KR20140142416A - 태양 전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
태양 전지는 기판 및 상기 기판 위에 제공되어 전기적으로 연결되는 복수의 단위 셀들을 포함한다. 상기 단위 셀은 제1 전극, 광 흡수층 및 제2 전극이 순차적으로 적층되어 이루어지고, 인접하는 상기 단위 셀들 간의 상기 광 흡수층 및 상기 제2 전극의 분리 영역은, 상기 기판에 대해 수직한 방향의 단면을 계단형 패턴으로 이루고, 상기 계단형 패턴이 대향 배치된다.
Description
본 발명은 태양 전지에 관한 것으로서, 복수의 단위 셀들을 전기적으로 연결시키기 위한 패터닝 구조에 관한 것이다. 또한 본 발명은 이 패터닝 구조를 포함한 제조 방법에 관한 것이다.
태양 전지를 모듈화하기 위해서는, 기판 위에 형성된 전극 및 광 흡수층을 복수의 단위셀로 구분하고 이 단위셀들을 직렬로 접속시키는 공정이 필요하다.
단위셀들이 개별적으로 분할되면서 서로 전기적으로 접속되기 위해서는 전극 및 광 흡수층이 적절히 패터닝되어야 하는데, 패터닝시, 전극의 예상치 않은 손상이 방지되어야만 완성된 태양 전지의 특성을 저하시키지 않을 수 있다.
본 발명은 태양 전지를 구성하는 전극 및 광 흡수층을 패터닝하여 태양 전지의 모듈을 구성할 때, 전극의 손상을 최소화시킬 수 있는 패터닝 구조를 갖는 태양 전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기한 태양 전지를 제조할 수 있는 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 태양 전지는, 기판 및 상기 기판 위에 제공되어 전기적으로 연결되는 복수의 단위 셀들을 포함한다. 상기 단위 셀은 제1 전극, 광 흡수층 및 제2 전극이 순차적으로 적층되어 이루어지고, 인접하는 상기 단위 셀들 간의 상기 광 흡수층 및 상기 제2 전극의 분리 영역은, 상기 기판에 대해 수직한 방향의 단면을 계단형 패턴으로 이루고, 상기 계단형 패턴이 대향 배치된다.
상기 분리 영역은 홈 구조로 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층의 홈 폭은 상기 제2 전극의 홈 폭보다 작을 수 있다.
상기 제2 전극의 홈 폭은 30㎛ 내지 70㎛ 일 수 있다.
상기 계단형 패턴은 좌우대칭으로 형성될 수 있다.
상기 제2 전극은 투명 전도성을 가질 수 있으며, BZO, ZnO, In2O3,또는 ITO를 포함할 수 있다.
상기 태양 전지는, 광 흡수층과 상기 제2 전극 사이에 배치되는 버퍼층에 더욱 포함하고, 상기 분리 영역은 상기 버퍼층에 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지 제조 방법은, 기판 및 상기 기판 위에 제공되어 전기적으로 연결되는 복수의 단위 셀들을 포함하고, 상기 단위 셀은 제1 전극, 광 흡수층 및 제2 전극이 순차적으로 적층되어 이루어지고, 인접하는 상기 단위 셀들 간의 상기 광 흡수층 및 상기 제2 전극의 분리 영역을 포함한 태양 전지의 제조 방법으로서, 상기 분리 영역을 열 에너지에 의한 제1 단계와 기계 에너지에 의한 제2 단계를 통해 형성할 수 있다.
상기 열 에너지는 레이저에 의해 제공될 수 있다.
상기 레이저는, 266nm 내지 1064nm의 파장 및 0.001 ns 내지 100 ns의 펄스 폭을 가질 수 있다.
상기 기계 에너지는, 니들(needle)에 의해 제공될 수 있다.
상기 제1 단계는, 상기 광 흡수층 상에서 상기 제2 전극을 전부 제거하거나 일부를 제거하여 상기 제2 전극의 두께를 얇게 하는 것으로 이루질 수 있다.
상기 2 단계는, 상기 기판 상에서 상기 광 흡수층을 전부 제거하거나 일부를 제거하는 것으로 이루어질 수 있다.
