KR101405113B1 - 후면 버퍼층을 갖는 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 박막 태양전지에 관한 것으로, 종래 광흡수층 상부에 버퍼층, 투명전극, 그리드 전극을 형성하여 제조하던 것을 광흡수층 상부에는 버퍼층, 투명전극을 형성하지 않고, 버퍼층, 투명전극, 그리드 전극을 CIGS 하부면에 형성함으로써 태양광이 장애물 없이 직접 광흡수층으로 입사하도록 하고, 또한 제 1 전극과 버퍼층을 톱니구조로 서로 맞물리는 형상으로 패터닝하여 빛에너지를 흡수하여 발생하게 되는 전자-정공이 전극 또는 버퍼층으로 이동하게 되는 거리를 단축할 수 있게 하는 태양전지에 관한 것이다.

Description

후면 버퍼층을 갖는 태양전지 및 그 제조방법{Solar Cell with Back-Side Buffer Layer and its Fabrication Method.}
본 발명은 버퍼, 투명전극, 그리드 전극이 CIGS 광흡수층 아래에 형성하여 태양광이 장애물 없이 광흡수층으로 입사하는 것이 가능한 CIGS 태양전지에 관한 것이다.
태양전지는 반도체의 성질을 이용하여 전기를 생산하는데, 구체적으로 P(positive)형 반도체와 N(nagative)형 반도체를 접합시킨 PN접합 구조를 하고 있으며, 이러한 태양전지에 태양광이 입사되면, 입사된 태양광이 가지고 있는 에너지에 의해 상기 반도체 내에서 정공(hole) 및 전자(electron)가 발생하고, 이때, PN접합에서 발생한 전기장에 의해서 상기 정공은 P형 반도체 쪽으로 이동하고 상기 전자는 N형 반도체쪽으로 이동하게 되어 전위가 발생된다.
태양전지는 기판형 태양전지와 박막형 태양전지로 구분할 수 있는데, 기판형 태양전지는 실리콘과 같은 반도체물질 자체를 기판으로 이용하여 태양전지를 제조한 것이고, 박막형 태양전지는 유리 등과 같은 기판 상에 박막의 형태로 반도체층을 형성하여 태양전지를 제조한 것이다. 최근에는 CIGS 광흡수층을 이용한 태양전지의 개발을 통해 효율 향상을 도모하고 있다.
태양전지의 광전변환 효율을 높이기 위해서는 광흡수층에 흡수되는 태양광의 비율을 높여야 한다. 박막형 태양전지의 경우, 기판형 태양전지에 대비하여 박막의 광흡수층을 사용함에 따라 제조단가를 낮출 수 있으나 광흡수율이 떨어지는 문제점이 있다. 이와 같은 광흡수율 저하를 극복하기 위한 방안으로, 태양광이 광흡수층에 도달하는 양을 늘려줄 필요가 있다.
박막형 태양전지의 경우 일반적으로 기판/후면전극/CIGS광흡수층/버퍼층/전면전극의 구조로 되어있는데, 태양광이 상기 광흡수층에 도달하기 위해서는 전면전극과 버퍼층을 통과하여야 하고, 따라서 전면전극과 버퍼층은 빛의 투과성이 있는 재료를 사용하여야 하고, 빛의 투과성이 좋을수록 광흡수층에 도달하게 되는 태양광이 증가할 것이므로 광전변환 효율이 더 높아질 수 있다.
대한민국 등록특허공보 등록번호 제 10-1108988는 CIGS 태양전지 모듈에 표면 결정성 요철 구조의 전면 투명전극을 형성하여 입사광의 저반사와 고흡수율을 실현할 수 있는 효과가 있다. 이를 위해 특히, 소정 기판 상에 형성된 배면전극; 배면전극 상에 형성된 CIGS 광 흡수층; CIGS 광 흡수층 상에 형성된 버퍼층; 버퍼층 주위에 형성되고 소정 입사광을 굴절시켜 CIGS 광흡수층에 입사광을 전달하는 전면 투명전극; 및 전면 투명전극 상에 입사광의 반사를 막기 위해 형성된 반사 방지막;을 포함하되, 전면 투명전극은 불소 함유 산화주석으로 성막된 것이며 반사 방지막과 접하는 표면에 굴절을 위한 표면 결정성 요철 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 표면 결정성 요철 구조의 전면 투명전극을 갖는 CIGS 태양전지 모듈에 관한 것이다. CIGS 태양전지 모듈에 표면 결정성 요철 구조의 전면 투명전극을 형성하여 입사광의 저반사와 고흡수율을 실현할 수 있고, CIGS 태양전지 모듈에 있어서 전면 투명전극 표면 결정성 요철 구조를 형성함에 있어 반사도를 조정할 수 있는 요철각을 조절할 수 있는 장점이 있다. 하지만 투명전극 자체에서 태양광을 일부 흡수하는 단점이 존재한다.
