KR101017141B1 - 3차원 접합형 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 CIGS를 광흡수층으로 하는 태양전지에 관한 것이다. 더 자세하게는 본 발명은 높은 효율을 갖는 태양전지의 제공을 목적으로 하는 p형 반도체와 n형 반도체의 새로운 접합구조를 갖는 태양전지에 관한 것이다.
본 발명은 n형 반도체층과 버퍼층이 접합하고, 버퍼층 위에 형성된 p형 반도체층을 포함하는 태양전지에 있어서, 상기 n형 반도체층과 버퍼층이 트렌치를 형성하며 접합한 구조체인 것을 특징으로 하는 3차원 접합형 태양전지에 대한 것이다.
기판, CIGS, n형 버퍼층, 태양전지

Description

3차원 접합형 태양전지 및 그 제조방법 {3-Dimensional Junction Solar Cell and Method of Manufacturing Thereof}
본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 CIGS를 광흡수층으로 하는 태양전지에 관한 것이다. 더 자세하게는 본 발명은 높은 효율을 갖는 태양전지의 제공을 목적으로 하는 p형 반도체와 n형 반도체의 새로운 접합구조를 갖는 태양전지에 관한 것이다.
일반적으로 CuInSe2로 대표되는 I-III-VI2족 황동석(Chalcopyrite)계 화합물반도체는 직접천이형 에너지 밴드갭을 가지고 있고, 광흡수계수가 1×105 ㎝- 1 로서 반도체 중에서 가장 높아 두께 1 ~ 2 ㎛의 박막으로도 고효율의 태양전지 제조가 가능하고, 장기적으로 전기광학적 안정성이 매우 우수한 특성을 지니고 있다.
그 때문에, 황동석계 화합물 반도체는 현재 사용되고 있는 고가의 결정질 실리콘 태양전지를 대체하여 태양광발전의 경제성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 저가, 고효율의 태양전지 재료로 부각되고 있다.
또한, CuInSe2는 밴드갭이 1.04 eV로서 이상적인 밴드갭 1.4 eV를 맞추기 위해 In의 일부를 Ga으로, Se의 일부를 S로 치환하기도 하는데, 참고로 CuGaSe2의 밴드갭은 1.6 eV, CuGaS2 는 2.5 eV이다.
In의 일부를 Ga으로, Se의 일부를 S으로 대체한 한 오원화합물은 CIGSS [Cu(InxGa1-x)(SeyS1-y)2]로 표기되는데, 대표적으로 이들을 CIS, CIGS로 표기하기도 하고, 이하에서는 이러한 화합물을 CIGS로 정의한다.
CIGS를 광흡수층으로 하는 태양전지의 장점 중의 하나인 장기적 신뢰성은 1988년 11월에 시작한 미국 NREL(National Renewable Energy Laboratory)의 장기 옥외 시험결과 10년 이후에도 효율의 변화가 없는 것으로 입증된 바 있다.
도 1은 CIGS를 광흡수층으로 하는 종래의 태양전지를 나타낸 단면도이다. 도 1에 도시된 것처럼, CIGS를 광흡수층으로 하는 태양전지의 구조는 일반적으로 유리를 기판(10)으로 하여, 배면전극(20), 광흡수층(30), 버퍼층(40), 투명전극(50), 반사방지막(60)의 5개의 단위 박막을 순차적으로 형성시키고, 그 위에 그리드 전극(70)을 형성시켜 제조된다.
단위박막 별로 다양한 종류의 재료와 조성, 또한 제조방법에서는 다양한 물리적, 화학적 박막 제조방법이 사용될 수 있다. 태양전지의 면적이 커지면 면저항의 증가로 인하여 효율이 감소하게 되므로, 대면적 모듈의 경우는 일정한 간격으로 직렬 연결이 되도록 패터닝(Patterning)한다.
