KR101426821B1 - 단일접합 ＣＩＧＳ（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２）박막 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단일접합을 사용하여 제작된 CIGS 광흡수층을 포함하는 단일접합 CIGS 박막 태양전지에 관한 것으로, 기판; 상기 기판 위에 증착된 후면전극; 상기 후면전극 위에 증착되고, P형 CIGS층과 N형 CIGS층을 단일접합시켜 제작된 광흡수층; 및 상기 광흡수층 위에 증착된 반사방지막을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

단일접합 ＣＩＧＳ（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２）박막 태양전지 및 그 제조방법{THIN FILM SOLAR CELL USING SINGLE JUNCTION Cu(In,Ga)Se2 AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 단일접합 CIGS(Cu(In,Ga)Se2) 박막 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 단일접합을 사용하여 제작된 CIGS 광흡수층을 포함하는 단일접합 CIGS 박막 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근, 에너지 및 환경문제로 인하여 태양전지에 대한 관심이 고조되고 있다.
태양전지는 태양광을 흡수하여 전기로 바꾸는 전지를 말하는데, 이러한 태양전지에는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양빛을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지가 있다.
일반적으로 태양전지라 하면 통상 태양광 전지(이하 태양전지라 한다)를 일컫는다.
상기한 기술구성은 본 발명의 이해를 돕기 위한 배경기술로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 종래기술을 의미하는 것은 아니다.
본 발명은 P형 CIGS 반도체층과 N형 CIGS 반도체층을 이용하여 단일접합형 CIGS 광흡수층을 포함하는 단일접합 CIGS 박막 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 P형 CIGS 반도체층과 N형 CIGS 반도체층을 단일접합시킨 광흡수층을 포함함으로써 버퍼층 사용으로 인한 표면 및 계면 오염 문제와 독성 원소 사용문제를 해결하고 성능 개선을 기대할 수 있는 단일접합 CIGS 박막 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 의한 단일접합 CIGS 박막 태양전지는, 기판; 상기 기판 위에 형성된 후면전극; 상기 후면전극 위에 형성되고, CIGS 박막을 이용한 단일접합 다이오드를 포함하는 광흡수층; 및 상기 광흡수층 위에 형성된 반사방지막을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 광흡수층은 상기 후면전극 위에 형성되는 P형 CIGS층; 및 상기 P형 CIGS층위에 단일접합되어 형성되는 N형 CIGS층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 광흡수층과 상기 반사방지막 사이의 상기 N형 CIGS층 위에 형성된 윈도우층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 단일접합 CIGS 박막 태양전지 제조 방법은, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 위에 몰리브덴(Mo)인 후면전극을 스퍼터링법으로 증착하는 단계; 상기 후면전극 위에 동시증발법으로 P형 CIGS층을 증착하는 단계; 상기 P형 CIGS층 위에 N형 CIGS층을 증착하는 단계; 및 상기 N형 CIGS층 위에 MgF2인 반사방지막을 전자빔증발법으로 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 N형 CIGS층은 알칼리 금속과 셀렌화 화합물을 혼합하여 동시증발법으로 증착하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 알칼리 금속은 Na인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 셀렌화 화합물은 Na2Se인 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 P형 CIGS층과 N형 CIGS층을 이용하여 단일접합 광흡수층을 갖는 태양전지를 제공함으로써 버퍼층 사용으로 인한 표면 및 계면 오염 문제와 독성 원소 사용문제를 해결하고 성능 개선을 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일접합 CIGS 박막 태양전지의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단일접합 CIGS 박막 태양전지의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 권리 보호 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일접합 CIGS 박막 태양전지의 구성을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단일접합 CIGS 박막 태양전지의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 단일접합 CIGS 박막 태양전지는 기판(1)과, 기판(1) 위에 증착된 후면전극(2)과, 후면전극(2) 위에 P형 CIGS층(31)과 N형 CIGS층(32)을 단일접합시켜 증착된 광흡수층(3)과, 광흡수층(3) 위에 증착된 반사방지막(4)을 포함한다.
