KR102077768B1 - 박막 태양전지 모듈 구조 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

투명 기판; 상기 투명 기판 상에 적층되고, 투명성을 갖는 제1 후면전극; 상기 제1 후면전극 상에 적층되고, 금속질화물층을 포함하는 제2 후면전극; 상기 제2 후면전극 상에 적층되고, 금속 칼코게나이드를 포함하는 광흡수층; 및 상기 광흡수층 상에 적층되는 투명전극;을 포함하고, 상기 제1 후면전극과 제2 후면전극 사이에 배치된 계면접착층을 더 포함하고, 상기 계면접착층은 Mo, W, 크롬(Cr), 니켈(Ni) 및 Ti 중 선택된 하나 이상을 포함하고, 상기 계면접착층의 두께는 1 내지 50 nm이고, 상기 제1 후면전극 및 상기 제2 후면전극을 포함하는 제1 적층 구조 중 적어도 일 부분은, 상기 제1 적층 구조의 적층 방향과 수직인 제1 방향으로 분리되고, 상기 제2 후면전극 및 상기 광흡수층을 포함하는 제2 적층 구조 중 적어도 일 부분은 상기 제1 방향으로 분리되고, 상기 제2 후면전극, 상기 광흡수층 및 상기 투명전극을 포함하는 제3 적층 구조 중 적어도 일 부분은 상기 제1 방향으로 분리된, 박막 태양전지의 모듈 구조를 제공한다.

Description

박막 태양전지 모듈 구조 및 이의 제조 방법 {Thin-Film Solar Cell Module Structure and Method for Producing the Same}
본 발명은 박막 태양전지 모듈 구조 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 박막 태양전지의 스크라이빙 공정에서 기판입사 레이저 방식을 적용하고 그 성능을 향상시키기 위한 박막 태양전지 모듈 구조의 제조 방법 및 모듈 구조에 관한 것이다.
본 발명은 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제이다(과제고유번호: 20153030013060).
태양광모듈의 응용분야는 대규모 전기 생산을 목적으로 한 전통적인 태양광 발전소뿐만 아니라, 도심의 건물을 이용하는 건물 일체식 태양광모듈(BIPV), 자동차 및 버스와 같은 운송수단 적용 태양광모듈(VIPV), 휴대성이 필요한 전자기기(DIPV) 등으로 확장되고 있다. 이 중에서 건물 일체식 태양광모듈(BIPV)은 건물의 지붕, 벽면, 창문에 적용하는 방식으로 나뉘는데, 건물 창문에 적용되는 창호형 태양광모듈은 채광을 위한 일정량의 광 투과가 필요하다.
비정질 박막 Si 태양전지는 레이저 스크라이빙으로 광흡수층을 제거함으로써 투광성을 확보하고, 결정질 Si 웨이퍼 태양전지는 셀이 적용되지 않는 틈새를 이용하여 투광성을 확보함으로써 시장 수요에 대응하고 있다.
그러나, 비정질 박막 Si 태양전지는 기본효율이 11% 수준으로 매우 낮고, 광전발전효율의 Cell-to-module (CTM) 손실 및 투광성 확보에 수반되는 추가적인 손실을 감안하면 5% 이하의 매우 낮은 변환효율 때문에 실질적인 광발전생산량을 기대하기 어렵다. 또한, 결정질 Si 셀은 자체적인 투광성 부여가 불가능하므로, 심미성이 매우 중요한 건물설계의 특성상 투광창으로 활용이 어렵다. 또한, 이러한 투광형 태양광모듈은 실내 거주하는 사람들을 위한 채광의 다양한 기능(색상 변조 등)을 수행해야 하므로, 심미적인 부분을 고려할 수 있는 기능의 추가가 요구된다.
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 몰리브데늄(Mo)을 증착한 후 CIGS 박막(또는, CZTS 박막)을 p-형 광흡수층으로 형성하고, n-형 윈도우 층으로서 CdS 박막(또는, ZnS, In2S3) 및 intrinsic ZnO(또는, ZnMgO), 투명전도산화물(TCO) 전극을 순차적으로 증착하여 구성된다. 이러한 CIGS 또는 CZTS 태양전지는, 기존의 실리콘 태양전지에 비해 박막화에 따른 생산원가의 절감이 가능하고, 20% 이상의 높은 광전변환효율 달성이 가능하여, 차세대 태양전지 시장의 유력한 후보로 평가받고 있다.
도 1은 종래의 Mo 후면전극을 이용한 CIGS 광흡수층 기반 박막 태양전지의 단일집적 모듈 구조를 도시한다. 박막 태양전지의 모듈 제조 시 장점 중의 하나는 도 1에서 보여지는 바와 같은 구조로 단일집적화(monolithic integration)가 가능하다는 점이다. 박막 태양전지 모듈은 Mo 후면전극을 제1 패터닝(P1), CIGS/CdS/i-ZnO 증착 후 제2 패터닝(P2), TCO 증착 후 제3 패터닝(P3)을 통해 각 단위셀을 분리(isolation)하고, 인접셀을 제2 패터닝(P2) 영역의 TCO/Mo 연결을 통해 직렬 연결하는 방식으로 구성된다. 도 1은 전체 모듈의 구조의 부분으로서 3개의 셀이 직렬 연결된 구조를 나타내었는데, 단일집적된 태양광 모듈은 도 1의 구조가 직렬 연결 방식으로 반복되어 구성된다.
도 2는 종래의 CIGS 박막 태양전지 모듈 구조를 형성하기 위한 제조과정을 도식적으로 나타내었다. 먼저, 기판에 몰리브데늄(Mo) 후면전극을 증착한 후, 레이저 스크라이버(laser scriber)를 이용한 제1 패터닝(P1)을 통해 전기적으로 절연한다. 그 위에 광흡수층, CdS 버퍼층, i-ZnO 층을 증착한 후 기계가공기(mechanical scriber)를 이용한 제2 패터닝(P2)을 통해 후면전극 표면을 노출시킨다. 투명전극 층을 증착한 후 기계가공기를 이용한 제3 패터닝(P3)을 통해 인접셀을 전기적으로 절연시킨다. 이때, 제2 패터닝(P2) 영역에서 상부전극인 TCO 층과 후면전극인 Mo이 접촉함으로써 인접셀 간의 직렬연결이 완성된다.
제2 패터닝(P2) 및 제3 패터닝(P3) 시에 사용되는 기계가공의 경우에는, 장비 단가가 레이저 스크라이버에 비해 다소 싸다. 그러나, 이 점을 제외하면, 모듈제조 시 가공팁의 마모로 인해 스크라이빙 폭 및 품질의 변화가 생겨서 불량률 증가와 같은 생산성 문제가 발생하고, 이러한 문제를 해결하기 위한 잦은 팁 교체는 제조공정 단가를 증가시키는 문제가 있다. 또한, 기계가공에 의한 패터닝은 선폭을 일정 이하로 감소시키기가 매우 어렵기 때문에, 광전류 수집이 불가능한 광발전 불능면적(도 1의 "dead zone" 부분)을 증가시켜서 모듈의 발전량을 감소시킨다.
이를 해결하기 위해 제2 패터닝(P2) 및 제3 패터닝(P3)도 레이저 스크라이버를 적용할 수 있는 기술 개발이 필요하다. 레이저 기판 입사 방식 EH는 박막 표면 입사 방식이 모두 가능한 제1 패터닝(P1)과 달리, 제2 패터닝(P2) 및 제3 패터닝(P3)은 투명 윈도우층으로부터 레이저를 입사시키는데, 이때 Mo 후면전극의 손상을 줄이기 위해 레이저 가열에 의한 Mo 후면전극으로 열전달을 억제해야 한다. 이를 위해, 수십 피코초(ps) 펄스 레이저나 펨토초(fs) 펄스 레이저 같은 고가의 레이저를 적용해야 하는 문제가 발생한다.
또한, 레이저 가열에 의한 CIGS 박막 제거 시에 발생할 수 있는 Mo 표면의 반응생성물은 제2 패터닝(P2) 영역의 TCO/Mo 계면 저항을 증가시킴으로써, 모듈의 직렬저항을 증가시키는 문제를 일으킨다. 또한, 스크라이빙 공정 시 발생하는 잔해(debris) 등은 셀간 입환(shunting)을 일으키거나, 후속 박막 증착 시에 불균일한 특성을 유발하는 문제가 있다.
이상의 문제를 해결하기 위한 방법 중의 하나로서, 공개특허공보 10- 2016-0050929은 기판 입사 방식의 레이저 가공이 가능하도록 제안된 기판/TCO/Mo/CIGS/CdS/TCO 적층구조에 기판입사 레이저를 적용한 P1, P2, P3 가공기술 및 박막 태양광 모듈 구조를 개시한다. 그러나, 상기 공개특허공보에서 제안된 기술은, TCO/Mo 또는 TCO/CIGS 계면에 대한 레이저 가열을 통해 CIGS 광흡수층을 박리시키는 와중에 TCO 후면전극이 손상되기 쉬우므로, 후술되는 바와 같이, P2 및 P3 가공시 50 ㎛ 이하의 작은 선폭 구현이 어렵다. TCO 후면전극이 손상되면 태양광모듈의 직렬저항이 증가하여 광발전효율을 저하시킨다. 따라서, 보다 작은 선폭의 구현이 가능하고 후면전극 손상을 최소화할 수 있도록, 우수한 레이저 가공 성능을 확보하기 위한 셀구조 기술 또는 레이저 가공기술이 필요하다.