태양전지의 광전변환 효율을 높이기 위해서는 광흡수층에 흡수되는 태양광의 비율을 높여야 한다. 박막형 태양전지의 경우, 기판형 태양전지에 대비하여 박막의 광흡수층을 사용함에 따라 제조단가를 낮출 수 있으나 광흡수율이 떨어지는 문제점이 있다. 이와 같은 광흡수율 저하를 극복하기 위한 방안으로, 태양광이 광흡수층에 도달하는 양을 늘려줄 필요가 있다.
박막형 태양전지의 경우 일반적으로 기판/후면전극/CIGS광흡수층/버퍼층/전면전극의 구조로 되어있는데, 태양광이 상기 광흡수층에 도달하기 위해서는 전면전극과 버퍼층을 통과하여야 하고, 따라서 전면전극과 버퍼층은 빛의 투과성이 있는 재료를 사용하여야 하고, 빛의 투과성이 좋을수록 광흡수층에 도달하게 되는 태양광이 증가할 것이므로 광전변환 효율이 더 높아질 수 있다.
본 발명은 CIGS 태양전지에서 버퍼층, 전면전극, 그리드 전극에서 태양광의 일부가 반사 또는 흡수되어 광흡수층에 도달하지 못하는 문제를 해결하고, 광흡수층에 도달하는 태양광을 증가하여 효율을 높일 수 있는 CIGS 태양전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해, 종래 일반적으로 광흡수층 상부에 위치하던 버퍼층, 전면전극 및 그리드 전극을 광흡수층 상부에 형성하지 않음으로써, 태양광이 상기 단위기능막을 거치지 않고 광흡수층에 도달하게 할 수 있다. 태양광 중 일부가 그리드 전극에서 반사되거나 또는 전면전극 및 버퍼층에서 흡수되던 것이 곧바로 손실없이 광흡수층에 도달할 수 있게 된다.
태양전지는 PN접합구조를 가지고 있고, 태양광 에너지로부터 전자-정공쌍이 발생하게 되고 P형 반도체에 정공이 N형 반도체에 전자가 이동하게 되면서 전기에너지가 발생하게 된다. CIGS 광흡수층 상부에 N형 반도체층에 해당하는 버퍼층을 형성하지 않는 경우, 이러한 PN접합구조를 유지하기 위해서는 하부에 버퍼층을 형성하는 것이 필요한데, 본 발명은 CIGS 광흡수층의 하부면에 제 1 전극과 버퍼층이 서로 전기적으로 연결되지 않도록 형성하였다. 그리고 상기 버퍼층 하부에 그리드 전극을 형성하여, CIGS 광흡수층 상부에서는 태양광이 장애물 없이 광흡수층에 도달할 수 있다.
광흡수층에서 전자-정공쌍이 제 1 전극 또는 버퍼층으로 이동하는 거리를 고려하였을 때, 상기 버퍼층과 상기 제 1 전극을 톱니형상으로 맞물리도록 제작함으로써 전자 또는 정공의 이동거리를 줄일 수 있게 된다.
버퍼층, 전면전극 및 그리드 전극을 광흡수층 상부에 형성하지 않음으로써, 태양광이 상기 단위기능막을 거치지 않고 광흡수층에 도달하게 할 수 있다. 태양광 중 일부가 그리드 전극에서 반사되거나 또는 전면전극 및 버퍼층에서 흡수되던 것이 곧바로 손실없이 광흡수층에 도달할 수 있게 된다. 태양광이 광흡수층에 도달하는 양이 증가하게 되므로 태양전지의 효율을 높일 수 있다. 버퍼층과 제 1 전극을 톱니형상 구조로 서로 맞물리도록 배치함으로써 전자 또는 정공의 이동거리를 줄일 수 있게 된다.
도 1은 본 발명인 후면 버퍼층을 갖는 태양전지의 구성도이다.
도 2는 제 1 전극과 버퍼를 패터닝할 수 있는 실시예를 보여주는 모식도이다.
도 3은 후면 버퍼층을 갖는 태양전지의 제조방법을 단계별로 나타낸 순서도이다.
도 4는 후면 버퍼층을 갖는 태양전지의 제조방법을 단계별로 나타낸 모식도이다.
도 5는 후면 버퍼층과 기판 사이에 전극을 포함하는 태양전지의 제조방법을 단계별로 나타낸 순서도이다.
도 6은 후면 버퍼층과 기판 사이에 전극을 포함하는 태양전지의 제조방법을 단계별로 나타낸 모식도이다.
도 7은 후면 버퍼층을 갖는 태양전지를 단위셀로 하는, 단위셀간 직렬연결 구조를 갖는 태양전지 모듈의 일실시예를 보여주는 구성도이다.
