KR101034150B1 - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

태양전지 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

실시예에 따른 태양전지는 기판 상에 배치된 후면전극; 상기 후면전극 상에 배치된 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치된 제1버퍼층; 상기 제1버퍼층 상에 배치된 제2버퍼층; 및 상기 제2버퍼층 상에 배치된 전면전극을 포함하며, 상기 제1버퍼층은 1~10㎚의 두께로 형성된 것을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 기판 상에 후면전극을 형성하는 단계; 상기 후면전극 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 제1버퍼층을 형성하는 단계; 상기 제1버퍼층 상에 제2버퍼층을 형성하는 단계; 및 상기 제2버퍼층 상에 전면전극을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 제1버퍼층은 1~10㎚의 두께로 형성된 것을 포함한다.
나노 버퍼층

Description

태양전지 및 이의 제조방법{SOLAR CELL AND METHOD OF FABIRCATING THE SAME}
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 에너지 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지에 대한 개발이 진행되고 있다.
특히, 유리 기판, 금속 후면 전극층, p형 CIGS 계 광 흡수층, 고저항 버퍼층, n형 창층 등을 포함하는 기판 구조의 pn 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다.
이때, 상기 광 흡수층과 n형 창층을 형성함에 있어, 광 흡수층과 n형 창층 사이에 버퍼층을 형성하고 있으며, 광 흡수층과 n형 창층의 양호한 접합을 이루기 위해 많은 연구가 진행되고 있다.
실시예는 광 흡수층과 전면전극의 접합이 양호하고, 광 효율을 증대시킬 수 있는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 태양전지는 기판 상에 배치된 후면전극; 상기 후면전극 상에 배치된 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치된 제1버퍼층; 상기 제1버퍼층 상에 배치된 제2버퍼층; 및 상기 제2버퍼층 상에 배치된 전면전극을 포함하며, 상기 제1버퍼층은 1~10㎚의 두께로 형성된 것을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 기판 상에 후면전극을 형성하는 단계; 상기 후면전극 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 제1버퍼층을 형성하는 단계; 상기 제1버퍼층 상에 제2버퍼층을 형성하는 단계; 및 상기 제2버퍼층 상에 전면전극을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 제1버퍼층은 1~10㎚의 두께로 형성된 것을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지 및 이의 제조방법은 황화 카드뮴(CdS)층인 제1버퍼층을 나노 사이즈로 얇게 형성하여, 황화 카드뮴(CdS)에 의한 독성(Toxic)을 줄일 수 있다.
또한, 제1버퍼층의 카드뮴 이온(Cd2 +)의 일부가 광 흡수층의 구리 공공(Cu vacancy)의 자리에 확산되어, 광 흡수층의 효율이 증대될 수 있다.
또한, 버퍼층을 황화 카드뮴(CdS)층과 황화 아연(ZnS)의 적층으로 형성하여, 광 흡수층과 전면전극의 접합이 양호하게 될 수 있다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 기판, 층, 막 또는 전극 등이 각 기판, 층, 막, 또는 전극 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.
도 6은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 단면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 태양전지는 기판(100), 후면전극 패턴(200), 광 흡수층(300), 제1버퍼층(400), 제2버퍼층(500) 및 전면전극(600)을 포함한다.
상기 기판(100)은 유리(glass)가 사용되고 있으며, 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸, 티타늄기판 또는 폴리머 기판 등도 사용될 수 있다.
상기 후면전극 패턴(200)은 금속 등의 도전체로 형성될 수 있으며, 몰리브덴(Mo)층으로 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 Ⅰb-Ⅲb-Ⅵb계 화합물을 포함한다.
더 자세하게, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In, Ga)Se2, CIGS계) 화합물을 포함한다.
이와는 다르게, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-셀레나이드계(CuInSe2, CIS계) 화합물 또는 구리-갈륨-셀레나이드계(CuGaSe2, CGS계) 화합물을 포함할 수 있다.
