게 도핑된 n형 실리콘 영역을 형성하기 위해 펄스 피코세컨(또는 펄스 펨토세컨) 레이저 제거를 수행하기 위해, 존재하는 태양 전지 제조 툴로 수행된다(툴 9는 베이스 및 에미터 접촉 홀을 개방하고, n형 실리콘 쇼트키 접촉 윈도우를 노출하기 위해 사용된다). 이러한 단일 추가된 공정 단계(툴 9에 추가적인 레이저 제거 소스를 추가함으로써 임의의 제공되는 제조 툴을 추가하지 않고 행해질 수 있음)는 패터닝된 M1 제조 공정 동안 쇼트키 접촉(n형 실리콘에 알루미늄)의 이후 제조를 가능하게 한다. MIBS 쇼트키 배리어 다이오드를 가능하게 하는 이러한 공정 흐름에 도시된 바와 같이, 이 실시형태에서 태양 전지와의 MIBS 실시는 오직 하나의 추가적인 공정 단계를 필요로 한다(노출된 가볍게 도핑된 n형 실리콘 영역을 형성하기 위해 n+ 실리콘 제거를 수행하기 위해 존재하는 접촉 제거 툴-툴 9로 행해질 수 있음). 앞서 기재된 공정 흐름은, MIBS 장치(쇼트키 배리어 다이오드의 경우)가 임의의 추가적인 재료 또는 재료층을 추가하지 않고, 오직 하나의 추가된 공정 단계(베이스 및 에미터 접촉 개방부를 형성하기 위해 이용되는 공유된 태양 전지의 제조 툴 9에서 수행되는)를 가지고, 매우 작게 증가되는 MIBS 관련된 제조 비용으로 고효율 후면 접촉/후면 접합 백플레인-라미네이팅된 태양 전지와 모놀리식 및 쉽게 집적될 수 있다는 것을 증명한다. 도 29의 공정 흐름은 에피택셜 실리콘 리프트 오프 기판 형성을 이용하여 제조되는 태양 전지 및 MIBS에 대해 도시 및 개시되지만, 유사한 공정 흐름은 에피택셜 실리콘 리프트 오프 기판 형성 없이 개시 결정 실리콘 웨이퍼 상에 태양 전지 및 관련된 MIBS 장치를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 이는 개시 FZ 또는 CZ 또는 캐스트 와이어-소잉 결정 실리콘 웨이퍼를 이용함으로써 행해질 수 있다(그 결과 툴 1 및 2는 제거됨). 이러한 경우에, 리프트 오프 분리가 없을 수 있고, 툴 13에 도시되는 공정 단계는 트랜치 분리 영역을 형성할 수 있다. 도 29에 도시되는 다른 공정 단계 전체는 에피택셜 실리콘 리프트 오프 가공을 위해 도시된 것과 동일할 수 있다.
도 30은 MIBS 알루미늄/n형 실리콘 쇼트키 배리어 다이오드를 갖는 에피택셜 태양 전지(선택적 에미터 공정 있는 태양 전지)를 위한 다른 대표적인 제조 공정 흐름을 도시한다. 이러한 공정 흐름은 무겁게 도핑된 p+ 에미터 영역(단일-BSG 선택적 에미터라고 함)을 형성하기 위해 하나의 APCVD BSG 공정을 이용하는 공정 흐름을 이용하여 고효율 후면 접촉/후면 접합 태양 전지와 함께 그 관련된 MIBS 쇼트키 배리어 다이오드를 제조하기 위한 옵션을 도시한다. MIBS 쇼트키 배리어 다이오드의 제조를 가능하게 하기 위해서, 하나의 특정 추가적인 공정은, 패터닝된 M1을 갖는 MIBS 쇼트키 접촉 형성을 위한 노출된 가볍게 도핑된 n형 실리콘 영역을 형성하기 위해 펄스 피코세컨(또는 펄스 펨토세컨 또는 펄스 나노세컨) 레이저 제거를 수행하기 위해, 존재하는 태양 전지 제조 툴로 수행된다(툴 7은 베이스 및 에미터 접촉 홀을 개방하기 위해 사용된다). 이러한 단일 추가된 공정 단계(임의의 제공되는 제조 툴을 추가하지 않고 행해질 수 있음)는 패터닝된 M1 형성 공정 동안 쇼트키 접촉(n형 실리콘에 알루미늄)의 이어지는 제조를 가능하게 한다. MIBS 쇼트키 배리어 다이오드를 가능하게 하는 이러한 공정 흐름에 도시된 바와 같이, 이 실시형태에서 태양 전지와의 MIBS 실시는 오직 하나의 추가적인 공정 단계를 필요로 한다(노출된 가볍게 도핑된 n형 실리콘 영역을 형성하기 위해 n+ 실리콘 제거를 수행하기 위해 존재하는 접촉 제거 툴-툴 7로 행해질 수 있음). 앞서 기재된 공정 흐름은, MIBS 장치(쇼트키 배리어 다이오드의 경우)가 임의의 추가적인 재료 또는 재료층을 추가하지 않고, 오직 하나의 추가된 공정 단계(베이스 및 에미터 접촉 개방부를 형성하기 위해 이용되는 공유된 태양 전지의 제조 툴 7에서 수행되는)를 가지고, 매우 작게 증가되는 MIBS 관련된 제조 비용으로 고효율 후면 접촉/후면 접합 백플레인-라미네이팅된 태양 전지와 모놀리식 및 쉽게 집적될 수 있다는 것을 증명한다. 도 30의 공정 흐름은 에피택셜 실리콘 리프트 오프 기판 형성을 이용하여 제조되는 태양 전지 및 MIBS에 대해 도시 및 개시되지만, 유사한 공정 흐름은 에피택셜 실리콘 리프트 오프 기판 형성 없이 개시 결정 실리콘 웨이퍼 상에 태양 전지 및 관련된 MIBS 장치를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 이는 개시 FZ 또는 CZ 또는 캐스트 와이어-소잉 결정 실리콘 웨이퍼를 이용함으로써 행해질 수 있다(그 결과 툴 1 및 2는 제거됨). 이러한 경우에, 리프트 오프 분리가 없을 수 있고, 툴 11에 도시되는 공정 단계는 트랜치 분리 영역을 형성할 수 있다. 도 30에 도시되는 다른 공정 단계 전체는 에피택셜 실리콘 리프트 오프 가공을 위해 도시된 것과 동일할 수 있다.
