KR100725110B1 - 투과형 집적형 박막 태양전지 및 그 제조 방법. - Google Patents

투과형 집적형 박막 태양전지 및 그 제조 방법. Download PDF

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Abstract

본 발명은 박막 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제조 공정에서 발생하는 태양전지의 손실을 최소화하고 저가의 공정으로도 가능한 박막 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 투과형 집적형 박막 태양전지 및 그 제조 방법은, 투명기판상에 상기 투명기판을 통과하는 빛이 상술한 투명기판을 직접 통과할 수 있는 소정의 공간을 포함하도록 제1 전도성 물질을 형성하는 단계, 상술한 상기 단계 위에 태양전지(반도체)층을 형성하는 단계, 상술한 단계 위에 제2 전도성 물질을 비스듬히 증착하는 단계 및 상술한 제2 전도성 물질을 마스크로 사용하여 상술한 태양전지층을 식각(etching)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 이루어진다.
태양전지, 단위셀, 증발, 증착, 투명전극, 인쇄법, 경사면, 식각

Description

투과형 집적형 박막 태양전지 및 그 제조 방법.{PASS-THROUGH INTEGRATED THIN-FILM SOLAR CELLS AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF}
도 1은 종래의 집적형 박막 태양전지의 단위셀 구조를 나타낸 도면이고, 도 2는 종래의 집적형 박막 태양전지용 투명전극, 태양전지(반도체)층, 금속이면(裏面)전극을 가공하기 위한 레이저 패터닝(laser patterning) 공정을 도시한 일 실시예이다.
도 2는 종래의 집적형 박막 태양전지용 투명전극, 태양전지층, 금속이면전극을 가공하기 위한 레이저 패터닝 공정을 도시한 일실시예이다.
도 3은 본 발명에 따른 투과형 집적형 태양전지 셀의 구조를 설명하기 위하여 도시한 것이다.
도 4a은 본 발명의 제1 실시예에 따른 기판에 형성되는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 도시한 단면이다.
도 4b은 본 발명의 제1 실시예의 변형된 실시예로 기판에 형성되는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 도시한 단면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 기판에 형성되는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 도시한 단면이다.
도 6a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 기판에 형성되는 집적형 박막 태양전 지의 구조와 형성과정을 도시한 단면이다.
도 6b는 본 발명의 제3 실시예의 변형된 실시예로 기판에 형성되는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 도시한 단면이다.
도 7a는 본 발명의 제4 실시예에 따른 기판에 형성되는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 도시한 단면이다.
도 7b는 본 발명의 제4 실시예의 변형된 실시예로 기판에 형성되는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 도시한 단면이다.
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 기판에 형성되는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 도시한 단면이다.
도 9는 본 발명의 제6 실시예에 따른 기판에 형성되는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 도시한 단면이다.
본 발명은 박막 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제조 공정에서 발생하는 태양전지의 손실을 최소화하고 저가의 공정으로도 가능한 박막 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 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 활용되어오고 있다.
그러나, 최근에는 벌크형 실리콘 태양전지의 수요가 급증함에 따라 원료의 부족 현상으로 가격이 상승하려는 추세에 있다. 이에 대규모 지상 전력용 태양전 지의 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 단위셀 구조를 나타낸 도면이고, 도 2는 종래의 집적형 박막 태양전지용 투명전극, 태양전지(반도체)층, 금속이면(裏面)전극을 가공하기 위한 레이저 패터닝(laser patterning) 공정을 도시한 일 실시예이다.
도시된 바와 같이, 종래의 집적형 박막 태양전지(1)는 유리 기판이나 투명 플라스틱 기판(10; 이하 '투명기판'이라 함) 상에 복수의 단위셀(20)이 직렬로 연결되어 단위셀화된 구조로 이루어진다.
따라서, 집적형 박막 태양전지의 단위셀은, 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 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 사 용되고 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 2는 종래의 집적형 박막 태양전지용 투명전극, 태양전지층, 금속이면전극을 가공하기 위한 레이저 패터닝 공정을 도시한 일실시예이다.
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 직렬로 연결시켜 집적형 태양전지 단위셀을 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 연속적 인 공정을 할 수가 없으므로 제조 장치의 가동 효율이 떨어지게 된다. 결국, 이러한 공정은 태양전지의 가격을 올리는 요인으로 작용될 수 밖에 없다. 또한, 태양전지(1)층의 식각을 위해 기판이 대기 중에 노출되기 때문에 수분 및 오염물질의 부착에 의해 태양전지 단위셀의 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 태양전지 단위셀을 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 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 운전 코스트가 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 사용되는 ZnO를 식각하기 위해서는 레이저 패터닝 장비 및 정확한 위치 제어를 위한 정밀위치제어장치 등이 필요한 문제점이 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 집적형 박막 태양전지의 단위소자간 절연 간격을 줄여 태양전지의 유효면적을 넓히고, 투명전극 형성 후의 모든 공정이 진공 중에서 수행되도록 하며, 간단한 공정으로 태양전지의 단위소자를 직렬 연결하여 단위셀화된 집적형 박막 태양전지를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 전술한 집적형 박막 태양전지를 제조하는 경우 단위셀의 성능 저하를 방지하고 제조 단가를 절감하기 위한 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 전술한 집적형 박막 태양전지를 제조하는 경우, 단위셀의 성능 저하가 무시할 수 있을 정도로 작으면서도 원하는 고전압을 하나의 단위셀에서 얻을 수 있는 방법을 제공하는 데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 투과형 집적형 박막 태양전지 및 그 제조 방법은 (a) 투명기판상에 상기 투명기판을 통과하는 빛이 상기 투명기판을 직접 통과할 수 있는 소정의 공간을 포함하도록 제1 전도성 물질을 형성하는 단계; (b) 상기 (a)단계 후, 태양전지(반도체)층을 형성하는 단계; (c) 상기 (b)단계 후, 제2 전도성 물질을 비스듬히 증착하는 단계; 및 (d) 상기 제2 전도성 물질을 마스크로 사용하여 상기 태양전지층을 식각(etching)하는 단계;를 포함하는것을 특징으로 한다.
여기서, 상술한 (a) 단계의 상기 제1 전도성 물질은 상기 투과형 집적형 태양전지 셀 내에서 전기적으로 도통되는 하나의 도체가 되도록 상기 소정의 공간을 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상술한 (a) 단계의 상기 제1 전도성 물질은 상기 투과형 집적형 태양전지 셀의 상호 대칭되는 경계면에 소정의 간격만큼 연장되어 형성되는 것이 바람직하다.
여기서, 상술한 (a) 단계의 상기 소정의 공간은 6각형 모양인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 투과형 집적형 박막 태양전지 및 그 제조 방법은 2개 이상의 투과형 집적형 태양전지 셀을 전기적으로 연결하는 방법에 있어서, (a) 투명기판상에 패터닝된 제1 전도성 물질을 형성하는 단계; (b) 인접하는 상기 셀 중 어느 하나의 셀과 상기 제1 전도성 물질의 일 부분이 전기적으로 연결되고, 소정의 간격으로 이격되도록 패터닝된 제2 전도성 물질을 형성하는 단계; (c) 태양전지층을 형성하는 단계; (d) 제3 전도성 물질을 비스듬히 증착하는 단계; (e) 상기 제3 전도성 물질을 마스크로 사용하여 상기 태양전지층을 식각하는 단계; 및 (f) 상기 제1 전도성 물질과 상기 제3 전도성 물질을 전기적으로 연결하도록 제4 전도성 물질을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상술한 제1, 제3 및 제4 전도성 물질은 금속의 전도성 물질인 것이 바람직하다.
여기서, 상술한 제2 전도성 물질은 투명한 전도성 물질인 것이 바람직하다.
여기서, 상술한 (b) 단계는 상기 제1 전도성 물질 위에 상기 패터닝된 제2 전도성 물질과 이격되도록 상기 제2 전도성 물질의 더미 패턴이 더 형성되는 것이 바람직하다.
여기서, 상술한 (d) 단계의 제3 전도성 물질의 증착은 전자빔 또는 열증착에 의하여 이루어지는 것이 바람직하다.
여기서, 상술한 (f) 단계의 전기적 연결은 상기 제1 전도성 물질과 상기 제3 전도성 물질이 전기적으로 직렬 연결인 것이 바람직하다.
