KR20120085572A - 태양전지 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 태양전지는 기판과, 상기 기판 상에 형성되어 다수의 셀로 분할 형성된 이면 전극층과, 상기 이면 전극층 상에 형성된 광 흡수층과, 상기 광 흡수층 상에 형성된 윈도우층을 포함하고, 상기 이면 전극층의 내측면은 기판으로부터 일정 각도로 기울어져 형성된다.
상기와 같은 발명은 이면 전극층 내측면에 경사면을 형성함으로써, 이면 전극층 상에 형성되는 광 흡수층의 표면 균일도를 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

태양전지 및 그의 제조방법{SOLAR CELL AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
실시예는 태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 태양전지는 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 역할을 하며, 이러한 태양전지는 최근 에너지의 수요가 증가함에 따라 상업적으로 널리 이용되고 있다.
종래 태양전지는 유리를 기판으로 하여, 이면 전극층, 광 흡수층, 윈도우층의 박막을 순차적으로 형성시키고, 그 위에 그리드 전극을 형성시켜 제조된다. 상기와 같이 제조된 태양전지는 레이저 스크라이빙 법에 의해 일정 간격으로 패터닝되어 직렬 연결된다.
태양전지의 패턴 공정은 통상적으로 3번의 공정을 수행하며, 특히, 기판에 형성된 이면 전극층에 형성된 라인 패턴은 이면 전극층과 기판 면이 직각을 이루도록 패터닝된다.
하지만, 상기와 같이 이면 전극층 상에 직각 형태로 라인 패턴이 형성되면 이면 전극층의 상부에 적층되는 광 흡수층과 이면 전극층의 접합면에 갭 또는 내부 홀이 형성된다. 이로 인해 이면 전극층과 광 흡수층 접합면 사이의 표면 균일성이 떨어져 태양전지의 성능을 떨어뜨리는 문제점을 발생시킨다.
실시예는 광 흡수층과 이면 전극층 사이에 갭 또는 내부 홀이 발생되는 것을 방지하기 위한 태양전지 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
일 실시예에 따른 태양전지는 기판과, 상기 기판 상에 형성되어 다수의 셀로 분할 형성된 이면 전극층과, 상기 이면 전극층 상에 형성된 광 흡수층과, 상기 광 흡수층 상에 형성된 윈도우층을 포함하고, 상기 이면 전극층의 내측면은 기판으로부터 일정 각도로 기울어져 형성된다.
또한, 일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 기판을 마련하는 단계와, 상기 기판 상에 이면 전극층을 증착하는 단계와, 상기 이면 전극층의 내측면에 경사면을 갖도록 식각하는 단계와, 상기 이면 전극층 상에 광 흡수층 및 이면 전극층을 순차적으로 증착하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 태양전지는 이면 전극층 내측면에 경사면을 형성함으로써, 이면 전극층 상에 형성되는 광 흡수층의 표면 균일도를 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 태양전지를 나타낸 단면도
도 2는 본 발명에 따른 이면 전극층을 중심으로 나타낸 태양전지의 단면도.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 이면 전극층의 경사면 길이를 설명하기 위한 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 이면 전극층 상에 광 흡수층이 형성된 모습을 나타낸 단면도.
도 6은 도 5의 비교 예에 따른 종래 단면도.
도 7 내지 도 9는 본 발명에 따른 이면 전극층의 변형 예를 나타낸 단면도. 및
도 10 내지 도 16은 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법을 나타낸 단면도.
실시 예의 설명에 있어서, 각 패널, 배선, 전지, 장치, 면 또는 패턴 등이 각 패턴, 배선, 전지, 면 또는 패턴 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 1은 본 발명에 따른 태양전지를 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 이면 전극층을 중심으로 나타낸 태양전지의 단면도이고, 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 이면 전극층의 경사면 길이를 설명하기 위한 단면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 이면 전극층 상에 광 흡수층이 형성된 모습을 나타낸 단면도이고, 도 6은 도 5의 비교 예에 따른 종래 단면도이고, 도 7 내지 도 9는 본 발명에 따른 이면 전극층의 변형 예를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 태양전지는 기판(100)과, 상기 기판(100) 상에 형성되며 내측면이 기판(100)으로부터 일정 각도로 기울어져 형성된 이면 전극층(200)과, 상기 이면 전극층(200) 상에 형성된 광 흡수층(300)과, 상기 광 흡수층(300) 상에 순차적으로 형성된 제1버퍼층(400), 제2버퍼층(500) 및 윈도우층(600)을 포함한다.
