KR101934949B1 - 전기변색부가 삽입된 태양 전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

전기변색부가 삽입된 태양 전지 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기변색부가 삽입된 태양 전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 기판 상에 투광부를 형성하고, 상기 투광부에 전기변색 특성을 갖는 전기변색부를 형성함으로써, 색상 구현을 통해 미관을 개선함은 물론, 외부 환경에 따라 광투과율을 조절할 수 있어 유동적으로 외부 환경 변화에 대처할 수 있는 전기변색부가 삽입된 태양 전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

전기변색부가 삽입된 태양 전지 및 이의 제조방법{SOLAR CELL HAVING ELECTROCHROMIC LAYER AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
본 발명은 전기변색부가 삽입된 태양 전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양 전지 셀 내부에 EC층을 포함하는 전기변색부를 삽입하여 다양한 색상을 구현할 수 있는 전기변색부가 삽입된 태양 전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예상되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양 전지는 반도체 소자를 이용하여 태양광 에너지를 직접 전기 에너지로 변화시키는 차세대 전지로서 각광받고 있다.
한편, 정부는 에너지 저감 대책의 하나로 건물의 고성능 외피에 대한 대책 마련을 중요한 관건으로 보고 있고, 차세대 전지로서 각광받는 태양 전지의 발전 효율이 개선됨에 따라, 태양 전지를 건축물의 외피 마감재 또는 창호로 사용하는 건물 일체형 태양광발전(BIPV:Building Integrated Photovoltaic) 시스템을 주목하고 있다.
건물 일체형 태양광발전(BIPV:Building Integrated Photovoltaic) 시스템은 외피 마감재로서의 성능을 만족시킴과 동시에 자체전력 발생을 통한 전력공급이 요구되므로, 태양 전지의 투광성 및 입광 효율을 향상시키기 위한 연구들이 진행 중이며, 태양 전지의 외관 및 표시 기능이 중요하게 대두되고 있다.
그런데, 종래의 태양 전지는 청-흑색 또는 적-갈색 계통의 색상을 나타낸다. 따라서, 태양 전지가 건물 또는 자동차의 외부에 노출되게 설치되는 경우에는 소비자의 기호에 적합하게 심미적인 측면에서 다양한 색상의 태양 전지가 요구된다.
이를 해결하기 위하여, 태양 전지에 별도의 착색 물질(coloring material)이 착색된 박막층을 구비하여 소정의 색상을 구현할 수 있다. 그러나 착색 물질을 이용할 경우, 착색 물질 자체의 특성에 따라 투명도가 저하되어 태양 전지의 입사광 양을 감소시키는 문제점이 있다. 따라서, 색상의 선택 폭이 제한될 수 밖에 없었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 기판 상의 투광부에 전기변색 특성을 갖는 전기변색부를 형성함으로써, 색상 구현을 통해 미관을 개선할 수 있는 전기변색부가 삽입된 태양 전지 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 광흡수층의 면적을 가변시키는 방향으로 전기변색부의 높낮이를 조절하여 투명도를 제어함으로써, 입사광양을 증대시켜 다양한 색상을 구현할 수 있고, 다양한 색상 구현이 가능하므로 인테리어 효과를 가지는 것은 물론, 색상 변화에 따른 특정파장의 빛을 효과적으로 차단할 수 있고, 외부에서 내부를 투시하는 것을 차단할 수 있는 전기변색부가 삽입된 태양 전지 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판 상에 위치하는 후면전극층; 상기 후면전극층 상에 위치하는 광흡수층; 상기 광흡수층 상에 위치하는 버퍼층 및 전면전극층; 상기 후면전극층을 복수개로 분할하며 투광영역이 형성된 투광부; 상기 투광부에 인가되는 전압에 의해 다양한 색상을 구현할 수 있는 색상조정영역이 형성된 전기변색부; 상기 전기변색부의 일측에 위치하며 상기 광흡수층과 버퍼층을 관통하여 상기 후면전극층의 일부를 노출시키는 제1패턴부; 및, 상기 제1패턴부에 상기 전면전극층을 적층한 상태에서 전면전극층을 관통하여 후면전극층의 일부를 노출시키는 제2패턴부를 포함하는 전기변색부가 삽입된 태양 전지에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 상기 전기변색부는 후면전극과 후면전극 사이에 인가되는 전압에 따라 투명도가 변화되어 색 변화가 발생하게 된다.
본 발명에 의하면, 상기 전기변색부는 상기 광흡수층과 동일한 높이로 형성된다.
본 발명에 의하면, 상기 전기변색부는 상기 후면전극층의 상면보다 높게 형성되는 동시에 광흡수층의 상면보다 낮게 형성된다.
본 발명에 의하면, 상기 전기변색부는 전기 화학적인 산화-환원 반응에 의한 색상 변화가 일어날 수 있는 구조로서, 전기변색소자와 전해질층을 포함한다.
본 발명에 의하면, 상기 전기변색부는 상기 후면전극층에 일부가 겹쳐진 상태(overlap)로 형성된다.