후면 버퍼층을 갖는 태양전지 및 그 제조방법의 일실시예를 하기 첨부된 도면을 참조하여 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명인 후면 버퍼층을 갖는 태양전지의 구성도로서, 태양전지는 기판(10); 상기 기판(10) 위에 특정 영역에 형성되는 제 1 전극(200); 상기 기판(10) 위에서 상기 제 1 전극(200)과 소정의 간격을 두고 분리되어 배치되는 버퍼층(300); 상기 제 1 전극(200) 상부, 버퍼층(300) 상부 및 상기 제 1 전극(200)과 버퍼층(300) 사이의 기판(10) 상부에 형성되는 광흡수층(100);을 포함하여 구성된다. 이때, 광흡수층에 광이 입사하게 되면 전자-정공 쌍이 발생하게 되고, 전자는 버퍼층으로 정공은 제 1 전극으로 이동하 된다. 이와 같이 빛에너지를 흡수하여 전자와 정공이 분리되는 원리를 이용하여 전기에너지를 발생하게 되는데, 따라서 상기 제 1 전극(200)과 상기 버퍼층(300)은 상기 광흡수층(100) 물질에 의해 서로 전기적으로 분리되어 있게 된다. 광흡수층(100) 하부에 버퍼층(300)을 위치시켜, 광흡수층(100)의 광의 입사량을 증가시키게 된다.
도 2는 제 1 전극과 버퍼를 패터닝할 수 있는 실시예를 보여주는 모식도이다. 상기 제 1 전극(200)과 버퍼층(300)은 광흡수층(100)의 하부면에 같은 층에 배치되지만, 전기적으로 분리하기 위해 일정한 공간을 두고 형성되어 있다. 제 1 전극(200)과 버퍼층(300)을 패터닝하는 경우, 광흡수층(100) 하부면의 좌측을 제 1 전극(200)으로, 우측을 버퍼층(300)으로 형성하는 것을 고려해볼 수 있다. 이 경우, 전자-정공쌍이 광흡수층(100)의 좌측에서 발생하게 되면, 정공과 제 1 전극(200)의 거리는 가까워지지만, 전자와 버퍼층(300)의 거리는 길게 되는 문제가 있고, 전자-정공쌍이 광흡수층(100)의 우측에서 발생하게 되면, 전자와 버퍼층(300)의 거리는 가깝지만, 정공과 제 1 전극(200)간의 거리는 멀어지게 되는 문제가 발생한다. 전자-정공이 제 1 전극(200) 또는 버퍼층(300)으로 이동하는 거리를 단축하기 위해서는 제 1 전극(200)과 버퍼층(300)이 광흡수층(100)의 좌측과 우측에 모두 분포하여 위치할 필요성이 있다. 도 2b에는 톱니모양의 구조를 갖는 패터닝을 볼 수 있는데, 이러한 톱니 모양의 패터닝을 통해 전자-정공쌍이 광흡수층의 어느 위치에서 형성되더라도 전극 또는 버퍼층으로의 이동거리가 단축될 수 있음을 확인할 수 있다. 상기 제 1 전극(200)은 상기 버퍼층(300)이 서로 마주보고 있는 일면은 제 1 전극 돌출부(220)와 제 1 전극 함몰부(240) 및 상기 제 1 전극 돌출부와 제 1 전극 함몰부를 전기적으로 접속하는 접속부(260)로 구성된 톱니모양 패턴을 갖고, 상기 제 1 전극 돌출부(220)는 상기 버퍼층의 함몰부(340)로 삽입되어 일정 공간 이격되어 배치되고, 상기 버퍼의 돌출부(320)가 상기 제 1 전극 함몰부(240)로 삽입되어 일정 공간 이격되어 배치되게 된다.
제 1 전극(200)은 니켈, 구리, 몰리브덴 중에서 어느 하나를 사용할 수 있고, 몰리브덴을 사용하는 것이 바람직하나, 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이다.
버퍼층(300)은 CdS, CdZnS, ZnS, Zn(S,O), Zn(OH,S), ZnS(O,OH), ZnSe, ZnInS, ZnInSe, ZnMgO, Zn(Se,OH), ZnSnO, ZnO, InSe, InOH, In(OH,S), In(OOH,S), In(S,O) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하여 구성되나, 본 실시예로 제한되지 않음이 물론이다.
상기 태양전지는 상기 버퍼층(300)에 접촉을 이루는 그리드 전극을 더 포함하여 구성될 수 있고, 상기 그리드 전극(400)은 알루미늄, 니켈 중에서 적어도 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
또한 상기 태양전지는 상기 광흡수층(100) 상부에 반사방지층(500)을 더 포함하여 구성될 수 있는데, 상기 반사방지층(500)은 상기 광흡수층(100) 상부에 형성되고 Al2O3를 포함하여 구성되는 제 1 반사방지층; 상기 제 1 반사방지층 위에 형성되고 MgF2를 포함하여 구성되는 제 2 반사방지층;을 포함하여 구성될 수 있다.
