KR20120030828A - 태양전지모듈 및 그 제조방법 - Google Patents

태양전지모듈 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20120030828A
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Abstract

본 발명은 태양 전지 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 태양 전지 모듈의 제조방법은, 기판상에 투명전극층을 형성하는 단계를 포함하고, 투명전극층을 형성하는 단계는, 기판상에 제1 투명전극층을 증착하는 단계, 제1 투명전극층을 에칭하여 요철을 형성하는 단계 및 에칭된 제1 투명전극층 상에 제2 투명전극층을 증착하는 단계를 포함할 수 있다. 이에 따라, 투명전극층의 표면 형상(Mopology)이 개선되어, 태양전지모듈의 광 흡수율이 향상될 수 있다.

Description

태양전지모듈 및 그 제조방법{Solar cell module and manufacturing method thereof}
본 발명은 태양전지모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 투명전극층의 표면 형상을 개선한 태양전지모듈 및 그 제조방법에 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, 박막형 태양전지, 염료감응형 태양전지 및 유기고분자형 태양전지 등으로 구분될 수 있으며, 이러한 태양전지에서는, 입사되는 태양 광을 전기 에너지로 변환시키는 비율과 관계된 변환효율(Efficiency)을 높이는 것이 매우 중요하다.
한편, 박막형 태양전지는 대면적 태양전지 모듈을 저가로 제작할 수 있는 기술로서 많은 관심을 끌고 있으나, 변환효율이 실리콘 태양전지에 비해 다소 낮을 수 있다. 따라서, 박막형 태양전지의 변환효율을 향상시키기 위해, 태양광이 입사되는 기판상의 투명전극층을 에칭하여 요철구조를 형성하는데, 이러한 요철구조는 태양전지 내에 광경로를 증가시키고, 이에 따라 광의 흡수율을 높일 수 있는 효과적인 방법이다.
그러나 투명전극층의 에칭을 과하게 진행하면 요철 구조의 불균일성이 커지며, 국부적으로 천공(Perforation)이 발생할 수 있다. 이러한 표면 형상에서 광전변환층이 형성되면, 천공이 발생된 지점 또는 과도한 에칭에 의한 크래이터의 급격한 경사부 주위에서 크랙이 발생할 수 있으며, 이는 태양전지의 전기적 특성에 저하를 가져올 수 있다.
본 발명의 목적은 광의 흡수율을 향상시킬 수 있는 태양전지모듈 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양전지모듈 제조방법은, 기판 상에 투명전극층을 형성하는 단계를 포함하고, 투명전극층을 형성하는 단계는, 기판 상에 제1 투명전극층을 증착하는 단계, 제1 투명전극층을 에칭하여 요철을 형성하는 단계 및 에칭된 제1 투명전극층 상에 제2 투명전극층을 증착하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 제2 투명전극층은 50 내지 300nm의 두께로 증착할 수 있다.
또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양전지모듈은, 기판 및 기판 상의 투명전극층을 포함하고, 투명전극층은, 제1 투명전극층 및 제1 투명전극층상의 제2 투명전극층을 포함하고, 제2 투명전극층의 두께는 50 내지 300nm이며, 제1 투명전극층과 제2 투명전극층의 계면은 요철 구조를 이룰 수 있다.
또한, 요철의 평균 폭과 투명전극층의 최대 표면거칠기(Peak to valley, PV)의 비율은 2.9:1 내지 6.5:1일 수 있다.
본 발명에 따르면, 제1 투명전극층을 에칭 후 제2 투명전극층을 재증착함으로써, 투명전극층의 표면 형상(Mopology)이 개선되어, 태양전지모듈의 광 흡수율이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지모듈을 도시한 단면도,
도 2는 도 1의 태양전지모듈의 제조방법을 도시한 도,
도 3은 도 1의 태양전지모듈에 포함된 투명전극층의 AFM(Atomic Force MicroScope) 형상을 도시한 도,
도 4는 도 1의 태양전지모듈의 효율을 도시한 도, 그리고
도 5는 도 1의 태양전지모듈의 FF(Fill factor)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 성장 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 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 발명에 따르면 투명전극층(120)은 제1 투명전극층(122)과 제1 투명전극층상(122)의 제2 투명전극층(124)을 포함할 수 있고, 제1 투명전극층(122)과 제2 투명전극층(124)의 계면은 요철 구조를 이룰 수 있다. 이는 도 2에서 자세히 후술하겠지만, 투명전극층(120)은 제1 투명전극층(122)을 증착하고, 이를 에칭하여 요철 구조를 형성한 후, 제2 투명전극층(124)을 재증착하여 형성할 수 있다.
