KR101110824B1 - Substrate of photovoltaic cell and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지 기판 및 태양전지 기판 제조 방법에 관한 것으로, 태양전지 기판 제조 방법은 유리 조성원료가 혼합된 모유리에 열처리를 통해 모유리 표면에 결정핵을 형성하는 단계와, 모유리 표면에서 결정핵을 제거하여 요철층을 형성하는 단계를 포함한다. The present invention relates to a solar cell substrate and a method of manufacturing a solar cell substrate, the method of manufacturing a solar cell substrate is a step of forming a crystal nucleus on the surface of the mother glass through heat treatment on the mother glass mixed with the glass composition material, and crystals on the surface of the mother glass Removing the nucleus to form an uneven layer.
태양전지, 기판, 제조, 모유리, 결정핵, 요철층 Solar Cell, Substrate, Manufacturing, Mother Glass, Crystal Core, Uneven Layer
Description
본 발명은 태양전지 기판 및 태양전지 기판 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a solar cell substrate and a method for manufacturing a solar cell substrate.
태양전지는 태양에너지를 직접 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심소자이다. 태양전지는 현재 전기, 전자제품, 주택이나 건물의 전기 공급 그리고 산업 발전에 이르기까지 다양한 분야에 적용되고 있다. 태양전지의 가장 기본적인 구조는 pn 접합으로 구성된 다이오드 형태이며, 광 흡수층의 재료에 따라 구분되는데, 예컨대 광 흡수층으로 실리콘을 사용하는 실리콘 태양전지, 광 흡수층으로 CIS(CuInSe2)나 CdTe를 이용하는 화합물 태양전지, 다공질막의 나노입자 표면에 가시광 흡수로 전자가 여기되는 광감응 염료 분자가 흡착된 염료 감응형 태양전지, 복수개의 비정질 실리콘이 적층된 적층형 태양전지로 구분된다. 또한, 태양전지는 벌크형(단결정, 다결정 포함)과 박막형(비정질, 다결정) 태양전지로 구분된다. Solar cells are a key element of solar power generation that converts solar energy directly into electricity. Solar cells are currently used in a variety of fields, including electricity, electronics, electricity supply to homes and buildings, and industrial development. The most basic structure of the solar cell is a diode type consisting of a pn junction, it is classified according to the materials of the light absorption layer, a silicon solar cell that uses silicon as the light absorbing layer, the light absorbing layer CIS (CuInSe 2) or using the compound aspect the CdTe It is classified into a dye-sensitized solar cell in which a photosensitive dye molecule in which electrons are excited by absorbing visible light on the surface of a nanoparticle of a porous membrane and a stacked solar cell in which a plurality of amorphous silicon are stacked. In addition, solar cells are classified into bulk (including monocrystalline and polycrystalline) and thin film (amorphous and polycrystalline) solar cells.
현재는 다결정 실리콘을 이용하는 벌크형 결정질 실리콘 태양전지가 전체 시장의 90%이상을 차지하고 있으며, 벌크형 결정질 실리콘 태양전지의 태양광 발전 단가는 기존의 화력, 원자력, 수력 등에 비해 최소 3배에서 최대 10배 이상 비싸다. 이는 고가의 실리콘 원료를 다량 사용하고 제조공정이 복잡한 결정질 실리콘 태양전지의 높은 제조 원가가 주요 원인이다. 이에, 최근 들어 비정질 실리콘(a-Si:H) 및 미세결정 실리콘(μc-Si:H) 박막 태양전지에 대한 연구와 상업화가 진행되고 있다. Currently, bulk crystalline silicon solar cells using polycrystalline silicon account for more than 90% of the total market, and the unit cost of photovoltaic power generation of bulk crystalline silicon solar cells is at least three times up to ten times higher than conventional thermal, nuclear, and hydropower. expensive. This is mainly due to the high production cost of crystalline silicon solar cells using a large amount of expensive silicon raw materials and complicated manufacturing processes. In recent years, research and commercialization of amorphous silicon (a-Si: H) and microcrystalline silicon (μc-Si: H) thin film solar cells are in progress.
