KR101614771B1 - 태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판; 상기 기판 상에 형성된 배면전극층; 상기 배면전극층 상에 형성된 CIGS 광흡수층; 및 상기 CIGS 광흡수층 상에 CBD(Chemical Bath Deposition) 방법으로 형성된 카드뮴(Cd) 및 황(S)을 포함하는 버퍼층;을 포함하고, 상기 CIGS 광흡수층과 상기 버퍼층의 접합 계면의 전도띠 오프셋(Conduction Band Offset)이 0.3eV 내지 0.6eV의 값을 갖는, 태양전지 및 태양전지의 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 온도계수가 낮은 CIGS 박막 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 최대효율이 높고, 온도계수 특성이 우수할수록 태양광모듈을 이용한 전기발전량이 높아지게 되어, 제품의 부가가치가 높아진다. CIGS 박막태양전지의 경우, 다결정 실리콘 태양전지의 광전변환효율을 능가할 뿐 아니라 유해금속을 포함하고 있지 않으므로, 차세대 태양전지 기술로 주목받고 있다. 일본을 비롯한 일부 국가에서는 이미 양산화 단계에 접어들었으며, 미국, 독일, 중국이 공격적으로 양산규모를 증가시킬 계획을 발표하고 있다.
한편, 태양광 모듈의 특성 중 동작온도에 따른 효율감소 비율을 나타내는 온도계수가 있다. 그 단위는 %/℃로서, 온도가 1℃ 상승할 때마다 줄어드는 효율의 백분율로 정량화한다. 통상의 반도체 소자와 마찬가지로 반도체 접합으로 구성된 태양전지 또한, 동작 온도를 증가시키면 광전변환효율이 감소한다. 태양광이 매우 강한 낮에는 모듈의 온도가 약 60℃ 내지 80℃까지 상승할 수 있으며, 발전을 가장 많이 해야 하는 대낮에 변환효율이 더 낮은 모순을 갖는다.
특히, 대규모의 태양광발전 설치 시장을 형성하고 있는 중동, 인도, 미국 중부 등의 고온 환경에서는 온도계수 특성이 우수한 태양광모듈이 요구되고 있는데, 비록 최고효율이 낮은 모듈이라 하더라도, 온도계수 특성이 우수한 모듈이 연간 발전량이 더 높아질 수 있기 때문이다. 비정질실리콘, CdTe, CIGS 태양전지가 각각 -0.25, -0.3, -0.35 수준이다. CIGS 박막 태양전지는 높은 효율에도 불구하고 비교적 높은 온도계수로 인해, 중동 등의 사막형 기후에서 원활히 동작하지 못하여 발전량 저하의 문제를 노출하였다.
본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 온도계수가 낮은 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 형성된 배면전극층; 상기 배면전극층 상에 형성된 CIGS 광흡수층; 및 상기 CIGS 광흡수층 상에 CBD(Chemical Bath Deposition) 방법으로 형성된 카드뮴(Cd) 및 황(S)을 포함하는 버퍼층;을 포함하고, 상기 CIGS 광흡수층과 상기 버퍼층의 접합 계면의 전도띠 오프셋(Conduction Band Offset)이 0.3eV 내지 0.6eV의 값을 가질 수 있다.
상기 버퍼층은 전류-전압 곡선 중 개방전압보다 높은 전압구간에서 상기 전압의 증가폭과 상기 전류의 증가폭의 비가 점점 감소되는 롤-오버(roll-over) 특성을 가질 수 있다.
