KR20120007382A - 태양전지 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20120007382A
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이헌민
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Abstract

본 발명은 태양 전지 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 태양 전지 모듈의 제조방법은, 기판 상에 투명전극층을 형성하는 단계를 포함하고, 투명전극층을 형성하는 단계는 기판 상에 시드층을 증착하는 단계 및 시드층 상에 벌크막을 증착하는 단계를 포함하며, 시드층은 아르곤(Ar)과 산소(O2)의 혼합 분위기 하에서 증착하고, 벌크막은 아르곤(Ar) 분위기 하에서 증착한다. 이에 따라, 투명전극층의 에칭시 투명전극층의 표면 조도값이 커짐에 따라, 입사되는 광의 산란도가 증가하여 태양전지의 광의 흡수율이 향상될 수 있다.

Description

태양전지 모듈 및 그 제조 방법{Solar cell module and manufacturing method thereof}
본 발명은 태양 전지 모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 투명전극층이 특정한 분압을 가지는 아르곤과 산소의 분위기 하에서 형성된 시드층 및 벌크막을 포함하는 태양 전지 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예상되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 반도체 소자를 이용하여 태양광 에너지를 직접 전기 에너지로 변화시키는 차세대 전지로서 각광받고 있다.
태양전지란 광기전력 효과(Photovoltaic Effect)를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치로서, 그 구성 물질에 따라서 실리콘 태양전지, 박막 태양전지, 염료감응 태양전지 및 유기고분자 태양전지 등으로 구분될 수 있으며, 이러한 태양전지에서는, 입사되는 태양 광을 전기 에너지로 변환시키는 비율과 관계된 변환효율(Efficiency)을 높이는 것이 매우 중요하다.
본 발명의 목적은 광의 흡수율을 향상시킬 수 있는 태양 전지 모듈 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양 전지 모듈의 제조방법은, 기판 상에 투명전극층을 형성하는 단계를 포함하고, 투명전극층을 형성하는 단계는 기판 상에 시드층을 증착하는 단계 및 시드층 상에 벌크막을 증착하는 단계를 포함하며, 시드층은 아르곤(Ar)과 산소(O2)의 혼합 분위기 하에서 증착하고, 벌크막은 아르곤(Ar) 분위기 하에서 증착한다.
또한, 시드층을 증착하는 단계는, 아르곤(Ar)과 산소(O2)의 분압비가 24:1 내지 9:1이다.
또한, 시드층을 증착하는 단계는, 시드층을 50 내지 150nm로 증착한다.
또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양 전지 모듈은, 기판 및 기판 상의 투명전극층을 포함하고, 투명전극층은 기판 상의 시드층 및 시드층 상의 벌크막을 포함하며, 시드층의 결정도가 벌크막의 결정도보다 크다.
또한, 시드층의 산소 함유량은 벌크막의 산소 함유량보다 높으며, 시드층의 비저항은 벌크막의 비저항보다 높다.
또한, 시드층의 두께는 50 내지 150nm이다.
본 발명에 따르면, 투명전극층의 시드층과 벌크막을 일정한 아르곤과 산소의 분압비 하에서 형성함으로써, 투명전극층 에칭시 투명전극층의 표면 조도값이 커짐에 따라, 입사되는 광의 산란도가 증가하여 태양전지의 광의 흡수율이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 모듈을 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 태양 전지 모듈의 제조방법을 도시한 도이다.
도 3은 도 1의 태양 전지 모듈에 포함된 투명전극층의 AFM(Atomic Force MicroScope) 형상 및 표면 조도값을 나타내는 도이다.
도 4는 헤이즈율(Haze ratio)의 정의를 설명하기 위한 도이다.
도 5는 도 1의 태양 전지 모듈에 포함된 투명전극층의 헤이즈(Haze)를 도시한 도이다.
이하의 도면에서, 각 구성요소는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지 모듈을 도시한 단면도로, 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 태양 전지 모듈(100)은 기판(110), 기판(110)상의 투명전극층(120), 투명전극층(120) 상에 순차적으로 위치한 광전변환층(130), 후면 전극층(140), 밀봉필름(150) 및 후면 기판(160)을 포함할 수 있다.
기판(110)은 태양광을 투과하도록 유리로 형성될 수 있으며, 외부의 충격 등으로부터 광전변환층(130) 등을 보호하기 위해 강화유리인 것이 바람직하다. 또한, 태양광의 반사를 방지하고 태양광의 투과율을 높이기 위해 철분이 적게 들어간 저철분 강화유리인 것이 더욱 바람직하다.
