KR101028971B1 - 집적형 박막 태양전지 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 집적형 박막 태양전지의 제조 방법은 소정간격 이격된 트렌치들과, 상기 인접한 트렌치들 사이에 위치한 홈이 형성된 기판을 준비하는 단계, 상기 트렌치들 각각의 밑면 일부 및 일측면에 제1 도전성 물질을 일측으로부터 비스듬히 증착하여 제1 전극층을 형성하는 단계, 상기 기판 및 상기 제1 전극층 상에 태양전지층을 형성하는 단계, 상기 태양전지층상에 제2 도전성물질을 상기 일측의 맞은 편 타측으로부터 비스듬히 증착하여 제2 전극층을 형성하는 단계, 상기 제1 전극층이 노출되도록 상기 트렌치들에 형성된 태양전지층을 식각하고, 상기 홈들에 형성된 태양전지층을 식각하는 단계 및 상기 노출된 제1 전극층과 상기 제2 전극층이 전기적으로 연결되도록 제3 도전성 물질을 상기 제2 전극층 상에 비스듬히 증착하여 도전층을 형성하는 단계를 포함한다.
트렌치, 집적화, 박막 태양전지, 투명전극, 증착

Description

집적형 박막 태양전지 및 그의 제조 방법{Intergrated Thin-Film Solar Cell and Manufacturing method thereof}
본 발명은 집적형 박막 태양전지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
태양전지(太陽電池)는 태양광 에너지를 직접 전기로 변환시키는 반도체 소자로, 이에 사용되는 재료에 따라 크게 실리콘계, 화합물계, 유기물계로 분류될 수 있다.
그리고, 실리콘계 태양전지는 반도체의 상(phase)에 따라 세부적으로 단결정 실리콘(single crystalline silicon; c-Si), 다결정 실리콘(polycrystalline silicon; poly-Si), 비정질 실리콘(amorphous silicon; a-Si:H) 태양전지로 분류된다.
또한, 태양전지는 반도체의 두께에 따라 벌크(기판)형 태양전지와 박막형 태양전지로 분류되는데, 박막형 태양전지는 반도체층의 두께가 수 10㎛ 내지 수 ㎛ 이하의 태양전지이다.
실리콘계 태양전지에서 단결정 및 다결정 실리콘 태양전지는 벌크형에 속하며, 비정질 실리콘 태양전지는 박막형에 속한다.
한편, 화합물계 태양전지는 Ⅲ-Ⅴ족의 GaAs (Gallium Arsenide)와 InP (Indium Phosphide) 등의 벌크형과 Ⅱ-Ⅵ족의 CdTe (Cadmium Telluride) 및 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족의 CulnSe2 (CIS; Copper Indium Diselenide) 등의 박막형으로 분류되며, 유기물계 태양전지는 크게 유기분자형과 유무기 복합형이 있다. 이 밖에 염료 감응형 태양전지가 있으며 이들 모두가 박막형에 속한다.
이와 같이 여러 종류의 태양전지 중에서 에너지 변환효율이 높고 제조 비용이 상대적으로 저렴한 벌크형 실리콘 태양전지가 주로 지상 전력용으로 폭넓게 활용되어오고 있다.
그러나, 최근에는 벌크형 실리콘 태양전지의 수요가 급증함에 따라 원료의 부족 현상으로 가격이 상승하려는 추세에 있다. 이에 대규모 지상 전력용 태양전지의 저가화 및 양산화 기술 개발을 위해서는 실리콘 원료를 현재의 수 100분의 1로 절감할 수 있는 박막형 태양전지의 개발이 절실히 요구되고 있다.
현재 상용화된 a-Si:H 박막 태양전지의 집적화하는 방법은 도1a 내지 도1f에 나타내었다. 우선 유리기판(1) 위에 투명전극층(2)을 형성한다. 투명전극층(2)을 레이저 패터닝하기 위해 기판(1)을 뒤집고 패터닝한다. 패터닝 후 기판을 다시 뒤집어 잔여물을 세정 건조하고 박막 태양전지층(3)을 증착한다. 박막 태양전지층(3)을 패터닝하기 위해 기판(1)을 다시 뒤집고 패터닝한다. 그 후에 기판(1)을 다시 세정할 수 있다. 이면전극층(4)을 형성한다. 마지막으로 이면전극층(4)의 패터닝을 위해 기판(1)을 뒤집고 패터닝한다. 그리고 다시 패터닝된 기판(1)을 세정할 수 있 다. 기존의 상용화된 집적화 기술에서는 투명전극층(2), 박막 태양전지층(3), 이면전극층(4)을 패터닝하기 위해 최소한 3번의 레이저 패터닝이 필요했다. 각 패터닝에 의해 손실되는 면적과 패터닝 사이의 공정 마진에 의해 대략 250㎛~300㎛의 셀간 무효 간격이 생기며 이로 인해 단위 셀 면적의 약 3~4%에 해당하는 무효면적이 생긴다. 또한, 레이저 패터닝이 대기 중에서 이루어져야 하므로 대기 노출에 의한 박막 태양전지 성능 저하의 문제, 진공 상태와 대기 상태를 오가는 반복 공정으로 인한 생산성 저하의 문제, 공정 전체에 청정실(clean room) 시설이 마련되어야 하는 문제점들이 있다.
기존의 집적화 기술로 집적화된 박막 태양전지에서 +단자와 -단자를 뽑아내는 버스 바 영역은 도선의 폭이 3~5mm이기 때문에 그 이상의 폭을 가져야 한다. 박막 태양전지층과 이면전극층을 폭 3~5mm이상 패터닝하기 위해서는 여러 번의 레이저 패터닝 공정이 필요하다. 레이저 패터닝 공정수가 늘어난다는 것은 매우 비효율적이다.
따라서, 본 발명은 기존의 집적형 박막 태양전지 제조시 수반되는 문제점인 셀의 무효면적을 감소시키는 것을 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 집적형 박막 태양전지 제조시 기판의 반전 및 세정을 필요로 하지 않는 것을 기술적 과제로 한다.
또한, 집적형 박막 태양전지 제조시 기판을 대기중에 노출시키지 않는 것을 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 집적형 박막 태양전지 제조시 성능 저하가 발생되지 않도록 하는 것을 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 집적형 박막 태양전지 제조시 공정비용을 절감하는 것을 기술적 과제로 한다.
또한, 간단한 공정으로 버스 바 영역을 형성하는 것을 기술적 과제로 한다.
본 발명의 집적형 박막 태양전지의 제조 방법은 소정간격 이격된 트렌치들이 형성된 기판을 준비하는 단계, 상기 트렌치들 각각의 밑면 일부 및 일측면에 제1 도전성물질로 제1 전극층을 형성하는 단계, 상기 상기 제1 전극층이 형성되지 않은 트렌치의 일부분 및 상기 제1 전극층 상에 태양전지층을 형성하는 단계, 상기 태양전지층상에 제2 도전성물질을 비스듬히 증착하여 제2 전극층을 형성하는 단계, 상기 제1 전극층이 노출되도록 상기 트렌치들에 형성된 태양전지층을 식각하는 단계; 및 상기 노출된 제1 전극층과 상기 제2 전극층이 전기적으로 연결되도록 제3 도전성 물질을 상기 제2 전극층 상에 비스듬히 증착하여 도전층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 집적형 박막 태양전지의 제조 방법은 소정간격 이격된 트렌치들과, 상기 인접한 트렌치들 사이에 위치한 홈이 형성된 기판을 준비하는 단계, 상기 트렌치들 각각의 밑면 일부 및 일측면에 제1 도전성 물질을 일측으로부터 비스듬히 증착하여 제1 전극층을 형성하는 단계, 상기 기판 및 상기 제1 전극층 상에 태양전지층을 형성하는 단계, 상기 태양전지층상에 제2 도전성물질을 상기 일측의 맞은 편 타측으로부터 비스듬히 증착하여 제2 전극층을 형성하는 단계, 상기 제1 전극층이 노출되도록 상기 트렌치들에 형성된 태양전지층을 식각하고, 상기 홈들에 형성된 태양전지층을 식각하는 단계 및 상기 노출된 제1 전극층과 상기 제2 전극층이 전기적으로 연결되도록 제3 도전성 물질을 상기 제2 전극층 상에 비스듬히 증착하여 도전층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 집적형 박막 태양전지는 소정 간격 이격된 트렌치들이 형성된 기판, 상기 트렌치들 각각의 밑면 일부 및 일측면에 형성된 제1 전극층, 상기 제1 전극층의 일부가 노출되도록 상기 기판 및 상기 제1 전극층 상에 형성된 태양전지층, 상기 태양전지층 상에 형성된 제2 전극층, 상기 노출된 제1 전극층과 상기 제2 전극층을 연결하며, 상기 제2 전극층 상에 형성된 도전층을 포함한다.