이상 설명한 바와 같은 기판 후면입사 방식의 레이저 가공을 통해 CIGS 광흡수층 및 후속 박막을 분리(P2 및 P3 가공)하기 위해서는, 기판에 인접한 후면전극이 레이저 광에 투명해서 레이저광에 의한 후면전극/CIGS 계면에 대한 직접 가열이 가능하여야 한다. 그러나, Mo 후면전극이 기판에 인접하여 위치한 것을 특징으로 하는 기존의 후면전극 구조에서는, 기판 후면 입사방식의 레이저 적용시 Mo 손상을 피할 수 없다는 문제점으로 인해, 이러한 기편 후면 입사방식의 레이저 가공 기술을 적용하기 어렵다.
또한, 기판에 인접하게 TCO를 배치하여 후면전극으로 적용한 경우, CIGS 광흡수층 형성을 위한 고온 증착공정에서 기판으로부터 불순물(Na, K) 확산, TCO로부터의 불순물(In, Sn, O) 확산으로 인해 CIGS 광흡수층의 특성이 열화될 수 있다. 이를 방지하기 위해 TCO 후면전극 위에 전극성능의 열화없이 불순물 확산방지 가능한 기능층의 도입이 요구된다.
US 2013-0168797 A1 US 2013-0014800 A1 한국 공개특허공보 10-2016-0050929
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 광전변환효율, 생산성 및 기능성이 향상된 박막 태양전지의 모듈 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 이러한 박막 태양전지 모듈 제조방법의 일환으로 기판입사 레이저 방식의 광흡수층 패터닝 성능 및 품질을 향상시켜 스크라이빙 공정의 가격, 생산성, 정밀성을 향상시킬 수 있는 박막 태양전지 모듈 구조의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 박막 태양전지의 모듈 구조는,
투명 기판;
상기 투명 기판 상에 적층되고, 투명성을 갖는 제1 후면전극;
상기 제1 후면전극 상에 적층되고, 금속질화물층을 포함하는 제2 후면전극;
상기 제2 후면전극 상에 적층되고, 금속 칼코게나이드를 포함하는 광흡수층; 및
상기 광흡수층 상에 적층되는 투명전극;을 포함하고,
상기 제1 후면전극 및 상기 제2 후면전극을 포함하는 제1 적층 구조 중 적어도 일 부분은, 상기 제1 적층 구조의 적층 방향과 수직인 제1 방향으로 분리되고,
상기 제2 후면전극 및 상기 광흡수층을 포함하는 제2 적층 구조 중 적어도 일 부분은 상기 제1 방향으로 분리되고,
*상기 제2 후면전극, 상기 광흡수층 및 상기 투명전극을 포함하는 제3 적층 구조 중 적어도 일 부분은 상기 제1 방향으로 분리된다.
일 구현예에서, 상기 박막 태양전지의 모듈 구조는 상기 광흡수층과 투명전극 사이에 배치된 보조층을 더 포함하고, 상기 제2 적층 구조는 상기 제2 후면전극, 상기 광흡수층 및 상기 보조층을 포함하며, 상기 제3 적층 구조는 상기 제2 후면전극, 상기 광흡수층, 상기 보조층 및 상기 투명전극을 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 보조층은 버퍼층 또는 고저항 윈도우층 중 하나 이상의 층을 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 제1 후면전극과 상기 투명전극은, 상기 제2 적층 구조가 분리된 부분에서 직렬 연결될 수 있다.
일 구현예에서, 상기 제1 후면전극은 가시광 또는 근적외선 대역에서 광흡수도가 20% 이하이고, 비저항이 1 × 10-2 Ω·cm 이하인 물질을 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 제1 후면전극은 인듐(In)의 산화물, 아연(Zn)의 산화물, 주석(Sn)의 산화물 중 선택된 하나 이상을 포함하는 투명전도산화물(TCO), 상기 TCO와 금속층 또는 나노와이어층 및 TCO로 구성된 다층구조 투명전극, 및 그래핀, 카본나노튜브 중 하나 이상을 포함하는 카본소재가 분산된 투명전극 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 금속질화물층은 하기 화학식 1로 표시되는 금속질화물을 포함할 수 있다:
<화학식 1>
Mx(CyN1-y)1 -x
상기 화학식 1에서, 0.4≤x≤0.9, 0≤y≤0.1이고,
M은 텅스텐(W), 몰리브데늄(Mo), 탄탈륨(Ta) 및 티타늄(Ti) 중 선택되는 하나 이상이다.
일 구현예에서, 상기 제1 후면전극의 두께는 100 내지 2000 nm이고, 상기 제2 후면전극의 두께는 1 내지 200 nm일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 박막 태양전지의 모듈 구조는 상기 제1 후면전극과 제2 후면전극 사이에 배치된 계면접착층을 더 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 계면접착층은 Mo, W, Ta, 크롬(Cr), 니켈(Ni) 및 Ti 중 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 계면접착층의 두께는 1 내지 50 nm일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 박막 태양전지의 모듈 구조는 상기 제2 후면전극과 광흡수층 사이에 배치된 옴 접촉(ohmic contact)층을 더 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 옴 접촉층은 Mo, 금(Au), Mo의 산화물, W의 산화물, Ni의 산화물, ITO, 및 FTO 중 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 옴 접촉층의 두께는 1 내지 50 nm일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 광흡수층은 구리(Cu) 또는 은(Ag) 중 선택된 하나 이상, 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 및 주석(Sn) 중 선택된 하나 이상, 및 셀레늄(Se) 또는 황(S) 중 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 박막 태양전지 모듈 구조의 제조 방법은,
투명 기판의 제1 면 상에 투명성을 갖는 제1 후면전극을 증착하여 적층하는 단계;
상기 제1 후면전극 상에 금속질화물층을 포함하는 제2 후면전극을 증착하여 적층하는 단계;
상기 제1 후면전극 및 제2 후면전극을 포함하는 제1 적층 구조를 분리하기 위해 제1 레이저 스크라이빙을 수행하는 단계;
상기 제2 후면전극 상에 금속 칼코게나이드를 포함하는 광흡수층을 증착하여 적층하는 단계;
상기 제2 후면전극 및 상기 광흡수층을 포함하는 제2 적층 구조를 분리하기 위해, 상기 투명 기판의 제1 면과 마주보는 제2 면으로 레이저를 입사시켜 제2 레이저 스크라이빙을 수행하는 단계;
상기 광흡수층 상에 투명전극을 증착하여 적층하는 단계; 및
상기 제2 후면전극, 상기 광흡수층 및 상기 투명전극을 포함하는 제3 적층 구조를 분리하기 위해, 상기 투명 기판의 제2 면으로 레이저를 입사시켜 제3 레이저 스크라이빙을 수행하는 단계;를 포함한다.
일 구현예에서, 상기 금속질화물층은 하기 화학식 1로 표시되는 금속질화물을 포함할 수 있다:
<화학식 1>
Mx(CyN1-y)1 -x
상기 화학식 1에서, 0.4≤x≤0.9, 0≤y≤0.1이고,
M은 텅스텐(W), 몰리브데늄(Mo), 탄탈륨(Ta) 및 티타늄(Ti) 중 선택되는 하나 이상이다.
일 구현예에서, 상기 제2 레이저 스크라이빙을 수행하는 단계 및 상기 제3 레이저 스크라이빙을 수행하는 단계는, 상기 제2 후면전극을 희생층으로 사용할 수 있다. 제2 후면전극은 매우 높은 승온속도, 예를 들어 1 × 108℃/s 이상에서 열충격에 취약함을 특징으로 하고, 전기비저항이 1 × 10-2 Ω·cm 이하인 물질을 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 제1 내지 제3 레이저 스크라이빙은 펄스폭이 0.005 내지 50 나노초(ns)인 펄스 레이저 스크라이버에 의해 수행될 수 있다.
일 구현예에서, 상기 펄스 레이저 스크라이버는 0.45W 이하의 레이저 세기로 레이저 스크라이빙을 수행할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 광흡수층은 400 내지 580℃의 온도에서 증착될 수 있다.
일 구현예에서, 상기 박막 태양전지 모듈 구조의 제조 방법은 상기 광흡수층 상에 투명전극을 증착하여 적층하는 단계 대신,
상기 광흡수층 상에 보조층을 증착하여 적층하는 단계; 및
상기 보조층 상에 투명전극을 증착하여 적층하는 단계를 포함하고,
상기 제2 적층 구조는 상기 제2 후면전극, 상기 광흡수층 및 상기 보조층을 포함하며, 상기 제3 적층 구조는 상기 제2 후면전극, 상기 광흡수층, 상기 보조층 및 상기 투명전극을 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 보조층은 버퍼층 또는 고저항 윈도우층 중 하나 이상의 층을 포함할 수 있다.
