KR101134892B1 - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
태양전지 및 이의 제조방법이 개시된다. 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 후면전극층; 상기 후면전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상에 배치되는 전면전극층을 포함하고, 상기 광 흡수층은 상기 후면전극층 상에 배치되는 제 1 영역; 상기 제 1 영역 상에 배치되고, 상기 제 1 영역보다 더 많은 양의 황을 포함하는 제 2 영역을 포함한다.
Description
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 에너지의 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지에 대한 개발이 진행되고 있다.
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.
이러한 태양전지의 광 흡수층에서의 에너지 밴드갭을 조절하여 발전 효율을 향상시키기 위한 연구가 진행중이다.
실시예는 향상된 광-전 변환 효율을 가지는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
일 실시예에 따른 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 후면전극층; 상기 후면전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상에 배치되는 전면전극층을 포함하고, 상기 광 흡수층은 상기 후면전극층 상에 배치되는 제 1 영역; 상기 제 1 영역 상에 배치되고, 상기 제 1 영역보다 더 많은 양의 황을 포함하는 제 2 영역을 포함한다.
일 실시예에 따른 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 후면전극층; 상기 후면전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상에 배치되는 전면전극층을 포함하고, 상기 광 흡수층은 상기 후면전극층 상에 배치되는 제 1 영역; 상기 제 1 영역 상에 배치되는 제 2 영역을 포함하고, 상기 제 1 영역은 제 1 화합물을 포함하고, 상기 제 2 영역은 상기 제 1 화합물보다 더 높은 조성으로 황을 포함하는 제 2 화합물을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계; 상기 후면전극층 상에 예비 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 예비 광 흡수층 상에 황을 포함하는 황화물층을 형성하는 단계; 상기 예비 광 흡수층에 상기 황화물층에 포함된 물질을 확산시켜서 광 흡수층을 형성하는 단계; 및 상기 광 흡수층 상에 전면전극층을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 태양전지는 더 많은 황을 포함하는 제 2 영역을 포함한다. 이에 따라서, 상기 제 2 영역은 상기 제 1 영역보다 더 높은 에너지 밴드갭를 가질 수 있다.
특히, 상기 제 2 영역은 전면전극층과 인접할 수 있다. 또한, 상기 제 2 영역은 상기 전면전극층이 상기 광 흡수층 사이의 버퍼층(400)에 인접할 수 있다. 이에 따라서, 상기 제 2 영역에 의해서, 상기 광 흡수층과, 상기 전면전극층 또는 상기 버퍼층 사이의 p-n 정션 특성이 향상될 수 있다. 즉, 상기 제 2 영역의 높은 에너지 밴드갭 때문에, 상기 광 흡수층 및 상기 전면전극층 사이의 접합 특성이 향상될 수있다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지는 향상된 광-전 변환 효율을 가질 수 있다.
또한, 상기 제 2 영역은 인듐을 포함할 수 있다. 더 자세하게, 상기 제 2 영역은 갈륨을 적게 포함하고, 인듐을 상대적으로 많이 포함할 수 있다. 상기 제 2 영역은 인듐이 상대적으로 많이 포함된 상기 광 흡수층의 상면을 구성할 수 있고, 이에 따라서, 상기 광 흡수층의 상면은 높은 결정성을 가질 수 있다.
즉, 상기 제 2 영역은 상대적으로 높은 조성으로 인듐을 포함하는 제 2 화합물을 주된 성분으로 포함할 수 있다. 이때, 인듐은 구리-인듐-갈륨-셀레늄-설파이드계 화합물 등의 결정 특성을 향상시킬 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지는 낮은 거칠기 및 디펙 밀도를 가지고, 높은 결정성을 가지는 광 흡수층을 포함한다. 특히, 상기 광 흡수층의 상면은 낮은 거칠기 및 낮은 디펙 밀도를 가지고, 높은 결정성을 가진다. 이에 따라서, 실시예에 따른 태양전지는 향상된 광 전 변환 효율을 가질 수 있다.
도 1은 제 1 실시예에 따른 태양전지의 단면을 도시한 단면도이다.
도 2는 제 1 실시예에 따른 광 흡수층의 성분의 조성을 도시한 도면이다.
도 3은 제 1 실시예에 따른 광 흡수층의 에너지 밴드갭를 도시한 도면이다.
도 4 내지 도 9는 제 1 실시예에 따른 태양전지의 제조공정을 도시한 도면들이다.
도 10은 제 2 실시예에 따른 태양전지의 단면을 도시한 단면도이다.
도 11은 제 2 실시예에 따른 광 흡수층의 성분의 조성을 도시한 도면이다.
도 12는 제 2 실시예에 따른 광 흡수층의 에너지 밴드갭를 도시한 도면이다.
도 13 내지 도 17은 제 2 실시예에 따른 태양전지의 제조공정을 도시한 도면들이다.
