KR102444650B1 - 양면 수광형 태양전지 모듈의 제조방법 및 이를 통해 제조한 양면 수광형 태양전지 모듈 - Google Patents
양면 수광형 태양전지 모듈의 제조방법 및 이를 통해 제조한 양면 수광형 태양전지 모듈 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 일 관점에 따르면, OMO 구조를 갖는 투명전극층을 구비하는 양면 수광형 태양전지 모듈의 제조방법이 제공된다. 상기 모듈의 제조방법은 기판 상에 제 1 투명전극층을 형성하는 단계; 상기 제 1 투명전극층의 적어도 어느 일부를 제거하여, 상기 제 1 투명전극층을 오프셋하여 스트립 형태로 분할하는 P1 스크라이빙 패턴을 형성하는 단계; 상기 제 1 투명전극층 상에 광전변환층을 형성하는 단계; 상기 광전변환층의 적어도 어느 일부를 제거하되, 상기 P1 스크라이빙 패턴을 기준으로 오프셋하여 스트립 형태로 분할하는 P2 스크라이빙 패턴을 형성하는 단계; 상기 광전변환층 상에 제 2 투명전극층을 형성하는 단계; 및 상기 광전변환층과 상기 제 2 투명전극층의 어느 일부를 제거하되, 상기 P2 스크라이빙 패턴을 기준으로 오프셋하여 스트립 형태로 분할하는 P3 스크라이빙 패턴을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 제 2 투명전극층을 형성하는 단계는, 상기 광전변환층 상에 제 1 산화물 박막, 은(Ag) 혹은 산화은(AgOx) 박막 및 제 2 산화물 박막을 순차적으로 형성하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 양면 수광형 태양전지 모듈의 제조방법에 대한 것으로서, 더 상세하게는 BIPV(building-integrated photovoltaic) 시스템에 적용 가능하도록 OMO 구조를 갖는 투명전극층을 사용하여 개선된 투과성을 갖는 양면 수광형 태양전지 모듈의 제조방법 및 이를 통해 제조한 양면 수광형 태양전지 모듈에 관한 것이다.
BIPV(Building-Integrated Photovoltaic) 시스템은 주거 건물에 전력을 공급하며 환경 보호를 촉진하고 화석 연료 에너지 사용을 줄이는 데 가장 유망한 건물 관련 기술 중 하나이다. 특히, 최근 건물의 주요 외관 구성 요소를 형성하기 때문에 BIPV 창의 광학적 및 열적 특성을 향상시키는 데 관심을 기울이고 있다. BIPV 창으로 사용하기 위한 대표적인 투명한 태양전지 모듈은 염료감응형 태양전지, 유기 태양전지 등이 있다. 그러나 이들 태양전지는 장기간 작동시 열악한 신뢰성과 관련된 문제를 극복해야하는 문제점이 있다.
또한, 반투명 태양 전지의 성능을 향상시키기 위해서는 투명성이 높고 전도성이 우수한 전극이 필요하다. 가장 일반적으로 투명한 전도성 전극으로 사용되는 투명한 전도성 산화물(TCOs)은 전도도를 향상시키기 위해 어닐링(annealing) 공정을 거쳐 약 300℃ 이상의 온도에서 스퍼터링 방법을 사용하여 제조된다. 그러나, 비정질 실리콘 태양전지 모듈의 경우, 하부 실리콘을 열화시키고, 실리콘과 전면 접촉부 사이의 계면에서 바람직하지 않은 균열을 유도할 수 있다.
최근, 탄소나노튜브, 그래핀 및 은(Ag) 나노와이어 등과 같은 새로운 전극 물질에 대한 개발이 진행중이다. 탄소 기반의 전극은 일반적으로 면저항(Rsq)이 다른 투명 전도성 전극보다 몇 배나 높으며, 은 나노와이어는 높은 투과율과 낮은 면저항을 갖지만, 은 재료 자체의 부식 문제로 인해 장기간 안정된 전기 전도성을 갖지 못한다.
한편, OMO 구조를 이용하여 투명전극층을 제조하는 기술도 개발되고 있다. 여기서, 산화물 박막층 사이에 개재된 메탈 재료로서, 은(Ag)을 기반으로 하는 OMO 구조를 개발하고 있으나, OMO 구조에서의 두꺼운 은(Ag) 박막은 가시광선 및 근적외선 파장 대역에서의 반사율 증가로 인해, OMO 구조 전체의 투과율을 저하시킨다. 또, 아일랜드(island) 모양으로 거친 표면을 형성하는 얇은 은(Ag) 박막을 구현하더라도 OMO 구조 전체의 투과율과 전기전도도를 저하시킨다.
종래의 BIPV 시스템에 적용되는 태양전지 모듈은 장기간 작동시 열악한 신뢰성과 관련된 문제를 극복해야 하며, 투명성이 높고 전도성이 우수한 새로운 형태의 전극의 개발이 필요한 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 산화은 투명 전극을 사용하여 개선된 투과성을 갖는 양면 수광형 태양전지 모듈 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 양면 수광형 태양전지 모듈의 제조방법을 제공한다.