이와 같은 박막 태양전지 모듈 구조의 제조 방법 및 모듈 구조에 따르면, 종래의 몰리브데늄(Mo)을 후면전극으로 적용하는 경우, 상기 Mo를 적용한 후면전극이 레이저 광에 불투명하기 때문에, 기판 입사 레이저 방식을 적용하여, 레이저 스크라이빙 시 Mo 후면전극을 보존하면서 그 위에 형성된 CIGS 광흡수층, 버퍼층 및 투명 윈도우층 만을 제거할 수 있는 방법이 전무하였던 것과는 달리, 후면전극 층에 광투과성이 우수한 투명소재를 기판에 인접한 면에 적용하여, 박막 태양전지의 모듈화를 위한 스크라이빙 공정에 기판입사 레이저 방식을 적용할 수 있다.
나아가, 상기 투명소재가 적용된 후면전극(이하, "투명전극")과 광흡수층 사이에 금속질화물층을 도입하면 수십 나노초(ns)의 시간동안 1000℃ 이상 가열되는 펄스 레이저 입사 환경에서 급속한 열팽창에 의한 열충격으로 인해, 금속질화물층이 박리되면서 제1 후면전극과 광흡수층 사이의 계면박리를 촉진할 수 있다. 이에 따라, CIGS(Copper-Indium-Gallium-Selenide) 박막 태양광 모듈 제조시 광흡수층의 박리를 수월하게 하여, 가공에 필요한 레이저 세기를 낮출 수 있다. 그 결과 투명전도산화물(TCO)을 사용하는 제1 후면전극으로의 열확산을 최소화할 수 있어서, 광흡수층만의 선택적 가공성을 향상시킬 수 있다.
또한, 비교적 낮은 온도 가열만으로도 광흡수층의 제거가 가능하기 때문에, 높은 열 누적에 따라 유발되는 주변부로의 열확산을 막기 위해 피코초(ps) 및 펨토초(fs) 펄스 레이저 같은 고가의 레이저를 사용할 필요가 없다. 따라서, CIGS 태양전지 모듈을 저가의 나노초(ns) 펄스 레이저 스크라이버를 이용하여 제작할 수 있어 제조 단가를 낮출 수 있다.
또한, 투명전극/금속질화물층의 이중층 후면전극을 적용하면, 투명후면전극 만을 사용하는 경우에 비해 CIGS 증착 시 발생하는 투명소재와의 간섭효과(예를 들어, 반응생성물 형성, 불완전한 접합 형성 등)를 배제할 수 있어서, 고효율 태양전지 모듈 생산이 가능하다. 또한, 금속질화물층의 조성 및 구조 제어를 통해, 투명후면전극 만을 사용하는 경우에 비해, 후면전극의 전기 비저항을 낮춤으로써, 태양전지의 충전율(fill factor: FF)을 증가시킬 수 있다.
또한, 도입된 금속질화물층은 광흡수층 증착공정에서 기판 또는 투명후면전극으로부터 불순물 확산을 효율적으로 차단할 수 있다. 이에 따라, 광흡수층의 품질을 향상시켜 광전변환효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 투명산화물소재 만을 후면전극으로 적용할 경우, 광흡수층의 고온 증착 온도(550℃)에서 형성되는 투명후면전극과 광흡수층의 반응형성물 (Ga2O3)에 의한 전하이동 방해(blocking)가 발생한다. 따라서, 이러한 Ga2O3 형성을 억제하기 위해 500℃ 이하 저온 CIGS 증착공정을 적용할 필요가 있다. 그러나, 금속질화물층을 도입할 경우, 반응형성물이 발생하지 않으므로 550℃ 이상의 고온공정 공정이 가능하므로, 고효율화를 위한 셀 제조 공정 윈도우가 넓어지는 효과가 있다.
나아가, 본 발명에 의한 박막 태양전지 모듈 구조를 적용하면, 투광성 확보를 위해 광흡수층을 기판입사 방식의 레이저로 가공할 경우(P4 스크라이빙), 금속질화물층으로 구성된 제2 후면전극의 희생층 역할로 레이저 가공성능이 향상된다. 또한, 도 1에 도시된 바와 같이, Mo 후면전극만으로 구성된 기존 CIGS 박막 태양광모듈에 기판입사 레이저 가공방식을 적용할 경우와 비교하면, 본 기술에서 제안하는 TCO를 후면전극으로 일부로 사용하는 경우에 레이저 가공성이 월등히 향상된다.
나아가, 본 기술이 창호형 태양광 모듈에 적용될 경우, 실내 방향으로 향하게 될 기판 쪽에서는 투명소재층/금속질화물층, 유리기판/투명소재층, 유리기판 표면의 실내 광원에 의한 반사광 간섭현상이 발생한다. 후면전극을 구성하는 각 계면 간 거리 및 금속질화물 층과 계면접착층의 소재특성을 조절함으로써, 반사광 간섭효과 제어가 가능하므로 창호형 태양광 모듈에 실내거주자 시각에서 다양한 색상을 부여하여 우수한 심미적 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 종래의 Mo 후면전극을 적용한 단일집적된 박막 태양전지 모듈의 모식도이다.
도 2는 도 1의 종래의 박막 태양전지 모듈의 제조과정을 설명하기 위한 모식도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명전극과 금속질화물 층으로 구성된 다중층 후면전극을 갖는 박막 태양전지 모듈 구조의 모식도이다.
도 4는 도 3의 박막 태양전지 모듈에서 제2 내지 제3 패터닝에 따른 레이저 스크라이빙의 개념에 대한 모식도이다.
도 5는 도 3의 박막 태양전지 모듈의 제조과정을 설명하기 위한 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 텅스텐 질화물(WN) 박막을 후면전극 구조로 포함한 CIGS 박막 태양전지 셀 구조 모식도이다.
도 7은 WN 박막을 후면전극 구조로 포함한 태양전지에서 발견된 광흡수층 박리현상을 보여주는 SEM 사진이다.
도 8은 실시예 1 및 비교예 1 내지 3의 CIGS 박막 태양전지 셀의 전류-전압 특성 그래프이다.
도 9(a)는 비교예 1에 따른 Mo 후면전극을 이용한 450℃ CIGS 박막공정을 적용한 셀의 CIGS 박막의 미세구조에 대한 SEM 사진이다.
도 9(b)는 실시예 1에 따른 후면전극을 이용한 450℃ CIGS 박막공정을 적용한 셀의 CIGS 박막의 미세구조에 대한 SEM 사진이다.
도 10은 SLG/ITO/CIGS 셀에서 기판입사 ns 펄스 레이저(빔크기 50 ㎛, 0.24 W) 방식의 CIGS 광흡수층 가공결과에 대한 광학현미경(OM) 및 SEM 사진이다.
도 11은 SLG/ITO/CIGS 셀에서 기판입사 ns 펄스 레이저(빔크기 40 ㎛, 0.11 W) 방식의 CIGS 광흡수층 가공결과에 대한 OM 및 SEM 사진이다.
도 12는 SLG/ITO/CIGS 셀에서 기판입사 ns 펄스 레이저(빔크기 26 ㎛, 0.05 W) 방식의 CIGS 광흡수층 가공결과에 대한 OM 및 SEM 사진이다.
도 13은 SLG/ITO/Mo/CIGS 셀에서 기판입사 ns 펄스 레이저 방식을 적용한 CIGS 광흡수층의 레이저 세기별 가공결과에 대한 OM 사진이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 SLG/ITO/WN/Mo/CIGS 셀에서 기판입사 ns 펄스 레이저 방식을 적용한 CIGS 광흡수층의 레이저 세기별 가공결과에 대한 OM 사진이다.
