KR101134730B1 - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 태양전지는 지지기판; 상기 지지기판 상에 반사층; 상기 반사층 상에 배치되고 상기 반사층과 동일한 물질을 포함하는 산화층; 상기 산화층 상에 이면전극층; 상기 이면전극층 상에 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 윈도우층;을 포함한다.
Description
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 에너지의 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지에 대한 개발이 진행되고 있다.
특히, 유리지지기판, 금속 후면 전극층, p형 CIGS계 광 흡수층, 버퍼층, n형 투명전극층 등을 포함하는 지지기판 구조의 pn 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다.
또한, 이러한 태양전지의 효율을 증가시키기 위해서 다양한 연구가 진행 중이다.
실시예는 향상된 광-전 변환 효율을 갖는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 태양전지는 지지기판; 상기 지지기판 상에 반사층; 상기 반사층 상에 배치되고 상기 반사층과 동일한 물질을 포함하는 산화층; 상기 산화층 상에 이면전극층; 상기 이면전극층 상에 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 윈도우층;을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 금속을 포함하는 지지기판 상에 반사층을 형성하는 단계; 상기 반사층의 상부를 산화시켜 산화층을 형성하는 단계; 상기 산화층 상에 이면전극층을 형성하는 단계; 상기 이면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 및, 상기 버퍼층 상에 윈도우층을 형성하는 단계;를 포함한다.
실시예에 따르면, 지지기판 상에 반사층을 형성하고, 상기 반사층의 상면을 산화시켜 산화층을 형성한다. 이에 따라 신뢰성이 향상되고, 향상된 광-전 변환 효율을 갖는 태양전지를 제공할 수 있다.
도 1은 발명의 실시예에 따른 태양전지의 단면도이다.
도 2 내지 도 5는 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도이다.
도 2 내지 도 5는 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도이다.
실시예의 설명에 있어서, 각 지지기판, 층, 막 또는 전극 등이 각 지지기판, 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 1은 발명의 실시예에 따른 태양전지의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 실시예에 따른 태양전지는 지지기판(100), 상기 지지기판(100) 상에 반사층(200), 상기 반사층(200) 상에 산화층(250), 상기 산화층(250) 상에 후면전극층(300), 상기 후면전극층(300) 상에 광 흡수층(400), 상기 광 흡수층(400) 상에 버퍼층(500), 상기 버퍼층(500) 상에 윈도우층(600)을 포함한다.
상기 지지기판(100)은 플레이트 형상을 가지며, 상기 반사층(200), 산화층(250), 후면전극층(300), 광 흡수층(400), 버퍼층(500) 및 윈도우층(600)을 지지한다.
상기 지지기판(100)은 절연체일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 투명할 수 있다. 상기 지지기판(100)은 리지드하거나 플렉서블할 수 있다.
상기 지지기판(100)은 금속(metal)을 포함하여 형성될 수 있다. 더 자세하게, 상기 지지기판(100)은 Fe, Ni, Cr 등의 물질을 포함하여 형성할 수 있다. 상기 지지기판(100)은 투명할 수 있고 리지드하거나 플렉서블할 수 있다.
상기 지지기판(100)이 금속을 포함하여 형성되는 경우, 유리를 포함하는 지지기판에 비해 생산비용이 감소하여 경제성의 측면에서 유리할 수 있고, 플렉서블하여 휴대성의 측면에서 유리할 수 있다.
그러나 금속을 포함하는 지지기판(100)을 형성하는 경우, 상기 지지기판(100)에 포함된 금속이온이 상부층으로 확산될 수 있고, 이에 따라 태양전지의 전기적 특성이 악화되는 등의 문제점이 발생할 수 있다.
따라서, 산화층(250)을 형성하여 지지기판(100)에 포함된 이온이 상부로 확산되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 상기 산화층(250)은 확산 방지층으로 작용할 수 있다.
또한, 광 흡수층(400)을 통과하여 지지기판(100)으로 입사되는 빛이 상기 반사층(200)에 의해 상기 광 흡수층(400)으로 재반사될 수 있으므로 광-전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
이러한 반사층으로는 실리콘 옥사이드(SiOx) 또는 알루미늄(Al2O3) 등의 물질이 사용될 수 있으며, 이종접합층이 사용될 수도 있다.
상기 반사층(200)으로 Ti/SiOx 등의 이종접합층이 사용되는 경우, Ti를 증착한 뒤 SiOx 등의 물질을 증착하므로 공정이 증가하여 생산성의 측면에서 개선의 여지가 있다.
본 발명의 실시예에서는 지지기판(100) 상에 반사층(200)을 형성하고, 상기 반사층(200)을 산화시켜 산화층(250)을 형성하므로 공정의 편의성이 증대될 수 있다.
상기 반사층(200)은 산화막을 형성시킬 수 있는 물질을 사용할 수 있고 예를들어, 탄탈(Ta), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 니오븀, 지르코니아, 베릴륨(Be) 등의 물질을 사용할 수 있다.
