KR101441942B1 - 플렉시블 박막형 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
플렉시블 박막형 태양전지 및 그 제조방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101441942B1 KR101441942B1 KR1020120142026A KR20120142026A KR101441942B1 KR 101441942 B1 KR101441942 B1 KR 101441942B1 KR 1020120142026 A KR1020120142026 A KR 1020120142026A KR 20120142026 A KR20120142026 A KR 20120142026A KR 101441942 B1 KR101441942 B1 KR 101441942B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- thin film
- cigs
- cis
- cgs
- layer
- Prior art date
Links
- 239000010409 thin film Substances 0.000 title claims abstract description 61
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title abstract description 12
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 89
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 9
- 239000010408 film Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 19
- 239000011669 selenium Substances 0.000 claims description 18
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 17
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 16
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 15
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 15
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 claims description 15
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 14
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 claims description 13
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 claims description 8
- BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N Selenium Chemical compound [Se] BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical group [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 claims description 4
- -1 polyethylene Polymers 0.000 claims description 4
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 claims description 4
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 claims description 4
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 claims description 4
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 claims description 2
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 claims description 2
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 claims description 2
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 claims description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 2
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 claims 1
- GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N cerium Chemical compound [Ce] GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 238000010549 co-Evaporation Methods 0.000 claims 1
- 125000001174 sulfone group Chemical group 0.000 claims 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 claims 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 abstract description 9
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 abstract 1
- 238000005477 sputtering target Methods 0.000 abstract 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 4
- 238000001552 radio frequency sputter deposition Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- WUPHOULIZUERAE-UHFFFAOYSA-N 3-(oxolan-2-yl)propanoic acid Chemical compound OC(=O)CCC1CCCO1 WUPHOULIZUERAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000010748 Photoabsorption Effects 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L Sodium Carbonate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]C([O-])=O CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 229910052980 cadmium sulfide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- 235000008733 Citrus aurantifolia Nutrition 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 description 1
- 235000011941 Tilia x europaea Nutrition 0.000 description 1
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- DVRDHUBQLOKMHZ-UHFFFAOYSA-N chalcopyrite Chemical group [S-2].[S-2].[Fe+2].[Cu+2] DVRDHUBQLOKMHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 239000004571 lime Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000005361 soda-lime glass Substances 0.000 description 1
- 235000017550 sodium carbonate Nutrition 0.000 description 1
- 229910000029 sodium carbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003457 sulfones Chemical class 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
- H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
- H01L31/0749—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type including a AIBIIICVI compound, e.g. CdS/CulnSe2 [CIS] heterojunction solar cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/541—CuInSe2 material PV cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
본 발명은 플렉시블 박막형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 플렉시블(flexible) 기판 상부에 전극층을 증착하며, 전극층의 상부에 CIS, CGS, CIGS 단일 타켓을 상온-200℃ 사이의 저온에서 스퍼터링 처리하여 광흡수층을 증착하여 CIS, CGS, CIGS 박막을 제조하되, 플렉시블 기판 상의 성막 온도를 조절하여 구조적·광학적으로 우수한 특성의 플렉시블 박막형 태양전지를 제조하도록 구성된다. 따라서, 본 발명은 단일 스퍼터링 타겟을 이용한 1회 증착 공정으로 간단한 제작이 가능하고, 플렉시블 기판의 변형을 유발하지 않는 저온 공정에서 우수한 흡수층 박막을 얻을 수 있어 높은 효율의 태양전지의 생산이 가능하다.
Description
본 발명은 플렉시블 박막형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 CIS, CGS, CIGS 단일 타겟을 이용한 스퍼터링 공정을 통해 플렉시블(flexible) 기판 상에 우수한 광흡수층을 저온 성막할 수 있는 플렉시블 박막형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
태양전지(Solar Cell)는 반도체의 성질을 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치이다.
태양전지는 기판형 태양전지와 박막형 태양전지로 구분할 수 있다.
기판형 태양전지는 실리콘과 같은 반도체물질 자체를 기판으로 이용하여 태양전지를 제조한 것이고, 박막형 태양전지는 유리 등과 같은 기판 상에 박막의 형태로 반도체를 형성하여 태양전지를 제조한 것이다.
일반적으로, 박막형 태양전지는 기판층, 전극층, 광흡수층, 버퍼층 및 투명전극으로 구비되는 상부전극층으로 이루어지는데, 기판 층은 유리, 특히 실리카, 석회 및 소다회를 주성분으로 한 소다석회 유리(sodalime glass; SLG) 또는 금속 재질로 구비되고 상기 기판층의 상부에 전극층(Back Contact)을 증착하게 된다.
