KR101277111B1 - 태양 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판 상의 일 영역에 형성된 더미 패턴과, 기판 및 더미 패턴 상에 형성된 제 1 도전층과, 기판 상의 제 1 도전층 상에 형성된 광 흡수층과, 광 흡수층 및 더미 패턴 상의 제 1 도전층 상에 형성된 제 2 도전층을 포함하는 태양 전지 및 그 제조 방법을 제시한다.
Description
본 발명은 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 화합물 반도체를 이용한 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
태양 전지(Solar Cell)는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심 소자이다. 태양 전지는 시계나 계산기 등 휴대용 전자기기의 전원으로 이용되거나, 건물 지붕에 설치된 소규모 분산 발전용으로부터 넓은 개활지에 설치된 산업 발전용에 이르기까지 다양한 형태로 이용되고 있다.
태양 전지는 일반적으로 단결정 실리콘 태양 전지, 다결정 실리콘 태양 전지 및 박막 태양 전지로 분류될 수 있다. 그 중에서 단결정 및 다결정 실리콘 태양 전지에 비해 변환 효율은 낮지만, 기판의 두께를 혁신적으로 줄일 수 있고 유리 등의 저렴한 기판 상에 제조 가능하여 저가화할 수 있는 박막 태양 전지가 주목을 받고 있다.
이러한 박막 태양 전지는 기판 상의 서로 이격된 제 1 도전층 및 제 2 도전층 사이에 광 흡수층, 버퍼층 및 윈도우층이 마련된 구조를 갖는다. 또한, 광 변환층의 재료로서 변환 효율이 상대적으로 높은 CdTe, CuInGaSe2계의 화합물 반도체를 이용한 박막 태양 전지에 대한 연구가 증가하고 있다. 특히, 변환 효율이 비교적 우수한 CuInGeSe2계의 화합물 반도체를 이용하여 박막 태양 전지의 변환 효율을 더욱 증가시키기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다.
한편, 박막 태양 전지를 제조하기 위해 복수의 기계적인 스크라이빙 공정이 실시된다. 즉, 제 1 도전층을 형성한 후 제 1 스크라이빙 공정을 실시하고, 광 흡수층 및 버퍼층을 형성한 후 제 2 스크라이빙 공정을 실시하며, 제 2 도전층을 형성한 후 제 3 스크라이빙 공정을 실시한다. 여기서, 제 2 스크라이빙 영역은 이후 형성되는 제 2 도전층이 매립되어 제 2 도전층과 제 1 도전층이 전기적으로 연결된다. 이러한 박막 태양 전지의 제조 방법은 예를 들어 한국등록특허 10-1034146호 및 한국공개특허 2011-0035797호에 제시되어 있다. 한국등록특허 10-1034146호에는 제 1 도전층 상에 Ag 원소를 선택적으로 포함하는 합금층을 형성하는 태양 전지가 제시되어 있고, 한국공개특허 2011-0035797호에는 제 1 도전층 상에 Ⅰ족, Ⅲ족 및 Ⅰ족-Ⅲ족 화합물 중 어느 하나를 포함하는 합금층을 형성하는 태양 전지가 제시되어 있다. 그러나, 이들 선행 특허들은 제 2 스크라이빙 영역을 형성한 후 제 2 도전층으로 매립하는 공정을 실시한다.
그런데, 제 2 스크라이빙 영역에 의해 상부와 하부 사이에 단차가 크게 발생되고, 제 2 스크라이빙 영역을 매립해야 하므로 제 2 도전층을 두껍게 형성하지 않으면 제 2 도전층이 단선되는 문제가 발생할 수도 있다. 이에 따라 효율 및 신뢰성이 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 효율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 태양 전지 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 제 2 스크라이빙 영역의 단차에 의한 표면의 불균일성을 완화시키고 이후 형성되는 제 2 도전층의 단차를 줄여 제 2 도전층의 단선을 방지할 수 있는 태양 전지 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 제 2 스크라이빙 영역에 더미 패턴을 형성한 후 박막들의 형성함으로써 제 2 스크라이빙 영역의 단차를 줄여 효율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 태양 전지 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 광 변환 영역을 증가시켜 효율을 향상시킬 수 있는 태양 전지 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따른 태양 전지는 기판 상의 일 영역에 형성된 더미 패턴; 상기 기판 및 더미 패턴 상에 형성된 제 1 도전층; 상기 기판 상의 상기 제 1 도전층 상에 형성된 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 및 더미 패턴 상의 제 1 도전층 상에 형성된 제 2 도전층을 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따른 태양 전지는 기판 상의 일 영역에 형성된 더미 패턴; 상기 더미 패턴의 상부로부터 측면을 따라 상기 기판 상에 형성된 제 1 도전층; 상기 기판 상의 상기 제 1 도전층 상에 형성된 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 및 더미 패턴 상의 제 1 도전층 상에 형성된 제 2 도전층을 포함하며, 상기 제 2 도전층은 상기 더미 패턴 상의 제 1 도전층을 통해 상기 더미 패턴 측면 및 상기 기판 상의 제 1 도전층과 연결된다.