상기 버퍼층과 접합되는 상기 CIGS 광흡수층의 표면부는 황(S) 성분이 갈륨(Ga) 성분보다 더 많을 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 태양전지의 제조방법은 배면전극 및 CIGS 광흡수층을 구비하는 기판을 준비하는 단계; 및 상기 CIGS 광흡수층 상에 CBD(Chemical Bath Deposition) 방법으로 카드뮴(Cd) 및 황(S)을 포함하는 버퍼층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 버퍼층을 형성하는 단계는, 상기 CIGS 광흡수층과 상기 버퍼층의 접합 계면의 전도띠 오프셋(Conduction Band Offset)이 0.3eV 내지 0.6eV의 값을 갖도록 상기 카드뮴과 상기 황의 소스 농도비를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 버퍼층을 형성하는 단계에서, 상기 카드뮴 소스의 농도가 상기 황 소스의 농도보다 증가될수록 상기 전도띠 오프셋 값이 증가될 수 있다.
상기 버퍼층을 형성하는 단계에서, 상기 황 소스의 농도가 상기 카드뮴 소스의 농도보다 감소될수록 상기 전도띠 오프셋 값이 증가될 수 있다.
상기 버퍼층을 형성하는 단계는, 0.00135M 내지 0.00165M 농도를 갖는 황산카드뮴(CdSO4) 및 0.01125M 내지 0.01375M 농도를 갖는 티오요소((NH2)2CS)를 각각 상기 카드뮴과 상기 황의 소스로 사용할 수 있다.
상기 버퍼층을 형성하는 단계는, 0.00135M 내지 0.00165M 농도를 갖는 황산카드뮴(CdSO4) 및 0.045M 내지 0.055M 농도를 갖는 티오요소((NH2)2CS)를 각각 상기 카드뮴과 상기 황의 소스로 사용할 수 있다.
상기 버퍼층을 형성하는 단계는, 0.0081M 내지 0.0099M 농도를 갖는 황산카드뮴(CdSO4) 및 0.045M 내지 0.055M 농도를 갖는 티오요소((NH2)2CS)를 각각 상기 카드뮴과 상기 황의 소스로 사용할 수 있다.
상기 CIGS 광흡수층은 구리, 인듐 및 갈륨을 포함하는 예비광흡수층 상에 셀렌화(selenization) 및 황화(sulfurization)를 수행함으로써 형성될 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 온도계수가 낮아 사막형 기후에서도 광전변환효율이 우수한 CIGS 박막 태양전지 및 그 제조방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS를 광흡수층으로 하는 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 태양전지의 제조방법을 개략적으로 도시한 공정순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 샘플의 전류-전압 곡선이다.
도 4는 도 3에 도시된 샘플의 특성을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 비교예에 의한 태양전지의 전류-전압 곡선이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 태양전지의 제조방법을 개략적으로 도시한 공정순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 샘플의 전류-전압 곡선이다.
도 4는 도 3에 도시된 샘플의 특성을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 비교예에 의한 태양전지의 전류-전압 곡선이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS를 광흡수층으로 하는 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, CIGS를 광흡수층으로 하는 태양전지(1)의 구조는 일반적으로 유리를 기판(10)으로 하며, 배면전극(20), 광흡수층(30), 버퍼층(40), 투명전극(50), 반사방지막(60)의 5개의 단위 박막을 순차적으로 형성시키고, 그 위에 그리드 전극(70)을 형성시켜 제조된다.
배면전극(20)은 몰리브덴, 니켈 또는 구리 등으로 형성될 수 있다. 또한, 배면전극(20)은 단일층으로 형성될 수 있으나, 몰리브덴 사이에 확산방지층으로 몰리나이트라이드를 개재하여 셀렌화 공정 이후에, 몰리브덴층, 상기 몰리브덴층 상의 몰리나이트라이드층 및 상기 몰리나이트라이드층 상의 몰리셀레나이드층을 포함하는 다층으로 형성될 수도 있다.
광흡수층(30)은 구리, 인듐 및 갈륨을 포함하는 예비광흡수층 상에 H2Se 분위기에서 셀렌화(selenization)를 수행하고, H2S 분위기에서 황화(sulfurization)를 수행함으로써, CIGS 광흡수층(30)으로 형성될 수 있다. CIGS 광흡수층(30)의 상부층, 즉, 버퍼층(40)과 접합하는 CIGS 광흡수층(30)의 표면부는 황(S) 성분이 갈륨(Ga) 성분보다 더 많을 수 있다.
