KR20090067350A - 박막형 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판 상에 전면전극, 반도체층 및 후면전극이 순서대로 형성되어 이루어진 박막형 태양전지에 있어서, 상기 박막형 태양전지는, 상기 기판과 전면전극 사이의 접착력을 증진시킴과 더불어 상기 기판을 통해 입사하는 태양광의 투과율을 증진시키기 위해서, 상기 기판과 전면전극 사이에 버퍼층이 형성된 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지, 및 그 제조방법에 관한 것으로서,
본 발명에 따르면, 기판과 전면전극 사이에 버퍼층을 형성함으로써 기판과 전면전극 사이의 접착력이 증진됨과 더불어 기판을 통해 입사하는 태양광의 투과율이 증진되어, 태양전지의 효율 향상을 얻을 수 있다.
박막형 태양전지, 투과율, 접착력

Description

박막형 태양전지 및 그 제조방법{Thin film type Solar Cell and Method for manufacturing the same}
본 발명은 태양전지(Thin film type Solar Cell)에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 박막형 태양전지에 관한 것이다.
태양전지는 반도체의 성질을 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치이다.
태양전지의 구조 및 원리에 대해서 간단히 설명하면, 태양전지는 P(positive)형 반도체와 N(negative)형 반도체를 접합시킨 PN접합 구조를 하고 있으며, 이러한 구조의 태양전지에 태양광이 입사되면, 입사된 태양광이 가지고 있는 에너지에 의해 상기 반도체 내에서 정공(hole) 및 전자(electron)가 발생하고, 이때, PN접합에서 발생한 전기장에 의해서 상기 정공(+)는 P형 반도체쪽으로 이동하고 상기 전자(-)는 N형 반도체쪽으로 이동하게 되어 전위가 발생하게 됨으로써 전력을 생산할 수 있게 되는 원리이다.
이와 같은 태양전지는 기판형 태양전지와 박막형 태양전지로 구분할 수 있다.
상기 기판형 태양전지는 실리콘과 같은 반도체물질 자체를 기판으로 이용하여 태양전지를 제조한 것이고, 상기 박막형 태양전지는 유리 등과 같은 기판 상에 박막의 형태로 반도체를 형성하여 태양전지를 제조한 것이다.
상기 기판형 태양전지는 상기 박막형 태양전지에 비하여 효율이 다소 우수하기는 하지만, 공정상 두께를 최소화하는데 한계가 있고 고가의 반도체 기판을 이용하기 때문에 제조비용이 상승되는 단점이 있다.
상기 박막형 태양전지는 상기 기판형 태양전지에 비하여 효율이 다소 떨어지기는 하지만, 얇은 두께로 제조가 가능하고 저가의 재료를 이용할 수 있어 제조비용이 감소되는 장점이 있어 대량생산에 적합하다.
상기 박막형 태양전지는 유리 등과 같은 기판 상에 전면전극을 형성하고, 상기 전면전극 위에 반도체층을 형성하고, 상기 반도체층 위에 후면전극을 형성하여 제조되는데, 이하, 도면을 참조로 종래의 박막형 태양전지에 대해서 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 박막형 태양전지의 개략적인 단면도이다.
도 1에서 알 수 있듯이, 종래의 박막형 태양전지는 기판(10), 상기 기판(10) 상에 형성된 전면전극(30), 상기 전면전극(30) 상에 형성된 반도체층(40), 상기 반도체층(40) 상에 형성된 후면전극(60)을 포함하여 이루어진다.
상기 전면전극(30)은 태양전지의 (+)전극을 구성하는 것으로서, 상기 전면전극(30)은 태양광이 입사되는 면에 형성되기 때문에 투명한 도전물질로 이루어진다.
상기 반도체층(40)은 실리콘과 같은 반도체물질을 이용하여 형성하는데, 보 다 구체적으로는 P(positive)형 반도체층, I(Intrinsic)형 반도체층 및 N(Negative)형 반도체층으로 이루어진 소위 PIN구조로 형성한다.