기판(110)상의 투명전극층(120)은 광전변환층(130)에서 생성한 전류를 흘려보내는 통로로 사용되고, 산화아연(ZnO)에 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 불소(F), 게르마늄(Ge), 마그네슘(Mg), 보론(B), 인듐(In), 주석(Sn), 리튬(Li) 중에서 선택된 적어도 어느 하나 이상의 물질이 도핑 되어 형성될 수 있다.
불순물은 산화아연(ZnO)의 전기적 특성을 개선할 수 있으며, 불순물이 도핑된 산화아연(ZnO)은 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide; ITO)보다 에칭하기가 용이하고 비독성이며 저온에서 성장이 가능한 장점이 있다.
이러한 산화아연(ZnO)에의 불순물의 도핑은 화학적 도핑법(Chemical Doping), 전기화학적 도핑법(Electrochemical Doping) 또는 이온주입법(Ion Implantation) 등과 같은 도핑방법을 사용하여 금속 원소를 도핑할 수 있나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 투명전극층(120)의 표면은 입사되는 광의 경로를 증가시켜 보다 많은 광을 광전변환층(130)이 흡수할 수 있도록 요철 구조를 이룰 수 있다.
한편, 본 발명에 따르면, 도 2에서 도시하는 바와 같이 투명전극층(120)은 기판(110) 상의 시드층(122) 및 시드층(122) 상의 벌크막(124)을 포함할 수 있으며, 시드층(122)의 결정도가 벌크막(124)의 결정도보다 클 수 있다.
또한, 시드층(122)의 산소 함유량은 벌크막(124)의 산소 함유량보다 높을 수 있고, 이에 따라 시드층(122)의 비저항이 벌크막(124)의 비저항보다 높을 수 있다. 이는 시드층(122)을 아르곤(Ar)과 산소(O2)의 일정한 분압하에서 형성하기 때문인데, 이에 관하여서는 도 2를 참조하여 자세히 후술하기로 한다.
한편, 투명전극층(120) 상의 광전 변환층(130)은 P-N접합(junction)이 형성되어 광이 조사되면 광전효과에 의해 광기전력이 발생할 수 있다. 일 예로 광전 변환층(130)은 비정질 실리콘(a-Si), 미세결정 실리콘(uc-Si), 화합물 반도체(compound semiconductor), 적층형(tandem) 등일 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다.
이와 같은 광전 변환층(130) 상에는 후면 전극층(140)이 위치하여, 상술한 투명전극층(120)과 함께 광전 변환층(130)에서 생성한 전류를 외부로 전달할 수 있다. 후면 전극층(140)은 투명재질 또는 불투명한 금속 재질로 이루어질 수 있으며, 투명전극층(120)과 동일하게 형성될 수도 있다.
밀봉 필름(150)과 후면 기판(160)은 후면 전극층(140) 상에 순차적으로 위치할 수 있다.
밀봉 필름(150)은 외부의 수분이나 산소를 차단하고 후면 기판(160)을 접착하기 위함이다. 이러한 밀봉 필름(150)은 에틸렌초산비닐 공중합체 수지(EVA), 폴리비닐부티랄, 에틸렌초산비닐 부분 산화물, 규소 수지, 에스테르계 수지, 올레핀계 수지 등으로 이루어질 수 있다.
후면 기판(160)은 방수, 절연 및 자외선 차단 기능을 하며, TPT(Tedlar/PET/Tedlar) 타입일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 또한, 후면 기판(160)은 상술한 기판(110) 측으로부터 입사된 태양광을 반사하여 재이용될 수 있도록 반사율이 우수한 재질인 것이 바람직하며, 또는 태양광이 입사될 수 있는 투명 재질로 형성될 수도 있다.
도 2는 도 1의 태양 전지 모듈의 제조방법을 도시한 도이며, 도 3은 도 1의 태양 전지 모듈에 포함된 투명전극층의 AFM(Atomic Force MicroScope) 형상 및 표면 조도값을 나타내는 도이다.
우선, 도 2를 참조하여 태양 전지 모듈(100)의 제조방법을 설명하면, (a)와 같은 기판(110)상에 투명전극층(120)을 이루는 재질을 사용하여, (b) 및 (c)에 도시된 바와 같이 순차적으로 시드층(122)과 벌크막(124)을 증착한다.