도 1d에 나타나있는 것과 같이, 태양전지는 상기 기판(10)과 상기 버퍼층(300) 사이에 제 2 전극(380)을 더 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 제 2 전극(380)은 산화아연, 산화갈륨, 산화알루미늄, 산화인듐, 산화납, 산화구리, 산화티탄, 산화주석, 산화철, 이산화주석, 인듐주석산화물 중에서 적어도 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있으나 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이다. 버퍼층 하부에 제 2 전극이 버퍼층과 동일한 dimension으로 형성되어 있는 구조가 효율이 높게 나온다.
광흡수층은 Cu-In-Se, Cu-In-S, Cu-Ga-S, Cu-Ga-Se, Cu-In-Ga-Se, Cu-In-Ga-Se-(S,Se), Cu-In-Al-Ga-(S,Se) 및 Cu-In-Al-Ga-Se-S을 포함하는 CIS/CIGS계 화합물군에서 선택된 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있다. 태양광이 광흡수층에 입사하게 되면, 태양광의 에너지를 흡수하여 전자-정공쌍이 형성되는 원리를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 것이 가능하게 된다.
도 3은 후면 버퍼층을 갖는 태양전지의 제조방법을 단계별로 나타낸 순서도이고, 도 4는 후면 버퍼층을 갖는 태양전지의 제조방법을 단계별로 나타낸 모식도이다. 태양전지의 제조방법은 기판(10)을 준비하는 단계; 상기 기판(10) 위에 제 1 전극(200)을 형성하는 단계; 상기 제 1 전극(200)을 패터닝하여 상기 기판(10)의 특정 부위에 형성된 제 1 전극(200)을 제거하는 단계; 상기 제 1 전극(200) 및 상기 기판(10) 위에 버퍼층(300)을 형성하는 단계; 상기 버퍼층(300)이 상기 제 1 전극(200)과 소정의 간격을 두고 배치될 수 있도록 상기 버퍼층(300)을 패터닝하는 단계; (vi) 상기 제 1 전극의 상부, 버퍼층의 상부 및 상기 제 1 전극과 버퍼 사이의 기판 위에 광흡수층(300)을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
도 5는 후면 버퍼층과 기판 사이에 제 2 전극을 포함하는 태양전지의 제조방법을 단계별로 나타낸 순서도이다. 도 6은 후면 버퍼층과 기판 사이에 전극을 포함하는 태양전지의 제조방법을 단계별로 나타낸 모식도이다. 태양전지의 제조방법은 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 위에 제 1 전극을 형성하는 단계; 상기 제 1 전극을 패터닝하여 상기 기판의 특정 부위에 형성된 제 1 전극을 제거하는 단계; 상기 제 1 전극 및 상기 기판 위에 제 2 전극을 형성하는 단계; 상기 제 2 전극이 상기 제 1 전극과 소정의 간격을 두고 배치될 수 있도록 상기 제 2 전극을 패터닝하는 단계; 상기 제 1 전극, 제 2 전극 및 상기 기판 위에 버퍼층을 형성하는 단계;상기 버퍼층이 상기 제 1 전극과 소정의 간격을 두고 배치될 수 있도록 상기 버퍼층을 패터닝하는 단계; 상기 제 1 전극, 버퍼층 및 상기 제 1 전극과 버퍼층 사이의 기판 위에 광흡수층을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어진다. 이때 상기 제 2 전극은 산화아연, 산화갈륨, 산화알루미늄, 산화인듐, 산화납, 산화구리, 산화티탄, 산화주석, 산화철, 이산화주석, 인듐주석산화물 중에서 적어도 어느 하나를 포함하여 구성되고, RF 스퍼터링법, 반응성 스퍼터링법, 증발증착법 (Evaporation), 전자선증착법 (E-beam evaporation), 유기금속화학증착법(MOCVD), 원자층성장법(Atomic Layer Epitaxy), 원자층증착법(Atomic Layer Deposition), 분자선성장법(MBE), 전착법(Electrodeposition) 중에서 어느 하나의 방법을 사용하여 형성할 수 있으나 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이다.
상기 제 1 전극(200)은 몰리브덴, 니켈, 구리 중에서 적어도 어느 하나를 포함하여 구성되고, 스퍼터링법(Sputtering), 열증착법(Thermal evaporation), 전자선증착법(E-beam evaporation), 전착법(Electrodeposition) 중 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있으나, 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이다.
