JP2013062547A - 太陽電池及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】製造が容易で、効率が向上されたＣＩＧＳ系の薄膜太陽電池及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態に係る太陽電池は、基板上の金属電極層と、金属電極層上の光吸収層と、光吸収層上のインジウムガリウム窒化膜（ＩｎＸＧａ１−ＸＮ、０＜Ｘ＜１）を含み、膜厚が１０〜１０００Åのバッファ層と、バッファ層上の透明電極層と、を含む。これにより、バッファ層と光吸収層の界面で、伝導帯域のバンドオフセットを減少させることができ、太陽光によって発生した電荷の移動が容易で、太陽電池の効率が増加することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池及びその製造方法に関し、より詳細には、ＣＩＧＳ系の薄膜太陽電池及びその製造方法に関する。
太陽電池の市場の成長によるシリコン元素材の不足問題によって、薄膜太陽電池に対する関心が高まっている。薄膜太陽電池は、素材によって非晶質又は結晶質シリコン薄膜太陽電池、ＣＩＧＳ系の薄膜太陽電池、ＣｄＴｅ薄膜太陽電池、染料感応太陽電池などに区分されることができる。ＣＩＧＳ系の薄膜太陽電池の光吸収層は、ＣｕＩｎＳｅ２に代表されるＩ−ＩＩＩ−ＶＩ２族の化合物半導体で構成され、直接遷移型のエネルギバンドギャップを有し、光吸収係数が高くて、１〜２μｍの薄膜に高効率の太陽電池の製造が可能である。
ＣＩＧＳ系の太陽電池の効率は、非晶質シリコン、ＣｄＴｅなど一部の実用化されている薄膜太陽電池に比べて高いだけではなく、既存の多結晶シリコン太陽電池に近接することと知られている。又、ＣＩＧＳ系の太陽電池は、構成する素材価格が他の種類の太陽電池の素材に比べて低廉で、柔軟に製作することができるだけではなく、長い時間の間に性能が落ちない特性を有する。
韓国特許公開第２００８−０００９３４６号公報
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、製造が容易で、効率が向上された太陽電池及びその製造方法を提供することにある。
上述の目的を達成するため、本発明の実施形態による太陽電池は、基板上の金属電極層と、前記金属電極層上の光吸収層と、前記光吸収層上のインジウムガリウム窒化膜（ＩｎＸＧａ１−ＸＮ）とを含み、膜厚が１０〜１０００Åのバッファ層と、前記バッファ層上の透明電極層と、を含む。
本発明の実施形態によると、前記インジウムガリウム窒化膜（ＩｎＸＧａ１−ＸＮ）で、Ｘは前記光吸収層から離れるほど小さくなることができる。
本発明の実施形態によると、前記インジウムガリウム窒化膜のエネルギバンドギャップは、前記光吸収層のエネルギバンドギャップと前記透明電極層のエネルギバンドギャップとの間の値を有し、前記インジウムガリウム窒化膜のエネルギバンドギャップは、前記光吸収層から離れるほど大きくなることができる。
本発明の他の実施形態による太陽電池は、前記インジウムガリウム窒化膜と前記光吸収層との間に配置されるシード層をさらに含むことができる。
本発明の他の実施形態によると、前記シード層は、インジウム窒化膜ＩｎＮで構成されることができる。
本発明の実施形態によると、前記光吸収層は、ＣｕＩｎＳｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＩｎＧａＳｅ、ＣｕＩｎＧａＳｅ２に形成されたグループから選択された何れか一つのカルコパイライト（ｃｈａｌｃｏｐｙｒｉｔｅ）系の化合物半導体を含むことができる。
本発明の実施形態による太陽電池の製造方法は、基板上に金属電極層を形成することと、前記金属電極層上に光吸収層を形成することと、前記光吸収層上にインジウムガリウム窒化膜（ＩｎＸＧａ１−ＸＮ）を含み、膜厚が１０〜１０００Åのバッファ層を形成することと、前記バッファ層上に透明電極層を形成することと、を含む。
本発明の一実施形態によると、前記バッファ層は、前記光吸収層と同一の方法に形成されることができる。
本発明の一実施形態によると、前記バッファ層は、同時蒸発法（ｃｏ−ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）に形成されることができる。
本発明の一実施形態によると、前記光吸収層は、インジウムＩｎ、銅Ｃｕ、セレンＳｅ、ガリウムＧａ及び窒素Ｎを同時に蒸発させて形成し、前記バッファ層は、インジウム、ガリウム及び窒素を同時に蒸発させて形成されることができる。
