KR101641929B1 - 박막형 태양전지 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전면전극의 환원 및 기화를 방지하기 위한 완충층을 포함한 박막형 태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 박막형 태양전지는 기판 상에 형성된 다수의 전면전극; 상기 다수의 전면전극을 분리하는 제 1 분리부; 상기 다수의 전면전극 상에 위치하는 완충층; 상기 완충층을 포함하는 상기 기판 상에 형성된 반도체층; 상기 반도체층 상에 형성된 투명도전층; 상기 반도체층 및 상기 투명도전층이 제거된 콘택부; 상기 콘택부를 통하여 상기 다수의 전면전극 각각과 전기적으로 연결되고 상기 투명도전층 상에 형성되는 다수의 후면전극; 및 상기 다수의 후면전극을 분리하고 상기 반도체층 및 상기 투명도전층이 제거된 제 2 분리부;를 포함하는 것을 특징으로 하다.

Description

박막형 태양전지 및 그의 제조방법{Sola Cell of Thin Film and Method for Fabricating the same}

본 발명은 전면전극의 환원 및 기화를 방지하기 위한 완충층을 포함한 박막형 태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

환경문제와 화석 에너지 고갈에 대한 관심이 높아지면서, 대체 에너지 자원으로써, 재생가능하고 환경오염에 대한 문제가 없는 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다. 태양전지는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양광(photons)을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지로 나눌 수 있다. 그 중에서도 빛을 흡수하여 생성된 P 형 반도체의 전자와 N 형 반도체의 정공이 전기 에너지로 변환하는 태양광 전지에 대한 연구가 활발히 행해지고 있다.

반도체의 성질을 이용한 태양전지는 P 형의 반도체와 N 형의 반도체의 접합형태를 가지는 다이오드(diode)와 동일하다. P 형 반도체와 N 형 반도체가 접한 P-N 접합부에 빛이 들어오면, 빛 에너지에 의하여 반도체 내부에서 전자와 정공이 발생한다. 일반적으로 반도체에 밴드 갭 에너지(band gap energy) 이하의 빛이 들어가면 반도체 내의 전자와 약하게 상호작용하고, 밴드 갭 이상의 빛이 들어가면 공유결합 내의 전자를 여기시켜 캐리어(carrier)로서 전자 정공쌍을 생성한다. 빛에 의하여 형성된 캐리어들은 재결합과정을 통하여 정상상태로 돌아온다. 빛에너지에 의해 발생된 전자와 정공은 내부의 전계에 의하여 각각 N 형 반도체과 P 형 반도체로 이동하여 양쪽의 전극부에 모아지고, 이를 전력으로 이용할 수 있게 된다.

태양전지는 기판형 태양전지와 박막형 태양전지로 구분된다. 기판형 태양전지는 실리콘 웨이퍼를 기판으로 이용하여 제작되고, 박막형 태양전지는 유리 등과 같은 기판 상에 박막 형태로 반도체층을 형성하여 제작된다. 기판형 태양전지는 상기 박막형 태양전지에 비하여 효율이 다소 우수한 장점이 있고, 박막형 태양전지는 상기 기판형 태양전지에 비하여 제조비용이 감소되는 장점이 있다.

기판형 태양전지는 박막형 태양전지에 비하여 효율이 다소 우수하기는 하지만, 공정상 두께를 최소화하는데 한계가 있고 고가의 반도체 기판을 이용하기 때문에 제조비용이 상승되는 단점이 있다. 박막형 태양전지는 상기 기판형 태양전지에 비하여 효율이 다소 떨어지기는 하지만, 얇은 두께로 제조가 가능하고 저가의 재료를 이용할 수 있어 제조비용이 감소되는 장점이 있어 대량생산에 적합하다.

박막형 태양전지는 유리 등과 같은 기판 상에 전면전극을 형성하고, 전면전극 위에 반도체층을 형성하고, 반도체층 위에 후면전극을 형성하여 제조되는데, 이하, 도면을 참조로 종래의 박막형 태양전지에 대해서 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1a 내지 도 1g는 종래기술의 박막형 태양전지를 제조하기 위한 공정 순서도이다.

도 1a와 같이, 기판(10) 상에 전면전극 물질(20a)을 형성한다. 전면전극 물질(20a)은 산화아연(ZnO)을 사용할 수 있다. 그리고, 도 1b와 같이, 전면전극 물질(20a)에 제 1 분리영역(도시하지 않음)을 정의하고, 제 1 레이저(L1)를 이용하여 전면전극 물질(20a)의 분리영역을 제거하는 제 1 레이저 스크라이빙(laser scribing) 공정을 실시한다. 제 1 레이저 스크라이빙 공정에 의해서 제 1 분리부(25)를 사이에 두고 이격되는 전면전극(20)이 형성된다.

