KR101709999B1 - ZnO 확산 방지층을 갖는 태양 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예는 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 금속 기판으로부터 철(Fe), 크롬(Cr) 및/또는 니켈(Ni) 등의 불순물이 CIGS 흡수층으로 확산되지 않도록 한 ZnO 확산 방지층을 갖는 태양 전지 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 금속 기판; 상기 금속 기판에 형성된 ZnO 확산 방지층; 상기 ZnO 확산 방지층 위에 형성된 하부 전극; 상기 하부 전극 위에 형성된 CIGS 흡수층; 및 상기 CIGS 흡수층 위에 형성된 상부 전극을 포함하고, 상기 ZnO 확산 방지층은 상기 금속 기판의 상면 전체와 상기 하부 전극의 하면 전체를 직접 연결하는 ZnO 확산 방지층을 갖는 태양 전지 및 그 제조 방법을 개시한다.
이를 위해 본 발명은 금속 기판; 상기 금속 기판에 형성된 ZnO 확산 방지층; 상기 ZnO 확산 방지층 위에 형성된 하부 전극; 상기 하부 전극 위에 형성된 CIGS 흡수층; 및 상기 CIGS 흡수층 위에 형성된 상부 전극을 포함하고, 상기 ZnO 확산 방지층은 상기 금속 기판의 상면 전체와 상기 하부 전극의 하면 전체를 직접 연결하는 ZnO 확산 방지층을 갖는 태양 전지 및 그 제조 방법을 개시한다.
Description
본 발명의 일 실시예는 ZnO 확산 방지층을 갖는 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
태양 전지는 반도체의 원리를 이용한 것으로서, p-n 접합된 반도체에 일정 수준 이상의 에너지를 갖춘 빛을 조사하면 상기 반도체의 가전자가 자유롭게 이동될 수 있는 상태로 여기되어 전자와 정공의 쌍(EHP: electron hole pair)이 생성된다. 생성된 전자와 정공은 서로 반대쪽에 위치하는 전극으로 이동하여 기전력을 발생시키게 된다. 이러한 태양 전지의 가장 최초 형태는 실리콘 기판에 불순물(B)을 도핑하여 p형 반도체를 형성시킨 다음 그 위에 또다른 불순물(P)을 도핑시켜 층의 일부를 n형 반도체화 함으로써 p-n 접합이 이루어지도록 한 실리콘계 태양 전지로서 1세대 태양 전지로 많이 불린다.
실리콘계 태양 전지는 비교적 높은 에너지 전환효율과 셀 전환효율(실험실 최고의 에너지 전환효율에 대한 양산시 전환효율의 비율)이 높기 때문에, 가장 상용화 정도가 높다. 그러나, 상기 실리콘계 태양 전지 모듈을 제조하기 위해서는 우선 소재로부터 잉곳을 제조하고 상기 잉곳을 웨이퍼화한 후 셀을 제조하고 모듈화한다고 하는 다소 복잡한 공정단계를 거쳐야 할 뿐만 아니라, 벌크 재질의 재료를 사용하기 때문에, 재료소비가 증가하여 제조비용이 높다는 문제가 있다.
이러한 실리콘계 태양 전지의 단점을 해결하기 위하여, 2세대 태양 전지로 불리우는 소위 박막형 태양 전지가 제안되게 되었다. 박막형 태양 전지는 상술한 과정으로 태양 전지를 제조하는 것이 아니라, 기판 위에 순차적으로 필요한 박막층을 적층하는 형태로 제조하기 때문에, 그 과정이 단순하며, 두께가 얇아 재료비용이 저렴하다는 장점을 가진다.
그러나, 많은 경우 아직까지는 상기 실리콘계 태양 전지와 비교할 때 에너지 전환효율이 높지 않아 상용화에 많은 걸림돌이 되고 있으나, 일부 높은 에너지 전환효율을 가진 태양 전지가 개발되어 상용화 추진 중에 있다.
그 중 하나로서 CI(G)S계 태양 전지를 들 수 있는데, 상기 태양 전지는 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga)(갈륨은 포함되지 않을 수 있음. 갈륨이 포함되지 않을 경우에는 CIS로 불림), 셀레늄(Se)을 포함하는 CI(G)S 화합물 반도체를 기본으로 한 것이다.
상기 반도체는 3 또는 4가지 원소를 포함하고 있기 때문에 원소의 함량을 조절함으로써 밴드갭의 폭을 제어할수 있어 에너지 변환효율을 상승시킬 수 있다는 장점을 가진다. 간혹 셀레늄(Se)을 황(S)으로 대체하거나 셀레늄(Se)을 황(S)과 함께 사용하는 경우도 있다. 본 발명에서는 이러한 경우 모두 CI(G)S 태양 전지로 간주한다.
