KR101218503B1 - 얇은 알루미늄 박막을 이용한 태양전지 모듈 제조방법 - Google Patents
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Abstract
얇은 알루미늄 박막을 이용한 태양전지 모듈 제조방법을 제공한다. 태양전지 모듈 제조방법은 기판 상에 배면 전극을 형성하는 단계; 상기 배면 전극을 P1 스크라이빙하여 분할하는 단계; 상기 배면 전극 상에 Ⅰ족 원소, Ⅲ족 원소 및 Ⅵ족 원소 중 적어도 어느 하나를 함유하는 금속 박막을 형성하는 단계; 상기 금속 박막 상에 적어도 Ⅰ족 원소 및 Ⅲ족 원소를 함유하는 광흡수 전구체층을 형성하는 단계; 상기 금속 박막 및 상기 광흡수 전구체층을 Ⅵ족 원소 물질을 주입하며 열처리하여 광흡수층을 형성하는 단계; 상기 광흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 광흡수층에서 상기 버퍼층까지 P2 스크라이빙하여 분할하는 단계; 상기 버퍼층 상에 n형 창층을 형성하는 단계; 및 상기 광흡수층에서 상기 n형 창층까지 P3 스크라이빙하여 분할하는 단계를 포함하는 태양전지 모듈의 제조방법을 포함한다. 따라서 배면전극과 광흡수 전구체층 박막 사이에 금속 박막을 첨가하는 공정을 태양전지 모듈 제조 공정에 도입함으로써, 종래의 CIS계 박막 태양전지 모듈 제조 공정의 단점인 P2 스크라이빙 공정으로 인한 배면전극과 CIS계 흡수층 막간의 들뜸현상과 이에 기인한 단락문제를 해결할 수 있다.
Description
본 발명은 태양전지 모듈의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 얇은 알루미늄 박막을 이용한 CIS계 박막 태양전지 모듈의 제조방법에 관한 것이다.
태양전지(Solar Cell 또는 Photovoltaic Cell)는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심소자이다. 태양전지는 그 구성 재료에 따라 무기 소재로 이루어진 실리콘, 화합물 반도체와 같은 무기 태양전지(inorganic solar cell)와 유기물질을 포함하는 유기 태양전지(organic solar cell)로 분류할 수 있다. 그 중에서, CuInSe2(CIS)로 대표되는 I-III-VI2족 Chalcopyrite계 화합물 반도체는 직접천이형 에너지 밴드갭을 가지고 있고, 광흡수계수가 1x105 cm- 1 로 반도체 중에서 가장 높아, 두께 1 ~ 2 μm의 박막으로도 고효율의 태양전지 제조가 가능하고, 또한 장기적으로 전기광학적 안정성이 매우 우수한 특성을 지니고 있다. 따라서, 현재 사용되고 있는 고가의 결정질 실리콘 태양전지를 대체하여 태양광 발전의 경제성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 저가, 고효율의 태양전지 재료로 부각되고 있다.
이러한 CIS계 태양전지를 모듈화할 때, 스크라이빙(scribing) 공정이 수행되는데, P2 스크라이빙 공정을 할 때 배면전극과 CIS계 광흡수층 박막간의 약한 흡착력 때문에 CIS계 박막이 들뜨는 현상이 발생하여 그 위에 증착한 투명전극과 배면전극간에 단락(short circuit)이 발생한다. 그 결과, 박막 태양전지 모듈의 효율을 저하시키는 문제점이 발생한다.
따라서, P2 스크라이빙 공정에 의한 배면전극과 CIS계 흡수층 막간의 들뜸현상을 방지하기 위하여 배면전극과 CIS계 광흡수층 막간의 흡착력을 향상시킬 필요성이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 배면전극과 CIS계 광흡수층 막간의 접착력을 향상시킨 태양전지 모듈의 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 기판 상에 배면 전극을 형성하는 단계; 상기 배면 전극을 P1 스크라이빙하여 분할하는 단계; 상기 배면 전극 상에 Ⅰ족 원소, Ⅲ족 원소 및 Ⅵ족 원소 중 적어도 어느 하나를 함유하는 금속 박막을 형성하는 단계; 상기 금속 박막 상에 적어도 Ⅰ족 원소 및 Ⅲ족 원소를 함유하는 광흡수 전구체층을 형성하는 단계; 상기 금속 박막 및 상기 광흡수 전구체층을 Ⅵ족 원소 물질을 주입하며 열처리하여 광흡수층을 형성하는 단계; 상기 광흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 배면 전극에서 상기 버퍼층까지 P2 스크라이빙하여 분할하는 단계; 상기 버퍼층 상에 n형 창층을 형성하는 단계; 및 상기 광흡수층에서 상기 n형 창층까지 P3 스크라이빙하여 분할하는 단계를 포함하는 태양전지 모듈의 제조방법을 제공한다.
