KR20100030944A - 태양전지의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
태양전지의 제조방법이 개시되어 있다. 태양전지의 제조방법은 기판상에 도전층을 패터닝하여 이면전극을 형성하는 단계; 상기 이면전극 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 버퍼층 상에 투명전극층을 형성하는 단계; 상기 투명전극층을 제 1 레이저를 사용하여 1 차 패터닝하는 단계; 및 상기 버퍼층 및 상기 광 흡수층을 제 2 레이저를 사용하여 2 차 패터닝하는 단계를 포함한다.
레이저, CIGS, 스크라이빙, 패턴
Description
실시예는 태양전지에 관한 것이다.
최근 에너지의 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지들에 대한 개발이 진행되고 있다.
특히, 유리기판, 금속 이면 전극층, p형 CIGS계 광 흡수층, 고 저항 버퍼층, n형 창층 등을 포함하는 기판 구조의 pn 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다.
또한, 이러한 태양전지를 형성하기 위해서, 기계적인 패터닝 공정이 수행될 수 있다. 기계적인 패터닝 공정이 수행되는 경우, 정밀한 패터닝이 어렵고, 패터닝 시에 불량이 발생할 수 있다.
실시예는 정밀한 패터닝에 의해서, 각각의 셀이 효율적으로 연결되고, 광 흡수층이 넓은 평면적을 가지는 태양전지를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 기판상에 도전층을 패터닝하여 이면전극을 형성하는 단계; 상기 이면전극 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 버퍼층 상에 투명전극층을 형성하는 단계; 상기 투명전극층을 제 1 레이저를 사용하여 1 차 패터닝하는 단계; 및 상기 버퍼층 및 상기 광 흡수층을 제 2 레이저를 사용하여 2 차 패터닝하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 레이저에 의해서, 투명전극층, 버퍼층 및 광 흡수층을 패터닝한다.
따라서, 투명전극층, 버퍼층 및 광 흡수층은 정밀하게 패터닝되고, 투명전극층, 버퍼층 및 광 흡수층의 손상은 감소된다.
또한, 광 흡수층은 레이저에 의해서 패터닝되기 때문에, 패터닝 과정에서 제거되는 광 흡수층의 평면적은 최소화 된다. 즉, 패터닝에 의해서 구분되는 각각의 셀 사이의 간격은 최소화되고, 각각의 셀의 평면적은 증가한다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 넓은 광 흡수층의 평면적을 가지고, 향상된 효율을 가진다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 기판, 막, 전극, 결정 또는 층 등이 각 기판, 전극, 막, 결정 또는 층 등의 "상(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 구성요소의 상 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
도 1 내지 도 7은 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도들이다.
도 1을 참조하면, 기판(100) 상에 이면전극층이 형성되고, 레이저에 의해서 패터닝되어, 다수 개의 이면전극(200)들이 형성된다.
상기 기판(100)은 소다 라임 글래스(soda lime glass) 기판이다.
상기 이면전극층은 몰리브덴 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정에 의해서 형성된다. 상기 이면전극층은 두 개의 층으로 형성될 수 있다. 즉, 상기 이면전극층은 다른 조건으로 몰리브덴이 적층되어 두 개의 층으로 형성될 수 있다.
상기 이면전극(200)들은 스트라이프(stripe) 형태 또는 매트릭스(matrix) 형태로 배치될 수 있으며, 각각의 셀(C1, C2)에 대응한다.
도 2를 참조하면, 상기 이면전극(200)들 상에 광 흡수층(301), 버퍼층(401) 및 고저항 버퍼층(501)이 차례로 형성된다.
상기 광 흡수층(301)을 형성하기 위해서 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발시키면서 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(301)을 형성하는 방법과 금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션(Selenization) 공정에 의해 형성시키는 방법이 폭넓게 사용되고 있다.
금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션 하는 것을 세분화하면, 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정에 의해서, 상기 이면전극(200) 상에 금속 프리커서 막이 형성된다.
이후, 상기 금속 프리커서 막은 셀레이제이션(selenization) 공정에 의해서, 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(301)이 형성된다.
이와는 다르게, 상기 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 상기 셀레니제이션 공정은 동시에 진행될 수 있다.
이와는 다르게, 구리 타겟 및 인듐 타겟 만을 사용하거나, 구리 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 셀레니제이션 공정에 의해서, CIS계 또는 CIG계 광 흡수층(301)이 형성될 수 있다.
또한, 상기 금속 프리커서 막을 형성하는 공정 및 셀레니제이션 공정 동안에, 상기 기판(100)에 포함된 나트륨이 상기 이면전극(200)을 통해서, 상기 금속 프리커서 막 및 상기 광 흡수층(301)에 확산된다.