한편, 버퍼층(40)은 광흡수층(30)의 상부에 형성될 수 있다. 황화카드뮴(CdS)을 CBD(chemical bath deposition, 이하 CBD) 방법을 사용하여 제조할 수 있다. 이때 황화카드뮴 박막에 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al) 등을 도핑하여 사용할 수 있다. 버퍼층(40)을 형성하는 방법에 대한 상세한 설명은 도 2를 참조하여 후술한다.
버퍼층(40)의 역할은 크게 두 가지이다. 첫째, CIGS 광흡수층(30)과 버퍼층(40)이 접합하는 접합의 전기적 성질에 영향을 주며 접합을 화학반응이나 기계적 손상으로부터 보호한다. 특히, CdS 층은 소자의 밴드구조를 최적화할 수 있다. 그 이유는 충분히 넓은 공핍층을 형성하여 터널링을 최소화하고 접합포텐샬을 증가시켜 높은 개방전압에 이르게 할 수 있다.
둘재, 후공정인 산화물 증착에 의해 접합계면이 손상되는 것을 방지하는 역할을 한다. 특히 대면적 소자에서 CIGS 광흡수층의 전기적 품질은 전체 면적에서 동일할 수 없고, 결정립계에서의 재결합 촉진이나 부분적인 션트가 발생할 수 있다. 이를 자연적으로 전기적 손실을 억제할 수 있도록 도움을 줄 수 있다.
또한, 버퍼층(40)은 CIGS 광흡수층(30)과 접합을 형성할 때, 상이한 전자친화도(Electron Affinity)로 인해, 전도띠 오프셋(Conduction Band Offset, 이하 CBO)을 형성한다. CIGS 광흡수층(30)보다 버퍼층(40)의 전자친화도가 통상적으로 더 작다. 일반적인 CBO 값은 약 0 내지 0.6eV 정도로서, CIGS 광흡수층(30)에서 버퍼층(40)으로의 전자이동에 대한 장벽처럼 작용한다. CBO 값이 약 0 내지 0.3eV일 경우, 광전변환효율은 증가하면, 상기와 같은 값을 갖도록 버퍼층(40)과 CIGS 광흡수층(30)의 표면 성질을 제어하려고 한다.
한편, CBO 값이 약 0.3eV 내지 0.6eV이거나, 버퍼층(40)의 두께가 CIGS 광흡수층(30)의 표면결함을 억제할 수 있도록 형성된 두께보다 더 두꺼워질 경우, 버퍼층(40) 자체가 광생성 전자의 이동을 방해하는 장벽 역할을 하게 되어 광전변환효율이 낮아지는데, 이 때, 장벽 크기인 CBO 혹은 버퍼층(40)의 두께는 광생성 전자가 장벽을 넘기 위한 활성화에너지에 비례하는 양으로서 작용한다. 태양전지(1)의 작동온도를 증가시킬 경우, 활성화에너지를 극복하는 광생성 전자의 수가 증가하여 광전변환효율은 높아지게 되므로, 온도계수가 낮거나 또는 양(+)의 값을 가진 태양전지(1)의 제조가 가능해진다.
즉, CIGS 광흡수층(30)과 버퍼층(40)의 접합 계면의 CBO 또는 버퍼층(40)의 두께를 제어함으로써, 형성된 광전변환소자의 온도계수가 상기 전도띠 오프셋 또는 버퍼층(40)의 두께를 제어하지 않은 상기 광전변환소자의 온도계수보다 더 낮거나 양의 값을 갖게 됨으로써, 상기 광전변환소자의 동작온도가 증가할수록 상기 광전변환소자의 광전변환효율이 향상될 수 있다. 또, 전도띠 오프셋 값이 증가됨에 따라 상기 광전변환효율이 향상될 수 있다.
