KR20190102204A - 고성능 태양 전지, 이의 어레이 및 제조 방법 - Google Patents

고성능 태양 전지, 이의 어레이 및 제조 방법 Download PDF

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KR20190102204A
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엠파워 테크놀로지 인코포레이티드
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Abstract

신속한 프로세스 흐름을 이용하여 고성능 단결정 규소 전지 및 그의 어레이가 제조된다. 이 프로세스에서 형성된 터널링 접합은 고효율 및 저전력 온도 효율 등, 성능 개선을 나타낸다. 이 프로세스는 부가적인 프로세스 단계를 필요로 함이 없이, 통상의 전지보다 더 작은 상호접속된 고성능 전지들의 대형 어레이를 생성하여, 이들 쿠폰들의 최종 제품으로의 통합을 단순화시켜준다. 전지들은 서로 다른 형상, 크기 및 배향을 가질 수 있으므로, 원하는 모든 방향에서 어레이를 가요성으로 만들 수 있다. 소형의 저전류, 고전압 전지들을 조밀한 직렬 및 병렬 배열로서 접속시킴으로써, 음영 하에서 보다 높은 효율과 더 낮은 핫 스팟이 달성된다. 저전류 전지는 또한 전형적인 태양 전지 및 어레이보다 금속화를 훨씬 적게 필요로 한다.

Description

고성능 태양 전지, 이의 어레이 및 제조 방법
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2016년 12월 9일자로 출원된 미국 가특허출원 No.62/432,289 ( "고성능 태양 전지, 이의 어레이 및 제조 방법")에 기초한 우선권 주장 출원으로서 상기 출원의 그 명세서 및 청구 범위는 본원에 참조 통합된다.
발명의 배경
본 발명의 분야 (기술 분야)
본 발명은 고성능 태양 전지 구조, 이러한 전지로 제조된 어레이 및 그러한 장치 및 시스템을 생성하기 위한 고효율, 저비용 제조 방법에 관한 것이다.
배경 기술
다음 토론에서는 여러 서적 및 참조를 참조할 수 있다. 그러한 간행물에 대한 논의는 과학적 원리의 보다 완전한 배경 설명을 위해 제공되며 그러한 간행물이 특허 가능성 결정을 위한 선행기술임을 인정하는 것으로 해석되어서는 아니된다.
통상적인 태양 전지는 광생성 캐리어를 수집하여 이들을 외부 회로로 전달함으로써 유용한 작업물을 생성하는데 사용되는 도핑 접합 및 옴 접촉을 이용하여 제조된다. 태양 전지용 터널 접합의 사용은 다중 접합 화합물 반도체 전지의 금속-절연체-반도체 (MIS) 전지 또는 터널 접합과 같이 당업계에 잘 알려져 있다.
종래의 전지는 전형적으로 전지 상에 형성된 금속화층 상에 용접되는 금속 트레이스를 사용하여 상호접속되는데 바람직하지 않은 저항 손실을 방지하기 위해, 전지 당 발생되는 높은 전류 및 낮은 전압을 수용하기 위해 대체로 각 전지 및 전지들 간에 대량의 재료를 필요로 한다.
태양 전지에 금속 트레이스를 증착하는 프로세스는 전형적으로 스크린 인쇄, 잉크젯 인쇄, 전기도금 또는 진공 증착 프로세스 또는 이들 단계의 조합을 포함한다. 불투명한 금속층에 의해 생성된 쉐이딩 손실을 줄이기 위해 전후방 접촉 전지의 측면 치수를 가능한 한 얇게 만드는데 많은 노력을 기울여지고 있다. 일단 이들 층들이 형성되고 다른 금속층이 전지 상에 용접되면, 반도체와 금속층 사이의 열팽창 계수의 차이가, 바람직하지 않은 기계적 응력 및 전지와 어레이 구조의 고장을 초래할 수 있는 약점을 야기한다. 사용되는 금속의 양 역시도 전체 구조에 상당한 무게를 더하는데, 이는 플랫폼의 성능에 시스템 무게가 결정적으로 중요한 항공 우주와 같은 응용 분야에서 바람직하지 않은 결과이다.
현재 전지를 스트링, 서브어레이, 및 마지막으로 패널로 조립하는데는 많은 단계가 관련되어 있다. 일반적으로 이들 어셈블리는 함께 적층되어 상면 커버층과 후면 커버층, 후면용 폴리머층과 상면용 유리를 포함하는 최종 제품을 형성한다. 또한 두 개 층 모두가 유리이거나 또는 모두가 폴리머인 구성도 존재한다.
