KR101189288B1 - 태양전지 및 태양전지 제조방법 - Google Patents

Abstract

일 실시예에 따른 태양 전지는 기판과, 상기 기판 상에 형성된 투명 전극층과, 상기 투명 전극층 상에 형성된 광 흡수층과, 상기 광 흡수층 상에 형성된 이면 전극층과, 상기 이면 전극층 상에 형성된 보호층을 포함한다.
상기와 같은 발명은 종래 2개의 유리 기판 중 하나를 제거함으로써, 태양전지의 경량화 및 비용 절감을 이룰 수 있는 효과가 있다.

Description

태양전지 및 태양전지 제조방법{SOLAR CELL AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}

실시예는 태양전지 및 태양전지 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 태양 전지는 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 역할을 하며, 최근 에너지의 수요가 증가함에 따라 상업적으로 널리 이용되고 있다.

종래 태양전지는 하부 기판, 이면 전극층, 광 흡수층, 투명 전극층, 상부 기판 순으로 순차적으로 적층되어 형성되는 구조를 가지며, 특히, 하부 기판 및 상부 기판은 강화 유리를 사용하여 태양전지의 내구성 및 내충격성을 확보한다.

최근들어 태양전지는 고효율화, 경량화, 비용 절감이 요구되고 있으나, 2개의 유리 기판을 사용하는 종래 태양전지의 구조는 비용절감, 경량화에 역행하는 문제점을 초래한다.

실시예는 경량화, 비용 절감을 이루는 태양전지의 구조를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

일 실시예에 따른 태양 전지는 기판과, 상기 기판 상에 형성된 투명 전극층과, 상기 투명 전극층 상에 형성된 광 흡수층과, 상기 광 흡수층 상에 형성된 이면 전극층과, 상기 이면 전극층 상에 형성된 보호층을 포함한다.

또한, 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조방법은 기판을 마련하는 단계와, 상기 기판 상에 투명 전극층을 형성하는 단계와, 상기 투명 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계와, 상기 광 흡수층 상에 이면 전극층을 형성하는 단계와, 상기 이면 전극층 상에 보호층을 형성하는 단계를 포함한다.

일 실시예에 따른 태양 전지는 2개의 기판 중 하나를 제거함으로써, 태양전지의 경량화 및 비용 절감을 이룰 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 태양전지를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 보호층을 중심으로 나타낸 부분 단면도.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 백 시트를 나타낸 단면도. 및
도 5 내지 도 12는 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법을 나타낸 단면도.

실시 예의 설명에 있어서, 각 패널, 배선, 전지, 장치, 면 또는 패턴 등이 각 패턴, 배선, 전지, 면 또는 패턴 등의 "상(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 구성요소의 상 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 태양전지를 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 보호층을 중심으로 나타낸 부분 단면도이고, 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 백 시트를 나타낸 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 태양전지는 기판(100)과, 상기 기판(100) 상에 형성된 투명 전극층(200)과, 상기 투명 전극층(200) 상에 형성된 광 흡수층(400)과, 상기 광 흡수층(400) 상에 형성된 이면 전극층(500)과, 상기 이면 전극층(500) 상에 형성된 보호층(600)을 포함한다. 여기서, 투명 전극층(200)과 광 흡수층(400) 사이에는 버퍼층(300)이 더 포함될 수 있다.

기판(100)은 플레이트 형상의 투명한 유리로 형성될 수 있다. 이러한 기판(100)은 리지드(Rigid)하거나 플렉서블(Flexible)할 수 있으며, 유리 기판 이외에 플라스틱 또는 금속 재질의 기판이 사용될 수 있다. 또한, 기판(100)으로서 나트륨 성분이 포함된 소다 라임 글래스(Soda Lime Glass) 기판이 사용될 수 있다.

투명 전극층(200)은 투명한 형태의 도전성 재질로서, 알루미늄이 도핑된 산화 아연인 AZO(ZnO:Al) 재질의 물질이 사용될 수 있다. 물론, 투명 전극층(200)의 재질은 이에 한정되지 않으며, 광투과율과 전기전도성이 높은 물질인 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO₂), 산화인듐주석(ITO) 중 어느 하나의 물질을 포함하여 형성될 수 있다.

투명 전극층(200) 상에는 버퍼층(300)이 직접 접촉되어 형성되며, 투명 전극층(200)과 이후 설명될 이면 전극층(500)과의 에너지 갭 차이를 완화시켜 주는 역할을 한다.

버퍼층(300)은 황화 카드뮴(CdS)을 포함하는 물질로 형성될 수 있으며, 에너지 밴드갭은 반도체를 이루는 투명 전극층(200)과 이면 전극층(500)의 중간 정도의 크기를 가지는 것이 바람직하다. 이러한 버퍼층(300)은 2개 이상의 층으로 형성될 수 있으며, 황화 카드뮴 상에 산화아연(ZnO) 재질의 고저항 버퍼층을 더 형성하여 다층을 가지도록 구성할 수 있다.