상기 후면전극(60)은 태양전지의 (-)전극을 구성하는 것으로서, 상기 후면전극(60)은 Al과 같은 도전금속으로 이루어진다.
이와 같은 종래의 박막형 태양전지는 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째, 종래의 박막형 태양전지에서 상기 기판(10)으로는 유리가 일반적으로 사용되고 있다. 그러나, 이와 같이 기판(10)으로 유리를 이용하게 되면, 태양광이 유리로 이루어진 기판(10)으로 입사할 때의 방향성과 태양광이 상기 유리로 이루어진 기판(10)을 경유하여 상기 전면전극(30)으로 진입할 때의 방향성 사이에 차이가 크지 않게 된다. 즉, 태양광이 상기 기판(10)을 경유하면서 그 방향성의 변화가 크지 않기 때문에 결국 태양광의 포집능력에 한계가 있게 되어 태양광의 투과율 증진을 기대할 수 없다.
둘째, 상기 전면전극(30)으로는 투명한 도전물질이 사용되는데, 상기 투명한 도전물질로 이루어진 전면전극(30)이 상기 기판(10)과 접착력이 좋지 못한 단점이 있다.
본 발명은 전술한 종래의 박막형 태양전지의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 본 발명은 태양광의 포집능력을 증진시켜 태양광의 투과율을 증진시킴과 더불어 기판과 전면전극 사이의 접착력을 증진시킴으로써, 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 박막형 태양전지 및 그 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해서, 기판 상에 전면전극, 반도체층 및 후면전극이 순서대로 형성되어 이루어진 박막형 태양전지에 있어서, 상기 박막형 태양전지는, 상기 기판과 전면전극 사이의 접착력을 증진시킴과 더불어 상기 기판을 통해 입사하는 태양광의 투과율을 증진시키기 위해서, 상기 기판과 전면전극 사이에 버퍼층이 형성된 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지를 제공한다.
상기 버퍼층은 상기 기판보다 굴절율이 큰 투명한 물질로 이루어질 수 있다.
상기 버퍼층은 굴절율이 1.9 ~ 2.3 범위인 투명한 물질로 이루어질 수 있다.
상기 버퍼층은 1000 ~ 3000 Å의 두께로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층은 TiO2, SiN, SiO2로 이루어진 군에서 선택된 물질로 이루어질 수 있다.
상기 버퍼층은 복수 개의 층으로 이루어질 수 있다.
상기 반도체층과 후면전극 사이에 투명도전층이 추가로 형성될 수 있다.
본 발명은 또한, 기판 상에 버퍼층을 형성하는 공정; 상기 버퍼층 상에 전면전극을 형성하는 공정; 상기 전면전극 상에 반도체층을 형성하는 공정; 및 상기 반도체층 상에 후면전극을 형성하는 공정을 포함하여 이루어진 기판형 태양전지의 제조방법을 제공한다.
상기 버퍼층은 상기 기판보다 굴절율이 큰 투명한 물질을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 버퍼층은 굴절율이 1.9 ~ 2.3 범위인 투명한 물질을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 버퍼층은 1000 ~ 3000 Å의 두께로 형성할 수 있다.
상기 버퍼층은 TiO2, SiN, SiO2로 이루어진 군에서 선택된 물질을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 버퍼층은 복수 개의 층으로 형성할 수 있다.
상기 반도체층과 후면전극 사이에 투명도전층을 형성하는 공정을 추가로 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명은 기판과 전면전극 사이에 버퍼층을 형성함으로써 기판과 전면전극 사이의 접착력이 증진됨과 더불어 기판을 통해 입사하는 태양광의 투과율이 증진된다. 따라서, 태양전지의 효율 향상을 얻을 수 있다.
둘째, 본 발명은 버퍼층으로 굴절율이 1.9 ~ 2.3 범위인 투명한 물질을 이용함으로써 태양광의 반사율을 최소화하여 태양광의 투과율을 극대화할 수 있다.
셋째, 본 발명은 버퍼층을 1000 ~ 3000 Å의 두께로 형성함으로써 태양광의 반사율을 최소화하여 태양광의 투과율을 극대화할 수 있다.
