KR101755048B1 - 박막형 태양전지, 이의 제조방법 및 박막형 태양전지의 광흡수층 제조방법 - Google Patents
박막형 태양전지, 이의 제조방법 및 박막형 태양전지의 광흡수층 제조방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101755048B1 KR101755048B1 KR1020120127453A KR20120127453A KR101755048B1 KR 101755048 B1 KR101755048 B1 KR 101755048B1 KR 1020120127453 A KR1020120127453 A KR 1020120127453A KR 20120127453 A KR20120127453 A KR 20120127453A KR 101755048 B1 KR101755048 B1 KR 101755048B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- semiconductor layer
- compound semiconductor
- conductive type
- type compound
- oxygen
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 239000010409 thin film Substances 0.000 title abstract description 40
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title abstract description 19
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title description 3
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 title 1
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 107
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 74
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 74
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 71
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 52
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 111
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 98
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 59
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 55
- 229910007709 ZnTe Inorganic materials 0.000 claims description 19
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 19
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 claims description 17
- SBIBMFFZSBJNJF-UHFFFAOYSA-N selenium;zinc Chemical compound [Se]=[Zn] SBIBMFFZSBJNJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims description 4
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000010748 Photoabsorption Effects 0.000 claims 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 abstract description 23
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 4
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 32
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 16
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 14
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 12
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 description 12
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 10
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 9
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 6
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 4
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 3
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 3
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 2
- 238000000313 electron-beam-induced deposition Methods 0.000 description 2
- 230000005281 excited state Effects 0.000 description 2
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 2
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 2
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 2
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 2
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910005191 Ga 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 238000001017 electron-beam sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
- H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
- H01L31/0725—Multiple junction or tandem solar cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
- H01L31/0296—Inorganic materials including, apart from doping material or other impurities, only AIIBVI compounds, e.g. CdS, ZnS, HgCdTe
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
- H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
- H01L31/073—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type comprising only AIIBVI compound semiconductors, e.g. CdS/CdTe solar cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
- H01L31/1828—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIBVI compounds, e.g. CdS, ZnS, CdTe
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/543—Solar cells from Group II-VI materials
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
박막형 태양전지, 이의 제조방법 및 박막형 태양전지의 광흡수층 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 하나의 광흡수층 내에 서로 다른 에너지 밴드갭을 가지는 복수의 층들을 포함하여, 보다 넓은 파장 대역의 태양광을 흡수할 수 있다. 이로써, 태양전지의 광전 변환효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 하나의 장비 내에서 간단하고 용이하게, 단일의 광흡수층 내에 서로 다른 에너지 밴드갭을 가지는 복수의 층들을 형성할 수 있다. 이로써, 공정을 단순화하고, 제조비용을 절감할 수 있다. 더욱이, 공정 진행시 산소와 질소의 분압 조건을 최적화하여, 광흡수층의 에너지 밴드갭 내에 중간 밴드(intermediate-band)를 형성할 수 있다.
Description
본 발명은 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 박막형 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 심각한 환경오염과 화석 에너지 고갈 등의 문제로 인해 차세대 청정에너지원의 개발에 대한 중요성이 증대되고 있다. 그 중에서도, 태양전지는 친환경적이고, 자원이 무한하며, 반영구적으로 사용할 수 있는 이점이 있어, 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 차세대 에너지원으로 각광받고 있다.
태양전지는 광기전력 효과(Photovoltaic effect)를 이용하여 빛 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 반도체 소자로서, 광흡수층의 구성물질에 따라 무기 태양전지(inorganic solar cell), 염료감응 태양전지(dye-sensitized solar cell) 및 유기 태양전지(organic solar cell)로 크게 구분된다.
이중에서도, 무기 태양전지는 p-n 접합된 반도체에서 태양광에 의해 여기된 소수 캐리어들이 확산함에 따라 발생하는 기전력을 이용하며, 사용되는 반도체의 종류에는 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 비정질 실리콘 및 화합물 반도체 등이 있다.
단결정 실리콘이나 다결정 실리콘을 이용하는 태양전지는 광전변환 효율을 높으나, 재료비가 비싸고 공정이 복잡한 문제점이 있어, 최근에는 유리나 플라스틱 등의 저렴한 기판에 화합물 반도체 등을 적층하는 박막형 태양전지가 주목을 받고 있다.
현재까지 연구된 박막형 태양전지 중에서도, 상이한 밴드갭을 가지는 태양전지의 스택(stack)을 이용한 탠덤(tandem)형 태양전지가 광전변환 효율이 가장 높다. 그러나, 이러한 탠덤형 태양전지를 제조하기 위해서는 다수의 재료가 요구되며, 제조공정이 복잡한 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 원 스텝(one step) 공정을 이용하여 저렴하고 용이하게 광흡수 대역을 확장시킬 수 있도록 구조와 성능이 개선된 박막형 태양전지 및 이의 제조방법을 제공함에 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 박막형 태양전지를 제공한다. 상기 태양전지는 일면에 제1 전극을 구비하는 기판, 상기 기판 상에 배치되는 제1 도전형 화합물 반도체층, 상기 제1 도전형 화합물 반도체층 상에 배치되며, 서로 다른 에너지 밴드갭을 가지는 복수의 서브층들을 포함하여, 광을 흡수하는 제2 도전형 화합물 반도체층 및 상기 제2 도전형 화합물 반도체층 상에 배치되는 제2 전극을 포함한다.
상기 제2 도전형 화합물 반도체층은 1.7eV ∼ 4.9eV의 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.
상기 제2 도전형 화합물 반도체층은 ZnTe 또는 ZnSe층에 산소 및 질소 중 적어도 어느 하나가 함유된 층일 수 있다.
