KR20090076638A - 박막형 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 박막형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로 실리콘 반도체층과 상부 투명 전도층 사이에 또 하나의 투명 전도층을 포함한다. 이때, 사용되는 실리콘계 반도체층은 적어도 하나 이상의 비정질 실리콘계 (p/i/n) 박막으로 이루어지거나, 비정질 실리콘계 (p/i/n) 박막, 중간 투명 전도층 및 미세결정질 실리콘계 박막으로 이루어진 텐덤형으로 이루어질 수 있다. 본 발명에 의하면, 공정시 태양전지 층의 산화 및 오염을 방지하고, 동시에 태양전지 층과 금속 층이 직접 접합 되는 것을 방지함으로써 태양광의 광 손실을 감소시키는 효과가 나타난다. 따라서 높은 광전 변환 효율을 갖는 태양전지 소자를 제조할 수 있게 된다.
박막형, 태양전지, 비정질, 실리콘, 텐덤형

Description

박막형 태양전지 및 그 제조방법{Thin-Film Type Solar Cell and Manufacturing Method thereof}
본 발명은 비정질 실리콘계 (p/i/n) 박막 또는 텐덤형 실리콘계 박막으로 형성된 실리콘 반도체층과 투명전극층 상이에 또 하나의 투명전극층을 적층하여 태양전지의 효율을 향상시키는 박막형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 차세대 청정 에너지원으로서 지난 수십 년간 많은 연구가 되어 왔다. 현재 상용화된 단결정 벌크 실리콘을 이용한 태양 전지는 높은 제조 단가 및 설치 비용으로 인하여 적극적인 활용이 이루어지지 못하는 상황이다. 이러한 비용 문제를 해결하기 위하여 박막형 태양전지에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 특히 비정질 실리콘 (a-Si:H)을 이용한 박막형 태양전지는 대면적 태양전지 모듈을 저가로 제작할 수 있는 기술로서 많은 관심을 끌고 있다.
비정질 실리콘을 이용한 박막형 태양전지는 도 1에 나타낸 것처럼 유리기판(101), 하부 투명 전도층(TCO)(102), 비정질 실리콘 태양전지 층 (a-Si:H p/i/n 층)(103), 그리고 제 1투명 전도층(상부 투명 전도층)(104), 후면전극층(105)이 차 례로 형성되어 있다. 종래의 비정질 실리콘 박막형 태양전지의 제조 방법은 다음과 같다. 종래의 제조 방법은 도 2a 내지 도 2i에 도시하였다.
유리기판(101) 위에 하부 투명 전도층(102)을 증착한 후(도 2a), 레이저 스크라이빙(Laser scribing) 공정을 이용하여 상기 하부 투명 전도층(102)을 패터닝한다(도 2b). 이 후, 비정질 실리콘 (a-Si:H) p층, i층, n층(103)을 차례로 증착한다(도 2c 내지 도 2e). 레이저 스크라이빙 공정을 이용하여 셀을 패터닝한다(도 2f). 제 1투명 전도층(상부 투명 전도층)(104)을 증착한 후 후면 전극층을 증착한다(도 2g). 마지막으로 전기적 절연을 위하여 도시한 대로 후면 후면전극층(105), 제 1투명 전도층(상부 투명 전도층)(104), 태양전지 층(103)을 레이저 스크라이빙 공정을 이용하여 패터닝한다(도 2h).
위에 기술한 방법으로 박막형 태양전지를 제조하게 되면 다음과 같은 문제점이 발생한다. 일반적으로 레이저 스크라이빙 공정 후에는 잔여물을 제거하기 위한 세척 공정이 필수적인데, 이때 태양전지 층의 표면에 불순물이 발생하거나 표면이 산화되어 태양전지 성능을 열화 시키는 문제가 발생한다. 이를 피하기 위해서 태양전지 층을 형성한 후 바로 투명 전극 층을 형성하고 그 다음 레이저 스크라이빙 공정을 수행할 수 있다.
그러나 이 방법을 사용하면 레이저 스크라이빙 공정 후에 태양 전지 층의 절단면이 드러나기 때문에 절단면이 오염되는 문제가 발생하고, 또한 레이저 스크라이빙 후에 바로 후면 전극 층이 증착되면 태양전지 층에 입사된 태양광이 금속 층과 바로 만나게 되어 광 손실이 커지게 된다.
