KR20200108485A - 초박형 가요성 후방 접촉 실리콘 태양 전지들 및 이를 제조하기 위한 방법들 - Google Patents

초박형 가요성 후방 접촉 실리콘 태양 전지들 및 이를 제조하기 위한 방법들 Download PDF

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데이비드 샤이먼
필립 젠킨스
로버트 제이. 월터스
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미합중국 (관리부서 : 미합중국 해군성)
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Abstract

두꺼운 비가요성 전지들로부터 초박형 가요성 결정질 실리콘 태양 전지를 만들기 위한 방법. 후면 상에 복수 개의 전기적 접촉부들을 구비한 두꺼운 비가요성 전지가 일시적 접합 접착 테이프 및 어느 두께의 실장된 적층체에 의하여 마운트(mount)에 부착된다. 상기 접합 테이프 및 상기 후면 접촉부들의 두께가 결정되고 최종적인 전지의 원하는 두께와 비교된다. 상기 적층체의 정면으로부터 과잉의 재료가 연마되어 원하는 두께를 가지는 얇게 된 적층제가 획득되고, 상기 얇게 된 적층체가 상기 마운트로부터 제거되어 80 μm 미만의 총 두께와 20 mm 미만의 굽힘 반지름(bending radius)을 가지는 초박형 가요성 후방 접촉 실리콘 태양 전지가 만들어진다. 그 정면 표면은 표면조직화되고 그 위에 증착되는 부동태화 층 및/또는 유전체 층을 가질 수 있다.

Description

초박형 가요성 후방 접촉 실리콘 태양 전지들 및 이를 제조하기 위한 방법들
상호 참조
본 출원은 2018년 2월 2일에 출원된 미합중국 가출원 제62/625,359호에 기초한 우선권을 주장한다.
기술분야
본 개시서는 초박형 가요성 후방 접촉 실리콘 태양 전지들 및 이를 기성의 상업용 후방 접촉 실리콘 태양 전지들로부터 제조하기 위한 방법들에 관한 것인바, 그 기성의 상업용 후방 접촉 실리콘 태양 전지들은 두껍고 가요성 및 굽힘 성능(bendability)에 있어서 제한된다.
후방 접촉 후방 정션(rear-junction) 실리콘 태양 전지들 또는 이른바 "IBC(interdigitated-back-contact)" 실리콘 태양 전지들(이하 "후방 접촉 실리콘 태양 전지들")은 그 전지의 후방에 정면 접촉부와 후방 접촉부(front and rear contact) 둘 모두를 둔다. 후방 접촉 실리콘 태양 전지들은 종래의 정면 접촉(front-contact) 태양 전지들보다 많은 장점들을 제공하는바, 이는 상기 태양 전지가 그늘에 노출됨으로부터 귀결되는 광 손실을 제거하는 것을 포함하며, 종래의 정면 접촉 실리콘 태양 전지들에 비해 전류 출력에 있어 현저한 개선 및, 모듈 제작 시 더 높은 패킹 밀도(packing density)를 보인다.
종래의 고효율 후방 접촉 실리콘 태양 전지들은 시작 재료로서 대략 200 μm의 웨이퍼 두께를 가진 n형 또는 p형의 단결정질 또는 다결정질 실리콘 웨이퍼들을 이용하여 제작된 기성의 상업용 제품들인바, 그 결과물인 비가요성 후방 접촉 실리콘 태양 전지는 약 165 μm의 총 두께를 가진다.
그러한 후방 접촉 실리콘 태양 전지들이 정면 접촉 실리콘 태양 전지들에 비하여 현저한 장점들을 제공하지만, 상업적으로 이용 가능한 후방 접촉 실리콘 태양 전지들은 굴곡된 때에 그 전지의 내면 곡률(inside curvature)로 측정된 바와 같이 굽힘 반지름에 있어서 제한된 가요성을 보인다. 그 굽힘 반지름은 가해진 응력에 의하여 파열되지 않은 채 웨이퍼를 굽힐 수 있는 최소 반지름이다. 굽힘 반지름이 작으면 작을수록, 재료의 가요성 및 굽힘 성능은 더 커진다.
종래의 태양 전지들의 제한된 가요성은 시작 재료들로서 약 200 μm의 두께를 가지는 두꺼운 실리콘 웨이퍼들을의 이용으로 인한 것이다. 비록 내재적으로, 완전 가요성(full flexibility)을 보이는 초박형 실리콘 웨이퍼들이 가요성 태양 전지들의 제작을 위한 시작 재료들로 채용될 수 있다고 하더라도, 그러한 초박형 실리콘 웨이퍼들을 처리하고 취급하는 것은 그 초박형 실리콘 웨이퍼들의 깨지기 쉬운 재료 성질 때문에 골칫거리인데, 특히 다수의 공정 단계들로써 상업적으로 이용 가능 태양 전지의 제조를 웨이퍼-레벨로 구현하는 것이 그러하다. 게다가 후방 접촉 후방 정션 태양 전지들을 제조하기 위하여 시작 재료들로서 초박형 실리콘 웨이퍼들을 이용하는 것은 더 더욱 도전적인 일인데, 특히 이는 고온에서의 확산 공정들, 박막들의 다수 증착, 및 매우 복잡한 다수의 포토리소그래피 단계들의 필요성과 같이 후방 접촉 실리콘 태양 전지들을 만드는 데 있어서 후방 접촉 및 후방 정션의 형성을 위한 복잡한 다수의 공정 단계들로 인한 것이다.