도 1c을 참조하면, 전면전극(20)을 포함하는 기판(10) 상에 반도체 물질(30a) 및 투명도전 물질(40a)이 순차적으로 적층된다. 반도체 물질(30a) 및 투명도전 물질(40a) 각각은 실리콘(silicon) 및 ITO(indium tin oxide)를 사용한다. 도 1d와 같이, 투명도전 물질(40a)에 콘택영역(도시하지 않음)을 정의하고, 제 2 레이저(L2)를 이용하여 콘택영역에 대응되는 반도체 물질(30a) 및 투명도전 물질(40a)을 제거하는 제 2 레이저 스크라이빙 공정을 수행한다. 제 2 레이저 스크라이빙 공정에 의해서 콘택부(35)를 사이에 두고 이격되는 반도체층(30) 및 투명도전층(40)이 형성된다.

도 1e와 같이, 콘택홀(35)을 포함하는 투명도전층(40) 상에 후면전극 물질(50a)을 형성한다. 그리고, 도 1f와 같이, 후면전극 물질(50a)에 제 2 분리영역을 정의하고, 제 3 레이저(L3)를 이용하여 제 2 분리영역에 대응되는 후면전극 물질층(50a)을 제거하는 제 3 레이저 스크라이빙 공정을 수행한다. 제 3 레이저 스크라이빙 공정에 의해 제 2 분리부(45)를 사이에 두고 이격되는 후면전극(50)이 형성된다.

도 1g을 참조하면, 기판(10) 상에 제 3 분리영역을 정의하고, 제 4 레이저(L4)를 이용하여, 기판(10)의 외곽부에 적층되고 제 3 분리영역과 대응되는 반도체(30), 투명도전층(40), 후면전극(50), 및 전면전극(20을 제거하여 제 3 분리부(55)를 형성하는 제 4 레이저 스크라이빙 공정을 수행한다. 제 3 분리부(55)는 완성된 박막 태양전지를 모듈화하는 공정에서 하우징을 박막 태양전지에 연결하게 되는데 이때 하우징과 박막 태양전지 사이의 전기적인 접촉(short)을 방지한다.

상기에서 기술한 종래기술의 박막형 태양전지 및 그의 제조방법을 다음과 같은 문제가 있다.

일반적으로, 산화아연(ZnO)은 아연 금속 씨드(Zn metal seed)를 이용하는 고압 단결정 성장방법(high pressure crystal growth method)으로 단결정으로 성장시킨다. 고압 단결정 성장방법에서 사용되는 산화아연(ZnO)의 용융점은 1970도의 고온이다. 그러나, 산화아연(ZnO)의 화학적 결합은 매우 불안정하여 낮은 온도에서 쉽게 환원 및 산화반응이 나타나며, 이는 산화아연(ZnO)의 낮은 산소 결합력에 기인한다. 환원된 아연(Zn)의 용융점과 기화점은 각각 419도 및 970도이므로, 레이저를 사용하는 스크라이빙 공정에서, 레이저의 조사에 의해 환원된 아연(Zn)을 충분히 용용 및 기화시킬 수 있는 온도로 승온될 수 있다.

후면전극(50)을 형성할 때, 제 3 및 제 4 레이저(L3, L4)에서 발산된 열에 의해 산화아연(ZnO)으로 형성된 다수의 전면전극(20)이 환원되고, 산화아연(ZnO)의 환원에서 발생한 산소가 실리콘으로 형성된 반도체층(30)에 공급되어 실리콘산화물을 형성할 수 있다. 환원된 아연(Zn)은 레이저의 조사에 의해 기화되고 제 2 및 제 3 분리부(45, 55)에 잔류하여 다수의 단위 셀(cell) 사이에서 전기적 접촉(short) 현상을 유발시킬 수 있다. 그리고, 반도체층(30)에 실리콘 산화물이 형성되어, 다이오드의 기능을 저하시킬 수 있다. 이러한 산화아연(ZnO) 및 실리콘의 환원 및 산화가 낮은 온도에서 이루어지므로, 제 3 및 제 4 레이저 스크라이빙 공정 시에 다수의 전면전극(20) 및 반도체층(30)에 영향을 주어, 박막형 태양전지의 가공이 어려워 지는 문제가 있다.