투명전극층(120)을 이루는 재질은 도 1에서 설명한 바와 같이 산화아연(ZnO)에 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 불소(F), 게르마늄(Ge), 마그네슘(Mg), 보론(B), 인듐(In), 주석(Sn), 리튬(Li) 중에서 선택된 적어도 어느 하나 이상의 물질이 도핑된 것일 수 있다.
한편, 시드층(122)은 아르곤(Ar)과 산소(O2)의 혼합 분위기 하에서 증착하고, 벌크막(124)은 순수한 아르곤(Ar) 분위기 하에서 증착하는 것이 바람직하다.
박막층을 형성할 때, 유입되는 가스 중 산소(O2)의 분압이 높을수록 형성되는 박막층의 결정성이 우수해지고, 결정립 크기도 증가하는바, 본 발명에 따르면 시드층(122)의 결정도가 벌크막(124)의 결정도보다 클 수 있다.
또한, 시드층(122)은 아르곤(Ar)과 산소(O2)의 혼합 분위기 하에서 증착하므로, 시드층(122)의 산소 함유량은 벌크막(124)의 산소 함유량보다 높을 수 있다.
이와 같은 우수한 결정성 및 높은 산소함량의 시드층(122)의 특성은, 벌크막(124)의 성장시, 시드층(122)의 결정성이 벌크막(124)까지 유지될 수 있도록 할 수 있어, 벌크막(124)은 큰 결정립을 가질 수 있다.
이에 의해, 도 3에서 후술하는 바와 같이 투명전극층(120)의 에칭시 표면 요철의 크기가 커지게 되고, 이에 따라 산란되는 광이 많아져 광전변환층(130)의 광 흡수율을 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 벌크막(144)은 순수한 아르곤(Ar) 분위기 하에서 증착하므로, 시드층(122)에 비해 산소(O2)의 함량이 상대적으로 적다. 벌크막(144)은 낮은 산소의 함유량 때문에 광 투과도는 상대적으로 낮을 수 있으나, 비저항이 낮을 수 있다.
이러한 낮은 비저항은, 후에 증착되는 광전변환층(130)과의 접촉저항을 낮출 수 있으며, 광전변환층(130)에서 발생한 캐리어들이 투명전극층(120)으로 용이하게 이동할 수 있도록 할 수 있다.
한편, 시드층(122)을 증착할 때의 산소(O2)와 아르곤(Ar)의 분압비는 1:24 내지 1:9인 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 시드층(122)의 증착시 산소 함량이 높을수록 결정성이 우수해지고, 결정립 크기도 증가하는바, 산소(O2)와 아르곤(Ar)의 분압비가 1/24보다 작은 경우는 시드층(122)이 충분한 결정성을 가지고 성장하기가 어렵다. 이에 따라 시드층(122) 상에 증착되는 벌크막(124)도 큰 결정립을 가지지 못하게 되므로, 투명전극층(120)의 에칭 시 표면조도 값이 증가하지 못하게 된다.
반면에, 시드층(122)의 증착시의 산소(O2)와 아르곤(Ar)의 분압비가 1/9보다 큰 경우는, 형성되는 투명전극층(120)의 저항이 증가할 수 있다. 이는 산소 부분압의 증가에 따라 결정성은 향상되지만, 산소가 국부적으로 모여서 불균일하게 되는 산소 편석이 발생하기 때문이다.
따라서, 시드층(122)을 증착할 때의 산소(O2)와 아르곤(Ar)의 분압비는 1:24 내지 1:9인 것이 바람직하다.
또한, 형성되는 시드층(122)의 두께(T1)는 50 내지 150nm인 것이 바람직한데, 시드층(122)의 두께(T1)가 50nm보다 작은 경우는, 형성되는 시드층(122)이 충분한 결정성을 가지고 성장하기가 어렵기 때문이다. 반면에 150nm를 초과하는 경우는, 형성되는 투명전극층(120)의 저항이 증가할 수 있으며, 제조 공정이 길어지고 시드층(122) 형성을 위해 소모되는 재료의 낭비가 있다.
다시 도 2를 참조하면, 상술한 바와 같이 시드층(122)과 벌크막(124)을 증착하여 투명전극층(120)을 형성한 후, (d)와 같이, 투명전극층(120)의 표면을 에칭하여 요철 구조를 이루도록 할 수 있다.