상기 기판 상의 제 1 도전층의 소정 영역이 제거되어 마련된 제 1 스크라이빙 영역; 상기 제 1 스크라이빙 영역과 소정 간격 이격되어 마련된 제 2 스크라이빙 영역; 및 상기 제 2 도전층 및 광 흡수층의 소정 영역이 제거되어 상기 제 2 스크라이빙 영역과 소정 간격 이격되어 마련된 제 3 스크라이빙 영역을 더 포함한다.
상기 더미 패턴은 상기 제 2 스크라이빙 영역 상에 형성되거나, 상기 제 3 스크라이빙 영역과 적어도 일부 중첩되도록 형성되고, 상기 더미 패턴은 절연 물질로 형성된다.
상기 더미 패턴은 적어도 일 측면이 경사지게 형성된다.
상기 더미 패턴은 상기 제 1 도전층 및 광 흡수층의 두께를 고려하여 상부 표면이 평탄한 두께로 형성된다.
상기 광 흡수층 상에 형성된 버퍼층 및 윈도우층을 더 포함한다.
본 발명의 또다른 양태에 따른 태양 전지의 제조 방법은 기판 상의 일 영역에 더미 패턴을 형성하는 단계; 상기 기판 및 더미 패턴 상에 제 1 도전층을 형성하는 단계; 상기 제 1 도전층 상에 광 흡수층을 형성한 후 상기 더미 패턴 상에 잔류하는 상기 광 흡수층을 제거하는 단계; 및 상기 광 흡수층 및 더미 패턴 상의 제 1 도전층 상에 제 2 도전층을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 더미 패턴의 일 측면으로부터 상기 기판 상의 제 1 도전층의 소정 영역을 제거하여 제 1 스크라이빙 영역을 형성하는 단계; 및 상기 더미 패턴의 타 측면과 소정 간격 이격되도록 상기 제 2 도전층 및 광 흡수층의 소정 영역을 제거하여 제 3 스크라이빙 영역을 형성하는 단계를 더 포함한다.
상기 더미 패턴의 일 측면으로부터 상기 기판 상의 제 1 도전층의 소정 영역을 제거하여 제 1 스크라이빙 영역을 형성하는 단계; 및 상기 더미 패턴과 적어도 일부 중첩되도록 상기 제 2 도전층 및 광 흡수층의 소정 영역을 제거하여 제 3 스크라이빙 영역을 형성하는 단계를 더 포함한다.
상기 더미 패턴은 절연 물질을 이용하여 형성한다.
상기 더미 패턴은 적어도 일 측면이 경사지게 형성한다.
본 발명의 실시 예의 태양 전지는 제 2 스크라이빙 영역에 더미 패턴이 형성되고, 더미 패턴의 상부면으로부터 측면을 따라 기판 상으로 제 1 도전층이 형성되며, 더미 패턴을 제외한 영역에 광 흡수층, 버퍼층 및 윈도우층이 형성되어 상부 표면이 평탄화된 후 제 2 도전층이 형성된다.
따라서, 단차가 발생되지 않는 평탄한 표면 상에 제 2 도전층이 형성되므로 제 2 도전층이 단선되는 문제가 발생되지 않아 태양 전지의 효율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 더미 패턴 상에 형성된 제 1 도전층에 의해 상호 인접하는 셀의 제 1 도전층과 제 2 도전층은 물리적, 전기적으로 연결되어 태양 전지의 정상 동작이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양 전지의 단면도.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 태양 전지의 단면도.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 단면도.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 태양 전지의 단면도.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양 전지의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양 전지는 기판(100) 상의 소정 영역에 형성된 더미 패턴(200)과, 기판(100) 및 더미 패턴(200) 상에 형성된 제 1 도전층(300)과, 제 1 도전층(300) 상에 형성된 광 흡수층(400)과, 광 흡수층(400) 상에 적층 형성된 버퍼층(500) 및 윈도우층(600)과, 윈도우층(600) 및 더미 패턴(200) 상에 형성된 제 2 도전층(700)을 포함한다. 또한, 제 1 도전층(300)의 소정 영역이 제거되어 제 1 스크라이빙 영역(S1)이 마련되고, 더미 패턴(200)은 제 2 스크라이빙 영역(S)에 마련되며, 제 2 도전층(700), 윈도우층(600), 버퍼층(500) 및 광 흡수층(400)의 소정 영역이 제거되어 제 3 스크라이빙 영역(S3)이 마련된다.
기판(100)은 용도에 따라 다양한 특성의 기판을 이용할 수 있다. 예를 들어, 광 투과 특성에 따라 투명 기판, 불투명 또는 반투명 기판을 이용할 수 있다. 또한, 기판(100)은 재질에 따라 유리 기판, 세라믹 기판, 금속 기판, 폴리머 기판 등을 이용할 수도 있다. 그리고, 기판(100)은 굽힘 특성에 따라 리지드(rigid) 기판 또는 플렉서블(flexible) 기판을 이용할 수 있다. 이러한 기판(100)은 바람직하게는 광 투과성을 가지고 비용이 저렴한 유리 기판을 이용할 수 있다. 유리 기판으로는 예를 들어 소다라임 유리(sodalime galss) 또는 고변형점 소다유리(high strained point soda glass)를 이용할 수 있다. 또한, 금속 기판으로는 스테인레스 스틸 또는 티타늄을 포함하는 기판을 이용할 수 있고, 폴리머 기판으로는 폴리이미드(polyimide)를 이용할 수 있다.
