KR101193021B1 - 도트형 전극을 갖는 저가 양산의 고효율 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 태양전지의 후면에 도트형 전극을 형성하여 효율을 증대시킬 수 있는 도트형 전극을 갖는 저가 양산의 고효율 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 도트형 전극을 갖는 저가 양산의 고효율 태양전지는, 반도체기판과; 상기 반도체기판의 전면에 형성된 에미터층과; 상기 에미터층의 상부에 적층된 상부패시베이션막과; 상기 상부패시베이션막의 상부에 적층된 반사방지막과; 상기 반사방지막의 상부에 형성된 상부전극과; 상기 반도체기판의 후면에 적층된 하부패시베이션막과; 상기 하부패시베이션막의 하부에 형성된 하부전극으로 이루어지되, 상기 상부전극은 하부가 상기 반사방지막과 상부패시베이션막을 관통하여 상기 에미터층에 접하고, 상기 하부전극은, 상부가 상기 하부패시베이션막을 관통하여 상기 반도체기판에 접하는 단위도트전극이 상호 이격되게 다수개로 구성된 도트전극부와; 상기 도트전극부 및 하부패시베이션막을 덮고 있는 메탈패드로 이루어지며, 상기 도트전극부는 양산용 인쇄공정에 의해 상기 하부패시베이션막에 도포되는 것을 특징으로 한다.

Description

도트형 전극을 갖는 저가 양산의 고효율 태양전지 및 그 제조방법 { SOLAR CELL HAVING DOT TYPE ELECTRODE AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME }
본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 태양전지의 후면에 도트형 전극을 형성하여 효율을 증대시킬 수 있는 도트형 전극을 갖는 저가 양산의 고효율 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
태양 전지는 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생성하는 전지로서, 친환경적이고 에너지원이 무한할 뿐만 아니라 수명이 길다는 장점이 있다.
태양 전지는 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생성하는 방식에 따라 반도체 태양 전지, 염료 감응 태양 전지 등으로 구분될 수 있다.
이 중 반도체 태양 전지에서는 서로 다른 전도성 타입(conductive type)을 가지는 반도체 기판 및 이 반도체 기판의 전면에 형성되는 에미터에 의해 p-n 접합이 형성된다.
종래의 태양전지는 전면의 n 타입 에미터 위에 전자를 수집하기 위한 전면 전극들이 그리드 형태로 형성되며, 후면에는 p 타입 반도체 기판에 정공을 수집하기 위해 Al 전극이 전체 면적에 형성된다.
이때, 후면 전극의 경우 Al 전극을 사용하는 데에는 p 타입 반도체 기판에 Al이 확산되어 p+ 전도층을 형성시켜 정공의 수집율을 증가시킬 수 있기 때문이다.
그리고 핵심적으로 종래의 태양전지 기술에는 태양전지의 전면에서 전자전공의 재결합율을 줄이기 위해 SiNx 패시베이션막을 사용한다.
그러나 보다 높은 효율의 태양전지를 제작하기 위해선 후면에서의 전자전공의 재결합율도 함께 줄이는 기술이 필요하다.
고효율 태양전지를 위해 후면에 패시베이션막을 적용할 경우 후면 Al 전극이 반도체 기판에 균일하게 접촉되면서 접촉 면적은 축소되어야 한다.
후면 패시베이션막은 후면 전극들이 형성되지 않은 부분에 형성되어 전자 전공의 재결합을 방지하는 역할을 한다.
전하의 재결합의 효과를 최대화하기 위해서는 후면 패시베이션막의 면적을 증가시켜야 하며, 전극 자체의 저항을 줄여 전력 손실을 줄이기 위해서는 후면 전극의 체적을 증가시켜야 한다.
이에 따라 후면 전극들의 폭을 줄이고 후면 전극들 사이의 거리를 증가시켜 후면 패시베이션막의 면적을 확보하는 한편, 후면 전극들을 두껍게 형성하여 저항을 줄이는 방법이 반도체 태양 전지 기술 분야에서 적용되고 있다.
그러나, 후면 전극들이 두꺼워지면, 전극을 형성하기 위한 제조 원가가 증가하고, 열처리 공정에서의 스트레스에 의해 반도체 기판이 손상될 수 있어 반도체 기판 또한 두껍게 형성해야 한다.
따라서 태양 전지의 제조 원가에서 가장 큰 부분을 차지하는 반도체 기판에 대한 제조 원가 또한 증가한다.
그리고 이러한 후면 전극들 및 반도체 기판의 두께 증가에 따라 태양 전지의 박형화가 어려워진다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 공개특허공보 제10-2009-0075421호에는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 태양전지 구조가 게재되어 있다.
