KR101653282B1 - 폴리이미드 기판 구조 및 이를 이용하는 박막 태양전지 - Google Patents
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Abstract
폴리이미드 기판 구조는, 폴리이미드 기판; 폴리이미드 기판 위에 형성된 금속 전극층; 폴리이미드 기판의 양 표면 중 적어도 하나의 면에 형성되고, 열팽창률이 금속 전극층의 열팽창률보다 작은 물질로 구성되는 열팽창 억제층; 폴리이미드 기판 및 열팽창 억제층 사이의 계면 접찹력을 향상시키기 위해 폴리이미드 기판 및 열팽창 억제층 사이에 형성되는 계면 접착층; 및 열팽창 억제층의 손상을 억제하기 위해 열팽창 억제층 상에 형성되는 캡핑층을 포함한다. 이러한 폴리이미드 기판 구조는 박막 태양전지에 적용할 수 있고, 이에 따라, 폴리이미드의 유효 열팽창률을 감소시켜서 태양전지 셀의 균열 및 박리현상을 억제하고, 광흡수층과 폴리이미드 기판간 열팽창 불일치로 인해 발생하는 기판의 휨 현상을 완화할 수 있다. 이를 통해, 유연 박막 태양전지 제조공정의 불량률 감소, 생산성 향상을 기대할 수 있고, 광전변환효율 열화를 최소화할 수 있다.
Description
본 발명은 폴리이미드 기판 구조 및 이를 이용하는 박막 태양전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 셀레늄(Se) 및 황(S)을 포함한 광흡수층에 기반한 폴리이미드 기판 및 이를 이용하는 박막 태양전지에 관한 것이다.
Cu(In1 -x,Gax)(Se,S)2 (CIGS) 및 Cu2ZnSn(Se,S)4 (CZTS) 등 Se, S계 박막 태양전지는 유리기판 또는 금속기판 및 폴리머기판 위에 후면전극으로 몰리브덴(Mo)을 증착한 후 CIGS 박막을 p-형 광흡수층으로 형성하고, n-형 윈도우 층으로서 CdS 박막, i-ZnO과 Al:ZnO을 순차적으로 증착하여 구성된다. 이러한 Se, S계 박막 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 박막화에 따른 생산원가의 저감이 가능하고, 20 % 이상의 높은 광전변환효율 달성이 가능하여, 차세대 태양전지 시장의 유력한 후보로 평가 받고 있다.
한편, 쉽게 휘어지는 스테인리스 강 기판 또는 폴리이미드 기판 상에 상기 태양전지를 구현한 유연 박막 태양전지는, 기판의 가벼움, 우수한 유연성 및 휴대성 때문에 인공위성, 항공기, 지상운송수단, 군사용 등의 고부가가치 제품에 쉽게 적용될 수 있다. CIGS 박막 태양전지는 상기 유연기판 위에서도 20.4 %의 높은 광전변환효율이 가능하다는 점이 증명되어, 상기 유연 박막 태양전지 적용대상 제품의 시장형성을 촉진할 수 있다.
박막 태양전지는 모듈 제조공정 중간에 스크라이빙 기술을 적용하여 각 단위박막의 패터닝이 가능하기 때문에, 각 패터닝된 소면적 셀을 직렬연결 함으로써 고전압 발전모듈을 단일집적(monolithic integration) 방식으로 제조할 수 있는 장점이 있다. 이때, 스테인리스 강 기판과 같이 높은 전도성을 갖는 기판의 경우에는 상기 스크라이빙 기술 적용 시 태양전지 전극층과 기판과의 절연성을 확보하기 어렵기 때문에, 단일집적 모듈의 제조가 불가능하다.
또한, 유연 기판용 스테인리스 강은 압연공정을 통해 박판화하게 되는데, 가공공정의 특성상 표면결함의 형성을 피할 수 없고, 이러한 표면결함은 태양전지 구조 형성 시 전류누설을 일으켜 광전변환효율 저하의 주요 원인이 된다. 이에 비해 폴리이미드 기판은 표면이 매우 평탄할 뿐만 아니라, 전기적으로 부도체이기 때문에 단일집적 박막 태양광모듈의 제조가 가능하다.
일반적으로, CIGS 박막은 550 °C 이상 고온에서 증착이 이루어지기 때문에, 내열성이 낮은 폴리머 소재는 CIGS 박막 태양전지 소재로 적합하지 않다. 현존하는 폴리이미드 기판의 최고 내열온도가 대략 500 °C 이므로, 약 450-500 °C 공정온도에서 CIGS 박막 증착이 이루어진다.
그러나, 상대적으로 낮은 공정온도에서도 폴리이미드의 열팽창계수가 Mo 또는 CIGS 박막보다 상대적으로 커서, CIGS 박막 증착 도중 또는 직후 몰리브덴(Mo) 후면전극의 균열발생, CIGS/Mo 계면박리 현상 등의 기계적 파손현상이 빈번히 발생한다. 또한, CIGS 박막과 폴리이미드의 열팽창계수의 차이가 꽤 크기 때문에, CIGS 박막 증착 후 기판이 심하게 휘는 현상이 발생한다.
이상에서 설명한 휨 현상이나 기계적 파손 현상은 유연 박막 태양전지 모듈 제조 시 광전변환효율 열화, 불량률 증가와 같이 생산성을 악화시키기 때문에 이러한 문제점을 해결할 필요가 있다.
