KR101638439B1 - 태양전지용 배면전극, 태양전지용 배면전극의 제조방법, 이를 이용한 태양전지 및 태양전지의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판을 제 1 진공 챔버 내에 배치하고, 상기 기판 상에 스퍼터링(sputtering) 방법으로 복수개의 컬럼나(columnar) 구조를 가지는 전극을 형성하는 제 1 단계; 및 제 2 진공 챔버 내에서 암모니아(NH3) 플라즈마를 이용하여 상기 복수개의 컬럼나 구조를 가지는 전극의 적어도 일부를 질화시켜 질화층을 형성하는 제 2 단계;를 포함하는, 태양전지용 배면전극의 제조방법, 이를 이용한 태양전지용 배면전극, 상기 태양전지용 배면전극을 이용한 기판; 상기 기판 상에 형성된 전극부; 및 상기 전극부 상에 형성된 광흡수층;을 구비하고, 상기 전극부는, 상기 기판 상에 복수개의 컬럼나(columnar) 구조를 가지는 몰리브덴층; 상기 몰리브덴층의 적어도 일부를 질화시켜 형성되며, 확산방지층인 몰리나이트라이드층(Mo2N); 및 상기 몰리나이트라이드층 상에 형성된 몰리셀레나이드층(MoSe2);을 포함하는, 태양전지 및 태양전지 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 태양전지용 배면전극, 태양전지용 배면전극의 제조방법, 이를 이용한 태양전지 및 태양전지의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 CIS계 박막 태양전지용 배면전극, CIS계 박막 태양전지용 배면전극의 제조방법, 이를 이용한 CIS계 박막 태양전지 및 CIS계 박막 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 CuInSe2로 대표되는 I-III-VI2족 황동석(Chalcopyrite)계 화합물반도체는 직접천이형 에너지 밴드갭을 가지고 있고, 광흡수계수가 1×105 ㎝- 1 로서 반도체 중에서 가장 높아 두께 약 1 내지 2㎛의 박막으로도 고효율의 태양전지 제조가 가능하고, 장기적으로 전기광학적 안정성이 매우 우수한 특성을 지니고 있다.
그 때문에, 황동석계 화합물 반도체는 현재 사용되고 있는 고가의 결정질 실리콘 태양전지를 대체하여 태양광발전의 경제성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 저가, 고효율의 태양전지 재료로 부각되고 있다.
상기 황동석계 화합물 반도체는 인듐의 일부를 갈륨으로, 셀레늄의 일부를 황으로 대체한 오원화합물은 CIGSS [Cu(InxGa1-x)(SeyS1-y)2]로 표기되는데, 대표적으로 이들을 CIS, CIGS로 표기하기도 하고, 이하에서는 이러한 화합물을 CIGS로 정의한다.
한편, CIGS 광흡수층 제조공정이 가장 핵심기술이며, 현재 스퍼터링 후 셀렌화 및 황화의 2단계 제조공법이 가장 광범위하게 양산에 적용되고 있다. 셀렌화 및 황화는 일반적으로 450℃ 이상의 고온에서 이루어지고 있다. 이러한 고온 환경에서 몰리브덴은 셀레늄 또는 황과 반응하여 몰리셀레나이드(Mo(Se,S)y)로 상변태하며, 반응온도 증가 혹은 반응시간 증가에 따라 그 두께는 증가한다. 생성된 몰리셀레나이드 물질은 전기저항이 매우 높으므로, 태양전지의 효율을 저하시키는 문제를 야기시킨다.