상기 금속 박막에 함유된 원소는 Cu, Al 및 Se 중에서 선택되는 것일 수 있다.
상기 금속 박막은 1 내지 50 nm의 두께인 것일 수 있다.
상기 금속 박막의 증착량은 상기 광흡수층의 Ⅲ족 원소의 총 조성량의 0.1 내지 2 at%인 것일 수 있다.
상기 열처리는 셀렌화 열처리 또는 셀렌화 및 황화 열처리인 것일 수 있다.
상기 열처리의 온도는 350 내지 550 ℃인 것일 수 있다.
상기 광흡수층은 Cu(InxGa1 -x)(SeyS1 -y)2 (단, 0<X≤1, 0<Y≤1)일 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 배면전극과 광흡수 전구체층 박막 사이에 금속 박막을 첨가하는 공정을 CIS계 박막 태양전지 모듈 제조 공정에 도입함으로써 종래의 CIS계 박막 태양전지 모듈 제조 공정의 단점인 P2 스크라이빙 공정으로 인한 배면전극과 CIS계 광흡수층 막간의 들뜸과 이에 기인한 단락을 없앨 수 있다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 태양전지 모듈의 적층구조의 단면도이다.
도 2a 내지 도 2j는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 태양전지의 제조 방법을 공정단계에 따라 나타낸 모듈의 적층구조의 단면도이다.
도 2a 내지 도 2j는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 태양전지의 제조 방법을 공정단계에 따라 나타낸 모듈의 적층구조의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다.
오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
또한, 본 발명에서 사용하는 용어 "Ⅰ족 원소"는 주기율표상의 1족 원소와 11족 원소를 모두 포함하는 것을 의미한다.
본 발명에서 사용하는 용어 "Ⅲ족 원소"는 주기율표상의 3족 원소와 13족 원소를 모두 포함하는 것을 의미한다.
본 발명에서 사용하는 용어 "Ⅵ족 원소"는 주기율표상의 6족 원소와 16족 원소를 모두 포함하는 것을 의미한다.
실시예
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 태양전지 모듈의 적층구조의 단면도이다. 또한, 도 2a 내지 도 2j는 본 발명의 일 실시예에 따른 CIS계 태양전지의 제조방법을 공정단계에 따라 나타낸 모듈의 적층구조의 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 기판(110)을 제공한다. 상기 기판은 유리 기판, 세라믹 기판, 폴리머 등의 절연성물질이 사용될 수 있다. 상기 기판(110)의 유연한 정도에 따라 플렉시블한 태양전지를 제조할 수 있어, 태양전지의 활용도를 높일 수 있게 된다.
도 2b를 참조하면, 상기 기판(110)을 세척 후 상기 기판(110) 상에 배면전극(120)을 형성한다. 상기 배면전극(120)은 전극으로 사용되는 모든 금속을 사용할 수 있다. 바람직하게는 Mo, Ni, Au 중에 어느 하나를 사용할 수 있다. 특히 Mo를 사용하는 것이 보다 바람직하다. Mo 배면전극은 높은 전기전도도, CIGS에의 오믹접촉(ohmic contact), Se 분위기 하에서의 고온 안정성을 유지할 수 있다.
기판(110)상에 배면전극(120)을 형성하는 방법은 주로 전자빔(Beam)증착, 저항가열증착법 또는 스퍼터법을 통해 수행된다.
도 2c를 참조하면, 상기 배면전극(120)을 P1 스크라이빙(210)하여 분할한다. P1 스크라이빙(210)할 때 레이져 또는 기계적 스크라이버를 사용할 수 있다. 예를 들어, 배면전극(120)으로 몰리브덴(Mo)을 증착하여 1064 nm DPSS 또는 파이버(Fiber) 레이저 등으로 스크라이빙을 한다. 태양전지에서의 패터닝은 제거된 부분의 폭이 좁을수록 활성영역이 증가되어 전지 효율을 높일 수 있다.
도 2d를 참조하면, 상기 배면 전극(120) 상에 Ⅰ족 원소, Ⅲ족 원소 및 Ⅵ족 원소 중 적어도 어느 하나를 함유하는 금속 박막(131)을 증착한다.
