KR101154785B1 - Solar cell and method of fabricating the same - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 태양전지는, 기판 상에 형성된 스트레인층; 상기 스트레인층 상에 결정격자의 a 또는 b 방향으로 성장된 그레인들을 포함하는 후면전극층; 상기 후면전극층 상에 형성된 광 흡수층, 버퍼층 및 전면전극층을 포함하는 것으로, 상기 후면전극층의 구조에 의하여 태양전지의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다. Solar cell according to the embodiment, the strain layer formed on the substrate; A back electrode layer including grains grown in a or b directions of a crystal lattice on the strain layer; It includes a light absorbing layer, a buffer layer and a front electrode layer formed on the back electrode layer, it is possible to improve the electrical characteristics of the solar cell by the structure of the back electrode layer.
태양전지, 이면전극 Solar cell, back electrode
Description
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다. An embodiment relates to a solar cell and a manufacturing method thereof.
최근 에너지 수요가 증가함에 따라, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지에 대한 개발이 진행되고 있다. With the recent increase in energy demand, development of solar cells converting solar energy into electrical energy is in progress.
특히, 유리기판, 금속 후면 전극층, p형 CIGS계 광 흡수층, 고 저항 버퍼층, n형 창층 등을 포함하는 기판 구조의 pn 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다. In particular, a CIGS solar cell which is a pn heterojunction device 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 is widely used.
이러한 태양전지의 각각의 층의 전기적인 특성이 전체 태양전지의 효율에 영향을 미칠 수 있다. The electrical properties of each layer of these solar cells can affect the efficiency of the overall solar cell.
실시예는 향상된 효율을 가지는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다. The embodiment provides a solar cell having improved efficiency and a method of manufacturing the same.
실시예에 따른 태양전지는, 기판 상에 형성된 스트레인층; 상기 스트레인층 상에 결정격자의 a 또는 b 방향으로 성장된 그레인들을 포함하는 후면전극층; 상기 후면전극층 상에 형성된 광 흡수층, 버퍼층 및 전면전극층을 포함한다. Solar cell according to the embodiment, the strain layer formed on the substrate; A back electrode layer including grains grown in a or b directions of a crystal lattice on the strain layer; It includes a light absorbing layer, a buffer layer and a front electrode layer formed on the back electrode layer.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은, 기판 상에 도전성의 스트레인층을 형성하는 단계; 상기 스트레인층 상에 결정격자의 a 또는 b축 방향으로 성장되는 그레인들을 포함하는 후면전극층을 형성하는 단계; 상기 후면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 및 상기 버퍼층 상에 전면전극층을 형성하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a solar cell according to an embodiment includes forming a conductive strain layer on a substrate; Forming a back electrode layer on the strain layer, the back electrode layer comprising grains grown in a or b-axis direction of a crystal lattice; 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 on the buffer layer.
실시예에 의하면, CIGS 광 흡수층과 전기적으로 접하는 후면전극층의 그레인(grain)이 결정격자의 a 또는 b축 방향인 수평 또는 평면 형태를 가질 수 있다. According to an embodiment, the grain of the back electrode layer in electrical contact with the CIGS light absorbing layer may have a horizontal or planar shape in the a or b axis direction of the crystal lattice.
이에 따라, CIGS 태양전지의 백 컨택(Back contact)으로 사용되는 후면전극층의 표면을 따라 흐르는 전류 또는 전하의 이동성(movability) 및 전도성(conductivity)이 향상될 수 있다. Accordingly, the mobility and conductivity of the current or charge flowing along the surface of the back electrode layer used as the back contact of the CIGS solar cell may be improved.
이것은 상기 후면전극층으로 텐실 스트레스(tensile stress)를 인가하는 스트레인층을 형성되어, 상기 후면전극층의 그레인의 결정방향을 제어할 수 있다. This forms a strain layer applying tensile stress to the back electrode layer, thereby controlling the crystal direction of the grains of the back electrode layer.
이에 따라, 상기 스트레인층 상에 형성되는 상기 후면전극층의 그레인들이 텐실 스트레스를 받게되어 수평형 구조를 가지도록 성장될 수 있다. Accordingly, grains of the back electrode layer formed on the strain layer may be grown to have a horizontal structure due to tensile stress.
또한, 상기 제2 전극층의 그레인 구조의 변형에 따라 전도성이 향상될 수 있으므로, 상기 후면전극층의 두께를 최소화할 수 있다.In addition, since conductivity may be improved by deformation of the grain structure of the second electrode layer, the thickness of the back electrode layer may be minimized.
