KR20200017848A - A waferless right angle stacking type solar cell and the manufacturing method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 웨이퍼 없이 태양전지를 만드는 한 방법으로 가느다란 사각의 선재 모양의 p형 혹은 n형 반도체 수광재를 선재로 제조하고 여기에 에미터층 passivation 층 전계층 전극층을 수직으로 연속 배열하고 접합하여 태양전지판으로 제조하는 것으로 전하 생성층과 전극이 최대한 가깝고 넓게 배치되어 생성된 전하가 전극에 도달하는 거리가 짧고 넓다. 전극이 수직으로 배치된 관계로 태생적으로 빛을 비교적 덜 가리고 양면 수광 형태가 된다. 또한 수광층 양면에 금속 전극이 수직으로 배치됨으로써 광 도파로 역할을 한다.The present invention is a method of making a solar cell without a wafer to manufacture a thin rectangular wire-shaped p-type or n-type semiconductor light-receiving material as a wire rod and the emitter layer passivation layer electric field electrode layer vertically arranged and bonded to the solar It is manufactured by using a panel, and the charge generating layer and the electrode are arranged as close and wide as possible, so that the generated charge reaches the electrode is short and wide. Due to the vertical arrangement of the electrodes, it naturally induces relatively little light and becomes a double-sided light receiving form. In addition, since the metal electrodes are vertically disposed on both sides of the light receiving layer, they serve as an optical waveguide.
Description
본 발명은 웨이퍼없이 태양전지를 만드는 한 방법으로 가느다란 사각선재(wire) 모양의 반도체 재료를 전극과 함께 수직으로 세우고 이어붙여 평판 구조의 태양전지판을 만드는 것이다.The present invention is a method of making a solar cell without a wafer, and a thin wire-shaped semiconductor material is vertically erected and joined together with an electrode to make a solar panel having a flat plate structure.
태양전지는 보통 웨이퍼 공정을 거쳐 제조하거나 웨이퍼 없이 박막증착 등 평면 도포형식으로 제조 되고 있다. 최근 들어 실리콘 잉곳을 통한 단경정 웨이퍼 제조단가의 하락 또는 좀 더 제조가 용이한 덩어리 형태로 용융 성형한 방향성 응고 다결정 실리콘 웨이퍼를 통한 태양전지가 효율성 내구성 등의 이점으로 시장점유의 대부분을 차지하고 있다. 그러나 모두 웨이퍼 작업을 거친 후 제조하는 방법으로 상당한 비용 지출과 재료의 손실을 초래한다. 그래서 대안으로 가느다란 사각의 선재 형태의 반도체를 형성하고 이것을 전극과 함께 수직으로 반복적으로 배열하여 수천가닥 이상 이어 붙여 원하는 넓이의 전지판을 형성하는 방법을 적용하고자 한다. 여기서 반도체 재료로 실리콘의 예로 들기로 하고 우선 태양전지급 실리콘 5N급이상 순도를 사용하여 인발, 연신, 압출, micro pulling down, 웨이퍼나 리본 절단 등 여러 가지의 가느다란 사각의 선재 모양의 실리콘 와이어를 만드는 방법이 있겠으나 분말 야금법에 의한 가느다란 사각의 선재 모양의 실리콘 와이어를 만들고 압착 성형과 열처리에 의한 밀도 전도도 결정학적 특성등 태양전지 재료로서의 물리적 특성을 개선하는 후처리 잡업을 한후 n형 혹은 p형 수광층으로 형성하고 에미트(emitter)층, passivation층, 전계(surface field)층 등 다양한 성능개선 층을 부가하고 전극을 추가하여 수직형으로 선재를 세우고 반복적으로 접합하여 다양한 크기와 다양한 전압 전류의 전지판을 형성시킨다. 각 층을 형성하고 이어 붙이고 전극을 형성하는 방법으로 물리화학적 증착, 도금, 도포기술 등이 사용될 것이며, 주로 기상 화학증착법과 레이저에 의한 촉진법이 있다. 전지판 즉 셀(cell)을 구성하는 다양한 방법이 나왔는데 주로 광효율을 개선하는데 집중 하고 있다. 아울러 제조의 용이성 등 통틀어 경제적이고 효율적인 방법을 찾는 과정일 것이다. 가장 최근 일본의 파나쏘닉은 후면 전극 이종접합형 전지를 발표하면서 효율면에서 세계적인 기록을 달성했다. 본 발명이 추구하는 바는 저렴하고 효율적인 태양광 발전방법을 찾고자 하는 한 방법이며 단결정 혹은 다결정의 가느다란 사각의 선재 모양의 수광층 제조법 효율을 증대시키는 쎌 구성법, 쎌 조립법, 조립후 쎌(cell) 표면처리법 등의 기술을 다룬다. 웨이퍼 공정 없이 실리콘 태양광 쎌을 제조하는 방법으로 비정질 혹은 다결정의 박막형 전지가 있다. 그러나 수명과 효율이 낮다. 