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KR101139453B1 - 박막형 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

박막형 태양전지 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 박막형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 박막형 태양전지는 비정질 실리콘계 pin 박막과 상부 투명전도층 사이에 또 하나의 투명전도층을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 공정시 태양전지 층의 산화 및 오염을 방지하고, 동시에 태양전지 층과 금속 층이 직접 접합 되는 것을 방지함으로써 태양광의 광 손실을 감소시키는 효과가 나타난다. 따라서 높은 광전 변환 효율을 갖는 태양전지 소자를 제조할 수 있게 된다. 본 발명이 상용화되면 차세대 청정 에너지원으로서 지구 환경 보전에 기여할 것이고, 공공시설, 민간시설, 군수시설 등에 직접 응용되어 막대한 경제적 가치를 창출할 수 있을 것이다.
박막형, 태양전지, 비정질, 실리콘, 레이저, 스크라이빙

Description

박막형 태양전지 및 그 제조방법{Thin-Film Type Solar Cell and Manufacturing Method thereof}
도 1 및 도 2는 종래의 박막형 태양전지의 단면도 및 제작방법
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 태양전지의 단면도 및 제작방법
{도면의 주요 부분의 부호에 대한 설명}
101 : 유리기판 102 : 하부 투면전도층
103 : 비정질 실리콘계 pin 박막
104 : 상부 투명전도층(제 2상부투명전도층)
105 : 후면전극층
301 : 제 1 상부투명전도층
본 발명은 박막형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 차세대 청정 에너지원으로서 지난 수십 년간 많은 연구가 되어 왔다. 현재 상용화된 단결정 벌크 실리콘을 이용한 태양 전지는 높은 제조 단가 및 설치 비용으로 인하여 적극적인 활용이 이루어지지 못하는 상황이다. 이러한 비용 문제를 해결하기 위하여 박막형 태양전지에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 특히 비정질 실리콘 (a-Si:H)을 이용한 박막형 태양전지는 대면적 태양전지 모듈을 저가로 제작할 수 있는 기술로서 많은 관심을 끌고 있다.
비정질 실리콘을 이용한 박막형 태양전지는 도 1에 나타낸 것처럼 유리기판(101), 하부 투명전도층(102), 비정질 실리콘 태양전지 층 (a-Si:H p/i/n 층)(103), 그리고 상부 투명전도층(104), 후면전극층(105)이 차례로 형성되어 있다. 종래의 비정질 실리콘 박막형 태양전지의 제조 방법은 다음과 같다. 종래의 제조 방법은 도 2a 내지 도 2i에 도시하였다.
유리기판(101) 위에 하부 투명전도층(102)을 증착한 후(도 2a), 레이저 스크라이빙(Laser scribing) 공정을 이용하여 상기 하부 투명전도층(102)을 패터닝한다(도 2b). 이 후, 비정질 실리콘 (a-Si:H) p층, i층, n층(103)을 차례로 증착한다(도 2c 내지 도 2e). 레이저 스크라이빙 공정을 이용하여 셀을 패터닝한다(도 2f). 상부 투명전도층(104)을 증착한 후 후면 전극층을 증착한다(도 2g). 마지막으로 전기적 절연을 위하여 도시한 대로 후면 후면전극층(105), 상부 투명전도층(104), 태양전지 층(103)을 레이저 스크라이빙 공정을 이용하여 패터닝한다(도 2h).
위에 기술한 방법으로 박막형 태양전지를 제조하게 되면 다음과 같은 문제점 이 발생한다. 일반적으로 레이저 스크라이빙 공정 후에는 잔여물을 제거하기 위한 세척 공정이 필수적인데, 이때 태양전지 층의 표면에 불순물이 발생하거나 표면이 산화되어 태양전지 성능을 열화 시키는 문제가 발생한다. 이를 피하기 위해서 태양전지 층을 형성한 후 바로 투명 전극 층을 형성하고 그 다음 레이저 스크라이빙 공정을 수행할 수 있다.
