JP2012530378A - 太陽電池及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

太陽電池及びその製造方法が開示される。太陽電池は、基板と、前記基板の上に配置される後面電極層と、前記後面電極層の上に配置される光吸収層と、前記光吸収層の上に配置される前面電極層と、を含み、前記前面電極層は、前記光吸収層の上に配置される第１導電層と、前記第１導電層の上に配置される第２導電層と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池及びその製造方法に関するものである。
最近、エネルギーの需要が増加するにつれて、太陽光熱エネルギーを電気エネルギーに変換させる太陽電池に対する開発が進められている。
特に、ガラス基板、金属後面電極層、ｐ型ＣＩＧＳ系光吸収層、高抵抗バッファ層、ｎ型ウィンドウ層などを含む基板構造のｐｎヘテロ接合装置であるＣＩＧＳ系太陽電池が広く使われている。
このような太陽電池において、低い抵抗、高い透過率などの電気的な特性によって、向上した効率を有することができる。
本発明は、向上した性能を有する太陽電池及びその製造方法を提供することをその目的とする。
本発明の一実施形態に係る太陽電池は、基板と、前記基板の上に配置される後面電極層と、前記後面電極層の上に配置される光吸収層と、前記光吸収層の上に配置される前面電極層と、を含み、前記前面電極層は、前記光吸収層の上に配置される第１導電層と、前記第１導電層の上に配置される第２導電層と、を含む。
本発明の一実施形態に係る太陽電池は、基板と、前記基板の上に配置される後面電極層と、前記後面電極層の上に配置される光吸収層と、前記光吸収層の上に配置される多数個の導電層と、を含み、前記導電層は同一の物質からなり、互いに隣接する導電層は互いに異なるグレーンサイズを有する。
本発明の一実施形態に係る太陽電池の製造方法は、基板の上に後面電極層を形成するステップと、前記後面電極層の上に光吸収層を形成するステップと、前記光吸収層の上に第１電力を使用して第１導電層を形成するステップと、前記第１導電層の上に第２電力を使用して第２導電層を形成するステップと、を含む。
本発明に係る太陽電池は、多層構造の前面電極層を含む。即ち、前面電極層は互いに異なる特性を有する導電層を含む。
これによって、各々の導電層は互いの低い特性を補完して、全体的に前面電極層の特性が向上することができる。例えば、第１導電層は緻密な構造を有し、第２導電層は高い伝導性を有することができる。
これによって、第１導電層により前面電極層の機械的な特性が向上し、第２導電層により前面電極層の電気的な特性が向上することができる。より詳しくは、第１導電層は第２導電層の機械的な特性を補完し、第２導電層は第１導電層の電気的な特性を補完する。したがって、前面電極層は向上した機械的な特性及び電気的な特性を有することができる。
また、前面電極層の最下導電層が緻密な構造を有することができ、これによって、前面電極層の内の不純物の下の光吸収層への拡散が容易に抑制できる。
これによって、本発明に係る太陽電池の全体的な特性が向上する。
本発明の第１実施形態に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る前面電極層を形成するためのスパッタリング装置を概略的に示す図である。 本発明の第２実施形態に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。
本発明を説明するに当たって、各基板、層、膜、または電極などが、各基板、層、膜、または電極などの“上（on）”に、または“下（under）”に形成されることと記載される場合において、“上（on）”と“下（under）”は、“直接（directly）”または“他の構成要素を介して（indirectly）”形成されることを全て含む。また、各構成要素の上または下に対する基準は、図面を基準として説明する。図面において、各構成要素のサイズは説明のために誇張することがあり、実際に適用されるサイズを意味するものではない。
図１乃至図９は、第１実施形態に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。図７は図６のＡ領域で前面電極層を拡大した断面図である。図９は、図６の前面電極層を形成するためのスパッタリング装置を概略的に示す図である。
図１を参照して、基板１００の上に後面電極層１１０が形成される。
前記基板１００は絶縁体であり、リジッド（rigid）またはフレキシブル（flexible）である。前記基板１００にはガラス（glass）を使用することができ、セラミック基板、金属基板、またはポリマー基板なども使用することができる。例えば、ガラス基板には、ソーダライムガラス（sodalime glass）または高変形点ソーダガラス（high strained point soda glass）を使用することができる。
前記後面電極層１１０は金属などの導電体で形成される。前記後面電極層１１０が金属で形成されて直列抵抗特性が向上し、電気伝導度を高めることができる。例えば、前記後面電極層１１０は約５００ｎｍ乃至約１５００ｎｍで形成される。
