KR20190073387A - 고광전변환효율 태양전지 및 고광전변환효율 태양전지의 제조방법 - Google Patents

고광전변환효율 태양전지 및 고광전변환효율 태양전지의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 베이스층(13), 에미터층(12), 베이스전극(25) 및 에미터전극을 갖는 태양전지(100)로서, 상기 베이스층(13) 및 상기 에미터층(12)에 접하는 유전체막(42)을 갖고, 상기 에미터전극을 덮음과 함께, 상기 유전체막(42) 상에 위치하고, 적어도 상기 베이스층(13) 상에 있어서 간극을 갖도록 배치된 제1 절연막(43)을 갖고, 적어도 상기 제1 절연막(43) 위에 위치하는 베이스용 버스바전극(35)을 갖고, 상기 제1 절연막(43)의 간극의 거리(44)가 40μm 이상 (W+110)μm 이하(단, W는 간극방향의 베이스층의 폭)인 것을 특징으로 하는 태양전지이다. 이에 따라, 절연재료의 소비를 억제함과 함께, 베이스용 버스바전극과 베이스전극의 전기적 접촉을 양호하게 유지하면서, 베이스용 버스바전극과 에미터영역의 접촉에 의한 병렬저항의 저하를 경미하게 할 수 있고, 태양전지특성을 향상시킬 수 있다.

Description

고광전변환효율 태양전지 및 고광전변환효율 태양전지의 제조방법
본 발명은 고광전변환효율 태양전지 및 고광전변환효율 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
단결정이나 다결정 반도체 기판을 이용한 비교적 높은 광전변환효율을 갖는 태양전지구조 중 하나로서, 양음의 전극을 모두 비수광면(이면)에 마련한 이면전극형 태양전지가 있다. 이면전극형 태양전지(1100)의 이면의 개관을 도 11에 나타낸다. 기판(1110)의 이면에는, 에미터층(1112) 및 베이스층(1113)이 교호로 배열되고, 각각의 층 상을 따라 전극(집전전극)(에미터전극(1124), 베이스전극(1125))이 마련되어 있다. 나아가, 이들 전극으로부터 얻어지는 전류를 더욱 집전하기 위한 버스바전극(에미터용 버스바전극(1134), 베이스용 버스바전극(1135))이 마련되어 있다. 기능상, 버스바전극은 집전전극과 직교하고 있는 경우가 많다. 에미터층(1112)의 폭은 수mm~수백μm, 베이스층(1113)의 폭은 수백μm~수십μm이다. 또한, 집전전극(에미터전극(1124), 베이스전극(1125))의 폭은 수백~수십μm 정도가 일반적이며, 이 전극은 핑거전극이라 불리는 경우가 많다.
이면전극형 태양전지(1100)의 단면구조의 모식도를 도 12에 나타낸다. 기판의 이면의 최표면 근방에 에미터층(1112) 및 베이스층(1113)이 형성되어 있다. 에미터층(1112) 및 베이스층(1113)의 각 층두께는 겨우 1μm 정도이다. 각 층 상에는 핑거전극(1124, 1125)이 마련되고, 비전극영역(전극이 형성되지 않은 영역)의 표면은 질화실리콘막이나 산화실리콘막 등의 유전체막(이면보호막(1141))으로 덮인다. 태양전지(1100)의 수광면측에는 반사손실을 저감하는 목적으로, 반사방지막(1151)이 마련된다.
이면전극형 태양전지에 있어서의 집전전극의 배선저항을 저감하기 위해, 복수의 버스바를 마련하는 방법이 특허문헌 1(특히 도 9)에서 공지가 되어 있다. 이것은, 상반되는 집전전극과 버스바를 절연막으로 격리하는 것이며, 「버스바전극이 기판과 직접 접하는 영역이 많아, 션트하기 쉬워진다」(특허문헌 1의 [0040]단락)고 되어 있다. 나아가 이 해결수단으로서 특허문헌 1에서는, 버스바에 「암(腕)」을 마련하고, 버스바 직하 전역에 절연막을 마련하는 것이다(특히 도 1).
일본특허공개 2016-072467호 공보
특허문헌 1의 방법은 버스바전극과 기판의 직접 접촉은 회피할 수 있으나, 그만큼 절연재료나 버스바전극 재료를 많이 소비한다는 문제가 있었다. 한편으로, 이면전극형 태양전지에 있어서의 집전전극의 배선저항을 저감하기 위해, 복수의 버스바를 마련하는 방법에 있어서, 공지의 방법이 어느 정도로 광전변환효율에 영향을 미치는지는, 지금까지 밝혀지지 않았다.
본 발명은, 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 절연재료의 소비를 억제함과 함께, 베이스용 버스바전극과 베이스전극의 전기적 접촉을 양호하게 유지하면서, 베이스용 버스바전극과 에미터영역의 접촉에 의한 병렬저항의 저하를 경미하게 할 수 있고, 태양전지특성을 향상시킬 수 있는 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 제1 도전형을 갖는 반도체기판의 제1 주표면에, 상기 제1 도전형을 갖는 베이스층, 및, 상기 베이스층에 인접하고, 상기 제1 도전형과 반대의 도전형인 제2 도전형을 갖는 에미터층을 갖고, 상기 베이스층과 전기적으로 접속되는 베이스전극과, 상기 에미터층과 전기적으로 접속되는 에미터전극을 갖는 태양전지로서, 상기 제1 주표면 상에 있어서, 상기 베이스층 및 상기 에미터층에 접하는 유전체막을 갖고, 상기 에미터전극을 덮음과 함께, 상기 유전체막 상에 위치하고, 적어도 상기 베이스층 상에 있어서 간극을 갖도록 배치된 제1 절연막을 갖고, 적어도 상기 제1 절연막 위에 위치하는 베이스용 버스바전극을 갖고, 상기 제1 절연막의 간극의 거리가 40μm 이상 (W+110)μm 이하(단, W는 간극방향의 베이스층의 폭)인 것을 특징으로 하는 태양전지를 제공한다.
