KR20130111816A - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

발명의 실시예에 따른 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 형성되고 상기 기판의 일부가 노출되도록 제1 관통홀들을 포함하는 후면전극층; 및, 상기 후면전극층 상에 형성되는 광 흡수층;을 포함하고,상기 제1 관통홀들의 측벽은 경사지도록 형성된다.

Description

태양전지 및 이의 제조방법{SOLAR CELL APPARATUS AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
실시예는 태양전지 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, 고저항 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.
CIGS계 태양전지에서 후면전극층에 형성되는 제 1 관통홈들(TH1)의 폭을 감소시키면, 광 흡수층의 면적이 증가하여 광-전 변환효율이 향상될 수 있으나, 인접하는 후면전극층 사이로 션트 패스(shunt pass)가 발생할 수 있고, 이에 따라 태양전지의 신뢰성 및 전기적 특성이 저하될 수 있다.
실시예는 향상된 광-전 변환 효율을 갖는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
발명의 실시예에 따른 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 형성되고 상기 기판의 일부가 노출되도록 제1 관통홀들을 포함하는 후면전극층; 및, 상기 후면전극층 상에 형성되는 광 흡수층;을 포함하고,상기 제1 관통홀들의 측벽은 경사지도록 형성된다.
실시예에 따르면, 후면전극층에 형성되는 제 1 관통홈들(TH1)의 폭을 감소시킴으로써 비활성 영역이 감소함으로써 광-전 변환 효율이 향상될 수 있다.
그리고 인접하는 후면전극층에서 발생하는 션트(shunt) 특성을 개선할 수 있으므로 소자의 신뢰성이 향상될 수 있다.
또한 저출력 레이저로 제 1 관통홈들(TH1)을 형성함으로써 생산성이 향상될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 평면도이다.
도 2는 도 1 에서 A-A`를 따라서 절단한 단면을 도시한 단면도이다.
도 3은 내지 도 7은 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도이다.
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. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
도 1은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 평면도이다. 도 2는 도 1에서 A-A`선을 따라서 절단한 단면을 도시한 단면도이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 실시예에 따른 태양전지는 지지기판(100), 후면전극층(200), 광 흡수층(300), 버퍼층(400) 및 윈도우층(500)을 포함한다.
상기 지지기판(100)은 플레이트 형상을 가지며, 상기 후면전극층(200), 상기 광 흡수층(300), 상기 버퍼층(400) 및 윈도우층(500)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 지지기판(100)은 리지드하거나 플렉서블할 수 있다.
상기 후면전극층(200)은 상기 지지기판(100) 상에 배치된다. 상기 후면전극층(200)은 도전층이다. 상기 후면전극층(200)으로 사용되는 물질의 예로서는 몰리브덴 등의 금속을 들 수 있다.
또한, 상기 후면전극층(200)은 두 개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 층들은 같은 금속으로 형성되거나, 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.
상기 후면전극층(200)에는 제 1 관통홈들(TH1)이 형성된다. 상기 제 1 관통홈들(TH1)은 상기 지지기판(100)의 상면을 노출하는 오픈 영역이다. 상기 제 1 관통홈들(TH1)은 평면에서 보았을 때, 일 방향으로 연장되는 형상을 가질 수 있다.
상기 제 1 관통홈들(TH1)의 폭은 하부에서 상부로 갈수록 증가할 수 있고, 최상부의 폭은 약 70㎛ 내지 100㎛ 일 수 있다. 상기 제 1 관통홈들(TH1)의 폭이 작을수록 광 흡수층(300)의 면적이 증가하여 광-전 변환 효율이 향상될 수 있다.
상기 제 1 관통홈들(TH1)에 의해서, 상기 후면전극층(200)은 다수 개의 후면전극들로 구분된다. 즉, 상기 제 1 관통홈들(TH1)에 의해서, 상기 후면전극들이 정의된다.
상기 후면전극들은 상기 제 1 관통홈들(TH1)에 의해서 서로 이격된다. 상기 후면전극들은 스트라이프 형태로 배치된다.
상기 제 1 관통홈들(TH1)의 측벽(201, 202)은 경사를 갖도록 형성될 수 있다. 상기 측벽(201, 202)이 경사를 가짐으로써 상부의 폭이 하부의 폭보다 넓게 형성될 수 있다.
