KR101631970B1 - 박막 태양 전지의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
보조층을 형성하는 단계; 및 상기 보조층 위에 한 가지 이상의 타겟 물질을 동시에 스퍼터링하는 단계를 포함하는 박막 태양 전지의 제조방법을 제공한다. 상기 보조층은 상기 타겟 물질에 포함되는 원소들 중 적어도 하나의 원소와 동일한 족의 원소를 포함한다.
태양 전지, 보조층, 광흡수층, 화합물 반도체, 스퍼터링
Description
본 기재는 박막 태양 전지의 제조방법에 관한 것이다.
태양 전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 것이다. 태양 전지는 기본적으로 PN접합으로 구성된 다이오드로서, 광흡수층으로 사용되는 물질에 따라 다양한 종류로 구분된다.
태양전지는 광흡수층으로 실리콘을 이용하는 실리콘 태양전지, 광흡수층으로 CIGS(CuInGaSe2), CIS(CuInSe2) 또는 CGS(CuGaSe2)를 이용하는 화합물 박막 태양전지, Ⅲ-Ⅴ족 태양전지, 염료감응 태양전지, 유기 태양전지 등으로 구분할 수 있다.
이 중에서 CIGS, CIS 또는 CGS를 광흡수층으로 사용하는 박막 태양 전지는 광 흡수계수가 크므로 얇은 두께의 박막으로도 고효율의 태양 전지를 제조할 수 있다. 그러나 이러한 박막 태양 전지는 고온 공정으로 인해 기판의 휨 현상이 발생하고 독성이 있는 가스를 사용하여 안전성을 해할 수 있다.
본 발명의 일 측면은 공정성 및 안전성이 우수한 고효율 태양 전지의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 보조층을 형성하는 단계; 및 상기 보조층 위에 한 가지 이상의 타겟 물질을 동시에 스퍼터링하는 단계를 포함하는 박막 태양 전지의 제조방법을 제공한다. 상기 보조층은 전극 위에 형성될 수 있다. 상기 보조층은 상기 타겟 물질에 포함되는 원소들 중 적어도 하나의 원소와 동일한 족의 원소를 포함한다.
상기 보조층은 10 nm 내지 200 nm의 두께로 형성할 수 있고, 구체적으로는 20 nm 내지 180 nm의 두께로 형성할 수 있다.
상기 타겟 물질은 Ib족 원소, Ⅲa족 원소, Ⅵa족 원소, 이들의 합금 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 보조층은 Ib족 원소, Ⅲa족 원소, Ⅵa족 원소, 이들의 합금 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 스퍼터링하는 단계를 통해 광흡수층이 형성되고, 상기 광흡수층은 Ib족 원소-Ⅲa족 원소-Ⅵa족 원소 화합물을 포함하는 단일층으로 형성되는 화합물 반도체일 수 있다. 상기 Ib족 원소-Ⅲa족 원소-Ⅵa족 원소 화합물의 결정 입자(grain) 직경은 500 nm 내지 2,000 nm일 수 있고, 구체적으로는 700 nm 내지 1,500 nm일 수 있다.
상기 Ib족 원소는 구리(Cu)일 수 있고, 상기 Ⅲa족 원소는 인듐(In) 또는 갈륨(Ga)일 수 있고, 상기 Ⅵa족 원소는 셀레늄(Se) 또는 황(S)일 수 있다.
기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
상기 박막 태양 전지의 제조방법은 공정성 및 안전성이 우수하며, 고효율의 박막 태양 전지를 제공할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 기판 등의 부분이 다른 구성요소 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 구성요소 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 구성요소가 있는 경우도 포함한다.
이하 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 구현예에 따른 박막 태양 전지의 제조방법을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 광흡수층의 제조공정도이고, 도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 광흡수층을 형성하는 방법을 차례로 도시한 단면도이다.
우선 기판 위에 전극을 형성하고, 상기 전극 위에 보조층을 형성한다(S1).
