KR101497326B1 - 태양전지모듈의 제조방법 - Google Patents

태양전지모듈의 제조방법 Download PDF

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주식회사 테스
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Abstract

본 발명은 태양전지모듈의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 태양전지모듈의 제조방법은 결정질 실리콘 웨이퍼의 상부 및 하부 중에 적어도 하나에 비정질 실리콘층을 증착하는 단계, 상기 비정질 실리콘층의 표면에 투명전도막층을 증착하며, 상기 투명전도막층은 그 두께가 일정하게 유지되는 통전영역과 상기 통전영역의 가장자리를 따라 그 두께가 일정하게 유지되지 않고 상기 통전영역에 비해 상대적으로 두껍거나 또는 얇은 비통전영역을 포함하는 단계, 상기 투명전도막층의 상기 통전영역의 표면에 전극을 증착하는 단계 및 상기 통전영역과 비통전영역을 구획하기 위하여 상기 통전영역과 비통전영역의 경계를 따라 그루브를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

태양전지모듈의 제조방법 {Manufacturing method of solar cell module}
본 발명은 태양전지모듈의 제조방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 태양전지모듈의 표면에 형성되어 전극과 연결되는 투명전극막의 두께를 일정하게 유지하여 개압전압의 감소를 방지하여 충진율(fill factor)을 높일 수 있는 태양전지모듈에 관한 것이다.
최근 전기에 대한 수요가 급증하면서 석탄, 석유 등과 같은 기존의 화석연료에 의해 전기를 생산하는 방식 이외에 태양광, 바이오, 풍력, 지열, 해양, 폐기물 에너지와 같은 재생에너지를 활용한 전기 생산 방식이 각광받고 있다. 이 중에서도 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지에 대한 개발이 활발하다. 태양전지를 이용한 태양광 발전시스템은 태양 에너지를 전기에너지로 전환시키는 과정에서 기계적, 화학적 작용이 없으므로 시스템의 구조가 단순하여 유지보수가 거의 필요치 않다. 또한, 태양광 시스템을 한번 설치하게 되면 그 수명이 길고 안전하며, 나아가 환경 친화적이라는 장점을 가지고 있다.
태양전지는 태양광이 입사되는 셀(cell)을 구비하고, 태양광을 받으면 광전효과에 의해 전기를 발생시키는 셀의 특성을 이용하여 전기를 생산하게 된다. 그런데, 최근에는 태양전지의 전기생산효율을 향상시키기 위한 많은 연구가 활발하다. 예를 들어, 셀에 입사되는 태양광의 반사율을 낮추거나, 또는 같은 크기의 셀을 구비한 경우에도 셀로 입사되는 태양광의 입사율을 높이고자 하는 연구가 활발하다. 특히, 상기 셀의 표면에 구비되는 반사방지막의 두께가 일정하지 않은 경우에 개방전압이 감소하고, 이로 인하여 충진율이 감소하게 되므로 이를 해결하기 위한 기술 개발을 필요로 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 태양전지를 구성하는 태양전지모듈의 표면에 구비되는 투명전극막의 두께를 일정하게 유지하여 태양전지모듈의 개방전압의 감소를 방지하여 충진율을 높일 수 있는 태양전지모듈을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 결정질 실리콘 웨이퍼, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼의 상부 및 하부 중에 적어도 하나에 구비되는 하나 이상의 비정질 실리콘층, 상기 비정질 실리콘층의 표면에 구비되는 투명전도막층, 상기 투명전도막층의 표면에 구비되는 전극 및 상기 투명전도막층을 상기 전극과 전기적으로 연결되는 통전영역과 상기 전극과 전기적으로 분리하는 비통전영역으로 구획하는 구획수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 태양전지모듈에 의해 달성된다.
여기서, 상기 투명전도막층의 통전영역은 두께가 일정하게 유지되며, 상기 전극은 상기 통전영역의 표면에 구비되어 상기 통전영역과 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 상기 구획수단은 상기 투명전도막층의 가장자리를 따라 형성된 그루브로 이루어질 수 있다. 상기 그루브는 V 커팅에 의해 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 그루브의 깊이는 상기 투명전도막층의 두께 이상으로 결정될 수 있다.