기판(100)은 플레이트 형상의 투명한 유리로 형성될 수 있다. 이러한 기판(100)은 리지드(Rigid)하거나 플렉서블(Flexible)할 수 있으며, 유리 기판 이외에 플라스틱 또는 금속 재질의 기판이 사용될 수 있다. 또한, 기판(100)으로 나트륨 성분이 포함된 소다 라임 글래스(Soda Lime Glass) 기판이 사용될 수 있다.
기판(100) 상에는 본 발명에 따른 이면 전극층(200)이 형성된다. 이면 전극층(200)은 n형 전극 기능의 역할을 하며, 이면 전극층(200)은 도전층으로서 몰리브덴(Mo)을 사용하여 형성될 수 있다.
이면 전극층(200)은 몰리브덴 외에 다양한 전도성 재질을 사용하여 형성할 수 있으며, 동종 또는 이종 금속을 이용하여 두 개 이상의 층을 이루도록 형성될 수도 있다. 여기서, 이면 전극층(200)은 스퍼터링법에 의해 증착될 수 있으며, 스퍼터링법 이외에도 CVD, E-Beam을 사용하여 증착을 수행할 수도 있다.
이면 전극층(200) 상에는 이면 전극층(200)을 스트립 형태로 분할하도록 패터닝 공정이 수행되며, 이로 인해 이면 전극층(200)은 다수의 분할된 셀의 형태로 형성될 수 있다. 이때, 패터닝 공정이 수행된 이면 전극층(200)의 내측면에는 경사면이 형성되며, 이로 인해 이면 전극층(200) 상에 광 흡수층(300)을 균일하게 형성할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이면 전극층(200)은 기판(100) 상에 일정 두께 예컨대, 0.2 내지 1.2㎛의 두께를 가지도록 형성되며, 분할된 이면 전극층(200)의 내측면(220)은 기판(100)의 상부면과 일정 각도(θ)로 기울어지도록 형성된다.
이면 전극층(200)의 내측면(220)은 기판(100)으로부터 상부를 향해 외향 경사지도록 형성되며 기판(100)으로부터 120 내지 150도, 더욱 바람직하게는 130 내지 150도로 기울어 형성될 수 있다. 또한, 이면 전극층(200)의 내측면(100)의 길이는 기판(100)의 상부면과 이루는 각도(θ)에 따라 달라질 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 이면 전극층(200)의 내측면(220)이 기판(100)으로부터 120도로 기울어지면 이면 전극층(200) 내측면(220)의 길이는 이면 전극층 두께(t)의 약 1.15배로 형성될 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 이면 전극층(200)의 내측면(220)이 기판(100)으로부터 150도로 기울어지면 이면 전극층(200) 내측면(220)의 길이는 이면 전극층 두께(t)의 2배로 형성될 수 있다. 따라서, 이면 전극층(200)의 내측면(220) 길이는 이면 전극층 두께(t)의 1.15배 내지 2배 사이에서 형성될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 종래 이면 전극층과 광 흡수층 사이에 갭이 발생된 것과는 달리, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 경사면을 가지는 이면 전극층에 형성된 광 흡수층은 균일한 면을 가지는 것을 알 수 있다. 이에, 본 발명에 따른 이면 전극층(200)이 형성된 태양 전지는 내구성 및 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
상기에서는 본 발명에 따른 이면 전극층 내측면(220)에는 하나의 경사면을 갖도록 형성하였지만, 이에 한정되지 않고, 도 7 내지 도 9과 같이 다수의 경사면을 가지도록 형성될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 이면 전극층(200)의 내측면(220)은 기판(100)으로부터 일정 각도 기울어 형성된 제1 경사면(222)과 제2 경사면(224)을 포함하고, 제1 경사면(222)과 제2 경사면(224) 사이에는 제1 경사면(222)과 제2 경사면(224)을 잇도록 수평면(226)이 형성될 수 있다.
