KR20120135854A - 태양전지 모듈의 제조방법 - Google Patents

태양전지 모듈의 제조방법 Download PDF

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KR20120135854A
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박래만
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한국전자통신연구원
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Abstract

태양전지 모듈의 제조방법이 제공된다. 그의 제조방법은 기판 상에 하부 전극들을 형성하는 단계와, 상기 하부 전극들 및 상기 기판 상에 광 흡수 층을 형성하는 단계와, 상기 광 흡수 층을 패터닝하여 상기 하부 전극들을 노출시키는 트렌치를 형성 단계와, 상기 광 흡수 층의 상부에서 상기 트렌치 바닥까지 상기 트렌치의 일 측벽을 따라 연장되고, 상기 트렌치의 타 측벽에서 분리되는 전도성 필름으로 윈도우 전극들을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

태양전지 모듈의 제조방법{method for manufacturing solar cell module}
본 발명은 태양전지 모듈의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양전지 모듈의 제조방법에 관한 것이다.
최근 많은 관심을 모으고 있은 CIGS 박막 태양전지는 비정질 실리콘 태양전지에 비해 효율이 높고, 초기 열화현상이 없는 등 비교적 안정성이 높아 상용화를 위한 기술개발이 진행 중에 있다. CIGS 박막 태양전지는 기존의 단결정 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 우주용의 경량 고효율 태양전지로 처음 연구되었을 때만큼 우수한 특성을 가지고 있어서 단위 중량당의 발전량이 약 100W/kg으로 기존의 실리콘이나 GaAs 태양전지의 20~40W/kg에 비해 월등히 우수하다. 현재 단일 접합구조에서 20.3%를 달성하고 있어 기존의 다결정 실리콘 태양전지의 최고효율인 20%와 대등한 성능을 보이고 있다.
이러한 장점에도 불구하고, CIGS 박막 태양전지는 생산성이 낮은 편이다. 그 이유로는 CIGS 박막 태양전지 모듈은 통상 여러 단계의 진공공정을 거쳐 모듈이 완성되기 때문에 대규모 장비 투자로 인한 높은 제조비용과 양산성이 낮다는 것이다. CIGS 박막 태양전지 모듈은 기판 상에 적층된 하부 전극, 광 흡수 층, 및 윈도우 전극을 포함할 수 있다. 윈도우 전극은 수 마이크로 내지 수십 마이크로미터 정도의 두께를 갖는 투명 전극 층을 포함할 수 있다. 투명 전극 층은 스퍼터링 방법으로 형성될 수 있다.
하지만, 종래의 태양전지 모듈의 제조방법은 스퍼터링 방법으로 수 마이크로미터 이상의 두께를 갖는 투명 전극 층을 형성할 경우, 증착공정의 소요 시간이 증가되기 때문에 생산성이 떨어지는 단점이 있었다. 장시간의 증착 공정은 태양전지 모듈의 생산 단가를 증가시키는 요인이 될 수 있다.
본 발명의 목적은, 생산성을 증대 또는 극대화할 수 있는 태양전지 모듈 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 태양전지 모듈의 제조방법은, 기판 상에 하부 전극들을 형성하는 단계; 상기 하부 전극들 및 상기 기판 상에 광 흡수 층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수 층을 패터닝하여 상기 하부 전극들을 노출시키는 트렌치를 형성 단계; 및 상기 광 흡수 층의 상부에서 상기 트렌치 바닥까지 상기 트렌치의 일 측벽을 따라 연장되고, 상기 트렌치의 타 측벽에서 분리되는 전도성 필름으로 윈도우 전극들을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전도성 필름은 롤 프린팅 또는 테이핑될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 전도성 필름은 산화아연을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전도성 필름은 적어도 하나의 전도성 불순물을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 전도성 필름은 그래핀을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 윈도우 전극들을 형성하는 단계는, 상기 트렌치들 바닥의 상기 하부 전극들과, 상기 광 흡수 층 상에 상기 전도성 필름을 롤 프린팅 또는 테이핑 하는 단계; 및 상기 트렌치 측벽의 상기 전도성 필름을 스크라이빙하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 광 흡수 층을 형성하는 단계는, 상기 광 흡수 층 상에 제 1 버퍼 층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 제 1 버퍼 층은 카드뮴 설파이드를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 버퍼 층 상에 제 2 버퍼 층을 적층하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 제 2 버퍼 층은 진성 산화 아연을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 광 흡수 층으로 빛을 투과시키는 윈도우 전극들을 전도성 필름으로 롤 프린팅 또는 테이핑한다. 