KR101372536B1 - Tandem Thin Film Solar Cell And Fabrication Method Thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탠덤형 박막 태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 투명기판의 상부 및 하부에 윈도우층과 광흡수층으로 구성된 태양전지층을 적어도 하나 이상 포함하는 탠덤(Tandem)형 구조를 가지는 태양전지와 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a tandem thin film solar cell and a method of manufacturing the same, and specifically, having a tandem structure including at least one solar cell layer including a window layer and a light absorption layer on upper and lower portions of the transparent substrate. It relates to a solar cell and a method of manufacturing the same.
본 발명은 박막형 화합물 반도체 태양전지, 특히 씨아이지에스(CIGS) 태양전지의 제조에 있어서 탠덤형 구조를 도입하여 단일 구조의 태양전지에 비하여 광전변환효율을 개선하는 장점이 있다.The present invention has the advantage of improving the photoelectric conversion efficiency compared to a single structure solar cell by introducing a tandem structure in the manufacture of thin-film compound semiconductor solar cells, in particular CIGS solar cells.
태양전지, 화합물 반도체, 윈도우층, 광흡수층, 탠덤형, CIGS, 광전변환효율 Solar cell, compound semiconductor, window layer, light absorption layer, tandem type, CIGS, photoelectric conversion efficiency

Description

탠덤형 박막 태양전지 및 그의 제조방법{Tandem Thin Film Solar Cell And Fabrication Method Thereof}Tandem Thin Film Solar Cell and Fabrication Method Thereof {Tandem Thin Film Solar Cell And Fabrication Method Thereof}
본 발명은 탠덤형 박막 태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 CIGS 와 같은 박막형 화합물 반도체 태양전지에서 투명기판을 시작재료로 사용하여 화합물 반도체 태양전지층을 탠덤형으로 적층하여 구성하는 구조를 가지는 태양전지와 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a tandem thin film solar cell and a method for manufacturing the same, and in particular, in a thin film compound semiconductor solar cell such as CIGS, a transparent semiconductor is used as a starting material and has a structure in which a compound semiconductor solar cell layer is laminated in tandem. It relates to a solar cell and a method of manufacturing the same.
탠덤형으로 증착되는 태양전지층은 금속산화물로 구성되는 윈도우층과 CIS 또는 CIGS 등의 화합물 반도체 박막의 광흡수층을 포함하는 구조를 가지면서 기판의 상하부에 적층되므로 단일구조의 태양전지에 비하여 고효율을 얻을 수 있다. The solar cell layer deposited in tandem has a structure including a window layer composed of a metal oxide and a light absorbing layer of a compound semiconductor thin film such as CIS or CIGS. You can get it.
또한, 본 발명은 CIGS 와 같은 박막형 화합물 반도체 태양전지에 반사형 배면전극을 이용하되, 알루미늄이 도핑된 산화아연 또는 도핑되지 않은 산화아연과 같은 윈도우층을 배면전극보다 먼저 형성함으로써 효율이 향상된 CIGS 태양전지를 제조하는 방법에 관한 것이다.In addition, the present invention uses a reflective back electrode in a thin-film compound semiconductor solar cell, such as CIGS, the CIGS solar cell is improved efficiency by forming a window layer, such as aluminum doped zinc oxide or undoped zinc oxide before the rear electrode It relates to a method of manufacturing a battery.
태양전지(Solar Cell 또는 Photovoltaic Cell)는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광발전의 핵심소자이다. Solar cells (Solar Cells or Photovoltaic Cells) are the key elements of photovoltaic power generation that convert sunlight directly into electricity.
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. 이 때 양단의 전극에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 되는 것이 동작원리이다.Electron-hole pairs are generated when solar light having energy greater than band-gap energy of a semiconductor is incident on a solar cell made of a pn junction of semiconductors. These electron-holes are generated by an electric field formed at the pn junction Electrons are collected as n-layers and holes are collected as p-layers, so that electromotive force (photovoltage) occurs between pn. At this time, if the load is connected to the electrodes at both ends, the current flows.
1980년대 이후 태양전지 제조에 가장 먼저 사용된 반도체 재료가 단결정실리콘이다. 현재 태양전지 시장에서 차지하는 비중이 이후 많이 떨어지긴 하였지만 현재로서도 시장, 특히 대규모 발전시스템 분야에서 가장 널리 이용되고 있다. 이는 단결정실리콘으로 만든 태양전지의 효율이 기타 재료로 만든 태양전지에 비해 변환효율이 높기 때문이다. 반면에 가격은 아직 높은데, 그 해결방안으로 보다 저급의 실리콘을 이용하는 방법, 대량생산 및 공정 개선에 의한 방법 등이 시도 또는 계획되고 있다. 다결정실리콘 태양전지는 원재료로 저급의 실리콘 웨이퍼를 사용하는데, 따라서 효율은 단결정실리콘에 비해 낮은 반면 가격은 싸다. 그리고 이용분야도 주택용 시스템 등이 주 대상이다.The first semiconductor material used in solar cell manufacturing since the 1980s is single crystal silicon. Although the share of the current solar cell market has fallen a lot since then, it is still widely used in the market, especially in the field of large-scale power generation systems. This is because the efficiency of solar cells made of single crystal silicon is higher than that of other materials. On the other hand, the price is still high. As a solution, methods using lower grade silicon, mass production and process improvement are being tried or planned. Polycrystalline silicon solar cells use low-grade silicon wafers as raw materials, so the efficiency is lower than that of monocrystalline silicon, but the price is low. The main use areas are residential systems.
단결정 및 다결정실리콘은 bulk 상태의 원재료로부터 태양전지를 만들기 때문에 원재료비가 비싸고, 공정 자체가 복잡하여 가격의 절감측면에서는 한계가 있을 수밖에 없다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 방안으로 기판의 두께를 혁신적으로 줄이는 기술, 또는 유리와 같이 값싼 기판 위에 박막형태의 태양전지를 증 착시키는 기술이 주목을 받고 있다. 기존의 박막 제조공정을 이용할 경우 보다 값싼 방법으로 태양전지의 대량생산이 가능하기 때문이다.Since monocrystalline and polycrystalline silicon make solar cells from bulk raw materials, raw materials are expensive, and the process itself is complicated, and there is a limit in terms of cost reduction. In order to solve this problem, a technique of innovatively reducing the thickness of the substrate or a technique of depositing a thin film solar cell on a cheap substrate such as glass has been attracting attention. This is because if the existing thin film manufacturing process is used, the solar cell can be mass-produced in a cheaper way.
박막 태양전지 중 가장 처음으로 개발된 것이 비정질실리콘으로 기존 결정질실리콘 태양전지의 약 1/100에 해당하는 두께만으로도 태양전지의 제조가 가능하다. 하지만 결정질실리콘 태양전지에 비해 효율이 낮고, 특히 초기 빛에 노출될 경우 효율이 급격히 떨어지는 단점이 있다. 따라서 대규모 발전용으로는 사용되지 못하고, 시계, 라디오, 완구 등 소규모 가전제품의 전원용으로 주로 사용되고 있었는데, 최근 효율의 향상과 함께 초기 열화현상을 최소화할 수 있는 다중접합 구조의 비정질실리콘 태양전지의 개발과 함께 일부 전력용으로 이용이 되기 시작하였다.Amorphous silicon was first developed among thin film solar cells, and the solar cell can be manufactured with a thickness corresponding to about 1/100 of the existing crystalline silicon solar cells. However, the efficiency is lower than that of crystalline silicon solar cells, and particularly, when exposed to early light, the efficiency drops sharply. Therefore, it was not used for large-scale power generation and was mainly used for power supply of small household appliances such as clocks, radios, toys, etc. In recent years, the development of amorphous silicon solar cells having a multi-junction structure that can minimize initial degradation and improve efficiency. In addition, it began to be used for some power.