본 발명에 의하면, 상기 전기변색부와 접하는 측면쪽에는 후면전극층의 상면으로부터 버퍼층의 상면에 이르는 통전 방지용 차단벽이 형성된다.
기판의 상면에 간격을 두고 서로 이격되게 후면전극층을 형성하는 단계; 상기 후면전극층의 상부에 마스크를 적층하고, 상기 마스크가 형성되지 않은 기판 상의 투광영역에 투광부를 증착하는 단계; 상기 투광영역에 인가되는 전압에 의해 다양한 색상을 구현할 수 있는 색상조정영역이 형성된 전기변색부를 삽입하는 단계; 상기 후면전극층 및 전기변색부에 광흡수층 및 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 전기변색부의 일측에 위치하며 상기 후면전극층의 일부를 노출시키는 제1패턴부를 형성하는 단계; 상기 버퍼층과 제1패턴부 상에 전면전극층을 형성하는 단계; 및, 상기 후면전극층의 일부가 노출되도록 상기 제1패턴부 내부의 상기 전면전극층을 관통하는 제2패턴부를 형성하는 단계를 포함하는 전기변색부가 삽입된 태양 전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 상기 전기변색부는 상기 광흡수층과 동일한 높이로 형성된다.
본 발명에 의하면, 상기 전기변색부는 상기 후면전극층의 상면보다 높게 형성되는 동시에 광흡수층의 상면보다 낮게 형성된다.
본 발명에 의하면, 상기 전기변색부는 후면전극과 후면전극 사이에 인가되는 전압에 따라 투명도가 변화되어 색 변화가 발생하게 된다.
본 발명에 의하면, 상기 전기변색부는 상기 광흡수층과 동일한 높이로 형성된다.
본 발명에 의하면, 상기 전기변색부는 상기 후면전극층의 상면보다 높게 형성되는 동시에 광흡수층의 상면보다 낮게 형성된다.
본 발명에 의하면, 상기 전기변색부는 전기 화학적인 산화-환원 반응에 의한 색상 변화가 일어날 수 있는 구조로서, 전기변색소자와 전해질층을 포함한다.
본 발명에 의하면, 상기 전기변색부는 상기 후면전극층에 일부가 겹쳐진 상태(overlap)로 형성된다.
본 발명에 의하면, 상기 전기변색부와 접하는 측면쪽에는 후면전극층의 상면으로부터 버퍼층의 상면에 이르는 통전 방지용 차단벽이 형성된다.
전술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따른 전기변색부가 삽입된 태양 전지 및 이의 제조방법에 의하면, 기판 상의 투광부에 전기변색 특성을 갖는 전기변색부를 형성함으로써, 색상 구현을 통해 미관을 개선할 수 있는 효과가 있다.
광흡수층의 면적을 가변시키는 방향으로 전기변색부의 높낮이를 조절하여 투명도를 제어함으로써, 입사광양을 증대시켜 다양한 색상을 구현할 수 있고, 다양한 색상 구현이 가능하므로 인테리어 효과를 가지는 것은 물론, 색상 변화에 따른 특정파장의 빛을 효과적으로 차단할 수 있고, 외부에서 내부를 투시하는 것을 차단할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 전기변색부가 삽입된 태양 전지의 단면을 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 전기변색부가 삽입된 태양 전지의 단면을 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 전기변색부가 삽입된 태양 전지의 단면을 도시한 단면도이다.
도 4 내지 도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 전기변색부가 삽입된 태양 전지의 제조방법을 도시한 단면도이다.
이하, 도 1 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기변색부가 삽입된 태양 전지의 단면을 도시한 단면도로서, 도시한 바와 같이, 기판(100), 기판(100) 상에 위치하는 후면전극층(110), 상기 후면전극층(110) 상에 위치하는 광흡수층(120), 상기 광흡수층(120) 상에 위치하는 버퍼층(140)과 전면전극층(150) 및, 상기 후면전극층(110)을 복수개로 분할하는 투광영역이 형성된 투광부(130)를 포함한다.
특히 상기 투광부(130)에는 인가되는 전압에 의해 다양한 색상을 구현할 수 있는 전기변색부(135)가 형성된다.
상기 기판(100)은 광투광성이 우수한 유리가 사용될 수 있으며, 세라믹 기판, 금속 기판 또는 폴리머 기판 등도 사용될 수 있다. 예컨대, 유리 기판으로는 소다라임 유리(sodalime glass) 또는 고변형점 소다유리(high strained point soda glass)를 사용할 수 있다.
금속 기판으로는 스테인레스 스틸 또는 티타늄을 포함하는 기판(100)을 사용할 수 있다. 폴리머 기판으로는 폴리이미드(polyimide)를 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되지 않으며, 유사한 물리적 화학적 특성을 가지는 다양한 소재를 사용할 수 있다.
또한, 상기 기판(100)은 경질소재이거나 연질소재일 수 있다.
