KR20130056111A - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 태양전지는, 지지기판; 상기 지지기판 상에 배치되는 후면전극층; 상기 후면전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상에 배치되는 전면전극층을 포함하고, 상기 후면전극층은 적어도 세 층 이상으로 구성된다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은, 상기 지지기판 상에 제1 층을 형성하는 단계; 상기 제1 층 상에 제2 층을 형성하는 단계; 상기 제2 층 상에 제3 층을 형성하는 단계; 상기 제3 층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 및 상기 광 흡수층 상에 전면전극층을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

태양전지 및 이의 제조방법{SOLAR CELL AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
태양광 발전을 위한 태양전지의 제조방법은 다음과 같다. 먼저, 기판이 제공되고, 상기 기판 상에 후면전극층이 형성되고, 레이저에 의해서 패터닝되어, 다수 개의 이면전극들이 형성된다.
이후, 상기 이면전극들 상에 광 흡수층, 버퍼층 및 고저항 버퍼층이 차례로 형성된다. 상기 광 흡수층을 형성하기 위해서 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발시키면서 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층을 형성하는 방법과 금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션(Selenization) 공정에 의해 형성시키는 방법이 폭넓게 사용되고 있다. 상기 광 흡수층의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1 내지 1.8 eV 이다.
이후, 상기 광 흡수층 상에 황화 카드뮴(CdS)을 포함하는 버퍼층이 스퍼터링 공정에 의해서 형성된다. 상기 버퍼층의 에너지 밴드갭은 약 2.2 내지 2.4 eV 이다. 이후, 상기 버퍼층 상에 징크 옥사이드(ZnO)를 포함하는 고저항 버퍼층이 스퍼터링 공정에 의해서 형성된다. 상기 고저항 버퍼층의 에너지 밴드갭은 약 3.1 내지 3.3 eV 이다.
이후, 상기 광 흡수층, 상기 버퍼층 및 상기 고저항 버퍼층에 홈 패턴이 형성될 수 있다.
이후, 상기 고저항 버퍼층 상에 투명한 도전물질이 적층되고, 상기 홈패턴이 상기 투명한 도전물질이 채워진다. 이에 따라서, 상기 고저항 버퍼층 상에 투명전극층이 형성되고, 상기 홈 패턴 내측에 접속배선들이 각각 형성된다. 상기 투명전극층 및 상기 접속배선으로 사용되는 물질의 예로서는 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드 등을 들 수 있다. 상기 투명전극층의 에너지 밴드갭은 약 3.1 내지 3.3 eV 이다.
이후, 상기 투명전극층 등에 홈 패턴이 형성되어, 다수 개의 태양전지들이 형성될 수 있다. 상기 투명전극들 및 상기 고저항 버퍼들은 각각의 셀에 대응한다. 상기 투명전극들 및 상기 고저항 버퍼들은 스트라이프 형태 또는 매트릭스 형태로 배치될 수 있다.
상기 투명전극들 및 상기 이면전극들은 서로 미스 얼라인되며, 상기 투명전극들 및 상기 이면전극들은 상기 접속배선들에 의해서 각각 전기적으로 연결된다. 이에 따라서, 다수 개의 태양전지들이 서로 전기적으로 직렬로 연결될 수 있다.
이와 같이, 태양광을 전기에너지로 변환시키기 위해서, 다양한 형태의 태양광 발전장치가 제조되고, 사용될 수 있다. 이와 같은 태양광 발전장치는 특허 공개 공보 10-2008-0088744 등에 개시된다.
한편, 이러한 후면전극층에 일반적으로 레이저를 이용하여 패터팅하고, 직렬 연결이 가능하도록 단위 셀로 만드는 P1 공정을 진행한다. 이때, 상기 레이저에 의해 지지기판에 증착되어 있는 후면전극층은 열충격 및 충격파에 의해 레이저 가공 부분 가장자리의 후면전극층이 기판으로부터 이탈하거나 들뜨는 현상이 발생할 수 있다. 이러한 결함들은 추후 후 공정 후, 전기적 션트패스(shunt path) 를 제공할 수 있으며, 전기적 손실이 발생할 수 있다.
실시예는 신뢰성이 향상된 태양전지를 제공할 수 있다.