이러한 태양전지이면, 베이스용 버스바전극과 베이스전극의 전기적 접촉을 양호하게 유지하면서도, 베이스용 버스바전극과 에미터영역의 접촉에 의한 병렬저항의 저하를 경미하게 할 수 있고, 태양전지특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 필요 이상으로 절연체를 위한 재료를 소비하지 않아도 된다.
이때, 상기 베이스전극과 상기 베이스용 버스바전극은 전기적으로 접속되어 있는 것이 바람직하다.
이와 같이, 베이스전극과 베이스용 버스바전극이 전기적으로 접속되어 있음으로써, 보다 효율적으로 집전할 수 있고, 태양전지를 보다 고효율로 할 수 있다.
또한, 상기 베이스층의 상기 반도체기판의 제1 주표면에 나타내는 형상이 세장(細長)이며, 그 폭이 50μm 이상 200μm 이하인 것이 바람직하다.
이러한 베이스층을 가짐으로써, 효율적으로 베이스층으로부터의 집전을 행할 수 있다.
또한, 상기 베이스전극을 덮는 제2 절연막을 추가로 갖고, 적어도 상기 제2 절연막의 위에 위치하고, 상기 에미터전극과 전기적으로 접속하는 에미터용 버스바전극을 갖는 것이 바람직하다.
이러한 태양전지이면, 에미터층으로부터의 집전도 효율좋게 행할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기의 태양전지가 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지모듈을 제공한다.
이와 같이, 본 발명의 태양전지는 태양전지모듈에 내장할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기의 태양전지모듈을 갖는 것을 특징으로 하는 태양광발전시스템을 제공한다.
이와 같이, 본 발명의 태양전지를 내장한 태양전지모듈은, 태양광발전시스템에 이용할 수 있다.
또한, 본 발명은, 제1 도전형을 갖는 반도체기판의 제1 주표면에, 상기 제1 도전형을 갖는 베이스층, 및, 상기 베이스층에 인접하고, 상기 제1 도전형과 반대의 도전형인 제2 도전형을 갖는 에미터층을 형성하는 공정과, 상기 제1 주표면 상에 있어서, 상기 베이스층 및 상기 에미터층에 접하는 유전체막을 형성하는 공정과, 상기 베이스층과 전기적으로 접속되는 베이스전극을 형성하는 공정과, 상기 에미터층과 전기적으로 접속되는 에미터전극을 형성하는 공정을 갖는 태양전지의 제조방법으로서, 상기 에미터전극을 덮음과 함께, 상기 유전체막 상에 위치하고, 적어도 상기 베이스층 상에 있어서 간극을 갖도록 제1 절연막을 형성하는 공정과, 적어도 상기 제1 절연막의 위에 베이스용 버스바전극을 형성하는 공정을 갖고, 상기 제1 절연막을 형성하는 공정에 있어서, 상기 제1 절연막의 간극의 거리를 40μm 이상 (W+110)μm 이하(단, W는 간극방향의 베이스층의 폭)로 하여 상기 절연막을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법을 제공한다.
이러한 태양전지의 제조방법이면, 베이스용 버스바전극과 베이스전극의 전기적 접촉을 양호하게 유지하면서, 베이스용 버스바전극과 에미터영역의 접촉에 의한 병렬저항의 저하를 경미하게 할 수 있는 태양전지를 제조할 수 있고, 태양전지특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 필요 이상으로 절연체를 위한 재료를 소비하지 않아도 되는 방법이다.
이때, 상기 베이스전극과, 상기 베이스용 버스바전극을, 전기적으로 접속시키는 것이 바람직하다.
이와 같이, 베이스전극과 베이스용 버스바전극을 전기적으로 접속시킴으로써, 보다 효율적으로 집전할 수 있는 태양전지를 제조할 수 있다.
또한, 상기 베이스층의 상기 반도체기판의 제1 주표면에 나타나는 형상을 세장으로 하고, 그 폭을 50μm 이상 200μm 이하로 하는 것이 바람직하다.
이러한 베이스층을 형성함으로써, 효율적으로 베이스층으로부터의 집전을 행할 수 있다.
또한, 상기 베이스전극을 덮는 제2 절연막을 형성하는 공정과, 적어도 상기 제2 절연막의 위에 위치하고, 상기 에미터전극과 전기적으로 접속하는 에미터용 버스바전극을 형성하는 것이 바람직하다.
이러한 에미터용 버스바전극을 형성하면, 에미터층으로부터의 집전도 효율좋게 행할 수 있다.
