KR101201542B1 - 박막태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 특징에 따른 박막태양전지는 기판과, 상기 기판상에 형성되고 제1분리부에 의해 이격되는 후면전극층과, 상기 후면전극층상에 형성되고 제2분리부에 의해 이격되는 광흡수층, 및 상기 광흡수층상에 형성되고 제3분리부에 의해 이격되는 전면전극층을 포함하되, 상기 제1분리부에는 절연층이 형성된다.
본 발명에 따르면, 이격된 후면전극간에 발생하는 누설전류를 방지할 수 있고, 후면전극간의 이격된 거리를 좁힐 수 있어 고효율의 대면적 박막태양전지를 제조할 수 있다.

Description

박막태양전지 및 그 제조방법{Thin Film Solar Cells And Manufacturing Method For The Same}
본 발명은 박막태양전지에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 후면전극의 션트(Shunt) 저항을 극대화하여 전류 누설을 방지할 수 있는 박막태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
기술의 발전에 따라 최근에는 화석연료 대신 태양광을 이용하여 전력을 생산할 수 있는 박막태양전지에 대한 관심이 고조되고 있다.
이러한 박막태양전지의 구조는 도 1과 같이 기판(1), 후면전극(2), 광흡수층(4), 및 전면전극(5)으로 구성되는 것이 일반적이다. 이때 후면전극(2)은 소정의 간격으로 이격 형성되고, 이격된 부분에는 션트(Shunt) 저항에 의해 전류가 흐르지 않으므로 전류는 후면전극(2)에서 전면전극(5)으로 흐르게 된다.
그러나 이러한 션트(Shunt) 저항은 광흡수층의 저항에 의하여 저항값이 작아지게 되어 결과적으로 이격된 후면전극으로 누설전류(Shunt 전류)가 발생하여 대면적 박막태양전지의 효율이 떨어지게 되는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 이격된 후면전극 사이에 발생하는 누설전류를 방지할 수 있는 대면적 박막태양전지를 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따른 박막태양전지는 기판과, 상기 기판상에 형성되고 제1분리부에 의해 이격되는 후면전극층과, 상기 후면전극층상에 형성되고 제2분리부에 의해 이격되는 광흡수층, 및 상기 광흡수층상에 형성되고 제3분리부에 의해 이격되는 전면전극층을 포함하되, 상기 제1분리부에는 절연층이 형성된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 박막태양전지의 제조방법은 기판상에 후면전극층을 형성하고 소정의 간격으로 제1분리부를 형성하는 제1단계와, 상기 후면전극층 상에 절연물질층을 형성하고 상기 제1분리부에 대응되는 부분은 경화시키고 나머지는 제거하여 절연층을 형성하는 제2단계와, 상기 절연층이 형성된 후면전극층상에 광흡수층을 형성하고 제2분리부를 형성하는 제3단계 및 상기 광흡수층상에 전면전극층을 형성하고 제3분리부를 형성하는 제4단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 이격된 후면전극간에 발생하는 누설전류를 방지할 수 있고, 후면전극간의 이격된 거리를 좁힐 수 있어 고효율의 대면적 박막태양전지를 제조할 수 있다.
도 1은 종래 박막태양전지의 단면도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막태양전지의 단면도이고,
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 박막태양전지의 단면도이고,
도 4a 내지 도 4h는 본 발명의 실시예에 따른 박막태양전지의 제조공정을 단계적으로 설명하기 위한 단면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한 본 출원에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.
이제 본 발명에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명하고, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막태양전지의 단면도이고, 도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 박막태양전지의 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 박막태양전지는 기판(10)과, 상기 기판(10)상에 형성되고 제1분리부(P1)에 의해 이격되는 후면전극층(20)과, 상기 후면전극층(20)상에 형성되고 제2분리부(P2)에 의해 이격되는 광흡수층(40), 및 상기 광흡수층(40)상에 형성되고 제3분리부(P3)에 의해 이격되는 전면전극층(50)을 포함한다.
상기 기판(10)은 일반적으로 유리기판이 사용될 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인리스 스틸과 같은 금속 기판 등이 모두 적용 가능하다.
상기 기판(10)의 재질로 소다회 유리(sodalime glass)를 사용하는 경우에는 유리로부터 Na이온이 후면전극과의 입계면을 거쳐 그 위에 광흡수층(40)으로 확산되는 효과가 있다. 따라서 Na이온이 확산됨으로써 결정립의 성장과 표면현상이 개선되고 정공의 밀도가 높아져 결과적으로 태양전지의 특성이 향상될 수 있다. 따라서 Na이온을 포함하는 Na₂S 또는 Na₂Se와 같은 화합물을 기판(10)에 도핑하는 것도 가능하다.
