KR101326950B1 - 태양전지 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 태양전지는 지지기판 상면에 배치되는 후면 전극층; 상기 후면 전극층 상면에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상면에 배치되는 전면 전극층; 및 상기 전면 전극층 상면에 배치되며, 위치에 따라 VA(vinyl acetate)의 함량이 다른 제 1 복합 EVA(ethylenevinylacetate)층을 포함한다.

Description

태양전지{SOLAR CELL}
실시예는 복합 EVA층을 포함하는 태양전지에 관한 것이다.
태양전지는 p-n 접합 다이오드에 빛을 쪼이면 전자가 생성 되는 광기전력 효과(photovoltaic effect)를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 소자로 정의할 수 있다. 태양전지는 접합 다이오드로 사용되는 물질에 따라, 실리콘 태양전지, I-III-VI족 또는 III-V족 화합물로 대표되는 화합물 반도체 태양전지, 염료감응 태양전지, 유기물 태양전지로 나눌 수 있다.
I-III-VI족 Chalcopyrite계 화합물 반도체 중 하나인 CIGS(CuInGaSe) 태양전지는 광 흡수가 뛰어나고, 얇은 두께로도 높은 광전 변환효율을 얻을 수 있으며, 전기 광학적 안정성이 매우 우수하여 기존 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 태양전지로 부각되고 있다.
CIGS 태양전지는 외부로부터 수분(H2O) 또는 산소(O2) 등에 저항력이 있어야 하며, 이러한 신뢰성 문제를 해결 하는 것은 CIGS 태양전지 성능에 있어 상당히 중요한 요소 중 하나이다. 일반적으로 CIGS 태양전지는 각층의 계면, 특히 전면 전극층과 인접한 층간의 계면을 통하여 수분(H2O) 또는 산소(O2)가 태양전지 내부로 침투하게 된다. 종래에는 이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 태양전지에 실링(Sealing) 처리를 하였으나, 실링 처리를 하더라도 기판과 실링 간의 계면을 타고 수분이 태양전지 내부로 침투하여 태양전지 전극이 부식되는 등, 태양전지의 성능이 저하 되는 문제가 있다.
실시예는 신뢰성 및 안정성이 향상되고, 광-전 변환효율이 향상된 태양전지를 제공하고자 한다.
제 1 실시예에 따른 태양전지는 지지기판 상면에 배치되는 후면 전극층; 상기 후면 전극층 상면에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상면에 배치되는 전면 전극층; 및 상기 전면 전극층 상면에 배치되며, 위치에 따라 VA(vinyl acetate)의 함량이 다른 제 1 복합 EVA(ethylenevinylacetate)층을 포함한다.
제 2 실시예에 따른 태양전지는 지지기판 상면에 배치되는 후면 전극층; 상기 후면 전극층 상면에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상면에 배치되는 전면 전극층; 상기 전면 전극층 상면에 배치되는 제 1 EVA층; 및 상기 제 1 EVA층 상면의 외곽 영역에 배치되는 제 2 EVA층을 포함하며, 상기 제 1 EVA층의 VA(vinyl acetate) 함량과 상기 제 2 EVA층의 VA(vinyl acetate) 함량은 서로 다르다.
실시예에 따른 태양전지의 복합 EVA(ethylenevinylacetate)층은 내부 영역보다 외곽 영영에서 VA(vinyl acetate)의 함량이 높다. 이에 따라, 외곽 영역에서의 복합 EVA층은 고분자 특성이 보다 향상되고, 전면 전극층과의 접착령이 보다 강화될 수 있다. 이에 따라, 실시예에 따른 태양전지는 수분(H2O) 또는 산소(O2)가 태양전지 내부로 침투하는 것을 최소화 하여, 태양전지 셀들을 효과적으로 보호함으로써, 소자의 안정성 및 신뢰성 확보에 크게 기여할 수 있다.
도 1 및 도 2는 제 1 실시예에 따른 태양전지의 단면을 도시한 단면도들이다.
도 3 및 도 4는 제 1 실시예에 따른 태양전지의 단면을 도시한 단면도들이다.
실시예의 설명에 있어서, 각 기판, 층, 막 또는 전극 등이 각 기판, 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 1 및 도 2는 실시예에 따른 태양전지의 단면을 도시한 단면도들이다. 도 1를 참조하면, 제 1 실시예에 따른 태양전지는 지지기판(100), 후면 전극층(200), 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500), 전면 전극층(600) 및 제 1 복합 EVA층(700)을 포함한다.
