KR101072089B1 - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 태양전지는, 기판 상에 적층된 후면전극층, 광 흡수층, 버퍼층 및 전면전극층을 포함하는 다수개의 태양전지 셀들; 및 상기 기판의 가장자리에 해당하는 제1 표면부가 노출되도록 상기 태양전지 셀들 중 에지영역 셀에 형성된 관통홀을 포함하고, 상기 에지영역 셀의 전면전극층의 측벽을 기준으로 그 하부의 후면전극층의 측벽은 내측으로 후퇴된 구조를 가지는 것을 포함한다. 따라서, 태양전지의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
태양전지, 기판

Description

태양전지 및 이의 제조방법{SOLAR CELL AND METHOD OF FABIRCATING THE SAME}
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 에너지 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지에 대한 개발이 진행되고 있다.
특히, 유리 기판, 금속 후면 전극층, p형 CIGS 계 광 흡수층, 고저항 버퍼층, n형 창층 등을 포함하는 기판 구조의 pn 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다.
이러한 태양전지는 기판 후면부터 차례로 증착 형성되는 것으로, 각층들이 부분적으로 증착 수준이 다른 영역이 존재할 수 있다.
이에 따라, 태양전지 모듈이 외부와 연결되어 단락되는 문제가 발생될 수 있으며, 이는 태양전지의 전기적 특성을 저하시킬 수 있다.
실시예에서는 태양전지의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 태양전지는, 기판 상에 적층된 후면전극층, 광 흡수층, 버퍼층 및 전면전극층을 포함하는 다수개의 태양전지 셀들; 및 상기 기판의 가장자리에 해당하는 제1 표면부가 노출되도록 상기 태양전지 셀들 중 에지영역 셀에 형성된 관통홀을 포함하고, 상기 에지영역 셀의 전면전극층의 측벽을 기준으로 그 하부의 후면전극층의 측벽은 내측으로 후퇴된 구조를 가지는 것을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은, 기판 상에 후면전극층, 광 흡수층, 버퍼층 및 전면전극층을 포함하는 태양전지 셀들을 형성하는 단계; 상기 태양전지 셀들 중 가장자리에 해당하는 에지영역 셀을 패터닝하고, 상기 기판의 제1 표면부를 노출시키는 관통홀을 형성하는 단계; 및 상기 에지영역 셀의 후면전극층을 선택적으로 식각하여 상기 광 흡수층과 단차를 가지는 리세스 홈을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 의하면, 태양전지 셀들 중 에지 영역 셀의 후면전극에 리세스 홈이 형성되고, 상기 후면전극은 그 상부의 전면전극보다 내측으로 후퇴된 구조를 가질 수 있다.
즉, 상기 리세스 홈에 의하여 상기 후면전극과 전면전극의 전기적 접촉을 방지할 수 있다.
특히, 상기 리세스 홈 형성시 상기 전면전극의 스크라이빙 공정에 의하여 발생 및 흡착된 파티클을 동시에 제거할 수 있으므로, 절연파괴를 최소화할 수 있다.
이에 따라, 상기 태양전지 셀의 에지영역에서 절연성을 확보하여, 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 기판, 층, 막 또는 전극 등이 각 기판, 층, 막, 또는 전극 등의 "상(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 구성요소의 상 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
도 1 내지 도 9를 참조하여, 실시에에 따른 태양전지 및 이의 제조방법을 상세히 설명한다.
도 1을 참조하여, 기판(100) 상에 후면전극층(200)이 형성된다.
상기 기판(100)은 유리(glass)가 사용될 수 있으며, 세라믹 기판, 금속기판 또는 폴리머 기판 등도 사용될 수 있다.
예를 들어, 유리 기판으로는 소다라임 유리(sodalime glass) 또는 고변형점 소다유리(high strained point soda glass)를 사용할 수 있다. 금속 기판으로는 스테인레스 스틸 또는 티타늄을 포함하는 기판을 사용할 수 있다 폴리머 기판으로는 폴리이미드(polyimide)를 사용할 수 있다.