CIGS(갈륨이 포함된 경우) 태양 전지는 최하층에 하부기판이 존재하며, 상기 하부기판 위에 전극으로 사용되는 하부전극이 형성된다. 상기 하부기판과 하부전극을 포함하여 통상 태양 전지 기판으로 칭한다. 상기 하부전극 위에는 p형 반도체로서 광흡수층(CIGS)과 n형 반도체로서 버퍼층(예를 들면 CdS), 투명창, 상부 전극이 순차적으로 형성된다.
그리고, 근래에는 멀티미디어의 발달과 함께 플렉서블(flexible) 전자소자의 중요성이 증대되고 있는 가운데, 플렉서블 태양 전지도 많은 관심을 받고 있다.
삭제
한편, 이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 금속 기판으로부터 철(Fe), 크롬(Cr) 및/또는 니켈(Ni) 등의 불순물이 CIGS 흡수층으로 확산되지 않도록 한 ZnO 확산 방지층을 갖는 태양 전지 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 ZnO 확산 방지층을 갖는 태양 전지는 금속 기판; 상기 금속 기판에 형성된 ZnO 확산 방지층; 상기 ZnO 확산 방지층 위에 형성된 하부 전극; 상기 하부 전극 위에 형성된 CIGS 흡수층; 상기 CIGS 흡수층 위에 형성된 ZnO 투명층; 및 상기 ZnO 투명층 위에 형성된 상부 전극을 포함하고, 상기 ZnO 확산 방지층은 상기 금속 기판의 상면 전체와 상기 하부 전극의 하면 전체를 직접 연결하고, 상기 CIGS 흡수층의 XRD 패턴에서 상기 CIGS 흡수층의 (220/204) 피크에 비해 상기 CIGS 흡수층의 (112) 피크가 더 높으며, 상기 ZnO 확산 방지층의 상기 ZnO는 진성 ZnO이고, 상기 금속 기판의 상면 전체와 상기 하부 전극의 하면 전체의 사이에 오직 상기 ZnO 확산 방지층만이 존재하며, 상기 ZnO 확산 방지층의 두께는 50nm 내지 200nm 인 것을 특징으로 한다.
상기 금속 기판은 스테인리스 스틸, 알루미늄, 구리 또는 인바(invar)로 형성될 수 있다.
상기 금속 기판의 두께는 0.01mm 내지 0.5mm일 수 있다.
상기 CIGS 흡수층의 두께는 500nm 내지 2500nm일 수 있다.
삭제
상기 CIGS 흡수층의 XRD 패턴에서 ZnO의 (002) 피크가 관찰될 수 있다.
GD-OES(Glow Discharge - Optical Emission Spectrometer)에 의해 상기 하부 전극에서 철(Fe), 크롬(Cr) 또는 니켈(Ni)이 관찰되고, 상기 CIGS 흡수층에서 상기 철(Fe), 크롬(Cr) 또는 니켈(Ni)이 관찰되지 않을 수 있다.
상기 CIGS 흡수층 위에 형성된 CdS 버퍼층; 및 상기 CdS 버퍼층 위에 형성된 상기 ZnO 투명층을 포함할 수 있다.
상기 CIGS 흡수층 위에 형성된 CdS 버퍼층; 및 상기 CdS 버퍼층 위에 형성된 ZnO 투명층을 더 포함하고, 상기 상부 전극은 상기 ZnO 투명층 위에 형성될 수 있다.
상기 CIGS 흡수층 위에 형성된 CdS 버퍼층; 및 상기 CdS 버퍼층 위에 형성된 상기 ZnO 투명층을 포함할 수 있다.
상기 CIGS 흡수층 위에 형성된 CdS 버퍼층; 및 상기 CdS 버퍼층 위에 형성된 ZnO 투명층을 더 포함하고, 상기 상부 전극은 상기 ZnO 투명층 위에 형성될 수 있다.
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상기 CIGS 흡수층은 나트륨 또는 칼륨 이온을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 ZnO 확산 방지층을 갖는 태양 전지의 제조 방법은 금속 기판을 준비하는 단계; 상기 금속 기판 위에 진성 ZnO 타켓으로부터 RF 마그네트론 스퍼터링에 의해 ZnO 확산 방지층을 형성하는 단계; 상기 ZnO 확산 방지층 위에 DC 마크네트론 스퍼터링에 의해 하부 전극을 형성하는 단계; 400℃ 내지 600℃의 온도에서 Cu/(In+Ga)와 Ga/(In+Ga)의 조성물을 이용하여 CIGS 흡수층을 형성하는 단계; 및, 상기 CIGS 흡수층 위에 ZnO 투명층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 ZnO 확산 방지층은 상기 금속 기판의 상면 전체와 상기 하부 전극의 하면 전체를 직접 연결하고, 상기 CIGS 흡수층의 XRD 패턴에서 상기 CIGS 흡수층의 (220/204) 피크에 비해 상기 CIGS 흡수층의 (112) 피크가 더 높으며, 상기 ZnO 확산 방지층의 상기 ZnO는 진성 ZnO이고, 상기 금속 기판의 상면 전체와 상기 하부 전극의 하면 전체의 사이에 오직 상기 ZnO 확산 방지층만이 존재하며, 상기 ZnO 확산 방지층의 두께는 50nm 내지 200nm 인 것을 특징으로 한다.
