KR20160029119A - 광전지를 위한 폴리실라잔 코팅 - Google Patents
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Abstract
광전지 제조 방법, 및 상기 방법에 의해 생산된 장치가 기재된다. 상기 방법은 반도체 기판을 제공하고 반도체 기판의 상단 표면에 전기 전도성 물품을 전기적으로 연결함을 포함한다. 반사-방지 코팅이 반도체 기판 및 전기 전도성 물품 상에 형성되며, 여기서 반사-방지 코팅은 복수의 서브-레이어를 가진다. 서브-레이어 각각은 폴리실라잔을 포함하고 다른 서브-레이어와 상이한 굴절률을 가진다. 광전지는 반도체 기판, 및 전기 전도성 물품 및 반사-방지 코팅으로부터 형성된다.
Description
본 출원은 명칭 "광전지를 위한 폴리실라잔 코팅"의 2013년 7월 5일자 미국 가출원번호 제 61/843,284호의 우선권을 주장하며, 상기 문헌 전체는 모든 목적을 위해 본 명세서에 참조 문헌으로 포함된다.
태양 전지(solar cell)는 광자를 전기 에너지로 바꾸는 장치이다. 전지에 의해 생산된 전기 에너지는 반도체 재료에 연결된 전기 접점을 통해 수집되고, 모듈에서 다른 광전지(photovoltaic cell)와 상호 연결(interconnection)을 통해 연결된다. 태양 전지의 "표준 전지"("standard cell") 모델은 반도체 재료를 가지며, 들어오는 태양 에너지를 흡수하고 이를 전기 에너지로 변환하기 위해 사용되며, 반사-방지 코팅 (ARC) 레이어 아래, 및 금속 백시트 위에 배치된다. 전기 접점은 전형적으로 파이어-스루 페이스트(fire-through paste)와 함께 반도체 표면에 만들어지며, 이는 금속 페이스트는 가열되면 상기 페이스트가 레이어를 통해 확산하여 전지의 표면에 접촉한다. 페이스트는 일반적으로 핑거(finger) 및 부스 바(bus bar)의 세트로 패터닝되며 이후 다른 전지에 리본으로 납땜되어 모듈을 생성한다. 또 다른 유형의 태양 전지는 투명 전도성 산화물 레이어(TCO's) 사이 샌드위치된 반도체 재료를 가지며, 이후 핑거/부스 바 패턴으로 구성된 전도성 페이스트의 최종 레이어로 코팅된다.
반사-방지 코팅 (ARC) 레이어는 태양 전지 표면으로부터 반사되는 태양광의 양을 감소시키기 위한 태양광 모듈에 주로 사용되어, 반도체에 입사광의 양을 증가시키고 전지 변환 효율을 증가시킨다. 실리콘 질화물은 실리콘 태양 전지에 흔히 사용되는 ARC 재료이고, 필름에 산소를 혼입함으로써 2.0의 표준 굴절률로부터 조절될 수 있다. 다중 ARC 레이어는 실리콘 질화물 또는 실리콘 옥시나이트라이드 레이어의 굴절률을 엔지니어링함으로써 효율 증대를 향상시킬 수 있다.
광전지 제조 방법, 및 상기 방법에 의해 생산된 장치가 기재된다. 상기 방법은 반도체 기판을 제공하고 반도체 기판의 상단 표면에 전기 전도성 물품을 전기적으로 연결함을 포함한다. 반사-방지 코팅이 반도체 기판 및 전기 전도성 물품 상에 형성된다. 반사-방지 코팅은 복수의 서브-레이어를 가진다. 서브-레이어 각각은 폴리실라잔을 포함하고 다른 서브-레이어와 상이한 굴절률을 가진다. 광전지는 반도체 기판, 및 전기 전도성 물품 및 반사-방지 코팅으로부터 형성된다.
본 명세서에 기재된 발명의 양태 및 구체예 각각은 단독으로 또는 서로 조합으로 사용될 수 있다. 양태 및 구체예는 이제 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1A-1B는 폴리실라잔 조성물을 나타낸다.
도 2는 종래의 태양 전지의 사시도이다.
도 3은 종래의 후면-접점 태양 전지의 단면도이다.
도 4A-C는 일부 구체예에서 반사-방지 폴리실라잔 코팅을 가지는 태양 전지의 단면도를 나타낸다.
도 5는 도 4의 폴리실라잔 코팅의 상세한 단면도를 제공한다.
도 6은 또 다른 구체예에서의 반사-방지 폴리실라잔 코팅을 가지는 태양 전지의 단면도이다.
도 7은 또 다른 구체예에서의 반사-방지 폴리실라잔 코팅을 가지는 태양 전지의 단면도이다.
도 8은 다중-레이어, 반사-방지, 폴리실라잔 코팅을 가지는 광전지 제조를 위한 예시적인 방법에 대한 흐름도를 나타낸다.
도 9A-9B는 예시적인 전기 도관의 평면도를 도시하고, 도 9C는 도 9B의 도관의 단면도를 나타낸다.
도 1A-1B는 폴리실라잔 조성물을 나타낸다.
도 2는 종래의 태양 전지의 사시도이다.
도 3은 종래의 후면-접점 태양 전지의 단면도이다.
도 4A-C는 일부 구체예에서 반사-방지 폴리실라잔 코팅을 가지는 태양 전지의 단면도를 나타낸다.
도 5는 도 4의 폴리실라잔 코팅의 상세한 단면도를 제공한다.
도 6은 또 다른 구체예에서의 반사-방지 폴리실라잔 코팅을 가지는 태양 전지의 단면도이다.
도 7은 또 다른 구체예에서의 반사-방지 폴리실라잔 코팅을 가지는 태양 전지의 단면도이다.
도 8은 다중-레이어, 반사-방지, 폴리실라잔 코팅을 가지는 광전지 제조를 위한 예시적인 방법에 대한 흐름도를 나타낸다.
도 9A-9B는 예시적인 전기 도관의 평면도를 도시하고, 도 9C는 도 9B의 도관의 단면도를 나타낸다.