상기 버퍼층(300)은 CdS, CdZnS, ZnS, Zn(S,O), Zn(OH,S), ZnS(O,OH), ZnSe, ZnInS, ZnInSe, ZnMgO, Zn(Se,OH), ZnSnO, ZnO, InSe, InOH, In(OH,S), In(OOH,S), In(S,O) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있고, 용액성장법(CBD), 전착법(Electrodeposition), 동시증착법(Coevaporation), 스퍼터링법(Sputtering), 원자층성장법(Atomic Layer Epitaxy), 원자층증착법(Atomic Layer Deposition), 화학기상증착법(CVD), 유기금속화학기상증착법(MOCVD), 분자선성장법(MBE), 분무열분해법(Spray pyrolysis), ILGAR(Ion Layer Gas Reaction), 레이저증착법(Pulsed Laser Deposition)중에서 적어도 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있으나, 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이다.
상기 제 1 전극(200) 및 상기 버퍼(300)의 패터닝은, 상기 제 1 전극(200)은 상기 버퍼(300)가 서로 마주보고 있는 일면은 제 1 전극 돌출부(220)와 제 1 전극 함몰부(240) 및 상기 제 1 전극 돌출부와 제 1 전극 함몰부를 전기적으로 접속하는 접속부(260)로 구성된 톱니모양 패턴을 갖고, 상기 제 1 전극 돌출부(220)는 상기 버퍼의 함몰부(340)로 삽입되어 일정 공간 이격되어 배치되고, 상기 버퍼의 돌출부(320)가 상기 제 1 전극 함몰부(240)로 삽입되어 일정 공간 이격되어 배치되도록 패터닝하게 할 수 있다. 톱니모양의 패터닝을 하게되면, 광흡수층(100)에서 발생한 전자-정곡쌍이 제 1 전극(200) 또는 버퍼층(300)으로의 이동거리가 단축되는 장점이 있다. 상기 제 1 전극(200) 및 상기 버퍼(300)의 패터닝은 레이저 스크라이빙(laser scribing) 공정을 사용할 수 있으나 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이다. 레이저 스크라이빙 공정을 사용하여 패터닝할때, 제 1 전극(200)을 패터닝하는 경우에는 레이저 파장을 1064nm, 레이저 파워를 3W로 하여 공정을 수행할 수 있고, 버퍼층(300)을 패터닝하는 경우에는 레이저 파장을 532nm, 레이저 파워를 0.3W로 하여 공정을 수행할 수 있다.
광흡수층(100)은 Cu-In-Se, Cu-In-S, Cu-Ga-S, Cu-Ga-Se, Cu-In-Ga-Se, Cu-In-Ga-Se-(S,Se), Cu-In-Al-Ga-(S,Se) 및 Cu-In-Al-Ga-Se-S을 포함하는 CIS/CIGS계 화합물군에서 선택된 어느 하나이고, 동시증착법(Coevaporation), 스퍼터링법(Sputtering), 전착법(Electrodeposition), 유기금속화학기상증착법(MOCVD), 분자선성장법(MBE), 전착법(Electrodeposition), 스크린프린팅법(Screen printing), 입자증착법(Particle deposition) 중에서 어느 하나의 방법으로 형성하게 되는데, 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이다.
광흡수층(100)을 형성하는 단계 이후에 상기 광흡수층(100) 상부에 반사방지막(500)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있는데, 상기 반사방지막(500)을 형성하는 단계는 상기 광흡수층 위에 Al(CH3)3과 O3를 반응 가스로 이용하여 ALD(Atomic Layer Deposition)법으로 Al2O3를 제 1 반사방지층으로 성막하는 단계; 상기 제 1 반사방지층 위에 MgF2 Pellet을 이용하여 Thermal Evaporator법으로 성막하는 단계;를 포함하게 된다.
도 7은 후면 버퍼층을 갖는 태양전지를 단위셀로 하는, 단위셀간 직렬연결 구조를 갖는 태양전지 모듈의 일실시예를 보여주는 구성도이다. 상기 태양전지 모듈(600)은 기판(610); 상기 기판(610) 위에 형성된 복수개의 단위셀을 포함하여 구성된다. 이때, 상기 단위셀은 상기 기판 위의 특정 영역에 형성된 제 1 전극(620); 상기 제 1 전극(620)과 소정의 간격을 두고 분리되어 배치되는 제 2 전극(630); 상기 제 2 전극(630)의 상부면 및 제 1 전극(620)과 대향하는 제 2 전극(630)의 측면에 형성되고, 상기 제 1 전극(620)과 분리되어 배치되는 투명전극(640); 상기 투명전극(640)의 상부면 및 제 1 전극(620)과 대향하는 투명전극(640)의 측면에 형성되고, 상기 제 1 전극(620)과 분리되어 배치되는 버퍼층(650); 상기 제 1 전극(620), 기판(610) 및 버퍼층(650) 위에 형성되는 광흡수층(670); 상기 광흡수층(670) 위에 형성되는 반사방지층(680);을 포함하여 구성된다. 이때, 상기 태양전지 모듈은 직렬연결 구조를 갖도록 각 단위셀의 제 1 전극과 제 2 전극을 전기적으로 연결하는 직렬연결부(690)를 더 포함하여 구성된다.