발명의 개요 (발명의 개시)
본 발명은 전기적으로 직렬 연결된 제1 광전지의 제1 스트링과 전기적으로 직렬 연결된 제2 광전지의 제2 스트링을 포함하는 상호접속된 광전지의 어레이로서 여기서, 상기 제2 스트링은 상기 제1 스트링과 전기적으로 병렬로 연결되고, 각각의 제1 전지는 제1 형상을 갖고, 각각의 제2 전지는 제2 형상을 갖는다. 각각의 제1 전지는 바람직하게는 대략 제1 표면적을 갖고, 제2 전지 각각은 대략 제2 표면적을 갖는다. 제1 표면적은 제2 표면적과 상이한 것이 바람직하다. 어레이는 2 이상의 방향으로 가요성인 것이 바람직하다. 제1 스트링에 의해 생성된 전압은 제2 스트링에 의해 생성된 전압과 거의 동일한 것이 바람직하다. 전지의 각각의 표면적은 약 100 ㎛2 내지 약 3000 mm2인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 약 .1 mm2 내지 약 100 mm2인 것이 바람직하다. 각 전지에 의해 생성된 전류는 좋기로는 약 1.1A 미만, 더욱 좋기로는 약 50mA 미만인 것이 바람직하다. 각각의 전지는 전류 수집 금속을, 그 금속을 통한 전력 손실을 각각의 전지로부터 이용가능한 총 전력의 약 10% 미만으로 제한하는데 필요한 양으로만 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한 전기적으로 직렬 연결된 제1 광전지의 제1 스트링과 전기적으로 직렬 연결된 제2 광전지의 제2 스트링을 포함하는 상호접속된 광전지의 어레이로서 여기서, 상기 제1 전지들 중 적어도 하나는 상기 제1 전지들 중 다른 전지과 다른 형상을 가지며, 상기 제2 전지들 중 적어도 하나는 상기 제2 전지들 중 다른 전지과 다른 형상을 갖는다. 각각의 제1 전지는 바람직하게는 대략 제1 표면적을 갖고, 제2 전지 각각은 대략 제2 표면적을 갖는다. 제1 표면적은 제2 표면적과 상이한 것이 바람직하다. 어레이는 2 이상의 방향으로 가요성인 것이 바람직하다. 제1 스트링에 의해 생성된 전압은 제2 스트링에 의해 생성된 전압과 거의 동일한 것이 바람직하다. 전지의 각각의 표면적은 약 100 ㎛2 내지 약 3000 mm2인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 약 1 mm2 내지 약 100 mm2인 것이 바람직하다. 각 전지에 의해 생성된 전류는 좋기로는 약 1.1A 미만, 더욱 좋기로는 약 50mA 미만인 것이 바람직하다. 각각의 전지는 전류 수집 금속을, 그 금속을 통한 전력 손실을 각각의 전지로부터 이용가능한 총 전력의 약 10% 미만으로 제한하는데 필요한 양으로만 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한 상호접속된 광전지 어레이를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은 광전지 웨이퍼를 부분적으로 처리하고, 웨이퍼를 신축성 캐리어에 접착시키고, 복수의 형상 및/또는 배향을 갖는 개개의 광전지들을 레이저를 이용하여 상기 웨이퍼로부터 개편화(singulate)시키고, 개개의 전지들의 서로에 대한 상대적인 배향을 유지하면서 개개의 전지들을 분리하고, 개개의 전지를 전기적으로 상호접속하고, 캐리어로부터 어레이를 제거하는 단계들을 포함하되, 여기서 어레이 내의 개개 전지들은 상대적인 배향을 유지하는 방법에 관한 것이다. 레이저를 사용하는 단계는 전지를 금속화하기 전에 수행하는 것이 바람직하다. 레이저는 선택적으로 수직 공진 표면 발광 레이저 (VCSEL) 또는 수직 외부 공진 표면 발광 레이저 (VECSEL)를 포함한다. 분리 단계는 바람직하게는 기판을 연신하는 단계를 포함한다. 분리 단계 후의 전지 간 거리는 바람직하게는 약 5 ㎛ 내지 250 ㎛이다. 상기 방법은 선택적으로, 제거 단계에 앞서, 가요성 절연층 및/또는 가요성 절연 및 전도 복합층을 웨이퍼에 부가하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 목적, 장점 및 신규한 특징 및 적용의 추가 범위는 부분적으로, 첨부된 도면과 관련하여 취해진 상세한 설명에서 논의되며, 부분적으로는 다음 내용을 검토함으로써 당업자에게 명백할 것이며, 또는 본 발명의 실시에 의해 습득될 수 있다. 본 발명의 목적 및 이점은 특히 첨부된 청구범위에 명시된 수단 및 조합에 의해 실현되고 달성될 수 있다.
본 명세서에 통합되어 명세서의 일부를 형성하는 첨부 도면은 본 발명의 구현예들을 예시하고, 발명의 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다. 도면은 단지 본 발명의 특정 구현예를 설명하기 위한 것일 분, 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 아니된다. 도면에서:
도 1은 태양 전지의 장방형 및 복합 형상 어레이를 도시한다.
도 2는 기본적인 마이크로-전지 구조 및 상호접속의 단면의 개략도를 도시한다.
도 3은 상호접속을 형성하는데 오직 금속 1 만이 사용된, 도 1 구조의 대체 구현예를 도시한다.
도 4는 태양 전지 제조 툴(tool) 및 태양 웨이퍼를 사용하여 전지 및 어레이를 생성하기 위한 본 발명의 구현예에 대한 프로세스 흐름을 나타낸다.
도 5는 마이크로 일렉트로닉스 제조 툴 및 집적회로(IC) 웨이퍼를 사용하여 전지 및 어레이를 생성하기 위한 본 발명의 구현예에 대한 프로세스 흐름을 나타낸다.
도 6은 정방형 또는 의사-정방형 태양 전지(PV) 웨이퍼 및 태양 전지 어레이를 생성하기 위한 처리 단계를 사용하는 프로세스 흐름을 나타낸다.
도 7은 마이크로 태양 전지의 상호접속의 예를 도시한다.
