KR20100118431A - 태양 전지 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents

태양 전지 모듈 및 그 제조 방법 Download PDF

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박종덕
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Abstract

태양 전지 모듈 및 그 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지 모듈은 기판, 상기 기판 위에 차례로 적층되어 있는 하부 전극, 반도체층 및 상부 전극으로 구성된 복수의 단위셀 그리고 상기 복수의 단위셀을 구획하고, 서로 이웃하는 단위셀들을 전기적으로 연결하는 복수의 패턴부를 포함한다. 여기서, 상기 상부 전극은 상기 단위셀 내에서 상기 단위셀이 뻗어 있는 방향을 따라 형성된 투광 패턴을 갖고, 상기 투광 패턴은 상기 반도체층의 상부면을 노출시킨다.
투광 패턴, 단위셀, 개구부

Description

태양 전지 모듈 및 그 제조 방법{Solar cell module and manufacturing method thereof}
본 발명은 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
태양 전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 것이다. 태양 전지는 기본적으로 PN접합으로 구성된 다이오드로서, 광흡수층으로 사용되는 물질에 따라 다양한 종류로 구분된다.
광흡수층으로 실리콘을 이용하는 태양 전지는 기판(Wafer)형 태양 전지와 박막형 태양 전지로 구분된다.
박막 태양 전지는 얇은 유리나 플라스틱 기판에 막을 입히는 방식으로, 일반적으로 박막 특성상 캐리어의 확산거리가 결정질에 비해 매우 짧아 PN접합 구조로만 제조될 경우 태양광에 의해 생성되는 전자-정공쌍(Electron-Hole Pairs)의 수집효율이 매우 낮다. 따라서, 일반적으로 광흡수율이 높은 진성 반도체 재질의 광흡수층을 P형과 N형 반도체 사이에 삽입한 PIN구조를 갖는다. 일반적인 박막 태양 전지의 구조는 기판 위에 전면 투명 전도막, PIN막, 후면 반사 전극막 순으로 증착된다.
특히, 건물 일체형 태양광 발전 시스템(BIPV; Building Integrated Photovoltaic)에 적용하기 위한 태양 전지 모듈은 불투명한 후면 반사 전극막을 제거하여 투광성을 조절할 수 있다. 하지만, 후면 반사 전극막을 제거할 때 광흡수층까지 함께 제거되어 광효율이 나빠질 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 투광성을 향상시키고 광효율의 저하를 최소화하는 태양 전지 모듈 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지 모듈은 기판, 상기 기판 위에 차례로 적층되어 있는 하부 전극, 반도체층 및 상부 전극으로 구성된 복수의 단위셀 그리고 상기 복수의 단위셀을 구획하고, 서로 이웃하는 단위셀들을 전기적으로 연결하는 복수의 패턴부를 포함한다. 여기서, 상기 상부 전극은 상기 단위셀 내에서 상기 단위셀이 뻗어 있는 방향을 따라 형성된 투광 패턴을 갖고, 상기 투광 패턴은 상기 반도체층의 상부면을 노출시킨다.
상기 투광 패턴은 제1 간격으로 이격되어 위치하는 복수의 선형 개구부를 포함하고, 상기 제1 간격은 50um 내지 500um일 수 있다.
상기 서로 이웃하는 단위셀들을 전기적으로 연결하는 콘택 영역은 상기 단위셀이 뻗어 있는 방향을 따라 연속적인 선형으로 형성될 수 있다.
