KR101242942B1 - 태양전지용 기판 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Zn 또는 Al이 도금된 도금강판을 태양전지용 기판으로 사용하는 경우, 기판의 불순물이 전극으로 확산되는 것을 억제하는 확산방지막이 형성된 태양전지용 기판에 관한 것으로,
태양전지 하부기판으로 Zn 또는 Al 도금강판을 준비하는 단계;
상기 도금강판에 Ni을 도금하여 Ni층을 형성하는 단계; 및
상기 Ni 층을 열처리하여 Ni 합금화층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지용 기판의 제조방법과 이를 통해 제조된 태양전지 기판을 제공한다.

Description

태양전지용 기판 및 그 제조방법{SOLAR CELL SUBSTRATE AND METHOD FOR MANUTACTURING THE SAME}

본 발명은 태양전지용 기판에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 강소재를 기판으로 사용하는 경우, 기판으로부터의 불순물이 전극으로 확산되는 것을 방지하기 위한 태양전지용 확산방지막이 형성된 태양전지 기판 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

지구의 온난화, 연료 자원의 고갈, 환경오염 등의 영향으로 화석연료를 사용하여 에너지를 채취하는 전통적인 에너지 채취 방법은 서서히 한계에 달하고 있다. 특히, 석유 연료의 경우에는 예측자마다 약간씩 상이하기는 하지만, 그리 멀지 않은 시간내에 바닥을 드러낼 것이라는 전망이 우세하다.

뿐만 아니라, 교토 의정서로 대표되는 에너지 기후 협약에 따르면, 화석 연료의 연소에 따라 생성되는 이산화탄소의 배출을 감소시킬 것을 강제적으로 요구하고 있다. 따라서, 현재의 체약국은 물론이며 향후에는 전세계 각국에 그 효력이 미쳐서 화석연료의 연간 사용량에 제약을 받을 것은 불을 보듯이 명확하다.

화석연료에 대체하기 위하여 사용되는 가장 대표적인 에너지 원으로서는, 원자력 발전을 들 수 있다. 원자력 발전은 원료가 되는 우라늄이나 플루토늄 단위 중량당 채취 가능한 에너지의 양이 크고, 이산화탄소 등의 온실가스를 발생시키지 않으므로, 상기 석유 등의 화석연료를 대체할 수 있는 유력한 무한에 가까운 대체 에너지원으로 각광 받아왔다.

그러나, 구소련 체르노빌 원자력 발전소나, 동일본 대지진에 의한 일본 후쿠시마 원자력 발전소 등의 폭발 사고는 무한의 청정 에너지원으로 간주되어 왔던 원자력의 안전성을 다시 검토하게 하는 계기가 되었으며, 그 결과 원자력이 아닌 또다른 대체 에너지의 도입이 어느 때보다도 절실히 요망되고 있다.

그 밖의 대체 에너지로서 많이 사용되고 있는 에너지 원으로서는 수력 발전을 들 수 있으나, 상기 수력 발전은 지형적인 인자와 기후적인 인자에 의해 많이 영향받기 때문에 그 사용이 제한적일 수 밖에 없다. 또한, 기타의 대체 에너지원들 역시 발전양이 적거나 또는 사용 지역이 크게 제한되는 등의 이유로 화석연료의 대체수단으로까지는 사용되기 어렵다.

그러나, 태양 전지는 적당한 일조량만 보장된다면 어디서나 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 발전용량과 설비규모가 거의 직선적으로 비례하기 때문에, 가정용과 같은 소용량 수요로 사용할 경우에는 건물 옥상 등에 작은 면적으로 전지판을 설치함으로써 발전이 가능하다는 잇점이 있어, 세계적으로 그 이용이 증가되고 있을 뿐만 아니라, 그와 관련된 연구 역시 증가하고 있다.

태양전지는 반도체의 원리를 이용한 것으로서, p-n 접합된 반도체에 일정 수준 이상의 에너지를 갖춘 빛을 조사하면 상기 반도체의 가전자가 자유롭게 이동될 수 있는 가전자로 여기되어 전자와 정공의 쌍(EHP : electron hole pair)이 생성된다. 생성된 전자와 정공은 서로 반대쪽에 위치하는 전극으로 이동하여 기전력을 발생시키게 된다.

