KR101301003B1 - 박막 태양전지 제조방법 및 이를 이용하는 박막 태양전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 박막 태양전지 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 박막 태양전지 제조방법은 기판의 상측에 후면전극층을 적층하는 후면전극층 적층단계; 상기 기판 일부가 노출되도록 상기 후면전극층을 일부제거하여 패터닝 하는 후면전극층 패터닝 단계; 상기 패터닝 단계에서 노출되는 기판과 인접한 위치의 상기 후면전극층을 변형시켜 상기 기판으로부터 돌출되는 돌출패턴을 형성하는 돌출패턴 형성단계; 상기 돌출패턴이 외부로 노출되도록 상기 후면전극층의 상측에 광흡수층을 적층하는 광흡수층 적층단계; 상기 돌출패턴과 전기적으로 연결되도록 상기 광흡수층의 상측에 전면전극층을 적층하는 전면전극층 적층단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 의하여, 간소화된 형태의 공정이 제공될 수 있는 박막 태양전지 제조방법이 제공된다.

Description

박막 태양전지 제조방법 및 이를 이용하는 박막 태양전지{METHOD FOR MANUFACTURING THIN FILM SOLAR CELL AND THIN FILM SOLAR CELL USING THE SAME}
본 발명은 박막 태양전지 제조방법 및 이를 이용하는 박막 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구조 및 제조공정을 간소화할 수 있는 박막 태양전지 제조방법 및 이를 이용하는 박막 태양전지에 관한 것이다.
최근에는 환경오염과 에너지 고갈에 대한 우려로 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그중에서도 최근에는 기판 위에 박막형태의 태양전지를 증착한 박막 태양전지에 관한 많은 연구 개발이 이루어지고 있다.
박막 태양전지는 소재에 따라 비정질/결정질 실리콘 박막 태양전지, CIGS 박막 태양전지, CdTe 박막 태양전지, 염료감응 태양전지 등으로 구분될 수 있다. 그 중, CIGS 박막 태양전지는 생산단가가 낮고 효율이 높은 장점으로 인해 활발한 연구가 진행되고 있다.
일반적으로 CIGS 박막 태양전지는 기판, 후면전극, 광흡수층, 전면전극 등을 포함하여 구성되며, 태양전지의 면적이 커지면 면저항의 증가로 인하여 효율이 감소하게 되므로 대면적 모듈의 경우에는 일정한 간격으로 직렬 연결되도록 패터닝된다.
도 1은 종래의 스크라이빙 공정을 통하여 제작되는 박막 태양전지의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 종래 CIGS 박막 태양전지는 기판(10) 상에 후면전극(20)을 형성한 후, 레이저를 이용한 스크라이빙(scribing) 공정(P1)을 통해 후면전극(20)을 패턴화하고, 패턴화된 후면전극(20) 위에 광흡수층(30)을 형성한 후, 2차 스크라이빙 공정(P2)을 거쳐 광흡수층(30)을 패터닝하고, 광흡수층(30) 위에 전면전극(40)을 형성한 후, 3차 스크라이빙 공정(P3)을 거쳐 전면전극(40)을 패터닝하는 과정에 의해 셀간 모노리틱(monolithic)한 연결 구조를 갖도록 제조될 수 있다.
그러나, 기존에는 후면전극, 광흡수층 및 전면전극이 독립적으로 각각 다른 3번의 스크라이빙 공정(P1,P2,P3)에 의해 패터닝되도록 구성됨에 따라 제조공정이 복잡해지는 문제점이 있으며, 가공비용이 증가하고 가공시간이 길어지는 문제점이 있다.
또한, 기존 CIGS 박막 태양전지에서 제1 내지 제3 스크라이빙 공정에 의해 스크라이빙이 이루어지는 구간은 발전이 이루어지지 못하는 데드존(dead zone)으로서 스크라이빙 구간이 커질수록 광변환 효율이 저하되는 문제점이 있다.