A. Chirila et al., "Potassium-induced surface modification of Cu(In,Ga)Se2 thin films for high-efficiency solar cells", Nature Materials, v.12, pp.1107-1111
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 후면 전극 및 광흡수층의 박리 및 균열형성을 억제하여 내구성과 생산성이 향상된 폴리이미드 기판 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 폴리이미드 기판 구조를 이용하는 박막 태양전지를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 폴리이미드 기판 구조는, 폴리이미드 기판; 상기 폴리이미드 기판 위에 형성된 금속 전극층; 상기 폴리이미드 기판의 양 표면 중 적어도 하나의 면에 형성되고, 열팽창률이 상기 금속 전극층의 열팽창률보다 작은 물질로 구성되는 열팽창 억제층; 상기 폴리이미드 기판 및 상기 열팽창 억제층 사이의 계면 접찹력을 향상시키기 위해 상기 폴리이미드 기판 및 상기 열팽창 억제층 사이에 형성되는 계면 접착층(adhesion layer); 및 상기 열팽창 억제층의 손상을 억제하기 위해 상기 열팽창 억제층 상에 형성되는 캡핑층(capping layer)을 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 계면 접착층, 상기 열팽창 억제층 및 상기 캡핑층은, 상기 폴리이미드 기판과 상기 금속 전극층 사이에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 계면 접착층, 상기 열팽창 억제층 및 상기 캡핑층은, 상기 금속 전극층과 반대편의 상기 폴리이미드 기판의 일 면에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 계면 접착층, 상기 열팽창 억제층 및 상기 캡핑층은, 상기 폴리이미드 기판과 상기 금속 전극층 사이 및 상기 금속 전극층과 반대편의 상기 폴리이미드 기판의 일 면에 모두 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 열팽창 억제층의 열팽창계수는 6 ppm/k 이하일 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 열팽창 억제층은 실리콘산화물(SiOx), 실리콘질화물(SiNy), 실리콘탄화물(SiCz), 텅스텐(W) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 계면 접착층은 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 티타늄질화물(TiN) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 계면 접착층은 1 nm 내지 100 nm의 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 캡핑층은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr) 중 적어도 하나의 금속 또는 폴리이미드 소재를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 캡핑층은 10 nm 내지 200 nm의 두께를 가질 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 폴리이미드 기판 구조는, 폴리이미드 기판; 상기 폴리이미드 기판 위에 형성된 금속 전극층; 상기 폴리이미드 기판의 양 표면 중 적어도 하나의 면에 형성되고, 열팽창률이 상기 금속 전극층의 열팽창률보다 작은 물질로 구성되고, 나노 다중층으로 형성되는 열팽창 억제층; 및 상기 폴리이미드 기판 및 상기 열팽창 억제층 사이의 계면 접찹력을 향상시키기 위해 상기 폴리이미드 기판 및 상기 열팽창 억제층 사이에 형성되는 계면 접착층(adhesion layer)을 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 열팽창 억제층은 티타늄알루미늄질화물(TiAlN), 질화알루미늄(AlN), 질화크롬(CrN) 중 하나의 층 및 실리콘산화물(SiOx), 실리콘질화물(SiNy), 실리콘탄화물(SiCz) 중 하나의 층이 교대로 반복하여 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 열팽창 억제층은 교대로 반복되는 두 층의 두께의 합이 1 nm 내지 10 nm의 범위를 가질 수 있다.
상기한 본 발명의 또 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 박막 태양전지는, 폴리이미드 기판; 상기 폴리이미드 기판 위에 형성된 금속 전극층; 상기 폴리이미드 기판의 양 표면 중 적어도 하나의 면에 형성되고, 열팽창률이 상기 금속 전극층의 열팽창률보다 작은 물질로 구성되는 열팽창 억제층; 상기 금속 전극층 위에 형성된 셀레늄(Se) 또는 황(S)를 포함하는 광흡수층; 상기 광흡수층 상에 형성된 버퍼층, 고저항 윈도우층 중 적어도 하나의 층; 및 상기 적어도 하나의 층 상에 형성된 투명전극을 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 박막 태양전지는, 상기 폴리이미드 기판 및 상기 열팽창 억제층 사이의 계면 접찹력을 향상시키기 위해 상기 폴리이미드 기판 및 상기 열팽창 억제층 사이에 형성되는 계면 접착층(adhesion layer)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 박막 태양전지는, 상기 열팽창 억제층의 손상을 억제하기 위해 상기 열팽창 억제층 상에 형성되는 캡핑층(capping layer)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 계면 접착층, 상기 열팽창 억제층 및 상기 캡핑층은, 상기 폴리이미드 기판과 상기 금속 전극층 사이에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 계면 접착층, 상기 열팽창 억제층 및 상기 캡핑층은, 상기 금속 전극층과 반대편의 상기 폴리이미드 기판의 일 면에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 계면 접착층, 상기 열팽창 억제층 및 상기 캡핑층은, 상기 폴리이미드 기판과 상기 금속 전극층 사이 및 상기 금속 전극층과 반대편의 상기 폴리이미드 기판의 일 면에 모두 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 열팽창 억제층의 열팽창계수는 6 ppm/k 이하일 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 열팽창 억제층은 실리콘산화물(SiOx), 실리콘질화물(SiNy), 실리콘탄화물(SiCz), 텅스텐(W) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 계면 접착층은 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 티타늄질화물(TiN) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 계면 접착층은 1 nm 내지 100 nm의 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 캡핑층은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr) 중 적어도 하나의 금속 또는 폴리이미드 소재를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 캡핑층은 10 nm 내지 200 nm의 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 열팽창 억제층은 나노 다중층으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 열팽창 억제층은 티타늄알루미늄질화물(TiAlN), 질화알루미늄(AlN), 질화크롬(CrN) 중 하나의 층 및 실리콘산화물(SiOx), 실리콘질화물(SiNy), 실리콘탄화물(SiCz) 중 하나의 층이 교대로 반복하여 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 열팽창 억제층은 교대로 반복되는 두 층의 두께의 합이 1 nm 내지 10 nm의 범위를 가질 수 있다.
