KR101081292B1 - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 태양전지는 기판 상에 측벽이 경사져 형성된 복수개의 후면전극 패턴과, 상기 후면전극 패턴이 배치된 상기 기판 상에 전극간 연결을 위한 콘택패턴 및 단위셀로 나누기 위한 분리패턴이 이격 형성된 광 흡수층과, 상기 광 흡수층 상에 배치되며, 상기 분리패턴에 의해 이격되어 배치된 전면전극을 포함하며, 상기 후면전극 패턴은 기판 상에 마스크를 배치시킨 후, 상기 마스크 상으로 증착 공정을 수행하는 동안 형성된다.
실시예에 따른 태양전지의 제조 방법은 기판 상에 서로 이격되어 배치된 복수개의 후면전극 패턴을 형성하는 단계와, 상기 광 흡수층을 관통하는 콘택패턴을 형성하는 단계와, 상기 광 흡수층 상에 전면전극을 형성하는 단계와, 및 상기 전면전극 및 광 흡수층에 단위셀로 나누기 위한 분리패턴을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 후면전극 패턴은 기판 상에 마스크를 배치시킨 후, 상기 마스크 상으로 증착(deposition) 공정을 진행하여 형성되고, 상기 후면전극 패턴의 측벽은 경사지게 형성되는 것을 포함한다.
태양전지

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.
이때, 전극간 연결을 위해 광 흡수층에 패턴을 형성하고, 단위 셀로 나누기 위해 버퍼층과 광 흡수층에 패턴을 형성한다.
상기 패턴은 진공 공정에서 대기 공정으로 변경하여 진행되며, 기계적인(mechanical) 방법으로 패터닝 진행시 각 층이 뜯기거나, 레이저(laser)를 이용하여 패터닝 진행시 패턴 부근의 층들이 들뜨는 현상이 발생하여, 태양전지의 전기적 특성이 저하될 수 있다.
실시예는 태양전지 형성시 공정시간을 줄이고 각 층의 변형이 없는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 태양전지는 기판 상에 측벽이 경사져 형성된 복수개의 후면전극 패턴과, 상기 후면전극 패턴이 배치된 상기 기판 상에 전극간 연결을 위한 콘택패턴 및 단위셀로 나누기 위한 분리패턴이 이격 형성된 광 흡수층과, 상기 광 흡수층 상에 배치되며, 상기 분리패턴에 의해 이격되어 배치된 전면전극을 포함하며, 상기 후면전극 패턴은 기판 상에 마스크를 배치시킨 후, 상기 마스크 상으로 증착 공정을 수행하는 동안 형성된다.
실시예에 따른 태양전지의 제조 방법은 기판 상에 서로 이격되어 배치된 복수개의 후면전극 패턴을 형성하는 단계와, 상기 광 흡수층을 관통하는 콘택패턴을 형성하는 단계와, 상기 광 흡수층 상에 전면전극을 형성하는 단계와, 및 상기 전면전극 및 광 흡수층에 단위셀로 나누기 위한 분리패턴을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 후면전극 패턴은 기판 상에 마스크를 배치시킨 후, 상기 마스크 상으로 증착(deposition) 공정을 진행하여 형성되고, 상기 후면전극 패턴의 측벽은 경사지게 형성되는 것을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지 및 이의 제조방법은 후면전극의 패터닝 공정을 위한 대기 공정 없이 진공 공정으로 진행되어, 공정 시간을 단축할 수 있다.
또한, 후면전극 패턴 형성시, 마스크를 이용하여 형성하고, 레이저(laser)를 사용한 패터닝에서 발생되는 들뜸현상(burr)을 방지할 수 있다.
또한, 보다 정밀한 패터닝이 가능하여 비활성 영역(Non-active area;NAA)이 감소할 수 있어, 태양전지의 광효율이 증가될 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 7은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 측단면도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 태양전지는 기판(100), 후면전극 패턴(200), 광 흡수층(300) 및 전면전극(500)을 포함한다.
