KR20100090181A - 다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법 및 그에 따른 태양전지 - Google Patents

다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법 및 그에 따른 태양전지 Download PDF

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Abstract

태양전지의 제조 방법 및 그에 따른 태양전지가 개시된다. 본 발명의 한 실시예에 따른 태양전지의 제조 방법은 기존의 실리콘 웨이퍼가 아닌 박막 실리콘으로 실리콘의 사용량을 줄여 태양전지의 원료 부족 우려를 덜고, 제조 비용을 낮춘다. 또한 본 발명의 한 실시예에 따른 태양전지의 제조 방법은 다결정 실리콘을 500℃ 이상에서 증착 또는 비정질 실리콘을 열처리 하여 다결정 실리콘으로 제조함으로써, 태양전지의 생산 효율을 높인다. 다결정 실리콘을 얻기 위해 고온 공정에서 견딜 수 있는 기판이 사용된다. 식각액 또는 식각가스는 다공성 기판의 기공을 통과하여 희생층을 제거하고, 다공성 기판은 태양전지 구조체와 쉽게 분리(Lift-off)된다. 다공성 기판은 다결정 실리콘 뿐만 아니라 CIS(CuInSe2), CdTe, GaAs, InP, Ge등의 화합물 반도체, 염료감응형 또는 유기 박막 태양전지 제조에도 이용될 수 있다.

Description

다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법 및 그에 따른 태양전지{MANUFACTURING OF THIN FILM SOLAR CELL BY POROUS MATERIALS AND SOLAR CELL}
본 발명은 다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법 및 그에 따른 태양전지에 관한 것이다.
태양전지는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심 소자이다. 태양전지는 반도체의 PN 접합부에 반도체의 에너지 밴드 갭보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되고, 이들 전자-정공은 PN 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 N층으로, 정공은 P층으로 모이게 된다. 따라서 PN 접합부에 광기전력이 발생하여 양단의 전극에 부하를 연결하면 전류가 흐른다.
이러한 태양전지는 실리콘 소재가 95% 이상을 차지하고 있으나 실리콘 소재의 공급 물량 부족으로 인하여 태양전지의 생산 가격 목표인 와트당 1달러(US 달러)로 제조하기에는 어려운 실정이다.
상기 실리콘 소재의 태양전지는 제조 방법에 따라 크게 세 가지로 분류할 수 있다.
첫째로, 단결정 실리콘 웨이퍼를 이용한 태양전지의 제조 방법이 있다. 이러 한 방법은 20% 정도의 PV(photovoltaics) 효율을 얻을 수 있으나 고가의 실리콘 소모가 많아 생산 비용 절감이 어렵다.
둘째로, 다결정 실리콘 웨이퍼를 이용한 태양전지의 제조 방법이 있다. 이러한 방법은 15% 정도의 PV 효율을 얻을 수 있으나 현재의 제조 공정으로 실리콘 소모량을 줄이는데 상당한 어려움이 있다. 또한, 실리콘웨이퍼의 사용은 향후 공급량의 부족으로 인해 비용 절감이 어렵다. 일반적으로 태양전지에 필요한 실리콘의 두께는 10㎛ 이내면 가능하나 250㎛ 두께 이상의 실리콘 기판의 사용은 제조 과정에서 물리적 충격에 대한 안전성 확보를 위해 95%의 실리콘이 태양전지의 효율에 도움이 되지 않는데 사용되고 있다. 이로 인해 태양전지의 생산단가는 실리콘의 사용량에 의해 10% 이상 영향을 받고 있다.
셋째로, 박막 실리콘을 이용한 태양전지의 제조 방법이 있다. 이러한 방법은 생산 비용이 가장 낮은 방법으로 알려지고 있는데, 실리콘 박막으로 비정질 실리콘과 다결정 실리콘을 형성하는 두 가지 방법이 있다. 비정질 박막 실리콘 태양전지는 저가 생산이 가능하고 대 면적 제조가 용이한 장점이 있지만 비정질 재료의 내부에는 원자 결합이 만족되지 않는 부분이 많고, 열에너지로 변환되어 손실되는 열화현상으로 안정화 효율이 좋지 않아 실질적인 에너지 변환효율이 매우 낮은 문제가 있다. 반면 다결정 박막 실리콘 태양전지는 비정질과 단결정 실리콘의 경계물질인 미세결정 실리콘(μc-Si)과 결정질 실리콘(c-Si)을 포함한다. 다결정 박막 실리콘 태양전지는 비정질 박막 실리콘 태양전지에서 나타나는 열화현상이 없어 에너지 변환효율이 좋다.
