KR100656738B1 - 집적형 박막 태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 박막 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제조 공정시 발생되는 태양전지의 손실을 최소화하고 저가의 공정으로도 가능한 박막 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명의 제조 방법은 (a) 절연성 기판 상에 인접하고 있는 상호간 소정의 간격으로 이격되도록 패터닝된 전도성 물질을 형성하는 단계; (b) 상기 (a) 단계에 의한 기판 위에 태양전지(반도체)층을 형성하는 단계; (c) 상기 태양전지(반도체)층 위에 제1 투명전도성 물질을 비스듬히 증착하는 단계; (d) 상기 제1 투명전도성 물질을 마스크로 사용하여 상기 태양전지(반도체)층을 식각하는 단계; 및 (e) 상기 (d) 단계에 의한 기판 위에 제2 투명전도성 물질을 비스듬히 증착하여 상기 전도성 물질과 상기 제2 투명전도성 물질을 연결시키는 단계;를 포함하여 이루어진다.
따라서, 본 발명에 따르면 태양전지의 단위 소자 간 절연 간격을 기존의 레이저 스크라이빙 및 화학적 기화 가공법에 비해 수 십배 이상 줄일 수 있어 유효면적을 극대화할 수 있으며, 이에 따라 태양전지의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
박막 태양전지, 집적화, 증착, 투명전극, 인쇄법, 경사면, 식각

Description

집적형 박막 태양전지 및 그 제조 방법 {Intergrated thin-film solar cells and method of manufacturing thereof}
도 1은 종래의 집적형 박막 태양전지 구조를 나타낸 도면,
도 2는 종래의 집적형 박막 태양전지용 투명전극, 태양전지층, 금속이면전극을 가공하기 위한 레이저 패터닝 공정을 도시한 일 실시예,
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예로 절연성 기판에 2번 경사 증착하여 형성하는 집적형 박막 태양전지의 구조를 도시한 단면도,
도 4는 본 발명의 패터닝된 전도성 물질이 형성된 기판의 단면도,
도 5는 도 4에 도시된 전도성 물질을 패터닝하기 위한 인쇄법 공정을 순차적으로 도시한 도면,
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따라 패터닝된 전도성 물질의 다른 실시예,
도 7은 본 발명에 따른 태양전지층이 형성된 상태의 단면도,
도 8은 본 발명에 따른 제1 투명전도성 물질이 형성된 상태의 단면도,
도 9a 및 도 9b는 본 발명에 따른 제1 투명전도성 물질을 마스크로 이용하여 수직 식각한 상태의 단면도,
도 9c는 본 발명에 따른 제1 투명전도성 물질을 마스크로 이용하여 경사 식각한 상태의 단면도,
도 10a 및 도 10b는 본 발명에 따른 제2 투명전도성 물질이 형성된 상태의 단면도,
도 11은 본 발명에 따른 다른 실시예로 전도성 기판에 2번 경사 증착하여 형성하는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 도시한 단면도,
도 12는 본 발명에 따른 또 다른 실시예로 절연성 기판에 3번 경사 증착하여 형성하는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 도시한 단면도,
도 13은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로 전도성 기판에 3번 경사 증착하여 형성하는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 도시한 단면도,
도 14는 본 발명에 따른 또 다른 실시예로 요철이 형성된 절연성 기판에 3번 경사 증착하여 형성하는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 도시한 단면도,
도 15는 본 발명에 따른 또 다른 실시예로 요철이 형성된 전도성 기판에 3번 경사 증착하여 형성하는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 도시한 단면도이다.
본 발명은 집적형 박막 태양전지(integrated thin-film solar cells)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 집적형 태양전지의 제조 공정시 발생되는 면적손실을 최소화하고 저가의 공정으로도 가능한 집적형 박막 태양전지 및 그 제조 방법에 관 한 것이다.
태양전지(太陽電池)는 태양광 에너지를 직접 전기로 변환시키는 반도체 소자로, 이에 사용되는 재료에 따라 크게 실리콘계, 화합물계, 유기물계로 분류될 수 있다.
그리고, 실리콘계 태양전지는 반도체의 상(phase)에 따라 세부적으로 단결정(single crystalline) 실리콘, 다결정(polycrystalline) 실리콘, 비정질(amorphous) 실리콘 태양전지로 분류된다.
또한, 태양전지는 반도체의 두께에 따라 벌크(기판)형 태양전지와 박막형 태양전지로 분류되는데, 박막형 태양전지는 반도체층의 두께가 수 10㎛ 내지 수 ㎛ 이하의 태양전지이다.
실리콘계 태양전지에서 단결정 및 다결정 실리콘 태양전지는 벌크형에 속하며, 비정질 실리콘 태양전지는 박막형에 속한다.
한편, 화합물계 태양전지는 Ⅲ-Ⅴ족의 GaAs (Gallium Arsenide)와 InP (Indium Phosphide) 등의 벌크형과 Ⅱ-Ⅵ족의 CdTe (Cadmium Telluride) 및 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족의 CulnSe2 (CIS; Copper Indium Diselenide) 등의 박막형으로 분류되며, 유기물계 태양전지는 크게 유기분자형과 유무기 복합형이 있다. 이 밖에 염료 감응형 태양전지가 있으며 이들 모두가 박막형에 속한다.
이와 같이 여러 종류의 태양전지 중에서 에너지 변환효율이 높고 제조 비용이 상대적으로 저렴한 벌크형 실리콘 태양전지가 주로 지상 전력용으로 폭넓게 활 용되어오고 있다.
그러나, 최근에는 벌크형 실리콘 태양전지의 수요가 급증함에 따라 원료의 부족 현상으로 가격이 상승하려는 추세에 있다. 이에 대규모 지상 전력용 태양전지의 저가화 및 양산화 기술 개발을 위해서는 실리콘 원료를 현재의 수 100분의 1로 절감할 수 있는 박막형 태양전지의 개발이 절실히 요구되고 있다.
도 1은 종래의 집적형 박막 태양전지의 구조를 나타낸 도면이고, 도 2는 종래의 집적형 박막 태양전지용 투명전극, 태양전지(반도체)층, 금속이면(裏面)전극을 각공하기 위한 레이저 패터닝(laser patterning) 공정을 도시한 일 실시예이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 집적형 박막 태양전지(1)는 유리 기판이나 투명 플라스틱 기판(10; 이하 '투명기판'이라 함) 상에 복수의 단위셀(20)이 전기적으로 직렬로 연결되어 집적화된 구조로 이루어진다.
따라서, 집적형 박막 태양전지는, 절연체인 투명기판(10)의 상부에 상호 단절(절연)된 띠 모양으로 형성된 투명전극(22)과, 투명전극(22)을 덮어 띠 모양으로 형성된 단위 태양전지(반도체)층(24), 태양전지층(24)을 덮어 띠 모양으로 형성된 금속이면전극층(26)으로 구성되며, 절단(절연)된 복수의 단위셀(20)들이 상호 전기적으로 직렬로 연결된 구조로 되어 있다. 그리고, 태양전지의 전기적인 단락 방지 및 보호를 목적으로 수지(resin)로 된 이면보호막층(30)을 금속이면전극을 덮어 형성함으로써 구성되어 있다.
이러한 구조의 집적형 박막 태양전지(1)를 제작하기 위해서는 레이저 패터닝(laser patterning)법과, 화학적 기화가공(chemical vaporization machining; CVM) 법, 금속침에 의한 기계적 스크라이빙(mechanical scribing)법 등이 일반적으로 사용되고 있다.
레이저 패터닝법은 주로 YAG 레이저 빔을 이용하여 투명전극(22)과, 태양전지(반도체)층(24), 금속이면전극층(26) 등을 식각하는 기술이다. 구체적인 사용법을 설명하면 다음과 같다.
도 2에 도시된 바와 같이, 투명기판(10) 위에 첫 번째로 형성되는 투명전극(22)을 대기 상태에서 레이저 빔을 이용하여 식각(etching)한 다음, 두 번째로 형성되는 태양전지(반도체)층(24)을 다시 대기 상태에서 레이저 빔을 이용하여 절단(절연)시키고, 마지막으로 형성되는 금속이면전극층(26)을 또 다시 대기 상태에서 레이저 패터닝에 의해 식각함으로써 태양전지를 전기적으로 직렬로 연결시켜 집적형 태양전지를 형성하게 된다.
이러한 레이저 패터닝법의 문제점을 지적하고자 한다.
우선, 투명기판(10)의 상부 전면(全面)에 형성된 투명전극(22)을 도 2에 도시된 바와 같이 레이저 패터닝법으로 절단하여 일정한 폭을 갖는 띠 형태로 절단(절연)시키면, 가공된 절단 폭은 50㎛ 내지 수100㎛ 정도로 되는 것이 보통이다.
그런데, 투명전극(22) 다음에 형성되는 태양전지(반도체)층(24)의 형성 공정이 대부분 진공 상태에서 이루어지는데 반해, 이 태양전지(반도체)층(24)을 절단하기 위한 레이저 패터닝은 대기 상태에서 이루어지기 때문에 진공 속에서의 연속적인 공정을 할 수가 없으므로 제조 장치의 가동 효율이 떨어지게 된다. 결국, 이러한 공정은 태양전지의 가격을 올리는 요인으로 작용될 수 밖에 없다. 또한, 태양 전지(1)층의 식각을 위해 기판이 대기 중에 노출되기 때문에 수분 및 오염물질의 부착에 의해 태양전지의 특성이 저하되는 문제점이 발생될 수 있다.
그 다음 단계로서, 보통 스퍼터링(sputtering) 법에 의해 금속이면전극을 진공 속에서 형성하고 다시 대기 중에서 레이저 패터닝을 하여 집적형 태양전지를 제작하게 되는데, 이러한 공정 또한 상기한 바와 같은 공정의 연속성과 오염 문제를 야기시킬 수가 있다. 그리고, 투명전극(22) 및 태양전지(반도체)층(24)의 절단을 위한 두 차례의 레이저 패터닝과, 금속이면전극(26)을 절단하고 동시에 태양전지를 전기적으로 직렬 연결하기 위한 한 차례의 레이저 패터닝, 도합 세 차례에 걸친 레이저 패터닝을 통해 소실되는 태양전지의 셀(20)과 셀 사이의 무효면적(절단 폭)이 넓어지게 되어, 태양전지의 유효면적 손실이 커지는 문제점이 있다. 또한, 패터닝을 위한 레이저 장비가 고가이고, 정확한 위치에서 패터닝하기 위해서는 정밀한 위치제어시스템이 필요하기 때문에 이로 인해 제조단가가 상승하게 되는 문제점이 있다.
