KR101103897B1 - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 태양전지는, 기판 상에 형성된 후면전극층; 상기 후면전극층 상에 형성된 광 흡수층; 상기 광 흡수층의 표면 프로파일을 따라 형성된 버퍼층; 상기 버퍼층의 표면 프로파일을 따라 형성되고 제1 밀도를 가지는 제1 윈도우층; 및 상기 제1 윈도우층 상에 형성되고 제1 밀도보다 낮은 제2 밀도를 가지는 제2 윈도우층을 포함한다. 실시예에 따르면, 상기 제1 및 제2 윈도우층에서 보이드 발생을 억제하고, 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
태양전지. 전면전극층

Description

태양전지 및 이의 제조방법{SOLAR CELL AND METHOD OF FABIRCATING THE SAME}
실시예는 태양전지에 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.
상기 태양전지의 박막들 중 투명전극인 n형 창층은 스퍼터링 공정을 통해 형성되고, 그 내부에 보이드(void)가 발생될 수 있다.
이러한 n형 창층의 보이드는 직렬저항 상승 및 누설전류의 발생원인이 되므로, 태양전지의 전기적 특성이 저하되는 문제가 있다.
실시예에서는 윈도우층의 직렬저항을 개선하고, 하부의 박막 손상을 방지할 수 있는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 태양전지는, 기판 상에 형성된 후면전극층; 상기 후면전극층 상에 형성된 광 흡수층; 상기 광 흡수층의 표면 프로파일을 따라 형성된 버퍼층; 상기 버퍼층의 표면 프로파일을 따라 형성되고 제1 밀도를 가지는 제1 윈도우층; 및 상기 제1 윈도우층 상에 형성되고 제1 밀도보다 낮은 제2 밀도를 가지는 제2 윈도우층을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은, 기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계; 상기 후면전극층 상에 표면조도가 제1 러프네스를 가지는 광 흡수층을 형성하고, 상기 제1 러프네스는 산영역과 골영역에 의하여 갭영역을 가지도록 형성되는 단계; 상기 광 흡수층의 표면 프로파일을 따라 제2 러프네스를 가지는 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 버퍼층의 표면 프로파일을 따라 제1 윈도우층을 형성하고, 상기 제1 윈도우층의 그레인들은 상호 접하도록 제1 밀도를 가지도록 형성하는 단계; 및 상기 제1 윈도우층 상에 형성되고 제1 밀도보다 낮은 제2 밀도를 가지는 제2 윈도우층을 포함한다.
실시예에 의하면, 태양전지의 n형 창층의 특성을 개선할 수 있다.
상기 n형 창층은 서로 다른 두께를 가지는 제1 윈도우층 및 제2 윈도우층이 적층된 구조를 가질 수 있다.
상기 제1 윈도우층은 RF 스퍼터링 공정에 의하여 형성되므로, 러프네스를 가지는 CIGS 광 흡수층의 표면을 따라 조밀한 막으로 형성될 수 있다.
이에 따라, 상기 제1 윈도우층에서 초기 보이드를 억제할 수 있다.
상기 제2 윈도우층은 DC 스퍼터링 공정에 의하여 형성되고 상기 제1 윈도우층을 이루는 그레인들의 성장방향을 따라 형성될 수 있다.
이에 따라 상기 제2 윈도우층에서 보이드 발생을 억제할 수 있다.
또한, 상기 제2 윈도우층은 DC 스퍼터링 공정에 의하여 형성되므로 생산성을 향상시킬 수 있다.
상기 제2 윈도우층 형성시 상기 제1 윈도우층에 의하여 하부 박막인 버퍼층의 손상을 방지할 수 있다.
이에 따라, 태양전지의 직렬저항 특성을 개선하고 전기적 특성을 향상시킬 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 1 내지 도 5는 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하여, 기판(100) 상에 후면전극층(200)이 형성된다.
상기 기판(100)은 유리(glass)가 사용될 수 있으며, 세라믹 기판, 금속기판 또는 폴리머 기판 등도 사용될 수 있다.
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.
상기 기판(100)은 투명할 수 있다. 상기 기판(100)은 리지드(rigid)하거나 플렉서블(flexible) 할 수 있다.
상기 후면전극층(200)은 금속등의 도전체로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 후면전극층(200)은 몰리브덴(Mo)을 타겟으로 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 후면전극층(200)인 몰리브덴(Mo) 박막은 전극으로서 비저항이 낮아야하고, 열팽창 계수의 차이로 인하여 박리현상이 일어나지 않도록 기판(100)에의 점착성이 뛰어나야 한다.
예를 들어, 상기 후면전극층(200)은 상기 기판(100)에 대한 밀착력이 높고 상대적으로 전도도가 낮은 층과, 전기 전도도가 높은 층이 적층될 수 있다.
한편, 상기 후면전극층(200)을 형성하는 물질은 이에 한정되지 않고, 나트륨(Na) 이온이 도핑된 몰리브덴(Mo)으로 형성될 수도 있다.
