KR102107798B1 - 박막 태양전지 모듈 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 명세서는 기판 상에 서로 이격되어 배치된 복수개의 후면전극 패턴; 후면전극 패턴 상에 전극간 연결을 위한 콘택패턴 및 단위셀로 나누기 위한 분리패턴이 형성된 광흡수층 패턴; 콘택패턴 내에 배치되어 후면전극 패턴과 전기적으로 연결되고, 분리패턴에 의해 이격되어 배치된 전면전극 패턴; 및 모듈의 상부에 배치된 전면유리;를 포함하고, 분리패턴 사이의 반사층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈 및 그 제조방법에 대하여 개시한다.
Description
본 발명은 박막 태양전지 모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세히는 데드 영역에 반사층을 활용하여 전기적 특성을 향상시키는 박막 태양전지 모듈 및 그 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 빛 에너지를 전기에너지로 변환시키는 소자이다. 태양전지는 반도체의 p-n 접합을 이용하여 전기를 일으킨다. 구체적으로, 태양전지는 제1 도전형 반도체 기판 상에 제2 도전형 반도체 기판이 배치되고, 제2 도전형 반도체 기판의 상부면, 즉 태양광을 수광하는 수광면에 전면전극이, 제1 도전형 반도체 기판의 하부면에는 후면전극이 구비되는 구조로 이루어진다. 여기서, 제1 도전형 반도체 기판과 제2 도전형 반도체 기판이 접합하는 p-n 접합부에 태양광이 입사되면, 전자-정공쌍이 생성되고, 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 이동하여 광기전력(전위차)이 발생하며, 이때 전면전극과 후면전극에 부하를 연결함으로써 전류를 흐르게 한다.
한편, 제작한 태양전지를 통해 원하는 전력을 얻기 위해서는 일정 전압 및 출력을 구현하여야 한다. 태양전지의 최소단위를 단위셀이라고 부르며, 단위셀을 연결하여 원하는 전압을 구현한 형태를 모듈이라고 한다. 단위셀 자체의 전기적 특성뿐 아니라, 모듈화 시 저하 발생 요인 제어가 중요하다.
태양전지 모듈 제작시 연결방법은 단위셀의 형상에 따라 2가지로 나뉜다. 단위셀들을 금속선을 이용하여 외부적으로 연결하는 방법과 전선없이 연결하는 방법이 있다. 박막 태양전지에 사용되는 태양전지 모듈은 전선없이 일체형으로 각 단위셀이 연결되며, 박막 태양전지 모듈은 직접적으로 전기 생산에 기여하는 영역인 엑티브 영역과 단위셀과 단위셀을 연결하기 위해 소모되는 부분으로 전기 생산에 기여하지 못하는 데드 영역으로 나뉜다.
종래의 박막 태양전지 모듈은 액티브 영역을 통해서 전기생산을 하고, 전기생산에 기여하지 못하는 데드 영역을 포함하고 있어 박막 태양전지 모듈의 전기적 특성, 효율성이 저하되는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 박막 태양전지 모듈의 전기적 특성이 향상시키는 방법은 다소 복잡하고 제한적인 구조, 물질에만 적용될 수 있어 범용성이 낮은 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 전기생산에 기여하는 액티브 영역은 줄이지 않으면서도, 전기생산에 기여하지 못하는 데드 영역을 활용하여 박막 태양전지 모듈의 효율성을 향상시키는 것이다.
또한, 본 발명의 세부 목적은 박막 태양전지 모듈의 데드 영역을 활용함에 있어서 범용성을 확보하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 본 명세서는 기판 상에 서로 이격되어 배치된 복수개의 후면전극 패턴; 후면전극 패턴 상에 전극간 연결을 위한 콘택패턴 및 단위셀로 나누기 위한 분리패턴이 형성된 광흡수층 패턴; 콘택패턴 내에 배치되어 후면전극 패턴과 전기적으로 연결되고, 분리패턴에 의해 이격되어 배치된 전면전극 패턴; 및 모듈의 상부에 배치된 전면유리;를 포함하고, 분리패턴 사이의 반사층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈을 개시한다.
본 발명의 각 박막 태양전지 모듈에 있어서, 콘택패턴은 기판 상에 형성되고, 분리패턴의 폭이 상부가 노출되는 후면전극 패턴의 폭과 동일한 것이 바람직하다.
본 발명의 각 박막 태양전지 모듈에 있어서, 반사층은 적어도 하나 이상의 유전체층을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 각 박막 태양전지 모듈에 있어서, 반사층은 은, 알루미늄, 주석, 텅스텐, 니켈, 크롬, 몰리브덴 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 각 박막 태양전지 모듈에 있어서, 반사층은 분리패턴과 가까운 단위셀로부터 10㎛ 이상 20㎛ 이하의 간격으로 이격하여 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 각 박막 태양전지 모듈에 있어서, 콘택패턴 내에 반사층과 같은 물질이 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 본 명세서는 (a) 기판 상에 서로 이격되어 배치된 복수개의 후면전극 패턴을 형성하는 단계; (b) 후면전극 패턴 상에 전극간 연결을 위한 콘택패턴 및 단위셀로 나누기 위한 분리패턴을 포함하는 광흡수층 패턴을 형성하는 단계; (c) 콘택패턴 내에 배치되어 후면전극 패턴과 전기적으로 연결되고, 분리패턴에 의해 이격되어 배치된 전면전극 패턴을 형성하는 단계; 및 (d) 모듈의 상부에 전면유리를 형성하는 단계;를 포함하고, (c)단계 이후, 분리패턴 사이에 반사층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈의 제조방법을 개시한다.
본 발명의 각 박막 태양전지 모듈의 제조방법에 있어서, 콘택패턴은 기판 상에 형성되고, 분리패턴의 폭이 상부가 노출되는 후면전극 패턴의 폭과 동일한 것이 바람직하다.
본 발명의 각 박막 태양전지 모듈의 제조방법에 있어서, 반사층은 적어도 하나 이상의 유전체층을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 각 박막 태양전지 모듈의 제조방법에 있어서, 반사층은 은, 알루미늄, 주석, 텅스텐, 니켈, 크롬, 몰리브덴 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 각 박막 태양전지 모듈의 제조방법에 있어서, 반사층은 분리패턴과 가까운 단위셀로부터 10㎛ 이상 20㎛ 이하의 간격으로 이격하여 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 각 박막 태양전지 모듈의 제조방법에 있어서, 콘택패턴 내에 반사층과 같은 물질이 배치되는 것이 바람직하다.
본 발명은 액티브 영역을 줄이지 않으면서 전기생산에 기여하지 못하는 데드 영역에 반사층을 구비함으로써 빛의 태양전지로의 재입사를 유도하여 박막 태양전지 모듈의 효율성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 반사층으로서 다양한 금속, 유전체물질을 포함할 수 있고, 반사층을 구성하는 물질의 구조체가 다양하며, 데드 영역을 다양한 구조로 변형하여 보다 개선된 범용성을 확보한 반사층을 제공할 수 있다.
도 1은 반사층이 형성되지 않은 제1 박막 태양전지 모듈의 단면 구조이다.
도 2는 도 1의 데드 영역 일부를 제거하고 반사층을 형성한 박막 태양전지 모듈의 단면 구조이다.
도 3은 도 2의 반사층의 반사율을 높이기 위한 구조체를 도입한 박막 태양전지 모듈의 단면 구조이다.
도 4는 반사층이 형성되지 않은 제2 박막 태양전지 모듈의 단면 구조이다.
도 5는 도 4에 반사층을 형성한 박막 태양전지 모듈의 단면 구조이다.