상기 기판(10)의 상면에 형성되는 후면전극층(20)은 Ag, Mo, Al, Mn, Zn, Ni, Cu 및 이들의 화합물로 이루어지는 그룹에서 선택된 어느 하나의 재료로 형성될 수 있다. 바람직하게는 전기전도도, 저항성 접촉, 고온 안정성이 뛰어난 몰디브덴(Mo)이 선택되는 것이 좋다.
그러나 대면적 태양전지는 상기 후면전극층(20)이 연속적으로 형성되는 경우 저항이 높아지는 문제가 있으므로 도 2와 같이 일정한 간격으로 이격 형성되는 것이 바람직하다. 이하, 상기 후면전극층(20)에 이격된 부분을 "제1분리부(P1)"로 정의한다.
이때 상기 제1분리부(P1)에는 절연층(30)이 형성되는 것이 바람직하다. 상기 절연층(30)에 의해 션트(Shunt) 저항이 커지게 되어 상기 이격된 후면전극층(20) 사이에는 션트(Shunt) 전류가 흐르지 않게 된다. 따라서 대면적 박막태양전지 전체의 전류 흐름이 저하되지 않는 장점이 있다.
또한 상기 절연층(30)에 의하여 저항을 높일 수 있으므로 상기 제1분리부(P1)의 간격을 더 좁힐 수 있어 대면적 박막태양전지의 제작이 더욱 용이한 장점이 있다.
상기 절연층(30)의 종류로는 실리콘 옥사이드(SiO2), 실리콘 나이트라이드(SiN), 및 알루미늄 옥사이드(Al2O3) 등이 선택될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 고온에서 확산이 일어나지 않는 절연재료이면 모두 선택 가능하다.
상기 절연층(30)의 두께는 상기 후면전극층(20)의 두께와 동일하게 형성될 수도 있으나 더 두껍게 형성되어도 무방하며, 상기 절연층(30)의 크기는 도 2와 같이 이격된 후면전극층(20)의 끝단을 덮을 수 있는 크기로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 후면전극층(20)의 상면에는 광흡수층(40)이 형성된다. 상기 광흡수층(40)은 CuInSe2, CuInS2, CuInGaSe2, 및 CuInGa(SeS)2로 구성된 그룹 중에서 선택되는 1종 이상의 화합물 반도체로 구성될 수 있다. 이 외에도 CIS계 및 CIGS계의 모든 화합물 반도체가 적용될 수 있다.
이러한 광흡수층(40)은 물리적 또는 화학적 방법으로 증착이 가능하며, 물리적 방법으로는 진공 증착법(vacuum evaporation), 스퍼터링(Sputtering) 및 셀렌화(Selenization) 등이 있고, 화학적 방법으로는 전착법 또는 화학 기상 증착법(CVD)이 있다.
상기 광흡수층(40)은 소정의 간격으로 이격 형성되어 후술하는 전면전극층(50)과 상기 후면전극층(20)이 전기적으로 연결되는 공간이 마련된다. 이하 광흡수층(40)의 이격된 공간을 "제2분리부(P2)"로 정의한다.
이때 상기 광흡수층(40)과 후면전극층(20) 사이에는 상기 절연층(30)이 연장되어 형성될 수 있다. 이를 더욱 자세하게 살펴보면 상기 절연층(30)의 연장부(32)는 상기 제1분리부(P1)에서 상기 제2분리부(P2) 방향으로 연장 형성되고, 상기 연장부(32)의 끝단은 상기 제2분리부(P2)의 내부에 형성된 전면전극층(50)의 측면과 접촉된다.
따라서 상기 절연층(30)은 상기 제1분리부(P1)에 형성된 부분(31)에 의해 상기 후면전극층(20) 간의 션트(Shunt) 저항을 높이고, 상기 제2분리부(P2) 방향으로 연장된 연장부(32)에 의해 상기 후면전극층(20)과 상기 광흡수층(40)을 절연하는 역할을 수행하게 된다. 따라서 상기 광흡수층(40)을 통해서 이격된 후면전극층(20) 간에 션트 전류가 발생하는 문제가 해소된다.
상기 전면전극층(50)은 투명전극으로서 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2) 또는 산화-인듐-주석(ITO)으로 이루어질 수 있다. 상기 전면전극층(50)은 상기 제2분리부(P2)의 외측면에 형성되고 상기 후면전극층(20)과 전기적으로 연결됨으로써 전자의 이동통로 역할을 수행하게 된다. 그리고 상기 전면전극층(50)과 광흡수층(40)에는 소정의 간격으로 제3분리부(P3)가 형성되어 단위 박막태양전지로 패터닝된다.
