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WO2010030109A2 - 전력 손실이 최소화된 태양전지용 전면 전극 및 이를 포함하는 태양전지 - Google Patents

전력 손실이 최소화된 태양전지용 전면 전극 및 이를 포함하는 태양전지 Download PDF

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WO2010030109A2
WO2010030109A2 PCT/KR2009/005096 KR2009005096W WO2010030109A2 WO 2010030109 A2 WO2010030109 A2 WO 2010030109A2 KR 2009005096 W KR2009005096 W KR 2009005096W WO 2010030109 A2 WO2010030109 A2 WO 2010030109A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrode
grid
width
solar cell
pattern portion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2009/005096
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English (en)
French (fr)
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WO2010030109A3 (ko
Inventor
윤석현
황인석
김승욱
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LG Chem Ltd
Original Assignee
LG Chem Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by LG Chem Ltd filed Critical LG Chem Ltd
Priority to US13/063,602 priority Critical patent/US20110247688A1/en
Priority to JP2011526807A priority patent/JP5497043B2/ja
Priority to CN2009801360177A priority patent/CN102171837B/zh
Priority to EP09813231.9A priority patent/EP2325896B1/en
Publication of WO2010030109A2 publication Critical patent/WO2010030109A2/ko
Publication of WO2010030109A3 publication Critical patent/WO2010030109A3/ko
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F10/00—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/20—Electrodes
    • H10F77/206—Electrodes for devices having potential barriers
    • H10F77/211—Electrodes for devices having potential barriers for photovoltaic cells
    • H10F77/215—Geometries of grid contacts
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/20—Electrodes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the present invention relates to a solar cell front electrode and a solar cell including the same, the power loss is minimized, and more particularly, a plurality of grid electrodes parallel to each other on the semiconductor substrate and one or the crossing of the grid electrodes
  • the pattern is formed of the above-mentioned current collector electrode, the current flowing into the grid electrode is collected by moving to the current collector electrode, the width of the grid electrode is characterized in that the structure consisting of increasing in the direction of the current collector electrode A technology relating to a front electrode for a battery.
  • Solar cells can be divided into solar cells that generate steam required to rotate turbines using solar heat, and solar cells that convert photons into electrical energy using properties of semiconductors. Among them, researches on solar cells that convert light energy into electrical energy by absorbing light to generate electrons and holes have been actively conducted.
  • FIG. 1 schematically illustrates the structure of such a solar cell (hereinafter, abbreviated as "Solar cell”), which is referred to on the first conductive semiconductor layer 22.
  • the second conductive semiconductor layer 23 having the opposite conductivity type is formed and includes a P / N junction at an interface thereof, and a rear electrode contacting at least a portion of the first conductive semiconductor layer 22.
  • an electrode 21 and a front electrode 11 in contact with at least a portion of the second conductivity-type semiconductor layer 23.
  • an anti-reflection film 24 may be formed on the second conductivity-type semiconductor layer 23 to prevent reflection of light.
  • the p-type silicon substrate is mainly used as the first conductivity type semiconductor layer 22, and the n-type emitter layer is used as the second conductivity type semiconductor layer 23.
  • the front electrode 11 is mainly formed on the emitter layer 23 in the Ag pattern
  • the rear electrode 21 is formed on the back surface of the silicon substrate 22 by the Al layer.
  • the formation of the front electrode 11 and the rear electrode 21 is generally performed by screen printing.
  • the front electrode generally consists of two wide current collector electrodes (also called 'busbars') and grid electrodes (also called 'fingers') that are as wide as 150 ⁇ m.
  • the performance of a solar cell that converts light energy directly into electrical energy is expressed by the ratio of the output electric energy of the solar cell to the incident solar energy, and this ratio represents an indicator of the performance of the solar cell.
  • the theoretical limit of conversion efficiency is determined by the materials constituting the solar cell, and is governed by the matching of the solar energy spectrum and the sensitivity spectrum of the solar cell. For example, the conversion efficiency is about 30 to 35% in a single crystal silicon solar cell, the conversion efficiency is 25% in an amorphous silicon solar cell, and 20 to 40% in the case of a compound semiconductor. However, the actual solar cell efficiency is currently about 25% at the laboratory scale.
  • the causes may be classified into surface reflected light loss, loss lost by recombination at the surface or electrode interface in the carrier, loss lost by carrier recombination inside the photovoltaic cell, loss due to internal resistance of the solar cell, and the like.
  • the power loss by the electrode is the resistance loss due to the photocurrent movement in the n-type semiconductor layer, the loss due to the contact resistance between the n-type semiconductor layer and the grid electrode, the resistance loss due to the photocurrent flowing along the grid electrode, And loss due to the area covered by the grid electrode.
  • the present invention aims to solve the problems of the prior art and the technical problem that has been requested from the past.
  • the present inventors have tried various methods and confirmed that the electrode loss can be significantly lowered compared to the existing electrode form by presenting the optimum electrode shape in which the width of the grid electrode is relatively large on the electrode side of the current collector. It was.
  • the solar cell front electrode according to the present invention for achieving the above object, a pattern consisting of a plurality of grid electrodes parallel to each other and one or more current collector electrodes crossing the grid electrodes is formed on a semiconductor substrate
  • the current flowing into the grid electrode is collected by moving to the current collecting electrode, and the electrode width of the grid increases in the direction of the current collecting electrode.
  • the conventional grid electrode has a very thick and constant width of about 120 ⁇ 150 ⁇ m, as shown in Figure 5, a large area of the shadow (shadow) covered by the electrode has caused a lot of electrode loss.
  • the present inventors considered the correlation between the loss of the electrode and the size of the grid electrode and the current collector electrode in order to develop a structure for minimizing the loss caused by the electrode.
  • the loss of an electrode is the loss (I) that occurs when current passes through the n-type semiconductor layer, and the loss that occurs when the current passes from the n-type semiconductor layer to the electrode grid (II) + 3 Loss caused by flowing along the electrode grid (III) + (4) consists of the loss due to the area covered by the electrode (IV).
  • the loss values are respectively calculated with reference to FIG. 2.
  • b is the distance per grid electrode
  • n is the number of grid electrodes
  • ⁇ c is the contact resistivity between the electrode grid and the n-type semiconductor layer
  • L a is the length of the front electrode
  • t a is the thickness of the grid electrode (height )
  • W a is the width of the grid electrode
  • the current flowing along the grid electrode at the loss value of the electrode is increased integrally with the length of the grid electrode, it is advantageous to initially narrow the width of the grid electrode, but in the case of more than a certain length is wide due to the resistance It can be seen that it is preferable.
  • the grid electrode has a structure in which its width increases in the direction of the current collector electrode in which the amount of current is increased.
  • the width increasing rate of the grid electrode in the above is preferably a range in which the width of the grid electrode in contact with the collector electrode has a width increase of 50 to 500%, more preferably 200 to 500% with respect to the width of its opposite end. Can be.
  • the width of the grid electrode toward the current collector electrode may vary.
  • the width of the grid electrode may be continuously increased in inverse proportion to the distance to the current collector electrode.
  • the continuously increasing form may, for example, be a linear structure in the form of a linear function, a curved structure in the form of a quadratic function, or the like.
  • the width of the grid electrode may be in the form of discontinuously increasing inversely proportional to the distance to the current collector electrode.
  • Discontinuously increasing forms include, for example, a stepped structure and a branched structure.
  • the front electrode may effectively cope with a cumulative increase in current along the length of the grid electrode.
  • the advantage of minimizing the loss due to the increased resistance is.
  • the first pattern portion is formed with a predetermined length with respect to the grid electrode located on the side of the current collecting electrode where the amount of current is increased.
  • the first pattern portion and the current collecting electrode are preferably configured to be orthogonal to each other.
  • the current collector electrode is about 1.5 to 3 mm in width, it is preferable that two are formed at predetermined intervals.