폴리이미드 기판에 고온증착으로 형성되는 광흡수층(Se 및 S 포함 소재) 기반의 태양전지를 제조하면, 폴리이미드의 높은 열팽창으로 인해 후면전극, 광흡수층에 균열 및 박리현상이 빈번히 발생한다. 본 발명의 계면 접착층, 열팽창 억제층 및 캡핑층의 조합을 폴리이미드 기판의 양면 중 적어도 한 면에 적용한 기판을 이용하면, 폴리이미드의 유효 열팽창률을 감소시켜서 태양전지 셀의 균열 및 박리현상을 크게 억제하고, 광흡수층과 폴리이미드 기판간 열팽창 불일치로 인해 발생하는 기판의 휨 현상을 완화할 수 있다. 이를 통해 유연 박막 태양전지 제조공정의 불량률 감소, 생산성 향상을 기대할 수 있고, 광전변환효율 열화를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리이미드 기판 구조의 단면도들이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 폴리이미드 기판 구조의 단면도들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 태양전지의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 박막 태양전지의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 더욱 또 다른 실시예에 따른 박막 태양전지의 단면도이다.
도 7은 열팽창 억제층의 특성을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 8은 열팽창 억제층의 적용 전후의 온도 변화에 따른 기판 변화를 비교한 그래프들이다.
도 9는 열팽창 억제층의 도입 전후의 CIGS 박막/Mo 계면의 박리강도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10은 열팽창 억제층의 적용 전후의 박막 태양전지 셀의 비교 사진들이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 폴리이미드 기판 구조의 단면도들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 태양전지의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 박막 태양전지의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 더욱 또 다른 실시예에 따른 박막 태양전지의 단면도이다.
도 7은 열팽창 억제층의 특성을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 8은 열팽창 억제층의 적용 전후의 온도 변화에 따른 기판 변화를 비교한 그래프들이다.
도 9는 열팽창 억제층의 도입 전후의 CIGS 박막/Mo 계면의 박리강도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10은 열팽창 억제층의 적용 전후의 박막 태양전지 셀의 비교 사진들이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
일반적으로, 폴리이미드 기판을 이용하는 CIGS 박막 태양전지구조는, 폴리이미드 기판 위에 몰리브덴(Mo) 후면전극, CIGS(또는 CZTSSe) 광흡수층, CdS(또는 ZnS, In2S3, In2Se3) 버퍼층, 고저항 산화물 박막, 투명전극으로 구성된다. 태양전지 제조공정 중 폴리이미드의 열팽창이 문제가 될 여지가 있는 공정은 500 °C 안팎의 고온에서 증착되는, 광흡수층을 형성하기 위한 CIGS 박막 공정이다.
아래의 표 1을 참조하면, 박막 태양전지 구성소재의 기계적 성질을 확인할 수 있다. 몰리브덴(Mo) 박막에 비해 폴리이미드의 높은 열팽창계수는 고온 조건에서 몰리브덴(Mo) 박막에 인장응력을 유발하고, CIGS 박막 증착 완료 후 냉각 시에는 CIGS 박막에 비해 열수축이 더 크기 때문에 CIGS 박막에 압축응력을 유발한다. 몰리브덴(Mo) 박막 내 인장응력은 그 크기가 몰리브덴(Mo) 박막의 임계강도를 초과하면 균열을 발생시키고, CIGS 박막의 압축응력은 CIGS/Mo 계면에 부담을 유발하여 계면박리를 유발한다.
| material | thermal expansion coefficient [ppm/K] |
elastic modulus [GPa] |
| Soda-lime glass | 9 | 70 |
| Upilex S (polyimide) | 12-24 (20-400 oC) | 9 (@25 oC) - 4 (@300 oC) |
| Kapton E (polyimide) | 17 (20-200 oC) | 2.5 |
| Mo | 4.8 (@20 oC) - 5.9 (@600 oC) | 329 |
| CIGS | 11.2-11.4 (@20 oC) |
따라서, 이러한 기계적 파손 문제를 근본적으로 해결하기 위해서는 폴리이미드 기판의 열팽창계수를 CIGS 박막과 유사한 수준으로 감소시켜야 한다.
이를 위한 수단으로서, 본 발명은 열팽창계수가 몰리브덴(Mo) 후면전극보다 작고, 기계적 강성(Stiffness)이 큰 물질을 폴리이미드 기판의 양면 중 적어도 하나의 면에 증착한다.
서로 다른 열팽창계수를 갖는 소재가 접합된 경우, 온도변화 시 실제 열팽창량은 두 소재의 원래 값 사이의 특정값으로 정해진다. 이를 결정하는 가장 중요한 요인은 각 소재 간의 상대적인 기계적 강성의 크기이다. 즉, 기계적 강성의 크기가 큰 소재의 열팽창 특성이 더 많이 반영된다.