상기 양면 수광형 태양전지 모듈의 제조방법은 기판 상에 제 1 투명전극층을 형성하는 단계; 상기 제 1 투명전극층의 적어도 어느 일부를 제거하여, 상기 제 1 투명전극층을 오프셋하여 스트립 형태로 분할하는 P1 스크라이빙 패턴을 형성하는 단계; 상기 제 1 투명전극층 상에 광전변환층을 형성하는 단계; 상기 광전변환층의 적어도 어느 일부를 제거하되, 상기 P1 스크라이빙 패턴을 기준으로 오프셋하여 스트립 형태로 분할하는 P2 스크라이빙 패턴을 형성하는 단계; 상기 광전변환층 상에 제 2 투명전극층을 형성하는 단계; 및 상기 광전변환층과 상기 제 2 투명전극층의 어느 일부를 제거하되, 상기 P2 스크라이빙 패턴을 기준으로 오프셋하여 스트립 형태로 분할하는 P3 스크라이빙 패턴을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 제 2 투명전극층을 형성하는 단계는, 상기 광전변환층 상에 제 1 산화물 박막, 은(Ag) 혹은 산화은(AgOx) 박막 및 제 2 산화물 박막을 순차적으로 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 양면 수광형 태양전지 모듈의 제조방법에 있어서, 상기 광전변환층을 형성하는 단계는, PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)를 이용하여 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H) 박막층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 양면 수광형 태양전지 모듈의 제조방법에 있어서, 상기 광전변환층을 형성하는 단계는, P형 반도체층, I형 반도체층 및 N형 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 양면 수광형 태양전지 모듈의 제조방법에 있어서, 상기 N형 반도체층은 상기 제 1 산화물 박막의 하부면과 접촉할 수 있다.
상기 양면 수광형 태양전지 모듈의 제조방법에 있어서, 상기 I형 반도체층은 300㎚ 내지 400㎚의 두께 범위를 가질 수 있다.
상기 양면 수광형 태양전지 모듈의 제조방법에 있어서, 상기 제 1 투명전극층의 표면은 텍스처링(texturing) 될 수 있다.
상기 양면 수광형 태양전지 모듈의 제조방법에 있어서, 상기 P3 스크라이빙 패턴을 형성하는 단계는, 1.0W 내지 1.8W의 파워를 갖는 레이저를 이용하여 상기 광전변환층과 상기 제 2 투명전극층에 패터닝을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 양면 수광형 태양전지 모듈의 제조방법에 있어서, 상기 P2 스크라이빙 패턴을 형성하는 단계는, 1.2W 내지 2.0W의 파워를 갖는 레이저를 이용하여 상기 광전변환층에 패터닝을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 양면 수광형 태양전지 모듈의 제조방법에 있어서, 상기 모듈은 복수개의 셀을 포함하며, 셀 폭은 4㎜ 내지 6㎜의 범위를 가질 수 있다.
한편, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 관점에 따르면, 상술한 제조방법 중 어느 하나를 이용하여 구현된 양면 수광형 태양전지 모듈을 제공한다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 실시예에 따르면, 비독성이며, 대면적으로 제조가 가능하고, 장시간 가동시에도 신뢰성이 우수하고, 투과도 및 전기전도성이 우수한 산화은 투명 전극을 사용하여 개선된 투과성을 갖는 양면 수광형 태양전지 모듈의 제조방법을 제공할 수 있으며, 상기 제조방법에 의해 구현된 양면 수광형 태양전지 모듈을 제공할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 수광형 태양전지의 구조를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 수광형 태양전지 모듈의 구조 및 등가회로 구조를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 I형 반도체층의 두께별 양면 수광형 태양전지 모듈의 외부양자효율, 투과도, 반사율 및 흡수율을 측정한 결과와 시뮬레이션 결과를 정리한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실험예에 따른 양면 수광형 태양전지 샘플의 I형 반도체층 두께별 태양전지 특성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실험예에 따른 양면 수광형 태양전지 모듈의 레이저 패터닝 결과를 광학현미경 및 집속이온빔 주사전자현미경으로 분석한 결과이다.
도 7은 본 발명의 실험예에 따른 양면 수광형 태양전지 모듈 샘플의 P3 스크라이빙 패터닝의 레이저 파워에 따른 광전변환효율 및 션트저항(Rsh)을 측정한 결과를 보여주는 결과이다.
도 8은 본 발명의 실험예에 따른 양면 수광형 태양전지 모듈의 셀 폭의 크기별 태양전지 특성을 측정한 결과이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 수광형 태양전지 모듈의 구조 및 등가회로 구조를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 I형 반도체층의 두께별 양면 수광형 태양전지 모듈의 외부양자효율, 투과도, 반사율 및 흡수율을 측정한 결과와 시뮬레이션 결과를 정리한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실험예에 따른 양면 수광형 태양전지 샘플의 I형 반도체층 두께별 태양전지 특성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실험예에 따른 양면 수광형 태양전지 모듈의 레이저 패터닝 결과를 광학현미경 및 집속이온빔 주사전자현미경으로 분석한 결과이다.
도 7은 본 발명의 실험예에 따른 양면 수광형 태양전지 모듈 샘플의 P3 스크라이빙 패터닝의 레이저 파워에 따른 광전변환효율 및 션트저항(Rsh)을 측정한 결과를 보여주는 결과이다.
도 8은 본 발명의 실험예에 따른 양면 수광형 태양전지 모듈의 셀 폭의 크기별 태양전지 특성을 측정한 결과이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 수광형 태양전지에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 수광형 태양전지의 구조를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 양면 수광형 태양전지(100)는 기판(40) 상에 제 1 투명전극층(10), 광전변환층(20) 및 제 2 투명전극층(30)이 순차적으로 적층된 구조를 포함한다. 여기서, 광전변환층(20)은 예를 들어, 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H) 박막층을 포함할 수 있다. 상기 수소화된 비정질 실리콘은 비독성 물질로서, 대면적으로 제조가 가능하고, 신뢰성이 우수한 이점이 있다.