상기 패턴부는 상기 하부 전극을 관통하고, 상기 반도체층으로 채워져 있는 제1 그루브, 상기 반도체층을 관통하고, 상기 상부 전극으로 채워져 있는 제2 그루브 그리고 상기 상부 전극 및 상기 반도체층을 관통하는 제3 그루브를 포함한다. 여기서, 상기 패턴부는 서로 이웃하는 단위셀을 직렬 연결한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지 모듈 제조 방법은 기판 위에 하부 전극을 형성하는 단계, 상기 하부 전극을 패터닝하여 제1 그루브를 형성하는 단계, 상기 하부 전극 위에 상기 제1 그루브를 채우는 반도체층을 형성하는 단계, 상기 반도체층을 패터닝하여 제2 그루브를 형성하는 단계, 상기 반도체층 위에 상기 제2 그루브를 채우는 상부 전극을 형성하는 단계, 상기 상부 전극 및 상기 반도체층을 패터닝하여 제3 그루브를 형성함으로써 상기 기판, 상기 하부 전극, 상기 반도체층 및 상기 상부 전극으로 구성된 복수의 단위셀을 형성하는 단계, 상기 상부 전극을 선택적으로 제거하는 단계를 포함함다. 여기서, 상기 선택적으로 제거된 상기 상부 전극의 부분은 상기 단위셀 내에서 상기 단위셀이 뻗어 있는 방향을 따라 형성된다.
상기 상부 전극을 선택적으로 제거하는 단계는 상기 상부 전극 위에서 상기 기판을 향하는 방향으로 레이저를 조사하는 것을 포함할 수 있다.
상기 상부 전극을 선택적으로 제거하는 단계는 상기 반도체층의 상부면을 노출하는 투광 패턴을 형성하는 것을 포함할 수 있다.
상기 투광 패턴은 제1 간격으로 이격되어 위치하는 복수의 선형 개구부를 포함하고, 상기 제1 간격은 50um 내지 500um일 수 있다.
상기 상부 전극을 선택적으로 제거하는 단계는 266nm 내지 532nm 파장을 갖는 레이저를 조사하는 것을 포함할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 반도체층을 제거하지 않고 후면 전극만 제거함으로써 광효율 저하를 방지하고, 태양 전지 모듈의 투광성을 높일 수 있다.
첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지 모듈을 나타내는 배치도이다. 도 2는 도 1의 절단선 Ⅱ-Ⅱ' 을 따라 자른 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지 모듈은 패턴부(P)에 의해 복수의 단위셀(UC1, UC2, UC3…)로 구획된다. 복수의 단위셀(UC1, UC2, UC3…)은 기판(100) 위에 차례로 적층되어 있는 하부 전극(110), 반도체층(150) 및 상부 전극(160)으로 구성된다. 기판(100)은 유리 또는 플라스틱으로 형성될 수 있다.
하부 전극(110)은 투명 전도막일 수 있다. 하부 전극(110)은 SnO2, ZnO:Al, ZnO:B, ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 등으로 형성할 수 있다. 하부 전극(110)의 상부면은 텍스처링(Texturing) 될 수 있다. 텍스처링은 태양 전지 표면에서의 광반사를 줄여서 태양 전지 내부로 유효광의 흡수량을 증가시킬 목적으로 하부 전극(110) 표면을 에칭하여 10㎛ 크기 이내의 피라미드 조직으로 형성하는 것을 말한다.
상부 전극(160)은 알루미늄(Al), 구리(Cu) 및 몰리브덴(Mo) 중에 하나로 형성될 수 있다. 상부 전극(160)은 반도체층(150)에서 흡수되지 않고 통과한 광을 반사시켜 반도체층(150)에서 재흡수가 일어나도록 할 수 있다.
패턴부(P)는 제1 패턴 영역(P1), 제2 패턴 영역(P2) 및 제3 패턴 영역(P3)을 포함한다.
패턴부(P)는 서로 이웃하는 단위셀을 직렬 연결할 수 있다.
제1 패턴 영역(P1)에는 하부 전극(110)을 관통하고, 반도체층(150)으로 채워져 있는 제1 그루브(G1)가 위치한다.
제2 패턴 영역(P2)에는 반도체층(150)을 관통하고, 상부 전극(160)으로 채워져 있는 제2 그루브(G2)가 위치한다.
제3 패턴 영역(P3)에는 상부 전극(160) 및 반도체층(150)을 관통하는 제3 그루브(G3)가 위치한다.