이 같은 장점을 갖는 다결정 박막 실리콘 태양전지는 다결정 박막을 형성하기 위한 방법에 있어 고온 공정을 적용해야 유리하기 때문에 일반적인 유리기판 사용에는 많은 제약이 있고, 쿼츠기판과 같은 고가기판 사용에는 경제적인 문제 등이 따른다. 본 발명은 이러한 문제점을 해결한 고효율 다결정 박막 실리콘 태양전지를 소개한다.
단결정, 다결정 웨이퍼 실리콘 태양전지가 광전 변환 효율은 좋지만, 제조 원가가 높고 원료물질이 부족하여 문제가 되고, 비정질 박막 실리콘 태양전지는 제조비용이 적게 들지만 낮은 광전 변환 효율과 열화 현상에 의한 효율 저하 문제가 있다. 따라서 각각의 장점만을 살려 저가에 고효율 태양전지를 구현하고자 한다면, 다결정 박막 실리콘 태양전지가 가장 적절하다. 이 같은 태양전지는 다결정 박막 실리콘을 구현할 때 고온 공정에 적합한 기판 선정에 문제를 갖고 있다. 본 발명의 한 실시예에서는 다공성 기판과 희생층을 사용하고, 리프트 오프(Lift-off) 공정을 이용함으로써, 고온공정이 가능하도록 한다.
본 발명의 한 실시예는 다결정 실리콘을 형성하기 위해 고온 및 화학적 환경에서 물리적 성질의 변화가 적고, 실리콘 증착 이후 분리가 용이하며, 반복해서 일정 횟수 재사용이 가능한 다공성 기판을 이용한 태양전지의 제조 방법 및 그에 따른 태양전지를 제공한다.
본 발명의 한 실시예는 박막형으로 실리콘을 형성하여 최소량의 다결정 실리 콘으로 태양전지를 제조하여 실리콘 원료 부족 문제에 영향을 받지 않고, 제조비용도 낮출 수 있는 태양전지의 제조 방법과 그에 따른 태양전지를 제공한다.
본 발명의 한 실시예에서 태양전지를 제조하는 방법은 다공성 기판 준비 단계, 다공성 기판의 표면에 희생층을 형성하는 희생층 형성 단계, 희생층에 보호막을 형성하는 보호막 형성 단계, 다결정 실리콘 박막 태양전지를 형성하는 태양전지 제조 단계, 기판 부착용 재료 형성 단계, 기판 부착 단계 및 희생층 제거로 태양전지와 다공성 기판을 분리하는 다공성 기판 분리 단계로 이루어진다.
단, 보호막은 구조에 따라 형성하지 않을 수도 있다.
다공성 기판은 열적 특성이 우수하여 다결정 실리콘 박막 형성시 고온공정이 가능하다. 또한 식각액 또는 식각가스가 다공성 기판의 기공을 통과해 희생층을 식각하여 태양전지와 다공성 기판을 분리(Lift-off) 할 수 있다.
본 발명의 한 실시예는 고온 및 화학적 반응에 견딜 수 있는 다공성 세라믹 재질의 기판 또는 그와 유사한 성질을 갖는 기판을 사용함으로써, 고온 공정이 가능하여 성질이 우수한 다결정 실리콘 박막을 형성할 수 있다. 기존에 일반적으로 사용한 유리, 플라스틱 등의 기판 위에 바로 다결정 실리콘 박막 태양전지를 제조하는 것은 고온 공정을 실현하기에는 열적허용도(thermal budget)에 많은 문제점이 있다. 그러나 다공성 기판은 다결정 실리콘을 형성하는 고온 공정이 가능하다.
또한 리프트오프(Lift-off) 공정으로 다공성 기판과 태양전지를 쉽게 분리함 으로써, 저가 유리 기판, 플라스틱 필름, 연성필름(flexible film)등의 다양한 기판으로 태양전지를 전이하는 것이 가능하다.
그 밖에도 본 발명의 한 실시예는 저가의 다공성 기판을 반복적으로 재사용 할 수 있으므로 제조 원가를 획기적으로 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 기본 구조의 단면도이다.
도1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 태양전지의 제조 방법은 다공성 기판(11)의 준비 단계, 희생층(12)의 형성 단계, 보호막(13)의 형성 단계, 태양전지(19)의 형성 단계, 기판 접착용 재료(17)의 형성 단계 및 기판(18)의 부착 단계를 포함한다.
