KR20160050929A - 박막 태양전지의 제조 방법 및 모듈 구조 - Google Patents

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Abstract

박막 태양전지의 제조 방법은 투명 기판의 제1 면 상에 투명한 제1 후면전극을 증착하는 단계; 제1 후면전극 상에 고전도성 금속을 포함하는 제2 후면전극을 증착하는 단계; 제1 및 제2 후면전극의 이중층을 분리하기 위해 제1 레이저 스크라이빙을 수행하는 단계; 제2 후면전극 상에 셀레늄(Se) 또는 황(S)을 포함하는 광흡수층을 증착하는 단계; 광흡수층을 분리하기 위해 투명 기판의 제1 면과 마주보는 제2 면으로 레이저를 입사시켜 제2 레이저 스크라이빙을 수행하는 단계; 광흡수층 상에 투명전극을 증착하는 단계; 및 투명전극을 분리하기 위해 제2 면으로 레이저를 입사시켜 제3 레이저 스크라이빙을 수행하는 단계를 포함한다. 이에 따라, 기판입사 레이저 방식의 패터닝을 가능케 하여 패터닝 공정의 가격, 생산성, 정밀성을 향상시키므로, 태양전지의 경쟁력을 확보할 수 있다.

Description

박막 태양전지의 제조 방법 및 모듈 구조{METHOD AND MODULE STRUCTURE FOR MANUFACTURING THIN FILM SOLAR}
본 발명은 박막 태양전지의 제조 방법 및 모듈 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 박막 태양전지의 스크라이빙 공정에서 기판입사 레이저 방식을 적용하는 박막 태양전지의 제조 방법 및 모듈 구조에 관한 것이다.
Cu(In1 -x,Gax)(Se,S)2 (CIGS) 및 Cu2ZnSn(Se,S)4 (CZTS) 등 Se, S계 박막 태양전지는 유리기판 또는 금속기판 및 폴리머기판 위에 후면전극으로 몰리브데늄(Mo)을 증착한 후 CIGS 박막(또는, CZTS 박막)을 p-형 광흡수층으로 형성하고, n-형 윈도우 층으로서 CdS 박막(또는, ZnS, In2S3) 및 intrinsic ZnO(또는, ZnMgO), 투명전도산화물(TCO) 전극을 순차적으로 증착하여 구성된다. 기존의 실리콘 태양전지에 비해 박막화에 따른 생산원가의 저감이 가능하고, 20% 이상의 높은 광전변환효율 달성이 가능하여, 차세대 태양전지 시장의 유력한 후보로 평가받고 있다.
박막 태양전지의 모듈 제조 시 장점 중의 하나는 도 1에서 보여지는 바와 같은 구조로 단일집적화(monolithic integration)가 가능하다는 점이다. 박막 태양전지 모듈은 Mo 후면전극을 제1 패터닝(P1), CIGS/CdS/i-ZnO 증착 후 제2 패터닝(P2), TCO 증착 후 제3 패터닝(P3)을 통해 각 단위셀을 분리(isolation)하고, 인접셀을 제2 패터닝(P2) 영역의 TCO/Mo 연결을 통해 직렬 연결하는 방식으로 구성된다. 도 1은 전체 모듈의 구조의 부분으로서 3개의 셀이 직렬 연결된 구조를 나타내었는데, 단일집적된 태양광 모듈은 도 1의 구조가 직렬 연결 방식으로 반복되어 구성된다.
도 2는 종래의 CIGS 박막 태양전지 모듈 구조를 형성하기 위한 제조과정을 도식적으로 나타내었다. 먼저, 기판에 몰리브데늄(Mo) 후면전극을 증착한 후, 레이저 스크라이버(laser scriber)를 이용한 제1 패터닝(P1)을 통해 전기적으로 절연한다. 그 위에 광흡수층, CdS 버퍼층, i-ZnO 층을 증착한 후 기계가공기(mechanical scriber)를 이용한 제2 패터닝(P2)을 통해 후면전극 표면을 노출시킨다. 투명전극 층을 증착한 후 레이저 스크라이버를 이용한 제3 패터닝(P3)을 통해 인접셀을 전기적으로 절연시킨다. 이때, 제2 패터닝(P2) 영역에서 상부전극인 TCO 층과 후면전극인 Mo이 접촉함으로써 인접셀 간의 직렬연결이 완성된다.
제2 패터닝(P2) 및 제3 패터닝(P3) 시에 사용되는 기계가공의 경우에는, 장비 단가가 레이저 스크라이버에 비해 다소 싸다. 그러나, 이 점을 제외하면, 모듈제조 시 가공팁의 마모로 인해 스크라이빙 폭 및 품질의 변화가 생겨서 불량률의 증가와 같은 생산성 문제가 발생하고, 이러한 문제를 해결하기 위한 잦은 팁 교체는 제조공정 단가를 증가시키는 문제가 있다. 또한, 기계가공에 의한 패터닝은 선폭을 일정 이하로 감소시키기가 매우 어렵기 때문에, 광전류 수집이 불가능한 광발전 불능면적(dead area)을 증가시켜서 모듈의 발전량을 감소시킨다.
이를 해결하기 위해 제2 패터닝(P2) 및 제3 패터닝(P3)도 레이저 스크라이버를 적용할 수 있는 기술 개발이 필요하다. 제1 패터닝(P)에 비해 제2 패터닝(P2) 및 제3 패터닝(P3)의 경우에는 투명 윈도우층으로부터 레이저를 입사시키는데, 이때 Mo 후면전극의 손상을 줄이기 위해 레이저 가열에 의한 Mo 후면전극으로 열전달을 억제해야 한다. 이를 위해, 수십 피코초(ps) 펄스 레이저나 펨토초(fs) 펄스 레이저 같은 고가의 레이저를 적용해야 하는 문제가 발생한다.
또한, 레이저 가열에 의한 CIGS 박막 제거 시에 발생할 수 있는 Mo 표면의 반응생성물은 제2 패터닝(P2) 영역의 TCO/Mo 계면 저항을 증가시킴으로써, 모듈의 직렬저항을 증가시키는 문제를 일으킨다. 또한, 스크라이빙 공정 시 발생하는 잔해(debris) 등은 셀간 입환(shunting)을 일으키거나, 후속 박막 증착 시에 불균일한 특성을 유발하는 문제가 있다.
한편, 태양광모듈의 응용분야는 대규모 전기 생산을 목적으로 한 전통적인 태양광 발전소뿐만 아니라, 도심의 건물을 이용하는 건물 일체식 태양광모듈(BIPV), 자동차 및 버스와 같은 운송수단 적용 태양광모듈(VIPV), 휴대성이 필요한 전자기기(DIPV) 등으로 확장되고 있다. 이 중에서 건물 일체식 태양광모듈(BIPV)은 건물의 지붕, 벽면, 창문에 적용하는 방식으로 나뉘는데, 창문을 이용하는 창호형 태양광모듈은 채광을 위한 일정량의 광 투과가 필요하다.
비정질 박막 Si 태양전지는 레이저 스크라이빙으로 광흡수층을 제거함으로써 투광성을 확보하고, 결정질 Si 웨이퍼 태양전지는 셀이 적용되지 않는 틈새를 이용하여 투광성을 확보함으로써 시장 수요에 대응하고 있다. 이러한 투광형 태양광모듈은 실내 거주하는 사람들을 위한 채광의 다양한 기능(색상 변조 등)을 수행해야 하므로, 심미적인 부분을 고려할 수 있는 기능의 추가가 요구된다.
