KR101557020B1 - 금속산란막을 갖는 후면전극과 이를 이용한 태양전지 및 이들의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 후면전극이 이중층으로 구성된 CIGS 박막 태양전지에 관한 것으로, 태양전지 후면전극의 제조방법에 있어서, 기판(100)위에 후면전극(200)을 형성시키는 단계(s100); 상기 후면전극(200) 위에 금속산란막(210)을 형성시키는 단계(s200)를 포함하는 것을 특징으로 하여, 태양광의 광흡수층 내에서의 광경로가 증가시킴으로써 광-전기 변환의 효율을 극대화시킨 것이다.

Description

금속산란막을 갖는 후면전극과 이를 이용한 태양전지 및 이들의 제조방법{Scattering metal-layer coated electrode and solar cell using the same, and a method of manufacturing them}
본 발명은 금속산란막이 형성된 후면전극을 갖는 CIGS 박막 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
태양전지 및 발전시스템은 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 기술로 반도체, 염료, 고분자 등의 물질로 이루어진 태양전지를 이용하여 태양 빛을 받아 바로 전기를 생성한다. 이와 비교되는 기술로는 태양의 복사에너지를 흡수하여 열에너지로 변환하여 이용하는 태양열발전이 있다.
태양광발전(PV, Photovoltaic)은 무한정, 무공해의 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 발전방식으로 태양전지(모듈), PCS, 축전장치 등의 요소로 구성된다. 가장 일반적인 실리콘 태양전지의 기본 구조로서, 태양전지는 p형 반도체와 n형 반도체를 접합시키고 (p-n 접합) 양단에 투명전도막 및 금속전극을 코팅하여 제작한다. 태양 빛이 입사되어 반도체 내부에서 흡수되면 전자와 정공이 발생하여 p-n 접합에 의한 전기장에 끌려 전자는 n측으로 정공은 p측으로 이동하여 외부회로에 전류가 흐르게 된다. 태양광 시스템은 빛을 받아서 전기로 전환시켜 주는 부분(모듈)과 생산된 전기를 수요에 맞도록 교류로 변환시키고 계통에 연결시켜 주는 부분(PCS)으로 구성된다.
태양광발전 시스템의 구성 요소 기기 중 핵심부품은 태양전지이다. 태양전지는 기본적으로 반도체 소자 기술로서 태양 빛을 전기에너지로 변환하는 기능을 수행하는데, 이는 전기를 빛으로 변환시키는 레이저나 발광다이오드(Light Emitting Diode) 등 정보 표시 소자와 작동 방향이 반대일 뿐 기본 구조나 재료특성이 동일하다.
태양전지의 최소단위를 셀이라고 하며 보통 셀 1개로부터 나오는 전압이 약 0.5V로 매우 작으므로 다수의 태양전지를 직병렬로 연결하여 사용범위에 따라 실용적인 범위의 전압과 출력을 얻을 수 있도록 1매로 패키징하여 제작된 발전장치를 태양전지 모듈(PV Module)이라고 한다.
태양전지 모듈은 외부 환경으로부터 태양전지를 보호하기 위해서 유리, 완충재 및 표면제 등을 사용하여 패널 형태로 제작하며 내구성 및 내후성을 가진 출력을 인출하기 위한 외부단자를 포함한다. 복수 개의 태양전지 모듈에 태양빛이 많이 입사할 수 있도록 경사각, 방위각 등의 설치조건을 고려, 가대 및 지지대를 이용하여 전기적인 직병렬로 연결하여 사용범위에 맞게 구성한 발전장치를 태양전지 어레이(PV Array)라고 한다.
태양광발전용 PCS(Power Conditioning System)는 태양전지 어레이에서 발전된 직류전력을 교류전력으로 변환하기 위한 인버터 장치를 말한다. PCS는 태양전지 어레이에서 발전한 직류전원을 상용계통과 같은 전압과 주파수의 교류전력으로 변환하는 장치가 인버터이기 때문에 PCS를 인버터라고도 한다. PCS는 인버터, 전력제어장치 및 보호 장치로 구성되어 있다. 태양전지 본체를 제외한 주변장치 중에서 가장 큰 비중을 차지하는 요소이다.