이에 따라, 상기 태양전지의 효율이 향상될 수 있다. Accordingly, the efficiency of the solar cell can be improved.
실시 예의 설명에 있어서, 각 기판, 층, 막, 결정(Grain) 또는 전극 등이 각 기판, 층, 막, 결정(Grain) 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 an embodiment, each substrate, layer, film, grain or electrode or the like is “on” or “under” the respective substrate, layer, film, grain or electrode or the like. In the case where it is described as being formed in, "on" and "under" include both those formed "directly" or "indirectly" 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 5 및 도 6은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 단면도이다. 5 and 6 are cross-sectional views showing a solar cell according to an embodiment.
도 5를 참조하여, 기판(100) 상에 서로 다른 형태의 제1 전극층(210), 스트레인층(strain layer)(230) 및 제2 전극층(220)을 포함하는 후면전극층(200)이 형성되어 있다. Referring to FIG. 5, a
상기 후면전극층(200) 상에 CIGS계 광 흡수층(300), 버퍼층(400) 및 전면전극층(600)이 순차적으로 적층되어 있다. The CIGS
상기 제1 전극층(210), 스트레인층(230) 및 제2 전극층(220)은 서로 다른 구 조 및 형상을 가질 수 있다. The
상기 제1 전극층(210) 및 제2 전극층(220)은 몰리브덴막일 수 있다. The
상기 제1 전극층(210)은 상기 기판(100) 상면에 대하여 수직방향으로 성장된 제1 그레인(grain)(211)들을 포함한다. The
즉, 상기 제1 그레인(215)들은 결정격자의 3차원 방향인 c축 방향으로 성장되어 원주 형태(columnar shape)를 가질 수 있다.That is, the
상기 스트레인층(230)은 상기 제1 전극층(210) 및 제2 전극층(220) 사이에 형성되어 있다. The
상기 스트레인층(230)은 상기 제2 전극층(220)에 텐실 스트레스(tensile stress)를 인가할 수 있다. The
이에 따라, 상기 스트레인층(230) 상에 형성된 제2 전극층(220)의 제2 그레인(225)들은 수평방향을 가질 수 있다. Accordingly, the
이것은 상기 스트레인층(230)이 상기 제1 전극층(210) 및 제2 전극층(220) 보다 격자 상수가 큰 물질로 형성되어 있기 때문이다. This is because the
예를 들어, 상기 스트레인층(230)은 구리(Cu), 은(Ag), 탄탈륨(Ta), 인듐(In), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 금(Pt) 및 로지움(Rh) 중 어느 하나이거나, 또는 상기 재료들 중 두개 이상의 결합된 합금막일 수 있다. For example, the
따라서, 상기 스트레인층(230) 상에 형성된 상기 제2 전극층(220)은 상기 기판(100) 상면에 대하여 수평방향으로 성장된 제2 그레인(225)들을 포함할 수 있다.Accordingly, the
즉, 상기 제2 그레인(225)들은 상기 스트레인층(230)의 텐실 스트레스에 의 하여 결정격자의 2차원 방향인 a,b축 방향으로 성장되어 수평형(horizontar) 또는 평면(planar) 형태를 가질 수 있다. That is, the
상기 제2 전극층(220)의 제2 그레인(225)들은 수평방향으로 형성되어 전기 전도도(conductivity) 및 이동성(movablity)을 높일 수 있다.The
따라서, 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다. Therefore, the efficiency of a solar cell can be improved.
또는, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 기판(100) 상에 스트레인층(230) 및 제2 전극층(220)을 포함하는 후면전극층(200)이 형성될 수도 있다. Alternatively, as shown in FIG. 6, a
즉, 도 5에 도시된 제1 전극층(210)을 생략하고, 상기 기판(100) 상에 스트레인층(230) 및 제2 전극층(220)을 형성할 수도 있다.That is, the
이에 따라, 태양전지의 소형화 및 집적화에 더욱 근접할 수 있다.As a result, the solar cell can be further miniaturized and integrated.
이하, 도 1 내지 도 5을 참조하여, 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, a method of manufacturing a solar cell according to an embodiment will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 5.
