KR100999810B1 - Solar cell and method of fabricating the same - Google Patents
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Abstract
태양전지 및 이의 제조방법이 개시된다. 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 전극층; 상기 전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되며, 인듐 셀레나이드 또는 인듐 설파이드를 포함하는 제 1 버퍼층; 상기 제 1 버퍼층 상에 배치되며, 징크 셀레나이드 또는 징크 설파이드를 포함하는 제 2 버퍼층; 및 상기 제 2 버퍼층 상에 배치되는 윈도우층을 포함한다.A solar cell and a method of manufacturing the same are disclosed. The solar cell is a substrate; An electrode layer disposed on the substrate; A light absorbing layer disposed on the electrode layer; A first buffer layer disposed on the light absorbing layer and including indium selenide or indium sulfide; A second buffer layer disposed on the first buffer layer and including zinc selenide or zinc sulfide; And a window layer disposed on the second buffer layer.
인듐, 설파이드, 셀레나이드, 징크, 버퍼 Indium, sulfide, selenide, zinc, buffer
Description
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.An embodiment relates to a solar cell and a manufacturing method thereof.
최근 에너지의 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지에 대한 개발이 진행되고 있다.Recently, as the demand for energy increases, development of solar cells for converting solar energy into electrical energy is in progress.
특히, 유리기판, 금속 이면 전극층, p형 CIGS계 광 흡수층, 고 저항 버퍼층, n형 창층 등을 포함하는 기판 구조의 pn 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다.In particular, CIGS-based solar cells that are pn heterojunction devices having a substrate structure including a glass substrate, a metal back electrode layer, a p-type CIGS-based light absorbing layer, a high resistance buffer layer, an n-type window layer, and the like are widely used.
실시예는 향상된 효율을 가지는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.Embodiments provide a solar cell having improved efficiency and a method of manufacturing the same.
실시예에 따른 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 전극층; 상기 전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되며, 인듐 셀레나이드 또는 인듐 설파이드를 포함하는 제 1 버퍼층; 상기 제 1 버퍼층 상에 배치되며, 징크 셀레나이드 또는 징크 설파이드를 포함하는 제 2 버퍼층; 및 상기 제 2 버퍼층 상에 배치되는 윈도우층을 포함한다.Solar cell according to the embodiment is a substrate; An electrode layer disposed on the substrate; A light absorbing layer disposed on the electrode layer; A first buffer layer disposed on the light absorbing layer and including indium selenide or indium sulfide; A second buffer layer disposed on the first buffer layer and including zinc selenide or zinc sulfide; And a window layer disposed on the second buffer layer.
일 실시예에 따른 태양전지는 상기 제 2 버퍼층 및 상기 윈도우층 사이에 개재되는 고저항 버퍼층을 포함한다.The solar cell according to an embodiment includes a high resistance buffer layer interposed between the second buffer layer and the window layer.
일 실시예에서, 상기 고저항 버퍼층은 징크 옥사이드를 포함한다.In one embodiment, the high resistance buffer layer comprises zinc oxide.
일 실시예에서, 상기 제 1 버퍼층은 2 eV 내지 2.7 eV의 에너지 밴드갭을 가지고, 상기 제 2 버퍼층은 2.7 eV 내지 3.7 eV의 에너지 밴드갭을 가진다.In one embodiment, the first buffer layer has an energy bandgap of 2 eV to 2.7 eV, and the second buffer layer has an energy bandgap of 2.7 eV to 3.7 eV.
일 실시예에서, 상기 제 1 버퍼층 또는 제 2 버퍼층은 알루미늄 도펀트 또는 은 도펀트를 포함할 수 있다.In one embodiment, the first buffer layer or the second buffer layer may include an aluminum dopant or a silver dopant.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 기판 상에 전극층을 형성하는 단계; 상기 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 인듐 셀레나이드 또는 인듐 설파이드를 포함하는 제 1 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 제 1 버퍼 층 상에 징크 셀레나이드 또는 징크 설파이드를 포함하는 제 2 버퍼층을 형성하는 단계; 및 상기 제 2 버퍼층 상에 윈도우층을 형성하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a solar cell according to an embodiment includes forming an electrode layer on a substrate; Forming a light absorbing layer on the electrode layer; Forming a first buffer layer including indium selenide or indium sulfide on the light absorbing layer; Forming a second buffer layer comprising zinc selenide or zinc sulfide on the first buffer layer; And forming a window layer on the second buffer layer.
