KR101098325B1 - 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
태양전지 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명에 따른 태양전지는 다수개의 단위셀 영역(a)과 단위셀 영역(a) 사이에 위치하는 다수개의 배선 영역(b)을 포함하는 기판(100); 기판(100) 상의 단위셀 영역(a) 상에 형성되는 하부전극(200a); 기판(100) 상의 배선 영역(b) 일부에 형성되며 하부전극(200a)의 일측과 동일층으로 연결되는 하부연결전극(200b); 하부전극(200a) 상에 형성되며 다수개의 반도체층이 적층된 광전소자부(300a); 광전소자부(300a) 상에 형성되는 상부전극(400a); 기판(100) 상의 배선 영역(a) 상에 위치하며, 동일한 패턴으로 형성된 하부전극(200a), 광전소자부(300a) 및 상부전극(400a)의 일측면을 커버하는 제1 측벽 절연층(500a); 및 상부전극(400a)과 단위셀 영역(a)과 이웃하는 다른 단위셀 영역(a)의 하부전극(200a)을 배선 영역(b)과 이웃하는 다른 배선 영역(b)의 하부연결전극(200b)을 통하여 전기적으로 연결하는 배선층(600)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 다수의 패턴 공정과 다수의 증착 공정을 서로 분리하여 제조 공정을 단축시키고, 효율적인 구조를 구현할 수 있는 직렬 방식의 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
종래의 박막형 태양전지는 광전 변환 효율이 대략 10% 미만에 불과하여 실제로 상용화 되기에는 여러가지 어려움이 있었다. 이를 해결하기 위해, 다수개의 광전소자를 전기적으로 직렬로 연결시켜 우수한 광전 변환 효율을 구현하는 기술이 개발되어 왔다.
일반적인 직렬 방식의 태양전지를 살펴보면, 광전소자를 적층시켜 양호한 광전 변환 효율을 얻을 수 있는 탠덤(tandem) 구조를 형성하는 방식과, 수평으로 배열된 다수개의 광전소자를 전극(배선)으로 직렬 연결시켜 필요한 전력을 얻는 방식 등이 대표적이다.
먼저, 탠덤 구조의 태양전지를 살펴보면, 동일한 기판 면적에서 보다 많은 양의 전기를 생산할 수 있어 종래의 단일 접합형 태양전지보다 향상된 광전 변환 효율을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 예를 들어, Saitoh 등은 플라즈마 화학기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition: PECVD)을 사용하여 p-i-n 형 비정질 실리콘(amorphous Si: a-Si)/미소 결정질 실리콘(microcrystalline Si: μc-Si) 탠덤 구조의 태양전지를 제조하였고, 이때 1cm2 면적에서 초기화 변환 효율은 9.4%, 안정화된 변환 효율은 8.5%이었다.
그러나, Saitoh 등이 개발한 탠덤 구조의 실리콘 태양전지는 PECVD를 이용하여 미소 결정질 실리콘을 형성할 때, 낮은 증착 압력과 높은 증착 파워 조건이 요구된다. 따라서, 증착 시간이 너무 길어지고, 공정 조건도 맞추기 어려워 양산 효율이 낮다. 또한, 복수개의 층간에서 발생하는 반사, 굴절 등으로 하부 층으로 내려갈수록 광전 변환 효율이 떨어지는 한계도 가지고 있다.
다음으로, 종래의 직렬 연결 방식의 태양전지를 살펴보면, 도 1은 종래의 태양전지의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 태양전지는 다수개의 단위셀 영역(a`)과 단위셀 영역(a`) 사이에 위치하는 배선 영역(b`)을 포함하는 기판(10)이 제공된다. 이때, 기판(10) 상의 단위셀 영역(a`)에서는 하부전극(11)이 형성되고, 하부전극(11) 상에는 반도체층이 적층된 광전소자(20)가 형성된다.
이어서, 광전소자(20) 상에는 상부전극(30)이 형성되어 하나의 태양전지 단위셀을 구성하는데, 상부전극(30)은 이웃하는 다른 단위셀(a`)의 하부전극(11) 상부와 배선 영역(b`)상에서 접속되어 전기적으로 직렬 방식으로 연결된다.
그러나, 종래의 직렬 방식 태양전지는 배선 영역(b`)에서 태양전지 단위셀 간의 연결이 이루어질 때, 광전소자(20)의 측면과 상부전극(30)이 단락(Short Circuit: SC)되어 불필요한 누설 전류가 발생할 수 있다. 또한, 이웃하는 단위셀의 하부전극(11) 사이에는 광전소자(20)의 반도체층 중 불순물이 도핑되어 저항이 낮은 n 형 또는 p 형 반도체층이 형성되어 있으므로, 단위셀 사이의 단락 현상(Short Circuit)을 초래할 수도 있어 광전 변환 효율이 저하될 수 있다.
특히, 종래의 태양전지는 하부전극(11)을 레이저 스크라이빙 방식으로 제1 패턴(P1)한 후, 광전소자(20)을 형성하고, 다시 광전소자(20)만을 레이저 스크라이빙 방식으로 제2 패턴(P2)한다. 이어서, 상부전극(30)을 형성하고 상부전극(30)과 광전소자(20)를 레이저 스크라이빙 방식으로 제3 패턴(P3)하여 태양전지를 구현할 수 있다.