용융실리콘을 리본 형태로 뽑아내어 웨이퍼 공정 없이 쎌을 제조하는 방법이 있으나 시장 형성이 극히 저조하다.Solar cells are usually manufactured through a wafer process or planar coating such as thin film deposition without a wafer. Recently, solar cells through directional solidified polycrystalline silicon wafers which have been melt-molded in the form of agglomerates in the form of reduced single crystal wafer manufacturing cost through silicon ingots or more easily manufactured are occupying most of the market share in terms of efficiency and durability. However, all of them are manufactured after wafer processing, which leads to significant expense and material loss. Therefore, as an alternative, a method of forming a thin rectangular wire-shaped semiconductor and repeatedly arranging it vertically with the electrode to connect thousands of strands is used to form a panel having a desired width. Here, we will use silicon as a semiconductor material. First, we use various kinds of thin rectangular wires such as drawing, drawing, extrusion, micro pulling down, cutting wafers or ribbons using solar cell-class silicon 5N or higher purity. There is a way to make, but after making a thin rectangular wire-shaped silicon wire by powder metallurgy method and performing post-treatment work to improve physical properties as solar cell materials such as density conductivity crystallographic properties by compression molding and heat treatment, Formed as a p-type light-receiving layer, added various performance improvement layers such as emitter layer, passivation layer, and surface field layer, and added electrodes to form wires vertically and repeatedly bonded to various sizes and various voltages A current panel is formed. Physicochemical vapor deposition, plating, coating techniques, etc. will be used as a method of forming and attaching each layer, and forming an electrode, and there are mainly a vapor chemical vapor deposition method and a laser acceleration method. Various methods of constructing a panel, ie, a cell, have emerged. The main focus is on improving light efficiency. In addition, it will be a process of finding an economical and efficient method, such as ease of manufacture. Most recently, Japan's Panasonic has achieved a world record in efficiency with the introduction of a back-electrode heterojunction battery. The present invention seeks to find an inexpensive and efficient method for photovoltaic power generation. The method of fabricating a light-receiving layer in the form of a thin rectangular wire rod of single crystal or polycrystal increases the efficiency of 쎌 construction method, 쎌 assembly method, and post-assembly cell. Topics include surface treatment. There is an amorphous or polycrystalline thin film battery as a method of manufacturing silicon solar cells without a wafer process. However, the life and efficiency are low. There is a method of manufacturing a wafer without a wafer process by extracting the molten silicon in a ribbon form, but the market formation is extremely low.