도 31은 MIBS 알루미늄/n형 실리콘 쇼트키 배리어 다이오드를 갖는 에피택셜 태양 전지(인시투-도핑된 에피택셜 p++/p+ 에미터를 갖는 태양 전지)를 위한 다른 대표적인 제조 공정 흐름을 도시한다. 이러한 공정 흐름은 인시투 p++/p+ 에미터(n형 베이스 영역의 형성 후 에피택셜 실리콘 공정의 마지막에 증착된)를 갖는 에피택셜 증착을 이용하는 공정 흐름을 이용하여 고효율 후면 접촉/후면 접합 태양 전지와 함께 그 관련된 MIBS 쇼트키 배리어 다이오드를 제조하기 위한 옵션을 도시한다. 이러한 인시투 에미터 공정은 APCVD BSG 에미터 도핑이 필요 없다(에미터 접합이 에피택셜 실리콘 공정 동안 이미 인시투 형성되기 때문에). 쇼트키 배리어 다이오드의 제조는, 산화물 레이저 제거를 이용하여 베이스 및 에미터 접촉 개방부를 개방하고, 펄스 나노세컨 레이저 어닐링을 이용하여 후 접촉 어닐링 하기 위해 이용되는 것과 동일한 공정 툴인 툴 6을 이용하여 p++/p+ 인시투-형성된 에미터 실리콘의 레이저 제거에 의해 n형 실리콘 개방을 이용하여 수행된다. 이는 MIBS 기판 영역 상에 n형 실리콘 쇼트키 접촉 상의 M1(알루미늄)의 형성을 가능하게 한다. 태양 전지 및 MIBS 공통의 기판은 베이스 영역(에피택셜 실리콘 층 두께의 큰 일부의) 및 그후 p+ 도핑된 에피택셜 에미터의 박층 후, p++ 도핑된 에미터 접촉층의 박층에 n형 실리콘 도핑으로 최초에 실리콘의 에피택셜 증착됨으로써 형성된다. 인시투-도핑된(베이스 및 에미터) 에피택셜층은, 에피택셜 시드 및 리프트 오프 분리층으로 작용하는 희생 다공성 실리콘(툴 1)의 형성 후 재사용 가능한 결정 실리콘 템플레이트 상에 형성된다. 인시투 도핑된 에피택셜층(툴 2에 의해 형성된)은 후면 접촉/후면 접합 태양 전지의 n형 베이스(MIBS 쇼트키 배리어 다이오드 기판으로도 이용되는)에 바람직한 n형 베이스 도핑, 및 태양 전지 에미터 영역에 p++/p+ 도핑을 갖는다. 후면 접촉/후면 접합 전지 가공(패터닝된 M1 층을 통한 가공)의 대부분은, 에피택셜층이 템플레이트에 의해 지지되는 동안 이어서 수행된다. 이러한 공정 단계는 M1 금속화층을 통해 후면 접합/후면 접촉 태양 전지 가공 단계를 완성하기 위해, APCVD(Atmospheric-Pressure Chemical-Vapor Deposition), 펄스 레이저 제거 및 어닐링, 및 스크린 인쇄 및 알루미늄 페이스트(도 31의 툴 8을 통해)의 경화의 조합을 이용할 수 있다. 이들 공정 전체는, 태양 전지가 재사용 가능한 결정 실리콘 템플레이트 상에 지지되는 동안 수행된다. MIBS 쇼트키 배리어 다이오드의 제조를 가능하게 하기 위해서, 하나의 특정 추가적인 공정은, 패터닝된 M1을 갖는 MIBS 쇼트키 접촉 형성을 위한 노출된 가볍게 도핑된 n형 실리콘 영역을 형성하기 위해 p++/p+ 실리콘층의 펄스 피코세컨(또는 펄스 펨토세컨 또는 펄스 나노세컨) 레이저 제거를 수행하기 위해, 존재하는 태양 전지 제조 툴로 수행된다(툴 6은 베이스 및 에미터 접촉 홀을 개방하기 위해 사용된다). 이러한 단일 추가된 공정 단계(임의의 제공되는 제조 툴을 추가하지 않고 행해질 수 있음)는 M1 공정 동안 쇼트키 접촉(n형 실리콘에 알루미늄)의 이후 제조를 가능하게 한다. 다음으로, 백플레인은 템플레이트 상에 태양 전지의 후측에 영구적으로 부착 및 라미네이팅된다(툴 9). 