도 2를 참조하면, 기판(1) 위에 전극(2)을 형성하고, 상기 전극(2) 위에 예컨대 원자층 증착법(atomic layer deposition), 진공증착법(evaporation), 스퍼터링(sputtering) 등을 이용하여 보조층(3)을 형성한다. 상기 보조층(3)의 형성방법은 박막을 형성할 수 있는 방법이면 제한되지 않고 이용될 수 있다.
상기 기판(1)은 단단한(hard) 재질의 기판 또는 유연성(flexible) 재질의 기판을 사용한다. 예를 들어, 기판(1)으로 단단한 재질의 기판을 사용하는 경우, 유리 플레이트, 석영 플레이트, 실리콘 플레이트, 합성수지 플레이트, 금속 플레이트 등을 포함할 수 있다. 상기 합성수지로는 폴리에틸렌타프탈레이트(polyethylenenaphtnalate, PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate; PET), 폴리카보네이트, 폴리비닐알코올, 폴리아크릴레이트, 폴리이미드, 폴리노르보넨(polynorbornene), 폴리에테르설폰(polyethersulfone, PES) 등이 있다. 상기 금속 플레이트로는 스테인리스 호일, 알루미늄 호일 등이 사용될 수 있다.
상기 전극(2)은 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 니켈(Ni), 구리(Cu) 등을 포함할 수 있다. 이들 전극(2)은 스퍼터링, 진공증착법 등으로 형성될 수 있다.
보조층(3)을 형성하면, 후술하는 스퍼터링 공정을 거쳐 우수한 물성의 광흡수층을 얻을 수 있다.
상기 보조층(3)은 약 10 nm 내지 약 200 nm의 두께로 형성될 수 있고, 구체적으로는 20 nm 내지 180 nm의 두께로 형성될 수 있고, 더욱 구체적으로는 20 nm 내지 100 nm의 두께로 형성될 수 있다. 보조층(3)이 상기 범위 내의 두께로 형성되는 경우, 후술하는 스퍼터링 공정을 거쳐 형성되는 광흡수층에 포함되는 화합물의 결정 입자(grain) 크기가 커져 태양 전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 보조층(3)은 후술하는 광흡수층을 형성하기 위해 스퍼터링되는 타겟 물질에 포함되는 원소들 중 적어도 하나의 원소와 동일한 족의 원소를 포함하며, 구체적으로는 Ib족 원소, Ⅲa족 원소, Ⅵa족 원소, 이들의 합금 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 보조층(3)에 포함되는 원소와 상기 스퍼터링되는 타겟 물질에 포함되는 원소가 동일한 족에 속하는 경우, 보조층(3)에 포함되는 상기 원소의 원자 직경은 그와 동일한 족에 속하는 스퍼터링되는 타겟 물질에 포함되는 상기 원소의 원자 직경과 동일하거나 또는 그보다 작을 수 있다. 이 경우 스퍼터링되는 타겟 물질에 포함되는 원소들이 보조층(3)에 용이하게 확산 또는 침투해 들어갈 수 있고, 이로써 상기 보조층(3)에 포함되는 원소들과 상기 스퍼터링되는 타겟물질에 포함되는 원소들은 스퍼터링 공정에서 서로 반응이 잘 이루어져 용이하게 단일한 층을 형성할 수 있다.
또한 상기 보조층(3)은 단일층뿐 아니라 복수층으로 형성될 수도 있다. 보조층(3)이 복수층으로 형성되는 경우 각 층에 포함되는 원소는 서로 상이할 수 있 다. 예를 들면 상기 보조층(3)은 인듐(In)을 포함하는 박막으로 이루어지는 단일층 구조로 형성될 수 있고, 셀레늄(Se)을 포함하는 박막으로 이루어지는 단일층 구조로 형성될 수 있으며, 또한 인듐(In)을 포함하는 박막 및 셀레늄(Se)을 포함하는 박막으로 이루어지는 2층 구조로 형성될 수 있다.
이어서 상기 보조층 위에 한 가지 이상의 타겟 물질, 구체적으로는 두 가지 이상의 타겟 물질을 동시에 스퍼터링함으로써 광흡수층을 형성할 수 있다(S2, S3).
