JP2014503131A - 太陽電池およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の太陽電池は、対向形成された貫通ラインを含む基板と、前記基板の上面に形成される半導体層と、前記半導体層上面の両端に形成されるバスラインと、前記バスラインと電気的に連結され、前記貫通ラインを通じて前記基板の背面に延長されるバスバーと、を含む。
【選択図】図１
【選択図】図１
Description
本発明は、太陽電池およびその製造方法に関する。
太陽電池は、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換させるものとして、最近エネルギー需要の増加にともない商業的に広く利用されている。
一般的に、薄膜型太陽電池は、その大面積化にともない多数個の太陽電池単位セルに分離され、分離された太陽電池単位セルを直列連結して、多数個の太陽電池セルから収集された電力を外部に出力する。
このために多数個の太陽電池セルの両終端にはバスバーが連結される。バスバーは、基板に形成された貫通ホールを通じて基板の背面に位置したジャンクションボックスに連結され、収集された電力を出力させる。しかし、基板に形成された貫通ホールは、常に同じ領域に形成されるため、基板の背面に位置したジャンクションボックスの位置が固定されてしまうという問題点がある。
また、従来薄膜型太陽電池は、電気的なショートを防止するために、工程の後、薄膜の端領域をアイソレーション（isolation）する工程を別途に行う。これは、製造工程が複雑になるだけでなく、作業効率が低下する問題がある。
本発明は、ジャンクションボックスの位置の自由度を確保して、構造的安定性を提供できる太陽電池およびこれの製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、エッジアイソレーション（edge isolation)工程を必要としない太陽電池の製造方法を提供することを目的とする。さらに、本発明は、工程中に基板の固定および密着が容易な太陽電池の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の太陽電池は、対向形成された貫通ラインを含む基板と、前記基板の上面に形成される半導体層と、前記半導体層上面の両端に形成されるバスラインと、前記バスラインと電気的に連結され、前記貫通ラインを通じて前記基板の背面に延長されるバスバーと、を含む。
また、本発明の太陽電池の製造方法は、基板上に対向する貫通ラインを形成する段階と、前記基板の上面に半導体層を形成する段階と、前記半導体層上面の両端にバスラインを形成する段階と、前記バスラインにバスバーの一端を接合する段階と、前記バスバーの他端を前記貫通ラインを通じて前記基板の背面に配置する段階と、を含む。
本発明の太陽電池によれば、基板に貫通ラインを形成して、前記貫通ラインを通じてバスバーを前記基板の背面に連結することで、基板背面に位置するジャンクションボックスの自由度を高めることができる。また、本発明の太陽電池によれば、基板上に階段型多層構造を有する半導体層を形成して、エッジアイソレーション工程を省略することができる。
また、本発明の太陽電池の製造方法によれば、基板の貫通ラインと締結される基板固定装置を用いることで、工程中基板の固定および密着を容易にする。
実施例の説明において、各パネル、配線、電池、装置、面、またはパターン等が、各パターン、配線、電池、面、またはパターン等の「上」または「下」に形成されると記載される場合、「上」と「下」は直接または他の構成要素を介在して形成されるものを全部含む。また、各構成要素の上または下に対する基準は、図面を基準として説明する。図面における各構成要素の大きさは、説明の便宜を図り誇張されることもあり、実際適用される大きさを表すものではない。
図１は、本発明の実施例に係る太陽電池を示す平面図であり、図２は本発明の実施例に係る太陽電池を示す断面図である。また、図３〜図５は本発明の実施例に係る貫通ラインが形成された基板の変形例を示す平面図である。
