KR101013326B1 - Ｃｉｓ계 태양전지 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
태양전지 및 그의 제조방법을 제공한다. 태양전지는 기판 상에 서로 인접하여 배치된 제1 및 제2 배면전극들 및 제1 배면전극 상에 위치하여 제1 배면전극을 소자영역과 연결영역으로 구분하는 제1 절연패턴, 배면전극들 사이에 위치하는 제2 절연패턴, 소자영역 상에 위치하는 광흡수 패턴 및 광흡수 패턴 및 상기 제2 배면전극의 일부영역 상에 위치하는 윈도우 패턴을 구비한다. 또한, 태양전지 제조방법은 기판 상에 제1 및 제2 배면전극들을 인접하여 형성하는 단계, 제1 배면전극 상에 제1 배면전극을 소자영역과 연결영역으로 구분하는 제1 절연패턴을 형성하고, 배면전극들 사이에 제2 절연패턴을 형성하는 단계, 소자영역 상에 광흡수 패턴을 형성하는 단계 및 광흡수 패턴 및 제2 배면전극의 일부영역 상에 윈도우 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.
CIS 태양전지, 리소그라피법, 배면전극
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 CIS계 태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양광을 직접 전기로 변화시키는 소자로서 그 중에서도 CIS계 태양전지는 광 흡수계수가 높아 태양전지의 흡수층과 적외선영역의 광검출기로 주목받고 있다.
종래에는 태양전지의 단위 셀들을 서로 전기적으로 분리시키기 위해 스크라이빙 공정이 수행되었다. 그러나, 상기 스크라이빙 공정은 고가의 장비를 요구하며, 스크라이빙 시 발생되는 분진 제거가 잘 이루어지지 않아, 단위 셀간의 전기적 분리가 어려운 단점이 있다.
또한, 스크라이빙은 물리적 힘에 의해 단위 셀들을 분리시키기 때문에 소자의 손실영역이 확대되고, 태양전지의 작동을 방해하여, 태양전지의 효율을 저하시키는 문제점이 발생된다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 과제는 소자의 손상없이 각 단위 셀들을 전기적으로 분리시킬 수 있는 CIS 태양전지 및 그의 제조방법을 제공하는데 있다.
상술한 제1 목적을 달성하기 위한 본 과제는 기판 상에 서로 인접하여 배치된 제1 및 제2 배면전극들 및 상기 배면전극들 상에 각각 위치하여 상기 각 배면전극을 소자영역과 연결영역으로 구분하는 제1 절연패턴들, 상기 배면전극들 사이에 위치하는 제2 절연패턴, 상기 제2 배면전극의 소자영역 상에 위치하는 광흡수 패턴 및 상기 광흡수 패턴 및 상기 제1 배면전극의 연결영역 상에 위치하는 윈도우 패턴을 구비하는 태양전지를 제공한다.
상기 배면전극들은 Ni 전극, Cu 전극 또는 Mo 전극일 수 있다. 상기 절연 패턴들은 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막일 수 있다. 상기 광흡수 패턴은 In2Se3, In2S3, Ga2Se3, 및 Ga2S3로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 화합물을 함유하는 층일 수 있다. 상기 윈도우 패턴은 ZnO층 또는 ITO/ZnO층일 수 있다.
상기 광흡수 패턴 및 상기 윈도우 패턴 사이에 배치되는 버퍼 패턴을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 절연 패턴의 상부면은 상기 윈도우 패턴의 상부면과 같거나 높은 레벨에 위치할 수 있다.
상술한 제2 목적을 달성하기 위한 본 과제는 기판 상에 제1 및 제2 배면전극들을 인접하여 형성하는 단계, 상기 배면전극들 상에 상기 각 배면전극을 소자영역과 연결영역으로 구분하는 제1 절연패턴들을 각각 형성하고, 상기 배면전극들 사이에 제2 절연패턴을 형성하는 단계, 상기 제2 배면전극의 소자영역 상에 광흡수 패턴을 형성하는 단계 및 상기 광흡수 패턴 및 상기 제1 배면전극의 연결영역 상에 윈도우 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 제조방법을 제공한다.