기판(10)의 재질로는 일반적으로 유리가 사용되고 있다. 그 밖에 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸, 구리 테이프(Cu tape)와 같은 금속 기판, 폴리머 등도 사용이 가능하다. 유리기판으로는 일반적으로 값싼 소다회 유리(Sodalime glass)를 사용한다. 앞선 미국 NREL이 기록한 19.2 %의 변환효율도 소다회 유리를 기판으로 사용한 것이다. 그 밖에 Polyimide와 같은 유연성 있는 고분자 재질이나 스테인레스 박판 등도 기판으로 사용될 수 있다.
배면전극(Back contact; 20)으로는 Ni, Cu 등이 그 재료로 시도된 바가 있으나 Mo이 가장 광범위하게 사용된다. 이는 Mo이 가진 높은 전기전도도, CIGS에의 오믹 접합(Ohmic contact), Se 분위기 하에서의 고온 안정성 때문이다. Mo 박막의 제조는 DC 스퍼터링(sputtering)이 가장 널리 이용되고 있다. Mo 박막은 전극으로서 비저항이 낮아야 하고 또한 열팽창계수의 차이로 인하여 박리현상이 일어나지 않도록 유리기판에의 점착성이 뛰어나야 한다.
일반적으로 CIGS 태양전지는 p형 반도체인 CuInGaSe2 박막과 n형 반도체이면서 윈도우(window) 층으로 사용되는 ZnO 박막이 pn 접합을 형성한다. 즉, CuInGaSe2 박막은 광흡수층(30)으로, ZnO 박막은 투명전극(50)으로 사용된다. 하지만, 두 물질은 격자상수와 에너지밴드갭의 차이가 크기 때문에 양호한 접합을 형성하기 위해서는 밴드갭이 두 물질의 중간에 위치하는 버퍼층(40)이 필요하다.
현재 버퍼층(40)으로서 가장 높은 효율의 태양전지에 사용되고 있는 것은 CdS(황화카드뮴)이다. CdS 박막은 CBD(Chemical bath deposition) 방법을 사용하여 두께 약 500 Å 박막으로 형성한다. CdS 박막은 2.46 eV의 에너지 밴드갭 을 가지며, 이는 약 550 nm의 파장에 해당한다.
앞서 설명한 것처럼 CdS 박막은 n형 반도체이며, In, Ga, Al 등을 도핑(doping)함으로써 낮은 저항값을 얻을 수 있다. CdS의 단점은 우선 Cd 물질 자체가 독성인 점과 또한 여타 단위 박막과는 달리 습식 화학공정을 이용하는 점이다. 습식 화학공정의 대안으로 물리적 박막공정으로도 제조 가능한 InxSey 을 사용하기도 한다.
개발초기에 광흡수층(30)으로 사용된 삼원화합물인 CuInSe2는 에너지 밴드갭이 1.04 eV로 단락전류는 높으나, 개방전압이 낮아 높은 효율을 얻을 수 없었다. 때문에 현재에는 개방전압을 높이기 위해 CuInSe2의 In의 일부를 Ga원소로 대치하거나 Se를 S로 대치하는 방법을 사용하고 있다. CuGaSe2는 밴드갭이 약 1.5eV로 Ga이 첨가된 Cu(InxGa1 -x)Se2 화합물 반도체의 밴드갭은 Ga 첨가량에 따라 조절이 가능하다.
하지만, 광흡수층(30)의 에너지 밴드갭이 클 경우 개방전압은 증가하지만, 오히려 단락전류가 감소하므로 Ga의 적정한 함량조절이 필요하다. 이와 같이 CIGS 박막은 다원화합물이기 때문에 제조공정이 매우 까다롭다.
물리적으로 광흡수층(30)인 CIGS 박막제조방법으로는 증발법, 스퍼터링 + 셀렌화, 화학적인 방법으로는 전기도금 등이 있고, 각 방법에 있어서도 출발물질(금속, 2원 화합물 등)의 종류에 따라 다양한 제조방법이 동원될 수 있다.
