KR20120082542A - 박막 태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 한 측면에 따른 박막 태양전지는, 기판 위에 위치하는 복수의 셀을 포함하며, 각각의 셀은, 기판의 한쪽 면에 위치하는 제1 전극; 제1 전극 위에 위치하는 적어도 하나의 광전 변환부; 광전 변환부와 접촉하는 제1 반사막, 그리고 제1 반사막의 일부 영역을 노출하는 개구부를 포함하며 제1 반사막과 접촉하는 제2 반사막을 포함하는 후면 반사층; 및 후면 반사층 위에 위치하며, 개구부를 통해 제1 반사막과 연결된 제2 전극을 포함한다.
Description
본 발명은 박막 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
태양전지는 거의 무한한 에너지원인 태양을 에너지원으로 하고, 발전 과정에서 공해 물질을 거의 생성하지 않으며, 수명이 20년 이상으로 매우 길다는 장점과 더불어, 관련 산업분야로의 파급 효과가 크다는 장점으로 인해 매우 주목받고 있으며, 그로 인해 많은 국가에서 태양전지를 차세대 주요산업으로 육성하고 있다.
현재 태양전지의 90% 이상은 단결정 또는 다결정 실리콘 웨이퍼(Si wafer)를 기반으로 하여 제작 판매되고 있으며, 이외에 박막형 실리콘 기반의 태양전지가 소규모로 제작 판매되고 있다.
태양전지의 가장 큰 문제점은 발전 단가가 타 에너지원에 비해 매우 높다는 것이다. 따라서 차후 청정에너지의 수요를 충족시키기 위해서는 발전단가를 큰 폭으로 낮춰야 한다.
하지만, 현재 단결정 혹은 다결정 실리콘 웨이퍼를 기반으로 한 이른바 벌크(bulk)형 실리콘 태양전지는 필요한 원재료 양이 최소 150㎛ 두께 이상이므로, 원가의 많은 부분을 재료비, 즉 실리콘 원재료가 차지하고 있는데, 원재료의 공급이 급격히 늘어나는 수요를 따라가지 못해 원가를 낮출 수 있는 가능성이 용이하지 않은 실정이다.
이에 비해, 박막형 태양전지는 그 두께가 2㎛ 이내이므로 벌크형 태양전지에 비해 원재료의 사용량이 매우 적어 재료비를 비약적으로 낮출 수 있다. 따라서 발전 단가 면에서 벌크형 태양전지에 비해 큰 장점을 가지고 있다. 하지만 박막형 태양전지는 벌크형 태양전지에 비해 같은 면적 대비 발전 성능이 절반 정도로 매우 낮다.
일반적으로 태양전지의 효율을 표현할 때는 100㎽/㎠의 광량에서 얻을 수 있는 전력의 크기를 %로 나타내는데, 벌크형 태양전지의 효율은 12% 내지 20%이지만, 박막형 태양전지의 효율은 8% 내지 9% 정도이다. 따라서 박막형 태양 전지의 효율은 벌크형 태양전지에 비해 낮은 편이다.
이에 따라, 박막형 태양전지의 효율을 높이기 위해 많은 노력을 기울이고 있다.
박막형 태양전지의 가장 기본적인 모델은 단일 접합(single junction)형의 구조를 갖는다. 여기에서 단일 접합형 박막 태양전지는 광 흡수용 진성 반도체층(intrinsic layer)과, 광 생성된 전하 분리를 위한 내부 전계를 형성하기 위해 진성 반도체층의 상부 및 하부에 각각 배치되는 p형 도핑층 및 n형 도핑층을 포함하는 광전 변환부가 기판 위에 형성된 태양전지를 말한다.
한편, 상기한 박막 태양전지의 효율을 개선하기 위해서는 태양전지에 흐르는 전류밀도를 증가시키는 것이 요구된다. 따라서 박막 태양전지에서는 진성 반도체층을 투과한 태양광을 상기 진성 반도체층으로 반사하여 반사된 태양광이 진성 반도체층에서 흡수되도록 함으로써 진성 반도체층의 광 흡수율을 높이기 위한 후면 반사층을 구비하여 전류밀도를 증가시키고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 최적화된 후면 반사층을 갖는 박막 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 박막 태양전지의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 박막 태양전지는, 기판 위에 위치하는 복수의 셀을 포함하며, 각각의 셀은, 기판의 한쪽 면에 위치하는 제1 전극; 제1 전극 위에 위치하는 적어도 하나의 광전 변환부; 광전 변환부와 접촉하는 제1 반사막, 그리고 제1 반사막의 일부 영역을 노출하는 개구부를 포함하며 제1 반사막과 접촉하는 제2 반사막을 포함하는 후면 반사층; 및 후면 반사층 위에 위치하며, 개구부를 통해 제1 반사막과 연결된 제2 전극을 포함한다.
