KR101777453B1 - P2 패터닝과 p3 패터닝을 동시에 수행하는 박막 태양전지의 제조방법 및 이에 사용되는 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 박막 태양전지의 제조방법에 있어서, 기판 상에 증착되어 P1 패터닝부(patterning part)가 형성된 배면 전극층 상에 광흡수층, 버퍼층, 및 투명 전극층을 증착한 후, P2 패터닝부(patterning part)와 P3 패터닝부(patterning part)를 레이저 조사에 의해 동시에 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조방법 및 이에 사용되는 장치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 P2 패터닝과 P3 패터닝을 동시에 수행하는 박막 태양전지의 제조방법 및 이에 사용되는 장치에 관한 것이다.
최근 들어, 직면한 에너지 문제를 해결하기 위하여, 기존의 화석연료를 대체할 수 있는 대체 에너지원에 대한 다양한 연구가 진행되어 오고 있다. 특히, 수십년 이내에 고갈될 석유 자원을 대체하기 위하여 풍력, 원자력, 태양력 등의 자연 에너지를 활용하기 위한 광범위한 연구가 진행되고 있다.
이들 중에서, 태양 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 광전 소자인 태양전지는 기타 다른 에너지원과 달리 무한하고 환경친화적이므로, 1983년 Se 태양 전지가 개발된 이후 많은 각광을 받고 있다.
태양전지(Solar Cell 또는 Photovoltaic Cell)는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심소자로, 그 구성 재료에 따라 무기 소재로 이루어진 실리콘, 화합물 반도체와 같은 무기 태양전지(inorganic solar cell)와 유기물질을 포함하는 유기 태양전지(organic solar cell)로 분류할 수 있다. 그 중에서, 박막 태양전지로서 CuInSe2(CIS)로 대표되는 I-III-VI2족 칼코파이라이트 (Chalcopyrite)계 화합물 반도체는 직접천이형 에너지 밴드갭을 가지고 있고, 광흡수계수가 1x105cm-1로 반도체 중에서 가장 높아, 두께 1~2 ㎛의 박막으로도 고효율의 태양전지 제조가 가능하고, 또한 장기적으로 전기광학적 안정성이 매우 우수한 특성을 지니고 있다. 또한, 최근에는 상기 CIGS계의 광흡수층에 대한 대안으로 초저가 금속 원소인 구리, 아연, 주석, 황, 또는 셀레늄 원소를 포함하는 CZTS(Cu2ZnSn(S,Se)4)계 태양전지가 주목받고 있다. 상기 CZTS는 약 1.0 내지 1.5eV의 직접 밴드갭(direct band gap) 및 104 ㎝-1 이상의 흡수계수를 갖고 있고, 상대적으로 매장량이 풍부하고 가격이 저렴한 Sn과 Zn을 사용하는 장점을 가지고 있다. 따라서, 이들 화합물 반도체 태양전지가 현재 사용되고 있는 고가의 결정질 실리콘 태양전지를 대체하여 태양광 발전의 경제성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 저가, 고효율의 태양전지 재료로 부각되고 있다.
이러한 태양전지 모듈의 제조에 있어서, 소정의 전압을 수득하기 위해서는, 기본 단위 유니트인 태양전지 셀을 소정 개수로 전기적 연결할 필요가 있으며, 이는 패터닝 공정에 의해, 기판 위에 복수의 태양전지 셀을 분할시키고 이들을 전기적으로 연결시킨 집적형 구조를 형성하는 제조방법이 채용되고 있다. 여기서, 상기 패터닝 공정은 순서대로 3개의 패터닝 공정 P1, P2, P3로 이루어진다.
종래 태양전지가 제조되는 과정을 도 1에 도시하였다.
