KR101181252B1 - Ｃｉｇｓ 태양전지의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판 상에 후면전극층을 형성하는 공정; 상기 후면전극층 상에 제1 전구체층을 형성하는 공정; 상기 제1 전구체층 상에 Se을 포함하는 제2 전구체층을 형성하는 공정; 상기 제2 전구체층 상에 상기 Se의 기화를 방지하는 제3 전구체층을 형성하는 공정; 상기 제1 전구체층, 제2 전구체층 및 제3 전구체층에 대해서 열처리 공정을 수행하여 광흡수층을 형성하는 공정; 상기 광흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 공정; 및 상기 버퍼층 상에 전면전극층을 형성하는 공정을 포함하여 이루어진 CIGS 태양전지의 제조방법에 관한 것으로서,
본 발명에 따르면, Se으로 이루어진 제2 전구체층 상에 제3 전구체층을 형성함으로써 열처리 공정 중에 Se이 기화하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, Se으로 이루어진 제2 전구체층 상에 제3 전구체층을 형성함으로써 열처리 공정 중에 Se이 기화하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 CIGS 태양전지에 관한 것이다.
태양전지(Solar Cell)는 반도체의 성질을 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치이다. 태양전지는 시계나 계산기 등 휴대용 전자기기의 전원으로부터 넓은 개활지에 설치된 산업용 발전설비까지 폭넓게 이용된다. 또한, 최근 친환경 대체 에너지의 필요성이 증가함에 따라 태양전지에 대한 관심이 고조되고 있다.
태양전지의 구조 및 원리를 간단히 설명하면, 태양전지는 P(positive)형 반도체와 N(nagative)형 반도체를 접합시킨 PN접합 구조를 하고 있으며, 이러한 태양전지에 태양광이 입사되면, 입사된 태양광이 가지고 있는 에너지에 의해 상기 반도체 내에서 정공(hole) 및 전자(electron)가 발생하고, 이때, PN접합에서 발생한 전기장에 의해서 상기 정공은 P형 반도체 쪽으로 이동하고 상기 전자는 N형 반도체쪽으로 이동하게 되어 전위가 발생된다.
이와 같은 태양전지는 기판형 태양전지와 박막형 태양전지로 구분할 수 있다.
상기 기판형 태양전지는 실리콘과 같은 반도체물질 자체를 기판으로 이용하여 태양전지를 제조한 것이고, 상기 박막형 태양전지는 유리 등과 같은 기판 상에 박막의 형태로 반도체층을 형성하여 태양전지를 제조한 것이다.
상기 박막형 태양전지는 광흡수층을 구성하는 재료를 기준으로 Si 박막형 태양전지와 화합물 박막형 태양전지로 나눌 수 있고, 그 중 화합물 박막형 태양전지는 다시 Ⅱ-Ⅵ 태양전지, CIGS 태양전지 등으로 분류할 수 있다.
상기 CIGS 태양전지는 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 및 셀레늄(Se)의 4가지 원소가 합쳐져서 구성되는 화합물을 광흡수층으로 이용한 것이다.
이하, 도면을 참조로 종래의 CIGS 태양전지에 대해서 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 CIGS 태양전지의 개략적인 단면도이다.
도 1에서 알 수 있듯이, 종래의 CIGS 태양전지는, 기판(10), 후면전극(20), 광흡수층(30), 버퍼층(40) 및 전면전극(50)을 포함하여 이루어진다.
상기 후면전극(20)은 상기 기판(10) 상에 형성되어 있으며, 일반적으로 몰리브덴(Mo)으로 이루어진다.
상기 광흡수층(30)은 상기 후면전극(20) 상에 형성되어 있으며, 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se)의 화합물로 이루어진다.
상기 버퍼층(40)은 상기 광흡수층(30) 상에 형성되어 있으며, 일반적으로 황화카드뮴(CdS)으로 이루어진다.
상기 전면전극(50)은 상기 버퍼층(40) 상에 형성되어 있으며, 투명한 도전성 산화물(Transparent Conductive Oxide:TCO)로 이루어진다.
도 2a 내지 도 2e는 종래의 CIGS 태양전지의 제조공정을 도시한 개략적인 공정 단면도이다.
우선, 도 2a에서 알 수 있듯이, 기판(10) 상에 몰리브덴(Mo)과 같은 물질을 이용하여 후면전극(20)을 형성한다.