例えば、前記後面電極層１１０はモリブデン（Ｍｏ）ターゲットを使用してスパッタリング（sputtering）工程により形成される。これは、モリブデン（Ｍｏ）が有する高い伝導度、光吸収層とのオーミック（ohmic）接合、Ｓｅ雰囲気下での高温安全性のためである。
前記後面電極層１１０であるモリブデン薄膜は、電極としての比抵抗が低くなければならず、熱膨張係数の差によって剥離現象が起こらないように前記基板１００への粘着性が優れなければならない。一方、前記後面電極層１１０を形成する物質はこれに限定されず、ナトリウム（Ｎａ）イオンがドーピングされたモリブデン（Ｍｏ）で形成されることもできる。
図面に図示してはいないが、前記後面電極層１１０は少なくとも１つ以上の層に形成される。前記後面電極層１１０が複数個の層に形成される時、前記後面電極層１１０をなす層は互いに異なる物質で形成される。
図２を参照して、前記後面電極層１１０がパターニングされて多数個の後面電極が形成される。前記後面電極層１１０は第１貫通溝１１５により互いに分離される。前記第１貫通溝１１５は前記基板１００の上面を選択的に露出させることができる。
前記第１貫通溝１１５はレーザースクライビング（Laser Scribing）工程によりパターニングされる。例えば、前記第１貫通溝１１５の幅は約５０μｍ乃至約７０μｍでありうる。
前記後面電極は前記第１貫通溝１１５によりストライプ（stripe）またはマトリックス（matrix）形態に形成される。
図３を参照して、前記後面電極層１１０の上に光吸収層１２０が形成される。
前記光吸収層１２０はＩｂ−ＩＩＩｂ−ＶＩｂ系化合物を含む。
より詳しくは、前記光吸収層１２０は銅−インジウム−ガリウム−セレナイド系（Ｃｕ（Ｉｎ、Ｇａ）Ｓｅ２；ＣＩＧＳ系）化合物、または銅−インジウム−セレナイド系（ＣｕＩｎＳｅ２；ＣＩＳ系）化合物を含むことができる。
例えば、前記光吸収層１２０を形成するために、銅ターゲット、インジウムターゲット、及びガリウムターゲットを使用して、前記後面電極層１１０の上にＣＩＧ系金属プリカーソル（precusor）膜が形成される。
以後、前記金属プリカーソル膜は、セレニゼーション（selenization）工程によりセレニウム（Ｓｅ）と反応してＣＩＧＳ系光吸収層１２０が形成される。
また、前記光吸収層１２０は、銅（Ｃｕ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、セレナイド（Ｓｅ）を同時蒸着法（co‐evaporation）により形成することもできる。
例えば、前記光吸収層１２０は約１０００ｎｍ乃至約３０００ｎｍの厚さで形成される。
前記光吸収層１２０は外部の光の入射を受けて、電気エネルギーに変換させる。前記光吸収層１２０は光電効果により光起電力を生成する。
図４を参照して、前記光吸収層１２０の上にバッファ層１３０及び高抵抗バッファ層１４０が形成される。
前記バッファ層１３０は、前記光吸収層１２０の上に少なくとも１つ以上の層に形成されることができ、硫化カドミウム（Ｃｄｓ）が積層されて形成される。例えば、前記バッファ層１３０は約３０ｎｍ乃至約７０ｎｍの厚さで形成される。
この際、前記バッファ層１３０はｎ型半導体層であり、前記光吸収層１２０はｐ型半導体層である。したがって、前記光吸収層１２０及びバッファ層１３０はｐｎ接合を形成する。
前記高抵抗バッファ層１３０は、ジンクオキサイド（ＺｎＯ）をターゲットにしたスパッタリング工程により形成される。即ち、前記硫化カドミウム（Ｃｄｓ）の上にジンクオキサイド層がさらに形成される。
前記高抵抗バッファ層１４０は、前記バッファ層１３０の上に透明電極層で形成される。例えば、前記高抵抗バッファ層１４０は、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ｉ−ＺｎＯのうちのいずれか１つで形成される。前記高抵抗バッファ層１４０は、約３０ｎｍ乃至約７０ｎｍの厚さで形成される。
前記バッファ層１３０及び高抵抗バッファ層１４０は、前記光吸収層１２０と以後に形成される前面電極層１５０との間に配置される。
前記光吸収層１２０と前面電極は格子定数とエネルギーバンドギャップの差が大きいため、バンドギャップが２物質の中間に位置する前記バッファ層１３０及び高抵抗バッファ層１４０を挿入して良好な接合を形成することができる。
本実施形態では２つのバッファ層１３０、１４０を前記光吸収層１２０の上に形成したが、これに限定されず、バッファ層は１つの層のみに形成されたり、３個以上の層に形成されることもできる。
図５を参照して、前記光吸収層１２０、バッファ層１３０、及び高抵抗バッファ層１４０を貫通するコンタクトパターン１４５が形成される。
前記コンタクトパターン１４５は、前記第１貫通溝１１５に隣接して形成され、前記後面電極の一部を露出させることができる。
前記コンタクトパターン１４５はチップなどの機械的は装置によりパターニングされる。
