KR20200048960A - 확장성을 가진 유연 박막 태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 확장성을 가진 유연 박막 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 금속 유연 기판과, 상기 금속 유연 기판의 상부에 형성한 태양전지를 포함하는 복수의 태양전지 셀; 상기 복수의 태양전지 셀을 서로 전기적으로 연결하는 전도성 접착층; 및 상기 복수의 태양전지 셀 중 어느 하나의 태양전지 셀의 상면에 형성한 상부 전극을 포함하고, 상기 태양전지는 하부 전극, CIGS 흡수층, 완충층, 및 투명 전극이 차례로 적층되며, 상기 복수의 태양전지 셀을 직렬 접속하여 이루어지는 태양전지 모듈의 크기를 폭방향으로 확장하기 위해 스트립 형태로 커팅된 상단 태양전지 셀의 하부 전극과 스트립 형태로 커팅된 하단 태양전지 셀의 투명 전극이 전도성 접착층에 의해 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.

Description

확장성을 가진 유연 박막 태양전지 및 그 제조 방법{Flexible Thin Film Solar Cell With Extension Capability And Method For The Same}
본 발명은 스트립 형태의 복수의 태양전지 셀을 직렬 접속하여 태양전지 모듈을 만드는 확장성을 가진 유연 박막 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양의 빛에너지를 전기에너지로 전환하는 장치로, 태양광 발전 시스템의 핵심 부품이다. 태양전지는 P-N 접합으로 구성된 반도체 소자로 반도체의 에너지 밴드 갭보다 큰 에너지의 빛이 입사되면 반도체 내부에 전자-정공 쌍이 생성되고, 생성된 전자-정공 쌍이 P-N 접합부에 형성되어 있는 전기장에 의해 서로 반대 방향으로 이동하면서 외부에 연결된 도선에 전류가 흐르게 된다.
CIGS 박막 태양전지는 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se) 등으로 구성된 화합물 반도체를 사용하는 태양전지로, 결정질 실리콘에 비해 광흡수율이 높아 얇은 두께만으로도 고효율의 태양전지 제조가 가능하고 제조 공정이 결정질 실리콘 태양전지에 비해 단순하여 제조단가를 절감할 수 있는 등 많은 장점을 갖고 있다.
태양광 발전을 위해서는 태양전지 셀 여러 장을 직렬로 연결하여 패널 형태의 모듈로 제작한다. 이러한 태양전지 모듈을 만드는 종래의 기술로서 한국공개특허 제2018-0106442호에서는 ECA(electrode coductive adhesive)을 이용하여 CIGS 태양전지 셀의 에지를 직접 본딩하여 직렬연결시키는 것으로, n-1번째 CIGS 태양전지 셀의 상부 일측과 n번째 CIGS 태양전지 셀의 금속기판의 하부 타측 사이에 접착층을 이용하여 직접 본딩하는 기술을 개시한다.
그러나 상기 문헌에서와 같이 태양전지 셀을 직접 본딩하는 방법은 확장성에 제한을 받는다. 상기 문헌을 포함한 종래 기술은, 도 1에 도시한 바와 같이, 복수의 태양전지 셀(1)이 플레이트 형상으로 형성되어 있고, 복수의 태양전지 셀(1)은 전도성 접착층(ECA)을 이용하여 상호간에 연결한다. 각각의 태양전지 셀(1)은 폭 방향 단변이 수 ~ 수십cm 크기로 만들어지기 때문에 셀 일면에는 그리드 전극(3)을 형성하는 것이 요구된다. 그리드 전극 공정은 대면적 태양전지 모듈을 제작하는데 장애 요소가 되고, 태양전지 모듈의 크기와 형태에 대한 설계 작업에 저해 요인이 된다. 따라서 그리드 전극이 필요하지 않고 태양전지의 크기와 형태를 보다 다양하게 설계할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
한국공개특허 제2018-0106442호(2018.10.01 공개)
없음
본 발명의 목적은 스트립 형태의 복수의 태양전지 셀을 폭 방향으로 직렬 접속하여 태양전지 모듈을 만드는 방식을 도입함으로써 그리드 전극 형성이 필요 없고 태양전지 셀의 크기와 형태에 대한 설계 작업 범위가 넓은 확장성을 가진 유연 박막 태양전지 및 그 제조 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른확장성을 가진 유연 박막 태양전지는, 금속 유연 기판과, 상기 금속 유연 기판의 상부에 형성한 태양전지를 포함하는 복수의 태양전지 셀; 상기 복수의 태양전지 셀을 서로 전기적으로 연결하는 전도성 접착층; 및 상기 복수의 태양전지 셀 중 어느 하나의 태양전지 셀의 상면에 형성한 상부 전극을 포함하고, 상기 태양전지는 하부 전극, CIGS 흡수층, 완충층, 및 투명 전극이 차례로 적층되며, 상기 복수의 태양전지 셀을 