상기 태양전지의 가장 최초 형태는 실리콘 기판에 불순물(B)을 도핑하여 p형 반도체를 형성시킨 다음 그 위에 또다른 불순물(P)을 도핑시켜 층의 일부를 n형 반도체화 함으로써 p-n 접합이 이루어지도록 한 실리콘계 태양전지로서 1세대 태양전지로 많이 불린다.

상기 실리콘계 태양전지는 비교적 높은 에너지 전환효율과 셀 전환효율(실험실 최고의 에너지 전환효율에 대한 양산시 전환효율의 비율)이 높기 때문에, 가장 상용화 정도가 높다. 그러나, 상기 실리콘계 태양전지 모듈을 제조하기 위해서는 우선 소재로부터 잉곳을 제조하고 상기 잉곳을 웨이퍼화한 후 셀을 제조하고 모듈화한다고 하는 다소 복잡한 공정단계를 거쳐야 할 뿐만 아니라, 벌크 재질의 재료를 사용하기 때문에, 재료소비가 증가하여 제조비용이 높다는 문제가 있다.

이러한 실리콘계 태양전지의 단점을 해결하기 위하여, 2세대 태양전지로 불리우는 소위 박막형 태양전지가 제안되게 되었다. 박막형 태양전지는 상술한 과정으로 태양전지를 제조하는 것이 아니라, 기판 위에 순차적으로 필요한 박막층을 적층하는 형태로 제조하기 때문에, 그 과정이 단순하며, 두께가 얇아 재료비용이 저렴하다는 장점을 가진다.

그러나, 많은 경우 아직까지는 상기 실리콘계 태양전지와 비교할 때 에너지 전환효율이 높지 않아 상용화에 많은 걸림돌이 되고 있으나, 일부 높은 에너지 전환효율을 가진 태양전지가 개발되어 상용화 추진 중에 있다.

그 중 하나로서 CI(G)S계 태양전지를 들 수 있는데, 상기 태양전지는 구리(Cu), 인듐(In), 게르마늄(Ge)(게르마늄은 포함되지 않을 수 있음. 게르마늄이 포함되지 않을 경우에는 CIS로 불림), 셀레늄(Se)을 포함하는 CI(G)S 화합물 반도체를 기본으로 한 것이다.

상기 반도체는 3 또는 4가지 원소를 포함하고 있기 때문에 원소의 함량을 조절함으로써 밴드갭의 폭을 제어할 수 있어 에너지 변환효율을 상승시킬 수 있다는 장점을 가진다. 간혹 셀레늄(Se)을 황(S)으로 대체하거나 셀레늄(Se)을 황(S)과 함께 사용하는 경우도 있다. 본 발명에서는 이러한 경우 모두 CI(G)S 태양전지로 간주한다.

CIGS(게르마늄이 포함된 경우) 태양전지는 최하층에 기판이 존재하며, 상기 기판 위에 전극으로 사용되는 하부전극이 형성된다. 상기 하부전극 위에는 p형 반도체로서 광흡수층(CIGS)과 n형 반도체로서 버퍼층(예를 들면 CdS), 투명창, 상부 전극이 순차적으로 형성된다.

한편, 상기 기판으로는 유리가 많이 사용되었다. 상기 유리내에는 Na이 포함되어 있고, 이러한 Na은 CIGS 층으로 확산되어 태양전지의 개방전압과 충실도를 높이는 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 그러나, 상기 적절한 양의 Na은 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있으나, 과도한 확산의 경우에는 오히려 태양전지의 효율을 저하시키는 문제가 있다.

최근에, 고가이고 대량 생산이 적지 않으며, 정형화된 형태로만 사용될 수 있는 유리 기판 대신에 유연성 기판을 사용하고자 하는 시도가 다수 이루어졌다. 유연성 기판은 유리에 비해서는 저렴하며, 롤 투 롤(Roll to Roll) 방식으로 태양전지를 제조할 수 있으며, 여러가지 형태로 가공할 수 있기 때문에 건물 일체형 모듈(BIPV) 뿐만 아니라 항공 우주용 등의 다양한 용도로 사용될 수 있다. 상기 유연성 기판으로는 대표적으로 스테인레스강을 들 수 있다. 그러나, 상기 스테인레스강 가격경쟁력에 높지 않음에, 최근에는 일반적인 탄소강을 사용하려는 노력이 시도되고 있다.

