KR101515301B1 - 레이저 리소그래피를 이용하여 형성되는 3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조방법 - Google Patents

레이저 리소그래피를 이용하여 형성되는 3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조방법 Download PDF

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Abstract

레이저 리소그래피를 이용하여 3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지를 제조하는 방법이 개시된다. 이는 하부구조 상에 하부구조의 표면을 노출시키는 다수개의 노출부를 가지는 포토레지스트 마스크를 형성하는 단계와, 하부구조의 노출된 표면에 광흡수층의 일부 또는 전부를 위한 기둥형 전구체층을 형성하는 단계를 포함하며, 포토레지스트 마스크의 형성은 레이저 리소그래피를 이용한다. 이러한 레이저 리소그래피는 경제적인 제조비용으로 3차원 구조의 다양한 광흡수층을 정밀하게 형성할 수 있다.

Description

레이저 리소그래피를 이용하여 형성되는 3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING SOLAR CELL WITH 3-DIMENSIONAL STRUCTURE OF ABSORBER LAYER FILM USING LASER LITHOGRAPH}
본 발명은 박막형 화합물 태양전지 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저 리소그래피를 이용하여 형성되는 3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조방법에 관한 것이다.
화석 에너지 고갈과 환경 문제로 인하여, 실질적으로 무한한 태양광을 이용할 뿐만 아니라 이산화탄소를 발생시키지 않는 태양전지에 대해 많은 연구개발이 이루어지고 있다. 특히, 최근에는 태양전지의 경제성을 높이기 위해 저가 고효율 태양전지에 연구가 집중되고 있다.
하지만, 현재 태양전지 시장의 주류를 이루고 있는 결정질 실리콘 태양전지는 200㎛ 내외 크기를 가지는 기판을 사용하기 때문에 생산 단가를 낮추는데 한계가 있으며, 특히 원소재로 이용되는 실리콘은 지속적인 대량 공급이 담보되지 못하는 실정이다. 이에 따라 생산 단가를 낮추기 위하여 유리나 유연 기판을 사용하거나 실리콘을 대체할 광흡수 물질을 5㎛ 내외의 얇은 층만을 사용하는 박막형 태양전지가 새로운 대안으로 주목받고 있다.
최근 독일 신재생 에너지 연구소(ZSW)는 높은 광흡수계수와 화학적 안정성을 가지는 Cu(In,Ga)Se2(CIGS)등의 Se계 화합물 박막을 소재로 활용하여 20.3%라는 높은 변환 효율을 나타내는 태양전지를 발표한바 있고, 이는 향후 산업화 가능성이 높은 것으로 평가받고 있다.
그러나 비록 CIGS로 대표되는 박막형 화합물 태양전지가 높은 광전 변환 효율을 획득하고 있기는 하지만, 기존의 Si를 기반으로 하는 태양전지와 발전 단가 경쟁을 하기 위해서는 26% 이상의 광전 변환 효율을 확보하여야 할 것이다. 따라서 CIGS 기반 박막을 이용하는 태양전지는 그 양산화에 제한이 있다. 더욱이, CIGS는 In과 Ga의 높은 가격과 Se의 독성으로 인한 제약도 있기 때문에 대량생산에 어려움이 따를 것으로 판단된다.
이러한 CIGS를 대체하기 위하여 CZTS(Cu2ZnSnS4)를 기반으로 하는 광흡수 박막 및 그를 적용한 태양전지에 대하여 많은 연구가 이루어지고 있다. CZTS는 CIGS의 In과 Ga를 Zn과 Sn으로 대체하는 것으로서, CIGS와 비슷한 결정구조와 광학적 특성을 갖는다. 따라서, CZTS가 CIGS와 비슷한 변환 효율을 갖게 된다면, 기존의 Si 기반의 태양전지에 대하여 가격 경쟁력을 가질 수 있을 것으로 판단된다.
한국특허공개 10-2009-0100692
본 발명은 종래의 문제점을 감안한 것으로서, 레이저 리소그래피를 이용하여 3차원 구조의 광흡수층을 형성하는 과정을 포함하는 태양전지 제조방법을 제공한다.
본 발명은 광흡수층으로서 CZTS(Cu, Zn, Sn, 및 S 또는 Se) 기반 물질을 채용하는 태양전지 제조방법을 제공한다.
본 발명의 3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조방법을 제공하며, 그에 대한 일 측면은: (a) 하부구조 상에 상기 하부구조의 표면을 노출시키는 다수개의 노출부를 가지는 포토레지스트 마스크를 형성하는 단계; 및 (b) 상기 하부구조의 노출된 표면에 광흡수층의 일부 또는 전부를 위한 기둥형 전구체층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 포토레지스트 마스크의 형성은 레이저 리소그래피를 이용한다.
또한, (c) 상기 포토레지스트 마스크를 제거하는 단계; 및 (d) 적어도 상기 하부구조 상면의 노출된 부위를 덮도록 광흡수층을 위한 추가적인 전구체층을 더 형성하는 단계;를 포함한다.
또한 (e) 상기 기둥형 전구체층 및 상기 추가적인 전구체층을 열처리하여 광흡수층을 형성하는 단계;를 더 포함한다. 여기서, 상기 열처리는 황화 또는 셀렌화 분위기에서 수행된다.