현재까지 가장 좋은 효율을 얻을 수 있었던 것은 동시증발법으로서 출발물질로 4개의 금속원소(Cu, In, Ga 및 Se)를 사용한 것이다. 기존의 물리적 및 화학적 박막 제조법과는 달리 Mo 기판 위에 나노크기의 입자(분말, 콜로이드 등)를 합성하고 이를 용매와 혼합하여 스크린프린팅, 반응소결시켜 광흡수층을 제조하는 공정도 가능하다.
n형 반도체로서 CIGS와 pn접합을 형성하는 윈도우(window) 층은 태양전지의 앞면에 형성되어 투명전극(50)으로서의 기능을 하기 때문에 광투과율이 높아야 하고 전기전도성이 좋아야 한다. 현재 사용되고 있는 ZnO는 에너지밴드갭이 약 3.3 eV이고, 약 80% 이상의 높은 광투과도를 가진다. 또한 Al이나 B 등으로 도핑하여 10-4 이하의 낮은 저항값을 얻을 수 있다. B을 도핑하기도 하는데, 근적외선 영역의 광투과도가 증가하여 단락전류를 증가시키는 효과가 있다.
ZnO박막은 RF 스퍼터링방법으로 ZnO 타겟을 사용하여 증착하는 방법과, Zn 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링, 그리고 유기금속화학증착법 등이 현재 사용되고 있다. 전기광학적 특성이 뛰어난 ITO 박막을 ZnO 박막 위에 증착한 2중구조를 채택하기도 한다. 최근에는 CdS 박막 위에 우선 도핑하지 않은 i형의 ZnO박막을 증착한 다음, 그 위에 낮은 저항을 가진 n형의 ZnO 박막을 증착하여 태양전지의 효율을 개선하는 방법이 널리 이용되고 있다.
한편, 태양전지에 입사되는 태양광의 반사 손실을 줄이면 약 1% 정도의 태양전지의 효율 향상이 가능하기 때문에 반사방지막(60)이 사용된다. 반사방지 막(60)의 재질로는 보통 MgF2 가 사용되는데, 물리적인 박막 제조법으로서 전자빔증발법이 가장 대표적이다.
또한, 그리드 전극(70)은 태양전지 표면에서의 전류를 수집하기 위한 것으로 Al, 또는 Ni/Al 재질이 일반적으로 사용된다. 그리드 전극(70)의 면적만큼은 태양광이 흡수되지 않기 때문에 효율의 손실요인이 되므로 정밀한 설계가 요망된다.
더욱이, 제한된 면적을 가진 박막태양전지는 광전변환효율이 제한될 수 밖에 없다. 따라서, 동일한 면적을 가진 태양전지에서 광전변환효율을 극대화하기 위해서는 pn 접합면의 면적을 증가시켜야만 한다.
하지만, 종래 기술에 따를 경우 박막공정의 특성상 pn 접합면은 기판의 평면과 항상 평행하게 형성되며, 따라서 접합면의 면적은 기판의 면적보다 커질 수 없어 접합면 이상의 광전변환효율을 얻을 수 없는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 3차원 형상을 가진 투명전극구조체를 템플레이트기판으로 사용하여 p형 반도체 층인 CIGS 흡수층을 형성시킴으로써 pn접합면적을 극대화하고 흡수층 내부로 침투된 투명전극에 의해 전하운반자를 포집할 수 있는 유효부피를 최대화할 수 있는 3차원접합형 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명은 n형 반도체층과 p형 반도체층의 중간에 버퍼층이 포함되어 있는 태양전지에 있어서, 상기 n형 반도체층과 버퍼층이 트렌치를 형성하면서 접합되어 있고, 상기 버퍼층 위에 p형 반도체층이 접합되어 있는 3차원 접합형 태양전지 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 3차원접합형 태양전지 및 그 제조방법에 의하면, 첫째, p형 반도체와 n형 반도체를 편평한 박막층으로 형성시키는 대신, 3차원형상을 가진 투명전극 위에 버퍼층 및 흡수층을 형성시킴으로써 태양전지가 가진 물리적인 크기보다 훨씬 큰 접합면적을 구현함으로써, 태양전지의 전력생산량을 크게 증가시킬 수 있다.
