KR20150057853A - 태양 전지 - Google Patents

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KR20150057853A
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electrodes
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김동진
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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지는 기판, 기판 위에 형성되어 있으며 서로 분리되어 있는 복수의 제1 전극, 제1 전극 위에 형성되어 있으며 이웃하는 제1 전극을 노출하는 관통홈을 가지는 광활성층, 광활성층 위에 각각 형성되어 있으며 상기 관통홈을 통해서 상기 이웃하는 제1 전극과 전기적으로 연결되어 있는 제2 전극을 포함하고, 제1 전극 중 적어도 두 개의 제1 전극은 서로 다른 면적을 가진다.

Description

태양 전지{SOLAR CELL}
본 발명은 태양 전지에 관한 것으로, 특히 CIGS계 반도체를 포함하는 태양 전지에 관한 것이다.
태양 전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환 소자로서, 무한정 무공해의 차세대 에너지 자원으로 각광받고 있다.
태양 전지는 p형 반도체 및 n형 반도체를 포함하며, 광 활성층에서 태양 광 에너지를 흡수하면 반도체 내부에서 전자-정공 쌍(electron-hole pair, EHP)이 생성되고, 여기서 생성된 전자 및 정공이 n형 반도체 및 p형 반도체로 각각 이동하고 이들이 전극에 수집됨으로써 외부에서 전기 에너지로 이용할 수 있다.
광 활성층으로 I-III-VI족 원소를 포함하는 화합물 반도체를 사용할 수 있다. 화합물 반도체는 광 흡수계수가 높고 전기 광학적 안정성이 높아 고효율의 태양 전지를 구현할 수 있다.
이러한 태양 전지는 기판 위에 전기적으로 연결되는 동일한 크기의 단위 셀로 이루어진다. 이때, 단위 셀은 기판 전면에 박막으로 형성한 후 스크라이빙 공정을 통해서 분리될 수 있는데, 기판 위치에 따라서 박막의 특성이 다를 경우 각 단위 셀의 발전 전류가 달라진다.
단위 셀의 전류가 달라지면 각 단위 셀의 전류와 상관없이 모든 단위 셀의 전류는 최소 전류로 발전된다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 박막 특성에 상관없이 동일한 전류를 생산하는 단위 셀을 가지는 태양 전지를 제공하는 것이다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지는 기판, 기판 위에 형성되어 있으며 서로 분리되어 있는 복수의 제1 전극, 제1 전극 위에 형성되어 있으며 이웃하는 제1 전극을 노출하는 관통홈을 가지는 광활성층, 광활성층 위에 각각 형성되어 있으며 상기 관통홈을 통해서 상기 이웃하는 제1 전극과 전기적으로 연결되어 있는 제2 전극을 포함하고, 제1 전극 중 적어도 두 개의 제1 전극은 서로 다른 면적을 가진다.
상기 서로 다른 면적을 가지는 제1 전극의 면적은 3% 이내로 다를 수 있다.
상기 제1 전극은 상기 관통홈과 교차하는 방향으로 위치하는 한 쌍의 짧은 변을 가지는 직사각형이고, 서로 다른 면적을 가지는 상기 제1 전극의 짧은 변의 길이는 서로 다를 수 있다.
상기 제1 전극의 짧은 변의 길이는 3.5mm 내지 6mm일 수 있다.
상기 제1 전극 위에 형성되어 있는 상기 제2 전극의 두께가 서로 다를 수 있다.
상기 서로 다른 면적을 가지는 상기 제1 전극 중 상대적으로 면적이 넓은 제1 전극의 제2 전극의 두께가 상대적으로 면적이 작은 제1 전극의 제2 전극의 두께보다 얇을 수 있다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지는 기판, 기판 위에 형성되어 있으며 서로 분리되어 있는 복수의 제1 전극, 제1 전극 위에 형성되어 있으며 이웃하는 제1 전극을 노출하는 관통홈을 가지는 광활성층, 광활성층 위에 각각 형성되어 있으며 상기 관통홈을 통해서 상기 이웃하는 제1 전극과 전기적으로 각각 연결되어 있는 제2 전극을 포함하고, 제2 전극 중 적어도 두 개의 제2 전극은 서로 다른 두께를 가질 수 있다.