기판(1)으로는 소다회 유리를 사용한다. 물론 알루미나, 석영과 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸, 구리 테이프(Cu tape), Cr steel, Kovar(Ni/Fe alloys), Ti, ferritic steel, Mo 와 같은 금속 기판, Kapton, Upilex, ETH-PI와 같은 폴리머 등을 사용할 수 있다.
후면전극(Back contact; 2)으로는 Mo를 이용한다. 이는 Mo가 가진 높은 전기전도도, CIGS에의 오믹 접합(Ohmic contact), Se 분위기 하에서의 고온 안정성 때문이다.
Mo 박막의 제조는 DC 스퍼터링(sputtering) 방식을 이용한다. Mo 박막은 전극으로서 비저항이 낮아야 하고 또한 열팽창계수의 차이로 인하여 박리현상이 일어나지 않도록 기판(1)에의 점착성이 뛰어나야 한다.
한편, 기판(1)과 후면전극(2) 사이에 불순물 확산 방지막(미도시)을 삽입시켜 구성할 수도 있다.
광흡수층(3)은 P형 CIGS(31)층과 N형 CIGS(32)층을 단일접합시켜 구성한다.
P형 CIGS(31)층은 CuInGaSe2 박막 형성 과정을 통해 제작되고, N형 CIGS(32)층은 알칼리 금속과 셀렌화 화합물을 혼합하여 제작된다.
CuInGaSe2 박막 제조 방법으로는 물리적인 방법인 증발법, 스퍼터링 + 셀렌화, 화학적인 방법인 전기도금 등이 있다. 각 방법에 있어서도 출발물질(금속, 2원 화합물 등)의 종류에 따라 다양한 제조방법이 동원될 수 있다.
본 발명에서는 동시증발법으로서 출발물질로 4개의 금속원소(Cu, In, Ga 및 Se)를 사용한다. 기존의 물리적 및 화학적 박막 제조법과는 달리 Mo 기판 위에 나노크기의 입자(분말, 콜로이드 등)를 합성하고 이를 용매와 혼합하여 스크린프린팅, 반응소결시켜 광흡수층을 제조하는 공정도 가능하다.
N형 CIGS(32)층은 알칼리 금속인 Na과 셀렌화 화합물 Na2Se를 혼합하여 동시증발법으로 증착한다. 물론, 본 발명의 실시예에서는 Na과 Na2Se를 이용하였지만, 유사한 성질을 갖는 알칼리 금속 K, Rb, Cs, Fr 등 IA 족 원소와 NaF, Na2S, Na2Se 등의 형태로도 활용 가능하다.
반사방지막(4)은 MgF2가 사용되는데, 물리적인 박막 제조법으로서 전자빔증발법을 이용한다. 이러한 반사방지막(4)은 태양전지에 입사되는 태양광의 반사 손실을 줄여 약 1% 정도의 태양전지의 효율을 향상시킨다.
그리드 전극(5)은 태양전지 표면에서의 전류를 수집하기 위한 것으로 Al, 또는 Ni/Al 재질을 사용한다.
그리드 전극(5)의 면적만큼은 태양광이 흡수되지 않기 때문에 효율의 손실요인이 되므로 반사방지막(4)의 일측부에 형성시킨다.
한편, 도 2를 참고하면 광흡수층(3)과 반사방지막(4) 사이에 윈도우층(6)을 N형 CIGS(32)층 위에 증착시켜 구성할 수도 있다.
윈도우층(6)은 태양전지의 앞면에 형성되어 투명전극으로서의 기능을 하기 때문에 광투과율이 높아야 하고 전기전도성이 좋아야 한다.
투명전극으로 사용되는 ZnO 박막은 에너지 밴드갭이 약 3.3eV이고, 약 80% 이상의 높은 광투과도를 갖는다. 또한 Al이나 B 등으로 도핑하여 10-4 Ω㎝ 이하의 낮은 저항값을 얻을 수 있다. B을 도핑하기도 하는데, 근적외선 영역의 광투과도가 증가하여 단락전류를 증가시키는 효과가 있다.
