KR101060180B1 - 태양전지의 흡수층 제조방법 - Google Patents
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Abstract
태양전지의 흡수층으로서 I-Ⅲ-Ⅵ족 칼코게나이드(chalcopyrite)계 반도체를 재료로 사용할 경우 우수한 특성을 갖도록 이를 제조하는 방법에 관해 개시한다. 본 발명의 태양전지 흡수층 제조방법은, 기판 상에 Cu(In,Ga,Al)(Se,S)2를 흡수층으로 형성하여 화합물 태양전지를 제조하는 것으로서, 셀레늄 이원화합물 또는 상기 셀레늄 이원화합물에 황이 첨가된 화합물을 타겟으로 이용한 스퍼터링에 의해 Cu(In,Ga,Al)(Se,S)2의 흡수층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
태양전지, 흡수층, 칼코게나이드, CIGS, 동시 스퍼터링, 조성 제어
Description
본 발명은 태양전지의 흡수층 제조방법에 관한 것으로, 특히, 태양전지의 흡수층으로서 I-Ⅲ-Ⅵ족 칼코게나이드(chalcopyrite)계 반도체를 재료로 사용할 경우 우수한 특성을 갖도록 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
최근 대체 에너지에 대한 관심이 고조되고 있는 가운데, 저가이면서도 고효율의 태양전지에 대한 연구가 활발해지고 있다. 현재의 태양전지는 대부분 벌크 타입의 결정질 실리콘 기판을 이용하여 만들어지고 있는데, 이러한 태양전지는 효율이 높고, 신뢰성이 좋다는 장점을 갖지만, 저가화가 어렵고, 흡수층의 두께가 대체로 200∼300㎛ 정도로 얇게 만들기 어려우며, 공정이 단속적으로 이루어진다는 단점을 갖는다. 이에 비해서, 박막 태양전지는 아몰퍼스 실리콘(a-Si), 박막 다결정 실리콘(thin film poly-Si), 2셀렌화 구리인듐·갈륨(CIGS), 카드늄·텔루라이드 화합물(CdTe), 유기물질 등을 재료로 사용하여 만들어지는 것으로서, 흡수층의 두께가 대체로 2∼3㎛ 정도로 얇게 제조될 수 있으며, 유리, 금속 또는 플라스틱과 같은 저가의 기판을 이용하여 연속 대량 생산될 수 있고, 저에너지 소비형 공정으 로 제조될 수 있다는 장점을 갖는다.
이중에서, CIGS는 CuInSe2로 대표되는 I-Ⅲ-Ⅵ족 칼코게나이드(chalcopyrite)계 반도체 중의 하나로서, 1.04eV 정도의 직접 천이형 에너지 밴드갭(Eg)을 가진다. 이러한 칼코게나이드(chalcopyrite)계 반도체에는 CIGSS(Cu(InxGa1-x)(SeyS1-y)2), CIS도 포함된다. 이러한 칼코게나이드계 반도체는 광흡수계수가 1x105㎝-1 정도로 높아서 광흡수용 박막으로 사용할 경우 고효율을 나타내며, 이상적인 밴드갭인 1.40eV을 맞추기 위해, Ga을 In으로, Se을 S로 일부 치환할 수도 있다. 참고적으로 CuGaSe2의 에너지 밴드갭은 1.6eV이며, CuGaS2의 에너지 밴드갭은 2.5eV이다. 이러한 물질은 화합물을 이루는 성분원소의 조성 제어만으로 용이하게 밴드갭 조절이 가능하며, 대체적으로 10년 이상의 장기적 안정성을 가지므로 신뢰성이 높다.
도 1은 통상적인 박막 태양전지의 일 예를 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조하면, 박막 태양전지(10)는 2∼3㎜ 두께의 소다석회유리(sodalime glass) 기판(100) 상에 금속 배면 전극(110), 흡수층(120), 완충층(130), 윈도우층(140) 및 상부 전극(150)을 순차적으로 적층시킨 구조를 갖는다. 금속 배면 전극(110)은 대략 1㎛ 정도의 두께를 갖는 Mo 층을 스퍼터링으로 형성하여 만들어지며, 흡수층(120)으로는 2∼3㎛ 정도의 두께를 갖는 CIGS 층을 형성한다. 또한, 완충층(130)으로는 CBD(Chemical Bath Deposition)에 의해 형성된 50㎚ 정도의 CdS 층이 이용된다. 윈도우층(130)으로는 스퍼터링에 의해 형성된 50㎚ 정도의 n-형 ZnO:Al 층이 이용된다. 이와 같은 구조의 박막 태양전지(10)에서 흡수층(120)은 주로 금속 원소나 이원화합물에 동시 증발법(co-evaporation)을 적용하여 형성하거나, Cu-In-Ga 합금을 동시 스퍼터링(co-sputtering)에 의해 형성한 후, Se 펠릿을 할로겐 램프에 의해 가열하여 Cu-In-Ga 합금을 셀렌화시킴에 의해 형성하게 된다. 그러나 증발법에 의해 흡수층(120)을 형성할 경우, 스퍼터링 공정보다 높은 온도를 필요로 하기 때문에, 써멀 버짓(thermal budget)이 문제시 될 수 있으며, 또한 증발법은 금속과 같은 특정 재료에만 적용이 가능한 반면에 스퍼터링은 어떤 물질에나 적용이 가능하다는 차이가 있다. 그리고, 스텝 커버리지(step coverage) 및 방사성 손상이나 오염물질의 발생면에서도 스퍼터링이 증발법보다 우수하다는 차이를 보인다. 한편, Cu-In-Ga 합금을 동시 스퍼터링에 의해 형성한 후 이를 셀렌화시키는 공정은 흡수층(120)을 두 개의 분리된 공정에 의해 형성하는 것이기 때문에, 공정이 복잡할 뿐 아니라 장비 사이에서 이동 시에 이미 형성된 Cu-In-Ga 합금이 오염될 우려가 있다. 