제1 반사막은 도전성을 갖는 물질, 예를 들어 AZO(Aluminum zinc-oxide) 또는 BZO(Boron zinc-oxide)를 포함한다. 이때, 제2 전극은 개구부를 통해 제1 반사막과 접촉하는 알루미늄을 포함할 수 있다.
제1 반사막은 100㎚ 이하의 두께로 형성되며, 제2 반사막은 특정 파장, 예를 들어 600㎚ 이상의 장파장 대역의 빛을 반사하는 백색 안료가 매질에 혼합된 물질로 형성된다.
이때, 백색 안료는 산화티탄(TiO2) 및 황산 바륨(BaSO4) 등의 산화물, 질화물, 탄화물을 포함할 수 있으며, 제2 반사막은 백색 안료를 포함하는 백색 페인트, 백색 포일(foil), 에틸 비닐 아세테이트(EVA, Ethyl Vinyl Acetate) 포일 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
개구부는 원형, 사각형 또는 직사각형 등의 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 하나의 셀 또는 하나의 후면 전극에 적어도 하나 이상 위치한다.
개구부의 폭은 제2 전극의 폭보다 좁게 형성되고, 개구부의 길이는 제2 전극의 길이보다 작게 형성된다.
이러한 구성의 박막 태양전지는, 기판 위에 제1 전극을 형성하는 단계; 제1 전극 위에 적어도 하나의 광전 변환부를 형성하는 단계; 광전 변환부 위에 도전성을 갖는 제1 반사막을 형성하고, 제1 반사막의 일부 영역을 노출하는 개구부를 갖는 제2 반사막을 제1 반사막 위에 형성하여 후면 반사층을 형성하는 단계; 및 개구부를 통해 제1 반사막과 전기적으로 연결된 제2 전극을 제2 반사막 위에 형성하는 단계를 포함하는 제조 방법에 의해 제조할 수 있다.
이러한 특징에 따르면, 제2 반사막에 포함된 백색 안료로 인해 높은 산란 효과를 얻을 수 있으므로, 효과적인 빛 포획(light trapping)이 가능하고, 이를 통해 광전 변환부의 두께를 감소시키는 것이 가능하다.
그리고 제2 전극이 제2 반사막에 위치하는 개구부를 통해 제1 반사막과 전기적으로 연결되므로, 은(Ag)에 비해 가격이 저렴한 알루미늄(Al) 만으로 제2 전극을 구성하더라도 은(Ag)과 알루미늄을 함께 사용하는 경우와 유사한 수준의 전도성을 얻을 수 있다.
따라서, 은(Ag)과 알루미늄을 함께 사용하는 경우와 유사한 수준의 전도성을 얻기 위해 제1 반사막의 두께를 증가시킬 필요가 없으므로, 제1 반사막의 증착에 따른 시간 및 비용을 절감할 수 있다. 또한, 장파장 대역의 빛이 제1 반사막을 투과하면서 흡수되어 발생하는 손실을 최소화할 수 있다.
그리고 제2 반사막으로 은(Ag)을 사용하는 경우에 제2 반사막과 제1 반사막의 계면에서 발생하는 표면 플라즈몬 흡수(surface Plasmon absorption) 현상으로 인한 반사 손실이 방지되므로, 제2 반사막으로 은(Ag)을 사용하는 경우와 유사한 수준의 반사도를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 박막 태양전지의 부분 단면도이다.
도 2 및 도 3은 후면 반사층의 종류에 따른 반사도(reflectance) 및 헤이즈(haze)를 나타내는 그래프이다.
도 4는 AZO로 형성된 제1 반사막의 파장대별 광 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조 방법을 나타내는 공정도이다.
도 9는 개구부를 나타내는 도 8의 평면도이다.
도 2 및 도 3은 후면 반사층의 종류에 따른 반사도(reflectance) 및 헤이즈(haze)를 나타내는 그래프이다.
도 4는 AZO로 형성된 제1 반사막의 파장대별 광 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조 방법을 나타내는 공정도이다.
도 9는 개구부를 나타내는 도 8의 평면도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 다양한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 박막 태양전지의 부분 단면도이고, 도 2 및 도 3은 후면 반사층의 종류에 따른 반사도(reflectance) 및 헤이즈(haze)를 나타내는 그래프이다.
