KR20150067993A - 태양전지의 버퍼층 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 박막형 태양전지를 제조하는 방법으로서, (a) 기판에 배면 전극을 형성하고 상기 배면 전극의 표면을 제 1 스크라이빙(scribing) 하는 과정; (b) 상기 배면 전극에 광 흡수층을 형성하는 과정; (c) 상기 광 흡수층의 표면에 버퍼층과 메탈 산화막층을 동일한 환경에서 형성하는 과정; (d) 상기 메탈 산화막층의 표면을 제 2 스크라이빙 하는 과정; 및 (e) 상기 메탈 산화막층의 위에 투명 전도막을 형성하고 제 3 스크라이빙 하는 과정;를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 태양전지의 제조방법 및 상기 방법으로 제조된 태양전지 모듈에 관한 것이다.
최근 몇 년 동안 태양전지의 생산량은 급격히 증가하고 있으며, 모듈 기준으로 태양전지 생산량은 매년 45%이상의 성장률을 보이고 있다. 이러한, 태양전지가 중요한 에너지 공급 기술로 인정받기 위해서는 현재보다 수십 배 이상의 지속적인 생산량 증대가 요구된다.
그러나, 태양전지는 기존의 발전기술과 비교하여 생산 단가가 너무 높은 단점을 지니고 있어 태양전지가 경제성 있게 운용되기 위해서는 생산 단가를 크게 낮출 필요가 있다.
이에, 태양전지를 더욱 경제적으로 산업에 이용 가능하도록, 박막 태양전지의 구조물로 저비용의 CIGS(구리-인듐-갈륨-설포-다이-셀레나이드, Cu(In, Ga)(S, Se)2)와 같은 광흡수 물질을 이용한 제품이 개발되어 왔고, 상기 CIGS층이 기재된 태양전지는 19%를 초과하는 전력 변환 효율을 갖는 바, 제조 비용 대비, 우수한 전력 효율을 나타내는 태양전지로 주목 받고 있다.
CIGS계의 태양전지는 전형적으로 광 흡수층으로 사용되는 p-형 반도체인 Cu(In, Ga)(S, Se)2박막과 투명 전극으로 사용되는 n-형 반도체인 ZnO박막이 p-n접합을 형성한다. 그러나 두 물질은 격자상수와 에너지 밴드 갭의 차이가 크기 때문에 양호한 접합을 형성하기 위해서는 밴드 갭 및 격자상수가 두 물질의 중간에 위치하는 버퍼층이 필요하다.
이러한 버퍼층은 일반적으로, 비진공 방식의 CBD(Chemical Bath Deposition) 공법 또는 고진공 환경에서 스퍼터링 방법을 통해 광 흡수층 표면에 증착 시키는 방법으로 제조된다. 반면, 버퍼층의 표면에 형성되는 제 1 투명 전극과 제 2 투명전극은 버퍼층과는 달리, 고진공 환경하에 ZnO를 증착시키는 방식으로 제조된다.
그러나, 전술한 버퍼층 및 제 1 및 제 2 투명 전극의 제조 방법은 버퍼층을 비진공 또는 고진공 하에 제조한 후, 비진공의 스크라이빙(Scribing) 공정을 수행하고, 그 후, 또 다시 고진공 환경을 조성해야 하므로, 공정의 효율성이 낮은 단점이 있으며, 태양전지를 대량으로 생산하기 위해 서로 다른 진공 환경을 조성할 수 있는 고가의 장비, 예를 들어 진공 펌프 또는 진공 챔버들을 대량으로 구비해야 하므로, 태양전지의 제조 단가가 크게 상승하게 된다. 더욱이, 비진공 환경에서 진공 환경의 조성을 위해, 서로 상이한 챔버를 이용하는 경우에는 공정이 더욱 복잡해질 수 있다.