폴리실라잔은 중합체 골격 내에 실리콘-질소 결합을 포함하는 중합체의 한 부류이다. 또한, 폴리실라잔은 중합체 골격 내에 실리콘 및 질소 이외에도 산소 원자를 추가로 포함할 수 있다. 대표적인 구조가 도면에 나타난다. 1A 및 1B에서, R1-R5는 동일하거나 상이할 수 있으며, 수소, 치환 또는 비치환 알킬 기 (예컨대 메틸, 에틸, 프로필, 알릴, 또는 비닐 기), 또는 치환 또는 비치환 아릴 기 (예컨대 페닐 또는 치환된 페닐 기)를 포함하는 곁사슬이고, 중합체 내에 반복 단위의 수를 나타내고, 예컨대 약 10 내지 약 1000의 정수이다. 폴리실라잔-계 박막은 상이한 산업, 예컨대 식품 포장 및 자동차 코팅에서 사용되며, 저비용으로 다양한 특성을 제공한다. 본 명세서에는 태양 전지를 위한 폴리실라잔 다중-레이어 반사-방지 코팅이 기재되며, 이는 또한 부식 방지를 제공한다. 폴리실라잔 필름의 조성, 형성 조건, 합성-후 열처리는 원하는 재료 및 화학적 특성 예컨대 굴절률, 광 투과성, 및 부식 저항성을 가지는 폴리실라잔을 생성하기 위해 기술 분야 내 공지된 임의의 방법을 사용하여 조절될 수 있다.
도 2는 종래의 태양 전지(100)의 개략도이며, 반사-방지 코팅 (ARC) 레이어(110), 이미터(120), 베이스(130), 전면 접점(140), 및 후면 접점 레이어(150)을 포함한다. 이미터(120) 및 베이스(130)는 p+ 또는 n- 영역으로 도핑된 반도체 재료이고, 함께 태양 전지의 활동 영역으로 지칭될 수 있다. 전면 접점(140)은 활동 영역과 전기 접점을 만들기 위해 반사-방지 코팅 레이어(110)에 전형적으로 파이어 스루(fired through)된다. 입사광은 ARC 레이어(110)를 통해 태양 전지(100)로 들어가, 이는 이미터(120) 및 베이스(130)의 접합에 생성되는 광전류(photocurrent)를 유발한다. 생성된 전류는 전면 접점(140) 및 후면 접점(150)에 연결된 전기 회로를 통해 수집된다. 부스 바(145)는 핑거 요소로서 나타난 전면 접점(140)과 연결할 수 있다. 부스 바(145)는 전면 접점(140)으로부터 전류를 수집한다. 부스 바(145) 또한 부스 바(145)에 금속 리본을 납땜하고, 이후 인접한 전지에 리본으로 묶고 상기 전지에 이를 납땜함으로써 다른 태양 전지 사이에 상호 연결을 제공하도록 사용될 수 있다. 전면 접점(140) 및 부스 바(145)의 조립체는 또한 금속 배선 레이어로 지칭될 수 있다. 다른 유형의 태양 전지에서, 투명 전도성 산화물 (TCO) 레이어는 전류를 수집하기 위해 유전체-유형의 ARC 레이어 대신 사용될 수 있다. TCO 유형의 전지에서, 예를 들어, 전면 접점(140) 및 부스 바(145)의 금속 배선은 TCO 태양 전지로부터의 전류를 수집하기 위한 파이어 스루의 필요성 없이 TCO 레이어 상에 제조될 것이다.
도 3는 또 다른 유형의 태양 전지(160)의 개략도를 도시하고, 전기 접점이 빛이 들어오는 면의 후면, 반대쪽에 만들어진다. 태양 전지(160)는 또한 맞물린 후면 접점 전지(interdigitated back contact cell)으로 알려져 있고, ARC 레이어(110), 반도체 기판을 구성하는 베이스 영역(130), 및 서로 반대의 극성(예로서, p-타입 및 n-타입)을 가지는 도핑 영역(120) 및 (125)을 포함한다. 도핑 영역(120) 및 (125)은 ARC 레이어(110)의 반대쪽 전지(160)의 후면에 존재한다. 비-전도성 레이어(170)은 도핑 영역(120)과 (125) 사이에 분리를 제공하며, 또한 전지(160)의 후면의 패시베이션의 역할을 완성한다. 전기 접점(140) 및 (150)은 서로 맞물려있고 패시베이션 레이어(170)의 홀(175)을 통해 각각 도핑 영역(120) 및 (125)에 전기적 연결을 만든다. 전기 접점(140) 및 (150)은 전지 상에 접점을 형성할 경우에 제조 수율 손실, 은을 접점으로 사용할 경우에 높은 재료비, 구리를 접점으로 사용하지만 구리 접점과 반도체 사이 복잡하고 고가인 배리어 레이어를 추가하지 않을 경우에 전지의 저하와 같은 문제를 제기할 수 있다.
도 4A-4C는 일부 구체예에서의 표준 태양 전지(200)의 단면도를 나타내며, 전지는 예를 들어, ARC 레이어로서 사용될 수 있는 폴리실라잔 코팅(210)을 포함한다. 태양 전지(200)는 또한 반도체 기판(220), 기판(220)의 상단 표면(225) 상의 제1 레이어(230), 전기 도관(240), 및 일부 구체예에서, 각각의 전기 도관 물품(240) 및 제1 레이어(230) 사이의 제2 레이어(250)를 포함한다. 반도체 기판(220)은 예를 들어, 결정질 실리콘일 수 있다. 제1 레이어(230)는 사용되는 태양 전지의 유형에 따라 예를 들어, 실리콘 질화물 (Si3N4), 투명 전도성 산화물 (예로서, 인듐-틴-산화물), 또는 비정질 실리콘일 수 있다. 제1 레이어(230)로서 실리콘 질화물은 패시베이션 레이어의 역할을 하며, 또한 반사-방지 특성을 제공할 수 있다. 전기 도관(240)은 반도체 기판(220)으로부터 전류를 수집하는 전기 전도성 물품이며, 예를 들어, 은 또는 구리와 같은 금속을 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 도관(240)은 전지(200) 상에 전기 도금 되거나 증착될 수 있다. 다른 구체예에서, 도관(240)은 태양 전지(200)에 부착된 사전-제조된 물품일 수 있다. 예를 들어, 도관(240)은 예컨대 2013년 3월 13일 자, Babayan et al., 미국 가출원 번호 제13/798,123호, 명칭 “Free-Standing Metallic Article for Semiconductors”에 기재된 맨드릴에 제조된 자립형(free-standing) 전기 주조 물품일 수 있으며, 본 출원의 양수인에 의해 소유되고 본 명세서에 모든 목적을 위해 참조 문헌으로 포함된다.
