KR101067295B1 - 박막 태양전지 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 박막 태양전지와 그 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로 박막 태양전지는 도전성 기판이나 투명기판, 투명전극층, 윈도우층, 광흡수층, 금속전극을 포함하고, 광흡수층을 인화아연(Zn3P2)이나 텔루륨화카드뮴(CdTe)으로 구성하고, 태양전지의 광전변환 효율을 향상하기 위해 광흡수층과 인접하는 면에 나트륨(Na)이 도핑된 텔루륨화아연(ZnTe)층을 더 포함하는 구성을 가지는 것을 특징으로 한다.
박막, 태양전지, 윈도우층, 광흡수층, 도전성, 나트륨, 텔루륨화아연

Description

박막 태양전지 및 그의 제조방법 {Photovoltaic Device And Manufacturing Method Thereof}
본 발명은 박막 태양전지와 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 박막 태양전지의 광전변환 효율을 향상시키기 위하여 나트륨이 도핑된 텔루륨화아연층과 광흡수층, 윈도우층 및 투명전극층이 적층된 박막 태양전지의 구조와 이러한 태양전지를 제공하는 방법에 대한 것이다.
최근 들어 세계적인 고유가 행진과 화석연료 고갈에 대응하기 위하여 대체에너지원 발굴에 대한 필요성이 높아지고 있다. 아울러 지구 온난화를 방지하기 위한 기후 조약 발효에 이어 우리나라도 2013년부터 포스트 교토의정서 국제협약에 기준한 대기오염 해소 및 이산화탄소 가스 감축 등을 위한 정부차원의 대응방안 마련이 요구되고 있다.
태양광은 지구상에서 가장 풍부하고 공해가 전혀 발생하지 않는 청정한 에너지원으로서 지구상에 공급되는 총 태양광에너지는 초당 약 12만 테라와트(120×1015 W)에 달한다. 이는 지구상의 인류가 사용하는 총 에너지의 10,000배에 해당되는 분량이며, 이 태양광 에너지를 활용하는 기술을 개발하는 것은 국가의 당면한 에너지 및 환경문제를 해결하는 유력한 방안이 될 것이다.
태양전지는 크게 재료에 따라 결정질 실리콘 태양전지와 화합물반도체 태양전지 등으로 나뉜다. 또 기판을 실리콘 웨이퍼로 사용하느냐 유리 등 다른 기판을 쓰느냐에 따라 벌크형과 박막형으로 나뉜다.
일반적으로 결정질 실리콘 태양전지는 다른 태양전지 대비 고효율과 높은 안정성을 나타내지만, 제조에 많은 에너지가 소모되고 복잡한 공정을 거쳐 생산되므로 제조단가가 높고 획득되는 단위 전력당 가격은 상대적으로 높다. 광흡수층으로 사용되는 반도체 막의 두께가 10㎛ 미만인 박막 태양전지는 결정질 실리콘 대비 가격 경쟁력을 제고하기 위한 대안으로 제안되는데, 여기에는 비정질 실리콘을 기반으로 한 박막 실리콘 태양전지, CIGS 태양전지, CdTe 태양전지 등이 있다.
이 중 CdTe 태양전지는 재료와 제조공정이 단순하고 제어하기 쉬워 양산에 적합하고 우수한 가격 경쟁력을 가지므로 상용화가 급속히 진행되고 있다. 그러나 박막 CdTe는 고농도의 p형 도핑(doping)이 어려워 태양전지의 충실도(FF)와 개방전압 (Voc)을 높이기 어렵고, 배면전극과 CdTe 계면에서의 전자 재결합 손실이 성능을 더욱 저하시키는 요인으로 작용한다.
또한 CdTe는 CdS와의 격자상수 차이에 의한 격자 부정합이 커 계면준위 밀도를 낮추기 어렵기 때문에 CdS/CdTe 계면에서의 전자 재결합 손실이 발생하여 태양전지의 성능을 저하시키는 요인으로 작용할 수 있다.
따라서 기존 CdTe 태양전지에서 원가경쟁력이 우수하다는 장점은 유지하면서 상기와 같은 성능의 취약성이 개선된다면 CdTe 태양전지의 경쟁력을 더욱 강화할 수 있을 것이다.
또한 CdTe 태양전지는 독성 물질인 카드뮴이 함유되어 있다는 점에서 환경에 미치는 영향이 우려되고 있다. 광흡수층으로 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄의 4원계 화합물을 사용하는 CIGS 태양전지도 광흡수층과 접합을 형성하기 위한 n 형 반도체(buffer layer)는 CdTe 태양전지에서와 마찬가지로 CdS를 사용하여 중금속인 카드뮴을 함유하는 문제점이 있다.