도 2는 제 1 실시예에 따른 광 흡수층의 성분의 조성을 도시한 도면이다.
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도 10은 제 2 실시예에 따른 태양전지의 단면을 도시한 단면도이다.
도 11은 제 2 실시예에 따른 광 흡수층의 성분의 조성을 도시한 도면이다.
도 12는 제 2 실시예에 따른 광 흡수층의 에너지 밴드갭를 도시한 도면이다.
도 13 내지 도 17은 제 2 실시예에 따른 태양전지의 제조공정을 도시한 도면들이다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 기판, 막, 전극, 홈 또는 층 등이 각 기판, 전극, 막, 홈 또는 층 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 제 1 실시예에 따른 태양전지의 단면을 도시한 단면도이다. 도 2는 제 1 실시예에 따른 광 흡수층의 성분의 조성을 도시한 도면이다. 도 3은 제 1 실시예에 따른 광 흡수층의 에너지 밴드갭를 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 실시예에 따른 태양전지는 지지기판(100), 후면전극층(200), 광 흡수층(300), 설퍼층(350), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500) 및 전면전극층(600)을 포함한다.
상기 지지기판(100)은 플레이트 형상을 가지며, 상기 후면전극층(200), 상기 광 흡수층(300), 상기 버퍼층(400), 상기 고저항 버퍼층(500) 및 상기 전면전극층(600)을 지지한다.
상기 지지기판(100)은 절연체일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 유리기판, 플라스틱기판 또는 금속기판일 수 있다. 더 자세하게, 상기 지지기판(100)은 소다 라임 글래스(soda lime glass) 기판일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 투명할 수 있다. 상기 지지기판(100)은 리지드하거나 플렉서블할 수 있다.
상기 후면전극층(200)은 상기 지지기판(100) 상에 배치된다. 상기 후면전극층(200)은 도전층이다. 상기 후면전극층(200)으로 사용되는 물질의 예로서는 몰리브덴 등의 금속을 들 수 있다.
또한, 상기 후면전극층(200)은 두 개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 층들은 같은 금속으로 형성되거나, 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 상기 후면전극층(200) 상에 배치된다. 상기 광 흡수층(300)은 제 1 영역(310) 및 제 2 영역(320)을 포함한다.
상기 제 1 영역(310)은 상기 후면전극층(200) 상에 배치된다. 상기 제 2 영역(320)은 상기 제 1 영역(310) 상에 배치된다. 상기 제 2 영역(320)은 상기 전면전극층(600)에 인접할 수 있다. 더 자세하게, 상기 제 2 영역(320)은 상기 설퍼층(350)을 통하여 상기 버퍼층(400)에 접촉될 수 있다. 상기 제 2 영역(320)은 상기 광 흡수층(300)의 최상부에 위치할 수 있다. 즉, 상기 제 2 영역(320)은 상기 광 흡수층(300)의 상면을 구성할 수 있다.
또한, 상기 제 1 영역(310)은 상기 후면전극층(200)에 인접한다. 상기 제 1 영역(310)은 상기 후면전극층(200)의 상면에 직접 배치될 수 있다. 또한, 상기 제 1 영역(310)은 상기 제 1 영역(310)에 직접 인접할 수 있다.
따라서, 상기 광 흡수층(300)은 상기 제 1 영역(310) 및 상기 제 2 영역(320)으로 구성될 수 있다.
상기 제 2 영역(320)은 상기 제 1 영역(310)보다 더 많은 양의 황을 포함할 수 있다. 더 자세하게, 상기 제 2 영역(320)에 포함된 황의 비율은 상기 제 1 영역(310)에 포함된 황의 비율보다 더 높을 수 있다. 즉, 동일한 두께를 가지는 부분들을 비교하면, 상기 제 2 영역(320)은 상기 제 1 영역(310)보다 더 많은 양의 황을 포함할 수 있다.
상기 제 1 영역(310)은 제 1 화합물을 포함하고, 상기 제 2 영역(320)은 제 2 화합물을 포함한다. 더 자세하게, 상기 제 1 화합물 및 상기 제 2 화합물은 반도체 화합물이다. 더 자세하게, 상기 제 1 화합물 및 상기 제 2 화합물은 Ⅰ족-Ⅲ족-Ⅵ족계 화합물일 수 있다.
상기 제 2 화합물의 황의 조성은 상기 제 1 화합물의 황의 조성보다 더 높다.
이때, 상기 제 1 화합물은 황을 포함하지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 화합물은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계, 구리-인듐-셀레나이드계 또는 구리-갈륨-셀레나이드계 화합물일 수 있다. 더 자세하게, 상기 제 1 화합물은 구리-갈륨-셀레나이드계 화합물일 수 있다.