도 6은 도 5의 반사층의 반사율을 높이기 위한 구조체를 도입한 박막 태양전지 모듈의 단면 구조이다.
도 7은 도 5의 콘택패턴이 반사층인 경우의 박막 태양전지 모듈의 단면 구조이다.
도 8은 실시예 1의 단면 구조도이다.
도 9는 비교예 1의 단면 구조도이다.
도 10은 실시예 1, 비교예 1의 빛 입사각도에 따른 각 전류밀도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2는 도 1의 데드 영역 일부를 제거하고 반사층을 형성한 박막 태양전지 모듈의 단면 구조이다.
도 3은 도 2의 반사층의 반사율을 높이기 위한 구조체를 도입한 박막 태양전지 모듈의 단면 구조이다.
도 4는 반사층이 형성되지 않은 제2 박막 태양전지 모듈의 단면 구조이다.
도 5는 도 4에 반사층을 형성한 박막 태양전지 모듈의 단면 구조이다.
도 6은 도 5의 반사층의 반사율을 높이기 위한 구조체를 도입한 박막 태양전지 모듈의 단면 구조이다.
도 7은 도 5의 콘택패턴이 반사층인 경우의 박막 태양전지 모듈의 단면 구조이다.
도 8은 실시예 1의 단면 구조도이다.
도 9는 비교예 1의 단면 구조도이다.
도 10은 실시예 1, 비교예 1의 빛 입사각도에 따른 각 전류밀도의 변화를 나타내는 그래프이다.
본 출원에서 사용하는 용어는 단지 특정한 예시를 설명하기 위하여 사용되는 것이다. 때문에 가령 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수여야만 하는 것이 아닌 한, 복수의 표현을 포함한다. 덧붙여, 본 출원에서 사용되는 "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 명확히 지칭하기 위하여 사용되는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것의 존재를 예비적으로 배제하고자 사용되는 것이 아님에 유의해야 한다.
한편, 다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진 것으로 보아야 한다. 따라서, 본 명세서에서 명확하게 정의하지 않는 한, 특정 용어가 과도하게 이상적이거나 형식적인 의미로 해석되어서는 안 된다.
또한, 본 명세서의 "약", "실질적으로" 등은 언급한 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
또한, 본 명세서의 "제1", "제2", "셀1" "셀2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 상기 용어는 명세서 기재 전체의 맥락에서 통상의 기술자가 명확하게 이해할 수 있는 범위에서 해석되어야 하지, 명세서 기재 이외의 내용으로 다르게 해석되지 않는다.
이하 본 발명의 과제해결수단에 대해 구체적으로 상술한다.
<본 발명의 박막 태양전지 모듈>
본 발명의 박막 태양전지 모듈은 기판 상에 서로 이격되어 배치된 복수개의 후면전극 패턴; 상기 후면전극 패턴 상에 전극간 연결을 위한 콘택패턴 및 단위셀로 나누기 위한 분리패턴이 형성된 광흡수층 패턴; 상기 콘택패턴 내에 배치되어 상기 후면전극 패턴과 전기적으로 연결되고, 상기 분리패턴에 의해 이격되어 배치된 전면전극 패턴; 및 모듈의 상부에 배치된 전면유리;를 포함하고, 상기 분리패턴 사이의 반사층;을 더 포함할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 박막 태양전지 모듈을 구성하는 각 구성요소에 대하여 상세히 서술한다.
단위셀
본 발명의 단위셀은 박막 태양전지 모듈의 단위셀에 해당한다. 단위셀은 기판, 후면전극, 광흡수층, 전면전극이 순서대로 적층될 수 있다. 광흡수층과 전면적극 사이에 버퍼층을 더 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에서의 기판은 단단하거나 유연할 수 있고 특별히 제한되지는 않는다. 그러나, 단위셀의 구성은 이에 한정되는 것은 아니며 통상의 박막 태양전지의 구성을 모두 포함할 수 있다.
본 명세서에서 단위셀은 액티브 영역(Active area)이라고도 해석될 수 있다. 액티브 영역이란 직접적으로 전기 생산에 기여하는 영역을 뜻하며, 단위셀 각각은 그 내부로 p-n접합을 통하여 광을 이용하여 기전력을 발생한다.
이와는 반대로 각 단위셀을 연결하기 위하여 공정 등으로 소모되는 모든 영역을 데드 영역(Dead area)이라고 하며, 데드 영역은 전기생산에 기여하지 못하는 것이 일반적이다. 가령 예를 들어, 도 1에서 데드 영역은 P1영역에서부터 P3영역까지의 영역이다. 본 발명은 액티브 영역을 줄이지 않으면서 단위셀의 사이에 있는 전기생산에 기여하지 못하는 데드 영역을 활용하여 박막 태양전지 모듈의 전기적 특성을 향상시키는 것에 기술적 특징이 있다.
후면전극 패턴
본 발명의 후면전극 패턴은 금속 등의 도전체로 구성될 수 있다. 예를 들어, 백금(Pt), 금(Au), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 인듐(In), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir) 및 오스뮴(Os), 몰리브덴(Mo)과 같은 금속으로 이루어질 수 있다. 또한, 도면에는 도시하지 않았지만, 후면전극 패턴은 적어도 하나 이상의 층으로 형성될 수 있다.
본 발명의 후면전극 패턴은 기판 상에 서로 이격되어 형성된다. 본 발명의 후면전극 패턴 상에는 광흡수층 패턴, 전면전극 패턴, 반사층이 형성될 수 있다.
광흡수층 패턴
본 발명의 광흡수층 패턴은 하나 이상의 층으로 구성될 수 있다. 광흡수층 패턴은 Ⅰb-Ⅲb-Ⅵb계 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In, Ga)Se2, CIGS계) 화합물, 구리-인듐-셀레나이드계(CuInSe2, CIS계) 화합물 또는 구리-갈륨-셀레나이드계(CuGaSe2, CIS계) 화합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 광흡수층 패턴은 후면전극 패턴 상에 형성될 수 있다. 본 발명의 광흡수층 패턴 상에는 전면전극 패턴이 형성될 수 있다. 또한, 광흡수층 패턴과 전면전극 패턴 사이에는 버퍼층을 포함할 수 있다. 광흡수층 패턴과 전면전극 패턴 사이의 에너지 밴드갭의 차이가 크기 때문에, 밴드갭이 두 물질의 중간에 위치하는 버퍼층을 광흡수층 패턴과 전면전극 패턴 사이에 삽입하여 양호한 p-n접합을 형성할 수 있다.
본 발명의 광흡수층 패턴은 전극간 연결을 위한 콘택패턴 및 단위셀로 나누기 위한 분리패턴을 포함할 수 있다. 본 발명의 분리패턴은 각 단위셀의 전면전극 패턴을 서로 이격하여 배치함으로써 각 단위셀을 나눈다. 또한, 본 발명의 분리패턴 사이에는 반사층이 형성될 수 있다. 본 발명의 콘택패턴은 후면전극 패턴 상에 형성될 수 있고 각 단위셀의 전면전극 패턴과 후면전극 패턴을 전기적으로 연결할 수 있다. 또한, 본 발명의 콘택패턴은 전도성이 있으면 되고, 구성에 있어서 특별히 제한되지 않는다.