이런 점에서 보면, 폴리이미드는 금속, 세라믹 소재와 비교하면 탄성계수가 매우 낮기 때문에, 표면에 열팽창계수가 낮은 물질을 증착하면 효과적으로 폴리이미드의 열팽창을 억제할 수 있다. 특히, 몰리브덴(Mo)의 열팽창계수 보다 낮은 소재를 적용하면, 몰리브덴(Mo) 후면전극에 가해지는 인장응력을 완화할 수 있다.
도 1(a)를 참조하면, 금속 전극층(30)이 형성된 폴리이미드 기판(10)의 제1 면(11)에 열팽창 억제층(21)이 형성된다. 본 발명에서는, 상기 폴리이미드 기판(10)의 금속 전극층(30) 쪽의 면을 제1 면(11)으로 정의하고, 상기 금속 전극층(30)의 반대 쪽의 면을 제2 면(12)으로 정의한다.
도 1(b)를 참조하면, 금속 전극층(30)이 형성된 상기 폴리이미드 기판(10)의 제2 면(12)에 열팽창 억제층(25)이 형성된다. 이와 다르게, 상기 폴리이미드 기판(10)의 제1 면(11) 및 제2 면(12)에 각각 열팽창 억제층(21, 25)이 형성될 수도 있다.
이와 같은 열팽창 억제를 위한 중간층(interlayer)으로서 가능한 소재는 열팽창계수 6 ppm/k 이하의 물질이 가능하며, 실리콘산화물(SiOx), 실리콘질화물(SiNy), 알루미늄질화물(AlNy), 크롬질화물(CrNy), 실리콘탄화물(SiCz), 산화알루미늄(Al2O3 -δ), 규소(Si), 지르코늄(Zr), 텅스텐(W) 등을 예로 들 수 있다. 이상과 같은 폴리이미드 열팽창 억제가 효과적으로 이루어지기 위해서는 상기 열팽창 억제층(21, 25)의 기계적 강성이 높을수록 유리하다.
기계적 강성은 탄성계수와 두께의 곱으로 이루어지는데, 소재의 탄성계수가 높을수록 더 낮은 두께로도 동일한 목적을 달성할 수 있어서, 소재 및 공정비용을 낮추는 효과가 있다. 이에 해당하는 소재는 실리콘질화물(SiNy), 실리콘탄화물(SiCz), 텅스텐(W) 등이고, 약 200 내지 300 nm 정도의 두께로 폴리이미드의 유효 열팽창계수를 CIGS 박막 수준으로 낮출 수 있다.
그러나, 이상의 상기 열팽창 억제층(21, 25)으로 사용될 수 있는 소재들은 온도변화에 따른 폴리이미드의 열팽창에 의한 인장응력을 부담하게 되고, 유연기판의 변형에 따른 굽힘응력이 인가될 수 있다. 상기 폴리이미드 기판(10)과 상기 열팽창 억제층(21, 25)의 계면에서는 급격한 열팽창 불일치에 의한 계면박리 현상이 발생하기 쉽고, 이상에서 설명한 다중 응력 하에서는 상기 열팽창 억제층(21, 25) 후보 물질로 사용될 세라믹 소재들은 표면에 흔히 존재하는 결함에서부터 균열이 시작되어 파손이 발생될 가능성이 높다.
이러한 계면박리 또는 균열발생은 상기 폴리이미드 기판(10)의 CIGS 증착온도에서 불균일한 변형을 유발하거나 몰리브덴(Mo) 후면전극(금속 전극층(30))의 파손을 유발하기 때문에, CIGS 박막의 안정적인 증착을 어렵게 한다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 폴리이미드 기판(10)과 상기 열팽창 억제층(21, 25) 사이 계면의 접착력 향상을 위한 계면 접착층(adhesion layer, 22, 27)을 도입함으로써 계면박리 현상을 억제할 수 있다.
또한, 상기 열팽창 억제층(21, 25) 표면에는 기계적으로 연성인 금속 또는 고 내열성 폴리머로 형성된 캡핑층(capping layer, 23, 26)을 도입함으로써, 표면결함에 응력이 집중되는 현상을 억제할 수 있다. 일반적으로 결함이 존재하면 인장응력 인가 시에 해당 결함에서 응력이 집중되므로 균열의 급속한 전파가 일어나기 쉽다. 연성소재로 해당 균열을 도포(passivation)하면 이러한 응력집중을 완화함으로써, 상기 열팽창 억제층(21, 25)의 파손을 억제할 수 있다.
상기 계면 접착층(22, 27)은 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 티타늄질화물(TiN) 등을 사용할 수 있으며, 약 10 내지 100 nm 두께(바람직하게는 약 20 내지 50 nm)를 적용할 수 있다.
상기 열팽창 억제층(21, 25)의 표면도포를 위한 상기 캡핑층(23, 26)의 물질로는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr) 등의 금속과 내열성이 우수한 폴리이미드 소재를 사용할 수 있으며, 두께는 약 10 내지 200 nm 두께(바람직하게는 약 20 내지 100 nm)를 적용할 수 있다.