박막 태양전지는 결정질 실리콘 태양전지에 비하여 원료사용량이 매우 적고 대면적화 및 대량생산이 가능하여 태양전지 제조단가를 낮출 수 있으며, 광흡수층 소재의 두께가 수 ㎛로 원소재 소비가 매우 적으며 5세대급의 대면적 모듈 제조가 가능하고 태양전지 및 모듈제조가 함께 이루어져 가치사슬(Value chain)이 단순하다. 또한, 실리콘 박막과 CI(G)S 및 CdTe 등의 화합물 박막을 이용한 박막 태양전지(모듈)이 상용화되고 있다. 도 1은 상기와 같은 박막 태양전지의 일반적인 예를 도시한 단면도이다.
현재 생산되고 있는 대부분의 박막 태양전지는 유리기판 위에 제조되고 있으며 5세대급 모듈제조시 무게는 약 20㎏이상이 되고 있다.
이러한 박막 태양전지는 기판 위에 박막을 적층하여 제조하며, 태양광이 입사하는 방향에 따라서 상판(superstrate)형과 하판(substrate)형으로 구분된다. 상판형은 태양광이 기판을 통해서 입사하는 구조이며, 투명한 유리 기판에 전면전극을 형성하고, 광흡수층을 차례로 형성한 뒤에 마지막에 후면반사막을 형성한다. 하판형은 태양광이 기판의 반대쪽을 통해서 입사하는 구조이며, 후면 반사막의 역할을 하는 금속 기판 위에 광흡수층을 차례로 형성하고 마지막에 전면전극을 형성한다.
한편, 태양전지의 효율을 높이기 위한 방법으로서, 태양전지의 앞면이나 뒷면에 피라미드 형상 등의 미세한 크기의 요철을 형성하여 내부로 입사된 태양광의 산란 또는 전반사를 유도하는 텍스처 구조(textured structure, 결면)를 형성하여 입사된 태양광의 활용률을 높이는 광포획(light trapping)기술이 필수적으로 적용되고 있다.
결정형 실리콘 태양전지, 특히 단결정의 결정형 실리콘 태양전지는 실리콘의 불균일 식각 특성을 이용하여 실리콘 기판에 텍스처 구조를 형성하는 방법이 발전하여 왔다.
표면요철구조가 형성된 상태에서 태양광이 입사하면 요철과 부딪혀 태양광의 산란이 발생되어 광흡수층에서 흡수되는 태양광의 비율을 높일 수 있게 된다. 즉, 산란되어 확산되는 빛에 의해 광흡수층 내에서의 광경로가 길어지게 되고, 광흡수층을 박막으로 만들더라도 광흡수층에 흡수될 확률이 높아지게 되어 태양전지의 효율을 높이는 것이 가능하다.
대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-1065744는 요철구조가 형성된 기판을 이용한 태양전지의 제조방법으로서, (a) 기판의 일면에 요철부를 형성하는 텍스쳐링 단계; (b) 요철부가 형성된 기판을 화학적으로 식각하는 습식 식각 단계; (c) 기판의 요철부 상에 하부전극을 형성하는 단계; (d) 하부전극 상에 비정질 반도체층이 적층된 광전소자를 형성하는 단계; (e) 비정질 반도체층을 열처리하여 다결정 반도체층으로 결정화하는 단계; 및 (f) 다결정 반도체층상에 상부전극(500)을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 기판 상에 형성된 요철부의 거칠기를 감소시키고 경사를 완만하게 하여 기판의 요철부 상에 형성되는 하부전극과의 계면 특성과 광 투과율을 향상시킬 수 있고, 결정화시 열처리에 의한 하부전극의 손상을 방지할 수 있는 장점이 있다. 하지만 요철을 형성하기 위한 추가적인 공정이 더 필요하여 경제적이지 않은 단점이 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, 태양전지의 단위기능막에 표면요철을 부여하는 방법이 있다.
표면요철구조가 형성된 상태에서 태양광이 입사하면 요철과 부딪혀 태양광의 산란이 발생되어 광흡수층에서 흡수되는 태양광의 비율을 높일 수 있게 된다. 즉, 산란되어 확산되는 빛에 의해 광흡수층 내에서의 광경로가 길어지게 되고, 광흡수층을 박막으로 만들더라도 광흡수층에 흡수될 확률이 높아지게 되어 태양전지의 효율을 높이는 것이 가능하다.
표면요철을 부여하는 방식으로 박막층의 표면을 거친 도구로 문지르는 등 기계적인 방식을 이용하여 표면요철을 부여하는 방식, 에칭시키는 등 화학적인 반응을 이용하여 표면요철을 부여하는 방식 등이 사용되어 왔다.