따라서, 종래의 태양전지는 최소 3번의 식각(패턴) 공정이 필요하여, 공정 시간과 비용이 증가하고, 단위셀 영역의 면적비가 감소되어[즉, 태양전지의 배선(데드) 영역이 증가함] 광전 변환 효율이 저하된다. 특히, 다수의 증착 공정과 다수의 식각 공정이 서로 반복되어 수행됨으로써, 공정 단계와 공정 설비가 증가하고 식각 공정마다 발생되는 잔류물을 양호하게 제거를 위해서는 세정 공정 수도 증가되는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 다수의 증착 공정과 다수의 식각 공정을 서로 분리할 수 있는 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 태양전지의 단위셀을 구성하는 하부전극, 광전소자부 및 상부전극의 일측을 동일 패턴으로 형성할 수 있는 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 직렬 연결시 발생되는 단락 현상을 방지하고 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 다수개의 단위셀 영역과 상기 단위셀 영역 사이에 위치하는 다수개의 배선 영역을 포함하는 기판; 상기 기판 상의 상기 단위셀 영역 상에 형성되는 하부전극; 상기 기판 상의 상기 배선 영역 일부에 형성되며 상기 하부전극의 일측과 동일층으로 연결되는 하부연결전극; 상기 하부전극 상에 형성되며 다수개의 반도체층이 적층된 광전소자부; 상기 광전소자부 상에 형성되는 상부전극; 상기 기판 상의 상기 배선 영역 상에 위치하며, 동일한 패턴으로 형성된 상기 하부전극, 상기 광전소자부 및 상기 상부전극의 일측면을 커버하는 제1 측벽 절연층; 및 상기 상부전극과 상기 단위셀 영역과 이웃하는 다른 단위셀 영역의 하부전극을 상기 배선 영역과 이웃하는 다른 배선 영역의 하부연결전극을 통하여 전기적으로 연결하는 배선층을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지에 의해 달성된다.
이때, 상기 하부연결전극 상에 위치하며, 상기 광전소자부 및 상기 상부전극의 타측면을 커버하는 제2 측벽 절연층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1, 제2 측벽 절연층의 소재는 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiNx), 폴리머, 레진을 포함할 수 있다.
상기 제1, 제2 측벽 절연층은 잉크젯 프린팅법으로 형성될 수 있다.
상기 배선층은 잉크젯 프린팅법으로 형성될 수 있다.
상기 상부전극은 투명 전도성 소재 또는 금속 소재이거나 이들의 적층 구조일 수 있다.
상기 광전소자부는, 상기 하부전극 상에 형성되는 제1 비정질 반도체층; 상기 제1 비정질 반도체층 상에 형성되는 제2 비정질 반도체층; 상기 제2 비정질 반도체층 상에 형성되는 제3 비정질 반도체층을 포함할 수 있다.
상기 광전소자부는 하나 또는 다수개의 광전소자를 적층하여 포함하되, 상기 하부전극 상에 형성되는 적어도 하나의 광전소자는 제1 다결정 반도체층; 상기 제1 다결정 반도체층 상에 형성되는 제2 다결정 반도체층; 상기 제2 다결정 반도체층 상에 형성되는 제3 다결정 반도체층을 포함할 수 있다.
상기 반도체층은 실리콘층일 수 있다.
상기 다결정 반도체층은 SPC(Solid Phase Crystallization), ELA(Excimer Laser Annealing), SLS(Sequential Lateral Solidification), MIC(Metal Induced Crystallization), 및 MILC(Metal Induced Lateral Crystallization) 중 어느 하나의 방법으로 결정화될 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 목적은 (a) 다수개의 단위셀 영역과 상기 단위셀 영역 사이에 위치하는 다수개의 배선 영역을 포함하는 기판을 제공하는 단계; (b) 상기 기판 상에 하부 전도층, 다수개의 반도체층 및 상부 전도층을 순차적으로 형성하는 단계; (c) 상기 기판의 상기 배선 영역 상의 상기 반도체층 및 상기 상부 전도층 일부를 동시에 식각하는 제1 식각 단계; (d) 상기 기판의 상기 배선 영역 상의 상기 제1 식각 단계에 의하여 패터닝된 반도체층 및 상부 전도층과, 상기 하부 전도층 일부를 동시에 식각하는 제2 식각 단계; (e) 상기 기판의 상기 배선 영역 상에, 상기 제2 식각 단계에 의하여 패터닝된 하부 전도층, 반도체층 및 상부 전도층의 일측면을 커버하는 제1 측벽 절연층을 형성하는 단계; 및 (f) 상기 기판의 상기 단위셀 영역 및 상기 배선 영역 상에, 상기 상부 전도층과 상기 단위셀 영역과 이웃하는 다른 단위셀 영역의 하부 전도층을 전기적으로 연결하는 배선층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법에 의해서도 달성된다.
