KR101761565B1 - 태양 전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 태양 전지 및 이의 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 태양 전지는 기판 상에 형성된 전극층, 전극층 상에 형성된 광 흡수층, 광 흡수층 상에 원자층 증착(ALD) 공정을 통해 형성되며, 황화카드뮴(CdS)과 황화아연(ZnS)이 교대로 반복적으로 적층되어 형성된 혼합 버퍼층, 및 혼합 버퍼층 상에 형성된 윈도우층을 포함한다. 이와 같이, 원자층 증착 공정을 통해 황화카드뮴(CdS)과 황화아연(ZnS)가 교대로 반복적으로 적층된 혼합 버퍼층을 형성함으로써, 태양 전지의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 태양 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 박막형 태양 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
태양 전지(solar cell)는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심 소자이다. 태양 전지는 일반적으로 결정계 태양 전지와 박막형 태양 전지로 분류될 수 있다. 박막형 태양 전지는 결정계 태양 전지에 비해 에너지 변환 효율은 낮지만, 기판의 두께를 혁신적으로 줄일 수 있어 단위 무게당 에너지 변환 효율은 결정계 태양 전지보다 훨씬 높은 편이다. 뿐만 아니라, 박막형 태양 전지는 변형이 가능한 유연 태양 전지로 제작이 가능하고, 유리 등의 저렴한 기판 상에 제조하여 저가화할 수 있는 등 많은 장점이 있어 주목을 받고 있다.
일반적으로, 박막형 태양 전지는 기판 상에 순차적으로 형성된 후면 전극층(back electrode), 광 흡수층(absorber layer), 버퍼층(buffer layer), 윈도우층(window layer) 및 전면 전극(front electrode)을 포함한다. 여기서, 상기 광 흡수층은 주로 Cu(In,Ga)Se2(CIGS) 화합물 반도체 또는 Cu2ZnSnSe4(CZTS) 화합물 반도체를 이용하여 형성된다.
CIGS계 박막 태양 전지의 경우, 버퍼층으로는 화학 용액 증착법(chemical bath deposition: CBD) 등의 습식 공정을 통해 형성한 황화카드뮴(CdS)층이 주로 이용되고 있다. 그러나, 화학 용액 증착법 등의 습식 공정을 이용하는 경우 독성이 높은 황화카드뮴(CdS)과 알칼리성 폐액이 대량으로 생성되기 때문에 환경 오염의 염려가 있고, 그에 따른 폐기물 처리 비용이 증가하여 태양 전지의 제조 비용이 증가하는 문제가 있다.
이에 따라, 상기 버퍼층을 형성함에 있어, 황화카드뮴(CdS)을 대체하는 물질로 Zn(O,S), ZnO:Mn(or Al, Cr, In), In2S3 등의 개발이 진행되고 있다. 그러나, 상기 물질들의 경우, 와이드 밴드 갭(wide band gap)으로 인한 단락전류밀도(Jsc : Short-circuit current)의 증가, 변환 효율 향상 등의 장점이 있으나, 페르미 에너지 레벨의 차이로 인한 밴드 옵셋 부정합(Band Offset Mismatch) 및 격자 부정합(Lattice Mismatch)으로 인해 광 흡수층과 버퍼층의 계면에 결함(Defect)이 증가하여 효율을 저하시키는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점을 감안한 것으로써, 본 발명은 광 흡수층과 버퍼층 사이의 밴드 옵셋 및 격자 부정합을 감소시켜, 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 태양 전지 및 이의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따른 태양 전지는 기판 상에 형성된 전극층, 상기 전극층 상에 형성된 광 흡수층, 상기 광 흡수층 상에 원자층 증착(ALD) 공정을 통해 형성되며, 황화카드뮴(CdS)과 황화아연(ZnS)이 교대로 반복적으로 적층되어 형성된 혼합 버퍼층, 및 상기 혼합 버퍼층 상에 형성된 윈도우층을 포함한다.
상기 혼합 버퍼층은 CdxZn1-xS이며, 상기 x는 0.5 ~ 0.67로 구성될 수 있다.