도 1 은 종래 비정질 실리콘을 광 흡수층으로 사용하는 태양전지의 구조를 도시한다. 1 illustrates a structure of a solar cell using conventional amorphous silicon as a light absorbing layer.
도시한 바와 같이, 종래 비정질 실리콘(예컨대, a-Si:H) 태양전지(110)는 유리기판(111)/투명 도전막(112)/불순물이 도핑된 P형 비정질 실리콘(a-Si:H)(113)/불순물이 도핑되지 않은 i형 비정질 실리콘(a-Si:H)(114)/불순물이 도핑된 n형 비정질 실리콘(a-Si:H)(115)/후면 반사막(Back reflector)(116)을 포함한다. 이러한 p-i-n형 비정질 실리콘(a-Si:H)에서 불순물이 도핑되지 않은 i형 비정질 실리콘(a-Si:H)(114)은 불순물이 도핑된 P형과 n형 비정질 실리콘(a-Si:H)(113, 115)에 의해 공핍(depletion)되며 내부에서 전기장이 발생하게 된다. 입사광(hv)에 의하여 i형 비정질 실리콘(a-Si:H)(114)에서 생성된 전자-정공 쌍은 내부 전기장에 의한 드리프트에 의해 각각 P형 비정질 실리콘(a-Si:H)(113)과 n형 비정질 실리콘(a-Si:H)(115)에 수집되어 전류를 발생하게 된다. As shown, the conventional amorphous silicon (eg, a-Si: H)
태양전지에 사용되는 유리기판(111)은 태양전지를 보호하며 광전변화 효율을 높이기 위해 광투과율이 높아야 한다. 이에 유리기판(111)은 강도를 높이기 위해 열강화 또는 이온교환에 의한 화학강화 방법으로 제조되고 있다. 또한, 유리기판(111)은 광투과율을 높이기 위해 철분 함량과 두께를 줄이거나 반사방지막이 코팅되도록 제조된다. The
유리기판(111)의 강도는 이론적으로 커야하지만 실제는 그렇지 않다. 이에 열강화 또는 이온교환에 의한 화학강화 방법에 의해 유리기판의 강도를 높이고 있다. 열강화 방법에 의해 유리기판을 제조 시 유리 조성원료가 혼합된 혼합물에 고온의 열을 가한 후, 이를 급냉시켜 유리를 제조한다. 그런데 유리의 용융 및 급냉 과정에서 유리보다 열팽창계수가 높은 니켈 황화물(NiS)이 유리 내부에 포함될 수 있다. 니켈 황화물(NiS)은 유리 내부에서 팽창하면서 니치벽(유리와 함유물의 계면; 또는 glass niche라 함) 표면에 일부 미소 균열을 남긴다. 니켈 황화물(NiS)은 실온으로 냉각한 후에도 β-相으로 지속적으로 서서히 전이하며, 체적증가와 함께 니치벽에 작용하는 압력을 증가시켜, 강화시 생성되는 균열을 확장시키고, 궁극적으로는 불시에 유리의 파손을 초래한다.The strength of the
또한, 화학강화 방법에 의해 제조된 유리기판의 경우 이온교환층의 불균일로 인해 강도가 불균일하고, 또한 레이져-텍스처링(Laser-Texturing)시 투명하여 빛이 투과하므로 텍스처링이 용이하지 않으며, 자성막 성막공정시 스퍼터-챔버(Sputter-Chamber)내에서 파손시 비산되는 단점이 있다.In addition, in the case of the glass substrate manufactured by the chemical strengthening method, the strength is uneven due to the non-uniformity of the ion exchange layer, and also transparent during the laser-texturing, so that light is not easily transmitted. In the process, there is a disadvantage in that it is scattered when broken in the sputter-chamber.