발명의 실시 형태의 상세한 설명
다수의 전지들을 추가적인 조립 단계없이 패널 또는 다른 시스템에 직접 결합가능하고 고전압을 생산하는 서브-어레이로 제조할 수 있도록 하는 처리 단계들의 통합과, 표준 도핑 접합보다 터널링 접합의 사용에 의해, 태양 전지 구조에 대한 몇 가지 중요한 개선점이 제공된다. 터널링 접합에 의해 제공되는 장점 중 일부로는: 고도로 도핑된 접합부에서의 캐리어 재조합의 배제, 얇은 터널링 산화물 및 비접합부 영영 주변의 다른 패시베이션 산화물에 의해 패시베이션화된 표면에서의 표면 재결합 속도의 감소, 조립 프로세스에서 값비싼 금속(예컨대, 은)의 제거로 인한 비용 감소, 및 간소화 및 신속한 프로세스 흐름 및 개선된 전력열 계수 (기존 Si 전지의 -0.4%/℃ 대비 약 -0.2%/℃)를 들 수 있다. 제조 프로세스의 구현예는 태양 웨이퍼를 사용하는 프로세스 흐름을 위해 웨이퍼 전체 주위에서 산화 및 질화규소 증착에 의해 개시되는 것이 좋다. 집적회로 프로세스 웨이퍼 및 툴이 이용될 때, 능동 디바이스는 좋기로는 규소-온-인슐레이터(SOI) 웨이퍼의 디바이스층 내 또는 비정질 규소과 같은 내부 분리층을 갖는 웨이퍼 상에 형성되는 것이 바람직하다. 터널링 접합부가 형성되는 영역은 바람직하게는 질화규소/산화물 패시베이션 스택을 패터닝 및 에칭함으로써 정의되는 것이 좋다. 이러한 패터닝은 표준 리소그래픽 기술 및 에칭, 마스크 형성 및 건식 또는 습식 에칭 또는 에천트의 직접 인쇄 또는 절연층의 레이저 제거와 같은 인쇄 기반 기술에 의해 수행될 수 있다. 터널링 접합은 급속 열처리(RTP) 산화, 노(furnace) 산화, 플라즈마 화학기상증착(PECVD)에 의한 증착 또는 스퍼터링에 의한 터널링층의 성장과 같은 임의의 방법에 의해 형성 될 수 있다. 형성되는 터널링층은 이산화규소 (SiO2) 또는 알루미늄 산화물 (Al2O3) 또는 캐리어가 활성 전지 재료 (규소)에서 콘택트 재료로 터널링할 수 있게해주는 1 nm 내지 3 nm 범위의 도핑되지 않은 비정질 규소를 포함한다. 콘택트 재료는 전형적으로 금속 및/또는 도핑된 규소과 기판 규소 사이의 일 함수 차이에 기초하여 선택되어 기판 규소에 올바른 유형의 밴드-벤딩을 생성한다. 이렇게 유도된 밴드-벤딩은 한 종류의 캐리어(예컨대 전자)는 콘택트쪽으로 끌어당겨지도록 하고 다른 종류의 캐리어(이 경우, 정공)는 콘택트로부터 멀어지도록 한다. 캐리어가 접촉 재료로 터널링됨에 따라, 농도 구배가 형성되어 더 많은 캐리어가 콘택트 쪽으로 끌어 당겨진다. 콘택트 재료는 얇은 금속 스택으로서 증착된 도핑된 폴리규소 (n 및 p-타입), 알루미늄, 티타늄, 텅스텐, 투명 전도성 산화물 (예를 들어, 인듐 주석 산화물-ITO) 또는 다른 금속 또는 이들 물질의 조합일 수 있다. 증착은 잉크젯 인쇄 또는 스크린 인쇄, 상이한 콘택트(n 및 p 형)를 위한 쉐도우 마스크를 이용하는 진공 증착 방법에 의해 수행될 수 있다. 정의하고자 하는 고정밀 기하학적 형태를 가능케하는 통상의 리소그래피 방법도 이용할 수 있다; 그러나 이러한 단계는 언급된 이전 방법보다 비용이 더 많이 든다. 바람직하게는 폴리이미드 또는 산화물와 같은 절연층이 제1 금속층 상에 증착되는 것이 좋다. 이 층의 콘택트 정공은 바람직하게는 인쇄 기반 방법 (예를 들어, 잉크젯 인쇄된 폴리이 미드 또는 잉크젯 인쇄된 마스크)에 의해 또는 감광성 절연층 또는 이미징층을 사용하는 표준 리소그래피 방법에 의해 형성되는 것이 좋다. 이어서, 제2층 금속 (금속 2)이 바람직하게는 인쇄 방법에 의해 또는 리소그래피 방법 (리프트-오프 또는 마스킹/에칭 기반)에 의해 패터닝되는 것이 좋다. 다른 절연층은 바람직하게는 질화규소 및 폴리이미드 또는 단지 폴리머 층 (예를 들어, 폴리이미드)일 수 있는, 이 금속층의 상부에 증착되고 콘택트 패드는 인쇄를 이용한 직접 패터닝 또는 리소그래픽 방법을 사용하여 정의된다.
이어서 패턴은 인쇄 또는 리소그래피 방법에 의해 바람직하게는 금속화 측면으로부터 웨이퍼의 반대측에 형성된다. 질화규소/산화물 패시베이션이 에칭되고 규소가 개개의 전지들을 개편화하기 위해 에칭된다. 더 얇은 규소 층이 요구되는 경우, 규소는 연마 또는 에칭 방법에 의해 얇아질 수 있으며, 또한 입사광을 트래핑하기 위해 표면을 텍스처링 할 수 있고, 그 다음에 트렌치 패터닝 단계가 수행된다. 이산화규소/질화규소 또는 비정질 규소/질화규소 또는 질화규소의 패시베이팅 층이 증착되어 측벽 (및 규소가 얇아진 경우의 전체 표면적)을 패시베이션한다. 이 층의 두께는 최대 광량이 규소으로 들어가도록 최상의 반사 방지 특성을 달성하도록 최적화되는 것이 바람직하다. 에칭 단계는 바람직하게는 모든 개개의 전지를 분리하고, 결과적인 디바이스가 큰 전지와 비교하여 취급에 대해 유연하고, 변형 가능하고, 매우 강건하도록 허용한다.