도 1은 종래 태양전지의 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 종래 태양전지의 배면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래의 태양전지(100)는, 서로 반대되는 후면(12)과 전면(14)을 구비하는 반도체 기판(10), 이 반도체 기판(10)의 후면(12)에 전기적으로 연결되며 제1 전극부(32)와 제2 전극부(34)를 구비하는 후면 전극(30), 반도체 기판(10)의 전면(14) 부근에 형성되는 에미터(20), 이 에미터(20)에 전기적으로 연결되는 전면 전극(40)을 포함한다.
그리고, 반도체 기판(10)의 후면(12)에는 후면 패시베이션막(22)이 형성되고, 에미터(20) 위에 전면 패시베이션막(24) 및 반사 방지막(26)이 형성된다.
또한, 상기 후면전극(30)은, 반도체 기판(10)의 후면에 복수의 도트 형태로 형성된 제1전극부(32)와, 상기 제1전극부(32)를 덮는 제2전극부(34)로 이루어진다.
이때, 상기 제1전극부(32)는 마스크를 자석에 의해 반도체 기판(10)에 밀착시킨 후 진공 증착법 또는 스퍼터링 법 등을 수행하여 형성하거나, 레이져로 후면 패시베이션막(22)에 홈을 형성한 후 여기에 상기 제1전극부(32)를 충진하여 형성하였다.
그러나, 도트 형상의 상기 제1전극부(32)를 위와 같은 종래의 방법에 의해 형성할 경우에는, 작업시간이 오래 소요되어 생산성이 저하되고, 진공증착장치 및 레이져 등의 고가의 장비를 구입하여야 하는 단점이 있다.
그리고 공개특허공보 제10-2009-0075421호에 나타나 있는 바와 같이 반도체기판(10)의 면적에 대한 상기 제1전극부(32)의 면적의 비율이 1~10%로 할 경우에는 그 효과가 불충분하다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 도트 형상의 전극을 저가의 양산용 인쇄방식으로 형성하여 작업시간을 단축시켜 생산성을 향상시키고 후속공정인 전극형성을 위한 고온 열처리공정에서 발생되는 패시베이션막의 손상을 보완하는 방법을 제공하여 고가의 레이져 등의 장비가 불필요한 도트형 전극을 갖는 저가 양산의 고효율 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 패시베이션의 효과를 극대화하고 저항손실을 최소화하여 고효율 태양전지 제작을 위한 도트형 전극의 최적면적비를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 도트형 전극을 갖는 저가 양산의 고효율 태양전지는, 반도체기판과; 상기 반도체기판의 전면에 형성된 에미터층과; 상기 에미터층의 상부에 적층된 상부패시베이션막과; 상기 상부패시베이션막의 상부에 적층된 반사방지막과; 상기 반사방지막의 상부에 형성된 상부전극과; 상기 반도체기판의 후면에 적층된 하부패시베이션막과; 상기 하부패시베이션막의 하부에 형성된 하부전극으로 이루어지되, 상기 상부전극은 하부가 상기 반사방지막과 상부패시베이션막을 관통하여 상기 에미터층에 접하고, 상기 하부전극은, 상부가 상기 하부패시베이션막을 관통하여 상기 반도체기판에 접하는 단위도트전극이 상호 이격되게 다수개로 구성된 도트전극부와; 상기 도트전극부 및 하부패시베이션막을 덮고 있는 메탈패드로 이루어지며, 상기 도트전극부는 양산용 인쇄공정에 의해 상기 하부패시베이션막에 도포되는 것을 특징으로 한다.
상기 상부패시베이션막 및 하부패시베이션막 각각의 두께는 10~80㎚이고, 상기 단위도트전극은 상기 반도체기판에 접하는 크기는 10-250㎛이며, 상기 도트전극부 전체가 상기 반도체기판에 접하는 면적은 상기 반도체기판의 면적에 대하여 0.01~1%가 되도록 한다.