더미 패턴(200)은 기판(100) 상의 소정 영역, 바람직하게는 제 2 스크라이빙 영역(S2)에 형성된다. 즉, 종래에는 광 흡수층(400), 버퍼층(500) 및 윈도우층(600)을 형성한 후 이들의 소정 영역을 스크라이빙하여 제 2 스크라이빙 영역(S2)을 형성하는데, 본 발명은 제 2 스크라이빙 영역(S2)에 더미 패턴(200)을 형성한다. 더미 패턴(200)은 적어도 제 2 스크라이빙 영역(S2)의 폭과 동일한 폭으로 형성한다. 또한, 더미 패턴(200)은 적어도 일 측면이 경사지도록 형성할 수도 있다. 즉, 더미 패턴(200)은 제 1 스크라이빙 영역(S1)과 제 3 스크라이빙 영역(S3) 사이에 마련되는데, 적어도 제 3 스크라이빙 영역(S3)과 인접하는 더미 패턴(200)의 일 측면을 경사지게 형성할 수도 있다. 더미 패턴(200)의 일 측면이 경사지게 형성됨으로써 더미 패턴(200)의 일 측면 상에 제 1 도전층(300) 및 광 흡수층(400) 등이 용이하게 형성될 수 있다. 즉, 더미 패턴(200)의 일 측면이 수직 형상으로 형성되면 더미 패턴(200)의 일 측면 상에 제 1 도전층(300)이 형성되지 못하고, 그에 따라 더미 패턴(200) 상면의 제 1 도전층(300)과 기판(100) 상의 제 1 도전층(300)이 연결되지 못해 태양 전지가 동작 불능의 상태가 될 수 있다. 따라서, 더미 패턴(200)은 일 측면이 경사지게 형성됨으로써 하부가 상부보다 폭이 넓게 형성될 수 있다. 이때, 더미 패턴(200)의 상부의 폭은 제 2 스크라이빙 영역(S2)의 폭과 동일하거나 좁게 형성하고, 하부의 폭은 제 2 스크라이빙 영역(S2)의 폭보다 넓거나 동일하게 형성될 수 있다. 바람직하게는 더미 패턴(200)은 상부의 폭이 제 2 스크라이빙 영역(S2)의 폭보다 좁고 하부의 폭이 제 2 스크라이빙 영역(S2)의 폭과 동일한 폭으로 형성될 수 있다. 또한, 더미 패턴(200)은 제 1 도전층(300), 광 흡수층(400), 버퍼층(500) 및 윈도우층(600)의 두께를 고려하여 그에 따른 두께로 형성하는데, 더미 패턴(200)으로부터 그 상의 제 1 도전층(300)의 두께가 더미 패턴(200) 외측의 광 흡수층(400), 버퍼층(500) 및 윈도우층(600)의 두께와 바람직하게는 동일하도록 더미 패턴(200)을 소정 두께로 형성한다. 이렇게 더미 패턴(200)을 형성함으로써 제 2 스크라이빙 영역(S2)을 포함한 전체 상부의 표면을 평탄하게 형성할 수 있고, 그에 따라 제 2 도전층(700)의 단선 등을 방지할 수 있다. 한편, 더미 패턴(200)은 절연 물질을 이용하여 형성할 수 있다. 절연 물질로는 다양한 물질이 이용될 수 있는데, 예를 들어 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 등의 실리콘 계열의 절연 물질을 이용할 수 있고, 절연 폴리머 등의 물질을 이용할 수 있다. 또한, 더미 패턴(200)을 형성하기 위해 절연 물질을 형성한 후 소정의 마스크를 이용한 사진 및 식각 공정으로 패터닝할 수도 있고, 더미 패턴(200)의 형상으로 소정의 쉐도우 마스크가 형성된 상태에서 절연 물질을 형성함으로써 더미 패턴(200)을 형성할 수도 있다. 한편, 더미 패턴(200)은 절연성 물질의 기판(100)을 이용하는 경우 기판(100)과 동일 물질을 이용하여 형성할 수 있다. 예를 들어 유리 기판(100)을 이용하는 경우 스트라이프 형상의 유리 패턴을 유리 기판(100) 상에 부착하여 더미 패턴(200)을 형성할 수도 있고, 더미 패턴(200)이 형성될 영역에 소정의 식각 마스크를 형성한 후 유리 기판(100)을 식각하여 유리 기판(100)의 식각되지 않은 영역을 더미 패턴(200)으로 이용할 수도 있다.