개개의 전지의 분리는 스텔스 다이싱과 같은 레이저 기반 방법을 사용하여 수행될 수 있으며, 바람직하게는 규소를 완전히 제거하거나 기계적 부하에 의한 규소 영역의 기계적 분리를 통한 크랙 개시 영역을 형성함으로써 수행될 수 있다. 기계적 부하는 적절한 광학 요소를 갖는 파이버 레이저, 수직 공진 표면 발광 레이저 (VCSEL) 또는 수직 외부 공진 표면 발광 레이저 (VECSEL)와 같은 집중된 광원을 사용함으로써 생성될 수 있다. 이어서 초점이 맞춰진 레이저 스폿에 의해 생성된 고온의 국부 영역은 에어 제트 또는 액체 제트 등에 의해 급속하게 냉각되어 분리 전면을 전파하는 소망하는 열추진 기계적 부하를 발생시킨다. 이 프로세스는 처리량과 프로세스 품질을 모두 향상시키는 고속 인쇄 프로세스와 유사한 고속 머신 비전 시스템에 의해 제어되는 것이 바람직하다. 좋기로는 규소 웨이퍼 (반도체급 원형 웨이퍼 또는 광전지 정방형/의사 정방형 또는 임의 형상의 웨이퍼일 수 있음)가 신축성 캐리어에 부착된 다음, 상기 언급된 레이저 조사 단계가 수행된다. 기계적 분리의 경우, 신축성 캐리어는 바람직하게는 개개의 영역을 잡아 당겨서 신장시킴으로써, 전지들 사이를 5 내지 250 ㎛로 분리시키는 것이 바람직하다. 개개의 영역들이 분리되면 개개 전지의 측벽을 위에서 설명한대로 부동화하거나 그대로 방치할 수 있다. 이어서 좋기로는 부가적인 가요성 절연층을 금속화면 상의 디바이스에 적용하여, 금속 2층을 대신하거나 또는 부가적인 라우팅층이 될 수 있는 전술한 금속층을 형성하는 것이 바람직하다.
전술한 프로세스에서, 전지는 임의의 형상, 크기 및 방향으로 절단가능하다. 선행 기술에서, 레이저 절단된 전지를 캐리어로부터 후속적으로 제거 및 적층하고, 하고, 태버(tabber) 스트링거 기계와 같은 모듈 스트링 기법을 사용하여 원하는 스트링 또는 모듈 구성으로 조립한다. 유사한 기술을 사용하여 제조된 반도체 디바이스 (예컨대 집적회로, 다이오드, 커패시터 및 저항기)를 예를 들어 픽 앤드 플레이스 기술을 사용하여 캐리어로부터 제거한다; 이들은 나중에 별도로 사용되며 한데 연결되지 않는다. 이와 대조적으로, 본 발명의 구현예에서, 개개의 전지가 절단 및 분리된 후, 이들은, 예를 들어 점착성 또는 접착성 기판 상에서 전지를 제조함으로써, 서로에 대해 동일한 배향을 유지시키는 것이 바람직하다. 이어서 이들을 상대적인 배향을 유지하면서 상호접속시키는 것이 바람직하며, 이에 따라, 최종 모듈 또는 어레이 구성에 요구되는 전지의 형상 및 크기의 배향이 동일한 것이 바람직하다. 따라서, 하나 이상의 전형적인 조립 단계가 회피되어 조립에 소요되는 시간과 비용을 줄일 수 있다.
분리 단계에서 형성된 영역의 형상 및 기계적 특징은 본 발명의 구현예들의 향상된 기계적 및 전기적 복원력을 제공할 수 있다. 육각형, 삼각형 또는 다른 형상 (다른 형상의 조합을 포함)과 같은 개개의 전지 형상은 전지 및/또는 기타 전자 구성 요소를 여러 방향으로 구부리거나 구부릴 수 있게 하며 선택적으로 원하는 위치에서도 구부릴 수 있으므로 어레이가 구부러 질 때 기계적 손상을 입지 않도록한다. 비교해 보면 정방형 또는 장방형 모양의 전지를 사용할 수도 있지만 2 방향으로만 바람직한 굴곡을 제공한다. 이것은 특정 응용 분야에는 적합하지만 3축 이상의 굴곡을 허용하는 보다 진보된 형태 및 형태의 조합만큼 기능하지는 않는다. 도 1은 이러한 기능을 제공하는 다양한 형상 및 결합된 복잡한 형상 어레이의 개략도이다. 공통 전압을 생성하기 위해 유사하거나 상이한 다양한 형상의 어레이 디바이스를 조합함으로서 저전류, 고전압 서브-어레이는, 태양 전지의 종래 시리즈 조합에서 일어나는 전류 부정합에 의해 생기는 성능의 불이익을 일으키지 않으면서 임의의 방식으로 다른 서브-어레이와 조합될 수 있다. 태양 전지가 일반적으로 (표면적의 변화에 기인하여 또는 비록 그들이 생산 변동에 대해 동일한 표면적을 가지고 있어도) 전류 출력에 1% 변동을 갖는다고 가정하면, 수 mA 내지 수십 mA의 이 같은 변화는 전형적인 암페어(예컨대 9A)의 전류를 생성하는 종래 기술의 전형적인 더 큰 전지에서 발생하는 것보다 훨씬 작은 (약 3 자리 적은) 손실을 초래한다. 이러한 손실을 피하기 위해 현재 사용중인 전지들은 맷칭되도록 테스트되어 출력별로 정렬된다. 감소된 손실 및 서브-어레이가 다른 서브-어레이와 병렬로 연결되기 때문에, 본 발명은 이 단계를 필요로 하지 않으며, 그에 따라 제조 시간 및 비용이 감소된다.
예를 들어, 삼각형 요소들의 조합을 직렬로 연결하여 공통 전압 (예컨대 1V 또는 6V)에 도달할 수 있으며 해당 서브-어레이를 그룹화된 삼각형, 육각형 또는 오각형의 다른 서브-어레이와 병렬로 배치하여 동일한 전압에서 원하는 평형 출력을 제공한다. 공통 전압에 도달하는 상호접속 전지들의 각각의 서브-어레이는 바람직하게는 실질적으로 동일한 영역을 포함하여, 모든 전지들이 거의 동일한 전류를 생성하도록한다; 그러나, 전지는 동일하거나 상이한 형상 또는 배향을 가질 수있다. 또, 상기한 바와 같이, 비록 전지들의 표면적이 정확히 동일하지 않다고 해도 (그리고 심지어 그러한 차이가 전형적인 제조 변동보다 크다 하더라도), 이러한 면적 차이로 인한 손실은 전형적으로 더 큰 전지에서 발생하는 손실보다 훨씬 작다. 공통 전압 (병렬) 접속 단계에서, 하나의 서브-어레이 내의 전지들 각각의 표면적은 다른 서브-어레이 내의 전지들 각각의 면적과 크게 다를 수 있다. 고정된 태양 전지 요소와 어레이 크기 및 형태의 제한없이 다양한 형상을 상호접속하고 원하는 영역을 커버하는 이러한 능력은, 종래의 태양 전지 크기보다 적은 면적에서 종래의 태양 전지 상호접속 접근법을 뛰어 넘는 중요한 장점인데, 이는 전지의 임의의 형상과 크기를 조합함으로써 본 발명의 어레이가 기계적 유연성을 상승적으로 향상시키고 동일하거나 더 우수한 효율로 기계적 및 전기적 신뢰성을 향상시킬 수있기 때문이다.