상기 혼합 버퍼층은 30 ~ 40nm의 두께로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 특징에 따른 태양 전지의 제조 방법은, 기판 상에 전극층을 형성하는 단계, 상기 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계, 상기 광 흡수층 상에 원자층 증착(ALD) 공정을 통해 황화카드뮴(CdS)과 황화아연(ZnS)을 교대로 반복적으로 적층하여 혼합 버퍼층을 형성하는 단계, 및 상기 혼합 버퍼층 상에 윈도우층을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 혼합 버퍼층은 CdxZn1-xS이며, 상기 x는 0.5 ~ 0.67로 구성될 수 있다.
상기 혼합 버퍼층을 형성함에 있어, 황화카드뮴을 황화아연보다 먼저 증착할 수 있다.
상기 혼합 버퍼층은 30 ~ 40nm의 두께로 형성될 수 있다.
상기 혼합 버퍼층은 90℃ ~ 130℃의 온도 조건에서 형성될 수 있다.
이와 같은 태양 전지 및 이의 제조 방법에 따르면, 원자층 증착 공정을 통해 황화카드뮴(CdS)과 황화아연(ZnS)가 교대로 반복적으로 적층된 혼합 버퍼층을 형성함으로써, 태양 전지의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지를 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 혼합 버퍼층을 확대한 단면도이다.
도 3은 버퍼층의 물질 및 조성비 변화에 따른 X-선 회절 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 4는 혼합 버퍼층의 조성비 변화에 따른 광전 변환 효율을 나타낸 그래프이다.
도 5는 혼합 버퍼층의 두께 변화에 따른 광전 변환 효율을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 혼합 버퍼층과 기존의 카드뮴 버퍼층을 사용한 경우의 모듈 효율을 비교한 그래프이다.
도 2는 도 1에 도시된 혼합 버퍼층을 확대한 단면도이다.
도 3은 버퍼층의 물질 및 조성비 변화에 따른 X-선 회절 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 4는 혼합 버퍼층의 조성비 변화에 따른 광전 변환 효율을 나타낸 그래프이다.
도 5는 혼합 버퍼층의 두께 변화에 따른 광전 변환 효율을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 혼합 버퍼층과 기존의 카드뮴 버퍼층을 사용한 경우의 모듈 효율을 비교한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지를 나타낸 단면도이며, 도 2는 도 1에 도시된 혼합 버퍼층을 확대한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지(100)는 기판(110), 기판(110) 상에 형성된 전극층(120), 전극층(120) 상에 형성된 광 흡수층(130), 광 흡수층(130) 상에 형성된 혼합 버퍼층(140), 혼합 버퍼층(140) 상에 형성된 윈도우층(150)을 포함한다.
기판(110)은 용도에 따라 다양한 특성의 기판이 사용될 수 있다. 예를 들어, 기판(110)은 광 투과 특성에 따라 투명 기판, 불투명 또는 반투명 기판을 이용할 수 있다. 또한, 기판(110)은 재질에 따라 유리 기판, 세라믹 기판, 금속 기판, 폴리머 기판 등을 이용할 수 있다. 또한, 기판(110)은 굽힘 특성에 따라 리지드(rigid) 기판 또는 플렉서블(flexible) 기판을 이용할 수 있다. 바람직하게, 기판(110)은 광 투과성을 가지며 비용이 저렴한 유리 기판을 이용할 수 있다. 유리 기판으로는 예를 들어, 소다라임 유리(sodalime glass) 또는 고변형점 소다유리(high strained point soda glass)를 이용할 수 있다. 한편, 금속 기판으로는 스테인레스 스틸 또는 티타늄을 포함하는 기판을 이용할 수 있고, 폴리머 기판으로는 폴리이미드(polyimide)를 이용할 수 있다.
전극층(120)은 태양 전지의 이면 전극 기능을 하는 것으로, 금속 등의 도전 물질을 이용하여 형성될 수 있으며, 단일층 또는 서로 다른 물질의 복수의 층으로 형성될 수 있다. 전극층(120)은 비저항이 낮으면서, 열팽창 계수의 차이로 인해 기판(110)과 박리 현상이 일어나지 않도록 기판(110)과의 점착성이 뛰어난 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 전극층(120)은 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 크롬과 몰리브덴의 합금으로 형성될 수 있다. 특히, 전극층(120)은 전기 전도도가 높고, 광 흡수층(130)과의 오믹(ohmic) 특성이 우수하며, 셀레늄(Se) 분위기에서의 고온 안정성이 뛰어난 몰리브덴(Mo)으로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 전극층(120)은 도전 물질에 나트륨(Na) 이온이 도핑되어 형성될 수도 있다.
