KR101372026B1 - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

발명의 실시예에 따른 태양전지는 지지기판; 상기 지지기판 상에 형성된 이면전극층; 상기 이면전극층 상에 형성된 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 형성되고, 상부로 갈수록 불순물의 농도가 증가하는 구간을 포함하는 버퍼층; 및, 상기 버퍼층 상에 형성된 윈도우층;을 포함한다.

Description

태양전지 및 이의 제조방법{SOLAR CELL APPARATUS AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 에너지의 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지에 대한 개발이 진행되고 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.
특히, 유리기판, 금속 후면 전극층, p형 CIGS계 광 흡수층, 고 저항 버퍼층, n형 윈도우층 등을 포함하는 기판 구조의 pn 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다.
그러나 종래기술에서는 버퍼층으로서, 황화 카드뮴(CdS)층을 성장시키는 경우 낮은 단파장 투과율 및 고저항 때문에 광-전 변환 효율이 감소하는 문제점이 존재한다.
발명의 실시예에 따른 태양전지는 광-전 변환 효율 및 신뢰성이 개선된 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
발명의 실시예에 따른 태양전지는 지지기판; 상기 지지기판 상에 형성된 이면전극층; 상기 이면전극층 상에 형성된 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 형성되고, 상부로 갈수록 불순물의 농도가 증가하는 구간을 포함하는 버퍼층; 및, 상기 버퍼층 상에 형성된 윈도우층;을 포함한다.
발명의 실시예에 따른 태양전지는 버퍼층의 투광성이 증가하여 광 흡수층으로 보다 많은 광이 도달하게 하는 효과가 있다.
또한 버퍼층과 윈도우층의 밴드갭 격차를 감소시켜 광-전 변환 효율이 향상될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 단면도이다.
도 2 내지 도 5는 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), 이면전극층(200), 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500) 및, 윈도우층(600)을 포함한다.
상기 지지기판(100)은 플레이트 형상을 가지며, 상기 이면전극층(200), 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500) 및, 윈도우층(600)을 지지한다.
상기 지지기판(100)은 절연체일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 금속기판일 수 있다. 이외에, 지지기판(100)의 재질로 스테인레스 스틸(SUS, STS) 등이 사용될 수 있다. 상기 지지기판(100)은 포함되는 물질의 성분 비율에 따라 여러 기호로 구분될 수 있으며, C, Si, Mn, P, S, Ni, Cr, Mo 또는 Fe 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 지지기판(100)은 플렉서블할 수 있다.
상기 지지기판(100) 상에 이면전극층(200)이 배치된다. 상기 이면전극층(200)은 도전층이다. 상기 이면전극층(200)은 태양전지 중 상기 광 흡수층(300)에서 생성된 전하가 이동하도록 하여 태양전지의 외부로 전류를 흐르게 할 수 있다. 상기 이면전극층(200)은 이러한 기능을 수행하기 위하여 전기 전도도가 높고 비저항이 작아야 한다.
또한, 상기 이면전극층(200)은 CIGS 화합물 형성시 수반되는 황(S) 또는 셀레늄(Se) 분위기 하에서의 열처리 시 고온 안정성이 유지되어야 한다. 또한, 상기 이면전극층(200)은 열팽창 계수의 차이로 인하여 상기 지지기판(100)과 박리현상이 발생되지 않도록 상기 지지기판(100)과 접착성이 우수하여야 한다.
이러한 이면전극층(200)은 몰리브덴(Mo), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 텅스텐(W) 및 구리(Cu) 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 이 가운데, 특히 몰리브덴(Mo)은 다른 원소에 비해 상기 지지기판(100)과 열팽창 계수의 차이가 적기 때문에 접착성이 우수하여 박리현상이 발생하는 것을 방지할 수 있고 상술한 이면전극층(200)에 요구되는 특성을 전반적으로 충족시킬 수 있다.
상기 이면전극층(200) 상에는 광 흡수층(300)이 형성될 수 있다. 상기 광 흡수층(300)은 p형 반도체 화합물을 포함한다. 더 자세하게, 상기 광 흡수층(300)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 계 화합물을 포함한다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(300)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(300)의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1.1eV 내지 1.3eV일 수 있고, 1.5μm 내지 2.5μm의 두께로 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층(300) 상에 버퍼층(400)이 배치된다. CIGS 화합물을 광 흡수층(300)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(400)은 제1 버퍼층(410)과 제2 버퍼층(420)을 포함할 수 있다.
상기 제1 버퍼층(410)의 에너지 밴드갭은 상기 광 흡수층(300)보다 높고, 상기 제2 버퍼층(420)의 에너지 밴드갭은 상기 제1 버퍼층(410)보다 높게 형성될 수 있다.
상기 제1 버퍼층(410)과 제2 버퍼층(420)은 다른 두께로 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 버퍼층(410)은 제2 버퍼층(420)보다 상대적으로 두껍게 형성될 수 있다.
제2 버퍼층(420)은 제1 버퍼층(410)에 포함되는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 버퍼층(410)은 카드뮴(Cd)과 황(S)을 포함할 수 있고, CdS의 화학식으로 형성될 수 있다. Cd와 S는 1:1의 비율로 형성될 수 있고, 물질의 조성비에 따라 밴드갭 에너지는 변화할 수 있다.
제2 버퍼층(420)은 카드뮴(Cd), 인듐(In) 및, 황(S)을 포함할 수 있고, CdInS의 화학식으로 형성될 수 있다. Cd, In 및 S는 1:1:1의 비율로 형성될 수 있고, 물질의 조성비에 따라 밴드갭 에너지는 변화할 수 있다.
상기 제2 버퍼층(420)은 상기 제1 버퍼층(410)에 불순물을 도핑하여 형성되므로, 상기 제1 버퍼층(410)과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 상기 불순물은 In이 사용될 수 있다.
상기 버퍼층(400) 상에 고저항 버퍼층(500)이 배치될 수 있다. 상기 고저항 버퍼층(500)은 불순물이 도핑되지 않은 징크 옥사이드(i-ZnO)를 포함할 수 있다. 상기 고저항 버퍼층(500)은 상기 버퍼층(400)보다 높은 에너지 밴드갭을 갖도록 형성될 수 있고, 50nm 내지 60nm의 두께로 형성될 수 있다.
상기 고저항 버퍼층(500) 상에 윈도우층(600)이 배치된다. 상기 윈도우층(600)은 투명하며, 도전층이다. 또한, 상기 윈도우층(600)의 저항은 상기 이면전극층(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. 상기 윈도우층(600)은 800nm 내지 1000nm의 두께로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 태양전지는 버퍼층의 투광성이 증가하여 광 흡수층으로 보다 많은 광이 도달하게 하는 효과가 있다.
또한 광 흡수층과 버퍼층의 밴드갭 격차를 감소시켜 광-전 변환 효율이 향상될 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 이면전극층(200)이 형성된다. 상기 이면전극층(200)은 몰리브덴을 사용하여 증착될 수 있다. 상기 이면전극층(200)은 스퍼터링(Sputtering)의 방법으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 지지기판(100) 및 이면전극층(200) 사이에 확산방지막 등과 같은 추가적인 층이 개재될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 이면전극층(200) 상에 광 흡수층(300)이 형성된다. 상기 광 흡수층(300)은 예를 들어, 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발(evaporation)시키면서 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.
이와는 다르게, 상기 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 상기 셀레니제이션 공정은 동시에 진행될 수 있다. 또한, 구리 타겟 및 인듐 타겟 만을 사용하거나, 구리 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 셀레니제이션 공정에 의해서, CIS계 또는 CIG계 광 흡수층(300)이 형성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 광 흡수층(300) 상에 제1 버퍼층(410)이 형성된다. 상기 제1 버퍼층(410)은 CdS의 화학식으로 형성될 수 있으며, 용액성장법 (chemical bath deposition, CBD 또는 "Dip-Coating")으로 형성된다.
다음으로, 상기 제1 버퍼층(410) 상에 불순물을 도핑한다. 상기 불순물로 In이 사용될 수 있다. In을 증착(evaporation)의 방법으로 형성하거나, USP 공법으로 층을 형성한다. 이후, 스퍼터링 공정에서 챔버 내부의 온도를 100℃ 이상으로 가열하는 공정에서 상기 In이 상대적으로 불순물의 농도가 낮은 제1 버퍼층(410) 방향으로 확산된다. 이에 따라 불순물인 In의 농도 차이로 인한 제2 버퍼층(420)이 형성된다. 불순물로 인해 버퍼층의 저항이 감소하고 투광성이 증가하여 I-V 곡선에서 단락전류(Jsc) 값이 증가할 수 있다.
상기와 같이 제1 버퍼층(410) 상에 불순물을 도핑하여 제2 버퍼층(420)이 형성되므로, 버퍼층(400)의 상부로 갈수록 In의 비율이 증가하고, 하부로 갈수록 CdS의 비율이 증가하게 된다. 도면에서는 상기 제1 버퍼층(410)과 제2 버퍼층(420)을 구분하여 도시하였으나, 이에 대해 한정하지 않고 불순물의 농도가 상부로 갈수록 증가하는 구간을 갖도록 형성된다.
다음으로, 도 5를 참고하면 상기 버퍼층(400) 상에 고저항 버퍼층(500)이 형성된다. 상기 고저항 버퍼층(500)은 징크 옥사이드(i-ZnO)의 화학식으로 형성될 수 있다.
상기 고저항 버퍼층(500) 상에 윈도우층(600)이 형성된다. 상기 윈도우층(600)은 상기 버퍼층(400) 상에 투명한 도전물질, 예를 들어, 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드(Al doped zinc oxide;AZO)가 스퍼터링의 방법으로 증착되어 형성될 수 있다.
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 (9)

