KR101176131B1 - 향상된 절연특성을 구비하는 박막형 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 향상된 절연특성을 구비하는 박막형 태양전지에 관한 것이다. 본 발명의 향상된 절연특성을 구비하는 박막형 태양전지는 투명전도층, 반도체층 및 후면전극 층이 모두 제거된 트리밍선 또는 절연분리선을 포함한다. 본 발명에 따르면, 지금까지 제시되었던 구조에 비해 태양전지 모듈의 내전압 특성의 변화 없이, 2번의 공정을 하나로 줄임으로써, 공정시간의 단축 및 제작단가를 낮출 수 있는 효과가 있다. 또한, 절연분리선 하나만으로 트리밍선의 역할까지 수행할 수 있어 고온고습하에서의 내전압특성 저하가 발생하지 않는다.
태양전지, 트리밍선, 절연분리선, 비정질, 실리콘
Description
도 1은 박막형 태양전지의 적층구조에 대한 일 단면도
도 2는 박막형 태양전지의 이중 반도체층을 포함한 적층구조에 대한 일 단면도
도 3은 박막형 태양전지의 구조를 도시한 단면도
도 4는 박막형 태양전지의 제조방법
도 5는 일반적인 태양전지 모듈의 평면도
도 6은 절연분리선이 패터닝된 태양전지 모듈의 단면도 및 실사도
도 7은 절연분리선과 트리밍선이 패터닝된 태양전지 모듈의 단면도 및 실사도
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 트리밍선 또는 절연분리선만이 패터닝된 태양전지 모듈의 단면도 및 실사도
{도면의 주요 부분의 부호에 대한 설명}
301 : 유리기판 302 : 하부 투명전도층
302 : 반도체층 310 : 후면전극층
801 : 트리밍선 802 : 절연분리선
본 발명은 향상된 절연특성을 구비하는 박막형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
지금 우리가 사용하고 있는 화석연료의 전망은 밝지 않다. 2003년, 영국 정유회사 브리티시페트롤리엄(BP)은 화석연료의 가채 매장량이 원유는 40년, 천연가스는 62년, 석탄은 216년을 쓸 만큼 남아 있다고 분석했다. 하지만, 중국, 인도와 같은 거대 에너지 소비국의 등장으로 이보다는 더 짧아질 거라 예상되며, 현재 치솟고 있는 원유의 값을 볼 때, 결코 먼 미래의 이야기가 아님을 짐작할 수 있다. 이에 화석연료를 대체할 수 있는 에너지의 개발은 미래 인류 생존을 위해 절대적으로 필요하다.
태양전지는 태양으로부터 지구에 전달되는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하여 에너지를 생산하는 소자이다. 태양전지 개발은 단결정 실리콘을 성장시키는 기술이 발달하면서 본격적으로 활기를 띠기 시작하여 다양한 원리와 구조의 태양전 지가 개발되고 있다. 또한, 70년대 오일 파동 및 90년대 초반에 대두되었던 이산화탄소에 의한 온실효과의 심각성, 90년대 말 지구 온난화 방지를 위한 이산화탄소 발생량의 규제를 위한 국제협정 등은 태양전지와 같은 청정에너지의 필요성을 인류에게 전달하는 중요한 계기가 되었다.
태양전지의 개발은 광전 변환효율 향상과 제조원가 절감 및 대면적화의 관점에서 진행되고 있다. 따라서, 결정질 실리콘을 이용하는 대신 비정질 실리콘을 중심으로 한 소재를 판형 유리나 금속에 다층으로 증착한 박막형 태양전지 개발이 활발하게 진행되고 있다. 비정질 실리콘계 박막형 태양전지는 결정질 실리콘 태양전지에 비해 광전 변환효율이 비교적 낮은 단점을 가지고 있으나, 다양한 구조와 재료의 이용으로 광전 변환효율을 향상시킬 수 있는 여지가 크고, 증착 장비의 대형화 자동화로 생산속도를 높여 제조원가를 절감할 수 있다는 장점이 있다.