뒤이어 출현한 박막 태양전지가 CdTe, CuInSe2계의 화합물 반도체를 소재로 한 것이다. 비정질 실리콘에 비해 효율이 높고, 또한 초기 열화현상이 없는 등 비교적 안정성이 높은 태양전지로 현재 CdTe는 대규모 전력용으로 사용을 위한 실증시험 중에 있다.The thin film solar cell to a subsequent occurrence of a compound semiconductor of CdTe, CuInSe 2 type material. Compared with amorphous silicon, CdTe is a solar cell with high stability and no initial deterioration.
CuInSe2는 실험실적으로 만든 박막 태양전지 중에서 가장 높은 변환효율을 기록하고 있는데, 아직까지 파일럿 생산단계로 대량생산단계까지는 이르지 못하고 있다. CuInSe 2 has the highest conversion efficiency among lab-made thin-film solar cells, but it has not yet reached the pilot production stage to mass production stage.
이들 박막 태양전지는 전력용으로 사용되기까지에는 앞으로도 더 많은 연구개발이 필요할 것으로 예상되고 있다.These thin film solar cells are expected to require further research and development before they can be used for power.
CuInSe2로 대표되는 I-III-VI족 Chalcopyrite계 화합물 반도체는 직접천이형 에너지 밴드갭을 가지고 있고, 광흡수계수가 1x105 cm- 1 로 반도체 중에서 가장 높아 두께 1~2 μm의 박막으로도 고효율의 태양전지 제조가 가능하고, 또한 장기적으로 전기광학적 안정성이 매우 우수한 특성을 지니고 있다. The I-III-VI group chalcopyrite compound semiconductor represented by CuInSe 2 has a direct transition energy bandgap and has a light absorption coefficient of 1x10 5 cm - 1 , which is the highest among semiconductors. It is possible to manufacture a solar cell, and also has excellent electro-optical stability in the long term.
따라서 현재 사용되고 있는 고가의 결정질 실리콘 태양전지를 대체하여 태양광발전의 경제성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 저가, 고효율의 태양전지 재료로 부각되고 있다. CuInSe2는 밴드갭이 1.04 eV로 이상적인 밴드갭 1.4 eV를 맞추기 위해 In의 일부를 Ga으로, Se의 일부를 S로 치환하기도 하는데, 참고로 CuGaSe2의 밴드갭은 1.6 eV, CuGaS2 는 2.5 eV이다. Therefore, it is emerging as a low-cost, high-efficiency solar cell material that can significantly improve the economics of photovoltaic power generation by replacing expensive crystalline silicon solar cells currently used. CuInSe 2 substitutes a portion of In for Ga and a portion of Se for S to match the ideal bandgap of 1.4 eV with a bandgap of 1.04 eV. For reference, CuGaSe 2 has a bandgap of 1.6 eV and CuGaS 2 of 2.5 eV. to be.
In의 일부를 Ga으로, Se의 일부를 S으로 대체한 오원화합물은 CIGSS [Cu(InxGa1 -x)(SeyS1-y)2]로 표기되는데, 대표적으로 이들을 CIS, CIGS로 표기하기도 한다. 장점 중의 하나인 장기적 신뢰성의 경우 1988년 11월에 시작한 미국 NREL(National Renewable Energy Laboratory)의 장기 옥외 시험결과 10년 이후에도 효율의 변화가 없는 것으로 나타난 바 있다.The five-membered compound in which part of In is replaced with Ga and part of Se is represented by CIGSS [Cu (In x Ga 1 -x ) (Se y S 1-y ) 2], and these are commonly referred to as CIS and CIGS. It may be written. One of the advantages, long-term reliability, has been that no change in efficiency has been observed after 10 years of long-term outdoor testing by the National Renewable Energy Laboratory (NREL), which began in November 1988.
CuInSe2 화합물반도체 박막태양전지는 1980년대 미국 Boeing사가 기존의 단결정실리콘(20 W/kg) 태양전지를 대체할 수 있는 우주용의 경량 고효율 태양전지로 처음 연구되었을 만큼 효율이 높고 안정성이 우수한데, 우주용 태양전지에서 가장 중요한 요소인 단위 중량당의 발전량이 현재 단일접합에서도 약 100 W/kg으로 기존의 Si이나 GaAs 태양전지의 20~40 W/kg에 비해 월등히 우수하다. 또한 1980년대 말부터는 저가 고효율의 지상발전용 박막태양전지를 목표로 선진국에서 집중적으로 기술개발이 추진되고 있는데, 밴드갭 1.2eV의 단일접합 CuInGaSe2 태양전지에서 최고 변환효율 19.2% 달성하여 기존 웨이퍼 형태의 다결정실리콘 태양전지의 최고효율(19.8%)에 근접하고 있다.CuInSe 2 compound semiconductor thin-film solar cell is highly efficient and excellent in stability as it was first studied in the 1980s by Boeing in the US as a lightweight high-efficiency solar cell for space that can replace the existing single crystal silicon (20 W / kg) solar cell. The amount of power generated per unit weight, the most important factor in space solar cells, is about 100 W / kg even at single junctions, which is much better than the 20-40 W / kg of conventional Si or GaAs solar cells. In addition, since the late 1980s, technology development has been intensively developed in developed countries with the aim of low-cost, high-efficiency, thin-film solar cells for low-cost, high-efficiency ground-based thin film solar cells. It is approaching the highest efficiency (19.8%) of polysilicon solar cell.
이러한 박막 태양전지의 장점을 활용하여 광전변환효율의 초고효율화를 달성하고 공정 측면에서도 저가화가 달성되면 화력발전 등 기존 발전방식과 전력시장에서 충분히 경쟁할 수 있고, 장차 우주용 태양전지로도 그 활용도가 크게 기대된다.By utilizing the advantages of such thin film solar cells, the ultra-high efficiency of photoelectric conversion efficiency is achieved, and the low cost is achieved in the process aspect, and it can compete with the existing power generation methods such as thermal power generation and the power market. Is greatly expected.
특히 유리와 같은 투명기판을 이용한 전형적인 구조의 CIGS(CuInGaSe2) 박막 태양전지의 저가·고효율화를 목표로 다양한 공정이 시도되고 있다. 금속원소의 3단계 Co-evaporation 방법으로 최고 15.4%의 변환효율을, 그리고 같은 3단계 공정으로 이원화합물을 사용한 경우 최고 13.4%의 변환효율을 얻는 기술이 개발되었다. Co-sputter에 의한 Cu-In-Ga 박막을 셀렌화하여 CIGS 광흡수층을 제조하는 기술도 일부 시도된 바 있으나 변환효율은 매우 낮은 수준이다. In particular, various processes have been attempted to lower the cost and efficiency of CIGS (CuInGaSe 2 ) thin film solar cells having a typical structure using a transparent substrate such as glass. A technology has been developed that achieves conversion efficiency of up to 15.4% by three-step co-evaporation of metal elements and up to 13.4% by using binary compounds in the same three-step process. Some techniques have been attempted to produce a CIGS light absorbing layer by selenizing a Cu-In-Ga thin film by co-sputter, but the conversion efficiency is very low.
CIGS 박막형 태양전지는 일반적으로 도 1에 게시한 바와 같은 구조를 가지고 있다.CIGS thin film solar cells generally have a structure as shown in FIG.
도 1을 참조하면, 일반적인 CIGS 태양전지는 투명 기판(100) 위에 배면전극(101), 광흡수층(102), 버퍼층(103), 윈도우층을 포함하여 순차로 적층된 구조이다.Referring to FIG. 1, a general CIGS solar cell has a structure in which a back electrode 101, a light absorption layer 102, a buffer layer 103, and a window layer are sequentially stacked on a transparent substrate 100.
배면전극(101)은 주로 몰리브덴 등의 금속이 사용되고, 광흡수층(102)으로는 CIGS 계 화합물 반도체막이 형성되며, 버퍼층(103)은 황화카드뮴(CdS)이 사용된다.A metal such as molybdenum is mainly used for the back electrode 101, a CIGS-based compound semiconductor film is formed as the light absorption layer 102, and cadmium sulfide (CdS) is used for the buffer layer 103.