図１および図２に示すように、実施例に係る太陽電池は、貫通ライン１２０が対向形成された基板１００と、前記基板１００上に形成された半導体層２００と、前記半導体層２００上面の両端に形成されたバスライン３００と、前記バスライン３００と電気的に連結され、前記貫通ライン１２０を通じて前記基板１００の背面に延長されるバスバー４００と、を含む。
前記基板１００はプレート形状となっており、前記半導体層２００、前記バスライン３００、前記バスバー４００を支持する。前記基板１００は、透明で堅固または柔軟な材質からなることができる。前記基板１００は絶縁体からなることができる。例えば、前記基板１００は、ガラス基板、プラスチック基板、または金属基板からなることができる。
より詳しくは、前記基板１００は、ナトリウム成分が含まれたソーダライムガラス（soda lime glass）基板からなることができる。これとは違って、前記基板１００の材質として、アルミナのようなセラミック、ステンレススチール、PET（Polyethylene Terephthalate）、PEN（Polyethylenenaphthelate）、PP（Polypropylene）、TAC（Tri Acethl Cellulose）のようなプラスチック等を用いることができる。
前記基板１００上には、前記基板１００を上下に貫通する貫通ライン１２０が形成される。前記貫通ライン１２０は、相互対向するように前記基板１００上に形成される。より詳しくは、前記貫通ライン１２０は、前記基板１００の両端に配置され、相互対向されるように形成される。また、前記貫通ライン１２０は、後述する半導体層２００と干渉しない領域に形成される。
前記貫通ライン１２０は直線または曲線に形成されるが、これに限定されるものではない。より詳しくは、前記貫通ライン１２０は、一方向に延長されるバーの形状に形成される。また、前記貫通ライン１２０の長さおよび幅は、多様に変更することができる。
前記基板１００上面には半導体層２００が形成される。前記半導体層２００は、光電効率と耐久性が優れるＣＩＧＳ系半導体層を用いることができるが、これに限定されるものではない。
前記半導体層２００は、前記基板１００に形成された貫通ライン１２０の間に形成される。また、前記半導体層２００はパターニング工程Ｐ３によって多数の単位セルに分割される。図１に示すように、前記半導体層２００は５個の単位セルに分離されるが、セルの個数はこれに限定されない。
図２に示すように前記半導体層２００は、前記基板１００上に順次形成される背面電極層２１０、ＣＩＧＳ系の光吸収層２２０、第１バッファ層２３０、高抵抗バッファ層２４０、および透明電極層２５０を含む。
前記背面電極層２１０は導電層である。前記背面電極層２１０は、モリブデン（Mo）、金（Au）、アルミニウム（Al）、クロム（Cr）、タングステン（W）および銅（Cu）のいずれか１つからなることができるが、これに限定されるものではない。この中で、特にモリブデン（Mo）は他の元素に比べて前記基板１００と熱膨張係数の差が少ないので、接着性が優れて剥離現象の発生を防止でき、前記背面電極層２１０に要求される特性を全般的に充足することができる。また、前記背面電極層２１０は、２個以上の層を含むことができる。この時、それぞれの層は、同一金属、または相互異なる金属からなることができる。
前記背面電極層２１０は、第１貫通溝Ｐ１によって多数個の背面電極層に分割される。前記第１貫通溝Ｐ１は図１のように、ストライプ形態に限らずマトリックス形態等多様な形態になることができる。前記第１貫通溝Ｐ１の幅は、約８０μｍ〜２００μｍにすることができるが、これに限定されるものではない。
前記光吸収層２２０は、前記背面電極層２１０上に配置される。前記光吸収層２２０は、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物を含む。例えば、前記光吸収層２２０は、銅−インジウム−ガリウム−セレニド（Cu（In,Ga）（Se,S）2；ＣＩＧＳＳ）系結晶構造、銅−インジウム−セレニド系または銅−ガリウム−セレニド系結晶構造を有することができる。
