KR20100032185A - 집전 전극이 구비된 박막형 태양전지와 그 제조방법 - Google Patents

집전 전극이 구비된 박막형 태양전지와 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 박막형 태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 하부 투명 전극층의 전도도가 증가되어 하부 투명 전극층의 투과도가 향상되고, 두께가 얇은 박막형 태양전지와 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 박막형 태양전지는 투명 기판과 하부 투명 전극층 사이에 패터닝된 적어도 하나 이상의 집전(集電) 전극 및 상기 하부 투명 전극층 위에 순차적으로 형성된 광전변환 반도체층 및 상부 금속 전극층을 포함한다.
태양전지, 박막, 투명 전극층, 패터닝, 집전 전극

Description

집전 전극이 구비된 박막형 태양전지와 그 제조방법{THIN-FILM TYPE SOLAR CELL HAVING A CURRENT COLLECTING ELECTRODE AND FABRICATING METHOD THEREOF}
본 발명은 박막형 태양전지와 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 하부 투명 전극층의 전도도가 증가되어 하부 투명 전극층의 투과도가 향상되고, 두께가 얇은 박막형 태양전지와 그 제조방법에 관한 것이다.
최근, 에너지 자원 확보와 지구 온난화 극복 등을 위하여 친환경적인 대체 에너지의 개발 및 활용이 활발히 진행되고 있다.
이러한 대체 에너지로는 태양전지, 풍력, 조력, 연료전지 등이 있다. 이 중 태양전지는 태양으로부터 전달되는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하여 에너지를 생산하는 소자로서, 차세대 청정 에너지원으로 각광받고 있는 소자이다.
일반적으로 종래의 기판 투과형 박막 태양전지는 도 1에 도시된 바와 같이, 투명 기판(10), 하부 투명 전극층(20), 광전변환 반도체층(30), 반사층(40), 및 상부 금속 전극층(50)이 순차적으로 적층된 구조를 가진다.
투명 기판(10)은 태양광이 입사될 수 있도록 투명한 유리 등의 재질로 형성되고, 하부 투명 전극층(20) 또한 투명한 도전체로 형성되며, 광전변환 반도체 층(30)은 비정질 실리콘으로 형성된다. 이때, 광전변환 반도체층(30)과 접촉되는 하부 투명 전극층(20) 및 상부 금속 전극층(50)의 표면은 태양광의 투과 경로를 증가시키기 위하여 요철을 가지도록 처리될 수 있다.
도 1에 도시된 종래의 태양전지에서는 하부 투명 전극층(20)의 높은 저항값으로 인해, 하부 투명 전극층(20)의 두께가 두껍게 형성되어야 하기 때문에, 전체적인 태양전지의 두께가 두꺼워지게 된다. 이에 따라, 종래에는 태양전지의 증착 공정에 소요되는 시간이 길어질 뿐만 아니라, 공정 비용이 상승하는 문제점이 있다.
또한, 종래의 태양전지에서는 하부 투명 전극층(20)의 전도도를 향상시키기 위하여 하부 투명 전극층(20)에 금속 물질을 도핑해야 하기 때문에, 하부 투명 전극층(20)의 투과도가 현저하게 감소됨으로써, 태양전지의 효율이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 하부 투명 전극층의 전도도가 증가되어 하부 투명 전극층의 투과도가 향상됨과 동시에 두께가 얇은 박막형 태양전지를 제공하고 이러한 박막형 태양전지의 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막형 태양전지는 투명 기판과 하부 투명 전극층 사이에 패터닝된 적어도 하나 이상의 집전(集電) 전극, 및 상기 하부 투명 전극층 위에 순차적으로 형성된 광전변환 반도체층 및 상부 금속 전극층을 포함한다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 박막형 태양전지는 투명 기판 위에 형성된 하부 투명 전극층과 광전변환 반도체층 사이에 패터닝된 적어도 하나 이상의 집전 전극, 및 상기 광전변환 반도체층 위에 형성된 상부 금속 전극층을 포함한다.
상기 박막형 태양전지는 상기 광전변환 반도체층 위에 형성된 반사층을 더 포함한다.
