KR101421533B1 - 태양전지용 배면전극의 제조방법 및 태양전지용 전극 - Google Patents

태양전지용 배면전극의 제조방법 및 태양전지용 전극 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양전지의 배면전극의 제조방법 및 태양전지용 전극에 관한 것으로, 비활성기체를 10 내지 15 mtorr 압력으로 공급하면서, 기판상에 제1 전극형성물질을 증착시켜 제1 배면전극층을 형성하는 제1 전극층형성단계, 및 비활성기체를 1 내지 5 mtorr의 압력으로 공급하면서, 상기 제1 배면전극층상에 제2 전극형성물질을 증착시켜 제2 배면전극층을 형성하는 제2 전극층형성단계를 포함하고, 상기 제1 배면전극층및 제2 배면전극층의 두께비는 1 : 10 내지 1 : 1.5인 것이다.
상기 태양전지용 배면전극의 제조방법에 따라 제조된 태양전지용 전극은 서로 다른 2 형태의 배면전극을 형성하여 기판과의 접착력이 우수하여 배면전극층의 박리현상이 방지될 뿐만 아니라, 배면전극의 직렬저항을 최소화할 수 있다. 따라서, 배면전극은 기판에서 박리현상이 거의 없고, 낮은 전기저항으로 CIS/CIGS계 태양전지의 효율 및 수명을 향상시킬 수 있게 한다.

Description

태양전지용 배면전극의 제조방법 및 태양전지용 전극{THE MANUFACTURING METHOD OF BACK CONTACT METAL LAYER AND CONTACT METAL LAYER}
본 발명은 태양전지의 배면전극의 제조방법 및 태양전지용 전극에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이중층(bi-layer)으로 이루어진 배면전극으로 전기적 저항을 줄이고, 기판과의 접착성을 향상시킨 태양전지용 배면전극의 제조방법 및 태양전지용 전극에 관한 것이다.
최근 환경문제와 에너지 고갈에 대한 관심이 높아지면서, 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제가 없으며 에너지 효율이 높은 대체 에너지로서의 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다.
상기 태양전지는 구성성분에 따라 실리콘 반도체 태양전지, 화합물 반도체 태양전지, 적층형 태양전지 등으로 분류되며, 반도체 태양전지의 분류에 속하는 CIS(구리, 인듐, 셀레륨계) 광흡수 기반의 태양전지 또는 CIGS(구리, 인듐, 갈륨, 셀레륨계) (이하, 'CIS/CIGS계'라 한다.) 광흡수층 기반의 태양전지는 유리 등의 기판(substrate)에 몰리브덴 등의 배면전극(back contact)과 CIS/CIGS계 광흡수층을 순차적으로 형성하여 제조하게 된다.
CIS/C1GS계의 박막형 태양전지의 배면전극으로는 니켈(Ni) 전극, 구리(Cu) 전극 또는 몰리브덴(Mo) 전극이 사용될 수 있다. 또한, 높은 융점, 낮은 오옴접촉(ohmic contact) 및 셀레늄(Se)을 포함한 비활성기체 분위기에서 열처리에 대한 고온 안정성 측면을 고려하여, 일반적으로는 상기 몰리브덴 전극이 배면전극으로 사용된다.
상기 CIS/C1GS계의 박막형 태양전지의 광흡수층 박막의 배면전극은 전기적으로 저항이 낮아야 할 뿐만 아니라, 고온 공정에서도 기판과의 접착성이 유지될 수 있어야 한다. 상기 몰리브덴 전극의 박막은 DC 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여 일정한 아르곤(Ar) 가스를 공급하면서 기판 위에 제조하는 것이 일반적이다. 따라서, 상기 몰리브덴 전극의 박막에 대한 성장조건 및 방법에 따라 그 위에 형성되는 CIS/C1GS계의 박막형 태양전지의 광흡수층 박막이 달라질 수 있기 때문에 태양전지용 배면전극의 성장기술은 중요한 기술과제라 할 수 있다.
