KR20140047255A - 태양전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 태양전지는, 지지 기판; 상기 지지 기판 상에 배치되는 후면 전극층; 상기 후면 전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되는 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 배치되는 전면 전극층을 포함하고, 상기 전면 전극층은, 상기 버퍼층과 직접 접촉하는 제 1 전면 전극층; 및 상기 제 1 전면 전극층과 직접 접촉하는 제 2 전면 전극층을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지 제조방법은, 지지 기판 상에 후면 전극층을 형성하는 단계; 상기 후면 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 버퍼층 상에 제 1 전면 전극층을 형성하는 단계; 및상기 제 1 전면 전극층 상에 제 2 전면 전극층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제 1 전면 전극층 및 상기 제 2 전면 전극층은 붕소이 도핑된 금속 산화물을 포함한다.

Description

태양전지 및 이의 제조 방법{SOLAR CELL AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
실시예는 태양전지 및 이의 제조 방법에 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.
실시예는 향상된 광-전 변환 효율을 가지는 태양전지 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 태양전지는, 지지 기판; 상기 지지 기판 상에 배치되는 후면 전극층; 상기 후면 전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되는 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 배치되는 전면 전극층을 포함하고, 상기 전면 전극층은, 상기 버퍼층과 직접 접촉하는 제 1 전면 전극층; 및 상기 제 1 전면 전극층과 직접 접촉하는 제 2 전면 전극층을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지 제조방법은, 지지 기판 상에 후면 전극층을 형성하는 단계; 상기 후면 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 버퍼층 상에 제 1 전면 전극층을 형성하는 단계; 및상기 제 1 전면 전극층 상에 제 2 전면 전극층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제 1 전면 전극층 및 상기 제 2 전면 전극층은 붕소이 도핑된 금속 산화물을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지 및 태양전지 제조방법은 버퍼층과 직접 접촉하는 제 1 전면 전극층과 상기 제 1 전면 전극층과 직접 접촉하는 제 2 전면 전극층을 포함한다.
또한, 상기 제 1 전면 전극층은 버퍼층과의 접착성이 좋은 재료를 사용하여 형성하고, 상기 제 2 전면 전극층은 수분 침투 방지 효과 및 광 투과율이 높은 재료를 사용하여 형성한다.
이에 따라, 실시예에 따른 태양전지는 향상된 면저항, 광 투과율 및 수분 침투 방지 효과를 가진다.
즉, 실시예에 따른 태양전지 제조방법에 의해 제조되는 태양전지는, 상기 전면 전극층이 복수의 층으로 형성된다. 다시 말해, 상기 버퍼층 상에는 상기 버퍼층과 접착성이 좋은 물질을 포함하는 상기 제 1 전면 전극층이 증착되고, 상기 제 1 전면 전극층 상에는 광 투과율 및 수분에 강한 물질을 포함하는 제 2 전면 전극층이 증착된다.
이에 따라, 실시예에 따른 태양전지 제조방법에 의해 제조되는 태양전지는, 상기 제 1 전면 전극층을 증착하여 전기 전도성을 저하하지 않으면서, 상기 제 2 전면 전극층에 의해 광 투과율을 향상시키는 동시에 외부의 수분 침투를 방지할 수 있다.
즉, 실시예에 따른 태양전지 제조방법은 전면 전극층을 약 1 ㎛ 이하의 두께를 가지는 제 1 전면 전극층과 약 1㎛ 이하의 두께를 가지는 제 2 전면 전극층을 가지고, 상기 제 1 전면 전극층과 상기 제 2 전면 전극층을 상기와 같은 재료로 형성하였을때, 상기 전면 전극층은 약 10Ω/□ 내지 약 15Ω/□의 면저항을 가질 수 있고, 이때, 광 투과율은 약 85% 이상일 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지 및 이의 제조방법에 의해 제조되는 태양전지는, 전체적으로 광 투과율 및 전기 전도도를 향상시킬 수 있고, 또한 수분 침투를 방지할 수 있어 전체적인 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 평면도이다.