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.
도 2를 참조하여, 상기 후면전극층(200) 상에 광 흡수층(300)이 형성된다.
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, CIS계) 화합물을 포함할 수 있다.
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.
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 후면전극층(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 광 흡수층(300)은 그레인(grain)들은 결정성을 가지고 있으므로 불균일한 표면을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 광 흡수층(300) 표면에 제1 러프네스(310)가 발생된다.
이러한, 상기 광 흡수층(300)의 제1 러프네스(310)는 돌출된 영역인 산(Rp)과, 함몰된 영역인 골(Rv)로 구분될 수 있다.
이러한 표면조도가 높을수록 상기 광 흡수층(300)의 산(Rp)과 골(Rv)의 높이 차(H)가 커지며, 이는 상기 광 흡수층(300) 표면의 요철이 심하다는 것을 의미한다.
즉, 상기 광 흡수층(300)에 산(Rp)과 골(Rv) 사이의 높이 차(H)에 비례하여, 상기 광 흡수층(300)의 제1 러프네스(310)는 커지게 된다.
또한, 상기 광 흡수층(300)의 표면에서 상기 산(Rp) 영역들 사이 또는 골(Rv) 영역들 사이는 갭(G)이 발생될 수 있다.
상기 광 흡수층(300)의 제1 러프네스(310)가 커질수록 이후 형성되는 막들의 증착시 스텝 커버리지(stet coverage)가 저하되고, 이는 태양전지의 효율을 저하시킬 수 있다.
특히, 상기 광 흡수층(300)의 제1 러프네스(310)에 의하여 이후 형성되는 막들의 내부에 보이드(void)가 발생되고, 이는 태양전지 셀에서 직렬저항 상승의 요인이 될 수 있다.
도 3을 참조하여, 상기 광 흡수층(300) 상에 버퍼층(400)이 형성된다.
상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 적어도 하나 이상의 층으로 형성될 수 있다. 상기 버퍼층(400)은 화학적 용액 성장법(chemical bath deposition:CBD 공정)을 통해 황화 카드뮴(CdS)으로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300)의 제1 러프네스(310)를 따라 증착될 수 있다. 따라서, 상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300)과 동일한 표면 거칠기를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 버퍼층(400)의 표면 조도를 제2 러프네스(410)라고 지칭한다.
상기 버퍼층(400)은 CBD 공정을 통해 얇은 막으로 형성될 수 있으므로, 스텝 커버리지가 양호할 수 있다.
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.
한편, 실시예에서는 하나의 버퍼층을 상기 광 흡수층 상에 형성하였지만, 이에 한정되지 않고, 상기 버퍼층은 하나 이상의 층으로 형성될 수 있다.
도시되지는 않았지만, 상기 버퍼층(400) 상에 고저항 버퍼층인 투명전극층이 더 형성될 수도 있다.
예를 들어, 상기 고저항 버퍼층은 ITO, ZnO 및 i-ZnO 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하여, 상기 버퍼층(400) 상에 투명한 도전물질을 적층하여 제1 윈도우층(500) 및 제2 윈도우층(600)이 형성된다.
상기 제1 윈도우층(500) 및 제2 윈도우층(600)은 스퍼터링 공정을 진행하여 알루미늄(Al) 또는 알루미나(Al2O3)로 도핑된 산화 아연으로 형성된다.
상기 제1 윈도우층(500) 및 제2 윈도우층(600)은 상기 광 흡수층(300)과 pn접합을 형성하고, 태양전지 전면의 투명전극의 기능을 하기 때문에 광투과율이 높고 전기 전도성이 좋은 산화 아연(ZnO)으로 형성될 수 있다.
따라서, 상기 산화 아연에 알루미늄 또는 알루미나를 도핑함으로써 낮은 저항값을 갖는 전극을 형성할 수 있다.
상기 제1 및 제2 윈도우층(600)인 산화 아연 박막은 RF 스퍼터링 방법으로 ZnO 타겟을 사용하여 증착하는 방법과, Zn 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링, 그리고 유기금속화학증착법 등으로 형성될 수 있다.
상기 제1 윈도우층(500)과 제2 윈도우층(600)은 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 윈도우층(500)과 제2 윈도우층(600)은 1:3~5의 두께 비를 가질 수 있다.
도 4를 참조하여, 상기 제1 윈도우층(500)은 상기 버퍼층(400) 상에 조밀한 제1 밀도를 가지도록 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 윈도우층(500)을 이루는 그레인들은 서로 인접하도록 제1 밀도를 가질 수 있다.
즉, 상기 제1 윈도우층(500)의 그레인들은 상기 버퍼층(400)의 제2 러프네스(410)의 표면을 따라 균일하게 증착될 수 있다.
이에 따라, 상기 제1 윈도우층(500)은 초기 보이드 없이 치밀한 막질을 가질 수 있다.