상기 집전 전극은 금속 전극으로 이루어지면 족할 것이고 금속원소이면 특별히 제한되지 않으나, 은(Ag), 알루미늄(Al) 및 금(Au) 중 적어도 어느 하나 이상의 금속일 수 있다.
상기 하부 투명 전극층은 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2) 및 인듐틴옥사이 드(ITO) 중 적어도 어느 하나 이상을 이용하여 형성된다.
또한 본 발명에서 상기 하부 투명 전극층과 광전변환 반도체층의 접합면, 및 상기 광전변환 반도체층과 상부 금속 전극층의 접합면 중 어느 하나 이상의 면은 텍스쳐링 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 태양전지의 제조방법은 투명 기판 위에 적어도 하나 이상의 집전 전극을 패터닝하는 단계와, 상기 집전 전극이 패터닝된 기판 위에 하부 투명 전극층, 광전변환 반도체층 및 상부 금속 전극층을 순차로 형성하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 박막형 태양전지의 제조방법은 투명 기판 위에 형성된 하부 투명 전극층 위에 적어도 하나 이상의 집전 전극을 패터닝하는 단계와, 상기 집전 전극이 패터닝된 하부 투명 전극층 위에 광전변환 반도체층 및 상부 금속 전극층을 순차로 형성하는 단계를 포함한다.
상기 집전 전극을 패터닝하는 단계에서는 공지된 전극 패터닝 방법을 사용하는 것이 가능하고 특별히 제한되지 않지만, 바람직하게는 사진 식각, 스크린 프린팅, 롤투롤 및 잉크젯 방식 중 어느 하나를 이용하여 패터닝될 수 있다.
본 발명의 박막형 태양전지 제조방법은 광전변환 반도체층 위에 반사층을 형성하는 단계를 추가로 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 박막형 태양전지 제조방법은 상기 하부 투명 전극층과 광전변환 반도체층의 접합면 및 상기 광전변환 반도체층과 상부 금속 전극층의 접합면 중 어느 하나 이상의 면을 텍스쳐링하는 단계를 더 수행하여 적어도 하나 이상의 접합면을 요철구조를 가지도록 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 하부 투명 전극층에 접촉되는 집전 전극을 형성함으로써, 하부 투명 전극층의 전도도를 증가시킴과 아울러 하부 투명 전극층의 저항값을 감소시켜, 하부 투명 전극층의 투과도를 향상시키고, 태양전지의 두께를 박막화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 태양전지 두께의 박막화로 인해 태양전지의 공정 시간 및 비용을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 박막형 태양전지가 상용화되면, 차세대 청정 에너지원으로서 지구 환경 보전에 기여할 수 있고, 공공기설, 민간시설, 군수시설 등에 직접 응용됨으로써 경제적 가치를 창출할 수 있을 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여, 도 2 내지 도 4를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아 니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막형 태양전지를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막형 태양전지는 투명 기판(110), 집전 전극(115), 하부 투명 전극층(120), 광전변환 반도체층(130), 반사층(140), 및 상부 금속 전극층(150)이 순차적으로 적층된 구조를 가진다.
투명 기판(110)은 태양광이 입사될 수 있도록 공지된 물질로서 투명성이 확보되는 재질로 이루어지면 족할 것이다. 바람직하게는 투명 플라스틱 기판이나 투명 유리 기판이 사용될 수 있다.
하부 투명 전극층(120) 또한 태양광의 입사를 위해 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 인듐틴옥사이드(ITO) 등과 같은 투명한 산화물 도전체를 이용하여 형성된다.
광전변환 반도체층(130)은 투명 기판(110) 및 하부 투명 전극층(120)을 경유하여 입사되는 태양광으로부터 전류를 발생시키기 위해 p+ 비정질 실리콘으로 형성되는 오믹 접촉층, 비정질 실리콘으로 형성되는 진성 반도체층, n+ 비정질 실리콘으로 형성되는 오믹 접촉층이 적층되어 형성될 수 있다.
