KR101003677B1 - Ｃｉｓ계 태양전지 제조방법 - Google Patents
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Abstract
CIS계 태양전지의 제조방법을 제공한다. 먼저, 기판 상에 Ⅲ족 원소 및 Ⅵ족 원소를 함유하는 광흡수 전구체층을 형성한다. 상기 광흡수 전구체층 상에 확산방지막을 형성한다. 상기 확산방지막이 형성된 기판을 열처리하여 상기 광흡수 전구체층을 결정화시켜 광흡수층을 형성한다. 상기 확산방지막을 제거하여 상기 광흡수층을 노출시킨다. 상기 노출된 광흡수층 상에 윈도우층을 형성한다.
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 CIS계 태양전지에 관한 것이다.
태양전지는 태양광 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 반도체 소자로, 이에 사용되는 재료에 따라 크게 실리콘계, 화합물계, 유기물계로 분류될 수 있다.
실리콘계 태양전지는 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 및 비정질 실리콘 태양전지로 구분되며, 화합물계 태양전지는 GaAs, InP, CdTe, 및 CuInSe2(Copper Indium Diselenide; CIS) 태양전지로 구분되며, 유기물계 태양전지는 유기분자형, 유무기 복합형 및 염료 감응형 태양전지로 구분될 수 있다.
이러한 다양한 종류의 태양전지 중에서 단결정 및 다결정 실리콘 태양전지는 기판인 광흡수층을 구비하므로 가격 절감측면에서 매우 불리하다. 비정질 실리콘 태양전지는 박막인 광흡수층을 구비하여, 기존 결정질 실리콘 태양전지의 약 1/100에 해당하는 두께만으로 태양전지의 제조가 가능하다. 그러나 단결정 실리콘 태양전지에 비해 효율이 낮고 빛에 노출될 경우 효율이 급격히 떨어지는 단점이 있다. 유기물계 태양전지 또한 마찬가지의 문제점이 있다.
이러한 단점을 극복하기 위해 화합물계 태양전지가 개발되기에 이르렀다. 상기 화합물계 태양전지 중 CIS계 태양전지는 박막형 태양전지 중에서 가장 높은 변환효율을 나타낸다. 그러나 이러한 변환효율을 실험실에서 얻어진 것으로 CIS계 태양전지를 전력용으로 실용화시키기 위해서는 앞으로도 더 많은 연구 개발이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 광흡수층의 조성을 균일하게 제어하여 효율을 향상시킬 수 있는 CIS계 태양전지의 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일측면은 CIS계 태양전지의 제조방법을 제공한다. 먼저, 기판 상에 Ⅲ족 원소 및 Ⅵ족 원소를 함유하는 광흡수 전구체층을 형성한다. 상기 광흡수 전구체층 상에 확산방지막을 형성한다. 상기 확산방지막이 형성된 기판을 열처리하여 상기 광흡수 전구체층을 결정화시켜 광흡수층을 형성한다. 상기 확산방지막을 제거하여 상기 광흡수층을 노출시킨다. 상기 노출된 광흡수층 상에 윈도우층을 형성한다.
일 실시예에서, 상기 기판은 11족 전이금속 기판 구체적으로, 구리 기판일 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 기판은 절연기판이고, 상기 광흡수 전구체층을 형성하기 전에 상기 기판 상에 11족 전이금속 전극 구체적으로, 구리 전극을 형성할 수 있다.
상기 열처리 단계에서 상기 11족 전이금속은 상기 광흡수 전구체층 내로 유입될 수 있다. 상기 열처리는 급속열처리법일 수 있다. 상기 광흡수 전구체층은 Ⅲ족 원소층과 Ⅵ족 원소층이 교대로 적층된 층일 수 있다. 상기 확산방지막은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막일 수 있다.
상기 광흡수층은 Cu(InxGa1-x)(SeyS1-y)2(단, 0<X≤1, 0<Y≤1)의 조성을 가질 수 있다. 상기 윈도우층은 ZnO층일 수 있다.
본 발명에 따르면, 열처리 단계에서 확산방지막은 광흡수 전구체층 내의 Ⅵ족 원소들이 휘발되는 것을 방지한다. 따라서, 광흡수층의 조성을 균일하게 할 수 있고 결정성을 향상시킬 수 있다.