또한, 상기 전극층의 상부에 광흡수층이 증착되며 상기 광흡수층은 빛을 흡수하여 전기 에너지를 발생시키는 부분으로 CIS(CuInSe2)나 CIGS(CuInGaSe2)와 같은 화합물을 이용하여 구비된다. 또한, 상기 버퍼층은 대개 황화 카드늄(CdS)을 이용하여 구비되고, 상기 상부전극층은 산화아연(ZnO)으로 구비된다.
그러나, 이와 같은 기존의 상용화된 대부분의 태양전지는 단단한 기판 위에 형성되어 있기 때문에 어느 정도 힘을 주어 구부리게 되면 형태가 변하거나 부서지게 된다. 하지만 최근 차세대 태양전지로서 마음대로 구부리거나 휠 수 있는 플렉시블한 기판의 연구가 한창 진행 중에 있다.
이러한 플렉시블 기판는 유연한 대신 열에 취약한 점이 단점이다. 이러한 점 때문에 고온열처리 과정에서 플렉시블 기판의 변형을 유발한다. 따라서 현재 이 부분은 기술적 난제로 남아 있으며, 해결하기 위하여 여러 방법을 적용하고 있지만 아직 해결되고 있지 않다.
본 발명자들은 저온의 스퍼터링 공정만을 이용하는 단일 공정으로 플렉시블한 기판 상에 박막을 제조할 수 있게 하고 유리 기판 상에 성막한 흡수층 박막과 특성이 유사한 박막을 확보하고자 연구 노력한 결과, 플렉시블 박막형 태양전지 및 그 제조방법의 기술적 구성을 개발하게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 플렉시블 기판의 변형을 유발하지 않는 저온에서 CIS, CGS, CIGS 단일 타겟을 이용한 스퍼터링 단일 공정으로 플렉시블 기판 상에 광학적 특성이 우수한 광흡수층을 형성하게 하여 박막을 제조하는 플렉시블 박막형 태양전지 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플렉시블 박막형 태양전지는, 플렉시블(flexible) 기판과, 상기 플렉시블 기판 상에 형성된 후면전극층과, 상기 후면전극층 상에 형성된 광흡수층과, 상기 광흡수층 상에 형성된 버퍼층과, 상기 버퍼층 상에 형성된 윈도우층과, 상기 윈도우층 상에 형성된 반사방지막층, 및 상기 후면전극에 대한 상대전극을 포함하여 이루어지고, 상기 광흡수층은 CIS(CuInSe2), CGS(CuGaSe2) 및 CIGS(CuInGaSe2) 각각의 단일타겟을 스퍼터링 처리하여 증착되되, 상기 CIGS(CuInGaSe2) 단일타겟만을 가지고 증착하여 형성된 CIGS 흡수층 박막은 XRD 분석결과 기판 온도가 증가할수록 결정성이 향상되며 2차 상이 없는 황동광 구조만을 나타내고, 라만 PL 특성에서 피크의 세기가 증가하고 반치폭이 감소하며, 기판 온도가 증가할수록 CIGS 타겟 조성비에 맞는 밴드갭 특성을 나타내고, 상기 CIS(CuInSe2)와 CGS(CuGaSe2) 각각의 단일타겟을 동시 증착하여 형성된 CIGS 광흡수층 박막은 XRD 분석결과 기판 온도가 증가할수록 결정성이 향상되며 2차 상이 없는 황동광 구조만을 나타내고, 라만 PL 특성에서 CIS 또는 CGS 영역으로 갈수록 각각의 라만 쉬프트 값에 가까운 특성을 나타내며, 기판 온도가 증가할수록 인듐(In), 갈륨(Ga) 조성비에 따라 광학적 밴드갭에 일정하게 분포함을 특징으로 한다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 플렉시블 박막형 태양전지 제조방법은, (1) 플렉시블 기판 상부에 전극층을 증착하는 단계, 및 (2) 상기 전극층이 증착된 플렉시블 기판에 CIS(CuInSe2), CGS(CuGaSe2) 및 CIGS(CuInGaSe2) 각각의 단일타겟을 스퍼터링 처리하여, 광흡수층을 증착하는 단계를 포함하며, 상기 단계 (2)는 상기 CIS(CuInSe2)와 CGS(CuGaSe2) 각각의 단일타겟을 플렉시블 기판 위에 동시 증착하여 CIS-CGS 흡수층 박막을 형성하고, 상기 CIGS(CuInGaSe2) 단일타겟만을 가지고 플렉시블 기판 위에 증착하여 CIGS 흡수층 박막을 형성하되, 상기 CIGS 흡수층 박막은 XRD 분석결과 기판 온도가 증가할수록 결정성이 향상되며 2차 상이 없는 황동광 구조만을 나타내고, 라만 PL 특성에서 피크의 세기가 증가하고 반치폭이 감소하며, 기판 온도가 증가할수록 CIGS 타겟 조성비에 맞는 밴드갭 특성을 나타내고, 상기 CIS-CGS 흡수층 박막은 XRD 분석결과 기판 온도가 증가할수록 결정성이 향상되며 2차 상이 없는 황동광 구조만을 나타내고, 라만 PL 특성에서 CIS 또는 CGS 영역으로 갈수록 각각의 라만 쉬프트 값에 가까운 특성을 나타내며, 기판 온도가 증가할수록 인듐(In), 갈륨(Ga) 조성비에 따라 광학적 밴드갭에 일정하게 분포함을 특징으로 한다.
