KR20100109312A - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 태양전지는 기판 상에 서로 이격되어 배치된 복수개의 후면전극 패턴; 상기 기판 상의 상기 후면전극 패턴 사이에 배치된 절연 패턴; 및 상기 후면전극 패턴 및 절연 패턴이 배치된 상기 기판 상에 배치된 광 흡수층을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 기판 상에 서로 이격되어 배치된 복수개의 후면전극 패턴 및 상기 기판 상의 상기 후면전극 패턴 사이에 배치된 절연 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 후면전극 패턴 및 절연 패턴이 배치된 상기 기판 상에 광 흡수층 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.
태양전지

Description

태양전지 및 이의 제조방법{SOLAR CELL AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 에너지의 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지들에 대한 개발이 진행되고 있다.
특히, 유리 기판, 금속 후면 전극층, p형 CIGS계 광 흡수층, 고 저항 버퍼층, n형 창층 등을 포함하는 기판 구조의 pn 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다.
이때, 유리기판 및 금속 후면 전극층 사이의 결합력이 약하여, 유리기판 및 금속 후면 전극층이 박리될 수 있다.
실시예는 기판 및 후면전극 사이의 결합력을 향상시킬 수 있으며, 누설전류를 최소화할 수 있는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 태양전지는 기판 상에 서로 이격되어 배치된 복수개의 후면전극 패턴; 상기 기판 상의 상기 후면전극 패턴 사이에 배치된 절연 패턴; 및 상기 후면전극 패턴 및 절연 패턴이 배치된 상기 기판 상에 배치된 광 흡수층을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 기판 상에 서로 이격되어 배치된 복수개의 후면전극 패턴 및 상기 기판 상의 상기 후면전극 패턴 사이에 배치된 절연 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 후면전극 패턴 및 절연 패턴이 배치된 상기 기판 상에 광 흡수층 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 태양전지 및 이의 제조방법은 후면전극 패턴 사이에 절연 패턴이 배치되어, 후면전극 패턴과 절연 패턴의 결합력을 증대시킬 수 있다.
즉, 후면전극 패턴과 절연 패턴의 결합력이 증대되어, 후면전극 패턴이 기판에서 박리되는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 후면전극 패턴을 형성하기 위해, 레이저로 패터닝하는 경우 후면전극 패턴의 엣지(edge)영역이 들뜨거나, 박리되는 현상이 발생하지만, 본 실시예에서는 후면전극 패턴을 형성하기 위해서는 레이저를 사용하지 않아, 레이저 패터닝에 대한 후면전극 패턴의 변형을 방지할 수 있다.
또한, 후면전극 패턴이 들뜨지 않아, 이후 광 흡수층이 안정적으로 형성되어 태양전지의 품질 및 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 후면전극 패턴 사이에 절연 패턴이 형성되어, 각각의 후면전극 패턴 사이로 발생하는 누설전류를 방지할 수 있다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 기판, 층, 막 또는 전극 등이 각 기판, 층, 막, 또는 전극 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 단면도이다.
우선, 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(100) 상에 절연 패턴(110)을 형성한다.
상기 기판(100)은 유리(glass)가 사용되고 있으며, 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸, 티타늄기판 또는 폴리머 기판 등도 사용될 수 있다.
유리 기판으로는 소다라임 유리(sodalime glass)를 사용할 수 있다.
또한, 상기 기판(100)은 리지드(rigid)하거나 플렉서블(flexible)할 수 있다.
상기 절연 패턴(110)은 상기 기판(100) 상에 절연막을 형성한 후, 상기 절연막을 패터닝(patterning)하여 형성할 수 있으며, 상기 절연 패턴(110) 사이의 기판(100)이 노출되도록 형성될 수 있다.
이때, 상기 절연막은 포토레지스트(photoresist)로 형성될 수 있으며, 상기 포토레지스트(photoresist)에 포토리소그라피(photolithography) 공정을 진행하여 상기 절연 패턴(110)을 형성할 수 있다.
