KR101209966B1 - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
태양전지 및 이의 제조방법이 개시된다. 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 복수의 비드; 상기 기판 및 복수의 비드 상에 투명전극층; 상기 투명전극층 상에 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상에 이면전극층;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, 유리기판, 금속 후면 전극층, p형 CIGS계 광 흡수층, 고 저항 버퍼층, n형 전면전극층 등을 포함하는 기판 구조의 pn 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다.
이러한 태양전지에 있어서 낮은 저항, 높은 투과율 등의 전기적인 특성 및 광학적인 특성을 향상시키기 위한 연구가 진행되고 있다.
실시예는 향상된 광학적 특성을 가지는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
일 실시예에 따른 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 복수의 비드; 상기 기판 및 복수의 비드 상에 투명전극층; 상기 투명전극층 상에 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상에 이면전극층;을 포함한다.
일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 기판 상에 복수의 비드를 형성하는 단계; 상기 기판 및 복수의 비드 상에 투명전극층을 형성하는 단계; 상기 투명전극층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 버퍼층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 및 상기 광 흡수층 상에 이면전극층을 형성하는 단계;를 포함한다.
실시예에 따른 태양전지는 투명전극층을 돌출시키고 상기 투명전극층 상에 이면전극층, 광 흡수층 및 버퍼층을 배치시킨다. 이에 따라 광을 흡수하는 광 흡수층의 면적이 증가되므로 외부의 태양광을 효율적으로 흡수하고, 광 흡수층에서 반사되는 광을 줄일 수 있으므로 향상된 광-전 변환 효율을 갖는다.
도 1은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 단면도이다.
도 2는 복수의 비드를 도시한 평면도이다.
도 3 내지 도 5는 실시예에 따른 태양전지를 제조하는 과정을 도시한 도면들이다.
도 2는 복수의 비드를 도시한 평면도이다.
도 3 내지 도 5는 실시예에 따른 태양전지를 제조하는 과정을 도시한 도면들이다.
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.
도 1은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 단면도이고 도 2는 복수의 비드를 도시한 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시예에 따른 태양전지는 지지기판(100)과, 투명전극층(200), 버퍼층(300), 광 흡수층(400) 및 이면전극층(500)을 포함한다.
상기 지지기판(100)은 플레이트 형상을 가지며, 상기 투명전극층(200), 버퍼층(300), 광 흡수층(400) 및 이면전극층(500)을 지지한다.
상기 지지기판(100)은 절연체일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 유리기판(Glass Substrate), 플라스틱기판 또는 금속기판일 수 있다. 더 자세하게, 상기 지지기판(100)은 소다 라임 글래스(soda lime glass) 기판일 수 있다.
상기 지지기판(100)이 소다 라임 글래스로 사용되는 경우, 소다라임 글래스에 함유된 나트륨(Na)이 태양전지의 제조공정 중에 CIGS로 형성된 광 흡수층(400)으로 확산될 수 있는데, 이에 의해 광 흡수층(400)의 전하 농도가 증가하게 될 수 있다. 이는 태양전지의 광전 변환 효율을 증가시킬 수 있는 요인이 될 수 있다.
따라서 광흡수층을 갖는 태양전지의 광전 변환 효율을 증가시키기 위하여 지지기판(100)으로 소다 라임 글래스가 사용된다. 이외에, 지지기판(100)의 재질로 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸, 유연성이 있는 고분자 등이 사용될 수도 있다. 상기 지지기판(100)은 투명할 수 있고 리지드하거나 플렉서블할 수 있다.
상기 지지기판(100) 상에는 복수의 비드(150)가 배치된다. 상기 복수의 비드(150)는 절연체 또는 도전체일 수 있다. 예를 들어 상기 복수의 비드(150)는 유리 또는 실리콘 옥사이드의 물질을 포함하여 형성될 수 있다.
상기 복수의 비드(150)는 상기 광 흡수층(400)의 특성을 향상시키는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 비드(150)는 나트륨을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 비드(150)는 소다 라임 글래스(soda lime glass)를 포함할 수 있다.
이에 따라서, 상기 복수의 비드(150)에 포함된 나트륨은 상기 광 흡수층(400)을 형성하는 과정에서 상기 광 흡수층(400)으로 확산될 수 있다. 이에 따라서, 상기 광 흡수층(400)에 발생되는 디펙은 상기 확산된 나트륨에 의해서 제거될 수 있다.