전도성 필름의 접합은 기존의 스퍼터링 방법보다 공정 시간을 단축시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 모듈의 제조방법은 생산성을 증대 또는 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 2 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 모듈의 제조방법을 순차적으로 나타낸 공정 사시도들이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 태양전지 모듈은 광 흡수 층(30)의 상부에서부터 상기 광 흡수 층(30)외곽의 트렌치(36) 바닥까지 연장되는 윈도우 전극들(40)을 포함할 수 있다. 윈도우 전극들(40)은 약 2㎛ 내지 약 3㎛ 정도의 두께를 갖는 전도성 필름을 포함할 수 있다. 윈도우 전극들(40)은 트렌치(36)의 일 측벽에서 흡수 층(30), 제 1 및 제 2 버퍼 층들(32, 34)을 덮고, 상기 트렌치(36)의 타 측벽에서 상기 광 흡수 층(30), 상기 제 1 및 제 2 버퍼 층들(32, 34)을 노출시킬 수 있다. 그리드(50)는 윈도우 전극들(40) 상에 배치될 수 있다. 보호 층(60)은 그리드(50), 윈도우 전극들(40), 및 트렌치(36)를 덮을 수 있다.
하나의 단위 셀들(70)은 하부 전극(22), 광 흡수 층(30), 제 1 버퍼 층(32), 제 2 버퍼 층(34), 및 윈도우 전극(40)으로 구성될 수 있다. 인접하는 단위 셀들(70)은 트렌치(36)에 의해 서로 분리될 수 있다. 즉, 트렌치(36)는 단위 셀들(70)을 정의할 수 있다. 하나의 단위 셀(70)의 윈도우 전극(40)은 인접하는 다른 단위 셀(70)의 하부 전극(22)에 연결될 수 있다.
윈도우 전극들(40)과 하부 전극들(22)은 하나의 단위 셀(70) 내에서 광 흡수 층(30) 내지 제 2 버퍼 층(34)에 의해 분리될 수 있다. 윈도우 전극들(40)과 하부 전극들(22)은 서로 인접하는 단위 셀들(70)간에 연결될 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 모듈의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
도 2 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 모듈의 제조방법을 순차적으로 나타낸 공정 사시도들이다.
도 2를 참조하면, 기판(10) 상에 전도성 금속 층(20)을 형성한다. 기판(10)은 소다회 유리(sodalime glass) 기판일 수 있다. 기판(10)은 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인리스 강판, 구리 테이프 등의 금속 기판 또는 고분자(poly) 필름일 수 있다. 전도성 금속 층(20)은 비저항이 낮으며, 열팽창계수의 차이로 인하여 박리현상이 일어나지 않도록 유리 기판에 대한 점착성이 우수한 것이 바람직하다. 구체적으로, 전도성 금속 층(20)은 몰리브데늄(Molybdenum)을 포함할 수 있다. 몰리브데늄은 높은 전기전도도, 다른 박막과의 오믹 접합(ohmic contact) 형성 특성, 셀레늄(Se) 분위기 하에서 고온 안정성을 가질 수 있다.
도 3을 참조하면, 전도성 금속 층(20)을 패터닝하여 하부 전극들(22)을 형성한다. 하부 전극들(22)은 레이저 빔 또는 포토리소그래피 공정에 의해 패터닝될 수 있다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 하부 전극(22) 상에 광 흡수 층(30), 제 1 버퍼 층(32), 및 제 2 버퍼 층(34)을 적층한다. 광 흡수 층(30)은 광전효과를 통해 빛 에너지로부터 전기를 생성시킬 수 있다. 광 흡수 층(30)은 CuInSe, CuInSe2, CuInGaSe, CuInGaSe2으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 캘코파이라이트(chalcopyrite)계 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 캘코파이라이트계 화합물 반도체는 약 1.2eV정도의 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.
제 1 버퍼 층(32)은 윈도우 전극 층(50)과 광 흡수 층(30)의 에너지 밴드갭을 버퍼링할 수 있다. 제 1 버퍼 층(32)은 광 흡수 층(30)보다 에너지 밴드 갭이 크고, 윈도우 전극 층(50)보다 에너지 밴드갭이 작을 수 있다. 예를 들어, 제 1 버퍼층(32)은 카드뮴 설파이드(CdS)를 포함할 수 있다. 카드뮴 설파이드는 에너지 밴드 갭이 약 2.4eV로서 일정한 에너지 밴드갭을 가질 수 있다. .