실시예에 따른 태양전지는, 지지기판; 상기 지지기판 상에 배치되는 후면전극층; 상기 후면전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상에 배치되는 전면전극층을 포함하고, 상기 후면전극층은 적어도 세 층 이상으로 구성된다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은, 상기 지지기판 상에 제1 층을 형성하는 단계; 상기 제1 층 상에 제2 층을 형성하는 단계; 상기 제2 층 상에 제3 층을 형성하는 단계; 상기 제3 층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 및 상기 광 흡수층 상에 전면전극층을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 태양전지는 후면전극층을 포함하며, 상기 후면전극층은 제1 층, 제2 층 및 제3 층을 포함한다. 상기 제1 층, 상기 제2 층 및 상기 제3 층의 미세구조가 각각 다르게 구비됨으로써, 열팽창 및 수축을 각 층별로 완화시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 후면전극층에 P1 형성 시, 레이저에 의한 충격파로부터 완충역할을 할 수 있다. 즉, 상기 제1 층, 제2 층 및 제3 층에 열수축이 점차적으로 진행되어, 턱(burr) 및 들뜸(lift off) 등의 현상을 방지할 수 있다. 따라서, 태양전지의 레이저 가공에 의한 결함의 생성을 방지하고, 추후 공정의 진행 후 션트 패스(shunt path) 및 구조적인 쇼트(short)를 방지하여 신뢰성을 확보할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 태양전지의 일 단면도이다.
도 2는 도 1의 A를 확대하여 도시한 확대도이다.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 “상/위(on)”에 또는 “하/아래(under)”에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들의 두께나 크기는 설명의 명확성 및 편의를 위하여 변형될 수 있으므로, 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참조하여, 실시예에 따른 태양전지를 상세하게 설명한다. 도 1은 실시예에 따른 태양전지의 일 단면도이다. 도 2는 도 1의 A를 확대하여 도시한 확대도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시예에 따른 태양전지는 지지기판(100), 접착 향상층(700), 후면전극층(200), 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 고저항버퍼층 (500) 및 전면전극층(600)을 포함한다.
상기 지지기판(100)은 플레이트 형상을 가지며, 상기 후면전극층(200), 상기 광 흡수층(300), 버퍼층(400) 및 상기 전면전극층(600)을 지지한다.
상기 지지기판(100)은 절연체일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 유리기판, 플라스틱기판 또는 금속기판일 수 있다. 더 자세하게, 상기 지지기판(100)은 소다 라임 글래스(soda lime glass) 기판일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 투명할 수 있다
상기 후면전극층(200)은 상기 지지기판(100)의 상면에 배치된다. 상기 후면전극층(200)은 도전층이다. 상기 후면전극층(200)으로 사용되는 물질의 예로서는 몰리브덴(Mo) 등의 금속을 들 수 있다.
또한, 상기 후면전극층(200)은 세 개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 층들은 같은 금속으로 형성되거나, 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.
구체적으로, 도 2를 참조하면, 상기 후면전극층(200)은 제1 층(210), 제2 층(220) 및 제3 층(230)을 포함할 수 있다.
상기 제1 층(210)은 상기 지지기판(100) 상에 위치할 수 있다. 상기 제1 층(210)은 상기 지지기판(100)과 접촉할 수 있다. 상기 제1 층(210)은 상기 제3 층(230)과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 즉, 상기 제1 층(210)은 몰리브덴 또는 몰리나트륨(MoNa) 등의 금속을 포함할 수 있다. 그러나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 제1 층(210)은 산화규소(SiO2), 질화규소(Si3N4) 또는 질화티탄(TiN) 등의 물질을 포함하여 베리어층이 될 수 있다. 즉, 상기 제1 층(210)이 베리어층의 역할을 함으로써, 상기 지지기판(100)이 금속기판일 경우, 상기 지지기판(100)으로부터 철(Fe)이 확산되어 태양전지의 효율을 떨어뜨리는 것을 방지할 수 있다.
상기 제2 층(220)은 상기 제1 층(210) 상에 위치한다. 상기 제2 층(220)은 몰리브덴 또는 몰리나트륨(MoNa) 등의 금속을 포함할 수 있다.
상기 제3 층(230)은 상기 제2 층(220) 상에 위치한다. 상기 제3 층(230)은 몰리브덴 또는 몰리나트륨 등의 금속을 포함할 수 있다.
