KR950001619B1 - 단결정 실리콘 태양전지 - Google Patents
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Abstract
내용없음.
Description
제1a도 내지 제1g도는 통상적인 단결정 실리콘 태양전지의 제조공정을 순차적으로 보인 공정도.
제2도는 통상적인 단결정 실리콘 태양전지 내부의 전자 포텐셜을 보인 작용도.
제3a도 및 제3b도는 통상적인 단결정 실리콘 태양전지의 효율을 보인 그래프로서,
제3a도는 BSF를 실시하지 않은 경우.
제3b도는 BSF를 실시한 경우.
제4a도는 본 발명에 의한 단결정 실리콘 태양전지를 제조하기 위한 실리콘 웨이퍼의 평면도, 제4b도는 종래 기술에 의한 단결정 실리콘 태양전지의 알루미늄 BSF용 스크린 패턴도, 제4c도는 본 발명에 의한 단결정 실리콘 태양전지의 알루미늄 BSF용 스크린 패턴도.
제5도는 본 발명에 의한 단결정 실리콘 태양전지의 BSF 열처리온도 대비효율 그래프.
제6도는 본 발명에 의한 단결정 실리콘 태양전지의 BSF 면적 대비 효율 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 그리드 2 : 버스바
본 발명은 단결정 실리콘 태양전지에 관한 것으로, 특히 후면 전계(BSF ; Back Surface Field)의 형성에 들어가는 알루미늄 페이스트의 스크린 인쇄 면적을 10~50%로 축소시켜 알루미늄 페이스트의 양을 현저하게 감소시킴으로써 원가를 절감시키고, 휘어지는 현상을 방지하여 보다 양질의 태양전지를 얻을 수 있게한 단결정 실리콘 태양전지에 관한 것이다.
일반적인 태양전지는 태양 빛을 전기로 변환시키는 소자로서, 무공해, 무한정의 태양에너지를 발전원으로 사용하고 있다.
상기 태양전지의 재료로서는 Si, GaAs, CdTe(II-V1족 화합물)등으로 나눌 수 있으며, 이 중에 주로 Si을 상용 재료로서 사용하고 있다.
상기한 바와 같이 태양전지의 제조를 위한 Si은 다시 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 비정질 실리콘으로 나눌 수 있으며, 발전원으로서의 태양전지로 사용되기 위하여는 최소한 20년 이상의 수명을 보장하여야 하므로 현재까지는 거의 단결정 실리콘을 사용하고 있는 실정이며, 점차로 다결정 또는 비정질 실리콘 쪽으로 기술 개발이 진행되는 추세이다.
상기한 단결정 실리콘을 재료로 하는 종래 기술에 의한 태양전지의 제조공정을 첨부된 도면에 의하여 설명하면 다음과 같다.
제1a도에 도시한 바와 같은 실리콘 웨이퍼(Silicon wafer)에 제1b도에 도시한 바와 같이, 텍스처(Texture)를 5-10μm 정도의 높이로 형성하는 표면 텍스처 에칭 공정과, 제1c도에 도시한 바와같이, 정션 깊이(Junction Depth)를 0.4~0.5μm로 하고, 표면 집중(Surface Concentration)을 1019-1020/㎤로 하는 인 도핑(Phosphorus Doping)공정과, 제1d도에 도시한 바와 같이, SiO2의 두께를 100Å로 형성하는 표면 옥시 데이션(Oxidation)공정과, 제1e도에 도시한 바와 같이, 실리콘 웨이퍼를 뒤집어 두께 10~20μm, 면저항(Sheet Resistivity) 15~20Ω/□의 BSF층(알루미늄 도핑층)과, 두께 50~60μm의 알루미늄 층을 형성하는 후면 알루미늄 BSF 형성 공정과, 제1f도에 도시한 바와 같이, 실리콘 웨이퍼를 다시 뒤집어 두께 600Å의 TiO2를 형성하는 전면 TiO2반사방사막 형성 공정과, 제1g도에 도시한 바와 같이, 실리콘 웨이퍼의 전,후면에 두께 10~20μm의 전극을 형성하는 전, 후면 전극 형성 공정으로 진행된다.