다시 설명하면, 도 1g와 같이, 제 4 레이저 스크라이빙 공정을 수행하여 제 3 분리부(55)를 형성한 후, 다수의 후면전극(50)을 직렬로 연결하여 박막형 태양전지를 모듈화하는 공정을 수행하게 된다. 박막형 태양전지에 있어서, 다수의 단위 셀은 서로 고립되어 있는 상태에 있고, 모듈화 공정에서 다수의 후면전극(55)이 직렬로 연결된다. 그런데, 산화아연(ZnO)을 사용하는 전면전극(20)을 형성하고, 실리콘으로 반도체층(30)을 형성하는 경우, 제 3 및 제 4 레이저 스크라이빙 공정에서, 제 2 및 제 3 분리부(45, 55)에 대응되는 산화아연(ZnO)이 환원되고, 환원된 산화아연(ZnO)이 레이저의 조사에 의해 기화된 후, 제 2 및 제 3 분리부(45, 55)에 다시 증착되어 다수의 단위 셀(cell)을 전기적으로 연결하는 접촉(short) 현상과, 산화아연(ZnO)의 환원에 의해 발생한 산소가 반도체층(30)에 공급되어 실리콘 산화물을 형성할 수 있다. 이로 인해, 박막형 태양전지 모듈에서 불량이 발생할 수 있다.

상술한 종래기술의 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 전면전극과 반도체층 사이에 완충층을 형성하여, 레이저를 이용한 분리부 형성 공정에서 발생될 수 있는 전면전극 및 반도체층의 환원 및 산화와, 분리부에 기화물의 재 증착으로 인한 인접한 단위 셀의 전기적 연결을 방지하는 박막형 태양전지 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 박막형 태양전지는, 기판 상에 형성된 다수의 전면전극; 상기 다수의 전면전극을 분리하는 제 1 분리부; 상기 다수의 전면전극 상에 위치하는 완충층; 상기 완충층 상에 형성된 반도체층; 상기 반도체층 상에 형성된 투명도전층; 상기 반도체층 및 상기 투명도전층이 제거된 콘택부; 상기 콘택부를 통하여 상기 다수의 전면전극과 전기적으로 연결되고 상기 투명도전층 상에 형성되는 다수의 후면전극; 및 상기 다수의 후면전극을 분리하고 상기 반도체층 및 상기 투명도전층이 제거된 제 2 분리부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 박막형 태양전지에 있어서, 상기 다수의 전면전극은 산화아연(ZnO)로 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 박막형 태양전지에 있어서, 상기 기판의 외곽부와 대응하는 상기 반도체층 및 상기 투명도전층이 제거된 제 3 분리부를 더욱 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 박막형 태양전지에 있어서, 상기 완충층은 절연물질 또는 전도성 물질인 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 박막형 태양전지에 있어서, 상기 완충층은 Al₂O₃, SiO₂, Si₃N₄, NiO 및 TiO₃ 중 하나를 선택하여 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 박막형 태양전지에 있어서, 상기 완충층은 1 내지 3nm의 두께로 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 박막형 태양전지에 있어서, 상기 완충층을 쌍안정 저항 물질(bi-stable resistance)로 사용하는 경우, 상기 완충층은 1 내지 10nm의 두께로 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 박막형 태양전지에 있어서, 상기 다수의 후면전극은 직렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 박막형 태양전지의 제조방법은, 기판 상에 전면전극 물질층을 형성하는 단계; 상기 전면전극 물질층 상에 완충층을 형성하는 단계; 상기 완충층에 제 1 분리영역을 정의하고, 상기 제 1 분리영역과 대응되는 상기 전면전극 물질층 및 상기 완충층을 제거하여 제 1 분리부를 형성하는 단계; 상기 완충층을 포함하는 상기 기판 상에 반도체층과 투명도전층을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 투명도전층 상에 콘택영역을 정의하고, 상기 콘택영역과 대응되는 상기 반도체층과 상기 투명도전층을 제거하여 콘택부를 형성하는 단계; 상기 콘택부를 포함하는 상기 투명도전층 상에 후면전극 물질층을 형성하는 단계; 및 상기 후면전극 물질층에 제 2 분리영역을 정의하고, 레이저 조사 방법을 이용하여 상기 제 2 분리영역과 대응되는 상기 후면전극 물질층, 상기 투명도전층 및 상기 반도체층을 제거하는 것에 의해 제 2 분리부와, 상기 제 2 분리부에 의해서 구분되고 상기 콘택부 각각을 통하여 상기 다수의 전면전극과 전기적으로 연결되는 다수의 후면전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 박막형 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 기판의 외곽부에 제 3 분리영역을 정의하고, 레이저 조사 방법을 이용하여 상기 제 3 분리영역과 대응되는 상기 후면전극 물질층, 상기 투명도전층 및 상기 반도체층을 제거하는 것에 의해 제 3 분리부를 형성하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 박막형 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 다수의 전면전극은 산화아연(ZnO)로 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 박막형 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 완충층은 절연물질 또는 전도성 물질인 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 박막형 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 완충층은 Al₂O₃, SiO₂, Si₃N₄, NiO 및 TiO₃ 중 하나를 선택하여 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 박막형 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 완충층은 1 내지 3nm의 두께로 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 박막형 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 완충층을 쌍안정 저항 물질(bi-stable resistance)로 사용하는 경우, 상기 완충층은 1 내지 10nm의 두께로 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 박막형 태양전지 및 그의 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.

