KR101436539B1 - 박막형 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 박막형 태양전지 및 그 제조방법을 개시한다. 본 발명에 따른 박막형 태양전지는, 기판 상에 형성된 후면 전극층을 포함하는 박막형 태양전지에 있어서, 상기 기판과 후면 전극층 사이에는, 금속 화합물로 이루어진 배리어층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

박막형 태양전지 및 그 제조방법{Thin film solar cell and Method of fabricating the same}
본 발명은 박막형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 박막형 태양전지에 적용되는 후면 전극층과 기판 사이에 배리어층을 삽입하여 수분 및 산소의 침투를 방지하여 신뢰성이 향상된 박막형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 특히 주목되고 있다. 태양전지에는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 발전과, 반도체의 성질을 이용하여 태양빛(Photons)을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지가 있으며, 태양전지라고 하면 일반적으로 태양광 전지(이하, '태양전지'라 한다)를 일컫는다.
이러한 태양전지는 원료 물질에 따라 크게 다결정(poly crystal) 및 단결정(single crystal) 실리콘 태양전지 또는 비정질 실리콘 태양전지와 같은 실리콘계 태양전지와 화합물 반도체 태양전지 등으로 분류된다.
이 중 화합물 반도체 태양전지의 하나로서 CIGS계 태양전지는 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se) 등의 원소로 이루어지는 광흡수 계수가 높은 광흡수층을 유리(glass) 등의 기판상에 증착하여 전기에너지를 생산하게 되는 태양전지로서, 두께가 얇은 박막으로도 고효율의 태양전지 제조가 가능하며, 또한 전기, 광학적 안정성이 우수하여 매우 이상적인 광흡수층을 형성할 수 있어 저가, 고효율의 태양전지 재료로 많은 연구가 이루어지고 있다.
한편, 최근에는 화합물 반도체 태양전지를 얇은 박막 형태로 제조할 수 있게 됨으로써, 유연성을 갖는 고분자 폴리머(polymer) 소재의 기판을 이용하여 플랙시블한 박막형 태양전지에 대한 연구가 증가하고 있다.
그런데, 플랙시블한 특성을 가진 폴리머 소재의 기판의 경우, 수분 및 산소에 취약한 문제점이 있고, 이를 보완하기 위해서 전극층이 형성되는 기판과 수분 및 산소의 침투를 방지하는 배리어층이 형성되는 기판을 별도로 구성하고 이를 접합하는 방식이 채용되었지만 제품의 두께가 두꺼워지고, 제조 공정이 복잡하게 되어 제조 비용이 증가되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 박막형 태양전지에 적용되는 후면 전극층과 기판 사이에 배리어층을 삽입하여 수분 및 산소의 침투를 방지하여 신뢰성이 향상된 박막형 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 박막형 태양전지는, 기판 상에 형성된 후면 전극층을 포함하는 박막형 태양전지에 있어서, 상기 기판과 후면 전극층 사이에는, 금속 화합물로 이루어진 배리어층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 배리어층의 두께는 5 ~ 200㎚이다.
바람직하게, 상기 배리어층의 금속 화합물은 산화 금속물 또는 질화 금속물이다.
바람직하게, 상기 금속 화합물은 알루미늄(Al) 계열 또는 규소(Si) 계열이다.
바람직하게, 상기 배리어층은 증발법(evaporation), 화학기상증착법(chemical vapor deposition; CVD) 또는 스퍼터링법(Sputtering)을 이용하여 형성된다.
바람직하게, 상기 배리어층은 산화물 또는 질화물을 타겟으로 한 DC 스퍼터링법이나, 산소 또는 질소를 반응성 가스로 하여 금속물을 타겟으로 한 반응성 스퍼터링법을 이용하여 형성된다.
바람직하게, 상기 기판의 하부에는, 금속 화합물로 이루어진 하부 배리어층을 더 포함한다.
바람직하게, 상기 후면 전극층 상에 형성된 광 흡수층, 버퍼층, 윈도우층 및 전면 전극층을 더 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 박막형 태양전지의 제조방법은, 기판 상에 형성된 후면 전극층을 포함하는 박막형 태양전지의 제조방법에 있어서, (a) 상기 기판 상에 금속 화합물로 이루어진 배리어층을 형성하는 단계; 및 (b) 상기 배리어층 상에 후면 전극층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 배리어층의 두께는 5 ~ 200㎚이다.
바람직하게, 상기 배리어층의 금속 화합물은 산화 금속물 또는 질화 금속물이다.
바람직하게, 상기 금속 화합물은 알루미늄(Al) 계열 또는 규소(Si) 계열이다.
바람직하게, 상기 (a) 단계는, 증발법(evaporation), 화학기상증착법(chemical vapor deposition; CVD) 또는 스퍼터링법(Sputtering)을 이용하여 형성된다.