이를 위해, 최근에는 박막 태양전지의 제조공정을 간소화하고 효율을 향상시키기 위한 일부 대책들이 제안되고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 절실히 요구되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 제조방법을 간소화하는 동시에 광전환 효율이 향상될 수 있는 박막 태양전지 제조방법 및 이를 이용하는 박막 태양전지을 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 기판의 상측에 후면전극층을 적층하는 후면전극층 적층단계; 상기 기판 일부가 노출되도록 상기 후면전극층을 일부제거하여 패터닝 하는 후면전극층 패터닝 단계; 상기 패터닝 단계에서 노출되는 기판과 인접한 위치의 상기 후면전극층을 변형시켜 상기 기판으로부터 돌출되는 돌출패턴을 형성하는 돌출패턴 형성단계; 상기 돌출패턴이 외부로 노출되도록 상기 후면전극층의 상측에 광흡수층을 적층하는 광흡수층 적층단계; 상기 돌출패턴과 전기적으로 연결되도록 상기 광흡수층의 상측에 전면전극층을 적층하는 전면전극층 적층단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 제조방법에 의해 달성된다.
또한, 상기 돌출패턴은 레이저를 이용하여 형성할 수 있다.
또한, 상기 돌출패턴 형성단계에서는 레이저가 조사되는 상기 후면전극층이 기화되어 상기 기판으로부터 부풀어 오름으로써 돌출될 수 있다.
또한, 상기 돌출패턴 형성단계에서는 상기 패터닝 단계에서 노출되는 기판과 인접한 위치에 레이저가 조사되도록 함으로써, 상기 돌출패턴은 적어도 일부가 개방될 수 있다.
또한, 상기 패터닝 단계에서 레이저를 이용하여 후면전극층을 제거하여 패터닝할 수 있다.
또한, 상기 패터닝 단계와 상기 돌출패턴은 소정의 간격을 두고 동시에 이동하며 상기 후면전극층 측으로 레이저를 각각 조사하는 제1레이저 장치 및 제2레이저 장치에 의하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 후면전극층은 금속재질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 목적은, 본 발명에 따라, 기판; 상기 기판의 상측에 적층되되, 적어도 일부는 제거되고, 적어도 일부는 변형하여 상기 기판의 상측으로 돌출되는 돌출패턴을 형성하는 후면전극층; 상기 돌출패턴의 높이보다 낮은 높이로 상기 후면전극층 상에 적층되는 광흡수층; 상기 돌출패턴과 전기적으로 접촉되도록 상기 광흡수층 상에 적층되는 전면전극층;을 포함하며, 상기 돌출패턴은 상기 후면전극층이 기화하여 변형을 일으켜 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 스크라이빙 공정횟수를 최소화하여 제조공정을 간소화하고 생산시간 및 단가를 절감할 수 있는 박막 태양전지 제조방법 및 이를 이용한 박막 태양전지가 제공된다.
또한, 스크라이빙 구간에 의한 데드존(dead zone)의 발생을 최소화함으로써, 광변환 효율이 향상될 수 있다.
도 1은 종래의 스크라이빙 공정을 통하여 제작되는 박막 태양전지의 단면을 개략적으로 도시한 것이고,
도 2는 본 발명의 박막 태양전지 제조방법의 개략적인 공정 흐름도이고,
도 3은 도 2의 박막 태양전지 제조방법의 후면전극층 적층단계의 공정을 개략적으로 도시한 것이고,
도 4는 도 2의 박막 태양전지 제조방법의 패터닝 단계의 공정을 개략적으로 도시한 것이고,
도 5는 도 2의 박막 태양전지 제조방법의 돌출패턴 형성단계의 공정을 개략적으로 도시한 것이고,
도 6은 도 2의 박막 태양전지 제조방법의 패터닝 단계와 돌출패턴 형성단계의 공정의 일례를 개략적으로 도시한 것이고,
도 7은 도 2의 박막 태양전지 제조방법의 광흡수층 형성단계와 전면전극층 적층단계의 공정의 일례를 개략적으로 도시한 것이고,
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 박막 태양전지 제조방법의 후면전극층 적층단계와 패터닝단계와 돌출패턴 형성단계의 공정을 개략적으로 도시한 것이고,
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 박막 태양전지 제조방법에 의하여 제작되는 박막태양전지의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 박막 태양전지 제조방법(S100)에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 박막 태양전지 제조방법의 개략적인 공정 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 박막 태양전지 제조방법(S100)은 후면전극층 적층단계(S110)와 패터닝 단계(S120)와 돌출패턴 형성단계(S130)와 광흡수층 적층단계(S140)와 전면전극층 적층단계(S150)를 포함한다.