도 2는 실시예에 따른 태양전지의 일 단면을 도시한 단면도이다.
도 3은 실시예에 따른 태양전지 제조방법의 공정 흐름도를 도시한 도면이다.
도 4 내지 도 6은 실시예에 따른 태양전지 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
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.
도 1 및 도 2를 참조하여, 실시예에 따른 태양전지를 상세하게 설명한다. 도 1은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 평면도이고, 도 2는 실시예에 따른 태양전지의 일 단면을 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시예에 따른 태양전지는, 지지 기판(100), 후면 전극층(200), 광 흡수층(300), 버퍼층(400) 및 전면 전극층(500)을 포함한다.
상기 지지 기판(100)은 플레이트 형상을 가지며, 상기 후면 전극층(200), 상기 광 흡수층(300), 상기 버퍼층(400) 및 상기 전면 전극층(500)을 지지한다.
상기 지지 기판(100)은 절연체일 수 있다. 상기 지지 기판(100)은 유리 기판, 플라스틱 기판 또는 금속 기판일 수 있다. 더 자세하게, 상기 지지 기판(100)은 소다 라임 글래스(soda lime glass) 기판일 수 있다. 이와는 다르게, 상기 지지 기판(100)의 재질로 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸, 유연성이 있는 고분자 등이 사용될 수 있다. 상기 지지 기판(100)은 투명할 수 있다. 상기 지지 기판(100)은 리지드(rigid)하거나 플렉서블(flexible)할 수 있다.
상기 후면 전극층(200)은 상기 지지 기판(100) 상에 배치된다. 상기 후면 전극층(200)은 도전층이다. 상기 후면 전극층(200)은 몰리브덴(Mo), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 텅스템(W) 및 구리(Cu) 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 이 가운데, 특히 몰리브덴은 다른 원소에 비해 상기 지지 기판(100)과 열팽창 계수의 차이가 적기 때문에, 접착성이 우수하여 박리 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 후면 전극층(200)은 두 개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 층들은 같은 금속으로 형성되거나 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.
상기 후면 전극층(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, 제 1 방향으로 연장되는 형상을 가질 수 있다.
상기 제 1 관통홈들(TH1)의 폭은 약 80㎛ 내지 200㎛ 일 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 후면 전극들은 상기 제 1 관통홈들(TH1)에 의해서 서로 이격된다. 상기 후면 전극들은 스트라이프 형태로 배치된다.
이와는 다르게, 상기 후면 전극들은 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. 또한, 상기 광 흡수층(300)에 포함된 물질은 상기 제 1 관통홈들(TH1)에 채워진다.
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.
이어서, 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 황화 카드뮴(CdS), 황화 아연(ZnS), InXSY 및 InXSeYZn(O, OH) 등을 포함한다. 상기 버퍼층(400)의 두께는 약 50㎚ 내지 약 150㎚ 일 수 있으며, 상기 버퍼층(400)의 에너지 밴드갭은 약 2.2 eV 내지 2.4 eV 일 수 있다.
상기 버퍼층(400) 상에는 고저항 버퍼층이 더 배치될 수 있다. 상기 고저항 버퍼층은 불순물이 도핑되지 않은 징크 옥사이드(i-ZnO)를 포함한다. 상기 고저항 버퍼층의 에너지 밴드갭은 약 3.1 eV 내지 약 3.3 eV 일 수 있다. 또한, 상기 고저항 버퍼층은 생략될 수 있다.