이어서(툴 10에서), 태양 전지(및 그 관련된 MIBS)는 재사용 가능한 템플레이트로부터 리프트 오프 및 분리되고(분리 경계를 정의하기 위해 레이저 스크라이빙, 기계적 리프트 오프 분리, 및 리프팅된 태양 전지의 레이저 트리밍에 의해), MIBS 영역을 분할 및 전기적으로 분리하기 위한 트랜치 분리 영역은, 일부 예에서 실리콘의 전분리 스크라이빙 및/또는 태양 전지 및 MIBS 주변부 경계의 후 분리 트리밍을 수행하기 위해 이용되는 동일한 펄스 레이저 소스 또는 툴을 이용하여 분리된 백플레인-라미네이팅된 태양 전지의 태양광이 비치는 측으로부터 스크라이빙 함으로써 형성된다. 그 후, 남아 있는 백앤드 태양 전지(및 MIBS) 가공 단계는, 태양광이 비치는 측의 텍스처링 & 후 텍스처링 웨트 세정(또한, 레이저 스크라이빙되는 분리 트랜치를 세정함), PECVD 태양광이 비치는 측의 패시베이팅 및 ARC 형성(MIBS 전면 및 측벽/에지를 패시베이팅함), 및 백플레인 상의 전도성 비아 플러그 및 최종 고전도성 M2 금속화(스크린 인쇄, PVD, 및/또는 플레이팅 중 하나 또는 이들의 적당한 조합을 이용하여)을 포함하여 완료된다(툴 11 내지 15). MIBS 쇼트키 배리어 다이오드를 가능하게 하는 이러한 공정 흐름에 도시된 바와 같이, 이 실시형태에서 태양 전지와의 MIBS 실시는 오직 하나의 추가적인 공정 단계를 필요로 한다(노출된 가볍게 도핑된 n형 실리콘 영역을 형성하기 위해 p++/p+ 실리콘 제거를 수행하기 위해 존재하는 접촉 제거 툴-툴 6으로 행해질 수 있음). 트랜치 분리 공정은 분리 전후에 태양 전지를 스크라이빙 및/또는 트리밍하기 위해 사용되는 동일한 툴 또는 레이저 소스를 이용하여 형성된다. 따라서, 이러한 특정 대표적인 제조 공정 흐름을 이용하여 태양 전지와 함께 본 발명의 MIBS 쇼트키 다이오드의 실시형태의 실시에 필수적으로 꽤 작은 증가되는 비용이 있다. 공정 흐름은 대표예로 도시되고, 이러한 공정 흐름의 많은 다른 변형은, 추가되는 제조 공정의 복잡성 또는 비용 없이 태양 전지 및 그 관련된 MIBS 장치의 조합을 제조하기 위해 가능하다. 다시, n형 에피택셜 실리콘층은 태양 전지 및 MIBS 장치에 모놀리식 기판으로 작용한다. 이러한 n형 기판층은 MIBS 쇼트키 배리어 다이오드의 n형 기판 영역(n형 실리콘 쇼트키 접촉에 M1 알루미늄을 포함함) 및 태양 전지의 흡수체 및 베이스 영역으로 작용한다. n+ 무겁게 도핑된 영역을 형성하기 위해 APCVD PSG 어시스트된 공정은 태양 전지 베이스 오믹 접촉 및 MIBS 쇼트키 배리어 다이오드의 n형 기판 영역에 MIBS 오믹 접촉을 위해 이용될 수 있다. 태양 전지 M1-M2 금속화는 MIBS 쇼트키 배리어 다이오드에 접촉을 만들고, 집적된 셰이딩 관리 바이패스 스위치로서 태양 전지와 모놀리식 상호연결을 완성하기 위해 이용된다. 앞서 기재된 공정 흐름은, MIBS 장치(쇼트키 배리어 다이오드의 경우)가 오직 하나의 추가되는 공정 단계(베이스 및 에미터 접촉 개방부를 형성하기 위해 이용되기도 하는 공유된 태양 전지 제조 툴 6으로 수행될 수 있음)를 가지고, 증가되는 MIBS-관련된 제조 비용이 매우 낮고, 임의의 추가적인 재료 또는 재료층을 추가하지 않고 고효율 후면 접촉/후면 접합 백플레인-라미네이팅된 태양 전지와 모놀리식으로 및 쉽게 집적될 수 있는 것을 증명한다. 본 발명의 실시형태는 태양 전지 제조를 위해 이미 사용되는 것과 같은 MIBS 실시를 위한 동일한 재료층 및 공정을 이용한다.