제 1 전극(620)은 니켈, 몰리브덴, 구리 중에서 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있고, 제 2 전극(630)은 니켈, 몰리브덴, 구리 중에서 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있고, 단위셀간에 제 1 전극과 제 2 전극을 연결하는 직렬연결부(690)는 니켈, 몰리브덴, 구리 중에서 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있으나 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이다. 제 1 전극(620), 제 2 전극(630), 직렬연결부(690)는 각각 다른 재료로 구성될 수도 있으나, 동일한 재료 예를 들어 몰리브덴을 기판 위에 증착한 후 패터닝하는 방법으로 제 1 전극(620), 제 2 전극(630), 직렬연결부(690)를 형성하는 것이 가능하다.
투명전극(640)은 산화아연, 산화갈륨, 산화알루미늄, 산화인듐, 산화납, 산화구리, 산화티탄, 산화주석, 산화철, 이산화주석, 인듐주석산화물 중에서 적어도 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있으나 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이다. 이때, 투명전극(640)은 이중층으로 형성하는 것도 가능한데, 상기 투명전극(640)은 n-ZnO를 포함하여 구성되는 하부 투면전극; 상기 하부 투명전극 위에 형성되고, i-ZnO를 포함하여 구성되는 상부 투명전극;을 포함하여 구성될 수 있다.
버퍼층(650)은 CdS, CdZnS, ZnS, Zn(S,O), Zn(OH,S), ZnS(O,OH), ZnSe, ZnInS, ZnInSe, ZnMgO, Zn(Se,OH), ZnSnO, ZnO, InSe, InOH, In(OH,S), In(OOH,S), In(S,O) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있으나 본 실시예로 제한되지 않음은 물론이다.
광흡수층(670)은 Cu-In-Se, Cu-In-S, Cu-Ga-S, Cu-Ga-Se, Cu-In-Ga-Se, Cu-In-Ga-Se-(S,Se), Cu-In-Al-Ga-(S,Se) 및 Cu-In-Al-Ga-Se-S을 포함하는 CIS/CIGS계 화합물군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
반사방지층(680)은 상기 광흡수층(670) 위에 형성되고 Al2O3를 포함하여 구성되는 제 1 반사방지층; 상기 제 1 반사방지층 위에 형성되고 MgF2를 포함하여 구성되는 제 2 반사방지층;을 포함하여 구성될 수 있다.
버퍼층이 하부에 형성된 단위셀을 직렬연결하여 태양전지 모듈을 구성함으로써, 광흡수층으로의 입사광량이 증가되는 장점이 있고, 후면 전극구조를 채용함으로써 입사광량을 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 그리고 앞서 살펴본 바와 같이, 태양전지 모듈에서도 전자-정공이 제 1 전극 또는 버퍼층으로의 이동거리를 감소시키기 위해 톱니 구조 등의 형상을 갖도록 패터닝하는 것이 가능할 것이다.
본 발명을 첨부된 도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 요지를 포함하는 다양한 실시 형태 중의 하나의 실시예에 불과하며, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있는 것으로, 본 발명은 상기 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아님은 명확하다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 하기의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서의 변경, 치환, 대체 등에 의해 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함될 것이다. 또한, 도면의 일부 구성은 구성을 보다 명확하게 설명하기 위한 것으로 실제보다 과장되거나 축소되어 제공된 것임을 명확히 한다.