태양전지에 있어서, 제조비용의 절감을 포함한 여러가지 이유로 산화아연(ZnO)와 같이 화학적 결합이 불안정하여 환원 또는 기화되기 쉬운 물질로 전면전극을 형성할 수 있다. 본 발명은 산화아연(ZnO)으로 형성되는 전면전극 상에 화학적으로 안정하고 밴드 갭이 높은 절연물질 또는 전도성 물질의 완충층을 형성함으로써, 전면전극 상에 적층된 반도체층, 투명도전층 및 후면전극의 제거하여 분리부를 형성하는 레이저 스크라이빙 공정에서, 전면전극이 환원 및 기화되고, 기화물이 다시 분리부에 증착되어 인접한 단위 셀을 전기적으로 연결시키는 불량을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 전면전극과 반도체층 사이에 완충층을 형성하는 것에 의해, 전면전극 상에 적층된 반도체층, 투명도전층 및 후면전극의 제거하여 분리부를 형성하는 레이저 스크라이빙 공정에서, 산화아연(ZnO)을 사용하는 전면전극이 환원되어 발생한 산소가 반도체층에 공급되어 반도체층이 산화되는 것을 방지할 수 있다.

도 1a 내지 도 1g는 종래기술의 박막형 태양전지를 제조하기 위한 공정 순서도
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 실시예에 따른 박막형 태양전지를 제조하기 위한 공정 순서도

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 실시예에 따른 박막형 태양전지를 제조하기 위한 공정 순서도이다.

도 2a을 참조하면, 기판(100) 위에 전면전극 물질(200a)을 형성한다. 기판(100)으로는 유리, 투명한 플라스틱, 및 가요성 플라스틱 중 하나를 이용할 수 있다. 전면전극 물질(200a)은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 공정, PECVD(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) 공정, 스퍼터링(Sputtering) 공정, 이빔(e-beam) 공정 또는 열적(Thermal) 공정 등에 의해 형성될 수 있다.

전면전극 물질(200a)은 Ag, Al, Ag+Al, Ag+Mg, Ag+Mn, Ag+Sb,Ag+Zn, Ag+Mo, Ag+Ni, Ag+Cu, 또는 Ag+Al+Zn 등과 같은 금속물질을 이용하여 형성하거나, ITO(indium tin oxide), FTO(fluorine doped tin oxide), ZnO, ZnO:B, ZnO:Al, Ag, SnO₂, SnO₂:F, ZnO:Ga₂O₃, ZnO:Al₂O₃, SnO₂:Sb₂O₃ 등과 같은 투명한 도전물질(TCO, transparent conductive oxide)을 이용하여 형성할 수 있다. 본 발명에서는, 태양전지의 제조비용을 절감하기 위하여 전면전극 물질(200a)으로 산화아연(ZnO)을 사용할 수 있다.

전면전극 물질(200a)은 태양광이 입사되는 면이기 때문에 입사되는 태양광이 태양전지 내부로 최대한 흡수될 수 있도록 하는 것이 중요하며, 이를 위해서 전면전극층(200a)에 조면화 공정(texturing process)을 추가로 수행할 수 있다. 조면화 공정은 전면전극 물질(200a)의 표면을 요철구조로 형성하는 과정으로, 사진석판기술(photolithography), 기계적 가공, 및 물리적 가공을 이용한 그루브(groove) 형성 공정 중 하나를 선택하여 수행할 수 있다. 또한, 사진석판기술은 건식 및 습식식각을 이용한 이방성 및 등방성으로 식각하는 방법으로 구분될 수 있다. 이와 같은 조면화 공정을 전면전극 물질(200a)에 수행할 경우 입사되는 태양광이 태양전지 외부로 반사되는 비율은 감소하게 되고, 그와 더불어 입사되는 태양광의 산란에 의해 태양전지 내부로 태양광이 흡수되는 비율은 증가하게 되어, 태양전지의 효율이 증진되는 효과가 있다.