한편, 화학적 기화가공법은, SF6/He 등의 가스를 이용하여 기판 상부에 근접하여 그릿(grid) 형태로 배열된 직경 수십 ㎛의 선 전극들 주변에 상압의 플라즈마를 국부적으로 발생시킴으로써 태양전지(반도체)층을 균일한 폭을 갖는 복수의 단위셀로 한꺼번에 절단하는 기술이다.
이러한 화학적 기화가공법은 공정시간이 짧고, 막의 선택성이 뛰어나며, 레이저 패터닝법에 비해 막의 손상(damage)을 적게 할 수 있는 특징이 있다. 또한, 레이저 패터닝법과는 달리 진공 상태에서 식각이 수행되기 때문에, 레이저 패터닝법의 문제점으로서 기판이 대기 상태에 노출됨에 따른 태양전지의 성능 저하를 방지할 수 있으며, 레이저 패터닝법에 비해 제조 단가를 절감할 수 있는 이점이 있다.
그러나, 패터닝된 투명전극에 맞추어 정확한 위치에서 식각이 수행되어야 하기 때문에 진공 장치 속에서 위치를 정확하게 제어할 수 있는 정밀위치제어시스템이 필요하다. 이러한 점은 대면적의 기판을 사용하여 태양전지를 제작하고자 할 때 매우 어려운 문제로 대두된다. 또한, 식각할 수 있는 간격이 최소 200㎛ 정도로, 레이저 패터닝법에 의한 절연 간격보다 넓어 태양전지의 유효면적 손실이 커지는 문제점이 있다.
한편, 또 다른 식각 방법으로서 기계적인 스크라이빙(mechanical scribing) 법이 있다. 이 방법은 복수의 금속침에 의해, 필요한 단위셀 수에 대응하여 일괄 스크라이빙이 가능하며, 확장성 및 고속처리에의 적응성은 레이저 패터닝법보다 높다. 또한, 장치 및 운전코스트가 앞서 기술한 두 방법에 비해 가장 저렴한 식각 방법이다.
CIS 태양전지를 예로 들면, 몰리브덴(Mo)에 비해 상대적으로 연한 CdS/CIS 층은 스크라이빙 방법에 의해 쉽게 긁어낼(scribing) 수가 있기 때문에 CIS 태양전지 제작에 널리 사용되고 있다.
그러나, 기존의 기계적인 스크라이빙 방법도 태양전지(반도체)층에만 국한되어 사용되기 때문에 이면전극으로 사용되는 몰리브덴(Mo) 및 전면전극으로 사용되 는 ZnO를 식각하기 위해서는 레이저 패터닝 장비 및 정확한 위치 제어를 위한 정밀위치제어장치 등이 필요한 문제점이 있다.
이에 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 집적형 박막 태양전지의 단위소자간 절연 간격을 줄여 태양전지의 유효면적을 넓히고, 전극 형성 후의 모든 공정이 진공 중에서 수행되도록 하며, 간단한 공정으로 태양전지의 단위소자를 전기적으로 직렬 연결하여 집적형 박막 태양전지를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 전술한 집적형 박막 태양전지를 제조하는 경우 성능 저하를 방지하고 제조 단가를 절감하기 위한 제조 방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 전술한 집적형 박막 태양전지를 제조하는 경우, 성능 저하가 무시할 수 있을 정도로 작으면서도 원하는 고전압을 하나의 태양전지에서 얻을 수 있는 방법을 제공하는데 있다.
전술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명 따른 일 실시예의 집적형 박막 태양전지는 (a) 기판 상에 인접하고 있는 상호간 소정의 간격으로 이격되도록 패터닝된 전도성 물질을 형성하는 단계; (b) 상기 (a) 단계에 의한 기판 위에 태양전지(반도체)층을 형성하는 단계; (c) 상기 태양전지(반도체)층 위에 제1 투명전도성 물질을 비스듬히 증착하는 단계; (d) 상기 제1 투명전도성 물질을 마스크로 사용하여 상기 태양전지(반도체)층을 식각하는 단계; 및 (e) 상기 (d) 단계에 의한 기판 위에 제2 투명전도성 물질을 비스듬히 증착하여 상기 전도성 물질과 상기 제1 투명전도성 물질을 전기적으로 연결시키는 단계; 를 포함한다.
여기서, 바람직하게는 상기 전도성 물질은 투명전도성 물질 또는 금속성 물질이다.
여기서, 바람직하게는 상기 투명전도성 물질은 산화아연(Zinc Oxide (ZnO)), 산화주석(Tin Oxide (SnO2)) 또는 산화인듐주석(Indium Tin Oxide (ITO)) 중 어느 하나 이상이다.
여기서, 바람직하게는 상기 금속성 물질은 은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 금(Au) 중 어느 하나 이상이다.
여기서, 바람직하게는 상기 (e) 단계에는 상호간 소정의 간격으로 이격되도록 금속으로 패터닝된 전극을 형성하는 단계가 더 포함된다.
여기서, 바람직하게는 상기 (a)단계는 (a-1) 상기 기판 상에 박막의 전도성 물질을 형성하는 단계; (a-2) 상기 전도성 물질 위에 인쇄법을 이용하여 일정 거리 이격되게 포토레지스터(photoresister; PR) 또는 폴리머 띠를 도포하여 패턴을 이루는 단계 ; (a-3) 상기 도포된 포토레지스터 또는 폴리머 패턴을 마스크로 사용하여 상기 전도성 물질을 에칭하는 단계; 및 (a-4) 상기 포토레지스터 또는 폴리머 패턴을 제거하는 단계; 를 더 포함한다.
여기서, 바람직하게는 상기 (a-3)단계에서 전도성 물질의 에칭은 등방성 식각법을 이용하여 에칭된 단면이 만곡하게 경사진 단면이다.
여기서, 바람직하게는 상기 (a-3)단계에서 전도성 물질의 에칭은 메사(mesa) 에칭하여 경사진 단면을 갖는다.
여기서, 바람직하게는 상기 (a-3)단계에서 전도성 물질의 에칭은 이방성 식각법을 이용하여 상기 기판에 대해 수직 방향으로 에칭한다.
여기서, 바람직하게는 상기 (d) 단계는 상기 태양전지(반도체)층을 수직 방향으로 에칭한다.
여기서, 바람직하게는 상기 (d) 단계는 상기 태양전지(반도체)층을 경사진 방향으로 경사 에칭한다.
여기서, 바람직하게는 상기 (e) 단계의 제2 투명전도성 물질의 증착은 전자빔 또는 열 증착에 의하여 이루어지며, 단위 소자 간은 전기적으로 직렬 연결되도록 상기 전도성 물질과 접속시킨다.
상기 기판은 전도성 기판 위에 절연막이 형성된 기판 또는 절연성 기판이다.
본 발명에 의한 다른 실시 예는 전술한 박막 태양전지의 제조 방법에 의해 단위 소자간 전기적으로 직렬 연결된 집적형 박막 태양전지이다.
본 발명의 또 다른 실시예는 (a) 기판 상에 인접하고 있는 상호간 소정의 간격으로 이격되도록 패터닝된 제1 전도성 물질을 형성하는 단계; (b) 상기 (a) 단계에 의한 기판 위에 제2 전도성 물질을 비스듬히 증착하는 단계; (c) 상기 (b) 단계에 의한 기판 위에 태양전지(반도체)층을 형성하는 단계; (d) 상기 태양전지(반도체)층 위에 제1 투명전도성 물질을 비스듬히 증착하는 단계; (e) 상기 제1 투명전 도성 물질을 마스크로 사용하여 상기 태양전지(반도체)층을 식각하는 단계; 및 (f) 상기 (e) 단계에 의한 기판 위에 제2 투명전도성 물질을 비스듬히 증착하여 상기 제2 전도성 물질과 상기 제1 투명전도성 물질을 전기적으로 연결시키는 단계; 를 포함한다.
여기서, 바람직하게는 상기 제1 전도성 물질과 제2 전도성 물질은 투명전도성 물질 또는 금속성 물질이다.
여기서, 바람직하게는 상기 투명전도성 물질은 산화아연(Zinc Oxide (ZnO)), 산화주석(Tin Oxide (SnO2)) 또는 산화인듐주석(Indium Tin Oxide (ITO)) 중 어느 하나 이상이다.
여기서, 바람직하게는 상기 금속성 물질은 은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 금(Au) 중 어느 하나 이상이다.
여기서, 바람직하게는 상기 (f) 단계에는 상호간 소정의 간격으로 이격되도록 금속으로 패터닝된 전극을 형성하는 단계가 더 포함된다.
여기서, 바람직하게는 상기 (f) 단계의 제2 투명전도성 물질의 증착은 전자빔 또는 열 증착에 의하여 이루어지며, 단위 소자간은 전기적으로 직렬 연결되도록 상기 제2 전도성 물질과 접속시킨다.
상기 기판은 전도성 기판 위에 절연막이 형성된 기판 또는 절연성 기판이다.
본 발명의 또 다른 실시예는 제27항의 박막 태양전지의 제조 방법에 의해 단위 소자간 전기적으로 직렬 연결된 집적형 박막 태양전지이다
본 발명의 또 다른 실시예는 (a) 상호간 소정의 간격으로 이격된 요철이 형성된 기판 상에 전도성 물질을 비스듬히 증착하는 단계; (b) 상기 (a) 단계에 의한 기판 위에 태양전지(반도체)층을 형성하는 단계; (c) 상기 태양전지(반도체)층 위에 제1 투명전도성 물질을 비스듬히 증착하는 단계; (d) 상기 제1 투명전도성 물질을 마스크로 사용하여 상기 태양전지(반도체)층을 식각하는 단계; 및 (e) 상기 (d) 단계에 의한 기판 위에 제2 투명전도성 물질을 비스듬히 증착하여 상기 제1 투명전도성 물질과 상기 전도성 물질을 전기적으로 연결시키는 단계; 를 포함한다.
여기서, 바람직하게는 상기 전도성 물질은 투명전도성 물질 또는 금속성 물질이다.
여기서, 바람직하게는 상기 투명전도성 물질은 산화아연(Zinc Oxide (ZnO)), 산화주석(Tin Oxide (SnO2)) 또는 산화인듐주석(Indium Tin Oxide (ITO)) 중 어느 하나 이상이다.
여기서, 바람직하게는 상기 금속성 물질은 은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 금(Au) 중 어느 하나 이상이다.
여기서, 바람직하게는 상기 절연성 기판의 요철은 핫-엠보싱(hot-embossing)법으로 형성된다.
여기서, 바람직하게는 상기 (e) 단계에는 상호간 소정의 간격으로 이격되도록 금속으로 패터닝된 전극을 형성하는 단계가 더 포함된다.