투명전극층(120)의 에칭은 다양한 물리적, 화학적 에칭 방법에 의할 수 있으며, 투명전도막(23) 자체에 요철을 줌으로써 반사를 방지하고, 광경로를 증가시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따르면 투명전극층(120)에 포함되는 벌크막(124)은, 산소(O2)와 아르곤(Ar)의 분압비가 1:24 내지 1:9인 분위기 하에서 증착한 시드층(122) 상에 증착되기 때문에 결정립이 클 수 있다.
따라서, 투명전극층(120)의 에칭시 형성되는 요철의 크기가 커지며, 이에 따라 산란되는 빛이 많아질 수 있다. 이는 하기의 도 3에서 확인할 수 있다.
도 3은 도 1의 태양 전지 모듈에 포함된 투명전극층의 AFM(Atomic Force MicroScope, 원자현미경) 형상 및 표면 조도값을 나타내는 도로, 도 3의 (a)는 시드층이 없는 상태에서 투명전극층(120)을 형성한 경우이고, (b),(c),(d)는 시드층(122)을 아르곤과 산소 분위기 하에서 증착한 후, 이어서 벌크막(124)을 아르곤 분위기 하에서 증착하여 투명전극층(120)을 형성한 경우이다. 여기서, (b)는 아르곤과 산소의 비가 24:1, (c)는 아르곤과 산소의 비가 18:1, (d)는 아르곤과 산소의 비가 9:1인 분압비에서 시드층(122)을 형성하였다.
투명전극층(120)의 에칭시 에칭의 속도는 결정립의 경계(Grain boundary)에서 가장 빠르기 때문에 결정립의 경계에서 가장 큰 에칭이 일어난다. 상대적으로 결정립은 적은 에칭이 일어난다.
따라서, 투명전극층(120)을 이루는 결정립의 사이즈가 크면 클수록 에칭에 의해 형성되는 요철의 크기가 커지게 된다.
다시 도 3을 참조하면, 시드층(122)이 없는 상태에서 형성된 투명전극층(120)의 에칭상태를 나타내는 (a)에 비해, 시드층(122) 상에 벌크막(124)을 증착하여 형성한 투명전극층(b~d)의 에칭 후의 상태가 더욱 큰 표면 조도값을 가지는 것을 알 수 있다.
또한, (b) 내지 (d)는 (a)와 비교하여 볼 때, 불규칙한 작은 크기의 크레이터(crater)가 상당량 감소하여 균일해졌음을 알 수 있다. 이는 상술한 바와 같은 시드층(122)의 높은 산소 함유량 및 이에 따른 우수한 결정성과 큰 결정립 크기가 벌크막(124)까지 유지되고 있음을 보여준다.
따라서, (a)에 비해 (b) 내지 (d)의 경우가 더욱 큰 광 산란 특성을 가지게 되며, 산란되는 광이 많아지면 계면에서 일어날 수 있는 반사를 줄일 수 있게 된다. 이에 의해 광경로를 증가시키게 되고, 이는 광전변환층(130)의 광의 흡수율을 높일 수 있게 된다.
한편, (b) 내지 (d)를 참조하면, 산소의 분압이 높을수록 큰 표면 조도의 값을 나타내고 있는데, 이는 상술한 바와 같이 산소의 분압이 높을수록 시드층(122)의 결정립이 커지게 되기 때문이다. 다만, 산소의 분압이 아르곤 대비 1/9보다 커지면, 산소 편석에 의해 투명전극층(120)의 저항이 증가할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 투명전극층(120)의 표면을 에칭하여, 표면이 요철구조를 가지도록 한 다음, (e)와 같이 광전 변환층(130), 후면 전극층(140), 밀봉 필름(150), 후면 기판(160)을 순차적으로 적층하여 태양 전지 모듈(100)을 형성할 수 있다.
상술한 투명전극층(120), 광전 변환층(130) 및 후면 전극층(140)은 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition), 금속 유기 화학 기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 분자선 적층법(Molecular Beam Epitaxy), 금속 유기 분자선 적층법(Metal Organic Molecular Beam Epitaxy), 펄스 레이저 증착법(Pulsed Laser Deposition), 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition; ALD), 스퍼터링법(Sputtering), 및 RF 마그네트론 스퍼터링법(RF MagnetronSputtering) 등과 같은 여러 가지 증착 방법에 의해 형성할 수 있다.