또한, 상기 제 2 화합물은 구리-인듐-갈륨-셀레늄-설파이드계, 구리-인듐-셀레늄-설파이드계 또는 구리-갈륨-설파이드계 화합물일 수 있다.
이와는 다르게, 상기 제 1 화합물 및 상기 제 2 화합물은 모두 황을 포함할 수 있다. 더 자세하게, 상기 제 1 화합물 및 상기 제 2 화합물은 구리-인듐-갈륨-셀레늄-설파이드계, 구리-인듐-셀레늄-설파이드계 또는 구리-갈륨-설파이드계 화합물일 수 있다.
상기 제 1 화합물의 황의 조성은 상기 제 2 화합물의 황의 조성보다 더 낮음에 따라서, 상기 제 1 화합물의 셀레늄의 조성은 상기 제 2 화합물의 셀레늄의 조성보다 더 높을 수 있다.
상기 제 1 화합물은 아래의 화학식1로 표현될 수 있다.
화학식1
CuInXGa(1-X)(SeYS(1-Y))2
여기서, 0≤X≤1이고, 0≤Y≤1이다. 더 자세하게, 0≤X≤0.2이고, 0.8≤Y≤1일 수 있다.
상기 제 2 화합물은 아래의 화학식2로 표현될 수 있다.
화학식2
CuInWGa(1-W)(SeZS(1-Z))2
여기서, 0≤W≤1이고, 0≤Z≤1이다. 더 자세하게, 0.8≤W≤1이고, 0≤Z≤0.2일 수 있다. 또한, Y가 Z보다 더 클 수 있다.
상기 제 1 영역(310)의 두께는 상기 제 2 영역(320)의 두께보다 더 클 수 있다. 또한, 상기 제 2 영역(320)의 두께는 상기 광 흡수층(300)의 두께의 약 1% 내지 약 30%일 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제 2 영역(320)에서, 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록, 상기 황의 조성은 커질 수 있다. 즉, 상기 화학식2에서, 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록, Z가 감소될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제 2 영역(320)은 상기 제 1 영역(310)보다 더 높은 에너지 밴드갭를 가질 수 있다. 더 자세하게, 상기 제 2 영역(320)에서, 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록 에너지 밴드갭이 점점 더 커질 수 있다.
즉, 상기 제 2 영역(320)은 상기 제 1 영역(310)보다 더 높은 조성으로 황을 포함하기 때문에, 상기 제 2 영역(320)은 상기 제 1 영역(310)보다 더 높은 에너지 밴드갭을 가질 수 있다. 또한, 상기 제 2 영역(320)에서 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록, 상기 황의 조성이 커짐에 따라서, 에너지 밴드갭도 점점 더 커질수 있다.
상기 제 1 영역(310)의 에너지 밴드갭은 약 1.0 eV 내지 약 1.4eV 일 수 있다. 또한, 상기 제 2 영역(320)의 에너지 밴드갭은 약 1.4 eV 내지 약 1.7 eV 일 수 있다.
상기 설퍼층(350)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치된다. 상기 설퍼층(350)은 상기 광 흡수층(300)의 상면과 직접 접촉된다. 상기 설퍼층(350)은 황을 포함한다. 더 자세하게, 상기 설퍼층(350)은 황으로 이루어질 수 있다.
상기 설퍼층(350)은 높은 저항을 가질 수 있다. 또한, 상기 설퍼층(350)은 상기 광 흡수층(300) 및 상기 버퍼층(400) 사이에서 문턱 기능을 수행할 수 있다. 즉, 태양광에 의해서 상기 광 흡수층(300)의 전자가 상기 버퍼층(400)으로 이동한 후, 상기 전자가 상기 버퍼층(400)에서 상기 광 흡수층(300)으로 역으로 이동하여, 재결합되는 현상이 상기 설퍼층(350)에 의해서 감소될 수 있다. 따라서, 상기 설퍼층(350)은 실시예에 따른 태양전지의 광-전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 설퍼층(350)의 두께는 약 1㎚ 내지 약 100㎚일 수 있다. 또한, 상기 설퍼층(350)은 생략될 수 있다. 즉, 상기 설퍼층(350)이 생략되고, 상기 버퍼층(400)이 상기 광 흡수층(300) 상에 직접 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치된다. 더 자세하게, 상기 버퍼층(400)은 상기 설퍼층(350) 상에 배치된다. 상기 버퍼층(400)은 n형 버퍼층(400)일 수 있다. 이에 따라서, 상기 광 흡수층(300) 및 상기 버퍼층(400)은 pn 접합을 형성할 수 있다. 상기 버퍼층(400)은 황화 카드뮴(CdS)를 포함하며, 상기 버퍼층(400)의 에너지 밴드갭은 약 2.2eV 내지 2.4eV이다.