상기 제1 층(210)은 다수개의 기공을 포함할 수 있다. 상기 제1 층(210)의 기공률은 상기 제2 층(220)의 기공률 또는 상기 제3 층(230)의 기공률보다 작게 구비된다. 상기 제1 층(210)이 다수개의 기공을 포함함으로써, 상기 제1 층(210) 상에 위치하는 제2 층(220) 및 제3 층(230)과 상기 지지기판(100) 사이에서 완충역할을 할 수 있다.
상기 제1 층(210)에 제1 입자가 포함된다. 상기 제2 층(220)에 제2 입자가 포함된다. 상기 제3 층(230)에 제3 입자가 포함된다. 이때, 상기 제1 입자, 제2 입자 및 제3 입자의 크기는 다음 수식1을 만족한다.
수식1
제3 입자>제2 입자≥제1 입자
상기 제3 입자의 크기가 가장 크게 구비됨으로써, 상기 후면전극층(200)의 저항이 작아질 수 있다. 또한, 상기 지지기판(100)과 접촉하는 상기 제1 층(210)의 상기 제1 입자의 크기가 가장 작게 구비됨으로써, 상기 지지기판(100)과 밀착력이 향상될 수 있다.
이어서, 상기 제1 층(210), 제2 층(220) 및 제3 층(230) 각각의 두께는 다음 수식2를 만족한다.
수식2
1≤제3 층(T3)/(제1 층(T1)+제2 층(T2)) ≤2
제3 층(T3)/(제1 층(T1)+제2 층(T2))의 크기가 1보다 작거나, 2보다 클 경우, 상기 제1 층(210)이 완충 역할을 하기 어려울 수 있다.
상기 제1 층(210), 상기 제2 층(220) 및 상기 제3 층(230)의 미세구조가 각각 다르게 구비됨으로써, 열팽창 및 수축을 각 층별로 완화시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 후면전극층(200)에 일반적으로 레이저를 이용하여 패터팅하고, 직렬 연결이 가능하도록 단위 셀로 만드는 P1 공정을 진행하는데, P1 형성 시 레이저에 의한 충격파로부터 완충역할을 할 수 있다. 즉, 상기 제1 층(210), 제2 층(220) 및 제3 층(230)에 열수축이 점차적으로 진행되어, 턱(burr) 및 들뜸(lift off) 등의 현상을 방지할 수 있다. 따라서, 태양전지의 레이저 가공에 의한 결함의 생성을 방지하고, 추후 공정의 진행 후 션트 패스(shunt path) 및 구조적인 쇼트(short)를 방지하여 신뢰성을 확보할 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 상기 후면전극층(200) 상에 배치된다. 상기 광 흡수층(300)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족계 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)의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1eV 내지 1.8eV일 수 있다.
상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치된다. 상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300)에 직접 접촉한다.
상기 버퍼층(400)은 황화물을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 버퍼층(400)은 황화 카드뮴을 포함할 수 있다.
상기 고저항 버퍼층(500)은 상기 버퍼층(400) 상에 배치된다. 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 3.3eV일 수 있다.
상기 전면전극층(600)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치된다. 더 자세하게, 상기 전면전극층(600)은 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 배치된다.
상기 전면전극층(600)은 투명하다. 상기 전면전극층(600)으로 사용되는 물질의 예로서는 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드(Al doped ZnO;AZO), 인듐 징크 옥사이드(indium zinc oxide;IZO) 또는 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide;ITO) 등을 들 수 있다.
상기 전면전극층(600)의 두께는 약 500㎚ 내지 약 1.5㎛일 수 있다. 또한, 상기 전면전극층(600)이 알루미늄이 도핑되는 징크 옥사이드로 형성되는 경우, 알루미늄은 약 1.5wt% 내지 약 3.5wt%의 비율로 도핑될 수 있다. 상기 전면전극층(600)은 도전층이다.
이하, 실시예에 따른 태양전지의 제조 방법을 설명한다. 명확하고 간략한 설명을 위해 앞서 설명한 내용과 동일 또는 유사한 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조 방법은, 제1 층(210)을 형성하는 단계, 제2 층(220)을 형성하는 단계, 제3 층(230)을 형성하는 단계, 광 흡수층을 형성하는 단계 및 전면전극층을 형성하는 단계를 포함한다.