여기서, 바람직하게는 상기 (e) 단계의 제2 투명전도성 물질의 증착은 전자빔 또는 열 증착에 의하여 이루어지며, 단위 소자간은 전기적으로 직렬 연결되도록 상기 전도성 물질과 접속시킨다.
상기 기판은 전도성 기판 위에 절연막이 형성된 기판 또는 절연성 기판이다.
본 발명의 또 다른 실시에는 제41항의 박막 태양전지의 제조 방법에 의해 단위 소자간 전기적으로 직렬 연결된 집적형 박막 태양전지이다.
본 발명의 또 다른 실시에는 (a) 투명 기판 상에 인접하고 있는 상호간 소정의 간격으로 이격되도록 패터닝된 투명전극을 형성하는 단계; (b) 상기 (a) 단계에 의한 기판 위에 투명전도성 물질을 비스듬히 증착하는 단계; (c) 상기 (b) 단계에 의한 기판 위에 태양전지(반도체)층을 형성하는 단계; (d) 상기 태양전지(반도체)층 위에 금속을 비스듬히 증착하여 1차 금속이면전극을 형성하는 단계; (e) 상기 1차 금속이면전극을 마스크로 사용하여 상기 태양전지(반도체)층을 식각하는 단계; 및 (f) 상기 (e) 단계에 의한 기판 위에 금속을 비스듬히 증착하여 상기 투명전도성 물질과 상기 1차 금속이면전극을 전기적으로 연결되도록 상기 2차 금속이면전극을 형성하는 단계; 를 포함한다.
여기서, 바람직하게는 상기 투명전도성 물질은 산화아연(Zinc Oxide (ZnO)), 산화주석(Tin Oxide (SnO2)) 또는 산화인듐주석(Indium Tin Oxide (ITO)) 중 어느 하나 이상이다.
여기서, 바람직하게는 상기 금속은 은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 금(Au) 중 어느 하나 이상이다.
여기서, 바람직하게는 상기 (f) 단계에는 상호간 소정의 간격으로 이격되도록 금속으로 패터닝된 전극을 형성하는 단계가 더 포함된다.
여기서, 바람직하게는 상기 (f) 단계의 금속 증착은 전자빔 또는 열 증착에 의하여 이루어지며, 상기 금속 증착시 단위 소자간은 전기적으로 직렬 연결되도록 상기 투명전극과 접속시킨다.
상기 기판은 전도성 기판 위에 절연막이 형성된 기판 또는 절연성 기판이다.
본 발명의 또 다른 실시에는 제57 항의 박막 태양전지의 제조 방법에 의해 단위 소자간 전기적으로 직렬 연결된 집적형 박막 태양전지이다.
본 발명의 또 다른 실시에는 (a) 상호간 소정의 간격으로 이격된 요철이 형성된 투명 기판 상에 투명전도성 물질을 비스듬히 증착하는 단계; (b) 상기 (a) 단계에 의한 기판 위에 태양전지(반도체)층을 형성하는 단계; (c) 상기 태양전지(반도체)층 위에 금속을 비스듬히 증착하여 1차 금속이면전극을 형성하는 단계; (d) 상기 1차 금속이면전극을 마스크로 사용하여 상기 태양전지(반도체)층을 식각하는 단계; 및 (e) 상기 (d) 단계에 의한 기판 위에 금속을 비스듬히 증착하여 상기 투명전도성 물질과 상기 1차 금속이면전극을 전기적으로 연결되로록 2차 금속이면전극을 형성하는 단계; 를 포함한다.
여기서, 바람직하게는 상기 투명전도성 물질은 산화아연(Zinc Oxide (ZnO)), 산화주석(Tin Oxide (SnO2)) 또는 산화인듐주석(Indium Tin Oxide (ITO)) 중 어느 하나 이상이다.
여기서, 바람직하게는 상기 금속은 은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 금(Au) 중 어느 하나 이상이다.
여기서, 바람직하게는 상기 절연성 기판의 요철은 핫-엠보싱(hot-embossing)법으로 형성된다.
여기서, 바람직하게는 상기 (e) 단계에는 상호간 소정의 간격으로 이격되도록 금속으로 패터닝된 전극을 형성하는 단계가 더 포함된다.
여기서, 바람직하게는 상기 (e) 단계의 금속 증착은 전자빔 또는 열 증착에 의하여 이루어지며, 금속 증착시 단위 소자간은 전기적으로 직렬 연결되도록 상기 투명전도성 물질과 접속시킨다.
상기 기판은 전도성 기판 위에 절연막이 형성된 기판 또는 절연성 기판이다.
본 발명의 또 다른 실시예는 제64 항의 박막 태양전지의 제조 방법에 의해 단위 소자간 전기적으로 직렬 연결된 집적형 박막 태양전지이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하기로 한다.
한편, 본 발명에서의 기판은 전도성 기판 위에 절연막이 형성된 기판 또는 절연성 기판의 의미로 사용되며, 이하에서는 설명의 편의를 위해 기판이 전도성인 경우와 절연성인 경우를 나누어 설명하기로 한다.
따라서, 본 발명의 청구항에서의 기판은 전도성 기판 위에 절연막이 형성된 기판이거나 또는 절연성 기판의 의미를 포함하게 된다. 이는 기판이 전도성인 경우에는 다른 전도성 물질과 전기적으로 연결되므로 절연막을 사용하는 것이다.
(1) 절연성 기판에 2번 경사 증착하는 집적형 태양전지.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예로 절연성 기판(101)에 2번 경사 증착하여 형성하는 집적형 박막 태양전지의 구조를 도시한 단면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 집적형 박막 태양전지는 절연성 기판(101) 상에 경사 단면을 갖는 전도성 물질(102)과, 태양전지(반도체)층(103), 제1 투명전도성 물질(104), 제2 투명전도성 물질(105)이 차례대로 적층된 구조로 이루어져 있다.
즉, 전도성물질(102)은 좌우 인접하고 있는 전도성 물질(102)간 절연되도록 패터닝되어 절연 간격이 형성되어 있고, 태양전지(반도체)층(103) 및 제1 투명전도성 물질(104)은 패터닝된 전도성 물질(102) 위에 증착되며, 제1 투명전도성 물질(104) 위에 위치된 제2 투명전도성 물질(105)은 인접하고 있는 일방향의 전도성 물질(102)과 접촉되어 전기적으로 직렬로 연결되는 구조이다.
이때, 전도성 물질(102)의 패터닝된 측부는 도시된 바와 같이 일정 기울기를 갖는 경사 단면일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 만곡된 경사 단면, 또는 기판(101)과 수직한 단면일 수 있다.
이러한 본 발명의 집적형 박막 태양전지를 제조하는 공정 단계를 차례대로 설명하면 다음과 같다.
도 4 내지 도 10는 본 발명에 따른 집적형 박막 태양전지를 제조하기 위한 공정 단계를 순차적으로 도시한 단면도이다
먼저, 도 4는 본 발명의 패터닝된 전도성 물질(102)이 형성된 절연성 기판(101)의 단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 집적형 박막 태양전지를 제조하는 방법은 처음 단계로서 절연성 기판(101) 상에 패터닝(patterning)된 전도성 물질(102)을 형성한다.
여기서, 절연성 기판(101)은 투명 기판 또는 불투명 기판이고, 전도성 물질(102)은 산화아연(Zinc Oxide (ZnO)), 산화주석(Tin Oxide (SnO2)), 산화인듐주석(Indium Tin Oxide (ITO)) 중 어느 하나 이상인 투명전도성 물질 또는 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au) 등과 같이 반사율이 높은 금속의 단일 금속이거나 또는 알루미늄(Al)/은(Ag)이 혼합된 다중 금속 재료는 은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 금(Au) 중 어느 하나 이상인 금속성 물질이다.
그리고, 패터닝된 전도성 물질(102)은 표면 요철이 있는 경우, 표면 요철이 없는 경우 모두 가능하다.
이러한 전도성 물질(102)을 패터닝하는 공정은 도 5에 도시된 바와 같이, 절연성 기판(101) 상에 박막으로 전도성 물질층(102)을 형성하고, 전도성 물질층 (102) 위에는 인쇄법으로 포토레지스터(photoresist; PR) 또는 폴리머(102a)를 도포하되, 인쇄되는 포토레지스터 또는 폴리머(102a)의 점도 크기를 조절하여 상호간 일정 거리 이격되게 도포한다. 도포 후, 포토레지스터 또는 폴리머(102a)를 마스크로 사용하여 전도성 물질(102)을 식각한 다음 포토레지스터 또는 폴리머(102a)를 제거하는 단계를 포함한다.
이때, 사용되는 인쇄법은 인쇄 장치가 가장 간단하고 염가의 공정으로 간편하게 패턴화된 포토레지스터 또는 폴리머 박막을 도포할 수 있는 스크린 인쇄(screen printing)법 또는 가장 고정세한 패턴 형성이 가능한 그라비아 인쇄(gravure press)법 등을 이용한다.
그리고, 전도성 물질(102)을 식각하는 경우에는 식각하는 방식에 따라 이방성(anisotropic) 또는 등방성(isotropic) 식각법을 이용하는데, 등방성 식각법을 통한 전도성 물질(102)은 도 4에 도시된 바와 같이 양측부가 곡선으로 만곡된 경사면이고 하부로 갈수록 그 너비가 점점 커지는 패턴으로 형성될 수 있다.
또한, 이방성 식각법을 통한 전도성 물질(102)은 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 기판과 수직한 단면 또는 일정한 기울기를 갖는 경사진 단면을 갖는 패턴으로 형성된다.
이와 같이, 각 인쇄법의 원리를 이용하여 본 발명의 전도성 물질(102)을 에칭하는 공정에 활용하면 고밀도 패턴의 인쇄가 가능하고, 박막의 균질성이 좋으며, 비교적 공정이 간단함과 더불어 기존의 공정에서와 같이 레이저 패터닝을 위한 고가의 장비가 불필요하므로 제조 단가를 절감할 수 있다.
게다가, 전도성 물질(102)을 패터닝하기 위한 상술한 방법 이외에, 소정 포토레지스터(Photoresist; PR)가 빛을 받으면 화학반응을 일으켜서 성질이 변화하는 원리를 이용한 사진식각법(photolithography)을 활용함으로써 인쇄법에 의해 도포된 폴리머 대신에 포토레지스터를 형성하여 구현할 수도 있다.
또한, 전도성 물질막 제조용 원료를 함유한 졸-겔(sol-gel) 용액을 잉크처럼 사용하여 인쇄법을 활용함으로써, 상술한 인쇄법 또는 사진식각법을 이용한 포토레지스터나 폴리머 패턴의 사용 없이 전도성 물질막을 기판 위에 직접 도포할 수 있다. 이러한 방법은 마스크 작업에 의한 식각 공정 없이 띠 모양으로 패턴화된 전도성 물질을 저온 공정으로 직접 형성하는 것이 가능하다.