나트륨은 상기 광 흡수층(301)의 그레인 크기를 향상시키고, 결정성을 향상 시킨다.
상기 광 흡수층(301)의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1 내지 1.8 eV 이다.
이후, 상기 광 흡수층(301) 상에 황화 카드뮴(CdS)을 포함하는 버퍼층(401)이 스퍼터링 공정에 의해서 형성된다.
상기 버퍼층(401)의 에너지 밴드갭은 약 2.2 내지 2.4 eV 이다.
이후, 상기 버퍼층(401) 상에 징크 옥사이드(ZnO)를 포함하는 고저항 버퍼층(501)이 스퍼터링 공정에 의해서 형성된다.
상기 고저항 버퍼층(501)의 에너지 밴드갭은 약 3.1 내지 3.3 eV 이다.
도 3을 참조하면, 상기 고저항 버퍼층(501)에 제 1 홈 패턴(510)이 형성된다.
상기 고저항 버퍼층(501)은 높은 에너지 밴드갭을 가지기 때문에, 상기 제 1 홈 패턴(510)은 상대적으로 높은 출력의 제 1 레이저(L1)에 의해서 형성된다. 예를 들어, 상기 제 1 레이저(L1)는 약 200 내지 600㎚의 파장을 가진다.
또한, 상기 제 1 홈 패턴(510)은 상기 고저항 버퍼층(501)을 관통하며, 상기 제 1 홈 패턴(510)에 의해서, 상기 버퍼층(401)의 일부가 노출된다.
도 4를 참조하면, 상기 버퍼층(401) 및 상기 광 흡수층(301)에 제 2 홈 패턴(310)이 형성된다. 상기 제 2 홈 패턴(310)은 상대적으로 낮은 에너지 밴드갭을 가지기 때문에, 상기 제 2 홈 패턴(310)은 상대적으로 낮은 출력의 제 2 레이저(L2)에 의해서 형성된다.
예를 들어, 상기 제 2 레이저(L2)는 약 900 내지 1100 nm의 파장을 가진다.
상기 제 2 홈 패턴(310)은 상기 제 1 홈 패턴(510)에 대응하여 형성되며, 상기 제 1 홈 패턴(510) 및 상기 제 2 홈 패턴(310)은 서로 연결된다.
상기 제 2 홈 패턴(310)에 의해서, 상기 이면전극(200)의 일부가 노출된다.
도 5를 참조하면, 상기 고저항 버퍼층(501) 상에 투명한 도전물질이 적층되고, 상기 제 1 홈 패턴(510) 및 상기 제 2 홈 패턴(310) 내측에 투명한 도전물질이 채워진다. 즉, 상기 고저항 버퍼층(501) 상에 투명전극층(601)이 형성되고, 상기 제 1 홈 패턴(510) 및 상기 제 2 홈 패턴(310) 내측에 접속배선(700)들이 형성된다.
상기 투명전극층(601) 및 상기 접속배선(700)으로 사용되는 물질의 예로서는 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드 등을 들 수 있다.
상기 투명전극층(601)의 에너지 밴드갭은 약 3.1 내지 3.3 eV 이다.
도 6을 참조하면, 상기 투명전극층(601) 및 상기 고저항 버퍼층(501)은 상기 제 1 레이저(L1)에 의해서 패터닝되고, 상기 버퍼층(401) 상에 다수 개의 투명전극(600)들 및 고저항 버퍼(500)들이 형성된다.
즉, 상기 투명전극층(601) 및 상기 고저항 버퍼층(501)의 일부가 제거되어, 제 3 홈 패턴(610)이 형성되고, 상기 투명전극(600)들 및 상기 고저항 버퍼(500)들은 상기 제 3 홈 패턴(610)에 의해서 구분된다.
상기 투명전극(600)들 및 상기 고저항 버퍼(500)들은 각각의 셀(C1, C2)에 대응한다. 상기 투명전극(600)들 및 상기 고저항 버퍼(500)들은 스트라이프 형태 또는 매트릭스 형태로 배치된다.
도 7을 참조하면, 상기 버퍼층(401) 및 상기 광 흡수층(301)은 상기 제 2 레이저(L2)에 의해서 패터닝되고, 상기 이면전극(200)들 상에 다수 개의 버퍼(400)들 및 광 흡수부(300)들이 형성된다.
즉, 상기 버퍼층(401) 및 상기 광 흡수층(301)의 일부가 제거되어, 제 4 홈 패턴(410)이 형성되고, 상기 버퍼(400)들 및 상기 광 흡수부(300)들은 상기 제 4 홈 패턴(410)에 의해서 구분된다.