따라서, 저비용의 CIGS가 적용된 박막 태양전지에 대한 잠재성에도 불구하고, 상기한 바와 같은 단가 상승의 요인 및 공정의 비효율성으로 박막 태양전지의 실용화가 어려운 바, 이를 해결할 수 있는 기술의 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 심도 있는 연구와 다양한 실험을 거듭한 끝에, 버퍼층과 투명 전극을 동일한 환경에서 형성하는 경우, 태양전지의 제조공정을 단순화 시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명에 따른 박막형 태양전지를 제조하는 방법은 (a) 기판에 배면 전극을 형성하고 상기 배면 전극의 표면을 제 1 스크라이빙(scribing) 하는 과정; (b) 상기 배면 전극에 광 흡수층을 형성하는 과정; (c) 상기 광 흡수층의 표면에 버퍼층과 메탈 산화막을 동일한 환경에서 형성하는 과정; (d) 광 흡수층으로부터 메탈 산화막의 표면을 제 2 스크라이빙 하는 과정; 및 (e) 상기 투명 전극 표면에 투명 전도막을 형성하고 제 3 스크라이빙 하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 제조방법은, 광 흡수층의 표면에 버퍼층과 메탈 산화막을 동일한 환경에서 함께 형성시킴으로써, 버퍼층과 메탈 산화막이 서로 상이한 환경에서 제조되어 태양전지의 전반적인 제조 단가가 상승하고 공정이 복잡해지는 문제점을 해소할 수 있다.
구체적으로, 상기 과정(c)에서 투명 전극과 버퍼층은 동일한 진공 환경과 이를 조성할 수 있는 동일한 챔버 내에서 형성될 수 있다. 상기 진공 환경은 저진공(low vacuum) 상태일 수 있으며, 상세하게는 공정 압력(process pressure)이 10-3 Torr 내지 5 Torr 범위 내의 저진공 상태일 수 있다.
진공범위가 5 Torr 이상일 경우, 반응 형식에 문제점이 있고, 10-3 Torr 이하일 경우, 상대적으로 고가의 고진공 장비를 이용해야 하므로 제조비용이 증가하게 된다.
일반적으로, 진공 환경을 형성하기 위해서는 진공 펌프를 사용하는데, 고진공의 환경을 조성하는 특수 진공 펌프의 단가가 저진공 환경을 조성하는 진공 펌프의 단가에 비해 매우 높으므로, 태양전지의 대량 생산을 위해서 고가의 고진공 장비의 사용을 최대한 감소시킬 필요성이 있다. 따라서, 본 발명과 같이 높은 단가가 요구되는 고진공 환경 대신 저진공 상태를 전반적으로 활용하면, 제조공정의 단순화 측면에서 대략 5 % 내지 30 %의 원가 절감이 가능한 효과가 있다.
한편, 상기 과정(c) 및 (e)의 버퍼층, 투명 전극 및 투명 전도막은 저진공 하에서, ALD(atomic layer deposition) 공정으로 형성될 수 있다.
상기 ALD 공정은 저온 및 저진공 공정이 가능할 뿐만 아니라, 용액 공정이 아닌 가스 공정이므로 반응물의 소모가 적고, 면적당 증착 시간이 일정하여 큰 시편을 코팅하기 위해 반응물 투입량을 상대적으로 효율적으로 사용할 수 있다. 특히, ALD 공정은 대면적에서 95 %에 수렴하는 균일한 코팅 층을 형성시킬 수 있으므로, 광 흡수층의 불 균일한 표면을 균일하게 씌울 수 있는 용이한 장점이 있다.
하나의 구체적인 예에서, 상기 과정(c)에서는 ALD 공정에 의해 버퍼층의 물질에서 메탈 산화막의 물질로 변환되는 성분 배합(compositional grading)의 공정 진행에 의해, 저진공 조건하에서 버퍼층 및 메탈 산화막을 모두 제작할 수 있다.
상기 성분 배합의 발생은, ALD 공정의 총 30 nm 내지 200 nm의 적층 구간 동안 버퍼층의 성분 배합에서 메탈 산화막의 성분 배합으로 완만한 에너지 변환층을 이루도록 하여 원자층의 계면 에너지를 줄여 전류의 흐름을 원활이 하는 효과를 기대할 수 있다.
일반적으로, 버퍼층을 완전히 형성한 후 투명 전극을 형성시키는 경우, 버퍼층과 메탈 산화막 사이에 에너지 준위에서의 단차를 형성하여 전류의 흐름을 줄이거나 방해하는 문제점이 있다. 그러나, 전술한 성분 배합으로 연속적인 에너지 준위를 형성하도록 제조하면, 이러한 문제점을 크게 억제할 수 있다.