버퍼층(300)의 상부에는 광 흡수층(400)이 형성된다. 광 흡수층(400)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족계 화합물을 포함하며, CIGS, CIS, CGS, CdTe 중 적어도 어느 하나의 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 광 흡수층(400)은 CdTe, CuInSe2, Cu(In,Ga)Se2, Cu(In,Ga)(Se,S)2, Ag(InGa)Se2, Cu(In,Al)Se2, CuGaSe2로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다.

상기 광 흡수층(400) 상에는 이면 전극층(500)이 형성된다. 이면 전극층(500)으로는 몰리브덴(Mo)이 사용될 수 있다.

물론, 이면 전극층(500)은 몰리브덴 외에 전도성 재질인 니켈(Ni), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 텅스텐(W) 및 구리(Cu) 중 어느 하나로 형성될 수 있으며, 동종 또는 이종 금속을 이용하여 두 개 이상의 층을 이루도록 형성될 수도 있다.

한편, 이면 전극층(500) 상에는 본 발명에 따른 보호층(600)이 형성된다. 보호층(600)은 외부로부터의 기계적 충격, 압력으로부터 태양전지를 보호하는 동시에 외부로부터의 수분 침투를 방지하는 역할을 한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 보호층(600)은 제1 보호층(620)과 제2 보호층(640)을 포함한다. 제1 보호층(620)은 이면 전극층(500) 과의 접착력이 뛰어난 EVA(Ethyl Vinyl Acetate) 시트가 사용될 수 있다.

제1 보호층(620)은 사각 플레이트 형상으로 형성되어 이면 전극층(500)의 일면을 완전히 덮도록 형성되며, 그 두께(T1)는 0.3mm 이하로 형성될 수 있다.

종래에는 이면 전극층 상에 고분자 층을 형성함으로써 외부의 충격 및 수분 침투 등을 방지하였다. 이러한 고분자 층은 외부의 작은 충격에도 쉽게 손상이 발생되어 태양전지의 내부로 수분이 침투되었으며, 이는 광전 변환효율을 저하시키는 문제점을 발생시켰다.

이를 해결하기 위해 고분자 층을 수분 침투 방지 등의 신뢰성 확보를 위해 0.5mm 내지 1.5mm의 두께로 형성하였으나, 이 또한 태양전지 기판면과 기판의 측면부에 들뜸 현상을 발생시켜 외부 충격에 의한 수분 침투 및 표면 손상을 여전히 발생시켰다.

반면, 본 발명의 제1 보호층(620)은 종래 기술에서 요구되는 신뢰성 적용이필요치 않기 때문에 그 두께는 충분히 감소될 수 있으며, 이면 전극층(500) 과의 접착력 확보만을 위해 0.3mm 이하의 두께로 형성될 수 있다.

이로 인해 제1 보호층(620)은 태양전지를 보호하는 동시에 박형화를 이룰 수 있는 효과가 있다.

상기에서는 제1 보호층(620)을 사각 플레이트 형상으로 형성하였지만, 이에 한정되지 않으며, 태양전지의 형상에 대응되도록 형성될 수 있음은 물론이다.

제1 보호층(620)의 상부에는 제2 보호층(640)이 더 형성된다. 제2 보호층(640)은 제1 보호층(620)의 상부 전체를 덮도록 형성되며, 제2 보호층(640)의 두께(T2)는 제1 보호층(620) 두께(T1)의 1/2 이하로 형성되는 것이 바람직하다.

도 3에 도시된 바와 같이, 제2 보호층(640)은 다중의 적층 구조를 갖도록 형성될 수 있으며, 구체적으로는 3층의 적층 구조를 가질 수 있다. 즉, 제2 보호층(640)은 불소 수지 계열인 폴리불화비닐(PVF, 642), 플리에틸렌테레프탈레이트계 필름(PET, 644), 폴리불화비닐(PVF, 642)이 차례대로 적층되어 사용될 수 있다.

PVF 필름(642)은 외부로부터 열, 수분 등에 대한 저항성이 탁월하며 PET 필름(644)은 치수 안정성을 확보할 수 있는 효과가 있다. 따라서, 상기와 같이, PET 필름(644)을 중간층에 배치시켜 외부 노출을 억제하도록 제2 보호층(640)을 형성하면, 제1 보호층(620)과 함께 태양전지의 외부 충격 및 수분 침투를 방지할 수 있는 효과가 있다.

상기에서는 불소 수지로서 PVF 필름(642)을 사용하였지만, PVF 필름 이외에 폴리불화비닐라덴(PVDF), 열가소성 불소 수지 계열의 필름(THV) 등이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 불소 수지 계열의 다양한 재질을 사용할 수 있다.