도 2(a)를 참조하면, 상기 폴리이미드 기판(10)의 제1 면(11) 상에 상기 계면 접착층(22), 상기 열팽창 억제층(21) 및 상기 캡핑층(23)이 순서대로 적층되어 있고, 도 2(b)를 참조하면, 상기 폴리이미드 기판(10)의 제2 면(12) 상에 상기 계면 접착층(27), 상기 열팽창 억제층(25) 및 상기 캡핑층(26)이 순서대로 적층되어 있다.
또한, 상기 폴리이미드 기판(10)의 제1 면(11)과 제2 면(12) 모두에 각각 계면 접착층(22, 27), 상기 열팽창 억제층(21, 25) 및 상기 캡핑층(23, 26)이 형성될 수도 있다.
상기와 같은 열팽창 억제층 등이 형성된 폴리이미드 기판 구조를 박막 태양전지에 적용하여, 태양전지 셀의 균열 및 박리현상을 크게 억제하고, 제조공정의 불량률을 감소시키고, 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예들에 따라 상기 폴리이미드 기판 구조를 이용하여 구현한 박막 태양전지의 단면도들이다.
도 1 및 도 2의 폴리이미드 기판 구조와 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략한다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 박막 태양전지(1)는 폴리이미드 기판(10)의 제1 면(11) 상에 계면 접착층(22), 열팽창 억제층(21) 및 캡핑층(23), 금속 전극층(30), 광흡수층(40), 버퍼층(50), 고저항 윈도우층(60), 투명전극(70)이 차례로 증착된다.
상기 금속 전극층(30)은 몰리브덴(Mo)으로 형성된 후면 전극일 수 있고, 상기 광흡수층(40)은 Cu(In1 -x,Gax)(Se,S)2 (CIGS) 및 Cu2ZnSn(Se,S)4 (CZTS) 등 Se, S계 물질로 형성된다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 박막 태양전지(2)는 폴리이미드 기판(10)의 제1 면(11) 상에 금속 전극층(30), 광흡수층(40), 버퍼층(50), 고저항 윈도우층(60), 투명전극(70)이 차례로 증착되고, 제1 면(11)과 반대 편인 제2 면(12) 상에 계면 접착층(27), 열팽창 억제층(25) 및 캡핑층(26)이 차례로 증착된다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 박막 태양전지(3)는 폴리이미드 기판(10)의 제1 면(11) 상에 금속 전극층(30), 광흡수층(40), 버퍼층(50), 고저항 윈도우층(60), 투명전극(70)이 차례로 증착되고, 상기 폴리이미드 기판(10)과 상기 금속 전극층(30)의 사이에 계면 접착층(22), 열팽창 억제층(21) 및 캡핑층(23)이 형성되어 있고, 상기 폴리이미드 기판(10)의 제2면(12) 상에 계면 접착층(27), 열팽창 억제층(25) 및 캡핑층(26)이 차례로 형성되어 있다.
이와 같은 폴리이미드 기판 구조 및 태양전지에 따르면, 폴리이미드 기판에 고온조건에서 형성되는 셀레늄(Se) 및 황(S)을 포함한 광흡수층에 기반한 박막 태양전지를 구현할 때, 발생하는 금속 또는 투명전극 및 광흡수층의 균열 또는 박리현상을 억제하고, 태양전지 구현에 따른 기판 굽힘(warpage) 현상을 억제함으로써, 폴리이미드 기판 기반의 유연(flexible) 박막 태양전지의 내구성과 생산성을 증진시킬 수 있다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 열팽창 억제를 위한 다중층의 위치는 폴리이미드 기판과 몰리브덴(Mo) 후면전극 사이에 있을 수도 있고, 폴리이미드 기판의 반대편에 형성될 수도 있다. 더 나아가 양쪽에 모두 위치할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 더욱 또 다른 실시예에 따른 박막 태양전지의 단면도이다.
본 실시예에 따른 박막 태양전지(4)는, 열팽창 억제층을 제외하고는 도 3의 박막 태양전지(1)와 실질적으로 동일한 구성에서 진행될 수 있다. 따라서, 도 3의 박막 태양전지(1)와 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략한다.
상기 열팽창 억제층의 손상을 막기 위한 방법으로서, 캡핑층을 적용하는 방법 외에 열팽창 억제층(21, 25)자체의 구조를 서로 다른 두 개 이상의 층을 약 1 내지 10 nm 주기로 나노다층화함으로써 파괴인성을 향상시키는 방법을 적용할 수도 있다. 이 경우에도 폴리이미드 기판과 상기 열팽창 억제층의 사이에는 계면 접착층이 형성될 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 박막 태양전지(4)는 폴리이미드 기판(10)의 제1 면(11) 상에 열팽창 억제층(21a, 21b)이 다중층으로 증착된다.
이때, 상기 열팽창 억제층(21a, 21b)은 티타늄알루미늄질화물(TiAlN), 질화알루미늄(AlN), 질화크롬(CrN) 중 하나를, 실리콘산화물(SiOx), 실리콘질화물(SiNy), 실리콘탄화물(SiCz) 중 하나를 교대로 반복하여 형성할 수 있고, 각 나노층 쌍의 두께 합은 약 1 내지 10 nm 일 수 있다.
도 6에서는 열팽창 억제층(21a, 21b)이 2개층으로 형성되는 것으로 도시하였으나, 4개의 층, 6개의 층 등 교번적으로 다수층이 형성될 수 있다. 또한, 상기 열팽창 억제층(21a, 21b)은 폴리이미드 기판에서 금속 전극층이 형성된 면의 반대편에 형성될 수도 있고, 폴리이미드 기판의 양면에 모두 형성될 수도 있을 것이다.