상기 서로 다른 두께를 가지는 제2 전극의 두께는 3% 이내로 다른 다를 수 있고, 제2 전극의 두께는 0.9um 내지 1.25um일 수 있다.
상기 제1 전극은 불투명한 금속으로 이루어지고, 제2 전극은 투명한 도전 물질로 이루어질 수 있다.
상기 광활성층은 CIGS계 물질로 이루어질 수 있다.
상기한 과제를 달성하기 위한 다른 실시예에 따른 태양 전지는 기판, 기판 위에 형성되어 있으며 전기적으로 연결되어 있는 복수의 태양 전지 셀을 포함하고, 태양 전지 셀 중 적어도 두 개의 태양 전지 셀의 제1 전극은 서로 다른 면적을 가지고, 태양 전지 셀의 단락 전류는 동일할 수 있다.
상기 제1 전극은 직사각형이고, 제1 전극의 변 중 상대적으로 길이가 짧은 한 쌍의 변의 길이는 3.5mm 내지 6mm일 수 있다.
상기한 과제를 달성하기 위한 다른 태양 전지는 기판, 기판 위에 형성되어 있으며 전기적으로 연결되어 있는 복수의 태양 전지 셀을 포함하고, 태양 전지 셀 중 적어도 두 개의 태양 전지 셀의 제2전극은 서로 다른 두께를 가지고, 태양 전지 셀의 단락 전류는 동일할 수 있다.
상기 제2 전극의 두께는 0.9um 내지 1.25um일 수 있다.
본 발명의 실시예에서와 같이 태양 전지를 형성하면 박막 특성에 상관없이 단위 셀의 전류를 균일하게 하여 태양 전지의 효율을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양전지의 개략적인 평면도이다.
도 2는 도 1의 II-II선을 잘라 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 개략적인 평면도이다.
도 4는 종래 기술에 따른 태양 전지의 개략적인 평면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이하에서는 도면을 참조하여 태양 전지에 대해서 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양전지의 개략적인 평면도이고, 도 2는 도 1의 II-II선을 잘라 도시한 단면도이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지의 개략적인 평면도이고, 도 4는 종래 기술에 따른 태양 전지의 개략적인 평면도이다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양전지는 기판(100) 위에 형성되어 있는 복수의 태양전지 셀(C1, C2 내지 Cn)을 포함한다.
각 셀은 제1 전극(120), 제1 전극(120) 위에 형성되어 있는 광활성층(140), 광활성층(140) 위에 형성되어 있는 버퍼층(160), 버퍼층(160) 위에 형성되어 있는 제2 전극(180)을 포함하고, 이웃하는 셀은 전기적으로 연결되어 있다.
제1 전극(120)은 일정한 간극(P1)을 두고 배열되어 있다. 이때, 간극(P1)은 20㎛ 내지 100㎛일 수 있다.
제1 전극(120)은 간극(P1)과 나란한 변이 길게 형성된 직사각형일 수 있으며, 복수의 전극 중 적어도 두 개의 제1 전극(120)의 면적은 서로 다를 수 있다. 이때, 제1 전극(120)의 변 중 간극(P1)과 나란한 변의 길이가 같다면, 간극(P1)과 교차하는 방향의 짧은 변의 길이(이하, 제1 전극의 폭이라 함)(D1, D2)가 서로 다를 수 있다.
제1 전극의 폭은 3.5mm 내지 6mm일 수 있다.
도 1에서는 제1 셀(C1)의 제1 전극 폭(D1)과 제2 셀(C2)의 제1 전극 폭(D2)이 다른 것을 도시하였으나, 제1 셀(C1)과 제3 셀(C3), 제2 셀(C2)과 제n셀(Cn)과 같이 떨어져 위치하는 셀 사이의 제1 전극 폭이 다를 수 있다.
또한, 도 3에서와 같이 제1 전극의 폭(D1, D2, D3)이 다른 셀이 3개 이상 일 수 있으며, 이러한 셀은 연속해서 위치하거나 랜덤하게 위치할 수도 있다.
이처럼, 제1 전극의 폭을 다르게 형성하면 각각의 태양 전지 셀로부터 형성되는 전류의 편차를 감소시킬 수 있다.