상기 제1 및 제2 배면전극들은 포토리소그라피법 또는 리프트 오프법을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 절연패턴들은 포토리소그라피법 또는 리프트 오프법을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 광흡수 패턴은 포토리소그라피법 또는 리프트 오프법을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 윈도우 패턴은 포토리소그라피법 또는 리프트 오프법을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 광흡수 패턴을 형성하는 단계는 상기 광흡수 패턴과 상기 광흡수 패턴 상부의 버퍼 패턴을 형성할 수 있다.
상술한 바와 같이 포토리소그라피법 또는 리프트 오프 공정을 사용하여 태양전지를 제조하였다. 그 결과, 스크라이빙 공정 시 분진에 의해 단위 셀들 간의 전기적 분리가 어려웠던 문제점을 해결할 수 있으며, 각각의 단위 셀들을 전기적으로 분리시킬 수 있다. 또한, 상기 물리적 힘이 가해지는 스크라이빙 공정이 생략될 수 있으므로, 소자들의 손실영역을 최소화시킬 수 있다.
이와 더불어, 기판 상에 서로 인접하여 배치된 제1 및 제2 배면전극들, 제1 배면전극을 소자영역과 연결영역으로 구분하는 제1 절연패턴 및 상기 배면전극들 사이에 위치하는 제2 절연패턴을 형성하였다. 그 결과, 태양전지 각각의 단위 셀들의 전기적 분리를 더욱 용이하게 할 수 있다.
첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 이하, 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조방법을 나타내는 개략도들이다.
도 1a를 참조하면, 기판(10) 상에 서로 인접하여 배치된 제1 및 제2 배면전극들(13)을 형성할 수 있다. 이때, 상기 제1 및 제2 배면전극들(13)은 각각의 배면전극을 지칭하는 것이 아니며, 어느 하나의 배면전극이 제1 배면전극인 경우에 다른 하나의 배면전극을 제2 배면전극이라 지칭할 수 있다.
상기 기판(10)은 유리기판, 세라믹 기판, 금속 기판 또는 고분자 기판일 수 있다. 구체적으로, 상기 세라믹 기판 및 금속 기판은 베이스 기판 상에 세라믹막 및 금속막이 각각 형성된 기판일 수 있다. 상기 세라믹 기판은 알루미나 기판일 수 있으며, 상기 금속 기판은 스테인레스 스틸 기판 또는 구리 기판일 수 있다.
상기 배면전극들(13)은 Ni, Cu 또는 Mo을 사용하여 형성할 수 있으며, 바람 직하게는 높은 전기전도도를 가지는 Mo을 사용하여 형성할 수 있다.
상기 배면전극들(13)은 포토 리소그라피법 또는 리프트 오프법을 사용하여 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 배면전극들(13)을 포토 리소그라피법을 사용하여 형성하는 경우에, 상기 기판(10) 상에 전극층을 도포하고, 상기 전극층 상에 제1 포토레지스트 패턴을 형성할 수 있다. 그런 후, 상기 제1 포토레지스트 패턴을 마스크로하여 상기 전극층을 제1 패터닝함으로써 상기 배면전극들(13)을 형성할 수 있다.
또한, 상기 배면전극들(13)을 리프트 오프법을 사용하여 형성하는 경우에, 상기 기판(10) 상에 제1 포토레지스트 패턴을 형성하고, 상기 제1 포토레지스트 패턴 및 상기 기판(10)상에 전극층을 형성할 수 있다. 그런 후, 상기 제1 포토레지스트 패턴 및 제1 포토레지스트 패턴 상에 형성된 전극층을 제거하여 상기 배면전극들(13)을 형성할 수 있다.
이에 따라 상기 기판(10) 상에 서로 인접하여 배치된 제1 및 제2 배면전극(13)이 형성될 수 있으며, 상기 제1 및 제2 배면전극(13) 사이의 공간에 상기 기판(10)의 일부가 노출될 수 있다.
도 1b를 참조하면, 상기 배면전극들(13) 상에 위치하는 제1 절연패턴(15a)과 상기 배면전극들(13) 사이에 위치하는 제2 절연패턴(15b)을 형성할 수 있다. 상기 제1 절연패턴(15a)은 상기 각 배면전극(13)을 소자영역(DR)과 연결영역(CR)으로 구분할 수 있다.
