KR101055103B1 - 태양전지 및 이의 제조방법 - 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; 및 상기 광 흡수층 상에 배치되며, 두 종류 이상의 3족 원소들을 포함하는 윈도우층을 포함한다. 윈도우층에 두 종류 이상의 3족 원소들이 포함되어, 윈도우층의 특성이 향상된다.
AGZO, 3족, 전자, 빔, 표면, 처리, 수소
Description
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 에너지의 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지들에 대한 개발이 진행되고 있다.
특히, 유리 기판, 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.
이러한 태양전지들은 낮은 저항 등의 전기적인 특성에 의해서, 향상된 효율을 가질 수 있다.
실시예는 향상된 효율을 가지는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
일 실시예에 따른 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 전극층; 상기 전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상에 배치되며, 두 종류 이상의 3족 원소들을 포함하는 윈도우층을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 3족 원소들은 붕소, 알루미늄, 갈륨 및 인듐으로 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 윈도우층은 상기 3족 원소들이 도핑된 징크 옥사이드를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 기판 상에 전극층을 형성하는 단계; 상기 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 및 상기 광 흡수층 상에 두 종류 이상의 3족 원소들을 포함하는 윈도우층을 형성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 윈도우층을 형성하는 단계는 수소 가스 분위기에서 진행될 수 있다.
일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 상기 윈도우층을 전자 빔을 사용하여 표면처리 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 윈도우층은 알루미늄 및 갈륨이 도핑된 징크 옥사이드 타겟을 사용하여 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 알루미늄은 1.5wt% 내지 2.5wt%의 비율로 도핑되고, 상기 갈륨은 0.5wt% 내지 1.5wt%의 비율로 도핑될 수 있다.
실시예에 따른 태양전지는 두 종류 이상의 3족 원소들을 포함하는 윈도우층을 포함한다.
이에 따라서, 상기 윈도우층은 낮은 저항 등의 향상된 전기적인 특성을 가지게 되고, 실시예에 따른 태양전지는 향상된 효율을 가진다.
특히, 상기 윈도우층에 약 1.5wt% 내지 약 2.5wt%의 비율의 알루미늄 및 약 0.5wt% 내지 약 1.5wt%의 비율의 갈륨이 도핑될 때, 상기 윈도우층은 높은 전기적인 특성을 가질 수 있다.
또한, 상기 윈도우층을 형성하기 위한 공정이 수소 분위기에서 진행되므로, 추가적인 공정이 필요없고, 실시예에 따른 태양전지는 용이하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 윈도우층은 전자 빔에 의해서 표면처리되기 때문에, 향상된 전기적인 특성을 가진다. 이에 따라서, 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 향상된 효율을 가지는 태양전지를 제공할 수 있다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 기판, 막, 전극, 결정 또는 층 등이 각 기판, 전극, 막, 결정 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.
도 1 내지 도 4는 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도들이다.
도 1을 참조하면, 지지기판(100) 상에 이면전극층(200)이 형성된다.
상기 지지기판(100)은 절연체이다. 상기 지지기판(100)은 투명할 수 있으며, 리지드하거나, 플렉서블하다.
상기 지지기판(100)은 예를 들어, 소다 라임 글래스(soda lime glass) 기판이다. 상기 지지기판(100)은 플라스틱 기판일 수 있다.
상기 이면전극층(200)은 도전층이다. 상기 이면전극층(200)은 패터닝되어 다수 개의 후면전극들이 형성될 수 있다. 상기 이면전극층(200)의 두께는 약 500㎚ 내지 약 1000㎚일 수 있다.
상기 이면전극층(200)은 몰리브덴 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정에 의해서 형성될 수 있다. 상기 이면전극층(200)은 두 개의 층들로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 이면전극층(200)은 다른 조건으로 몰리브덴이 적층되어 두 개의 층들로 형성될 수 있다.
상기 지지기판(100) 및 상기 이면전극층(200) 사이에는 확산 방지막 등의 추가적인 층들이 개재될 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 이면전극층(200) 상에 광 흡수층(300), 버퍼층(400) 및 고저항 버퍼층(500)이 차례로 적층되어 형성된다.
상기 광 흡수층(300)은 상기 이면전극층(200) 상에 형성된다. 상기 광 흡수층(300)은 Ⅰ족-Ⅲ족-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.
상기 광 흡수층(300)의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1eV 내지 1.8eV일 수 있다. 상기 광 흡수층(300)의 두께는 약 1000㎚ 내지 약 2000㎚일 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 스퍼터링 공정 또는 증발법 등에 의해서 형성될 수 있다.
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 사용될 수 있다.
상기 금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션 하는 것을 세분화하면, 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정에 의해서, 상기 후면전극(200) 상에 금속 프리커서 막이 형성된다.