도 1을 참조하면, 태양전지를 제조하기 위해서, 먼저, 절연성의 기판 위에 스퍼터링법에 의해 몰리브덴 등의 배면 전극층을 형성한다(1). 이후 네오딤 YAG 레이저 등의 적외역(1064nm)의 빔을 사용하여, 배면 전극층을 스트립 형태로 분할하여 잘라 나누는 P1 패터닝 공정을 실시한다(2). 그 위에, 동시 증착법 또는 셀렌화법등에 의해 I-III-VI2족 칼코파이라이트 반도체로 이루어진 p형 광흡수층을 형성한 후, 투명하고 저항이 높은 화합물 반도체 박막으로 이루어진 버퍼층이 용액으로부터의 화학적 성장에 의해 형성되어 적층 구조의 반도체 박막을 형성한다(3). 그리고, 반도체 박막, 즉 버퍼층과 p형 광흡수층의 일부를 기계적 스크라이빙(scribing) 법 또는 레이저 스크라이빙 법으로 제거함으로써 스트립형태로 분할하여 잘라 나누는 P2 패터닝을 실시한다(4). 이때, P2 패터닝은, P1 패터닝에 있어서 분할하여 잘라 나눈 유니트 셀 수와 동일한 개수로 위치적으로 오프셋을 취하여 패터닝한다. 이후, P2 패터닝까지 완료한 버퍼층 위에 금속산화물 반도체 박막으로 이루어진 투명 전극층을 제조하고(5), 투명 전극층, 버퍼층 및 p형 광흡수층의 일부를 기계적 스크라이빙 법 또는 레이저 스크라이빙 법으로 P2 패터닝의 위치로부터 오프셋시켜 기계적으로 제거함으로써 스트립 형태로 분할하여 잘라 나눠 P3 패터닝을 실시한다(6) 그 결과, 배면 전극층 위에 p형 광흡수층, 버퍼층, 투명 전극층의 순서로 적층된 적층 구조의 태양전지 셀이 셀 단위로 분할되고, 이러한 태양전지 셀의 투명 전극층이 인접하는 태양전지 셀의 배면 전극층에 전기적으로 연결되어 태양전지의 제조가 완료된다.
다만, 이 경우 일반적으로 층들의 도포는 진공 조건하에 수행되나, 패터닝 공정은 이와 공간적으로 분리되어 대기(atmosphere) 조건하에서 수행되므로, 제조 공정이 복잡하고, 투명 전극층을 형성하는 과정에서 잔류 입자들, 또는 진공부로의 반입 공정 및 진공부로부터의 반출 공정이 빈번함에 따라 태양 전지의 층들 사이에 개재되는 오염물에 의해 불량 현상이 나타날 가능성이 매우 높아, 개선된 방법으로서, 광흡수층 및 버퍼층, 또는 이에 더하여 절연층의 형성 후에 별도의 스크라이빙 공정 없이, 투명 전극층까지 형성한 다음 P2 위치에 대하여 레이저 어닐링을 진행함으로써 하부 층들과 투명 전극층 사이의 상호 믹싱(inter-mixing)을 통해 P2 위치에 전도성 영역을 형성하는 방법도 제안되었다.
그러나, 상기 방법은 모두 5 단계, 또는 6 단계 이상의 공정을 거쳐야 하고, 이중 패터닝 공정은 P1, P2, P3가 각각 독립적으로 이루어지며, 각 층의 증착 과정과도 공간적으로 분리되어 수행하여야 하므로, 상기와 같이 태양전지를 제조하는데 매우 긴 공정시간이 필요한 문제가 있었다. 또한, 상기 패터닝 공정에 의해 형성되는 각각의 패터닝부는 매우 근접하게 형성되고, 특히 P2 및 P3 패터닝에 의한 패터닝부는 그 간격이 약 100 마이크로미터 이하인 바, 패터닝 공정 중 하나의 공정에서라도 기판이 조금만 틀어지면 각각의 패터닝부가 평행하지 않은 불량품이 발생할 확률이 높은 문제가 있다.
따라서, 상기 문제점들을 해결할 수 있는 태양전지에 대한 기술의 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 박막 태양전지를 제조함에 있어, 기판 상에 증착되어 P1 패터닝부(patterning part)가 형성된 배면 전극층 상에 광흡수층, 버퍼층, 및 투명 전극층을 모두 형성한 후, P2 패터닝부(patterning part)와 P3 패터닝부(patterning part)를 레이저 조사로 동시에 형성하는 경우, 소망하는 효과를 달성할 수 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 박막 태양전지의 제조방법은,
기판 상에 증착되어 P1 패터닝부(patterning part)가 형성된 배면 전극층 상에 광흡수층, 버퍼층, 및 투명 전극층을 증착한 후, P2 패터닝부(patterning part)와 P3 패터닝부(patterning part)를 레이저 조사에 의해 동시에 형성하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 박막 태양전지의 제조방법은,
(i) 기판을 준비하고, 상기 기판 상에 배면 전극층을 형성시키는 과정;
(ii) 상기 배면 전극층의 일부를 미세한 선 형태로 제거하여 P1 패터닝부를 형성하는 과정;
(iii) 상기 배면 전극층 상에 광흡수층, 버퍼층, 및 투명 전극층을 순차적으로 증착시키는 과정; 및
(iv) 레이저 조사에 의해 P2 패터닝부와 P3 패터닝부를 동시에 형성시키는 과정;
을 포함할 수 있다.