  • the second pattern portion may be formed of a structure in which two or more grid electrodes are joined. Accordingly, since the grid electrodes of the relatively narrow second pattern portion are joined to each other and are connected to the grid electrodes of the first pattern portion, power loss during the movement between the first pattern and the second pattern can be adjusted to a level that can be ignored.
  • the structure in which the grid electrodes are joined in the second pattern portion may preferably be achieved in the form of a dendrite structure connecting the ends thereof between the grid electrode of the first pattern portion and the grid electrode of the second pattern portion. This is referred to as 'dendrite electrode' below.
  • the width of the grid electrode in the first pattern portion and the second pattern portion is preferably adjusted to minimize the increase in resistance due to current accumulation while minimizing shadow loss by the grid electrode.
  • the second pattern portion is a portion into which current is introduced, it is preferable to form a grid electrode having a relatively small width in terms of minimizing shadow loss since the current accumulation portion is small. Not only is it not easy to form, but a problem arises in that the resistance is increased.
  • the first pattern portion is a portion where the current flows out to the current collecting electrode (in some cases, also serves as a portion into which the current is introduced), the first pattern portion has a wide width in terms of minimizing the increase in resistance due to the current accumulation. In case of excessive increase, shadow loss and material waste are caused.
  • the dendritic electrode width may be 1 to 2 times based on the grid electrode width of the second pattern portion, preferably 1 to 1.5 times.
  • the grid electrode width of the first pattern portion may be 1.1 to 15 times based on the grid electrode width of the second pattern portion in a range larger than the dendritic electrode width, preferably 3 to 5 times.
  • the grid electrode width of the second pattern portion may be 10 to 60 ⁇ m, more preferably 10 to 40 ⁇ m, and the grid electrode width of the first pattern portion is greater than the width of the grid electrode of the second pattern portion. It is 50-150 micrometers in a large range, More preferably, it may be 60-100 micrometers.
  • the width of the dendritic electrode may be 10 to 80 ⁇ m, more preferably 10 to 50 ⁇ m in a range equal to or greater than the width of the grid electrode of the second pattern portion.
  • the second pattern part uses a thinner grid electrode than in the related art, even when the gap between grid electrodes having a size of about 2.5 to 3 mm is reduced, the shadow loss does not increase, and the moving distance of the current is shortened, thereby improving efficiency. Can be raised further.
  • the grid electrode of the first pattern portion is wider than the second pattern portion, in order to minimize shadow loss, it is preferable to form the inter-electrode spacing not too small than the inter-electrode spacing of the second pattern portion.
  • the spacing between the grid electrodes of the first pattern portion may be 0.7 to 6 times, preferably 1 to 3 times, based on the spacing between the grid electrodes of the second pattern portion.
  • the spacing between the grid electrodes of the second pattern portion is 0.5 to 2 mm, and the spacing between the grid electrodes of the first pattern portion is 1.5 to the same or greater than the spacing of the grid electrodes of the second pattern portion. May be 3 mm.
  • the dendritic electrode is preferably inclined at an angle of about 30 to 70 o with respect to the longitudinal direction of the grid electrode.
  • the current resistance becomes excessively high, and the length of the second pattern portion is less than 10% or When the length of one pattern portion exceeds 90%, the shadow loss becomes high.
  • the length of the grid electrode of the second pattern portion is 10 to 70% compared to the length of the entire grid electrode, the length of the grid electrode of the first pattern portion is preferably 30 to 90%.
  • the length of the dendritic electrode is long, the length of the grid electrode is unnecessarily long, it is preferable to have a length of 0 to 10% compared to the length of the entire pattern.
  • the semiconductor substrate may be an n-type semiconductor layer made of crystalline silicon, and various kinds of layers may be added as necessary.
  • an antireflection film may be applied onto the impurity layer of the N + semiconductor layer, and silicon nitride or silicon oxide may be used as the antireflection film.
  • the resistance of the n-type semiconductor layer is 50 ohms or more, more preferably 100 ohms. ⁇ ) or more.
  • the present invention also provides a solar cell comprising the front electrode.
  • the solar cell according to the present invention has an advantage that the conversion efficiency is very excellent because the electrode loss is less than 1.3 mW / cm 2 by optimizing the structure of the grid electrode.
  • the solar cell may be a bulk material, and is preferably a crystalline silicon solar cell in view of high efficiency.
  • the construction and manufacturing method of the solar cell is well known in the art, so a detailed description thereof is omitted herein.
  • the present invention also provides a method of manufacturing a front electrode for a solar cell.
  • Conventional front electrodes have been produced by screen printing processes.
  • the screen printing process is a method in which ink is pushed out between screen masks and printed, and since the precision is about 100 ⁇ m, there is a limit in that a pattern of 100 ⁇ m or less is not realized, which causes a large electrode loss.
  • the manufacturing method according to the present invention when forming a pattern consisting of a plurality of grid electrodes parallel to each other and a collector electrode intersecting the grid electrode on a semiconductor substrate,
  • the front electrode is formed using the gravure printing method or the offset printing method, a pattern having a fine size can be easily manufactured, and a continuous process is possible, and thus the process efficiency is very high.
  • the offset printing method has a patterning precision of about 10-20 ⁇ m, a thickness of about several ⁇ m, and thus has an advantage of forming a pattern having a very fine size, and also transfers a paste onto a substrate using a printing roll.
  • a printing roll corresponding to a desired area there is an advantage that a pattern can be formed by one transfer even in a large area.
  • the gravure printing method is also suitable for forming a fine pattern since it is possible to print a pattern of a sub- ⁇ m class, and also has the advantage that a large area patterning can be performed at one time as in the offset printing method.
  • the paste includes a material for forming the grid of the front electrode and the current collector electrode, and may preferably include Ag powder.
  • the curing step of the paste may preferably consist of a pre-drying step at a temperature of 150 ⁇ 200 °C, a binder removal step at 400 ⁇ 500 °C, and a sintering step at 750 ⁇ 850 °C,
  • the time required may be 5 to 10 minutes.
  • FIG. 1 is a partial perspective view of a solar cell according to the prior art
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a front electrode for a solar cell
  • FIG. 3 is a partial plan view of a second type front electrode according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a partial plan view of a second type front electrode according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a partial plan view of a front electrode according to the prior art
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a process of forming a pattern by the offset printing method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a partial perspective view of a solar cell in which the front electrode according to FIG. 3 is formed;
  • FIG. 8 is a plan view of a solar cell in which a front electrode according to FIG. 3 is formed;
  • 9 and 10 are graphs showing the power loss rate according to the experimental example of the present invention.
  • 3 and 4 schematically show a partial plan view of the front electrode according to an embodiment of the present invention.
  • the grid electrode 110 includes a first pattern portion A located at the current collecting electrode 120, a second pattern portion B located at a distance from the current collecting electrode 120, and a first pattern portion A.
  • FIG. It consists of the dendritic electrode C located between the pattern part A and the 2nd pattern part B.
  • FIG. In the first pattern portion A relatively wide grid electrodes are coarsely arranged, while in the second pattern portion, relatively narrow grid electrodes are densely arranged.
  • the dendritic electrode C has a form in which two grid electrodes of the second pattern portion are bonded to each other. In the front electrode illustrated in FIG. 4, all grid electrodes of the second pattern portion are bonded to each other. Have In the front electrode of FIG. 4, since the distance between the grid electrodes of the first pattern portion is relatively narrow, a grid electrode having a width smaller than the width of the grid electrode of the first pattern portion of FIG. 3 may be formed in consideration of shadow loss. .
  • FIG. 6 schematically illustrates a process of manufacturing the front electrode by using the offset printing method according to an embodiment of the present invention.
  • a groove 301 having a shape corresponding to a pattern of a front electrode to be formed in a semiconductor substrate is formed in the printing substrate 300.
  • the method of forming the groove 301 is not particularly limited and can be performed by a known method such as a photolithography method.
  • the electrode forming paste 310 is filled in the groove 301. This may be performed by applying the paste 310 to the surface of the printing substrate 300 and then advancing the doctor blade 330 in contact with the printing substrate 300. Therefore, the paste 310 may be filled in the groove 301 as the doctor blade 330 progresses, and the paste 310 remaining on the printing substrate 300 may be removed.