여기서, 상술한 (f) 단계의 제4 전도성 물질은 금속 마스크(metal mask), 잉크젯(ink jet), 스크린 인쇄(screen printing), 나노 임프린트(nano imprint) 또는 스탬핑(stamping) 중 어느 하나의 방법을 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 투과형 집적형 박막 태양전지 및 그 제조 방법은 2개 이상의 투과형 집적형 태양전지 셀을 전기적으로 연결하는 방법에 있어서, (a) 투명기판상에 소정의 간격으로 이격되도록 패터닝된 제1 전도성 물질을 형성하는 단계; (b) 인접하는 상기 셀 중 어느 하나의 셀과 상기 제1 전도성 물질의 일 부분이 전기적으로 연결되도록 패터닝된 제2 전도성 물질을 형성하는 단계; (c) 태양전지 층을 형성하는 단계; (d) 제3 전도성 물질을 비스듬히 증착하는 단계; (e) 상기 제3 전도성 물질을 마스크로 사용하여 상기 태양전지층을 식각하는 단계; 및 (f) 상기 제2 전도성 물질과 상기 제3 전도성 물질을 전기적으로 연결하도록 제4 전도성 물질을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상술한 제1 전도성 물질은 투명한 전도성 물질인 것이 바람직하다.
여기서, 상술한 제2, 제3 및 제4 전도성 물질은 금속의 전도성 물질인 것이 바람직하다.
여기서, 상술한 (d) 단계의 제3 전도성 물질의 증착은 전자빔 또는 열증착에 의하여 이루어지는 것이 바람직하다.
여기서, 상술한 (f) 단계의 전기적 연결은 상기 제2 전도성 물질과 상기 제3 전도성 물질이 전기적으로 직렬 연결인 것이 바람직하다.
여기서, 상술한 (f) 단계의 제4 전도성 물질은 금속 마스크, 잉크젯, 스크린 인쇄, 나노 임프린트 또는 스탬핑 중 어느 하나의 방법을 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 투과형 집적형 박막 태양전지 및 그 제조 방법은 2개 이상의 투과형 집적형 태양전지 셀을 전기적으로 연결하는 방법에 있어서, (a) 투명기판상에 소정의 간격으로 이격되도록 패터닝된 제1 전도성 물질을 형성하는 단계; (b) 태양전지층을 형성하는 단계; (c) 제2 전도성 물질을 비스듬히 증착하는 단계; (d) 상기 제2 전도성 물질을 마스크로 사용하여 상기 태양전지층을 식각하는 단계; 및 (e) 상기 제1 전도성 물질과 상기 제2 전도성 물질을 전기적으로 연결하 도록 제3 전도성 물질을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상술한 제1 전도성 물질은 투명한 전도성 물질인 것이 바람직하다.
여기서, 상술한 제2 및 제3 전도성 물질은 금속의 전도성 물질인 것이 바람직하다.
여기서, 상술한 (a) 단계의 패터닝된 제1 전도성 물질의 일부분은 단차가 있도록 형성되는 것이 바람직하다.
여기서, 상술한 단차는 양각, 음각 중 어느 하나의 형태인 것이 바람직하다.
여기서, 상술한 단차는 졸겔(sol-gel)법과 나노-임프린트(nano-imprint) 또는 인쇄법(printing) 중 어느 하나의 방법에 의하여 형성되는 것이 바람직하다.
여기서, 상술한 (c) 단계의 제2 전도성 물질의 증착은 전자빔 또는 열증착에 의하여 이루어지는 것이 바람직하다.
여기서, 상술한 (e) 단계의 전기적 연결은 상기 제1 전도성 물질과 상기 제2 전도성 물질이 전기적으로 직렬 연결인 것이 바람직하다.
여기서, 상술한 (e) 단계의 제3 전도성 물질은 금속 마스크, 잉크젯, 스크린 인쇄, 나노 임프린트 또는 스탬핑 중 어느 하나의 방법을 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 투과형 집적형 박막 태양전지 및 그 제조 방법은 2개 이상의 투과형 집적형 태양전지 셀을 전기적으로 연결하는 방법에 있어서, (a) 투명기판상에 패터닝된 제1 전도성 물질을 형성하는 단계; (b) 소정의 간격으로 이격되도록 패터닝된 제2 전도성 물질을 형성하는 단계; (c) 상기 (b)단계 후, 태양전지층을 형성하는 단계; (d) 상기 (c)단계 후, 제3 전도성 물질을 비스듬히 증착하는 단계; (e) 상기 (d)단계 후, 제4 전도성 물질을 비스듬히 증착하는 단계; (f) 상기 제3 전도성 물질 및 제4 전도성 물질을 마스크로 사용하여 상기 태양전지층을 식각하는 단계; 및 (g) 상기 제1 전도성 물질과 상기 제3 전도성 물질을 전기적으로 연결하도록 제5 전도성 물질을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상술한 제1, 제3 및 제5 전도성 물질은 금속의 전도성 물질인 것이 바람직하다.
여기서, 상술한 (d) 단계의 제3 전도성 물질의 증착은 전자빔 또는 열증착에 의하여 이루어지는 것이 바람직하다.
여기서, 상술한 (g) 단계의 전기적 연결은 상기 제1 전도성 물질과 상기 제3 전도성 물질이 전기적으로 직렬 연결인 것이 바람직하다.
여기서, 상술한 (g) 단계의 제5 전도성 물질은 금속 마스크(metal mask), 잉크젯(ink jet), 스크린 인쇄(screen printing), 나노 임프린트(nano imprint) 또는 스탬핑(stamping) 중 어느 하나의 방법을 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 투과형 집적형 박막 태양전지 및 그 제조 방법은 2개 이상의 투과형 집적형 태양전지 셀을 전기적으로 연결하는 방법에 있어서, (a) 투명기판상에 패터닝된 제1 전도성 물질을 형성하는 단계; (b) 인접하는 상기 셀 중 어느 하나의 셀과 상기 제1 전도성 물질의 일 부분이 전기적으로 연결되고, 소정의 간격으로 이격되도록 패터닝된 제2 전도성 물질을 형성하는 단계; (c) 상기 (b)단계 후, 태양전지층을 형성하는 단계; (d) 상기 (c)단계 후, 제3 전도성 물질을 비스듬히 증착하는 단계; (e) 상기 제3 전도성 물질을 마스크로 사용하여 상기 태양전지층을 식각하는 단계; 및 (f) 상기 (d)단계 후, 상기 제1 전도성 물질과 상기 제3 전도성 물질을 전기적으로 연결하도록 제4 전도성 물질을 비스듬히 증착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 투과형 집적형 태양전지 셀의 구조를 설명하기 위하여 도시한 것이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 투과형 집적형 태양전지의 단위셀(300)은 투광부(310), 태양전지부(320) 및 접속부(301, 302, 303)를 포함한다.
여기서, 투광부(310)는 일정한 크기로 형성되며, 하나 이상의 투광 구멍을 포함한다.
즉, 태양광 발전이 수행되는 다수의 태양전지부(320)를 전기적으로 연결하며, 연결시 태양전지부(320)의 모양을 6각형으로 형성하여 태양전지부(320)간 연결이 직렬연결되도록 하여 하나의 단위셀(300)로 형성된다.
이러한 단위셀(300)은 다시 각각의 단위셀(300)이 상호 연결이 가능하도록 접속부(301, 302, 303)을 단위셀(300)의 외각부분에 형성된다.
이러한 구조에 의하여 각각 단위셀(300)이 상호 연결되어 태양전지판이 형성되며, 본 발명에 따른 투과형 집적형 태양전지 셀의 구조는 (a) 투명기판상에 투명기판을 통과하는 빛이 투명기판을 직접 통과할 수 있는 소정의 공간을 포함하도록 제1 전도성 물질을 형성한다.
여기서, 상술한 제1 전도성 물질은 투과형 집적형 태양전지 셀 내에서 전기적으로 도통 되는 하나의 도체가 되도록 소정의 공간을 포함하고, 제1 전도성 물질은 투과형 집적형 태양전지 셀의 상호 대칭되는 경계면에 소정의 간격만큼 연장되어 형성된다.
또한, 상술한 소정의 공간은 6각형 모양이 되어 상호연결이 용이하게 된다.
(b) 상술한 물질 위에 태양전지(반도체)층을 형성한다.
(c) 상술한 태양전지(반도체)층 위에 제2 전도성 물질을 비스듬히 증착한다.
(d) 상술한 제2 전도성 물질을 마스크로 사용하여 태양전지층을 식각한다.
이러한 구조에 의하여, 태양전지부(320)을 형성하는 과정을 설명하였고, 태 양전지부(320)이 다수 형성되는 단위셀(300)간의 연결은 단위셀(300)간 연결을 위하여 금속선을 투명기판상에 깔고 태양전지 셀의 공정과 같은 방법으로 형성하게 된다.
도 4a은 본 발명의 제1 실시예에 따른 기판에 형성되는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 도시한 단면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 기판에 형성되는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 살펴보면 다음과 같다.
기판(401)상에 일정한 폭을 갖고 소정의 간격으로 패터닝된 제1 전도성 물질(402)을 형성한다(400A).
여기서, 기판(401)은 투명(transparent) 기판을 사용하며, 제1 전도성 물질(402)은 금속물질로 주성분은 니켈(Ni), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 텅스턴(W), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 금(Au) 중 어느 하나를 사용한다.
