KR101327040B1 - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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발명의 실시예에 따른 태양전지는 지지기판; 상기 지지기판 상에 후면전극층; 및, 상기 후면전극층 상에 자성체층;을 포함한다.

Description

태양전지 및 이의 제조방법{SOLAR CELL APPARATUS AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지면서, 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생산하는 태양전지가 주목받고 있다.
태양전지(Solar Cell 또는 Photovoltaic Cell)는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광발전의 핵심소자이다.
예로서 반도체의 pn접합으로 만든 태양전지에 반도체의 금지대폭(Eg: Band-gap Energy)보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되는데, 이들 전자-정공이 pn 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 됨에 따라 pn간에 기전력(광기전력: Photovoltage)이 발생하게 된다. 이때 양단의 전극에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 되는 것이 동작원리이다.
태양광에 의해 전하 및 정공이 생성되는데, 같은 양의 빛을 받을 때, 얼마나 많은 전자, 정공을 축적할 수 있는지에 의해 태양전지의 효율이 결정되게 된다. 즉, 광 흡수층에서 발생된 전자-정공의 재결합 사이트 역할을 하는 결함(defect)을 줄이는 것에 따라 효율이 결정된다.
그런데 광 흠수층 내에 촉매 금속이 많이 존재하게 되면 태양광에 의해 발생한 전자-정공 쌍이 전계에 의해 분리되어 불순물에 존재하고 있던 전자와 정공에 의해 재결합(recombination)이 일어나 축적되지 않게 된다.
결론적으로 광 흡수층 내에 불순물이 많을수록 재결합의 빈도가 높아 태양전지의 전하 축적 확률, 즉 효율이 감소하게 된다는 문제점이 존재한다.
일반적인 태양전지는 그레인 바운더리(Grain Boundary)가 전자-정공(Electron-Hole)의 재결합 결함(defect), 즉 재결합 사이트(Site)로 작용하기 때문에 이를 감소시켜 광-전 변환효율을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
발명의 실시예에 따른 태양전지는 지지기판; 상기 지지기판 상에 후면전극층; 및, 상기 후면전극층 상에 자성체층;을 포함한다.
발명의 실시예에 따른 태양전지는 후면전극층 상에 자성체층을 증착하여, 전자-정공의 생성을 향상시키고, 재결합을 억제하여 광-전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 단면도이다.
도 2 내지 도 4는 실시예에 따른 태양전지 패널을 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 단면도이다. 도 1을 참조하면, 태양전지 패널은 지지기판(100), 후면전극층(200), 자성체층(300), 광 흡수층(400), 버퍼층(500) 및 윈도우층(600)을 포함한다.
상기 지지기판(100)은 플레이트 형상을 가지며, 상기 후면전극층(200), 자성체층(300), 광 흡수층(400), 버퍼층(500) 및 윈도우층(600)을 지지한다.
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, 유연성이 있는 고분자 등이 사용될 수 있다. 상기 지지기판(100)은 투명할 수 있고 리지드하거나 플렉서블할 수 있다.
상기 지지기판(100)으로 소다 라임 글래스가 사용되는 경우, 소다 라임 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.
상기 지지기판(100) 상에는 후면전극층(200)이 배치된다. 상기 후면전극층(200)은 도전층이다. 상기 후면전극층(200)은 태양전지 중 상기 광 흡수층(400)에서 생성된 전하가 이동하도록 하여 태양전지의 외부로 전류를 흐르게 할 수 있다. 상기 후면전극층(200)은 이러한 기능을 수행하기 위하여 전기 전도도가 높고 비저항이 작아야 한다.
또한, 상기 후면전극층(200)은 CIGS 화합물 형성시 수반되는 황(S) 또는 셀레늄(Se) 분위기 하에서의 열처리 시 고온 안정성이 유지되어야 한다. 또한, 상기 후면전극층(200)은 열팽창 계수의 차이로 인하여 상기 지지기판(100)과 박리현상이 발생되지 않도록 상기 지지기판(100)과 접착성이 우수하여야 한다.