이러한 전도성 물질(102)을 패터닝하여 에칭 가공하는 기술은 이미 본 출원인이 특허 출원번호 제 2005-0021771 호 '집적형 박막 태양전지용 투명전극의 가공 방법과 그 구조, 그 투명전극이 형성된 투명기판'으로 출원한 바 있다. 여기서, 투명전극은 전도성 물질에 해당한다.
다음으로 도 7을 참조하면, 이는 본 발명에 따른 태양전지층(103)이 형성된 상태의 단면도를 도시한 것으로, 앞 단계에서 패터닝된 전도성 물질(102) 위에 기판(101)의 표면 형상에 따라 태양전지층(103)을 형성한다.
여기서, 태양전지는 실리콘계 태양전지, 화합물계 태양전지, 유기물계 태양전지, 건식 염료 감응형 태양전지 및 유.무기 복합형 태양전지 중 어느 하나 이상을 이용할 수 있다.
이 중 실리콘계 태양전지는 비정질 실리콘 단일접합 태양전지(amorphous silicon(a-Si:H) single junction solar cell), 비정질 실리콘 다중접합 태양전지(a-Si:H/a-Si:H, a-Si:H/a-Si:H/a-Si:H multi-junction solar cell), 비정질 실리콘게르마늄 단일접합 태양전지(amorphous silicon-germanium(a-SiGe:H) single junction solar cell), 비정질 실리콘/비정질 실리콘게르마늄 이중접합 태양전지(a-Si:H/a-SiGe:H double junction solar cell), 비정질 실리콘/비정질 실리콘게르S마늄/비정질 실리콘게르마늄 삼중접합 태양전지(a-Si:H/a-SiGe:H/a-SiGe:H triple junction solar cell), 비정질 실리콘/마이크로결정 실리콘(다결정 실리콘) 이중접합 태양전지(amorphous silicon/microcrystalline(poly) silicon double junction solar cell), 및 프로토결정(protocrystalline) 실리콘 태양전지 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다.
도 8은 본 발명에 따른 제1 투명전도성 물질(104)이 형성된 상태의 단면도로, 앞 단계에서 형성된 태양전지층(103) 위에 전자빔 또는 열 증착 등의 증착법을 이용하여 비스듬히 증착시킴으로써 제1 투명전도성 물질(104)을 형성한다.
이때, 제1 투명전도성 물질(104)은 산화아연(Zinc Oxide (ZnO)), 산화주석(Tin Oxide (SnO2)), 산화인듐주석(Indium Tin Oxide (ITO)) 중 어느 하나 이상인 투명전도성 물질이다.
따라서, 도 8에 도시된 바와 같이 전자빔 또는 열 증착기를 통해 각도1(θ1)만큼 비스듬히 증착시키면 증착의 직진성(2a)에 의해 제1 투명전도성 물질(104)이 태양전지층(103) 위에 얇은 박막으로 증착되고, 경사면을 포함한 일부분(1a)에는 제1 투명전도성 물질(104)이 형성되지 않는다. 이러한 경사면을 포함한 일부분(1a)은 하기 단계에서 식각되는 구간이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명에 따른 제1 투명전도성 물질(104)을 마스크로 이용하여 수직 식각한 상태의 단면도로, 전도성 물질(102)의 단면 형상에 따라 세 가지 방법으로 구분될 수 있다.
즉, 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이 전도성 물질(102, 102')의 단면이 경사면일 경우, 도 7의 공정으로부터 증착된 제1 투명전도성 물질(104)을 마스크로 하여 태양전지층(103)을 수직 방향으로 식각한다. 식각시, 반응성 이온 식각법(Reactive Ion Etching; RIE) 등과 같은 건식 식각 공정을 이용하는 것이 바람직하다.
그리고, 도 9c에 도시된 바와 같이 전도성 물질(102'')이 수직한 단면일 경우에는 도 7의 공정으로부터 증착된 제1 투명전도성 물질(104)을 마스크로 하여 태양전지층(103)을 기판에 대해 일정 각도(θ2)만큼 경사진 방향으로 식각한다.
미설명부호 1b, 1c는 경사 단면 또는 수직 단면을 갖는 투명전극(102',102'') 위에 증착된 제1 투명전도성 물질(104)이 형성되지 않은 구간으로, 하기 단계에서 식각되는 부위이다.
상술한 방법에 따르면, 특수한 마스크가 필요없이 태양전지층(103)의 미소 식각이 가능하여 단위 소자간 절연 간격을 수십㎛ 내지 수㎛ 정도로 구현할 수 있으며, 이는 기존의 플라즈마를 이용한 화학적 기화가공법과 레이저 빔을 이용한 레 이저 패터닝에 비해 수십배 내지 수백배 이상 줄일 수 있어 태양전지의 유효면적을 극대화할 수 있다.
마지막으로 도 10a 및 도 10b를 참조하면, 도 10a는 도 9a에 따라 식각된 제1 투명전도성 물질(104) 위에 제2 투명전도성 물질(105)을 형성하는 공정이고, 도 10b는 도 9c에 따라 식각된 제1 투명전도성 물질(104) 위에 제2 투명전도성 물질(105)을 형성하는 공정이다. 도 9b에 따라 식각된 제1 투명전도성 물질(104) 위에 제2 투명전도성 물질(105)을 형성하는 공정은 도 10a와 동일하므로 생략한다.
도시된 바와 같이, 전단계의 식각 공정을 통해 단위 소자간 소정 절연 간격이 형성된 상태에서 제1 투명전도성 물질(104)을 증착하는 방법과 동일한 증착법을 이용하여 제2 투명전도성 물질(105)을 형성한다.
즉, 전자빔 또는 열 증착기를 사용하여 제2 투명전도성 물질(105)을 소정 각도(θ3,θ4)만큼 비스듬히 증착시키면 증착의 직진성(2b,2c)에 의해 제1 투명전도성 물질(104) 위에 얇은 박막으로 증착되어 형성되고, 비스듬한 각도(θ3)에 의해 경사면의 일부분(1d)은 제2 투명전도성 물질(105)이 형성되지 않는다.
이때, 제2 투명전도성 물질(105)은 산화아연(Zinc Oxide (ZnO)), 산화주석(Tin Oxide (SnO2)), 산화인듐주석(Indium Tin Oxide (ITO)) 중 어느 하나 이상인 투명전도성 물질이다.
따라서, 전술한 공정에 따르면 좌측 단위 소자의 전도성 물질(102)과 이와 인접된 우측 단위소자의 제2 투명전도성 물질(105)이 서로 접속되는 동시에, 좌측 단위 소자의 태양전지(반도체)층(103)과 우측 단위 소자의 제2 투명전도성 물질(105)이 서로 단위 소자 간 전기적으로 직렬 연결된 상태가 된다.
투명전도성 물질은 전도성이 작기 때문에 바람직하게는 제2 투명전도성 물질(105)이 증착된 후에 상호간 소정의 간격으로 이격되도록 금속으로 패터닝 된 금속선 전극을 형성한다. 이렇게 형성함으로써, 투명전도성 물질에서의 전도율을 높일 수 있다. 금속은 투명전도성 물질의 낮은 전도율을 해결하기 위한 것으로 투명전도성 물질이 형성될 때는 어느 때라도 금속선을 추가로 형성시킬 수 있다.
금속은 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au) 등과 같이 반사율이 높은 금속의 단일 금속이거나 또는 알루미늄(Al)/은(Ag)이 혼합된 다중 금속 재료은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 금(Au) 중 어느 하나 이상인 금속성 물질이다.
이러한 과정은 특별한 위치제어장치가 필요 없이 자기 정렬(self-alingment)에 의해 이루어지는 바, 비교적 간단한 공정을 통해 집적형 박막 태양전지가 가능하게 된다.
(2) 전도성 기판에 2번 경사 증착하는 집적형 태양전지.
도 11은 본 발명에 따른 다른 실시예로 전도성 기판(101)에 2번 경사 증착하여 형성하는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 도시한 단면이다.
도 11의 (a)에서 전도성 기판(101) 위에 절연막(101a)을 형성한다. 도 11의 (b)에서 절연막(101a) 위에 상호간에 소정의 간격으로 이격되어 절연되도록 패터닝된 전도성 물질(102)을 형성한다.
도 11의 (c)에서 전도성 물질(102)이 형성된 기판 위에 태양전지(반도체)층(103)을 형성한다.
도 11의 (d)에서 태양전지층(103) 위에 제1 투명전도성 물질(104)을 비스듬히 증착시킨 후, 도 11의 (e)에서 제1 투명전도성 물질(104)을 마스크로 사용하여 태양전지층(103)을 식각한다.
도 11의 (f)에서 태양전지층(103)이 식각된 기판에 제2 투명전도성 물질(105)을 비스듬히 증착하여 전도성 물질(102)과 제2 투명전도성 물질(105)이 연결되도록 하여 태양전지 셀이 전기적으로 직렬로 연결되도록 한다.
도 11의 (f)에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 집적형 박막 태양전지는 전도성 기판(101) 상에 절연막(101a), 전도성 물질(102)과, 태양전지(반도체)층(103), 제1 투명전도성 물질(104), 제2 투명전도성 물질(105)이 차례대로 적층된 구조로 이루어져 있다.
즉, 전도성물질(102)은 좌우 인접하고 있는 전도성 물질(102)간 절연되도록 패터닝되어 절연 간격이 형성되어 있고, 태양전지(반도체)층(103) 및 제1 투명전도성 물질(104)은 패터닝된 전도성 물질(102) 위에 증착되며, 제1 투명전도성 물질(104) 위에 위치된 제2 투명전도성 물질(105)은 인접하고 있는 일방향의 전도성 물질(102)과 접촉되어 단위 소자간 전기적으로 직렬로 연결되는 구조이다.
이때, 전도성 물질(102)의 패터닝된 측부는 일정 기울기를 갖는 경사 단면일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 만곡된 경사 단면, 또는 기판(101)과 수직한 단면일 수 있다.
도 11의 (a)에 도시된 바와 같이, 기판(101)이 전도성이기 때문에 기판(101)상에 절연막(101a)을 형성하여야 하며, 그 이외의 태양전지의 상세한 형성관계과 형성 내용 “(1) 절연성 기판에 2번 경사 증착하는 집적형 태양전지.”에서 설명한 것과 동일하므로 생략하기로 한다.
(3) 절연성 기판에 3번 경사 증착하는 집적형 태양전지.
도 12는 본 발명에 따른 또 다른 실시예로 절연성 기판(201)에 3번 경사 증착하여 형성하는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 도시한 단면도이다.