즉, 동일한 면적으로 형성할 때, 제1 셀(C1)의 전류량이 제2 셀(C2)의 전류량보다 많으면 제1 셀(C1)의 제1 전극의 폭(D1)을 줄이거나, 제2 셀(C2)의 제1 전극의 폭(D2)을 늘려 제1 전류량과 제2 전류량이 동일하도록 형성한다.
각 셀의 전류량은 광활성층의 형성 공정시 온도 및 증착 조건에 따라서 달라지나 동일한 공정을 각 기판에 반복하여 진행하므로, 복수의 기판에 반복하여 태양 전지 셀을 형성하는 공정을 진행하면, 기판 위에서 위치에 따른 셀의 전류량은 일정한 경향을 나타낼 수 있다. 따라서 먼저 형성한 셀의 전류량을 참고로 하여 후속 기판에 형성되는 셀의 제1 전극의 폭을 다르게 형성한다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 기판(100)은 절연성을 가지며 투명한 물질로, 예를 들어 소다 라임 유리(soda-lime glass)로 이루어질 수 있다.
제1 전극(120)은 내열 특성 및 광활성층(140)을 이루는 물질과의 우수한 전기 접촉 특성, 우수한 전기 전도도 및 기판(100)과의 계면 접합성이 우수한 금속으로, 예를 들어 몰리브덴(Mo) 일 수 있다.
제1 전극(120) 위에는 광활성층(140) 및 버퍼층(160)이 형성되어 있다. 광활성층(140)은 이웃하는 제1 전극(120) 사이의 간극(P1)을 채우도록 형성되어 있다.
광활성층(140)은 P 타입의 CIS계 반도체로서 셀레늄(Se) 또는 황(S)을 포함할 수 있다. 예를 들어, Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ계 반도체 화합물로서 Cu(In1 -x,Gax)(Se1 -x,Sx)일 수 있으며, 0≤x≤1의 조성을 가지는 화합물 반도체일 수 있다. 광 활성층(140)은 화합물 반도체의 조성이 실질적으로 균일한 단일 상(single phase)일 수 있다. 예를 들어 CuInSe2, CuInS2, Cu(In,Ga)Se2, (Ag,Cu)(In,Ga)Se2, (Ag,Cu)(In,Ga)(Se,S)2, Cu(In,Ga)(Se,S)2, Cu(In,Ga)S2 일 수 있다. 그리고 광활성층(140)은 기판(100)으로부터 확산된 나트륨(Na)을 포함할 수 있다.
버퍼층(160)은 광활성층(140)과 제2 전극(180) 사이의 에너지 갭 차이를 완화시켜 준다. 버퍼층(160)은 광투과율이 높은 n 타입의 반도체 물질로, 예를 들어 CdS, ZnS, InS로 형성될 수 있다.
버퍼층(160) 및 광활성층(140)은 제1 전극(120)을 노출하는 관통홈(P2)을 포함한다. 이때, 관통홈(P2)은 이웃하는 태양전지 셀의 제1 전극(120)을 노출한다. 관통홈(P2)은 선형으로 간극(P1)과 나란하게 형성된다.
버퍼층(160) 위에는 제1 전극(120)을 노출하는 분리홈(P3)에 의해서 분리된 복수의 제2 전극(180)이 형성되어 있다. 이때, 분리홈(P3)은 이웃하는 태양 전지 셀의 제1 전극(120)을 노출하고, 분리홈(P3)의 폭(D3)은 20㎛ 내지 100㎛일 수 있다.
제2 전극(180)은 태양 전지 셀의 전류량에 따라서 다른 두께로 형성될 수 있다. 즉, 상대적으로 전류량이 적은 태양 전지 셀의 제2 전극(180)은 투과량이 증가하도록 제2 전극(180)의 두께를 얇게 형성하고, 상대적으로 전류량이 많은 태양 전지 셀의 제2 전극(180)은 투과량이 줄어들도록 제2 전극(180)의 두께를 두껍게 형성한다.
이때, 서로 다른 폭을 가지는 제1 전극 중, 상대적으로 큰 폭의 제1 전극(120)을 가지는 태양 전지 셀의 제2 전극(180)의 두께는 상대적으로 작은 폭의 제1 전극(120)을 가지는 셀의 제2 전극(180)의 두께보다 얇다.
제2 전극(180)의 두께는 0.9㎛ 내지 1.25㎛일 수 있다.
