KR20110077750A - 박막 태양전지 모듈의 제조방법 및 그에 의해서 제조된 박막 태양전지 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 직렬회로의 패터닝 공정으로 사용되는 레이저 스크라이빙 공정을 줄임으로써 공정을 단순화하고 생산효율을 향상시킬 수 있는 태양전지 모듈의 제조방법 및 그에 의해서 수득되는 태양전지 모듈에 관한 것이다.
박막 태양전지, 레이저 스크라이빙, 에지 아이솔레이션, 병렬 회로,
Description
본 발명은 박막 태양전지 모듈의 제조방법 및 그에 의해서 제조된 박막 태양전지 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 병렬회로 구조를 채택하여 공정이 단순화되고 생산효율을 향상시킬 수 있는 박막 태양전지 모듈의 제조방법 및 그에 의해서 제조된 박막 태양전지 모듈에 관한 것이다.
최근 고유가 및 환경 문제의 영향으로 신재생 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 태양광을 전기에너지로 변환하는 광전변환소자인 태양전지는 다른 에너지원과 달리 무한하고 환경친화적이므로 시간이 갈수록 그 중요성이 더해가고 있다. 그러나 아직까지 태양광을 전기에너지로 변환하는 공지의 방법에서는 효율이 부족하므로 화석 연료에 대한 태양 에너지의 대체 가능성을 지연시키고 있다.
태양전지는 반도체에 사용되는 웨이퍼를 이용하는 결정질 태양전지와 투명 기판과 같은 기판에 증착기술을 이용한 박막태양전지로 나눌 수 있다. 현재는 결정질 태양전지가 높은 시장점유율을 가지고 있지만 향후 고효율화 및 저가격으로 박막태양전지의 시장점유율이 높아질 것으로 예상되고 있다.
상기 박막형 태양전지는 유리 등과 같은 기판 상에 전면전극을 형성하고, 상기 전면전극 위에 광전변환층을 형성하고, 상기 광전변환층 위에 후면전극을 형성하여 제조된다. 여기서, 상기 전면전극은 광이 입사되는 수광면을 형성하기 때문에 상기 전면전극으로는 ZnO와 같은 투명도전물이 이용되는데, 기판이 대면적화됨에 따라 상기 투명도전물의 저항으로 인해서 전력손실이 크게 되는 문제가 발생하게 된다. 따라서 박막형 태양전지를 복수 개의 단위 셀로 나누고 복수 개의 단위 셀들을 직렬로 연결하는 모듈 형태로 실시되고 있다.
도 1은 종래의 복수 개의 단위셀들이 직렬로 연결된 구조를 갖는 박막형 태양전지의 제조공정을 도시한 모식도이다. 도 1을 참고하면, 초기 세정 완료된 전면 전극이 형성된 기판을 레이저 스크라이빙에 의해 일정 폭을 갖도록 TCO 층을 패터닝한다. 이어서 패터닝된 기판을 다시 세정한 후 CVD에 의해서 광전변환층, 광전도층을 증착한 후 초기 형성된 패턴에 일정 간격을 띄우고 레이저 스크라이빙에 의해 두번 째 패터닝을 진행한다. 두번 째 레이저 스크라이빙에 의한 패터닝을 마친 후에 다시 세정을 하고 스퍼터링 등에 의해 후면 전극을 제작한 후 레이저 스크라이빙에 의해 최적화된 폭으로 패터닝을 한다. 이때, 각각의 셀 폭 방향 및 길이 방향으로 모듈 절연을 위한 패터닝을 도 1에 도시된 바와 같이, 실리콘으로 절연된 패턴 외곽으로 전면 전극만 남기고 나머지 박막들을 모두 제거한다. 최종적 으로 에너지가 강한 레이저를 이용한 레이저 스크라이빙에 의해서 최외곽을 절연시켜 준다. 끝으로 트리밍과 세정 공정을 통해 태양전지 모듈을 제작할 수 있다.