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 일 구현예에 따른 박막 태양전지의 모듈 구조 및 이의 제조 방법에 대해 상세히 설명하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 박막 태양전지의 모듈 구조는 투명 기판; 상기 투명 기판 상에 적층되고, 투명성을 갖는 제1 후면전극; 상기 제1 후면전극 상에 적층되고, 금속질화물층을 포함하는 제2 후면전극; 상기 제2 후면전극 상에 적층되고, 금속 칼코게나이드를 포함하는 광흡수층; 및 상기 광흡수층 상에 적층되는 투명전극;을 포함하고, 상기 제1 후면전극 및 상기 제2 후면전극을 포함하는 제1 적층 구조 중 적어도 일 부분은, 상기 제1 적층 구조의 적층 방향과 수직인 제1 방향으로 분리되고, 상기 제2 후면전극 및 상기 광흡수층을 포함하는 제2 적층 구조 중 적어도 일 부분은 상기 제1 방향으로 분리되고, 상기 제2 후면전극, 상기 광흡수층 및 상기 투명전극을 포함하는 제3 적층 구조 중 적어도 일 부분은 상기 제1 방향으로 분리된다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 박막 태양전지의 모듈 구조는, 상기 광흡수층과 투명전극 사이에 배치된 보조층을 더 포함하고, 상기 제2 적층 구조는 상기 제2 후면전극, 상기 광흡수층 및 상기 보조층을 포함하며, 상기 제3 적층 구조는 상기 제2 후면전극, 상기 광흡수층, 상기 보조층 및 상기 투명전극을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 박막 태양전지 모듈 구조의 제조 방법은, 투명 기판의 제1 면 상에 투명성을 갖는 제1 후면전극을 증착하여 적층하는 단계; 상기 제1 후면전극 상에 금속질화물층을 포함하는 제2 후면전극을 증착하여 적층하는 단계; 상기 제1 후면전극 및 제2 후면전극을 포함하는 제1 적층 구조를 분리하기 위해 제1 레이저 스크라이빙을 수행하는 단계; 상기 제2 후면전극 상에 금속 칼코게나이드를 포함하는 광흡수층을 증착하여 적층하는 단계; 상기 제2 후면전극 및 상기 광흡수층을 포함하는 제2 적층 구조를 분리하기 위해, 상기 투명 기판의 제1 면과 마주보는 제2 면으로 레이저를 입사시켜 제2 레이저 스크라이빙을 수행하는 단계; 상기 광흡수층 상에 투명전극을 증착하여 적층하는 단계; 및 상기 제2 후면전극, 상기 광흡수층 및 상기 투명전극을 포함하는 제3 적층 구조를 분리하기 위해, 상기 투명 기판의 제2 면으로 레이저를 입사시켜 제3 레이저 스크라이빙을 수행하는 단계;를 포함한다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 박막 태양전지 모듈 구조의 제조 방법은, 상기 광흡수층 상에 투명전극을 증착하여 적층하는 단계 대신, 상기 광흡수층 상에 보조층을 증착하여 적층하는 단계; 및 상기 보조층 상에 투명전극을 증착하여 적층하는 단계를 포함하고, 상기 제2 적층 구조는 상기 제2 후면전극, 상기 광흡수층 및 상기 보조층을 포함하며, 상기 제3 적층 구조는 상기 제2 후면전극, 상기 광흡수층, 상기 보조층 및 상기 투명전극을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 보조층은 버퍼층 또는 고저항 윈도우층 중 하나 이상의 층을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, '칼코게나이드'는 VI족 원소, 예를 들어, 황(S) 및/또는 셀레늄(Se)을 포함하는 물질을 의미하며, 상기 금속 칼코게나이드는 예를 들어, Cu(In1-x,Gax)(Se,S)2 (CIGS) 또는 Cu2ZnSn(Se,S)4 (CZTS)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서, 제1 적층 구조 내지 제3 적층 구조는 본 발명의 박막 태양전지 모듈 구조를 형성하는 각각의 기판, 전극, 또는 층들이 서로 조합하여 이루는 층 구조를 의미하는 것으로, 이하의 도면에 의해 보다 명확히 설명되고 이해될 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광투과도가 우수한 전극과 금속질화물 층으로 구성된 다중층 후면전극을 갖는 기판 입사 레이저의 투과가 가능한 박막 태양전지 모듈 구조를 모식적으로 도시하며, 도 4는 도 3의 박막 태양전지 모듈에서 제2 내지 제3 패터닝에 따른 레이저 스크라이빙의 개념에 대한 모식적으로 도시하며, 도 5는 도 3의 박막 태양전지 모듈의 제조과정을 모식적으로 도시한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지(1)는 투명 기판(10); 투면 기판(10)의 상에 적층되고, 투명성을 갖는 제1 후면전극(30); 제1 후면전극(30) 상에 적층되고, 금속질화물층을 포함하는 제2 후면전극(35); 상기 제2 후면전극(35) 상에 적층되고, 금속 칼코게나이드를 포함하는 광흡수층(40); 광흡수층(40) 상에 적층되는 투명전극(70); 광흡수층(40)과 투명전극(70) 사이에 배치된 버퍼층(50) 및 고저항 윈도우층(60)을 포함하는 단일집적(monolithic integration)된 모듈 구조를 갖는다.
상기 박막 태양전지(1)에서, 제1 후면전극(30) 및 제2 후면전극(35)을 포함하는 제1 적층 구조(20a) 중 적어도 일 부분은, 제1 적층 구조(20a)의 적층 방향(Y 방향)과 수직인 제1 방향(X 방향)으로 분리되고, 제2 후면전극(35), 광흡수층(40), 버퍼층(50), 및 고저항 윈도우층(60)을 포함하는 제2 적층 구조(20b) 중 적어도 일 부분은 제1 방향(X 방향)으로 분리되며, 제2 후면전극(35), 광흡수층(40), 버퍼층(50), 고저항 윈도우층(60), 및 투명전극(70)을 포함하는 제3 적층 구조(20c) 중 적어도 일 부분은 제1 방향(X 방향)으로 분리된다.
예를 들어, 제1 후면전극(30)과 제2 후면전극(35)이 결합하여, 다중층 후면전극을 구성할 수 있다.
이때, 제1 후면전극(30)과 투명전극(70)은, 제2 적층 구조(20b)가 분리된 부분에서 직렬 연결될 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명에서는 박막 태양전지(1)의 다수의 분리된 셀이 직렬 연결된 구조를 형성하기 위해, 광흡수층을 포함한 적층된 층들의 일부를 제거하기 위한 패터닝 시, 레이저를 투명 기판(10)의 하부로 입사시킨다. 즉, 종래와 같이 투명전극 등이 집적된 투명 기판(10)의 제1 면이 아닌, 상기 제1 면과 반대쪽 면인 투명 기판(10)의 제2 면으로 레이저를 입사시켜 스크라이빙 공정을 수행한다. 이때, 상기 제2 후면전극(35)은 제2 레이저 스크라이빙(P2) 및 제3 레이저 스크라이빙(P3) 시에 광흡수층의 효율적 가공을 위한 희생층으로 이용된다.
예를 들어, 박막 태양전지(1)를 형성하기 위해, 상기 제1 후면전극(30) 및 제2 후면전극(35)을 포함하는 제1 적층 구조(20a)를 제1 방향(X 방향)으로 평행하게 분리하기 위한 제1 레이저 스크라이빙(P1), 상기 제1 적층 구조(20a)가 분리된 영역에 인접한 부분에서 상기 제2 후면전극(35), 상기 광흡수층(40), 버퍼층(50) 및 고저항 윈도우층(60)을 포함하는 제2 적층 구조(20b)를 제1 방향(X 방향)으로 분리하기 위한 제2 레이저 스크라이빙(P2) 및 상기 제2 후면전극(35), 상기 광흡수층(40), 버퍼층(50), 고저항 윈도우층(60) 및 투명전극(70)을 포함하는 제3 적층 구조(20c)를 제1 방향(X 방향)으로 분리하기 위한 제3 레이저 스크라이빙(P3)을 수행할 수 있다.
상기와 같이 레이저 스크라이빙을 수행할 경우, 제1 내지 제3 레이저 스크라이빙(P1, P2, P3) 중 하나 이상의 공정 시 투명 기판(10)에 흡수되지 않으면서, 동시에 제거하고자 하는 물질에 흡수될 수 있는 파장의 레이저를 투명 기판(10) 쪽에서 입사시키면, 제거하고자 하는 물질을 녹이지 않고도 급격한 열팽창에 의한 응력 집중으로 계면에서 박리시킬 수 있으므로, 작은 에너지로도 스크라이빙이 가능하다.
또한, 레이저의 입사방향과 잔해(debris) 제거 방향이 완벽히 구분되기 때문에, 잔해의 재흡착과 같은 문제가 발생하지 않는다. 더욱이, 융해(melting) 공정을 거칠 필요가 없어서 입사 에너지가 낮고, 주변물질로의 열확산이 큰 문제가 되지 않기 때문에, 피코초(ps) 수준 이하의 펄스 레이저를 사용할 필요가 없다. 따라서, 상대적으로 저가의 나노초(ns) 레이저를 적용할 수 있는 장점이 있다.
종래의 CIGS 태양전지 모듈에서는 전형적으로 사용되는 몰리브데늄(Mo) 후면전극이 레이저 광에 불투명하기 때문에, 기판 입사 레이저 방식을 적용하여 제2 및 제3 스크라이빙 시 Mo 후면전극을 보존하면서 그 위에 형성된 CIGS 광흡수층, 버퍼층 및 투명 윈도층 만을 제거할 수 있는 방법이 전무하였다. 반면에, 레이저 광에 투명한 투명소재를 후면전극에 적용할 경우, 금속에 비해 전기비저항이 높아서, 태양전지 모듈의 직렬저항을 증가시키기 때문에, 이를 극복하기 위해서는 후면전극 물질의 두께를 증가시키거나, 셀의 폭을 매우 작게 설계해야 하는 제약이 있었다.
본 발명에서는 제1 후면전극(30)에 투명소재를 적용하더라도, 금속질화물이 포함된 제2 후면전극(35)의 존재 덕분에 SLG/ITO로부터 불순물확산과 계면반응이 억제되어, CIGS 광흡수층 공정온도에 상관없이 후면전극 대체에 의한 효율 열화를 억제할 수 있다.
또한, 제1 후면전극(30)을 광투과도가 우수한 투명전극으로 대체하고, 투과가 가능한 파장대역의 레이저를 적용해서 금속질화물이 포함된 제2 후면전극(35)에 레이저 광흡수를 집중시켜 후면전극/CIGS 계면의 박리를 유발할 수 있다.
상기 박막 태양전지(1) 중, 투명 기판(10)은 가시광 또는 근적외선 대역(파장대역 약 450 내지 약 1100 nm)에서 광투과도가 90% 이상을 특징으로 하며, 소다라임 유리, 폴리이미드 등을 적용할 수 있다. 상기 투명 기판(10)으로 유리기판을 사용할 경우, 유리기판에 흡수되지 않는 파장인 가시광 내지 근적외 파장(예를 들어, 약 1064 nm, 약 532 nm)의 레이저를 사용할 수 있다.