상기 기판(100)은 투명할 수 있다. 상기 기판(100)은 리지드(rigid)하거나 플렉서블(flexible) 할 수 있다.
상기 후면전극층(200)은 금속 등의 도전체로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 후면전극층(200)은 몰리브덴(Mo)을 타겟으로 사용하여, 스퍼터링(sputtering) 공정에 의해 형성될 수 있다.
이는, 몰리브덴(Mo)이 가진 높은 전기전도도, 광 흡수층과의 오믹(ohmic) 접합, Se 분위기 하에서의 고온 안정성 때문이다.
상기 후면전극층(200)인 몰리브덴(Mo) 박막은 전극으로서 비저항이 낮아야하고, 열팽창 계수의 차이로 인하여 박리현상이 일어나지 않도록 기판(100)에의 점착성이 뛰어나야 한다.
한편, 상기 후면전극층(200)을 형성하는 물질은 이에 한정되지 않고, 나트륨(Na) 이온이 도핑된 몰리브덴(Mo)으로 형성될 수도 있다.
도면에 도시되지는 않았지만, 상기 후면전극층(200)은 적어도 하나 이상의 층으로 형성될 수 있다. 상기 후면전극층(200)이 복수개의 층으로 형성될 때, 상기 후면전극층(200)을 이루는 층들은 서로 다른 물질로 형성될 수 있다.
도 2를 참조하여, 상기 후면전극층(200)에 제1 관통홀(P1)이 형성되고, 상기 후면전극층(200)은 상호 분리될 수 있다.
상기 제1 관통홀(P1)은 상기 기판(100)의 상면을 선택적으로 노출시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 관통홀(P1)은 기계적 장치 또는 레이저 장치에 의하여 패터닝 될 수 있다. 상기 제1 관통홀(P1)의 폭은 80㎛±20일 수 있다.
상기 제1 관통홀(P1)에 의하여 상기 후면전극층(200)은 스트라이프(stripe) 형태 또는 매트릭스(matrix) 형태로 배치될 수 있으며, 각각의 셀에 대응할 수 있다.
한편, 상기 후면전극층(200)은 상기의 형태에 한정되지 않고, 다양한 형태로 형성될 수 있다.
도 3을 참조하여, 상기 후면전극층(200) 및 제1 관통홀(P1) 상에 광 흡수층(300)이 형성된다.
상기 광 흡수층(300)은 Ⅰb-Ⅲb-Ⅵb계 화합물을 포함한다.
더 자세하게, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In, Ga)Se2, CIGS계) 화합물을 포함한다.
이와는 다르게, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-셀레나이드계(CuInSe2, CIS계) 화합물 또는 구리-갈륨-셀레나이드계(CuGaSe2, CGS계) 화합물을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 광 흡수층(300)을 형성하기 위해서, 구리 타겟, 인듐 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하여, 상기 후면전극층(200) 상에 CIG계 금속 프리커 서(precursor)막이 형성된다.
이후, 상기 금속 프리커서막은 셀레니제이션(selenization) 공정에 의해서, 셀레늄(Se)과 반응하여 CIGS계 광 흡수층(300)이 형성된다.
또한, 상기 광 흡수층(300)은 구리,인듐,갈륨,셀레나이드(Cu, In, Ga, Se)를 동시증착법(co-evaporation)에 의해 형성할 수도 있다.
상기 광 흡수층(300)은 외부의 광을 입사받아, 전기 에너지로 변환시킨다. 상기 광 흡수층(300)은 광전효과에 의해서 광 기전력을 생성한다.
도 4를 참조하여, 상기 광 흡수층(300) 상에 버퍼층(400) 및 고저항 버퍼층(500)이 형성된다.
상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 적어도 하나 이상의 층으로 형성될 수 있다. 상기 버퍼층(400)은 CBD 공정에 의하여 황화 카드뮴(CdS)이 적층되어 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(400)은 n형 반도체 층이고, 상기 광 흡수층(300)은 p형 반도체 층이다. 따라서, 상기 광 흡수층(300) 및 버퍼층(400)은 pn접합을 형성한다.
