KR20170113798A - 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지의 제조방법 및 그에 의해 제조된 플렉시블 태양전지 그리고 이를 이용한 플렉시블 태양전지 모듈 - Google Patents

전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지의 제조방법 및 그에 의해 제조된 플렉시블 태양전지 그리고 이를 이용한 플렉시블 태양전지 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플렉시블 태양전지의 제조방법 및 그에 의해 제조된 플렉시블 태양전지에 관한 것으로서, 벌크 기판 상부에 반도체층을 형성하는 제1단계와, 상기 반도체층 상부에 후면전극을 형성하는 제2단계와, 상기 후면전극 상부에 홀패턴이 구비된 플렉시블 기판을 형성시키는 제3단계와, 상기 벌크 기판을 제거하는 제4단계와, 상기 반도체층 하부에 전면전극을 형성하는 제5단계와, 상기 홀패턴 내부에 전도성 재료를 충진시키는 제6단계 및 상기 전도성 재료가 홀패턴에 충진된 플렉시블 기판 전면에 금속백시트를 형성하는 제7단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지의 제조방법 및 그에 의해 제조된 플렉시블 태양전지 그리고 이를 이용한 플렉시블 태양전지 모듈을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 본 발명은 홀패턴이 구비된 플렉시블 기판을 사용하고, 상기 홀패턴에 전도성 재료를 충진하여 사용함으로써, 플라스틱 재료의 유연성과 전도성 재료의 전도성을 융합시킨 전도성을 갖는 플렉시블 기판을 적용하여, 기존 플렉시블 기판 사용시 문제되는 전기적 및 열적 특성을 향상시켜 태양전지의 성능을 개선시키고, 이러한 홀패턴이 구비된 플렉시블 기판을 사용한 플렉시블 태양전지는 직렬로 연결하여 모듈 형태로 사용할 시에 후면전극 연결문제를 해결하고, 무게를 획기적으로 줄일 수 있는 초경량 플렉시블 태양전지 또는 초경량 플렉시블 태양전지 모듈을 제공할 수 있는 이점이 있다.

Description

전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지의 제조방법 및 그에 의해 제조된 플렉시블 태양전지 그리고 이를 이용한 플렉시블 태양전지 모듈{Manufacturing method of flexible solar cell with conducting substrate, flexible solar cell and flexible solar cell module thereby}
본 발명은 플렉시블 태양전지의 제조방법 및 그에 의해 제조된 플렉시블 태양전지에 관한 것으로서, 홀패턴이 구비된 플렉시블 기판을 사용하고, 상기 홀패턴에 전도성 재료를 충진하여 사용함으로써, 플라스틱 재료의 유연성과 전도성 재료의 전도성을 융합시킨 전도성을 갖는 플렉시블 기판을 적용하여, 전기적 및 열적 특성을 향상시켜 태양전지의 성능을 개선시킨 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지의 제조방법 및 그에 의해 제조된 플렉시블 태양전지 그리고 이를 이용한 플렉시블 태양전지 모듈에 관한 것이다.
화석연료의 고갈과 환경오염, 지구온난화 문제로 인해 신재생에너지의 개발 필요성이 높아지고 있으며, 환경 친화적이고 무한 재생이 가능한 태양전지가 차세대 에너지원으로 주목받고 있다.
태양전지는 태양광 발전의 핵심소자이며, 광기전력 효과(Photovoltaic Effect)를 이용하여 태양광 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 소자로써, 변환효율을 향상시키고 제조비용을 감소시키기 위해 다양한 재료의 태양전지가 전 세계적으로 연구 개발되고 있다.
또한, 태양전지는 일반적으로 실리콘 기반의 벌크형 태양전지와 기판 상에 박막의 형태로 반도체가 형성된 박막형 태양전지가 있으며, 벌크형 태양전지는 박막형 태양전지에 비해 효율이 우수하나 공정상 두께를 최소화하는데 한계가 있으며, 고가의 반도체 기판을 이용하기 때문에 제조비용이 상승되는 문제점이 있으며, 박막형 태양전지는 얇은 두께로 제조가 가능하고 저가의 재료를 이용하여 제조비용을 감소시킬 수 있어, 최근에는 박막형 태양전지에 대한 연구가 증가되는 추세이다.
이러한 태양전지는 지상 발전용 분야뿐만 아니라 최근 소비자의 요구에 맞추어, 휴대하기 편하고 유연성이 뛰어나며, 안정적인 발전 효율을 나타내는 초경량 박막형 플렉시블 태양전지 및 그에 대한 기술 개발의 필요성이 대두되고 있다.
일반적으로 플렉시블 태양전지는 플렉시블 기판을 사용하게 되는데, 도 1은 종래의 플렉시블 태양전지(5)의 구조를 나타낸 것으로서, 도시된 바와 같이 플렉시블 기판(4) 상에 후면전극(3)이 형성되고, 그 상층에 반도체층(2)이 형성되며, 그 상층에 전면전극(1)이 형성되어 이루어지며, 플렉시블 기판(4)을 제외하고, 후면전국(3), 반도체층(2), 전면전극(1)을 태양전지 셀이라고도 한다.