기판(40)은 예를 들면, 일반적으로 유리를 사용하나, PET 등과 같이 투명한 재질이면 모두 사용 가능하다. 기판(40) 상에 형성되는 제 1 투명전극층(10)은 예를 들어, ITO(Indium Tin Oxide), FTO(Flourine doped Tin Oxide) 등과 같은 투명한 전도성 산화물을 사용할 수 있다. 제 1 투명전극층(10)으로서 상기 투명한 전도성 산화물을 사용하되, 제 1 투명전극층(10)이 구조적으로 단단한 재료일 경우, 즉, BIPV용으로서, 외부의 충격 등에 강한 재질일 경우, 기판(40) 없이 제 1 투명전극층(10) 자체를 전극과 기판용도로 사용할 수 있다.
제 1 투명전극층(10)의 상부 표면의 적어도 일부는 텍스처링(texturing) 된 것을 사용할 수 있다. 상기 텍스처링은 결정질 실리콘 태양전지에서 사용되는 방식을 이용할 수 있으며, 상기 텍스처링 구조에 따라 빛의 반사율 및 굴절율을 제어함으로써 보다 높은 광전변환효율을 만족할 수 있다.
스퍼터링 방식, 전자빔 방식, 이온 플레이팅 방식, 스크린 인쇄 방식 또는 화학적 기상 증착(CVD) 방식, 스프레이 열분해 방식(SPD), 피로졸법 등과 같은 증착 방식 중 어느 하나를 사용하여 기판(40) 상에 제 1 투명전극층(10)을 증착할 수 있다. 이후에, 제 1 투명전극층(10)의 상부 표면의 적어도 일부는 텍스처링(texturing) 할 수 있다. 상기 증착 방식들은 기공지된 기술들로서 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
광전변환층(20)은 예를 들어, PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)을 이용하여 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H) 박막층을 제 1 투명전극층(10) 상에 형성할 수 있다. 여기서, 광전변환층(20)은 제 1 투명전극층(10)의 표면 구조에 의해 같은 형태의 박막층으로 형성될 수 있다.
광전변환층(20)은 P형 반도체층(22), I형 반도체층(24) 및 N형 반도체층(26)을 포함한다. 예컨대, 수소화된 비정질 실리콘은 P형 또는 N형의 도전형 제어가 가능하다. 그러므로 상기 수소화된 비정질 실리콘을 P형과 N형으로 제조하여 PN 접합 구조를 형성할 수 있다. 그러나, 비정질 반도체이기 때문에 캐리어 이동도가 작고, 재결합 수명이 짧기 때문에 소수 캐리어의 확산 길이는 약 0.1㎛ 내지 1㎛이고, 확산만을 이용하는 PN 접합 구조에서는 충분한 광시전력효과를 기대할 수 없다.
따라서, PN 접합 구조 사이에 약 0.5㎛ 두께의 I형 반도체층(24)을 개재하여 PIN 접합 구조로 형성한다. I형 반도체층(24)은 고저항을 가지며, I형 반도체층(24)에 가해지는 내부전계에 의해 빛에 따라 생성된 전자와 정공을 빠르게 각각 P형 반도체층(22)과 N형 반도체층(26)으로 유입시킨다. I형 반도체층(24)은 예를 들어, 300㎚ 내지 400㎚의 두께 범위를 가질 수 있다. 만약, I형 반도체층(24)의 두께가 300㎚ 미만일 경우, 충분한 광시전력효과를 기대할 수 없다. 반면, I형 반도체층(24)의 두께가 400㎚ 초과일 경우, P형 반도체층(22) 및 N형 반도체층(26) 사이의 거리가 너무 멀어져 상기 효과를 얻을 수 없다.
또한, 수소화된 비정질 실리콘에서는 원자배열의 장거리 질서가 없으므로 광학천이시 파수보존이 필요 없다. 그러므로 간접천이형에서 파수보존을 위해서 포논의 도움이 필요한 결정질 실리콘 대비, 흡수단의 고에너지축에서 큰 흡수계수를 가지므로 약 0.5㎛의 두께정도로 얇은 광전변환층(20)을 형성할 수 있다.
P형 반도체층(22)의 하부면은 제 1 투명전극층(10)의 상면과 접하고, N형 반도체층(26)의 상부면은 제 2 투명전극층(30)의 하면과 접한다. 여기서, P형 반도체층(22) 및 N형 반도체층(26)과 접촉하는 투명전극층의 종류는 제조과정에 따라 서로 달라질 수도 있다.
제 2 투명전극층(30)은 산화물-금속-산화물(Oxide-Metal-Oxide, 이하 OMO 구조) 적층구조를 가지며, 제 1 산화물 박막(32), 은(Ag) 혹은 산화은(AgOx) 박막(34) 및 제 2 산화물 박막(36)이 순서대로 적층된 형태일 수 있다. 투명한 전도성 산화물층 사이에 높은 전도성을 가진 금속 박막을 가진 다층 전극을 삽입한 OMO 구조는 기존 전극의 형성 대비 상대적으로 저온 공정을 이용하여 제작할 수 있다. 여기서, 제 1 산화물 박막(32) 및 제 2 산화물 박막(36)은 예를 들어, AZO(Al doped Zinc Oxide), ITO(Indium Tin Oxide), GZO(Ga doped Zinc Oxide) 등의 투명 전도성 산화물 재료 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 제 1 산화물 박막(32) 및 제 2 산화물 박막(36) 사이에 개재되는 금속 박막층은 제 1 산화물 박막(32) 및 제 2 산화물 박막(36)의 재료에 따라 은(Ag) 혹은 산화은(AgOx) 박막을 선택적으로 사용할 수 있다.
이하에서, AZO/AgOx/AZO 전극 구조체를 구비하는 제 2 투명전극층(30)을 형성하는 방법을 예시적으로 설명한다.