일반적으로 단일 접합 셀(Single junction cell)로 불리는 박막형 실리콘계 태양전지를 유리기판 위에 적층한 구조는 도 1과 같다.
도 1a는 투명전도산화물(Transparent Conductive Oxide, 'TCO')(102)가 코팅된 유리기판(101)에 실리콘계 태양전지를 증착한 경우이고, 도 1b는 유리기판(101) 위에 코팅된 TCO(102)를 표면 처리하여 요철(texture)을 만들고 그 위에 실리콘계 태양전지를 증착한 경우이다. p-i-n으로 구성된 반도체 발전층(111~113)을 1개의 접합(junction)으로 구분하며 접합이 1개만 증착되어 단일 접합 셀로 불린다. 경우에 따라 성능향상을 위해 p층과 i층 사이에 중간층을 형성하기도 하며, 반도체 발전 층 위에는 다시 후면전극층으로 투명전도산화물(102)과 금속(103)이 각각 증착 한다.
이러한 단일 접합 셀을 두 개를 적층한 형태를 텐덤 셀(Tandem cell) 또는 이중 접합 셀이라 하며, 3개 적층 시에는 삼중 접합 셀로 표현한다. 이중 접합 셀을 유리기판 위에 적층한 구조의 일반적인 형태는 도 2와 같다.
도 2a는 TCO(102)가 코팅된 유리기판(101)에 실리콘계 태양전지를 증착한 경우이고, 도 2b는 유리기판(101) 위에 코팅된 TCO(102)를 표면 처리하여 요철(texture)을 만들고 그 위에 실리콘계 태양전지를 증착한 경우이다. 구조는 p1-i1-n1으로 구성된 제1반도체 발전층(111~113)과 p2-i2-n2으로 구성된 제2반도체 발전층(114~116)으로 이루어져 있다. 경우에 따라 p층과 i층 사이에 중간층을 형성하기도 하며, 각 접합 사이에 중간층을 형성하기도 한다. 반도체 발전 층 위에는 다시 후면전극층으로 투명전도산화물(102)과 금속(103)이 각각 증착된다.
상기 다층으로 구성된 태양전지 셀은 실제 사용 환경하에서 1V보다 적은 전압을 발생하게 된다. 이에 실제 환경하에서 더 높은 전압을 발생 시킬 수 있도록, 도 3과 같이 다수의 셀들이 직렬로 연결되어 있는 형태로 패터닝을 한다. 패터닝된 셀의 수가 많을수록 더 높은 전압이 발생하며, 증착된 셀의 면적과 발생시키고자 하는 전압을 고려하여 셀의 수를 결정한다.
패터닝 방법은 일반적으로 레이저스크라이빙 장비를 주로 이용한다.
도 3과 같은 단위 셀 태양전지 모듈을 제작하기 위한 레이저스크라이빙 패터닝 순서는 도 4와 같다. 먼저, 유리기판(201) 위에 TCO(202)를 증착 후 TCO막(202) 을 스크라이빙하며, 이후 p-i-n 반도체 발전층(210)을 증착 후 스크라이빙, 마지막으로, TCO와 금속층을 증착 후 스크라이빙 한다.
상기 제작된 태양전지 모듈의 일반적인 형태는 도 5와 같다.
레이저스크라이빙(502)을 통하여 다수의 셀로 분리를 하고, 증착된 막 보호를 위해 절연보호 필름으로 패키징한 후, 모듈주위를 프레임(501)으로 둘러싸게 된다.
상기와 같은 태양전지 모듈 제작방법은 태양전지 활성영역이 모듈의 주변부와 분리가 되어 있지 않기 때문에, 모듈주위를 둘러싸고 있는 프레임(501)과 태양전지 활성영역이 동전위를 형성할 경우가 있어, 태양전지 모듈 특성 중의 하나인 절연 내압 특성이 매우 나쁜 결과를 갖고 온다.