상술한 본 발명의 과제 해결 수단의 실시예 중 하나에 의하면, 태양 전지를 모듈화하기 위해, 광 흡수층과 제2 전극 부위에 분리 영역을 할 때, 제2 전극에 원하지 않는 손상을 미연에 방지할 수 있다.
이에 따라, 제조 완성된 태양 전지는 상기한 분리 영역이 양호한 상태로 형성 가능하여, 하나의 단위 셀 상에서 분리 영역이 차지하는 공간을 최소화할 수 있고 이로 인해 단위 면적 당, 광 변환 효율을 증진시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 기본 구조를 도시한 단면도이다.
도 2 내지 도 8은, 본 발명의 일 실시예 따른 태양 전지의 제조 공정을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.
도 2 내지 도 8은, 본 발명의 일 실시예 따른 태양 전지의 제조 공정을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 상에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "~상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 기본 구조를 도시한 단면도이다.
도 1을 참고하면, 본 실시예의 태양 전지(100)는 기판(10), 제1 전극(또는 하부 전극)(20), 광 흡수층(또는 광전 변환층)(30), 버퍼층(40), 및 제2 전극(또는 상부 전극)(50)을 포함한다.
본 실시예의 태양 전지(100)는 박막형 태양 전지로서, 광 흡수층(30)으로 CIS(Cu, In, Se) 또는 CIGS(Cu, In, Ga, Se)를 포함하는 화합물 반도체 박막 태양 전지일 수 있다. 아래에서는 광 흡수층(30)이 CIS 또는 CIGS를 포함하는 경우를 예로 들어 설명하나, 본 발명의 광 흡수층이 이로 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 광 흡수층은 박막형 태양 전지를 구성할 수 있는 모든 화합물이 적용 가능하다.
기판(10)은 판상 부재의 유리, 세라믹, 스테인리스 강, 금속, 또는 필름 형태의 고분자 등 다양한 소재로 형성될 수 있다.
기판(10) 상에 제1 전극(20)이 위치한다. 제1 전극(20)은 광 반사 효율이 높고, 기판(10)과의 점착성이 우수한 금속으로 형성된다. 예를 들어, 제1 전극(20)은 몰리브덴(Mo)을 포함할 수 있다. 몰리브덴(Mo)은 전기 전도도가 높고, 광 흡수층(30)과 오믹 접합(ohmic contact)을 형성하며, 광 흡수층(30)을 형성하기 위한 고온 열처리 과정에서 높은 안정성을 구현한다.
제1 전극(20) 위로 광 흡수층(30)이 위치한다. 광 흡수층(30)은 제1 전극(50)과 버퍼층(40)을 거쳐 투과된 빛 에너지를 이용하여 전자와 정공을 생성한다. 광 흡수층(30)은 CuInSe, CuInSe2,CuInGaSe,및 CuInGaSe2로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 캘커파이라이트(chalcopyrite)계 화합물 반도체를 포함할 수 있다.
광 흡수층(30)은 예를 들어, ① 제1 전극(20) 위에 구리(Cu)와 인듐(In) 또는 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga)을 스퍼터링하여 프리커서층을 형성하는 단계와, ② 프리커서층 위에 셀레늄(Se)을 열 증착하는 단계와, ③ 550℃ 이상의 고온에서 1분 이상 급속 열처리하여 CIS(Cu, In, Se) 또는 CIGS(Cu, In, Ga, Se) 결정을 성장시키는 단계를 거쳐 제조될 수 있다. 이때 급속 열처리 과정에서 셀레늄(Se)의 증발을 막기 위해 Se의 일부를 황(S)으로 대체할 수 있다. 이 경우 광 흡수층(30)의 에너지 밴드갭을 크게 하여 태양 전지(100)의 개방 전압을 높일 수 있다.