일부 구체예에서, 제2 레이어(250)는 기판(220)에 전기적으로 연결하는 도관(240)을 보조하기 위해 존재한다. 예를 들어, 도 4A에서 제2 레이어(250)는 실리콘 질화물의 제1 레이어(230)과 함께 사용되는 파이어-스루 은 페이스트일 수 있다. 다른 예시에서, 제2 레이어(250)는 도 4B에서 TCO의 제1 레이어(230)와 함께 전도도를 향상시키기 위해 사용되는 은 페이스트 레이어일 수 있다. 도 4C에 도시된 다른 구체예에서, 제2 레이어(250)는 예컨대 제1 레이어(230) 또는 비정질 실리콘 레이어(230)와 직접 접촉하는 도관(240) TCO 배치함으로써 생략될 수 있다. 전기 도관(240)이 사전-제조된 물품인 구체예에서, 사전-제조된 물품은 예를 들어, 결합제 예컨대 납땜 또는 전기적으로 전도성 접착제 (ECA)로 광전지에 접합될 수 있다. 도 4A에서, 결합제(나타나지 않음)는 사전-제조된 도관(240)과 제2 레이어(250) 사이에 배치될 수 있으며, 이는 파이어-스루 페이스트일 것이다. 도 4B에서, 제2 레이어(250)는 은 도관 라인일 수 있고, 결합제는 제2 레이어(250)와 도관(240) 사이에 도포될 것이다. 도 4C의 TCO 또는 비정질 실리콘과 같이 제1 레이어(230)가 전도성인 또 다른 구체예에서, 도관(240)은 도관(240)과 제1 레이어(230) 사이에 결합제를 도포함으로써 제1 레이어(230)에 직접적으로 부착될 수 있다.
특정 구체예에서, 커버 요소는 반사-방지 코팅 상에 배치될 수 있다. 제1 레이어는 반사-방지 코팅을 형성하기 전 반도체 기판에 증착된다. 제1 레이어는 제1 굴절률을 가지고 커버 요소는 제2 굴절률을 가지며, 반사-방지 코팅의 폴리실라잔 서브-레이어는 제1 굴절률에서부터 제2 굴절률까지 등급으로 변하는 굴절률을 가진다. 도 5는 도 4A-4C의 영역 A의 예시적인 상세도이며, 이러한 구체예에서 태양전지(200)를 위한 대한 전면 커버 요소(260)의 추가와 함께 나타난다. 도 4B의 레이어(250)는 명료함을 위해 생략되었다. 전면 커버(260)는 투명한 시트, 예컨대 유리 또는 플라스틱이며, 태양 전지(200) 상에 배치 및/또는 적층되어 환경적 조건으로부터 전지를 보호한다. 도 5에서, 폴리실라잔 레이어(210)는 다중 서브-레이어(210a) 및 (210b)을 포함하는 것으로 관찰되며, 이들은 모두 상이한 구조를 가지는 폴리실라잔이고, 그레이드된 굴절률을 생성하도록 지정되어, 반사 손실을 줄인다. 이러한 구체예에서 서브-레이어(210a) 및 (210b)는 이중-레이어 ARC를 형성하지만; 다른 구체예에서, 둘 이상의 서브-레이어가 포함될 수 있다. 서브-레이어(210a) 및 (210b) 각각은 하나의 구체예에서 원하는 값을 달성하기 위해 특정 폴리실라잔 구조 (곁사슬 및 실리콘, 질소, 및 선택적으로 산소의 비율)를 선택함으로써 맞춤화되는 굴절률을 가진다. 하나의 구체예에서, 제1 레이어(230)는 대략 2의 굴절률을 가지는 Si3N4이고, 커버 요소(260)는 대략 1.5의 굴절률을 가지는 유리이다. 실리콘 질화물 레이어(230)와 유리 커버 요소(260) 사이에 그레이드된 변화를 만들기 위해, 서브-레이어(210a)는 예를 들어, 1.5<nA<1.75의 굴절률 nA에서 선택될 수 있고 서브-레이어(210b)는 예를 들어, 1.75<nB<2.0의 굴절률 nB에서 선택될 수 있다. nA 및 nB 에 대한 다른 중간 범위가 가능하다. 이웃하는 레이어에 중간인 그레이드된 일련의 굴절률은 광 전송 손실을 감소시키고 변환 효율을 향상시킨다. 다른 구체예에서, 제1 레이어(230)는 생략될 수 있고, nA 및 nB는, 예를 들어, 실리콘 기판(220)에 대한 3.5와 커버 요소(260)에 대한 1.5 사이 굴절률에서 그레이드된 변화를 제공하도록 선택될 수 있다. 또 다른 구체예에서, 커버 요소(260)는 반사-방지 코팅(210a/b) 상에 배치되고, 커버 요소(260)는 바닥 표면(260b) 및 상단 표면(260a)을 가지며, 바닥 표면(260b)은 반사-방지 코팅(210a/b)과 마주한다. 폴리실라잔을 포함하는 외부 반사-방지 코팅(270)은 커버 요소(260)의 상단 표면 (260a)에 형성된다.