둘째, 2차원 배열의 3차원투명전극구조체를 종래의 스퍼터링에 의한 3μm이상의 후막 증착과 패터닝에 이은 반응성이온식각을 이용한 에칭에 의해 가공형성시 킬 경우 공정시간이 매우 길어질 뿐만 아니라 진공 공정을 사용해야하는 단점이 있고, 에칭에 의한 플라즈마 손상에 의해 ZnO 표면에 과다한 결함이 발생하여 표면의 반도체 물성이 파괴될 수도 있다. 본 발명에서는 2차원 배열 패턴에 CBD법으로 전도성 투명전극인 Al:ZnO을 마이크로막대형태로 직접 성장시킴으로써 공정을 단순화하였으며, 플라즈마 손상이 전혀없는 양질의 구조체를 단시간에 형성시킨다.
셋째, 기존의 박막태양전지 구조와는 반대로 윈도우층이 투명한 기판 쪽에 위치하기 때문에 반사에 의한 태양광손실을 줄일 수 있다. 기존의 박막태양전지는 substrate형으로서 공기/윈도우층의 급격한 굴절율 차이로 인해 반사 손실이 높아지는 구조다. 본 발명에서 채택한 슈퍼스트레이트(superstrate) 형 태양전지는 공기/유리/윈도우층으로서 굴절율 차이가 완만한 구조를 갖으므로 반사 손실이 작다는 장점을 지닌다.
본 발명은 n형 반도체층과 버퍼층이 접합하고, 버퍼층 위에 형성된 p형 반도체층을 포함하는 태양전지에 있어서, 상기 n형 반도체층과 버퍼층이 트렌치를 형성하며 접합한 구조체인 것을 특징으로 하는 3차원 접합형 태양전지 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명은 n형 반도체층과 버퍼층이 접합하고, 버퍼층 위에 형성된 p형 반도체층을 포함하는 태양전지에 있어서, 상기 n형 반도체층과 버퍼층이 트렌치를 형성하며 CIGS p형 반도체층과 접합한 구조체인 것을 특징으로 하는 3차원 접합형 태양전지에 관한 것이다.
기관의 재질로는 일반적으로 유리가 사용되고 있다. 그 밖에 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸 같은 금속 기판 등도 사용이 가능하다. 유리 기판으로는 7059 파이렉스 유리나 값싼 소다회유리(sodalime glass)가 있는데, 우선 단가 측면에서 소다회 유리가 가장 유리하다. 미국 NREL이 기록한 개구 면적 기준 17.7%의 변환효율도 소다회 유리를 기판으로 사용한 것이다.
소다회 유리를 기판으로 사용하는 경우에는 유리로부터 Na 이온이 Mo 배면 접촉의 입계면을 거쳐 그 위의 CIGS 광흡수층으로 확산되는 현상이 일어난다. Na 이온이 확산됨으로써 결정립의 성장과 표면형상이 개선되고 정공의 밀도가 높아져 충진율과 개방 전압이 높아지는 효과가 나타나 결과적으로 태양전지의 특성이 향상된다고 알려지고 있다.
상기 기판에 n형 반도체층을 코팅한다. n형 반도체는 Al를 포함하는 ZnO를 사용한다.
트렌치는 일정한 간격을 갖는 홈을 지칭하는 것으로, n형 반도체층 위에 패턴을 형성하여 요철을 형성하는 과정을 통하여 트렌치를 형성하게 된다(도 2 참고). 구체적으로 사진석판술(photo-Lithography)을 사용하여 n형 반도체층 표면에 패턴을 형성하고, 후속의 마이크로 막대(micro rod)를 형성 과정을 통하여 트렌치를 형성할 수 있다. 이때의 패턴의 직경과 간격은 p형 반도체층의 두께가 두꺼워지는 경우에 보이드(void)를 피하기 위하여 일정한 넓이를 확보할 필요가 있는데, 직경 3 ㎛, 간격 4 ㎛인 경우가 바람직하다.
