KR101283078B1 - 태양광 발전장치 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

태양광 발전장치 및 태양광 발전장치의 제조방법이 개시된다. 태양광 발전장치의 제조방법은 기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계; 상기 후면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; Ⅰ족 원소의 염을 포함하는 용액을 사용하여, 상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 및 상기 버퍼층 상에 전면전극층을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

태양광 발전장치 및 이의 제조방법{SOLAR CELL APPARATUS AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
실시예는 태양광 발전장치 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
태양광 발전을 위한 태양전지의 제조방법은 다음과 같다. 먼저, 기판이 제공되고, 상기 기판 상에 후면전극층이 형성된다.
이후, 상기 후면전극들 상에 광 흡수층, 버퍼층 및 고저항 버퍼층이 차례로 형성된다. 상기 광 흡수층을 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. 상기 광 흡수층의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1 내지 1.8 eV 이다.
이후, 상기 광 흡수층 상에 황화 카드뮴(CdS)을 포함하는 버퍼층이 스퍼터링 공정에 의해서 형성된다. 상기 버퍼층의 에너지 밴드갭은 약 2.2 내지 2.4 eV 이다. 이후, 상기 버퍼층 상에 징크 옥사이드(ZnO)를 포함하는 고저항 버퍼층이 스퍼터링 공정에 의해서 형성된다. 상기 고저항 버퍼층의 에너지 밴드갭은 약 3.1 내지 3.3 eV 이다.
이후, 상기 고저항 버퍼층 상에 투명한 도전물질이 적층된다. 이에 따라서, 상기 고저항 버퍼층 상에 투명전극층이 형성된다. 상기 투명전극층 및 상기 접속배선으로 사용되는 물질의 예로서는 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드 등을 들 수 있다. 상기 투명전극층의 에너지 밴드갭은 약 3.1 내지 3.3 eV 이다.
상기 버퍼층은 화학 배스 증착 공정에 의해서 형성될 수 있다. 특히, 상기 버퍼층은 전구체를 포함하는 용액에서 화학 반응에 의해서 형성될 수 있다.
이와 같이, 태양광을 전기에너지로 변환시키기 위해서, 다양한 형태의 태양광 발전장치가 제조되고, 사용될 수 있다. 이와 같은 태양광 발전장치는 특허 공개 공보 10-2008-0088744 등에 개시된다.
실시예는 향상된 성능을 가지는 태양광 발전장치는 용이하게 제조할 수 있는 제조방법을 제공하고자 한다.
일 실시예에 따른 태양광 발전장치의 제조방법은 기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계; 상기 후면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; Ⅰ족 원소의 염을 포함하는 용액을 사용하여, 상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 및 상기 버퍼층 상에 전면전극층을 형성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따른 태양광 발전장치는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 후면전극층; 상기 후면전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되는 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 배치되는 전면전극층을 포함하고, 상기 버퍼층은 나트륨을 포함한다.
실시예에 따른 태양광 발전장치의 제조방법은 Ⅰ족 원소의 염, 더 자세하게, 나트륨염, 예를 들어, 탄산 나트륨, 황산 나트륨 또는 염화 나트륨 등을 포함하는 용액을 사용하여, 상기 버퍼층을 형성한다.
이에 따라서, 실시예에 따른 태양광 발전장치의 제조방법은 상기 광 흡수층에 나트륨을 효과적으로 공급할 수 있다. 이에 따라서, 나트륨은 상기 광 흡수층에 포함되는 CIGS계 결정의 디펙을 제거할 수 있다.
또한, 상기 버퍼층이 징크 화합물로 형성되는 경우, 상기 나트륨염은 징크 하이드록사이드(zinc hydroxide)의 생성을 억제하고, 상기 버퍼층 내의 징크 하이드록사이드를 제거할 수 있다.
이에 따라서, 실시예에 따른 태양광 발전장치는 징크 하이드록사이드에 의한 효율저하를 방지할 수 있다.
이에 따라서, 실시예에 따른 태양광 발전장치는 추후에, 징크 하이드록사이드를 제거하기 위한 공정이 필요치 않으며, 용이하게, 향상된 광-전 변환 효율을 가지는 태양광 발전장치를 제공할 수 있다.
도 1 내지 도 4는 실시예에 따른 태양광 발전장치는 제조하는 과정을 도시한 도면들이다.
도 5는 광 흡수층, 버퍼층, 고저항 버퍼층 및 전면전극층에 포함된 나트륨의 농도를 도시한 그래프이다.
실시 예의 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 1 내지 도 4는 실시예에 따른 태양광 발전장치는 제조하는 과정을 도시한 도면들이다. 도 5는 광 흡수층, 버퍼층, 고저항 버퍼층 및 전면전극층에 포함된 나트륨의 농도를 도시한 그래프이다.