본 발명의 태양전지 및 태양전지의 제조방법이면, 베이스용 버스바전극과 베이스전극의 전기적 접촉을 양호하게 유지하면서, 베이스용 버스바전극과 에미터영역의 접촉에 의한 병렬저항의 저하를 경미하게 할 수 있고, 태양전지특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 필요 이상으로 절연체를 위한 재료를 소비하지 않아도 된다. 또한, 절연막인쇄용 제판의 경미한 패턴변경만으로, 버스바전극-베이스전극간의 전기적 접촉은 유지하면서, 베이스용 버스바전극-에미터층간의 컨택트저항을 향상시키고, 변환효율을 향상할 수 있다. 또한, 최인접 절연막간 거리를 크게 하면, 절연막형성시의 위치정도를 거칠게 할 수 있고, 위치맞춤에 요하는 시간을 단축할 수 있으므로 생산성도 향상된다. 또한, 본 발명의 태양전지의 제조방법이면, 이러한 고광전변환효율 태양전지를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른, 이면전극형 태양전지의 일례의 개관도이다.
도 2는 본 발명에 따른, 이면전극형 태양전지의 일례에 있어서의 베이스전극-베이스용 버스바전극 근방의 단면모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른, 이면전극형 태양전지의 베이스전극단 근방의 일례를 나타내는 단면모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른, 이면전극형 태양전지의 제조방법의 일례를 나타내는 단면모식도이다.
도 5는 본 발명에 따른, 이면전극형 태양전지의 제조방법의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 6은 본 발명에 따른, 태양전지모듈의 개관도이다.
도 7은 본 발명에 따른, 태양전지모듈의 이면내부모식도이다.
도 8은 본 발명에 따른, 태양전지모듈의 단면모식도이다.
도 9는 본 발명에 따른, 태양광발전시스템의 모식도이다.
도 10은 본 발명에 따른, 이면전극형 태양전지의 최인접 절연막간 거리와 변환효율의 관계를 나타낸 도면이다.
도 11은 일반적인 이면전극형 태양전지의 개관도이다.
도 12는 일반적인 이면전극형 태양전지의 단면모식도이다.
이하의 상세한 설명에서는, 본 발명의 전체의 이해, 및 특정의 구체예에서 어떻게 실시하는가를 제공하기 위해, 많은 특정의 세부가 설명된다. 그러나, 본 발명은, 이들 특정의 세부없이 실시가능한 것이 이해될 것이다. 이하에서는, 공지의 방법, 순서, 및 기술은, 본 발명을 불명료하지 않게 하도록, 상세하게는 나타나지 않는다. 본 발명은, 특정의 구체예에 대하여 특정의 도면을 참조하면서 설명되나, 본 발명은 이것으로 한정되는 것은 아니다. 여기에 포함되고 기재된 도면은 모식적이며, 본 발명의 범위를 한정하지 않는다. 또한 도면에 있어서, 도시 목적으로 몇 가지 요소의 크기는 과장되며, 이로 인해 축척 그대로는 아니다.
본 발명의 태양전지의 구조를, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다. 도 1은, 본 발명에 따른, 태양전지(이면전극형 태양전지)의 이면구조의 일례를 나타내는 상면모식도이다. 도 1 중의 A-A’부분의 단면모식도를 도 2에 나타낸다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 태양전지(100)는, 제1 도전형을 갖는 반도체기판(10)의 제1 주표면(이면, 비수광면)에, 제1 도전형을 갖는 베이스층(13), 및, 베이스층(13)에 인접하고, 제1 도전형과 반대의 도전형인 제2 도전형을 갖는 에미터층(12)을 갖는다. 또한, 태양전지(100)는, 베이스층(13)과 전기적으로 접속되는 베이스전극(25)과, 에미터층(12)과 전기적으로 접속되는 에미터전극(24)을 갖는다. 본 발명의 태양전지(100)는, 추가로, 반도체기판(10)의 제1 주표면 상에 있어서, 베이스층(13) 및 상기 에미터층(12)에 접하는 유전체막(42)을 갖고 있다(도 2 참조).
태양전지(100)는, 추가로, 에미터전극(24)을 덮음과 함께, 유전체막(42) 상에 위치하고, 적어도 베이스층(13) 상에 있어서 간극을 갖도록 배치된 제1 절연막(43)을 갖는다. 태양전지(100)는, 적어도 제1 절연막(43)의 위에 위치하는 베이스용 버스바전극(35)을 갖는다. 본 발명의 태양전지(100)에서는, 제1 절연막(43)의 간극의 거리(44)가 40μm 이상이며, (W+110)μm 이하(단, W는 간극방향의 베이스층(13)의 폭)이다.
태양전지(100)는, 베이스전극(25)을 덮는 제2 절연막(47)을 추가로 갖고, 적어도 제2 절연막(47)의 위에 위치하고, 에미터전극(24)과 전기적으로 접속하는 에미터용 버스바전극(34)을 갖는 것이 바람직하다.