그리고 도 4는 AZO로 형성된 제1 반사막의 파장대별 광 흡수율을 나타내는 그래프이고, 도 5 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조 방법을 나타내는 공정도이며, 도 9는 개구부를 나타내는 도 8의 평면도이다.
도면을 참고로 하면, 본 실시예에 따른 박막 태양전지는 기판(110)을 통해 빛이 입사되는 상판(superstrate)형 구조를 갖는다.
상판형 구조를 갖는 박막 태양전지는 유리 또는 투명 플라스틱 등으로 이루어진 기판(110), 기판(110) 위에 위치하는 도전성 투명 전극(transparent conductive oxide, TCO)(120), 투명 전극(120) 위에 위치하는 광전 변환부(130), 광전 변환부(130) 위에 위치하는 후면 반사층(140), 그리고 후면 반사층(140) 위에 위치하는 후면 전극(150)을 구비한다. 이때, 투명 전극(120)은 제1 전극이고, 후면 전극(150)은 제2 전극이다.
도전성 투명 전극(120)은 기판(110) 위에 형성되어 있으며, 제1 광전 변환부(130)와 전기적으로 연결되어 있다. 따라서 도전성 투명 전극(120)은 빛에 의해 생성된 캐리어(carrier) 중 하나, 예를 들어 정공을 수집하여 출력한다. 도전성 투명 전극(120)은 또한 반사 방지막의 기능도 수행할 수 있다.
도전성 투명 전극(120)의 상부 표면은 랜덤(random)한 피라미드 구조를 갖는 복수 개의 요철(도시하지 않음)을 구비한 텍스처링 표면(texturing surface)으로 형성된다. 이와 같이, 도전성 투명 전극(120)의 표면을 텍스처링 표면으로 형성하면, 도전성 투명 전극의 빛 반사도가 감소되어 빛의 흡수율이 증가되므로, 태양 전지의 효율이 향상된다. 이때 형성되는 요철의 높이는 약 1㎛ 내지 10㎛일 수 있다.
도전성 투명 전극(120)은 대부분의 빛이 통과하며 전기가 잘 흐를 수 있도록 높은 광 투과도와 높은 전기 전도도가 요구된다. 이러한 도전성 투명 전극(120)은 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide: ITO), 주석계 산화물(SnO2 등), AgO, ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), 플루오린 틴 옥사이드(fluorine tin oxide: FTO) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것으로 형성될 수 있다. 도전성 투명 전극(120)의 비저항 범위는 약 10-2Ω㎝ 내지 10-11Ω㎝일 수 있다.
광전 변환부(130)는 단일 접합형, 이중 접합형 또는 삼중 접합형으로 이루어질 수 있다.
단일 접합형의 경우, 광전 변환부는 수소화된 비정질 실리콘(hydrogenated amorphous silicon: a-Si: H)으로 이루어질 수 있으며, 약 1.7eV의 광학 밴드갭을 갖고, 근자외선, 보라, 파랑 등과 같은 단파장 대역의 빛을 주로 흡수할 수 있다.
이러한 광전 변환부(130)는 도전성 투명 전극(120) 위에 순차적으로 적층된 제1 도전성 타입의 반도체층인 p형 도핑층, 진성 반도체층, 그리고 제1 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입의 반도체층인 n형 도핑층을 포함한다.
p형 도핑층은 실리콘(Si)을 포함한 원료 가스에 붕소, 갈륨, 인듐 등과 같은 3가 원소의 불순물을 포함하는 가스를 혼합하여 형성될 수 있다. 본 실시예에서 p형 도핑층은 a-Si: H 또는 다른 물질로 형성될 수 있다.
진성 반도체층은 캐리어의 재결합률을 줄이고 광을 흡수하기 위한 것으로, 전자와 정공과 같은 캐리어가 이곳에서 주로 생성된다. 이러한 진성 반도체층은 a-Si:H로 형성될 수 있고, 약 200nm 내지 300nm의 두께를 가질 수 있다. 진성 반도체층은 미세 결정 실리콘(μc-Si) 또는 수소화된 미세 결정 실리콘(μc-Si: H)으로 이루어질 수도 있다.
n형 도핑층은 실리콘을 포함한 원료 가스에 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 포함하는 가스를 혼합하여 형성될 수 있다.
이러한 구성의 광전 변환부(130)는 플라즈마 화학 기상 증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)과 같은 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD))에 의해 형성될 수 있다.
