KR101072153B1

KR101072153B1 - 태양전지 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR101072153B1
Application number: KR1020090058829A
Authority: KR
Inventors: 윤희경
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2009-06-30
Publication date: 2011-10-10
Also published as: KR20110001334A

Abstract

실시예에 따른 태양전지는 태양전지 셀 상에 배치된 상부기판; 상기 상부기판 상에 배치된 폴리머층; 및 상기 폴리머층 상에 배치된 보호막을 포함한다.

실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 태양전지 셀 상에 상부기판을 형성하는 단계; 상기 상부기판 상에 폴리머층을 형성하는 단계; 및 상기 폴리머층 상에 보호막을 형성하는 단계를 포함한다.

태양전지, 폴리머

Description

태양전지 및 이의 제조방법{SOLAR CELL AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}

실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

최근 에너지의 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지들에 대한 개발이 진행되고 있다.

특히, 유리 기판, 금속 후면 전극층, p형 CIGS계 광 흡수층, 고 저항 버퍼층, n형 창층 등을 포함하는 기판 구조의 pn 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다.

이러한 태양전지에서, n형 창층 상에 상부기판을 형성한 후, 반사방지막을 형성하여 입광 효율을 향상시키고 있으나, 상기 반사방지막이 외부 환경으로부터 오염되어 태양전지의 수명이 감소될 수 있다.

실시예는 외부의 오염물질로부터 반사방지막을 보호할 수 있는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다.

실시예에 따른 태양전지는 하부기판과 상기 하부기판 상에 순차적으로 배치된 후면전극, 광 흡수층, 전면전극과, 상기 전면전극 상에 배치된 상부기판과 상기 상부기판 상에 배치된 폴리머층과, 상기 폴리머층 상에 배치된 보호막을 포함한다.

실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 하부기판을 마련하는 단계와 하부기판 상에 후면전극, 광 흡수층, 전면전극을 순차적으로 적층 형성하는 단계와 상기 전면전극 상에 상부기판을 형성하는 단계와 상기 상부기판 상에 폴리머층을 형성하는 단계와 상기 폴리머층 상에 보호막을 형성하는 단계를 포함한다.

실시예에 따른 태양전지 및 이의 제조방법은 상부 기판 상에 형성되는 반사방지막 상에 보호막을 형성하여, 반사방지막이 외부 환경에 의해 오염되거나 변형되는 것을 방지하여, 태양전지의 수명을 증대시킬 수 있다.

또한, 보호막은 산화막으로 형성되어, 보호막에 의한 광촉매 효과에 의해 태양전지의 표면을 자가세정(self cleaning)할 수 있다.

즉, 보호막 상으로 유기물 등의 오염물이 붙게 되면, 보호막이 유기물을 산화 분해하여 자가세정 할 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 6은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 측단면도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 태양전지는 태양전지 셀(10) 상에 배치된 상부기판(600), 반사방지층(700) 및 보호막(800)을 포함한다.

상기 반사방지층(700)은 상기 상부기판(600) 상에 형성되며, 상기 보호막(800)은 상기 반사방지층(700) 상에 0.5~1.5 mm의 두께로 형성된다.

상기 반사방지층(700)은 반사방지막(anti-reflective coating; ARC)으로 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene Terephthalate; PET)를 포함하는 플라스틱 소재 또는 폴리메틸메타크릴레이트(poly methyl methacrylate; PMMA)를 함유하는 중합체(polymer)로 형성될 수 있다.

상기 보호막(800)은 상기 반사방지층(700)을 보호하기 위해 산화 금속인 TiO₂, SiO₂, MgO₂ 중 어느 하나로 코팅되어 형성될 수 있다.

이때, 상기 보호막(800)은 산화 금속의 입자(particle)로 이루어진 박막으로 형성될 수 있으며, 지름(diameter)이 10~50 nm 크기의 입자가 50~150 nm의 두께로 형성될 수 있다.

상기 보호막(800)은 상기 반사방지층(700)을 모두 감싸도록 형성되며, 상기 반사방지층(700)이 외부 환경에 의해 오염되거나 변형되는 것을 방지하여, 태양전지의 수명을 증대시킬 수 있다.

또한, 상기 보호막(800)이 TiO₂ 산화 금속 입자로 형성된 경우 산화막으로 형성되어, 상기 보호막(800)에 의한 광촉매 효과에 의해 태양전지의 표면을 자가세정(self cleaning)할 수 있다.

즉, 상기 보호막(800) 상으로 유기물 등의 오염물이 붙게 되면, 상기 보호막(800)이 유기물을 산화 분해하여 자가세정 할 수 있다.

본 실시예의 태양전지에 관한 더 자세한 설명은 태양전지의 제조방법과 함께 설명하도록 한다.

도 1 내지 도 6은 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도이다.

우선, 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(100) 상에 후면전극(200)을 형성한다.

상기 기판(100)은 유리(glass)가 사용되고 있으며, 세라믹 기판, 금속 기판 또는 폴리머 기판 등도 사용될 수 있다.

