KR101154696B1 - Solar cell apparatus and method of fabricating the same - Google Patents
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Abstract
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 후면 전극층, p형 CIGS계 광 흡수층, 버퍼층, n형 윈도우층 등을 포함하는 기판 구조의 pn 헤테로 접합(hetero junction) 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다.In particular, CIGS-based solar cells, which are pn hetero junction devices having a substrate structure including a glass substrate, a metal back electrode layer, a p-type CIGS-based light absorbing layer, a buffer layer, an n-type window layer, and the like, are widely used.
이러한 태양전지에 있어서 낮은 저항, 높은 투과율 등의 전기적인 특성을 향상시키기 위한 연구가 진행되고 있다.In such a solar cell, research is being conducted to improve electrical characteristics such as low resistance and high transmittance.
실시예는 버퍼층을 이중으로 형성하고 상부의 버퍼층을 TiO2로 형성하여 전기적 특성 및 신뢰성이 우수한 태양전지 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.The embodiment is to provide a solar cell and a method of manufacturing the same having excellent electrical properties and reliability by forming a double buffer layer and the upper buffer layer of TiO 2 .
일 실시예에 따른 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 이면전극층; 상기 이면전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되는 제1 버퍼층; 상기 제1 버퍼층 상에 형성되고 TiO2를 포함하는 제2 버퍼층; 및 상기 제2 버퍼층 상에 배치되는 윈도우층;을 포함한다.Solar cell according to one embodiment includes a substrate; A back electrode layer disposed on the substrate; A light absorbing layer disposed on the back electrode layer; A first buffer layer disposed on the light absorbing layer; A second buffer layer formed on the first buffer layer and comprising TiO 2 ; And a window layer disposed on the second buffer layer.
일 실시예에 따른 태양전지 제조방법은 기판 상에 이면전극층을 형성하는 단계; 상기 이면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 제1 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 제1 버퍼층 상에 TiO2를 포함하는 제2 버퍼층을 형성하는 단계; 및 상기 제2 버퍼층 상에 윈도우층을 형성하는 단계;를 포함한다.A solar cell manufacturing method 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 first buffer layer on the light absorbing layer; Forming a second buffer layer including TiO 2 on the first buffer layer; And forming a window layer on the second buffer layer.
실시예에 따르면, 버퍼층을 이중으로 형성하고 상부의 버퍼층을 TiO2로 형성하여 전기적 특성 및 신뢰성이 우수한 태양전지를 제공할 수 있다.According to the embodiment, it is possible to provide a solar cell having excellent electrical characteristics and reliability by forming a double buffer layer and the upper buffer layer of TiO 2 .
도 1은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 단면도이다.
도 2는 내지 도 5는 실시예에 따른 태양전지를 제조하는 과정을 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a solar cell according to an embodiment.
2 to 5 are cross-sectional views illustrating a process of manufacturing a solar cell according to an embodiment.
실시예의 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” 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 1은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 단면도이다. 도 1을 참조하면, 태양전지 패널은 지지기판(100)과, 이면전극층(200), 광 흡수층(300), 제1 버퍼층(400), 제2 버퍼층(500) 및 윈도우층(600)을 지지한다.1 is a cross-sectional view showing a solar cell according to an embodiment. Referring to FIG. 1, a solar cell panel supports a
