Every solar module consists of individual solar cells electrically connected in series to obtain proper power. Fortunately, thin film solar module is easy to fabricate a large size and a simple process to divide a large area format thin film solar cell into oblong strip-type small area solar cells. Laser scribing has received a great deal of attention because it provides non-contact, precision, and narrower cutting than mechanical scribing to reduce the dead zone. However, it has been hard to apply for various thin film solar cells which uses flexible substrates or substrate-type solar cells.
The purpose of this work is to develop self-aligned series connection (SASC) for thin film solar cells using oblique deposition without conventional laser scribing process. Oblique deposition can enable a film deposition and isolation at the same time due to a ballistic shadowing in a high vacuum state. In order to achieve this object, oblique deposition apparatus was invented. It showed steady and reproducible deposition results as the oblique angle changes. Using this apparatus, a new integration method was fabricated. The series connection using oblique deposition has some advantages compared to conventional laser scribing process
Firstly, the dead zone area which does not contribute to electricity generation can be significantly decreased from 300
모든 태양전지모듈은 적당한 파워를 얻기 위해 각각의 태양전지를 전기적으로 직렬 연결해서 사용한다. 다행히 박막 태양전지모듈은 대면적 제작과 사각형 스트립 형태의 작은 태양전지로 나누기도 편하다. 레이저 스크라이빙 방법은 비접촉, 정확성, 기계적 스크라이빙 방법보다 더 좁은 절단 영역 등의 장점 덕분에 지속적으로 관심을 받았다. 그러나 이 방법은 유연한 기판을 사용한 태양전지나 기판형 태양전지에 사용하기에 어려움이 있다.
본 연구의 목적은 기존의 레이저 스크라이빙이 아닌 경사증착을 사용해서 박막 태양전지의 자기 정렬 집적화 기술을 개발하는 것이다. 경사증착은 고진공에서의 높은 직진성 때문에 증착과 절연을 동시에 할 수 있다. 이를 위해 경사 각도가 바뀜에 따라 안정적이고 재현성있는 증착이 가능한 경사증착 장치를 만들었다. 경사증착을 사용한 직렬 연결은 기존의 레이저 스크라이빙 방법과 비교해서 다음과 같은 장점이 있다.
첫째로 전력 생산에 기여하지 못 하는 무효면적이 기존 레이저 스크라이빙 방법 대비 300 μm 에서 10 μm 로 줄어든다. 박막 태양전지 모듈에서 무효면적을 줄이는 것은 전력 손실 및 가격과 연관이 있기 때문에 매우 중요하다. 레이저 스크라이빙 방법은 레이저 스팟 사이즈와 레이저와 기판 구동 장치의 정확도와 같은 한계가 있다. 경사증착을 이용한 자기 정렬 집적화 방법은 고진공에서의 직진성 때문에 트렌치 (trench) 형태의 폭에 의해 무효면적이 결정된다.
둘째로 자기 정렬 집적화 방법은 다양한 기판의 박막 태양전지에 응용할 수 있다. 기존의 레이저 스크라이빙 방법은 단단하고 투명한 유리 기판의 태양전지 모듈에는 적용하기 쉬운 반면에 불투명하거나 유연한 기판을 사용한 태양 전지 모듈에 적용하기는 많은 어려움이 있다. 반면에 자기 정렬 집적화 방법은 도랑을 만들 수 있는 기판은 적용 가능하고 화합물 박막 태양전지 (CIGS, CdTe) 나 유기 박막 태양전지 (OPV) 와 같은 고체 박막 태양전지에 적용할 수 있다.
셋째로 자기정렬 집적화 방법은 박막 태양전지 모듈의 인라인 (inline) 타입 또는 배치 (batch) 타입화가 쉽다. 레이저 스크라이빙 방법과 달리 진공을 깰 필요가 없는 연속공정으로 모듈의 생산이 가능하다. 이러한 특징을 이용해 유연한 태양전지 모듈을 만들 수 있는 롤투롤 (roll-to-roll) 방법도 개발할 수 있다.
이러한 집적화 방법이 실현 가능함을 증명하기 위해 두 종류의 직렬연결 구조를 제작하였다. 첫 번째 구조는 유리에 트렌치 (trench) 를 형성하고 ZnO 전면전극을 증착한 뒤 PR패터닝한다. 다음으로 비정질 실리콘 태양전지 발전층을 증착하고 알루미늄을 경사증착 한다. 알루미늄 층을 마스크로 사용하여 드러난 비정질 실리콘 층을 수직식각 한다. 마지막으로 트렌치 (trench) 안에서 전면전극과 후면전극이 겹쳐서 개별 셀들이 전기적으로 직렬 연결 되도록 알루미늄을 경사증착 한다. 이 구조는 유리 식각 영역에 증착된 ZnO 의 높은 저항으로 인해 낮은 충실도를 갖지만 네 개의 개별 태양전지를 22 μm 의 작은 무효면적으로 연결하였다.
다음 구조는 유리 기판 위에 SU-8 PR을 이용하여 트렌치 (trench) 영역을 만들고 ZnO 를 증착한다. 요철화 과정 후 알루미늄 보조 전극을 경사증착한다. 비정질 실리콘 태양전지 발전층을 증착하고 알루미늄을 경사증착 한다. 알루미늄 층을 마스크로 사용하여 드러난 비정질 실리콘 층을 수직식각 한다. 마지막으로 트렌치 (trench) 안에서 전면전극과 후면전극이 겹쳐서 개별 셀들이 전기적으로 직렬 연결 되도록 알루미늄을 경사증착 한다. 10 μm 의 작은 무효면적 덕분에 예상되는 태양전지 모듈의 파워 손실은 1 % 보다 작다. 이 공정은 레이저 스크라이빙과 정렬작업(alignment)이 없는 박막 태양전지의 직렬연결 방법이다.