따라서 박막 태양전지의 개발 경쟁이 가속화되고 있는 현 시점에서, 카드뮴과 같은 중금속이 함유되지 않은 환경친화적이면서 매장량이 풍부하고 박막형성이 용이한 저가의 재료를 사용한 새로운 태양전지의 개발은 매우 필요하다고 판단되며 본 발명은 이러한 박막 태양전지에 대한 제안이다.
본 발명은 박막 태양전지와 그 제조방법에 관한 것으로서, 가격 경쟁력이 우수한 CdTe 태양전지가 안고 있는 성능의 취약성을 개선하는 구조와 제조방법을 제공하여 궁극적으로 박막 태양전지의 효율을 제고하는데 목적이 있다.
또한 CdTe, CdS와 같이 중금속인 카드뮴을 함유하는 물질을 사용하지 않고 친환경적이고 저가의 소재를 사용하여 박막 태양전지를 제작하는 방법을 제시하는데 또다른 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지는 투명기판, 투명전극층, 윈도우층, 광흡수층, 배면전극을 포함하는 박막 태양전지에 있어서, 상기 광흡수층으로서 인화아연(Zn3P2)으로 이루어진 박막층을 포함하고, 상기 광흡수층과 배면전극층 사이에 텔루륨화아연(ZnTe)층을 더 포함할 수 있다.
특히 본 발명에서 상기 텔루륨화아연층은 도펀트로 도핑될 수 있으며, 상기 도펀트는 특별히 제한되지 않으나 나트륨(Na), 구리(Cu), 질소(N) 중에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
또한 상기 본 발명에서 광흡수층은 인화아연(Zn3P2)으로 이루어짐과 동시에, 상기 윈도우층으로서 황화아연(ZnS) 또는 셀렌화아연(ZnSe)으로 이루어진 박막층을 포함할 수 있다.
이러한 본 발명의 박막 태양전지의 구조는 황화아연(ZnS) 또는 셀렌화아연(ZnSe)/인화아연(Zn3P2)/텔루륨화아연(ZnTe)층으로 구성될 수 있다.
본 발명의 박막 태양전지는 투명 기판을 통해 입사된 광이 윈도우층을 통과한 후 광흡수층에서 흡수되어 전자-정공쌍으로 분리되어 상하부 전극을 통해 수집된다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 박막 태양전지는 투명기판, 투명전극층, 윈도우층, 광흡수층, 배면전극을 포함하는 박막 태양전지에 있어서, 상기 광흡수층으로서 텔루륨화카드뮴(CdTe)으로 이루어진 박막층을 포함하고, 상기 광흡수층과 배면전극층 사이에 나트륨(Na)이 도핑된 텔루륨화아연(ZnTe)층을 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 박막 태양전지는 윈도우층으로서 황화카드뮴(CdS)으로 이루어진 박막층을 형성할 수 있으므로, 이러한 박막 태양전지의 구조는 황화카드뮴(CdS)/텔루륨화카드뮴(CdTe)/나트륨(Na)이 도핑된 텔루륨화아연(ZnTe:Na)층으로 형성되는 구조이다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또다른 일 실시예에 따른 박막 태양전지는 도전성 기판, 광흡수층, 윈도우층, 투명전극층, 금속전극을 포함하는 박막 태양전지에 있어서, 상기 광흡수층으로서 인화아연(Zn3P2)으로 이루어진 박막층을 포함하고, 상기 도전성 기판과 광흡수층 사이에 텔루륨화아연(ZnTe)층을 더 포함할 수 있다.
이 때 상기 텔루륨화아연층은 도펀트로 도핑될 수 있으며, 상기 도펀트는 나트륨(Na), 구리(Cu), 질소(N) 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것이 바람직하지만 이에 제한되는 것은 아니다.
또한 본 발명의 다른 실시예로서의 박막 태양전지는 도전성 기판, 광흡수층, 윈도우층, 투명전극층, 금속전극을 포함하되, 상기 광흡수층은 텔루륨화카드뮴(CdTe)으로 이루어진 박막층이고, 상기 도전성 기판과 광흡수층 사이에 나트륨(Na)이 도핑된 텔루륨화아연(ZnTe)층을 포함할 수 있다.
이 때 상기 도전성 기판은 특별히 제한되지 않지만, 배면전극으로서 기능할 수 있도록 전도성의 기판이면 족할 것이고, 바람직하게는 그래파이트(graphite), 스테인레스 스틸(stainless steel)을 포함한 금속박막, 알루미늄 호일과 같은 금속박막 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명에서 윈도우층은 황화카드뮴(CdS), 황화아연(ZnS), 셀렌화아연(ZnSe) 중 선택된 어느 하나의 물질로 이루어진 박막층일 수 있다.