본 발명의 플렉시블 박막형 태양전지 및 그 제조방법은, CIS, CGS, CIGS 단일 타켓을 이용하여 저온 공정 상에서 스퍼터링 처리를 통해 플렉시블 기판 상에 광흡수층을 증착하므로, 간단한 제작이 가능하고 저온 공정에서 플렉시블 기판의 변형 없이 우수한 박막을 얻을 수 있어 높은 효율의 태양전지 생산이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플렉시블 박막형 태양전지를 나타내는 단면도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 플렉시블 기판에 CIS, CGS 단일타겟을 이용하여 CIS-CGS 박막의 광흡수층을 동시 증착하는 스퍼터링 장치의 개념도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플렉시블 기판에 CIGS 단일타겟을 이용하여 CIGS 박막의 광흡수층을 증착하는 스퍼터링 장치의 개념도,
도 4a-4d는 기판 온도별로 CIS, CGS 단일타겟을 이용하여 동시증착한 CIS-CGS 흡수층 박막의 XRD 분석결과를 나타내는 그래프,
도 5a-5d는 기판 온도별로 CIS, CGS 단일타겟을 이용하여 동시증착한 CIS-CGS 흡수층 박막의 라만(Raman) 특성을 나타내는 그래프,
도 6a-6d는 기판 온도별로 CIS, CGS 단일타겟을 이용하여 동시증착한 CIS-CGS 흡수층 박막의 밴드갭(Bandgap) 특성을 나타내는 그래프,
도 7은 기판 온도별로 CIGS 단일타겟을 이용하여 플렉시블 기판 위에 증착한 CIGS 흡수층 박막의 XRD 분석결과를 나타내는 그래프,
도 8은 기판 온도별로 CIGS 단일타겟을 이용하여 플렉시블 기판 위에 증착한 CIGS 흡수층 박막의 라만(Raman) 특성을 나타내는 그래프,
도 9는 기판 온도별로 CIGS 단일타겟을 이용하여 플렉시블 기판 위에 증착한 CIGS 흡수층 박막의 밴드갭(Bandgap) 특성을 나타내는 그래프.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 플렉시블 기판에 CIS, CGS 단일타겟을 이용하여 CIS-CGS 박막의 광흡수층을 동시 증착하는 스퍼터링 장치의 개념도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플렉시블 기판에 CIGS 단일타겟을 이용하여 CIGS 박막의 광흡수층을 증착하는 스퍼터링 장치의 개념도,
도 4a-4d는 기판 온도별로 CIS, CGS 단일타겟을 이용하여 동시증착한 CIS-CGS 흡수층 박막의 XRD 분석결과를 나타내는 그래프,
도 5a-5d는 기판 온도별로 CIS, CGS 단일타겟을 이용하여 동시증착한 CIS-CGS 흡수층 박막의 라만(Raman) 특성을 나타내는 그래프,
도 6a-6d는 기판 온도별로 CIS, CGS 단일타겟을 이용하여 동시증착한 CIS-CGS 흡수층 박막의 밴드갭(Bandgap) 특성을 나타내는 그래프,
도 7은 기판 온도별로 CIGS 단일타겟을 이용하여 플렉시블 기판 위에 증착한 CIGS 흡수층 박막의 XRD 분석결과를 나타내는 그래프,
도 8은 기판 온도별로 CIGS 단일타겟을 이용하여 플렉시블 기판 위에 증착한 CIGS 흡수층 박막의 라만(Raman) 특성을 나타내는 그래프,
도 9는 기판 온도별로 CIGS 단일타겟을 이용하여 플렉시블 기판 위에 증착한 CIGS 흡수층 박막의 밴드갭(Bandgap) 특성을 나타내는 그래프.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉시블 박막형 태양전지의 개략적인 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 플렉시블 기판에 CIS, CGS 단일타겟을 이용하여 CIS-CGS 박막의 광흡수층을 동시 증착하는 스퍼터링 장치의 개념도이며, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플렉시블 기판에 CIGS 단일타겟을 이용하여 CIGS 박막의 광흡수층을 증착하는 스퍼터링 장치의 개념도이다.