그러나, 상기 절연 패턴(110)을 형성하는 방법은 이에 한정되지 않고, 상기 기판(100)에 포토레지스트 또는 절연물질을 스크린 프린팅(screen printing) 방식을 진행하거나, 잉크젯 프린팅(inkjet printing) 또는 그라비아 프린팅(gravure printing) 방식을 진행하여 형성할 수 있다.
또한, 상기 기판(100)에 직접 포토리소그라피 공정을 진행하여, 상기 기판(100)의 일부를 제거함으로써 상기 절연 패턴(110)을 형성할 수 있다.
즉, 상기 절연 패턴(110)은 상기 기판(100)과 동일한 물질로 형성되거나, 포토레지스트 또는 절연물질로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 절연 패턴(110)은 이후 형성될 후면전극 패턴의 위치를 고려하여, 상기 후면전극 패턴의 사이에 배치될 수 있도록 형성한다.
그리고, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 절연 패턴(110)이 형성된 상기 기판(100) 상에 후면전극막(201)을 형성한다.
상기 후면전극막(201)은 금속 등의 도전체로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 후면전극막(201)은 몰리브덴(Mo) 타겟을 사용하여, 스퍼터링(sputtering) 공정에 의해 형성될 수 있다.
이는, 몰리브덴(Mo)이 가진 높은 전기전도도, 광 흡수층과의 오믹(ohmic) 접합, Se 분위기 하에서의 고온 안정성 때문이다.
또한, 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 후면전극막(201)은 적어도 하나 이상의 층으로 형성될 수 있다.
상기 후면전극막(201)이 복수개의 층으로 형성될 때, 상기 후면전극막(201)을 이루는 층들은 서로 다른 물질로 형성될 수 있다.
이어서, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 절연 패턴(110) 사이의 상기 기판(100) 상에 후면전극 패턴(200)을 형성한다.
상기 후면전극 패턴(200)은 상기 절연 패턴(110)이 노출되도록 상기 후면전극막(201)의 일부를 제거하여 형성될 수 있다.
이때, 화학기계적연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP), 습식식각(wet etch), 건식식각(dry etch) 및 샌드블라스트(sand blast) 중 어느 하나의 공정으로 상기 후면전극막(201)의 일부를 제거할 수 있다.
이때, 상기 절연 패턴(110)과 상기 후면전극 패턴(200)의 높이는 동일하게 형성될 수 있다.
즉, 상기 절연 패턴(110)의 상면과 상기 후면전극 패턴(200)의 상면은 동일 수평면상에 배치될 수 있다.
그러나, 상기 절연 패턴(110)과 후면전극 패턴(200)의 높이는 이에 한정되지 않고, 상기 후면전극 패턴(200)의 높이는 상기 절연 패턴(110)의 높이보다 낮게 형성될 수 있다.
즉, 상기 절연 패턴(110)이 노출되도록 상기 후면전극막(201)의 일부를 제거하는 공정 중, 상기 후면전극막(201)에 과식각(over etch)을 하여 상기 후면전극 패턴(200)의 높이를 상기 절연 패턴(110)의 높이보다 낮게 형성할 수 있다.
이때, 상기 후면전극 패턴(200) 사이에 상기 절연 패턴(110)이 배치되어, 상기 후면전극 패턴(200)과 절연 패턴(110)의 결합력을 증대시킬 수 있다.
즉, 상기 후면전극 패턴(200)과 절연 패턴(110)의 결합력이 증대되어, 상기 후면전극 패턴(200)이 상기 기판(100)에서 박리되는 현상을 방지할 수 있다.
그리고, 상기 절연 패턴(110)의 폭은 상기 후면전극 패턴(200)의 폭보다 좁게 형성될 수 있다.
또한, 상기 후면전극 패턴(200)은 스트라이프(stripe) 형태 또는 매트릭스(matrix) 형태로 배치될 수 있으며, 각각의 셀에 대응할 수 있다.
그러나, 상기 후면전극 패턴(200)은 상기의 형태에 한정되지 않고, 다양한 형태로 형성될 수 있다.
이때, 상기 절연 패턴(110)이 형성된 후, 상기 절연 패턴(110) 사이에 상기 후면전극 패턴(200)을 형성하여, 상기 후면전극 패턴(200)을 따로 패터닝하지 않아도 된다.