  • the paste 310 filled in the groove 301 of the printing substrate 300 is transferred to the surface of the printing roll 340 which rotates in contact with the surface of the printing substrate 300.
  • the printing roll 340 may be formed to have the same width as that of the semiconductor substrate 204 on which the pattern is formed, and may have a circumference of the same length as the length of the semiconductor substrate 204. Accordingly, the paste 310 filled in the groove 301 of the printing substrate 300 is transferred to the circumferential surface of the printing roll 340 by one rotation.
  • the paste 310 transferred to the printing roll 340 is transferred to the semiconductor substrate 204 by rotating the printing roll 340 in contact with the surface of the semiconductor substrate 204, thereby transferring the transferred paste 110. ) Is cured to form a pattern.
  • the front electrode is patterned using the offset printing method
  • a pattern having a fine size can be easily formed, and the printing substrate 300 and the printing roll 340 can be formed in the size of the semiconductor substrate 204.
  • the pattern can be formed by one transfer, and thus, the process efficiency is very high.
  • FIG. 7 schematically shows a partial perspective view of a solar cell in which the front electrode according to FIG. 3 is formed.
  • the n-type semiconductor layer 203 is formed on the p-type semiconductor layer 202 to form a p / n junction at the interface.
  • the back electrode 201 is formed on the bottom surface of the p-type semiconductor layer 202.
  • An antireflection film 204 having a honeycomb structure is formed on an upper surface of the n-type semiconductor layer 203, and includes a grid electrode and a current collecting electrode 120 on the antireflection film 204.
  • the front electrode is formed and is in contact with the n-type semiconductor layer 203 at least in part.
  • a p-type silicon substrate is mainly used as the p-type semiconductor layer 202, and an n-type emitter layer doped with phosphorous (P) is used as the n-type semiconductor layer 203.
  • the front electrode 110 is mainly formed of an Ag pattern
  • the rear electrode 201 is mainly formed of an Al layer on the back surface of the p-type semiconductor layer 202.
  • the front electrode is vertically connected to the current collector electrode 120 having a wide width, and has a narrower width than the first pattern portion 110A and the first pattern portion A, each of which is formed of a grid electrode having a width of 150 ⁇ m or less.
  • the second pattern portion 110B made of a grid electrode, and the dendritic electrode 110C made of a grid electrode connected to each other in contact therewith.
  • FIG. 8 is a plan view schematically showing a front electrode of a solar cell according to the present invention.
  • a grid electrode having an orthogonal shape is formed between two current collector electrodes 120 and the current collector electrodes 120.
  • the relatively thick first pattern portion 110A is connected to the current collector electrode 120 and is formed in a form orthogonal thereto.
  • the second pattern part 110B is connected to the first pattern part 110A and has a structure connected to each other through a central part between the two current collecting electrodes 120.
  • Phosphorous (P) was diffused onto the crystalline p-type silicon substrate to form an n layer having a resistance of 50 ohm, and an antireflective SiN x layer was deposited on the entire n layer.
  • an Al paste is formed on the rear side of the substrate on which the pn junction is formed by screen printing and firing, and the electrode is formed on the front side of the n layer in the form as shown in FIG. 3 by an offset printing method using Ag paste. Formed.
  • the length of the first pattern portion A was 2.6 cm
  • the length of the second pattern portion B was 1 cm
  • the width of the grid electrode of the first pattern portion A was measured.
  • the electrode was formed to manufacture a solar cell having an n-layer resistance of 50 ohm.
  • the length of the first pattern portion was 2.4 cm
  • the length of the second pattern portion was 1.2 cm
  • the width and spacing of the grid electrodes of the first pattern portion were 90 ⁇ m and 1.7 mm, respectively, and the width of the grid electrodes of the second pattern portion.
  • a distance of 20 ⁇ m and 0.83 mm, respectively, and the length of the dendritic electrode C was 0.05 cm, in the same manner as in Example 1, in which the n-layered solar cell was 100 ohm. Prepared.
  • the width of the grid electrode was 120 ⁇ m, and the spacing of the grid electrodes was 2.5 mm.
  • a solar cell having a resistance of n layers of 50 ohm was manufactured.
  • the width of the grid electrode was 20 ⁇ m, and the distance between the grid electrodes was 1 mm.
  • a solar cell having a resistance of 50 n-ohm n-layer as shown in FIG. 5 was manufactured.
  • the width of the grid electrode was 120 ⁇ m, and the spacing of the grid electrodes was 2.5 mm, thereby manufacturing a solar cell having an n-layer resistance of 100 ohm.
  • the width of the grid electrode was 20 ⁇ m, and the distance between the grid electrodes was 1 mm.
  • a solar cell having a resistance of an n-layer having a shape as shown in FIG. 5 was 100 ohm.
  • n-type loss is the loss (loss I) that occurs when the current passes through the n-type semiconductor layer
  • contact loss is the loss that occurs when the current passes from the n-type semiconductor layer to the electrode grid ( Loss II).
  • finger loss is the loss (loss III) that occurs when current flows along the electrode grid
  • shadow loss is the loss (loss IV) by the area covered by the electrode.
  • the difference in the loss rate of the embodiment compared to the comparative example means a difference in the loss rate for the case where the emitter resistance (n layer resistance) is the same. That is, Example 1 was compared with Comparative Examples 1 and 2 having an emitter resistance of 50 ohms, and Example 2 was compared with Comparative Examples 3 and 4 with an emitter resistance of 100 ohms.
  • the solar cell of Example 1 having the front electrode of the present invention can be seen that the power loss is significantly reduced compared to the solar cells according to Comparative Examples 1 and 2. .
  • the battery according to Comparative Example 2 by forming an excessively thin and dense grid electrode, the resistance of the current flowing through the grid electrode increases, so that the loss III is very high, whereas the battery according to Example 1 has a relatively high loss III. It can be seen that it is significantly reduced.
  • the battery according to Comparative Example 1 has a very high shadow loss by using a grid electrode of a wide width and spacing, the shadow loss is greatly reduced in the case of the battery according to Example 1 of the present invention.
  • the front electrode according to the present invention can be preferably applied even when using a high resistance n-type semiconductor layer for reducing the surface coupling rate of the current.
  • the front electrode for a solar cell according to the present invention has a structure in which the width of the grid electrode increases in the direction of the current collector electrode, thereby minimizing the shadow loss and minimizing the increase in resistance, thereby reducing the power loss.
  • highly efficient solar cells can be manufactured.

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Abstract

본 발명은 태양전지용 전면 전극으로서, 반도체 기판 상에 서로 평행한 다수의 그리드 전극들 및 상기 그리드 전극들과 교차하는 하나 또는 그 이상의 집전용 전극으로 이루어진 패턴이 형성되어 있고, 상기 그리드 전극으로 유입된 전류는 집전용 전극으로 이동하여 집전되며, 상기 그리드 전극의 폭은 집전용 전극 방향으로 증가하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지용 전면 전극에 관한 기술이다.

Description

전력 손실이 최소화된 태양전지용 전면 전극 및 이를 포함하는 태양전지
본 발명은 전력 손실이 최소화된 태양전지용 전면 전극 및 이를 포함하는 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 반도체 기판 상에 서로 평행한 다수의 그리드 전극들 및 상기 그리드 전극들과 교차하는 하나 또는 그 이상의 집전용 전극으로 이루어진 패턴이 형성되어 있고, 상기 그리드 전극으로 유입된 전류는 집전용 전극으로 이동하여 집전되며, 상기 그리드 전극의 폭은 집전용 전극 방향으로 증가하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지용 전면 전극에 관한 기술이다.
최근 환경문제와 에너지 고갈에 대한 우려가 커지면서, 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없으며 에너지 효율이 높은 대체 에너지로서의 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다.