本発明の一実施形態によると、前記インジウムガリウム窒化膜（ＩｎＸＧａ１−ＸＮ）は、前記光吸収層から離れるほどＸが小さくなるように組成比を調節して形成されることができる。
本発明の一実施形態によると、前記インジウムガリウム窒化膜（ＩｎＸＧａ１−ＸＮ）は、前記光吸収層から離れるほどエネルギバンドギャップが増加するように形成されることができる。
本発明の一実施形態による太陽電池の製造方法は、前記インジウムガリウム窒化膜（ＩｎＸＧａ１−ＸＮ）と前記光吸収層との間にシード層を形成することをさらに含み、前記シード層を形成することは、セレンと窒素を交互に蒸発させて前記光吸収層の表面を窒素処理し、前記光吸収層の表面のインジウムと窒素を反応させてインジウム窒化膜ＩｎＮを形成することを含むことができる。
本発明の一実施形態によると、前記バッファ層と前記透明電極層は、同一な結晶構造に形成されることができる。
本発明の実施形態によると、前記基板は、スパッタリングチャンバと同時蒸発チャンバを具備するクラスタ装備にローディングされ、前記金属電極層及び透明電極層は、スパッタリングチャンバで形成され、前記光吸収層と前記バッファ層は、同時蒸発チャンバで形成されることができる。
本発明の実施形態によると、太陽電池のバッファ層は、インジウムガリウム窒化膜で構成される。前記インジウムガリウム窒化膜は、組成比によってエネルギバンドギャップを容易に調節することができる。前記バッファ層と光吸収層の界面で、伝導帯域のバンドオフセットが減少することができる。これによって、太陽光によって発生した電荷の移動が容易で、太陽電池の効率が増加することができる。
本発明の実施形態によると、太陽電池のバッファ層は、同時蒸発法によって形成されることができる。前記バッファ層は、カドミウムスルフィド（Ｃａｄｍｉｕｍ Ｓｕｌｆｉｄｅ）ではないインジウムガリウム窒化膜に形成されることができる。従って、本発明の実施形態による太陽電池の製造方法は、環境汚染を減少させることができ、真空工程に一貫に薄膜を形成することができる。
本発明の一実施形態によるＣＩＧＳ系の薄膜太陽電池を説明するための図である。 本発明の実施形態による太陽電池のエネルギバンドダイヤグラムを説明するためのグラフである。 本発明の比較例による太陽電池のエネルギバンドダイヤグラムを説明するためのグラフである。 本発明の他の実施形態によるＣＩＧＳ系の薄膜太陽電池を説明するための図である。 本発明の実施形態による太陽電池の製造方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施形態による太陽電池の製造方法に使われる同時蒸発装置に対する概略図である。 本発明の実施形態による太陽電池の製造方法に使われるクラスタ装備に対する概略図である。
以下では、本発明が属する技術分野で通常の知識を有した者が本発明の技術的な思想を容易に実施することができるように本発明の実施形態を添付された図面を参照して説明するようにする。しかし、本発明は、ここで説明される実施形態に限定されずに他の形態に具体化されることができる。さって、ここで紹介される実施形態は、開示された内容が徹底で、完全になるように、そして当業者に本発明の技術的な思想が十分に伝えられるように提供される。
図面において、各々の構成要素は、明確性のために誇張されて表現されうる。明細書の全体にかけて同一の参照番号に示された部分は同一の構成要素を示す。
一方、説明の簡略さのために以下では、本発明の技術的な思想が適用されることができるいくつかの実施形態を例示的に説明し、多様な変形された実施形態に対する説明は省略する。しかし、この分野に従事する通常の知識を有した者は、上述した説明及び例示される実施形態に基づいて、本発明の技術的な思想を多様な場合に対して変形して適用できる。
図１は、本発明の一実施形態によるＣＩＧＳ系の薄膜太陽電池を説明するための図である。
図１を参照すると、基板１００上に金属電極層１１０が配置される。前記基板１００は、ソーダ石灰ガラス（ｓｏｄａ ｌｉｍｅ ｇｌａｓｓ）基板であることができる。前記ソーダ石灰ガラス基板は、相対的に値段が安い基板材料に知られている。又、前記ソーダ石灰ガラス基板のナトリウムが光吸収層に広がって、ＣＩＧＳ系の薄膜太陽電池の光電圧特性を向上させることができる。これと異なるように、前記基板１００は、アルミニウムのようなセラミック基板、ステンレス鋼板、銅テープなどの金属基板又は高分子（ｐｏｌｙ）フィルムであることができる。