상기 제1버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 형성될 수 있으며, 1~10㎚ 두께의 황화 카드뮴(CdS)으로 형성될 수 있다.
이때, 상기 제1버퍼층(400)은 n형 반도체층이고, 상기 광 흡수층(300)은 p형 반도체층이다.
따라서, 상기 광 흡수층(300) 및 제1버퍼층(400)은 pn접합을 형성한다.
상기 제1버퍼층(400)인 황화 카드뮴(CdS)층은 1~10㎚ 두께로 형성하는데, 이는 황화 카드뮴(CdS)층이 가지는 독성(Toxic)을 최소화하고자 상기 제1버퍼층(400)을 나노 사이즈로 얇게 형성한다.
그리고, 상기 광 흡수층(300)의 상기 구리 공공(Cu vacancy) 자리에 상기 카드뮴 이온(Cd2 +)이 확산되기 때문에, 상기 광 흡수층(300)의 결함(defect)이 제거되어, 상기 광 흡수층(300)의 효율이 증대될 수 있다.
상기 제2버퍼층(500)은 황화 아연(ZnS)으로 형성될 수 있다.
상기 제1버퍼층(400)과 제2버퍼층(500)은 상기 광 흡수층(300)과 이후 형성될 전면전극 사이에 배치된다.
상기 제2버퍼층(500)은 40~50㎚의 두께로 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층(300)과 전면전극은 격자상수와 에너지 밴드 갭의 차이가 크기 때문에, 에너지 밴드 갭이 두 물질의 중간에 위치하는 상기 제1버퍼층(400)과 제2버퍼층(500)을 삽입하여 양호한 접합을 형성할 수 있다.
또한, 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 제1버퍼층(400)과 제2버퍼층(500) 사이에는 CdZnS층이 더 형성될 수도 있다.
즉, 상기 제1버퍼층(400)과 제2버퍼층(500)의 일부가 반응하여, CdZnS층이 형성되어, 에너지 밴드 갭의 조절(alignment)이 용이하게 될 수 있다.
이하, 태양전지 제조공정에 따라 상기 태양전지를 더 자세히 설명하도록 한다.
도 1 내지 도 6은 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도이다.
우선, 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(100) 상에 후면전극 패턴(200)을 형성한다.
상기 기판(100)은 유리(glass)가 사용되고 있으며, 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸, 티타늄기판 또는 폴리머 기판 등도 사용될 수 있다.
유리 기판으로는 소다라임 유리(sodalime glass)를 사용할 수 있으며, 폴리머 기판으로는 폴리이미드(polyimide)를 사용할 수 있다.
또한, 상기 기판(100)은 리지드(rigid)하거나 플렉서블(flexible)할 수 있다.
상기 후면전극 패턴(200)은 금속 등의 도전체로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 후면전극 패턴(200)은 몰리브덴(Mo) 타겟을 사용하여, 스퍼터링(sputtering) 공정에 의해 형성될 수 있다.
이는, 몰리브덴(Mo)이 가진 높은 전기전도도, 광 흡수층과의 오믹(ohmic) 접합, Se 분위기 하에서의 고온 안정성 때문이다.
상기 후면전극 패턴(200)은 후면전극막을 형성한 후, 상기 후면전극막에 패터닝 공정을 진행하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 후면전극 패턴(200)은 스트라이프(stripe) 형태 또는 매트릭스(matrix) 형태로 배치될 수 있으며, 각각의 셀에 대응할 수 있다.
그러나, 상기 후면전극 패턴(200)은 상기의 형태에 한정되지 않고, 다양한 형태로 형성될 수 있다.
또한, 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 후면전극 패턴(200)은 적어도 하나 이상의 층으로 형성될 수 있다.
상기 후면전극 패턴(200)이 복수개의 층으로 형성될 때, 상기 후면전극 패턴(200)을 이루는 층들은 서로 다른 물질로 형성될 수 있다.