또한, 조면화 공정에서는 그루브 형성 공정을 이용하여 기판(100)의 표면에 요철구조로 형성할 수 있다. 기판(100)의 표면에 형성되는 요철구조로 인하여 전면전극 물질(200a)의 표면은 기판(100)의 표면에 형성된 요철구조와 동일한 요철구조를 가지게 된다.

조면화 공정이 완료된 전면전극(200a) 상에 완충층(buffer layer)(250)을 형성한다. 완충층(260)은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 공정, PECVD(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) 공정, 스퍼터링(Sputtering) 공정, 이빔(e-beam) 공정 또는 열적(Thermal) 공정 등에 의해 형성될 수 있다. 완충층(260)은 후술하는 전면전극(200) 및 반도체층(300) 사이에 개재되어 있고, 레이저를 이용한 스크라이빙 공정에서 레이저의 발열에 의해 산화아연(ZnO)로 형성되는 전면전극(200)의 환원 및 실리콘으로 형성되는 반도체층(300)의 기화를 방지하는 기능을 수행한다.

완충층(260)은 화학적으로 안정하고 비교적 밴드 갭(bad gap)이 높은 물질을 사용하고, 산화아연(ZnO)의 환원 및 기화를 방지할 수 있고 물질이면 절연물질 또는 전도성 물질을 제한하고 않고 모두 사용할 수 있다. 완충층(260)은 Al₂O₃, SiO₂, Si₃N₄, NiO 및 TiO₃ 중 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 완충층(260)으로 절연물질을 사용하는 경우, 완충층(265)은 터널링 효과(tunneling effect)가 크고 항복전압(bleak down voltage)이 낮을 수 있는 1 내지 3nm의 두께로 형성할 수 있다. 그리고, 쌍안정 저항 물질(bi-stable resistance)인 산화니켈(NiO)을 사용하는 경우, 완충층(260)은 1 내지 10nm의 두께로 형성할 수 있다.

도 2b에서 도시된 바와 같이, 완충층(260)에 제 1 분리영역(도시되지 않음)을 정의하고, 기판(100)을 투과하여 완충층(260) 및 전면전극 물질(200a)에 제 1 레이저(L1)를 조사하거나 완충층(260) 및 전면전극 물질(200a)에 직접 제 1 레이저(L1)를 조사하는 것에 의해, 제 1 분리영역과 대응되는 완충층(260) 및 전면전극 물질(200a)을 제거하여 제 1 분리부(250)를 사이에 두고 이격되는 다수의 전면전극(200)을 형성하는 제 1 레이저 스크라이빙(Laser Scribing) 공정을 진행한다. 제 1 레이저(L1)는 적외선(IR) 레이저를 사용할 수 있다.

그리고, 도 2a 및 도 2b와 같이 기판(100) 전면에 전면전극 물질(200a)과 완충층(260)을 형성한 후, 제 1 분리영역과 대응되는 완충층(260)과 전면전극 물질(200a)을 제거하여 일정한 간격으로 이격되는 다수의 전면전극(200)을 형성하는 방법 대신에, 스크린 인쇄법(Screen Printing), 잉크젯 인쇄법(Inkjet Printing), 그라비아 인쇄법(Gravure Printing) 또는 미세접촉 인쇄법(Micro contact Printing)과 같은 방법을 이용하여, 기판(100) 위에 제 1 분리부(250)를 사이에 두고 이격되는 다수의 전면전극(200)을 형성하는 것도 가능하다.

스크린 인쇄법은 스크린과 스퀴즈(Squeeze)를 이용하여 대상물질을 작업물에

전이시켜 패턴을 형성하는 방법이고, 잉크젯 인쇄법은 잉크젯을 이용하여 대상물질을 작업물에 분사하여 패턴을 형성하는 방법이고, 그라비아 인쇄법은 오목판의 그루브에 대상물질을 도포하고 그 대상물질을 다시 작업물에 전이시켜 패턴을 형성하는 방법이고, 미세접촉 인쇄법은 금형을 이용하여 작업물에 대상물질 패턴을 형성하는 방법이다. 이와 같이, 스크린 인쇄법, 잉크젯 인쇄법, 그라비아 인쇄법, 또는 미세접촉 인쇄법을 이용하여 전면전극(200)을 형성할 경우 레이저 스크라이빙 공정을 이용하는 경우에 비하여 기판이 오염될 우려가 줄어들고 기판의 오염 방지를 위한 세정공정 또한 줄어들게 된다.

다음으로, 도 2c에서 도시한 바와 같이, 전면전극(200) 및 완충막(250)을 포함하는 기판(100) 상에 반도체 물질(300a) 및 투명도전 물질(400a)을 차례로 형성한다. 반도체 물질(300a)은 실리콘계 반도체 물질을 CVD 공정 등을 이용하여 형성할 수 있다. 반도체 물질(300a)은 P형 반도체 물질, I형 반도체 물질 및 N형 반도체 물질이 순서대로 적층된 PIN구조로 형성할 수 있다.