본 발명은 비용이 많이 들어가는 웨이퍼 공정 없이 태양전지를 만드는 방법으로 수광 재료를 가느다란 사각은 선재 모양으로 만들어 에미터층, passivation층, 전계(surface field)층 등 기능 개선층을 전극과 함께 수직으로 규칙적이고 반복적으로 나란히 배치하여 원하는 넓이만큼 접합하여 평판으로 만든 후 성능 개선을 위해 양면 혹은 단면을 표면 처리한 후 태양전지로 만드는 것이다. 아울러 태양전지 재료 중 가장 큰 비중을 차지하는 수광 재료를 가느다란 사각의 선재 모양으로 만들기 위해 분말 야금법을 사용했으며 분말 야금법으로 생산된 선재의 성상과 밀도 결정성 등을 개선하는 일괄 연속 공정을 고안했다. 수광층, 에미트층을 기본으로 한 다양한 구조 다양한 재료의 태양전지의 구성 요소를 양 사이에 전극층을 두고 수직으로 규칙적으로 반복하여 접합시켜 평판형 전지를 구성하는 게 본 발명의 핵심이라 할 수 있다. 본 발명은 웨이퍼 공정 없이 비교적 저급의 재료를 사용하고도 시장 경쟁력이 있는 태양전지를 만들 수 없을까 하는 동기에서 시작되었다. 웨이퍼가 없다면 얇고 평평한 수광재료를 증착하거나 도포하거나 필름처럼 뽑아내어야 할 것이다. 이런 방법도 시장에서 만족할 만한 방법을 못 찾고 있다. 그래서 가느다란 사각의 선재 모양의 수광층을 만들어 에미터(emitter), 전계(surface field)층, 기능 개선층, 전극층을 원하는 넓이 만큼 이어 붙이는 것이다. 수광층에서 전자 정공이 손실 없이 전극까지 이동하여 유효한 전력으로 변하려면 가능한 한 케리어(carrier)가 전극까지 이동하는 거리가 짧아야 한다. 케리어의 전극까지 이동 거리가 짧다면 효율 저하가 덜하므로 비교적 저급의 수광층 재료를 사용도 용이하다. 또한 양면으로 수광할 수 있는 구조라면 효율 증대를 꾀할 것이므로 쎌이 태생적으로 양면 수광 구조라면 덤으로 효율을 획득하게 된다. 쎌 구조가 태생적으로 광도파로 역할을 하면 또한 효율 개선을 기대할 수 있다. 쎌이 태생적으로 더 넓은 파장으로 빛을 흡수할 수 있는 구조라면 효율 개선에 일조할 것이다. 이런 추구에서 본 발명을 하였는데 가느다란 사각의 선재 모양의 수광층 제조방법 에미터층, passivation층, 전계층, 전극층 제조방법, 각 층의 접합방법 전극의 회로 구성방법 전극 형성 후 표면 개선방법 등이 해결 과제로 주어진다.The present invention is a method of making a solar cell without an expensive wafer process, the thin square of the light-receiving material is made into a wire shape, and the functional improvement layers such as an emitter layer, a passivation layer, and a surface field layer are vertically regulated together with the electrodes. They are placed side by side and repeatedly, bonded to the desired width to make a flat plate, and then surface-treated on both sides or one side to improve the performance, and then into solar cells. In addition, powder metallurgy was used to make the light-receiving material, which accounts for the largest portion of solar cell materials, in the shape of thin square wires, and devised a batch continuous process to improve the properties and density crystallinity of wires produced by powder metallurgy. did. Various structures based on light-receiving layer and emitter layer It is the core of the present invention to construct a flat panel battery by repeatedly repeating and vertically joining components of a solar cell of various materials with an electrode layer between them. The present invention has been motivated by the possibility of producing market-competitive solar cells even with relatively low quality materials without a wafer process. Without the wafer, thin, flat light-receiving materials would have to be deposited, coated or filmed out. These methods are also not finding satisfactory methods in the market. Therefore, a thin rectangular wire-shaped light receiving layer is made by joining an emitter, a surface field layer, a function improving layer, and an electrode layer as desired. In order for the electron hole to move to the electrode without loss in the light-receiving layer and turn into effective power, the distance that the carrier moves to the electrode should be as short as possible. If the moving distance to the electrode of the carrier is short, the efficiency decreases less, and thus a relatively low light receiving layer material can be easily used. In addition, if the structure capable of receiving light on both sides will seek to increase efficiency, so if the natural-sided light-receiving structure in nature, the bonus will be obtained. If the fin structure inherently acts as an optical waveguide, an improvement in efficiency can also be expected. If the structure is naturally capable of absorbing light at a broader wavelength, it will help to improve efficiency. In the pursuit of the present invention, a thin rectangular wire-shaped light-receiving layer manufacturing method, an emitter layer, a passivation layer, an electric field layer, an electrode layer manufacturing method, a bonding method of each layer, a circuit construction method, and a method of improving the surface after electrode formation were solved. Given as a task.