상기 제2 도전형 화합물 반도체층은 ZnTe 또는 ZnSe층에 산소 및 질소가 함유되어, 전도대와 가전자대 사이에 중간 밴드가 형성된 층일 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 박막형 태양전지의 광흡수층 제조방법을 제공한다. 상기 제조방법은 기재를 스퍼터 장비 내에 도입하는 단계, 상기 스퍼터 장비 내에 스퍼터 타겟을 준비하는 단계 및 상기 스퍼터 장비 내에 반응가스를 주입하고, 스퍼터링 파워를 인가하면서 상기 기재 상에 광흡수층을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 반응가스의 분압을 조절하여 상기 광흡수층 내에 서로 다른 에너지 밴드갭을 가지는 서브층들을 형성할 수 있다.
상기 스퍼터 타겟은 Zn, Te, ZnO, Zn-Te 또는 Zn-Se를 포함할 수 있다.
상기 반응가스는 산소 및 질소 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 반응가스는 산소를 포함하며, 상기 산소의 분압은 0% ∼ 8%의 범위에서 조절할 수 있다. 상기 반응가스는 산소 및 질소를 포함하며, 상기 산소의 분압은 2%로, 상기 질소의 분압은 1%로 조절할 수 있다.
상기 스퍼터링 파워는 30W ∼ 50W일 수 있으며, 상기 기재의 온도는 25℃ ∼ 500℃일 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 박막형 태양전지의 제조방법을 제공한다. 상기 제조방법은 기판의 일면에 제1 전극을 형성하는 단계, 상기 기판 상에 제1 도전형 화합물 반도체층을 형성하는 단계, 상기 제1 도전형 화합물 반도체층 상에 서로 다른 에너지 밴드갭을 가지는 복수의 서브층들을 포함하여 광을 흡수하는 제2 도전형 화합물 반도체층을 형성하는 단계 및 상기 제2 도전형 화합물 반도체층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 제2 도전형 화합물 반도체층을 형성하는 단계는 스퍼터링을 이용하여 수행할 수 있다.
상기 제2 도전형 화합물 반도체층은 ZnTe층이며, 상기 스퍼터링시 산소 및 질소 가스의 분압을 조절하여 상기 제2 도전형 화합물 반도체층 내에 서로 다른 에너지 밴드갭을 가지는 서브층들을 형성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 하나의 광흡수층 내에 서로 다른 에너지 밴드갭을 가지는 복수의 층들을 포함하여, 보다 넓은 파장 대역의 태양광을 흡수할 수 있다. 이로써, 태양전지의 광전 변환효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 하나의 장비 내에서 간단하고 용이하게, 단일의 광흡수층 내에 서로 다른 에너지 밴드갭을 가지는 복수의 층들을 형성할 수 있다. 이로써, 공정을 단순화하고, 제조비용을 절감할 수 있다.
더욱이, 공정 진행시 산소와 질소의 분압 조건을 최적화하여, 광흡수층의 에너지 밴드갭 내에 중간 밴드(intermediate-band)를 형성할 수 있다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 의한 박막형 태양전지를 나타내는 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 의한 박막형 태양전지의 광흡수층을 제조하는 스퍼터링 장비의 모식도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 의한 박막형 태양전지의 광흡수층 제조방법을 나타내는 공정 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 박막형 태양전지의 제조방법을 나타내는 공정 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 박막형 태양전지의 광흡수층을 나타내는 SEM 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 박막형 태양전지의 광흡수층의 스퍼터링 파워 및 기재 온도에 따른 에너지 밴드갭을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 박막형 태양전지의 광흡수층의 산소 분압에 따른 X선 회절 분석 스펙트럼을 나타내는 그래프들이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 의한 박막형 태양전지의 광흡수층의 산소 및 질소 분압에 따른 투과도를 나타내는 그래프이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 의한 박막형 태양전지의 광흡수층의 산소 및 질소 분압에 따른 에너지 밴드갭을 나타내는 그래프이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 의한 박막형 태양전지의 광흡수층을 제조하는 스퍼터링 장비의 모식도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 의한 박막형 태양전지의 광흡수층 제조방법을 나타내는 공정 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 박막형 태양전지의 제조방법을 나타내는 공정 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 박막형 태양전지의 광흡수층을 나타내는 SEM 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 박막형 태양전지의 광흡수층의 스퍼터링 파워 및 기재 온도에 따른 에너지 밴드갭을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 박막형 태양전지의 광흡수층의 산소 분압에 따른 X선 회절 분석 스펙트럼을 나타내는 그래프들이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 의한 박막형 태양전지의 광흡수층의 산소 및 질소 분압에 따른 투과도를 나타내는 그래프이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 의한 박막형 태양전지의 광흡수층의 산소 및 질소 분압에 따른 에너지 밴드갭을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나, 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한, 본 명세서에서 위쪽, 상(부), 상면 등의 방향적인 표현은 그 기준에 따라 아래쪽, 하(부), 하면 등의 의미로 이해될 수 있다. 즉, 공간적인 방향의 표현은 상대적인 방향으로 이해되어야 하며 절대적인 방향을 의미하는 것으로 한정 해석되어서는 안 된다.
도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장 또는 생략된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 의한 박막형 태양전지를 나타내는 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 기판(10)이 배치된다. 일 예로, 상기 기판(10)은 높은 캐리어 농도를 가지는 GaAs 기판일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기판(10)의 후면에 제1 전극(20)이 배치된다. 상기 제1 전극(20)은 전자를 수집하는 캐소드(cathode)의 역할을 수행할 수 있다. 상기 제1 전극(20)은 금속 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다. 일 예로, 상기 제1 전극(20)은 Al, Au, Cu, Pt, Ag, W, Ni, Zn, Ti, Zr, Hf, Cd 및 Pd 중에서 선택되는 단일 금속 또는 이들의 합금일 수 있다.