상기 도트전극부는, 어느 하나의 단위도트전극을 중심으로 이웃한 다수개의 단위도트전극이 상호간에 동일한 거리로 이격되면서 6각 형태를 취하도록 배치됨이 바람직하다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 도트형 전극을 갖는 저가 양산의 고효율 태양전지의 제조방법은, 반도체기판을 준비하는 준비단계와; 상기 반도체기판의 전면을 다수개의 피라미드 형상으로 형성하는 텍스쳐링단계와; 상기 반도체기판 전체에 에미터층을 형성하는 에미터층형성단계와; 상기 반도체기판의 측면과 후면에 형성된 에미터층을 제거하는 에미터층제거단계와; 상면에 상기 에미터층이 형성된 반도체기판의 전면과 후면을 포함하여 패시베이션막을 형성하는 피막층형성단계와; 상기 반도체기판의 전면에 형성된 상부패시베이션막의 상부에 반사방지막을 형성하는 반사방지막형성단계와; 상기 반사방지막의 상부에 상부전극을 인쇄하는 상부전극형성단계와; 상기 반도체기판의 후면에 형성된 하부패시베이션막의 하부에 다수개의 단위도트전극을 상호 이격되게 인쇄하는 도트전극형성단계와; 상기 상부전극의 하부가 상기 반사방지막과 상부패시베이션막을 녹여 상기 에미터층에 접하고, 상기 단위도트전극의 상부가 상기 하부패시베이션막을 녹이면서 확산되어 상기 반도체기판의 후면과 접하여 로컬 BSF(Back Surface Field)층을 형성되도록 가열하는 열처리단계와; 상기 단위도트전극이 형성된 상기 반도체기판의 후면을 메탈패드가 덮도록 형성하는 메탈패드형성단계를 포함하여 이루어지되, 상기 메탈패드형성단계는 상기 열처리단계의 이전 또는 이후에 이루어지고, 상기 도트전극형성단계에서는 양산용 인쇄공정을 통해 상기 하부패시베이션막의 하부에 다수개의 상기 단위도트전극를 인쇄하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 에미터층제거단계에서는, 산(酸,acid)을 이용하여 상기 반도체기판의 측면과 후면에 형성된 에미터층을 에칭과정을 통해 제거하고, 클리닝용액을 이용하여 중화 및 세정한다.
상기 도트전극형성단계에서는, 어느 하나의 단위도트전극을 중심으로 이웃한 다수개의 단위도트전극이 상호간에 동일한 거리로 이격되면서 6각 형태를 취하도록 배치되게 형성함이 바람직하다.
상기 열처리단계 이후에 태양전지에 수소를 첨가하는 수소화(Hydrogenation)단계를 더 포함하여 이루어진다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 도트형 전극을 갖는 저가 양산의 고효율 태양전지 및 그 제조방법에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
상기 도트전극부를 대량생산에 적용되는 저가의 양산용 인쇄공정에 의해 상기 하부패시베이션막에 인쇄되기 때문에, 고가의 장비없이 용이하게 도트전극을 형성할 수 있어 생산성 및 작업성을 향상시켜 대량생산이 가능하다.
또한, 패시베이션의 효과를 극대화하고 저항손실을 최소화하여 고효율 태양전지 제작을 위한 도트형 전극의 최적 면적비(단위도트전극의 반도체기판에 접하는 크기가 10~250㎛이고, 도트전극부 전체가 반도체기판에 접하는 면적이 반도체기판의 면적에 대하여 0.01~1%인 것)를 제공함으로써, 대량 생산 환경에 알맞은 전극 설계를 용이하게 구성할 수 있다.
또한, 상기 수소화단계에 의서 수소를 첨가함으로써, 반도체기판의 계면에 형성되어 있는 댕글링본드(Dangling bond)를 수소로 처리하는 결함을 보완할 수 있고, 상기 수소화단계가 상기 열처리단계보다 뒤에 이루어짐으로써 상기 열처리단계에서 상기 도트전극부의 접합 및 확산이 이루어질 때 고온으로 가열되어 손상될 수 있는 상기 패시베이션막을 복원시켜 그 효과를 회복 및 극대화시킬 수 있게 된다.
도 1은 종래 태양전지의 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 종래 태양전지의 배면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 단면구조도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 배면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 제조방법의 순서도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 제조방법의 각 단계를 도시한 단면도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 단위도트전극의 배열에 따라 전하수집율을 설명하기 위한 도면,
도 8은 본 발명의 수소화단계를 수행함에 따른 반송자수명(Carrier Lifetime)을 도시한 그래프.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 단면구조도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 배면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 도트형 전극을 갖는 저가 양산의 고효율 태양전지는, 반도체기판(110)과, 에미터층(120)과, 상부패시베이션막(130)과, 반사방지막(140)과, 상부전극(150)과, 하부패시베이션막(160)과, 하부전극(170) 등을 포함하여 이루어진다.
상기 반도체기판(110)은 P형 또는 N형의 결정질 실리콘으로 이루어진다.
상기 에미터(Emitter)층(120)은 상기 반도체기판(110)의 전면(前面)에 형성된다.
상기 반도체기판(110)의 전면은 도 3에서 상면을 의미하고, 상기 반도체기판(110)의 후면은 하면을 의미한다.
본 실시예에서 상기 반도체기판(110)은 P형 결정질 실리콘으로 이루어져 있고, 상기 에미터층(120)은 N형으로 이루어져 있으나, 이에 한정하지는 않는다.
이러한 에미터층(120)은 불순물인 인(P), 비소(As) 등이 상기 반도체기판(110)의 전면에서 확산되어 형성된다.