윈도우층은 주로 금속 산화물이 사용되는데 도핑되지 않은 산화아연막(104)과 알루미늄과 같은 불순물이 도핑된 산화아연막(105)으로 형성되기도 한다.The window layer is mainly formed of a metal oxide, and may be formed of an undoped zinc oxide film 104 and a zinc oxide film 105 doped with impurities such as aluminum.
일반적으로 이러한 윈도우층은 빛을 흡수하는 층으로 작용하고, 하부의 버퍼층은 광흡수층과 윈도우층 사이의 큰 밴드갭 차이를 완화하고 격자상수를 줄여주는 기능을 한다.In general, such a window layer serves as a light absorbing layer, and the lower buffer layer functions to alleviate the large band gap difference between the light absorbing layer and the window layer and to reduce the lattice constant.
기판 위에 형성된 배면전극은 광흡수층에서 흡수한 광이 외부로 빠져나가지 못하도록 반사하는 기능을 수행할 수 있는데, 주로 몰리브덴이 사용되고 있지만 몰리브덴은 빛의 반사율이 떨어지므로 태양전지 효율을 높이기 위해서는 반사율이 높은 배면 전극 재료가 요구된다.The back electrode formed on the substrate can perform a function of reflecting the light absorbed from the light absorbing layer to prevent the light from escaping to the outside. Molybdenum is mainly used, but since molybdenum has a low reflectance of light, a back surface having high reflectance is required to increase solar cell efficiency. Electrode material is required.
도 1과 같은 CIGS 태양전지는 CIGS막을 먼저 형성한 다음 그 위에 버퍼층 및 윈도우층을 형성하는 이른바 substrate 타입이 주로 이용되는 방법이지만, 그와 반대로 윈도우층을 먼저 형성하고 CIGS막은 나중에 형성하는 superstrate 타입도 연구되었으며 이런 구조는 encapsulation이 필요 없고 또 적층구조가 용이하다고 알려져 있다.In the CIGS solar cell as shown in FIG. 1, a so-called substrate type for forming a CIGS film first and then forming a buffer layer and a window layer thereon is mainly used. However, a superstrate type for forming a window layer first and a CIGS film later is also used. These structures are known to require no encapsulation and are easy to stack.
하지만 그 효율은 substrate타입에 비해 여전히 낮은 게 사실이다. 따라서, CIGS 태양전지의 효율을 높이기 위한 구조적 관점과 적층 공정의 관점에서의 연구가 더욱 필요하다.However, the efficiency is still low compared to the substrate type. Therefore, further studies from the structural point of view and the lamination process in order to increase the efficiency of CIGS solar cells.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 태양전지의 광전변환효율의 개선에 관한 문제점을 해결하기 위하여 화합물 반도체 태양전지의 구조와 적층 공정과 관련하여 변화시킴으로써 고효율의 태양전지를 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a high efficiency solar cell by changing in relation to the structure and the lamination process of a compound semiconductor solar cell in order to solve the problems related to the improvement of the photoelectric conversion efficiency of the conventional solar cell as described above.
본 발명의 다른 목적은 화합물 반도체 태양전지의 구조와 적층 공정의 순서를 변경함으로써 특별히 추가되는 공정 없이도 간편하게 고효율의 태양전지를 생산할 수 있으므로 제조단가가 낮아 경제적인 태양전지의 제조방법을 제시할 수 있다.Another object of the present invention is to change the structure of the compound semiconductor solar cell and the order of the lamination process can easily produce a high-efficiency solar cell without any additional process, it is possible to propose a low-cost manufacturing method of the solar cell. .
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 탠덤형 박막 태양전지는 투명기판의 상부 및 하부에 윈도우층과 광흡수층으로 구성된 태양전지층을 적어도 하나 이상 포함한다.In order to achieve the above object, the tandem thin film solar cell of the present invention includes at least one solar cell layer including a window layer and a light absorbing layer on upper and lower portions of the transparent substrate.
본 발명에서, 상기 태양전지층은 상기 투명기판을 기준으로 대응되는 윈도우층과 광흡수층의 구성물질이 동일할 수 있다.In the present invention, the solar cell layer may have the same constituent material as the window layer and the light absorbing layer corresponding to the transparent substrate.
본 발명에서 상기 광흡수층은 화합물 반도체로 형성될 수 있는데, 특히 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 화합물 반도체, Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 중에서 선택될 수 있으며, 이들 광흡수층은 적어도 하나 이상의 층으로 형성될 수 있다.In the present invention, the light absorbing layer may be formed of a compound semiconductor, and in particular, may be selected from group I-III-VI compound semiconductors, group II-VI compound semiconductors, and group III-V compound semiconductors. It may be formed of more layers.
복수 개의 광흡수층 중에서 상기 윈도우층과 접촉하는 광흡수층은 하부의 광흡수층과 윈도우층간의 밴드갭 에너지 차를 완화하고 격자상수 차이를 완화할 수 있는 버퍼층으로 기능할 수 있을 것이다.The light absorbing layer in contact with the window layer among the plurality of light absorbing layers may function as a buffer layer to alleviate the difference in the bandgap energy between the light absorbing layer and the window layer and to reduce the lattice constant difference.
본 발명에서 상기 윈도우층은, 도핑되지 않거나 p형 또는 n형 불순물로 도핑된 금속 산화물로 형성된 적어도 하나 이상의 층을 포함한다.In the present invention, the window layer includes at least one layer formed of a metal oxide that is not doped or doped with p-type or n-type impurities.
본 발명에서 상기 금속 산화물은 특별히 한정되지 않으며 당업자가 공지된 금속산화물로 알 수 있으면 족하지만, 바람직하게는 산화아연, 산화갈륨, 산화알루미늄, 산화인듐, 산화납, 산화구리, 산화티탄, 산화주석, 산화철, 인듐주석산화물 등에서 선택될 수 있을 것이다.In the present invention, the metal oxide is not particularly limited and may be known to those skilled in the art as a known metal oxide, but preferably zinc oxide, gallium oxide, aluminum oxide, indium oxide, lead oxide, copper oxide, titanium oxide, tin oxide It may be selected from iron oxide, indium tin oxide and the like.
본 발명에서 상기 태양전지층 중 빛의 입사방향과 반대쪽에 위치하는 태양전지층의 일면에 배면전극을 더 포함할 수 있다.In the present invention, the solar cell layer may further include a rear electrode on one surface of the solar cell layer which is located opposite to the incident direction of light.
또한 본 발명의 태양전지층의 일면에 반사방지막을 더 포함할 수도 있다.In addition, one surface of the solar cell layer of the present invention may further include an anti-reflection film.
본 발명에서 상기 윈도우층과 광흡수층 사이에, 상기 층간 밴드갭 에너지 차이와 격자상수 차이를 완화하는 버퍼층을 별도로 더 포함할 수 있다.In the present invention, the window layer and the light absorbing layer may further include a buffer layer for alleviating the difference between the interlayer bandgap energy and the lattice constant.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 탠덤형 박막 태양전지의 제조방법은 투명기판의 상부 및 하부에 윈도우층을 각각 형성하는 단계, 상기 각각의 윈도우층 위에 광흡수층을 형성하는 단계 및 상기 각각의 광흡수층 위에 배면전극과 그리드전극을 각각 형성하는 단계를 포함한다.Method for manufacturing a tandem thin film solar cell of the present invention for achieving the above object is to form a window layer on the upper and lower portions of the transparent substrate, respectively, forming a light absorption layer on each window layer and the respective light Forming a back electrode and a grid electrode on the absorbing layer, respectively.
본 발명에서 상기 광흡수층과 배면전극, 또는 상기 광흡수층과 그리드전극 사이에 투명산화물전극층(TCO)을 형성하는 단계를 더 추가할 수 있다.In the present invention, the method may further include forming a transparent oxide electrode layer (TCO) between the light absorption layer and the back electrode, or between the light absorption layer and the grid electrode.