상기 버퍼층(400) 상에는 제 2 관통홈들(TH2)이 형성될 수 있다. 상기 제 2 관통홈들(TH2)은 상기 지지 기판(100)의 상면 및 상기 후면 전극층(200)의 상면을 노출하는 오픈 영역이다. 상기 제 2 관통홈들(TH2)은 평면에서 보았을 때, 일 방향으로 연장되는 형상을 가질 수 있다. 상기 제 2 관통홈들(TH2)의 폭은 약 80㎛ 내지 200㎛ 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 버퍼층(400)은 상기 제 2 관통홈들(TH2)에 의해서, 다수 개의 버퍼층들로 정의된다. 즉, 상기 버퍼층(400)은 상기 제 2 관통홈들(TH2)에 의해서, 상기 버퍼층들로 구분된다.
이어서, 상기 전면 전극층(500)은 상기 버퍼층(400) 상에 배치된다. 자세하게, 상기 전면 전극층(500)은 상기 버퍼층(400) 상에 배치되는 제 1 전면 전극층(510)과 상기 제 1 전면 전극층(510) 상에 배치되는 제 2 전면 전극층(520)을 포함한다.
상기 제 1 전면 전극층(510)은 상기 버퍼층(400)의 상면 및 상기 제 2 관통홈들 내부에 배치된다.
상기 제 1 전면 전극층(510) 및 상기 제 2 전면 전극층(520)은 금속 산화물을 포함한다. 자세하게, 상기 제 1 전면 전극층(510) 및 상기 제 2 전면 전극층(520)은 도핑물질이 도핑된 금속 산화물을 포함한다.
상기 도핑물질은 알루미늄(Al), 붕소(B) 또는 갈륨(Ga)을 포함한다. 바람직하게, 상기 도핑물질은 붕소를 포함한다. 상기 제 1 전면 전극층(510)에 도핑되는 도핑물질과 상기 제 2 전면 전극층(520)에 도핑되는 도핑물질은 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 바람직하게는, 상기 제 1 전면 전극층(510)에 도핑되는 도핑물질과 상기 제 2 전면 전극층(520)에 도핑되는 도핑물질은 서로 동일하며, 이때, 상기 도핑물질은 붕소일 수 있다.
상기 제 1 전면 전극층(510)은 금속 산화물을 포함한다. 자세하게, 상기 제 1 전면 전극층(510)은 징크 옥사이드(ZnO)를 포함할 수 있다. 즉, 상기 제 1 전면 전극층(510)은 상기 도핑물질이 도핑된 징크 옥사이드일 수 있다. 일례로, 상기 제 1 전면 전극층(510)은 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드(Al doped ZnO;AZO), 붕소가 도핑된 징크 옥사이드(B doped ZnO;BZO) 또는 갈륨이 도핑된 징크 옥사이드(Ga doped ZnO;GZO) 일 수 있다. 바람직하게는, 상기 제 1 전면 전극층(510)은 붕소가 도핑된 징크 옥사이드 일 수 있다. 이때, 상기 도핑물질 즉, 상기 붕소는 약 20% 이하의 농도로 도핑될 수 있다. 바람직하게는, 상기 도핑 물질은 10% 내지 20%의 농도로 도핑될 수 있다.
상기 제 2 전면 전극층(520)은 금속 산화물을 포함한다. 자세하게, 상기 제 2 전면 전극층(520)은 틴 옥사이드(SnO)를 포함할 수 있다. 즉, 상기 제 2 전면 전극층(520)은 상기 도핑물질이 도핑된 징크 옥사이드일 수 있다. 일례로, 상기 제 2 전면 전극층(520)은 알루미늄이 도핑된 틴 옥사이드(Al doped SnO;ASO), 붕소가 도핑된 징크 옥사이드(B doped SnO;BSO) 또는 갈륨이 도핑된 징크 옥사이드(Ga doped SnO;GSO) 일 수 있다. 바람직하게는, 상기 제 2 전면 전극층(520)은 붕소가 도핑된 틴 옥사이드 일 수 있다. 이때, 상기 도핑물질 즉, 상기 붕소는 약 20% 이하의 농도로 도핑될 수 있다.