도 1를 참조하면, 지지기판(100) 상에 스퍼터링 공정에 의해서 몰리브덴 등과 같은 금속이 증착되고, 후면전극층(200)이 형성된다. 상기 후면전극층(200)은 공정 조건이 서로 다른 두 번의 공정들에 의해서 형성될 수 있다.
상기 지지기판(100) 및 상기 후면전극층(200) 사이에는 확산 방지막과 같은 추가적인 층이 개재될 수 있다.
상기 지지기판(100)은 플레이트 형상을 가질 수 있다. 상기 지지기판(100)은 그 위에 형성되는 다른 층들을 지지할 수 있다.
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(Mo) 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.
도 2를 참조하면, 상기 후면전극층(200) 상에 광 흡수층(300)이 형성된다.
상기 광 흡수층(300)은 스퍼터링 공정 또는 증발법 등에 의해서 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 광 흡수층(300)을 형성하기 위해서 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.
금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션 하는 것을 세분화하면, 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정에 의해서, 상기 후면전극(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 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 CGS계 광 흡수층이 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 Ⅰ족-Ⅲ족-Ⅵ족계 결정구조를 가진다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계) 결정 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 광 흡수층(300)은 CIS계 또는 CGS계 결정 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 광 흡수층(300)의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1eV 내지 1.8eV일 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 광 흡수층(300) 상에 버퍼층(400)이 형성된다. 상기 버퍼층(400)은 화학적 용액 성장법(chemical bath deposition;CBD)에 의해서 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(400)이 형성되기 위해서, 전구체 용액이 형성된다.
상기 전구체 용액(20)은 상기 버퍼층(400)을 형성하기 위한 전구체를 포함한다. 예를 들어, 상기 전구체 수용액(20)은 Zn2 + 및 S2 -를 과포화된 상태로 포함할 수 있다. 더 자세하게, 상기 전구체 용액(20)은 징크 아세테이트(zinc acetate) 및 티오우레아(thiourea)를 포함할 수 있으며, 완충제 및 암모니아 등을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전구체 용액은 Ⅰ족 원소의 염을 포함할 수 있다. 즉, 상기 전구체 용액에는 상기 Ⅰ족 원소의 염이 용해될 수 있다. 더 자세하게, 상기 Ⅰ족 원소의 염은 나트륨염일 수 있다. 즉, 상기 전구체 용액은 나트륨염을 포함할 수 있다.
상기 나트륨염의 예로서는 나트륨염은 탄산 나트륨, 황산 나트륨 또는 염화 나트륨 등을 들 수 있다. 이에 따라서, 상기 전구체 용액은 나트륨 이온을 포함할 수 있다.
상기 전구체 용액에서 상기 나트륨염의 농도는 0.01M 내지 0.1M일 수 있다.
상기 전구체 용액은 나트륨염을 포함하기 때문에, 상기 버퍼층(400)을 형성하는 과정에서, 수산화물이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 특히, 상기 버퍼층(400)이 징크 화합물을 포함하는 경우, 상기 나트륨염은 상기 버퍼층(400)에 징크 하이드록사이드가 형성되는 것을 방지할 수 있다.
실시예에 따른 태양광 발전장치의 성능 저하의 원인이되는 징크 하이드록사이드가 상기 나트륨염에 의해서 용이하게 제거될 수 있다. 특히, 징크 하이드록사이드는 상기 버퍼층(400)의 밴드갭 에너지를 증가시켜서, 상기 광 흡수층(300) 및 상기 버퍼층(400)의 밴드갭 에너지 차이를 증가시킬 수 있다. 이와 같은 징크 하이드록사이드가 제거되므로, 실시예에 따른 태양광 발전장치는 향상된 광-전 변환 효율을 가질 수 있다.
상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치된다. 상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300)에 직접 접촉한다. 상기 버퍼층(400)은 황화 카드뮴을 포함한다. 상기 버퍼층(400)의 에너지 밴드갭은 약 1.9eV 내지 약 2.3eV일 수 있다.
이후, 상기 버퍼층(400)에 포함된 나트륨 등과 같은 Ⅰ족 원소를 상기 광 흡수층(300)에 확산시키기 위한 열처리 공정이 진행될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 버퍼층(400) 상에 고저항 버퍼층(500) 및 전면전극층(600)이 형성된다.
상기 버퍼층(400) 상에 징크 옥사이드가 스퍼터링 공정 등에 의해서 증착되고, 상기 고저항 버퍼층(500)이 형성된다.
이후, 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 전면전극층(600)이 형성된다. 상기 전면전극층(600)은 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 투명한 도전물질이 적층되어 형성된다. 상기 투명한 도전물질의 예로서는 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드, 인듐 징크 옥사이드 또는 인듐 틴 옥사이드 등을 들 수 있다.
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 3.3eV일 수 있다.
상기 전면전극층(600)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치된다. 더 자세하게, 상기 전면전극층(600)은 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 배치된다.