태양전지는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양빛(photons)을 전기 에너지로 변환시키는 태양광 전지로 나눌 수 있다. 그 중에서도 빛을 흡수하여 전자와 정공을 생성함으로써 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양광 전지에 대한 연구가 활발히 행해지고 있다.
도 1에는 이러한 태양광 전지(이하에서는 "태양전지(Solar cell)"로 약칭함)의 구조가 모식적으로 도시되어 있는 바, 이를 참조하면, 제 1 도전형 반도체 층(22) 상에 그와 반대 도전형의 제 2 도전형 반도체 층(23)이 형성되어 있고 그 계면에 P/N 접합을 포함하고 있으며, 상기 제 1 도전형 반도체 층(22)의 적어도 일부에 접촉되어 있는 후면 전극(rear electrode; 21)과 제 2 도전형 반도체 층(23)의 적어도 일부에 접촉되어 있는 전면 전극(front electrode; 11)을 포함하고 있다. 경우에 따라서는, 제 2 도전형 반도체 층(23) 상에 빛의 반사를 방해하기 위한 반사방지막(24)를 형성할 수도 있다.
제 1 도전형 반도체 층(22)으로는 주로 p-형 실리콘 기판이 사용되고 있고, 제 2 도전형 반도체 층(23)으로는 n-형 이미터(emitter) 층이 사용되고 있다. 또한, 이미터 층(23) 상에 주로 Ag 패턴으로 전면 전극(11)을 형성하며, 실리콘 기판(22)의 배면에 Al 층으로 후면 전극(21)을 형성한다. 이러한 전면 전극(11)과 후면 전극(21)의 형성은 일반적으로 스크린 프린팅 방식으로 행해지고 있다. 전면 전극은 일반적으로 폭이 넓은 두 개의 집전용 전극('버스바(busbar)'라고도 함)과 150 ㎛ 정도로 폭이 가는 그리드 전극('핑거(finger)'라고도 함)으로 이루어져 있다.
이러한 구조의 태양전지에서, 태양광이 전면 전극(11) 측으로 입사되면 자유 전자가 발생하고, 이들은 pn 접합의 원리에 따라 n형 반도체 층(23) 쪽으로 이동하게 되고, 이러한 전자의 흐름이 전류가 된다.
이와 같이 광에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 태양전지의 성능은 입사하는 태양 에너지에 대한 태양전지의 출력 전기 에너지의 비에 의해 표시되며, 이 비는 태양전지의 성능의 지표를 나타내는 것으로, 통상 "에너지 변환 효율", 간단히 "변환 효율"이라고 부르고 있다. 변환 효율의 이론적 한계는 태양전지를 구성하는 물질에 따라 정해지며, 태양광 에너지의 스펙트럼과 태양전지의 감도 스펙트럼의 정합에 지배된다. 예를 들어, 단결정 실리콘의 태양전지에서 변환 효율은 약 30~35%이고, 비결정계 실리콘 태양전지에서 변환 효율은 25%이며, 화합물 반도체의 경우는 20~40%이다. 그러나, 실제 태양전지의 효율은 현재 실험실 규모에서 25% 정도이다.
그 원인은 표면 반사광 손실, 캐리어 중 표면 또는 전극 계면에서의 재결합에 의해 잃는 손실, 캐리어가 광전지 내부의 재결합에 의해 잃는 손실, 태양전지의 내부저항에 의한 손실 등으로 분류할 수 있다.
이 중, 전극에 의한 전력 손실은 n형 반도체 층에서의 광 전류 이동에 의한 저항 손실, n형 반도체 층과 그리드 전극 사이의 접촉 저항에 의한 손실, 그리드 전극을 따라 흐르는 광 전류에 의한 저항 손실, 및 그리드 전극에 의해 가려지는 면적에 의한 손실로 이루어져 있다.
따라서, 높은 효율의 태양전지를 위해 이러한 전극에 의한 전력 손실을 최소화하는 한편, 빛 흡수량을 최대화하기 위한 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 종래기술의 문제점들과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 태양전지용 전면 전극에서 그리드 전극의 폭을 조절하여 전극에 의한 전력 손실을 최소화하고 빛 흡수량을 최대화할 수 있는 구조를 제공하는 것이다.
본 발명자들은 다양한 방법을 시도해 본 결과 그리드 전극의 폭을 집전용 전극측에서 상대적으로 크게 구성한 최적의 전극 형태를 제시함으로써 기존의 전극 형태에 비해 전극 손실을 크게 낮출 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양전지용 전면 전극은, 반도체 기판 상에 서로 평행한 다수의 그리드 전극들 및 상기 그리드 전극들과 교차하는 하나 또는 그 이상의 집전용 전극으로 이루어진 패턴이 형성되어 있고, 상기 그리드 전극으로 유입된 전류는 집전용 전극으로 이동하여 집전되며, 상기 그리드의 전극 폭이 집전용 전극 방향으로 증가하는 구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 한다.
종래 그리드 전극은 도 5에서와 같이 120 ~ 150 ㎛ 정도의 매우 두껍고 일정한 폭을 갖고 있어서, 전극에 의해 가려지는 부위(shadow)의 면적이 크므로 많은 전극 손실이 발생하였다. 이에, 본 발명자들은 전극에 의한 손실을 최소화하기 위한 구조를 개발하기 위해 전극의 손실과 그리드 전극 및 집전용 전극의 크기와의 상관관계를 고찰하였다.
앞서 언급한 바와 같이, 전극의 손실은 ① 전류가 n-형 반도체 층을 지날 때 일어나는 손실 (I) + ② 전류가 n-형 반도체 층에서 전극 그리드로 넘어갈 때 일어나는 손실 (II) + ③ 전류가 전극 그리드를 따라 흐를 때 일어나는 손실 (III) + ④ 전극에 의해 가려지는 면적에 의한 손실 (IV)로 이루어져 있다. 도 2를 참조하여 손실 값을 각각 계산하면 하기와 같다.
Figure PCTKR2009005096-appb-I000001
(상기 식에서, b는 그리드 전극 당 간격, n은 그리드 전극의 개수, ρc는 전극 그리드와 n형 반도체 층 사이의 접촉 비저항, La는 전면 전극의 길이, ta는 그리드 전극의 두께(높이), Wa는 그리드 전극의 폭이다)
상기 식들을 살펴보면, 그리드 전극의 수(n), 폭(Wa), 및 길이(La)에 의해 각 성분의 합을 최소로 하는 (n, La, Wa)의 쌍이 존재함을 알 수 있다.
즉, 상기 그리드 전극의 폭이 넓을수록 쉐도우 부분이 증가하게 되어 손실 (IV)(이하 경우에 따라 '쉐도우 손실'이라고도 함)의 값이 증가하는 바, 빛 흡수량이 줄어들게 되는 반면, 그리드 전극의 폭이 지나치게 좁으면 전극의 저항이 커지게 되어 손실 (III)이 증가하는 문제가 발생한다.
한편, 상기 전극의 손실 값에서 그리드 전극을 따라 흐르는 전류는 그리드 전극의 길이에 따라 적분식으로 증가함으로써, 초기에는 그리드 전극의 폭이 좁은 것이 유리하지만, 일정 길이 이상의 경우에는 저항으로 인해 폭이 넓은 것이 바람직함을 알 수 있다.
이를 바탕으로, 본 발명에서 그리드 전극은 전류의 양이 증가되는 집전용 전극 방향으로 그것의 폭이 증가하는 구조로 이루어져 있다. 또한, 단위 면적당 효율을 고려할 때 그리드 전극과 집전용 전극은 직교하도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기에서 그리드 전극의 폭 증가율은, 바람직하게는, 집전용 전극에 접한 그리드 전극 폭이 그것의 대향 단부의 폭에 대해 50 내지 500%, 더욱 바람직하게는, 200 내지 500%의 폭 증가를 갖는 범위일 수 있다.
집전용 전극 방향으로 그리드 전극의 폭이 증가하는 형태는 다양할 수 있는 바, 하나의 예에서, 그리드 전극의 폭은 집전용 전극에 대한 거리에 반비례하여 연속적으로 증가하는 형태일 수 있다.