이러한, 플렉시블 태양전지는 전격 전압을 맞추기 위해서는 단위 플렉시블 태양전지를 직렬로 연결하여 모듈 형태로 제작하여야 하는데, 종래의 플렉시블 태양전지에 사용되는 플렉시블 기판은 대부분 폴리이미드와 같은 유연성이 좋은 플라스틱을 사용한다. 이러한 플라스틱 기판은 부도체이기 때문에 모듈 제작 시 후면전극의 연결방법이 복잡하고, 방열특성이 나쁜 단점이 있다.
기존에는 다음 도 2 및 도 3과 같은 방법으로 후면전극과 이웃하는 태양전지 셀을 연결하여 모듈사용하여 왔다.
도 2는 플렉시블 기판의 면적을 태양전지 셀의 면적보다 넓게 설계하여 금속 전극선으로 연결하는 방법을 나타낸 것으로, 금속 전극선의 본딩 공정이 번거롭고 태양전지 셀의 면적이 줄어드는 단점이 있다.
또한, 도 3과 같이, 플렉시블 기판의 접합부에 구멍을 뚫어 전도성 접착제로 연결하는 방법도 있으나, 연결방법이 까다롭고 태양전지 셀의 높이만큼 단차가 발생하여, 설치공간이 제한적이며 비효율적으로 공간을 활용하게 되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 도 4와 같이, 플렉시블 기판 대신에 후면전극(3)으로 얇은 금속 기판을 사용하면 상기 문제점을 어느 정도 해결할 수 있으나, 다음 표 1과 같이 일반적으로 금속이 플라스틱(폴리이미드)에 비해 큰 비중을 가지고 있으므로 플렉시블 태양전지의 무게를 증가시키는 문제점이 발생하게 된다.
재료 비중(g/cm3) 비교
폴리이미드 1.43 x1
구리 8.96 x6.3
은 10.49 x7.3
금 19.30 x13.5
미국등록특허 US 8,993,366(2015.03.31)
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 홀패턴이 구비된 플렉시블 기판을 사용하고, 상기 홀패턴에 전도성 재료를 충진하여 전도성을 갖는 플렉시블 기판을 적용하여 태양전지의 성능을 개선시킨 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지의 제조방법 및 그에 의해 제조된 플렉시블 태양전지 그리고 이를 이용한 플렉시블 태양전지 모듈의 제공을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 벌크 기판 상부에 반도체층을 형성하는 제1단계와, 상기 반도체층 상부에 후면전극을 형성하는 제2단계와, 상기 후면전극 상부에 홀패턴이 구비된 플렉시블 기판을 형성시키는 제3단계와, 상기 벌크 기판을 제거하는 제4단계와, 상기 반도체층 하부에 전면전극을 형성하는 제5단계와, 상기 홀패턴 내부에 전도성 재료를 충진시키는 제6단계 및 상기 전도성 재료가 홀패턴에 충진된 플렉시블 기판 전면에 금속백시트를 형성하는 제7단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지의 제조방법 및 그에 의해 제조된 플렉시블 태양전지 그리고 이를 이용한 플렉시블 태양전지 모듈을 기술적 요지로 한다.
또한, 상기 제1단계의 반도체층을 형성하기 전에, 상기 벌크 기판 상부에 희생층을 먼저 형성하는 것이 바람직하며, 상기 희생층이 형성된 경우에는, 상기 제4단계에서의 벌크 기판의 제거는 상기 희생층의 제거를 통해 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 홀패턴이 구비된 플렉시블 기판은, 10~100㎛로 두께로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 홀패턴의 형상, 크기, 간격 및 배열 형태 중 어느 하나 또는 둘 이상을 변화시켜 상기 플렉시블 기판의 전기전도도, 열전도도, 무게 및 유연성 중 어느 하나 또는 둘 이상의 물성을 조절할 수 있다.
여기에서, 상기 홀패턴의 전체 수평 단면적은, 상기 플렉시블 기판 전체 수평 단면적의 10~30%로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 홀패턴의 지름은 0.1~1mm로 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 홀패턴은, 상기 플렉시블 기판에서 상기 후면전극이 접한 영역에서 상기 금속백시트가 접한 영역으로 갈수록 수평 단면적이 더 넓게 형성되어 전도성 재료가 충진되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 홀패턴은, 상기 플렉시블 기판에서 상기 후면전극이 접한 영역과 상기 금속백시트가 접한 영역에서의 수평 단면적이 중심부보다 더 넓게 형성되어 전도성 재료가 충진되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 홀패턴은, 플라즈마 전처리 또는 표면개질용 화합물의 그라프트 반응에 의해 상기 홀패턴 내부의 표면처리에 따른 표면에너지를 증가시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제3단계의 홀패턴이 구비된 플렉시블 기판은, 리소그래피(lithography), 에칭(etching), 레이저 어블레이션(laser ablation) 및드릴링(drilling) 공정 중 어느 하나의 공정에 의해 홀패턴을 구현하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제3단계의 홀패턴이 구비된 플렉시블 기판은, 웨이퍼 본딩(wafer bonding) 또는 전도성 접착제에 의해 상기 후면전극 상부에 부착되어 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제6단계의 전도성 재료의 충진은, 전도성 접착제의 충진, 전해 도금 공정(plating) 및 금속 증착(e-beam or thermal evaporation) 중 어느 하나의 방법에 의해 구현되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제7단계의 금속백시트의 형성은, 상기 플렉시블 기판 전면에 금속 필름의 부착, 금속 박막의 증착 및 전해 도금 공정 중 어느 하나의 공정에 의해 구현되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 후면전극, 전도성 재료 및 금속백시트는 동일한 종류의 재료 또는 서로 다른 종류의 재료로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명은 홀패턴이 구비된 플렉시블 기판을 사용하고, 상기 홀패턴에 전도성 재료를 충진하여 사용함으로써, 플라스틱 재료의 유연성과 전도성 재료의 전도성을 융합시킨 전도성을 갖는 플렉시블 기판을 적용하여, 기존 플렉시블 기판 사용시 문제되는 전기적 및 열적 특성을 향상시켜 태양전지의 성능을 개선시킨 것이다.
