KR20180098492A

KR20180098492A - 태양전지 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20180098492A
Application number: KR1020180097398A
Authority: KR
Inventors: 민병권; 황윤정; 정재승
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2018-08-21
Filing date: 2018-08-21
Publication date: 2018-09-04

Abstract

본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 여러 구현예에 따르면, 투명전도성 전극 상에 제조된 CIGS 박막 태양전지 내에서 태양광 모듈 제작 중에 필수적으로 형성되는 스크라이빙 영역(면적 중 일부가 광 투과 가능한 PV)을 통해 광투과성을 확보할 수 있다. 또한, 모듈의 디자인(P1, P2, P3, 스크라이빙의 폭과 간격 등)에 따라 광투과성의 정도는 조절 가능하고, 스크라이빙으로 인한 10% 정도의 빈 공간을 통해 충분한 광 투과가 가능하다. 또한, 투명전도성 전극 상에 고전도성 불투명 전극을 마스크를 사용하여 증착시켜 복합 후면전도층막을 제조함으로써 투명전도성 후면전극만을 이용할 경우 야기되는 태양전지 효율 감소를 최소화할 수 있다.

Description

태양전지 및 그 제조방법{Solar cell and process of preparing the same}

본 발명은 태양전지(PV) 및 그 제조방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로 CIGS 박막 태양전지 내에서 태양광 모듈 제작 중에 필수적으로 형성되는 스크라이빙 영역(면적 중 일부가 광 투과 가능한 PV)을 통해 효율 감소는 최소화하면서 광투과성을 확보할 수 있는 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.

기후 변화, 특히 지구 온난화에 대한 우려 증가로 인하여 태양 에너지를 전기로 변환하는 기술은 최근에 점점 더 주목을 받고 있다. 태양광 시스템은 땅, 옥상 및 심지어 빌딩의 벽에도 설치되어 대규모 방식에 의하여 전기를 생산할 수 있다. 태양광 기술의 발달은 2015년에 전세계 용량을 기준으로 227 GW 이상을 생산할 수 있는 글로벌 태양광 시스템의 설치를 가속화하고 있고, 매년 약 25% 정도의 빠른 성장을 보이고 있다.

게다가 최근 태양광 시설을 통한 대규모 전기 생산에 대한 세계적 관심사가 각 나라의 급격한 도시화와 연계된 에너지 자원 활용, 즉 고분산화된 현장 전기 에너지 생산 시스템 개발 및 적용으로 변화하고 있다. 이러한 마이크로그리드라고도 불리는 지역적으로 분산된 전기 생산 시스템은 메인 그리드가 작동하지 않는 동안에 작동될 수 있으며 그로 인해 지역적인 전기 생산 시스템은 그리드 회복력을 강화할 수 있고, 그리드의 장애를 완화할 수 있다. 게다가, 지역의 필요에 부응하기 위한 지역 자원의 사용은 전송 및 공급에서의 에너지 손실을 줄이는데 도움이 되며, 이로 인해 전기전달 시스템의 효율을 더욱 증가시킨다.

마이크로그리드 전기 생산 시스템의 대표적인 예로 전력 생산을 동반하는, 건물 외피에서 태양전지를 작동하는 건물 일체형 태양광 발전(Building integrated photovoltaic, BIPV)을 들 수 있다. 현재 결정질 실리콘 태양전지 기술이 지배적인 건물 태양광 기술로 적용되고 있으나 이외에도 무정형 실리콘(a-Si), 구리 인듐 다이-셀레나이드(CIS), 구리 인듐 갈륨 다이-셀레나이드(CIGS), 카드뮴 텔레나이트(CdTe)과 같은 무기물 필름 형태의 태양광 물질과 몇몇 유기물질들(예를 들어, OPV) 또한 건물 일체형 태양광 발전에 일부 활용되고 있다.

하지만 많은 형태의 BIPV 태양전지 중에서, 동력 발전 창으로 사용될 수 있는 태양전지는 매우 제한적이며, 가장 큰 원인으로는 창호용 태양전지가 만족해야 하는 서로 상반되는 기능, 즉 고전력 생산을 위한 빛 흡수 기능과 투광성 확보를 위한 가시역광선에 대한 투과 기능을 동시에 만족해야 하기 때문이라고 할 수 있다. 또 다른 중요 요구 조건은 심미적인 부분, 즉 태양전지 창의 멋진 외관(예를 들어, 색상)의 필요성을 들 수 있다.