상기 절연패턴들(15)은 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막를 사용하여 형성 할 수 있으며, 포토리소그라피법 또는 리프트 오프법을 사용하여 형성할 수 있다.
구체적으로, 상기 절연패턴들(15)을 포토 리소그라피법을 사용하여 형성하는 경우에, 상기 배면전극들(13) 상에 절연층을 형성하고, 상기 절연층 상에 제2 포토레지스트 패턴을 형성할 수 있다. 그런 후, 상기 제2 포토레지스트 패턴을 마스크로하여 상기 절연층을 제2 패터닝함으로써 상기 절연패턴들(15)을 형성할 수 있다.
또한, 상기 절연패턴들(15)을 리프트 오프법을 사용하여 형성하는 경우에, 상기 배면전극들(13) 상에 제2 포토레지스트 패턴을 형성하고, 노출된 기판(10), 배면전극들(13) 및 제2 포토레지스트 패턴 상에 절연층을 형성할 수 있다. 그런 후, 상기 제2 포토레지스트 패턴 및 제2 포토레지스트 패턴 상에 형성된 절연층을 제거하여 상기 절연패턴들(15)을 형성할 수 있다.
도 1c를 참조하면, 상기 소자영역 상에 위치하는 광흡수 패턴(17)을 형성할 수 있다. 상기 광흡수 패턴(17) 상에 버퍼 패턴(18)을 형성할 수 있다.
상기 광흡수 패턴(17)은 Ⅲ족과 Ⅵ족의 원소들을 함유하되, Ⅲ족과 Ⅵ족의 원자비(atomic ratio)가 1:2가 되도록 형성할 수 있다. 상기 Ⅲ족은 Ga 및/또는 In일 수 있고, 상기 Ⅵ족은 Se 및/또는 S일 수 있다.
일 예로서, 상기 광흡수 패턴(17)은 Ⅲ족 및 Ⅵ족 원소들의 화합물들인 In2Se3, In2S3, Ga2Se3, 및 Ga2S3로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 화합물을 원재료로 사용하여 형성할 수 있다. 이와는 달리, 상기 광흡수 패턴(17)은 Ⅲ족층과 Ⅵ족층이 교대로 형성된 형태 즉, Ⅲ족층-Ⅵ족층-Ⅲ족층-Ⅵ족층, 또는 Ⅵ족층- Ⅲ족층-Ⅵ족층-Ⅲ족층의 형태를 가질 수도 있다. 이 때, Ⅲ족층을 형성하는 원재료는 In 또는 In-Ga 혼합물일 수 있고, Ⅵ족층을 형성하는 원재료는 Se 또는 Se-S혼합물일 수 있다.
상기 버퍼 패턴(18)은 CdS층, 또는 In, Ga 또는 Al이 도핑된 CdS층일 수 있다.
상기 광흡수 패턴(17) 및 상기 버퍼 패턴(18)은 포토리소그라피법 또는 리프트 오프법을 사용하여 형성시킬 수 있다.
구체적으로 상기 광흡수 패턴(17) 및 상기 버퍼 패턴(18)을 포토 리소그라피법을 사용하여 형성하는 경우에, 상기 배면전극들(13) 상에 광흡수층과 버퍼층을 차례로 형성하고, 상기 버퍼층 상에 제3 포토레지스트 패턴을 형성할 수 있다. 그런 후, 상기 제3 포토레지스트 패턴을 마스크로하여 상기 버퍼층 및 상기 광흡수층을 제3 패터닝함으로써 상기 버퍼 패턴(18) 및 상기 광흡수 패턴(17)을 형성할 수 있다.
또한, 상기 광흡수 패턴(17) 및 상기 버퍼 패턴(18)을 리프트 오프법을 사용하여 형성하는 경우에, 상기 배면전극들(13) 상에 제3 포토레지스트 패턴을 형성하고, 상기 절연패턴들(15), 배면전극들(13) 및 제3 포토레지스트 패턴 상에 광흡수층 및 버퍼층을 차례로 형성할 수 있다. 그런 후, 상기 제3 포토레지스트 패턴 및 제3 포토레지스트 패턴 상에 형성된 광흡수층 및 버퍼층을 제거하여 상기 광흡수 패턴(17) 및 상기 버퍼 패턴(18)을 형성할 수 있다.