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 기판입사 레이저 방식의 패터닝을 가능하게 하여 스크라이빙 공정의 가격, 생산성, 정밀성을 향상시킬 수 있는 박막 태양전지의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 광전변환효율, 생산성 및 기능성이 향상된 박막 태양전지의 모듈 구조를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조 방법은, 투명 기판의 제1 면 상에 투명한 제1 후면전극을 증착하는 단계; 상기 제1 후면전극 상에 고전도성 금속을 포함하는 제2 후면전극을 증착하는 단계; 상기 제1 및 제2 후면전극의 이중층을 분리하기 위해 제1 레이저 스크라이빙을 수행하는 단계; 상기 제2 후면전극 상에 셀레늄(Se) 또는 황(S)을 포함하는 광흡수층을 증착하는 단계; 상기 광흡수층을 분리하기 위해 상기 투명 기판의 제1 면과 마주보는 제2 면으로 레이저를 입사시켜 제2 레이저 스크라이빙을 수행하는 단계; 상기 광흡수층 상에 투명전극을 증착하는 단계; 및 상기 투명전극을 분리하기 위해 상기 제2 면으로 레이저를 입사시켜 제3 레이저 스크라이빙을 수행하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제2 레이저 스크라이빙을 수행하는 단계 및 상기 제3 레이저 스크라이빙을 수행하는 단계는, 상기 제2 후면전극을 희생층으로 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제1 후면전극은 가시광 또는 근적외선 대역에서 광흡수도가 20% 이하이고, 비저항이 1E-2 Ωcm 이하인 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제1 후면전극은 인듐의 산화물, 아연의 산화물, 주석의 산화물 중 적어도 하나를 포함하는 투명전도산화물(TCO), TCO와 금속필름 또는 나노와이어층과 TCO로 구성된 다층구조 투명전극 및 그래핀, 카본나노튜브 중 적어도 하나를 포함하는 카본소재가 분산된 투명전극 중에서 선택된 하나의 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제2 후면전극은 가시광 또는 근적외선 대역에서 상기 제1 후면전극의 광흡수도 대비 상기 제2 후면전극의 광흡수도 비 가 1 이상인 파장대역이 존재하고, 비저항이 5E-5 Ωcm 이하인 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제2 후면전극은 몰리브데늄(Mo), 텅스텐(W), 티탄(Ti), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 니오븀(Nb), 니켈(Ni) 중에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함하는 단일층 또는 다중층으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제1 후면전극은 50 내지 1000 nm 범위 내의 두께로 형성되고, 상기 제2 후면전극은 10 내지 1000 nm 범위 내의 두께로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 광흡수층은 구리(Cu) 및 은(Ag) 중 적어도 하나, 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 주석(Sn) 중 적어도 하나, 셀레늄(Se) 또는 황(S) 중 적어도 하나를 포함하는 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 박막 태양전지의 제조 방법은, 상기 광흡수층 상에 버퍼층 및 고저항 윈도우층 중 적어도 하나의 층을 증착하는 단계를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 층은 상기 제2 레이저 스크라이빙 수행 시 상기 광흡수층과 함께 제거될 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조 방법은, 투명 기판의 제1 면 상에 투명한 후면전극을 증착하는 단계; 상기 후면전극을 분리하기 위해 제1 레이저 스크라이빙을 수행하는 단계; 상기 후면전극 상에 셀레늄(Se) 또는 황(S)을 포함하는 광흡수층을 증착하는 단계; 상기 광흡수층을 분리하기 위해 상기 투명 기판의 제1 면과 마주보는 제2 면으로 레이저를 입사시켜 제2 레이저 스크라이빙을 수행하는 단계; 상기 광흡수층 상에 투명전극을 증착하는 단계; 및 상기 투명전극을 분리하기 위해 상기 제2 면으로 레이저를 입사시켜 제3 레이저 스크라이빙을 수행하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 후면전극은 가시광 또는 근적외선 대역에서 광흡수도가 20% 이하이고, 비저항이 1E-2 Ωcm 이하인 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 후면전극은 인듐의 산화물, 아연의 산화물, 주석의 산화물 중 적어도 하나를 포함하는 투명전도산화물(TCO), TCO와 금속필름 또는 나노와이어층과 TCO로 구성된 다층구조 투명전극 및 그래핀, 카본나노튜브 중 적어도 하나를 포함하는 카본소재가 분산된 투명전극 중에서 선택된 하나의 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 투명 기판의 제1 면 상에 후면전극을 증착하는 단계는, 상기 후면전극 상에 계면제어 물질을 증착하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 계면제어 물질은 400 내지 600 °C에서 안정하고, 일함수가 적어도 5 eV인 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 계면제어 물질은 몰리브데늄산화물, 텅스텐산화물, 니켈산화물, 크롬산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 후면전극은 100 내지 2000 nm 범위 내의 두께로 형성되고, 상기 계면제어 물질은 1 내지 50 nm 범위 내의 두께로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 광흡수층은 구리(Cu) 및 은(Ag) 중 적어도 하나, 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 주석(Sn) 중 적어도 하나, 셀레늄(Se) 또는 황(S) 중 적어도 하나를 포함하는 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 박막 태양전지의 제조 방법은 상기 광흡수층 상에 버퍼층 및 고저항 윈도우층 중 적어도 하나의 층을 증착하는 단계를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 층은 상기 제2 레이저 스크라이빙 수행시 상기 광흡수층과 함께 제거될 수 있다.
상기한 본 발명의 또 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 투명 기판 상에 형성된 투명성을 갖는 제1 후면전극, 상기 제1 후면전극 상에 고전도성 금속을 포함하는 제2 후면전극, 상기 제2 후면전극 상에 형성된 셀레늄(Se) 또는 황(S)을 포함하는 광흡수층, 상기 광흡수층 상에 형성된 버퍼층, 고저항 윈도우층 중 적어도 하나의 층 및 상기 적어도 하나의 층 상에 형성된 투명전극을 포함하는 박막 태양전지의 모듈 구조에 있어서, 상기 제1 후면전극 및 상기 제2 후면전극의 이중층은 일정 간격으로 제1 방향으로 분리되고, 상기 제2 후면전극, 상기 광흡수층 및 상기 적어도 하나의 층은 상기 이중층의 분리 영역과 인접한 영역에서 상기 제1 방향으로 분리되고, 상기 투명전극 또는 상기 제2 후면전극, 상기 광흡수층, 상기 적어도 하나의 층 및 상기 투명전극은 상기 제1 방향으로 분리된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제1 후면전극과 상기 투명전극은, 상기 적어도 하나의 층이 분리된 영역에서 직렬 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제1 후면전극은 가시광 또는 근적외선 대역에서 광흡수도가 20% 이하이고, 비저항이 1E-2 Ωcm 이하인 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제1 후면전극은 인듐의 산화물, 아연의 산화물, 주석의 산화물 중 적어도 하나를 포함하는 투명전도산화물(TCO), TCO과 금속필름 또는 나노와이어층과 TCO로 구성된 다층구조 투명전극 및 그래핀, 카본나노튜브 중 적어도 하나를 포함하는 카본소재가 분산된 투명전극 중에서 선택된 하나의 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제1 후면전극은 50 내지 1000 nm 범위 내의 두께로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제2 후면전극은 가시광 또는 근적외선 대역에서 상기 제1 후면전극의 광흡수도 대비 상기 제2 후면전극의 광흡수도 비 가 1 이상인 파장대역이 존재하고, 비저항이 5E-5 Ωcm 이하인 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제2 후면전극은 몰리브데늄(Mo), 텅스텐(W), 티탄(Ti), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 니오븀(Nb), 니켈(Ni) 중에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함하는 단일층 또는 다중층으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 광흡수층은 구리(Cu) 및 은(Ag) 중 적어도 하나, 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 주석(Sn) 중 적어도 하나, 셀레늄(Se) 또는 황(S) 중 적어도 하나를 포함하는 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제2 후면전극은 10 내지 1000 nm 범위 내의 두께로 형성될 수 있다.
