KR101327099B1 - 태양전지 모듈 및 이의 제조방법 - Google Patents

태양전지 모듈 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

실시예는 태양전지 모듈 및 이의 제조방법을 제공한다. 실시예에 따른 태양전지 모듈은 백시트(Backsheet) 상에 배치되는 후면 전극층; 상기 후면 전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되는 전면 전극층; 및 상기 전면 전극층 상에 배치되는 커버 유리를 포함한다.

Description

태양전지 모듈 및 이의 제조방법{SOLAR CELL MODULE AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
실시예는 태양전지 모듈 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 p-n 접합 다이오드에 빛을 쪼이면 전자가 생성 되는 광기전력 효과(photovoltaic effect)를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 소자로 정의할 수 있다. 태양전지는 접합 다이오드로 사용되는 물질에 따라, 실리콘 태양전지, I-III-VI족 또는 III-V족 화합물로 대표되는 화합물 반도체 태양전지, 염료감응 태양전지, 유기물 태양전지로 나눌 수 있다.
I-III-VI족 Chalcopyrite계 화합물 반도체 중 하나인 CIGS(CuInGaSe) 태양전지는 광 흡수가 뛰어나고, 얇은 두께로도 높은 광전 변환효율을 얻을 수 있으며, 전기 광학적 안정성이 매우 우수하여 기존 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 태양전지로 부각되고 있다.
CIGS 박막 태양전지는 나트륨을 포함하는 기판, 후면 전극층, 광 흡수층, 전면 전극층 등을 순차적으로 형성시켜 제조된다. CIGS 박막 태양전지 제조를 위한 기판은 일반적으로 유리 기판, 알루미늄과 같은 금속 기판 또는 고분자 기판 등이 사용된다. 이 중, 고온에서 가장 안정적인 유리 기판의 경우에도 연화점 이상에서는 유리 굽힘(Glass Bending) 등 변형이 발생하는 문제점을 가지고 있다. 한편, CIGS 박막 태양전지의 광 효율은 공정 온도가 높을수록 증가한다. 따라서, CIGS 박막 태양전지의 광 효율을 증가시키기 위하여 공정 온도를 올리는 경우, 유리 기판이 휘는 현상은 더욱 심하게 발생하는 문제가 있다.
또한, CIGS 박막 태양전지의 광 효율은 기판의 온도 균일성(Uniformity)이 좋을 수록 증가한다. 이는 특히 대면적의 유리 기판 상에 CIGS 박막 태양전지를 제조하는 경우에 문제가 되는데, 종래 사용되는 대면적 유리 기판의 온도 귤일도는 약 2% 내지 약 5% 사이로 온도 균일성이 좋지 못하다.
실시예는 고온 공정에 의해 제조되며, 기판을 포함하지 않는(substrateless) 태양전지 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 태양전지 모듈은 백시트(Backsheet) 상에 배치되는 후면 전극층; 상기 후면 전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되는 전면 전극층; 및 상기 전면 전극층 상에 배치되는 커버 유리를 포함한다.
실시예에 따른 태양전지 모듈의 제조방법은 탄소구조체 상에 희생층을 형성하는 단계; 상기 희생층 상에 태양전지를 형성하는 단계; 상기 희생층을 제거하여 상기 탄소구조체로부터 상기 태양전지를 분리하는 단계; 및 백시트(Back sheet) 상에, 상기 분리된 태양전지 및 커버유리를 배치시켜 태양전지 모듈을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 태양전지 모듈은 고온 공정에도 견딜 수 있는 탄소구조체 상에 태양전지를 형성한다. 이에 따라, 약 700 ℃ 이상의 높온 공정 온도 하에서 광 흡수층을 증착할 수 있다. 또한, 탄소구조체는 종래 유리 기판보다 열전도성 등이 우수한 바, 온도 균일성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 태양전지 모듈의 효율은 향상될 수 있다.
또한, 실시에에 따른 태양전지 모듈의 제조방법은 탄소구조체 상에서 형성된 태양전지를 백시트(Backsheet) 상으로 전사시킨다. 이에 따라, 제조 공정이 완료된 태양전지 모듈은 기판을 포함하지 않는(substrateless) 구조를 가진다. 따라서, 실시예에 따른 태양전지 모듈의 제조방법은 기판만큼의 두께 및 무게를 감소시킴으로써, 생산 제조 원가를 감소시키고, 설치 비용을 절감할 수 있다.
도 1 내지 도 6은 실시예에 따른 태양전지 모듈의 제조방법을 도시하는 단면도들이다.