또한, 본 발명의 상기 목적은 (a) 다수개의 단위셀 영역과 상기 단위셀 영역 사이에 위치하는 다수개의 배선 영역을 포함하는 기판을 제공하는 단계; (b) 상기 기판 상에 하부 전도층, 다수개의 반도체층 및 상부 전도층을 순차적으로 형성하는 단계; (c) 상기 기판의 상기 배선 영역 상의 상기 하부 전도층, 상기 반도체층 및 상기 상부 전도층 일부를 동시에 식각하는 제1 식각 단계; (d) 상기 기판의 상기 배선 영역 상의 상기 제1 식각 단계에 의하여 패터닝된 반도체층 및 상부 전도층 전체를 동시에 식각하는 제2 식각 단계; (e) 상기 기판의 상기 배선 영역 상에, 상기 제1 식각 단계에 의하여 패터닝된 하부 전도층, 반도체층 및 상부 전도층의 일측면을 커버하는 제1 측벽 절연층을 형성하는 단계; 및 (f) 상기 기판의 상기 단위셀 영역 및 상기 배선 영역 상에, 상기 상부 전도층과 상기 단위셀 영역과 이웃하는 다른 단위셀 영역의 하부 전도층을 전기적으로 연결하는 배선층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법에 의해서도 달성된다.
이때, 상기 하부 전도층 상에, 상기 반도체층 및 상기 상부 전도층의 타측면을 커버하는 제2 측벽 절연층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1, 제2 측벽 절연층의 소재는 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiNx), 폴리머, 레진을 포함할 수 있다.
상기 제1, 제2 측벽 절연층은 잉크젯 프린팅법으로 형성될 수 있다.
상기 배선층은 잉크젯 프린팅법으로 형성될 수 있다.
이때, 상기 상부 전도층 상에 금속층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 패턴 공정을 연속적으로 수행하여 증착 공정과 식각 공정을 완전하게 분리하여 수행할 수 있다. 따라서, 태양전지 제조시 세정 공정 수를 단축시키고 스탭 커버리지를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 태양전지의 단위셀을 구성하는 하부전극, 광전소자부 및 상부전극의 일측을 동일 패턴으로 형성하여, 태양전지 제조시 공정 마진을 확보하고 태양전지의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 태양전지의 단위셀의 측면마다 측면 절연층을 형성하여 태양전지 단위셀간의 직렬 연결시 발생되는 단락 현상을 효율적으로 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 태양전지의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조 과정을 순차적으로 나타내는 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 태양전지의 패턴 공정을 순차적으로 나타내는 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전소자부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조 과정을 순차적으로 나타내는 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 태양전지의 패턴 공정을 순차적으로 나타내는 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전소자부의 구성을 나타내는 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
[본 발명의 실시예]
본 명세서에 있어서, 단위셀 영역(a) 이란 전극 사이(하부전극과 상부전극 사이)에 광전소자(반도체층)가 위치하여 실질적으로 태양전지의 광전 변환이 이루어지는 영역을 의미하는 것이다.
또한, 본 명세서에 있어서, 배선 영역(b) 이란 단위셀 영역(a) 사이에 위치하며 단위셀간을 서로 분리함과 동시에 전기적으로는 연결(예를 들면, 직렬 연결)하는 기능을 수행하는 영역을 의미하는 것으로, 실질적으로 태양전지의 광전 변환이 일어나지 않는 데드 영역(dead region)으로 이해될 수 있다.
이하의 상세한 설명에서는 설명의 편의를 위해 태양전지 중 일부만을 단면으로 도시하여 설명하도록 한다.
태양전지의 구성
도 2 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조 과정을 순차적으로 나타내는 도면이다.
먼저, 도 2를 참조하면, 다수개의 단위셀 영역(a)과 단위셀 영역(a) 사이에 위치하는 다수개의 배선 영역(b)을 포함하는 기판(100)을 제공한다.
기판(100)의 재질은 투명한 유리 기판을 사용할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 본 발명의 태양전지가 빛을 수광하는 방향에 따라 유리, 플라스틱과 같은 투명 재질 또는 실리콘, 금속[예를 들면, SUS(Stainless Steel)]과 같은 불투명 재질을 모두 사용할 수 있다.
이어서, 기판(100)의 표면에는 텍스쳐링(texturing)이 수행될 수 있다. 본 발명에서 텍스쳐링이란, 태양전지의 기판 표면에 입사되는 빛이 반사되어 광학적으로 손실됨으로써 그 특성이 저하되는 현상을 방지하지 위한 것이다. 즉, 기판의 표면을 거칠게 만드는 것으로, 기판 표면에 요철 패턴(미도시 함)을 형성하는 것을 말한다. 예를 들면, 텍스쳐링으로 기판의 표면이 거칠어지면 표면에서 한번 반사된 빛이 태양전지 방향으로 재반사될 수 있으므로 빛이 손실되는 것을 감소시킬 수 있고, 광 포획량이 증가되어 태양전지의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
이때, 대표적인 텍스쳐링 방법으로는 샌드 블래스팅 방법을 사용할 수 있다. 본 발명에서의 샌드 블래스팅은 식각 입자를 압축 공기로 분사하여 식각하는 건식 블래스팅과 액체와 함께 식각 입자를 분사하여 식각하는 습식 블래스팅을 모두 포함하는 것이다. 한편, 본 발명의 샌드 블래스팅에 사용되는 식각 입자는 모래, 작은 금속과 같이 물리적 충격으로 기판에 요철을 형성시킬 수 있는 입자를 제한 없이 사용할 수 있다.