연속적으로 증가하는 형태는, 예를 들어, 1차 함수 형태의 직선형 구조, 2차 함수 형태의 곡선형 구조 등을 들 수 있다.
또 다른 예에서, 그리드 전극의 폭은 집전용 전극에 대한 거리에 반비례하여 비연속적으로 증가하는 형태일 수 있다.
비연속적으로 증가하는 형태는, 예를 들어, 계단식 구조와 분지식 구조 등을 들 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 그리드 전극의 폭이 150 ㎛ 이하인 제 1 패턴부 및 그리드 전극의 폭이 제 1 패턴부의 그리드 전극의 폭보다 좁은 제 2 패턴부로 이루어진 구조를 들 수 있다.
이와 같이, 그리드 전극의 폭이 상대적으로 넓은 제 1 패턴부와 상대적으로 좁은 제 2 패턴부의 복합형 구조인 전면 전극의 경우, 그리드 전극의 길이를 따라 누적적으로 증가되는 전류에 효과적으로 대응할 수 있으므로 전류의 저항 증가에 따른 손실을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.
이를 위해, 전류의 양이 증가되는 집전용 전극 측에 위치한 그리드 전극에 대하여 소정 길이로 제 1 패턴부를 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 단위 면적당 효율을 고려할 때 제 1 패턴부와 집전용 전극은 직교하도록 구성하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 집전용 전극은 폭이 1.5 ~ 3 mm 정도이고, 소정의 간격으로 2개가 형성되는 것이 바람직하다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 제 2 패턴부는 둘 또는 그 이상의 그리드 전극들이 접합된 구조로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 상대적으로 폭이 좁은 제 2 패턴부의 그리드 전극들이 접합되면서 제 1 패턴부의 그리드 전극들로 연결되므로, 제 1 패턴과 제 2 패턴 간 이동시의 전력 손실을 무시할 수 있는 수준으로 조절할 수 있다.
이와 같이, 제 2 패턴부에서 그리드 전극들이 접합된 구조는 바람직하게는 제 1 패턴부의 그리드 전극과 제 2 패턴부의 그리드 전극 사이에 이들의 단부를 연결하는 수지상(dendrite) 구조의 형태로 달성될 수 있으며, 이를 이하에서 '수지상 전극(dendrite electrode)'이라 한다.
상기 제 1 패턴부와 제 2 패턴부에서 그리드 전극의 폭은 그리드 전극에 의한 쉐도우 손실을 최소화하면서도 전류 누적에 의한 저항 증가를 최소할 수 있도록 조절되는 것이 바람직하다.
이 때, 상기 제 2 패턴부는 전류가 도입되는 부위로서 전류의 누적이 적은 부분이므로 쉐도우 손실을 최소화하는 측면에서 상대적으로 작은 폭을 갖는 그리드 전극을 형성하는 것이 바람직하지만, 지나치게 폭이 작은 경우는 전극 형성이 용이하지 않을 뿐만 아니라, 저항이 증가되는 문제가 발생한다.
또한, 상기 제 1 패턴부는 전류가 집전용 전극으로 유출되는 부위(경우에 따라서는 전류가 도입되는 부위로도 작용함)이므로 전류 누적에 의한 저항 증가를 최소화하는 측면에서 넓은 폭을 갖는 것이 바람직하지만, 지나치게 증가하는 경우 쉐도우 손실 및 재료 낭비가 초래되는 문제가 있다.
이를 고려할 때, 상기 수지상 전극 폭은 제 2 패턴부의 그리드 전극 폭을 기준으로 1 내지 2 배일 수 있고, 바람직하게는 1 내지 1.5 배일 수 있다.
또한, 상기 제 1 패턴부의 그리드 전극 폭은 수지상 전극 폭보다 큰 범위에서, 제 2 패턴부의 그리드 전극 폭을 기준으로 1.1 내지 15 배일 수 있고, 바람직하게는 3 내지 5 배일 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 제 2 패턴부의 그리드 전극 폭은 10 내지 60 ㎛, 더욱 바람직하게는 10 내지 40 ㎛일 수 있고, 상기 제 1 패턴부의 그리드 전극 폭은 제 2 패턴부의 그리드 전극의 폭 보다 큰 범위 내에서 50 내지 150 ㎛이고, 더욱 바람직하게는 60 내지 100 ㎛일 수 있다.
상기 수지상 전극이 형성된 경우, 수지상 전극의 폭은 제 2 패턴부의 그리드 전극의 폭과 동일하거나 또는 그보다 큰 범위에서 10 내지 80 ㎛, 더욱 바람직하게는 10 내지 50 ㎛일 수 있다.
한편, 상기 그리드 전극들 간의 간격이 넓으면 n-형 반도체 층으로부터 그리드 전극까지의 전류의 이동 거리가 길어지게 되어 전류 손실이 발생하게 되고, 반면에 간격이 지나치게 좁으면 쉐도우 손실이 증가하게 되는 문제가 있다.
상기 제 2 패턴부는 종래에 비해 얇은 그리드 전극을 사용하므로, 종래 2.5 ~ 3 mm 정도인 그리드 전극들 간의 간격을 줄이는 경우에도 쉐도우 손실의 증가가 발생하지 않고, 전류의 이동 거리가 짧아지게 되어 효율이 더욱 상승될 수 있다. 반면에, 상기 제 1 패턴부의 그리드 전극은, 제 2 패턴부 보다 폭이 넓기 때문에 쉐도우 손실을 최소화하기 위하여, 전극간 간격을 제 2 패턴부의 전극간 간격보다 지나치게 작지 않게 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제 1 패턴부의 그리드 전극들 간의 간격은 제 2 패턴부의 그리드 전극들 간의 간격을 기준으로 0.7 내지 6 배, 바람직하게는 1 내지 3 배일 수 있다.
하나의 바람직한 예에서, 상기 제 2 패턴부의 그리드 전극들 간의 간격은 0.5 내지 2 mm이고, 상기 제 1 패턴부의 그리드 전극들 간의 간격은 제 2 패턴부의 그리드 전극들의 간격보다 같거나 큰 범위에서 1.5 내지 3 mm일 수 있다.
상기 수지상 전극의 경우 그리드 전극의 길이 방향에 대하여 30 ~ 70o 정도의 각도로 기울어져 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 2 패턴부의 길이가 그리드 전극의 총 길이 대비, 70%를 초과하거나 제 1 패턴부의 길이가 30% 미만이면, 전류 저항이 지나치게 높아지게 되고, 제 2 패턴부의 길이가 10% 미만이거나 제 1 패턴부의 길이가 90% 초과하면, 쉐도우 손실이 높아지게 된다.
따라서, 상기 제 2 패턴부의 그리드 전극의 길이는 전체 그리드 전극의 길이 대비 10 내지 70%이고, 상기 제 1 패턴부의 그리드 전극의 길이는 30 내지 90%인 것이 바람직하다. 상기 수지상 전극의 길이가 길면 그리드 전극의 길이가 불필요하게 길어지게 되므로 전체 패턴의 길이 대비 0 내지 10%의 길이를 갖는 것이 바람직하다.
상기 반도체 기판은 결정성 실리콘으로 이루어진 n형 반도체 층일 수 있고, 필요에 의해 다양한 종류의 층이 부가될 수도 있다. 예를 들어, N+ 반도체 층의 불순물 층 상에 반사방지막이 도포될 수 있고, 상기 반사방지막으로는 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화물 등이 사용될 수 있다.
또한, 광 전류의 표면 결합 속도(surface recombination velocity)를 줄이기 위해 n-층의 저항을 높이는 것이 바람직한 바, 상기 n-형 반도체 층의 저항은 50 옴(Ω) 이상, 더욱 바람직하게는 100 옴(Ω) 이상일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기의 전면 전극을 포함하는 태양전지를 제공한다.
본 발명에 따른 태양전지는 그리드 전극의 구조를 최적화함으로써 전극 손실이 1.3 mW/cm2 미만이므로 변환 효율이 매우 우수하다는 장점이 있다.