광 흡수층(30) 위로 버퍼층(40)이 위치할 수 있다. 버퍼층(40)은 광 흡수층(30)과 제2 전극(50)의 에너지 밴드갭 차이를 완화시키는 기능을 한다. 또한, 버퍼층(40)은 광 흡수층(30)과 제2 전극(50)의 격자 상수 차이를 완화시켜 두 층(30, 50)을 양호하게 접합시킨다. 버퍼층(40)은 카드뮴황화물(CdS), 아연황화물(ZnS), 및 인듐산화물(In2O3)중 어느 하나를 포함할 수 있다. 버퍼층(40)은 필요에 따라 생략 가능하다.
버퍼층(40) 위로 제2 전극(50)이 위치한다. 제2 전극(50)은 투명 전도성을 갖는 물질로 이루어질 수 있다, 가령, 광 투과도가 우수한 BZO(boron doped zinc oxide), 아연산화물(ZnO), 인듐산화물(In2O3),인듐주석산화물(ITO) 등을 포함하는 금속 산화물로 형성될 수 있다. 이러한 제2 전극(50)은 높은 전기 전도도와 높은 광 투과도를 가진다. 제2 전극(50)은 별도의 텍스쳐링(texturing) 공정에 의해 거친 표면 요철을 형성할 수 있다. 다른 한편으로, 제2 전극(50) 위에 반사 방지막(도시하지 않음)이 더 형성될 수도 있다. 제2 전극(50)의 표면 요철과 반사 방지막 형성은 외광 반사를 줄여 광 흡수층(30)을 향한 태양 빛의 투과 효율을 높이는 기능을 한다.
이와 같이 형성되는 제1 전극(20), 광 흡수층(30), 버퍼층(40) 및 제2 전극(50)은 기판(10) 상에서 복수의 단위 셀들로 구분되고, 상호 전기적으로 연결되어 태양 전지의 모듈을 구성할 수 있다.
이하에는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법에 대해 설명하도록 한다.
먼저 기판(10)의 일면에 제1 전극(20)이 스퍼터링 등의 방법에 의해 소정의 두께로 형성되고 이어 복수개로 분할된다. 즉, 제1 전극(20)은 도시하지 않은 제1 레이저(Laser 1)와 같은 분리 수단에 의해 소정 개소에서 제1 패터닝되어 복수개로 나뉘어진다. 이에 따라, 제1 전극(20)과 제1 전극(20) 사이에는 제1 분리 영역(P1)이 형성된다(도 2 참조).
이어서 제1 전극(20) 위로 광 흡수층(30)과 더불어 버퍼층(40)이 각기 소정의 두께를 유지하여 형성된다. 광 흡수층(30)은 제1 전극(20)의 상부뿐만 아니라 제1 전극(20)과 제1 전극(20) 사이인 제1 분리 영역(P1) 부위에도 채워진다(도 3 참조).
이어서 광 흡수층(30)과 버퍼층(40)에 대한 제2 패터닝이 실시된다. 제2 패터닝은 레이저(Laser 2)에 의한 스크라이빙 방식이나 기계적인 스크라이빙 방식이 선택적으로 이용될 수 있다. 이에 따라, 광 흡수층(30)과 버퍼층(40)은, 도 4에 도시한 바와 같이, 소정 개소에서 형성된 제2 분리 영역(P2)에 의해 복수개로 분리될 수 있다.
이어서 버퍼층(40) 위로는 제2 전극(50)이 소정의 두께를 가지고 형성된다. 제2 전극(50)은 버퍼층(40)의 상면뿐만 아니라 광 흡수층(30)/버퍼층(40)과 광 흡수층(30)/버퍼층(40) 사이인 제2 분리 영역(P2) 부위에도 채워진다(도 5 참조).
이어서 광 흡수층(30), 버퍼층(40) 및 제2 전극(50)에 대한 제3 패터닝이 실시된다. 본 실시예에 있어 이 제3 패터닝은, 다단계의 공정을 거쳐 형성되는데, 제1 단계에서는 우선 제2 전극(50)에 대한 패터닝이 실시되고, 제2 단계를 통해 버퍼층(40)과 흡수층(30)에 대한 패터닝이 실시된다.