그러나 이 방법을 사용하면 레이저 스크라이빙 공정 후에 태양 전지 층의 절단면이 드러나기 때문에 절단면이 오염되는 문제가 발생하고, 또한 레이저 스크라이빙 후에 바로 후면 전극 층이 증착되면 태양전지 층에 입사된 태양광이 금속 층과 바로 만나게 되어 광 손실이 커지게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로써, 그 목적은 태양전지 층을 레이저 스크라이빙 공정을 통해 절단하고 세척할 때 발생할 수 있는 오염 물질 또는 산화막 등에 의한 태양전지 소자 특성의 열화를 방지하고 또한 입사된 태양광의 광 손실을 감소시킬 수 있는 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 박막형 태양전지는 비정질 실리콘계 pin 박막과 상부 투명전도층 사이에 또 하나의 투명전도층을 포함하는 것 을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 또 하나의 투명전도층은 상기 상부 투명전도층과 동일한 물질로 이루어지고, 상기 물질은 금속산화물로 이루어질 수 있다.
본 발명에서 상기 금속산화물은 SnO2, ZnO, ITO 중 선택되는 1종 이상의 산화물이며, 상기 또 하나의 투명 전도층에는 알루미늄(Al) 또는 철(Fe) 등의 불순물이 혼합될 수 있다.
본 발명의 박막형 태양전지 제조방법은 유리기판 상부에 하부 투명전도층을 증착하고 패터닝 하는 단계와, 비정질 실리콘계 pin 박막을 증착하는 단계와, 제 1상부 투명전도층을 증착하고 패터닝하는 단계와, 제 2상부 투명전도층, 후면전극층을 차례로 증착한 후, 상기 후면전극층, 제 1 및 제 2상부 투명전도층, 상기 비정질 실리콘계 pin 박막을 패터닝하는 단계를 포함한다.
본 발명에서 상기 패터닝 방법은 레이저 스크라이빙(Laser Scribing)법을 이용할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 태양전지의 단면도이다.
상기 실시예에서, 박막형 태양전지는 유리기판(101), 하부 투명전도층(102), 비정질 실리콘계 pin 박막(103), 제 1상부 투명전도층(301), 제 2상부 투명전도층(104)및 후면전극층(105)을 포함한다.
상기 실시예는, 상부 투명전도층(104)과 비정질 실리콘계 pin 박막(103) 사이에 또 하나의 상부 투명 전도층(301)이 포함된 박막형 태양전지를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 박막형 태양전지는 가장 하부에 유리기판(101)이 위치하고, 상기 유리기판(101) 위로 하부 투명전도층(102)이 적층된다. 상기 하부 투명전도층(102)은 패터닝된다. 상기 패터닝방법은 당업자의 수준에 맞추어 다양하게 구현 가능하나 본 발명에서는 레이저 스크라이빙(Laser Scribing)법을 이용할 수 있다. 상기 하부 투명전도층(102) 위로는 비정질 실리콘계 pin 박막(103) 및 제 1 상부 투명전도층(301)이 순차적으로 증착되며, 상기 비정질 실리콘계 pin 박막(103) 및 제 1 상부 투명전도층(301) 역시 소정의 모양으로 동시에 패터닝 된다. 상기 패터닝 방법 역시 레이저 스크라이빙법을 이용한다. 상기 제 1상부 투명전도층(301) 위로는 제 2상부 투명전도층(104) 및 후면전극층(105)이 차례로 적층되고, 상기 비정질 실리콘계 pin 박막(103)부터 후면전극층(105)까지 재차 패터닝된다.