이와 같이 반도체 물질(300a)을 PIN구조로 형성하게 되면, I형 반도체 물질이 P형 반도체 물질과 N형 반도체 물질에 의해 공핍(depletion)이 되어 내부에 전기장이 발생하게 되고, 태양광에 의해 생성되는 정공 및 전자가 전기장에 의해 드리프트(drift)되어 각각 P형 반도체 물질 및 N형 반도체 물질에서 수집되게 된다. 한편, 반도체 물질(300a)을 PIN구조로 형성할 경우에는 전면전극(200) 상부에 P형 반도체 물질을 형성하고 이어서 I형 반도체 물질 및 N형 반도체 물질을 형성하는 것이 바람직하다. 그 이유는 일반적으로 정공의 드리프트 이동도(drift mobility)가 전자의 드리프트 이동도에 의해 낮기 때문에 입사광에 의한 수집효율을 극대화하기 위해서 P형 반도체 물질을 수광면에 가깝게 형성하기 위함이다.

투명도전 물질(400a)은 ZnO, ZnO:B, ZnO:Al, Ag와 같은 투명한 도전물질을 스퍼터링(Sputtering)법 또는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법 등을 이용하여 형성할 수 있다. 투명도전 물질(400a)은 태양광을 산란시켜 다양한 각으로 진행하도록 함으로써 후술하는 후면전극에서 반사되어 반도체 물질(300a)로 재 입사되는 광의 비율을 증가시키는 역할을 한다.

도 2d에서 도시된 바와 같이, 투명도전 물질(400a)에 콘택영역(도시하지 않음)을 정의하고, 기판(100)을 투과하여 반도체 물질(300a) 및 투명도전 물질(400a)에 제 2 레이저(L2)를 조사하거나 반도체 물질(300a) 및 투명도전 물질(400a)에 직접 제 2 레이저(L2)를 조사하여 콘택영역과 대응되는 반도체 물질(300a) 및 투명도전 물질(400a)을 제거하는 제 2 레이저 스크라이빙 공정을 수행한다. 제 2 스크라이빙 공정을 통하여 콘택부(350)가 형성된다. 제 2 스크라이빙 공정에 의해, 콘택부(350)를 사이에 두고 각각 이격되는 다수의 반도체층(300) 및 투명도전층(400)이 형성된다. 여기서, 제 2 레이저(L2)로 그린(Green) 레이저를 사용할 수 있다. 그리고, 태양전지의 데드 존(dead zone)을 최소화하기 위하여, 콘택부(350)는 제 1 분리부(250)와 인접하도록 형성될 수 있다.

반도체층(300) 각각은 다수의 전면전극(200)과 전기적으로 연결되어야 한다. 따라서, 반도체층(300)과 전면전극(200) 사이에 개재되어 있는 완충층(260)을 절연물질로 형성하는 경우, 터널링 효과가 크고 항복전압이 낮은 절연물질을 박막으로 형성하여 다수의 전면전극(200)과 반도체층(300)을 각각 전기적으로 연결시킨다.

도 2e와 같이, 콘택부(350)을 포함하는 투명도전 물질(400a) 상에 후면전극 물질(500a)을 형성한다. 후면전극 물질(500a)은 MOCVD 공정, PECVD 공정, 또는 스퍼터링 공정 등에 의해 형성될 수 있다. 후면전극 물질(500a)은 Ag, Al, Ag+Al, Ag+Mg,Ag+Mn, Ag+Sb, Ag+Zn, Ag+Mo, Ag+Ni, Ag+Cu, 또는 Ag+Al+Zn 등과 같은 금속물질을 이용하여 형성하거나, ITO, FTO, ZnO, ZnO:B, ZnO:Al, Ag, SnO₂, SnO₂:F, ZnO:Ga₂O₃, ZnO:Al₂O₃, SnO₂:Sb₂O₃ 등과 같은 투명한 도전물질로 형성될 수 있다.