현재까지 개발된 다양한 태양전지 중 염료감응형 태양전지는 창호형 태양전지가 갖추어야 하는 몇 가지 핵심 조건 (예를 들어, 반투명성, 다채로움, 낮은 비용 등)을 만족하여 그동안 창호용 태양전지의 유망한 후보로 고려되어 왔으나 아직까지는 저내구성 및 불안정성과 같은 심각한 단점을 아직까지 극복하지 못해 실제 적용을 하지 못하고 있는 실정이다. 그러므로, 현재까지는 창호용 태양전지로 응용할 수 있는 태양전지 대안이 부재한 상태이며 따라서 어느 정도의 광투과성을 확보할 수 있으며 고효율, 고내구성을 갖고 있어 동력 발전 창 어플리케이션에 대한 좋은 대안이 될 수 있는 태양전지의 개발이 필요하다.

무기물 소재 기반의 박막 태양전지는 충분한 내구성 및 고효율이 이미 입증되어 왔다. 특히, 광흡수층으로 CIGS 필름을 포함하는 화합물 박막 태양전지는 높은 광에너지 효율, 장기 안정성 등과 같은 다양한 이점을 가지기 때문에 가장 유망한 박막 태양전지로 고려되어 왔다. 더욱 중요하게는, 이들은 투명전도성 유리 기판 상에 제작이 가능하기 때문에 창호용 태양전지의 중요 요소인 광투과성 확보가 가능하여 차세대 동력 발전 창으로 응용될 수 있다.

CIGS 박막 태양전지의 광투과능을 부여하기 위해 두 가지 방법이 사용된다. 전 면적에 걸쳐 반투명한 전지를 사용하거나 또는 면적 중 일부가 광 투과 가능한 전지를 사용하는 것이 그것이다. 그러나, 상술한 바와 같이, 광투과성 및 태양전지 성능은 상반되는 기능이어서 반투과 박막 태양전지는 높은 태양전지 효율은 기대하기 어렵다. 따라서 CIGS 태양전지의 모듈 제작 시 수반되는 스크라이빙 영역을 조절함으로써 투광성을 확보하는 접근이 더 효과적이라고 할 수 있다. 또한 투명전도성 유리 기판 사용으로 인해 야기되는 효율 저하 문제를 해결할 수 있는 기술 개발이 필요하다.

1. 특허공개 제10-2015-0056833 2015. 04. 22. 2. 특허등록 제2008-0178925 A1 2008. 07. 31.

1. 논문게제 DOI: 10.1007/s11814-015-0200-1 2. 논문게제 DOI: 10.1002/pip.589 3. 논문게제 DOI:10.1016/j.apsusc.2011.08.016

본 발명에서는 CIGS 박막 태양전지 내에서 태양광 모듈 제작 중에 필수적으로 형성되는 스크라이빙 영역(면적 중 일부가 광 투과 가능한 PV)을 통한 광투과성을 확보할 수 있는 발명을 제공하고자 한다. 모듈의 디자인(P1, P2, P3, 스크라이빙의 폭과 간격 등)에 따라, 광투과성의 정도는 조절 가능하고, 스크라이빙으로 인한 10% 정도의 빈 공간을 통해 충분한 광 투과가 가능할 뿐만 아니라 창밖을 볼 수 있도록 하며 동시에 불투명한 유리 기판 전극 (예: Mo-glass)를 사용할 때 비해 투명한 유리 기판 전극 (예: ITO-glass)를 사용할 때 생기는 효율 저하를 최소화 할 수 있는 발명을 제공하고자 한다.

본 발명의 대표적인 일 측면은 이러한 과제 달성을 위한 태양전지 제조방법 및 그렇게 제조된 태양전지에 관한 것이다.

본 발명의 여러 구현예에 따르면, CIGS 박막 태양전지 내에서 태양광 모듈 제작 중에 필수적으로 형성되는 스크라이빙 영역(면적 중 일부가 광 투과 가능한 PV)을 통해 광투과성을 확보할 수 있다. 또한, 모듈의 디자인(P1, P2, P3, 스크라이빙의 폭과 간격 등)에 따라 광투과성의 정도는 조절 가능하고, 스크라이빙으로 인한 10% 정도의 빈 공간을 통해 충분한 광 투과가 가능하다. 또한, 마스크를 이용 P3 스크라이빙 영역을 제외한 부분에 Mo와 같은 전도성이 높은 금속을 증착, CIGS 광흡수층과 후면전극 사이의 Ohmic 접합을 가능하게 하여 투명한 유리 기판 전극을 사용할 때 생기는 효율 저하를 최소화 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 ITO와 Mo를 동시 이용한 투광형 CIGS 단일형(monolithic) 모듈의 제조 순서 및 각 층별 물질 과 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 일반적인 CIGS 단일형(monolithic) 모듈의 제조 완료된 단면 구조와 스크라이빙 영역을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예 (ITO와 Mo를 동시 이용) 와 기존의 비교예 1 (Mo 이용), 2 (ITO 이용) 의 기판별 효율 비교를 나타내기 위한 싱글 셀의 대한 효율 그래프(3a) 와 표(3b) 이다.
도 4는 본 발명의 실시예 (ITO와 Mo를 동시 이용) 와 기존의 비교예 1(Mo 이용), 2 (ITO 이용) 모듈의 제조 완료된 투과도 비교를 나타낸 사진이다.

