KR101173402B1 - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
일 실시예에 따른 태양전지 모듈은 기판; 상기 기판의 제1 면에 배치되는 제1 전극층; 상기 기판의 제2 면에 배치되는 제2 전극층; 상기 제2 전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되는 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 배치되는 윈도우층;을 포함한다.
Description
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 에너지의 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지에 대한 개발이 진행되고 있다.
특히, 유리기판, 금속 후면 전극층, p형 CIGS계 광 흡수층, 고 저항 버퍼층, n형 윈도우층 등을 포함하는 기판 구조의 pn 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다.
이러한 태양전지에 있어서 낮은 저항, 높은 투과율 등의 전기적인 특성을 향상시키기 위한 연구가 진행되고 있다.
실시예는 디스플레이 일체형 BIPV(Building Integrated Photovoltaic System) 모듈을 형성하여 공간 활용도 및 휘도를 증가시키고, 디스플레이의 생산성을 향상시키고자 한다.
일 실시예에 따른 태양전지 모듈은 기판; 상기 기판의 제1 면에 배치되는 제1 전극층; 상기 기판의 제2 면에 배치되는 제2 전극층; 상기 제2 전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되는 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 배치되는 윈도우층;을 포함한다.
실시예에 따르면, 공유 기판을 기준으로 한쪽에 디스플레이 모듈이 형성되고, 다른 쪽에 태양전지가 형성되어 공간 활용도가 증가할 수 있다.
그리고, 상기 태양전지에 포함되는 후면전극층에 의해 반사율이 높아져서 디스플레이 모듈의 휘도가 향상될 수 있다.
또한, 디스플레이의 발광 효율을 향상시키기 위한 필러(Filler) 물질을 분산시키기 위한 공정이 제거되므로 생산성이 향상될 수 있다.
도 1은 일반적인 PDP(Plasma Display Panel) 모듈의 구조를 도시한 사시도이다.
도 2는 실시예에 따라 PDP 모듈과 태양전지가 일체로 형성된 구조를 도시한 사시도이다.
도 3 내지 도 5는 실시예에 따른 태양전지 패널을 제조하는 과정을 도시한 도면들이다.
도 2는 실시예에 따라 PDP 모듈과 태양전지가 일체로 형성된 구조를 도시한 사시도이다.
도 3 내지 도 5는 실시예에 따른 태양전지 패널을 제조하는 과정을 도시한 도면들이다.
실시예의 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 1은 일반적인 PDP(Plasma Display Panel) 모듈의 구조를 도시한 사시도이다. 도 1을 참조하면, PDP 모듈은 전면 유리(10), 전면 전극(20), 전면 유전층(30), 형광체(40), 격벽(50), 후면 유전층(60), 후면전극(70) 및 후면유리(80)를 포함한다.
PDP는 플라즈마 디스플레이 패널의 머릿글자를 사용하여 만든 말로, 플라즈마란 외부에서 인가된 에너지에 의해서 이온화된 기체를 의미한다.
일반적으로 적, 녹, 청의 세 가지 색을 발산하는 형광체를 혼합하여 사용하게 되는데 PDP는 적, 녹, 청의 세 가지 색을 발산하는 형광체를 작게 하여 무수히 배치한 것으로 생각할 수 있다.
도시된 바와 같이, 일반적으로 PDP는 크게 전면유리(10)와 후면유리(80)로 구성된다. 전면유리(10)에는 전면전극(20)이 배치되며 상기 전면전극(20) 아래에 유전층(30)이 형성된다.
