KR101081122B1 - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

태양전지 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

실시예에 따른 태양전지는, 기판 상에 형성되고, 후면전극, 광 흡수층, 버퍼층 및 전면전극층을 포함하는 다수개의 태양전지 셀들; 및 상기 태양전지 셀들의 표면을 감싸도록 상기 기판 상에 적층된 제1 보호층 및 제2 보호층을 포함한다.
태양전지, 보호층

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.
상기 태양전지는 에바 필름(Ethylene Vinyle Acetate)에 의하여 보호될 수 있다.
이러한 에바 필름은 고분자 수지층으로 형성되므로, 황변 또는 습기 침투에 의하여 태양전지의 성능이 저하될 수 있다.
실시예에서는 태양전지의 상부 보호층으로 세라믹계를 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 태양전지는, 기판 상에 형성되고, 후면전극, 광 흡수층, 버퍼층 및 전면전극층을 포함하는 다수개의 태양전지 셀들; 및 상기 태양전지 셀들의 표면을 감싸도록 상기 기판 상에 적층된 제1 보호층 및 제2 보호층을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은, 기판 상에 복수개의 태양전지 셀들을 형성하는 단계; 상기 태양전지 셀들을 감싸도록 상기 기판 상에 제1 보호층을 형성하는 단계; 및 상기 제1 보호층 상에 제2 보호층을 형성하는 하는 단계를 포함한다.
실시예에 의하면, 기판 상에 형성된 태양전지 셀을 감싸도록 상기 기판 상에 폴리머층-세라믹층을 포함하는 보호층이 배치된다.
상기 보호층은 적어도 두개 이상의 층이 적층된 구조일 수 있다.
상기 폴리머층-세라믹층의 적층구조에 의하여 상기 태양전지 셀로 습기가 침투하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 보호층의 적층구조에 의하여 보호층의 황변을 방지할 수도 있다.
또한, 상기 보호층의 적층구조에 의하여 외부의 충격을 흡수하여 상기 태양 전지 셀의 손상을 방지할 수 있다.
이에 따라, 상기 보호층에 의하여 태양전지 셀의 성능저하를 방지하고, 수명을 연장시킴으로써, 신뢰성을 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 및 도 6, 도 7을 참조하여, 실시예에 따른 태양전지를 설명한다.
도 1은 태양전지 모듈을 도시한 평면도이다. 도 6은 도 1의 X-X'선 단면도이다. 도 7은 도 1의 Y-Y'선 단면도이다.
도 1, 도 6 및 도 7을 참조하여, 실시예에 따른 태양전지는 기판(100) 상에 형성된 복수개의 태양전지 셀(C1,C2,C3...Cn-1, Cn) 및 상기 태양전지 셀(C1,C2,C3...Cn-1, Cn)들을 감싸도록 배치된 보호층(800)을 포함한다.
상기 태양전지 셀(C1,C2,C3...Cn-1, Cn)들은 예를 들어, CIGS계 태양전지, 실리콘계열 태양전지 또는 염료 감응 태양전지일 수 있다.
상기 기판(100)은 플레이트 형상을 가진다. 상기 기판(100)은 투명하고 절연 체 일 수 있다.
상기 기판(100)은 리지드하거나 플렉서블한 재질을 포함한다.
상기 태양전지 셀(C1,C2,C3...Cn-1, Cn)들은 각각 후면전극층(200), 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500) 및 전면전극층(600)을 포함한다.
상기 태양전지 셀(C1,C2,C3...Cn-1, Cn)들은 제3 관통홀(P3)에 의하여 상호 분리될 수 있다. 상기 제3 관통홀(P3)은 상기 후면전극층(200)의 일부를 선택적으로 노출시킬 수 있다.
즉, 상기 제3 관통홀(P3)에 의하여 각각의 셀들이 정의될 수 있다.
상기 보호층(800)은 상기 전면전극층(600) 상에 형성되고, 상기 태양전지 셀(C1,C2,C3...Cn-1, Cn)들을 보호할 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하여, 상기 보호층(800)은 제1 보호층(810) 및 제2 보호층(820)이 적층된 구조일 수 있다.