이어서, 기판(100) 상에는 반사 방지층(미도시)을 형성할 수 있다. 반사 방지층은 기판(100)을 통하여 입사된 태양광이 광전소자(반도체층)에 흡수되지 못하고 바로 외부로 반사됨으로써, 태양전지의 효율을 저하시키는 현상을 방지하는 역할을 한다. 반사 방지층의 소재는 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiNx)일 수 있으나 반드시 이에 한정되지 않는다.
반사 반지층의 형성 방법으로는 저압 화학기상 증착법(Low Pressure Chemical Vapor Deposition: LPCVD) 및 플라즈마 화학기상 증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition: PECVD) 등을 포함할 수 있다.
이어서, 기판(100) 상부 전면에 전도성 재질의 하부 전도층(200)을 형성할 수 있다. 하부 전도층(200)의 소재는 본 발명의 태양전지가 빛을 수광하는 방향에 따라 투명 또는 불투명한 전도성 재질을 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들면, 투명 전도성 재질인 경우, 접촉 저항이 낮으면서 투명한 성질을 갖는 투명 전극인 TCO(Transparent Conductive Oxide)을 사용할 수 있는데, 일 예로 AZO(ZnO:Al), ITO(Indium-Tin-Oxide), GZO(ZnO:Ga), BZO(ZnO:B) 및 FTO(SnO2:F) 중 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 또한, 불투명 재질인 경우, 접촉 저항이 낮으면서 고온 공정을 진행하더라도 전기적 특성이 저하되지 않는 불투명한 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 몰리브덴 텅스텐(MoW) 중 어느 하나이거나 이들의 합금인 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되지 않으며 통상적인 전도성 소재인 구리, 알루미늄, 티타늄 등 및 이들의 합금을 포함할 수도 있다.
하부 전도층(200)의 형성 방법으로는 열 증착법(Thermal Evaporation), 전자빔 증착법(E-beam Evaporation), 스퍼터링(sputtering)과 같은 물리기상 증착법(Physical Vapor Deposition: PVD) 및 LPCVD, PECVD, 금속유기 화학기상 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition: MOCVD)과 같은 화학기상 증착법(Chemical Vapor Deposition: CVD)을 포함할 수 있다.
이어서, 하부 전도층(200)의 상부 전면에 p 형과 n 형의 반도체층(300)이 적층되거나, p 형, i 형, n 형의 반도체층(300)이 적층될 수 있다. 본 발명에서는 p 형, i 형, n 형의 반도체층(300)을 순서대로 형성할 수 있다. 반도체층(300)의 재질은 통상적으로 사용되는 실리콘(Si)일 수 있는데, 이하에서는 p 형, i 형, n 형의 실리콘층(300)이 적층된 것을 상정하여 설명한다.
실리콘층(300)은 PECVD 또는 LPCVD와 같은 화학기상 증착법으로 형성할 수 있는데, 이후 공정에 의하여 단위셀 영역(a)에서는 빛을 수광하여 전력을 생산할 수 있는 광전소자의 기능을 수행할 수 있다. 이에 관하여는 도 9 및 도 10을 참조한 이하의 상세한 설명을 통해 자세히 알아보기로 한다.
이어서, 실리콘층(300) 상부 전면에 전도성 재질의 상부 전도층(400)을 형성할 수 있다. 상부 전도층(400)의 소재는 전도성 재질을 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들면, 투명 전도층인 경우 TCO를 사용할 수 있는데, AZO(ZnO:Al), ITO(Indium-Tin-Oxide), GZO(ZnO:Ga), BZO(ZnO:B) 및 FTO(SnO2:F) 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 불투명 전도층인 경우 통상적인 금속 소재를 사용할 수 있는데, 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 아연(Zn), 티타늄(Ti) 등의 금속 및 이들의 합금일 수 있다. 또한, 상부 전도층(400)은 투명 전도층과 금속층이 적층된 구조로 형성될 수 있으며, 이 경우 투명 전도층과 금속층의 소재는 위에서 열거된 재료를 제한 없이 적용할 수 있다. 상부 전도층(400)의 형성 방법으로는 하부 전도층(200)과 마찬가지로 물리기상 증착법 및 화학기상 증착법 등을 포함할 수 있다.
다음으로, 도 3을 참조하면, 배선 영역(b) 상의 실리콘층(300) 및 상부 전도층(400) 일부를 동시에(일괄적으로) 제1 식각(즉, P1 너비만큼 식각)한다.
이러한 제1 식각 공정(P1)은 그린 파장(532nm)의 레이저를 이용한 레이저 스크라이빙법(laser scribing)을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며 공지된 포토리소그래피법 (photolithography)을 포함하는 식각 방법을 제한 없이 사용할 수 있다. 레이저 스크라이빙법 사용시 레이저의 조사 방향은 도시된 바와 같이 기판(100)의 하측으로부터 조사될 수 있으나 필요에 따라서는 기판(100)의 상측 또는 기판(100)의 상측 및 하측 모두로부터 조사될 수도 있다.