이후, 상기 금속 프리커서 막은 셀레이제이션(selenization) 공정에 의해서, 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(300)이 형성된다.
이와는 다르게, 상기 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 상기 셀레니제이션 공정은 동시에 진행될 수 있다.
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.
이후, 상기 광 흡수층(300) 상에 황화 카드뮴이 스퍼터링 공정 등에 의해서 증착되고, 상기 버퍼층(400)이 형성된다. 상기 버퍼층(400)은 황화 카드뮴(CdS)를 포함하며, 상기 버퍼층(400)의 에너지 밴드갭은 약 2.2eV 내지 2.4eV이다. 상기 버퍼층(400)의 두께는 약 30㎚ 내지 100㎚이다.
이후, 상기 버퍼층(400) 상에 징크 옥사이드가 스퍼터링 공정 등에 의해서 증착되고, 상기 고저항 버퍼층(500)이 형성된다. 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. 상기 고저항 버퍼층(500)의 두께는 약 20㎚ 내지 약 70㎚이다.
도 3을 참조하면, 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 윈도우층(600)이 형성된다.
상기 윈도우층(600)은 투명하며 도전층이다. 즉, 상기 윈도우층(600)은 투명전극층이다.
상기 윈도우층(600)은 두 종류 이상의 3족 원소들을 포함한다. 더 자세하게, 상기 윈도우층(600)은 두 종류 이상의 3족 원소들이 도핑된 구조를 가진다. 더 자 세하게, 상기 윈도우층(600)은 두 종류 이상의 3족 원소들이 도핑된 징크 옥사이드를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 3족 원소들은 붕소, 알루미늄, 인듐 및 갈륨으로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
예를 들어, 상기 윈도우층(600)은 약 1.5wt% 내지 약 2.5wt%의 비율의 알루미늄 및 약 0.5wt% 내지 약 1.5wt%의 비율의 갈륨이 도핑된 징크 옥사이드를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 윈도우층(600)은 약 0.5wt% 내지 약 5wt%의 알루미늄, 약 0.5wt% 내지 약 5wt%의 갈륨, 약 0.5wt% 내지 약 5wt%의 붕소 및 약 0.5wt% 내지 약 5wt%의 인듐 중 적어도 둘 이상을 포함한다.
상기 윈도우층(600)은 상기 3족 원소들이 도핑된 스퍼터링 타겟이 사용되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 윈도우층(600)은 알루미늄 및 갈륨이 도핑된 징크 옥사이드 타겟이 사용되어 형성될 수 있다.
상기 윈도우층(600)을 형성하기 위한 스퍼터링 타겟에는 약 1.5wt% 내지 약 2.5wt%의 비율의 알루미늄 및 약 0.5wt% 내지 약 1.5wt%의 비율의 갈륨이 도핑될 수 있다.
상기 윈도우층(600)은 약 200㎚ 내지 1000㎚의 두께로 증착되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 윈도우층(600)을 형성하기 위한 스퍼터링 공정은 수소 기체(H2) 분위기에서 진행될 수 있다. 예를 들어, 상기 윈도우층(600)은 약 1 mTorr내지 약 10 mTorr의 수소 분위기에서 진행될 수 있다. 또한, 상기 윈도우층(600)은 약 5:1(Ar:H2)로 혼합된 아르곤 및 수소 분위기에서 진행될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 윈도우층(600)이 형성된 후, 상기 윈도우층(600)은 전자 빔에 의해서 표면처리된다. 예를 들어, 상기 윈도우층(600)은 약 400eV 내지 약 600eV의 전자 빔에 의해서 표면처리된다. 또한, 상기 윈도우층(600)은 약 20분 동안 약 500eV의 전자 빔에 의해서 표면처리될 수 있다.
예를 들어, 상기 윈도우층(600)은 수십 eV 내지 수백 eV의 전자 빔에 의해서, 약 수초에서 수십분동안 표면치리될 수 있다.
상기 전자 빔의 에너지에 의해서, 상기 윈도우층(600)의 원자 구조가 재배열되고, 상기 윈도우층(600)은 낮은 저항 등의 향상된 전기적인 특성을 가진다.
상기 윈도우층(600)은 두 종류 이상의 3족 원소들을 포함하기 때문에, 상기 윈도우층(600)은 낮은 저항 등의 향상된 전기적인 특성을 가지게 되고, 실시예에 따른 태양전지는 향상된 효율을 가진다.
본 실시예에서는 상기 윈도우층(600)이 형성된 후, 상기 전자 빔에 의한 표면처리가 진행된다고 설명하였지만, 이에 한정되지 않고, 상기 윈도우층(600)을 형성하는 공정 중에서 상기 전자 빔에 의한 처리 공정이 진행될 수 있다. 즉, 중간 정도 형성된 윈도우층은 전자 빔에 의해서 표면처리될 수 있다.