제1 그루브(G1)는 하부 전극(110)을 절연하는 역할을 하고, 제2 그루브(G2)는 상부 전극 및 하부 전극을 전기적으로 연결하는 역할을 한다. 또한, 제3 그루브(G3)는 복수의 단위셀(UC1, UC2, UC3…)들을 갖는 태양 전지에서 서로 이웃하는 단위셀을 절연하는 역할을 한다.
반도체층(150)은 P 타입의 불순물을 갖는 P층(120)과 진성 반도체로 형성된 I층(130), N 타입의 불순물을 갖는 N층(140)이 차례로 적층되어 형성된다. P층(120)은 붕소가 도핑된 비정질 실리콘(Boron doped a-Si:H), 비정질 실리콘 카바이드(a-SiC:H) 및 미세 결정 실리콘(mc-Si:H) 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 또한, I층(130)과 N층(140)은 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 형성될 수 있다. P층(120), I층(130)과 N층(140)은 플라스마 화학 기상 증착 방법(Plase chemical vapor deposition, PECVD)으로 증착될 수 있다.
본 발명의 실시예와 달리 반도체층(150)은 I층 없이 P 타입의 불순물을 갖는 P층과 N 타입의 불순물을 갖는 N층이 차례로 적층되어 형성될 수 있다. 이 때, 상 기 P층은 CuInSe2(CIS) 또는 CuInGaSe2(CIGS)로 형성될 수 있고, 상기 N층은 CdS로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 태양 전지 모듈은 각각의 단위셀(UC1, UC2, UC3…) 내에서 상부 전극(160)이 선택적으로 제거되어 형성된 투광 패턴(TP)을 포함한다. 여기서, 투광 패턴(TP)은 상부 전극(160)이 패터닝되어 반도체층(150)의 상부면을 노출하는 개구부(A1, A2)를 포함한다. 개구부(A1, A2)의 높이는 상부 전극(160)의 두께와 같을 수 있다. 다시 말해, 상부 전극(160)만이 제거되도록 개구부(A1, A2)를 형성하여 반도체층(150)의 손실을 최소화하고, 광효율이 감소하는 것을 방지할 수 있다.
개구부(A1, A2)는 상부 전극(160)이 패턴부(P) 또는 단위셀(UC1, UC2, UC3…)이 뻗어 있는 방향을 따라 선형으로 형성되고, 복수의 개구부들(A1, A2)은 제1 간격(d)으로 이격되어 위치할 수 있다. 도 1에서는 선형인 2개의 개구부(A1, A2)를 예로 들었으나, 이에 한정되지 않고, 3개 이상의 개구부를 갖는 투광 패턴(TP)을 형성할 수 있다.
개구부(A1, A2)는 반도체층(150)에서 흡수되지 않고 통과한 광을 반사시키지 못하므로 광흡수율을 낮출 수 있으므로 투광성을 적절히 조절할 필요가 있다.
제1 간격(d)은 50um 내지 500um일 수 있다. 제1 간격(d)을 50um 내지 500um 사이로 설정함으로써 광 투과율을 10% 내지 50%로 조절할 수 있다. 이에 따른 발전 전력은 45W 내지 65W가 될 수 있다. 구체적으로, 제1 간격(d)이 50um일 때 투 과율은 50%, 발전 전력은 45W이고, 제1 간격(d)이 500um일 때 투과율은 10%, 발전 전력은 65W일 수 있다. 제1 간격(d)을 50um이하로 패터닝하는 것은 매우 미세한 공정으로 현실적으로 쉽지 않고, 제1 간격(d)을 500um이상으로 패터닝하는 것은 투과율을 떨어뜨려 우리가 원하는 태양 전지 모듈을 얻을 수 없다.
투광 패턴(TP)은 레이저 스크라이빙 또는 기계적 스크라이빙 방법을 이용하여 형성할 수 있다. 특히, 레이저 스크라이빙 방법을 이용할 때, 상부 전극(160) 위에서 기판(100)을 향해 레이저를 조사할 수 있다.