상기 태양전지 형성 단계는 제1전극(14)의 형성 단계와 다결정 박막 실리콘(15)의 형성 단계 및 제2전극(16)의 형성 단계를 포함한다. 여기서, 상기 보호막(13)의 형성 단계는 생략될 수도 있다. 이러한 각 단계는 아래에서 더욱 상세하게 설명한다.
여기서, 상기 제1전극(14), 다결정 박막 실리콘(15) 및 제2전극(16)을 태양전지(19)로 정의하고, 상기 보호막(13), 태양전지(19), 기판 접착용 재료(17) 및 기판(18)을 다시 태양전지 구조체(20)로 정의한다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 다공성 기판과 태양전지를 분리하는 방법을 도시한 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 식각액 또는 식각 가스가 다공성 기판(11)의 기공을 통과함으로써, 희생층(12)이 제거된다. 따라서, 다공성 기판(11)과 태양전지 구조체(20)는 상호간 쉽게 분리된다.
도 3는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 기본 구조이다.
도3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지의 제조 방법은 다공성 기판(101) 위에 희생층(102)과 보호막(103)이 차례로 형성된 후 도1의 제1전극(하부전극)(14)이 형성되지 않은 상태로 다결정 박막 실리콘(105)을 형성한다. 이어서, 제2 전극(상부전극)(106)을 형성한다. 그리고, 상기 제2전극(106) 위에 기판 접착용 재료(107)가 형성되고, 상기 기판 접착용 재료(107) 위에 기판(108)이 부착된다.
여기서, 상기 다결정 박막 실리콘(105) 및 제2전극(106)을 제1전극이 없는 태양전지(109)로 정의하고, 상기 보호막(103), 태양전지(109), 기판 접착용 재료(107) 및 기판(108)을 다시 태양전지 구조체(110)로 정의한다.
도 4는 도 3 의 구조에서 다공성 기판(101)과 제1전극이 없는 태양전지 구조체(110)를 분리하는 모식도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 식각액 또는 식각 가스가 다공성 기판(101)의 기공을 통과하여, 희생층(102)이 제거된다. 따라서, 제 1전극이 없는 태양전지 구조체(110)와 다공성 기판(101)이 상호간 분리된다.
이렇게 다공성 기판(101)과 제1전극이 없는 태양전지 구조체(110)가 서로 분리된 후, 제1전극이 형성됨으로써 대략 500℃ 이상의 고온 공정에서 제1전극(14, 도 1 참조)이 고온에 의해 열화 되어 손상되는 현상이 방지되다.
도 5 는 도 4의 모식도에서 보호막에 패턴을 형성한 후 제1전극을 증착하여 완성한 태양전지 단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 보호막(103)에 패턴이 형성되고, 패턴을 통하여 노출된 P층(105a)에 제1전극(104)이 형성된다. 이와 같이, 제1전극(104)이 가장 마지막에 제조됨으로써, 제1전극(104)이 대략 500℃ 이상의 고온 공정에 노출되지 않게 된다.
도 6 은 도 3의 구조에서 다공성 기판과 제1전극이 없는 태양전지 구조체를 분리한 후 제 1 전극을 형성하여 완성한 태양전지 단면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 도3에 도시된 보호막(103)이 형성되지 않거나 또는 보호막(103)이 모두 제거된 후, P층(105a)에 직접 금속이 증착됨으로써, 제1전극(104')이 형성될 수 있다. 마찬가지로, 제1전극(104')이 가장 마지막에 제조됨으로써, 제1전극(104')이 대략 500℃ 이상의 고온 공정에 노출되지 않게 된다. 따라서, 제1전극의 물리, 전기적 손상 현상이 최소화될 수 있다.
이하에서는 상술한 각 구성 요소의 재료, 형성 방법 및 특성 등을 더욱 구체적으로 설명한다.
상기 다공성 기판(11)은 대략 평판(平板) 형태이다. 여기서, 상기 다공성 기판(11)은 세라믹 또는 그 등가물일 수 있다. 좀 더 구체적으로, 상기 다공성 기판(11)은 알루미나(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 산화지르코늄(ZrO2), 산화마그네슘(MgO), 실리콘 탄소(SiC), 실리콘(Si), 탄소(C), 탄화붕소(B4C), 질화붕소(BN) 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나, 또는 그 화합물이다
또한, 상기 다공성 기판(11)은 적어도 500℃의 온도 이상에서 물성 변화가 작고, 식각액 또는 식각 가스에 반응이 적은 다수의 기공(hole)이 형성된 금속으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 다공성 기판은 도 7에 도시된 바와 같이 기공율의 조절이 가능하고 물리적인 내성을 유지하는 범위로 전체 체적 대비 0.1% 내지 10% 정도의 기공율을 갖는 세라믹(21) 및 그 위에 형성된 세라믹 용사 코팅층(22)으로 이루어질 수 있다. 기공율은 식각액과 식각율에 따라 최적화된다. 이는 다공성 기판의 하부 영역인 세라믹(21)을 식각액 또는 식각가스가 쉽게 통과할 수 있도록 하고, 다공성 기판의 상부 영역인 세라믹 용사 코팅층(22)은 표면이 상대적으로 매끄러워 희생층(12)이 잘 증착 되도록 할 수 있다.