즉, 본원발명의 박막 태양전지의 제조방법은, P2 패터닝부와 P3 패터닝부의 형성과정에 있어서, 종래와 같이 공정 단계를 달리하는 것이 아니라 투명 전극층까지 증착한 뒤 동시에 형성함으로써, 기존의 공정이 6 단계 이상의 공정을 거쳐 제조되는 반면 이를 2단계 이상 감소시켜 공정 시간을 절반 이상 단축시킬 수 있는 바, 제조 공정상의 효율성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, P2 패터닝 공정과 P3 패터닝 공정을 각각 진행하였을 때, 기판의 틀어짐으로부터 오는 P2 패터닝부와 P3 패터닝부의 비평행 불량률의 문제를 해결할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, P2 패터닝부와 P3 패터닝부는 하나의 공정으로 동시에 형성되어야 하는 바, 투명 전극층까지 모두 증착한 후에 레이저에 의해 형성될 수 있고, 상세하게는 P2 패터닝부와 P3 패터닝부의 형성 목적에 부합하도록 서로 다른 파장대를 갖는 제 1 레이저와 제 2 레이저에 의해 형성될 수 있다.
구체적으로, P2 패터닝부는 제 1 레이저를 이용하여 투명 전극층부터 광흡수층까지 국부적으로 어닐링함으로써 각 층들이 완전히 용융된 후 고상화되는 상호 혼합(inter-mixing)을 통하여 형성할 수 있는데, 이러한 상기 제조를 가능하게 하는 제 1 레이저는, 1 mJ/cm2 내지 10000 mJ/cm2의 레이저 에너지 밀도(laser energy density)를 가질 수 있고, 300 nm 내지 400 nm의 파장 을 갖는 연속 파장 레이저일 수 있다.
상기 조건을 벗어나는 레이저를 사용하는 경우, 예를 들어, 500 nm의 파장대를 가지는 그린 라이트(green light)의 경우에는, 레이저가 투명 전극층을 투과하여 버퍼층 또는 광흡수층에 흡수되므로, 광흡수층, 버퍼층, 투명 전극층 모두를 용융시킴에 따른 상호 혼합을 이루어지게 하기 어려워, 바람직하지 않다.
이와 같이 광흡수층, 버퍼층, 및 투명 전극층을 함께 용융화시키는 경우에는, 용융화된 화합물은 본래 각층을 이루는 물질과 다른 물리적 특성을 가지고, 특히 상기 용융화된 화합물은 전도성을 나타내는 바, 기존의 기계적 스크라이빙 법으로 형성하는 경우와 유사한 수준의 P2 패터닝부를 형성할 수 있다.
한편, P3 패터닝부는 제 2 레이저를 이용하여 투명 전극층부터 버퍼층까지, 또는 투명 전극층부터 광흡수층까지 미세한 선 형태로 제거하는 스크라이빙(scribing)법에 의해 형성할 수 있고, 이러한 제조를 위해 제 2 레이저는 0.2 mJ/cm2 내지 0.4 mJ/cm2의 레이저 에너지 밀도(laser energy density), 및 10 ps 내지 20 ns의 펄스 폭(pulse duration)을 가질 수 있으며, 450 nm 내지 600 nm의 파장(wavelength)을 가질 수 있다.
상기 조건을 벗어나는 레이저를 사용하는 경우에는, 투명 전극층이 완전히 제거되지 않거나, 투명 전극층은 제거되지 않고 광흡수층까지 층들은 녹아서 전기적 단절 효과를 가져오지 못하므로 바람직하지 않다.
P3 패터닝부는, 상기에서 설명한 바와 같이, 광흡수층, 버퍼층, 및 투명 전극층 모두를 선 형태로 제거하여 형성할 수도 있으나, 버퍼층과 투명 전극층만을 미세한 선 형태로 제거하여 형성할 수도 있는데, 버퍼층과 투명 전극층만을 제거하여 형성하는 것이, 배면 전극층을 노출시킴에 따른 스크래치(scratch) 또는 부식(corrosion)으로부터 배면 전극층을 보호할 수 있는바, 더욱 바람직하다.
이러한 P2 패터닝부와 P3 패터닝부를 형성하는 제 1 레이저와 제 2 레이저는, 하나의 장치 또는 별도의 장치에서 출력될 수도 있고 한정되지는 아니하나, 상세하게는, 레이저 조건의 조절 및 취급 용이성을 위해 하나의 장치에 설치된 제 1 레이저부와 제 2 레이저부에서 출력되는 것일 수 있다.