또 다른 양태에서, 폴리실라잔 코팅 태양 전지 내의 금속 부식 및 전자 이동(electromigration)을 감소시킨다. 태양광 산업이 지속적으로 재료의 비용을 절감하고자 바와 같이, 구리는 일반적으로 사용되는 비싼 은 접점을 대체하기 위해 사용되는 하나의 물질이다. 구리는 적절한 기계적 및 전기적 특성을 가지며, 은보다 저렴하고 실리콘 태양 전지의 구성에 용이하게 통합된다. 그러나, 구리 금속 접점은 광전지 설계에 있어 일부 어려움을 제공한다. 구리는 습윤 환경에서 쉽게 산화되어, 태양광 모듈의 수명에 있어 신뢰성 문제를 유발한다. 게다가, 구리는 실온에서도 실리콘에서 높은 확산 계수를 가진다. 구리 원자가 확산할 때, 이들은 호스트 실리콘에 깊은 레벨의 트랩을 형성하여 태양 전지의 성능을 저하시킬 수 있다. 복잡하고 고가의 통합 방식이 집적 회로에서 구리 전자 이동을 해결하기 위해 설계되었지만, 이러한 방식은 비용에 더욱 민감한 태양광 산업에서는 비실용적이다.
도 4A-4C에 나타난 바와 같이, 폴리실라잔 레이어(210)는 전기 도관(240)의 노출된 모든 표면을 코팅하도록 사용될 수 있다. 즉, 폴리실라잔 레이어(210)는 전기 전도성 물품의 노출된 모든 영역을 커버하는 반사-방지 코팅일 수 있다. 반사-방지 코팅은 전기 전도성 물품 및 반도체 기판의 상단 표면에 위치하며, 반사-방지 코팅은 복수의 서브-레이어를 포함하고, 서브-레이어 각각은 폴리실라잔을 포함하며 서로 상이한 굴절률을 가진다. 코팅 노출된 모든 표면을 코팅하여, 태양 전지(200)에 침투해 부식을 야기할 수 있는 습기로부터 도관(240)을 보호한다. 상기 보호는 또한 반도체 기판 내로 전자 이동의 위험을 줄일 수 있다. 구리 도관(240)이 니켈과 같은 배리어 물질로 코팅되거나 도금될 수 있지만, 배리어 코팅에 일부 갭이 존재하는 것이 가능할 수 있다. 예를 들어, 배리어 코팅은 도관(240)이 도금 공정 동안 공구 또는 맨드릴에 의해 보호되고 있는 위치에 형성하지 않을 수 있다. 이에 따라, 폴리실라잔 레이어(210)는 전기 도관(240)에 추가의 절연 배리어를 제공하며, 이는 종래의 배리어 레이어보다 비용을 낮출 수 있다. 폴리실라잔은 후면 접점 전지(도 2), 뿐만 아니라 예컨대 도 4A-4C의 전면 접점 전지에서 부식 또는 전자 이동 베리어로 적용될 수 있다.
도 6에서, 또 다른 구체예의 태양 전지(300)가 나타나며, 여기서 태양 전지는 봉지재(370)를 포함한다. 태양 전지(300)는 도 4A-4C와 유사한 구성 요소를 가지며, 다중-레이어 폴리실라잔 코팅(310), 반도체 기판(320), 기판(320)의 상단 표면(325) 상의 제1 레이어(330), 및 전기 도관(340)을 포함한다. 다중-레이어 코팅(310)은 복수의 폴리실라잔 레이어을 포함하여 상기 더욱 상세히 기재된 바와 같이 그레이드된 굴절 특성을 제공한다. 이러한 구체예에서, 제2 레이어는 생략되어, 예컨대 TCO 또는 헤테로접합 전지의 경우 도관(340)이 제1 레이어(330)와 직접 접촉하도록 한다. 그러나, 도 4A에 나타난 은 파이어-스루 페이스트와 같이, 다른 구체예에서 전기 도관(340)와 제1 레이어(330)의 제2 레이어가 포함될 수 있다. 도 6에서 커버 요소(360)는 전체 태양 전지 상에 배치되고, 봉지재(370)는 커버 요소(360)와 전지(300)의 남아있는 부분 사이 공간을 채운다. 봉지재(370)는 기술 분야 내 공지된 태양광 봉지재, 예컨대 에틸렌 비닐 아세테이트 (EVA), 열가소성 폴리올레핀 (TPO) 또는 폴리비닐 부티랄 (PVB)일 수 있다. 일부 봉지재는 산-생성(acid-producing)으로, 예컨대 에틸렌 비닐 아세테이트 (EVA)이고 이는 시간이 지남에 따라 물에 노출되면 분해하여, 아세트산을 발생시킨다. 이러한 산은 구리에 부식의 위험을 야기한다. 도 6의 구체예에서, 폴리실라잔 레이어(310)는 반사-방지 코팅으로의 역할 이외에 산 공격에 대한 구리 도관(340)을 위한 배리어를 제공한다. 폴리실라잔 레이어는 또한 반도체 산업에서 전형적으로 사용되는 방법보다 더 낮은 비용으로 보호 코팅을 제공한다. 폴리실라잔 레이어(310)는 도 5에 관해 기재된 바와 같이, 제1 레이어(330)와 봉지재(370) 사이 그레이드된 변화를 제공하기 위해 설계된 서브-레이어의 굴절률을 가질 수 있다.
도 7는 또 다른 구체예를 나타내며, 여기서 태양 전지(400)는 제1 레이어(430)로 실리콘 질화물 또는 물질 대신 폴리실라잔을 포함한다. 태양 전지(400)는 폴리실라잔 코팅(410), 반도체 기판(420), 기판(420)의 상단 표면(425) 상의 제1 레이어(430), 전기 도관(440), 제2 레이어(450), 커버 요소(460) 및 봉지재(470)를 포함한다. 이러한 구체예에서, 제1 레이어(430) 또한 폴리실라잔을 포함하며, 여기서 제2 레이어(450)는 폴리실라잔 레이어(430)로 파이어 스루될 수 있다. 추가적인 폴리실라잔 레이어(410)은 제1 레이어(430) 상 및 전기 도관(440) 상에 코팅될 수 있다. 이에 따라 태양 전지(400)를 위한 반사-방지 코팅은 하나의 서브-레이어로서 폴리실라잔 제1 레이어(430)와 더불어 폴리실라잔 코팅(410) 내에 하나 이상의 서브-레이어를 포함하는 다중-레이어 코팅이다. 제1 폴리실라잔 레이어(430)는 반사-방지 특성 이외에도 패시베이션을 제공할 수 있다.