직렬 접속하여 이루어지는 태양전지 모듈의 크기를 폭방향으로 확장하기 위해 스트립 형태로 커팅된 상단 태양전지 셀의 하부 전극과 스트립 형태로 커팅된 하단 태양전지 셀의 투명 전극이 전도성 접착층에 의해 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 스트립 형태의 태양전지 셀은 폭 방향의 단변이 수 mm이고 길이 방향의 장변이 수 m인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 전도성 접착층은 스트립 형태의 태양전지 셀의 하면에 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 확장성을 가진 유연 박막 태양전지의 제조 방법은, 금속 유연 기판의 상부에 복수의 태양전지 셀을 포함하는 태양전지를 형성하는 태양전지 형성 단계; 상기 복수의 태양전지 셀 중 어느 하나의 태양전지 셀의 상면에 상부 전극을 형성하는 전극 형성 단계; 상기 복수의 태양전지 셀 각각에 전도성 접착층을 형성하는 전도성 접착층 형성 단계; 상기 복수의 태양전지 셀의 하면에 형성된 각각의 전도성 접착층을 경계로 스트립 형태로 복수의 태양전지 셀을 서로 분리하는 태양전지 셀 분리 단계; 상기 태양전지 셀 분리 단계에서 분리된 복수의 태양전지 셀을 직렬로 접속하여 태양전지 모듈을 형성하는 직렬 접속 단계를 포함하고, 상기 태양전지 형성 단계에서 상기 태양전지는 후면 전극, CIGS 흡수층, 완충층, 및 투명 전극을 차례로 적층하여 형성하고, 상기 직렬 접속 단계에서 상단 태양전지 셀의 하부 전극과 이웃하는 하단 태양전지 셀의 투명전극이 전도성 접착층에 의해 접속되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 확장성을 가진 유연 박막 태양전지는 스트립 형태의 복수의 태양전지 셀을 직렬 접속하여 태양전지 모듈을 만드는 방식을 도입함으로써 그리드 전극 형성이 필요 없고 태양전지 셀의 크기와 형태에 대한 설계 작업 범위가 넓어 확장성이 뛰어난 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 복수의 태양전지 셀을 연결하여 태양전지 모듈을 만드는 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a은 본 발명의 실시예에 따른 확장성을 가진 유연 박막 태양전지의 제품 사진이다.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 확장성을 가진 유연 박막 태양전지를 제조하기 위하여 스트립 형태의 복수의 태양전지 셀을 연결하여 태양전지 모듈을 만드는 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 확장성을 가진 유연 박막 태양전지의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 확장성을 가진 유연 박막 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명함으로써 본 발명을 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
도 2a은 본 발명의 실시예에 따른 확장성을 가진 유연 박막 태양전지의 제품 사진이고, 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 확장성을 가진 유연 박막 태양전지를 제조하기 위하여 스트립 형태의 복수의 태양전지 셀을 연결하여 태양전지 모듈을 만드는 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 확장성을 가진 유연 박막 태양전지는 복수의 태양전지 셀(101)을 이어붙인 태양전지 모듈(100)을 포함한다. 각 태양전지 셀(101)은 스트립 형태로 형성될 수 있다. 태양전지 셀(101)은 폭 방향 단변(b)이 길이 방향 장변(a)보다 현저히 짧게 형성되고, 예를 들면, 한정하는 것은 아니지만 단변(b)은 수 mm이고 장변(a)은 수 m가 될 수 있다.
복수의 태양전지 셀(101)은 전도성 접착층(140)에 의해 서로 전기적으로 접속된다. 각 태양전지 셀(101)의 일면에는 길이 방향으로 연장된 전도성 접착층(140)이 형성된다. 하나의 태양전지 셀(101)의 전도성 접착층(140)에 이웃하는 다른 태양전지 셀(101)을 연결시키는 접속 공정을 반복하여 대면적의 태양전지 모듈(100)을 형성할 수 있다. 각각의 태양전지 셀(101)은 스트립 형태로 분리하고, 분리된 하나의 태양전지 셀(101)의 하면과 다른 하나의 태양전지 셀(101)의 상면을 이어붙이는 방식으로 폭 방향으로 확장할 수 있어 태양전지 모듈의 크기와 형태를 보다 다양하게 제작할 수 있다.