도 1, 2에 나타낸 바와 같이, 베이스전극(25)은 베이스용 버스바전극(35)과 접속되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 베이스층(13)의 반도체기판(10)의 제1 주표면에 나타내는 형상이 세장이며, 그 폭(즉, 베이스영역폭W)이 50μm 이상 200μm 이하인 것이 바람직하다. 이 베이스용 버스바전극(35)은, 그 기능상, 반도체기판(10)과의 전기적 접촉은 필요없는 것, 및, 유전체막이며 절연체인 것이 많은 이면보호막(42)의 존재에 의해, 베이스용 버스바전극(35)과, 에미터층(12)의 전기적 접촉의 영향의 크기에 관해서는 지금까지 조사되지 않았다. 본 발명자들의 예의연구의 결과, 제1 절연막(43)의 간극의 거리(44), 즉, 베이스전극-버스바접속부에 있어서의 최인접 절연막간 거리는, 40μm 이상 (W+110)μm 이하이면 태양전지특성에 큰 영향을 미치지 않고, 나아가, 40μm 이상 Wμm 이하이면 태양전지특성에 영향을 미치지 않는 것이 판명되었다. 간극이 Wμm 이하, 즉, 제1 절연막(43)의 간극의 거리(44)가 베이스층(13)의 폭과 동일하거나 그보다 좁으면, 베이스용 버스바전극(35)과 에미터층(12)의 영역의 접촉저항을 완전히 무시할 수 있다. 그러나, 이 간극의 거리(44)가 40μm 미만이면, 베이스전극(25)과 베이스용 버스바전극(35)이 접촉하지 않게 될 가능성이 생긴다. 한편, 최인접 절연막간 거리가 Wμm를 초과하면 베이스용 버스바전극(35)과 에미터층(12)의 영역의 관계에 있어서 반드시 중복되는 부분이 생긴다. 그러나, 간극의 거리(44)가 Wμm를 초과해도 (W+110)μm 이하의 범위이면 태양전지특성에 큰 영향을 미치지 않는 것이 판명되었다. (W+110)μm를 초과하면, 버스바와 에미터영역의 접촉저항을 무시할 수 없게 되고, 태양전지특성이 저하된다. 이상과 같이, 베이스전극접속부의 최인접 절연막간 거리(44)가 40μm 이상 (W+110)μm, 보다 바람직하게는 40μm 이상 Wμm로 함으로써, 높은 광전변환효율의 태양전지를 얻을 수 있다.
이하에, 구체적인 본 발명의 태양전지제조방법을, N형 기판의 경우를 예로, 도 4를 이용하여 설명한다.
우선, 도 4(a)에 나타낸 바와 같이, 제1 도전형(이 예에서는 N형)을 갖는 반도체기판(110)을 준비한다. 이 반도체기판(110)은, 예를 들어, 이하와 같이 하여 준비할 수 있다. 우선, 고순도 실리콘에 인, 비소, 또는 안티몬과 같은 5가원소를 도프하고, 비저항 0.1~5Ω·cm로 한 애즈컷단결정{100} N형 실리콘기판(반도체기판)(110)을 준비한다. 이어서, 반도체기판(110)의 표면의 슬라이스데미지를, 농도 5~60%의 수산화나트륨이나 수산화칼륨과 같은 고농도의 알칼리, 혹은, 불산과 질산의 혼산 등을 이용하여 에칭한다. 단결정 실리콘기판은, CZ법, FZ법 어느 방법에 의해 제작되어도 된다. 기판은 반드시 단결정 실리콘일 필요는 없고, 다결정 실리콘이어도 상관없다. 계속해서, 반도체기판(110)의 표면에 텍스처라고 불리는 미소한 요철형성을 행한다. 텍스처는 태양전지의 반사율을 저하시키기 위한 유효한 방법이다. 텍스처는, 가열한 수산화나트륨, 수산화칼륨, 탄산칼륨, 탄산나트륨, 탄산수소나트륨 등의 알칼리용액(농도 1~10%, 온도 60~100℃) 중에 10분 내지 30분 정도 침지함으로써 제작된다. 상기 용액 중에, 소정량의 2-프로판올을 용해시키고, 반응을 촉진시켜도 된다.
다음에, 상기와 같이 하여 준비한 반도체기판(110)의 제1 주표면에, 제1 도전형(이 예에서는 N형)을 갖는 베이스층, 및, 베이스층에 인접하고, 제1 도전형과 반대의 도전형인 제2 도전형(이 예에서는 P형)을 갖는 에미터층을 형성한다(도 4(b)~(f) 참조). 이 공정은, 구체적으로는, 이하와 같이 하여 행할 수 있다.
우선, 상기와 같이 텍스처를 형성한 반도체기판(110)을, 염산, 황산, 질산, 불산 등, 혹은 이들의 혼합액의 산성 수용액 중에서 세정한다. 과산화수소를 혼합하고 청정도를 향상시켜도 된다.
이 반도체기판(110)의 제1 주표면에, 도 4(b)에 나타낸 바와 같이, 에미터층(112)을 형성한다. 에미터층(112)은 반도체기판(110)과 반대의 도전형(이 경우 P형)이고 두께가 0.05~1μm 정도이다. 에미터층(112)은 BBr3 등을 이용한 기상확산에 의해 형성할 수 있다. 반도체기판(110)을 2매 1조로 겹친 상태로 열처리로에 재치하고, BBr3과 산소의 혼합가스를 도입하여 950~1050℃에서 열처리한다. 캐리어가스로는 질소나 아르곤이 호적하다. 또한, 붕소원을 함유시킨 도포제를 제1 주표면 전체면에 도포하고, 950~1050℃에서 열처리하는 방법으로 형성이 가능하다. 도포제로는 예를 들어, 붕소원으로서 붕산 1~4%, 증점제로서 폴리비닐알코올 0.1~4%를 함유시킨 수용액을 사용할 수 있다.