또한, 상기 다공성 기판(11)은 다공성의 세라믹 또는 다공성의 금속에 다수의 기공을 갖는 세라믹 용사층이 코팅되어 이루어질 수 있다.
또한, 상기 다공성 기판은 도 8에 도시된 바와 같이 다수의 홀이 형성된 내 식성 재료인 다공성 홀 가공 기판(23)에 다수의 기공을 갖는 세라믹 용사 코팅층(24)이 형성되어 이루어질 수 있다.
상기 다공성 기판(11)의 다공성 세라믹의 기공율, 기공율 분포 정도, 기공율 크기 등이 일정하게 한정되는 것은 아니다.
더불어, 상기 다공성 기판(11)은 일례로 불산에 내식성있는 하스테로이(hastelloy) 계열과 같은 금속 재료를 사용할 수 있다.
더불어, 상기 다공성 기판(11)은 다른예로 인산에 내식성 있는 금속-STS316(스테인레스), 티타늄(Ti), 하스테로이(hastelloy) 계열 중에서 선택된 어느 하나일 수 있으나, 이러한 재질로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
이와 같이 하여 본 발명은 상기와 같은 다공성 기판(11)을 이용함으로써, 고온 공정의 열적 CVD 장치, PECVD 장치 및 액상 결정성장법(LPE, Liquid-Phase Epitaxy)를 이용할 수 있다. 즉, 종래에는 유리 또는 플라스틱 기판 위에서 태양전지가 형성되므로, 낮은 공정 온도를 적용하여야 했으나, 본 발명은 이러한 단점을 해결한 것이다.
또한, 상기 다공성 기판(11)은 전체 체적 대비 0.1% 내지 10%의 체적을 차지하는 기공을 가질 수 있다. 상기 기공이 0.1% 미만으로 형성되면, 하기(下記)할 희생층의 식각이 이루어지지 않거나 식각 시간이 너무 오래 걸리는 문제가 있다. 또한, 상기 기공이 10%를 초과하면, 다공성 기판(11)의 기계적 강도가 너무 약하여 취급이 어렵고, 희생층의 형성 시간이 오래 걸리며 희생층의 균일도(uniformity)가 저하되는 문제가 있다. 더불어, 상기 다공성 기판(11)에 형성된 기공은 10nm 내지 10㎛의 크기일 수 있다. 상기 기공의 크기가 10nm 미만이면 식각액 또는 식각가스가 다공성 기판을 통과하는데 어려움이 있어 희생층의 식각이 이루어지지 않거나 식각 시간이 너무 오래 걸리는 문제가 있다. 또한, 상기 기공의 크기가 10㎛를 초과하면, 다공성 기판(11)의 강도가 너무 약하여 취급이 어렵고 또한 희생층이 기공 내부로 침투함으로써 희생층의 형성 시간이 오래 걸리는 문제가 있다.
상기 희생층(12)은 상기 다공성 기판(11)의 표면에 일정 두께로 형성한다.
여기서, 상기 희생층(12)은 실리콘 산화막(SiO2), 실리콘 질화막(Si3N4), PSG(phospho-silicate glass), BPSG(boro-phospho-silicate glass), BSG(boro-silicate glass) 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나가 증착되어 형성될 수 있다. 그러나 본 발명에서 상기 희생층(12)의 재질을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이러한 희생층(12)은 주지된 바와 같이 퍼니스(Furnace), 열적(thermal) CVD(Chemical Vapor Deposition), LPCVD(Low Pressure CVD), PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 및 증착기(Evaporator) 중에서 선택된 어느 하나의 장비를 이용하여 형성할 수 있다.
상기 보호막(13)은 상기 희생층(12)의 표면에 일정 두께로 형성한다. 보호막(13)은 도 2에 도시된 바와 같이 다공성 기판(11)의 분리 공정을 진행할 때 태양전지(19)를 식각액 또는 식각가스로부터 보호해주는 역할을 한다. 그러나, 이러한 보호막(13)은 형성되지 않을 수도 있다.