상업적으로 이용 가능한 후방 접촉 실리콘 태양 전지들은 전형적으로 시작 재료로서 대략 200 μm의 웨이퍼 두께를 가지는 n형 실리콘 웨이퍼들을 이용하여 제조된다. 다수의 포토리소그래피 단계들 또는 인쇄 기법들(printing techniques)이 이산화규소의 에칭 및 도펀트 확산, 그리고 확산된 영역에서의 금속 접촉부들을 상기 n형 실리콘 웨이퍼의 후면 상에 형성함에 이용하기 위한 마스크를 선택적으로 형성하는 데 이용된다.
후방 접촉 실리콘 태양 전지들의 주요 특징은 다수의 마스킹 및 화학적 에칭 기법 및 확산 공정들의 이용을 통하여 상기 웨이퍼의 후 표면 내에 p-도핑된 영역과 n-도핑된 영역 둘 모두가 교번하여 형성되는 것이다. 그 후, 시드 층 적층체를 형성함으로써 금속 접촉부들이 그 후면 상의 p-영역 및 n-영역(p- and n-regions)에 만들어지고, 뒤이어 구리(≥ 20 μm) 및 주석(≥ 7 μm)을 도금함으로써 시드 층(seed layer)이 두껍게 된다. 이 두꺼운 후면 금속들의 교번하는 선들(interdigitated lines)은 상기 전지를 위한 강건한 기초를 제공한다. 후방 접촉 태양 전지들의 정면에서 정면 표면은 화학적으로 에칭되어 무작위의 피라미드들로 표면조직화된 실리콘 표면들이 형성되며, 그 후 그 표면조직화된 표면 상에 n-도핑된 영역이 형성된다. 그 후 유전체 층 적층체가 증착되어 ARC(반사 방지 코팅) 층들을 형성한다. 완성된 종래의 후방 접촉 태양 전지의 총 두께는 약 165 μm인바, 그 전지는 50 mm 내지 60 mm의 범위에 속한 제한된 굽힘 반지름(bending radius)을 보인다.
기성의 상업용 비가요성 후방 접촉 실리콘 태양 전지들은 웨이퍼 씨닝(thinning)을 통하여 초박형의 완전한 가요성의 후방 접촉 실리콘 태양 전지들로 개조될 수 있는바, 이때 활성 실리콘 층의 두께는 20 μm 미만이 되고, 따라서 그 굽힘 반지름은 10 mm 내지 20 mm의 범위에 있게 된다. 이 방법은 파손, 손상 없이 전지 씨닝(cell thinning)을 달성하도록 충분한 일시적인 접합-분리 기법들(temporary bonding-debonding techniques)을 필요로 한다. 그러나 두꺼운 교번하는 후면 접촉 선들로 인하여 기성의 상업용 후방 접촉 태양 전지들의 후면들에 보이는 광범위한 울퉁불퉁한 특징 때문에 그렇게 웨이퍼 씨닝된 전지들의 기계적 속성들 및 전기적 성능은 이용된 일시적인 접합-분리 방법들 및 그 씨닝 공정 중의 접합된 고정체(bonded fixture)의 품질에 현저히 영향을 받는다. 씨닝 공정 후의 총 두께의 변동(TTV; total thickness variation)이 상당히 큰 때에(예컨대, 10 μm 초과), 얇게 된 태양 전지의 기계적 강도는 현저히 저하된다. 게다가 상기 씨닝 공정 중 상기 태양 전지의 정면과 후면 둘 모두의 위에 미세 균열들(micro-cracks)이 발생하는 것은 파손의 주된 원인들 중 하나이다. 가해지는 부하 하에서 그 결함에 집중된 응력은 상기 얇게 된 태양 전지의 기계적 강도를 저하하고, 결국 깨짐을 초래한다. 상기 정면 상의 그러한 결함들은 씨닝 후에 화학적 기계적 연마(chemical mechanical polishing)를 채용함으로써 어느 정도 완화될 수 있으나, 그 공정은 종래의 저단가 태양 전지 제조에 이용하기 위해서는 비용효율적이지 않다.
두꺼운 웨이퍼 또는 박막 형식(thin-film format) 상에 적용될 수 있는 일시적 접합 왁스(temporary bonding wax)는 웨이퍼 씨닝을 위하여 널리 이용되는 기법이다. 그러나 그 접합 왁스 기법은 라미네이션 도구들을 필요로 하는 섬세한 라미네이션 또는 회전-도포 왁스(spin-coating wax)를 위한 추가적인 단계를 요하고, 때때로 왁스 잔여물(wax residue)의 제거를 위한 강한 용매(aggressive solvent)를 필요로 한다. 접착 테이프-기반의 일시적 접합-분리 기법들이 일시적 접합 접착제의 적용을 단순화하여, 회전 도포기(spin-coater) 또는 라미네이터(laminator) 없이 씨닝 공정의 생산성을 극적으로 향상시킬 수 있다. 일반적으로 일시적 접합 접착 테이프는 폴리-(에틸렌 테레프탈레이트)(PET), 폴리이미드(PI), 폴리스티렌(PS) 또는 액정 폴리머(liquid crystal polymer; LCP)와 같은 폴리머 막들 상에서 지지된다. 상기 폴리머 막의 상단 위에서 150 μm와 300 μm 사이의 두께를 가진 압축 층이 고도로 울퉁불퉁한 표면들을 위한 정합 압축(conformable compression)을 제공하며, 그 다음 100 μm 두께의 접착제가 온다. 일시적 접합 접착 테이프는 UV 노출 이형(UV exposed release), 제어된 박리 이형(controlled peel release) 또는 열 경화 이형(heat curing release)과 같은 이형 메커니즘에 의존하여 이형될 수 있다. 저단가 및 더 큰 면적의 태양 전지 용례를 위하여, 열 경화 이형에 기반한 접착 테이프가 접착 잔여물이 없거나 최소화되면서 일시적 접합 접착 테이프로부터 태양 전지의 손상 없는 빠른 이형을 제공한다. 상단 표면 상의 접착 층은 보호용 이형 라이너(protective release liner)에 의하여 보호되는바, 그 보호용 이형 라이너는 상기 접착 테이프를 기판 상에 적용하기에 앞서 제거될 필요가 있다.