광전 변환부(130)의 p형 도핑층 및 n형 도핑층은 진성 반도체층을 사이에 두고 p-n 접합을 형성하고, 이로 인한 광기전력 효과(photovoltatic effect)에 의하여 진성 반도체층에서 생성된 전자와 정공은 접촉 전위차에 의해 분리되어 서로 다른 방향으로 이동된다. 예를 들어, 정공은 p형 도핑층을 통해 도전성 투명 전극(120)쪽으로 이동하고, 전자는 n형 도핑층을 통해 후면 전극 쪽으로 이동한다.
이중 접합형의 경우, 투명 전극(120)과 후면 반사층(140) 사이에 2개의 광전 변환부를 구비한다.
이때, 투명 전극(120)에 인접한 광전 변환부는 수소화된 비정질 실리콘(hydrogenated amorphous silicon: a-Si:H)으로 이루어질 수 있으며, 후면 반사층(140)에 인접한 광전 변환부는 수소화된 미세 결정 실리콘(μc- Si:H)으로 이루어질 수 있다.
수소화된 미세 결정 실리콘으로 이루어지는 광전 변환부는 약 1.1eV의 광학 밴드갭을 갖고 적색에서 근적외선까지의 장파장 대역의 빛을 주로 흡수할 수 있다.
수소화된 미세 결정 실리콘으로 이루어진 광전 변환부는 수소화된 비정질 실리콘으로 이루어진 광전 변환부와 유사하게 p형 도핑층, 진성 반도체층, 그리고 n형 도핑층을 포함한다.
후면 반사층(back reflector, 140)은 광전 변환부(130)를 통과한 빛을 광전 변환부(130)쪽으로 반사시켜, 광전 변환부(130)의 동작 효율을 향상시키는 것으로, 본 실시예에서는 제1 반사막(141) 및 제2 반사막(143)을 포함한다.
후면 반사층으로, 종래에는 도핑된 산화아연(AZO, ZnO: Al)으로 이루어진 제1 반사막과 은(Ag)으로 이루어진 제2 반사막의 이중막 구조(이하, '종래 1의 구조'라 함)를 사용하거나, 상기 AZO로 이루어진 제1 반사막과 백색 페인트로 이루어진 제2 반사막의 이중막 구조(이하, '종래 2의 구조'라 함)를 사용하였다.
종래 1의 구조는 제1 반사막을 얇은 두께(50㎚ 내지 200㎚)로 형성할 수 있어 장비 투자비가 저렴하며, 제조 공정이 간단한 장점이 있다. 또한, 은(Ag)과 알루미늄(Al)의 복합 전극 구조로 전도성이 우수한 장점이 있다.
하지만, 종래 1의 구조는 제1 반사막과 제2 반사막의 계면에서 발생하는 표면 플라즈몬 흡수(surface Plasmon absorption) 현상으로 인해 반사 손실이 발생하고, 반사광의 산란 효과가 약하여 빛의 포획(light trapping) 효과가 상대적으로 약한 단점이 있다.
즉, 도 2에 도시한 바와 같이, AZO로 이루어진 제1 반사막과 은(Ag)으로 이루어진 제2 반사막을 함께 사용하여 후면 반사층을 형성한 경우의 반사도(점선으로 도시함)는 은(Ag)으로 이루어진 제2 반사막 만으로 후면 반사층을 형성한 경우의 반사도(실선으로 도시함)에 비해 낮게 측정되는데, 그 이유는 위에서 말한 바와 같이 제1 반사막과 제2 반사막의 계면에서 반사 손실이 발생하기 때문이다.
도 2의 그래프에서 일점쇄선으로 도시한 것은 AZO로 이루어진 제1 반사막과 은(Ag)으로 이루어진 제2 반사막을 갖는 후면 반사층에 있어서 산란 효과를 나타내는 헤이즈(HAZE) 값이다.
그리고 종래 2의 구조는 제1 반사막과 제2 반사막의 계면에서 발생하는 반사 손실이 없으므로 고반사 재료인 은(Ag)과 유사한 수준의 반사도를 구현할 수 있고, 은(Ag)을 사용하지 않으므로 재료비를 절감할 수 있으며, 백색 페인트가 갖고 있는 높은 산란 특성을 이용하여 효과적인 빛의 포획이 가능한 장점이 있다.