상기 기판(10) 상에 제1 도전형 화합물 반도체층(30)이 배치된다. 상기 제1 도전형 화합물 반도체층(30)은 n형 반도체층일 수 있다. 일 예로, 상기 제1 도전형 화합물 반도체층(30)은 GaAs층일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 도전형 화합물 반도체층(30) 상에 제2 도전형 화합물 반도체층(40)이 배치된다. 상기 제2 도전형 화합물 반도체층(40)은 p형 반도체층일 수 있다. 따라서, 상기 제1 도전형 화합물 반도체층(30)과 제2 도전형 화합물 반도체층(40)의 계면에는 p-n 접합이 형성될 수 있다. 태양광이 조사되면, 상기 p-n 접합에서 여기 상태의 전자-정공 쌍 즉, 엑시톤(exiton)이 생성될 수 있다.
상기 제2 도전형 화합물 반도체층(40)은 광흡수층일 수 있다. 이 때, 상기 제2 도전형 화합물 반도체층(40)은 서로 다른 에너지 밴드갭을 가지는 복수의 서브층들(41, 42, 43, 44, 45)을 포함할 수 있다.
상기 제2 도전형 화합물 반도체층(40)은 일 예로, ZnTe 또는 ZnSe를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제2 도전형 화합물 반도체층(40)은 산소 및/또는 질소를 포함할 수 있다. 이 때, 각 서브층들(41, 42, 43, 44, 45) 내에 포함되는 산소의 함유량은 서로 다를 수 있다. 상기 산소는 제2 도전형 화합물 반도체층(40)의 형성 과정 중 도입될 수 있으며, 상기 산소의 주입 비율을 조절하여 각 서브층들(41, 42, 43, 44, 45)의 에너지 밴드갭을 조절할 수 있다.
일 예로, 상기 제2 도전형 화합물 반도체층(40)은 1.7eV ∼ 4.9eV의 에너지 밴드갭을 가질 수 있다. 이 때, 최상부 서브층(45)으로부터 최하부 서브층(41)으로 갈수록 에너지 밴드갭이 순차적으로 감소할 수 있다.
이 때, 상기 최하부 서브층(41) 내에는 산소 및 질소가 함유될 수 있다. 상기 산소 및 질소는 상기 제2 도전형 화합물 반도체층(40) 내에서 불순물 준위의 비발광(non-radiative) 결함을 유도하는 역할을 하여, 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band) 사이에 중간 밴드(intermediate-band)를 형성할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 산소 및 질소는 상기 제2 도전형 화합물 반도체층(40) 내에서 불순물 준위의 비발광(non-radiative) 결함으로 작용할 수 있다. 이 경우, 상기 제2 도전형 화합물 반도체층(40) 내에 형성되는 불순물 준위는 상기 제2 도전형 화합물 반도체층(40)의 에너지 준위에 깊은 에너지 준위의 중간 밴드를 형성할 수 있다. 일 예로, 상기 제2 도전형 화합물 반도체층(40)의 에너지 밴드갭이 2.2eV일 때, 전도대 하부에 0.5eV의 에너지 결함 준위가 형성되어, 1.7eV의 에너지 밴드갭을 가지도록 할 수 있다.
따라서, 태양광이 입사하면, 상대적으로 단파장 대역의 태양광은 최상부 서브층(45)에서 흡수되고, 상기 최상부 서브층(45)을 투과한 태양광은 순차적으로 그 하부의 서브층들(44, 43, 42, 41)에 각각 흡수될 수 있다.
이와 같이, 단일의 제2 도전형 화합물 반도체층(40)의 내부에 다양한 에너지 밴드갭을 가지는 서브층들이 배치되므로, 광흡수 파장 대역을 단파장 대역에서 장파장 대역까지 확장할 수 있어, 결과적으로 광전변환 효율을 높일 수 있다.
상기 제2 도전형 화합물 반도체층(40) 상에 제2 전극(50)이 배치된다. 상기 제2 전극(50)은 정공을 수집하는 애노드(anode)의 역할을 수행할 수 있다. 상기 제2 전극(50)은 금속 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다. 일 예로, 상기 제2 전극(50)은 Al, Au, Cu, Pt, Ag, W, Ni, Zn, Ti, Zr, Hf, Cd 및 Pd 중에서 선택되는 단일 금속 또는 이들의 합금일 수 있다. 상기 제2 전극(50)과 상기 제1 전극(20)은 서로 동일하거나, 다른 재질로 형성될 수 있다.
도 1b를 참조하면, 기판(10)이 배치된다. 상기 기판(10)은 광을 투과하는 재질로 이루어질 수 있다. 일 예로, 상기 기판(10)은 유리, 석영(quartz) 또는 사파이어 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기판(10) 상에 제1 전극(20)이 배치된다. 상기 제1 전극(20)은 상기 기판(10)의 일단에 배치될 수 있다. 상기 제1 전극(20)은 전자를 수집하는 캐소드(cathode)의 역할을 수행할 수 있다. 상기 제1 전극(20)은 금속 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다. 일 예로, 상기 제1 전극(20)은 Al, Au, Cu, Pt, Ag, W, Ni, Zn, Ti, Zr, Hf, Cd 및 Pd 중에서 선택되는 단일 금속 또는 이들의 합금일 수 있다.
상기 기판(10) 상에 제1 도전형 화합물 반도체층(30)이 배치된다. 상기 제1 도전형 화합물 반도체층(30)은 n형 반도체층일 수 있다. 상기 제1 도전형 화합물 반도체층(30)은 금속 산화물로 이루어질 수 있다. 일 예로, 상기 제1 도전형 화합물 반도체층(30)은 ZnO, Ga2O3, Al2O3, In2O3, PbO, CuO, TiO2 또는 SnO를 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 화합물 반도체층(30) 상에 제2 도전형 화합물 반도체층(40)이 배치된다. 상기 제2 도전형 화합물 반도체층(40)은 p형 반도체층일 수 있다. 따라서, 상기 제1 도전형 화합물 반도체층(30)과 제2 도전형 화합물 반도체층(40)의 계면에는 p-n 접합이 형성될 수 있다. 태양광이 조사되면, 상기 p-n 접합에서 여기 상태의 전자-정공 쌍 즉, 엑시톤(exiton)이 생성될 수 있다.