또한 상기 텔루륨화아연(ZnTe)층의 두께는 특별히 제한되지 않지만 1 내지 5㎛ 일 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 3㎛ 일 수 있고, 박막 태양전지를 구성하는 박막층의 두께에 따라서는 나노 단위의 박막층으로 형성될 수도 있다.
상기 도펀트가 도핑된 텔루륨화아연층의 도핑 농도는 특별히 제한되지 않으나 1×1017 내지 1×1019 atom/cm3 의 범위 내에서 도핑될 수 있다.
하나의 텔루륨화아연층에서 상기 도펀트의 도핑 농도는 균일하지 않을 수 있으며, 광흡수층과의 경계면에서 도펀트가 확산되어 도핑농도가 낮아질 수 있으므로 도핑농도의 경사 구배를 가질 수 있다.
본 발명에서의 텔루륨화아연층은 광에 의해 여기된 전자의 포집 효율(collection efficiency)을 더욱 높이는 역할을 하여 광에 의해 분리된 전자-정공쌍의 재결합(recombination)을 방지하여 종국적으로 광전변환효율을 제고할 수 있는 배면전계(Back Surface Field, BSF) 효과를 가질 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조방법은, 투명기판 위에 투명전극층, 윈도우층, 광흡수층, 배면전극을 순차로 형성하는 박막 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 광흡수층을 형성한 후 도펀트가 도핑된 텔루륨화아연(ZnTe)층을 형성하는 과정을 추가하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조방법은 도전성 기판 위에 광흡수층, 윈도우층, 투명전극층, 금속전극을 순차로 형성하는 박막 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 광흡수층을 도전성 기판 위에 형성하기 전에, 상기 도전성 기판 위에 도펀트가 도핑된 텔루륨화아연(ZnTe)층을 형성하는 과정을 추가하는 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 광흡수층은 인화아연(Zn3P2)으로 이루어진 박막층이고, 상기 도펀트는 나트륨(Na), 구리(Cu), 질소(N) 중에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
또한 본 발명의 다른 실시예로서, 상기 광흡수층은 텔루륨화카드뮴(CdTe)으로 이루어진 박막층이고, 상기 도펀트는 나트륨(Na)일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 도펀트가 도핑된 텔루륨화아연(ZnTe)층은, 나트륨을 포함한 화합물과 텔루륨화아연(ZnTe)의 혼합물을 박막증착법, 스퍼터링법(sputtering), CVD법(Chemical vapor deposition), 이베포레이션(evaporation)법, 근접승화법(close spaced sublimation, CSS), 화학 스프레이법(Chemical spraying), VTD법(Vapor transport deposition), 및 전착법(electrodeposition) 중 어느 하나의 방법에 의하여 증착할 수 있다.
이 때 상기 나트륨을 포함한 화합물은 특별히 제한되지 않으며, 공기 중 산소나 물과 쉽게 반응하지 않는 안정적인 나트륨 포함 화합물이면 족할 것이다. 본 발명에서는 염화나트륨(NaCl), 텔루륨화나트륨(Na2Te), 인산나트륨(Na3PO4) 중 어느 하나 이상의 화합물을 사용한다.
또한 상기 본 발명에서 나트륨 포함 화합물과 텔루륨화아연의 혼합물을 증착시키는 공정에서 상기 나트륨 포함 화합물로부터 분해하지 않은 화합물이 텔루륨화아연 박막층 내에 잔존하는 경우가 발생하는 것에 대비하여, 나트륨을 포함한 화합물과 텔루륨화아연(ZnTe)의 혼합물의 증착시 가스 분위기는 수소 가스를 주입한 환원 분위기인 것이 바람직하다.
또한 상기 나트륨을 포함한 화합물과 텔루륨화아연(ZnTe)의 혼합물을 증착할 때 증착 기판은 400 ~ 500℃의 고온으로 가열되는 것이 바람직하며, 증착시 온도는 650 내지 700℃ 로 유지되는 것이 바람직하다.
상기 본 발명의 박막 태양전지의 구조는 상기 박막층 이외에 다양하게 추가될 수 있으며, 특히 상기 투명전극층과 윈도우층 상에 완충층을 더 포함하거나, 윈도우층과 광흡수층 사이에 층간 격자불일치를 완화시키는 중간층을 더 포함하는 구조의 경우에도 본 발명은 적용될 수 있다.