상기 제 1 전면 전극층(510)은 1㎛ 이하의 두께를 가질 수 있다. 또한, 상기 제 2 전면 전극층(520)은 1㎛ 이하의 두께를 가질 수 있다. 바람직하게는, 상기 제 1 전면 전극층(510) 및 상기 제 2 전면 전극층(520)은 0.1㎛ 내지 1㎛의 두께를 가질 수 있다. 또한, 상기 제 1 전면 전극층(510) 및 상기 제 2 전면 전극층(520)의 총 두께는 0.5㎛ 내지 1.5㎛일 수 있다.
상기 전면 전극층(500)은 상기 제 2 관통홈들(TH2) 내부에 위치하는 접속부들을 포함한다. 즉, 상기 제 2 관통홈들(TH2) 내부에 배치되는 상기 제 1 전면 전극층(510)은 접속부들일 수 있다.
상기 제 1 전면 전극층(510)과 상기 제 2 전면 전극층(520)은 일체로 형성될 수 있다. 즉, 상기 제 1 전면 전극층(510)과 상기 제 2 전면 전극층(520)의 계면에는 붕소가 도핑된 징크 옥사이드와 붕소가 도핑된 틴 옥사이드가 혼재할 수 있다.
상기 버퍼층(400) 및 상기 전면 전극층(500)에는 제 3 관통홈(TH3)들이 형성된다. 상기 제 3 관통홈들(TH3)은 상기 버퍼층(400)의 일부 또는 전부, 상기 고저항 버퍼층 및 상기 전면 전극층(500)을 관통할 수 있다. 즉, 상기 제 3 관통홈(TH3)들은 상기 후면 전극층(200)의 상면을 노출시킬 수 있다.
상기 제 3 관통홈(TH3)들은 상기 제 2 관통홈(TH2)들에 인접하는 위치에 형성된다. 더 자세하게, 상기 제 3 관통홈(TH3)들은 상기 제 2 관통홈(TH2)들 옆에 배치된다. 즉, 평면에서 보았을 때, 상기 제 3 관통홈(TH3)들은 상기 제 2 관통홈(TH2)들 옆에 나란히 배치된다. 상기 제 3 관통홈(TH3)들은 상기 제 1 방향으로 연장되는 형상을 가질 수 있다.
상기 제 3 관통홈(TH3)들은 상기 전면 전극층(500)을 관통한다. 더 자세하게, 상기 제 3 관통홈(TH3)들은 상기 광 흡수층(300), 상기 버퍼층(400) 및/또는 상기 고저항 버퍼층을 일부 또는 전부 관통할 수 있다.
상기 제 3 관통홈(TH3)들에 의해서, 상기 전면 전극층(500)은 다수 개의 전면 전극들로 구분된다. 즉, 상기 전면 전극들은 상기 제 3 관통홈(TH3)들에 의해서 정의된다.
상기 전면 전극들은 상기 후면 전극들과 대응되는 형상을 가진다. 즉, 상기 전면 전극들은 스트라이프 형태로 배치된다. 이와는 다르게, 상기 전면 전극들은 매트릭스 형태로 배치될 수 있다.
또한, 상기 제 3 관통홈(TH3)들에 의해서, 다수 개의 태양전지들(C1, C2...)이 정의된다. 더 자세하게, 상기 제 2 관통홈(TH2)들 및 상기 제 3 관통홈(TH3)들에 의해서, 상기 태양전지들(C1, C2...)이 정의된다. 즉, 상기 제 2 관통홈(TH2)들 및 상기 제 3 관통홈(TH3)들에 의해서, 실시예에 따른 태양광 발전장치는 상기 태양전지들(C1, C2...)로 구분된다. 또한, 상기 태양전지들(C1, C2...)은 상기 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향으로 서로 연결된다. 즉, 상기 태양전지들(C1, C2...)을 통하여 상기 제 2 방향으로 전류가 흐를 수 있다.