또한, 광전변환소자는 롤-오버(roll-over) 특성을 가질 수 있다. 상기 롤-오버는, 전류-전압 곡선 중 소정의 구간에서 상기 전압의 증가폭과 상기 전류의 증가폭의 비가 점점 감소되는 현상이다. 여기서, 상기 소정의 구간은 개방전압보다 높은 구간을 뜻하며, 버퍼층(40)의 두께가 소정의 두께이상으로 더 두꺼워질수록 광전변환효율이 더 향상될 수 있다. 상기 소정의 두께는 상기 CIGS 광흡수층(30)의 표면결함을 억제할 수 있도록 형성된 상기 버퍼층(40)의 두께일 수 있다.
산화아연(ZnO) 박막을 황화카드뮴 상부에 RF 스퍼터링방법으로 제조 할 수 있다. 이때 제조 방법으로 DC, 반응성 스퍼터링 및 유기금속화학증착법 등을 이용할 수 있다.
투명전극층(50)은 버퍼층(40)의 상부에 형성될 수 있다. 산화인듐주석(ITO) 박막 또는 알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 등이 도핑된 산화아연을 사용하여 DC 스퍼터링방법으로 제조 할 수 있다.
반사방지층(60)은 플루오르화마그네슘(MgF2)이 사용될 수 있으며, 투명전극층(50)의 상부에 형성될 수 있다. 플루오르화마그네슘은 물리적인 박막 제조법으로, 전자빔증발법을 사용할 수 있다.
또한, 그리드 전극(70)은 알루미늄(Al), 니켈(Ni)/알루미늄(Al) 재질이 일반적으로 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 태양전지의 제조방법을 개략적으로 도시한 공정순서도이다.
도 2를 참조하면, 태양전지의 제조방법은 배면전극 및 CIGS 광흡수층을 구비하는 기판을 준비하는 단계(S100) 및 CIGS 광흡수층 상에 CBD 공정을 수행하여 황화카드뮴을 형성할 때, 카드뮴과 황의 소스 농도비를 제어함으로써 전도띠 오프셋이 0.3eV 내지 0.6eV 값을 갖는 버퍼층을 형성하는 단계(S200)를 포함할 수 있다.
상기 CIGS 광흡수층은 구리, 인듐 및 갈륨을 포함하는 예비광흡수층 상에 H2Se 분위기에서 셀렌화(selenization)를 수행하고, H2S 분위기에서 황화(sulfurization)를 수행함으로써, CIGS 광흡수층으로 형성될 수 있다. CIGS 광흡수층의 표면부는 황(S) 성분의 농도가 갈륨(Ga) 성분의 농도보다 더 높을 수 있다.
상기 버퍼층을 형성하는 단계(S200)는 황산카드뮴(CdSO4)과 티오요소((NH2)2CS)를 각각 카드뮴과 황의 이온 공급 소스로 사용함으로써, CBD(Chemical Bath Deposition) 방법으로 증착시킬 수 있다. 또, 상기 카드뮴과 황의 소스 농도비를 제어함으로써 CIGS 광흡수층과 버퍼층의 접합 계면의 전도띠 오프셋이 약 0.3eV 내지 0.6eV 값을 갖도록 태양전지를 제조할 수 있다. 이 때, pH 조절제로는 암모니아수(NH4OH)를 사용할 수 있다. 반응조에서 약 55℃ 내지 90℃ 사이의 범위에서 반응을 시키며, 약 5㎚ 내지 150㎚ 정도의 두께로 증착할 수 있다.
한편, 상기 버퍼층을 형성하는 단계(S200)는, 상기 카드뮴 소스의 농도가 상기 황 소스의 농도보다 증가될수록 전도띠 오프셋 값이 증가될 수 있거나, 상기 황 소스의 농도가 상기 카드뮴 소스의 농도보다 감소될수록 전도띠 오프셋 값이 증가될 수 있다.