또한, 몰리브덴과 CIGS 광흡수층 계면은 일반적으로 쇼트키접합을 형성하기 때문에 전하의 이동에 대한 저항이 높다. 상대적으로 얇은 몰리셀레나이드층이 삽입된 전극층과 CIGS 광흡수층 접합의 경우, 오믹접합 특성을 갖게 되는 것으로 알려져 있는 바, 몰리셀레나이드 박막의 형성 두께를 얇게 제어하는 것이 고효율 태양전지의 제조에 반드시 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 기판 내에 함유된 알칼리 원소가 광흡수층으로 확산되기 쉽고, 셀레늄의 확산을 방지하여 적절한 오믹접합(Ohmic Contact)을 하면서 저비용으로 광변환 효율을 높일 수 있는 태양전지용 배면전극, 태양전지용 배면전극의 제조방법, 이를 이용한 태양전지 및 태양전지의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 태양전지용 배면전극의 제조방법이 제공된다. 상기 태양전지용 배면전극의 제조방법은 기판을 제 1 진공 챔버 내에 배치하고, 상기 기판 상에 스퍼터링(sputtering) 방법으로 복수개의 컬럼나(columnar) 구조를 가지는 전극을 형성하는 제 1 단계; 및 제 2 진공 챔버 내에서 암모니아(NH3) 플라즈마를 이용하여 상기 복수개의 컬럼나 구조를 가지는 전극의 적어도 일부를 질화시켜 질화층을 형성하는 제 2 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제 2 단계;는 상기 복수개의 컬럼나 구조를 구성하는 각각의 컬럼나 구조 표면에 상기 질화층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제 1 진공 챔버와 상기 제 2 진공 챔버는 동일한 챔버이며, 상기 제 1 단계와 상기 제 2 단계는 인-시튜(in-situ)로 수행될 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 태양전지용 배면전극을 제공한다. 상기 태양전지용 배면전극은 기판의 적어도 일면 상에 형성되는 태양전지용 배면전극으로서, 상기 배면전극은, 복수개의 컬럼나(columnar) 구조를 가지는 몰리브덴층; 및 상기 몰리브덴층의 적어도 일부를 질화시켜 형성되며, 확산방지층인 몰리나이트라이드층(Mo2N);을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 태양전지를 제공한다. 상기 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 형성된 전극부; 및 상기 전극부 상에 형성된 광흡수층;을 구비하고, 상기 전극부는, 상기 기판 상에 복수개의 컬럼나(columnar) 구조를 가지는 몰리브덴층; 상기 몰리브덴층의 적어도 일부를 질화시켜 형성되며, 확산방지층인 몰리나이트라이드층(Mo2N); 및 상기 몰리나이트라이드층 상에 형성된 몰리셀레나이드층(MoSe2);을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 태양전지의 제조방법을 제공한다. 상기 태양전지의 제조방법은 기판을 배치하고, 상기 기판 상에 복수개의 컬럼나(columnar) 구조를 가지는 몰리브덴층 및 상기 몰리브덴층의 적어도 일부에 몰리나이트라이드층(Mo2N)이 배치된 예비전극부를 구비하는, 태양전지용 배면전극을 제공하는 단계; 상기 예비전극부 상에 스퍼터링(sputtering) 방법을 이용하여 구리(Cu), 인듐(In) 및 갈륨(Ga)을 포함하는, 예비광흡수층을 형성하는 단계; 및 상기 예비전극부 및 상기 예비광흡수층 상에 셀렌화(selenization)를 수행하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 예비전극부 및 상기 예비광흡수층 상에 셀렌화를 수행하는 단계;는 상기 셀렌화에 수반된 셀레늄(Se)이 상기 예비광흡수층과 반응함으로써, 상기 예비광흡수층이 광흡수층으로 형성되는 단계; 및 상기 셀렌화에 수반된 셀레늄(Se)과 상기 몰리나이트라이드층(Mo2N)이 반응하여 몰리셀레나이드층(MoSe2)을 형성함으로써, 상기 예비전극부가 상기 몰리브덴층, 상기 몰리나이트라이드층 및 상기 몰리셀레나이드층을 구비하는 전극부로 형성되는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 태양전지의 제조방법은 기판을 배치하고, 상기 기판 상에 복수개의 컬럼나(columnar) 구조를 가지는 몰리브덴층 및 상기 몰리브덴층의 적어도 일부에 몰리나이트라이드층(Mo2N)이 배치된 예비전극부를 구비하는, 태양전지용 배면전극을 제공하는 단계; 및 상기 예비전극부 상에 동시증발법을 이용하여 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se)을 포함하는 광흡수층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 예비전극부 상에 동시증발법을 이용하여 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se)을 포함하는 광흡수층을 형성하는 단계;는 상기 셀레늄(Se)과 상기 몰리나이트라이드층(Mo2N)이 반응하여 몰리셀레나이드층(MoSe2)을 형성함으로써, 상기 예비전극부가 상기 몰리브덴층, 상기 몰리나이트라이드층 및 상기 몰리셀레나이드층을 구비하는 전극부로 형성되는 단계;를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 배면전극에 암모니아 플라즈마를 이용하여 질소를 포함한 확산 방지막을 도입함으로써, 배면전극에 요구되는 전기전도성과 계면접착력, 셀레늄 확산방지를 통해 두께 제어 능력을 동시에 만족시킬 수 있도록 태양전지용 배면전극, 태양전지용 배면전극의 제조방법, 이를 이용한 태양전지 및 태양전지의 제조방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS 박막 태양전지의 구조를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS 박막 태양전지의 배면전극 제조방법을 개략적으로 도해하는 공정순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS 박막 태양전지의 배면전극 형성과정을 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 비교예에 따른 CIGS 박막 태양전지의 배면전극 형성과정을 