도 1 내지 도 3을 참조하여, 기판(100) 상에 후면전극층(200)이 형성된다. 1 to 3, the
상기 기판(100)은 유리(glass)가 사용될 수 있으며, 세라믹 기판, 금속 기판 또는 폴리머 기판 등도 사용될 수 있다. The
상기 후면전극층(200)은 제1 전극층(210), 스트레인층(230) 및 제2 전극층(220)을 포함할 수 있다. The
상기 제1 전극층(210)은 상기 기판(100) 상면에 대하여 수직방향으로 성장된 제1 그레인(grain)(215)들을 포함한다. The
상기 제2 전극층(220)은 상기 기판(100) 상면에 대하여 수평방향으로 성장된 제2 그레인(225)들을 포함한다. The
특히, 상기 스트레인층(230)은 제1 전극층(210)과 제2 전극층(220) 사이에 형성되고, 상기 제2 전극층(220)의 성장방향을 수평방향으로 제어할 수 있다. In particular, the
상기 제1 전극층(210) 및 제2 전극층(220)은 몰리브덴(Mo)을 타겟으로 사용하는 스퍼터링(sputtering) 공정에 의해 형성될 수 있다. The
이는 몰리브덴(Mo)이 가진 높은 전도도, 광 흡수층과의 오믹(ohmic) 접합, Se 분위기 하에서의 고온 안정성 때문이다. This is because of the high conductivity of molybdenum (Mo), ohmic bonding with the light absorbing layer, and high temperature stability under Se atmosphere.
상기 후면전극층(200)인 몰리브덴 박막은 전극으로서의 비저항이 낮아야 하고, 열팽창 계수의 차이로 인하여 박리현상이 일어나지 않도록 상기 기판(100)에의 점착성이 뛰어나야 한다. The molybdenum thin film as the
상기 스트레인층(230)은 상기 제1 및 제2 전극층(210,220)보다 격자상수가 큰 재료로 형성될 수 있다. The
즉, 격자상수가 상대적으로 큰 상기 스트레인층(230) 상에 상기 제2 전극층(220)이 형성될 때 텐실 스트레스가 발생되어 상기 제2 전극층(220)의 제2 그레인(225)들이 확장된 형태의 수평구조로 형성될 수 있게 된다. That is, when the
구체적으로, 상기 제1 전극층(210), 스트레인층(230) 및 제2 전극층(220)을 형성하는 방법을 설명한다. Specifically, a method of forming the
도 1을 참조하여, 상기 제1 전극층(210)이 상기 기판(100) 상면에 형성될 수 있다. Referring to FIG. 1, the
상기 제1 그레인(215)들은 3차원 방향의 원주 형태(columnar shape)로 형성 될 수 있다.The
예를 들어, 상기 제1 전극층(210)은 2kW±1의 에너지, 170sccm±30의 Ar 가스, 10mTorr±5의 압력이 제공된 DC 스퍼터(sputter)에 의해 형성될 수 있다. For example, the
상기 제1 전극층(110)은 400nm±100의 두께로 성장될 수 있다. The first electrode layer 110 may be grown to a thickness of 400 nm ± 100.
이러한 DC 스퍼터 공정에 의하여 상기 제1 전극층(210)의 제1 그레인(215)들은 결정격자의 c축 배향성을 가지도록 성장될 수 있다. By the DC sputtering process, the
상기 제1 전극층(210)은 낮은 에너지 및 높은 압력에 의하여 형성되고, 상기 기판(100)과의 밀착성을 높일 수 있다. The
도 2를 참조하여, 상기 제1 전극층(210) 상에 스트레인층(230)이 형성된다. Referring to FIG. 2, a
상기 스트레인층(230)은 상기 제1 전극층(210)보다 격자 상수가 큰 금속물질을 타겟으로 하는 스퍼터링 공정에 의하여 형성될 수 있다. The
예를 들어, 상기 스트레인층(230)은 구리(Cu), 은(Ag), 탄탈륨(Ta), 인듐(In), 주석(Sn), 알루미늄(Al), 금(Pt) 및 로지움(Rh) 중 어느 하나이거나, 또는 상기 재료들 중 두개 이상이 결합된 합금막으로 형성될 수 있다.For example, the
예를 들어, 상기 스트레인층(230)은 50nm±10의 두께로 성장될 수 있다.For example, the
상기 스트레인층(230)은 상기 제1 및 제2 전극층(210,220)보다 격자상수가 큰 물질로 형성되므로, 상기 스트레인층(230) 상에 형성되는 물질에 텐실 스트레스(Tensile stress)가 인가될 수 있다.Since the
도 3을 참조하여, 상기 스트레인층(230) 상에 제2 전극층(220)이 형성된다. Referring to FIG. 3, a
상기 제2 전극층(220)은 상기 기판(100)의 상면에 대하여 수평방향을 가지는 제2 그레인(225)들을 포함한다. The
상기 제2 그레인(225)들은 2차원 방향의 수평(horizontar) 또는 평면(planar)의 원주형태로 형성될 수 있다.The
이는 상기 제2 전극층(220)에 발생된 텐실 스트레스에 의하여 상기 제2 그레인(225)들에 장력이 인가되므로, 상기 제2 그레인(225)들이 수평방향으로 성장될 수 있게 되기 때문이다. This is because tension is applied to the
예를 들어, 상기 제2 전극층(220)은 7kW±5의 에너지, 150sccm±30의 Ar 가스, 4mTorr±2의 압력이 제공된 DC 스퍼터(sputter)에 의해 형성될 수 있다. For example, the