또한 상기 하부구조는 기판과 상기 기판 상에 형성된 후면전극층을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지의 제조방법을 제공하며, 그에 대한 다른 측면은: (a) 하부구조 상에 광흡수층의 일부를 위한 버퍼 전구체층을 형성하는 단계; (b) 상기 버퍼 전구체층의 표면을 노출시키는 다수개의 노출부를 가지는 포토레지스트 마스크를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 버퍼 전구체층의 노출된 표면에 광흡수층의 일부를 위한 기둥형 전구체층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 포토레지스트 마스크의 형성은 레이저 리소그래피를 이용한다.
또한 (d) 상기 포토레지스트 마스크를 제거하는 단계; 및 (e) 상기 버퍼 전구체층 및 상기 기둥형 전구체층을 열처리하여 광흡수층을 형성하는 단계;를 더 포함한다. 여기서, 상기 열처리는 황화 또는 셀렌화 분위기에서 수행된다.
상기 하부구조는 기판과 상기 기판 상에 형성된 후면전극층을 포함하는 것일 수 있다.
상술한 일 측면 및 다른 측면에서, 상기 광흡수층은 CZTS(Cu, Zn, Sn, 및 S 또는 Se) 기반 물질이다.
또한 일 측면 및 다른 측면에서, 상기 광흡수층 상에 버퍼층, 윈도우층 및 전면 전극을 순차로 형성하는 단계들을 더 포함한다.
본 발명의 3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지의 제조방법은 광흡수층이 3차원 구조를 가지기 때문에, 기존의 평면 구조보다 p-n 정션 영역이 확대되고, 그에 따라 빛에 의해 생성되는 전하 전송자량을 늘어나서 변환 효율이 대폭적으로 증가하게 된다. 더욱이, 본 발명에서는 이러한 3차원 구조의 광흡수층의 제조를 위해 포토레지스트와 레이저 리소그래피를 이용하며, 이는 합리적인 제조비용과 정밀한 패턴의 형성을 가능하게 한다. 나아가, 레이저 리소그래피를 이용하기 때문에 특별한 제약 없이 다양한 종류의 기둥형상의 광흡수층을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명에 채용되는 레이저 리소그래피에 의해 형성된 다양한 형태의 광흡수층을 보여주는 이미지이다.
도 2a 내지 2h는 본 발명에 따른 제1실시예의 3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지의 제조방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 3a 내지 3h는 본 발명에 따른 제2실시예의 3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지의 제조방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
먼저 도 1을 참조하여 본 발명의 제조방법에서 채용하는 레이저 리소그래피를 간략하게 설명한다. 도 1은 레이저 리소그래피를 이용하여 형성된 다양한 마스크 패턴의 FE-SEM 이미지이다.
도 1에서 보여주는 바와 같이, 레이저 리소그래피는 레이저의 간섭 현상을 이용하여 포토레지스트(PR)에 다양한 패턴을 정밀하게 형성할 수 있는 기술이다. 패턴의 간격은 레이저의 파장에 의해서 정해지며, 노광횟수나 방법에 따라서 선 또는 점 형태의 패턴을 얻을 수 있다.
본 발명에서는 레이저 리소그래피를 이용하여 기둥 형상을 가지는 광흡수층을 형성한다. 이러한 3차원 구조의 광흡수층은 p-n 정션 영역을 넓힘으로써 실질적으로 빛을 흡수하는 영역 확대하여 광전 변환 효율을 대폭적으로 증가시킨다.
제1실시예
도 2a 내지 2h는 본 발명에 따른 제1실시예의 3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 제1실시예의 3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조방법에서는 먼저 도 2a와 같이 예를 들어 유리 기판(11-1)과 유리 기판(11-1) 상에 형성된 후면전극층(11-2)을 포함하는 하부구조를 준비한다. 후면전극층(11-2)은 예를 들어 Mo일 수 있다.
도 2b와 같이, 이러한 하부구조(11) 상에 포토레지스트 마스크(M)를 형성하는 단계를 진행한다. 하부구조(11)의 상면에 후면전극층(11-2)이 있기 때문에 실질적으로 후면전극층(11-2) 상에 포토레지스트 마스크(M)를 형성하게 된다.
포토레지스트 마스크(M)는 하부구조(11)의 표면을 노출시키는 노출부(h)를 다수개 가진다. 이러한 노출부(h)는 다양한 크기와 모양을 가질 수 있으며, 이는 아래에서 설명되는 바와 같은 기둥형 광흡수층의 형태를 결정하게 된다.
도 2c와 같이, 마스크(M)의 노출부(h)에 노출된 하부구조(11)의 표면에 광흡수층의 일부 또는 전부를 위한 기둥형 전구체층(12-1)을 형성한다. 이러한 기둥형 전구체층(12-1)은 철(凸)부위를 형성하고, 그 때문에 그 외의 부위는 요(凹)부위가 된다.
본 발명에서 광흡수층은 CZTS(Cu, Zn, Sn, 및 S 또는 Se) 기반 물질로 형성되기 때문에, 기둥형 전구체층(12-1)을 스퍼터링이나 PLD 방법을 이용하여 CZTS 물질로 형성한다.
다음에, 도 2d와 같이 포토레지스트 마스크(M)를 제거한다.