소정의 간격으로 이격되도록 패터닝된 제2 전도성 물질(403)을 형성한다(400B).
여기서, 제2 전도성 물질(403)을 패터닝하는 공정은 기판(401) 상에 박막으로 제2 전도성 물질(403)을 형성하고, 제2 전도성 물질(403) 위에는 인쇄법으로 포토레지스터(photoresist)(미도시) 또는 폴리머(미도시)를 도포하되, 인쇄되는 포토레지스터(미도시) 또는 폴리머(미도시)의 점도 크기를 조절하여 상호 간 일정 거리 이격되게 도포한다.
도포 후, 포토레지스터(미도시) 또는 폴리머(미도시)를 마스크로 사용하여 제2 전도성 물질(403)을 식각한 다음 포토레지스터(미도시) 또는 폴리머(미도시)를 제거한다.
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, 제2 전도성 물질(403)을 식각하는 경우에는 식각하는 방식에 따라 이방성(anisotropic) 또는 등방성(isotropic) 식각법을 이용하는데, 등방성 식각법을 통한 제2 전도성 물질(403)은 양측부가 곡선으로 만곡된 경사면이고 하부로 갈수록 그 너비가 점점 커지는 패턴으로 형성될 수 있다. 또한, 이방성 식각법을 이용하면 제2 전도성 물질(403)은 기판(401)과 수직한 단면 또는 일정한 기울기를 갖는 경사진 단면을 갖는 패턴으로 형성할 수 있다.
게다가, 제2 전도성 물질(403)을 패터닝하기 위한 상술한 방법 이외에, 소정 포토레지스터가 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 있 다. 이러한 방법은 마스크 작업에 의한 식각 공정 없이 띠 모양으로 패턴화된 전도성 물질을 저온 공정으로 직접 형성하는 것이 가능하다.
이와 같이, 각 인쇄법의 원리를 이용하여 본 발명의 제2 전도성 물질(403)을 식각하는 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.
여기서, 상술한 제2 전도성 물질(403)을 패터닝하여 식각하는 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 물질을 지칭한다.
여기서, 제2 전도성 물질(403)은 투명한 전도성 물질로 주성분은 산화아연(Zinc Oxide; ZnO), 산화주석(Tin Oxide; SnO2) 또는 산화인듐주석(Indium Tin Oxide; ITO) 중 어느 하나를 사용한다.
여기서, 소정의 간격으로 이격된 제2 전도성 물질(403)은 제1 패턴(410)과 제2 패턴(420)으로 패터닝되어, 각각의 제1 패턴(410)과 제2 패턴(420)도 태양전지로 형성된다. 즉, 각각의 패터닝된 영역(410, 420)의 태양전지를 전기적으로 직렬연결하되 접촉저항을 줄이기 위한 방법을 제시하는 것이다.
태양전지(404)층을 형성한다(400C).
여기서, 태양전지는 실리콘계 태양전지, 화합물계 태양전지, 유기물계 태양 전지, 또는 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), 또는 비정질 실리콘/마이크로결정 실리콘(다결정 실리콘) 이중접합 태양전지(amorphous silicon/microcrystalline(poly) silicon double junction solar cell) 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다.
제3 전도성 물질(405)을 비스듬히 증착한다(400D).
여기서, 전자빔 또는 열증착 등의 증착법을 이용하여 제3 전도성 물질(405)을 비스듬히 증착시킨다.
이때, 제3 전도성 물질(405)은 산화아연(Zinc Oxide; ZnO), 산화주석(Tin Oxide; SnO2), 또는 산화인듐주석(Indium Tin Oxide; ITO) 중 어느 하나 이상인 투명 전도성 물질인 것이 바람직하다.
따라서, 전자빔 또는 열 증착기를 통해 제1 입사각(θ1)만큼 비스듬히 증착시키면 증착의 직진성에 의하여 제3 전도성 물질(405)이 태양전지층(404) 위에 얇 은 박막으로 증착되고, 일부분(d1)에는 제3 전도성 물질(405)이 형성되지 않는다. 여기서, 이러한 일부분(d1)은 하기 단계에서 식각되는 구간이다.
상술한 제3 전도성 물질(405)을 마스크로 사용하여 태양전지층(404)을 수직 식각(etching)한다(400E).
여기서, 반응성 이온 식각법(Reactive Ion Etching; RIE) 등과 같은 건식 식각 공정을 이용하는 것이 바람직하다.
이러한 방법에 의하여, 특수한 마스크가 필요없이 태양전지층(404)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 수십 내지 수백 배 이상 줄일 수 있어 태양전지의 유효 면적을 극대화할 수 있다.
상술한 제1 패턴(410)의 제1 전도성 물질(402)과 제2 패턴(420)의 제3 전도성 물질(405)을 전기적으로 연결하도록 제4 전도성 물질(406)을 형성한다(400F).
여기서, 제4 전도성 물질(406)을 패터닝하기 위하여 금속 마스크(metal mask), 잉크젯(ink jet), 스크린 인쇄(screen printing), 나노 임프린트(nano imprint) 또는 스탬핑(stamping) 중 어느 하나의 방법을 이용한다.
여기서, 제1 패턴(410)의 패터닝된 제1 전도성 물질(402)은 제2 전도성 물질(403)에 접촉저항이 작아지도록 직접 접촉되고, 제4 전도성 물질(406)은 제2 패턴(420)의 패터닝된 제1 도전성 물질(402)상에 증착된 제3 전도성 물질(405)에 접촉 저항이 작아지도록 직접 접촉된다.
이러한 구조에 의하여, 제1 패턴(410)에 패터닝된 태양전지와 제2 패턴(420)에 패터닝된 태양전지는 전기적으로 직렬연결되는 구조가 되어 비교적 간단한 공정을 통해 집적형 박막 태양전지 단위셀화가 가능하게 된다.
도 4b은 본 발명의 제1 실시예의 변형된 실시예로 기판에 형성되는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 도시한 단면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예의 변형된 실시예로 기판에 형성되는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 살펴보면 다음과 같다.
기판(401)상에 일정한 폭을 갖고 소정의 간격으로 패터닝된 제1 전도성 물질(402)을 형성한다(400A).
여기서, 기판(401)은 투명 기판을 사용하며, 제1 전도성 물질(402)은 금속의 전도성 물질로 주성분은 니켈(Ni), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 텅스턴(W), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 금(Au) 중 어느 하나를 사용한다.
소정의 간격으로 이격되도록 패터닝된 제2 전도성 물질(403)을 형성한다(400B).
여기서, 제2 전도성 물질(403)을 패터닝하는 공정은 기판(401) 상에 박막으로 제2 전도성 물질(403)을 형성하고, 제2 전도성 물질(403) 위에는 인쇄법으로 포토레지스터(미도시) 또는 폴리머(미도시)를 도포하되, 인쇄되는 포토레지스터(미도시) 또는 폴리머(미도시)의 점도 크기를 조절하여 상호 간 일정 거리 이격되게 도 포한다.
도포 후, 포토레지스터(미도시) 또는 폴리머(미도시)를 마스크로 사용하여 제2 전도성 물질(403)을 식각한 다음 포토레지스터(미도시) 또는 폴리머(미도시)를 제거한다.
이때, 사용되는 인쇄법은 인쇄 장치가 가장 간단하고 염가의 공정으로 간편하게 패턴화된 포토레지스터 또는 폴리머 박막을 도포할 수 있는 스크린 인쇄법 또는 가장 고정세한 패턴 형성이 가능한 그라비아 인쇄법 등을 이용한다.
그리고, 제2 전도성 물질(403)을 식각하는 경우에는 식각하는 방식에 따라 이방성(anisotropic) 또는 등방성(isotropic) 식각법을 이용하는데, 등방성 식각법을 통한 제2 전도성 물질(403)은 양측부가 곡선으로 만곡된 경사면이고 하부로 갈수록 그 너비가 점점 커지는 패턴으로 형성될 수 있다. 또한, 이방성 식각법을 이용하면 제2 전도성 물질(403)은 기판(401)과 수직한 단면 또는 일정한 기울기를 갖는 경사진 단면을 갖는 패턴으로 형성할 수 있다.
게다가, 제2 전도성 물질(403)을 패터닝하기 위한 상술한 방법 이외에, 소정 포토레지스터가 빛을 받으면 화학반응을 일으켜서 성질이 변화하는 원리를 이용한 사진식각법을 활용함으로써 인쇄법에 의해 도포된 폴리머 대신에 포토레지스터를 형성하여 구현할 수도 있다.
또한, 전도성 물질막 제조용 원료를 함유한 졸-겔 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.
이와 같이, 각 인쇄법의 원리를 이용하여 본 발명의 제2 전도성 물질(403)을 식각하는 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.
여기서, 상술한 제2 전도성 물질(403)을 패터닝하여 식각하는 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 물질을 지칭한다.