광 흡수층(130)은 전극층(120) 상에 형성되며, 외부로부터 입사되는 태양광을 흡수하여 기전력을 발생시킨다. 광 흡수층(130)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ계 화합물 또는 I2-Ⅱ-Ⅳ-Ⅵ4계 화합물로 형성될 수 있다. 여기서, Ⅰ족 원소로는 구리(Cu), Ⅱ족 원소로는 아연(Zn), Ⅲ족 원소로는 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al) 등을 들 수 있으며, Ⅳ족 원소로는 틴(Sn), Ⅵ족 원소로는 셀렌(Se) 또는 황(S)을 들 수 있다. 예를 들어, 광 흡수층(130)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드(CuInGaSe2, CIGS) 화합물로 형성되거나, 구리-아연-틴-황(Cu2ZnSnS4, CZTS) 화합물로 형성될 수 있다.
혼합 버퍼층(140)은 광 흡수층(130) 상에 형성되며, 황화카드뮴(CdS)(142)과 황화아연(ZnS)(144)이 교대로 반복적으로 적층되어 형성된다. 혼합 버퍼층(140)은 P-type의 광 흡수층(130) 상에 황화카드뮴(CdS)(142)과 황화아연(ZnS)(144)을 반복적으로 적층하여 밴드갭 에너지(Eg)가 2.4 ~ 2.8인 CdxZn1-xS 층을 두께나 조성의 조절이 용이한 원자층 증착(Atomic Layer Deposition : ALD) 공정으로 형성될 수 있다.(여기서, x는 0과 1 사이의 유리수이다)
이와 같이, 황화카드뮴(CdS)과 황화아연(ZnS)을 반복적으로 적층하여 형성된 혼합 버퍼층(140)은 P-type의 광 흡수층(130)과 밴드 벤딩(Band bending)이 이루어짐으로써, 전자의 흐름을 원활하게 하며, 이에 따라, 상부 전극에서의 전자 수집 확률이 높아져 태양 전지의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 혼합 버퍼층(140)을 형성함에 있어, 원자층 증착(ALD) 공정을 이용함으로써 혼합 버퍼층(140) 내에 함유된 카드뮴(Cd)과 아연(Zn)의 조성비를 용이하게 조절할 수 있으며, 카드뮴(Cd)과 아연(Zn)의 조성비를 조절함으로써 광전 변환 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 즉, 광 흡수층(130)과 혼합 버퍼층(140)의 격자 구조가 유사해지도록 CdxZn1-xS의 특정 조성비를 조합함으로써 격자 부정합에 의해 계면에서 결함이 발생하는 것을 감소시켜 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다. 이는 도 3에서 CdxZn1-xS의 조성비에 따라 XRD 피크가 쉬프트되는 것으로 확인할 수 있다.
도 3은 버퍼층의 물질 및 조성비 변화에 따른 X-선 회절 패턴을 나타낸 그래프이다. 도 3에서, a는 CdS의 버퍼층, b는 Cd0.67Zn0.33S의 혼합 버퍼층, c는 Cd0.5Zn0.5S의 혼합 버퍼층, d는 Cd0.33Zn0.67S의 혼합 버퍼층, e는 ZnS의 버퍼층, f는 Zn(O,S)의 버퍼층을 나타내며, g는 CIGS계 광 흡수층을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 버퍼층의 물질 또는 조성비에 따라, X-선 회절(X-ray diffraction, XRD) 패턴이 상이하게 나오는 것을 확인할 수 있으며, 특히, 혼합 버퍼층의 경우, 카드뮴(Cd)과 아연(Zn)의 조성비 변화에 따라, XRD 피크가 쉬프트되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 기존의 CdS 버퍼층(a), ZnS 버퍼층(e), Zn(O,S) 버퍼층(f)에 비하여, CdS와 ZnS를 반복적으로 적층하여 형성한 CdxZn1-xS 혼합 버퍼층(b, c, d)이 CIGS 광 흡수층(g)의 XRD 피크와 유사한 XRD 피크를 갖는 것을 확인할 수 있다. 더욱이, CdxZn1-xS 혼합 버퍼층 중에서도 Cd0.67Zn0.33S 혼합 버퍼층(b), Cd0.5Zn0.5S 혼합 버퍼층(c)의 경우가 CIGS 광 흡수층(g)과 가장 유사한 XRD 피크를 갖는 것을 확인할 수 있다.