도 12의 (b)에 도시된 바와 같이 절연성 기판(201) 위에 상호간에 소정의 간격으로 이격되어 절연되도록 패터닝된 제1 전도성 물질(202)을 형성한다.
도 12의 (c)에서 제1 전도성 물질(202)이 형성된 기판 위에 제2 전도성 물질(203)을 비스듬히 증착시킨다.
도 12의 (d)에서 제2 전도성 물질(203)이 증착된 기판 위에 태양전지(반도체)층(204)을 형성한다.
도 12의 (e)에서 태양전지층(204) 위에 제1 투명전도성 물질(205)을 비스듬히 증착시킨 후, 도 12의 (f)에서 제1 투명전도성 물질(205)을 마스크로 사용하여 태양전지층(204)을 식각한다.
도 12의 (g)에서 태양전지층(204)이 식각된 기판에 제2 투명전도성 물질(206)을 비스듬히 증착하여 제2 전도성 물질(203)과 제2 투명전도성 물질(206)이 연결되도록 하여 태양전지 셀이 전기적으로 직렬로 연결되도록 한다.
도 12의 (g)에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 집적형 박막 태양전지는 절연성 기판(201) 상에 제1 전도성 물질(202), 제2 전도성 물질(203)과, 태양전지(반도체)층(204), 제1 투명전도성 물질(205), 제2 투명전도성 물질(206)이 차례대로 적층된 구조로 이루어져 있다.
즉, 제1 전도성물질(202)은 좌우 인접하고 있는 제1 전도성 물질(202)간 절연되도록 패터닝되어 절연 간격이 형성되어 있다. 제1 전도성 물질(202)의 패터닝된 측부는 도시된 바와 같이 기판(201)과 직각일 수 있으나, 이에 한정하지 않고 일정 기울기를 갖는 경사 단면 또는 만곡된 경사 단면일 수 있다.
제1 투명전도성 물질(205) 위에 위치된 제2 투명전도성 물질(206)은 인접하고 있는 일방향의 제2 전도성 물질(203)과 접촉되어 단위 소자 간 전기적으로 직렬로 연결되는 구조이다.
이러한 본 발명의 집적형 박막 태양전지를 제조하는 공정 단계를 차례대로 설명하면 다음과 같다.
도 12의 (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 집적형 박막 태양전지를 제조하는 방법은 처음 단계로서 절연성 기판(201) 상에 패터닝(patterning)된 제1 전도성 물질(202)을 형성한다.
여기서, 절연성 기판(201)은 투명 기판 또는 불투명 기판이다.
그리고, 패터닝된 전도성 물질(202)은 표면 요철이 있는 경우, 표면 요철이 없는 경우 모두 가능하다.
다음으로 도 12의 (c)에서와 같이 제2 전도성 물질(203)은 제1 전도성 물질(202)이 패터닝된 기판 위에 각도5(θ5)로 비스듬히 증착한다. 각도5(θ5)만큼 비스듬히 증착시키면 증착의 직진성(2d)에 의해 제2 전도성 물질(203)이 제1 전도성 물질(202) 위에 얇은 박막으로 증착되고, 제1 전도성 물질(202)의 일측 수직면과 각도5(θ5)에 의한 일부분(1d)에는 제2 전도성 물질(203)이 형성되지 않는다.
여기서, 제1,제2 전도성 물질(202,203)은 산화아연(Zinc Oxide (ZnO)), 산화주석(Tin Oxide (SnO2)), 산화인듐주석(Indium Tin Oxide (ITO)) 중 어느 하나 이상인 투명전도성 물질 또는 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au) 등과 같이 반사율이 높은 금속의 단일 금속이거나 또는 알루미늄(Al)/은(Ag)이 혼합된 다중 금속 재료은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 금(Au) 중 어느 하나 이상인 금속성 물질이다.
도 12의 (d)는 태양전지층(204)이 형성된 상태의 단면도를 도시한 것으로, 앞 단계에서 제2 전도성 물질(203)이 증착된 표면 형상에 따라 태양전지층(204)을 형성한다.
여기서, 태양전지는 실리콘계 태양전지, 화합물계 태양전지, 유기물계 태양전지, 건식 염료 감응형 태양전지 및 유.무기 복합형 태양전지 중 어느 하나 이상을 이용할 수 있다.
이 중 실리콘계 태양전지는 비정질 실리콘 단일접합 태양전지(amorphous silicon(a-Si:H) single junction solar cell), 비정질 실리콘 다중접합 태양전지(a-Si:H/a-Si:H, a-Si:H/a-Si:H/a-Si:H multi-junction solar cell), 비정질 실리 콘게르마늄 단일접합 태양전지(amorphous silicon-germanium(a-SiGe:H) single junction solar cell), 비정질 실리콘/비정질 실리콘게르마늄 이중접합 태양전지(a-Si:H/a-SiGe:H double junction solar cell), 비정질 실리콘/비정질 실리콘게르S마늄/비정질 실리콘게르마늄 삼중접합 태양전지(a-Si:H/a-SiGe:H/a-SiGe:H triple junction solar cell), 비정질 실리콘/마이크로결정 실리콘(다결정 실리콘) 이중접합 태양전지(amorphous silicon/microcrystalline(poly) silicon double junction solar cell), 및 프로토결정(protocrystalline) 실리콘 태양전지 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다.
도 12의 (e)는 제1 투명전도성 물질(205)이 형성된 상태의 단면도로, 앞 단계에서 형성된 태양전지층(204) 위에 전자빔 또는 열 증착 등의 증착법을 이용하여 제1 투명전도성 물질(205)을 비스듬히 증착시킴으로써 제1 투명전도성 물질(205)을 형성한다.
이때, 제1 투명전도성 물질(205)은 산화아연(Zinc Oxide (ZnO)), 산화주석(Tin Oxide (SnO2)), 산화인듐주석(Indium Tin Oxide (ITO)) 중 어느 하나 이상인 투명전도성 물질이다.
따라서, 도 12의 (e)에 도시된 바와 같이 전자빔 또는 열 증착기를 통해 제1 투명전도성 물질(205)을 각도6(θ6)만큼 비스듬히 증착시키면 증착의 직진성(2e)에 의해 제1 투명전도성 물질(205)이 태양전지층(204) 위에 얇은 박막으로 증착되고, 태양전지츨(204)의 일측 수직면과 각도6(θ6)에 의한 일부분(1e)에는 제1 투명전도 성 물질(205)이 형성되지 않는다. 이러한 경사면을 포함한 일부분(1e)은 하기 단계에서 식각되는 구간이다.
도 12의 (f)는 제1 투명전도성 물질(205)을 마스크로 이용하여 수직 식각한 상태의 단면도이다.
상술한 방법에 따르면, 특수한 마스크가 필요없이 태양전지층(204)의 미소 식각이 가능하여 단위 소자간 절연 간격을 수십㎛ 내지 수㎛ 정도로 구현할 수 있으며, 이는 기존의 플라즈마를 이용한 화학적 기화가공법과 레이저 빔을 이용한 레이저 패터닝에 비해 수십배 내지 수백배 이상 줄일 수 있어 태양전지의 유효 면적을 극대화할 수 있다.
도 12의 (g)를 참조하면, 제1 투명전도성 물질(205) 위에 제2 투명전도성 물질(206)을 형성하는 공정이다.
도시된 바와 같이, 전단계의 식각 공정을 통해 단위 소자간 소정 절연 간격이 형성된 상태에서 제1 투명전도성 물질(205)을 증착하는 방법과 동일한 증착법을 이용하여 제2 투명전도성 물질(206)을 형성한다.
즉, 전자빔 또는 열 증착기를 사용하여 제2 투명전도성 물질(206)을 각도7(θ7)만큼 비스듬히 증착시키면 증착의 직진성(2f)에 의해 제1 투명 전도성 태양전지층의 일측 수직면과 경사각에 의한 일부분(1e)을 제외한 부분에 제2 투명전도성 물질(206)이 형성된다.
이때, 제2 투명전도성 물질(206)은 산화아연(Zinc Oxide (ZnO)), 산화주석 (Tin Oxide (SnO2)), 산화인듐주석(Indium Tin Oxide (ITO)) 중 어느 하나 이상인 투명전도성 물질이다.
따라서, 전술한 공정에 따르면 좌측 단위 소자의 제2 투명전도성 물질(206)은 이와 인접된 우측 단위소자의 제2 전도성 물질(203)이 서로 접속되어 단위 소자 간 전기적으로 직렬 연결된 상태가 된다.
투명전도성 물질은 전도성이 작기 때문에 바람직하게는 제2 투명전도성 물질(206)이 증착된 후에 상호간 소정의 간격으로 이격되도록 금속으로 패터닝 된 금속선 전극을 형성한다. 이렇게 형성함으로써, 투명전도성 물질에서의 전도율을 높일 수 있다. 금속은 투명전도성 물질의 낮은 전도율을 해결하기 위한 것으로 투명전도성 물징이 형성될 때는 어느 때라도 금속선을 추가적으로 형성시킬 수 있다.
금속은 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au) 등과 같이 반사율이 높은 금속의 단일 금속이거나 또는 알루미늄(Al)/은(Ag)이 혼합된 다중 금속 재료은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 금(Au) 중 어느 하나 이상인 금속성 물질이다.
이러한 과정은 특별한 위치제어장치가 필요 없이 자기 정렬(self-alingment)에 의해 이루어지는 바, 비교적 간단한 공정을 통해 집적형 박막 태양전지가 가능하게 된다.
기판 위에 전도성 물질이 패터닝되는 방법과 그 이외의 상세한 형성관계와 형성 내용 등은 "(1) 절연성 기판에 2번 경사 증착하는 집적형 태양전지."에서 설명한 것과 동일하므로 생략하기로 한다.
(4) 전도성 기판에 3번 경사 증착하는 집적형 태양전지.
도 13은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로 전도성 기판(201)에 3번 경사 증착하여 형성하는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 도시한 단면도이다.
도 13의 (a)에서 전도성 기판(201) 위에 절연막(201a)를 형성한다.
도 13의 (b)에서 절연막(201a) 위에 상호간에 소정의 간격으로 이격되어 절연되도록 패터닝된 제1 전도성 물질(202)을 형성한다.
도 13의 (c)에서 제1 전도성 물질(202)이 형성된 기판 위에 제2 전도성 물질(203)을 비스듬히 증착시킨다.
도 13의 (d)에서 제2 전도성 물질(203)이 증착된 기판 위에 태양전지(반도체)층(204)을 형성한다.
