KR101338662B1 - 태양전지 모듈 및 이의 제조방법 - Google Patents

태양전지 모듈 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

실시예는 태양전지 모듈, 이의 제조방법 및 이를 태양전지 모듈의 막질을 측정하는 테스트 시스템을 제공한다. 실시예에 따른 태양전지 모듈은 지지기판 상에 배치되는 다수개의 태양전지 셀들; 및 상기 지지기판 상에 배치되며, 상기 태양전지 셀들의 막질을 측정하는 테스트 패턴을 포함한다.

Description

태양전지 모듈 및 이의 제조방법{SOLAR CELL MODULE AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
실시예는 태양전지 모듈 및 이의 제조방법에 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.
일반적으로 CIGS 박막 태양전지는 나트륨을 포함하는 기판, P형 산화물 전극, 광 흡수층, 버퍼층 및 전면 전극층을 순차적으로 형성시켜 제조된다. CIGS 박막 태양전지 중 광 흡수층에서는 입사광에 의해 광 생성 캐리어 즉, 전자와 정공을 형성하고, 형성된 광 생성 캐리어는 내부 전기장에 의한 드래프트에 의해 각각 n 층과 p 층으로 수집되어 전류를 발생하게 된다.
CIGS 박막 태양전지의 광 흡수층 증착 시, 실시간 공정 제어를 위한 In-line inspection 이 요구되고 있다. 하지만 광 흡수층은 일반적으로 진공 및 고온 분위기하에서 Se 분위기에 노출되기 때문에 in-situ 측정이 어려운 실정이다.
실시예는 광 흡수층을 인-시츄 인라인 검사(in-situ in-line inspection)할 수 있는 테스트 패턴을 포함하는 태양전지 모듈, 이의 제조 방법 및 태양전지 모듈의 막질을 측정하는 테스트 시스템을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 태양전지 모듈은 지지기판 상에 배치되는 다수개의 태양전지 셀들; 및 상기 지지기판 상에 배치되며, 상기 태양전지 셀들의 막질을 측정하는 테스트 패턴을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지 모듈의 제조방법은 지지기판 상에 다수개의 태양전지 셀들을 형성하는 단계; 및 상기 지지기판 상에 상기 태양전지 셀들의 막질을 측정하는 테스트 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 태양전지 모듈의 막질을 측정하는 테스트 시스템은 레이저 빔을 생성시키는 광원부; 상기 광원부에서 발생된 레이저 빔이 입사되며, 제 5 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 제조방법에 의하여 제조된 태양전지 모듈을 포함하는 테스트부; 상기 테스트부를 통과한 레이저 빔의 막질을 측정하는 측정부를 포함한다.
실시예에 따른 태양전지 모듈은 후면 전극층의 일부를 제거한 테스트 패턴을 포함한다. 이와 같은 테스트 패턴에 의해, 실시예에 따른 태양전지 모듈의 막질을 측정하는 테스트 시스템은 인-시츄 인라인 검사(in-situ in-line inspection) 할 수 있다. 즉, 제조 공정 중 막질의 변동을 실시간으로 피드백(feedback)할 수 있기 때문에, 제조되는 태양전지 모듈의 평균 효율이 증가할 수 있다. 또한, 테스트 패턴은 태양전지 모듈의 둘레 영역에 형성될 수 있는 바, 태양전지 모듈의 효율에는 영향을 주지 않는다.
도 1은 실시예에 따른 태양전지 모듈의 평면도이다.
도 2는 실시예에 따른 태양전지 셀들의 단면을 도시한 단면도이다.
도 3은 실시예에 따른 테스트 패턴의 평면도이다.
도 4는 실시예에 따른 테스트 패턴의 단면을 도시한 단면도이다.
도 5는 실시예에 따른 태양전지 모듈의 막질을 측정하는 테스트 시스템을 설명하는 모식도이다.
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 1은 실시예에 따른 태양전지 모듈의 평면도이다. 도 1을 참조하면, 실시예에 따른 태양전지 모듈은 지지기판(100) 상에 배치되는 다수개의 태양전지 셀들(C1, C2, C3..Cn, 200), 테스트 패턴(300) 및 버스바(400)를 포함한다.
도 2를 참조하면, 상기 다수개의 태양전지 셀들(200)은 각각 상기 지지기판(100) 상에 배치되는 후면 전극층(210), 상기 후면 전극층(210) 상에 배치되는 광 흡수층(220), 상기 광 흡수층(220) 상에 배치되는 버퍼층(230), 상기 버퍼층(230) 상에 배치되는 고저항 버퍼층(240) 및 상기 고저항 버퍼층(240) 상에 배치되는 전면 전극층(250)을 포함한다.