도 8은 광전지에 다중-레이어 폴리실라잔 코팅을 적용하는 예시적인 방법의 흐름도(500)을 제공한다. 단계(510)에서, 상단 표면을 가지는 반도체 기판이 제공된다. 상기 기판은 결정질 실리콘, 또는 생산되는 태양 전지의 유형에 적당한 다른 적절한 재료일 수 있다. 단계(520)에서, 전기 전도성 물품이 반도체 기판에 전기적으로 연결된다. 상기 기재된 바와 같이, 전기 전도성 물품은 자립형 부품일 수 있거나 기판 상에 증착 또는 형성될 수 있다. 상기 물품은 예를 들어, 기판상에 물품을 납땜, 전기 도금 또는 에칭과 같이 기판 상에 물품을 성형함으로써, 또는 파이어-스루 페이스트를 사용으로써 반도체 기판의 상단 표면에 전기적으로 결합될 수 있다. 하나 이상의 레이어가 전기 전도성 물품과 반도체 기판 사이에 포함될 수 있고, 파이어-스루 페이스트와 함께 실리콘 질화물, 투명 전도성 산화물, 및 비정질 실리콘을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 일부 구체예에서, 제1 레이어 - 예컨대 실리콘 질화물, 투명 전도성 산화물 또는 비정질 실리콘 - 은 반사-방지 코팅을 형성하기 이전에 반도체 기판에 증착될 수 있고, 전기 전도성 물품은 제1 레이어를 통해 반도체 기판에 전기적으로 연결된다.
단계(530)에서, 폴리실라잔 코팅이 반도체 기판의 상단 표면 상에 증착되고 전도성 물품에 전기적으로 연결된다. 반사-방지 레이어는 전기 전도성 물품 및 반도체 기판의 상단 표면 상에 형성되며, 여기서 반사-방지 코팅은 복수의 서브-레이어를 포함한다. 서브-레이어 각각은 폴리실라잔을 포함하며, 서브-레이어는 서로 상이한 굴절률을 가진다. 일부 구체예에서, 각각의 서브-레이어의 굴절률은 경화 후에 측정한 값이다. 폴리실라잔 필름은 전형적으로 목표 기판상에 증착되는 액체 전구 화합물로부터 제조되고, 고온에서 건조되고 경화되어 안정한 중합체 필름을 형성한다. 일부 구체예에서, 다중-폴리실라잔 ARC은 종래의 은 핑거 상에 증착된다. 부스 바의 전기적 연결을 허용하기 위해, 폴리실라잔은 부스 바 영역에서 차폐되거나 제거된다. 다른 구체예에서, 도 9A-9C에 관해 기재되겠지만, 일체식 부스 바와 함께 전기 주조 도관이 사용될 수 있다. 이러한 전기 주조 도관에 대해, 부스 바 영역에 폴리실라잔의 차폐 또는 제거는 요구되지 않을 수도 있다. 본 명세서에 개시된 바와 같이 다중-레이어 폴리실라잔 ARC는 상대적으로 저-비용 방법과 상대적으로 낮은 온도에서 적용될 수 있게 함으로써 비용에-민감한 광전지 산업에 저-비용의 코팅을 제공한다. 예를 들어, 산소-포함 분위기에서 무기 폴리실라잔 필름 (여기서 R = 수소)을 어닐링하면 1.46의 굴절률을 가지는 레이어를 생성하는 반면에, 암모니아-포함 분위기에서 동일한 필름을 어닐링하면 2 근처의 굴절률을 가지는 레이어를 생성한다. 하나의 구체예에서, 제1 폴리실라잔 서브-레이어가 도포되고, 이후 제2 폴리실라잔 서브-레이어 및 임의의 뒤이은 서브-레이어(이들 중의 일부는 폴리실라잔을 포함하거나 포함하지 않을 수 있음)가 제1 서브-레이어 상에 형성된다. 폴리실라잔 레이어는 분사, 침지 코팅, 스피닝, 마이크로-젯 분산을 포함하지만, 이에 제한되지 않는 방법에 의해 도포될 수 있다. 이러한 특정 방법은 원하는 두께, 또는 요구되는 두께 제어의 정도와 같은 요인에 따라 선택될 수 있다. 전체 다중-레이어 폴리실라잔 적층체의 두께는 예를 들어, 500-1500 옹스트롬의 범위일 수 있다. 개별적인 서브-레이어의 두께는 빛의 파장 및 서브-레이어에 대해 원하는 특정 굴절률에 따라 달라질 것이다.
단계(530)의 하나의 구체예에서, 제1 레이어는 전기 도관을 덮고 광전지 기판에 도포될 수 있으며, 용매를 제거하기 위해 저온에서 가열될 수 있다. 이후 제2 서브-레이어는 제1 서브-레이어 상에 도포될 수 있고, 폴리실라잔 서브-레이어 모두 더 높은 온도에서 가열하여 최종 경화를 야기한다. 가열 또는 베이킹 단계는 예를 들어, 오븐, 핫 플레이트 또는 가열 램프 하에서 수행될 수 있다. 일부 구체예에서, 컨베이어가 일련의 가열 램프 또는 오븐을 통한 광전지 처리에 이용될 수 있다. 코팅 및 가열 단계를 위한 특정 프로세스 파라미터는 다양한 제품 및 제조 요인을 균형 잡도록 최적화될 수 있고, 다음을 포함한다: 코팅의 최종 광학 특성, 산에 대한 경화된 제품의 화학적 저항성(예로서 봉지재로부터), 최종 코팅의 수명(예로서 태양광 모듈의 25 년과 유사한), 원하는 코팅 두께, 원하는 두께 조절의 정확도, 제조 비용, 및 조립체 내 다른 물질의 온도 내성. 일부 구체예에서, 폴리실라잔 서브-레이어의 경화 온도는 충분히 낮도록 설계될 수 있어, 광전지의 다른 구성 요소, 예컨대 구리 도관 또는 부착 물질 - 예로서, 수 백 섭씨 온도에서 융용되거나 분해될 수 있는 납땜 또는 ECA 에 영향을 주지 않도록 한다. 낮은 경화 온도는 또한 고온(이에 따라 더 많은 비용) 경화 장치를 요구하지 않는 점에서, 유익하다.