상기 제2 도전형 화합물 반도체층(40)은 광흡수층일 수 있다. 이 때, 상기 제2 도전형 화합물 반도체층(40)은 서로 다른 에너지 밴드갭을 가지는 복수의 서브층들(41, 42, 43, 44)을 포함할 수 있다.
상기 제2 도전형 화합물 반도체층(40)은 일 예로, ZnTe 또는 ZnSe를 포함할 수 있으며, 산소 및/또는 질소를 포함할 수 있다. 이 때, 각 서브층들(41, 42, 43, 44, 45) 내에 포함되는 산소의 함유량은 서로 다를 수 있다. 상기 산소는 제2 도전형 화합물 반도체층(40)의 형성 과정 중 도입될 수 있으며, 상기 산소의 주입 비율을 조절하여 각 서브층들(41, 42, 43, 44, 45)의 에너지 밴드갭을 조절할 수 있다.
일 예로, 상기 제2 도전형 화합물 반도체층(40)은 1.7eV ∼ 3.4eV의 에너지 밴드갭을 가질 수 있다. 이 때, 최하부 서브층(41)으로부터 최상부 서브층(45)으로 갈수록 에너지 밴드갭이 순차적으로 감소할 수 있다.
이 때, 상기 최상부 서브층(45) 내에는 산소 및 질소가 함유될 수 있다. 상기 산소 및 질소는 상기 제2 도전형 화합물 반도체층(40) 내에서 불순물 준위의 비발광(non-radiative) 결함을 유도하는 역할을 하여, 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band) 사이에 중간 밴드(intermediate-band)를 형성할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 산소 및 질소는 상기 제2 도전형 화합물 반도체층(40) 내에서 불순물 준위의 비발광(non-radiative) 결함으로 작용할 수 있다. 이 경우, 상기 제2 도전형 화합물 반도체층(40) 내에 형성되는 불순물 준위는 상기 제2 도전형 화합물 반도체층(40)의 에너지 준위에 깊은 에너지 준위의 중간 밴드를 형성할 수 있다. 일 예로, 상기 제2 도전형 화합물 반도체층(40)의 에너지 밴드갭이 2.2eV일 때, 전도대 하부에 0.5eV의 에너지 결함 준위가 형성되어, 1.7eV의 에너지 밴드갭을 가지도록 할 수 있다.
따라서, 상기 기판(10)의 방향에서 태양광이 입사하면, 상기 태양광은 제1 도전형 반도체층(30)을 투과하여, 상대적으로 단파장 대역의 태양광은 최하부 서브층(41)에서 흡수되고, 상기 최하부 서브층(41)을 투과한 태양광은 순차적으로 그 상부의 서브층들(42, 43, 44)에 각각 흡수될 수 있다.
상기 제2 도전형 화합물 반도체층(40) 상에 제2 전극(50)이 배치된다. 상기 제2 전극(50)은 정공을 수집하는 애노드(anode)의 역할을 수행할 수 있다. 상기 제2 전극(50)은 금속 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다. 일 예로, 상기 제2 전극(50)은 Al, Au, Cu, Pt, Ag, W, Ni, Zn, Ti, Zr, Hf, Cd 및 Pd 중에서 선택되는 단일 금속 또는 이들의 합금일 수 있다. 상기 제2 전극(50)과 상기 제1 전극(20)은 서로 동일하거나, 다른 재질로 형성될 수 있다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 의한 박막형 태양전지의 광흡수층을 제조하는 스퍼터링 장비의 모식도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 의한 박막형 태양전지의 광흡수층 제조방법을 나타내는 공정 흐름도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 기재(100)를 스퍼터 장비 내에 도입한다(S100). 상기 스퍼터 장비는 통상적으로 스퍼터링을 수행하기 위해 사용되는 장비일 수 있다. 상기 기재(100)는 지지대(120) 상에 배치될 수 있다. 상기 기재(100)는 기판일 수 있다. 상기 기재(100)는 광을 투과하는 재질로 이루어질 수 있다. 일 예로, 상기 기재(100)는 유리, 석영(quartz) 또는 사파이어 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 기재(100)는 태양전지의 n형 화합물 반도체층이 기 형성된 기판일 수 있다.
이후, 상기 스퍼터 장비 내에 스퍼터 타겟(200)을 준비한다(S200). 상기 스퍼터 타겟은 태양전지의 p형 화합물 반도체층, 즉 광흡수층을 형성하기 위한 재료를 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 태양전지의 광흡수층은 ZnTe 또는 ZnSe로 이루어질 수 있다. 이 때, 상기 스퍼터 타겟(200)은 Zn, Te, ZnO, Zn-Te 또는 Zn-Se을 포함할 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이후, 상기 스퍼터 장비 내에 반응가스를 주입하고, 스퍼터링 파워를 인가하여, 광흡수층의 증착 공정을 실시한다(S300). 상기 반응가스는 반응가스 주입구(300)를 통해 공급할 수 있다.
상기 반응가스는 산소 및 질소 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 공급되는 반응가스의 분압을 조절하여, 단일의 광흡수층 내에서 에너지 밴드갭을 서로 다르게 변화시킬 수 있다. 즉, 상기 공급되는 반응가스의 분압을 조절하여, 단일의 광흡수층 내에 서로 다른 에너지 밴드갭을 가지는 복수의 서브층들을 형성할 수 있다. 이 때, 아르곤 가스도 함께 공급할 수 있다. 즉, 스퍼터링 공정은 아르곤 가스 분위기에서 수행될 수 있다.