여기서, 상기 보호막(13)은 실리콘 질화막(Si3N4), 산화 지르코늄막(ZrO2) 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 그러나 본 발명에서 상기 보호막(13)의 재질을 한정하는 것은 아니다. 즉, 상기 보호막(13)은 상기 희생층(12)을 식각하는 식각액 또는 식각가스와 반응하지 않는 식각 방지막의 특성을 갖는 물질이면 어떠한 것을 사용해도 좋다. 물론, 상기 보호막(13)은 태양전지로서 동작할 때 반사 방지 기능이 우수한 재질이면 더욱 좋다. 이러한 보호막(13) 역시 주지된 바와 같이 퍼니스(Furnace), CVD(Chemical Vapor Deposition), LPCVD(Low Pressure CVD), PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 및 증착기(Evaporator) 중에서 선택된 어느 하나의 장비를 이용하여 형성할 수 있다. 더불어, 상기 보호막(13)은 완성된 태양전지에서 햇빛이 반사되는 현상을 방지하는 반사방지막 (ARC: Anti Refractive Coating) 역할을 할 수도 있다.
다시 도 1을 참조하면, 제1전극(14), 다결정 박막 실리콘(15) 및 제2전극(16)을 포함하는 태양전지(19)는 보호막(13)의 표면에 차례로 증착되며, 다결정 박막 실리콘인 P층, I층 및 N층을 형성하기 위해 고온공정을 진행한다. 여기서 태양전지(19)의 구조는 도 1과 같은 구조로 한정하는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 I층은 생략될 수도 있다. 또한, N층, I층 및 P층의 순서도 가능하고, 더불어, N층 및 P층의 순서도 가능하다.
상기 제1전극(14)은 상기 보호막(13)의 표면에 형성한다. 상기 제1전극(14)은 이산화 주석(SnO2), 산화아연(ZnO), ITO(Indium Tin Oxide), 탄소 나노 튜브(Carbon Nano-Tube) 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나를 CVD, PVD 또는 플 레이팅 등의 방법으로 형성하여 이루어질 수 있다. 이러한 제1전극(14)은 PIN 박막 실리콘(15)으로부터 정공을 공급받아 외부로 출력하는 역할을 한다. 또한 제1전극(14)은 태양광이 입사되는 통로 역할을 하여야 하기 때문에 태양광 입사가 원활하도록 투과도가 좋은 투명한 막을 형성함을 원칙으로 한다. 하지만 제2전극(16), 기판 접착용 재료(17) 및 기판(18)을 투명한 재료로 할 경우 보호막(13), 제1전극(14)은 불투명한 금속이어도 무관하다. 그러나 가능하면 보호막(13), 제1전극(14) 뿐만 아니라, 제2전극(16), 기판 접착용 재료(17), 기판(18)까지 모두 투명한 재료로 하는 것이 다양한 태양전지의 적용에 유리하다.
상기 다결정 박막 실리콘(15)은 상기 제1전극(14)의 표면에 P층(15a), I층(15b) 및 N층(15c)을 가지며 PIN접합부를 갖는 다결정 실리콘을 증착하여 이루어질 수 있다. 여기서 다결정 박막 실리콘(15)의 구조는 도 1과 같은 구조로 한정하는 것은 아니다. 따라서, 상기 다결정 박막 실리콘(15)의 구조는 P층과 N층 사이에 다른 층이 추가로 형성될 수 도 있고, PIN박막의 각 층 사이에 비정질 실리콘을 추가 할 수도 있다.
상기 다결정 박막 실리콘(15)에서 I층(15b)을 제외한 다른 층은 비정질 실리콘으로 형성 할 수도 있다.
상기 제1전극(14)의 표면에 열적(thermal) CVD(Chemical Vapor Deposition), LPCVD(Low Pressure CVD), PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 액상 결정성장법(LPE, Liquid-Phase Epitaxy) 등의 방식을 채택하여 다결정 박막 실리콘(15)을 증착한다.
여기서 상기 다결정 박막 실리콘(15)은 비정질 박막 실리콘을 증착한 후 고온결정화 방법, 레이저 결정화 방법, 금속 결정화 방법 및 그 등가 방법 중 선택된 어느 하나의 방법에 의해 형성할 수 도 있다. 그러나 본 발명에서 상기 다결정 박막 실리콘(15)의 결정화 방법을 한정하는 것은 아니다.