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실험예 및 비교예에 따른 배면전극을 XRD(X-ray Diffraction)로 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실험예와 비교예에 따른 배면전극을 SEM(Scanning Electron Microscope)으로 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실험예에 따른 CIGS 박막 태양전지의 배면전극을 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)로 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실험예와 비교예에 따른 CIGS 박막 태양전지의 배면전극을 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy)로 성분 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실험예와 비교예에 따른 CIGS 박막 태양전지의 배면전극의 비저항 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS 박막 태양전지의 배면전극 제조방법을 개략적으로 도해하는 공정순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS 박막 태양전지의 배면전극 형성과정을 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 비교예에 따른 CIGS 박막 태양전지의 배면전극 형성과정을 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실험예 및 비교예에 따른 배면전극을 XRD(X-ray Diffraction)로 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실험예와 비교예에 따른 배면전극을 SEM(Scanning Electron Microscope)으로 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실험예에 따른 CIGS 박막 태양전지의 배면전극을 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)로 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실험예와 비교예에 따른 CIGS 박막 태양전지의 배면전극을 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy)로 성분 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실험예와 비교예에 따른 CIGS 박막 태양전지의 배면전극의 비저항 분석 결과를 나타낸 도면이다.
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.
명세서 전체에 걸쳐서, 막, 영역 또는 기판과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에", "연결되어", "적층되어" 또는 "커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 다른 구성요소 "상에", "연결되어", "적층되어" 또는 "커플링되어" 접합하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에", "직접 연결되어", 또는 "직접 커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다. 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
또한, "상의" 또는 "위의" 및 "하의" 또는 "아래의"와 같은 상대적인 용어들은 도면들에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 관계를 기술하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면들에서 묘사되는 방향에 추가하여 소자의 다른 방향들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수 있다. 예를 들어, 도면들에서 소자가 뒤집어 진다면(turned over), 다른 요소들의 상부의 면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상기 다른 요소들의 하부의 면 상에 방향을 가지게 된다. 그러므로, 예로써 든 "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향에 의존하여 "하의" 및 "상의" 방향 모두를 포함할 수 있다. 소자가 다른 방향으로 향한다면(다른 방향에 대하여 90도 회전), 본 명세서에 사용되는 상대적인 설명들은 이에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS 박막 태양전지의 구조를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 1을 참조하면, CIGS를 광흡수층으로 하는 태양전지의 구조는 일반적으로 소다라임유리(soda lime glass)를 기판(10)으로 하며, 배면전극(20), 광흡수층(30), 버퍼층(40), 투명전극(50) 및 반사방지막(60)의 5개의 단위 박막을 순차적으로 형성시키고, 그 위에 그리드 전극(70)을 형성시켜 제조된다. 여기서, 기판(10)의 재질은 예를 들면, 유리, 스테인리스 강, 알루미나, 티타늄 및 폴리머 중 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다.
배면전극(20)은 기판(10) 상에 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 텅스텐(W), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 은(Ag) 및 금(Au) 중 적어도 어느 하나 또는 이들의 합금을 증착하여 형성할 수 있다. 또, 배면전극(20)은, 예를 들어, 몰리브덴을 전극재료로 사용했을 경우, 셀렌화 공정 이후에, 몰리브덴층, 상기 몰리브덴층의 적어도 일부에 형성된 몰리나이트라이드층, 및 상기 몰리나이트라이드층 상의 몰리셀레나이드층을 포함하는 전극부로 이해될 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 도 2 내지 도 9를 참조하여 후술한다.