여기서, 제2 전도성 물질(403)은 투명한 전도성 물질로 주성분은 산화아연, 산화주석 또는 산화인듐주석 중 어느 하나를 사용한다.
여기서, 소정의 간격으로 이격된 제2 전도성 물질(403)은 제1 패턴(410), 제2 패턴(420) 및 더미 패턴(430)으로 패터닝되어, 각각의 제1 패턴(410)과 제2 패턴(420)도 태양전지로 형성된다. 여기서, 더미 패턴(430)은 제1 패턴(410)과 제2 패턴(420)이 공정상에 전기적으로 단락되는 것을 방지하기 위하여 소정의 간격을 형성한다. 또한, 각각의 패터닝된 영역(410, 420)의 태양전지를 전기적으로 직렬연결하되 각각의 접촉저항을 줄이기 위한 방법을 제시하는 것이다.
태양전지(404)층을 형성한다(400C).
여기서, 태양전지는 실리콘계 태양전지, 화합물계 태양전지, 유기물계 태양 전지, 또는 건식 염료 감응형 태양전지 중 어느 하나 이상을 이용할 수 있다.
이 중 실리콘계 태양전지는 비정질 실리콘 단일접합 태양전지, 비정질 실리콘 다중접합 태양전지, 비정질 실리콘게르마늄 단일접합 태양전지, 비정질 실리콘/비정질 실리콘게르마늄 이중접합 태양전지, 비정질 실리콘/비정질 실리콘게르S마늄/비정질 실리콘게르마늄 삼중접합 태양전지, 또는 비정질 실리콘/마이크로결정 실리콘(다결정 실리콘) 이중접합 태양전지 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다.
제3 전도성 물질(405)을 비스듬히 증착한다(400D).
여기서, 전자빔 또는 열증착 등의 증착법을 이용하여 제3 전도성 물질(405)을 비스듬히 증착시킨다.
이때, 제3 전도성 물질(405)은 산화아연, 산화주석, 또는 산화인듐주석 중 어느 하나 이상인 투명 전도성 물질인 것이 바람직하다.
따라서, 전자빔 또는 열 증착기를 통해 제2 입사각(θ2)만큼 비스듬히 증착시키면 증착의 직진성에 의하여 제3 전도성 물질(405)이 태양전지층(404) 위에 얇은 박막으로 증착되고, 일부분(d21, d22)에는 제3 전도성 물질(405)이 형성되지 않는다. 여기서, 이러한 일부분(d21, d22)은 하기 단계에서 식각되는 구간이다.
상술한 제3 전도성 물질(405)을 마스크로 사용하여 태양전지층(404)을 수직 식각한다(400E).
여기서, 반응성 이온 식각법 등과 같은 건식 식각 공정을 이용하는 것이 바 람직하다.
이러한 방법에 의하여, 특수한 마스크가 필요없이 태양전지층(404)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 수십 내지 수백 배 이상 줄일 수 있어 태양전지의 유효 면적을 극대화할 수 있다.
상술한 더미 패턴(430)의 제1 전도성 물질(402)과 제2 패턴(420)의 제3 전도성 물질(405)을 전기적으로 연결하도록 제4 전도성 물질(406)을 형성한다(400F).
여기서, 제4 전도성 물질(406)을 패터닝하기 위하여 금속 마스크, 잉크젯, 스크린 인쇄, 나노 임프린트 또는 스탬핑 중 어느 하나의 방법을 이용한다.
여기서, 제1 전도성 물질(402)는 제1 패턴(410)의 패터닝된 제2 전도성 물질(403)에 접촉저항이 작아지도록 직접 접촉되고, 제4 전도성 물질(406)은 더미 패턴(430)의 패터닝된 제2 전도성 물질(403)과 제2 패턴(420)의 패터닝된 제3 전도성 물질(405)에 접촉저항이 작아지도록 직접 접촉된다.
이러한 구조에 의하여, 제1 패턴(410)에 패터닝된 태양전지와 제2 패턴(420)에 패터닝된 태양전지는 전기적으로 직렬연결되며, 더미 패턴(430)은 제1 패턴(410)과 제2 패턴(420)이 공정상에 전기적으로 단락되는 것을 방지하기 위하여 소정의 간격을 형성하도록 하여 비교적 간단한 공정을 통해 집적형 박막 태양전지 단위셀화가 가능하게 된다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 기판에 형성되는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 도시한 단면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 기판에 형성되는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 살펴보면 다음과 같다.
기판(501)상에 소정의 간격으로 이격되도록 패터닝된 제1 전도성 물질(501)을 형성한다(500A).
여기서, 제1 전도성 물질(502)을 패터닝하여 제1 패턴(510) 및 제2 패턴(520)으로 패터닝되며, 제1 전도성 물질(502)을 패터닝하는 공정은 당업자라면 도 4a에서 설명한 것으로 충분히 이해될 수 있을 것이다.
패터닝된 제1 전도성 물질(503)을 형성한다(500B).
여기서, 제2 전도성 물질(503)의 일부는 제1 패턴(510)의 제1 전도성 물질(502)에 직접 접촉된다.
태양전지층(504)을 형성한다(500C).
여기서, 태양전지층(504)을 형성하는 방법은 당업자라면 도 4a에서 설명한 것으로 충분히 이해될 수 있을 것이다.
제3 전도성 물질(505)을 비스듬히 증착한다(500D).
여기서, 전자빔 또는 열 증착기를 통해 제3 입사각(θ3)만큼 비스듬히 증착시키면 증착의 직진성에 의하여 제3 전도성 물질(505)이 태양전지층(504) 위에 얇은 박막으로 증착되고, 일부분(d3)에는 제3 전도성 물질(505)이 형성되지 않는다.
여기서, 이러한 일부분(d3)은 하기 단계에서 식각되는 구간이다.
여기서, 증착하는 방법은 당업자라면 도 4a에서 설명한 것으로 충분히 이해될 수 있을 것이다.
상술한 제3 전도성 물질(505)을 마스크로 사용하여 태양전지층(504)을 수직 식각한다(500E).
여기서, 태양전지층(504)을 수직 식각하는 방법은 당업자라면 도 4a에서 설명한 것으로 충분히 이해될 수 있을 것이다.
상술한 제1 패턴(510)의 제1 전도성 물질(502)과 제2 패턴(520)의 제3 전도성 물질(505)을 전기적으로 연결하도록 제4 전도성 물질(506)을 형성한다(500F).
여기서, 제4 전도성 물질(506)을 형성하는 방법은 당업자라면 도 4a에서 설명한 것으로 충분히 이해될 수 있을 것이다.
이러한 구조에 의하여, 제2 도전성 물질(503)의 일부는 제1 패턴(510)의 패터닝된 제1 전도성 물질(502)에 접촉저항이 작아지도록 직접 접촉되고, 제4 전도성 물질(506)은 제2 도전성 물질(503)과 제2 패턴(520)의 패터닝된 제1 도전성 물질(502)상에 증착된 제3 전도성 물질(505)에 접촉저항이 작아지도록 직접 접촉된다.
즉, 제1 패턴(510)에 패터닝된 태양전지와 제2 패턴(520)에 패터닝된 태양전지는 전기적으로 직렬연결되는 구조가 되어 비교적 간단한 공정을 통해 집적형 박막 태양전지 단위셀화가 가능하게 된다.
도 6a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 기판에 형성되는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 도시한 단면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 기판에 형성되는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 살펴보면 다음과 같다.
기판(601)상에 소정의 간격으로 이격되도록 패터닝된 제1 전도성 물질(602)을 형성한다(600A).
여기서, 제1 전도성 물질(602)을 패터닝하여 제1 패턴(610) 및 제2 패턴(620)으로 패터닝되며, 제1 전도성 물질(602)을 패터닝하는 공정은 당업자라면 도 4a에서 설명한 것으로 충분히 이해될 수 있을 것이다.
여기서, 제1 패턴(610)의 제1 전도성 물질(602)는 단차(양각, '凸'; 611)가 있도록 졸겔(sol-gel)법과 나노-임프린트(nano-imprint) 또는 인쇄법(printing) 중 어느 하나의 방법을 이용하여 형성한다.
태양전지층(604)을 형성한다(600B).
여기서, 태양전지층(604)을 형성하는 방법은 당업자라면 도 4a에서 설명한 것으로 충분히 이해될 수 있을 것이다.
제2 전도성 물질(604)을 비스듬히 증착한다(600C).
여기서, 전자빔 또는 열 증착기를 통해 제4 입사각(θ4)만큼 비스듬히 증착시키면 증착의 직진성에 의하여 제2 전도성 물질(604)이 태양전지층(603) 위에 얇은 박막으로 증착되고, 일부분(d41, d42)에는 제3 전도성 물질(605)이 형성되지 않는 다.
여기서, 이러한 일부분(d41, d42)은 하기 단계에서 식각되는 구간이다.