에미터층(112)을 형성하면, 도 4(c)에 나타낸 바와 같이, 다음 공정인 베이스층형성을 위한 마스크(배리어막)(151)를 양 주표면 상에 형성한다. 마스크(151)로는 산화실리콘막 혹은 질화실리콘막 등을 이용할 수 있다. CVD법을 이용하면, 도입하는 가스종을 적당히 선택함으로써, 어느 막이나 형성가능하다. 산화실리콘막의 경우는, 반도체기판(110)을 열산화해도 형성할 수 있다. 반도체기판(110)을 산소분위기 중 950~1100℃, 30분~4시간 열처리함으로써 100nm 정도의 실리콘 열산화막이 형성된다. 이 열처리는 상기 에미터층(112)의 형성을 위한 열처리에 이어서 동일 배치내에서 실시해도 상관없다. 다음에, 도 4(d)에 나타낸 바와 같이, 베이스영역이 되는 부분의 마스크를 개구한다(마스크개구부(152)). 구체적으로는, 개구폭이 50~200μm, 0.6~2.0mm 정도의 간격으로 평행선상으로 개구한다. 개구에는 포토리소법이나 에칭페이스트와 같은 화학적인 방법이어도 되고, 레이저나 다이서와 같은 물리적인 방법 어느 것을 이용해도 상관없다.
마스크를 개구한 후, 다음에, 도 4(e)에 나타낸 바와 같이, 50~90℃로 가열한 KOH, NaOH 등의 알칼리수용액 중에 반도체기판(110)을 침지하고, 개구부(152)에 위치하는 불필요한 에미터층(112)을 제거(에칭)한다(불필요한 에미터층이 제거된 마스크개구부(153)).
다음에, 도 4(f)에 나타낸 바와 같이, 베이스층(113)을 형성한다. 베이스층(113)의 형성에는 옥시염화인을 이용한 기상확산법을 사용할 수 있다. 830~950℃, 옥시염화인과 질소 및 산소혼합가스 분위기하에서 반도체기판(110)을 열처리함으로써, 베이스층(113)이 되는 인확산층(N+층)이 형성된다. 기상확산법 외에, 인을 함유하는 재료를 스핀도포하거나, 인쇄하고 나서 열처리하는 방법으로도 형성가능하다.
베이스층(113)의 형성에서는, 베이스층(113)의 반도체기판의 제1 주표면에 나타나는 형상을 세장으로 하고, 그 폭을 50μm 이상 200μm 이하로 하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 마스크개구부(152)를 형성할 때에 그 형상 및 크기를 조정하는 것에 의해 용이하게 베이스층의 형상 및 크기의 조정을 행할 수 있다.
확산층형성의 후, 마스크(151) 및 기판의 표면에 형성되는 유리를 불산 등으로 제거한다(도 4(f) 참조).
다음에, 도 4(g)에 나타낸 바와 같이, 반도체기판(110)의 제1 주표면 상에 있어서, 베이스층(113) 및 에미터층(112)에 접하는 유전체막을 형성한다. 이때, 동시에, 또는 전후 어느 하나의 공정으로서, 제2 주표면에 반사방지막을 형성해도 된다.
제2 주표면의 반사방지막(141)으로는, 질화실리콘막이나 산화실리콘막 등을 이용할 수 있다. 질화실리콘막의 경우는 플라즈마CVD장치를 이용하여 약 100nm 제막한다. 반응가스로서, 모노실란(SiH4) 및 암모니아(NH3)를 혼합하여 이용하는 것이 많으나, NH3 대신에 질소를 이용하는 것도 가능하며, 또한, 프로세스압력의 조정, 반응가스의 희석, 더 나아가, 기판에 다결정실리콘을 이용한 경우에는 기판의 벌크 패시베이션 효과를 촉진하기 위해, 반응가스에 수소를 혼합하는 것도 있다. 산화실리콘막의 경우는, CVD법으로도 형성할 수 있으나, 열산화법에 의해 얻어지는 막이 높은 특성이 얻어진다. 표면의 보호효과를 높이기 위해, 미리 기판 표면에 산화알루미늄막을 형성하고 나서 질화실리콘막이나 산화실리콘막 등을 형성해도 된다.
제1 주표면에도, 표면보호막으로서 질화실리콘막이나 산화실리콘막 등의 유전체막(142)을 이용할 수 있다. 유전체막(142)의 막두께는 50~250nm로 하는 것이 호적하다. 제2 주표면(수광면)측과 마찬가지로, 질화실리콘막의 경우는 CVD법으로, 산화실리콘막의 경우는 열산화법이나 CVD법으로 형성이 가능하다. 또한, 표면의 보호효과를 높이기 위해, 미리 기판 표면에 산화알루미늄막을 형성하고 나서, 질화실리콘막, 산화실리콘막 등을 형성해도 된다.
다음에, 도 4(h)에 나타낸 바와 같이, 베이스층(113)과 전기적으로 접속되는 베이스전극(125)을, 예를 들어 스크린인쇄법으로 형성한다. 예를 들어, 개구폭 30~100μm, 0.6~2.0mm 간격의 평행선패턴을 갖는 제판을 준비해두고, Ag분말과 유리플릿을 유기물바인더와 혼합한 Ag페이스트를 베이스층(113)을 따라 인쇄한다. 마찬가지로 하여, 에미터층(112)과 전기적으로 접속되는 에미터전극(124)으로서 Ag페이스트를 인쇄한다. 베이스전극용 Ag페이스트와 에미터전극용 Ag페이스트는 동일할 수도 있고 다른 것을 사용할 수도 있다. 이상의 전극인쇄의 후, 열처리에 의해 질화실리콘막 등에 Ag분말을 관통시키고(파이어스루), 전극과 실리콘을 도통시킨다. 한편, 베이스층용 전극 및 에미터층용 전극의 소성은 각각 행하는 것도 가능하다. 소성은, 통상 700~850℃의 온도에서 1~5분간 처리함으로써 행해진다.