제 2 버퍼 층(34)은 상기 광 흡수 층(30)과 윈도우 전극들(40)의 격자상수가 다르기 때문에 양호한 접합을 위하여 제공된다. 제 2 버퍼 층(34)은 진성 산화 아연(i-ZnO)을 포함할 수 있다. 진성 산화 아연은 제 2 버퍼 층(34)은 윈도우 전극들(40)과 동일한 결정구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 제 2 버퍼 층(34)과 윈도우 전극들(40)은 우르차이트(wurtzite) 결정구조를 가질 수 있다
도 5를 참조하면, 제 2 버퍼 층(34) 내지 광 흡수 층(30)을 패터닝하여 트렌치(36)를 형성한다. 트렌치(36)는 제 2 버퍼 층(34) 내지 광 흡수 층(30)에 대한 기계적 스크라이빙에 의해 형성될 수 있다. 트렌치(36)는 하부 전극들(22)을 노출시킬 수 있다.
도 6을 참조하면, 제 2 버퍼 층(34) 및 하부 전극들(22) 상에 전도성 필름(42)을 형성한다. 전도성 필름(42)은 제 2 버퍼 층(34)과 하부 전극(22)에 롤 프린팅 또는 테이핑될 수 있다. 전도성 필름(42)은 약 2㎛ 내지 약 3㎛ 정도의 두께를 갖는다. 전도성 필름(42)은 붕소(B), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 인듐(In), 주석(Sn), 불소(F)와 같은 불순물로 도핑된 산화 아연(ZnO)을 포함할 수 있다. 전도성 필름(42)은 제 2 버퍼 층(34)과, 트렌치(36) 바닥의 하부 전극들(22)에 접합될 수 있다. 전도성 필름(42)은 롤러(미도시)에 의해 압착될 수 있다. 전도성 필름(42)의 압착 접합은 기존의 스퍼터링 방법에 비해 제조 시간 및 단가를 줄일 수 있다. 또한, 전도성 필름(42)은 그래핀을 포함할 수 있다. 그래핀은 제 2 버퍼 층(34)과, 트렌치(36) 바닥의 하부 전극들(22) 상에 트랜스퍼링 방법으로 형성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 모듈의 제조방법은 생산성을 증대 또는 극대화할 수 있다.
도시되지는 않았지만, 전도성 필름(42)은 불순물로 도핑된 산화 아연(ZnO)과, 진성 산화 아연(i-ZnO)을 포함할 수 있다. 불순물 도핑된 산화 아연과, 진성 산화 아연(i-ZnO)으로 구성된 전도성 필름(42)의 사용 시 제 2 버퍼 층(34)의 형성 공정은 생략될 수 있다. 예를 들어, 광 흡수 층(30)과 제 1 버퍼 층(32)은 하부 전극들(22) 상에 적층될 수 있다. 이후, 하부 전극들(22) 상의 제 1 버퍼 층(32)과 광 흡수 층(30)을 일부 제거하여 트렌치(36)를 형성할 수 있다. 다음, 전도성 필름(42)은 트렌치(36) 바닥의 하부 전극들(22)과, 제 1 버퍼 층(32) 상에 롤 프린팅 또는 테이핑될 수 있다. 전도성 필름(42)은 하부 전극들(22)과 제 1 버퍼 층(32)에 접합될 수 있다.