그러나 이와 같은 종래의 박막형 태양전지의 제조방법에 의하면, 투명전극 및 반도체층의 절단을 위한 두 차례의 레이저 스크라이빙과, 후면전극을 절단하고 동시에 태양전지를 직렬 연결하기 위한 한 차례의 레이저 스크라이빙, 총 세 차례에 걸친 레이저 스크라이빙을 수행해야 하기 때문에 공정이 복잡해지는 문제점이 있다. 또한 총 3차례에 걸친 패터닝 공정을 모두 레이저 스크라이빙 공정을 이용하여 수행하기 때문에 레이저 스크라이빙 공정 중에 발생하는 잔류물이 기판에 잔존하여 기판이 오염될 우려가 커지고, 기판의 오염을 방지하기 위해 세정공정을 추가할 경우 그만큼 공정이 복잡해지고 생산성이 떨어지게 되는 문제점이 있다.
더욱이 이와 같이 여러 차례의 레이저 스크라이빙을 통해 소실되는 태양전지의 셀들 사이의 무효면적(Dead Zone)이 넓어지게 되어, 태양전지의 유효면적 손실이 커지는 문제점이 있다. 특히 셀들을 서로 직렬 연결할 때 셀들간 절연과 전기적 연결이 원활히 진행되어야 하나 레이저 스크라이빙 장치를 이용한 통상의 셀 패터닝(cell patterning) 방식의 경우 이와 같은 특성을 만족하는 것이 매우 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 극복하기 위한 것으로, 본 발명의 하 나의 목적은 박막 태양전지 모듈의 제조시에 병렬 회로를 구성하여 레이저 스크라이빙 공정을 최소화함으로써 생산효율을 향상시키고 제조비용을 절감할 수 있는 박막 태양전지 모듈의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 방법에 의해서 제조된 병렬 회로로 구성된 박막 태양전지 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 양상은
전면전극이 형성된 투명 기판의 제 1 전극이 형성될 부분에 레이저 스크라이빙에 의해서 전면전극을 패터닝하는 제 1 패터닝 단계;
상기 전면 전극 위에 광전변환층, 광전도층, 후면전극을 적층하는 단계;
·상기 제 1 전극 형성 부위에 대향하는 제 2 전극 형성 부분을 레이저 스크라이빙에 의해 패터닝하는 제 2 패터닝 단계;
각각의 셀의 폭 방향 및 길이 방향으로 모듈 절연을 위한 패터닝을 실시하여 광전셀들을 분리하는 단계;
기판의 최외곽 테투리 부분을 에지 아이솔레이션하는 단계; 및
양극 및 음극 형성후 각각의 광전 셀들을 병렬로 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 다른 양상은 기판 상에 형성되고 서로 연결된 복수의 광전셀들을 구비하며, 상기 광전셀들은 상기 기판 상의 전면전극; 상기 전면전극 상의 광전변환층; 상기 광전변환층 상의 후면전극을 구비하며, 상기 광전셀들이 제 1항 내지 제 5항의 방법에 의해서 형성되고, 각 행의 광전셀의 양극은, 공통의 제 1 전극형성부에 접속되어 전기적으로 병렬로 접속되고, 각 행의 태양전지의 광전셀의 음극은, 공통의 제 2 전극형성부에 접속되어 전기적으로 병렬로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈에 관한 것이다.
본 발명에 의하면 기존의 박막형 태양전지 제조 시에 직렬회로의 패터닝 공정으로 사용되는 레이저 스크라이빙 공정의 횟수를 최소화함으로써 태양전지 제조 공정을 획기적으로 단순화하여 제조비용을 현저하게 줄일 수 있다. 또한 제조공정 중 레이저 스크라이빙 공정으로 인한 오염을 예방하여 소자의 단선 및 단략을 방지하고 패터닝 공정의 최소화로 무효면적(Dead Zone)이 감소되어 높은 효율의 모듈을 제작할 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 박막 태양전지 모듈의 제조방법에 대하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서, 관련된 공지의 범용적인 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략하였으며, 또한, 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 또한, 이하에서 사용되는 기술 용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다.