前記金属電極層１１０は、比抵抗が低く、熱膨張係数の差によって剥離現状が発生しないようにガラス基板に対する粘着性が優秀であることが望ましい。具体的に、前記金属電極層１１０は、モリブデン（Ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍ）で構成されることができる。モリブデンは、高い電気伝導度、他の薄膜とのオーム接合（ｏｈｍｉｃ ｃｏｎｔａｃｔ）形成特性、セレンＳｅ雰囲気下で高温安全性を有することができる。
前記金属電極層１１０上に光吸収層１２０が配置される。前記光吸収層１２０は、ＣｕＩｎＳｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＩｎＧａＳｅ、ＣｕＩｎＧａＳｅ２に形成されたグループから選択された何れか一つのカルコパイライト系の化合物半導体を含むことができる。
前記光吸収層１２０上に、インジウムガリウム窒化膜（ＩｎＸＧａ１−ＸＮ）を含むバッファ層１３０が配置される。ここで、Ｘは０より大きく、１より小さいことができる。前記バッファ層１３０上に透明電極層１４０が配置される。前記バッファ層１３０のエネルギバンドギャップ（ｅｎｅｒｇｙ ｂａｎｄ ｇａｐ）は、前記光吸収層１２０のバンドギャップよりは大きく、前記透明電極層１４０のバンドギャップより小さくなければならない。前記バッファ層１３０のエネルギバンドギャップは、インジウムガリウム窒化膜（ＩｎＸＧａ１−ＸＮ）の組成比によって変わることができる。即ち、前記インジウムガリウム窒化膜（ＩｎＸＧａ１−ＸＮ）で、Ｘが小さくなるほどガリウムの増加エネルギバンドギャップは増加することができる。
本発明の実施形態によると、前記インジウムガリウム窒化膜（ＩｎＸＧａ１−ＸＮ）は、前記光吸収層１２０から離れるほど（又は前記透明電極層１４０に近づくほど）ガリウムの造成比が順次的に増加することができる。これによって、前記インジウムガリウム窒化膜（ＩｎＸＧａ１−ＸＮ）のエネルギバンドギャップは、前記光吸収層１２０から離れるほど漸進的に大きくなることができる。
前記光吸収層１２０に隣接するインジウムガリウム窒化膜のエネルギバンドギャップが相対的に小さいので、前記光吸収層１２０と前記バッファ層１３０の界面に存在するバンドオフセット（ｂａｎｄ−ｏｆｆｓｅｔ）が減少することができる。従って、太陽光によって発生した電荷の移動が容易で、太陽電池の効率が増加することができる。
又、前記バッファ層１３０は、前記光吸収層１２０と透明電極層１４０の格子常数が異なるので、望ましい接合のために提供される。前記バッファ層１３０は、前記透明電極層１４０と同一の結晶構造を有することができる。例えば、前記バッファ層１３０と前記透明電極層１４０は、ウルツアイト（ｗｕｒｔｚｉｔｅ）結晶構造を有することができる。
前記透明電極層１４０は、光透過率が高く、電気伝導性が望ましい物質であることができる。例えば、前記透明電極層１４０は、亜鉛酸化膜ＺｎＯであることができる。前記亜鉛酸化膜ＺｎＯは、約３．２ｅＶのバンドギャップを有し、約８０％以上の高い光透過率を有することができる。前記亜鉛酸化膜ＺｎＯは、アルミニウム又は硼素などがドーピングされて低い抵抗値を有することができる。これと異なり、前記透明電極層１４０は、電気光学的な特性が優秀であるＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）薄膜をさらに含むことができる。
前記透明電極層１４０上に反射防止膜１５０が配置される。前記反射防止膜１５０は、太陽電池に入射される太陽光の反射損失を減少させることができる。前記反射防止膜１５０によって太陽電池の効率が向上することができる。前記透明電極層１５０に接触するグリッド（ｇｒｉｄ）電極（図示せず）が配置されることができる。前記グリッド電極は、太陽電池表面での電流を収集するためのことである。前記グリッド電極は、アルミニウムなどの金属であることができる。前記グリッド電極が占める部分は、太陽光が入射されないので、その部分を最小化する必要がある。
図２は、本発明の実施形態による太陽電池のエネルギバンドダイヤグラムを説明するためのグラフである。
図２は、本発明の実施形態によって光吸収層１２０がＣｕ（Ｉｎ、Ｇａ）Ｓｅ２であり、バッファ層１３０がＩｎＸＧａ１−ＸＮであり、透明電極層１４０がＺｎＯ膜である場合である。前記光吸収層１２０と前記透明電極層１４０は、ｐ−ｎ接合を形成する。前記光吸収層１２０は、エネルギバンドギャップが約１．２ｅＶであり、前記透明電極層１４０のエネルギバンドギャップが約３．２ｅＶである。前記バッファ層１３０のエネルギバンドギャップは、１．２〜３．２ｅＶであることができる。
