KR101428147B1 - 태양광 발전장치 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
태양광 발전장치 및 이의 제조방법이 개시된다. 태양광 발전장치는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 후면전극층; 상기 후면전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되는 전면전극층을 포함하고, 상기 광 흡수층은 상기 전면전극층에 가까워질수록 점점 밴드갭 에너지가 커지는 제 1 영역; 상기 제 1 영역 상에 배치되며, 상기 전면전극층에 가까워질수록 점점 밴드갭 에너지가 작아지는 제 2 영역; 상기 제 2 영역 상에 배치되며, 상기 전면전극층에 가까워질수록 점점 밴드갭 에너지가 커지는 제 3 영역; 및 상기 제 3 영역 상에 배치되며, 상기 전면전극층에 가까워질수록 점점 밴드갭 에너지가 작아지는 제 4 영역을 포함한다.
Description
실시예는 태양광 발전장치 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
태양광 발전을 위한 태양전지의 제조방법은 다음과 같다. 먼저, 기판이 제공되고, 상기 기판 상에 후면전극층이 형성되고, 이후, 상기 후면전극층 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 적층되고, 상기 고저항 버퍼층 상에 투명전극층이 형성된다. 상기 투명전극층으로 사용되는 물질의 예로서는 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드 등을 들 수 있다. 상기 투명전극층의 에너지 밴드갭은 약 3.1 내지 3.3 eV 이다.
이와 같은 태양광 발전장치에 있어서, 상기 광 흡수층 내의 밴드갭 에너지를 조절하여, 광 전 변환 효율을 향상시키기 위한 다양한 연구가 진행되고 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 전자 및 정공의 재결합을 줄이고, 향상된 광전 변환 효율을 가지는 태양광 발전장치 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
일 실시예에 따른 태양광 발전장치는 기판, 상기 기판 상에 배치되는 후면전극층, 상기 후면전극층 상에 배치되는 광 흡수층 및 상기 광 흡수층 상에 배치되는 전면전극층을 포함하고, 상기 광 흡수층은 상기 전면전극층에 가까워질수록 밴드갭 에너지가 커지는 제 1 영역, 상기 제 1 영역 상에 배치되며, 상기 전면전극층에 가까워질수록 밴드갭 에너지가 작아지는 제 2 영역, 상기 제 2 영역 상에 배치되며, 상기 전면전극층에 가까워질수록 밴드갭 에너지가 커지는 제 3 영역 및 상기 제 3 영역 상에 배치되며, 상기 전면전극층에 가까워질수록 밴드갭 에너지가 작아지는 제 4 영역을 포함한다.
일 실시예에 따른 태양광 발전장치는 기판, 상기 기판 상에 배치되는 후면전극층, 상기 후면전극층 상에 배치되는 광 흡수층 및 상기 광 흡수층 상에 배치되는 전면전극층을 포함하고, 상기 광 흡수층은 상기 전면전극층에 가까워질수록 컨덕션 밴드가 커지는 제 1 영역, 상기 제 1 영역 상에 배치되며, 상기 전면전극층에 가까워질수록 컨덕션 밴드가 작아지는 제 2 영역, 상기 제 2 영역 상에 배치되며, 상기 전면전극층에 가까워질수록 컨덕션 밴드가 커지는 제 3 영역 및 상기 제 3 영역 상에 배치되며, 상기 전면전극층에 가까워질수록 컨덕션 밴드가 작아지는 제 4 영역을 포함한다.
일 실시예에 따른 태양광 발전장치의 제조방법은 기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계, 상기 후면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계 및 상기 광 흡수층 상에 전면전극층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 광 흡수층은 상기 전면전극층에 가까워질수록 밴드갭 에너지가 커지는 제 1 영역, 상기 제 1 영역 상에 배치되며, 상기 전면전극층에 가까워질수록 밴드갭 에너지가 작아지는 제 2 영역, 상기 제 2 영역 상에 배치되며, 상기 전면전극층에 가까워질수록 밴드갭 에너지가 커지는 제 3 영역 및 상기 제 3 영역 상에 배치되며, 상기 전면전극층에 가까워질수록 밴드갭 에너지가 작아지는 제 4 영역을 포함한다.