실시예의 설명에 있어서, 각 기판, 층, 막 또는 전극 등이 각 기판, 층, 막, 또는 전극 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 1 내지 도 6은 실시예에 따른 태양전지 모듈의 제조방법을 설명하는 단면도들이다. 이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 실시예에 따른 태양전지 모듈 및 이의 제조방법을 상세히 서술하도록 한다
도 1을 참조하면, 희생층(200)은 탄소구조체(100) 상에 형성된다. 상기 탄소구조체(100)는 그래핀(grapheme) 또는 그래파이트(graphite)를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "그래핀(grapheme)" 이라는 용어는 복수개의 탄소원자들이 서로 공유결합으로 연결되어 폴리시클릭 방향족 분자를 형성하는 그래핀이 층 또는 시트 형태를 형성한 것으로서, 상기 공유결합으로 연결된 탄소원자들은 기본 반복단위로서 6 원환을 형성하나, 5 원환 및/또는 7 원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 따라서 상기 그래핀은 서로 공유 결합된 탄소원자들(통상 sp2 결합)의 단일층으로서 보이게 된다. 상기 그래핀은 다양한 구조를 가질 수 있으며, 이와 같은 구조는 그래핀 내에 포함될 수 있는 5 원환 및/또는 7 원환의 함량에 따라 달라질 수 있다.
또한, 본원 명세서에서 사용되는 용어 “그래파이트(graphite)”는 여러 개의 그래핀이 서로 적층되어, 두 층 이상의 층상구조를 가지는 것을 의미할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
실시예에 따른 태양전지는 종래 사용되던 유리 기판이 아닌, 고온에서 안정적인 특성을 가지는 탄소구조체(100) 상에 태양전지를 형성한다. 이에 따라, 태양전지는 상기 탄소구조체(100) 상에서 보다 높은 공정 온도 하에서 제조될 수 있으며, 결국 제조되는 태양전지 모듈의 효율은 향상될 수 있다.
상기 희생층(200)은 당업계에서 통상적으로 사용되는 포토레지스트(photoresist, PR) 물질이라면 특별히 제한없이 사용가능하다. 예를 들어, 상기 희생층(200)은 폴리아이소프랜 또는 아자이드와 같은 네거티브(negative) 포토레지스트 물질이나, 페놀-포름알데히드와 같은 포지티브(positive) 포토레지스트 물질 등을 사용할 수 있다.
일 구현예로, 상기 희생층(200)은 상기 탄소구조체(100) 상에 스핀 코팅 등에 의해 도포되고, 이후 노광 공정을 거쳐 제조될 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 태양전지(300)는 상기 희생층(200) 상에 형성된다. 더 자세하게, 상기 태양전지(300)는 상기 희생층(200) 상에 순차적으로 형성되는 후면 전극층(10), 광 흡수층(20), 버퍼층(30), 고저항 버퍼층(40) 및 전면 전극층(50) 등을 포함할 수 있다. 실시예에 따른 태양전지(300)는 상기 탄소구조체(100) 상에 형성되는 바, 별도의 기판을 필요로 하지 않는다(substrateless).
상기 후면 전극층(10)은 상기 희생층(200) 상에 형성된다. 상기 후면 전극층(10)은 PVD(Physical Vapor Deposition) 또는 도금의 방법으로 형성될 수 있다.
상기 후면 전극층(10)은 도전층이다. 상기 후면 전극층(10)은 몰리브덴(Mo), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 텅스텐(W) 및 구리(Cu) 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 이 가운데, 특히 몰리브덴(Mo)은 다른 원소에 비해 상기 유리 기판(100)과 열팽창 계수의 차이가 적기 때문에, 접착성이 우수하여 박리현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
상기 광 흡수층(20)은 상기 후면 전극층(10) 상에 형성된다. 상기 광 흡수층(20)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ 화합물을 포함한다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(20)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)(Se,S)2; CIGSS계) 결정 구조, 구리-인듐-셀레나이드계 또는 구리-갈륨-셀레나이드계 결정 구조를 가질 수 있다.
상기 광 흡수층(20)은 예를 들어, 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발시키면서 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(20)을 형성하는 방법과 금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션(Selenization) 공정에 의해 형성시키는 방법이 폭넓게 사용되고 있다.
금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션 하는 것을 세분화하면, 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정에 의해서, 상기 이면전극(200) 상에 금속 프리커서 막이 형성된다.
이후, 상기 금속 프리커서 막은 셀레니제이션(selenization) 공정에 의해서, 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(20)이 형성된다.
이와는 다르게, 상기 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 상기 셀레니제이션 공정은 동시에 진행될 수 있다.