본 발명의 일실시예의 방법의 제 1 패터닝 단계에서는 투명 도전막이 형성된 투명 기판의 제 1 전극이 형성될 부분을 레이저 스크라이빙에 의해서 투명 도전막을 패터닝한다. 즉, 태양전지의 양극 또는 음극이 형성될 제 1 전극 부위의 투명 도전막이 스크라이빙한다. 이어서 전단계에서 처리된 기판 위에 광전변환층, 광전도층, 후면전극을 차례로 적층한다. 두 번째로 제 1 전극 형성 부위에 대향하는 제 2 전극 형성 부분을 레이저 스크라이빙에 의해 패터닝한다. 이때에는 도전성 박막만 남기고 그 위의 반도체층 및 후면적극은 모두 스크라이빙된다. 다음으로 각각의 셀의 폭 방향 및 길이 방향으로 모듈 절연을 위한 패터닝을 실시하여 광전셀들을 분리한 후, 기판의 최외곽 테투리 부분을 에지 아이솔레이션하고, 에지 아이솔레이션 후 양극 및 음극의 전극 형성 후 각각의 광전 셀들을 병렬로 연결하여 박막 태양전지 모듈을 제조한다.
다음으로 각 단계에 대해서 더욱 상세하게 설명한다. 도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 방법에 의한 박막 태양전지의 모듈 제조과정의 각 단계를 순차적으로 도시한 도면이며, 도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 방법에 의한 박막 태양전지의 모듈 제조과정의 각 단계에서 제작되는 태양전지 모듈의 단면개략도이다.
본 발명의 방법에 의해서 태양 전지 모듈을 제작할 경우에는 먼저 도 3a 및 도 3a에 도시된 바와 같이, 도전성 박막(200)이 형성된 투명 기판(100)의 제 1 전극(태양전지의 양극 또는 음극)이 형성될 부분에 레이저 스크라이빙에 의해 도전성 박막(200)을 스크라이빙하여 패터닝한다.
구체적으로 도 2a 및 도 3a에 도시된 바와 같이, 인듐틴 옥사이드(ITO), 플로린 도핑된 틴 옥사이드(FTO), ZnO, ZnO:B, ZnO:Al, SnO2, ZnO-Ga, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 등과 같은 투명한 도전물질로 구성된 투명 도전성 박막(200)이 형성된 기판(100)을 레이저 스크라이빙을 이용하여 제 1 전극이 형성되어야 하는 부분에 도전성 박막(200)을 스크라이빙한다.
이어서 도 2b 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 전단계에서 처리된 기판 위에 P형 실리콘층, I형 실리콘층, N형 실리콘층을 순차적으로 형성하여 광전변환층(300)을 형성한다. 이어서 상기 광전변환층(300) 상에 광전도층(400)을 형성한다. 상기 광전도층(400)은 ZnO, ZnO:B, ZnO:Al, ZnO:H, Ag와 같은 투명한 도전물질을 스퍼터링법 또는 MOCVD법 등을 이용하여 형성할 수 있다. 이어서 상기 광전도층(400) 상에 후면전극(500)을 형성하여, 태양전지의 제조를 완성한다. 상기 후면전극(500)은 Ag, Al, Ag+Al, Ag+Mg, Ag+Mn, Ag+Sb, Ag+Zn, Ag+Mo, Ag+Ni, Ag+Cu, Ag+Al+Zn 등과 같은 금속을 스크린인쇄법, 잉크젯인쇄법, 그라비아인쇄법 또는 미세접촉인쇄법을 이용하여 형성할 수 있다.