상기 후면전극 패턴(200)은 상기 기판(100) 상에 서로 이격되어 배치되고, 상기 광 흡수층(300)은 상기 후면전극 패턴(200) 상에 전극간 연결을 위한 콘택패턴(310) 및 단위셀로 나누기 위한 분리패턴(320)을 포함하여 형성될 수 있다.
상기 전면전극(500)은 상기 광 흡수층(300) 상에 형성되며, 상기 분리패턴(330)에 의해 이격되어 배치된다.
또한, 상기 전면전극(500)은 상기 콘택패턴(310) 내에 삽입되어 상기 후면전극 패턴(200)과 전기적으로 연결되며, 상기 후면전극 패턴(200)의 측벽은 경사질 수 있다.
본 실시예의 태양전지에 관한 더 자세한 설명은 태양전지의 제조방법과 함께 설명하도록 한다.
도 1 내지 도 7은 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도이다.
우선, 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(100) 상에 후면전극 패턴(200)을 형성한다.
상기 기판(100)은 유리(glass)가 사용되고 있으며, 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸, 티타늄기판 또는 폴리머 기판 등도 사용될 수 있다.
유리 기판으로는 소다라임 유리(sodalime glass)를 사용할 수 있으며, 폴리머 기판으로는 폴리이미드(polyimide)를 사용할 수 있다.
또한, 상기 기판(100)은 리지드(rigid)하거나 플렉서블(flexible)할 수 있다.
상기 후면전극 패턴(200)은 상기 기판(100) 상에 마스크(10)를 배치시킨 후, 증착공정을 진행하여 형성될 수 있다.
상기 후면전극 패턴(200)은 금속 등의 도전체로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 후면전극 패턴(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 마스크(10)는 상기 후면전극 패턴(200)이 형성될 영역만 오픈(open)된 형태로 형성된다.
즉, 상기 마스크(10)는 상기 후면전극 패턴(200) 사이의 영역만 덮도록 형성될 수 있다.
상기 후면전극 패턴(200)의 측벽은 경사지도록 형성될 수 있으며, 상부의 폭(W1)이 상기 기판(100)과 접하는 하부의 폭(W2)보다 좁게 형성될 수 있다.
즉, 상기 후면전극 패턴(200) 사이의 공간은 상부의 폭이 상기 기판(100)이 노출된 하부의 폭보다 넓게 형성된다.
이때, 상기 마스크(10)를 배치시키는 높이에 따라 상기 후면전극 패턴(200) 측벽의 경사도를 조절할 수 있다.
상기 후면전극 패턴(200) 측벽의 경사도를 조절하는 방법을 도 2 및 도 3에 간략하게 도시하였다.
도 2는 상기 마스크(10)를 상기 기판(100) 상에 제1거리(D1)에 배치시키고, 도 3은 상기 기판(100) 상에 제2거리(D2)에 배치시킨 후, 타겟(50)에 의해 증착공정을 진행하는 것을 도시하였다.
이때, 상기 마스크(10)가 상기 제1거리(D1)보다 제2거리(D2)에서 상기 기 판(100)과 더 멀리 떨어져 있어, 상기 제1거리(D1)에서 형성된 제1각(θ1)보다 상기 제2거리(D2)에서 형성된 제2각(θ2)이 더 작게 형성된다.
즉, 그림자 효과(shadow effect)에 따라 상기 제2거리(D2)에서 형성된 후면전극 패턴(202)의 측벽의 경사도가 상기 제1거리(D1)에서 형성된 후면전극 패턴(201)의 측벽의 경사도보다 크게 형성된다.
따라서, 상기 마스크(10)와 기판(100)의 거리를 조절하여, 상기 기판(100)과 상기 후면전극 패턴(200)의 접촉 각도(θ)를 조절할 수 있으며, 상기 마스크(10)와 기판(100)의 거리(D)가 커질수록 접촉 각도(θ)는 작아질 수 있다.