본 발명은 태양전지의 광전변환 효율을 높이기 위한 방법으로써, 태양전지의 후면전극에 표면요철을 형성하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이에, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서, 태양전지 후면전극의 제조방법에 있어서, 기판(100)위에 후면전극(200)을 형성시키는 단계(s100); 상기 후면전극(200) 위에 금속산란막(210)을 형성시키는 단계(s200)를 포함하는 금속산란막을 갖는 후면전극의 제조방법을 제공하여 상기와 같은 문제점을 해결하고자 한다.
상기의 금속산란막은 빛의 산란 및 이에 따른 플라스모닉스(plasmonics)를 적용하여 태양광을 포획하기 위한 구성이다. 플라스모닉스는 금속과 유전체의 경계면에서 빛과 플라즈마가 결합된 형태로 웨이브 형태로 흐르는 물리적 현상인 `표면 플라즈몬 파`에 관한 것으로서, 이러한 현상에 의하여 후면전극과 CGIS 광흡수층 간의 경계면에서 광경로를 더욱 길게 연장시킴으로써 태양전지의 광전변환효율을 높이고자 한다.
또한 상기 CIGS 광흡수층을 제조하는 과정에서 후면전극을 몰리브덴으로 하여 몰리브덴과 광흡수층 경계에 셀렌화몰리브덴이 형성되게 하여 후면전극의 접촉저항을 개선하여 전자와 정공의 재결합을 줄여준다.
본 발명에 따르면, 후면전극과 CGIS 광흡수층 간의 경계면에서 금속산란막에 의한 플라스모닉스 현상에 의해, 후면전극과 CGIS 광흡수층 간의 경계면에서 광경로를 더욱 길게 연장시킴으로써 태양전지의 광전변환효율을 높이는 효과가 있는 것이다.
또한, 후면전극과 광흡수층 사이에 셀렌화 몰리브덴이 형성됨으로써 후면전극의 접촉저항을 개선하여 전자와 정공의 재결합을 줄일 수 있다.
결론적으로 태양광의 광흡수층 내에서의 광경로가 증가하게 되고, 접촉저항 개선으로 전자와 정공의 재결합을 줄임으로써 태양전지의 광전변환효율을 높이는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 종래의 박막태양전지의 요부발췌 단면도.
도 2는 본 발명의 박막태양전지의 요부발췌 단면도.
도 3은 본 발명의 태양전지의 요부발췌 사시도.
도 4는 본 발명의 태양전지의 다른 실시예의 요부발췌 사시도.
도 5는 본 발명의 태양전지의 제조방법에 관한 순서도.
본 발명인 요철구조의 이중후면전극을 갖는 태양전지의 제조방법의 일실시예를 하기 첨부된 도면을 참조하여 설명하도록 한다. 도 2는 본 발명의 박막태양전지의 요부발췌 단면도이고, 도 3은 본 발명의 태양전지의 요부발췌 사시도이다.
본 발명은 태양전지 후면전극의 제조방법에 있어서,
기판(100)위에 후면전극(200)을 형성시키는 단계(s100);
상기 후면전극(200) 위에 금속산란막(210)을 형성시키는 단계(s200);
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 후면전극(200)은 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 텅스텐(W), 황동(Brass) 중 선택된 금속으로 구성되며, 더욱 바람직하게는 몰리브덴을 적용한다.
상기 후면전극(200)은 상기 기판(100) 위에 스퍼터링, 음극아크증착, 증기증착, 전자빔증착, 화학기상증착, 원자층증착, 전기화학적증착, 분사코팅, 닥터블레이드코팅, 스크린 프린트, 잉크젯 코팅, 열증착법, 전자선증착법, 전착법, 도금법스퍼터링, 열증착법, 전자선증착법, 전착법, 도금법 중에서 적어도 어느 하나의 방법을 이용하여 형성시킨다.
상기 금속산란막(210)은 아연, 카드뮴, 알루미늄, 은, 인듐, 주석, 납, 안티몬, 비스무스, 마그네슘 중 선택된 하나 이상의 금속 입자들로 구성되는 것이 바람직하며, 상기의 금속입자들을 스퍼터링, 음극아크증착, 증기증착, 전자빔증착, 화학기상증착, 원자층증착, 전기화학적증착, 분사코팅, 닥터블레이드코팅, 스크린 프린트, 잉크젯 코팅, 열증착법, 전자선증착법, 전착법, 도금법 중에서 적어도 어느 하나의 방법으로 증착시켜 금속산란막(210)을 형성시키는 것이 바람직하다.