상기 측벽(201, 202)은 상호 동일한 각도로 형성될 수 있고, 다른 각도로 형성될 수도 있다. 상기 제 1 관통홈들(TH1)은 상부로 갈수록 단면이 벌어지는 형상으로 형성될 수 있다. 측벽(201, 202)이 상기 지지기판(100)과 각각 접하는 지점에서, 상기 측벽(201, 202)은 상호 접하도록 형성될 수 있다.
상기 제 1 관통홈들(TH1)을 메우도록 절연체(250)가 형성될 수 있다. 상기 절연체(250)는 상기 후면전극층(200)의 형성물질과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 그리고 상기 절연체(250)는 산소(O)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 후면전극층(200)이 몰리브덴(Mo)을 포함하여 형성되는 경우, 상기 절연체(250)는 MoO 또는 MoO3의 화학식으로 형성될 수 있다. 상기 절연체(250)가 몰리 옥사이드로 형성되는 경우, 광 흡수층(300)에 비해 저항이 10배 내지 1000배 큰 특성을 갖게 되므로, 션트 패스가 발생하는 현상을 개선할 수 있다.
상기 절연층(250)은 상기 제 1 관통홈들(TH1)을 메우도록 형성되므로, 상기 제 1 관통홈들(TH1)의 측벽에 의해 형상이 결정될 수 있다.
이와는 다르게, 상기 후면전극들은 매트릭스 형태로 배치될 수 있다. 이때, 상기 제 1 관통홈들(TH1)은 평면에서 보았을 때, 격자 형태로 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 상기 후면전극층(200) 상에 배치된다.
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)의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1eV 내지 1.8eV일 수 있다.
또한, 상기 광 흡수층(300)은 상기 제 2 관통홈들(TH2)에 의해서, 다수 개의 광 흡수부들을 정의한다. 즉, 상기 광 흡수층(300)은 상기 제 2 관통홈들(TH2)에 의해서, 상기 광 흡수부들로 구분된다.
상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치된다. 본 발명과 같은 태양전지는 p형 반도체인 CIGS 또는 CIGSS 화합물 박막의 광 흡수층(300)과 n형 반도체인 윈도우층(500) 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)은 황화 카드뮴(CdS)를 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 버퍼층(400)의 에너지 밴드갭은 약 2.2eV 내지 2.4eV이다.
상기 광 흡수층(300) 및 상기 버퍼층(400)에는 제 2 관통홈들(TH2)이 형성된다. 상기 제 2 관통홈들(TH2)은 상기 후면전극층(200)의 상면을 노출하는 오픈영역이다.
상기 제 2 관통홈들(TH2)은 상기 제 1 관통홈들(TH1)에 인접하여 형성된다. 즉, 상기 제 2 관통홈들(TH2)의 일부는 평면에서 보았을 때, 상기 제 1 관통홈들(TH1)의 옆에 형성된다.
상기 제 2 관통홈들(TH2)의 폭은 약 80㎛ 내지 약 200㎛ 일 수 있다.
상기 윈도우층(500)은 상기 버퍼층(400) 상에 배치된다. 상기 윈도우층(500)은 투명하며, 도전층이다. 또한, 상기 윈도우층(500)의 저항은 상기 후면전극층(200)의 저항보다 높다. 예를 들어, 상기 윈도우층(500)의 저항은 상기 후면전극층(200)의 저항보다 약 10배 내지 200배 더 클 수 있다.
상기 윈도우층(500)은 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 윈도우층(500)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(500)은 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드(Al doped zinc oxide;AZO) 또는 갈륨 도핑된 징크 옥사이드(Ga doped zinc oxide;GZO) 등을 포함할 수 있다.
상기 접속부(550)는 상기 제 2 관통홈들(TH2) 내측에 배치된다. 상기 접속부(550)는 상기 윈도우층(500)으로부터 하방으로 연장되며, 상기 후면전극층(200)에 접속된다. 예를 들어, 상기 접속부(550)는 상기 제 1 셀의 윈도우로부터 연장되어, 상기 제 2 셀의 후면전극에 접속된다.
따라서, 상기 접속부(550)는 서로 인접하는 셀들을 연결한다. 더 자세하게, 상기 접속부(550)는 서로 인접하는 셀들(C1, C2...)에 각각 포함된 윈도우와 후면전극을 연결한다.
상기 접속부(550)는 상기 윈도우층(500)과 일체로 형성된다. 즉, 상기 접속부(550)로 사용되는 물질은 상기 윈도우층(500)으로 사용되는 물질과 동일하다.