다음, 도 2b에서 알 수 있듯이, 상기 후면전극(20) 상에 광흡수층을 위한 다층의 전구체층(32, 34, 36)을 형성한다.
상기 다층의 전구체층(32, 34, 36)을 형성하는 공정은, 상기 후면전극(20) 상에 CuGa으로 이루어진 제1 전구체층(32)을 형성하는 공정, 상기 제1 전구체층(32) 상에 In으로 이루어진 제2 전구체층(34)을 형성하는 공정, 및 상기 제2 전구체층(34) 상에 Se으로 이루어진 제3 전구체층(36)을 형성하는 공정으로 이루어진다.
다음, 도 2c에서 알 수 있듯이, 상기 전구체층(32, 34, 36)에 대해서 열처리 공정을 수행하여 광흡수층(30)을 형성한다.
다음, 도 2d에서 알 수 있듯이, 상기 광흡수층(30) 상에 황화카드늄(CdS)을 이용하여 버퍼층(40)을 형성한다.
다음, 도 2e에서 알 수 있듯이, 상기 버퍼층(40) 상에 투명한 도전성 산화물(Transparent Conductive Oxide:TCO)을 이용하여 전면전극(50)을 형성한다.
그러나, 이와 같은 종래의 CIGS 태양전지는 상기 도 2c에 따른 열처리 공정 중에 상기 제3 전구체층(36)을 구성하는 Se이 기화되는 문제가 있다.
즉, Se은 낮은 온도에서 기화되는 특성이 있기 때문에 상기 도 2c에 따른 열처리 공정 중에 Se가 기화될 수 있다. 이와 같이, Se이 기화될 경우 원하는 조성의 광흡수층(30)을 얻지 못하여, 결과적으로 CIGS 태양전지의 전지효율이 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 본 발명은 열처리 공정 중에 Se이 기화되는 것을 방지할 수 있는 CIGS 태양전지의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 기판 상에 후면전극층을 형성하는 공정; 상기 후면전극층 상에 제1 전구체층을 형성하는 공정; 상기 제1 전구체층 상에 Se을 포함하는 제2 전구체층을 형성하는 공정; 상기 제2 전구체층 상에 상기 Se의 기화를 방지하는 제3 전구체층을 형성하는 공정; 상기 제1 전구체층, 제2 전구체층 및 제3 전구체층에 대해서 열처리 공정을 수행하여 광흡수층을 형성하는 공정; 상기 광흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 공정; 및 상기 버퍼층 상에 전면전극층을 형성하는 공정을 포함하여 이루어진 CIGS 태양전지의 제조방법을 제공한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명에 따르면, Se으로 이루어진 제2 전구체층 상에 제3 전구체층을 형성함으로써 열처리 공정 중에 Se이 기화하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, Se의 기화방지역할을 하는 제3 전구체층에 황(S)이 포함될 수 있으므로 CIGSeS로 이루어진 광흡수층을 얻을 수 있고, 그에 따라 태양전지의 개방전압(Voc) 증가효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 제1 전구체층과 제3 전구체층의 조성을 적절히 조절함으로써 CIGS조성의 광흡수층을 보다 효율적으로 형성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 Se이 열처리 공정 중에 기화되는 것이 방지되므로, 열처리 공정 중에 H2Se와 같은 유독성 가스를 추가로 공급하지 않을 수 있다.
도 1은 종래의 CIGS 태양전지의 개략적인 단면도이다.
도 2a 내지 도 2e는 종래의 CIGS 태양전지의 제조공정을 도시한 개략적인 공정 단면도이다.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS 태양전지의 제조공정을 도시한 공정 단면도이다.
도 2a 내지 도 2e는 종래의 CIGS 태양전지의 제조공정을 도시한 개략적인 공정 단면도이다.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS 태양전지의 제조공정을 도시한 공정 단면도이다.
이하, 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS 태양전지의 제조공정을 도시한 공정 단면도이다.
우선, 도 3a에서 알 수 있듯이, 기판(100) 상에 후면전극층(200)을 형성한다.
상기 기판(100)으로는 유리 또는 투명한 플라스틱 등을 이용할 수 있다.
상기 후면전극층(200)은 몰리브덴(Mo) 등과 같은 도전 물질을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 후면전극층(200)은 스퍼터링(sputtering)법 또는 스크린 프린팅(Screen Printing) 등과 같은 인쇄법을 이용하여 형성할 수 있다.