이때, 상기에서 설명한 바와 같이, 제 1 레이저의 파장과 제 2 레이저의 파장은 서로 상이한 바, 광학 렌즈에 대한 레이저들의 굴절률이 서로 다르므로, 제 1 레이저의 파장과 제 2 레이저의 파장, 제 1 레이저부와 제 2 레이저부의 간격, 및 이들에 사용되는 광학 렌즈의 종류 등을 달리함으로써 서로 다른 제 1 레이저와 제 2 레이저를를 각기 다른 광학 경로를 이용하고도 간섭되지 않게 접근시킬 수 있다. 따라서, 상기 제 1 레이저와 제 2 레이저에 의해 형성되는 P2 패터닝부와 P3 패터닝부 사이의 간격은, 상세하게는 100 마이크로미터 이하일 수 있고, 상세하게는 10 마이크로미터 내지 100 마이크로미터일 수 있다.
상기 범위를 벗어나, P2 패터닝부와 P3 패터닝부 사이의 간격이 100 마이크로미터를 초과하는 경우에는 데드 존(dead zone; P1 패터닝부부터 P3 패터닝부까지의 폭)이 넓어지게 되므로 태양전지 모듈의 전류가 감소하고, 기계적 스크라이빙보다 레이저가 가진 정교한 가공의 장점을 발휘하지 못하는 바, 바람직하지 않다.
한편, P1 패터닝부는, 별도의 공정으로 형성되므로, P2 패터닝부 및 P3 패터닝부와는 다르게, 한정되지 아니하고 스크라이빙(scribing) 법 또는 기계적 스크라이빙(scribing)법에 의해 형성할 수 있으나, 상세하게는, 1064 nm DPSS 또는 파이버(Fiber) 레이저 등에 의해 레이저 스크라이빙 법으로 형성할 수 있다.
이상과 같이, 태양전지에서 형성되는 패터닝부는 제거된 부분의 폭이 좁을수록 활성영역이 증가되어 전지 효율을 높일 수 있다. 따라서, 상기 P1 패터닝부 내지 P3 패터닝부는 일반적으로, 5 내지 1000 ㎛의 폭으로 절단될 수 있으며, 상세하게는, 10 내지 150 ㎛의 범위를 가질 수 있다.
이하에서는, 태양전지의 기타 구성에 대해 설명하도록 한다.
상기 기판은 유리 기판, 고분자 기판, 세라믹 기판, 또는 금속 기판일 수 있고, 상세하게는 유리 기판을 사용할 수 있으며, 예를 들어, Corning 7059, 파이렉스(pyrex)유리나, 값싼 소다회 유리(sodalime glass)가 사용될 수 있다.
이러한 기판은 사용에 따라 유연한 정도를 결정할 수 있고, 유연한 정도에 따라 플렉시블한 태양전지 또한 제조할 수 있어, 태양전지의 활용도를 높일 수도 있다.
상기 기판 상에 형성되는 배면 전극층은 일반적으로 전극으로 사용되는 모든 금속을 사용할 수 있고, 상세하게는, Mo, Ni, Au, 및 Cu로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하여 사용할 수 있으며, 더욱 상세하게는 높은 전도도, 광흡수층에 사용되는 화합물에의 저항성 접촉(ohmic contact), Se 분위기 하에서의 고온 안정성을 유지할 수 있는 Mo을 사용할 수 있다. 이러한 배면 전극층은 전자빔(Beam)증착, 저항가열증착법 또는 스퍼터링(sputtering)법에 의해 0.5 마이크로미터 내지 2 마이크로미터의 두께로 형성될 수 있다.
상기 광흡수층은 배면 전극층 상에 형성되며, 동시 증발법(co-evaporation), 스퍼터링법, 전착법(electrodeposition), 유기금속화학증착법(MOCVD), 또는 화합물 입자를 이용한 ink 코팅법에 의해 1.0 마이크로미터 내지 3.0 마이크로미터의 두께로 형성될 수 있다.
상기 광흡수층은 I족 원소, III족 원소 및 VI족 원소를 함유하고 있어야 하는데, VI족 원소는 열처리 단계에서 추가될 수도 있다. 이와 같이 형성된 광흡수층은 하기 화학식 1 또는 2의 화합물을 포함할 수 있다.
Cu(InxGa1-x)(SeyS1-y)2 (1)
Cu2ZnSn(SezS1-z)4 (2)
상기 식들에서, 0<x≤1, 0<y≤1, 0<z≤1이다.