상기 제1 보호층(810)은 폴리머 계열로 형성되고, 상기 제2 보호층(820)은 세라믹 계열로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 보호층(810)은 PET(polyethylene terephtalate), PEN((polyethylene naphthalate) 및 PI(poly imide) 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 상기 제2 보호층(820)은 Al2O3, SiO2, TiO2 및 Ta2O5 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 제1 보호층(810) 및 제2 보호층(820)은 서로 교대로 배치되고, 적어도 두개 이상의 층이 적층된 구조로 형성될 수 있다.
상기 제1 보호층(810)과 상기 제2 보호층(820)의 두께는 1~5:10~20의 비를 가질 수 있다.
상기 제1 보호층(810)과 제2 보호층(820)의 전체 높이는 3~10mm일 수 있다.
상기 전면전극층(600)과 접하는 상기 제1 보호층(810)은 상기 제3 관통홀(P3)의 내부로 연장될 수 있다.
절연성 물질인 상기 제1 보호층(810)이 상기 제3 관통홀(P3) 내부에 형성되고, 상기 셀간의 절연성을 확보할 수 있다.
한편, 실시예에서는 상기 제1 보호층(810) 상부에 제2 보호층(820)이 형성되는 것을 예로 하였지만, 상기 제2 보호층(820) 상부에 제1 보호층(810)이 적층된 구조도 가능하다.
상기와 같이, 태양전지 셀들은 폴리머 계열의 제1 보호층(810) 및 세라믹 계열의 제2 보호층(820)에 의하여 보호될 수 있다.
즉, 폴리머층과 세라믹층의 적층구조에 의하여, 태양전지 셀로의 습기침투를 방지할 수 있다.
또한, 폴리머-세라믹층이 적어도 두층 이상이 적층된 구조를 가지므로, 황변과 같은 변색을 방지할 수 있다.
이로 인하여, 태양전지의 성능저하를 방지하고, 수명을 연장시킬 수 있다.
또한, 상기 보호층(800)이 폴리머 및 세라믹계열의 물질로 형성되어, 플렉서블한 기판의 사용이 가능하므로, 다양한 영역에 태양전지 모듈의 적용이 가능하다.
도 2 내지 도 7은 실시예에 따른 태양전지를 제조하기 위한 공정을 도시한 단면도들이다. 본 제조방법에서는 앞서 설명한 태양전지를 참고하여 설명한다. 본 제조방법에 대한 설명에 있어서, 전술된 태양전지는 결합될 수 있다.
우선, 도 2를 태양전지의 제조공정을 설명한다.
먼저, 기판(100) 상에 후면전극층(200)이 형성된다.
상기 기판(100)은 유리가 사용될 수 있으며, 세라믹 기판, 금속기판 또는 폴리머 기판 등도 사용될 수 있다.
예를 들어, 유리 기판으로는 소다라임 유리(sodalime galss) 또는 고변형점 소다유리(high strained point soda glass)를 사용할 수 있다. 금속기판으로는 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.
도시되지는 않았지만, 상기 기판(100)이 SUS와 같은 플렉서블 기판일 경우, 상기 기판(100) 상에 산화막 또는 질화막과 같은 확산방지막이 더 형성될 수도 있다.
상기 후면전극층(200)은 금속 등의 도전체로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 후면전극층(200)은 몰리브덴(Mo)을 타겟(target)으로 사용하여, 스퍼터링(sputtering) 공정에 의해 형성될 수 있다.
이는, 몰리브덴(Mo)이 가진 높은 전기 전도도, 광 흡수층과의 오믹(ohmic) 접합, Se 분위기 하에서의 고온 안정성 때문이다.
상기 후면전극층(200)인 몰리브덴 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.
상기 후면전극층(200)에 제1 관통홀(P1)이 형성되고, 상기 후면전극층(200)은 다수개로 패터닝 될 수 있다. 상기 제1 관통홀(P1)은 상기 기판(100)의 상부 표면을 노출시킬 수 있다.
다음, 상기 후면전극층(200) 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, CIS계) 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.
다음, 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 있으며, 화학 용액 증착법(chemical bath deposition: CBD)에 의하여 황화 카드뮴(CdS)으로 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 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 어느로 형성될 수 있다.