상기 ZnO 확산 방지층을 형성하는 단계는 공정 챔버의 온도가 10℃ 내지 30 ℃로 유지되고, 압력이 1 내지 9 X 10-5 Pa로 유지되며, 1.33Pa의 아르곤(Ar)과 산소(O2) 가스가 공급되는 분위기에서 수행될 수 있다.
상기 CIGS 흡수층에 나트륨 또는 칼륨 이온이 전자빔 조사 방식, 동시 증발 방식 또는 스퍼터링 방식에 의해 주입될 수 있다.
본 발명은 금속 기판으로부터 철(Fe), 크롬(Cr) 및/또는 니켈(Ni) 등의 불순물이 CIGS 흡수층으로 확산되지 않도록 한 ZnO 확산 방지층을 갖는 태양 전지 및 그 제조 방법을 제공한다. 즉, 본 발명은 금속 기판, 예를 들면, 스테인리스 스틸 기판과 하부 전극 사이의 전체 면적에 직접 ZnO 확산 방지막이 대략 50nm 내지 200nm의 두께로 형성됨으로써, 기판으로부터의 철, 크롬 및/또는 니켈이 CIGS 흡수층까지 도달하지 못하도록 한다. 따라서, 본 발명은 CIGS 태양 전지의 Jsc(mA/cm2), FF(%), Eff.(%)와 같은 전기적 특성이 전반적으로 향상된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 ZnO 확산 방지층을 갖는 태양 전지를 도시한 단면도이다.
도 2는 ZnO 확산 방지층을 갖지 않거나 갖는 태양 전지의 SEM(scanning electron microscope) 영상이다.
도 3은 ZnO 확산 방지층을 갖지 않거나 갖는 태양 전지의 XRD(X-ray Diffraction) 패턴을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 ZnO 확산 방지층을 갖는 태양 전지에서의 GD-OES(Glow Discharge Optical Emission Spectrometer) 깊이 프로파일을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 ZnO 확산 방지층을 갖는 태양 전지의 J-V 곡선을 도시한 그래프이다.
도 2는 ZnO 확산 방지층을 갖지 않거나 갖는 태양 전지의 SEM(scanning electron microscope) 영상이다.
도 3은 ZnO 확산 방지층을 갖지 않거나 갖는 태양 전지의 XRD(X-ray Diffraction) 패턴을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 ZnO 확산 방지층을 갖는 태양 전지에서의 GD-OES(Glow Discharge Optical Emission Spectrometer) 깊이 프로파일을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 ZnO 확산 방지층을 갖는 태양 전지의 J-V 곡선을 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 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. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
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, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"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.
본 명세서에서 제1, 제2 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 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "아래"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 ZnO 확산 방지층을 갖는 태양 전지(100)를 도시한 단면도이다. 여기서, 본 발명에 따른 태양 전지(100)는 하부에서 상부로 수직 방향으로 형성되므로, 태양 전지(100)의 구조와 제조 방법이 함께 설명된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 태양 전지(100)는 금속 기판(110), ZnO 확산 방지층(120), 하부 전극(130), CIGS 흡수층(140), CdS 버퍼층(150), ZnO 투명층(160) 및 상부 전극(170)을 포함한다.
금속 기판(110)은 스테인리스 스틸, 알루미늄, 구리, 인바(invar) 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나로 형성될 수 있으나, 본 발명에서 그 재질이 한정되지 않는다. 본 발명은, 예를 들면, 금속 기판(110)으로서 스테인리스 스틸을 이용하였다. 더불어, 금속 기판(110)의 두께는 대략 0.01mm 내지 0.5mm일 수 있으나, 이러한 수치로 본 발명이 한정되지 않는다.
한편, 본 발명에 따른 태양 전지(100)의 제조를 위해, 금속 기판(110)은 30분동안 아세톤에, 초음파가 인가된 상태에서 10분동안 에탄올에 순차적으로 담궈져서 세정될 수 있다.