본 발명의 상기 그리드전극을 형성하는 단계에서, 상기 그리드전극은 반사방지막과 함께 형성될 수 있다. In the forming of the grid electrode of the present invention, the grid electrode may be formed with an anti-reflection film.
반사방지막과 그리드전극은 본 발명의 상기 태양전지층 상부의 소정의 위치에 함께 형성될 수도 있으며, 반사방지막이 도전성 있는 물질로 구성된다면 반사방지막이 형성된 이후에 그리드 전극이 구비될 수도 있다.The antireflection film and the grid electrode may be formed together at a predetermined position on the solar cell layer of the present invention. If the antireflection film is formed of a conductive material, the grid electrode may be provided after the antireflection film is formed.
본 발명에서는 상기 윈도우층과 광흡수층 사이에, 상기 층간 밴드갭 에너지 차이와 격자상수 차이를 완충하는 버퍼층을 형성하는 단계를 더 추가할 수도 있다.In the present invention, a step of forming a buffer layer between the window layer and the light absorbing layer to buffer the difference between the interlayer bandgap energy and the lattice constant may be further added.
본 발명에서 상기 윈도우층과 광흡수층은 상기 투명기판을 기준으로 대응되는 층의 물질이 동일하게 형성될 수 있다.In the present invention, the window layer and the light absorbing layer may be formed of the same material as the layer corresponding to the transparent substrate.
또한, 상기 윈도우층은, 산화아연, 산화갈륨, 산화알루미늄, 산화인듐, 산화납, 산화구리, 산화티탄, 산화주석, 산화철, 인듐주석산화물, 이들 금속산화물을 p형 또는 n형 불순물로 도핑한 금속산화물 중에서 선택된 금속 산화물로 형성된 층을 적어도 하나 이상 적층하여 형성한다.The window layer may be formed by doping zinc oxide, gallium oxide, aluminum oxide, indium oxide, lead oxide, copper oxide, titanium oxide, tin oxide, iron oxide, indium tin oxide, and these metal oxides with p-type or n-type impurities. It is formed by laminating at least one layer formed of a metal oxide selected from metal oxides.
상기 광흡수층은, Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 화합물 반도체, Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 및 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 화합물 반도체로 형성된 층을 적어도 하나 이상 적층하여 형성한다.The light absorption layer is formed by stacking at least one layer formed of a compound semiconductor selected from the group consisting of a group I-III-VI compound semiconductor, a group II-VI compound semiconductor, and a group III-V compound semiconductor.
본 발명에서 상기 배면전극은 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu), 니켈(Ni) 중에서 선택된 1종 이상의 금속막을 사용할 수 있다.In the present invention, the back electrode may use at least one metal film selected from molybdenum (Mo), aluminum (Al), silver (Ag), gold (Au), platinum (Pt), copper (Cu), and nickel (Ni). have.
본 발명에서 상기 윈도우층, 배면전극, 및 그리드전극의 형성방법은 특별히 제한되지 않으며 당업자라면 알 수 있는 공지의 방법이면 족할 것이지만, 특히 스퍼터법, 증발법, 전자빔 증발법, 유기금속화학기상증착(MOCVD)법, 졸겔법, 열분해 법, 스프레이 열분해법 등의 방법으로 형성될 수 있다.The method of forming the window layer, the back electrode, and the grid electrode in the present invention is not particularly limited and may be any known method known to those skilled in the art, but in particular, a sputtering method, an evaporation method, an electron beam evaporation method, and an organometallic chemical vapor deposition method ( MOCVD), sol-gel method, pyrolysis method, spray pyrolysis method and the like.
본 발명에서 상기 광흡수층의 형성방법은 특별히 제한되지 않으며 당업자라면 알 수 있는 공지의 방법이면 족할 것이지만, 특히 스퍼터법, 증발법, 진공증착법, 셀렌화(Selenization)법, 전착(electrodeposition)법, 스크린프린팅법, 근접승화법, 유기금속화학기상증착(MOCVD)법 중에서 선택되는 것이 바람직할 것이다.In the present invention, the method of forming the light absorbing layer is not particularly limited and may be any known method known to those skilled in the art, but in particular, a sputtering method, an evaporation method, a vacuum deposition method, a selenization method, an electrodeposition method, and a screen It may be preferred to be selected from the printing method, proximity sublimation method and organometallic chemical vapor deposition (MOCVD) method.
본 발명의 특징은 기판을 중심으로 상부와 하부에 적어도 하나 이상의 태양전지층을 형성하는 탠덤형 구조의 태양전지를 제안하며, CIGS 박막과 같은 화합물 반도체로 태양전지층을 형성하고 이를 탠덤 구조로 제작함으로써, 고효율의 화합물 태양전지를 구현하고자 한 것이다.A feature of the present invention proposes a tandem type solar cell that forms at least one solar cell layer on the top and bottom of a substrate, and forms a solar cell layer with a compound semiconductor such as CIGS thin film and fabricates it in a tandem structure. By doing so, a high efficiency compound solar cell is intended.
또한 본 발명에서, CIGS 박막을 윈도우층보다 나중에 형성하는 superstrate 타입으로 적층하여 encapsulation 과정을 거치지 않고도 용이하게 적층하는 태양전지 제조방법을 제안하였는데, 이 경우 substrate 타입에 비하여 낮은 광전 변환 효율의 문제는 탠덤 구조를 도입하여 개선하고자 한 것이다.In addition, in the present invention, a solar cell manufacturing method of stacking CIGS thin films in a superstrate type formed later than a window layer and easily laminating them without going through an encapsulation process has been proposed. In this case, the problem of low photoelectric conversion efficiency compared to the substrate type is tandem. It is to improve the structure by introducing.
본 발명은 반사형 배면전극을 이용하여 투명 기판이 사용된 태양전지 제작에 관한 것이다. 특히 유리기판을 시작재료로 사용해 탠덤(Tandem) 구조를 형성하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a solar cell fabrication using a transparent substrate using a reflective back electrode. In particular, the present invention relates to a method of forming a tandem structure using a glass substrate as a starting material.
본 발명은 CIGS, CIS 등의 화합물 반도체를 이용한 광흡수층과 산화아연(ZnO)을 포함한 윈도우층을 포함하는 박막 화합물 태양전지의 제작에 적용될 수 있다.The present invention can be applied to the fabrication of a thin film compound solar cell including a light absorption layer using a compound semiconductor such as CIGS, CIS, and a window layer including zinc oxide (ZnO).
본 발명은 알루미늄이 도핑된 산화아연(ZnO:Al)을 유리기판 위아래에 증착한 다음 도핑하지 않은 산화아연(i-ZnO) 및 CIGS막을 역시 위아래에 형성하여 대칭적 구조의 태양전지층을 형성하는 데 특징이 있다.In the present invention, zinc-doped zinc oxide (ZnO: Al) is deposited on and under a glass substrate, and then undoped zinc oxide (i-ZnO) and CIGS films are also formed on and below to form a symmetrical solar cell layer. There is a characteristic.
본 발명은 배변전극을 먼저 형성한 경우가 아닌 윈도우층을 먼저 형성함으로써 탠덤 구조의 제작을 용이하게 해준다. The present invention facilitates the fabrication of the tandem structure by forming the window layer first rather than the case where the deflection electrode is formed first.
이러한 본 발명의 기술은 2층 구조가 아닌 3층 이상의 태양전지 구조에서도 쉽게 응용될 수 있다.Such a technique of the present invention can be easily applied to a solar cell structure of three or more layers instead of a two-layer structure.
본 발명은 CIGS 태양전지 제작시 반사형 배면 전극을 활용하는 것이며 이 방법은 다른 태양전지에도 사용될 수 있다. The present invention utilizes a reflective back electrode when manufacturing a CIGS solar cell, and this method can be used for other solar cells.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 박막형 화합물 반도체 태양전지에 있어서 superstrate 타입으로 적층된 복수 개의 태양전지층의 탠덤 구조를 이용하여 광전변환효율을 향상시키는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, the thin film compound semiconductor solar cell has an effect of improving photoelectric conversion efficiency by using a tandem structure of a plurality of solar cell layers stacked in a superstrate type.