상기 반응가스 중 아르곤 가스 대비 산소의 주입 비율, 즉 산소의 분압은 일 예로, 0% ∼ 8% 내에서 조절할 수 있다. 상기 산소의 주입 비율을 증가시킬수록, 증착되는 광흡수층 내에서 산소의 결합밀도가 증가할 수 있다. 상기 산소의 분압에 따라, 증착되는 광흡수층의 에너지 밴드갭은 2.2eV ∼ 4.9eV 내에서 변화할 수 있다.
또한, 상기 반응가스 중 아르곤 가스 대비 질소의 주입 비율, 즉 질소의 분압은 일 예로, 0% ∼ 25% 내에서 조절할 수 있다. 상기 질소의 주입 비율을 증가시킬수록, 증착되는 광흡수층 내에서 질소의 결합밀도가 증가할 수 있다. 상기 질소의 분압에 따라, 증착되는 광흡수층의 에너지 밴드갭은 3.1eV ∼ 3.8eV 내에서 변화할 수 있다.
상기 광흡수층 내에 중간 밴드를 형성하기 위해 산소와 질소가 함께 공급될 수 있다. 상기 산소 및 질소는 상기 광흡수층 내에서 불순물 준위의 비발광(non-radiative) 결함을 유도하는 역할을 하여, 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band) 사이에 중간 밴드(intermediate-band)를 형성할 수 있다.
질소는 0.5% 이하의 산소 분압을 조절하고, 광흡수층 내의 캐리어 농도를 조절하는 역할을 수행할 수 있다. 산소와 질소가 일정 분압으로 함께 공급되는 경우, 상기 산소와 질소는, 증착 과정에서 형성되는 아르곤 플라즈마의 내부에서 이온화되어, 증착되는 광흡수층의 내부로 침투할 수 있다. 이 때, 질소가 산소와 함께 침투되기 때문에, 상기 질소의 결합에 의해 산소가 결합되는 이온의 수가 줄어들게 된다. 따라서, 상기 질소에 의해 광흡수층 내부에, 보다 적은 양의 산소가 불순물로 형성될 수 있다. 상기 산소에 의해 광흡수층 내에 불순물 준위가 형성되고, 상기 질소는 도펀트(dopant)로서 억셉터(acceptor)의 역할을 수행할 수 있어, 광흡수층의 도핑 농도의 조절이 가능하다.
이 때, 공급되는 상기 산소의 분압은 2%, 질소의 분압은 1%인 것이 바람직하다. 상기 중간 밴드의 형성으로, 증착되는 광흡수층의 에너지 밴드갭은 1.7eV ∼ 4.9eV 내에서 변화할 수 있다.
한편, 스퍼터링시의 기재(100)의 온도는 25℃ ∼ 500℃의 범위 내에서 조절할 수 있다. 또한, 스퍼터링 파워는 30W ∼ 50W의 범위 내에서 인가할 수 있다.
이 때, 상기 기재(100)의 온도가 일정한 경우, 스퍼터링 파워가 증가할수록 에너지 밴드갭은 감소할 수 있다. 이는 스퍼터링 파워의 증가로, 광흡수층의 내부에 결함이 발생하여, 상기 광흡수층의 결정성이 낮아지는 데 기인한다. 또한, 일정한 스퍼터링 파워의 인가시, 기재의 온도가 증가할수록 에너지 밴드갭은 증가할 수 있다. 이는, 기재의 온도가 증가할수록, 증착되는 분자들의 열에너지로 인해 결정성이 좋아지면서, 광흡수층의 내부에 형성되는 결함 준위가 사라지는 데 기인한다.
따라서, 스퍼터링시, 기재(100)의 온도와 스퍼터링 파워를 조절하여, 광흡수층의 에너지 밴드갭을 다양하게 변화시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 박막형 태양전지의 제조방법을 나타내는 공정 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 기판의 일면에 제1 전극을 형성한다(S100). 상기 기판은 높은 캐리어 농도를 가지는 GaAs 기판일 수 있다. 상기 제1 전극은 금속 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다. 일 예로, 상기 제1 전극은 열기상 증착, 진공 증착, 전자빔 증착, 스퍼터링, RF 마그네트론 스퍼터링 등 통상의 증착법을 이용하여 형성할 수 있다.
이후, 상기 제 1 전극이 형성된 기판의 대향면에 제1 도전형 화합물 반도체층을 형성한다(S200). 상기 제1 도전형 화합물 반도체층은 n형 반도체층일 수 있다. 일 예로, 상기 제1 도전형 화합물 반도체층은 GaAs층일 수 있다. 이 때, 상기 제1 도전형 화합물 반도체층의 캐리어 농도는 상기 기판의 캐리어 농도보다 작을 수 있다. 일 예로, 상기 제1 도전형 화합물 반도체층은 분자선 증착법(MBE) 또는 화학 기상 증착법(CVD) 등을 이용하여 형성할 수 있다.
이후, 상기 제1 도전형 화합물 반도체층 상에 서로 다른 에너지 밴드갭을 가지는 복수의 서브층들을 포함하여, 광을 흡수하는 제2 도전형 화합물 반도체층을 형성한다(S300).
상기 제2 도전형 화합물 반도체층은 p형 반도체층일 수 있다. 상기 제2 도전형 화합물 반도체층은 광흡수층일 수 있다. 상기 제2 도전형 화합물 반도체층은 일 예로, ZnTe 또는 ZnSe를 포함할 수 있다.