또한, 본 발명은 홀패턴이 구비된 플렉시블 기판을 사용한 플렉시블 태양전지를 직렬로 연결하여 모듈 형태로 사용할 시에 후면전극 연결문제를 해결하고, 무게를 획기적으로 줄일 수 있는 초경량 플렉시블 태양전지 또는 초경량 플렉시블 태양전지 모듈을 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 홀패턴의 형상 및 후면전극, 전도성 재료 또는 금속백시트의 재료를 변화시키는 간단한 방법에 의해 후면전극의 전기전도도, 태양전지의 방열 특성을 조절하거나 개선시킬 수도 있고, 태양전지의 유연성 및 무게를 조절할 수도 있어, 용도 및 목적에 따라 플렉시블 태양전지의 특성을 용이하게 변경할 수 있어, 플렉시블 태양전지를 보다 다양한 분야에 적용할 수 있는 효과가 있다.
이러한 플렉시블 태양전지는 플렉시블 소자 산업을 비롯한 다양한 산업 분야에서 높은 부가가치를 창출하고, 고용을 창출함으로써 국가 경제 활성화의 원동력이 될 수 있을 것으로 기대된다.
또한, 플렉시블 태양전지에 대한 원천 기술 개발은 현재 전 세계시장의 80% 이상을 차지하고 있는 실리콘 태양전지 시장 이후에 도래할 것으로 예상되는 플렉시블 태양전지 시장에서 독자적인 경쟁력을 갖추고 새로운 실용화 가능성을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
도 1 내지 도 4 - 종래의 플렉시블 태양전지의 구조 및 모듈 형태로의 구현 예시도를 나타낸 도.
도 5 - 본 발명에 따른 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지의 제조방법에 대한 모식도.
도 6 - 본 발명의 다른 실시예에 따른 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지 구조에 대한 모식도.
도 7 - 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지 구조에 대한 모식도.
도 8 - 본 발명의 일실시예에 따른 전도성 기판을 갖는 플렉시블 기판에 대한 평면도.
본 발명은 플렉시블 태양전지의 제조방법 및 그에 의해 제조된 플렉시블 태양전지에 관한 것으로서, 홀패턴이 구비된 플렉시블 기판을 사용하고, 상기 홀패턴에 전도성 재료를 충진하여 사용함으로써, 플라스틱 재료의 유연성과 전도성 재료의 전도성을 융합시킨 전도성을 갖는 플렉시블 기판을 적용하여, 기존 플렉시블 기판 사용시 문제되는 전기적 및 열적 특성을 향상시켜 태양전지의 성능을 개선시킨 것이다.
이러한 홀패턴이 구비된 플렉시블 기판을 사용한 플렉시블 태양전지를 직렬로 연결하여 모듈 형태로 사용할 시에 후면전극 연결문제를 해결하고, 무게를 획기적으로 줄일 수 있는 초경량 플렉시블 태양전지를 제공할 수 있도록 하는 것이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다. 도 5는 본 발명에 따른 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지의 제조방법에 대한 모식도를 나타낸 것이며, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지 구조에 대한 모식도를 나타낸 것이고, 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지 구조에 대한 모식도를 나타낸 것이며, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 전도성 기판을 갖는 플렉시블 기판에 대한 평면도를 나타낸 것이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지의 제조방법은, 벌크 기판(100) 상부에 반도체층(200)을 형성하는 제1단계와, 상기 반도체층(200) 상부에 후면전극(300)을 형성하는 제2단계와, 상기 후면전극(300) 상부에 홀패턴(410)이 구비된 플렉시블 기판(400)을 형성시키는 제3단계와, 상기 벌크 기판(100)을 제거하는 제4단계와, 상기 반도체층(200) 하부에 홀패턴(410)을 형성하는 제5단계와, 상기 홀패턴(410) 내부에 전도성 재료(420)를 충진시키는 제6단계 및 상기 전도성 재료(420)가 홀패턴(410)에 충진된 플렉시블 기판(400) 전면에 금속백시트(600)를 형성하는 제7단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 플렉시블 태양전지의 제조방법은, 먼저, 벌크 기판(100) 상부에 반도체층(200)을 형성한다.(제1단계)
상기 벌크 기판(100)은 그 상층에 형성되는 반도체층(200)의 결함을 최소화하기 위해 반도체층(200)과 격자상수가 비슷한 기판을 사용하게 되며, 예컨대, 상기 기판은 GaAs, InP 등을 사용하는 경우 상기 반도체층(200)은 GaAs, InGaAs, AlInGaAs, InGaP, AlInGaP 등의 재료를 사용하게 된다.