본 개요서는 상세한 설명에서 더 설명되는 개념들을 선별하여 간소화된 형태로 소개하도록 의도된 것이다. 본 개요서는 청구된 대상물의 핵심적 또는 필수적 특징들을 식별하도록 의도된 것도 아니고, 청구된 대상물의 범위를 결정하는 것을 돕는 데 이용되도록 의도된 것도 아니다. 그 대신, 본 개시서에서 청구되고 설명된 대상물의 간략한 개요로서 제시된 것에 불과하다.
본 발명은 전체적으로 초박형 가요성 후방 접촉 실리콘 태양 전지들 및 이를 두껍고 굽힘 반지름이 제한된 기존의 후방 접촉 실리콘 태양 전지들로부터 제조하기 위한 방법들에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 씨닝 공정 중 일시적 접착 지지 층 상에 기존의 두꺼운 비가요성 후방 접촉 실리콘 태양 전지를 실장하고 그 일시적 접착 지지 층 및 잔여 접착제를 제거하기 위한 일시적 접합-분리 기법에 관한 것이다.
본 발명은 간소한 방법을 이용하여 초박형 가요성 후방 접촉 실리콘 태양 전지들을 제조하도록 후방 접촉 및 후방 정션 전지 구조를 가지는 기존의 두꺼운 비가요성 결정질 실리콘 태양 전지들을 시작 재료들로서 활용하는바, 그 간소한 방법에는 어떠한 에피택셜 Si 성장 시스템들, 추가적인 영구 지지 기판들, 또는 복잡한 다수의 포토리소그래피 단계들도 요구되지 않는다.
많은 실시 예들에서, 기존의 전지는 종래의 기성의 상업용 태양전지일 것이다. 그러한 기성의 상업용 후방 접촉 실리콘 태양 전지들은 전형적으로 실리콘 웨이퍼의 후면 상에 p-도핑된 영역 및 n-도핑된 영역과 함께, 상기 p-도핑된 영역 및 n-도핑된 영역에 직접적으로 접촉되는 20 μm 이상의 두께를 가지는 교번하는(interdigitated) 금속 접촉부들을 가진다. 이 교번하는 금속 적층체들은 심지어 영구 지지 층에 대한 필요 없이 상기 전지에 대한 강건한 기초를 제공하는바, 이로써 그러한 종래의 후방 접촉 실리콘 태양 전지들의 구조를 상기 초박형 가요성 태양 전지들로 만드는 공정에 고도로 적합해진다.
기계적 후면 연마(mechanical backgrinding) 또는 화학적 에칭과 같은 웨이퍼 씨닝 공정들은 상기 후면 상의 어떠한 도핑된 영역들 및 금속 접촉부들에도 손상을 가하지 않은 채 기존의 후방 접촉 태양 전지들의 정면에 쉽게 적용될 수 있다. 웨이퍼 씨닝 공정을 통하여 정면의 일부분을 제거한 후, 전지의 정면에 반사 방지 코팅 층, 표면 조직화(texturing) 및 정면 전계 층(front-surface field layer)을 구현하여, 얇게 된 후방 접촉 태양 전지들이 태양 전지 성능에 있어 손실을 최소로 입을 수 있게 함으로써, 얇게 된 태양 전지들의 성능은 쉽게 회복될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 모범적인 초박형 가요성 후방 접촉 실리콘 태양 전지의 양상들을 도시한 블록 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 초박형 가요성 후방 접촉 실리콘 태양 전지를 제조하기 위한 방법에서 이용되는 모범적인 일시적 접합 접착 테이프의 양상들을 도시한 블록 개념도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 초박형 가요성 후방 접촉 실리콘 태양 전지를 제조하기 위한 방법에서 이용되는 접합된 태양 전지를 만들기 위한 모범적인 단계들을 도시한 블록 개념도들이다.
도 4a 내지 4c는 본 발명에 따른 초박형 가요성 후방 접촉 실리콘 태양 전지를 제조하기 위한 방법에서 도 3c에 도시된 바와 같은 접합된 태양 전지로부터 층들을 제거하기 위한 모범적인 단계들을 도시한 블록 개념도들이다.
도 5는 본 발명에 따른 초박형 가요성 후방 접촉 실리콘 태양 전지를 제조하기 위한 방법에서 이용되는 접합된 태양 전지의 정면 공정의 양상들을 도시한 블록 개념도이다.
도 6a 및 6b는 종래의 두꺼운 실리콘 태양 전지(도 6a) 및 본 발명에 따른 종래의 두꺼운 실리콘 태양 전지로부터 제조된 초박형 실리콘 태양 전지(도 6b)의 가요성을 도시한 사진 영상들이다.
도 7은 100 mW/cm2의 복사 조도를 가지는 대기 질량지수 1.5 G(air mass 1.5 global)의 모의실험(simulated) 태양광 스펙트럼에 대한 반응으로서 도 6b의 얇게 된 태양 전지의 전류-전압 곡선을 나타내는 도표(plot)이다.
위에서 개요로 보인 본 발명의 양상들 및 특징들은 다양한 형태로 구체화될 수 있다. 아래 설명은 상기 양상들 및 특징들이 실현될 수 있는 조합들 및 구성들을 예시로써 보여준다. 설명되는 양상들, 특징들, 및/또는 실시 예들은 예시들에 불과하다는 점과, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이 본 개시서의 범위로부터 일탈됨 없이 구조적 및 기능적 변형을 수행하거나 다른 양상들, 특징들, 및/또는 실시 예들을 활용할 수 있다는 점이 이해될 것이다.