패시베이션막은 상기 반도체기판(110)의 표면에 얇게 적층 형성되어 상기 반도체기판(110)의 표면에서 전하의 재결합이 이루어지는 것을 방지하기 위한 것으로써, SiO2 등으로 이루어진다.
이러한 패시베이션막은 상기 에미터층(120)의 상부에 적층되는 상기 상부패시베이션막(130)과, 상기 반도체기판(110)의 후면에 적층되는 상기 하부패시베이션막(160)으로 이루어진다.
상기 상부패시베이션막(130) 및 하부패시베이션막(160) 각각의 두께는 10~80㎚정도가 되도록 함이 바람직하다.
일반적으로 문헌상 패시베이션막의 두께가 10nm 미만으로 작아지게 되면 반도체기판과 하부메탈패드 간에 터널링 효과에 의해 전기적으로 패시베이션이 이루어지지 않으며, 80nm보다 두꺼워지면 하부패시베이션막(160)의 경우 본 발명에서 구현하고자 하는 고온에 의한 도트전극접합과 Al-BSF 형성이 불균일해지고 상부패시베이션막(130)의 경우 굴절률의 차이에 의한 반사방지 효과가 감소된다.
상기 반사방지막(140)은 상기 상부패시베이션막(130)의 상부에 적층되어, 태양전지의 내부로 입사될 광이 반사되어 손실되는 것을 방지하는 역할을 한다.
이러한 상기 반사방지막(140)은 박막 증착장비인 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)를 이용하여 SiNx 등을 75~85nm정도의 두께로 증착하여 형성되나, 이에 한정하지는 않는다.
이로 인해, 상기 반사방지막(140)은 상기 하부패시베이션막(160)의 두께와 합하여 반사방지 효과를 극대화할 수 있다.
상기 상부전극(150)은 상기 반사방지막(140)의 상부에 형성된다.
이러한 상기 상부전극(150)은 하부가 고온의 열처리공정에 의해 상기 반사방지막(140)과 상부패시베이션막(130)을 관통하여 상기 에미터층(120)에 접한다.
상기 상부전극(150)은 상기 에미터층(120)의 광기전력 효과에 의해 분리된 전자를 수집하기 위하여 은 페이스트(Ag paste) 재질 등으로 이루어져 빛을 최대한 가리지 않고 낮은 저항을 가지도록 전극을 설계하여 저가의 양산용 인쇄과정을 통해 인쇄한 후 건조되어 형성된다.
상술한 저가의 양산용 인쇄과정은, 일반적으로 인쇄작업에서 저가 양산용으로 널리 알려진, 롤러 등에 의한 인쇄, 실크스크린인쇄 등을 활용하면 충분하다.
상기 하부전극(170)은 상기 하부패시베이션막(160)의 하부에 형성된다.
상기 하부전극(170)은, 도트전극부(171)와 메탈패드(173)로 이루어진다.
상기 도트전극부(171)의 도트 모양과 형태는 원형이 바람직하나, 형성방법에 따라 모양과 형태의 변형이 가능하기에 이에 국한하지는 않는다.
상기 도트전극부(171)는 상부가 고온의 열처리공정에 의해 상기 하부패시베이션막(160)을 관통하여 상기 반도체기판(110)에 접하는 단위도트전극(172)이 상호 이격되게 다수개로 구성되어 이루어진다.
상기 도트전극부(171)는 상기 반도체기판(110)에서 분리된 정공을 후면에서 보다 잘 수납하기 위하여 P+ 필드인 로컬 BSF(Back Surface Field)층을 형성할 수 있는 알루미늄 페이스트 등의 소재로 이루어지나, 이에 한정하지는 않는다.
이러한 상기 도트전극부(171)는 알루미늄 페이스트 등을 저가의 양산용 인쇄공정을 통해 인쇄한 후 건조하여 형성된다.
상기 도트전극부(171)를 이루는 상기 단위도트전극(172)은 상기 반도체기판(110)에 접하는 면적크기가 약 10-250㎛이며, 상기 도트전극부(171) 전체가 상기 반도체기판(110)에 접하는 면적은 상기 반도체기판(110)의 면적에 대하여 0.01~1%가 되도록 한다.
Figure 112011095939315-pat00001
위 그래프를 보면, 도트전극부가 반도체기판에 접하는 면적(Contact Coverage)이 1%이하에서부터 SRV(Surface Recomination Velocity)가 거의 일정하게 감소하는 것을 알 수 있으며, 0.01%보다 더 작아 질 경우 단위면적당 직렬저항(Series Resistance)의 값이 1000mΩcm2 이상이 되어 전기적 특성이 나빠지게 되므로, 본 발명에서와 같이 상기 도트전극부(171) 전체가 상기 반도체기판(110)에 접하는 면적은 상기 반도체기판(110)의 면적에 대하여 0.01~1%가 되도록 함이 바람직하다.