상기 광 흡수층(300), 버퍼층(400) 및 윈도우층(500)에는 제 3 관통홈들(TH3)이 형성된다. 상기 제 3 관통홈들(TH3)은 상기 후면전극층(200)의 상면을 노출하는 오픈 영역이다. 예를 들어, 상기 제 3 관통홈들(TH3)의 폭은 약 80㎛ 내지 약 200㎛일 수 있다.
상기 제 3 관통홈들(TH3)은 상기 제 2 관통홈들(TH2)에 인접하는 위치에 형성된다. 더 자세하게, 상기 제 3 관통홈들(TH3)은 상기 제 2 관통홈들(TH2) 옆에 배치된다. 즉, 평면에서 보았을 때, 상기 제 3 관통홈들(TH3)은 상기 제 2 관통홈들(TH2) 옆에 나란히 배치된다.
상기 버퍼층(400)은 상기 제 3 관통홈들(TH3)에 의해서, 다수 개의 버퍼들로 구분된다.
또한, 상기 제 3 관통홈들(TH3)에 의해서, 상기 윈도우층(500)은 다수 개의 윈도우들로 구분된다. 즉, 상기 윈도우들은 상기 제 3 관통홈들(TH3)에 의해서 정의된다.
상기 윈도우들은 상기 후면전극들과 대응되는 형상을 가진다. 즉, 상기 윈도우들은 스트라이프 형태로 배치된다. 이와는 다르게, 상기 윈도우들은 매트릭스 형태로 배치될 수 있다.
또한, 상기 제 3 관통홈들(TH3)에 의해서, 다수 개의 셀들(C1, C2...)이 정의된다. 더 자세하게, 상기 제 2 관통홈들(TH2) 및 상기 제 3 관통홈들(TH3)에 의해서, 상기 셀들(C1, C2...)이 정의된다. 즉, 상기 제 2 관통홈들(TH2) 및 상기 제 3 관통홈들(TH3)에 의해서, 실시예에 따른 태양전지는 상기 셀들(C1, C2...)로 구분된다.
도 3 내지 도 7은 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도들이다. 본 제조방법에 관한 설명은 앞서 설명한 태양전지에 대한 설명을 참고한다.
도 3을 참조하면, 지지기판(100) 상에 후면전극층(200)이 형성되고, 상기 후면전극층(200)은 패터닝되어 제 1 관통홈들(TH1)이 형성된다. 이에 따라서, 상기 지지기판(100) 상에 다수 개의 후면전극들이 형성된다. 상기 후면전극층(200)은 레이저에 의해서 패터닝된다. 상기 제 1 관통홈들(TH1)은 상기 레이저를 3 내지 5w의 파워에서, 100 내지 400mm/s의 스크라이빙 속도로 패터닝하여 형성될 수 있다. 패터닝하는 과정에서 산소를 주입하여 절연체(250)를 형성할 수 있다. 상기 후면전극층(200)이 몰리브덴을 포함하여 형성하는 경우, 상기 절연체(250)는 몰리 옥사이드로 형성될 수 있다. 상기 레이저는 Nd:YAG 1064nm의 파장을 가질 수 있다.
상기 제 1 관통홈들(TH1)은 상기 지지기판(100)의 상면을 일부 노출할 수 있으며, 상부로 갈수록 폭이 넓어지는 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 지지기판(100) 및 상기 후면전극층(200) 사이에 확산방지막 등과 같은 추가적인 층이 개재될 수 있고, 이때, 상기 제 1 관통홈들(TH1)은 상기 추가적인 층의 상면을 노출하게 된다.
도 4를 참조하면, 상기 후면전극층(200) 상에 광 흡수층(300) 및 버퍼층(400)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 후면전극(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.
이후, 상기 광 흡수층(300) 상에 상기 버퍼층(400)이 형성된다. 상기 버퍼층(400)은 예를 들어, PVD(Physical Vapor Deposition) 또는 MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)의 방법으로 형성될 수 있다.
이후 가시광선 대역의 레이저를 비롯하여 상기 버퍼층(400)보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 레이저를 이용하여 상기 버퍼층(400)을 표면처리한다.
상기 표면처리를 통하여 상기 버퍼층(400)이 비정질에서 결정질로 변화할 수 있으며, 밴드갭이 향상되어 보다 많은 빛을 집광할 수 있게 된다.
이러한 표면처리를 통해 상기 버퍼층(400)의 자체집광 특성이 향상될 수 있다. 상기와 같이 레이저 또는 열처리를 통한 표면처리를 실시하여도 상기 버퍼층(400)의 부피변화는 거의 없으며, 이러한 특성은 마이크로 렌즈와 구별될 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 광 흡수층(300), 상기 버퍼층(400) 및 상기 버퍼층(400)의 일부가 제거되어 제 2 관통홈들(TH2)이 형성된다.