그리고, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 후면전극 패턴(200)이 형성된 상기 기판(100) 상에 광 흡수층(300) 및 제1버퍼층(400)을 형성한다.
상기 광 흡수층(300)은 Ⅰb-Ⅲb-Ⅵb계 화합물을 포함한다.
더 자세하게, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In, Ga)Se2, CIGS계) 화합물을 포함한다.
이와는 다르게, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-셀레나이드계(CuInSe2, CIS계) 화합물 또는 구리-갈륨-셀레나이드계(CuGaSe2, CGS계) 화합물을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 광 흡수층(300)을 형성하기 위해서, 구리 타겟, 인듐 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하여, 상기 후면전극 패턴(200) 상에 CIG계 금속 프리커서(precursor)막이 형성된다.
이후, 상기 금속 프리커서막은 셀레니제이션(selenization) 공정에 의해서, 셀레늄(Se)과 반응하여 CIGS계 광 흡수층(300)이 형성된다.
또한, 상기 금속 프리커서막을 형성하는 공정 및 셀레니제이션 공정 동안에, 상기 기판(100)에 포함된 알칼리(alkali) 성분이 상기 후면전극 패턴(200)을 통해서, 상기 금속 프리커서막 및 상기 광 흡수층(300)에 확산된다.
알칼리(alkali) 성분은 상기 광 흡수층(300)의 그레인(grain) 크기를 향상시키고, 결정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 광 흡수층(300)은 구리, 인듐, 갈륨, 셀레나이드(Cu, In, Ga, Se)를 동시증착법(co-evaporation)에 의해 형성할 수도 있다.
상기 광 흡수층(300)은 외부의 광을 입사받아, 전기 에너지로 변환시킨다. 상기 광 흡수층(300)은 광전효과에 의해서 광 기전력을 생성한다.
상기 제1버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 형성될 수 있으며, 1~10㎚ 두께의 황화 카드뮴(CdS)으로 형성될 수 있다.
이때, 상기 제1버퍼층(400)은 n형 반도체층이고, 상기 광 흡수층(300)은 p형 반도체층이다.
따라서, 상기 광 흡수층(300) 및 제1버퍼층(400)은 pn접합을 형성한다.
상기 제1버퍼층(400)인 황화 카드뮴(CdS)층은 1~10㎚ 두께로 형성하는데, 이는 황화 카드뮴(CdS)층이 가지는 독성(Toxic)을 최소화하고자 상기 제1버퍼층(400)을 나노 사이즈로 얇게 형성한다.
이때, 상기 제1버퍼층(400)은 CBD(Chemical Bath Deposition) 방법으로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 제1버퍼층(400) 형성시, 상기 카드뮴 이온(Cd2 +)의 일부가 상기 광 흡수층(300)으로 확산될 수 있다.
즉, 상기 광 흡수층(300)에 형성된 구리 공공(Cu vacancy)의 자리에 상기 카드뮴 이온(Cd2 +)이 확산될 수 있다.
이때, 상기 광 흡수층(300)의 표면 부근은 상기 카드뮴 이온(Cd2 +)이 포함되어 형성될 수 있다.
상기 구리 공공(Cu vacancy)의 자리에 상기 카드뮴 이온(Cd2 +)이 확산되기 때문에, 상기 광 흡수층(300)의 결함(defect)이 제거되어, 상기 광 흡수층(300)의 효율이 증대될 수 있다.
이어서, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1버퍼층(400) 상에 제2버퍼 층(500)을 형성한다.
상기 제2버퍼층(500)은 황화 아연(ZnS)으로 형성될 수 있다.
상기 제1버퍼층(400)과 제2버퍼층(500)은 상기 광 흡수층(300)과 이후 형성될 전면전극 사이에 배치된다.