여기서, 증착하는 방법은 당업자라면 도 4a에서 설명한 것으로 충분히 이해될 수 있을 것이다.
상술한 제2 전도성 물질(604)을 마스크로 사용하여 태양전지층(603)을 수직 식각한다(600D).
여기서, 태양전지층(504)을 수직 식각하는 방법은 당업자라면 도 4a에서 설명한 것으로 충분히 이해될 수 있을 것이다.
상술한 제1 패턴(610)의 제1 전도성 물질(602)과 제2 패턴(620)의 제2 전도성 물질(604)을 전기적으로 연결하도록 제3 전도성 물질(605)을 형성한다(600E).
여기서, 제3 전도성 물질(605)을 형성하는 방법은 당업자라면 도 4a에서 설명한 것으로 충분히 이해될 수 있을 것이다.
이러한 구조에 의하여, 제3 전도성 물질(605)은 제1 패턴(610)의 패터닝된 제1 전도성 물질(602)에 접촉저항이 작아지도록 직접 접촉되고, 제2 패턴(620)의 패터닝된 제1 도전성 물질(602)상에 증착된 제2 전도성 물질(604)에 접촉저항이 작아지도록 직접 접촉된다.
즉, 제1 패턴(610)에 패터닝된 태양전지와 제2 패턴(620)에 패터닝된 태양전지는 전기적으로 직렬연결되는 구조가 되어 비교적 간단한 공정을 통해 집적형 박막 태양전지 단위셀화가 가능하게 된다.
도 6b는 본 발명의 제3 실시예의 변형된 실시예로 기판에 형성되는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 도시한 단면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예의 변형된 실시예로 기판에 형성되는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 살펴보면 다음과 같다.
기판(601)상에 소정의 간격으로 이격되도록 패터닝된 제1 전도성 물질(601)을 형성한다(600A).
여기서, 소정의 간격으로 이격된 제1 전도성 물질(601)은 제1 패턴(610) 및 제2 패턴(620)으로 패터닝되어, 각각의 제1 패턴(610)과 제2 패턴(620)은 태양전지로 형성된다. 또한, 각각의 패터닝된 영역(610, 620)의 태양전지를 전기적으로 직렬연결하되 각각의 접촉저항을 줄이기 위한 방법을 제시하는 것이다.
여기서, 제1 전도성 물질(602)을 패터닝하여 제1 패턴(610) 및 제2 패턴(620)으로 패터닝되며, 제1 전도성 물질(602)을 패터닝하는 공정은 당업자라면 도 4a에서 설명한 것으로 충분히 이해될 수 있을 것이다.
여기서, 제1 패턴(610)의 제1 전도성 물질(602)는 단차(양각, '凸凸'; 611)가 있도록 졸겔법과 나노-임프린트 또는 인쇄법 중 어느 하나의 방법을 이용하여 형성한다.
태양전지층(604)을 형성한다(600B).
여기서, 태양전지층(604)을 형성하는 방법은 당업자라면 도 4a에서 설명한 것으로 충분히 이해될 수 있을 것이다.
제2 전도성 물질(604)을 비스듬히 증착한다(600C).
여기서, 전자빔 또는 열 증착기를 통해 제5 입사각(θ5)만큼 비스듬히 증착시키면 증착의 직진성에 의하여 제2 전도성 물질(604)이 태양전지층(603) 위에 얇은 박막으로 증착되고, 일부분(d51, d52, d53)에는 제3 전도성 물질(605)이 형성되지 않는다.
여기서, 이러한 일부분(d51, d52, d53)은 하기 단계에서 식각되는 구간이다.
여기서, 증착하는 방법은 당업자라면 도 4a에서 설명한 것으로 충분히 이해될 수 있을 것이다.
상술한 제2 전도성 물질(604)을 마스크로 사용하여 태양전지층(603)을 수직 식각한다(600D).
여기서, 태양전지층(604)을 수직 식각하는 방법은 당업자라면 도 4a에서 설명한 것으로 충분히 이해될 수 있을 것이다.
상술한 제1 패턴(610)의 제1 전도성 물질(602)과 제2 패턴(620)의 제2 전도성 물질(604)을 전기적으로 연결하도록 제3 전도성 물질(605)을 형성한다(600E).
여기서, 제3 전도성 물질(605)을 형성하는 방법은 당업자라면 도 4a에서 설명한 것으로 충분히 이해될 수 있을 것이다.
이러한 구조에 의하여, 제3 전도성 물질(605)은 제1 패턴(610)의 패터닝된 제1 전도성 물질(602)에 접촉저항이 작아지도록 직접 접촉되고, 제2 패턴(620)의 패터닝된 제1 도전성 물질(602)상에 증착된 제2 전도성 물질(604)에 접촉저항이 작 아지도록 직접 접촉된다.
즉, 제1 패턴(610)에 패터닝된 태양전지와 제2 패턴(620)에 패터닝된 태양전지는 전기적으로 직렬연결되는 구조가 되고, 단차(611)는 제1 패턴(610)과 제2 패턴(620)이 공정상에 전기적으로 단락되는 것을 방지하기 위하여 소정의 간격을 형성하도록 하여 비교적 간단한 공정을 통해 집적형 박막 태양전지 단위셀화가 가능하게 된다.
도 7a는 본 발명의 제4 실시예에 따른 기판에 형성되는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 도시한 단면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 기판에 형성되는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 살펴보면 다음과 같다.
기판(701)상에 소정의 간격으로 이격되도록 패터닝된 제1 전도성 물질(702)을 형성한다(700A).
여기서, 제1 전도성 물질(702)을 패터닝하여 제1 패턴(710) 및 제2 패턴(720)으로 패터닝되며, 제1 전도성 물질(702)을 패터닝하는 공정은 당업자라면 도 4a에서 설명한 것으로 충분히 이해될 수 있을 것이다.
여기서, 제1 패턴(710)의 제1 전도성 물질(702)는 단차(음각, '凹'; 711)가 있도록 졸겔법과 나노-임프린트 또는 인쇄법 중 어느 하나의 방법을 이용하여 형성한다.
태양전지층(704)을 형성한다(700B).
여기서, 태양전지층(704)을 형성하는 방법은 당업자라면 도 4a에서 설명한 것으로 충분히 이해될 수 있을 것이다.
제2 전도성 물질(704)을 비스듬히 증착한다(700C).
여기서, 전자빔 또는 열 증착기를 통해 제6 입사각(θ6)만큼 비스듬히 증착시키면 증착의 직진성에 의하여 제2 전도성 물질(704)이 태양전지층(703) 위에 얇은 박막으로 증착되고, 일부분(d61, d62)에는 제3 전도성 물질(705)이 형성되지 않는다.
여기서, 이러한 일부분(d61, d62)은 하기 단계에서 식각되는 구간이다.
여기서, 증착하는 방법은 당업자라면 도 4a에서 설명한 것으로 충분히 이해될 수 있을 것이다.
상술한 제2 전도성 물질(704)을 마스크로 사용하여 태양전지층(703)을 수직 식각한다(700D).
여기서, 태양전지층(704)을 수직 식각하는 방법은 당업자라면 도 4a에서 설명한 것으로 충분히 이해될 수 있을 것이다.
상술한 제1 패턴(710)의 제1 전도성 물질(702)과 제2 패턴(720)의 제2 전도성 물질(704)을 전기적으로 연결하도록 제3 전도성 물질(705)을 형성한다(700E).
여기서, 제3 전도성 물질(705)을 형성하는 방법은 당업자라면 도 4a에서 설명한 것으로 충분히 이해될 수 있을 것이다.
이러한 구조에 의하여, 제3 전도성 물질(705)은 제1 패턴(710)의 패터닝된 제1 전도성 물질(702)에 접촉저항이 작아지도록 직접 접촉되고, 제2 패턴(720)의 패터닝된 제1 도전성 물질(702)상에 증착된 제2 전도성 물질(704)에 접촉저항이 작아지도록 직접 접촉된다.
즉, 제1 패턴(710)에 패터닝된 태양전지와 제2 패턴(720)에 패터닝된 태양전지는 전기적으로 직렬연결되는 구조가 되어 비교적 간단한 공정을 통해 집적형 박막 태양전지 단위셀화가 가능하게 된다.
도 7b는 본 발명의 제4 실시예의 변형된 실시예로 기판에 형성되는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 도시한 단면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예의 변형된 실시예로 기판에 형성되는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 살펴보면 다음과 같다.
기판(701)상에 소정의 간격으로 이격되도록 패터닝된 제1 전도성 물질(701)을 형성한다(700A).
여기서, 소정의 간격으로 이격된 제1 전도성 물질(701)은 제1 패턴(710) 및 제2 패턴(720)으로 패터닝되어, 각각의 제1 패턴(710)과 제2 패턴(720)은 태양전지로 형성된다. 또한, 각각의 패터닝된 영역(710, 720)의 태양전지를 전기적으로 직렬연결하되 각각의 접촉저항을 줄이기 위한 방법을 제시하는 것이다.