실시예에 따른 태양광 발전장치는 상기 제 1 영역, 상기 제 2 영역, 상기 제 3 영역 및 상기 제 4 영역을 사용하여, 상기 광 흡수층의 밴드갭 에너지를 하모닉(harmonic) 형태로 조절할 수 있다.
즉, 상기 제 1 영역 내지 상기 제 4 영역에서의 밴드갭 에너지, 특히, 컨덕션 밴드가 하모닉 형태를 가지기 때문에, 컨덕션 밴드의 최소점에 갇힌 전자들은 필드 내 풀-프렝클 효과에 의해서, 터널링하게 된다. 이에 따라서, 실시예에 따른 태양광 발전장치는 전자들의 재결합(recombination)을 방지할 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 태양광 발전장치는 향상된 광-전 변환 효율을 가질 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 태양광 발전장치를 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1에서 A 부분을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 3은 광 흡수층의 밴드갭 에너지를 도시한 도면이다.
도 4는 광 흡수층 내의 밴드갭 조절 물질의 함량을 도시한 도면이다.
도 5 내지 도 8은 실시예에 따른 태양광 발전장치를 제조하는 과정을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에서 A 부분을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 3은 광 흡수층의 밴드갭 에너지를 도시한 도면이다.
도 4는 광 흡수층 내의 밴드갭 조절 물질의 함량을 도시한 도면이다.
도 5 내지 도 8은 실시예에 따른 태양광 발전장치를 제조하는 과정을 도시한 도면이다.
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 1은 실시예에 따른 태양광 발전장치를 도시한 단면도이다. 도 2는 도 1에서 A 부분을 확대하여 도시한 단면도이다. 도 3은 광 흡수층의 밴드갭 에너지를 도시한 도면이다. 도 4는 광 흡수층 내의 밴드갭 조절 물질의 함량을 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 태양전지는 지지기판(100), 후면전극층(200), 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500) 및 전면전극층(600)을 포함한다.
상기 지지기판(100)은 플레이트 형상을 가지며, 상기 후면전극층(200), 상기 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500) 및 상기 전면전극층(600)을 지지한다.
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.
상기 광 흡수층(300)은 상기 후면전극층(200) 상에 배치된다. 상기 광 흡수층(300)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족계 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 1eV 내지 1.8eV일 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 하모닉 영역(HR)을 포함한다. 상기 하모닉 영역(HR)은 상기 광 흡수층(300)의 상부에 형성될 수 있다. 즉, 상기 하모닉 영역(HR)은 상기 전면전극층(600)에 인접할 수 있다. 더 자세하게, 상기 하모닉 영역(HR)은 상기 버퍼층(400)에 인접할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 하모닉 영역(HR)은 하모닉(harmonic) 형상의 밴드갭 에너지를 가질 수 있다. 즉, 상기 하모닉 영역(HR)의 밴드갭 에너지는 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록 커졌다가, 작아지는 것을 반복할 수 있다. 더 자세하게, 상기 하모닉 영역(HR)의 밴드갭 에너지는 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록 커지고 작아지는 것을 약 4회 내지 약 10회 반복할 수 있다.
더 자세하게, 상기 하모닉 영역(HR)은 하모닉 형상의 컨덕션 밴드를 가질 수 있다. 즉, 상기 하모닉 영역(HR)의 컨덕션 밴드는 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록 커졌다가, 작아지는 것을 반복할 수 있다. 더 자세하게, 상기 하모닉 영역(HR)의 컨덕션 밴드는 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록 커지고 작아지는 것을 약 4회 내지 10회 반복할 수 있다.
상기 하모닉 영역(HR)에서 밴드갭 에너지의 진폭은 약 0.1eV 내지 약 0.6eV일 수 있다. 즉, 상기 하모닉 영역(HR)에서 밴드갭 에너지가 저점까지 낮아지다가 다시 고점까지 높아질 때, 저점 및 고점의 밴드갭 에너지 차이는 약 0.1eV 내지 약 0.6eV일 수 있다. 더 자세하게, 상기 하모닉 영역(HR)에서, 컨덕션 밴드의 진폭은 약 0.1eV 내지 약 0.6eV일 수 있다. 더 자세하게, 상기 하모닉 영역(HR)에서, 저점 및 고점의 컨덕션 밴드의 차이는 약 0.1eV 내지 약 0.6eV일 수 있다.