상기 후면전극층(110)은 광전 효과에 의해 형성된 전하를 수집하고, 광흡수층(120)을 투과한 광을 반사시켜 광흡수층(120)에 재흡수될 수 있도록 몰리브덴, 알루미늄 또는 구리 등과 같은 전도성과 광 반사율이 우수한 금속 재질로 약 1㎛의 두께로 이루어진다.
특히 후면전극층(110)은 높은 전도도, 광흡수층(120)과의 오믹(ohmic) 접촉, Se 분위기 하에서의 고온 안정성 등을 고려하여 몰리브덴을 포함하여 형성될 수 있다. 즉, 상기 후면전극층(110)을 몰리브덴 타겟을 사용하여 스퍼터링 증착 공정을 이용하게 된다.
상기 후면전극층(110)인 몰리브덴(Molybdenum)은 전극으로서 비저항이 낮아야 하고, 열팽창계수의 차이로 인해 박리현상이 발생하지 않도록 기판(100)에 대한 점착성이 우수해야 한다.
한편, 상기 후면전극층(110)을 형성하는 물질은 Na 등의 알카리 이온이 도핑된 몰리브덴으로 형성될 수도 있다. 예컨대, CIGS 광흡수층(120)의 성장시, 후면전극층(110)에 도핑된 알카리 이온은 광흡수층(120)에 혼입되어 광흡수층(120)에 구조적으로 유리한 영향을 미치고, 광흡수층(120)의 전도성을 향상시켜 태양 전지의 개방전압을 증대시킬 수 있다.
상기 후면전극층(110)은 상기 기판(100) 상에 기판(100)의 길이방향에 대해 교차하는 방향으로 나란하게 형성된 홈 형태의 투광영역을 포함하게 된다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
다른 한편, 상기 후면전극층(110)은 상기 기판(100) 상에 증착시킨 상태에서, 패터닝(patterning) 공정을 실시하여 후면전극층(110)을 분할하는 홈 형태의 투광영역이 형성된 후면전극층 패턴을 형성하게 된다.
상기 패터닝 공정은 기계적 스크라이빙 공정 또는 레이저 스크라이빙 공정에 의한 것으로, 상기 스크라이빙 공정은 후면전극층(110)의 일부를 깎아내거나 증발시키는 공정을 통해 투광부(130)를 형성하고, 상기 투광부(130)에 의해 후면전극층(110)을 간격을 두고 서로 이격되도록 태양 전지 셀을 복수개로 분할하게 된다.
도 1에 도시한 바와 같이, 상기 후면전극층(110) 상에는 광흡수층(120)이 형성된다.
상기 광흡수층(120)은 외부의 태양광을 흡수하여 전기 에너지로 변환시키며, 광전효과에 의해 광기전력을 생성하게 된다.
상기 광흡수층(120)은 약 1 ~ 2㎛의 두께로 구리, 인듐, 갈륨, 및 셀레늄을 포함하는 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(CIGS) 화합물로 형성되어 P형 반도체 층을 이루게 된다. 예컨대, 상기 광흡수층(120)을 형성하기 위하여 구리타겟, 인듐타겟 및 갈륨타겟을 사용하여 상기 후면전극층(110) 상에 CIG계 금속 프리커서(precusor)막을 형성하게 된다.
이후, 상기 금속 프리커서막은 셀레니제이션(selenization) 공정에 의해 셀레늄(Se)과 반응하여 CIGS계 광흡수층(120)이 형성된다.
상기 전면전극층(150)은 알루미늄(Al), 알루미나(Al2O3), 마그네슘(Mg), 갈륨(Ga) 등의 불순물을 포함하는 아연계 산화물 또는 ITO(Indim Tin Oxide) 또는 IZO와 같은 투명한 전도성 재질로 형성되어 광전 효과에 의해 형성된 전하를 포획할 수 있다.
또한, 상기 전면전극층(150)은 상기 광흡수층(120)과 P-N 접합을 형성하는 윈도우층으로서, 태양 전지 전면의 투명 전극의 기능을 하기 때문에 광투과율이 높고 전기 전도성이 높은 산화아연으로 형성하여 낮은 저항값을 갖는 전극을 형성할 수 있다.
상기 전면전극층(150)의 상면은 입사하는 태양광의 반사를 줄이고, 광흡수층(120)으로의 광흡수를 증가시키기 위해 텍스처링(texturing)될 수 있다. 상기 텍스처링에 의해 전면전극층(150)의 상면에 요철 형상의 패턴이 형성되어 입사된 빛의 반사율이 감소하므로 광포획량이 증가할 수 있다. 따라서 광학적 손실이 저감되는 효과를 얻을 수 있다.
도면을 참조하여 상기 후면전극층(110)을 관통하는 투광영역이 형성되고, 상기 투광영역에 투광부(130)가 형성된다.
상기 투광부(130)에는 투명절연물질이 충전된다.