본 발명은 전체적으로, 영구 지지 구조체가 없는 초박형 가요성 후방 접촉 실리콘 태양 전지들 및 이를 두껍고 굽힘 반지름이 제한된 기존의 후방 접촉 실리콘 태양 전지들로부터 제조하기 위한 방법들에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 씨닝 공정 중 일시적 접착 지지 층 상에 기존의 두꺼운 비가요성 후방 접촉 실리콘 태양 전지를 실장하고 그 지지 층 및 잔여 접착제를 제거하기 위한 일시적 접합-분리 기법에 관한 것이다.
본 발명은 간소한 방법을 이용하여 초박형 가요성 후방 접촉 실리콘 태양 전지들을 제조하도록 후방 접촉 및 후방 정션 전지 구조를 가지는 기존의 두꺼운 비가요성 결정질 실리콘 태양 전지들을 시작 재료들로서 활용하는바, 그 간소한 방법에는 어떠한 에피택셜 Si 성장 시스템들, 추가적인 영구 지지 기판들, 또는 복잡한 다수의 포토리소그래피 단계들도 요구되지 않는다.
많은 실시 예들에서, 기존의 전지는 종래의 기성의 상업용 태양전지일 것이다. 그러한 기성의 상업용 후방 접촉 실리콘 태양 전지들은 전형적으로 실리콘 웨이퍼의 후면 상에 p-도핑된 영역 및 n-도핑된 영역과 함께, 상기 p-도핑된 영역 및 n-도핑된 영역에 직접적으로 접촉되는 20 μm 이상의 두께를 가지는 교번하는(interdigitated) 금속 접촉부들을 가진다. 이 교번하는 금속 적층체들은 심지어 영구 지지 층에 대한 필요 없이 상기 전지에 대한 강건한 기초를 제공하는바, 이로써 그러한 종래의 후방 접촉 실리콘 태양 전지들의 구조를 상기 초박형 가요성 태양 전지들로 만드는 공정에 고도로 적합해진다. 기계적 후면 연마(mechanical backgrinding) 또는 화학적 에칭과 같은 웨이퍼 씨닝 공정들은 상기 후면 상의 어떠한 도핑된 영역들 및 금속 접촉부들에도 손상을 가하지 않은 채 기존의 후방 접촉 태양 전지들의 정면에 쉽게 적용될 수 있다. 웨이퍼 씨닝 공정을 통하여 정면의 일부분을 제거한 후, 전지의 정면에 반사 방지 코팅 층, 표면 조직화(texturing) 및 정면 전계 층(front-surface field layer)을 구현하여, 얇게 된 후방 접촉 태양 전지들이 태양 전지 성능에 있어 손실을 최소로 입을 수 있게 함으로써, 얇게 된 태양 전지들의 성능은 쉽게 회복될 수 있다.
도 1에는 본 발명에 따른 모범적인 초박형 가요성 후방 접촉 실리콘 태양 전지의 양상들이 도시된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 그러한 초박형 가요성 후방 접촉 실리콘 태양 전지는 약 1 μm과 약 20 μm 사이의 두께를 가지는 초박형 n형 실리콘 웨이퍼(103), 및 상기 n형 실리콘 웨이퍼의 후면 상의 n-확산된 영역(n-diffused region; 104) 및 p-확산된 영역(p-diffused region; 105)에 금속 접촉부들을 형성하는, 약 20 μm과 약 40 μm 사이의 두께를 가지는 후방 금속 그리드들(rear metal grids; 107)을 포함한다. 이들 영역 각각은 아래에서 더 상세히 설명될 것이다. 바람직한 한 실시 예에서, 상기 태양 전지는 (100) 배향된 단결정질 실리콘 웨이퍼에 기초하게 될 것인바, KOH 계 용액이 상기 정면 상의 실리콘의 (111) 평면들을 우선적으로 노출시키는 데 이용되어, 1 μm 내지 5 μm 범위에 속하는 높이를 가진 무작위로 직립한 피라미드들(random upright pyramids)로 표면조직화된 표면이 형성되며, 이는 도 1에 도시된 바와 같다. 많은 실시 예들에서, 상기 전지는 그 정면의 표면조직화된 표면 상에 n-도핑된 반도체 층(102)을 더 포함할 수 있고, 그 n-도핑된 반도체 층(102) 상에 반사방지 코팅(ARC) 층(101)을 더 포함할 수 있다.
아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 그러한 태양 전지는, 바람직하게는 80 μm 미만의 총 전지 두께를 가지며, 더 바람직하게는 60 μm 미만의 두께를 가지고, 바람직하게는 20 mm 미만, 더 바람직하게는 10 mm 미만의 굽힘 반지름를 보이는 초박형 후방 접촉 단-결정질 실리콘 태양 전지 및 다-결정질 실리콘 태양 전지를 만들기 위해 기존의 두꺼운 비가요성 단-결정질 실리콘 태양 전지 및 다-결정질 실리콘 태양 전지를 활용하는 본 발명의 방법에 의해 만들어진다. 본 발명의 방법은, 바람직하게는 후방 접촉 및 후방 정션 전지 구조를 가지고 그 전지들에 부착된 영구적 지지 기판은 가지지 않는 가요성 초박형 단-결정질 및 다-결정질 실리콘 태양 전지들을 더 제공한다.
본 발명의 방법은 씨닝 공정 중에 일시적 접착 지지 층 상에 비가요성의 기성의 상업용 후방 접촉 실리콘 태양 전지를 실장하고 그 지지 층 및 잔여 접착제를 제거하기 위하여 일시적 접합-분리 기법을 이용함으로써 이를 달성한다.
