KR101438877B1 - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다. 실시예에 따른 태양전지는 지지기판 상에 배치되는 후면 전극층; 상기 후면 전극층 상에 배치되는 탄소층; 상기 탄소층 상에 배치되며, 제 2 분리 패턴을 포함하는 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상에 배치되며, 제 3 분리 패턴을 포함하는 전면 전극층을 포함하고, 상기 후면 전극층 및 상기 탄소층은 각각 제 1 분리 패턴을 포함한다.

Description

태양전지 및 이의 제조방법{SOLAR CELL AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 p-n 접합 다이오드에 빛을 쪼이면 전자가 생성 되는 광기전력 효과(photovoltaic effect)를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 소자로 정의할 수 있다. 태양전지는 접합 다이오드로 사용되는 물질에 따라, 실리콘 태양전지, I-III-VI족 또는 III-V족 화합물로 대표되는 화합물 반도체 태양전지, 염료감응 태양전지, 유기물 태양전지로 나눌 수 있다.
I-III-VI족 Chalcopyrite계 화합물 반도체 중 하나인 CIGS(CuInGaSe) 태양전지는 광 흡수가 뛰어나고, 얇은 두께로도 높은 광전 변환효율을 얻을 수 있으며, 전기 광학적 안정성이 매우 우수하여 기존 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 태양전지로 부각되고 있다.
일반적으로 CIGS 박막 태양전지는 나트륨을 포함하는 기판, P형 산화물 전극(200), 광 흡수층, 버퍼층 및 전면 전극층을 순차적으로 형성시켜 제조된다. CIGS 박막 태양전지 중 광 흡수층에서는 입사광에 의해 광 생성 캐리어 즉, 전자와 정공을 형성하고, 형성된 광 생성 캐리어는 내부 전기장에 의한 드래프트에 의해 각각 n 층과 p 층으로 수집되어 전류를 발생하게 된다.
이러한 태양 전지의 효율을 높이기 위해서는 광 흡수층 내부에서 가능한 많은 광 생성 캐리어를 생성하는 것도 중요하지만, 생성된 전하를 손실됨 없이 외부로 끌어내는 것 또한 중요하다.
전하가 손실되는 원인 중의 하나는 전자와 정공이 재결합(recombination)에 의해 소멸되는 것이다. 즉, 전기장에 의해 유동되는 전자-전공쌍은 유동되는 과정에서 여러 원인에 의해 재결합(recombination)된다. 재결합 비율이 높을수록 에너지 변환 효율은 낮아지는 문제가 있다.
실시예는 전자-전공의 재결합(recombination)을 방지할 수 있는 태양전지 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 태양전지는 지지기판 상에 배치되는 후면 전극층; 상기 후면 전극층 상에 배치되는 탄소층; 상기 탄소층 상에 배치되며, 제 2 분리 패턴을 포함하는 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상에 배치되며, 제 3 분리 패턴을 포함하는 전면 전극층을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 지지기판 상에 후면 전극층을 형성하는 단계; 상기 후면 전극층 상에 탄소층을 형성하는 단계; 상기 탄소층 상에 제 2 분리 패턴을 포함하는 광 흡수층을 형성하는 단계; 및 상기 광 흡수층 상에 제 3 분리 패턴을 포함하는 전면 전극층을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 태양전지는 후면 전극층과 광 흡수층 사이에 탄소층을 배치시킨다. 상기 탄소층은 상기 광 흡수층과 상기 후면 전극층 사이에 서 발생하는 재결합(recombination)을 방지할 수 있다. 이에 따라, 실시예에 따른 태양전지는 개방전압의 손실이 감소되고, 광-전 변환 효율이 향상될 수 있다.
도 1 내지 도 4는 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 설명하는 단면도들이다.
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 1 내지 도 4는 실시예에 따른 태양전지를 제조하는 방법을 나타내는 단면도들이다. 이하에서는, 도 1 내지 도 4를 참조하며, 실시예에 따른 태양전지 및 이의 제조방법을 상세 서술하도록 한다.
도 1을 참조하면, 지지기판(100) 상에 후면 전극층(210)이 형성된다. 상기 후면 전극층(200)은 PVD(Physical Vapor Deposition) 또는 도금의 방법으로 형성될 수 있다. 더 자세하게, 상기 후면 전극층(210)은 스퍼터링 공정에 의해 형성될 수 잇다.
상기 지지기판(100)은 플레이트 형상을 가지며, 상기 후면 전극층(210), 탄소층(220), 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500) 및 전면 전극층(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 후면 전극층(210)은 도전층이다. 상기 후면 전극층(210)은 몰리브덴(Mo), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 텅스텐(W) 및 구리(Cu) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이 가운데, 몰리브덴(Mo)은 다른 원소에 비해 상기 지지기판(100)과 열팽창 계수의 차이가 적기 때문에 접착성이 우수하여 박리현상이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 상술한 후면 전극층(210)에 요구되는 특성을 전반적으로 충족시킬 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 후면 전극층(210) 상에는 탄소층(220)이 형성된다. 더 자세하게, 상기 탄소층(220)은 상기 후면 전극층(210)과 상기 광 흡수층(300) 사이에 배치된다. 상기 탄소층은 상기 광 흡수층과 상기 후면 전극층 사이에 서 발생하는 재결합(recombination)을 방지할 수 있다. 이에 따라, 실시예에 따른 태양전지는 개방전압의 손실이 감소되고, 광-전 변환 효율이 향상될 수 있다.
상기 탄소층(220)은 고분자 탄소 전구체의 의해 형성된 탄소, 열분해 탄소 또는 열분해(pyrolytic) 흑연을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 탄소층(220)의 두께는 약 0.01 ㎛ 내지 약 1 ㎛ 이고, 더 자세하게, 약 0.2 ㎛ 내지 약 0.8 ㎛ 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 탄소층(220)은 다양한 방법에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소층(220)이 고분자 탄소 전구체에 의해 형성된 탄소층인 경우, 상기 탄소층(220)은 알코올계 고분자와 방향족 고분자를 혼합하여 혼합 고분자 물질을 형성하고, 상기 혼합 고분자 물질을 상기 후면 전극층 상에 도포하고, 상기 혼합 고분자 물질을 소성함으로써 제조될 수 있다. 상기 알코올계 고분자로는 폴리퍼르퍼릴 알코올(polyfurfuryl alcohol) 또는 이소프로필 알코올(iso propyl alcohol) 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 방향족 고분자로는 페놀 또는 퓨란 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 폴리퍼르퍼릴 알코올과 페놀을 혼합하여 탄소층 형성 페이스트를 형성하고, 상기 탄소층 형성 페이스트를 상기 후면 전극층 상에 도포한다. 상기 탄소층 형성 페이스트를 상기 후면 전극층 상에 도포하는 방법으로는 당업계에서 통상적으로 사용되는 비진공 도포 공정, 예를 들어, 스프레이 공정, 스핀 공정, 닥터 블레이드 공정 등이 사용될 수 있다. 이후, 상기 탄소층 형성 페이스트를 불활성 가스 분위기 하에서 약 500℃ 의 온도에서 약 30 분간 소성함으로써 상기 탄소층 형성 페이스트를 탄소층(200)으로 전환할 수 있다.