또한 특히 산화아연과 CIGS 박막, 반사형 배면전극, 반사방지막 등을 이용하여 흡수된 광의 손실을 막으면서도 효율이 향상된 CIGS 태양전지를 얻을 수 있다.In particular, CIGS solar cells with improved efficiency can be obtained while preventing the loss of absorbed light using zinc oxide, CIGS thin film, reflective back electrode, and anti-reflection film.
그리고, superstrate 타입과 탠덤형으로 적층하는 공정을 통해 별도의 복잡한 공정을 추가하지 않고서도 간편하게 구조적, 공정적 측면으로 광전변환효율을 개선시킬 수 있는 태양전지의 제조방법을 제공할 수 있어 생산비용이 낮아지는 경제적 가치 창출의 효과가 있다.In addition, through the superstrate type and tandem type lamination process, it is possible to provide a manufacturing method of a solar cell that can easily improve photoelectric conversion efficiency in terms of structure and process without adding a complicated process. There is an effect of creating a lower economic value.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.In the drawings, the same reference numerals are used to designate the same or similar components, and the same reference numerals will be used to designate the same or similar components. Detailed descriptions of known functions and configurations are omitted.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 완성된 탠덤형 박막 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.2 and 3 are cross-sectional views showing the structure of the completed tandem thin film solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면 유리로 대표되는 투명기판(200)을 중심으로 상부 및 하부에 하나의 태양전지층이 적층된 구조임을 알 수 있다.Referring to FIG. 2, it can be seen that one solar cell layer is stacked above and below the transparent substrate 200 represented by glass.
상기 태양전지층의 일면 중 입사광이 들어오는 쪽의 반대편에 배면전극(220)이 형성되고, 입사광이 들어오는 쪽의 태양전지층 일면에 투명산화물전극층(210)과 반사방지막(230)이 형성되어 있다. 반사방지막(230)과 함께 그리드 전극(240)이 구성된다.The back electrode 220 is formed on the opposite side of the solar cell layer to the incident light, and the transparent oxide electrode layer 210 and the anti-reflection film 230 are formed on the solar cell layer on the side of the solar cell. The grid electrode 240 is formed together with the anti-reflection film 230.
상기 투명기판(200)의 재질로는 일반적으로 유리가 사용되고 있다. 그 밖에 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸, Cu tape 같은 금속 기판, 폴리머 등도 사용이 가능하다. 유리기판으로 값싼 소다회 유리(sodalime glass)를 사용한다. 미국 NREL이 기록한 19.2%의 변환효율도 소다회 유리를 기판으로 사용한 것이 다. 그 밖에 Polyimide와 같은 유연성 있는 고분자 재질이나 스테인레스 박판 등도 기판으로 사용될 수 있다.Glass is generally used as a material of the transparent substrate 200. In addition, ceramic substrates such as alumina, stainless steel, metal substrates such as Cu tape, and polymers can be used. Cheap sodaime glass is used as the glass substrate. The conversion efficiency of 19.2%, recorded by the US NREL, also uses soda ash glass as a substrate. In addition, flexible polymer materials such as polyimide or stainless steel sheets may be used as the substrate.
태양전지층은 투명기판(200)과 인접하여 윈도우층(204,205)이 형성되어 있고, 상기 윈도우층과 인접하여 광흡수층(202)이 형성됨으로서 구성된다.The solar cell layer is formed by forming window layers 204 and 205 adjacent to the transparent substrate 200 and forming a light absorption layer 202 adjacent to the window layer.
상기 태양전지층은 복수 개로 형성될 수 있다.The solar cell layer may be formed in plural.
태양전지층을 구성하는 윈도우층과 광흡수층 역시 복수 개의 층으로 형성될 수 있다.The window layer and the light absorbing layer constituting the solar cell layer may also be formed of a plurality of layers.
본 발명의 일 실시예에서는 광흡수층(202)으로는 화합물 반도체 중에서 CIS 또는 CIGS 등의 I-III-VI족 반도체가 사용된다.In the exemplary embodiment of the present invention, the light absorbing layer 202 is a group I-III-VI semiconductor such as CIS or CIGS.
또한, 윈도우층으로는 금속 산화물이 사용될 수 있는데, 특히 산화아연, 이산화주석, 산화티탄 등이 사용된다. 일 실시예로서 투명기판 위에 알루미늄이 도핑된 산화아연(ZnO:Al)층(204)이 적층되고, 그 위에 도핑되지 않은 산화아연(ZnO)층(205)이 적층될 수 있다.In addition, a metal oxide may be used as the window layer, in particular zinc oxide, tin dioxide, titanium oxide, or the like. In one embodiment, a zinc oxide (ZnO: Al) layer 204 doped with aluminum may be stacked on a transparent substrate, and an undoped zinc oxide (ZnO) layer 205 may be stacked thereon.
도 2의 태양전지 구조를 참조하여 알 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 투명기판을 중심으로 상하에 태양전지층을 형성한 탠덤형 구조이고 투명기판과 인접하여 산화아연의 윈도우층이 먼저 구비되고 그 후에 CIGS 박막이 구비된 superstrate 타입이다.As can be seen with reference to the solar cell structure of Figure 2, the solar cell according to an embodiment of the present invention is a tandem-type structure in which a solar cell layer is formed above and below the center of the transparent substrate and the window of zinc oxide adjacent to the transparent substrate The layer is first and then superstrate type with CIGS thin film.
따라서, CIGS 박막 위에 버퍼층이나 윈도우층이 구비되는 substrate 타입에 비하여 광전변환효율이 낮은 문제를 탠덤 구조를 통해 해결할 수 있는 구조이다.Therefore, the photoelectric conversion efficiency is lower than that of the substrate type in which the buffer layer or the window layer is provided on the CIGS thin film.
또한 본 발명의 일 실시예의 태양전지는 CIGS/ZnO형 태양전지를 탠덤 구조 및 반사율이 높은 배면 전극을 이용하여 태양전지의 효율을 높이는 것이므로 입사광의 방향과 반대편의 태양전지층의 일면에 배면전극을 포함하고 있다.In addition, since the solar cell of the embodiment of the present invention increases the efficiency of the solar cell by using a CIGS / ZnO type solar cell using a tandem structure and a high reflectance back electrode, a rear electrode is formed on one surface of the solar cell layer opposite to the direction of incident light. It is included.
배면전극(220)은 니켈(Ni), 구리(Cu) 등을 사용하여 시도된 바가 있으나 몰리브덴(Mo)이 가장 광범위하게 사용된다. 이는 Mo이 가진 높은 전기전도도, CIGS에의 오믹 접합, Se 분위기 하에서의 고온 안정성 때문이다. Mo 박막(202)의 제조는 DC 스퍼터링 가장 널리 이용되고 있다. Mo 박막(220)은 전극으로서 비저항이 낮아야 하고 또한 열팽창계수의 차이로 인하여 박리현상이 일어나지 않도록 유리기판에의 점착성이 뛰어나야 한다. Mo은 스퍼터링법이나 증발법으로 증착될 수 있다. 두께는 수백 나노미터 이상이 되도록 하는 것이 바람직하다.The back electrode 220 has been attempted using nickel (Ni), copper (Cu), etc., but molybdenum (Mo) is most widely used. This is because of high electrical conductivity of Mo, ohmic bonding to CIGS, and high temperature stability under Se atmosphere. The manufacture of the Mo thin film 202 is the most widely used DC sputtering. The Mo thin film 220 should have a low specific resistance as an electrode and excellent adhesion to a glass substrate so that peeling does not occur due to a difference in thermal expansion coefficient. Mo may be deposited by sputtering or evaporation. Preferably, the thickness is at least several hundred nanometers.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 구조를 나타낸 도 2를 참조하면 태양광이 입사되었을 때 최하부에 형성된 배면전극(220)이 반사기능을 수행하여 입사광의 손실을 차단할 수 있음을 알 수 있다.Referring to Figure 2 showing the structure of the solar cell according to an embodiment of the present invention it can be seen that the back electrode 220 formed at the bottom when the sunlight is incident can perform a reflection function to block the loss of incident light. .