상기 제2 도전형 화합물 반도체층은 스퍼터링을 이용하여 형성할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 제1 도전형 화합물 반도체층이 형성된 기판을 스퍼터 장비 내에 도입하고, 스퍼터 타겟을 준비한 후, 상기 스퍼터 장비 내에 반응가스를 주입하고, 스퍼터링 파워를 인가하여, 상기 제2 도전형 화합물 반도체층을 형성할 수 있다.
상기 반응가스는 산소 및 질소 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 공급되는 반응가스의 분압을 조절하여, 상기 제2 도전형 화합물 반도체층 내에서 에너지 밴드갭을 서로 다르게 변화시킬 수 있다. 즉, 상기 공급되는 반응가스의 분압을 조절하여, 상기 제2 도전형 반도체층 내에 서로 다른 에너지 밴드갭을 가지는 복수의 서브층들을 형성할 수 있다. 이 때, 아르곤 가스도 함께 공급할 수 있다. 즉, 스퍼터링 공정은 아르곤 가스 분위기에서 수행될 수 있다.
상기 반응가스 중 아르곤 가스 대비 산소의 주입 비율, 즉 산소의 분압은 일 예로, 0% ∼ 8% 내에서 조절할 수 있다. 상기 산소의 분압에 따라, 증착되는 광흡수층의 에너지 밴드갭은 2.2eV ∼ 4.9eV 내에서 변화할 수 있다.
또한, 상기 반응가스 중 아르곤 가스 대비 질소의 주입 비율, 즉 질소의 분압은 일 예로, 0% ∼ 25% 내에서 조절할 수 있다. 상기 질소의 분압에 따라, 증착되는 광흡수층의 에너지 밴드갭은 3.1eV ∼ 3.8eV 내에서 변화할 수 있다.
상기 제2 도전형 화합물 반도체층 내에 중간 밴드를 형성하기 위해 산소와 질소가 함께 공급될 수 있다. 상기 산소 및 질소는 상기 제2 도전형 화합물 반도체층 내에서 불순물 준위의 비발광(non-radiative) 결함을 유도하는 역할을 하여, 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band) 사이에 중간 밴드(intermediate-band)를 형성할 수 있다.
이 때, 공급되는 상기 산소의 분압은 2%, 질소의 분압은 1%인 것이 바람직하다. 상기 중간 밴드의 형성으로, 상기 제2 도전형 화합물 반도체층의 에너지 밴드갭은 1.7eV ∼ 4.9eV 내에서 변화할 수 있다.
한편, 스퍼터링시의 기재의 온도는 25℃ ∼ 500℃의 범위 내에서 조절할 수 있다. 또한, 스퍼터링 파워는 30W ∼ 50W의 범위 내에서 인가할 수 있다.
이 때, 스퍼터링 온도가 일정한 경우, 스퍼터링 파워가 증가할수록 에너지 밴드갭은 감소할 수 있다. 이는 스퍼터링 파워의 증가로, 상기 제2 도전형 화합물 반도체층의 내부에 결함이 발생하여, 상기 제2 도전형 화합물 반도체층의 결정성이 낮아지는 데 기인한다. 또한, 일정한 스퍼터링 파워의 인가시, 스퍼터링 온도가 증가할수록 에너지 밴드갭은 증가할 수 있다. 이는, 스퍼터링 온도가 증가할수록, 증착되는 분자들의 열에너지로 인해 결정성이 좋아지면서, 상기 제2 도전형 화합물 반도체층의 내부에 형성되는 결함 준위가 사라지는 데 기인한다.
따라서, 스퍼터링시, 기재의 온도와 스퍼터링 파워를 조절하여, 상기 제2 도전형 반도체층의 에너지 밴드갭을 다양하게 변화시킬 수 있다.
이후, 상기 제2 도전형 화합물 반도체층 상에 제2 전극을 형성한다(S400). 일 예로, 상기 제2 전극은 열기상 증착, 진공 증착, 전자빔 증착, 스퍼터링, RF 마그네트론 스퍼터링 등 통상의 증착법을 이용하여 형성할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실험예
1
Zn : Te를 1 : 1로 혼합한 스퍼터 타겟을 이용하는 RF 마그네트론 스퍼터링으로, 사파이어 기재 상에 ZnTe 박막을 형성하였다. 이 때, 공정 가스로서, 아르곤, 산소 및 질소 가스를 공급하였다. 스퍼터 챔버의 기본 압력은 1×10-7Torr이고, 20sccm의 아르곤 가스를 공급하였으며, 아르곤 가스 주입시 증착 압력은 8×10-3Torr이었다. 스퍼터링 파워는 30W ∼ 60W의 범위에서 변화시키고, 기재의 온도는 RT(room temperature), 200℃ ∼ 500℃의 범위에서 변화시켰으며, 산소 분압(아르곤 대비 산소의 주입 비율)은 0% ∼ 8%의 범위에서 변화시켰다.
실험예
2
질소 분압(아르곤 대비 질소의 주입 비율)을 0% ∼ 25%의 범위에서 변화시킨 것을 제외하고는 실험예 1과 동일한 조건에서 실험을 수행하였다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 박막형 태양전지의 광흡수층을 나타내는 SEM 이미지이다.
도 4를 참조하면, 사파이어 기재의 c-면 상에 ZnTe:O 박막이 균일하게 형성된 것을 확인할 수 있다. 상기 ZnTe:O 박막의 두께는 626nm이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 박막형 태양전지의 광흡수층의 스퍼터링 파워 및 기재 온도에 따른 에너지 밴드갭을 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 스퍼터링 파워가 30W에서 60W으로 증가할수록 에너지 밴드갭은 약 2.9eV에서 2.4eV로 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 스퍼터링 파워가 증가하면, ZnTe 박막의 내부에 결함이 발생하여, 상기 ZnTe 박막의 결정성이 낮아지기 때문인 것으로 풀이된다. 한편, 사파이어 기재의 온도가 0℃에서 500℃로 증가할수록 에너지 밴드갭은 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는, 사파이어 기재의 온도가 증가할수록, 증착되는 분자들의 열에너지로 인해 결정성이 좋아지면서, ZnTe 박막의 내부에 형성되는 결함 준위가 사라지기 때문인 것으로 풀이된다. 따라서, 스퍼터링시 기재의 온도와 스퍼터링 파워를 변화시켜, ZnTe 박막의 에너지 밴드갭을 조절할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 박막형 태양전지의 광흡수층의 산소 분압에 따른 X선 회절 분석 스펙트럼을 나타내는 그래프들이다.