여기서, 제1 전도성 물질(702)을 패터닝하여 제1 패턴(710) 및 제2 패턴(720)으로 패터닝되며, 제1 전도성 물질(702)을 패터닝하는 공정은 당업자라면 도 4a에서 설명한 것으로 충분히 이해될 수 있을 것이다.
여기서, 제1 패턴(710)의 제1 전도성 물질(702)는 단차(음각, '凹凹'; 711)가 있도록 졸겔법과 나노-임프린트 또는 인쇄법 중 어느 하나의 방법을 이용하여 형성한다.
태양전지층(704)을 형성한다(700B).
여기서, 태양전지층(704)을 형성하는 방법은 당업자라면 도 4a에서 설명한 것으로 충분히 이해될 수 있을 것이다.
제2 전도성 물질(704)을 비스듬히 증착한다(700C).
여기서, 전자빔 또는 열 증착기를 통해 제7 입사각(θ7)만큼 비스듬히 증착시키면 증착의 직진성에 의하여 제2 전도성 물질(704)이 태양전지층(703) 위에 얇은 박막으로 증착되고, 일부분(d71, d72, d73)에는 제3 전도성 물질(705)이 형성되지 않는다.
여기서, 이러한 일부분(d71, d72, d73)은 하기 단계에서 식각되는 구간이다.
여기서, 증착하는 방법은 당업자라면 도 4a에서 설명한 것으로 충분히 이해될 수 있을 것이다.
상술한 제2 전도성 물질(704)을 마스크로 사용하여 태양전지층(703)을 수직 식각한다(700D).
여기서, 태양전지층(704)을 수직 식각하는 방법은 당업자라면 도 4a에서 설명한 것으로 충분히 이해될 수 있을 것이다.
상술한 제1 패턴(710)의 제1 전도성 물질(702)과 제2 패턴(720)의 제2 전도 성 물질(704)을 전기적으로 연결하도록 제3 전도성 물질(705)을 형성한다(700E).
여기서, 제3 전도성 물질(705)을 형성하는 방법은 당업자라면 도 4a에서 설명한 것으로 충분히 이해될 수 있을 것이다.
이러한 구조에 의하여, 제3 전도성 물질(705)은 제1 패턴(710)의 패터닝된 제1 전도성 물질(702)에 접촉저항이 작아지도록 직접 접촉되고, 제2 패턴(720)의 패터닝된 제1 도전성 물질(702)상에 증착된 제2 전도성 물질(704)에 접촉저항이 작아지도록 직접 접촉된다.
즉, 제1 패턴(710)에 패터닝된 태양전지와 제2 패턴(720)에 패터닝된 태양전지는 전기적으로 직렬연결되는 구조가 되고, 단차(711)는 제1 패턴(710)과 제2 패턴(720)이 공정상에 전기적으로 단락되는 것을 방지하기 위하여 소정의 간격을 형성하도록 하여 비교적 간단한 공정을 통해 집적형 박막 태양전지 단위셀화가 가능하게 된다.
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 기판에 형성되는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 도시한 단면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제5 실시예에 따른 기판에 형성되는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 살펴보면 다음과 같다.
기판(801)상에 일정한 폭을 갖고 소정의 간격으로 패터닝된 제1 전도성 물질(802)을 형성한다(800A).
여기서, 기판(801)은 투명(transparent) 기판을 사용하며, 제1 전도성 물질 (802)은 금속물질로 주성분은 니켈(Ni), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 텅스턴(W), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 금(Au) 중 어느 하나를 사용한다.
소정의 간격으로 이격되도록 패터닝된 제2 전도성 물질(803)을 형성한다(800B).
여기서, 제2 전도성 물질(803)을 패터닝하는 공정은 기판(801) 상에 박막으로 제2 전도성 물질(803)을 형성하고, 제2 전도성 물질(803) 위에는 인쇄법으로 포토레지스터(photoresist)(미도시) 또는 폴리머(미도시)를 도포하되, 인쇄되는 포토레지스터(미도시) 또는 폴리머(미도시)의 점도 크기를 조절하여 상호 간 일정 거리 이격되게 도포한다.
도포 후, 포토레지스터(미도시) 또는 폴리머(미도시)를 마스크로 사용하여 제2 전도성 물질(803)을 식각한 다음 포토레지스터(미도시) 또는 폴리머(미도시)를 제거한다.
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, 제2 전도성 물질(803)을 식각하는 경우에는 식각하는 방식에 따라 이방성(anisotropic) 또는 등방성(isotropic) 식각법을 이용하는데, 등방성 식각법을 통한 제2 전도성 물질(803)은 양측부가 곡선으로 만곡된 경사면이고 하부로 갈수록 그 너비가 점점 커지는 패턴으로 형성될 수 있다. 또한, 이방성 식각법을 이 용하면 제2 전도성 물질(803)은 기판(801)과 수직한 단면 또는 일정한 기울기를 갖는 경사진 단면을 갖는 패턴으로 형성할 수 있다.
게다가, 제2 전도성 물질(803)을 패터닝하기 위한 상술한 방법 이외에, 소정 포토레지스터가 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.
이와 같이, 각 인쇄법의 원리를 이용하여 본 발명의 제2 전도성 물질(803)을 식각하는 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.
여기서, 상술한 제2 전도성 물질(803)을 패터닝하여 식각하는 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 물질을 지칭한다.
여기서, 제2 전도성 물질(803)은 투명한 전도성 물질로 주성분은 산화아연 (Zinc Oxide; ZnO), 산화주석(Tin Oxide; SnO2) 또는 산화인듐주석(Indium Tin Oxide; ITO) 중 어느 하나를 사용한다.여기서, 소정의 간격으로 이격된 제2 전도성 물질(803)은 제1 패턴(810)과 제2 패턴(820)으로 패터닝되어, 각각의 제1 패턴(810)과 제2 패턴(820)도 태양전지로 형성된다. 즉, 각각의 패터닝된 영역(810, 820)의 태양전지를 전기적으로 직렬연결하되 접촉저항을 줄이기 위한 방법을 제시하는 것이다.
태양전지(804)층을 형성한다(800C).
여기서, 태양전지는 실리콘계 태양전지, 화합물계 태양전지, 유기물계 태양전지, 또는 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), 또는 비정질 실리콘/마이크로결정 실리콘(다결정 실리콘) 이중접합 태양전지(amorphous silicon/microcrystalline(poly) silicon double junction solar cell) 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다.
제3 전도성 물질(805)을 비스듬히 증착한다(800D).
여기서, 전자빔 또는 열증착 등의 증착법을 이용하여 제3 전도성 물질(805)을 비스듬히 증착시킨다.
이때, 제3 전도성 물질(805)은 산화아연(Zinc Oxide; ZnO), 산화주석(Tin Oxide; SnO2), 또는 산화인듐주석(Indium Tin Oxide; ITO) 중 어느 하나 이상인 투명 전도성 물질인 것이 바람직하다.
따라서, 전자빔 또는 열 증착기를 통해 제1 입사각(θ9a)만큼 비스듬히 증착시키면 증착의 직진성에 의하여 제3 전도성 물질(805)이 태양전지층(804) 위에 얇은 박막으로 증착되고, 일부분에는 제3 전도성 물질(805)이 형성되지 않는다.
여기서, 이러한 일부분은 하기 단계에서 식각되는 구간이다.
제4 전도성 물질(806)을 비스듬히 증착한다(800E).
여기서, 전자빔 또는 열증착 등의 증착법을 이용하여 제4 전도성 물질(806)을 비스듬히 증착시킨다.
이때, 제4 전도성 물질(806)은 산화아연(Zinc Oxide; ZnO), 산화주석(Tin Oxide; SnO2), 또는 산화인듐주석(Indium Tin Oxide; ITO) 중 어느 하나 이상인 투명 전도성 물질인 것이 바람직하다.
따라서, 전자빔 또는 열 증착기를 통해 제2 입사각(θ9b)만큼 비스듬히 증착시키면 증착의 직진성에 의하여 제4 전도성 물질(806)이 태양전지층(804) 위에 얇은 박막으로 증착되고, 일부분에는 제4 전도성 물질(806)이 형성되지 않는다.
여기서, 이러한 일부분은 하기 단계에서 식각되는 구간이다.
상술한 제3 전도성 물질(805) 및 제4 전도성 물질(806)을 마스크로 사용하여 태양전지층(804)을 수직 식각(etching)한다(800F).
여기서, 반응성 이온 식각법(Reactive Ion Etching; RIE) 등과 같은 건식 식각 공정을 이용하는 것이 바람직하다.
이러한 방법에 의하여, 특수한 마스크가 필요없이 태양전지층(804)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 수십 내지 수백 배 이상 줄일 수 있어 태양전지의 유효 면적을 극대화할 수 있다.
상술한 제1 패턴(810)의 제1 전도성 물질(802)과 제2 패턴(820)의 제3 전도성 물질(804) 및 제3 전도성 물질(805)을 전기적으로 연결하도록 제5 전도성 물질(807)을 형성한다(800G).
여기서, 제5 전도성 물질(807)을 패터닝하기 위하여 금속 마스크(metal mask), 잉크젯(ink jet), 스크린 인쇄(screen printing), 나노 임프린트(nano imprint) 또는 스탬핑(stamping) 중 어느 하나의 방법을 이용한다.
여기서, 제1 패턴(810)의 패터닝된 제1 전도성 물질(802)은 제2 전도성 물질(803)에 접촉저항이 작아지도록 직접 접촉되고, 제5 전도성 물질(807)은 제2 패턴(820)의 패터닝된 제1 도전성 물질(802)상에 증착된 제3 전도성 물질(805)에 접촉저항이 작아지도록 직접 접촉된다.
이러한 구조에 의하여, 제1 패턴(810)에 패터닝된 태양전지와 제2 패턴(820) 에 패터닝된 태양전지는 전기적으로 직렬연결되는 구조가 되어 비교적 간단한 공정을 통해 집적형 박막 태양전지 단위셀화가 가능하게 된다.
도 9는 본 발명의 제6 실시예에 따른 기판에 형성되는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 도시한 단면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제6 실시예에 따른 기판에 형성되는 집적형 박막 태양전지의 구조와 형성과정을 살펴보면 다음과 같다.
기판(901)상에 일정한 폭을 갖고 소정의 간격으로 패터닝된 제1 전도성 물질(902)을 형성한다(900A).
여기서, 기판(901)은 투명(transparent) 기판을 사용하며, 제1 전도성 물질(902)은 금속물질로 주성분은 니켈(Ni), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 텅스턴(W), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 금(Au) 중 어느 하나를 사용한다.
소정의 간격으로 이격되도록 패터닝된 제2 전도성 물질(903)을 형성한다(900B).
여기서, 제2 전도성 물질(903)을 패터닝하는 공정은 기판(901) 상에 박막으로 제2 전도성 물질(903)을 형성하고, 제2 전도성 물질(903) 위에는 인쇄법으로 포토레지스터(photoresist)(미도시) 또는 폴리머(미도시)를 도포하되, 인쇄되는 포토레지스터(미도시) 또는 폴리머(미도시)의 점도 크기를 조절하여 상호 간 일정 거리 이격되게 도포한다.
도포 후, 포토레지스터(미도시) 또는 폴리머(미도시)를 마스크로 사용하여 제2 전도성 물질(903)을 식각한 다음 포토레지스터(미도시) 또는 폴리머(미도시)를 제거한다.
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, 제2 전도성 물질(903)을 식각하는 경우에는 식각하는 방식에 따라 이방성(anisotropic) 또는 등방성(isotropic) 식각법을 이용하는데, 등방성 식각법을 통한 제2 전도성 물질(903)은 양측부가 곡선으로 만곡된 경사면이고 하부로 갈수록 그 너비가 점점 커지는 패턴으로 형성될 수 있다. 또한, 이방성 식각법을 이용하면 제2 전도성 물질(903)은 기판(901)과 수직한 단면 또는 일정한 기울기를 갖는 경사진 단면을 갖는 패턴으로 형성할 수 있다.
게다가, 제2 전도성 물질(903)을 패터닝하기 위한 상술한 방법 이외에, 소정 포토레지스터가 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 전도 성 물질을 저온 공정으로 직접 형성하는 것이 가능하다.
이와 같이, 각 인쇄법의 원리를 이용하여 본 발명의 제2 전도성 물질(903)을 식각하는 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.
여기서, 상술한 제2 전도성 물질(903)을 패터닝하여 식각하는 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 물질을 지칭한다.
여기서, 제2 전도성 물질(903)은 투명한 전도성 물질로 주성분은 산화아연(Zinc Oxide; ZnO), 산화주석(Tin Oxide; SnO2) 또는 산화인듐주석(Indium Tin Oxide; ITO) 중 어느 하나를 사용한다.여기서, 소정의 간격으로 이격된 제2 전도성 물질(903)은 제1 패턴(910)과 제2 패턴(920)으로 패터닝되어, 각각의 제1 패턴(910)과 제2 패턴(920)도 태양전지로 형성된다. 즉, 각각의 패터닝된 영역(910, 920)의 태양전지를 전기적으로 직렬연결하되 접촉저항을 줄이기 위한 방법을 제시하는 것이다.
태양전지(904)층을 형성한다(900C).
여기서, 태양전지는 실리콘계 태양전지, 화합물계 태양전지, 유기물계 태양전지, 또는 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), 또는 비정질 실리콘/마이크로결정 실리콘(다결정 실리콘) 이중접합 태양전지(amorphous silicon/microcrystalline(poly) silicon double junction solar cell) 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다.
제3 전도성 물질(905)을 비스듬히 증착한다(900D).
여기서, 전자빔 또는 열증착 등의 증착법을 이용하여 제3 전도성 물질(905)을 비스듬히 증착시킨다.
이때, 제3 전도성 물질(905)은 산화아연(Zinc Oxide; ZnO), 산화주석(Tin Oxide; SnO2), 또는 산화인듐주석(Indium Tin Oxide; ITO) 중 어느 하나 이상인 투명 전도성 물질인 것이 바람직하다.
따라서, 전자빔 또는 열 증착기를 통해 제1 입사각(θ9a)만큼 비스듬히 증착시키면 증착의 직진성에 의하여 제3 전도성 물질(905)이 태양전지층(904) 위에 얇은 박막으로 증착되고, 일부분에는 제3 전도성 물질(905)이 형성되지 않는다.
여기서, 이러한 일부분은 하기 단계에서 식각되는 구간이다.
상술한 제3 전도성 물질(905)을 마스크로 사용하여 태양전지층(904)을 수직 식각(etching)한다(900E).
여기서, 반응성 이온 식각법(Reactive Ion Etching; RIE) 등과 같은 건식 식각 공정을 이용하는 것이 바람직하다.
이러한 방법에 의하여, 특수한 마스크가 필요없이 태양전지층(904)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 수십 내지 수백 배 이상 줄일 수 있어 태양전지의 유효 면적을 극대화할 수 있다.
제1 패턴(910)의 제1 전도성 물질(902)과 제2 패턴(920)의 제3 전도성 물질(904)을 전기적으로 연결하도록 제4 전도성 물질(906)을 비스듬히 증착한다(900F).
여기서, 전자빔 또는 열증착 등의 증착법을 이용하여 제4 전도성 물질(906)을 비스듬히 증착시킨다.
이때, 제4 전도성 물질(906)은 산화아연(Zinc Oxide; ZnO), 산화주석(Tin Oxide; SnO2), 또는 산화인듐주석(Indium Tin Oxide; ITO) 중 어느 하나 이상인 투명 전도성 물질인 것이 바람직하다.
따라서, 전자빔 또는 열 증착기를 통해 제2 입사각(θ9b)만큼 비스듬히 증착시키면 증착의 직진성에 의하여 제4 전도성 물질(906)이 태양전지층(904) 위에 얇은 박막으로 증착되고, 일부분에는 제4 전도성 물질(906)이 형성되지 않는다.
이러한 구조에 의하여, 제1 패턴(910)에 패터닝된 태양전지와 제2 패턴(920)에 패터닝된 태양전지는 전기적으로 직렬연결되는 구조가 되어 비교적 간단한 공정을 통해 집적형 박막 태양전지 단위셀화가 가능하게 된다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
상술한 본 발명의 구성에 따르면, 집적형 박막 태양전지의 단위 소자간 절연 간격을 기존의 레이저 패터닝 및 화학적 기화가공법에 비해 수십 배 내지 수백 배 이상 줄일 수 있어 태양전지의 유효 면적을 극대화할 수 있으며, 이에 따라 태양전지 단위셀의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 자기 정렬이 가능하여 정확한 위치제어장치가 불필요하고, 투명전극의 가공시에는 인쇄법을 이용하여 에칭시킴으로써 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 태양전지 단위셀의 성능 저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (33)

  1. (a) 투명기판상에 상기 투명기판을 통과하는 빛이 상기 투명기판을 직접 통과할 수 있는 소정의 공간을 포함하도록 제1 전도성 물질을 형성하는 단계;
    (b) 상기 (a)단계 후, 태양전지(반도체)층을 형성하는 단계;
    (c) 상기 (b)단계 후, 제2 전도성 물질을 비스듬히 증착하는 단계; 및
    (d) 상기 제2 전도성 물질을 마스크로 사용하여 상기 태양전지층을 식각(etching)하는 단계;
    를 포함하는, 투과형 집적형 태양전지 셀 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 (a) 단계의 상기 제1 전도성 물질은 상기 투과형 집적형 태양전지 셀 내에서 전기적으로 도통되는 하나의 도체가 되도록 상기 소정의 공간을 포함하는, 투과형 집적형 태양전지 셀 제조 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 (a) 단계의 상기 제1 전도성 물질은 상기 투과형 집적형 태양전지 셀의 상호 대칭되는 경계면에 소정의 간격만큼 연장되어 형성되는, 투과형 집적형 태양전지 셀 제조 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 (a) 단계의 상기 소정의 공간은 6각형 모양인, 투과형 집적형 태양전지 셀 제조 방법.