또한, 상기 복수의 비드(150)에 나트륨이 포함되기 때문에, 상기 지지기판(100)은 나트륨 함량이 적은 물질로 형성될 수 있다. 즉, 상기 복수의 비드(150)에 나트륨이 포함되는 경우, 상기 지지기판(100)으로 사용되는 물질은 나트륨 함량에 구애받지 않고 선택될 수 있다.
이에 따라서, 상기 복수의 비드(150)에 나트륨이 포함되는 경우에는, 상기 지지기판(100)으로 향상된 기계적인 특성 및 내열성을 가지는 강화 유리 등이 사용될 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지는 향상된 기계적인 특성을 가질 수 있으며, 높은 온도에서 제조될 수 있다.
상기 복수의 비드(150)는 다면체 형상을 가질 수 있다. 이와는 다르게, 상기 복수의 비드(150)는 곡면을 가지는 입자들일 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 비드(150)는 구 형상을 가질 수 있다.
상기 복수의 비드(150)의 크기가 작으면 광 흡수층(400)의 면적을 증가시키는데 제한적이고, 필요이상으로 커지면 태양전지의 크기가 커지게 되어 소형화의 요구를 만족시키기 어렵다. 또한 일반적으로 광 흡수층(400)은 1 μm의 두께로 형성되는데 상기 복수의 비드(150)가 0.5μm 내지 1μm의 직경(W1)을 갖도록 형성되면 광 흡수층(400)의 상부에도 상기 복수의 비드(150)로 인하여 굴곡이 형성될 수 있으므로, 광 흡수층(400)의 면적을 증가시키는데 효과적이다.
상기 복수의 비드(150)는 모두 동일한 직경으로 형성될 수 있고, 상기 범위 내에서 각각 다른 직경의 값을 갖도록 형성될 수도 있다.
상기 복수의 비드(150) 상에는 투명전극층(200)이 형성될 수 있다. 상기 투명전극층(200)은 투명하며, 도전층이다. 상기 투명전극층(200)은 산화물을 포함한다. 예를 들어, 상기 투명전극층(200)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 투명전극층(200)은 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드(Al doped zinc oxide;AZO) 또는 갈륨 도핑된 징크 옥사이드(Ga doped zinc oxide;GZO) 등을 포함할 수 있다.
상기 버퍼층(300)은 상기 투명전극층(200) 상에 배치된다. 본 발명과 같이 CIGS 화합물을 광 흡수층(400)으로 갖는 태양전지는 p형 반도체인 CIGSS 화합물 박막과 n형 반도체인 투명전극층(200) 박막간에 pn 접합을 형성한다. 하지만 두 물질은 격자상수와 밴드갭 에너지의 차이가 크기 때문에 양호한 접합을 형성하기 위해서는 밴드갭이 두 물질의 중간에 위치하는 버퍼층이 필요하다. 버퍼층(300)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(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)은 상기 복수의 비드(150)에 대응하는 위치에 형성될 수 있다. 상기 광 흡수층(400)이 오목한 형태로 형성되므로 광 흡수층(400)의 면적이 증가하고 지지기판(100)을 통해 입사된 빛이 광 흡수층(400)에서 반사되는 양을 감소시킬 수 있다. 이에 의해 입광 효율이 증가할 수 있다.
또한 상기 광 흡수층(400)을 통과하는 광은 상기 복수의 비드(150)에 대응하는 상기 광 흡수층(400)의 볼록부에 의해 여러 방향으로 난반사될 수 있다. 따라서, 광 흡수층(400)으로 입사되는 태양광은 긴 경로를 통하여 상기 광 흡수층(400)을 통과하게 되고, 상기 지지기판(100)에 대하여 경사지는 방향으로 태양광이 입사되더라도, 상기 광 흡수층(400)에는 거의 수직에 가깝게 상기 태양광이 입사될 수 있으므로 높은 광-전 변환 효율을 구현할 수 있다.
상기 광 흡수층(400) 상에는 이면전극층(500)이 형성될 수 있다. 상기 이면전극층(500)은 도전층이다. 상기 이면전극층(500)은 태양전지 중 상기 광 흡수층(400)에서 생성된 전하가 이동하도록 하여 태양전지의 외부로 전류를 흐르게 할 수 있다. 상기 이면전극층(500)은 이러한 기능을 수행하기 위하여 전기 전도도가 높고 비저항이 작아야 한다.