여기에서, 상기 벌크 기판(100) 상부에 반도체층(200)을 형성하기 전에 상기 벌크 기판(100) 상부에 희생층을 먼저 형성할 수도 있다. 이는 후술할 벌크 기판(100) 제거시 효율적으로 제거하기 위한 것으로, 희생층은 벌크 기판(100) 상에 에픽탁셜하게 성장되며 특정 용매에 대하여 기판보다 쉽게 식각되어야 하므로 벌크 기판(100)과는 다른 재료 또는 격자상수가 다를 수도 있으며 격자결함을 최소화하기 위해 희생층 상에 버퍼층 등을 더 형성시킬 수 있다. 후 공정에서 식각 등을 통해 제거해야 하는 층이므로 벌크 기판(100)과는 상이한 조성일 수 있다.
이와 같이 벌크 기판(100) 상의 희생층 및 반도체층(200)은 통상의 박막 증착 공정에 의해 형성되게 되며, 벌크 기판(100)과 반도체층(200) 사이에 희생층을 형성한 경우에는 후술할 벌크 기판(100)의 제거는 상기 희생층의 제거를 통해 이루어지게 된다.
그리고, 상기 반도체층(200) 상부에 후면전극(300)을 형성한다.(제2단계)
상기 후면전극(300)은 반도체층(200)과 바로 접촉(ohmic contact)되도록 형성되며, 이러한 후면전극(300)은 여타의 물리적, 화학적 박막 증착 공정 또는 코팅 공정에 의해 반도체층(200) 상부에 형성되게 된다.
상기 후면전극(300)은 금(Au), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 은(Ag), 백금(Pt), 니켈(Ni), 구리(Cu) 및 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO) 등이 사용될 수 있으며, 전기전도도 및 열적 특성을 고려하여 적절한 재료를 선택하여 사용할 수 있다.
또한, 이러한 금속재료들은 전기전도도, 열적 특성, 비중이 서로 다르므로, 후면전극(300), 후술할 전도성 재료(420) 및 금속백시트(600)와 동일한 종류의 재료 또는 서로 다른 종류의 재료를 사용하여, 후면전극(300)의 전기전도도를 조절할 수 있으며, 태양전지의 방열 특성을 조절하거나 개선시킬 수도 있고, 태양전지의 무게를 조절할 수도 있게 된다.
그리고, 상기 후면전극(300) 상부에 홀패턴(410)이 구비된 플렉시블 기판(400)을 형성시킨다.(제3단계)
상기 홀패턴(410)이 구비된 플렉시블 기판(400)은 유연성이 좋은 플라스틱, 예컨대 폴리이미드(polyimide)와 같은 플라스틱 기판의 상하부를 관통하는 패턴을 형성하여 구현한다.
이러한 홀패턴(410)이 구비된 플렉시블 기판(400)은, 플라스틱 기판 상에 리소그래피(lithography), 에칭(etching), 레이저 어블레이션(laser ablation) 및 드릴링(drilling) 공정 중 어느 하나의 패터닝 공정을 수행하여, 홀패턴(410)을 구현할 수 있다.
예컨대, 상기 홀패턴(410)에 대응되는 패턴이 형성된 마스크를 상기 플렉시블 기판(400) 상에 위치시키고, 노광 및 현상 또는 에칭, 레이저 어블레이션 또는 드릴링 공정과 같은 패터닝 공정을 수행하여 플렉시블 기판(400) 상에 홀패턴(410)을 구비한다.
이러한 홀패턴(410)이 구비된 플렉시블 기판(400)은 상기 후면전극(300) 상부에 형성시키게 되며, 바람직하게는 상기 홀패턴(410)이 구비된 플렉시블 기판(400)은, 웨이퍼 본딩(wafer bonding) 또는 전도성 접착제에 의해 상기 후면전극(300) 상부에 부착되어 형성되게 된다.
여기에서, 상기 홀패턴(410)이 구비된 플렉시블 기판(400)은 10~100㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 이 범위보다 얇게 형성되면 태양전지 셀의 기판으로의 역할을 하기 힘들거나, 더 두껍게 형성되면 유연성이 떨어져 플렉시블한 기능을 수행할 수 없게 된다.
한편, 상기 홀패턴(410)의 형상, 크기, 간격 및 배열 형태 중 어느 하나 또는 둘 이상을 변화시켜 상기 플렉시블 기판(400)의 전기전도도, 열전도도, 무게 및 유연성 중 어느 하나 또는 둘 이상의 물성을 조절할 수 있다.
본 발명에서의 홀패턴(410)에는 후술할 전도성 재료(420)가 충진되어 부도체로 형성된 플라스틱 기판이 전도성을 갖는 전도성 기판으로 기능하도록 하는 것으로서, 이는 플라스틱 재료의 유연성과 전도성 재료(420)의 전도성을 융합시켜, 전기적, 열적 특성을 개선시킨 새로운 개념의 전도성을 띄는 플렉시블 기판(400)이 구현되도록 하는 것이다.
여기에서, 전도성 재료(420)가 홀패턴(410)에 충진되어 형성된 플렉시블 기판(400)을 본 발명에서는 전도성 기판이라고 하며, 이러한 홀패턴(410)의 형상, 크기, 간격 또는 배열 형태 등을 변화시키게 되면 후면전극(300)의 전기전도도를 조절할 수 있으며, 후면전극(300)의 면적이 변화되므로 플렉시블 태양전지의 무게를 조절할 수 있게 되는 것이다.
즉, 홀패턴(410)의 형상 등을 변화시켜 플렉시블 기판(400)의 전기전도도, 열전도도, 무게 및 유연성과 같은 물성을 조절할 수 있다.