예를 들면, 버퍼층은 약 0.00135M 내지 0.00165M 농도를 갖는 황산카드뮴(CdSO4) 및 약 0.01125M 내지 0.01375M 농도를 갖는 티오요소((NH2)2CS)를 각각 상기 카드뮴과 상기 황의 소스로 사용하여 형성할 수 있다. 또는, 상기 버퍼층을 두껍게 형성하기 위해서 약 0.00135M 내지 0.00165M 농도를 갖는 황산카드뮴(CdSO4) 및 약 0.045M 내지 0.055M 농도를 갖는 티오요소((NH2)2CS)를 각각 상기 카드뮴과 상기 황의 소스로 사용할 수도 있다. 상기 버퍼층의 두께를 더 두껍게 형성하기 위해서 약 0.0081M 내지 0.0099M 농도를 갖는 황산카드뮴(CdSO4) 및 약 0.045M 내지 0.055M 농도를 갖는 티오요소((NH2)2CS)를 각각 상기 카드뮴과 상기 황의 소스로 사용할 수도 있다.
또한, CdS 버퍼층 상에 순수한 ZnO 박막을 증착하고, 그 상부에 알루미늄(Al)이 도핑된 ZnO 박막을 증착하는 단계를 더 포함할 수 있다. 알루미늄이 도핑된 ZnO 박막 상에 유리기판 및 그리드를 형성함으로써 태양전지 모듈을 형성할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 상술한 기술적 사상을 적용한 실험예를 설명한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험예에 의해서 한정되는 것은 아니다.
[실험예]
본 발명의 일 실시예에 의한 광전변환소자의 제조방법은 다음과 같다.
배면전극 및 CIGS 광흡수층을 구비하는 기판을 준비한다. 상기 CIGS 광흡수층 상에 CBD 방법으로 카드뮴(Cd) 및 황(S)을 구비하는 버퍼층을 형성한다. CIGS 광흡수층은 구리, 인듐 및 갈륨을 포함하는 예비광흡수층 상에 H2Se 분위기에서 셀렌화(selenization)를 수행하고, H2S 분위기에서 황화(sulfurization)를 수행함으로써, CIGS 광흡수층으로 형성된다. 상기 CIGS 광흡수층의 표면부는 황(S) 성분의 농도가 갈륨(Ga) 성분의 농도보다 더 높다.
버퍼층은 황산카드뮴(CdSO4)과 티오요소((NH2)2CS)를 각각 카드뮴과 황의 이온 공급 소스로 사용함으로써, CBD 방법으로 증착한다. pH 조절제로는 암모니아수(NH4OH)를 사용한다. 약 55℃ 내지 90℃ 사이의 범위에서 상기 용액을 반응시켜 CdS 버퍼층을 형성한다.
이 때, 광전변환소자 샘플 A는 황산카드뮴 0.0015M, 티오요소 0.0125M를 반응시켜 두께 약 8㎚의 버퍼층을 형성한다. 샘플 B는 황산카드뮴 0.0015M, 티오요소 0.05M를 반응시켜 두께 약 50㎚의 버퍼층을 형성한다. 샘플 C는 황산카드뮴 0.009M, 티오요소 0.05M를 반응시켜 두께 약 150㎚의 버퍼층을 형성한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 샘플의 전류-전압 곡선이고, 도 4는 도 3에 도시된 샘플의 특성을 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 광전변환소자 샘플 A의 전류-전압 곡선은 도 3의 (a), 태양전지의 특성 값은 도 4의 (a)에 도시되어 있으며, 샘플 B의 전류-전압 곡선은 도 3의 (b), 태양전지의 특성 값은 도 4의 (b)에 도시되어 있고, 샘플 C의 전류-전압 곡선은 도 3의 (c),태양전지의 특성 값은 도 4의 (c)에 도시되어 있다. 도 3에 도시된 각 전류-전압 곡선에서 왼쪽에 있는 그래프는 암(Dark) 상태에서 측정된 전류-전압 곡선이며, 오른쪽에 있는 그래프는 AM 1.5 상태에서 측정된 전류-전압 곡선이다. 여기서, AM은 대기질량(air mass)을 뜻하며, AM 0은 대기권 밖에서의 일조량(irradiation)이며, AM 1.5는 지표면에서의 일조량을 뜻한다.
