KR101326970B1 - 태양전지 모듈 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예는 태양전지 모듈 및 태양전지 모듈의 제조방법을 제공한다. 실시예에 따른 태양전지 모듈은 태양전지 셀들은 각각 상기 지지기판 상에 배치되는 후면 전극층; 상기 후면 전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되는 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 배치되는 도전층; 및 상기 도전층 상에 배치되는 전면 전극층을 포함한다.

Description

태양전지 모듈 및 이의 제조방법{SOLAA CELL AND SOLAA CELL MODULE USING THE SAME}
실시예는 태양전지 모듈 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 심각한 환경 오염 문제와 화석 에너지 고갈로 인해, 신·재생에너지에 대한 필요성 및 관심이 고조되고 있다. 그 중에서도 태양전지는 공해가 적고, 자원이 무한하며 반 영구적인 수명을 가지고 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 무공해 에너지 원으로 기대되고 있다.
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.
일반적으로, CIGS 태양전지는 유리 기판 상에 후면 전극층, 광 흡수층, 및 전면 전극층을 순차적으로 형성시켜 제조될 수 있다. 한편, 종래 전면 전극층으로 사용되는 도핑된 징크 옥사이드(AZO)는 저항을 낮추기 위하여 낮은 전원으로 두껍게 증착하게 되는데, 이는 투과율을 감소시킬 뿐만 아니라 공정 불안정, 재료 비용 증가 및 설비 투자 비용 등의 증가의 문제가 있다. 또한, 태양전지 셀의 폭이 증가할 수록, 전면 전극층의 직렬 저항(RS)이 증가하여 결과적으로 전기전도도가 감소하는 문제가 있다.
실시예는 전자 포집 능력 및 광-전 변환효율이 향상된 태양전지 모듈 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 태양전지 모듈은 지지기판 상에 배치되는 다수개의 태양전지 셀들을 포함한다. 상기 태양전지 셀들은 각각 상기 지지기판 상에 배치되는 후면 전극층; 상기 후면 전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되는 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 배치되는 도전층; 및 상기 도전층 상에 배치되는 전면 전극층을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지 모듈의 제조방법은 지지기판 상에 후면 전극층을 형성하는 단계; 상기 후면 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 버퍼층 상에 도전층을 형성하는 단계; 및 상기 도전층 상에 전면 전극층을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 태양전지 모듈은 전면 전극층 보다 전기적 성질이 우수한 도전층을 형성함으로써, 광 흡수층에서 형성되는 전자를 보다 많이 포집할 수 있다. 이에 따라, 실시예에 따른 태양전지 모듈의 광-전 변환효율은 향상될 수 있다.
실시예에 따른 전면 전극층은 도전층에 의하여 종래 보다 얇은 두께로 제조될 수 있으며, 이에 따라 실시예에 따른 태양전지의 투과율은 향상될 수 있다. 또한, 전면 전극층의 두께 감소에 따라 제조 단가를 절감할 수 있다.
도 1 내지 도 7은 실시예에 따른 태양전지 모듈을 제조하는 방법을 설명하는 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 내지 도 7은 실시예에 따른 태양전지 모듈을 제조하는 방법을 설명하는 단면도들이다. 이하, 도 1 내지 도 7을 참조하여 실시예에 따른 태양전지 모듈 및 이의 제조방법을 상세히 서술하도록 한다.
도 1을 참조하면, 지지기판(100) 상에 후면 전극층(200)이 형성된다.
상기 지지기판(100)은 플레이트 형상을 가지며, 상기 후면 전극층(200), 상기 광 흡수부(30), 상기 버퍼부(40), 상기 고저항 버퍼부(50), 상기 전면 전극층(700) 및 상기 도전선들(610)를 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 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. 또한, 상기 후면 전극층(200)은 두 개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 층들은 같은 금속으로 형성되거나, 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.
상기 후면 전극층(200)은 PVD(Physical Vapor Deposition) 또는 도금의 방법으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 지지기판(100) 및 후면 전극층(200) 사이에 확산방지막 등과 같은 추가적인 층이 개재될 수 있다.
상기 후면 전극층(200)은 제 1 분리패턴(P1)에 의하여 패터닝 될 수 있다. 또한, 상기 제 1 분리패턴(P1)은 도 1에서와 같이 스트라이프(stripe) 형태뿐만 아니라 매트릭스(matrix) 형태 등 다양한 형태로 형성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 후면 전극층(200) 상에 광 흡수층(300), 버퍼층(400) 및 고저항 버퍼층(500)이 순차적으로 형성된다.