또한, 상기 홀패턴(410)의 전체 수평 단면적은 상기 플렉시블 기판(400) 전체 수평 단면적의 10~30%로 형성되는 것이 바람직하다. 이는 10% 이하의 범위에서는 플렉시블 기판(400)의 전기전도도 및 열전도도와 같은 특성의 개선이 구현되기 어려우며, 30% 이상의 범위에서는 플렉시블 기판(400)의 무게가 증가하여 플렉시블 태양전지의 적용에 제약이 있게 된다.
또한, 상기 홀패턴(410)의 지름은 0.1~1mm로 형성되는 것이 바람직하다. 이는 0.1mm 이하의 범위에서는 후술할 전도성 재료(420)의 충진이 용이하지 않을 수 있으며, 1mm 이상의 범위에서는 전도성 재료(420)의 충진으로 기판의 유연성이 저하될 가능성이 있게 된다.
한편, 플렉시블 기판(400)에 구비된 홀패턴(410)은 반복 또는 불규칙적으로 형성시킬 수 있고, 횡단면 형상은 원형이나 다각형 등 필요에 의해 다양하게 형성할 수도 있으며, 종단면 형상은 기둥 형상으로 형성될 수도 있다. 상술한 바와 같이, 이러한 홀패턴(410)의 형상, 크기, 간격 또는 배열 형태 등을 변화시켜 후면전극(300)의 전기전도도, 열전도도, 플렉시블 태양전지의 무게 또는 유연성 등을 조절할 수 있도록 한다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 원형(원기둥)의 홀패턴(410)이 구비된 플렉시블 기판(400)의 평면도를 도시한 것이다.
또한, 상기 홀패턴(410)은, 상기 플렉시블 기판(400)에서 상기 후면전극(300)이 접한 영역에서 후술할 금속백시트(600)가 접한 영역으로 갈수록 수평 단면적이 더 넓게 형성되거나, 상기 플렉시블 기판(400)에서 상기 후면전극(300)이 접한 영역과 금속백시트(600)가 접한 영역에서의 수평 단면적이 중심부보다 더 넒게 형성되어, 전도성 재료(420)의 충진이 용이하도록 한 것이다.
이러한 형태의 홀패턴(410)은 전도성 재료(420)가 충진되는 입구가 넓고 내부가 이에 비해 좁은 형태를 이루어져 전도성 재료(420)의 충진이 보다 효과적으로 이루어질 수 있도록 하며, 홀패턴(410) 내부에 전도성 재료(420)의 충진된 영역의 결함을 최소화할 수 있다.
한편, 상기 홀패턴(410)은 플라즈마 전처리 또는 표면개질용 화합물의 그라프트 반응에 의해 홀패턴(410) 내부의 표면처리에 따른 홀패턴(410) 내부의 표면 에너지를 증가시켜, 홀패턴(410) 내부에서의 전도성 재료(420)의 젖음성을 개선시켜 홀패턴(410) 내부로의 전도성 재료(420)의 충진 효율을 더욱 높이고, 전도성 재료(420)의 충진된 영역의 결함을 더욱 줄일 수 있어 보이드나 공극없이 고품위의 충진이 이루어지도록 하여, 본 발명에 따른 플렉시블 기판(400)에서의 전기적, 열적 특성이 안정적으로 발현되도록 한다.
여기에서, 표면개질용 화합물은 아크릴산, 비닐아세테이트, 메틸메타크릴레이트 등과 같은 극성기를 가진 단량체를 플렉시블 기판(400)과 그라프트 반응을 시켜 홀패턴(410) 내부의 표면에너지를 증가시켜 젖음성을 향상시키도록 한 것이다.
그리고, 이와 같이 후면전극(300) 상부에 홀패턴(410)이 구비된 플렉시블 기판(400)의 부착이 완료되면, 상기 벌크 기판(100)을 제거하게 되고, 제거된 벌크 기판(100)은 다시 처음 공정으로 돌아가 재활용되게 된다.(제4단계)
이는 희생층이 형성되어 있지 않은 경우에는 반도체층(200)과 벌크 기판(100)과의 밴드갭 에너지 차이에 의한 레이저 리프트 오프 공정 등에 의해 벌크 기판(100)을 반도체층(200)으로부터 분리시키거나, 희생층이 형성된 경우에는 희생층의 식각 공정 등에 의해 벌크 기판(100)을 반도체층(200)으로부터 분리시킬 수 있다.
이러한 분리된 벌크 기판(100)은 다시 재활용할 수 있어 다음 공정에 사용되게 된다.
그리고, 상기 벌크 기판(100)을 제거한 후 상기 반도체층(200) 하부에 전면전극(500)을 형성하게 된다.(제5단계)
여기에서, 상기 반도체층(200) '하부'는 상술한 반도체층(200) '상부'에 대한 반대쪽의 의미로 설명의 편의를 위해 도입한 것으로, 특별한 물리적 의미는 없다.
이러한 전면전극(500)은 소정의 패터닝에 의해 구현되며, 이웃하는 태양전지 셀의 후면전극(300)과 금속 전극선에 의해 접촉되어, 태양전지 셀이 모듈화되어 구현되게 된다.