상기한 바와 같은 제조공정에 의하여 제조된 단결정 실리콘 태양전지는, 실리콘 웨이퍼의 빛을 받는 전면에는 빛을 많이 흡수하기 위하여 반사 방지막(TiO2)을 코팅하며, 표면에는 전하 재결합을 줄이기 위하여 SiO2산화막을 형성시킨다.
전면 전극의 재료로는 Ag페이스트를 사용하며, 후면 전극도 Ag페이스트를 사용하나 전극과 알루미늄 페이스트로 열처리하여 접촉을 양호하게 하고, 동시에 BSF효과도 노리고 있다.
실리콘 표면은 KOH등으로 처리하여 높이 5~10μm정도의 피라미드(Pyramid) 형태의 텍스처(TExture)구조를 가지게 함으로써 빛을 받는 면적을 증대시켰다.
태양전지 내부의 전자에 대한 에너지 준위는 제2도에 도시한 바와 같다.
즉, 태양전지는 전면 표면의 n+층과, p-형(type) 실리콘 웨이퍼, 후면의 p+층으로 거의 제작된다.
따라서 n+-p-p+의 에너지 준위를 가지게 되며, 빛에 의하여 실리콘의 내부에서 발생한 전하가 이 에너지 준위에 의하여 부하 저항에 흐르게 된다.
여기서, p+층의 역할을 태양 빛에 의하여 생긴 전하가 전류로서 기여하려면, 전면쪽으로 흘러야 하나 후면쪽으로 확산되어 가는 경우도 많이 있으므로 이 후면으로 가는 전하가 p+층에 걸려 다시 전면으로 되돌아 오도록 하는데에 있다.
원래 반도체에 있어서는 p+층의 형성은 전통적인 보론 도핑(Boron Doping)법에 주로 의존하였으나, 태양전지의 특성에 나쁜 영향을 주는 것으로 밝혀짐으로써 현재는 상용으로 사용되는 태양전지가 알루미늄으로 대체되고 있다.
알루미늄을 사용하는 BSF구조 형성은 스크린 프린팅(screen printing)후, 고온 소결법에 의존하고 있으며, 그 상세한 공정은 다음과 같다.
먼저, 알루미늄과, 글래스 프리트(glass frit), 유기물이 각각 70 : 3 : 27로 혼합된 페이스트를 150~200메쉬의 스크린을 이용하여 실리콘 웨이퍼의 후면에 스크린 페인팅한 후, 약 120℃에서 10분간 건조시킨다.
이후, 실리콘 웨이퍼를 적왼선 램프를 이용한 벨트 타입의 노(furnace)에서 740~800℃의 사이에서 열처리하면, 알루미늄의 일부가 실리콘 후면을 통하여 내부로 약 10μm정도 확산되어 들어가게 된다.
상기한 바와 같은 종래 기술에 의한 단결정 실리콘 태양전지는 BSF형성을 위한 알루미늄 페이스트를 실리콘 웨이퍼 후면의 전(全)면에 스크린 프린팅을 하며, 알루미늄 층의 두께는 최종 열처리가 된 후, 50~60μm 정도이다. 실제로 태양전지의 제조시 BSF를 하는 경우와, 안하는 경우의 효율차이는 제3a도 및 제3b도에 도시한 데이터와 같다.
이를 설명하면, BSF를 하는 경우가 전반적으로 효율이 좋으나 BSF를 하지 않는 경우도 조건이 잘 맞을 경우에는 BSF를 한 경우와 유사한 효율을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
BSF를 실리콘 웨이퍼의 후면의 전(全)면에 프린팅 할 경우, 알루미늄 페이스트가 약 1g정도 소모됨으로써 원가 상승의 요인이 되는 단점이 있었으며, 또한 실리콘의 후면의 전면에 알루미늄 페이스트를 바르고 열처리할 경우, 웨이퍼와 알루미늄 사이의 열팽창 계수로 인하여 태양전지가 휘어지게 되는 등의 여러 문제점이 있었다.