다음, 도 3b에서 알 수 있듯이, 상기 후면전극층(200) 상에 제1 전구체층(310)을 형성한다.
상기 제1 전구체층(310)은 갈륨(Ga)과 인듐(In)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질과 구리(Cu)와의 혼합물 또는 화합물로 이루어질 수 있다.
이와 같은 제1 전구체층(310)은 단일층으로 이루어질 수도 있고 복수층으로 이루어질 수도 있다.
상기 제1 전구체층(310)이 단일층으로 이루어진 경우, 상기 제1 전구체층(310)은 갈륨(Ga)과 인듐(In)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질과 구리(Cu)와의 화합물로 이루어질 수 있다.
상기 제1 전구체층(310)이 단일층으로 이루어진 경우, 상기 제1 전구체층(310)의 구체적인 예로는, CuGa, CuIn, 또는 CuInGa을 들 수 있다.
상기 제1 전구체층(310)이 복수층, 예로서 이중층 또는 삼중층으로 이루어진 경우, 각각의 층은 구리(Cu), 갈륨(Ga), 및 인듐(In) 중 어느 하나의 물질로 이루어질 수도 있고, 갈륨(Ga)과 인듐(In)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질과 구리(Cu)와의 화합물로 이루어질 수 있다.
상기 제1 전구체층(310)이 이중층으로 이루어진 경우, 상기 제1 전구체층(310)의 구체적인 예로는, 하부층은 Cu로 이루어지고 상부층은 In 또는 Ga으로 이루어질 수도 있고, 하부층은 CuGa으로 이루어지고 상부층은 In 또는 Ga으로 이루어질 수도 있고, 하부층은 CuIn으로 이루어지고 상부층은 In 또는 Ga으로 이루어질 수도 있고, 하부층은 CuInGa으로 이루어지고 상부층은 In 또는 Ga으로 이루어질 수도 있지만, 반드시 그에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 전구체층(310)이 삼중층으로 이루어진 경우, 상기 제1 전구체층(310)의 구체적인 예로는, 하부층은 Cu로 이루어지고 중간층은 In으로 이루어지고 상부층은 Ga으로 이루어질 수도 있고, 하부층은 Cu로 이루어지고 중간층은 Ga으로 이루어지고 상부층은 In으로 이루어질 수도 있고, 하부층은 CuIn으로 이루어지고 중간층은 In 또는 Ga으로 이루어지고 상부층은 In 또는 Ga으로 이루어질 수도 있고, 하부층은 CuGa으로 이루어지고 중간층은 In 또는 Ga으로 이루어지고 상부층은 In 또는 Ga으로 이루어질 수도 있고, 하부층은 CuInGa으로 이루어지고 중간층은 In 또는 Ga으로 이루어지고 상부층은 In 또는 Ga으로 이루어질 수도 있지만, 반드시 그에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 전구체층(310)은 스퍼터링(sputtering)법, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법, 또는 증발법(evaporation)을 이용하여 형성할 수 있다. 경우에 따라서, 상기 제1 전구체층(310)을 전기도금(electroplating)법, 또는 인쇄법을 이용하여 형성하는 것도 가능하다.
다음, 도 3c에서 알 수 있듯이, 상기 제1 전구체층(310) 상에 제2 전구체층(320)을 형성한다.
상기 제2 전구체층(320)은 Se을 포함하여 이루어진다.
이와 같은 Se을 포함하여 이루어진 제2 전구체층(320)은, 스퍼터링(sputtering)법, 증발법(evaporation) 또는 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Depositon) 등을 이용하여 형성할 수 있지만, 반드시 그에 한정되는 것은 아니다.
다음, 도 3d에서 알 수 있듯이, 상기 제2 전구체층(320) 상에 제3 전구체층(330)을 형성한다.
상기 제3 전구체층(330)은 상기 제2 전구체층(320)을 구성하는 Se이 열처리 공정 중에 기화하는 것을 방지하는 역할을 한다.
이와 같은 제3 전구체층(330)은 III족 원소와 VI족 원소의 화합물로 이루어질 수 있다. 상기 III족 원소의 예로는 Ga 또는 In을 들 수 있고, 상기 VI족 원소의 예로는 황(S) 또는 Se을 들 수 있다.
상기 제3 전구체층(330)은 단일층으로 이루어질 수도 있고 복수층으로 이루어질 수도 있다.