구체적으로 보면, 일반적인 태양전지용 배면전극은 몰리브덴 전극을 사용하는데, 상기 몰리브덴은 기판 및 CIS/CIGS계의 광흡수층과의 열팽창계수가 다르기 때문에 격자 부정합(mismatch)이 발생할 수 있다. 이러한 격자 부정합은 몰리브덴 전극과 기판 사이의 접촉계면의 결합력 감소로 이어지고, 결국에는 상기 몰리브덴 전극의 박막이 박리(peeling)되는 문제가 발생한다. 이러한 기판 및 배면전극 박막 사이의 박리는 배면전극 위에 위치하는 CIS/CIGS계의 광흡수층까지 영향을 미쳐, 태양광발전 소자로서의 기능을 상실하게 하거나, 접촉계면에서의 접착력 약화로 태양광발전 소자로서의 수명을 단축시키는 문제를 일으킨다.
이와 관련한 선행문헌의 기술을 보면, 특허문헌 1은 고온에서의 안정성이 우수한 텅스텐(W), 구리(Cu), 몰리브데늄(Mo), 금(Au), 니켈(Ni)을 DC 스퍼터링, 열증착, 화학적 증착법(CVD), 원자층 증착(ALD), 전기도금 등에 의해 0.1 내지 5μm의 두께로 배면전극을 형성할 수 있다고 기재하고 있으나, 이 경우 상기 열팽창계수 차이에 따른 기판 및 배면전극 박막 사이의 박리 현상이 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
특허문헌 2는 몰리브덴 전극을 이용한 배면전극을 포함하며, 상기 배면전극 위에 형성된 실리콘 보호층을 포함한다. 상기 실리콘 보호층은 셀레늄 확산에 따른 셀레늄과 배면전극 간의 부반응을 억제하는데 도움이 될 수는 있지만, 상기 보호층으로 기판 및 배면전극 박막 사이의 박리 현상이 방지될 수 없다는 문제점이 있다.
KR 10-2011-0032177 A KR 10-2010-0098008 A
Characteristics of Cu(InGa)Se2 Thin Film Solar Cells with Deposition Condition of Mo Electrode, Trans. KIEE. Vol. 50C, No. 12, DEC. 2001.
본 발명의 목적은 CIS/CIGS계 박막 태양전지의 효율이 향상될 수 있도록 하기 위해 직렬저항을 최소화하면서, 기판과 강하게 접착되는 태양전지용 배면전극의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 태양전지용 배면전극의 제조방법을 이용하여 태양전지용 배면전극을 제공하는 것으로 상기 태양전지용 배면전극은 기판에서 박리현상이 거의 없고, 낮은 전기저항으로 CIS/CIGS계 태양전지의 효율 및 수명을 향상시킬 수 있게 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 배면전극의 제조방법은 비활성기체를 10 내지 15 mtorr 압력으로 공급하면서, 기판(10)상에 제1 전극형성물질을 증착시켜 제1 배면전극층(20)을 형성하는 제1 전극층형성단계(S1), 및 비활성기체를 1 내지 5 mtorr의 압력으로 공급하면서, 상기 제1 배면전극층(20)상에 제2 전극형성물질을 증착시켜 제2 배면전극층(30)을 형성하는 제2 전극층형성단계(S2)를 포함하고, 상기 제1 배면전극층(20) 및 제2 배면전극층(30)의 두께비는 1 : 10 내지 1 : 1.5인 것이다.
상기 제1 전극형성물질 및 제2 전극형성물질은 아연(Zn), 텔루륨(Te), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 안티모니(Sb) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것일 수 있다.
상기 비활성기체는 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것일 수 있다.
상기 제1 배면전극층(20) 및 제2 배면전극층(30)은 스퍼터링법, 열증착법, 화학적 증착법(CVD), 원자층 증착법(ALD) 및 전기도금법으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 방법에 따라 증착시켜 형성하는 것일 수 있다.
상기 제1 배면전극층 및 제2 배면전극층은 전류는 0.3 내지 0.5 A이고, 전압은 300 내지 500V인 전원을 공급하면서 스퍼터링법 따라 증착시켜 형성하는 것일 수 있다.
상기 제1 배면전극층(20) 및 제2 배면전극층(30)을 형성하는데 있어, 상기 기판(10)은 1 내지 30 RPM으로 회전되는 것일 수 있다.
