KR100756286B1 - 집적형 박막 태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 집적형 태양전지의 제조 공정시 발생되는 면적손실을 최소화하고 저가의 공정으로도 가능한 집적형 박막 실리콘 태양전지 제조 방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명에 따른 집적형 박막 태양전지의 제조방법은 (a) 투명기판 상에 인접하고 있는 상호간 소정의 간격으로 이격되도록 패터닝된 투명전극을 형성하는 단계와, (b) 상기 (a)단계에 의한 기판 위에 태양전지(반도체)층을 형성하는 단계와, (c) 상기 태양전지(반도체)층 위에 금속을 비스듬히 증착하여 1차 금속이면전극을 형성하는 단계와, (d) 상기 1차 금속이면전극을 마스크로 사용하여 상기 태양전지(반도체)층을 식각하는 단계 및 (e) 상기 (d)단계에 의한 기판 위에 금속을 비스듬히 증착하여 상기 투명전극과 상기 1차 금속이면전극이 전기적으로 연결되도록 2차 금속이면전극을 형성하는 단계를 포함한다.
이러한 본 발명에 따르면, 집적형 박막 태양전지의 단위 소자간 절연 간격을 기존에 비해 수십 배 내지 수백 배 이상 줄일 수 있어 태양전지의 유효 면적을 극대화할 수 있으며, 자기 정렬이 가능하여 정확한 위치제어장치가 불필요하고, 투명전극 형성 후의 모든 공정이 진공 중에서 수행되기 때문에 대기 상태에 노출됨에 따른 태양전지 모듈의 성능 저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.
집적형 박막 태양전지, 모듈화, 투명전극, 금속이면전극, 경사에칭

Description

집적형 박막 태양전지 및 그 제조 방법 {INTEGRATED THIN-FILM SOLAR CELLS AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF}
도 1은 종래의 집적형 박막 태양전지의 모듈 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 집적형 박막 태양전지의 모듈 구조를 도시한 단면도,
도 4는 본 발명의 패터닝된 투명전극이 형성된 기판의 단면도,
도 5는 도 4에 도시된 투명전극을 패터닝하기 위한 인쇄법 공정을 순차적으로 도시한 도면,
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따라 패터닝된 투명전극의 다른 실시예,
도 7은 본 발명에 따른 태양전지층이 형성된 상태의 단면도,
도 8은 본 발명에 따른 1차 금속이면전극이 형성된 상태의 단면도,
도 9a 및 도 9b는 본 발명에 따른 1차 금속이면전극을 마스크로 이용하여 수직 식각한 상태의 단면도,
도 10a 및 도 10b은 본 발명에 따른 2차 금속이면전극이 형성된 상태의 단면도,
도 11은 도 4 내지 도 10에 도시된 공정 단계를 순차적으로 설명하기 위한 절차도,
도 12는 도 11에 도시된 공정의 세부 절차도이다.
** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **
1;기판 2;투명전극
20;폴리머 3;태양전지(반도체)층
4;1차 금속이면전극 5;2차 금속이면전극
200;투명전극층
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 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 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 모듈 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 직렬로 연결되어 모듈화된 구조로 이루어진다.
따라서, 집적형 박막 태양전지의 모듈은, 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 사용되고 있다.
