KR101660311B1 - 태양전지 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

CIGS 태양 전지 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 상기 CIGS 태양 전지는 기판; 배면 전극; 광흡수층; 버퍼층; 및 전면 투명 전극을 포함하며, 상기 버퍼층은 Ti 화합물을 포함하는 것이다.

Description

태양전지 및 그의 제조 방법{SOLAR CELL AND METHOD OF PREPARING SAME}
본 기재는 태양전지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
박막 태양전지 기술은 현재 가장 큰 시장점유율을 보이고 있는 결정질 Si 태양전지와 비교되는 차세대 태양전지 기술로서 큰 관심을 받고 있다.
박막 태양전지는 결정질 Si 태양전지보다 효율은 높으면서, 저가로 개발이 가능한 태양 전지로서, 다양한 종류의 박막 태양전지들이 개발되고 있다. 이러한 태양 전지의 대표적인 예로는 CIGS(Cu(In, Ga)Se2) 태양전지를 들 수 있다.
CIGS 태양전지란, 일반적인 유리를 기판으로 기판-배면전극-광흡수층-버퍼층-전면 투명전극-반사방지막으로 이루어진 전지로서,그 중 태양광을 흡수하는 광흡수층이 CIGS 또는 CIS(CuIn(S,Se)2)로 이루어진 전지를 의미한다. 상기 CIGS 또는 CIS 중, CIGS가 보다 널리 사용되므로, 이하에서는 CIGS에 대하여 설명하기로 한다.
CIGS는I-Ⅲ-Ⅵ족 황동광(chalcopyrite)계 화합물 반도체(I, III 및 VI족은 주기율표상 1B, 3B, 6B족을 의미함)로서 직접천이형 에너지 밴드갭을 가지고 있고, 광흡수계수가 약 1×105cm-1로 반도체 중에서 가장 높은 편에 속하여, 두께 1㎛ 내지 2㎛의 박막으로도 고효율의 태양전지 제조가 가능한 물질이다.
CIGS는 양이온인 Cu와 음이온인 Se를 각각 다른 금속으로 대체하여 사용할 수 있으며, 이를 통칭하여 CIGS계 화합물 반도체라 칭한다. 이러한 CIGS계 화합물 반도체는 구성하고 있는 양이온(예: Cu, Ag, In, Ga, Al 등) 및 음이온(예: Se, S)의 종류와 조성을 변화시키면 결정격자 상수뿐만 아니라 에너지 밴드갭의 조절이 가능한 물질이다.
CIGS 태양 전지는 실외에서도 전기광학적으로 장기 안정성이 매우 우수하고, 복사선에 대한 저항력이 뛰어나므로 우주선용 태양전지에도 적합한 태양 전지이다. 이러한 CIGS 태양 전지는 일반적으로는 유리를 기판으로 사용하나, 유리 기판 이외에도 고분자(예: 폴리이미드) 또는 금속박막(예: 스테인레스 스틸, Ti) 기판 위에 증착하여 플렉시블 태양전지 형태로 제조할 수도 있다.
특히, 최근 박막형 태양 전지 중 가장 높은 19.5%의 에너지 변환 효율을 보임에 따라 실리콘 결정질 태양 전지를 대체할 수 있는 저가형 고효율 박막형 태양전지로 상업화 가능성이 아주 높은 것을 알려져 있다.
CIGS 박막 태양 전지에 있어서, 상기 버퍼층은 약 50nm 두께로 형성되며, 광흡수층 다음으로 중요한 역할을 한다. 버퍼층은, CIGS 박막이 다결정 성장 특성을 보임에 따라, 표면이 고르지 못하므로 소자를 안정적으로 하기 위하여, 표면을 모두 피복하여(conformal coverage) 소자상 결함을 노출시키지 않도록 하는 역할을 한다. 이러한 버퍼층은 일반적으로 CdS를 화학용액증착(chemical bath deposition: CBD)으로 성막하여 형성되며, CdS는 CIGS와 투명 전극인 ZnO의 큰 밴드갭 차이를 완충(buffer)하는 역할도 한다.