이어, 도 2e와 같이, 적어도 상기 하부구조(11) 상면의 노출된 부위를 덮도록 광흡수층을 위한 추가적인 전구체층(12-2)을 더 형성한다. 이러한 추가적인 전구체층(12-2)은 기둥형 전구체층(12-1)에 의해 형성되는 요부위의 바닥 부위에 배치되어 나중에 형성되는 윈도우층과 하부구조(11) 상면에 위치하는 후면전극층(11-2)이 직접 접촉되는 것을 방지하는 역할도 한다. 따라서, 상술한 요부위에 위치하도록 증착한다. 이를 위해서는 하부구조(11)와 기둥형 전구체층(12-1)을 포함하는 전체면에 CZTS 기반 물질을 증착하거나, 또 다른 마스크(미도시)를 이용하여 요부위의 바닥부위에만 형성되도록 할 수 있다.
하부구조(11)와 기둥형 전구체층(12-1)을 포함하는 전면에 추가적인 전구체층(12-2)을 형성할 경우에는, 기둥형 전구체층(12-1)의 기둥형태가 남아있는 정도의 두께로 형성한다.
기둥형 전구체층(12-1)과 추가적인 전구체층(12-2)을 황화 또는 셀렌화 분위기에서 열처리하여 도 2f와 같이 CZTS 기반의 광흡수층(12)을 합성한다.
이후, 도 2g와 같이, 버퍼층(13)으로서 CdS층을 예를 들어 화학 수조 증착법을 이용하여 광흡수층(12) 상에 예를 들어 50nm의 두께로 형성하고, 그 위에 윈도우층(14)으로서 인트린직 ZnO(i-ZnO)층(14-1)과 Al이 도핑된 ZnO층(14-2)을 순차로 적층 형성한다. 또한 도 2h와 같이 Al 도핑된 ZnO층(14-2) 위에 Al으로 전면 전극(15)을 형성한다.
제2실시예
도 3a 내지 도 3h는 본 발명에 따른 제2실시예의 3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지의 제조방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
제2실시예에서는 기둥형태의 전구체층을 형성하기 전에, 상면에 후면전극층(21-2)가 형성된 하부구조(21) 상에 버퍼 전구체층(22-1)을 형성 한 후, 버퍼 전구체층(22-1) 상에 기둥형 전구체층(22-2)을 형성하는 방식이다. 따라서, 버퍼 전구체층(22-1)이 후면전극층(11-2)과 윈도우층(24)이 직접 접촉하는 것을 방지하는 역할도 한다.
구체적으로 설명하면, 본 발명에 따른 제2실시예의 3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지의 제조방법에서는, 도 3a과 같이 유리 기판(21-1)과 그 상면에 형성된 후면전극층(21-2)을 포함하는 하부구조(21)를 준비한다.
도 3b와 같이, 하부구조(21) 상에 버퍼 전구체층(22-1)층을 형성한다. 버퍼 전구체층(22-1) 역시 광흡수층(22)의 일부이고, 따라서 CZTS 기반의 물질로 형성한다. 상술한 바와 같이, 버퍼 전구체층(22-1)이 하부구조(21) 상면에 있는 후면전극층(21-2)과 추후 형성되는 윈도우층(24)이 직접 접촉하는 것을 방지하는 역할도 한다.
도 3c와 같이, 버퍼 전구체층(22-1) 상에 포토레지스트 마스크(M)를 형성한다. 포토레지스트 마스크(M)는 버퍼 전구체층(22-1)의 표면을 노출시키는 다수개의 노출부(h)를 가지는 형태이며, 제1실시예에서와 마찬가지로 레이저 리소그래피를 이용하여 형성한다.
도 3d와 같이, 노출된 버퍼 전구체층(22-1)의 표면에 기둥형 전구체층(22-2)을 형성한다.
제2실시예에서도 제1실시예와 마찬가지로 버퍼 전구체층(22-1)과 기둥형 전구체층(22-2)을 CZTS 기반 물질로 형성하며, 예를 들어 스퍼터링이나 PLD법을 이용할 수 있다.
다음에, 도 3e와 같이 포토레지스트 마스크(M)를 제거한다.
이어, 버퍼 전구체층(22-1)과 기둥형 전구체층(22-2)을 황화 또는 셀렌화 분위기에서 열처리하여 CZTS 기반의 광흡수층(22)을 합성한다.
이후, 도 3g와 같이, 버퍼층(23)으로서 CdS층을 예를 들어 화학 수조 증착법을 이용하여 광흡수층(22) 상에 예를 들어 50nm의 두께로 형성하고, 그 위에 윈도우층(24)으로서 인트린직 ZnO(i-ZnO)층(24-1)을 대략 70nm 정도의 두께로 형성하고, 그 위에 Al이 도핑된 ZnO층(24-2)을 형성한다. 또한 도 2h와 같이 Al 도핑된 ZnO층(24-2) 위에 Al으로 전면 전극(25)을 형성한다.
이상과 같은 본 발명의 3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지의 제조방법은 광흡수층(12, 22)이 3차원 구조를 가지기 때문에, 기존의 평면 구조보다 p-n 정션 영역이 확대되고, 그에 따라 빛에 의해 생성되는 전하 전송자가 늘어나서 변환 효율이 대폭적으로 증가하게 된다. 더욱이, 본 발명에서는 이러한 3차원 구조의 광흡수층의 제조를 위해 포토레지스트와 레이저 리소그래피를 이용하며, 이는 합리적인 제조비용과 정밀한 패턴의 형성을 가능하게 한다. 나아가, 레이저 리소그래피를 이용하기 때문에 특별한 제약 없이 다양한 종류의 기둥형상의 광흡수층을 제조할 수 있다.
이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
11, 21: 하부구조 11-1, 21-1: 유리 기판
11-2, 21-2: 후면전극층 12, 22: 광흡수층
12-1, 22-2: 기둥형 전구체층 12-2 : 추가적인 전구체층
22-1: 버퍼 전구체층 13, 23: 버퍼층
14, 24: 윈도우층 M: 마스크
h: 노출부