이때, 상기 기판(100)의 표면과 후면전극 패턴(200)의 측면의 주 진행방향의 연장선이 이루는 각, 즉, 상기 기판(100)의 표면과 후면전극 패턴(200)의 측면이 이루는 노출된 각은 91~120°로 형성될 수 있다.
상기 후면전극 패턴(200)은 상기 기판(100)이 노출되도록 형성될 수 있다.
본 실시예에서는, 상기 마스크(10)를 사용하여 상기 후면전극 패턴(200)을 형성함으로써, 추가적인 패터닝 공정이 필요치 않으며, 패터닝 공정으로 인한 대기 공정이 필요치 않게 된다.
그리고 이후 진공에서 형성되는 광 흡수층 형성 공정을 바로 진행할 수 있어, 공정 시간을 단축할 수 있으며, 레이저(laser)를 사용하지 않고 패턴을 형성하여, 후면전극이 들뜨는 현상(burr)을 방지할 수 있다.
따라서, 패터닝 공정으로 인한 후면전극의 열화를 방지하고, 상기 후면전극 패턴(200)과 기판(100)의 밀착도를 향상시킬 수 있다.
이때, 상기 마스크(10)는 금속(metal) 및 후면전극용으로 사용하는 재료로도 형성될 수 있다.
또한, 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 후면전극 패턴(200)은 적어도 하나 이상의 층으로 형성될 수 있다.
상기 후면전극 패턴(200)이 복수개의 층으로 형성될 때, 상기 후면전극 패턴(200)을 이루는 층들은 서로 다른 물질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 후면전극 패턴(200)은 스트라이프(stripe) 형태 또는 매트릭스(matrix) 형태로 배치될 수 있으며, 각각의 셀에 대응할 수 있다.
그러나, 상기 후면전극 패턴(200)은 상기의 형태에 한정되지 않고, 다양한 형태로 형성될 수 있다.
그리고, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 후면전극 패턴(200) 상에 광 흡수층(300), 버퍼층(400)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 패턴(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.
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.
이어서, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 광 흡수층(300) 및 버퍼층(400)을 관통하는 콘택패턴(310)을 형성한다.
상기 콘택패턴(310)은 기계적인(mechnical) 방법으로 형성할 수 있으며, 상기 후면전극 패턴(200)의 일부가 노출된다.
그리고, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 버퍼층(400) 상에 투명한 도전물질을 적층하여 전면전극(500) 및 접속배선(700)을 형성한다.
상기 투명한 도전물질을 상기 버퍼층(400) 상에 적층시킬 때, 상기 투명한 도전물질이 상기 콘택패턴(310)의 내부에도 삽입되어, 상기 접속배선(700)을 형성할 수 있다.
상기 후면전극 패턴(200)과 전면전극(500)은 상기 접속배선(700)에 의해 전기적으로 연결된다.
상기 전면전극(500)은 상기 기판(100) 상에 스퍼터링 공정을 진행하여 알루미늄으로 도핑된 산화 아연으로 형성된다.
상기 전면전극(500)은 상기 광 흡수층(300)과 pn접합을 형성하는 윈도 우(window)층으로서, 태양전지 전면의 투명전극의 기능을 하기 때문에 광투과율이 높고 전기 전도성이 좋은 산화 아연(ZnO)으로 형성된다.
이때, 상기 산화 아연에 알루미늄를 도핑함으로써 낮은 저항값을 갖는 전극을 형성할 수 있다.
상기 전면전극(500)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 tin Oxide) 박막을 산화 아연 박막 상에 층착한 2중 구조를 형성할 수도 있다.
이어서, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 광 흡수층(300), 버퍼층(400) 및 전면전극(500)을 관통하는 분리패턴(320)을 형성한다.
상기 분리패턴(320)은 기계적인(mechnical) 방법으로 형성할 수 있으며, 상기 후면전극 패턴(200)의 일부가 노출된다.