프로세스 흐름에서 형성되는 금속 1층 및 금속 2층의 회로 연결은 조밀한 네트워크에서 고성능 전지 어레이를 상호접속시켜, 디바이스 및 처리 변동, 음영 및 작동 중 손상에 대한 견고성을 제공한다. 직렬 및 병렬 네트워크에서 다수의 전지를 연결한 결과로서 형성된 높은 전압은 이 구조에서 더 얇은 금속층을 시너지 효과 있게 사용할 수 있도록 하여 재료 비용을 줄여줄 뿐만 아니라 무게가 중요한 변수가 되는 용례(예컨대 항공우주)에서 특히 중요한 장점이 된다. 예를 들어, 종래의 전형적인 고효율 태양 전지의 경우, 각 전지 상의 전형적인 집전 라인의 크기는 폭이 약 400 ㎛ 내지 50 ㎛이고 두께는 약 20 ㎛ 내지 500 ㎛이다; 별법으로, 직경이 250 ㎛내지 500 ㎛인 라운드 라인이 일반적으로 사용된다. 이들 전지 사이의 상호접속체의 폭은 일반적으로 수 mm에서 cm이며, 두께는 수백 마이크론에 달한다. 이와 대조적으로, 본 발명의 구현예들은 두께가 약 1 마이크론 내지 20 마이크론이고 폭이 5 마이크론 내지 500 마이크론인 상호접속체와, 각 전지에 두께가 약 1 ㎛ 내지 10 ㎛이고 폭은 약 10 ㎛ 내지 100 ㎛인 집전 금속을 갖는 집전 배선을 각 전지에 포함한다. 따라서, 본 발명에서 사용되는 금속의 양은 현재 요구되는 것의 100 분의 일 미만일 수 있다. 또한, 종래 기술의 큰 전지는 각각 약 .5V를 생성한다. 본 발명의 직렬/병렬 구성으로 더 작은 전지들을 조합함으로써, 종래 기술의 더 큰 전지와 동일한 표면적을 갖는 전지는 50 V 정도를 생산할 수 있다. 이는 동일 면적의 태양 전지에서 생산된 전류가 동일한 양의 전력에 대해 약 100배 적다는 것을 의미한다. 이로 인해 기존 시스템에 비해 10,000배 이하의 저항 손실이 발생하여 집전 금속을 덜 사용할 수 있다. 비귀금속 상품(예컨대 구리)을 사용해도 된다는 것과 이들 금속상품을 더 적은 양으로 사용해도 된다는 것은 비용이 주요 지표가 되는 적용례 (유틸리티 규모, 상업용 및 주거용 옥상 및 건물 일체형 태양광 발전 등)에서 특히 유리하다. 접촉면의 금속 패턴을 신중하게 설계함으로써, 음영이 없는 직접적인 광 입력면에 더해, 그 표면으로부터 최대 광량을 전지에 입사시키는 것이 가능하다. 이 특징은 금속 면이 불투명 재료에 의해 차단되거나 또는 매립되는 응용 분야에서는 유용하지 않지만, 접촉면에 투명 또는 반투명한 층이 있는 다른 응용 분야에서는 이 부가 수준의 에너지를 수확하여 추가로 전원 출력을 제공할 수 있다.
종래의 전면-및-후면(front-and-back) 접촉 전지는 완전히 금속화된 후면을 가지므로 이러한 이점은 이러한 전지 구성에서는 이용될 수 없다. 투명 또는 반투명 후면 시트와 상호접속 배선 기판의 경우에는, 레이저 구동 프로세스를 이용하여, 절연층과 전도성 트레이스에 의해 형성된, 상호접속 기판 상에 위치하는 금속 트레이스와 태양 전지 상의 금속 사이에 측면 크기(lateral dimension)가 약 5 ㎛ 내지 50㎛-100㎛인 점(point)과 유사한 이음매를 생성시킬 수 있다. 금속층은 전지와 상호접속 기판 모두에서 얇은 것이 바람직하므로 (약 1㎛ 미만 내지 약 5 내지 10㎛), 레이저 구동점-용접을 생성하는데 필요한 에너지의 양은, 종래 두꺼운 금속 레이저 용접에서 용접물을 생성하는데 필요한 에너지 수준에 비해 훨씬 적다. 이에 의해 VCSEL 및 VECSEL과 같은 반도체 레이저의 집중 어레이를 사용할 수 있는데, 이는 다른 레이저 소스보다 훨씬 효율적이고 신뢰할 수 있다. 이러한 디바이스는 프로세스 툴의 작은 이동 헤드에 내장할 수 있으며 고전력 광섬유 케이블을 통해 고출력 외부 레이저 소스를 라우팅하지 않고 전기 연결로 직접 구동할 수 있다.
도 2는 마이크로-스케일 터널링 접합 전지 및 이러한 전지 및 어레이의 처리 동안 형성된 상호접속된 네트워크의 개략도이다. 터널 접합을 형성하는데 사용되는 금속층은 좋기로는 얇은 터널링 절연층 주위에만 남겨지거나, 또는 연장된 구조로서 국소 상호접속으로 형성될 수 있다. 그 다음, 이들 영역은 바람직하게는 금속 1층 및 금속 2층에 의해 더 연결되어 완전한 네트워크를 형성한다. 폴리이미드 또는 다른 유사한 층은 구조물에 부가된 안정성 및 유연성을 제공하고, 폴리이미드 층의 개구는 또한 솔더, 전도성 에폭시 또는 다른 전기 접속이 이러한 전지 및 어레이가 통합된 시스템으로 형성되도록 한다.