앞서 설명한 대표적인 공정 흐름은 주요 태양 전지 공정 흐름에 미미하거나 작은 비용을 추가하여 모놀리식 제조 공정을 이용하여 태양 전지를 갖는 쇼트키 배리어 다이오드 또는 pn 접합 다이오드 MIBS 장치를 실시하기 위해 본 발명의 몇 가지 실시형태를 도시한다.
주변부 MIBS 다이오드는 n형 영역(도 16에 도시된 바와 같이) 또는 MIBS 실리콘 림의 n형 실리콘 영역에 분산된 단편화된 p+ 도핑된 섬(도 32에 도시된 바와 같이) 사이에 샌드위칭된 연속 폐쇄된-루프 p+ 도핑된 접합을 가질 수 있다. 단편화된 p+ 도핑된 섬은 모놀리식으로 집적된 태양 전지 및 MIBS 기판의 외부 에지로부터 M2가 다소 파이도록 할 수 있다. 또한, 하나의 단편화된 섬 디자인이 도 32에 도시되지만, 다른 단편화된 디자인도 가능하다.
도 32는 MIBS n형 실리콘 기판 영역(M1 금속화 전으로 도시됨) 내에 복수의 단편화된 pn 접합 영역 또는 섬을 갖는 MIBS 후면 접촉/후면 접합 태양 전지의 평면도를 도시하는 도면이다. 태양 전지 섬(220)은, n 도핑된 영역(222) 및 pn 접합 섬 영역(224)을 포함하는 MIBS 림 영역으로부터 태양 전지(220)를 분할 및 분리하는 트랜치 분리 영역(226)에 의해 둘러싸이고, 전체는 원래 공통의 인접하고, 후에 분할되는 태양 전지 반도체 기판으로부터 형성되고, 공통의 인접한 백플레인을 공유한다. 이러한 구조체에서, 태양 전지 섬(222)은 전주부 폐쇄된 루프 트랜치 분리에 의해 전주부 림 pn 접합 다이오드로부터 분할 및 분리된다. MIBS pn 접합 다이오드에 대해 도 32에 도시된 것과 동일한 디자인은 쇼트키 배리어 다이오드에 적용될 수 있고, 여기서 섬 영역(226)은 n형 실리콘 쇼트키 접촉 영역에 M1 알루미늄이다.
도 33a는 도 32에 도시된 것과 같은 MIBS n형 실리콘 기판 영역(대표적인 M1 패턴과 함께 M1 금속화 후 도시됨) 내에 복수의 단편화된 pn 접합 영역 또는 섬을 이용하여 대표적인 MIBS 림 다이오드를 위한 제1레벨 금속화 패턴(M1)의 실시형태의 평면도를 도시하는 도면이다. 도 33b는 설명의 목적으로 제공되는 도 33a의 확대된 부분도이다. MIBS 림 다이오드 및 태양 전지의 치수는 스케일대로 도시되지 않았다. 이러한 특정 예는 전주부 폐쇄된 루프 트랜치 분리를 이용하여 전주부 림 pn 접합 다이오드로부터 분할 및 분리되는 주요 태양 전지 섬을 도시한다. 이러한 디자인은 메시형(mesh type) M1 패턴이 MIBS 장치의 n형 실리콘 기판 영역에 오믹 접촉을 하도록 해준다(그 결과, 다른 M2 디자인의 대안이 태양 전지에 MIBS 장치의 M2-M1 상호연결을 하도록 해준다). MIBS pn 접합 다이오드를 위한 앞서 도시된 동일한 디자인은 쇼트키 배리어 다이오드에 적용될 수 있다(림 섬은 n형 실리콘 쇼트키 접촉 영역에 M1 알루미늄이다).
도 33a 및 33b는 MIBS 다이오드 p+ 및 n형 기판 오믹 접촉을 형성하는 알루미늄 금속화 접촉 및 예컨대 알루미늄, 핑거(235)의 부스바 없는 맞물려진 태양 전지 베이스 및 에미터 금속(M1)을 도시한다. 트랜치 분리 영역(244)은 MIBS 바이패스 다이오드 영역으로부터 태양 전지를 분할 및 분리한다. 알루미늄 접촉 금속은, 베이스 금속화 핑거(236)로 도시되는 태양 전지의 n-도핑된 영역 상에, n 도핑된 영역 금속화 접촉(234)으로 도시되는 MIBS 바이패스 다이오드(230)의 n-도핑된 영역 상에 위치한다(오믹 접촉은 n+ 접촉 확산 영역을 통해 만들어진다). 알루미늄 접촉 금속은, 에미터 금속화 핑거(238)로 도시되는 태양 전지의 p+ 도핑된 영역 상에, p+ 도핑된 영역 금속화 접촉(242)으로 도시되는 MIBS 바이패스 다이오드(232)의 p+ 도핑된 영역 상에 위치한다(접촉은 p+ 접촉 확산 영역을 통해 만들어진다). 패터닝된 M1 알루미늄 금속화층은 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 페이스트 층의 스크린 인쇄에 의해 또는 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 합금의 물리 증기 증착(PVD) 후 패터닝 공정에 의해 형성될 수 있다. 알루미늄 층의 두께는 PVD에 의해 형성되는 M1 알루미늄에 1 미크론의 일부 내지 몇 미크론의 범위, 알루미늄 페이스트의 스크린 인쇄에 의해 형성되는 알루미늄에 몇 미크론 내지 수십 미크론(예컨대 약 20 미크론)의 범위일 수 있다.