예를 들어, 상기 금속 박막(131)에 함유된 원소는 Cu, Al 및 Se 중에서 선택되는 것일 수 있다. 바람직하게는 Al이 선택될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고 Ⅰ족 원소, Ⅲ족 원소 및 Ⅵ족 원소 중에서 선택되는 것이면 상관 없다.
상기 금속 박막은 1 내지 50 nm의 두께인 것이 바람직하다. 만일, 금속 박막의 두께가 1 nm 미만인 경우, 배면전극과 광흡수층의 접착력을 향상시키지 못할 우려가 있다. 또한, 금속 박막의 두께가 50 nm 초과하는 경우 광흡수층의 광흡수 효율을 떨어뜨리는 문제가 발생한다.
상기 금속 박막의 증착량은 상기 광흡수층의 Ⅲ족 원소의 총 조성량의 0.1 내지 2 at%인 것이 바람직하다. 0.1 at% 미만인 경우 배면전극과 광흡수층의 접착력을 향상시키지 못할 우려가 있고, 2 at% 초과하는 경우 광흡수층의 광흡수 효율을 떨어뜨리는 문제가 발생한다.
도 2e를 참조하면, 상기 금속 박막(131) 상에 적어도 Ⅰ족 원소 및 Ⅲ족 원소를 함유하는 광흡수 전구체층(132)을 형성한다. 광흡수층으로서의 기능을 발휘하기 위하여는 Ⅰ족 원소, Ⅲ족 원소 및 Ⅵ족 원소가 함유되어야 하는데, Ⅵ족 원소는 다음 단계인 열처리 단계에서 추가될 수 있으므로 광흡수 전구체는 적어도 Ⅰ족 원소 및 Ⅲ족 원소가 함유되어야 한다.
상기 광흡수 전구체층(132)은 상기 Ⅰ족 원소(또는 그 화합물) 및 상기 Ⅲ족 원소(또는 그 화합물)를 사용한 동시 증발법(co-evaporation), 스퍼터링법, 전착법(electrodeposition) 또는 유기금속화학증착법(MOCVD)을 사용하여 형성할 수 있다.
도 2f를 참조하면, 상기 금속 박막(131) 및 상기 광흡수 전구체층(132)을 Ⅵ족 원소 물질을 주입하며 열처리하여 광흡수층(130)을 형성한다. 또한, 상기 열처리에 의해 광흡수층의 결정성은 향상될 수 있다.
상기 열처리는 셀렌화 열처리 또는 셀렌화 및 황화 열처리인 것을 포함할 수있다. 상기 열처리의 온도는 350 내지 550 ℃임이 바람직하다. 상기 열처리의 온도가 350 ℃ 미만인 경우 상기 광흡수 전구체층을 결정화시키지 못할 수 있고, 상기 열처리의 온도가 550 ℃ 를 초과하는 경우 광흡수층을 결정화시키는 데 불필요하게 높은 온도이므로 제조 비용 면에서 바람직하지 않다.
상기 광흡수층은 Cu(InxGa1 -x)(SeyS1 -y)2 (단, 0<X≤1, 0<Y≤1)을 포함할 수 있다. 예를 들어, Mo 배면적극위에 얇은 Al 박막을 형성하고 그 위에 Cu-In-Ga 전구체를 증착후 셀렌화 및 황화 열처리를 한 경우, 광흡수층은 Cu(InxGa1 -x)(SeyS1 -y)2 (단, 0<X≤1, 0<Y≤1)를 포함하게 된다.
도 2g를 참조하면, 상기 광흡수층(130) 상에 버퍼층(140)을 형성한다.
본 발명에 따른 화합물 태양전지는 p형 반도체인 상기 광흡수층(130) 박막과 후술할 n형 반도체인 창층(200)(window layer)이 pn 접합을 형성함에 의해 두 물질 간의 격자상수와 에너지밴드갭의 차이가 크기 때문에 양호한 접합을 형성하기 위해서는 밴드갭이 두 물질의 중간에 위치하는 버퍼층(140)이 필요하다.
상기 버퍼층(140)으로는 ZnS, CdS, ZnSe, InS, InOOH 및 ZnOOH 중의 어느 하나를 사용할 수 있다. 또한, 상기 버퍼층은 ZnS, CdS, ZnSe, InS, InOOH 및 ZnOOH 중의 어느 하나와 진성 산화아연층(intrinsic ZnO layers)을 포함하는 이중구조일 수 있다. 상기 진성 산화아연층은 버퍼층 상에 스퍼터링법 등으로 창층을 형성할 때 발생되는 버퍼층의 손상을 방지할 수 있다.