즉, 상기 태양전지 패널(10)은 상기 지지 기판(100) 및 상기 태양전지들(C1, C2...)을 포함한다. 상기 태양전지들(C1, C2...)은 상기 지지 기판(100) 상에 배치되고, 서로 이격된다. 또한, 상기 태양전지들(C1, C2...)은 접속부들에 의해서 서로 직렬로 연결된다.
상기 접속부들은 상기 제 2 관통홈(TH2)들 내측에 배치된다. 상기 접속부들은 상기 전면 전극층(500) 즉, 상기 제 1 전면 전극층(510)으로부터 하방으로 연장되며, 상기 후면 전극층(200)에 접속된다. 예를 들어, 상기 접속부들은 상기 제 1 셀(C1)의 전면전극으로부터 연장되어, 상기 제 2 셀(C2)의 후면전극에 접속된다.
따라서, 상기 접속부들은 서로 인접하는 태양전지들을 연결한다. 더 자세하게, 상기 접속부들은 서로 인접하는 태양전지들에 각각 포함된 전면 전극과 후면 전극을 연결한다.
상기 접속부들은 상기 전면 전극층(500) 즉, 상기 제 1 전면 전극층(510)과 일체로 형성된다. 즉, 상기 접속부들로 사용되는 물질은 상기 제 1 전면 전극층(510)으로 사용되는 물질과 동일하다.
실시예에 따른 태양전지는, 상기 전면 전극층이 복수의 층으로 형성된다. 즉, 상기 버퍼층(400) 상에는 상기 버퍼층(400)과 접착성이 좋은 물질을 포함하는 상기 제 1 전면 전극층(510)이 증착되고, 상기 제 1 전면 전극층(510) 상에는 광 투과율 및 수분에 강한 물질을 포함하는 제 2 전면 전극층(520)이 증착된다.
이에 따라, 실시예에 따른 태양전지는, 상기 제 1 전면 전극층(510)을 증착하여 전기 전도성을 저하하지 않으면서, 상기 제 2 전면 전극층(520)에 의해 광 투과율을 향상시키는 동시에 외부의 수분 침투를 방지할 수 있다.
즉, 실시예에 따른 태양전지의 전면 전극(500)층이 약 1 ㎛ 이하의 두께를 가지는 제 1 전면 전극층(510)과 약 1㎛ 이하의 두께를 가지는 제 2 전면 전극층(520)을 포함할 때, 상기 전면 전극층(500)은 약 10Ω/□ 내지 약 15Ω/□의 면저항을 가질 수 있고, 이때, 광 투과율은 약 85% 이상일 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지는, 전체적으로 광 투과율 및 전기 전도도를 향상시킬 수 있고, 또한 수분 침투를 방지할 수 있어 전체적인 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 10을 참조하여, 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 설명한다. 도 3은 실시예에 따른 태양전지 제조방법의 공정 흐름도를 도시한 도면이고, 도 4 내지 도 10은 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 3 내지 도 10을 참조하면, 실시예에 따른 태양전지 제조방법은, 지지 기판 상에 후면 전극층을 형성하는 단계(ST10); 후면 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계(ST20); 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계(ST30); 버퍼층 상에 제 1 전면 전극층을 형성하는 단계(ST40); 및 제 1 전면 전극층 상에 제 2 전면 전극층을 형성하는 단계(ST50)를 포함한다.
상기 지지 기판 상에 후면 전극층을 형성하는 단계(ST10)에서는 도 4 및 도 5에 도시되어 있듯이, 상기 지지 기판(100) 상에 후면 전극층(200)이 형성된다. 상기 후면 전극층(200)은 PVD(Physical Vapor Deposition) 또는 도금의 방법으로 형성될 수 있다.
상기 후면 전극층(200)은 패터닝되어 제 1 관통홈들(TH1)이 형성된다. 이에 따라서, 상기 지지 기판(100) 상에 다수 개의 후면전극들이 형성된다. 상기 후면 전극층(200)은 레이저에 의해서 패터닝된다.