前記バッファ層１３０は、前記光吸収層１２０から離れるほどエネルギバンドギャップが漸次的に大きくなることができる。前記光吸収層１２０に隣接したバッファ層１３０部分が前記透明電極層１４０に隣接したバッファ層１３０部分より小さいエネルギバンドギャップを有することができる。従って、前記光吸収層１２０と前記バッファ層１３０の界面で、伝導帯域のバンドオフセットΔＥｃが減少することができる。従って、太陽光によって発生した電荷の移動が容易で、太陽電池の効率が増加することができる。
図２で、前記バッファ層１３０のエネルギバンドギャップ又は伝導帯域が漸次的に変更されるように示したが、ＩｎＸＧａ１−ＸＮ薄膜の組成比によって、エネルギバンドギャップが変わることができる（又は、伝導帯域のバンドオフセットΔＥｃが減少）ことは当業者が理解することができるはずである。
図３は、本発明の比較例による太陽電池のエネルギバンドダイヤグラムを説明するためのグラフである。本発明の比較例で光吸収層１２０は、Ｃｕ（Ｉｎ、Ｇａ）Ｓｅ２であり、バッファ層１３０ａがＣｄＳであり、透明電極層１４０がＺｎＯ膜である場合である。
前記バッファ層１３０ａであるＣｄＳは、エネルギバンドギャップが約２．４ｅＶとして一定な値を有することができる。前記バッファ層１３０ａと光吸収層１２０の界面で伝導帯域のバンドオフセットΔＥｃが約１．２ｅＶ程度である。太陽光によって、前記光吸収層１２０で発生した電荷が１．２ｅＶ程度のバンドオフセットを容易に移動することが難しいことでありうる。特に、長波長領域の太陽光によって生成された電荷は、その自体のエネルギが小さいので、前記のようなバンドオフセットを移動することが難しいことでありうる。従って、前記ＣｄＳで構成されたバッファ層１３０ａを含む太陽電池は、その効率が本発明の実施形態に比べて減少することができる。
図４は、本発明の他の実施形態によるＣＩＧＳ系の薄膜太陽電池を説明するための図である。
図４を参照すると、基板１００上に金属電極層１１０が配置される。前記基板１００は、ソーダ石灰ガラス基板であることができる。前記ソーダ石灰ガラス基板は、相対的に値段が安い基板材料に知られている。又、前記ソーダ石灰ガラス基板のナトリウムが後述される光吸収層に広がって、ＣＩＧＳ系の薄膜太陽電池の光電圧特性を向上させることができる。これと異なり、前記基板１００は、アルミニウムのようなセラミック基板、ステンレス鋼板、銅テープなどの金属基板又は高分子フィルムであることができる。
前記金属電極層１１０は、比抵抗が低く、熱膨張係数の差によって剥離現状が発生しないようにガラス基板に対する粘着性が優秀なことが望ましい。具体的に、前記金属電極層１１０は、モリブデンで構成されることができる。モリブデンは、高い電気伝導度、他の薄膜とのオーム接合の形成特性、セレンＳｅ雰囲気下で高温安全性を有することができる。
前記金属電極層１１０上に光吸収層１２０が配置される。前記光吸収層１２０は、ＣｕＩｎＳｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＩｎＧａＳｅ、ＣｕＩｎＧａＳｅ２に形成されたグループから選択された何れか一つのカルコパイライト系の化合物半導体を含むことができる。
前記光吸収層１２０上にインジウムガリウム窒化膜（ＩｎＸＧａ１−ＸＮ）を含むバッファ層１３０が配置される。ここで、Ｘは０より大きく、１より小さいことができる。前記バッファ層１３０上に透明電極層１４０が配置される。
前記バッファ層１３０と前記光吸収層１２０との間にシード層１２５が配置されることができる。前記シード層１２５は、インジウム窒化膜ＩｎＮであることができる。前記シード層１２５は、前記光吸収層１２０上に前記バッファ層１３０が連続的に蒸着されることを補助することができる。前記シード層１２５は、前記光吸収層１２０と前記バッファ層１３０が互いに異なる結晶構造を有する場合に望ましい接合に寄与することができる。
前記バッファ層１３０のエネルギバンドギャップ は、前記光吸収層１２０のバンドギャップよりは大きく、前記透明電極層１４０のバンドギャップより小さくなければならない。前記バッファ層１３０のエネルギバンドギャップは、インジウムガリウム窒化膜（ＩｎＸＧａ１−ＸＮ）の組成比によって変わることができる。即ち、前記インジウムガリウム窒化膜（ＩｎＸＧａ１−ＸＮ）で、Ｘが小さくなるほどガリウムの増加エネルギバンドギャップは増加することができる。
本発明の他の実施形態によると、前記インジウムガリウム窒化膜（ＩｎＸＧａ１−ＸＮ）は、前記光吸収層１２０から離れるほど（又は前記透明電極層１４０に近づくほど）ガリウムの造成比が漸次的に増加することができる。これによって、前記インジウムガリウム窒化膜（ＩｎＸＧａ１−ＸＮ）のエネルギバンドギャップは、前記光吸収層１２０から離れるほど漸進的に大きくなることができる。