이 경우, 금속산란막(210)은 너무 두껍게 되면 후면전극(200)의 몰리브덴, 크롬, 텅스텐 등이 CIGS 광흡수층(300)과 접하지 못하게 되어 경계면상에서 셀렌화몰리브덴 등을 형성하지 못하게 되므로, 금속 산란막(210)의 두께는 5-10μm로 얇게 형성시키는 것이 바람직하다.
상기의 금속산란막(210)은 빛의 산란 및 이에 따른 플라스모닉스(plasmonics) 현상을 적용하여 태양광을 포획하기 위한 구성이다. 플라스모닉스는 금속과 유전체의 경계면에서 빛과 플라즈마가 결합된 형태로 웨이브 형태로 흐르는 물리적 현상인 `표면 플라즈몬 파`에 관한 것으로서, 이로 인하여 후면전극과 CGIS 광흡수층 간의 경계면에서 광경로를 더욱 길게 연장시킴으로써 태양전지의 광전변환효율을 높이는 것이다.
상기의 플라스모닉스 현상을 극대화하기 위해,
상기 금속산란막(210)을 열처리를 하여 금속 입자들을 섬(island) 형태로 응집시키거나, 상기 금속산란막(210)을 규칙적인 10nm-900nm 직경의 문양을 갖도록 패터닝 하여 도 4의 금속산란막(210)과 같은 형상으로 구성될 수 있다. 상기 패터닝은 레이저 스크라이빙(laser scribing) 공법 또는 포토레지스트(photo resist) 공법을 적용하는 것이 바람직하다.
또는, 상기 금속산란막(210)을 구성함에 있어서, 금속입자를 10nm-900nm 직경의 구형입자로 제조하여 후면전극(200) 위에 뿌려 상기 구형의 형상을 규칙적으로 배열시켜 패터닝시키는 방법도 적용 가능하다.
상기와 같은 방법으로 금속산란막(210)을 패터닝함으로써 플라스모닉스 현상이 극대화되어 후면전극과 CGIS 광흡수층 간의 경계면에서 광경로를 더욱 길게 연장시킬 수 있게 되는 것이다.
본 발명은 이에 나아가, 상기의 후면전극을 포함하는 태양전지의 제조방법을 제공한다.
즉, 본 발명은 태양전지의 제조방법에 있어서,
(i) 기판(100)을 준비하는 단계(s100);
(ii) 상기 기판 위에 금속산란막(210)을 갖는 후면전극층(200)을 형성하는 단계(s200);
(iii) 후면전극층(200) 위에 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 포함하여 구성되는 CIGS 광흡수층(300)을 형성하는 단계(s300);
(iv) 상기 광흡수층(300) 위에 CdS, ZnS, InOH 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 버퍼층(400)을 형성하는 단계(s400);
(v) 상기 버퍼층(400) 위에 산화아연, 산화갈륨, 산화알루미늄, 산화인듐, 산화납, 산화구리, 산화티탄, 산화주석, 산화철, 이산화주석, 인듐주석산화물 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 전면전극층(500)을 형성하는 단계(s500);
를 포함하는 것에 있어서,
상기 (ii) 상기 기판 위에 후면전극층(200)을 형성하는 단계(s200)는 상술한 후면전극의 제조방법을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법을 제공한다.
필요에 따라 상기 전면전극층(500) 위에 그리드전극(600) 및 반사방지막(700)이 설치될 수 있다.
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.