상기 지지기판(100)은 플레이트 형상을 가지며, 상기 후면 전극층(210), 탄소층(220), 광 흡수층(220), 버퍼층(230), 고저항 버퍼층(240) 및 전면 전극층(250)을 지지한다.
상기 지지기판(100)은 절연체일 수 있다. 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. 상기 지지기판(100)은 투명할 수 있다. 상기 지지기판(100)은 리지드하거나 플렉서블할 수 있다.
상기 지지기판(100) 상에 후면 전극층(210)이 형성된다. 상기 후면 전극층(200)은 PVD(Physical Vapor Deposition) 또는 도금의 방법으로 형성될 수 있다. 더 자세하게, 상기 후면 전극층(210)은 스퍼터링 공정에 의해 형성될 수 잇다.
상기 후면 전극층(210)은 도전층이다. 상기 후면 전극층(210)은 몰리브덴(Mo), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 텅스텐(W) 및 구리(Cu) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이 가운데, 몰리브덴(Mo)은 다른 원소에 비해 상기 지지기판(100)과 열팽창 계수의 차이가 적기 때문에 접착성이 우수하여 박리현상이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 상술한 후면 전극층(210)에 요구되는 특성을 전반적으로 충족시킬 수 있다.
상기 후면 전극층(210) 상에는 광 흡수층(220)이 형성된다. 상기 광 흡수층(220)은 I-III-VI족 계 화합물을 포함한다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(220)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계) 결정 구조, 구리-인듐-셀레나이드계 또는 구리-갈륨-셀레나이드계 결정 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 광 흡수층(220)의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1 eV 내지 약 1.8 Ev 일 수 있다. 또한, 상기 광 흡수층(220)의 두께는 약 100 nm 내지 약 1 ㎛ 일 수 있고, 더 자세하게, 상기 광 흡수층(220)의 두께는 약 200 nm 내지 약 700 nm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 광 흡수층(220)은 스퍼터링 공정 또는 증발법 등에 의해서 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(220)을 형성하기 위해서 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발시키면서 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(220)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 셀레이제이션(selenization) 공정에 의해서, 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(220)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(220)이 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(230)은 상기 광 흡수층(220) 상에 배치된다. 본원 발명과 같은 태양전지는 p형 반도체인 CIGS 또는 CIGSS 화합물 박막의 광 흡수층(220)과 n형 반도체인 전면 전극층(250) 간에 pn 접합을 형성한다. 하지만 두 물질은 격자상수와 밴드갭 에너지의 차이가 크기 때문에 양호한 접합을 형성하기 위해서는 밴드갭이 두 물질의 중간에 위치하는 버퍼층이 필요하다.
예를 들어, 상기 버퍼층(230)은 황화 아연(ZnS)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 버퍼층(230)의 두께는 약 10 nm 내지 약 30 nm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 버퍼층(230)은 원자층 증착법(atomic layer deposition: ALD), 유기금속화학증착법(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD) 또는 화학 용액 증착법(chemical bath deposition; CBD) 등에 의하여 형성될 수 있다. 더 자세하게, 상기 버퍼층(230)은 화학 용액 증착법(CBD)에 의하여 형성될 수 있다.
상기 고저항 버퍼층(240)은 상기 버퍼층(230) 상에 배치된다. 상기 고저항 버퍼층(240)은 불순물이 도핑되지 않은 징크 옥사이드(i-ZnO)일 수 있다. 또한, 상기 고저항 버퍼층(240)은 상기 버퍼층(230) 상에 징크 옥사이드가 스퍼터링 공정에 의하여 증착될 수 있다.
이후, 제 2 분리 패턴(P2)을 형성한다. 상기 제 2 분리 패턴(P2)은 상기 고저항 버퍼층(240), 상기 버퍼층(230) 및 상기 광 흡수층(220)을 관통하고, 상기 탄소층(220)의 일부를 노출시킨다. 상기 제 2 분리 패턴(P2)은 이후 공정에서 전면 전극층(250)과 후면 전극층(210)을 전기적으로 연결하는 통로의 기능을 할 수 있다. 상기 제 2 분리 패턴(P2)은 스크라이빙 팁(needle) 등을 사용하여 기계적 공정을 통해 형성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제 2 분리 패턴(P2)은 상기 제 1 관통홈(P1)에 인접하여 형성된다. 즉, 상기 제 2 분리 패턴(P2)의 일부는 평면에서 보았을 때, 상기 제 1 분리 패턴(P1)의 옆에 형성된다. 상기 제 2 분리 패턴(P2)의 폭은 약 40 ㎛ 내지 약 150 ㎛ 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 고저항 버퍼층(240) 상에 전면 전극층(250)이 형성된다. 상기 전면 전극층(250)은 n 형 반도체의 특성을 가질 수 있다. 이 때, 상기 전면 전극층(250)은 상기 버퍼층(230)과 함께 n 형 반도체층을 형성하여 p 형 반도체층인 상기 광 흡수층(220)과 pn 접합을 형성할 수 있다.