다음에 절연막 및 버스바전극을 형성하는 공정에 대하여, 도 5를 참조하여 설명한다. 도 5(a)는 상기 도 4(h)의 공정 후의 반도체기판(110)의 상면도이다. 에미터영역(에미터층(112)) 상에 에미터전극(124)이, 베이스영역(베이스층(113)) 상에 베이스전극(125)이, 각각 형성되어 있다. 이 반도체기판(110)에 절연재료(경화시키면 제1 절연막(143)이 된다)를 패턴상으로 도포한다. 이때, 제1 절연막(143)은, 에미터전극(124)을 덮음과 함께, 유전체막(142) 상에 위치하도록 형성한다. 또한, 제1 절연막(143)은, 적어도 베이스층(113) 상에 있어서 간극을 갖도록 형성한다. 이때, N버스바(이 경우 베이스전극과 접속하는 베이스용 버스바전극)가 에미터전극과 도통하지 않도록, 그리고, P버스바(이 경우 에미터전극과 접속하는 에미터용 버스바전극)가 베이스전극과 도통하지 않도록, 예를 들어 도 5(b)와 같은 패턴으로 도포하면 된다. 도포에는 스크린인쇄법 등을 이용할 수 있다. 이 제1 절연막을 형성하는 공정에 있어서, 베이스영역폭을 W로 했을 때, 베이스전극-N버스바접속부의 제1 절연막의 간극의 거리(최인접 절연막간 거리)(144)는, 40μm 이상 (W+110)μm 이하로 한다. 이 최인접 절연막간 거리는 보다 바람직하게는 40~Wμm이다. 이에 따라, 높은 광전변환효율의 태양전지를 얻을 수 있다. 절연재료로는, 실리콘수지, 폴리이미드수지, 폴리아미드이미드수지, 불소수지, 페놀수지, 멜라민수지, 우레아수지, 폴리우레탄, 에폭시수지, 아크릴수지, 폴리에스테르수지 및 포발수지로부터 하나 이상 선택된 수지를 함유하는 재료로 이루어진 것을 사용할 수 있다. 이상과 같은 절연재료를 예를 들어 스크린인쇄법 등을 이용하여 도포한 후, 100~400℃에서 1~60분 정도 경화시킨다.
이때, 동시에, 또는 전후하여, 베이스전극을 덮는 제2 절연막(147)을 형성할 수 있다.
마지막으로, 적어도 제1 절연막의 위에 베이스용 버스바전극을 형성한다. 이때, 베이스전극과, 베이스용 버스바전극을, 전기적으로 접속시키는 것이 바람직하다. 또한, 적어도 제2 절연막(147)의 위에 위치하고, 에미터전극(124)과 전기적으로 접속하는 에미터용 버스바전극(134)을 형성하는 것이 바람직하다. 도 5(c)와 같이, N버스바(베이스용 버스바전극)(135)가 베이스전극(125)과, P버스바(에미터전극과 접속하는 에미터용 버스바전극)(134)가 에미터전극(124)과 접속되고, N버스바(135)와 에미터전극(124) 그리고 P버스바(134)와 베이스전극(125)은 절연층을 개재한 구성이 된다. 버스바재료로는, 저온경화형의 도전성 페이스트를 사용할 수 있다. 구체적으로는, Ag, Cu, Au, Al, Zn, In, Sn, Bi, Pb로부터 선택되는 1종류 이상의 도전성 물질과, 추가로 에폭시수지, 아크릴수지, 폴리에스테르수지, 페놀수지, 실리콘수지로부터 선택되는 1종류 이상의 수지를 함유하는 재료로 이루어진 것을 사용할 수 있다. 이상과 같은 재료를 예를 들어 스크린인쇄법이나 디스펜서 등을 이용하여 패턴상으로 도포한 후, 100~400℃에서 1~60분 정도 경화시킨다.
본 발명에서는, 상기의 제1 절연막을 형성하는 공정에 있어서, 제1 절연막의 간극의 거리를 40μm 이상 (W+110)μm 이하(단, W는 간극방향의 베이스층의 폭)로 하여 절연막을 형성한다. 구체적으로는, 절연재료의 도포시에, 제1 절연막의 간극의 거리가 이러한 것이 되도록 조정하면 된다.
이상의 방법으로 제작한 태양전지(100)의 베이스층단 근방의 단면모식도를 도 3에 나타낸다. 이상의 방법으로 제작한 경우는, 베이스층단(114)은 에미터층(112)과 베이스층(113)의 경계에 상당한다. 주목할 점은 베이스층단(114) 및 베이스전극(113)에 대한 절연막(143)의 위치관계이다. 도 3(b)와 같이, 에미터층(112)이 절연막(143)으로 완전히 덮여 있으면 높은 태양전지특성을 나타낼 수 있다. 나아가 본 발명에 따르면, 도 3(a)와 같이 에미터층(112)이 어느 정도 노출(즉, 에미터층(112)이, 절연막(143)을 개재하지 않은 영역이 있고, 베이스용 버스바전극(135)과 유전체막(142)만을 개재하여 인접하는 상태)되어 있어도, 유전체막(142)의 존재에 의해, 에미터층(112)과 베이스용 버스바전극(135)의 도통은 어느 정도 회피되고, 태양전지특성의 저하는 경미한 것으로 할 수 있다.
이상, N형 기판의 경우를 예로 서술하였으나, P형 기판의 경우는 에미터층형성에 인, 비소, 안티몬 등을 확산시키고, 베이스층형성에는 붕소, Al 등을 확산시키면 되며, 본 발명의 방법은 이용가능하다.
