KR101251870B1 - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 태양전지는 홀을 포함하는 기판; 상기 기판의 전면측 홀에 일부가 삽입되는 비드들; 상기 비드들의 표면에 배치되는 후면전극층; 상기 비드들의 상에 배치되는 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상에 배치되는 전면전극층을 포함한다.

Description

태양전지 및 이의 제조방법{SOLAR CELL APPARATUS AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 에너지의 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지에 대한 개발이 진행되고 있다.
특히, 유리지지기판, 금속 후면 전극층, p형 CIGS계 광 흡수층, 버퍼층, n형 투명전극층 등을 포함하는 지지기판 구조의 pn 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다.
또한, 이러한 태양전지의 효율을 증가시키기 위해서 다양한 연구가 진행 중이다.
실시예는 향상된 광학적 특성을 가지는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 태양전지는 홀을 포함하는 기판; 상기 기판의 전면측 홀에 일부가 삽입되는 비드들; 상기 비드들의 표면에 배치되는 후면전극층; 상기 비드들의 상에 배치되는 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상에 배치되는 전면전극층을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 비드들의 표면에 각각 후면전극층을 형성하는 단계; 상기 후면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 기판에 복수의 홀을 형성하고 상기 비드들을 상기 복수의 홀에 삽입하는 단계; 상기 비드들과 기판 상에 전면전극층을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 태양전지는 비드들을 사용하여, 기판의 홀에 일부가 삽입되도록 형성될 수 있다. 이에 따라 후면전극층, 광 흡수층 및 전면전극층이 상기 비드들을 둘러싸도록 형성하여 돌기들을 형성할 수 있다. 이에 따라서, 태양광은 전면전극층 및 광 흡수층에 효과적으로 입사된다. 또한, 실시예에 따른 태양전지는 전면전극층 및 광 흡수층에서 반사되는 광을 줄일 수 있다.
즉, 상기 비드들에 의해서, 전면전극층에는 엠보싱 형상의 다수 개의 돌기들이 형성될 수 있다. 전면전극층의 돌기들은 입사되는 태양광의 반사를 줄이고, 입광 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 비드들에 의해서, 상기 후면전극층에는 다수 개의 돌기들이 형성될 수 있다. 이에 따라서, 광 흡수층을 통과하는 광은 후면전극층에 의해서 여러 방향으로 난반사될 수 있다.
따라서, 후면전극층에 의해서 반사되는 태양광은 긴 경로를 통하여, 상기 광 흡수층을 통과하게 된다.
특히, 비드들이 구 형상을 가지는 경우, 비드들에 의해서 형성된 돌기들은 구 또는 반구 형상을 가질 수 있다. 이에 따라서, 태양광은 입사각에 상관없이, 상기 전면전극층 및 상기 광 흡수층에 거의 수직으로 입사될 수 있다.
또한 기판에 홀을 형성함으로써, 플렉서블 기판의 경우 밴딩 스트레스(bending stress)를 감소시켜, 밴딩 각도의 증가 및 데미지를 감소시킬 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지는 향상된 광학적 특성을 가질 수 있고, 높은 광-전 변환 효율을 구현할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 태양전지의 일부를 도시한 사시도이다.
도 2는 실시예에 따른 태양전지의 일 단면을 도시한 단면도이다.
도 3 내지 도 7은 실시예에 따른 태양전지를 제조하는 과정을 도시한 도면들이다.
실시예의 설명에 있어서, 각 지지기판, 층, 막 또는 전극 등이 각 지지기판, 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 실시예에 따른 태양전지의 일부를 도시한 사시도이다. 도 2는 실시예에 따른 태양전지의 일 단면을 도시한 단면도이다. 도 1에서는 태양전지의 단면도 일부 도시하였다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시예에 따른 태양전지는 지지기판(100), 다수 개의 비드들(110), 후면전극층(200), 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 전면전극층(500), 절연층(160) 및 전극층(600)을 포함한다.
상기 지지기판(100)은 다수 개의 비드들(110)이 삽입되는 홀(120)을 포함하고 플레이트 형상을 가지며, 상기 후면전극층(200), 상기 광 흡수층(300), 버퍼층(400) 및 상기 전면전극층(500)을 지지한다.