이와 더불어서, 상기 기판이 11족 전이금속 기판이거나, 상기 기판 상에 형성된 전극이 11족 전이금속 전극인 경우에, 상기 열처리 단계에서 상기 기판 또는 전극의 11족 전이금속은 상기 광흡수 전구체층 내로 유입된다. 이 경우에, 상기 광흡수 전구체층은 11족 전이금속을 함유하지 않은 상태 또는 11족 전이금속이 부족한 상태로 형성될 수 있으며, 이와 더불어서, 광흡수층의 조성을 균일하게 할 수 있고 결정성을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기 판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 CIS계 태양전지의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
도 1a를 참조하면, 기판(11)을 제공한다. 상기 기판(11)은 11족 전이금속으로 이루어진 기판일 수 있다. 이 경우, 상기 기판(11)은 4N(99.99%) 이상의 순도를 갖는 기판일 수 있다. 상기 기판(11)은 구리기판 예를 들어, 구리 호일(copper foil)일 수 있다. 상기 기판(11)이 구리 호일인 경우에 유연한 태양전지의 제작이 가능하다.
상기 기판(11) 상에 광흡수 전구체층(13)을 형성한다. 상기 광흡수 전구체층(13)은 Ⅲ족과 Ⅵ족의 원소들을 함유하되, Ⅲ족과 Ⅵ족의 원자비(atomic ratio)가 1:2가 되도록 형성할 수 있다. 상기 Ⅲ족은 Ga 및/또는 In일 수 있고, 상기 Ⅵ족은 Se 및/또는 S일 수 있다. 상기 광흡수 전구체층(13)은 상기 Ⅲ족 원소(또는 그 화합물) 및 상기 Ⅵ족 원소(또는 그 화합물)을 사용한 공증발법(co-evaporation), 스퍼터링법, 전착법(electrodeposition) 또는 금속유기물증착법(MOCVD)을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 광흡수 전구체층(13) 형성 시에는 막 두께의 균일성을 높이기 위해 기판(11)에 열을 가하지 않는 것이 바람직하다. 상기 기판(11)에 열을 가하지 않을 경우, 기판(11) 상에 도달하는 입자는 기판(11) 상에서 이동하지 않고 도달된 그 위치에 적층된다. 그 결과, 상기 광흡수 전구체층(13)의 두께를 균일하게 형성할 수 있다.
일 예로서, 상기 광흡수 전구체층(13)은 Ⅲ족 및 Ⅵ족 원소들의 화합물들인 In2Se3, In2S3, Ga2Se3, 및 Ga2S3로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 화합물을 원재료로 사용하여 형성할 수 있다. 이와는 달리, 상기 광흡수 전구체층(13)은 Ⅲ족층과 Ⅵ족층이 교대로 형성된 형태 즉, Ⅲ족층-Ⅵ족층-Ⅲ족층-Ⅵ족층, 또는 Ⅵ족층-Ⅲ족층-Ⅵ족층-Ⅲ족층의 형태를 가질 수 있다. 이 때, Ⅲ족층을 형성하는 원재료는 In 또는 In-Ga 혼합물일 수 있고, Ⅵ족층을 형성하는 원재료는 Se 또는 Se-S혼합물일 수 있다.
상기 광흡수 전구체층(13) 상에 확산방지막(15)을 형성한다. 상기 확산방지막(15)은 질화막 또는 산화막 구체적으로, 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화막일 수 있다. 상기 확산방지막(15)은 물리증착법(PVD) 또는 화학증착법(CVD)을 사용하여 형성할 수 있다.
도 1b를 참조하면, 상기 확산방지막(15)이 형성된 기판을 열처리한다. 이 과정에서, 상기 확산방지막(15)으로 인해 상기 광흡수 전구체층(13) 내의 Ⅵ족 원소들이 휘발되는 것이 방지된다. 또한, 상기 기판(11)에 함유된 11족 전이금속은 상기 광흡수 전구체층(13) 내로 유입된다. 그 결과, 상기 광흡수 전구체층(13) 내로 확산된 11족 전이금속과 상기 광흡수 전구체층(13) 내의 Ⅲ족 원소 및 상기 Ⅵ족 원소는 열평형 상태에서 결정화되면서 광흡수층(13′)을 형성한다. 상기 광흡수층(13′)은 I-Ⅲ-Ⅵ2족 화합물 반도체층으로서, 결정성이 향상된 Cu(InxGa1-x)(SeyS1-y)2(단, 0<X≤1, 0<Y≤1)의 균일한 조성을 가질 수 있다.
이와는 달리, 상기 기판(11)이 11족 전이금속 기판이 아닌 경우에는 상기 광 흡수 전구체층(13)을 형성할 때, 11족 전이금속, Ⅲ족 원소 및 Ⅵ족 원소의 원자비(atomic ratio)가 1:1:2가 되도록 할 수 있다. 이 경우에도 상기 확산방지막(15)으로 인해 상기 광흡수 전구체층(13) 내의 Ⅵ족 원소들이 휘발되는 것이 방지되며, 상기 광흡수 전구체층(13) 내의 11족 전이금속, Ⅲ족 원소 및 Ⅵ족 원소는 열평형 상태에서 결정화되면서 광흡수층(13′)을 형성한다. 따라서, 상기 광흡수층(13′)은 조성 균일도가 향상된 I-Ⅲ-Ⅵ2족 화합물 반도체층으로 형성될 수 있다.