일반적으로 박막 태양전지는 유리 기판위에 투명전극층, pn 접합이 내재된 반도체층 및 전극이 순차적으로 형성되어 있는 구조(superstrate structure), 또는 전극이나 전극이 부착된 기판 위에 반도체층, 투명전극층 또는 그리드(grid) 전극이 순차적으로 형성된 구조(substrate structure)가 될 수 있다. 즉, 광흡수층이 광투과층보다 먼저 형성되면 substrate 구조, 나중에 형성되면 superstrate 구조가 되는 것이다. CdTe 태양전지의 경우 유리 기판에 투명전극층, CdS, CdTe 및 배면전극(back contact)을 순서대로 형성하는 superstrate 구조가 일반적이지만, 본 발명에 의한 박막 태양전지는 superstrate 또는 substrate 구조 어느 것이나 적용이 가능하다.
본 발명에 의하면 박막 태양전지는 광흡수층이나 기타 삽입층에 함유된 도펀트에 의해 윈도우층의 심각한 열화를 발생시키지 않아 전체 박막 태양전지의 품질 특성이 향상되고 신뢰성이 유지되는 효과를 갖는다.
또한 박막 태양전지가 안고 있는 성능의 취약성을 개선하는 구조와 제조방법을 제공하여 궁극적으로 박막 태양전지의 광전변환효율을 높일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 의한 박막 태양전지는 CdTe, CdS와 같이 중금속을 함유하는 물질을 사용하지 않아 친환경적이며 광흡수층을 포함한 모든 박막층이 이원계 화합물로 구성되어 박막 형성 공정의 제어가 쉽고 양산이 용이한 효과를 갖는다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면 유리 기판(100) 위에 투명전극층(102), pn 접합으로 구성된 윈도우층(104)과 광흡수층(106), 나트륨이 도핑된 텔루륨화아연(ZnTe)층(108), 및 배면전극(110)이 순차적으로 형성되어 있는 구조이다. 도 1의 박막 태양전지는 유리 기판(100) 위에 순차로 상기 구성 박막층을 적층해 나가는 방법으로 형성되는데, 광흡수층(106)이 광투과층(102)보다 나중에 형성되기 때문에 superstrate 구조라고 할 수 있다.
도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조방법은 다음과 같다.
먼저 박막 형성을 위한 기판으로 투명전극층(102)이 도포된 유리 기판(100) 을 사용한다.
상기 투명전극층(102)은 투명 전도성 산화물, TCO층으로서 FTO(Fluoride doped tin oxide), AZO(Al-doped zinc oxide), IZO(Indium zinc oxide), ITO(Indium tin oxide), ZnO(Zinc oxide), TO(Tin oxide), CdO, CdSnO4 등의 물질로 이루어질 수 있다.
상기 투명전극층(102) 위에 윈도우층(104)을 형성한다.
상기 윈도우층(104)은 공지의 반도체층 형성방법이면 모두 사용될 수 있으며, 스퍼터법, 증발법, 진공증발법, 진공증착법, 셀렌화(Selenization)법, 전착(electrodeposition)법, 스크린프린팅법, 용액성장법, 근접승화법, 유기금속화학기상증착(MOCVD), 물리기상증착(PVD)법, 플라즈마화학기상증착법(PECVD), CBD(Chemical Bath Deposition)법 등의 방법으로 형성할 수 있다.
상기 윈도우층(104)는 황화카드뮴(CdS)층으로 형성할 수 있으나, 환경 오염의 문제를 해결하기 위해 바람직하게는 셀렌화아연(ZnSe)층으로 형성한다. 상기 용액성장법, 진공증발법, 근접승화법은 셀렌화아연을 도포하는데 사용될 수 있는 방법이지만 이에 반드시 제한되는 것은 아니다.
경우에 따라서 본 발명의 일 실시예에 따라 윈도우층(104)과 투명전극층(102) 사이에는 적어도 하나 이상의 Zn(S, O)으로 이루어진 완충층을 삽입할 수도 있다. 상기 완충층은 에너지 밴드갭 차이를 조절하여 투과도를 향상시킬 수도 있고 윈도우층의 두께를 상대적으로 감소시켜 투과도 향상에 이바지하는 기능을 가 진다.
다음으로 상기 윈도우층(104)인 셀렌화아연(ZnSe)층의 상부면에는 광흡수층(106)을 형성한다.
광흡수층(106)은 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 또는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층으로 형성할 수 있는데 바람직하게는 CdTe층으로 형성할 수 있다.
그러나 상기 텔루륨화카드뮴층이 환경오염에서 문제되는 카드뮴을 포함하므로 본 발명의 일 실시예에 따라서는 인화아연(Zn3P2)으로 광흡수층을 형성할 수 있다.