광흡수층(30)은 배면전극(20) 상에 형성될 수 있으며, 배면전극(20) 상에 도 1 및 도 2를 참조하여 상술한 이원화합물 나노입자를 코팅시켜 광흡수층(30)을 형성할 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 도 2 내지 도 4를 참조하여 후술한다.
버퍼층(40)은 광흡수층(30)의 상부에 형성될 수 있다. 예를 들면, 황화카드뮴(CdS)을 CBD(chemical bath deposition) 방법을 사용하여 제조할 수 있다. 이때 황화카드뮴 박막에 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al) 등을 도핑하여 사용할 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 따른 CIGS 박막 태양전지의 배면전극 제조방법을 개략적으로 도해하는 공정순서도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS 박막 태양전지의 배면전극 형성과정을 개략적으로 도해하는 도면이며, 도 4는 본 발명의 비교예에 따른 CIGS 박막 태양전지의 배면전극 형성과정을 개략적으로 도해하는 도면이다.
먼저, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS 박막 태양전지의 배면전극 제조방법은 소다라임글라스 기판을 준비하는 단계(S100), 반응성 스퍼터링을 이용하여 아르곤(Ar) 가스 분위기에서 몰리브덴(Mo)을 증착하는 단계(S200), 동일 챔버내에서 암모니아(NH3) 플라즈마를 이용하여 몰리나이트라이드(Mo2N)를 형성하는 단계(S300) 및 스퍼터링법/셀렌화 또는 동시증발법을 적용해 광흡수층 제조시 몰리셀레나이드(MoSe2)를 형성하는 단계(S400)를 포함할 수 있다.
좀 더 구체적으로 도 3의 (a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS 박막 태양전지의 배면전극 제조방법은 기판(10)을 제 1 진공 챔버 내에 배치하고, 기판(10) 상에 스퍼터링(sputtering) 방법으로 복수개의 컬럼나(columnar) 구조를 가지는 전극(21)을 증착할 수 있다. 여기서, 전극(21)은 예를 들면, 몰리브덴(Mo)층을 포함할 수 있다.
도 3의 (b)를 참조하면, 제 2 진공 챔버 내에서 암모니아(NH3) 플라즈마를 이용하여 복수개의 컬럼나 구조를 가지는 전극(21)의 적어도 일부를 질화시켜 질화층(22)을 형성할 수 있다. 예를 들면, 복수개의 컬럼나 구조를 구성하는 각각의 컬럼나 구조 표면 또는 각각의 컬럼나 구조 사이사이에 질화층(22)을 형성할 수 있다. 여기서, 질화층(22)은 예를 들면, 몰리나이트라이드층(Mo2N)을 포함할 수 있다. 그리고 전극(21) 및 질화층(22)은 예비전극부(25)로 명칭될 수 있다.
또한, 상기 제 1 진공 챔버 및 상기 제 2 진공 챔버는 배치타입(batch type) 또는 인-라인(in-line) 형태로 연속적으로 기판(10)이 이동되어 진행될 수 있다. 반면에, 상기 제 1 진공 챔버 및 상기 제 2 진공 챔버는 동일한 챔버에서 진행될 수 있다. 이 경우, 전극(21) 및 질화층(22)을 형성하는 단계는 인-시튜(in-situ)로 수행될 수 있다.
도 3의 (c)를 참조하면, 몰리브덴 전극(21)과 몰리나이트라이드 질화층(22)을 구비하는 예비전극부(25) 상에 스퍼터링(sputtering) 방법으로 구리(Cu), 인듐(In) 및 갈륨(Ga)을 포함하는, 예비광흡수층(30a)을 형성할 수 있다.
도 3의 (d)를 참조하면, 예비전극부(25) 및 예비광흡수층(30a) 상에 셀렌화(selenization)를 수행하면, 상기 셀렌화에 수반된 셀레늄(Se)이 예비광흡수층(30a)과 반응함으로써, 예비광흡수층(30a)이 광흡수층(30)으로 형성될 수 있다. 이와 동시에 상기 셀렌화에 수반된 셀레늄(Se)과 몰리나이트라이드 질화층(22)의 적어도 일부가 반응하여 몰리셀레나이드층(MoSe2)(24)을 형성할 수 있다. 여기서, 예비전극부(25)는 셀렌화 공정 이후에, 몰리브덴 전극(21), 몰리브덴 전극(21)의 적어도 일부에 형성된 몰리나이트라이드 질화층(22), 및 몰리나이트라이드 질화층(22) 상의 몰리셀레나이드층(24)을 포함하는 전극부(26)로 이해될 수 있으며, 전극부(26)는 도 1을 참조하여 상술한 배면전극(20)으로 명칭될 수 있다.