이와 같은 박막 태양전지의 제조 방법 및 모듈 구조에 따르면, 후면전극 층에 광투과성이 우수한 투명소재를 기판에 인접한 면에 적용하여, 박막 태양전지의 모듈화를 위한 스크라이빙 공정에 기판입사 레이저 방식을 적용할 수 있다. 이에 따라, CIGS(Copper-Indium-Gallium-Selenide)를 포함하는 광흡수층과 후면전극의 계면에서 급속한 열팽창에 의한 박리를 유발할 수 있으므로, 공정의 생산성과 정밀성을 향상시킬 수 있다.
또한, 비교적 낮은 온도 가열만으로도 광흡수층의 제거가 가능하기 때문에, 높은 열 누적에 따라 유발되는 주변부로의 열확산을 막기 위해 피코초(ps) 및 펨토초(fs) 펄스 레이저 같은 고가의 레이저를 사용할 필요가 없다. 따라서, CIGS 태양전지 모듈을 저가의 나노초(ns) 펄스 레이저 스크라이버를 이용하여 제작할 수 있어 제조 단가를 낮출 수 있다.
또한, 금속층/투명소재층의 이중층 후면전극을 적용하면, 투명소재만을 후면전극으로 사용하는 경우에 비해 CIGS 증착 시 발생하는 투명소재와의 간섭효과(반응생성물 형성, 불완전한 접합 형성)를 배제할 수 있어서, 고효율 태양전지 모듈 생산이 가능하다. 또한, 금속층 도입으로 후면전극의 전기저항을 크게 낮출 수 있어서, 투명소재층을 사용했을 때의 전기저항 상승문제를 해결할 수 있다.
또한, 금속층/투명소재층에서 금속층을 레이저 스크라이빙 시에 희생층으로 사용할 수 있으므로, 제2 패터닝(P2) 및 제3 패터닝(P3) 적용 시에 CIGS 광흡수층에 대한 직접적인 레이저 조사 없이도 패터닝을 수행할 수 있고, 금속층이 함께 제거되므로 투광도를 확보할 수 있다.
나아가, 금속층/투명소재층, 투명소재층/유리기판, 유리기판 표면의 실내 광원에 의한 반사광 간섭현상이 발생하므로, 후면전극을 구성하는 각 계면 간 거리를 조절함으로써 창호형 태양광 모듈에 실내거주자 관점의 색상을 부여하여 심미적 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 종래의 Mo 후면전극을 적용한 단일집적된 박막 태양전지 모듈의 단면도이다.
도 2는 도 1의 종래의 박막 태양전지 모듈의 제조과정을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광투과도가 우수한 전극으로 이루어져서 기판 입사 레이저의 투과가 가능한 박막 태양전지 모듈 구조의 단면도이다.
도 4는 도 3의 박막 태양전지 모듈에서 제1 내지 제3 패터닝에 따른 레이저 스크라이빙의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광투과도가 우수한 전극과 광흡수가 가능한 전극으로 구성된 다중층 후면전극을 갖는 박막 태양전지 모듈 구조의 단면도이다.
도 6은 도 5의 박막 태양전지 모듈에서 제1 내지 제3 패터닝에 따른 레이저 스크라이빙의 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지 모듈의 제조과정을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 8은 Mo 후면전극 대비 투명전도산화물 ITO 후면전극 적용 시, 태양전지 셀의 광인가 전류-전압 비교 곡선이다.
도 9는 각 조건에 따른 ITO 박막 및 Mo 박막의 광흡수도 및 광반사도의 스펙트럼 변화를 나타낸다.
도 10은 Mo/ITO 후면전극을 갖는 태양전지 모듈의 ITO 두께에 따른 기판 배면 반사 스펙트럼 변화를 나타낸다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광투과도가 우수한 전극으로 이루어져서 기판 입사 레이저의 투과가 가능한 박막 태양전지 모듈 구조의 단면도이다. 도 4는 도 3의 박막 태양전지 모듈에서 제1 내지 제3 패터닝에 따른 레이저 스크라이빙의 개념도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 박막 태양전지(1)는 투명 기판(10)의 제1 면 상에 투명성을 갖는 후면전극(30), Cu(In1 -x,Gax)(Se,S)2 (CIGS) 및 Cu2ZnSn(Se,S)4 (CZTS) 등 Se, S계 광흡수층(40), 버퍼층(50) 및 고저항 윈도우층(60) 중 적어도 하나의 층 및 투명전극(70)이 증착되어 단일집적(monolithic integration)된 구조를 갖는다.
본 발명에서는 박막 태양전지(1)의 다수의 분리된 셀이 직렬 연결된 구조를 형성하기 위해 적층된 층들의 일부를 제거하기 위한 패터닝 시, 레이저를 투명 기판(10)의 하부로 입사시킨다. 즉, 종래와 같이 투명전극 등이 집적된 제1 면이 아닌, 상기 제1 면과 반대쪽 면인 투명 기판(10)의 제2 면으로 레이저를 입사시켜 스크라이빙 공정을 수행한다.
예를 들어, 박막 태양전지(1)를 형성하기 위해, 상기 후면전극(30)을 한 방향으로 평행하게 분리하기 위한 제1 스크라이빙(P1), 상기 후면전극(30)이 분리된 영역에 인접한 부분에서 상기 광흡수층(40)을 분리하기 위한 제2 스크라이빙(P2) 및 상기 투명전극 또는 상기 투명전극과 그 하부의 적어도 하나의 층을 분리하기 위한 제3 스크라이빙(P3)을 수행할 수 있다.
적어도 하나의 스크라이빙(P1, P2, P3) 공정 시 투명 기판(10)에 흡수되지 않으면서, 동시에 제거하고자 하는 물질에 흡수될 수 있는 파장의 레이저를 투명 기판(10) 쪽에서 입사시키면, 제거하고자 하는 물질을 녹이지 않고도 급격한 열팽창에 의한 응력 집중으로 계면에서 박리시킬 수 있으므로, 작은 에너지로도 스크라이빙이 가능하다.
또한, 레이저의 입사방향과 잔해(debris) 제거 방향이 완벽히 구분되기 때문에, 잔해의 재흡착과 같은 문제가 발생하지 않는다. 더욱이, 융해(melting) 공정을 할 필요가 없어서 입사 에너지가 낮고 주변물질로의 열확산이 큰 문제가 되지 않기 때문에, 피코초(ps) 수준 이하의 펄스 레이저를 사용할 필요가 없다. 이에 따라, 상대적으로 저가의 나노초(ns) 레이저를 적용할 수 있는 장점이 있다.