전술한 구성을 가지는 본 발명에 따르면 태양전지모듈의 표면에 구비되는 투명전극막을 두께가 일정한 통전영역과 두께가 일정치 않은 비통전영역으로 구획하고, 상기 통전영역을 전극과 전기적으로 연결하여 개방전압의 감소 및 충진율의 감소를 방지할 수 있다.
도 1은 태양전지의 동작원리를 도시한 개략도,
도 2 및 도 3은 비정질 실리콘층을 구비한 태양전지모듈의 단면도,
도 4는 태양전지모듈로 광을 모으는 집광수단을 구비한 태양전지의 개략도,
도 5는 태양전지모듈의 셀이 집합된 웨이퍼의 평면도,
도 6은 상기 웨이퍼의 상부에 마스크를 구비한 상태를 도시한 평면도,
도 7 및 도 8은 도 6의 'Ⅶ-Ⅶ'선에 따른 단면도,
도 9는 다른 실시예에 따른 마스크의 단면도,
도 10은 다른 실시예에 따른 태양전지모듈의 측단면도,
도 11은 도 10의 평면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 태양전지에 구비되어 태양빛을 받아 전기를 생성하는 태양전지모듈(solar cell module)을 개략적으로 도시한 개략도이다. 도 1은 태양전지 셀(cell)의 측단면도이다.
도 1을 참조하면, 태양전지란 태양빛을 받으면 광전효과에 의해 전기를 발생하는 전지로 정의될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 N층(3)과 P층(5)이 접합하여 PN접합으로 이루어진 셀(32)에 태양광이 입사되면, 정공쌍이 형성된다. 이 때, PN 접합부에서 생기는 전계에 의해 전자는 N층(3)으로 이동하고, 정공은 P층(5)으로 이동하게 된다. 따라서, P층(5)과 N층(3) 사이에 기전력이 발생하게 되고, 상기 양단의 전극(34, 44)에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 된다. 도면에서 설명되지 않은 도면번호 '1'은 태양광이 반사되는 것을 방지하는 반사방지막에 해당한다.
그런데, 상기와 같은 태양전지는 태양전지의 작동 온도가 상승하는 경우에 상기 셀(32)에서 전기를 생산하는 효율이 떨어지는 문제점을 수반한다. 이를 해결하기 위하여 도 2 및 도 3과 같은 이종접합 태양전지가 개시된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 이종접합 태양전지는 N층과 P층을 성질에 따라 구분한 것으로서, 구체적으로 N층과 P층이 서로 다른 결정구조 또는 서로 다른 물질로 구성된 경우를 의미한다.
도 2를 참조하면, 이종접합 태양전지에서 전기를 생산하는 태양전지모듈(100A)은 결정질 실리콘 웨이퍼(110)와, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(110)의 상부 및 하부 중에 적어도 하나에 구비되는 하나 이상의 비정질 실리콘층(120, 130)과, 상기 비정질 실리콘층(130)의 표면에 구비되는 투명전도막층(140)과, 상기 투명전도막층(140)의 표면에 구비되는 전극(150)을 구비할 수 있다. 여기서, 결정질 실리콘 웨이퍼(110)와, 비정질 실리콘층(120, 130) 및 투명전도막층(140)을 태양전지 셀(cell)로 정의할 수 있다.
상기 결정질 실리콘 웨이퍼(110)는 n형 실리콘으로 구성될 수 있으며, 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(110)의 상부에 인트린식(intrinsic) 비정질 실리콘층(120)을 형성하고, 그 상부에 증착장치를 통하여 P형 비정질 실리콘층(130)을 증착한다. 태양광이 입사되는 상면에는 투명전도막층(140)을 형성하고, 그 상부에 평행하게 이격된 상부전극(150)을 구비하고, 실리콘 웨이퍼(110) 하면에 하부전극(160)을 구비한다.