前記光吸収層１２０に隣接するインジウムガリウム窒化膜のエネルギバンドギャップが相対的に小さいので、前記光吸収層１２０と前記バッファ層１３０の界面に存在するバンドオフセットが減少することができる。従って、太陽光によって発生した電荷の移動が容易で、太陽電池の効率が増加することができる。
又、前記バッファ層１３０は、前記光吸収層１２０と透明電極層１４０の格子常数が異なるので、望ましい接合のために提供される。前記バッファ層１３０は、前記透明電極層１４０と同一な結晶構造を有することができる。例えば、前記バッファ層１３０と前記透明電極層１４０は、ウルツアイト結晶構造を有することができる。
前記透明電極層１４０は、光透過率が高く、電気伝導性が望ましい物質であることができる。例えば、前記透明電極層１４０は、亜鉛酸化膜ＺｎＯであることができる。前記亜鉛酸化膜ＺｎＯは、約３．２ｅＶのバンドギャップを有し、約８０％以上の高い光透過率を有することができる。前記亜鉛酸化膜ＺｎＯは、アルミニウム又は硼素などがドーピングされて低い抵抗値を有することができる。これと異なり、前記透明電極層１４０は、電気光学的な特性が優秀であるＩＴＯ薄膜をさらに含むことができる。
前記透明電極層１４０上に反射防止膜１５０が配置される。前記反射防止膜１５０は、太陽電池に入射される太陽光の反射損失を減少させることができる。前記反射防止膜１５０によって、太陽電池の効率が向上されることができる。前記透明電極層１５０に接触するグリッド電極（図示せず）が配置されることができる。前記グリッド電極は、太陽電池の表面での電流を収集するためのことである。前記グリッド電極は、アルミニウムなどの金属であることができる。前記グリッド電極が占める部分は、太陽光が入射されないので、その部分を最小化する必要がある。
本発明の他の実施形態によると、前記シード層１２５は、前記バッファ層１３０と前記光吸収層１２０の望ましい接合に寄与することができる。又、前記バッファ層１２５は、エネルギバンドギャップが漸次的に増加して太陽電池の効率を向上させることができる。
図５は、本発明の実施形態による太陽電池の製造方法を説明するためのフローチャートである。
図１及び５を参照すると、基板１００上に金属電極層１１０が形成される（Ｓ１０）。前記基板１００は、ソーダ石灰ガラス基板、アルミニウムのようなセラミック基板、ステンレス鋼板、銅テープなどの金属基板又は高分子フィルムの中、何れか一つに形成されることができる。本発明の実施形態によると、前記基板１００は、ソーダ石灰ガラスに形成されることができる。
前記金属電極層１１０は、スパッタリング方法又は電子ビーム蒸着方法に形成されることができる。前記金属電極層１１０は、比抵抗が低く、熱膨張係数の差によって剥離現状が発生しないようにガラス基板に対する粘着性が優秀な物質に形成することが望ましい。具体的に、前記金属電極層１１０は、モリブデンで構成されることができる。モリブデンは、高い電気伝導度、他の薄膜とのオーム接合の形成特性、セレンＳｅ雰囲気下で高温安全性を有することができる。前記金属電極層１１０は、０．５〜１μｍの厚さに形成されることができる。
前記金属電極層１１０上に光吸収層１２０が形成される（Ｓ２０）。前記光吸収層１２０は、ＣｕＩｎＳｅ、ＣｕＩｎＳｅ、ＣｕＩｎｓｅ２、ＣｕＩｎＧａＳｅ、ＣｕＩｎＧａＳｅ２に形成されたグループから選択された何れか一つのカルコパイライト系の化合物半導体に形成されることができる。このような化合物半導体は、ＣＩＧＳ系の薄膜に通称されることができる。
前記光吸収層１２０は、同時蒸発法に形成されることができる。前記光吸収層１２０は、インジウムＩｎ、銅Ｃｕ、セレンＳｅ、ガリウムＧａ及び窒素Ｎを同時に蒸発させて形成できる。具体的に、前記ＣＩＧＳ系の薄膜は、インジウム蒸発源（ｅｆｆｕｓｉｏｎ ｃｅｌｌ）、銅蒸発源、ガリウム蒸発源、セレン蒸発源及び窒素蒸着源（ｃｒａｃｋｅｒ）を利用して蒸着されることができる。例えば、インジウム蒸発源はＩｎ２Ｓｅ３であり、銅蒸発源はＣｕ２Ｓｅであり、ガリウム蒸発源はＧａ２Ｓｅ３であり、セレン蒸発源はＳｅであることができる。前記蒸発源は、高純度の材料、例えば９９．９９％以上であることができる。前記光吸収層１２０を形成する際、前記基板１００の温度は３００〜６００℃であることができる。前記光吸収層１２０は、１〜３μｍの厚さに形成されることができる。前記光吸収層１２０は、単一層又は多層構造に形成されることができる。