본 발명은 종래 기술의 불편함을 해결하기 위하여 적어도 하나 이상의 비정질 실리콘(p/i/n) 박막 또는 비정질 실리콘 박막과 미세결정질 실리콘 박막으로 형성된 텐덤형 박막을 실리콘 반도체층으로 하고, 상기 실리콘 반도체층과 투명 금속 산화물층 사이에 불순물이 미량 혼합된 투명 금속 산화물층을 적층하여 레이저 스크라이빙 공정을 통해 절단 및 세척시 발생할 수 있는 오염 물질 또는 산화막 등에 의한 태양전지 소자 특성의 열화를 방지하고 또한 입사된 태양광의 광 손실을 감소시킬 수 있는 박막형 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 데에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 박막형 태양전지 및 그 제조방법에 있어서, 실리콘계 반도체층과 상부 투명 전도층(제 1투명 전도층) 사이에 또 하나의 투명 전도층(제 2투명 전도층)을 포함한다.
본 발명은 박막형 태양전지에 관한 것으로 박막형 태양전지에 있어서, 실리콘 반도체층과 상부 투명 전도층 사이에 또 하나의 투명 전도층을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 실리콘 반도체층은 적어도 하나 이상의 비정질 실리콘계 (p/i/n) 박막 또는 비정질 실리콘계 (p/i/n) 박막과 미세결정질 실리콘계 박막으로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 비정질 실리콘계 (p/i/n) 박막과 미세결정질 실리콘계 박막 사이에 중간 투명 전도층을 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 상부 투명 전도층, 또 하나의 투명 전도층 및 중간 투명 전도층은 금속산화물로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 금속산화물은 산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO), 아이티오(ITO) 중 선택되는 1종 이상의 산화물인 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 또 하나의 투명 전도층은 상기 상부 투명 전도층과 동일한 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 또 하나의 투명 전도층에는 알루미늄(Al), 불소(F), 철(Fe), 갈륨(Ga) 및 붕소(B) 중 선택되는 1종 이상의 불순물이 혼합되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 박막형 태양전지 제조방법에 관한 것으로 유리기판 상부에 하부 투명 전도층을 증착하고 패터닝 하는 단계를 포함하고, 실리콘 반도체층을 증착하는 단계를 포함한다. 그리고, 제 1상부 투명 전도층을 증착하고 패터닝하는 단계를 포함하며, 제 2투명 전도층, 후면전극층을 차례로 증착한 후, 상기 후면전극층, 제 1 및 제 2투명 전도층, 상기 비정질 실리콘계 (p/i/n) 박막을 패터닝하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 실리콘 반도체층을 증착하는 단계는 패터닝된 하부 투명 전도층의 상부에 적어도 하나 이상의 비정질 실리콘계 (p/i/n) 박막을 증착하는 것 이 바람직하다.
본 발명에서 상기 실리콘 반도체층을 증착하는 단계는 패터닝된 하부 투명 전도층의 상부에 비정질 실리콘계 (p/i/n) 박막과 미세결정질 실리콘계 pin층을 증착하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 비정질 실리콘계 pin층과 미세결정질 실리콘계 pin층 사이에 중간 투명 전도층을 적층하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 패터닝 방법은 레이저 스크라이빙(Laser Scribing)법을 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면 상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 공정시 태양전지 층의 산화 및 오염을 방지하고, 동시에 태양전지 층과 금속 층이 직접 접합되는 것을 방지함으로써 태양광의 광 손실을 감소시키는 효과가 나타난다.
따라서 높은 광전 변환 효율을 갖는 태양전지 소자를 제조할 수 있게 된다.
본 발명이 상용화되면 차세대 청정 에너지원으로서 지구 환경 보전에 기여할 것이고, 공공시설, 민간시설, 군수시설 등에 직접 응용되어 막대한 경제적 가치를 창출할 수 있을 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 이하 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막형 태양전지의 단면도이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 유리기판(101), 하부 투명 전도층(102), 실리콘계 반도체층, 제 1투명 전도층(상부 투명 전도층)(304), 제 2투명 전도층(또 하나의 투명 전도층)(104) 및 후면전극층(105)을 포함한다.
도 3a 는 비정질 실리콘계 (p/i/n) 박막(103)으로 형성된 실리콘계 반도체층을 포함하며, 도 3b는 텐덤형 실리콘계 반도체층(300)을 포함한다.
상기 박막형 태양전지는 가장 하부에 상기 유리기판(101)을 형성하고, 상기 유리기판(101)의 상부에 하부 투명 전도층(102)을 적층한 후 상기 하부 투명 전도층(102)을 패터닝한다.