도 1에서 알 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉시블 박막형 태양전지는 플렉시블 기판(110), 후면전극층(120), 광흡수층(130), 버퍼층(140), 윈도우층(150), 반사방지막층(160) 및 후면전극에 대한 상대전극(170)을 포함하여 이루어진다.
상기 플렉시블 기판(110)은 투명한 폴리에틸렌설폰(PES), 폴리카보네이트(PC), 폴레에틸렌레프탈레이트(PET), 폴리이미드(PI) 및 스테인리스 스틸(stainless steel) 등을 이용할 수 있다.
상기 후면전극층(120)은 상기 플렉시블 기판(110) 상에 형성되며, 몰리브덴(Mo)을 스퍼터링 처리하여 1㎛ 두께로 증착한다.
상기 후면전극층(120)의 상부에 광흡수층(130)을 증착하게 되는데, 상기 광흡수층(130)은 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀렌(Se)으로 이루어지고 스퍼터링 처리를 통해 1∼1.5㎛ 두께로 증착할 수 있다.
상기 광흡수층(130)을 플렉시블 기판(110) 위에 효율적으로 증착할 수 있도록 도 2에 도시된 바와 같이, 구리(Cu), 인듐(In) 및 셀렌(Se)을 포함하는 CIS 단일타켓(200a)과, 구리(Cu), 갈륨(Ga) 및 셀렌(Se)을 포함하는 CGS 단일타켓(200b)으로 스퍼터링 처리하거나, 도 3에 도시된 바와 같이, 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀렌(Se)을 포함하는 CIGS 단일타겟(200c)으로 스퍼터링 처리하며, 상기 스퍼터링 처리는 RF 스퍼터링(RF Sputtering) 또는 DC 스퍼터링(DC Sputtering)을 이용하여 상기 광흡수층(130)을 증착할 수 있다.
상기 CIS, CGS, CIGS 단일타켓(200a,200b,200c)은 각각 99.9%의 CuInSe2, CuGaSe2 및 CuInGaSe2 화합물로, Ga/(In+Ga)의 조성비를 0.2∼0.8로 하며, 구리(Cu)의 조성비를 0.7∼1.0으로 이에 따른 셀렌(Se)의 조성비는 2로 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일실시예에서 공정조건으로는 공정파워 100W(1.23W/㎠) 내지 300W(3.70W/㎠), 공정압력 0.1∼1.0Pa, 공정시간 0.5∼2hr, 플렉시블 기판(110)과 타겟(200a,200b,200c) 사이의 거리(DTS) 100∼150㎜로 하였으며, 기판온도는 플렉시블 기판(110)에 적용 가능한 상온(RT) 내지 200℃ 사이의 저온으로 하였다.
상기 공정조건 하에서, RF 스퍼터링 처리시 먼저, 단일타켓(200a,200b,200c)을 진공챔버(210) 내부의 캐소드에 장착하고, 상기 전극층(120)이 증착된 플렉시블 기판(110)을 상기 단일타겟(200a,200b,200c)과 소정거리 즉, 100∼150㎜ 정도 이격하여 상기 진공챔버(210)의 내부의 애노드에 장착하게 된다.
다음, 상기 RF 스퍼터링 처리는 상기 진공챔버(210)의 내부를 진공펌프(230)를 통해 진공상태로 만들고 가스주입부(240)를 통해 헬륨(He) 또는 아르곤(Ar)과 같은 불활성 기체를 상기 진공챔버(210) 내부로 주입시켜 상기 진공챔버(210)의 내부 압력을 0.1 내지 1.0Pa 상태로 유지시킨다. 즉, 10-6Pa의 고진공상태인 진공챔버(210) 내에 불활성가스를 주입시킨 후 공정압력을 0.1 내지 1.0Pa로 유지시킨다.
다음, 상기 RF 스퍼터링 처리는 전원부(220)를 통해 100W(1.23W/㎠) 내지 300W(3.70W/㎠)의 전원을 인가하여 상기 진공챔버(210) 내부에 플라즈마를 발생시키게 되고, 상기 단일타겟(200a,200b,200c)의 원소들은 방출되면서 상기 전극층(120)의 상부에 증착되어 상기 광흡수층(130)을 이루게 된다.