바람직하게, 상기 (a) 단계는, 산화물 또는 질화물을 타겟으로 한 DC 스퍼터링법이나, 산소 또는 질소를 반응성 가스로 하여 금속물을 타겟으로 한 반응성 스퍼터링법을 이용하여 형성된다.
바람직하게, 상기 (a) 단계는, 상기 기판의 하부에 금속 화합물로 이루어진 하부 배리어층을 형성하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게, 상기 후면 전극층 상에 형성된 광 흡수층, 버퍼층, 윈도우층 및 전면 전극층을 형성하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 따르면, 박막형 태양전지의 후면 전극층과 기판 사이에 배리어층을 삽입함으로써, 수분 및 산소의 침투를 방지할 수 있는 박막형 태양전지를 제공할 수 있다. 또한, 고온의 셀레늄(Se) 분위기 하에서 광 흡수층을 형성하는 과정에서 셀레늄(Se)이 기판으로 이동하는 것을 차단하여 기판이 열화되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 박막형 태양전지의 배리어층의 제조 공정의 간소화로 박막형 태양전지의 제조비용을 절감시킬 수 있는 효과를 제공한다. 이러한 박막형 태양전지는 기판에서 후면 전극층으로 또는 후면 전극층에서 기판으로 침투될 수 있는 수분 및 산소나 셀레늄(Se) 등을 차단할 수 있음으로 기판과 후면 전극층이 열화되는 것을 최소화하여 박막형 태양전지의 효율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 후술되는 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명에 따른 박막형 태양전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 박막형 태양전지의 다른 예의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3 내지 도 4는 본 발명에 따른 박막형 태양전지의 제조방법을 순차적으로 도시한 공정 단면도들이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 박막형 태양전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 박막형 태양전지의 다른 예의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 박막형 태양전지는, 기판(100), 배리어층(200) 및 후면 전극층(300)을 포함한다. 또한, 상기 박막형 태양전지는 후면 전극층(300) 상에 광 흡수층(400), 버퍼층(500), 윈도우층(600) 및 전면 전극층(700)을 더 포함할 수 있다.
상기 기판(100)은 플랙시블한 특성을 갖도록 폴리이미드(polyimide)를 이용한 폴리머 기판이 이용될 수 있다. 하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 폴리머 기판 이외에도 태양전지의 적층 구조의 기초가 될 수 있는 다양한 재질이 사용될 수 있음은 자명하다. 예컨대, 절연성을 갖는 유리 기판으로 소라다임(sodalime) 유리를 이용한 기판이 이용될 수 있다.
상기 배리어층(200)은 상기 기판(100) 상에 금속 화합물로 형성되어 이루어지는 것으로, 금속 화합물로는 산화 금속물 또는 질화 금속물이 사용될 수 있다. 또한, 이러한 산화 또는 질화 금속물은 알루미늄(Al) 계열 또는 규소(Si) 계열인 것이 바람직하다. 이때, 배리어층(200)은 5 ~ 200㎚의 두께로 형성될 수 있다.
이러한 배리어층(200)은 증발법(evaporation), 화학기상증착법(chemical vapor deposition; CVD) 또는 스퍼터링법(Sputtering)을 이용하여 형성될 수 있는데, 특히 스퍼터링법의 경우에는 배리어층(200)을 구성하는 금속 화합물인 산화물 또는 질화물을 타겟으로 한 DC 스퍼터링법에 의해 형성되거나, 산소 또는 질소를 반응성 가스로 하여 금속물을 타겟으로 한 반응성 스퍼터링(Reactive Sputtering)을 이용하여 형성될 수 있다.
본 발명에서는 상기 기판(100)과 후면 전극층(300) 사이에 금속 화합물로 이루어진 배리어층(200)을 형성하게 됨으로써, 기판(100)을 통해 수분 및 산소가 상기 후면 전극층(300)으로 유입되는 것을 차단할 수 있음으로 후면 전극층(300)이 수분이나 산소에 의해 열화되는 것을 최소화할 수 있다. 또한, 고온의 셀레늄(Se) 분위기 하에서 광 흡수층을 형성하는 과정에서 셀레늄(Se)이 기판으로 이동하는 것을 차단하여 기판이 열화되는 것을 최소화할 수 있다. 이를 통해, 박막형 태양전지의 효율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 배리어층(200)은 기판(100)의 상부에만 형성되는 것으로 설명되었지만, 본 발명이 이에 한하는 것은 아니며, 기판(100)의 하부에도 형성될 수 있다. 이 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 기판(100)의 하부에는 금속 화합물로 이루어진 하부 배리어층(200')을 더 포함한다. 상기 하부 배리어층(200')은 외부에서 상기 기판(100)으로 수분 또는 산소가 유입되는 것을 방지하게 되어 박막형 태양전지의 배리어 특성을 보다 더 향상시킬 수 있게 된다.