前記光吸収層１２０上にインジウムガリウム窒化膜（ＩｎＸＧａ１−ＸＮ）を含むバッファ層１３０が形成される（Ｓ３０）。ここで、Ｘは０より大きく、１より小さいことであることができる。前記バッファ層１３０は、前記光吸収層１２０と同一な方法に形成されることができる。前記バッファ層１３０と前記光吸収層１２０は、同時蒸発法に形成されることができる。前記バッファ層１３０は、インジウム、ガリウム及び窒素を同時に蒸発させてインジウムガリウム窒化膜（ＩｎＸＧａ１−ＸＮ）に形成されることができる。前記インジウムガリウム窒化膜は、蒸着温度を３００〜６００℃に維持しながらガリウム、インジウム及び窒素の比率を調節して形成されることができる。前記バッファ層１３０は、１０〜１０００Åの厚さに形成されることができる。
これと異なり、前記バッファ層１３０は、原子層蒸着（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方法、化学気相蒸着（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方法又はスパッタリング（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）方法に形成されることができる。
前記バッファ層１３０がカドミウムスルフィドＣｄＳ薄膜に形成される場合、前記ＣｄＳ薄膜は、化学槽蒸着法ＣＢＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｂａｔｈ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）に形成されることができる。この場合、次のような問題点が発生されうる。
前記化学槽蒸着法は、溶液を混合する湿式工程によって薄膜形成の再現性が難しく、溶液濃度変化による薄膜の特性変化が発生されうる。又、毒性物質であるカドミウムＣｄの使用による環境汚染及び工程進行に難しさが発生されうる。前記化学槽蒸着法は、真空工程を利用して蒸着する前記光吸収層１２０及び透明電極層の形成工程と一貫工程に具現されることができない。前記化学槽蒸着法は、１００℃附近の低温反応を利用するので、後続高温工程で既形成された薄膜が損傷されうる。本発明の実施形態によるバッファ層１３０の形成方法は、このような化学槽蒸着法の問題点を解決することができる。
図４で説明されたように、前記バッファ層１３０と前記光吸収層１２０との間にシード層１２５が形成されることができる。前記シード層１２５は、インジウム窒化膜ＩｎＮに形成されることができる。前記シード層１２５を形成することは、セレンと窒素を交互に蒸発させて前記光吸収層１２０の表面を窒素処理し、前記光吸収層１２０の表面のインジウムと窒素を反応させてインジウム窒化膜ＩｎＮを形成することを含むことができる。前記セレンＳｅと窒素は、蒸着温度を３００〜６００℃に維持しながら交互に蒸発させることができる。セレン雰囲気から窒素雰囲気に転換して維持する時間は、０〜６０ｍｉｎ範囲に調節されることができる。
前記シード層１２５は、前記光吸収層１２０上に前記バッファ層１３０が連続的に蒸着されることを補助することができる。前記シード層１２５は、前記光吸収層１２０と前記バッファ層１３０が互いに異なる結晶構造を有する場合に望ましい接合に寄与することができる。
前記バッファ層１３０のエネルギバンドギャップは、前記光吸収層１２０のバンドギャップよりは大きく、前記透明電極層１４０のバンドギャップより小さくなければならない。前記バッファ層１３０のエネルギバンドギャップは、インジウムガリウム窒化膜（ＩｎＸＧａ１−ＸＮ）の組成比によって変わることができる。即ち、前記インジウムガリウム窒化膜（ＩｎＸＧａ１−ＸＮ）で、Ｘが小さくなるほど（ガリウムの増加）エネルギバンドギャップは増加することができる。
本発明の実施形態によると、前記インジウムガリウム窒化膜（ＩｎＸＧａ１−ＸＮ）は、前記光吸収層１２０から離れるほど（又は前記透明電極層１４０に近づくほど）ガリウムの造成比が漸次的に増加することができる。これによって、前記インジウムガリウム窒化膜（ＩｎＸＧａ１−ＸＮ）は、エネルギバンドギャップが前記光吸収層１２０から離れるほど漸進的に大きくなるように形成されることができる。
前記光吸収層１２０に隣接するインジウムガリウム窒化膜のエネルギバンドギャップが相対的に小さいので、前記光吸収層１２０と前記バッファ層１３０の界面に存在するバンドオフセットが減少することができる。従って、太陽光によって発生した電荷の移動が容易で、太陽電池の効率が増加することができる。