상기 제2버퍼층(500)은 40~50㎚의 두께로 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층(300)과 전면전극은 격자상수와 에너지 밴드 갭의 차이가 크기 때문에, 에너지 밴드 갭이 두 물질의 중간에 위치하는 상기 제1버퍼층(400)과 제2버퍼층(500)을 삽입하여 양호한 접합을 형성할 수 있다.
즉, 상기 제1버퍼층(400)은 약 2.4eV의 에너지 밴드 갭을 가지고, 상기 제2버퍼층(500)은 약 2.8~3.0eV의 에너지 밴드 갭을 가져, 이후 형성될 약 3.4eV의 에너지 밴드 갭을 가지는 전면전극과 양호한 접합이 이루어질 수 있다.
또한, 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 제1버퍼층(400)과 제2버퍼층(500) 사이에는 CdZnS층이 더 형성될 수도 있다.
즉, 상기 제1버퍼층(400)과 제2버퍼층(500)의 일부가 반응하여, CdZnS층이 형성되어, 에너지 밴드 갭의 조절(alignment)이 용이하게 될 수 있다.
그리도, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1버퍼층(400), 제2버퍼층(500) 및 광 흡수층(300)을 관통하는 콘택패턴(310)을 형성한다.
상기 콘택패턴(310)은 기계적인(mechnical) 방법 또는 레이저(laser)를 이용한 공정으로 형성될 수 있으며, 이때 상기 콘택패턴(310)으로 상기 후면전극 패턴(200)의 일부가 노출된다.
이어서, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제2버퍼층(500) 상에 투명한 도전물질을 적층하여 전면전극(600) 및 접속배선(700)을 형성한다.
투명한 도전물질인 상기 전면전극(600)이 상기 제2버퍼층(500) 상에 적층될 때, 상기 투명한 도전물질은 상기 콘택패턴(310) 내부에도 삽입되어, 상기 접속배선(700)을 형성할 수 있다.
즉, 상기 후면전극 패턴(200)과 전면전극(600)이 상기 접속배선(700)에 의해 전기적으로 연결된다.
상기 전면전극(600)은 상기 기판(100) 상에 스퍼터링 공정을 진행하여 알루미늄(Al)이 도핑된 산화 아연(ZnO)으로 형성된다.
상기 전면전극(600)은 상기 광 흡수층(300)과 pn접합을 형성하는 윈도우(window)층으로서, 태양전지 전면의 투명전극의 기능을 하기 때문에 광투과율이 높고 전기 전도성이 좋은 산화 아연(ZnO)으로 형성된다.
이때, 상기 산화 아연에 알루미늄를 도핑함으로써 낮은 저항값을 갖는 전극을 형성할 수 있다.
상기 전면전극(600)인 산화 아연 박막은 RF 스퍼터링방법으로 ZnO 타겟을 사용하여 증착하는 방법과 Zn 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링, 그리고 유기금속화학증착법 등으로 형성될 수 있다.
또한, 전기광학적 특성이 뛰어난 ITO(Indium tin Oxide) 박막을 산화 아연 박막 상에 층착한 2중 구조를 형성할 수도 있다.
그리고, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 전면전극(600), 제2버퍼층(500), 제 1버퍼층(400) 및 광 흡수층(300)을 관통하는 분리패턴(320)을 형성한다.
상기 분리패턴(320)은 기계적인(mechnical) 방법으로 형성할 수 있으며, 상기 분리패턴(320)으로 상기 후면전극 패턴(200)의 일부가 노출된다.
태양전지 셀은 상기 분리패턴(320)에 의해 구분될 수 있으며, 상기 분리패턴(320)에 의해 각각의 셀(C1, C2)은 서로 분리될 수 있다.
상기 분리패턴(320)에 의해 태양전지 셀은 스트라이프 형태 또는 매트릭스 형태로 배치될 수 있다.
상기 분리패턴(320)은 상기의 형태에 한정되지 않고, 다양한 형태로 형성될 수 있다.
