KR20120087042A - 태양광 발전장치 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 태양전지는 이면전극층; 상기 이면전극층 상에 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 윈도우층; 및 상기 이면전극층 아래에 접착층;을 포함한다.

Description

태양광 발전장치 및 이의 제조방법{SOLAR CELL APPARATUS AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
실시예는 태양광 발전장치 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 에너지의 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지에 대한 개발이 진행되고 있다.
특히, 유리기판, 금속 후면 전극층, p형 CIGS계 광 흡수층, 버퍼층, n형 투명전극층 등을 포함하는 기판 구조의 pn 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다.
또한, 이러한 태양전지의 효율을 증가시키기 위해서 다양한 연구가 진행 중이다.
일반적으로, 금속호일(metal foil) 물질을 포함하는 성장기판 상에 태양전지를 형성하였을 경우, 형성 공정이 진행됨에 따라, 광 흡수층 형성 등의 고온 공정에서 기판 내에 포함된 물질이 광 흡수층으로 확산될 수 있고, 이에 따라 태양전지의 효율이 저하될 수 있다.
따라서 본 실시예에서는 상기 성장기판으로 유리를 이용하여 고온에서 성장되는 CIGS 성막 공정을 진행하고, 리지드(rigid)한 유리기판 상에 형성된 희생층을 전기분해의 방법으로 제거한다.
이후 후면전극층 아래에 접착층 및 플렉서블한 기판을 형성하여 휘어짐이 뛰어나고 광-전 변환효율 및 신뢰성이 향상된 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
실시예에 따른 태양전지는 이면전극층; 상기 이면전극층 상에 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 윈도우층; 및 상기 이면전극층 아래에 접착층;을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 성장기판 상에 희생층을 형성하는 단계; 상기 희생층 상에 후면전극층을 형성하는 단계; 상기 후면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 상부전극층을 형성하는 단계; 상기 상부전극층 상면에 EVA 시트를 형성하는 단계; 상기 태양전지를 전기분해하여 상기 후면전극층의 하면이 노출되도록 상기 희생층을 제거하는 단계;를 포함한다.
실시예에 따르면, 플렉서블하고 광-전 변환효율 및 신뢰성이 향상된 태양전지 및 그 제조방법이 제공된다.
도 1은 발명의 실시예에 따른 태양전지의 단면도이다.
도 2 내지 도 7은 발명의 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 나타낸 도면이다.
실시예의 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. 도면에서 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
도 1은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 단면도이고, 도 2 내지 도 7은 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 태양전지는 기판(110), 상기 기판(110) 상에 접착층(250), 상기 접착층(250) 상에 이면전극층(200), 상기 이면전극층(200) 상에 광 흡수층(300), 상기 광 흡수층(300) 상에 버퍼층(400) 및 고저항 버퍼층(500), 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 윈도우층(600)및 상기 윈도우층(600) 상에 제1 보호층(700)을 포함한다. 그리고 상기 기판(110) 아래에는 제2 보호층(800)이 형성될 수 있다.
상기 기판(110)은 플레이트 형상을 가지며, 상기 이면전극층(200), 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500), 윈도우층(600)을 지지한다.
상기 기판(110)은 PET(polyethylene terephthalate) 등의 플렉서블한 기판일 수 있으나 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 기판(110) 상에는 상기 이면전극층(200)이 배치된다. 상기 이면전극층(200)은 도전층이다. 상기 이면전극층(200)은 태양전지 중 상기 광 흡수층(300)에서 생성된 전하가 이동하도록 하여 태양전지의 외부로 전류를 흐르게 할 수 있다. 상기 이면전극층(200)은 이러한 기능을 수행하기 위하여 전기 전도도가 높고 비저항이 작아야 한다.
또한, 상기 이면전극층(200)은 CIGS 화합물 형성시 수반되는 황(S) 또는 셀레늄(Se) 분위기 하에서의 열처리 시 고온 안정성이 유지되어야 한다.
이러한 이면전극층(200)은 몰리브덴(Mo), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 텅스텐(W) 및 구리(Cu)중 어느 하나로 형성될 수 있다. 이 가운데, 특히 몰리브덴(Mo)은 다른 원소에 비해 상술한 이면전극층(200)에 요구되는 특성을 전반적으로 충족시킬 수 있다.