그리고, 상기 전면전극(500)을 형성한 후, 상기 홀패턴(410) 내부에 전도성 재료(420)를 충진시키게 된다.(제6단계)
여기에서, 상기 전도성 재료(420)는 전도성이 우수한 Ag, Ni, Cu, C, Ag-Pd, Au 등과 같은 금속이 포함된 전도성 페이스트 또는 전도성 에폭시(epoxy)를 사용하거나, Ag, Ni, Cu, C, Ag-Pd, Au 등과 같은 금속 재료가 될 수 있다.
이러한 금속재료들은 전기전도도, 열적 특성, 비중이 서로 다르므로, 후면전극(300), 상기 전도성 재료(420) 및 후술할 금속백시트(600)와 동일한 종류의 재료 또는 서로 다른 종류의 재료를 사용하여, 후면전극(300)의 전기전도도를 조절할 수 있으며, 태양전지의 방열 특성을 조절하거나 개선시킬 수도 있고, 태양전지의 무게를 조절할 수도 있게 된다.
또한, 상기 홀패턴(410) 내부로의 전도성 재료(420)의 충진은, 전도성 접착제의 충진, 전해 도금 공정(plating) 및 금속 증착(e-beam or thermal evaporation) 중 어느 하나의 방법에 의해 구현될 수 있으며, 전해 도금 공정의 경우 상기 후면전극(300)은 시드층 역할을 할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 홀패턴(410)이 구비된 플렉시블 기판(400)을 적용하고, 홀패턴(410) 내부에 전도성 재료(420)를 충진함으로써, 기존의 부도체로 사용된 플렉시블 기판(400)의 전기적 및 열적 문제점은 개선시키고 유연성은 그대로 이용하여, 전도성 기판으로의 기능을 수행할 수 있도록 하며, 플렉시블 태양전지의 모듈 형태로의 적용시 후면전극(300) 연결문제를 간단하게 해결함과 동시에 초경량의 플렉시블 태양전지를 제공할 수 있는 장점이 있는 것이다.
그리고, 상기 홀패턴(410) 내부에 전도성 재료(420)의 충진이 완료되면, 상기 전도성 재료(420)가 홀패턴(410)에 충진된 플렉시블 기판(400) 전면에 금속백시트(metal back sheet)(600)를 형성한다.(제7단계) 즉, 상기 홀패턴(410) 내부에 전도성 재료(420)를 충진하고, 상기 금속백시트(600)로 마감을 하게 된다.
또한, 상기 금속백시트(600)는 상기 플렉시블 기판(400) 전면에 금속 필름의 부착, 금속 박막의 증착 또는 전해 도금 공정 등으로 이루어지게 되며, 상기 전도성 재료(420)의 충진이 증착 또는 도금 공정에 의해 수행되는 경우에는 상기 금속백시트(600)는 홀패턴(410) 내부로의 전도성 재료(420)의 충진이 완료된 이후에도 계속적으로 도금 공정 등을 수행하여 플렉시블 기판(400) 전면에 과성장(over growth)시키는 형태로 구현될 수도 있다.
이러한 금속백시트(600)는 상기 후면전극(300) 또는 전도성 재료(420)와 동일한 종류의 재료 또는 서로 다른 종류의 재료로 형성될 수 있으며, 이에 의해 후면전극(300)의 전기전도도를 조절할 수 있으며, 태양전지의 방열 특성을 조절하거나 개선시킬 수도 있고, 태양전지의 사용목적이나 용도 등에 따라 무게를 조절할 수도 있게 된다.
상기 후면전극(300), 전도성 재료(420) 및 금속백시트(600)는 홀패턴(410)이 구비된 플렉시블 기판(400)과 유기적으로 결합되어, 전체적으로 전도성 기판의 역할을 할 수 있도록 하였으며, 홀패턴(410) 내부에 충진되는 전도성 재료(420)는 상기 후면전극(300) 및 금속백시트(600)를 전기적으로 연결하는 기능을 하면서, 플렉시블 기판(400)의 유연성과 전기적, 열적 특성을 개선시키고, 경량의 플렉시블 기판(400)을 제공하게 된다.
여기에서, 상기 후면전극(300)과 금속백시트(600)는 플렉시블 기판(400) 상하부 전면에 형성되어 반도체층(200)과의 안정적인 접촉이 이루어지도록 하면서, 태양전지를 모듈 형태로 사용할 경우 금속백시트(600)와 인접하는 태양전지 셀의 전면전극(500)과 안정적인 전기적 접촉이 이루어지도록 하면서, 상호 간 연결이 용이하여 다양한 형태의 태양전지 셀의 배열이 가능하여 그 적용분야가 다양할 것으로 기대된다.
이와 같이, 본 발명은 홀패턴(410)이 구비된 플렉시블 기판(400)을 적용하고, 홀패턴(410) 내부에 전도성 재료(420)를 충진함으로써, 기존의 부도체로 사용된 플렉시블 기판(400)의 전기적 및 열적 문제점을 개선시켜 모듈 형태로의 적용시 후면전극(300) 연결문제를 간단하게 해결함과 동시에 홀패턴(410) 내부로 전도성 재료(420)를 충진시킴으로써 초경량의 플렉시블 태양전지를 제공할 수 있는 장점이 있는 것이다.