도 2에는 본 발명의 방법의 일시적 접합 특징의 양상들이 도시된다. 본 발명에 따르면, 300 μm에서 500 μm까지의 총 두께를 가지는 일시적 접합 접착 테이프가 기존의 두꺼운 실리콘 태양 전지를 마운트(mount)에 일시적으로 고정시키는 데 이용됨으로써 그 두께가 초박형 가요성 결정질 실리콘 태양 전지가 제조되도록 감소될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 이 일시적 접합 접착 테이프(200)는 폴리-(에틸렌 테레프탈레이트) (PET), 폴리이미드 (PI), 폴리스티렌 (PS) 또는 액정 폴리머 (LCP)와 같은 75 μm의 두께를 가지는 캐리어 지지막(212), 전형적으로는 폴리머 필름을 포함한다. 캐리어 지지막(212)의 상단에는 두께 150 μm와 300 μm 사이의 두께를 가지는 압축 층(211)이 있는데, 이는 고도로 울퉁불퉁한 표면들을 위한 정합 압축을 제공하고, 그 다음, 상기 압축 층의 상단에 50 μm 두께의 접착 층(210)이 오는바, 그 접착 층은 보호용 이형 라이너(213)에 의하여 보호된다. 상기 접착 층(210)은 70 °C에서 150 °C까지 범위 내의 용융 온도를 가진다.
그 후, 이 일시적 접합 접착 테이프는 본 발명의 방법에서 이용되는바, 아래에서 설명되는 바와 같다. 도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따라 기존의 두꺼운 결정질 실리콘 태양 전지로부터 초박형 가요성 결정질 실리콘 태양 전지를 제조하기 위한 방법의 양상들을 도시한 블록 개념도들이다.
따라서 본 발명에 따라 초박형 가요성 결정질 실리콘 태양 전지를 제조하는 방법의 제1 단계에서, 기존의 두꺼운 결정질 실리콘 태양 전지가 상기 초박형 태양 전지의 제조를 위한 시작 재료로서 이용된다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 그러한 기존의 상업적으로 이용 가능한 후방 접촉 실리콘 태양 전지는 n형 실리콘 웨이퍼(303)를 이용하여 제조되고, 대략 200 μm의 웨이퍼 두께를 가진다.
이용되는 기존의 후방 접촉 실리콘 태양 전지의 주요 특징은 n-도핑된 영역(304)과 p-도핑된 영역(305)이 마스킹 및 화학적 에칭 기법의 이용을 통하여 상기 웨이퍼의 후표면 상에 교번하여 형성된다는 것인바, 그럼으로써 상기 실리콘 웨이퍼의 후표면 상에 이산화규소 층(306)이 증착되고, 상기 이산화규소 층(306)을 에칭하고 n-형 도펀트 및 p-형 도펀트를 각각 확산시켜 각각 n-도핑된 영역 및 p-도핑된 영역(304 및 305)을 형성하도록 마스크를 선택적으로 형성하는 데 포토리소그래피 단계들 또는 인쇄 기법들이 이용된다. 상기 전지는, 추가적인 금속 층들, 전형적으로 20 μm 이상(≥ 20 μm)의 구리 및 7 μm 이상(≥ 7 μm)의 주석인 금속 층들에 의하여 두꺼워진 시드 층 적층체를 형성함으로써 만들어진 n형 실리콘 웨이퍼(303)의 후면 상의 상기 도펀트-확산된 영역들 내에 금속 접촉부들(307)을 더 포함한다. 기존의 전지는 또한 전형적으로 표면조직화된 정면 표면과 함께 그 표면조직화된 정면 표면 상의 반사 방지 코팅(301) 및 n-도핑된 영역(302)을 구비할 것이다. 완성된 후방 접촉 태양 전지들의 총 두께는 전형적으로 약 165 μm일 것이고, 이는 50 mm에서 60 mm까지의 범위 내의 제한된 굽힘 반지름을 보인다. 이 시작 전지는 세정되어 임의의 결함 또는 균열에 대해 조사되며, 그 후에, 후면 금속 접촉부들을 포함하는 그 총 두께가 측정된다.
다음 단계에서, 상기 보호용 이형 라이너는 도 2에 관하여 위에서 설명된 것과 같은 일시적 접합 접착 테이프로부터 제거되고, 도 3b에 도시된 바와 같이, 기존의 두꺼운 태양 전지는 뒷면이 아래로, 상기 일시적 접합 접착 테이프의 접착 층(310)으로 실장되고 공압 프레스로써 아래로 유지되어, 그것이 상기 일시적 접합 접착 테이프에 라미네이션된다. 비-실리콘 고무 패드 또는 테플론 천은 상기 전지의 후방 접촉부들에 손상을 가함 없이 상기 기존의 전지의 후면 상에 공압을 가하고, 상기 접착 테이프를 라미네이션하는 데 적합하다. 그 후, 상기 실장된 전지 및 상기 일시적 접합 접착 테이프의 두께를 포함한, 실장된 적층체 전체의 두께가 측정되어 상기 전지의 미리 정해진 원하는 최종 두께와 비교되는바, 그 최종 두께는 최종의 n형 실리콘 층, n-도핑된 이산화규소 층(306), 및 상기 전지의 후면 상의 교번하는 접촉 선들의 두께를 포함하고, 그 적층체의 정면으로부터 제거될 재료의 양은 상기 원하는 최종 두께를 달성하도록 결정된다. 그 후, 아래에서 설명되는 바와 같이, 상기 미리 정해진 원하는 최종 두께를 가진 전지가 획득될 수 있도록 이 재료의 양이 제거된다.