상기 분리패턴(320)에 의해 상기 후면전극 패턴(200), 광 흡수층(300), 제1버퍼층(400), 제2버퍼층(500) 및 전면전극(600)을 포함하는 셀(C1, C2)이 형성된다.
이때, 상기 접속배선(700)에 의해 각각의 셀(C1, C2)은 서로 연결될 수 있다. 즉, 상기 접속배선(700)은 제2셀(C2)의 후면전극 패턴(200)과 상기 제2셀(C2)에 인접하는 상기 제1셀(C1)의 전면전극(600)을 전기적으로 연결한다.
이상에서 설명한 실시예에 따른 태양전지 및 이의 제조방법은 황화 카드뮴(CdS)층인 제1버퍼층을 나노 사이즈로 얇게 형성하여, 황화 카드뮴(CdS)에 의한 독성(Toxic)을 줄일 수 있다.
또한, 제1버퍼층의 카드뮴 이온(Cd2 +)의 일부가 광 흡수층의 구리 공공(Cu vacancy)의 자리에 확산되어, 광 흡수층의 효율이 증대될 수 있다.
또한, 버퍼층을 황화 카드뮴(CdS)층과 황화 아연(ZnS)의 적층으로 형성하여, 광 흡수층과 전면전극의 접합이 양호하게 될 수 있다.
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.
도 1 내지 도 6은 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도이다.

Claims (10)

  1. 기판 상에 배치된 후면전극;
    상기 후면전극 상에 배치된 광 흡수층;
    상기 광 흡수층 상에 배치된 제1버퍼층;
    상기 제1버퍼층 상에 배치된 제2버퍼층; 및
    상기 제2버퍼층 상에 배치된 전면전극을 포함하며,
    상기 제1버퍼층은 1~10㎚의 두께로 형성된 것을 포함하는 태양전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1버퍼층은 황화 카드뮴(CdS)층을 포함하며,
    상기 제2버퍼층은 황화 아연(ZnS)층을 포함하는 태양전지.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1버퍼층과 접하는 상기 광 흡수층의 일부에 상기 황화 카드뮴(CdS)의 카드뮴 이온(Cd2 +) 일부가 상기 광 흡수층에 확산된 것을 포함하는 태양전지.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 카드뮴 이온(Cd2 +)은 상기 광 흡수층의 구리 공공(Cu Vacancy)의 자리 에 확산된 것을 포함하는 태양전지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1버퍼층과 제2버퍼층 사이에, 상기 제1버퍼층과 제2버퍼층이 반응하여 제3버퍼층이 형성되며,
    상기 제3버퍼층은 CdZnS층인 것을 포함하는 태양전지.
  6. 기판 상에 후면전극을 형성하는 단계;
    상기 후면전극 상에 광 흡수층을 형성하는 단계;
    상기 광 흡수층 상에 제1버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 제1버퍼층 상에 제2버퍼층을 형성하는 단계; 및
    상기 제2버퍼층 상에 전면전극을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 제1버퍼층은 1~10㎚의 두께로 형성된 것을 포함하는 태양전지의 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제1버퍼층은 황화 카드뮴(CdS)이며,
    상기 제1버퍼층은 CBD(Chemical Bath Deposition) 방법으로 형성하는 것을 포함하는 태양전지의 제조방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제1버퍼층 형성시, 상기 제1버퍼층의 Cd2 +이온이 상기 광 흡수층에 형성된 구리 공공(Cu vacancy)으로 확산되는 것을 포함하는 태양전지의 제조방법.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 제2버퍼층은 황화 아연(ZnS)층으로 형성되며,
    상기 제2버퍼층은 CBD(Chemical Bath Deposition) 방법으로 형성하는 것을 포함하는 태양전지의 제조방법.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 제1버퍼층과 제2버퍼층 사이에, 상기 제1버퍼층과 제2버퍼층이 반응하여 제3버퍼층이 형성되며,
    상기 제3버퍼층은 CdZnS층인 것을 포함하는 태양전지의 제조방법.
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