ZnO박막은 RF 스퍼터링방법으로 ZnO 타겟을 사용하여 증착하는 방법과, Zn 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링, 그리고 유기금속화학증착법 등을 사용한다.
전기광학적 특성이 뛰어난 ITO 박막을 ZnO 박막 위에 증착한 이중구조를 채택하기도 한다.
종래 기술에 의한 태양전지와 본 발명에 의한 태양전지를 비교하면 다음과 같다.
종래 기술에 의한 태양전지의 광흡수층은 P형 반도체인 CuInGaSe2 박막으로만 구성되어 N형 반도체이면서 윈도우층으로 사용되는 ZnO 박막과 PN접합을 형성한다.
하지만, 두 물질은 격자상수와 에너지밴드갭의 차이가 크기 때문에 양호한 접합을 형성하기 위해 CuInGaSe2 박막과 ZnO 박막사이에 버퍼층이 필요하다.
버퍼층으로는 Cds가 이용되고 있는데, 이러한 Cds의 단점은 우선 Cd 물질 자체가 독성인 점과 또한 여타 단위 박막과는 달리 습식 화학공정을 이용하는 점이다.
따라서, 이종접합으로 인한 제조 공정상의 필연적인 표면 및 계면의 오염으로 인한 유독 물질 사용 및 성능 저하에 대한 문제점을 안고 있다.
본 발명에 의한 태양전지의 광흡수층(3)은 P형 CIGS(31)층과 N형 CIGS(32)층을 하나의 쳄버에서 단일접합시켜 구성하므로, 박막의 품질 향상이 예상되며, 이에 따른 성능 향상이 기대된다. 또한 버퍼층으로 Cds와 같은 독성 물질을 사용하지 않기 때문에 환경 문제를 야기하지 않는다.
이와 같이 본 발명은 P형 CIGS층(31)과 N형 CIGS층(32)을 이용하여 단일접합 광흡수층(3)을 갖는 태양전지를 제공함으로써 버퍼층 사용으로 인한 표면 및 계면 오염 문제와 독성 원소 사용문제를 해결하고 성능 개선을 기대할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
1 : 기판 2 : 후면전극
3 : 광흡수층 4 : 반사방지막
5 : 그리드전극 6 : 윈도우층
31 : P형 CIGS층 32 : N형 CIGS층

Claims (7)

  1. 기판;
    상기 기판 위에 형성된 후면전극;
    상기 후면전극 위에 형성되고, CIGS 박막을 이용한 단일접합 다이오드를 포함하는 광흡수층; 및
    상기 광흡수층 위에 형성된 반사방지막을 포함하되, 상기 광흡수층은 상기 후면전극 위에 형성되는 P형 CIGS층 및 상기 P형 CIGS층위에 단일접합되어 형성되는 N형 CIGS층을 포함하고, 상기 N형 CIGS층은 알칼리 금속과 셀렌화 화합물을 혼합하여 상기 P형 CIGS층 위에 동시증발법으로 증착되는 것을 특징으로 하는 단일접합 CIGS 박막 태양전지.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광흡수층과 상기 반사방지막 사이에 형성된 윈도우층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CIGS 박막 태양전지.
  4. 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판 위에 몰리브덴(Mo)인 후면전극을 스퍼터링법으로 증착하는 단계;
    상기 후면전극 위에 동시증발법으로 P형 CIGS층을 증착하는 단계;
    상기 P형 CIGS층 위에 N형 CIGS층을 증착하는 단계; 및
    상기 N형 CIGS층 위에 MgF2인 반사방지막을 전자빔증발법으로 증착하는 단계를 포함하되, 상기 N형 CIGS층은 알칼리 금속과 셀렌화 화합물을 혼합하여 동시증발법으로 증착하는 것을 특징으로 하는 단일접합 CIGS 박막 태양전지 제조 방법.
  5. 삭제
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 알칼리 금속은 Na인 것을 특징으로 하는 단일접합 CIGS 박막 태양전지 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 셀렌화 화합물은 Na2Se인 것을 특징으로 하는 단일접합 CIGS 박막 태양전지 제조 방법.
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