광전변환층(300) 및 후면전극(500)이 형성되면, 제 1 전극 형성 부위에 대향하는 제 2 전극 형성 부분을 레이저 스크라이빙에 의해 패터닝한다. 이때 레이저 스크라이빙은 도 2c 및 도 3c에 도시된 바와 같이, 소정의 간격을 두고 수회 실시한다. 이러한 상기 제 2 패터닝 단계에서는 투명 도전막(200) 만을 남기고 투명 도전막(200) 위의 광전변환층(300), 광전도층(400) 및 후면전극(500)을 모두 스크라이빙한다.
광전변환층의 패터닝이 완료되면, 도 2d 및 도 3d에 도시된 바와 같이, 제 2 패터닝 단계에서 사용된 레이저 보다 강한 레이저를 이용하여 셀분리 및 에지 아이솔레이션 단계를 실시한다. 이러한 단계는 셀들간 절연 및 전극을 형성하기 위한 최외곽 부분을 절연시키는 단계로서, 기판 만 남기고 투명 도전막 이상의 층들(투명 도전막, 광전변환층, 광전도층, 후면전극)을 모두 스크라이빙한다.
광전변환층 형성후 기판의 측단의 가장자리(에지)를 제거하는 에지 아이솔레이션(edge isolation) 공정은, 태양전지 기판의 표면 전체에 동일한 도전형이 형성되면 전면전극 및 후면전극이 전기적으로 연결될 수 있으므로, 이를 막기 위한 것이다. 이러한 에지 아이솔레이션 공정은 레이저스크라이빙법 이외에 플라즈마를 이용한 습식 식각(plasma wet etching), 플라즈마를 이용한 건식 식각(plasma dry etching), 레이저 식각(laser etching) 등의 방법에 의해서 행할 수도 있다.
전극 형성 단계는 각 행의 광전셀의 제 1 전극은, 공통의 제 1 전극 형성부에 접속되어 전기적으로 병렬로 접속되고, 각 행의 태양전지의 광전셀의 제 2 전극은, 공통의 제 2 전극 형성부에 접속되어 전기적으로 병렬로 접속된다.
도 2e는 본 발명에 따른 태양전지 모듈에서 병렬 회로를 갖는 레이저 패턴 방식으로 구현된 비정질 박막 태양전지의 모듈 구성도이다. 도 2e에 도시된 바와 같이, 제 1 패터닝 단계에 의해서 금속 개방 영역(metal open area)이 형성되고, 제 2 패 터닝 단계에 의해서 TCO 개방 영역(TCO open area)이 형성된다.
상기 금속 개방 영역(metal open area)이 음극(-)에 연결되고, 상기 TCO 개방 영역(TCO open area)이 양극(+)에 연결된다. 셀분리된 각 행의 광전셀의 음극은, 공통의 제 1 전극형성부(금속 개방 영역)에 접속되어 전기적으로 병렬로 접속되고, 각 행의 태양전지의 광전셀의 양극은, 공통의 제 2 전극형성부(TCO 개방 영역)에 접속되어 전기적으로 병렬로 접속된다.