Al/n-Si 쇼트키 배리어 다이오드 MIBS에 있어서, 쇼트키 접촉의 n형 실리콘 상에 알루미늄 접촉은 실리콘으로 알루미늄 스파이킹의 가능성을 완화 또는 제거하기 위해 일부 실리콘이 추가되는 알루미늄의 합금 또는 순수한 알루미늄으로 제조되는 페이스트일 수 있다(태양 전지 M1 단일 인쇄 또는 이중 인쇄에 이용되는 동일한 페이스트).
선택적으로, MIBS pn 접합 다이오드에서의 임의의 태양 광 발생 효과는, MIBS 림 다이오드 상에 전면 재조합 속도(FSRV)를 실질적으로 증가시키고 패시베이팅을 열화시키기 위해, 태양 전지의 태양광이 비치는 측 상에 MIBS 다이오드 림의 선끝(end-of-the-line) 레이저 조사를 포함하는 몇가지 기술 중 하나에 의해 억제 또는 완화될 수 있다. 또는, MIBS 다이오드 림 표면은 적합한 저가의 흑광 차단 잉크로 코팅될 수 있고, 이러한 광-차단 잉크는 잉크젯 또는 스크린 인쇄에 의해 적용될 수 있다. 또는, pn 접합 접촉의 M1 금속 접촉 영역 범위를 최대화하고, 따라서 MIBS 장치(및 태양 전지 내가 아님) 내에 금속 접촉 재조합 손실을 증가하는 M1 패턴 디자인이 이용될 수 있다.
앞서 기재된 금속화 구조체는 2레벨의 금속화 도식에서 M1 및 M2 층의 조합을 이용하여 태양 전지 및 MIBS 다이오드(예컨대 pn 접합 다이오드 또는 쇼트키 배리어 다이오드)의 금속화 및 상호연결을 갖는다. 다른 금속화 구조체에서, M1 레벨 및 M2에서 일어나는 MIBS의 전체 금속화는 태양 전지의 최종 고전도성 금속화에만 이용된다. 이러한 접근은, MIBS pn 접합 또는 쇼트키 다이오드가 소형 전지 또는 타일드(tiled) 소형 전지 전지 어레이의 어레이로 집적되고, 도 15에 도시된 바와 같은 마스터 전지(직렬 연결된 소형 전지 또는 트랜치 분리 타일로 제조된 마스터 전지)를 형성하는 경우에 특히 매력적일 수 있다. 또한, M1 레벨에서 MIBS의 전체 금속화는 타일드 전지 없는 태양 전지로 이용될 수 있다.
관련된 태양 전지에 오직 M1 MIBS 금속화 및 MIBS 다이오드(pn 접합 다이오드 또는 쇼트키 배리어 다이오드) 상호연결은 이하를 가능하게 한다: (i) M2가 태양 전지의 맞물려진 M1 핑거 상에 놓이는 전도성 M2-M1 비아 플러그를 통해 태양 전지 금속화 및 상호연결하기 위해서만 제공되게 함; (ii) MIBS 다이오드 금속화 영역 상에 놓이는 M2-M1 비아 플러그의 제거; (iii) 구리 플레이팅을 이용하는 경우에 일측에 M2 구리 플레이팅과 같은 소정의 M2 금속화 공정에 매력적일 수 있는 전체 MIBS-집적된 태양 전지 주변부 에지에 대해 M2가 파이고, 오프셋 되도록 함.
도 34a는 도 16에 도시된 것과 같은 주변부 MIBS 림 pn 접합 다이오드를 갖는 후면 접촉/후면 접합 태양 전지의 제1레벨 금속화 및 MIBS/태양 전지 상호연결 패턴(M1)의 평면도를 도시하는 도면이다. 도 34의 구조에서, 제1레벨 금속(M1 금속화 패턴)은 M1 만을 이용하여 태양 전지 및 관련된 MIB pn 접합 다이오드 장치를 완전히 상호연결하기 위해 이용되고, 따라서 전도성 M2-M1 비아 플러그가 태양 전지의 맞물려진 에미터 및 베이스 M1 핑거 상에 놓이고, 연결되는 경우, 최종 태양 전지 금속화에 배타적으로 임의의 추가적인 금속화층(예컨대 백플레인에 걸쳐 형성된 M2 금속화)를 이용할 수 있다.