이와는 다르게, 구리 타겟 및 인듐 타겟 만을 사용하거나, 구리 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 셀레니제이션 공정에 의해서, CIS계 또는 CIG계 광 흡수층(20)이 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층(20)을 제조하는 공정은 매우 고온의 공정 온도 하에서 수행된다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(20)을 제조하는 공정은 약 550℃ 내지 약 800℃ 의 온도 분위기 하에서 수행될 수 있다. 더 자세하게, 상기 광 흡수층(20)은 약 700℃ 내지 약 800℃ 의 온도 분위기 하에서 제조될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
종래에는 연화점 이상의 온도에서 발생하는 유리 기판의 변형을 방지하기 위하여 약 300℃ 내지 약 500℃ 의 온도하에서만 광 흡수층을 제조할 수 있었으며, 이는 결국 태양전지 모듈의 효율 감소를 가져왔다. 한편, 실시예에 따른 태양전지 모듈은 유리 기판보다 고온 조건 하에서도 잘 견딜 수 있는 탄소구조체 상에서 공정을 수행하는 바, 보다 고온 조건 하에서 광 흡수층을 제조할 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 태양전지 모듈의 효율은 향상될 수 있다.
또한, 실시예에 따른 탄소구조체(100)는 열전도도 등의 열적 특성이 매우 우수하다. 이에 따라, 탄소구조체(100) 층(layer)은 층의 위치에 관계없이 균일한 온도로 가열될 수 있다. 즉, 탄소구조체층(100)의 내부 영역의 온도와 층의 둘레 영역의 온도는 거의 균일할 수 있다. 이에 따라, 실시예에 따른 탄소구조체의 온도 균일성은 약 1% 이하로 감소될 수 있으며, 이는 결국 효율 향상의 결과를 가져온다.
상기 버퍼층(30)은 상기 광 흡수층(20) 상에 배치된다. 상기 버퍼층(30)은 황화 카드뮴, ZnS, InXSY 및 InXSeYZn(O,OH) 등을 포함한다. 상기 버퍼층(30)은 상기 광 흡수층(20) 상에 황화 카드뮴이 화학 용액 증착법(chemical bath deposition; CBD)에 의해서 증착 되어 형성될 수 있다. 상기 고저항 버퍼층(40)은 상기 버퍼층(30) 상에 배치된다. 상기 고저항 버퍼층(40)은 불순물이 도핑되지 않은 징크 옥사이드(i-ZnO)를 포함한다. 상기 고저항 버퍼층(40)은 상기 버퍼층(30) 상에 징크 옥사이드가 스퍼터링 공정 등에 의해 증착되어 형성될 수 있다.
상기 전면 전극층(50)은 상기 고저항 버퍼층(40) 상에 형성된다. 상기 전면 전극층(600)은 n 형 반도체의 특성을 가질 수 있다. 즉, 상기 전면 전극층(600)은 상기 버퍼층(400)과 함께 n 형 반도체층을 형성하여 p 형 반도체층인 상기 광 흡수층(300)과 pn 접합을 형성할 수 있다. 상기 전면 전극층(500)은, 예를 들어, 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드(AZO)로 형성될 수 있다.
상기 전면 전극층(50)은 스퍼터링 또는 화학기상증착법(chemical vapor deposition)에 의하여 제조될 수 있다. 더 자세하게, 상기 스퍼터링에 의하여 전면 전극층(50)을 형성하기 위하여, RF 스퍼터링방법으로 ZnO 타겟을 사용하여 증착하는 방법과 Zn 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링 등이 사용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 희생층(200)을 제거하여 상기 언급한 공정에 의해 제조되는 태양전지(300)와 상기 탄소구조체(100)를 분리시킨다. 예를 들어, 상기 희생층(200)은 습식 세정 공정에 의해 제거될 수 있다. 상기 희생층(200)이 포지티브 포토레지스트 물질인 경우, 수산화나트륨 용액 등을 현상액으로 사용하여 상기 희생층(200)을 제거할 수 있다. 상기 희생층(200)이 네거티브 포토레지스트 물질인 경우, 자일린 용액 등을 현상액으로 사용하여 상기 희생층(200)을 제거할 수 있다.
한편, 실시예에 따른 태양전지 모듈의 제조방법에 있어서, 희생층(200)의 일부는 상기 분리 공정에서 제거되지 않고, 상기 후면 전극층(10)의 하측면에 일부 남아있을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 상기와 같이 분리된 태양전지(300)는 백시트(Back sheet, 400) 상에 전사된다. 더 자세하게, 분리된 태양전지(300)를 상기 백시트(400) 상에 전사하기 전에, 상기 백시트(400) 상에 후면 EVA층(510)을 추가로 배치할 수 있다.