상기 전면 전극층(250)은 상기 고저항 버퍼층(240) 상에 투명한 도전물질이 적층됨으로써 제조될 수 있다. 상기 투명한 도전물질로는, 예를 들어, 징크 옥사이드(zinc oxide), 인듐 틴 옥사이드(induim tin oxide;ITO) 또는 인듐 징크 옥사이드(induim zinc oxide;IZO) 등을 포함할 수 있다. 더 자세하게, 상기 전면 전극층(250)은 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드(Al doped zinc oxide; AZO)로 제조될 수 있다.
상기 전면 전극층(250)의 제조 과정에서, 투명한 도전물질은 상기 제 2 분리 패턴(P2)에도 갭필된다. 상기 제 2 분리 패턴(P2)에 갭필된 투명 도전물질은 상기 전면 전극층(250)과 상기 후면 전극층(210)을 전기적으로 연결하는 접속 배선의 기능을 할 수 있다.
더 자세하게, 상기 전면 전극층(250)은 스퍼터링 또는 화학기상증착법(chemical vapor deposition)에 의하여 제조될 수 있다. 더 자세하게, 상기 스퍼터링에 의하여 전면 전극층(250)을 형성하기 위하여, RF 스퍼터링방법으로 ZnO 타겟을 사용하여 증착하는 방법과 Zn 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링 등이 사용될 수 있다.
마지막으로, 상기 전면 전극층(250)을 관통하는 제 3 분리 패턴(P3)을 형성한다. 상기 제 3 분리 패턴(P3)에 의하여, 실시예에 따른 태양전지 모듈은 다수개의 태양전지 셀들(C1, C2, C3)로 구분될 수 있다.
상기 제 3 분리 패턴(P3)은 상기 전면 전극층(250), 상기 고저항 버퍼층(240), 상기 버퍼층(230) 및 상기 광 흡수층(220)을 관통하고 상기 탄소층(220)의 일부를 노출시킨다. 상기 제 3 분리 패턴(P3)을 형성하기 위한 공정은 상기 언급한 제 2 분리 패턴(P2)을 형성하기 위한 공정에 개시된 내용이 모두 포함될 수 있으나, 편의상 중복기재를 생략한다.
다시 도 1을 참조하면, 실시예에 따른 태양전지 모듈은 테스트 패턴(300)을 포함한다. 상기 테스트 패턴(300)은 태양전지 모듈의 막질을 연속적으로 테스트할 수 있다. 더 자세하게, 상기 테스트 패턴(300)은 태양전지 모듈 중 광 흡수층(300)의 막질을 연속적으로 테스트할 수 있다. 예를 들어, 상기 테스트 패턴(300)은 상기 광 흡수층(300)의 투광도 또는 흡수 계수 등을 측정할 수 있다.
상기 테스트 패턴(300)은 한 개 또는 다수개일 수 있다. 또한, 상기 테스트 패턴(300)은 상기 지지기판(100)의 둘레 영역에 형성될 수 있다. 상기 지지기판(100)의 둘레 영역은 태양전지 셀들(200)이 형성되지 않는 비활성 영역(Non-active area;Naa)인 바, 상기 테스트 패턴(300)은 태양전지 모듈의 효율에 영향을 주지 않는다.
상기 테스트 패턴(300)은 상기 언급한 태양전지 셀들(200)을 형성하는 과정에서 제조될 수 있다. 즉, 상기 테스트 패턴(300) 및 상기 태양전지 셀들(200)은 동시에 형성될 수 있다. 이에 따라, 실시예에 따른 태양전지 모듈의 제조방법은 테스트 패턴(300)을 형성하기 위한 추가 공정을 요구하지 않는다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 테스트 패턴(300)은 상기 광 흡수층(220)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 테스트 패턴(300)은 상기 지지기판(100) 상에 형성된 후면 전극층(210)의 일부를 제거하고, 후면 전극층(210)이 일부 제거된 영역에 광 흡수층(220)을 증착함으로써 형성될 수 있다.
도 5는 실시예에 따른 태양전지 모듈의 막질을 측정하는 테스트 시스템을 설명하는 모식도이다. 도 5를 참조하면, 태양전지 모듈의 막질을 측정하는 테스트 시스템은 광원부(1000), 테스트부(1300) 및 측정부(1400)를 포함한다.