제 2 투명전극층(30)은 예를 들어, 스퍼터링 방식을 이용하여 형성할 수 있다. 먼저, 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO) 타겟을 이용하여 광전변환층(20) 상에 제 1 AZO 박막(32)을 형성하는 단계, 은(Ag) 타겟을 이용하여 제 1 AZO 박막(32) 상에 산화은(AgOx) 박막(34)을 형성하는 단계 및 알루미늄이 도핑된 산화아연(AZO) 타겟을 이용하여 산화은(AgOx) 박막(34) 상에 제 2 AZO 박막(36)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 스퍼터링 방식은, 챔버 내에 공정가스를 공급하고, 은(Ag) 타겟에 고전압을 인가함으로써 광전변환층(20) 상에 산화은(AgOx) 박막(34)을 증착하는 단계를 포함하되, 상기 공정가스로 불활성가스 및 산소가스를 혼합한 혼합가스를 사용하되, 상기 공정가스 내 상기 산소가스의 분압은 5% 내지 20%일 수 있다. 여기서, 상기 불활성가스는 아르곤, 질소 또는 이들의 혼합가스를 포함한다.
한편, 상기 공정가스 내 산소가스의 분압은 5% 내지 20%의 범위에서 제어되어 산화은 박막(34)을 형성할 수 있으나, 제 1 AZO 박막(32), 제 2 AZO 박막(36)의 두께에 따라서 산화은 박막(34)의 두께가 제어될 수 있고, 산소가스의 분압에 의해 전도도 및 투과도가 각각 변화하게 된다. 따라서, 공정가스 내 산소가스의 분압은 제 2 투명전극층(30)을 구성하는 다층 박막들의 두께에 따라 조절되며, 바람직하게는 10% 내지 15%일 수 있으며, 더 바람직하게는 11% 내지 14%의 범위일 수 있다.
제 1 AZO 박막(32) 및 제 2 AZO 박막(36)은 알루미늄(Al)이 도핑된 산화아연(Zinc Oxide) 박막(AZO)으로서, 경우에 따라 전면전극층으로 사용된 제 1 투명전극층(10)과 동일한 재료를 사용할 수도 있다.
산화은 박막(34)은 예를 들어, 금속 중에서 가장 작은 저항성을 갖는 은(Ag)을 사용하되, 순수한 은(Ag)이 아닌 소정 량의 산소가 도핑된 은(Ag)을 포함한다. 이를 AgOx로 표현할 수 있으며, 상기 AgOx에서 x는 임의의 실수로서, 산소의 함유량에 따라 달라진다.
한편, OMO 구조를 갖는 제 2 투명전극층(30)의 전도도와 투과율은 제 1 산화물 박막(32), 은(Ag) 혹은 산화은(AgOx) 박막(34) 및 제 2 산화물 박막(36)의 두께로 결정된다.
일반적으로, 은(Ag)은 입자 성장 초기에 은 금속 원자가 별개의 섬으로 형성된다. 그러나 특정 임계 두께에서, 전기 저항 및 광흡수는 은(Ag) 박막의 두께 감소와 함께 급격하게 증가한다. 예를 들면, 이 임계 두께보다 크면 은(Ag) 박막의 두께에 따라 전기 저항이 감소하는 반면, 가시광 및 근적외선 영역에서 은(Ag) 박막의 강한 반사 때문에 투과율이 급격히 떨어질 수 있다.
이를 해결하기 위해서, 본 발명에서는 은(Ag) 박막 내에 산소(Oxygen) 성분을 도핑함으로써, 전기적 특성의 큰 손실이 없이 가시광 파장 대역에서의 투과율을 향상시켰다. 예를 들어, 제 2 투명전극층(30)의 면저항은 6.5Ω/□ 내지 7.1Ω/□의 범위를 가질 수 있으며, 400㎚ 내지 800㎚ 범위의 파장 대역에서 86% 내지 90% 이상의 투과율을 가질 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 수광형 태양전지 모듈의 구조 및 등가회로 구조를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양면 수광형 태양전지 모듈(1000)은 도 1에 도시된 양면 수광형 태양전지(100)와 동일한 방식으로 제조하되, 복수개의 셀을 포함하도록 레이저 패터닝을 수행할 수 있다. 이하에서, 도 1을 다시 참조하여, 양면 수광형 태양전지 모듈(1000)을 제조하는 방법에 대해서 구체적으로 설명하고자 한다.
먼저, 기판(40) 상에 제 1 투명전극층(10)을 형성할 수 있다. 이후에 제 1 투명전극층(10)의 적어도 어느 일부를 제거하여, 제 1 투명전극층(10)을 오프셋하여 스트립 형태로 분할하는 P1 스크라이빙 패턴을 형성할 수 있다. P1 스크라이빙 패턴에 의해 제 1 투명전극층(10)을 각각의 셀들이 서로 절연된다.
P1 스크라이빙 패턴이 형성된 제 1 투명전극층(10) 상에 광전변환층(20)을 형성할 수 있다. 광전변환층(20)으로서, PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)을 이용하여 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H) 박막층을 제 1 투명전극층(10) 상에 증착한다. 이후에 광전변환층(20)의 적어도 어느 일부를 제거하되, P1 스크라이빙 패턴을 기준으로 오프셋하여 스트립 형태로 분할하는 P2 스크라이빙 패턴을 형성할 수 있다.
P2 스크라이빙 패턴이 형성된 광전변환층(20) 상에 제 2 투명전극층(30)을 형성할 수 있다. 제 2 투명전극층(30)으로서, DC 스퍼터링(DC Sputtering))을 이용하여 제 1 AZO 박막, 산화은(AgOx) 박막 및 제 2 AZO 박막을 광전변환층(20) 상에 순차적으로 증착한다. 이후에 광전변환층(20)과 제 2 투명전극층(30)의 어느 일부를 제거하되, P2 스크라이빙 패턴을 기준으로 오프셋하여 스트립 형태로 분할하는 P3 스크라이빙 패턴을 형성할 수 있다.