도 4는 헤이즈율(Haze ratio)의 정의를 설명하기 위한 도이며, 도 5는 도 1의 태양 전지 모듈에 포함된 투명전극층의 투과율 및 헤이즈(Haze) 변화를 도시한 도이다.
헤이즈율이란 도 4에 도시되는 바와 같으며, 다음과 같이 수학식 1로 표현할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, TD 는 확산 투과율, TS 는 직선 투과율, TT 는 총 투과율을 나타낸다.
즉, 높은 헤이즈율을 갖는다는 것은 기판(110)을 통해 입사된 태양광 중 확산되어 투과되는 광의 비율이 높다는 것으로, 확산되어 투과되는 광은 긴 광 경로를 가짐에 따라, 광전변환층에 용이하게 흡수될 수 있다는 것을 의미한다.
도 5는 투명전극층의 헤이즈(Haze) 변화를 도시한 도로, 도 3에서 도시한 (a) 내지 (d)의 경우에 따른 헤이즈(Haze)를 도시한다.
도 5를 참조하면, 시드층(122)이 형성되지 않은 경우에 비해, 본 발명에 따라 투명전극층(120)을 형성한 경우가 에칭 후의 투명 전극층(120)의 헤이즈가 증가한 것을 알 수 있다.
헤이즈가 증가하였다는 것은 광이 많이 산란되었다는 것을 의미하며, 이는 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 투명 전극층(120)을 에칭할 때 종래에 비해 큰 표면 조도값을 가질 수 있기 때문이다.
한편, 광이 많이 산란되면 광의 진행 경로가 길어지며, 이에 따라 광전 변환층의 광흡수율은 증가할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100: 태양 전지 모듈 110: 기판
120: 투명전극층 122: 시드층
124: 벌크막 130: 광전변환층
140: 후면 전극층 150: 밀봉필름
160: 후면 기판

Claims (14)

  1. 기판 상에 투명전극층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 투명전극층을 형성하는 단계는,
    상기 기판 상에 시드층을 증착하는 단계; 및
    상기 시드층 상에 벌크막을 증착하는 단계를 포함하고,
    상기 시드층은 아르곤(Ar)과 산소(O2)의 혼합 분위기 하에서 증착하고, 상기 벌크막은 아르곤(Ar) 분위기 하에서 증착하는 태양 전지 모듈 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시드층을 증착하는 단계는, 상기 아르곤(Ar)과 상기 산소(O2)의 분압비가 24:1 내지 9:1인 태양 전지 모듈 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 시드층을 증착하는 단계는, 상기 시드층을 50 내지 150nm로 증착하는 태양 전지 모듈 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 형성된 투명전극층을 에칭하는 단계를 포함하는 태양 전지 모듈 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 에칭된 벌크막 상에 광전변환층을 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지 모듈 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 투명전도층은 산화아연(ZnO)계 물질에 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 불소(F), 게르마늄(Ge), 마그네슘(Mg), 보론(B), 인듐(In), 주석(Sn), 리튬(Li) 중에서 선택된 적어도 어느 하나 이상의 물질이 도핑된 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 투명전도층은 스퍼터링에 의해 형성되는 태양 전지 모듈 제조 방법.
  8. 기판; 및
    상기 기판 상의 투명전극층을 포함하고,
    상기 투명전극층은, 상기 기판 상의 시드층 및 상기 시드층 상의 벌크막을 포함하며,
    상기 시드층의 결정도가 상기 벌크막의 결정도보다 큰 태양 전지 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 시드층의 산소 함유량은 상기 벌크막의 산소 함유량보다 높은 태양 전지 모듈.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 시드층의 비저항은 상기 벌크막의 비저항보다 높은 태양 전지 모듈.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 시드층의 두께는 50 내지 150nm인 태양 전지 모듈.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 투명전도층은, 산화아연(ZnO)계 물질에 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 불소(F), 게르마늄(Ge), 마그네슘(Mg), 보론(B), 인듐(In), 주석(Sn), 리튬(Li) 중에서 선택된 적어도 어느 하나 이상의 물질이 도핑된 태양 전지 모듈.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 투명전극층의 표면은 요철 구조를 이루는 태양 전지 모듈.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 투명전극층 상에 순차적으로 위치한 광전변환층, 후면 전극층, 밀봉필름 및 후면 기판을 포함하는 태양 전지 모듈.
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