ZnO 확산 방지층(120)은 금속 기판(110)의 상면 전체에 걸쳐 직접 형성될 수 있으며, 두께는 대략 50nm 내지 200nm로 형성될 수 있다. ZnO 확산 방지층(120)의 두께가 50nm보다 작으면 금속 기판(110)으로부터 철(Fe) 또는/ 및 크롬(Cr)과 같은 금속 이온이 하부 전극(130)을 통과하여 CIGS 흡수층(140)에 존재할 수 있고, 두께가 200nm보다 큰 경우에는 ZnO 확산 방지층(120)의 형성 시간이 오래 걸리는 문제가 있다. 여기서, ZnO 확산 방지층(120)의 두께가 대략 200nm 이상이 되면, 하부 전극(130)에도 금속 기판(110)으로부터의 금속 이온이 침투되지 않는다.
ZnO 확산 방지층(120)은, 예를 들면, 진성 ZnO 타켓으로부터 RF 마그네트론 스퍼터링에 의해 금속 기판(110) 위에 형성될 수 있다. 이때, 공정 챔버의 온도는 실온(예를 들면, 10℃ 내지 30 ℃)으로 유지되고, 압력은 1 내지 9 X 10-5 Pa로 유지되며, 또한 1.33Pa의 아르곤(Ar)과 산소(O2) 가스가 공급되는 분위기에서 수행될 수 있다.
하부 전극(130)은 ZnO 확산 방지층(120) 위에 형성되며, 이는 몰리브데늄(Mo) 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나일 수 있으나, 본 발명에서 이러한 재료가 한정되지 않는다. 이러한 하부 전극(130)은 ZnO 확산 방지층(120) 위에 DC 마크네트론 스퍼터링에 의해 형성될 수 있다.
다만, ZnO 확산 방지층(120)은 금속 기판(110)의 상면 전체에 걸쳐 직접 형성되는 동시에, 또한 하부 전극(130)의 하면 전체에 걸쳐 직접 접촉한다. 즉, ZnO 확산 방지층(120)은 금속 기판(110)의 상면 전체와 하부 전극(130)의 하면 전체를 직접 연결하는 형태를 하며, 중간에 별도의 접착용 금속이나, 또는 접착력 강화를 위한 다수의 관통홀이 필요없다. 다르게 설명하면, 본 발명에서는 금속 기판(110)과 하부 전극(130)의 사이에 오직 ZnO 확산 방지층(120)만이 존재할 뿐, 다른 구성 요소는 전혀 개재되지 않는다.
CIGS 흡수층(140)은 하부 전극(130) 위에 형성된다. 이러한 CIGS 흡수층(140)의 두께는 대략 500nm 내지 2500nm로 형성될 수 있으나, 이러한 두께로 본 발명이 한정되지 않는다. CIGS 흡수층(140)은 대략 400℃ 내지 600℃의 온도에서 형성되며, Cu/(In+Ga)와 Ga/(In+Ga)의 조성물 비율이 1.1과 0.25로 제어된다. 이러한 CIGS 흡수층(140)의 구조 및 제조 방법은 통상의 기술과 동일하므로, 이에 대한 상세 설명을 생략한다.
CdS 버퍼층(150)은 CIGS 흡수층(140) 위에 형성된다. 이러한 CdS 버퍼층(150)의 두께는 대략 60nm 내지 80nm로 형성될 수 있으나, 이러한 두께로 본 발명이 한정되지 않는다. CdS 버퍼층(150)은 화학적 배쓰 증착(Chemical Bath Deposition)에 의해 CIGS 흡수층(140) 위에 증착될 수 있다.
ZnO 투명층(160)은 CdS 버퍼층(150) 위에 형성된다. ZnO 투명층(160)은 예를 들면, 저저항/고저항의 이중층 구조인 ZnO/ZnO:Al2O3에 의해 RF 스퍼터링 방식으로 형성될 수 있다.
상부 전극(170)은 ZnO 투명층(160) 위에 형성되며, 알루미늄 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나로 형성될 수 있으나, 이러한 재질로 본 발명이 한정되지 않는다. 더불어, 상부 전극(170)은 쉐도우 마스크를 통해 열적 이베포레이션 시스템에 의해 증착되어 형성될 수 있다.
더불어, 본 발명에 따른 태양 전지(100)에서 반사 방지층은 형성되지 않았으며, 완성된 태양 전지(100)의 면적은 대략 0.49cm2였다.
한편, 본 발명에서 비교를 위해 소다라임 글래스(Soda Lime Glass; SLG) 위에, 그리고 ZnO 확산 방지층(120)이 없는 스테인리스 스틸 기판 위에 각각 CIGS 박막 태양 전지가 형성되어 있다.