상기 제 1 관통홈들(TH1)은 상기 지지 기판(100)의 상면을 노출하며, 약 80㎛ 내지 약 200㎛의 폭을 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 지지 기판(100) 및 상기 후면 전극층(200) 사이에 확산방지막 등과 같은 추가적인 층이 개재될 수 있고, 이때, 상기 제 1 관통홈들(TH1)은 상기 추가적인 층의 상면을 노출하게 된다.
이어서, 상기 후면 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계(ST20)에서는 도 6에 도시되어 있듯이, 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 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.
이어서, 상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계(ST30)에서는, 도 7 및 도 8에 도시되어 있듯이, 상기 광 흡수층(300) 상에 버퍼층(400)이 형성된다.
상기 버퍼층(400)의 제조방법은 당업계에서 태양전지의 버퍼층 제조를 위해 사용하는 것이라면 특별히 제한없이 사용가능하다. 예를 들어, 상기 버퍼층(400)은 스퍼터링법(sputtering), 증발법(evaporation), 화학기상증착법(Chemical vapor deposition), 유기금속화학기상증착(MOCVD), 근접승화법(Close-spaced sublimation, CSS), 스프레이 피롤리시스(Spray pyrolysis), 화학 스프레이법(Chemical spraying), 스크린프린팅법(Screeen printing), 비진공 액상성막법, CBD법(Chemicalbath deposition), VTD법(Vapor transport deposition), 원자층 증착 (Atomic layer deposition: ALD), 및 전착법(electrodeposition) 중에서 선택된 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있다. 더 자세하게, 상기 버퍼층(400)은 용액성장법(Chemicalbath deposition; CBD), 원자층 증착 (Atomic layer deposition: ALD) 또는, 유기금속화학기상증착(MOCVD)에 의하여 제조될 수 있다.
또한, 상기 버퍼층(400) 상에 징크 옥사이드가 증착 공정 등에 의해서 증착되고, 상기 고저항 버퍼층이 더 형성될 수 있다. 상기 고저항 버퍼층은 화학 증착(chemical vapor deposition, CVD), 유기금속 화학 증착(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD) 또는 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD)에 의해 형성될 수 있다. 바람직하게는, 상기 고저항 버퍼층은 유기금속 화학 증착을 통해 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(400)에는 상기 광 흡수층(300) 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) 및/또는 고저항 버퍼층은 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.
이어서, 상기 버퍼층 상에 제 1 전면 전극층을 형성하는 단계(ST40) 및 상기 제 1 전면 전극층 상에 제 2 전면 전극층을 형성하는 단계(ST50)에서는 도 9 및 도 10에 도시되어 있듯이, 상기 버퍼층(400) 상에 전면 전극층(500)이 형성된다.
상기 제 1 전면 전극층(510)은 화학기상증착(chemical vapor deposition, CVD), 유기금속 화학 증착(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD) 또는 스퍼터링(sputtering)에 의해 형성될 수 있다.
상기 제 1 전면 전극층(510)은 도핑물질을 포함하는 금속 산화물을 포함한다. 자세하게, 상기 도핑물질은 붕소, 알루미늄 또는 갈륨을 포함한다. 바람직하게, 상기 도핑물질은 붕소일 수 있다. 또한, 상기 금속 산화물은 징크 옥사이드일 수 있다. 즉, 상기 제 1 전면 전극층(510)은 붕소가 도핑된 징크 옥사이드일 수 있다.
일례로, 상기 도핑물질로 붕소를 사용하여 상기 RF 스퍼터링 방법으로 B2O3 타겟을 사용하여 증착하는 방법과 B 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링 공정에 의해 붕소가 도핑된 징크 옥사이드를 포함하는 상기 제 1 전면 전극층(510)을 형성할 수 있다. 이때, 상기 도핑물질 즉, 상기 붕소는 20% 이하의 농도로 도핑될 수 있다. 자세하게, 상기 붕소는 10% 내지 20%의 농도로 도핑될 수 있다.