이를 해결하고자 도 6과 같이, 태양전지 모듈 중앙부분의 활성영역과 프레임에 전기적으로 접촉할 가능성이 있는 주변부를 전기적으로 분리하는 방법이 제안되었다. 이를 절연분리선(603)이라 칭하며, 이 또한 셀 패터닝시 이용하였던 레이저스크라이빙 장비를 이용하여 제작한다 (참조특허; 일본 1999-062657 'SOLAR BATTERY MODULE'). 하지만, 단지 절연분리선(603)만으로도 고온 고습 환경하에서는 내전압특성이 저하되는 문제점을 안고 있다. 이를 해결할 수 있는 방안으로 일본 Kaneka社에서는 도 7과 같이, 절연분리선(603) 바깥으로 프레임에 전기적으로 접촉할 수 있는 주변부의 반도체 발전층 및 후면전극층을 제거하여 기판 위에 TCO 층만을 남기거나 남아있는 TCO층마저 제거하여 기판 표면만이 노출되도록 하는 특허를 제시하였다 (참조특허; 일본 1999-062657 'SOLAR BATTERY MODULE'). 이와 같이 주 변부의 각 레이어를 제거하는 공정을 트리밍(trimming) 공정이라 칭한다. 하지만, 이는 전기절연선을 패터닝하는 공정 뿐만 아니라, 트리밍 공정이 더해짐으로써, 태양전지 모듈을 제작하는 공정시간이 늘어나, 단가상승의 요인을 제공한다.
본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출된 것으로써, 고온고습 하에서도 향상된 절연특성을 갖는 태양전지 모듈을 제작함에 있어, 기존의 공정 수를 줄일 수 있는 박막형 태양전지 및 그 제작 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 향상된 절연특성을 구비하는 박막형 태양전지는 투명전도층, 반도체층 및 후면전극 층이 모두 제거된 트리밍선 또는 절연분리선을 포함한다.
본 발명에서 상기 트리밍선 또는 절연분리선의 폭은 1mm이상인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 5~15mm 인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 박막형 태양전지는 외부와의 절연을 위하여 절연분리선 또는 트리밍선만을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 향상된 절연특성을 구비하는 박막형 태양전지는 기판 상부에 하부 투명전도층을 적층하고 패터닝하는 단계; 상시 하부 투명전도층 상부에 반도체층을 적층하고 패터닝하는 단계; 상기 반도체층 상부에 후면전극층을 적층하고 패터닝하 는 단계 및 상기 하부 투명전도층, 반도체층 및 후면전극층을 제거하는 트리밍선을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 향상된 절연특성을 구비하는 박막형 태양전지는 기판 상부에 하부 투명전도층을 적층하고 패터닝하는 단계; 상시 하부 투명전도층 상부에 반도체층을 적층하고 패터닝하는 단계; 상기 반도체층 상부에 후면전극층을 적층하고 패터닝하는 단계 및 상기 하부 투명전도층, 반도체층 및 후면전극층을 제거하는 절연분리선을 형성하는 단계를 포함한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 향상된 절연특성을 가지는 박막형 태양전지의 단면도 및 실사도이다.
상기 실시예에서, 박막형 태양전지는 트리밍선 또는 절연분리선만을 포함한다.
상기 실시예는, 트리밍선 및 절연분리선이 형성되는 모습을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 8a는 트리밍선(801)만이 패터닝된 태양전지 모듈이다.
도 8a를 참조하면, 박막형 태양전지 제작과정에서 트리밍선(801) 형성시 태양전지 내 하부 투명전도층, 반도체층 및 후면전극층을 모두 제거한다. 따라서, 상기 트리밍선(801)이 기존의 절연분리선의 역할까지 수행하게 된다. 상기 트리밍선(801)의 폭은 절연의 효과가 확실하도록 1mm 이상으로 형성되는 것이 바람직하나, 과도한 폭의 형성은 외부 회로와의 연결을 어렵게 하므로 보다 바람직하게는 5~15mm의 폭으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 트리밍선(801)은 일반적으로 레이저 스크라이빙법, 기계적, 화학적 에칭방법 등을 이용하여 형성되는 것이 바람직하다.
도 8b는 절연분리선(802)만이 패터닝된 태양전지 모듈이다.