100: 기판
200: 후면전극
210: 금속산란막
300: 광흡수층
400: 버퍼층
500: 전면전극층
600. 그리드전극
700. 반사방지막

Claims (20)

  1. 태양전지 후면전극의 제조방법에 있어서,
    기판(100) 위에 황동(Brass)으로 구성되는 후면전극(200)을 형성시키는 단계(s1000);
    상기 후면전극(200) 위에 두께가 5-10μm인 금속산란막(210)을 형성시키는 단계(s2000);
    를 포함하며,
    상기 후면전극(200) 위에 금속산란막(210)을 형성시키는 단계(s2000)에서 상기 금속산란막(210)은 은, 카드뮴, 알루미늄, 아연, 인듐, 주석, 납, 안티몬, 비스무스, 마그네슘 중 선택된 하나 이상의 금속 입자들로 구성되고,
    상기 후면전극(200) 위에 금속산란막(210)을 형성시키는 단계(s200)에서, 상기 금속입자들을 스퍼터링, 음극아크증착, 증기증착, 전자빔증착, 화학기상증착, 원자층증착, 전기화학적증착, 분사코팅, 닥터블레이드코팅, 스크린 프린트, 잉크젯 코팅, 열증착법, 전자선증착법, 전착법, 도금법 중에서 적어도 어느 하나의 방법으로 증착시켜 금속산란막(210)을 형성시키며,
    상기 금속산란막(210)을 레이저 스크라이빙(laser scribing) 공법으로 규칙적인 10nm-900nm 직경의 문양을 갖도록 패터닝 하여 형성시키는 것을 특징으로 하는 금속산란막을 갖는 후면전극의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 후면전극(200)은 상기 기판(100) 위에 스퍼터링, 음극아크증착, 증기증착, 전자빔증착, 화학기상증착, 원자층증착, 전기화학적증착, 분사코팅, 닥터블레이드코팅, 스크린 프린트, 잉크젯 코팅, 열증착법, 전자선증착법, 전착법, 도금법스퍼터링, 열증착법, 전자선증착법, 전착법, 도금법 중에서 적어도 어느 하나의 방법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 금속산란막을 갖는 후면전극의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 태양전지의 제조방법에 있어서,
    (i) 기판(100)을 준비하는 단계(s100);
    (ii) 상기 기판 위에 두께가 5-10μm인 금속산란막(210)을 가지며, 황동(Brass)으로 구성되는 후면전극층(200)을 형성하는 단계(s200);
    (iii) 후면전극층(200) 위에 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 포함하여 구성되는 CIGS 광흡수층(300)을 형성하는 단계(s300);
    (iv) 상기 광흡수층(300) 위에 CdS, ZnS, InOH 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 버퍼층(400)을 형성하는 단계(s400);
    (v) 상기 버퍼층(400) 위에 산화아연, 산화갈륨, 산화알루미늄, 산화인듐, 산화납, 산화구리, 산화티탄, 산화주석, 산화철, 이산화주석, 인듐주석산화물 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 전면전극층(500)을 형성하는 단계(s500);
    를 포함하는 것에 있어서,
    상기 (ii) 상기 기판 위에 후면전극층(200)을 형성하는 단계(s200)는 제 1항 또는 제 3항의 방법을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
  11. 태양전지의 후면전극에 있어서,
    태양전지의 기판(100) 위에 황동(Brass)으로 구성되는 후면전극(200)은 상기 후면전극(200) 상에 형성되는 두께가 5-10μm인 금속산란막(210)을 포함하며,
    상기 금속산란막(210)은 은, 카드뮴, 알루미늄, 아연, 인듐, 주석, 납, 안티몬, 비스무스, 마그네슘 중 선택된 하나 이상의 금속 입자들로 구성되고,
    상기 금속산란막(210)은, 금속입자들을 스퍼터링, 음극아크증착, 증기증착, 전자빔증착, 화학기상증착, 원자층증착, 전기화학적증착, 분사코팅, 닥터블레이드코팅, 스크린 프린트, 잉크젯 코팅, 열증착법, 전자선증착법, 전착법, 도금법 중에서 적어도 어느 하나의 방법으로 증착시켜 형성되며,
    상기 금속산란막(210)이 규칙적인 10nm-900nm 직경의 문양을 갖도록 레이저 스크라이빙(laser scribing) 공법으로 패터닝된 것임을 특징으로 하는 금속산란막을 갖는 후면전극.
  12. 삭제
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 후면전극(200)은 상기 기판(100) 위에 스퍼터링, 음극아크증착, 증기증착, 전자빔증착, 화학기상증착, 원자층증착, 전기화학적증착, 분사코팅, 닥터블레이드코팅, 스크린 프린트, 잉크젯 코팅, 열증착법, 전자선증착법, 전착법, 도금법스퍼터링, 열증착법, 전자선증착법, 전착법, 도금법 중에서 적어도 어느 하나의 방법을 이용하여 형성된 것임을 특징으로 하는 금속산란막을 갖는 후면전극.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 태양전지에 있어서,
    기판(100)과, 상기 기판(100) 위에 황동(Brass)으로 구성되는 후면전극층(200)과, 상기 후면전극층(200) 위에 형성되는 광흡수층(300)과, 상기 광흡수층(300) 위에 형성되는 버퍼층(400)과, 상기 버퍼층(400) 위에 형성되는 전면전극층(500)을 포함하는 것에 있어서,
    상기 후면전극층(200)은 제 11항 또는 제 13항의 후면전극으로 구성되며, 상기 광흡수층(300)은 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 포함하여 구성되는 CIGS 광흡수층인 것을 특징으로 하는 태양전지.
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