도 2f에서 도시한 바와 같이, 후면전극 물질(500a) 상에 제 2 분리영역(도시하지 않음)을 정의하고, 후면전극 물질(500a), 투명도전층(400), 및 반도체층(300)을 포함하는 제 1 박막에 제 3 레이저(L3)를 조사하여 제 2 분리영역과 대응되는 제 1 박막을 제거하여 제 2 분리부(450)를 형성하는 제 3 레이저 스크라이빙 공정을 수행한다. 이에 따라, 제 2 분리부(450)를 사이에 두고 이격되는 다수의 후면전극(500)이 형성되고 콘택부(350)에 형성된 후면전극(500)을 통해 직렬 접속됨과 아울러 제 2 분리부(450)에 의해 분리되는 태양전지에서 다수의 단위 셀(cell)이 형성된다. 여기서, 제 3 레이저(L3)는 532㎚±5㎚ 정도의 파장을 가짐과 아울러 7㎑ 정도의 주파수를 가지는 그린 레이저가 될 수 있다.

전면전극(200)과 반도체층(300) 사이에 완충층(260)이 개재되어 있다. 따라서, 완충층(260)에 의해 제 2 분리부(450)과 대응되고 산화아연(ZnO)으로 형성되는 전면전극(200)의 환원 현상을 방지할 수 있다. 산화아연(ZnO)의 환원이 방지되어, 산소 공급이 차단되므로, 반도체층(300)의 산화를 방지할 수 있고, 더불어서 제 3 레이저(L3)의 발열에 의해 환원된 아연(Zn)이 기화되어 제 2 분리부(450)에 증착되지 않는다. 상술한 바와 같이, 완충층(260)은 화학적 불안정으로 인해 산화아연(ZnO)이 낮은 온도에서 환원되는 것을 방지하는 기능을 한다.

제 3 레이저 스크라이빙 공정에서 제 2 분리부(450)와 대응되는 후면전극 물질(500a), 투명도전층(400) 및 반도체층(300)을 제거하여, 제 2 분리부(450)를 형성할 때, 완충층(260)이 제거되지 않도록 공정을 진행한다. 그러나, 완충층(260)의 일부가 제거될지라도, 완충층(260)의 제거가 시작되는 시점에서 제 3 레이저 스크라이빙 공정이 완료되므로, 전면전극(200)의 환원 및 기화를 방지할 수 있다. 따라서, 산화아연(ZnO)로 구성되는 전면전극(200)이 기화되고 제 2 분리부(450)에 다시 증착되어 인접한 태양전지 셀을 접촉(short)시키는 문제를 방지할 수 있다. 또한, 반도체층(300)의 산화를 방지할 수 있다.

제 2 분리부(450)의 형성공정에서는 후면전극 물질(500a)이 제거된 후에 투명도전층(400) 및 반도체층(300)이 제거되기 때문에 제 2 분리부(450)를 콘택부(350)와 인접하도록 형성하더라도 후면전극(500)과 전면전극(200) 사이의 접촉불량이 발생하지 않는다. 또한, 제 2 분리부(450)을 콘택부(350)과 인접하도록 배열하여 태양전지의 데드 존(dead zone)이 최소화될 수 있다. 후면전극 물질(500a)은 스크린 인쇄법, 잉크젯 인쇄법, 그라비아 인쇄법, 또는 미세접촉 인쇄법에 의해 형성될 수 있다.

도 2g에서 도시한 바와 같이, 기판(100)의 외곽부에 제 3 분리영역(도시하지 않음)을 정의하고, 후면전극 물질(500a), 투명도전층(400), 반도체층(300), 및 전면전극(200)을 포함하는 제 2 박막에 제 4 레이저(L4)를 조사하여 제 3 분리영역에 대응하는 제 2 박막을 제거하여 제 3 분리부(550)를 형성한다. 여기서, 제 4 레이저(L4)는 1060±10㎚ 정도의 파장을 가짐과 아울러 40㎑ 정도의 주파수를 가지는 적외선(IR) 레이저가 될 수 있다. 제 3 분리부(550)는 완성된 박막 태양전지를 모듈화하는 공정에서 하우징을 박막 태양전지에 연결하게 되는데 이때 하우징과 박막 태양전지 사이의 전기적인 접촉(short)을 방지한다.

전면전극(200)과 반도체층(300) 사이에 완충층(260)이 개재되어 있다. 따라서, 완충층(260)에 의해 제 3 분리부(550)과 대응되고 산화아연(ZnO)으로 형성되는 전면전극(200)의 환원 현상을 방지할 수 있다. 산화아연(ZnO)의 환원이 방지되어, 산소 공급이 차단되므로, 반도체층(300)의 산화를 방지할 수 있고, 더불어서 제 4 레이저(L4)의 발열에 의해 환원된 아연(Zn)이 기화되어 제 3 분리부(550)에 증착되지 않는다. 상술한 바와 같이, 완충층(260)은 화학적 불안정으로 인해 산화아연(ZnO)이 낮은 온도에서 환원되는 것을 방지하는 기능을 한다.

