KR101091495B1 - Solar cell and method of fabricating the same - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 태양전지는, 기판 상에 형성된 후면전극층; 상기 후면전극층 상에 형성된 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 형성된 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 형성되고 도전성 불순물의 조성이 깊이에 따라 다른 분포를 가지는 전면전극층을 포함하는 것으로, 전하운송 효율이 향상될 수 있다. Solar cell according to the embodiment, the back electrode layer formed on the substrate; A light absorbing layer formed on the back electrode layer; A buffer layer formed on the light absorbing layer; And a front electrode layer formed on the buffer layer and having a distribution in which the composition of the conductive impurity varies depending on the depth, the charge transport efficiency may be improved.
태양전지, 윈도우 Solar cell, windows
Description
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다. An embodiment relates to a solar cell and a manufacturing method thereof.
최근 에너지의 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지에 대한 개발이 진행되고 있다.Recently, as the demand for energy increases, development of solar cells for converting solar energy into electrical energy is in progress.
특히, 유리기판, 금속 이면 전극층, p형 CIGS계 광 흡수층, 고저항 버퍼층, n형 창층 등을 포함하는 기판 구조의 pn 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다. In particular, CIGS-based solar cells that are pn heterojunction devices having a substrate structure including a glass substrate, a metal back electrode layer, a p-type CIGS-based light absorbing layer, a high resistance buffer layer, an n-type window layer, and the like are widely used.
이러한 태양전지에서의 에너지 밴드갭을 조절하여 발전효율을 향상시키기 위한 연구가 진행 중이다. Research is underway to improve the power generation efficiency by adjusting the energy band gap in such solar cells.
실시예는 향상된 발전 효율을 가지는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다. Embodiments provide a solar cell having an improved power generation efficiency and a method of manufacturing the same.
실시예에 따른 태양전지는, 기판 상에 형성된 후면전극층; 상기 후면전극층 상에 형성된 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 형성된 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 형성되고 도전성 불순물의 조성이 깊이에 따라 다른 분포를 가지는 전면전극층을 포함한다. Solar cell according to the embodiment, the back electrode layer formed on the substrate; A light absorbing layer formed on the back electrode layer; A buffer layer formed on the light absorbing layer; And a front electrode layer formed on the buffer layer and having a distribution in which the composition of the conductive impurity varies depending on the depth.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은, 기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계; 상기 후면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 및 상기 버퍼층 상에 깊이에 따라서 도전성 불순물이 다른 조성을 가지는 전면전극층을 형성하는 단계를 포함한다. A method of manufacturing a solar cell according to an embodiment includes forming a back electrode layer on a substrate; Forming a light absorbing layer on the back electrode layer; Forming a buffer layer on the light absorbing layer; And forming a front electrode layer having a composition different from each other on the buffer layer depending on depth.
실시예에 따른 태양전지는, 전면전극층에서 도전성 불순물의 조성 분포가 위치에 따라서 달라질 수 있다. In the solar cell according to the embodiment, the composition distribution of the conductive impurities in the front electrode layer may vary depending on the position.
특히, 상기 전면전극층의 하부 영역에서의 도전성 불순물의 조성은 낮고 상부 영역에서의 도전성 불순물의 조성이 높아질 수 있다.In particular, the composition of the conductive impurities in the lower region of the front electrode layer may be low and the composition of the conductive impurities in the upper region may be high.
이에 따라, 상기 전면전극층의 상부 영역으로 갈수록 밴드갭 에너지가 높아지게 되고, 전하 운송 효율이 향상될 수 있다.Accordingly, the band gap energy is increased toward the upper region of the front electrode layer, and the charge transport efficiency may be improved.
따라서, 실시예에 따른 태양전지는 향상된 발전효율을 가질 수 있다.Therefore, the solar cell according to the embodiment may have improved power generation efficiency.
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.In the description of the embodiments, where each substrate, layer, film, or electrode is described as being formed "on" or "under" of each substrate, layer, film, or electrode, etc. , "On" and "under" include both "directly" or "indirectly" formed through other components. In addition, the upper or lower reference of each component is described with reference to the drawings. The size of each component in the drawings may be exaggerated for the sake of explanation and does not mean the size actually applied.
도 1 내지 도 4는 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도이다.1 to 4 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a solar cell according to an embodiment.