본 발명은 단결정 혹은 다결정의 웨이퍼 혹은 리본 형태의 수광 재료를 쓰지 않는 대안으로 수광 재료를 가느다란 사각의 선재 모양으로 제조한다. 실리콘일 경우 금속 실리콘 파우더(10μm~50μm이하가 바람직)가 연속적으로 균일한 높이와 밀도로 충진 되는 베드에서 레이저빔, 전자빔 등으로 국소 용융시켜 폭 80~300μm정도, 두께 80~300μm정도로 연속으로 선재로 성형한 후 선재와 거의 비슷한 크기와 모양의 롤러로 압착한 후 성상과 밀도를 개선한다. 이 후 열처리를 하여 결정 구조를 개선한다. 여기서 선재 제조 단계부터 p형 혹은 n형 실리콘이거나 선재 형성후 도핑 처리할 수 있다. p형 혹은 n형 수광층에다 passivation 층으로 양면에 진성(intrinsic) 비정질 실리콘(i-a-Si:H)을 5nm~15nm정도로 도포 한다. 이후 에미터층 혹은 전계층으로 한면에는 p형 비정질 실리콘 한면에는 n형 비정질 실리콘을 10nm~15nm정도 도포한다. 이 도포된 선재를 수 백 수 천 가닥을 같은 형의 에미터층이 마주 보게끔 그리고 같은 형의 전계층이 마주 보게끔 배치하고 전극 증착 채임버(chamber)에넣고 5μm이하로 전극이 형성하게끔 레이저 조사 증착하면서 접합 시킨다. 원하는 폭 길이 전압 등을 고려하여 접합 절단 전극형성 작업을 한다. 이 후 표면을 택스츄어링(taxturing), passivation층, 반사 방지층을 형성하여 표면 성능 개선작업을 한다.The present invention manufactures the light receiving material in a thin rectangular wire shape as an alternative without using a single crystal or polycrystalline wafer or ribbon type light receiving material. In the case of silicon, the metal silicon powder (10μm ~ 50μm or less is preferred) is continuously melted by laser beam, electron beam, etc. in a bed filled with uniform height and density continuously, and it is continuously wired with 80 ~ 300μm width and 80 ~ 300μm thickness After molding with a roller of about the same size and shape as the wire rod, the shape and density are improved. After that, heat treatment is performed to improve the crystal structure. Here, p-type or n-type silicon from the wire manufacturing step or doping treatment after the wire can be formed. Intrinsic amorphous silicon (i-a-Si: H) is applied to the p-type or n-type light-receiving layer on both sides with a passivation layer of about 5nm to 15nm. After that, n-type amorphous silicon is applied on the one side of the p-type amorphous silicon as the emitter layer or the electric field layer by about 10 nm to 15 nm. Place the coated wires with hundreds and thousands of strands facing the same type of emitter layer and facing the same type of electric layer, placed in an electrode deposition chamber, and lasered to form electrodes under 5 μm. Bond while depositing. The junction cutting electrode forming operation is performed in consideration of the desired width and length voltage. After that, the surface performance is improved by forming a taxturing, passivation, and antireflection layer.