버퍼층은 pn접합 태양전지에서 p형 반도체층과 n형 반도체층의 중간에 도입 되는 층을 말한다. p형 반도체와 n형 반도체를 이루는 물질간의 격자상수와 에너지밴드갭의 차이로 인하여 np 접합이 양호하지 않기 때문에, 양호한 접합을 위하여 밴드갭이 상기 두 물질의 중간에 위치하는 버퍼층이 필요하다. 상기 특성을 만족하는 버퍼층으로 CdS가 사용된다. 상기 형성된 트렌치 구조를 갖는 n형 반도체 층위에 버퍼층을 코팅한다.
버퍼층 위에 다시 p형 반도체층을 코팅한다. p형 반도체로는 광흡수층인 CIGS를 도입한다.
일반적으로 CuInSe2로 대표되는 I-III-VI2족 황동석(Chalcopyrite)계 화합물반도체는 직접천이형 에너지 밴드갭을 가지고 있고, 광흡수계수가 1×105 ㎝- 1 로서 반도체 중에서 가장 높아 두께 1 ~ 2 ㎛의 박막으로도 고효율의 태양전지 제조가 가능하고, 장기적으로 전기광학적 안정성이 매우 우수한 특성을 지니고 있다.
그 때문에, 황동석계 화합물 반도체는 현재 사용되고 있는 고가의 결정질 실리콘 태양전지를 대체하여 태양광발전의 경제성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 저가, 고효율의 태양전지 재료로 부각되고 있다.
또한, CuInSe2는 밴드갭이 1.04 eV로서 이상적인 밴드갭 1.4 eV를 맞추기 위해 In의 일부를 Ga으로, Se의 일부를 S로 치환하기도 하는데, 참고로 CuGaSe2의 밴드갭은 1.6 eV, CuGaS2 는 2.5 eV이다.
In의 일부를 Ga으로, Se의 일부를 S으로 대체한 한 오원화합물은 CIGSS [Cu(InxGa1-x)(SeyS1-y)2]로 표기되는데, 대표적으로 이들을 CIS, CIGS로 표기하기도 하고, 이하에서는 이러한 화합물을 CIGS로 정의한다.
Cu, In, Ga 및 Se를 동시증발법에 의해 공급하여 Cu(In,Ga)Se2 화합물 반도체 박막을 형성한다.
본 발명에 따른 3차원접합형 태양전지에 의하면, p형 반도체와 n형 반도체를 편평한 박막층으로 형성시키는 대신, 트렌치형 3차원형상을 가진 투명전극 위에 버퍼층 및 흡수층을 형성시킴으로써 일반적인 태양전지가 가진 물리적인 면적보다 300 ~ 500 % 향상된 접합면적을 구현한다. 향상된 접합면적을 통하여 태양광에 의한 전하의 여기가 더욱 활발해 짐에 따라, 태양전지의 전력생산량을 10 ~ 20 % 증가시킬 수 있다.
또한 기존의 박막태양전지 구조와는 반대로 윈도우층이 투명한 기판 쪽에 위치하기 때문에 반사에 의한 태양광손실을 줄일 수 있다. 기존의 박막태양전지는 서브스트레이트(substrate)형으로서 공기/윈도우층의 급격한 굴절율 차이로 인해 반사 손실이 높아지는 구조를 갖는다. 본 발명에서 채택한 슈퍼스트레이트(superstrate)형 태양전지는 공기/유리/윈도우층으로서 굴절율 차이가 완만한 구조를 갖으므로 반사 손실이 작다는 장점을 지닌다.