또한, 본 발명에서 넓은 반사층을 확보하기 위하여 바람직하게는, 본 발명의 콘택패턴을 기판 상에 형성하면 분리패턴의 폭은 상부가 노출되는 후면전극 패턴의 폭과 동일할 수 있다. 분리패턴 사이에 형성되는 반사층의 영역은 상부가 노출되는 후면전극 패턴 영역과 동일한 폭으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 보다 넓은 반사층을 확보하기 위하여 더 바람직하게는, 본 발명의 반사층을 전도성이 있는 물질로 구성하고 콘택패턴 내에 반사층과 같은 물질이 배치되도록 할 수 있다. 즉, 본 발명의 반사층을 콘택패턴 및 분리패턴 영역에 걸쳐서 형성함으로써 보다 넓은 반사층을 확보할 수 있다.
전면전극 패턴
본 발명의 전면전극 패턴은 광흡수층 패턴과 p-n접합을 형성하는 윈도우(window)층으로서, 광투과율이 높고 전기 전도성이 좋은 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 전면전극 패턴은 ITO(Indium Tin Oxide), ITZO(Indium Tin Zinc Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), PTO(Potassium Tin Oxide), ATO(Antimony Tin Oxide), AZO(Antimony Zinc Oxide) 등으로 구성될 수 있다.
본 발명의 전면전극 패턴은 기판, 후면전극 패턴, 광흡수층 패턴 상에 배치될 수 있다. 본 발명의 전면전극 패턴과 광흡수층 패턴 사이에는 버퍼층을 더 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 전면전극 패턴은 콘택패턴 내에 배치되어 후면전극 패턴과 전기적으로 연결될 수 있고, 분리패턴에 의해 이격되어 배치될 수 있다.
봉지재 및 전면유리
본 발명의 박막 태양전지 모듈을 습기로부터 보호하기 위하여 모듈 표면에 봉지재를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 봉지재는 그 구성에 있어서 특별히 제한되지 않으며, EVA필름을 포함한 태양전지 모듈의 봉지재로서 사용 가능한 모든 재료를 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 박막 태양전지 모듈 상에는 전면유리가 배치될 수 있다. 박막 태양전지 모듈에 입사되는 태양광은 전면유리를 투과할 수 있어야 하므로, 전면유리는 투명하고, 내후성이 있는 재질로 이루어질 수 있다. 본 발명의 전면유리는 그 구성에 있어서 특별히 제한되지 않으며, 태양전지 모듈의 전면유리로서 사용 가능한 모든 재료를 사용할 수 있다.
본 발명의 전면유리는 박막 태양전지 모듈 상에 적층되며, 상부가 노출된 후면전극 패턴, 전면전극 패턴 및 반사층 상에 적층될 수 있다. 또한, 본 발명의 박막 태양전지 모듈이 봉지재를 더 포함하는 경우에는 본 발명의 봉지재 및 전면유리는 박막 태양전지 모듈 상에 봉지재, 전면유리 순으로 차례대로 적층되며, 상부가 노출된 후면전극 패턴, 전면전극 패턴 및 반사층 상에 적층될 수 있다.
반사층
본 발명의 반사층은 반사층의 상부면에 입사되는 빛을 반사하고, 반사된 빛은 직접 태양전지로 재입사되거나 또는 전면유리에서 재반사되어 태양전지로 재입사되므로 (이하 상술한 반사, 재반사, 재입사 과정을 '내부반사'라고 약술한다.) 반사층은 빛의 태양전지로의 재입사를 유도할 수 있다. 이로 인해 태양전지는 보다 향상된 단락전류밀도(Jsc) 값을 가지게 되어 태양전지의 효율이 향상된다. 또한, 본 발명의 반사층은 상부면이 노출되는 후면전극 패턴 상에 형성되어 후면전극 패턴의 산화를 방지하고 불순물로부터 후면전극 패턴을 보호할 수 있다.
본 발명의 반사층은 빛의 반사 각도를 조절할 수 있는 물질로 구성되면 되고 특별히 제한되지 않는다. 본 발명의 반사층은 높은 반사율 특성을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 바람직하게는 은(Ag), 알루미늄(Al), 주석(Sn), 텅스텐(W), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 후면전극 자체를 반사율이 높은 물질로 구성하여 반사층으로 활용할 수도 있다.
또한, 본 발명의 반사층을 높은 반사율 특성을 갖는 금속 또는 전도성이 있는 물질로 구성하는 경우, 반사층은 분리패턴과 가까운 단위셀로부터 10㎛ 이상 20㎛ 이하의 간격으로 이격하여 형성되는 것이 바람직하다. 이격되는 간격이 10㎛ 이하인 경우 션트패스(shunt path)로 전기적 손실이 일어나 태양전지의 전기적 특성이 저하될 수 있고, 이격되는 간격이 20㎛ 이상인 경우에는 확보할 수 있는 반사층이 좁아져 빛의 태양전지로의 재입사 효과가 감소하게 된다.
본 발명의 반사층은 유전체층을 포함할 수 있다. 유전체층은 예를 들어, 티타늄옥사이드(TiOx), 실리콘나이트라이드(SiNx), 알루미늄옥사이드(Al2O3), 실리콘옥사이드(SiOx), 비정질 실리콘(a-Si), 아연옥사이드(ZrOx)과 같은 물질을 포함할 수 있다. 유전체층은 상술한 예시의 물질로 한정되지 않으며, 유전체의 굴절률을 고려하여 적절히 구성될 수 있다.
본 발명의 반사층은 바람직하게는 적어도 하나 이상의 유전체층을 포함할 수 있다. 유전체층의 굴절률을 고려하여 다양한 방식으로 구성될 수 있고 이하의 예시에 한정되어 해석되지는 않는다.
본 발명 반사층의 일 예로서, 반사층은 비흡수성 매질인 굴절률이 n1인 물질로 이루어진 유전체층과 상기 유전체층 하부에 형성된 굴절률이 n2인 물질의 유전체층을 포함할 수 있다. (단, n1>n2>1이다.) 프레넬 방정식(Fresnel equation)을 참조하면, n1, n2의 비인 n12가 증가하면 굴절률이 n1인 유전체층과 굴절률이 n2인 유전체층 사이 계면에서의 수직 입사 반사율(R1)은 증가한다. (n12 = n1/n2이다.) 수직 입사 반사율(R1)이 증가하게 되면 내부반사로 인한 빛의 태양전지로의 재입사를 유도하게 되어 태양전지의 효율을 올릴 수 있다.
또한, 본 발명 반사층의 일 예로서, 반사층은 비흡수성 매질인 서로 다른 굴절률의 유전체층이 교대로 반복된 복수개의 유전체층을 포함할 수 있다. 가령, 고굴절률 유전체층(nH)과 상기 고굴절률 유전체층 하부에 형성된 저굴절률 유전체층(nL)이 교대로 반복될 수 있다. (단, nH>nL>1이다.) 프레넬 방정식을 참조하면, 기판에서 가까운 고굴절률 유전체층(nH)과 저굴절률 유전체층(nL) 사이 계면에서의 수직 입사 반사율(R2)은 nH, nL의 비인 nHL이 증가하는 경우 증가한다. (nHL=nH/nL이다.)
또한, 고굴절률 유전체층(nH)과 상기 고굴절률 유전체층 하부에 형성된 저굴절률 유전체층(nL)이 교대로 반복되는 횟수가 증가할수록 반사율(R2)이 증가한다. 본 발명에서 바람직하게는, 고굴절률 유전체층(nH)과 상기 고굴절률 유전체층 하부에 형성된 저굴절률 유전체층(nL)이 교대로 반복되는 횟수는 2번 이상 4번 이하인 것이 바람직하다. 반복되는 횟수가 2번 미만인 경우 반사율을 효율적으로 높일 수 없게 되고, 반복되는 횟수가 4번을 초과하는 경우 유전체층을 과도하게 교대로 반복하여 구성하므로 박막 태양전지 모듈의 양산성이 떨어질 수 있다. 반사율(R2)이 증가하면 내부반사로 인한 빛의 태양전지로의 재입사를 유도하게 되어 태양전지의 효율을 올릴 수 있다.