특히, 상기 윈도우층(600)에 약 1.5wt% 내지 약 2.5wt%의 비율의 알루미늄 및 약 0.5wt% 내지 약 1.5wt%의 비율의 갈륨이 도핑될 때, 상기 윈도우층(600)은 높은 전기적인 특성을 가질 수 있다.
또한, 상기 윈도우층(600)을 형성하기 위한 공정이 수소 분위기에서 진행되므로, 추가적인 공정이 필요없고, 실시예에 따른 태양전지는 용이하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 윈도우층(600)은 전자 빔에 의해서 표면처리되기 때문에, 향상된 전기적인 특성을 가진다. 이에 따라서, 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 향상된 효율을 가지는 태양전지를 제공할 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.
실험예
약 2wt%의 알루미늄 및 약 1wt%의 갈륨이 도핑된 징크 옥사이드 타겟을 사용하여, 유리기판 상에 약 500㎚의 윈도우층#1이 형성되었다. 이때, 상기 윈도우층#1은 DC가 적용된 스퍼터링 공정을 통하여 형성되었고, 상기 스퍼터링 공정은 약 10 mtorr의 아르곤 및 수소가 5:1로 혼합된 기체 분위기에서 진행되었다. 이후, 상기 윈도우층은 약 500eV의 전자 빔에 의해서, 약 20분 동안 표면처리되었다.
비교예
약 3wt%의 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드 타겟을 사용하여, 유리기판 상에 약 500㎚의 윈도우층#2가 형성되었다. 이때, 상기 윈도우층#2는 약 10 mTorr의 아르곤 기체 분위기에서 진행되었고, 전자 빔에 의한 표면처리 공정은 적용되지 않았다.
상기 윈도우층#1은 약 300㎚ 내지 약 800㎚의 파장을 가지는 광에 대하여, 약 90%의 평균 투과율을 가지며, 약 4.5Ω/㎠의 표면저항을 가진다.
이에 대하여, 상기 윈도우층#2는 같은 광에 대해서 약 80%의 평균 투과율을 가지며, 약 30Ω/㎠의 표면저항을 가진다.
위의 실험예에서 설명된 바와 같이, 본 실시예에 따른 윈도우층은 향상된 전기적 및 광학적인 특성을 가지고, 본 실시예에 따른 태양전지는 향상된 효율을 가진다.
도 1 내지 도 4는 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도들이다.
Claims (9)
- 기판;상기 기판 상에 배치되는 전극층;상기 전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 및상기 광 흡수층 상에 배치되는 윈도우층을 포함하고,상기 윈도우층은1.5wt% 내지 2.5wt%의 비율의 알루미늄 및 0.5wt% 내지 1.5wt%의 비율의 갈륨을 포함하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 윈도우층은 2wt%의 알루미늄 및 1wt%의 갈륨을 포함하는 태양전지.
- 삭제
- 기판 상에 전극층을 형성하는 단계;상기 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 및상기 광 흡수층 상에 윈도우층을 형성하는 단계를 포함하고,상기 윈도우층은1.5wt% 내지 2.5wt%의 비율의 알루미늄 및 0.5wt% 내지 1.5wt%의 비율의 갈륨을 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 윈도우층을 형성하는 단계는 수소 가스 분위기에서 진행되는 태양전지의 제조방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 윈도우층을 전자 빔을 사용하여 표면처리 하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 윈도우층을 형성하는 과정에서, 상기 전자 빔에 의한 표면 처리 공정이 진행되는 태양전지의 제조방법.
- 삭제
- 제 4 항에 있어서, 상기 알루미늄은 2wt%의 비율로 도핑되고, 상기 갈륨은 1wt%의 비율로 도핑되는 태양전지의 제조방법.
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| KR1020090027887A KR101055103B1 (ko) | 2009-04-01 | 2009-04-01 | 태양전지 및 이의 제조방법 |
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|---|---|---|---|---|
| KR20070004593A (ko) * | 2003-12-25 | 2007-01-09 | 쇼와쉘세키유가부시키가이샤 | 집적형 박막 태양 전지 및 이의 제조방법 |
| KR20080033157A (ko) * | 2005-05-27 | 2008-04-16 | 쇼와쉘세키유가부시키가이샤 | Ｃｉｓ계 박막 태양 전지의 고저항 버퍼층/창층(투명도전막) 연속 제막방법 및 이러한 연속 제막방법을실시하기 위한 연속 제막 장치 |
| KR20080055482A (ko) * | 2006-12-15 | 2008-06-19 | 한국광기술원 | 윈도우층을 포함한 발광 다이오드 및 그의 제조방법 |
-
2009
- 2009-04-01 KR KR1020090027887A patent/KR101055103B1/ko active IP Right Grant
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