상기에서는 제2 보호층(640)을 PVF 필름(642)-PET 필름(644)-PVF 필름(642)의 다층 구조를 사용하였지만, 이에 한정되지 않고 다음과 같이 구성될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 제2 보호층(640)은 EVA 필름(646), PET 필름(644), 불소 수지 계열의 THV 필름(648)이 순차적으로 적층되는 구조로 형성된다.

여기서, 제2 보호층(640)의 최하의 층은 EVA 필름으로 구성하였으며, 이는 제1 보호층(620)과 맞닿은 부분의 접착성을 확보할 수 있다. 즉, EVA 필름은 접착성이 뛰어나기 때문에 제2 보호층(640)의 최하층을 EVA 필름으로 형성하면, 오랜 기간 동안 태양전지를 보호할 수 있는 효과를 가진다.

상기에서는 제2 보호층(640)의 최상의 층을 THV 필름(648)을 사용하였지만, 이에 한정되지 않고, PVF, PVDF 등이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 불소 수지 계열의 다양한 재질의 필름을 사용할 수 있다.

상기에서와 같이, 본 발명에 따른 태양전지는 적층 구조를 달리하여 종래 2개의 기판 중 어느 하나를 제거하고, 그 이면을 보호하기 위해 보호층을 형성함으로써, 태양전지를 보호하는 동시에 비용절감, 박형화를 이룰 수 있는 효과가 있다.

상기에서는 제2 보호층(640)을 다층 구조로 형성하였지만, 이에 한정되지 않으며 불소 수지계 필름, PET 필름 중 어느 한 층 또는 2층으로 구성될 수 있음은 물론이다. 또한, 이를 조합하여 4층 이상으로 형성할 수도 있다.

또한, 상기에서는 보호층을 다층 구조인 제1 보호층(620)과 제2 보호층(640)으로 형성하였지만, 이에 한정되지 않고 제1 보호층(620) 또는 제2 보호층(640) 만으로 구성될 수 있다.

또한, 상기에서는 제1 보호층(620)을 형성한 이후 제2 보호층(640)을 형성하였지만, 이에 한정되지 않고 제2 보호층(640)을 형성하고 그 상부에 제1 보호층(620)을 형성할 수 있음은 물론이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 태양 전지의 제조방법을 살펴본다. 도 5 내지 도 12는 본 발명에 따른 태양 전지의 제조방법을 나타낸 단면도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 기판(100)이 마련되면 기판(100)의 일면에 투명 전극층(200)을 형성하는 단계를 수행한다. 투명 전극층(200)은 AZO를 스퍼터링 공정에 의해 증착되며, 2㎛ 내지 4㎛ 의 두께로 증착될 수 있다.

이어서, 도 6에 도시된 바와 같이, 기판(100)의 하부에서 특정 파장 예컨대, 200 내지 600nm의 파장 대역을 가지는 제1 레이저(L1)를 투영시켜 투명 전극층(200)에 제1 패터닝 공정(P1)을 수행하는 단계를 수행한다. 이로부터 투명 전극층(200)은 다수개로 분할 형성될 수 있다.

상기에서는 제1 레이저(L1)를 기판(100)의 하부에서 투영하였지만, 이에 한정되지 않고, 투명 전극층(200)의 상부에서 투영할 수 있음은 물론이다. 또한, 레이저 스크라이빙 법 외에 칼과 같은 날카로운 부재를 사용하여 투명 전극층(200)을 다수개로 분할 형성할 수 있음은 물론이다.

이어서, 도 7에 도시된 바와 같이, 투명 전극층(200) 상에 버퍼층(300)과 광 흡수층(400)을 형성하는 단계를 수행한다. 버퍼층(300)은 황화 카드뮴을 스퍼터링 공정 또는 화학 용액 성장법(Chemical Bath Deposition; CBD)에 의해 증착하여 형성할 수 있다. 또한, 광 흡수층(400)은 CIGS계 화합물을 동시 증착법에 의해 증착하여 형성할 수 있다

이어서, 도 8에 도시된 바와 같이, 기판(100)의 하부에서 특정 파장 예컨대, 800 내지 1100nm 파장 대역을 가지는 제2 레이저(L2)를 투영시켜 제2 패터닝 공정(P2)을 수행한다. 이로부터 버퍼층(300) 및 광 흡수층(400)은 다수개로 분할 형성될 수 있다.

상기에서는 제2 레이저(L2)를 기판(100)의 하부에서 투영하였지만, 이에 한정되지 않고, 광 흡수층(400)의 상부에서 투영할 수도 있다. 또한, 레이저 스크라이빙 법 외에 칼과 같은 날카로운 부재를 사용하여 버퍼층(300) 및 광 흡수층(400)을 다수개로 분할 형성할 수 있음은 물론이다.