이러한 후면전극층(200)을 형성하는 물질로는 상기 지지기판(100)과 열팽창 계수의 차이가 적기 때문에 접착성이 우수하여 박리현상이 발생하는 것을 방지할 수 있는 물질이 고려되어야 한다. 이러한 물질로는 몰리브덴(Mo)이 사용될 수 있다.
상기 후면전극층(200) 상에는 자성체층(300)이 형성될 수 있다. 상기 자성체층(300)은 40nm 내지 60nm의 두께로 증착될 수 있다. 상기 자성체층(300)은 Mo와 전기전도도가 유사한 물질, 예를 들어 Co 및 Ni 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 자성체층(300)은 전기전도도가 상이한 물질이 복수 증착되어 형성될 수도 있다.
상기 자성체층(300)의 전기전도도는 0.14×106/cm 내지 0.18×106/cm일 수 있다.
상기 자성체층(300)에 의해 P형 반도체층으로 동작하는 광 흡수층(400)의 공간전하영역(SCR:space charge region)이 증가하여 내부 전계가 향상되고, 이에 따라 전자 및 정공의 생성이 향상된다. 또한 상기 자성체층(300)에 의해 생성된 전자-정공의 재결합이 억제되어 광-전변환 효율이 향상된다.
또한 상기 자성체층(300)의 전기전도도에 의해 내부 전계가 증가하여 단락전류밀도(Jsc:short-circuit current density)가 증가할 수 있다.
후면전극층의 물질로 일반적으로 사용되는 Mo의 전기전도도는 0.187×106/cm이다. 상기 자성체층(300)으로 사용될 수 있는 Ni의 전기전도도는 0.143×106/cm이고, Co의 전기전도도는 0.172×106/cm이다.
상기와 같이 자성체층(300)의 형성에 의해 Ga(갈륨) 백 그래이딩(back grading)과 같은 효과를 얻을 수 있다. 그러나 일반적인 Ga 백 그래이딩에는 그래이딩에 의한 Ga추가로 공간전하영역에서 그레인 성장이 억제되어 디펙트(defect)가 증가되므로 일정량이상의 Ga를 첨가할 수 없으나, 본 발명의 실시예에 따른 자성체층(300)에 의해 Ga의 추가없이 백 그래이딩과 동일한 효과를 얻을 수 있어 광-전변환 효율이 향상될 수 있다.
상기 자성체층(300)은 자성체 증착시 1차로 자화시키고, 윈도우층(600) 증착시 2차로 자화시켜, 광 흡수층(400)의 고온 생성 공정시 고온에 의해 자성체층(300)의 자화가 약해진 것을 일정부분 보강할 수 있다. 자성체층(300)의 자화 방향은 자성체층(300)의 증착방향의 수직방향이다.
상기 자성체층(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 1.1eV 내지 1.2eV일 수 있다.
상기 광 흡수층(400) 상에 버퍼층(500)이 배치된다. CIGS 화합물을 광 흡수층(400)으로 갖는 태양전지는 p형 반도체인 CIGS 화합물 박막과 n형 반도체인 윈도우층(600) 간에 pn 접합을 형성한다. 하지만 두 물질은 격자상수와 밴드갭 에너지의 차이가 크기 때문에 양호한 접합을 형성하기 위해서는 밴드갭이 두 물질의 중간에 위치하는 버퍼층이 필요하다.
상기 버퍼층(500)의 에너지 밴드갭은 2.2eV 내지 2.5eV일 수 있다. 상기 버퍼층(500)을 형성하는 물질로는 CdS, ZnS등이 있고 태양전지의 발전 효율 측면에서 CdS가 상대적으로 우수하다.
상기 버퍼층(500)은 10nm 내지 100nm의 두께로, 바람직하게는 50nm 내지 80nm의 두께로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(500) 상에 고저항 버퍼층(미도시)이 배치될 수 있다. 상기 고저항 버퍼층은 불순물이 도핑되지 않은 징크 옥사이드(i-ZnO)를 포함한다. 상기 고저항 버퍼층의 에너지 밴드갭은 약 3.1eV 내지 3.3eV이다.