본 발명의 효과를 검증하기 위해 도 1(a)의 구조를 갖는 기판 구조에서 열팽창 억제층(21)의 탄성계수 및 열팽창계수에 따른 도 1(a)의 기판 구조의 유효 열팽창률을 계산해 보았다. 계산의 편의를 위해 굽힘 모멘트(moment)는 없다고 가정하면 다음의 수학식 1과 같이 평균 열팽창률을 얻을 수 있다.
여기서,αeff는 유효열팽창계수, αi는 각 단위층(i)의 열팽창계수, Ei는 각 층의 탄성계수(elastic modulus), ti는 각층의 두께, 
는 Poisson 비이다.
도 7은 수학식 1을 이용하여 열팽창 억제층의 탄성계수와 열팽창계수에 따라 도 1(a)의 기판의 유효 열팽창계수가 어떻게 변하는 지를 예측하였다. 구체적으로, 도 7(a)는 열팽창 억제층의 탄성계수 변화를 나타낸 그래프이고, 도 7(b)는 열팽창계수 변화에 따른 유효 열팽창계수의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 7(c)는 열팽창 억제층의 열팽창계수별 기판의 특정 유효열팽창계수(11, 10, 9)에 필요한 기계적 강성 수치를 나타낸 그래프이다.
도 7(a)를 참조하면, 탄성계수가 클수록 유효 열팽창계수가 더 감소시킬 수 있고, 따라서 더 얇은 두께의 열팽창 억제층으로도 CIGS 박막의 열팽창계수 수준(11)으로 일치시킬 수 있다. 또한, 도 7(b)를 참조하면, 열팽창계수가 작을수록 더 작은 기계적 강성에서도 기판의 유효 열팽창계수를 CIGS 박막 수준으로 감소시킬 수 있다. 즉, 열팽창 억제층의 열팽창계수, 탄성계수 및 두께의 조합을 통해 CIGS 박막과의 열팽창 불일치를 감소시킬 수 있는 다양한 방법을 제시할 수 있다.
도 7(c)는 이와 같이 열팽창 억제층의 열팽창계수에 따라 CIGS 박막과의 열팽창불일치를 최소화할 수 있는 열팽창 억제층의 기계적 강성을 계산한 결과를 보여주고 있다.
아래의 표 2는 도 7(c)의 계산결과에 따라 열팽창 억제층 후보물질별로 유효 열팽창계수를 CIGS 박막 수준으로 낮추는 데 필요한 열팽창 억제층의 최소두께를 계산한 결과이다.
| CTE | E*t ( |
E [GPa] | Thickness [μm] | |
| SiOx | 1 | 60 | 78 | 0.77 |
| SiN | 2.8 | 75 | 260-320 | 0.23-0.29 |
| SiC | 4.51-4.73 | 95 | 410 | 0.23 |
| TiN | 9.4 | 380 | 600 | 0.63 |
| Al2O3 | 5.4-8.5 (20-500 oC) |
110-250 | 370 | 0.3-0.68 |
| Cr | 6.2 | 130 | 248 | 0.52 |
| Si | 2.49-4.15 (3) | 70-90 | 112.4 | 0.62-0.80 |
| Ta | 6.5-6.7 | 140 | 186 | 0.75 |
| Zr | 5.8-6.9 | 130 | 94.5 | 1.38 |
| W | 4.5-4.6 | 95 | 400 | 0.24 |
표 2를 참조하면, 열팽창계수가 약 2 내지 5 ppm 수준이면서 탄성계수가 약 250 내지 400 GPa인 물질들이 약 200 내지 300 nm 수준의 두께로 원하는 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 열팽창 억제층의 두께는 약 200 내지 300 nm 수준이 제조비용을 고려했을 때 가장 바람직할 것이나, 약 200 내지 1,000 nm 수준까지 증가할 수 있다.
또한, 열팽창 억제층의 도입이 실제 폴리이미드의 열팽창에 영향을 주는지 확인하기 위해서 열팽창 억제층 도입 전후의 열변형을 비교하였다. 도 8에 보여지는 바와 같이, 폴리이미드에도 일정한 범주의 규칙성이 존재하기 때문에, XRD 시그널을 얻을 수 있었다. 50 °C 에서 500 °C까지 승온함에 따라 피크가 저각으로 이동하게 되는데, 이는 면간 거리가 증가하는 것을 의미한다. 즉, 온도 증가에 따른 열팽창이 일어남을 확인하였다.
열팽창 억제층 도입 후에는 도 8(b)에서 보여지는 바와 같이, 피크의 이동이 상대적으로 더 커져서 열팽창이 더 커진 것을 확인할 수 있다. 이는 두께방향 열팽창이 더 커졌다는 의미이므로, 길이나 폭 방향의 열팽창은 열팽창 억제층의 영향으로 더 감소했다고 결론 내릴 수 있다.
도 9는 열팽창 억제층의 도입 전후의 CIGS 박막/Mo 계면의 계면접착력 변화를 보이고 있다. 계면접착력은 stud를 CIGS 박막에 부착한 후 비틀림변형에 따른 CIGS 박막의 분리가 일어날 때 임계 비틀림 하중을 평가한 후 stud 부착 면적으로 나누어 계면전단강도로 계산하는 방식을 채택하였다.