이와 같이 버퍼층은 통상 CdS로 사용되었으나, 카드뮴의 독성 때문에 Zn(O, OH)S, In2S3 등으로 대체하기 위한 연구가 진행되고 있다. 특히, ZnS를 사용할 경우 UV 영역의 양자효율이 CdS보다 높아져서 약 8%의 전환효율 추가 향상이 기대되는 것으로 알려지고 있다.
또한 습식 CBD 제조 방법은 진공방식의 인라인 일괄공정에 장애가 되고 있다. 이를 극복하기 위하여 버퍼 소재를 진공 공정 혹은 진공 공정과 함께 사용할 수 있는 박막 성장법의 개발연구가 활발하다.
본 발명의 일 구현예는 인체에 무해하고,내화학성이 우수한 버퍼층을 포함하는 태양 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 구현예는 계면과 버퍼층 내에서의 결함 발생을 최소화할 수 있는 태양 전지의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 구현예는 기판; 배면 전극; 광흡수층; 버퍼층; 및 전면 투명 전극을 포함하며, 상기 버퍼층은 Ti 화합물을 포함하는 것인 태양 전지를 제공한다.
상기 버퍼층은 100nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
상기 버퍼층은 원자층 증착 방법(atomic layer deposition; ALD)으로 형성된 것일 수 있다.
상기 광흡수층은 M1, M2, M3(여기에서, M1은 Cu, Ag 또는 이들의 조합, M2는 In, Ga, Al, Zn, Sn 또는 이들의 조합이고, M3는 Se, S 또는 이들의 조합임)및 이들의 조합으로 이루어진 화합물을 포함할 수 있다.
상기 Ti 화합물은 TiO2, Ti(OH)4, Ti(SH)2, TiOS, TiS(OH)2 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 태양 전지는 반사방지막을 더욱 포함할 수도 있다.
본 발명의 다른 일 구현예는 기판; 배면 전극; 광흡수층; 버퍼층; 및 전면 투명 전극을 포함하는 박막 태양 전지의 제조 방법에 있어서, 상기 버퍼층은 Ti 전구 물질을 사용하여 원자층 증착 방법으로 형성하는 것인 박막 태양 전지의 제조 방법을 제공한다.
상기 Ti 전구 물질은 테트라키스(디메틸아미노) 티타늄(tetrakis(dimethylamino) titanium(TDMAT), Ti[N(CH3)2]4), 테트라키스(디에틸아미도) 티타늄(tetrakis(diethylamido) titanium(TDEAT), Ti[N(C2H5)2]4), 테트라키스(에틸메틸아미도) 티타늄(tetrakis(ethylmethylamido) titanium(TEMAT), Ti[N(C2H5)(CH3)]4), 티타늄 테트라이소프로폭사이드(titanium tetraisopropoxide(TTIP), Ti[OCH(CH3)2]4) 또는 이들의 조합일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 CIGS 박막 태양 전지는 인체에 무해하고 내화학성이 우수한 Ti 화합물을 버퍼층으로 포함하므로, 무해성, 광반응 특성, 밴드갭 완충 특성이 개선되고 박막의 신뢰성이 우수하다. 또한, 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 CIGS 박막 태양 전지의 제조 방법은 Ti 화합물 함유 버퍼층을 원자층 증착방법(atomic layer deposition; ALD) 방법을 적용하여 형성하므로, CIGS 계면에서의 접합 상태를 개선하는 동시에 에너지 밴드 정렬(band alignment) 특성을 개선할 수 있으므로 고효율화 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 CIGS 박막 태양전지를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 2a는 CIS의 결정 구조를 나타낸 도면.
도 2b는 CIGS의 결정 구조를 나타낸 도면.
도 3은 TiO2의 결정 구조를 나타낸 도면.
도 4는 실시예 1에서 실시한 원자층 증착 공정의 조건을 나타낸 도면.
도 5는 실시예 2에서 실시한 원자층 증착 공정의 조건을 나타낸 도면.
도 6은 실시예 2에서 제조된 CIGS 박막 태양 전지를 나타낸 사진.
본 발명의 일 구현예는 기판; 배면 전극; 광흡수층; 버퍼층; 및 전면 투명 전극을 포함하며, 상기 버퍼층은 Ti 화합물을 포함하는 것인 박막 태양 전지를 제공한다.