도 1을 참조하여, 기판(100) 상에 후면전극층(200)이 형성된다. Referring to FIG. 1, a
상기 기판(100)은 유리(glass)가 사용될 수 있으며, 세라믹 기판, 금속기판 또는 폴리머 기판 등도 사용될 수 있다. The
예를 들어, 유리 기판으로는 소다라임 유리(sodalime glass) 또는 고변형점 소다유리(high strained point soda glass)를 사용할 수 있다. 금속 기판으로는 스테인레스 스틸 또는 티타늄을 포함하는 기판을 사용할 수 있다 폴리머 기판으로는 폴리이미드(polyimide)를 사용할 수 있다. For example, soda lime glass or high strained point soda glass may be used as the glass substrate. As the metal substrate, a substrate including stainless steel or titanium may be used. As the polymer substrate, polyimide may be used.
상기 기판(100)은 투명할 수 있다. 상기 기판(100)은 리지드(rigid)하거나 플렉서블(flexible) 할 수 있다. The
상기 후면전극층(200)은 금속등의 도전체로 형성될 수 있다. The
예를 들어, 상기 후면전극층(200)은 몰리브덴(Mo)을 타겟으로 사용하여, 스퍼터링(sputtering) 공정에 의해 형성될 수 있다. For example, the
이는, 몰리브덴(Mo)이 가진 높은 전기전도도, 광 흡수층과의 오믹(ohmic) 접합, Se 분위기 하에서의 고온 안정성 때문이다.This is because of high electrical conductivity of molybdenum (Mo), ohmic bonding with the light absorbing layer, and high temperature stability under Se atmosphere.
상기 후면전극층(200)인 몰리브덴(Mo) 박막은 전극으로서 비저항이 낮아야하고, 열팽창 계수의 차이로 인하여 박리현상이 일어나지 않도록 기판(100)에의 점착성이 뛰어나야 한다. The molybdenum (Mo) thin film, which is the
한편, 상기 후면전극층(200)을 형성하는 물질은 이에 한정되지 않고, 나트륨(Na) 이온이 도핑된 몰리브덴(Mo)으로 형성될 수도 있다. Meanwhile, the material forming the
도면에 도시되지는 않았지만, 상기 후면전극층(200)은 적어도 하나 이상의 층으로 형성될 수 있다. 상기 후면전극층(200)이 복수개의 층으로 형성될 때, 상기 후면전극층(200)을 이루는 층들은 서로 다른 물질로 형성될 수 있다.Although not shown in the drawing, the
도 2를 참조하여, 상기 후면전극층(200) 상에 광 흡수층(300)이 형성된다. Referring to FIG. 2, a
상기 광 흡수층(300)은 Ⅰb-Ⅲb-Ⅵb계 화합물을 포함한다.The light absorbing
더 자세하게, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In, Ga)Se2, CIGS계) 화합물을 포함한다.In more detail, the
이와는 다르게, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-셀레나이드계(CuInSe2, CIS계) 화합물 또는 구리-갈륨-셀레나이드계(CuGaSe2, CIS계) 화합물을 포함할 수 있다.Alternatively, the
예를 들어, 상기 광 흡수층(300)을 형성하기 위해서, 구리 타겟, 인듐 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하여, 상기 후면전극층(200) 상에 CIG계 금속 프리커서(precursor)막이 형성된다. For example, in order to form the
이후, 상기 금속 프리커서막은 셀레니제이션(selenization) 공정에 의해서, 셀레늄(Se)과 반응하여 CIGS계 광 흡수층(300)이 형성된다.Thereafter, the metal precursor film is reacted with selenium (Se) by a selenization process to form a CIGS-based
또한, 상기 금속 프리커서막을 형성하는 공정 및 셀레니제이션 공정 동안에, 상기 기판(100)에 포함된 알칼리(alkali) 성분이 상기 후면전극층(200)을 통해서, 상기 금속 프리커서막 및 상기 광 흡수층(300)에 확산된다.In addition, during the process of forming the metal precursor film and the selenization process, an alkali component included in the
알칼리(alkali) 성분은 상기 광 흡수층(300)의 그레인(grain) 크기를 향상시키고, 결정성을 향상시킬 수 있다.An alkali component may improve grain size and improve crystallinity of the
또한, 상기 광 흡수층(300)은 구리,인듐,갈륨,셀레나이드(Cu, In, Ga, Se)를 동시증착법(co-evaporation)에 의해 형성할 수도 있다.In addition, the
상기 광 흡수층(300)은 외부의 광을 입사받아, 전기 에너지로 변환시킨다. 상기 광 흡수층(300)은 광전효과에 의해서 광 기전력을 생성한다.The light absorbing