한편, 각 셀에서 제1 전극(120)의 폭 및 제2 전극(180)의 두께의 변화율은 수학식 1로부터 구할 수 있다.
[수학식 1]
Y=(1+X1)*(1+A*X2)
(Y는 단락 전류(Jsc)의 상대적인 비율, X1는 서로 다른 제1 전극 폭의 변화율, X2는 서로 다른 제2 전극 두께의 변화율, -0.12<A<-0.06)
이에 대해서는 도 4를 예로 들어 설명한다.
도 4의 태양 전지는 동일한 폭을 가지는 제1 셀(C1), 제2 셀(C2), 제3 셀(C3)을 포함하고, 제1 셀(C1) 내지 제3 셀(C3)의 전류량은 각각 1, 2, 3으로 모두 다르게 생산된다.
이때, 모든 셀의 전류량을 제2 셀과 동일하게 하는 것을 예로 들어 설명한다.
제2 셀을 기준으로 하면, 제2 셀에 대한 제1 셀의 Y는 0.5가 된다. 제2 전극의 두께는 변화시키지 않으면서 제1 전극의 폭만을 조절할 경우 수학식 1로부터 제1 셀의 X1은 0.5가 됨을 알 수 있다. 전류량은 제1 전극 폭에 비례하므로, 제1 셀(C1)의 제1 전극의 폭(D1)은 제2 셀(C2)의 제1 전극의 폭(D1)에 대해서 0.5의 비율로 증가시킨다. 즉, 동일한 면적에서 제1 셀은 제2 셀보다 전류량이 적으므로, 제1 전극의 폭을 증가시켜 전류량을 증가시켜 제2 셀과 같은 전류량이 되도록 한다.
그리고 제2 셀을 기준으로 제3 셀의 Y는 1.5가 되므로, 수학식 1로부터 제1 셀의 X1은 0.5가 됨을 알 수 있다. 전류량은 제1 전극 폭에 비례하므로, 제3셀(C1)의 제1 전극의 폭(D1)은 제2 셀(C2)의 제1 전극의 폭(D1)에 대해서 0.5의 비율로 줄인다. 즉, 동일한 면적에서 제3 셀은 제2 셀보다 전류량이 많으므로, 제1 전극의 폭을 줄여 전류량을 줄임으로써 제2 셀과 같은 전류량이 되도록 한다.
또한, 제1 전극의 폭은 변화시키지 않으면서 제2 전극의 두께만을 조절할 경우 수학식 1로부터 X를 구하면, X2는 0.5/A가 된다. A는 제2 전극의 투과도 및 전도도에 따른 상수이므로, -0.12<A<-0.06의 범위 내에서 선택할 수 있으며, -0.12보다 작거나, -0.06보다 클 경우 제2 전극의 투과도 및 전도도가 나빠 전류 손실이 발생한다.
전류량은 제2 전극 두께에 반비례하므로, 전류량이 상대적으로 적은 제1 셀의 제2 전극의 두께는 0.5/A의 비율로 감소시켜 전류량을 증가시키고, 전류량이 상대적으로 많은 제3 셀의 제2 전극의 두께는 0.5/A의 비율로 감소시켜 전류량을 줄여 제1 내지 제3 셀의 전류량을 동일하게 할 수 있다.
이상은 제2 셀의 전류량을 기준으로 설명하였으나, 필요에 따라서 제1 셀 및 제3 셀의 전류량을 기준으로 할 수도 있다.
본 발명에서와 같이 각 셀의 전류량에 따라 제1 전극의 폭과 제2 전극의 두께를 변화시키면 모든 태양 전지 셀의 각 셀에서 생산되는 전류량을 균일하게 할 수 있다.
제2 전극(180)은 광투과율이 높고 전기 전도성이 우수한 물질로, 예를 들어 ITO, IZO, ZnO로 단층 또는 복수층으로 형성될 수 있으며 광투과율이 약 80%이상일 수 있다. 이때, ZnO층은 알루미늄(Al) 또는 붕소(B) 등이 도핑되어 낮은 저항값을 가질 수 있다.
제2 전극(180)을 복수층으로 형성할 때는 ZnO 층 위에 전기 광학적 특성이 뛰어난 ITO 층이 적층되거나, 도핑되지 않은 i형 ZnO층 위에 낮은 저항을 가진 n형의 ZnO층이 적층되어 형성될 수 있다.