상기 태양전지용 배면전극의 제조방법은 상기 제1 전극층형성단계(S1) 이전에 상기 기판(10)의 배면전극(40)이 형성되는 면(面)상에 네온(Ne), 아르곤(Ar), 제논(Xe) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 스퍼터링(sputtering) 하는 전처리 단계(S0)를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 태양전지용 전극은 기판(10), 상기 기판(10) 위에 위치하며, 밀도가 2.4 내지 8.6 g/ml인 제1 전극형성물질을 포함하는 제1 배면전극층(20), 및 상기 제1 배면전극층(20) 위에 위치하며, 밀도가 9.2 내지 15.4 g/ml인 제2 전극형성물질을 포함하는 제2 배면전극층(20)을 포함하고, 상기 제1 배면전극층(20) 및 제2 배면전극층(30)의 두께비는 1 : 10 내지 1 : 1.5인 것이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 배면전극의 제조방법은 비활성기체를 10 내지 15 mtorr 압력으로 공급하면서, 기판(10)상에 제1 전극형성물질을 증착시켜 제1 배면전극층(20)을 형성하는 제1 전극층형성단계(S1), 및 비활성기체를 1 내지 5 mtorr의 압력으로 공급하면서, 상기 제1 배면전극층(20)상에 제2 전극형성물질을 증착시켜 제2 배면전극층(30)을 형성하는 제2 전극층형성단계(S2)를 포함하고, 상기 제1 배면전극층(20) 및 제2 배면전극층(30)의 두께비는 1 : 10 내지 1 : 1.5인 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 배면전극의 제조방법을 나타내는 공정도, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 배면전극의 제조방법에 따라 제조된 배면전극층의 구조를 개략적으로 나타낸 단면구조도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지용 배면전극의 제조방법에 따라 제조된 배면전극의 단면도에 관한 사진이다.
이하, 도 1 내지 3을 참조하여 상기 태양전지용 배면전극(40)의 제조방법에 대하여 설명한다.
우선, 상기 제1 전극층형성단계(S1)로서, 비활성기체를 10 내지 15 mtorr 압력으로 공급하면서, 기판(10)상에 제1 배면전극층(20)을 형성한다.
상기 제1 전극층형성단계(S1)에 따라 형성된 상기 제1 배면전극층(20)은 4.64×10-5 내지 1.62×10-4 ohm·cm의 저항을 가지며, 상기 기판(10)에 대해 우수한 접착성을 나타낸다.
상기 제1 배면전극층(20)은 상기 기판(10)과의 접합성이 우수해야 하기 때문에, 상기 비활성기체의 압력을 상대적으로 높은 상태로 유지하여야 한다. 따라서, 상기 제1 전극층형성단계(S1)에서 상기 비활성기체의 압력이 10 mtorr 미만인 경우 상기 기판(10)과 강하게 결합하지 못하고 접착성이 저하되는 문제가 발생하며, 15 mtorr를 초과하는 경우 상기 제1 배면전극층(20) 내의 입자가 커지면서 치밀한 입자를 형성하고, 이 경우 빈공간이 커지면서 전기저항이 높아지는 문제가 있다. 바람직하게 상기 비활성기체의 압력이 11 내지 13 mtorr인 것일 수 있다.
다음으로, 상기 제2 전극층형성단계(S2)로서, 상기 비활성기체를 1 내지 5 mtorr의 압력으로 공급하면서, 상기 제1 배면전극층(20)상에 제2 배면전극층(30)을 형성한다.
상기 제1 배면전극층(20) 위에 상기 형성되는 상기 제2 배면전극층(30)은 3.54×10-5 내지 1.58×10-5 ohm·cm의 저항을 가지므로 전지저항이 낮아 CIS/C1GS계의 박막형 태양전지의 효율을 높일 수 있다.
상기 제2 배면전극층(30)은 상기 제1 배면전극층(20) 위에 형성되기 때문에 기판(10)과의 접합성 보다는 상기 제1 배면전극층(20)과의 접합이 고려되어야 하며, 직렬전기 저항을 보다 감소시키는 역할을 하기 때문에 상기 비활성기체의 압력을 상대적으로 낮은 상태로 유지하여야 한다. 따라서, 상기 제2 전극층형성단계(S2)에서 상기 비활성기체의 압력이 1 mtorr 미만인 경우 제2 배면전극층(30)이 작은 입자로 분포하게 되어, 상기 제1 배면전기층과 접착력이 저하되며, 내구성 저하로, 상기 제2 배면전극층(30) 위에 형성되는 광흡수층과의 사이에서 접착력이 저하된다. 또한, 상기 비활성기체의 압력이 5 mtorr를 초과하는 경우 상기 제2 배면전극층(30)에 상대적으로 큰 입자가 형성되고, 이에 따라 크기가 큰 빈 공간이 증가하여 전기저항이 증가로 직렬저항이 증가되는 문제가 발생한다.