즉, 구리(Cu), 인듐(In) 및 셀렌(Se)과, 구리(Cu), 갈륨(Ga) 및 셀렌(Se)을 상기 단일타겟(200a,200b)에 구비하고 상기 RF 스퍼터링 처리를 통한 저온의 단일공정으로 CIS-CGS 흡수층 박막을 동시 증착하거나 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀렌(Se)을 상기 단일타겟(200c)에 구비하여 상기 RF 스퍼터링 처리를 통해 저온의 단일 공정으로 CIGS 흡수층 박막을 증착할 수 있으므로, 플렉시블 기판(110) 상에 간단하고 신속하게 상기 광흡수층(130)을 증착할 수 있게 된다.
또한, 상기 광흡수층(130)은 DC 스퍼터링 처리를 통해 증착할 수도 있는데, 상기 DC 스퍼터링 처리는 전술한 RF 스퍼터링 처리와 같이 상기 단일타겟(200a,200b,200c)을 구비하고 기판온도를 상온(RT) 내지 200℃ 사이의 저온에서 단일 공정으로 상기 상기 광흡수층(130)을 증착하는 것이다. 다만, 상기 단일타겟(200a,200b,200c)에 가해지는 전원이 직류 전원인 점에서 차이가 있으나 플렉시블 기판(110) 상에 간단하고 신속하게 상기 광흡수층(130)을 증착할 수 있는 점은 동일하다.
상기 플렉시블 기판(110) 위에 스퍼터링 처리하여 저온 성막한 흡수층 박막의 특성 분석결과를 도 4a 내지 도 9의 그래프로 나타내었다.
도 4a 내지 4d는 각각 상온(R.T), 100℃, 150℃, 200℃의 기판온도(Tsub) 별로 CIS, CGS 단일타겟을 이용하여 동시증착한 CIS-CGS 흡수층 박막의 XRD 분석결과를 나타내는 그래프이다.
도 4a 내지 4d를 참조하면, 기판온도 상온에서(도 4a의 경우) CIS, CGS 단일타겟(200a,200b)으로 동시 증착하여 인듐(In), 갈륨(Ga) 조성비에 따른 CIGS 박막의 XRD 데이터의 경우, CIGS 박막 형성이 잘 되지 않아서 구조적으로 불안정한 특성을 보였다. 하지만, 기판온도가 100, 150, 200℃로 올라갈수록(도 4b 내지 4d의 경우) CIGS 박막이 형성됨을 보여주었다. 이는 플렉시블 기판(110) 위에 성장하였음에도 인듐(In), 갈륨(Ga) 조성비에 따라 일정하게 CIGS 회절 피크가 분리됨을 나타내는 것이다. 인듐(In), 갈륨(Ga) 조성비가 서로 다른 CIGS 박막의 회절 피크는 황동광(chalcopyrite) 구조만을 가지는 피크만 관찰되었고, CIGS 외에 2차 상을 가지는 피크는 없는 것으로 보아 결정학적으로 안정된 박막이 제작됨을 확인할 수 있다.
도 5a 내지 5d는 각각 상온(R.T), 100℃, 150℃, 200℃의 기판온도(Tsub) 별로 CIS, CGS 단일타겟을 이용하여 동시증착한 CIS-CGS 흡수층 박막의 라만스펙트럼 분석결과를 나타내는 그래프이다.
도 5a 내지 5d를 참조하면, XRD 데이터와 유사하게, 상온에서 제작한 CIGS 박막의 경우(도 5a의 경우) 다소 불안정한 구조적 특정을 나타내지만, 기판 온도가 증가할수록(도 5b 내지 5d의 경우) 인듐(In), 갈륨(Ga) 함량에 따른 CIGS 박막의 라만 피크를 확인할 수 있다. 일반적으로, CIS(Ga=0)인 경우 CIS(A1)=173㎝-1이며, CGS(Ga=1)인 경우 CGS(A1)=186㎝-1의 값을 가진다. CIS, CGS 두가지 타겟을 가지고 동시 증착한 CIGS 박막의 경우, 기판 온도가 증가할수록 CIS 혹은 CGS 영역으로 갈수록 각각의 라만 쉬프트(Raman shift) 값에 가까운 특성을 보여준다.
