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KR101327010B1 - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

태양전지 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR101327010B1
KR101327010B1 KR1020110138721A KR20110138721A KR101327010B1 KR 101327010 B1 KR101327010 B1 KR 101327010B1 KR 1020110138721 A KR1020110138721 A KR 1020110138721A KR 20110138721 A KR20110138721 A KR 20110138721A KR 101327010 B1 KR101327010 B1 KR 101327010B1
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Abstract

실시예에 따른 태양전지는 지지기판; 및, 상기 지지기판의 상부에 형성되는 열 전도층;을 포함한다.

Description

태양전지 및 이의 제조방법{SOLAR CELL AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
태양전지(Solar Cell 또는 Photovoltaic Cell)는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광발전의 핵심소자이다.
반도체의 pn접합으로 만든 태양전지에 반도체의 금지대폭(Eg: Band-gap Energy)보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되는데, 이들 전자-정공이 pn 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 됨에 따라 pn간에 기전력(광기전력: Photovoltage)이 발생하게 된다. 이때 양단의 전극에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 되는 것이 동작원리이다.
최근 에너지의 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지에 대한 개발이 진행되고 있다.
특히, 유리기판, 후면 전극층, p형 CIGS계 광 흡수층, 고 저항 버퍼층, n형 윈도우층 등을 포함하는 기판 구조의 pn 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다.
일반적으로 태양전지의 경우, 대면적 기판으로 갈수록 지지기판의 중앙과 가장자리의 열분포 불균일에 의해 지지기판의 상면에 형성되는 후면 전극층, p형 CIGS계 광 흡수층, 고 저항 버퍼층, n형 윈도우층이 중앙과 가장자리의 열특성이 달라지게 되어 광효율이 저하될 수 있다.
이를 해소하기 위해 종래 기술의 경우, 지지기판의 온도 균일도를 향상시키기 위해서 증착 장비의 히터 구조 및 제어 등의 하드웨어 개선 기술을 적용하고 있으나 ±5% 이내의 온도 균일도를 달성하기 위해서 고가의 투자비가 필요한 문제점이 있다.
본 발명에서는 상기의 문제점을 해소하기 위해 지지기판 상에 열 전도층을 형성하여 상기 기판의 상부에 형성되는 막의 온도 균일도를 향상시킴으로써, 태양전지의 출력 및 광-전 변환 효율을 향상시키고자 한다.
실시예에 따른 태양전지는 지지기판; 및, 상기 지지기판의 상부에 형성되는 열 전도층;을 포함한다.
발명의 실시예에 따르면, 태양전지에 사용되는 지지기판의 둘레영역에 열전도가 다른 물질을 얇게 도포하여 중앙영역과 둘레영역의 열분포 균일도를 향상하여 태양전지의 출력 및 광-전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고, 고가의 하드웨어 투자비 없이 지지기판 상부에 열전도가 높은 물질을 증착하여 열구배(Thermal Gradient)를 향상시킬 수 있다.
또한, 지지기판이 유리기판 등의 리지드한 기판이나, 금속기판 등의 플렉서블한 경우에도 적용할 수 있어, 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 사시도이다.
도 2는 실시예에 따른 태양전지의 지지기판 및 열 전도층을 도시한 단면도이다.
도 3 내지 도 5는 실시예에 따른 태양전지 패널을 제조하는 과정을 도시한 도면들이다.
도 6은 온도차에 따른 광 흡수층의 모포로지(Morphology)를 나타낸 도면이다.
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 1은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 사시도이다. 도 2는 실시예에 따른 태양전지의 지지기판 및 열 전도층을 도시한 단면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 태양전지 패널은 지지기판(100), 열 전도층(150), 후면전극층(200), 광 흡수층(300), 버퍼층(400) 및 윈도우층(500)을 포함한다.
상기 지지기판(100)은 플레이트 형상을 가지며, 상기 열 전도층(150), 후면전극층(200), 광 흡수층(300), 버퍼층(400) 및 윈도우층(500)을 지지한다.
상기 지지기판(100)은 절연체일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 유리기판, 폴리머와 같은 플라스틱기판, 또는 금속기판일 수 있다. 이외에, 지지기판(100)의 재질로 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸, 유연성이 있는 고분자 등이 사용될 수 있다. 상기 지지기판(100)은 투명할 수 있고 리지드하거나 플렉서블할 수 있다.
상기 지지기판(100)으로 소다 라임 글래스가 사용되는 경우, 소다 라임 글래스에 함유된 나트륨(Na)이 태양전지의 제조공정 중에 CIGS로 형성된 광 흡수층(300)으로 확산될 수 있는데, 이에 의해 광 흡수층(300)의 전하 농도가 증가하게 될 수 있다. 이는 태양전지의 광전 변환 효율을 증가시킬 수 있는 요인이 될 수 있다.