또한, 상기 이면전극층(500)은 열처리 시 고온 안정성이 유지되어야 한다. 이러한 이면전극층(500)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(500)에 요구되는 특성을 전반적으로 충족시킬 수 있다.
상기 이면전극층(500)은 두 개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 층들은 같은 금속으로 형성되거나, 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 태양전지에 따르면, 상기 복수의 비드(150)에 의해 투명전극층(200)이 돌출되고 상기 투명전극층(200) 상에 적층되는 버퍼층(300), 광 흡수층(400) 및 이면전극층(500)이 연속적으로 돌출되어 상기 이면전극층(500)의 상면은 상기 복수의 비드(150)에 대응하는 밀집형 벌집(honeycomb)형의 돌출 구조를 형성하게 된다. 결과적으로 광을 흡수하는 광 흡수층(400)의 면적이 증가하므로 외부의 태양광을 효율적으로 흡수하고, 향상된 광-전 변환 효율을 갖는다.
또한 기존의 박막 태양전지 구조와는 반대로 투명전극층이 기판과 접하도록 형성되기 때문에 공기/유리/투명전극층의 굴절율 차이가 완만한 구조로 형성되므로 태양전지로 입사된 빛의 반사 손실이 적어 향상된 광-전 변환 효율을 갖고, 투명전극층이 물(H2O) 등에 의해 산화되어 전기적 특성이 악화되는 것을 방지할 수 있으므로 신뢰성이 향상된 태양전지를 제공할 수 있다.
도 3 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.
도 3에 도시된 바와 같이, 지지기판(100) 상에 복수의 비드(150)를 형성한다. 상기 복수의 비드(150)는 용매에 분산된 상태로, 상기 지지기판(100) 상에 분사된다. 즉, 상기 복수의 비드(150)는 상기 용매에 분산된 분산액 형태로 상기 지지기판(100) 상에 분사되거나, 코팅된다. 이후, 상기 용매는 증발되어 제거되고, 상기 지지기판(100) 상에 상기 복수의 비드(150)가 남게된다. 상기 복수의 비드(150)의 농도 및 상기 분산액의 양에 따라서, 상기 복수의 비드(150)의 밀도가 달라질 수 있다.
이후, 상기 지지기판(100) 및 상기 복수의 비드(150)는 열처리되고, 상기 복수의 비드(150)는 상기 지지기판(100)에 합착될 수 있다. 이때, 상기 지지기판(100) 및 상기 복수의 비드(150)는 약 400℃ 내지 약 600℃의 온도로 열처리될 수 있다.
이와는 다르게, 상기 복수의 비드(150)는 이후의 공정에서 발생되는 열에 의해서 상기 지지기판(100)에 합착될 수 있다.
상기 복수의 비드(150)는 0.5μm 내지 1μm의 직경을 갖도록 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 지지기판(100) 및 복수의 비드(150) 상에 투명전극층(200)을 형성할 수 있다. 상기 투명전극층(200)은 지지기판(100) 및 복수의 비드(150)를 덮는 형상으로 형성될 수 있고, 상기 복수의 비드(150)에 대응하는 위치에 돌출된 부분을 갖도록 형성될 수 있다.
상기 투명전극층(200)은 CVD 공정 또는 스퍼터링 공정에 의해서 증착되어 형성될 수 있다.
상기 투명전극층(200)은 경사 증착 공정 등에 의해서 형성될 수 있다. 이때, 상기 투명전극층(200)은 상기 지지기판(100)에 대하여 경사진 방향으로 상기 지지기판(100)의 상면 및 복수의 비드(150)의 표면에 증착될 수 있다. 더 자세하게, 상기 투명전극층(200)은 상기 지지기판(100)에 대하여 여러 방향으로 증착될 수 있다.
이에 따라서, 상기 복수의 비드(150) 및 상기 지지기판(100) 사이의 공간에도 상기 투명전극층(200)이 증착될 수 있다. 즉, 상기 투명전극층(200)은 상기 복수의 비드(150)의 표면 및 상기 지지기판(100)의 상면에 균일하게 증착될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 투명전극층(200) 상에 버퍼층(300)이 형성될 수 있다. 상기 버퍼층(300)은 황화 카드뮴이 스퍼터링 공정 또는 용액성장법(chemical bath deposition;CBD) 등에 의해서 증착되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 투명전극층(200)이 형성된 후, 황화 카드뮴을 형성하기 위한 물질들을 포함하는 용액에 침지되고, 상기 투명전극층(200) 상에 황화 카드뮴을 포함하는 상기 버퍼층(300)이 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(300)상에는 불순물이 도핑되지 않은 징크 옥사이드가 스퍼터링공정 등에 의해서 증착된 고저항 버퍼층(미도시)이 형성될 수도 있다.