  1. 지지기판;
    상기 지지기판 상에 형성된 이면전극층;
    상기 이면전극층 상에 형성된 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 형성되고, 상부로 갈수록 불순물의 농도가 증가하는 구간을 포함하는 버퍼층; 및,
    상기 버퍼층 상에 형성된 윈도우층을 포함하고,
    상기 불순물은 In을 포함하는 태양전지.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼층은 CdS의 화학식으로 형성되는 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼층 상에 고저항 버퍼층을 더 포함하는 태양전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고저항 버퍼층은 i-ZnO의 화학식으로 형성되는 태양전지.
  6. 지지기판 상에 이면전극층을 형성하는 단계;
    상기 이면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계;
    상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 버퍼층 상에 불순물을 도핑하는 단계; 및,
    상기 버퍼층 상에 윈도우층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 불순물은 In인 태양전지 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 버퍼층은 제 1 버퍼층 및 제 2 버퍼층을 포함하고,
    상기 불순물을 도핑하는 단계는,
    상기 제 1 버퍼층 상에 불순물을 형성하는 단계;
    상기 제 1 버퍼층을 가열하는 단계; 및
    상기 제 2 버퍼층을 상기 불순물이 확산되는 단계를 포함하는 태양전지 제조방법.
  9. 삭제
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