레이저 패터닝법은 주로 YAG 레이저 빔을 이용하여 투명전극(22)과, 태양전지(반도체)층(24), 금속이면전극층(26) 등을 식각하는 기술이다. 구체적인 사용법 을 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 직렬로 연결시켜 집적형 태양전지 모듈을 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, 태양전지(1)층의 식각을 위해 기판이 대기 중에 노출되기 때문에 수분 및 오염물질의 부착에 의해 태양전지 모듈의 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 모듈 을 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 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 사용되는 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, 투명전극 형성 후의 모든 공정이 진공 중에서 수행되도록 하며, 간단한 공정으로 태양전지의 단위소자를 직렬 연결하여 모듈화된 집적형 박막 태양전지를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 전술한 집적형 박막 태양전지를 제조하는 경우 모듈의 성능 저하를 방지하고 제조 단가를 절감하기 위한 제조 방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 전술한 집적형 박막 태양전지를 제조하는 경우, 모듈의 성능 저하가 무시할 수 있을 정도로 작으면서도 원하는 고전압을 하나의 모듈에서 얻을 수 있는 방법을 제공하는데 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 집적형 박막 태양전지의 제조방법은 (a) 투명기판 상에 인접하고 있는 상호간 소정의 간격으로 이격되도록 패터닝된 투명전극을 형성하는 단계와, (b) 상기 (a)단계에 의한 기판 위에 태양전지(반도체)층을 형성하는 단계와, (c) 상기 태양전지(반도체)층 위에 금속을 비스듬히 증착하여 1차 금속이면전극을 형성하는 단계와, (d) 상기 1차 금속이면전극을 마스크로 사용하여 상기 태양전지(반도체)층을 식각하는 단계 및 (e) 상기 (d)단계에 의한 기판 위에 금속을 비스듬히 증착하여 상기 투명전극과 상기 1차 금속이면전극이 전기적으로 연결되도록 2차 금속이면전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 (a)단계는 (a-1) 상기 기판 상에 박막의 투명전극층을 형성하는 단계와, (a-2) 상기 투명전극층 위에 인쇄법을 이용하여 일정 거리 이격되게 포토레지스터(photoresister;PR) 또는 폴리머 띠를 도포하여 패턴을 이루는 단계와, (a-3) 상기 도포된 포토레지스터 또는 폴리머 패턴을 마스크로 사용하여 상기 투명전극층을 에칭하는 단계 및 (a-4) 상기 포토레지스터 또는 폴리머 패턴을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 투명전극층은 산화아연(Zinc Oxide (ZnO)), 산화주석(Tin Oxide (SnO2)) 또는 산화인듐주석(Indium Tin Oxide (ITO)) 중 하나 이상을 이용하는 것이 바람직하다.
상기 (a-3)단계에서 상기 투명전극층은 등방성 식각법으로 에칭되고, 상기 에칭된 단면이 만곡하게 경사지는 것이 바람직하다.
상기 (a-3)단계에서 상기 투명전극층은 메사(mesa) 에칭되고, 상기 에칭된 단면이 경사지는 것이 바람직하다.
상기 (a-3)단계에서 상기 투명전극층은 이방성 식각법을 이용하여 상기 기판에 대해 수직 방향으로 에칭되는 것이 바람직하다.
투명전극이 경사단면인 경우에는, 상기 (d) 단계에서 상기 태양전지(반도체)층을 수직 방향으로 에칭하는 것이 바람직하다.
투명전극이 수직한 단면인 경우에는, 상기 (d) 단계에서 상기 태양전지(반도체)층을 경사진 방향으로 경사 에칭하는 것이 바람직하다.
상기 (e) 단계에서 상기 금속은 전자빔 증착 또는 열 증착되고, 상기 증착으로 단위소자들이 전기적으로 직렬 연결되는 것이 바람직하다.
상기 태양전지층은 실리콘계 박막 태양전지, 화합물계 박막 태양전지, 유기물계 태양전지, 건식 염료 감응형 태양전지 중 어느 하나 이상을 이용하는 것이 바람직하다.
상기 실리콘계 박막 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) 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다.
상기 1차 및 2차 금속이면전극은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al) 또는 금(Au) 등과 같이 반사율이 높은 금속 중 어느 하나 이상을 이용한 동일 금속이거나 다른 금속인 것을 특징으로 한다.
