KR20110001793A - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

태양전지 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR20110001793A KR20090059496A KR20090059496A KR20110001793A KR 20110001793 A KR20110001793 A KR 20110001793A KR 20090059496 A KR20090059496 A KR 20090059496A KR 20090059496 A KR20090059496 A KR 20090059496A KR 20110001793 A KR20110001793 A KR 20110001793A
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Abstract

실시예에 따른 태양전지는, 다수개의 후면전극들 및 상기 후면전극들을 상호 연결시키는 절연성 본딩부를 포함하는 전극기판; 및 상기 전극기판 상에 형성된 광 흡수층, 버퍼층 및 전면전극층을 포함하는 것으로, 상기 후면전극이 지지 기판 형태로 형성되어 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
태양전지, 기판

Description

태양전지 및 이의 제조방법{SOLAR CELL AND METHOD OF FABIRCATING THE SAME}
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 에너지 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지에 대한 개발이 진행되고 있다.
특히, 필름형 기판, 금속 후면 전극층, p형 CIGS 계 광 흡수층, 고저항 버퍼층, n형 창층 등을 포함하는 기판 구조의 pn 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다.
이러한 태양전지는 기판 후면부터 차례로 증착 형성되는 것으로, 각층들이 형성될 때 필름에 변형이 발생될 수 있다.
또한, 각 층에 대한 패터닝 공정 시 기판의 평탄도 유지에 어려움이 따르므로 물리적 손상이 발생될 수 있다.
실시예는 후면전극과 지지기판이 일체화된 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 태양전지는, 다수개의 후면전극들 및 상기 후면전극들을 상호 연결시키는 절연성 본딩부를 포함하는 전극기판; 및 상기 전극기판 상에 형성된 광 흡수층, 버퍼층 및 전면전극층을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은, 상호 분리된 제1 후면전극 및 제2 후면전극을 형성하는 단계; 및 상기 제1 후면전극 및 상기 제2 후면전극을 절연성 접착제에 의해 본딩하여 전극기판을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 전극기판 상에 광 흡수층, 버퍼층 및 전면전극층을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 의하면, 후면전극이 절연성 본딩부에 의하여 상호 연결될 수 있다.
이에 따라, 상기 후면전극 및 절연성 본딩부가 지지기판의 역할을 할 수 있으므로, 별도의 기판이 생략될 수 있다.
또한, 상기 후면전극이 상기 절연성 본딩부에 의하여 전기적으로 분리된 상태이므로, 별도의 패터닝 공정을 생략할 수 있다.
즉, 기존과 같이 기판 상에 후면전극 증착 및 패터닝 공정을 진행하지 않아도 되므로 상기 후면전극의 단락을 사전에 방지할 수 있고, 공정을 단순화시킬 수 있다.
상기 후면전극과 절연성 본딩부는 플렉서블 할 수 있으므로, 다양한 제품에 적용가능하다.
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 1을 참조하여, 전극기판(100)이 준비된다.
상기 전극기판(100)은 플렉서블(flexible)한 기판일 수 있다.
상기 전극기판(100)은 다수개의 후면전극(110,120)들 및 상기 후면전극(110,120)들 사이에 배치된 절연성 본딩부(150)를 포함한다.
예를 들어, 서로 인접하는 상기 후면전극(110,120)들을 제1 후면전극(110) 및 제2 후면전극(120)이라고 지칭한다.
즉, 상기 제1 후면전극(110)과 제2 후면전극(120)은 상기 절연성 본딩부(150)에 의하여 상호 연결될 수 있다.
상기 제1 후면전극(110), 제2 후면전극(120) 및 절연성 본딩부(150)는 동일 한 두께로 형성되고, 상기 전극기판(100)은 플랫(flat)한 상부 표면을 가질 수 있다.
이에 따라, 상기 전극기판(100)은 지지기판 및 전극의 역할을 동시에 할 수 있다
상기 제1 및 제2 후면전극(110,120)은 금속등의 도전체로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 및 제2 후면전극(110,120)은 Mo, Al, Cu 및 An 중 적어도 어느 하나를 포함하는 물질로 형성되거나, 상기 재료들의 합금막일 수 있다.