도 3을 참조하면, 기체 주입구(30) 및 기체 배출구(40)을 갖춘 진공 용기(10) 내에 타겟 물질(20), 그리고 전극(2) 및 보조층(3)이 형성된 기판(1)을 배치시켜 스퍼터링을 실시할 수 있다. 이때 상기 보조층(3) 위에 하나 이상의 타겟 물질, 구체적으로는 두 개 이상의 타겟 물질을 사용하여 스퍼터링을 수행할 수 있다.
상기 타겟 물질(20)은 예컨대 Ib족 원소, Ⅲa족 원소, Ⅵa족 원소, 이들의 합금 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 구체적으로는 상기 타겟 물질(20)은 Ib족 원소, Ⅲa족 원소, Ⅵa족 원소 등과 같은 단일한 원소를 포함하는 것일 수 있다. 또한 상기 타겟 물질(20)은 Ib족 원소-Ⅲa족 원소 합금 단일 타겟, Ib족 원소-Ⅵa족 원소 합금 단일 타겟, Ⅲa족 원소-Ⅵa족 원소 합금 단일 타겟, Ib족 원소-Ⅲa족 원소-Ⅵa족 원소 합금 단일 타겟 등과 같은 단일 타겟 물질을 포함하는 것일 수 있고, 더욱 구체적으로는 Cu-In-Se 단일 타겟, Cu-Ga-Se 단일 타겟, Cu-In-Ga-Se 단일 타겟일 수 있다.
상기 스퍼터링은 아르곤(Ar) 기체 또는 질소(N2) 기체 분위기하에서 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 스퍼터링은 20℃ 내지 400℃의 온도에서 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 4를 참조하면, 상기 스퍼터링 공정에 의해 형성되는 광흡수층(4)은 Ib족 원소-Ⅲa족 원소-Ⅵa족 원소 화합물을 포함하는 단일층으로 형성되는 화합물 반도체일 수 있다. 구체적으로 상기 Ib족 원소-Ⅲa족 원소-Ⅵa족 원소 화합물은 CIS 화합물, CGS 화합물 또는 CIGS 화합물일 수 있다.
상기 Ib족 원소-Ⅲa족 원소-Ⅵa족 원소 화합물의 결정 입자(grain) 직경은 약 500 nm 내지 약 2,000 nm일 수 있고, 구체적으로는 약 700 nm 내지 약 1,500 nm일 수 있다. Ib족 원소-Ⅲa족 원소-Ⅵa족 원소 화합물의 결정 입자 직경이 상기 범위 내인 경우, 광흡수층 내 결정 입계(grain boundary)가 적어짐으로써 전류의 손실을 방지 내지 완화할 수 있다.
상기 Ib족 원소의 예로는 구리(Cu)를 들 수 있으며, 상기 Ⅲa족 원소로는 인듐(In), 갈륨(Ga) 등을 들 수 있으며, 상기 Ⅵa족 원소로는 셀레늄(Se), 황(S) 등을 들 수 있다. 본 명세서에서 Ib족, Ⅲa족 및 Ⅵa족은 각각 국제 순수 및 응용화학연맹(international union of pure and applied chemistry, IUPAC) 시스템에서 11족, 13족 및 16족을 의미한다.
상기와 같이 스퍼터링 공정을 이용하여 광흡수층을 제조하는 경우 공정이 저 온에서 이루어지고 독성 가스, 예컨대 H2Se 가스를 사용하지 않으므로 안전하게 고효율의 박막 태양 전지를 양산할 수 있다. 또한 별도의 열처리 공정을 요하지 않으므로 유연성 기판에도 효과적으로 사용할 수 있고 공정 비용도 절감할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 방법으로 제조된 광흡수층을 포함하는 박막 태양 전지(100)의 개략 단면도이다. 기판(102), 후면 전극(106), 스퍼터링 방법으로 형성된 광흡수층(110)이 차례로 위치하고, 상기 광흡수층(110) 위에 전면 전극(104)이 위치하는 "substrate" 타입의 박막 태양 전지(100)가 제공될 수 있다.