상기 제1 배면전극층(20) 및 제2 배면전극층(30)의 두께비는 1 : 10 내지 1 : 1.5로 형성되는 것이다.
상기 제2 배면전극층(30) 두께(T2)가 상기 제1 배면전극층(20)의 두께(T1)의 10 배를 초과하는 경우, 배면전극(40)에서 상기 제1 배면전극층(20)이 상대적으로 얇게 형성되어 기판(10)과의 접착성이 저하되기 때문에 기판(10)에서 배면전기(40)층이 박리되는 것을 효과적으로 방지할 수 없다. 또한, 제2 배면전극층(30) 두께(T2)가 상기 제1 배면전극층(20)의 두께(T1)의 1.5 배 미만이 되는 경우 배면전극(40)에서 전기저항성이 상대적으로 높은 상기 제1 배면전극층(20)이 두껍게 형성되므로 태양전지용 배면전극의 직렬저항이 증가되는 문제가 발생한다.
따라서, 바람직하게는 상기 제1 배면전극층(20)은 판상에 100 내지 400 nm 두께(T1)로 형성되고, 상기 제2 배면전극층(30)은 상기 제1 배면전극층(20)상에 600 내지 1000 nm 두께(T2)로 형성되는 것일 수 있다. 더 바람직하게는 상기 제1 배면전극층(20)이 100 내지 300 nm 두께(T1), 상기 제2 배면전극층(30)이 700 내지 900 nm 두께(T2)로 형성되는 것일 수 있다. 상기 범위에 의하는 경우 제1 배면전극층(20)의 상기 기판(10)과의 접착성이 우수하여 배면전극층의 박리현상을 방지하고, 상기 제2 배면전극층(30)의 직렬저항이 최소화 되어 CIS/C1GS계의 박막형 태양전지의 효율을 높일 수 있다.
한편, 상기 제1 전극층형성단계(S1) 및 제2 전극층형성단계(S2)는 반응기 내에서 이루어지며, 상기 반응기는 비활성기체 공급 이전에 내부압력을 10-5 torr 이하로 설정하여 진공 또는 진공에 가까운 상태를 유지하는 것이 바람직하다.
상기 반응기의 내부압력을 상기 10-5 torr 이하로 설정하는 경우 상기 비활성기체의 압력에 대한 저항이 감소하여, 상기 제1 및 제2 배면전극층(30)이 상기 기판(10) 위에 고르게 형성될 수 있다. 따라서, 상기 반응기의 내부압력이 10-5 torr를 초과하는 경우 상기 비활성기체의 압력에 대한 저항이 생겨 증착이 고르게 형성되지 않거나, 제1 및 제2 배면전극층(30)의 두께 또는 형성되는 배면전극층 내의 입자 크기 및 구조에 오차가 생겨 태양전지용 배면전극의 접합성 떨어뜨리고, 직렬저항을 증가시키는 문제가 발생할 수 있다.
상기 제1 전극형성물질 및 제2 전극형성물질은 아연(Zn), 텔루륨(Te), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 안티모니(Sb) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것일 수 있다. 특히, 상기 제1 전극형성물질 및 제2 전극형성물질은 몰리브덴인 것이 바람직하다. 상기 배면전극(40)의 제조에 몰리브덴을 사용하는 이유는, 기판(10)과의 접착성이 뛰어나고 낮은 비저항을 가지고 있어 전극 특성이 뛰어날 뿐만 아니라, 후속 CIS/CIGS계 광흡수층을 형성하는 공정에서 약 500℃ 이상의 고온이 가해지게 되는데, 이때 몰리브덴의 경우 기판(10)과 열팽창계수의 차이가 다른 금속에 비해 상대적으로 작다는 장점이 있기 때문이다. 또한, CIS/CIGS계 광흡수층과 후속 고온 공정시 계면에서 MoSe2 상을 형성함으로써 낮은 접촉 저항을 갖기 때문이다.