상기 반사층(200)은 광 흡수층(400)을 통과하여 지지기판(100) 방향으로 입사되는 빛을 광 흡수층(400)으로 반사시켜 태양전지의 광-전 변환 효율을 증가시킬 수 있다.
상기 반사층(200)의 두께가 10nm 이하이면 상기 광 흡수층(400)을 통과한 빛의 반사효율이 감소하며, 5000nm 이상이면 소자의 소형화를 구현하기 어려우므로 이러한 점을 고려하여 10nm 내지 5000nm의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 산화처리에 의해 상기 반사층(200)의 두께는 초기 두께에 비해 감소될 수 있다. 또한, 상기 산화처리 후의 반사층(200) 및 산화층(250)의 두께를 합한 값은 상기 산화처리 전의 반사층(200)의 두께보다 큰 값을 가질 수 있다.
상기 산화층(250)은 상기 지지기판(100)에 포함되는 이온이 고온에서의 경로를 길게 하고 공유 및 이온결합을 이루고 있는 산화층의 특성 상 상기 지지기판(100)에 포함되는 이온들이 후면전극층(300) 이상의 상부로 확산되는 것을 방지할 수 있다.
상기 산화처리에 의해 형성되는 산화층(250)의 두께가 상기 반사층(200) 초기 두께의 5% 이하로 형성되면 상기 지지기판(100)에 포함되는 이온들이 후면전극층(300) 이상의 상부로 확산되는 것을 방지하는 효과가 미비하고, 상기 반사층(200) 초기 두께의 80% 이상으로 형성되면 상기 반사층(200)의 반사 효과가 감소할 수 있으므로 이를 고려하여 상기 산화층(250)의 두께는 상기 반사층(200) 초기 두께의 5% 내지 80%의 범위로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 산화층(250) 상에는 이면전극층(300)이 형성될 수 있다. 상기 이면전극층(300)은 도전층이다. 상기 이면전극층(300)은 태양전지 중 상기 광 흡수층(400)에서 생성된 전하가 이동하도록 하여 태양전지의 외부로 전류를 흐르게 할 수 있다. 상기 이면전극층(300)은 이러한 기능을 수행하기 위하여 전기 전도도가 높고 비저항이 작아야 한다.
또한, 상기 이면전극층(300)은 CIGS 화합물 형성시 수반되는 황(S) 또는 셀레늄(Se) 분위기 하에서의 열처리 시 고온 안정성이 유지되어야 한다.
이러한 이면전극층(300)은 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 텅스텐(W) 및 구리(Cu)중 어느 하나로 형성될 수 있다. 이 가운데, 특히 몰리브덴(Mo)은 상술한 이면전극층(300)에 요구되는 특성을 전반적으로 충족시킬 수 있다.
상기 이면전극층(300)은 두 개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 층들은 같은 금속으로 형성되거나, 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.
상기 이면전극층(300) 상에는 광 흡수층(400)이 형성될 수 있다. 상기 광 흡수층(400)은 p형 반도체 화합물을 포함한다. 더 자세하게, 상기 광 흡수층(400)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 계 화합물을 포함한다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(400)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(400)의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1eV 내지 1.8eV일 수 있다.
상기 광 흡수층(400) 상에는 버퍼층(500)이 형성될 수 있다. 본 발명과 같이 CIGS 화합물을 광흡수층(400)으로 갖는 태양전지는 p형 반도체인 CIGS 화합물 박막과 n형 반도체인 윈도우층(600)이 pn 접합을 형성한다. 하지만 두 물질은 격자상수와 밴드갭 에너지의 차이가 크기 때문에 양호한 접합을 형성하기 위해서는 밴드갭이 두 물질의 중간에 위치하는 버퍼층이 필요하다.
상기 버퍼층(500)을 형성하는 물질로는 CdS, ZnS등이 있으나 태양전지의 발전 효율 측면에서 CdS가 상대적으로 우수하다. CdS박막은 n형 반도체이며, 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al) 등을 도핑함으로써 낮은 저항값을 얻을 수 있다.
상기 버퍼층(500) 상에는 윈도우층(600)이 형성될 수 있다. 상기 윈도우층(600)은 투명하며, 도전층으로 작용할 수 있다. 상기 윈도우층(600)은 산화물을 포함한다. 예를 들어, 상기 윈도우층(600)은 징크 옥사이드(zinc oxide), 인듐 틴 옥사이드(induim tin oxide;ITO) 또는 인듐 징크 옥사이드(induim zinc oxide;IZO) 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 산화물은 알루미늄(Al), 알루미나(Al2O3), 마그네슘(Mg) 또는 갈륨(Ga) 등의 도전성 불순물을 포함할 수 있다. 더 자세하게, 상기 윈도우층(600)은 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드(Al doped zinc oxide;AZO) 또는 갈륨 도핑된 징크 옥사이드(Ga doped zinc oxide;GZO) 등을 포함할 수 있다.