상기 도 2에 따른 태양전지모듈은 일본의 'Sanyo'에서 개발하여 시판하는 소위 'HIT(Heterojunction with Intrinsic Thinfilm) 셀 태양전지'의 구조로서, N형의 실리콘 웨이퍼(110)와 P형 비정질 실리콘층(130) 사이에 인트린식 비정질 실리콘층(120)을 수 nm의 두께로 삽입하여 기존의 도 1에 따른 태양전지모듈에 비해 현저히 높은 20% 이상의 광전환 효율을 나타낸다.
한편, 도 3은 전술한 도 2와 유사한 구조에서 실리콘 웨이퍼(110)의 하면에 텍스쳐링(texturing) 구조와 전계 형성층(125)를 구비한 태양전지모듈(100B)을 도시한다.
상기와 같은 이종접합 태양전지에서 태양광이 입사되는 투명전도막층(140)은 태양광이 반사되지 않고 입사되도록 하는 방사방지막의 역할을 한다. 이 경우, 각 층의 접합은 실리콘 아몰퍼스(amorphous)로 이루어지게 되어 공정 온도에 따른 제약이 있게 된다. 따라서, 도 1에 따른 태양전지모듈에서 사용한 실리콘 나이트라이드계 반사방지막 과 은 페이스트 전극을 사용하지 못하고 예를 들어 인듐주석산화물계로 이루어진 투명전도막층(140)을 반사방지막으로 사용하게 된다.
한편, 태양전지는 태양 에너지를 전기에너지로 전환시키는 과정에서 기계적, 화학적 작용이 없으므로 시스템의 구조가 단순하여 유지보수가 거의 필요치 않으며, 태양광 시스템을 한번 설치하게 되면 그 수명이 길고 안전하며, 나아가 환경 친화적이라는 장점을 가지고 있다. 하지만, 태양전지는 초기 설치비용이 많이 소요되는 문제점을 수반하며, 특히 태양광의 입사면적을 넓히기 위하여 실리콘 웨이퍼의 대형화는 태양전지의 초기 비용을 높이는 주된 요인으로 작용한다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 도 4와 같이 태양전지모듈로 태양광을 모으는 집광수단을 구비한 태양전지가 개발되었다.
도 4를 참조하면, 태양전지(200)의 태양전지모듈(100')은 베이스(180)에 안착되며, 상기 태양전지모듈(100')에서 소정거리를 두고 집광수단, 예를 들어 집광렌즈(210)가 구비된다. 집광렌즈(210)는 태양광의 빛을 모아서 하부의 태양전지모듈(100')로 입사시키게 된다. 상기 태양전지모듈(100')과 집광렌즈(210) 사이의 거리는 상기 집광렌즈(210)의 초점거리에 따라 집광렌즈(210)를 지난 태양광의 대부분이 태양전지모듈(100')로 입사되도록 적절히 결정될 수 있다.
결국, 종래에는 대면적의 실리콘 웨이퍼를 필요로 하였으나, 집광렌즈(210)를 구비함으로써 웨이퍼의 크기를 현저히 줄이어 태양전지의 초기 비용을 낮출 수 있게 된다.
이하, 웨이퍼를 가공하여 태양전지모듈을 제작하는 방법을 살펴보기로 한다. 이하에서 설명하는 웨이퍼는 전술한 셀(cell)에서 투명전도막층이 생략된 형태의 집합체로서 각 태양전지모듈에 적합한 형태로 절삭되기 전의 집합체로 정의될 수 있다.
도 5는 전술한 바와 같이, 전술한 셀(cell)에서 투명전도막층이 생략된 형태의 집합체를 형성하는 웨이퍼(W)를 도시한다.
도 5를 참조하면, 웨이퍼(W)는 원형의 형상을 가질 수 있으며 태양전지모듈의 단면적에 따라 도면에 도시된 바와 같이 은선을 따라 절삭될 수 있다. 상기 웨이퍼(W)가 태양전지모듈의 단면적에 따라 절삭되기 전에 그 상부 및/또는 하면에 투명전도막층을 형성할 수 있다.
도 6은 웨이퍼(W)의 일면, 즉 상면에 투명전도막층을 형성하기 위하여 마스크(300)를 안착한 상태를 도시한다.