상기 제 2 관통홈들(TH2)은 팁 등의 기계적인 장치 또는 레이저 장치 등에 의해서 형성될 수 있다.
예를 들어, 약 40㎛ 내지 약 180㎛의 폭을 가지는 팁에 의해서, 상기 광 흡수층(300) 및 상기 버퍼층(400)은 패터닝될 수 있다. 또한, 상기 제 2 관통홈들(TH2)은 약 200 내지 600㎚의 파장을 가지는 레이저에 의해서 형성될 수 있다.
이때, 상기 제 2 관통홈들(TH2)의 폭은 약 100㎛ 내지 약 200㎛ 일 수 있다. 또한, 상기 제 2 관통홈들(TH2)은 상기 후면전극층(200)의 상면의 일부를 노출하도록 형성된다.
도 6을 참조하면, 상기 광 흡수층(300) 상 및 상기 제 2 관통홈들(TH2) 내측에 윈도우층(500)이 형성된다. 즉, 상기 윈도우층(500)은 상기 버퍼층(400) 상 및 상기 제 2 관통홈들(TH2) 내측에 투명한 도전물질이 증착되어 형성된다.
이때, 상기 제 2 관통홈들(TH2) 내측에 상기 투명한 도전물질이 채워지고, 상기 윈도우층(500)은 상기 후면전극층(200)에 직접 접촉하게 된다.
이때, 상기 윈도우층(500)은 무산소 분위기에서, 상기 투명한 도전물질이 증착되어 형성될 수 있다. 더 자세하게, 상기 윈도우층(500)은 산소를 포함하지 않는 불활성 기체 분위기에서 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드가 증착되어 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 광 흡수층(300), 버퍼층(400) 및 윈도우층(500)의 일부가 제거되어 제 3 관통홈들(TH3)이 형성된다. 이에 따라서, 상기 윈도우층(500)은 패터닝되어, 다수 개의 윈도우들 및 다수 개의 셀들(C1, C2...)이 정의된다. 상기 제 3 관통홈들(TH3)의 폭은 약 80㎛ 내지 약 200㎛ 일 수 있다.
이와 같이, 실시예에 따른 태양전지의 제조방법에 의해서, 후면전극층에 형성되는 제 1 관통홈들(TH1)의 폭을 감소시킴으로써 광-전 변환 효율이 향상될 수 있다.
그리고 인접하는 후면전극층에서 발생하는 션트(shunt) 특성을 개선할 수 있으므로 소자의 신뢰성이 향상될 수 있다.
또한 저출력 레이저로 제 1 관통홈들(TH1)을 형성함으로써 생산성이 향상될 수 있다.
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.

Claims (10)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성되고 상기 기판의 일부가 노출되도록 제1 관통홀들을 포함하는 후면전극층; 및,
    상기 후면전극층 상에 형성되는 광 흡수층;을 포함하고,
    상기 제1 관통홀들의 측벽은 경사진 것을 포함하는 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 관통홀들을 메우도록 형성되는 절연체를 포함하는 태양전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 절연체는 상기 후면전극층과 동일한 물질 및, 산소 원소를 포함하는 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 절연체는 MoO 또는 MoO3의 화학식으로 형성되는 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 관통홀들의 상부의 폭은 하부의 폭보다 넓게 형성되는 태양전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 관통홀들의 상부의 폭은 70㎛ 내지 100㎛인 태양전지.
  7. 기판 상에 후면전극층을 적층하는 단계; 및,
    상기 후면전극층에 측벽이 경사지도록 제1 관통홀들을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 제1 관통홀들의 형성시 레이저를 조사하면서 산소를 주입하는 태양전지의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 관통홀들은 레이저를 3 내지 5w의 파워에서, 100 내지 400mm/s의 스크라이빙 속도로 패터닝하여 형성하는 태양전지의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 레이저는 Nd:YAG 1064nm의 파장을 갖는 태양전지의 제조방법.
  10. 기판;
    상기 기판 상에 형성되고 상기 기판의 일부가 노출되도록 제1 관통홀들을 포함하는 후면전극층;
    상기 후면전극층 상에 형성되는 광 흡수층; 및,
    상기 제1 관통홀들을 메우도록 형성되고, 상기 후면전극층에 포함되는 원소와 동일한 원소 및 산소원소를 포함하는 태양전지.
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