이상에서 검토한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의하면, 반사층(200)에 의해 향상된 광-전변환 효율을 갖는다.
또한, 산화층(250)에 의해 지지기판(100)에 포함된 이온이 상층으로 확산되는 것을 방지하여 신뢰성이 향상된 태양전지를 제공할 수 있다.
그리고, 상기 산화층(250)은 반사층(200)의 상부에 산화처리를 실시하여 형성되는 것으로, 공정의 편의성이 증대되어 생산성이 향상될 수 있다.
도 2 내지 도 5는 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도이다.
본 제조방법에 관한 설명은 앞서 설명한 태양전지에 대한 설명을 참고한다. 앞서 설명한 태양전지에 대한 설명은 본 제조방법에 관한 설명에 본질적으로 결합될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 지지기판(100) 상에 반사층(200)을 형성할 수 있다.
상기 반사층(200)은 스퍼터링(Sputtering)법 또는 진공증착(Vacuum Evaporation)법으로 형성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 반사층(200)의 상부에 산화층(250)을 형성할 수 있다. 상기 산화층(250)은 상기 반사층(200)의 상부를 산화처리하여 형성될 수 있다. 즉, 상기 산화층(250)은 상기 반사층(200)의 산화물로 형성될 수 있다.
상기 산화처리는 PEO(plasma-electrolyte oxidization) 또는 전착(ED:electro deposition)의 방법을 이용할 수 있다.
상기 산화처리에 의해 형성되는 상기 산화층(250)의 두께는 상기 반사층(200) 두께의 5% 내지 80%의 범위로 형성될 수 있다.
그리고 상기 산화처리 후의 반사층(200)과 산화층(250)의 두께를 합한 값은 산화처리 전의 반사층(200)의 두께보다 큰 값을 가질 수 있다.
도 4를 참고하면, 상기 산화층(250) 상에 이면전극층(300)을 형성할 수 있다. 상기 이면전극층(300)은 몰리브덴을 사용하여 PVD(Physical Vapor Deposition) 또는 도금의 방법으로 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 이면전극층(300) 상에 광 흡수층(400)을 형성할 수 있다. 상기 광 흡수층(400)은 예를 들어, 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발시키면서 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계 (Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(400)을 형성하는 방법과 금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션(Selenization) 공정에 의해 형성시키는 방법이 폭넓게 사용되고 있다.
금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션 하는 것을 세분화하면, 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정에 의해서, 상기 이면전극층(300) 상에 금속 프리커서 막이 형성된다.
도 5를 참고하면, 상기 광 흡수층(400) 상에 버퍼층(500)을 형성할 수 있다. 상기 버퍼층(500)은 황화 카드뮴이 스퍼터링 공정 또는 용액성장법(chemical bath depositon;CBD) 등에 의해서 증착되어 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 버퍼층(500) 상에 윈도우층(600)이 형성될 수 있다. 상기 윈도우층(600)은 CVD 공정 또는 스퍼터링 공정에 의해서 증착되어 형성될 수 있다.
이와 같이, 실시예에 따르면, 반사층(200)에 의해 향상된 광-전변환 효율을 갖는 태양전지를 제공할 수 있다.
또한, 산화층(250)에 의해 지지기판(100)에 포함된 이온이 상층으로 확산되는 것을 방지하여 신뢰성이 향상된 태양전지를 제공할 수 있다.
그리고, 상기 산화층산화층층(200)의 상부에 산화처리를 실시하여 형성되는 것으로, 공정의 편의성이 증대되어 생산성이 향상될 수 있다.
또한, 이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
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.
Claims (7)
- 지지기판;
상기 지지기판 상에 반사층;
상기 반사층 상에 배치되고 상기 반사층과 동일한 물질을 포함하는 산화층;
상기 산화층 상에 이면전극층;
상기 이면전극층 상에 광 흡수층;
상기 광 흡수층 상에 버퍼층; 및
상기 버퍼층 상에 윈도우층;을 포함하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 반사층은 탄탈(Ta), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 니오븀, 지르코니아 또는 베릴륨(Be) 중 적어도 하나를 포함하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 반사층은 10nm 내지 5000nm의 두께로 형성되는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 산화층은 상기 반사층 두께의 5% 내지 80%의 범위로 형성되는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 지지기판은 Fe, Ni 또는 Cr 중 적어도 하나를 포함하는 태양전지. - 금속을 포함하는 지지기판 상에 반사층을 형성하는 단계;
상기 반사층의 상부를 산화시켜 산화층을 형성하는 단계;
상기 산화층 상에 이면전극층을 형성하는 단계;
상기 이면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계;
상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 및,
상기 버퍼층 상에 윈도우층을 형성하는 단계;를 포함하는 태양전지의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 산화층은 상기 반사층의 상부에 PEO(plasma-electrolyte oxidization) 또는 전착(ED:electro deposition)의 방법을 이용하여 형성되는 태양전지의 제조방법.
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