상기 태양전지는 벌크형 재료일 수 있고, 고효율의 측면에서 결정성 실리콘 태양전지인 것이 바람직하다. 태양전지의 구성 및 제조방법은 당업계에 널리 공지되어 있으므로 이에 대한 구체적인 설명은 본 명세서에서 생략한다.
또한, 본 발명은 태양전지용 전면 전극을 제조하는 방법을 제공한다. 종래 전면 전극은 스크린 프린팅 공정에 의해 제조되었다. 스크린 프린팅 공정은 스크린 마스크 사이로 잉크를 밀어내어 프린팅하는 방식으로서, 정밀도가 100 ㎛ 정도이므로 100 ㎛ 이하의 패턴을 구현할 수 없는 한계가 있어 전극 손실이 크다는 문제가 있다. 또한 스퀴지로 밀어내어야 하므로, 연속 공정에는 불리하다는 단점이 있다.
이러한 한계를 극복하기 위해, 본 발명에 따른 제조 방법은 반도체 기판 상에 서로 평행한 다수의 그리드 전극들 및 상기 그리드 전극과 교차하는 집전용 전극으로 이루어진 패턴을 형성할 때,
(a) 100 ㎛ 이하의 폭을 갖는 그리드를 형성하기 위해, 그라비아 프린팅법 또는 오프셋 프린팅법을 이용하여 반도체 기판에 페이스트를 프린트하는 단계; 및
(b) 가열 및 가압하여 페이스트를 경화하는 단계;를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
이와 같이, 그라비아 프린팅법 또는 오프셋 프린팅법을 이용하여 전면 전극을 형성하는 경우 미세한 크기를 갖는 패턴을 용이하게 제조할 수 있고, 연속 공정이 가능하여 공정 효율성이 매우 높다는 장점이 있다.
구체적인 예에서, 상기 오프셋 프린팅법을 이용하는 경우에는,
(i) 전면 전극의 패턴에 대응하는 소정 패턴의 홈을 갖는 프린팅 기판을 마련하는 단계;
(ii) 상기 프린팅 기판에 형성된 홈에 전극 형성용 페이스트를 채우는 단계;
(iii) 상기 프린팅 기판에 인쇄롤을 회전시켜 홈에 채워진 페이스트를 인쇄롤로 전사하는 단계; 및
(iv) 반도체 기판 상에 인쇄롤을 회전시켜 인쇄롤에 전사된 페이스트를 반도체 기판에 전사하는 단계;
를 포함할 수 있다.
이러한 오프셋 프린팅법은 패터닝 정밀도가 10-20 ㎛ 정도이며, 두께는 수 ㎛ 정도이므로 매우 미세한 크기의 패턴을 형성할 수 있다는 장점이 있을 뿐만 아니라, 인쇄롤을 이용하여 기판 상에 페이스트를 전사하기 때문에, 소망하는 면적에 대응하는 인쇄롤을 이용함으로써 대면적의 경우에도 1회의 전사에 의해 패턴을 형성할 수 있다는 장점이 있다.
또 다른 예에서, 상기 그라비아 프린팅법을 이용하는 경우에는,
(i) 전면 전극의 패턴에 대응하는 소정 패턴의 홈을 갖는 블랭킷 실린더(blanket cylinder)를 마련하는 단계;
(ii) 상기 블랭킷 실린더에 형성된 홈에 전극 형성용 페이스트를 채우는 단계; 및
(iii) 상기 블랭킷 실린더를 반도체 기판 상에 회전시켜 상기 페이스트를 전사하는 단계;
를 포함할 수 있다.
이러한 그라비아 프린팅법 역시 sub-㎛ 급의 패턴을 인쇄하는 것이 가능하므로 미세 패턴을 형성하기에 적합할 뿐만 아니라, 오프셋 프린팅법과 같이 대면적의 패터닝을 1회에 수행할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명에 따른 전면 전극의 제조 방법에서, 상기 페이스트는 전면 전극의 그리드 및 집전용 전극의 형성을 위한 재료를 포함하는 바, 바람직하게는 Ag 분말을 포함할 수 있다.
한편, 상기 페이스트의 경화 단계는 바람직하게는 150 ~ 200℃의 온도에서 사전 건조 단계, 400 ~ 500℃에서의 바인더 제거 단계, 및 750 ~ 850℃에서의 소결 단계로 이루어질 수 있고, 총 경화 과정에 소요되는 시간은 5 ~ 10분일 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 태양전지의 일부 사시도이다;
도 2는 태양전지용 전면 전극의 모식도이다;
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 제 2 형 전면 전극의 부분 평면도다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제 2 형 전면 전극의 부분 평면도다;
도 5는 종래 기술에 따른 전면 전극의 부분 평면도다;
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따라 오프셋 프린팅법으로 패턴을 형성하는 과정의 모식도이다;
도 7은 도 3에 따른 전면 전극이 형성된 태양전지의 부분 사시도이다;
도 8은 도 3에 따른 전면전극이 형성된 태양전지의 평면도다;
도 9 및 도 10은 본 발명의 실험예에 따라 전력 손실률을 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
11, 110: 그리드 전극 12, 120: 집전용 전극
21, 201: 후면 전극 22, 202: p-형 반도체 층
23, 203: n-형 반도체 층 24, 204: 반사방지막
이하, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 3 및 도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전면 전극의 부분 평면도가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 그리드 전극(110)은 집전용 전극(120) 측에 위치한 제 1 패턴부(A), 집전용 전극(120)과 원거리에 있는 제 2 패턴부(B), 및 제 1 패턴부(A)와 제 2 패턴부(B) 사이에 위치하는 수지상 전극(C)으로 이루어져 있다. 제 1 패턴부(A)는 상대적으로 넓은 폭의 그리드 전극들이 성기게 배열되어 있는 반면, 제 2 패턴부에서는 상대적으로 좁은 폭의 그리드 전극들이 조밀하게 배열되어 있다.
이와 같은 구조에 의해, 제 2 패턴부(B)에서 전류가 유입되는 양을 최대화하면서도 넓은 폭의 제 1 패턴부(A)에 의해 전류 저항 및 쉐도우 손실을 최소화할 수 있다.
도 3에 도시된 전면 전극에서는 수지상 전극(C)이 제 2 패턴부의 그리드 전극을 두 개씩 상호 접합한 형태를 갖고, 도 4에 도시된 전면 전극에서는 제 2 패턴부의 모든 그리드 전극들이 상호 접합한 형태를 갖고 있다. 도 4에 따른 전면 전극에서는 제 1 패턴부의 그리드 전극의 간격이 상대적으로 좁아지므로 쉐도우 손실을 고려하여 도 3의 제 1 패턴부에서의 그리드 전극의 폭보다 좁은 폭을 갖는 그리드 전극을 형성할 수 있다.
도 6에는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 오프셋 프린팅법을 사용하여 전면 전극을 제조하는 과정이 모식적으로 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 우선 반도체 기판에 형성하고자 하는 전면 전극의 패턴에 대응하는 형태의 홈(301)을 프린팅 기판(300)에 형성한다. 이 때, 홈(301)을 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않으며 포토리소그래피법 등의 공지의 방법으로 수행할 수 있다. 그런 다음, 홈(301)의 내부에 전극 형성용 페이스트(310)를 충진한다. 이는, 프린팅 기판(300)의 표면에 페이스트(310)를 도포한 후 닥터 블레이드(330)를 프린팅 기판(300)에 접촉한 상태로 진행시킴으로써 이루어질 수 있다. 따라서, 닥터 블레이드(330)의 진행에 따라 홈(301) 내부에 페이스트(310)가 충진되는 한편, 프린팅 기판(300) 상에 남아 있는 페이스트(310)가 제거될 수 있다.