4 종류의 샘플 중에서 Mo 표면특성이 상이한 샘플군(B, D)를 제외하면 열팽창 억제층의 도입에 따라 계면접착강도가 실질적으로 증가함을 확인할 수 있다. B와 D의 경우 Mo 후면전극에 다량의 Na이 함유돼 있는 상태라, Mo 표면이 Na이 다량 흡착된 상태이므로 CIGS/Mo 계면이 취화돼 있는 것으로 추정된다.
도 10은 폴리이미드 기판에 열팽창 억제층으로 SiNx층을 적용하기 전(a)과 후(b)의 태양전지 셀의 모양을 나타내고 있다. 열팽창 억제층 도입에 따라 전체적인 셀의 휨 현상이 크게 완화되었다. 이는 앞서 설명한 바와 같이, 폴리이미드의 유효열팽창률 감소로 CIGS 박막과의 열팽창 불일치가 감소하면서 CIGS 공정 직후 냉각에 의한 열응력 형성이 최소화되었기 때문이다.
이와 같이, 본 발명의 계면 접착층, 열팽창 억제층 및 캡핑층의 조합을 폴리이미드 기판의 양면 중 적어도 한면에 적용한 기판을 이용하면, 폴리이미드의 유효 열팽창률을 감소시켜서 태양전지 셀의 균열 및 박리현상을 크게 억제하고, 광흡수층과 폴리이미드 기판간 열팽창 불일치로 인해 발생하는 기판의 휨 현상을 완화할 수 있다. 이를 통해 유연 박막 태양전지 제조공정의 불량률 감소, 생산성 향상을 기대할 수 있고, 광전변환효율 열화를 최소화할 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
폴리이미드는 CIGS 박막 태양전지용 기판 중 하나로 각광받고 있으며, CIGS 박막 태양전지의 롤투롤(roll-to-roll) 공정의 적용이 가능해지므로, 생산비용과 태양광 모듈의 설치비용을 감소시킬 수 있다. 또한, 박막 태양전지의 유연성과 경량성 확보가 가능하여, 군사용, 휴대용, 소비자용 전자기기용 전원 등으로 응용분야를 확대할 수 있다. 본 특허의 기술은 이러한 폴리이미드 기반 유연 박막 태양전지 모듈을 제조하는 데 있어, 제품의 내구성을 향상시킬 수 있기 때문에, 불량률 감소 등의 생산성 향상과 제품수명 향상을 도모할 수 있다.
10: 폴리이미드 기판 21, 25: 열팽창 억제층
22, 27: 계면 접착층 23, 26: 캡핑층
30: 금속 전극층 40: 광흡수층
50: 버퍼층 60: 고저항 윈도우층
70: 투명전극 1, 2, 3, 4: 박막 태양전지
22, 27: 계면 접착층 23, 26: 캡핑층
30: 금속 전극층 40: 광흡수층
50: 버퍼층 60: 고저항 윈도우층
70: 투명전극 1, 2, 3, 4: 박막 태양전지
Claims (28)
- 폴리이미드 기판;
상기 폴리이미드 기판 위에 형성된 금속 전극층;
상기 폴리이미드 기판의 양 표면 중 적어도 하나의 면에 형성되고, 열팽창률이 상기 금속 전극층의 열팽창률보다 작은 물질로 구성되는 열팽창 억제층;
상기 폴리이미드 기판 및 상기 열팽창 억제층 사이의 계면 접찹력을 향상시키기 위해 상기 폴리이미드 기판 및 상기 열팽창 억제층 사이에 형성되는 계면 접착층(adhesion layer); 및
상기 열팽창 억제층의 손상을 억제하기 위해 상기 열팽창 억제층 상에 형성되는 캡핑층(capping layer)을 포함하고,
상기 열팽창 억제층은 티타늄알루미늄질화물(TiAlN), 질화알루미늄(AlN), 질화크롬(CrN) 중 하나의 층 및 실리콘산화물(SiOx), 실리콘질화물(SiNy), 실리콘탄화물(SiCz) 중 하나의 층이 교대로 반복하여 형성되는, 기판.
- 제1항에 있어서,
상기 계면 접착층, 상기 열팽창 억제층 및 상기 캡핑층은, 상기 폴리이미드 기판과 상기 금속 전극층 사이에 형성되는, 기판.
- 제1항에 있어서,
상기 계면 접착층, 상기 열팽창 억제층 및 상기 캡핑층은, 상기 금속 전극층과 반대편의 상기 폴리이미드 기판의 일 면에 형성되는, 기판.
- 제1항에 있어서,
상기 계면 접착층, 상기 열팽창 억제층 및 상기 캡핑층은, 상기 폴리이미드 기판과 상기 금속 전극층 사이 및 상기 금속 전극층과 반대편의 상기 폴리이미드 기판의 일 면에 모두 형성되는, 기판.
- 제1항에 있어서,
상기 열팽창 억제층의 열팽창계수는 6 ppm/k 이하인, 기판.
- 제1항에 있어서,
상기 열팽창 억제층은 실리콘산화물(SiOx), 실리콘질화물(SiNy), 실리콘탄화물(SiCz), 텅스텐(W) 중 적어도 하나를 포함하는, 기판.
- 제1항에 있어서,
상기 계면 접착층은 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 티타늄질화물(TiN) 중 적어도 하나를 포함하는, 기판.