도 13의 (e)에서 태양전지층(204) 위에 제1 투명전도성 물질(205)을 비스듬히 증착시킨 후, 도 13의 (f)에서 제1 투명전도성 물질(205)을 마스크로 사용하여 태양전지층(204)을 식각한다.
도 13의 (g)에서 태양전지층(204)이 식각된 기판에 제2 투명전도성 물질(206)을 비스듬히 증착하여 제2 전도성 물질(203)과 제2 투명전도성 물질(206)이 연결되도록 하여 태양전지 셀이 전기적으로 직렬로 연결되도록 한다.
도 13의 (g)에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 집적형 박막 태양전지는 전도성 기판(201) 상에 절연막(201a), 제1 전도성 물질(202), 제2 전도성 물질(203)과, 태양전지(반도체)층(204), 제1 투명전도성 물질(205), 제2 투명전도성 물질 (206)이 차례대로 적층된 구조로 이루어져 있다.
즉, 제1 전도성물질(202)은 좌우 인접하고 있는 제1 전도성 물질(202)간 절연되도록 패터닝되어 절연 간격이 형성되어 있다. 제1 전도성 물질(202)의 패터닝된 측부는 도시된 바와 같이 기판(201)과 직각일 수 있으나, 이에 한정하지 않고 일정 기울기를 갖는 경사 단면 또는 만곡된 경사 단면일 수 있다.
제1 투명전도성 물질(205) 위에 위치된 제2 투명전도성 물질(206)은 인접하고 있는 일방향의 제2 전도성 물질(203)과 접촉되어 단위 소자 간 전기적으로 직렬로 연결되는 구조이다.
도13의 (a)에서는 기판(201)이 전도성이기 때문에 기판(201)상에 절연막(201a)을 형성하여야 하며, 그 이외의 상세한 형성관계와 형성 내용 등은 “(3) 절연성 기판에 3번 경사 증착하는 집적형 태양전지.”에서 설명한 것과 동일하므로 생략하기로 한다.
(5) 패턴화된 요철이 표면에 형성되어진 절연성 기판에 3번 경사 증착하는 집적형 태양전지.
도 14는 본 발명에 따른 또 다른 실시예로 패터닝된 요철이 표면에 형성된 절연성 기판(301)에 3번 경사 증착하여 형성하는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 도시한 단면도이다.
도 14의 (b)에서는 요철이 형성된 절연성 기판(301) 위에 전도성 물질(302)을 비스듬히 증착시킨다.
도 14의 (c)에서는 전도성 물질(302)이 증착된 기판 위에 태양전지(반도체)층(303)을 형성한다.
도 14의 (d)에서는 태양전지층(303) 위에 제1 투명전도성 물질(304)을 비스듬히 증착시킨 후, 도 14의 (e)에서는 제1 투명전도성 물질(304)을 마스크로 사용하여 태양전지층(303)을 식각한다.
도 14의 (f)에서는 태양전지층(303)이 식각된 기판에 제2 투명전도성 물질(305)을 비스듬히 증착하여 전도성 물질(302)과 제2 투명전도성 물질(305)이 연결되도록 하여 태양전지 셀이 전기적으로 직렬로 연결되도록 한다.
도 14의 (f)에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 집적형 박막 태양전지는 패터닝된 요철이 표면에 형성된 절연성 기판(301) 상에 전도성 물질(302), 태양전지(반도체)층(303), 제1 투명전도성 물질(304), 제2 투명전도성 물질(305)이 차례대로 적층된 구조로 이루어져 있다.
패터닝된 요철이 표면에 있는 기판에서 요철의 측부는 직각일 수 있으나, 이에 한정하지 않고 일정 기울기를 갖는 경사 단면 또는 만곡된 경사 단면일 수 있다.
제1 투명전도성 물질(304) 위에 위치된 제2 투명전도성 물질(305)은 인접하고 있는 일방향의 전도성 물질(302)과 접촉되어 단위 소자 간 전기적으로 직렬로 연결되는 구조이다.
이러한 본 발명의 집적형 박막 태양전지를 제조하는 공정 단계를 차례대로 설명하면 다음과 같다.
도 14의 (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 집적형 박막 태양전지를 제조하는 방법은 처음 단계로서 요철있는 절연성 기판(301) 위에 전도성 물질(302)을 각도5(θ5)로 비스듬히 증착한다. 각도5(θ5)만큼 비스듬히 증착시키면 증착의 직진성(2d)에 의해 전도성 물질(302)이 전도성 물질(302) 위에 얇은 박막으로 증착되고, 요철이 형성된 기판(301)의 일측 수직면과 각도5(θ5)에 의한 일부분(1d)에는 전도성 물질(302)이 형성되지 않는다.
여기서, 전도성 물질(302)은 산화아연(Zinc Oxide (ZnO)), 산화주석(Tin Oxide (SnO2)), 산화인듐주석(Indium Tin Oxide (ITO)) 중 어느 하나 이상인 투명전도성 물질 또는 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au) 등과 같이 반사율이 높은 금속의 단일 금속이거나 또는 알루미늄(Al)/은(Ag)이 혼합된 다중 금속 재료은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 금(Au) 중 어느 하나 이상인 금속성 물질이다.
도 14의 (c)는 태양전지층(303)이 형성된 상태의 단면도를 도시한 것으로, 앞 단계에서 전도성 물질(302)이 증착된 표면 형상에 따라 태양전지층(303)을 형성한다.
여기서, 태양전지는 실리콘계 태양전지, 화합물계 태양전지, 유기물계 태양전지, 건식 염료 감응형 태양전지 중 어느 하나 이상을 이용할 수 있다.
이 중 실리콘계 태양전지는 비정질 실리콘 단일접합 태양전지(amorphous silicon(a-Si:H) single junction solar cell), 비정질 실리콘 다중접합 태양전지 (a-Si:H/a-Si:H, a-Si:H/a-Si:H/a-Si:H multi-junction solar cell), 비정질 실리콘게르마늄 단일접합 태양전지(amorphous silicon-germanium(a-SiGe:H) single junction solar cell), 비정질 실리콘/비정질 실리콘게르마늄 이중접합 태양전지(a-Si:H/a-SiGe:H double junction solar cell), 비정질 실리콘/비정질 실리콘게르S마늄/비정질 실리콘게르마늄 삼중접합 태양전지(a-Si:H/a-SiGe:H/a-SiGe:H triple junction solar cell), 비정질 실리콘/마이크로결정 실리콘(다결정 실리콘) 이중접합 태양전지(amorphous silicon/microcrystalline(poly) silicon double junction solar cell), 및 프로토결정(protocrystalline) 실리콘 태양전지 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다.
도 14의 (d)는 제1 투명전도성 물질(304)이 형성된 상태의 단면도로, 앞 단계에서 형성된 태양전지층(303) 위에 전자빔 또는 열 증착 등의 증착법을 이용하여 제1 투명전도성 물질(304)을 비스듬히 증착시킴으로써 제1 투명전도성 물질(304)을 형성한다.
이때, 제1 투명전도성 물질(304)은 산화아연(Zinc Oxide (ZnO)), 산화주석(Tin Oxide (SnO2)), 산화인듐주석(Indium Tin Oxide (ITO)) 중 어느 하나 이상인 투명전도성 물질이다.
따라서, 도 14의 (d)에 도시된 바와 같이 전자빔 또는 열 증착기를 통해 제1 투명전도성 물질(304)을 각도6(θ6)만큼 비스듬히 증착시키면 증착의 직진성(2e)에 의해 제1 투명전도성 물질(304)이 태양전지층(303) 위에 얇은 박막으로 증착되고, 태양전지층(303)의 일측 수직면과 각도6(θ6)에 의한 일부분(1e)에는 제1 투명전도성 물질(304)이 형성되지 않는다. 이러한 경사면을 포함한 일부분(1e)은 하기 단계에서 식각되는 구간이다.
도 14의 (e)는 제1 투명전도성 물질(304)을 마스크로 이용하여 수직 식각한 상태의 단면도이다.
상술한 방법에 따르면, 특수한 마스크가 필요없이 태양전지층(303)의 미소 식각이 가능하여 단위 소자간 절연 간격을 수십㎛ 내지 수㎛ 정도로 구현할 수 있으며, 이는 기존의 플라즈마를 이용한 화학적 기화가공법과 레이저 빔을 이용한 레이저 패터닝에 비해 수십배 내지 수백배 이상 줄일 수 있어 태양전지의 유효 면적을 극대화할 수 있다.
도 14의 (f)를 참조하면, 제1 투명전도성 물질(304) 위에 제2 투명전도성 물질(305)을 형성하는 공정이다.
도시된 바와 같이, 전단계의 식각 공정을 통해 단위 소자간 소정 절연 간격이 형성된 상태에서 제1 투명전도성 물질(304)을 증착하는 방법과 동일한 증착법을 이용하여 제2 투명전도성 물질(305)을 형성한다.
즉, 전자빔 또는 열 증착기를 사용하여 제2 투명전도성 물질(305)을 각도7(θ7)만큼 비스듬히 증착시키면 증착의 직진성(2f)에 의해 태양전지층(303)의 일측 수직면과 경사각에 의한 일부분(1e)을 제외한 부분에 제2 투명전도성 물질(305)이 형성된다.
이때, 제2 투명전도성 물질(305)은 산화아연(Zinc Oxide (ZnO)), 산화 주석(Tin Oxide (SnO2)), 산화인듐주석(Indium Tin Oxide (ITO)) 중 어느 하나 이상인 투명전도성 물질이다.
따라서, 전술한 공정에 따르면 좌측 단위 소자의 제2 투명전도성 물질(305)과 이와 인접된 우측 단위소자의 전도성 물질(302)이 서로 접속되어 단위 소자간 전기적으로 직렬 연결된 상태가 된다.
투명전도성 물질은 전도성이 작기 때문에 바람직하게는 제2 투명전도성 물질(305)이 증착된 후에 상호간 소정의 간격으로 이격되도록 금속으로 패터닝 된 금속선 전극을 형성한다. 이렇게 형성함으로써, 투명전도성 물질에서의 전도율을 높일 수 있다. 금속은 투명전도성 물질의 낮은 전도율을 해결하기 위한 것으로 투명전도성 물징이 형성될 때는 어느 때라도 금속선을 형성시킬 수 있다.
금속은 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au) 등과 같이 반사율이 높은 금속의 단일 금속이거나 또는 알루미늄(Al)/은(Ag)이 혼합된 다중 금속 재료은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 금(Au) 중 어느 하나 이상인 금속성 물질이다.
이러한 과정은 특별한 위치제어장치가 필요 없이 자기 정렬(self-alingment)에 의해 이루어지는 바, 비교적 간단한 공정을 통해 집적형 박막 태양전지가 가능하게 된다.