도 6a 내지 6d는 각각 상온(R.T), 100℃, 150℃, 200℃의 기판온도(Tsub) 별로 CIS, CGS 단일타겟을 이용하여 동시증착한 CIS-CGS 흡수층 박막의 밴드갭 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6a 내지 6d를 참조하면, CIGS 박막의 인듐(In), 갈륨(Ga) 조성비에 따른 광학적 밴드갭(Bandgap) 또한 마찬가지로, 상온에서 증착한 CIGS 박막의 경우(도 6a의 경우) 불안정한 박막 특성으로 인하여 밴드갭 특성이 인듐(In), 갈륨(Ga) 조성비에 따라 일정하게 나타나지 않지만, 기판 온도가 증가할수록(도 6b 내지 6d)의 경우) 인듐(In), 갈륨(Ga) 조성비에 따라 광학적 밴드갭에 일정하게 분포하는 현상을 확인할 수 있다.
도 7 내지 9는 기판 온도별로 CIGS 단일타겟을 이용하여 플렉시블 기판위에 증착한 CIGS 흡수층 박막의 특성 분석 결과로, 각각 XRD, 라만, 밴드갭 특성 그래프이다.
도 7을 참조하면, CIGS 단일 타켓(Cu:In:Ga:Se=1:0.8:0.2:2)(200c)만을 가지고 기판온도에 따라 증착한 CIGS 박막의 XRD 데이터는 기판 온도가 증가할수록 결정성이 향상되는 특성을 보인다. 플렉시블 기판(110) 위에 증착된 CIGS 박막은 2차 상이 없는 황동광 구조만을 나타내는 피크만 관찰되었으며, 다만 기판 온도에 따라 피크 세기(Intensity)만 변화하는 특성을 확인할 수 있다.
도 8을 참조하면, 라만(Raman) PL 특성에서도 기판 온도가 증가함에 따라 결정성이 증가하며, 이는 피크의 세기(Intensity)는 증가하고 반치폭(FWHM)은 감소하는 경향으로 확인 가능하다.
도 9를 참조하면, CIGS 단일 타겟(200c)으로 증착한 CIGS 박막의 광학적 밴드갭(Bandgap)은 상온에서 증착하였을 경우, 조성비에 맞지 않는 낮은 밴드갭 특성(1.0eV 이하)을 보여주었으며, 기판 온도가 증가할수록 CIGS 타겟 조성비에 맞는 밴드갭 특성을 보여주고 있다.
따라서, 본 발명은 플렉시블 기판위에 스퍼터링 처리하여 저온 성막한 박막이 유리기판 상에 성막한 흡수층 박막과 특성이 유사한 박막을 확보할 수 있음을 알 수 있다.
이상은 본 발명에 따른 플렉시블 박막형 태양전지 및 그 제조방법에 대해서 설명하였는데, 본 발명이 전술한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
110 : 플렉시블 기판 120 : 전극층
130 : 광흡수층 200a : CIS 단일타겟
200b : CGS 단일타겟 200c : CIGS 단일타겟
130 : 광흡수층 200a : CIS 단일타겟
200b : CGS 단일타겟 200c : CIGS 단일타겟
Claims (10)
- 플렉시블(flexible) 기판;
상기 플렉시블 기판 상에 형성된 후면전극층;
상기 후면전극층 상에 형성된 광흡수층;
상기 광흡수층 상에 형성된 버퍼층;
상기 버퍼층 상에 형성된 윈도우층;
상기 윈도우층 상에 형성된 반사방지막층; 및
상기 후면전극에 대한 상대전극을 포함하여 이루어지고,
상기 광흡수층은 CIS(CuInSe2), CGS(CuGaSe2) 및 CIGS(CuInGaSe2) 각각의 단일타겟을 스퍼터링 처리하여 증착되되,
상기 CIGS(CuInGaSe2) 단일타겟만을 가지고 증착하여 형성된 CIGS 흡수층 박막은 XRD 분석결과 기판 온도가 증가할수록 결정성이 향상되며 2차 상이 없는 황동광 구조만을 나타내고, 라만 PL 특성에서 피크의 세기가 증가하고 반치폭이 감소하며, 기판 온도가 증가할수록 CIGS 타겟 조성비에 맞는 밴드갭 특성을 나타내고,
상기 CIS(CuInSe2)와 CGS(CuGaSe2) 각각의 단일타겟을 동시 증착하여 형성된 CIGS 광흡수층 박막은 XRD 분석결과 기판 온도가 증가할수록 결정성이 향상되며 2차 상이 없는 황동광 구조만을 나타내고, 라만 PL 특성에서 CIS 또는 CGS 영역으로 갈수록 각각의 라만 쉬프트 값에 가까운 특성을 나타내며, 기판 온도가 증가할수록 인듐(In), 갈륨(Ga) 조성비에 따라 광학적 밴드갭에 일정하게 분포함을 특징으로 하는 플렉시블 박막형 태양전지. - 제 1항에 있어서, 상기 플렉시블 기판은 투명한 폴리에틸렌설폰(PES), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌레프탈레이트(PET), 폴리이미드(PI) 및 스테인리스 스틸 중 어느 하나의 재질로 된 것을 특징으로 하는 플렉시블 박막형 태양전지.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 광흡수층은 CIS와 CGS 단일타겟을 상온 내지 200℃ 사이의 저온의 기판 온도에서 상기 플렉시블 기판 위에 동시 증착하여 인듐(In), 갈륨(Ga) 조성비에 따라 결정학적으로 안정된 박막이 형성됨을 특징으로 플렉시블 박막형 태양전지.