폴리실라잔의 경화 조건이 재료 특성에 영향을 주기 때문에, 일부 구체예에서 경화 온도, 습도, 및/또는 기체 환경이 최종 굴절률 및 폴리실라잔의 다른 특성을 조절하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 하나의 경화 온도는 전체 폴리실라잔 적층체에 대하여, 폴리실라잔 서브-레이어 모두가 동시에 경화되도록 선택될 수 있다. 또 다른 예시에서, 상이한 경화 온도가 각각의 서브-레이어에 대해 사용될 수 있다. 즉, 제1 서브-레이어가 제1 온도에서 경화될 수 있고, 이후 제2 서브-레이어가 제1 서브-레이어 상에 증착되고 제2 온도에서 경화될 수 있다. 이러한 다양한 구체예에서, 경화 온도는 300 ℃ 미만, 예컨대 200 ℃ 미만, 또는 150-200 ℃ 사이 일 수 있다. 일부 폴리실라잔은 대략 실온만큼 칸은 온도에서 경화되도록 설계될 수 있다. 온도 및 폴리실라잔 조성물의 조합은 광전지 내의 다른 구성 요소의 온도 한계에 기초해 결정될 수 있다. 일부 구체예에서, 습도는 원하는 굴절률을 달성하기 위해 예를 들어, 90%-100% 사이의 범위 일 수 있다. 일부 구체예에서, 폴리실라잔을 포함하는 외부 반사-방지 코팅은 커버 요소의 상단 표면 상에 형성되며, 예를 들어, 유리일 수 있다.
도 8의 단계(540)에서, 조립체로부터 광전지가 완성된다. 광전지는 반도체 기판, 전기 전도성 물품 및 반사-방지 코팅으로부터 형성된다. 이는 전지 상에 봉지재를 도포하고, 조립체 상에 커버 요소를 배치하고, 모듈 내 다른 전지에 상기 전지를 연결하는 상호 연결 요소를 제조함을 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 단계(540)은 산-생성 봉지재로 광전지 캡슐화를 포함할 수 있다. 폴리실라잔이 부식 및 전자 이동 방지를 위해 전기 전도성 물품을 완전히 커버하기 때문에, 물품으로의 임의의 전기적 연결은 코팅 이전에 완료되거나 금속 구성요소가 잠재적인 전지 오염을 야기하지 않는 영역에 이루어져야 한다.
도 9A-9C는 Babayan et al.에 의한 미국 특허 가출원 번호 제13/798,123호에 개시된 전기 주조 맨드릴에 생성된 전기 주조 전기 도관의 구체예를 도시하며, 상기 문헌은 본 개시의 태양 전지에 사용될 수 있다. 도 9A-9B는 예를 들어, 구리 또는 니켈-코팅된 구리를 포함할 수 있는 예시적인 금속 도관(600a) 및 (600b)의 평면도이다. 금속 레이어(600a) 및 (600b)는 실질적으로 평행한 핑거(610)로서 본 명세서에 구체화되는 전기 주조 요소를 포함하며, 이는 전기적으로 전도성 맨드릴에 실질적으로 평행한 글러브에 의해 형성되었다. 금속 레이어(600b)는 또한 수직 핑거(610)와 교차하는 수평 핑거(620)로서 본 명세서에 구체화되는 전기 주조 요소를 포함하며, 여기서 핑거(610) 및 (620)은 대략 수직 각도로 교차한다. 다른 구체예에서, 핑거(610) 및 (620)은 다른 각도에서 교차할 수 있지만, 여전히 연속 그리드 또는 메쉬 패턴을 형성한다. 도관(600a) 및 (600b)은 또한 핑거(610) 및 (620)으로부터 전류를 수집하기 위한 부스 바 역할을 할 수 있는 프레임 요소(630)을 포함한다. 금속 물품의 일부로서 부스 바를 일체식으로 가지는 것은 제조 개선을 제공할 수 있다. 본 태양광 모듈 대량 생산 방법에서, 전지 연결은 종종 직접 전지에 금속 리본을 납땜함으로써 달성된다. 이는 주로 수동 취급 및 납땜 리본에 의해 전지에 가해지는 스트레스로 인해 파손 또는 손상된 전지를 초래한다. 게다가, 수동 납땜 공정은 노동-관련 높은 생산 비용을 초래한다. 이에 따라, 전기 주조 금속 물품이 가능한 한, 이미 형성되어 금속 배선 레이어에 연결된 부스 바 또는 리본을 가지는 것이 저-비용, 자동화 제조 방법을 가능하게 한다. 요소(610),(620) 및 (630)이 모두 일체식으로 형성되기 때문에, 뒤이어 핑거(610), (620) 또는 부스 바(630) 사이에 전기적 연결을 만들어야 할 필요성 없이 물품 (600a) 또는 (600b) 상에 폴리실라잔 코팅을 증착할 수 있다. 폴리실라잔의 상대적으로 낮은 경화온도 또한 코팅이 납땜 성분과 호환되도록 하여, 코팅이 납땜 이전 또는 이후 경화될 수 있도록 한다.