이러한 제조방법에 의해 제조된 플렉시블 태양전지는 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 반도체층(200)과, 상기 반도체층(200) 상부 및 하부에 각각 형성된 전면전극(500) 및 후면전극(300)과, 상기 후면전극(300) 하부에 형성된 플렉시블 기판(400)을 포함하여 이루어진 플렉시블 태양전지에 있어서, 상기 플렉시블 기판(400)은 홀패턴(410)이 구비되어 형성되고, 상기 홀패턴(410) 내부로 전도성 재료(420)가 충진되어 형성되며, 상기 전도성 재료(420)가 홀패턴(410)에 충진된 플렉시블 기판(400) 전면에 금속백시트(600)가 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 홀패턴(410)은, 상기 플렉시블 기판(400)에서 상기 후면전극(300)이 접한 영역에서 후술할 금속백시트(600)가 접한 영역으로 갈수록 수평 단면적이 더 넓게 형성되거나, 상기 플렉시블 기판(400)에서 상기 후면전극(300)이 접한 영역과 금속백시트(600)가 접한 영역에서의 수평 단면적이 중심부보다 더 넒게 형성되어, 전도성 재료(420)의 충진이 용이하도록 한 것이다.
한편, 상기 홀패턴(410)은 플라즈마 전처리 또는 표면개질용 화합물의 그라프트 반응에 의해 홀패턴(410) 내부의 표면처리에 따른 홀패턴(410) 내부의 표면 에너지를 증가시켜, 홀패턴(410) 내부에서의 전도성 재료(420)의 젖음성을 개선시켜 홀패턴(410) 내부로의 전도성 재료(420)의 충진 효율을 더욱 높이고, 전도성 재료(420)의 충진된 영역의 결함을 더욱 줄일 수 있도록 한다.
또한, 상기 홀패턴(410)의 전체 수평 단면적은 상기 플렉시블 기판(400) 전체 수평 단면적의 10~30%로 형성되는 것이 바람직하다. 이는 10% 이하의 범위에서는 플렉시블 기판(400)의 전기전도도 및 열전도도와 같은 특성의 개선이 구현되기 어려우며, 30% 이상의 범위에서는 플렉시블 기판(400)의 무게가 증가하여 플렉시블 태양전지의 적용에 제약이 있게 된다.
또한, 상기 홀패턴(410)의 지름은 0.1~1mm로 형성되는 것이 바람직하다. 이는 0.1mm 이하의 범위에서는 후술할 전도성 재료(420)의 충진이 용이하지 않을 수 있으며, 1mm 이상의 범위에서는 전도성 재료(420)의 충진으로 기판의 유연성이 저하될 가능성이 있게 된다.
여기에서, 상기 홀패턴(410)의 형상, 크기, 간격 및 배열 형태 중 어느 하나 또는 둘 이상을 변화시켜 상기 플렉시블 기판(400)의 전기전도도, 열전도도, 무게 및 유연성 중 어느 하나 또는 둘 이상의 물성을 조절할 수 있다.
이와 같이 제조된 본 발명에 따른 플렉시블 태양전지는 상기 플렉시블 기판에 형성된 금속백시트와 이웃하는 플렉시블 태양전지의 전면전극을 전기적으로 연결하여 모듈형태로 구현될 수 있다.
이에 의해 본 발명은 홀패턴이 구비된 플렉시블 기판을 적용하여 플렉시블 기판 사용시 문제되는 전기적 및 열적 특성을 향상시켜 태양전지의 성능을 개선시킬 수 있도록 하였으며, 이러한 홀패턴이 구비된 플렉시블 기판을 사용한 플렉시블 태양전지를 직렬로 연결하여 모듈 형태로 사용할 시에 후면전극 연결문제를 해결하고, 무게를 획기적으로 줄일 수 있는 초경량 플렉시블 태양전지를 제공할 수 있도록 하는 것이다.
100 : 벌크 기판 200 : 반도체층
300 : 후면전극 400 : 플렉시블 기판
410 : 홀패턴 420 : 전도성 재료
500 : 전면전극 600 : 금속백시트

Claims (26)

  1. 벌크 기판 상부에 반도체층을 형성하는 제1단계;
    상기 반도체층 상부에 후면전극을 형성하는 제2단계;
    상기 후면전극 상부에 홀패턴이 구비된 플렉시블 기판을 형성시키는 제3단계;
    상기 벌크 기판을 제거하는 제4단계;
    상기 반도체층 하부에 전면전극을 형성하는 제5단계;
    상기 홀패턴 내부에 전도성 재료를 충진시키는 제6단계; 및
    상기 전도성 재료가 홀패턴에 충진된 플렉시블 기판 전면에 금속백시트를 형성하는 제7단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제1단계의 반도체층을 형성하기 전에,
    상기 벌크 기판 상부에 희생층을 먼저 형성하는 것을 특징으로 하는 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지의 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 희생층이 형성된 경우에는,
    상기 제4단계에서의 벌크 기판의 제거는 상기 희생층의 제거를 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 홀패턴이 구비된 플렉시블 기판은,
    10~100㎛로 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 홀패턴의 형상, 크기, 간격 및 배열 형태 중 어느 하나 또는 둘 이상을 변화시켜 상기 플렉시블 기판의 전기전도도, 열전도도, 무게 및 유연성 중 어느 하나 또는 둘 이상의 물성을 조절하는 것을 특징으로 하는 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지의 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 홀패턴의 전체 수평 단면적은,
    상기 플렉시블 기판 전체 수평 단면적의 10~30%로 형성된 것을 특징으로 하는 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지의 제조방법.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 홀패턴의 지름은 0.1~1mm로 형성된 것을 특징으로 하는 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지의 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 홀패턴은,
    상기 플렉시블 기판에서 상기 후면전극이 접한 영역에서 상기 금속백시트가 접한 영역으로 갈수록 수평 단면적이 더 넓게 형성되어 전도성 재료가 충진되는 것을 특징으로 하는 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지의 제조방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 홀패턴은,