즉, 상기 후면전극 패턴(200)을 형성하기 위해, 레이저로 패터닝하는 경우 후면전극 패턴의 엣지(edge)영역이 들뜨거나, 박리되는 현상이 발생하지만, 본 실시예에서는 후면전극 패턴을 형성하기 위해서는 레이저를 사용하지 않아, 레이저 패터닝에 대한 상기 후면전극 패턴(200)의 변형을 방지할 수 있다.
또한, 상기 후면전극 패턴(200)이 들뜨지 않아, 이후 광 흡수층이 안정적으로 형성되어 태양전지의 품질 및 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고, 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 후면전극 패턴(200)을 형성한 후, 상기 절연 패턴(110)을 제거할 수도 있다.
그리고, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 후면전극 패턴(200) 및 절연 패턴(110)이 형성된 상기 기판(100) 상에 광 흡수층(300), 제1버퍼층(400) 및 제2버퍼층(500)을 형성한다.
상기 광 흡수층(300)은 Ⅰb-Ⅲb-Ⅵb계 화합물을 포함한다.
더 자세하게, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In, Ga)Se2, CIGS계) 화합물을 포함한다.
이와는 다르게, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-셀레나이드계(CuInSe2, CIS계) 화합물 또는 구리-갈륨-셀레나이드계(CuGaSe2, CIS계) 화합물을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 광 흡수층(300)을 형성하기 위해서, 구리 타겟, 인듐 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하여, 상기 후면전극(130) 상에 CIG계 금속 프리커서(precursor)막이 형성된다.
이후, 상기 금속 프리커서막은 셀레니제이션(selenization) 공정에 의해서, 셀레늄(Se)과 반응하여 CIGS계 광 흡수층(300)이 형성된다.
또한, 상기 금속 프리커서막을 형성하는 공정 및 셀레니제이션 공정 동안에, 상기 기판(100)에 포함된 알칼리(alkali) 성분이 상기 후면전극 패턴(200)을 통해서, 상기 금속 프리커서막 및 상기 광 흡수층(300)에 확산된다.
알칼리(alkali) 성분은 상기 광 흡수층(300)의 그레인(grain) 크기를 향상시키고, 결정성을 향상시킬 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 외부의 광을 입사받아, 전기 에너지로 변환시킨다. 상기 광 흡수층(300)은 광전효과에 의해서 광 기전력을 생성한다.
이때, 상기 후면전극 패턴(200) 사이에 상기 절연 패턴(110)이 형성되어, 각각의 상기 후면전극 패턴(200) 사이로 발생하는 누설전류를 방지할 수 있다.
상기 제1버퍼층(400)은 황화 카드뮴(CdS)이 상기 광 흡수층(300) 상에 적층되어 형성될 수 있다.
이때, 상기 제1버퍼층(400)은 n형 반도체 층이고, 상기 광 흡수층(300)은 p형 반도체 층이다. 따라서, 상기 광 흡수층(300) 및 제1버퍼층(400)은 pn 접합을 형성한다.
그리고, 상기 제2버퍼층(500)은 산화 아연(ZnO)을 타겟으로하여 스퍼터링 공정을 진행하여 형성될 수 있다.
상기 제1버퍼층(400) 및 제2버퍼층(500)은 상기 광 흡수층(300)과 이후 형성될 전면전극의 사이에 배치된다.
즉, 상기 광 흡수층(300)과 전면전극은 격자상수와 에너지 밴드 갭의 차이가 크기 때문에, 밴드갭이 두 물질의 중간에 위치하는 상기 제1버퍼층(400) 및 제2버퍼층(500)을 삽입하여 양호한 접합을 형성할 수 있다.
이어서, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 광 흡수층(300), 제1버퍼층(400) 및 제2버퍼층(500)을 관통하는 콘택패턴(310)을 형성한다.
상기 콘택패턴(310)은 상기 제1버퍼층(400), 제2버퍼층(500) 및 광 흡수층(300)을 관통하도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 콘택패턴(310)은 기계적 패터닝으로 형성될 수 있으며, 이에 한정되지 않고, 레이저(laser)를 조사(irradiate)하여 패터닝 될 수도 있다.