본 발명은 웨이퍼 작업없이 태양광 쎌을 제조할 수 있으며, 비교적 저급의 재료로도 전자 정공의 전극까지 이동 경로를 최대한 줄임으로서 효율 증대를 꽤 할 수 있으며, 양면이 태생적으로 수광층을 광원으로부터 가리는게 없으므로 양면 수광이 추가 비용없이 가능하며, 수광층, 에미터층, 전계층이 금속 전극층 사이에 모두 존재하므로 금속 전극층이 광 도파로 역할을 할 수 있다. 광원의 파장 범위 세기에 따라 수광재의 성상을 쉽게 변경하여 최적화가 용이하다. 수광층이 두껍더라도( 300um이상) 케리어의 전극간 이동 거리는 동일 하므로 효율 저하는 없으며 잉곳, 웨이퍼 작업이 없이 제조하니 재료비에 영향을 매우 적게 받는다. 비교적 두껍게 쎌을 제조해도 경제적으로 크게 영향을 받지 않는다.According to the present invention, solar cells can be manufactured without wafer work, and even with a relatively low-grade material, efficiency can be considerably increased by minimizing the movement path to the electrode of the electron hole. Since there is no covering, both sides can be received at no additional cost. Since the light receiving layer, the emitter layer, and the electric field layer are all present between the metal electrode layers, the metal electrode layer can serve as an optical waveguide. It is easy to optimize the properties of the light-receiving material according to the intensity of the wavelength range of the light source. Even if the light-receiving layer is thick (over 300um), the moving distance between electrodes of the carrier is the same, so there is no loss of efficiency, and since it is manufactured without ingot and wafer work, the material cost is very small. The production of 쎌 relatively thick does not significantly affect economically.
‘도1’은 가느다란 사각의 선재 모양의 태양전지 단위쎌(1)을 사이에두고 양극(2)와 음극(3) 금속 전극을 수직으로 나란하게 규칙적으로 반복하여 배치하고 접합한 후 표면개선층(4)를 도포한 후 평면의 전지를 이루는 구조도이다. ‘도2’는 n+형반도체 혹은 p+형반도체 수광층(5), passivation층(11), emitter층(9), 전계형성층(10), 혹은 emitter층(10) 전계형성층(9) 양극(7) 음극(8) 혹은 양극(8) 음극(7)의 금속 전극층이 수직으로 규칙적으로 반복하여 적층시켜 소정의 평면을 이루고 양표면을 성능개선층(4)으로 도포한 이종접합형(heterojunction type)태양전지 구조도이다. ‘도3’은 파우더 형태의 수광층 재료를 연속 공급할 수 있는 베드에서 레이저나 전자빔 등으로 국소조사 하여 가느다란 사각의 선재(18)로 형성하고, 압착 열처리 등으로 물리적 성상을 개량하는 장치도이다. 베드부는 분말을 연속 공급하는 피더 스크류(14)로 분말을 채우고 베더부를 형성하는 회전 드럼 포켓(16), 분말다짐 롤러(17), 분말씬트링부의 광원(15), 압착 성형롤러(13), 결정 개선 광원부(12)로 구성된다. ‘도4’는 수광층에 passivation층, 에미터층, 전계층을 먼저 도포한 후에 금속 전극층으로 접합시키는 과정의 도식이다. ‘도5’는 금속 전극에다 에미터층, 전계층을 도포한 후에 passivation층으로 수광층과 도포된 전극층을 접합시키는 공정도이다.'Figure 1' is a thin rectangular wire rod-shaped solar cell unit 쎌 (1) sandwiched between the positive electrode (2) and the negative electrode (3) vertically and regularly regularly arranged side by side and bonded to improve the surface It is a structural diagram which comprises a flat battery after apply | coating the