제 1 도전층(300)은 기판(100) 및 도전 패턴(200) 상에 형성되며, 기판(100) 상에 형성된 제 1 도전층(300)은 소정 영역이 제거되어 제 1 스크라이빙 영역(S1)이 형성된다. 즉, 제 1 도전층(300)은 제 1 스크라이빙 영역(S1)을 제외한 전체 영역에 형성되는데, 더미 패턴(200)의 상면으로부터 측면을 따라 제 1 스크라이빙 영역(S1)까지 기판(100) 상에 연속적으로 형성된다. 한편, 제 1 스크라이빙 영역(S1)은 제 2 스크라이빙 영역(S2)의 패턴으로 형성된 터미 패턴(200)과 동일 방향으로 형성될 수 있다. 이러한 제 1 도전층(300)은 금속 등의 도전 물질을 이용하여 형성할 수 있으며, 단일층 또는 서로 다른 물질의 복수의 층으로 형성할 수 있다. 이때, 제 1 도전층(300)은 비저항이 낮고, 열팽창 계수의 차이로 인해 기판(100)과 박리 현상이 일어나지 않도록 기판(100)과의 점착성이 뛰어난 물질을 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 제 1 도전층(300)으로는 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 크롬과 몰리브덴의 합금을 이용할 수 있다. 특히, 제 1 도전층(300)으로 전기 전도도가 높고, 광 흡수층(400)과의 오믹(ohmic) 특성이 우수하며, 셀레늄(Se) 분위기에서의 고온 안정성이 뛰어난 몰리브덴(Mo)을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 제 1 도전층(300)은 도전 물질에 나트륨(Na) 이온이 도핑되어 형성될 수 있다.
광 흡수층(400)은 외부로부터 입사되는 태양광을 흡수하여 기전력을 발생시킨다. 광 흡수층(400)은 기판(100) 상에 형성된 제 1 도전층(300) 상의 소정 영역에 형성된다. 즉, 광 흡수층(400)은 더미 패턴(200) 상에는 형성되지 않고, 제 3 스크라이빙 영역(S3)에도 형성되지 않는다. 이러한 광 흡수층(400)은 예를 들어 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ계 화합물로 형성할 수 있다. 즉, 광 흡수층(400)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드(Cu(In,Ga)Se2, CIGS) 화합물로 형성하거나, 구리-인듐-셀레나이드(CuInSe2, CIS) 화합물 또는 구리-갈륨-셀레나이드(CuGaSe2, CGS) 화합물로 형성할 수 있다. 광 흡수층(400)은 다양한 방식으로 형성할 수 있는데, 예를 들어 구리 타겟, 인듐 타겟 및 갈륨 타겟을 각각 이용하거나 구리, 인듐 및 갈륨의 혼합 타겟을 이용하여 스퍼터링 방식으로 제 1 도전층(300), 제 1 스크라이브 영역(S1) 및 더미 패턴(200) 상에 CIG 금속 전구체(precursor)막을 형성한 후 고온에서 셀레늄(Se)를 이용하여 셀레니제이션(selenization) 공정을 실시함으로써 CIGS 화합물의 광 흡수층(400)을 형성할 수 있다. 또한, 광 흡수층(400)은 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄(Cu, In, Ga, Se)를 동시 증착법(co-evaporation)으로 형성할 수도 있다.
버퍼층(500)은 광 흡수층(400) 상에 적어도 하나 이상의 층으로 형성될 수 있다. 버퍼층(500)은 예를 들어 화학 용액 증착법(chemical bath deposition: CBD)에 의하여 황화 카드뮴(CdS)으로 형성할 수 있다. 윈도우층(600)은 버퍼층(500) 상에 투명 도전성 물질로 형성할 수 있는데, 예를 들어 ITO, ZnO 및 i-ZnO의 어느 하나로 형성될 수 있다. 이러한 윈도우층(600)은 다양한 방식으로 형성할 수 있는데, 예를 들어 ZnO을 타겟으로 한 스퍼터링 공정으로 ZnO층으로 형성할 수 있고, 산소 분위기에서 Zn 타겟을 이용하여 ZnO층을 형성할 수도 있다. 버퍼층(500) 및 윈도우층(600)은 광 흡수층(400)과 이후 형성되는 제 2 도전층(700)의 사이에 형성되어 광 흡수층(400)과 제 2 도전층(700)이 양호하게 접합되도록 한다. 즉, 광 흡수층(400)과 제 2 도전층(700)은 격자 상수와 에너지 밴드 갭의 차이가 크기 때문에 두 물질의 중간 밴드 갭을 갖는 버퍼층(500) 및 윈도우층(600)을 형성하여 광 흡수층(400)과 제 2 도전층(700)이 양호하게 접합될 수 있다.
제 2 도전층(700)은 금속 등의 도전성 물질, 예를 들어 알루미늄을 이용하여 형성할 수 있다. 또한, 제 2 도전층(700)이 태양 전지 전면의 투명 전극으로 기능할 수 있도록 투명 도전성 물질로 형성할 수도 있는데, 예를 들어 ZnO 등의 광투과율이 높은 투명 도전성 산화물을 이용하여 형성할 수도 있다. 또한, ZnO에 알루미늄 또는 알루미나를 도핑함으로써 낮은 저항값을 갖는 제 2 도전층(700)을 형성할 수 있다. 한편, 제 2 도전층(700)은 다양한 방법으로 형성할 수 있는데, 예를 들어 RF 스퍼터링 방법으로 ZnO 타겟을 사용하여 형성하는 방법과, Zn 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링 방법, 그리고 유기금속화학 증착법 등으로 형성될 수 있다. 또한, 전기 광학적 특성이 뛰어난 ITO(Indium Tin Oxide) 박막을 ZnO 박막 상에 증착하여 이중 구조의 제 2 도전층(700)을 형성할 수도 있다.