본 발명의 유전체층은 상술한 예시들에 한정되어 구성되지 않으며, 빛의 태양전지로의 내부반사를 증가시킬 수 있는 것을 전제로 다양하게 구성될 수 있다. 가령, 유전체층의 반사율이 증가하도록 유전체층을 구성하면 내부반사로 인한 빛의 태양전지로의 재입사를 잘 유도할 수 있게 되어 태양전지의 효율을 올릴 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 반사층이 서로 다른 굴절률을 갖는 복수개의 유전체층을 포함하는 경우, 더 바람직하게는 각 유전체층의 두께를 조절할 수 있다. 각 유전체층의 두께를 조절하게 되면 경계면에서 반사되는 광파장의 위상차를 조절할 수 있으므로 본 발명의 유전체층은 특정 광파장에 대하여서만 반사할 수 있도록 설계할 수도 있다. 가령, 각 경계면에서 반사되는 2개의 광파장 위상차가 180도가 되도록 설계하면 빛의 소멸간섭으로 인해 2개의 빛은 상쇄된다. (단, 2개 광파장의 에너지가 동일한 경우에는 완전히 상쇄된다.) 반사되는 2개의 광파장 위상차가 180도가 되기 위해서는, 유전체층의 두께는 입사파 파장의 1/4이 되도록 설계할 수 있다. 상술한 바와 같이 유전체층의 두께로 박막 태양전지 모듈에 재입사되는 광스펙트럼을 조절할 수 있게 되어 박막 태양전지 모듈이 과열되는 현상을 방지할 수 있고, 태양전지의 효율을 올릴 수 있게 된다.
본 발명의 반사층은 바람직하게는 광결정 구조체층을 포함할 수 있으며, 광결정 구조체층은 내부반사 각도를 조절함으로써 태양전지로의 빛의 재입사를 유도하여 태양전지의 효율을 올릴 수 있다.
또한 본 발명의 반사층은 반사각도를 조절하기 위하여 여러 형태의 구조체로 형성될 수 있다. 가령, 예를 들어 반사층의 구조체는 원뿔형, 타원형, 원통형, n-각 뿔 구조, 부정형 구조체 등을 들 수 있다. 본 발명의 반사층은 다양한 형상의 구조체로 형성되어 내부반사의 반사각도를 조절하여 빛의 태양전지로의 재입사를 높일 수 있으므로 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 반사층은 분리패턴 사이 상부면이 노출되는 후면전극 패턴 상에 형성될 수 있다. 본 발명의 반사층은 내부반사를 통해 빛의 태양전지로의 재입사를 유도하며, 전기생산에 기여하지 못하는 데드 영역 내에서 형성된다. 따라서, 액티브 영역을 감소시키지 않으면서도 데드 영역 내에서 반사층을 넓게 확보하면 빛의 태양전지로의 재입사를 더 잘 유도하여 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서 보다 넓은 반사층을 확보하기 위하여 바람직하게는 콘택패턴을 기판 상에 형성하면 분리패턴의 폭은 상부가 노출되는 후면전극 패턴의 폭과 동일할 수 있다. 분리패턴 사이에 형성되는 반사층의 영역은 상부가 노출되는 후면전극 패턴 영역과 동일한 폭으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 보다 더 넓은 반사층을 확보하기 위하여 더 바람직하게는, 본 발명의 반사층을 전도성이 있는 물질로 구성하고 콘택패턴 내에 반사층과 같은 물질이 배치되도록 할 수 있다. 본 발명의 반사층을 콘택패턴 및 분리패턴 영역에 걸쳐서 형성함으로써 보다 넓은 반사층을 확보할 수 있다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 본 발명의 사상이 첨부된 도면에 한정하여 해석되지 않는 것을 유의해야 한다.
도 1은 반사층이 형성되지 않은 제1의 박막 태양전지 모듈의 단면 구조이다.
도 1에서 각 단위셀은 기판(10), 후면전극 패턴(20), 광흡수층 패턴(300), 버퍼층(40), 전면전극 패턴(50)이 순서대로 적층된다. 가령, 도면 상에서 셀 1과 셀 2가 각 단위셀을 의미한다. 각 단위셀은 이하의 도 2 내지 도 8에서는 셀 1, 셀 2가 도시되어 있지 않으나, 통상의 기술자가 명백하게 이해할 수 있는 범위에서 도 1과 동일한 맥락으로 해석될 수 있다. 기판(10) 상에 후면전극을 형성하고 P1영역의 후면전극을 제거하여 후면전극 패턴(20)을 형성한다. 이 후에 광흡수층 패턴(300), 버퍼층(40)을 형성한 후 G2간격을 두고 P2영역의 광흡수층 패턴(300), 버퍼층(40)을 제거하여 콘택패턴(310)을 형성한다. 전면전극 패턴(50)을 형성한 후 P3영역의 전면전극 패턴(50), 광흡수층 패턴(300), 버퍼층(40)을 제거하여 분리패턴(320)을 형성한다. P2영역의 콘택패턴(310)을 통하여 각 단위셀이 연결된다. 한편, 본 발명의 박막 태양전지 모듈을 습기로부터 보호하기 위하여 상부가 노출되는 모듈 표면에 봉지재(70)를 더 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 박막 태양전지 모듈 상에는 태양광을 투과할 수 있는 전면유리(80)가 배치될 수 있다. 도 1과 같이 본 발명의 태양전지 모듈이 봉지재(70)를 포함하는 경우에는 전면유리(80)는 봉지재(70) 상에 배치될 수 있다. 이하의 도면에서는, 본 발명의 봉지재(70), 전면유리(80)에 대하여 구체적으로 서술하고 있지는 않으나, 도 1과 마찬가지로 도 2 내지 도 8에서도 통상의 기술자가 명백하게 이해할 수 있는 범위 내에서 동일하게 해석될 수 있다.
본 발명의 도 1에는 반사층이 형성되어 있지 않으나, 본 발명의 일 예로서 반사층을 분리패턴(320) 사이의 상부면이 노출된 후면전극 패턴(20) 상에 형성할 수 있다. 또는 후면전극 패턴(20) 자체를 반사율이 높은 물질로 구성하여 반사층으로 활용할 수 있다.
도 2는 도 1의 데드 영역 일부를 제거하고 반사층을 형성한 박막 태양전지 모듈의 단면 구조이다.
기판(10) 상에 후면전극을 형성하고 P1영역의 후면전극을 제거하여 후면전극 패턴(20)을 형성한다. 이 후에 광흡수층 패턴(300), 버퍼층(40)을 형성한 후 G2간격을 두고 P2영역의 광흡수층 패턴(300), 버퍼층(40)을 제거한다. 전면전극 패턴(50)을 형성한 후 N-G3의 간격을 두고 N-P3영역의 전면전극 패턴(50), 광흡수층 패턴(300), 버퍼층(40)을 제거하여 분리패턴(320)을 형성한다. N-G3영역의 콘택패턴(310)을 통하여 각 단위셀이 연결된다.