제1 단계는 도 5에 도시한 바와 같이, 레이저(Laser 3)에 의한 열 에너지로 제2 분리 영역(P2)을 이웃하여 제2 전극(50)을 스크라이빙하는 것으로 이루어진다. 실질적으로 레이저(Laser 3)에 의한 제2 전극(50)의 스크라이빙은, 기판(10)의 일 방향을 따라 이동되어(또는 기판이 이동되면서)라인 패턴으로 제2 전극(50)을 제거함으로써 이루어진다. 이로 인해 제2 전극(50)에는 라인 패턴을 지닌 제1 홈(50a)이 형성되며, 이 제1 홈(50a)의 폭(W1)은 30㎛ 내지 70㎛ 을 유지되는 것이 바람직하다(도 6 참조). 레이저(Laser 3)에 의한 제2 전극(50)의 제거는, 기계 에너지에 비해, 제2 전극(50)의 재질 특성으로 인해 제2 전극(50)이 손상되는 것을 최소화하는데 유리하다. 구체적으로 사용되는 레이저(Laser 3)는, 266nm 내지 1064nm의 파장 및 0.001 ns 내지 100 ns의 펄스 폭을 갖는 레이저가 사용될 수 있다.
본 실시예에서는, 제1 단계를 광 흡수층(30) 상에 제2 전극(40)을 전부 제거하여 제1 홈(50a)을 형성하는 것으로 하나, 이는 제2 전극(40)을 전부 제거하지 않고 적정의 깊이만큼 제거하여 제2 전극(40)의 두께를 얇게 하여 제1 홈(50a)을 형성하는 것으로도 가능하다.
다음으로 실시되는 제2 단계는, 도 7에 도시한 바와 같이, 제2 전극(50)에 형성된 홈(50a)을 따라, 니들(N, needle)에 의한 기계 에너지로 버퍼층(40)과 흡수층(30)을 제거하는 것으로 진행된다. 여기서, 버퍼층(40)과 흡수층(30)을 제거할 수 있는 기계 에너지는 예시한 니들(N)만이 반드시 적용될 수 있는 것은 아니다.
니들(N) 역시, 기판(10)의 일 방향을 따라 이동되면서(또는 기판이 이동되면서), 제1 홈(50a)보다 작은 폭(W2)을 갖는 제2 홈(40a, 30a)을 각기 버퍼층(40)과 흡수층(30)에 형성하게 된다. 이때, 니들(N)은 레이저(Laser 3)와 동일 선상으로 이웃 배치되어, 제2 단계를 수행할 수 있도록 설비화되는 것이, 제1 홈(50a)과 제2 홈(40a, 30a)의 얼라인 정확성을 높이는데 유리하다. 본 실시예에서 제2 단계는 제1 홈(50a)과 연통되는 제2 홈(40a, 30a)이 버퍼층(40)은 물론 광 흡수층(30)이 전부 제거되어 형성되는 것으로 이루어지나, 이는 반드시 이로 한정되는 것은 아니고, 광 흡수층(30)의 제거시, 이의 일부분만을 제거하는 것으로도 이루어질 수 있다.
이러한 제3 패터닝에 의해, 제2 분리 영역(P2)에 이웃하여 제1,2 홈(50a, 40a, 30a)에 의한 제3 분리 영역(P3)이 형성되며, 이로 인해 기판(10) 상에는 복수의 단위 셀들이 직렬 상태로 전기적으로 접속된 구조가 마련될 수 있다(도 8 참조).
제3 분리 영역(P3)은, 본 실시예에서, 제3 분리 영역(P3)은 기판(10)에 대해 수직한 단면을 기준하여 볼 때, 계단형 패턴을 갖는다. 이 때, 계단형 패턴은 좌우대칭으로 대향 배치된다.
제3 분리 영역(P3)이 위와 같이 계단형 패턴을 가지면 되면, 광 흡수층(30)에 홈(30a)을 형성할 때 사용되는 물리적인 힘을 제2 전극(50)에 미치지 않도록 함으로써, 제2 전극(50)이 원하지 않게 뜯겨져 나는 것을 최소화할 수 있다.