상기 후면 전극층(300)은 도전성을 갖는 금속층으로서 높은 전기전도성과 광 흡수층(400)과의 오믹 접촉(ohmic contact) 및 셀레늄(Se) 분위기 하에서의 고온 안정성을 갖는 몰리브덴(Mo)이 사용될 수 있다. 상기 후면 전극층(300)은 상기 배리어층(200)에 의해 수분 및 산소가 침투되는 것이 방지되기 때문에 시간에 따른 열화를 최소화할 수 있게 되어 박막형 태양전지의 효율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.
상기 광 흡수층(400)은 태양광을 흡수하여 기전력을 발생시키기 위한 것으로서, CIGS계의 재질로 형성된다. CIGS는 CuInSe2(CIS)의 3원소 반도체에 갈륨(Ga) 원소를 도핑하여 효율을 증가시킨 것이다
상기 버퍼층(500)은 p형 반도체 층인 상기 광 흡수층(300)과 pn접합되는 n형의 반도체 층으로서, 황화 카드뮴(Cds)로 형성된다.
상기 윈도우층(600)은 투명한 전극층으로서, ITO, ZnO 또는 i-ZnO 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 이때, 상기 윈도우층(600)의 상면에는 전하를 효과적으로 포집하기 위해서 알루미늄(Al)이나 니켈(Ni)과 같은 금속 재질로 이루어진 금속층인 전면 전극층(700)이 형성된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 박막형 태양전지는 기판(100)과 후면 전극층(300) 사이에 배리어층(200)이 삽입된 구조로 형성됨으로써, 기판(100)을 통해 수분 및 산소가 상기 후면 전극층(300)으로 유입되는 것을 차단할 수 있음으로 후면 전극층(300)이 수분이나 산소에 의해 열화되는 것을 최소화하여 박막형 태양전지의 효율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 3 내지 도 4는 본 발명에 따른 박막형 태양전지의 제조방법을 순차적으로 도시한 공정 단면도들이다.
도 3 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 박막형 태양전지의 제조방법은, 기판(100) 상에 배리어층(200)을 형성하는 단계와, 상기 배리어층(200) 상에 후면 전극층(300)을 형성하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 박막형 태양전지의 제조방법은 후면 전극층(300) 상에 광 흡수층(400), 버퍼층(500), 윈도우층(600) 및 전면 전극층(700)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
먼저, 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(100)을 준비하고, 상기 기판(100) 상에 배리어층(200)을 형성한다. 이는 증발법(evaporation), 화학기상증착법(chemical vapor deposition; CVD) 또는 스퍼터링법(Sputtering)을 이용하여 형성될 수 있는데, 특히 스퍼터링법의 경우에는 배리어층(200)을 구성하는 금속 화합물인 산화물 또는 질화물을 타겟으로 한 DC 스퍼터링법에 의해 형성되거나, 산소 또는 질소를 반응성 가스로 하여 금속물을 타겟으로 한 반응성 스퍼터링(Reactive Sputtering)을 이용하여 형성될 수 있다. 상기 배리어층(200)의 금속 화합물로는 산화 금속물 또는 질화 금속물이 사용될 수 있다. 또한, 이러한 산화 또는 질화 금속물은 알루미늄(Al) 계열 또는 규소(Si) 계열인 것이 바람직하다. 상기 배리어층(200)의 형성 공정은 배리어층(200)의 두께가 5 ~ 200㎚가 될 때까지 지속한다.
한편, 상기 배리어층(200)은 기판(100)의 상부에만 형성되는 것이 아니라, 기판(100)의 하부에 하부 배리어층(200')이 상기 배리어층(200)과 동시 또는 순차적으로 형성될 수 있다. 이런 경우, 상기 하부 배리어층(200')은 외부에서 상기 기판(100)으로 수분 또는 산소가 유입되는 것을 방지하게 되어 박막형 태양전지의 배리어 특성을 보다 더 향상시킬 수 있게 된다.