이 경우, 제2 및 제3 레이저 스크라이빙(P2, P3) 시 가시광 영역 파장(약 532 nm)을 적용하면 가시광 대역 흡수가 거의 없는 제1 후면전극(30)을 통과해, 제2 후면전극(35)과 인접한 광흡수층(40) 표면에 열이 집중되며, 제 2 후면전극(35)의 급속한 열팽창에 의해, 융해(melting) 없이도 제1 후면전극(30)과 광흡수층(40)의 계면 박리를 쉽게 유도할 수 있다. 또한, 제2 레이저 스크라이빙(P2)이 수행되는 영역의 경우에, 계면접착층(33)과 옴 접촉(ohmic contact)층(36)이 레이저 스크라이빙 시 함께 제거될 수 있고, 일부 잔존한다고 하더라도 매우 얇게 형성되었기 때문에, 최종적으로 박막 태양전지 모듈의 효율에 미치는 영향은 미미하다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 제1 후면전극은 가시광 또는 근적외선 대역에서 광흡수도가 20% 이하이고, 비저항이 1 × 10-2 Ω·cm 이하인 물질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 후면전극은 100 내지 2000 nm 범위 내의 두께로 형성될 수 있고, 상기 제2 후면전극은 1 내지 200 nm 범위, 바람직하게는 5 내지 50 nm 범위 내의 두께로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 범위를 벗어나, 상기 제2 후면전극의 두께가 지나치게 두꺼울 경우, 후속 공정에 의한 CIGS 박막증착 공정 중 또는 이후에 해당 박막의 박리현상이 심화될 수 있다.
이때, 상기 제1 후면전극은 인듐(In)의 산화물, 아연(Zn)의 산화물, 주석(Sn)의 산화물 중 선택된 하나 이상을 포함하는 투명전도산화물(TCO), 상기 TCO와 금속층 또는 나노와이어층 및 TCO로 구성된 다층구조 투명전극, 및 그래핀, 카본나노튜브 중 하나 이상을 포함하는 카본소재가 분산된 투명전극 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 그 외 가시광선 및 근적외선 대역에서 흡수도가 낮은 물질이라면 어느 것이라도 사용이 가능하다.
상기 인듐의 산화물은 예를 들어, 인듐 주석 산화물(indium tin oxide: ITO)일 수 있고, 상기 아연의 산화물은 예를 들어, ZnO일 수 있고, 상기 주석의 산화물은 예를 들어, 불소 주석 산화물(fluorine tin oxide: FTO)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 다층구조 투명전극은, TCO/금속층(또는 나노와이어층)/TCO로 구성된 투명전극을 의미하며, 상기 TCO와 금속층 사이, 또는 금속층과 TCO 사이에, 당업계에 알려진 다른 층들이 추가되어 다층구조를 구성할 수 있다. 상기 금속층은 예를 들어, Mo, W, Ta, Cr, Ni 및 Ti 중 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 TCO를 제1 후면전극으로 사용할 경우, 가시광의 파장대역(약 532 nm 파장)의 광흡수는 매우 작은 반면, 근적외선 내지 적외선 파장대역(약 1064 nm)의 광흡수는 상당히 높다.
따라서, 제1 레이저 스크라이빙(P1)에는 TCO 층에 흡수가 가능한 근적외선 내지 적외선 파장대역(예를 들어 1064 nm)의 레이저뿐만 아니라 가시광의 파장대역(예를 들어 532 nm)의 레이저를 사용하여 TCO를 제거하고, 제2 레이저 스크라이빙(P2) 및 제3 레이저 스크라이빙(P3) 시에는 가시광 파장 대역(예를 들어 532 nm)의 레이저를 적용하여야만, TCO는 보존하고, 광흡수층(예를 들어, CIGS 층) 및 상기 광흡수층 상에 적층된 층 또는 전극들을 제거할 수 있다. 즉, 레이저 가공을 위해 각 층에 선택적으로 흡수가 잘되는 광파장을 고려해야 하는 바, 공정성이 떨어지는 문제점이 있다.
그러나, 본 발명과 같이, 금속질화물층을 도입한 박막 태양전지 모듈 구조의 경우, 다양한 원소의 조합이 가능한 금속질화물층의 특징을 이용하여, 광흡수 특성 변조를 통해 근적외선 내지 적외선 파장대역(예를 들어 1064 nm)의 레이저를 적용할 수 있다. 즉, 종래의 TCO/CIGS 셀 구조에 비해, 금속질화물층이 포함된 후면전극 구조를 적용하면, 스크라이빙 공정에 선택할 수 있는 레이저 파장의 범위가 넓어져서, P1, P2, P3 단계별로 레이저 파장을 다르게 적용할 필요가 없어, 레이저 가공이 보다 용이한 효과가 있다.
하나의 구체적인 예에서, 제2 후면전극은 매우 높은 승온속도, 예를 들어 1 × 108℃/s 이상에서 열충격에 취약하고, 전기비저항이 1 × 10-2 Ω·cm 이하인 물질을 포함할 수 있다.
상기 제2 후면전극은 고속가열시 열충격내성이 약한 전도성 세라믹 소재을 포함할 수 있다.
상기 제2 후면전극은 상기 화학식 1로 표시되는 금속질화물 중 하나 이상을 포함하는 단일층 또는 다중층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 금속질화물층은 W, Mo, Ta, Ti 중 둘 이상의 금속이 혼합될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 금속질화물에서 질소(N) 중 일부는 탄소(C)로 치환될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 금속질화물층은, WNx, MoNx, TiNx, TaNx (0.4≤x≤0.9) 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 후면전극이 다중층으로 구성될 때, 상기의 금속질화물 층의 주기적인 교번일 수도 있고, 또는 상기 금속질화물층과 금속층 쌍의 주기적인 교번으로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 금속층은 텅스텐(W), 몰리브데늄(Mo), 탄탈륨(Ta) 및 티타늄(Ti)을 포함할 수 있다.
또한, 제1 후면전극(30)과 제2 후면전극(35) 사이에는 두 층의 계면접착력을 증진시키기 위한 계면접착층(33)을 도입할 수 있다. 상기 계면접착층은 Mo, W, Ta, Cr, Ni 및 Ti 중 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 두께는 약 1 내지 약 50 nm, 바람직하게는 약 5 내지 20 nm에서 조절될 수 있다. 상기 범위를 벗어나, 계면접착층의 두께가 지나치게 얇으면, 계면접착층으로서의 기능이 약해지고, 반면에 두께가 지나치게 두꺼우면, 레이저 가공성에 좋지 못한 영향을 미칠 수 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 광흡수층은 구리(Cu) 또는 은(Ag) 중 선택된 하나 이상, 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 및 주석(Sn) 중 선택된 하나 이상, 및 셀레늄(Se) 또는 황(S) 중 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
이때, 상기 광흡수층(40)과 상기 제2 후면전극(35) 사이에는 p-형 반도체인 광흡수층(40)으로의 홀(hole) 주입이 원활하도록, 높은 일함수(work function)를 갖는 옴 접촉층(36)을 도입할 수 있다.
상기 옴 접촉층(36)은 약 400 내지 600℃에서 안정하고, 일함수가 적어도 약 5 eV일 수 있다. 상기 옴 접촉층은 계면제어 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, Mo, 금(Au), Mo의 산화물, W의 산화물, Ni의 산화물, SnO:In(ITO), 및 FTO 중 하나 이상을 포함할 수 있고, 두께는 약 1 내지 약 50 nm, 바람직하게는 약 5 내지 20 nm에서 조절될 수 있다. 상기 범위를 벗어나, 상기 옴 접촉층의 두께가 지나치게 얇으면 CIGS 박막의 박리현상이 심화되어, 레이저 가공성이 저하될 수 있고, 광전변환효율 또한 감소될 수 있다.
한편, 일반적으로 알려진 가시광 대역 흡수가 없는 TCO 물질의 경우에는 금속에 비해 전기비저항이 높다. 예를 들어, TCO 물질 중 가장 전도도가 우수한 ITO의 경우에 비저항이 약 1 × 10-4 Ω·cm 정도로서, 기존 Mo 후면전극의 약 1 × 10-5 Ω·cm 보다 10배 정도 높다. 이러한 높은 저항은 윈도우 층으로 사용되는 TCO 층에 의한 직렬저항과 함께, 태양전지 모듈의 직렬저항을 증가시키기 때문에, 이를 극복하기 위해서는 후면전극 물질의 두께를 증가시키거나, 셀의 폭을 매우 작게 설계해야 하는 제약이 있었다.
본 출원의 발명자들은 금속질화물을 포함한 제2 후면전극에서 금속질화물의 전기전도성을 향상시키거나 옴 접촉층의 전도성을 증가시킴으로써, 이러한 문제를 해결할 수 있음을 확인하였다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제2 후면전극(35)과 옴 접촉층(36)은 레이저 스크라이빙 시 제거되므로, 제2 레이저 스크라이빙(P2)이 수행되는 영역과 제3 레이저 스크라이빙(P3)이 수행되는 영역의 전기저항이 증가한다. 그러나, 상기 제2 내지 제3 레이저 스크라이빙의 스크라이빙 폭이 약 10 ㎛ 내지 200 ㎛로 작기 때문에 해당 영역의 전도층 제거에 따른 저항증가는 제한적이다. 또한, 제2 레이저 스크라이빙(P2)이 수행되는 영역은 투명전극(70)의 증착을 통해, P3 영역은 스크라이빙 폭 조절을 통해 저항증가를 최소화할 수 있다.