前記バッファ層２３０は、前記光吸収層２２０上に配置される。前記バッファ層は、前記吸収層３００と後述される透明電極層２５０とのエネルギーギャップの差を緩和させる役割をすることができる。また、前記バッファ層２３０は、硫化カドミウム、ZnS、InXSYおよびInXSeYZn（O,OH）等を含む。前記バッファ層２３０は約５０ｎｍ〜約１５０ｎｍの厚さを有することができ、前記バッファ層２３０のエネルギーバンドギャップは約２．２ｅＶ〜２．４ｅＶである。
前記高抵抗バッファ層２４０は、前記バッファ層２３０上に配置される。前記高抵抗バッファ層２４０は、高い抵抗を有するように形成され、前記透明電極層２５０との絶縁および衝撃ダメージを防止することができる。前記高抵抗バッファ層２４０には、不純物がドーピングされていないジンクオキサイド（i−ZnO）を用いることができる。前記高抵抗バッファ層２４０のエネルギーバンドギャップは約３.１ｅＶ〜約３.３ｅＶである。また、前記高抵抗バッファ層２４０は省略することができる。
前記光吸収層２２０、前記バッファ層２３０および前記高抵抗バッファ層２４０は、第２貫通溝Ｐ２を含む。即ち、前記光吸収層２２０、前記バッファ層２３０および前記高抵抗バッファ層２４０は、前記第２貫通溝Ｐ２によって貫通される。前記第２貫通溝Ｐ２によって、前記背面電極層２１０の一部は露出される。前記第２貫通溝Ｐ２の幅は、約８０μｍ〜約２００μｍにすることができるが、これに限定されるものではない。
前記第２貫通溝Ｐ２には、前記透明電極層２５０を形成する物質と同一物質を充填され、これによって接続配線２２１が形成される。前記接続配線２２１は、前記透明電極層２５０と前記背面電極層２１０を電気的に連結する。
前記透明電極層２５０は、透光性伝導性物質からなることができる。また、前記透明電極層２５０は、ｎ型半導体の特性を有することができる。この時、前記透明電極層２５０は前記バッファ層２３０と一緒にｎ型半導体層を形成して、ｐ型半導体層である前記光吸収層２２０とｐｎ接合を形成することができる。前記透明電極層２５０は、例えばアルミニウムがドーピングされたジンクオキサイド（AZO）からなることができる。前記透明電極層２５０は、約１００ｎｍ〜約５００ｎｍの厚さを有することができる。
前記透明電極層２５０、前記高抵抗バッファ層２４０、前記バッファ層２３０および前記光吸収層２２０は、第３貫通溝Ｐ３を含む。前記第３貫通溝Ｐ３によって前記背面電極層２１０の一部は露出され、これによって前記半導体層２００は多数のセルに分割される。また、前記多数個のセルは、前記接続配線２２１によって電気的に相互連結される。前記第３貫通溝Ｐ３の幅は、約８０μｍ〜約２００μｍにすることができるが、これに限定されるものではない。
一方、前記半導体層２００は、階段型多層構造を含む。即ち、前記半導体層２００を形成する前記背面電極層２１０乃至前記透明電極層２５０は、階段型多層構造をなすことができる。より詳しくは、前記基板１００上に順次積層された背面電極層２１０、光吸収層２２０、バッファ層２３０、高抵抗バッファ層２４０および透明電極層２５０の端部は、段差を有するように形成される。
例えば、前記背面電極層２１０、前記光吸収層２２０、前記バッファ層２３０、前記高抵抗バッファ層２４０および前記透明電極層２５０それぞれの幅は、前記基板から離れるほど順次狭くなる。これによって、実施例に係る太陽電池は、半導体層を蒸着した後、前記半導体層２００の端部を除去するエッジアイソレーション工程を省略することができる。
以上では、背面電極層２１０、光吸収層２２０、バッファ層２３０、高抵抗バッファ層２４０および透明電極層２５０の端部が段差を有するように形成されたが、これに限定されるものではなく、それぞれの層が傾斜をなすように形成することもできる。
バスライン３００は、前記半導体層２００上面に形成される。より詳しくは、前記バスライン３００は、前記半導体層２００上面の両端に形成される。例えば、前記バスライン３００は前記透明電極層２５０と直接接触して形成される。