다음으로, 도 4를 참조하면, 배선 영역(b) 상의 제1 식각 공정(P1)에 의하여 패터닝된 반도체층(300) 및 상부 전도층(400)과 하부 전도층(200) 일부를 동시에(일괄적으로) 제2 식각(즉, P2 너비만큼 식각)한다. 제2 식각(P2) 과정에서, 하부 전도층(200)의 일측은 배선 영역(b) 상에 잔류되고, 하부 전도층(200)의 타측은 제1 식각 공정(P1)에 의해 패터닝된 실리콘층(300) 및 상부 전도층(400)과 동시에 식각되어 동일 패턴을 형성할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에서 제2 식각 공정(P2)은 제1 식각 공정(P1)의 일부 영역(P`)과 서로 중첩되어 수행되기 때문에 식각 공정의 공정 마진을 용이하게 확보할 수 있으며, 상대적으로 배선 영역(b)의 면적을 줄일 수 있어서 태양전지의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
이러한 제2 식각 공정(P2)은 적외선(Infrared Ray) 또는 자외선(Ultraviolet Rays)의 레이저를 이용한 레이저 스크라이빙법을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며 공지된 포토리소그래피법을 포함하는 식각 방법을 제한 없이 사용할 수 있다. 레이저 스크라이빙법 사용시 레이저의 조사 방향은 도시된 바와 같이 기판(100)의 하측으로부터 조사될 수 있으나 필요에 따라서는 기판(100)의 상측 또는 기판(100)의 상측 및 하측 모두로부터 조사될 수도 있다.
한편, 본 실시예에서, 제1 식각 공정(P1)과 제2 식각 공정(P2)의 순서는 필요에 따라 그 역으로 수행할 수 있음은 자명할 것이다. 더 구체적으로, 도 7 및 도 8을 참조하면, 기판(100) 상에 하부 전도층(200), 다수개의 반도체층(300) 및 상부 전도층(400)을 순차적으로 형성하고, 이어서 배선 영역(b) 상의 하부 전도층(200), 반도체층(300) 및 상부 전도층(400) 일부를 동시에(일괄적으로) 식각(즉, P2 너비만큼 식각)하며, 이어서 배선 영역(b) 상의 제1 식각 공정(P2)에 의하여 패터닝된 반도체층(300) 및 상부 전도층(400) 전체를 동시에(일괄적으로) 식각(즉, P1 너비만큼 식각)할 수 있다. 이와 같이, 제2 식각 공정(P2)을 먼저 수행한 후 제1 식각 공정(P1)을 수행하여도 도 4와 동일한 구조의 패턴을 얻을 수 있다.
이하에서는 태양전지의 구동 회로와 등가적으로 설명하기 위하여, 패터닝된 하부 전도층(200)을 단위셀 영역(a) 상에서는 하부전극(200a)으로 배선 영역(b) 상에서는 하부연결전극(200b)으로 구분하여 설명한다. 또한, 패터닝된 실리콘층(300)을 단위셀 영역(a) 상에서는 광전소자부(300a)로 설명한다. 또한, 패터닝된 상부 전도층(400)을 단위셀 영역(a) 상에서는 상부전극(400a)으로 설명한다.
광전소자부(300a)는 광을 수광하여 발생한 전자(electron)와 정공(hole)이 하부전극(200a)과 상부전극(400a)으로 이동하면서 광기전력(전력)을 생산하는 기능을 수행할 수 있다. 하부연결전극(200b)은 이후 형성될 배선층(600)을 통하여 단위셀 영역(a)의 하부전극(200a)과 이웃하는 다른 단위셀 영역(a)의 상부전극(400a)을 양호하게 연결시켜 직렬 연결 방식의 태양전지를 구현하는 기능을 수행할 수 있다.
다음으로, 도 5를 참조하면, 태양전지의 단위셀의 양측면에 절연성 재질의 제1 및 제2 측벽 절연층(500: 500a, 500b)을 형성한다. 이때, 필요에 따라 제2 측벽 절연층(500b)의 형성은 생략할 수 있다. 더 구체적으로, 배선 영역(b) 상에 제2 식각 단계에 의하여 패터닝된 하부전극(200a), 광전소자부(300a) 및 상부전극(400a)의 일측면을 커버하는 제1 측벽 절연층(500a)을 형성할 수 있다. 또한, 하부전극(200a)의 일측과 동일층으로 형성되는 하부연결전극(200b) 상에 광전소자부(300a) 및 상부전극(400a)의 타측면을 커버하는 제2 측벽 절연층(500b)을 형성할 수 있다. 이러한 측벽 절연층(500)에 의하여 태양전지의 단위셀간의 양호한 전기적 절연 특성을 얻을 수 있다.
측벽 절연층(500)은 실리콘 산화막(SiOx) 또는 실리콘 질화막(SiNx) 중 어느 하나이거나 이들의 적층막일 수 있으며, 이외에도 레진(resin), 폴리머 등 다양한 공지의 재료를 사용할 수 있다. 측벽 절연층(500)의 형성 방법으로는 노즐로 구성된 헤드를 통하여 소정의 잉크를 분사하는 잉크젯 프린팅법(ink jet printing)을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며 공지된 포토리소그래피법 등을 제한 없이 사용할 수 있다.
다음으로, 도 6을 참조하면, 태양전지의 단위셀간의 하부전극(200a)과 상부전극(400a)을 하부연결전극(200b)을 통하여 전기적으로 연결하는 배선층(600)을 형성한다.
더 구체적으로, 배선층(600)은 제1 측벽 절연층(500a)을 커버하며, 일단은 임의의 단위셀의 상부전극(400a)과 연결되고 타단은 상기 임의의 단위셀과 이웃하는 다른 단위셀의 하부연결전극(200b)과 연결된다. 이로써 태양전지의 단위셀간의 하부전극(200a)과 상부전극(400a)이 전기적으로 연결되어 직렬 연결 방식의 태양전지가 구현될 수 있다.