상기 제 3 홈 패턴(610) 및 상기 제 4 홈 패턴(410)은 서로 상하로 연결되고, 상기 제 4 홈 패턴(410)은 상기 제 3 홈 패턴(610)에 대응한다.
상기 버퍼(400)들 및 상기 광 흡수부(300)들은 각각의 셀(C1, C2)에 대응한다. 상기 버퍼(400)들 및 상기 광 흡수부(300)들은 스트라이프 형태 또는 매트릭스 형태로 배치된다.
상기 투명전극(600)들 및 상기 이면전극(200)들은 서로 미스 얼라인되며, 상기 투명전극(600)들 및 상기 이면전극(200)들은 상기 접속배선(700)들에 의해서 각각 전기적으로 연결된다.
즉, 상기 이면전극(200), 상기 광 흡수부(300), 상기 버퍼(400), 상기 고저항 버퍼(500) 및 상기 투명전극(600)을 포함하는 셀(C1, C2)이 형성된다.
이때, 상기 접속배선(700)들은 각각의 셀(C1, C2)을 연결한다. 즉, 상기 접속배선(700)은 제 1 셀(C1)의 이면전극 및 상기 제 1 셀(C1)에 인접하는 제 2 셀(C2)의 투명전극을 전기적으로 연결한다.
또한, 상기 셀들(C1, C2)은 외부광을 전기에너지로 변환시키는 활성 영 역(AR) 및 상기 액티브 영역에 인접하는 비활성 영역(NAR)으로 구분된다.
즉, 상기 접속배선(700)이 형성된 영역 및 상기 접속배선(700)과 상기 제 4 홈 패턴(410) 사이의 영역이 비활성 영역(NAR)이다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 상기 제 1 레이저(L1) 및 상기 제 2 레이저(L2)를 사용하여, 상기 광 흡수층(301), 상기 버퍼층(401), 상기 고저항 버퍼층(501) 및 상기 투명전극층(601)을 패터닝한다.
특히, 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 에너지 밴드갭들이 서로 다른 층들을 각각의 층의 에너지 밴드갭에 대응하는 출력의 레이저들을 사용하여 패터닝한다.
따라서, 상기 광 흡수층(301), 상기 버퍼층(401), 상기 고저항 버퍼층(501) 및 상기 투명전극층(601)은 정밀하게 패터닝된다. 즉, 상기 제 1 내지 제 4 홈 패턴(510, 310, 610, 410)은 작은 폭으로 형성된다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 인접하는 셀들(C1, C2) 사이의 간격을 줄일 수 있고, 외부의 광이 입사되는 영역의 면적을 향상시킬 수 있다.
또한, 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 상기 광 흡수층(301), 상기 버퍼층(401), 상기 고저항 버퍼층(501) 및 상기 투명전극층(601)의 손상을 줄일 수 있다.
또한, 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 상기 접속배선(700) 및 상기 제 4 홈 패턴(410) 사이의 간격을 줄일 수 있고, 상기 접속배선(700)의 폭을 줄일 수 있다. 이에 따라서, 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 비활성 영역(NAR)의 면 적을 줄일 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 기계적인 스트레스로 인한 손상을 줄이고, 향상된 성능을 가진다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
실험예
소다라임 기판 상에 몰리브덴 타겟을 사용하여 스퍼터링 공정을 통해서, 이면전극을 약 1 ㎛의 두께로 형성하였다. 이후, 약 1064nm 파장을 가지는 YAG 레이저를 이용하여 이면전극을 초기 패터링하여 각 cell 을 생성시킨다. 이후, 상기 이면전극 상에 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄 분출셀(effusion cell)을 사용하고, 할로겐 램프(halogen lamp)를 통해 기판의 온도를 조절하면서 각 원소를 동시 또는 분리하여 증착하는 단계를 거쳐 구리 타겟, 인듐 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하여, 금속 프리커서 막을 약 2㎛의 두께로 형성하고, 상기 금속프리커서 막은 셀레니제이션 공정을 통하여, 상기 이면전극 상에 광 흡수층이 형성되었다.
이후, 상기 광 흡수층 상에 준비된 카드뮴 설폭사이드(CdSO4), 사이오우레아(CS(NH2)2)를 탈이온수에 섞은 용액에 일정 온도를 가하면서 증착하는 용액성장법 (CBD)법을 이용하여, CdS 버퍼층이 약 50㎚의 두께로 형성되었다.
이후, 상기 버퍼층 상에 징크 옥사이드 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정에 의해서, 고저항 버퍼층이 약 의 50㎚두께로 형성되었다.
이후, 약 532 nm의 파장을 가지는 YAG 레이저를 사용하여, 상기 고저항 버퍼층이 1차 패터닝되었다.