10: 기판 100: CIGS 광흡수층
200: 제 1 전극 220: 제 1 전극의 돌출부
240: 제 1 전극의 함몰부 260: 제 1 전극의 접속부
300: 버퍼층 320: 버퍼층의 돌출부
340: 버퍼층의 함몰부 360: 버퍼층의 접속부
380: 제 2 전극 400: 그리드 전극
500: 반사방지층 600: 태양전지 모듈
610: 기판 620: 단위셀의 제 1 전극
630: 단위셀의 제 2 전극 640: 단위셀의 투명전극
650: 단위셀의 버퍼층 670: 단위셀의 광흡수층
680: 반사방지층 690: 직렬연결부

Claims (27)

  1. 태양전지에 있어서,
    기판;
    상기 기판 위에 특정 영역에 형성되는 제 1 전극;
    상기 기판 위에서 상기 제 1 전극과 소정의 간격을 두고 분리되어 배치되는 버퍼층;
    상기 제 1 전극 상부, 버퍼층 상부 및 상기 제 1 전극과 버퍼층 사이의 기판 상부에 형성되는 광흡수층;
    을 포함하여 구성되고,
    상기 제 1 전극과 상기 버퍼층은 상기 광흡수층 물질에 의해 서로 전기적으로 분리되어 있고,
    광흡수층 하부에 버퍼층을 위치시켜 광흡수층의 광의 입사량을 증가시키며,
    상기 제 1 전극은 상기 버퍼층과 서로 마주보고 있는 일면은 제 1 전극 돌출부와 제 1 전극 함몰부 및 상기 제 1 전극 돌출부와 제 1 전극 함몰부를 전기적으로 접속하는 접속부로 구성된 톱니모양 패턴을 갖고,
    상기 제 1 전극 돌출부는 상기 버퍼층의 함몰부로 삽입되어 일정 공간 이격되어 배치되고,
    상기 버퍼층의 돌출부가 상기 제 1 전극 함몰부로 삽입되어 일정 공간 이격되어 배치되며,
    상기 제 1 전극은 니켈, 구리, 몰리브덴 중에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 버퍼층은 CdS, CdZnS, ZnS, Zn(S,O), Zn(OH,S), ZnS(O,OH), ZnSe, ZnInS, ZnInSe, ZnMgO, Zn(Se,OH), ZnSnO, ZnO, InSe, InOH, In(OH,S), In(OOH,S), In(S,O) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 태양전지는 상기 버퍼층에 접촉을 이루는 그리드 전극을 더 포함하여 구성되고,
    상기 그리드 전극은 알루미늄, 니켈 중에서 적어도 어느 하나를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 태양전지는 상기 광흡수층 상부에 반사방지층을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 반사방지층은 상기 광흡수층 위에 형성되고 Al2O3를 포함하여 구성되는 제 1 반사방지층;
    상기 제 1 반사방지층 위에 형성되고 MgF2를 포함하여 구성되는 제 2 반사방지층;
    을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 기판과 상기 버퍼층 사이에 제 2 전극을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제 2 전극은 산화아연, 산화갈륨, 산화알루미늄, 산화인듐, 산화납, 산화구리, 산화티탄, 산화주석, 산화철, 이산화주석, 인듐주석산화물 중에서 적어도 어느 하나를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양전지.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 광흡수층은 Cu-In-Se, Cu-In-S, Cu-Ga-S, Cu-Ga-Se, Cu-In-Ga-Se, Cu-In-Ga-Se-(S,Se), Cu-In-Al-Ga-(S,Se) 및 Cu-In-Al-Ga-Se-S을 포함하는 CIS/CIGS계 화합물군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지.
  11. 태양전지의 제조방법에 있어서,
    (i) 기판을 준비하는 단계;
    (ii) 상기 기판 위에 제 1 전극을 형성하는 단계;
    (iii) 상기 제 1 전극을 패터닝하여 상기 기판의 특정 부위에 형성된 제 1 전극을 제거하는 단계;
    (iv) 상기 제 1 전극 및 상기 기판 위에 버퍼층을 형성하는 단계;
    (v) 상기 버퍼층이 상기 제 1 전극과 소정의 간격을 두고 배치될 수 있도록 상기 버퍼층을 패터닝하는 단계;
    (vi) 상기 제 1 전극, 버퍼층 및 상기 제 1 전극과 버퍼층 사이의 기판 위에 광흡수층을 형성하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 (iii) 및 (v) 단계의 제 1 전극 및 상기 버퍼층의 패터닝은
    상기 제 1 전극은 상기 버퍼층과 서로 마주보고 있는 일면은 제 1 전극 돌출부와 제 1 전극 함몰부 및 상기 제 1 전극 돌출부와 제 1 전극 함몰부를 전기적으로 접속하는 접속부로 구성된 톱니모양 패턴을 갖고,
    상기 제 1 전극 돌출부는 상기 버퍼층의 함몰부로 삽입되어 일정 공간 이격되어 배치되고,
    상기 버퍼층의 돌출부가 상기 제 1 전극 함몰부로 삽입되어 일정 공간 이격되어 배치되도록 패터닝하며,
    상기 제 1 전극은 몰리브덴, 니켈, 구리 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하여 구성되고, 스퍼터링법(Sputtering), 열증착법(Thermal evaporation), 전자선증착법(E-beam evaporation), 전착법(Electrodeposition) 중 어느 하나의 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  12. 태양전지의 제조방법에 있어서,
    (i) 기판을 준비하는 단계;
    (ii) 상기 기판 위에 제 1 전극을 형성하는 단계;
    (iii) 상기 제 1 전극을 패터닝하여 상기 기판의 특정 부위에 형성된 제 1 전극을 제거하는 단계;
    (iv) 상기 제 1 전극 및 상기 기판 위에 제 2 전극을 형성하는 단계;