삭제
한편, 본 발명에 따른 박막 태양전지는 전술한 제조 방법에 의해 제조된 것으로, 단위 소자간 직렬 연결로 모듈화된 구조이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 집적형 박막 태양전지의 모듈 구조를 도시한 단면도로, 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 집적형 박막 태양전지는 소정 기판(1) 상에 경사 단면을 갖는 투명전극(2)과, 태양전지(반도체)층(3), 1차 금속이면전극(4), 2차 금속이면전극(5)이 차례대로 적층된 구조로 이루어져 있다.
즉, 투명전극(2)은 좌우 인접하고 있는 투명전극(2)간 절연되도록 패터닝되어 절연 간격이 형성되어 있고, 태양전지(반도체)층(3) 및 1차 금속이면전극(4)은 패터닝된 투명전극(2) 위에 증착되며, 1차 금속이면전극(4) 위에 위치된 2차 금속이면전극(5)은 인접하고 있는 일방향의 단위 소자의 투명전극(2)과 접촉되고, 상기 일방향의 단위 소자의 태양전지층(3)과는 이격되어, 단위 소자간 직렬로 연결되는 구조이다.
이때, 투명전극(2)의 패터닝된 측부는 도시된 바와 같이 일정 기울기를 갖는 경사 단면일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 만곡된 경사 단면, 또는 기판(1)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 단면도이고, 도 11은 도 4 내지 도 10에 도시된 공정 단계를 순차적으로 설명하기 위한 절차도이며, 도 12는 도 11에 도시된 공정의 세부 절차도이다.
먼저 도 4 및 도 11을 참조하면, 도 4에서는 소정 기판 위에 경사 단면을 갖는 투명전극이 형성된 상태의 단면도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 집적형 박막 태양전지를 제조하는 방법은 처음 단계로서 소정 기판(1) 상에 패터닝(patterning)된 투명전극(2)을 형성한다(S10).
여기서 기판(1)은 유리나 투명 플라스틱 등의 투명기판이고, 투명전극(2)은 산화아연(Zinc Oxide (ZnO)), 산화주석(Tin Oxide (SnO2)), 산화인듐주석(Indium Tin Oxide (ITO)) 중 어느 하나 이상을 이용할 수 있다.
그리고, 패터닝된 투명전극(2)은 표면 요철이 있는 경우, 표면 요철이 없는 경우 모두 가능하다.
이러한 투명전극(2)을 패터닝하는 공정은 도 5 및 도 11에 도시된 바와 같이, 기판(1) 상에 박막으로 투명전극층(200)을 형성하고(S12), 투명전극층(200) 위에는 인쇄법으로 포토레지스터(photoresist; PR) 또는 폴리머(20)를 도포하되, 인쇄되는 포토레지스터 또는 폴리머의 점도 크기를 조절하여 상호간 일정 거리 이격되게 도포한다(S14). 도포 후, 포토레지스터 또는 폴리머(20)를 마스크로 사용하여 투명전극층(200)을 식각한 다음 포토레지스터 또는 폴리머(20)를 제거하는 단계를 포함한다(S16,S18).
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, 투명전극층(200)을 식각하는 경우에는 식각하는 방식에 따라 이방성(anisotropic) 또는 등방성(isotropic) 식각법을 이용하는데, 등방성 식각법을 통한 투명전극(2)은 도 4에 도시된 바와 같이 양측부가 곡선으로 만곡된 경사면이고 하부로 갈수록 그 너비가 점점 커지는 패턴으로 형성될 수 있다.
또한, 이방성 식각법을 통한 투명전극(2)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 투명전극층을 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, 투명전극을 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, 투명전도막 제조용 원료를 함유한 졸-겔(sol-gel) 용액을 잉크처럼 사용하여 인쇄법을 활용함으로써 상술한 인쇄법 또는 사진식각법을 이용한 포토레지스터나 폴리머 패턴의 사용없이 투명전극을 기판 위에 직접 도포할 수 있다. 이러한 방법에 따르면, 마스크 작업에 의한 식각 공정 없이 띠 모양으로 패턴화된 투명전극을 저온 공정으로 직접 형성하는 것이 가능하다.