상기 열처리는 급속열처리(Rapid Thermal Annealing; RTA)법을 사용하여 수행할 수 있다. 상기 열처리 온도는 300℃ ~ 600℃일 수 있다.
도 1c를 참조하면, 상기 습식식각법 또는 건식식각법을 사용하여 확산방지막(15)을 제거하여 상기 광흡수층(13′)을 노출시킨다. 상기 습식식각은 BOE(Buffered Oxide Etchant)를 사용한 식각일 수 있으며, 상기 건식식각은 CFx 등의 불소계 가스를 사용한 식각일 수 있다. RIE(Reactive Ion Etching)법을 사용하여 상기 확산방지막(15)의 상부 일부를 제거한 후, BOE(Buffered Oxide Etchant)를 사용하여 상기 확산방지막(15)의 나머지를 제거할 수 있다.
도 1d를 참조하면, 상기 노출된 광흡수층(13′) 상에 윈도우층(17)을 형성한다. 상기 윈도우층(17)은 n형 반도체층으로서 ZnO층, 또는 Al이나 B가 도핑된 ZnO층일 수 있다.
상기 윈도우층(17)을 형성하기 전에, 상기 노출된 광흡수층(13′) 상에 버퍼층(16)을 형성할 수 있다. 상기 버퍼층(16)은 CdS층, 또는 In, Ga 또는 Al이 도핑 된 CdS층일 수 있다. 상기 버퍼층(16)은 CBD(Chemical Bath Deposition)법을 사용하여 형성할 수 있다.
상기 광흡수층(13′)과 상기 윈도우층(17)은 에너지 밴드갭(energh bandgap)과 격자상수의 차이가 커서, 양호한 접합을 형성하기 어렵다. 따라서, 상기 광흡수층(13′)과 상기 윈도우층(17) 사이에 에너지 밴드갭이 이들 두 물질들 사이에 위치하는 상기 버퍼층(16)을 개재시켜 상기 광흡수층(13′)과 상기 윈도우층(17) 사이의 양호한 접합을 얻을 수 있다.
상기 윈도우층(17) 상에 반사방지층을 형성한 후, 이를 패터닝하여 서로 이격하는 반사방지 패턴들(18)을 형성할 수 있다. 상기 반사방지 패턴들(18)은 MgF2층일 수 있다. 상기 MgF2층을 형성하는 것은 전자빔 증발법을 사용하여 수행할 수 있다.
상기 반사방지 패턴들(18) 사이에 노출된 상기 윈도우층(17) 상에 상부 전극(19)을 형성할 수 있다. 상기 상부 전극(19)은 그리드 형상을 가질 수 있으며, Al층 또는 Ni/Al층일 수 있다.
이러한 태양전지에 태양광이 입사되면 상기 p형 반도체층인 광흡수층(13′)과 상기 n형 반도체층인 윈도우층(17) 사이에서 전자-정공 쌍이 생성되고, 생성된 전자는 윈도우층(17)으로 모이고 생성된 정공은 광흡수층(13′)으로 모이게 되어, 광기전력(photovoltage)이 발생한다. 이 때, 상기 기판(11)과 상기 상부 전극(19)에 전기부하를 연결하면, 전류가 흐르게 된다.
본 실시예에서 상기 기판(11)은 기판으로서의 역할을 함과 동시에 하부 전극으로서의 역할을 수행할 수 있다. 이와 더불어서, 상기 I-Ⅲ-Ⅵ2족 화합물 반도체층인 광흡수층(13′)에 함유된 11족 전이금속을 공급하는 역할 또한 수행할 수 있다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 일 실시예에 따른 CIS계 태양전지의 제조방법을 나타낸 단면도들이다. 본 실시예에 따른 태양전지 제조방법은 후술하는 것을 제외하고는 도 1a 내지 도 1d를 참조하여 설명한 제조방법과 유사할 수 있다.
도 2a를 참조하면, 기판(20)을 제공한다. 상기 기판(20)은 절연기판 예를 들어, 유리 또는 세라믹기판일 수 있다. 상기 기판(20) 상에 제1 및 제2 전극들(21a, 21b)을 형성할 수 있다. 상기 전극들(21a, 21b)은 서로 이격된 스트라이프들일 수 있다. 상기 전극들(21a, 21b)은 11족 전이금속막 구체적으로는 구리막일 수 있고, 스퍼터링법을 사용하여 전극막을 형성한 후 상기 전극막을 패터닝하여 형성할 수 있다.
상기 전극들(21a, 21b) 상에 광흡수 전구체층(23)을 형성한다. 상기 광흡수 전구체층(13) 상에 확산방지막(25)을 형성한다. 상기 광흡수 전구체층(23) 및 상기 확산방지막(25)에 관한 자세한 설명은 도 1a 내지 도 1d를 참조하여 설명한 실시예를 참조하기로 한다.