실시예에 따른 태양전지는 두 개의 버퍼층을 포함한다. 따라서, 실시예에 따른 태양전지는 하나의 버퍼층을 포함하는 기존의 태양전지보다 더 세분화된 밴드갭 에너지를 가진다.The solar cell according to the embodiment includes two buffer layers. Therefore, the solar cell according to the embodiment has a more detailed bandgap energy than the conventional solar cell including one buffer layer.
따라서, 실시예에 태양전지는 외부의 태양광에 의해서 형성된 전자 및/또는 정공이 전극층 및 윈도우층에 용이하게 수송될 수 있고, 향상된 발전 효율을 가진다.Therefore, in the embodiment, the solar cell can easily transport electrons and / or holes formed by external sunlight to the electrode layer and the window layer, and has an improved power generation efficiency.
실시 예의 설명에 있어서, 각 기판, 막, 전극, 홈 또는 층 등이 각 기판, 전극, 막, 홈 또는 층 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.In the description of the embodiments, it is described that each substrate, film, electrode, groove or layer or the like is formed "on" or "under" of each substrate, electrode, film, groove or layer or the like. In the case, “on” and “under” include both being formed “directly” or “indirectly” through other components. In addition, the upper or lower reference of each component is described with reference to the drawings. The size of each component in the drawings may be exaggerated for the sake of explanation and does not mean the size actually applied.
도 1은 실시예에 따른 태양전지의 일 단면을 도시한 단면도이다. 도 2는 실시예에 따른 태양전지의 각 층별 밴드갭 에너지를 도시한 도면이다.1 is a cross-sectional view showing a cross section of a solar cell according to an embodiment. 2 is a view showing bandgap energy of each layer of the solar cell according to the embodiment.
도 1을 참조하면, 태양전지는 지지기판(100), 이면전극층(200), 광 흡수 층(300), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500) 및 윈도우층(600)을 포함한다.Referring to FIG. 1, the solar cell includes a
상기 지지기판(100)은 플레이트 형상을 가지며, 상기 이면전극층(200), 상기 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500) 및 상기 윈도우층(600)을 지지한다.The
상기 지지기판(100)은 절연체일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 유리기판, 플라스틱기판 또는 금속기판일 수 있다. 더 자세하게, 상기 지지기판(100)은 소다 라임 글래스(soda lime glass) 기판일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 투명할 수 있다. 상기 지지기판(100)은 리지드하거나 플렉서블할 수 있다.The
상기 이면전극층(200)은 상기 지지기판(100) 상에 배치된다. 상기 이면전극층(200)은 도전층이다. 상기 이면전극층(200)으로 사용되는 물질의 예로서는 몰리브덴(Mo) 등의 금속을 들 수 있다.The
또한, 상기 이면전극층(200)은 두 개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 층들은 같은 금속으로 형성되거나, 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.In addition, the
상기 광 흡수층(300)은 상기 이면전극층(200) 상에 배치된다. 상기 광 흡수층(300)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족계 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.The light absorbing
상기 광 흡수층(300)의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1eV 내지 1.8eV일 수 있다.The energy band gap of the
상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치된다. 상기 버퍼층(400) 은 제 1 버퍼층(410) 및 제 2 버퍼층(420)을 포함한다.The
상기 제 1 버퍼층(410)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치되며, 상기 제 1 버퍼층(410)은 인듐 설파이드 또는 인듐 셀레나이드를 포함한다. 예를 들어, 상기 제 1 버퍼층(410)은 In2S3 또는 In2Se3를 포함할 수 있다.The
더 자세하게, 상기 제 1 버퍼층(410)은 인듐 설파이드, 인듐 셀레나이드 또는 이들의 혼합물로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 버퍼층(410)은 In2S3, In2Se3 또는 이들의 혼합물로 이루어질 수 있다.In more detail, the