한편, 상기 본 발명의 제조 방법에 포함된 태양전지의 구성들로서, 배면 전극, 광 흡수층, 버퍼층, 메탈 산화막 및 투명 전도막을 이루는 구체적인 성분들에 대해서는 하기에서 자세히 설명한다.
먼저, 상기 배면 전극은 니켈, 구리 및 몰리브덴(Mo)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있으며, 상세하게는 몰리브덴으로 이루어질 수 있다.
상기 광 흡수층은 CIGS(구리-인듐-갈륨-설포-다이-셀레나이드: Cu(In, Ga)(S, Se)2)일 수 있고, 상기 CIGS계 광 흡수층은 예를 들어, 진공 증착법, 스퍼터링 증착, 나노파티클 적층법 또는 전착법(electrodeposition) 등에 의해 제조될 수 있다.
예를 들어, CIGS계 광 흡수층은 Cu, In, Ga 성분을 동시에 증발시켜(co-evaporation) Cu:In:Ga 화합물 층을 미리 만들거나 각 성분을 차례로 진공증착 또는 스퍼터링법으로 여러 층으로 적층한 다음 셀레늄 혹은 H2Se와 같은 셀레늄 화합물의 증기를 불어 넣어 셀레늄을 Cu:In:Ga 화합물과 반응시킴으로써 Cu(In,Ga)Se2를 제조할 수 있다.
반면에, 진공 챔버 내에 설치된 작은 도가니에 각 원소(Cu, In, Ga, Se)를 넣고 이를 저항 가열하여 CIGS 박막을 기판에 증착시키는 방법으로 제조될 수도 있다.
상기 버퍼층은 직접 천이형 반도체(CdS), ZnO, Zn(O, S) 및 ZnS로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있고, 상세하게는 Zn(O, S)일 수 있다.
상기 메탈 산화막은 i형 반도체로서 CIGS와 p-n접합을 형성에 포함되고, 상세하게는 intrinsic ZnO일 수 있다.
상기 투명 전극은 산화인듐(In2O3) 또는 Aluminum doped ZnO(n-ZnO)일 수 있고, 태양전지의 전면에 위치하므로, 광 투과율과 전기 전도성이 좋은 ZnO일 수 있으며, 상세하게는 n-type ZnO일 수 있다.
이와 같이 태양전지를 구성하는 구체적인 성분들의 예들을 개시하였으나, 상기의 물질들로 한정되지 않는 것은 물론이다.
한편, 하나의 구체적인 예에서, 상기 제 1 스크라이빙, 제 2 스크라이빙 및 제 3 스크라이빙은 저진공 또는 비진공 환경에서 수행될 수 있다.
상기 제 1 스크라이빙은 배면전극을 일정한 간격을 두고 서로 이격되도록 분할시키거나, 배면전극에 홈을 생성하는 공정일 수 있다. 이 때, 이격된 공간 또는 홈에 광 흡수층이 배치될 수 있다.
상기 제 2 스크라이빙은 차례로 층착된 광흡수층, 버퍼층 및 메탈 산화막 층을 복수개로 분할시키는 공정으로서, 제 2 스크라이빙으로 배면전극의 상면이 노출될 수 있다.
이 때, 제 2 스크라이빙이 이루어진 광흡수층, 버퍼층 및 투명 전극의 일부에 투명전도막이 증착될 수 있고, 이 투명 전도막에 의해 투명 전극과 배면 전극이 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제 3 스크라이빙은 배면전극을 제외한 광 흡수층, 버퍼층, 메탈산화막층 및 투명 전도막을 절단하여 전기적으로 투명 전극을 끊어주며, 이러한 패턴 공정은 태양전지가 태양광에 노출되는 표면적을 크게 감소시킬 수 있다.
이 때, 상기 패턴 공정은 예를 들어 물리적 스크래치, 레이저 빔, 이온빔 또는 플라즈마빔에 의한 것일 수 있으나 이러한 공정들로 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 또한, 상기 제조 방법으로 제조된 박막형 태양전지와 상기 박막형 태양전지를 포함하는 태양전지 모듈을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 박막형 태양전지의 제조방법은, 배면 전극의 표면에 버퍼층과 메탈 산화막층을 동일한 환경에서 함께 형성시키는 방법을 이용함으로써, 태양전지의 제조 단가를 크게 감소 시킬 수 있고, 전반적인 공정상의 단순화를 달성할 수 있으므로, 태양전지의 대량 생산이 용이한 장점을 가진다.