상기 지지기판(100) 상에는 열 전도층(150)이 형성된다. 상기 열 전도층(150)은 상기 지지기판(100)의 둘레영역에 형성될 수 있다. 상기 열 전도층(150)의 폭(b)은 상기 지지기판(100)의 중심에서 둘레까지의 전체길이(a)의 10% 내지 40%의 비율로 형성될 수 있다. 이는 가로축과 세로축에 적용될 수 있으며, 상기 열 전도층(150)이 차지하는 폭의 비율은 가로축과 세로축 각각이 상이할 수 있다.
상기 열 전도층(150)의 증착 두께는 상기 지지기판(100)의 두께에 대응하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 상기 지지기판(100)이 2.8mm의 두께인 경우, 상기 열 전도층(150)은 20nm 내지 140nm의 두께로 형성될 수 있으며, 상기 지지기판(100)이 0.8mm의 두께인 경우, 상기 열 전도층(150)은 5nm 내지 40nm의 두께로 형성될 수 있다. 즉, 상기 열 전도층(150)은 상기 지지기판(100) 두께의 1/160 내지 1/140의 두께로 형성될 수 있다.
상기 열 전도층(150)은 전기적으로 절연성이 우수하고, 열전도 특성이 우수한 물질을 포함할 수 있으며, 구체적으로 열팽창계수가 3.5ppm/K 내지 4.5ppm/K이며, 녹는점이 2000℃ 이상의 물질을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 열 전도층(150)은 SiC를 포함하여 형성될 수 있으며, 타 금속물과의 조합에 따라 열전도율 및 열팽창계수를 조절할 수 있다.
상기 지지기판(100)이 소다라임 글래스로 형성되는 경우, 열전도율은 0.9W/mK 내지 1.3W/mK이고, 열팽창 계수는 8.5ppm/K 내지 9.5ppm/K이다. 상기 열 전도층(150)이 SiC를 포함하여 형성되는 경우, 열전도율은 360W/mK 내지 490W/mK이고, 열팽창 계수는 4ppm/K이다. 그리고, 후면전극층(200)이 몰리브덴(Mo)을 포함하여 형성되는 경우, 열전도율은 138W/mK이고, 열팽창 계수는 4.8ppm/K이다.
상기 지지기판(100) 상에는 후면전극층(200)이 배치된다. 상기 후면전극층(200)은 도전층이다. 상기 후면전극층(200)은 태양전지 중 상기 광 흡수층(300)에서 생성된 전하가 이동하도록 하여 태양전지의 외부로 전류를 흐르게 할 수 있다. 상기 후면전극층(200)은 이러한 기능을 수행하기 위하여 전기 전도도가 높고 비저항이 작아야 한다.
또한, 상기 후면전극층(200)은 CIGS 화합물 형성시 수반되는 황(S) 또는 셀레늄(Se) 분위기 하에서의 열처리 시 고온 안정성이 유지되어야 한다. 또한, 상기 후면전극층(200)은 열팽창 계수의 차이로 인하여 상기 지지기판(100)과 박리현상이 발생되지 않도록 상기 지지기판(100)과 접착성이 우수하여야 한다. 이러한 후면전극층(200)을 형성하는 물질로는 몰리브덴(Mo)이 사용될 수 있다.
상기 후면전극층(200) 상에는 광 흡수층(300)이 형성될 수 있다. 상기 광 흡수층(300)은 p형 반도체 화합물을 포함한다. 더 자세하게, 상기 광 흡수층(300)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 계 화합물을 포함한다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계) 결정 구조, 구리-인듐-셀레나이드계 또는 구리-갈륨-셀레나이드계 결정 구조를 가질 수 있다. 상기 광 흡수층(300)의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1.1eV 내지 1.2eV일 수 있다.
상기 광 흡수층(300)이 CIGS인 경우, 격자상수는 약 0.575nm의 값을 가질 수 있다.
상기 광 흡수층(300) 상에 버퍼층(400)이 배치된다. CIGS 화합물을 광 흡수층(300)으로 갖는 태양전지는 p형 반도체인 CIGS 화합물 박막과 n형 반도체인 윈도우층(500) 간에 pn 접합을 형성한다. 하지만 두 물질은 격자상수와 밴드갭 에너지의 차이가 크기 때문에 양호한 접합을 형성하기 위해서는 밴드갭이 두 물질의 중간에 위치하는 버퍼층이 필요하다.
상기 버퍼층(400)의 에너지 밴드갭은 2.2eV 내지 2.5eV일 수 있다. 상기 버퍼층(400)을 형성하는 물질로는 CdS, ZnS등이 있고 태양전지의 발전 효율 측면에서 CdS가 상대적으로 우수하다.
상기 버퍼층(400)은 10nm 내지 100nm의 두께로, 바람직하게는 50nm 내지 80nm의 두께로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(400) 상에 고저항 버퍼층(미도시)이 배치될 수 있다. 상기 고저항 버퍼층은 불순물이 도핑되지 않은 징크 옥사이드(i-ZnO)를 포함한다. 상기 고저항 버퍼층의 에너지 밴드갭은 약 3.1eV 내지 3.3eV이다.
상기 버퍼층(400) 상에 윈도우층(500)이 배치된다. 상기 윈도우층(500)은 투명하며, 도전층이다. 또한, 상기 윈도우층(500)의 저항은 상기 후면전극층(200)의 저항보다 높다.
상기 윈도우층(500)은 산화물을 포함한다. 예를 들어, 상기 윈도우층(500)은 징크 옥사이드(zinc oxide), 인듐 틴 옥사이드(induim tin oxide;ITO) 또는 인듐 징크 옥사이드(induim zinc oxide;IZO) 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 윈도우층(500)은 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드(Al doped zinc oxide;AZO) 또는 갈륨 도핑된 징크 옥사이드(Ga doped zinc oxide;GZO) 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 태양전지에 따르면, 태양전지에 사용되는 지지기판의 둘레영역에 열전도가 다른 물질을 얇게 도포하여 중앙영역과 둘레영역의 열분포 균일도를 향상하여 태양전지의 출력 및 광-전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고, 고가의 하드웨어 투자비 없이 지지기판 상부에 열전도가 높은 물질을 증착하여 열구배(Thermal Gradient)를 향상시킬 수 있다.