도 34b는 설명의 목적으로 제공되는 도 34a의 확대된 부분도이다. 도 34a 및 34b의 구조체는 MIBS 다이오드 p+ 및 n형 기판 오믹 접촉을 형성하는 알루미늄 금속화 접촉 및 맞물려진 태양 전지 베이스 및 에미터 금속(M1), 예컨대 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 합금, 맞물려진 핑거(250)를 포함한다. 트랜치 분리 영역(260)은 MIBS 바이패스 다이오드 영역으로부터 태양 전지를 분할 및 분리한다. 알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 합금 접촉 금속은, 베이스 금속화 핑거(256)로 도시되는 태양 전지의 n-도핑된 영역 상에, 및 n 도핑된 영역 금속화 접촉(264)으로 도시되는 MIBS 바이패스 다이오드(252)의 n-도핑된 영역 상에 위치한다(접촉은 n+ 접촉 확산 영역을 통해 만들어진다). 알루미늄 접촉 금속은 에미터 금속화 핑거(258)로 도시되는 태양 전지의 p+ 도핑된 영역 상에, 및 p+ 도핑된 영역 금속화 접촉(262)으로 도시되는 MIBS 바이패스 다이오드(254)의 p+ 도핑된 영역 상에 위치한다(접촉은 p+ 접촉 확산 영역을 통해 만들어진다).
마찬가지로, 도 34a 및 b는 n형 실리콘 쇼트키 배리어 다이오드 상에 알루미늄을 이용하여 전주부 림 다이오드에 제1레벨 금속화 및 MIBS/태양 전지 상호연결 패턴(M1)를 도시하기 위해 이용될 수 있다. 상기와 같이, 이러한 경우에 제1레벨 금속(M1 금속화 패턴)은 M1만을 이용하여 태양 전지 및 관련된 MIB 쇼트키 배리어 다이오드 장치를 완전히 상호연결하기 위해 이용되고, 따라서 임의의 추가적인 금속화층(예컨대 백플레인에 걸쳐 M2 금속화층)은, 전도성 M2-M1 비아 플러그가 태양 전지의 맞물려진 에미터 및 베이스 M1 핑거 상에 놓이고, 연결되는 경우, 최종 태양 전지 금속화에 배타적으로 이용될 수 있다.
도 34a 및 b에 관해 기재된 바와 같은 n형 실리콘 쇼트키 배리어 다이오드의 실시 항에 알루미늄을 이용하는 전주부 림 다이오드레 제1레벨 금속화 및 MIBS/태양 전지 상호연결 패턴(M1)에 있어서, 전지는 부스바 없는 맞물려진 태양 전지 베이스 및 에미터 금속(알루미늄) 오믹 핑거(250) 및 MIBS 다이오드 쇼트키 및 오믹 접촉을 형성하는 알루미늄 금속화 접촉을 포함한다. 알루미늄 접촉 금속은 베이스 금속화 오믹 핑거(256)로 도시되는 태양 전지의 n-도핑된 영역 상에, 및 n 도핑된 영역 금속화 오믹 접촉(264)으로 도시되는 MIBS 쇼트키 바이패스 다이오드(252)의 오믹 접촉 n-도핑된 영역 상에 위치한다(n-도핑된 실리콘과 접촉하는 n+ 접촉 확산 영역). 알루미늄 접촉 금속은 에미터 금속화 오믹 핑거(258)로 도시되는 태양 전지의 p+ 도핑된 영역 상에 위치한다(p+ 접촉 확산 영역을 통해). 알루미늄 쇼트키 접촉 금속(262)은, MIBS 바이패스 다이오드(254)의 가볍게 도핑된 n형 영역 상에, 예컨대 n형 표면 상에만 위치한다.
MIBS 실시형태는 인접한 백플레인과 연관되고, 다공성 실리콘 희생 및 에피택셜 실리콘 리프트 오프 가공에 의해 형성되는 박형(200 ㎛ 미만의 두께, 100 ㎛ 미만의 두께) 결정 실리콘 흡수층을 이용하여 후면 접촉 후면 접합 결정 실리콘 태양 전지와 함께 여기에 기재되지만, 개시된 주제에 따르는 MIBS 실시형태는, 그것에 한정되지 않지만, 이하를 포함하는 다른 태양 전지 및 PV 모듈 실시에 적용될 수 있다:
-양성자 또는 수소 이온 주입 및 박리, 금속 스트레스 유도된 박형 실리콘 박리, 또는 슬러리 또는 다이아몬드 와이어 소잉에 의해 제조된 임의의 두께의 결정 실리콘 웨이퍼와 같은 커프리스(kerfless) 박형 실리콘 박리 기술에 의해 제조되는 결정 실리콘으로 제조되는 태양 전지 기판 및 얻어지는 태양 전지.
-결정 갈륨 비소, 갈륨 니트라이드, 게르마늄, 실리콘 카바이드, 다른 화합물 반도체 등과 같은 다른 결정 반도체 재료를 이용하여 제조된 태양 전지.