상기 절연성 본딩부(150)는 에폭시, UV 접착제 및 열 경화성 접착제와 같은 절연성 접착제 또는 절연성 점착제 일 수 있다.
즉, 상기 제1 및 제2 후면전극(110,120)은 절연성 접착제인 상기 절연성 본딩부(150)에 의하여 상호 연결되고, 평탄한 기판 형태로 형성될 수 있다.
상기 제1 및 제 후면전극(110,120)은 상기 절연성 본딩부(150)에 의하여 전기적으로 분리된 상태이다.
이에 따라, 상기 제1 및 제2 후면전극(110,120)을 포함하는 전극 기판(100) 상에 후속공정으로 광 흡수층 및 윈도우층 형성공정이 진행될 수 있다.
상기 전극기판(100)을 형성하기 위해서는, 우선 패터닝 공정을 진행하여 제1 후면전극(110) 및 제2 후면전극(120)을 형성한다.
도시되지는 않았지만, 상기 제1 및 제2 후면전극(110,120)은 메탈 포일(metal foil)과 같은 금속박막을 커팅함으로써 패터닝 될 수 있다.
다음, 상기 제1 및 제2 후면전극(110, 120)의 측벽에 절연성 접착제를 코팅 하여 상기 절연성 본딩부(150)를 형성한다. 그리고, 상기 절연성 본딩부(150)에 의하여 상기 제1 및 제2 후면전극(110, 120)을 본딩하여 전극기판(100)을 형성할 수 있다.
또는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 후면전극(110) 및 제2 후면전극(120)의 가장자리 상면 또는 하면에 절연성 접착제를 코팅하고 절연성 본딩부(150)를 형성한다.
그리고, 상기 제1 후면전극(110)과 상기 제2 후면전극(12)의 가장자리 일부가 서로 겹쳐지도록 위치시키고, 상기 절연성 본딩부(150)에 의하여 상기 제1 후면전극(110) 및 제2 후면전극(120)을 본딩할 수 있다.
즉, 상기 제1 후면전극(110)의 가장자리 상면 또는 하면에 상기 제2 후면전극(120)의 일부가 겹쳐지도록 위치시킬 수 있다.
이후, 상기 절연성 본딩부(150)가 개재된 상기 제1 후면전극(110)과 상기 제2 후면전극(120)에 대한 압연(rolling) 공정을 진행하고, 상기 전극기판(101)의 표면을 평탄화시킬 수 있다.
특히, 상기 압연공정에 의하여 상기 제1 후면전극(110)과 제2 후면전극(120)의 겹쳐진 영역에 각각 단차부(115,125)가 형성된다. 그리고, 상기 단차부(115,125)의 형태를 따라 상기 절연성 본딩부(150)도 단차를 가진 형태로 형성될 수 있게 된다.
이에 따라, 상기 제1 및 제2 후면전극(110,120)과 상기 절연성 본딩부(150)의 접합면적이 확장될 수 있다.
또한, 상기 단차부(115,125)에 상기 절연성 본딩부(150)가 채워진 상태가 되므로, 상기 제1 후면전극(110) 및 제2 후면전극(120)의 접합력을 향상시킬 수 있다.
상기와 같이 후면전극(110,120)들이 절연성 본딩부(150)에 의하여 상호 연결되고, 전극기판(100,101)을 형성할 수 있다.
이에 따라, 태양전지 셀의 지지기판 역할을 상기 전극기판(100,101)이 대신하게 되므로, 태양전지 셀의 소형화, 박막화를 달성할 수 있게 된다.
또한, 상기 후면전극(110,120)들이 상기 절연성 본딩부(150,155)에 의하여 각각 절연된 상태이므로, 패터닝 공정시 발생되는 전극들의 단락을 사전에 방지할 수 있다.