도 6을 참조하면, 증착 온도 200℃에서 20sccm의 아르곤 가스를 주입하고, 아르곤 대비 산소 주입 비율을 0%, 2%, 4%, 6% 및 8%로 변화시켰을 때, 산소 주입 비율이 증가할수록 TeO2 3/2 및 TeO2 5/2 피크가 커지는 반면, Te3d 3/2 및 Te3d 5/2 피크는 거의 사라지는 것을 확인할 수 있다. 즉, 스퍼터링이 진행되는 동안 주입되는 산소의 양이 증가하면서, ZnTe 박막 내에 산소의 결합 밀도가 증가하고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 산소 주입 비율이 0%인 경우에도 TeO2 3/2 및 TeO2 5/2 피크가 나타나는 것으로 보아, ZnTe 박막 내에 미량의 산소가 존재하고 있음을 확인할 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 의한 박막형 태양전지의 광흡수층의 산소 및 질소 분압에 따른 투과도를 나타내는 그래프이다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 산소 주입 비율이 0% 및 2%인 경우, 1.6eV 내지 2.5eV의 에너지 영역의 광만이 투과되는 반면, 산소 주입 비율이 4% 이상인 경우부터는 3.0eV의 에너지 영역으로 확장됨을 확인할 수 있다. 더욱이, 산소 주입 비율이 6% 및 8%인 경우, 5.0eV의 전 에너지 영역에서 광이 거의 100% 투과되고 있는 것을 확인할 수 있다(도 6a). 한편, 산소를 주입한 경우와는 다르게 질소를 주입한 경우, 산소보다 많은 양의 질소를 주입하였을 때에도 3.0eV 이하의 에너지 영역에서만 10% 이상의 투과도를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 의한 박막형 태양전지의 광흡수층의 산소 및 질소 분압에 따른 에너지 밴드갭을 나타내는 그래프이다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 산소 주입 비율이 6% 및 8% 인 경우, 에너지 밴드갭이 2.4eV 에서 5.0eV 로 급격하게 증가하는 것을 확인할 수 있다(도 7a). 따라서, 통상적으로 태양전지에 사용되는 태양광의 흡수 파장 대역을 자외선 영역까지로 확장할 수 있어, 태양전지의 흡수 파장 대역을 크게 증가시킬 수 있는 이점이 있다. 한편, 질소 주입 비율이 15% 내지 25%인 경우, 에너지 밴드갭은 3.1 eV 에서 3.8 eV로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 산소의 경우는 5% 이상만 되어도 급격하게 에너지 밴드갭을 변화시킬 수 있는 반면, 질소의 경우 최소 15% 이상의 비율로 주입되어야 ZnTe 박막의 에너지 밴드갭을 변화시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
10: 기판 20: 제1 전극
30: 제1 도전형 화합물 반도체층 40: 제2 도전형 화합물 반도체층
50: 제2 전극
30: 제1 도전형 화합물 반도체층 40: 제2 도전형 화합물 반도체층
50: 제2 전극
Claims (14)
- 일면에 제1 전극을 구비하는 기판;
상기 기판 상에 배치되는 제1 도전형 화합물 반도체층;
상기 제1 도전형 화합물 반도체층 상에 배치되며, 상부 또는 하부로부터 순차적으로 감소된 서로 다른 에너지 밴드갭을 가지는 복수의 서브층들을 포함하여, 광을 흡수하는 단일한 제2 도전형 화합물 반도체층; 및
상기 제2 도전형 화합물 반도체층 상에 배치되는 제2 전극을 포함하고,
상기 제2 도전형 화합물 반도체층은 ZnTe 또는 ZnSe층에 산소 및 질소 중 적어도 어느 하나가 함유된 층인 박막형 태양전지. - 제1항에 있어서,
상기 제2 도전형 화합물 반도체층은 1.7eV ∼ 4.9eV의 에너지 밴드갭을 가지는 박막형 태양전지. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제2 도전형 화합물 반도체층은 전도대와 가전자대 사이에 중간 밴드가 형성된 층인 박막형 태양전지. - 기재를 스퍼터 장비 내에 도입하는 단계;
상기 스퍼터 장비 내에 스퍼터 타겟을 준비하는 단계; 및
상기 스퍼터 장비 내에 반응가스를 주입하고, 스퍼터링 파워를 인가하면서 상기 기재 상에 단일한 광흡수층을 형성하는 단계를 포함하되,
상기 반응가스의 분압을 조절하여 상기 광흡수층 내에 상부 또는 하부로부터 순차적으로 감소된 서로 다른 에너지 밴드갭을 가지는 복수의 서브층들을 형성하는 박막형 태양전지의 광흡수층 제조방법. - 제5항에 있어서,
상기 스퍼터 타겟은 Zn, Te, ZnO, Zn-Te 또는 Zn-Se를 포함하는 박막형 태양전지의 광흡수층 제조방법. - 제5항에 있어서,
상기 반응가스는 산소 및 질소 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 박막형 태양전지의 광흡수층 제조방법. - 제5항에 있어서,
상기 반응가스는 산소를 포함하며,
상기 산소의 분압은 2% ∼ 8%에서 조절하는 박막형 태양전지의 광흡수층 제조방법. - 제5항에 있어서,
상기 반응가스는 산소 및 질소를 포함하며,
상기 산소의 분압은 2%로, 상기 질소의 분압은 1%로 조절하는 박막형 태양전지의 광흡수층 제조방법. - 제5항에 있어서,
상기 스퍼터링 파워는 30W ∼ 50W인 박막형 태양전지의 광흡수층 제조방법. - 제5항에 있어서,
상기 기재의 온도는 25℃ ∼ 500℃인 박막형 태양전지의 광흡수층 제조방법. - 기판의 일면에 제1 전극을 형성하는 단계;
상기 기판 상에 제1 도전형 화합물 반도체층을 형성하는 단계;
상기 제1 도전형 화합물 반도체층 상에 상부 또는 하부로부터 순차적으로 감소된 서로 다른 에너지 밴드갭을 가지는 복수의 서브층들을 포함하여, 광을 흡수하는 단일한 제2 도전형 화합물 반도체층을 형성하는 단계; 및
상기 제2 도전형 화합물 반도체층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 제2 도전형 화합물 반도체층을 형성하는 단계는 스퍼터링을 이용하여 수행하며, 상기 제2 도전형 화합물 반도체층은 ZnTe층이며, 상기 스퍼터링시 산소 및 질소 가스의 분압을 조절하여 상기 제2 도전형 화합물 반도체층 내에 상기 순차적으로 감소된 서로 다른 에너지 밴드갭을 가지는 서브층들을 형성하는 박막형 태양전지의 제조방법.