도 1은 본 발명에 따른 제조 방법의 흐름도이다;
도 2는 본 발명에 따른 태양전지의 모식도이다;
도 2는 본 발명에 따른 태양전지의 모식도이다;
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명에 따른 제조 방법을 간략하게 나타낸 흐름도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1에 따른 제조 방법으로 제조된 태양전지가 모식적으로 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하여, 태양전지(200)의 제조 과정 및 그 구조를 설명한다.
먼저, 과정(100)에서는 배면전극(201) 및 광 흡수층(202)을 제조한다. 구체적으로, 과정(100)은 몰리브덴을 이용하여 기재상에 배면전극(201)을 형성하고, 배면전극(201)의 표면에 제 1 스크라이빙을 한다. 그 후, 배면전극(201)의 타면에 광 흡수층(202)인 CIGS를 형성시켜 셀 적층체를 제조한다.
과정(101)은 ALD 공정이 가능한 저진공 챔버 내부에 과정(100)에서 제조된 셀 적층체를 장착한다.
과정(102) 내지 과정 (105)에서는 버퍼층(203)인 ZnS를 제조하기 위한 반응 가스들을 투입한다. 반응 가스는 아연의 원료가 되는 Diethyl-zinc(DEZ)과 H2S 및 H2O이며, 각각의 가스는 서로 섞이지 않도록, 하나씩 챔버 내부로 투입되고, 챔버 내부의 진공 범위는 10-3 Torr 내지 5 Torr 이며, 상기 진공 범위 사이에서 가스 주입과 퍼지 반응을 진행하고, 각 가스들은 사용후 불활성 기체로 퍼지되어 버퍼층(203) 과 메탈 산화막층(204)을 형성시킨다. 그 후, 소망하는 두께의 버퍼층(203) 또는 메탈 산화막층(204)을 형성시키기 위해, 과정(102) 내지 (103), 또는 과정 (104) 내지 (105)가 반복적으로 수행될 수 있다.
과정(106)에서는 차례로 층착된 광흡수층(202), 버퍼층(203) 및 메탈 산화막층(204)을 복수개로 분할시키는 제 2 스크라이빙을 수행하고, 과정(107)에서 광흡수층(202), 버퍼층(203) 및 메탈 산화막층(204)의 일부에 투명전도막을 형성시킨다.
그 후, 과정(108)에서는 비진공 또는 저진공 환경하에서 배면 전극(201)을 제외한 광 흡수층(202), 버퍼층(203), 메탈 산화막층(204) 및 투명 전도막(205)을 절단하는 제 3 스크라이빙을 수행하여 태양전지(200)를 제조한다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
Claims (7)
- 박막형 태양전지를 제조하는 방법으로서,
(a) 기판에 배면 전극을 형성하고 상기 배면 전극의 표면을 제 1 스크라이빙(scribing) 하는 과정;
(b) 상기 배면 전극에 광 흡수층을 형성하는 과정;
(c) 상기 광 흡수층의 표면에 버퍼층과 메탈 산화막층을 동일한 환경에서 형성하는 과정;
(d) 상기 메탈 산화막층의 표면을 제 2 스크라이빙 하는 과정; 및
(e) 상기 메탈 산화막층의 위에 투명 전도막을 형성하고 제 3 스크라이빙 하는 과정;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 과정(c)에서 버퍼층과 메탈 산화막층이 동일한 진공 환경 및 챔버 내에서 형성되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 진공 환경은 저진공(low vacuum) 상태인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 저진공은 10-3 Torr 내지 5 Torr 범위인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 버퍼층은 직접 천이형 반도체(CdS), ZnO, ZnOH 및 ZnS로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 과정(c) 및 (e)의 버퍼층, 메탈 산화막층은 ALD(atomic layer deposition) 공정으로 형성되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 과정(c)에서는 ALD 공정에 의해 버퍼층의 물질에서 투명 전극의 물질로 변환되는 성분 배합(compositional grading)이 발생하고, 변환되는 구간에서 버퍼층과 메탈 산화막층을 통합하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020130153669A KR20150067993A (ko) | 2013-12-11 | 2013-12-11 | 태양전지의 버퍼층 제조방법 |
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