본 발명의 집적형 박막 태양전지는 소정간격 이격된 트렌치들과, 상기 인접한 트렌치들 사이에 위치한 홈이 형성된 기판, 상기 트렌치들 각각의 밑면 일부 및 일측면에 형성된 제1 전극층, 상기 트렌치의 상기 제1 전극층과 상기 홈의 기판이 노출되도록 상기 기판 및 상기 제1 전극층 상에 형성되는 태양전지층, 상기 태양전지층 상에 형성된 제2 전극층 및 상기 노출된 제1 전극층과 상기 제2 전극층이 전기적으로 연결되도록 상기 제2 전극층 상에 형성된 도전층을 포함한다.
본 발명에 따르면, 집적형 박막 태양전지 제조시 무효면적을 감소시키는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 집적형 박막 태양전지 제조시 기판의 반전 및 세정이 필요하지 않은 효과가 있다.
본 발명애 따르면, 집적형 박막 태양전지 제조시 기판을 대기중에 노출시키지 않는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 집적형 박막 태양전지 제조시 성능 저하가 발생되지 않는 효과가 있다.
본 발명은 집적형 박막 태양전지 제조시 공정비용이 절감되는 효과가 있다.
본 발명은 간단한 공정으로 버스 바 영역을 형성하는 효과가 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
[실시예 1]
도2a 내지 2k는 본 발명의 실시예 1에 따른 집적형 박막 태양전지의 제조 방법을 도시한 도면들이다.
도2a 내지 2k를 참조하면, 기판(200)상에 트렌치들(205a, 205b) 및 단위 셀 영역들(201a, 201b, 201c)이 있다. 또한 기판(200)상에는 제1 전극층(210a, 210b), 별도의 전극층(220a, 220b, 220c), 태양전지층(230a, 230b, 230c), 제2 전극층(240a, 240b, 240c) 및 도전층(250a, 250b, 250c), 버스 바 영역의 도전성 페이스트(260)가 형성되어 있다.
(a) 단계
도2a를 참조하면, 단위 셀 영역들(201a, 201b, 201c)이 정의되도록 소정간격 이격된 트렌치들(205a, 205b)이 형성된 기판(200)이 준비된다. 기판(200)은 집적형 박막 태양전지를 구성하는 본체가 된다. 기판(200)은 빛이 일차적으로 입사되는 부분으로서, 빛의 투과율이 우수한 투명절연성 재질을 사용하는 것이 좋다. 예를 들면, 소다석회 유리, 일반 유리 또는 강화 유리 중 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다. 이외에, 폴리머재질의 폴리머기판 또는 나노 복합체(nano composit) 기판일 수 있다. 나노 복합체는 분산매질(matrix, 연속상) 속에 나노 입자가 분산상으로 분산되어 있는 계이다. 분산매질은 폴리머, 금속 또는 세라믹일 수 있으며, 나노 입자는 폴리머, 금속 또는 세라믹일 수 있다.
기판(200) 상에 트렌치들(205a, 205b)을 형성한다. 트렌치들(205a, 205b)에 의해 단위 셀 영역들(201a, 201b, 201c)이 정의된다. 단위 셀 영역들(201a, 201b, 201c) 상에는 이후의 공정에 의해 단위 셀이 형성된다. 트렌치는 유리기판이나 폴리머기판 또는 나노 복합체 기판 등을 용융시킨 상태에서, 유리기판이나 폴리머기판 또는 나노 복합체 기판 등이 굳기 전에 엠보싱 가공으로 스트라이프 트렌치 구조를 만든다. 뿐만 아니라 용융되지 않은 상기 기판들에 트렌치들(205a, 205b)을 핫-엠보싱(hot-embossing)법을 사용하여 형성할 수도 있다.
또한 기판(200)은 글라스 및 상기 글라스 상에 코팅된 폴리머 또는 나노 복합체 재질의 박막을 포함할 수 있으며, 이 경우 핫 엠보싱법을 사용하여 폴리머 또는 나노 복합체 재질의 박막에 트렌치들을 형성할 수 있다. 아울러 글라스 상에 폴리머 또는 나노 복합체 재질의 박막이 코팅되는 과정에서 엠보싱법을 사용하여 폴리머 또는 나노 복합체 재질의 박막에 트렌치들을 형성할 수도 있다. 이 때 폴리머 또는 나노 복합체 재질은 열경화성 또는 UV 경화성 재질을 포함할 수 있다.
글라스 상에 코팅된 폴리머 또는 나노 복합체 재질의 박막에 트렌치가 형성되므로 글라스에 직접 트렌치를 형성하는 것보다 트렌치가 용이하게 형성될 수 있다.
또한 트렌치들(205a, 205b)은 엠보싱 또는 핫-엠보싱 방법뿐만 아니라 습식 에칭, 건식 에칭, 기계적 가공 또는 레이저와 같은 광학적 가공 중 어느 한 방법을 통하여 형성될 수도 있다.
앞서 설명된 기판의 재질 및 트렌치 형성 방법은 이후에 설명되는 실시예 2 내지 실시예 4에 공통적으로 적용될 수 있다.
(b) 단계
도2a를 참조하면, 트렌치들(205a, 205b) 각각의 일정영역 및 이와 인접하는 상기 단위 셀 영역들(201a, 201b, 201c) 각각의 일정영역 상에 걸치도록 제1 도전성 물질로 제1 전극층(210a, 210b)을 형성한다. 트렌치들 각각의 일정영역은 도 2b에 도시된 바와 같이, 각 트렌치의 밑면, 일 측면으로 이루어지는 영역이다.
실시예 1에서 제1 전극층(210a, 210b)은 인접 단위 셀과 전기적으로 직렬 연결하기 위하여 형성될 뿐만 아니라 단위 셀에서 생성된 전류가 인접타 단위 셀로 효율적으로 전달되도록 한다. 이후에 형성되는 별도의 전극층 형성에 사용되는 투명전극 물질의 경우 금속 물질에 비하여 저항이 크다. 이에 의해, 단위 셀에서 생성되는 전류가 효율적으로 전달되지 않아 박막 태양전지 전체의 효율이 낮아지는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제1 전극층은 별도의 전극층을 이루는 투명전극 물질에 비하여 저항이 작은 금속 물질로 형성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예 1에서 제1 전극층(210a, 210b)을 형성하기 위한 제1 도전성 물질로 알루미늄(Al), 은(Ag), 아연(Zn) 또는 크롬(Cr) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제1 전극층(210a, 210b)은 금속 마스크(metal mask)를 이용한 증착법, 잉크젯(ink jet), 젯 스프레이(jet spray), 스크린 인쇄(screen printing), 나노 임프린트(nano imprint) 또는 스탬핑(stamping) 중 어느 하나의 방법을 이용하여 형성될 수 있다.
(c) 단계
도2b를 참조하면, 단위 셀 영역들(201a, 201b, 201c) 상에 제1 전극층(210a, 210b)과 다른 별도의 전극층(220a, 220b, 220c)을 형성한다.
별도의 전극층(220a, 220b, 220c)은 기판(200)을 통해 태양광이 태양전지층으로 입사될 수 있도록 투명도전성 물질로 형성할 수 있다. 이에 따라, 별도의 전극층(220a, 220b, 220c)은 산화아연(Zinc Oxide; ZnO), 산화주석(Tin Oxide; SnO2) 또는 산화인듐주석(Indium Tin Oxide; ITO) 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
별도의 전극층(220a, 220b, 220c)은 다음과 같은 방법으로 형성된다. 별도의 전극층(220a, 220b, 220c)을 형성하기 위한 물질을 함유한 졸-겔(sol-gel) 용액을 잉크처럼 사용하는 프린팅(printing)법을 사용함으로써, 마스크를 이용한 포토레지스터법이나 폴리머 패턴의 사용 없이도 상기 졸-겔 용액을 단위 셀 영역들(201a, 201b, 201c)상에 직접 도포하여 별도의 전극층(220a, 220b, 220c)을 형성할 수 있다. 이 경우, 롤러 등을 사용하여 상기 졸-겔 용액을 단위 셀 영역들(201a, 201b, 201c)상에 직접 도포할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편 프린팅법에 의하여 형성된 별도의 전극층은 저항이 높을 수 있으므로 대기 또는 질소와 같은 가스 분위기에서 열처리될 수 있다.
이러한 방법은 마스크 작업에 의한 식각 공정 없이 띠 모양으로 패턴화된 별도의 전극층(220a, 220b, 220c)을 직접 형성하는 것이 가능하다. 이와 같이, 프린팅(printing)법을 이용하여 별도의 전극층(220a, 220b, 220c)을 형성하면 비교적 공정이 간단하며 기존의 공정과 같이 레이저 패터닝을 위한 고가의 장비가 불필요 하므로 제조 단가를 절감할 수 있다.