또한 상기 단위도트전극(172)의 크기가 10㎛보다 작아질 경우 양산용 장비에서의 균일한 인쇄 결과를 담보하기가 어려우며, 250㎛보다 클 경우 상술한 상기 도트전극부(171) 전체의 면적비율이 0.01~1%가 되도록 한 수치한정 1%에서 단위면적당 직렬저항의 값이 1000mΩcm2 이상이 되어 전기적 특성이 나빠지게 되므로 단위도트전극(172)의 크기는 약 10-250㎛가 바람직하다.
상기 도트전극부(171)는, 도 4(a)에 도시된 바와 같이 상호간의 간격이 동일한 격자형태로 배치될 수도 있으나, 도 4(b)에 도시된 바와 같이 어느 하나의 단위도트전극(172)을 중심으로 이웃한 다수개의 단위도트전극(172)이 상호간에 동일한 거리로 이격되면서 6각 형태를 취하도록 배치됨이 바람직하다.
상기 메탈패드(173)는 상기 도트전극부(171) 및 하부패시베이션막(160)의 하부를 덮어 수십에서 수백만의 단위도트전극(172)에서 수집된 전하를 상기 메탈패드(173)를 통해 수집할 수 있다.
상기 메탈패드(173)는 상기 도트전극부(171)에서 수집된 전하를 전기적 손실 없이 수집할 수 있는 금속 재료인 은, 금, 백금, 구리, 알루미늄, 아연 등으로 이루어지나, 이에 한정하지는 않는다.
위와 같은 구조로 이루어진 본 발명의 태양전지는 아래와 같은 방법을 통해 제조된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 제조방법의 순서도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 제조방법의 각 단계를 도시한 단면도이다.
도 6에서는 실제 태양전지를 이루는 각 층의 두께와 달리 잘 보이도록 하기 위해 두께가 얇은 층의 경우에도 그 두께를 두껍게 도시하였다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명인 전극을 갖는 태양전지의 제조방법은, 준비단계(S10)와, 텍스쳐링단계(S20)와, 에미터층형성단계(S30)와, 에미터층제거단계(S40)와, 피막층형성단계(S50)와, 반사방지막형성단계(S60)와, 상부전극형성단계(S70)와, 도트전극형성단계(S80)와, 열처리단계(S90)와, 메탈패드형성단계(S100)를 포함하여 이루어진다.
상기 준비단계(S10)는 도 6(a)에 도시된 바와 같이 태양전기를 제작하기 위한 P타입의 반도체기판(110)을 준비하는 단계이다.
상기 텍스쳐링단계(S20)는 도 6(b)에 도시된 바와 같이 상기 반도체기판(110)의 전면의 표면적을 넓혀 태양빛을 보다 많이 흡수할 수 있도록 하기 위해, 상기 반도체기판(110)의 전면을 다수개의 피라미드 형상으로 형성하는 단계이다.
상기 에미터층형성단계(S30)는 도 6(c)에 도시된 바와 같이 상기 반도체기판(110) 표면전체에 에미터층(120)을 형성하는 단계이다.
상기 에미터층형성단계(S30)는 상기 반도체기판(110)에 흡수된 빛이 광전효과에 의해 전자와 정공 쌍이 형성되고 형성된 전자 정공 쌍을 광기전력 효과에 의해 분리하기 위하여, 상기 반도체기판(110)의 표면에 N형 특성을 가지는 인(P) 등의 불순물을 고온에서 증착하는 단계이다.
상기 에미터층형성단계(S30)는 에미터층의 형성 이후 표면에 형성되는 불필요한 층인 PSG(Phosphorus Silicate Glass)를 HF용액 또는 HF를 함유한 용액으로 제거하는 단계를 포함한다.
상기 에미터층제거단계(S40)는 도 6(d)에 도시된 바와 같이 상기 반도체기판(110)의 측면과 후면에 형성된 상기 에미터층(120)을 제거하는 단계이다.
이러한 상기 에미터층제거단계(S40)에서는, 산(酸,acid)을 이용하여 상기 반도체기판(110)의 측면과 후면에 형성된 상기 에미터층(120)을 에칭과정을 통해 제거하고, 클리닝용액을 이용하여 중화 및 세정한다.
상기 반도체기판(110)의 측면과 후면에 형성된 상기 에미터층(120)을 제거하는 산용액은 'HF'와 'HNO3 또는 H3PO4'를 포함한 용액으로 이루어짐이 바람직하다.
또한, 클리닝용액은 "H2O2+NH4OH+H2O"를 포함한 용액으로 이루어져 중화 및 세정을 하도록 함이 바람직하다.