- 제 1항에 있어서, 상기 CIGS 단일타겟은 구리(Cu):인듐(In):갈륨(Ga):셀렌(Se)의 조성비가 1:0.8:0.2:2로 구비된 것을 특징으로 하는 플렉시블 박막형 태양전지.
- (1) 플렉시블 기판 상부에 전극층을 증착하는 단계; 및
(2) 상기 전극층이 증착된 플렉시블 기판에 CIS(CuInSe2), CGS(CuGaSe2) 및 CIGS(CuInGaSe2) 각각의 단일타겟을 스퍼터링 처리하여, 광흡수층을 증착하는 단계를 포함하며,
상기 단계 (2)는 상기 CIS(CuInSe2)와 CGS(CuGaSe2) 각각의 단일타겟을 플렉시블 기판 위에 동시 증착하여 CIS-CGS 흡수층 박막을 형성하고, 상기 CIGS(CuInGaSe2) 단일타겟만을 가지고 플렉시블 기판 위에 증착하여 CIGS 흡수층 박막을 형성하되,
상기 CIGS 흡수층 박막은 XRD 분석결과 기판 온도가 증가할수록 결정성이 향상되며 2차 상이 없는 황동광 구조만을 나타내고, 라만 PL 특성에서 피크의 세기가 증가하고 반치폭이 감소하며, 기판 온도가 증가할수록 CIGS 타겟 조성비에 맞는 밴드갭 특성을 나타내고,
상기 CIS-CGS 흡수층 박막은 XRD 분석결과 기판 온도가 증가할수록 결정성이 향상되며 2차 상이 없는 황동광 구조만을 나타내고, 라만 PL 특성에서 CIS 또는 CGS 영역으로 갈수록 각각의 라만 쉬프트 값에 가까운 특성을 나타내며, 기판 온도가 증가할수록 인듐(In), 갈륨(Ga) 조성비에 따라 광학적 밴드갭에 일정하게 분포함을 특징으로 하는 플렉시블 박막형 태양전지 제조방법. - 제 5항에 있어서, 상기 CIS-CGS 흡수층 박막은 Ga/(In+Ga)의 조성비가 0.2 내지 0.8이며, 구리(Cu)의 조성비는 0.7 내지 1.0, 셀륨(Se)의 조성비는 2인 것을 특징으로 하는 플렉시블 박막형 태양전지 제조방법.
- 삭제
- 제 5항에 있어서, 상기 스퍼터링 처리는 파워 100W(1.23W/㎠) 내지 300W(3.70W/㎠), 공정압력 0.1 내지 1.0㎩, 시간 0.5 내지 2hr, 온도 상온 내지 200℃ 사이의 저온의 공정조건 하에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 플렉시블 박막형 태양전지 제조방법.