상기 버퍼층은 100nm 이하의 두께를 가질 수 있으며, 30nm 내지 100nm의 두께를 가질 수 있다. 버퍼층의 두께가 100nm 이하인 경우, 빛의 투과도를 유지하면서 흡수층에 대한 버퍼층의 역할을 수행할 수 있는 장점이 있다. 버퍼층의 두께가 100nm 이상인 경우, 투명도가 낮아지고 버퍼층의 하부에 위치하는 광흡수층에 도달하는 빛이 감소하여 적절하지 않다.
상기 광흡수층은 M1, M2, M3(여기에서, M1은 Cu, Ag 또는 이들의 조합, M2는 In, Ga, Al, Zn, Sn 또는 이들의 조합이고, M3는 Se, S 또는 이들의 조합임) 및 이들의 조합으로 이루어진 화합물을 포함할 수 있다. 광흡수층에 사용되는 화합물의 구체적인 예로는 Cu(In, Ga)Se2(CIGS), CuIn(S,Se)2(CIS) 등을 들 수 있다. 상기 화합물은 CIGS계 화합물 반도체로서, 이를 포함하는 태양 전지를 이후 CIGS 태양 전지라 한다.
상기 기판은 유리, 소다-라임 유리(soda-lime glass, SLG), 세라믹 기판, 스테인레스스틸, 금속 기판, 폴리머 기판 등 당해 분야에 사용되는 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다.
상기 배면 전극은 Mo를 포함할 수 있다. 또한, 상기 전면 투명 전극은 ZnO, 인듐 틴 옥사이드(ITO)를 포함하는 전극일 수도 있고, ZnO 또는 ITO를 포함하는 제1 전극, Al이 도핑된 ZnO 또는 Al 그리드를 포함하는 제2 전극의 이중 구조일 수도 있다. 이때제1 전극이 버퍼층과 대면하는 방향에 위치할 수 있다.
상기 버퍼층은 Ti 화합물을 포함하는 것으로서, 정방정계(tetragonal)와 사방정계(orthorhombic) 등의 서로 다른 여러 가지 결정구조를 가지며 인체에 무해하고 내화학성이 우수하므로, 종래 버퍼층으로 주로 사용되던, 인체에 무해한 CdS 보다 무해성, 광반응 특성, 밴드갭 완충 특성이 개선되고 박막의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 상기 Ti 화합물은 TiO2, Ti(OH)4, Ti(SH)2, TiOS, TiS(OH)2 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 버퍼층은 원자층 증착 방법으로 형성된 것일 수 있다.
상기 CIGS 태양 전지는 반사방지막을 더욱 포함할 수도 있다. 이 반사방지막은 전면 투명 전극과 대면하도록 위치할 수 있다. 즉, 전면 투명 전극 위에 형성될 수 있다. 상기 반사 방지막은 MgF2를 포함할 수 있다.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 일 구현예에 따른 태양 전지를 도 1에 개략적으로 나타내었다. 도 1에 나타낸 태양 전지는 전면 투명 전극이, ZnO를 포함하는 제1 전극, Al이 도핑된 ZnO를 포함하는 제2 전극의 이중 구조인 형태이며, 반사방지막을 포함하는 구조로서, 본 발명의 태양 전지가 이 구성으로 한정되는 것은 아님은 물론이다.
도 1에 나타낸 것과 같이, CIGS 태양 전지(100)는 기판(1), 배면전극(3), 광흡수층(5), 버퍼층(7), 전면 투명 전극(9, 제1 전극(9a) 및 제2 전극(9b)) 및 반사방지막(11)로 구성된다.
이하 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 CIGS 태양 전지 제조 방법 중 버퍼층 제조 방법에 대하여 자세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 CIGS 태양 전지에서, 버퍼층은 원자층 증착 방법으로 형성될 수 있다. 이와 같이 버퍼층을 원자층 증착 방법으로 형성하므로, 광흡수층에 증착할 때, 박막 표면의 결정 구조에 따라 그에 가장 근접한 결정상으로 선택적인 성장이 가능하므로 계면과 버퍼층 내에서의 결함 발생을 최소화할 수 있다. 또한, 원자층 증착 방법은 화학 흡착(alternating chemisorption), 표면 반응(surface reaction), 부산물의 탈착(desorption) 단계로 구성되어, 원자층 단위로 증착할 수 있으므로 불순물의 함량이 낮고 핀홀(pin hole) 등의 결함을 극소화 할 수 있으며 높은 종횡비를 갖는 기공에서도 다른 화학 증착 방법이나 물리적 증착 방법과는 다르게 거의 100%의 단차 피복성을 나타낼 수 있는 방법이다.