하지만, 은(Ag) 또는 알루미늄(Al) 등의 도전 물질을 사용하지 않으므로 제1 반사막의 저항을 낮추기 위해서는 제1 반사막을 두꺼운 두께(1㎛ 내지 2㎛)로 형성해야 한다. 따라서, 제1 반사막을 장시간 증착하기 위해 저압식 CVD(LPCVD)를 필요로 하므로 높은 장비 투자비가 요구되고, 높은 두께의 제1 반사막 자체에서 발생하는 장파장 대역의 흡수 손실이 발생하는 단점이 있다.
즉, 도 3에 도시한 바와 같이, AZO로 이루어진 제1 반사막과 백색 페인트로 이루어진 제2 반사막을 함께 사용하여 후면 반사층을 형성한 경우의 반사도(점선으로 도시함)는 백색 페인트로 이루어진 제2 반사막 만으로 후면 반사층을 형성한 경우의 반사도(실선으로 도시함)에 비해 낮게 측정되는데, 그 이유는 위에서 말한 바와 같이 제1 반사막 자체에서 발생하는 장파장 대역의 흡수 손실이 발생하기 때문이다.
도 3의 그래프에서 일점쇄선으로 도시한 것은 AZO로 이루어진 제1 반사막과 백색 페인트로 이루어진 제2 반사막을 갖는 후면 반사층에 있어서 산란 효과를 나타내는 헤이즈(HAZE) 값이다. 이때, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 백색 페인트를 이용하여 제2 반사막을 구성하는 경우에는 제2 반사막을 은(Ag)으로 구성하는 경우에 비해 산란 효과가 우수한 것을 알 수 있다.
도 4는 AZO로 형성된 제1 반사막의 광 흡수 특성을 나타내는 그래프로서, 제1 반사막이 200㎚ 이하로 얇게 형성되는 경우(ⓓ, ⓔ, ⓕ)에는 낮은 흡수율을 유지하지만, 두께가 1㎛ 이상 증가하면(ⓐ, ⓑ) 장파장 영역에서의 흡수율이 10%를 초과하는 것을 알 수 있다.
도 4에서, ⓐ, ⓑ, ⓒ, ⓓ, ⓔ, ⓕ는 AZO로 형성된 제1 반사막이 50㎚, 100㎚, 200㎚, 500㎚, 1000㎚, 1500㎚의 두께로 각각 형성된 경우의 흡수율을 나타내는 것이다.
따라서, 백색 페인트로 이루어진 제2 반사층을 효과적으로 활용하기 위해서는 AZO로 형성된 제1 반사막의 두께를 최소한으로 얇게 적용하는 것이 중요하다.
본 발명은 이러한 관점에서 출발하였으며, 종래 1 및 2의 구조에 있어서 각 구조의 장점만을 취합할 수 있도록 구성되었다.
즉, 본 실시예는 제1 반사막과 제2 반사막의 계면에서 반사도 손실이 발생하는 것을 방지하고, AZO로 이루어진 제1 반사막의 두께를 얇게 형성하여 이 막에서의 빛 흡수를 저감하며, 또한 산란 효과를 증가시킨 후면 반사층을 제공한다.
본 실시예에서, 후면 반사층(140)은 AZO 또는 BZO(Boron zinc-oxide)로 구성된 제1 반사막(141)과, 백색 페인트를 포함하는 제2 반사막(143)으로 이루어진다.
제2 반사막(143)은 특정 파장, 예를 들어 600㎚ 이상의 장파장 대역의 빛을 반사하는 백색 안료가 매질에 혼합된 물질로 형성된다.
이때, 백색 안료는 산화티탄(TiO2) 및 황산 바륨(BaSO4) 등의 산화물, 질화물, 탄화물을 포함할 수 있으며, 제2 반사막(143)은 백색 안료를 포함하는 백색 페인트, 백색 포일(foil), 에틸 비닐 아세테이트(EVA, Ethyl Vinyl Acetate) 포일 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
이와 같이, AZO 또는 BZO로 형성된 제1 반사막(141)과 백색 페인트로 형성된 제2 반사막(143)으로 이루어진 후면 반사층(140)의 기본적인 구조는 전술한 종래 2와 유사하다.
하지만, 본 실시예는 제1 반사막(141)의 두께를 증가시키는 대신에, 제2 반사막(143)에 개구부(143a)를 형성하고, 개구부(143a)를 통해 후면 전극(150)이 투명 도전층(141)과 접촉되도록 함으로써 도전성을 확보한다.
개구부(143a)는 원형, 사각형 또는 직사각형의 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 도 8에는 직사각형의 형상을 갖는 개구부(143a)를 도시하였다.