상기 백시트(400) 상에 상기 태양전지(300)를 전사시킨 후에, 상기 태양전지(300) 상에 순차적으로 전면 EVA층(ethylene vinyl acetate, 520)과 커버 유리(600)를 배치시킨다. 이후, 라미네이션(lamination) 공정을 수행함으로써, 실시예에 따른 태양전지 모듈은 제조될 수 있다. 상기 라미네이션 공정에서는 상기 백시트(400) 내지 상기 커버 유리(600) 에 소정의 압력과 열이 가해질 수 있다. 상기 후면 EVA층(510)은 상기 백시트(400)와 상기 태양전지(300)의 접착력을 향상시키고, 상기 전면 EVA층(520)은 상기 태양전지(300)와 상기 커버 유리(600)의 접착력을 향상시킬 수 있다.
상기 커버 유리(600)는 투명하며, 외부의 물리적인 충격 및/또는 이물질로부터 상기 태양전지(300)를 보호한다. 상기 커버 유리(600)는 강화 유리 등을 포함할 수 있다. 이때, 강화 유리는 철 성분 함량이 낮은 저(low) 철분 강화 유리(low iron tempered glass)일 수 있다.
상기 언급한 방법에 의해 제조되는 태양전지 모듈은 기판을 포함하지 않는다(substrateless). 즉, 실시예에 따른 태양전지(300)는 상기 백시트(400) 상에 직접 접촉하여 형성된다. 이에 따라, 실시예에 따른 태양전지 모듈의 제조방법은 생산 제조 원가를 감소시킬 수 있다. 또한, 제조된 태양전지 모듈은 기판만큼의 두께 및 무게가 감소되는 바, 설치 비용 또한 절감할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 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.

Claims (10)

  1. 백시트(Backsheet) 상에 배치되는 후면 전극층;
    상기 후면 전극층 상에 배치되는 광 흡수층;
    상기 광 흡수층 상에 배치되는 전면 전극층; 및
    상기 전면 전극층 상에 배치되는 커버 유리를 포함하며,
    탄소구조체 상에 희생층을 형성하고, 상기 희생층 상에 상기 후면 전극층을 형성하고, 상기 후면 전극층 상에 상기 광 흡수층을 형성하고, 상기 광 흡수층 상에 상기 전면 전극층을 형성하고, 상기 희생층을 제거하여 상기 탄소구조체로부터 상기 후면 전극층을 분리하고, 상기 백시트 상에 상기 후면 전극층을 배치하고, 상기 전면 전극층 상에 상기 커버 유리를 형성하여 제조되는 태양전지 모듈.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 백시트와 상기 후면 전극층 사이에 배치되는 후면 EVA층; 및
    상기 전면 전극층과 상기 커버 유리 사이에 배치되는 전면 EVA층을 추가 포함하는 태양전지 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 태양전지 모듈은 지지기판을 포함하지 않는 태양전지 모듈.
  5. 탄소구조체 상에 희생층을 형성하는 단계;
    상기 희생층 상에 태양전지를 형성하는 단계;
    상기 희생층을 제거하여 상기 탄소구조체로부터 상기 태양전지를 분리하는 단계; 및
    백시트(Back sheet) 상에, 상기 분리된 태양전지 및 커버유리를 배치시켜 태양전지 모듈을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 태양전지를 형성하는 단계는,
    상기 희생층 상에 후면 전극층을 형성하는 단계;
    상기 후면 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 및
    상기 광 흡수층 상에 전면 전극층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 모듈의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 탄소구조체는 그래파이트(graphite) 또는 그래핀(graphene)을 포함하는 태양전지 모듈의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 광 흡수층은 550℃ 내지 800℃ 의 온도 분위기 하에서 제조되는 태양전지 모듈의 제조방법.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 태양전지를 분리하는 단계는 상기 희생층을 습식 세정 공정을 수행하여 제거하는 것을 포함하는 태양전지 모듈의 제조방법.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 태양전지 모듈을 형성하는 단계는,
    상기 백시트(Back sheet) 상에 후면 EVA층을 형성하고,
    상기 후면 EVA층 상에 상기 분리된 태양전지를 전사(transfer)하고,
    상기 태양전지 상에 전면 EVA층을 형성하고,
    상기 전면 EVA층 상에 상기 커버유리를 형성하고 라미네이션(lamination)하는 것을 포함하는 태양전지 모듈의 제조방법.
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