    (v) 상기 제 2 전극이 상기 제 1 전극과 소정의 간격을 두고 배치될 수 있도록 상기 제 2 전극을 패터닝하는 단계;
    (vi) 상기 제 1 전극, 제 2 전극 및 상기 기판 위에 버퍼층을 형성하는 단계;
    (vii) 상기 버퍼층이 상기 제 1 전극과 소정의 간격을 두고 배치될 수 있도록 상기 버퍼층을 패터닝하는 단계;
    (viii) 상기 제 1 전극, 버퍼층 및 상기 제 1 전극과 버퍼층 사이의 기판 위에 광흡수층을 형성하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 (iii), (vii) 단계에서 상기 제 1 전극 및 상기 버퍼층의 패터닝은
    상기 제 1 전극은 상기 버퍼층과 서로 마주보고 있는 일면은 제 1 전극 돌출부와 제 1 전극 함몰부 및 상기 제 1 전극 돌출부와 제 1 전극 함몰부를 전기적으로 접속하는 접속부로 구성된 톱니모양 패턴을 갖고,
    상기 제 1 전극 돌출부는 상기 버퍼층의 함몰부로 삽입되어 일정 공간 이격되어 배치되고,
    상기 버퍼층의 돌출부가 상기 제 1 전극 함몰부로 삽입되어 일정 공간 이격되어 배치되도록 패터닝하며,
    상기 제 1 전극은 몰리브덴, 니켈, 구리 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하여 구성되고, 스퍼터링법(Sputtering), 열증착법(Thermal evaporation), 전자선증착법(E-beam evaporation), 전착법(Electrodeposition) 중 어느 하나의 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  13. 삭제
  14. 제 11항 또는 제 12항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 버퍼층은 CdS, CdZnS, ZnS, Zn(S,O), Zn(OH,S), ZnS(O,OH), ZnSe, ZnInS, ZnInSe, ZnMgO, Zn(Se,OH), ZnSnO, ZnO, InSe, InOH, In(OH,S), In(OOH,S), In(S,O) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하여 구성되고,
    용액성장법(CBD), 전착법(Electrodeposition), 동시증착법(Coevaporation), 스퍼터링법(Sputtering), 원자층성장법(Atomic Layer Epitaxy), 원자층증착법(Atomic Layer Deposition), 화학기상증착법(CVD), 유기금속화학기상증착법(MOCVD), 분자선성장법(MBE), 분무열분해법(Spray pyrolysis), ILGAR(Ion Layer Gas Reaction), 레이저증착법(Pulsed Laser Deposition)중에서 적어도 어느 하나의 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  15. 삭제
  16. 제 11항 또는 제 12항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 제 1전극, 버퍼층, 또는 제 2전극의 패터닝은 레이저 스크라이빙(laser scribing) 공정을 사용하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  17. 제 11항 또는 제 12항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 광흡수층은 Cu-In-Se, Cu-In-S, Cu-Ga-S, Cu-Ga-Se, Cu-In-Ga-Se, Cu-In-Ga-Se-(S,Se), Cu-In-Al-Ga-(S,Se) 및 Cu-In-Al-Ga-Se-S을 포함하는 CIS/CIGS계 화합물군에서 선택된 어느 하나이고,
    동시증착법(Coevaporation), 스퍼터링법(Sputtering), 전착법(Electrodeposition), 유기금속화학기상증착법(MOCVD), 분자선성장법(MBE), 전착법(Electrodeposition), 스크린프린팅법(Screen printing), 입자증착법(Particle deposition) 중에서 어느 하나의 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  18. 제 11항 또는 제 12항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 (vi) 단계의 광흡수층을 형성하는 단계 이후에 상기 광흡수층 상부에 반사방지막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 반사방지막을 형성하는 단계는,
    (a) 상기 광흡수층 위에 Al(CH3)3과 O3를 반응 가스로 이용하여 ALD(Atomic Layer Deposition)법으로 Al2O3를 제 1 반사방지층으로 성막하는 단계;
    (b) 상기 제 1 반사방지층 위에 MgF2 Pellet을 이용하여 Thermal Evaporator법으로 성막하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  20. 제 12항에 있어서,
    상기 제 2 전극은 산화아연, 산화갈륨, 산화알루미늄, 산화인듐, 산화납, 산화구리, 산화티탄, 산화주석, 산화철, 이산화주석, 인듐주석산화물 중에서 적어도 어느 하나를 포함하여 구성되고,
    RF 스퍼터링법, 반응성 스퍼터링법, 증발증착법 (Evaporation), 전자선증착법 (E-beam evaporation), 유기금속화학증착법(MOCVD), 원자층성장법(Atomic Layer Epitaxy), 원자층증착법(Atomic Layer Deposition), 분자선성장법(MBE), 전착법(Electrodeposition) 중에서 어느 하나의 방법을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.


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