상기 하모닉 영역(HR)의 두께는 약 0.4㎛ 내지 약 0.6㎛일 수 있다. 상기 하모닉 영역(HR)은 제 1 영역(311), 제 2 영역(312), 제 3 영역(313), 제 4 영역(314), 제 5 영역(315), 제 6 영역(316), 제 7 영역(317) 및 제 8 영역(318)을 포함할 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 영역(311)은 상기 광 흡수층(300)의 중간 부분에 정의될 수 있다. 상기 제 1 영역(311)의 밴드갭 에너지는 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록 커질 수 있다. 즉, 상기 제 1 영역(311)의 밴드갭 에너지는 상기 버퍼층(400)에 가까워질수록 커질 수 있다.
또한, 상기 제 1 영역(311)의 컨덕션 밴드는 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록 커질 수 있다. 즉, 상기 제 1 영역(311)의 컨덕션 밴드는 상기 버퍼층(400)에 가까워질수록 커질 수 있다.
상기 제 2 영역(312)은 상기 제 1 영역(311) 상에 배치된다. 상기 제 2 영역(312)은 상기 제 1 영역(311)에 인접한다. 상기 제 2 영역(312)은 상기 제 1 영역(311)에 직접 인접하도록 정의될 수 있다. 상기 제 2 영역(312)의 밴드갭 에너지는 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록 작아질 수 있다. 즉, 상기 제 2 영역(312)의 밴드갭 에너지는 상기 버퍼층(400)에 가까워질수록 작아질 수 있다.
또한, 상기 제 2 영역(312)의 컨덕션 밴드는 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록 작아질 수 있다. 즉, 상기 제 2 영역(312)의 컨덕션 밴드는 상기 버퍼층(400)에 가까워질수록 작아질 수 있다.
상기 제 3 영역(313)은 상기 제 2 영역(312) 상에 배치된다. 상기 제 3 영역(313)은 상기 제 2 영역(312)에 인접한다. 상기 제 3 영역(313)은 상기 제 2 영역(312)에 직접 인접하도록 정의될 수 있다. 상기 제 3 영역(313)의 밴드갭 에너지는 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록 커질 수 있다. 즉, 상기 제 3 영역(313)의 밴드갭 에너지는 상기 버퍼층(400)에 가까워질수록 커질 수 있다.
또한, 상기 제 3 영역(313)의 컨덕션 밴드는 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록 커질 수 있다. 즉, 상기 제 3 영역(313)의 컨덕션 밴드는 상기 버퍼층(400)에 가까워질수록 커질 수 있다.
상기 제 4 영역(314)은 상기 제 3 영역(313) 상에 배치된다. 상기 제 4 영역(314)은 상기 제 3 영역(313)에 인접한다. 상기 제 4 영역(314)은 상기 제 3 영역(313)에 직접 인접하도록 정의될 수 있다. 상기 제 4 영역(314)의 밴드갭 에너지는 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록 작아질 수 있다. 즉, 상기 제 4 영역(314)의 밴드갭 에너지는 상기 버퍼층(400)에 가까워질수록 작아질 수 있다.
또한, 상기 제 4 영역(314)의 컨덕션 밴드는 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록 작아질 수 있다. 즉, 상기 제 4 영역(314)의 컨덕션 밴드는 상기 버퍼층(400)에 가까워질수록 작아질 수 있다.
상기 제 5 영역(315)은 상기 제 4 영역(314) 상에 배치된다. 상기 제 5 영역(315)은 상기 제 4 영역(314)에 인접한다. 상기 제 5 영역(315)은 상기 제 4 영역(314)에 직접 인접하도록 정의될 수 있다. 상기 제 5 영역(315)의 밴드갭 에너지는 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록 커질 수 있다. 즉, 상기 제 5 영역(315)의 밴드갭 에너지는 상기 버퍼층(400)에 가까워질수록 커질 수 있다.
또한, 상기 제 5 영역(315)의 컨덕션 밴드는 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록 커질 수 있다. 즉, 상기 제 5 영역(315)의 컨덕션 밴드는 상기 버퍼층(400)에 가까워질수록 커질 수 있다.