더불어, 여기서는 단일 PIN 접합 박막 구조를 예로 하여 설명하였으나, NIP구조로 하여 태양광의 입사방향을 반대로 하는 구조를 형성할 수도 있고, 복층 PIN 접합 박막 구조인 텐뎀(Tandem) 또는 트리플(Triple) Junction 구조의 고효율 층을 갖는 폴리 진성층(Poly Intrinsic Layer) 박막 구조를 형성할 수 도 있다. 또한, 상기 실리콘 태양전지는 다른 태양광 소재를 사용할 수 있다.
또한, 상기 실리콘 박막 태양전지는 CIS(CuInSe2), CdTe, GaAs, InP, Ge등의 다양한 화합물반도체 재료로 대체될 수도 있다.
더욱이, 상기 실리콘 박막 태양전지는 염료감응형 태양전지 또는 유기박막 태양전지로 대체될 수도 있다.
상기와 같이 다공성 기판(11) 및 희생층(12) 위에 태양전지(19)가 모두 제작되면, 태양전지(19) 표면에 기판 접착용 재료(17)을 형성하고 기판(18)을 부착한다. 따라서, 다공성 기판(11) 분리 단계에서 태양전지가 식각액 또는 식각가스에 의해 손상되는 현상이 방지된다.
상기 기판 접착용 재료(17)는 상기 제2전극(16)의 표면에 형성한다.
상기 기판 접착용 재료(17)은 에폭시 수지, 폴리머 및 그 등가물 중에서 선 택된 어느 하나를 부착하여 형성할 수 있다. 또한, 상기 기판 접착용 재료(17)는 열경화성 수지 또는 광경화성 수지일 수 있다. 그러나 여기서 기판 접착용 재료(17)의 재질 및 특성을 한정하는 것은 아니다.
기판 접착용 재료(17)와 상기 기판(18)은 투명한 재료를 사용할 수도 있다.
상기 기판(18)은 상기 기판 접착용 재료(17)의 표면에 부착하여 형성한다. 상기 기판(18)은 글래스, 금속, 패트(PET), 폴리이미드 필름(polyimide film), 플라스틱 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다. 이와 같이 다양한 종류의 기판을 사용함으로써 플렉서블 태양전지를 쉽게 제조할 수 있는 장점이 있다. 그러나 본 발명에서 상기 기판(18)의 재질을 한정하는 것은 아니다.
상기 기판(18)은 상기 기판 접착용 재료(17)의 경화 공정 전에 상기 기판 접착용 재료(17) 위에 접착된다. 그런 후 상기 기판 접착용 재료(17)가 광경화 또는 열경화되면, 상기 기판 접착용 재료(17) 위에 상기 기판(18)이 단단하게 부착된다.
상기 기판(18)은 본 발명에 따른 태양전지를 다른 대상물에 안전하게 고정 및 부착하는 역할을 한다.
도 2에 도시된 바와 같이 희생층(12)의 제거 단계에서는 상기 다공성 기판(11)과 상기 보호막(13) 사이에 형성된 희생층(12)을 제거함으로써, 상기 다공성 기판(11)을 분리한다.
또한, 식각액 또는 식각가스는 희생층(12)에는 반응하며 보호막(13)에는 반응하지 않는 물질을 사용한다. 좀 더 구체적으로, 상기 식각액 또는 식각가스는 불산(HF), 인산 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나일 수 있으나 종류를 한정하는 것은 아니다. 여기서, 상기 희생층(12)이 질화막 계열일 경우에는 식각액 또는 식각가스로 인산을 사용하고, 산화막 계열일 경우에는 불산을 사용 할 수 있다.
여기서, 상기 희생층 제거 단계는 완성된 도 1의 구조에 식각액 또는 식각가스를 다공성 기판(11)의 기공을 통해 희생층(12)에 도달하게 하여, 도 2와 같이 희생층(12)을 제거하고, 다공성 기판(11)과 태양전지 구조체(20)를 분리한다. 또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 일반 금속 기판(25)과 세라믹 용사 코팅층(26)으로 이루어진 기판에 상기 공정을 진행한 경우에는 희생층 제거 단계에서 기공이 있는 부분인 세라믹 용사 코팅층의 측면에서 식각액 또는 식각가스가 통과하여 희생층을 제거한다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 기본구조의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 다공성 기판과 태양전지 구조체를 분리하는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 기본 구조이다.
도 4는 도 3 의 구조에서 다공성 기판과 태양전지 구조체를 분리하는 모식도이다.
도 5는 도 4의 모식도에서 보호막에 패턴을 형성한 후 제1전극을 증착하여 완성한 태양전지 단면도이다.