이러한, 유연성 기판의 경우에는 Fe를 비롯한 많은 불순물이 포함되어, 이러한 불순물이 하부전극이나 CIGS 층으로 확산되어 태양전지의 효율을 떨어뜨리는 문제를 일으키고 있다. 따라서, 유리 기판을 사용하는 경우에 Na의 과도한 확산을 억제하고, 유연성 기판의 Fe와 같은 불순물의 확산을 방지할 수 있는 기술에 대한 연구가 절실히 요구되고 있는 실정이다.

본 발명의 일측면은 Zn 또는 Al이 도금된 도금재를 태양전지용 기판으로 사용하는 경우, 기판의 불순물이 전극으로 확산되는 것을 억제하는 확산방지막을 용이하게 형성시킨 확산방지막이 형성된 태양전지 기판 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 태양전지 하부기판으로 Zn 또는 Al 도금강판을 준비하는 단계;

상기 도금강판에 600~900℃의 온도범위에서 Ni 플래쉬(flash) 도금방법으로Ni을 도금하여 Ni층을 형성하는 단계; 및

상기 Ni 층을 열처리하여 Ni 합금화층을 형성하는 단계

를 포함하는 태양전지용 기판의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 하부기판 및 상기 하부기판상에 형성된 하부전극을 포함하고, 상기 하부기판과 하부전극 사이에 상기 방법으로 형성된 Ni합금화층을 포함하는 태양전지 기판을 제공한다.

본 발명에 의하면, 하부기판에 포함되어 있는 불순물이 전극으로 확산되는 것을 방지할 수 있는 확산방지막을 용이하게 형성할 수 있다. 이에 의해, 표면 처리가 필요없고, 아연 또는 알루미늄 도금강판과 같은 저가의 기판을 태양전지용으로 활용할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 Ni 도금이 행해진 구조의 단면임
도 2는 열처리를 완료한 후 구조의 단면임.

본 발명자들은 Zn나 Al이 도금된 저가의 도금강판을 태양전지의 기판으로 활용하는 기술에 대해 연구한 결과, 강판에 포함된 Fe와 같은 물질이 확산을 통해 태양전지의 전극으로 이동하면 태양전지의 성능을 저하시키는 문제를 발견하고, 이러한 문제를 해결하기 위해 깊이 연구한 결과,

상기 Zn나 Al 이 도금된 도금강판과 전극 사이에 확산방지막을 형성함으로서, 상기 문제를 해결할 수 있음을 인지하고 본 발명에 이르게 되었다.

이하, 본 발명의 확산방지막이 형성된 태양전지 기판을 제조하는 방법에 대해 상세히 설명한다.

먼저, 하부기판으로 사용할 수 있는 Zn 또는 Al이 도금된 도금강판을 준비한다. 상기 Zn 또는 Al이 도금된 도금강판은 순수한 Zn 또는 Al만이 도금된 것과, Zn계 합금 또는 Al계 합금이 도금된 것을 포함하는 것이다. 본 발명에서는 태양전지의 하부기판으로 활용할 수 있는 것이면 충분하고, 상기 Zn 또는 Al의 도금 정도는 특별히 한정하는 것은 아니다.

상기 Zn 또는 Al이 도금된 도금강판에 Ni 도금을 행하여 Ni 층을 형성한다. 상기 Ni 도금 방법은 스퍼터링(sputtering)법, PVD법, e-beam 증착(e-beam evaporation), 열증착(thermo evaporation) 등의 건식도금 방법이나, 용융도금, 전기도금 등의 습식도금 방법이 모두 적용될 수 있으며, 그 종류를 특별히 한정하는 것은 아니다.

바람직한 일예로는 Ni 플래쉬(flash) 도금방법으로 행한다. 상기 Ni 플래쉬 도금을 행할 경우에는 600~900℃로 행하는 것이 바람직하다.

도 1을 참조하여 설명하면, 소지강판(100)에 Zn 또는 Al 도금층(101)이 형성되어 있는 도금강판을 태양전지 하부기판으로 사용하고, 여기에 Ni 도금을 행해 Ni 층(200)을 형성한다.

상기 Ni 도금으로 형성된 Ni 층은 10~800㎚인 것이 바람직하다. 상기 Ni층이 10㎚인 경우는 기술적 제어가 용이하지 않고, 그 도금량이 현저히 적어, 후술하는 합금상이 충분히 형성되지 않기 때문에 확산방지의 효과를 확보할 수 없고, 800㎚를 초과하는 경우에는 도금되는 양에 비해, 추가적인 확산방지 효과를 얻을 수 없기 때문에 경제적이지 않다.