상기 제 1 전면 전극층(510)은 상기 버퍼층(400)의 상면과 직접 접촉하며, 상기 버퍼층(400) 상에 형성된 상기 제 2 관통홈들(TH2)의 내부에 증착될 수 있다.
상기 제 2 전면 전극층(520)은 화학기상증착(chemical vapor deposition, CVD), 유기금속 화학 증착(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD) 또는 스퍼터링(sputtering)에 의해 형성될 수 있다. 즉, 상기 제 1 전면 전극층(510)과 동일한 방법에 의해 상기 제 1 전면 전극층(510) 상에 증착될 수 있다. 또한, 상기 제 2 전면 전극층(520)은 상기 제 1 전면 전극층(510) 상에 상기 도핑물질이 도핑된 금속 산화물 입자(particle)를 투입한 후 열처리하여 증착될 수 있다.
상기 제 2 전면 전극층(520)은 도핑물질을 포함하는 금속 산화물을 포함한다. 자세하게, 상기 도핑물질은 붕소, 알루미늄 또는 갈륨을 포함한다. 바람직하게, 상기 도핑물질은 붕소일 수 있다. 또한, 상기 금속 산화물은 틴 옥사이드일 수 있다. 즉, 상기 제 2 전면 전극층(520)은 붕소가 도핑된 틴 옥사이드일 수 있다. 이때, 상기 도핑물질 즉, 상기 붕소는 20% 이하의 농도로 도핑될 수 있다. 자세하게, 상기 붕소는 10% 내지 20%의 농도로 도핑될 수 있다.
상기 제 1 전면 전극층(510) 및 상기 제 2 전면 전극층(520)은 각각 1㎛ 이하의 두께를 가지도록 형성될 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 전면 전극층(510) 및 상기 제 2 전면 전극층(520)은 각각 0.1㎛ 내지 1㎛의 두께를 가지도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 제 1 전면 전극층(510) 및 상기 제 2 전면 전극층(520)의 총 두께는 0.5㎛ 내지 1.5㎛이도록 형성될 수 있다.
이어서, 도 10에 도시되어 있듯이, 상기 광 흡수층(300), 상기 버퍼층(400) 및 상기 전면 전극층(500)의 일부가 제거되어 제 3 관통홈들(TH3)이 형성된다. 이에 따라서, 상기 전면 전극층(500)은 패터닝되어, 다수 개의 전면전극들 및 제 1 셀(C1), 제 2 셀(C2) 및 제 3 셀들(C3)이 정의된다. 상기 제 3 관통홈들(TH3)의 폭은 약 80㎛ 내지 약 200㎛ 일 수 있다.
앞서 설명하였듯이, 실시예에 따른 태양전지 제조방법에 의해 제조되는 태양전지는 향상된 면저항, 광 투과율 및 수분 침투 방지 효과를 가진다.
즉, 실시예에 따른 태양전지 제조방법에 의해 제조되는 태양전지는, 상기 전면 전극층이 복수의 층으로 형성된다. 다시 말해, 상기 버퍼층 상에는 상기 버퍼층과 접착성이 좋은 물질을 포함하는 상기 제 1 전면 전극층이 증착되고, 상기 제 1 전면 전극층 상에는 광 투과율 및 수분에 강한 물질을 포함하는 제 2 전면 전극층이 증착된다.
이에 따라, 실시예에 따른 태양전지 제조방법에 의해 제조되는 태양전지는, 상기 제 1 전면 전극층을 증착하여 전기 전도성을 저하하지 않으면서, 상기 제 2 전면 전극층에 의해 광 투과율을 향상시키는 동시에 외부의 수분 침투를 방지할 수 있다.