따라서, CdxZn1-xS의 혼합 버퍼층에서, x를 0.5 ~ 0.67의 범위를 갖도록 구성함으로써, 혼합 버퍼층의 XRD 피크를 CIGS 광 흡수층의 XRD 피크와 유사하게 형성할 수 있으며, 이를 통해 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
도 4는 혼합 버퍼층의 조성비 변화에 따른 광전 변환 효율을 나타낸 그래프이다. 도 4에서, A는 Cd0.5Zn0.5S의 혼합 버퍼층, B는 Cd0.67Zn0.33S의 혼합 버퍼층, C는 Cd0.8Zn0.2S의 혼합 버퍼층, D는 Cd0.86Zn0.14S의 혼합 버퍼층을 나타낸다.
도 4를 참조하면, CdxZn1-xS의 혼합 버퍼층에서, x를 0.5 ~ 0.67의 범위를 가질 경우, 다른 조성비에 비해 광전 변환 효율이 높게 나오는 것을 확인할 수 있다.
한편, 태양 전지(100)의 광전 변환 효율은 혼합 버퍼층(140)의 두께에 따라 변화될 수 있다.
도 5는 혼합 버퍼층의 두께 변화에 따른 광전 변환 효율을 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 혼합 버퍼층(140)를 약 30nm ~ 40nm의 두께로 형성할 경우, 광전 변환 효율이 약 15% 이상으로 나오는 것을 확인할 수 있으며, 바람직하게, 혼합 버퍼층(140)을 약 30nm로 형성할 경우, 가장 높은 광전 변환 효율을 얻을 수 있다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 전지의 제조 방법에 대하여 설명한다.
도 1을 참조하면, 태양 전지(100)의 제조를 위하여 우선, 기판(110) 상에 전극층(120)을 형성한다. 전극층(120)은 예를 들어, 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 크롬과 몰리브덴의 합금 등으로 형성할 수 있으며, 물리적 증기 증착법(Physical Vapor Deposition : PVD) 또는 도금 등의 방법으로 형성할 수 있다.
다음으로, 전극층(120) 상에 광 흡수층(130)을 형성한다. 광 흡수층(130)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드(CuInGaSe2, CIGS) 화합물, 구리-인듐-셀레나이드(CuInSe2, CIS) 화합물 또는 구리-아연-틴-황(Cu2ZnSnS4, CZTS) 화합물 등으로 형성될 수 있다.
광 흡수층(130)은 동시증착법, 스퍼터링법, MOCVD법 등 다양한 방법으로 형성할 수 있다. 이들 중 스퍼터링법을 예를 들면, 구리 타겟, 인듐 타겟 및 갈륨 타겟을 각각 이용하거나, 구리, 인듐 및 갈륨의 혼합 타겟을 이용하여 스퍼터링 방식으로 전극층(120) 상에 구리, 인듐, 가륨(Cu, In, Ga ; CIG) 금속 전구체(precursor)막을 형성한 후, 고온에서 셀레늄(Se)을 이용하여 셀레니제이션(selenization) 공정을 실시함으로써, CIGS 화합물의 광 흡수층(130)을 형성할 수 있다.
또한, 광 흡수층(130)은 Ⅰ족 및 Ⅲ족 원소의 적어도 어느 하나로 이루어진 제1 박막층 상에 Ⅵ족 원소로 이루어진 제2 박막층을 형성한 후, 열처리 공정의 실시를 통해 상기 제1 박막층과 상기 제2 박막층을 반응시켜 광 흡수층(130)을 형성할 수 있다. 상기 제1 박막층은 인듐, 구리, 갈륨 박막층으로 형성하거나, 두 원소의 합금과 한 원소의 박막층으로 형성하거나, 세 원소의 합금으로 형성할 수 있고, 상기 제2 박막층은 셀렌 및 황의 적어도 어느 하나로 형성할 수 있다. 즉, 상기 제1 박막층은 Cu/Ga/In, Cu-In 합금/Ga, Cu-Ga 합금/In, Ca-In 합금/Cu, Cu-Ga-In 합금 등으로 이루어질 수 있고, 제2 박막층은 Se, S 또는 Se/S로 이루어질 수 있다. 이와 같이, 상기 제1 박막층 및 상기 제2 박막층은 열처리 공정에 의해 반응시켜 CGS, CIS, CIGS 등의 광 흡수층(130)을 형성할 수 있다.