도 3은 오직 금속 1층만이 개개의 전지들 간의 상호접속을 형성하는데 사용되는 구조의 대안적인 구현예의 개략도이다.
도 4는 전지 및 어레이를 생성하기 위한 태양 전지 제조 툴 및 웨이퍼를 사용하는 프로세스 흐름을 도시한다. 이 프로세스 구현예는 전체 구조 주위의 산화 및 질화물 증착에 의해 시작된다. 그 다음, 접합부를 형성하기 위한 영역은 질화물/산화물 스택을 제거하여, 베어 규소를 노출시키는 패터닝 및 에칭 또는 다른 기술에 의해 규정된다. 이어서 터널링 절연체 (열 성장 또는 증착된 산화물, 알루미나 등)가 이 개방 영역에 형성된다. 이어서 n형 터널링 접합부를 형성하는 금속 (예를 들어, 텅스텐 또는 n형의 고도로 도핑된 폴리규소 등)은 n형 콘택트 영역 및 다른 영역 상에 증착되어 상호접속을 형성한다. 필요에 따라 직렬 저항을 감소시키기 위해 동일한 특징을 갖는 다른 금속을 그 위에 쌓을 수 있다. 다음으로, p 형 터널링 접합부 (알루미늄 또는 p형의 고농도 폴리규소 등)를 형성하는 금속이 p형 콘택트 영역 및 다른 영역 상에 증착되어 상호접속을 형성한다. 필요에 따라 직렬 저항을 줄이기 위해 동일한 특징을 갖는 다른 금속을 그 위에 쌓을 수 있다. 상호접속부의 나머지 부분은 절연체 및 다른 금속 (바람직하게는 납땜 가능한 금속 또는 금속 스택)을 증착 및 패터닝함으로서 형성되는 것이 바람직하다. 최종 상호접속 패시베이션은 다른 절연체 (예를 들어, 기계적 지지 및 유연성 역시도 제공하는 폴리이미드) 및 전지 어레이를 다른 회로에 연결하기위한 패터닝 패드 개구부를 증착함으로써 달성되는 것이 바람직하다. 개개의 전지는 좋기로는, 금속 사이드 스택 내 재료에 이용가능한 온도에서 웨이퍼의 광입력 측에서 마스크를 패터닝하고, 규소를 에칭하여 웨이퍼(이산화규소/질화물, 비정질 규소/질화물 또는 질화물)의 측면에 패시베이션 막을 증착시킴으로써 개편화시키는 것이 바람직하다. 필요한 경우, 얇고 가벼운 구조를 제공하기 위해, 트렌치가 정의되기 전에 규소를 연마, 연삭 또는 에칭하여 얇게 만들 수 있다.
도 5는 전지 및 어레이를 생성하기 위한 집적회로 제조 툴 및 웨이퍼를 사용하는 프로세스 흐름을 나타낸다. 대부분의 프로세스 단계는 태양 전지 툴 프로세스 흐름과 공통적이지만, 절연체 상의 규소 (silicon-on-insulator) 또는 내부 분리층 웨이퍼가 사용되기 때문에, 약간의 차이가 있다. 트렌치가 디바이스층 내로 에칭되고, 산화물/질화물 패시베이션이 성장 또는 증착되며, 터널링 절연체 및 콘택트 형성 단계 전에 폴리규소 충전 및 CMP가 수행된다. 전지들의 상호접속을 위한 금속화 스택은 태양 전지 프로세스 흐름과 유사한 방식으로 수행된다. 디바이스층은 핸들층으로부터 분리되거나 또는 핸들층이 제거되어 웨이퍼 유형에 따라 매립된 유전체 또는 노출된 규소 표면을 노출시킨다. 추가적인 산화물 및 질화물 패시베이션 층이 증착된다. 트렌치 패턴은 인쇄 또는 리소그래피에 의해 정의되고, 트렌치는 에칭되어 개개의 전지가 개편화된다. 이러한 처리 단계를 용이하게 하기 위해, 웨이퍼를 캐리어 웨이퍼에 일시적으로 결합시킬 수 있으며, 이에 따라 표준 처리 절차가 이들 단계에 사용될 수 있다. 프로세스 완료 후, 전지 어레이들쿠폰)은 캐리어 웨이퍼로부터 분리된다. 이 층은 응용 프로그램 요구 사항 및 시스템의 통합 필요성에 따라 인접한 하나의 시트로 사용되거나 더 작은 조각으로 분리될 수 있다.