상기 투명전도막층은 전술한 바와 같이 인듐주석산화물계로 이루어지므로, 스퍼터링 등의 방식에 의해 상기 웨이퍼(W) 상부에 증착되어 형성된다. 이 경우, 태양전지모듈의 형태로 증착하기 위하여 마스크(300)를 웨이퍼(W)의 상부에 배치한다. 상기 마스크(300)는 투명전도막층이 증착되도록 복수개의 개구부(310)를 구비할 수 있다. 즉, 증착을 하는 경우에 상기 개구부(310)를 통하여 상기 웨이퍼(W)의 상부에 증착막이 형성되며, 상기 증착막이 투명전도막층을 형성하게 된다.
그런데, 상기와 같은 증착공정을 하는 경우에 다양한 요인에 의해 증착되는 막의 두께가 달라질 수 있다. 도 7 및 도 8은 도 6의 'Ⅶ-Ⅶ'선에 따른 단면도이다.
도 7을 참조하면, 태양전지모듈의 단면적의 폭이 'L1'의 거리를 가진다고 가정하면, 마스크(300)의 개구부를 통해 웨이퍼(W)의 상부에 투명전도막층(140)이 증착된다. 그런데, 상기 증착공정을 수행하는 경우에 다양한 요인에 의해 투명전도막층(140)의 두께가 일정하게 유지되지 않고 도 7의 'A' 영역과 같이 마스크(300)의 개구부의 가장자리를 따라 투명전도막층의 두께가 상대적으로 두꺼워지거나, 또는 도 8의 'B' 영역과 같이 마스크(300)의 개구부의 가장자리를 따라 투명전도막층의 두께가 상대적으로 얇아질 수 있다.
상기와 같이 투명전도막층의 두께가 일정하지 않고 일부 영역의 두께가 상대적으로 두껍거나, 또는 얇아지게 되면 전극을 통하여 전기를 생산하는 경우에 개방전압의 감소에 의한 충진율(fill factor)의 감소를 유발할 수 있다. 이는 태양전지에서 원하는 전력 생산을 방해하는 요인으로 작용하게 된다. 따라서, 이하에서는 상기와 같이 투명전도막층을 형성하는 경우에 두께가 일정한 투명전도막층을 형성하는 방법에 대해서 살펴보기로 한다.
도 9는 다른 실시예에 따른 마스크에 의해 투명전도막층을 형성하는 과정을 도시한 측단면도이다.
도 9를 참조하면, 마스크(300)의 개구부는 전술한 도 7 및 도 9의 폭(L1)에 비해 상대적으로 더 긴 폭(L2)을 가지도록 구성된다. 예를 들어, 상기 'L2'는 'L1'에 비해 대략 10% 내지 15%정도 더 길어지도록 구성될 수 있다. 여기서, 상기 'L1'd의 길이는 종래의 태양전지모듈의 폭의 길이에 대응한다. 즉, 본 실시예에서는 투명전도막층을 형성하는 경우에 종래의 태양전지모듈의 폭에 비해 더 긴 폭(또는 면적)을 가지는 투명전도막층을 형성하도록 한다. 이에 의해 종래의 태양전지모듈에 대응하는 폭(L1)에서는 도면에 도시된 바와 같이 일정한 두께를 가지는 투명전도막층을 형성하는 것이 가능해지며, 상기 폭(L1) 이상의 길이에서 투명전도막층의 두께가 달라지게 된다. 따라서, 상기와 같은 구성에서 투명전도막층의 두께가 일정한 영역(S1)과 투명전도막층의 두께가 일정하지 않은 영역(S2)을 전기적으로 구획하여 상기 두께가 일정한 영역(S1)에서 전기를 공급하게 되면 개방전압 및 충진율의 감소를 방지할 수 있다.