본 발명의 다른 실시예에 의한 탠덤형 박막 태양전지는 도 3에 제시하였는데, 도 3의 태양전지는 도 2의 구조와 유사하되, 윈도우층(204,205)과 광흡수층(202) 사이에 버퍼층(250)을 포함한 구조이다.A tandem thin film solar cell according to another embodiment of the present invention is shown in FIG. 3, but the solar cell of FIG. 3 is similar to the structure of FIG. 2, but includes a buffer layer 250 between the window layers 204 and 205 and the light absorption layer 202. ) Structure.
상기 버퍼층은 윈도우층과 광흡수층의 밴드갭 에너지와 격자상수의 차이를 완화하는 기능을 수행한다.The buffer layer functions to alleviate the difference between the band gap energy and the lattice constant of the window layer and the light absorbing layer.
특히 광흡수층으로 사용되는 CIGS 박막과 윈도우층으로 사용되는 ZnO 사이의 밴드갭 차이와 격자 상수차이가 크므로 황화카드뮴(CdS)을 약 50 nm정도로 증착하여 버퍼층으로 사용할 수 있다.In particular, since the band gap difference and lattice constant difference between the CIGS thin film used as the light absorption layer and ZnO used as the window layer is large, cadmium sulfide (CdS) may be deposited to about 50 nm to be used as a buffer layer.
이 경우 CdS 이외에 ZnS, In2O3등 다른 버퍼 재료도 사용 가능하다. In this case, other buffer materials such as ZnS and In 2 O 3 may be used in addition to CdS.
이때 CIGS 형성시와 그 이후에 (예: Selenization) 높은 온도에서의 열처리 조건이 요구될 수 있는데, p-n계면 및 버퍼층이 손상되지 않는 조건을 고려해야 한다.At this time, heat treatment conditions at high temperatures may be required during and after CIGS formation (eg, Selenization). Consideration should be given to conditions in which the p-n interface and the buffer layer are not damaged.
예를 들어 ZnS을 버퍼층으로 증착한 후 열처리를 하면 아연(Zn)이 확산하여 ZnS에 가까운 CIGS 영역은 Zn가 도핑에 의해 n-type이 되므로 CIGS가 p-n homojunction을 이루어 그 효율은 향상된다고 알려져 있으므로 이를 이용할 수도 있다. 또한, ZnS의 경우 S 원자에 의한 Sulfur passivation도 기대할 수 있다.For example, when ZnS is deposited as a buffer layer and subjected to heat treatment, zinc (Zn) diffuses and the CIGS region close to ZnS is known to have a pn homojunction, which improves its efficiency since Zn becomes n-type by doping. It can also be used. In the case of ZnS, sulfur passivation by S atoms can also be expected.
본 발명의 태양전지에서의 광흡수층으로 이용될 수 있는 CIGS 박막 형성에 있어서 나트륨(Na)은 효율 향상을 위해 중요한 역할을 한다고 알려져 있다. In forming a CIGS thin film that can be used as a light absorption layer in the solar cell of the present invention, sodium (Na) is known to play an important role for improving efficiency.
그래서, 기존 방법에서는 Soda Lime Glass가 일반적으로 높은 효율을 보이는 데, 본 발명의 일 실시예에 의한 구조에서는 CIGS가 나중에 형성되므로 CIGS막 형성 전 혹은 후에 Na을 공급하기 위해 NaF 등을 형성하여 Na이 CIGS 안으로 확산해 들어가 막질의 특성을 향상시키게 할 수 있다.Thus, in the conventional method, Soda Lime Glass generally shows high efficiency. In the structure according to one embodiment of the present invention, since CIGS is formed later, NaF or the like is formed to supply Na before or after CIGS film formation, thereby forming Na It can diffuse into CIGS and improve the quality of the membrane.
상기와 같은 태양전지의 구조와 방법은 CIGS 태양전지 이외의 다른 태양전지에서도 그 효율을 높이는 데 이용될 수 있다. The structure and method of the solar cell as described above can be used to increase the efficiency in other solar cells other than CIGS solar cells.
도 a 내지 도 4i는 본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤형 박막 CIGS 태양전지의 제조순서를 나타낸다.Figures a to 4i show a manufacturing sequence of a tandem thin film CIGS solar cell according to an embodiment of the present invention.
본 발명에 의한 탠덤형 CIGS 박막 태양전지의 제작 순서는 다음과 같다.The fabrication procedure of the tandem CIGS thin film solar cell according to the present invention is as follows.
투명 기판(200) 위에 ZnO:Al막(204)을 증착한다. (도 4a)A ZnO: Al film 204 is deposited on the transparent substrate 200. (Fig. 4A)
기판은 유리, 플라스틱, 등 투명 기판이 사용될 수 있고 ZnO:Al은 스퍼터(sputter)법으로 증착될 수 있다. 두께는 수백 나노미터 이상이 되도록 한다.The substrate may be glass, plastic, or the like, and a transparent substrate may be used, and ZnO: Al may be deposited by a sputtering method. The thickness should be hundreds of nanometers or more.
같은 방법으로 기판 아래에 ZnO:Al막(204)을 증착한다. (도 4b)In the same manner, a ZnO: Al film 204 is deposited under the substrate. (Figure 4b)
여기서 증착된 위아래의 ZnO:Al층은 빛을 흡수하는 윈도우층으로 작용함과 동시에 투명 전극으로 작용할 수 있다.Here, the deposited ZnO: Al layer above and below may act as a window layer for absorbing light and at the same time serve as a transparent electrode.
기판 상부에 적층된 ZnO:Al층(204) 위에 i-ZnO막(205)을 증착한다. (도 4c)An i-ZnO film 205 is deposited on the ZnO: Al layer 204 stacked on the substrate. (Figure 4c)
도핑이 안된 ZnO막을 증착하는 것이다. 이또한 스퍼터(Sputter)법을 이용할 수 있으며 그 두께는 수십 나노미터가 되게 한다.It is to deposit an undoped ZnO film. The sputter method can also be used and its thickness is several tens of nanometers.
같은 방법으로 기판 하부에 적층된 ZnO:Al층(204) 하부면에 i-ZnO막(205)을 증착한다. (도 4d)In the same manner, an i-ZnO film 205 is deposited on the lower surface of the ZnO: Al layer 204 stacked below the substrate. (Figure 4d)
여기서 ZnO:Al이나 i-ZnO는 Sputter법 이외에 졸겔(sol-gel)법이나 열분해법 또는 스프레이 열분해법(Spray Pyrolysis) 등이 이용될 수 있다. Here, in addition to the sputter method, ZnO: Al or i-ZnO may use a sol-gel method, a pyrolysis method, or a spray pyrolysis method.
기판 상부층에서, i-ZnO막(205) 위에 CIGS막(202)을 증착한다. (도 4e)In the substrate upper layer, a CIGS film 202 is deposited over the i-ZnO film 205. (Fig. 4E)
CIGS막은 출발원소로 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄 네 개의 금속원소를 사용한 동시증발법이나 나노입자를 이용하여 스크린 프린팅법 등으로 증착할 수 있다. 두께는 대략 1~3 마이크로미터 정도로 한다. CIGS film can be deposited by co-evaporation method using four metal elements of copper, indium, gallium, selenium as a starting element, or by screen printing method using nanoparticles. The thickness should be approximately 1 to 3 micrometers.
CuInSe2는 에너지 밴드갭이 1.04eV정도로 단락전류는 높으나 개방전압이 낮 아 효율이 낮으므로 Ga의 첨가량을 조절하여 밴드갭 에너지를 적절히 조절하여 최적의 효율이 되는 조건을 찾는다.CuInSe 2 has an energy bandgap of about 1.04eV, high short-circuit current but low open-circuit efficiency, and low efficiency. Therefore, the conditions for optimum efficiency can be found by controlling the amount of Ga to be appropriately adjusted.