위와 같은 상기 에미터층제거단계(S40)에 의해, 상기 반도체기판(110)의 전면에 형성된 상기 에미터층(120)과 상기 하부전극(170)이 상호 연결되지 않도록 함으로써, 상기 에미터층(120)에서 수집된 전자와 상기 하부전극(170)에서 수집된 정공이 태양전지의 측면부위에서 재결합하는 것을 방지할 수 있다.
상기 피막층형성단계(S50)는 도 6(e)에 도시된 바와 같이, 전면에 상기 에미터층(120)이 형성된 반도체기판(110)의 전면과 후면을 포함하여 표면에 패시베이션(Passivation)막을 형성하는 단계이다.
이러한 상기 피막층형성단계(S50)에서는 상기 에미터층(120)의 상부와 상기 반도체기판(110)의 후면에만 패시베이션막을 형성될 수도 있고, 전면과 후면 모두에 패시베이션막을 형성할 수도 있다.
도 6(e)에서는 패시베이션막인 상기 상부패시베이션막(130)과 하부패시베이션막(160)이 형성되어 도시되어 있다.
상기 반사방지막형성단계(S60)는, 도 6(f)에 도시된 바와 같이 상기 반도체기판(110)의 전면에 형성된 상부패시베이션막(130)의 상부에 상기 반사방지막(140)을 증착하여 형성하는 단계이다.
이러한 상기 반사방지막(140)은 상기 패시베이션막(130,160)의 두께를 감하여 증착하도록 함이 바람직하나, 상기 상부패시베이션막(130)이 충분히 두꺼워 그 자체로 반사방지 효과가 있을 경우에는 이를 생략할 수도 있다.
상기 상부전극형성단계(S70)는 도 6(g)에 도시된 바와 같이 상기 반사방지막(140)의 상부에 은 페이스트 등의 소재를 인쇄하여 상기 상부전극(150)을 형성하는 단계이다.
상기 도트전극형성단계(S80)는 도 6(h)에 도시된 바와 같이 상기 반도체기판(110)의 후면에 형성된 상기 하부패시베이션막(160)의 하부에, 알루미늄 페이스트(Al paste, 182) 등을 소재로 하는 다수개의 상기 단위도트전극(172)을 상호 이격되게 인쇄하는 형성하는 단계이다.
위와 같이 상기 하부전극(170)을 도트(Dot)형태로 인쇄하여 형성하는 것은 전극 접촉 면적비를 최소화하여 상기 하부패시베이션막(160)의 패시베이션효과를 극대화하기 위함이다.
상기 도트전극형성단계(S80)에서 상기 도트전극부(171)를 형성하는 방법으로는, 예를 들어 저가의 양산방법인 롤러 등에 의한 인쇄, 실크스크린인쇄 등을 사용하면 충분하다.
위와 같이 상기 도트전극부(171)를 이루는 다수개의 단위도트전극(172)을 대량생산에 적용되는 저가의 양산용 인쇄공정을 통해 형성함으로써, 종래와 같이 레이져, 마스크 등을 사용할 필요가 없고, 다수개의 상기 단위도트전극(172)을 연속적으로 생성할 수 있기 때문에 생산성이 향상되고 제작시간을 단축시켜 대량생산이 가능하도록 할 수 있다.
이러한 다수개의 단위도트전극(172)은 도 4(a)에 도시된 바와 같이 상호 일정한 거리를 갖는 4각 형태의 격자배열로 배치될 수도 있으나, 도 4(b)에 도시된 바와 같이 어느 하나의 단위도트전극(172)을 중심으로 이웃한 다수개의 단위도트전극(172)이 상호간에 동일한 거리로 이격되면서 6각 형태를 취하도록 배치되게 형성함이 바람직하다.
위와 같이 상기 단위도트전극(172)을 격자배열이 아닌 6각의 허니컴구조로 배열함으로써, 전하의 수집율을 향상시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 단위도트전극(172)의 배열에 따라 전하수집율을 설명하기 위한 도면으로써, 단위도트전극(172)의 둘레에 표시된 원형은 전하수집영역(B)을 표시한 것이다.
도 7에 도시된 바와 같이 격자간격의 거리로 전하가 이동하여 상기 단위도트전극(172)을 통해 수집된다고 가정하면, 도 7(a)의 격자배열의 4각 구조의 경우 전체 면적 대비 수집되는 면적비가 약 78.54%로 수집되지만, 도 7(b)에 도시된 6각의 허니컴구조의 경우에는 전체 면적 대비 수집되는 면적비가 약 90.68%가 되어, 도 7(a)에 도시된 4각 구조에 의해 전하의 수집율보다 약 12.14% 만큼 더 향상될 수 있다.
따라서, 본 발명과 같이 상기 도트전극부(171)는 6각의 허니컴구조로 이루어짐이 바람직하다.