상기 고저항 버퍼층(500)은 산화 아연(ZnO)을 타겟으로 한 스퍼터링 공정을 진행하여, 산화 아연층으로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(400) 및 고저항 버퍼층(500)은 상기 광 흡수층(300)과 이후 형성될 윈도우층의 사이에 배치된다.
즉, 상기 광 흡수층(300)과 전면전극층(600)은 격자상수와 에너지 밴드 갭의 차이가 크기 때문에, 밴드 갭이 두 물질의 중간에 위치하는 상기 버퍼층(400) 및 고저항 버퍼층(500)을 삽입하여 양호한 접합을 형성할 수 있다.
본 실시예에서 두개의 버퍼층(400)을 상기 광 흡수층(300) 상에 형성하였지만, 이에 한정되지 않고, 상기 버퍼층(400)은 단일층으로 형성될 수도 있다.
다음, 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)의 일부를 노출시킬 수 있다. 상기 제2 관통홀(P2)은 상기 제1 관통홀(P1)에 인접하여 형성될 수 있다.
다음, 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)에 삽입되어 접속배선(700)을 형성할 수 있다.
상기 전면전극층(600)은 스퍼터링 공정을 진행하여 알루미늄(Al) 또는 알루미나(Al2O3)로 도핑된 산화 아연으로 형성된다.
상기 전면전극층(600)은 상기 광 흡수층(300)과 pn접합을 형성하고, 태양전지 전면의 투명전극의 기능을 하기 때문에 광투과율이 높고 전기 전도성이 좋은 산 화 아연(ZnO)으로 형성될 수 있다.
따라서, 상기 전면전극층(600)은 산화 아연에 알루미늄 또는 알루미나를 도핑함으로써 낮은 저항값을 갖는 전극을 형성할 수 있다.
상기 전면전극층(600)인 산화 아연 박막은 RF 스퍼터링 방법으로 ZnO 타겟을 사용하여 증착하는 방법과, Zn 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링, 그리고 유기금속화학 증착법 등으로 형성될 수 있다.
또한, 전기광학적 특성이 뛰어난 ITO(Indium Tin Oxide) 박막을 산화 아연 박막 상에 증착한 2중 구조를 형성할 수도 있다.
다음, 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.
상기 제3 관통홀(P3)에 의하여 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500) 및 전면전극층(600)은 셀별로 분리될 수 있다. 즉, 상기 제3 관통홀(P3)에 의해 각각의 셀(C1, C2, C3 ...Cn-1, Cn)은 서로 분리될 수 있다.
이때, 상기 접속배선(700)에 의하여 각각의 셀(C1,C2,C3...Cn-1, Cn)들은 서로 연결될 수 있다. 즉, 상기 접속배선은 제1 셀(C1)의 전면전극층(600)과 제2 셀(C2)의 후면전극층(200)을 전기적, 물리적으로 연결할 수 있다.
도 3을 참조하여, 상기 셀(C1, C2, C3 ...Cn-1, Cn)들 중 가장자리에 위치한 상기 셀(C1, Cn)을 선택적으로 제거하고, 제4 관통홀(P4)이 형성된다.
상기 제4 관통홀(P4)에 의하여 상기 기판(100)의 가장자리 표면부(110)는 노출될 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하여, 상기 셀(C1, C2, C3 ...Cn-1, Cn)들을 포함하는 기판(100) 상에 보호층(800)이 형성된다.
상기 보호층(800)은 폴리머 계열의 제1 보호층(810) 및 세라믹 계열의 제2 보호층(820)을 포함한다.
상기 제1 보호층(810)은 라미네이션 공정을 통해 폴리머층으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 보호층(810)은 PET(polyethylene terephtalate), PEN((polyethylene naphthalate) 및 PI(poly imide) 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 제1 보호층(810)은 상기 기판(100)의 표면부(110) 및 상기 셀(C1, C2, C3 ...Cn-1, Cn)들의 표면을 따라 형성될 수 있다.
특히, 상기 제1 보호층(810)은 상기 제3 관통홀(P3) 내부를 채울 수도 있다.
이에 따라, 상기 제3 관통홀(P3)에서 션트 패스(Shunt path)를 방지하고, 태양전지의 전기적 특성을 개선할 수 있다.
상기 제2 보호층(820)은 상기 제1 보호층(810) 표면을 따라 형성될 수 있다.