상기와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양 전지는 제 2 스크라이빙 영역(S2)에 더미 패턴(200)이 형성되고, 더미 패턴(200)의 상부면으로부터 측면을 따라 기판(100) 상으로 제 1 도전층(300)이 형성된다. 또한, 더미 패턴(200)을 제외한 영역에 광 흡수층(400), 버퍼층(500) 및 윈도우층(600)을 형성하여 상부 표면이 평탄화되도록 한 후 제 2 도전층(700)을 형성한다. 따라서, 단차가 발생되지 않는 평탄한 표면 상에 제 2 도전층(700)이 형성되므로 제 2 도전층(700)이 단선되는 문제가 발생되지 않아 태양 전지의 효율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 더미 패턴(200) 상에 형성된 제 1 도전층(300)에 의해 상호 인접하는 셀의 제 1 도전층(300)과 제 2 도전층(700)은 물리적, 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이 더미 패턴(200)과 일부 중첩되도록 제 3 스크라이빙 영역(S3)이 형성될 수 있다. 이때, 인접한 셀의 제 2 도전층(700)은 제 3 스크라이빙 영역(S3)에 의해 분리된다. 이 경우 제 3 스크라이빙 영역(S3)에 의한 데드 존이 줄어들어 태양 전지의 효율을 향상시킬 수 있다. 이때, 더미 패턴(200)은 제 3 스크라이빙 영역(S3)의 폭을 고려하여 더 넓은 폭으로 형성될 수도 있다.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 기판(100) 상의 소정 영역에 더미 패턴(200)을 형성한다.
기판(100)은 용도에 따라 다양한 특성의 기판을 이용할 수 있는데, 바람직하게는 광 투과성을 가지는 유리 기판을 이용할 수 있다. 또한, 더미 패턴(200)은 기판(100) 상의 소정 영역에 형성되며, 바람직하게는 제 2 스크라이빙 영역(S2)에 형성된다. 이러한 더미 패턴(200)은 기판(100) 상에 소정 간격 이격되어 일 방향으로 연장 형성될 수 있으며, 그에 따라 더미 패턴(200)은 예를 들어 스트라이프 형상이나 매트릭스 형상 등의 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 더미 패턴(200)은 예를 들어 50㎛∼100㎛의 폭으로 형성할 수 있으며, 적어도 일 측면이 경사지게 형성되어 상부의 폭이 하부의 폭보다 좁게 형성된다. 이러한 더미 패턴(200)은 절연 물질로 형성할 수 있다. 또한, 절연 기판(100)을 이용하는 경우 더미 패턴(200)은 기판(100)과 동일 물질로 형성할 수 있다. 이때, 더미 패턴(200)은 예를 들어 유리 패턴을 기판(100) 상에 부착하여 형성할 수도 있다. 한편, 더미 패턴(200)의 적어도 일 측면을 경사지게 형성하기 위해 레이저 또는 니들(needle)을 이용하여 가공할 수도 있다. 이렇게 더미 패턴(200)의 적어도 일 측면을 경사지게 형성함으로써 이후 형성되는 제 1 도전층(300)이 더미 패턴(200)의 상면으로부터 측면을 따라 기판(100) 상으로 형성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 기판(100) 및 더미 패턴(200)을 포함한 전체 상부에 제 1 도전층(300)을 형성한 후 기판(100) 상의 제 1 도전층(300)의 소정 영역을 제거하여 제 1 스크라이빙 영역(S1)을 형성한다.
제 1 도전층(300)은 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 크롬과 몰리브덴의 합금을 이용할 수 있으며, 특히 전기 전도도가 높고, 광 흡수층과의 오믹(ohmic) 특성이 우수하며, 셀레늄(Se) 분위기에서의 고온 안정성이 뛰어난 몰리브덴(Mo)을 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 제 1 도전층(300)은 다양한 방식으로 형성할 수 있는데, 예를 들어 금속 타겟(target)을 이용하여 스퍼터링(sputtering) 공정으로 형성할 수 있다. 한편, 제 1 도전층(300)의 도전 물질에 나트륨(Na) 이온이 도핑되어 형성될 수 있다.
또한, 제 1 스크라이빙 영역(S1)은 제 1 도전층(300)의 소정 영역을 제거함으로써 기판(100)의 소정 영역을 노출시켜 형성한다. 제 1 스크라이빙 영역(S1)에 의하여 제 1 도전층(300)은 스트라이프(stripe) 형태 또는 매트릭스(matrix) 형태로 배치될 수 있으며, 각각의 셀에 대응할 수 있다. 물론, 제 1 도전층(300)은 스크라이브 형태 또는 매트릭스 형태에 한정되지 않고, 다양한 형태로 패터닝될 수 있다. 제 1 스크라이빙 영역(S1)은 기계적 장치 또는 레이저 장치를 이용하여 형성할 수 있는데, 예를 들어 레이저를 일 방향으로 조사하여 제 1 도전층(300)을 제거함으로써 형성할 수 있다. 이러한 제 1 스크라이빙 영역(S1)은 예를 들어 50㎛∼100㎛의 폭으로 형성할 수 있다. 또한, 제 1 스크라이빙 영역(S1)은 제 2 스크라이빙 영역(S2)에 형성된 더미 패턴(200)과 접하도록 형성할 수 있고, 더미 패턴(200)과 소정의 간격으로 형성될 수 있는데, 예를 들어 50㎛∼100㎛의 간격으로 형성할 수 있다.