また、前記バスライン３００は相互対向形成される。前記バスライン３００は、前記半導体層２００に形成された前記貫通パターン１２０と平行するように前記基板１００の一側および他側に形成される。
前記バスライン３００は、伝導性が優れて溶融点が低い金属物質からなることができる。例えば、前記バスライン３００は、銀（Ag）、アルミニウム（Al）、マグネシウム（Mg）、マンガン（Mn）、アンチモン（Sb）、モリブデン（Mo）、およびこれらの組合からなる群から選択される物質からなることができる。また、前記バスライン３００の酸化防止のために、コーティング物質を利用して表面がコーティングされるように構成することができる。
前記バスライン３００には、バスバー４００が電気的に接続されるように形成される。前記バスバー４００は、前記バスライン３００の一定領域に接点されて電気的に連結される。また、前記バスライン３００に連結された前記バスバー４００は、前記基板１００に形成された貫通ライン１２０を通じて前記基板１００の背面に延長される。これによって、前記バスバー４００は、前記基板１００の背面に用意されたジャンクションボックス（図示されない）を通じて、外部に電力を供給することができる。ここで、前記バスバー４００はバスライン３００と同一材質から形成されるが、これに限定されるものではない。
前記バスバー４００は、前記基板１００に形成された貫通ライン１２０を通過する間、前記半導体層２００の側面と接触しないことが好ましく、このために前記バスバー４００と前記半導体層２００の側面の間には絶縁部材を更に設けることができる。図２では、前記バスバー４００は、前記バスライン３００と垂直に形成されて前記バスライン３００と電気的に接続されたが、これに限定されるものではなく、前記バスバー４００がバスライン３００に沿って延長形成され、バスライン３００の上部または下部から、基板１００に形成された貫通ライン１２０を通過するように延長形成できることは勿論である。
実施例に係る太陽電池は、基板１００に形成された貫通ライン１２０を半導体層２００と隣接するように形成することで、バスバー４００を極めて短い長さで形成することができ、これはバスバー４００の内部に流れる内部抵抗を減らし、電力効率を向上させることができる。また、実施例に係る太陽電池は、貫通ライン１２０を一方向に延長されたバーの形状で長く形成することで、バスバー４００の位置に応じて基板１００背面に配置されるジャンクションボックス（図示されない）の自由度を高めることができる。
一方、図２および図３では、基板１００に形成された貫通ライン１２０をバーの形状にしているが、これに限定されない。
図３に示すように、前記貫通ライン１２０の中心部は前記基板１００の一方向に延長され、前記貫通ライン１２０の両終端１２０ａは前記基板１００の外側に向かって折り曲げられる。ここで、前記貫通ライン１２０の両終端１２０ａのいずれか１つのみを折り曲げるようにしてもよい。
また、図４に示すように、前記貫通ライン１２０の両終端１２０ｂは、前記基板１００の内側に向かって折り曲げられる。また、前記両終端１２０ｂは、貫通ライン１２０の間に形成された半導体層２００と干渉しないように形成することが好ましい。図３および図４のように、前記貫通ライン１２０が折曲部を含む場合、前記バスバー４００は折り曲げられた貫通ライン１２０の両終端１２０ｂを通じて基板１００の背面に配置され、前記バスバー４００の長さをより短くすることができる。
一方、図５に示すように、前記貫通ライン１２０は曲線をなすように形成され、その曲線の角度は特別に限定されず、必要におうじて変更することができる。
図３〜図５のように、実施例に係る太陽電池の基板１００にバスバー４００が通過できる貫通ライン１２０を多様な形状で形成することで、前記基板１００背面に位置するジャンクションボックス（図示されない）の自由度およびバスバー４００との隣接度を高めることができる。