도 3은 도 2의 박막 태양전지 제조방법의 후면전극층 적층단계의 공정을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 후면전극층 적층단계(S110)는 기판(110) 상에 후면전극층(120)을 적층하는 단계이다.
본 실시예에서 기판(110)으로는 투명재질의 유리가 이용되나, 이에 제한되는 것은 아니고, 유연성이 있는 고분자 재질 또는 스테인리스 박판과 같은 금속 박판이 이용될 수 있다.
마련된 기판(110) 상에 물리적 증기 증착법(PVD:Physical Vapor Deposition)과 같은 통상의 증착 방법을 이용하여 후면전극층(120)을 적층한다. 본 실시예에서의 후면전극층은 1μm 수준의 몰리브덴(Mo) 금속박막이 이용되나, 후술하는 돌출패턴 형성단계(S130)에서 레이저 가공시에 돌출패턴(122)이 형성될 수 있는 재질이라면 제한되지 않고 사용될 수 있다.
도 4는 도 2의 박막 태양전지 제조방법의 패터닝 단계의 공정을 개략적으로 도시한 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 패터닝 단계(S120)는 기판(110) 상에 적층되는 후면전극층(120) 중 일부를 제거하여 기판(110) 중 일부영역을 외부에 노출시키는 단계이다.
본 단계에서는 레이저를 투명재질의 기판(110)을 통하여 후면전극층(120) 측으로 조사함으로써 진행된다. 본 패터닝 단계(S120)에서는 제1레이저 장치가 이용되고, 제1레이저 장치에서 조사되는 제1레이저광(L1)은 후면전극층(120)을 제거할 수 있을 정도의 충분한 강도를 갖도록 설정되는 것이 바람직하다.
한편, 본 실시예에서 패터닝 단계(S120)에서 제거되는 후면전극층(120)의 영역(121)은 소정의 선폭을 가지는 라인형 패턴을 가지나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 5는 도 2의 박막 태양전지 제조방법의 돌출패턴 형성단계의 공정을 개략적으로 도시한 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 돌출패턴 형성단계(S130)는 상술한 패터닝 단계(S120)에서 제거되는 후면전극층(120)의 영역(121)과 인접한 위치의 기판(110)으로부터 상측으로 돌출되는 돌출패턴(122)을 형성하는 단계이다.
먼저, 제2레이저 장치로부터 제2레이저광(L2)을 발생시켜 후면전극층(120) 측으로 조사한다. 이때, 패터닝 단계(S120)에서 제거되는 후면전극층의 영역(121)과 인접한 위치에 제2레이저광(L2)을 조사하는 것이 바람직하다.
본 단계에서 조사되는 제2레이저광(L2)은 제1레이저광(L1)의 특성과는 달리, 후면전극층(120)을 완전히 제거할 수 있을 정도의 강도보다 낮은 강도로 설정된다. 다시 설명하면, 제2레이저광(L2)의 강도를 조절하여 후면전극층(120)에 조사함으로써, 금속재질의 후면전극층(120)이 순간적으로 기화하여 상측으로 부풀어 오르도록 하되, 완전히 제거되지는 않도록 한다.
본 실시예에서 제2레이저광(L2)은 후면전극층(120)의 계면 일부를 기화시키기 위하여 펨토초(femtosecond) 또는 피코초(picosecond) 펄스를 갖는 레이저가 사용되는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로는, 특성이 조절된 제2레이저광(L2)을 이용하여 후면전극층(120)의 가공시에, 후면전극층(120)이 비등점 이상으로 가열되면서 기화가 일어나게 되고, 기화현상으로 금속증기가 발생하면서 후면전극층(120)을 기판(110)의 상측으로 밀어내면서 형상변형을 유도하게 된다.
상술한 바에 의하여, 제2레이저광(L2)에 의하여 후면전극층(120)은 상측으로 부풀어 올라 형상 변형을 일으킴으로써 기판(110)의 상측으로 돌출되는 돌출패턴(122)을 형성하게 된다. 한편, 돌출패턴(122)의 형상 및 높이는 조사되는 제2레이저광(L2)의 강도, 선폭 등의 특성 및 후면전극층(120) 재질의 특성 등에 의하여 결정되는 것이므로, 이를 고려하여 돌출패턴(122)의 형상 및 높이를 제어할 수도 있다.