상기 제1 윈도우층(500)의 형성은 RF파워 또는 AC파워를 사용한 제1 스퍼터링 공정으로 진행될 수 있다. 상기 제1 스퍼터링 공정은 20~30℃의 상온에서 진행될 수 있다.
이러한 RF 파워 또는 AC 파워를 이용한 제1 스퍼터링 공정에 의하여 상기 제1 윈도우층(500)의 그레인들은 고밀도로 증착될 수 있다.
RF 스퍼터링의 제한된 속도로 인하여 상기 제1 윈도우층(500)의 이온들을 상기 버퍼층(400)의 갭(G) 상에도 치밀한 막질로 증착될 수 있다.
이에 따라, 상기 제1 윈도우층(500)은 상기 버퍼층(400)과의 접착성이 우수하고 치밀한 조직을 얻을 수 있게 된다.
또한, RF 파워 또는 AC 파워를 이용한 스퍼터링 공정에 의하여 상기 제1 윈 도우층(500)이 형성될 때 상기 버퍼층(400)의 손상을 최소화시킬 수 있다.
도 5를 참조하여, 상기 제2 윈도우층(600)은 상기 제1 윈도우층(500) 상에 형성되고, 제1 밀도 보다 낮은 제2 밀도를 가질 수 있다.
상기 제2 윈도우층(600)은 상기 제1 윈도우층(500)의 그레인들의 성장방향을 따라 형성될 수 있다.
이에 따라, 상기 제2 윈도우층(600)도 보이드 없이 치밀한 막질을 가질 수 있다.
즉, 상기 제1 윈도우층(500)에 의하여 초기 보이드를 억제함으로써, 상기 제2 윈도우층(600)도 보이드 없이 형성될 수 있다.
상기 제2 윈도우층(600)은 상기 제1 윈도우층(500)과 연속공정으로 형성될 수 있다.
상기 제2 윈도우층(600)의 형성은 DC 파워를 이용한 제2 스퍼터링 공정으로 진행될 수 있다. 상기 제2 스퍼터링 공정은 200℃ 이상의 고온에서 진행될 수 있다.
상기 제2 윈도우층(600)의 형성시 DC 파워를 증가시키고, 생산성을 향상시킬 수도 있다.
이때, 상기 제2 윈도우층(600)의 하부에 제1 윈도우층(500)이 형성되어 있으므로 상기 버퍼층(400)의 손상을 방지할 수 있다.
또한, 상기 제2 윈도우층(600)은 제1 윈도우층(500)을 이루는 그레인들의 결정성을 따라 형성될 수 있으므로, 보이드 없는 박막으로 형성될 수 있다.
실시예에서는, 태양전지의 전면전극 역할을 하는 제1 윈도우층 및 제2 윈도우층이 보이드 없이 형성될 수 있다.
이에 따라, 태양전지의 직렬저항 특성을 개선하고 전기적 특성을 향상시킬 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 5는 실시예에 따른 태양전지의 제조공정을 도시한 단면도이다.

Claims (6)

  1. 기판 상에 형성된 후면전극층;
    상기 후면전극층 상에 형성된 광 흡수층;
    상기 광 흡수층의 표면 프로파일을 따라 형성된 버퍼층;
    상기 버퍼층의 표면 프로파일을 따라 형성되고 제1 밀도를 가지는 제1 윈도우층; 및
    상기 제1 윈도우층 상에 형성되고 제1 밀도보다 낮은 제2 밀도를 가지는 제2 윈도우층을 포함하는 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광 흡수층의 표면은 산과 골에 의한 제1 러프네스를 가지고,
    상기 버퍼층의 표면은 상기 광 흡수층의 제1 러프네스에 의한 제2 러프네스를 가지고,
    상기 제1 윈도우층의 그레인들은 상기 버퍼층의 제2 러프네스 표면을 따라 형성된 것을 포함하는 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 윈도우층과 제2 윈도우층의 두께비는 1:3~5를 가지는 태양전지.
  4. 기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계;
    상기 후면전극층 상에 표면조도가 제1 러프네스를 가지는 광 흡수층을 형성하고, 상기 제1 러프네스는 산영역과 골영역에 의하여 갭영역을 가지도록 형성되는 단계;
    상기 광 흡수층의 표면 프로파일을 따라 제2 러프네스를 가지는 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 버퍼층의 표면 프로파일을 따라 제1 윈도우층을 형성하고, 상기 제1 윈도우층의 그레인들은 상호 접하도록 제1 밀도를 가지도록 형성하는 단계; 및
    상기 제1 윈도우층 상에 형성되고 제1 밀도보다 낮은 제2 밀도를 가지는 제2 윈도우층을 포함하는 태양전지의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 윈도우층은 RF 파워 또는 AC 파워를 이용한 스퍼터링 공정을 통해 형성되고,
    상기 제2 윈도우층은 DC 파워를 이용한 스퍼터링 공정을 통해 형성되는 태양전지의 태양전지의 제조방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 윈도우층 및 제2 윈도우층은 연속공정으로 형성되는 태양전지의 제조방법.
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