상기 고저항 버퍼층(500)은 상기 버퍼층(400) 상에 배치된다. 상기 고저항 버퍼층(500)은 불순물이 도핑되지 않은 징크 옥사이드(i-ZnO)를 포함한다. 상기 고저항 버퍼층(500)의 에너지 밴드갭은 약 3.1eV 내지 3.3eV이다.
상기 전면전극층(600)은 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 배치된다. 상기 전면전극층(600)은 투명하며, 도전층이다. 상기 버퍼층(400)과 마찬가지로, 상기 전면전극층(600)도 n형 도전층일 수 있다. 이에 따라서, 상기 전면전극층(600) 및 상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300)과 pn 접합을 형성할 수 있다. 상기 전면전극층(600)으로 사용되는 물질의 예로서는 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드(Al doped ZnO;AZO) 등을 들 수 있다.
실시예에 따른 태양전지는 상기 광 흡수층(300)의 에너지 밴드갭를 용이하게 조절할 수 있다. 특히, 실시에에 따른 태양전지는 상기 제 2 영역(320)의 에너지 밴드갭을 용이하게 조절할 수 있다. 실시예에 따른 태양전지는 상기 제 2 영역(320)의 위치에 따른 조성을 조절하여, 상기 제 2 영역(320)의 에너지 밴드갭를 위치에 따라서 조절할 수 있다.
특히, 실시예에 따른 태양전지는 상기 전면전극층(600)에 가까워짐에 따라서, 상기 제 2 영역(320)의 에너지 밴드갭을 점차적으로 증가시킬 수 있다. 즉, 상기 제 2 영역(320)의 에너지 밴드갭은 상기 설퍼층(350)에 가까워짐에 따라서 점차적으로 증가될 수 있다.
상기 제 2 영역(320)은 높은 에너지 밴드갭을 가지기 때문에, 상기 제 1 영역(310) 및 상기 버퍼층(400) 사이의 에너지 밴드갭 차이를 완충시킬 수 있다. 이에 따라서, 상기 제 2 영역(320)에 의해서, 상기 광 흡수층(300) 및 상기 버퍼층(400) 사이의 pn 접합 특성이 향상될 수 있다. 더 자세하게, 상기 제 2 영역(320)에 의해서, 상기 광 흡수층(300)과, 상기 전면전극층(600) 사이의 pn 접합 특성이 향상될 수 있다.
또한, 상기 제 2 영역(320)의 에너지 밴드갭이 상기 제 1 에너지 밴드갭보다 더 높기 때문에, 상기 제 2 영역(320)은 문턱 기능을 수행할 수 있다. 즉, 태양광에 의해서 상기 제 1 영역(310)의 전자가 상기 버퍼층(400)으로 이동한 후, 상기 전자가 상기 버퍼층(400)에서 상기 제 1 영역(310)으로 역으로 이동하여, 재결합되는 현상이 상기 제 2 영역(320)에 의해서 감소될 수 있다.
이와 같이, 실시에에 따른 태양전지는 향상된 pn 접합 특성을 가지고, 높은 광-전 변환 효율을 가진다.
도 4 내지 도 8은 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도들이다. 본 실시예에 따른 태양전지의 제조방법에 앞서 설명한 태양전지에 대한 설명이 본질적으로 결합될 수 있다.
도 4를 참조하면, 소다 라임 유리 기판 등과 같은 지지기판(100) 상에 후면전극층(200)이 형성된다.
상기 후면전극층(200)은 몰리브덴 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정에 의해서 형성될 수 있다. 상기 후면전극층(200)은 두 개의 층들로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 후면전극층(200)은 다른 조건으로 몰리브덴이 적층되어 두 개의 층들로 형성될 수 있다.
상기 지지기판(100) 및 상기 후면전극층(200) 사이에는 확산 방지막 등의 추가적인 층들이 개재될 수 있다.
상기 후면전극층(200)은 몰리브덴이 약 500㎚ 내지 약 1000㎚의 두께로 증착되어 형성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 후면전극층(200) 상에 예비 광 흡수층(301)이 형성된다.
상기 예비 광 흡수층(301)은 스퍼터링 공정 또는 증발법 등에 의해서 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 예비 광 흡수층(301)을 형성하기 위해서 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발시키면서 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 예비 광 흡수층(301)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 이면전극(200) 상에 금속 프리커서 막이 형성된다.
이후, 상기 금속 프리커서 막은 셀레이제이션(selenization) 공정에 의해서, 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 예비 광 흡수층(301)이 형성된다.
이와는 다르게, 상기 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 상기 셀레니제이션 공정은 동시에 진행될 수 있다.