그런 다음, 프린팅 기판(300)의 홈(301) 내부에 충진된 페이스트(310)는 프린팅 기판(300)의 표면에 접촉하여 회전하는 인쇄롤(340)의 표면에 전사된다. 인쇄롤(340)은 패턴이 형성되는 반도체 기판(204)의 폭과 동일한 폭으로 형성될 수 있고, 반도체 기판(204)의 길이와 동일한 길이의 원주를 가질 수 있다. 이에 따라, 1 회의 회전에 의해 프린팅 기판(300)의 홈(301)에 충진된 페이스트(310)가 모두 인쇄롤(340)의 원주 표면에 전사된다.
이 후, 인쇄롤(340)을 반도체 기판(204)의 표면과 접촉시킨 상태에서 회전시킴으로써 인쇄롤(340)에 전사된 페이스트(310)가 반도체 기판(204)에 전사되며, 전사된 페이스트(110)를 경화시킴으로써 패턴을 형성한다.
이와 같이, 오프셋 프린트법을 이용하여 전면 전극을 패터닝하는 경우, 미세한 크기를 갖는 패턴을 용이하게 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 프린팅 기판(300)과 인쇄롤(340)을 반도체 기판(204)의 크기에 따라 제작함으로써, 1회의 전사에 의해 패턴을 형성할 수 있어서 공정 효율성이 매우 높다는 장점이 있다.
도 7에는 도 3에 따른 전면 전극이 형성된 태양전지의 부분 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 태양전지는 p형 반도체 층(202) 상에 그에 반대 도전형인 n형 반도체 층(203)이 형성되어 있어서 계면에서 p/n 접합을 이루고 있다. p형 반도체 층(202)의 하면에는 후면 전극(201)이 형성되어 있다. n형 반도체 층(203)의 상면에는 빛의 반사를 방해하기 위해 허니콤 구조를 갖는 반사방지막(204)이 형성되어 있으며, 반사방지막(204) 상에 그리드 전극 및 집전용 전극(120)를 포함하는 전면 전극이 형성되어 있고, n형 반도체 층(203)과 적어도 일부에서 접촉되어 있다.
상기 p형 반도체 층(202)으로는 주로 p-형 실리콘 기판이 사용되고 있고, n형 반도체 층(203)으로는 phosphorous(P)가 도핑된 n-형 이미터(emitter) 층이 사용되고 있다. 또한, 전면 전극(110)은 주로 Ag 패턴으로 형성되고, p형 반도체 층(202)의 배면에 후면 전극(201)은 주로 Al 층으로 형성된다.
전면 전극은 넓은 폭을 갖는 집전용 전극(120)과 수직으로 연결되고, 150 ㎛ 이하의 폭을 갖는 그리드 전극으로 이루어진 제 1 패턴부(110A), 제 1 패턴부(A) 보다 좁은 폭을 갖는 그리드 전극으로 이루어진 제 2 패턴부(110B), 및 이들과 상호 접촉하여 연결하고 있는 그리드 전극으로 이루어진 수지상 전극(110C)으로 이루어져 있다.
이러한 구조에서 n형 반도체 층(203)으로부터 제 2 패턴부(B)로 유입되는 전류가 그리드 전극(110)을 따라 흐르면서 누적되는 바 제 1 패턴부(A)에 의해 저항 증가를 최소화할 수 있는 한편, 제 1 패턴부(110A)의 간격을 넓게 구성하고, 제 2 패턴부(110B)의 간격을 좁게 하여 쉐도우 손실을 최소화함으로써, 전체적으로 전력 손실을 최소화할 수 있다.
도 8에는 본 발명에 따른 태양전지의 전면 전극의 평면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 8을 참조하면, 2 개의 집전용 전극(120)과 이들 집전용 전극들 사이에 집전용 전극(120)으로부터 직교한 형태의 그리드 전극이 형성되어 있는 구조를 가진다. 이 때, 상대적으로 두께가 두꺼운 제 1 패턴부(110A)가 집전용 전극(120)과 연결되고, 그와 직교한 형태로 형성되어 있다. 또한, 제 2 패턴부(110B)는 제 1 패턴부(110A)와 연결되어 있고, 두 개의 집전용 전극들(120) 사이의 중앙부를 통해 상호 연결된 구조를 갖는다.
이하, 본 발명의 실시예를 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
결정성 p형 실리콘 기판 상에 phosphorous(P)를 확산시켜 저항이 50 ohm인 n층을 만들고, n층의 전면에 반사 방지용 SiNx 층을 증착하였다. 이와 같이 pn 접합이 형성된 기판에 대하여 후면 쪽에 Al 페이스트를 스크린 인쇄 및 소성에 의해 후면 전극층을 만들고, n층 쪽의 전면에, Ag 페이스트를 사용하여 오프셋 프린팅법으로 도 3에서와 같은 형태로 전극을 형성하였다. 구체적으로는, 그리드 전극 중, 제 1 패턴부(A)의 길이를 2.6 cm로 하고, 제 2 패턴부(B)의 길이를 1 cm로 하였으며, 제 1 패턴부(A)의 그리드 전극의 폭 및 간격을 각각 90 ㎛와 2 mm로 하고, 제 2 패턴부(B)의 그리드 전극의 폭 및 간격을 각각 20 ㎛와 1 mm로 하였으며, 수지상 전극(C)의 길이를 0.05 cm로 하였다. 그렇게 전극을 형성하여, n층의 저항이 50 ohm인 태양전지를 제조하였다.
[실시예 2]
제 1 패턴부의 길이를 2.4 cm로 하고, 제 2 패턴부의 길이를 1.2 cm로 하였으며, 제 1 패턴부의 그리드 전극의 폭 및 간격을 각각 90 ㎛와 1.7 mm로 하고, 제 2 패턴부의 그리드 전극의 폭 및 간격을 각각 20 ㎛와 0.83 mm로 하였으며, 수지상 전극(C)의 길이를 0.05 cm로 하였다는 점을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로, n층의 저항이 100 ohm인 태양전지를 제조하였다.
[비교예 1]
도 5에서와 같은 형태로, 그리드 전극의 폭을 120 ㎛로 하고, 그리드 전극의 간격을 2.5 mm로 하여, n층의 저항이 50 ohm인 태양전지를 제조하였다.
[비교예 2]
그리드 전극의 폭을 20 ㎛로 하고, 그리드 전극의 간격을 1 mm로 하여, 도 5에서와 같은 형태의 n층의 저항이 50 ohm인 태양전지를 제조하였다.
[비교예 3]
도 5에서와 같은 형태로, 그리드 전극의 폭을 120 ㎛로 하고, 그리드 전극의 간격을 2.5 mm로 하여, n층의 저항이 100 ohm인 태양전지를 제조하였다.
[비교예 4]
그리드 전극의 폭을 20 ㎛로 하고, 그리드 전극의 간격을 1 mm로 하여, 도 5에서와 같은 형태의 n층의 저항이 100 ohm인 태양전지를 제조하였다.
<표 1>
Figure PCTKR2009005096-appb-I000002
[실험예 1]
상기 실시예 1 및 2와 비교예 1 내지 4에서 각각 제조된 태양전지의 전력 손실을 계산하였고, 그 결과를 도 9 및 10과 하기 표 2에 각각 나타내었다.
<표 2>
Figure PCTKR2009005096-appb-I000003
이들 결과에서, "n-type loss"는 전류가 n-형 반도체 층을 지날 때 일어나는 손실 (손실 I)이고, "contact loss"는 전류가 n-형 반도체 층에서 전극 그리드로 넘어갈 때 일어나는 손실 (손실 II)이다. 또한, "finger loss"는 전류가 전극 그리드를 따라 흐를 때 일어나는 손실 (손실 III)이고, "shadow loss"는 전극에 의해 가려지는 면적에 의한 손실 (손실 IV)이다.
또한, 상기 표 2에서 비교예 대비 실시예의 손실률 차이는 에미터 저항(n층 저항)이 동일한 경우를 비교 대상으로 손실률 차이를 의미한다. 즉, 실시예 1은 에미터 저항이 50 ohm인 비교예 1 및 2와 비교하였고, 실시예 2는 에미터 저항이 100 ohm인 비교예 3 및 4와 비교하였다.