또한, 상기 전극기판(100,101)에 각 셀에 해당하는 후면전극들(110,120)이 형성되어 있으므로, 별도의 후면전극 증착 및 패터닝 공정을 생략하고, 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 전극기판(100,101)은 박막형 후면전극(110,120) 및 절연성 본딩부(150,155)로 형성되므로, 플렉서블한 재질을 가질 수 있다.
도 4 내지 도 8을 참조하여, 후면전극을 포함하는 전극기판 상에 태양전지 셀을 형성하는 방법을 하도록 한다.
도 4를 참조하여, 전극기판(100) 상에 광 흡수층(201), 버퍼층(301) 및 고저항 버퍼층(401)이 형성된다.
상기 전극기판(100)은 제1 후면전극(110), 제2 후면전극(120) 및 절연성 본 딩부(150)를 포함한다.
즉, 상기 제1 후면전극(110)과 제2 후면전극(120)이 상기 절연성 본딩부(150)에 의하여 접합되고, 상기 전극기판(100)이 형성될 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1 후면전극(110) 및 제2 후면전극(120)에 단차부(115,125)가 형성되고, 상기 단차부(115,125)에 상기 절연성 본딩부(150)가 개재된 전극기판(100)으로 형성될 수 있다.
상기 절연성 본딩부(150)는 상기 제1 후면전극(110) 및 제2 후면전극(120)을 전기적으로 분리시킬 수 있다.
즉, 상기 절연성 본딩부(150)은 제1 후면전극(110) 및 제2 후면전극(120)을 물리적으로 연결시키고, 전기적으로 절연시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 절연성 본딩부(150)는 0.1~3mm의 폭을 가질 수 있다.
상기 전극기판(100)은 플랫(flat)한 표면을 가지므로, 상기 전극기판(100) 상에 형성되는 태양전지의 구성 요소의 형성이 용이할 수 있다.
상기 전극기판(100) 상에 광 흡수층(201)이 형성된다.
상기 광 흡수층(201)은 Ⅰb-Ⅲb-Ⅵb계 화합물을 포함한다.
더 자세하게, 상기 광 흡수층(201)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In, Ga)Se2, CIGS계) 화합물을 포함한다.
이와는 다르게, 상기 광 흡수층(201)은 구리-인듐-셀레나이드계(CuInSe2, CIS계) 화합물 또는 구리-갈륨-셀레나이드계(CuGaSe2, CIS계) 화합물을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 광 흡수층(201)을 형성하기 위해서, 구리 타겟, 인듐 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하여, 상기 제1 및 제2 후면전극(110,120) 상에 CIG계 금속 프리커서(precursor)막이 형성된다.
이후, 상기 금속 프리커서막은 셀레니제이션(selenization) 공정에 의해서, 셀레늄(Se)과 반응하여 CIGS계 광 흡수층(201)이 형성된다.
또한, 상기 광 흡수층(201)은 구리,인듐,갈륨,셀레나이드(Cu, In, Ga, Se)를 동시증착법(co-evaporation)에 의해 형성할 수도 있다.
예를 들어, 상기 광 흡수층(201)은 약 2000±500nm 일 수 있다.
상기 광 흡수층(201)은 외부의 광을 입사받아, 전기 에너지로 변환시킨다. 상기 광 흡수층(201)은 광전효과에 의해서 광 기전력을 생성한다.
도 4를 참조하여, 상기 광 흡수층(201) 상에 버퍼층(301) 및 고저항 버퍼층(401)이 형성된다.
상기 버퍼층(301)은 상기 광 흡수층(201) 상에 적어도 하나 이상의 층으로 형성될 수 있으며, CBD 공정에 의하여 황화 카드뮴(CdS)이 적층되어 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 버퍼층(301)은 50±10nm의 두께로 형성될 수 있다.
이때, 상기 버퍼층(301)은 n형 반도체 층이고, 상기 광 흡수층(201)은 p형 반도체 층이다. 따라서, 상기 광 흡수층(201) 및 버퍼층(301)은 pn접합을 형성한다.