본 발명은 Al를 포함하는 ZnO으로 이루어진 n형 반도체층이 코팅된 기판에 트렌치를 형성하는 단계, 상기 기판의 트렌치 위에 CdS 버퍼층을 코팅하는 단계 및 상기 CdS 버퍼층 위에 CIGS p형 반도체층을 코팅하는 단계를 포함하는 를 포함하는 상기 n형 반도체층과 버퍼층이 트렌치를 형성하며 CIGS p형 반도체층과 접합한 구조체인 것을 특징으로 하는 3차원 접합형 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
트렌치는 일정한 간격을 갖는 홈을 지칭하는 것으로, n형 반도체층 위에 패턴을 형성하여 요철을 형성하는 과정을 통하여 트렌치를 형성하게 된다. 구체적으로 사진석판술(photo-Lithography)을 사용하여 n형 반도체층 표면에 패턴을 형성하고, 후속의 마이크로 막대(micro rod)를 형성 과정을 통하여 트렌치를 형성할 수 있다. 이때의 패턴의 직경과 간격은 p형 반도체층의 두께가 두꺼워지는 경우에 보이드(void)를 피하기 위하여 일정한 넓이를 확보할 필요가 있는데, 직경 3 ㎛, 간격 4 ㎛인 경우가 바람직하다.
버퍼층은 pn접합 태양전지에서 p형 반도체층과 n형 반도체층의 중간에 도입되는 층을 말한다. p형 반도체와 n형 반도체를 이루는 물질간의 격자상수와 에너지밴드갭의 차이로 인하여 np 접합이 양호하지 않기 때문에, 양호한 접합을 위하여 밴드갭이 상기 두 물질의 중간에 위치하는 버퍼층이 필요하다. 상기 특성을 만족하는 버퍼층으로 CdS가 사용된다. 상기 형성된 트렌치 구조를 갖는 n형 반도체 층위에 버퍼층을 코팅한다. 버퍼층 위에 다시 p형 반도체층을 코팅한다. p형 반도체로는 광흡수층인 CIGS를 도입한다.
본 발명에 따른 3차원접합형 제조방법에 의하면, p형 반도체와 n형 반도체를 편평한 박막층으로 형성시키는 대신, 3차원형상을 가진 투명전극 위에 버퍼층 및 흡수층을 형성시킴으로써 일반적인 태양전지가 가진 물리적인 크기보다 훨씬 큰 접합면적을 구현함으로써, 태양전지의 전력생산량을 크게 증가시킬 수 있다.
본 발명은 상기 p형 반도체층 위에 전극용 금속을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 접합형 태양전지의 제조방법에 대한 것이다.
태양전지 표면에서 전류를 수집하기 위한 전극용 금속을 형성한다. 전극용 금속으로는 몰리브덴(Mo)을 사용하는 것이 바람직하다. 전극용 금속은 스퍼터(sputter) 또는 E-빔(E-beam) 장치를 이용하여 형성한다.
더 자세하게는 본 발명은 상기 트렌치 형성은 화학적 용액 성장법(CBD, Chemical Bath Deposition)을 도입한 것을 특징으로 하는 3차원 접합형 태양전지의 제조방법에 대한 것이다.
CBD법이란 용액 내에 적정량의 화학적 이온을 만들고 용액의 온도를 조절하여 각 이온 농도의 곱이 용액의 용해도적보다 큰 경우에 염의 형태로 석출되는 성질을 이용한 것이다.
2차원 배열의 3차원투명전극구조체를 종래의 스퍼터링에 의한 3μm이상의 후막 증착과 패터닝에 이은 반응성이온식각을 이용한 에칭에 의해 가공형성시킬 경우 공정시간이 매우 길어질 뿐만 아니라 진공 공정을 사용해야하는 단점이 있고, 에칭에 의한 플라즈마 손상에 의해 ZnO 표면에 과다한 결함이 발생하여 표면의 반도체 물성이 파괴될 수도 있다. 본 발명에서는 2차원 배열 패턴에 CBD법으로 전도성 투명전극인 Al:ZnO을 마이크로막대형태로 직접 성장시킴으로써 공정을 단순화하였으며, 플라즈마 손상이 전혀 없는 양질의 구조체를 단시간에 형성시킨다.