도 6은 도 2의 박막 태양전지 제조방법의 패터닝 단계와 돌출패턴 형성단계의 공정의 일례를 개략적으로 도시한 것이다.
또한, 도 6을 참조하여 패터닝 단계(S120)와 돌출패턴 형성단계(S130) 공정의 일례를 설명하면, 소정간격(d) 이격 배치되는 제1레이저 장치(150)와 제2레이저 장치(160)가 서로 다른 광특성의 제1레이저광(L1) 및 제2레이저광(L2)을 각각 조사하며 R기판의 하면을 따라 진행하도록 함으로써 후면전극층(120) 일부영역(121)을 제거하는 동시에 이와 인접한 위치의 기판(110) 상에 돌출패턴(122)을 형성할 수도 있다.
도 7은 도 2의 박막 태양전지 제조방법의 광흡수층 형성단계와 전면전극층 적층단계의 공정의 일례를 개략적으로 도시한 것이다.
도 7(a)에 도시된 바와 같이, 상기 광흡수층 적층단계(S140)는 후면전극층(120) 상에 광흡수층(130)을 적층하는 단계이다.
본 단계에서는, 후면전극층(120)의 전면을 커버하되, 상대적으로 높은 높이로 돌출되는 돌출패턴(122)이 외부로 노출될 수 있도록 광흡수층(130)을 적층한다. 따라서, 본 단계에 의하여, 광흡수층(130)은 돌출패턴(122)을 통하여 후면전극층(120)에 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 본 단계에서 광흡수층(130)의 재질로는 I-III-VI2 화합물인 Cu(In,Ga)Se2(CIGS)가 사용되며, 동시증착(co-evaporation)법, 스퍼터링(sputtering)법, 전착(electrodeposition)법, 유기금속 기상성장법(MOCVD:Molecular Organic Chemical Vapor Deposition)법 등에 의하여 적층될 수 있으나, 재질 및 적층방법 등이 상술한 내용에 제한되는 것은 아니다.
또한, 광흡수층(130)의 상부에는 별도의 버퍼층(미도시)이 형성될 수도 있으며, 이러한 버퍼층은 CdS가 화학적 용액성장법(CBD:Chemical Bath Deposition)에 의하여 형성될 수 있으며, 이러한 경우에도 버퍼층의 상측으로 돌출패턴(122)이 노출된다.
도 7(b)에 도시된 바와 같이, 상기 전면전극층 적층단계(S150)는 광흡수층(130)의 상측에 전면전극(140)을 적층하는 단계이다.
본 단계에서는 광흡수층(130)의 상측에 전면전극층(140)을 적층함으로써 광흡수층(130)을 커버하되, 적층되는 전면전극층(140)은 광흡수층(130)으로부터 상측으로 일부 노출되는 돌출패턴(122)과 접촉하게 된다.
한편, 돌출패턴(122)은 전면전극층(140)과 전기적인 접촉상태를 유지하면 되는 것이므로, 돌출패턴(122)이 전면전극층(140)에 의하여 외부에 노출되지 않을 수도 있고, 돌출패턴(122)이 외부에 완전히 노출되도록 전면전극층(140)을 적층함으로써 전면전극층(140)의 상면이 돌출패턴(122)에 의하여 구획될 수도 있다.
전면전극층(140)은 윈도우층(window layer)의 기능을 수행하는 것이므로 광투과율 및 전기전도성이 우수한 재질이 이용된다. 본 실시예에서는 산화아연(ZnO) 박막이 RF 스퍼터링법에 의하여 적층됨으로써 전면전극층(140)을 형성할 수 있으나, ITO(Indium TinOxide) 박막과 같은 재질이 이용될 수도 있으며, 재질 및 공정이 상술한 내용에 제한되는 것은 아니다.
따라서, 본 실시예에 의하면 비교적 간소화된 공정을 통하여 박막 태양전지를 제작할 수 있으며, 제작된 박막 태양전지는 데드존(Dead Zone)이 줄어듬과 동시에 광변환효율은 상승한다.
다음으로 본 발명의 제2실시예에 따른 박막 태양전지 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 제2실시예에 따른 박막 태양전지 제조방법(S200)은 후면전극층 적층단계(S210)와 패터닝 단계(S220)와 돌출패턴 형성단계(S230)와 광흡수층 적층단계(S240)와 전면전극층 적층단계(S250)를 포함한다.