상기 버퍼층은, p형의 도전형을 갖는 상기 광흡수층과 후술할 n형의 도전형을 갖는 투면 전극층이 p-n 접합을 형성함에 있어서, 두 물질 간의 격자상수와 에너지밴드갭의 차이가 커 그들 간의 양호한 접합을 형성하기 위해 그 사이에 형성되는 층이다. 따라서, 상기 버퍼층은 밴드갭이 두 물질의 중간에 위치하는 물질로 이루어짐이 바람직하다.
상세하게는, 상기 버퍼층은, ZnS, CdS, ZnSe, InS, InSe, InOOH 및 ZnOOH 로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있고, CdS, ZnSe, InS, InSe, InOOH 및 ZnOOH 로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어진 층과 진성 산화아연층(intrinsic ZnO layers)을 포함하는 이중층 구조일 수 있다. 여기서 진성 산화아연층은 버퍼층 상에 스퍼터링법 등으로 투명 전극층을 형성할 때 발생되는 버퍼층의 손상을 방지할 수 있다.
이러한 버퍼층은 CBD(Chemical Bath Deposition)법 또는 RF 스퍼터링법에 의해 30 나노미터 내지 1.5 마이크로미터의 두께로 형성될 수 있다.
마지막으로, n형의 도전형을 갖고 광흡수층과 p-n 접합을 형성하는 상기 투명 전극층은 태양전지 전면의 전극으로서의 기능을 하기 때문에 광투과율이 높아야 하고 전기전도성이 좋아야 한다. 구체적으로, 상기 투면 전극층은 입사되는 태양광의 투과율이 80%이상 담보될 수 있는 ZnO를 포함할 수 있으며, 또한 필요에 따라, ZnO층과 ITO(Indium Tin Oxide)층을 포함하는 이중층 구조로 형성함으로써 더욱 낮은 저항 값과 높은 광투과도를 얻을 수도 있다.
ZnO 투명 전극층은 RF 스퍼터링법으로 ZnO 타겟을 사용하여 증착하는 방법과, Zn 금속을 이용한 리액티브 스파터링(reactive sputtering)법, 또는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법에 의해 0.1 마이크로미터 내지 1.0 마이크로미터의 두께로 형성될 수 있다.
본 발명은 상기 박막 태양전지의 제조방법으로 제조된 박막 태양전지 또한 제공한다.
한편, 본 발명은 더 나아가, 상기 박막 태양전지의 제조방법에 사용되는 장치로서, P2 패터닝부를 형성하기 위한 제 1 레이저부와, P3 패터닝부를 형성하기 위한 제 2 레이저부를 구비하고 있고, P2 패터닝부와 P3 패터닝부를 동시에 형성할 수 있도록 제 1 레이저부와 제 2 레이저부의 레이저 조사가 동시에 수행되도록 구성되어 있는 박막 태양전지 제조장치를 제공한다.
여기서, 제 1 레이저부의 광학 렌즈와 제 2 레이저부의 광학 렌즈의 종류는, 한정되지 아니하나, 제 1 레이저부에서 광학 렌즈에 대한 제 1 레이저의 굴절률과 제 2 레이저부에서 광학 렌즈에 대한 제 2 레이저의 굴절률은, 상기에서 설명한 바와 같이, 제 1 레이저의 파장과 제 2 레이저의 파장이 그 목적에 의해 상이함에 따라, 서로 다를 수 있고, 따라서, 광학 렌즈를 서로 상이하게 구성하지 않아도, P2 패터닝부와 P3 패터닝부는 제 1 레이저와 제 2 레이저의 굴절률 차이에 의해 서로 간섭되지 아니하고 100 마이크로미터 이하까지 매우 근접하게 형성될 수 있는 바, 상세하게는 장치 구성의 편의를 위해 서로 동일할 수 있다.
한편, P2 패터닝부와 P3 패터닝부의 간격은, 상기 제 1 레이저의 파장과 제 2 레이저의 파장, 제 1 레이저부와 제 2 레이저부의 간격, 및 이들에 사용되는 광학 렌즈의 종류 등을 달리함으로써 조절될 수 있고, 레이저들의 파장과 광학 렌즈의 종류는 레이저들의 굴절률에 영향을 미친다.