이때, 상기 광흡수층은 화합물 전구체들을 증발법, 공증발법(co- evaporation), 스퍼터링법, 아크방전법, 전착법(electrodeposition) 또는 금속유기물증착법(MOCVD)을 사용하여 전구체막을 형성한 후 셀렌화하여 형성할 수 있다. 상기 셀렌화는 셀렌화수소 가스 분위기에서 열처리함으로써 수행될 수 있다. 상기 셀렌화수소 가스는 H2Se일 수 있다.
또한, 상기 광흡수 패턴(17)은 결정성 향상을 위해 별도의 열처리가 수행될 수도 있다.
도 1d를 참조하면, 상기 버퍼 패턴(18) 상에 윈도우 패턴(19)을 형성할 수 있다. 상기 윈도우 패턴(19)은 그 하부의 배면전극 예를 들어, 제2 배면 전극(13b)과 인접하는 배면 전극 예를 들어, 제1 배면 전극(13a)의 일부분 상에 접속할 수 있다. 다시 말해서, 상기 윈도우 패턴(19)은 제2 배면 전극(13b) 상에 형성된 버퍼 패턴(18)과 제1 배면 전극(13a)의 연결영역 상에 형성될 수 있다.
상기 윈도우 패턴(19)은 n형 반도체층일 수 있다. 상기 윈도우층(19)은 ZnO층일 수 있으며, ITO/ZnO층의 이중구조로 형성될 수도 있다.
상기 윈도우 패턴(19)은 포토리소그라피법 또는 리프트 오프법을 사용하여 형성시킬 수 있다. 구체적으로 상기 윈도우 패턴(19)을 포토 리소그라피법을 사용하여 형성하는 경우에, 상기 버퍼 패턴(18) 상에 윈도우층을 형성하고, 상기 윈도우층 상에 제4 포토레지스트 패턴을 형성할 수 있다. 그런 후, 상기 제4 포토레지스트 패턴을 마스크로하여 상기 윈도우층을 제4 패터닝함으로써 상기 윈도우 패턴(19)을 형성할 수 있다.
또한, 상기 윈도우 패턴(19)을 리프트 오프법을 사용하여 형성하는 경우에, 상기 버퍼 패턴(18) 상에 제4 포토레지스트 패턴을 형성하고, 상기 버퍼 패턴(18), 절연패턴들(15), 배면전극들(13) 및 제4 포토레지스트 패턴 상에 윈도우층을 형성할 수 있다. 그런 후, 상기 제4 포토레지스트 패턴 및 제4 포토레지스트 패턴 상에 형성된 윈도우층을 제거하여 상기 윈도우 패턴(19)을 형성할 수 있다.
이때, 상기 윈도우층은 RF 스퍼터링, 반응성 스퍼터링 또는 유기금속화학증착법을 사용하여 형성할 수 있다. 또한, 상기 윈도우 패턴(19)은 결정성 향상을 위해 별도의 열처리가 수행될 수도 있다.
상기 광흡수 패턴(17)과 상기 윈도우 패턴(19)은 에너지 밴드갭(energh bandgap)과 격자상수의 차이가 커서, 양호한 접합을 형성하기 어렵다. 따라서, 상기 광흡수 패턴(17)과 상기 윈도우 패턴(19) 사이에 에너지 밴드갭 및 격자상수가 이들 두 물질들 사이에 위치하는 상기 버퍼 패턴(18)을 개재시켜 상기 광흡수 패턴(17)과 상기 윈도우 패턴(19) 사이의 양호한 접합을 얻을 수 있다. 그러나, 상기 버퍼 패턴(18)은 생략될 수도 있다.
상기 윈도우 패턴(17) 상에 반사방지층(미도시)을 형성할 수 있다. 상기 반사방지층은 태양전지에 입사되는 태양광의 반사 손실을 줄이기 위해 구비할 수 있다. 상기 반사방지층은 MgF2층일 수 있다. 상기 MgF2층을 형성하는 것은 전자빔 증발법을 사용하여 수행할 수 있다. 그러나, 상기 반사방지층은 생략될 수도 있다.