이어서, 도 9에 도시된 바와 같이, 광 흡수층(400) 상에 이면 전극층(500)을 형성하는 단계를 수행한다. 이면 전극층(500)은 Mo를 스퍼터링 공정에 의해 일정 두께 예컨대, 0.5㎛ 내지 1.2㎛로 증착될 수 있다.

상기와 같이, 이면 전극층(500)의 증착을 마치면, 도 10에 도시된 바와 같이, 기판(100)의 하부에서 특정 파장 예컨대, 900 내지 1100nm 파장 대역을 가지는 제3 레이저(L3)를 투영시켜 제3 패터닝 공정(P3)을 수행한다. 이로부터 이면 전극층(500), 광 흡수층(400) 및 버퍼층(300)은 다수개로 분할 형성될 수 있다. 여기서, 제3 레이저(L3)를 기판(100)의 하부에서 투영하였지만, 이에 한정되지 않고, 이면 전극층(500)의 상부에서 투영할 수도 있다.

이어서, 본 발명에 따른 보호층(620, 640)을 형성하는 단계를 수행한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 제1 보호층(620)인 EVA 필름을 라미네이팅 법을 사용하여 이면 전극층(500) 상부에 부착하는 단계를 수행한다. 여기서, EVA 필름은 100도 내지 150의 온도에서 부착되며, 라미네이팅 접착제를 사용하여 이면 전극층(500)과 접착될 수 있다.

이어서, 도 12에 도시된 바와 같이, 제2 보호층(640)을 제1 보호층(620) 상부에 형성하는 단계를 수행한다. 제2 보호층(640)은 다층 구조로 형성될 수 있으며, 라미네이팅 법에 의해 미리 제작될 수 있다.

상기와 같이 제작된 제2 보호층(640)은 라미네이팅 법 예컨대, 100도 내지 100도의 온도에서 라이네이팅 접착제를 사용하여 제1 보호층과 접착될 수 있다.

상기에서는 제1 보호층(620) 및 제2 보호층(640)을 라미네이팅 법에 의해 형성하였으나, 이에 한정되지 않고, 제1 보호층(620) 및 제2 보호층(640)을 이루는 물질을 기화시켜 증착할 수도 있다.

상기와 같이, 이면 전극층(500) 상에 제1 보호층(620)과 제2 보호층(640)의 형성을 마치면 태양전지의 제조방법이 완료된다.

상기와 같이 본 발명에 따른 태양전지는 이면 전극층을 최상위에 배치시킴으로써, 레이저를 기판의 하부에서 투영시켜 스크라이빙 공정을 수행할 수 있다. 이는 종래에 비해 공정 위치의 자유로움이 확보될 수 있다.

이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 기판 200: 투명 전극층
300: 버퍼층 400: 광 흡수층
500: 이면 전극층 620: 제1 보호층
640: 제2 보호층 P1, P2, P3: 패터닝 공정

Claims (11)

1. 기판;
   상기 기판 상에 형성된 투명 전극층;
   상기 투명 전극층 상에 형성된 광 흡수층;
   상기 광 흡수층 상에 형성된 이면 전극층;
   상기 이면 전극층 상에 형성된 EVA 재질의 보호층; 및
   상기 보호층의 상부에는 제2 보호층이 형성되고,
   상기 제2 보호층은 PVF 필름, PET 필름, PVF 필름이 순차적으로 적층되어 형성된 태양전지.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 보호층의 두께는 0.3mm 이하인 태양전지.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 기판을 마련하는 단계;
   상기 기판 상에 투명 전극층을 형성하는 단계;
   상기 투명 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계;
   상기 광 흡수층 상에 이면 전극층을 형성하는 단계;
   상기 이면 전극층 상에 보호층을 형성하는 단계; 및,
   상기 보호층 상에 PVF 필름, PET 필름, PVF 필름이 순차적으로 적층하여 제2 보호층을 형성하는 단계;
   를 포함하는 태양전지 제조방법.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 보호층은 EVA 필름, 불소 수지 필름, PET 필름 중 어느 하나를 포함하도록 라이네이팅하여 형성되는 태양전지 제조방법.
9. 청구항 7에 있어서,
   상기 투명 전극층을 다수개로 분할하는 제1패터닝 공정과, 상기 광 흡수층을 다수로 분할하는 제2패터닝 공정과, 상기 이면 전극층 및 광 흡수층을 다수로 분할하는 제3패터닝 공정을 포함하는 태양전지 제조방법.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1패터닝 공정 내지 제3패터닝 공정은 기판의 하부에서 레이저를 투영시켜 수행되는 태양전지 제조방법.
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 레이저는 서로 다른 파장에 의해 제1패터닝 공정 내지 제3패터닝 공정을 수행하는 태양전지 제조방법.

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