서로 이웃하는 단위셀(UC1, UC2, UC3…)을 전기적으로 연결하는 콘택 영역은 단위셀(UC1, UC2, UC3…)이 뻗어 있는 ??향을 따라 연속적으로 뻗어 있는 상부 전극(160)으로 이루어질 수 있다.
투광 패턴(TP)은 선형에 한정되지 않고, 체크 무늬의 형태도 가질 수 있다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지 모듈 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.
도 3을 참고하면, 유리 또는 플라스틱으로 이루어진 기판(100) 위에 스퍼터링 등의 방법을 이용하여 하부 전극(110)을 형성한다. 그리고, 레이저 스크라이빙 또는 기계적 스크라이빙 방법을 이용하여 하부 전극(110)을 패터닝하여 제1 그루브(G1)를 형성한다.
도 4를 참고하면, 하부 전극(110) 위에 제1 그루브(G1)을 채우도록 반도체층(150)을 형성한다. 그리고, 레이저 스크라이빙 또는 기계적 스크라이빙 방법을 이용하여 반도체층(150)을 패터닝하여 제2 그루브(G2)를 형성한다.
도 5를 참고하면, 반도체층(150) 위에 제2 그루브(G2)를 채우도록 상부 전극(160)을 형성한다. 그리고, 레이저 스크라이빙 또는 기계적 스크라이빙 방법을 이용하여 상부 전극(160) 및 반도체층(150)을 패터닝하여 제3 그루브(G3)를 형성한다.
도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 제3 그루브(G3)가 형성되면 태양 전지 모듈은 복수의 단위셀(UC1, UC2, UC3,…)로 구획된다.
도 6을 참고하면, 상부 전극(160) 위에서 기판(100)을 향하여 레이저를 조사한다. 레이저의 강도를 조절하여 광흡수층에 해당하는 반도체층(150)에 손상을 가하지 않고, 상부 전극(160)만 제거될 수 있도록 한다. 여기서, 상부 전극(160)만을 제거하기 위해 266nm 내지 532nm 파장을 갖는 레이저를 조사할 수 있다. 상부 전극(160)이 제거되어 형성된 개구부(A1, A2)는 단위셀(UC1, UC2, UC3…)이 뻗어 있는 방향을 따라 선형으로 형성되고, 복수의 개구부들(A1, A2)은 제1 간격(d)으로 이격되어 위치할 수 있다.
개구부(A1, A2)는 반도체층(150)에서 흡수되지 않고 통과한 광을 반사시키지 못하므로 광흡수율을 낮출 수 있으므로 투광성을 적절히 조절할 필요가 있다.
제1 간격(d)은 50um 내지 500um일 수 있다. 제1 간격(d)을 50um 내지 500um 사이로 설정함으로써 광 투과율을 10% 내지 50%로 조절할 수 있다. 이에 따른 발전 전력은 45W 내지 65W가 될 수 있다. 구체적으로, 제1 간격(d)이 50um일 때 투과율은 50%, 발전 전력은 45W이고, 제1 간격(d)이 500um일 때 투과율은 10%, 발전 전력은 65W일 수 있다. 제1 간격(d)을 50um이하로 패터닝하는 것은 매우 미세한 공정으로 현실적으로 쉽지 않고, 제1 간격(d)을 500um이상으로 패터닝하는 것은 투과율을 떨어뜨려 우리가 원하는 태양 전지 모듈을 얻을 수 없다.
상부 전극(160) 위에서 레이저를 조사함으로써 발생하는 가공 파티클에 의한 오염을 막기 위해 레이저 노즐(Laser nozzle)과 흡입 장치(Suction), 블로잉 & 칠링 가스 유닛(Blowing and Chilling gas unit)이 일체로 형성되어 있는 장치를 사용할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지 모듈을 나타내는 배치도이다.