먼저 도 9와 그에 따른 표 2의 내용을 참조하면, 본 발명의 전면 전극을 형성한 실시예 1의 태양전지는 비교예 1 및 2에 따른 태양전지에 비해 전력 손실이 현저히 줄어들었음을 확인할 수 있다.
구체적으로, 비교예 2에 따른 전지의 경우 지나치게 얇고 조밀한 그리드 전극을 형성함으로써 그리드 전극을 흐르는 전류의 저항이 증가하여 손실 III이 매우 높은 반면에, 실시예 1에 따른 전지는 상대적으로 손실 III이 현저히 저하되었음을 알 수 있다. 또한, 비교예 1에 따른 전지는 넓은 폭과 간격의 그리드 전극을 사용함으로써 쉐도우 손실이 매우 높은 반면에, 본 발명의 실시예 1에 따른 전지의 경우에는 쉐도우 손실이 크게 저하되었음을 확인할 수 있다.
이에, 실시예 1에 따른 전지의 경우, 전력 손실률이 비교예 1의 전지에 비해 0.21% 감소되었고, 비교예 2의 전지에 비해서는 무려 0.79% 감소되었음을 확인할 수 있다.
또한, 도 10과 그에 따른 표 2의 내용을 참조하면, 100 ohm의 저항을 갖는 n형 반도체층을 형성한 경우, 종래의 전지(비교예 3)에 비해 전력 손실이 더욱 크게 감소하였음을 확인할 수 있다(0.41% 감소). 따라서, 본 발명에 따른 전면 전극은 전류의 표면 결합 속도를 줄이기 위한 고저항의 n형 반도체층을 사용하는 경우에도 바람직하게 적용될 수 있음을 확인할 수 있다.
이상의 설명과 같이, 본 발명에 따른 태양전지용 전면 전극은 상기 그리드 전극의 폭이 집전용 전극 방향으로 증가하는 구조로 형성함으로써 쉐도우 손실을 최소화하면서도 저항 증가를 최소화할 수 있어서 전력 손실을 감소시켜 이를 포함하는 경우 궁극적으로 효율이 높은 태양전지를 제조할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (21)

  1. 태양전지용 전면 전극으로서, 반도체 기판 상에 서로 평행한 다수의 그리드 전극들 및 상기 그리드 전극들과 교차하는 하나 또는 그 이상의 집전용 전극으로 이루어진 패턴이 형성되어 있고, 상기 그리드 전극으로 유입된 전류는 집전용 전극으로 이동하여 집전되며, 상기 그리드 전극의 폭은 집전용 전극 방향으로 증가하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지용 전면 전극.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 그리드 전극은 상기 집전용 전극과 직교하는 태양전지용 전면 전극.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 그리드 전극의 폭은 집전용 전극에 대한 거리에 반비례하여 연속적으로 증가하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지용 전면 전극.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 그리드 전극의 폭은 집전용 전극에 대한 거리에 반비례하여 비연속적으로 증가하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양전지용 전면 전극.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 그리드 전극 폭의 증가율은 집전용 전극에 접한 그리드 전극 폭이 대향 단부의 폭에 대해 50 내지 500%의 폭 증가를 갖는 범위에 있는 것을 특징으로 하는 태양전지용 전면 전극.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 패턴에서 그리드 전극의 폭이 150 ㎛ 이하인 제 1 패턴부 및 그리드 전극의 폭이 제 1 패턴부의 그리드 전극의 폭보다 좁은 제 2 패턴부로 이루어진 태양전지용 전면 전극.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 2 패턴부는 둘 또는 그 이상의 그리드 전극들이 접합된 구조로 이루어진 태양전지용 전면 전극.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 패턴부의 그리드 전극과 제 2 패턴부의 그리드 전극 사이에는 이들의 단부를 연결하는 수지상(dendrite) 전극이 위치하는 태양전지용 전면 전극.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 수지상 전극 폭은 제 2 패턴부의 그리드 전극 폭을 기준으로 1 내지 2 배인 것을 특징으로 하는 태양전지용 전면 전극.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 패턴부의 그리드 전극 폭은 수지상 전극 폭보다 큰 범위에서, 제 2 패턴부의 그리드 전극 폭을 기준으로 1.1 내지 15 배인 것을 특징으로 하는 태양전지용 전면 전극.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 제 2 패턴부의 그리드 전극 폭은 10 내지 60 ㎛이고, 상기 제 1 패턴부의 그리드 전극 폭은 제 2 패턴부의 그리드 전극의 폭 보다 큰 범위 내에서 50 내지 150 ㎛이며, 상기 수지상 전극은 제 2 패턴부의 그리드 전극의 폭과 동일하거나 또는 그보다 큰 범위에서 10 내지 60 ㎛인 태양전지용 전면 전극.
  12. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 패턴부의 그리드 전극들 간의 간격은 상기 제 2 패턴부의 그리드 전극들 간의 간격을 기준으로 0.7 내지 6배인 것을 특징으로 하는 태양전지용 전면 전극.
  13. 제 6 항에 있어서, 상기 제 2 패턴부의 그리드 전극들 간의 간격은 0.5 내지 2 mm이고, 상기 제 1 패턴부의 그리드 전극들 간의 간격은 제 2 패턴부의 그리드 전극들의 간격과 같거나 큰 범위에서 1.5 내지 3 mm인 태양전지용 전면 전극.
  14. 제 8 항에 있어서, 그리드 전극의 총 길이 대비, 상기 제 2 패턴부의 그리드 전극의 길이는 10 내지 70%이고, 상기 제 1 패턴부의 그리드 전극의 길이는 30 내지 90%이며, 상기 수지상 전극의 길이는 0 내지 10%인 태양전지용 전면 전극.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 반도체 기판은 결정성 실리콘으로 이루어진 n형 반도체 층인 태양전지용 전면 전극.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 반도체 기판의 저항은 50 옴(Ω) 이상인 태양전지용 전면 전극.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 하나에 따른 전면 전극을 포함하는 태양전지로서, 전극 손실이 1.3 mW/cm2 미만인 태양전지.
  18. 제 1 항에 따른 태양전지용 전면 전극을 제조하는 방법으로서,
    반도체 기판 상에 서로 평행한 다수의 그리드 전극들 및 상기 그리드 전극과 교차하는 집전용 전극으로 이루어진 패턴을 형성할 때,
    (a) 100 ㎛ 이하의 폭을 갖는 그리드를 형성하기 위해, 그라비아 프린팅법 또는 오프셋 프린팅법을 이용하여 반도체 기판에 페이스트를 프린트하는 단계; 및
    (b) 가열 및/또는 가압하여 페이스트를 경화하는 단계;
    를 포함하는 태양전지용 전면 전극의 제조방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 오프셋 프린팅법은, 전면 전극의 패턴에 대응하는 소정 패턴의 홈을 갖는 프린팅 기판을 마련하는 단계; 상기 프린팅 기판에 형성된 홈에 전극 형성용 페이스트를 채우는 단계; 상기 프린팅 기판에 인쇄롤을 회전시켜 홈에 채워진 페이스트를 인쇄롤로 전사하는 단계; 및 반도체 기판 상에 인쇄롤을 회전시켜 인쇄롤에 전사된 페이스트를 반도체 기판에 전사하는 단계;를 포함하는 태양전지용 전면 전극의 제조방법.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 그라비아 프린팅법은, 전면 전극의 패턴에 대응하는 소정 패턴의 홈을 갖는 블랭킷 실린더(blanket cylinder)를 마련하는 단계; 상기 블랭킷 실린더에 형성된 홈에 전극 형성용 페이스트를 채우는 단계; 및 상기 블랭킷 실린더를 반도체 기판 상에 회전시켜 상기 페이스트를 전사하는 단계;를 포함하는 태양전지용 전면 전극의 제조방법.
  21. 제 18 항에 있어서, 상기 페이스트는 Ag 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 전면 전극의 제조방법.
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