상기 기판(10)은 유리 기판(10), 스테인레스 스틸, 티타늄 기판(10), 구리 기판(10), 알루미늄 기판(10), 카본 필름 또는 폴리아미드 등이 다양하게 사용될 수 있다. 또한, 알칼리 성분의 보다 정밀한 제어를 위해 기판(10) 상에 알칼리 성분 배리어(barrier) 층이 형성되어 있는 기판(10)을 사용할 수도 있다. 즉, 기판(10)에 알칼리 성분이 함유되어 있는 경우에는 이들 성분이 CIS/CIGS계 광흡수층에 포함시키고자 하는 함량을 조절하기 어려우므로, 필요한 정도의 알칼리 성분만을 포함시키기 위해서는 조절할 수 없는 알칼리 성분을 차단하기 위한 베리어층이 형성되어 있는 기판(10)이 효과적일 수 있다. 상기 알칼리 성분 베리어층은 예를 들어, 질화 규소, 질화 티탄(Titan), 산화 알루미늄, SiO2, TiO2 또는 ZrO2 박막 등을 들 수 있으나 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 비활성기체는 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것일 수 있다. 또한, 바람직하게는 아르곤을 사용하는 것일 수 있다. 상기 아르곤을 사용하는 경우 부반응이 없으며, 탄성 충돌 동안 전자의 전체 에너지 손실이 거의 없기 때문에 저렴한 가격으로 높은 에너지 효율을 가진다는 장점이 있다.
상기 비활성기체로서 상기 아르곤을 사용하는 경우로서, 그 공정 과정을 간략히 살펴보면, 스퍼터링 장치는 성막하고자 하는 물질(target)을 음극(cathode)으로 하고 상기 기판(10)(substrate)쪽을 양극(anode)로 한다. 전원을 인가하면 주입된 상기 아르곤은 음극쪽에서 방출된 전자와 충돌하여 여기(excite)되어 상기 아르곤 이온(Ar+)으로 되고, 상기 아르곤 이온은 음극쪽으로 끌려서 성막하고자 하는 물질(target)과 충돌하다. 이때 상기 아르곤 이온 입자 하나하나는 E=hν 만큼의 에너지를 갖고 있으며, 충돌시 그 에너지는 성막하고자 하는 물질(target)쪽으로 전이된다. 전이된 에너지가 상기 물질(target)을 이루고 있는 원소의 결합력과 전자의 일함수(work function)를 극복할 수 있을 때 플라즈마를 방출하게 되고, 이때 떨어져 나온 금속 원자 또는 이온은 기판(10) 상에 적층된다.
상기 제1 배면전극층 및 제2 배면전극층은 스퍼터링법, 열증착법, 화학적 증착법(CVD), 원자층 증착법(ALD) 및 전기도금법으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 방법에 따라 증착시켜 형성하는 것일 수 있다.
바람직하게 상기 제 1 배면전극층 및 제2 배면전극층(30)은 상기 DC 스퍼터링법에 따라 증착시켜 형성되는 것일 수 있다. RF 스퍼터링의 경우에는 다른 디지털 회로에 노이즈(noise)의 발생 원인이 될 수 있기 때문에 노이즈 필터 또는 절연체에 의한 차폐와 접지가 필요하며, 상기 DC 스퍼터링에 비해 증착속도가 떨어지는 문제가 있기 때문이다. 또한, 상기 화학적 증착법(CVD) 및 원자층 증착법(ALD)은 증착하고자 하는 면적이 넓어질 경우 균일한 두께로 증착하기 어려워져 양산성이 떨어지는 문제가 있으므로 바람직하지 않다.
더욱 바람직하게 상기 DC 스퍼터링은 DC 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)인 것일 수 있다. 마그네트론 스퍼터링이란, 발생된 플라즈마를 영구자석에서 발생하는 자속(flux)에 의해 집진하여 기판에 성막하는 방법이다. 이러한 방법을 사용하여 증착이 이루어질 경우, 발생한 플라즈마가 전체적으로 일정하게 되어 결과적으로 균일한 박막의 제조가 가능해진다. 사용되는 영구자석은 주로 NbFeB계이며, 일반적으로 평판 형태로 제작되어 음극(cathode; target)의 하단에 놓여진다.
상기 스퍼터링은 전압이 300 내지 500V이고, 전류가 0.3 내지 0.5 A인 전원공급을 유지하면서 이루어지는 것일 수 있다. 상기 범위에 의하는 경우 증착속도가 원활하면서도 고른 형태의 입자를 가지는 배면전극(40)을 형성할 수 있다.
상기 제1 배면전극층(20) 및 제2 배면전극층(30)을 형성하는데 있어, 상기 기판(10)은 1 내지 30 RPM으로 회전되는 것일 수 있다.