본 발명의 반사층(610)은 N-P3영역의 분리패턴(320) 내에 형성되어 P3영역에 형성하는 경우보다 더 넓은 영역의 반사층(610)을 확보할 수 있게 된다. 넓은 영역의 반사층(610)으로 확보함으로써 빛의 태양전지로의 재입사를 보다 더 잘 유도할 수 있게 되어 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있게 된다. 가령, 도 2에 기재된 내부반사는 본 발명의 반사층(610)에 입사되는 빛을 반사층(610)이 반사하면, 반사층(610)에서 반사되는 빛은 직접 태양전지로 재입사되거나 또는 전면유리(80)에서 다시 반사되어, 빛이 태양전지로 재입사되는 과정을 포함하는 의미로 해석될 수 있다. 본 발명의 반사층(610)은 상술한 내부반사를 통하여 빛의 태양전지로의 재입사를 유도할 수 있다. 이하에서는, 본 발명의 반사층(610)이 내부반사에 대하여 도 3 내지 도 8은 도 2와 같이 도면에 도시하고 있지는 않으나, 통상의 기술자가 명백하게 이해할 수 있는 범위 내에서 도 2와 같이 동일하게 해석될 수 있다.
도 3은 도 2의 반사층의 반사율을 높이기 위한 구조체를 도입한 박막 태양전지 모듈의 단면 구조이다.
본 발명의 반사층(620)은 반사각도를 조절하기 위하여 여러 형태의 구조체로 형성될 수 있다. 가령, 예를 들어 도 3의 반사층 구조체(620)는 원뿔형, 타원형, 원통형, n-각 뿔 구조, 부정형 구조체 등을 들 수 있다. 도 3의 반사층(620)은 다양한 형상의 구조체로 형성되어 내부반사의 반사각도를 조절하여 빛의 태양전지로의 재입사를 유도할 수 있으므로 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 4는 반사층이 형성되지 않은 제1의 박막 태양전지 모듈과는 다른 구조의 제2의 박막 태양전지 모듈의 단면 구조이다.
기판(10) 상에 후면전극을 형성하고 P1'영역의 후면전극을 제거하여 후면전극 패턴(20)을 형성한다. 이 후에 광흡수층 패턴(300), 버퍼층(40)을 형성한 후 G2'간격을 두고 P2'영역의 광흡수층 패턴(300), 버퍼층(40)을 제거한다. 전면전극 패턴(50)을 형성한 후 G3'간격을 두고 P3'영역의 전면전극 패턴(50), 광흡수층 패턴(300), 버퍼층(40)을 제거하여 분리패턴(320)을 형성한다. 콘택패턴(310)을 통하여 각 단위셀이 연결된다.
도 5는 도 4에 반사층을 형성한 박막 태양전지 모듈의 단면 구조이다.
도 5에서 반사층(610)은 도 4의 분리패턴(320) 내에 있는 상부면이 노출되는 후면전극 패턴(20) 상에 형성된다. 또한, 도 5에서 광흡수층 패턴(300)은 후면전극 패턴(20) 및 기판(10)의 상부면이 노출되도록 형성된다. 도 5에서 콘택패턴(310)의 영역에서 도 4의 G3'영역의 전면전극 패턴(50)을 제거하더라도 기판(10) 상의 전면전극 패턴(50)으로 각 단위셀이 연결된다. 따라서, 분리패턴(320)을 도 4의 G3'영역과 P3'영역에 걸쳐서 보다 넓게 형성할 수 있으므로, 분리패턴(320) 사이에 형성되는 도 5의 반사층(610)은 도 4의 P3'영역과 G3'영역에 걸쳐서 형성될 수 있어 보다 더 넓게 형성될 수 있다. 그 결과 보다 넓은 반사층(610)으로 빛의 태양전지로의 재입사를 보다 더 잘 유도할 수 있게 되어 태양전지의 효율을 올릴 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에서 보다 넓은 반사층(610)을 확보하기 위하여 바람직하게는 콘택패턴(310)을 기판(10) 상에 형성하면 분리패턴(320)의 폭은 상부가 노출되는 후면전극 패턴(20)의 폭과 동일할 수 있다. 분리패턴(320) 사이에 형성되는 반사층(610)의 영역은 상부가 노출되는 후면전극 패턴(20) 영역과 동일한 폭으로 형성될 수 있다.
도 6은 도 5의 반사층의 반사율을 높이기 위한 구조체를 도입한 박막 태양전지 모듈의 단면 구조이다.
본 발명의 반사층(620)은 반사각도를 조절하기 위하여 여러 형태의 구조체로 형성될 수 있다. 가령, 예를 들어 도 6의 반사층 구조체(620)는 원뿔형, 타원형, 원통형, n-각 뿔 구조, 부정형 구조체 등을 들 수 있다. 도 6의 반사층(620)은 다양한 형상의 구조체로 형성되어 내부반사의 반사각도를 조절하여 빛의 태양전지로의 재입사를 높일 수 있으므로 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 7은 도 5의 콘택패턴이 반사층인 경우의 박막 태양전지 모듈의 단면 구조이다.
도 7에서 반사층(630)은 전도성을 가진다. 도 7에서 기판(10) 상에 후면전극을 형성하고 도 4의 P1'영역을 제거하여 후면전극 패턴(20)을 형성한다. 이 후에 광흡수층 패턴(300), 버퍼층(40), 전면전극 패턴(50)을 형성한 후 N-G3'간격을 두고 N-P3'영역의 광흡수층 패턴(300), 버퍼층(40)을 제거하여 분리패턴(320)을 형성한다. 이 후 전도성이 있는 반사층(630)을 전면전극 패턴(50)과 후면전극 패턴(20)이 연결되도록 N-P3'영역에 형성할 수 있고, 도 7처럼 N-G3'영역의 일부분을 포함하여 N-P3'영역에 걸쳐 배치하여 콘택패턴(310)을 형성할 수도 있다.
본 발명의 일 예로서 도 7에서는 전도성이 있는 반사층(630)으로 각 단위셀을 연결하는 콘택패턴(310)을 형성할 수 있다. 본 발명의 반사층(630)을 콘택패턴(310) 및 분리패턴(320)을 포함하여 형성함으로써, 도 7의 반사층(630)은 도 5 또는 도 6에서 도시한 반사층(610,620)보다 더 넓은 영역의 반사층(630)을 확보할 수 있다. 그 결과 보다 더 넓은 반사층(630)으로 빛의 태양전지로의 재입사를 보다 더 잘 유도할 수 있게 되어 태양전지의 효율을 올릴 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에서 보다 더 넓은 반사층(630)을 확보하기 위하여 더 바람직하게는, 본 발명의 반사층(630)을 전도성이 있는 물질로 구성하고 콘택패턴(310) 내에 반사층(630)과 같은 물질이 배치되도록 할 수 있다. 본 발명의 반사층(630)을 콘택패턴(310) 및 분리패턴(320) 영역에 걸쳐서 형성함으로써 보다 넓은 반사층(630)을 확보할 수 있다.
결합양상 및 특유효과
본 발명의 박막 태양전지 모듈 기판 상에 서로 이격되어 배치된 복수개의 후면전극 패턴; 후면전극 패턴 상에 전극간 연결을 위한 콘택패턴 및 단위셀로 나누기 위한 분리패턴이 형성된 광흡수층 패턴; 콘택패턴 내에 배치되어 후면전극 패턴과 전기적으로 연결되고, 분리패턴에 의해 이격되어 배치된 전면전극 패턴; 및 모듈의 상부에 배치된 전면유리;를 포함하고, 분리패턴 사이의 반사층;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 반사층은 분리패턴 사이 상부면이 노출되는 후면전극 패턴 상에 형성될 수 있다. 본 발명의 반사층은 내부반사를 통해 빛의 태양전지로의 재입사를 유도하며, 전기생산에 기여하지 못하는 데드 영역 내에서 형성된다. 따라서, 액티브 영역을 감소시키지 않으면서도 데드 영역 내에서 반사층을 넓게 확보하면 빛의 태양전지로의 재입사를 더 잘 유도하여 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서 보다 넓은 반사층을 확보하기 위하여 바람직하게는 콘택패턴을 기판 상에 형성하면 분리패턴의 폭은 상부가 노출되는 후면전극 패턴의 폭과 동일할 수 있다. 분리패턴 사이에 형성되는 반사층의 영역은 상부가 노출되는 후면전극 패턴 영역과 동일한 폭으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 보다 더 넓은 반사층을 확보하기 위하여 더 바람직하게는, 본 발명의 반사층을 전도성이 있는 물질로 구성하고 콘택패턴 내에 반사층과 같은 물질이 배치되도록 할 수 있다. 즉, 본 발명의 반사층을 콘택패턴 및 분리패턴 영역에 걸쳐서 형성함으로써 보다 넓은 반사층을 확보할 수 있다.