상기 제 6 영역(316)은 상기 제 5 영역(315) 상에 배치된다. 상기 제 6 영역(316)은 상기 제 5 영역(315)에 인접한다. 상기 제 6 영역(316)은 상기 제 5 영역(315)에 직접 인접하도록 정의될 수 있다. 상기 제 6 영역(316)의 밴드갭 에너지는 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록 작아질 수 있다. 즉, 상기 제 6 영역(316)의 밴드갭 에너지는 상기 버퍼층(400)에 가까워질수록 작아질 수 있다.
또한, 상기 제 6 영역(316)의 컨덕션 밴드는 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록 작아질 수 있다. 즉, 상기 제 6 영역(316)의 컨덕션 밴드는 상기 버퍼층(400)에 가까워질수록 작아질 수 있다.
상기 제 7 영역(317)은 상기 제 6 영역(316) 상에 배치된다. 상기 제 7 영역(317)은 상기 제 6 영역(316)에 인접한다. 상기 제 7 영역(317)은 상기 제 6 영역(316)에 직접 인접하도록 정의될 수 있다. 상기 제 7 영역(317)의 밴드갭 에너지는 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록 커질 수 있다. 즉, 상기 제 7 영역(317)의 밴드갭 에너지는 상기 버퍼층(400)에 가까워질수록 커질 수 있다.
또한, 상기 제 7 영역(317)의 컨덕션 밴드는 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록 커질 수 있다. 즉, 상기 제 7 영역(317)의 컨덕션 밴드는 상기 버퍼층(400)에 가까워질수록 커질 수 있다.
상기 제 8 영역(318)은 상기 제 7 영역(317) 상에 배치된다. 상기 제 8 영역(318)은 상기 광 흡수층(300)의 최상부에 정의될 수 있다. 상기 제 8 영역(318)은 상기 제 7 영역(317)에 인접한다. 상기 제 8 영역(318)은 상기 제 7 영역(317)에 직접 인접하도록 정의될 수 있다. 상기 제 8 영역(318)의 밴드갭 에너지는 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록 작아질 수 있다. 즉, 상기 제 8 영역(318)의 밴드갭 에너지는 상기 버퍼층(400)에 가까워질수록 작아질 수 있다.
또한, 상기 제 8 영역(318)의 컨덕션 밴드는 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록 작아질 수 있다. 즉, 상기 제 8 영역(318)의 컨덕션 밴드는 상기 버퍼층(400)에 가까워질수록 작아질 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 내지 제 8 영역(311...318) 내에서의 밴드갭 에너지, 더 자세하게, 컨덕션 밴드는 밴드갭 조절 물질의 함량에 의해서 조절될 수 있다. 더 자세하게, 상기 제 1 내지 제 8 영역(311...318)에서, 상기 밴드갭 조절 물질의 함량이 증가되는 경우, 밴드갭 에너지가 점차로 증가될 수 있다. 또한, 상기 제 1 내지 제 8 영역(311...318)에서, 상기 밴드갭 조절 물질의 함량이 감소되는 경우, 밴드갭 에너지도 점차로 감소될 수 있다.
이와는 반대로, 상기 제 1 내지 제 8 영역(311...318)에서, 상기 밴드갭 조절 물질의 함량이 증가되는 경우, 밴드갭 에너지가 점차로 감소될 수 있다. 또한, 상기 제 1 내지 제 8 영역(311...318)에서, 상기 밴드갭 조절 물질의 함량이 감소되는 경우, 상기 밴드갭 에너지가 점차로 증가될 수 있다.
상기 밴드갭 조절물질은 갈륨(Ga), 은(Ag), 황(S) 또는 알루미늄(Al)일 수 있다.
예를 들어, 상기 밴드갭 조절물질이 갈륨인 경우, 제 1 내지 제 8 영역(311...318)은 하기의 화학식 1로 표시되는 반도체 화합물을 포함할 수 있다.
화학식 1
CuY(In1 -X, GaX)SeZ
여기서, 0.9<Y<1.1이고, 1.8<Z<2.2이고, 0≤X≤0.4일 수 있다.