본 실시예의 후면전극층 적층단계(S210)와 패터닝 단계(S220)와 광흡수층 적층단계(S240)와 전면전극층 적층단계(S250)는 제1실시예에서 상술한 공정과 동일한 것이므로 중복설명은 생략한다.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 박막 태양전지 제조방법의 후면전극층 적층단계와 패터닝단계와 돌출패턴 형성단계의 공정을 개략적으로 도시한 것이다.
도 8(c)에 도시된 바와 같이, 상기 돌출패턴 형성단계(S230)에서는 제1실시예의 돌출패턴(122)과는 달리 측면영역이 개방되는 형태의 돌출패턴(222)을 형성한다.
즉, 패터닝 단계(S220)에서 제거되는 후면전극층의 영역(221)의 경계 측으로 제2레이저광(L2)을 조사하고, 후면전극층(220)이 기화되도록 한다. 기화되는 후면전극층(220)과 기판(210) 사이에서 발생하는 금속증기가 후면전극층(220)을 상측으로 밀어내면, 기판(210)의 상측으로 돌출되는 돌출패턴(222)이 형성된다.
이때, 본 실시예에서 제2레이저광(L2)에 의하여 조사되는 영역은 제거된 후면전극층의 영역(221)의 경계와 인접한 것이므로, 패터닝 단계(S220)에서 제거되는 영역(221)과 경계에 있던 후면전극층(220)이 기판(210)으로부터 이탈함과 동시에 기판(210)의 상측으로 이격되는 형태를 형성한다.
즉, 이에 의하여, 후면전극층(220)은 기판(210)과의 사이에 공간을 형성하며 측부가 개방되는 형태의 돌출패턴(222)을 형성하게 된다.
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 박막 태양전지 제조방법에 의하여 제작되는 박막태양전지의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 의하여 제조된 박막 태양전지는 후면전극층이 측방으로 개방된 상태가 된다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
100 : 박막 태양전지 110 : 기판
120 : 후면전극층 122 : 돌출패턴
130 : 광흡수층 140 : 전면전극층

Claims (8)

  1. 기판의 상측에 후면전극층을 적층하는 후면전극층 적층단계;
    상기 기판 일부가 노출되도록 상기 후면전극층을 일부제거하여 패터닝 하는 후면전극층 패터닝 단계;
    상기 패터닝 단계에서 노출되는 기판과 인접한 위치의 상기 후면전극층을 변형시켜 상기 기판으로부터 돌출되는 돌출패턴을 형성하는 돌출패턴 형성단계;
    상기 돌출패턴이 외부로 노출되도록 상기 후면전극층의 상측에 광흡수층을 적층하는 광흡수층 적층단계;
    상기 돌출패턴과 전기적으로 연결되도록 상기 광흡수층의 상측에 전면전극층을 적층하는 전면전극층 적층단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 돌출패턴은 레이저를 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 돌출패턴 형성단계에서는 레이저가 조사되는 상기 후면전극층은 계면에서 일부가 기화되어 상기 기판으로부터 부풀어 오름으로써 돌출되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 제조방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 돌출패턴 형성단계에서는 상기 패터닝 단계에서 노출되는 기판과 인접한 위치에 레이저가 조사되도록 함으로써, 상기 돌출패턴은 적어도 일부가 개방되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 패터닝 단계에서 레이저를 이용하여 후면전극층을 제거하여 패터닝 하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 패터닝 단계와 상기 돌출패턴은 소정의 간격을 두고 동시에 이동하며 상기 후면전극층 측으로 레이저를 각각 조사하는 제1레이저 장치 및 제2레이저 장치에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 후면전극층은 금속재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 제조방법.
  8. 기판;
    상기 기판의 상측에 적층되되, 적어도 일부는 제거되고, 적어도 일부는 변형하여 상기 기판의 상측으로 돌출되는 돌출패턴을 형성하는 후면전극층;
    상기 돌출패턴의 높이보다 낮은 높이로 상기 후면전극층 상에 적층되는 광흡수층;
    상기 돌출패턴과 전기적으로 접촉되도록 상기 광흡수층 상에 적층되는 전면전극층;을 포함하며,
    상기 돌출패턴은 상기 후면전극층이 기화하여 변형을 일으켜 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
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