상기 RPM 범위에서 상기 기판을 회전시키는 경우 형성된 상기 배면전극(40)층은 보다 균일한 형태를 가진다. 상기 기판(10)의 회전속도가 1 RPM 미만인 경우 기판(10) 회전에 따른 상기 배면전극(40)층의 균일성 향상 효과가 거의 없으며, 30 RPM을 초과하는 경우 원심력 증가로 상기 배면전극(40)층의 균일성이 오히려 저하되는 문제가 있다. 바람직하게 기판(10)의 회전 속도는 5 내지 20 RPM인 것일 수 있는데, 상기 범위에 의하는 경우 상기 배면전극(40)층의 균일성 향상 정도가 가장 우수하다.
상기 태양전지용 배면전극의 제조방법은 상기 태양전지용 배면전극의 제조방법은 상기 제1 전극층형성단계(S1) 이전에, 상기 기판의 배면전극층이 형성되는 면(面)상에 네온(Ne), 아르곤(Ar), 제논(Xe) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 스퍼터링(sputtering) 하는 전처리 단계(S0)를 포함하는 것일 수 있다.
상기 전처리 단계(S0)는 스퍼터링에 의하여 상기 배면전극(40)층이 형성되는 상기 기판(10) 표면에 불순물을 제거하여 상기 기판(10)과 제1 배면전극층(20)이 강하게 접착될 수 있도록 한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 태양전지용 전극은 기판(10), 상기 기판(10) 위에 위치하며, 밀도가 2.4 내지 8.6 g/ml인 제1 전극형성물질을 포함하는 제1 배면전극층(20), 및 상기 제1 배면전극층(20) 위에 위치하며, 밀도가 9.2 내지 15.4 g/ml인 제2 전극형성물질을 포함하는 제2 배면전극층(20)을 포함하고, 상기 제1 배면전극층(20) 및 제2 배면전극층(30)의 두께비는 1 : 10 내지 1 : 1.5인 것이다.
상기 제1 배면전극층(20)의 밀도가 2.4 g/ml 미만인 경우 상기 제1 배면전극층(20)에 빈공간이 커지면서 계면에서의 전기저항성이 증가하고, 8.6 g/ml를 초과하는 경우 상기 제1 배면전극층(20)을 형성하는 입자가 작아지므로 기판(10)과의 접착력이 저하되는 문제가 발생한다. 또한, 제2 배면전극층(30)의 밀도가 9.2 g/ml 미만인 경우 제2 배면전극층(30)의 전기저항 증가로 배면전극층 전체의 전기저항증가로 태양전지의 효율이 저하되고, 15.4g/ml를 초과하는 경우 박막에 대한 증착속도가 저하되어 공정상 효율이 떨어지는 문제가 발생한다.
한편, 상기 제1 및 제2 배면전극층의 밀도는 공급조건에 따라 각각의 다른 인자에 영향을 받을 수 있기 때문에 상기 제1 및 제2 전극층형성단계(S1, S2)에서 공급되는 비활성기체의 압력과 반드시 반비례하는 것은 아니나, 대체적으로 반비례 하는 성질을 갖는다. 즉, 공급되는 비활성기체의 압력이 높은 경우 배면전극층의 입자가 커지면서 빈공간 역시 커지기 때문에 상기 배면전극층의 전체적인 밀도는 감소하고, 반대로 공급되는 비활성기체의 압력이 낮은 경우 배면전극층의 입자는 작아지기 때문에 빈공간 역시 작아지게 되는데, 이 경우 상기 배면전극층의 전체적인 밀도 오히려 증가하게 된다.
상기 제1 배면전극층(20)은 4.64×10-5 내지 1.62×10-4 ohm·cm의 저항을 가지지만, 제1 배면전극층(20)에 상대적으로 큰입자들이 형성되어 기판과 강하게 결합되므로 상기 기판(10)에 대해 우수한 접착성을 나타낸다. 또한, 상기 제1 배면전극층(20) 위에 상기 형성되는 상기 제2 배면전극층(30)은 3.54×10-5 내지 1.58×10-5 ohm·cm의 저항을 가지므로 전지저항이 낮아 CIS/C1GS계의 박막형 태양전지의 효율을 높일 수 있다.
또한, 상기 태양전지용 배면전극은 상기 태양전지용 배면전극의 제조방법에 따라 제조된 것일 수 있다.