이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, (A) 투명성 절연 기판 위에 투명성 하부 전극층을 형성하는 단계, (B) 상기 투명성 하부 전극층이 형성되어 있는 전체 영역인 셀 영역 중 일부인 투광 영역을 제외한 나머지 영역인 비투광 영역에 고전도성 하부 전극층(비투명전극층)을 형성시켜 복합 하부 전극층을 수득하는 단계, (C) 상기 비투광 영역 중에서 그 일부 영역인 단락 영역에 대해서만 그 수직 하방향으로 존재하는 비투명성 하부 전극층 및 투명성 하부 전극층을 제거하고 (P1 스크라이빙), 그 나머지 영역인 비단락 영역은 그대로 둠으로써, 서로 단락된 복수 개의 복합 하부 전극층을 수득하는 단계, (D) 상기 (C) 단계를 거친 후 그 상부에 광흡수층, 버퍼층, 윈도우층을 형성시키는 단계, (E) 상기 비투광성 영역 중 일부 영역인 도전성 영역의 수직 상하방향에 존재하는 상기 광흡수층, 상기 버퍼층, 상기 윈도우층을 제거하는 단계 (P2 스크라이빙), (F) 상기 (E) 단계를 거친 후 그 상부에 상부 전극층을 형성하는 단계, (G) 상기 투광성 영역에 대해서 그 수직 상하방향에 존재하는 상기 광흡수층, 상기 버퍼층, 상기 윈도우층, 및 상기 상부 전극층을 제거하는 단계 (P3 스크라이빙)를 포함하는 태양전지 제조방법에 관한 것이다.

위 (B) 단계를 거쳐, 투명성 하부 전극층의 최초 전체 영역인 셀 영역은 비투명성 하부 전극층이 그 위에 형성되어 있는 영역인 비투광 영역과 그 나머지 영역인 투광 영역으로 나눌 수 있다.

또한 위 (C) 단계에 의해, 최초 비투광 영역은 현재 단계에서 비투명성 하부 전극층과 투명성 하부 전극층이 모두 제거된 영역은 단락 영역과 그 나머지 영역은 비단락 영역으로 나눌 수 있다.

또한, 위 (D) 단계를 통해서, 단락 영역에는 투명성 절연 기판 위에, 투광 영역에는 투명성 하부 전극층 위에, 비투광성 영역에는 비투명성 하부 전극층 위에 광흡수층, 버퍼층, 윈도우층이 형성되게 된다. 즉, 투명성 절연 기판에서 복합 하부 전극층이 제거되어 투명성 절연 기판이 드러난 영역에는 투명성 절연 기판 위에 위 3개 층을 형성되고, 또한 복합 하부 전극층 위에 위 3개 층을 형성시키는 경우에도 비투명성 하부 전극층이 형성된 영역에는 비투명성 하부 전극층 위에 위 3개 층을 형성시키고, 비투명성 하부 전극층이 형성되지 않은 영역에는 투명성 하부 전극층 위에 위 3개 층을 형성시킨다는 의미이다.

위 (E) 단계는 하기 본 발명의 일 구현예에 따른 공정도 중 ⑥번 공정에 해당되는 단계이다.

또한, 위 (F) 단계를 통해서, 도전성 영역에는 비투광성 하부 전극층 위에, 그 나머지 셀 영역에는 윈도우층 위에 상부 전극층이 형성되게 된다. 즉, 상기 비투명성 하부 전극층의 수직 상방향으로 존재하는 광흡수층, 버퍼층, 윈도우층이 제거된 영역은 제거되면서 드러난 비투명성 하부 전극층 위에 상부 전극층이 형성되며, 제거되지 않은 영역은 맨 위의 윈도우층 위에 상부 전극층이 형성된다.

위 (G) 단계에서, 투광성 영역에는 (B) 단계를 통하여 비투광성 하부 전극층은 존재하지 않으므로 그 수직 상하방향으로 존재하는 광흡수층, 버퍼층, 윈도우층의 3개 층과 상부 전극층을 제거하면 된다.