이와는 다르게, 구리 타겟 및 인듐 타겟 만을 사용하거나, 구리 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 셀레니제이션 공정에 의해서, CIS계 또는 CIG계 예비 광 흡수층(301)이 형성될 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 예비 광 흡수층(301) 상에 설퍼 공급층(351)이 형성된다. 상기 설퍼 공급층(351)은 상기 설퍼 공급층(351)은 황을 포함한다. 더 자세하게, 상기 설퍼 공급층(351)은 황으로 이루어질수 있다. 상기 예비 광 흡수층(301)에 황을 공급하기 위한 층이다. 상기 설퍼 공급층(351)의 두께는 약 10㎚ 내지 약 200㎚일 수 있다.
상기 설퍼 공급층(351)은 다양한 방법에 의해서 형성될 수 있다. 상기 설퍼 공급층(351)은 증발법, 스프레이 코팅, 프린팅, 무전해 도금 또는 스퍼터링 공정에 의해서 형성될 수 있다. 더 자세하게, 상기 설퍼 공급층(351)은 황을 증발시켜서, 상기 예비 광 흡수층(301) 상에 증착시키는 증발법에 의해서 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 예비 광 흡수층(301) 및 상기 설퍼 공급층(351)은 열처리된다. 이에 따라서, 상기 설퍼 공급층(351)에 포함된 황은 상기 예비 광 흡수층(301)으로 확산되고, 상기 후면전극층(200) 상에 광 흡수층(300)이 형성된다.
이때, 상기 설퍼 공급층(351)의 황은 상기 예비 광 흡수층(301)의 두께의 약 1% 내지 약 30%의 깊이로 확산될 수 있다. 이에 따라서, 상기 광 흡수층(300)은 상대적으로 적은 양으로 황을 포함하는 제 1 영역(310) 및 상대적으로 많은 양의 황을 포함하는 제 2 영역(320)으로 구분될 수 있다. 더 자세하게, 상기 황이 확산되는 영역이 제 2 영역(320)이고, 상기 황이 확산되지 않는 영역이 제 1 영역(310)일 수 있다.
또한, 상기 설퍼 공급층(351)으로부터의 황은 상기 예비 광 흡수층(301)의 깊이가 깊어질수록 확산되는 양이 줄어들게 된다. 이에 따라서, 상기 제 2 영역(320)에서는 상기 제 1 영역(310)으로부터 멀어질수록 점점 더 많은 황을 포함하게 된다.
상기 열처리 공정이 완료된 후, 상기 설퍼 공급층(351)은 상기 광 흡수층(300)에 일부가 남아서 설퍼층(350)을 형성할 수 있다.
이와는 다르게, 상기 설퍼 공급층(351)은 완전히 소모되어, 상기 광 흡수층(300) 상에 남아있지 않을 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 광 제 2 흡수층 상에 황화 카드뮴이 화학적 용액 성장법(chemical bath deposition;CBD) 등에 의해서 증착되고, 상기 버퍼층(400)이 형성된다. 상기 버퍼층(400)은 황화 카드뮴(CdS)를 포함하며, 상기 버퍼층(400)의 에너지 밴드갭은 약 2.2eV 내지 2.4eV이다. 상기 버퍼층(400)의 두께는 약 30㎚ 내지 100㎚이다.
이후, 상기 버퍼층(400) 상에 징크 옥사이드가 스퍼터링 공정 등에 의해서 증착되고, 상기 고저항 버퍼층(500)이 형성된다. 상기 고저항 버퍼층(500)은 불순물이 도핑되지 않은 징크 옥사이드(i-ZnO)를 포함한다. 상기 고저항 버퍼층(500)의 에너지 밴드갭은 약 3.1eV 내지 3.3eV이다. 상기 고저항 버퍼층(500)의 두께는 약 20㎚ 내지 약 70㎚이다.
이후, 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드가 스퍼터링 공정 등에 의해서 증착되어 전면전극층(600)이 형성된다. 상기 전면전극층(600)은 약 200㎚ 내지 약 1000㎚의 두께로 증착되어 형성될 수 있다.
상기 제 1 영역(310) 및 상기 제 2 영역(320)의 두께, 상기 제 2 영역(320)에 포함되는 황의 양 및 황의 조성의 구배 등은 상기 설퍼 공급층(351)의 두께, 열처리 시간 및 온도 등에 의해서 용이하게 조절될 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 확산되는 황의 양 및 깊이 등을 용이하게 제어하여, 향상된 광-전 변환 효율을 가지는 태양전지를 제공할 수 있다.
도 9는 제 2 실시예에 따른 태양전지의 일 단면을 도시한 단면도이다. 도 10은 광 흡수층의 구성 성분의 조성을 도시한 도면이다. 도 11은 광 흡수층의 에너지 밴드갭을 도시한 도면이다. 본 실시예에서는 앞서 설명한 실시예를 참조하고, 광 흡수층에 대해서 추가적으로 설명한다. 본 실시예의 설명에 변형되는 구성요소를 제외하고, 앞서 설명한 실시예들에 대한 설명이 결합될 수 있다.