例えば、前記コンタクトパターン１４５の幅は約６０μｍ乃至約１００μｍでありうる。また、前記コンタクトパターン１４５と前記第１貫通溝１１５のギャップ（Ｇ１）は約６０μｍ乃至約１００μｍでありうる。
図６及び図７を参照して、前記高抵抗バッファ層１４０の上に前面電極層１５０が形成される。前記コンタクトパターン１４５の内部にも前記前面電極層１５０をなす物質が詰められるようになり、接続配線１６０を形成することができる。
したがって、前記後面電極と前記前面電極層１５０は接続配線１６０により電気的に連結される。
図７に示すように、前記前面電極層１５０は多数個の導電層１５１、１５２・・・を含むように形成される。即ち、前記前面電極層１５０は、前記導電層１５１、１５２・・・が積層されて形成される構造を有することができる。前記導電層１５１、１５２・・・の個数は３個以上でありうる。より詳しくは、前記導電層１５１、１５２・・・の個数は３個乃至１０個でありうる。
例えば、前記前面電極層１５０は、第１導電層１５１、第２導電層１５２、第３導電層１５３、及び第４導電層１５４を含むことができる。また、図面に図示してはいないが、前記第４導電層１５４の上に追加的な導電層、例えば、第５乃至第１０導電層がさらに積層される。
前記第１導電層１５１は、前記高抵抗バッファ層１４０の上に配置される。前記第２導電層１５２は、前記第１導電層１５１の上に配置される。前記第３導電層１５３は、前記第２導電層１５２の上に配置される。前記第４導電層１５４は、前記第３導電層１５３の上に配置される。
前記導電層１５１、１５２・・・は同一の物質を含む。より詳しくは、前記導電層１５１、１５２・・・は同一の物質からなる。例えば、前記導電層１５１、１５２・・・はアルミニウム（Ａｌ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、マグネシウム（Ｍｇ）、ガリウム（Ｇａ）などの不純物を含む亜鉛系酸化物またはＩＴＯ（Indium Tin Oxide）で形成される。
前記導電層１５１、１５２・・・は互いに異なるグレーンサイズを有することができる。例えば、前記導電層１５１、１５２・・・のうち、互いに隣接する導電層は互いに異なるグレーンサイズを有する。前記互いに隣接する導電層は互いに異なる工程条件で形成されるため、互いに異なるグレーンサイズを有する。例えば、互いに隣接する導電層は互いに異なる電力を使用して形成されるため、互いに異なるグレーンサイズを有することができる。互いに隣接する導電層は互いに異なる電力が印加されるカソードを使用するスパッタリング工程により形成され、これによって、互いに隣接する導電層は互いに異なるグレーンサイズを有することができる。
例えば、前記第１導電層１５１及び前記第２導電層１５２は同一の物質で形成されるが、互いに異なるグレーンサイズを有する。前記第１導電層１５１のグレーンサイズは相対的に小さいことがある。また、前記第２導電層１５２のグレーンサイズは相対的に大きいことがある。この際、前記第１導電層１５１のグレーンサイズ及び前記第２導電層１５２のグレーンサイズの割合は約１：１．２５乃至１：２でありうる。
これによって、前記第１導電層１５１は高密度の緻密な膜で形成され、高い機械的な特性を有することができる。これに反して、前記第２導電層１５２は低密度のあまり緻密でない膜であるが、高い伝導度及び透過率を有することができる。
同様に、前記第３導電層１５３は前記第２導電層１５２と互いに異なるグレーンサイズを有する。即ち、前記第３導電層１５３のグレーンサイズは前記第２導電層１５２のグレーンサイズより小さいことがある。
また、前記第４導電層１５４は前記第３導電層１５３と異なるグレーンサイズを有する。即ち、前記第４導電層１５４のグレーンサイズは前記第３導電層１５３のグレーンサイズより大きいことがある。
互いに隣接する導電層のグレーンサイズが互いに異なるので、互いに隣接する導電層の電気的、機械的な特性が互いに異なる。例えば、互いに隣接する導電層の伝導度、機械的な強度、または屈折率などが互いに異なることがある。
前記前面電極層１５０は相対的に小さいグレーンサイズを有する導電層１５１、１５３・・・及び相対的に大きいグレーンサイズを有する導電層１５２、１５４・・・が互いに交互に積層して形成される。
例えば、前記第１導電層１５１のグレーンサイズ及び前記第３導電層１５３のグレーンサイズが互いに対応される。また、前記第２導電層１５２のグレーンサイズ及び前記第４導電層１５４のグレーンサイズが互いに対応される。
前記第１導電層１５１及び前記第３導電層１５１のグレーンサイズは約１５ｎｍ乃至約２０ｎｍであり、前記第２導電層１５２及び前記第４導電層１５４のグレーンサイズは約３０ｎｍ乃至約４０ｎｍでありうる。また、前記第１導電層１５１及び前記第３導電層１５３の厚さは約１５ｎｍ乃至４０ｎｍでありうる。前記第２導電層１５２及び前記第４導電層１５４の厚さは約３０ｎｍ乃至約８０ｎｍでありうる。
前記前面電極層１５０は、前記光吸収層１２０とｐｎ接合を形成するウィンドウ（window）層である。前記前面電極層１５０は太陽電池の前面の透明電極機能を遂行し、高い光透過率及び電気伝導性を有するようにジンクオキサイド（ＺｎＯ）で形成される。