이하, 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
<박막형 태양전지>
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 태양전지의 개략적인 단면도이다.
도 2에서 알 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 태양전지는, 기판(100), 버퍼층(200), 전면전극(300), 반도체층(400), 투명도전층(500), 및 후면전극(600)을 포함하여 이루어진다.
상기 기판(100)은 유리 또는 투명한 플라스틱으로 이루어진다.
상기 버퍼층(200)은 상기 기판(100)과 전면전극(300) 사이에 형성되어 상기 기판(100)과 전면전극(300) 사이의 접착력을 증진시킴과 더불어 상기 기판(100)을 통해 입사하는 태양광의 투과율을 증진시키는 역할을 한다.
상기 버퍼층(200)은 상기 기판(100)보다 굴절률이 큰 투명한 물질로 이루어진 것이 바람직한데, 이와 같이 버퍼층(200)의 굴절률이 큰 경우, 버퍼층(200)을 통과하는 태양광의 경로가 다양하게 변경됨으로써 태양전지의 내부로 전달되는 광량이 증가되기 때문이다. 특히, 상기 버퍼층(200)은 굴절율이 1.9 ~ 2.3 범위인 투명한 물질로 이루어진 것이 바람직한데, 상기 굴절율의 범위 내에서 태양광의 반사율을 최소화할 수 있기 때문이다. 즉, 입사되는 태양광의 투과율을 최대화하기 위해서는 태양광의 경로를 다양하게 변경함과 더불어 입사되는 태양광이 반사되어 손 실되는 것을 방지하는 것이 중요한데, 상기 굴절율의 범위 내에서 태양광의 반사율이 최소화된다.
상기와 같이 1.9 ~ 2.3 범위의 굴절율을 가지어 태양광의 투과율을 증진시킴과 더불어 상기 기판(100)과 전면전극(300) 사이의 접착력을 증진시킬 수 있는 투명한 물질로는 TiO2, SiN, SiO2이 바람직하다.
상기 버퍼층(200)은 1000 ~ 3000 Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 태양광의 반사율을 최소화하기 위해서는 적어도 1000 Å의 두께로 상기 버퍼층(200)을 형성해야 하며, 상기 버퍼층(200)이 3000 Å를 초과하게 되면 광의 투과율이 오히려 떨어질 우려가 있기 때문이다.
상기 버퍼층(200)은 굴절률이 상이한 복수 개의 층으로 이루어질 수 있다.
상기 전면전극(300)은 ZnO, ZnO:B, ZnO:Al, ZnO:H, SnO2, SnO2:F, 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 등과 같은 투명한 도전물질을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 전면전극(300)의 재료 중에 ZnO:B는 막 특성이 우수하여 태양전지 효율향상에 기여할 수 있지만, ZnO:B는 유리와의 접착성이 특히 좋지 못하여 우수한 막특성에도 불구하고 태양전지의 대량생산에 적용되는데 한계가 있다. 그러나, 본 발명의 경우 유리로 이루어진 기판(100)과 전면전극(300)의 접착력을 증진시키기 위해서 상기와 같은 버퍼층(200)을 형성하기 때문에 막 특성이 우수한 ZnO:B를 전면전극(300)으로 적용할 수 있어 태양전지의 효율향상을 기대할 수 있다.
상기 전면전극(300)으로 ZnO:B을 이용할 경우에는 상기 버퍼층(200)으로 TiO2를 이용하는 것이, 유리로 이루어진 기판(100)과 전면전극(300) 사이의 접착성 향상에 바람직하다.
상기 전면전극(300)은 텍스처(texturing) 가공공정을 통해 그 표면을 요철구조로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 텍스처 가공공정이란 물질 표면을 울퉁불퉁한 요철구조로 형성하여 마치 직물의 표면과 같은 형상으로 가공하는 공정으로서, 포토리소그라피법(photolithography)을 이용한 식각공정, 화학용액을 이용한 이방성 식각공정(anisotropic etching), 또는 기계적 스크라이빙(mechanical scribing)을 이용한 홈 형성 공정 등을 통해 수행할 수 있다. 이와 같은 텍스처 가공공정을 상기 전면전극(300)에 수행할 경우 입사되는 태양광이 태양전지 외부로 반사되는 비율은 감소하게 되며, 그와 더불어 입사되는 태양광의 산란에 의해 태양전지 내부로 태양광이 흡수되는 비율은 증가하게 되어, 태양전지의 효율이 증진되는 효과가 있다.