도 5를 참조하면, 더미 패턴(200) 및 제 1 도전층(300)을 포함한 전체 상부에 광 흡수층(400)을 형성한 후 광 흡수층(400) 상에 버퍼층(500) 및 윈도우층(600)을 형성한다.
광 흡수층(400)은 예를 들어 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ계 화합물로 형성할 수 있다. 즉, 광 흡수층(400)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드(Cu(In,Ga)Se2, CIGS) 화합물로 형성하거나, 구리-인듐-셀레나이드(CuInSe2, CIS) 화합물 또는 구리-갈륨-셀레나이드(CuGaSe2, CGS) 화합물로 형성할 수 있다. 광 흡수층(400)은 다양한 방식으로 형성할 수 있는데, 예를 들어 구리 타겟, 인듐 타겟 및 갈륨 타겟을 각각 이용하거나 구리, 인듐 및 갈륨의 혼합 타겟을 이용하여 스퍼터링 방식으로 CIG 금속 전구체(precursor)막을 형성한 후 고온에서 셀레늄(Se)를 이용하여 셀레니제이션(selenization) 공정을 실시함으로써 CIGS 화합물의 광 흡수층(400)을 형성할 수 있다. 또한, 광 흡수층(400)은 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄(Cu, In, Ga, Se)를 동시 증착법(co-evaporation)으로 형성할 수도 있다. 한편, 광 흡수층(400)의 셀레니제이션 공정을 실시할 때 제 1 도전층(300)을 이루는 금속 원소와 광 흡수층(400)을 이루는 원소가 상호 반응에 의하여 결합될 수 있다. 이에 따라, 금속간 화합물, 즉 합금막(450)이 제 1 도전층(300)의 표면에 형성될 수 있다. 예를 들어, 합금막(450)은 몰리브덴(Mo)과 셀레늄(Se)의 화합물인 MoSe2일 수 있다. 합금막(450)은 광 흡수층(400)과 제 1 도전층(300)이 접촉하는 계면에 형성되고, 제 1 도전층(300)의 표면을 보호할 수 있다. 한편, 합금막(450)은 제 1 스크라이빙 영역(S1)을 통해 노출된 기판(100)의 표면에는 형성되지 않으므로, 제 1 스크라이빙 영역(S1)의 내부에 광 흡수층(400)이 갭필될 수 있다.
버퍼층(500)은 예를 들어 화학 용액 증착법(chemical bath deposition: CBD)에 의하여 황화 카드뮴(CdS)으로 형성할 수 있다. 윈도우층(600)은 버퍼층(500) 상에 투명 도전성 물질로 형성할 수 있는데, 예를 들어 ITO, ZnO 및 i-ZnO의 어느 하나로 형성될 수 있다. 이러한 윈도우층(600)은 다양한 방식으로 형성할 수 있는데, 예를 들어 ZnO을 타겟으로 한 스퍼터링 공정으로 ZnO층으로 형성할 수 있고, 산소 분위기에서 Zn 타겟을 이용하여 ZnO층을 형성할 수도 있다. 버퍼층(500) 및 윈도우층(600)은 광 흡수층(400)과 이후 형성될 제 2 도전층(700)의 사이에 형성되어 광 흡수층(400)과 제 2 도전층(700)이 양호하게 접합되도록 한다.
도 6를 참조하면, 더미 패턴(200) 상에 존재하는 윈도우층(600), 버퍼층(500) 및 광 흡수층(400)을 제거한다.
더미 패턴(200) 상에 존재하는 광 흡수층(400), 버퍼층(500) 및 윈도우층(600)은 기계적 장치 또는 레이저 장치를 이용하여 제거할 수 있는데, 예를 들어 레이저를 더미 패턴(200)의 형성 방향으로 조사하여 제거할 수 있다. 이때, 더미 패턴(200)의 상면 상에 형성된 제 1 도전층(300)이 노출되도록 더미 패턴(200) 상에 존재하는 윈도우층(600), 버퍼층(500) 및 광 흡수층(400)을 제거할 수 있다. 이에 따라 더미 패턴(200) 상면에는 제 1 도전층(300)이 노출되고, 더미 패턴(200)의 측면 상에는 제 1 도전층(300) 및 광 흡수층(400)이 존재한다. 또한, 더미 패턴(200) 이외의 영역에는 광 흡수층(400), 버퍼층(500) 및 윈도우층(600)이 존재하게 된다. 따라서, 더미 패턴(200)을 포함한 전체 상부의 표면이 평탄하게 형성된다.