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 태양광 전지를 웨이퍼 공정 없이 비교적 고효율로 비교적 경제적으로 제작하고자 하는 목적에서 이 발명은 출발하였다. 태양광 재료로 가장 널리 쓰이고 있는 실리콘을 수광 재료로 출발하여 최종적으로 이종 접합형 전지를 제조해 보고자 한다. 30μm 이하의 태양전지급(5N-6N)혹은 그 이하 (4N)급 분말실리콘을 출발 재료로 사용한다. ‘도 3’에서 제시한 분말 성형 장치 혹은 그밖의 방법으로 폭 80~300μm정도 두께 80~300μm 선재(18)로 가공한다. ‘도3’의 가공기는 동시에 다수의 가닥을 동시에 생산할 수 있으며, 진공 채임버에서 행하므로서 저급 실리콘의 불순물을 파우더 씬트링을 통해 진공 열 정제과정(thermal vacuum refining)을 수반할 수 있다. 분말 씬트링으로 선재로 1차 성형된 것을 연화점까지 가열한 후 롤러(13)로 압착 성형하여 밀도를 높이고 매끈한 사각형으로 성상을 잡아준다. 이후 레이저등 국소 열원(12)의 조사로 융점 직전까지 방향성 가열하고 방향성 냉각하여 결정 구조를 개선 시킨다. 씨더(seed)에서 출발 성장 시킨다면 단결정도 얻을 수 있겠으나, 생산속도를 고려해 볼 때 다결정 실리콘이 바람직해 보인다. 우선 ‘도4’에서 기술한 것과 같이 사각의 실리콘 선재는 p형 혹은 n형 반도체가 되도록 보론, 인 등으로 도핑처리를 한다. 이 과정에서 공정이나 도핑밀도는 기존의 공정을 따른다. 반도체형이 부여된 선재의 양면은 증착 채임버에서 실란(SiH₄)가스를 주입하고 양면을 진성 비정질 실리콘을 4nm~15nm 정도로 양면 혹은 전면 도포한다. 이 도포된 것에 각 면에 교차 오염이 없도록 장치하고, 한 면에는 붕소 한 면에는 인을 첨가하면서 계속 하여 비정질 실리콘층을 10 - 15nm 정도로 증착시켜 p+형(p+-a-Si:H) 혹은 n+형(n+-a-Si:H)의 에미터층 혹은 전계형성층을 형성시킨다. 양면에 각각 부착된 에미터층과 전계층은 전기적 접촉이 없게끔 분리되게 증착시켜야 한다. 이후 에미터는 에미터끼리, 전계층은 전계층끼리 마주보게 하고 수직으로 나란히 15cm 폭의 전지를 얻으려면 약 1000가닥 이상의 코팅된 선재를 채임버에 넣고 물리적 증착, 전극 패이스트, 화학적 기상증착(CVD)등으로 두께 1μm 전후 전극을 형성하면서 전극자체로 접합해 나간다. 화학적 기상 증착법으로 형성시킨 알루미늄 전극이 생산에 유리하게 보인다. 예로 dimetylaluminium hydride을 이용한 화학적 기상 증착법을 사용한다. 같은 쎌을 만드는 다른 방법으로 '도5'에 도식한 바와 같이 두께 5μm 전후 높이(수광층과 같은) 80μm~300μm의 전극 양면에 에미터층을 코팅한 것 전계층을 코팅한 것 2가지 전극을 수광층 선재 양면에 한 가지씩 수직으로 번갈아 연속해서 배치하고 채임버에서 실란(SiH₄)가스를 공급하여 형성한 두께 4nm~15nm의 진성반도체 passivation 층으로 증착과 동시에 접합시킨다. p형 혹은 n형 에미터 층을 입힌 전극과 p형 혹은 n형 전계층을 입힌 전극을 양 사이에 두고 p형 혹은 n형 수광층을 p/n 혹은 n/p 정션(junction)이되도록 수직 반복 배치한 후 진성 반도체등 기능 개선층으로 접합시키는 방법이다. 예로 수광층이 n형이라면 한쪽은 p+형 에미터로 도포된 전극으로 배치되고 다른 한쪽은 n+형 전계층으로 도포된 전극으로 배치된다. 이 공정에서 접합면에다 보다 정확하고 빠른 증착이 되도록 레이저광을 조사한다. 위 두 방식으로 제조된 평판 쎌은 양면 혹은 단면에 텍스츄어링(taxturing), passivation층 반사 방지층 등을 도포하고 원하는 전압 전류를 위한 절단, 단자결선, 보호 다이오드 부착, 봉지재 봉입 등의 절차를 거쳐 최종 제품으로 탄생 될 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention has been started for the purpose of manufacturing a photovoltaic cell with relatively high efficiency and relatively economical without a wafer process. Starting from silicon, which is the most widely used solar material, as a light-receiving material, we will finally manufacture a heterojunction battery. Solar cell grade (5N-6N) or below (4N) grade silicon is used as starting material. It is processed into a 80-300 μm
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Non-Patent Citations (6)
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