상기 고저항 버퍼층(500)은 상기 버퍼층(400) 상에 투명전극층으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 고저항 버퍼층(500)은 ITO, ZnO 및 i-ZnO 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 고저항 버퍼층(500)은 산화 아연(ZnO)를 타겟으로 한 스퍼터링 공정을 진행하여, 산화 아연층으로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(400) 및 고저항 버퍼층(500)은 상기 광 흡수층(300)과 이후 형성된 전면전극의 사이에 배치된다.
즉, 상기 광 흡수층(300)과 전면전극은 격자상수와 에너지 밴드 갭의 차이가 크기 때문에, 밴드 갭이 두 물질의 중간에 위치하는 상기 버퍼층(400) 및 고저항 버퍼층을 삽입하여 양호한 접합을 형성할 수 있다.
본 실시예에서는 두 개의 버퍼층(400)을 상기 광 흡수층(300) 상에 형성하였지만, 이에 한정되지 않고, 상기 버퍼층(400)은 한개의 층으로만 형성될 수 있다.
도 5를 참조하여, 상기 고저항 버퍼층(500), 버퍼층(400) 및 광 흡수층(300)을 관통하는 제2 관통홀(P2)이 형성된다. 상기 제2 관통홀(P2)은 상기 후면전극층(200)을 선택적으로 노출시킬 수 있다.
상기 제2 관통홀(P2)은 팁(Tip)과 같은 기계적 장치 또는 레이저 장치에 의하여 형성될 수 있다.
상기 제2 관통홀(P2)은 상기 제1 관통홀(P1)에 인접하여 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 관통홀(P2)의 폭은 80㎛±20일 수 있고, 상기 제2 관통홀(P2)과 상기 제1 관통홀(P1)의 갭은 80㎛±20일 수 있다.
도 6을 참조하여, 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 투명한 도전물질을 적층하여 전면전극층(600)이 형성된다.
상기 전면전극층(600)이 형성될 때, 상기 투명한 도전물질이 상기 제2 관통홀(P2)에도 삽입되어 접속배선(700)을 형성할 수 있다.
상기 전면전극층(600)은 스퍼터링 공정을 진행하여 알루미늄(Al) 또는 알루 미나(Al2O3)로 도핑된 산화 아연으로 형성된다.
상기 전면전극층(600)은 상기 광 흡수층(300)과 pn접합을 형성하는 윈도우(window)층으로서, 태양전지 전면의 투명전극의 기능을 하기 때문에 광투과율이 높고 전기 전도성이 좋은 산화 아연(ZnO)으로 형성된다.
따라서, 상기 산화 아연에 알루미늄 또는 알루미나를 도핑함으로써 낮은 저항값을 갖는 전극을 형성할 수 있다.
상기 전면전극층(600)인 산화 아연 박막은 RF 스퍼터링방법으로 ZnO 타겟을 사용하여 증착하는 방법과 Zn 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링, 그리고 유기금속화학증착법 등으로 형성될 수 있다.
또한, 전기광학적 특성이 뛰어난 ITO(Indium Thin Oxide) 박막을 산화 아연 박막 상에 층착한 2중 구조를 형성할 수도 있다.
도 7을 참조하여, 전면전극층(600), 고저항 버퍼층(500), 버퍼층(400) 및 광 흡수층(300)을 관통하는 제3 관통홀(P3)이 형성된다.
상기 제3 관통홀(P3)은 상기 후면전극층(200)을 선택적으로 노출시킬 수 있다. 상기 제3 관통홀(P3)은 상기 제2 관통홀(P2)과 인접하도록 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 제3 관통홀(P3)의 폭은 80㎛±20일 수 있고, 상기 제3 관통홀(P3)과 상기 제2 관통홀(P2)의 갭은 80㎛±20일 수 있다.
상기 제3 관통홀(P3)은 레이저(laser)를 조사(irradiate)하거나, 팁(Tip)과 같은 물리적인(mechanical) 방법으로 형성할 수 있다.