前記バッファ層１３０上に透明電極層１４０が形成される（Ｓ４０）。前記透明電極層１４０は、光透過率が高く、電気伝導性が望ましい物質に形成されることができる。例えば、前記透明電極層１４０は、亜鉛酸化膜ＺｎＯに形成されることができる。前記亜鉛酸化膜ＺｎＯは、約３．２ｅＶのバンドギャップを有し、約８０％以上の高い光透過率を有することができる。前記亜鉛酸化膜ＺｎＯは、アルミニウム又は硼素などがドーピングされて低い抵抗値を有するように形成されることができる。これと異なり、前記透明電極層１４０は、電気光学的な特性が優秀であるＩＴＯ薄膜をさらに含むことができる。
又、前記バッファ層１３０は、前記光吸収層１２０と透明電極層１４０の格子常数が異なるので、望ましい接合のために形成されることができる。前記バッファ層１３０は、前記透明電極層１４０と同一な結晶構造に形成されることができる。例えば、前記バッファ層１３０と前記透明電極層１４０は、ウルツアイ結晶構造に形成されることができる。
前記透明電極層１４０上に反射防止膜１５０が形成される。前記反射防止膜１５０は、太陽電池に入射される太陽光の反射損失を減少させることができる。前記反射防止膜１５０によって太陽電池の効率が向上することができる。前記透明電極層１５０に接触するグリッド電極（図示せず）が配置されることができる。前記グリッド電極は、太陽電池表面での電流を収集するためのことである。前記グリッド電極は、アルミニウムなどの金属であることができる。前記グリッド電極が占める部分は、太陽光が入射されないので、その部分を最小化する必要がある。
図６は、本発明の実施形態による太陽電池の製造方法に使われる同時蒸発装置に対する概略図である。
図６を参照すると、同時蒸発装置２００は、チャンバ内に基板を固定する基板ホルダ２３０と、基板を加熱するヒータ２２０と、基板を回転させる回転モータ２１０と、を含むことができる。又、同時蒸発装置２００は、銅Ｃｕ蒸着源２６０と、インジウムＩｎ蒸着源２７０と、ガリウムＧａ蒸着源２８０と、セレンＳｅ蒸着源２９０と、窒素Ｎ蒸着源２５０と、を含む。
本発明の実施形態による光吸収層１２０（図１に示す）は、銅、インジウム、ガリウム、セレン、窒素を同時に蒸発させて形成され、バッファ層１３０（図１に示す）は、インジウム、ガリウム、窒素を同時に蒸発させて形成されることができる。
図７は、本発明の実施形態による太陽電池の製造方法に使われるクラスタ装備に対する概略図である。
図７を参照すると、クラスタ装備３００は、ロードロックチャンバ（ｌｏａｄｌｏｃｋ ｃｈａｍｂｅｒ）３１０と、トランスファーチャンバ（ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｈａｍｂｅｒ）３２０と、クールダウンチャンバ（ｃｏｏｌ ｄｏｗｎ ｃｈａｍｂｅｒ）３３０と、工程チャンバと、を含む。前記トランスファーチャンバ３２０は、内部に基板を移送するための移送装置を含む。前記移送装置は、工程チャンバとロードロックチャンバ３１０の相互間に基板を搬入及び搬出させることができる。前記クールダウンチャンバ３３０は、蒸着工程で上がった温度を下げることができる。前記工程チャンバは、スパッタリングチャンバ３４０と、同時蒸発チャンバ３５０と、原子層蒸着チャンバ３６０と、化学気相蒸着チャンバ３７０などを含むことができる。
再び図１を参照すると、本発明の実施形態による金属電極層１１０、光吸収層１２０、バッファ層１３０及び透明電極層１４０は、真空状態を維持しながら形成されることができる。基板１００がスパッタリングチャンバ３４０と同時蒸発チャンバ３５０を具備するクラスタ装備にローディングされることができる。前記金属電極層１１０及び透明電極層１４０は、スパッタリングチャンバ３４０で形成されることができる。前記光吸収層１２０及びバッファ層１３０は、同時蒸発チャンバ３５０で形成されることができる。これによって、金属電極層１１０、光吸収層１２０、バッファ層１３０及び透明電極層１４０は、真空状態で一貫された工程に形成されることができる。本発明の実施形態による太陽電池は、製造工程の単純化によって収率が増加され、製造費用が減少されることができる。又、太陽電池に使われる薄膜特性が向上されることができる。
これと異なり、本発明の他の実施形態によると、前記バッファ層１３０は、スパッタリングチャンバ３４０、原子層蒸着チャンバ３６０又は化学気相蒸着チャンバ３７０に形成されることができる。このような工程によっても真空状態で一貫された工程に形成されることができるので、太陽電池は、製造工程の単純化によって、収率が増加され、製造費用が減少されることができる。
１００ 基板
１１０ 金属電極層
１２０ 光吸収層
１３０ バッファ層
１４０ 透明電極層
１５０ 反射防止膜

Claims (15)