상기 방법에 의해 제조된 태양전지는, 태양전지모듈의 제조에 이용할 수 있다. 상기 방법에 의해 제조된 태양전지가 내장된 태양전지모듈의 일례의 개관을 도 6에 나타낸다. 상기의 방법에 의해 제작된 태양전지(400)는, 태양전지모듈(460)내에서는 타일상으로 깔린 구조를 이룬다.
태양전지모듈(460)내에서는, 인접하는 태양전지(400)끼리가 수매~수10매 전기적으로 직렬로 접속되고, 스트링이라 불리는 직렬회로를 구성하고 있다. 스트링의 개관을 도 7에 나타낸다. 도 7는, 통상 사람눈에 띌 일이 없는 모듈내부이면측의 모식도에 상당한다. 또한, 핑거전극이나 버스바전극은 도시되지 않는다. 직렬접속으로 하기 때문에, 도 7에 나타낸 바와 같이, 인접하는 태양전지(400)의 P버스바(기판의 P형층에 접합한 핑거전극에 접속되어 있는 버스바전극)와 N버스바(기판의 N형층에 접합한 핑거전극에 접속되어 있는 버스바전극)끼리가 리드선(461) 등으로 접속되어 있다.
태양전지모듈(460)의 단면모식도를 도 8에 나타낸다. 상기 서술한 바와 같이 스트링은, 복수의 태양전지(400)를, 버스바전극(422)에 리드선(461)을 접속하는 것으로 구성된다. 이 스트링은, 통상 EVA(에틸렌비닐아세테이트) 등의 투과성의 충전제(472)로 봉지되고, 비수광면측은 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트) 등의 내후성 수지필름(473), 수광면은 소다라임유리 등의 투과성으로 기계적 강도가 강한 수광면보호재료(471)로 덮여 있다. 충전제(472)로는, 상기 EVA 외에, 폴리올레핀, 실리콘 등을 사용할 수 있다.
나아가 이 태양전지모듈을 이용하여 태양광발전시스템을 제조, 구성할 수도 있다. 도 9는 본 발명의 모듈을 연결한 태양광발전시스템의 기본구성을 나타낸 것이다. 복수의 태양전지모듈(16)이 배선(15)에서 직렬로 연결되고, 인버터(17)를 경유하여 외부부하회로(18)에 발전전력을 공급한다. 도 9에는 나타내지 않으나, 해당 시스템은 발전한 전력을 축전하는 2차전지를 추가로 구비할 수 있다.
실시예
이하에, 본 발명의 실시예 및 비교예를 들어 더욱 구체적으로 설명하나, 본 발명은 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
(실시예)
본 발명의 방법을 이용하여, 태양전지의 제작을 행하였다.
우선, 두께 200μm, 비저항 1Ω·cm의, 인도프{100}N형 애즈컷실리콘기판 10매를 준비하였다(도 4(a) 참조). 이 실리콘기판에 대하여, 열농수산화칼륨수용액에 의해 데미지층을 제거 후, 72℃의 수산화칼륨/2-프로판올수용액 중에 침지하여 텍스처형성을 행하고, 계속해서 75℃로 가열한 염산/과산화수소혼합용액 중에서 세정을 행하였다.
다음에, 기판을 2매 1조로 겹친 상태로 열처리로에 재치하고, BBr3과 산소와 아르곤의 혼합가스를 도입하여 1000℃에서 10분 열처리를 행하였다. 이에 따라, 에미터층을 형성하였다(도 4(b) 참조). 사탐침법으로 측정한 결과, 시트저항은 50Ω가 되었다.
이것을 1000℃ 3시간 산소분위기 중에서 열산화하여 마스크형성하였다(도 4(c) 참조).
이면의 마스크를 레이저로 개구하였다(도 4(d) 참조). 레이저원은 Nd:YVO4의 제2차 고조파를 이용하였다. 개구패턴은, 간격 1.2mm 평행선상으로 하였다.
이것을 80℃ KOH에 침지하여 개구부의 에미터층을 제거하였다(도 4(e) 참조).
다음에, 옥시염화인 분위기하, 870℃에서 수광면끼리를 겹친 상태로 40분간 열처리하고, 개구부에 인확산층(베이스층)을 형성하였다(도 4(f) 참조). 이 후, 농도 12%의 불산에 침지함으로써 표면유리를 제거하였다.
이상의 처리 후, 플라즈마CVD장치를 이용하여 질화실리콘막을 양면에 형성하였다(도 4(g) 참조). 막두께는 표리 모두 100nm로 하였다. 이 단계에서 베이스층폭을 현미경으로 측정한 결과, 대략 190μm였다.
다음에, 스크린인쇄기를 이용하여, Ag페이스트를 베이스층 상 및 에미터층 상에 각각 인쇄하여 건조하였다(도 4(h) 참조). 이것을 780℃의 공기 분위기하에서 소성하였다.
이 기판에, 스크린인쇄기를 이용하여, 절연재료를 패턴상으로 인쇄하였다. 절연재료로는, 신에쯔화학공업주식회사제의 실리콘을 이용하였다. 이때, 베이스전극을 좁히는 절연막의 개구폭을 각각 30, 40, 100, 150, 200, 300, 400μm로 한 인쇄제판을 준비해두고, 각각의 제판으로 인쇄하였다. 베이스층폭은 190μm이므로, 개구폭 30, 40, 100, 150, 200μm는 N버스바 직하의 에미터영역이 절연막으로 완전히 막혀 있는 것이 현미경으로 관찰되었다. 또한, 30, 40μm는 베이스전극이 절연막에 완전히 덮여 있는 개소도 여기저기 보였다. 한편, 300, 400μm는 N버스바 직하에 에미터영역이 노출되었다. 이들을 200℃의 벨트로에서 5분간 경화시켰다.