상기 투명절연물질은 투광성이 90~100%의 내강알카리성, 내일광성 및 내절연성 물질일 수 있다. 예컨대, 상기 투명 절연물질은 투명 무결정 수지인 PMMA(poly methyl methacrylate), Acrylonitrile과 Styrene의 공중합체인 SAN, PC(poly cabornate), 투명 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene), PET(polyethylene terephtalate), U-HMW(Ultra High Molecular Weight) ployethylene, MC(Methyl Cellulose), POM(Poly Oxy Methylene), PTEE(polytetrafluoroethylene), PPO(polypropylene oxide) 및 PUR(polyurethane) 중, 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 투광부(130)는 열흡착, 주입 또는 충전 방법 등을 통해 투과영역 내부에 선택적으로 형성될 수 있다.
예컨대, 상기 투광부(130)는 디스펜싱, 스크린 프린트, 핫 프레스 및 포토리소그라피 공정 중 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 스크린 프린트 공정을 이용하여 투광부(130)를 형성하게 된다.
상기 스크린 프린트(screen print) 공정은, 스크린과 스퀴즈(squeeze)를 이용하여 상기 투광부(130)를 기판(100) 상에 전이시켜 소정의 층을 형성하는 공정이다.
또한, 상기 투광부(130)에는 다양한 색상을 구현할 수 있는 전기변색부(135)가 형성된다.
상기 투광부(130)는 후면전극(110)과 후면전극(110) 사이에 인가되는 전압에 따라 투명도가 변화되어 전기변색부(135)에 색 변화가 발생하게 된다.
상기 전기변색부(135)는 전기변색소자(Electrochromic Material)를 포함하는 구성으로서, 전압이 가해지면 투명도가 낮아지고, 전압이 가해지지 않으면 투명도가 높아지게 된다. 즉, 태양광 조사가 많은 날은 상대적으로 다량의 전기를 생산하게 되므로 전기변색소자가 더 짙게 변색된다.
상기 전기변색부(135)는 전기 화학적인 산화-환원 반응에 의한 색상 변화가 일어날 수 있는 구조로 형성되며, 전기변색소자와 전해질층이 삽입된다.
상기 전기변색소자는 전기 화학적인 산화-환원 반응에 의해 광흡수도가 변화하는 전기변색특성을 갖는 물질로서, 전압의 인가 여부 및 전압의 세기에 따라 가역적으로 전기변색소자의 전기 화학적 산화-환원 현상이 일어나고, 이에 의해 상기 전기변색소자의 투명도 및 흡광도가 가역적으로 변경될 수 있다. 이러한 전기변색소자는 WO3, MoO3, TiO3, Nb2O5, V2O5, IrO2, Rh2O2, NiO 중 어느 하나의 전기변색물질로 형성될 수 있다.
전해질층은 전하의 이동이 가능한 이온전도체일 수 있다. 바람직하게는, 전해질층(106)은 LiClO4 등이 금속염과 PEO(Poly Ethylene Oxide) 등의 고분자 재질을 포함할 수 있다. 이러한 전해질층(106)의 형성에 이용될 수 있는 물질은 LiClO4, PEO 이외에도 전하의 이동을 가능하게 하는 물질이라서 적용이 가능할 수 있다.
이와 같이 구성된 전기변색부(135)는 전압인가에 따라 어두워지거나 투명하게 됨으로써 광투과율을 조절하는 역할을 수행한다.
또한, 상기 전기변색부(135)는 발색되는 색상을 달리하여 다양한 색상 구현이 가능하므로 인테리어 효과를 얻을 수 있다.
상기 전기변색소자가 발색되는 색상을 이용하여 특정한 파장의 광을 차단할 수 있어, 자외선 등과 같은 유해한 파장의 광으로부터 피해을 줄일 수 있다.
여기서, 본 발명에 따른 태양 전지는 발색 또는 착색에 대한 수동제어, 자동제어 여부를 결정하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 상기 전기변색부(135)를 경계로 하여 상기 기판(100) 상에 제1셀(C1)과 제2셀(C2)을 포함하는 단위 셀이 복수개로 분리될 수 있다. 상기 전기변색부(135)와 각각의 단위 셀(C1,C2)은 교대로 배치된 구조를 가지도록 형성된다. 즉, 상기 제1셀(C1)과 제2셀(C2) 사이에 상기 전기변색부(135)가 배치된 구조로 형성되어 태양 전지에 대한 색상 구현을 통해 미관을 개선함은 물론, 외부 환경에 따라 광투과율을 조절할 수 있어 유동적으로 외부 환경 변화에 대처할 수 있다.
도시한 바와 같이, 상기 전기변색부(135)는 상기 광흡수층(120)과 동일한 높이로 형성되거나, 상기 후면전극층(110)의 상면보다 높게 형성되는 동시에 광흡수층(120)의 상면보다 낮게 형성될 수 있다.
이에 따라, 상기 전기변색부(135) 상의 광흡수층(120)의 두께가 달라지게 되는데, 상기 광흡수층(120)은 불투명 소재이므로 두께가 작아지면 투명해지고, 두께가 커지게 되면 상대적으로 불투명해져 광흡수층의 두께에 따라 투명도가 달라지게 된다.
또한, 도시한 바와 같이, 상기 전기변색부(135)는 상기 후면전극층(110)에 일부가 겹쳐진 상태(overlap)로 형성된다.