도 6은 도 3의 구조에서 다공성 기판과 태양전지 구조체를 분리한 후 패턴 없이 제 1 전극을 형성하여 완성한 태양전지 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다공성 기판으로 예시된 기판 중 하나로 다공성 세라믹 기판 표면에 용사 코팅한 다공성 기판의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다공성 기판으로 예시된 기판 중 하나로 다공성 홀을 가공한 기판 표면에 용사 코팅한 다공성 기판의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 다공성 기판으로 예시된 기판 중 하나로 금속 기판에 용사 코팅한 다공성 기판의 단면도이다.

Claims (32)

  1. 다공성 기판을 준비하는 다공성 기판 준비 단계;
    상기 다공성 기판에 희생층을 형성하는 희생층 형성 단계;
    상기 희생층에 P층 및 N층을 포함하는 박막 및 제1전극, 제2전극을 갖는 태양전지를 형성하는 태양전지 형성 단계;
    상기 태양전지에 기판 접착용 재료를 형성하는 기판 접착용 재료 형성 단계;
    상기 기판 접착용 재료에 기판을 부착하는 기판 부착 단계; 및,
    상기 희생층을 식각액 또는 식각가스로 제거하여 상기 다공성 기판이 상기 태양전지, 기판 접착용 재료 및 기판을 포함하는 태양전지 구조체로부터 분리되도록 하는 희생층 제거 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법.
  2. 다공성 기판을 준비하는 다공성 기판 준비 단계;
    상기 다공성 기판에 희생층을 형성하는 희생층 형성 단계;
    상기 희생층에 P층 및 N층을 포함하는 박막 및 제2전극을 갖고 제1전극이 없는 태양전지를 형성하는 태양전지 형성 단계;
    상기 제1전극이 없는 태양전지에 기판 접착용 재료를 형성하는 기판 접착용 재료 형성 단계;
    상기 기판 접착용 재료에 기판을 부착하는 기판 부착 단계;
    상기 희생층을 식각액 또는 식각가스로 제거하여 상기 다공성 기판이 상기 제1전극이 없는 태양전지, 기판 접착용 재료 및 기판을 포함하는 제1전극이 없는 태양전지 구조체와 분리되도록 하는 희생층 제거 단계; 및,
    상기 희생층 제거 후에 제1전극을 형성하는 제1전극 형성 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 다공성 기판 준비 단계는
    세라믹 재질의 다공성 기판을 준비하여 이루어짐을 특징으로 하는 다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 다공성 기판 준비 단계는
    알루미나(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 산화지르코늄(ZrO2), 산화마그네슘(MgO), 실리콘 탄소(SiC), 실리콘(Si) 및 탄소(C), 탄화붕소(B4C), 질화붕소(BN) 중에서 선택된 어느 하나로 다공성 기판을 준비하여 이루어짐을 특징으로 하는 다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 다공성 기판 준비 단계는
    500℃의 온도에서 물성 변화량이 없고, 상기 식각액 또는 식각가스에 반응하지 않는 다수의 기공이 형성된 금속으로 이루어진 다공성 기판을 준비하여 이루어짐을 특징으로 하는 다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 다공성 기판 준비 단계는
    다공성 기판의 전체 체적에 대하여 0.1% 내지 10%의 체적을 차지하는 기공을 갖는 다공성 기판을 준비하여 이루어짐을 특징으로 하는 다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 다공성 기판 준비 단계는
    다공성의 세라믹 기판에 다수의 기공을 갖는 세라믹 용사층이 코팅된 다공성 기판을 준비하여 이루어짐을 특징으로 하는 다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 다공성 기판 준비 단계는
    다수의 홀이 형성된 금속에 다수의 기공을 갖는 세라믹 용사층이 코팅된 다 공성 기판을 준비하여 이루어짐을 특징으로 하는 다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 다공성 기판 준비 단계는
    10nm 내지 10㎛의 기공을 갖는 다공성 기판을 준비하여 이루어짐을 특징으로 하는 다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 희생층 형성 단계는
    실리콘 산화막(SiO2), 산화 지르코늄(ZrO2), 실리콘 질화막(Si3N4), PSG(phospho-silicate glass), BPSG(boro-phospho-silicate glass) 및 BSG(boro-silicate glass) 중에서 선택된 어느 하나를 증착하여 이루어짐을 특징으로 하는 다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 희생층 형성 단계 후에는 상기 희생층의 표면에 보호막을 형성하는 보호막 형성 단계가 더 수행됨을 특징으로 하는 다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 보호막 형성 단계는
    실리콘 산화막(SiO2), 실리콘 질화막(Si3N4), 산화 지르코늄막(ZrO2), PSG(phospho-silicate glass), BPSG(boro-phospho-silicate glass) 및 BSG(boro-silicate glass)중에서 선택된 어느 하나로 형성하여 이루어짐을 특징으로 하는 다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지 형성 단계는
    다결정 실리콘막을 형성하여 이루어짐을 특징으로 하는 다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법.