  5. 2개 이상의 투과형 집적형 태양전지 셀을 전기적으로 연결하는 방법에 있어서,
    (a) 투명기판상에 패터닝된 제1 전도성 물질을 형성하는 단계;
    (b) 인접하는 상기 셀 중 어느 하나의 셀과 상기 제1 전도성 물질의 일 부분이 전기적으로 연결되고, 소정의 간격으로 이격되도록 패터닝된 제2 전도성 물질을 형성하는 단계;
    (c) 태양전지층을 형성하는 단계;
    (d) 제3 전도성 물질을 비스듬히 증착하는 단계;
    (e) 상기 제3 전도성 물질을 마스크로 사용하여 상기 태양전지층을 식각하는 단계; 및
    (f) 상기 제1 전도성 물질과 상기 제3 전도성 물질을 전기적으로 연결하도록 제4 전도성 물질을 형성하는 단계;
    를 포함하는, 투과형 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1, 제3 및 제4 전도성 물질은 금속의 전도성 물질인, 투과형 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2 전도성 물질은 투명한 전도성 물질인, 투과형 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기(b) 단계는 상기 제1 전도성 물질 위에 상기 패터닝된 제2 전도성 물질과 이격되도록 상기 제2 전도성 물질의 더미 패턴이 더 형성되는, 투과형 집적형 태양전지의 제조방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 (d) 단계의 제3 전도성 물질의 증착은 전자빔 또는 열증착에 의하여 이루어지는, 투과형 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 (f) 단계의 전기적 연결은 상기 제1 전도성 물질과 상기 제3 전도성 물질이 전기적으로 직렬 연결인, 투과형 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 (f) 단계의 제4 전도성 물질은 금속 마스크(metal mask), 잉크젯(ink jet), 스크린 인쇄(screen printing), 나노 임프린트(nano imprint) 또는 스탬핑(stamping) 중 어느 하나의 방법을 이용하는, 투과형 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  12. 2개 이상의 투과형 집적형 태양전지 셀을 전기적으로 연결하는 방법에 있어서,
    (a) 투명기판상에 소정의 간격으로 이격되도록 패터닝된 제1 전도성 물질을 형성하는 단계;
    (b) 인접하는 상기 셀 중 어느 하나의 셀과 상기 제1 전도성 물질의 일 부분이 전기적으로 연결되도록 패터닝된 제2 전도성 물질을 형성하는 단계;
    (c) 태양전지층을 형성하는 단계;
    (d) 제3 전도성 물질을 비스듬히 증착하는 단계;
    (e) 상기 제3 전도성 물질을 마스크로 사용하여 상기 태양전지층을 식각하는 단계; 및
    (f) 상기 제2 전도성 물질과 상기 제3 전도성 물질을 전기적으로 연결하도록 제4 전도성 물질을 형성하는 단계;
    를 포함하는, 투과형 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 전도성 물질은 투명한 전도성 물질인, 투과형 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제2, 제3 및 제4 전도성 물질은 금속의 전도성 물질인, 투과형 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 (d) 단계의 제3 전도성 물질의 증착은 전자빔 또는 열증착에 의하여 이루어지는, 투과형 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 (f) 단계의 전기적 연결은 상기 제2 전도성 물질과 상기 제3 전도성 물질이 전기적으로 직렬 연결인, 투과형 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 (f) 단계의 제4 전도성 물질은 금속 마스크, 잉크젯, 스크린 인쇄, 나노 임프린트 또는 스탬핑 중 어느 하나의 방법을 이용하는, 투과형 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  18. 2개 이상의 투과형 집적형 태양전지 셀을 전기적으로 연결하는 방법에 있어서,
    (a) 투명기판상에 소정의 간격으로 이격되도록 패터닝된 제1 전도성 물질을 형성하는 단계;
    (b) 태양전지층을 형성하는 단계;
    (c) 제2 전도성 물질을 비스듬히 증착하는 단계;
    (d) 상기 제2 전도성 물질을 마스크로 사용하여 상기 태양전지층을 식각하는 단계; 및
    (e) 상기 제1 전도성 물질과 상기 제2 전도성 물질을 전기적으로 연결하도록 제3 전도성 물질을 형성하는 단계;
    를 포함하는, 투과형 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 전도성 물질은 투명한 전도성 물질인, 투과형 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 제2 및 제3 전도성 물질은 금속의 전도성 물질인, 투과형 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 (a) 단계의 패터닝된 제1 전도성 물질의 일부분은 단차가 있도록 형성되는, 투과형 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 단차는 양각, 음각 중 어느 하나의 형태인, 투과형 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 단차는 졸겔(sol-gel)법과 나노-임프린트(nano-imprint) 또는 인쇄법(printing) 중 어느 하나의 방법에 의하여 형성되는, 투과형 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  24. 제18항에 있어서,
    상기 (c) 단계의 제2 전도성 물질의 증착은 전자빔 또는 열증착에 의하여 이루어지는, 투과형 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  25. 제18항에 있어서,
    상기 (e) 단계의 전기적 연결은 상기 제1 전도성 물질과 상기 제2 전도성 물질이 전기적으로 직렬 연결인, 투과형 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  26. 제18항에 있어서,
    상기 (e) 단계의 제3 전도성 물질은 금속 마스크, 잉크젯, 스크린 인쇄, 나노 임프린트 또는 스탬핑 중 어느 하나의 방법을 이용하는, 투과형 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  27. 2개 이상의 투과형 집적형 태양전지 셀을 전기적으로 연결하는 방법에 있어서,
    (a) 투명기판상에 패터닝된 제1 전도성 물질을 형성하는 단계;
    (b) 소정의 간격으로 이격되도록 패터닝된 제2 전도성 물질을 형성하는 단계;
    (c) 상기 (b)단계 후, 태양전지층을 형성하는 단계;
    (d) 상기 (c)단계 후, 제3 전도성 물질을 비스듬히 증착하는 단계;
    (e) 상기 (d)단계 후, 제4 전도성 물질을 비스듬히 증착하는 단계;
    (f) 상기 제3 전도성 물질 및 제4 전도성 물질을 마스크로 사용하여 상기 태양전지층을 식각하는 단계; 및
    (g) 상기 제1 전도성 물질과 상기 제3 전도성 물질을 전기적으로 연결하도록 제5 전도성 물질을 형성하는 단계;
    를 포함하는, 투과형 집적형 태양전지 셀 제조 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 제1, 제3 및 제5 전도성 물질은 금속의 전도성 물질인, 투과형 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 제2 전도성 물질은 투명한 전도성 물질인, 투과형 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  30. 제27항에 있어서,
    상기 (d) 단계의 제3 전도성 물질의 증착은 전자빔 또는 열증착에 의하여 이루어지는, 투과형 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  31. 제27항에 있어서,
    상기 (g) 단계의 전기적 연결은 상기 제1 전도성 물질과 상기 제3 전도성 물질이 전기적으로 직렬 연결인, 투과형 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  32. 제27항에 있어서,
    상기 (g) 단계의 제5 전도성 물질은 금속 마스크(metal mask), 잉크젯(ink jet), 스크린 인쇄(screen printing), 나노 임프린트(nano imprint) 또는 스탬핑(stamping) 중 어느 하나의 방법을 이용하는, 투과형 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  33. 2개 이상의 투과형 집적형 태양전지 셀을 전기적으로 연결하는 방법에 있어서,
    (a) 투명기판상에 패터닝된 제1 전도성 물질을 형성하는 단계;
    (b) 인접하는 상기 셀 중 어느 하나의 셀과 상기 제1 전도성 물질의 일 부분이 전기적으로 연결되고, 소정의 간격으로 이격되도록 패터닝된 제2 전도성 물질을 형성하는 단계;
    (c) 상기 (b)단계 후, 태양전지층을 형성하는 단계;
    (d) 상기 (c)단계 후, 제3 전도성 물질을 비스듬히 증착하는 단계;
    (e) 상기 제3 전도성 물질을 마스크로 사용하여 상기 태양전지층을 식각하는 단계; 및
    (f) 상기 (d)단계 후, 상기 제1 전도성 물질과 상기 제3 전도성 물질을 전기적으로 연결하도록 제4 전도성 물질을 비스듬히 증착하는 단계;
    를 포함하는, 투과형 집적형 태양전지 셀 제조 방법.
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