상기 지지기판(100)은 플레이트 형상을 가지며, 상기 후면 전극층(200), 상기 광 흡수층(300), 상기 버퍼층(400), 상기 고저항 버퍼층(500), 상기 전면 전극층(600) 및 상기 제 1 복합 EVA층(700)을 지지한다.
상기 지지기판(100)은 투명할 수 있고 리지드하거나 플렉서블할 수 있다. 또한, 상기 지지기판(100)은 절연체일 수 있다. 예를 들어, 상기 지지기판(100)은 유리기판, 플라스틱기판 또는 금속기판일 수 있다. 더 자세하게, 상기 지지기판(100)은 소다 라임 글래스(soda lime glass) 기판일 수 있다. 이와는 다르게, 상기 지지기판(100)의 재질로 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸, 유연성이 있는 고분자 등이 사용될 수 있다.
상기 후면 전극층(200)은 상기 지지기판(100) 상에 배치된다. 상기 후면 전극층(200)은 PVD(Physical Vapor Deposition) 또는 도금의 방법으로 형성될 수 있다.
상기 후면 전극층(200)은 도전층이다. 상기 후면 전극층(200)은 몰리브덴(Mo), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 텅스텐(W) 및 구리(Cu) 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 이 가운데, 특히 몰리브덴(Mo)은 다른 원소에 비해 상기 지지기판(100)과 열팽창 계수의 차이가 적기 때문에, 접착성이 우수하여 박리현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 상기 후면 전극층(200) 상에 배치된다. 상기 광 흡수층(300)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ 화합물을 포함한다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)(Se,S)2; CIGSS계) 결정 구조, 구리-인듐-셀레나이드계 또는 구리-갈륨-셀레나이드계 결정 구조를 가질 수 있다. 상기 광 흡수층(300)은 당업계예서 CIGS 태양전지를 제조하기 위해 통상적으로 사용되는 공정을 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발시키면서 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2; CIGS계)의 광 흡수층(300)을 형성하는 방법과 금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션(Selenization) 공정에 의해 형성시키는 방법이 사용될 수 있다.
상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치된다. 상기 버퍼층(400)은 황화 카드뮴, ZnS, InXSY 및 InXSeYZn(O, OH) 등을 포함한다. 상기 버퍼층(400)의 두께는 약 50 ㎚ 내지 약 150 ㎚ 일 수 있으며, 상기 버퍼층(400)의 에너지 밴드갭은 약 2.2 eV 내지 2.4 eV 일 수 있다. 상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 황화 카드뮴이 화학 용액 증착법(chemical bath deposition; CBD)에 의해서 증착 되어 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 고저항 버퍼층(500)은 상기 버퍼층(400) 상에 배치된다. 상기 고저항 버퍼층(500)은 불순물이 도핑되지 않은 징크 옥사이드(i-ZnO)를 포함한다. 상기 고저항 버퍼층(500)의 에너지 밴드갭은 약 3.1 eV 내지 약 3.3 eV 일 수 있다. 상기 고저항 버퍼층(500)은 징크 옥사이드를 스퍼터링 공정 등에 의해 상기 버퍼층(400) 상에 증착하여 제조할 수 있다.
상기 전면 전극층(600)은 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 형성된다. 상기 전면 전극층(600)은 상기 광 흡수층(300)과 pn 접합을 형성할 수 있다. 즉, 상기 광 흡수층(300)은 p형 반도체 화합물층이고, 상기 전면전극층(600)은 n형 윈도우층일 수 있다.
상기 전면전극층(600)은 투명하다. 상기 전면전극층(600)을 사용되는 물질의 예로서는 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드(Al doped ZnO;AZO), 인듐 징크 옥사이드(indium zinc oxide;IZO) 또는 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide;ITO) 등을 들 수 있다. 또한, 상기 전면전극층(600)의 두께는 약 0.5 ㎛ 내지 약 1 ㎛ 일 수 있다.
상기 전면 전극층(600)은 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 투명한 도전물질을 적층하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 전면 전극층(600)은 스퍼터링(sputtering) 또는 화학기상증착법(chemical vapor deposition)에 의하여 형성될 수 있으며, 더 자세하게, 상기 전면 전극층(600)은 스퍼터링 공정에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 전면 전극층(600)은 RF 스퍼터링방법으로 ZnO 타겟을 사용하여 증착하는 방법과 Zn 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링 공정에 의해 제조될 수 있다. 또한, 상기 전면 전극층(600)은 유기금속화학증착법에 의하여 제조될 수 있다.