상기 광 흡수층(300)의 밴드갭 에너지(Eg)는 0.7~1.7 eV일 수 있다. The bandgap energy Eg of the
상기 광 흡수층(300)의 밴드갭 에너지는 상기 후면전극층(200)에 가까워짐에 따라 점차적으로 증가될 수 있다. The bandgap energy of the
이에 따라, 상기 광 흡수층(300)에서의 전자 속도(electron velocity)가 향상될 수 있다. Accordingly, the electron velocity in the
도 3를 참조하여, 상기 광 흡수층(300) 상에 버퍼층(400) 및 고저항 버퍼 층(500)이 형성된다. Referring to FIG. 3, a
상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 적어도 하나 이상의 층으로 형성될 수 있으며, 황화 카드뮴(CdS)으로 형성될 수 있다.The
상기 버퍼층(400)의 에너지 밴드갭은 약 2.2eV 내지 2.4eV이다. The energy bandgap of the
이때, 상기 버퍼층(400)은 n형 반도체 층이고, 상기 광 흡수층(300)은 p형 반도체 층이다. 따라서, 상기 광 흡수층(300) 및 버퍼층(400)은 pn접합을 형성한다. In this case, the
상기 버퍼층(400)은 산화아연(ZnO)을 타겟으로 한 스퍼터링 공정을 진행하여, 상기 황화 카드뮴(CdS) 상에 산화 아연층이 더 형성될 수 있다. A zinc oxide layer may be further formed on the cadmium sulfide (CdS) by performing a sputtering process targeting the zinc oxide (ZnO).
상기 고저항 버퍼층(500)은 상기 버퍼층(400) 상에 투명전극층으로 형성될 수 있다. The high
예를 들어, 상기 고저항 버퍼층(500)은 ITO, ZnO, i-ZnO 중 어느 하나로 형성될 수 있다. For example, the high
상기 고저항 버퍼층(500)의 에너지 밴드갭은 약 3.1eV 내지 3.2eV이다. The energy band gap of the high
상기 버퍼층(400) 및 고저항 버퍼층(500)은 상기 광 흡수층(300)과 이후 형성된 전면전극층(600)의 사이에 배치된다.The
즉, 상기 광 흡수층(300)과 전면전극은 격자상수와 에너지 밴드갭의 차이가 크기 때문에, 밴드갭이 두 물질의 중간에 위치하는 상기 버퍼층(400) 및 고저항 버퍼층(500)을 삽입하여 양호한 접합을 형성할 수 있다. That is, since the difference between the lattice constant and the energy band gap is large between the
실시예에서는 두개의 버퍼층을 상기 광 흡수층(300) 상에 형성하였지만, 이 에 한정되지 않고, 버퍼층은 한개의 층으로만 형성될 수도 있다.In the embodiment, two buffer layers are formed on the
도 4를 참조하여, 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 전면전극층(600)이 형성된다. Referring to FIG. 4, a front electrode layer 600 is formed on the high
상기 전면전극층(600)은 그 깊이에 따라 도전성 불순물의 조성이 다른 분포를 가지도록 형성할 수 있다.The front electrode layer 600 may be formed to have a different distribution of conductive impurities depending on its depth.
구체적으로, 상기 전면전극층(600)은 그 상부 표면으로 갈수록 도전성 불순물의 조성이 높아질 수 있다. 또한, 상기 전면전극층(600)은 상기 고저항 버퍼층(500)에 가까워 질수록 도전성 불순물의 조성이 낮아질 수 있다.Specifically, the front electrode layer 600 may have a higher composition of conductive impurities toward its upper surface. Also, the closer the front electrode layer 600 is to the high
이에 따라 상기 전면전극층(600)은 위치에 따라서 다른 밴드갭 에너지를 가지게 될 수 있다. Accordingly, the front electrode layer 600 may have different band gap energy depending on the position.
즉, 상기 전면전극층(600)의 상부영역은 높은 밴드갭 에너지를 가질 수 있고, 하부영역은 상대적으로 낮은 밴드갭 에너지를 가질 수 있다. That is, the upper region of the front electrode layer 600 may have a high band gap energy, and the lower region may have a relatively low band gap energy.
상기 전면전극층(600)이 깊이에 따라 다른 밴드갭 에너지를 가지므로 상기 전면전극층(600)에 전위차가 발생된다. Since the front electrode layer 600 has different band gap energy according to depth, a potential difference is generated in the front electrode layer 600.