광흡수층 역시 상기 윈도우층과 같은 공지의 반도체층 형성방법으로 형성될 수 있다. 스퍼터법, 증발법, 진공증발법, 진공증착법, 셀렌화(Selenization)법, 전착(electrodeposition)법, 스크린프린팅법, 용액성장법, 근접승화법, 유기금속화학기상증착(MOCVD), 물리기상증착(PVD)법, 플라즈마화학기상증착법(PECVD), CBD(Chemical Bath Deposition)법 등을 사용할 수 있다.
바람직하게는 본 발명의 광흡수층(106)으로서 인화아연(Zn3P2)을 근접승화법으로 도포한다. 이때 인의 소모가 상대적으로 심하게 일어나므로 인화아연 소스는 Zn3P2와 ZnP2의 혼합물을 사용할 수 있다.
다음으로 광흡수층(106)인 인화아연(Zn3P2) 박막층 상부면에 나트륨이 도핑된 텔루륨화아연(ZnTe)층(108)을 형성한다.
텔루륨화아연(ZnTe)층의 형성방법은 공지된 박막 적층 방법을 사용할 수 있 으나, 바람직하게는 하나의 실시형태로서 400℃ 이상의 온도 분위기에서 텔루륨화아연(ZnTe)과 나트륨을 함유하는 화합물이 혼합된 분말을 가열하여 발생시킨 증기에 노출시켜 나트륨이 도핑된 ZnTe 박막층(108)을 형성하였다.
이때, 상기 적층과정에서의 텔루륨화아연(ZnTe) 소스의 온도는 특별히 제한되지 않으나 약 700℃의 고온이 바람직하며, 형성된 텔루륨화아연(ZnTe) 박막층의 두께는 1~3 ㎛ 범위가 바람직하다. 다만 박막 태양전지의 적층된 박막의 두께에 따라 상기 텔루륨화아연(ZnTe)층의 적층 두께는 조정될 수 있으며 수 나노미터 내지 수백 나노미터의 범위로 나노 단위의 두께로 적층될 수도 있다.
순수 나트륨을 사용하지 않고 화합물을 사용하는 이유는 나트륨이 공기 중 산소와 쉽게 반응할 뿐 아니라 물과는 격렬한 반응을 일으키므로 취급하기 매우 어렵기 때문이다. 일 실시예로서 나트륨 화합물은 텔루륨화나트륨(Na2Te), 소금(NaCl), 또는 인산나트륨(Na3PO4)을 사용하였다.
상기 나트륨 화합물 중에서 텔루륨화아연(ZnTe)의 비저항을 낮추는 도핑 효과는 텔루륨화나트륨이 가장 우수하나 시약이 고가이고 불안정하여 보관 등 취급상에 문제가 있으므로 소금이나 인산나트륨 등 저가이면서 안정한 화합물을 사용하여 나트륨을 도핑하는 것이 경제성이나 생산성 면에서 유리하다. 그러나 소금이나 인산나트륨을 사용하는 경우에는 분해되지 않은 화합물이 텔루륨화아연(ZnTe) 박막 내에 잔존하는 경우가 발생하므로 증착시 반응실 내에 수소 가스를 주입하여 환원 분위기를 형성함으로써 잔류하는 미분해 나트륨 화합물의 양을 감소시킬 수 있다.
광흡수층(106) 위에 텔루륨화아연(ZnTe)박막층(108)을 형성하고 난 결과, 본 발명의 일 실시형태에 따른 박막 태양전지는 유리 기판(100)에 투명전극층(102), ZnSe층(104), Zn3P2층(106), ZnTe층(108)이 순서대로 형성된 구조를 가진다. 다음으로, 상기 ZnTe층(108)의 상부면에 배면전극(110)을 도포하여 ZnSe/Zn3P2/ ZnTe 박막 태양전지를 완성한다.
배면전극(110)은 Ag, Al, ZnO/Ag, ZnO/Al 등으로 형성될 수 있으나 이에 반드시 제한되는 것은 아니다.
상기 배면전극(110)을 형성하고 나면 박막 태양전지가 도 1과 같은 구조를 가지며 완성되고, 상기 투명전극층(102)과 배면전극(110)의 양단에 부하나 시스템을 연결하면 전류가 흐르게 되어 전력을 생산하게 된다.
도 1의 구조에 따른 본 발명의 일 실시형태에 따른 박막 태양전지에 있어서, 나트륨이 도핑된 ZnTe층(108)은 배면전극과의 접촉저항을 줄이고 포집 효율을 향상시키는 역할을 한다. 뿐만 아니라 Zn3P2/ZnSe는 CdTe/CdS 대비 격자 부정합이 작아 계면 준위 밀도를 줄일 수 있으며, 따라서 이 계면에서의 전자 재결합에 의한 손실도 줄일 수 있다.