이와 같이 후면전극층(110)에 전기변색부(135)의 일부가 겹쳐짐으로써, 전기변색부(135)의 면적이 상대적으로 넓게 분포 가능하게 되므로 태양 전지의 투명도를 전기변색부(135)의 면적에 따라 조정할 수 있다.
상기 후면전극층(110)의 상부에 일정한 패턴을 갖는 마스크(m)가 적층되고, 상기 마스크(m)가 형성되지 않은 기판(100) 상에 전기변색부(135)가 형성된다. 이때, 마스크(m)의 높이보다, 형성되는 전기변색부(135)의 높이가 더 높게 형성되도록 한다.
한편, 상기 광흡수층(120)과 전면전극층(150) 사이에 버퍼층(140)이 형성된다.
상기 버퍼층(140)은 상기 광흡수층(120) 상에 적어도 하나 이상의 층으로 형성될 수 있으며, 황화카드뮴(Cds)이 적층되어 형성될 수 있다. 이때, 상기 버퍼층(140)은 N형 반도체층이고, 상기 광흡수층(120)은 P형 반도체층이다. 따라서, 상기 광흡수층(120) 및 버퍼층(140)은 P-N접합을 형성한다.
상기 버퍼층(140)은 산화아연(ZnO)을 타겟으로 한 스퍼터링 공정을 진행하여, 상기 황화카드뮴 상에 산화아연층이 더 형성될 수 있다.
이러한 버퍼층(140)은 약 2.2 ~ 2.6의 굴절률을 가진다.
상기 버퍼층(140)은 P형인 광흡수층(120)과 N형인 전면전극층(150) 간의 밴드 갭 차이를 줄이고, 광흡수층(120)과 전면전극층(150) 계면 사이에서 발생할 수 있는 전자와 정공의 재결합을 감소시키는 층으로, 화학적 용액성장법(Chemical bath deposition, CBD), 원자층 증착(Atomic layer deposition, ALD), ILGAR(Ion lay gas reaction)법 등에 의해 형성될 수 있다.
이와 같이, 광흡수층(120)과 버퍼층(140)을 형성한 후에는 제1패터닝 공정을 실시하게 된다. 즉, 상기 광흡수층(120) 및 버퍼층(140)을 관통하는 제1패턴부(P1)가 형성된다. 제1패터닝 공정은, 상기 전기변색부(135)와 이격된 지점에서 전기변색부(135)와 나란한 방향으로 기계적인 스크라이빙(mechanical scribing)에 의해 제1패턴부(P1)를 형성할 수 있으나, 이에 한정하지 않으며, 레이저 스크라이빙 공정을 이용할 수도 있다.
상기 제1패터닝 공정에 의해 형성된 제1패턴부(P1)에는 상기 전기변색부(135)의 일측에 위치한 제2셀(C2)에 해당하는 상기 후면전극층(110)이 일부 노출된다.
상기 제1패턴부(P1)에 의해 상기 광흡수층(120)과 버퍼층(140)은 단위 셀(C1,C2)별로 분리될 수 있다.
상기 전면전극층(150)은 버퍼층(140) 상에 적층될 때, 투명한 도전물질이 상기 제1패턴부(P1)의 내부에 삽입되어 접속배선(151)을 형성할 수 있다.
따라서, 후면전극층(110)과 전면전극층(150)은 상기 접속배선(151)에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.
도 9에 도시한 바와 같이, 상기 전면전극층(150)을 형성한 후에는 전면전극층(150)과 접속배선(151)을 관통하는 제2패터닝 공정을 실시하게 된다. 즉, 상기 제1패턴부(P1)의 내부에 삽입된 전면전극층(150)과 접속배선(151)을 관통하는 제2패턴부(P2)가 형성된다.
상기 제2패터닝 공정은, 기계적 스크라이빙 공정 또는 레이저 스크라이빙 공정을 통해 실시할 수 있으며, 상기 제1패터닝 공정에 의해 노출된 후면전극층(110)의 일부가 다시 반복적으로 노출될 수 있다.
상기 제2패턴부(P2)는 전면전극층(150)을 관통하며, 후면전극층(110)의 상면까지 연장되어 다수의 광전변환셀을 형성한다.
상기 제2패턴부(P2)는 제1셀(C1)과 제2셀(C2)을 분리시킬 수 있는 폭으로 형성되어 상기 제1셀(C1)과 제2셀(C2)을 서로 구획할 수 있다. 즉, 상기 제2패턴부(P2)에 의해 제1셀(C1) 및 제2셀(C2) 상에 각각의 전면전극층(150)이 형성될 수 있다.
상기 제2패턴부(P2)에는 상기 제1셀(C1)의 전면전극층(150)과 연결된 접속배선(151)의 일부가 잔류하도록 형성된다. 이는 상기 전기변색부(135)의 측면에 형성된 상기 접속배선(151)의 일부가 잔류하도록 상기 제2패턴부(P2)를 형성하기 때문이다.