例えば、前記導電層１５１、１５２・・・はスパッタリング工程を進行してアルミニウムまたはアルミナでドーピングされたジンクオキサイドで形成して、低い抵抗値を有する電極を形成することができる。
特に、前記導電層１５１、１５２・・・は同一チャンバーを用いて、一回のスパッタリング工程により形成される。
具体的に、図９に示すように、前記導電層１５１、１５２・・・を形成するためのスパッタリング装置は、基板１００を投入するローディングチャンバー１０、基板１００に薄膜を蒸着するプロセスチャンバー２０、及び基板１００を排出するアンローディングチャンバー３０を含む。
前記プロセスチャンバー２０は多数個のカソード２５を含む。前記カソード２５は低電力が印加されるカソードＣ（２ｎ−１）及び高電力が印加されるカソードＣ（２ｎ）である。より詳しくは、前記低電力が印加されるカソードＣ（２ｎ−１）及び前記高電力が印加されるカソードＣ（２ｎ）は互いに交互に配置される。
前記スパッタリング装置の動作を説明すれば、前記ローディングチャンバー１０により前記プロセスチャンバー２０に進入した基板１００は、第１カソードＣ１及び第２カソードＣ２などを順次に通過しながら前記導電層１５１、１５２・・・を形成することができる。
即ち、低電力のカソードＣ（２ｎ−１）及び高電力のカソードＣ（２ｎ）の下部に前記基板１００が順次に移動するため、前記前面電極層１５０は互いに異なる電力によって前記コンタクトパターン１４５の内部及び高抵抗バッファ層１４０の上に形成される。
例えば、前記プロセスチャンバー２０は１〜１０ｍＴｏｒｒの内部圧力及び常温（１〜３０℃）の状態に維持される。前記低電力のカソードＣ（２ｎ−１）には約１ｋＷ／ｃｍ２乃至２ｋＷ／ｃｍ２の電力が印加され、前記高電力のカソードＣ（２ｎ）には約４ｋＷ／ｃｍ２乃至約１０ｋＷ／ｃｍ２の電力が印加される。
したがって、前記第１カソードＣ１の下部を通過する前記基板１００の上に第１導電層１５１が蒸着される。例えば、前記第１導電層１５１が平均グレーンサイズは約１５ｎｍ乃至約２０ｎｍで形成される。
低電力が印加された前記第１カソードＣ１によって、ターゲット物質が小さいグレーンサイズで、高密度で蒸着されて、前記第１導電層１５１が形成される。したがって、前記第１導電層１５１は前記高抵抗バッファ層１４０との密着力及び光透過度を向上させることができる。また、前記第１導電層１５１は常温工程で形成され、緻密な構造を有するので、アルミニウムイオンの前記高抵抗バッファ層１４０への拡散を防止することができる。
前記第２カソードＣ２を通過する基板１００の上には第２導電層１５２が形成される。前記第２カソードＣ２を通じてターゲット物質が前記第１導電層１５１の上に蒸着されて、前記第２導電層１５２が形成される。例えば、前記第２導電層１５２のグレーンサイズは約３０ｎｍ乃至約４０ｎｍで形成される。
高電力が印加された前記第２カソードＣ２によって、ターゲット物質が高い蒸着速度で蒸着されて、前記第２導電層１５２は前記第１導電層１５１より相対的に大きいグレーンサイズで形成される。したがって、前記第２導電層１５２は伝導性を向上させることができる。
また、前記第２導電層１５２は常温工程で形成されるため、アルミニウムイオンの前記高抵抗バッファ層１４０への拡散を防止することができる。したがって、前記高抵抗バッファ層１４０の絶縁性は維持され、前記前面電極層１５０の面抵抗特性は向上することができる。
同様の方法により、前記カソード２５によって前記第３導電層１５３及び前記第４導電層１５４等、追加的な導電層が形成される。例えば、前記導電層１５１、１５２・・・は３〜１０個の層に形成される。これによって、前記高電力のカソードＣ（２ｎ）により形成された導電層１５２、１５４・・・の空の孔隙（void）は前記低電力のカソードＣ（２ｎ−１）により形成された導電層１５１、１５３・・・を詰めることができる。
前記プロセスチャンバーの動作をより詳細に説明し、前記プロセスチャンバーに電源を印加する時、反応ガスはカソード２５側から放出された電子と衝突して、励起（excite）されてイオンになる。このようなイオンはカソード２５側に引かれて成膜しようとするターゲット（target）と衝突する。この際、イオン粒子はエネルギーを持っており、衝突時、そのエネルギーは成膜しようとするターゲット（target）側に転移される。転移されたエネルギーがターゲット（target）をなしている元素の結合力と電子の仕事関数（work fuction）を克服できる時にプラズマを放出するようになり、分離されたターゲット物質は基板１００の上に積層される。
この際、各々のカソード２５に対応して配置されるターゲットは同一の物質、例えば、アルミニウムがドーピングされたジンクオキサイドを含むことができる。即ち、前記導電層１５１、１５２・・・を形成するための材料物質が含まれたターゲットを同一の物質、例えばアルミニウムがドーピングされたジンクオキサイドを含むことができる。