종래의 CIGS 태양전지 모듈에서는 전형적으로 사용되는 몰리브데늄(Mo) 후면전극이 레이저 광에 불투명하기 때문에, 기판 입사 레이저 방식을 적용하여 제2 및 제3 스크라이빙 시 Mo 후면전극을 보존하면서 그 위에 형성된 CIGS 광흡수층, 버퍼층 및 투명 윈도층 만을 제거할 수 있는 방법이 전무하였다.
본 발명에서는 후면전극(30)에 투명소재를 적용하더라도, CIGS 광흡수층 공정온도를 낮추거나, CIGS/후면전극 사이에 확산차단 능력이 뛰어나고 높은 일함수를 갖는 계면물질을 도입함으로써 후면전극 대체에 의한 효율열화를 억제할 수 있다.
또한, 후면전극(30)을 광투과도가 우수한 박막으로 대체하고, 투과가 가능한 파장대역의 레이저를 적용해서 CIGS 박막에 열흡수를 집중시켜 CIGS/후면전극 계면의 박리를 유발할 수 있다.
후면전극(30)은 가시광 또는 근적외선 대역(파장대역 약 450 내지 1100 nm)에서 광흡수도가 20% 이하이고, 비저항이 1E-2 Ωcm 이하일 수 있다. 또한, 후면전극(30)은 100 내지 2000 nm 범위 내의 두께로 형성될 수 있다.
이때, 후면전극(30)으로 인듐산화물(예를 들어 ITO), 아연산화물(예를 들어 ZnO), 주석산화물(예를 들어 FTO) 등의 투명전도산화물(TCO), TCO/금속/TCO의 삼층구조, 그래핀(graphene) 등의 카본소재 및 그 외 가시광선 및 근적외선 대역에서 흡수도가 낮은 물질을 사용할 수 있다. 예를 들어, TCO를 후면전극(30)으로 사용하면, 가시광의 파장대역(약 532 nm 파장)의 광흡수는 매우 작은 반면, 근적외 내지 적외선 파장대역(약 1064 nm)의 광흡수는 상당히 높다.
한편, 상기 투명 기판(10)은 가시광 또는 근적외선 대역(파장대역 약 450 내지 약 1100 nm)에서 광투과도가 90% 이상을 특징으로 하며, 소다라임 유리, 폴리이미드 등을 적용할 수 있다.
따라서, 제1 스크라이빙(P1)에는 TCO 층에 흡수가 가능한 근적외 내지 적외선 파장대역(약 1064 nm) 레이저를 사용하여 TCO를 제거하고, 제2 스크라이빙(P2) 및 제3 스크라이빙(P3) 시에는 가시광 파장 대역(약 532 nm)의 레이저를 적용하여 TCO는 보존하고 CIGS 층 이상을 제거할 수 있다.
이때, CIGS 광흡수층(40)과 후면전극(30) 사이에는 계면 생성물을 방지하고, p-형 반도체인 CIGS 광흡수층(40)으로의 홀(hole) 주입이 원활하도록 높은 일함수(work function)를 갖는 계면제어 물질(31)을 도입한다.
상기 계면제어 물질(31)은 약 400 내지 600 °C에서 안정하고, 일함수가 적어도 약 5 eV일 수 있다. 예를 들어, 상기 계면제어 물질(31)로는 몰리브데늄산화물, 텅스텐산화물, 니켈산화물, 크롬산화물 등이 이용될 수 있고, 두께는 약 1 nm에서 약 50 nm 사이에서 조절될 수 있다.
도 4는 기판입사 레이저 가열에 의한 제1 내지 제3 스크라이빙(P1, P2, P3)을 도식화하였다. 상기 투명 기판(10)으로 유리기판을 사용할 경우, 유리기판에 흡수되지 않는 파장인 가시광 내지 근적외 파장(예를 들어, 약 1064 nm, 약 532 nm)의 레이저를 사용할 수 있다.
이 경우, 제2 및 제3 스크라이빙(P2, P3) 시 가시광 영역 파장(약 532 nm)을 적용하면 가시광 대역 흡수가 거의 없는 후면전극(30)을 통과해 후면전극(30)과 인접한 광흡수층(40)를 이루는 CIGS 표면에 열이 집중되며, 급속한 열팽창에 의해 융해(melting) 없이도 후면전극(30)과 광흡수층(40)의 계면 박리를 쉽게 유도할 수 있다. 제2 스크라이빙(P2) 영역의 경우에 높은 일함수의 계면물질이 스크라이빙 시 함께 제거될 수 있고, 일부 잔존한다고 하더라도 매우 얇게 형성되었기 때문에 직렬저항 증가는 미미하다.
그러나, 일반적으로 알려진 가시광 대역 흡수가 없는 투명물질의 경우에는 금속에 비해 전기비저항이 높다. 예를 들어, TCO 물질 중 가장 전도도가 우수한 ITO의 경우에 비저항이 약 1E-4 Ωcm 정도로서, 기존 Mo 후면전극의 약 1E-5 Ωcm 보다 10배 정도 높다. 이러한 높은 저항은 윈도우 층으로 사용되는 TCO 층에 의한 직렬저항과 함께, 태양전지 모듈의 직렬저항을 증가시키기 때문에, 이를 극복하기 위해서는 후면전극 물질의 두께를 증가시키거나, 셀의 폭을 매우 작게 설계해야 하는 제약이 있다.
이러한 문제를 도 5에서 도시한, 금속층/투명소재층의 이중층 후면전극(30, 35) 구조를 적용하여 금속층을 고전도성 전극이자 레이저 스크라이빙을 위한 희생층 역할을 담당하게 함으로써 해결할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광투과도가 우수한 전극과 광흡수가 가능한 전극으로 구성된 다중층 후면전극을 갖는 박막 태양전지 모듈 구조의 단면도이다.
본 발명에 따른 박막 태양전지(3)는 제1 후면전극(30) 및 제2 후면전극(35)으로 구성된 2 중층의 후면전극을 포함한다. 상기 제2 후면전극(35)은 제2 스크라이빙(P2) 및 제3 스크라이빙(P3) 시에 희생층으로 이용된다.
제1 후면전극(30)은 가시광 또는 근적외선 대역(파장대역 약 450 내지 1100 nm)에서 광흡수도가 20% 이하이고, 비저항이 1E-2 Ωcm 이하일 수 있다. 예를 들어, 제1 후면전극(30)은 인듐산화물(예를 들어 ITO), 아연산화물(예를 들어 ZnO), 주석산화물(예를 들어 FTO) 중 적어도 하나를 포함하는 투명전도산화물(TCO), TCO와 금속필름 또는 나노와이어층과 TCO로 구성된 다층구조 투명전극 및 그래핀, 카본나노튜브 중 적어도 하나를 포함하는 카본소재가 분산된 투명전극 중에서 선택된 하나로 이루어질 수 있으며, 약 50 내지 약 1,000 nm 범위, 바람직하게는 약 200 내지 약 500 nm 범위 내의 두께로 형성될 수 있다.
제2 후면전극(35)은 가시광 또는 근적외선 대역(파장대역 약 450 내지 1100 nm)에서 상기 제1 후면전극(30)의 광흡수도 대비 상기 제2 후면전극(35)의 광흡수도 비 가 1 이상일 수 있다. 또는, 제2 후면전극(35)은 광흡수도는 30% 이상, 비저항은 5E-5 Ωcm 이하일 수 있다. 예를 들어, 제2 후면전극(35)은 몰리브데늄(Mo), 텅스텐(W), 티탄(Ti), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 니오븀(Nb), 니켈(Ni) 중에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함하는 단일층 또는 다중층으로 형성될 수 있으며, 약 10 내지 1000 nm의 범위, 바람직하게는 약 200 내지 약 500 nm 범위 내의 두께로 형성될 수 있다.