한편, 도 4에 도시된 태양전지의 특성은 위에서부터 아래 그래프 방향으로 개방전압(Voc), 단락전류(Jsc), 충전율(FF) 및 광전변환효율(Efficiency)을 각각 도시하고 있다.
샘플 A, 샘플 B 및 샘플 C는 전 온도구간에서 롤-오버 특성을 보이고 있으며, 광전변환소자의 동작온도가 증가할수록 롤-오버 특성의 정도가 상대적으로 감소될 뿐이다. 광전변환소자의 동작온도가 증가함에 따라, 단락전류(Jsc)는 비슷하게 유지되고, 개방전압(Voc)은 감소하나, 충전율(Fill Factor)이 급격히 증가하게 되어 광전변환효율(Efficiency)은 오히려 각각 샘플 A는 +6.3%/℃, 샘플 B는 +3.5%/℃ 및 샘플 C는 +3.2%/℃의 비율로 증가하였다. 샘플 C와 같이 버퍼층의 두께가 두꺼워질수록, 카드뮴의 농도가 증가될수록, 또는 황의 농도가 감소할수록 온도계수(온도증가대비 태양전지 효율의 증감폭)가 낮거나 상기 온도계수가 양의 값을 갖는 것을 확인할 수 있다. 이 값은 일반적인 태양전지 모듈의 온도계수 범위에 비해 매우 높은 값인데, 보호유리가 없는 상태로 소면적 단위 셀에서 측정된 값이고, 공기와의 열접촉이 크기 때문이다. 즉, 소면적 단위 셀에서 측정된 온도계수는 과대평가된 값이긴 하나, 상대적인 크기를 비교하는데 사용될 수 있다.
[비교예]
본 발명의 비교예에 의한 광전변환소자의 제조방법은 다음과 같다.
배면전극 및 CIGS 광흡수층을 구비하는 기판을 준비한다. 상기 CIGS 광흡수층 상에 CBD 방법으로 아연(Zn), 산소(O) 및 황(S)을 구비하는 버퍼층을 형성한다. CIGS 광흡수층은 구리, 인듐 및 갈륨을 포함하는 예비광흡수층 상에 H2Se 분위기에서 셀렌화(selenization)를 수행하고, H2S 분위기에서 황화(sulfurization)를 수행함으로써, CIGS 광흡수층으로 형성된다. 상기 CIGS 광흡수층의 표면부는 황(S) 성분의 농도가 갈륨(Ga) 성분의 농도보다 더 높다.
버퍼층은 아연(Zn)이온과 티오요소((NH2)2CS) 또는 티오아세트아미드(CH3CSNH2)를 사용하고, pH 조절제로는 암모니아수(NH4OH)를 사용한다. 고온에서 상기 용액을 반응시켜 Zn(O,S) 버퍼층을 형성한다.
도 5는 본 발명의 비교예에 의한 태양전지의 전류-전압 곡선이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 비교예에 의한 광전변환소자 샘플의 전류-전압 곡선은 도 5의 (a), 태양전지의 특성 값은 도 5의 (b)에 도시되어 있다. 도 5의 (a)에 도시된 각 전류-전압 곡선에서 왼쪽에 있는 그래프는 암(Dark) 상태에서 측정된 전류-전압 곡선이며, 오른쪽에 있는 그래프는 AM 1.5 상태에서 측정된 전류-전압 곡선이다. 여기서, AM은 대기질량(air mass)을 뜻하며, AM 0은 대기권 밖에서의 일조량(irradiation)이며, AM 1.5는 지표면에서의 일조량을 뜻한다.