도 7을 참조하면, 더미 패턴(200) 상의 제 1 도전층(300) 및 윈도우층(600)을 포함한 전체 구조 상에 제 2 도전층(700)을 형성한다.
제 2 도전층(700)은 단차가 발생되지 않은 평탄한 상부면을 따라 형성된다. 또한, 제 2 도전층(700)은 더미 패턴(200) 상면의 제 1 도전층(300)과 전기적으로 연결되고, 제 1 도전층(300)은 더미 패턴(200)의 상면으로부터 더미 패턴(200)의 측면을 따라 기판(100) 상으로 형성되므로 제 2 도전층(700)에 의해 제 1 스크라이빙 영역(S1)까지의 제 1 도전층(300)은 제 2 도전층(700)과 전기적으로 연결된다. 한편, 제 2 도전층(700)은 알루미늄 등의 금속 물질을 이용하여 형성할 수 있다. 또한, 제 2 도전층(700)은 태양 전지 전면의 투명 전극으로 기능할 수 있도록 투명 도전성 물질로 형성할 수도 있다. 그리고, 제 2 도전층(700)은 ZnO 등의 투명 도전성 물질에 알루미늄 또는 알루미나를 도핑함으로써 저항을 낮출 수도 있다. 한편, 제 2 도전층(700)은 다양한 방법으로 형성할 수 있는데, 예를 들어 RF 스퍼터링 방법으로 ZnO 타겟을 사용하여 형성하는 방법과, Zn 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링 방법, 그리고 유기금속화학 증착법 등으로 형성될 수 있다. 또한, 전기 광학적 특성이 뛰어난 ITO(Indium Tin Oxide) 박막을 ZnO 박막 상에 증착하여 이중 구조의 제 2 도전층(700)을 형성할 수도 있다.
도 8을 참조하면, 제 2 도전층(700), 윈도우층(600), 버퍼층(500) 및 광 흡수층(400)의 소정 영역을 제거하여 제 3 스크라이빙 영역(S3)을 형성한다.
제 3 스크라이빙 영역(S3)은 기계적 장치 또는 레이저 장치를 이용하여 형성할 수 있는데, 예를 들어 레이저를 일 방향으로 조사하여 형성할 수 있다. 제 3 스크라이빙 영역(S3)은 합금막(450)을 선택적으로 노출시킬 수 있다. 한편, 제 3 스크라이빙 영역(S3)은 제 1 및 제 2 스크라이빙 영역(S1 및 S2)과 동일 형상으로 형성할 수 있다. 즉, 제 1 및 제 2 스크라이빙 영역(S1 및 S2)과 동일 방향의 스크라이프 형상으로 형성하거나 매트릭스 형상을 포함한 다양한 형상으로 제 3 스크라이빙 영역(S3)을 형성할 수 있다. 여기서, 제 3 스크라이빙 영역(S3)은 제 2 스크라이빙 영역(S2)과 인접하도록 형성할 수 있다. 또한, 제 3 스크라이빙 영역(S3)은 예를 들어 50㎛∼100㎛의 폭으로 형성하고, 제 3 스크라이빙 영역(S3)과 제 2 스크라이빙 영역(S2)은 50㎛∼100㎛의 간격을 유지하도록 형성할 수 있다. 제 3 스크라이빙 영역(S3)이 형성될 때 합금막(450)에 의하여 제 1 도전층(300)의 표면이 보호될 수 있다. 즉, 합금막(450)이 제 1 도전층(300)의 표면에 형성되어 있으므로 합금막(450)이 제 1 도전층(300)의 보호층 역할을 하게 되어 제 3 스크라이빙 영역(P3)을 형성하는 공정에서 제 1 도전층(300)이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 이러한 제 3 스크라이브 영역(P3)에 의하여 광 흡수층(400), 버퍼층(500), 윈도우층(600) 및 제 2 도전층(700)이 단위셀 별로 분리될 수 있다. 이때, 더미 패턴(200) 상에 형성된 제 1 도전층(300)에 의해 각각의 셀은 서로 연결될 수 있다. 즉, 더미 패턴(200) 상에 형성된 제 1 도전층(300)에 의해 상호 인접하는 셀의 제 1 도전층(300)과 제 2 도전층(700)은 물리적, 전기적으로 연결될 수 있다.