이 원자층 증착 방법은 Ti 전구 물질을 사용하여 실시할 수 있다. 상기 Ti 전구 물질은 테트라키스(디메틸아미노) 티타늄(tetrakis(dimethylamino) titanium(TDMAT), Ti[N(CH3)2]4)), 테트라키스(디에틸아미도) 티타늄(tetrakis(diethylamido) titanium(TDEAT), Ti[N(C2H5)2]4), 테트라키스(에틸메틸아미도) 티타늄(tetrakis(ethylmethylamido) titanium(TEMAT), Ti[N(C2H5)(CH3)]4), 티타늄 테트라이소프로폭사이드(tetraisopropoxide(TTIP), Ti[OCH(CH3)2]4) 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 원자층 증착 방법은 시간대 별로 4개 구간으로 구분하여 실시할 수 있다. Ti 전구 물질을 상기 광흡수층에 흡착시키는 1단계; 상기 광흡수층으로부터 부산물을 제거하는 2단계; 상기 부산물이 제거된 광흡수층에 흡착된 Ti 전구 물질을 화학 반응을 이용하여 Ti 화합물로 전환하여 상기 광흡수층에 버퍼층을 형성하는 3단계; 및 버퍼층으로부터 부산물을 탈착하는 4단계를 포함할 수 있다.
상기 3단계에서 화학 반응이란, 산화 반응일 수 있다.
상기 1단계, 2단계 및 4단계는 희석 가스 존재 하에 실시할 수 있다. 상기 희석 가스는 Ar, N2 일 수 있다. 또한 이러한 희석 가스와 함께 수소 가스(H2)를 더욱 사용할 수 있다. 희석 가스와 수소 가스를 함께 사용하는 경우, 그 혼합비는 50 : 50 부피% 내지 80 : 20 부피%일 수 있다. 희석 가스와 수소 가스를 함께 사용하는 경우, 전구 물질을 보다 잘 환원시킬 수 있다.
또한, 상기 1단계, 2단계 및 4단계를 수증기(H2O), H2S 가스 또는 이들의 조합을 주입하면서 실시할 수도 있다.
상기 1단계, 2단계 및 4단계를 희석 가스 존재 하(또는 수소 가스와 함께) 실시하는 경우, 버퍼층은 Ti 화합물로 TiO2를 포함하며, 수증기(H2O), H2S 가스 또는 이들의 조합을 주입하면서 실시하는 경우, 버퍼층은 Ti 화합물로 Ti(OH)4, Ti(SH)2, TiOS, TiS(OH)2 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 제1단계는 0.3초 내지 5초 동안 실시할 수 있고, 상기 제2단계는 10초 내지 20초, 상기 제3단계는 3초 내지 5초, 상기 제4단계는 10초 내지 20초 동안 실할 수 있다. 또한, 반응 온도는 100℃ 내지 300℃에서 실시할 수 있다.
상기 제3 단계에서 상기 산화 반응은 산소, H2O 또는 O3 등의 기체를 적용하여 플라즈마를 형성하여 실시할 수 있다.
상기 1단계 내지 4단계를 1 사이클로 하여, 성막 두께와 성막 속도에 따라 사이클을 반복하여 100nm 이하의 두께까지 원자층 증착을 실시한다. 상기 성막 속도는 1사이클 당 약 0.1nm 내지 0.2nm일 수 있다. 상기 원자층 증착 두께는 50nm 내지 100nm일 수 있다.
도 2a에 CIS(CuInSe2)의 결정 구조를 나타내었으며, 도 2b에 CIGS(Cu(In, Ga)Se2)의 결정 구조를 나타내었다. 도 2a 및 도 2b에 나타낸 것과 같이, CIS나 CIGS는 정방정계(tetragonal) 구조를 갖지만, Ga와 In 비율에 따라서 사방정계 구조를 가질 수도 있다. 또한 TiO2는 도 3에 나타낸 것과 같이, 다양한 결정 구조를 갖는 물질이다.