본 발명의 실시예에서는 상기 비정질 실리콘계 pin 박막(103)이 하나의 층만이 도시되어 있으나, 상기 비정질 실리콘계 pin 박막(103)은 복수 개의 층이 적층 될 수 있다. 상기 제 1상부 투명전도층(301)과 상기 제 2상부 투명전도층(104)은 동일한 물질로 구성될 수 있다. 상기 제 1상부 투명전도층(301)과 제 2상부 투명전도층(104)은 SnO2, ZnO, ITO 등의 금속산화물로 이루어지며, 철이나 알루미늄 등의 불순물이 미량 혼합된 물질로 제작될 수 있다. 상기 후면전극층(105)은 금 또는 알루미늄 등으로 제작될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막형 태양전지의 제조과정을 나타낸 것이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 박막형 태양전지의 제작과정은 유리기판(101) 상부에 하부 투명전도층(102), 태양전지 층(103)을 증착한 후(도 4a 내지 도 4e)에 제 1 상부 투명 전도 층(301)을 증착하고(도 4e) 레이저 스크라이빙 공정을 수행한 뒤에(도 4g) 바로 제 2 상부 투명 전도 층(104)을 증착한 후(도 4h)에 후면 전극 층(105)을 형성한다(도 4i). 마지막으로 인접한 셀 간의 전기적 절연을 위해 특정 위치의 태양전지 층(103), 제1 상부 투명 전도 층(301), 제 2 상부 투명 전도 층(104), 후면 전극 층(105)을 레이저 스크라이빙 공정으로 제거한다(도 4j).
상기 방법에 의해 제작된 박막형 태양전지는 상부 투명 전도 층(104, 301)은 두 층으로 이루어져 있으며, 제 1 상부 투명 전도 층(301)은 레이저 스크라이빙 공정 및 세척 공정시 태양 전지 층의 오염 및 산화를 방지해 주며 제 2 상부 투명 전도 층(104)은 주로 금속이 사용되는 후면 전극 층(105)이 태양전지 층과 직접 접합되는 것을 방지함으로써 금속에 의한 태양광의 손실을 방지할 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 공정시 태양전지 층의 산화 및 오염을 방지하고, 동시에 태양전지 층과 금속 층이 직접 접합되는 것을 방지함으로써 태양광의 광 손실을 감소시키는 효과가 나타난다.
따라서 높은 광전 변환 효율을 갖는 태양전지 소자를 제조할 수 있게 된다.
본 발명이 상용화되면 차세대 청정 에너지원으로서 지구 환경 보전에 기여할 것이고, 공공시설, 민간시설, 군수시설 등에 직접 응용되어 막대한 경제적 가치를 창출할 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. 투명기판;
    상기 투명기판 상에 형성되고, 제1 절단면을 가지는 하부투명전극층;
    상기 하부투명전극층 상에 형성되어 입사되는 광을 전기로 변환시키는 광전변환층;
    상기 광전변환층 상에 형성되는 제1 상부 투명전극층;
    상기 광전변환층과 상기 제1 상부 투명전극층을 동시에 관통하고, 상기 제1 절단면과 다른 위치에 형성되는 제2 절단면;
    상기 제1 상부 투명전극층과 상기 제2 절단면 내부에 형성되는 제2 상부투명전극층; 및
    상기 제2 상부 투명전극층 상에 형성되는 후면전극을 포함하고,
    상기 후면전극은 상기 제2 절단면 내부까지 채워지는 박막형 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 상부 투명전극층은 상기 제2 상부 투명전극층과 동일한 재질을 포함하는 박막형 태양전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 상부 투명전극층은 금속산화물을 포함하는 박막형 태양전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 금속산화물은 SnO2, ZnO 및 ITO 중 적어도 어느 하나를 포함하는 박막형 태양전지.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제1 상부 투명전극층은 알루미늄(Al) 또는 철(Fe) 등의 불순물이 혼합되는 박막형 태양전지.
  6. 투명기판 상에 하부 투명전극층을 형성하고 제1 절단면을 패터닝하는 단계;
    상기 하부투명전극층 상에 광전변환층을 형성하는 단계;
    상기 광전변환층 상에 제1 상부 투명전극층을 형성하는 단계;
    상기 광전변환층과 상기 제1 상부 투명전극층을 동시에 관통하고, 상기 제1 절단면과 다른 위치에 제2 절단면을 패터닝하는 단계;
    상기 제1 상부 투명전극층과 상기 제2 절단면 내부에 제2 상부 투명전극층을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 상부 투명전극층 상에 후면전극을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 후면전극은 상기 제2 절단면 내부까지 채워지는 박막형 태양전지 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 절단면 또는 상기 제2 절단면은 레이저 스크라이빙법을 이용하여 패터닝하는 박막형 태양전지 제조방법.
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