도 7을 참조하면, 트렌치(36)의 타 측벽에 형성된 전도성 필름(42)을 제거하여 윈도우 전극들(40)을 형성할 수 있다. 전도성 필름(42)은 레이저 빔 또는 나이프의 스크라이빙 공정에 의해 트렌치(36)의 타 측벽에서 제거될 수 있다. 전도성 필름(42)은 트렌치(36)의 일 측벽에서 잔존할 수 있다. 즉, 윈도우 전극들(40)의 일 측은 하부 전극들(22)에 전기적으로 연결되고, 상기 윈도우 전극들(40)의 타 측은 하부 전극들(22)로부터 분리될 수 있다. 윈도우 전극들(40)과 하부 전극들(22) 각각은 하나의 단위 셀(70) 내에서 광 흡수 층(30) 내지 제 2 버퍼 층(34)에 의해 수직으로 분리되고, 서로 인접하는 상기 단위 셀들(70) 간에 직렬로 연결될 수 있다. 전도성 필름(42)은 기존의 포토리소그래피 공정 또는 레이저 빔 식각 공정보다 저렴한 기계적 스크라이빙 공정으로 제거될 수 있다. 하나의 단위 셀(70)은 적층되는 하부 전극(22), 광 흡수 층(30), 제 1 버퍼 층(32), 제 2 버퍼 층(34), 및 윈도우 전극(40)을 포함할 수 있다. 단위 셀들(70)은 트렌치(36)에 의해 정의될 수 있다. 하나의 단위 셀(70)의 윈도우 전극(40)은 인접하는 다른 단위 셀(70)의 하부 전극(22)에 연결될 수 있다.
한편, 전도성 필름(42)은 트렌치(36)의 타 측벽에 대응되는 롤 또는 테이프에서 먼저 제거된 후, 기판(10) 상부에 롤 프린팅 또는 테이핑될 수 있다. 상기 전도성 필름(42)은 롤 프린팅 또는 테이핑 될 때, 제 2 버퍼 층(34)의 상부에서 트렌치(36) 바닥까지 상기 트렌치(36)의 일 측벽을 따라 연장되고, 상기 트렌치(36)의 타 측벽에서 분리되어 형성될 수 있다. 이때, 스크라이빙 공정은 생략될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 모듈의 제조방법은 생산성을 증대 또는 극대화할 수 있다.
도 8을 참조하면, 윈도우 전극들(40) 상에 그리드(50)를 형성한다. 그리드(50)는 윈도우 전극들(40)을 전기적으로 연결할 수 있다. 도시되지는 않았지만, 그리드(50)는 메시(mesh)를 포함할 수 있다.
도 9를 참조하면, 그리드(50) 및 윈도우 전극(40) 상에 보호 층(60, encapsulation layer)을 형성한다. 보호 층(60)은 윈도우 전극들(40)과 그리드(50)를 덮는 유리 또는 필름을 포함할 수 있다.
결국, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 모듈의 제조방법은 전도성 필름으로 롤 프린팅 또는 테이핑된 윈도우 전극들(40)을 형성할 수 있기 때문에 생산성을 증대 또는 극대화할 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며, 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
10: 기판 20: 전도성 금속 층
30: 광 흡수 층 40: 윈도우 전극
50: 그리드 60: 보호 층

Claims (10)

  1. 기판 상에 하부 전극들을 형성하는 단계;
    상기 하부 전극들 및 상기 기판 상에 광 흡수 층을 형성하는 단계;
    상기 광 흡수 층을 패터닝하여 상기 하부 전극들을 노출시키는 트렌치를 형성 단계; 및
    상기 광 흡수 층의 상부에서 상기 트렌치 바닥까지 상기 트렌치의 일 측벽을 따라 연장되고, 상기 트렌치의 타 측벽에서 분리되는 전도성 필름으로 윈도우 전극들을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 모듈의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 필름은 롤 프린팅 또는 테이핑된 태양전지 모듈의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전도성 필름은 산화아연을 포함하는 태양전지 모듈의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전도성 필름은 적어도 하나의 전도성 불순물을 더 포함하는 태양전지 모듈의 제조방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 전도성 필름은 그래핀을 포함하는 태양전지 모듈의 제조방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 윈도우 전극들을 형성하는 단계는,
    상기 트렌치들 바닥의 상기 하부 전극들과, 상기 광 흡수 층 상에 상기 전도성 필름을 롤 프린팅 또는 테이핑 하는 단계; 및
    상기 트렌치 측벽의 상기 전도성 필름을 스크라이빙하는 단계를 더 포함하는 태양전지 모듈의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 흡수 층을 형성하는 단계는,
    상기 광 흡수 층 상에 제 1 버퍼 층을 형성하는 단계를 더 포함하는 태양전지 모듈의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 버퍼 층은 카드뮴 설파이드를 포함하는 태양전지 모듈의 제조방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 버퍼 층 상에 제 2 버퍼 층을 적층하는 단계를 더 포함하는 태양전지 모듈의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 버퍼 층은 진성 산화 아연을 포함하는 태양전지 모듈의 제조방법.
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