예를 들어, Mo/TCO 이중층 후면전극(35, 30)을 사용할 경우, Mo을 약 200 내지 약 500 nm 두께로 증착하게 되면, 후면전극의 저항을 크게 낮출 수 있어서 투명전극의 높은 저항문제를 해결할 수 있다. 또한, 기존의 전형적인 후면전극 소재인 Mo을 CIGS 배면에 위치함으로써 후면전극의 대체에 따른 공정의 어려움 및 효율열화 문제를 해결할 수 있다.
도 6에서 도식화된 바와 같이, 가시광 내지 근적외 파장(약 1064 nm 또는 약 532 nm)의 레이저를 적용하면 TCO(30)에 비해 Mo 전극층(35)에 의한 레이저 광 흡수가 매우 높기 때문에, Mo 전극층(35)에 대한 선택적 급속가열이 가능하다. 이에 따라, Mo/TCO 계면박리를 유발함으로써, 제2 및 제3 스크라이빙(P2, P3)을 쉽게 수행할 수 있다. TCO(30)와 금속층(35)의 레이저 흡수 능력의 차이가 크기 때문에, 제1 내지 제3 스크라이빙(P1, P2, P3) 단계별로 레이저 파장을 다르게 적용할 필요도 없다.
도 5에 도시된 바와 같이, Mo 전극층(35)은 레이저 스크라이빙 시 제거되므로, P2 영역과 P3 영역의 전기저항이 증가한다. 그러나, P2 및 P3 폭이 약 10 μm 내지 200 μm로 작기 때문에 해당 영역의 금속층 제거에 따른 저항증가는 제한적이다. 또한, P2 영역은 윈도층의 증착을 통해, P3 영역은 스크라이빙 폭 조절을 통해 저항증가를 최소화할 수 있다.
도 7은 도 5의 금속/투명소재 이중층 후면전극(30, 35) 구조에서 P2 및 P3 스크라이빙 시 금속층(35)을 희생층으로 사용하여 모듈을 제조하는 과정을 나타내었다.
먼저 도 7(a)를 참조하면, 투명 기판(10)의 제1 면 상에 이중층 후면전극(30, 35)을 증착한다.
투명 기판(10)은 가시광 또는 근적외선 대역(파장대역 약 450 내지 약 1100 nm)에서 광투과도가 90% 이상을 특징으로 하며, 소다라임 유리, 폴리이미드 등을 적용할 수 있다.
제1 후면전극(30)은 가시광 또는 근적외선 대역(파장대역 약 450 내지 1100 nm)에서 광흡수도가 20% 이하이고, 비저항이 1E-2 Ωcm 이하일 수 있다. 예를 들어, 제1 후면전극(30)은 인듐산화물(예를 들어 ITO), 아연산화물(예를 들어 ZnO), 주석산화물(예를 들어 FTO) 중 적어도 하나를 포함하는 투명전도산화물(TCO), TCO와 금속필름 또는 나노와이어층과 TCO로 구성된 다층구조 투명전극 및 그래핀, 카본나노튜브 중 적어도 하나를 포함하는 카본소재가 분산된 투명전극 중에서 선택된 하나로 이루어질 수 있으며, 약 50 내지 약 1,000 nm 범위, 바람직하게는 약 200 내지 약 500 nm 범위 내의 두께로 형성될 수 있다.
제2 후면전극(35)은 가시광 또는 근적외선 대역(파장대역 약 450 내지 1100 nm)에서 상기 제1 후면전극(30)의 광흡수도 대비 상기 제2 후면전극(35)의 광흡수도 비 가 1 이상일 수 있다. 또는, 제2 후면전극(35)은 광흡수도는 30% 이상, 비저항은 5E-5 Ωcm 이하일 수 있다. 예를 들어, 제2 후면전극(35)은 몰리브데늄(Mo), 텅스텐(W), 티탄(Ti), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 니오븀(Nb), 니켈(Ni) 중에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함하는 단일층 또는 다중층으로 형성될 수 있으며, 약 10 내지 1000 nm의 범위, 바람직하게는 200 내지 약 500 nm 범위 내의 두께로 형성될 수 있다.
도 7(b)를 참조하면, 상기 이중층 후면전극(30, 35)을 분리하기 위해, 즉 패터닝하기 위해 상기 이중층 후면전극(30, 35)을 제거한다. 이때, 상기 이중층 후면전극(30, 35)이 증착된 제1 면이 아닌, 상기 투명 기판(10)의 제2 면(후면)으로 레이저를 입사시켜 스크라이빙 공정을 수행한다.
이때, 상기 투명 기판(10)에 흡수되지 않으면서, 동시에 제거하고자 하는 상기 이중층 후면전극(30, 35)에 흡수될 수 있는 파장의 레이저를 투명 기판(10) 쪽에서 입사시켜, 급격한 열팽창에 의한 응력 집중으로 계면에서 박리시킬 수 있으므로, 작은 에너지로도 스크라이빙이 가능하다. 이에 따라, 상기 이중층 후면전극(30, 35)은 제1 방향으로 일정 간격으로 분리된다.
도 7(c)를 참조하면, 상기 이중층 후면전극(30, 35)의 스크라이빙 공정 후, 광흡수층(40)을 형성한다. 상기 광흡수층(40)은 Cu(In1 -x,Gax)(Se,S)2 (CIGS) 및 Cu2ZnSn(Se,S)4 (CZTS) 등 Se, S계이다. 예를 들어, 상기 광흡수층(40)은 구리(Cu) 및 은(Ag) 중 적어도 하나, 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 주석(Sn) 중 적어도 하나, 셀레늄(Se) 또는 황(S) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 광흡수층(40) 상에 버퍼층(50) 및 고저항 윈도우층(60) 중 적어도 하나의 층을 증착할 수 있다. 이후, 상기 광흡수층(40)을 분리하기 위한 제2 레이저 스크라이빙 공정을 수행한다. 마찬가지로, 레이저는 제1 레이저 스크라이빙 공정과 마찬가지로 기판 입사 방식으로 상기 투명 기판(10)의 제2 면(후면)으로 레이저를 입사시켜 스크라이빙 공정을 수행한다.
상기 제2 레이저 스크라이빙(P2) 공정은 상기 제1 레이저 스크라이빙(P1) 공정을 수행한 영역과 인접한 영역에서 수행될 수 있다. 이에 따라, 상기 광흡수층(40) 및 상기 적어도 하나의 층(50, 60)은 상기 이중층 후면전극(30, 35)의 분리 영역과 인접한 영역에서 분리된다. 이때, 상기 제2 후면전극(35)은 희생층으로 사용되므로 함께 제거될 수 있다.
도 7(d)를 참조하면, 상기 투명전극(70)을 증착하여, 상기 제2 레이저 스크라이빙 공정이 수행된 영역에서 상기 제1 후면전극(30)과 상기 투명전극(70)을 연결시킨다. 이에 따라, 인접셀 간 직렬 연결이 완성된다. 이후, 상기 투명 기판(10)의 제2 면(후면)으로 레이저를 입사시켜 제3 레이저 스크라이빙 공정을 수행한다. 이때, 상기 제2 후면전극(35)이 희생층으로 사용되어, 상기 제2 후면전극(35) 및 상기 제2 후면전극(35) 상의 상기 광흡수층(40), 상기 적어도 하나의 층(50, 60) 및 상기 투명전극(70)은 함께 제거된다. 이로써, 도 7(e)를 참조하면, 인접셀이 전기적으로 절연되어 분리된다.