(d) 단계
도2c를 참조하면, 제1 전극층이 형성되지 않은 트렌치(205a, 205b)의 일부분, 제1 전극층(210a, 210b) 및 별도의 전극층(220a, 220b, 220c) 상에 태양전지층(230)을 형성한다.
태양전지층(230)은 광기전성 물질로 이루어진다. 태양전지층(230)은 태양광이 입사될 때 전류가 생성되는 임의의 물질로 형성할 수 있다. 예를 들어, 태양전지층(230)은 실리콘 계열 , 화합물 계열, 유기물 계열 및 건식 염료 감응 계열의 광기전성 물질 중 하나로 형성될 수 있다. 이 중 실리콘 계열 태양전지는 비정질 실리콘 단일접합 태양전지(amorphous silicon(a-Si:H) single junction solar cell), 비정질 실리콘 다중접합 태양전지(a-Si:H/a-Si:H, a-Si:H/a-Si:H/a-Si:H multi-junction solar cell), 비정질 실리콘게르마늄 단일접합 태양전지(amorphous silicon-germanium(a-SiGe:H) single junction solar cell), 비정질 실리콘/비정질 실리콘게르마늄 이중접합 태양전지(a-Si:H/a-SiGe:H double junction solar cell), 비정질 실리콘/비정질 실리콘게르마늄/비정질 실리콘게르마늄 삼중접합 태양전지(a-Si:H/a-SiGe:H/a-SiGe:H triple junction solar cell) 및 비정질 실리콘/마이크로결정 실리콘(다결정 실리콘) 이중접합 태양전지(amorphous silicon/microcrystalline(poly) silicon double junction solar cell) 중 하나를 사용할 수 있다.
이와 같은 실시예 1의 태양전지층은 실시예 2 내지 실시예 4에 공히 적용될 수 있다.
(e) 단계
도2d를 참조하면, 태양전지층(230)상에 제2 도전성물질을 비스듬히 증착(OD1)하여 제2 전극층(240a, 240b, 240c)을 형성한다.
도 2d에 도시된 바와 같이, 트렌치들(205a, 205b) 및 태양전지층(230)이 형성된 기판(200) 상에 제2 도전성 물질을 각도 θ1으로 비스듬히 증착(OD1)한다. 각도 θ1만큼 비스듬히 증착(OD1)시키면 증착의 직진성에 의해 제2 도전성 물질이 태양전지층(230) 상에 박막으로 증착된다. 기판(200) 상에 형성된 트렌치들(205a, 205b)과 각도 θ1에 의해 트렌치들(205a, 205b)에 형성된 태양전지층(230) 상의 일부분(e)에는 제2 도전성 물질이 증착되지 않는다. 이 경우 전자빔 또는 열증착 등의 증착법을 이용하나 이에 한정되는 것은 아니다. 상술한 방법에 의하여, 제2 도전성 물질로 자기 정렬(self-alignment)된 제2 전극층(240a, 240b, 240c)을 형성한다. 여기서, 제2 도전성 물질은 투명 도전성 물질, 알루미늄(Al), 은(Ag), 아연(Zn) 또는 크롬(Cr) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이 때 투명 도전성 물질은 ZnO, SnO2, 또는 ITO를 포함할 수 있다. 이와 같은 제2 도전성 물질의 성분은 실시예 2 내지 실시예 4에 적용될 수 있다.
(f) 단계
도2e를 참조하면, 제1 전극층(210a, 210b)이 노출되도록 트렌치들(205a, 205b)에 형성된 태양전지층(230)을 식각한다.
(e)단계에서 형성된 제2 전극층(240a, 240b, 240c)을 마스크로 사용하여 태양전지층(230)을 실질적으로 수직 식각(etching)한다. 여기서 식각되는 부분은 (e)단계에서 제2 도전성 물질이 형성되지 않은 태양전지층(230) 상의 일부분(e)이다. 식각방법으로는 반응성 이온 식각법(Reactive Ion Etching; RIE) 등과 같은 건식 식각 공정을 이용하는 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다. 이와 같이 자기 정렬된 제2 전극층(240a, 240b, 240c)에 의하여 마스크가 필요없이 태양전지층(230)의 미소 식각이 가능하므로 단위 셀간 절연 간격을 수십㎛ 내지 수㎛ 정도로 구현할 수 있다. 이는 기존의 플라즈마를 이용한 화학적 기화가공법과 레이저 빔을 이용한 레이저 패터닝에 비해 수십 내지 수백 배 이상 줄일 수 있어 박막 태양전지의 유효면적을 극대화할 수 있다. 한편, 상술한 방법등에 의하여 태양전지층(230)을 식각하여 단위 셀 영역들 상에 태양전지층 패턴(230a, 230b, 230c)이 형성된다. 이와 같이 태양전지층(230)을 식각하는 공정을 통해 트렌치들(205a, 205b)에 형성된 제1 전극층(210a, 210b)이 노출된다.
이와 같은 식각 방법은 실시예 2 내지 실시예 4에 공히 적용될 수 있다.
(g) 단계
도2f를 참조하면, 하나의 단위 셀 영역(예를 들어; 201b) 상에 형성된 별도 의 전극층(220b)과 접속되는 제1 전극층(210a)과 상기 하나의 단위 셀 영역(201b)에 인접한 타 단위 셀 영역(예를 들어; 201a) 상에 형성된 제2 전극층(240a)이 전기적으로 연결되도록 제3 도전성 물질을 제2 전극층(240a) 상에 비스듬히 증착(OD2)하여 도전층(250a)을 형성한다. 이에 따라 트렌치 내부의 제1 전극층(210a)과 도전층(250a)이 서로 연결된다.
도시된 바와 같이, (f) 단계의 식각 공정을 통해 단위 셀간 소정의 절연 간격이 형성된 상태에서 제2 도전성 물질을 증착하는 방법과 동일한 증착법을 이용하여 제3 도전성 물질을 증착한다. 즉, 전자빔 또는 열 증착기를 사용하여 제3 도전성 물질을 각도 θ2만큼 비스듬히 증착(OD2)시키면 증착의 직진성에 의해 (f)단계에 의해 노출된 제1 전극층(210a, 210b중 도 2e의 'e' 부분) 상에 각도 θ2에 의한 일부분(f)을 제외한 부분에 제3 도전성 물질이 증착된다. 이에 의해, 도전층(250a, 250b, 250c)이 형성된다. 이때, 제3 도전성 물질은 투명 도전성 물질, 알루미늄(Al), 은(Ag), 아연(Zn) 또는 크롬(Cr) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이 때 투명 도전성 물질은 ZnO, SnO2 또는 ITO를 포함할 수 있다. 이와 같은 제3 도전성 물질의 성분은 실시예 2 내지 실시예 4에 공히 적용될 수 있다.
이에 의해, 하나의 단위 셀 영역 (예를 들어; 201b) 상에 형성된 별도의 전극층(220b)과 접속되는 제1 전극층(210a)과 상기 하나의 단위 셀 영역에 인접한 타 단위 셀 영역 (예를 들어; 201a) 상에 형성된 제2 전극층(240a)이 전기적으로 연결되고, 단위 셀간에는 전기적으로 직렬 연결된 상태가 된다.
(h)단계
도2g 및 도 2i를 참조하면, 집적화된 박막 태양전지의 기판의 일정 영역에 있는 하나 이상의 트렌치에 도전성 페이스트(260)가 매립됨으로써 버스 바 영역이 형성된다. 이 때, 도 2i에 도시된 바와 같이, 도전성 페이스트가 복수 개의 트렌치에 매립될 경우, 버스 바 영역에 해당되는 트렌치들 사이의 간격은 버스 영역이 아닌 태양전지 영역에 해당되는 트렌치들 사이의 간격보다 작을 수 있다. 즉, 버스 바 영역은 전기를 생산하지 않으므로 버스 바 영역의 트렌치들 사이의 간격은 전기가 생성되는 태양전지 영역의 트렌치들 사이의 간격보다 작을 수 있다. 이와 같은 버스 바 영역의 특징은 이후에 설명되는 실시예 2 내지 실시예 4에 공통적으로 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예1에서는 기판의 최외곽 트렌치와 이에 인접한 타 트렌치 사이의 영역이 버스 바 영역일 수 있으며, 버스 바 영역은 3 내지 5 mm 일 수 있다. 이와 같이 버스 바 영역의 트렌치들에는 앞서 도 2a 내지 도 2f와 같은 공정이 이루어진다.
버스 바 영역에 해당되는 트렌치들이 도전성 페이스트(260)로 매립된 후, 도전성 페이스트(260) 상에 도전 테이프와 같은 버스 바(미도시)가 접착되어 태양전지층(230c')에서 형성된 전류가 버스 바를 통하여 외부로 흐른다.