바람직하게는 요철이 형성된 기판은 평평한 기판에 핫-엠보싱(hot-embossing)법을 사용하여 형성한다.
기판 위에 전도성 물질이 패터닝되는 방법과 그 이외의 상세한 형성관계와 형성 내용 등은 ‘(1) 절연성 기판에 2번 경사 증착하는 집적형 태양전지.'에서 설명한 것과 동일하므로 생략하기로 한다.
(6) 패터닝된 요철이 표면에 형성되어진 전도성 기판에 3번 경사 증착하는 집적형 태양전지.
도 15는 본 발명에 따른 또 다른 실시예로 패터닝된 요철이 표면에 형성된 전도성 기판(301)에 3번 경사 증착하여 형성하는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 도시한 단면도이다.
도 15의 (a)에서는 패터닝된 요철이 표면에 형성된 전도성 기판(301) 위에 절연막(301a)를 형성한다.
도 15의 (b)에서는 절연막(301a) 위에 전도성 물질(302)을 비스듬히 증착시킨다.
도 15의 (c)에서는 전도성 물질(302)이 증착된 기판 위에 태양전지(반도체)층(303)을 형성한다.
도 15의 (d)에서는 태양전지층(303) 위에 제1 투명전도성 물질(304)을 비스듬히 증착시킨 후, 도 15의 (e)에서는 제1 투명전도성 물질(304)을 마스크로 사용하여 태양전지층(303)을 식각한다.
도 15의 (f)에서는 태양전지층(303)이 식각된 기판에 제2 투명전도성 물질(305)을 비스듬히 증착하여 전도성 물질(302)과 제2 투명전도성 물질(305)이 연결 되도록 하여 태양전지 셀이 전기적으로 직렬로 연결되도록 한다.
도 15의 (f)에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 집적형 박막 태양전지는 패터닝된 요철이 표면에 형성된 절연성 기판(301) 상에 전도성 물질(302), 태양전지(반도체)층(303), 제1 투명전도성 물질(304), 제2 투명전도성 물질(305)이 차례대로 적층된 구조로 이루어져 있다.
패터닝된 요철이 표면에 있는 기판에서 요철의 측부는 직각일 수 있으나, 이에 한정하지 않고 일정 기울기를 갖는 경사 단면 또는 만곡된 경사 단면일 수 있다.
제1 투명전도성 물질(304) 위에 위치된 제2 투명전도성 물질(305)은 인접하고 있는 일방향의 전도성 물질(302)과 접촉되어 단위 소자 간 전기적으로 직렬로 연결되는 구조이다.
도 15의 (a)에 도시된 바와 같이 전도성 기판(301)에 절연막(301a)을 형성하는 것을 제외하면 그 상세한 형성관계와 형성 내용 등은 “(5) 요철이 형성되어진 절연성 기판에 3번 경사 증착하는 집적형 태양전지”'에서 설명한 것과 동일하므로 생략하기로 한다.
(7) 투명 기판에 3번 경사 증착하는 집적형 태양전지.
본 발명의 또 다른 실시예로 투명 기판을 사용하는 경우에 3번 경사 증착함으로써 집적형 박막 태양전지의 구조의 형성 관계는 도 12에 도시된 도면으로 설명한다.
도 12에서 투명 기판(201) 위에 상호간에 소정의 간격으로 이격되어 절연되도록 패터닝된 투명 전극(202)을 형성한다.
투명 전극(202)이 형성된 기판 위에 투명전도성 물질(203)을 비스듬히 증착시킨다.
투명전도성 물질(203)이 증착된 기판 위에 태양전지(반도체)층(204)을 형성한다.
태양전지층(204) 위에 금속을 비스듬히 증착하여 1차 금속이면전극(205)을 형성시킨 후, 1차 금속이면전극(205)을 마스크로 사용하여 태양전지층(204)을 식각한다.
태양전지층(204)이 식각된 기판에 금속을 비스듬히 증착하여 투명전도성 물질(203)과 연결되도록 2차 금속이면전극(206)을 형성하여 태양전지 셀이 전기적으로 직렬로 연결되도록 한다.
도 12의 (g)에 도시된 형태와 같이 본 발명에 따른 집적형 박막 태양전지는 투명 기판(201) 상에 투명 전극(202), 투명전도성 물질(203)과, 태양전지(반도체)층(204), 1차 금속이면전극(205), 2차 금속이면전극(206)이 차례대로 적층된 구조로 이루어져 있다.
즉, 투명 전극(202)은 좌우 인접하고 있는 투명 전극(202)간 절연되도록 패터닝되어 절연 간격이 형성되어 있다. 투명 전극(202)의 패터닝된 측부는 도시된 바와 같이 기판(201)과 직각일 수 있으나, 이에 한정하지 않고 일정 기울기를 갖는 경사 단면 또는 만곡된 경사 단면일 수 있다.
1차 금속이면전극(205) 위에 위치된 2차 금속이면전극(206)은 인접하고 있는 일방향의 투명전도성 물질(203)과 접촉되어 단위 소자 간 전기적으로 직렬로 연결되는 구조이다.
그 이외의 상세한 형성관계, 형성 내용 등은 “(3) 절연성 기판에 3번 경사 증착하는 집적형 태양전지”에서 설명한 것과 동일하므로 생략하기로 한다.
다만, “(3) 절연성 기판에 3번 경사 증착하는 집적형 태양전지”가 도시된 도 12에서의 제1 전도성 물질, 제2 전도성 물질, 제1 투명전도성 물질과 제2 투명전도성 물질은 “투명 기판에 3번 경사 증착하는 집적형 태양전지”에서의 투명전극, 투명전도성 물질, 1차 금속이면전극과 2차 금속이면전극에 각각 대응된다.
투명전극과 투명전도성 물질은 산화아연(Zinc Oxide (ZnO)), 산화주석(Tin Oxide (SnO2)), 산화인듐주석(Indium Tin Oxide (ITO)) 중 어느 하나 이상인 물질이다.
1차 금속이면전극과 2차 금속이면전극은 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au) 등과 같이 반사율이 높은 금속의 단일 금속이거나 또는 알루미늄(Al)/은(Ag)이 혼합된 다중 금속 재료은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 금(Au) 중 어느 하나 이상인 물질이다.
(8) 패터닝된 요철이 표면에 형성된 투명기판 기판에 3번 경사 증착하는 집적형 태양전지.
본 발명의 또 다른 실시예로 패터닝된 요철이 표면에 형성된 투명 기판을 사 용하는 경우에 3번 경사 증착함으로써 집적형 박막 태양전지의 구조의 형성 관계는 도 14에 도시된 도면으로 설명한다.
패터닝된 요철이 표면에 형성된 투명 기판(301) 위에 투명전도성 물질(302)을 비스듬히 증착시킨다.
투명전도성 물질(302)이 증착된 기판 위에 태양전지(반도체)층(303)을 형성한다.
태양전지층(303) 위에 금속을 비스듬히 증착하여 1차 금속이면전극(304)를 형성시킨 후, 1차 금속이면전극(304)을 마스크로 사용하여 태양전지층(303)을 식각한다.
태양전지층(303)이 식각된 기판에 금속을 비스듬히 증착하여 투명전도성 물질(302)과 연결되도록 2차 금속이면전극(305)을 형성하여 태양전기 셀이 전기적으로 직렬로 연결되도록 한다.
도 14의 (f)에 도시된 현태와 같이 본 발명에 따른 집적형 박막 태양전지는 요철이 형성된 투명 기판(301) 상에 투명전도성 물질(302), 태양전지(반도체)층(303), 1차 금속이면전극(304), 2차 금속이면전극(305)이 차례대로 적층된 구조로 이루어져 있다.
요철있는 기판에서 요철의 측부는 직각일 수 있으나, 이에 한정하지 않고 일정 기울기를 갖는 경사 단면 또는 만곡된 경사 단면일 수 있다.
1차 금속이면전극(304) 위에 위치된 2차 금속이면전극(305)은 인접하고 있는 일방향의 투명전도성 물질(302)과 접촉되어 단위 소자 간 전기적으로 직렬로 연결 되는 구조이다.
그 이외의 상세한 형성관계와 형성 내용 등은 “(5) 패터닝된 요철이 표면에 형성된 절연성 기판에 3번 경사 증착하는 집적형 태양전지.”에서 설명한 것과 동일하므로 생략하기로 한다.
다만,“ (5) 패터닝된 요철이 표면에 형성된 절연성 기판에 3번 경사 증착하는 집적형 태양전지.” 에서 전도성 물질, 제1 투명전도성 물질과 제2 투명전도성 물질은 “투명 기판에 3번 경사 증착하는 집적형 태양전지.”에서의 투명전도성 물질, 1차 금속이면전극과 2차 금속이면전극에 각각 대응된다.
투명전극과 투명전도성 물질은 산화아연(Zinc Oxide (ZnO)), 산화주석(Tin Oxide (SnO2)), 산화인듐주석(Indium Tin Oxide (ITO)) 중 어느 하나 이상인 물질이다.