한편, 도 5의 (b)에 도시된 태양전지의 특성은 위에서부터 아래 그래프 방향으로 개방전압(Voc), 단락전류(Jsc), 충전율(FF) 및 광전변환효율(Efficiency)을 각각 도시하고 있다.
광전변환소자 샘플은 상온 이상의 온도범위인 약 298K 내지 약 323K 에서 정상적인 p-n 다이오드의 정류특성을 보이고 있다. 또한, 롤-오버(roll-over) 특성도 나타나지 않는다. 여기서, 롤-오버 특성은 광전변환소자의 전류-전압 곡선 중, 소정의 구간에서 전압 대비 전류의 증가폭이 둔화되는 현상이다.
도 5의 (b)를 보면, 단락전류(Jsc)는 거의 유지되나 개방전압(Voc)과 충전율(Fill Factor)의 감소로 인해, 광전변환효율(Efficiency)은 -5.2%/℃의 비율로 감소하였다. 이 값은 일반적인 태양전지 모듈의 온도계수 범위에 비해 매우 높은 값인데, 보호유리가 없는 상태로 소면적 단위 셀에서 측정된 값이고, 공기와의 열접촉이 크기 때문이다. 즉, 소면적 단위 셀에서 측정된 온도계수는 과대평가된 값이긴 하나, 상대적인 크기를 비교하는데 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, Zn(O,S)를 버퍼층으로 사용할 경우, CIGS 박막 태양전지 소자는 정상적인 정류특성을 가진 전류-전압 곡선을 보이며, 상기 태양전지의 동작온도를 높일 경우, 광전변환효율은 감소한다. 그러나, 본 발명에서는 Zn(O,S) 대신 CdS를 사용하여 롤-오버 특성을 가진 태양전지를 의도적으로 제조함으로써, 버퍼층과 CIGS 광흡수층 사이의 계면의 CBO 값과 버퍼층의 두께에 의해 롤-오버 특성을 구비하는 CIGS 박막 태양전지를 구현할 수 있다.
또한, CdS 증착 조건에서 카드뮴과 황의 소스 농도비를 제어함으로써 롤-오버 특성을 나타나게 하였다. 즉, CBO를 조절하기 위하여 카드뮴 소스의 농드를 증가시키거나 황 소스의 농도를 감소시킴으로써, 태양전지의 전류-전압 곡선에서 롤-오버 특성이 나타나게 하였다. 롤-오버 특성을 가진 태양전지에 한해서만 온도계수가 낮거나 혹은 상기 온도계수 값이 양의 값을 가지는 것으로 확인되었다. 이 경우, 동작온도가 증가함에 따라 태양전지의 광전변환효율이 증가함을 확인하였다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1 : 태양전지 10 : 기판
20 : 배면전극 30 : 광흡수층
40 : 버퍼층 50 : 투명전극
60 : 반사방지막 70 : 그리드 전극
20 : 배면전극 30 : 광흡수층
40 : 버퍼층 50 : 투명전극
60 : 반사방지막 70 : 그리드 전극
Claims (10)
- 배면전극 및 CIGS 광흡수층을 구비하는 기판을 준비하는 단계; 및
상기 CIGS 광흡수층 상에 CBD(Chemical Bath Deposition) 방법으로 카드뮴(Cd) 및 황(S)을 포함하는 버퍼층을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 버퍼층을 형성하는 단계는, 상기 CIGS 광흡수층과 상기 버퍼층의 접합 계면의 전도띠 오프셋(Conduction Band Offset)이 0.3eV 내지 0.6eV의 값을 갖도록 상기 카드뮴과 상기 황의 소스 농도비를 제어하는 단계를 포함하고,
상기 버퍼층을 형성하는 단계는, 0.00135M 내지 0.00165M 농도를 갖는 황산카드뮴(CdSO4) 및 0.01125M 내지 0.01375M 농도를 갖는 티오요소((NH2)2CS)를 각각 상기 카드뮴과 상기 황의 소스로 사용하는, 태양전지의 제조방법. - 배면전극 및 CIGS 광흡수층을 구비하는 기판을 준비하는 단계; 및