Claims (13)

  1. 태양전지 제조방법으로서:
    (a) 하부구조 상에 상기 하부구조의 표면을 노출시키는 다수개의 노출부를 가지는 포토레지스트 마스크를 형성하는 단계; 및
    (b) 상기 하부구조의 노출된 표면에 광흡수층의 일부 또는 전부를 위한 기둥형 전구체층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 포토레지스트 마스크의 형성은 레이저 리소그래피를 이용하는 것인,
    3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    (c) 상기 포토레지스트 마스크를 제거하는 단계; 및
    (d) 적어도 상기 하부구조 상면의 노출된 부위를 덮도록 광흡수층을 위한 추가적인 전구체층을 더 형성하는 단계;를 포함하고,
    3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    (e) 상기 기둥형 전구체층 및 상기 추가적인 전구체층을 열처리하여 광흡수층을 형성하는 단계;를 더 포함하고,
    3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 열처리는 황화 또는 셀렌화 분위기에서 수행되는 것인,
    3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 하부구조는 기판과 상기 기판 상에 형성된 후면전극층을 포함하는 것인,
    3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 광흡수층 상에 버퍼층, 윈도우층 및 전면 전극을 순차로 형성하는 단계들을 더 포함하는 것인,
    3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 광흡수층은 CZTS 기반의 물질인 것인,
    3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조방법.
  8. 태양전지 제조방법으로서:
    (a) 하부구조 상에 광흡수층의 일부를 위한 버퍼 전구체층을 형성하는 단계;
    (b) 상기 버퍼 전구체층의 표면을 노출시키는 다수개의 노출부를 가지는 포토레지스트 마스크를 형성하는 단계; 및
    (c) 상기 버퍼 전구체층의 노출된 표면에 광흡수층의 일부를 위한 기둥형 전구체층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 포토레지스트 마스크의 형성은 레이저 리소그래피를 이용하는 것인,
    3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    (d) 상기 포토레지스트 마스크를 제거하는 단계; 및
    (e) 상기 버퍼 전구체층 및 상기 기둥형 전구체층을 열처리하여 광흡수층을 형성하는 단계;를 더 포함하고,
    3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 열처리는 황화 또는 셀렌화 분위기에서 수행되는 것인,
    3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 하부구조는 기판과 상기 기판 상에 형성된 후면전극층을 포함하는 것인,
    3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 광흡수층 상에 버퍼층, 윈도우층 및 전면 전극을 순차로 형성하는 단계들을 더 포함하는 것인,
    3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 광흡수층은 CZTS 기반의 물질인 것인,
    3차원 구조의 광흡수층을 가지는 태양전지 제조방법.
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