以下では、図６〜図１０を参照して本発明による太陽電池の製造方法を説明する。本製造方法に関する説明では、前述した太陽電池に対する説明を参考とし、その重複説明は適宜省略する。
図６に示すように、基板１００上に貫通ライン１２０を形成する段階を実行する。前記貫通ライン１２０は一方向に延長形成され、レーザーまたはその他ガラス切断装置を用いて形成することができる。以後の工程で、前記基板１００は、前記貫通ライン１２０と連結される基板固定装置５００によって支持される。前記基板固定装置５００は、製造工程中で前記基板１００の固定および密着を容易にする。
次に、図７〜図９に示すように、前記基板１００上に半導体層２００を形成する。図７に示すように、前記基板１００上に、PVD（Physical Vapor Deposition）またはメッキ等の方法により背面電極層２００を形成する。例えば、前記基板１００に形成された貫通ライン１２０の間に、モリブデン（Mo）をスパッタリングして前記背面電極層２１０を形成することができる。以後、前記基板１００の一部が第１貫通溝Ｐ１によって露出するように、第１パターニング工程を実行する。前記第１貫通溝Ｐ１によって背面電極層２１０は多数個に分離される。前記第１パターニング工程（Ｐ１）は、レーザーを利用したスクライビン法によって行うことができる。
図８に示すように、前記背面電極層２１０上に光吸収層２２０、バッファ層２３０および高抵抗バッファ層２４０を順次形成する。前記光吸収層２２０は、前記背面電極層２１０上に銅ターゲット、インジウムターゲットおよびガリウムターゲットを用いてCIG系金属プリカーサ膜を形成する段階、および前記金属プリカーサ膜をセレン化（selenization）工程によってセレニウム（Se）と反応させる段階によって製造される。これとは違って、前記光吸収層２２０は、銅、インジウム、ガリウム、セレニド（Cu、In、Ga、Se）を同時蒸着法（co−evaporation）によって形成することもできる。
また、前記バッファ層２３０および前記高抵抗バッファ層２４０には硫化カドミウム（CdS）とZnOを用いることができ、それぞれCBD（Chemical bath deposition）法とスパッタリング法によって形成することができる。
次に、前記光吸収層２２０、前記バッファ層２３０および前記高抵抗バッファ層２４０に第２貫通溝Ｐ２を形成する第２パターニング工程を実行する。前記第２パターニング工程（Ｐ２）によって各階は分割され、背面電極層２１０の一部は露出される。ここで、第２パターニング工程は、レーザースクライビング法またはその他刃物のような部材を利用して行うことができる。
前記光吸収層２１０乃至前記高抵抗バッファ層２３０を蒸着する間、前記基板１００は前記基板固定装置５００によって支持される。また、前記基板固定装置５００は、前記光吸収層２２０、前記バッファ層２３０および前記高抵抗バッファ層２４０が蒸着される間、前記基板１００を隔離させ、前記基板１００上の各階の端部が段差をなすようにすることができる。このように、半導体層２００の側面を段差をなすように形成すると、それぞれの層が順次積層されるので、工程が終了した後追加的に行われるエッジ除去工程を省略することができる。
図９に示すように、前記高抵抗バッファ層２４０上に透明電極層２５０を形成する段階を実行する。前記透明電極層２５０は、前記高抵抗バッファ層２４０上に透明な導電物質を積層して形成される。この時、前記透明な導電物質が前記第２貫通溝Ｐ２の内部にも挿入され、接続配線２２１が形成される。前記接続配線２２１は、前記透明電極層２５０と前記背面電極層２１０を電気的に連結する。次に、前記透明電極層２５０の蒸着が終わると、第３貫通溝Ｐ３を形成する第３パターニング工程実行する。前記第３パターニング工程によって前記背面電極層２１０の一部は露出され、半導体層２００は多数個の単位セルに分離される。前記第３貫通溝Ｐ３は、機械的の方法、またはレーザーを照射して形成することができる。
また、前記透明電極層２５０が蒸着される間、前記基板１００は前記基板固定装置５００によって隔離され、これによって前記透明電極層２５０は前記高抵抗バッファ層２４０と段差をなすように形成される。
上述した工程によって、前記半導体層２００は階段型多層構造に形成される。より詳しくは、前記背面電極層２１０、前記光吸収層２２０および前記透明電極層２３０のそれぞれは、前記基板１００の両側面から前記基板の内側に一定間隔離隔されて形成される。
次に、図１０に示すように、前記透明電極層２５０上にバスライン３００を形成する段階を実行する。
前記バスライン３００は、銀（Ag）、アルミニウム（Al）、マグネシウム（Mg）、マンガン（Mn）、アンチモン（Sb）、モリブデン（Mo）、およびこれらの組合からなる群から選択される物質からなることができ、前記基板１００に形成された前記貫通ライン１２０と平行するように形成される。
以後、バスバー４００の一端を前記バスライン３００の一定領域に接合させる工程を実行する。前記バスバー４００の一端は、前記バスライン３００上にレーザー作業によって電気的に接続される。次に、前記バスバー４００の他端を貫通ライン１２０を通じて前記基板１００の背面に配置し、前記基板１００の背面に備えられたジャンクションボックス（図示されない）と連結させ、高効率太陽電池の製造が終了する。
以上、本発明を特定の実施例を中心に説明したが、これは本発明を限定するものではなく例示であり、本発明が属する技術分野で通常の知識を持った者によって、本発明の技術思想と特許請求の範囲内で多様な修正と変形が可能なことは勿論である。
Claims (15)
- 対向形成された貫通ラインを含む基板と、
前記基板の上面に形成される半導体層と、
前記半導体層上面の両端に形成されるバスラインと、
前記バスラインと電気的に連結され、前記貫通ラインを通じて前記基板の背面に延長されるバスバーと、
を含む太陽電池。 - 前記半導体層は、前記貫通ラインの間に配置される請求項１に記載の太陽電池。
- 前記貫通ラインは、直線形状または曲線形状を含む請求項１に記載の太陽電池。
- 前記貫通ラインの終端は、前記基板の内側または外側に向かって折り曲げられた請求項１に記載の太陽電池。
- 前記貫通ラインは、前記半導体層と干渉しない領域に形成された請求項１に記載の太陽電池。
- 前記半導体層の両側面は、段差または傾斜面を含む請求項１に記載の太陽電池。
- 前記半導体層は、階段型多層構造を含む請求項１に記載の太陽電池。
- 前記半導体層は、
前記基板上に配置される背面電極層と、
前記背面電極層上に配置される光吸収層と、
前記光吸収層上に配置される透明電極層と、
を含む請求項１に記載の太陽電池。 - 前記基板、前記背面電極層、前記光吸収層および前記透明電極層のそれぞれの幅は、順次狭くなる請求項８に記載の太陽電池。
- 基板上に対向する貫通ラインを形成する段階と、
前記基板の上面に半導体層を形成する段階と、
前記半導体層上面の両端にバスラインを形成する段階と、
前記バスラインにバスバーの一端を接合する段階と、
前記バスバーの他端を前記貫通ラインを通じて前記基板の背面に配置する段階と、
を含む太陽電池の製造方法。 - 前記半導体層を形成する段階は、
前記基板上に背面電極層を形成する段階と、
前記背面電極層上に光吸収層を形成する段階と、
前記光吸収層上に透明電極層を形成する段階と、
を含む請求項１０に記載の太陽電池の製造方法。 - 前記半導体層を形成する段階は、
前記基板、前記背面電極層、前記光吸収層、および前記透明電極層を階段型多層構造に形成する請求項１１に記載の太陽電池の製造方法。 - 前記背面電極層、前記光吸収層および前記透明電極層のそれぞれは、前記基板の両側面から前記基板の内側に一定間隔離隔されて形成される請求項１２に記載の太陽電池の製造方法。
- 前記半導体層を形成する段階で、
前記基板は、前記貫通ラインと締結される基板固定装置によって固定される請求項１０に記載の太陽電池の製造方法。 - 前記貫通ラインは、直線形状または曲線形状をなすように形成される請求項１０に記載の太陽電池の製造方法。
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