1차 금속이면전극과 2차 금속이면전극은 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au) 등과 같이 반사율이 높은 금속의 단일 금속이거나 또는 알루미늄(Al)/은(Ag)이 혼합된 다중 금속 재료은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 금(Au) 중 어느 하나 이상인 물질이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 집적형 박막 태양전지의 단위 소자간 절연 간격을 기존의 레이저 패터닝 및 화학적 기화가공법에 비해 수십배 내지 수백배 이상 줄일 수 있어 태양전지의 유효 면적을 극대화할 수 있으며, 이에 따라 태 양전지의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 자기 정렬이 가능하여 정확한 위치제어장치가 불필요하고, 투명전극의 가공 시에는 인쇄법을 이용함으로써 레이저, 정밀위치제어시스템 등의 고가 장비가 불필요하여 이에 따른 제조 단가를 절감할 수 있으며, 투명전극 형성 후의 모든 공정이 진공 중에서 수행되기 때문에 대기 상태에 노출됨에 따른 태양전지의 성능 저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (44)

  1. (a) 기판 상에 인접하고 있는 상호 간 소정의 간격으로 이격되도록 패터닝된 전도성 물질을 형성하는 단계;
    (b) 상기 (a) 단계에 의한 기판 위에 태양전지(반도체)층을 형성하는 단계;
    (c) 상기 태양전지(반도체)층 위에 제1 투명전도성 물질을 비스듬히 증착하는 단계;
    (d) 상기 제1 투명전도성 물질을 마스크로 사용하여 상기 태양전지(반도체)층을 식각하는 단계; 및
    (e) 상기 (d) 단계에 의한 기판 위에 제2 투명전도성 물질을 비스듬히 증착하여 상기 전도성 물질과 상기 제1 투명전도성 물질을 전기적으로 연결시키는 단계;
    를 포함하는, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 전도성 물질은 투명전도성 물질 또는 금속성 물질인, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 투명전도성 물질은 산화아연(Zinc Oxide (ZnO)), 산화주석(Tin Oxide (SnO2)) 또는 산화인듐주석(Indium Tin Oxide (ITO)) 중 어느 하나 이상인, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 금속성 물질은 은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 금(Au) 중 어느 하나 이상인, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 (e) 단계에는 상호간 소정의 간격으로 이격되도록 금속으로 패터닝된 전극을 형성하는 단계가 더 포함되는, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 (a)단계는
    (a-1) 상기 기판 상에 박막의 전도성 물질을 형성하는 단계;
    (a-2) 상기 전도성 물질 위에 인쇄법을 이용하여 일정 거리 이격되게 포토레지스터(photoresister;PR) 또는 폴리머 띠를 도포하여 패턴을 이루는 단계 ;
    (a-3) 상기 도포된 포토레지스터 또는 폴리머 패턴을 마스크로 사용하여 상
    기 전도성 물질을 에칭하는 단계; 및
    (a-4) 상기 포토레지스터 또는 폴리머 패턴을 제거하는 단계;
    를 더 포함하는, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 (a-3)단계에서 전도성 물질의 에칭은 등방성 식각법을 이용하여 에칭된 단면이 만곡하게 경사진 단면인, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 (a-3)단계에서 전도성 물질의 에칭은 메사(mesa) 에칭하여 경사진 단면을 갖는, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 (a-3)단계에서 전도성 물질의 에칭은 이방성 식각법을 이용하여 상기 기판에 대해 수직 방향으로 에칭하는, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  10. 제7 항 또는 제8 항에 있어서,
    상기 (d) 단계는 상기 태양전지(반도체)층을 수직 방향으로 에칭하는, 집적형 박막 태양전지의 제조방법.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 (d) 단계는 상기 태양전지(반도체)층을 경사진 방향으로 경사 에칭하는, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 (e) 단계의 제2 투명전도성 물질의 증착은 전자빔 또는 열 증착에 의하여 이루어지며, 단위 소자간은 전기적으로 직렬 연결되도록 상기 전도성 물질과 접속시키는, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 기판은 전도성 기판 위에 절연막이 형성된 기판 또는 절연성 기판인, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  14. 제1 항의 박막 태양전지의 제조 방법에 의해 단위 소자 간 전기적으로 직렬 연결된, 집적형 박막 태양전지.
  15. (a) 기판 상에 인접하고 있는 상호간 소정의 간격으로 이격되도록 패터닝된 제1 전도성 물질을 형성하는 단계;
    (b) 상기 (a) 단계에 의한 기판 위에 제2 전도성 물질을 비스듬히 증착하는 단계;
    (c) 상기 (b) 단계에 의한 기판 위에 태양전지(반도체)층을 형성하는 단계;
    (d) 상기 태양전지(반도체)층 위에 제1 투명전도성 물질을 비스듬히 증착하 는 단계;
    (e) 상기 제1 투명전도성 물질을 마스크로 사용하여 상기 태양전지(반도체)층을 식각하는 단계; 및
    (f) 상기 (e) 단계에 의한 기판 위에 제2 투명전도성 물질을 비스듬히 증착하여 상기 제2 전도성 물질과 상기 제1 투명전도성 물질을 전기적으로 연결시키는 단계;
    를 포함하는, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 제1 전도성 물질과 제2 전도성 물질은 투명전도성 물질 또는 금속성 물질인, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  17. 제15 항 또는 제16 항에 있어서,
    상기 투명전도성 물질은 산화아연(Zinc Oxide (ZnO)), 산화주석(Tin Oxide (SnO2)) 또는 산화인듐주석(Indium Tin Oxide (ITO)) 중 어느 하나 이상인, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  18. 제16 항에 있어서,
    상기 금속성 물질은 은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 금(Au) 중 어느 하나 이상 인, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  19. 제15 항에 있어서,
    상기 (f) 단계에는 상호간 소정의 간격으로 이격되도록 금속으로 패터닝된 전극을 형성하는 단계가 더 포함되는, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  20. 제15 항에 있어서,
    상기 (f) 단계의 제2 투명전도성 물질의 증착은 전자빔 또는 열 증착에 의하여 이루어지며, 단위 소자간은 전기적으로 직렬 연결되도록 상기 제2 전도성 물질과 접속시키는, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  21. 제15 항에 있어서,
    상기 기판은 전도성 기판 위에 절연막이 형성된 기판 또는 절연성 기판인, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  22. 제15 항의 박막 태양전지의 제조 방법에 의해 단위 소자간 전기적으로 직렬 연결된, 집적형 박막 태양전지.
  23. (a) 상호간 소정의 간격으로 이격된 요철이 형성된 기판 상에 전도성 물질을 비스듬히 증착하는 단계;
    (b) 상기 (a) 단계에 의한 기판 위에 태양전지(반도체)층을 형성하는 단계;
    (c) 상기 태양전지(반도체)층 위에 제1 투명전도성 물질을 비스듬히 증착하는 단계;
    (d) 상기 제1 투명전도성 물질을 마스크로 사용하여 상기 태양전지(반도체)층을 식각하는 단계; 및
    (e) 상기 (d) 단계에 의한 기판 위에 제2 투명전도성 물질을 비스듬히 증착하여 상기 제1 투명전도성 물질과 상기 전도성 물질을 전기적으로 연결시키는 단계;
    를 포함하는, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  24. 제23 항에 있어서,
    상기 전도성 물질은 투명전도성 물질 또는 금속성 물질인, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  25. 제23 항 또는 제24 항에 있어서,
    상기 투명전도성 물질은 산화아연(Zinc Oxide (ZnO)), 산화주석(Tin Oxide (SnO2)) 또는 산화인듐주석(Indium Tin Oxide (ITO)) 중 어느 하나 이상인, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  26. 제24 항에 있어서,
    상기 금속성 물질은 은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 금(Au) 중 어느 하나 이상인, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  27. .제23 항에 있어서,
    상기 절연성 기판의 요철은 핫-엠보싱(hot-embossing)법으로 형성된, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  28. 제23 항에 있어서,
    상기 (e) 단계에는 상호간 소정의 간격으로 이격되도록 금속으로 패터닝된 전극을 형성하는 단계가 더 포함되는, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  29. 제23항에 있어서,
    상기 (e) 단계의 제2 투명전도성 물질의 증착은 전자빔 또는 열 증착에 의하여 이루어지며, 단위 소자간은 전기적으로 직렬 연결되도록 상기 전도성 물질과 접속시키는, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  30. 제23 항에 있어서,
    상기 기판은 전도성 기판 위에 절연막이 형성된 기판 또는 절연성 기판인, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  31. 제23항의 박막 태양전지의 제조 방법에 의해 단위 소자간 전기적으로 직렬 연결된, 집적형 박막 태양전지.
  32. (a) 투명 기판 상에 인접하고 있는 상호간 소정의 간격으로 이격되도록 패터닝된 투명전극을 형성하는 단계;
    (b) 상기 (a) 단계에 의한 기판 위에 투명전도성 물질을 비스듬히 증착하는 단계;
    (c) 상기 (b) 단계에 의한 기판 위에 태양전지(반도체)층을 형성하는 단계;
    (d) 상기 태양전지(반도체)층 위에 금속을 비스듬히 증착하여 1차 금속이면전극을 형성하는 단계;
    (e) 상기 1차 금속이면전극을 마스크로 사용하여 상기 태양전지(반도체)층을 식각하는 단계; 및
    (f) 상기 (e) 단계에 의한 기판 위에 금속을 비스듬히 증착하여 상기 투명전도성 물질과 상기 1차 금속이면전극이 전기적으로 연결되도록 2차 금속이면전극을 형성하는 단계;
    를 포함하는, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  33. 제32 항에 있어서,
    상기 투명전도성 물질은 산화아연(Zinc Oxide (ZnO)), 산화주석(Tin Oxide (SnO2)) 또는 산화인듐주석(Indium Tin Oxide (ITO)) 중 어느 하나 이상인, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  34. 제32 항에 있어서,
    상기 금속은 은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 금(Au) 중 어느 하나 이상인, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  35. 제32 항에 있어서,
    상기 (f) 단계의 금속 증착은 전자빔 또는 열 증착에 의하여 이루어지며, 상기 금속 증착시 단위 소자간은 전기적으로 직렬 연결되도록 상기 투명전극과 접속시키는, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  36. 제32 항에 있어서,
    상기 투명 기판은 전도성 기판 위에 절연막이 형성된 기판 또는 절연성 기판인, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  37. 제32 항의 박막 태양전지의 제조 방법에 의해 단위 소자간 전기적으로 직렬 연결된, 집적형 박막 태양전지.
  38. (a) 상호간 소정의 간격으로 이격된 요철이 형성된 투명 기판 상에 투명전도성 물질을 비스듬히 증착하는 단계;
    (b) 상기 (a) 단계에 의한 기판 위에 태양전지(반도체)층을 형성하는 단계;
    (c) 상기 태양전지(반도체)층 위에 금속을 비스듬히 증착하여 1차 금속이면전극을 형성하는 단계;
    (d) 상기 1차 금속이면전극을 마스크로 사용하여 상기 태양전지(반도체)층을 식각하는 단계; 및
    (e) 상기 (d) 단계에 의한 기판 위에 금속을 비스듬히 증착하여 상기 투명전도성 물질과 상기 1차 금속이면전극이 전기적으로 연결되로록 2차 금속이면전극을 형성하는 단계;
    를 포함하는, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  39. 제38 항에 있어서,
    상기 투명전도성 물질은 산화아연(Zinc Oxide (ZnO)), 산화주석(Tin Oxide (SnO2)) 또는 산화인듐주석(Indium Tin Oxide (ITO)) 중 어느 하나 이상인, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  40. 제38 항에 있어서,
    상기 금속은 은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 금(Au) 중 어느 하나 이상인, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  41. 제38 항에 있어서,
    상기 절연성 기판의 요철은 핫-엠보싱(hot-embossing)법으로 형성된, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  42. 제38 항에 있어서,
    상기 (e) 단계의 금속 증착은 전자빔 또는 열 증착에 의하여 이루어지며, 금속 증착시 단위 소자간은 전기적으로 직렬 연결되도록 상기 투명전도성 물질과 접속시키는, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  43. 제38 항에 있어서,
    상기 기판은 전도성 기판 위에 절연막이 형성된 기판 또는 절연성 기판인, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  44. 제38 항의 박막 태양전지의 제조 방법에 의해 단위 소자 간 전기적으로 직렬 연결된, 집적형 박막 태양전지.
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