도 5를 참조하면, 상기 버퍼층(300) 상에 광 흡수층(400)이 형성된다.
상기 광 흡수층(400)은 스퍼터링 공정 또는 증발법 등에 의해서 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 광 흡수층(400)을 형성하기 위해서 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발시키면서 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계 (Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층을 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 셀레니제이션(selenization) 공정에 의해서, 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층이 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 광 흡수층(400)이 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층(400)을 형성하기 위한 공정은 약 500℃ 이상의 고온에서 진행될 수 있다. 이에 따라서, 상기 광 흡수층(400)을 형성하는 과정에서, 상기 복수의 비드(150)는 상기 지지기판(100)에 합착될 수 있다.
또한, 상기 복수의 비드(150)에 포함된 물질이 상기 광 흡수층(400)으로 확산될 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 비드(150)가 나트륨을 포함하는 경우, 상기 복수의 비드(150)에 포함된 나트륨은 상기 광 흡수층(400)으로 확산될 수 있다. 이에 따라서, 상기 광 흡수층(400)의 디펙이 용이하게 제거될 수 있고, 상기 광 흡수층(400)의 특성이 향상될 수 있다.
다음으로, 광 흡수층(400) 상에 이면전극층(500)이 형성될 수 있다. 상기 이면전극층(500)은 몰리브덴을 사용하여 PVD(Physical Vapor Deposition) 또는 도금의 방법으로 형성될 수 있다.
이와 같이, 상기 복수의 비드(150)에 의하여 향상된 광 흡수율을 가지는 태양전지가 제조될 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 (14)
- 기판;
상기 기판 상에 배치되는 복수의 비드;
상기 기판 및 복수의 비드 상에 투명전극층;
상기 투명전극층 상에 버퍼층;
상기 버퍼층 상에 광 흡수층; 및
상기 광 흡수층 상에 이면전극층;을 포함하고, 상기 광 흡수층의 최하면은 상기 비드의 최상면보다 낮게 형성되고,
상기 복수의 비드는 상기 기판보다 더 많은 양의 나트륨을 포함하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 비드는 0.5μm 내지 1μm의 직경을 갖는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 비드는 구 형상을 갖는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 비드는 유리 또는 실리콘 옥사이드를 포함하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 투명전극층, 버퍼층, 광 흡수층, 이면전극층은 상기 복수의 비드에 대응하는 돌출부를 갖는 태양전지. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 복수의 비드는 소다 라임 글래스를 포함하는 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 비드는 도전체로 형성되는 태양전지. - 기판 상에 복수의 비드를 형성하는 단계;
상기 기판 및 복수의 비드 상에 투명전극층을 형성하는 단계;
상기 투명전극층 상에 버퍼층을 형성하는 단계;
상기 버퍼층 상에 최하면이 상기 비드의 최상면보다 낮은 광 흡수층을 형성하는 단계; 및
상기 광 흡수층 상에 이면전극층을 형성하는 단계;를 포함고,
상기 복수의 비드는 상기 기판보다 더 많은 양의 나트륨을 포함하는 태양전지의 제조방법. - 제10항에 있어서,
상기 투명전극층을 형성하는 단계는, 상기 복수의 비드 및 상기 기판 상에 투명전극층을 형성하는 물질을 상기 기판에 대하여 경사증착하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법. - 제10항에 있어서,
상기 복수의 비드를 상기 기판에 합착시키는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법. - 제12항에 있어서,
상기 복수의 비드 및 상기 기판을 합착시키는 단계는,
상기 복수의 비드 및 상기 기판을 열처리하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법. - 제10항에 있어서,
상기 투명전극층, 버퍼층, 광 흡수층, 이면전극층은 상기 복수의 비드에 대응하는 돌출부를 갖도록 형성하는 태양전지의 제조방법.
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| WO2009142156A1 (ja) | 2008-05-23 | 2009-11-26 | 株式会社カネカ | 薄膜光電変換装置用基板とそれを含む薄膜光電変換装置、並びに薄膜光電変換装置用基板の製造方法 |
| KR100973676B1 (ko) | 2008-12-26 | 2010-08-03 | 주성엔지니어링(주) | 박막형 태양전지 및 그 제조방법 |
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