배선층(600)의 소재는 전도성 재질을 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들면, 투명 전도성 소재인 TCO(transparent conductive oxide)나 통상적인 금속 소재인 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 아연(Zn), 티타늄(Ti) 등의 금속 및 이들의 합금을 사용할 수 있다. 배선층(600)의 형성 방법으로는 잉크젯 프린팅법을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며 공지된 포토리소그래피법 등을 제한 없이 사용할 수 있다.
한편, 도 6에서는 배선층(600)이 하부연결전극(200b) 뿐만 아니라 제2 측벽 절연층(500b)과도 연결되는 것으로 도시되어 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 배선층(600) 형성 과정에서 잉크젯 프린팅 공정 조건을 보다 정밀하게 제어함으로써 배선층(600)은 하부연결전극(200b)에만 연결되게 할 수 있으며 이 경우 도 5에서 설명한 제2 측벽 절연층(500b)의 형성은 생략이 가능하다.
이상에서 설명된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 태양전지는 총 2회의 식각(패턴) 공정(P1, P2)만을 수행함으로써, 종래의 3회에 비해 식각 공정 수를 감소시킬 수 있다. 또한, 하부 전도층(200), 실리콘층(300) 및 상부 전도층(400)을 연속 증착한 후 제1 식각(P1)과 제2 식각(P2) 공정을 연속적(P1 -> P2 또는 P2 -> P1 순서를 포함)으로 수행함으로써 증착 공정과 식각 공정을 서로 분리시킬 수 있다. 따라서, 단일 레이저 스크라이빙 장치에 제1 및 제2 식각 공정시 필요한 레이저, 예를 들어 그린 파장, 적외선 및 자외선 레이저를 동시에 구비하여 단일 스캔 또는 듀얼 스캔 방식으로 제1 및 제2 식각 공정을 동시에 혹은 순차적으로 수행할 수 있어서 공정 단계와 공정 설비를 감소시킬 수 있다.
또한, 종래에는 다수의 증착 공정과 다수의 식각 공정이 서로 반복 수행되어 식각 공정시 유발되는 잔류물을 제거하기 위해서는 식각 공정마다 세정 공정을 수행해야 했으나, 본 발명에서는 2회의 식각 공정을 연속적으로 수행한 후 한번의 세정 공정으로 잔류물을 일괄적으로 제거할 수 있어서 세정 공정을 단축시킬 수 있다. 물론 상기의 세정 공정은 생략될 수도 있다.
광전소자부의
구성
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전소자부(300a)의 구성을 나타내는 도면이다.
먼저, 도 9를 참조하면, 광전소자부(300a)는 일 예로 3층의 비정질 실리콘층(310, 320, 330)이 형성될 수 있다. 더 구체적으로, 하부전극(200a) 상에는 제1 비정질 실리콘층(310)을 형성할 수 있으며, 이어서 제1 비정질 실리콘층(310) 상에는 제2 비정질 실리콘층(320)을 형성할 수 있으며, 이어서 제2 비정질 실리콘층(320) 상에는 제3 비정질 실리콘층(330)을 형성하여 하나의 광전소자를 구성할 수 있다. 이때, 제1, 제2, 제3 비정질 실리콘층(310, 320, 330)의 형성 방법으로는 PECVD 또는 LPCVD와 같은 화학기상 증착법을 이용하여 형성할 수 있다.
다음으로, 도 10을 참조하면, 광전소자부(300a)는 일 예로 3층의 다결정 실리콘층(311, 321, 331)이 형성될 수 있다. 더 구체적으로, 하부전극(200a) 상에는 제1 다결정 실리콘층(311)을 형성할 수 있으며, 이어서 제1 다결정 실리콘층(311) 상에는 제2 다결정 실리콘층(321)을 형성할 수 있으며, 이어서 제2 다결정 실리콘층(321) 상에는 제3 다결정 실리콘층(331)을 형성하여 하나의 광전소자를 구성할 수 있다.
이때, 제1, 제2, 제3 다결정 실리콘층(311, 321, 331)의 형성 방법으로는 도 9의 제1, 제2, 제3 비정질 실리콘층(310, 320, 330)을 열처리하여 결정화하는 과정을 수행할 수 있다. 즉, 제1 비정질 실리콘층(310)은 제1 다결정 실리콘층(311)으로, 제2 비정질 실리콘층(320)은 제2 다결정 실리콘층(321)으로, 제3 비정질 실리콘층(330)은 제3 다결정 실리콘층(331)으로 각각 결정화할 수 있다.
이때, 제1, 제2, 제3 비정질 실리콘층(310, 320, 330)의 결정화 방법은 SPC(Solid Phase Crystallization), ELA(Excimer Laser Annealing), SLS(Sequential Lateral Solidification), MIC(Metal Induced Crystallization), 및 MILC(Metal Induced Lateral Crystallization) 중 어느 하나의 방법을 사용할 수 있다. 상기의 비정질 실리콘의 결정화 방법은 공지의 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 본 명세서에서는 생략하기로 한다.