또한, 지지기판이 유리기판 등의 리지드한 기판이나, 금속기판 등의 플렉서블한 경우에도 적용할 수 있어, 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 3 내지 도 5는 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도들이다. 본 제조방법에 관한 설명은 앞서 설명한 태양전지에 대한 설명을 참고한다. 앞서 설명한 태양전지에 대한 설명은 본 제조방법에 관한 설명에 본질적으로 결합될 수 있다.
도 3을 참조하면, 지지기판(100) 상에 열전도층(150)이 형성된다. 단면에서는 상기 열전도층(150)이 상기 지지기판(100)의 전면에 형성되는 것으로 도시되었으나, 도 1에 도시된 바와 같이, 둘레영역에 형성된다. 상기 열전도층(150)은 에피택셜 공정으로 증착될 수 있으나, 이에 대해 한정하는 것은 아니다.
도 4를 참조하면, 상기 열전도층(150) 상에 후면전극층(200)이 형성된다. 상기 후면전극층(200)은 몰리브덴을 사용하여 증착될 수 있다.
다음으로, 상기 열전도층(150) 상에 광 흡수층(300)이 형성된다. 상기 광 흡수층(300)은 예를 들어, 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발시키면서 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(300)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 후면전극(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(300)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(300)이 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 1.5μm 내지 2.5μm의 두께로 형성될 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다.
도 5를 참조하면, 상기 광 흡수층(300) 상에 버퍼층(400)이 형성된다. 상기 버퍼층(400)은 CdS를 포함하여 형성될 수 있으며, PVD 또는 도금의 방법으로 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 버퍼층(400) 상에 윈도우층(500)이 형성된다. 상기 윈도우층(500)은 상기 버퍼층(400) 상에 투명한 도전물질이 증착되어 형성된다.
도 6은 온도차에 따른 광 흡수층의 모포로지(Morphology)를 나타낸 도면이다. 도 6은 열 전도층이 형성되지 않은 소다라임 글래스의 지지기판의 상부에 형성된 광 흡수층의 모포로지를 나타낸 것이다. 좌측은 중앙부를 나타내고, 우측은 둘레영역을 나타낸다. 좌측은 630℃이고, 우측은 600℃의 온도가 측정되었다.
동일 지지기판의 중앙부와 둘레영역의 CIGS 광 흡수층의 성장 모습을 관찰한 결과, 온도 균일도가 5% 이내로 우수하고, 동일 조성비였음에도 불구하고, 성장형태가 상이함을 알 수 있다. 즉, 온도가 높은 중앙부에서의 그레인(Grain)의 크기가 크고, 표면이 상대적으로 고르게 성장되었음을 알 수 있다.
발명의 실시예에서와 같이, 열전도층(150)을 상기 지지기판(100)의 둘레영역에 형성함으로써, 둘레영역에서도 그레인의 크기 및 표면 형상이 우수한 CIGS 광 흡수층을 형성할 수 있다.
또한, 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.
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. 지지기판; 및,
    상기 지지기판의 상부에 형성되는 열 전도층;을 포함하며,
    상기 열 전도층은 상기 지지기판의 둘레영역에 형성되는 태양전지.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열 전도층의 폭은 상기 지지기판의 중심에서 둘레까지의 전체길이 10% 내지 40%의 비율로 형성되는 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    열 전도층은 상기 지지기판 두께의 1/160 내지 1/140의 두께로 형성되는 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열 전도층은 SiC를 포함하여 형성되는 태양전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열 전도층의 열전도율은 360W/mK 내지 490W/mK인 태양전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 지지기판은 소다라임 글래스를 포함하는 태양전지.
  8. 지지기판 상에 열 전도층을 형성하는 단계; 및,
    상기 열 전도층 상에 후면전극층을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 열 전도층은 상기 지지기판의 둘레영역에 형성되는 태양전지의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 열 전도층의 폭은 상기 지지기판의 중심에서 둘레까지의 전체길이의 10% 내지 40%의 비율로 형성되는 태양전지의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 열 전도층은 SiC를 포함하여 형성되는 태양전지의 제조방법.

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