각각의 CIGS 흡수층에 대한 물리적 특징은 X-선 회절(XRD, Xpert-Pro, Panalytical)과 주사전자현미경(SEM, SNE4500N, SEC)을 이용하여 관찰되었다. 또한, 백열광 방전 광방사 분광법(glow discharge optical emission spectrometry)(GD-OES, GD profiler 2, HORIBA Jobinyvon)에 의해, 철(Fe)과 크롬(Cr)의 깊이 프로파일(profile)이 측정되었다. 더불어, CIGS 태양 전지의 변환 효율과 퀀텀 효율은 솔라 시뮬레이터(WXS-1555S-L2, AM1.5G, Wacom)의 분광 반응 측정 시스템(spectral measurement system)(CEP-25BX, Jasco)에 의해 각각 계산되었다.
도 2는 ZnO 확산 방지층을 갖지 않거나 갖는 태양 전지의 SEM(scanning electron microscope) 영상이다.
도 2의 (a)는 CIGS/Mo/SLG, (b)는 CIGS/Mo/스테인리스 스틸, (c)는 CIGS/Mo/50nm ZnO/스테인리스 스틸, (d)는 CIGS/Mo/100nm ZnO/스테인리스 스틸, (e)는 CIGS/Mo/150nm ZnO/스테인리스 스틸, (f)는 CIGS/Mo/200nm ZnO/스테인리스 스틸의 SEM 영상이다. 여기서, Mo은 하부 전극(130)을, SLG는 소다 라임 글래스를 의미하고, CIGS 흡수층의 두께는 대략 1.4㎛이다.
도 2의 (a) 내지 (f)에 도시된 바와 같이, 금속 기판 위에 증착된 CIGS 흡수층의 그레인 사이즈는 SLG 위에 증착된 CIGS 흡수층의 그레인 사이즈보다 상대적으로 작다. 예를 들어, SLG 위의 CIGS 흡수층의 그레인 사이즈는 대략 1.5㎛인 반면, 금속 기판 위의 CIGS 흡수층의 그레인 사이즈는 대략 1nm 내지 1000nm, 더욱 정확하게는 대략 500nm이다.
따라서, 본 발명은 후속하여 나트륨(Na) 및/또는 칼륨(K)을 CIGS 흡수층에 적용하여 그레인 사이즈를 증가시키는 공정을 포함할 수 있다.
예를 들면, 본 발명은 CIGS 흡수층에 나트륨 공급층을 형성하는 공정과, 나트륨 공급층으로부터 CIGS 흡수층 내부로 나트륨을 확산시키는 공정과, CIGS 흡수층에 칼륨 공급층을 형성하는 공정과, 칼륨 공급층으로부터 CIGS 흡수층 내부로 칼륨을 확산시키는 공정을 포함할 수 있다.
여기서, 나트륨 공급층은 NaF일 수 있고, 칼륨 공급층은 KF일 수 있다. 또한, 확산 공정은 나트륨 공급층, 칼륨 공급층에 각각 전자빔을 조사하여 이루어질 수 있다. 즉, 전자빔 조사에 의해 Na 이온 및 K 이온은 CIGS 흡수층으로 확산되고, F 이온은 외부로 방출된다. 더불어, 본 발명은 전자빔 조사 방식 이외에, 동시 증발 방식 또는 스퍼터링 방식을 이용할 수도 있다.
이와 같은 후속 공정에 의해, 본 발명은 CIGS 흡수층의 그레인 사이즈를 대략 1.5㎛ 이상으로 증가시킬 수도 있다. 물론, 전자빔 공정이 이용됨으로써, 본 발명은 확산 공정이 비교적 간단하게 고속으로 이루어지는 장점도 있다.
도 3은 ZnO 확산 방지층을 갖지 않거나 갖는 태양 전지의 XRD(X-ray Diffraction) 패턴을 도시한 그래프이다. 여기서, 도 3에 표시된 (a) 내지 (f)는 도 2에 표시된 (a) 내지 (f)와 대응되는 CIGS 흡수층의 XRD 패턴이다.
ZnO 확산 방지층(120)을 갖는 (d), (e) 및 (f)는 (002)의 회절 피크를 보인다. 즉, ZnO 확산 방지층(120)의 두께가 증가함에 따라, ZnO 확산 방지층(120)의 (002) 피크 세기가 증가한다. 그러나, ZnO 확산 방지층을 갖지 않는 CIGS 흡수층은 ZnO 확산 방지층(120)을 갖는 CIGS 흡수층(140)에 비교하여 다른 우선 오리엔테이션(preferred orientation)을 갖는다. ZnO 확산 방지층을 갖지 않는 CIGS 흡수층의 XRD 패턴은 황동광(chalcopyrite) CuInGaSe2의 우선 오리엔테이션으로서 (220/204)이 관찰된 반면, ZnO 확산 방지층(120)을 갖는 CIGS 흡수층(140)은 황동광(chalcopyrite) CuInGaSe2의 우선 오리엔테이션으로서 (112)로 변경됨이 관찰되었다. 이는 ZnO 확산 방지층(120)이 CIGS 흡수층(140)에 결합되어 발생된 현상 즉, ZnO 확산 방지층(120)에 의해 CIGS 흡수층(140)의 우선 오리엔테이션이 변경된 것으로 판단된다.