이와 달리, 상기 탄소층(220)이 열분해 탄소인 경우, 상기 탄소층(220)은 아세틸렌, 프로판, 프로펜 또는 부탄 등의 탄화수소가스를 열분해하여 형성된 탄소를 증착하여, 형성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 탄소층(220) 상에 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500)이 형성된다.
상기 광 흡수층(300)은 상기 탄소층(220) 상에 배치된다. 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. 또한, 상기 광 흡수층(300)의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1 eV 내지 약 1.8 Ev 일 수 있다. 또한, 상기 광 흡수층(300)의 두께는 약 100 nm 내지 약 1 ㎛ 일 수 있고, 더 자세하게, 상기 광 흡수층(300)의 두께는 약 200 nm 내지 약 700 nm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 광 흡수층(300)은 스퍼터링 공정 또는 증발법 등에 의해서 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 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 CIG계 광 흡수층(300)이 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치된다. 본원 발명과 같은 태양전지는 p형 반도체인 CIGS 또는 CIGSS 화합물 박막의 광 흡수층(300)과 n형 반도체인 전면 전극층(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.
예를 들어, 상기 버퍼층(400)은 황화 아연(ZnS)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 버퍼층(400)의 두께는 약 10 nm 내지 약 30 nm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 버퍼층(400)은 원자층 증착법(atomic layer deposition: ALD), 유기금속화학증착법(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD) 또는 화학 용액 증착법(chemical bath deposition; CBD) 등에 의하여 형성될 수 있다. 더 자세하게, 상기 버퍼층(400)은 화학 용액 증착법(CBD)에 의하여 형성될 수 있다.
상기 고저항 버퍼층(500)은 상기 버퍼층(400) 상에 배치된다. 상기 고저항 버퍼층(500)은 불순물이 도핑되지 않은 징크 옥사이드(i-ZnO)일 수 있다. 또한, 상기 고저항 버퍼층(500)은 상기 버퍼층(400) 상에 징크 옥사이드가 스퍼터링 공정에 의하여 증착될 수 있다.
이후, 제 2 분리 패턴(P2)을 형성한다. 상기 제 2 분리 패턴(P2)은 상기 고저항 버퍼층(500), 상기 버퍼층(400) 및 상기 광 흡수층(300)을 관통하고, 상기 탄소층(220)의 일부를 노출시킨다. 상기 제 2 분리 패턴(P2)은 이후 공정에서 전면 전극층(600)과 후면 전극층(210)을 전기적으로 연결하는 통로의 기능을 할 수 있다. 상기 제 2 분리 패턴(P2)은 스크라이빙 팁(needle) 등을 사용하여 기계적 공정을 통해 형성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제 2 분리 패턴(P2)은 상기 제 1 관통홈(P1)에 인접하여 형성된다. 즉, 상기 제 2 분리 패턴(P2)의 일부는 평면에서 보았을 때, 상기 제 1 분리 패턴(P1)의 옆에 형성된다. 상기 제 2 분리 패턴(P2)의 폭은 약 40 ㎛ 내지 약 150 ㎛ 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 4를 참조하면, 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 전면 전극층(600)이 형성된다.
상기 전면 전극층(600)은 n 형 반도체의 특성을 가질 수 있다. 이 때, 상기 전면 전극층(600)은 상기 버퍼층(400)과 함께 n 형 반도체층을 형성하여 p 형 반도체층인 상기 광 흡수층(300)과 pn 접합을 형성할 수 있다.
상기 전면 전극층(600)은 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 투명한 도전물질이 적층됨으로써 제조될 수 있다. 상기 투명한 도전물질로는, 예를 들어, 징크 옥사이드(zinc oxide), 인듐 틴 옥사이드(induim tin oxide;ITO) 또는 인듐 징크 옥사이드(induim zinc oxide;IZO) 등을 포함할 수 있다. 더 자세하게, 상기 전면 전극층(600)은 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드(Al doped zinc oxide; AZO)로 제조될 수 있다.
상기 전면 전극층(600)의 제조 과정에서, 투명한 도전물질은 상기 제 2 분리 패턴(P2)에도 갭필된다. 상기 제 2 분리 패턴(P2)에 갭필된 투명 도전물질은 상기 전면 전극층(600)과 상기 후면 전극층(210)을 전기적으로 연결하는 접속 배선의 기능을 할 수 있다.
더 자세하게, 상기 전면 전극층(600)은 스퍼터링 또는 화학기상증착법(chemical vapor deposition)에 의하여 제조될 수 있다. 더 자세하게, 상기 스퍼터링에 의하여 전면 전극층(600)을 형성하기 위하여, RF 스퍼터링방법으로 ZnO 타겟을 사용하여 증착하는 방법과 Zn 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링 등이 사용될 수 있다.
마지막으로, 상기 전면 전극층(600)을 관통하는 제 3 분리 패턴(P3)을 형성한다. 상기 제 3 분리 패턴(P3)에 의하여, 실시예에 따른 태양전지 모듈은 다수개의 태양전지 셀들(C1, C2, C3)로 구분될 수 있다.
상기 제 3 분리 패턴(P3)은 상기 전면 전극층(600), 상기 고저항 버퍼층(500), 상기 버퍼층(400) 및 상기 광 흡수층(300)을 관통하고 상기 탄소층(220)의 일부를 노출시킨다.
상기 제 3 분리 패턴(P3)을 형성하기 위한 공정은 상기 언급한 제 2 분리 패턴(P2)을 형성하기 위한 공정에 개시된 내용이 모두 포함될 수 있으나, 편의상 중복기재를 생략한다.
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.
또한, 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 (10)