한편, 투명 도전막(112)은 광 투과도(light transmittance)와 도전성(conductivity)과 빛 가둠(light trapping) 효과가 높을 것이 요구된다. 특히 빛 가둠(light trapping) 효과를 구현하기 위해 태양전지용 투명 도전막은 요 철(Texturing) 구조를 가진다. 통상적으로 태양전지용 투명 도전막의 요철(Texturing) 구조 및 모양에 따라 도전막의 광투과율 특성이 달라지게 된다. 이러한 투명 도전막에 요철(Texturing) 구조를 형성하는 방법은 유리기판(111)에 도전막을 형성하는 과정에서 동시에 이루어지도 하고, 유리기판(111)에 형성된 도전막을 습식 식각(Wet Etching) 통해 구현되기도 한다. On the other hand, the transparent
그런데, 유리기판에 도전막을 형성하면서 동시에 요철(Texturing) 구조를 형성하기 위해서는 스터터링이나 증착하는 과정에서 유리기판에 성막되는 도전막의 결정성 제어를 정밀하게 해야 하는 추가적인 노력이 필요하다. 또한, 요철(Texturing) 구조를 형성하기 위해 유리기판에 형성된 도전막을 습식 식각(Wet Etching)하는 것은 도전막을 형성하기 위해 사용되는 주석 도핑 산화인듐(ITO) 혹은 불소 도핑 산화주석(FTO)의 낭비를 초래하게 되는 문제점이 있다. 또한, 기존의 투명 도전막으로 주로 사용되고 있는 주석 도핑 산화인듐(ITO)은 주원료인 인듐(In)이 희귀원소로 지속적인 가격상승과, 수소 plasma 공정에서 인듐(In)의 높은 환원성과 그에 따라 수반되는 화학적 불안전성 등의 문제점을 가지고 있다. However, in order to form a conductive film on the glass substrate and at the same time to form a concave-convex structure, an additional effort is required to precisely control the crystallinity of the conductive film formed on the glass substrate during the stuttering or deposition process. In addition, wet etching the conductive film formed on the glass substrate to form the uneven structure eliminates waste of tin-doped indium oxide (ITO) or fluorine-doped tin oxide (FTO) used to form the conductive film. There is a problem that results. In addition, tin-doped indium oxide (ITO), which is mainly used as a conventional transparent conductive film, is a rare element in which indium (In) is a rare element. It has problems such as chemical instability.
본 발명은 상기와 같은 배경에서 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 유리기판의 강도가 크고 광투과율이 높으면서 유리기판에 표면에 요철(Texturing)이 형성된 태양전지 기판 및 태양전지 기판 제조 방법을 제공하는 것이다. The present invention has been proposed in the background as described above, and an object of the present invention is to provide a solar cell substrate and a method for manufacturing a solar cell substrate, the surface of which is formed on the surface of the glass substrate while the strength of the glass substrate is high and the light transmittance is high. will be.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양상에 따른 태양전지 기판 제조 방법은, 유리 조성원료가 혼합된 모유리에 열처리를 통해 모유리 표면에 결정핵을 형성하는 단계와, 모유리 표면에서 결정핵을 제거하여 요철층을 형성하는 단계를 포함한다. In order to achieve the above object, the solar cell substrate manufacturing method according to an aspect of the present invention, the step of forming a crystal nucleus on the surface of the mother glass through heat treatment to the mother glass mixed with the glass composition material, and the surface of the mother glass Removing the crystal nucleus to form an uneven layer.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 모유리 표면에 형성되는 결정핵은 적어도 베타스포듀멘, 알파-석영, 베타크리스토 발라이트, 이규산리튬, 규산리튬 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다. 본 발명의 다른 부가적인 양상에 따르면, 요철층을 형성하는 단계는 식각(Etching)을 통해 모유리 표면에 요철층을 형성하는 단계인 것을 특징으로 한다.According to an additional aspect of the present invention, the crystal nucleus formed on the surface of the mother glass is at least one of beta podumene, alpha-quartz, beta-cristobalite, lithium disilicate, lithium silicate. According to another additional aspect of the present invention, the step of forming the uneven layer is characterized in that the step of forming the uneven layer on the surface of the mother glass through etching (Etching).