본 발명은 후면 전계(BSF : Back Surface Field)의 형성에 들어가는 알루미늄 페이스트의 스크린 인쇄면적을 10~50%로, 좋게는 25±5%로 축소시킴으로써 알루미늄 페이스트의 양을 현저하게 감소시키며, 따라서 원가를 절감시키고, 과다한 알루미늄 페이스트에 의하여 휘어지는 현상을 방지하여 보다 양질의 태양전지를 얻을 수 있도록 구성한 것인 바, 이하 본 발명을 첨부된 도면에 의하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 의한 단결정 실리콘 태양전지는 제4c도에 도시한 바와 같이, 후면 전계(BSF; Back Surface Field)의 형성에 들어가는 알루미늄 페이스트의 스크린 인쇄 면적을 10~50%로 축소시켜 구성한 것으로, 가장 좋기로는 25±5%이다,
이를 보다 상세하게 설명하면, BSF형성을 스크린을 실리콘 웨이퍼의 전면에 모두 노출시키는 것이 아니라, 일정한 패턴(pattern)으로 형성하는 것이다.
상기 패턴의 형태는 BSF형성 후, 다시 Ag전극을 형성하는데, 이때의 패턴과 동등하게 하면서 각 그리드(Grid)(1)의 선폭을 두배로 넓게 하였다.
스크린은 150메쉬를 사용하였으며, 그리드(1)의 선폭은 400μm, 굵은선은 2mm폭으로 하였다.
실리콘 웨이퍼는 체적 저항(Bulk Resistivity)이 1Ω-cm인 것을 사용하며, n+층의 면저항(Sheet Resistivity)은 25Ω/□로 하였다.
웨이퍼 사이즈는 10×10cm2로 하였다.
도면중 미설명 부호 2는 버스 바(Bus Bar)를 보인 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 BSF용 알루미늄 형성의 열처리 온도 변화에 따른 개방 전압(open circuit voltage, Voc)과, 단락 전류(short circuit current, Isc), 그리고 효율(n=Voc×Isc×FF)이 제5도에 도시되어 있다.
BSF는 알루미늄이 고온 열처리시 실리콘 웨이퍼의 내부로 침투하여 후면 전계를 형성함으로써 전하가 더 많이 흐르고, 개방전압을 올라가게 하는 역할을 하므로 열처리 온도에 민감하다.
열처리 온도가 지나치게 높게 되면, 불순물이 과다하게 주입되어 오히려 태양전지 특성에 나쁜 영향을 주며, 온도가 높으면, 후면 전계가 제대로 형성되지 않게 되므로 개방 전압과 단락 전류가 낮게 나오게 된다.
한편, 제6도에서는 BSF용 전극 패턴의 면적 변화에 따른 Voc, Isc 효율(η)변화의 실험 테이터가 도시되어 있다.
이때의 온도는 제5도에 도시한 효율실험에서의 최전 온도 조건으로 하였다.
상기한 데이터에 도시한 바와 같이, 면적율이 약 25%일때까지는 효율이 급상승하다가 그 이후 효율 증가율이 둔화됨을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 단결정 실리콘 태양전지는 후면 전계(BSF)의 형성에 들어가는 알루미늄 페이스트의 스크린 인쇄 면적을 10~50%로 축소시켜 알루미늄 페이스트의 양을 현저하게 감소시킴으로써 원가 절감을 실현할 수 있으며, 또한 과다한 알루미늄 페이스트에 의하여 휘어지는 현상을 방지하여 보다 양질의 태양전지를 얻을 수 있는 효과가 있다.
Claims (1)
- 단결정 실리콘 태양전지의 후면에 전계(BSF)구조를 형성한 것에 있어서, 상기 후면 전계용 알루미늄 페이스트 패턴이 인쇄면적을 웨이퍼 전체 면적의 10~50%로 하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 태양전지.
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