이러한 태양전지에 태양광이 입사되면 상기 p형 반도체층인 광흡수 패 턴(17)과 상기 n형 반도체층인 윈도우 패턴(19) 사이에서 전자-정공 쌍이 생성되고, 생성된 전자는 윈도우 패턴(19)으로 모이고 생성된 정공은 광흡수 패턴(17)으로 모이게 되어, 광기전력(photovoltage)이 발생한다. 이 때, 상기 기판(10)과 상기 배면전극들(13)에 전기부하를 연결하여 전기를 발생시킬 수 있다.
상술한 바와 같이 포토리소그라피법 또는 리프트 오프 공정을 사용하여 태양전지를 제조하였다. 그 결과, 스크라이빙 공정 시 분진에 의해 단위 셀들 간의 전기적 분리가 어려웠던 문제점이 해결되어 각각의 단위 셀들을 전기적으로 분리시킬 수 있다. 또한, 상기 물리적 힘이 가해지는 스크라이빙 공정을 생략할 수 있으므로, 소자들의 손실영역을 최소화 할 수 있다.
이와 더불어, 제1 배면전극을 소자영역과 연결영역으로 구분하는 제1 절연패턴 및 상기 배면전극들 사이에 위치하는 제2 절연패턴을 형성하였다. 그 결과, 태양전지 각각의 단위 셀들의 전기적 분리를 더욱 용이하게 할 수 있다. 특히, 상기 제1 절연 패턴의 상부면은 상기 윈도우 패턴의 상부면과 같거나 높은 레벨에 위치하는 경우에 단위 셀들의 전기적 분리는 더욱 용이할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 제조방법을 나타내는 개략도들이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 기판 13: 배면전극
15: 절연패턴 17: 광흡수 패턴
19: 윈도우 패턴
Claims (13)
- 기판 상에 서로 인접하여 배치된 제1 및 제2 배면전극들; 및상기 배면전극들 상에 각각 위치하여, 상기 각 배면전극을 소자영역과 연결영역으로 구분하는 제1 절연패턴들;상기 배면전극들 사이에 위치하는 제2 절연패턴;상기 제2 배면전극의 소자영역 상에 위치하는 광흡수 패턴; 및상기 광흡수 패턴과 상기 제1 배면전극의 연결영역 상에 위치하는 윈도우 패턴을 구비하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 배면전극들은 Ni 전극, Cu 전극 또는 Mo 전극인 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 절연 패턴들은 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막인 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 광흡수 패턴은 In2Se3, In2S3, Ga2Se3, 및 Ga2S3로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 화합물을 함유하는 층인 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 윈도우 패턴은 ZnO층 또는 ITO/ZnO층인 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 광흡수 패턴 및 상기 윈도우 패턴 사이에 배치되는 버퍼 패턴을 더 포함하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 제1 절연 패턴의 상부면은 상기 윈도우 패턴의 상부면과 같거나 높은 레벨에 위치하는 태양전지.
- 기판 상에 제1 및 제2 배면전극들을 인접하여 형성하는 단계;상기 배면전극들 상에 상기 각 배면전극을 소자영역과 연결영역으로 구분하는 제1 절연패턴들을 각각 형성하고, 상기 배면전극들 사이에 제2 절연패턴을 형성하는 단계;상기 제2 배면전극의 소자영역 상에 광흡수 패턴을 형성하는 단계; 및상기 광흡수 패턴 및 상기 제1 배면전극의 연결영역 상에 윈도우 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 제1 및 제2 배면전극들은 포토리소그라피법 또는 리프트 오프법을 사용 하여 형성하는 태양전지 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 절연패턴들은 포토리소그라피법 또는 리프트 오프법을 사용하여 형성하는 태양전지 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 광흡수 패턴은 포토리소그라피법 또는 리프트 오프법을 사용하여 형성하는 태양전지 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 윈도우 패턴은 포토리소그라피법 또는 리프트 오프법을 사용하여 형성하는 태양전지 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 광흡수 패턴을 형성하는 단계는 상기 광흡수 패턴과 상기 광흡수 패턴 상부의 버퍼 패턴을 형성하는 것을 더 포함하는 태양전지 제조방법.
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