이와 같이 제1 투명전극층(122) 상에 제2 투명전극층(124)을 재층착함으로써, 제1 투명전극층(122)의 에칭시 형성된 크레이터(Crater)들의 높이가 균일해지고, 크레이터(Crater)의 기울기가 완만해짐으로써, 투명전극층(120) 상에 형성되는 광전변환층(130)이 고품질의 결정성을 가지고 증착될 수 있어, 광의 흡수율이 향상될 수 있다.
한편, 제1 투명전극층(122)과 제2 투명전극층(124)은 동일한 재질로 형성될 수 있으며, 제2 투명전극층의 두께는 50nm 이상의 두께를 가짐으로써, 제1 투명전극층(122)에 포함된 크레이터(Crater)들의 밑면의 폭을 유지하면서, 높이를 균일하게 할 수 있다. 반면에, 제2 투명전극층(124)의 두께가 300nm 보다 두꺼운 경우는, 입사되는 광의 일부를 제2 투명전극층(124)이 흡수함에 따라 광 투과도가 저하될 수 있는바, 태양전지모듈(100)의 광특성이 감소할 수 있다.
따라서, 제1 투명전극층(122)상에 형성되는 제2 투명전극층(124)은 50 내지 300nm의 두께를 가지는 것이 바람직하다.
또한, 제2 투명전극층(124)이 재층착된 투명전극층(120)의 요철의 평균 폭과 투명전극층(120)의 최대 표면거칠기(Peak to valley, PV)의 비율은 2.9:1 내지 6.5:1일 수 있다.
일 예로, 후술하는 바와 같이, 제1 투명전극층(122)이 에칭에 의해 밑면의 평균 폭이 1.3㎛, 최대 표면거칠기(Peak to valley, PV)가 480nm로 형성된 크레이터를 포함하고, 이후 제2 투명전극층(124)을 재증착함으로써, 투명전극층(120)의 최대 표면거칠기는 200 내지 450nm로 감소될 수 있다.
즉, 크레이터의 가로폭은 유지하되, 표면거칠기가 감소되는 결과를 나타내는데, 이에 따라 전체적인 크레이터의 높이가 균일해지고, 경사도가 완만해져 투명전극층(120) 상에 광전변환층(130)이 성장하기에 적합한 형상으로 개선될 수 있다.
따라서, 투명전극층(120)의 요철의 평균 폭과 투명전극층(120)의 최대 표면거칠기(Peak to valley, PV)의 비율은 2.9:1 내지 6.5:1 일 때, 투명전극층(120) 상의 광전변환층(130)이 우수한 결정성을 가지고 형성될 수 있어 태양전지모듈(100)의 효율이 향상될 수 있다.
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. 또한, 본 발명에 따르면, 투명전극층(120)의 표면 형상이 개선되므로, 투명전극층(120) 상에 형성되는 광전변환층(130)의 결정성이 향상될 수 있고, 이에 따라 광전변환층(130)이 보다 얇은 두께를 가질 수 있다.
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 태양전지모듈의 제조방법을 도시한 도이며, 도 3은 도 1의 태양전지모듈에 포함된 투명전극층의 AFM(Atomic Force MicroScope) 형상을 도시한 도이다.
우선, 도 2를 참조하여 태양전지모듈(100)의 제조방법을 설명하면, (a)와 같은 기판(110)상에 투명전극층(120)을 이루는 재질을 사용하여, 제1 투명전극층(122)을 증착한 후 이를 에칭하여 요철구조를 가지도록 한다.
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.
증착된 제1 투명전극층(122)은 다양한 물리적, 화학적 에칭 방법에 의해 요철구조를 가질 수 있으며, 제1 투명전극층(122) 자체에 요철을 줌으로써 반사를 방지하고, 광경로를 증가시킬 수 있다.