도 3을 참조할 때 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 박막태양전지는 상기 광흡수층(40)의 상면에 버퍼층(60)이 더 형성될 수 있다. 상기 버퍼층(60)은 상기 광흡수층(40)과 전면전극층(50)의 P-N접합에 있어서 에너지 밴드갭의 차이를 줄이기 위해 형성되는 것으로 CdS박막으로 형성될 수 있다.
이때 상기 전면전극층(50)은 i-ZnO층(51)과 AZO층(52)으로 이루어진 복수 개의 층으로 구성될 수도 있다. 상기 전면전극층(50)은 상기 i-ZnO(51)에 의하여 상기 버퍼층(60)의 결함을 차단하여 태양전지의 단락 위험을 감소시킬 수 있어 박막태양전지의 효율을 더욱 높일 수 있다.
그러나 상기 i-ZnO층(51)은 불순물을 함유하지 않은 진성 산화아연이므로 전기전도도가 낮아 너무 두껍게 형성되는 경우 전자가 용이하게 상기 AZO층(52)으로 모일 수 없으므로 상기 i-ZnO층(51)의 두께는 약 30~70nm로 형성되는 것이 바람직하다.
도 4a 내지 도 4h는 본 발명의 실시예에 따른 박막태양전지의 제조공정을 단계적으로 설명하기 위한 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 박막태양전지 제조방법은 기판(10)상에 후면전극층(20)을 형성하고 소정의 간격으로 제1분리부(P1)를 형성하는 제1단계와, 상기 후면전극층(20) 상에 절연물질층을 형성하고 상기 제1분리부(P1)에 대응되는 부분은 경화시키고 나머지는 제거하여 절연층(30)을 형성하는 제2단계와, 상기 절연층(30)이 형성된 후면전극층(20) 상에 광흡수층(40)을 형성하고 제2분리부(P2)를 형성하는 제3단계, 및 상기 광흡수층(40)상에 전면전극층(50)을 형성하고 제3분리부(P3)를 형성하는 제4단계를 포함한다.
상기 제1단계는 후면전극층(20)을 형성하는 단계로서, 먼저 도 4a와 같이 MOCVD 또는 스퍼터링에 의해 상기 후면전극층(20)을 200nm ~ 1㎛의 두께로 형성할 수 있다. 이후 도 4b와 같이 레이저 장비(100)를 이용하여 후면전극층(20)에 소정의 거리로 제1분리부(P1)를 형성할 수 있다.
상기 제2단계는 절연층(30) 형성단계로서, 먼저 도 4c와 같이 상기 후면전극층(20)상에 절연물질을 도포하고, 스핀코팅에 의해 200nm ~ 500nm의 균일한 두께를 갖는 절연물질층(33)을 형성한다. 상기 절연물질층(33)은 고온에서 확산이 잘 일어나지 않는 절연재질이면 종류에 관계없이 적용 가능하다. 이 과정에서 상기 후면전극층(20)에 형성된 제1분리부(P1)에는 절연물질이 충진된다.
이후 도 4d와 같이 상기 제1분리부(P1)에 대응되는 위치에 레이저 장비(100)를 위치시키고, 조사되는 레이저광의 초점을 퍼지도록 렌즈를 조절하여 상기 제1분리부(P1)에 대응되는 절연층(30)이 경화되도록 조사한다. 상기 레이저의 종류는 제한이 없으며 앞서 제1단계에서 사용한 레이저 장비와 동일한 것을 사용해도 무방하다.
이때 상기 절연물질층의 경화범위는 상기 후면전극층(20)에 형성된 제1분리부(P1)를 포함하는 소정의 범위까지 경화하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 후술하는 광흡수층(40)에 형성되는 제2분리부(P2)까지 경화하는 것이 좋다. 이 경우 상기 절연층(30)이 상기 제1분리부(P1)와 제2분리부(P2) 사이에 형성되어 상기 광흡수층(40)과 후면전극층(20)을 절연하여 전류가 누설되는 것을 방지할 수 있다.
이때 절연층(30)의 상부에서 레이저를 조사하는 동시에 기판(10)의 후면에는 레이져 또는 자외선(UV)을 조사하여 제1분리부(P1)에 충진된 절연층(30)의 하부를 경화시킬 수도 있다. 이와 같은 방법에 의하면 절연물질층(30)의 하부를 빠르게 경화시킬 수 있어 생산공정이 향상되는 장점이 있다. 이후 도 4e와 같이 경화되지 않은 절연물질층(33)을 세척 등의 방법으로 제거하여 절연층(30) 형성단계를 완료한다.