-비-IBC 후면 접촉 태양 전지(그것에 한정되지 않지만 MWT를 포함함)
-전면 접촉 태양 전지 및 이러한 전면 접촉 전지를 포함하는 PV 모듈
-백플레인에 부착되는 태양 전지 웨이퍼를 갖는 와이어 소잉 및 다른 웨이퍼링 기술을 이용하여 제조된 결정 반도체 웨이퍼(예컨대 CZ 또는 FZ 단결정 실리콘 웨이퍼 또는 캐스트 다결정 실리콘 웨이퍼)로부터 제조되는 후면 접촉/후면 접합 및 전면 접촉 태양 전지를 포함하는 웨이퍼 기반의 태양 전지.
후면 접촉/후면 접합 전지는, MIBS 실시형태가 최종 모듈 어셈블리에 해로운 영향을 미치지 않고 실시될 수 있는 일부 적용 시에 유리할 수 있다. 전지(예컨대 후면 접촉/후면 접합(IBC) 태양 전지, 예컨대 백플레인 상에 지지된 박형 결정 반도체)의 후측 상에 리드된 에미터 및 베이스 상호연결의 이용 가능성은 다양한 MIBS 실시형태에 유리하다.
또한, 여기에 개시된 태양 전지의 실시형태는 유리 커버 없이 유연한 경량의 광기전 모듈 라미네이트 또는 강성인 유리 커버된 모듈과 같은 다양한 재료로 전지 모듈로 패키징될 수 있다.
실시예의 앞선 설명은 임의의 당업자가 청구된 주제를 이용하거나 제조를 가능하게 하기 위해 제공된다. 이 실시예에 각종 변경은 당업자에게 명백하고, 여기에 정의되는 일반적인 원리는 혁신적인 노력을 하지 않고 다른 실시예에 적용될 수 있다. 따라서, 청구된 주제는 여기에 나타낸 실시예에 한정되는 것이 아니고, 여기에 개시된 원리 및 새로운 특징과 일치하는 가장 넓은 범위에 따르는 것으로 의되되는 것이다.
Claims (32)
- 백그라운드 도핑, 광 수신 전측, 및 상기 광 수신 전측과 반대쪽인 후측을 갖는 반도체층;
상기 반도체층 후측 상에 위치하는 패터닝된 제1레벨 금속층(M1);
상기 제1레벨 금속층 상에 위치하는 전기 절연성 인접한 백플레인 지지 시트;
상기 전기 절연성 인접한 백플레인 지지 시트 상에, 상기 반도체층을 적어도 하나의 태양 전지 반도체 영역과 적어도 하나의 모놀리식으로 집적된 바이패스 스위치로 분할하는 트랜치 분리 패턴;
상기 전기 절연성 인접한 백플레인 지지 시트 상에 위치하는 패터닝된 제2레벨 금속층(M2); 및
상기 패터닝된 제2레벨 금속층의 선택 부분과 상기 패터닝된 제1레벨 금속층의 선택 부분을 상호연결하는 상기 전기 절연성 인접한 백플레인 지지 시트를 통해 형성되는 복수의 전기 전도성 비아 플러그;를 포함하고,
상기 패터닝된 제1레벨 금속층, 상기 패터닝된 제2레벨 금속층, 및 상기 복수의 전기 전도성 비아 플러그는 상기 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체의 상호연결 및 전기 금속화를 완성하도록 고안되는, 모놀리식으로 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 반도체층은 단결정 템플레이트 상에 에피택셜 실리콘 증착에 의해 형성되는 단결정 실리콘층인 것인, 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 반도체층은 다결정 실리콘 템플레이트 상에 에피택셜 실리콘 증착에 의해 형성되는 다결정 실리콘층인 것인, 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 반도체층은 개시 초크랄스키 (CZ, Czochralski) 단결정 웨이퍼를 이용함으로써 형성되는 단결정 실리콘층인 것인, 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 반도체층은 개시 플로트 존 (FZ, Float Zone) 단결정 웨이퍼를 이용함으로써 형성되는 단결정 실리콘층인 것인, 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 반도체층은 개시 다결정 웨이퍼를 이용함으로써 형성되는 다결정 실리콘층인 것인, 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 백그라운드 도핑은 n형 흡수체 및 베이스를 갖는 태양 전지를 제조하기 위해 n형 도핑인 것인, 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 태양 전지는 후면 접촉 태양 전지인 것인, 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 태양 전지는 맞물려진 후면 접촉(IBC) 태양 전지인 것인, 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 바이패스 스위치는 pn 접합 다이오드인 것인, 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 바이패스 스위치는 쇼트키 배리어 다이오드인 것인, 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 패터닝된 제1레벨 금속(M1)은 부스바 없는(busbarless) 베이스 및 에미터 핑거의 맞물려진 패턴인 것인, 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 패터닝된 제2레벨 금속(M2)은 태양 전지 부스바를 갖는 베이스 및 에미터 핑거의 맞물려진 패턴인 것인, 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 패터닝된 제2레벨 금속(M2)은 상기 패터닝된 제1레벨 금속(M1)과 실질적으로 직각인 것인, 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 반도체층의 두께는 약 1 미크론 내지 약 200 미크론의 범위인 것인, 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 전기 절연성 인접한 백플레인 지지 시트의 두께는 약 50 미크론 내지 약 250 미크론인 것인, 