예를 들어, 상기 광원부(1000)는 He-Ne 레이저를 사용할 수 있다. 상기 He-Ne 레이저는 약 600 nm 내지 약 650 nm 의 파장을 가질 수 있다.
또한, 상기 테스트부(1300)는 상기 언급한 태양전지 모듈을 포함한다. 더 자세하게, 상기 테스트부(1300)는 상기 언급한 실시예에 따른 테스트 패턴(300)을 포함한다. 상기 He-Ne 레이저로부터 생성된 레이저는 상기 테스트 패턴(300)에 조사되어 태양전지 모듈을 관통할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이 밖에 상기 광원부(1000)와 상기 테스트부(1300) 사이에 편광 필터(110) 및/또는 프리즘(1200)이 추가로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 편광 필터(110)는 ND filter de-focusing 렌즈를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 측정부(1400)는 상기 테스트부(1300)를 통하한 레이저 빔을 분석한다. 더 자세하게, 상기 측정부(1400)는 상기 태양전지 모듈 중, 광 흡수층(230)의 투과율 또는 흡수 계수 등을 계산하여 태양전지 모듈의 막질을 측정할 수 있다.
상기 언급한 바와 같이, 실시예에 따른 태양전지 모듈의 막질을 측정하는 테스트 시스템은 테스트 패턴(300)을 사용하여 태양전지 모듈의 막질을 인-시츄 인라인(in-situ in-line)으로 검사할 수 있다. 즉, 제조 공정 중 막질의 변동을 실시간으로 피드백(feedback)할 수 있기 때문에, 제조되는 태양전지 모듈의 평균 효율은 증가할 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 (11)

  1. 지지기판 상에 배치되는 다수개의 태양전지 셀들; 및
    상기 지지기판 상에 배치되며, 상기 태양전지 셀들의 막질을 측정하는 테스트 패턴을 포함하고,
    상기 테스트 패턴은,
    상기 지지기판 상에 배치되는 후면 전극층; 및
    상기 후면 전극층 상에 배치되는 광 흡수층을 포함하고,
    상기 테스트 패턴은 상기 광 흡수층의 막질을 측정하는 태양전지 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 태양전지 셀들은 각각,
    상기 지지기판 상에 배치되는 후면 전극층;
    상기 후면 전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 및
    상기 광 흡수층 상에 배치되는 전면 전극층을 포함하는 태양전지 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 테스트 패턴은 상기 지지기판 상에 배치되는 상기 광 흡수층을 포함하는 태양전지 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 테스트 패턴은 상기 태양전지 모듈의 제조 공정에서 상기 광 흡수층의 막질을 연속적으로 테스트 할 수 있는 태양전지 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 테스트 패턴은 상기 지지기판의 둘레 영역에 배치되는 태양전지 모듈.
  6. 지지기판 상에 다수개의 태양전지 셀들을 형성하는 단계; 및
    상기 지지기판 상에 상기 태양전지 셀들의 막질을 측정하는 테스트 패턴을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 테스트 패턴은,
    상기 지지기판 상에 배치되는 후면 전극층; 및
    상기 후면 전극층 상에 배치되는 광 흡수층을 포함하고,
    상기 테스트 패턴은 상기 광 흡수층의 막질을 측정하는 태양전지 모듈의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 태양전지 셀들을 형성하는 단계 및 상기 테스트 패턴을 형성하는 단계는 동시에 수행되는 태양전지 모듈의 제조방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 태양전지 셀들을 형성하는 단계는,
    상기 지지기판 상에 후면 전극층을 형성하는 단계;
    상기 후면 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 및
    상기 광 흡수층 상에 전면 전극층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 모듈의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 테스트 패턴을 형성하는 단계는,
    상기 지지기판의 둘레 영역 상에 형성된 후면 전극층을 제거하는 단계; 및
    상기 후면 전극층이 제거된 상기 지지기판 상에 상기 광 흡수층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 모듈의 제조방법.
  10. 레이저 빔을 생성시키는 광원부;
    상기 광원부에서 발생된 레이저 빔이 입사되며, 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 제조방법에 의하여 제조된 태양전지 모듈을 포함하는 테스트부;
    상기 테스트부를 통과한 레이저 빔이 상기 태양전지 모듈의 막질을 측정하는 측정부를 포함하는 태양전지 모듈의 막질을 측정하는 테스트 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 측정부는 상기 테스트부를 통과한 레이저 빔을 분석하여, 상기 태양전지 모듈의 투과율 또는 흡수계수를 측정하는 태양전지 모듈의 막질을 측정하는 테스트 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2011066231A (ja) * 2009-09-17 2011-03-31 Sharp Corp 太陽電池モジュールおよび太陽電池モジュールの製造方法

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