따라서, 상기 접속배선(151)에 의해 각각의 제1셀(C1)과 제2셀(C2)은 서로 전기적으로 연결 가능하게 된다. 즉, 상기 접속배선(151)은 상기 제2셀(C2)의 후면전극층(110)과 상기 제2셀(C2)에 인접하는 제1셀(C1)의 전면전극층(150)을 전기적으로 연결하게 된다.
본 발명에 따른 태양 전지는 태양 전지 셀 사이에 색상조정 영역이 형성될 수 있다. 즉, 제1셀(C1)과 제2셀(C2) 사이의 투광영역에 전기변색부(135)가 형성되고, 태양 전지 셀과 투광영역은 번갈아 가면서 길이방향을 따라 형성될 수 있다.
상기 색상조정 영역의 폭은 상기 태양 전지 셀과 대략 동일한 폭으로 형성될 수 있다. 하지만, 이에 한정되지 않으며, 상기 색상조정 영역의 위치, 크기 및 면적을 조절함으로써, 빛의 투과 정도를 조절하는 것도 가능하다. 상기와 같이 태양 전지 셀 사이에 전기변색부(135)가 형성되어 태양 전지가 다양한 색상을 발현하게 되며, 상기 전기변색부(135)의 전면에 걸쳐 투명한 색상의 전기변색소자를 흡착시켜 빛의 투과도를 조절함으로써 투광성 및 심미성을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 후면전극층(110)과 전면전극층(150)은 상기 접속배선(151)에 의해 전기적으로 연결되고, 제1셀(C1)과 제2셀(C2)은 직렬 연결되므로 제1셀(C1)과 제2셀(C2)을 가로지르는 전류의 흐름이 발생하게 된다. 이를 광기전력 효과라고 하며, 이 광기전력 효과에 의해 발생한 전류 흐름이 태양 전지에 연결된 외부 부하에 전류가 흐르게 함으로써, 외부 부하를 작동시키게 된다. 즉, 제1셀(C1)의 후면전극층(110)은 광흡수층(120), 전면전극층(150) 그리고 제2셀(C2)의 후면전극층(110)에 전기적으로 연결된다. 이로써, 단위 셀(C1,C2)의 직렬 연결 구조가 형성된다.
그런데 이러한 태양 전지는 전류가 후면전극층(110)에서 전면전극층(150)으로 안정적으로 공급되도록 되어 있으나, 상기 투광부(130) 상의 광흡수층(120)으로 이동하는 전류는 투광부(130) 측면의 전면전극층(150)을 통해 흐르게 되므로 전류의 손실이 발생하고, 광흡수층(120)의 광흡수효율이 저하되는 문제점이 발생하게 된다.
따라서, 상기 투광부(130)가 형성된 위치에서 후면전극층(110)에서 전면전극층(150)으로의 전류의 이동이 안정적이면서 원활하게 유지될 수 있도록 투광부(130)와 접하는 측면쪽에 후면전극층(110)의 상면으로부터 버퍼층(140)의 상면에 이르는 수직한 형태의 통전 방지용 차단벽(200)이 형성된다.
상기 통전 방지용 차단벽(200)은 전류에 대한 저항이 커서 전류를 전달하지 못하도록 하는 절연체로서, 후면전극층(110)으로부터 흐르는 전류가 안정적인 이동 경로를 통해 상측의 전면전극층(150)으로 도달될 수 있도록 한다.
따라서, 상기 통전 방지용 차단벽(200)은 상기 제1셀(C1)과 제2셀(C2) 간의 불안정한 전력 공급을 차단할 수 있게 된다.
첨부한 도 4 내지 도 9는 본 발명에 따른 태양 전지의 제조방법을 도시한 단면도로서, 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양 전지의 제조방법에 대해 설명하면, 먼저 기판(100) 상에 마스크(미도시)가 적층되고, 상기 마스크가 형성되는 않은 기판 상에는 후면전극층(110)을 형성하되, 복수개로 분할하여 형성하게 된다(도 4참조).
상기 후면전극층(110)은 도전성 페이스트를 기판(100) 상에 도포한 후 열처리하여 형성하거나, 도금법 등의 공정을 통해 형성할 수 있다.
또한, 상기 후면전극층(110)은 몰리브덴 타겟을 사용하여 스퍼터링 증착 공정을 통해 형성할 수 있다. 이때, 기판(100) 위에 후면전극층(110)을 일정한 간격을 두고 서로 이격시켜 증착하게 된다.
다른 한편으로는 상기 후면전극층(110)을 기판(100) 상에 증착한 상태에서, 패터닝 공정을 실시하여 투광영역을 분할 형성하게 된다.
도 5에 도시한 바와 같이, 상기 후면전극층(110)의 상부에 정해진 패턴을 갖는 마스크(m)가 적층되고, 상기 마스크(m)가 형성되지 않은 기판(100) 상의 투광영역에 투광부(130)가 형성된다. 이어서, 상기 투광부(130)에 전기변색물질을 포함하는 전기변색부(135)가 형성된다.
이에 따라, 상기 마스크(m)의 높이보다, 형성되는 전기변색부(135)의 높이가 더 높게 형성된다.