한편, 양면 수광형 태양전지 모듈(1000)은 레이저 패터닝을 통해서, 복수개의 셀을 포함한다. 여기서, 셀 폭(Cell width)은 액티브 영역(Active area) 및 데드 영역(Dead area)을 포함하며, 하나의 셀의 P3 스크라이빙 패턴으로부터 인접한 다른 셀의 P1 스크라이빙 패턴까지의 거리를 의미한다. 각 셀 폭은 4㎜ 내지 6㎜의 범위를 갖는다. 만약, 셀 폭이 4㎜ 미만일 경우, 단락전류가 낮아질 가능성이 높다. 반면, 셀 폭이 6㎜ 초과일 경우, 단락전류는 높아질 수 있으나, 개방전압이 낮아질 가능성이 높다.
셀 폭에 따라 양면 수광형 태양전지 모듈(1000)의 효율에 영향을 미치기 때문에, P2 스크라이빙 패턴 및 P3 스크라이빙 패턴 형성 공정은 매우 중요한 요소이다. P2 스크라이빙 패턴은 광전변환층(20)의 일부를 제거하는 것으로써, 레이저의 파워에 따라 광전변환층(20)의 구조가 손상될 수 있다. 따라서, 1.2W 내지 2.0W의 파워를 갖는 레이저를 이용하여 광전변환층(20)에 패터닝을 수행함으로써, P2 스크라이빙 패턴을 형성할 수 있다.
만약, 레이저의 파워가 1.2W 미만일 경우, 광전변환층(20)을 완전히 제거할 수 없게 될 수 있다. 반면, 레이저의 파워가 2.0W 초과일 경우, 광전변환층(20) 제거시 불필요한 부분까지 손상시켜 전류 흐름에 영향을 미칠 수 있다.
또한, P3 스크라이빙 패턴은 광전변환층(20) 및 제 2 투명전극층(30)의 일부를 제거하는 것으로써, 레이저의 파워에 따라 광전변환층(20) 및 제 2 투명전극층(30)의 구조가 손상될 수 있다. 따라서, 1.0W 내지 1.8W의 파워를 갖는 레이저를 이용하여 광전변환층(20) 및 제 2 투명전극층(30)에 패터닝을 수행함으로써, P3 스크라이빙 패턴을 형성할 수 있다.
만약, 레이저의 파워가 1.0W 미만일 경우, 광전변환층(20)을 완전히 제거할 수 없게 될 수 있다. 반면, 레이저의 파워가 1.8W 초과일 경우, 제 2 투명전극층(30) 제거시 불필요한 부분까지 손상시킬 수 있으며, 제 1 투명전극층(10)의 일부도 손상되어 전류 흐름에 영향을 미칠 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 실험예들을 설명한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험예들만으로 한정되는 것은 아니다.
<실험예>
먼저, 통상적인 50㎜ × 50㎜ 크기의 유리 기판 상에 약 600㎚ 두께의 FTO(fluorine-doped tin oxide) 박막(면저항 8Ω/□)을 형성하였다. 이때, FTO 박막의 표면은 텍스처링(texturing) 되었다. 이후에 유리 기판에서 FTO 박막쪽으로 레이저를 조사하여 P1 스크라이빙 패턴을 수행하였다.
P1 스크라이빙 패턴이 형성된 FTO 박막 상에 PECVD 방식을 이용하여 약 250℃의 온도에서 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H) 박막을 PIN 접합 구조로 합성하였다. 수소화된 비정질 실리콘 박막은 다중 챔버 클러스터 시스템에서 수행되었으며, P형의 수소화된 비정질 실리콘 박막층은 B2H6, PH3 및 CO2의 도판트 가스의 혼합물로 증착되었다. I형의 수소화된 비정질 실리콘 박막층(이하에서, I형 반도체층이라 함)은 40.68㎒ 및 30W의 매우 높은 주파수 조건에서 H2로 희석된 SiH4 소스가스를 사용하여 증착되었다. 이후에 N형의 SiOx 박막층은 P형의 수소화된 비정질 실리콘 박막층을 형성하는 것과 동일한 가스의 혼합물로 증착되었다.
상기 수소화된 비정질 실리콘 박막에 레이저를 조사하여 FTO 박막으로부터 수소화된 비정질 실리콘 박막의 일부를 선택적으로 제거하여 P2 스크라이빙 패턴을 형성하였다.
P2 스크라이빙 패턴이 형성된 수소화된 비정질 실리콘 박막 상에 OMO 구조를 갖는 전극을 형성하였다. OMO구조를 갖는 전극은 스퍼터링 공정을 통해 분리된 챔버에서 각각 증착시켰다. 먼저, 제 1 AZO 박막은 실온에서 500W의 DC 전력에서 마그네트론 스퍼터링 시스템을 사용하여 수행하였다. 증착 챔버는 스퍼터링 전, 2.0 × 10-6Torr로 배기시키고, 스퍼터링은 10.2sccm의 유량으로 아르곤(Ar) 가스로 2 mTorr에서 수행하였다. 여기서, 약 50㎚ 두께의 제 1 AZO 박막은 1wt%의 알루미늄이 도핑된 산화아연 타겟을 이용하여 증착하였다.