또한, 상기 제 1 영역(311), 상기 제 3 영역(313), 상기 제 5 영역(315) 및 상기 제 7 영역(317)에서, 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록 X가 커질 수 있다. 더 자세하게, 상기 제 1 영역(311), 상기 제 3 영역(313), 상기 제 5 영역(315) 및 상기 제 7 영역(317)에서, 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록 X는 0에서 0.4까지 커질 수 있다.
또한, 상기 제 2 영역(312), 상기 제 4 영역(314), 상기 제 6 영역(316) 및 상기 제 8 영역(318)에서, 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록 X가 작아질 수 있다. 더 자세하게, 상기 제 2 영역(312), 상기 제 4 영역(314), 상기 제 6 영역(316) 및 상기 제 8 영역(318)에서, 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록 X는 0.4에서 0으로 작아질 수 있다.
예를 들어, 상기 밴드갭 조절물질이 은인 경우, 제 1 내지 제 8 영역(311...318)은 하기의 화학식 2로 표시되는 반도체 화합물을 포함할 수 있다.
화학식 2
(Cu1 -Y, AgY)(In, Ga)XSeZ
여기서, 0.9<X<1.1이고, 1.8<Z<2.2이고, 0≤Y≤0.5일 수 있다.
또한, 상기 제 1 영역(311), 상기 제 3 영역(313), 상기 제 5 영역(315) 및 상기 제 7 영역(317)에서, 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록 Y가 점점 커질 수 있다.
또한, 상기 제 2 영역(312), 상기 제 4 영역(314), 상기 제 6 영역(316) 및 상기 제 8 영역(318)에서, 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록 Y가 점점 작아질 수 있다.
예를 들어, 상기 밴드갭 조절물질이 알루미늄인 경우, 제 1 내지 제 8 영역(311...318)은 하기의 화학식 3으로 표시되는 반도체 화합물을 포함할 수 있다.
화학식 3
CuY((In, Ga)1-X, AlX)SeZ
여기서, 0.9<Y<1.1이고, 1.8<Z<2.2이고, 0≤X≤0.5일 수 있다.
또한, 상기 제 1 영역(311), 상기 제 3 영역(313), 상기 제 5 영역(315) 및 상기 제 7 영역(317)에서, 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록 X가 점점 커질 수 있다.
또한, 상기 제 2 영역(312), 상기 제 4 영역(314), 상기 제 6 영역(316) 및 상기 제 8 영역(318)에서, 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록 X가 점점 작아질 수 있다.
예를 들어, 상기 밴드갭 조절물질이 황인 경우, 제 1 내지 제 8 영역(311...318)은 하기의 화학식 4로 표시되는 반도체 화합물을 포함할 수 있다.
화학식 4
CuY(In, Ga)X(Se1-Z, SZ)2
여기서, 0.9<Y<1.1이고, 0.9<X<1.1이고, 0≤Z≤0.5일 수 있다.
또한, 상기 제 1 영역(311), 상기 제 3 영역(313), 상기 제 5 영역(315) 및 상기 제 7 영역(317)에서, 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록 Z가 점점 커질 수 있다.
또한, 상기 제 2 영역(312), 상기 제 4 영역(314), 상기 제 6 영역(316) 및 상기 제 8 영역(318)에서, 상기 전면전극층(600)에 가까워질수록 Z가 점점 작아질 수 있다.
제 1 내지 제 8 영역(311...318)의 두께는 각각 약 20㎚ 내지 약 40㎚일 수 있다.
상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치된다. 더 자세하게, 사익 버퍼층(400)은 상기 제 8 영역(318) 상에 직접 배치될 수 있다. 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.
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.
앞서 설명한 바와 같이, 실시예에 따른 태양광 발전장치는 제 1 내지 제 8 영역(311...318)을 사용하여, 상기 광 흡수층(300)의 밴드갭 에너지를 하모닉(harmonic) 형태로 조절할 수 있다.
즉, 상기 제 1 영역(311) 내지 상기 제 8 영역(318)에서의 밴드갭 에너지, 특히, 컨덕션 밴드가 하모닉 형태를 가지기 때문에, 컨덕션 밴드의 최소점에 갇힌 전자들은 필드 내 풀-프렝클(foole-frenkle) 효과에 의해서, 터널링하게 된다. 이에 따라서, 실시예에 따른 태양광 발전장치는 전자들의 재결합(recombination)을 방지할 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 태양광 발전장치는 향상된 광-전 변환 효율을 가질 수 있다.