이와 같은 버스 바는 집적화된 박막 태양전지에서 생성된 전력을 효율적으로 외부로 공급한다. 또한 트렌치들의 개수에 따라 버스 바 영역이 변할 수 있으므로 다양한 버스 바의 폭에 대응할 수 있으며 버스 바와 도전성 페이스트의 접착력 또한 증가할 수 있다.
도전성 페이스트는 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 아연(Zn) 니켈(Ni) 또는 크롬(Cr) 중적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 도전성 페이스트를 매립하는 방법으로 프린팅법, 잉크젯, 젯 스프레이, 스크린 인쇄, 나노 임프린트 또는 스탬핑 방법 등이 쓰인다.
이러한 방법은 마스크 작업에 의한 식각 공정 없이 패턴화된 버스 바 영역을 저온 공정으로 직접 형성하는 것이 가능하다. 또한, 공정이 비교적 간단하여 고가의 장비가 불필요하므로 제조 단가를 절감할 수 있다. 본 실시예에 의해 버스 바 영역을 형성하면, 버스 바 형성을 위한 레이저 패터닝 공정이 별도로 필요하지 않은 바, 신속하고 간편하게 버스 바 영역을 형성할 수 있다.
한편, 도 2d에 도시된 과정을 통하여 제2 전극층(240a, 240b, 240c)이 형성된 후 태양전지층(230)의 식각에 앞서 전극층들의 단락을 방지하기 위한 단락 방지층이 형성될 수 있다. 즉, 도 2d 및 도 2e에 도시된 바와 같이 자기 정렬된 제2 전극층(240a, 240b, 240c)에 의하여 식각이 이루어지면 제2 전극층(240a, 240b, 240c)의 끝단과 제1 전극층(210a, 210b), 또는 제2 전극층(240a, 240b, 240c)의 끝단과 별도의 전극층(220a, 220b, 220c) 사이에 단락이 발생할 수 있다.
이와 같은 단락 방지를 위하여 도 2i에 도시된 바와 같이, 도 2d의 제2 도전성 물질이 증착되는 일측의 맞은 편으로부터 단락 방지 물질이 태양전지층(230) 및 제2 전극층(240a, 240b, 240c) 상에 각도 θ3로 비스듬히 증착된다. 이후 도 2j에 도시된 바와 같이 자기 정렬된 제2 전극층(240a, 240b, 240c) 및 단락 방지층(260)에 의하여 제1 전극층(210a, 210b)이 노출되도록 태양전지층(230)이 식각된다.
이 때 식각되는 영역(e')은 도 2d에 식각되는 영역(e)보다 작고, 단락 방지층(260)이 제2 전극층(240a, 240b, 240c)의 끝단을 덮으므로 제2 전극층(240a, 240b, 240c)의 끝단과 제1 전극층(210a, 210b), 또는 제2 전극층(240a, 240b, 240c)의 끝단과 별도의 전극층(220a, 220b, 220c) 사이에 단락이 방지된다. 단락 방지층(260)은 제2 전극층(240a, 240b, 240c)과 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
이후 도 2k에 도시된 바와 같이 제3 도전성 물질이 비스듬히 증착됨으로써 도전층(250a, 250b, 250c)이 형성된다. 도 2j의 도전층(250a, 250b, 250c) 및 그 형성 과정은 도 2f를 통하여 설명되었으므로 생략된다.
이와 같은 단락 방지층(260)은 이후의 실시예 2 내지 실시예 4에 적용가능하다.
[실시예 2]
도3a 내지 3g는 본 발명의 실시예 2에 따른 집적형 박막 태양전지의 제조 방법을 도시한 도면들이다.
도3a 내지 3g를 참조하면, 기판(300)상에 트렌치(305a, 305c, 305e) 및 단위 셀 영역들(301a, 301b, 301c)이 있다. 또한 기판(300)상에는 홈(305b, 305d), 제1 전극층(310a, 310b, 310c, 310d), 태양전지층(320), 제 2 전극층(330a, 330b, 330c) 및 도전층(340a, 340b, 340c), 버스 바 영역의 도전성 페이스트(350)가 형성되어 있다. 도면에 도시되어 있지는 않지만 홈(305b, 305d)은 단위 셀 영역들(301a, 301b, 301c) 각각의 소정영역에 복수개로 형성되어 있다.
(a) 단계
도3a를 참조하면, 단위 셀 영역들(301a, 301b, 301c)이 정의되도록 소정간격 이격된 트렌치들(305a, 305c, 305e)과, 인접한 트렌치들(305a 및 305c, 305c 및 305e) 사이에 위치한 홈(305b 및 305d)이 형성된 기판(300)이 준비된다.
(b) 단계
도3a를 참조하면, 단위 셀 영역들(301a, 301b, 301c) 각각의 소정영역에 홈(305b, 305d)을 형성한다. 홈(305b, 305d)은 이후의 공정에 의해 태양광이 투과되는 영역이 된다. 한편, 홈(305b, 305d)은 앞서 설명된 실시예 1의 트렌치의 형성방법과 동일하게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예 2에서는 트렌치(305a, 305c, 305e)와 홈(305b, 305d)이 미리 형성된 기판(300)이 사용될 수도 있고, 기판(300)에 트렌치(305a, 305c, 305e)와 홈(305b, 305d)이 형성되는 단계를 포함할 수도 있다. 또한 트렌치(305a, 305c, 305e)와 홈(305b, 305d)의 형성은 동시에 이루어질 수도 있다.
홈(305b, 305d)은 도3a에 도시된 바와 같이 트렌치들(305a, 305c, 305e)보다 폭이 작고 깊이는 같도록 형성할 수 있다. 또는, 도시되어 있지 않으나 홈(305b, 305d)은 트렌치들(305a, 305c, 305e)보다 깊이는 깊고 폭은 같도록 형성할 수 있다. 이와 같이 형성하는 이유는 이후 제1, 2 및 3 도전성 물질을 비스듬히 증착하는 공정을 통해 홈(305b, 305d)의 밑면에 제1, 2 및 3 도전성 물질이 증착되지 않도록 하기 위함이다. 이를 통해, 홈(305b, 305d)의 밑면에서 제1, 2 및 3 도전성 물질을 제거하기 위한 식각 공정이 필요없게 된다. 따라서, 이후 공정에서 홈(305b, 305d)의 밑면에 형성되는 태양전지층의 식각 공정만을 수행하게 되면, 홈(305b, 305d)의 밑면을 통해 빛이 투과될 수 있도록 할 수 있다.
(c) 단계
도3a를 참조하면, 단위 셀 영역들(301a, 301b, 301c)이 형성된 기판(300)의 트렌치(305a, 305c, 305e) 밑면 일부 및 일측면에 제1 도전성 물질을 일측으로부터 비스듬히 증착(OD1)하여 제1 전극층(310a, 310b, 310b', 310c, 310c', 310d)을 형성한다. 실시예 2의 제1 전극층(310a, 310b, 310b', 310c, 310c', 310d)은 실시예 1의 제1 전극층(210a, 210b)과 다르게 트렌치에 인접한 기판 표면 상에도 형성된다.
도3a에 도시된 바와 같이, 트렌치들(305a, 305c, 305e)이 형성된 기판(300) 상에 제1 도전성 물질을 각도 θ1으로 비스듬히 증착(OD1)한다. 각도 θ1만큼 비스듬히 증착(OD1)시키면 증착의 직진성에 의해 제1 도전성 물질이 기판(300) 상에 박막으로 증착된다. 기판(300) 상에 형성된 트렌치들(305a, 305c, 305e) 및 홈(305b, 305d)과 각도 θ1에 의해 트렌치들(305a, 305c, 305e)의 일부분(d) 및 홈(305b, 305d)의 밑면(d')에는 제1 도전성 물질이 증착되지 않는다. 이 경우 전자빔 또는 열증착 등의 증착법을 이용하나 이에 한정되는 것은 아니다. 상술한 방법에 의하여, 제1 도전성 물질로 제1 전극층(310a, 310b, 310b', 310c, 310c', 310d)이 형성된다.
단위 셀 영역(301b)에 형성된 홈들(305b, 305d)은 원형 또는 다각형 또는 타원형 모양을 지닐 수 있으며, 단위 셀 영역 상에 균일하게 분포되어 있다.
여기서, 제1 도전성 물질은 산화아연(Zinc Oxide; ZnO), 산화주석(Tin Oxide; SnO2) 또는 산화인듐주석(Indium Tin Oxide; ITO) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
(d) 단계
도3b를 참조하면, 제1 전극층(310a, 310b, 310c, 310d)이 형성되지 않은 트렌치(305a, 305c, 305e) 및 홈(305b, 305d)의 일부분과, 제1 전극층(310a, 310b, 310b', 310c, 310c', 310d) 상에 태양전지층(320)을 형성한다.