프레임 요소(630)는 또한 기계적 안정성을 제공할 수 있어, 맨드릴로부터 제거하는 경우 금속 도관 (600a) 및 (600b)가 일체형, 자립형 물품이도록 한다. 즉, 금속 도관 (600a) 및 (600b)은 반도체 조립체로부터 분리되는 경우 연결되어 남아있는 핑거(610) 및 (620)를 가지는 단일 성분인 점에서 일체형(unitary)이다. 프레임 요소(630)는 게다가 핑거 요소(610) 및 (620)가 광전지에 부착될 경우 이들 사이 간격 및 정렬을 유지하는데 도움이 된다. 프레임 요소(630)는 금속 도관 (600a) 및 (600b)의 한쪽 가장자리를 가로지르며 도 9A-9B에 나타난다. 그러나, 다른 구체예에서, 프레임 요소는 하나의 가장자리를 가로질러 부분적으로만 확장할 수 있거나, 하나 이상의 가장자리가 되거나, 가장자리에 하나 이상의 탭으로 구성될 수 있거나, 격자 자체에 상주할 수도 있다. 게다가, 프레임 요소는 핑거(610) 및 (620)로 동시에 전기 주조될 수 있거나, 다른 구체예에서는 핑거(610) 및 (620)가 형성된 후 분리 단계에서 전기 주조될 수도 있다.
도 9C는 도 9B의 B-B 섹션에서 찍은 금속 도관 (600b)의 단면을 나타낸다. 핑거(610) 및 (620)는 높이 'H' 및 폭 'W'을 가지며, 높이-대-폭의 비율은 종횡비(aspect ratio)로 정의한다. 금속 도관 (600a) 및 (600b)을 형성하기 위해 전기 주조한 맨드릴을 사용함으로써, 전기 주조 금속 세그먼트는 예컨대, 차광을 감소시키기 위해 광전지 응용에 맞추어질 수 있다. 이러한 구체예에서 핑거(610)는 1 초과, 예컨대 약 1 내지 약 5, 및 이러한 구성에서 예컨대 대략 2 의 종횡비를 가지는 것으로 나타난다. 폭보다 큰 단면의 높이를 가짐은 광전지에서 금속 도관 (600b)의 차광을 감소시킨다. 다양한 구체예에서, 오직 핑거(610) 및 (620) 의 일부만이 1 초과의 종횡비를 가질 수 있고, 또는 대다수의 핑거(610) 및 (620)는 1 초과의 종횡비를 가지고, 또는 핑거(610) 및 (620) 모두는 1 초과의 종횡비를 가질 수 있다. 핑거(610)의 높이 'H'는 예를 들어, 약 5 미크론 내지 약 200 미크론, 또는 약 10 미크론 내지 약 300 미크론의 범위일 수 있다. 핑거(610)의 폭 'W'는 예를 들어, 약 10 미크론 내지 약 5 mm, 예컨대 약 10 미크론 내지 약 150 미크론의 범위일 수 있다. 평행한 핑거(610) 사이의 거리는 각각의 핑거의 중심선 사이에서 측정된 피치 'P'를 가진다. 일부 구체예에서 피치는 예를 들어, 약 1 mm 내지 약 25 mm의 범위일 수 있다. 도 9B 및 9C에서, 핑거(610) 및 (620)는 상이한 폭 및 피치를 가지지만, 높이는 대략 동일하다. 다른 구체예에서, 핑거(610) 및 (620)는 서로 상이한 폭, 높이 및 피치를 가질 수 있거나, 동일한 일부 특성을 가질 수 있거나, 모두 동일한 특성을 가질 수 있다. 이러한 값은 광전지의 크기, 원하는 효율의 차광량, 또는 금속 물품이 전지의 전면 또는 후면에 결합될 것인지와 같은 요인에 따라 선택될 수 있다. 일부 구체예에서, 핑거(610)는 약 0.5 mm 내지 약 6 mm의 피치를 가질 수 있고 핑거(620)는 약 1.5 mm 내지 약 25 mm의 피치를 가질 수 있다. 핑거(610) 및 (620)은 핑거(610) 및 (620)와 실질적으로 동일한 형상 및 간격인 홈을 가지는 맨드릴에서 형성된다. 프레임 요소(630)는 핑거(610) 및 (620)와 동일한 높이를 가질 수 있거나, 도 9C에 파선으로 나타나는 얇은 부분일 수 있다. 다른 구체예에서, 프레임 요소(630)는 핑거 요소(610) 및 (620) 위에 형성될 수 있다.
도 9C 또한 핑거(610) 및 핑거(620)가 대다수의 단면적이 서로 겹친다는 점에서, 핑거(610) 및 (620)은 실질적으로 서로 동일 평면일 수 있음을 나타낸다. 서로의 위 및 아래에 직조된 종래의 메쉬에 비해, 도 9C에 도시된 바와 같은 동일 평면 격자는 겹치는 동일한 단면적의 원형 와이어보다 더 낮은 프로파일을 제공할 수 있다. 금속 레이어 (600b)의 교차하는, 동일 평면 라인 또한 전기 주조 공정 동안 서로 일체식으로 형성되며, 이는 금속 레이어 (600b)의 자립형 물품에 추가적인 견고성을 제공한다. 즉, 일체식 요소는 하나의 부품으로 형성되고 분리된 성분으로부터 서로 접합되지 않는다.
명세서는 본 발명의 특정 구체예에 대하여 상세하게 설명되었지만, 당업자들의 이해를 얻을 때, 이들 구체예의 변경, 변형 및 등가물을 쉽게 생각할 수 있다. 본 발명에 대한 상기 및 다른 변형 및 변화는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고, 당업자에 의해 실시될 수 있으며 이는 기재된 청구 범위에 보다 구체적으로 설명된다. 게다가, 당업자는 전술한 설명이 단지 예시의 방법이며, 본 발명을 제한하도록 의도되지 않는다는 것을 이해할 것이다.