구체적으로, 광학 렌즈에 사용되는 물질의 고유한 물성에 따라, 파장에 의해 굴절률이 결정된다. 예를 들어, 용융 실리카(fused silica)의 굴절률은 레이저의 파장이 1000 nm일 경우, 1.45이고, 250 nm일 겨우, 1.475 정도 된다. 이는 광 전달 매트릭스 분석(Ray transfer matrix analysis)의 두꺼운 렌즈 매트릭스(thick lens matrix)를 활용한, 각 파장에 따른 굴절률과 원하는 위치(x)와 각도(theta)에 따른 진입 위치(x=0)와 진입 각도(theta=0)의 고유한 값이다. 즉, 공정에 요구되는 P2 패터닝부와 P3 패터닝부의 100 마이크로미터 이하의 간격(d)는 광 전달 매트릭스 분석으로 계산 가능한 바, 이에 따라 상기 값들을 적절히 조절하여 결정될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 박막 태양전지의 제조방법은, 기판 상에 증착되어 P1 패터닝부(patterning part)가 형성된 배면 전극층 상에 광흡수층, 버퍼층, 및 투명 전극층을 모두 형성한 후, P2 패터닝부(patterning part)와 P3 패터닝부(patterning part)를 레이저 조사로 동시에 형성함으로써, 패터닝 공정을 각각 수행하는 경우와 비교하여, 공정 시간을 획기적으로 단축시킬 수 있는 바, 제조 공정상의 효율성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 패터닝 공정을 각각 수행하는 경우 그 간격이 매우 작은 P2 패터닝부와 P3 패터닝부의 형성시 기판이 틀어짐에 따라 발생할 수 있는 문제를 해결할 수 있어, 제조 불량률을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 박막 태양전지의 제조방법을 공정단계에 따라 도시한 모식도이다;
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조방법을 공정단계에 따라 도시한 모식도들이다;
도 3은 도 2d의 공정 과정에서 사용되는 장치와 공정 방법을 도시한 모식도이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조방법을 공정단계에 따라 도시한 모식도들이다;
도 3은 도 2d의 공정 과정에서 사용되는 장치와 공정 방법을 도시한 모식도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 구체적인 실시예에 대해 상술하지만, 이는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
도 2a 내지 도 2d에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조방법을 공정단계에 따라 도시한 적층구조의 단면도들이 모식적으로 도시되어 있다.
도 2a를 참조하면, 먼저 절연성의 유리 등으로 이루어진 기판(110)을 제공하고, 이를 세척 후 기판(110) 상에 전자빔(Beam)증착, 저항가열증착법 또는 스퍼터링(sputtering)법에 의해 Mo 등의 금속으로 이루어진 배면 전극층(120)을 형성한다.
도 2b를 참조하면, 배면 전극층(120)에 P1 패터닝 공정을 수행하여 P1 패터닝부(160)를 형성함으로써 배면 전극층(120)을 스트립 형태로 분할한다. 이때, P1 패터닝 공정은 기계적 스크라이빙(scribing)법 또는 레이저 스크라이빙(scribing)법을 사용할 수 있다.
도 2c를 참조하면, P1 패터닝부(160)가 형성된 배면 전극층(120) 상에 동시 증발법(co-evaporation), 스퍼터링법, 전착법(electrodeposition), 유기금속화학증착법(MOCVD), 또는 화합물 입자를 이용한 ink 코팅법에 의해 I족 원소, III족 원소 및 VI족 원소를 함유하고 p형의 도전형을 갖는 광흡수층(130)을 형성한다. 다만, VI족 원소는 열처리 단계에서 VI족 원소 물질을 주입하며 열처리하는 과정(셀렌화 또는 황화 과정)에 의해 추가될 수 있다. 이때, 상기 열처리의 온도는 섭씨 350도 내지 550도임이 바람직한데, 이는 열처리의 온도가 섭씨 350도 미만인 경우 상기 광흡수층(130)을 결정화시키지 못할 수 있고, 상기 열처리의 온도가 섭씨 550도를 초과하는 경우 광흡수층(130)을 결정화시키는 데 불필요하게 높은 온도이므로 제조 비용 면에서 효율이 떨어지기 때문이다.
이후, 광흡수층(130) 상에 CBD(Chemical Bath Deposition)법 또는 RF 스파터링법에 의해 투명하고 저항이 높은 화합물 반도체 박막으로 이루어진 버퍼층(140)을 형성하고, 버퍼층(140) 상에 RF 스퍼터링법으로 ZnO 타겟을 사용하여 증착하는 방법과, Zn 금속을 이용한 리액티브 스파터링(reactive sputtering)법, 또는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법에 의해 광흡수층(130)과 p-n 접합을 이루기 위한 n의 도전형을 갖는 투명 전극층(150)을 형성한다.
