KR101459041B1 - 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 및 상기 기판 상에 형성된 후면 전극층; 및 상기 후면 전극층 상에 형성된 광 흡수층;을 포함하되, 상기 후면 전극층은 고온의 분위기 조건하에 비저항 변화율이 10% 이하인 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 전극층을 개선하여 에너지 효율이 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.
이러한 화합물 반도체 태양전지는 각각의 층의 전기적인 특성이 전체 태양전지의 효율에 영향을 미칠 수 있으며, 이에 각 층의 전기적 특성을 개선하여 전체 태양전지의 에너지 효율을 증가시키고자 하는 노력을 지속하고 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이 태양전지의 에너지 효율 향상을 위한 노력으로서, 박막형 태양전지에 적용되는 후면 전극층이 고온의 분위기에 의한 비저항 변화율을 최적화함으로써, 태양전지의 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 박막형 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 박막형 태양전지는, 기판 및 상기 기판 상에 형성된 후면 전극층; 및 상기 후면 전극층 상에 형성된 광 흡수층;을 포함하되, 상기 후면 전극층은 고온의 분위기 조건하에 비저항 변화율이 10% 이하인 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 후면 전극층은 두께가 0.4 ~ 1.0㎛이다.
바람직하게, 상기 후면 전극층은 몰리브덴(Mo)으로 이루어진다.
바람직하게, 상기 후면 전극층은 스퍼터링(Sputtering)법을 이용하여 형성된다.
바람직하게, 상기 후면 전극층은 성막이 완료된 후, 10 ~ 30분 동안 200 ~ 400℃의 온도 조건으로 열처리되어 형성된다.
바람직하게, 상기 후면 전극층은 진공의 분위기 조건하에서 열처리된다.
바람직하게, 상기 후면 전극층에 대한 고온의 분위기는 상기 광 흡수층을 형성하기 위한 셀레늄 처리 공정이다.
바람직하게, 상기 셀레늄 처리 공정은 셀레늄(Se) 분위기 하에서 60분 동안 450 ~ 500℃의 온도 조건으로 열처리되는 공정이다.
바람직하게, 상기 광 흡수층은, 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se)을 함유하는 CIGS계 화합물층을 포함한다.
바람직하게, 상기 광 흡수층 상에 형성된 버퍼층, 윈도우층 및 전면 전극층을 더 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 박막형 태양전지의 제조방법은, (a) 기판 상에 후면 전극층을 형성하는 단계; 및 (b) 상기 후면 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계;를 포함하되, 상기 후면 전극층은 고온의 분위기 조건하에 비저항 변화율이 10% 이하인 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 (a) 단계에서, 상기 후면 전극층은 두께가 0.4 ~ 1.0㎛으로 형성한다.
바람직하게, 상기 (a) 단계에서, 상기 후면 전극층은 몰리브덴(Mo)으로 이루어진다.
바람직하게, 상기 (a) 단계는, 스퍼터링(Sputtering)법을 이용하여 상기 후면 전극층을 형성한다.
바람직하게, 상기 (a) 단계와 (b) 단계 사이에는, 상기 후면 전극층의 성막이 완료된 후, 10 ~ 30분 동안 200 ~ 400℃의 온도 조건으로 열처리하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게, 상기 열처리 단계는 진공의 분위기 조건하에서 열처리한다.
바람직하게, 상기 (b) 단계에서, 상기 광 흡수층을 형성하기 위한 셀레늄 처리 단계를 더 포함하고, 상기 후면 전극층에 대한 고온의 분위기는 상기 셀레늄 처리 단계이다.
바람직하게, 상기 셀레늄 처리 단계는 셀레늄(Se) 분위기 하에서 60분 동안 450 ~ 500℃의 온도 조건으로 열처리하는 공정이다.
바람직하게, 상기 (b) 단계에서, 상기 광 흡수층은 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se)을 함유하는 CIGS계 화합물층을 포함한다.
바람직하게, 상기 (b) 단계 이후, 상기 광 흡수층 상에 버퍼층, 윈도우층 및 전면 전극층을 형성하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 따르면, 박막형 태양전지의 후면 전극층이 고온의 분위기에 의한 비저항 변화율을 최소화하여 최적화함으로써, 태양전지의 에너지 효율을 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 2 내지 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 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 박막형 태양전지는, 기판(100), 후면 전극층(200) 및 광 흡수층(300)을 포함한다. 또한, 상기 박막형 태양전지는 광 흡수층(300) 상에 버퍼층(400), 윈도우층(500) 및 전면 전극층(600)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 소다라임(sodalime) 유리를 이용한 기판이 이용될 수 있다.
상기 후면 전극층(200)은 도전성을 갖는 금속층으로서 높은 전기전도성과 광 흡수층(300)과의 오믹 접촉(ohmic contact) 및 셀레늄(Se) 분위기 하에서의 고온 안정성을 갖는 몰리브덴(Mo)이 사용될 수 있다. 상기 후면 전극층(200)은 스퍼터링(Sputtering)법을 이용하여 형성될 수 있다. 이때, 후면 전극층(200)은 0.4 ~ 1.0㎛인 두께로 형성될 수 있다.
본 발명에서, 상기 후면 전극층(200)은 고온의 분위기 조건하에 비저항 변화율이 10% 이하가 되도록 형성된다. 이는 후면 전극층(200)이 고온의 분위기 조건에 노출된 이후, 비저항 변화율이 10%를 초과하게 될 경우, 후면 전극층(200)의 면저항 수치 증가로 태양전지 내부에서 발생되는 전류의 흐름이 원활하게 되지 않아 태양전지의 에너지 효율에 손실이 발생할 수 있기 때문에 바람직하지 못하다. 이와 같이, 상기 후면 전극층(200)은 고온의 분위기 조건하에 비저항 변화율이 10% 이하를 가질 수 있도록 형성함에 따라 태양전지 내부에서 발생되는 전류의 흐름이 원활하게 되어 박막형 태양전지의 에너지 효율을 10% 이상으로 향상시킬 수 있다.
즉, 상기 후면 전극층(200) 상에는 CIGS계의 광 흡수층(300)이 형성되게 되는데, 상기 광 흡수층(300)을 형성하는 과정에서 고온의 분위기에서 진행되는 셀레늄 처리 공정이 수반되게 되며, 이러한 고온의 분위기에 노출된 이후, 상기 후면 전극층(200)의 비저항이 높아지는 변화가 발생하는 문제점을 가지게 된다.
이에 본 발명에서는 후면 전극층(200)이 고온의 분위기에 노출된 이후에도 비저항의 변화되는 것을 최소화하여 비저항 변화율을 10% 이하로 낮출 수 있도록 한다는데 발명의 특징이 있다. 이를 위해, 상기 후면 전극층(200)은 성막이 완료된 후, 진공의 분위기 하에서 10 ~ 30분 동안 200 ~ 400℃의 온도 조건으로 열처리하는 공정을 거칠 수 있다. 이는 광 흡수층(300)의 형성을 위한 고온의 셀레늄 처리 이전에 후면 전극층(200)을 열처리함으로써, 후면 전극층(200)을 형성하기 위한 스퍼터링 공정에서 결합되지 않고 남아있던 몰리브덴(Mo) 입자에 의한 결함 부분이 제어되어 후면 전극층(200)의 안정성이 향상되어 고온의 분위기에 노출된 이후에도, 비저항의 변화를 낮출 수 있게 됨으로써 비저항 변화율을 10% 이하가 되도록 할 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 태양광을 흡수하여 기전력을 발생시키기 위한 것으로서, CIGS계의 재질로 형성된다. CIGS는 구리(Cu), 인듐(In), 셀레늄(Se)으로 이루어진 CuInSe2(CIS)의 3원소 반도체에 갈륨(Ga) 원소를 도핑하여 효율을 증가시킨 것이다. 이러한 광 흡수층(300)은 스퍼터링 공정에 의해 구리, 인듐 및 갈륨으로 이루어진 화합물층을 형성한 이후, 셀레늄 분위기 하에서 60분 동안 450 ~ 500℃의 온도 조건으로 열처리됨으로써, 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se)을 함유하는 CIGS계 화합물층으로 형성되게 된다.
본 발명에서는, 상기 후면 전극층(200) 상에 광 흡수층(300)을 형성하는 과정에서의 고온의 분위기에 의한 영향으로부터 후면 전극층(200)의 비저항 안정성을 향상시킴으로써, 상기 후면 전극층(200)이 고온의 분위기 조건하에 비저항 변화율이 10% 이하가 되도록 하여 박막형 태양전지의 에너지 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
상기 버퍼층(400)은 p형 반도체 층인 상기 광 흡수층(300)과 pn접합되는 n형의 반도체 층으로서, 황화 카드뮴(Cds)로 형성된다.
상기 윈도우층(500)은 투명한 전극층으로서, ITO, ZnO 또는 i-ZnO 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 이때, 상기 윈도우층(500)의 상면에는 전하를 효과적으로 포집하기 위해서 알루미늄(Al)이나 니켈(Ni)과 같은 금속 재질로 이루어진 금속층인 전면 전극층(600)이 형성된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 박막형 태양전지는 후면 전극층(200)이 고온의 분위기 조건하에 비저항 변화율이 10% 이하가 되도록 형성됨으로써, 태양전지 내부에서 발생되는 전류의 흐름이 원활하게 되어 박막형 태양전지의 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 장점을 갖게 된다.
도 2 내지 4는 본 발명에 따른 박막형 태양전지의 제조방법을 순차적으로 도시한 공정 단면도들이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 박막형 태양전지의 제조방법은, 기판(100) 상에 후면 전극층(200)을 형성하는 단계와, 상기 후면 전극층(200) 상에 광 흡수층(300)을 형성하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 박막형 태양전지의 제조방법은 광 흡수층(300) 상에 버퍼층(400), 윈도우층(500) 및 전면 전극층(600)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 기판(100)을 준비하고, 상기 기판(100) 상에 후면 전극층(200)을 형성한다. 이는 몰리브덴(Mo)을 타겟 물질로 한 스퍼터링(Sputtering)법을 이용하여 형성된다. 이때, 후면 전극층(200)은 두께가 0.4 ~ 1.0㎛으로 형성될 수 있다.
본 발명에서, 상기 후면 전극층(200)은 고온의 분위기 조건하에 비저항 변화율이 10% 이하가 되도록 형성된다. 이는 후면 전극층(200)이 고온의 분위기 조건에 노출된 이후, 비저항 변화율이 10%를 초과하게 될 경우, 후면 전극층(200)의 면저항 수치 증가로 태양전지 내부에서 발생되는 전류의 흐름이 원활하게 되지 않아 태양전지의 에너지 효율에 손실이 발생할 수 있기 때문에 바람직하지 못하다. 이와 같이, 상기 후면 전극층(200)은 고온의 분위기 조건하에 비저항 변화율이 10% 이하를 가질 수 있도록 형성함에 따라 태양전지 내부에서 발생되는 전류의 흐름이 원활하게 되어 박막형 태양전지의 에너지 효율을 10% 이상으로 향상시킬 수 있다.
이를 위해, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 후면 전극층(200)의 성막이 완료된 후, 진공의 분위기 하에서 10 ~ 30분 동안 200 ~ 400℃의 온도 조건으로 열처리한다. 이는 후면 전극층(200)을 형성하기 위한 스퍼터링 공정에서 결합되지 않고 남아있던 몰리브덴(Mo) 입자에 의한 결함 부분이 제어되어 후면 전극층(200)의 안정성이 향상되어 고온의 분위기에 노출된 이후에도, 비저항의 변화를 낮출 수 있게 함으로써 비저항 변화율을 10% 이하가 되도록 할 수 있다.
그런 다음, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 후면 전극층(200) 상에 광 흡수층(300)을 형성한다. 광 흡수층(300)은 태양광을 흡수하여 기전력을 발생시키기 위한 것으로, CIGS계의 재질로 형성된다. 이러한 광 흡수층(300)은 스퍼터링 공정에 의해 구리, 인듐 및 갈륨으로 이루어진 화합물층을 형성한 이후, 셀레늄 분위기 하에서 60분 동안 450 ~ 500℃의 온도 조건으로 열처리됨으로써, 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se)을 함유하는 CIGS계 화합물층으로 형성되게 된다.
또한, 도면에는 도시되지 않았지만, 광 흡수층(300) 상에 버퍼층(400), 윈도우층(500) 및 전면 전극층(600)을 순차적으로 적층시켜 박막형 태양전지를 완성하게 된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 박막형 태양전지의 제조방법에 의해 형성된 후면 전극층(200)은 고온의 분위기 조건하에 비저항 변화율이 10% 이하가 되도록 형성됨으로써, 태양전지 내부에서 발생되는 전류의 흐름이 원활하게 되어 박막형 태양전지의 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 장점을 갖게 된다.
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 : 후면 전극층
300 : 광 흡수층 400 : 버퍼층
500 : 윈도우층 600 : 전면 전극층

Claims (20)

  1. 기판 및 상기 기판 상에 형성되고, 몰리브덴(Mo)으로 이루어진 후면 전극층; 및
    상기 후면 전극층 상에 형성된 광 흡수층;을 포함하되,
    상기 후면 전극층은 성막이 완료된 후, 열처리되어 형성되고, 이후 상기 광 흡수층을 형성하기 위한 셀레늄 처리 공정에서의 고온의 분위기 조건하에 비저항 변화율이 10% 이하인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 후면 전극층은 두께가 0.4 ~ 1.0㎛인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 후면 전극층은 스퍼터링(Sputtering)법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 후면 전극층의 열처리는, 10 ~ 30분 동안 200 ~ 400℃의 온도 조건으로 열처리되는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열처리는 진공의 분위기 조건하에서 열처리되는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 셀레늄 처리 공정은 셀레늄(Se) 분위기 하에서 60분 동안 450 ~ 500℃의 온도 조건으로 열처리되는 공정인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광 흡수층은, 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se)을 함유하는 CIGS계 화합물층을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 광 흡수층 상에 형성된 버퍼층, 윈도우층 및 전면 전극층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지.
  11. (a) 기판 상에 몰리브덴(Mo)으로 이루어진 후면 전극층을 형성하는 단계;
    (b) 상기 후면 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계;를 포함하되,
    상기 후면 전극층은 상기 (a) 단계에서 성막이 완료된 후, 열처리되어 형성되고, 이후 상기 (b) 단계에서 상기 광 흡수층을 형성하기 위한 셀레늄 처리 공정에서의 고온의 분위기 조건하에 비저항 변화율이 10% 이하인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서, 상기 후면 전극층은 두께가 0.4 ~ 1.0㎛으로 형성하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
  13. 삭제
  14. 제11항에 있어서,
    상기 (a) 단계는, 스퍼터링(Sputtering)법을 이용하여 상기 후면 전극층을 형성하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서, 상기 후면 전극층의 열처리는, 10 ~ 30분 동안 200 ~ 400℃의 온도 조건으로 열처리하는 단계인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 열처리 단계는 진공의 분위기 조건하에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
  17. 삭제
  18. 제11항에 있어서,
    상기 셀레늄 처리 단계는 셀레늄(Se) 분위기 하에서 60분 동안 450 ~ 500℃의 온도 조건으로 열처리하는 공정인 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서, 상기 광 흡수층은 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se)을 함유하는 CIGS계 화합물층을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 (b) 단계 이후, 상기 광 흡수층 상에 버퍼층, 윈도우층 및 전면 전극층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 태양전지의 제조방법.
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