마지막으로 저온경화형의 Ag페이스트를 직선상으로 6개 스크린인쇄기로 인쇄하고, 300℃의 벨트로에서 30분간 경화시켜, 버스바로 하였다.
이상과 같이 하여 얻어진 태양전지의 샘플에 대하여, 야마시타전장사제 솔라시뮬레이터를 이용하여 AM1.5 스펙트럼, 조사강도 100mW/cm2, 25℃의 조건하에서, 전류전압특성을 측정하여 광전변환효율을 구하였다. 또한, 얻어진 태양전지의 베이스전극을 좁히는 최인접 절연막간 거리를, 현미경을 이용하여 실측하였다.
얻어진 결과를, 최인접 절연막간 거리와 변환효율의 관계로서 도 10에 나타낸다. 40~200μm이면 변환효율의 저하는 보이지 않는다. N버스바가 에미터영역과 절연막에 의해 완전히 격리되었기 때문이다. 한편, 본 실시예의 경우, 베이스층폭W은 상기와 같이 약 190μm이므로, 최인접 절연막간 거리 200μm는 (W+10)μm에 상당한다. 최인접 절연막간 거리를 300μm(즉, (W+110)μm)로 하면 저하가 보이나 저하량이 근소하다. N버스바-에미터영역의 접촉저항이 변환효율에 미치는 영향이 작기 때문이다. 400μm에서는 대폭 저하가 보인다. N버스바-에미터영역의 접촉저항의 영향을 무시할 수 없기 때문이다. 또한, 30μm에서의 대폭적인 저하는, 베이스전극이 절연막에 완전히 덮여 직렬저항이 상승되기 때문이다.
한편, 본 발명은, 상기 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 상기 실시형태는 예시이며, 본 발명의 특허청구의 범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 갖고, 동일한 작용효과를 나타내는 것은, 어떠한 것이어도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

Claims (10)

  1. 제1 도전형을 갖는 반도체기판의 제1 주표면에, 상기 제1 도전형을 갖는 베이스층, 및, 상기 베이스층에 인접하고, 상기 제1 도전형과 반대의 도전형인 제2 도전형을 갖는 에미터층을 갖고,
    상기 베이스층과 전기적으로 접속되는 베이스전극과,
    상기 에미터층과 전기적으로 접속되는 에미터전극
    을 갖는 태양전지로서,
    상기 제1 주표면 상에 있어서, 상기 베이스층 및 상기 에미터층에 접하는 유전체막을 갖고,
    상기 에미터전극을 덮음과 함께, 상기 유전체막 상에 위치하고, 적어도 상기 베이스층 상에 있어서 간극을 갖도록 배치된 제1 절연막을 갖고,
    적어도 상기 제1 절연막 위에 위치하는 베이스용 버스바전극을 갖고,
    상기 제1 절연막의 간극의 거리가 40μm 이상 (W+110)μm 이하(단, W는 간극방향의 베이스층의 폭)인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 베이스전극과 상기 베이스용 버스바전극은 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 베이스층의 상기 반도체기판의 제1 주표면에 나타내는 형상이 세장이며, 그 폭이 50μm 이상 200μm 이하인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스전극을 덮는 제2 절연막을 추가로 갖고, 적어도 상기 제2 절연막의 위에 위치하고, 상기 에미터전극과 전기적으로 접속하는 에미터용 버스바전극을 갖는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 태양전지가 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지모듈.
  6. 제5항에 기재된 태양전지모듈을 갖는 것을 특징으로 하는 태양광발전시스템.
  7. 제1 도전형을 갖는 반도체기판의 제1 주표면에, 상기 제1 도전형을 갖는 베이스층, 및, 상기 베이스층에 인접하고, 상기 제1 도전형과 반대의 도전형인 제2 도전형을 갖는 에미터층을 형성하는 공정과,
    상기 제1 주표면 상에 있어서, 상기 베이스층 및 상기 에미터층에 접하는 유전체막을 형성하는 공정과,
    상기 베이스층과 전기적으로 접속되는 베이스전극을 형성하는 공정과,
    상기 에미터층과 전기적으로 접속되는 에미터전극을 형성하는 공정,
    을 갖는 태양전지의 제조방법으로서,
    상기 에미터전극을 덮음과 함께, 상기 유전체막 상에 위치하고, 적어도 상기 베이스층 상에 있어서 간극을 갖도록 제1 절연막을 형성하는 공정과,
    적어도 상기 제1 절연막의 위에 베이스용 버스바전극을 형성하는 공정
    을 갖고, 상기 제1 절연막을 형성하는 공정에 있어서, 상기 제1 절연막의 간극의 거리를 40μm 이상 (W+110)μm 이하(단, W는 간극방향의 베이스층의 폭)로 하여 상기 절연막을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 베이스전극과, 상기 베이스용 버스바전극을, 전기적으로 접속시키는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 베이스층의 상기 반도체기판의 제1 주표면에 나타나는 형상을 세장으로 하고, 그 폭을 50μm 이상 200μm 이하로 하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스전극을 덮는 제2 절연막을 형성하는 공정과,
    적어도 상기 제2 절연막의 위에 위치하고, 상기 에미터전극과 전기적으로 접속하는 에미터용 버스바전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
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