이러한 투명전극(2)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.
다음으로 도 7을 참조하면, 이는 본 발명에 따른 태양전지층이 형성된 상태의 단면도를 도시한 것으로, 앞 단계에서 패터닝된 투명전극(2) 위에 기판(1)의 표면 형상에 따라 태양전지층(3)을 형성한다(S20).
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) 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다.
도 8은 본 발명에 따른 1차 금속이면전극이 형성된 상태의 단면도로, 앞 단계 즉, 상술한 (a), (b)단계를 거쳐 형성된 태양전지층(3) 위에 전자빔 증착 또는 열 증착 등의 증착법을 이용하여 금속 재료를 비스듬히 증착시킴으로써 1차 금속이면전극(4)을 형성한다(S30).
이때, 1차 금속이면전극(4)은 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au) 등과 같이 반사율이 높은 금속의 단일 금속이거나 또는 알루미늄(Al)/은(Ag)이 혼합된 다중 금속 재료이며, 1차 금속이면전극(4)을 형성하기 위한 전자빔 또는 열 증착기가 사용된다.
따라서, 도 8에 도시된 바와 같이 전자빔 또는 열 증착기를 통해 금속 재료를 각도1(θ1)만큼 비스듬히 증착시키면 증착의 직진성(6a)에 의해 금속 재료가 태양전지층(3) 위에 얇은 박막으로 증착되어 1차 금속이면전극(4)이 형성되고, 경사면을 포함한 일부분(5a)에는 1차 금속이면전극(4)이 형성되지 않는다. 이러한 경사면을 포함한 일부분(5a)은 하기 단계에서 식각되는 구간이다.
도 9a 및 도 9b은 본 발명에 따른 1차 금속이면전극을 마스크로 이용하여 수직 식각한 상태의 단면도로, 투명전극(2)의 단면 형상에 따라 세 가지 방법으로 구분될 수 있다.
즉, 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이 투명전극(2, 2')의 단면이 경사면일 경우, 도 7의 공정으로부터 증착된 1차 금속이면전극(4)을 마스크로 하여 태양전지층(3)을 수직 방향으로 식각한다(S40). 식각시, 반응성 이온 식각법(Reactive Ion Etching; RIE) 등과 같은 건식 식각 공정을 이용하는 것이 바람직하다.
그리고, 도 9c에 도시된 바와 같이 투명전극(2'')이 수직한 단면일 경우에는 도 7의 공정으로부터 증착된 1차 금속이면전극(4)을 마스크로 하여 태양전지층(3)을 기판에 대해 일정 각도(θ2)만큼 경사진 방향으로 식각한다.
미설명부호 5b, 5c는 경사 단면 또는 수직 단면을 갖는 투명전극(2',2'') 위에 증착된 1차 금속이면전극(4)이 형성되지 않은 구간으로, 하기 단계에서 식각되는 부위이다.
상술한 방법에 따르면, 특수한 마스크가 필요없이 태양전지층(3)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.
마지막으로 도 10a 및 도 10b를 참조하면, 도 10a는 도 9a에 따라 식각된 1차 금속이면전극(4) 위에 2차 금속이면전극(5)을 형성하는 공정이고, 도 10b는 도 9c에 따라 식각된 1차 금속이면전극(4) 위에 2차 금속이면전극(5)을 형성하는 공정이다. 도 9b에 따라 식각된 1차 금속이면전극(4) 위에 2차 금속이면전극을 형성하는 공정은 도 10a와 동일하므로 생략한다.
도시된 바와 같이, 전단계의 식각 공정을 통해 단위 소자간 소정 절연 간격이 형성된 상태에서 1차 금속이면전극(4)을 증착하는 방법과 동일한 금속 증착법을 이용하여 2차 금속이면전극(5)을 형성한다(S50).