- 제7항에 있어서,
상기 계면 접착층은 1 nm 내지 100 nm의 두께를 가지는, 기판.
- 제1항에 있어서,
상기 캡핑층은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr) 중 적어도 하나의 금속 또는 폴리이미드 소재를 포함하는, 기판.
- 제9항에 있어서,
상기 캡핑층은 10 nm 내지 200 nm의 두께를 가지는, 기판.
- 폴리이미드 기판;
상기 폴리이미드 기판 위에 형성된 금속 전극층;
상기 폴리이미드 기판의 양 표면 중 적어도 하나의 면에 형성되고, 열팽창률이 상기 금속 전극층의 열팽창률보다 작은 물질로 구성되고, 나노 다중층으로 형성되는 열팽창 억제층; 및
상기 폴리이미드 기판 및 상기 열팽창 억제층 사이의 계면 접찹력을 향상시키기 위해 상기 폴리이미드 기판 및 상기 열팽창 억제층 사이에 형성되는 계면 접착층(adhesion layer)을 포함하고,
상기 열팽창 억제층은 티타늄알루미늄질화물(TiAlN), 질화알루미늄(AlN), 질화크롬(CrN) 중 하나의 층 및 실리콘산화물(SiOx), 실리콘질화물(SiNy), 실리콘탄화물(SiCz) 중 하나의 층이 교대로 반복하여 형성되는, 기판.
- 삭제
- 제11항에 있어서,
상기 열팽창 억제층은 교대로 반복되는 두 층의 두께의 합이 1 nm 내지 10 nm의 범위를 가지는, 기판.
- 폴리이미드 기판;
상기 폴리이미드 기판 위에 형성된 금속 전극층;
상기 폴리이미드 기판의 양 표면 중 적어도 하나의 면에 형성되고, 열팽창률이 상기 금속 전극층의 열팽창률보다 작은 물질로 구성되는 열팽창 억제층;
상기 금속 전극층 위에 형성된 셀레늄(Se) 또는 황(S)를 포함하는 광흡수층;
상기 광흡수층 상에 형성된 버퍼층, 고저항 윈도우층 중 적어도 하나의 층; 및
상기 적어도 하나의 층 상에 형성된 투명전극을 포함하고,
상기 열팽창 억제층은 티타늄알루미늄질화물(TiAlN), 질화알루미늄(AlN), 질화크롬(CrN) 중 하나의 층 및 실리콘산화물(SiOx), 실리콘질화물(SiNy), 실리콘탄화물(SiCz) 중 하나의 층이 교대로 반복하여 형성되는, 박막 태양전지.
- 제14항에 있어서,
상기 폴리이미드 기판 및 상기 열팽창 억제층 사이의 계면 접찹력을 향상시키기 위해 상기 폴리이미드 기판 및 상기 열팽창 억제층 사이에 형성되는 계면 접착층(adhesion layer)을 더 포함하는, 박막 태양전지.
- 제15항에 있어서,
상기 열팽창 억제층의 손상을 억제하기 위해 상기 열팽창 억제층 상에 형성되는 캡핑층(capping layer)을 더 포함하는, 박막 태양전지.
- 제16항에 있어서,
상기 계면 접착층, 상기 열팽창 억제층 및 상기 캡핑층은, 상기 폴리이미드 기판과 상기 금속 전극층 사이에 형성되는, 박막 태양전지.
- 제16항에 있어서,
상기 계면 접착층, 상기 열팽창 억제층 및 상기 캡핑층은, 상기 금속 전극층과 반대편의 상기 폴리이미드 기판의 일 면에 형성되는, 박막 태양전지.
- 제16항에 있어서,
상기 계면 접착층, 상기 열팽창 억제층 및 상기 캡핑층은, 상기 폴리이미드 기판과 상기 금속 전극층 사이 및 상기 금속 전극층과 반대편의 상기 폴리이미드 기판의 일 면에 모두 형성되는, 박막 태양전지.
- 제14항에 있어서,
상기 열팽창 억제층의 열팽창계수는 6 ppm/k 이하인, 박막 태양전지.
- 제14항에 있어서,
상기 열팽창 억제층은 실리콘산화물(SiOx), 실리콘질화물(SiNy), 실리콘탄화물(SiCz), 텅스텐(W) 중 적어도 하나를 포함하는, 박막 태양전지.
- 제15항에 있어서,
상기 계면 접착층은 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 티타늄질화물(TiN) 중 적어도 하나를 포함하는, 박막 태양전지.
- 제22항에 있어서,
상기 계면 접착층은 1 nm 내지 100 nm의 두께를 가지는, 박막 태양전지.
- 제16항에 있어서,
상기 캡핑층은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr) 중 적어도 하나의 금속 또는 폴리이미드 소재를 포함하는, 박막 태양전지.
- 제24항에 있어서,
상기 캡핑층은 10 nm 내지 200 nm의 두께를 가지는, 박막 태양전지.
- 제14항 및 제15항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 열팽창 억제층은 나노 다중층으로 형성되는, 박막 태양전지.
- 삭제
- 제14항에 있어서,
상기 열팽창 억제층은 교대로 반복되는 두 층의 두께의 합이 1 nm 내지 10 nm의 범위를 가지는, 박막 태양전지.
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| KR1020150011097A KR101653282B1 (ko) | 2015-01-23 | 2015-01-23 | 폴리이미드 기판 구조 및 이를 이용하는 박막 태양전지 |
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