개구부(143a)는 하나의 후면 전극(150)에 적어도 하나 이상 형성될 수 있고, 개구부(143a)의 폭(W1)은 후면 전극(150)의 폭(W2)보다 좁게 형성되며, 개구부(143a)의 길이(L1)는 후면 전극(150)의 길이(L2)보다 작게 형성된다.
후면 전극(150)은 개구부(143a)를 통해 제1 반사막(141)과 접촉하는 알루미늄(Al)으로 형성된다.
이와 같이, 본 실시예의 박막 태양전지는 후면 전극(150)이 개구부(143a)를 통해 제1 반사막(141)과 접촉하므로, 도전성을 확보하기 위해 은(Al)을 사용할 필요가 없으며, AZO 또는 BZO로 형성되는 제1 반사막(141)을 두껍게 형성할 필요가 없다. 본 실시예에 따르면, 제1 반사막(141)을 100㎚ 이하의 두께로 형성하더라도 도전성을 충분히 확보할 수 있다.
이러한 구성에 따르면, 제2 반사막(143)에 포함된 백색 안료로 인해 높은 산란 효과를 얻을 수 있으므로, 효과적인 빛 포획(light trapping)이 가능하고, 이를 통해 광전 변환부(130)의 두께를 감소시키는 것이 가능하다.
그리고 후면 전극(150)이 제2 반사막(143)에 위치하는 개구부(143a)를 통해 제1 반사막(141)과 전기적으로 연결되므로, 은(Ag)에 비해 가격이 저렴한 알루미늄(Al) 만으로 후면 전극(150)을 구성하더라도 은(Ag)과 알루미늄을 함께 사용하는 경우와 유사한 수준의 전도성을 얻을 수 있다.
따라서, 은(Ag)과 알루미늄을 함께 사용하는 경우와 유사한 수준의 전도성을 얻기 위해 제1 반사막(141)의 두께를 증가시킬 필요가 없으므로, 제1 반사막(141)의 증착에 따른 시간 및 비용을 절감할 수 있다. 또한, 장파장 대역의 빛이 제1 반사막(141)을 투과하면서 흡수되어 발생하는 손실을 최소화할 수 있다.
그리고 제2 반사막(143)으로 은(Ag)을 사용하는 경우에 제2 반사막(143)과 제1 반사막(141)의 계면에서 발생하는 표면 플라즈몬 흡수(surface Plasmon absorption) 현상으로 인한 반사 손실이 방지되므로, 제2 반사막(143)으로 은(Ag)을 사용하는 경우와 유사한 수준의 반사도를 구현할 수 있다.
이하, 상기한 구성의 박막 태양전지를 제조하는 방법에 대해 설명한다.
전술한 도 1의 박막 태양전지를 제조하기 위해, 먼저, 도 5에 도시한 바와 같이 기판(110)의 전체 표면 위에 투명 도전층을 증착한다.
여기에서, 투명 도전층은 금속 산화물, 예컨대 산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO), 또는 인듐 틴 옥사이드(ITO) 중에서 선택된 적어도 한 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 금속 산화물에 하나 이상의 불순물을 혼합한 혼합 물질로 이루어질 수도 있다.
이어서, 투명 도전층을 패터닝하여 발전 영역에 복수의 투명 전극(120)을 형성한다.
여기에서, 패터닝 공정은 제1 스크라이빙 공정에 따라 실시할 수 있다. 제1 스크라이빙 공정은 기판(110)의 하부로부터 기판(110) 쪽으로 레이저를 조사하여 일부 영역의 투명 도전층을 증발시키는 공정으로서, 제1 스크라이빙 공정을 진행하면 발전 영역에는 일정한 간격을 두고 서로 이격된 복수의 투명 전극(120)이 형성된다.
전술한 바와 같이 제1 스크라이빙 공정을 실시한 후에는 기판(110) 위에 실리콘 박막층을 증착한다. 이때, 실리콘 박막층은 투명 전극(120) 사이의 공간에도 채워진다.
실리콘 박막층은 비정질 실리콘계(p/i/n) 박막으로 형성되거나, 비정질 실리콘계 박막과 미세결정질 실리콘계 박막이 적층된 텐덤형 실리콘계 박막층으로 형성될 수 있다.
실리콘 박막층이 텐덤형 실리콘계 박막층으로 형성될 경우에는 비정질 실리콘계 박막과 미세결정질 실리콘계 박막의 사이에 중간 투명 도전층이 더 형성될 수도 있다. 이와 같이, 실리콘 박막층의 구조는 본 발명에서 제한되지 않으며, 다양한 형태의 박막 구조로 형성될 수 있다.