즉, 전자빔 또는 열 증착기를 사용하여 금속 재료를 소정 각도(θ3,θ4)만큼 비스듬히 증착시키면 증착의 직진성(6b,6c)에 의해 금속 재료가 1차 금속이면전극(4) 위에 얇은 박막으로 증착되어 2차 금속이면전극(5)이 형성되고, 비스듬한 각도(θ3)에 의해 경사면의 일부분(5b)은 2차 금속이면전극(5)이 형성되지 않는다.
이때, 2차 금속이면전극(5)은 도 8의 1차 금속이면전극(4)과 동일한 금속이거나 또는 태양전지의 제조 가격을 낮추기 위해 1차 금속이면전극(4)과는 다른 값 싼 금속이 사용될 수 있다.
따라서, 전술한 공정에 따르면 좌측 단위 소자의 투명전극(2)과 이와 인접된 우측 단위소자의 2차 금속이면전극(5)이 서로 접속되는 동시에, 좌측 단위 소자의 태양전지(반도체)층(3)과 우측 단위 소자의 2차 금속이면전극(5)이 서로 이격되어 단위 소자간 전기적으로 직렬 연결된 상태가 된다.
이러한 과정은 특별한 위치제어장치가 필요없이 자기 정렬(self-alingment)에 의해 이루어지는 바, 비교적 간단한 공정을 통해 집적형 박막 태양전지 모듈화가 가능하게 된다.
이상에서와 같은 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형과 조합이 가능하다.
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 태양전지 모듈의 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 모듈의 성능 저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (14)

  1. (a) 투명기판 상에 인접하고 있는 상호간 소정의 간격으로 이격되도록 패터닝된 투명전극을 형성하는 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 투명전극과 상기 1차 금속이면전극이 전기적으로 연결되도록 2차 금속이면전극을 형성하는 단계;
    를 포함하는, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a)단계는
    (a-1) 상기 기판 상에 박막의 투명전극층을 형성하는 단계;
    (a-2) 상기 투명전극층 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 투명전극층을 에칭하는 단계; 및
    (a-4) 상기 포토레지스터 또는 폴리머 패턴을 제거하는 단계;
    를 포함하는, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 투명전극층은 산화아연(Zinc Oxide (ZnO)), 산화주석(Tin Oxide (SnO2)) 또는 산화인듐주석(Indium Tin Oxide (ITO)) 중 하나 이상을 이용한, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 (a-3)단계에서 상기 투명전극층은 등방성 식각법으로 에칭되고,
    상기 에칭된 단면이 만곡하게 경사진, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 (a-3)단계에서 상기 투명전극층은 메사(mesa) 에칭되고,
    상기 에칭된 단면이 경사진, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 (a-3)단계에서 상기 투명전극층은 이방성 식각법을 이용하여 상기 기판에 대해 수직 방향으로 에칭되는, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서 상기 태양전지(반도체)층을 수직 방향으로 에칭하는, 집적형 박막 태양전지의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서 상기 태양전지(반도체)층을 경사진 방향으로 경사 에칭하는, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 (e) 단계에서 상기 금속은 전자빔 증착 또는 열 증착되고,
    상기 증착으로 단위소자들이 전기적으로 직렬 연결되는, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지층은 실리콘계 박막 태양전지, 화합물계 박막 태양전지, 유기물계 태양전지, 건식 염료 감응형 태양전지 중 어느 하나 이상을 이용한, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 실리콘계 박막 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) 중 어느 하나를 이용한, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 1차 및 2차 금속이면전극은 은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 금(Au) 중 어느 하나 이상을 이용한, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 1차 및 2차 금속이면전극은 상호 동일한 금속이거나 다른 금속인, 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  14. 제1항의 집적형 박막 태양전지의 제조 방법에 의해 단위 소자간 직렬 연결로 모듈화된, 집적형 박막 태양전지.
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