상기 제3 전구체층(330)이 단일층으로 이루어진 경우, 상기 제3 전구체층(330)은 InS, GaS, InSe, GaSe, InGaS, 또는 InGaSe으로 이루어질 수 있다.
상기 제3 전구체층(330)이 복수층, 예로서 이중층으로 이루어진 경우, 상기 제3 전구체층(330)의 하부층은, InS, GaS, InSe, GaSe, InGaS, 및 InGaSe로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어지고 그 상부층은 다른 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
상기 제3 전구체층(330)은 진공 분위기에서 스퍼터링(sputtering)법, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법, 또는 증발법(evaporation)을 이용하여 형성할 수 있다.
다만, 이와 같은 진공 분위기에서 상기 제3 전구체층(330)을 형성할 경우, 상기 제3 전구체층(330)의 형성 공정 중에 상기 제2 전구체층(320)을 구성하는 Se이 기화될 가능성도 있다. 따라서, 제3 전구체층(330)의 형성 공정 중에 Se이 기화되는 것을 차단하기 위해서는, 상기 제3 전구체층(330)을 대기압하에서 진행하는 인쇄법을 이용하여 형성하는 것이 바람직할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따르면 Se으로 이루어진 제2 전구체층(320) 상에 제3 전구체층(330)을 형성함으로써 Se이 열처리 공정 중에 기화하는 것을 방지할 수 있으며, 그와 더불어 상기 제3 전구체층(330)에 황(S)이 포함될 수 있으므로 후술하는 열처리 공정 이후 얻어지는 광흡수층의 조성이 CIGSeS로 이루어지게 되어 태양전지의 개방전압(Voc) 증가효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 전술한 제1 전구체층(310)과 제3 전구체층(330)의 조성을 적절히 조절함으로써 광흡수층을 보다 효율적으로 형성할 수 있다.
즉, CIGS조성의 광흡수층을 얻기 위해서는 상기 제1 전구체층(310)과 제3 전구체층(330)에서 Cu, In, 및 Ga을 포함하면 되고, 따라서, 상기 제1 전구체층(310)의 조성을 고려하여 제3 전구체층(330)의 조성을 결정할 수 있고, 거꾸로, 제3 전구체층(330)의 조성을 고려하여 상기 제1 전구체층(310)의 조성을 결정할 수 있다.
예로서, 상기 제1 전구체층(310)이 Cu와 In의 혼합물 또는 화합물로 이루어진 경우 상기 제3 전구체층(330)은 GaS 또는 GaSe를 포함하도록 구성할 수 있고, 상기 제1 전구체층(310)이 Cu와 Ga의 혼합물 또는 화합물로 이루어진 경우 상기 제3 전구체층(330)은 InS 또는 InSe를 포함하도록 구성할 수 있다.
다음, 도 3e에서 알 수 있듯이, 상기 제1 내지 제3 전구체층(310, 320, 330)에 대해서 열처리 공정을 수행하여 광흡수층(300)을 형성한다.
상기 열처리 공정은 고온, 예로서 300℃ 이상의 온도에서 급속 열처리(Rapid Thermal Process: RTP)하는 공정으로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 열처리 공정을 수행하면, 상기 제1 전구체층(310), 제2 전구체층(320), 및 제3 전구체층(330)을 구성하는 성분들이 결정화되어 소정의 광흡수층(300)을 얻을 수 있다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제3 전구체층(330)에 황(S)이 추가될 수 있어 CIGSeS로 이루어진 광흡수층(300)을 얻을 수도 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 기화방지층으로 기능하는 제3 전구체층(330)에 의해서 제2 전구체층(320)을 구성하는 Se이 열처리 공정 중에 기화되는 것이 방지되며, 따라서, 열처리 공정 중에 Se을 포함한 유독성 가스를 추가로 공급하지 않을 수 있다.
즉, 종래의 경우 Se가스의 기화를 고려하여 열처리 공정 중에 유독성 가스인 H2Se 가스를 공급하였지만, 본 발명에 따르면 상기 H2Se 가스 공급을 생략할 수 있는 장점이 있다. 다만, 경우에 따라서 H2Se 가스를 소량 공급할 수도 있다.
다음, 도 3f에서 알 수 있듯이, 상기 광흡수층(300) 상에 버퍼층(400)을 형성한다.
상기 버퍼층(400)은 CdS, InS, 또는 ZnS 등을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 버퍼층(400)은 CBD(Chemical Bath Deposition)법, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법, 스퍼터링(Sputtering)법, 또는 ALD(Atomic Layer Deposition)법 등을 이용하여 형성할 수 있다.