상기 지지기판(100)은 절연체일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 유리기판, 플라스틱기판, 폴리아미드기판 또는 금속기판일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 투명할 수 있다. 상기 지지기판(100)은 리지드하거나 플렉서블할 수 있다.
상기 비드들(110)은 상기 지지기판(100)내에 형성된 홀(120)을 메우도록 배치된다. 상기 비드들(110)은 상기 지지기판(100)의 상면에 직접 배치될 수 있다. 상기 비드들(110)은 투명 또는 불투명할 수 있다.
상기 비드들(110)의 직경이 0.01mm보다 작으면 제 1 돌기들(410) 및 제 2 돌기들(510)이 엠보싱 형상을 갖기 어렵고, 이에 따라 상기 전면전극층(500)에 입사되는 태양광의 반사방지에 효과적이지 않으며, 5mm 이상으로 형성되면 태양전지의 소형화 구현이 어려워지므로 이러한 점을 고려하여 0.01mm 내지 5mm의 범위로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 비드들(110)은 다양한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 비드들(110)은 다면체 형상을 가질 수 있다. 이와는 다르게, 상기 비드들(110)은 곡면을 가지는 입자들일 수 있다. 예를 들어, 상기 비드들(110)은 구 형상을 가질 수 있다.
상기 비드들(110)은 절연체 또는 도전체일 수 있다. 상기 비드들(110)이 절연체인 경우, 상기 비드들(110)로 사용되는 물질의 예로서는 유리 등을 들 수 있다. 상기 비드들(110)이 도전체인 경우, 상기 비드들(110)은 상기 후면전극층(200)의 전기적인 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 비드들(110)은 상기 광 흡수층(300)의 특성을 향상시키는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 비드들(110)은 나트륨을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 비드들(110)은 소다 라임 글래스(soda lime glass)를 포함할 수 있다. 또는 Al2O3, SiO2, ZrO2 등의 세라믹 물질을 포함할 수 있다.
또한, 상기 비드들(110)에 나트륨이 포함되는 경우, 상기 지지기판(100)은 나트륨 함량이 적은 물질로 형성될 수 있다. 즉, 상기 비드들(110)에 나트륨이 포함되는 경우, 상기 지지기판(100)으로 사용되는 물질은 나트륨 함량에 구애받지 않고 선택될 수 있다.
이에 따라서, 상기 비드들(110)에 나트륨이 포함되는 경우에는, 상기 지지기판(100)으로 향상된 기계적인 특성 및 내열성을 가지는 강화 유리 등이 사용될 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지는 향상된 기계적인 특성을 가질 수 있으며, 높은 온도에서 제조될 수 있다.
상기 후면전극층(200)은 상기 비드들(110)을 둘러싼다. 더 자세하게, 상기 후면전극층(200)은 상기 비드들(110)의 표면에서 상기 비드들(110)을 덮도록 형성될 수 있다.
상기 후면전극층(200)은 도전층이다. 상기 후면전극층(200)은 태양전지 중 상기 광 흡수층(300)에서 생성된 전하가 이동하도록 하여 태양전지의 외부로 전류를 흐르게 할 수 있다. 상기 후면전극층(200)은 이러한 기능을 수행하기 위하여 전기 전도도가 높고 비저항이 작아야 한다.
또한, 상기 후면전극층(200)은 CIGS 화합물 형성시 수반되는 황(S) 또는 셀레늄(Se) 분위기 하에서의 열처리 시 고온 안정성이 유지되어야 한다.
이러한 후면전극층(200)은 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 텅스텐(W) 및 구리(Cu)중 어느 하나로 형성될 수 있다. 이 가운데, 특히 몰리브덴(Mo)은 상술한 후면전극층(200)에 요구되는 특성을 전반적으로 충족시킬 수 있다.
상기 후면전극층(200)은 두 개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 층들은 같은 금속으로 형성되거나, 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.
상기 후면전극층(200)의 두께는 약 300㎚ 내지 약 700㎚일 수 있다. 상기 후면전극층(200)은 상기 비드들(110)에 직접 접촉된다. 또한, 상기 비드들(110)이 도전체인 경우, 상기 후면전극층(200)은 상기 비드들(110)에 직접 접속될 수 있다.