제1 경사면(222)은 기판(100)의 상부면으로부터 기판(100)의 외측을 향해 형성되며, 제2 경사면(224)은 이면 전극층(224)의 상부면과 연결되도록 형성된다. 또한, 수평면(226)은 기판(100)과 수평을 이루며 제1 경사면(222)과 제2 경사면(224)을 끝단을 연결하도록 형성된다.
제1 경사면(222)과 제2 경사면(224)은 기판(100)의 외측을 향해 일정 각도 기울어져 형성될 수 있으며, 바람직하게는 120 내지 150도로 기울어지는 것이 바람직하다.
제1 경사면(222)과 제2 경사면(224)은 기판(100)으로부터 동일한 각도로 기울어져 형성될 수 있으며, 서로 다른 각도로 기울어져 형성될 수도 있다. 제1 경사면(222)과 제2 경사면(224)의 길이는 동일한 길이 또는 서로 다른 길이를 갖도록 형성될 수 있다. 수평면(226)은 제1 경사면(222)과 제2 경사면(224)의 길이보다 작은 것이 바람직하다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 이면 전극층(200)의 내측면(220)은 기판(100)으로부터 일정 각도 기울어 형성된 제1 경사면(222)과 제2 경사면(224)을 포함하고, 제1 경사면(222)과 제2 경사면(224) 사이를 잇는 수직면(228)이 형성될 수 있다.
제1 경사면(222) 및 제2 경사면(224)은 일정 각도 예컨대, 기판(100)으로부터 120 내지 150도로 기울어져 형성될 수 있으며, 기판(100)으로부터 이루는 각도 및 경사면(220)의 길이는 서로 동일하거나 다르도록 형성될 수 있다.
수직면(228)은 제1 경사면(222)과 제2 경사면(224)을 잇도록 제1 경사면(222)의 상부 끝단과 제2 경사면(224)의 하부 끝단에 연결되며 기판(100)과 수직을 이루도록 형성될 수 있다. 여기서, 수직면(228)의 길이는 제1 경사면(222)과 제2 경사면(224)의 길이보다 작은 것이 바람직하다.
상기에서는 제1 경사면(222) 및 제2 경사면(224)을 잇도록 수평면(226) 및 수직면(228)을 형성하였으나, 이에 한정되지 않고, 다양한 각도를 가지도록 형성될 수 있음은 물론이다.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 이면 전극층(200)의 내측면에 다수의 경사부를 형성하기 위해서는 습식 식각 또는 건식 식각 공정을 여러번 수행하여 형성할 수 있다.
상기와 같은 구성은 이면 전극층(200)의 내측면에 다수의 경사부를 형성함으로써, 수평면으로부터 보다 완만한 경사를 형성할 수 있다. 이로 인해 이면 전극층(200)과 광 흡수층(300) 사이의 갭 높이를 줄일 수 있으며, 이면 전극층(200)과 광 흡수층(300) 사이의 표면 균일도를 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 이면 전극층(200)의 내측면(220)은 기판(100)으로부터 일정 각도를 가지도록 경사면(220)이 형성되어 있으며, 이러한 경사면(200)은 기판(100)의 노출된 영역으로부터 일정 길이(L) 예컨대, 1㎛ 내지 3㎛에 걸쳐 형성될 수 있다.
이면 전극층(200)의 내측면(220) 길이가 넓은 영역에 걸쳐 형성되면 상대적으로 이면 전극층(200)의 상부면(240)의 길이가 줄어들게 되며, 이로 인해 이면 전극층(200)의 두께가 작아져 전극으로서의 역할을 할 수 없다. 반면, 이면 전극층(200)의 내측면(220) 길이가 짧은 영역에 걸쳐 형성되면 경사면을 이루는 영역이 작게 되어 이면 전극층(200) 상에 이후 설명될 광 흡수층(300)을 균일하게 형성시키기 어렵게 된다.
따라서, 이면 전극층(200)의 내측면(220)은 경사면(220)과 이면 전극층(200)의 상부를 잇도록 이면 전극층(200)의 상부에 수직부(260)가 형성될 수 있다. 여기서, 이면 전극층(200)의 내측면을 이루는 경사면(220)은 하나 이상으로 형성될 수 있음은 물론이다.
도 1로 돌아가서, 본 발명에 따른 이면 전극층 상에는 태양광을 흡수하는 역할을 하는 광 흡수층(300)이 형성된다.