이상과 같은 박막 태양광모듈의 경우에는, 모듈화 이후 추가적인 제4 스크라이빙(P4) 공정의 적용이 용이하여, 광투과도의 자유로운 조절이 가능하다. 또한, 선폭 및 간격의 조절이 용이하여, 시각적 불쾌함 없이 채광창으로서의 기능을 수행하게 할 수 있다. 이때, 제4 스크라이빙(P4) 시 레이저의 입사는 제1 내지 제3 스크라이빙(P1, P2, P3)과 평행할 수도 있고, 수직되게 할 수도 있다. 광투과도의 증가를 위한 불가피한 광전류 감소보다 더 큰 열화를 피하기 위해서는 제4 스크라이빙(P4)을 기존 제1 내지 제3 스크라이빙(P1, P2, P3)에 수직으로 적용하는 것이 유리할 것이다. 이러한 제4 스크라이빙(P4)의 설계를 통해 다양한 형태의 무늬나 그림을 창호형 BIPV에 추가하는 것이 가능하다.
이상과 같은 유리기판에 형성된 금속/투명소재 이중층 후면전극(30, 35)의 경우에는, 금속/투명소재 계면, 투명소재/유리기판 계면 및 유리기판 표면의 실내조명에 의한 반사간섭 현상을 활용하여 창호형 BIPV 모듈에 실내거주자 시각에서 다양한 색상을 구현할 수 있다.
이하에서는 실험을 통해 본원발명의 효과를 검증한다.
먼저, CIGS 태양전지에서 후면전극으로 항상 적용되는 Mo 박막을 ITO로 대체했을 때, 셀효율에 미치는 영향을 비교하였다. 통상적으로 ITO를 CIGS 태양전지의 후면전극으로 적용할 때 발생하는 문제는 ITO/CIGS 계면의 높은 계면장벽을 형성하는 n형 Ga2O3 반응층의 문제와 ITO 자체의 직렬저항 성분이다. Ga2O3 반응층 형성을 억제하기 위해서 약 450 °C의 낮은 온도에서 CIGS를 증착하였다.
예를 들어, 약 50 nm 두께의 CdS를 화학용액증착법(Chemical bath deposition, CBD)로 증착한 후, rf 스퍼터링으로 고저항 ZnO(약 50 nm 두께)와 Al-doped ZnO(AZO)(약 500 nm 두께)를 증착하였다. ITO/CIGS 계면장벽 형성을 억제하기 위해 일함수가 높은 MoO3층을 증착한 MoO3/ITO 구조와 ITO 후면전극의 저항을 보상해 주기 위한 200 nm 두께의 Mo을 추가한 Mo/ITO 구조를 적용한 셀 제조 및 평가결과를 도 8 및 표 1과 같이 비교하였다.
efficiency [%] VOC [mV] JSC [mA/cm2] FF [%]
Mo 16.8 694 32.9 73.8
ITO 13.2 680 31.7 61.5
MoO3/ITO 14.1 671 32.0 65.4
Mo/ITO 14.4 659 32.1 67.9
ITO 전극 적용시, Mo 전극 적용시 보다 상대적으로 저항 증가로 인한 FF 열화가 심하며, MoO3 추가를 통해 FF가 개선되었다. 이는 CIGS 증착이 낮은 온도에서 이루어지더라도 Ga2O3 반응층 형성을 완전히 차단할 수 없거나, CIGS와 ITO 물질간의 계면이 오믹 접촉을 유지하지 못한다는 것을 의미한다. 한편, 투명 후면전극에 Mo 박막을 추가함으로써 FF 개선이 가능하였다. 이는 Mo 박막 추가를 통한 직렬저항 저감이 큰 이점이 될 수 있음을 의미한다.
ITO 후면전극을 사용할 경우, Mo 후면전극 대비 광전변환 효율이 낮은 것은 CIGS 증착시 기판에 존재하는 Na이 CIGS 박막 내로 확산하여 미세구조를 열화시켰기 때문이다. 나트륨(Na)이 존재하지 않는 기판을 적용할 경우 Mo 후면전극과 동일한 수준의 광전변환효율 확보가 가능하다.
또한, Mo 박막과 ITO 박막의 광흡수도를 평가하였다. 도 9(a)는 ITO 박막의 증착 후 열처리 가스 종류에 따른 광흡수도 스펙트럼, 도 9(b)는 스퍼터링 Mo 박막의 증착압력에 따른 광반사도 스펙트럼(적분구 이용 측정), 도 9(c)는 스퍼터링 Mo 박막의 증착압력에 따른 광흡수도 스펙트럼을 나타낸다.
도 9(a)에서 보듯이, ITO는 532 nm 대역 단파장 영역에서 광흡수도가 2% 이하로 매우 낮으나, 파장이 증가할수록 증가하는 경향을 갖는다. 열처리 분위기에 따라 광흡수도의 감소가 가능한데, 산소분위기의 경우 약 1064 nm 파장에서 약 22 %에서 약 8 % 수준으로 감소하였다. Mo 박막의 경우에 스퍼터링 증착에 의해 성막되는데, 스퍼터 조건(예를 들어, 증착압력)에 따라 박막의 미세구조가 크게 변화한다. 낮은 증착압력에서는 치밀한 미세구조를 갖지만, 일정 압력(여기서는 8 mTorr) 이상에서는 결정립계 기공의 증가와 표면 조도의 증가가 함께 나타난다.
이러한 결정립계 기공 및 표면조도의 증가는 도 9(b)와 같이 광반사도를 크게 감소시키면서 흡수도를 증가시킨다. 표면조도의 증가가 광반사 산란을 일으키기 때문에 정확한 평가를 위해서 적분구를 사용하여 평가하였다. Mo 박막의 미세구조에 따라 약 532 nm 파장에서 약 40 내지 60 %(중간값: 약 50 %)의 광흡수도, 약 1064 nm 파장에서 약 25 내지 50 %(중간값: 약 37 %)의 광흡수도를 갖는다.
ITO 박막 대비 Mo 박막의 광흡수도 정도는 약 532 nm 파장에서 약 20 내지 30 배(중간값: 약 25 배) 크고, 약 1064 nm 파장에서는 약 1 내지 6 배 크다. 따라서, 약 532 nm 파장 레이저를 이용한 Mo/ITO 기판의 스크라이빙 시에는 Mo과 ITO 간의 높은 선택비를 확보할 수 있어서 기술개발이 용이한 반면, 약 1064 nm 파장 레이저를 적용할 경우에는 Mo 및 ITO 간 스크라이빙 선택비를 증가시키기 위한 Mo 미세구조, ITO 특성 조절과 레이저 펄스 시간 및 강도의 면밀한 조절이 필요하다.
본 발명에서 제안된 Mo/ITO 후면전극 구조를 갖는 유리기판 기반의 CIGS 태양광모듈은 ITO의 광투과성이 우수하여 ITO/유리 및 Mo/ITO 계면의 반사광 간섭현상 때문에 유리기판 방향의 색상을 조절할 수 있다.