이상, 도 2a 내지 도 2c까지의 공정은 레이저 어닐링을 이용하여 P2 패터닝부를 형성하는 박막 태양전지의 제조방법과 동일하나, 본원발명에 따른 박막 태양전지의 제조방법은, 이하, 하기 과정에서 차이를 갖는다.
도 2d를 참조하면, 투명 전극층(150)부터 광흡수층(130)까지를 스트립 형태로 분할하는 P2 패터닝부(170)과 광흡수층(130)에서 투명 전극층(150)까지를 분할하는 P3 패터닝부(180)은 레이저 조사에 의해 동시에 형성한다. 이때, P2 패터닝부는 P1 패터닝부(160)의 형성 개수와 동일한 개수로, P1 패터닝부(170)의 위치로부터 적절한 오프셋을 취한 위치에 형성하고, P3 패터닝부(180)는 P1 패터닝부(160)와 P2 패터닝부(170)의 위치로부터 적절한 오프셋을 취한 위치에 형성한다.
구체적으로, P2 패터닝부(170)과 P3 패터닝부(180)은 각각 하나의 장치(200)에 설치된 제 1 레이저부(210)와 제 2 레이저부(220)에서 출력되는 제 1 레이저(211)와 제 2 레이저(221)로 형성하고, 여기서, 제 1 레이저(211)는 1 mJ/cm2 내지 1000 mJ/cm2의 레이저 에너지 밀도, 300 nm 내지 400 nm의 파장(wavelength)을 갖는 연속 파장 레이저로서, 투명 전극층(150)부터 광흡수층(130)까지 P2 패터닝부(170)가 형성되어야 하는 부분만을 국부적으로 어닐링함으로써 각 층들을 완전히 용융시키고 고상화하여 상호 혼합을 통하여 P2 패터닝부(170)를 형성하고, 제 2 레이저(221)는 0.2 mJ/cm2 내지 0.4 mJ/cm2의 레이저 에너지 밀도, 10 ps 내지 20 ns의 펄스 폭, 450 nm 내지 600 nm의 파장(wavelength)을 갖는 것으로서, 투명 전극층(150)부터 버퍼층(140)까지 미세한 선 형태로 제거하는 스크라이빙법으로 P3 패터닝부(180)를 형성한다.
이와 같이 형성된 P2 패터닝부(170)와 P3 패터닝부(180)의 간격(d)은, 상기에서 설명한 바와 같이, 제 1 레이저(211)와 제 2 레이저(221)가 서로 다른 파장대를 가져 광학 렌즈에 대한 굴절률이 서로 상이하기 때문에, 서로 간섭되지 않고 접근이 용이한 바, 상기 파장대와 제 1 레이저부(210)과 제 2 레이저부(220)의 위치를 달리함으로써 100 마이크로미터 이하까지 조절이 가능하다. 이로써 박막 태양전지(100)가 제조된다.
도 3에는 도 2d의 공정 과정에서 사용되는 상기 레이저 장치(200)와 이를 통한 공정 방법의 이해를 더욱 쉽게 하기 위해, 장치(200)를 사용한 공정 과정의 사시도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 장치(200)은 P2 패터닝부(170)을 형성하기 위한 제 1 레이저(211)을 출력하는 제 1 레이저부(210)과, P3 패터닝부(180)을 형성하기 위한 제 2 레이저(221)을 출력하는 제 2 레이저부(220)를 구비하고 있고, 제 1 레이저부(210)와 제 2 레이저부(220)은 P1 패터닝부(patterning part)가 형성된 배면 전극층, 광흡수층, 버퍼층, 및 투명 전극층을 포함하는 기판(100) 상에 제 1 레이저(211)과 제 2 레이저(221)을 동시에 조사함으로써 P2 패터닝부(170)과 P3 패터닝부(180)을 형성한다.