상기 제2 전극층(220)은 700nm±300의 두께로 성장될 수 있다. The
이러한 DC 스퍼터 공정에 의하여 상기 제2 전극층(220)의 제2 그레인(225)들은 결정격자의 수평방향인 a,b축 배향성을 가지도록 성장될 수 있다.By the DC sputtering process, the
즉, CIGS 광 흡수층과 접하는 상기 제2 전극층(220)의 표면의 제2 그레인(225)들은 수평방향의 이차원 구조를 가질 수 있게 된다. That is, the
한편, 도면에는 상기 제1 그레인(215)들 및 제2 그레인(225)들의 형태가 정형화된 것으로 도시하였지만, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐이다. 즉, 상기 제1 그레인(215)들 및 제2 그레인(225)들은 비정형화된 형태로 형성될 수 있다. Meanwhile, although the shapes of the
예를 들어, 상기 제2 그레인(225)들은 종축 또는 횡축 방향으로 길게 연장된 형태로 형성될 수도 있다. 또는 상기 제2 그레인(225)들은 상호 연결되어 메쉬형태로 형성될 수도 있다. For example, the
도 4를 참조하여, 상기 후면전극층(200) 상에 광 흡수층(300)이 형성된다.Referring to FIG. 4, a
상기 광 흡수층(300)은 Ⅰb-Ⅲb-Ⅵb계 화합물을 포함한다. The light
더 자세하게, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In, Ga)Se2, CIGS계) 화합물 또는 구리-인듐-셀레나이드계(CuInSe2, CIS계) 화합물을 포함할 수 있다. In more detail, the
예를 들어, 상기 광 흡수층(300)을 형성하기 위해서, 구리타겟, 인듐 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하여, 상기 후면전극층(200) 상에 CIG계 금속 프리커서막(precusor)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.Subsequently, the metal precursor film reacts with selenium (Se) by a selenization process to form a CIGS-based
또한, 상기 광 흡수층(300)은 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레나이드(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
상기 광 흡수층(300) 상에 버퍼층(400) 및 고저항 버퍼층(500)이 형성된다. A
상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 적어도 하나 이상의 층으로 형성될 수 있으며, 황화 카드뮴(CdS)이 적층되어 형성될 수 있다. 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 산화 아연(ZnO)을 타겟으로 한 스퍼터링 공정을 진행하 여, 상기 황화 카드뮴(CdS) 상에 산화 아연층이 더 형성될 수 있다. In the
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 버퍼층(400) 및 고저항 버퍼층(500)은 상기 광 흡수층(300)과 이후 형성될 윈도우층의 사이에 배치된다. The
즉, 상기 광 흡수층(300)과 전면전극은 격자상수와 에너지 밴드 갭의 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 between the light absorbing
실시예에서는 두개의 버퍼층을 상기 광 흡수층(300) 상에 형성하였지만, 이에 한정되지 않고, 버퍼층은 한개의 층으로만 형성될 수도 있다. In the exemplary embodiment, two buffer layers are formed on the
도 5를 참조하여, 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 투명한 도전물질을 적층하여 전면전극층(600)을 형성한다.Referring to FIG. 5, a transparent conductive material is stacked on the high
상기 전면전극층(600)은 알루미늄(Al), 알루미나(Al2O3), 마그네슘(Mg), 갈륨(Ga) 등의 불순물을 포함하는 아연계 산화물 또는 ITO(Indium Tin Oxide)로 형성될 수 있다. The
예를 들어, 상기 전면전극층(600)은 스퍼터링 공정을 진행하여 알루미늄 또는 알루미나로 도핑된 산화 아연으로 형성하여, 낮은 저항값을 갖는 전극을 형성할 수 있다. For example, the
즉, 상기 전면전극층(600)은 상기 광 흡수층(300)과 pn접합을 형성하는 윈도우(window)층으로서, 태양전지 전면의 투명전극 기능을 하기 때문에 광투과율이 높고 전기 전도성이 높은 산화 아연(ZnO)으로 형성된다.That is, the
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.
도 1 내지 도 6은 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도이다. 1 to 6 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a solar cell according to an embodiment.
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