반사층(140)은 투명 기판(110)을 통해 입사되는 태양광이 손실되지 않고 다시 광전변환 반도체층(130)으로 반사되어 광전변환에 사용될 수 있도록 반사 재질로 형성되고, 상부 금속 전극층(150)은 금속 재질로 형성된다.
한편, 광전변환 반도체층(130)과 접촉되는 하부 투명 전극층(120) 및 상부 금속 전극층(150)의 표면과 반사층(140)의 표면은 태양광의 투과 경로를 증가시켜 태양전지의 효율을 향상시키기 위하여 요철을 가지도록 텍스쳐링(Texturing) 처리될 수 있다.
집전 전극(115)은 전도도가 좋은 은(Ag), 알루미늄(Al), 금(Au) 등의 금속 재질로 형성되며, 투명 기판(110)과 하부 투명 전극층(120)의 사이에 위치하도록 투명 기판(110) 위에 적어도 하나 이상이 패터닝된다. 집전 전극(115)의 패터닝 방식으로는 사진 식각, 스크린 프린팅(Screen printing), 롤투롤(Roll-to-Roll), 및 잉크젯(Inkjet) 등의 방식 등이 사용될 수 있다.
이러한 집전 전극(115)은 하부 투명 전극층(120)에 접촉되어 형성됨으로써 하부 투명 전극층(120)의 전도도를 향상시킨다. 이로 인해 본 발명에 따르면, 하부 투명 전극층(120)에 도핑되는 금속 물질의 농도를 감소시킬 수 있어 하부 투명 전극층(120)의 투과도가 크게 향상되는 효과가 있다.
또한, 집전 전극(115)은 하부 투명 전극층(120)에 접촉되어, 하부 투명 전극층(120)의 저항값을 감소시키기 때문에, 하부 투명 전극층(120)의 두께를 두껍게 형성할 필요가 없도록 한다. 따라서, 본 발명에 따른 태양전지는 종래에 비해 전체적인 두께가 얇아지는 효과가 있으며, 이로 인해 태양전지의 공정 시간 및 비용이 감소하게 된다.
도 3a 내지 도 3e는 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막형 태 양전지의 제조방법을 나타내는 도면이다.
먼저, 도 3a와 같이 투명 기판(110) 위에 사진 식각, 스크린 프린팅, 롤투롤, 및 잉크젯 방법 중 어느 하나의 방법을 통해 금속 재질의 집전 전극(115)이 패터닝된다. 이때, 집전 전극(115)의 개수, 폭, 두께 등의 패턴은 태양전지의 특성에 맞게 형성 가능하다.
이어서, 도 3b와 같이 집전 전극(115)이 형성된 투명 기판(110) 위에 하부 투명 전극층(120)이 형성된다. 이때, 하부 투명 전극층(120)의 표면은 텍스쳐링 처리될 수 있다.
다음으로, 도 3c와 같이 하부 투명 전극층(120) 위에 광전변환 반도체층(130)이 형성된다. 광전변환 반도체층(130)은 하부 투명 전극층(120) 위에 p+ 비정질 실리콘으로 형성되는 오믹 접촉층, p+ 오믹 접촉층 위에 비정질 실리콘으로 형성되는 진성 반도체층, 진성 반도체층 위에 n+ 비정질 실리콘으로 형성되는 오믹 접촉층을 포함하여 형성될 수 있다.
이후, 도 3d와 같이 광전변환 반도체층(130) 위에 반사 재질의 반사층(140)이 형성되고, 도 3e와 같이 반사층(140) 위에 금속 재질의 상부 금속 전극층(150)이 형성된다. 이때, 광전변환 반도체층(130)을 비롯하여, 반사층(140), 상부 금속 전극층(150)의 접합면 중 어느 하나 이상의 면은 도면에 도시된 바와 같이 하부 투명 전극층(120)의 표면과 마찬가지로 텍스쳐링 처리될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 박막형 태양전지를 나타내는 도면이 다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 박막형 태양전지는 투명 기판(210), 하부 투명 전극층(220), 집전 전극(225), 광전변환 반도체층(230), 반사층(240), 및 상부 금속 전극층(250)이 순차적으로 적층된 구조를 가진다.