본 발명의 박막 태양전지 모듈은 전기생산에 기여하지 못하는 데드 영역에 반사층을 구비함으로써 내부반사를 통한 빛의 태양전지로의 재입사를 유도하게 되므로 보다 높은 단락전류밀도(Jsc)를 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명은 전기생산에 기여하지 못하는 종래 박막 태양전지 모듈의 데드 영역에 반사층을 구비함으로써 박막 태양전지 모듈의 효율성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 반사층은 높은 반사율을 갖는 다양한 금속을 포함할 수 있으며, 경우에 따라서는 굴절률을 고려하여 적어도 하나 이상의 유전체층으로 포함할 수도 있다. 또한, 본 발명의 반사층은 광결정 구조체층을 포함할 수 있다. 한편, 반사층은 데드 영역을 다양한 구조로 변형하여 보다 넓은 반사층을 확보할 수 있다. 또한, 반사층의 구조체는 원뿔형, 타원형, 원통형, n-각 뿔 구조, 부정형 구조체 등 난반사를 높일 수 있는 구조체를 적용할 수 있다. 따라서, 본 발명의 반사층은 박막 태양전지 모듈의 효율성을 향상시킬 수 있고, 동시에 상술한 바와 같이 범용성을 확보한 반사층을 제공할 수 있다.
<본 발명의 박막 태양전지 모듈의 제조방법>
본 발명의 박막 태양전지 모듈의 제조방법은 (a) 기판 상에 서로 이격되어 배치된 복수개의 후면전극 패턴을 형성하는 단계; (b) 상기 후면전극 패턴 상에 전극간 연결을 위한 콘택패턴 및 단위셀로 나누기 위한 분리패턴을 포함하는 광흡수층 패턴을 형성하는 단계; (c) 상기 콘택패턴 내에 배치되어 상기 후면전극 패턴과 전기적으로 연결되고, 상기 분리패턴에 의해 이격되어 배치된 전면전극 패턴을 형성하는 단계; 및 (d) 모듈의 상부에 전면유리를 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 (c)단계 이후, 상기 분리패턴 사이에 반사층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명의 박막 태양전지 모듈의 제조방법의 각 단계에 대하여 상세히 서술한다.
후면전극 패턴을 형성하는 단계
본 발명의 후면전극 패턴을 형성하는 방법은 서로 이격되어 형성되는 것을 전제로 형성 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 후면전극 패턴은 패터닝(Patterning) 공정을 통해서 각 후면전극 패턴이 서로 이격되도록 형성될 수도 있다. 또한, 다른 예로 후면전극 패턴은 이미 형성된 후면전극을 스크라이빙(Scribing) 공정을 통하여 각 후면전극 패턴이 서로 이격하여 형성될 수 있다.
광흡수층 패턴을 형성하는 단계
본 발명의 광흡수층 패턴은 후면전극 패턴 상에 형성된다. 또한, 본 발명의 광흡수층 패턴 상에는 전면전극 패턴이 형성될 수 있다. 또한, 광흡수층 패턴과 전면전극 패턴 사이에는 버퍼층을 더 포함하여 형성될 수 있다. 본 발명의 광흡수층 패턴은 후면전극 패턴 상에 형성될 수 있으며, 형성되는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 광흡수층 패턴은 패터닝 공정을 통하여 형성될 수 있다. 또한, 다른 예로 이미 형성된 광흡수층을 스크라이빙 공정 등을 통하여 부분적으로 제거하여 광흡수층 패턴을 형성할 수도 있다.
본 발명의 광흡수층 패턴은 전극간 연결을 위한 콘택패턴 및 단위셀로 나누기 위한 분리패턴을 포함하여 형성된다. 본 발명의 분리패턴은 각 단위셀의 전면전극 패턴을 서로 이격하여 배치함으로써 각 단위셀을 분리한다. 또한, 본 발명의 분리패턴 사이의 후면전극 상에는 반사층이 형성될 수 있다.
본 발명의 콘택패턴은 후면전극 패턴 상에 형성되어 각 단위셀의 전면전극 패턴과 후면전극 패턴을 전기적으로 연결할 수 있다. 본 발명의 콘택패턴의 일 예로서, 콘택패턴은 도 1을 참조하면 셀 1의 전면전극 패턴과 셀 2의 후면전극 패턴이 접하는 전면전극 패턴일부를 남겨둔 채 나머지 부분을 제거하여 형성될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 예로서, 콘택패턴은 도 7을 참조하면 반사층을 전도성이 있는 물질로 구성하고 콘택패턴에 반사층과 같은 물질을 배치함으로써 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 넓은 반사층을 확보하기 위하여 바람직하게는, 본 발명의 콘택패턴을 기판 상에 형성하면 분리패턴의 폭은 상부가 노출되는 후면전극 패턴의 폭과 동일할 수 있다. 분리패턴 사이에 형성되는 반사층의 영역은 상부가 노출되는 후면전극 패턴 영역과 동일한 폭으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 보다 넓은 반사층을 확보하기 위하여 더 바람직하게는, 본 발명의 반사층을 전도성이 있는 물질로 구성하고 콘택패턴 내에 반사층과 같은 물질이 배치되도록 할 수 있다. 본 발명의 반사층을 콘택패턴 및 분리패턴 영역에 걸쳐서 형성함으로써 보다 넓은 반사층을 확보할 수 있다.
전면전극 패턴을 형성하는 단계
본 발명의 전면전극 패턴은 형성되는 단계는 콘택패턴 내에 배치되어 후면전극 패턴과 전기적으로 연결되고, 분리패턴에 의해 이격되어 배치되는 것을 전제로 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 전면전극 패턴은 패터닝 공정을 통하여 이격되어 배치될 수 있다. 또한, 다른 예로 이미 형성된 전면전극을 스크라이빙 공정을 통하여 이격하여 배치할 수도 있다.
본 발명의 전면전극 패턴은 기판, 후면전극 패턴, 광흡수층 패턴 상에 배치될 수 있다. 본 발명의 전면전극 패턴과 광흡수층 패턴 사이에는 버퍼층을 더 포함할 수 있다.
반사층을 형성하는 단계
본 발명의 반사층은 분리패턴 내에 상부면이 노출되는 후면전극 패턴 상에 형성되는 것을 전제로 형성되는 방법에 대해서 특별히 제한되지 않는다. 가령 예를 들어, 반사층은 CVD(Chemical Vapor Deposition) PVD(Physical Vapor Deposition), 스크린 프린팅 등의 일반적인 증착법을 통하여 형성될 수 있다.