먼저, 지지기판(100) 상에 제1 층(210), 제2 층(220) 및 제3 층(230)을 포함하는 후면전극층(200)이 형성될 수 있다. 구체적으로, 지지기판(100) 상에 제1 층(210)이 형성될 수 있다. 상기 제1 층(210) 상에 제2 층(220)이 형성될 수 있다. 상기 제2 층(220) 상에 제3 층(230)이 형성될 수 있다. 상기 제1 층(210), 제2 층(220) 및 제3 층(230)은 증착에 의해 형성될 수 있다. 일례로, 상기 제1 층(210), 제2 층(220) 및 제3 층(230)은 스퍼터링 공정에 의해 형성될 수 있다. 상기 제1 층(210), 제2 층(220) 및 제3 층(230)은 공정 조건이 서로 다른 세 번의 공정들에 의해서 형성될 수 있다. 이를 통해, 상기 제1 층(210), 제2 층(220) 및 제3 층(230) 형성 시, 공정 조건을 서로 다르게 하여, 서로 다른 미세 구조를 확보할 수 있다. 일례로, 상기 스퍼터링 공정에서 진공 파워 또는 가스 분압을 조절하여 상기 제1 층(210), 제2 층(220) 및 제3 층(230)의 기공율을 조절할 수 있다.
한편, 상기 지지기판(100) 및 상기 후면전극층(200) 사이에는 확산 방지막과 같은 추가적인 층이 개재될 수 있다.
이어서, 상기 후면전극층(200) 상에 광 흡수층(300)이 형성된다. 상기 광 흡수층(300)은 스퍼터링 공정 또는 증발법 등에 의해서 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 광 흡수층(300)을 형성하기 위해서 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 이면전극(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.
이어서, 상기 광 흡수층(300) 상에 버퍼층(400)을 형성하는 단계를 거친다. 여기서, 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 형성될 수 있다.
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 80㎚이다.
이어서, 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 전면전극층(600)을 형성하는 단계를 거친다. 상기 전면전극층(600)은 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드 등과 같은 투명한 도전물질이 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 스퍼터링 공정에 의해서 증착되어 형성될 수 있다.
상술한 실시예에 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 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예들을 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, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 지지기판;
    상기 지지기판 상에 배치되는 후면전극층;
    상기 후면전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 및
    상기 광 흡수층 상에 배치되는 전면전극층을 포함하고,
    상기 후면전극층은 적어도 세 층 이상으로 구성되는 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 후면전극층은 상기 지지기판 상에 위치하는 제1 층, 상기 제1 층 상에 위치하는 제2 층 및 상기 제2 층 상에 위치하는 제3 층을 포함하는 태양전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 층은 상기 지지기판과 접촉하는 태양전지.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 층은 다수개의 기공을 포함하는 태양전지.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 층의 기공률은 상기 제2 층의 기공률 또는 상기 제3 층의 기공률보다 작은 태양전지.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제1 층에 제1 입자가 포함되고, 상기 제2 층에 제2 입자가 포함되고, 상기 제3 층에 제3 입자가 포함되고, 상기 제1 입자, 제2 입자 및 제3 입자의 크기는 다음 수식1을 만족하는 태양전지.
    수식1
    제3 입자>제2 입자≥제1 입자
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제1 층, 제2 층 및 제3 층 각각의 두께는 다음 수식2를 만족하는 태양전지.
    수식2
    1≤제3 층/(제1 층+제 2층) ≤2
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제1 층은 상기 제3 층에 포함된 물질과 동일한 물질을 포함하는 태양전지.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 제1 층은 몰리브덴(Mo), 몰리나트륨(MoNa), 산화규소(SiO2), 질화규소(Si3N4) 및 질화티탄(TiN)으로 이루어진 군에서 선택된 물질을 어느 하나 포함하는 태양전지.
  10. 상기 지지기판 상에 제1 층을 형성하는 단계;
    상기 제1 층 상에 제2 층을 형성하는 단계;
    상기 제2 층 상에 제3 층을 형성하는 단계;
    상기 제3 층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 및
    상기 광 흡수층 상에 전면전극층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조 방법.
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