이어서, 실리콘 박막층을 패터닝하여 도 6에 도시한 바와 같이 발전 영역에 복수의 광전 변환부(130)를 형성한다. 여기에서, 패터닝 공정은 제2 스크라이빙 공정에 따라 실시할 수 있다.
한편, 제2 스크라이빙 공정에 사용하는 레이저의 출력은 제1 스크라이빙 공정에 사용하는 레이저의 출력보다 작다.
따라서, 제2 스크라이빙 공정을 진행하기 위해 기판(110)의 하부로부터 기판(110) 쪽으로 레이저를 조사할 때, 발전 영역의 투명 전극(120)들은 증발되지 않지만 투명 전극(120) 위의 실리콘 박막층은 증발되어 제거된다.
이에 따라, 발전 영역에는 일정한 간격을 두고 서로 이격된 복수의 광전 변환부(130)가 형성된다.
전술한 제2 스크라이빙 공정을 실시한 후에는 기판(110) 위에 투명 반사막을 형성한다. 이때, 투명 반사막은 광전 변환부(130) 사이의 공간에도 채워진다. 여기에서, 투명 반사막은 AZO 또는 BZO로 이루어질 수 있으며, 100㎚ 이하의 두께로 형성된다.
이어서, 투명 반사막 및 광전 변환부(130)를 패터닝하여 도 7에 도시한 바와 같이 발전 영역에 복수의 제1 반사막(141)을 형성한다. 여기에서, 패터닝 공정은 제3 스크라이빙 공정에 따라 실시할 수 있다.
제3 스크라이빙 공정을 진행하기 위해 기판(110)의 하부로부터 기판(110) 쪽으로 레이저를 조사하면, 발전 영역의 투명 전극(120)들은 증발되지 않지만, 광전 변환부(130) 및 투명 반사막은 증발되어 제거된다.
이에 따라, 발전 영역에는 일정한 간격을 두고 서로 이격된 복수의 제1 반사막(141)이 형성된다.
전술한 제3 스크라이빙 공정을 실시한 후에는 도 8에 도시한 바와 같이 개구부(143a)를 갖는 제2 반사막(143)을 형성한다. 이때, 제2 반사막(143)은 제3 스크라이빙 공정에 의해 제거된 부분에도 채워진다. 따라서, 인접한 셀들의 사이 공간에는 제2 반사막(143)이 위치한다.
제2 반사막(143)은 특정 파장, 예를 들어 600㎚ 이상의 장파장 대역의 빛을 반사하는 백색 안료가 매질에 혼합된 물질로 형성된다.
이때, 백색 안료는 산화티탄(TiO2) 및 황산 바륨(BaSO4) 등의 산화물, 질화물, 탄화물을 포함할 수 있으며, 제2 반사막(143)은 백색 안료를 포함하는 백색 페인트, 백색 포일(foil), 에틸 비닐 아세테이트(EVA, Ethyl Vinyl Acetate) 포일 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
개구부(143a)는 원형, 사각형 또는 직사각형의 다양한 형상으로 형성할 수 있으며, 도 9에 도시한 바와 같이 하나의 후면 전극(150)에 적어도 하나 이상 형성될 수 있다.
그리고 개구부(143a)의 폭(W1)은 후면 전극(150)의 폭(W2)보다 좁게 형성되며, 개구부(143a)의 길이(L1)는 후면 전극(150)의 길이(L2)보다 작게 형성된다.
이때, 개구부(143a)의 폭(W1) 및 길이(L1)는 개구부(143a)를 갖는 제2 반사막(143)을 스크린 인쇄법에 의해 형성할 수 있을 정도의 폭 및 길이로 형성하는 것이 바람직하다. 스크린 인쇄법에 의해 제2 반사막(143)을 형성하면, 개구부(143a)를 형성하기 위한 별도의 공정을 제거할 수 있으므로, 제조 원가를 절감하는 것이 가능하다.
전술한 방법에 따라 형성된 제1 반사막(141) 및 제2 반사막(143)은 본 실시예의 후면 반사층(140)을 구성한다.
후면 반사층(140)을 형성한 다음, 기판(110) 위에 후면 전극(150)을 형성한다. 이때, 후면 전극(150)은 제2 반사막(143)에 구비된 개구부(143a)에도 채워진다. 따라서, 후면 전극(150)은 제1 반사막(141)과 전기적으로 연결되며, 제1 반사막(141)을 통해 이웃하는 박막 태양전지의 투명 전극과 전기적으로 연결된다.