상기 고저항 버퍼층(401)은 상기 버퍼층(301) 상에 투명전극층으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 고저항 버퍼층(401)은 ITO, ZnO 및 i-ZnO 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 고저항 버퍼층(401)은 산화 아연(ZnO)를 타겟으로 한 스퍼터링 공정을 진행하여, 산화 아연층으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 고저항 버퍼층(401)은 50±10nm의 두께로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(301) 및 고저항 버퍼층(401)은 상기 광 흡수층(201)과 이후 형성된 전면전극의 사이에 배치된다.
즉, 상기 광 흡수층(201)과 전면전극층은 격자상수와 에너지 밴드 갭의 차이가 크기 때문에, 밴드 갭이 두 물질의 중간에 위치하는 상기 버퍼층(301) 및 고저항 버퍼층을 삽입하여 양호한 접합을 형성할 수 있다.
본 실시예에서는 두 개의 버퍼층을 상기 광 흡수층(201) 상에 형성하였지만, 이에 한정되지 않고, 상기 버퍼층(301)은 한개의 층으로만 형성될 수 있다.
도 5를 참조하여, 상기 고저항 버퍼층(401), 버퍼층(301) 및 광 흡수층(201)을 관통하는 관통홀(450)이 형성된다. 상기 관통홀(450)은 상기 제1 및 제2 후면전극(110,120)을 선택적으로 노출시킬 수 있다.
상기 관통홀(450)에 의하여 상기 광 흡수층(201), 버퍼층(301) 및 고저항 버퍼층(401)이 단위셀 별로 패터닝되고, 광 흡수 패턴(200), 버퍼패턴(300) 및 고저항 버퍼패턴(400)이 형성된다.
상기 관통홀(450)은 팁(Tip)과 같은 기계적 장치 또는 레이저 장치에 의하여 형성될 수 있다.
상기 관통홀(450)은 상기 절연성 본딩부(150)에 인접하여 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 관통홀(450)의 폭은 80㎛±20일 수 있고, 상기 관통홀(450)과 상기 절연성 본딩부(150)의 갭(G1)은 80㎛±20일 수 있다.
도 6을 참조하여, 상기 고저항 버퍼층(401) 상에 투명한 도전물질을 적층하여 전면전극층(501)이 형성된다.
상기 전면전극층(501)이 형성될 때, 상기 투명한 도전물질이 상기 관통홀(450)에도 삽입되어 접속배선(600)을 형성할 수 있다.
상기 전면전극층(501)은 스퍼터링 공정을 진행하여 알루미늄(Al) 또는 알루미나(Al2O3)로 도핑된 산화 아연으로 형성된다.
예를 들어, 상기 전면전극층(501)은 500nm±100의 두께로 형성될 수 있고, 약 0.2Ω/□의 면저항 및 80~95%의 투광도를 가질 수 있다.
상기 전면전극층(501)은 상기 광 흡수 패턴(200)과 pn접합을 형성하는 윈도우(window)층으로서, 태양전지 전면의 투명전극의 기능을 하기 때문에 광투과율이 높고 전기 전도성이 좋은 산화 아연(ZnO)으로 형성된다.
따라서, 상기 산화 아연에 알루미늄 또는 알루미나를 도핑함으로써 낮은 저항값을 갖는 전극을 형성할 수 있다.
상기 전면전극층(501)인 산화 아연 박막은 RF 스퍼터링방법으로 ZnO 타겟을 사용하여 증착하는 방법과 Zn 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링, 그리고 유기금속화 학증착법 등으로 형성될 수 있다.
또한, 전기광학적 특성이 뛰어난 ITO(Indium Thin Oxide) 박막을 산화 아연 박막 상에 층착한 2중 구조를 형성할 수도 있다.
도 7을 참조하여, 전면전극층(501), 고저항 버퍼 패턴(400), 버퍼 패턴(300) 및 광 흡수 패턴(200)을 관통하는 분리패턴(550)이 형성된다.
상기 분리패턴(550)은 상기 제1 및 제2 후면전극(110,120)을 선택적으로 노출시킬 수 있다. 상기 분리패턴(550)은 상기 관통홀(450)과 인접하도록 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 분리패턴(550)의 폭은 80㎛±20일 수 있고, 상기 분리패턴(550)과 상기 관통홀(450)의 갭(G2)은 80㎛±20일 수 있다.