이때, 상기 콘택패턴(310)의 형성으로 상기 후면전극 패턴(200)의 일부가 노출된다.
그리고, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제2버퍼층(500) 상에 투명한 도전물질을 적층하여 전면전극(600) 및 접속배선(700)을 형성한다.
상기 투명한 도전물질을 상기 제2버퍼층(500) 상에 적층시킬 때, 상기 투명한 도전물질이 상기 콘택패턴(310)의 내부에도 삽입되어, 상기 접속배선(700)을 형성할 수 있다.
상기 후면전극 패턴(200)과 전면전극(600)은 상기 접속배선(700)에 의해 전기적으로 연결된다.
상기 전면전극(600)은 상기 제2버퍼층(500) 상에 스퍼터링 공정을 진행하여 알루미나로 도핑된 산화 아연 또는 산화아연에 전도성 물질이 도핑된 물질로 형성 된다.
상기 전면전극(600)은 상기 광 흡수층(300)과 pn접합을 형성하는 윈도우(window)층으로서, 태양전지 전면의 투명전극의 기능을 하기 때문에 광투과율이 높고 전기 전도성이 좋은 산화 아연(ZnO)으로 형성된다.
이때, 상기 산화 아연에 알루미늄, 알루미나 또는 전도성 물질을 도핑함으로써 낮은 저항값을 갖는 전극을 형성할 수 있다.
상기 전면전극(600)인 산화 아연 박막은 스퍼터링방법으로 ZnO 타겟을 사용하여 증착하는 방법과 Zn 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링, 그리고 유기금속화학증착법 등으로 형성될 수 있다.
또한, 전기광학적 특성이 뛰어난 ITO(Indium tin Oxide) 박막을 산화 아연 박막 상에 층착한 2중 구조를 형성할 수도 있다.
이어서, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 광 흡수층(300), 제1버퍼층(400) 및 제2버퍼층(500)을 관통하는 분리패턴(320)을 형성한다.
상기 분리패턴(320)은 상기 전면전극(600), 광 흡수층(300), 제1버퍼층(400) 및 제2버퍼층(500)관통하도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 분리패턴(320)은 기계적 패터닝으로 형성될 수 있으며, 이에 한정되지 않고, 레이저(laser)를 조사(irradiate)하여 패터닝 될 수도 있다.
또한, 이때, 상기 분리패턴(320)의 형성으로 상기 후면전극 패턴(200)의 일부가 노출된다.
상기 제1버퍼층(400), 제2버퍼층(500) 및 전면전극(600)은 상기 분리패 턴(320)에 의해 구분될 수 있으며, 상기 분리패턴(320)에 의해 각각의 셀(C1, C2)은 서로 분리될 수 있다.
그리고, 상기 분리패턴(320)에 의해 상기 제1버퍼층(400), 제2버퍼층(500) 및 광 흡수층(300)은 스트라이프 형태 또는 매트릭스 형태로 배치될 수 있다.
상기 분리 패턴(300)은 상기의 형태에 한정되지 않고, 다양한 형태로 형성될 수 있다.
상기 분리패턴(320)에 의해 상기 후면전극 패턴(200), 광 흡수층(300), 제1버퍼층(400), 제2버퍼층(500) 및 전면전극(600)을 포함하는 셀(C1, C2)이 형성된다.
이때, 상기 접속배선(700)에 의해 각각의 셀(C1, C2)은 서로 연결될 수 있다. 즉, 상기 접속배선(700)은 제2셀(C2)의 후면전극 패턴(200)과 상기 제2셀(C2)에 인접하는 상기 제1셀(C1)의 전면전극(600)을 전기적으로 연결한다.
이상에서 설명한 실시예에 따른 태양전지 및 이의 제조방법은 후면전극 패턴 사이에 절연 패턴이 배치되어, 후면전극 패턴과 절연 패턴의 결합력을 증대시킬 수 있다.