이어서, (b)와 같이 제2 투명전극층(124)을 재층착한다. 제2 투명전극층(124)은 제1 투명전극층(122)과 동일한 재질로 증착될 수 있으며, 50 내지 300nm의 두께를 가지는 것이 바람직하다.
이와 같이 제2 투명전극층(124)을 재증착하면, 에칭에 의해 형성된 요철구조의 기울기가 감소하여, 투명전극층(120) 상에 증착되는 광전변환층(130)이 성장하기에 적합한 형상을 가질 수 있으며, 이에 따라, 광전변환층(130)이 우수한 결정성을 가지고 성장할 수 있다.
도 3의 (a)는 제1 투명전극층(122)의 AFM(Atomic Force MicroScope, 원자현미경) 형상을 도시하며, 도 3의 (b)는 제1 투명전극층(122) 상에 제2 투명전극층(124)을 150nm의 두께로 재증착한 상태를 도시하고 있다.
여기서, 도 3의 (a)의 최대 표면거칠기(PV)는 요철의 평균 폭이 1.3㎛, 최대표면거칠기(PV)가 480nm이고, RMS(Root mean squre)는 46.6nm 임에 반해, 도 3의 (b)는 요철의 평균 폭은 거의 동일하며, 최대 표면거칠기(PV)가 246nm이고, RMS가 36nm로 측정되었다. 따라서, 도 3의 (a)에 비해 도 3의 (b)의 경우가, 불규칙한 크기의 크레이터(crater)가 상당량 감소하여 균일해졌음을 알 수 있다.
즉, 제1 투명전극층(122) 상에 제2 투명전극층(124)을 재층착함으로써, 제1 투명전극층(122)의 에칭시 형성된 크레이터(Crater)들의 높이가 균일해지고, 크레이터(Crater)의 기울기가 완만해짐을 알 수 있으며, 이와 같이 표면형상이 개선된 투명전극층(120) 상에 형성되는 광전변환층(130)은 고품질의 결정성을 가질 수 있어, 광의 흡수율이 향상될 수 있다. 이에 관하여서는 도 4 및 도 5를 참조하여 후술하기로 한다.
한편, 도 3의 (b)는 일 예로 제2 투명전극층(124)을 150nm의 두께로 증착한 경우를 도시하나, 이에 한정되지 않으며, 제2 투명전극층(124)은 50 내지 300nm의 두께로 증착할 수 있으며, 이에 따라, 투명전극층(120)의 요철의 평균 폭과 투명전극층(120)의 최대 표면거칠기(Peak to valley, PV)는 2.9:1 내지 6.5:1의 비를 가질 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, (c)와 같이 투명전극층(120) 상에 광전 변환층(130), 후면 전극층(140), 밀봉 필름(150) 및 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 도 1의 태양전지모듈의 효율을 도시한 도이며, 도 5는 도 1의 태양전지모듈의 FF(Fill factor)를 도시한 도이다.
하기의 표 1은 도 3의 (a) 및 (b)의 경우의 광 투과도과 헤이즈를 나타낸다. 여기서, 도 3의 (b)는 제2 투명전극층을 150nm의 두께로 제1 투명전극층 상에 성장시킨 경우이다.
또한, 하기의 표 2는 비교예와 실시예 1, 2에 따른 투명전극층의 저항 및 태양전지모듈의 효율을 나타낸다. 여기서, 비교예는 도 3의 (a)의 경우이며, 실시예 1 및 실시예 2는 제2 투명전극층을 100nm와 150nm의 두께로 각각 형성한 경우를 나타낸다.
한편, 제2 투명전극층은 ZnO:Al을 타켓으로 제1 투명전극층 상에 150℃에서 스퍼터링으로 형성하였으며, 제1 투명전극층은 요철의 평균크기가 1.3㎛이고, 두께는 730nm로 소다석회 유리(Soda-lime glass) 상에 형성하였다.