    상기 플렉시블 기판에서 상기 후면전극이 접한 영역과 상기 금속백시트가 접한 영역에서의 수평 단면적이 중심부보다 더 넓게 형성되어 전도성 재료가 충진되는 것을 특징으로 하는 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지의 제조방법.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 홀패턴은,
    플라즈마 전처리 또는 표면개질용 화합물의 그라프트 반응에 의해 상기 홀패턴 내부의 표면처리에 따른 표면에너지를 증가시키는 것을 특징으로 하는 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지의 제조방법.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 제3단계의 홀패턴이 구비된 플렉시블 기판은,
    리소그래피(lithography), 에칭(etching), 레이저 어블레이션(laser ablation) 및 드릴링(drilling) 공정 중 어느 하나의 공정에 의해 홀패턴을 구현하는 것을 특징으로 하는 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지의 제조방법.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 제3단계의 홀패턴이 구비된 플렉시블 기판은,
    웨이퍼 본딩(wafer bonding) 또는 전도성 접착제에 의해 상기 후면전극 상부에 부착되어 형성되는 것을 특징으로 하는 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지의 제조방법.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 제6단계의 전도성 재료의 충진은,
    전도성 접착제의 충진, 전해 도금 공정(plating) 및 금속 증착(e-beam or thermal evaporation) 중 어느 하나의 방법에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지의 제조방법.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 제7단계의 금속백시트의 형성은,
    상기 플렉시블 기판 전면에 금속 필름의 부착, 금속 박막의 증착 및 전해 도금 공정 중 어느 하나의 공정에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지의 제조방법.
  15. 제 1항에 있어서, 상기 후면전극, 전도성 재료 및 금속백시트는 동일한 종류의 재료 또는 서로 다른 종류의 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지의 제조방법.
  16. 제 1항 내지 제 15항 중 어느 하나의 제조방법에 의해 제조된 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지는,
    상기 플렉시블 기판에 형성된 후면전극과 이웃하는 플렉시블 태양전지의 전면전극을 전기적으로 연결하여 모듈형태로 구현되는 것을 특징으로 하는 플렉시블 태양전지 모듈.
  17. 반도체층과, 상기 반도체층 상부 및 하부에 각각 형성된 전면전극 및 후면전극과, 상기 후면전극 하부에 형성된 플렉시블 기판을 포함하여 이루어진 플렉시블 태양전지에 있어서,
    상기 플렉시블 기판은 홀패턴이 구비되어 형성되고,
    상기 홀패턴 내부로 전도성 재료가 충진되어 형성되며,
    상기 전도성 재료가 홀패턴에 충진된 플렉시블 기판 전면에 금속백시트가 형성된 것을 특징으로 하는 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 홀패턴이 구비된 플렉시블 기판은,
    10~100㎛로 형성되는 것을 특징으로 하는 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지.
  19. 제 17항에 있어서, 상기 홀패턴의 형상, 크기, 간격 및 배열 형태 중 어느 하나 또는 둘 이상을 변화시켜 상기 플렉시블 기판의 전기전도도, 열전도도, 무게 및 유연성 중 어느 하나 또는 둘 이상의 물성을 조절하는 것을 특징으로 하는 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지.
  20. 제 17항에 있어서, 상기 홀패턴의 전체 수평 단면적은,
    상기 플렉시블 기판 전체 수평 단면적의 10~30%로 형성된 것을 특징으로 하는 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지.
  21. 제 17항에 있어서, 상기 홀패턴의 지름은 0.1~1mm로 형성된 것을 특징으로 하는 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지.
  22. 제 17항에 있어서, 상기 홀패턴은,
    상기 플렉시블 기판에서 상기 후면전극이 접한 영역에서 상기 금속백시트가 접한 영역으로 갈수록 수평 단면적이 더 넓게 형성되어 전도성 재료가 충진되는 것을 특징으로 하는 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지.
  23. 제 17항에 있어서, 상기 홀패턴은,
    상기 플렉시블 기판에서 상기 후면전극이 접한 영역과 상기 금속백시트가 접한 영역에서의 수평 단면적이 중심부보다 더 넓게 형성되어 전도성 재료가 충진되는 것을 특징으로 하는 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지.
  24. 제 17항에 있어서, 상기 홀패턴은,
    플라즈마 전처리 또는 표면개질용 화합물의 그라프트 반응에 의해 상기 홀패턴 내부의 표면처리에 따른 표면에너지를 증가시키는 것을 특징으로 하는 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지.
  25. 제 17항에 있어서, 상기 후면전극, 전도성 재료 및 금속백시트는 동일한 종류의 재료 또는 서로 다른 종류의 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지.
  26. 제 17항 내지 제 25항 중의 어느 한 항의 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지는,
    상기 플렉시블 기판에 형성된 후면전극과 이웃하는 플렉시블 태양전지의 전면전극을 전기적으로 연결하여 모듈형태로 구현되는 것을 특징으로 하는 전도성 기판을 갖는 플렉시블 태양전지 모듈.
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