또한, 같은 위치에 약 1064 nm의 파장을 가지는 YAG 레이저를 사용하여, 상기 버퍼층 및 상기 광 흡수층이 2차 패터닝되어, 제 1 관통홈(P1)이 형성되었다.
이후, 상기 고저항 버퍼층 상에 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정에 의해서, 투명전극층이 약 450㎚의 두께로 형성되었다.
같은 방식으로, 상기 제 1 관통홈(P1)에 인접하여 제 2 관통홈(P2)이 형성되었다.
대조군#1
실험예와 같은 방식으로 이면전극, 광 흡수층, 버퍼층, 고저항 버퍼층 및 투명전극층이 형성되었다.
이후, 약 1064㎚의 파장을 가지는 YAG 레이저를 사용하여, 상기 광 흡수층, 상기 버퍼층, 상기 고저항 버퍼층 및 상기 투명전극층을 패터닝하여, 제 3 관통홈(P3) 및 제 4 관통홈(P4)을 형성하였다.
대조군#2
실험예와 같은 방식으로 이면전극, 광 흡수층, 버퍼층, 고저항 버퍼층 및 투명전극층이 형성되었다.
이후, 끝부분이 약 45㎛ 두께를 가지는 팁을 사용하여, 상기 광 흡수층, 상기 버퍼층, 상기 고저항 버퍼층 및 상기 투명전극층을 패터닝하여, 제 5 관통홈(P5) 및 제 6 관통홈(P6)을 형성하였다.
도 8은 실험예에 따른 태양전지의 표면이고, 도 9는 대조군#1에 따른 태양전지의 표면이고, 도 10은 대조군#2에 따른 태양전지의 표면이다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 실험예에 따른 태양전지의 표면은 대조군#1 및 #2 보다 덜 손상되었고, 더 정밀하게 패터닝되었다.
도 1 내지 도 7은 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도들이다.
도 8은 실험예에 따른 태양전지의 표면이다.
도 9는 대조군#1에 따른 태양전지의 표면이다.
도 10은 대조군#2에 따른 태양전지의 표면이다.
Claims (8)
- 기판상에 도전층을 패터닝하여 이면전극을 형성하는 단계;상기 이면전극 상에 광 흡수층을 형성하는 단계;상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계;상기 버퍼층 상에 투명전극층을 형성하는 단계;상기 투명전극층을 제 1 레이저를 사용하여 1 차 패터닝하는 단계; 및상기 버퍼층 및 상기 광 흡수층을 제 2 레이저를 사용하여 2 차 패터닝하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 1 차 패터닝하는 단계 및 상기 2 차 패터닝하는 단계에서,상기 제 1 레이저는 상기 제 2 레이저보다 더 높은 출력을 가지는 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 1 차 패터닝하는 단계에서,상기 투명전극층의 일부가 상기 제 1 레이저에 의해서 제거되며,상기 2 차 패터닝하는 단계에서,상기 투명전극층의 제거되는 부분에 대응하여, 상기 버퍼층 및 상기 광 흡수층의 일부가 상기 제 2 레이저에 의해서 제거되는 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 버퍼층 및 상기 광 흡수층을 관통하는 홈 패턴을 형성하는 단계을 포함하며,상기 투면전극층을 형성하는 단계에서, 상기 홈 패턴에 투명한 도전물질이 채워지는 태양전지의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 버퍼층 및 상기 투명전극층 사이에 고저항 버퍼층을 형성하는 단계를 포함하며,상기 홈 패턴을 형성하는 단계는상기 제 1 레이저를 사용하여 상기 고저항 버퍼층에 제 1 홈 패턴을 형성하는 단계; 및상기 제 2 레이저를 사용하여, 상기 버퍼층 및 상기 광 흡수층에 제 2 홈 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 1 차 패터닝하는 단계에서, 상기 제 1 레이저는 200 내지 500 ㎜의 파장을 가지며,상기 2 차 패터닝하는 단계에서, 상기 제 2 레이저는 800 내지 1200 ㎚의 파장을 가지는 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 버퍼층 및 상기 투명전극층 사이에 고저항 버퍼층을 형성하는 단계를 포함하며,상기 투명전극층을 1 차 패터닝 하는 단계에서,상기 투명전극층 및 상기 고저항 버퍼층은 상기 제 1 레이저를 사용하여, 동시에 패터닝되는 태양전지의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 투명전극층을 형성하는 단계, 상기 버퍼층을 형성하는 단계 및 상기 광 흡수층을 형성하는 단계에서,상기 투명전극층의 에너지 밴드갭은 상기 버퍼층의 에너지 밴드갭 및 상기 광 흡수층의 에너지 밴드갭 보다 큰 태양전지의 제조방법.
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