각각의 태양전지 셀(101)은 금속 유연 기판과, 금속 유연 기판 상부에 형성한 CIGS 태양전지를 포함할 수 있다. 상기 CIGS 태양전지는 하부 전극, CIGS 흡수층, 완충층 및 투명전극이 차례로 적층되어 형성된다. 상기 금속 유연 기판은 예를 들어, 스테인레스 스틸(stainless steel)로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 금속 유연 기판은 연성이 있는 금속 기판이라면 어떠한 종류라도 사용 가능하다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 확장성을 가진 유연 박막 태양전지의 제조 방법은 태양전지 형성 단계(200), 전극 형성 단계(210), 전도성 접착층 형성 단계(220), 태양전지 셀 분리 단계(230), 직렬 접속 단계(240)를 포함한다.
상기 태양전지 형성 단계(200)에서는, 도 4a에 도시된 바와 같이, 금속 유연 기판(110)에 태양전지(120)를 형성한다. 상기 태양전지 형성 단계(200)에서는 먼저, 금속 유연 기판(110)을 준비하고, 상기 금속 유연 기판(110)의 상부에 태양전지(120)를 형성한다. 여기서, 상기 태양전지(120)는 복수의 태양전지 셀(101)을 포함하는 형태로 형성된다. 또한 상기 태양전지 형성 단계(200)에서 금속 유연 기판(100)과 복수의 태양전지 셀(101)을 포함하는 태양전지(120)로 이루어진 구조를 베이스 모듈(100a)이라고 정의한다.
상기 태양전지(120)는 CIGS 태양전지로 형성될 수 있다. 구체적으로 상기 CIGS 태양전지(120)는 하부 전극(121), CIGS 흡수층(122), 완충층(123) 및 투명전극(124)이 차례로 적층되어 형성된다.
상기 하부 전극(121)은 금속 유연 기판(110)의 상부에 형성된다. 상기 하부 전극(121)은 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 니켈(Ni), 또는 구리(Cu) 등이 사용될 수 있다. 그러나, 상기 하부 전극(121)은 높은 전기전도도를 가지며, CIGS 흡수층(122)과 오믹 접촉(ohmic contact) 및 Se 분위기하에서의 우수한 고온 안정성을 갖는 몰리브덴(Mo)으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 CIGS 흡수층(122)은 하부 전극(121)의 상부에 형성된다. 상기 CIGS 흡수층(122)은 투명 전극(124)을 투과한 태양광을 흡수하여 전자-정공 쌍을 형성하고, 전자와 정공을 각각 다른 전극으로 전달하여 전류를 발생시키는 역할을 한다. 상기 완충층(123)은 투명 전극(124)과 CIGS 흡수층(122) 사이의 일함수(work function) 차이와 격자상수 차이를 완화하여 정공 및 전자의 이동을 원활히 하는 역할을 한다. 상기 완충층(123)은 CdS, ZnS, ZnSe, In2O3 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 화합물이 사용될 수 있다. 상기 투명 전극(124)은 태양광이 입사되어 투과되는 전극이다. 상기 투명 전극(124)은 광투과도의 저하를 방지하고 비저항이 낮으며 표면 거칠기가 양호한 물질이라면 어느 것이라도 가능하다. 예를 들어, 상기 투명 전극(125)은 ITO(Indium tin oxide), FTO(Fluorine tin oxide), IZO(Indium zinc oxide), ZnO(Zinc oxide) 등으로 형성될 수 있다.
상기 전극 형성 단계(210)는, 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 태양전지(120)의 일부에 상부 전극(130)이 형성된다. 구체적으로 왼쪽 태양전지 셀(101)의 상면 일측에 상부 전극(130)이 형성될 수 있다. 상부 전극(130)은 금속 전극으로 형성될 수 있다.
상기 전도성 접착층 형성 단계(220)에서는 복수의 태양전지 셀(101) 각각에 전도성 접착층(140)이 형성된다. 구체적으로, 복수의 태양전지 셀(101)의 하면에 복수의 전도성 접착층(140)이 일정 간격을 두고 이격되어 형성될 수 있다.