태양전지층(320)은 광기전성 물질로 이루어진다. 태양전지층(320)은 태양광이 입사될 때 전류가 생성되는 임의의 물질로 형성할 수 있다.
(e) 단계
도3c를 참조하면, 태양전지층(320)상에 제2 도전성물질을 상기 일측의 맞은 편 타측으로부터 비스듬히 증착(OD2)하여 제2 전극층(330a, 330b, 330c)을 형성한다.
도3c에 도시된 바와 같이, 트렌치들(305a, 305c, 305e) 및 태양전지층(320)이 형성된 기판(300) 상에 제2 도전성 물질을 각도 θ2로 비스듬히 증착(OD2)한다. 각도 θ2만큼 비스듬히 증착(OD2)시키면 증착의 직진성에 의해 제2 도전성 물질이 태양전지층(320) 상에 박막으로 증착된다. 기판(300) 상에 형성된 트렌치들(305a, 305c, 305e)과 각도 θ2에 의해 트렌치들(305a, 305c, 305e)에 형성된 태양전지층(320) 상의 일부분(e)에는 제3 도전성 물질이 형성되지 않는다. 이 경우 전자빔 또는 열증착 등의 증착법을 이용하나 이에 한정되는 것은 아니다. 상술한 방법에 의하여, 제2 도전성 물질로 제2 전극층(330a, 330b, 330c)을 형성한다. 한편, 상기 일부분(e)은 하기 단계에서 식각되는 부분이다. 홈(305b, 305d)의 밑면 상에 형성된 태양전지층(320) 상(e")에는 제2 도전성 물질이 증착되지 않는다.
(f) 단계
도3d를 참조하면, 제1 전극층(310a, 310b, 310b', 310c, 310c', 310d)이 노출되도록 상기 트렌치들(305a, 305c, 305e)에 형성된 태양전지층(320)과 홈(305b, 305d)을 통해 빛이 투과되도록 상기 홈(305b, 305d)에 형성된 태양전지층(320)을 식각한다.
(e)단계에서 형성된 제2 전극층(330a, 330b, 330c)을 마스크로 사용하여 태양전지층(320)을 실질적으로 수직 식각(etching)한다. 여기서 식각되는 부분은 (e) 단계에서 제2 도전성 물질이 형성되지 않은 태양전지층(320) 상의 일부분(e)이다. 또한, 제2 도전성 물질이 증착되지 않은 홈(305b, 305d)의 밑면(e") 상에 형성된 태양전지층(320)이다. 이와 같이 자기 정렬된 제2 전극층(330a, 330b, 330c)으로 인하여 제2 전극층(330a, 330b, 330c)이 마스크로 사용되므로 별도의 마스크가 필요없다.
한편, 상술한 방법등에 의하여 태양전지층(320)을 식각하여 단위 셀 영역들 상에 태양전지층 패턴(320a, 320b, 320c)이 형성된다. 이와 같이 태양전지층(320)을 식각하는 공정을 통해 트렌치들(305a, 305c, 305e)에 형성된 제1 전극층(310a, 310b, 310c, 310d)이 노출된다. 또한, 홈(305b, 305d)의 밑면(e")이 노출된다. 트렌치(305a, 305c, 305e) 및 홈(305b, 305d)에 형성된 태양전지층의 식각은 실질적으로 동시에 이루어질 수 있다.
홈(306)의 밑면(e")가 노출됨으로써 홈의 밑면(e")를 통해 빛이 투과된다.
(g) 단계
도3e를 참조하면, 하나의 단위 셀 영역(예를 들어; 301b) 상에 형성된 제1 전극층(310b)과 접속되는 트렌치(305a)상의 제1 전극층(310b)과 상기 하나의 단위 셀 영역(301b)에 인접한 타 단위 셀 영역(예를 들어; 301c) 상에 형성된 제2 전극층(330a)이 전기적으로 연결되도록 제3 도전성 물질을 제2 전극층(330a) 상에 비스듬히 증착(OD3)하여 도전층(340a)를 형성한다. 이에 따라 트렌치 내부의 제1 전극층(예를 들어, 310b)과 도전층(예를 들어, 340a)이 서로 연결된다.
도시된 바와 같이, (f) 단계의 식각 공정을 통해 단위 셀간 소정의 절연 간격이 형성된 상태에서 제2 도전성 물질을 증착하는 방법과 동일한 증착법을 이용하여 제3 도전성 물질을 증착한다. 즉, 전자빔 또는 열 증착기를 사용하여 제3 도전성 물질을 각도 θ3만큼 비스듬히 증착(OD3)시키면 증착의 직진성에 의해 (f)단계에 의해 노출된 제1 전극층(310b, 310c중 도 3d의 'e' 부분) 상에 각도 θ3에 의한 일부분(f)을 제외한 부분에 제3 도전성 물질이 증착된다. 이에 의해, 도전층(340a, 340b, 340c)이 형성된다. 이때, 홈(306)의 밑면(e")에 제3 도전성 물질이 증착되지 않는다는 것은 상술하였다.
이에 의해, 하나의 단위 셀 영역(예를 들어; 301b) 상에 형성된 제1 전극층(310b)과 접속되는 트렌치(305a)상의 제1 전극층(310b)과 상기 하나의 단위 셀 영역(301b)에 인접한 타 단위 셀 영역(예를 들어; 301a) 상에 형성된 제2 전극층(330a)이 전기적으로 연결되고 단위 셀간에는 전기적으로 직렬 연결된 상태가 된다.
(h)단계
도3f 및 도 3g를 참조하면, 집적화된 박막 태양전지의 기판의 양측 외곽에 형성된 각 트렌치와 이에 인접한 타 트렌치를 도전성 페이스트(350)로 매립하여 버스 바 영역을 형성한다. 버스 바 영역 및 도전성 페이스트에 대해서는 앞서 실시예 1를 통하여 설명되었으므로 그 상세한 설명은 생략된다.
실시예 2의 단계들은 위치제어장치가 필요 없이 자기 정렬(self-alignment)에 의해 이루어지는 바, 비교적 간단한 공정을 통해 집적형 박막 태양전지의 제조가 가능하다. 본 실시예에 의할 경우 빛 투과형(see through) 집적형 박막 태양전지가 완성된다. 본 실시예에서 투명 폴리머 또는 투명 나노 복합체 물질을 기판(300)으로 사용하게 되면, 주택이나 자동차의 유리창에 부착하여 사용할 수 있는 유연한 집적형 박막 태양전지를 만들 수 있다.
[실시예 3]
도4a 내지 4h는 본 발명의 실시예 3에 따른 집적형 박막 태양전지의 제조 방법을 도시한 도면들이다.
도4a 내지 4h를 참조하면, 기판(400)상에 트렌치들(405, 406) 및 단위 셀 영역들(401a, 401b)이 있다. 트렌치들(405, 406) 중에서 트렌치(405)는 단위 셀 영역들(401a, 401b)을 정의하기 위한 것으로, 실시예1, 2의 트렌치와 동일한 기능을 담당하나, 도면부호 406의 트렌치(406)는 단위 셀 영역들(401a, 401b) 각각의 소정영역에 형성되는 트렌치(406)이다. 또한 기판(400)상에는 제1 전극층(410a, 410a', 410b, 410b', 410c), 태양전지층(420), 태양전지층 내의 중간층(425), 제 2 전극층(430a, 430a', 430b, 430b', 430c), 절연물질(440) 및 도전층(450a, 450a', 450b, 450b', 450c)이 형성되어 있다.
(a) 단계
도4a를 참조하면, 단위 셀 영역들(401a, 401b)이 정의되도록 소정간격 이격된 트렌치들(405, 406)이 형성된 기판(400)이 준비된다.
트렌치(405)는 복수개의 단위 셀 영역들(401a, 401b)을 정의하도록 기판(400) 상에 다수개로 형성된다. 단위 셀 영역들(401a, 401b) 상에는 이후의 공정에 의해 단위 셀이 형성된다. 단위 셀 영역들(401a, 401b) 각각의 소정영역에 트렌치(406)를 형성하고, 이후의 공정에서 트렌치(406)는 절연물질로 매립된다.
(b) 단계
도4a를 참조하면, 단위 셀 영역들(401a, 401b)이 형성된 기판(400)의 트렌치들(405, 406) 각각의 밑면 일부 및 일측면에 제1 도전성 물질을 비스듬히 증착(OD1)하여 제1 전극층(410a, 410a', 410b, 410b', 410c)을 형성한다.
도4a에 도시된 바와 같이, 트렌치들(405, 406)이 형성된 기판(400) 상에 제1 도전성 물질을 각도 θ1으로 비스듬히 증착(OD1)한다. 각도 θ1만큼 비스듬히 증착(OD1)시키면 증착의 직진성에 의해 제1 도전성 물질이 기판(400) 상에 박막으로 증착된다. 기판(400) 상에 형성된 트렌치들(405, 406)과 각도 θ1에 의해 트렌치들 (405, 406)의 일부분(d)에는 제1 도전성 물질이 증착되지 않는다. 이 경우 전자빔 또는 열증착 등의 증착법을 이용하나 이에 한정되는 것은 아니다.