우선 오리엔테이션 (112)을 갖는 CIGS 흡수층(140)은 (In,Ga)2Se3 필름의 (006) 위에서의 성장에 의한 것이고, 우선 오리엔테이션 (220/204)을 갖는 CIGS 흡수층(140)은 (In,Ga)2Se3 필름의 (300) 위에서의 성장에 의한 것이다.
이러한 (In,Ga)2Se3의 우선 오리엔테이션은 하부 전극(130)인 몰리브데늄의 잔존 스트레스에 관련된 것으로 판단된다. 따라서, 결국 ZnO 확산 방지층(120)이 하부 전극(130)인 몰리브데늄의 잔존 스트레스에 영향을 준 것으로 판단된다. 다시 설명하면, ZnO 확산 방지층(120)이 다공성의 특징을 갖기 때문에, 몰리브데늄 재질의 하부 전극(130)에 대한 스트레스가 감소되는 것으로 판단된다. 더욱이, 이러한 스트레스 감소로 인하여 당연히 몰리브데늄 재질의 하부 전극(130)이 ZnO 확산 방지층(120)으로부터 박리되지 않음은 당연하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 ZnO 확산 방지층을 갖는 태양 전지에서의 GD-OES(Glow Discharge Optical Emission Spectrometer) 깊이 프로파일을 도시한 그래프이다. 그래프에서, X축은 스퍼터링 시간을 의미하고, Y축은 그때의 전압을 의미한다.
본 발명에서 금속 기판(110) 위에 형성된 CIGS 흡수층(140)에서의 불순물 확산 정도를 파악하기 위해 GD-OES 프로파일링이 수행되었다. 도 4의 (a)는 철(Fe)의 확산 정도를, 도 4의 (b)는 크롬(Cr)의 확산 정도를 나타낸 것이다.
또한, 도 4는 ZnO 확산 방지층을 갖지 않거나 또는 ZnO 확산 방지층(120)의 두께 증가에 따른 CIGS 태양 전지(100)에서의 철(Fe) 및 크롬(Cr)의 GD-OES 깊이를 도시하고 있다.
관찰된 모든 깊이 프로파일에 있어서, 모든 샘플의 몰리브데늄 재질의 하부 전극(130)에 철(Fe) 및 크롬(Cr)이 확산됨이 관찰되었다. 이는 CIGS 흡수층(140)의 우선 오리엔테이션의 변화가 불순물의 영향이 아닌 다공성 ZnO 확산 방지층(120)의 영향인 것으로 판단되도록 한다.
도 4의 (a)는 0 내지 200nm 두께의 ZnO 확산 방지층(120) 상에 증착된 CIGS 흡수층(140)의 GD-OES 철(Fe) 프로파일을 도시하고 있다. 여기서, ZnO 확산 방지층(120)의 두께가 증가함에 따라, 철(Fe) 또는 크롬(Cr)의 농도가 감소함을 볼 수 있다. ZnO 확산 방지층(120)을 갖는 CIGS 태양 전지(100)의 철(Fe) 또는 크롬(Cr)의 농도는 도 4의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이 몰리브데늄 하부 전극(130)에 확산되었다. 그러나, ZnO 확산 방지층(120)이 없는 경우, 고농도의 철(Fe) 및 크롬(Cr)이 태양 전지(100) 전체를 통하여 관찰되었다.
본 발명의 발명자들은 금속 기판(110)으로부터 몰리브데늄 재질의 하부 전극(130)을 통과하여 CIGS 흡수층(140)에 확산된 철(Fe) 원자가 CIGS 태양 전지(100)의 효율을 감소시키는 것으로 생각하고 있다. 이러한 효율 감소는 필 팩터(fill factors(FF))의 감소와 개방 전압(Voc)의 감소를 초래한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 ZnO 확산 방지층을 갖는 태양 전지(100)의 J-V 곡선을 도시한 그래프이다.