상기 Ni 층에 열처리를 행하여 Ni 합금화층을 형성한다. 즉, 상기 열처리를 통해, 도금강판의 Zn 또는 Al과 상기 Ni 층의 합금화를 통해 상기 Ni 합금화층을 형성함으로서, 상기 Ni 합금화층이 태양전지 기판에서 불순물이 확산되는 것을 방지하는 역할을 한다.

도 2를 참조하여 설명하면, 도 1의 Ni층이 도금강판의 Zn 또는 Al과 합금화하여 Zn-Ni 또는 Al-Ni 합금화층(210)을 형성하며, 한편으로는 하부기판으로 사용되는 소지강판(100)과 Zn 또는 Al 도금층(101)사이에 상기 열처리를 통한 강판과 도금의 합금층(110)이 형성되기도 한다.

상기 방법은 기존의 확산방지막을 형성하는 기술에 비해, 추가적인 공정이나 설비 없이 간단히 확산방지막을 형성할 수 있는 장점이 있다.

상기 합금화를 위한 열처리는 상기 도금강판의 종류에 따라 달라지며, 도금강판이 Zn 도금강판인 경우에는 300~1000℃에서 열처리를 행하는 것이 바람직하며, Al 도금강판인 경우에는 300~1700℃의 온도에서 열처리를 행하는 것이 바람직하다.

상기 온도가 300℃ 미만에서는 가열온도가 너무 낮아, 합금화가 용이하게 이루어지지 않고, 이루어지더라도 오랜 시간동안 가열해야 하는 문제가 있고, 상기 설정온도를 초과하는 범위에서는 과도한 합금화로 확산방지막으로서의 기능을 상실할 우려가 있다.

상기 Ni 합금화층은 상기 도금강판에서의 도금 재료에 따라 달라진다. 즉, Zn 도금강판의 경우에는 Zn-Ni 합금으로된 합금화층이 형성되고, Al 도금강판의 경우에는 Al-Ni 합금화층이 형성된다.

상기 Al-Ni합금화층에는 Al과 Ni의 금속간화합물이 형성되며, 이들의 금속간 화합물의 종류로는 NiAl, Ni₃Al, Al₃Ni, Al₂Ni₂, Al₃Ni₅ 등이 있다. 한편, 상기 Zn-Ni 합금화층에는 베타상, 감마상, 델타상 등의 Zn와 Ni의 금속간화합물이 형성된다.

상기와 같은 금속간화합물을 포함하는 상기 합금화층은 하부기판의 Fe와 같은 불순물이 태양전지의 작동 동안 확산되는 것을 방지하는 역할을 행함으로서, 태양전지의 성능을 개선하는 역할을 한다.

본 발명의 태양전지 기판은 하부기판과 상기 하부기판상에 형성된 하부전극을 포함하고, 상기 하부기판과 하부전극 사이에 상기 방법으로 형성된 Ni 합금화층을 포함한다. 상기 하부기판은 Zn 또는 Al 도금강판인 것이 바람직하다.

100.....소지강판
101.....Zn 또는 Al 도금층
110.....강판과 도금의 합금층
200.....Ni 층
210.....Zn-Ni 또는 Al-Ni 합금화층

Claims (6)

1. 태양전지의 하부기판으로 Zn 또는 Al 도금강판을 준비하는 단계;
   상기 도금강판에 600~900℃의 온도범위에서 Ni 플래쉬(flash) 도금방법으로Ni을 도금하여 Ni층을 형성하는 단계; 및
   상기 Ni 층을 열처리하여 Ni 합금화층을 형성하는 단계
   를 포함하는 태양전지용 기판의 제조방법.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 Ni 층은 10~800㎚의 두께로 형성하는 것인 태양전지용 기판의 제조방법.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 열처리는 상기 하부 기판이 Zn 도금강판인 경우에는 300~1000℃의 온도에서 행하고,
   하부기판이 Al 도금강판인 경우에는 300~1700℃의 온도에서 행하는 태양전지용 기판의 제조방법.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 Ni 합금화층은 하부기판이 Al 도금강판인 경우에는 NiAl, Ni₃Al, Al₃Ni, Al₂Ni₂, Al₃Ni₅ 중 하나 이상의 Al-Ni 금속간 화합물을 포함하는 태양전지용 기판의 제조방법.
   
6. 삭제

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