또한 도 1의 박막 태양전지와 같이 유리 기판(100)에 투명전극층(102), ZnSe층(104), Zn3P2층(106), ZnTe층(108)이 순서대로 형성된 구조의 태양전지 박막은 카드뮴 등 중금속을 함유하지 않아 환경오염의 우려가 적다. 특히 광흡수층(106)은 아연과 인 등 매장량이 풍부한 원소로 구성되어 있고, CIGS와 같이 복잡한 4원계가 아닌 간단한 2원계 화합물이며 박막을 형성하기 위한 소스 온도도 600℃ 이하로 낮게 처리될 수 있어 태양전지의 생산비용이 경제적이어서 보다 저가로 박막 태양전지를 제작할 수 있다. 박막 태양전지의 생산 단가를 낮추기 위해서는 윈도우층(104)을 ZnSe 대신 값싼 황화아연(ZnS)으로 대체할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 박막 태양전지의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2를 참조하면 도전성 기판(200) 위에, 나트륨이 도핑된 텔루륨화아연(ZnTe)층(208), pn 접합으로 구성된 광흡수층(206)과 윈도우층(204), 투명전극층(202), 및 금속전극(210)이 순차적으로 형성되어 있는 구조이다. 상기 금속전극은 그리드 형태의 격자구조나 소정의 간격으로 이격된 선 형태로 형성될 수 있다.
상기 도전성 기판(200)은 배면전극으로 기능하기 위한 전도성 금속 기판일 수 있으며, 그래파이트 기판, 스테인레스 스틸을 포함한 금속박막 또는 알루미늄 호일과 같은 금속박막 등을 사용할 수 있다.
도 2의 박막 태양전지는 도 1의 박막 태양전지 실시예와 마찬가지로 기판(200) 위에 순차로 상기 구성 박막층을 적층해 나가는 방법으로 형성되는데, 광흡수층(206)이 광투과층(202)보다 먼저 형성되기 때문에 substrate 구조라고 할 수 있다.
도 2의 일 실시예에서는 박막 형성을 위한 전도성 기판(200)으로서 전기 전도도가 양호하고 내열성이 우수한 그래파이트 기판을 사용하였다.
상기 그래파이트 기판(200) 위에 나트륨이 도핑된 텔루륨화아연(ZnTe) 박막 층(208)을 형성하는데, 그래파이트 기판을 약 400℃로 가열한 후 그 상부면을 텔루륨화아연(ZnTe)과 나트륨을 함유한 화합물이 혼합된 분말을 가열하여 발생시킨 증기에 노출시켜 나트륨이 도핑된 ZnTe 박막층을 형성하는 것이다. 이러한 증발법 이외에도 공지된 박막 적층 방법이 사용될 수 있음은 물론이다. 구체적인 텔루륨화아연(ZnTe)층의 적층과정은 도 1의 실시예에서 설명하였으므로 생략한다.
다음으로, 상기 텔루륨화아연(ZnTe) 박막층(208)이 형성된 그래파이트 기판을 약 400℃로 유지하고 상기 텔루륨화아연(ZnTe)층의 상부면을 650℃ 이상으로 CdTe 분말을 가열하여 얻은 증기에 노출하여 광흡수층(206)으로서 CdTe층을 형성한다.
다음으로, ZnTe층과 CdTe층이 형성된 그래파이트 기판은 n형 반도체인 CdS 소스의 증기에 노출시킨다. 그 결과, 상기 CdTe층의 상부면에 CdS층이 형성되어 pn 접합을 형성한다. 이때의 증착온도 조건은 고온에서 수행되도록 하며 바람직하게는 상기 그래파이트 기판의 온도가 400℃ 이하가 되도록 하고, 상기 CdS 증기를 배출하기 위한 원료소스의 온도는 600℃ 이상이 되도록 가열한다.
상기와 같은 과정을 거치면, 그래파이트 기판(200)의 상부면에는 텔루륨화아연(ZnTe)층(208), 광흡수층으로서의 CdTe층(206), 윈도우층으로서의 CdS층(204)이 순서대로 증착되게 된다.
그 상태에서 상기 CdS 윈도우층(204)의 상부면에 투명전극(TCO)층(202)을 형성하고, 금속 전극(210)을 부착하여 ZnTe/CdTe/CdS 태양전지를 완성한다.
상기의 방법으로 완성된 박막 태양전지의 구체적인 구조는 그래파이트 기 판(200)의 상부면에 전자의 재결합 손실을 줄이기 위해 형성한 ZnTe층(208), 광흡수층인 CdTe층(206), 광흡수층과 접합을 형성하기 위한 n형 반도체 CdS층(204), 투명전극층(202)이 순차적으로 형성된 구조이다.