또한, 은(Ag) 박막은 4mTorr의 공정 압력하에서, 50W의 DC 전력에서 마그네트론 스퍼터링 시스템을 사용하여 실온에서 각각 형성하였다. 여기서, 은(Ag) 박막은 20sccm의 Ar 가스 유량의 조건하에서 증착하였다. 이후에 제 2 AZO 박막은 실온에서 500W의 DC 전력에서 마그네트론 스퍼터링 시스템을 사용하여 수행하였으며, 제 1 AZO 박막과 동일한 공정조건으로 동일한 두께로 증착하였다.
이하에서, 각 샘플별로 200㎚, 300㎚ 및 400㎚ 두께의 I형 반도체층을 각각 형성하였다. 또, P2 스크라이빙 패턴 및 P3 스크라이빙 패턴 형성시 레이저의 파워에 따른 광전변환효율을 측정하였으며, 셀 폭을 2㎜, 4㎜, 6㎜ 및 8㎜로 형성하여 각 셀 폭에 따른 태양전지의 성능을 테스트 하였다.
각 실험예 샘플들은, 광학현미경과 집속이온빔-주사전자현미경(FIB-SEM)을 이용하여 셀의 표면 및 단면을 분석하였으며, 엘립소미터(SE MG-1000, Nano-View Co.)를 사용하여 각 박막의 반사율 및 흡광계수를 측정하였다. 또, 분광광도계(UV-VIS spectrophotometry; Cary 5000, Varian)를 이용하여 각 셀의 투과도 및 반사율을 측정하였고, 솔라시뮬레이터(Oriel 300, Newport Co.)를 이용하여 1SUN 조건에서 태양전지의 특성을 측정하였다. 양자 효율 측정 시스템(QuantX 300, ORIEL)을 사용하여 태양전지의 외부 양자 효율을 측정하였다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 I형 반도체층의 두께별 양면 수광형 태양전지 모듈의 외부양자효율, 투과도, 반사율 및 흡수율을 측정한 결과와 시뮬레이션 결과를 정리한 그래프이다.
도 4의 (a) 및 (b)를 참조하면, 시뮬레이션 결과, I형 반도체층의 두께가 증가함에 따라 외부양자효율은 증가하고, 전체 투과도는 감소한다. 특히, 450㎚ 내지 700㎚ 파장 대역에서는 I형 반도체층의 두께에 영향을 많이 받는 것을 확인할 수 있으며, 실제 측정한 결과인 도 4의 (c) 및 (d)에서도 동일한 결과가 도출되는 것을 확인할 수 있었다.
도 4의 (e)의 반사율 측정 그래프를 살펴보면, I형 반도체층의 두께에 따라 시뮬레이션 결과와 측정된 결과가 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 이는 박막 태양전지에서는 각 박막층에서 발생하는 광학적 손실을 직접 측정하기 어렵기 때문인 것으로 판단된다. 이에 각 박막층의 광학적 손실(흡수)을 시뮬레이션한 결과 도 4의 (f)에 이러한 것을 뒷받침해주고 있다.
하기 표 1은 I형 반도체층의 두께에 따른 샘플의 효율 및 투과도 결과를 정리한 표이다. 여기서, 투과도는 500㎚ 내지 800㎚ 파장대역에서의 광흡수층의 평균 투과도를 의미한다.
| I형 반도체층의 두께(㎚) | 효율(%) | 투과도(T500-800, %) |
| 200 | 5.42 | 18.2 |
| 300 | 5.90 | 15.2 |
| 400 | 6.22 | 12.8 |
도 5는 본 발명의 실험예에 따른 양면 수광형 태양전지 샘플의 I형 반도체층 두께별 태양전지 특성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
표 1 및 도 5를 참조하면, i형 반도체층의 두께가 증가하면, 개방전압(VOC) 및 충전 계수(FF)에서 큰 변화는 없었다. 그러나, 셀의 단락전류밀도(JSC)가 증가하여 셀 효율이 증가하였다. 이는 도 4에서 관찰된 동작과 일치하며, 표 1에 요약되어 있습니다. 따라서, 양면 수광형 태양전지 모듈을 최적화하려면 적절한 I형 반도체층의 두께를 선택해야 한다.
도 6은 본 발명의 실험예에 따른 양면 수광형 태양전지 모듈의 레이저 패터닝 결과를 광학현미경 및 집속이온빔 주사전자현미경으로 분석한 결과이다.
도 6의 (a) 및 (b)와 같이 레이저 패터닝을 수행해서 양면 수광형 태양전지 모듈 샘플을 제조하였으며, P1 스크라이빙 패턴, P2 스크라이빙 패턴 및 P3 스크라이빙 패턴의 선폭은 각각 34㎛, 27㎛, 30㎛이고, P1 스크라이빙 패턴과 P2 스크라이빙 패턴, P2 스크라이빙 패턴과 P3 스크라이빙 패턴 사이의 간격은 각각 100㎛로 제조된 것을 확인할 수 있었다.
도 6의 (c)에서 FTO 층은 P1 스크라이빙 패턴 가장자리에서 완만한 경사를 형성하지만, 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H) 박막층은 P2 스크라이빙 패턴과 P3 스크라이빙 패턴 가장자리에서 날카롭게 절단된 것을 확인할 수 있었다.
그러나, P2 스크라이빙 패턴의 가장자리는 얇은 OMO 구조를 갖는 전극층의 커버리지를 안정적으로 연결하기 위해서 부드러운 형태를 가져야한다. 특히, P2 스크라이빙 패터닝은 효율에 직접적으로 영향을 미칠 수 있는 것으로서, FTO 박막을 손상시키지 않고 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H) 박막층만 선택적으로 제거해야 한다.