같은 방법으로 기판 하부층에서 i-ZnO막(205) 하부면에 CIGS막(202)을 증착한다. (도 4f)In the same manner, the CIGS film 202 is deposited on the bottom surface of the i-ZnO film 205 in the substrate lower layer. (Figure 4f)
기존 탠덤형 구조에서처럼, 기판의 상부층에 형성된 CIGS막은 밴드갭 에너지 값을 기판 하부층에 형성된 CIGS막보다 조금 더 높게 하여 긴 파장대의 빛이 아래층으로 잘 투과하도록 하여 효율을 높일 수 있다.As in the conventional tandem type structure, the CIGS film formed on the upper layer of the substrate has a higher bandgap energy value than the CIGS film formed on the lower layer of the substrate so that light of a long wavelength band can be transmitted to the lower layer to increase efficiency.
예를 들면 상부 태양전지층의 CIGS 막의 밴드갭 에너지는 1.6 eV, 하부 태양전지층의 CIGS 막의 밴드갭 에너지는 1.2 eV로 조절할 수 있을 것이다.For example, the bandgap energy of the CIGS film of the upper solar cell layer may be adjusted to 1.6 eV and the bandgap energy of the CIGS film of the lower solar cell layer to 1.2 eV.
기판 위층의 상부 태양전지층의 위에 투명산화물전극막(210)을 증착한다. (도 4g)The transparent oxide electrode layer 210 is deposited on the upper solar cell layer above the substrate. (Figure 4g)
투명산화물전극막(210) ITO, ZnO:Al, ZnO:B, SnO2등이 될 수 있으며 스퍼터(sputter)법으로 증착이 가능하며 그 두께는 수백 나노미터 정도로 한다. The transparent oxide electrode 210 may be ITO, ZnO: Al, ZnO: B, SnO2, or the like, and may be deposited by a sputter method, and the thickness thereof may be about several hundred nanometers.
대부분의 TCO는 n-type을 형성하므로 아래의 p-type CIGS에 대하여 접촉저항이 높아질 수 있다. 따라서 p-type TCO인 ZnO:N, ZnO:Ga등을 사용하여 접촉저항을 향상시키고 그 효율도 증가시킬 수 있다.Since most TCO forms n-type, contact resistance can be increased for the following p-type CIGS. Therefore, by using p-type TCO ZnO: N, ZnO: Ga and the like can improve the contact resistance and increase the efficiency.
기판 아래층의 하부 태양전지층과 하부면에 반사형 배면전극(220)막을 증착한다. (도 4h)A reflective back electrode 220 film is deposited on the lower solar cell layer and the lower surface of the lower substrate. (FIG. 4H)
반사형 배면 전극막으로 Al, Ag, Mo이 높은 반사율을 가지므로 고려될 수 있다.As the reflective back electrode film, Al, Ag, and Mo have high reflectances, and thus may be considered.
Sputter법, 증발법 등으로 증착이 가능하며 그 두께는 수백 나노미터로 한다.It can be deposited by the sputter method, the evaporation method, etc., and its thickness is several hundred nanometers.
이 때 고려되어야 할 사항으로 CIGs막은 일반적으로 p-type이므로 일함수가 낮은 Al이나 Ag과 좋은 오믹 컨택을 형성하지 않으므로 배면전극막을 증착하기 전 수십 나노미터의 투명산화물전극(TCO)막을 증착하여 오믹 컨택 특성을 향상시킬 수 있다.In this case, since CIGs film is generally p-type, it does not form good ohmic contact with Al or Ag with low work function. Therefore, before depositing back electrode film, several tens of nanometer transparent oxide electrode (TCO) film is deposited before Contact characteristics can be improved.
상기 공정을 통해 제조된 태양전지의 최상부에 반사방지막(230) 및 그리드 전극(240)을 형성한다. (도 4i)The anti-reflection film 230 and the grid electrode 240 are formed on the top of the solar cell manufactured by the above process. (FIG. 4i)
반사방지막(230)으로 MgF2가 사용될 수 있으며 전자빔 증발법으로 증착할 수 있으며 두께는 대략 100 nm정도로 한다. 그리드 전극(240)은 Al이나 Ni/Al을 이용하여 형성한다. 이때 Al의 두께는 1 마이크로미터 이상으로 하며 Ni은 대략 수십 나노미터로 한다.MgF 2 may be used as the anti-reflection film 230 and may be deposited by electron beam evaporation, and the thickness may be about 100 nm. The grid electrode 240 is formed using Al or Ni / Al. At this time, the thickness of Al is 1 micrometer or more and Ni is approximately tens of nanometers.
상기 공정에 있어서, 윈도우층과 광흡수층 CIGS 막을 칭하여 태양전지층으로 정의하였다. 또한 기판을 중심으로 위쪽에 형성된 태양전지층은 상부 태양전지층으로, 아래쪽에 형성된 태양전지층은 하부 태양전지층으로 칭하였다.In the above process, the window layer and the light absorbing layer CIGS film were referred to as a solar cell layer. In addition, the solar cell layer formed on the upper surface of the substrate was referred to as the upper solar cell layer, and the solar cell layer formed on the lower side was referred to as the lower solar cell layer.
이들 태양전지층은 적어도 하나 이상 형성될 수 있으며, 공정 순서가 반드시 상기한 순서에 한정되는 것은 아니다. At least one of these solar cell layers may be formed, and the process order is not necessarily limited to the above order.
공정의 마지막으로 레이저 절단기를 이용한 레이저스크라이빙법(Laser scribing) 또는 다이싱쏘우(Dicing saw) 등을 이용한 기계적 절단법(mechanical scribing)으로 태양전지 셀을 분리해 태양전지를 제조한다. Finally, solar cells are manufactured by separating solar cells by mechanical scribing using a laser scribing method or a dicing saw using a laser cutting machine.
이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 범위에 속한다. 또한, 본 명세서에서 설명한 각 구성요소는 이와 실질적으로 동일한 다양한 구성으로 대체할 수 있다. 또한 당업자는 본 명세서에서 설명된 구성요소 중 일부를 성능의 열화 없이 생략하거나 성능을 개선하기 위해 구성요소를 추가할 수 있다. 뿐만 아니라, 당업자는 공정 환경이나 장비에 따라 본 명세서에서 설명한 방법 단계의 순서를 변경할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.The present invention has been described above in connection with specific embodiments of the present invention, but this is only an example and the present invention is not limited thereto. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. In addition, each of the components described in this specification can be replaced with various configurations substantially identical to those described above. Those skilled in the art will also appreciate that some of the components described herein can be omitted without degrading performance or adding components to improve performance. In addition, those skilled in the art may change the order of the method steps described herein depending on the process environment or equipment. Therefore, the scope of the present invention should be determined by the appended claims and equivalents thereof, not by the embodiments described.
도 1은 종래의 일 실시예에 따른 CIGS 태양전지의 구조를 나타낸 단면도.1 is a cross-sectional view showing the structure of a CIGS solar cell according to a conventional embodiment.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤형 박막 CIGS 태양전지의 구조를 나타낸 단면도.2 and 3 are cross-sectional views showing the structure of a tandem thin film CIGS solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 4a 내지 도 4i는 본 발명의 일 실시예에 따른 탠덤형 박막 CIGS 태양전지의 제조순서를 나타낸 단면도.4A to 4I are cross-sectional views illustrating a manufacturing procedure of a tandem thin film CIGS solar cell according to an embodiment of the present invention.
{도면의 주요부분에 대한 부호의 설명}DESCRIPTION OF THE REFERENCE NUMERALS OF THE DRAWINGS FIG.