상기 각 박막층의 형성방법은 상술한 바와 같이 공지된 박막적층법이 이용될 수 있으며 특히 스퍼터법, 증발법, 진공증발법, 진공증착법 등을 사용할 수 있다.
바람직하게는 ZnTe층(208), CdTe층(206) 및 CdS층(204)는 근접승화법(CSS : Close Spaced Sublimation) 또는 증발을 통한 물질이동(Vapor Transport) 방법에 의해 형성될 수 있다.
또한, 나트륨 도핑에 의해 낮은 비저항을 갖는 ZnTe층(208)은 CdTe층(206)에서 광여기된(photo-excited) 전자가 배면전극인 그래파이트와의 계면에서 재결합되어 손실되는 것을 방지할 뿐 아니라 접촉저항도 줄이는 역할을 한다.
한편 ZnTe층(208)에 함유된 일부의 나트륨이 아연(Zn)과 함께 CdTe층으로 확산되어 CdTe층 내에 배면 전계(BSF: back surface field)를 형성하므로 광여기 전자의 포집 효율(collection efficiency)을 더욱 높이는 역할을 한다. 나트륨은 구리(Cu)나 질소 같은 다른 도판트들과는 달리 광 투과도를 저하시키는 등 CdS에 미치는 악영향은 상대적으로 작다.
도 2의 실시예로서 광흡수층(206)은 CdTe층으로, 윈도우층(204)은 CdS층으로 구성하였으나, 도 1의 실시예처럼 환경오염에 대한 문제점을 해결하기 위해 상기 광흡수층은 인화아연(Zn3P2)층으로 이루어질 수 있으며, 상기 윈도우층은 황화아 연(ZnS)층이나 셀렌화아연(ZnSe)층으로 형성할 수 있음은 물론이다.
이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 범위에 속한다. 또한, 본 명세서에서 설명한 각 구성요소의 물질은 당업자가 공지된 다양한 물질로부터 용이하게 선택하여 대체할 수 있다. 또한 당업자는 본 명세서에서 설명된 구성요소 중 일부를 성능의 열화 없이 생략하거나 성능을 개선하기 위해 구성요소를 추가할 수 있다. 뿐만 아니라, 당업자는 공정 환경이나 장비에 따라 본 명세서에서 설명한 방법 단계의 순서를 변경할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지의 구성을 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 박막 태양전지의 구성을 나타내는 단면도.
{도면의 주요부호에 대한 설명}
100: 투명 기판 200 : 도전성 기판(그래파이트 기판)
102,202 : 투명전극층 104,204 : 윈도우층
106,206 : 광흡수층 108,208 : ZnTe층
110 : 배면전극 210 : 금속전극

Claims (21)

  1. 투명기판, 투명전극층, 윈도우층, 광흡수층, 배면전극을 포함하는 박막 태양전지에 있어서,
    상기 광흡수층은 인화아연(Zn3P2)으로 이루어진 박막층이고, 상기 광흡수층과 배면전극층 사이에 텔루륨화아연(ZnTe)층을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 텔루륨화아연층은 도펀트로 도핑된 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 도펀트는 나트륨(Na), 구리(Cu), 질소(N) 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  4. 투명기판, 투명전극층, 윈도우층, 광흡수층, 배면전극을 포함하는 박막 태양전지에 있어서,
    상기 광흡수층은 텔루륨화카드뮴(CdTe)으로 이루어진 박막층이고, 상기 광흡수층과 배면전극층 사이에 나트륨(Na)이 도핑된 텔루륨화아연(ZnTe)층을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  5. 도전성 기판, 광흡수층, 윈도우층, 투명전극층, 금속전극을 포함하는 박막 태양전지에 있어서,
    상기 광흡수층은 인화아연(Zn3P2)으로 이루어진 박막층이고, 상기 도전성 기판과 광흡수층 사이에 텔루륨화아연(ZnTe)층을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 텔루륨화아연층은 도펀트로 도핑된 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 도펀트는 나트륨(Na), 구리(Cu), 질소(N) 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  8. 도전성 기판, 광흡수층, 윈도우층, 투명전극층, 금속전극을 포함하는 박막 태양전지에 있어서,
    상기 광흡수층은 텔루륨화카드뮴(CdTe)으로 이루어진 박막층이고, 상기 도전성 기판과 광흡수층 사이에 나트륨(Na)이 도핑된 텔루륨화아연(ZnTe)층을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  9. 제 5항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 도전성 기판은 그래파이트(graphite), 스테인레스 스틸(stainless steel)을 포함한 금속박막 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  10. 제 1항, 제 4항, 제 5항 및 제 8항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 윈도우층은 황화카드뮴(CdS), 황화아연(ZnS), 셀렌화아연(ZnSe) 중 선택된 어느 하나의 물질로 이루어진 박막층인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  11. 제 1항, 제 4항, 제 5항 및 제 8항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 텔루륨화아연(ZnTe)층의 두께는 1 내지 5㎛인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  12. 제 2항, 제 4항, 제 6항 및 제 8항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 도핑된 텔루륨화아연층의 도핑 농도는 1×1017 내지 1×1019 atom/cm3 의 범위 내인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지.