  14. 제2항에 있어서,
    상기 제1전극이 없는 태양전지 형성 단계는
    다결정 실리콘막을 형성하여 이루어짐을 특징으로 하는 다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지 형성 단계는
    다결정 실리콘막과, 비정질 실리콘막을 형성하여 이루어짐을 특징으로 하는 다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법.
  16. 제2항에 있어서,
    상기 제1전극이 없는 태양전지 형성 단계는
    다결정 실리콘막과, 비정질 실리콘막을 형성하여 이루어짐을 특징으로 하는 다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지 형성 단계는
    비정질 박막 실리콘을 고온열처리 방법으로 결정화하여 다결정 실리콘을 형성하여 이루어짐을 특징으로 하는 다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법.
  18. 제2항에 있어서,
    상기 제1전극이 없는 태양전지 형성 단계는
    비정질 박막 실리콘을 고온열처리 방법으로 결정화하여 다결정 실리콘을 형성하여 이루어짐을 특징으로 하는 다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지 형성 단계는
    실리콘박막은 퍼니스(Furnace), 열적 CVD 장치, LPCVD 및 PECVD장치, 증착기(Evaporator) 중에서 선택된 어느 하나의 장치로 형성되거나 액상결정성장(LPE, Liquid-Phase Epitaxy)법으로 형성됨을 특징으로 하는 다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법.
  20. 제2항에 있어서,
    상기 제1전극이 없는 태양전지 형성 단계는
    실리콘박막은 퍼니스(Furnace), 열적 CVD 장치, LPCVD 및 PECVD장치, 증착기(Evaporator) 중에서 선택된 어느 하나의 장치로 형성되거나 액상결정성장(LPE, Liquid-Phase Epitaxy)법으로 형성됨을 특징으로 하는 다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법.
  21. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 태양전지는 PN 접합구조, NP 접합 구조, PIN접합구조, NIP접합구조, 텐뎀(Tandem Junction) 및 트리플(Triple) 구조를 포함하는 복층접합구조 중 어느 하나로 이루어지는 다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 태양전지는 다결정 실리콘막에 비정질 실리콘막을 추가로 형성하여 이 루어지는 다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법.
  23. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 태양전지는 CIS(CuInSe2), CdTe, GaAs, InP 및 Ge중에서 선택된 어느 하나의 화합물 반도체로 형성됨을 특징으로 하는 다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법.
  24. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 태양전지는 염료감응형 또는 유기박막 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법.
  25. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기판 접착용 재료 형성 단계는
    에폭시, 폴리머, 열경화성 수지 및 광경화성 수지 중 어느 하나를 도포하여 이루어짐을 특징으로 하는 다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법.
  26. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기판 접착 단계는
    글래스 기판, 금속 기판, PET 기판, 폴리이미드 기판 및 유연성필 름(flexible film) 중에서 선택된 어느 하나를 부착하여 이루어짐을 특징으로 하는 다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법.
  27. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기판 접착 단계는
    유연성필름(flexible film)을 부착하여 이루어짐을 특징으로 하는 다공성 기판을 이용한 플렉서블 박막 태양전지 제조 방법.
  28. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 희생층 제거 단계는
    상기 희생층에만 반응하는 식각액 또는 식각가스를 이용하여 이루어짐을 특징으로 하는 다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법.
  29. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 희생층 제거 단계는
    불산 및 인산 중에서 선택된 어느 하나로 이루어짐을 특징으로 하는 다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법.
  30. 제2항에 있어서,
    상기 다공성 기판과 태양전지를 분리하는 희생층 제거 단계 후 상기 태양전 지에 제1전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법.
  31. 제2항에 있어서,
    상기 희생층 형성 단계후 상기 희생층에 보호막을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 다공성 기판과 태양전지를 분리하는 희생층 제거 단계 후 상기 보호막에 패턴을 형성하고 제1전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 다공성 기판을 이용한 박막 태양전지 제조 방법.
  32. 제1항 내지 제31항 중 어느 한 항에 기재된 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 태양 전지.
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