상술한 방법에 의하여, 제1 도전성 물질로 제1 전극층(410a, 410a', 410c)을 형성한다. 도면부호 410a, 410a'는 하나의 단위 셀 영역에서 트렌치(406)에 의하여 제1 전극층이 두 부분으로 나뉘어 진다는 것을 나타낸 것이다.
여기서, 제1 도전성 물질은 산화아연(Zinc Oxide; ZnO), 산화주석(Tin Oxide; SnO2) 또는 산화인듐주석(Indium Tin Oxide; ITO) 중 적어도 하나일 수 있다.
(c) 단계
도4b를 참조하면, 제1 전극층(410a, 410a', 410b, 410b', 410c)이 형성되지 않은 트렌치의 일부분 및 제1 전극층(410a, 410a', 410b, 410b', 410c) 상에 태양전지층(420)을 형성한다.
태양전지층(420)은 광기전성 물질로 이루어진다. 태양전지층(420)은 태양광이 입사될 때 전류가 생성되는 임의의 물질로 형성할 수 있다.
한편 다중 접합셀의 경우 박막 태양전지의 효율 향상을 위해서 다중 접합셀을 구성하는 개개의 셀 경계에 중간층(425)이 형성될 수 있다. 이 경우 중간층(425)은 도전성 물질로 형성되며, 특히 투명 도전성 물질을 사용한다. 예를 들어, 중간층(425)은 금속산화물, 질화규소, 규소산화물, 탄화규소, 산화아연(Zinc Oxide; ZnO), 산화주석(Tin Oxide; SnO2) 또는 산화인듐주석(Indium Tin Oxide; ITO) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
(d) 단계
도4c를 참조하면, 태양전지층(420)상에 제2 도전성물질을 비스듬히 증 착(OD2)하여 제2 전극층(430a, 430a', 430b, 430b', 430c)을 형성한다.
도4c에 도시된 바와 같이, 트렌치들(405, 406) 및 태양전지층(420)이 형성된 기판(400) 상에 제2 도전성 물질을 각도 θ2로 비스듬히 증착(OD2)한다. 각도 θ2만큼 비스듬히 증착(OD2)시키면 증착의 직진성에 의해 제2 도전성 물질이 태양전지층(420) 상에 박막으로 증착된다. 기판(400) 상에 형성된 트렌치들(405, 406)과 각도 θ2에 의해 트렌치들(405, 406)에 형성된 태양전지층(420) 상의 일부분(e)에는 제2 도전성 물질이 증착되지 않는다. 이 경우 전자빔 또는 열증착 등의 증착법을 이용하나 이에 한정되는 것은 아니다. 상술한 방법에 의하여, 제2 도전성 물질로 자기 정렬된 제2 전극층(430a, 430a', 430b, 430b', 430c)을 형성한다. 한편, 상기 일부분(e)은 하기 단계에서 식각되는 부분이다.
(e) 단계
도4d를 참조하면, 제1 전극층(410a, 410a', 410b, 410b', 410c)이 노출되도록 트렌치들(405, 406)에 형성된 태양전지층(420)을 식각한다.
(d)단계에서 형성된 제2 전극층(430a, 430a', 430b)을 마스크로 사용하여 태양전지층(420)을 실질적으로 수직 식각(etching)한다. 여기서 식각되는 부분은 (d)단계에서 제2 도전성 물질이 형성되지 않은 태양전지층(420) 상의 일부분(e)이다.
한편, 상술한 방법등에 의하여 태양전지층(420)을 식각하여 단위 셀 영역들 상에 태양전지층 패턴이 형성된다. 이와 같이 태양전지층(420)을 식각하는 공정을 통해 트렌치들(405, 406)에 형성된 제1 전극층(410a, 410a', 410b, 410b', 410c)이 노출된다.
(f) 단계
도4e를 참조하면, 트렌치(406) 에 절연물질(440)을 매립한다. 여기서, 절연물질(440)은 알루미늄 산화물, 실리콘 산화물, 애나멜 또는 이들의 혼합물질을 포함할 수 있으며, 프린팅법, 잉크젯, 젯 스프레이, 스크린 인쇄, 나노 임프린트 또는 스탬핑 방법에 의하여 트렌치(406)상에 매립될 수 있다. 절연물질(440)을 트렌치(406) 상에 매립하는 이유는 이후에 상세히 설명된다.
(g) 단계
도4f를 참조하면, 하나의 단위 셀 영역(예를 들어, 401b)의 제1 전극층(예를 들어, 410b)과, 상기 하나의 단위 셀 영역에 인접한 타 단위 셀 영역(예를 들어, 401a) 상에 형성된 제2 전극층(예를 들어, 430a)이 전기적으로 연결되도록 제3 도전성 물질을 제2 전극층(430a, 430a' 430b, 430b' 430c) 상에 비스듬히 증착(OD3)하여 도전층(450a, 450b, 450c)을 형성한다. 이에 따라 트렌치(예를 들어, 405) 내부의 제1 전극층(예를 들어, 410b)과 도전층(예를 들어, 450a')이 서로 연결된다. 이 때, 절연물질(440)이 메워진 트렌치(예를 들어, 406)와 절연 물질(440)이 메워지지 않은 트렌치(예를 들어, 405)의 거리는 짧을수록 전류가 생성되지 않는 무효 면적이 줄어든다.
도시된 바와 같이, (e)단계의 식각 공정을 통해 단위 셀간 소정의 절연 간격 이 형성된 상태에서 제2 도전성 물질을 증착하는 방법과 동일한 증착법을 이용하여 제3 도전성 물질을 증착한다. 즉, 전자빔 또는 열 증착기를 사용하여 제3 도전성 물질을 각도 θ3만큼 비스듬히 증착(OD3)시키면 증착의 직진성에 의해 (e)단계에 의해 노출된 제1 전극층(도 4d의 'e') 상에 각도 θ3에 의한 일부분(f)을 제외한 부분에 제3 도전성 물질이 증착된다. 이에 의해, 도전층(450a, 450b, 450c)이 형성된다.
이에 의해, 하나의 단위 셀 영역(401a, 401b, 401c) 상에 형성된 제1 전극층(410a, 410a', 410b, 410b', 410c)과, 상기 하나의 단위 셀 영역(401b) 에 인접한 타 단위 셀 영역(401a) 상에 형성된 제2 전극층(430a')과 제1 전극층(410b)이 전기적으로 연결되고 단위 셀간에는 전기적으로 직렬 연결 된다.
도 4f와는 다르게 트렌치(406)에 절연물(440a, 440b)이 메워지지 않으면, 트렌치(406) 안에 형성된 제1 전극층(410a')과 제2 전극층(430a)이 도전층(450a)을 통하여 전기적으로 연결된다. 이 경우 영역(R2) 역시 영역 (R1)과 마찬가지로 태양전지 기능을 하게 되며, 영역(R2)의 태양전지와 영역(R1)의 태양전지는 서로 직렬 연결된다.
이 때, 영역(R2)가 영역 (R1)보다 작으므로 영역(R2)의 태양전지에서 발생한 전류가 영역(R1)의 태양전지에서 발생한 전류보다 작다. 이에 따라 직렬 연결된 영역 (R1) 및 영역 (R2)의 태양전지들에 흐르는 전류는 영역(R2)의 태양전지에서 발생한 전류에 의하여 결정된다. 따라서 영역(R2)의 태양전지에 의하여 전체 태양전지의 효율이 악화된다.
그러나 본 발명의 실시예 3과 같이 절연물(440a, 440b)이 메워질 경우 영역(R2)은 태양전지의 역할을 하지 않으므로 전체 태양전지의 효율을 악화시키지 않는다.
한편 도 4g 및 도 4h에 도시된 바와 같이 하나 이상의 트렌치에 도전성 페이스트(460)가 매립됨으로써 버스 바 영역이 형성된다. 이와 같은 버스 바 영역에 대한 설명은 실시예 1을 통하여 상세히 이루어졌으므로 생략된다.
[실시예 4]
도5a 내지 5f는 본 발명의 실시예 4에 따른 집적형 박막 태양전지의 제조 방법을 도시한 도면들이다.
도5a 내지 5f를 참조하면, 기판(500)상에 트렌치들(505a, 505b) 및 단위 셀 영역들(501a, 501b, 501c)이 있다. 또한 기판(500)상에는 제1 전극층(510a, 510b, 510c), 태양전지층(520), 제 2 전극층(530a, 530b, 530c) 및 도전층(540a, 540b, 540c), 버스 바 영역의 도전성 페이스트(550)가 형성되어 있다.