광 흡수층(300)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족계 화합물을 포함하며, 예컨대 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계) 결정 구조, 구리-인듐-셀레나이드계 또는 구리-갈륨-셀레나이드계 결정 구조를 가질 수 있다. 여기서, 광 흡수층(300)의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1eV 내지 1.8eV일 수 있다.
광 흡수층(300)의 상부에는 제1버퍼층(400)이 직접 접촉되어 형성되며, 광 흡수층(300)과 이후 설명될 윈도우층(600)과의 에너지 갭 차이를 완화시켜 주는 역할을 한다.
이를 위해 제1버퍼층(400)은 황화 카드뮴(CdS)을 포함하는 물질로 형성될 수 있으며, 에너지 밴드갭은 이면 전극층(200)과 윈도우층(600)의 중간 정도의 크기인 약 1.9eV 내지 약 2.3eV일 수 있다.
제1버퍼층(400)의 상부에는 광투과율과 전기전도성이 높은 산화아연(ZnO)인 제2버퍼층(500)이 형성되며, 제2버퍼층(500)은 고저항을 가지도록 형성되어 윈도우층(600)과의 절연 및 충격 데미지(Damege)를 방지할 수 있는 효과가 있다.
제2버퍼층(500) 상에는 제2버퍼층(500), 제1버퍼층(400) 및 광 흡수층(300)을 걸쳐 스트립 형태로 분할되도록 제2 패터닝공정이 수행되며, 제2 패터닝공정(P2)은 제1 패터닝공정(P1)과 일정 간격을 가지도록 수행될 수 있다.
윈도우층(600)은 p형 전극 기능을 수행하는 투명한 형태의 도전성 재질로서, 알루미늄이 도핑된 산화 아연인 AZO(ZnO:Al) 재질의 물질이 사용될 수 있다. 물론, 윈도우층의 재질은 이에 한정되지 않으며, 광투과율과 전기전도성이 높은 물질인 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 산화인듐주석(ITO) 등으로 형성될 수 있다. 또한, 윈도우층(600)의 두께는 대략 1.0㎛로 형성될 수 있다.
윈도우층(600) 상에는 윈도우층(600), 제2버퍼층(500), 제1버퍼층(400) 및 광 흡수층(300)에 걸쳐 스트립 형태로 분할하도록 제3 패터닝공정(P3)이 수행되며, 제3 패터닝공정(P3)은 제2 패터닝공정(P2)과 일정 간격을 가지도록 수행될 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법을 살펴본다. 도 10 내지 도 16은 본 발명에 따른 태양전지의 제조 공정을 나타낸 단면도이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 투명한 유리 기판(100)이 마련되면 기판(100)의 일면에 이면 전극층(이하 'Mo층'이라 칭함, 200)을 증착하는 단계를 수행한다. 이때, Mo층(200)은 스퍼터링 법에 의해 일정 두께 예컨대, 1㎛로 증착될 수 있다.
이어서, Mo층(200)에 패턴을 형성하도록 본 발명에 따른 패터닝 공정을 수행한다. 도 11에 도시된 바와 같이, Mo층(200) 상부에 별도의 마스크 패턴(M)을 형성하고, 습식식각 용액에 의해 Mo층(200)의 식각을 수행한다. 여기서, 습식식각 용액으로는 부식제(Mo Etchant)를 사용할 수 있다.
일정 시간이 지나면, 도 12에 도시된 바와 같이, 마스크 패턴(M)이 형성되지 않은 Mo층(200)의 상부면은 움푹 패턴 형상으로 형성된다. 여기서, Mo층(200)의 노출면은 수직 방향으로도 식각이 이루어지지만 이와 함께 수평 방향으로 식각이 이루어질 수 있다.
상기와 같은 상태에서 일정 시간 습식식각 공정이 계속되면 도 13에 도시된 바와 같이, 기판(100) 상부면이 노출되면서 Mo층(200)의 내측면(220)은 경사를 가지도록 형성되어 제1패터닝 공정(P1)을 마친다.