한편, 도 4의 (a)를 참조하면, 본 발명의 비교예에 따른 CIGS 박막 태양전지의 배면전극 제조방법은 기판(10)을 제 1 진공 챔버 내에 배치하고, 기판(10) 상에 스퍼터링(sputtering) 방법으로 복수개의 컬럼나(columnar) 구조를 가지는 전극(21)을 증착할 수 있다. 여기서, 전극(21)은 예를 들면, 몰리브덴층을 포함할 수 있다.
또한, 몰리브덴 전극(21)과 몰리나이트라이드 질화층(22)을 구비하는 예비전극부(25) 상에 스퍼터링(sputtering) 방법으로 구리(Cu), 인듐(In) 및 갈륨(Ga)을 포함하는, 예비광흡수층(30a)을 형성할 수 있다.
도 4의 (b)를 참조하면, 몰리브덴 전극(21) 및 예비광흡수층(30a) 상에 셀렌화(selenization)를 수행하면, 상기 셀렌화에 수반된 셀레늄(Se)이 예비광흡수층(30a)과 반응함으로써, 예비광흡수층(30a)이 광흡수층(30)으로 형성될 수 있다. 이와 동시에 상기 셀렌화에 수반된 셀레늄(Se)과 몰리브덴 전극(21)의 적어도 일부가 반응하여 몰리셀레나이드층(MoSe2, 24)을 형성할 수 있다. 여기서, 몰리브덴 전극(21)은 셀렌화 공정 이후에, 몰리브덴 전극(21), 몰리브덴 전극(21)의 적어도 일부에 형성된 몰리셀레나이드층(24)을 포함하는 배면전극(20)으로 이해될 수 있다.
또한, 예비전극부(25) 상에 동시증발법을 이용하여 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se)을 포함하는 광흡수층(30)을 형성할 수 있다. 이 때, 상기 셀레늄(Se)과 몰리나이트라이드층(Mo2N, 22)이 반응하여 몰리셀레나이드층(MoSe2, 24)을 형성함으로써, 예비전극부(25)가 몰리브덴 전극(21), 몰리나이트라이드층(22) 및 몰리셀레나이드층(24)을 구비하는 전극부(26)로 형성될 수도 있다.
한편, 도 4에 도시된 CIGS 박막 태양전지의 배면전극(20)에 구비된 몰리셀레나이드층(24)의 두께가 도 3에 도시된 CIGS 박막 태양전지의 전극부(26)에 구비된 몰리셀레나이드층(24)의 두께보다 상대적으로 두껍게 형성될 수 있다. 따라서 상대적으로 몰리셀레나이드층(24)의 두께가 얇은 도 3에 도시된 CIGS 박막 태양전지가 도 4에 도시된 CIGS 박막 태양전지 보다 배면전극(20)과 광흡수층(30) 사이의 오믹접합을 유도하기가 더 용이하다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 실험예를 제공한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험예들에 의해서 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실험예는 도 2 내지 도 3을 참조하여 상술한 실시예에 의해 CIGS 박막 태양전지를 구성하는 배면전극을 제조했다. 좀 더 구체적으로, 소다라임유리 기판(10)을 사용한다. 기판(10) 상에 DC 스퍼터링 방법으로 복수개의 컬럼나(columnar) 구조를 가지는 몰리브덴(Mo) 전극(21)을 증착한다. 암모니아 플라즈마를 이용하여 몰리브덴 전극(21)의 적어도 일부를 질화시켜 몰리나이트라이드층(22)을 형성한다. 여기서, 암모니아 플라즈마의 공정조건은 약 600torr의 압력에서, 약 20W DC Power 및 약 500℃에서 수행하였다. 마지막으로 몰리나이트라이드층(22) 상에 셀렌화를 수행하여 몰리셀레나이드층(24)을 형성한다.