도 10은 실내 광원에 의한 Mo/ITO 후면전극 구조로부터의 반사스펙트럼을 계산한 결과이다. ITO의 두께를 약 100, 300, 500 nm로 증가함에 따라 반사스펙트럼이 크게 변하고, 반사색상의 조절이 가능함을 알 수 있다.
ITO만을 사용할 시에는 CIGS/ITO 계면의 반사가 충분치 못하여 반사강도가 매우 낮지만, Mo/ITO 이중층 구조를 적용하면 Mo/ITO 계면으로부터의 상대적인 반사도 증가로 반사색상이 보다 선명하게 할 수 있다. 이러한 계산결과를 투광창 태양광모듈에 적용하면 실내의 유리창 색상을 다양하게 조절하여 심미적 효과를 극대화할 수 있다.
앞에서 언급한 바와 같이, 단일접적된 박막태양광모듈의 광전변환효율을 향상시키기 위해서는, P2 및 P3 선폭을 약 10-20 um 수준으로 감소시켜 광발전 불능면적(dead area)을 줄이고, 스크라이빙 과정 중 발생하는 광흡수층 및 주변물질 녹임(melting) 현상과 같은 손상 및 잔해(debris) 발생에 따른 모듈 내 각 셀의 입환(shunting)을 방지하여야 한다.
이를 위해, 제1 및 제2 스크라이빙(P2, P3)에 레이저 가공기술이 적용되어야 하는데, 현재는 투명윈도층 입사(기판 반대편) 방식이 적용되며, 제거하고자 하는 영역과 보존해야 하는 영역(i.e. 후면전극) 간의 가열 선택성을 확보하기 위해 피코초(ps) 수준 이하의 매우 짧은 펄스 레이저를 적용한다. 그러나, 피코초(ps) 펄스 레이저 또는 펨토초(fs) 펄스 레이저의 가격이 높아서 태양광모듈 제조라인의 초기 투자비를 증가시킨다.
또한, 투명윈도층 입사 방식의 레이저를 사용할 경우에는 스크라이빙 시 잔해(debris) 제거방향으로 레이저가 입사되기 때문에, 잔해가 스크라이빙 영역에 고착화되는 등의 문제가 발생한다. 상대적으로 저가인 나노초(ns) 펄스 레이저를 기판 입사방식으로 적용할 수 있다면, 제조공정의 비용 상승을 최소화하면서 모듈효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 투광창 BIPV 시장에 대응하기 위해, 비슷한 개념의 비정질 Si 태양전지는 레이저 스크라이빙으로 광흡수층을 제거하는 방식으로, 광을 투과시키는 모듈을 제조한다. 이에 반해, 도 1의 구조를 갖는 CIGS 박막 태양광 모듈은 광흡수층의 광흡수능력이 뛰어나고 후면전극인 Mo에 의한 흡수 또는 반사 때문에, P1, P2, P3 영역을 통한 광투과가 매우 어렵다. 앞에서도 언급했듯이, 현존하는 박막태양전지 중에서 CIGS 박막태양전지의 광전변환효율이 매우 높기 때문에, 광투광성을 확보한다면 BIPV 시장에서의 경쟁력이 크게 확보될 수 있다.
이상과 같은 투광창용 태양광모듈의 경우에, 실내에 위치한 거주자를 위한 다양한 수준의 채광의 조절이 가능하여야 하고, 심미적 요소에 대응하기 위해 색상조절이 가능하여야 한다. 제품완성 후 채광 및 색상의 능동제어는 차치하더라도, 생산단계에서 주문자 요구에 맞춘 채광 및 색상이 조절된 다양한 제품을 생산할 수 있어야 한다. 따라서, 본 발명에 따라 제조공정의 비용을 감소시키며, BIPV 시장에서 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 예상된다.
실제 비정질 Si 태양전지는 투과색, 반사색을 변조하는 다양한 기술을 적용한다. 또한, 건물 일체식 태양광모듈(BIPV) 시장의 특성상 설치면적은 제한적이고 소규모의 분산형 설치가 이루어지기 때문에, 태양광모듈 가격 보다 설치비의 비중이 매우 높다. 따라서, 태양광모듈 가격 자체보다는 태양광모듈의 광전변환효율이 매우 높은 제품이 우수한 경쟁력을 확보할 수 있다.
Se, S계 박막 태양전지는 높은 광흡수도, 우수한 반도체 특성, 박막공정 적용에 따른 저가화 등 가격대비 높은 광변환효율 때문에, 상용화 진입기에 있으며 앞으로 태양전지 시장에서 비중이 크게 확대될 것으로 기대되고 있다. 또한, 광투광성 및 유연성 등의 다양한 기능을 추가할 수 있는 박막 태양전지는 투광용 창호와 같은 건물 일체식 태양광모듈(BIPV)와 같은 부가가치가 높은 분야로 응용될 수 있다.
본 특허에서 제안하고 있는 가시광 대역 광투과성이 우수한 소재를 기판에 인접하게 포함한 태양광 모듈은 저비용 레이저 스크라이빙 기술의 적용을 가능케 하여, 고효율 저비용 Se, S계 박막 태양전지 모듈 생산에 이용될 수 있을 뿐만 아니라, 광투광성의 자유로운 확보를 가능케 하여 투광창 BIPV 분야에서 활용될 수 있다. 이미 투광창으로 이용되고 있는 비정질 Si 박막 태양전지보다 매우 높은 에너지 생산이 가능하다.
1, 3: 박막 태양전지 10: 투명 기판
30: 후면전극 31: 계면제어 물질
35: 제2 후면전극 40: 광흡수층
50: 버퍼층 60: 고저항 윈도우층
70: 투명전극

Claims (27)

  1. 투명 기판의 제1 면 상에 투명한 제1 후면전극을 증착하는 단계;
    상기 제1 후면전극 상에 고전도성 금속을 포함하는 제2 후면전극을 증착하는 단계;
    상기 제1 및 제2 후면전극의 이중층을 분리하기 위해 제1 레이저 스크라이빙을 수행하는 단계;
    상기 제2 후면전극 상에 셀레늄(Se) 또는 황(S)을 포함하는 광흡수층을 증착하는 단계;
    상기 광흡수층을 분리하기 위해 상기 투명 기판의 제1 면과 마주보는 제2 면으로 레이저를 입사시켜 제2 레이저 스크라이빙을 수행하는 단계;
    상기 광흡수층 상에 투명전극을 증착하는 단계; 및
    상기 투명전극을 분리하기 위해 상기 제2 면으로 레이저를 입사시켜 제3 레이저 스크라이빙을 수행하는 단계를 포함하는, 박막 태양전지의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 레이저 스크라이빙을 수행하는 단계 및 상기 제3 레이저 스크라이빙을 수행하는 단계는,
    상기 제2 후면전극을 희생층으로 사용하는, 박막 태양전지의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 후면전극은 가시광 또는 근적외선 대역에서 광흡수도가 20% 이하이고, 비저항이 1E-2 Ωcm 이하인 물질로 형성되는, 박막 태양전지의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 후면전극은 인듐의 산화물, 아연의 산화물, 주석의 산화물 중 적어도 하나를 포함하는 투명전도산화물(TCO), TCO와 금속필름 또는 나노와이어층과 TCO로 구성된 다층구조 투명전극 및 그래핀, 카본나노튜브 중 적어도 하나를 포함하는 카본소재가 분산된 투명전극 중에서 선택된 하나의 물질을 포함하는, 박막 태양전지의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 후면전극은 가시광 또는 근적외선 대역에서 상기 제1 후면전극의 광흡수도 대비 상기 제2 후면전극의 광흡수도 비 가 1 이상인 파장대역이 존재하고, 비저항이 5E-5 Ωcm 이하인 물질로 형성되는, 박막 태양전지의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 후면전극은 몰리브데늄(Mo), 텅스텐(W), 티탄(Ti), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 니오븀(Nb), 니켈(Ni) 중에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함하는 단일층 또는 다중층으로 형성된, 박막 태양전지의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 후면전극은 50 내지 1000 nm 범위 내의 두께로 형성되고, 상기 제2 후면전극은 10 내지 1000 nm 범위 내의 두께로 형성되는, 박막 태양전지의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광흡수층은 구리(Cu) 및 은(Ag) 중 적어도 하나, 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 주석(Sn) 중 적어도 하나, 셀레늄(Se) 또는 황(S) 중 적어도 하나를 포함하는 물질로 형성되는, 박막 태양전지의 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광흡수층 상에 버퍼층 및 고저항 윈도우층 중 적어도 하나의 층을 증착하는 단계를 더 포함하고,
    상기 적어도 하나의 층은 상기 제2 레이저 스크라이빙 수행 시 상기 광흡수층과 함께 제거되는, 박막 태양전지의 제조 방법.