광 투과도(%) 헤이즈(%)
도 3 (a) 83.9 68.5
도 3 (b) 81.5 63.6
저항(Ω/□) Voc(V) Jsc(mA/cm2) FF(%) Eff(%)
비교예 10.7 0.460 25.3 59.8 7.0
실시예1 8.1 0.469 26.2 61.9 7.6
실시예2 6.8 0.476 26.2 64.1 8.0
표 1에서는 제2 투명전극층을 형성한 경우, 광 투과도와 헤이즈가 감소되는 결과를 나타낸다.
그럼에도 불구하고, 표 2 및 도 4를 참조하면, 태양전지모듈의 효율이 증가하는 결과를 나타내는데, 이러한 결과는 제2 투명전극층을 요철이 형성된 제1 투명전극층 상에 재성장 시킴으로써, 투명전극층의 표면 구조가 광전변환층이 성장하기에 적합한 구조를 가지게 되고, 이에 따라, 광전변환층이 우수한 품질을 가짐을 의미한다.
또한, 표 2를 보면 제2 투명전극층의 증착시 Jsc가 증가하는 결과를 나타내는데, 이는 재결합 전류가 억제됨을 의미한다.
한편, 하기의 표 3은 상기 표 2의 비교예와 실시예 1 및 실시예 2에 대한 VIM 결과를 나타내며, 도 5는 태양전지모듈의 FF(Fill factor)를 도시한 도로, 표 3과 도 5를 참조하면, 제2 투명전극층을 형성함으로써, 재결합 전류가 억제됨을 명확히 알 수 있다.
Vcoll(V) (μτ)eff (cm2V-1) ΔFF(%)
비교예 7.6 5.6×10-7 13.1
실시예1 12.4 9.2×10-7 8.0
실시예2 20.0 14.8×10-7 5.0
FF의 변화는 하기의 수학식 1에서 알 수 있는 바와 같이, 최대전력지점에서의 전류 변화에 의해 구해질 수 있다.
Figure pat00001
여기서, FF0가 이상적인 최대값이고, FFdegaded는 재결합전류에 따른 감소 값을 의미한다. 상기 표 3 및 도 5에 의하면, 본 발명에 따라 제2 투명전극층을 형성한 경우, ΔFF의 값이 감소하므로, 재결합전류가 감소한다는 것을 알 수 있다. 따라서, 이러한 결과로부터, 제2 투명전극층을 재성장시킨 투명전극층 상에 형성된 광전변환층이 우수한 품질을 가질 수 있음을 알 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: 제1 투명전극층
124: 제2 투명전극층 130: 광전변환층
140: 후면 전극층 150: 밀봉필름
160: 후면 기판

Claims (10)

  1. 기판 상에 투명전극층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 투명전극층을 형성하는 단계는,
    상기 기판 상에 제1 투명전극층을 증착하는 단계;
    상기 제1 투명전극층을 에칭하여 요철을 형성하는 단계; 및
    상기 에칭된 제1 투명전극층 상에 제2 투명전극층을 증착하는 단계;를 포함하는 태양전지모듈 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    제2 투명전극층은 50 내지 300nm의 두께로 증착하는 태양전지모듈 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 투명전극층 상에 광전변환층을 형성하는 단계;를 포함하는 태양전지모듈 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 투명전극층은 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 태양전지모듈 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 투명전극층은 스퍼터링에 의해 형성되는 태양전지모듈 제조방법.
  6. 기판; 및
    상기 기판 상의 투명전극층을 포함하고,
    상기 투명전극층은,
    제1 투명전극층 및 상기 제1 투명전극층상의 제2 투명전극층을 포함하고, 상기 제2 투명전극층의 두께는 50 내지 300nm이며, 상기 제1 투명전극층과 상기 제2 투명전극층의 계면은 요철 구조를 이루는 태양전지모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 요철의 평균 폭과 상기 투명전극층의 최대 표면거칠기(Peak to valley, PV)의 비율은 2.9:1 내지 6.5:1인 태양전지모듈.
  8. 제6항에 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 태양전지모듈.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제1 투명전극층과 상기 제2 투명전극층은 동일한 재질로 이루어진 태양전지모듈.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 투명전극층 상에 순차적으로 위치한 광전변환층, 후면 전극층, 밀봉필름 및 후면 기판을 포함하는 태양전지모듈.
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