상기 전면전극층(600)은 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 배치된다. 상기 전면전극층(600)은 투명하다. 상기 전면전극층(600)으로 사용되는 물질의 예로서는 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드(Al doped ZnO;AZO), 인듐 징크 옥사이드(indium zinc oxide;IZO) 또는 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide;ITO) 등을 들 수 있다.
상기 전면전극층(600)의 두께는 약 500㎚ 내지 약 1.5㎛일 수 있다. 또한, 상기 전면전극층(600)이 알루니늄이 도핑되는 징크 옥사이드로 형성되는 경우, 알루미늄은 약 2.5wt% 내지 약 3.5wt%의 비율로 도핑될 수 있다. 상기 전면전극층(600)은 도전층이다.
도 5를 참조하면, 상기 버퍼층(400)을 형성하는 과정에서, 상기 버퍼층(400)에 나트륨이 공급되기 때문에, 상기 버퍼층(400)의 나트륨의 농도가 가장 높을 수 있다. 즉, 상기 버퍼층(400)에 포함된 나트륨의 농도는 상기 광 흡수층(300)에 포함된 나트륨의 농도보다 더 높을 수 있다.
또한, 상기 광 흡수층(300)에서의 나트륨의 농도는 상기 버퍼층(400)으로부터 상기 후면전극층(200)에 가까워질수록 점점 낮아질 수 있다.
또한, 상기 버퍼층(400)은 이온 형태로 나트륨을 포함할 뿐만 아니라, 염 형태로 나트륨을 포함할 수 있다. 즉, 극히 미량으로, 나트륨염이 상기 버퍼층(400)에서 검출될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 실시예에 따른 태양광 발전장치의 제조방법은 Ⅰ족 원소의 염, 더 자세하게, 나트륨염, 예를 들어, 탄산 나트륨, 황산 나트륨 또는 염화 나트륨 등을 포함하는 용액을 사용하여, 상기 버퍼층(400)을 형성한다.
이에 따라서, 실시예에 따른 태양광 발전장치의 제조방법은 상기 광 흡수층(300)에 나트륨을 효과적으로 공급할 수 있다. 이에 따라서, 나트륨은 상기 광 흡수층(300)에 포함되는 CIGS계 결정의 디펙을 제거할 수 있다.
또한, 상기 버퍼층(400)이 징크 화합물로 형성되는 경우, 상기 나트륨염은 징크 하이드록사이드(zinc hydroxide)의 생성을 억제하고, 상기 버퍼층(400) 내의 징크 하이드록사이드를 제거할 수 있다.
이에 따라서, 실시예에 따른 태양광 발전장치는 징크 하이드록사이드에 의한 효율저하를 방지할 수 있다.
이에 따라서, 실시예에 따른 태양광 발전장치는 추후에, 징크 하이드록사이드를 제거하기 위한 공정이 필요치 않으며, 용이하게, 향상된 광-전 변환 효율을 가지는 태양광 발전장치를 제공할 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 (10)

  1. 기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계;
    상기 후면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계;
    Ⅰ족 원소의 염을 포함하는 용액을 사용하여, 상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 및
    상기 버퍼층 상에 전면전극층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 버퍼층에서 상기 Ⅰ족 원소의 염의 농도는 상기 광 흡수층에 가까워질수록 낮아지는 태양광 발전장치의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 Ⅰ족 원소의 염은 나트륨염을 포함하는 태양광 발전장치의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 나트륨염은 탄산 나트륨, 황산 나트륨 또는 염화 나트륨을 포함하는 태양광 발전장치의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 버퍼층은 징크 설파이드, 카드뮴 설파이드 또는 인듐 설파이드를 포함하는 태양광 발전장치의 제조방법.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 용액에서, 상기 나트륨염의 농도는 0.01M 내지 0.1M인 태양광 발전장치의 제조방법.
  6. 기판;
    상기 기판 상에 배치되는 후면전극층;
    상기 후면전극층 상에 배치되는 광 흡수층;
    상기 광 흡수층 상에 배치되는 버퍼층; 및
    상기 버퍼층 상에 배치되는 전면전극층을 포함하고,
    상기 버퍼층은 Ⅰ족 원소의 염을 포함하며,
    상기 버퍼층에서 상기 Ⅰ족 원소의 염의 농도는 상기 광 흡수층에 가까워질수록 낮아지는 태양광 발전장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 버퍼층은 상기 Ⅰ족 원소의 염을 상기 광 흡수층보다 더 높은 농도로 포함하는 태양광 발전장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 광 흡수에서 상기 Ⅰ족 원소의 염의 농도는 상기 버퍼층으로부터 상기 후면전극층으로 갈수록 낮아지는 태양광 발전장치.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 Ⅰ족 원소의 염은 나트륨염을 포함하는 태양광 발전장치.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 버퍼층은 징크 화합물을 포함하는 태양광 발전장치.
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