図面とは異なり、実施形態に係る太陽電池の製造装置は、低電力が印加される第１カソード及び高電力が印加される第２カソードを含み、前記基板は前記第１カソード及び前記第２カソードの下で少なくとも２回以上往復動することができる。これによって、前記基板の上に少なくとも４個の導電層を含む後面電極層が形成される。
上記のように、前面電極層１５０が導電層１５１、１５２・・・からなって、密着力、面抵抗、及び光透過度を同時に確保することができる。即ち、低電力及び高電力によって交互に導電層１５１、１５２・・・が積層されるので、密着力及び光透過度を同時に向上させることができる。
また、互いに異なる電力の反復的な印加によって前記導電層１５１、１５２・・・が形成されるので、各層の結晶質がデンス（dense）しながら結晶性が改善されて伝導度を向上させることができる。
また、導電層１５１、１５２・・・は常温工程により形成されるので、導電性不純物であるアルミニウムイオンの他の層への拡散を防止することができる。これによって、漏洩電流（shunt current）の発生を防止して太陽電池の電気的特性を向上させることができる。
図８を参照して、前記前面電極層１５０、高抵抗バッファ層１４０、バッファ層１３０、及び光吸収層１２０を貫通する第２貫通溝１６１が形成される。前記第２貫通溝１６１は前記後面電極の一部を露出させることができる。
前記第２貫通溝１６１は、前記コンタクトパターン１４５に隣接して形成される。前記第２貫通溝１６１は、機械的装置またはレーザー装置などによりパターニングされる。例えば、前記第２貫通溝１６１の幅は６０〜１００μｍでありうる。前記接続配線１６０と前記第２貫通溝１６１との間のギャップ（Ｇ２）は６０〜１００μｍでありうる。即ち、前記前面電極層１５０はパターニングされ、多数個の前面電極及び多数個のセルを定義することができる。
前記前面電極層１５０は互いに異なるグレーンサイズを有する導電層１５１、１５２・・・を含む。これによって、前記導電層１５１、１５２・・・は互いに異なる機械的、光学的、及び電気的な特性を有する。
この際、相対的に小さいグレーンサイズの導電層１５１、１５３・・・は前面電極層１５０の機械的な特性を向上させる。また、相対的に大きいグレーンサイズを有する導電層１５２、１５４・・・は前記前面電極層１５０の電気的な特性を向上させる。
また、グレーンサイズによって屈折率が変わるので、前記前面電極層１５０は相対的に高い屈折率を有する導電層及び相対的に低い屈折率を有する導電層が交互に積層される構造を有する。これによって、前記前面電極層１５０は向上した透過率を有する。
このように、向上した機械的、光学的、及び電気的な特性を有する前面電極層１５０を有する太陽電池が容易に提供できる。
図１０乃至図１３は、第２実施形態に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。第２実施形態に対する説明に当たって、前述した第１実施形態に対する太陽電池及びその製造方法を参考にする。即ち、前述した第１実施形態に対する説明は変更された部分を除いて、第２実施形態に対する説明に本質的に結合できる。
図１０を参照して、基板２００の上に後面電極層２１０が形成される。前記基板２００はガラス（glass）が使われることができ、セラミック基板、金属基板、またはポリマー基板なども使われることができる。例えば、ガラス基板には、ソーダライムガラス（sodalime glass）または高変形点ソーダガラス（high strained point soda glass）を使用することができる。
前記基板２００は透明でありえる。前記基板はリジッド（rigid）またはフレキシブル（flexible）である。
前記後面電極層２１０は、金属などの導電体で形成される。例えば、前記後面電極層２１０は、モリブデン（Ｍｏ）ターゲットを使用するスパッタリング（sputtering）工程により形成される。一方、前記後面電極層２１０を形成する物質はこれに限定されず、ナトリウム（Ｎａ）がドーピングされたモリブデン（Ｍｏ）で形成することもできる。
これは、モリブデン（Ｍｏ）が有する高い伝導度、光吸収層とのオーミック（ohmic）接合、Ｓｅ雰囲気下での高温安全性のためである。前記後面電極層１１０であるモリブデン薄膜は電極としての比抵抗が低くなければならず、熱膨張係数の差によって剥離現象が起こらないように前記基板２００への粘着性に優れなければならない。前記後面電極層２１０は少なくとも１つ以上の層に形成される。また、前記後面電極層２１０が複数個の層に形成される時、前記後面電極層２１０をなす層は互いに異なる物質で形成される。
図１１を参照して、前記後面電極層２１０の上に光吸収層２２０が形成される。前記光吸収層２２０はＩｂ−ＩＩＩｂ−ＶＩｂ系化合物を含む。より詳しくは、前記光吸収層１２０は銅−インジウム−ガリウム−セレナイド系（Ｃｕ（Ｉｎ、Ｇａ）Ｓｅ２、ＣＩＧＳ系）化合物、または銅−インジウム−セレナイド系（ＣｕＩｎＳｅ２、ＣＩＳ系）化合物を含むことができる。
例えば、前記光吸収層２２０を形成するために、銅ターゲット、インジウムターゲット、及びガリウムターゲットを使用して、前記後面電極層２１０の上にＣＩＧ系金属プリカーソル（precusor）膜が形成される。