구리-아연-틴-황(Cu2ZNSnS4, CZTS) 화합물로 구성된 광 흡수층(130)의 제조공정도 CIGS 광 흡수층의 제조와 매우 유사하며, 주로 구리-아연-틴의 박막 전구체를 스퍼터링법으로 형성하고, 이를 설피제이션(sulfization)하여 CZTS 광 흡수층을 제조할 수 있다.
다음으로, 광 흡수층(130) 상에 황화카드뮴(CdS)과 황화아연(ZnS)을 교대로 반복적으로 적층하여 혼합 버퍼층(140)을 형성한다. 혼합 버퍼층(140)은 건식 공정이면서 두께나 조성의 조절이 용이한 원자층 증착(Atomic Layer Deposition : ALD) 공정으로 형성된다.
구체적으로, 혼합 버퍼층(140)은 황화카드뮴(CdS)(142)과 황화아연(ZnS)(144)을 하나의 ALD 장치 내에서 반복적으로 증착하여 형성하며, 황화카드뮴(CdS)의 전구체로는 디메틸 카드뮴(dimethyl cadmium, DMCd)과 H2S 가스 등을 사용하고, 황화아연(ZnS)의 전구체로는 디에틸 징크(diethyl zinc, DEZn)와 H2S 가스 등을 사용할 수 있다. 또한, 퍼지(purge) 가스로는 N2가 사용되며, 공정 압력은 0.1torr ~ 2.0torr의 조건에서 형성하는 것이 바람직하며, 디메틸 카드뮴(DMCd) 및 디에틸 징크(DEZn) 소스를 증발시키기 위한 캐니스터(canister)의 온도는 5 ~ 40℃의 범위를 갖는다.
혼합 버퍼층(140)은 황화카드뮴(CdS)(142)과 황화아연(ZnS)(144)을 모노레이어(monolayer)로 한 층, 한 층 반복적으로 성막함으로써 CdxZn1-xS의 조성을 조절할 수 있다. 이때, 광전 변환 효율의 상승 효과를 극대화시키기 위해 x는 0.5 ~ 0.67의 범위로 형성되는 것이 바람직하다.
혼합 버퍼층(140)을 형성함에 있어, 광 흡수층(130)과의 계면특성을 개선하기 위하여, 황화카드뮴(CdS)을 황화아연(ZnS)보다 먼저 증착하는 것이 바람직하다. 이는 광 흡수층(130)의 격자 파라미터(Lattice parameter)와 비교하여 황화아연(ZnS)보다 황화카드뮴(CdS)의 격자 파라미터가 더 유사하기 때문이다. 예를 들어, CIGS의 광 흡수층의 격자 파라미터는 5.8Å이고, 황화카드뮴(CdS)의 격자 파라미터는 5.83Å이며, 황화아연(ZnS)의 격자 파라미터는 5.42Å이다.
원자층 증착(ALD) 방식을 이용한 혼합 버퍼층(140)의 증착 순서는 소스(DMCd, DEZn) 피딩(feeding) - N2 퍼지 - H2S 가스 피딩 - N2 퍼지의 4단계로 구성되며, 서로 독립 프로세스로 진행된다. 상기한 4단계의 1 사이클을 복수회 반복하여 혼합 버퍼층(140)을 수십 원자층 두께로 형성할 수 있다. 예를 들어, 혼합 버퍼층(140)는 상기한 4단계의 사이클을 70 ~ 130회 반복하여 약 20 ~ 40nm의 두께로 형성할 수 있으며, 특히 광전 변환 효율의 개선을 고려하여 100 ~ 130회의 사이클을 반복하여 약 30 ~ 40nm의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
혼합 버퍼층(140)을 형성함에 있어, 황화카드뮴(CdS)과 황화아연(ZnS)의 공정 온도가 서로 상이하므로, 두 물질이 모두 증착 가능한 90℃ ~ 130℃의 온도 조건에서 형성하는 것이 바람직하다. 공정 온도가 상기 조건보다 높을 시에는 형성된 모노레이어의 탈착 또는 다음 반응을 위해 표면을 활성화시키는 표면 리간드의 분해, 탈착으로 인해 원하는 품질의 박막을 얻을 수 없을 뿐만 아니라, GPC(growth per cycle)가 낮아지는 문제가 발생되며, 반대로, 공정 온도가 상기 조건보다 낮을 경에도 반응물의 응축이 일어나 박막 특성이 저하되고 GPC가 낮아지는 문제가 발생될 수 있다.