즉, 실시예에 따른 태양전지 제조방법은 전면 전극층을 약 1 ㎛ 이하의 두께를 가지는 제 1 전면 전극층과 약 1㎛ 이하의 두께를 가지는 제 2 전면 전극층을 가지고, 상기 제 1 전면 전극층과 상기 제 2 전면 전극층을 상기와 같은 재료로 형성하였을때, 상기 전면 전극층은 약 10Ω/□ 내지 약 15Ω/□의 면저항을 가질 수 있고, 이때, 광 투과율은 약 85% 이상일 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지 제조방법에 의해 제조되는 태양전지는, 전체적으로 광 투과율 및 전기 전도도를 향상시킬 수 있고, 또한 수분 침투를 방지할 수 있어 전체적인 신뢰성을 향상시킬 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 (15)

  1. 지지 기판;
    상기 지지 기판 상에 배치되는 후면 전극층;
    상기 후면 전극층 상에 배치되는 광 흡수층;
    상기 광 흡수층 상에 배치되는 버퍼층; 및
    상기 버퍼층 상에 배치되는 전면 전극층을 포함하고,
    상기 전면 전극층은,
    상기 버퍼층과 직접 접촉하는 제 1 전면 전극층; 및
    상기 제 1 전면 전극층과 직접 접촉하는 제 2 전면 전극층을 포함하는 태양전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 전면 전극층 및 제 2 전면 전극층은 도핑물질이 도핑된 금속 산화물을 포함하고,
    상기 도핑물질은 붕소(B), 알루미늄(Al) 또는 갈륨(Ga)을 포함하는 태양전지.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 도핑물질은 붕소인 태양전지.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 붕소는 20% 이하의 농도로 도핑되는 태양전지.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 전면 전극층은 징크 옥사이드(ZnO)를 포함하고,
    상기 제 2 전면 전극층은 틴 옥사이드(SnO)를 포함하는 태양전지.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 전면 전극층은 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드, 붕소가 도핑된 징크 옥사이드 또는 갈륨이 도핑된 징크 옥사이드를 포함하고,
    상기 제 2 전면 전극층은 붕소가 도핑된 틴 옥사이드를 포함하는 태양전지.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 전면 전극층 및 상기 제 2 전면 전극층은 1㎛ 이하의 두께로 형성되는 태양전지.
  8. 지지 기판 상에 후면 전극층을 형성하는 단계;
    상기 후면 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계;
    상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 버퍼층 상에 제 1 전면 전극층을 형성하는 단계; 및
    상기 제 1 전면 전극층 상에 제 2 전면 전극층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 제 1 전면 전극층 및 상기 제 2 전면 전극층은 도핑물질이 도핑된 금속 산화물을 포함하는 태양전지 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제 1 전면 전극층은 징크 옥사이드를 포함하고, 1㎛ 이하의 두께로 형성되는 태양전지 제조방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제 2 전면 전극층은 틴 옥사이드를 포함하고, 1㎛ 이하의 두께로 형성되는 태양전지 제조방법.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 도핑물질은 붕소, 알루미늄 또는 갈륨을 포함하는 태양전지 제조방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 도핑물질은 붕소인 태양전지 제조방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 붕소는 20% 이하의 농도로 도핑되는 태양전지 제조방법.
  14. 제 8항에 있어서,
    상기 제 1 전면 전극층 및 상기 제 2 전면 전극층은 스퍼터링(sputtering), 화학기상증착(chemical vapor deposition, CVD) 또는 유기금속화학기상증착(MOCVD)을 이용하여 형성되는 태양전지 제조방법.
  15. 제 8항에 있어서,
    상기 제 2 전면 전극층을 형성하는 단계는,
    상기 제 1 전면 전극층 상에 붕소가 도핑된 틴 옥사이드 입자(particle)를 투입하는 단계; 및
    상기 제 1 전면 전극층의 상면을 가열하는 단계를 포함하는 태양전지 제조방법.


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