상기에서는 제1, 제2, 제3 비정질 실리콘층(310, 320, 330)을 모두 형성한 후에 이들 층을 동시에 결정화시키는 것으로 설명하고 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 하나의 비정질 실리콘층 마다 결정화 공정을 별도로 진행할 수 있으며, 또한 두 개의 비정질 실리콘층은 동시에 결정화 공정을 진행하고 나머지 하나의 비정질 실리콘층은 별도로 결정화 공정을 진행할 수도 있다.
결국, 하부전극(200a) 상에는 제1, 제2, 제3 비정질 실리콘층(310, 320, 330) 또는 제1, 제2, 제3 다결정 실리콘층(311, 321, 331)으로 구성되는 광전소자가 형성된다. 이러한 광전소자는 비정질 또는 다결정 실리콘층이 적층된 구조로 광이 수광되어 발생되는 광기전력으로 전력을 생산할 수 있는 p 형, i 형, n 형의 비정질 또는 다결정 실리콘층이 순서대로 적층된 p-i-n 다이오드의 구조일 수 있다. 여기서 i 형은 불순물이 도핑되지 않은 진성(intrinsic)을 의미한다. 또한, n 형 또는 p 형 도핑은 비정질 실리콘층 형성시에 불순물을 인시츄(in situ) 방식으로 도핑하는 것이 바람직하다. P 형 도핑시 불순물로서는 보론(B)을 n 형 도핑시 불순물로서는 인(P) 또는 비소(As)를 사용하는 것이 일반적이나, 이에 한정되는 것은 아니며 공지된 기술을 제한 없이 사용할 수 있다.
한편, 광전소자는 p, i, n 형 이외에도 p+, i, n+ 형, n, i, p 형(특히, n+, i, p+), p, n, n 형(특히, p+, p-, n+) 또는 n, n, p 형(특히, n+, n-, p+)의 실리콘층으로 형성될 수 있다. 여기서, +와 -의 의미는 도핑 농도의 상대적인 차이를 나타내며 +가 -보다 고농도의 도핑 농도를 가짐을 의미한다. 예를 들어, n+가 n- 보다 하이 도핑되어 있음을 의미한다. + 또는 -의 표시가 없는 경우에는 도핑 농도의 특별한 제한이 없음을 의미한다. 또한, p와 n 형 사이에 위치하는 반도체층은 광 흡수층(예를 들면, i 형)의 기능을 한다.
한편, 제1 다결정 실리콘층(311), 제2 다결정 실리콘층(321), 제3 다결정 실리콘층(331)의 제반 특성을 보다 향상시키기 위하여 이들 다결정 실리콘층을 소정의 온도에서 추가로 열처리하여 결함을 제거하는 결함 제거 공정, 또한 이들 다결정 실리콘층을 수소 플라즈마 처리하여 다결정 실리콘층 내에 존재하는 댕글링 본드를 제거하는 수소 패시배이션(hydrogen passivation) 공정을 수행할 수 있다.
한편, 이상에서 설명된 광전소자부(300a)는 하나의 광전소자 상에 다른 광전소자가 더 형성된 적층 구조일 수도 있다. 일 예로, 다결정 광전소자와 비정질 광전소자가 적층된 구조[즉, 탠덤(tandem) 구조]일 수 있으나, 이중 이상으로 적층되는 구조를 포괄적으로 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 다결정 광전소자와 비정질 광전소자 사이에는 투명 전도체인 연결층(미도시)이 추가로 형성될 수 있다. 상기 연결층은 다결정 광전소자와 비정질 광전소자 사이에 터널 접합(tunnel junction)이 이루어지게 하여, 그 결과 태양전지의 광전 변환 효율을 향상시키는 역할을 할 수 있다. 상기 연결층은 ZnO에 Al이 소량 첨가된 AZO(ZnO:Al)인 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되지 않으며 통상적인 ITO, ZnO, IZO, FTO(SnO2:F), BZO 등과 같은 투명 전도성 소재를 특별한 제한 없이 사용할 수 있다.