  10. 투명 기판의 제1 면 상에 투명한 후면전극을 증착하는 단계;
    상기 후면전극을 분리하기 위해 제1 레이저 스크라이빙을 수행하는 단계;
    상기 후면전극 상에 셀레늄(Se) 또는 황(S)을 포함하는 광흡수층을 증착하는 단계;
    상기 광흡수층을 분리하기 위해 상기 투명 기판의 제1 면과 마주보는 제2 면으로 레이저를 입사시켜 제2 레이저 스크라이빙을 수행하는 단계;
    상기 광흡수층 상에 투명전극을 증착하는 단계; 및
    상기 투명전극을 분리하기 위해 상기 제2 면으로 레이저를 입사시켜 제3 레이저 스크라이빙을 수행하는 단계를 포함하는, 박막 태양전지의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 후면전극은 가시광 또는 근적외선 대역에서 광흡수도가 20% 이하이고, 비저항이 1E-2 Ωcm 이하인 물질로 형성되는, 박막 태양전지의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 후면전극은 인듐의 산화물, 아연의 산화물, 주석의 산화물 중 적어도 하나를 포함하는 투명전도산화물(TCO), TCO와 금속필름 또는 나노와이어층과 TCO로 구성된 다층구조 투명전극 및 그래핀, 카본나노튜브 중 적어도 하나를 포함하는 카본소재가 분산된 투명전극 중에서 선택된 하나의 물질을 포함하는, 박막 태양전지의 제조 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 투명 기판의 제1 면 상에 후면전극을 증착하는 단계는,
    상기 후면전극 상에 계면제어 물질을 증착하는 단계를 더 포함하는, 박막 태양전지의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 계면제어 물질은 400 내지 600 °C에서 안정하고, 일함수가 적어도 5 eV인 물질로 형성되는, 박막 태양전지의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 계면제어 물질은 몰리브데늄산화물, 텅스텐산화물, 니켈산화물, 크롬산화물 중 적어도 하나를 포함하는, 박막 태양전지의 제조 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 후면전극은 100 내지 2000 nm 범위 내의 두께로 형성되고, 상기 계면제어 물질은 1 내지 50 nm 범위 내의 두께로 형성되는, 박막 태양전지의 제조 방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 광흡수층은 구리(Cu) 및 은(Ag) 중 적어도 하나, 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 주석(Sn) 중 적어도 하나, 셀레늄(Se) 또는 황(S) 중 적어도 하나를 포함하는 물질로 형성되는, 박막 태양전지의 제조 방법.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 광흡수층 상에 버퍼층 및 고저항 윈도우층 중 적어도 하나의 층을 증착하는 단계를 더 포함하고,
    상기 적어도 하나의 층은 상기 제2 레이저 스크라이빙 수행시 상기 광흡수층과 함께 제거되는, 박막 태양전지의 제조 방법.
  19. 투명 기판 상에 형성된 투명성을 갖는 제1 후면전극, 상기 제1 후면전극 상에 고전도성 금속을 포함하는 제2 후면전극, 상기 제2 후면전극 상에 형성된 셀레늄(Se) 또는 황(S)을 포함하는 광흡수층, 상기 광흡수층 상에 형성된 버퍼층, 고저항 윈도우층 중 적어도 하나의 층 및 상기 적어도 하나의 층 상에 형성된 투명전극을 포함하는 박막 태양전지의 모듈 구조에 있어서,
    상기 제1 후면전극 및 상기 제2 후면전극의 이중층은 일정 간격으로 제1 방향으로 분리되고,
    상기 제2 후면전극, 상기 광흡수층 및 상기 적어도 하나의 층은 상기 이중층의 분리 영역과 인접한 영역에서 상기 제1 방향으로 분리되고,
    상기 투명전극 또는 상기 제2 후면전극, 상기 광흡수층, 상기 적어도 하나의 층 및 상기 투명전극은 상기 제1 방향으로 분리된, 박막 태양전지의 모듈 구조.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 후면전극과 상기 투명전극은, 상기 적어도 하나의 층이 분리된 영역에서 직렬 연결되는, 박막 태양전지의 모듈 구조.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 제1 후면전극은 가시광 또는 근적외선 대역에서 광흡수도가 20% 이하이고, 비저항이 1E-2 Ωcm 이하인 물질로 형성되는, 박막 태양전지의 모듈 구조.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제1 후면전극은 인듐의 산화물, 아연의 산화물, 주석의 산화물 중 적어도 하나를 포함하는 투명전도산화물(TCO), TCO과 금속필름 또는 나노와이어층과 TCO로 구성된 다층구조 투명전극 및 그래핀, 카본나노튜브 중 적어도 하나를 포함하는 카본소재가 분산된 투명전극 중에서 선택된 하나의 물질을 포함하는, 박막 태양전지의 모듈 구조.
  23. 제19항에 있어서,
    상기 제1 후면전극은 50 내지 1000 nm 범위 내의 두께로 형성되는, 박막 태양전지의 모듈 구조.
  24. 제19항에 있어서,
    상기 제2 후면전극은 가시광 또는 근적외선 대역에서 상기 제1 후면전극의 광흡수도 대비 상기 제2 후면전극의 광흡수도 비 가 1 이상인 파장대역이 존재하고, 비저항이 5E-5 Ωcm 이하인 물질로 형성되는, 박막 태양전지의 모듈 구조.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 제2 후면전극은 몰리브데늄(Mo), 텅스텐(W), 티탄(Ti), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 니오븀(Nb), 니켈(Ni) 중에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함하는 단일층 또는 다중층으로 형성된, 박막 태양전지의 모듈 구조.
  26. 제19항에 있어서,
    상기 광흡수층은 구리(Cu) 및 은(Ag) 중 적어도 하나, 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 주석(Sn) 중 적어도 하나, 셀레늄(Se) 또는 황(S) 중 적어도 하나를 포함하는 물질로 형성되는, 박막 태양전지의 모듈 구조.
  27. 제19항에 있어서,
    상기 제2 후면전극은 10 내지 1000 nm 범위 내의 두께로 형성되는, 박막 태양전지의 모듈 구조.
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