헌편, 상기 태양전지용 배면전극을 이용하여 박막형 태양전지를 제조하는 방법은 종래에 박막형 태양전지의 제조에 이용되는 방법이면 어느 것이든 적용이 가능한 바, 본 명세서에서 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 태양전지용 배면전극의 제조방법에 따라 제조된 태양전지용 배면전극은 서로 다른 2 형태의 배면전극을 형성하여 기판과의 접착력이 우수하여 배면전극층의 박리현상이 방지될 뿐만 아니라, 배면전극의 직렬저항을 최소화할 수 있다.
따라서, 본 발명의 따른 태양전지용 배면전극은 기판에서 박리현상이 거의 없고, 낮은 전기저항으로 CIS/CIGS계 태양전지의 효율 및 수명을 향상시킬 수 있게 한다.
도 1은 본발명에 따른 태양전지용 배면전극의 제조방법을 나타내는 공정도이다.
도 2는 본 발명에 따른 태양전지용 배면전극의 제조방법에 따라 제조된 배면전극층의 구조를 개략적으로 나타낸 단면구조도이다.
도 3은 본 발명에 따른 태양전지용 배면전극의 제조방법에 따라 제조된 배면전극의 단면도에 관한 사진이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
[제조예: 태양전지용 배면전극의 제조]
하기의 표 1과 같은 조건에서 하기의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지용 배면전극을 제조하였다.
실시예1 실시예2 실시예3 실시예 4 실시예 5 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4 비교예 5
기판회전속도(RPM) 10 10 10 10 0 10 10 10 10 10
S0 처리 처리 처리 - 처리 처리 처리 처리 처리 처리
S1 비활성기체압력(mtorr) 12 12 12 12 12 12 12 7 20 9.5
배면전극층 두께(nm) 100 200 400 200 200 80 500 80 500 1000
S2 비활성기체압력(mtorr) 3 3 3 3 3 3 3 0.5 7 -
배면전극층 두께(nm) 900 800 600 800 800 920 500 920 500 -
- 상기 제조예는 로터리 펌프(Rotary pump)와 터보 분자 펌프(Rotary pump와 Turbo Molecular Pump, TMP)를 이용하여 내부압력을 10-5 torr 이하로 설정한 반응기에서 진행하였다.
- 상기 기판(10)으로는 50×50 mm2의 연질 유리(Soda-lime Glass)를 사용하였다.
- 상기 전처리 단계(S0)는 플라즈마 상태의 아르곤(Ar)를 사용하였고, 배면전극층이 형성되는 면상에 5분간 스퍼터링을 실시하였다.
- 상기 제 1 및 제2 배면전극층의 형성은 DC 마그네트론 스퍼터링법에 따라 배면전극층 형성물질(target)이 음극에 위치하도록 하고, 전압을 400V, 전류를 0.4 A로 설정하고, 인가하여 상기 배면전극층 형성물질이 증착되도록 하였다.
- 상기 배면전극측 형성물질(target)은 순도 99.99중량%의 몰리브덴(Mo)을 사용하였고, 비활성기체로는 순도 99.999중량%인 아르곤(Ar)을 사용하였다.
[실험예: 제조된 태양전지용 배면전극의 접착력 및 전기저항 측정]
실시예1 실시예2 실시예3 실시예 4 실시예 5 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4 비교예 5
제1 배면전극층 밀도(g/ml) 5.0 5.1 5.1 5.3 4.9 5.1 4.6 8.8 2.3 7.2
제2 배면전극층 밀도(g/ml) 11.7 11.8 11.5 11.6 11.5 11.6 11.7 15.5 9.1 -
접착성 pass pass pass pass pass fail pass fail fail fail
제1 및 제2 배면전극층의 전기저항(ohm·cm) 3.58×10-5 3.14×10-5 3.58×10-5 4.65×10-5 4.87×10-5 3.55×10-5 6.24×10-4 3.26×10-5 7.54×10-4 1.10×10-3
- 상기 제1 및 제2 배면전극층의 밀도는 X-ray reflection 법에 따라 측정하였다.
- 상기 접착성은 상기 제1 배면전극층상에 접착테이프를 붙이고, 다시 떼어내는 방법에 따라 측정하였고, 10회 반복 후 상기 접착테이프에 의해 상기 제1 배면전극층이 박리되면 fail, 그렇지 않으면 pass인 것이다.
- 상기 전기저항은 면저항 측정법에 따라 측정하였다.