상기 제2 보호층(820)은 PVD 공정을 통해 세라믹층으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 보호층(820)은 Al2O3, SiO2, TiO2 및 Ta2O5 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 제1 보호층(810)은 제1 두께로 형성되고 상기 제2 보호층(820)은 제1 두께보다 작은 제2 두께를 가질 수 있다.
상기 제1 보호층(810) 및 제2 보호층(820)의 두께는 1~5:10~20의 비율을 가질 수 있다.
한편, 실시예에서는 상기 제1 보호층(810)을 형성한 후 상기 제2 보호층(820)을 형성하는 것을 예로 설명하였다. 하지만 이에 한정하지 않고 상기 제2 보호층(820)을 형성한 후 상기 제1 보호층(810)을 형성할 수도 있다.
도 6 및 도 7을 참조하여, 상기 제1 및 제2 보호층(810,820)은 다수의 층이 적층된 구조로 형성될 수 있다.
상기 제1 보호층(810) 및 제2 보호층(820)은 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 제1 보호층(810) 및 제2 보호층(820)은 적어도 두층 이상이 각각 적층된 구조로 형성될 수 있다.
복수의 상기 제1 보호층(810) 및 제2 보호층(820)의 두께는 2~10mm의 두께를 가질 수 있다.
실시예는 상기 태양전지 셀들 상에 폴리머층 및 세라믹층을 포함하는 보호층이 형성된다.
상기 폴리머층-세라믹층의 적층 구조에 의하여 상기 보호층이 변색되는 것을 방지하고, 태양전지 셀로의 습기침투를 방지할 수 있다.
이에 따라, 태양전지의 성능저하를 방지하고, 수명을 연장시킬 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 1은 실시예에 따른 태양전지를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 2 내지 도 6은 도 1의 X-X'선을 기준으로하는 태양전지의 제조공정을 나타내는 단면도이다.
도 7은 도 1의 Y-Y'선 단면도이다.

Claims (9)

  1. 기판 상에 형성되고, 후면전극, 광 흡수층, 버퍼층 및 전면전극층을 포함하는 다수개의 태양전지 셀들;
    상기 태양전지 셀들의 표면을 감싸도록 상기 기판 상에 적층된 제1 보호층 및 제2 보호층; 및
    상기 다수개의 태양전지 셀들 중 기판의 가장자리에 위치한 셀이 선택적으로 제거되어 상기 기판의 가장자리 표면부가 노출되도록 형성되는 관통홀;을 포함하고,
    상기 제1 보호층 및 제2 보호층은 상기 다수개의 태양전지 셀들의 상면과 상기 관통홀의 측면에 형성되는 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 보호층은 PET(polyethylene terephtalate), PEN(polyethylene naphthalate) 및 PI(poly imide) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 폴리머 계열인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 보호층은 Al2O3, SiO2, TiO2 및 Ta2O5 중 적어도 어느 하나를 포함하는 세라믹 계열인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 보호층 및 제2 보호층은 적어도 두개 이상의 층이 교대로 배치되는 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 보호층과 상기 제2 보호층의 두께는 1~5:10~20의 비를 가지는 태양전지.
  6. 기판 상에 복수개의 태양전지 셀들을 형성하는 단계;
    상기 복수개의 태양전지 셀들 중 기판의 가장자리에 위치한 셀이 선택적으로 제거되어 상기 기판의 가장자리 표면부가 노출되도록 관통홀을 형성하는 단계;
    상기 태양전지 셀들을 감싸도록 다수개의 상기 태양전지 셀들의 상면과 상기 관통홀의 측면에 제1 보호층을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 보호층 상에 제2 보호층을 형성하는 하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 보호층은 PET(polyethylene terephtalate), PEN(polyethylene naphthalate) 중 PI(poly imide) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 폴리머 물질을 사용한 라미네이션 공정을 통해 형성되는 태양전지의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제2 보호층은 Al2O3, SiO2, TiO2 및 Ta2O5 중 적어도 어느 하나를 포함하는 세라믹 물질을 사용한 PVD 공정을 통해 형성되는 태양전지의 제조방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제1 보호층 및 제2 보호층은 적어도 두개 이상의 층이 서로 교대로 형성되는 태양전지의 제조방법.
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