따라서, 상기 제3 관통홀(P3)에 의하여 상기 광흡수층(300), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500) 및 전면전극층(600)은 단위셀 별로 분리될 수 있다. 즉, 상기 제3 관통홀(P3)에 의해 각각의 셀(C1, C2)은 서로 분리될 수 있다.
그리고, 상기 제3 관통홀(P3)에 의해 상기 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500) 및 전면전극층(600)은 스트라이프 형태 또는 매트릭스 형태로 배치될 수 있다.
상기 제3 관통홀(P3)은 상기의 형태에 한정되지 않고, 다양한 형태로 형성될 수 있다.
이때, 상기 접속배선(700)에 의해 각각의 셀(C1, C2)은 서로 연결될 수 있다.
즉, 상기 접속배선(700)은 제2셀(C2)의 후면전극층(200)과 상기 제2셀(C2)에 인접하는 상기 제1셀(C1)의 전면전극층(600)을 물리적,전기적으로 연결할 수 있다.
도 8을 참조하여, 상기 셀(C1,C2)들 중 가장자리에 위치한 상기 제1 셀(C1)을 선택적으로 제거하여 제4 관통홀(P4)이 형성된다.
상기 제4 관통홀(P4)에 의하여 에지영역에 해당하는 상기 기판(100)의 제1 표면부(110)가 노출될 수 있다.
예를 들어, 상기 제4 관통홀(P4)은 제1 너비(D1)를 가지도록 형성된다. 상기 제1 표면부(110)는 상기 제4 관통홀(P4)과 동일한 너비를 가질 수 있다.
상기 제4 관통홀(P4)에 의하여 상기 제1 셀(C1)의 외측 측벽은 균일한 표면을 가질 수 있게 된다.
예를 들어, 상기 기판(100)의 제1 표면부(110)에 대하여 상기 제1 셀(C1)의 후면전극층(600)의 측벽은 직각을 이룰 수도 있다.
상기 기판(100) 상에 형성되는 상기 셀(C1,C2)들의 각층들은 부분적으로 증착수준이 다르고 특히 상기 기판(100)의 에지 영역에서의 불균일한 형태로 증착될 수 있다.
이에 상기 기판(100)의 에지 영역에 해당하는 상기 제1 셀(C1)의 측부를 선택적으로 제거함으로써, 태양전지의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 제4 관통홀(P4)은 팁(Tip)과 같은 기계적 장치 또는 레이저 장치에 의하여 형성될 수 있다.
특히, 상기 제4 관통홀(P4)을 형성할 때 상기 전면전극층(600)에서 파티클이 발생 및 흡착이 이루어질 수 있으므로, 이를 방지하는 것이 요구된다.
이러한 전면전극의 파티클들은 후면전극과 연결되고, 누설전류의 발생 원인이 될 수 있다.
도 9를 참조하여, 상기 제1 셀(C1)의 후면전극층(200)에 리세스 홈(210)이 형성된다.
상기 리세스 홈(210)은 상기 제4 관통홀(P4)에 의하여 노출된 상기 후면전극층(200)의 일부를 제거하여 형성될 수 있다.
상기 리세스 홈(210)에 의하여 상기 기판(100)의 제2 표면부(120)가 노출될 수 있다. 즉, 상기 제2 표면부(120)는 상기 제1 표면부(110)에서 상기 후면전극층(200) 내측 방향으로 연장된 영역일 수 있다.
상기 리세스 홈(210)에 의하여 상기 후면전극층(200)의 측벽은 상기 전면전 극층(600) 및 광 흡수층(300)의 측벽을 기준으로 내측을 향해 함몰된 구조를 가질 수 있다.
즉, 상기 제1 셀(C1)의 전면전극층(600), 고저항 버퍼층(500), 버퍼층(400) 및 광 흡수층(300)은 상기 후면전극층(200)과 단차를 가진 구조를 가질 수 있다.
상기 리세스 홈(210)에 의하여 상기 광 흡수층(300)의 후면은 일부 노출될 수 있다.