상기 광 흡수층(300)은 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 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 셀레니제이션(selenization) 공정에 의해서, 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(300)이 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 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 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 있다. 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 3.3 eV 일 수 있다. 또한, 상기 고저항 버퍼층(500)은 생략될 수 있다. 상기 고저항 버퍼층(500)은 상기 버퍼층(400) 상에 징크 옥사이드가 스퍼터링 공정 등에 의해 증착되어 형성될 수 있다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 상기 고저항 버퍼층(500) 상에는 도전층(600)이 형성되고, 상기 광 흡수층(300), 상기 버퍼층(400), 상기 고저항 버퍼층(500) 및 상기 도전층(600)을 관통하는 제 2 분리패턴(P2)이 형성된다.
먼저, 상기 도전층(600)은 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 형성된다. 상기 도전층(600)은 다수개의 도전선들(610)을 포함할 수 있다. 상기 도전선들(610)은 도 3 내지 도 5에서와 같이 규칙적인 간격으로 이격 되어 있을 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 불규칙적으로 이격 되어 있을 수 있다.
상기 도전선들(610)은 도전물질로 형성된다. 즉, 상기 도전선들(610)는 상기 광 흡수층(300)에서 생성된 전하가 외부로 이동하도록 하여 태양전지에 전류를 흐르게 할 수 있다. 이러한 기능을 수행하기 위하여, 상기 도전선들(610)는 상기 전면 전극층(700)보다 전기 전도도가 높고 비저항이 작은 것이 바람직하다.
예를 들어, 상기 도전선들(610)은 은(Ag), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 크롬(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru), 인듐(In), 텅스텐(W) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 포함할 수 있다. 더 자세하게, 상기 도전선들(610)는 은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 구리(Cu) 만을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 4를 참조하면, 상기 도전선들(610) 각각의 두께(h1)는 약 50 nm 내지 약 100 nm 일 수 있다. 또한, 상기 도전선들(610) 각각의 폭(W1)은 약 1 nm내지 약 30 nm 일 수 있다. 즉, 상기 도전선들(610)은 나노미터의 크기로 제조될 수 있다. 따라서, 상기 나노 사이즈의 도전선들(610)은 태양전지 모듈로 들어오는 태양광을 반사 또는 차단시키지 않고 용이하게 투과 시킬 수 있다.
또한, 상기 도전선들(610)은 전류손실을 최소화 할 뿐만 아니라, 상기 전면 전극층(700)의 두께를 감소시킬 수 있다. 즉, 전기전도도가 우수한 상기 도전선들(610)을 전극으로 사용함으로써, 상기 전면 전극층(700)은 보다 얇은 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 실시예에 따른 전면 전극층(700)의 두께는 종래 전면전극보다 약 30% 내지 약 50% 감소될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이에 따라, 실시예에 따른 태양전지는 투과율이 향상되고, 결과적으로 단락전류밀도(Jsc)를 증가시켜 태양전지의 광-전 변환효율을 향상 시킬 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 상기 도전층(600)을 형성한 후에는, 상기 광 흡수층(300), 상기 버퍼층(400), 상기 고저항 버퍼층(500) 및 상기 도전층(600)을 관통하는 제 2 분리패턴(P2)을 형성한다.
상기 제 2 분리패턴(P2)은 기계적(Mechanical)인 방법으로 형성하거나, 레이저(laser)를 조사(irradiate)하여 형성할 수 있다. 상기 제 2 분리패턴(P2)의 형성으로 상기 후면 전극층(200)의 일부가 노출된다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 도전층(600) 상에는 전면 전극층(700)이 형성된다.
상기 전면 전극층(700)은 투광성 전도성 물질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 전면 전극층(700)은 n 형 반도체의 특성을 가질 수 있다. 이 때, 상기 전면 전극층(700)은 상기 버퍼층(400)과 함께 n 형 반도체층을 형성하여 p 형 반도체층인 상기 광 흡수층(300)과 pn 접합을 형성할 수 있다. 상기 전면 전극층(700)은, 예를 들어, 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드(AZO)로 형성될 수 있다.