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 전기 절연성 인접한 백플레인 지지 시트는 상기 반도체층에 맞추어 상대적으로 근접한 열팽창계수를 갖는 유연한 재료인 것인, 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체는 유연하고, 유연한 경량의 광기전 모듈 라미네이트로 패킹되는 것인, 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 태양광-수신 전측은 패시베이팅 및 반사 방지 코팅을 갖는 것인, 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체에 대한 상기 트랜치 분리 패턴의 면적비는 1 % 이하인 것인, 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 태양 전지 반도체 영역에 대한 상기 모놀리식으로 집적된 바이패스 스위치 반도체 영역의 면적비는 1 % 이하인 것인, 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 전기 절연성 인접한 백플레인 지지 시트는 유연한 프리프레그 시트인 것인, 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 전기 절연성 인접한 백플레인 지지 시트는 유연한 아라미드 섬유 및 수지 프리프레그 시트인 것인, 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 반도체층은 실리콘, 게르마늄, 갈륨 비소(gallium arsenide), 갈륨 니트라이드, 갈륨 포스파이드(gallium phosphide), 다른 III-V 반도체, 또는 이들의 조합의 군에서 적어도 하나의 결정 반도체 재료인 것인, 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 태양 전지 및 상기 바이패스 스위치는 상기 전기 절연성 인접한 백플레인 지지 시트를 공유하고, 상기 패터닝된 제1레벨 금속(M1), 상기 제2레벨 금속(M2), 및 상기 복수의 전기 전도성 비아 플러그를 포함하는 모놀리식 상호연결 구조체를 공유하는 것인, 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 바이패스 스위치는 상기 태양 전지를 둘러싸는 전주부 림 다이오드(full-periphery rim diode)이고, 상기 트랜치 분리 패턴에 의해 상기 태양 전지로부터 분리되는 것인, 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 바이패스 스위치는 상기 태양 전지의 적어도 일측 상에 위치하는 다이오드이고, 상기 트랜치 분리 패턴에 의해 상기 태양 전지로부터 분리되는 것인, 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 바이패스 스위치는 상기 태양 전지의 적어도 하나의 코너 상에 위치하는 다이오드이고, 상기 트랜치 분리 패턴에 의해 상기 태양 전지로부터 분리되는 것인, 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 바이패스 스위치는 상기 태양 전지의 영역 내에 위치하는 적어도 하나의 다이오드 섬을 포함하고, 상기 트랜치 분리 패턴에 의해 상기 태양 전지로부터 분리되는 것인, 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체.
- 제1항에 있어서,
상기 바이패스 스위치는 상기 태양 전지의 2개의 반대쪽 대각 모서리 사이에 위치하는 적어도 하나의 대각 다이오드 섬을 포함하고, 상기 트랜치 분리 패턴에 의해 상기 태양 전지로부터 분리되는 것인, 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체.
- 태양광-수신 전측과 상기 태양광 수신 전측과 반대쪽인 후측을 포함하는 백그라운드 n형 도핑을 갖는 결정 실리콘층;
상기 결정 실리콘층 후측 상에 위치하는 패터닝된 맞물려진 제1레벨 금속층(M1);
상기 제1레벨 금속층 상에 위치하는 전기 절연성 인접한 백플레인 지지 시트;
상기 전기 절연성 인접한 백플레인 지지 시트 상에, 상기 결정 실리콘층을 적어도 하나의 태양 전지 결정 실리콘 영역과 적어도 하나의 모놀리식으로 집적된 바이패스 스위치 결정 실리콘 영역으로 분할하는 트랜치 분리 패턴;
상기 전기 절연성 인접한 백플레인 지지 시트 상에 위치하는 패터닝된 맞물려진 제2레벨 금속층(M2); 및
상기 패터닝된 제2레벨 금속층의 선택 부분과 상기 패터닝된 제1레벨 금속층의 선택 부분을 상호연결하는 상기 전기 절연성 인접한 백플레인 지지 시트를 통해 형성되는 복수의 전기 전도성 비아 플러그;를 포함하고,
상기 패터닝된 제1레벨 금속층, 상기 패터닝된 제2레벨 금속층, 및 상기 복수의 전기 전도성 비아 플러그는 상기 집적된 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체의 상호연결 및 전기 금속화를 완성하도록 고안되는, 집적된 맞물려진 후면 접촉 태양 전지 및 바이패스 스위치 구조체.
- 태양광-수신 반도체층 전측과 반도체층 후측을 갖는 태양 전지;
반도체층 전측과 반도체층 후측을 갖는 바이패스 스위치;
상기 태양 전지와 상기 바이패스 스위치에 의해 공유되고, 상기 태양 전지 반도체층 후측과 상기 바이패스 스위치 반도체층 후측에 부착되는 전기 절연성 백플레인 시트;
트랜치 분리로 서로 분할되고, 상기 전기 절연성 백플레인 시트 상에 지지되는 상기 태양 전지 반도체층 및 상기 바이패스 스위치 반도체층; 및
상기 태양 전지와 상기 바이패스 스위치를 상호연결하는 패터닝된 전기 금속화 구조체;를 포함하는 모놀리식으로 집적된 반도체 구조체.
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