- 삭제
- 삭제
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020120142026A KR101441942B1 (ko) | 2012-12-07 | 2012-12-07 | 플렉시블 박막형 태양전지 및 그 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020120142026A KR101441942B1 (ko) | 2012-12-07 | 2012-12-07 | 플렉시블 박막형 태양전지 및 그 제조방법 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20140074441A KR20140074441A (ko) | 2014-06-18 |
KR101441942B1 true KR101441942B1 (ko) | 2014-09-25 |
Family
ID=51127527
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020120142026A KR101441942B1 (ko) | 2012-12-07 | 2012-12-07 | 플렉시블 박막형 태양전지 및 그 제조방법 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR101441942B1 (ko) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101540035B1 (ko) * | 2014-08-20 | 2015-07-30 | 인하대학교 산학협력단 | 스퍼터링 증착을 이용한 황화카드뮴 박막의 제조방법 |
KR101662993B1 (ko) * | 2015-06-25 | 2016-10-14 | 인하대학교 산학협력단 | 스퍼터링 증착을 이용한 Zn(O,S)박막의 제조방법 |
CN105810764B (zh) * | 2016-06-04 | 2017-07-07 | 安徽恒致铜铟镓硒技术有限公司 | 一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池光电吸收转换层的制备方法 |
CN106129188B (zh) * | 2016-09-08 | 2017-08-08 | 京东方科技集团股份有限公司 | 薄膜太阳能电池及其制作方法 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002064108A (ja) * | 2000-08-17 | 2002-02-28 | Honda Motor Co Ltd | 化合物半導体成膜装置 |
JP2008163367A (ja) | 2006-12-27 | 2008-07-17 | Mitsubishi Materials Corp | Cu−In−Ga−Se四元系合金スパッタリングターゲットの製造方法 |
JP2011155146A (ja) * | 2010-01-27 | 2011-08-11 | Fujifilm Corp | 太陽電池およびその製造方法 |
KR20120060858A (ko) * | 2009-11-13 | 2012-06-12 | 제이엑스 닛코 닛세키 킨조쿠 가부시키가이샤 | Cu-In-Ga-Se 4 원계 합금 스퍼터링 타깃 |
-
2012
- 2012-12-07 KR KR1020120142026A patent/KR101441942B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002064108A (ja) * | 2000-08-17 | 2002-02-28 | Honda Motor Co Ltd | 化合物半導体成膜装置 |
JP2008163367A (ja) | 2006-12-27 | 2008-07-17 | Mitsubishi Materials Corp | Cu−In−Ga−Se四元系合金スパッタリングターゲットの製造方法 |
KR20120060858A (ko) * | 2009-11-13 | 2012-06-12 | 제이엑스 닛코 닛세키 킨조쿠 가부시키가이샤 | Cu-In-Ga-Se 4 원계 합금 스퍼터링 타깃 |
JP2011155146A (ja) * | 2010-01-27 | 2011-08-11 | Fujifilm Corp | 太陽電池およびその製造方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20140074441A (ko) | 2014-06-18 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101245371B1 (ko) | 태양전지 및 그 제조방법 | |
KR101094326B1 (ko) | 태양전지용 Cu-In-Zn-Sn-(Se,S)계 박막 및 이의 제조방법 | |
US8852991B2 (en) | Methods of manufacturing solar cell | |
US20140090706A1 (en) | Solar cell apparatus and method of fabricating the same | |
US20140326296A1 (en) | Solar cell and method of fabricating the same | |
KR101441942B1 (ko) | 플렉시블 박막형 태양전지 및 그 제조방법 | |
US20150037927A1 (en) | Method for producing the pentanary compound semiconductor cztsse doped with sodium | |
KR101542343B1 (ko) | 박막 태양전지 및 이의 제조방법 | |
TWI589011B (zh) | 化合物太陽電池及其製造方法 | |
US9431558B2 (en) | CIGS type compound solar cell | |
EP2702615B1 (en) | Method of preparing a solar cell | |
KR101482786B1 (ko) | 산화인듐을 이용한 cigs 광흡수층 제조방법 | |
KR20140090325A (ko) | 탠덤구조 cigs 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 cigs 박막 태양전지 | |
JP5378534B2 (ja) | カルコパイライト型化合物薄膜の製造方法およびそれを用いた薄膜太陽電池の製造方法 | |
KR20150064930A (ko) | 유연성을 갖는 czts 박막 제조방법, 이를 이용한 박막 태양전지 제조방법 및 박막 태양전지 | |
CN102117862A (zh) | 黄铜矿型太阳能电池光吸收层及其电池制备方法 | |
KR20100030003A (ko) | 태양전지의 제조방법 | |
KR101462498B1 (ko) | Cigs 흡수층 제조방법, 이를 이용한 박막 태양전지 제조방법 및 박막 태양전지 | |
CN105164820A (zh) | 制造光吸收层的方法 | |
KR101552968B1 (ko) | Cigs 박막 제조방법, 이를 이용한 박막 태양전지 제조방법 및 박막 태양전지 | |
KR101410673B1 (ko) | Cigs박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 cigs박막 태양전지 | |
KR20190010483A (ko) | Cigs 박막 태양전지의 제조방법 및 이의 방법으로 제조된 cigs 박막 태양전지 | |
KR101081079B1 (ko) | 태양전지 및 이의 제조방법 | |
KR101410671B1 (ko) | Cis 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 cis 박막 태양전지 | |
KR20150136721A (ko) | 고품질 cigs 광흡수층을 포함하는 태양전지 및 이의 제조방법 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20170703 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20190625 Year of fee payment: 6 |