  13. 투명기판 위에 투명전극층, 윈도우층, 광흡수층, 도펀트가 도핑된 텔루륨화아연(ZnTe)층, 배면전극을 순차로 형성하는 박막 태양전지의 제조방법에 있어서,
    상기 광흡수층은 인화아연(Zn3P2)으로 이루어진 박막층이고, 상기 도펀트는 나트륨(Na), 구리(Cu), 질소(N) 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조방법.
  14. 도전성 기판 위에 도펀트가 도핑된 텔루륨화아연(ZnTe)층, 광흡수층, 윈도우층, 투명전극층, 금속전극을 순차로 형성하는 박막 태양전지의 제조방법에 있어서,
    상기 광흡수층은 인화아연(Zn3P2)으로 이루어진 박막층이고, 상기 도펀트는 나트륨(Na), 구리(Cu), 질소(N) 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조방법.
  15. 투명기판 위에 투명전극층, 윈도우층, 광흡수층, 도펀트가 도핑된 텔루륨화아연(ZnTe)층, 배면전극을 순차로 형성하는 박막 태양전지의 제조방법에 있어서,
    상기 광흡수층은 텔루륨화카드뮴(CdTe)으로 이루어진 박막층이고, 상기 도펀트는 나트륨(Na)인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조방법.
  16. 도전성 기판 위에 도펀트가 도핑된 텔루륨화아연(ZnTe)층, 광흡수층, 윈도우층, 투명전극층, 금속전극을 순차로 형성하는 박막 태양전지의 제조방법에 있어서,
    상기 광흡수층은 텔루륨화카드뮴(CdTe)으로 이루어진 박막층이고, 상기 도펀트는 나트륨(Na)인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조방법.
  17. 투명기판 위에 투명전극층, 윈도우층, 광흡수층, 도펀트가 도핑된 텔루륨화아연(ZnTe)층, 배면전극을 순차로 형성하는 박막 태양전지의 제조방법에 있어서,
    상기 도펀트가 도핑된 텔루륨화아연(ZnTe)층은, 나트륨을 포함한 화합물과 텔루륨화아연(ZnTe)의 혼합물을 박막증착법, 스퍼터링법(sputtering), CVD법(Chemical vapor deposition), 이베포레이션(evaporation)법, 근접승화법(close spaced sublimation, CSS), 화학 스프레이법(Chemical spraying), VTD법(Vapor transport deposition), 및 전착법(electrodeposition) 중 어느 하나의 방법에 의하여 증착하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조방법.
  18. 도전성 기판 위에 도펀트가 도핑된 텔루륨화아연(ZnTe)층, 광흡수층, 윈도우층, 투명전극층, 금속전극을 순차로 형성하는 박막 태양전지의 제조방법에 있어서,
    상기 도펀트가 도핑된 텔루륨화아연(ZnTe)층은, 나트륨을 포함한 화합물과 텔루륨화아연(ZnTe)의 혼합물을 박막증착법, 스퍼터링법(sputtering), CVD법(Chemical vapor deposition), 이베포레이션(evaporation)법, 근접승화법(close spaced sublimation, CSS), 화학 스프레이법(Chemical spraying), VTD법(Vapor transport deposition), 및 전착법(electrodeposition) 중 어느 하나의 방법에 의하여 증착하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조방법.
  19. 제 17항 또는 제 18항에 있어서,
    상기 나트륨을 포함한 화합물은 염화나트륨(NaCl), 텔루륨화나트륨(Na2Te), 인산나트륨(Na3PO4) 중 어느 하나 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조방법.
  20. 제 17항 또는 제 18항에 있어서,
    상기 나트륨을 포함한 화합물과 텔루륨화아연(ZnTe)의 혼합물의 증착시 가스 분위기는 수소 가스를 주입한 환원 분위기인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조방법.
  21. 제 17항 또는 제 18항에 있어서,
    상기 나트륨을 포함한 화합물과 텔루륨화아연(ZnTe)의 혼합물의 증착온도는 650 내지 700℃ 인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조방법.
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