상기 버퍼층(140)은 CBD(Chemical Bath Deposition)법 또는 RF 스파터링법에 의해 형성될 수 있다.
도 2h를 참조하면, 상기 광흡수층(130)에서 상기 버퍼층(140)까지 P2 스크라이빙(220)하여 분할한다. P2 스크라이빙(220) 공정으로 레이저 또는 기계적 스크라이버를 사용할 수 있다.
종래 P2 스크라이빙 공정으로 인해 배면전극과 광흡수층의 박막간의 들뜸현상 및 단락문제가 발생하였다. 그러나 본원발명은 상술한 바와 같이 상기 배면전극(120) 상에 Al과 같은 금속박막을 먼저 형성하고 광흡수전구체층을 형성한 후 열처리하는 단계를 통하여 배면전극과 광흡수층간의 접착력을 향상시킴으로써, 배면전극과 광흡수층의 박막간의 들뜸현상 및 단락문제를 해결하였다.
도 2i를 참조하면, 상기 버퍼층(140) 상에 n형 창층(150)을 형성한다.
n형 반도체로서 CIS계 광흡수층(130)과 pn접합을 형성하는 창층(150)은 태양전지 전면의 투명전극으로서의 기능을 하기 때문에 광투과율이 높아야 하고 전기전도성이 좋아야 한다.
따라서, 상기 창층(150)은 ZnO층일 수 있다. 상기 창층(150)이 산화아연(ZnO) 재질로 형성됨으로써, 입사되는 태양광의 투과율이 80%이상 담보될 수 있다. 필요에 따라 전기광학적 특성이 뛰어난 ITO(Indium Tin Oxide) 박막을 ZnO 박막 위에 증착한 2중 구조를 사용할 수 있다.
예를들어, ZnO 창층은 RF 스파터링(RF sputtering) 방법으로 ZnO 타겟을 사용하여 증착하는 방법과, Zn 금속을 이용한 리액티브 스파터링(reactive sputtering), 그리고 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 방법으로 형성할 수 있다.
도 2j를 참조하면, 상기 광흡수층(130)에서 상기 n형 창층(150)까지 P3 스크라이빙(230)하여 분할할 수 있다.
P3 스크라이빙(230) 공정으로 레이저 또는 기계적 스크라이버를 사용할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.
110: 기판 120: 배면전극
130: 광흡수층 131: 금속박막
132: 광흡수 전구체층 140: 버퍼층
150: 창층 210: P1 스크라이빙
220: P2 스크라이빙 230: P3 스크라이빙
130: 광흡수층 131: 금속박막
132: 광흡수 전구체층 140: 버퍼층
150: 창층 210: P1 스크라이빙
220: P2 스크라이빙 230: P3 스크라이빙
Claims (7)
- 기판 상에 배면 전극을 형성하는 단계;
상기 배면 전극을 P1 스크라이빙하여 분할하는 단계;
상기 배면 전극 상에 Al 박막을 형성하는 단계;
상기 Al 박막 상에 적어도 Ⅰ족 원소 및 Ⅲ족 원소를 함유하는 광흡수 전구체층을 형성하는 단계;
상기 Al 박막 및 상기 광흡수 전구체층을 Ⅵ족 원소 물질을 주입하며 열처리하여 광흡수층을 형성하는 단계;
상기 광흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계;
상기 광흡수층에서 상기 버퍼층까지 P2 스크라이빙하여 분할하는 단계;
상기 버퍼층 상에 n형 창층을 형성하는 단계; 및
상기 광흡수층에서 상기 n형 창층까지 P3 스크라이빙하여 분할하는 단계를 포함하는 태양전지 모듈의 제조방법. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 Al 박막은 1 내지 50 nm의 두께인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 Al 박막의 증착량은 상기 광흡수층에 함유되는 Ⅲ족 원소의 총량의 0.1 내지 2 at%인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 열처리는 셀렌화 열처리 또는 셀렌화 및 황화 열처리인 것을 포함하는 태양전지 모듈의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 열처리의 온도는 350 내지 550 ℃인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 광흡수층은 Cu(InxGa1 -x)(SeyS1 -y)2 (단, 0<X≤1, 0<Y≤1)을 포함하는 태양전지 모듈의 제조방법.
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