도 9 내지 도 11을 참조하면, 광 흡수층(305)은 제 1 영역(311) 및 제 2 영역(321)을 포함한다.
상기 제 2 영역(321)은 상기 제 1 영역(311)보다 더 많은 양의 황을 포함한다. 또한, 상기 제 2 영역(321)은 상기 제 1 영역(311)보다 더 많은 양의 인듐을 포함한다. 더 자세하게, 상기 제 2 영역(321)에 포함된 황의 비율 및 인듐의 비율은 상기 제 1 영역(311)에 포함된 황의 비율 및 인듐의 비율보다 더 높을 수 있다. 즉, 동일한 두께를 가지는 부분들을 비교하면, 상기 제 2 영역(321)은 상기 제 1 영역(311)보다 더 많은 양의 황을 포함할 수 있다.
상기 제 1 영역(311)은 제 3 화합물을 포함하고, 상기 제 2 영역(321)은 제 4 화합물을 포함한다. 더 자세하게, 상기 제 3 화합물 및 상기 제 4 화합물은 반도체 화합물이다. 더 자세하게, 상기 제 3 화합물 및 상기 제 4 화합물은 Ⅰ족-Ⅲ족-Ⅵ족계 화합물일 수 있다.
상기 제 4 화합물의 황의 조성은 상기 제 3 화합물의 황의 조성보다 더 높다. 또한, 상기 제 4 화합물의 인듐의 조성은 상기 제 3 화합물의 인듐의 조성보다 더 높다.
이때, 상기 제 3 화합물은 황을 포함하지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 제 3 화합물은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계, 구리-인듐-셀레나이드계 또는 구리-갈륨-셀레나이드계 화합물일 수 있다. 더 자세하게, 상기 제 3 화합물은 구리-갈륨-셀레나이드계 화합물일 수 있다.
또한, 상기 제 4 화합물은 구리-인듐-갈륨-셀레늄-설파이드계, 구리-인듐-셀레늄-설파이드계 또는 구리-갈륨-설파이드계 화합물일 수 있다.
이와는 다르게, 상기 제 3 화합물 및 상기 제 4 화합물은 모두 황을 포함할 수 있다. 더 자세하게, 상기 제 3 화합물 및 상기 제 4 화합물은 구리-인듐-갈륨-셀레늄-설파이드계, 구리-인듐-셀레늄-설파이드계 또는 구리-갈륨-설파이드계 화합물일 수 있다.
상기 제 3 화합물의 황의 조성이 상기 제 4 화합물의 황의 조성보다 더 낮음에 따라서, 상기 제 3 화합물의 셀레늄의 조성은 상기 제 4 화합물의 셀레늄의 조성보다 더 높을 수 있다.
또한, 상기 제 3 화합물의 인듐의 조성이 상기 제 4 화합물의 인듐의 조성보다 더 낮음에 따라서, 상기 제 3 화합물의 갈륨의 조성은 상기 제 4 화합물의 갈륨의 조성보다 더 높을 수 있다. 이에 따라서, 상기 제 1 영역(321)은 상기 제 2 영역(311)보다 더 많은 양의 갈륨을 포함할 수 있다.
상기 제 3 화합물은 아래의 화학식3로 표현될 수 있다.
화학식3
CuInXGa(1-X)(SeYS(1-Y))2
여기서, 0≤X≤1이고, 0≤Y≤1이다. 더 자세하게, 0≤X≤0.2이고, 0.8≤Y≤1일 수 있다.
상기 제 4 화합물은 아래의 화학식4로 표현될 수 있다.
화학식4
CuInWGa(1-W)(SeZS(1-Z))2
여기서, 0≤W≤1이고, 0≤Z≤1이다. 더 자세하게, 0.8≤W≤1이고, 0≤Z≤0.2일 수 있다. 또한, W가 X보다 더 크고, Y가 Z보다 더 클 수 있다.
상기 제 1 영역(311)의 두께는 상기 제 2 영역(321)의 두께보다 더 클 수 있다. 또한, 상기 제 2 영역(321)의 두께는 상기 광 흡수층(305)의 두께의 약 1% 내지 약 30%일 수 있다.
상기 광 흡수층(305) 상에는 황화물층(352)가 배치된다. 상기 황화물층(352)은 황을 포함한다. 더 자세하게, 상기 황화물층(352)은 황화물을 포함할 수 있다. 더 자세하게, 상기 황화물층(352)은 인듐 설파이드를 포함할 수 있다. 더 자세하게, 상기 황화물층(352)은 인듐 설파이드로 이루어질 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 상기 제 2 영역(321)에서, 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록, 황의 조성은 커질 수 있다. 즉, 상기 화학식4에서, 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록, Z가 감소될 수 있다. 또한, 상기 제 2 영역(321)에서, 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록, 인듐의 조성이 점차적으로 커질 수 있다. 즉, 상기 화학식4에서, 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록 W가 증가될 수 있다.