도 5 및 아래의 표 1은, ZnO 확산 방지층을 갖지 않는 SLG 위에 형성된 CIGS 태양 전지(그래프에서 가장 우측에 밝은 자주색 표시됨), ZnO 확산 방지층을 갖지 않는 금속 기판 위에 형성된 CIGS 태양 전지(그래프에서 가장 좌측에 검정색으로 표시됨), 그리고 ZnO 확산 방지층(120)을 갖는 4개의 CIGS 태양 전지(100)의 J-V 곡선 및 파라메터를 도시하고 있다.
확산 방지층을 갖지 않는 금속 기판 위에 형성된 CIGS 태양 전지의 경우 전기적 성능이 SLG 위에 형성된 CIGS 태양 전지에 비해 현저히 떨어짐을 볼 수 있다.
이는 금속 기판으로부터의 CIGS 흡수층으로 불순물이 확산되고 또한 Na의 부존재에 의한 것으로 판단된다. 특히, ZnO 확산 방지층이 없는 금속 기판에 형성된 CIGS 태양 전지에서 감소된 Voc 및 FF가 관찰된다. 이는 고온 공정에서 철(Fe) 원자가 쉽게 CIGS 태양 전지로 확산되기 때문인 것으로 판단된다.
결과적으로, 확산된 철(Fe) 원자가 결함 상태를 형성하고, 이것이 태양 전지의 성능을 떨어뜨린다. ZnO 확산 방지층(120)의 채용은 태양 전지(100)의 효율을 향상시키며, 향상된 효율값은 주로 증가된 FF 및 Jsc에 의한 것이다. 이는 또한 금속 기판(110)으로부터 철(Fe) 원자의 감소된 확산을 갖는 ZnO 확산 방지층(120)에 의한 것이다.
Jsc 및 FF가 증가한 반면, Voc는 개선되지 않았으며, 이것은 나트륨(Na)의 부존재로 인한 것으로 판단된다. 나트륨의 첨가는 CIGS 태양 전지(100)에서 Voc 및 FF의 개선을 이끌 것으로 예상되며, 따라서 본 발명은 나트륨이 CIGS 흡수층(140)에 포함된 태양 전지(100)를 포함한다. 즉, CIGS 흡수층(140)에 나트륨을 첨가하여 더욱 개선된 CIGS 태양 전지(100)를 제공할 수 있다. 여기서, 나트륨 및/또는 칼륨의 주입 공정은 위에서 이미 설명하였다.
| 기판 | Voc(V) | Jsc(mA/cm2) | FF(%) | Eff.(%) |
| SLG | 0.58 | 34.11 | 68 | 13.75 |
| Stainless steel w/o barrier | 0.44 | 32.20 | 40 | 5.90 |
| Stainless steel I-ZnO 50nm | 0.45 | 37.01 | 54 | 8.99 |
| Stainlees steel I-ZnO 100nm | 0.45 | 37.03 | 54 | 9.06 |
| Stainless steel I-Zno 150nm | 0.45 | 38.18 | 51 | 9.02 |
| Stainless Steel I-ZnO 200nm | 0.45 | 39.12 | 51 | 9.00 |
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 ZnO 확산 방지층을 갖는 태양 전지 및 그 제조 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 본 발명에 따른 CIGS 태양 전지
110; 금속 기판 120; ZnO 확산 방지층
130; 하부 전극 140; CIGS 흡수층
150; CdS 버퍼층 160; ZnO 투명층
170; 상부 전극
110; 금속 기판 120; ZnO 확산 방지층
130; 하부 전극 140; CIGS 흡수층
150; CdS 버퍼층 160; ZnO 투명층
170; 상부 전극
Claims (19)
- 금속 기판;
상기 금속 기판에 형성된 ZnO 확산 방지층;
상기 ZnO 확산 방지층 위에 형성된 하부 전극;
상기 하부 전극 위에 형성된 CIGS 흡수층;
상기 CIGS 흡수층 위에 형성된 ZnO 투명층; 및
상기 ZnO 투명층 위에 형성된 상부 전극을 포함하고,
상기 ZnO 확산 방지층은 상기 금속 기판의 상면 전체와 상기 하부 전극의 하면 전체를 직접 연결하고,
상기 CIGS 흡수층의 XRD 패턴에서 상기 CIGS 흡수층의 (220/204) 피크에 비해 상기 CIGS 흡수층의 (112) 피크가 더 높으며,
상기 ZnO 확산 방지층의 상기 ZnO는 진성 ZnO이고,
상기 금속 기판의 상면 전체와 상기 하부 전극의 하면 전체의 사이에 오직 상기 ZnO 확산 방지층만이 존재하며,
상기 ZnO 확산 방지층의 두께는 50nm 내지 200nm 인 것을 특징으로 하는 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 금속 기판은 스테인리스 스틸, 알루미늄, 구리 또는 인바(invar)로 형성된 것을 특징으로 하는 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 금속 기판의 두께는 0.01mm 내지 0.5mm인 것을 특징으로 하는 태양 전지. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 CIGS 흡수층의 XRD 패턴에서 ZnO의 (002) 피크가 관찰됨을 특징으로 하는 태양 전지. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