상기 이면전극층(200)은 두 개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 층들은 같은 금속으로 형성되거나, 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.
상기 이면전극층(200) 아래에는 희생층(105)의 일부가 남아있을 수 있다. 예를 들어, 상기 희생층(105)이 구리를 포함하여 형성되었을 경우, 상기 이면전극층(200) 아래에는 금속결정이 일부 존재할 수 있다.
또한 상기 기판(110) 아래에는 제2 보호층(800)이 형성될 수 있다. 상기 제2 보호층(800)은 태양전지를 외부로부터 보호하는 역할을 할 수 있다. 상기 제2 보호층(800)은 고분자층으로 형성될 수 있다. 상기 제2 보호층(800)은 PVF, 폴리에스테르, 아크릴, EVA 등의 물질을 포함하여 형성될 수 있다.
그리고 상기 기판(110)이 형성되지 않고 상기 이면전극층(200)과 제2 보호층(800)이 직접 연결될 수도 있다.
상기 이면전극층(200) 상에는 광 흡수층(300)이 형성될 수 있다. 상기 광 흡수층(300)은 p형 반도체 화합물을 포함한다. 더 자세하게, 상기 광 흡수층(300)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 계 화합물을 포함한다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계) 결정 구조, 구리-인듐-셀레나이드계 또는 구리-갈륨-셀레나이드계 결정 구조를 가질 수 있다.
상기 광 흡수층(300) 상에는 버퍼층(400) 및 고저항 버퍼층(500)이 형성될 수 있다. CIGS 화합물을 광 흡수층(300)으로 갖는 태양전지는 p형 반도체인 CIGS 화합물 박막과 n형 반도체인 윈도우층(600) 박막간에 pn 접합을 형성한다. 하지만 두 물질은 격자상수와 밴드갭 에너지의 차이가 크기 때문에 양호한 접합을 형성하기 위해서는 밴드갭이 두 물질의 중간에 위치하는 버퍼층이 필요하다.
상기 버퍼층(400)을 형성하는 물질로는 CdS, ZnS등이 있고 태양전지의 발전 효율 측면에서 CdS가 상대적으로 우수하다.
상기 고저항 버퍼층(500)은 불순물이 도핑되지 않은 징크 옥사이드(i-ZnO)를 포함한다. 상기 고저항 버퍼층(500)의 에너지 밴드갭은 약 3.1eV 내지 3.3eV이다.
상기 고저항 버퍼층(500) 상에 윈도우층(600)이 형성된다. 상기 윈도우층(600)은 투명하며, 도전층이다. 또한, 상기 윈도우층(600)의 저항은 상기 이면전극층(200)의 저항보다 높다.
상기 윈도우층(600)은 산화물을 포함한다. 예를 들어, 상기 윈도우층(600)은 징크 옥사이드(zinc oxide), 인듐 틴 옥사이드(induim tin oxide;ITO) 또는 인듐 징크 옥사이드(induim zinc oxide;IZO) 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 산화물은 알루미늄(Al), 알루미나(Al2O3), 마그네슘(Mg) 또는 갈륨(Ga) 등의 도전성 불순물을 포함할 수 있다. 더 자세하게, 상기 윈도우층(600)은 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드(Al doped zinc oxide;AZO), 붕소 도핑된 징크 옥사이드(B doped zinc oxide;BZO) 또는 갈륨 도핑된 징크 옥사이드(Ga doped zinc oxide;GZO) 등을 포함할 수 있다.
상기 태양전지의 상?하면에는 제1 및 제2 EVA 시트(700, 800)가 형성될 수 있다.
도 2 내지 도 7은 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도들이다. 본 제조방법에 관한 설명은 앞서 설명한 태양전지에 대한 설명을 참고한다.
도 2를 참조하면, 성장기판(100) 상에 희생층(105)을 성장한다.
상기 성장기판(100)은 절연체일 수 있다. 상기 기판(110)은 유리기판일 수 있다. 더 자세하게, 상기 기판(110)은 소다 라임 글래스(soda lime glass) 기판일 수 있다.