도 6은 PV 개시 웨이퍼 (정방형 또는 의사-정방형) 및 고 처리량 PV 프로세스 툴을 사용하는 프로세스 흐름을 도시한다. 프로세싱은 단결정 또는 다결정일 수 있는 태양전지 PV 산업 의사-정방형 또는 정방형 웨이퍼로부터 개시되는 것이 바람직하다. 절연층, 이산화규소/질화규소 스택 또는 다른 절연 재료 또는 이러한 층들의 조합이 전체 기판을 패시베이션하는 것이 바람직하다. 콘택트 영역은 동일한 표면 상에서 에칭되어 규소를 노출시키는 것이 바람직하다. 이들 영역은 바람직하게는 터널링 유전체로서 작용하는 얇은 (5-30 옹스트롬) 절연층으로 코팅된다. 이것은 SiO2, 질화규소, 비정질 규소, Al2O3, 다른 적합한 유전체 또는 이들의 조합일 수있다. 이어서 N형 콘택트 및 P형 콘택트 재료 (금속, 고농도로 도핑된 폴리규소 또는 이들의 조합)가 대응하는 콘택트 위치에 증착되어 패터닝되는 것이 바람직하다. 다음으로, 기판은 좋기로는 다음 프로세스 단계를 용이하게 하기 위해 경질 또는 연질의 임시 캐리어에 부착되어, 다음 단계를 용이하게 하는 것이 바람직하다. 이어서 개별 전지는 바람직하게는 에칭, 기계적 다이싱 또는 레이저 다이싱 방법을 사용하여 분리되는 것이 좋다. 이어서, 적절한 유전체층 또는 층들의 조합을 사용하여 전지의 측벽을 선택적으로 패시베이션할 수 있다. 그 다음, 가요성 유전체가 콘택트층을 갖는 표면에 바람직하게 도포되고 콘택트 개구가 이 층에 형성되는 것이 바람직하다. 별법으로, 콘택트들은 기판에 부착되기 전에 가요성 유전체층에 형성되는 것이 바람직하다. 이어서, 증착 및 패터닝 방법 예컨대 새도우 마스크, 스크린 인쇄, 잉크젯 인쇄, 증착, 리소그래픽 패터닝 및 에칭을 통한 스퍼터링에 의해 디바이스 상에 금속 트레이스를 형성하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이,가요성 유전체층 역시 상호접속 기판을 형성하기 위해 원하는 금속 트레이스를 포함하여, 전체 구조물을 위한 전기 접속을 제공하고, 이들은 전도성 에폭시, 솔더 및/또는 레이저 프로세스에 의해 구동된 포인트-용접에 의해 전지 상의 전도성 영역에 접속될 수 있다. 이후, 제조된 디바이스는 캐리어로부터 제거되고, 필요하다면 원하는 형상으로 절단된다.
본 발명의 일 구현예에서, 임의로 횡방향 치수가 약 1 mm 이하인 매우 많은 수의 작은 크기의 전지들은 통상 24,000 mm2 정도인 종래의 태양 전지와는 전혀 다른 방식으로 상호접속되어 있다. 본 발명의 전지들의 면적은 좋기로는 100 ㎛2 내지 약 3000 mm2, 보다 바람직하게는 약 .01 mm2 내지 약 625 mm2, 더욱 더 바람직하게는 약 1 mm2 내지 약 50 mm2이다. 마찬가지로, 본 발명의 구현예에서, 각 전지에 의해 생성되는 전류는 바람직하게는 약 1.1A 미만, 보다 바람직하게는 약 25A 미만, 및 더욱 바람직하게는 약 20mA 미만이다. 기존 실무상, 태양 전지는 일반적으로 공칭 모듈 전압을 달성하기 위해 직렬로 상호접속된다. 그런 다음 이들 모듈은 직렬로 접속되어 인버터나 또는 다른 다음 단계 전력 처리 구성 요소에 접속되는 스트링 전압을 달성한다. 본 발명의 마이크로-전지의 경우, 전지들은 작은 배수로 상호접속되어 더 작은 서브세트를 형성하며, 이들은 가변 직렬-병렬 조합으로 더욱 상호접속되어, 크기가 더 큰 전지로는 달성하기 어려운 보다 우수한 시스템 신뢰성, 음영 허용, 구성 요소 변동이나 고장에 대한 견고성을 부여해준다. 예를 들어, 통상의 기존 시스템에서는 대형 태양 전지들이 직렬로 연결되기 때문에 하나의 전지만 부분적으로 그늘져도 전지의 전체 서브스트링에 의해 생산되는 전류와 전압이 저하된다. 이렇게 되면 서브스트링은 일반적으로 예를 들어 바이패스 다이오드 사용에 의해 꺼지므로 나머지 스트링이 최대 전력으로 계속 작동할 수 있다. 그러나 이것은 차광된 전지가 수 초 이내에 150℃ 내지 200℃까지 온도를 상승시키고 음영이 사라질 때까지 이 온도를 유지할 수 있는 핫 스팟 문제를 해결하지 못한다. 이와 대조적으로, 본 발명의 전지는 상대적으로 소형이고, 바람직하게도 각각의 서브-어레이에서 직렬로 더 적은 전지로, 조밀한 저전류 네트워크 구성으로 배열되므로, 설령 더 많은 수의 더 작은 전지들에 음영이 져도, 서브-어레이에서 그늘지지 않은 전지들은 여전히 저전류 및 약간 낮은 전압으로 전력을 제공할 수 있다. 전류가 너무 적고 전력을 모으는데 이용가능한 경로가 너무 많으므로, 그늘진 전지(들)의 과열은 문제가 되지 않으며, 이에 따라 시스템의 신뢰성이 증가된다. 다른 서브-어레이들(병렬 연결된 것들)은 전체 전류로 전력을 지속적으로 생산할 수 있다. 그러므로 조밀한 저수준의 네트워크 배열은 지엽적인 변동을 평균화시킬 수 있으므로, 보다 높은 효율의 시스템을 얻을 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 마이크로-태양 전지 927은 다른 마이크로 태양 전지와 직렬 접속되어 "2 직렬" 배열을 형성한다. 다음으로 이 유닛을 복제하여 병렬 접속시켜 이번에는 "2 병렬" 세트가 형성되고, 이번에는 이것이 3회 복제 및 접속되어 "3 직렬" 세트가 형성되고, 이것이 다시 4회 복제 및 병렬 접속되어 다음의 "4 병렬" 세트가 형성된다. 이들 유닛은 전압, 전류 및 면적 범위와 관련하여 원하는 시스템 구성에 도달할 때까지 복수회 반복된다. 이러한 상호접속은 프로세스를 통해 동시에 조립되므로 제조공정이 크게 단순화되고 비용이 절감되며 신뢰성도 향상된다.
명세서와 청구범위에서, "약", "대략"의 의미는 기재된 수량의 20 퍼센트(20%) 이내를 의미한다. 본원에서, 단수 "a", "an" 및 "the"는 달리 명시적으로 반대 의미를 나타내지 않는 한, 복수도 포함하는 것이다. 그러므로 에를 들어, "관능기(a functional group)"이라는 표현은 하나 이상의 관능기를 나타내며, "그 방법(the method)"라는 표현은 당업자가 이해 및 인식하는 바와 같이, 동등한 단계들과 방법을 포괄하며, 이는 다른 것에 대해서도 마찬가지이다.