GD-OES(Glow Discharge - Optical Emission Spectrometer)에 의해 상기 하부 전극에서 철(Fe), 크롬(Cr) 또는 니켈(Ni)이 관찰되고, 상기 CIGS 흡수층에서 상기 철(Fe), 크롬(Cr) 또는 니켈(Ni)이 관찰되지 않음을 특징으로 하는 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 CIGS 흡수층 위에 형성된 CdS 버퍼층; 및
상기 CdS 버퍼층 위에 형성된 상기 ZnO 투명층을 포함함을 특징으로 하는 태양 전지. - 제 1 항에 있어서,
상기 CIGS 흡수층은 나트륨 또는 칼륨 이온을 포함함을 특징으로 하는 태양 전지. - 금속 기판을 준비하는 단계;
상기 금속 기판 위에 진성 ZnO 타켓으로부터 RF 마그네트론 스퍼터링에 의해 ZnO 확산 방지층을 형성하는 단계;
상기 ZnO 확산 방지층 위에 DC 마크네트론 스퍼터링에 의해 하부 전극을 형성하는 단계;
400℃ 내지 600℃의 온도에서 Cu/(In+Ga)와 Ga/(In+Ga)의 조성물을 이용하여 CIGS 흡수층을 형성하는 단계; 및,
상기 CIGS 흡수층 위에 ZnO 투명층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 ZnO 확산 방지층은 상기 금속 기판의 상면 전체와 상기 하부 전극의 하면 전체를 직접 연결하고,
상기 CIGS 흡수층의 XRD 패턴에서 상기 CIGS 흡수층의 (220/204) 피크에 비해 상기 CIGS 흡수층의 (112) 피크가 더 높으며,
상기 ZnO 확산 방지층의 상기 ZnO는 진성 ZnO이고,
상기 금속 기판의 상면 전체와 상기 하부 전극의 하면 전체의 사이에 오직 상기 ZnO 확산 방지층만이 존재하며,
상기 ZnO 확산 방지층의 두께는 50nm 내지 200nm 인 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 ZnO 확산 방지층을 형성하는 단계는 공정 챔버의 온도가 10℃ 내지 30 ℃로 유지되고, 압력이 1 내지 9 X 10-5 Pa로 유지되며, 1.33Pa의 아르곤(Ar)과 산소(O2) 가스가 공급되는 분위기에서 수행됨을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 금속 기판은 스테인리스 스틸, 알루미늄, 구리 또는 인바(invar)로 형성된 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 금속 기판의 두께는 0.01mm 내지 0.5mm인 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법. - 삭제
- 제 10 항에 있어서,
상기 CIGS 흡수층의 XRD 패턴에서 ZnO의 (002) 피크가 관찰됨을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법. - 삭제
- 제 10 항에 있어서,
GD-OES(Glow Discharge - Optical Emission Spectrometer)에 의해 상기 하부 전극에서 철(Fe), 크롬(Cr) 또는 니켈(Ni)이 관찰되고, 상기 CIGS 흡수층에서 상기 철(Fe), 크롬(Cr) 또는 니켈(Ni)이 관찰되지 않음을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 CIGS 흡수층 위에 CdS 버퍼층을 형성하는 단계;
상기 CdS 버퍼층 위에 상기 ZnO 투명층을 형성하는 단계; 및
상기 ZnO 투명층 위에 상부 전극을 형성하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 CIGS 흡수층에 나트륨 또는 칼륨 이온이 전자빔 조사 방식, 동시 증발 방식 또는 스퍼터링 방식에 의해 주입됨을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법.
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|---|---|---|---|---|
| KR20100029414A (ko) | 2008-09-08 | 2010-03-17 | 엘지이노텍 주식회사 | 태양전지 및 이의 제조방법 |
| KR20120085577A (ko) * | 2011-01-24 | 2012-08-01 | 엘지이노텍 주식회사 | 태양전지 및 그의 제조방법 |
| KR101485009B1 (ko) | 2013-12-20 | 2015-01-26 | 한국생산기술연구원 | Cigs계 박막 태양 전지의 제조 방법 및 이에 따른 태양 전지 |
| KR20150071553A (ko) | 2013-12-18 | 2015-06-26 | 주식회사 포스코 | 전도성 산화물을 포함하는 확산방지막을 갖는 플렉서블 태양전지 |
-
2015
- 2015-10-30 KR KR1020150151925A patent/KR101709999B1/ko active IP Right Grant
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