후면 전극(150)은 은(Ag)에 비해 저렴한 원가의 알루미늄(Al)을 이용하여 형성할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
110: 기판 120: 투명 전극
130: 광전 변환부 140: 후면 반사층
141: 제1 반사막 143: 제2 반사막
143a: 개구부 150: 후면 전극
130: 광전 변환부 140: 후면 반사층
141: 제1 반사막 143: 제2 반사막
143a: 개구부 150: 후면 전극
Claims (18)
- 기판 위에 위치하는 복수의 셀을 포함하며,
각각의 셀은,
기판의 한쪽 면에 위치하는 제1 전극;
상기 제1 전극 위에 위치하는 적어도 하나의 광전 변환부;
상기 광전 변환부와 접촉하는 제1 반사막, 그리고 상기 제1 반사막의 일부 영역을 노출하는 개구부를 포함하며 상기 제1 반사막과 접촉하는 제2 반사막을 포함하는 후면 반사층; 및
상기 후면 반사층 위에 위치하며, 상기 개구부를 통해 상기 제1 반사막과 연결된 제2 전극
을 포함하는 박막 태양전지. - 제1항에서,
상기 제1 반사막은 도전성을 갖는 AZO(Aluminum zinc-oxide) 또는 BZO(Boron zinc-oxide)를 포함하는 박막 태양전지. - 제2항에서,
상기 제2 전극은 상기 개구부를 통해 상기 제1 반사막과 접촉하는 알루미늄을 포함하는 박막 태양전지. - 제3항에서,
상기 제1 반사막은 100㎚ 이하의 두께로 형성되는 박막 태양전지. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에서,
상기 제2 반사막은 600㎚ 이상의 장파장 대역의 빛을 반사하는 백색 안료가 매질에 혼합된 물질로 형성되는 박막 태양전지. - 제5항에서,
상기 백색 안료는 산화티탄(TiO2) 및 황산 바륨(BaSO4) 등의 산화물, 질화물, 탄화물을 포함하는 박막 태양전지. - 제6항에서,
상기 제2 반사막은 상기 백색 안료를 포함하는 백색 페인트, 백색 포일(foil), 에틸 비닐 아세테이트(EVA, Ethyl Vinyl Acetate) 포일 중 어느 하나를 포함하는 박막 태양전지. - 제5항에서,
상기 개구부는 원형, 사각형 또는 직사각형의 형상으로 형성되는 박막 태양전지. - 제8항에서,
상기 개구부의 폭은 상기 제2 전극의 폭보다 좁게 형성되는 박막 태양전지. - 제8항에서,
상기 개구부의 길이는 상기 제2 전극의 길이보다 작게 형성되는 박막 태양전지. - 제8항에서,
상기 개구부는 하나의 후면 전극에 적어도 하나 이상 위치하는 박막 태양전지. - 기판 위에 제1 전극을 형성하는 단계;
상기 제1 전극 위에 적어도 하나의 광전 변환부를 형성하는 단계;
상기 광전 변환부 위에 도전성을 갖는 제1 반사막을 형성하고, 상기 제1 반사막의 일부 영역을 노출하는 개구부를 갖는 제2 반사막을 상기 제1 반사막 위에 형성하여 후면 반사층을 형성하는 단계; 및
상기 개구부를 통해 상기 제1 반사막과 전기적으로 연결된 제2 전극을 상기 제2 반사막 위에 형성하는 단계
를 포함하는 박막 태양전지의 제조 방법. - 제12항에서,
AZO(Aluminum zinc-oxide) 또는 BZO(Boron zinc-oxide)로 상기 제1 반사막을 형성하는 박막 태양전지의 제조 방법. - 제12항에서,
알루미늄으로 상기 제2 전극을 형성하는 박막 태양전지의 제조 방법. - 제12항에서,
상기 제1 반사막을 100㎚ 이하의 두께로 형성하는 박막 태양전지의 제조 방법. - 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에서,
600㎚ 이상의 장파장 대역의 빛을 반사하는 백색 안료가 매질에 혼합된 물질로 상기 제2 반사막을 형성하는 박막 태양전지의 제조 방법. - 제16항에서,
상기 제1 개구부의 폭을 상기 제2 전극의 폭보다 좁게 형성하는 박막 태양전지의 제조 방법. - 제16항에서,
상기 제1 개구부의 길이를 상기 제2 전극의 길이보다 작게 형성하는 박막 태양전지의 제조 방법.
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20110114 |
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| PG1501 | Laying open of application | ||
| PC1203 | Withdrawal of no request for examination | ||
| WITN | Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid |