KR101449547B1 - 태양 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판 상에 적층 형성된 제 1 전극층, 광 흡수층, 확산층, 버퍼층, 윈도우층 및 제 2 전극층을 포함하고, 확산층은 MOCVD 방법으로 형성되고, 버퍼층은 ALD 또는 ALD 유사 MOCVD 방법으로 형성되며, 확산층의 구성 원소의 적어도 일부가 광 흡수층으로 확산되는 태양 전지 및 그 제조 방법이 제시된다.
Description
본 발명은 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 화합물을 이용한 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
태양 전지(Solar Cell)는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심 소자이다. 태양 전지는 일반적으로 결정계 태양 전지와 박막형 태양 전지로 분류될 수 있다. 박막형 태양 전지는 결정계 태양 전지에 비해 변환 효율은 낮지만, 기판의 두께를 혁신적으로 줄일 수 있어 단위 무게당 에너지 변환 효율은 이보다 훨씬 높다. 뿐만 아니라 변형이 가능한 유연 태양 전지로 제작이 가능하고, 유리 등의 저렴한 기판 상에 제조하여 저가화할 수 있는 등 많은 장점이 있어 주목을 받고 있다.
박막 태양 전지 중 에너지 변환 효율이 가장 높은 CuInGaSe2(CIGS)계 태양 전지는 기판 상에 후면 전극층(back electrode), 광 흡수층(absorber layer), 버퍼층(buffer layer), 윈도우층(window layer) 및 전면 전극(front electrode)으로 구성된다. 여기서, 광 흡수층은 CuInGaSe2(CIGS)계 화합물을 이용하여 형성하고, 이 위에 CdS 버퍼층, ZnO 투명 도전성 산화물(transparent conducting oxide:TCO) 윈도우층을 순차적으로 형성하여 태양 전지를 제작한다.
그런데, CdS는 미국특허 제4611091호에 제시된 바와 같이 화학 용액 증착법(chemical bath deposition: CBD)으로 형성할 수 있다. 그러나, 화학 용액 증착법을 이용하는 경우 독성이 높은 CdS와 알칼리성 폐액이 대량으로 생성되기 때문에 환경 오염의 염려가 있고, 그에 따른 폐기물 처리 비용이 증가하여 태양 전지의 제조 비용이 증가하는 문제가 있다. 또한, 박막 태양 전지의 제조 공정에서 버퍼층만이 습식 공정(wet process)으로 이루어지므로 양산성을 향상시키기 위해 버퍼층을 건식 공정(dry process)으로 형성하는 것이 필요하다.
한편, CdS 대신에 Zn(S, O)를 이용하여 버퍼층을 형성하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나, Zn(S, O)는 CdS를 이용한 태양 전지에 비해 낮은 에너지 변환 효율을 보인다.
본 발명은 CdS를 최소화하여 폐기물 처리 비용을 줄일 수 있는 태양 전지 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 버퍼층을 건식 공정으로 형성하여 공정의 연속성을 확보할 수 있고 공정 시간을 줄일 수 있는 태양 전지 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 예에 따른 태양 전지는 기판 상에 적층 형성된 제 1 전극층, 광 흡수층, 확산층, 버퍼층 및 윈도우층을 포함하고, 상기 확산층은 MOCVD 또는 ALD 방법으로 형성되고, 상기 버퍼층은 ALD 또는 ALD 유사 MOCVD 방법으로 형성되며, 상기 확산층의 구성 원소의 적어도 일부가 상기 광 흡수층으로 확산된다.
상기 확산층은 CdS로 형성되고, 상기 Cd 또는 Cd 및 S가 상기 광 흡수층으로 확산된다.
상기 확산층은 상기 광 흡수층 상에 제 1 두께로 형성된 후 상기 버퍼층, 윈도우층 및 제 2 전극층의 적어도 어느 한 층을 형성할 때 상기 제 1 두께보다 얇은 제 2 두께로 형성된다.
상기 버퍼층은 Zn(S, 0)로 형성된다.
본 발명의 다른 예에 따른 태양 전지의 제조 방법은 기판 상에 제 1 전극층을 형성하는 단계; 상기 제 1 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 및 상기 광 흡수층 상에 확산층을 형성하는 단계; 상기 확산층 상에 버퍼층 및 윈도우층을 적층 형성하는 단계를 포함하고, 상기 확산층은 MOCVD 또는 ALD 방법으로 형성하고, 상기 버퍼층은 ALD 또는 ALD 유사 MOCVD 방법으로 형성하며, 상기 확산층의 구성 원소의 적어도 일부가 상기 광 흡수층으로 확산된다.
상기 확산층은 CdS로 형성되고, 상기 Cd 또는 Cd 및 S가 상기 광 흡수층으로 확산된다.
상기 확산층은 상온 내지 200℃의 온도에서 1 내지 30㎚의 두께로 형성한다.
상기 확산층은 상기 광 흡수층 상에 제 1 두께로 형성된 후 상기 버퍼층, 윈도우층 및 제 2 전극층의 적어도 어느 한 층을 형성할 때 상기 제 1 두께보다 얇은 제 2 두께로 형성된다.
상기 버퍼층은 Zn(S, 0)로 형성된다.
상기 버퍼층은 수 내지 수십층을 적층 형성하고, 상기 윈도우층은 MOCVD 방법으로 형성한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 태양 전지 및 그 제조 방법은 광 흡수층과 윈도우층 사이에 확산층 및 버퍼층이 형성되며, 확산층은 금속유기 화학기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD)으로 형성되고 버퍼층은 원자층 증착(atomic layer deposition:ALD)법 또는 ALD 유사 MOCVD 방법으로 형성될 수 있다. 확산층 및 버퍼층이 건식 공정으로 형성됨으로써 종래의 습식 공정으로 버퍼층이 형성되는 경우에 비해 Cd 사용량을 최소화할 수 있고, 모든 공정이 건식 공정으로 진행되어 태양 전지 제조 공정의 연속성을 확보할 수 있으며, 공정 시간을 줄여 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 확산층이 이후 공정에서 광 흡수층으로 확산되므로 광 흡수층 내에는 예컨데 CuCd의 점결합(point defect)이 형성되고 그에 따라 태양 전지의 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양 전지의 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양 전지의 광 합성층의 부분 확대도.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 단면도.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양 전지 제조 과정 중 및 완료 후의 TEM 사진.
도 11은 Cd 원자의 깊이에 따른 성분 분석 결과를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양 전지의 광 합성층의 부분 확대도.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 단면도.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양 전지 제조 과정 중 및 완료 후의 TEM 사진.
도 11은 Cd 원자의 깊이에 따른 성분 분석 결과를 도시한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양 전지의 단면도이도, 도 2는 광 흡수층의 부분 확대도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양 전지는 기판(100)과, 기판(100) 상에 형성된 제 1 전극층(200)과, 제 1 전극층(200) 상에 형성된 광 흡수층(300)과, 광 흡수층(300) 상에 형성된 확산층(400)과, 확산층(400) 상에 적층 형성된 버퍼층(500) 및 윈도우층(600)과, 윈도우층(600) 상에 형성된 제 2 전극층(700)을 포함한다.
기판(100)은 용도에 따라 다양한 특성의 기판을 이용할 수 있다. 예를 들어, 광 투과 특성에 따라 투명 기판, 불투명 또는 반투명 기판을 이용할 수 있다. 또한, 기판(100)은 재질에 따라 유리 기판, 세라믹 기판, 금속 기판, 폴리머 기판 등을 이용할 수도 있다. 그리고, 기판(100)은 굽힘 특성에 따라 리지드(rigid) 기판 또는 플렉서블(flexible) 기판을 이용할 수 있다. 이러한 기판(100)은 바람직하게는 광 투과성을 가지고 비용이 저렴한 유리 기판을 이용할 수 있다. 유리 기판으로는 예를 들어 소다라임 유리(sodalime galss) 또는 고변형점 소다유리(high strained point soda glass)를 이용할 수 있다. 또한, 금속 기판으로는 스테인레스 스틸 또는 티타늄을 포함하는 기판을 이용할 수 있고, 폴리머 기판으로는 폴리이미드(polyimide)를 이용할 수 있다.
제 1 전극층(200), 즉 후면 전극은 금속 등의 도전 물질을 이용하여 형성할 수 있으며, 단일층 또는 서로 다른 물질의 복수의 층으로 형성할 수 있다. 여기서, 제 1 전극층(200)은 비저항이 낮고, 열팽창 계수의 차이로 인해 기판(100)과 박리 현상이 일어나지 않도록 기판(100)과의 점착성이 뛰어난 물질을 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 제 1 전극층(200)으로는 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 크롬과 몰리브덴의 합금을 이용할 수 있다. 특히, 제 1 전극층(200)으로 전기 전도도가 높고, 광 흡수층(400)과의 오믹(ohmic) 특성이 우수하며, 셀레늄(Se) 분위기에서의 고온 안정성이 뛰어난 몰리브덴(Mo)을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 제 1 전극층(200)은 도전 물질에 나트륨(Na) 이온이 도핑되어 형성될 수 있다.
광 흡수층(300)은 제 1 전극층(200) 상에 형성되어 외부로부터 입사되는 태양광을 흡수하여 기전력을 발생시킨다. 이러한 광 흡수층(300)은 예를 들어 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2계 화합물로 형성할 수 있다. Ⅰ족 원소로는 구리(Cu)를 들 수 있고, Ⅲ족 원소로는 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al) 등을 들 수 있으며, Ⅵ족 원소로는 셀렌(Se) 또는 황(S)을 들 수 있다. 즉, 광 흡수층(300)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드(CuInGaSe2, CIGS) 화합물로 형성하거나, 구리-인듐-셀레나이드(CuInSe2, CIS) 화합물 또는 구리-갈륨-셀레나이드(CuGaSe2, CGS) 화합물로 형성할 수 있다. 광 흡수층(300)은 다양한 방식으로 형성할 수 있는데, 예를 들어 구리 타겟, 인듐 타겟 및 갈륨 타겟을 각각 이용하거나 구리, 인듐 및 갈륨의 혼합 타겟을 이용하여 스퍼터링 방식으로 제 1 전극층(200) 상에 CIG 금속 전구체(precursor)막을 형성한 후 고온에서 셀레늄를 이용하여 셀레니제이션(selenization) 공정을 실시함으로써 CIGS 화합물의 광 흡수층(300)을 형성할 수 있다. 이러한 셀레니제이션 공정에 의해 셀레늄이 CIG 금속 전구체막으로 확산되면서 광 흡수층(300)이 형성된다. 또한, Ⅰ족 및 Ⅲ족 원소의 적어도 어느 하나로 이루어진 제 1 박막층 상에 Ⅵ족 원소로 이루어진 제 2 박막층을 형성한 후 열처리 공정을 실시하여 제 1 박막층과 제 2 박막층을 반응시켜 광 흡수층(300)을 형성할 수 있다. 제 1 박막층은 인듐, 구리, 갈륨이 각각 적층되거나, 두 원소의 합금과 한 원소의 박막이 적층되거나, 세 원소의 합금으로 형성될 수 있고, 제 2 박막층은 셀렌 및 황의 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 즉, 제 1 박막층은 Cu/Ga/In, Cu-In 합금/Ga, Cu-Ga 합금/In, Ca-In 합급/Cu, Cu-Ga-In 합금 등으로 이루어질 수 있고, 제 2 박막층은 Se, S 또는 Se/S로 이루어질 수 있다. 이러한 제 1 및 제 2 박막층은 열처리 공정에 의해 반응하여 CGS, CIS, CIGS 등의 광 흡수층(300)이 형성될 수 있다. 한편, 광 흡수층(300) 내에는 적어도 일부 영역에 확산층(400)으로부터 확산된 불순물(410)이 도핑(doping)된다. 예를 들어, 확산층(400)이 CdS로 형성되는 경우 Cd가 광 흡수층(300)으로 확산되어 광 흡수층(300)은 적어도 일부 영역에 Cd가 도핑된다. 여기서, Cd는 도 2에 도시된 바와 같이 광 흡수층(300)의 Cu 빈자리에 대치되어 들어가며 상측으로부터 하측으로 농도가 줄어들도록 도핑된다. 도핑되는 불순물 원자의 농도는 깊이에 따라 [식 1]로 분포되며, 여기서 erfc는 콤프리멘탈리 에러 함수(complementary error function)을 나타내며 N0는 흡수층에서의 Cd 원자의 고체상태 용해도(solid state solubility), 그리고 D는 확산 계수(diffusivity)이다.
이렇게 Cd가 광 흡수층(300) 내에 확산됨으로써 CuCd의 점결합(point defect)을 형성하게 되고 이 결합은 도너(donor) 준위로 작용하여 CIGS 광 흡수층(300)과 버퍼층(500)의 경계에서는 억셉터(acceptor)가 도너(donor)로 보상되는 현상이 발생하게 된다. 이 특성은 CIGS 태양전지의 효율을 증가시키는 중요한 역할을 한다.
확산층(400)은 광 흡수층(300) 상에 형성되며, 예를 들어 CdS로 형성할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 확산층(400)은 카드뮴 전구체 및 셀렌 전구체를 이용한 금속유기 화학기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD)으로 형성될 수 있다. 즉, 디메틸 카드뮴(dimethyl cadmium, (CH3)2Cd), 디에틸 카드뮴(diethyl cadmium, (C2H5)2Cd) 등을 카드뮴 전구체로 이용하고 H2S 가스 또는 t-BuSH 등을 셀레늄 전구체를 이용하여 광 합성층(300) 상에 CdS층을 형성할 수 있다. 또한, 확산층(400)은 태양 전지 제조 공정에서 적어도 일부가 광 흡수층(300)으로 확산될 수 있다. 즉, 버퍼층(500), 윈도우층(600) 및 제 2 전극층(700)을 형성하는 공정의 적어도 어느 하나의 공정 중에 확산층(400)의 적어도 일부 원소가 광 흡수층(300)으로 확산될 수 있다. 예를 들어 Cd가 광 흡수층(300)으로 확산될 수 있고 Cd와 S가 광 흡수층(300)으로 확산될 수 있다. 이는 확산층(400)의 Cd와 S의 비율에 따라 조절될 수 있다. 따라서, 확산층(400)은 최초 제 1 두께로 형성하지만 태양 전지의 제조 공정이 완료된 후 제 1 두께보다 얇은 제 2 두께로 잔류할 수 있다. 또한, 확산층(400)은 광 흡수층(300)으로 확산되는 불순물 원소의 도핑 농도 등을 고려한 두께로 형성할 수 있는데, 예를 들어 1∼30㎚의 두께로 형성할 수 있으며, 태양 전지 제조 공정이 완료된 후에는 상기 두께보다 얇은 두께로 잔류할 수 있다. 물론, 확산층(400)의 구성 원소가 모두 광 흡수층(300)으로 확산되어 확산층(400)이 잔류하지 않을 수도 있다. 한편, 확산층(400)은 최초 CdS로 형성되고, 태양 전지 제조 완료 후에는 S 성분으로 잔류할 수 있다. 또한, 확산층(400)은 MOCVD 방법 뿐만 아니라 ALD 방법으로 형성할 수도 있다.
버퍼층(500)은 확산층(400) 상에 형성되며, Zn(S, O)로 형성될 수 있다. 여기서, 버퍼층(500)은 ALD 또는 ALD 유사 MOCVD 공정으로 형성될 수 있다. 즉, Zn 소오스 공급, S 소오스 공급 및 O2 소오스 공급을 반복하여 확산층(400) 상에 버퍼층(500)을 형성할 수 있다. 이때, 각 소오스 공급 이전에 퍼지 가스를 공급하여 미반응 소오스를 퍼지하여 ALD 공정으로 버퍼층(500)을 형성할 수 있다. 또한, ALD 유사 MOCVD 공정은 ALD 공정과 모든 면에서 유사하나 차이점은 1회에 증착되는 층의 두께를 수 또는 수십 원자층으로 하여 증착속도를 높이는 것을 말한다. 이러한 버퍼층(500)은 MOCVD 방법으로 형성된 확산층(400)이 이후 윈도우층(600) 형성 시 박리(剝離)되는 문제를 해결하는 역할도 한다. 즉, MOCVD 방법으로 형성된 확산층(400) 상에 버퍼층(500)을 ALD 또는 ALD 유사 MOCVD 방법으로 형성한 후 윈도우층(600)을 형성하면 확산층(400)이 일어나는 현상을 방지할 수 있다. 즉, MOCVD로 형성된 CdS 버퍼층(400)이 CIGS 광 흡수층(300)으로 확산되거나 또는 잔류층으로 존재하게 되는데, 이와 윈도우층(600)은 격자 상수와 열팽창 계수 차이가 크기 때문에 두 물질이 공정 중 또는 공정 후에 쉽게 떨어지는 현상이 발생한다. 이를 방지하기 위하여 Zn(S,O) 버퍼층(500)을 ALD 또는 ALD 유사 MOCVD법으로 형성함으로써 격자 부정합을 완화시켜 광 흡수층(400)과 윈도층(600)이 양호하게 접합될 수 있게 한다.
윈도우층(600)은 버퍼층(500) 상에 투명 도전성 물질로 형성할 수 있는데, 예를 들어 ZnO에 알루미늄 또는 붕소(B)가 도핑되어 형성될 수 있다. 이러한 윈도우층(600)은 다양한 방식으로 형성할 수 있는데, 예를 들어 Zn 소오스(source)와 O2 소오스, 그리고 도펀트 가스 (예를 들어, B2H6)를 동시에 공급하여 MOCVD 방법으로 ZnO:B층을 형성할 수 있다. 또한, 윈도우층(600)은 예를 들어 ZnO:Al2O3을 타겟으로 한 스퍼터링 공정으로 ZnO:Al층으로 형성할 수 있고, 산소 분위기에서 Zn:Al 타겟을 이용하여 ZnO:Al층을 형성할 수도 있다. 버퍼층(500) 및 윈도우층(600)은 버퍼층(500)과 이후 형성되는 제 2 전극층(700)의 사이에 형성된다.
제 2 전극층(700), 즉 전면 전극(front electrode)은 윈도우층(600) 상의 소정 영역에 형성된다. 전면 전극(700)은 알루미늄(Al) 등의 금속 물질을 이용하여 버스 바(bus bar)와 핑거 바(finger bar)를 형성할 수 있다.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양 전지의 제조 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 기판(100) 상에 제 1 전극층(200), 즉 후면 전극을 형성한다. 기판(100)은 용도에 따라 다양한 특성의 기판을 이용할 수 있는데, 바람직하게는 광 투과성을 가지는 유리 기판을 이용할 수 있다. 또한, 제 1 전극층(200)은 일층 또는 다층 구조로 형성할 수 있는데, 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 크롬과 몰리브덴의 합금을 이용할 수 있다. 그런데, 제 1 전극층(200)은 전기 전도도가 높고, 광 흡수층과의 오믹(ohmic) 특성이 우수하며, 셀레늄(Se) 분위기에서의 고온 안정성이 뛰어난 몰리브덴(Mo)을 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 제 1 전극층(300)은 다양한 방식으로 형성할 수 있는데, 예를 들어 금속 타겟(target)을 이용하여 스퍼터링(sputtering) 공정으로 형성할 수 있다. 또한, 제 1 전극층(300)의 도전 물질에 나트륨(Na) 이온이 도핑되어 형성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 제 1 전극층(200) 상에 광 흡수층(300)을 형성한다. 광 흡수층(300)은 예를 들어 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2계 화합물로 형성할 수 있다. 즉, 광 흡수층(300)은 CIGS, CIS 또는 CGS 화합물로 형성할 수 있다. 광 흡수층(300)은 다양한 방식으로 형성할 수 있는데, 예를 들어 구리 타겟, 인듐 타겟 및 갈륨 타겟을 각각 이용하거나 구리, 인듐 및 갈륨의 혼합 타겟을 이용하여 스퍼터링 방식으로 CIG 금속 전구체막을 형성한 후 고온에서 셀레늄을 이용하여 셀레니제이션(selenization) 공정을 실시함으로써 CIGS 화합물의 광 흡수층(300)을 형성할 수 있다. 이때, 셀레늄 대신에 황 또는 셀레늄과 황의 혼합물을 이용할 수도 있다. 또한, 광 흡수층(300)은 Ⅰ족 원소 및 Ⅲ족 원소의 적어도 어느 하나로 이루어진 제 1 박막층 상에 Ⅵ족 원소로 이루어진 제 2 박막층을 형성한 후 열처리 공정을 실시하여 제 1 박막층과 제 2 박막층을 반응시켜 광 흡수층(300)을 형성할 수도 있다.
도 5를 참조하면, 광 흡수층(300) 상에 확산층(400)을 형성한다. 확산층(400)은 예를 들어 CdS로 형성할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 확산층(400)은 금속유기 화학기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD)으로 형성할 수 있다. 즉, 디메틸 카드뮴(DMCd), 디에틸 카드뮴(DECd) 등을 카드뮴 전구체로 이용하고 H2S 가스, t-BuSH 등을 셀레늄 전구체로 이용하여 광 합성층(300) 상에 CdS층을 형성할 수 있다. 이때, 기판(100)은 상온∼200℃ 정도를 유지하며, 기판(100)의 온도는 가능한 낮을수록 좋다. 또한, 전구체 가스의 공급량과 기판(100)의 온도에 따라 증착 시간이 달라지고, 그에 따라 증착되는 확산층(400)의 두께를 조절할 수 있지만, 수분 정도의 증착 시간을 유지하여 1∼30㎚ 정도의 두께로 확산층(400)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 기판(100)의 온도를 100℃로 유지하고, 디메틸 카드뮴(DMCd)과 H2S 가스를 사용하며, 버블러 내부의 압력도 대기압에 가까운 500torr로 유지하여 5분 정도 증착하여 CIGS 광 흡수층(300) 상에 CdS 박막을 형성할 수 있다. 여기서, 디메틸 카드늄은 디에틸 카드늄에 비해 증기압이 높기 때문에 전구체의 온도를 5℃ 정도로 낮게 유지한다. 이와 같이 증착 속도를 조절할 수 있는 인자는 여러 가지이므로 이들을 적당히 조절하여 수분 정도의 증착 시간에 1∼30㎚ 정도의 두께로 확산층(400)을 형성할 수 있다. 한편, 확산층(400)은 태양 전지 제조 공정에서 적어도 일부가 광 흡수층(300)으로 확산될 수 있는데, 확산층(400)은 광 흡수층(300)으로 확산되는 불순물 원소의 도핑 농도 등을 고려한 두께로 형성할 수 있다. 한편, 광 흡수층(300)은 밝은 회색을 띄는데, 이렇게 확산층(400)이 형성되면 어두운 청회색을 띄게 된다.
도 6을 참조하면, 확산층(400) 상에 버퍼층(500)을 형성한다. 버퍼층(500)은 예를 들어 Zn(S, O)로 형성할 수 있으며, ALD 또는 ALD 유사 MOCVD 공정으로 형성할 수 있다. 즉, Zn 소오스 공급, S 소오스 공급 및 O2 소오스 공급을 반복하여 확산층(400) 상에 버퍼층(500)을 형성한다. 물론, 각 소오스 공급 이전에 퍼지 가스를 공급하여 미반응 소오스를 퍼지할 수 있다. 이러한 버퍼층(500)은 MOCVD 방법으로 형성된 확산층(400)이 이후 윈도우층(600) 형성 시 윈도우층(600)이 박리되는 문제를 해결하는 역할도 한다. 즉, MOCVD 방법으로 형성된 확산층(400) 상에 버퍼층(500)을 ALD 또는 ALD 유사 MOCVD 공정으로 형성한 후 윈도우층(600)을 형성하면 확산층(400)이 일어나는 현상을 방지할 수 있다. 한편, 버퍼층(500)을 형성할 때 확산층(400)의 적어도 일부가 광 흡수층(300)으로 확산된다. 즉, 확산층(400)의 Cd가 광 흡수층(300)으로 확산되어 광 흡수층(300)에는 Cd가 도핑된다. 물론, 확산층(400)의 Cd 및 S가 확산층(400)으로 확산될 수도 있다. 확산층(400)의 구성 원소는 버퍼층(500) 형성 시 모두 광 흡수층(300)으로 확산될 수 있고, 일부만 확산된 후 나머지 일부는 다음 공정에서 확산될 수 있다. 이렇게 확산층(400)의 Cd가 광 흡수층(300)으로 확산됨으로써 Cd는 광 흡수층(300)의 상측으로부터 하측으로 농도가 줄어들도록 형성된다. 즉, 확산층(400)과 접하는 광 흡수층(300)은 Cd의 농도가 높고 그 하측으로 갈수록 Cd의 농도가 낮아지며, 예를 들어 광 흡수층(300)의 두께 방향으로 중앙부까지 Cd가 분포할 수 있다. 이렇게 Cd가 광 흡수층(300) 내에 확산됨으로써 CuCd의 점결합을 형성하게 되고 이 결합은 도너 준위로 작용하여 태양 전지의 특성에 중요한 역할을 한다. 한편, 확산층(400)의 Cd가 광 합성층(300)으로 확산되므로 확산층(400)은 CdS 화합물로 존재하지 않거나 또는 확산층(400)은 최초 증착 두께보다 얇은 두께로 잔류할 수 있다.
도 7을 참조하면, 버퍼층(500) 상에 ITO, ZnO 등의 투명 도전성 물질을 이용하여 윈도우층(600)을 형성한다. 또한, ZnO에 알루미늄(Al) 또는 붕소(B)가 도핑(doping)되어 형성될 수 있다. 이러한 윈도우층(600)은 다양한 방식으로 형성할 수 있는데, 예를 들어 Zn 소오스와 O2 소오스를 반복 공급하여 ALD 또는 ALD와 유사한 MOCVD 방법으로 형성할 수 있다. 확산층(400)의 원소는 버퍼층(500)을 형성할 때에도 광 흡수층(300)으로 확산될 수 있다.
도 8을 참조하면, 윈도우층(600) 상에 제 2 전극층(700), 즉 전면 전극을 형성한다. 전면 전극(700)은 알루미늄 등의 금속 물질을 이용하여 버스 바(bus bar)와 핑거바(finger bar)를 형성할 수 있다. 을 형성한다.
도 9는 CdS 확산층이 공정 중에 25nm 정도의 두께로 CIGS 광 흡수층과 ZnO 버퍼층 사이에 존재하는 것을 보인 TEM 사진이고, 도 10은 태양 전지 완성 후 CdS가 광 흡수층으로 확산되어 사라진 모습을 보인 TEM 사진이다. 또한, 도 11은 Cd 원자의 깊이에 따른 성분 분석 결과를 도시한 것으로, 도 11에서 볼 수 있듯이 Cd 원자가 CIGS 광 흡수층으로 확산되어 들어간 것뿐만 아니라 CdS확산층의 두께를 얇게 하여 제작한 경우 경계에서 Cd의 검출량이 최대 용해도 보다 낮게 관측됨도 알 수 있다.
상기와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양 전지 및 그 제조 방법은 광 흡수층(300)과 윈도우층(600) 사이에 확산층(400) 및 버퍼층(500)이 형성되며, 확산층(400)은 MOCVD 방법으로 형성되고 버퍼층(500)은 ALD 방법으로 형성될 수 있다. 이렇게 확산층(400) 및 버퍼층(500)이 건식 공정으로 형성됨으로써 종래의 습식 공정으로 버퍼층이 형성되는 경우에 비해 Cd 사용량을 최소화할 수 있고, 모든 공정이 건식 공정으로 진행되어 태양 전지 제조 공정의 연속성을 확보할 수 있으며, 공정 시간을 줄여 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 확산층(400)이 이후 공정에서 광 흡수층(300)으로 확산되므로 광 흡수층(300) 내에는 예컨데 CuCd의 점결합이 형성되고 그에 따라 태양 전지의 특성을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 기판 200 : 제 1 전극층
300 : 광 흡수층 400 : 확산층
500 : 버퍼층 600 : 윈도우층
700 : 제 2 전극층
300 : 광 흡수층 400 : 확산층
500 : 버퍼층 600 : 윈도우층
700 : 제 2 전극층
Claims (10)
- 기판 상에 적층 형성된 제 1 전극층, 광 흡수층, 확산층, 버퍼층 및 윈도우층을 포함하고,
상기 확산층은 CdS로 형성되고, 상기 버퍼층은 Zn(S,O)로 형성되며,
상기 확산층은 MOCVD 또는 ALD 방법으로 형성되고, 상기 버퍼층은 ALD 또는 ALD 유사 MOCVD 방법으로 형성되며,
상기 확산층은 상기 광 흡수층 상에 제 1 두께로 형성된 후 상기 버퍼층, 윈도우층 및 제 2 전극층의 적어도 어느 한 층을 형성할 때 상기 확산층의 구성 원소의 적어도 일부가 상기 광 흡수층으로 확산되어 상기 제 1 두께보다 얇은 제 2 두께로 형성되는 태양 전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 확산층은 Cd 또는 Cd 및 S가 상기 광 흡수층으로 확산되는 태양 전지.
- 삭제
- 삭제
- 기판 상에 제 1 전극층을 형성하는 단계;
상기 제 1 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 및
상기 광 흡수층 상에 확산층을 형성하는 단계;
상기 확산층 상에 버퍼층 및 윈도우층을 적층 형성하는 단계를 포함하고,
상기 확산층은 CdS로 형성하고, 상기 버퍼층은 Zn(S,O)로 형성하며,
상기 확산층은 MOCVD 또는 ALD 방법으로 형성하고, 상기 버퍼층은 ALD 또는 ALD 유사 MOCVD 방법으로 형성하며,
상기 확산층은 상기 광 흡수층 상에 제 1 두께로 형성된 후 상기 버퍼층, 윈도우층 및 제 2 전극층의 적어도 어느 한 층을 형성할 때 상기 확산층의 구성 원소의 적어도 일부가 상기 광 흡수층으로 확산되어 상기 제 1 두께보다 얇은 제 2 두께로 형성되는 태양 전지의 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 확산층은 Cd 또는 Cd 및 S가 상기 광 흡수층으로 확산되는 태양 전지의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 확산층은 상온 내지 200℃의 온도에서 1 내지 30㎚의 두께로 형성하는 태양 전지의 제조 방법.
- 삭제
- 삭제
- 제 5 항에 있어서, 상기 버퍼층은 수 내지 수십층을 적층 형성하고, 상기 윈도우층은 MOCVD 방법으로 형성하는 태양 전지의 제조 방법.
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