상기 제 1 복합 EVA층(700)은 상기 전면 전극층(600) 상에 배치된다. 상기 제 1 복합 EVA층(700)은 태양전지와 보호 패널(미도시) 간의 접착력을 향상 시킬 뿐만 아니라, 외부의 충격으로부터 상기 태양전지를 보호할 수 있다.
상기 제 1 복합 EVA층(700)은 위치에 따라 VA(vinyl acetate)의 함량이 다르다. 더 자세하게, 상기 제 1 복합 EVA층(700) 의 외곽 영역(OR)의 VA 함량은 상기 제 1 복합 EVA층(700)의 내부 영역(CR)의 VA 함량보다 클 수 있다.
본원 명세서에서 사용되는 용어 “외곽 영역(OR)”은 특정 층(layer)의 최외곽에서부터 특정 측(layer) 넓이의 약 5% 내지 약 15% 에 해당하는 넓이만큼 내측으로 위치한 영역까지를 의미할 수 있고, 본원 명세서에서 사용되는 용어 “내부 영역(CR)”은 특정 층에서 상기 외곽 영역(OR)을 제외한 영역을 의미할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 제 1 복합 EVA층(700)이 외곽 영역(OR)에서의 VA 함량은 약 34% 내지 약 50% 이고, 상기 제 1 복합EVA층(700)의 내부 영역(CR)의 VA 함량은 28% 내지 33% 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이에 따라, 외곽 영역(OR)에서의 제 1 복합 EVA층(700)은 고분자 특성이 보다 향상되고, 상기 전면 전극층(700)과의 접착력이 보다 강화될 수 있다. 이에 따라, 실시예에 따른 태양전지는 수분(H2O) 또는 산소(O2)가 태양전지 내부로 침투하는 것을 최소화 하여, 태양전지 셀들을 효과적으로 보호함으로써, 소자의 안정성 및 신뢰성 확보에 크게 기여할 수 있다.
한편, 도면에는 도시하지 않았으나, 상기 제 1 복합 EVA층(700) 상에는 상부 패널(미도시)이 배치될 수 있다. 상기 상부 패널은 외부의 물리적인 충격 및/또는 이물질로부터 상기 태양전지를 보호한다. 상기 상부패널은 투명하며, 예를 들어, 강화 유리 등을 포함할 수 있다. 이때, 강화 유리는 철 성분 함량이 낮은 저(low) 철분 강화 유리(low iron tempered glass)일 수 있다.
도 2를 참조하면, 제 1 실시예에 따른 태양전지는 제 2 복합 EVA층(800)을 추가로 포함한다. 더 자세하게, 상기 제 2 복합 EVA층(800)은 상기 지지기판(100)의 하면에 배치된다. 상기 제 2 복합 EVA층(800)은 상기 제 1 복합 EVA층(800)과 관련하여 개시한 내용이 모두 적용될 수 있다.
상기 제 2 복합 EVA층(800)은 위치에 따라 VA(vinyl acetate)의 함량이 다르다. 더 자세하게, 상기 제 2 복합 EVA층(800) 의 외곽 영역(OR)의 VA 함량은 상기 제 2 복합 EVA층(800)의 내부 영역(CR)의 VA 함량보다 클 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 복합 EVA층(800)이 외곽 영역(OR)에서의 VA 함량은 약 34% 내지 약 50% 이고, 상기 제 2 복합EVA층(800)의 내부 영역(CR)의 VA 함량은 28% 내지 33% 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 한편, 도면에는 도시하지 않았으나, 상기 제 2 복합 EVA층(800)의 하면에는 추가로 백시트(backsheet)가 배치될 수 있다.
도 3 및 도 4는 제 2 실시예에 따른 태양전지의 단면을 도시한 단면도들이다. 도 3을 참조하면, 제 2 실시예에 따른 태양전지는 지지기판(100) 상면에 배치되는 후면 전극층(200); 상기 후면 전극층(200) 상면에 배치되는 광 흡수층(300); 상기 광 흡수층(300) 상면에 배치되는 버퍼층(400); 상기 버퍼층(400) 상면에 배치되는 고저항 버퍼층(500) 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 배치되는 전면 전극층(200); 상기 전면 전극층 상면에 배치되는 제 1 EVA층(710); 및 상기 제 1 EVA층(710) 상면의 외곽 영역에 배치되는 제 2 EVA층(720)을 포함한다.