도시한 바와 같이, 마스크(m)를 제거하여 전기변색부(135)의 높이가 후면전극층(110)의 높이보다 높게 형성되도록 한다.
또한, 상기 전기변색부(135)는 상기 후면전극층(110)에 일부가 겹쳐진 상태(overlap)로 형성될 수 있다.
이와 같이 후면전극층(110)에 전기변색부(135)의 일부가 겹쳐짐으로써, 전기변색부(135)의 면적이 상대적으로 넓게 분포 가능하게 되므로 태양 전지의 투명도를 전기변색부(135)의 면적에 따라 조정 가능하다.
이어서, 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 후면전극층(110) 상에 광흡수층(120)과 버퍼층(140)을 간격을 두고 형성한다.
이와 같이 상기 광흡수층(120)과 버퍼층(140)을 형성한 후에는 제1패터닝 공정을 실시한다(도 7참조).
상기 제1패터닝 공정은 상기 전기변색부(135)와 이격된 지점에서, 전기변색부(135)와 나란한 방향으로 기계적 스크라이빙 또는 레이저 스크라이빙 공정을 통해 제1패턴부(P1)를 형성한다.
상기 제1패턴부(P1)는 상기 광흡수층(120)을 복수개로 분리하게 되며, 후면전극층(110)의 상면까지 연장하여 후면전극층(110)을 선택적으로 노출시킨다.
다음으로, 도 8에 도시한 바와 같이, 상기 버퍼층(140) 상에 투명한 도전물질을 삽입하여 전면전극층(150)과 접속배선(151)을 형성한다.
상기 전면전극층(150)이 상기 버퍼층(140) 상에 형성될 때, 투명한 도전물질이 상기 제1패턴부(P1) 내부에 삽입되어 접속배선(151)을 형성할 수 있다.
따라서, 상기 후면전극층(110)과 전면전극층(150)은 접속배선(151)에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.
도 9에 도시한 바와 같이, 상기 제1패턴부(P1)의 전면전극층(150)과 접속배선(151)을 관통하는 제2패턴부(P2)가 형성된다.
상기 제2패턴부(P2)는 기계적 스크라이빙 또는 레이저 스크라이빙 공정을 통해 형성할 수 있다. 상기 제1패터닝 공정에 의해 노출되었던 상기 후면전극층(110)은 다시 반복적으로 노출시킬 수 있다.
상기 제2패턴부(P2)는 제1셀(C1)과 제2셀(C2)을 분리시킬 수 있는 폭으로 형성되어 상기 제1셀(C1)과 제2셀(C2)은 서로 구분될 수 있다. 즉, 상기 제2패턴부(P2)에 의해 제1셀(C1)과 제2셀(C2) 상에 각각의 전면전극층(150)이 형성된다.
상기 제2패턴부(P2)는 제1셀(C1)의 전면전극층(150)과 연결된 접속배선(151)의 일부가 잔류하도록 형성된다. 이는 상기 전기변색부(135)의 측면에 형성된 상기 접속배선(151)의 일부가 잔류하도록 제2패턴부(P2)를 형성하기 위함이다.
따라서, 상기 접속배선(151)에 의해 각각의 제1셀(C1)과 제2셀(C2)은 서로 연결될 수 있다. 즉, 상기 접속배선(151)은 상기 제2셀(C2)의 후면전극층(110)과 제2셀(C2)에 인접하는 제1셀(C1)의 전면전극층(150)을 전기적으로 연결한다.
선공정인 기판(100) 상에 후면전극층(110), 광투과부(130), 광흡수층(120), 버퍼층(140) 및 제1패턴부(P1)을 제조하는 공정은 도 4 내지 도 6과 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다. 그리고, 후공정인 제2패터닝 공정도 도 9와 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.
따라서, 본 발명에 의하면, 상기 전기변색부(135)는 광흡수층(120)의 높이와 거의 일치하거나, 후면전극층(110)보다 약간 높게 형성되는 동시에 광흡수층(120)보다 낮은 높이를 가짐으로써, 광흡수층(120)의 투명도를 조절하여 광흡수효율을 향상시킴에 따라 유동적으로 외부 환경 변화에 대처할 수 있게 된다.
또한, 전기변색부(135)를 통해 다양한 색상을 발현이 가능한 한편, 빛의 투명도를 조절하여 투광성 및 심미성을 향상시킬 수 있게 된다.
다양한 색상 구현이 가능하므로 인테리어 효과를 가지며, 색상 변화에 따른 특정파장의 빛을 효과적으로 차단할 수 있고, 외부에서 내부를 투시하는 것을 차단할 뿐만 아니라, 태양광의 투과와 차광효과를 동시에 줄 수 있어, 조명 사용으로 인한 전기에너지를 절감시킬 수 있다.