상기 지지기판(100)은 절연체일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 유리기판, 폴리머와 같은 플라스틱기판, 또는 금속기판일 수 있다. 이외에, 지지기판(100)의 재질로 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸(SUS), 유연성이 있는 고분자 등이 사용될 수 있다. 상기 지지기판(100)은 투명할 수 있고 리지드하거나 플렉서블할 수 있다.The
상기 지지기판(100) 상에 이면전극층(200)이 배치된다. 상기 이면전극층(200)은 도전층이다. 상기 이면전극층(200)은 태양전지 중 상기 광 흡수층(300)에서 생성된 전하가 이동하도록 하여 태양전지의 외부로 전류를 흐르게 할 수 있다. 상기 이면전극층(200)은 이러한 기능을 수행하기 위하여 전기 전도도가 높고 비저항이 작아야 한다.The
또한, 상기 이면전극층(200)은 CIGS 화합물 형성시 수반되는 황(S) 또는 셀레늄(Se) 분위기 하에서의 열처리 시 고온 안정성이 유지되어야 한다. 또한, 상기 이면전극층(200)은 열팽창 계수의 차이로 인하여 상기 지지기판(100)과 박리현상이 발생되지 않도록 상기 지지기판(100)과 접착성이 우수하여야 한다.In addition, the
이러한 이면전극층(200)은 몰리브덴(Mo), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 텅스텐(W) 및 구리(Cu)중 어느 하나로 형성될 수 있다. 이 가운데, 특히 몰리브덴(Mo)은 다른 원소에 비해 상기 지지기판(100)과 열팽창 계수의 차이가 적기 때문에 접착성이 우수하여 박리현상이 발생하는 것을 방지할 수 있고 상술한 이면전극층(200)에 요구되는 특성을 전반적으로 충족시킬 수 있다.The
상기 이면전극층(200)은 두 개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 층들은 같은 금속으로 형성되거나, 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.The
상기 이면전극층(200) 상에는 광 흡수층(300)이 형성될 수 있다. 상기 광 흡수층(300)은 p형 반도체 화합물을 포함한다. 더 자세하게, 상기 광 흡수층(300)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 계 화합물을 포함한다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(300)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(300)의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1.1eV 내지 1.2eV일 수 있다.The light absorbing
상기 광 흡수층(300) 상에 제1 버퍼층(400) 및 제2 버퍼층(500)이 배치된다. CIGS 화합물을 광 흡수층(300)으로 갖는 태양전지는 p형 반도체인 CIGS 화합물 박막과 n형 반도체인 윈도우층(600) 박막간에 pn 접합을 형성한다. 하지만 두 물질은 격자상수와 밴드갭 에너지의 차이가 크기 때문에 양호한 접합을 형성하기 위해서는 밴드갭이 두 물질의 중간에 위치하는 버퍼층이 필요하다.The
상기 제1 버퍼층(400)을 형성하는 물질로는 CdS, ZnS 등이 있으나 일반적으로 버퍼층은 CdS를 CBD법으로 증착하여 형성하는 것이 에너지 변환 효율 측면에서 유리하다. 그러나 CdS는 에너지 밴드갭보다 짧은 파장대인 500nm이하의 빛을 흡수하기 때문에 에너지 변환 효율을 극대화할 수 없을 뿐만 아니라, 중금속인 카드뮴(Cd)을 포함하고 있어, 이를 대체할 수 있는 기술을 개발하기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다.Materials for forming the
이에 따라 황화카드뮴을 대체하는 물질로 황화아연(ZnS)이 사용되고 있다. 상기 제1 버퍼층(400)은 20nm 내지 40nm의 두께로 형성될 수 있다.Accordingly, zinc sulfide (ZnS) is used as a material to replace cadmium sulfide. The
상기 제1 버퍼층(400) 상에 제2 버퍼층(500)이 형성될 수 있다. ZnS 상에 인듐 징크 옥사이드 층을 적층하여 2중으로 버퍼층을 형성하면 광 흡수층(300)과 윈도우층(600) 박막간의 격자상수와 밴드갭 에너지의 차이를 효과적으로 완화할 수 있으므로, 전기적 특성이 향상될 수 있다.The
제2 버퍼층(500)이 불순물이 도핑되지 않은 징크 옥사이드(i-ZnO)로 형성되는 경우, i-ZnO를 스퍼터링의 방법으로 증착하면 공정과정에서 O2 플라즈마가 ZnS층에 대미지를 주게 된다. 이에 따라 전기적 특성 및 신뢰성이 저하될 수 있으므로 본원발명에서는 i-ZnO와 밴드갭이 유사한 TiO2층을 습식 코팅하여 상기 문제점을 방지할 수 있다. 상기 제2 버퍼층(500)은 50nm 내지 70nm의 두께로 형성될 수 있으며, 에너지 밴드갭은 약 3.1eV 내지 3.3eV이다.When the
상기 제2 버퍼층(500) 상에 윈도우층(600)이 형성될 수 있다. 상기 윈도우층(600)은 투명하며, 도전층이다. 또한, 상기 윈도우층(600)의 저항은 상기 이면전극층(200)의 저항보다 높다.The
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.The
또한, 상기 윈도우층(600)은 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드(Al doped zinc oxide;AZO), 붕소 도핑된 징크 옥사이드(B doped zinc oxide;BZO) 또는 갈륨 도핑된 징크 옥사이드(Ga doped zinc oxide;GZO) 등을 포함할 수 있다.In addition, the
본 발명의 실시예에 따른 태양전지에 따르면, 제1 버퍼층(400)을 ZnS로 형성하여 유해 중금속인 Cd에 의한 환경오염의 문제를 개선하고, 제2 버퍼층(500)을 TiO2로 형성하여 열적 안정성 및 전기적 특성이 우수한 태양전지를 제공할 수 있다.