상기한 구성에 따르면, 본 발명의 태양전지 기판은 유리 조성원료가 혼합된 모유리에 열처리를 하여 모유리 표면에 결정핵을 형성하고, 결정핵이 형성된 모유리 표면에서 결정핵을 제거하여 요철층을 형성하도록 구현됨으로써, 유리기판의 강도는 커지면서 두께는 작아지고, 유리기판 표면에 요철층이 형성되어 별도의 반사 방지막 코팅을 해지 않아도 요철층에 의한 빛 가둠(light trapping) 효과로 인해 광 투과율이 높아지는 유용한 효과가 있다.According to the above configuration, the solar cell substrate of the present invention is subjected to heat treatment on the mother glass mixed with the glass composition material to form crystal nuclei on the surface of the mother glass, and to remove the crystal nuclei from the surface of the mother glass on which the crystal nuclei are formed to form an uneven layer. As it is implemented to form, the thickness of the glass substrate is increased and the thickness is reduced, and the uneven layer is formed on the surface of the glass substrate, so that the light transmittance is increased due to the light trapping effect by the uneven layer without a separate anti-reflective coating. It has a useful effect.
또한, 기존의 투명 도전막 형성시 부가적으로 수반되던 요철(Texturing) 형성 공정을 제거하여 생산 효율을 높이고, 도전막에 요철(Texturing) 형성시 발생되던 금속의 낭비 문제를 해소하여 태양전지 기판의 제조 단가를 절감할 수 있는 유용한 효과가 있다. In addition, by increasing the production efficiency by eliminating the uneven (Texturing) forming process that was additionally involved in the formation of the conventional transparent conductive film, solves the problem of metal waste generated during the formation of the uneven (Texturing) on the conductive film of the solar cell substrate There is a useful effect to reduce the manufacturing cost.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 전술한, 그리고 추가적인 양상을 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the present embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to the like elements throughout.
도 2 는 본 발명에 사용되는 유리기판의 단면을 도시한 것이고, 도 3 은 도2의 유리기판 표면에 요철층이 형성된 단면을 도시한다.FIG. 2 shows a cross section of the glass substrate used in the present invention, and FIG. 3 shows a cross section in which an uneven layer is formed on the surface of the glass substrate of FIG.
먼저 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 사용되는 유리기판(210)은 표면에 결정핵이 형성된 결정화층(211, 213)과, 비결정화층(212)을 갖도록 구현된다. 결정화층(211, 213)에 포함되는 결정핵은 베타스포듀멘(LiO2-Al2O3-4SiO2), 알파-석영, 베타크리스토 발라이트, 이규산리튬(Li2O?2SiO2), 규산리튬(Li2O?SiO2) 중 어느 하나가 될 수 있다. First, as shown in FIG. 2, the
도 3에 도시한 바와 같이, 유리기판(210)의 결정화층(211, 213)에는 요철층이 형성된다. 일반적으로 유리기판 표면에 요철층을 형성하는 방법으로는 롤 투 롤 방식에 의한 압연 방법, 임프린팅 방법, 식각(Etching) 방법을 사용할 수 있다. 유리기판(210)의 표면에 형성된 결정화층(211, 213)에서 결정핵을 제거함으로서 요철을 형성하는 방법을 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 요철층은 유리기판(210)에 화학 용액(예컨대, K2PO4 또는 H2SiF6)을 이용하여 식각(Etching) 처리하여 형성할 수 있다. As shown in FIG. 3, an uneven layer is formed on the
도 4 는 본 발명에 따른 태양전지 기판 제조 방법에 관한 흐름도이다.4 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a solar cell substrate according to the present invention.