즉, 도 2의 태양전지에서는 집전 전극(115)이 투명 기판(110)과 하부 투명 전극층(120)의 사이에 위치하였던 것에 반해, 도 4의 태양전지에서는 집전 전극(225)이 하부 투명 전극층(220) 상이 위치하는 것을 제외하고 나머지 구성은 도 2와 동일하다. 마찬가지로 집전 전극(225)이 패터닝됨에 따라 집전 전극이 하부 투명 전극층(220)의 전도도를 확보하게 하고, 저항값을 감소시키는 기능을 수행하며, 하부 투명 전극층에 사용되는 산화물 도전체에 도핑되는 금속의 양을 줄일 수 있어 투과도를 향상시킨다. 이로 인해 보다 얇은 두께로 하부 투명 전극층을 형성할 수 있게 되어 전체적으로 태양전지의 두께가 얇아지는 효과가 있다.
상기 실시예에 따른 박막형 태양전지의 제조방법에 있어서도, 투명 기판(210) 위에 하부 투명 전극층(220)이 형성된 이후, 광전변환 반도체층(230)의 형성 이전에 집전 전극(225)이 패터닝되는 것을 제외하면, 나머지 제조과정이 도 2에 도시된 태양전지의 제조방법과 동일하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허등록청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 태양전지를 나타내는 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 박막형 태양전지를 나타내는 도면,
도 3a 내지 도 3e는 도 2에 도시된 태양전지의 제조방법을 나타내는 도면, 및
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 박막형 태양전지를 나타내는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>
10, 110, 210 : 투명 기판 20, 120, 220 : 하부 투명 전극층
30, 130, 230 : 광전변환 반도체층
40, 140, 240 : 반사층
50, 150, 250 : 상부 금속 전극층
115, 225 : 집전 전극

Claims (11)

  1. 투명 기판과 하부 투명 전극층 사이에 패터닝된 적어도 하나 이상의 집전(集電) 전극; 및
    상기 하부 투명 전극층 위에 순차적으로 형성된 광전변환 반도체층 및 상부 금속 전극층을 포함하는 박막형 태양전지.
  2. 투명 기판 위에 형성된 하부 투명 전극층과 광전변환 반도체층 사이에 패터닝된 적어도 하나 이상의 집전 전극; 및
    상기 광전변환 반도체층 위에 형성된 상부 금속 전극층을 포함하는 박막형 태양전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광전변환 반도체층 위에 형성된 반사층을 더 포함하는 박막형 태양전지.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 집전 전극은 금속전극인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 하부 투명 전극층은 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2) 및 인듐틴옥사이드(ITO) 중 적어도 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 하부 투명 전극층과 광전변환 반도체층의 접합면 및 상기 광전변환 반도체층과 상부 금속 전극층의 접합면 중 어느 하나 이상의 면은 텍스쳐링된 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
  7. 투명 기판 위에 적어도 하나 이상의 집전 전극을 패터닝하는 단계; 및
    상기 집전 전극이 패터닝된 기판 위에 하부 투명 전극층, 광전변환 반도체층 및 상부 금속 전극층을 순차로 형성하는 단계를 포함하는 박막형 태양전지의 제조방법.
  8. 투명 기판 위에 형성된 하부 투명 전극층 위에 적어도 하나 이상의 집전 전극을 패터닝하는 단계; 및
    상기 집전 전극이 패터닝된 하부 투명 전극층 위에 광전변환 반도체층 및 상부 금속 전극층을 순차로 형성하는 단계를 포함하는 박막형 태양전지의 제조방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 집전 전극은 사진 식각, 스크린 프린팅, 롤투롤 및 잉크젯 방식 중 어느 하나를 이용하여 패터닝되는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
  10. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 광전변환 반도체층 위에 반사층을 형성하는 단계를 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
  11. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 하부 투명 전극층과 광전변환 반도체층의 접합면 및 상기 광전변환 반도체층과 상부 금속 전극층의 접합면 중 어느 하나 이상의 면은 텍스쳐링 공정으로 처리하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
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