According to the solar cell according to the embodiment of the present invention, the
도 2 내지 도 5는 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도들이다. 본 제조방법에 관한 설명은 앞서 설명한 태양전지에 대한 설명을 참고한다. 앞서 설명한 태양전지에 대한 설명은 본 제조방법에 관한 설명에 본질적으로 결합될 수 있다.2 to 5 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a solar cell according to an embodiment. For a description of the present manufacturing method, refer to the description of the solar cell described above. The description of the solar cell described above may be essentially combined with the description of the present manufacturing method.
도 2 및 도 3을 참조하면, 지지기판(100) 상에 이면전극층(200)이 형성될 수 있다. 상기 이면전극층(200)은 몰리브덴을 사용하여 증착될 수 있다. 상기 이면전극층(200)은 PVD(Physical Vapor Deposition) 또는 도금의 방법으로 형성될 수 있다.2 and 3, the
또한, 상기 지지기판(100) 및 이면전극층(200) 사이에 확산방지막 등과 같은 추가적인 층이 개재될 수 있다.In addition, an additional layer such as a diffusion barrier may be interposed between the
다음으로, 상기 이면전극층(200) 상에 광 흡수층(300)이 형성된다. 상기 광 흡수층(300)은 예를 들어, 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발시키면서 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(300)을 형성하는 방법과 금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션(Selenization) 공정에 의해 형성시키는 방법이 폭넓게 사용되고 있다.Next, the
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.When the metal precursor film is formed and selenization is subdivided, a metal precursor film is formed on the
이후, 상기 금속 프리커서 막은 셀레니제이션(selenization) 공정에 의해서, 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(300)이 형성된다.Thereafter, the metal precursor film is formed of a copper-indium-gallium-selenide-based (Cu (In, Ga) Se 2; CIGS-based) light absorbing
이와는 다르게, 상기 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 상기 셀레니제이션 공정은 동시에 진행될 수 있다.Alternatively, the copper target, the indium target, the sputtering process using the gallium target, and the selenization process may be performed simultaneously.
이와는 다르게, 구리 타겟 및 인듐 타겟 만을 사용하거나, 구리 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 셀레니제이션 공정에 의해서, CIS계 또는 CIG계 광 흡수층(300)이 형성될 수 있다.Alternatively, the CIS-based or CIG-based
상기 광 흡수층(300)이 형성되는 과정에서 상기 배리어층(300)에 포함된 Na이 분리되어 상기 광 흡수층(300)으로 확산될 수 있다. 이에 의해 광 흡수층(300)의 전하 농도가 증가하여 태양전지의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.In the process of forming the
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 광 흡수층(300) 상에 ZnS이 스퍼터링 공정 또는 용액성장법(chemical bath depositon;CBD) 등에 의해서 증착되어 제1 버퍼층(400)이 형성될 수 있다.4 and 5, ZnS may be deposited on the
다음으로 상기 제1 버퍼층(400) 상에 제2 버퍼층(500)이 형성될 수 있다. 상기 제2 버퍼층(500)은 습식 코팅 방식으로 형성될 수 있다. 예를 들어, H2O를 포함하는 용액에 TiCl4를 첨가하여 60℃ 내지 90℃의 온도에서 TiO2를 형성할 수 있다. 시간 및 온도를 조절하여 제2 버퍼층(500)의 두께를 조절할 수 있으며, 제2 버퍼층(500)은 50nm 내지 70nm의 두께로 형성할 수 있다.Next, a
다음으로 상기 제2 버퍼층(500) 상에 윈도우층(600)이 형성된다. 상기 윈도우층(600)은 상기 제2 버퍼층(500) 상에 투명한 도전물질이 증착되어 형성된다. 상기 윈도우층(600)은 AZO를 포함하여 형성될 수 있으나 이에 대해 한정하지는 않는다.Next, the
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.Features, structures, effects, and the like described in the above embodiments are included in at least one embodiment of the present invention, and are not necessarily limited to only one embodiment. Furthermore, the features, structures, effects, and the like illustrated in the embodiments may be combined or modified with respect to other embodiments by those skilled in the art to which the embodiments belong. Therefore, it should be understood that the present invention is not limited to these combinations and modifications.