상기 버퍼층(500) 상에 윈도우층(600)이 배치된다. 상기 윈도우층(600)은 투명하며, 도전층이다. 또한, 상기 윈도우층(600)의 저항은 상기 후면전극층(200)의 저항보다 높다.
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.
또한, 상기 윈도우층(600)은 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드(Al doped zinc oxide;AZO) 또는 갈륨 도핑된 징크 옥사이드(Ga doped zinc oxide;GZO) 등을 포함할 수 있다.
실시예에 따른 태양전지는 후면전극층 상에 자성체층을 증착하여, 전자-정공의 생성을 향상시키고, 재결합을 억제하여 광-전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
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.
도 2를 참조하면, 지지기판(100) 상에 후면전극층(200)이 형성된다. 상기 후면전극층(200)은 몰리브덴을 사용하여 증착될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 후면전극층(200) 상에 자성체층(300)이 형성될 수 있다. 상기 자성체층(300)은 스퍼터링의 방법으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 자성체층(300)은 Co 및 Ni의 물질 중 적어도 하나를 스퍼터링의 방법으로 형성할 수 있다. 상기 자성체층(300)은 40nm 내지 60nm의 두께로 형성될 수 있으며,
상기 자성체층(300)의 증착후, 이를 자기장 내에 두어 1차 자화시킨다. 상기 공정에 의해, 자성체층(300)이 자성을 지니게 된다.
도 4를 참고하면 상기 자성체층(300) 상에 광 흡수층(400)이 형성된다. 상기 광 흡수층(400)은 예를 들어, 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발시키면서 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(400)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 셀레니제이션(selenization) 공정에 의해서, 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(400)이 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)은 1.5μm 내지 2.5μm의 두께로 형성될 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다.
다음으로, 상기 광 흡수층(400) 상에 버퍼층(500)이 형성된다. 상기 버퍼층(500)은 CdS를 포함하여 형성될 수 있으며, PVD 또는 도금의 방법으로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(500)의 증착후, 이를 자기장 내에 두어 2차 자화시킨다. 상기 공정에 의해 광 흡수층(400)의 고온 생성 공정에 의해 자성체층(300)의 자화가 감소된 것을 보강할 수 있다.
상기 1차 자화 및 2차 자화는 자계를 거는 방법에 따라 축 통전법, 직각 통전법, 프로드법, 전류 관통법, 코일법, 극간법, 자속 관통법 중 적어도 하나의 방법이 사용될 수 있으며 특정한 방법에 한정되지 않는다.
상기 1차 자화 및 2차 자화는 자성체층(300)의 증착방향에 수직방향으로 자화된다.
이후, 상기 버퍼층(500) 상에 윈도우층(600)이 형성된다. 상기 윈도우층(600)은 상기 버퍼층(500) 상에 투명한 도전물질이 증착되어 형성된다.
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. 지지기판;
    상기 지지기판 상에 후면전극층;
    상기 후면전극층 바로 위에 자성체층;
    상기 자성체층 상에 광 흡수층; 및
    상기 광 흡수층 상에 윈도우층을 포함하는 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자성체층은 Co 및 Ni 중 적어도 하나를 포함하는 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자성체층의 두께는 40nm 내지 60nm의 두께로 형성되는 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 자성체층의 전기전도도는 0.14×106/cm 내지 0.18×106/cm인 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 자성체층은 전기전도도가 상이한 물질이 복수 증착되어 형성되는 태양전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광 흡수층 및 윈도우층 사이에 버퍼층을 더 포함하는 태양전지.
  7. 지지기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계;
    상기 후면전극층 바로 위에 자성체층을 형성하는 단계;
    상기 자성체층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 및
    상기 광 흡수층 상에 윈도우층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 자성체층은 Co 및 Ni의 물질 중 적어도 하나를 포함하여 형성하는 태양전지 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 자성체층의 형성후, 축 통전법, 직각 통전법, 프로드법, 전류 관통법, 코일법, 극간법, 자속 관통법 중 적어도 하나의 방법으로 상기 자성체층을 1차 자화하는 단계;를 포함하는 태양전지 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 자성체층 상에 광 흡수층 및 버퍼층의 증착후 2차 자화하는 단계;를 포함하는 태양전지 제조방법.

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