상기 패터닝의 방법은 한정되는 것은 아니며, 당업자의 수준에 맞추어 다양하게 구현 가능하나 본 발명에서는 레이저 스크라이빙(Laser Scribing)법을 이용할 수 있다.
상기 패터닝 된 하부 투명 전도층(102)의 상부에 실리콘계 반도체층 및 제 1투명 전도층(304)이 순차적으로 증착되며, 상기 실리콘계 반도체층 및 제 1투명 전도층(304) 역시 소정의 모양으로 동시에 패터닝 된다.
상기 실리콘계 반도체층은 비정질 실리콘계 (p/i/n) 박막(103)으로 형성(도 3a 참조)되거나, 비정질 실리콘계 (p/i/n) 박막(103)과 미세결정질 실리콘계 박막(302)이 적층 된 텐덤형 실리콘계 반도체층(300)으로 형성(도 3b참조)될 수 있다.
이때, 상기 텐덤형 실리콘계 반도체층(300)으로 형성될 경우에는 상기 비정질 실리콘계 (p/i/n) 박막(103)과 미세결정질 실리콘계 박막(302)의 사이에 중간 투명 전도층(314)이 형성될 수 있다.
상기 중간 투명 전도층(314)은 상기 제 1투명 전도층(304)은 금속산화물과 동일한 조성으로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 실리콘계 반도체층 및 제 1투명 전도층(304)의 패터닝 방법 역시 레이저 스크라이빙법을 이용한다. 상기 제 1투명 전도층(304) 위로는 제 2투명 전도층(104) 및 후면전극층(105)이 차례로 적층되고, 상기 실리콘계 반도체층부터 후면전극층(105)까지 재차 패터닝된다.
본 발명의 실시 예에서는 상기 실리콘계 반도체층이 하나의 층만으로 도시되었으나, 상기 실리콘계 반도체층은 복수 개 층으로 적층할 수 있으며, 상기 제 1투명 전도층(304)과 상기 제 2투명 전도층(104)은 동일한 물질로 구성될 수 있다.
그리고, 상기 제 1투명 전도층(304), 제 2투명 전도층(104) 및 중간 투명 전도층(314)는 산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO) 및 아이티오(ITO) 등의 금속산화물로 이루어지며, 불소(F), 알루미늄(Al), 철(Fe), 갈륨(Ga) 및 붕소(B) 중 선택되는 하 나 또는 하나 이상의 불순물이 혼합된 물질로 제작될 수 있다. 또한, 상기 후면전극층(105)은 금(Au), 은(Ag) 또는 알루미늄(Al) 중 선택되는 하나의 금속으로 제작될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 태양전지의 제조과정을 나타낸 것이다.
도 4를 참조하면, 실리콘계 반도체층이 비정질 실리콘계 (p/i/n) 박막(103)을 사용하여 단층으로 형성되는 방법을 도시한 것으로 유리기판(101) 상부에 하부 투명 전도층(102)을 증착하고 패터닝한 후, 비정질 실리콘계 (p/i/n) 박막(103)을 증착한다.
이 때, 상기 비정질 실리콘계 (p/i/n) 박막(103)은 하부 유리기판 방향으로부터 차례로 p형(103a), i형(103b), n형(103c)이 적층되어 형성되며, 복수 개의 p/n/i접합이 형성될 수 있다. (도 4a 내지 도 4e)
그리고, 도면에는 도시되지 않았지만, 상기 비정질 실리콘계 (p/i/n) 박막(103) 대신 텐덤형 실리콘계 반도체층을 증착하고자 할 경우에는 비정질 실리콘계 (p/i/n) 박막(103), 중간 투명전극층(미도시) 및 미세결정질 실리콘계 박막(미도시)을 증착하여 형성할 수 있다.
상기에서 적층되어 형성(도 4e참조)된 상기 비정질 실리콘계 (p/i/n) 박막(103) 상부에 제 1투명 전도층(304)을 증착한 후(도 4f), 상기 제 1투명 전도층(304) 및 상기 비정질 실리콘계 (p/i/n) 박막(103)을 동시에 패터닝(도 4g)한다. 이때, 사용되는 패터닝 방법은 한정되는 것은 아니나 레이저 스크라이빙 방법을 사용할 수 있다.