  1. 지지기판 상에 배치되는 후면 전극층;
    상기 후면 전극층 상에 배치되는 탄소층;
    상기 탄소층 상에 배치되며, 제 2 분리 패턴을 포함하는 광 흡수층; 및
    상기 광 흡수층 상에 배치되며, 제 3 분리 패턴을 포함하는 전면 전극층을 포함하고,
    상기 후면 전극층 및 상기 탄소층을 관통하는 제 1 분리 패턴을 포함하고, 상기 후면 전극층 및 상기 탄소층은 동일한 패턴을 포함하고,
    상기 광 흡수층의 두께는 100 nm 내지 700 nm 이고,
    상기 탄소층은 열분해 탄소 또는 열분해(pyrolytic) 흑연을 포함하는 태양전지.


  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소층은 상기 태양전지로 입사되는 태양광에 의하여 상기 광 흡수층에서 형성되는 전자 및 정공의 재결합(recombination)을 방지하는 태양전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소층의 두께는 0.01 ㎛ 내지 1 ㎛ 인 태양전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 흡수층의 두께는 100 nm 내지 1 ㎛ 인 태양전지.
  6. 지지기판 상에 후면 전극층을 형성하는 단계;
    상기 후면 전극층 상에 탄소층을 형성하는 단계;
    상기 탄소층 상에 제 2 분리 패턴을 포함하는 광 흡수층을 형성하는 단계; 및
    상기 광 흡수층 상에 제 3 분리 패턴을 포함하는 전면 전극층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 후면 전극층 및 상기 탄소층을 관통하는 제 1 분리 패턴을 포함하고, 상기 후면 전극층 및 상기 탄소층은 동일한 패턴을 포함하고,
    상기 광 흡수층의 두께는 100 nm 내지 700 nm 이고,
    상기 탄소층은 열분해 탄소 또는 열분해(pyrolytic) 흑연을 포함하는 태양전지의 제조방법.


  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 후면 전극층 및 상기 탄소층에 제 1 분리 패턴을 형성하는 단계를 추가 포함하는 태양전지의 제조방법.
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