상기 리세스 홈(210)은 습식식각 공정을 통해 형성될 수 있다. 특히, 상기 리세스 홈(210)은 상기 후면전극층(200) 물질을 선택적으로 제거할 수 있는 에천트(etchant)를 사용하여 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 리세스 홈(210)은 인산, 질산 및 초산을 포함하는 에천트 또는 과산화수소 에천트를 사용한 습식 식각 공정을 통해 상기 몰리브덴 박막을 선택적으로 제거함으로써 형성될 수 있다.
이에 따라, 상기 리세스 홈(210)에 의하여 상기 기판(100)의 노출영역인 상기 제2 표면부(120)가 확장될 수 있다.
예를 들어, 상기 제4 관통홀(P4)에 의하여 노출된 상기 제1 표면부(110)는 제1 너비(D1)를 가지고, 상기 리세스 홈(210)에 의하여 노출된 상기 제2 표면부(110)는 제1 너비(D1) 보다 넓은 제2 너비(D2)를 가질 수 있다.
상기와 같이 후면전극층(200)에 리세스 홈(210)이 형성되어, 상기 전면전극층(600)과 후면전극층(200)의 전기적 연결을 방지하고 션트 패스(shunt path)를 방지할 수 있다.
특히, 상기 제4 관통홀(P4) 형성시 상기 전면전극층(600(에서 발생될 수 있는 파티클은 상기 리세스 홈(210) 형성시 제거할 수 있다.
따라서, 상기 제1 및 제2 표면부(110,120)에 남아있을 수 있는 파티클을 추가적으로 제거함으로써, 상기 태양전지 에지부에서 전기적 단락을 방지하고, 절연성을 확보할 수 있다.
실시예는 후면전극층(200)의 리세스 홈(210) 형성에 의하여, 태양전지의 쇼트-서킷(short circuit)을 방지하고 외부와의 연결되는 것을 완전히 차단할 수 있다.
따라서, 태양전지의 전기적인 특성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1 내지 도 9는 실시예에 따른 태양전지의 제조공정을 도시한 도면이다.

Claims (6)

  1. 기판 상에 적층된 후면전극층, 광 흡수층, 버퍼층 및 전면전극층을 포함하는 다수개의 태양전지 셀들; 및
    상기 기판의 가장자리에 해당하는 제1 표면부가 노출되도록 상기 태양전지 셀들 중 에지영역 셀에 형성된 관통홀을 포함하고,
    상기 에지영역 셀의 전면전극층의 측벽을 기준으로 그 하부의 후면전극층의 측벽은 내측으로 후퇴된 구조를 가지는 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에지영역 셀의 후면전극은 상기 광 흡수층과 단차를 가지도록 형성된 리세스 홈을 포함하고,
    상기 리세스 홈은 상기 기판의 제2 표면부를 노출시키는 태양전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 표면부는 제1 너비를 가지고, 상기 제2 표면부는 제1 너비 보다 넓은 제2 너비를 가지는 태양전지.
  4. 기판 상에 후면전극층, 광 흡수층, 버퍼층 및 전면전극층을 포함하는 태양전지 셀들을 형성하는 단계;
    상기 태양전지 셀들 중 가장자리에 해당하는 에지영역 셀을 패터닝하고, 상기 기판의 제1 표면부를 노출시키는 관통홀을 형성하는 단계; 및
    상기 에지영역 셀의 후면전극층을 선택적으로 식각하여 상기 광 흡수층과 단차를 가지는 리세스 홈을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 리세스 홈은 인산, 질산 및 초산을 포함하는 에천트 또는 과산화수소 에천트를 사용하는 습식식각 공정을 통해 형성되는 태양전지의 제조방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 표면부는 제1 너비로 형성되고,
    상기 리세스 홈에에 의하여 노출된 상기 기판의 표면부는 제1 너비 보다 넓은 제2 너비로 형성되고,
    상기 리세스 홈에 의하여 상기 광 흡수층의 후면이 선택적으로 노출되는 태양전지의 제조방법.
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