따라서, 상기 적층체의 두께가 계산된 후, 상기 적층체로부터 제거될 상기 재료의 양이 결정된 후에, 도 4a에 도시된 바와 같이, 그 실장된 적층체는 연마기(grinder)로 옮겨지는바, 그 그라인더에서 상기 전지의 두께는 미리 정해진 양만큼 감소되어 위에서 설명된 바와 같이 결정된 상기 미리 정해진 원하는 최종 두께(상기 전지의 후면 상의 교번하는 접촉 선들을 감안한 약 40 μm의 허용 오차를 포함함)를 가진 전지가 획득된다. 상기 기존의 전지의 두께는 원래 기존의 전지에 존재했다면 상단 반사방지 층(410) 및 n-도핑된 영역(402)을 제거함으로써 감소되고, n형 실리콘 층의 미리 정해진 과잉 부분(403a)을 더 제거하여, 상기 전지의 약 1 μm와 약 20 μm 사이의 두께를 가지는 n형 실리콘 층의 얇은 부분(403b)만 남겨진다. 웨이퍼 씨닝 공정은 고비용의 화학적 기계적 연마(CMP) 단계의 필요 없이 간단한 단일 단계의 후면 연마 공정을 이용하여 완수될 수 있다. 상기 후면 연마 공정에서, 실장된 태양 전지의 정면 표면은 약 1 μm/sec의 씨닝 속도로 상기 전지의 정면 표면으로부터 과잉의 재료가 제거되도록 거칠게 연마되는바, 연마는 상기 미리 정해진 두께의 상기 태양 전지가 달성될 때까지 진행된다.
상기 전지가 원하는 두께에 도달했으면, 이제 이와 같이 얇게된 전지를 포함하는 상기 실장된 적층체는 상기 일시적 접합 접착 테이프에서 이용된 접착제의 용융 온도에 따른 70 °C과 150 °C 사이의 높아진 온도에 놓이고, 도 4b 및 도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 테이프 내 상기 접착제의 온도가 그것의 용융점에 도달하면 상기 얇게 된 태양 전지는 상기 일시적 접합 접착 테이프로부터 이형(release)되는바, 상기 일시적 접합 접착 테이프로부터의 상기 얇게 된 전지의 분리는 상기 용융 온도에 도달하면 즉각적이다. 임의의 잔여 접착제는, 예컨대, 이소프로필 알코올로써 상기 전지의 후면으로부터 쉽게 닦아내어질 수 있다. 그 후, 이와 같이 이형되고 난 상기 전지가 상기 미리 정해진 원하는 두께를 가지는 것이 보장되도록 그 전지의 최종 두께가 측정된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 몇몇 실시 예들에서, 상기 일시적 접합 접착 테이프로부터 상기 얇게 된 태양 전지가 이형된 후에, 화학적 에칭을 통하여 복수개의 무작위로 직립한 피라미드들을 형성하기 위하여 상기 초박형 구조의 정면 표면 상에 표면조직화가 수행될 수 있다. 바람직한 실시 예에서 (100) 배향된 단결정질 실리콘 웨이퍼들이 이용된다. 그 후, KOH 계 용액이 상기 정면 상의 실리콘의 (111) 평면들을 우선적으로 노출시키는 데 이용되어, 1 μm 내지 5 μm 범위에 속하는 높이를 가진 무작위로 직립한 피라미드들로 표면조직화된 표면이 형성된다. 이 표면조직화 공정은 상기 정면 표면의 조도를 증가시켜 광 포획을 증가시킬 수 있는바, 상기 정면 표면에 대한 입사광들의 반사 손실이 최소화된다.
다른 실시 예들에서, 터널 층 부동태화 n형 반도체 재료(502)의 하나 이상의 층들이 상기 표면조직화된 표면 상으로 증착될 수 있다. 상기 초박형 구조의 상기 표면조직화된 정면 표면 상에서 표면 부동태화가 초박형(< 2 nm) 터널링 층의 증착을 통하여 달성될 수 있는바, 여기에서 그 터널 층은 Al2O3, SiO2, 또는 수소화된 진성 비정질 Si와 같은 유전체의 층을 포함할 수 있다. W. 윤 외, "고효율 결정질 실리콘 태양 전지들을 위한 투명 전도성 산화물 기반 부동태화된 접촉부들(Transparent conducting oxide-based, passivated contacts for high efficiency crystalline Si solar cells)", 2015년 IEEE 제42 회 광전지 전문가 컨퍼런스(Photovoltaic Specialist Conference; PVSC), 2015, 1-4면{"윤 2015(Yoon 2015)"}, 및 W. 윤 외, "고효율 초박형 결정질 실리콘 태양 전지들을 위한 에피택시 성장된 이미터들의 개선된 표면 부동태화(Enhanced surface passivation of epitaxially grown emitters for high-efficiency ultrathin crystalline Si solar cells)", 2016년 IEEE 제43 회 광전지 전문가 컨퍼런스, 2016, 3008-3010면{"윤 2016(Yoon 2016)"}을 참고. 이 층들은 열적 원자층 증착(ALD), 원격 플라즈마 ALD(remote plasma ALD), 플라즈마 화학 기상 증착(PECVD), 습식 산화, UV-오존 산화(UV-Ozone oxidation) 및 DC/RF 마그네트론 스퍼터링(DC/RF magnetron sputtering), 또는 열 증발(thermal-evaporation) 및 전자선 증발(e-beam evaporation)과 같은 임의의 적합한 공정에 의하여 증착될 수 있다. 그 후, 상기 정편 표면에 소수의 캐리어 흐름(minority carrier flow)에 대한 배리어(barrier)를 도입하기 위하여 부동태화 터널 층 상에 n형 반도체 층(502)이 증착될 수 있다. 이에 따라, 상기 소수의 캐리어 농도가 n형 Si 베이스 영역 내에서 더 높은 수준으로 유지되고, 상기 n형 반도체 층은 상기 정면 표면을 부동태화하는 순 효과(net effect)를 가진다. 상기 n형 반도체 층은 인으로 도핑된 수소화된 비정질 Si 또는 TiOx와 같은 재료의 층들을 포함할 수 있다. p형 Si 베이스를 위해, 상기 p형 반도체 층들은 붕소로 도핑된 수소화된 비정질 Si, MoOx, 및 NiOx과 같은 재료의 층들을 포함할 수 있다. 앞의 윤 2016을 참고. n형 반도체 및 p형 반도체 둘 모두의 최적 두께는 1 nm 내지 20 nm의 범위 내에 있다.