한편, 도 5는 도 3의 박막 태양전지 모듈 구조의 제조 방법을 모식적으로 나타내었다.
상기 박막 태양전지 모듈 구조의 제조 방법은 투명 기판(10)의 제1 면(10a) 상에 투명성을 갖는 제1 후면전극(30)을 증착하여 적층하는 단계; 상기 제1 후면전극(30) 상에 금속질화물층을 포함하는 제2 후면전극(35)을 증착하여 적층하는 단계; 상기 제1 후면전극(30) 및 제2 후면전극(35)을 포함하는 제1 적층 구조(20a)를 분리하기 위해 제1 레이저 스크라이빙(P1)을 수행하는 단계; 상기 제2 후면전극(35) 상에 금속 칼코게나이드를 포함하는 광흡수층(40)을 증착하여 적층하는 단계; 상기 광흡수층 상에 버퍼층(50) 및 고저항 윈도우층(60)을 증착하여 적층하는 단계; 상기 제2 후면전극(35), 상기 광흡수층(40), 상기 버퍼층(50) 및 상기 고저항 윈도우층(60)을 포함하는 제2 적층 구조(20b)를 분리하기 위해, 상기 투명 기판(10)의 제1 면(10a)과 마주보는 제2 면(10b)으로 레이저를 입사시켜 제2 레이저 스크라이빙(P2)을 수행하는 단계; 상기 고저항 윈도우층(60) 상에 투명전극(70)을 증착하여 적층하는 단계; 및 상기 제2 후면전극(35), 상기 광흡수층(40), 상기 버퍼층(50), 상기 고저항 윈도우층(60) 및 상기 투명전극(70)을 포함하는 제3 적층 구조(20c)를 분리하기 위해, 상기 투명 기판(10)의 제2 면(10b)으로 레이저를 입사시켜 제3 레이저 스크라이빙(P3)을 수행하는 단계;를 포함한다.
예를 들어, 상기 제1 후면전극(30) 및 제2 후면전극(35)은 이중층 후면전극(30, 35)을 형성할 수 있다.
도 5의 (b)에서와 같이, 제1 레이저 스크라이빙(P1)에 의해 상기 이중층 후면전극(30, 35)의 제1 적층 구조(20a)를 분리, 즉 패터닝하기 위해 상기 제1 적층 구조(20a) 중 일 부분을 제거한다.
이때, 레이저는 기판 입사(실선) 또는 반대쪽의 박막 표면 입사(점선) 방식이 모두 적용될 수 있다. 다만, 상기 투명 기판(10)에 흡수되지 않으면서, 동시에 제거하고자 하는 상기 이중층 후면전극(30, 35)에 흡수될 수 있는 파장의 레이저를 투명 기판(10) 쪽에서 입사시키면, 급격한 열팽창에 의한 응력 집중으로 계면에서 박리시킬 수 있으므로, 작은 에너지로도 스크라이빙이 가능하다. 이에 따라, 상기 제1 적층 구조(20a)는 제1 방향(X 방향)으로 일정 간격으로 분리된다.
도 5의 (c)를 참조하면, 상기 이중층 후면전극(30, 35)의 스크라이빙 공정 후, 광흡수층(40)을 적층하여 증착한다. 또한, 상기 광흡수층(40) 상에 버퍼층(50) 및 고저항 윈도우층(60) 중 하나 이상의 층을 적층하여 증착할 수 있다. 이후, 상기 제2 적층 구조(20b)를 분리하기 위한 제2 레이저 스크라이빙 공정(P2)을 수행한다. 마찬가지로, 레이저는 제1 레이저 스크라이빙 공정과 마찬가지로 기판 입사(실선) 방식으로 상기 투명 기판(10)의 제2 면(10b)으로 레이저를 입사시켜 스크라이빙 공정을 수행한다.
상기 제2 레이저 스크라이빙(P2) 공정은 상기 제1 레이저 스크라이빙(P1) 공정을 수행한 영역과 인접한 영역에서 수행될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 적층 구조(20b)는 상기 제1 적층 구조(20a)의 분리 영역(P1 영역)과 인접한 영역에서 P1 가공선과 평행하게 분리된다. 이때, 상기 제2 후면전극(35)은 희생층으로 사용되므로 함께 제거될 수 있다.
도 5의 (d)를 참조하면, 상기 투명전극(70)을 증착하여, 상기 제2 레이저 스크라이빙 공정이 수행된 영역(P2 영역)에서 상기 제1 후면전극(30)과 상기 투명전극(70)을 연결시킨다. 이에 따라, 인접셀 간 직렬 연결이 완성된다. 이후, 상기 투명 기판(10)의 제2 면(10b)으로 레이저를 입사시켜 제3 레이저 스크라이빙 공정을 수행한다. 이때, 상기 제2 후면전극(35)이 희생층으로 사용되어, 제3 적층 구조(20c) 중 일 부분은 함께 제거된다.
도 5의 (e)를 참조하면, 결과적으로 인접셀이 전기적으로 절연되어 분리된다.
이상과 같은 박막 태양광모듈의 경우에는, 모듈화 이후 추가적인 제4 레이저 스크라이빙(P4) 공정의 적용이 용이하여, 광투과도의 자유로운 조절이 가능하다. 또한, 선폭 및 간격의 조절이 용이하여, 시각적 불쾌함 없이 채광창으로서의 기능을 수행하게 할 수 있다. 이때, 제4 레이저 스크라이빙(P4) 시 레이저의 입사는 제1 내지 제3 레이저 스크라이빙(P1, P2, P3)과 평행할 수도 있고, 수직되게 할 수도 있다. 광투과도의 증가를 위한 불가피한 광전류 감소보다 더 큰 열화를 피하기 위해서는 제4 레이저 스크라이빙(P4)을 기존 제1 내지 제3 레이저 스크라이빙(P1, P2, P3)에 수직으로 적용하는 것이 유리할 것이다. 또한, 이상의 관통형 직선 외에 원형 등 다양한 모양의 패턴 구현이 가능하다. 이러한 제4 레이저 스크라이빙(P4)의 설계를 통해 다양한 형태의 무늬나 그림을 창호형 BIPV에 추가하는 것이 가능하다.
이상과 같은 유리기판에 형성된 투명소재/금속질화물층 이중층 후면전극(30, 35)의 경우에는, 투명소재/금속질화물층 계면, 투명소재/유리기판 계면 및 유리기판 표면의 실내조명에 의한 반사간섭 현상을 활용하여 창호형 BIPV 모듈에 실내거주자 시각에서 다양한 색상을 구현할 수 있다. 또한, 투명소재/금속질화물층 계면에 도입되는 계면접착층의 소재 및 특성 조절을 통해 실내거주자 시각의 색상 조절 기능을 추가할 수 있다.
이하에서는 실험을 통해 본 발명의 효과를 상세하게 설명한다.
먼저, 종래의 CIGS 태양전지에서 후면전극으로 널리 적용되는 Mo 박막을 ITO로 대체했을 때, 셀 효율에 미치는 영향을 비교하였다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 텅스텐 질화물(WN) 박막을 후면전극 구조로 포함한 CIGS 박막 태양전지 셀 구조를 모식적으로 도시한다.
통상적으로 ITO를 CIGS 태양전지의 후면전극으로 적용할 때 발생하는 문제는, 앞서 설명한 바와 같이 ITO/CIGS 계면의 높은 계면장벽을 형성하는 n형 Ga2O3 반응층의 형성 및 ITO 자체의 Mo 금속전극 대비 상대적으로 높은 비저항으로 인한 직렬저항의 증가이다. 따라서, Ga2O3 반응층 형성을 억제하기 위해 약 450℃의 낮은 온도에서 CIGS 광흡수층을 증착하였다.
그리고, 예를 들어, 약 50 nm 두께의 CdS를 화학용액증착법(Chemical bath deposition, CBD)로 증착한 후, rf 스퍼터링으로 고저항 ZnO(약 50 nm 두께)와 Al-doped ZnO(AZO)(약 500 nm 두께)를 증착하였다.
이때, 200nm 두께의 ITO 후면전극과 CIGS 광흡수층 사이 옴 접촉 특성을 강화하기 위해 30 nm 두께의 Mo 박막을 추가한 후면전극 구조(비교예 3)와, 도 6에 도시한 바와 같이 ITO 박막과 Mo 박막 사이에 30 nm 수준의 두께로 텅스텐 질화물(WxN1-x, 여기서, x는 약 0.5)를 희생층으로 추가한 후면전극 구조(실시예 1)를 비교하였다.
상기 실시예 1에서, 상기 텅스텐 질화물(WN) 박막은 Pulsed DC 마그네트론 스퍼터링 방법을 이용하여 증착되었으며, 지름 3 인치(inch)의 텅스텐(W) 타겟을 Ar과 N2가 각각 부피비로 1:5인 혼합가스를 이용하여 3 mtorr의 압력 하에서 150W의 pulsed DC 파워(20 kHz, 80% duty cycle)로 스퍼터링하였고, 이를 기판온도 450℃에서 5분동안 증착하였다. 이렇게 증착한 WxN1 -x 층의 비저항은 약 1.5 × 10- 4Ω·cm으로 측정되었다.
도 7은 WN 박막을 후면전극 구조로 포함한 태양전지에서 발견된 광흡수층 박리현상을 보여주는 SEM 사진이다.