본 발명의 반사층은 분리패턴 내에 상부면이 노출되는 후면전극 패턴 상에 형성될 수 있다. 본 발명의 반사층은 내부반사를 통하여 빛의 태양전지로의 재입사를 유도하며, 전기생산에 기여하지 못하는 데드 영역 내에서 형성된다. 따라서, 액티브 영역을 감소시키지 않으면서도 데드 영역 내에서 반사층을 넓게 확보하면 빛의 태양전지로의 재입사를 더 잘 유도하여 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서 보다 넓은 반사층을 확보하기 위하여 바람직하게는 콘택패턴을 기판 상에 형성하면 분리패턴의 폭은 상부가 노출되는 후면전극 패턴의 폭과 동일할 수 있다. 분리패턴 사이에 형성되는 반사층의 영역은 상부가 노출되는 후면전극 패턴 영역과 동일한 폭으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서 보다 더 넓은 반사층을 확보하기 위하여 더 바람직하게는, 본 발명의 반사층을 전도성이 있는 물질로 구성하고 콘택패턴 내에 반사층과 같은 물질이 배치되도록 할 수 있다. 본 발명의 반사층을 콘택패턴 및 분리패턴 영역에 걸쳐서 형성함으로써 보다 넓은 반사층을 확보할 수 있다.
전면유리를 형성하는 단계
본 발명의 전면유리를 형성하는 단계는 전면유리가 박막 태양전지 모듈 상에서 태양광을 투과할 수 있도록 하면 되고 특별히 제한되지는 않는다.
전면유리는 박막 태양전지 모듈 상에 적층되며, 상부가 노출된 후면전극 패턴, 전면전극 패턴 및 반사층 상에 적층될 수 있다. 또한, 본 발명의 박막 태양전지 모듈을 습기로부터 보호하기 위하여 모듈 표면에 봉지재를 더 포함하는 경우에는, 본 발명의 봉지재 및 전면유리는 박막 태양전지 모듈 상에 봉지재, 전면유리 순으로 차례대로 적층되며, 상부가 노출된 후면전극 패턴, 전면전극 패턴 및 반사층 상에 적층될 수 있다.
{실시예}
이하에서는 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 이는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 제공되는 것으로서, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 본 발명의 사상이 반드시 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 : 박막 태양전지 모듈
(ㄱ)단계 기판(10) 상에 P1영역의 후면전극 패턴(20)을 형성하였다. 기판(10)은 유리기판을 사용하였고, 후면전극 패턴(20)으로는 몰리브덴(Mo)을 사용하였다.
(ㄴ)단계 광흡수층 패턴(300), 버퍼층(40)을 형성한 후 G2간격을 두고 P2영역의 광흡수층 패턴(300), 버퍼층(40)을 제거하여 콘택패턴(310)을 형성하였다. 광흡수층 패턴(300)으로는 구리-인듐-셀레나이드계(CIGS(Cu(In, Ga)Se2) 화합물, 및 황화카드뮴(CdS)로 구성하였다. 버퍼층(40)으로는 i-ZnO을 사용하였다.
(ㄷ)단계 전면전극 패턴(50)을 형성한 후 G3+P3영역의 전면전극 패턴(50), 광흡수층 패턴(300), 버퍼층(40)을 제거하여 분리패턴(320)을 형성하였다. P2영역의 콘택패턴(310)을 통하여 후면전극 패턴(20)과 전면전극 패턴(50)이 연결되었다. 전면전극 패턴(50)으로는 ZnO:Al을 사용하였다.
(ㄹ)단계 반사층은 G3+P3영역에 있는 후면전극 패턴의 몰리브덴(Mo)으로 구성하였다.
비교예 1 : 실시예 1보다 좁은 반사층을 가지는 박막 태양전지 모듈
실시예 1과 동일한 조건에서 제조하되, (ㄷ)단계에서 P3영역의 전면전극 패턴(50), 광흡수층 패턴(300), 버퍼층(40)만을 제거하여 분리패턴(320)을 형성하는 것이 상이하다. (ㄹ)단계의 반사층은 P3영역에 있는 후면전극 패턴의 몰리브덴(Mo)으로 구성하였다.
<실시예 1 및 비교예 1의 평가>
도 8, 9는 각각 실시예 1, 비교예 1의 단면 구조도이다. 도 8,9의 각 P1, G2, P2, G3, P3의 너비는 아래 표 1과 같다.
| 액티브 영역(Active area): 4.5mm 데드 영역(Dead area) : 300㎛ |
|
| Area | width (㎛) |
| P1 | 50 |
| G2 | 70 |
| P2 | 50 |
| G3 | 80 |
| P3 | 50 |
| Total | 300 |
표 1의 액티브 영역(Active area)은 기판(10), 후면전극 패턴(20), 광흡수층 패턴(300), 버퍼층(40), 전면전극 패턴(50)이 순서대로 적층되어 직접적으로 전기생산에 기여하는 영역에 해당되며, 박막 태양전지 모듈에서 단위셀에 해당된다. 도 8,9에서는 각 점선을 기준으로 점선이 굽히는 방향의 부분이 각 단위셀 영역이 된다.또한, 표 1의 데드 영역(Dead area)은 액티브 영역 사이에서 각 단위셀을 연결하기 위하여 공정 등으로 소모되는 모든 영역으로, 전기생산에 기여하지 못한다. 실시예 1, 비교예 1에서는 도 8,9를 참조하면 P1, G2, P2, G3, P3의 영역이 데드 영역에 해당된다.
도 10은 실시예 1, 비교예 1의 빛 입사각도(degree)에 따른 각 전류밀도(mA/cm2)의 변화를 나타내는 그래프이다. 가로축은 입사각도(angle of incidence)로서 단위는 degree(°)이다. 세로축은 단락전류밀도(Short Circuit current, Jsc)로서 단위는 mA/cm2이다. 한편, 도 10의 각 결과값은 Silvaco사의 ATLAS프로그램을 이용하여 계산하였으며, 광학 영향을 반영하기 위하여 전달 매트릭스법(transfer matrix method)를 적용하였다.
실시예 1 및 비교예 1의 각 결과값은 아래 표 2와 같다.
| 입사각도(°) | 비교예 1 전류밀도(mA/cm2) |
실시예 1 전류밀도(mA/cm2) |
전류이득 (mA/cm2) |
| 90 | 20.66 | 20.64 | -0.02 |
| 85 | 22.77 | 22.90 | +0.13 |
| 80 | 19.97 | 20.10 | +0.13 |
| 75 | 18.56 | 18.65 | +0.09 |
| 70 | 17.85 | 17.92 | +0.07 |
실시예 1은 비교예 1에 비하여 G3영역을 반사층으로 더 구성함으로써 비교예 1보다 더 반사층에서 반사되는 빛이 직접 태양전지에 재입사되어 태양전지의 전기적 특성이 향상된다. 표 2를 참조하면, 입사각도가 90°일 때는 반사각도가 90°여서 재입사가 어려우나, 입사각도 85°일때는 전류이득이 +0.13mA/cm2이 된다. 입사각도가 80°일때는 전류이득이 +0.13mA/cm2이 된다. 입사각도가 75°일때는 전류이득이 +0.09mA/cm2이 된다. 입사각도가 70°일때는 전류이득이 +0.07mA/cm2이 된다.비교예 1은 P3영역을 반사층으로 구성하여 50㎛ 너비의 반사층을 가진다. 실시예 1은 P3뿐 아니라 G3영역을 추가로 제거하여 P3+G3 영역을 반사층으로 구성한다. 그 결과 실시예 1은 총 130㎛너비의 반사층을 가진다. 표 2의 결과를 해석하면 실시예 1은 비교예 1에 비하여 보다 넓은 반사층을 구비하는 차이가 있으며, 빛의 입사각도가 70~85°에서 실시예 1은 비교예 1에 비하여 양의 전류이득(mA/cm2)을 가지게 된다. 즉, 본 발명의 반사층으로 태양전지의 전기적 특성이 향상되는 것을 알 수 있다.