100,200 : 투명기판 101,220 : 배면전극(Mo)100,200: transparent substrate 101,220: back electrode (Mo)
102,202 : 광흡수층(CIGS) 103,250 : 버퍼층102,202: light absorption layer (CIGS) 103,250: buffer layer
104,204,205 : 윈도우층 210 : 투명산화물전극층(TCO)104, 204, 205: window layer 210: transparent oxide electrode layer (TCO)
230 : 반사방지막 240 : 그리드전극230: antireflection film 240: grid electrode

Claims (18)

  1. 투명기판; Transparent substrate;
    상기 투명기판의 상부에 형성되는 제1 윈도우층; A first window layer formed on the transparent substrate;
    상기 제1 윈도우층 위에 형성되는 제1 광흡수층; A first light absorbing layer formed on the first window layer;
    상기 제1 광 흡수층 위에 형성되는 투명산화물전극층; A transparent oxide electrode layer formed on the first light absorbing layer;
    상기 투명기판의 하부에 형성되는 제2 윈도우층;A second window layer formed under the transparent substrate;
    상기 제2 윈도우층 위에 형성되는 제2 광흡수층; 및 A second light absorbing layer formed on the second window layer; And
    상기 제2 윈도우층 위에 형성되는 배면전극A back electrode formed on the second window layer
    을 포함하고, / RTI >
    상기 제1 윈도우층의 구성물질과 상기 제2 윈도우층의 구성물질이 서로 동일하고, The material of the first window layer and the material of the second window layer are the same,
    상기 제1 및 제2 윈도우층 각각은, 상기 투명기판에 인접하여 형성되며 불순물이 도핑된 산화아연층 및 상기 도핑된 산화아연층 위에 형성되는 도핑되지 않은 산화아연층을 포함하고, Each of the first and second window layers comprises a zinc oxide layer doped with impurities and an undoped zinc oxide layer formed on the doped zinc oxide layer,
    상기 제1 광흡수층의 구성물질과 상기 제2 광흡수층의 구성물질이 서로 동일한 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지. The tandem thin film solar cell of claim 1, wherein the material of the first light absorbing layer and the material of the second light absorbing layer are the same.
  2. 삭제delete
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광흡수층은,The method of claim 1, wherein the first and second light absorption layer,
    Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 화합물 반도체, Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 중에서 선택되는 화합물 반도체로 형성된 적어도 하나 이상의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지.A tandem thin film solar cell comprising at least one layer formed of a compound semiconductor selected from group I-III-VI compound semiconductors, group II-VI compound semiconductors, and group III-V compound semiconductors.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 도핑된 산화아연층의 상기 불순물이 알루미늄인 탠덤형 박막 태양전지. The tandem thin film solar cell of claim 1, wherein the impurity of the doped zinc oxide layer is aluminum.
  5. 삭제delete
  6. 삭제delete
  7. 제 1항에 있어서, The method according to claim 1,
    상기 투명산화물전극층 위에 반사방지막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지.Tandem type thin film solar cell further comprises an anti-reflection film on the transparent oxide electrode layer.
  8. 제 1항에 있어서,The method according to claim 1,
    상기 제1 윈도우층과 제1 광흡수층 사이 및 상기 제2 윈도우층과 상기 제2 광흡수층 사이 중 적어도 하나에 층간 밴드갭 에너지 차이와 격자상수 차이를 완화하는 버퍼층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지.And at least one buffer layer between the first window layer and the first light absorbing layer and between the second window layer and the second light absorbing layer to mitigate the interlayer band gap energy difference and lattice constant difference. Type thin film solar cell.
  9. 투명기판의 상부에 제1 윈도우층을 형성하고 상기 투명기판의 하부에 제2 윈도우층을 형성하는 단계; Forming a first window layer on an upper portion of the transparent substrate and forming a second window layer on the lower portion of the transparent substrate;
    상기 제1 윈도우층 위에 제1 광흡수층을 형성하고 상기 제2 윈도우층 위에 제2 광흡수층을 형성하는 단계; Forming a first light absorbing layer on the first window layer and forming a second light absorbing layer on the second window layer;
    상기 제1 광흡수층 위에 투명산화물전극층을 형성하는 단계; 및Forming a transparent oxide electrode layer on the first light absorption layer; And
    상기 제2 광흡수층 위에 배면전극을 형성하고 상기 투명산화물전극층 위에 그리드전극을 형성하는 단계Forming a back electrode on the second light absorption layer and forming a grid electrode on the transparent oxide electrode layer
    를 포함하며, / RTI >
    상기 제1 및 제2 윈도우층 각각은, 상기 투명기판에 인접하여 형성되며 불순물이 도핑된 산화아연층 및 상기 도핑된 산화아연층 위에 형성되는 도핑되지 않은 산화아연층을 포함하고, Each of the first and second window layers comprises a zinc oxide layer doped with impurities and an undoped zinc oxide layer formed on the doped zinc oxide layer,
    상기 제1 광흡수층의 구성물질과 상기 제2 광흡수층의 구성물질이 동일한 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지의 제조방법. The method of manufacturing a tandem thin film solar cell, wherein the material of the first light absorbing layer and the material of the second light absorbing layer are the same.
  10. 삭제delete
  11. 삭제delete
  12. 제 9항에 있어서,10. The method of claim 9,
    상기 제1 윈도우층과 상기 제1 광흡수층 사이 및 상기 제2 윈도우층과 상기 제2 광흡수층 사이 중 적어도 하나에 층간 밴드갭 에너지 차이와 격자상수 차이를 완화하는 버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지의 제조방법.Forming a buffer layer that mitigates the interlayer bandgap energy difference and lattice constant difference between at least one of the first window layer and the first light absorbing layer and between the second window layer and the second light absorbing layer. Method for producing a tandem thin film solar cell, characterized in that.
  13. 삭제delete
  14. 삭제delete
  15. 제 9항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광흡수층은,The method of claim 9, wherein the first and second light absorption layer,
    Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 화합물 반도체, Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 및 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 화합물 반도체로 형성된 층을 적어도 하나 이상 적층하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지의 제조방법.Fabrication of tandem thin film solar cell characterized in that at least one layer formed of a compound semiconductor selected from the group consisting of group I-III-VI compound semiconductor, group II-VI compound semiconductor and group III-V compound semiconductor Way.
  16. 제 9항에 있어서,10. The method of claim 9,
    상기 배면전극은 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu), 니켈(Ni) 중에서 선택된 1종 이상의 금속막을 사용하는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지의 제조방법.The back electrode may be formed of at least one metal film selected from molybdenum (Mo), aluminum (Al), silver (Ag), gold (Au), platinum (Pt), copper (Cu), and nickel (Ni). Tandem type thin film solar cell manufacturing method.
  17. 제 9항에 있어서, 상기 제1 및 제2 윈도우층, 상기 배면전극, 및 상기 그리드전극은,The method of claim 9, wherein the first and second window layers, the back electrode, and the grid electrode,
    스퍼터법, 증발법, 전자빔 증발법, 유기금속화학기상증착(MOCVD)법, 졸겔법, 열분해법, 스프레이 열분해법 중에서 선택된 어느 하나 이상의 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지의 제조방법.Method for manufacturing a tandem thin film solar cell, characterized in that formed by at least one method selected from sputtering method, evaporation method, electron beam evaporation method, organometallic chemical vapor deposition (MOCVD) method, sol-gel method, pyrolysis method, spray pyrolysis method .
  18. 제 9항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광흡수층은,The method of claim 9, wherein the first and second light absorption layer,
    스퍼터법, 증발법, 진공증착법, 셀렌화(Selenization)법, 전착(electrodeposition)법, 스크린프린팅법, 근접승화법, 유기금속화학기상증착(MOCVD)법 중에서 선택된 어느 하나 이상의 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 탠덤형 박막 태양전지의 제조방법.It is formed by any one or more methods selected from sputtering method, evaporation method, vacuum deposition method, selenization method, electrodeposition method, screen printing method, near-sublimation method, organometallic chemical vapor deposition (MOCVD) method Method for producing a tandem thin film solar cell.
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