상기 열처리단계(Co-Firing, S90)는 도 6(i)에 도시된 바와 같이, 상기 상부전극(150)의 하부가 상기 반사방지막(140)과 상부패시베이션막(130)을 녹여 상기 에미터층(120)에 접하고, 상기 단위도트전극(172)의 상부가 상기 하부패시베이션막(160)을 녹임과 동시에 확산되어 상기 반도체기판(110)의 후면과 접촉하여 로컬 BSF층을 형성하도록 고온으로 가열하는 단계이다.
일반적으로 고효율을 위한 종래기술에서는 하부패시베이션막을 사용하여 양산성이 없는 고가의 레이져, 마스크 등의 공정으로 도트 구멍을 형성한 후 메탈패드를 덮어 열처리하였으나, 본 발명은 종래기술과 달리 양산 가능한 인쇄공정으로 후면에 형성된 도트전극부(171)가 열처리단계에 의해 자체적으로 도트 구멍을 만들면서 반도체기판(110)의 후면에 확산되어 Local BSF층을 형성할 수 있다.
상기 메탈패드형성단계(S100)는 도 6(j)에 도시된 바와 같이, 상기 단위도트전극(172)이 형성된 상기 반도체기판(110)의 후면을 금속으로 이루어진 메탈패드(173)가 덮도록 형성하는 단계이다.
도 5 및 도 6에서는 상기 메탈패드형성단계(S100)가 상기 열처리단계(S90) 이후에 진행된 것으로 도시되어 있으나, 상기 메탈패드형성단계(S100)는 상기 열처리단계(S90) 이전 또는 이후에 진행할 수 있고, 상기 메탈패드(173)가 상기 도트전극부(171) 및 하부패시베이션막(160)의 하부를 덮어 수십에서 수백만의 단위도트전극(172)에서 수집된 전하가 상기 메탈패드(173)를 통해 수집되게 된다.
한편, 상기 열처리단계(S90) 이후에는 태양전지에 수소를 첨가하는 수소화(Hydrogenation)단계(S110)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
종래의 일반적인 태양전지 제조방법에 의할 경우에는, 상기 패시베이션막(130,160)이 전극형성을 위한 고온의 열처리단계(S90)에 의해 손상될 수 있다.
그러나, 본 발명에서는 상기 열처리단계(S90)에 의해 손상된 패시베이션막(130,160)을 상기 열처리단계(S90) 이후에 이루어지는 상기 수소화단계(S110)에 의해 태양전지에 수소를 첨가함으로써, 상기 패시베이션막(130,160)을 복원시켜 그 효과를 회복 및 극대화시킬 수 있고 이로 인해 태양전지의 고효율을 달성시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 수소화단계를 수행함에 따른 반송자수명(Carrier Lifetime)을 도시한 그래프이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 고온의 상기 열처리단계(S90)에서 단위도트전극(172)이 반도체기판(110)과 고온 접합하면서 하부 및 상부패시베이션막(130,160)과 반도체기판(110)의 계면이 고온으로 가열되므로 계면에 형성될 수 있는 결함부위인 댕글링본드(Dangling bond)가 형성되어 반송자 수명(Carrier Lifetime)이 감소된다.
그러나, 상기 수소화단계(S110)를 통하여 수소를 첨가함으로써, 계면 결함부위인 댕글링본드(Dangling bond)를 수소로 처리하여 Carrier Lifetime이 크게 증가됨을 알 수 있다.
이렇게 함으로 상기 패시베이션막(130,160)을 복원시켜 그 효과를 회복 및 극대화시킬 수 있게 된다.
본 발명인 도트형 전극을 갖는 저가 양산의 고효율 태양전지 및 그 제조방법은 전술한 실시예에 국한하지 않고, 본 발명의 기술 사상이 허용되는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
110 : 반도체기판, 120 : 에미터층, 130 : 상부패시베이션막, 140 : 반사방지막, 150 : 상부전극, 160 : 하부패시베이션막, 170 : 하부전극, 171 : 도트전극부, 172 : 단위도트전극, 173 : 메탈패드,
S10 : 준비단계, S20 : 텍스쳐링단계, S30 : 에미터층형성단계, S40 : 에미터층제거단계, S50 : 피막층형성단계, S60 : 반사방지막형성단계, S70 : 상부전극형성단계, S80 : 도트전극형성단계, S90 : 열처리단계와, S100 : 메탈패드형성단계, S110 : 수소화단계,

Claims (7)

  1. 반도체기판과;
    상기 반도체기판의 전면에 형성된 에미터층과;
    상기 에미터층의 상부에 적층된 상부패시베이션막과;
    상기 상부패시베이션막의 상부에 적층된 반사방지막과;
    상기 반사방지막의 상부에 형성된 상부전극과;
    상기 반도체기판의 후면에 적층된 하부패시베이션막과;
    상기 하부패시베이션막의 하부에 형성된 하부전극으로 이루어지되,
    상기 상부전극은 하부가 상기 반사방지막과 상부패시베이션막을 관통하여 상기 에미터층에 접하고,
    상기 하부전극은,
    상부가 상기 하부패시베이션막을 관통하여 상기 반도체기판에 접하는 단위도트전극이 상호 이격되게 다수개로 구성된 도트전극부와;
    상기 도트전극부 및 하부패시베이션막을 덮고 있는 메탈패드로 이루어지며,
    상기 도트전극부는 양산용 인쇄공정에 의해 상기 하부패시베이션막의 하부에 다수개의 단위도트전극이 인쇄된 후 고온의 열처리공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 도트형 전극을 갖는 저가 양산의 고효율 태양전지.