상기 반도체층(400)은 실리콘계 반도체물질을 이용하여 형성할 수 있다
상기 반도체층(400)은 P형 반도체층, I형 반도체층 및 N형 반도체층이 순서대로 적층된 PIN구조로 형성하는데, 이와 같이 상기 반도체층(400)을 PIN구조로 형성하게 되면, I형 반도체층이 P형 반도체층과 N형 반도체층에 의해 공핍(depletion)이 되어 내부에 전기장이 발생하게 되고, 태양광에 의해 생성되는 정공 및 전자가 상기 전기장에 의해 드리프트(drift)되어 각각 P형 반도체층 및 N형 반도체층에서 수집되게 된다.
상기 반도체층(400)을 PIN구조로 형성할 경우에는 상기 전면전극(300) 상부에 P형 반도체층을 형성하고 이어서 I형 반도체층 및 N형 반도체층을 형성하는 것이 바람직하다. 그 이유는 일반적으로 정공의 드리프트 이동도(drift mobility)가 전자의 드리프트 이동도에 의해 낮기 때문에 입사광에 의한 수집효율을 극대화하기 위해서 P형 반도체층을 수광면에 가깝게 형성하기 위함이다.
상기 투명도전층(500)은 ZnO, ZnO:B, ZnO:Al, Ag와 같은 투명한 도전물질을 이용하여 형성한다.
상기 투명도전층(500)은 생략하는 것도 가능하지만, 태양전지의 효율증진을 위해서는 상기 투명도전층(500)을 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 투명도전층(500)을 형성하게 되면 상기 반도체층(400)을 투과한 태양광이 투명도전층(500)을 통과하면서 산란을 통해 다양한 각으로 진행하게 되어 후면전극(600)에서 반사되어 반도체층(400)으로 재입사되는 광의 비율이 증가될 수 있기 때문이다.
상기 후면전극(600)은 Ag, Al, Ag+Mo, Ag+Ni, Ag+Cu 등과 같은 금속을 이용하여 형성한다.
<박막형 태양전지의 제조방법>
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 태양 전지의 개략적 공정 단면도로서, 각각의 구성에 대한 구체적인 설명은 전술한 실시예와 동일하므로 생략하기로 한다.
우선, 도 3a에서 알 수 있듯이, 기판(100) 상에 버퍼층(200)을 형성한다.
상기 버퍼층(200)은 상기 기판(100)보다 굴절율이 우수한 투명한 물질을 이 용하여 형성하는 것이 바람직하고, 특히 굴절율이 1.9 ~ 2.3 범위인 투명한 물질을 이용하여 형성하는 것이 태양광의 반사를 최소화하면서 투과율을 증진시킬 수 있다.
상기 버퍼층(200)은 TiO2, SiN, 또는 SiO2를 이용하여 형성할 수 있고, 상기 버퍼층(200)의 형성 두께는 1000 ~ 3000 Å의 범위가 바람직하다. 상기 버퍼층(200)은 굴절률이 상이한 복수 개의 층으로 형성할 수 있다.
다음, 도 3b에서 알 수 있듯이, 상기 버퍼층(200) 상에 전면전극(300)을 형성한다.
상기 전면전극층(200)은 ZnO, ZnO:B, ZnO:Al, ZnO:H, SnO2, SnO2:F, 또는 ITO(Indium Tin Oxide) 등과 같은 투명한 도전물질을 스퍼터링(Sputtering)법 또는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법 등을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 전면전극층(200)은 태양광의 흡수율을 최대화하기 위해서 텍스처 가공공정 등을 통해 그 표면을 울퉁불퉁한 요철구조로 형성할 수 있다.