(a) 단계
도5a를 참조하면, 단위 셀 영역들(501a, 501b, 501c)이 정의되도록 소정간격 이격되고 일 방향으로 기울어진(각도 ∠α) 트렌치들(505a, 505b)이 형성된 기판(500)이 준비된다.
이때, 본 실시예에 의한 트렌치들(505a, 505b)은 트렌치들(505a, 505b)의 측면이 기판(500)의 수평방향에 대하여 각도 α만큼 일 방향으로 기울어 지도록 형성한다. 이에 의해, 실시예 2 및 실시예 3에서는 제1 전극층을 형성하기 위하여 경사 증착 공정이 이루어졌으나 실시예 4에서는 경사 증착없이 스퍼터링 법, 전자빔, 또는 열증착 등을 통하여 제1 전극층이 형성될 수 있다.
또한, 트렌치들(505a, 505b)에 의해 단위 셀 영역들(501a, 501b, 501c)이 정의된다. 단위 셀 영역들(501a, 501b, 501c) 상에는 이후의 공정에 의해 단위 셀이 형성된다.
(b) 단계
도5a를 참조하면, 단위 셀 영역들(501a, 501b, 501c)이 형성된 기판(500)의 트렌치들(505a, 505b) 각각의 밑면 일부 및 일측면에 제1 도전성 물질로 제1 전극층(510a, 510b, 510c)을 형성한다.
앞서 설명된 바와 같이 경사 증착 공정 없이 제1 도전성 물질을 기판(500) 상에 스퍼터링(sputtering)법, 전자빔 또는 열증착과 같은 다양한 증착법을 사용하여 증착할 수 있다.
기판(500)의 수직 방향에서 제1 도전성 물질을 스퍼터링(sputtering)법으로 기판(500) 상에 증착하면 (a) 단계에서 형성된 일 방향으로 기울어진 트렌치들(505a, 505b)에 의하여 일부분(d)에는 제1 도전성 물질이 증착되지 않는다.
상술한 방법에 의하여, 제1 도전성 물질로 제1 전극층(510a, 510b, 510c)을 형성한다. 여기서, 제1 도전성 물질은 산화아연(Zinc Oxide; ZnO), 산화주석(Tin Oxide; SnO2) 또는 산화인듐주석(Indium Tin Oxide; ITO) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
(c) 단계
도5b를 참조하면, 제1 전극층(510a, 510b, 510c)이 형성되지 않은 트렌치(505a, 505b)의 일부분 및 제1 전극층(510a, 510b, 510c) 상에 태양전지층(520)을 형성한다.
태양전지층(520)은 광기전성 물질로 이루어진다. 태양전지층(520)은 태양광이 입사될 때 전류가 생성되는 임의의 물질로 형성할 수 있다.
(d) 단계
도5c를 참조하면, 태양전지층(520) 상에 제2 도전성물질을 비스듬히 증착(OD1)하여 제2 전극층(530a, 530b, 530c)을 형성한다.
도5c에 도시된 바와 같이, 트렌치들(505a, 505b) 및 태양전지층(520)이 형성된 기판(500) 상에 제2 도전성 물질을 각도 θ1로 비스듬히 증착(OD1)한다. 각도 θ1만큼 비스듬히 증착(OD1)시키면 증착의 직진성에 의해 제2 도전성 물질이 태양전지층(520) 상에 박막으로 증착된다. 기판(500) 상에 형성된 트렌치들(505a, 505b)과 각도 θ1에 의해 트렌치들(505a, 505b)에 형성된 태양전지층(520) 상의 일 부분(e)에는 제2 도전성 물질이 증착되지 않는다. 이 경우 전자빔 또는 열증착 등의 증착법을 이용하나 이에 한정되는 것은 아니다. 상술한 방법에 의하여, 제2 도전성 물질로 자기 정렬된 제2 전극층(530a, 530b, 530c)을 형성한다. 한편, 상기 일부분(e)은 하기 단계에서 식각되는 부분이다.
(e) 단계
도5d를 참조하면, 제1 전극층(510a, 510b, 510c)이 노출되도록 트렌치들(505a, 505b)에 형성된 태양전지층(520)을 식각한다.
(d)단계에서 형성된 제2 전극층(530a, 530b, 530c)을 마스크로 사용하여 태양전지층(520)을 실질적으로 수직 식각(etching)한다. 여기서 식각되는 부분은 (d)단계에서 제2 도전성 물질이 형성되지 않은 태양전지층(520) 상의 일부분(e)이다.
한편, 상술한 방법등에 의하여 태양전지층(520)을 식각하여 단위 셀 영역들 상에 태양전지층 패턴(520a, 520b, 520c)이 형성된다. 이와 같이 태양전지층(520)을 식각하는 공정을 통해 트렌치들(505a, 505b)에 형성된 제1 전극층(510a, 510b, 510c)이 노출된다.
(f) 단계
도5e를 참조하면, 하나의 단위 셀 영역(예를 들어; 501b) 상에 형성된 트렌치(505a) 상의 제1 전극층(510b)과 상기 하나의 단위 셀 영역(501b)에 인접한 타 단위 셀 영역(예를 들어; 501a) 상에 형성된 제2 전극층(530a)이 전기적으로 연결 되도록 제3 도전성 물질을 제2 전극층(530a) 상에 비스듬히 증착(OD2)하여 도전층(540a)을 형성한다. 이에 따라 트렌치 내부의 제1 전극층(예를 들어, 510b)과 도전층(예를 들어, 540a)이 서로 연결된다.
도시된 바와 같이, (e) 단계의 식각 공정을 통해 단위 셀간 소정의 절연 간격이 형성된 상태에서 제2 도전성 물질을 증착하는 방법과 동일한 증착법을 이용하여 제3 도전성 물질을 증착한다. 즉, 전자빔 또는 열 증착기를 사용하여 제3 도전성 물질을 각도 θ2만큼 비스듬히 증착(OD2)시키면 증착의 직진성에 의해 (e)단계에 의해 노출된 제1 전극층(510b, 510c 중 도 5d의 'e') 상에 각도 θ2에 의한 일부분(f)을 제외한 부분에 제3 도전성 물질이 증착된다. 이에 의해, 도전층(540a, 540b, 540c)이 형성된다.
이에 의해, 하나의 단위 셀 영역(예를 들어; 501b) 상에 형성된 제1 전극층(510b)과 접속되는 트렌치(505a)상의 제1 전극층(510b)과 상기 하나의 단위 셀 영역(501b)에 인접한 타 단위 셀 영역(예를 들어; 501a) 상에 형성된 제2 전극층(530a)이 전기적으로 연결되고 단위 셀간에는 전기적으로 직렬 연결된 상태가 된다.
(g)단계
도5f 및 도 5g를 참조하면, 집적화된 박막 태양전지의 기판 상의 양측 외곽에 형성된 각 트렌치와 이에 인접한 타 트렌치를 도전성 페이스트(550)로 매립하여 버스 바 영역을 형성한다. 버스 바 영역 및 도전성 페이스트에 대해서는 실시예 1을 통하여 설명되었으므로 그 상세한 설명은 생략된다.
실시예 4의 단계들은 위치제어장치가 필요 없이 자기 정렬(self-alignment)에 의해 이루어지는 바, 비교적 간단한 공정을 통해 집적형 박막 태양전지의 제조가 가능하다.
한편, 단위 셀 영역은 전류를 생성할 수 있는 최소 단위이므로 앞서 설명된 실시예 1 내지 실시예 4에 한정되는 것이 아니라 박막 태양전지의 트렌치 형태에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
도1a 내지 1f는 종래의 기술에 따른 집적형 박막 태양전지의 제조 방법을 도시한 것이다.
도2a 내지 2k는 본 발명의 실시예 1에 따른 집적형 박막 태양전지의 제조 방법을 도시한 것이다.
도3a 내지 3g는 본 발명의 실시예 2에 따른 집적형 박막 태양전지의 제조 방 법을 도시한 것이다.
도4a 내지 4h는 본 발명의 실시예 3에 따른 집적형 박막 태양전지의 제조 방법을 도시한 것이다.
도5a 내지 5g는 본 발명의 실시예 4에 따른 집적형 박막 태양전지의 제조 방법을 도시한 것이다.