따라서, 광흡수층 표면에 Ti 화합물을 포함하는 버퍼층을 원자층 증착 방법으로 형성하므로, 광흡수층의 표면의 원자층에 대하여 Ti 화합물을 포함하는 버퍼층이 흡착 반응에 의하여 증착되는 한층씩 차례로 형성되어, 광흡수층의 표면 원자 배열에 맞는 박막층이 형성될 수 있고, 따라서 광흡수층 표면에 따라 광흡수층을 구성하는 물질의 표면의 결정 구조에 대응하여 가장 격자 크기와 위치가 근접한 정방정계 또는 사방정계 등의 결정 구조를 갖는 박막이 성장될 수 있어, 계면에서의 결함 발생을 억제할 수 있고, 박막이 물성이 개선될 수 있다.
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
CIGS계 반도체인 Cu(In, Ga)Se2로 형성된 광흡수층에 버퍼층을 Ti 전구 물질로서 테트라키스(디메틸아미노) 티타늄(tetrakis(dimethylamino) titanium: TDMAT)를 이용하여 원자층 증착 공정으로 형성하였다.
상기 원자층 증착 공정은 Ti 전구물질 주입구와 산소 가스 주입구를 갖는 반응기를 이용하여 실시하였으며, 4단계로 실시하였다.
원자층 증착 공정에서, Ti 전구물질 및 분위기 조건을 도 4에 나타내었다. 도 4에서, x축의 2s, 15s, 4s 및 15s는 각각 1단계, 2단계, 3단계 및 4단계에의 실시 시간을 의미하며, Y축의 Ti 전구 물질 및 두 번째 Ar은 상기 Ti 전구물질 주입구로 주입되는 물질이고, O2 및 네 번째 Ar은 상기 산소 주입구로 주입되는 물질을 나타낸다.
도 4에 나타낸 조건과 같이, 희석 가스인 Ar 가스는 200sccm(standard cubic centimeter per minute, ㎤/분)의 속도로, 상기 Ti 전구 물질 주입구로 1단계 내지 4단계, 즉 원자층 증착 공정 전체 공정 동안 주입하였다. 따라서 Ar 가스는, 2단계에서 4단계까지는 Ti 전구 물질 주입구 안에서 반응 가스 및 부산물을 제거하기 위한 퍼지(purge) 역할을 하게 된다.
O2는 3단계에서 상기 산소 가스 주입구로 주입하였으며, 방사 주파수(radio frequency) 100W를 인가하여 산소 플라즈마를 발생시켰다. 이때 산소 주입 속도는 200sccm으로 하였다.
또한, 희석 가스인 Ar 가스는 3단계를 제외하고는 1단계, 2단계 및 4단계에서, 상기 산소 가스 주입구로 200sccm 속도로 주입하였고, 이때는 산소 주입구 내에서 반응 기체와 부산물을 제거하기 위하여 산소를 퍼지(purge)하는 역할을 하게 된다.
1단계로 전달 가스인 Ar과 함께 Ti 전구 물질인 테트라키스(디메틸아미노) 티타늄(tetrakis(dimethylamino) titanium(TDMAT)를 100sccm의 속도로 상기 Ti 전구 물질 주입구로 주입하여, 300℃에서 2초간 기판에 흡착시켰다.
이어서, 반응 가스와 부산물을 제거하는 퍼지 공정을 300℃에서 15초간 실시하였다(2단계). 도 4에 나타낸 것과 같이, Ar 가스가 전체 공정 내 주입되므로, 1단계에서는 희석 가스, 그 외에는 퍼지 가스 역할을 하는 것이다.
이어서, 도 4에 나타낸 것과 같이, 산소를 200sccm의 속도로 상기 산소 주입구로 주입시키고 방사 주파수 100W를 인가하여 플라즈마를 발생시켜서, 이 산화반응을 4초간 실시하였다(3단계). 도 4에 나타낸 것과 같이, 산소 주입구를 통하여 Ar 가스를 200sccm으로 속도로 계속 주입하나, 산소를 주입하는 3단계에서는 Ar 가스 주입을 중단하고 실시하였다. 이 3단계에서 기존에 흡착된 Ti 원자층과 산소가 반응하여 TiO2 반응층이 생성되었다.