P2 스크라이빙 패터닝시, 1.2W 미만의 평균 레이저 출력에서 수행될 경우, 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H) 박막층은 완전히 제거되지 않았고, 나머지 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H) 박막층은 도 6의 (d)와 같이 가장자리에 융기를 형성한 것을 확인할 수 있었다. 광전변환층의 불완전한 제거와 전면 전극 및 후면 전극 사이에 불균일하게 형성된 접촉은 모듈의 직렬 저항을 증가시키게 되므로, P2 스크라이빙 패터닝시 광전변환층을 완전히 제거해야한다.
반면, P2 스크라이빙 패터닝시, 2.0W 초과의 평균 전력에서 수행될 경우, OMO 구조를 갖는 전극에서 손상이 관찰되었다. 2.0W 미만의 평균 전력에서 수행될 경우, OMO 구조를 갖는 전극은 도 6의 (e)에서 볼 수 있듯이 일부에 섬과 같은 성장을 형성하는 것으로 관찰되었다. 특히, P2 스크라이빙 패턴의 에지 부근에서, 모듈의 직렬 저항에서 상당한 손실을 관찰했다. 이는 과도한 레이저 파워에 의해 산란된 일부 수소화된 비정질 실리콘 박막층의 잔류물 때문인 것으로 보여진다.
일반적으로, 불투명한 박막 태양전지 모듈에서 반사형 후면 전극으로 금속 소재를 사용하며, P3 스크라이빙 패터닝을 수행하면, 금속 전극이 레이저 빔을 흡수층으로 다시 반사하여 감소된 레이저 출력으로 인해 P3 스크라이빙 패터닝시 셀의 열손상을 완화한다. 그러나, 양면 수광형 태양전지 모듈의 경우, 가시광선 파장 대역에서 투명하도록 전극층이 설계되어 있기 때문에, P3 스크라이빙 패터닝시 레이저 출력에 의해 셀의 열손상이 발생할 수 있다.
OMO 구조를 갖는 전극의 유효 굴절률은 광전변환층과 공기의 굴절률 사이이고, OMO 구조를 갖는 전극과 광전변환층의 계면에서의 반사는 P3 스크라이빙 패터닝 공정 동안 OMO 구조를 갖는 전극층이 없는 경우보다 낮다. 따라서, P2 스크라이빙 패터닝 공정보다 P3 스크라이빙 패터닝 공정시 더 높은 레이저 출력이 필요하다.
도 7은 본 발명의 실험예에 따른 양면 수광형 태양전지 모듈 샘플의 P3 스크라이빙 패터닝의 레이저 파워에 따른 광전변환효율 및 션트저항(Rsh)을 측정한 결과를 보여주는 결과이다.
도 7을 참조하면, P3 스크라이빙 패터닝시 레이저의 평균 파워가 OMO 구조를 갖는 전극층을 완전히 제거하는데 충분하지 않으면, OMO 구조를 갖는 전극층이 부분적으로 남게 된다. 부분적으로 남아있는 전극층은 션트 경로 역할을 하게되어 인접된 셀을 전기적으로 연결합니다. 따라서, 션트 저항은 레이저의 평균 파워와 함께 증가하게 된다. 그러나, 레이저의 파워가 1.35W를 초과할 경우, 셀 성능이 저하된다.
상기와 같은 이유는 다양하며, 그 중에서 첫째로는 OMO 구조를 갖는 전극층의 엣지에는 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 과도한 에너지로 인해 P3 스크라이빙 패터닝 공정 중에 소성 변형(부분 용융)을 겪을 수 있다. 이 경우, 전극층이 얇기 때문에 높은 레이저 파워로 인해서 전극층이 매우 쉽게 변형될 수 있다.
둘째, 전도성 측벽은 과도한 레이저 파워로 인해, 전면 FTO 박막층의 증발 및 재증착에 의해 형성되며, 도 7의 (c)에 도시되어 있다. 레이저의 파워가 2.0W 일 때, 전면 FTO에 대한 손상이 도 7의 (a)의 이미지에서 확인되었다.
셋째, 과도한 레이저 파워에 의해, 수소화된 비정질 실리콘 박막층의 열적 결함 또는 재결정으로 인해 P3 스크라이빙 패턴 가장자리 근처에서 션트 저항을 감소시킬 수 있다.
그러므로, 도 7의 (a)에서 볼 수 있듯이, P3 스크라이빙 패터닝 공정은 최적화되고 안정화되어야 한다.
도 8은 본 발명의 실험예에 따른 양면 수광형 태양전지 모듈의 셀 폭의 크기별 태양전지 특성을 측정한 결과이다. 여기서, 양면 수광형 태양전지 모듈의 I형 반도체층의 두께는 300㎚로 하였다.
도 8을 참조하면, 단위셀의 폭이 2㎜에서 8㎜로 증가하면, 단락전류밀도(JSC)는 10.5㎃/㎠에서 11.2㎃/㎠로 증가하고, 충전 계수(FF)는 63.7%에서 56%로 저하된다. 다만, 개방전압(VOC)는 0.825V에서 변화가 거의 없었다.
셀 폭이 증가하면, 상대적으로 면적에 손실(데드 영역)이 감소하게 되어 단락전류밀도(JSC)가 증가하게 된다. 그러나, FTO 박막층 또는 OMO 구조를 갖는 전극층의 저항은 단위셀의 폭에 따라 증가하였다. 따라서, 충전 계수(FF)는 양면 수광형 태양전지 모듈의 개방전압(VOC)의 뚜렷한 저하없이 감소한다.