또한, 상기 후면전극층(200)은 두 개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 층들은 같은 금속으로 형성되거나, 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 상기 후면전극층(200) 상에 배치된다. 상기 광 흡수층(300)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족계 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 1eV 내지 1.8eV일 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 상기 비드들(110)을 덮는다. 즉, 상기 후면전극층(200)을 감싸도록 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치된다. 상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300)에 직접 접촉한다.
더 자세하게, 상기 버퍼층(400)은 상기 비드들(110)을 둘러싸는 광 흡수층(300)의 표면에서 상기 지지기판(100)의 홀(120)에 삽입된 제외한 나머지 부분에 직접 배치된다.
상기 제 1 돌기들(410)은 상기 비드들(110)의 형상에 대응하여 형성될 수 있다. 상기 제 1 돌기들(410)은 엠보싱 형상을 가질 수 있다.
CIGS 화합물을 광흡수층(300)으로 갖는 태양전지는 p형 반도체인 CIGS 화합물 박막과 n형 반도체인 전면전극층(500)이 pn 접합을 형성한다. 하지만 두 물질은 격자상수와 밴드갭 에너지의 차이가 크기 때문에 양호한 접합을 형성하기 위해서는 밴드갭이 두 물질의 중간에 위치하는 버퍼층이 필요하다.
상기 버퍼층(400)을 형성하는 물질로는 CdS, ZnS등이 있으나 태양전지의 발전 효율 측면에서 CdS가 상대적으로 우수하다. CdS박막은 n형 반도체이며, 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al) 등을 도핑함으로써 낮은 저항값을 얻을 수 있다.
상기 버퍼층(400) 상에는 전면전극층(500)이 형성될 수 있다. 상기 전면전극층(500)은 투명하며, 도전층으로 작용할 수 있다. 상기 전면전극층(500)은 산화물을 포함한다. 예를 들어, 상기 전면전극층(500)은 징크 옥사이드(zinc oxide), 인듐 틴 옥사이드(induim tin oxide;ITO) 또는 인듐 징크 옥사이드(induim zinc oxide;IZO) 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 산화물은 알루미늄(Al), 알루미나(Al2O3), 마그네슘(Mg) 또는 갈륨(Ga) 등의 도전성 불순물을 포함할 수 있다. 더 자세하게, 상기 전면전극층(500)은 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드(Al doped zinc oxide;AZO) 또는 갈륨 도핑된 징크 옥사이드(Ga doped zinc oxide;GZO) 등을 포함할 수 있다.
실시예에 따른 태양전지는 상기 비드들(110)을 사용하여, 버퍼층(400) 및 상기 전면전극층(500)에 각각 상기 제 1 돌기들(410) 및 상기 제 2 돌기들(510)을 형성한다.
이에 따라서, 입사되는 태양광은 상기 전면전극층(500) 및 상기 광 흡수층(300)에 효과적으로 입사된다. 또한, 실시예에 따른 태양전지는 상기 전면전극층(500) 및 상기 광 흡수층(300)에서 반사되는 광을 줄일 수 있다.
즉, 상기 비드들(110)에 의해서, 상기 제 1 돌기들(410) 및 제 2 돌기들(510)은 엠보싱 형상을 가지고, 반사 방지 기능을 수행할 수 있다. 이에 따라서, 상기 전면전극층(500)에 입사되는 태양광의 반사가 감소되고, 입광 효율이 향상될 수 있다.
또한, 상기 광 흡수층(300)을 통과하는 광은 상기 제 1 돌기들(410)에 의해서, 여러 방향으로 난반사될 수 있다. 따라서, 상기 후면전극층(200)에 의해서 반사되는 태양광은 긴 경로를 통하여, 상기 광 흡수층(300)을 통과하게 된다.
특히, 상기 비드들(110)이 구 형상을 가지는 경우, 상기 제 1 돌기들(410) 및 제 2 돌기들(510)은 반구 형상을 가질 수 있다. 이에 따라서, 대부분의 태양광은 상기 전면전극층(500) 및 상기 광 흡수층(300)에 거의 수직으로 입사될 수 있다.
즉, 상기 지지기판(100)에 대하여 경사지는 방향으로 태양광이 입사되더라도, 상기 전면전극층(500) 및 상기 광 흡수층(300)에는 거의 수직에 가깝게 상기 태양광이 입사될 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지는 향상된 광학적 특성을 가질 수 있고, 높은 광-전 변환 효율을 구현할 수 있다.