트렌치의 형성시 CBD 방법에 의해서 마이크로 막대(micro rod)를 성장시키는 것이 바람직하다.
더 자세하게는 본 발명은 상기 버퍼층 코팅은 화학적 용액 성장법(CBD, Chemical Bath Deposition)을 도입한 것을 특징으로 하는 3차원 접합형 태양전지의 제조방법에 대한 것이다.
CBD 방법에 있어 증착되는 CdS 박막의 특성을 결정하는 가장 중요한 변수로는 증착온도, 용액의 pH, 막의 두께 등이다.
그러므로 Cd+와 S-이온을 만들기 위하여 S와 Cd를 포함하는 화합물이 용액 속에 들어가야 하고, 암모니아수가 착화제(complexing agent)로서 용액의 pH를 조절하기 위하여 첨가된다. 용액 내의 pH조절을 용이하게 하기 위하여 완충용액을 첨가하기도 한다. S 이온의 소스로는 thiourea{(NH2)2CS}가 이용되며 Cd 이온의 소스로는 Cd(CH3COO), CdCl2, CdI2 등이 주로 이용된다. 완충용액으로는 이용되는 Cd 이온의 종류에 따라 NH(CH3COO), NHCl2 및 NH3 등이 이용된다.
본 발명의 보다 확실한 이해를 돕기 위해 상기 제조 단계가 보다 구체화된 바람직한 실시예를 통하여 본 발명의 내용을 상세히 설명하기로 한다. 다만 이들 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시되는 것일 뿐 본 발명의 권리 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 태양전지 제조방법의 전체 공정 순서는 8 단계로 이루어진다.
1 단계. 기판 준비
기판 준비단계로서 일반적으로 많이 사용되는 SLG(Soda lime glass)를 준비한다. 세척은 아세톤, 메탄올로 각각 초음파 10분 세척 후 증류수(D.I. water)로 충분히 세척하여 준비하였다.
2 단계. window 층 n- Al : ZnO template layer
도 2와 같이 유리기판 위에 2차원 마이크로 막대 구조를 수직으로 형성하기 위해 먼저 Al:ZnO template layer 층을 형성하였다. 성장방법으로는 RF 마그네트론 스퍼터 시스템(RF magnetron sputter system)을 이용하였다. 타겟으로는 알루미늄(Al) 2 중량% 도핑된 ZnO를 사용하였고, 아르곤(Ar) 분위기에서 두께 250 ~ 300 nm로 증착하였다.
3 단계. photo - Lithography
3 단계의 구성은 감광액(PR)을 코팅하는 공정, 노광(exposure) 공정 및 현상(develop) 공정으로 이루어져 있다. PR 코팅은 스핀코팅(spin-coater) 장비로 5000 RPM, 60 초의 조건으로 두께 1.8 ㎛로 이루어진다. 코팅된 PR 막은 115 ℃에서 60 초 동안 베이킹한 다음 8초 동안 노광한 후 현상하였다. 이때 사용된 패턴은 직경 3 ㎛, 간격 4 ㎛의 큐빅 배열의 2차원 원형 패턴이다. 패턴의 직경과 간격은 후속 마이크로 막대의 성장환경에 따라 조절될 수 있다. 특히, 간격은 CIGS 흡수층의 두께가 두꺼워질 경우 보이드(void) 형성을 피하기 위해 넓힐 필요가 있다.