따라서 도 8의 (a)에서 볼 수 있듯이 단위 셀의 폭이 약 4㎜에서 양면 수광형 태양전지 모듈은 단락전류밀도(JSC), 충전 계수(FF) 및 개방전압(VOC)이 10.9㎃/㎠, 62.7% 및 0.830V로 측정되었으며, 이때, 5.6%의 가장 높은 광전변환효율(η)을 나타났다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10 : 제 1 투명전극층
20 : 광전변환층
22 : P형 반도체층
24 : I형 반도체층
26 : N형 반도체층
30 : 제 2 투명전극층
32 : 제 1 산화물층
34 : 금속층
36 : 제 2 산화물층
40 : 기판
100 : 양면 수광형 태양전지
1000 : 양면 수광형 태양전지 모듈
20 : 광전변환층
22 : P형 반도체층
24 : I형 반도체층
26 : N형 반도체층
30 : 제 2 투명전극층
32 : 제 1 산화물층
34 : 금속층
36 : 제 2 산화물층
40 : 기판
100 : 양면 수광형 태양전지
1000 : 양면 수광형 태양전지 모듈
Claims (10)
- OMO 구조를 갖는 투명전극층을 구비하는 양면 수광형 태양전지 모듈의 제조방법으로서,
상기 모듈의 제조방법은,
기판 상에 제 1 투명전극층을 형성하는 단계;
상기 제 1 투명전극층의 적어도 어느 일부를 제거하여, 상기 제 1 투명전극층을 오프셋하여 스트립 형태로 분할하는 P1 스크라이빙 패턴을 형성하는 단계;
상기 제 1 투명전극층 상에 광전변환층을 형성하는 단계;
상기 광전변환층의 적어도 어느 일부를 제거하되, 상기 P1 스크라이빙 패턴을 기준으로 오프셋하여 스트립 형태로 분할하는 P2 스크라이빙 패턴을 형성하는 단계;
상기 광전변환층 상에 제 2 투명전극층을 형성하는 단계; 및
상기 광전변환층과 상기 제 2 투명전극층의 어느 일부를 제거하되, 상기 P2 스크라이빙 패턴을 기준으로 오프셋하여 스트립 형태로 분할하는 P3 스크라이빙 패턴을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 제 2 투명전극층을 형성하는 단계는,
상기 광전변환층 상에 제 1 산화물 박막, 은(Ag) 혹은 산화은(AgOx) 박막 및 제 2 산화물 박막을 순차적으로 형성하는 단계를 포함하며,
상기 모듈은 복수개의 셀을 포함하며, 상기 셀의 폭은 4㎜ 내지 6㎜의 범위를 갖도록 패터닝되고,
상기 P2 스크라이빙 패턴을 형성하는 단계는,
1.2W 내지 2.0W의 파워를 갖는 레이저를 이용하여 상기 광전변환층에 패터닝을 수행하는 단계;를 포함하며,
상기 P3 스크라이빙 패턴을 형성하는 단계는,
1.0W 내지 1.8W의 파워를 갖는 레이저를 이용하여 상기 광전변환층과 상기 제 2 투명전극층에 패터닝을 수행하는 단계;를 포함하는,
양면 수광형 태양전지 모듈의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 광전변환층을 형성하는 단계는,
PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition)를 이용하여 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H) 박막층을 형성하는 단계를 포함하는,
양면 수광형 태양전지 모듈의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 광전변환층을 형성하는 단계는,
P형 반도체층, I형 반도체층 및 N형 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계를 포함하는,
양면 수광형 태양전지 모듈의 제조방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 N형 반도체층은 상기 제 1 산화물 박막의 하부면과 접촉하는,
양면 수광형 태양전지 모듈의 제조방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 I형 반도체층은 300㎚ 내지 400㎚의 두께 범위를 갖는,
양면 수광형 태양전지 모듈의 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 투명전극층의 표면은 텍스처링(texturing)된,
양면 수광형 태양전지 모듈의 제조방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 의한 양면 수광형 태양전지 모듈의 제조방법으로 구현된,
양면 수광형 태양전지 모듈.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200107774A KR102444650B1 (ko) | 2020-08-26 | 2020-08-26 | 양면 수광형 태양전지 모듈의 제조방법 및 이를 통해 제조한 양면 수광형 태양전지 모듈 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200107774A KR102444650B1 (ko) | 2020-08-26 | 2020-08-26 | 양면 수광형 태양전지 모듈의 제조방법 및 이를 통해 제조한 양면 수광형 태양전지 모듈 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20220026800A KR20220026800A (ko) | 2022-03-07 |
| KR102444650B1 true KR102444650B1 (ko) | 2022-09-20 |
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ID=80817612
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| KR1020200107774A KR102444650B1 (ko) | 2020-08-26 | 2020-08-26 | 양면 수광형 태양전지 모듈의 제조방법 및 이를 통해 제조한 양면 수광형 태양전지 모듈 |
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| KR (1) | KR102444650B1 (ko) |
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|---|---|---|---|---|
| KR102071481B1 (ko) * | 2018-08-09 | 2020-01-30 | 한국기계연구원 | 산화은 투명 전극을 사용하여 개선된 투과성을 갖는 양면 수광형 태양전지 및 이의 제조방법 |
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| KR101607966B1 (ko) * | 2010-02-26 | 2016-04-01 | 엘지디스플레이 주식회사 | 박막 태양전지 제조방법 |
| KR101172252B1 (ko) * | 2011-01-10 | 2012-08-08 | 한국철강 주식회사 | 탄뎀형 집적 광기전력 모듈 및 이의 제조방법 |
| KR102241098B1 (ko) * | 2019-01-24 | 2021-04-19 | 한국재료연구원 | 수소화된 p-i-n층을 포함하는 반투명 비정질 실리콘 박막 태양전지 및 이의 제조방법 |
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2020
- 2020-08-26 KR KR1020200107774A patent/KR102444650B1/ko active IP Right Grant
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