또한, 본 발명의 비교예는 도 4를 참조하여 상술한 비교예에 의해 CIGS 박막 태양전지를 구성하는 배면전극을 제조했다. 좀 더 구체적으로, 소다라임유리 기판(10)을 사용한다. 기판(10) 상에 DC 스퍼터링 방법으로 복수개의 컬럼나(columnar) 구조를 가지는 몰리브덴(Mo) 전극(21)을 증착한다. 마지막으로 몰리브덴 전극(21) 상에 셀렌화를 수행하여 몰리셀레나이드층(24)을 형성한다.
도 5는 본 발명의 실험예 및 비교예에 따른 배면전극을 XRD(X-ray Diffraction)로 분석한 결과를 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 실험예와 비교예에 따른 배면전극을 SEM(Scanning Electron Microscope)으로 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 5와 도 6을 참조하면, 기판 상에 복수개의 컬럼나(columnar) 구조를 가지는 몰리브덴이 형성되어 있음을 알 수 있다. 또, 컬럼나 구조를 따라 질화처리된 몰리브덴과 셀렌화가 수행된 후 배면전극의 상부측에 컬럼나 구조가 변화하지 않음을 알 수 있다.
도 5의 (a)를 참조하면, X선 회절법(2-θ 스캔)으로 분석하여 얻은 스캐닝 산출값을 표준 결정학 데이터베이스의 몰리브덴 및 몰리나이트라이드화합물에 대한 스캐닝 값과 비교한 결과, 배면전극은 몰리브덴(Mo) 결정과 몰리나이트라이드(Mo2N) 결정을 포함하고 있음을 확인할 수 있다. 또, 질화처리시간이 증가할수록 상기 몰리나이트라이드 결정이 많이 형성됨을 알 수 있다.
한편, 도 5의 (a)에서 진행된 샘플들에 셀렌화를 수행한 결과를 보면, 질화처리시간이 증가할수록 몰리셀레나이드(MoSe2) 결정이 없으며, 질화처리되지 않은 샘플의 경우 몰리브덴 결정이 거의 보이지 않고, 몰리셀레나이드 결정이 대부분 형성되어 있음을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실험예에 따른 CIGS 박막 태양전지의 배면전극을 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)로 분석한 결과를 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명의 실험예와 비교예에 따른 CIGS 박막 태양전지의 배면전극을 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy)로 성분 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 실험예에 따른 CIGS 박막 태양전지의 배면전극을 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)와 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy)로 분석한 결과이다. 결합 에너지가 작은 영역에서 배면전극의 표면에 셀레늄(Se)이 검출되었으나, 배면전극의 내부에는 셀레늄이 검출되지 않음을 보여준다. 또, 배면전극의 내부는 거의 몰리브덴(Mo)으로 구성되어 있으며, 일부 질소(N)가 검출됨을 알 수 있고, 배면전극의 표면에는 몰리나이트라이드(Mo2N), 셀레늄(Se) 및 산소(O)가 검출되어 확산방지층으로서, 몰리나이트라이드가 그 역할을 수행하고 있음을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실험예와 비교예에 따른 CIGS 박막 태양전지의 배면전극의 비저항 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 질화처리를 하지 않고, 셀렌화를 수행한 배면전극의 경우 비저항값이 매우 높음을 알 수 있다. 반면에, 질화처리를 조금이라도 수행한 후 셀렌화를 수행한 배면전극의 경우 질화처리시간이 증가함에 따라 비저항의 값이 다소 증가하나, 질화처리되지 않은 배면전극의 경우보다 상대적으로 비저항의 값의 변화가 아주 적으며, 셀렌화 공정 이후에도 변화가 거의 없음을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 암모니아 플라즈마를 이용하여 몰리브덴 전극을 부분적으로 질화를 시켜 몰리나이트라이드층을 형성한 배면전극을 이용한 CIGS 박막 태양전지를 제조할 수 있다. 이 때, 상기 질화는 몰리브덴의 컬럼나(columnar) 구조의 표면 또는 각각의 컬럼나 구조 사이사이에서 수행될 수 있다.
이와 같이, 제조된 확산방지층은 유리공정 이하의 온도(550℃) 이하에서 진행되며, 셀렌화 공정 후 배면전극의 표면에서 질소 손실에 의해 자연적으로 매우 얇은 몰리셀레나이드층(MoSe2)이 형성되어, 전기적 특성의 변화를 최소화하면서, 흡수층과의 오믹(Ohmic contact) 접합을 유도한다.