그런 다음, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 배리어층(200) 상에 후면 전극층(300)을 형성한다. 이는 스퍼터링법을 이용하여 형성될 수 있다. 또한, 도면에는 도시되지 않았지만, 후면 전극층(300) 상에 광 흡수층(400), 버퍼층(500), 윈도우층(600) 및 전면 전극층(700)을 순차적으로 적층시켜 박막형 태양전지를 완성하게 된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 박막형 태양전지의 제조방법에 의해 형성된 배리어층(200)이 상기 기판(100)과 후면 전극층(300) 사이에 삽입된 구조로 형성됨으로써, 기판(100)을 통해 수분 및 산소가 상기 후면 전극층(300)으로 유입되는 것을 차단할 수 있음으로 후면 전극층(300)이 수분이나 산소에 의해 열화되는 것을 최소화하고, 고온의 셀레늄(Se) 분위기 하에서 광 흡수층을 형성하는 과정에서 셀레늄(Se)이 기판으로 이동하는 것을 차단하여 기판이 열화되는 것을 최소화하여 박막형 태양전지의 효율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예 및 비교예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
실시예1
먼저, 전처리 공정을 거친 폴리이미드 기판을 준비하였다. 이어서, 준비된 폴리이미드 기판을 반응성 스퍼터링 챔버에 위치시키고, 타겟 물질로 실리콘(Si)을 준비하였고, 반응성 가스로 산소(O2)를 투입하였다. 반응성 스퍼터링 고정 조건으로는 Ar 가스를 100sccm로 O2 가스를 20sccm으로 주입하여 공정 압력을 3mTorr로, 공정 온도를 25℃로 하고, MF 파워를 8kW 로 인가하여 배리어층을 형성하였다.
실시예2
배리어층의 반응성 가스로 질소(N)를 이용한다는 점을 제외하고, 상기 실시예1과 동일하게 기판 상에 배리어층을 형성하였다.
비교예
실시예에 적용된 기판과 동일한 기판을 준비하였다.
실시예1 , 2와 비교예의 특성 실험
상기 실시예1, 2 및 비교예에 따라 준비된 기판에 대하여, 투습도 시험기(AQUATRAN® Model 1, MOCON)를 이용하여 각 기판의 수분 투과율을 측정하였다. 수분 투과율 측정은 서로 격리된 챔버의 사이에 실시예1, 2 및 비교예에 따라 준비된 기판을 설치한 후 일측 챔버의 습도를 100%로 하고, 타측 챔버의 습도를 10%로 하여, 기판을 통해 습도 10%의 챔버로 유입되는 수분량을 측정하여 수분 투과율을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
기판의 구조 WVTR(g/m2/day)
실시예1 SiO2/PI필름 0.399
실시예2 SiN/PI필름 0.351
비교예 PI필름 4.375
상기 표 1을 참조하면, 실시예1 및 2에 따라 배리어층이 형성된 기판은 각각 수분 투과율이 0.399g/m2/day, 0.351 g/m2/day이고, 비교예의 기판의 수분 투과율이 4.375g/m2/day으로 실시예1 및 2가 비교예보다 약 110%가량 수분 투과율이 향상된다는 것을 알 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100 : 기판 200 : 배리어층
300 : 후면 전극층 400 : 광 흡수층
500 : 버퍼층 600 : 윈도우층
700 : 전면 전극층

Claims (16)

  1. 기판 상에 형성된 후면 전극층을 포함하는 박막형 태양전지에 있어서,
    상기 기판과 후면 전극층 사이에는,
    금속 화합물로 이루어진 배리어층을 포함하고,
    상기 배리어층의 금속 화합물은 알루미늄(Al) 계열 또는 규소(Si) 계열의 산화 또는 질화 금속물이고,
    상기 배리어층의 두께는 5 ~ 200㎚인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배리어층은 증발법(evaporation), 화학기상증착법(chemical vapor deposition; CVD) 또는 스퍼터링법(Sputtering)을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 배리어층은 산화물 또는 질화물을 타겟으로 한 DC 스퍼터링법이나, 산소 또는 질소를 반응성 가스로 하여 금속물을 타겟으로 한 반응성 스퍼터링법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 하부에는, 금속 화합물로 이루어진 하부 배리어층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 후면 전극층 상에 형성된 광 흡수층, 버퍼층, 윈도우층 및 전면 전극층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
  9. 기판 상에 형성된 후면 전극층을 포함하는 박막형 태양전지의 제조방법에 있어서,
    (a) 상기 기판 상에 금속 화합물로 이루어진 배리어층을 형성하는 단계; 및
    (b) 상기 배리어층 상에 후면 전극층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 배리어층의 금속 화합물은 알루미늄(Al) 계열 또는 규소(Si) 계열의 산화 또는 질화 금속물이고,
    상기 배리어층의 두께는 5 ~ 200㎚인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제9항에 있어서,
    상기 (a) 단계는, 증발법(evaporation), 화학기상증착법(chemical vapor deposition; CVD) 또는 스퍼터링법(Sputtering)을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 (a) 단계는, 산화물 또는 질화물을 타겟으로 한 DC 스퍼터링법이나, 산소 또는 질소를 반응성 가스로 하여 금속물을 타겟으로 한 반응성 스퍼터링법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 (a) 단계는, 상기 기판의 하부에 금속 화합물로 이루어진 하부 배리어층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 후면 전극층 상에 형성된 광 흡수층, 버퍼층, 윈도우층 및 전면 전극층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
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