또한, 실시예 1의 반사층을 구성하는 몰리브덴(Mo)을 반사도가 높은 금속인 은(Ag), 알루미늄(Al), 주석(Sn) 등과 같은 금속을 사용하는 경우 보다 높은 전류이득(mA/cm2)을 얻을 수 있다.
또한, 실시예 1의 P2 영역을 각 단위셀을 연결하는 콘택패턴을 일부 남겨둔채 제거하여 넓은 반사층을 확보할 수 있다.
또한, 실시예1의 콘택패턴(310)의 전면전극 패턴을 함께 제거하고, 반사층을 P2+P3+G3영역에 걸쳐 형성한다면 보다 넓은 반사층을 확보할 수 있어 높은 전류이득(mA/cm2)을 얻을 수 있다. 다만, 이 경우 각 단위셀을 전기적으로 연결하기 위하여 반사층은 전도성이 있는 물질인 은(Ag), 알루미늄(Al), 주석(Sn) 등과 같은 금속을 사용한다.
또한, 실시예 1의 반사층을 구성하는 물질의 구조를 원뿔형, 타원형, 원통형, n-각 뿔 구조, 부정형 구조체 등으로 난반사를 높일 수 있는 여러 구조체를 이용하는 경우 보다 높은 전류이득(mA/cm2)을 얻을 수 있다.
또한, 실시예 1의 박막 태양전지 모듈 상에 봉지재와 전면유리를 순서대로 적층하는 경우, 반사층에서 반사되는 빛이 직접 태양전지에 재입사될 수 있고, 또한 전면유리에 재반사되어 태양전지로 재입사될 수 있다. 따라서, 실시예 1의 박막 태양전지 모듈 상에 봉지재와 전면유리가 순서대로 적층되면 빛의 태양전지로의 재입사를 더 잘 유도할 수 있게 되어 보다 높은 전류이득(mA/cm2)을 얻을 수 있다.
실시예 1로부터 본 발명의 박막 태양전지 모듈은 전기생산에 기여하지 못하는 데드 영역에 반사층을 구비함으로써 보다 높은 단락전류밀도(Jsc)를 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명의 특장점 중 하나는 전기생산에 기여하지 못하는 종래의 박막 태양전지 모듈의 데드 영역에 반사층을 구비함으로써 박막 태양전지 모듈의 전기적 특성을 효율적으로 향상시킬 수 있다.
본 발명의 반사층은 높은 반사율을 갖는 다양한 금속으로 구성될 수 있으며, 경우에 따라서는 굴절률을 고려하여 적어도 하나 이상의 유전체층을 포함할 수도 있다. 또한, 본 발명의 반사층은 광결정 구조체층을 포함할 수 있다. 한편, 반사층은 데드 영역을 다양한 구조로 변형하여 보다 넓은 반사층을 확보할 수 있다. 또한, 반사층의 구조체는 원뿔형, 타원형, 원통형, n-각 뿔 구조, 부정형 구조체 등 난반사를 높일 수 있는 구조체를 적용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 범용성을 갖춘 반사층을 제공하는바, 종래의 박막 태양전지 모듈에도 적용이 가능하다.
10 : 기판
20 : 후면전극 패턴
300 : 광흡수층 패턴
310 : 콘택패턴
320 : 분리패턴
40 : 버퍼층
50 : 전면전극 패턴
610 : 반사층
620 : 여러 구조의 반사층
630 : 전도성을 가지는 반사층
70 : 봉지재
80 : 전면유리
20 : 후면전극 패턴
300 : 광흡수층 패턴
310 : 콘택패턴
320 : 분리패턴
40 : 버퍼층
50 : 전면전극 패턴
610 : 반사층
620 : 여러 구조의 반사층
630 : 전도성을 가지는 반사층
70 : 봉지재
80 : 전면유리
Claims (12)
- 기판 상에 서로 이격되어 배치된 복수개의 후면전극 패턴;
상기 후면전극 패턴 상에 전극간 연결을 위한 콘택패턴 및 단위셀로 나누기 위한 분리패턴이 형성된 광흡수층 패턴;
상기 콘택패턴 내에 배치되어 상기 후면전극 패턴과 전기적으로 연결되고, 상기 분리패턴에 의해 이격되어 배치된 전면전극 패턴;
모듈의 상부에 배치된 전면유리; 및
상기 분리패턴 사이에서 상기 전면전극 패턴과 이격되어 상기 후면전극 패턴 중 상부면이 노출되는 후면전극 패턴 상에 형성되는 반사층;을 포함하고,
상기 반사층의 두께는 상기 광흡수층 패턴의 두께 범위 이내이고,
상기 반사층은 전도성 물질을 포함하고, 상기 콘택패턴 내에 상기 반사층과 같은 전도성 물질을 배치하여, 상기 반사층이 상기 콘택패턴 및 상기 분리패턴 영역에 걸쳐서 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈.
- 제1항에 있어서,
상기 콘택패턴은 상기 기판 상에 형성되고, 상기 분리패턴의 폭이 상부가 노출되는 상기 후면전극 패턴의 폭과 동일한 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 반사층은 적어도 하나 이상의 유전체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 반사층은 은, 알루미늄, 주석, 텅스텐, 니켈, 크롬, 몰리브덴 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈.
- 제4항에 있어서,
상기 반사층은 상기 분리패턴과 가까운 단위셀로부터 10㎛ 이상 20㎛ 이하의 간격으로 이격하여 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈.
- 삭제
- (a) 기판 상에 서로 이격되어 배치된 복수개의 후면전극 패턴을 형성하는 단계;
(b) 상기 후면전극 패턴 상에 전극간 연결을 위한 콘택패턴 및 단위셀로 나누기 위한 분리패턴을 포함하는 광흡수층 패턴을 형성하는 단계;
(c) 상기 콘택패턴 내에 배치되어 상기 후면전극 패턴과 전기적으로 연결되고, 상기 분리패턴에 의해 이격되어 배치된 전면전극 패턴을 형성하는 단계;
(d) 상기 분리패턴 사이에서 상기 전면전극 패턴과 이격하여 상기 후면전극 패턴 중 상부면이 노출되는 후면전극 패턴 상에 반사층을 형성하는 단계; 및
(e)모듈의 상부에 전면유리를 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 반사층의 두께는 상기 광흡수층 패턴의 두께 범위 이내이고,
상기 반사층은 전도성 물질을 포함하고, 상기 콘택패턴 내에 상기 반사층과 같은 전도성 물질을 배치하여, 상기 반사층이 상기 콘택패턴 및 상기 분리패턴 영역에 걸쳐서 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈의 제조방법.
- 제7항에 있어서,
상기 콘택패턴은 상기 기판 상에 형성되고, 상기 분리패턴의 폭이 상부가 노출되는 상기 후면전극 패턴의 폭과 동일한 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈의 제조방법.
- 제7항 또는 제8항에 있어서,
상기 반사층은 적어도 하나 이상의 유전체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈의 제조방법.
- 제7항 또는 제8항에 있어서,
상기 반사층은 은, 알루미늄, 주석, 텅스텐, 니켈, 크롬, 몰리브덴 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈의 제조방법.
- 제10항에 있어서,
상기 반사층은 상기 분리패턴과 가까운 단위셀로부터 10㎛ 이상 20㎛ 이하의 간격으로 이격하여 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈의 제조방법.
- 삭제
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| KR1020180068235A KR102107798B1 (ko) | 2018-06-14 | 2018-06-14 | 박막 태양전지 모듈 및 그 제조방법 |
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