텅스텐 질화물(WN) 박막을 희생층으로 적용할 경우, 도 7의 SEM 사진에서와 같이, 셀 제조 후 CIGS 박막 이상의 층들이 쉽게 박리되는 경향을 보인다. 이는 WN 박막과 하부의 ITO 층 사이의 계면접착력에 문제가 있는 것으로 추정된다. 따라서, 이를 해결하기 위하여, 상기 실시예 1에서는 ITO와 WN 박막 사이에 Mo 층을 10 nm 이하의 두께로 증착하였다.
CIGS 박막 태양전지 셀 구조에 있어서, 후면전극으로 Mo(비교예 1), ITO(비교예 2), ITO/Mo(비교예 3), ITO/WN/Mo(실시예 1)을 사용한 것을 제외하고는, 모두 앞서 설명한 후면전극 구조 제조 방법과 동일한 방법으로, 각각 실시예 1 및 비교예 1 내지 3에 따른 후면전극 구조를 각각의 후속증착공정에 동시에 장입하여 CIGS 박막 태양전지 셀을 제조하였다.
상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 3의 CIGS 박막 태양전지 셀의 태양광 표준규격(air mass 1.5, one sun condition) 하에서 측정된 전류-전압곡선과 셀효율인자를 비교하여, 도 8 및 표 1에 나타내었다.
도 8은 실시예 1 및 비교예 1 내지 3의 CIGS 박막 태양전지 셀의 전류-전압 특성 그래프이다.
후면전극 구조별 CIGS 박막 태양전지 셀의 광전변환 효율인자
후면전극 구조 효율 [%] VOC [mV] JSC [mA/cm2] FF [%]
비교예 1 SLG/SiOx/Mo(500nm) 16.2 0.640 34.1 74.3
비교예 2 SLG/ITO(200nm) 13.2 0.609 34.3 62.9
비교예 3 SLG/ITO(200nm)/Mo(30nm) 14.1 0.621 33.3 68.1
실시예 1 SLG/ITO(200nm)/WN/Mo(30nm) 15.2 0.641 33.3 71.0
도 8 및 상기 표 1을 참조하면, Mo 후면전극을 사용한 비교예 1에 비해 ITO 후면전극을 사용한 비교예 2는 광전압과 FF가 크게 낮아졌다. 이는, ITO 후면전극의 높은 면저항으로 인한 직렬저항 증가, ITO/CIGS 계면의 반응생성물로 인한 계면장벽, ITO 및 기판으로부터의 불순물 확산으로 인한 CIGS 광흡수층 열화 현상이 그 원인으로 생각된다. 또한, ITO/Mo 구조를 사용한 비교예 3에서는 FF 및 광전압이 다소 회복되었으며, Mo (30nm) 추가에 따른 직렬저항 개선 및 계면특성 개선 효과 때문으로 추정된다.반면에, WN (30nm)를 도입한 실시예 1의 경우에는, 광전압이 Mo 전극을 사용한 비교예 1의 수준으로 증가하고 FF도 크게 개선되어, WN 도입이 광전변환효율 향상에 실질적인 기여를 하였다. Mo 전극에 비해 직렬저항이 다소 높은 것은 ITO/WN/Mo 후면전극 구조가 Mo 단일전극보다 저항이 크기 때문이다. WN 도입에 따른 뚜렷한 효과는 광전압이 향상되어 Mo 단일전극과 동일한 수준으로 회복되었다는 점이다. 이는 WN 층이 하부(SLG/ITO)로부터 불순물 확산을 효율적으로 차단하였기 때문으로 추정된다.
한편, 도 9(a)는 비교예 1에 따른 Mo 후면전극을 이용한 450℃ CIGS 박막공정을 적용한 셀의 CIGS 박막의 미세구조에 대한 SEM 사진이며, 도 9(b)는 실시예 1에 따른 후면전극을 이용한 450℃ CIGS 박막공정을 적용한 셀의 CIGS 박막의 미세구조에 대한 SEM 사진이다.
도 9(a) 및 (b)를 참조하면, 실시예 1과 같이, WN 박막이 도입된 경우, 비교예 1에 따른 Mo 후면전극과 비교하여, CIGS 광흡수층의 결정립도가 전반적으로 증가하였는데, 소다라임 유리(sodalime glass) 기판으로부터 Na 확산이 차단되어 CIGS 박막 구성원소들의 확산속도가 빨라졌기 때문이다. 그 결과 CIGS 박막의 결정성이 증가하여 광전압 손실을 유발하는 결함밀도가 크게 감소하였다.
도 10 내지 12는 SLG/ITO/CIGS/CdS/i-ZnO/AZO 구조를 갖는 SLG/ITO/CIGS 셀에 대해, 빔크기를 다르게 조절한 기판입사 나노초 펄스 레이저 방식의 CIGS 광흡수층 가공결과에 대한 광학현미경(OM) 및 전자현미경(SEM) 사진이다.
레이저 빔크기가 50 ㎛일 때는 도 10의 광학현미경과 전자현미경 관찰결과에서 보듯이, 레이저 가열에 의한 ITO/CIGS 계면 박리가 효과적이어서 ITO의 손상을 최소화하면서 CIGS 박막 가공이 가능하였다. 그러나, 도 11 및 도 12에서와 같이, 빔 크기가 40 ㎛, 26 ㎛로 감소함에 따라, ITO의 손상이 극심해지는 경향을 보였으며, 결과적으로 ITO/CIGS 구조에서, 나노초 펄스 레이저로는 50 ㎛ 이하 선폭을 구현하는 것이 용이하지 않았다.
도 13은 SLG/ITO/Mo (30nm) 후면전극 구조를 갖는 CIGS 박막태양전지 셀(SLG/ITO/Mo/CIGS/CdS/i-ZnO/AZO 구조)에 기판입사 방식으로 532 nm 파장의 나노초급 펄스레이저 가공을 적용하여 CIGS 광흡수층 및 후속박막층들을 가공한 실험결과를 광학현미경으로 관찰한 이미지이며, 레이저 세기별로 이를 도시하였다. 도 13에서와 같이, 이러한 Mo 후면전극 구조에 있어서, 광흡수층의 가공을 위해서는 상대적으로 높은 레이저 세기가 필요할 뿐만 아니라, 0.55W 세기 가공결과에서 가공선 중간에 나타나는 형태와 같은 ITO 박막의 손상을 회피하기 어렵다.
이에 반해, WN 희생층이 적용된 경우 ITO 손상을 최소화한 광흡수층 가공이 가능하였다. 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 SLG/ITO/WN/Mo/CIGS 셀에서 기판입사 나노초(ns) 펄스 레이저 방식을 적용한 CIGS 광흡수층의 레이저 세기별 가공결과에 대한 OM 사진이다.
도 14의 결과를 도 13의 결과와 비교하면 더 낮은 레이저 세기에서 광흡수층의 가공이 가능할 뿐만 아니라, 0.45W 세기에서의 가공결과에서 보듯이, ITO 박막의 손상 없이 CIGS 가공이 가능한 공정조건을 확보할 수 있었다.
앞에서 언급한 바와 같이, 단일접적된 박막 태양광모듈의 광전변환효율을 향상시키기 위해서는, P2 및 P3 선폭을 약 10 내지 20 um 수준으로 감소시켜 광발전 불능면적(dead area)을 줄이고, 스크라이빙 과정 중 발생하는 광흡수층 및 주변물질 녹임(melting) 현상과 같은 손상 및 잔해(debris) 발생에 따른 모듈 내 각 셀의 입환(shunting)을 방지하여야 한다.
이를 위해, 제2 및 제3 스크라이빙(P2, P3)에 레이저 가공기술이 적용되어야 하는데, 현재는 투명윈도층 입사(기판 반대편) 방식이 적용되며, 제거하고자 하는 영역과 보존해야 하는 영역(i.e. 후면전극) 간의 가열 선택성을 확보하기 위해 피코초(ps) 수준 이하의 매우 짧은 펄스 레이저를 적용한다. 그러나, 피코초(ps) 펄스 레이저 또는 펨토초(fs) 펄스 레이저의 가격이 높아서 태양광모듈 제조라인의 초기 투자비를 증가시킨다.
또한, 투명윈도층 입사 방식의 레이저를 사용할 경우에는 스크라이빙 시 잔해(debris) 제거방향으로 레이저가 입사되기 때문에, 잔해가 스크라이빙 영역에 고착화되는 등의 문제가 발생한다. 펄스폭이 1 내지 50 ns 범위에 있는 상대적으로 저가인 나노초(ns) 펄스 레이저를 기판 입사방식으로 적용할 수 있다면, 제조공정의 비용 상승을 최소화하면서 모듈효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 투광창 BIPV 시장에 대응하기 위해, 상용화된 기술로, 비정질 박막 Si 태양전지는 레이저 스크라이빙 공정으로 불투명한 광흡수층을 제거하고, 광흡수층이 제거된 영역으로 광을 투과시킬 수 있도록 모듈을 제조한다. 이에 반해, 도 1의 구조를 갖는 CIGS 박막 태양광 모듈은 광흡수층의 광흡수능력이 뛰어나고 후면전극인 Mo에 의한 흡수 또는 반사 때문에, P1, P2, P3 영역을 통한 광투과가 매우 어렵다. 앞에서도 언급했듯이, 현존하는 박막 태양전지 중에서 CIGS 박막 태양전지의 광전변환효율이 매우 높기 때문에, 광투광성을 확보한다면 BIPV 시장에서의 경쟁력이 크게 확보될 수 있다.