몇몇 실시 예들에서, Al2O3, SiO2, SiNx, SiONx, 또는 MgF와 같은 고품질 유전체 재료의 하나 이상의 층들이 열적 원자층 증착(ALD), 원격 플라즈마 ALD, 플라즈마 화학 기상 증착(PECVD), 및 DC/RF 스퍼터링, 및 열 증발(thermal-evaporation) 및 전자선 증발(e-beam evaporation)과 같은 임의의 적합한 공정에 의하여 상기 전지의 상기 표면조직화된 정면 상에 증착될 수 있는바, 그 유전체 층들은 반사 방지 코팅(ARC) 층들(501)로 기능하여 추가로 반사 손실을 최소화한다.
장점들 및 새로운 특징들
본 발명으로 개시된 방법들의 주된 장점은 후방 접촉 및 후방 정션을 가지는 초박형 가요성 실리콘 태양 전지들의 간단하고 저단가인 제조 방법이라는 점이다. 이 방법은 단-결정질 실리콘 태양 전지 및 다-결정질 실리콘 태양 전지를 포함하는 기성의 상업용 후방 접촉 실리콘 태양 전지들을 활용한다. 이 방법은 바람직하게는 60 μm보다 작은 총 전지 두께를 가지고, 더 바람직하게는 50 μm보다 작은 총 전지 두께를 가지는 완전 가요성의 구부릴 수 있는 후방 접촉 실리콘 태양 전지들을 제조할 수 있다.
덧붙여, 이 방법은, 50 mm 내지 60 mm의 굽힘 반지름을 가지는 기존의 기성 상업용 태양 전지들로부터 바람직하게는 20 mm보다 작은 굽힘 반지름을 보이고, 더 바람직하게는 10 mm보다 작은 굽힘 반지름을 보이는 단-결정질 실리콘 태양 전지 또는 다-결정질 실리콘 태양 전지를 만들 수 있다.
도 6a 및 도 6b의 사진 영상들에는 두꺼운 비가요성 태양 전지로부터 초박형 가요성 태양 전지를 획득할 수 있는 본 발명 방법의 능력이 나타난다. 도 6a에는 본 발명의 방법에서 시작 전지로서 이용되는 모범적인 상업적으로 이용 가능 단결정질 실리콘 태양 전지가 보인다. 이 전지는 165 μm의 총 두께를 가졌고, 도 6a에서 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 상당한 비가요성이다. 그에 반해서, 도 6b에는 본 발명 방법의 상기 실장 단계, 후면 연마 단계, 및 추가 정면 공정 단계를 이용하여 그러한 두꺼운 비가요성 전지로부터 만들어진 고도로 가요성인 60 μm 두께의 전지가 보인다.
도 7은 100 mW/cm2의 복사 조도를 가지는 대기 질량지수 1.5 G(air mass 1.5 global)의 모의실험(simulated) 태양광 스펙트럼에 노출될 때 도 6b에 도시된 전지의 전류-전압 곡선을 나타내는 도표이다. 도 7의 도표는 어떠한 n-도핑된 영역 및 p-도핑된 영역에 대한 손상 또는 n-도핑된 영역이나 p-도핑된 영역에 대한 교번하는-후면(interdigitated-back) 접촉부 없이 본 발명의 방법이 초박형 가요성 후방 접촉 태양 전지들을 만들 수 있다는 점을 보여준다. 본 발명의 상기 일시적 접합-분리 공정 및 후면 연마 공정 후, 여전히 원래 전지는 손상되지 않고 온전하면서도 훨씬 더 얇은바, 60%보다 큰 높은 충전율(fill factor; FF) 및 400 mV보다 높은 개방 회로 전압(open-circuit voltage; Voc)을 보인다. 도 6b에 도시된 전지가 표면조직화, ARC 층의 적용, 또는 정면 전계의 형성과 같은 어떠한 표면 공정을 아직 겪지 않았다는 점이 주목될 것이며, 그러한 표면 공정이 실시된 후에 단락 회로 전류(short-circuit current; Isc) 및 상기 Voc가 훨씬 더 개선될 것이라 예상된다.
따라서, 본 발명의 방법에 의해 상기 태양 전지들의 후면 상에 강건하고(robust) 두꺼운 교번하는 금속 접촉선들의 고유 전지 구조로 인하여 그 전지에 부착된 영구적 지지 기판을 필요로 하지 않는 초박형 가요성의 단-결정질 및 다-결정질 얇은 실리콘 태양 전지들이 만들어질 수 있다.