이와 같이, 혼합 버퍼층(140)을 형성함에 있어, 원자층 증착(ALD) 방법을 통해 모노레이어로 한 층, 한 층 성막함으로써, 박막 내의 결함가 줄어들어 광 반응에 의해 생성된 전자가 버퍼층을 지나면서 트랩(trap)될 확률을 감소시킬 수 있다. 또한, 피딩 및 퍼지 시간과 베포라이즈(vaporize) 제어를 통해 형성하고자 하는 두께를 정확히 제어할 수 있는 장점이 있다.
혼합 버퍼층(140)의 형성 후, 혼합 버퍼층(140) 상에 투명 도전성 물질로 이루어진 윈도우층(150)을 형성한다. 윈도우층(150)은 예를 들어, 산화아연(ZnO)에 알루미늄(Al) 또는 붕소(B)가 도핑되어 형성될 수 있다.
윈도우층(150)은 유기금속화학증착(MOCVD) 공정 또는 스퍼터링 공정을 통해 형성할 수 있다. 예를 들어, 윈도우층(150)은 아연(Zn) 소오스, 산소(O2) 소오스, 및 도펀트 가스(예를 들어, B2H6)를 동시에 공급하여 유기금속화학증착(MOCVD) 공정으로 ZnO:B층을 형성할 수 있다. 또한, 윈도우층(150)은 ZnO:Al2O3을 타겟으로 한 스퍼터링 공정으로 ZnO:Al층으로 형성할 수 있고, 알곤(Ar)+산소(O2) 분위기에서 Zn:Al 타겟을 이용하여 ZnO:Al층을 형성할 수도 있다.
도 6은 본 발명에 따른 혼합 버퍼층과 기존의 카드뮴 버퍼층을 사용한 경우의 모듈 효율을 비교한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예와 같이 원자층 증착(ALD) 공정을 통해 황화카드뮴(CdS)과 황화아연(ZnS)을 교대로 반복하여 적층한 혼합 버퍼층을 사용하는 경우, 기존의 황화카드뮴(CdS)을 버퍼층으로 사용하는 경우에 비해, 모듈 효율이 1.5% 이상 향상되는 것을 확인할 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 태양 전지 110 : 기판
120 : 전극층 130 : 광 흡수층
140 : 혼합 버퍼층 142 : 황화카드뮴
144 : 황화아연 150 : 윈도우층
120 : 전극층 130 : 광 흡수층
140 : 혼합 버퍼층 142 : 황화카드뮴
144 : 황화아연 150 : 윈도우층
Claims (8)
- 기판 상에 형성된 전극층;
상기 전극층 상에 형성된 광 흡수층;
상기 광 흡수층 상에 원자층 증착(ALD) 공정을 통해 형성되며, 황화카드뮴(CdS)과 황화아연(ZnS)이 교대로 반복적으로 적층되어 형성된 혼합 버퍼층; 및
상기 혼합 버퍼층 상에 형성된 윈도우층을 포함하며,
상기 혼합 버퍼층은 CdxZn1-xS이며, 상기 x는 0.5 ~ 0.67로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양 전지. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 혼합 버퍼층은 30 ~ 40nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양 전지. - 기판 상에 전극층을 형성하는 단계;
상기 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계;
상기 광 흡수층 상에 원자층 증착(ALD) 공정을 통해 황화카드뮴(CdS)과 황화아연(ZnS)을 교대로 반복적으로 적층하여 혼합 버퍼층을 형성하는 단계; 및
상기 혼합 버퍼층 상에 윈도우층을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 혼합 버퍼층은 CdxZn1-xS이며, 상기 x는 0.5 ~ 0.67로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법. - 삭제
- 제4항에 있어서,
상기 혼합 버퍼층은 30 ~ 40nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법. - 제4항에 있어서,
상기 혼합 버퍼층을 형성함에 있어, 황화카드뮴을 황화아연보다 먼저 증착하는 것을 특징으로 하는 태양 전지의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 혼합 버퍼층은 90℃ ~ 130℃의 온도 조건에서 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조 방법.
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