유리 기판으로는 소다라임 유리(sodalime glass) 또는 고변형점 소다유리(high strained point soda glass)를 사용할 수 있으며, 금속 기판으로는 스테인레스 스틸 또는 티타늄을 포함하는 기판을 사용할 수 있다.

또한, 상기 기판(100)은 리지드(rigid)하거나 플렉서블(flexible)할 수 있 다.

상기 후면전극(200)은 금속 등의 도전체로 형성될 수 있다.

예를 들어, 상기 후면전극(200)은 몰리브덴(Mo) 타겟을 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 후면전극(200)인 몰리브덴(Mo) 박막은 전극으로서 비저항이 낮아야 하고, 또한 열팽창 계수의 차이로 인하여 박리 현상이 일어나지 않도록 기판에의 점착성이 뛰어나야 한다.

그리고, 상기 후면전극(200)을 형성하는 물질은 이에 한정되지 않고, ITO(Indium tin oxide), 나트륨(Na) 이온이 도핑된 몰리브덴(Mo)으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 후면전극(200)은 적어도 하나 이상의 층으로 형성될 수 있다.

상기 후면전극(200)이 복수개의 층으로 형성될 때, 상기 후면전극(200)을 이루는 층들은 서로 다른 물질로 형성될 수 있다.

그리고, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 후면전극(200) 상에 광 흡수층(300)을 형성한다.

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, CIS계) 화합물을 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 광 흡수층(300)을 형성하기 위해서, 구리 타겟, 인듐 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하여, 상기 후면전극(200) 상에 CIG계 금속 프리커서(precursor)막이 형성된다.

이후, 상기 금속 프리커서막은 셀레니제이션(selenization) 공정에 의해서, 셀레늄(Se)과 반응하여 CIGS계 광 흡수층(300)이 형성된다.

또한, 상기 금속 프리커서막을 형성하는 공정 및 셀레니제이션 공정 동안에, 상기 기판(100)에 포함된 알칼리(alkali) 성분이 상기 후면전극 패턴(200)을 통해서, 상기 금속 프리커서막 및 상기 광 흡수층(300)에 확산된다.

알칼리(alkali) 성분은 상기 광 흡수층(300)의 그레인(grain) 크기를 향상시키고, 결정성을 향상시킬 수 있다.

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.

이어서, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 광 흡수층(300) 상에 버퍼층(400) 및 전면전극(500)을 형성하여 태양전지 셀(10)을 형성한다.

상기 버퍼층(400)은 적어도 하나의 층으로 형성되며, 상기 광 흡수층(300)이 형성된 상기 기판(100) 상에 황화 카드뮴(CdS), ITO, ZnO, i-ZnO 중 어느 하나 또는 이들의 적층으로 형성될 수 있다.

이때, 상기 버퍼층(400)은 n형 반도체 층이고, 상기 광 흡수층(300)은 p형 반도체 층이다. 따라서, 상기 광 흡수층(300) 및 버퍼층(400)은 pn 접합을 형성한다.

상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300)과 이후 형성될 전면전극의 사이에 배치된다.

즉, 상기 광 흡수층(300)과 전면전극은 격자상수와 에너지 밴드 갭의 차이가 크기 때문에, 밴드갭이 두 물질의 중간에 위치하는 상기 버퍼층(400)을 삽입하여 양호한 접합을 형성할 수 있다.

본 실시예에서는 한 개의 버퍼층을 상기 광 흡수층(300) 상에 형성하였지만, 이에 한정되지 않고, 상기 버퍼층은 복수개의 층으로 형성될 수도 있다.

상기 전면전극(500)은 투명전도층으로 형성될 수 있으며, 알루미늄(Al), 알루미나(Al₂O₃), 마그네슘(Mg), 갈륨(Ga) 등의 불순물을 포함하는 아연계 산화물 또는 ITO(Indium tin Oxide)로 형성될 수 있다.

상기 전면전극(500)은 상기 광 흡수층(300)과 pn접합을 형성하는 윈도우(window)층으로서, 태양전지 전면의 투명전극의 기능을 하기 때문에 광투과율이 높고 전기 전도성이 좋은 물질로 형성된다.

이때, 상기 산화 아연에 알루미늄 또는 알루미나를 도핑함으로써 낮은 저항 값을 갖는 전극을 형성할 수 있다.

또한, 상기 전면전극(500)은 전기광학적 특성이 뛰어난 ITO(Indium tin Oxide) 박막을 산화 아연 박막 상에 층착한 2중 구조로 형성될 수도 있다.

그리고, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 전면전극(500) 상에 상부기판(600)을 형성한다.

상기 상부기판(600)은 저철분 강화 유리 또는 반강화유리로 형성될 수 있다.

그리도, 도면에는 도시되지 않았지만, 상기 상부기판(600)과 전면전극(500) 사이에 투명수지인 EVA(Ethylene Vinyle Acetate copolymer) 필름이 더 형성될 수도 있다.