이러한 전위차에 의하여 상기 전면전극층은 깊이에 따라 전위 장벽(potential barrier)이 단차를 가진 구조를 가지게 되고, pn 정션에서 생성된 광 전하(photoganerated electron)들의 이동성이 향상될 수 있다. Due to such a potential difference, the front electrode layer has a structure in which a potential barrier has a step according to depth, and the mobility of photoganerated electrons generated at the pn junction can be improved.
예를 들어, 상기 전면전극층(600)은 알루미늄(Al), 알루미나(Al2O3), 마그네슘(Mg), 갈륨(Ga) 등의 불순물을 포함하는 아연계 산화물 또는 ITO(Imdium Tin Oxide)로 형성될 수 있다. For example, the front electrode layer 600 is made of zinc-based oxide or ITO (Imdium Tin Oxide) containing impurities such as aluminum (Al), alumina (Al 2 O 3 ), magnesium (Mg), gallium (Ga), and the like. Can be formed.
상기 전면전극층(600)은 400~1000nm의 두께로 형성될 수 있다. The front electrode layer 600 may be formed to a thickness of 400 ~ 1000nm.
상기 전면전극층(600)은 코-스퍼터링(Co-sputtering) 방법으로 형성될 수 있다. The front electrode layer 600 may be formed by a co-sputtering method.
구체적으로, DC 파워가 인가되는 스퍼터링 챔버의 일단에 제1 타겟(target) 및 제2 타겟(target)을 배치되고, 상기 제1 및 제2 타겟과 마주하도록 기판이 배치된다. Specifically, a first target and a second target are disposed at one end of the sputtering chamber to which DC power is applied, and a substrate is disposed to face the first and second targets.
예를 들어, 상기 제1 타겟은 ZnO이고, 제2 타겟은 Al2O3일 수 있다. For example, the first target may be ZnO, and the second target may be Al 2 O 3 .
상기 스퍼터링 챔버의 내부에는 150sccm±30의 아르곤(Ar) 가스가 주입되고, 공정압력은 5mtorr±3로 이고, 증착 온도는 150℃±50 일 수 있다. An argon (Ar) gas of 150 sccm ± 30 is injected into the sputtering chamber, the process pressure is 5 mtorr ± 3, and the deposition temperature may be 150 ° C. ± 50.
상기 제1 타겟 및 제2 타겟에 대한 스퍼터링 공정을 진행하여 상기 기판(100)의 고저항 버퍼층(500) 상에 전면전극층(600)을 형성한다. The front electrode layer 600 is formed on the high
이때, 상기 제1 타겟에는 3kW의 파워가 인가되고, 상기 제2 타겟에는 0.8~1.5kW의 파워가 인가될 수 있다. In this case, power of 3 kW may be applied to the first target, and power of 0.8 kW to 1.5 kW may be applied to the second target.
즉, 상기 ZnO 타겟에는 일정한 파워가 인가되고, 상기 Al2O3 타겟에는 시간이 지날수록 높은 파워가 인가될 수 있다. That is, a constant power is applied to the ZnO target, and the Al 2 O 3 Higher power may be applied to the target over time.
예를 들어, 상기 전면전극층(600)의 초기에 증착된 막을 하부 전극층(610)이라 하고, 후기에 증착된 막을 상부 전극층(620)이라고 지칭한다. For example, an initially deposited film of the front electrode layer 600 is referred to as a
이에 따라, 상기 고저항 버퍼층(500) 상에는 저농도의 도전성 불순물이 도핑된 하부 전극층(610)이 형성되고, 상기 하부 전극층(610) 상에는 고농도의 도전성 불순물이 도핑된 상부 전극층(620)이 형성될 수 있다. Accordingly, a
즉, Al2O3 타겟에 인가되는 파워가 시간이 지날수록 높아짐으로써, 상기 전면전극층(600)의 표면영역으로 갈수록 도전성 불순물의 조성은 높아질 수 있다. That is, the power applied to the Al 2 O 3 target increases with time, so that the composition of the conductive impurity may increase with the surface area of the front electrode layer 600.
상기 상부 전극층(620)의 도전성 불순물의 조성이 상기 하부 전극층(610) 보다 높기 때문에 상기 상부 전극층(620)의 밴드갭 에너지는 상기 하부 전극층(610)에 비하여 상대적으로 높아질 수 있다. Since the composition of the conductive impurities of the upper electrode layer 620 is higher than that of the
상기 전면전극층(600)에서 깊이에 따라 도전성 불순물의 농도가 높아지면, 밴드갭 에너지가 커질 수 있음을 알 수 있다. It can be seen that when the concentration of the conductive impurity increases with depth in the front electrode layer 600, the band gap energy may increase.