상기 분리패턴(550)은 레이저(laser)를 조사(irradiate)하거나, 팁(Tip)과 같은 물리적인(mechanical) 방법으로 형성할 수 있다.
따라서, 상기 분리패턴(550)에 의하여 전면전극(500)이 단위셀 별로 분리될 수 있다. 즉, 상기 분리패턴(550)에 의해 각각의 셀(C1, C2)은 서로 분리될 수 있다.
그리고, 상기 분리패턴(550)에 의해 상기 광 흡수 패턴(200), 버퍼패턴들(300,400) 및 전면전극(500)은 스트라이프 형태 또는 매트릭스 형태로 배치될 수 있다.
상기 분리패턴(550)은 상기의 형태에 한정되지 않고, 다양한 형태로 형성될 수 있다.
이때, 상기 접속배선(600)에 의해 각각의 셀(C1, C2)은 서로 연결될 수 있다. 즉, 상기 접속배선(600)은 제1셀(C1)의 제1 후면전극(110)과 상기 제1셀(C1)에 인접하는 상기 제2셀(C2)의 전면전극(600)을 물리적,전기적으로 연결할 수 있다.
도 8을 참조하여, 상기 셀(C1,C2)들 중 어느 하나의 상부에 버스 바(700)를 형성한다.
상기 버스 바(700)는 상기 셀(C1,C2)에서 발생된 전력을 외부로 출력시키기 위해, 양 전극 및 음 전극의 기능을 할 수 있다.
예를 들어, 상기 버스 바(700)는 솔더 금속(solder metal)을 이용한 열융착 방법에 의하여 상기 전면전극(500) 상에 부착될 수 있다.
그 다음, 상기 전극기판(100)의 후면에 백 시트(back sheet)(10)가 부착되고, 상기 전극기판(100)을 보호할 수 있다.
예를 들어, 상기 백 시트(10)는 에바 필름(eva film)일 수 있다.
상기 백 시트(10)는 상기 전극기판(100)의 후면에 부착되어, 상기 후면전극(110,120)들을 보호하고 각각 절연시킬 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 포함되 는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1 내지 도 3은 실시예에 따른 전극기판을 도시한 단면도이다.
도 4 내지 도 8은 실시예에 따른 태양전지의 제조공정을 도시한 단면도이다.

Claims (9)

  1. 다수개의 후면전극들 및 상기 후면전극들을 상호 연결시키는 절연성 본딩부를 포함하는 전극기판; 및
    상기 전극기판 상에 형성된 광 흡수층, 버퍼층 및 전면전극층을 포함하는 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연성 본딩부는 절연성 점착제 또는 절연성 접착제인 것을 포함하는 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 후면전극은 Mo, Al, Cu 및 Sn 중 어느 하나인 것을 포함하는 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 절연성 본딩부의 폭은 0.1~3mm 인 것을 포함하는 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 후면전극의 에지영역에 형성된 제1 단차부를 더 포함하고,
    상기 절연성 본딩부는 상기 제1 단차부의 형태에 대응되는 제2 단차부를 포 함하는 태양전지.
  6. 상호 분리된 제1 후면전극 및 제2 후면전극을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 후면전극 및 상기 제2 후면전극을 절연성 접착제에 의해 본딩하여 전극기판을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 전극기판 상에 광 흡수층, 버퍼층 및 전면전극층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 후면전극과 제2 후면전극을 절연성 접착제에 의하여 본딩한 후 이들에 대한 압연공정을 진행하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 후면전극의 일부와 상기 제2 후면전극의 일부는 서로 겹쳐지도록 위치되고,
    상기 압연 공정에 의하여 상기 제1 후면전극, 절연성 접착제 및 제2 후면전극에 단차부가 형성되는 태양전지의 제조방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 절연성 접착제는 에폭시, UV 접착제 및 열 경화성 접착제 중 어느 하나 인 것을 포함하는 태양전지의 제조방법.
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