이때, P2 패터닝부(170)과 P3 패터닝부(180)은 광 전달 매트릭스 분석에 의해 조절 가능하고, 100 마이크로미터 이하까지 접근이 가능하도록 설정될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 장치(200)를 사용하여 P2 패터닝부(patterning part)와 P3 패터닝부(patterning part)를 레이저 조사에 의해 동시에 형성하여 박막 태양전지를 제조하는 경우에는, 패터닝 공정을 각각 수행하는 경우와 비교하여, 공정 시간을 획기적으로 단축시킬 수 있는 바, 제조 공정상의 효율성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 패터닝 공정을 각각 수행하는 경우 그 간격이 매우 작은 P2 패터닝부와 P3 패터닝부의 형성시 기판이 틀어짐에 따라 발생할 수 있는 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 바, 제조 불량률을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
Claims (20)
- 박막 태양전지의 제조방법에 있어서,
(i) 기판을 준비하고, 상기 기판 상에 배면 전극층을 형성시키는 과정;
(ii) 상기 배면 전극층의 일부를 미세한 선 형태로 제거하여 P1 패터닝부를 형성하는 과정;
(iii) 상기 배면 전극층 상에 광흡수층, 버퍼층, 및 투명 전극층을 순차적으로 증착시키는 과정; 및
(iv) 레이저 조사에 의해 P2 패터닝부와 P3 패터닝부를 동시에 형성시키는 과정;
을 포함하고,
상기 P2 패터닝부와 P3 패터닝부는 각각 하나의 장치에 설치된 제 1 레이저부와 제 2 레이저부로부터 출력되는 제 1 레이저와 제 2 레이저에 의해 형성되며,
상기 P2 패터닝부는 300 nm 내지 400 nm의 파장(wavelength)을 가지는 연속 파장 레이저인 제 1 레이저를 이용하여 투명 전극층부터 광흡수층까지 국부적으로 어닐링함으로써 각 층들이 완전히 용융된 후 고상화되는 상호 혼합(inter-mixing)을 통하여 형성되고,
상기 P3 패터닝부는 450 nm 내지 600 nm의 파장(wavelength)을 가지는 제 2 레이저를 이용하여 투명 전극층부터 버퍼층까지, 또는 투명 전극층부터 광흡수층까지 미세한 선 형태로 제거하는 스크라이빙(scribing)법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 레이저는 1 mJ/cm2 내지 10000 mJ/cm2의 레이저 에너지 밀도(laser energy density)를 가지는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 레이저는 0.2 mJ/cm2 내지 0.4 mJ/cm2의 레이저 에너지 밀도(laser energy density)를 가지는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 레이저는 10 ps 내지 20 ns의 펄스 폭(pulse duration)을 가지는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 P2 패터닝부와 P3 패터닝부 사이의 간격은 100 마이크로미터 이하인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조방법.
- 제 13 항에 있어서, 상기 P2 패터닝부와 P3 패터닝부 사이의 간격은 10 마이크로미터 내지 100 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 P1 패터닝부는 레이저 스크라이빙(scribing) 법 또는 기계적 스크라이빙(scribing)법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 따른 박막 태양전지의 제조방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
- 제 1 항에 따른 박막 태양전지의 제조방법에 사용되는 장치로서, P2 패터닝부를 형성하기 위한 제 1 레이저부와, P3 패터닝부를 형성하기 위한 제 2 레이저부를 구비하고 있고, P2 패터닝부와 P3 패터닝부를 동시에 형성할 수 있도록 제 1 레이저부와 제 2 레이저부의 레이저 조사가 동시에 수행되도록 구성되어 있으며,
상기 P2 패터닝부를 형성하기 위한 제 1 레이저부에서는 300 nm 내지 400 nm의 파장(wavelength)을 가지는 연속 파장 레이저인 제 1 레이저가 조사되고,
상기 P3 패터닝부를 형성하기 위한 제 2 레이저부에서는 450 nm 내지 600 nm의 파장(wavelength)을 가지는 제 2 레이저가 조사되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 제조장치. - 제 17 항에 있어서, 상기 제 1 레이저부에서 광학 렌즈에 대한 제 1 레이저의 굴절률과 제 2 레이저부에서 광학 렌즈에 대한 제 2 레이저의 굴절률이 서로 다른 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 제조장치.
- 제 18 항에 있어서, 상기 제 1 레이저부의 광학 렌즈와 제 2 레이저부의 광학 렌즈는 그 종류가 동일한 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 제조장치.
- 제 17 항에 있어서, P2 패터닝부와 P3 패터닝부의 간격은 광 전달 매트릭스 분석(Ray transfer matrix analysis)에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 제조장치.
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| KR1020150059532A KR101777453B1 (ko) | 2015-04-28 | 2015-04-28 | P2 패터닝과 p3 패터닝을 동시에 수행하는 박막 태양전지의 제조방법 및 이에 사용되는 장치 |
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| KR20160127956A KR20160127956A (ko) | 2016-11-07 |
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| JP2011121106A (ja) * | 2009-12-14 | 2011-06-23 | Hitachi High-Technologies Corp | レーザパターニング方法及びその装置 |
-
2015
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