상기 제 1 버퍼층(410)은 2 eV 내지 2.7 eV의 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.The
상기 제 1 버퍼층(410)의 두께는 약 30㎚ 내지 약 100㎚ 일 수 있다.The
상기 제 2 버퍼층(420)은 상기 제 1 버퍼층(400) 상에 배치되며, 상기 제 2 버퍼층(420)은 징크 설파이드 또는 징크 셀레나이드를 포함한다. 예를 들어, 상기 제 2 버퍼층(420)은 ZnS 또는 ZnSe를 포함할 수 있다.The
더 자세하게, 상기 제 2 버퍼층(420)은 징크 설파이드, 징크 셀레나이드 또는 이들의 혼합물로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 버퍼층(420)은 ZnS, ZnSe 또는 이들의 혼합물로 이루어질 수 있다.In more detail, the
상기 제 2 버퍼층(420)은 2.7 eV 내지 3.7 eV의 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.The
상기 제 2 버퍼층(420)의 두께는 약 30㎚ 내지 약 100㎚ 일 수 있다.The thickness of the
상기 버퍼층(400)에는 은 및/또는 알루미늄이 도핑될 수 있다. 즉, 상기 제 1 버퍼층(410) 및/또는 상기 제 2 버퍼층(420)에 은 및/또는 알루미늄이 도핑될 수 있다.Silver and / or aluminum may be doped into the
즉, 상기 제 1 버퍼층(410) 및 상기 제 2 버퍼층(420)의 에너지 밴드갭은 상기 은 및/또는 알루미늄 도펀트에 의해서, 조절될 수 있다.That is, the energy band gap of the
상기 고저항 버퍼층(500)은 상기 고저항 버퍼층(500)은 상기 버퍼층(400) 상에 배치된다. 상기 고저항 버퍼층(500)은 불순물이 도핑되지 않은 징크 옥사이드(i-ZnO)를 포함한다. 상기 고저항 버퍼층(500)의 에너지 밴드갭은 약 3.1eV 내지 3.3eV이다.The high
상기 윈도우층(600)은 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 배치된다. 상기 윈도우층(600)은 투명하며, 도전층이다. 상기 윈도우층(600)으로 사용되는 물질의 예로서는 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드(Al doped ZnO;AZO) 등을 들 수 있다.The
도 2를 참조하면, 상기 버퍼층(400)의 에너지 밴드갭은 계단 형상, 즉, 순차적으로 증가한다. 즉, 상기 버퍼층(400)은 제 1 버퍼층(410) 및 제 2 버퍼층(420)으로 구분되기 때문에, 순차적인 에너지 밴드갭을 가진다.Referring to FIG. 2, the energy band gap of the
따라서, 상기 버퍼층(400)을 통하여, 전자가 용이하게 수송될 수 있고, 실시예에 따른 태양전지는 향상된 효율을 가진다.Therefore, electrons can be easily transported through the
즉, 황화 카드뮴만으로 이루어진 버퍼층(400)을 가지는 기존 태양전지와 비교하여, 실시예에 따른 태양전지는 향상된 효율을 가진다.That is, compared with the conventional solar cell having a
도 3 내지 도 5는 실시예에 따른 태양전지를 제조하기 위한 공정을 도시한 단면도들이다. 본 제조방법에서는 앞서 설명한 태양전지를 참고하여 설명한다.3 to 5 are cross-sectional views illustrating a process for manufacturing a solar cell according to an embodiment. This manufacturing method will be described with reference to the solar cell described above.
도 3을 참조하면, 지지기판(100) 상에 스퍼터링 공정에 의해서 몰리브덴 등과 같은 금속이 증착되고, 이면전극층(200)이 형성된다. 상기 이면전극층(200)은 공정 조건이 서로 다른 두 번의 공정들에 의해서 형성될 수 있다.Referring to FIG. 3, a metal such as molybdenum is deposited on the
상기 지지기판(100) 및 상기 이면전극층(200) 사이에는 확산 방지막과 같은 추가적인 층이 개재될 수 있다.An additional layer such as a diffusion barrier may be interposed between the
도 4를 참조하면, 상기 이면전극층(200) 상에 광 흡수층(300), 제 1 버퍼층(410), 제 2 버퍼층(420) 및 고저항 버퍼층(500)이 차례로 형성된다.Referring to FIG. 4, the
상기 광 흡수층(300)은 스퍼터링 공정 또는 증발법 등에 의해서 형성될 수 있다.The light
예를 들어, 상기 광 흡수층(300)을 형성하기 위해서 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.For example, copper, indium, gallium, selenide-based (Cu (In, Ga) Se 2 ; CIGS-based) while evaporating copper, indium, gallium, and selenium simultaneously or separately to form the
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.When the metal precursor film is formed and selenization is subdivided, a metal precursor film is formed on the
이후, 상기 금속 프리커서 막은 셀레이제이션(selenization) 공정에 의해서, 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(300)이 형성된다.Subsequently, the metal precursor film is formed of a copper-indium-gallium-selenide-based (Cu (In, Ga) Se 2 ; CIGS-based) light absorbing layer by a selenization process.