도 5 내지 도 8은 실시예에 따른 태양광 발전장치를 제조하는 과정을 도시한 도면이다. 본 제조방법에서는 앞서 설명한 태양전지를 참고하여 설명한다. 본 제조방법에 대한 설명에, 앞선 태양전지에 관한 설명은 본질적으로 결합될 수 있다.
도 5를 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.
도 3을 참조하면, 상기 후면전극층(200) 상에 하부 광 흡수층(300)이 형성된다.
상기 하부 광 흡수층(300)은 스퍼터링 공정 또는 증발법 등에 의해서 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 하부 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 이면전극(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 흡수층(300)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 CGS계 광 흡수층(300)이 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 하부 광 흡수층(300) 상에 하모닉 영역(HR)이 형성된다. Ⅰ족-Ⅲ족-Ⅵ족계 반도체 화합물이 상기 하부 광 흡수층(300) 상에 증착되면서, 상기 Ⅰ족-Ⅲ족-Ⅵ족계 반도체 화합물 내의 밴드갭 조절 물질의 함량이 조절될 수 있다. 이에 따라서, 상기 하모닉 영역(HR) 내의 밴드갭 에너지가 조절될 수 있다. 더 자세하게, 상기 하모닉 영역(HR) 내의 컨덕션 밴드가 하모닉 구조를 가질 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 하모닉 영역(HR)을 형성하기 위해서, Ⅰ족 원소, Ⅲ족 원소 및 Ⅵ족 원소를 상기 후면전극층(200) 상에 공급한다. 더 자세하게, Ⅰ족 원소, Ⅲ족 원소 및 Ⅵ족 원소가 상기 하부 광 흡수층(300)의 상면에 공급된다. 동시에, 상기 밴드갭 에너지 조절 물질이 함께 공급된다. 이때, 상기 밴드갭 에너지 조절 물질이 공급되는 양이 조절되어, 상기 하모닉 영역(HR)의 밴드갭 에너지가 영역별로 조절될 수 있다.
상기 하모닉 영역(HR)을 형성할 때, 공정 온도는 상기 하부 광 흡수층(300)을 형성하는 공정의 공정 온도보다 더 낮을 수 있다. 상기 하부 광 흡수층(300)은 약 500℃ 내지 약 600℃의 공정 온도에서 형성될 수 있고, 상기 하모닉 영역(HR)은 약 400℃ 내지 약 460℃의 공정 온도에서 형성될 수 있다.
구체적으로 상기 하부 광 흡수층(300) 상에 Ⅰ족 원소, Ⅲ족 원소 및 Ⅵ족 원소가 공급되면서, 동시에, 상기 밴드갭 에너지 조절 물질이 공급될 수 있다. 이때, 상기 밴드갭 에너지 조절 물질의 공급 속도는 제 1 영역(311)이 형성됨에 따라서, 점점 커질 수 있다.
이후, 상기 제 1 영역(311)이 형성된 후, 상기 제 1 영역(311) 상에 Ⅰ족 원소, Ⅲ족 원소 및 Ⅵ족 원소가 공급되면서, 동시에, 상기 밴드갭 에너지 조절 물질의 공급 속도는 제 2 영역(312)이 형성됨에 따라서, 점점 작아질 수 있다.
이후, 상기 제 2 영역(312)이 형성된 후, 상기 제 2 영역(312) 상에 Ⅰ족 원소, Ⅲ족 원소 및 Ⅵ족 원소가 공급되면서, 동시에, 상기 밴드갭 에너지 조절 물질의 공급 속도는 제 3 영역(313)이 형성됨에 따라서, 점점 커질 수 있다.
이후, 상기 제 3 영역(313)이 형성된 후, 상기 제 3 영역(313) 상에 Ⅰ족 원소, Ⅲ족 원소 및 Ⅵ족 원소가 공급되면서, 동시에, 상기 밴드갭 에너지 조절 물질의 공급 속도는 제 4 영역(314)이 형성됨에 따라서, 점점 작아질 수 있다.