도 10 및 도 11은 전술한 바와 같이 투명전도막층의 두께가 일정한 영역(S1)과 투명전도막층의 두께가 일정하지 않은 영역(S2)을 전기적으로 구획한 태양전지모듈(100C)을 도시한다. 도 10은 태양전지모듈의 측단면도이고, 도 11은 사시도이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 태양전지모듈(100C)은 결정질 실리콘 웨이퍼(110), 상기 결정질 실리콘 웨이퍼(110)의 상부 및 하부 중에 적어도 하나에 구비되는 하나 이상의 비정질 실리콘층(120, 130), 상기 비정질 실리콘층의 표면에 구비되는 투명전도막층(140) 및 상기 투명전도막층의 표면에 구비되는 전극(150)을 구비하고, 상기 투명전도막층(140)을 상기 전극(150)과 전기적으로 연결되는 통전영역(S1)과 상기 전극과 전기적으로 분리되는 비통전영역(S2)으로 구획하는 구획수단을 구비할 수 있다.
여기서, 상기 투명전도막층의 통전영역(S1)은 두께가 일정하게 유지되는 영역으로 정의될 수 있으며, 비통전영역(S2)은 그 두께가 일정하지 않은 영역으로 정의될 수 있다. 상기 전극(150)은 통전영역(S1), 즉 투명전도막층(140)의 두께가 일정한 영역에 구비되어 상기 통전영역(S1)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 전극(150)이 비통전영역(S2)에 구비되어 상기 비통전영역(S2)과 전기적으로 연결된다면 개방전압 및 충진율의 감소를 막을 수 없기 때문이다.
구체적으로, 상기 구획수단은 상기 투명전도막층(140)의 가장자리를 따라 형성된 그루브(groove)(145)로 이루어질 수 있다. 상기 그루브(145)는 다양하게 형성될 수 있지만, 태양전지모듈의 소형화 및 다른 구성요소에 대한 피해를 최소화하기 위하여 레이져(laser) 커팅에 의해 형성되는 V-커팅으로 형성될 수 있다.
상기 그루브(145)는 상기 투명전도막층(140)의 가장자리를 따라 형성될 수 있으며, 보다 구체적으로 상기 그루브(145)는 상기 투명전도막층(140)의 두께가 일정한 영역(S1)의 가장자리를 따라 형성될 수 있다. 따라서, 도 8에 도시된 바와 같이 투명전도막층(140)의 가장자리를 따라 그루브(145)가 형성되고, 상기 그루브(145)의 내측에 상기 전극(150)이 배치될 수 있다.
이 경우, 상기 그루브(145)의 깊이는 상기 투명전도막층(140)의 두께 이상으로 결정될 수 있다. 상기 그루브(145)의 깊이가 상기 투명전도막층(140)의 두께보다 작다면, 상기 그루브(145)에 의해 상기 투명전도막층(140)의 통전영역(S1)과 비통전영역(S2)으로 명확하게 구획하는 것이 곤란하기 때문이다. 도 10에서 상기 그루브(145)는 상기 투명전도막층(140)을 관통하여 실리콘 웨이퍼(110)까지 도달하는 것으로 도시되지만, 이는 일예에 불과하다. 다만, 상기 그루브(145)의 깊이가 너무 크다면, 예를 들어 태양전지모듈의 두께의 절반 이상으로 형성된다면 태양전지모듈의 기계적 신뢰성을 저하시킬 수 있으므로 태양전지모듈의 두께의 절반 이하로 결정될 수 있다.
본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.
110..실리콘 웨이퍼
120..P형 비정질 실리콘층
130..인트린식 비정질 실리콘층
140..투명전도막층
150..상부전극
160..하부전극

Claims (6)

  1. 결정질 실리콘 웨이퍼의 상부 및 하부 중에 적어도 하나에 비정질 실리콘층을 증착하는 단계;
    상기 비정질 실리콘층의 표면에 투명전도막층을 증착하며, 상기 투명전도막층은 그 두께가 일정하게 유지되는 통전영역과 상기 통전영역의 가장자리를 따라 그 두께가 일정하게 유지되지 않고 상기 통전영역에 비해 상대적으로 두껍거나 또는 얇은 비통전영역을 포함하는 단계;
    상기 투명전도막층의 상기 통전영역의 표면에 전극을 증착하는 단계; 및
    상기 통전영역과 비통전영역을 구획하기 위하여 상기 통전영역과 비통전영역의 경계를 따라 그루브를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지모듈의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 그루브를 형성하는 단계에서
    상기 그루브의 깊이는 상기 투명전도막층의 두께 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지모듈의 제조방법.
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