그리고 지지기판(100)에 삽입되기 전에 비드들(110)의 표면에 광 흡수층(300)을 형성하므로, 사전에 고온공정을 진행하여 기판에 삽입하므로 고품질의 플렉서블한 기판의 제작이 가능하다.
또한, 상기 지지기판(100)에 홀(120)을 형성함으로써, 플렉서블한 기판의 밴딩 스트레스를 감소시킬 수 있다. 이에 따라 밴딩 각도가 증가하고, 기판의 휘어짐에 따른 데미지를 최소화할 수 있다.
도 3 내지 도 7은 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도이다.
본 제조방법에 관한 설명은 앞서 설명한 태양전지에 대한 설명을 참고한다. 앞서 설명한 태양전지에 대한 설명은 본 제조방법에 관한 설명에 본질적으로 결합될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 비드(110) 표면에 후면전극층(200) 및 광 흡수층(300)을 형성할 수 있다. 상기 후면전극층(200) 및 광 흡수층(300)은 상기 비드(110)의 표면을 둘러싸도록 형성될 수 있다.
상기 후면전극층(200) 및 광 흡수층(300)은 스퍼터링(Sputtering)법 또는 진공증착(Vacuum Evaporation)법으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 광 흡수층(300)을 형성하기 위해서 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발시키면서 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층을 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 셀레이제이션(selenization) 공정에 의해서, 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층이 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.
상기 광 흡수층(300)을 형성하기 위한 공정은 약 500℃ 이상의 고온에서 진행될 수 있다.
도 4 및 도 5를 참고하면 지지기판(100)의 일부 영역에 홀(120)을 형성한다. 상기 홀(120)은 펀칭(punching) 작업을 통해서 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 광 흡수층(300)이 표면에 형성된 비드들(110)을 상기 지지기판(100)의 홀(120)에 삽입할 수 있다.
상기 비드들(110)은 상기 홀(120)보다 큰 직경을 갖도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 지지기판(100)의 상면으로부터 돌출된 상기 비드들(110)의 높이(h)는 상기 비드들(110) 직경의 50% 내지 80%의 비율로 형성될 수 있다.
도 6을 참고하면, 상기 지지기판(100)과 비드들(110) 표면에 버퍼층(400) 및 전면전극층(500)을 형성할 수 있다.
상기 버퍼층(400)은 황화 카드뮴이 스퍼터링 공정 또는 용액성장법(chemical bath depositon;CBD) 등에 의해서 증착되어 형성될 수 있다.예를 들어, 상기 광 흡수층(300)이 형성된 후, 상기 광 흡수층(300)은 황화 카드뮴을 형성하기 위한 물질들을 포함하는 용액에 침지되고, 상기 광 흡수층(300) 상에 황화 카드뮴을 포함하는 상기 버퍼층(400)이 형성된다.
다음으로, 상기 버퍼층(400) 상에 전면전극층(500)이 형성될 수 있다. 상기 전면전극층(500)은 CVD 공정 또는 스퍼터링 공정에 의해서 증착되어 형성될 수 있다. 상기 전면전극층(500)은 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드, 인듐 징크 옥사이드 또는 인듐 틴 옥사이드 등을 포함할 수 있다.
상기 비드들(110)에 의해서, 별도의 패터닝 공정 없이, 상기 버퍼층(400) 및 상기 전면전극층(500)에 각각 제 1 돌기들(410) 및 제 2 돌기들(510)이 형성될 수 있다.
도 7을 참고하면, 상기 지지기판(100) 아래에 절연층(160)을 형성할 수 있다. 다음으로, 비드들(110)과 절연층(160)의 아래에 전극층(600)을 형성할 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지는 향상된 광학적 특성을 가질 수 있고, 높은 광-전 변환 효율을 구현할 수 있다.
또한, 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 (3)

  1. 비드들의 표면에 각각 후면전극층을 형성하는 단계;
    상기 후면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계;
    기판에 복수의 홀을 형성하고 상기 비드들을 상기 복수의 홀에 삽입하는 단계;
    상기 비드들과 기판 상에 전면전극층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 홀의 직경은 상기 비드들의 직경보다 작은 값을 갖도록 형성하는 태양전지의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기판 아래에 절연층 및 전극층을 형성하는 단계를 더 포함하는 태양전지의 제조방법.
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