대안들
후방 접촉 실리콘 태양 전지를 만들기 위해 여기에 주어진 접근법에 대한 주된 대안은, 소자 층 형성 및 영구적 지지 후평면(backplane)을 위한 고진공 에피택셜 툴들(tools)을 이용하는 결정질 반도체 층들의 에피택셜 성장 또는 증착 및 표면 재컨디셔닝(re-conditioning)을 요구하는 층 트랜스퍼 공정이다. 모슬레히(Moslehi) 외의 미합중국 특허출원공개공보 제2013/0228221 A1호를 참고. 다른 접근법은 응력에 의해 유도되는 웨이퍼들로부터의 박리(stress induced exfoliation)이다. 그러나, 응력에 의해 유도되는 박리를 통하여 제작된 태양 전지들은 정면 접촉 정면 정션 태양 전지를 구비하는바, 좁은 면적(~1 cm2)에 낮은 효율(~15%)로 악화된다.
비록 구체적인 실시 예들, 양상들, 및 특징들이 설명되고 도시되었지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람은 본 개시서에 설명된 발명이 그 실시 예들, 양상들, 및 특징들에 한정되지 않는다는 점을 쉽게 이해할 뿐만 아니라, 본 개시서에서 설명되고 청구된 기본 발명(underlying invention)의 정수(spirit) 및 범위 내에서 임의의 변형례들 또는 모든 변형례들을 상정할 수 있을 것이다. 본원은 본 개시서에 설명되고 청구된 기본 발명의 정수 및 범위 내에 속한 임의의 또는 모든 변형례들을 상정하며, 그러한 모든 변형례들과 대안적 실시 례들은 본 개시서의 범위 및 정수에 속하는 것으로 간주된다.

Claims (11)

  1. 초박형 가요성 후방 접촉 태양 전지를 제조하기 위한 방법으로서:
    약 200 μm의 두께 및 약 50 mm 내지 60 mm의 굽힘 반지름(bending radius)을 가진 Si 재료 층을 구비한 기존의 후방 접촉 태양 전지를 제공하는 단계로서, 상기 기존의 태양 전지는 그 후면 상에 복수개의 교번하는 n-도핑된 영역 및 p-도핑된 영역과, 상기 기존의 태양 전지의 후면 상의 상기 n-도핑된 영역 및 p-도핑된 영역에 대응하는 복수개의 교번하는 금속 접촉부들을 형성하도록 약 20 μm 내지 약 40 μm의 두께를 가지는 복수개의 금속 그리드들을 구비하는, 단계;
    캐리어 지지막 상에 접착 층을 포함하는 일시적 접합 접착 테이프를 제공하는 단계로서, 상기 일시적 접합 접착 테이프는 약 300 μm 내지 500 μm의 두께를 가지는, 단계;
    상기 기존의 태양 전지를 상기 일시적 접합 접착 테이프에 실장하여, 상기 기존의 태양 전지, 상기 금속 그리드들, 및 상기 일시적 접합 접착 테이프를 포함하는 실장된 적층체를 형성하는 단계;
    상기 실장된 적층체의 두께를 측정하고, 상기 실장된 적층체의 두께를 원하는 최종 태양 전지의 미리 정해진 두께에 비교하여, 상기 최종 태양 전지의 상기 미리 정해진 원하는 두께를 달성하도록 상기 기존의 태양 전지로부터 제거될 재료의 두께를 결정하는 단계;
    상기 기존의 태양 전지의 정면을 연마하여 상기 상기 Si 재료 층으로부터 재료를 제거함으로써 바람직하게는 약 10 μm 내지 약 20 μm의 두께를 가진 Si 재료 층을 구비하고, 더 바람직하게는 약 1 μm 내지 약 10 μm의 두께를 가진 Si 재료 층을 구비한 얇게 된 태양 전지를 제조하는 단계로서, 상기 실장된 적층체는 상기 태양 전지의 상기 미리 정해진 원하는 두께 더하기 금속 그리드들의 두께 및 상기 일시적 접합 접착 테이프의 두께와 같은 두께를 가지는, 단계; 및
    상기 얇게 된 태양 전지를 가진 상기 적층체를 상기 일시적 접합 접착 테이프 내의 접착제의 용융점으로 가열하는 단계로서, 상기 접착제의 용융점에 도달한 때에 즉시 상기 일시적 접합 접착 테이프로부터 상기 얇게 된 태양 전지가 떨어져 나가는, 단계;
    를 포함하되,
    상기 최종 태양 전지는 약 60 μm보다 작은 두께를 가지고, 더 바람직하게는 약 50 μm보다 작은 두께를 가지며, 20 mm보다 작은 굽힘 반지름을 가지고, 더 바람직하게는 10 mm보다 작은 굽힘 반지름을 가지는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 최종 태양 전지의 정면 표면을 화학적으로 에칭하여 표면조직화된 정면 표면을 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 표면조직화된 정면 표면은 복수개의 무작위로 직립한 피라미드들(random upright pyramids)을 포함하는, 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 최종 태양 전지의 상기 표면조직화된 정면 표면 상으로 부동태화(passivating) 반도체 재료 층을 증착하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 부동태화 반도체 재료 층은 약 1 nm 내지 약 20 nm의 두께를 가지는, 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 Si 재료 층은 n-도핑되고, 추가로, 상기 부동태화 반도체 재료 층은 n형 반도체 층인, 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 부동태화 반도체 재료 층은 인으로 도핑된 수소화된 비정질 Si, 또는 TiOx를 포함하는, 방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 Si 재료 층은 p-도핑되고, 추가로 상기 부동태화 반도체 재료 층은 p형 반도체 층인, 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 부동태화 반도체 재료 층은 붕소로 도핑된 수소화된 비정질 Si, MoOx, 또는 NiOx를 포함하는, 방법.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 최종 태양 전지의 상기 표면조직화된 정면 표면 상에 반사방지 코팅으로서 하나 이상의 유전체 재료의 층들을 증착하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 유전체 재료는 Al2O3, SiO2, SiNx, SiONx, 또는 MgF를 포함하는, 방법.
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