Claims (30)
- 다음의 방법을 포함하는, 광전지 제조 방법:
상단 표면을 가지는 반도체 기판을 제공하는 단계;
반도체 기판의 상단 표면에 전기 전도성 물품을 전기적으로 연결하는 단계;
전기 전도성 물품 및 반도체 기판의 상단 표면 상에 반사-방지 코팅을 형성하는 단계, 여기서 반사-방지 코팅은 복수의 서브-레이어를 포함하고, 서브-레이어 각각은 폴리실라잔을 포함하고, 서브-레이어는 서로 상이한 굴절률을 가짐; 및
반도체 기판, 전기 전도성 물품 및 반사-방지 코팅으로부터 광전지를 형성하는 단계. - 제1항에 있어서, 폴리실라잔은 다음의 구조를 포함하는 방법:
또는
여기서 R1 - R5 은 동일하거나 상이할 수 있으며, 수소, 치환 또는 비치환 알킬 기, 또는 치환 또는 비치환 아릴 기 곁사슬을 나타내며, n은 10 내지 1000의 정수임. - 제2항에 있어서, 곁사슬은 메틸, 에틸, 비닐, 또는 알릴 곁사슬인 방법.
- 제1항에 있어서, 반사-방지 코팅을 형성하기 전에 반도체 기판에 제1 레이어를 증착하는 단계를 추가로 포함하는 방법, 여기서 전기 전도성 물품은 제1 레이어를 통해 반도체 기판에 전기적으로 연결됨.
- 제4항에 있어서, 제1 레이어는 실리콘 질화물, 투명 전도성 산화물 또는 비정질 실리콘을 포함하는 방법.
- 제4항에 있어서, 전기 전도성 물품과 제1 레이어 사이에 제2 레이어를 배치하는 단계를 추가로 포함하는 방법, 여기서 제2 레이어는 은(silver)을 포함함.
- 제4항에 있어서, 반사-방지 코팅 상에 커버 요소를 배치하는 단계를 추가로 포함하는 방법, 여기서 제1 레이어는 제1 굴절률을 가지고 커버 요소는 제2 굴절률을 가지고, 반사-방지 코팅의 서브-레이어는 제1 굴절률에서부터 제2 굴절률까지 그레이드된 변화를 제공하는 굴절률을 가짐.
- 제7항에 있어서, 커버 요소는 유리를 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서, 반사-방지 코팅은 전기 전도성 물품의 노출된 모든 영역을 커버하는 방법.
- 제1항에 있어서, 각각의 서브-레이어 굴절률은 경화 이후인 방법.
- 제1항에 있어서, 반사-방지 코팅 상에 커버 요소를 배치하는 단계를 추가로 포함하는 방법, 여기서 커버 요소는 바닥 표면 및 상단 표면을 가지며, 바닥 표면은 반사-방지 코팅을 마주함; 및
상기 방법은 커버 요소의 상단 표면에 폴리 실라잔을 포함하는 외부 반사-방지 코팅을 형성하는 단계를 추가로 포함함. - 제1항에 있어서, 전기 전도성 물품은 전기 주조 물품인 방법.
- 제1항에 있어서, 전기 전도성 물품은 구리를 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서, 산-생성 봉지재로 광전지를 캡슐화하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
- 제14항에 있어서, 산-생성 봉지재는 에틸렌 비닐 아세테이트를 포함하는 방법.
- 다음을 포함하는 광전지(photovoltaic cell):
상단 표면을 가지는 반도체 기판;
반도체 기판의 상단 표면에 전기적으로 연결된 전기 전도성 물품; 및
전기 전도성 물품 및 반도체 기판의 상단 표면 상에 위치된 반사-방지 코팅, 여기서 반사-방지 코팅 복수의 서브-레이어를 포함하고, 서브-레이어 각각은 폴리실라잔을 포함하고, 서브-레이어는 서로 상이한 굴절률을 가짐. - 제16항에 있어서, 폴리실라잔은 다음의 구조를 포함하는 광전지:
또는
여기서 R1 - R5 은 동일하거나 상이할 수 있으며, 수소, 치환 또는 비치환 알킬 기, 또는 치환 또는 비치환 아릴 기 곁사슬을 나타내며, n은 10 내지 1000의 정수임. - 제17항에 있어서, 곁사슬은 메틸, 에틸, 비닐, 또는 알릴 곁사슬인 방법.
- 제16항에 있어서, 반도체 기판과 반사-방지 코팅 사이에 제1 레이어를 추가로 포함하는 광전지, 여기서 전기 전도성 물품은 제1 레이어를 통해 반도체 기판에 전기적으로 연결됨.
- 제19항에 있어서, 제1 레이어는 실리콘 질화물, 투명 전도성 산화물 또는 비정질 실리콘을 포함하는 광전지.
- 제19항에 있어서, 전기 전도성 물품과 제1 레이어 사이에 제2 레이어를 추가로 포함하는 광전지, 여기서 제2 레이어는 은(silver)을 포함함.
- 제19항에 있어서, 반사-방지 코팅 상에 커버 요소를 추가로 포함하는 광전지, 여기서 제1 레이어는 제1 굴절률을 가지고 커버 요소는 제2 굴절률을 가지고, 반사-방지 코팅의 서브-레이어는 제1 굴절률에서부터 제2 굴절률까지 그레이드된 변화를 제공하는 굴절률을 가짐.
- 제22항에 있어서, 커버 요소는 유리를 포함하는 방법.
- 제16항에 있어서, 반사-방지 코팅은 전기 전도성 물품의 노출된 모든 영역을 커버하는 광전지.
- 제16항에 있어서, 각각의 서브-레이어 굴절률은 경화 이후인 광전지.
- 제16항에 있어서, 다음을 추가로 포함하는 광전지:
반사-방지 코팅 상의 커버 요소, 여기서 커버 요소는 바닥 표면 및 상단 표면을 가지며, 바닥 표면은 반사-방지 코팅을 마주함; 및
커버 요소의 상단 표면에 폴리실라잔을 포함하는 외부 반사-방지 코팅. - 제16항에 있어서, 전기 전도성 물품은 전기 주조 물품인 광전지.
- 제16항에 있어서, 전기 전도성 물품은 구리를 포함하는 광전지.
- 제16항에 있어서, 상기 광전지를 캡슐화하는 산-생성 봉지재를 추가로 포함하는 광전지.
- 제29항에 있어서, 산-생성 봉지재는 에틸렌 비닐 30아세테이트를 포함하는 광전지.
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