도 2는 도 1의 절단선 Ⅱ-Ⅱ' 을 따라 자른 단면도이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지 모듈 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 기판 110 하부 전극
120 P층 130 I층
140 N층 150 반도체층
160 상부 전극 A1, A2 개구부
P1, P2, P3 제1 내지 제3 패턴 영역
G1, G2, G3 제1 내지 제3 그루브
UC1, UC2, UC3 제1 내지 제3 단위셀

Claims (9)

  1. 기판,
    상기 기판 위에 차례로 적층되어 있는 하부 전극, 반도체층 및 상부 전극으로 구성된 복수의 단위셀 그리고
    상기 복수의 단위셀을 구획하고, 서로 이웃하는 단위셀들을 전기적으로 연결하는 복수의 패턴부를 포함하고,
    상기 상부 전극은 상기 단위셀 내에서 상기 단위셀이 뻗어 있는 방향을 따라 형성된 투광 패턴을 갖고, 상기 투광 패턴은 상기 반도체층의 상부면을 노출시키는 태양 전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 투광 패턴은 제1 간격으로 이격되어 위치하는 복수의 선형 개구부를 포함하고, 상기 제1 간격은 50um 내지 500um인 태양 전지 모듈.
  3. 제1항에서,
    상기 서로 이웃하는 단위셀들을 전기적으로 연결하는 콘택 영역은 상기 단위셀이 뻗어 있는 방향을 따라 연속적인 선형으로 형성된 태양 전지 모듈.
  4. 제1항에서,
    상기 패턴부는 상기 하부 전극을 관통하고, 상기 반도체층으로 채워져 있는 제1 그루브,
    상기 반도체층을 관통하고, 상기 상부 전극으로 채워져 있는 제2 그루브 그리고
    상기 상부 전극 및 상기 반도체층을 관통하는 제3 그루브를 포함하고,
    상기 패턴부는 서로 이웃하는 단위셀을 직렬 연결하는 태양 전지 모듈.
  5. 기판 위에 하부 전극을 형성하는 단계,
    상기 하부 전극을 패터닝하여 제1 그루브를 형성하는 단계,
    상기 하부 전극 위에 상기 제1 그루브를 채우는 반도체층을 형성하는 단계,
    상기 반도체층을 패터닝하여 제2 그루브를 형성하는 단계,
    상기 반도체층 위에 상기 제2 그루브를 채우는 상부 전극을 형성하는 단계,
    상기 상부 전극 및 상기 반도체층을 패터닝하여 제3 그루브를 형성함으로써 상기 기판, 상기 하부 전극, 상기 반도체층 및 상기 상부 전극으로 구성된 복수의 단위셀을 형성하는 단계,
    상기 상부 전극을 선택적으로 제거하는 단계를 포함하고,
    상기 선택적으로 제거된 상기 상부 전극의 부분은 상기 단위셀 내에서 상기 단위셀이 뻗어 있는 방향을 따라 형성되는 태양 전지 모듈 제조 방법.
  6. 제5항에서,
    상기 상부 전극을 선택적으로 제거하는 단계는
    상기 상부 전극 위에서 상기 기판을 향하는 방향으로 레이저를 조사하는 것을 포함하는 태양 전지 모듈 제조 방법.
  7. 제6항에서,
    상기 상부 전극을 선택적으로 제거하는 단계는 상기 반도체층의 상부면을 노출하는 투광 패턴을 형성하는 것을 포함하는 태양 전지 모듈 제조 방법.
  8. 제5항에서,
    상기 투광 패턴은 제1 간격으로 이격되어 위치하는 복수의 선형 개구부를 포함하고, 상기 제1 간격은 50um 내지 500um인 태양 전지 모듈 제조 방법.
  9. 제5항에서,
    상기 상부 전극을 선택적으로 제거하는 단계는 266nm 내지 532nm 파장을 갖는 레이저를 조사하는 것을 포함하는 태양 전지 모듈 제조 방법.
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