다음, 도 3g에서 알 수 있듯이, 상기 버퍼층(400) 상에 전면전극층(500)을 형성한다.
상기 전면전극층(500)은 ZnO, ZnO:B, ZnO:Al, SnO2, SnO2:F, ITO(Indium Tin Oxide) 등과 같은 도전 물질을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 전면전극층(500)은 스퍼터링(sputtering)법 또는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법 등을 이용할 수 있다.
한편, 이상은 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS 태양전지의 제조 공정에 대해서 설명하였는데, 본 발명은 단위셀이 직렬로 연결된 구조의 CIGS 태양전지 제조 공정도 포함한다.
즉, 본 발명은 상기 후면전극층(200) 형성 공정 이후에 제1 스크라이빙 공정(P1)을 추가로 수행할 수 있고, 상기 버퍼층(400) 형성 공정 이후에 제2 스크라이빙 공정(P2)을 추가로 수행할 수 있고, 상기 전면전극층(500) 형성 공정 이후에 제3 스크라이빙 공정(P3)을 추가로 수행할 수 있다. 이와 같은, 제1 내지 제3 스크라이빙 공정(P1, P2, P3)은 당업계에 공지된 다양한 방법을 이용하여 수행할 수 있다.
100: 기판
200: 후면전극층
300: 광흡수층
310: 제1 전구체층
320: 제2 전구체층
330: 제3 전구체층
400: 버퍼층
500: 전면전극층
200: 후면전극층
300: 광흡수층
310: 제1 전구체층
320: 제2 전구체층
330: 제3 전구체층
400: 버퍼층
500: 전면전극층
Claims (12)
- 기판 상에 후면전극층을 형성하는 공정;
상기 후면전극층 상에 제1 전구체층을 형성하는 공정;
상기 제1 전구체층 상에 Se을 포함하는 제2 전구체층을 형성하는 공정;
상기 제2 전구체층 상에 상기 Se의 기화를 방지하는 제3 전구체층을 형성하는 공정;
상기 제1 전구체층, 제2 전구체층 및 제3 전구체층에 대해서 열처리 공정을 수행하여 광흡수층을 형성하는 공정;
상기 광흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 공정; 및
상기 버퍼층 상에 전면전극층을 형성하는 공정을 포함하여 이루어진 CIGS 태양전지의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 제3 전구체층은 III족 원소와 VI족 원소의 화합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 CIGS 태양전지의 제조방법. - 제2항에 있어서,
상기 III족 원소는 Ga 또는 In으로 이루어지고, 상기 VI족 원소는 S 또는 Se으로 이루어진 것을 특징으로 하는 CIGS 태양전지의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 제3 전구체층은 InS, GaS, InSe, GaSe, InGaS, 및 InGaSe으로 이루어진 군에서 선택된 물질의 단일층 또는 복수층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 CIGS 태양전지의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 제3 전구체층을 형성하는 공정은 인쇄법을 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 CIGS 태양전지의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 제3 전구체층을 형성하는 공정은 스퍼터링(sputtering)법, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법, 또는 증발법(evaporation)을 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 CIGS 태양전지의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 전구체층은 Ga과 In으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질과 Cu와의 혼합물 또는 화합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 CIGS 태양전지의 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 제1 전구체층은 Ga과 In으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 물질과 Cu와의 혼합물 또는 화합물로 이루어지고,
상기 제3 전구체층은 Ga과 In으로 이루어진 군에서 선택된 다른 하나의 물질과 S 또는 Se과의 화합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 CIGS 태양전지의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 열처리 공정은 급속 열처리하는 공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 CIGS 태양전지의 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 급속 열처리하는 공정은 Se를 포함한 유독성 가스를 공급하지 않으면서수행하는 것을 특징으로 하는 CIGS 태양전지의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 광흡수층은 CIGSeS로 이루어진 것을 특징으로 하는 CIGS 태양전지의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 후면전극층 형성 공정 이후에 제1 스크라이빙 공정을 추가로 수행하고, 상기 버퍼층 형성 공정 이후에 제2 스크라이빙 공정을 추가로 수행하고, 상기 전면전극층 형성 공정 이후에 제3 스크라이빙 공정을 추가로 수행하는 것을 특징으로 하는 CIGS 태양전지의 제조방법.
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