도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양전지 기판 제조 방법은, 먼저 유리 조성원료가 혼합된 혼합물에 1차 열처리(예컨대 1200～1500℃, 1～4시간 동안)를 통해 용융시킨 후 냉각하여 모유리를 생성한다(S41). 일례로, 모유리에 포함되는 유리 조성물은 SiO2 74～81 중량%, Li2O 8～14중량%, Al2O3 3～5 중량%, K2O 4～6중량%, Al2O3＋K2O 8.5～9.5 중량%, P2O5 1～3 중량%을 포함하도록 구현된다. 모유리를 생성하는 단계 S41은 태양전지 기판 제조업체에서 수행될 수도 있고, 별도의 유리기판 제조업체에서 수행될 수 있다. As shown, the solar cell substrate manufacturing method according to the present invention, first melted through a first heat treatment (for example, 1200 ~ 1500 ℃, 1 ~ 4 hours) to the mixture of the glass composition material and then cooled to the mother glass To generate (S41). For example, the glass composition included in the mother glass is SiO 2 74-81 wt%, Li 2 O 8-14 wt%, Al 2 O 3 3-5 wt%, K 2 O 4-6 wt%, Al 2 O 3 + K 2 O 8.5 to 9.5% by weight, P 2 O 5 It is implemented to include 1 to 3% by weight. Step S41 of generating the mother glass may be performed by the solar cell substrate manufacturer, or may be performed by a separate glass substrate manufacturer.
이후, 모유리에 2차 열처리(예컨대 450～550℃, 1～5시간 동안)를 통해 모유리 표면에 결정핵을 형성한다(S42). 일례로, 모유리 표면에 포함되는 결정핵은 베타스포듀멘(LiO2-Al2O3-4SiO2), 알파-석영, 베타크리스토 발라이트, 이규산리튬(Li2O?2SiO2), 규산리튬(Li2O?SiO2) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. Subsequently, crystal nuclei are formed on the mother glass surface through secondary heat treatment (for example, 450˜550 ° C. for 1 to 5 hours) on the mother glass (S42). For example, the crystal nuclei included in the surface of the mother glass include beta spodumene (LiO 2 -Al 2 O 3 -4SiO 2 ), alpha-quartz, beta-cristobalite, lithium silicate (Li 2 O? 2SiO 2 ), and silicic acid. It may include any one of lithium (Li 2 O? SiO 2 ).
이후, 모유리 표면에서 결정핵을 제거하여 요철층을 형성한다(S43). 일반적으로 유리기판 표면에 요철층을 형성하는 방법으로는 롤 투 롤 방식에 의한 압연 방법, 임프린팅 방법, 식각(Etching) 방법을 사용할 수 있다. 모유리의 표면에 형성된 결정핵을 제거함으로서 요철을 형성하는 방법을 사용하는 것이 바람직하다. 일례로, 요철층은 모유리에 화학 용액(예컨대, K2PO4 또는 H2SiF6)을 이용하여 식각(Etching) 처리하여 형성할 수 있다. Thereafter, crystal nuclei are removed from the mother glass surface to form an uneven layer (S43). In general, as a method of forming the uneven layer on the surface of the glass substrate, a rolling method by a roll-to-roll method, an imprinting method, or an etching method may be used. It is preferable to use a method of forming irregularities by removing crystal nuclei formed on the surface of the mother glass. For example, the uneven layer may be formed by etching the mother glass using a chemical solution (eg, K 2 PO 4 or H 2 SiF 6 ).
지금까지, 본 명세서에는 본 발명이 하는 기술 분야에서 통상의 지식을 지닌 자가 본 발명을 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 도면에 도시한 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 실시예들로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.Thus far, the present specification has been described with reference to the embodiments shown in the drawings so that those skilled in the art can easily understand and reproduce the present invention, but this is merely exemplary, and the description Those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible from the embodiments of the present invention. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined only by the appended claims.
도 1 은 종래 비정질 실리콘을 광 흡수층으로 사용하는 태양전지의 구조를 도시한다. 1 illustrates a structure of a solar cell using conventional amorphous silicon as a light absorbing layer.
도 2 는 본 발명에 사용되는 유리기판의 단면을 도시한다.2 shows a cross section of a glass substrate used in the present invention.
도 3 은 도2의 유리기판 표면에 요철층이 형성된 단면을 도시한다.FIG. 3 shows a cross section in which an uneven layer is formed on the surface of the glass substrate of FIG. 2.
도 4 는 본 발명에 따른 태양전지 기판 제조 방법에 관한 흐름도이다.4 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a solar cell substrate according to the present invention.
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2009
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