상기 제 2 영역(321)에서 인듐의 조성이 높아짐에 따라서, 상기 제 2 영역(321)에서의 에너지 밴드갭이 다소 낮아질 수 있다. 하지만, 상기 제 2 영역(321)은 높은 조성으로 황을 포함하기 때문에, 전체적으로 여전히 높은 에너지 밴드갭을 가진다.
또한, 상기 제 2 영역(321)에서는 갈륨의 조성이 낮고, 인듐의 조성이 높기 때문에, 상기 제 2 영역(321)은 낮은 거칠기 및 디펙 농도를 가질 수 있고, 향상된 결정성을 가질 수 있다.
즉, 갈륨을 다량으로 포함하는 Ⅰ족-Ⅲ족-Ⅵ족계 화합물은 높은 거칠기 및 높은 디펙 농도를 가지고, 낮은 결정성을 가지게 된다. 하지만, 상기 제 2 영역(321)에서는 갈륨의 조성이 낮아지고, 인듐의 조성이 높아지기 때문에, 상기 광 흡수층(305)의 상면은 낮은 거칠기 및 낮은 디펙 농도를 가진다. 또한, 상기 광 흡수층(305)의 상면은 향상된 결정성을 가진다.
따라서, 본 실시예에 따른 태양전지는 상기 제 2 영역(321)의 에너지 밴드갭을 높이면서, 동시에 상기 제 2 영역(321)의 결정 특성을 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 태양전지는 향상된 광-전 변환 효율을 가진다.
도 12 내지 도 14는 다른 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도들이다. 본 실시예에서는 앞서 설명한 실시예들을 참고하고, 광 흡수층을 형성하는 과정에 대하여 추가로 설명한다. 본 실시예에 따른 태양전지의 제조방법에 대한 설명에 앞서 설명한 실시예들이 결합될 수 있다.
도 12를 참조하면, 지지기판(100) 상에 후면전극층(200)이 형성되고, 상기 후면전극층(200) 상에 예비 광 흡수층(301)이 형성된다.
이후, 상기 예비 광 흡수층(301) 상에 설퍼 공급층(353)이 형성된다. 상기 설퍼 공급층(353)은 상기 설퍼 공급층(353)은 인듐 설파이드 등과 같은 황화물을 포함한다. 더 자세하게, 상기 설퍼 공급층(353)은 인듐 설파이드 등과 같은 황화물로 이루어질수 있다. 상기 설퍼 공급층(353)은 아래의 화학식5와 같은 황화물로 이루어질 수 있다.
화학식5
InmSn
여기서, In은 인듐이고, S는 황이다. 또한, 1.5 < m < 2.5이고, 2.5 < n < 3.5이다. 더 자세하게, m은 2이고, n은 3일 수 있다.
상기 설퍼 공급층(353)은 상기 예비 광 흡수층(301)에 황 및 인듐을 공급하기 위한 층이다. 상기 설퍼 공급층(353)의 두께는 약 10㎚ 내지 약 200㎚일 수 있다.
상기 설퍼 공급층(353)은 다양한 방법에 의해서 형성될 수 있다. 상기 설퍼 공급층(353)은 증발법, 스프레이 코팅, 프린팅, 무전해 도금 또는 스퍼터링 공정에 의해서 형성될 수 있다. 더 자세하게, 상기 설퍼 공급층(353)은 인듐 설파이드 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정에 의해서 형성될 수 있다.
도 13을 참조하면, 상기 예비 광 흡수층(301) 및 상기 설퍼 공급층(353)은 열처리된다. 이에 따라서, 상기 설퍼 공급층(353)에 포함된 황 및 인듐은 상기 예비 광 흡수층(301)으로 확산되고, 상기 후면전극층(200) 상에 광 흡수층(305)이 형성된다.
이때, 상기 설퍼 공급층(353)의 황 및 인듐은 상기 예비 광 흡수층(301)의 두께의 약 1% 내지 약 30%의 깊이로 확산될 수 있다. 이에 따라서, 상기 광 흡수층(305)은 상대적으로 적은 양으로 황을 포함하는 제 1 영역(311) 및 상대적으로 많은 양의 황을 포함하는 제 2 영역(321)으로 구분될 수 있다. 더 자세하게, 상기 황 및 인듐이 확산되는 영역이 제 2 영역(321)이고, 상기 황 및 인듐이 확산되지 않는 영역이 제 1 영역(311)일 수 있다.
또한, 상기 설퍼 공급층(351)으로부터의 황 및 인듐은 상기 예비 광 흡수층(301)의 깊이가 깊어질수록 확산되는 양이 줄어들게 된다. 이에 따라서, 상기 제 2 영역(321)에서는 상기 제 1 영역(311)으로부터 멀어질수록 점점 더 많은 황 및 인듐을 포함하게 된다.