이후, 상기 제 4 영역(314)이 형성된 후, 상기 제 4 영역(314) 상에 Ⅰ족 원소, Ⅲ족 원소 및 Ⅵ족 원소가 공급되면서, 동시에, 상기 밴드갭 에너지 조절 물질의 공급 속도는 제 5 영역(315)이 형성됨에 따라서, 점점 커질 수 있다.
이후, 상기 제 5 영역(315)이 형성된 후, 상기 제 5 영역(315) 상에 Ⅰ족 원소, Ⅲ족 원소 및 Ⅵ족 원소가 공급되면서, 동시에, 상기 밴드갭 에너지 조절 물질의 공급 속도는 제 6 영역(316)이 형성됨에 따라서, 점점 작아질 수 있다.
이후, 상기 제 6 영역(316)이 형성된 후, 상기 제 6 영역(316) 상에 Ⅰ족 원소, Ⅲ족 원소 및 Ⅵ족 원소가 공급되면서, 동시에, 상기 밴드갭 에너지 조절 물질의 공급 속도는 제 7 영역(317)이 형성됨에 따라서, 점점 커질 수 있다.
이후, 상기 제 7 영역(317)이 형성된 후, 상기 제 7 영역(317) 상에 Ⅰ족 원소, Ⅲ족 원소 및 Ⅵ족 원소가 공급되면서, 동시에, 상기 밴드갭 에너지 조절 물질의 공급 속도는 제 8 영역(318)이 형성됨에 따라서, 점점 작아질 수 있다.
상기 밴드갭 에너지 조절 물질이 스퍼터링 공정으로 증착되는 경우, 스퍼터링 타겟에 인가되는 파워에 의해서, 상기 밴드갭 에너지 조절 물질의 공급 속도가 조절될 수 있다.
또한, 상기 밴드갭 에너지 조절 물질이 증발법에 의해서 증착되는 경우, 상기 밴드갭 에너지 조절 물질의 유출되는 입구의 면적의 조절에 의해서, 상기 밴드갭 에너지 조절 물질이 공급 속도가 조절될 수 있다.
이에 따라서, 상기 하모닉 영역(HR)은 밴드갭 에너지, 특히, 컨덕션 밴드를 하모닉 형태로 조절할 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 광 흡수층(300) 상에 버퍼층(400) 및 고저항 버퍼층(500)이 형성된다.
상기 버퍼층(400)은 화학 용액 증착 공정(chemical bath deposition;CBD)에 의해서 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(300)이 형성된 후, 상기 광 흡수층(300)은 황화 카드뮴을 형성하기 위한 물질들을 포함하는 용액에 침지되고, 상기 광 흡수층(300) 상에 황화 카드뮴을 포함하는 상기 버퍼층(400)이 형성된다.
이후, 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.
이와 같이, 하모닉 구조의 밴드갭 에너지를 가지는 광 흡수층(300)이 용이하게 형성될 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 (14)
- 기판;
상기 기판 상에 배치되는 후면전극층;
상기 후면전극층 상에 배치되는 광 흡수층;
상기 광 흡수층 상에 배치되는 전면전극층을 포함하고,
상기 광 흡수층은, 상기 광 흡수층의 상부에 형성되고, 하모닉 형상의 컨덕션 밴드를 가지는 하모닉 영역을 포함하고,
상기 하모닉 영역은,
상기 광 흡수층의 중간 부분에 정의되고, 상기 전면전극층에 가까워질수록 밴드갭 에너지가 커지는 제 1 영역;
상기 제 1 영역 상에 배치되며, 상기 전면전극층에 가까워질수록 밴드갭 에너지가 작아지는 제 2 영역;
상기 제 2 영역 상에 배치되며, 상기 전면전극층에 가까워질수록 밴드갭 에너지가 커지는 제 3 영역; 및
상기 제 3 영역 상에 배치되며, 상기 전면전극층에 가까워질수록 밴드갭 에너지가 작아지는 제 4 영역을 포함하는 태양광 발전장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 하모닉 영역은,
상기 제 4 영역 상에 배치되고, 상기 전면전극층에 가까워질수록 밴드갭 에너지가 커지는 제 5 영역; 및