이와 같은 본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 (B) 단계는 상기 투광 영역에 대해 마스킹한 후 상기 고전도성 비투명 하부 전극층을 형성하고 상기 마스킹을 제거함으로써 수행된다.

다른 구현예에 있어서, 상기 고전도성 비투과 전극층은 E-빔 증발법 또는 스퍼터링법에 의해 형성된다.

또 다른 구현예에 있어서, 상기 투과성 전극층은 ITO, FTO, AZO, graphene 중에서 선택된 1종 이상이다.

또 다른 구현예에 있어서, 상기 고전도성 비투과 전극층은 Mo, W, Cr, Ta, Nb, V, Ti, Mn 중에서 선택된 1종 이상이다.

또 다른 구현예에 있어서, 상기 (C) 단계는 레이저 스크라이빙법에 의해 수행된다.

또 다른 구현예에 있어서, 상기 (E) 단계는 메커니컬 스크라이빙법에 의해 수행된다.

또 다른 구현예에 있어서, 상기 (G) 단계는 메커니컬 스크라이빙법에 의해 수행된다.

본 발명의 다른 측면은 본 발명의 여러 구현예에 따라 제조된 태양전지에 관한 것이다.

이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.

또한 이하에서 제시되는 실험 결과는 상기 실시예 및 비교예의 대표적인 실험 결과만을 기재한 것이며, 아래에서 명시적으로 제시하지 않은 본 발명의 여러 구현예의 각각의 효과는 해당 부분에서 구체적으로 기재하도록 한다.

실시예

실시예: ITO와 Mo를 동시 이용한 투광형 CIGS 단일형(monolithic) 모듈의 제조

투광형 CIGS 단일형(monolithic) 모듈을 제작함에 있어 ITO 기판의 단일 사용은 ITO 기판의 상대적으로 높은 면 저항으로 인하여 비투광형(Mo 기판 이용)과 비교했을 때 효율이 낮다(도 3의 비교예 2). 때문에 ITO 기판의 투과성(도 4의 비교예 2)과 Mo 기판의 낮은 면 저항에 따른 높은 효율(도 3의 비교예 1)을 동시에 충족하기 위해 스테인레스 스틸(SS) 마스크를 사용하여 CIGS 단일형(monolithic) 모듈을 구현하였다.

우선, ITO 기판에 SS 마스크를 모듈디자인에 맞게 제작하여 올린 후(도 1의 ①), Mo를 E-빔 증발기(E-beam evaporator) 또는 스퍼터를 사용하여 증착하였다(②, ③). 부분적으로 전도성이 없는 소다 라임 유리만 남겨두어 하부전극을 셀 단위로 단절(isolation)시키기 위해 532 레이저 장비를 이용하여 Mo와 ITO 기판의 해당 부분을 제거하였다(④, P1 공정).

P1 공정 처리된 기판에 CIGS 광흡수층과 CdS 버퍼층 및 IZO 윈도우층을 증착하였다(⑤). 이후 P1에서 단절된 단위 셀들을 상부전극이 되는 AZO물질이 하부전극에 닿아 단위 셀들을 직렬로 연결하게 된다. 이를 위해 우선 IZO 층 증착 후 AZO를 증착하기 전 P2 공정을 폭 50 μm의 다이아몬드 니들을 사용하여 메커니컬 스크라이빙으로 진행하였다(⑥, P2 공정). 이러한 P2 공정을 통해서 위에 언급한 하부전극인 Mo 상단의 광 흡수층, 버퍼층, 윈도우층을 제거하였다.

P2 공정 이후 상부전극인 AZO를 증착 및 메카니컬 스크라이빙을 통해 ②번 단계의 도면에서 마스킹되어 비투광형 하부전극인 Mo이 증착되지 않은 부분에 ITO 위 부분의 층들을 제거하였으며(⑦, P3 공정), 이를 통해 단위 셀끼리 직렬로 연결시켰다. P3 공정이 수행된 부분의 투과도와 부분적으로 증착된 낮은 저항의 하부전극 Mo를 이용한 투광형 CIGSSe 단일형(monolithic) 모듈이 얻어졌다.

도 4의 실시예의 결과를 보면 하부전극 ITO 기판을 통해 투광형을 가지는 것을 알 수 있고, 동시에 도 3의 그래프를 보면 ITO와 Mo 기판 모두를 이용한 단위 셀의 경우 Mo 기판만을 이용한 단위 셀과 비교해서도 비슷한 효율을 보임을 알 수 있다.