상기 버퍼층(400) 및 전면전극(500)은 상기 분리패턴(320)에 의해 구분될 수 있으며, 상기 분리패턴(320)에 의해 각각의 셀(C1, C2)은 서로 분리될 수 있다.
상기 분리패턴(320)에 의해 상기 전면전극(500) 버퍼층(400) 및 광 흡수층(300)은 스트라이프 형태 또는 매트릭스 형태로 배치될 수 있다.
상기 분리패턴(320)은 상기의 형태에 한정되지 않고, 다양한 형태로 형성될 수 있다.
상기 분리패턴(320)에 의해 상기 후면전극 패턴(200), 광 흡수층(300), 버퍼 층(400) 및 전면전극(500)을 포함하는 셀(C1, C2)이 형성된다.
이때, 상기 접속배선(700)에 의해 각각의 셀(C1, C2)은 서로 연결될 수 있다. 즉, 상기 접속배선(700)은 제2셀(C2)의 후면전극 패턴(200)과 상기 제2셀(C2)에 인접하는 상기 제1셀(C1)의 전면전극(500)을 전기적으로 연결한다.
이상에서 설명한 실시예에 따른 태양전지 및 이의 제조방법은 후면전극의 패터닝 공정을 위한 대기 공정 없이 모두 진공 공정으로 진행되어, 공정 시간을 단축할 수 있다.
또한, 후면전극 패턴 형성시, 마스크를 이용하여 형성하고, 레이저(laser)를 사용한 패터닝에서 발생되는 들뜸현상(burr)을 방지할 수 있다.
또한, 보다 정밀한 패터닝이 가능하여 비활성 영역(Non-active area;NAA)이 감소할 수 있어, 태양전지의 광효율이 증가될 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 7은 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도이다.

Claims (7)

  1. 기판 상에 측벽이 경사져 형성된 복수개의 후면전극 패턴;
    상기 후면전극 패턴이 배치된 상기 기판 상에 전극간 연결을 위한 콘택패턴 및 단위셀로 나누기 위한 분리패턴이 이격 형성된 광 흡수층;
    상기 광 흡수층 상에 배치되며, 상기 분리패턴에 의해 이격되어 배치된 전면전극을 포함하며,
    상기 후면전극 패턴은 기판 상에 마스크를 배치시킨 후, 상기 마스크 상으로 증착 공정을 수행하는 동안 형성되는 태양전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 후면전극 패턴의 상부의 폭이 상기 기판과 접하는 상기 후면전극 패턴의 하부의 폭보다 좁게 형성된 것을 포함하는 태양전지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 기판의 표면과 후면전극 패턴의 측면의 주 진행방향의 연장선이 이루는 각인, 상기 기판의 표면과 후면전극 패턴의 측면이 이루는 노출된 각은 91~120°로 형성된 것을 포함하는 태양전지.
  4. 기판 상에 서로 이격되어 배치된 복수개의 후면전극 패턴을 형성하는 단계;
    상기 후면전극 패턴 상에 광 흡수층을 형성하는 단계;
    상기 광 흡수층을 관통하는 콘택패턴을 형성하는 단계;
    상기 광 흡수층 상에 전면전극을 형성하는 단계; 및
    상기 전면전극 및 광 흡수층에 단위셀로 나누기 위한 분리패턴을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 후면전극 패턴은 기판 상에 마스크를 배치시킨 후, 상기 마스크 상으로 증착(deposition) 공정을 진행하여 형성되고, 상기 후면전극 패턴의 측벽은 경사지게 형성되는 것을 포함하는 태양전지의 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 마스크와 기판 사이의 거리를 조절하여, 상기 후면전극 패턴의 측벽의 경사도를 조절할 수 있는 태양전지의 제조방법.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 후면전극 패턴의 상부의 폭이 상기 기판과 접하는 상기 후면전극 패턴 의 하부의 폭보다 좁게 형성된 태양전지의 제조방법.
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