상기 기판(110)이 소다 라임 글래스인 경우, 소다 라임 글래스에 함유된 나트륨(Na)이 태양전지의 제조공정 중에 CIGS로 형성된 광 흡수층(300)으로 확산될 수 있는데, 이에 의해 광 흡수층(300)의 전하 농도가 증가하게 될 수 있다. 이는 태양전지의 광전 변환 효율을 증가시킬 수 있는 요인이 될 수 있다.
이외에, 기판(110)의 재질로 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸, 유연성이 있는 고분자 등이 사용될 수 있다. 상기 기판(110)은 투명할 수 있고 리지드하거나 플렉서블할 수 있다.
상기 희생층(105)은 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, Cu, Ag, Au 등의 원소를 포함할 수 있다.
다음으로, 상기 희생층(105) 상에 이면전극층(200)이 형성된다. 상기 이면전극층(200)은 몰리브덴(Mo), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 텅스텐(W) 및 구리(Cu) 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 이 가운데, 특히 몰리브덴(Mo)은 다른 원소에 비해 상기 지지기판(100)과 열팽창 계수의 차이가 적기 때문에 접착성이 우수하여 박리현상이 발생하는 것을 방지할 수 있고 상술한 이면전극층(200)에 요구되는 특성을 전반적으로 충족시킬 수 있다.
상기 이면전극층(200)은 두 개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 층들은 같은 금속으로 형성되거나, 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다. 상기 이면전극층(200)은 PVD(Physical Vapor Deposition) 또는 도금의 방법으로 형성될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 이면전극층(200) 상에 광 흡수층(300)이 형성된다.
상기 광 흡수층(300)은 예를 들어, 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발시키면서 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(300)을 형성하는 방법과 금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션(Selenization) 공정에 의해 형성시키는 방법이 폭넓게 사용되고 있다.
금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션 하는 것을 세분화하면, 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정에 의해서, 상기 이면전극층(200) 상에 금속 프리커서 막이 형성된다.
이후, 상기 금속 프리커서 막은 셀레이제이션(selenization) 공정에 의해서, 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(300)이 형성된다.
이와는 다르게, 상기 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 상기 셀레니제이션 공정은 동시에 진행될 수 있다.
이와는 다르게, 구리 타겟 및 인듐 타겟 만을 사용하거나, 구리 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 셀레니제이션 공정에 의해서, CIS계 또는 CIG계 광 흡수층(300)이 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 스퍼터링 공정 또는 증발법 등에 의해서 형성될 수 있다.
이후, 황화 카드뮴이 스퍼터링 공정 또는 용액성장법(chemical bath depositon;CBD) 등에 의해서 증착되고, 상기 버퍼층(400)이 형성된다.
이후, 상기 버퍼층(400) 상에 징크 옥사이드가 스퍼터링 공정 등에 의해서 증착되고, 상기 고저항 버퍼층(500)이 형성된다.
상기 버퍼층(400) 및 상기 고저항 버퍼층(500)은 낮은 두께로 증착된다. 예를 들어, 상기 버퍼층(400) 및 상기 고저항 버퍼층(500)의 두께는 약 1㎚ 내지 약 100㎚이다.
다음으로, 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 윈도우층(600)이 형성된다. 즉, 상기 윈도우층(600)은 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 투명한 도전물질이 증착되어 형성된다. 자세하게, 상기 윈도우층(600)은 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드가 증착되어 형성될 수 있으나 이에 대해 한정하지 않는다.
다음으로, 상기 윈도우층(600) 상에 제1 보호층(700)을 형성한다. 상기 제1 보호층(700)은 증착의 방법으로 형성될 수 있다. 상기 제1 보호층(700)은 EVA 시트를 포함하여 형성될 수 있고, 전기분해 시 태양전지 패널의 손상을 방지할 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 수용액 내에서 희생층(105)을 전기분해하여 제거할 수 있다.본 실시예에서 상기 수용액은 상기 희생층(105)이 포함하는 물질에 대응하여 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 희생층(105)이 구리(Cu)를 포함하여 형성되는 경우, 상기 수용액은 구리가 포함된 황산구리(Cu2SO4)를 사용할 수 있다.
태양전지를 상기 수용액에 디핑(dipping)한 후, 상기 후면전극층(200)에 양극(+)을 연결하고, 상기 태양전지와 이격된 별도의 금속판(107)에 음극(-)을 연결하여 전기분해한다.