  2. 청구항1에 있어서,
    상기 상부패시베이션막 및 하부패시베이션막 각각의 두께는 10~80㎚이고,
    상기 단위도트전극은 상기 반도체기판에 접하는 크기는 10-250㎛이며,
    상기 도트전극부 전체가 상기 반도체기판에 접하는 면적은 상기 반도체기판의 면적에 대하여 0.01~1%인 것을 특징으로 하는 도트형 전극을 갖는 저가 양산의 고효율 태양전지.
  3. 청구항1에 있어서,
    상기 도트전극부는,
    어느 하나의 단위도트전극을 중심으로 이웃한 다수개의 단위도트전극이 상호간에 동일한 거리로 이격되면서 6각 형태를 취하도록 배치된 것을 특징으로 하는 도트형 전극을 갖는 저가 양산의 고효율 태양전지.
  4. 반도체기판을 준비하는 준비단계와;
    상기 반도체기판의 전면을 다수개의 피라미드 형상으로 형성하는 텍스쳐링단계와;
    상기 반도체기판 전체에 에미터층을 형성하는 에미터층형성단계와;
    상기 반도체기판의 측면과 후면에 형성된 에미터층을 제거하는 에미터층제거단계와;
    전면에 상기 에미터층이 형성된 반도체기판의 전면과 후면을 포함하여 패시베이션막을 형성하는 피막층형성단계와;
    상기 반도체기판의 전면에 형성된 상부패시베이션막의 상부에 반사방지막을 형성하는 반사방지막형성단계와;
    상기 반사방지막의 상부에 상부전극을 인쇄하는 상부전극형성단계와;
    상기 반도체기판의 후면에 형성된 하부패시베이션막의 하부에 다수개의 단위도트전극을 상호 이격되게 인쇄하는 도트전극형성단계와;
    상기 상부전극의 하부가 상기 반사방지막과 상부패시베이션막을 녹여 상기 에미터층에 접하고, 상기 단위도트전극의 상부가 상기 하부패시베이션막을 녹이면서 확산되어 상기 반도체기판의 후면과 접하여 로컬 BSF(Back Surface Field)층을 형성되도록 가열하는 열처리단계와;
    상기 단위도트전극이 형성된 상기 반도체기판의 후면을 메탈패드가 덮도록 형성하는 메탈패드형성단계를 포함하여 이루어지되,
    상기 메탈패드형성단계는 상기 열처리단계의 이전 또는 이후에 이루어지고,
    상기 도트전극형성단계에서는 양산용 인쇄공정을 통해 상기 하부패시베이션막의 하부에 다수개의 상기 단위도트전극을 상호 이격되게 인쇄하여 형성하는 것을 특징으로 하는 도트형 전극을 갖는 저가 양산의 고효율 태양전지의 제조방법.
  5. 청구항4에 있어서,
    상기 에미터층제거단계에서는,
    산(酸,acid)을 이용하여 상기 반도체기판의 측면과 후면에 형성된 에미터층을 에칭과정을 통해 제거하고, 클리닝용액을 이용하여 중화 및 세정하는 것을 특징으로 하는 도트형 전극을 갖는 저가 양산의 고효율 태양전지의 제조방법.
  6. 청구항4에 있어서,
    상기 도트전극형성단계에서는,
    어느 하나의 단위도트전극을 중심으로 이웃한 다수개의 단위도트전극이 상호간에 동일한 거리로 이격되면서 6각 형태를 취하도록 배치되게 형성하는 것을 특징으로 하는 도트형 전극을 갖는 저가 양산의 고효율 태양전지의 제조방법.
  7. 청구항4에 있어서,
    상기 열처리단계 이후에 태양전지에 수소를 첨가하는 수소화(Hydrogenation)단계를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 도트형 전극을 갖는 저가 양산의 고효율 태양전지의 제조방법.
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