4 단계. window 층 n- Al : ZnO micro rod 형성
직경 3 ㎛, 간격 4 ㎛로 패턴이 배열된 Al:ZnO template layer 기판을 이용하여 Al:ZnO 마이크로 로드(micro rod)를 형성하는 단계로서 성장 방법은 CBD(Chemical bath deposition) 법을 이용하였다. Al과 ZnO는 C4H5O4Al Zn(CH3COO)2를 각각 1 mM과 20 mM을 사용하여 공급하고, 반응 상대 물질인 리간드는 HMT(Hexamethyltetramine)를 이용하였으며, 첨가농도는 20 mM로 하였다. 코팅 조건은 염산(HCl)을 첨가하여 pH 5로 조절하고, 90 ℃에서 120분 동안 진행하여 높이가 3 ~ 4 ㎛ 정도의 마이크로막대 구조체를 수직으로 형성시켰다.
5 단계. PR strip 공정
PR막을 제거하는 공정으로 10분 동안 아세톤(acetone) 비커에 삽입(dipping)하여 제거하였다. 본 단계에서 2차원 배열구조를 갖는 Al:ZnO 3차원투명전극구조체를 완성하였다.
6 단계. 버퍼층 :n- CdS layer 형성
pn접합을 형성시키기 위해 n형 반도체 층인 CdS를 CBD(chemical bath deposition)법으로 약 50~70 nm 정도의 두께로 코팅하였다. 이때, Cd과 S의 공급원은 CdCl2 2.4 mM과 thiourea 2.4 mM이며, pH=10, 75 ℃에서 약 20분간 반응시켜 균일한 박막을 얻었다.
7 단계. 흡수층:p- CIGS layer 형성
6 단계까지 형성된 기판에 Cu, In, Ga 및 Se를 동시증발법에 의해 공급하여 Cu(In,Ga)Se2 화합물 반도체 박막을 1.5 ~ 2 ㎛ 정도로 증착하였다.
8 단계. 전면전극 형성
전극용 금속을 E-빔 장치를 이용하여 형성하여, Al를 포함하는 ZnO로 이루어진 n형 반도체층과 CdS 버퍼층이 접합하고, CdS 버퍼층 위에 형성된 CIGS p형 반도체층을 포함하는 태양전지에 있어서, 상기 n형 반도체층과 버퍼층이 트렌치를 형성하며 CIGS p형 반도체층과 접합한 구조체인 것을 특징으로 하는 3차원 접합형 태양전지를 제조하였다.
도 1은 CIGS를 광흡수층으로 하는 종래의 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 3차원 접합형 태양전지의 제조공정에 대한 도식도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 유리를 기판 20 : 배면전극
30 : 광흡수층 40 : 버퍼층
50 : 투명전극 60 : 반사방지막
70 : 그리드 전극

Claims (5)

  1. Al를 포함하는 ZnO로 이루어진 n형 반도체층과 CIGS p형 반도체층의 중간에 CdS 버퍼층이 포함되어 있는 태양전지에 있어서,
    상기 n형 반도체층과 CdS 버퍼층이 트렌치를 형성하면서 접합되어 있고, 상기 CdS 버퍼층 위에 CIGS p형 반도체층이 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 3차원 접합형 태양전지.
  2. Al를 포함하는 ZnO으로 이루어진 n형 반도체층이 코팅된 기판에 트렌치를 형성하는 단계;
    상기 기판의 트렌치 위에 CdS 버퍼층을 코팅하는 단계; 및
    상기 CdS 버퍼층 위에 CIGS p형 반도체층을 코팅하는 단계;
    를 포함하는 상기 n형 반도체층과 버퍼층이 트렌치를 형성하며 CIGS p형 반도체층과 접합한 구조체인 것을 특징으로 하는 3차원 접합형 태양전지의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 CIGS p형 반도체층 위에 전극용 금속을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 접합형 태양전지의 제조방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 트렌치 형성은 화학적 용액 성장법을 도입한 것을 특징으로 하는 3차원 접합형 태양전지의 제조방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 CdS 버퍼층 코팅은 화학적 용액 성장법을 도입한 것을 특징으로 하는 3차원 접합형 태양전지의 제조방법.
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