상기 표 1 및 표 2를 참조하면, 실시예 1 내지 5에 의하는 경우 제1 배면전극층(20)의 접착성이 우수하여 기판(10)과 강하게 결합한다는 것을 알 수 있고, 제 1 및 제2 배면전극층 전체의 전기저항도 작아 직렬저항 감소로 전지의 효율을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. 특히 실시예 2에 의하는 경우 접착성이 매우 우수할 뿐만 아니라, 전기저항의 최소화로 전지 효율이 가장 높다는 것을 확인할 수 있다.
상기 실시예 4의 경우 상기 기판(10)을 회전하지 않고, 제1 및 제 2 배면전극층을 형성한 것으로 상기 실시예 1 내지 3에 비하여 배면전극층 표면의 균일성이 다소 저하되는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라 배면전극층의 입자의 균일성 저하에 따른 크기가 큰 빈공간이 상대적으로 증가하여 전기저항이 다소 증가함을 알 수 있다.
상기 실시예 5의 경우 전처리 단계(S0)를 포함하지 않은 경우로서 상기 기판(10)상에 존재하는 불순물의 제거율 감소로 상기 실시예 3에 비하여 전기저항이 소폭 상승하였음을 알 수 있다.
상기 비교예 1 및 2의 경우 본 발명에서 한정한 두께범위(T1, T2)를 벗어나는 것으로서, 상기 비교예 1의 경우 제2 배면전극층(30)의 두께증가로 배면전극층 전체의 전기저항은 감소하지만, 상기 제1 배면전극층(10)의 두께감소로 상기 제1 배면전극층(20)과 상기 기판(10)의 접착력 감소로 박리가 일어나는 문제가 있음을 확인할 수 있다. 또한 비교예 2의 경우 제1 배면전극층(20)의 두께 증가와 함께 상기 기판(10)과의 접착력은 우수하지만, 배면전극층의 전기저항이 급격히 증가함을 알 수 있다.
상기 비교예 3 및 4의 경우 본 발명의 공급되는 비활성기체 압력 범위를 벗어나는 경우로서, 상기 기판(10)과 제1배면전극층의 접착력이 감소될 뿐만 아니라 전기저항도 높아지는 문제가 있다.
상기 비교예 5의 경우 단일한 배면전극층을 사용한 것으로 공급되는 아르곤 가스 압력의 상대적으로 작아 배면전극층의 입자 중 큰 입자 형성이 원활하지 않아 상기 기판과의 접착력이 저하되고, 전체적인 전기저항 역시 증가하는 문제가 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10: 기판
20: 제1 배면전극층
30: 제2 배면전극층
40: 배면전극
T1: 제1 배면전극층의 두께
T2: 제2 배면전극층의 두께

Claims (8)

  1. 비활성기체를 10 내지 15 mtorr 압력으로 공급하면서, 기판상에 제1 전극형성물질을 증착시켜 밀도가 2.4 내지 8.6 g/ml인 제1 배면전극층을 형성하는 제1 전극층형성단계, 및
    비활성기체를 1 내지 5 mtorr의 압력으로 공급하면서, 상기 제1 배면전극층상에 제2 전극형성물질을 증착시켜 밀도가 9.2 내지 15.4 g/ml인 제2 배면전극층을 형성하는 제2 전극층형성단계를 포함하고,
    상기 제1 배면전극층 및 제2 배면전극층의 두께비는 1 : 9 미만, 1 : 1.5 초과이며,
    상기 제1 전극층형성단계 및 제2 전극층형성단계에서, 상기 기판은 1 내지 30 RPM으로 회전되고,
    상기 제1 전극층형성단계 이전에, 상기 기판의 배면전극층이 형성되는 면(面)상에 네온(Ne), 아르곤(Ar), 제논(Xe) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 스퍼터링(sputtering) 하는 전처리 단계를 포함하는 것인 태양전지용 배면전극의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 전극형성물질 및 제2 전극형성물질은 아연(Zn), 텔루륨(Te), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 안티모니(Sb) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것인 태양전지용 배면전극의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 비활성기체는 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것인 태양전지용 배면전극의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 배면전극층 및 제2 배면전극층은 스퍼터링법, 열증착법, 화학적 증착법(CVD), 원자층 증착법(ALD) 및 전기도금법으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 방법에 따라 증착시켜 형성하는 것인 태양전지용 배면전극의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 배면전극층 및 제2 배면전극층은 전류는 0.3 내지 0.5 A이고, 전압은 300 내지 500V인 전원을 공급하면서 스퍼터링법 따라 증착시켜 형성하는 것인 태양전지용 배면전극의 제조방법.
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  7. 삭제
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