비교예 1: Mo를 이용한 CIGS 단일형(monolithic) 모듈의 제조

CIGS 단일형(monolithic) 모듈을 제작하기 위해 하부전극으로 Mo 기판만을 사용하였다. 일반적으로 Mo 기판은 2 내지 5 Ω/cm²의 면저항을 가진다. 단일형(monolithic) 모듈 제작을 위해 532 레이저를 이용하여 도 2의 1 구조 형성을 위해 P1 공정을 진행하였다. P1 공정이 진행된 부분은 Mo이 제거되기 때문에 전도성이 없는 유리만 남아 셀 단위로 단락된다. 이후 위의 위 실시예와 동일하게 P3까지 공정을 진행하여 투과도는 가지지 않지만 일반적인 효율을 보여주는 Mo 기판의 CIGS 단일형(monolithic) 모듈을 제조하였다.

비교예 2: ITO를 이용한 투광형 CIGS 단일형(monolithic) 모듈의 제조

CIGS 단일형(monolithic) 모듈에서의 도 2에서 3에 해당하는 스크라이빙 영역을 통한 투광성 향상을 이용하기 위하여 하부 전극으로 ITO 기판을 사용하였다. ITO 기판은 일반적으로 Mo 기판보다는 높은 8 내지 10 Ω/cm² 정도의 면저항을 갖는다. 위 실시예와 마찬가지로 패터닝 공정까지 동일하게 진행하였다. 완성된 단일형(monolithic) 모듈은 ITO의 투광성으로 인해 P3 부분은 투과도가 없는 Mo와는 다르게 상대적으로 높은 투과도를 가지며 목적에 따라 원하는 투과도를 위해 P3 폭을 늘려서 활용할 수 있다. 제조된 하부전극이 ITO 기판인 CIGS 단일형(monolithic) 모듈은 Mo 기판보다는 다소 높은 면저항으로 인해 투과도는 가지지만 효율은 상대적으로 낮음을 확인할 수 있다.

본 발명에서는 광투과성을 확보할 수 있으나 효율 감소를 최소화 할 수 있으며 비용 효율적인 동력 발전 창을 제작하기 위하여, 투명전도성 전극 상에 고전도성 불투명 전극을 마스크를 사용하여 일부 증착한 후 용액공정으로 제조된 CIGS 광흡수층 박막을 이용하여 전력을 생산할 수 있는 기술을 적용하였다.

Claims

(A) 투명성 절연 기판 위에 투명성 하부 전극층을 형성하는 단계,
(B) 상기 투명성 하부 전극층이 형성되어 있는 전체 영역인 셀 영역 중 일부인 투광 영역을 제외한 나머지 영역인 비투광 영역에 고전도성 비투명 하부 전극층을 형성시켜 복합 하부 전극층을 수득하는 단계,
(C) 상기 비투광 영역 중에서 그 일부 영역인 단락 영역에 대해서만 그 수직 하방향으로 존재하는 비투명성 하부 전극층 및 투명성 하부 전극층을 제거하고, 그 나머지 영역인 비단락 영역은 그대로 둠으로써, 서로 단락된 복수 개의 복합 하부 전극층을 수득하는 단계,
(D) 상기 (C) 단계를 거친 후 그 상부에 광흡수층, 버퍼층, 윈도우층을 형성시키는 단계,
(E) 상기 비투광성 영역 중 일부 영역인 도전성 영역의 수직 상하방향에 존재하는 상기 광흡수층, 상기 버퍼층, 상기 윈도우층을 제거하는 단계,
(F) 상기 (E) 단계를 거친 후 그 상부에 상부 전극층을 형성하는 단계,
(G) 상기 투광성 영역에 대해서 그 수직 상하방향에 존재하는 상기 광흡수층, 상기 버퍼층, 상기 윈도우층, 및 상기 상부 전극층을 제거하는 단계를 포함하는 태양전지 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 (B) 단계는 상기 투광 영역에 대해 마스킹한 후 상기 고전도성 비투명 하부 전극층을 형성하고 상기 마스킹을 제거함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 고전도성 비투명 전극층은 E-빔 증발법 또는 스퍼터링법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 투과성 전극층은 ITO, FTO, AZO, graphene, 중에서 선택된 1종 이상이고,
상기 고전도성 비투명 전극층은 Mo, W, Cr, Ta, Nb, V, Ti, Mn 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 (C) 단계는 레이저 스크라이빙법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 (E) 단계는 메커니컬 스크라이빙법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 (G) 단계는 메커니컬 스크라이빙법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 태양전지 제조방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따라 제조된 태양전지.