상기 패터닝이 이루어진 상기 제 1투명 전도층(304)의 상부에 제 2투명 전도층(104)을 증착한 후(도 4h)에 후면 전극 층(105)을 형성한다(도 4i). 마지막으로 인접한 셀 간의 전기적 절연을 위해 특정 위치의 비정질 실리콘계 (p/i/n) 박막(103), 제 1투명 전도층(304), 제 2투명 전도층(104), 후면 전극 층(105)을 레이저 스크라이빙 공정으로 제거한다(도 4j).
상기 방법에 의해 제작된 박막형 태양전지는 제 1 및 제 2투명 전도층(104, 304)은 두 층으로 이루어져 있으며, 제 1투명 전도층(304)은 레이저 스크라이빙 공정 및 세척 공정시 태양 전지 층의 오염 및 산화를 방지해 주며 제 2투명 전도층(104)은 주로 금속이 사용되는 후면 전극 층(105)이 태양전지 층과 직접 접합되는 것을 방지함으로써 금속에 의한 태양광의 손실을 방지할 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다"등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 범위에 속한다. 또한, 본 명세서에서 설명한 각 구성요소의 물질은 당업자가 공지된 다양한 물질로부터 용이하게 선택하여 대처할 수 있다. 또한, 당업자는 본 명세서에서 설명된 구성요소 중 일부를 성능의 열화 없이 생략하거나 성능을 개선하기 위해 구성요소를 추가할 수 있다. 뿐만 아니라, 당업자는 공정 환경이나 장비에 따라 본 명세서에서 설명한 방법 단계의 순서를 변경할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.
도 1 내지 도 2i는 종래의 박막형 태양전지의 단면도 및 제작방법.
도 3a 내지 도 4j는 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막형 태양전지의 단면도 및 제작방법.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
101 : 유리기판
102 : 하부 투명 전도층(TCO)
103 : 비정질 실리콘계 (p/i/n) 박막
104 : 제 2투명 전도층(상부 투명 전도층)
105 : 후면전극층
300 : 텐덤형 실리콘계 반도체층
302 : 미세결정질 실리콘계 박막
304 : 제 1투명 전도층(또 하나의 투명 전도층)
314 : 중간 투명 전도층

Claims (12)

  1. 박막형 태양전지에 있어서,
    실리콘계 반도체층과 상부 투명 전도층 사이에 또 하나의 투명 전도층을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 실리콘계 반도체층은
    적어도 하나 이상의 비정질 실리콘계 (p/i/n) 박막 또는 비정질 실리콘계 (p/i/n) 박막과 미세결정질 실리콘계 박막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 비정질 실리콘계 (p/i/n) 박막과 미세결정질 실리콘계 박막 사이에 중간 투명 전도층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
  4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서, 상기 상부 투명 전도층, 또 하나의 투명 전도층 및 중간 투명 전도층은 금속산화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 금속산화물은 산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO), 아이티오(ITO) 중 선택되는 1종 이상의 산화물인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 또 하나의 투명 전도층은 상기 상부 투명 전도층과 동일한 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 또 하나의 투명 전도층에는 알루미늄(Al), 불소(F), 철(Fe), 갈륨(Ga) 및 붕소(B) 중 선택되는 1종 이상의 불순물이 혼합되는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
  8. 유리기판 상부에 하부 투명 전도층을 증착하고 패터닝 하는 단계;
    실리콘계 반도체층을 증착하는 단계;
    제 1투명 전도층을 증착하고 패터닝하는 단계;
    제 2투명 전도층, 후면전극층을 차례로 증착한 후, 상기 후면전극층, 제 1 및 제 2투명 전도층, 상기 실리콘계 반도체층을 패터닝하는 단계를 포함하는 박막형 태양전지 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 실리콘 반도체층을 증착하는 단계는
    패터닝된 하부 투명 전도층의 상부에 적어도 하나 이상의 비정질 실리콘계 (p/i/n) 박막을 증착하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지 제조방법.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 실리콘계 반도체층을 증착하는 단계는
    패터닝된 하부 투명 전도층의 상부에 비정질 실리콘계 (p/i/n) 박막과 미세결정질 실리콘계 pin층을 증착하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지 제조방법.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 비정질 실리콘계 pin층과 미세결정질 실리콘계 pin층 사이에 중간 투명 전도층을 적층하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지 제조방법.
  12. 제 9항에 있어서, 상기 패터닝 방법은 레이저 스크라이빙(Laser Scribing)법을 이용하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지 제조방법.
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