도 8a를 참조하면, 박막형 태양전지 제작과정에서 절연분리선(802) 형성시 태양전지 내 하부 투명전도층, 반도체층 및 후면전극층을 모두 제거한다. 따라서, 상기 절연분리선(802)이 기존의 트리밍선의 역할까지 수행하게 된다. 상기 절연분리선(802)의 폭은 절연의 효과가 확실하도록 1mm 이상으로 형성되는 것이 바람직하나, 과도한 폭의 형성은 외부 회로와의 연결을 어렵게 하므로 보다 바람직하게는 5~15mm의 폭으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 절연분리선(802)은 일반적으로 레이저 스크라이빙법, 기계적, 화학적 에칭방법 등을 이용하여 형성되는 것이 바람직하다.
상기와 같이 트리밍 공정시 태양전지 모듈 주변부의 하부 투명전도층/반도체 발전층/후면전극층을 모두 제거하게 되면, 트리밍선 하나만으로 절연분리선의 역할 까지 수행할 수 있기 때문에 내전압 특성을 그대로 유지할 수 있다. 또는 기존에 1mm이하로 형성되었던 절연분리선의 폭이 트리밍(801)선 폭, 즉 1mm 이상, 바람직하게는 5~15mm정도의 폭을 갖는다면, 이 또한 절연분리선(802) 하나만으로 트리밍선의 역할까지 수행할 수 있어 고온고습하에서의 내전압특성 저하가 발생하지 않는다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 지금까지 제시되었던 구조에 비해 태양전지 모듈의 내전압 특성의 변화 없이, 2번의 공정을 하나로 줄임으로써, 공정시간의 단축 및 제작단가를 낮출 수 있는 효과가 있다.
Claims (12)
- 박막형 태양전지에 있어서,투명전도층, 반도체층 및 후면전극 층이 모두 동일한 형상으로 제거되어 형성되며 선폭이 5~15mm인 트리밍선을 포함하고,외부와의 절연을 위하여 상기 트리밍선만이 존재하며 상기 트리밍선이 절연분리선의 기능을 함께 수행하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 박막형 태양전지에 있어서,투명전도층, 반도체층 및 후면전극층이 모두 동일한 형상으로 제거되어 외곽부와 중앙부를 분리하며, 선폭이 5~15mm인 절연분리선을 포함하고,외부와의 절연을 위하여 상기 절연분리선만이 존재하며 상기 절연분리선이 트리밍선의 기능을 함께 수행하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 기판 상부에 하부 투명전도층을 적층하고 패터닝하는 단계;상기 하부 투명전도층 상부에 반도체층을 적층하고 패터닝하는 단계;상기 반도체층 상부에 후면전극층을 적층하고 패터닝하는 단계 및상기 하부 투명전도층, 반도체층 및 후면전극층을 모두 동일한 형상으로 5~15mm의 선폭으로 제거하여 트리밍선을 형성하는 단계를 포함하고,외부와의 절연을 위하여 상기 트리밍선만이 존재하며 상기 트리밍선이 절연분리선의 기능을 함께 수행하는 박막형 태양전지의 제조방법.
- 제 9항에 있어서, 상기 트리밍선은 레이저 스크라이빙법, 기계적 에칭법 및 화학적 에칭법 중 선택되는 1종의 방법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
- 기판 상부에 하부 투명전도층을 적층하고 패터닝하는 단계;상기 하부 투명전도층 상부에 반도체층을 적층하고 패터닝하는 단계;상기 반도체층 상부에 후면전극층을 적층하고 패터닝하는 단계 및상기 하부 투명전도층, 반도체층 및 후면전극층을 모두 동일한 형상으로 5~15mm의 선폭으로 제거하여 외곽부와 중앙부를 분리하는 절연분리선을 형성하는 단계를 포함하고,외부와의 절연을 위하여 상기 절연분리선만이 존재하며 상기 절연분리선이 트리밍선의 기능을 함께 수행하는 박막형 태양전지의 제조방법.
- 제 11항에 있어서, 상기 절연분리선은 레이저 스크라이빙법, 기계적 에칭법 및 화학적 에칭법 중 선택되는 1종의 방법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
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