다음, 도 3c에서 알 수 있듯이, 상기 전면전극(300) 상에 반도체층(400)을 형성한다.
상기 반도체층(400)은 실리콘계 반도체물질을 플라즈마 CVD법을 이용하여 P형 반도체층, I형 반도체층 및 N형 반도체층이 순서대로 적층된 PIN구조로 형성할 수 있다.
다음, 도 3d에서 알 수 있듯이, 상기 반도체층(400) 상에 투명도전층(500)을 형성한다.
상기 투명도전층(400)은 ZnO, ZnO:B, ZnO:Al, ZnO:H, Ag와 같은 투명한 도전물질을 스퍼터링(Sputtering)법 또는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법 등을 이용하여 형성할 수 있다. 상기 투명도전층(400)은 생략하는 것도 가능하다.
다음, 도 3e에서 알 수 있듯이, 상기 투명도전층(500) 상에 후면전극(600)을 형성한다.
상기 후면전극층(600)은 Ag, Al, Ag+Al, Ag+Mg, Ag+Mn, Ag+Sb, Ag+Zn, Ag+Mo, Ag+Ni, Ag+Cu, Ag+Al+Zn 등과 같은 금속을 스크린인쇄법(screen printing), 잉크젯인쇄법(inkjet printing), 그라비아인쇄법(gravure printing) 또는 미세접촉인쇄법(microcontact printing)을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 스크린 인쇄법은 스크린과 스퀴즈(squeeze)를 이용하여 대상물질을 작업물에 전이시켜 소정의 패턴을 형성하는 방법이고, 상기 잉크젯 인쇄법은 잉크젯을 이용하여 대상물질을 작업물에 분사하여 소정의 패턴을 형성하는 방법이고, 상기 그라비아 인쇄법은 오목판의 홈에 대상물질을 도포하고 그 대상물질을 다시 작업물에 전이시켜 소정의 패턴을 형성하는 방법이고, 상기 미세접촉 인쇄법은 소정의 금형을 이용하여 작업물에 대상물질 패턴을 형성하는 방법이다.
도 1은 종래의 박막형 태양전지의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 태양전지의 개략적인 단면도이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 태양 전지의 개략적 공정 단면도이다.
<도면의 주요부의 부호에 대한 설명>
100: 기판 200: 버퍼층
300: 전면전극 400: 반도체층
500: 투명도전층 600: 후면전극

Claims (14)

  1. 기판 상에 전면전극, 반도체층 및 후면전극이 순서대로 형성되어 이루어진 박막형 태양전지에 있어서,
    상기 박막형 태양전지는, 상기 기판과 전면전극 사이의 접착력을 증진시킴과 더불어 상기 기판을 통해 입사하는 태양광의 투과율을 증진시키기 위해서, 상기 기판과 전면전극 사이에 버퍼층이 형성된 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼층은 상기 기판보다 굴절율이 큰 투명한 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼층은 굴절율이 1.9 ~ 2.3 범위인 투명한 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼층은 1000 ~ 3000 Å의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼층은 TiO2, SiN, SiO2로 이루어진 군에서 선택된 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼층은 복수 개의 층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 반도체층과 후면전극 사이에 투명도전층이 추가로 형성된 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
  8. 기판 상에 버퍼층을 형성하는 공정;
    상기 버퍼층 상에 전면전극을 형성하는 공정;
    상기 전면전극 상에 반도체층을 형성하는 공정; 및
    상기 반도체층 상에 후면전극을 형성하는 공정을 포함하여 이루어진 기판형 태양전지의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 버퍼층은 상기 기판보다 굴절율이 큰 투명한 물질을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 버퍼층은 굴절율이 1.9 ~ 2.3 범위인 투명한 물질을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 버퍼층은 1000 ~ 3000 Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 버퍼층은 TiO2, SiN, SiO2로 이루어진 군에서 선택된 물질을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 버퍼층은 복수 개의 층으로 형성하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 반도체층과 후면전극 사이에 투명도전층을 형성하는 공정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
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