즉, 후면전극 패턴과 절연 패턴의 결합력이 증대되어, 후면전극 패턴이 기판에서 박리되는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 후면전극 패턴을 형성하기 위해, 레이저로 패터닝하는 경우 후면전극 패턴의 엣지(edge)영역이 들뜨거나, 박리되는 현상이 발생하지만, 본 실시예에서는 후면전극 패턴을 형성하기 위해서는 레이저를 사용하지 않아, 레이저 패터닝에 대 한 후면전극 패턴의 변형을 방지할 수 있다.
또한, 후면전극 패턴이 들뜨지 않아, 이후 광 흡수층이 안정적으로 형성되어 태양전지의 품질 및 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 후면전극 패턴 사이에 절연 패턴이 형성되어, 각각의 후면전극 패턴 사이로 발생하는 누설전류를 방지할 수 있다.
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.
도 1 내지 도 7은 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도이다.

Claims (12)

  1. 기판 상에 서로 이격되어 배치된 복수개의 후면전극 패턴;
    상기 기판 상의 상기 후면전극 패턴 사이에 배치된 절연 패턴; 및
    상기 후면전극 패턴 및 절연 패턴이 배치된 상기 기판 상에 배치된 광 흡수층을 포함하는 태양전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 후면전극 패턴과 절연 패턴은 동일한 높이로 형성되거나,
    상기 후면전극 패턴이 상기 절연 패턴의 높이보다 낮게 형성된 태양전지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 절연 패턴은 상기 기판과 동일한 물질로 형성된 태양전지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 절연 패턴은 포토레지스트 또는 절연물질로 형성된 태양전지.
  5. 기판 상에 서로 이격되어 배치된 복수개의 후면전극 패턴 및 상기 기판 상의 상기 후면전극 패턴 사이에 배치된 절연 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 후면전극 패턴 및 절연 패턴이 형성된 상기 기판 상에 광 흡수층 패턴 을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    기판 상에 후면전극 패턴 및 절연 패턴을 형성하는 단계는,
    기판 상에 절연 패턴을 형성하는 단계;
    상기 절연 패턴이 형성된 상기 기판 상에 후면전극막을 형성하는 단계; 및
    상기 절연 패턴이 노출되도록 상기 후면전극막의 일부를 제거하여, 상기 후면전극 패턴 사이에 절연 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    기판 상에 절연 패턴을 형성하는 단계는,
    기판 상에 포토레지스트를 형성하는 단계; 및
    포토 리소그라피(photolithography) 공정으로 상기 포토레지스트를 패터닝(patterning)하여, 절연 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    기판 상에 절연 패턴을 형성하는 단계는,
    기판을 준비하는 단계; 및
    상기 기판 상에 스크린 프린팅(Screen printing) 방식, 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 그라비아 프린팅(gravure printing) 중 어느 하나의 공정을 진행하여 절연 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
  9. 제 6항에 있어서,
    기판 상에 절연 패턴을 형성하는 단계는,
    기판을 준비하는 단계; 및
    포토 리소그라피(photolithography) 공정으로 상기 기판을 패터닝(patterning)하여 절연 패턴을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 기판을 패터닝할 때, 상기 기판의 일부가 제거됨으로써 상기 절연 패턴이 형성되는 태양전지의 제조방법.
  10. 제 5항에 있어서,
    상기 후면전극 패턴과 절연 패턴은 동일한 높이로 형성되거나,
    상기 후면전극 패턴이 상기 절연 패턴의 높이보다 낮게 형성된 태양전지의 제조방법.
  11. 기판 상에 서로 이격되어 배치된 복수개의 후면전극 패턴 및 상기 기판 상의 상기 후면전극 패턴 사이에 형성된 절연 패턴을 형성하는 단계;
    상기 후면전극 패턴 사이에 형성된 절연 패턴을 제거하는 단계;
    상기 후면전극 패턴이 형성된 상기 기판 상에 광 흡수층 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    기판 상에 후면전극 패턴 및 절연 패턴을 형성하는 단계는,
    기판 상에 절연 패턴을 형성하는 단계;
    상기 절연 패턴이 형성된 상기 기판 상에 후면전극막을 형성하는 단계; 및
    상기 절연 패턴이 노출되도록 상기 후면전극막의 일부를 제거하여, 상기 후면전극 패턴 사이에 절연 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
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