후면유리(80)에는 후면전극(70)이 있고, 그 위를 격벽(50)과 형광체(40)가 덮고 있다. PDP에서 플라즈마는 전면유리(10)와 후면유리(80), 그리고 격벽(50)이 만드는 공간 내에서 발생하게 되고, 이를 발생시키기 위한 전기적 신호는 상면유리(10)의 전면전극(20)을 통해서 전달된다. 플라즈마로부터 생성된 자외선은 하면유리(80)의 격벽(50)에 위치한 형광체(40)에 도달하게 되고, 자외선으로부터 전달받은 에너지를 이용하여 형광체(40)에서 적, 녹, 청의 빛이 각각 발생하게 된다. 전면유리(10)와 후면유리(80) 및 격벽(50)이 만드는 공간을 셀(cell)이라고 하는데, PDP는 이러한 셀들이 매우 많이 모여서 구성된다.
후면전극(70)은 플라즈마를 발생시킬 셀과 발생시키지 않을 셀을 선택하는 전기적 신호를 전달하는 역할을 한다.
이와 같이, 형광체(40)에서 발생한 적, 녹, 청의 빛이 후면유리(80)로 입사하면 휘도가 저하될 수 있다. 이를 개선하기 위해 상기 전면유리(10)에는 상기 형광체에서 발생하는 빛을 전면으로 반사시키기 위하여 별도의 공정이 진행될 수 있는데, 예를 들어, SiO2, TiO2, Al2O3 및 ZnO2 등의 필러 물질을 상기 전면유리(10) 내부에 분산시킬 수 있다.
그러나 이로 인해 공정이 증가하고, 필러 물질의 반사율도 개선의 여지가 있다.
도 2는 실시예에 따라 PDP 모듈과 태양전지가 일체로 형성된 구조를 도시한 사시도이다.
일반적으로 BIPV 모듈은 건물 내부에서 관찰시 미관을 위해 별도의 후처리 공정이 필요하며, 디스플레이 장치는 형광체에서 발생한 빛의 약 50%가 후면 유리(100)로 입사될 수 있는데 이를 전면으로 다시 반사시켜 휘도를 향상시키기 위한 별도의 공정이 필요하다.
PDP 모듈의 경우 발광 효율을 높이기 위해 SiO2, TiO2, Al2O3 및 ZnO2 등의 필러 물질을 상기 하면 유리(100) 내부에 분산시킬 수 있으나, 이는 생산성 측면에서 개선의 여지가 있다.
그리고, 현재 필러를 적용하여 얻을 수 있는 반사율은 물질의 종류 및 농도에 따라 차이가 있으나 대략 40% 정도로 볼 수 있는데, 이 경우, 디스플레이에서 사용되는 빛의 양은 전체의 70% 정도가 될 수 있다.
이에 비해, 본 실시예에서와 같이 태양전지와 디스플레이 모듈이 일체로 형성된 경우 태양전지에 포함된 후면전극층의 반사율이 약 80%이므로, 디스플레이에서 사용되는 빛의 양은 전체의 약 90% 정도가 될 수 있다. 따라서 필러를 분산시키기 위한 공정이 제거되어 생산성이 향상되고, 필러를 적용하는 것보다 우수한 휘도를 얻을 수 있다.
또한 태양전지가 BIPV 모듈로 사용되는 경우 건물 내부에서 관찰시 미관을 위해 별도의 후처리 공정이 필요한데, 실시예에서와 같이 디스플레이와 일체로 연결되므로 미관을 위한 후면처리 공정이 생략될 수 있다.
그리고, PDP 모듈과 태양전지가 일체로 형성되므로 태양전지가 PDP 모듈의 전원으로 이용될 수 있고, 공간의 활용도가 증가할 수 있다.
도시된 바와 같이, 태양전지 패널은 디스플레이의 하면 유리로 사용되는 지지기판(100)과, 이면전극층(200), 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500) 및 윈도우층(600)을 포함한다.
상기 지지기판(100)은 플레이트 형상을 가지며, 상기 이면전극층(200), 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500) 및 윈도우층(600)을 지지한다.
상기 지지기판(100)은 절연체일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 유리기판일 수 있다.