도 2b를 참조하면, 상기 확산방지막(25)이 형성된 기판을 열처리한다. 이 과정에서, 상기 확산방지막(25)으로 인해 상기 광흡수 전구체층(23) 내의 Ⅵ족 원소들이 휘발되는 것이 방지된다. 또한, 상기 전극들(21a, 21b)의 11족 전이금속은 상기 광흡수 전구체층(23) 내로 확산된다. 그 결과, 상기 광흡수 전구체층(23) 내로 확산된 11족 전이금속과 상기 광흡수 전구체층(23) 내의 Ⅲ족 원소 및 상기 Ⅵ족 원소는 열평형 상태에서 결정화되면서 광흡수층(23′)을 형성한다. 상기 광흡수층(23′)은 I-Ⅲ-Ⅵ2족 화합물 반도체층으로서, 결정성이 향상된 Cu(InxGa1-x)(SeyS1-y)2(단, 0<X≤1, 0<Y≤1)의 균일한 조성을 가질 수 있다.
상기 열처리는 급속열처리(Rapid Thermal Annealing; RTA)법을 사용하여 수행할 수 있다. 상기 열처리 온도는 300℃ ~ 600℃일 수 있다.
도 2c를 참조하면, 상기 확산방지막(25)을 제거하여 상기 광흡수층(23′)을 노출시킨다.
도 2d를 참조하면, 상기 노출된 광흡수층(23′) 상에 버퍼층(26)을 형성할 수 있다. 상기 버퍼층(26)에 관한 자세한 설명은 도 1a 내지 도 1d를 참조하여 설명한 실시예를 참조하기로 한다.
도 2e를 참조하면, 상기 버퍼층(26)과 상기 광흡수층(23′)을 패터닝하여 광흡수 패턴들(23″)을 형성한다. 상기 광흡수 패턴들(23″)은 상기 전극들(21a, 21b)의 일부들과 각각 중첩될 수 있다.
도 2f를 참조하면, 상기 광흡수 패턴들(23″) 상에 윈도우층을 형성한다. 상기 윈도우층에 관한 자세한 설명은 도 1a 내지 도 1d를 참조하여 설명한 실시예 를 참조하기로 한다. 상기 윈도우층을 패터닝하여 윈도우 패턴들(27)을 형성한다. 상기 윈도우 패턴들(27)의 각각은 하나의 광흡수 패턴(23″) 및 상기 광흡수 패턴(23″)에 인접하는 전극(21a 또는 21b)과 중첩한다. 그 결과, 제1 및 제2 전극(21a, 21b), 상기 제1 전극에 중첩된 광흡수 패턴(23″) 및 상기 광흡수 패턴(23″) 및 상기 제2 전극(21b)에 중첩된 윈도우 패턴(27)은 단위 셀을 구성하며, 상기 단위 셀들은 직렬로 연결된다.
상기 윈도우 패턴(27) 상에 보호막(30)을 형성할 수 있다.
본 실시예에서 상기 전극들(21a, 21b)은 전극으로서의 역할을 함과 더불어서, 상기 I-Ⅲ-Ⅵ2족 화합물 반도체층인 광흡수층(23′)에 함유된 11족 전이금속을 공급하는 역할 또한 수행할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른 CIS계 태양전지의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 다른 실시예에 따른 CIS계 태양전지의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
Claims (12)
11족 전이금속 기판 또는 11족 전이금속 전극 상에 Ⅲ족 원소 및 Ⅵ족 원소를 함유하는 광흡수 전구체층을 형성하는 단계;
상기 광흡수 전구체층 상에 확산방지막을 형성하는 단계;
상기 확산방지막이 형성된 기판을 열처리하여 상기 기판 또는 상기 전극의 11족 전이금속을 상기 광흡수 전구체층 내로 확산시키고 상기 광흡수 전구체층을 결정화시켜 광흡수층을 형성하는 단계;
상기 확산방지막을 제거하여 상기 광흡수층을 노출시키는 단계; 및
상기 노출된 광흡수층 상에 윈도우층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 제조방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 기판은 구리 기판인 태양전지 제조방법.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 전극은 구리 전극인 태양전지 제조방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 광흡수 전구체층은 Ⅲ족 원소층과 Ⅵ족 원소층이 교대로 적층된 층인 태양전지 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 확산방지막은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막인 태양전지 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 광흡수층은 Cu(InxGa1-x)(SeyS1-y)2(단, 0<X≤1, 0<Y≤1)을 갖는 태양전지 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 윈도우층은 ZnO층인 태양전지 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 열처리는 급속열처리법인 태양전지 제조방법.
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