4단계로, 희석 가스인 Ar 가스를 200sccm의 속도로 15초동안 다시 주입하여,반응 가스와 부산물을 제거시켰다.
상기 1단계-4단계를 1사이클로 하여, 300 사이클을 실시하여, 약 30nm 두께의 TiO2 버퍼층을 기판 위에 형성하였다.
(실시예 2)
소다-라임 유리 기판, 이 기판에 형성된 Mo 배면 전극 및 CIGS계 반도체인 Cu(In, Ga)Se2로 광흡수층을 차례로 형성하였다. 이어서, 이 광흡수층에 버퍼층을 Ti 전구 물질로서 테트라키스(디메틸아미노) 티타늄(tetrakis(dimethylamino) titanium: TDMAT)를 이용하여 원자층 증착 공정으로 형성하였다.
상기 원자층 증착 공정은 Ti 전구 물질 주입구와 산소 가스 주입구를 갖는 반응기를 이용하여 실시하였으며, 4단계로 실시하였다.
원자층 증착 공정에서, Ti 전구 물질 및 분위기 조건을 도 5에 나타내었다. 도 5에서, x축의 1s, 10s, 4s 및 5s는 각각 1단계, 2단계, 3단계 및 4단계에의 실시 시간을 의미하며, Y축의 Ti 전구 물질 및 두 번째 Ar은 상기 Ti 전구 물질 주입구로 주입되는 물질이고, O2 및 네 번째 Ar은 상기 산소 주입구로 주입되는 물질을 나타낸다.
도 5에 나타낸 조건과 같이, 희석 가스인 Ar 가스는 50sccm(standard cubic centimeter per minute, ㎤/분)의 속도로, 상기 Ti 전구 물질 주입구로 1단계 내지 4단계, 즉 원자층 증착 공정 전체 공정 동안 주입하였다. 따라서 Ar 가스는, 2단계에서 4단계까지는 Ti 전구 물질 주입구 안에서 반응 가스 및 부산물을 제거하기 위한 퍼지(purge) 역할을 하게 된다.
O2는 3단계에서 상기 산소 가스 주입구로 주입하였으며 방사 주파수(radio frequency) 100W를 인가하여 산소 플라즈마를 발생시켰다. 이때 주입 속도는 50sccm으로 하였으며, 4초간 실시하였다.
또한, 희석 가스인 Ar 가스는 3단계를 제외하고는 1단계, 2단계 및 4단계에서, 상기 산소 가스 주입구로 50sccm 속도로 주입하였고, 이때는 산소 주입구 내에서 반응 기체와 부산물을 제거하기 위하여 산소를 퍼지(purge)하는 역할을 하게 된다.
1단계로 전달 가스인 Ar과 함께 Ti 전구 물질인 테트라키스(디메틸아미노) 티타늄(tetrakis(dimethylamino) titanium(TDMAT)를 50sccm의 속도로 상기 Ti 전구 물질 주입구로 주입하여, 200℃에서 1초간 기판에 흡착시켰다.
이어서, 반응 가스와 부산물을 제거하는 퍼지 공정을 200℃에서 10초간 실시하였다(2단계). Ar 가스가 전체 공정 내 주입되므로, 1단계에서는 희석 가스, 그 외에는 퍼지 가스 역할을 하는 것이다.
이어서, 도 5에 나타낸 것과 같이, 산소 가스를 50sccm의 속도로 상기 산소 주입구로 주입시키면서, 방사 주파수 100W를 인가하여 산소 플라즈마를 발생시켜서 산화반응을 4초간 실시하였다(3단계). 도 5에 나타낸 것과 같이, 산소 주입구를 통하여 Ar 가스를 50sccm으로 속도로 계속 주입하나, 산소를 주입하는 3단계에서는 Ar 가스 주입을 중단하고 실시하였다. 이 3단계에서 기존에 흡착된 Ti 전구물질과 산소가 반응하여 TiO2 반응층이 생성되었다.
4단계로, 퍼지 가스인 Ar 가스를 50sccm의 속도로 5초동안 다시 주입하여, 반응 가스와 부산물을 제거시켰다.