제2 전극(180)은 n형 반도체로서 p형 반도체인 광활성층(140)과 pn접합을 형성한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
100: 기판 120: 제1 전극
140: 광 활성층 160: 버퍼층
180: 제2 전극

Claims (15)

  1. 기판,
    상기 기판 위에 형성되어 있으며 서로 분리되어 있는 복수의 제1 전극,
    상기 제1 전극 위에 형성되어 있으며 이웃하는 제1 전극을 노출하는 관통홈을 가지는 광활성층,
    상기 광활성층 위에 각각 형성되어 있으며 상기 관통홈을 통해서 상기 이웃하는 제1 전극과 전기적으로 연결되어 있는 제2 전극
    을 포함하고,
    상기 제1 전극 중 적어도 두 개의 제1 전극은 서로 다른 면적을 가지는 태양 전지.
  2. 제1항에서,
    상기 서로 다른 면적을 가지는 제1 전극의 면적은 3% 이내로 다른 태양 전지.
  3. 제2항에서,
    상기 제1 전극은 상기 관통홈과 교차하는 방향으로 위치하는 한 쌍의 짧은 변을 가지는 직사각형이고,
    상기 서로 다른 면적을 가지는 상기 제1 전극의 짧은 변의 길이는 서로 다른 태양 전지.
  4. 제3항에서,
    상기 제1 전극의 짧은 변의 길이는 3.5mm 내지 6mm인 태양 전지.
  5. 제1항에서,
    상기 제1 전극 위에 형성되어 있는 상기 제2 전극의 두께가 서로 다른 태양 전지.
  6. 제5항에서,
    상기 서로 다른 면적을 가지는 상기 제1 전극 중 상대적으로 면적이 넓은 제1 전극의 제2 전극의 두께가 상대적으로 면적이 작은 제1 전극의 제2 전극의 두께보다 얇은 태양 전지.
  7. 기판,
    상기 기판 위에 형성되어 있으며 서로 분리되어 있는 복수의 제1 전극,
    상기 제1 전극 위에 형성되어 있으며 이웃하는 제1 전극을 노출하는 관통홈을 가지는 광활성층,
    상기 광활성층 위에 각각 형성되어 있으며 상기 관통홈을 통해서 상기 이웃하는 제1 전극과 전기적으로 각각 연결되어 있는 제2 전극
    을 포함하고,
    상기 제2 전극 중 적어도 두 개의 제2 전극은 서로 다른 두께를 가지는 태양 전지.
  8. 제7항에서,
    상기 서로 다른 두께를 가지는 제2 전극의 두께는 3% 이내로 다른 다른 태양 전지.
  9. 제7항에서,
    상기 제2 전극의 두께는 0.9um 내지 1.25um인 태양 전지.
  10. 제1항에서,
    상기 제1 전극은 불투명한 금속으로 이루어지고,
    상기 제2 전극은 투명한 도전 물질로 이루어지는 태양 전지.
  11. 제10항에서,
    상기 광활성층은 CIGS계 물질로 이루어지는 태양 전지.
  12. 기판,
    상기 기판 위에 형성되어 있으며 전기적으로 연결되어 있는 복수의 태양 전지 셀
    을 포함하고,
    상기 태양 전지 셀 중 적어도 두 개의 태양 전지 셀의 제1 전극은 서로 다른 면적을 가지고,
    상기 태양 전지 셀의 단락 전류는 동일한 태양 전지.
  13. 제12항에서,
    상기 제1 전극은 직사각형이고,
    상기 제1 전극의 변 중 상대적으로 길이가 짧은 한 쌍의 변의 길이는 3.5mm 내지 6mm인 태양 전지.
  14. 기판,
    상기 기판 위에 형성되어 있으며 전기적으로 연결되어 있는 복수의 태양 전지 셀
    을 포함하고,
    상기 태양 전지 셀 중 적어도 두 개의 태양 전지 셀의 제2전극은 서로 다른 두께를 가지고,
    상기 태양 전지 셀의 단락 전류는 동일한 태양 전지.
  15. 제14항에서,
    상기 제2 전극의 두께는 0.9um 내지 1.25um인 태양 전지.
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