상기 제 1 EVA층(710)의 VA 함량과 상기 제 2 EVA층(720)의 함량은 서로 다르다. 더 자세하게, 상기 제 1 EVA층(710)의 VA 함량은 상기 제 2 EVA층(720)의 VA 함량보다 작을 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 EVA층(710)의 VA 함량은 28% 내지 33% 이고, 상기 제 2 EVA층(720)의 VA 함량은 34% 내지 50% 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 제 2 실시예에 따른 태양전지는 제 3 EVA층(810) 및 제 4 EVA층(820)을 추가로 포함할 수 있다. 더 자세하게, 상기 제 3 EVA층(810)은 상기 지지기판(10)의 하면에 배치되고, 상기 제 4 EVA층(820)은 상기 제 3 EVA층(810)의 하면에 배치될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제 3 EVA층(810)의 VA 함량은 28% 내지 33% 이고, 상기 제 4 EVA층(820)의 VA 함량은 34% 내지 50% 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이에 따라, 제 2 실시예에 따른 태양전지는 고분자 특성이 향상된 제 2 EVA층(720)을 제 1 EVA층(710)에 배치시키고, 제 4 EVA층(820)을 제 3 EVA층(810)에 배치시킴으로써 층간의 접착력을 보다 강화시킬 수 있다. 이에 따라, 제 2 실시예에 따른 태양전지는 수분(H2O) 또는 산소(O2)가 태양전지 내부로 침투하는 것을 최소화 하여, 태양전지 셀들을 효과적으로 보호함으로써, 소자의 안정성 및 신뢰성 확보에 크게 기여할 수 있다.
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.
또한, 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 (10)

  1. 지지기판 상면에 배치되는 후면 전극층;
    상기 후면 전극층 상면에 배치되는 광 흡수층;
    상기 광 흡수층 상면에 배치되는 전면 전극층; 및
    상기 전면 전극층 상면에 배치되며, 위치에 따라 VA(vinyl acetate)의 함량이 다른 제 1 복합 EVA(ethylenevinylacetate)층을 포함하며,
    상기 제 1 복합 EVA층에서 외곽 영역의 VA 함량은 상기 제 1 복합 EVA층에서 내부 영역의 VA 함량보다 큰 태양전지.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 복합EVA층의 외곽 영역의 VA 함량은 34% 내지 50% 이고,
    상기 제 1 복합EVA층의 내부 영역의 VA 함량은 28% 내지 33% 인 태양전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지기판 하면에 배치되는 제 2 복합EVA층을 추가 포함하고,
    상기 제 2 복합EVA층은 상기 제 2 복합EVA층의 내부 위치에 따라 VA(vinyl acetate)의 함량이 다른 태양전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 복합EVA층의 외곽 영역의 VA 함량은 34% 내지 50% 이고,
    상기 제 2 복합EVA층의 내부 영역의 VA 함량은 28% 내지 33% 인 태양전지.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 복합EVA층 상면에 배치되는 상부 패널; 및
    상기 제 2 복합 EVA층의 하면에 배치되는 백시트(backsheet)를 추가 포함하는 태양전지.
  7. 지지기판 상면에 배치되는 후면 전극층;
    상기 후면 전극층 상면에 배치되는 광 흡수층;
    상기 광 흡수층 상면에 배치되는 전면 전극층;
    상기 전면 전극층 상면에 배치되는 제 1 EVA층; 및
    상기 제 1 EVA층 상면의 외곽 영역에 배치되는 제 2 EVA층을 포함하며,
    상기 제 1 EVA층의 VA(vinyl acetate) 함량과 상기 제 2 EVA층의 VA(vinyl acetate) 함량은 서로 다른 태양전지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 EVA층의 VA(vinyl acetate) 함량은 상기 제 2 EVA층의 VA 함량보다 작은 태양전지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 EVA층의 VA 함량은 28% 내지 33% 이고,
    상기 제 2 EVA층의 VA 함량은 34% 내지 50% 인 태양전지.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 지지기판 하면에 배치되는 제 3 EVA층; 및
    상기 제 3 EVA층 하면에 배치되는 제 4 EVA층을 추가 포함하고,
    상기 제 3 EVA층의 VA(vinyl acetate) 함량과 상기 제 4 EVA층의 VA(vinyl acetate) 함량은 서로 다른 태양전지.
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KR101028228B1 (ko) * 2009-10-28 2011-04-11 엘지이노텍 주식회사 태양광 발전장치

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