상기 1단계-4단계를 1사이클로 하여, 500 사이클을 실시하여, 약 50nm 두께의 TiO2 버퍼층을 기판 위에 형성하였다.
상기 버퍼층 위에 전면 투명 전극으로 ITO(제1 전극) 및 Al 그리드(제2 전극)을 차례로 형성하여 CIGS 박막 태양 전지를 제조하였다.
제조된 태양 전지의 단면구조에 대한 전자현미경 사진을 도 6에 나타내었다.
상기 실시예 2에 따라 제조된 박막 태양 전지의 개방 전압(Voc, open-circuit voltage), 단락 전류(Isc, short-circuit current), 단락 전류 밀도(Jsc, short-circuit current), FF(Fill factor) 및 효율을 측정하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
Voc 0.5V
Isc 329.6mA
Jsc 52.7mA/㎠
FF 82.0%
효율 21.6%
상기 표 1에 나타낸 결과로부터, 실시예 2에 따라 제조된 TiO2 버퍼층을 형성한 CIGS 박막 태양전지의 단락 전류(광전류)가 통상적인 기존의 태양전지(25mA/㎠ 내지 30mA/㎠)보다 증가하며, FF가 종래 60% 내지 75%보다 높게 나타났기에, 실효 저항이 낮음을 예측할 수 있다. 또한, 실시예 2에 따라 제조된 CIGS 박막 태양 전지의 효율이 기존의 효율값인 15% 내지 19% 보다 향상되었음을 알 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (10)

  1. 삭제
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  7. 기판, 배면 전극, 광흡수층, 버퍼층 및 전면 투명 전극을 포함하는 태양 전지의 제조 방법에 있어서,
    상기 버퍼층을, 테트라키스(디메틸아미노) 티타늄, 테트라키스(디에틸아미도) 티타늄, 테트라키스(에틸메틸아미도) 티타늄, 티타늄 테트라이소프로폭사이드 또는 이들의 조합으로 이루어진 Ti 전구 물질을 사용하여 원자층 증착 방법으로 형성함으로써, 상기 광흡수층의 표면 원자 배열에 맞는 박막층을 형성시키고 상기 광흡수층과 버퍼층 간의 계면에서의 결함 발생을 감소시키는 태양전지의 제조방법.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 원자층 증착 방법은
    상기 Ti 전구 물질을 상기 광흡수층에 흡착시키는 1단계;
    상기 광흡수층으로부터 부산물을 제거하는 2단계;
    상기 부산물이 제거된 광흡수층에 흡착된 상기 Ti 전구물질을 산소 플라즈마를 통해 산화반응을 일으켜 Ti 화합물로 전환하여 상기 광흡수층에 버퍼층을 형성하는 3단계; 및
    상기 버퍼층으로부터 부산물을 탈착하는 4단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 광흡수층은 M1, M2, M3(여기서, M1은 Cu, Ag 또는 이들의 조합, M2는 In, Ga, Al, Zn, Sn 또는 이들의 조합이고, M3는 Se, S 또는 이들의 조합임)및 이들의 조합으로 이루어진 화합물을 포함하는 태양전지의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104716219B (zh) * 2015-02-15 2017-12-08 深圳先进技术研究院 光伏材料及其制备方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
E.B.Yousfi et al.,"Cadmium-free buffer layers deposited by atomic later epitaxy for copper indium diselenide solar cells", Thin Solid Films, 2000, Vol.361-362, pp.183-186*
Gyeong Taek Lim et al.,"Characteristics of TiOx films prepared by chemical vapor deposition using tetrakis-dimethyl-amido-titanium and water", Thin Solid Films, 2006, Vol.498, pp.254-258*
TOM J. SAVENIJE et al., A time-resolved microwave conductivity study of the optoelectronic processes in TiO2 In2S3 CuInS2 heterojunctions, Journal of Applied Physics, Vol.101, 113718
Yong-Wan Kim et al.,"Atomic layer deposition of TiO2 from tetrakis-dimethylamido-titanium and ozone", Korean J. Chem. Eng., Vol.29, pp.969-973

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220019159A (ko) 2020-08-06 2022-02-16 한국에너지기술연구원 보론이 도핑 된 산화아연 단일층 전면전극을 포함하는 cigs계 박막 태양전지의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 cigs계 박막 태양전지
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