상기 후면전극층(200)에 음극이 연결되는 경우 금속을 포함하여 형성되는 상기 희생층(105)이 전기분해되기 어려우므로, 상기 후면전극층(200)에는 양극을 연결하는 것이 바람직하다.
상기 전기분해에 의해 상기 희생층(105)이 식각되어 상기 희생층(105)과 성장기판(100)이 상기 후면전극층(200)과 분리된다. 상기 전기분해에 의해 상기 희생층(105)이 식각되나 상기 후면전극층(200)에 결정형태로 일부 남아있을 수 있다.
도 6에는 상기 전기분해로 상기 희생층(105)이 제거된 후의 태양전지를 도시한 단면도이다. 상기 전기분해 공정에 의해 상기 후면전극층(200)이 노출된다. 상기 후면전극층(200) 아래에는 상기 희생층(105)에 포함되는 물질이, 예를 들어 결정 형태로 일부 남아있을 수 있다.
도 7을 참고하면, 상기 후면전극층(200) 아래에 접착제를 도포하여, 접착층(250)을 형성할 수 있다. 상기 접착층(250)은 상기 후면전극층(200) 및 상기 기판(110)의 접착력을 향상시킨다. 상기 접착층(250)은 에폭시와 같은 고분자 물질 또는 세라믹 계열의 본드를 사용하여 형성될 수 있다.
상기 기판(110)은 PET(polyethylene terephthalate) 등의 플렉서블한 기판일 수 있으나 이에 대해 한정하지는 않는다. 또한 상기 기판(110)은 형성되지 않을 수도 있다.
다음으로 상기 기판(110) 아래에 제2 보호층(800)을 형성할 수 있다. 상기 제2 보호층(800)은 외부로부터 태양전지를 보호할 수 있고, 상기 제1 보호층(700)과 동일한 물질로 형성될 수 있다.
상기 기판(110)이 형성되지 않는 경우, 상기 후면전극층(200)과 상기 제2 보호층(800)이 접촉할 수 있다.
이상에서 검토한 바와 같이, 본 실시예에서는 상기 성장기판으로 유리를 이용하여 고온에서 성장되는 CIGS 성막 공정을 진행하고, 리지드(rigid)한 유리기판 상에 형성된 희생층(105)을 전기분해의 방법으로 제거한다.
이후 후면전극층(200) 아래에 접착층(250) 및 플렉서블한 기판(110)을 형성하여 휘어짐이 뛰어나고 광-전 변환효율 및 신뢰성이 향상된 태양전지를 제공할 수 있게 된다.
또한, 이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
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.

Claims (10)

  1. 이면전극층;
    상기 이면전극층 상에 광 흡수층;
    상기 광 흡수층 상에 버퍼층;
    상기 버퍼층 상에 윈도우층; 및
    상기 이면전극층 아래에 접착층;을 포함하는 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 접착층은 에폭시와 같은 고분자 물질 또는 세라믹 계열의 본드를 포함하는 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이면전극층 아래에 기판;을 더 포함하는 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이면전극층 일면에 고분자층;을 포함하는 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이면전극층과 접착층 사이에 금속결정;을 포함하는 태양전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속결정은 Cu, Ag, Au 중 적어도 하나를 포함하는 태양전지.
  7. 성장기판 상에 희생층을 형성하는 단계;
    상기 희생층 상에 후면전극층을 형성하는 단계;
    상기 후면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계;
    상기 광 흡수층 상에 상부전극층을 형성하는 단계;
    상기 상부전극층 상면에 EVA 시트를 형성하는 단계;
    상기 태양전지를 전기분해하여 상기 후면전극층의 하면이 노출되도록 상기 희생층을 제거하는 단계;를 포함하는 태양전지 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 후면전극층의 하면에 접착층을 형성하는 단계;를 포함하는 태양전지 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 후면전극층의 하면과 EVA 시트 사이에 플렉서블한 기판을 형성하는 단계;를 포함하는 태양전지 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 희생층은 Cu, Ag, Au 중 적어도 하나를 포함하여 형성하고, 상기 수용액은 상기 희생층과 동일한 물질을 포함하는 태양전지 제조방법.
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