상기에서는 습식식각 공정을 사용하여 Mo층(200)의 내측면에 경사면을 형성하였지만, 이에 한정되지 않으며, 플라즈마를 이용한 드라이 에칭, 레이저 방식을 사용하여 Mo층(200)의 내측면에 경사면을 형성할 수 있다. 특히, 레이저를 사용할 경우, 레이저 빔의 형상을 변경하면서 Mo층(200)을 순차적으로 녹이는 방법을 사용하면 Mo층(200) 내측면에 용이하게 경사면을 형성할 수 있다.
상기와 같이, 습식식각 공정에 의해 Mo층(200)의 제1 패터닝공정(P1)이 완료되면 도 14에 도시된 바와 같이, Mo층(200) 상에 광 흡수층 예컨대, CIGS층(300)을 동시증착법으로 증착을 수행하고, CIGS층(300) 상에 n형 제1버퍼층인 황하 카드뮴(CdS)층(400)과 제2버퍼층인 ZnO층(500)을 각각 화학 용액 성장법(Chemical Bath Deposition; CBD)과 스퍼터링 법에 의해 증착을 수행한다.
이어서, 도 15에 도시된 바와 같이, ZnO층(500), CdS층(400), CIGS층(300)의 일부를 제1 패터닝공정(P1)에 의해 형성된 패턴과 일정 간격을 두어 스트립 형태로 분할하도록 스크라이빙 법에 의한 제2 패터닝공정(P2)이 수행된다.
이어서, 도 16에 도시된 바와 같이, ZnO층(500) 상에 윈도우층인 AZO층(600)을 스퍼터링 법으로 증착을 수행한다. AZO층(600)의 증착을 마치면 증착된 AZO층(600), ZnO층(500), CdS층(400), CIGS층(300)에 제2 패터닝공정(P2)으로부터 형성된 패턴과 일정 간격을 두어 스트립 형태로 분할하도록 스크라이빙 법에 의한 제3 패터닝공정(P3)을 수행한다.
상기와 같은 패터닝 공정에 의해 AZO층(600), ZnO층(500), CdS층(400), CIGS층(300)에 소정의 패턴이 형성되고, 이로부터 고효율 태양전지의 제조가 완료된다.
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 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 기판 200: 이면 전극층
220: 이면 전극층의 내측면 222: 제1 경사면
224: 제2 경사면 300: 광 흡수층
400: 제1버퍼층 500: 제2 버퍼층

Claims (12)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성되어 다수로 분할 형성된 이면 전극층;
    상기 이면 전극층 상에 형성된 광 흡수층; 및
    상기 광 흡수층 상에 형성된 윈도우층;
    을 포함하고,
    상기 이면 전극층의 측면은 기판으로부터 일정 각도로 기울어져 형성된 태양전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 일정 각도는 120 내지 150도인 태양전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 이면 전극층의 측면은 절곡 형성된 다수의 경사면을 포함하는 태양전지.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 다수의 경사면은 기판으로부터 이루는 각도가 서로 상이한 태양전지.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 경사면에는 기판과 수직한 수직면이 형성된 태양전지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 이면 전극층의 측면은 기판의 상부를 향해 외향 경사진 태양전지.
  7. 기판;
    상기 기판 상에 형성되어 기판의 일부가 노출되도록 패터닝 공정이 수행된 이면 전극층;
    상기 이면 전극층 상에 형성된 광 흡수층; 및
    상기 광 흡수층 상에 형성된 윈도우층;
    을 포함하고,
    상기 이면 전극층의 측면은 기판의 노출된 영역으로부터 일정 거리에 걸쳐 형성된 것을 특징으로 하는 태양전지.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 일정 거리는 1㎛ 내지 3㎛인 태양전지.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 이면 전극층의 측면은 경사면을 포함하는 태양전지.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 경사면은 기판으로부터 120 내지 150도 기울어져 형성된 태양전지.
  11. 기판을 마련하는 단계;
    상기 기판 상에 다수로 분할 형성된 이면 전극층을 증착하는 단계;
    상기 이면 전극층의 측면이 경사면을 갖도록 식각하는 단계; 및
    상기 이면 전극층 상에 광 흡수층 및 윈도우층을 순차적으로 증착하는 단계;
    를 포함하는 태양전지 제조방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 이면 전극층의 내측면은 식각 부위가 노출되도록 마스크 패턴을 형성하고, 노출된 식각 부위를 습식식각 용액을 사용하여 경사 식각하는 태양전지 제조방법.
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