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.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It will be understood that various modifications 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.
Claims (10)
상기 기판 상에 배치되는 이면전극층;
상기 이면전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되는 제1 버퍼층;
상기 제1 버퍼층 상에 형성되고 TiO2를 포함하는 제2 버퍼층; 및
상기 제2 버퍼층 상에 배치되는 윈도우층;을 포함하는 태양전지.Board;
A back electrode layer disposed on the substrate;
A light absorbing layer disposed on the back electrode layer; A first buffer layer disposed on the light absorbing layer;
A second buffer layer formed on the first buffer layer and comprising TiO 2 ; And
And a window layer disposed on the second buffer layer.
상기 제1 버퍼층은 ZnS를 포함하는 태양전지.The method of claim 1,
The first buffer layer is a solar cell containing ZnS.
상기 제1 버퍼층은 20nm 내지 40nm의 두께로 형성되는 태양전지.The method of claim 1,
The first buffer layer is a solar cell formed of a thickness of 20nm to 40nm.
상기 제2 버퍼층은 50nm 내지 70nm의 두께로 형성되는 태양전지.The method of claim 1,
The second buffer layer is a solar cell formed to a thickness of 50nm to 70nm.
상기 제2 버퍼층의 에너지 밴드갭은 3.1eV 내지 3.3eV인 태양전지.The method of claim 1,
The energy band gap of the second buffer layer is 3.1eV to 3.3eV solar cell.
상기 윈도우층은 징크 옥사이드(zinc oxide), 인듐 틴 옥사이드(induim tin oxide;ITO), 인듐 징크 옥사이드(induim zinc oxide;IZO), 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드(Al doped zinc oxide;AZO), 붕소 도핑된 징크 옥사이드(B doped zinc oxide;BZO) 또는 갈륨 도핑된 징크 옥사이드(Ga doped zinc oxide;GZO) 중 적어도 하나를 포함하는 태양전지.The method of claim 1,
The window layer is zinc oxide, indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), aluminum doped zinc oxide (AZO), boron doped A solar cell comprising at least one of zinc oxide (B doped zinc oxide; BZO) or gallium doped zinc oxide (GZO).
상기 이면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계;
상기 광 흡수층 상에 제1 버퍼층을 형성하는 단계;
상기 제1 버퍼층 상에 TiO2를 포함하는 제2 버퍼층을 형성하는 단계; 및
상기 제2 버퍼층 상에 윈도우층을 형성하는 단계;를 포함하는 태양전지 제조방법.Forming a back electrode layer on the substrate;
Forming a light absorbing layer on the back electrode layer;
Forming a first buffer layer on the light absorbing layer;
Forming a second buffer layer including TiO 2 on the first buffer layer; And
Forming a window layer on the second buffer layer;
상기 제2 버퍼층은 습식 코팅으로 형성되는 태양전지 제조방법.The method of claim 7, wherein
The second buffer layer is a solar cell manufacturing method formed of a wet coating.
상기 제1 버퍼층은 ZnS이 스퍼터링 공정 또는 용액성장법(chemical bath depositon;CBD)에 의해 형성되는 태양전지 제조방법.The method of claim 8,
The first buffer layer is ZnS is a solar cell manufacturing method is formed by a sputtering process or a chemical bath depositon (CBD).
상기 제2 버퍼층은 60℃ 내지 90℃의 온도에서 형성되는 태양전지 제조방법.
The method of claim 8,
The second buffer layer is a solar cell manufacturing method is formed at a temperature of 60 ℃ to 90 ℃.
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|---|---|---|---|---|
| KR101523246B1 (en) * | 2013-12-19 | 2015-06-01 | 한국에너지기술연구원 | Double buffer comprising ZnS and solar cell using the same, and a method of manufacturing them |
| KR101849267B1 (en) | 2012-07-06 | 2018-04-17 | 한국전자통신연구원 | A thin film solar cell and the method of fabricating the same |
| KR101916212B1 (en) | 2012-12-14 | 2018-11-07 | 엘지이노텍 주식회사 | Solar cell and method of fabricating the same |
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- 2011-05-31 KR KR1020110052486A patent/KR101154696B1/en not_active IP Right Cessation
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