상기 제 5 영역 상에 배치되고, 상기 전면전극층에 가까워질수록 밴드갭 에너지가 점점 작아지는 제 6 영역을 포함하는 태양광 발전장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 하모닉 영역은,
상기 제 6 영역 상에 배치되고, 상기 전면전극층에 가까워질수록 밴드갭 에너지가 점점 커지는 제 7 영역; 및
상기 제 7 영역 상에 배치되고, 상기 전면전극층에 가까워질수록 밴드갭 에너지가 작아지는 제 8 영역을 포함하는 태양광 발전장치. - 제 3 항에 있어서,
상기 하모닉 영역은,
상기 제 8 영역 상에 배치되고, 상기 전면전극층에 가까워질수록 밴드갭 에너지가 커지는 제 9 영역; 및
상기 제 9 영역 상에 배치되고, 상기 전면전극층에 가까워질수록 밴드갭 에너지가 작아지는 제 10 영역을 포함하는 태양광 발전장치. - 제 1 항에 있어서, 상기 광 흡수층은 밴드갭 조절 물질을 포함하고,
상기 제 1 영역에서, 상기 밴드갭 조절 물질의 함량은 상기 전면전극층에 가까워질수록 커지고,
상기 제 2 영역에서, 상기 밴드갭 조절 물질의 함량은 상기 전면전극층에 가까워질수록 작아지고,
상기 제 3 영역에서, 상기 밴드갭 조절 물질의 함량은 상기 전면전극층에 가까워질수록 커지고,
상기 제 4 영역에서, 상기 밴드갭 조절 물질의 함량은 상기 전면전극층에 가까워질수록 작아지는 태양광 발전장치. - 제 5 항에 있어서, 상기 밴드갭 조절 물질은 황, 은, 갈륨 또는 알루미늄으로부터 선택되는 태양광 발전장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 영역, 상기 제 2 영역, 상기 제 3 영역 및 상기 제 4 영역의 두께는 각각 20㎚ 내지 40㎚인 태양광 발전장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 영역에서, 컨덕션 밴드는 상기 전면전극층에 가까워질수록 커지고,
상기 제 2 영역에서, 상기 컨덕션 밴드는 상기 전면전극층에 가까워질수록 작아지고,
상기 제 3 영역에서, 상기 컨덕션 밴드는 상기 전면전극층에 가까워질수록 커지고,
상기 제 4 영역에서, 상기 컨덕션 밴드는 상기 전면전극층에 가까워질수록 작아지는 태양광 발전장치. - 기판;
상기 기판 상에 배치되는 후면전극층;
상기 후면전극층 상에 배치되는 광 흡수층;
상기 광 흡수층 상에 배치되는 전면전극층을 포함하고,
상기 광 흡수층은, 상기 광 흡수층의 상부에 형성되고, 하모닉 형상의 컨덕션 밴드를 가지는 하모닉 영역을 포함하고,
상기 하모닉 영역은,
상기 광 흡수층의 중간 부분에 정의되고, 상기 전면전극층에 가까워질수록 점점 컨덕션 밴드가 커지는 제 1 영역;
상기 제 1 영역 상에 배치되며, 상기 전면전극층에 가까워질수록 컨덕션 밴드가 작아지는 제 2 영역;
상기 제 2 영역 상에 배치되며, 상기 전면전극층에 가까워질수록 컨덕션 밴드가 커지는 제 3 영역; 및
상기 제 3 영역 상에 배치되며, 상기 전면전극층에 가까워질수록 컨덕션 밴드가 작아지는 제 4 영역을 포함하는 태양광 발전장치. - 제 9 항에 있어서, 상기 광 흡수층은 Ⅰ족-Ⅲ족-Ⅵ족계 화합물 반도체를 포함하고,
상기 제 1 영역에서, 갈륨의 함량은 상기 전면전극층에 가까워질수록 커지고,
상기 제 2 영역에서, 갈륨의 함량은 상기 전면전극층에 가까워질수록 작아지고,
상기 제 3 영역에서, 갈륨의 함량은 상기 전면전극층에 가까워질수록 커지고,
상기 제 4 영역에서, 갈륨의 함량은 상기 전면전극층에 가까워질수록 작아지는 태양광 발전장치. - 삭제
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