상기 지지기판(100)으로 소다 라임 글래스가 사용되는 경우, 소다 라임 글래스에 함유된 나트륨(Na)이 태양전지의 제조공정 중에 CIGS로 형성된 광 흡수층(300)으로 확산될 수 있는데, 이에 의해 광 흡수층(300)의 전하 농도가 증가할 수 있다. 이는 태양전지의 광-전 변환 효율을 증가시키는 요인이 될 수 있다.
상기 지지기판(100) 상에 이면전극층(200)이 배치된다. 상기 이면전극층(200)은 도전층이다. 상기 이면전극층(200)은 태양전지 중 상기 광 흡수층(300)에서 생성된 전하가 이동하도록 하여 태양전지의 외부로 전류를 흐르게 할 수 있다. 상기 이면전극층(200)은 이러한 기능을 수행하기 위하여 전기 전도도가 높고 비저항이 작아야 한다.
또한, 상기 이면전극층(200)은 CIGS 화합물 형성시 수반되는 황(S) 또는 셀레늄(Se) 분위기 하에서의 열처리 시 고온 안정성이 유지되어야 한다. 또한, 상기 이면전극층(200)은 열팽창 계수의 차이로 인하여 상기 지지기판(100)과 박리현상이 발생되지 않도록 상기 지지기판(100)과 접착성이 우수하여야 한다.
이러한 이면전극층(200)은 몰리브덴(Mo), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 텅스텐(W) 및 구리(Cu)중 어느 하나로 형성될 수 있다. 이 가운데, 특히 몰리브덴(Mo)은 다른 원소에 비해 상기 지지기판(100)과 열팽창 계수의 차이가 적기 때문에 접착성이 우수하여 박리현상이 발생하는 것을 방지할 수 있고 상술한 이면전극층(200)에 요구되는 특성을 전반적으로 충족시킬 수 있다.
상기 이면전극층(200)은 두 개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 층들은 같은 금속으로 형성되거나, 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.
상기 이면전극층(200) 상에는 광 흡수층(300)이 형성될 수 있다. 상기 광 흡수층(300)은 p형 반도체 화합물을 포함한다. 더 자세하게, 상기 광 흡수층(300)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 계 화합물을 포함한다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계) 결정 구조, 구리-인듐-셀레나이드계 또는 구리-갈륨-셀레나이드계 결정 구조를 가질 수 있다. 상기 광 흡수층(300)의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1.1eV 내지 1.2eV일 수 있다.
버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치된다. CIGS 화합물을 광 흡수층(300)으로 갖는 태양전지는 pn 접합을 형성한다. 하지만 격자상수와 밴드갭 에너지의 차이를 고려하여 버퍼층이 필요하다.
상기 버퍼층(400)을 형성하는 일반적인 물질로 CdS가 태양전지의 발전 효율 측면에서 우수하다.
CdS의 대체 물질로 ZnS, ZnSe, ZnO, (Zn,Mg)O, In(OH)3, In2S3, InZnSex, SnO2, SnS2 등이 있고, 이들을 증착하는 대표적인 방법은 chemical bath deposition(CBD), atomic layer deposition (ALD), metal organic chemical vapour deposition (MOCVD), ion layer gas reaction(ILGAR), sputtering, thermal evaporation 및 electrodeposition(ED) 등이 있다.
상기 버퍼층(400) 상에 고저항 버퍼층(500)이 배치된다. 상기 고저항 버퍼층(500)은 불순물이 도핑되지 않은 징크 옥사이드(i-ZnO)를 포함한다. 상기 고저항 버퍼층(500)의 에너지 밴드갭은 약 3.1eV 내지 3.3eV이다.
상기 윈도우층(600)은 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 배치된다. 상기 윈도우층(600)은 투명하며, 도전층이다. 또한, 상기 윈도우층(600)의 저항은 상기 이면전극층(200)의 저항보다 높다.