이어서, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 상부기판(600) 상에 반사방지층(700)을 형성한다.

상기 반사방지층(700)은 반구(hemisphere)의 형태로 요철이 형성될 수 있으며, 스프레이 코팅(spray coating), 스핀 코팅(spin coating) 또는 몰딩(molding) 공정으로 진행될 수 있다.

즉, 폴리머 물질을 상기 상부기판(600)에 스프레이 코팅(spray coating), 스핀 코팅(spin coating)하여 형성하거나, 폴리머 물질을 상기 상부기판(600)에 코팅 한 후, 열과 압력에 의한 몰딩(molding)을 진행하여 형성할 수 있다.

이때, 상기 상부기판(600)에 폴리머 물질을 스프레이 코팅(spray coating) 또는 스핀 코팅(spin coating)하여도 상기 반사방지층(700)은 자연적으로 반구(hemisphere)의 형태로 형성될 수 있다.

그리고, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 반사방지층(700) 상에 보호막(800)을 형성한다.

상기 보호막(800)은 상기 반사방지층(700)을 보호하기 위해 금속 산화 박막으로 형성된다.

상기 보호막(800)을 형성하기 위해, 우선 TiO₂, SiO₂, MgO₂ 중 어느 하나의 금속 산화물을 입자(particle)의 형태로 형성한 후, 상기 금속 산화물을 용매와 함께 상기 반사방지층(700)으로 스핀 코팅(spin coating) 또는 스프레이 코팅(spray coating)을 한다.

상기 금속 산화물과 함께 코팅되는 용매는 알코올과 같은 휘발성 용매일 수 있으며, 이후 진행되는 열처리 공정으로 모두 제거될 수 있다.

그리고, 상기 금속 산화물과 용매가 코팅된 상기 기판(100)에 10분 내지 15분의 열처리 공정을 진행하여 상기 용매를 모두 제거하고, 건조 공정으로 상기 보호막(800)을 형성할 수 있다.

상기 TiO₂, SiO₂, MgO₂ 중 어느 하나의 금속 산화물은 입자의 지름(diameter)이 10~50 nm 크기로 형성될 수 있으며, 상기 산화 금속의 입자로 이루어진 박막의 형태인 상기 보호막(800)은 50~150 nm의 두께로 형성될 수 있다

따라서, 상기 반사방지층(700) 상에 상기 보호막(800)을 형성하여, 상기 반사방지층(700)을 보호하고, 태양전지의 표면을 자가세정하여 태양전지의 수명을 증대시킬 수 있다.

그리고, 도면에는 도시하지 않았지만, 이후 EVA 필름 및 상부 기판을 더 형성할 수 있다.

이상에서 설명한 실시예에 따른 태양전지 및 이의 제조방법은 상부 기판 상에 형성되는 반사방지막 상에 보호막을 형성하여, 반사방지막이 외부 환경에 의해 오염되거나 변형되는 것을 방지하여, 태양전지의 수명을 증대시킬 수 있다.

즉, 보호막 상으로 유기물 등의 오염물이 붙게 되면, 보호막이 유기물을 산 화 분해하여 자가세정 할 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.

Claims

하부기판;

상기 하부기판 상에 순차적으로 배치된 후면전극, 광 흡수층, 전면전극;

상기 전면전극 상에 배치된 상부기판;

상기 상부기판 상에 배치된 폴리머층; 및

상기 폴리머층 상에 배치된 보호막;

을 포함하는 태양전지.
제 1항에 있어서,

상기 보호막은 금속 산화 입자로 이루어진 박막으로 형성되며, TiO₂, SiO₂, MgO₂ 중 어느 하나로 형성된 것을 포함하는 태양전지.
제 1항에 있어서,

상기 폴리머층은 반구(hemisphere)의 형태로 요철이 형성된 것을 포함하는 태양전지.
제 1항에 있어서,

상기 보호막은 직경(diameter)이 10~50 nm 크기의 입자가 50~150 nm의 두께로 형성된 태양전지.
하부기판을 마련하는 단계;

하부기판 상에 후면전극, 광 흡수층, 전면전극을 순차적으로 적층 형성하는 단계;

상기 전면전극 상에 상부기판을 형성하는 단계;

상기 상부기판 상에 폴리머층을 형성하는 단계; 및

상기 폴리머층 상에 보호막을 형성하는 단계;

를 포함하는 태양전지의 제조방법.
제 5항에 있어서,

폴리머층을 형성하는 단계는,

상기 폴리머층 상에 산화 금속 입자를 포함하는 용매를 코팅하는 단계; 및

상기 용매가 코팅된 상기 기판에 열처리 공정을 진행하는 단계를 포함하며,

상기 보호막은 금속 산화 입자로 이루어진 박막으로 형성되며, TiO₂, SiO₂, MgO₂ 중 어느 하나로 형성된 것을 포함하는 태양전지의 제조방법.