본 발명을 개시된 구현에들을 참조하여 상세히 설명하였지만, 다른 구현예들도 동일한 결과를 얻을 수 있다. 본 발명의 변형 및 수정은 당업자에게 자명하며, 그러한 모든 수정 및 등가물을 포함하는 것으로 의도된다. 상기 인용된 모든 특허 및 공보의 전체 개시 내용은 본원에 참고로 통합된다.

Claims (26)

  1. 전기적으로 직렬 연결된 제1 광전지의 제1 스트링; 및
    전기적으로 직렬 연결된 제2 광전지의 제2 스트링으로서, 상기 제2 스트링은 상기 제1 스트링과 전기적으로 병렬 연결된 것인, 전기적으로 직렬 연결된 제2 광전지의 제2 스트링
    을 포함하는 상호접속된 광전지 어레이로서,
    여기서 상기 제1 전지 각각은 제1 형상을 갖고 상기 제2 전지 각각은 제2 형상을 갖는 것인, 상호접속된 광전지 어레이.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 전지 각각은 대략 제1 표면적을 갖고, 상기 제2 전지 각각은 대략 제2 표면적을 갖는 것인 어레이.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 표면적은 상기 제2 표면적과 다른 것인 어레이.
  4. 제1항에 있어서, 세 방향 이상에서 가요성인 것인 어레이.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 스트링에 의해 생성된 전압은 상기 제2 스트링에 의해 생성된 전압과 대략 동일한 것인 어레이.
  6. 제1항에 있어서, 상기 각 전지들의 표면적은 약 100 ㎛2 내지 약 3000 mm2인 것인 어레이.
  7. 제6항에 있어서, 상기 각 전지들의 표면적은 약 .1 mm2 내지 약 100 mm2인 것인 어레이.
  8. 제1항에 있어서, 상기 각 전지들에 의해 생산되는 전류는 약 1.1 A 미만인 것인 어레이.
  9. 제8항에 있어서, 상기 각 전지들에 의해 생산되는 전류는 약 50 mA 미만인 것인 어레이.
  10. 제1항에 있어서, 상기 각 전지는 전류 수집 금속을, 그 금속을 통한 전력 손실을 상기 각 전지로부터 이용가능한 총 전력의 약 10% 미만으로 제한하는데 필요한 양으로만 포함하는 것인 어레이.
  11. 전기적으로 직렬 연결된 제1 광전지의 제1 스트링; 및
    전기적으로 직렬 연결된 제2 광전지의 제2 스트링으로서, 상기 제2 스트링은 상기 제1 스트링과 전기적으로 병렬 연결된 것인, 전기적으로 직렬 연결된 제2 광전지의 제2 스트링
    을 포함하는 상호접속된 광전지 어레이로서,
    여기서 상기 제1 전지들 중 적어도 하나는 상기 제1 전지들 중 다른 것과 상이한 형상을 가지며, 상기 제2 전지들 중 적어도 하나는 상기 제2 전지들 중 다른 것과 상이한 형상을 갖는 것인, 상호접속된 광전지 어레이.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 전지 각각은 대략 제1 표면적을 갖고, 상기 제2 전지 각각은 대략 제2 표면적을 갖는 것인 어레이.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1 표면적은 상기 제2 표면적과 다른 것인 어레이.
  14. 제11항에 있어서, 세 방향 이상에서 가요성인 것인 어레이.
  15. 제11항에 있어서, 상기 제1 스트링에 의해 생성된 전압은 상기 제2 스트링에 의해 생성된 전압과 대략 동일한 것인 어레이.
  16. 제11항에 있어서, 상기 각 전지들의 표면적은 약 100 ㎛2 내지 약 3000 mm2인 것인 어레이.
  17. 제16항에 있어서, 상기 각 전지들의 표면적은 약 .1 mm2 내지 약 100 mm2인 것인 어레이.
  18. 제11항에 있어서, 상기 각 전지들에 의해 생산되는 전류는 약 1.1 A 미만인 것인 어레이.
  19. 제18항에 있어서, 상기 각 전지들에 의해 생산되는 전류는 약 50 mA 미만인 것인 어레이.
  20. 제11항에 있어서, 상기 각 전지는 전류 수집 금속을, 그 금속을 통한 전력 손실을 상기 각 전지로부터 이용가능한 총 전력의 약 10% 미만으로 제한하는데 필요한 양으로만 포함하는 것인 어레이.
  21. 상호접속된 광전지 어레이를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은:
    광전지 웨이퍼를 부분적으로 처리하고;
    웨이퍼를 신축성 캐리어에 접착시키고;
    복수의 형상 및/또는 배향을 갖는 개개의 광전지들을 레이저를 이용하여 상기 웨이퍼로부터 개편화시키고;
    개개의 전지들의 서로에 대한 상대적인 배향을 유지하면서 개개의 전지들을 분리하고;
    개개의 전지들을 전기적으로 상호접속하고; 및
    캐리어로부터 어레이를 제거하는 단계들을 포함하되,
    여기서 어레이 내의 개개 전지들은 상대적인 배향을 유지하는 것인, 상호접속된 광전지 어레이를 제조하는 방법.
  22. 제21항에 있어서, 레이저를 사용하는 단계는 전지를 금속화하기 전에 수행되는 것인 방법.
  23. 제21항에 있어서, 레이저는 수직 공진 표면 발광 레이저(VCSEL) 또는 수직 외부 공진 표면 발광 레이저(VECSEL)를 포함하는 것인 방법.
  24. 제21항에 있어서, 상기 분리 단계는 기판을 연신하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  25. 제21항에 있어서, 분리 단계 후의 전지 간 거리는 약 5 ㎛ 내지 250 ㎛인 것인 방법.
  26. 제21항에 있어서, 제거 단계에 앞서, 가요성 절연층 및/또는 가요성 절연 및 전도 복합층을 웨이퍼에 부가하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
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