이에 따라, 제3 분리 영역(P3)은, 양호한 상태로 형성되는 것이 가능하며, 이처럼 제3 분리 영역(P3)이 그 패턴 주위 영역에 영향을 주지 않게 되면, 다른 분리 영역(P1,P2)과의 근접 배치할 수 있고 이는 하나의 단위 셀 상에서, 분리 영역들이 차지하는 면적을 최소화, 다시 말해, 광 변환 부위를 최대화하여 단위 면적 당, 광 변화 효율을 극대화시킬 수 있는 결과를 낳을 수 있다.
본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
10: 기판, 20: 제1 전극, 30: 광 흡수층, 40: 버퍼층
50: 제2 전극 P1,P2,P3: 분리 영역
50: 제2 전극 P1,P2,P3: 분리 영역
Claims (16)
- 기판; 및
상기 기판 위에 제공되어 전기적으로 연결되는 복수의 단위 셀들
을 포함하고,
상기 단위 셀은 제1 전극, 광 흡수층 및 제2 전극이 순차적으로 적층되어 이루어지고, 인접하는 상기 단위 셀들 간의 상기 광 흡수층 및 상기 제2 전극의 분리 영역은, 상기 기판에 대해 수직한 방향의 단면을 계단형 패턴으로 이루고, 상기 계단형 패턴이 대향 배치된, 태양 전지. - 제1항에 있어서,
상기 분리 영역이 홈 구조로 형성된, 태양 전지. - 제2항에 있어서,
상기 광 흡수층의 홈 폭이 상기 제2 전극의 홈 폭보다 작은, 태양 전지. - 제3항에 있어서,
상기 제2 전극의 홈 폭이 30㎛ 내지 70㎛ 인, 태양 전지. - 제1항에 있어서,
상기 계단형 패턴이 좌우대칭으로 형성된, 태양 전지. - 제1항에 있어서,
상기 제2 전극은 투명 전도성을 갖는, 태양 전지. - 제6항에 있어서,
상기 제2 전극은, BZO, ZnO, In2O3,또는 ITO를 포함하는, 태양 전지 - 제1 항에 있어서,
상기 광 흡수층과 상기 제2 전극 사이에 배치되는 버퍼층에 더욱 포함하고, 상기 분리 영역이 상기 버퍼층에 형성된, 태양 전지. - 기판; 및
상기 기판 위에 제공되어 전기적으로 연결되는 복수의 단위 셀들
을 포함하고,
상기 단위 셀은 제1 전극, 광 흡수층 및 제2 전극이 순차적으로 적층되어 이루어지고, 인접하는 상기 단위 셀들 간의 상기 광 흡수층 및 상기 제2 전극의 분리 영역을 포함한 태양 전지의 제조 방법으로서,
상기 분리 영역을 열 에너지에 의한 제1 단계와 기계 에너지에 의한 제2 단계를 통해 형성하는, 태양 전지의 제조 방법. - 제9항에 있어서,
상기 열 에너지는 레이저에 의해 제공되는, 태양 전지의 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 레이저는, 266nm 내지 1064nm의 파장 및 0.001 ns 내지 100 ns의 펄스 폭을 갖는, 태양 전지의 제조 방법. - 제9항에 있어서,
상기 기계 에너지는, 니들(needle)에 의해 제공되는, 태양 전지의 제조 방법. - 제9항에 있어서,
상기 제1 단계는, 상기 광 흡수층 상에서 상기 제2 전극을 전부 제거하거나 일부를 제거하여 상기 제2 전극의 두께를 얇게 하는 것으로 이루어지는, 태양 전지의 제조 방법. - 제9항에 있어서,
상기 2 단계는, 상기 기판 상에서 상기 광 흡수층을 전부 제거하거나 일부를 제거하는 것으로 이루어지는, 태양 전지의 제조 방법. - 제9항에 있어서,
상기 분리 영역은, 상기 기판에 대해 수직한 방향의 단면을 계단형 패턴으로 이루고, 상기 계단형 패턴이 대향 배치된, 태양 전지의 제조 방법. - 제8항에 있어서,
상기 광 흡수층과 상기 제2 전극 사이에 배치되는 버퍼층에 더욱 포함하고, 상기 분리 영역이 상기 버퍼층에 형성된, 태양 전지의 제조 방법.
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