상기 제3단계는 상기 후면전극층(20)상에 광흡수층(40)을 형성하는 단계로서, 도 4f와 같이 상기 후면전극층(20) 상에 광흡수층(40)을 형성한다. 이러한 광흡수층(40)은 물리적 또는 화학적 방법으로 증착이 가능하다. 물리적 방법으로는 진공 증착법(vacuum evaporation), 스퍼터링(Sputtering) 및 셀렌화(Selenization) 등이 있으며, 화학적 방법으로는 전착법 또는 화학 기상 증착법(CVD)이 있다.
이후 도 4g와 같이 상기 광흡수층(40)을 소정의 간격으로 스크라이빙하여 제2분리부(P2)를 형성한다. 상기 제2분리부(P2)는 상기 제1분리부(P1)와 이격되게 형성할 수 있으며, 만약 제2분리부(P2)가 형성되는 지점에 상기 절연층(30)이 연장되어 형성된 경우에는 절연층까지 제거하여 상기 후면전극층(20)이 외부에 노출되도록 구성한다.
상기 제4단계는 상기 광흡수층(40)의 상부에 전면전극층(50)을 형성하는 단계로서, 먼저 도 4h와 같이 상기 전면전극층(50)은 MOCVD 또는 스퍼터링에 의해 균일한 두께로 형성될 수 있다. 상기 전면전극층(50)은 상기 광흡수층(40)의 제2분리부(P2)내에 형성되어 상기 후면전극층(20)과 전기적으로 연결된다. 이후 스크라이빙에 의해 제3분리부(P3)를 형성하여 단위 박막태양전지를 제작하게 된다.
또한, 상기 전면전극층(50)은 I-ZnO층(51)과 AZO층(52)으로 이루어진 복수 개의 층으로 형성할 수도 있다. 이때 각각의 층을 형성하는 방법은 일반적인 박막 형성방법이 모두 적용될 수 있으므로 더 이상의 자세한 설명은 생략한다. 그리고 도면에는 도시되지 않았으나 상기 제4단계 이전에 상기 광흡수층(40)의 상면에 버퍼층을 더 형성할 수 있다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
10: 기판 20: 후면전극층
30: 절연층 40: 광흡수층
50: 전면전극층

Claims (8)

  1. 기판;
    상기 기판상에 형성되고 제1분리부에 의해 이격되는 후면전극층;
    상기 후면전극층상에 형성되고 제2분리부에 의해 이격되는 광흡수층;
    상기 광흡수층상에 형성되고 제3분리부에 의해 이격되는 전면전극층; 및
    상기 제1분리부에 형성된 절연층;을 포함하되,
    상기 전면전극층은 상기 제2분리부의 내부에 형성되어 상기 후면전극과 전기적으로 연결되고,
    상기 절연층은 제1분리부에서 상기 제2분리부 방향으로 연장형성되어 상기 제2분리부의 내부에 형성된 전면전극층과 접촉되는 박막태양전지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광흡수층은 CuInSe2, CuInS2, CuInGaSe2, 및 CuInGa(SeS)2로 구성된 그룹 중에서 선택되는 1종 이상의 화합물 반도체인 박막태양전지.
  5. 기판상에 후면전극층을 형성하고 소정의 간격으로 제1분리부를 형성하는 제1단계;
    상기 후면전극층 상에 절연물질층을 형성하고 일부를 제거하여 부분적으로 절연층을 형성하는 제2단계;
    상기 절연층이 형성된 후면전극층상에 광흡수층을 형성하고 제2분리부를 형성하는 제3단계; 및
    상기 광흡수층상에 전면전극층을 형성하고 제3분리부를 형성하는 제4단계;를 포함하되,
    상기 제2단계에서, 상기 절연층은 상기 제1분리부에서 상기 제2분리부 형성지점까지 연장형성되는 박막태양전지 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제2단계는,
    상기 절연물질을 도포한 후 스핀코팅에 의해 균일한 두께의 절연물질층을 형성하는 박막태양전지 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2단계는,
    상기 제1분리부에 대응되는 절연물질층의 상부에서 레이저를 조사하여 경화시키고 나머지를 제거하여 절연층을 형성하는 박막태양전지 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제2단계는,
    상기 기판의 하부에서 레이져 또는 UV를 조사하여 상기 제1분리부에 충진된 절연물질층의 하부를 경화시키는 박막태양전지 제조방법.
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