또한, 후면전극층(110)에서 전면전극층(150)으로의 전류 이동 시, 상기 투광부(130)의 측면에 통전방지용 차단벽(200)을 설치하여, 후면전극층(110)에서 전면전극층(150)으로의 전류의 이동이 안정적이면서 원활하게 유지될 수 있도록 하여 전류의 손실을 줄일 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예의 기재에 한정되지 않으며, 본 발명의 특허청구범위의 기재를 벗어나지 않는 한 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 다양한 변형 실시 또한 본 발명의 보호범위 내에 있는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 기판 110 : 후면전극층
120 : 광흡수층 135 : 전기변색부
140 : 버퍼층 150 : 전면전극층
200 : 차단벽
P1 : 제1패턴부 P2 : 제2패턴부
C1 : 제1셀 C2 : 제2셀

Claims (14)

  1. 기판 상에 위치하는 후면전극층;
    상기 후면전극층 상에 위치하는 광흡수층;
    상기 광흡수층 상에 위치하는 버퍼층 및 전면전극층;
    상기 후면전극층을 복수개로 분할하며 투광영역이 형성된 투광부;
    상기 투광부에 인가되는 전압에 의해 다양한 색상을 구현할 수 있는 색상조정영역이 형성된 전기변색부;
    상기 전기변색부의 일측에 위치하며 상기 광흡수층과 버퍼층을 관통하여 상기 후면전극층의 일부를 노출시키는 제1패턴부; 및,
    상기 제1패턴부에 상기 전면전극층을 적층시 투명한 도전물질이 상기 제1패턴부의 내부에 삽입되어 접속배선을 형성한 상태에서 전면전극층을 관통하여 후면전극층의 일부를 노출시키는 제2패턴부를 포함하되,
    상기 전기변색부와 접하는 측면쪽에는 후면전극층의 상면으로부터 전면전극층에 접하는 버퍼층의 상면에 이르는 통전 방지용 차단벽이 형성된 것을 특징으로 하는 태양 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기변색부는 후면전극과 후면전극 사이에 인가되는 전압에 따라 투명도가 변화되어 색 변화가 발생하는 것을 특징으로 하는 전기변색부가 삽입된 태양 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전기변색부는 상기 광흡수층과 동일한 높이로 형성된 것을 특징으로 하는 전기변색부가 삽입된 태양 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전기변색부는 상기 후면전극층의 상면보다 높게 형성되는 동시에 광흡수층의 상면보다 낮게 형성된 것을 특징으로 하는 전기변색부가 삽입된 태양 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전기변색부는 전기 화학적인 산화-환원 반응에 의한 색상 변화가 일어날 수 있는 구조로서, 전기변색소자와 전해질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기변색부가 삽입된 태양 전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전기변색부는 상기 후면전극층에 일부가 겹쳐진 상태(overlap)로 형성된 것을 특징으로 하는 전기변색부가 삽입된 태양 전지.
  7. 삭제
  8. 기판의 상면에 간격을 두고 서로 이격되게 후면전극층을 형성하는 단계;
    상기 후면전극층의 상부에 마스크를 적층하고, 상기 마스크가 형성되지 않은 기판 상의 투광영역에 투광부를 증착하는 단계;
    상기 투광영역에 인가되는 전압에 의해 다양한 색상을 구현할 수 있는 색상조정영역이 형성된 전기변색부를 삽입하는 단계;
    상기 후면전극층 및 전기변색부에 광흡수층 및 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 전기변색부의 일측에 위치하며 상기 후면전극층의 일부를 노출시키는 제1패턴부를 형성하는 단계;
    상기 버퍼층과 제1패턴부 상에 전면전극층을 형성하며, 상기 제1패턴부에 상기 전면전극층을 적층시 투명한 도전물질이 상기 제1패턴부의 내부에 삽입되어 접속배선을 형성하는 단계; 및,
    상기 후면전극층의 일부가 노출되도록 상기 제1패턴부 내부의 상기 전면전극층을 관통하는 제2패턴부를 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 제1패턴부를 형성하는 단계 이후에, 상기 전기변색부와 접하는 측면쪽에는 후면전극층의 상면으로부터 전면전극층에 접하는 버퍼층의 상면에 이르는 통전 방지용 차단벽을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기변색부가 삽입된 태양 전지의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전기변색부는 후면전극과 후면전극 사이에 인가되는 전압에 따라 투명도가 변화되어 색 변화가 발생하는 것을 특징으로 하는 전기변색부가 삽입된 태양 전지의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 전기변색부는 상기 광흡수층과 동일한 높이로 형성된 것을 특징으로 하는 전기변색부가 삽입된 태양 전지의 제조방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 전기변색부는 상기 후면전극층의 상면보다 높게 형성되는 동시에 광흡수층의 상면보다 낮게 형성된 것을 특징으로 하는 전기변색부가 삽입된 태양 전지의 제조방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 전기변색부는 전기 화학적인 산화-환원 반응에 의한 색상 변화가 일어날 수 있는 구조로서, 전기변색소자와 전해질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기변색부가 삽입된 태양 전지의 제조방법
  13. 제8항에 있어서,
    상기 전기변색부는 상기 후면전극층에 일부가 겹쳐진 상태(overlap)로 형성된 것을 특징으로 하는 전기변색부가 삽입된 태양 전지의 제조방법.
  14. 삭제
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