以後、前記金属プリカーソル膜は、セレニゼーション（selenization）工程によりセレニウム（Ｓｅ）と反応してＣＩＧＳ系光吸収層２２０が形成される。また、前記光吸収層２２０は、銅（Ｃｕ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、セレナイド（Ｓｅ）を同時蒸着法（co‐evaporation）により形成することもできる。前記光吸収層２２０は、外部の光の入射を受けて電気エネルギーに変換させる。前記光吸収層２２０は光電効果によって光起電力を生成する。
図１２を参照して、前記光吸収層２２０の上にバッファ層２３０及び高抵抗バッファ層２４０が形成される。
前記バッファ層２３０は前記光吸収層２２０の上に少なくとも１つ以上の層に形成され、硫化カドミウム（Ｃｄｓ）が積層されて形成される。この際、前記バッファ層２３０はｎ型半導体層であり、前記光吸収層２２０はｐ型半導体層である。したがって、前記光吸収層２２０及びバッファ層２３０はｐｎ接合を形成する。
前記高抵抗バッファ層２４０は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）をターゲットにしたスパッタリング工程を進行して、前記硫化カドミウム（Ｃｄｓ）の上に酸化亜鉛層に更に形成される。前記高抵抗バッファ層２４０は、前記バッファ層２３０の上に透明電極層に形成される。
例えば、前記高抵抗バッファ層２４０は、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ｉ−ＺｎＯのうちのいずれか１つで形成される。前記バッファ層２３０及び高抵抗バッファ層２４０は、前記光吸収層２２０と以後に形成される前面電極層２５０との間に配置される。
即ち、前記光吸収層２２０と前面電極層２５０は、格子定数とエネルギーバンドギャップの差が大きい。したがって、２物質の中間に位置するバンドギャップを有する前記バッファ層２３０及び高抵抗バッファ層２４０が挿入されて、前記光吸収層２２０及び前記前面電極層２５０の間の良好な接合を形成することができる。
本実施形態では２つのバッファ層２３０、２４０を前記光吸収層２２０の上に形成したが、これに限定されず、バッファ層は１つの層のみに形成されたり、３個以上の層に形成されることもできる。
図４を参照して、前記高抵抗バッファ層２４０の上に透明な導電物質が積層されて前面電極層２５０が形成される。前記前面電極層２５０は透明な導電層であり、ウィンドウ層である。
前記前面電極層２５０は、第１導電層２５１及び第２導電層２５２を含む。
例えば、前記第１導電層２５１及び第２導電層２５２は、アルミニウム（Ａｌ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、マグネシウム（Ｍｇ）、ガリウム（Ｇａ）などの不純物を含む亜鉛系酸化物、またはＩＴＯ（Indim Tin Oxide）で形成される。
前記第１導電層２５１は高抵抗バッファ層２４０の上に形成され、前記第２導電層２５２は前記第１導電層２５１の上に形成される。
前記第１導電層２５１のグレーンサイズ（grain size）は、前記第２導電層２５２のグレーンサイズより小さいことがある。即ち、前記第１導電層２５１は単位面積当たり高い密度の結晶粒子で形成される。これによって、前記第１導電層２５１は拡散防止膜の役割をすることができる。
即ち、前記第１導電層２５１は、前記第２導電層２５２が形成される時、前記第２導電層２５２に含まれた導電性不純物の下部の層２２０、２３０、２４０への拡散を防止することができる。
前記第１導電層２５１は、前記前面電極層２５０の厚さの約５％乃至約４０％の厚さを有するように形成される。例えば、前記第１導電層２５１は、約２５ｎｍ乃至約６００ｎｍの厚さを有することができる。より詳しくは、前記第１導電層２５１は、約１００ｎｍ乃至約３００ｎｍの厚さを有することができる。
また、前記第２導電層２５２の厚さは、前記前面電極層２５０の厚さの約６０％乃至約９５％でありうる。例えば、前記第２導電層２５２の厚さは、約３００ｎｍ乃至約１４７５ｎｍでありうる。
前記第１導電層２５１及び第２導電層２５２は前記光吸収層２２０とｐｎ接合を形成し、太陽電池の前面の透明電極機能するので、光透過率が高く、電気伝導性の高い酸化亜鉛（ＺｎＯ）で形成される。
例えば、前記第１導電層２５１及び第２導電層２５２は、スパッタリング工程を進行してアルミニウムドーピングされた酸化亜鉛（Al doped ZnO）で形成することができる。したがって、前記第１導電層２５１及び第２導電層２５２は、低い面抵抗及び高い透過率を有するように形成することができる。
前記第１導電層２５１及び第２導電層２５２は、連続的なスパッタリング工程により形成される。前記第１導電層２５１は相対的に低い電力及び相対的に高い圧力の第１スパッタリング工程により形成され、前記第２導電層２５２は相対的に高い電力及び相対的に低い圧力の第２スパッタリング工程により形成される。
即ち、前記第１導電層２５１及び第２導電層２５２は、同一のスパッタリングチャンバーで工程条件の変化によって連続的に形成することができる。