제 4 레이저 스크라이빙 공정에서 제 3 분리부(550)와 대응되는 후면전극 물질(500a), 투명도전층(400) 및 반도체층(300)을 제거하여, 제 3 분리부(550)를 형성할 때, 완충층(260)이 제거되지 않도록 공정을 진행한다. 그러나, 완충층(260)의 일부가 제거될지라도, 완충층(260)의 제거가 시작되는 시점에서 제 4 레이저 스크라이빙 공정이 완료되므로, 전면전극(200)의 환원 및 기화를 방지할 수 있다. 따라서, 산화아연(ZnO)로 구성되는 전면전극(200)이 기화되고 제 2 분리부(450)에 다시 증착되어 인접한 태양전지 셀을 접촉(short)시키는 문제를 방지할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (15)

1. 기판 상에 형성된 다수의 전면전극;
   상기 다수의 전면전극을 분리하는 제 1 분리부;
   상기 다수의 전면전극 상에 위치하는 완충층;
   상기 완충층 상에 형성된 반도체층;
   상기 반도체층 상에 형성된 투명도전층;
   상기 반도체층 및 상기 투명도전층이 제거된 콘택부;
   상기 콘택부를 통하여 상기 다수의 전면전극과 전기적으로 연결되고 상기 투명도전층 상에 형성되는 다수의 후면전극; 및
   상기 다수의 후면전극을 분리하고 상기 반도체층 및 상기 투명도전층이 제거된 제 2 분리부;를 포함하고,
   상기 완충층은,
   상기 콘택부와 상기 전면전극 사이에 개재되어 상기 콘택부와 상기 전면전극의 연통을 차단하며,
   상기 제2분리부와 상기 전면전극 사이에 개재되어 상기 제2분리부와 상기 전면전극의 연통을 차단하고,
   상기 완충층을 절연물질로 사용하는 경우, 상기 완충층은 1nm 내지 3nm의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 다수의 전면전극은 산화아연(ZnO)로 형성하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 기판의 외곽부와 대응하는 상기 반도체층 및 상기 투명도전층이 제거된 제 3 분리부를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
   
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 완충층은 Al₂O₃, SiO₂, Si₃N₄, NiO 및 TiO₃ 중 하나를 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
   
6. 삭제
7. 삭제
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 다수의 후면전극은 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
   
9. 기판 상에 전면전극 물질층을 형성하는 단계;
   상기 전면전극 물질층 상에 완충층을 형성하는 단계;
   상기 완충층에 제 1 분리영역을 정의하고, 상기 제 1 분리영역과 대응되는 상기 전면전극 물질층 및 상기 완충층을 제거하여 제 1 분리부를 형성하는 단계;
   상기 완충층을 포함하는 상기 기판 상에 반도체층과 투명도전층을 순차적으로 형성하는 단계;
   상기 투명도전층 상에 콘택영역을 정의하고, 상기 콘택영역과 대응되는 상기 반도체층과 상기 투명도전층을 제거하여 콘택부를 형성하는 단계;
   상기 콘택부를 포함하는 상기 투명도전층 상에 후면전극 물질층을 형성하는 단계; 및
   상기 후면전극 물질층에 제 2 분리영역을 정의하고, 레이저 조사 방법을 이용하여 상기 제 2 분리영역과 대응되는 상기 후면전극 물질층, 상기 투명도전층 및 상기 반도체층을 제거하는 것에 의해 제 2 분리부와, 상기 제 2 분리부에 의해서 구분되고 상기 콘택부 각각을 통하여 상기 다수의 전면전극과 전기적으로 연결되는 다수의 후면전극을 형성하는 단계;를 포함하고,
   상기 완충층은,
   상기 콘택부와 상기 전면전극 사이에 개재되어 상기 콘택부와 상기 전면전극의 연통을 차단하며,
   상기 제2분리부와 상기 전면전극 사이에 개재되어 상기 제2분리부와 상기 전면전극의 연통을 차단하고,
   상기 완충층을 절연물질로 사용하는 경우, 상기 완충층은 1nm 내지 3nm의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
   
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 기판의 외곽부에 제 3 분리영역을 정의하고, 레이저 조사 방법을 이용하여 상기 제 3 분리영역과 대응되는 상기 후면전극 물질층, 상기 투명도전층 및 상기 반도체층을 제거하는 것에 의해 제 3 분리부를 형성하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
    
11. 제 9 항에 있어서,
    상기 다수의 전면전극은 산화아연(ZnO)로 형성하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
    
12. 삭제
13. 제 9 항에 있어서,
    상기 완충층은 Al₂O₃, SiO₂, Si₃N₄, NiO 및 TiO₃ 중 하나를 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
    
14. 삭제
15. 삭제

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