또한, 몰리브덴 전극의 구조적인 변화가 거의 없으므로, 종래의 소다라임 유리에 적용시 알칼리 원소(Na)의 확산이 용이할 수 있다. 본 발명에 의한 확산방지층은 별도의 고가의 장비가 불필요하며, 배면전극과 광흡수층 사이의 오믹접합을 유도하기 용이하다.
본 발명은 도면에 도시된 일 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.
10 : 기판
20 : 배면전극
21 : 몰리브덴 전극층
22 : 몰리나이트라이드층
24 : 몰리셀레나이드층
25 : 예비전극부
26 : 전극부
30 : 광흡수층
30a : 예비광흡수층
40 : 버퍼층
50 : 투명전극
60 : 반사방지막
70 : 그리드 전극
20 : 배면전극
21 : 몰리브덴 전극층
22 : 몰리나이트라이드층
24 : 몰리셀레나이드층
25 : 예비전극부
26 : 전극부
30 : 광흡수층
30a : 예비광흡수층
40 : 버퍼층
50 : 투명전극
60 : 반사방지막
70 : 그리드 전극
Claims (9)
- 기판을 제 1 진공 챔버 내에 배치하고, 상기 기판 상에 스퍼터링(sputtering) 방법으로 복수개의 컬럼나(columnar) 구조를 가지는 전극을 형성하는 제 1 단계; 및
제 2 진공 챔버 내에서 암모니아(NH3) 플라즈마를 이용하여 상기 복수개의 컬럼나 구조를 가지는 전극의 적어도 일부를 질화시켜 질화층을 형성하는 제 2 단계;
를 포함하고,
상기 질화층은 상기 복수개의 컬럼나 구조를 구성하는 각각의 컬럼나 구조의 상면 표면 및 측면 표면을 전체적으로 둘러싸도록 형성되는, 태양전지용 배면전극의 제조방법. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 진공 챔버와 상기 제 2 진공 챔버는 동일한 챔버이며, 상기 제 1 단계와 상기 제 2 단계는 인-시튜(in-situ)로 수행되는,
태양전지용 배면전극의 제조방법. - 기판의 적어도 일면 상에 형성되는 태양전지용 배면전극으로서,
상기 배면전극은,
복수개의 컬럼나(columnar) 구조를 가지는 몰리브덴층; 및
상기 몰리브덴층의 적어도 일부를 질화시켜 형성되며, 확산방지층인 몰리나이트라이드층(Mo2N);
을 포함하고,
상기 몰리나이트라이드층은 상기 복수개의 컬럼나 구조를 구성하는 각각의 컬럼나 구조의 상면 표면 및 측면 표면을 전체적으로 둘러싸도록 형성되는, 태양전지용 배면전극. - 기판;
상기 기판 상에 형성된 전극부; 및
상기 전극부 상에 형성된 광흡수층;을 구비하고,
상기 전극부는,
상기 기판 상에 복수개의 컬럼나(columnar) 구조를 가지는 몰리브덴층; 상기 몰리브덴층의 적어도 일부를 질화시켜 형성되며, 확산방지층인 몰리나이트라이드층(Mo2N); 및 상기 몰리나이트라이드층 상에 형성된 몰리셀레나이드층(MoSe2);을 포함하고,
상기 몰리나이트라이드층은 상기 복수개의 컬럼나 구조를 구성하는 각각의 컬럼나 구조의 상면 표면 및 측면 표면을 전체적으로 둘러싸도록 형성되는, 태양전지. - 기판을 배치하고, 상기 기판 상에 복수개의 컬럼나(columnar) 구조를 가지는 몰리브덴층 및 상기 몰리브덴층의 적어도 일부에 몰리나이트라이드층(Mo2N)이 배치된 예비전극부를 구비하는, 태양전지용 배면전극을 제공하는 단계;
상기 예비전극부 상에 스퍼터링(sputtering) 방법을 이용하여 구리(Cu), 인듐(In) 및 갈륨(Ga)을 포함하는, 예비광흡수층을 형성하는 단계; 및
상기 예비전극부 및 상기 예비광흡수층 상에 셀렌화(selenization)를 수행하는 단계;
를 포함하고,
상기 몰리나이트라이드층은 상기 복수개의 컬럼나 구조를 구성하는 각각의 컬럼나 구조의 상면 표면 및 측면 표면을 전체적으로 둘러싸도록 형성되는, 태양전지의 제조방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 예비전극부 및 상기 예비광흡수층 상에 셀렌화를 수행하는 단계;는
상기 셀렌화에 수반된 셀레늄(Se)이 상기 예비광흡수층과 반응함으로써, 상기 예비광흡수층이 광흡수층으로 형성되는 단계; 및
상기 셀렌화에 수반된 셀레늄(Se)과 상기 몰리나이트라이드층(Mo2N)이 반응하여 몰리셀레나이드층(MoSe2)을 형성함으로써, 상기 예비전극부가 상기 몰리브덴층, 상기 몰리나이트라이드층 및 상기 몰리셀레나이드층을 구비하는 전극부로 형성되는 단계;