例えば、前記第１導電層２５１を形成する第１スパッタリング工程は、０．８乃至１．１ｋＷ／ｃｍ２電力と、１００乃至２００ｓｃｃｍのアルゴンガス（Ar gas）及び５乃至８ｍｔｏｒｒの工程圧力で進行される。この際、前記第１導電層２５１のグレーンサイズは約５０ｎｍ乃至約３００ｎｍでありうる。
前記第１スパッタリング工程の低電力によって前記第１導電層２５１をなす結晶粒は小さいグレーンサイズで形成され、高圧力によって前記高抵抗バッファ層２４０の上に緻密な膜で蒸着される。これによって、前記第１導電層２５１は高密度で形成され、その上下部に位置した膜との密着力を向上させることができる。
また、前記第１導電層２５１は漏洩電流の発生を遮断して素子の電気的な特性を向上させることができる。これは、前記第１導電層２５１が緻密な膜質を有するので、前記第２導電層２５２の形成時、アルミニウムイオンの下部の他の膜への拡散を防止するバリア膜の機能を遂行するためである。
前記第１スパッタリング工程により第１導電層２５１の形成後、第２スパッタリング工程が進行される。例えば、第２スパッタリング工程は、３．１乃至３．９ｋＷ／ｃｍ２電力と、１００乃至２００ｓｃｃｍのアルゴンガス（Ar gas）及び１乃至３ｍｔｏｒｒの工程圧力で進行される。この際、前記第２導電層２５２は、約５００ｎｍ乃至約１５００ｎｍのグレーンサイズを有することができる。
前記第２スパッタリング工程の高電力によって前記第２導電層２５２をなす結晶粒は大きいグレーンサイズで形成され、低圧力によって蒸着速度を高めるようになって所望の厚さで形成される。
これによって、前記第２導電層２５２は伝導性及び投光性が向上することができる。
前記第１導電層２５１は稠密な膜形態に形成されているので、前記第２導電層２５２の形成時、アルミニウムイオンの下部の膜への拡散を防止して、素子の電気的な特性を向上させることができる。
特に、前記第１及び第２導電層２５１、２５２は、約１００℃乃至約１５０℃の温度で形成される。これは、前記第１導電層２５１が高電力及び低圧力により形成されて、その膜質が緻密であるので、アルミニウムイオンの拡散を防止することができるためである。これによって、前記第２導電層２５２の結晶性を改善し、伝導性及び投光性を向上させることができる。
前記第１導電層２５１と前記第２導電層２５２は同一の物質で形成され、密着力を向上させることができる。
前記第１及び第２スパッタリング工程のターゲット物質であるアルミニウムドーピングされた酸化亜鉛（Al doped ZnO）のアルミニウムドーピング濃度の変化無しで、１つのターゲットに前記第１導電層２５１及び第２導電層２５２を形成することができる。即ち、工程の追加無しで、工程条件のみに変化を与えてバリア役割をする前記第１導電層２５１を形成することができるので、素子の生産性を向上させることができる。
前記第１導電層２５１によりアルミニウムイオンの拡散を防止することができるので、前記高抵抗バッファ層２４０の厚さを最小限に形成することができる。これによって、光吸収層２２０への光透過率を向上させることができる。
また、前記第１導電層２５１により線抵抗損失を防止することができ、前面電極層２５０の全厚さを低めることができるので、光透過率を向上させることができる。
一方、類似の目的で、ある元素が含まれた膜の蒸着時、拡散が問題となる素子で実施形態の２ステップのスパッタリング工程を適用することができる。即ち、蒸着条件（例えば、電力及び圧力）を変化させて、初期界面にバリア膜を形成して拡散を防止することができる。
以上、本発明を好ましい実施形態をもとに説明したが、これは単なる例示であり、本発明を限定するのでない。本発明の本質的な特性を逸脱しない範囲内で、多様な変形及び応用が可能であることが同業者にとって明らかである。例えば、実施形態に具体的に表れた各構成要素は変形して実施することができ、このような変形及び応用にかかわる差異点も、特許請求の範囲で規定する本発明の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。
＜実施例１＞
Figure 2012530378
＜実施例２＞
Figure 2012530378
第１実験例と第２実験例は互いに異なる電力が印加される第１カソードと第２カソードが共に配置されており、一回のスパッタリング工程により前面電極層を形成した。但し、第１実験例は常温で前面電極層が形成され、第２実験例は１５０℃で前面電極層が形成される。
下記の比較例のように、同一電力をカソード（Cathode）に印加する方式では、所望の面抵抗と透過率を確保するためには高温工程（１５０℃）が必要であるが、＜実験例１＞から確認できるように、常温でも低い面抵抗と高い透過率が得られることが分かる。
＜実験例２＞での特性向上は温度による効果と考えられる。
＜比較例＞
Figure 2012530378
比較例は、一定の電力が印加されるカソードが配置されており、高い工程圧力及び高い温度によって前面電極層を形成した。
上記の実験例に記載された通り、本実施形態に従う後面電極層は、一回のスパッタリング工程により密着力及び面抵抗を同時に満たすことができ、一回のスパッタリング工程により後面電極層を製造して向上した効率を有することができる。