상기 언급한 바와 같이, 상기 전면 전극층(700)의 두께는 종래 전면전극보다 약 20% 내지 약 50% 감소될 수 있다. 예를 들어, 상기 전면 전극층(700)의 두께는 약 100 nm 내지 약 500 nm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전면 전극층(700)은 상기 도전층(600) 상에 투명한 도전물질이 적층됨으로써 제조될 수 있다. 상기 투명한 도전물질의 예로서는 알루미늄 또는 보론 등이 도핑된 징크 옥사이드 등을 들 수 있다. 상기 전면 전극층(700)을 형성하기 위한 공정은 상온 내지 약 300℃의 온도에서 진행될 수 있다. 예를 들어, 상기 전면 전극층(700)은 스퍼터링 또는 화학기상증착법(chemical vapor deposition)에 의하여 제조될 수 있다. 더 자세하게, 상기 스퍼터링에 의하여 전면 전극층(700)을 형성하기 위하여, RF 스퍼터링방법으로 ZnO 타겟을 사용하여 증착하는 방법과 Zn 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링 등이 사용될 수 있다.
이어서, 상기 전면 전극층(700)을 관통하는 제 3 분리패턴(P3)을 형성한다. 상기 제 3 분리패턴(P3)은 상기 전면 전극층(700) 외에도, 상기 도전층(600), 상기 고저항 버퍼층(500), 상기 버퍼층(400) 및 상기 광 흡수층(300)을 관통한다. 실시예에 따른 태양전지 모듈은 상기 제 3 분리패턴(P3)에 의하여 복수개의 태양전지 셀들(C1, C2, C3..)로 정의될 수 있다. 상기 제 3 분리패턴(P3)은 기계적(Mechanical)인 방법으로 형성하거나, 레이저(laser)를 조사(irradiate)하여 형성할 수 있으며, 상기 후면전극 패턴(200)의 상면이 노출되도록 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 도전선들(610)과 상기 태양전지 셀들(C1, C2, C3..)은 서로 다른 방향으로 연장될 수 있다. 예를 들어, 상기 도전선들(610)은 제 1 방향(a)으로 연장되고, 상기 태양전지 셀들 태양전지 셀들(C1, C2, C3..) 은 각각 제 2 방향(b)으로 연장될 수 있다. 이 때, 상기 제 1 방향(a)과 상기 제 2 방향(b)은 서로 수직으로 교차할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
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 (7)

  1. 지지기판 상에 배치되는 다수개의 태양전지 셀들을 포함하는 태양전지 모듈에 있어서,
    상기 태양전지 셀들 각각은,
    상기 지지기판 상에 배치되는 후면 전극층;
    상기 후면 전극층 상에 배치되는 광 흡수층;
    상기 광 흡수층 상에 배치되는 버퍼층;
    상기 버퍼층 상에 배치되는 도전층; 및
    상기 도전층 상에 배치되는 전면 전극층을 포함하고,
    상기 후면 전극층을 관통하는 제 1 분리 패턴이 형성되고,
    상기 광 흡수층, 상기 버퍼층 및 상기 도전층을 관통하는 제 2 분리 패턴이 형성되며,
    상기 광 흡수층, 상기 버퍼층, 상기 도전층 및 상기 전면 전극층을 관통하는 제 3 분리 패턴이 형성된 태양전지 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전층은 제 1 방향으로 연장되는 다수개의 도전선들을 포함하는 태양전지 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 도전선들 각각은 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 칼슘(Ca), 크롬(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru), 인듐(In), 텅스텐(W) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 포함하는 태양전지 모듈.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 태양전지 셀들은 각각 상기 제 1 방향에 수직한 제 2 방향으로 연장되는 태양전지 모듈.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 도전선들 각각의 폭은 1 nm 내지 30 nm 이고,
    상기 도전선들 각각의 두께는 50 nm 내지 100 nm 인 태양전지 모듈.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 다수개의 도전선들은 서로 이격되어 있는 태양전지 모듈.
  7. 지지기판 상에 후면 전극층을 형성하는 단계;
    상기 후면 전극층을 관통하는 제 1 분리 패턴을 형성하는 단계;
    상기 후면 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계;
    상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 버퍼층 상에 도전층을 형성하는 단계;
    상기 광 흡수층, 상기 버퍼층 및 상기 도전층을 관통하는 제 2 분리 패턴을 형성하는 단계;
    상기 도전층 상에 전면 전극층을 형성하는 단계; 및
    상기 광 흡수층, 상기 버퍼층, 상기 도전층 및 상기 전면 전극층을 관통하는 제 3 분리 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 모듈의 제조방법.
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