상기 CIGS 광흡수층 상에 CBD(Chemical Bath Deposition) 방법으로 카드뮴(Cd) 및 황(S)을 포함하는 버퍼층을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 버퍼층을 형성하는 단계는, 상기 CIGS 광흡수층과 상기 버퍼층의 접합 계면의 전도띠 오프셋(Conduction Band Offset)이 0.3eV 내지 0.6eV의 값을 갖도록 상기 카드뮴과 상기 황의 소스 농도비를 제어하는 단계를 포함하고,
상기 버퍼층을 형성하는 단계는, 0.00135M 내지 0.00165M 농도를 갖는 황산카드뮴(CdSO4) 및 0.045M 내지 0.055M 농도를 갖는 티오요소((NH2)2CS)를 각각 상기 카드뮴과 상기 황의 소스로 사용하는, 태양전지의 제조방법. - 배면전극 및 CIGS 광흡수층을 구비하는 기판을 준비하는 단계; 및
상기 CIGS 광흡수층 상에 CBD(Chemical Bath Deposition) 방법으로 카드뮴(Cd) 및 황(S)을 포함하는 버퍼층을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 버퍼층을 형성하는 단계는, 상기 CIGS 광흡수층과 상기 버퍼층의 접합 계면의 전도띠 오프셋(Conduction Band Offset)이 0.3eV 내지 0.6eV의 값을 갖도록 상기 카드뮴과 상기 황의 소스 농도비를 제어하는 단계를 포함하고,
상기 버퍼층을 형성하는 단계는, 0.0081M 내지 0.0099M 농도를 갖는 황산카드뮴(CdSO4) 및 0.045M 내지 0.055M 농도를 갖는 티오요소((NH2)2CS)를 각각 상기 카드뮴과 상기 황의 소스로 사용하는, 태양전지의 제조방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 버퍼층을 형성하는 단계에서, 상기 카드뮴 소스의 농도가 상기 황 소스의 농도보다 증가될수록 상기 전도띠 오프셋 값이 증가될 수 있는, 태양전지의 제조방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 버퍼층을 형성하는 단계에서, 상기 황 소스의 농도가 상기 카드뮴 소스의 농도보다 감소될수록 상기 전도띠 오프셋 값이 증가될 수 있는, 태양전지의 제조방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 CIGS 광흡수층은 구리, 인듐 및 갈륨을 포함하는 예비광흡수층 상에 셀렌화(selenization) 및 황화(sulfurization)를 수행함으로써 형성된, 태양전지의 제조방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항의 태양전지의 제조방법을 이용하여 형성한 태양전지로서,
상기 태양전지는,
기판;
상기 기판 상에 형성된 배면전극층;
상기 배면전극층 상에 형성된 CIGS 광흡수층; 및
상기 CIGS 광흡수층 상에 CBD(Chemical Bath Deposition) 방법으로 형성된 카드뮴(Cd) 및 황(S)을 포함하는 버퍼층;을 포함하고,
상기 CIGS 광흡수층과 상기 버퍼층의 접합 계면의 전도띠 오프셋(Conduction Band Offset)이 0.3eV 내지 0.6eV의 값을 갖는, 태양전지. - 제 7 항에 있어서,
상기 버퍼층은 전류-전압 곡선 중 개방전압보다 높은 전압구간에서 상기 전압의 증가폭과 상기 전류의 증가폭의 비가 점점 감소되는 롤-오버(roll-over) 특성을 갖는, 태양전지. - 제 7 항에 있어서,
상기 버퍼층과 접합되는 상기 CIGS 광흡수층의 표면부는 황(S) 성분이 갈륨(Ga) 성분보다 더 많은, 태양전지. - 삭제
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