本発明に係る太陽電池は、太陽電池分野に使われる。

Claims (20)

  1. 基板と、
    前記基板の上に配置される後面電極層と、
    前記後面電極層の上に配置される光吸収層と、
    前記光吸収層の上に配置される前面電極層と、を含み、
    前記前面電極層は、
    前記光吸収層の上に配置される第１導電層と、
    前記第１導電層の上に配置される第２導電層と、
    を含むことを特徴とする、太陽電池。
  2. 前記第１導電層及び前記第２導電層は同一の物質からなり、互いに異なるグレーンサイズを有することを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
  3. 前記前面電極層は、前記第２導電層の上に配置される第３導電層を含むことを特徴とする、請求項２に記載の太陽電池。
  4. 前記第３導電層及び前記第２導電層は同一の物質からなり、互いに異なるグレーンサイズを有することを特徴とする、請求項３に記載の太陽電池。
  5. 前記前面電極層は前記第３導電層の上に配置される第４導電層を含み、
    前記第３導電層及び前記第４導電層は同一の物質からなり、互いに異なるグレーンサイズを有することを特徴とする、請求項４に記載の太陽電池。
  6. 前記第２導電層のグレーンサイズ及び前記第４導電層のグレーンサイズは互いに対応し、
    前記第１導電層のグレーンサイズ及び前記第３導電層のグレーンサイズは互いに対応することを特徴とする、請求項５に記載の太陽電池。
  7. 前記第１導電層のグレーンサイズは１５ｎｍ乃至２０ｎｍであり、前記第２導電層のグレーンサイズは３０ｎｍ乃至４０ｎｍであることを特徴とする、請求項２に記載の太陽電池。
  8. 前記第１導電層の厚さは前記前面電極層の厚さの５％乃至４０％であり、
    前記第２導電層の厚さは前記前面電極層の厚さの６０％乃至９５％であることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
  9. 前記第２導電層の厚さは３００ｎｍ乃至１４７５ｎｍであることを特徴とする、請求項１に記載の太陽電池。
  10. 基板と、
    前記基板の上に配置される後面電極層と、
    前記後面電極層の上に配置される光吸収層と、
    前記光吸収層の上に配置される多数個の導電層と、を含み、
    前記導電層は同一の物質からなり、
    互いに隣接する導電層は互いに異なるグレーンサイズを有することを特徴とする、太陽電池。
  11. 前記導電層の個数は３個乃至１０個であることを特徴とする、請求項１０に記載の太陽電池。
  12. 互いに隣接する導電層の間の屈折率は互いに異なることを特徴とする、請求項１０に記載の太陽電池。
  13. 基板の上に後面電極層を形成するステップと、
    前記後面電極層の上に光吸収層を形成するステップと、
    前記光吸収層の上に第１電力を使用して第１導電層を形成するステップと、
    前記第１導電層の上に第２電力を使用して第２導電層を形成するステップと、
    を含むことを特徴とする、太陽電池の製造方法。
  14. 前記第２導電層の上に第３電力を使用して第３導電層を形成するステップを含むことを特徴とする、請求項１３に記載の太陽電池の製造方法。
  15. 前記第３導電層の上に第４電力を使用して第４導電層を形成するステップを含むことを特徴とする、請求項１４に記載の太陽電池の製造方法。
  16. 前記第１電力は前記第３電力に対応し、前記第２電力は前記第４電力に対応することを特徴とする、請求項１５に記載の太陽電池の製造方法。
  17. 前記第１導電層を形成するためのターゲット及び前記第２導電層を形成するためのターゲットは同一の物質を含むことを特徴とする、請求項１３に記載の太陽電池の製造方法。
  18. 前記第１導電層を形成するステップ及び前記第２導電層を形成するステップは、アルミニウムがドーピングされたジンクオキサイドターゲットを使用するスパッタリング工程により進行され、
    前記第１電力は１ｋＷ／ｃｍ２乃至２ｋＷ／ｃｍ２であり、前記第２電力は４ｋＷ／ｃｍ２乃至１０ｋＷ／ｃｍ２であることを特徴とする、請求項１３に記載の太陽電池の製造方法。
  19. 前記第１導電層を形成するステップは第１圧力で進行され、
    前記第２導電層を形成するステップは前記第１圧力より低い第２圧力で進行されることを特徴とする、請求項１３に記載の太陽電池の製造方法。
  20. 前記第１電力は０．８ｋＷ／ｃｍ２乃至１．１ｋＷ／ｃｍ２であり、
    前記第１導電層は５ｍｔｏｒｒ乃至８ｍｔｏｒｒの圧力で形成され、
    前記第２電力は３．１ｋＷ／ｃｍ２乃至３．９ｋＷ／ｃｍ２であり、
    前記第２導電層は１ｍｔｏｒｒ乃至３ｍｔｏｒｒの圧力で形成されることを特徴とする、請求項１３に記載の太陽電池の製造方法。
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