또한, Se 펠릿을 통해 Se의 함유량을 조절할 경우, CIGS 층 내에서의 Se의 조성을 정밀하게 제어하기 어렵다는 단점을 갖기도 한다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 태양전지의 흡수층을 제조함에 있어서, 과도한 열을 가하지 않고 단일 공정에서 진행되어 오염의 발생을 막을 수 있으며, 각 성분 원소들의 조성을 용이하게 정밀 제어할 수 있는 태양전지의 흡수 층 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 기판 상에 Cu(In,Ga,Al)(Se,S)2를 흡수층으로 형성하여 화합물 태양전지를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 셀레늄 이원화합물 또는 상기 셀레늄 이원화합물에 황이 첨가된 화합물을 타겟으로 이용한 스퍼터링에 의해 Cu(In,Ga,Al)(Se,S)2의 흡수층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 써멀 버짓(thermal budget)에 문제를 일으키지 않을 뿐 아니라 스텝 커버리지(step coverage) 및 방사성 손상이나 오염물질의 발생면에서도 기존 공정보다 우수한 태양전지의 흡수층 제조방법을 제공할 수 있기 때문에, 제조된 태양전지의 특성을 향상시킬 수 있으며, 그 단가도 낮출 수 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
도 2는 본 발명에 따른 태양전지의 흡수층 제조방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 2를 참조하면, 펌핑 시스템(210)에 의해 그 내부에 진공이 유지되는 진공챔버(200) 내의 기판(240) 상에 Cu(In,Ga,Al)(Se,S)2가 스퍼터링 공정에 의해 흡수층(250)으로 형성된다. 스퍼터링 공정을 진행함에 있어서, 스퍼터링 타겟들(262, 264, 266, 268)로서 셀레늄 이원화합물 또는 셀레늄 이원화합물에 황이 첨가된 화합물을 이용한다. 더욱 구체적으로는, 참조번호 262는 CuxSey 또는 Cux(Se,S)y 타겟이며, 참조번호 264는 AlxSey 또는 Alx(Se,S)y 타겟이며, 참조번호 266은 InxSey 또는 Inx(Se,S)y 타겟이며, 참조번호 268은 GaxSey 또는 Gax(Se,S)y 타겟이다. 본 실시예의 제조방법에서는 각각의 타겟에 별도의 파워(미도시)를 인가하여, 형성되는 흡수층의 성분원소의 조성을 조절함으로써 흡수층의 밴드갭을 제어한다. 한편, 스퍼터링 공정 중에는 히터(230)에 의해 기판(240)을 가열하며, 균일한 두께의 흡수층(250)을 형성할 수 있도록 기판(240)을 수평으로 회전시키는 회전 시스템(220)이 마련되어 형성되는 흡수층(250)의 균일도를 높이게 된다. 이와 같은 장치 내에서 흡수층의 재료가 되는 셀레나이드 화합물들의 타겟을 동시 스퍼터링하여, 기판 상에 흡수층을 제조할 경우, 별도의 셀렌화 공정을 거치지 않아서 공정이 간단하며, 흡수층의 성분원소의 조성 제어가 용이하여 이를 통한 밴드갭 조절도 쉽게 이룰 수 있다.
도 1은 통상적인 박막 태양전지의 일 예를 나타낸 단면도; 및
도 2는 본 발명에 따른 태양전지의 흡수층 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
* 도면 중의 주요 부분에 대한 참조부호의 설명 *
100, 240: 기판
110: 금속 배면 전극
120, 250: 흡수층
130: 완충층
140: 윈도우층
150: 상부 전극
200: 진공챔버
210: 펌핑 시스템
220: 회전 시스템
230: 히터
262, 264, 266, 268: 스퍼터링 타겟들
Claims (6)
- 기판 상에 Cu(In,Ga,Al)(Se,S)2를 흡수층으로 형성하여 화합물 태양전지를 제조하는 방법에 있어서, 셀레늄 이원화합물 또는 상기 셀레늄 이원화합물에 황이 첨가된 화합물을 타겟으로 이용한 스퍼터링에 의해 Cu(In,Ga,Al)(Se,S)2의 흡수층을 형성하며,상기 셀레늄 이원화합물은 CuxSey, InxSey, GaxSey 및 AlxSey이고,상기 셀레늄 이원화합물에 황이 첨가된 화합물은 Cux(Se,S)y, Inx(Se,S)y, Gax(Se,S)y 및 Alx(Se,S)y이며,상기 스퍼터링이 상기 셀레늄 이원화합물 또는 상기 셀레늄 이원화합물에 황이 첨가된 화합물에 각기 별도의 파워를 인가하는 동시 스퍼터링으로 진행하여 상기 흡수층의 밴드갭을 제어하고,상기 스퍼터링이 히터에 의한 가열 중에 이루어지며,상기 스퍼터링 중에 상기 기판을 수평으로 회전시켜 균일한 두께의 흡수층을 형성하고;별도의 셀렌화 공정을 수행하지 않는 것을 특징으로 하는 화합물 태양전지의 제조방법.
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| WO2013042966A1 (en) * | 2011-09-20 | 2013-03-28 | Lg Innotek Co., Ltd. | Solar cell and method of fabricating the same |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20100058751A (ko) | 2010-06-04 |
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