상기 열처리 공정이 완료된 후, 상기 설퍼 공급층(353)은 상기 광 흡수층(305)에 일부가 남아서 황화물층(352)을 형성할 수 있다.
이와는 다르게, 상기 설퍼 공급층(351)은 완전히 소모되어, 상기 광 흡수층(300) 상에 남아있지 않을 수 있다.
도 14를 참조하면, 상기 황화물층(352) 상에 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500) 및 전면전극층(600)이 차례로 형성된다.
이에 따라서, 본 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 향상된 광-전 변환 효율을 가지는 태양전지를 용이하게 제공할 수 있다. 특히, 본 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 상기 광 흡수층(300) 내의 인듐의 조성도 용이하게 조절될 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.
Claims (18)
- 기판;
상기 기판 상에 배치되는 후면전극층;
상기 후면전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 및
상기 광 흡수층 상에 배치되는 전면전극층을 포함하고,
상기 광 흡수층은
상기 후면전극층 상에 배치되는 제 1 영역;
상기 제 1 영역 상에 배치되고, 상기 제 1 영역보다 더 많은 양의 황을 포함하는 제 2 영역을 포함하는 태양전지. - 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 영역은 상기 제 1 영역보다 더 많은 양의 인듐을 포함하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광 흡수층의 상면에 직접 형성되고, 황화물층을 포함하는 태양전지.
- 제 3 항에 있어서, 상기 황화물층은 인듐 설파이드를 포함하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 영역에서, 상기 전면전극층에 가까워질수록 황의 양이 점점 증가하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 영역에서, 상기 전면전극층에 가까워질수록 인듐의 양이 점점 증가하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 영역의 두께는 상기 광 흡수층의 두께의 1% 내지 30%인 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 영역은 상기 제 2 영역보다 더 많은 양의 갈륨을 포함하는 태양전지.
- 기판;
상기 기판 상에 배치되는 후면전극층;
상기 후면전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 및
상기 광 흡수층 상에 배치되는 전면전극층을 포함하고,
상기 광 흡수층은
상기 후면전극층 상에 배치되는 제 1 영역;
상기 제 1 영역 상에 배치되는 제 2 영역을 포함하고,
상기 제 1 영역은 제 1 화합물을 포함하고,
상기 제 2 영역은 상기 제 1 화합물보다 더 높은 조성으로 황을 포함하는 제 2 화합물을 포함하는 태양전지. - 제 9 항에 있어서, 상기 제 2 화합물은 상기 제 1 화합물보다 더 높은 조성으로 인듐을 포함하는 태양전지.
- 제 10 항에 있어서, 상기 광 흡수층 상에 인듐 설파이드로 이루어지는 황화물층을 포함하는 태양전지.
- 제 9 항에 있어서, 상기 제 2 화합물은 구리-인듐-갈륨-셀레늄-설파이드계 화합물 또는 구리-인듐-설파이드계 화합물인 태양전지.
- 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 화합물은 아래의 화학식1로 표현되고,
상기 제 2 화합물은 아래의 화학식2에 의해서 표현되는 태양전지.
화학식1
CuInXGa(1-X)(SeYS(1-Y))2
화학식2
CuInWGa(1-W)(SeZS(1-Z))2
여기서, 여기서, Cu는 구리이고, In은 인듐이고, Ga는 갈륨이고, Se는 셀레늄이고, S는 황이고, 0≤X≤0.2이고, 0.8≤Y≤1이고, 0.8≤W≤1이고, 0≤Z≤0.2이다. - 제 9 항에 있어서, 상기 제 2 영역에서, 상기 전면전극층에 가까워질수록 에너지 밴드갭이 점점 더 커지는 태양전지.
- 기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계;
상기 후면전극층 상에 예비 광 흡수층을 형성하는 단계;
상기 예비 광 흡수층 상에 황을 포함하는 설퍼 공급층을 형성하는 단계;
상기 예비 광 흡수층에 상기 설퍼 공급층에 포함된 물질을 확산시켜서 광 흡수층을 형성하는 단계; 및
상기 광 흡수층 상에 전면전극층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법. - 제 15 항에 있어서, 상기 설퍼 공급층은 황 또는 인듐 설파이드를 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 15 항에 있어서, 상기 설퍼 공급층의 두께는 10㎚ 내지 200㎚인 태양전지의 제조방법.
- 제 15 항에 있어서, 상기 설퍼 공급층은 상기 광 흡수층을 형성하는 단계에서, 상기 광 흡수층의 형성이 완료된 후, 상기 광 흡수층의 상면에 황화물층으로 잔유하는 태양전지의 제조방법.
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| KR20100109320A (ko) * | 2009-03-31 | 2010-10-08 | 엘지이노텍 주식회사 | 태양전지 및 이의 제조방법 |
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