를 포함하는, 태양전지의 제조방법. - 기판을 배치하고, 상기 기판 상에 복수개의 컬럼나(columnar) 구조를 가지는 몰리브덴층 및 상기 몰리브덴층의 적어도 일부에 몰리나이트라이드층(Mo2N)이 배치된 예비전극부를 구비하는, 태양전지용 배면전극을 제공하는 단계; 및
상기 예비전극부 상에 동시증발법을 이용하여 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se)을 포함하는 광흡수층을 형성하는 단계;
를 포함하고,
상기 몰리나이트라이드층은 상기 복수개의 컬럼나 구조를 구성하는 각각의 컬럼나 구조의 상면 표면 및 측면 표면을 전체적으로 둘러싸도록 형성되는, 태양전지의 제조방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 예비전극부 상에 동시증발법을 이용하여 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se)을 포함하는 광흡수층을 형성하는 단계;는
상기 셀레늄(Se)과 상기 몰리나이트라이드층(Mo2N)이 반응하여 몰리셀레나이드층(MoSe2)을 형성함으로써, 상기 예비전극부가 상기 몰리브덴층, 상기 몰리나이트라이드층 및 상기 몰리셀레나이드층을 구비하는 전극부로 형성되는 단계;
를 포함하는, 태양전지의 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020150021055A KR101638439B1 (ko) | 2015-02-11 | 2015-02-11 | 태양전지용 배면전극, 태양전지용 배면전극의 제조방법, 이를 이용한 태양전지 및 태양전지의 제조방법 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020150021055A KR101638439B1 (ko) | 2015-02-11 | 2015-02-11 | 태양전지용 배면전극, 태양전지용 배면전극의 제조방법, 이를 이용한 태양전지 및 태양전지의 제조방법 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| KR101638439B1 true KR101638439B1 (ko) | 2016-07-11 |
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| KR1020150021055A KR101638439B1 (ko) | 2015-02-11 | 2015-02-11 | 태양전지용 배면전극, 태양전지용 배면전극의 제조방법, 이를 이용한 태양전지 및 태양전지의 제조방법 |
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|---|---|
| KR (1) | KR101638439B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102093567B1 (ko) * | 2018-11-15 | 2020-03-25 | 연세대학교 산학협력단 | 태양 전지 및 이의 제조 방법 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120055543A1 (en) * | 2010-09-03 | 2012-03-08 | Solopower, Inc. | Back contact diffusion barrier layers for group ibiiiavia photovoltaic cells |
| JP2012114413A (ja) * | 2010-11-02 | 2012-06-14 | Fujifilm Corp | 光電変換素子およびその製造方法 |
| KR20140021959A (ko) * | 2012-08-09 | 2014-02-21 | 삼성에스디아이 주식회사 | 태양 전지 및 그 제조 방법 |
| KR20140148407A (ko) * | 2012-04-02 | 2014-12-31 | 로베르트 보쉬 게엠베하 | 광전 박막 태양 전지용 다층 후면 전극, 박막 태양 전지 및 모듈을 제조하기 위한 다층 후면 전극의 사용, 다층 후면 전극을 포함한 광전 박막 태양 전지 및 모듈, 및 그 제조 방법 |
-
2015
- 2015-02-11 KR KR1020150021055A patent/KR101638439B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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