이러한 CIGS 박막 태양전지에 대하여, 본 발명에서와 같이, WN을 포함한 후면전극 구조를 도입함으로써, 투명후면전극의 손상을 최소화하면서, 보다 작은 선폭을 갖는 CIGS 광흡수층 가공이 가능하다.
또한, CIGS 박막 태양광 모듈 제조를 위한 스크라이빙 공정 중 가장 큰 문제인 P2 가공성을 크게 향상시켜서 모듈 제조 기술의 혁신을 이룰 수 있고, P2 및 P3 선폭을 10 내지 20 ㎛ 수준으로 저감하는 것이 가능하여, 광발전불능면적(dead zone area)를 크게 감소시킬 수 있다. 이를 통해 태양광모듈의 성능을 크게 개선시킬 수 있다.
또한, 전술한 투광창용 태양광모듈의 경우에, 실내에 위치한 거주자를 위한 다양한 수준의 채광의 조절이 가능하여야 하고, 심미적 요소에 대응하기 위해 색상조절이 가능하여야 한다. 제품완성 후 채광 및 색상의 능동제어는 차치하더라도, 생산단계에서 주문자 요구에 맞춘 채광 및 색상이 조절된 다양한 제품을 생산할 수 있어야 한다. 따라서, 본 발명에 따라 제조공정의 비용을 감소시키며, BIPV 시장에서 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 예상된다.

Claims (18)

  1. 투명 기판의 제1 면 상에 투명성을 갖는 제1 후면전극을 증착하여 적층하는 단계;
    상기 제1 후면전극 상에 금속질화물층을 포함하는 제2 후면전극을 증착하여 적층하는 단계;
    상기 제1 후면전극 및 제2 후면전극을 포함하는 제1 적층 구조를 분리하기 위해 제1 레이저 스크라이빙을 수행하는 단계;
    상기 제2 후면전극 상에 금속 칼코게나이드를 포함하는 광흡수층을 증착하여 적층하는 단계;
    상기 제2 후면전극 및 상기 광흡수층을 포함하는 제2 적층 구조를 분리하기 위해, 상기 투명 기판의 제1 면과 마주보는 제2 면으로 레이저를 입사시켜 제2 레이저 스크라이빙을 수행하는 단계;
    상기 광흡수층 상에 투명전극을 증착하여 적층하는 단계;
    상기 제2 후면전극, 상기 광흡수층 및 상기 투명전극을 포함하는 제3 적층 구조를 분리하기 위해, 상기 투명 기판의 제2 면으로 레이저를 입사시켜 제3 레이저 스크라이빙을 수행하는 단계; 및
    상기 광흡수층 상에 기판 입사 방식의 레이저를 입사시켜 제4 레이저 스크라이빙을 수행하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제4 레이저 스크라이빙을 상기 제1 내지 제3 레이저 스크라이빙에 수직으로 적용하고,
    상기 제1 후면전극 및 제2 후면전극 사이에 배치된 계면접착층을 더 포함하고,
    상기 계면접착층은 Mo, W, 크롬(Cr), 니켈(Ni) 및 Ti 중 선택된 하나 이상을 포함하는, 박막 태양전지 모듈 구조의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속질화물층은 하기 화학식 1로 표시되는 금속질화물을 포함하는, 박막 태양전지 모듈 구조의 제조 방법:
    <화학식 1>
    Mx(CyN1-y)1-x
    상기 화학식 1에서, 0.4≤x≤0.9, 0≤y≤0.1이고,
    M은 텅스텐(W), 몰리브데늄(Mo), 탄탈륨(Ta) 및 티타늄(Ti) 중 선택되는 하나 이상이다.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 레이저 스크라이빙을 수행하는 단계 및 상기 제3 레이저 스크라이빙을 수행하는 단계는, 상기 제2 후면전극을 희생층으로 사용하는, 박막 태양전지 모듈 구조의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 레이저 스크라이빙은 펄스폭이 0.005 내지 50 나노초(ns)인 펄스 레이저 스크라이버에 의해 수행되는, 박막 태양전지 모듈 구조의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광흡수층 상에 투명전극을 증착하여 적층하는 단계 대신,
    상기 광흡수층 상에 보조층을 증착하여 적층하는 단계; 및
    상기 보조층 상에 투명전극을 증착하여 적층하는 단계를 포함하고,
    상기 제2 적층 구조는 상기 제2 후면전극, 상기 광흡수층 및 상기 보조층을 포함하며, 상기 제3 적층 구조는 상기 제2 후면전극, 상기 광흡수층, 상기 보조층 및 상기 투명전극을 포함하는, 박막 태양전지 모듈 구조의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 보조층은 버퍼층 또는 고저항 윈도우층 중 하나 이상의 층을 포함하는, 박막 태양전지 모듈 구조의 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 제조 방법에 의해 제조되는 박막 태양전지 모듈 구조로서,
    투명 기판;
    상기 투명 기판 상에 적층되고, 투명성을 갖는 제1 후면전극;
    상기 제1 후면전극 상에 적층되고, 금속질화물층을 포함하는 제2 후면전극;
    상기 제2 후면전극 상에 적층되고, 금속 칼코게나이드를 포함하는 광흡수층; 및
    상기 광흡수층 상에 적층되는 투명전극;을 포함하고,
    상기 제1 후면전극과 제2 후면전극 사이에 배치된 계면접착층을 더 포함하고,
    상기 계면접착층은 Mo, W, 크롬(Cr), 니켈(Ni) 및 Ti 중 선택된 하나 이상을 포함하고,
    상기 계면접착층의 두께는 1 내지 50 nm이고,
    상기 제1 후면전극 및 상기 제2 후면전극을 포함하는 제1 적층 구조 중 적어도 일 부분은, 상기 제1 적층 구조의 적층 방향과 수직인 제1 방향으로 분리되고,
    상기 제2 후면전극 및 상기 광흡수층을 포함하는 제2 적층 구조 중 적어도 일 부분은 상기 제1 방향으로 분리되고,
    상기 제2 후면전극, 상기 광흡수층 및 상기 투명전극을 포함하는 제3 적층 구조 중 적어도 일 부분은 상기 제1 방향으로 분리된, 박막 태양전지의 모듈 구조.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 후면전극과 상기 투명전극은, 상기 제2 적층 구조가 분리된 부분에서 직렬 연결되는, 박막 태양전지의 모듈 구조.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 광흡수층과 투명전극 사이에 배치된 보조층을 더 포함하고, 상기 제2 적층 구조는 상기 제2 후면전극, 상기 광흡수층 및 상기 보조층을 포함하며, 상기 제3 적층 구조는 상기 제2 후면전극, 상기 광흡수층, 상기 보조층 및 상기 투명전극을 포함하는, 박막 태양전지의 모듈 구조.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 보조층은 버퍼층 또는 고저항 윈도우층 중 하나 이상의 층을 포함하는, 박막 태양전지의 모듈 구조.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제1 후면전극은 가시광 또는 근적외선 대역에서 광흡수도가 20% 이하이고, 비저항이 1 × 10-2 Ω·cm 이하인 물질을 포함하는, 박막 태양전지의 모듈 구조.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 제1 후면전극은 인듐(In)의 산화물, 아연(Zn)의 산화물, 주석(Sn)의 산화물 중 선택된 하나 이상을 포함하는 투명전도산화물(TCO), 상기 TCO와 금속층 또는 나노와이어층 및 TCO로 구성된 다층구조 투명전극, 및 그래핀, 카본나노튜브 중 하나 이상을 포함하는 카본소재가 분산된 투명전극 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는, 박막 태양전지의 모듈 구조.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 금속질화물층은 하기 화학식 1로 표시되는 금속질화물을 포함하는, 박막 태양전지의 모듈 구조:
    <화학식 1>
    Mx(CyN1-y)1-x
    상기 화학식 1에서, 0.4≤x≤0.9, 0≤y≤0.1이고,
    M은 텅스텐(W), 몰리브데늄(Mo), 탄탈륨(Ta) 및 티타늄(Ti) 중 선택되는 하나 이상이다.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 제1 후면전극의 두께는 100 내지 2000 nm이고, 상기 제2 후면전극의 두께는 1 내지 200 nm인, 박막 태양전지의 모듈 구조.
  15. 제7항에 있어서,
    상기 제2 후면전극과 광흡수층 사이에 배치된 옴 접촉(ohmic contact)층을 더 포함하는, 박막 태양전지의 모듈 구조.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 옴 접촉층은 Mo, 금(Au), Mo의 산화물, W의 산화물, Ni의 산화물, ITO, 및 FTO 중 선택된 하나 이상을 포함하는, 박막 태양전지의 모듈 구조.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 옴 접촉층의 두께는 1 내지 50 nm인, 박막 태양전지의 모듈 구조.
  18. 제7항에 있어서,
    상기 광흡수층은 구리(Cu) 또는 은(Ag) 중 선택된 하나 이상, 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 및 주석(Sn) 중 선택된 하나 이상, 및
    셀레늄(Se) 또는 황(S) 중 선택된 하나 이상을 포함하는, 박막 태양전지의 모듈 구조.
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