이상의 상세한 설명에서 본 발명은 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다. 따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 기판
200: 하부 전도층
200a: 하부전극
200b: 하부연결전극
300: 반도체층(실리콘층)
300a: 광전소자부(광전소자)
400: 상부 전도층
400a: 상부전극
500a: 제1 측벽 절연층
500b: 제2 측벽 절연층
600: 배선층
200: 하부 전도층
200a: 하부전극
200b: 하부연결전극
300: 반도체층(실리콘층)
300a: 광전소자부(광전소자)
400: 상부 전도층
400a: 상부전극
500a: 제1 측벽 절연층
500b: 제2 측벽 절연층
600: 배선층
Claims (17)
- 다수개의 단위셀 영역과 상기 단위셀 영역 사이에 위치하는 다수개의 제1 식각 영역과 제2 식각 영역을 포함하는 배선 영역을 포함하는 기판;
상기 기판 상의 상기 단위셀 영역 상에 형성되는 하부전극;
상기 기판 상의 상기 배선 영역 상의 상기 제1 식각 영역 상에 형성되며 상기 하부전극의 일측과 동일층으로 연결되는 하부연결전극;
상기 하부전극 상에 형성되며 다수개의 반도체층이 적층된 광전소자부;
상기 광전소자부 상에 형성되는 상부전극;
상기 기판 상의 상기 배선 영역 상의 제2 식각 영역 상에 위치하며, 동일 패턴으로 형성된 상기 하부전극, 상기 광전소자부 및 상기 상부전극의 일측면을 커버하는 제1 측벽 절연층; 및
상기 상부전극의 상부면, 상기 제1 측벽 절연층의 상부면 및 상기 하부연결전극의 상부면 및 일측면 상에 형성되며, 상기 상부전극과 상기 단위셀 영역과 이웃하는 다른 단위셀 영역의 하부전극을 상기 배선 영역과 이웃하는 다른 배선 영역의 하부연결전극을 통하여 전기적으로 연결하는 배선층
을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 하부연결전극 상에 위치하며, 상기 광전소자부 및 상기 상부전극의 타측면을 커버하는 제2 측벽 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제2항에 있어서,
상기 제1, 제2 측벽 절연층의 소재는 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiNx), 폴리머, 레진을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제2항에 있어서,
상기 제1, 제2 측벽 절연층은 잉크젯 프린팅법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 배선층은 잉크젯 프린팅법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 상부전극은 투명 전도성 소재 또는 금속 소재이거나 이들의 적층 구조인 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 광전소자부는,
상기 하부전극 상에 형성되는 제1 비정질 반도체층;
상기 제1 비정질 반도체층 상에 형성되는 제2 비정질 반도체층;
상기 제2 비정질 반도체층 상에 형성되는 제3 비정질 반도체층
을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 광전소자부는 하나 또는 다수개의 광전소자를 적층하여 포함하되,
상기 하부전극 상에 형성되는 적어도 하나의 광전소자는,
제1 다결정 반도체층;
상기 제1 다결정 반도체층 상에 형성되는 제2 다결정 반도체층;
상기 제2 다결정 반도체층 상에 형성되는 제3 다결정 반도체층
을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제7항 또는 제8항에 있어서,
상기 반도체층은 실리콘층인 것을 특징으로 하는 태양전지. - 제8항에 있어서,
상기 다결정 반도체층은 SPC(Solid Phase Crystallization), ELA(Excimer Laser Annealing), SLS(Sequential Lateral Solidification), MIC(Metal Induced Crystallization), 및 MILC(Metal Induced Lateral Crystallization) 중 어느 하나의 방법으로 결정화된 것을 특징으로 하는 태양전지. - (a) 다수개의 단위셀 영역과 상기 단위셀 영역 사이에 위치하는 다수개의 배선 영역을 포함하는 기판을 제공하는 단계;
(b) 상기 기판 상에 하부 전도층, 다수개의 반도체층 및 상부 전도층을 순차적으로 형성하는 단계;
(c) 상기 기판의 상기 배선 영역 상의 상기 반도체층 및 상기 상부 전도층을 제1 식각 영역 너비만큼 동시에 식각하는 제1 식각 단계;
(d) 상기 기판의 상기 배선 영역 상의 상기 제1 식각 단계에 의하여 패터닝된 반도체층 및 상부 전도층 전체와, 상기 하부 전도층을 제2 식각 영역 너비만큼 동시에 식각하는 제2 식각 단계;
(e) 상기 기판의 상기 배선 영역 상에, 상기 제2 식각 단계에 의하여 패터닝된 하부 전도층, 반도체층 및 상부 전도층의 일측면을 커버하는 제1 측벽 절연층을 형성하는 단계; 및
(f) 상기 기판의 상기 단위셀 영역 및 상기 배선 영역 상에, 상기 상부 전도층과 상기 단위셀 영역과 이웃하는 다른 단위셀 영역의 하부 전도층을 전기적으로 연결하는 배선층을 형성하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - (a) 다수개의 단위셀 영역과 상기 단위셀 영역 사이에 위치하는 다수개의 배선 영역을 포함하는 기판을 제공하는 단계;
(b) 상기 기판 상에 하부 전도층, 다수개의 반도체층 및 상부 전도층을 순차적으로 형성하는 단계;
(c) 상기 기판의 상기 배선 영역 상의 상기 하부 전도층, 상기 반도체층 및 상기 상부 전도층을 제1 식각 영역 너비만큼 동시에 식각하는 제1 식각 단계;
(d) 상기 기판의 상기 배선 영역 상의 상기 제1 식각 단계에 의하여 패터닝된 반도체층 및 상부 전도층 전체를 동시에 식각하는 제2 식각 단계;
(e) 상기 기판의 상기 배선 영역 상에, 상기 제1 식각 단계에 의하여 패터닝된 하부 전도층, 반도체층 및 상부 전도층의 일측면을 커버하는 제1 측벽 절연층을 형성하는 단계; 및
(f) 상기 기판의 상기 단위셀 영역 및 상기 배선 영역 상에, 상기 상부 전도층과 상기 단위셀 영역과 이웃하는 다른 단위셀 영역의 하부 전도층을 전기적으로 연결하는 배선층을 형성하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 하부 전도층 상에, 상기 반도체층 및 상기 상부 전도층의 타측면을 커버하는 제2 측벽 절연층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제13항에 있어서,
상기 제1, 제2 측벽 절연층의 소재는 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiNx), 폴리머, 레진을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제13항에 있어서,
상기 제1, 제2 측벽 절연층은 잉크젯 프린팅법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 배선층은 잉크젯 프린팅법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 상부 전도층 상에 금속층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
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