상기와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양 전지의 제조 방법은 제 2 스크라이빙 영역(S2)에 더미 패턴(200)을 형성하고, 더미 패턴(200)의 상부면으로부터 측면을 따라 기판(100) 상으로 제 1 도전층(300)을 형성한 후 제 1 스크라이빙 영역(S1)을 형성한다. 이어서, 더미 패턴(200)을 포함한 전체 영역에 광 흡수층(400), 버퍼층(500) 및 윈도우층(600)을 형성한 후 더미 패턴(200) 상의 상기 층들을 제거하여 전체 상부의 표면이 평탄화되도록 한다. 이어서, 전체 상부에 제 2 도전층(700)을 형성한 후 제 3 스크라이빙 영역(S3)을 형성한다. 따라서, 단차가 발생되지 않는 평탄한 표면 상에 제 2 도전층(700)이 형성되므로 제 2 도전층(700)이 단선되는 문제가 발생되지 않아 태양 전지의 효율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 더미 패턴(200) 상에 형성된 제 1 도전층(300)에 의해 상호 인접하는 셀의 제 1 도전층(300)과 제 2 도전층(700)은 물리적, 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 기판 200 : 더미 패턴
300 : 제 1 도전층 400 : 광 흡수층
500 : 버퍼층 600 : 윈도우층
700 : 제 2 도전층 450 : 합금막
S1 : 제 1 스크라이브 영역 S2 : 제 2 스크라이브 영역
S3 : 제 3 스크라이브 영역
300 : 제 1 도전층 400 : 광 흡수층
500 : 버퍼층 600 : 윈도우층
700 : 제 2 도전층 450 : 합금막
S1 : 제 1 스크라이브 영역 S2 : 제 2 스크라이브 영역
S3 : 제 3 스크라이브 영역
Claims (14)
- 기판 상의 일 영역에 형성된 더미 패턴;
상기 기판 및 더미 패턴 상에 형성된 제 1 도전층;
상기 기판 상의 상기 제 1 도전층 상에 형성된 광 흡수층; 및
상기 광 흡수층 및 더미 패턴 상의 제 1 도전층 상에 형성된 제 2 도전층을 포함하는 태양 전지.
- 기판 상의 일 영역에 형성된 더미 패턴;
상기 더미 패턴의 상부로부터 측면을 따라 상기 기판 상에 형성된 제 1 도전층;
상기 기판 상의 상기 제 1 도전층 상에 형성된 광 흡수층; 및
상기 광 흡수층 및 더미 패턴 상의 제 1 도전층 상에 형성된 제 2 도전층을 포함하며,
상기 제 2 도전층은 상기 더미 패턴 상의 제 1 도전층을 통해 상기 더미 패턴 측면 및 상기 기판 상의 제 1 도전층과 연결되는 태양 전지.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 기판 상의 제 1 도전층의 소정 영역이 제거되어 마련된 제 1 스크라이빙 영역;
상기 제 1 스크라이빙 영역과 소정 간격 이격되어 마련된 제 2 스크라이빙 영역; 및
상기 제 2 도전층 및 광 흡수층의 소정 영역이 제거되어 마련된 제 3 스크라이빙 영역을 더 포함하는 태양 전지.
- 제 3 항에 있어서, 상기 더미 패턴은 상기 제 2 스크라이빙 영역 상에 형성된 태양 전지.
- 제 3 항에 있어서, 상기 제 3 스크라이빙 영역은 상기 더미 패턴과 적어도 일부 중첩되도록 마련된 태양 전지.
- 제 3 항에 있어서, 상기 더미 패턴은 절연 물질로 형성된 태양 전지.
- 제 6 항에 있어서, 상기 더미 패턴은 적어도 일 측면이 경사지게 형성된 태양 전지.
- 제 7 항에 있어서, 상기 더미 패턴은 상기 제 1 도전층 및 광 흡수층의 두께를 고려하여 상부 표면이 평탄한 두께로 형성된 태양 전지.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 광 흡수층 상에 형성된 버퍼층 및 윈도우층을 더 포함하는 태양 전지.
- 기판 상의 일 영역에 더미 패턴을 형성하는 단계;
상기 기판 및 더미 패턴 상에 제 1 도전층을 형성하는 단계;
상기 제 1 도전층 상에 광 흡수층을 형성한 후 상기 더미 패턴 상에 잔류하는 상기 광 흡수층을 제거하는 단계; 및
상기 광 흡수층 및 더미 패턴 상의 제 1 도전층 상에 제 2 도전층을 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서, 상기 더미 패턴의 일 측면으로부터 상기 기판 상의 제 1 도전층의 소정 영역을 제거하여 제 1 스크라이빙 영역을 형성하는 단계; 및
상기 더미 패턴의 타 측면과 소정 간격 이격되도록 상기 제 2 도전층 및 광 흡수층의 소정 영역을 제거하여 제 3 스크라이빙 영역을 형성하는 단계를 더 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서, 상기 더미 패턴의 일 측면으로부터 상기 기판 상의 제 1 도전층의 소정 영역을 제거하여 제 1 스크라이빙 영역을 형성하는 단계; 및
상기 더미 패턴과 적어도 일부 중첩되도록 상기 제 2 도전층 및 광 흡수층의 소정 영역을 제거하여 제 3 스크라이빙 영역을 형성하는 단계를 더 포함하는 태양 전지의 제조 방법.
- 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 더미 패턴은 절연 물질을 이용하여 형성하는 태양 전지의 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서, 상기 더미 패턴은 적어도 일 측면이 경사지게 형성하는 태양 전지의 제조 방법.
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| KR20100024757A (ko) * | 2008-08-26 | 2010-03-08 | 주식회사 티지솔라 | 태양전지 및 그 제조방법 |
| JP2011018683A (ja) * | 2009-07-07 | 2011-01-27 | Mitsubishi Electric Corp | 薄膜太陽電池およびその製造方法 |
| KR20110035797A (ko) * | 2009-09-30 | 2011-04-06 | 엘지이노텍 주식회사 | 태양전지 및 이의 제조방법 |
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