이와는 다르게, 상기 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 상기 셀레니제이션 공정은 동시에 진행될 수 있다.Alternatively, the copper target, the indium target, the sputtering process using the gallium target, and the selenization process may be performed simultaneously.
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.Alternatively, the CIS-based or CIG-based
이후, 상기 광 흡수층(300) 상에 인듐 셀레나이드 또는 인듐 설파이드가 증착되어 상기 제 1 버퍼층(410)이 형성된다.Thereafter, indium selenide or indium sulfide is deposited on the
상기 제 1 버퍼층(410)은 화학 용액 성장법(chemical bath depositon;CBD), 화학 기상 증착(chemical vapor deposition;CVD) 공정, 스프레이법 또는 물리 기상 증착(physical vapor deposition;PVD) 공정에 의해서 형성될 수 있다.The
예를 들어, 제 1 버퍼층(410)은 CBD 공정에 의해서, 인듐 설페이트 및 싸이오 우레아(thio urea)를, 또는 인듐 아세테이트 화합물 및 싸이오 우레아(thio urea)를, 암모니아를 수용액에서, 70~80도에서, 반응하여 형성할 수 있다. 암모니아 대신 TEA(트리에탄올아민)을 사용하거나, TEA 및 암모니아를 동시에 사용하여 상기 제 1 버퍼층(410)이 형성될 수 있다.For example, the
또한, 상기 제 1 버퍼층(410)에는 은 및/또는 알루미늄이 도핑될 수 있다.In addition, silver and / or aluminum may be doped into the
이후, 상기 제 1 버퍼층(410) 상에 징크 셀레나이드 또는 징크 설파이드가 증착되어 상기 제 2 버퍼층(420)이 형성된다.Thereafter, zinc selenide or zinc sulfide is deposited on the
상기 제 2 버퍼층(420)은 CBD, CVD 공정, 스프레이법 또는 PVD 공정에 의해 서 형성될 수 있다.The
예를 들어, 제 2 버퍼층(420)은 CBD 공정을 이용하여 형성할 수 있는데, 징크 설페이트 및 암모니아 싸이오 우레아를 암모니아 또는 하이드라진 등에서 반층시켜서 형성될 수 있다.For example, the
또한, 상기 제 2 버퍼층(420)에는 은 및/또는 알루미늄이 도핑될 수 있다.In addition, silver and / or aluminum may be doped into the
이후, 상기 제 2 버퍼층(420) 상에 징크 옥사이드가 스퍼터링 공정 등에 의해서 증착되고, 상기 고저항 버퍼층(500)이 형성된다.Thereafter, zinc oxide is deposited on the
도 5를 참조하면, 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 윈도우층(600)이 형성된다. 상기 윈도우층(600)을 형성하기 위해서, 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 투명한 도전물질이 적층된다. 상기 투명한 도전물질의 예로서는 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드 등을 들 수 있다.Referring to FIG. 5, a
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 제 1 버퍼층(410) 및 제 2 버퍼층(420)을 형성하여, 향상된 효율을 가지는 태양전지를 제공할 수 있다.In the solar cell manufacturing method according to the embodiment, the
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.Although described above with reference to the embodiment is only an example and is not intended to limit the invention, those of ordinary skill in the art to which the present invention does not exemplify the above within the scope not departing from the essential characteristics of this embodiment It will be appreciated that many variations and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiment can be modified. And differences relating to such modifications and applications will have to be construed as being included in the scope of the invention defined in the appended claims.
도 1은 실시예에 따른 태양전지의 일 단면을 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a cross section of a solar cell according to an embodiment.
도 2는 실시예에 따른 태양전지의 각 층별 밴드갭 에너지를 도시한 도면이다.2 is a view showing bandgap energy of each layer of the solar cell according to the embodiment.
도 3 내지 도 5는 실시예에 따른 태양전지를 제조하기 위한 공정을 도시한 단면도들이다.3 to 5 are cross-sectional views illustrating a process for manufacturing a solar cell according to an embodiment.
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