Claims (38)

  1. 소정간격 이격된 트렌치들이 형성된 기판을 준비하는 단계;
    상기 트렌치들 각각의 밑면 일부 및 일측면에 제1 도전성물질로 제1 전극층을 형성하는 단계;
    상기 제1 전극층이 형성되지 않은 트렌치의 일부분 및 상기 제1 전극층 상에 태양전지층을 형성하는 단계;
    상기 태양전지층상에 제2 도전성물질을 비스듬히 증착하여 제2 전극층을 형성하는 단계;
    상기 제1 전극층이 노출되도록 상기 트렌치들에 형성된 태양전지층을 식각하는 단계; 및
    상기 노출된 제1 전극층과 상기 제2 전극층이 전기적으로 연결되도록 제3 도전성 물질을 상기 제2 전극층 상에 비스듬히 증착하여 도전층을 형성하는 단계를 포함하는 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극층은 상기 트렌치에 인접한 기판 표면 상에 형성된 별도의 전극층과 연결되는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 별도의 전극층은 프린팅법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극층의 저항은 상기 별도의 전극층의 저항보다 작은 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극층을 마스크로 사용하여 상기 태양전지층을 식각하는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 트렌치의 밑면과 일측면이 이루는 각도는 90°보다 큰 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지층을 식각한 후 상기 트렌치와 인접한 또다른 트렌치 상에 절연물질을 매립하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 태양전지층 내부에 제4 도전성 물질로 형성된 중간층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 트렌치들 중 하나 이상의 트렌치들에 도전성 페이스트가 매립되는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 트렌치들 중 서로 인접한 일부 트렌치들에 도전성 페이스트가 매립되며,
    상기 도전성 페이스트가 매립되는 트렌치들 사이의 거리는 태양전지 영역의 트렌치들 사이의 거리보다 작은 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 트렌치들은 일 방향으로 기울어진 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 유리기판이나 폴리머기판 또는 나노 복합체 기판 중 어느 하나이며,
    상기 유리기판, 상기 폴리머기판 또는 상기 나노 복합체 기판을 용융시킨 상태에서, 상기 유리기판이나 상기 폴리머기판 또는 상기 나노 복합체 기판 등이 굳기 전에 엠보싱 가공으로 상기 트렌치를 형성하는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 유리기판이나 폴리머기판 또는 나노 복합체 기판 중 어느 하나이며,
    상기 유리기판이나 폴리머기판 또는 나노 복합체 기판에 핫-엠보싱법으로 상기 트렌치를 형성하는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 글라스 및 상기 글라스 상에 코팅된 폴리머 또는 나노 복합체 재질의 박막을 포함하며, 핫 엠보싱법을 사용하여 상기 폴리머 또는 상기 나노 복합체 재질의 박막에 트렌치들을 형성하는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 글라스 및 상기 글라스 상에 코팅된 폴리머 또는 나노 복합체 재질의 박막을 포함하며,
    상기 글라스 상에 상기 폴리머 또는 상기 나노 복합체 재질의 박막이 코팅되는 과정에서 엠보싱법을 사용하여 상기 폴리머 또는 상기 나노 복합체 재질의 박막에 트렌치를 형성하는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  16. 소정간격 이격된 트렌치들과, 상기 인접한 트렌치들 사이에 위치한 홈이 형성된 기판을 준비하는 단계;
    상기 트렌치들 각각의 밑면 일부 및 일측면에 제1 도전성 물질을 일측으로부터 비스듬히 증착하여 제1 전극층을 형성하는 단계;
    상기 제1 전극층이 형성되지 않은 트렌치의 일부분 및 상기 제1 전극층 상에 태양전지층을 형성하는 단계;
    상기 태양전지층상에 제2 도전성물질을 상기 일측의 맞은 편 타측으로부터 비스듬히 증착하여 제2 전극층을 형성하는 단계;
    상기 제1 전극층이 노출되도록 상기 트렌치들에 형성된 태양전지층을 식각하고, 상기 홈들에 형성된 태양전지층을 식각하는 단계; 및
    상기 노출된 제1 전극층과 상기 제2 전극층이 전기적으로 연결되도록 제3 도전성 물질을 상기 제2 전극층 상에 비스듬히 증착하여 도전층을 형성하는 단계를 포함하는 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 홈은 상기 트렌치보다 폭이 작고 깊이는 같은 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 홈은 상기 트렌치보다 깊이는 깊고 폭은 같은 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 제2 전극층을 마스크로 사용하여 상기 태양전지층을 식각하는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 홈들에 형성된 태양전지층의 식각을 통하여 상기 기판이 노출되는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 트렌치들 중 하나 이상의 트렌치들에 도전성 페이스트가 매립되는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  22. 제16항에 있어서,
    상기 트렌치들 중 서로 인접한 일부 트렌치들에 도전성 페이스트가 매립되며,
    상기 도전성 페이스트가 매립되는 트렌치들 사이의 거리는 태양전지 영역의 트렌치들 사이의 거리보다 작은 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  23. 제16항에 있어서,
    상기 기판은 유리기판이나 폴리머기판 또는 나노 복합체 기판 중 어느 하나이며,
    상기 유리기판, 상기 폴리머기판 또는 상기 나노 복합체 기판을 용융시킨 상태에서, 상기 유리기판이나 상기 폴리머기판 또는 상기 나노 복합체 기판 등이 굳기 전에 엠보싱 가공으로 상기 트렌치를 형성하는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  24. 제16항에 있어서,
    상기 기판은 유리기판이나 폴리머기판 또는 나노 복합체 기판 중 어느 하나 이며,
    상기 유리기판이나 폴리머기판 또는 나노 복합체 기판에 핫-엠보싱법으로 상기 트렌치를 형성하는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  25. 제16항에 있어서,
    상기 기판은 글라스 및 상기 글라스 상에 코팅된 폴리머 또는 나노 복합체 재질의 박막을 포함하며, 핫 엠보싱법을 사용하여 상기 폴리머 또는 상기 나노 복합체 재질의 박막에 트렌치들을 형성하는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  26. 제16항에 있어서,
    상기 기판은 글라스 및 상기 글라스 상에 코팅된 폴리머 또는 나노 복합체 재질의 박막을 포함하며,
    상기 글라스 상에 상기 폴리머 또는 상기 나노 복합체 재질의 박막이 코팅되는 과정에서 엠보싱법을 사용하여 상기 폴리머 또는 상기 나노 복합체 재질의 박막에 트렌치를 형성하는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  27. 소정 간격 이격된 트렌치들이 형성된 기판;
    상기 트렌치들 각각의 밑면 일부 및 일측면에 형성된 제1 전극층;
    상기 제1 전극층의 일부가 노출되도록 상기 기판 및 상기 제1 전극층 상에 형성된 태양전지층;
    상기 태양전지층 상에 형성된 제2 전극층;
    상기 노출된 제1 전극층과 상기 제2 전극층을 연결하며, 상기 제2 전극층 상에 형성된 도전층
    을 포함하는 집적형 박막 태양전지.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 제1 전극층은 상기 트렌치에 인접한 기판 표면 상에 형성되어 상기 제1 전극층과 연결되는별도의 전극층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 트렌치의 밑면과 일측면이 이루는 각도는 90°보다 큰 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지.
  30. 제27항에 있어서,
    상기 트렌치와 인접한 트렌치 상에 매립된 절연물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 태양전지층 내부에 제4 도전성 물질로 형성된 중간층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지.
  32. 제30항에 있어서,
    상기 트렌치들 중 서로 인접한 일부 트렌치들에 도전성 페이스트가 매립되며,
    상기 도전성 페이스트가 매립되는 트렌치들 사이의 거리는 태양전지 영역의 트렌치들 사이의 거리보다 작은 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지.
  33. 제30항에 있어서,
    상기 트렌치들은 일 방향으로 기울어진 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태 양전지.
  34. 소정간격 이격된 트렌치들과, 상기 인접한 트렌치들 사이에 위치한 홈이 형성된 기판;
    상기 트렌치들 각각의 밑면 일부 및 일측면에 형성된 제1 전극층;
    상기 트렌치의 상기 제1 전극층과 상기 홈의 기판이 노출되도록 상기 기판 및 상기 제1 전극층 상에 형성되는 태양전지층;
    상기 태양전지층 상에 형성된 제2 전극층; 및
    상기 노출된 제1 전극층과 상기 제2 전극층이 전기적으로 연결되도록 상기 제2 전극층 상에 형성된 도전층을 포함하는 집적형 박막 태양전지.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 홈은 상기 트렌치보다 폭이 작고 깊이는 같은 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지.
  36. 제34항에 있어서,
    상기 홈은 상기 트렌치보다 깊이는 깊고 폭은 같은 것을 특징으로 하는 집적 형 박막 태양전지.
  37. 제34항에 있어서,
    상기 트렌치들 중 하나 이상의 트렌치들에 도전성 페이스트가 매립되는 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지의 제조 방법.
  38. 제34항에 있어서,
    상기 트렌치들 중 서로 인접한 일부 트렌치들에 도전성 페이스트가 매립되며,
    상기 도전성 페이스트가 매립되는 트렌치들 사이의 거리는 태양전지 영역의 트렌치들 사이의 거리보다 작은 것을 특징으로 하는 집적형 박막 태양전지.
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