상기 윈도우층(600)은 산화물을 포함한다. 예를 들어, 상기 윈도우층(600)은 징크 옥사이드(zinc oxide;ZnO), 인듐 틴 옥사이드(induim tin oxide;ITO), 알루미늄 징크 옥사이드(aluminium zinc oxide;AZO) 또는 인듐 징크 옥사이드(induim zinc oxide;IZO) 등을 포함할 수 있다.
상기 윈도우층(600)이 건물 외벽에 배치되어 태양광이 입사할 수 있다.
도 3 내지 도 5는 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도들이다. 본 제조방법에 관한 설명은 앞서 설명한 태양전지에 대한 설명을 참고한다. 앞서 설명한 태양전지에 대한 설명은 본 제조방법에 관한 설명에 본질적으로 결합될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 지지기판(100) 상에 이면전극층(200)이 형성될 수 있다. 상기 이면전극층(200)은 몰리브덴을 사용하여 증착될 수 있다. 상기 이면전극층(200)은 PVD(Physical Vapor Deposition) 또는 도금의 방법으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 지지기판(100) 및 이면전극층(200) 사이에 확산방지막 등과 같은 추가적인 층이 개재될 수 있다.
다음으로, 상기 이면전극층(200) 상에 광 흡수층(300)이 형성된다. 상기 광 흡수층(300)은 예를 들어, 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발시키면서 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(300)을 형성하는 방법과 금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션(Selenization) 공정에 의해 형성시키는 방법이 폭넓게 사용되고 있다.
금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션 하는 것을 세분화하면, 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정에 의해서, 상기 이면전극(200) 상에 금속 프리커서 막이 형성된다.
이후, 상기 금속 프리커서 막은 셀레니제이션(selenization) 공정에 의해서, 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(300)이 형성된다.
이와는 다르게, 상기 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 상기 셀레니제이션 공정은 동시에 진행될 수 있다.
이와는 다르게, 구리 타겟 및 인듐 타겟 만을 사용하거나, 구리 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 셀레니제이션 공정에 의해서, CIS계 또는 CIG계 광 흡수층(300)이 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 광 흡수층(300) 상에 버퍼층(400)이 형성된다. 상기 버퍼층(400)은 적어도 하나 이상의 층으로 형성되며, 상기 광 흡수층(300)이 형성된 상기 기판(100) 상에 황화 카드뮴(CdS)이 적층되어 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.
도 5를 참고하면, 상기 버퍼층(400) 상에 고저항 버퍼층(500) 및 윈도우층(600)이 형성된다. 상기 윈도우층(600)은 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 투명한 도전물질이 증착되어 형성된다. 상기 윈도우층(600) 상에 외부 환경으로부터 태양전지를 보호하기 위해 강화유리가 형성될 수 있다.
상기 공정에 의해 후면전극층(200) 내지 윈도우층(600)이 형성된 기판(100)이 PDP 모듈의 하면 유리로 사용될 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
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 (9)
- 기판;
상기 기판의 제1 면에 배치되는 제1 전극층;
상기 기판의 제2 면에 배치되는 제2 전극층;
상기 제2 전극층 상에 배치되는 광 흡수층;
상기 광 흡수층 상에 배치되는 버퍼층;
상기 버퍼층 상에 배치되는 윈도우층;
상기 제1 전극층에 연결되어 구동되는 디스플레이 모듈;을 포함하고,
상기 제1 전극층은 상기 제2 전극층의 반대면에 형성되는 태양전지 모듈. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1 전극층 상부에 형성되는 유전체층을 포함하는 태양전지 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 디스플레이 모듈은 PDP인 태양전지 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 제2 전극층은 몰리브덴을 포함하는 태양전지 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 기판은 SiO2, TiO2, Al2O3 및 ZnO2 중 적어도 하나를 포함하는 태양전지 모듈.
- 삭제
- 삭제
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| KR1020110007512A KR101173402B1 (ko) | 2011-01-25 | 2011-01-25 | 태양전지 및 이의 제조방법 |
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-
2011
- 2011-01-25 KR KR1020110007512A patent/KR101173402B1/ko active IP Right Grant
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