  1. 基板上の金属電極層と、
    前記金属電極層上の光吸収層と、
    前記光吸収層上のインジウムガリウム窒化膜（ＩｎＸＧａ１−ＸＮ、０＜Ｘ＜１）を含み、膜厚が１０〜１０００Åのバッファ層と、
    前記バッファ層上の透明電極層と、を含むことを特徴とする太陽電池。
  2. 前記インジウムガリウム窒化膜（ＩｎＸＧａ１−ＸＮ）で、Ｘは前記光吸収層から離れるほど小さくなることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池。
  3. 前記インジウムガリウム窒化膜のエネルギバンドギャップは、前記光吸収層のエネルギバンドギャップと前記透明電極層のエネルギバンドギャップとの間の値を有し、
    前記インジウムガリウム窒化膜のエネルギバンドギャップは、前記光吸収層から離れるほど大きくなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の太陽電池。
  4. 前記バッファ層と前記光吸収層との間に配置されるシード層をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の太陽電池。
  5. 前記シード層は、インジウム窒化膜ＩｎＮで構成されることを特徴とする請求項４に記載の太陽電池。
  6. 前記光吸収層は、ＣｕＩｎＳｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＩｎＧａＳｅ、ＣｕＩｎＧａＳｅ２に形成されたグループから選択された何れか一つのカルコパイライト（ｃｈａｌｃｏｐｙｒｉｔｅ）系の化合物半導体を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の太陽電池。
  7. 基板上に金属電極層を形成することと、
    前記金属電極層上に光吸収層を形成することと、
    前記光吸収層上にインジウムガリウム窒化膜（ＩｎＸＧａ１−ＸＮ、０＜Ｘ＜１）を含み、膜厚が１０〜１０００Åのバッファ層を形成することと、
    前記バッファ層上に透明電極層を形成することと、を含むことを特徴とする太陽電池の製造方法。
  8. 前記バッファ層は、前記光吸収層と同一の方法に形成されることを特徴とする請求項７に記載の太陽電池の製造方法。
  9. 前記バッファ層は、同時蒸発法に形成されることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の太陽電池の製造方法。
  10. 前記光吸収層は、インジウムＩｎ、銅Ｃｕ、セレンＳｅ、ガリウムＧａ及び窒素Ｎを同時に蒸発させて形成し、前記バッファ層は、インジウム、ガリウム及び窒素を同時に蒸発させて形成されることを特徴とする請求項９に記載の太陽電池の製造方法。
  11. 前記インジウムガリウム窒化膜（ＩｎＸＧａ１−ＸＮ）は、前記光吸収層から離れるほどＸが小さくなるように組成比を調節して形成されることを特徴とする請求項７乃至請求項１０のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。
  12. 前記インジウムガリウム窒化膜（ＩｎＸＧａ１−ＸＮ）は、前記光吸収層から離れるほどエネルギバンドギャップが増加するように形成されることを特徴とする請求項７乃至請求項１１のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。
  13. 前記インジウムガリウム窒化膜（ＩｎＸＧａ１−ＸＮ）と前記光吸収層との間にシード層を形成することをさらに含み、
    前記シード層を形成することは、セレンと窒素を交互に蒸発させて前記光吸収層の表面を窒素処理し、前記光吸収層の表面のインジウムと窒素を反応させてインジウム窒化膜ＩｎＮを形成することを含むことを特徴とする請求項７乃至請求項１２のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。
  14. 前記バッファ層と前記透明電極層は、同一な結晶構造に形成されることを特徴とする請求項７乃至請求項１３のいずれかに記載の太陽電池の製造方法。
  15. 前記基板は、スパッタリングチャンバと同時蒸発チャンバを具備するクラスタ装備にローディングされ、
    前記金属電極層及び透明電極層は、スパッタリングチャンバで形成され、前記光吸収層と前記バッファ層は、同時蒸発チャンバで形成されることを特徴とする請求項７に記載の太陽電池の製造方法。
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