본 발명의 다른 양상은 이상의 방법에 의해서 제작되는 태양전지 모듈에 관한 것이다. 본 발명의 일실시예의 태양전지 모듈은 기판 상에 형성되고 서로 연결된 복수의 광전셀들을 구비하며, 상기 광전셀들은 상기 기판 상의 전면전극; 상기 전면전극 상의 광전변환층; 상기 광전변환층 상의 후면전극을 구비하며, 상기 광전셀들이 이상의 방법에 의해서 형성되고, 각 행의 광전셀의 양극은, 공통의 제 1 전극형성부에 접속되어 전기적으로 병렬로 접속되고, 각 행의 태양전지의 광전셀의 음극은, 공통의 제 2 전극형성부에 접속되어 전기적으로 병렬로 접속된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 구현예를 들어 본 발명을 상세하게 설명하였으나 본 발명은 상술한 구현예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 많은 변형이 가능함은 자명할 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 이하의 특허청구범위에서 청구하는 범위 및 그의 균등한 범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
도 1은 종래의 박막 태양전지의 모듈 제작 과정을 도시한 모식도이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 방법에 의한 박막 태양전지의 모듈 제조과정의 각 단계를 순차적으로 도시한 도면, 및
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 방법에 의한 박막 태양전지의 모듈 제조과정의 각 단계에서 제작되는 태양전지 모듈의 단면개략도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100: 기판 200: 투명도전막 300: 광전변환층
400: 광전도층 500: 후면전극
Claims (6)
- 투명 도전막이 형성된 투명 기판의 제 1 전극이 형성될 부분에 레이저 스크라이빙에 의해서 투명 도전막을 패터닝하는 제 1 패터닝 단계;상기 전면 전극 위에 광전변환층, 광전도층, 후면전극을 적층하는 단계;·상기 제 1 전극 형성 부위에 대향하는 제 2 전극 형성 부분을 레이저 스크라이빙에 의해 패터닝하는 제 2 패터닝 단계;각각의 셀의 폭 방향 및 길이 방향으로 모듈 절연을 위한 패터닝을 실시하여 광전셀들을 분리하는 단계;기판의 최외곽 테투리 부분을 에지 아이솔레이션하는 단계; 및양극 및 음극 형성후 각각의 광전 셀들을 병렬로 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 2 패터닝 단계가 소정의 간격을 두고 수회 진행되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 2 패터닝 단계는 투명 도전막 위의 반도체층 및 후면전극 부분이 모두 스크라이빙되는 단계임을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈 의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 에지 아이솔레이션 단계는 제 2 패터닝 단계에서 사용된 레이저 보다 강한 레이저를 이용하여 셀들간 절연 및 전극을 형성하기 위한 최외곽 부분을 절연시키는 단계로서, 기판을 남기고 투명 도전막 이상의 층들을 모두 스크라이빙하는 단계임을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 전극 형성 단계는 각 행의 광전셀의 제 1 전극은, 공통의 제 1 전극 형성부에 접속되어 전기적으로 병렬로 접속되고, 각 행의 태양전지의 광전셀의 제 2 전극은, 공통의 제 2 전극 형성부에 접속되어 전기적으로 병렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈의 제조방법.
- 기판 상에 형성되고 서로 연결된 복수의 광전셀들을 구비하며, 상기 광전셀들은 상기 기판 상의 투명 도전막; 상기 투명 도전막 상의 광전변환층; 상기 광전변환층 상의 후면전극을 구비하며, 상기 광전셀들이 제 1항 내지 제 5항의 방법에 의해서 형성되고, 각 행의 광전셀의 양극은, 공통의 제 1 전극형성부에 접속되어 전기적으로 병렬로 접속되고, 각 행의 태양전지의 광전셀의 음극은, 공통의 제 2 전극형성부에 접속되어 전기적으로 병렬로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020090134404A KR20110077750A (ko) | 2009-12-30 | 2009-12-30 | 박막 태양전지 모듈의 제조방법 및 그에 의해서 제조된 박막 태양전지 모듈 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020090134404A KR20110077750A (ko) | 2009-12-30 | 2009-12-30 | 박막 태양전지 모듈의 제조방법 및 그에 의해서 제조된 박막 태양전지 모듈 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20110077750A true KR20110077750A (ko) | 2011-07-07 |
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ID=44917301
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| KR1020090134404A KR20110077750A (ko) | 2009-12-30 | 2009-12-30 | 박막 태양전지 모듈의 제조방법 및 그에 의해서 제조된 박막 태양전지 모듈 |
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| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20110077750A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023024323A1 (zh) * | 2021-08-23 | 2023-03-02 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | 一种薄膜太阳能电池结构、制备装置和设备 |
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2009
- 2009-12-30 KR KR1020090134404A patent/KR20110077750A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (1)
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