상기 전면 전극(104)은 입사하는 태양광을 투과시키고 전도성을 갖는 투명 도전 물질을 포함한다. 일반적으로 광투과도 저하를 최소화하고 비저항이 낮으며 표면 거칠기가 양호한 ZnO:Al, ZnO:B, SnO2 또는 ITO(indium tin oxide)의 물질과 같은 투명 도전 산화물(transparent conductive oxide : TCO)이 이용된다.
상기 후면 전극(106)은 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 니켈(Ni), 구리(Cu) 등을 포함할 수 있다. 이들 후면 전극(106)은 스퍼터링, 진공증착법 등으로 형성될 수 있다.
상기 광흡수층(110)과 전면 전극(104) 사이에 버퍼층(108)이 위치할 수 있다. 상기 버퍼층(108)은 광흡수층(110)과 전면 전극(104) 사이에 밴드갭 차이와 격자상수 차이를 완화하는 역할을 하며 n 타입 반도체로 이루어질 수 있다. 상기 n 타입 반도체로는 CdS, ZnS, In2O3 등의 화합물이 있다. 상기 버퍼층(108)은 스퍼터링, 졸-겔(sol-gel)법, 열분해법(pyrolysis), 스프레이 열분해법(spray pyrolysis) 등의 방법으로 형성될 수 있다.
또한 광흡수층이 후면 전극 위에 위치하고 상기 광흡수층 위에 전면 전극과 기판이 위치하여 태양광이 기판 쪽으로 입사하는 "superstrate" 타입의 박막 태양 전지가 제공될 수도 있다. 이 경우 보조층은 전면 전극 위에 형성되고 상기 보조층 위에 스퍼터링을 수행함으로써 광흡수층을 제조할 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 광흡수층의 제조공정도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 광흡수층을 형성하는 방법을 차례로 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 박막 태양 전지의 개략적인 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1, 102: 기판 2: 전극
3: 보조층 4, 110: 광흡수층
106: 후면 전극 108: 버퍼층
104: 전면 전극 10: 진공 용기
20: 타겟 물질 30: 기체 주입구
40: 기체 배출구
Claims (9)
- 보조층을 형성하는 단계; 및상기 보조층 위에 한 가지 이상의 타겟 물질을 동시에 스퍼터링하는 단계를 포함하며,상기 보조층은 상기 타겟 물질에 포함되는 원소들 중 적어도 하나의 원소와 동일한 족의 원소를 포함하고,상기 스퍼터링하는 단계를 통해 상기 타겟물질이 보조층에 확산 또는 침투하여 상기 보조층으로부터 광흡수층이 형성되고, 상기 광흡수층은 Ib족 원소-Ⅲa족 원소-Ⅵa족 원소 화합물을 포함하는 단일층으로 형성되는 화합물 반도체인 박막 태양 전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 보조층은 10 nm 내지 200 nm의 두께로 형성하는 것인 박막 태양 전지의 제조방법.
- 제2항에 있어서,상기 보조층은 20 nm 내지 180 nm의 두께로 형성하는 것인 박막 태양 전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 보조층은 Ib족 원소, Ⅲa족 원소, Ⅵa족 원소, 이들의 합금 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 박막 태양 전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 타겟 물질은 Ib족 원소, Ⅲa족 원소, Ⅵa족 원소, 이들의 합금 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 박막 태양 전지의 제조방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 Ib족 원소-Ⅲa족 원소-Ⅵa족 원소 화합물의 결정 입자(grain) 직경은 500 nm 내지 2,000 nm인 것인 박막 태양 전지의 제조방법.
- 제7항에 있어서,상기 Ib족 원소-Ⅲa족 원소-Ⅵa족 원소 화합물의 결정 입자(grain) 직경은 700 nm 내지 1,500 nm인 것인 박막 태양 전지의 제조방법.
- 제1항, 제4항 및 제5항 중 어느 한 항에 있어서,상기 Ib족 원소는 구리(Cu)이고, 상기 Ⅲa족 원소는 인듐(In) 또는 갈륨(Ga)이고, 상기 Ⅵa족 원소는 셀레늄(Se) 또는 황(S)인 것인 박막 태양 전지의 제조방법.
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