상기 태양전지 셀 분리 단계(230)는 도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 태양전지(120)를 셀 단위로 커팅하여 분리한다. 상기 태양전지 셀 분리 단계(230)에서는 레이저 스크라이빙 또는 메케니컬 스크라이빙을 이용해 상기 태양전지(120)를 스트랩 형태의 복수의 태양전지 셀(101)로 분리하며, 복수의 태양전지 셀의 하면에 형성된 각각의 전도성 접착층(140)을 경계로 커팅되어 분리될 수 있다. 이때, 상기 금속 유연 기판(110)도 태양전지(120)와 함께 분리된다.
상기 직렬 접속 단계(240)는, 도 4d에 도시된 바와 같이, 스트립 형태로 분리된 복수의 태양전지 셀(101)을 서로 직렬로 접속한다. 구체적으로, 태양전지 모듈의 크기를 폭 방향으로 확장하기 위해 상단 태양전지 셀(101)의 하면에 형성된 전도성 접착층(140)에 하단 태양전지 셀(101)의 상면을 위치시켜 접착함에 따라 스트립 형태로 커팅된 상단 태양전지 셀의 하부 전극(121)과 스트립 형태로 커팅된 하단 태양전지 셀의 투명 전극(124)이 전기적으로 연결된다.
실시예에서 설명하지 않았으나, 상기 금속 유연 기판의 상부에 확산 방지막이 추가 형성될 수 있다. 상기 확산 방지막은 금속 유연 기판과 하부 전극이 서로 전기적으로 연결되도록 금속 유연 기판의 일부에만 형성된다. 상기 확산 방지막은 금속 유연 기판의 불순물이 하부 전극으로 확산되는 것을 방지하는 역할을 한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
즉, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 태양전지 모듈
101 : 태양전지 셀
110 : 금속 유연 기판
120 : 태양전지
121 : 하부 전극
122 : CIGS 흡수층
123 : 완충층
124 : 투명 전극
130 : 상부 전극
140 : 전도성 접착층

Claims (4)

  1. 금속 유연 기판과, 상기 금속 유연 기판의 상부에 형성한 태양전지를 포함하는 복수의 태양전지 셀;
    상기 복수의 태양전지 셀을 서로 전기적으로 연결하는 전도성 접착층; 및
    상기 복수의 태양전지 셀 중 어느 하나의 태양전지 셀의 상면에 형성한 상부 전극을 포함하고,
    상기 태양전지는 하부 전극, CIGS 흡수층, 완충층, 및 투명 전극이 차례로 적층되며,
    상기 복수의 태양전지 셀을 직렬 접속하여 이루어지는 태양전지 모듈의 크기를 폭방향으로 확장하기 위해 스트립 형태로 커팅된 상단 태양전지 셀의 하부 전극과 스트립 형태로 커팅된 하단 태양전지 셀의 투명 전극이 전도성 접착층에 의해 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 확장성을 가진 유연 박막 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스트립 형태의 태양전지 셀은 폭 방향의 단변이 수 mm이고 길이 방향의 장변이 수 m인 것을 특징으로 하는 확장성을 가진 유연 박막 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 접착층은 스트립 형태의 태양전지 셀의 하면에 형성하는 것을 특징으로 하는 확장성을 가진 유연 박막 태양전지.
  4. 금속 유연 기판의 상부에 복수의 태양전지 셀을 포함하는 태양전지를 형성하는 태양전지 형성 단계;
    상기 복수의 태양전지 셀 중 어느 하나의 태양전지 셀의 상면에 상부 전극을 형성하는 전극 형성 단계;
    상기 복수의 태양전지 셀 각각에 전도성 접착층을 형성하는 전도성 접착층 형성 단계;
    상기 복수의 태양전지 셀의 하면에 형성된 각각의 전도성 접착층을 경계로 스트립 형태로 복수의 태양전지 셀을 서로 분리하는 태양전지 셀 분리 단계;
    상기 태양전지 셀 분리 단계에서 분리된 복수의 태양전지 셀을 직렬로 접속하여 태양전지 모듈을 형성하는 직렬 접속 단계를 포함하고,
    상기 태양전지 형성 단계에서 상기 태양전지는 후면 전극, CIGS 흡수층, 완충층, 및 투명 전극을 차례로 적층하여 형성하고,
    상기 직렬 접속 단계에서 상단 태양전지 셀의 하부 전극과 이웃하는 하단 태양전지 셀의 투명전극이 전도성 접착층에 의해 접속되는 것을 특징으로 하는 확장성을 가진 유연 박막 태양전지의 제조 방법.

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