- 삭제
- 삭제
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120127453A KR101755048B1 (ko) | 2012-11-12 | 2012-11-12 | 박막형 태양전지, 이의 제조방법 및 박막형 태양전지의 광흡수층 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120127453A KR101755048B1 (ko) | 2012-11-12 | 2012-11-12 | 박막형 태양전지, 이의 제조방법 및 박막형 태양전지의 광흡수층 제조방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20140061576A KR20140061576A (ko) | 2014-05-22 |
| KR101755048B1 true KR101755048B1 (ko) | 2017-07-06 |
Family
ID=50890363
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020120127453A KR101755048B1 (ko) | 2012-11-12 | 2012-11-12 | 박막형 태양전지, 이의 제조방법 및 박막형 태양전지의 광흡수층 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101755048B1 (ko) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101783971B1 (ko) | 2016-11-22 | 2017-10-10 | 한국표준과학연구원 | 금속 디스크 어레이를 구비한 적층형 태양전지 |
-
2012
- 2012-11-12 KR KR1020120127453A patent/KR101755048B1/ko active IP Right Grant
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Seon Pil Kim et al., "Optical Characteristics of Oxygen-doped ZnTe Thin Films Deposited by Magnetron Sputtering Method", 제41회 한국진공학회 하계학술대회* |
| T. Tanaka et al., "Demonstration of ZnTe1-xOx Intermediate Band Solar Cell", Jpn. J. Appl. Phys., 2011, Vol.50, pp.082304* |
| W. Wang et al., "Intermediate-band photovoltaic solar cell based on ZnTe:O", Appl. Phys. lett., 2009, Vol.95, pp.011103* |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20140061576A (ko) | 2014-05-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10707368B2 (en) | Solar cell having a plurality of absorbers connected to one another by means of charge-carrier-selective contacts | |
| US8865512B2 (en) | Thin-film solar cell | |
| Boccard et al. | Amorphous silicon carbide passivating layers for crystalline-silicon-based heterojunction solar cells | |
| JP5285651B2 (ja) | 太陽電池の製造方法 | |
| US8373060B2 (en) | Semiconductor grain microstructures for photovoltaic cells | |
| US8203071B2 (en) | Multi-junction solar cells and methods and apparatuses for forming the same | |
| US7632701B2 (en) | Thin film solar cells by selenization sulfurization using diethyl selenium as a selenium precursor | |
| JP6139599B2 (ja) | 太陽電池及びその製造方法 | |
| US11133481B2 (en) | Method for manufacturing solar cell | |
| US20050284518A1 (en) | Compound solar cell and process for producing the same | |
| US20130247972A1 (en) | Passivation film stack for silicon-based solar cells | |
| JP2009503848A (ja) | 組成傾斜光起電力デバイス及び製造方法並びに関連製品 | |
| TW201327875A (zh) | 高效多接面太陽能電池 | |
| WO2012040299A2 (en) | A thin-film photovoltaic device with a zinc magnesium oxide window layer | |
| KR20130028449A (ko) | 박막 태양전지 및 그 제조 방법 | |
| JP2008235794A (ja) | 光電変換材およびその製造方法、半導体素子、並びに太陽電池 | |
| US20150357486A1 (en) | Solar cell including multiple buffer layer formed by atomic layer deposition and method of fabricating the same | |
| TW201403852A (zh) | 對於光致劣化具有改良抗性之矽基太陽能電池 | |
| US20120012175A1 (en) | Solar cell and manufacturing method thereof | |
| US20120322198A1 (en) | METHODS FOR SUBLIMATION OF Mg AND INCORPORATION INTO CdTe FILMS TO FORM TERNARY COMPOSITIONS | |
| KR101755048B1 (ko) | 박막형 태양전지, 이의 제조방법 및 박막형 태양전지의 광흡수층 제조방법 | |
| NL2005730C2 (en) | Photovoltaic cell and a method for producing such a photovoltaic cell. | |
| NL2025744B1 (en) | Methodology for efficient hole transport layer using transition metal oxides | |
| JP2005159320A (ja) | 太陽電池及び太陽電池の製造方法 | |
| EP2273563A2 (en) | Photovoltaic device and manufacturing method thereof |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E90F | Notification of reason for final refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right |