도 5는 상기 전면전극층의 깊이에 따른 도전성 불순물의 조성 분포를 나타내는 그래프이다. 도 6은 상기 전면전극층의 깊이에 따른 밴드갭 에너지를 나타내는 그래프이다. 도 7은 상기 전면전극층의 도전성 불순물의 조성 분포에 따른 밴드갭 에너지의 변화를 나타내는 그래프이다. 5 is a graph showing a composition distribution of conductive impurities according to the depth of the front electrode layer. 6 is a graph showing band gap energy according to the depth of the front electrode layer. 7 is a graph showing a change in band gap energy according to the composition distribution of conductive impurities in the front electrode layer.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 전면전극층(600)은 그 표면 영역으로 갈수록 도전성 불순물의 농도가 높아질 수 있다. As shown in FIG. 5, the front electrode layer 600 may have a higher concentration of conductive impurities toward its surface region.
즉, 상기 전면전극층(600)의 하부 영역(100±50nm)에서의 도전성 불순물 조성은 2.0 atmic% 일 수 있다. 또한, 상기 전면전극층(600)의 상부 영역(500±50nm)에서의 도전성 불순물의 조성은 2.5 atmic% 일 수 있다.That is, the conductive impurity composition in the lower region (100 ± 50nm) of the front electrode layer 600 may be 2.0 atmic%. In addition, the composition of the conductive impurity in the upper region (500 ± 50nm) of the front electrode layer 600 may be 2.5 atmic%.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 전면전극층(600)은 그 표면영역으로 갈수록 밴드갭 에너지가 높아질 수 있다.As shown in FIG. 6, the bandgap energy of the front electrode layer 600 may increase as the surface area thereof is increased.
즉, 상기 전면전극층의 하부 영역(100±50nm)에서의 밴드갭 에너지는 3.3± 1.0eV 일 수 있다. 또한, 상기 전면전극층(600)의 상부 영역(500±50nm)에서의 도전성 불순물의 조성은 3.5±1.0eV 일 수 있다.That is, the band gap energy in the lower region (100 ± 50 nm) of the front electrode layer may be 3.3 ± 1.0 eV. In addition, the composition of the conductive impurity in the upper region (500 ± 50nm) of the front electrode layer 600 may be 3.5 ± 1.0eV.
따라서, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 전면전극층(600)에서 도전성 불순물의 조성이 분포가 높아짐에 따라 밴드갭 에너지가 높아지는 것을 확인할 수 있다.Therefore, as shown in FIG. 7, it can be seen that the bandgap energy increases as the composition of the conductive impurities in the front electrode layer 600 increases.
상기 전면전극층(600)의 밴드갭 에너지를 위치에 따라 변화를 줌으로써, 상기 전면전극층(600)의 전위(potential)는 깊이에 따라 다를 수 있다. By changing the bandgap energy of the front electrode layer 600 according to the position, the potential of the front electrode layer 600 may vary depending on the depth.
즉, 상기 전면전극층(600)이 계단식 전위분배를 가짐으로써 광전하의 운송 효율이 극대화되고, 태양전지의 발전효율을 향상시킬 수 있다. That is, since the front electrode layer 600 has a stepwise potential distribution, the transport efficiency of the photocharge may be maximized and the power generation efficiency of the solar cell may be improved.
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.Although described above with reference to the embodiment is only an example and is not intended to limit the invention, those of ordinary skill in the art to which the present invention does not exemplify the above within the scope not departing from the essential characteristics of this embodiment It will be appreciated that many variations and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiment can be modified. And differences relating to such modifications and applications will have to be construed as being included in the scope of the invention defined in the appended claims.
도 1 내지 도 4는 실시예에 따른 태양전지의 제조공정을 나타내는 단면도이다. 1 to 4 are cross-sectional views showing a manufacturing process of the solar cell according to the embodiment.
도 5는 실시예에서 전면전극층의 깊이에 따른 도전성 불순물의 조성 분포를 나타내는 그래프이다. 5 is a graph showing a composition distribution of conductive impurities according to the depth of the front electrode layer in the embodiment.
도 6은 실시예에서 전면전극층의 깊이에 따른 밴드갭 에너지를 타나내는 그래프이다.6 is a graph showing bandgap energy according to the depth of the front electrode layer in the embodiment.
도 7은 실시예에서 전면전극층의 도전성 불순물의 조성 분포에 따른 밴드갭 에너지를 나타내는 그래프이다. FIG. 7 is a graph showing band gap energy according to a composition distribution of conductive impurities in a front electrode layer in an embodiment. FIG.
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