KR101843292B1 - 박막 태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

박막 태양전지 및 그 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101843292B1
KR101843292B1 KR1020160157668A KR20160157668A KR101843292B1 KR 101843292 B1 KR101843292 B1 KR 101843292B1 KR 1020160157668 A KR1020160157668 A KR 1020160157668A KR 20160157668 A KR20160157668 A KR 20160157668A KR 101843292 B1 KR101843292 B1 KR 101843292B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
thin film
solar cell
film solar
micro
Prior art date
Application number
KR1020160157668A
Other languages
English (en)
Inventor
이철로
심재관
Original Assignee
전북대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 전북대학교산학협력단 filed Critical 전북대학교산학협력단
Priority to KR1020160157668A priority Critical patent/KR101843292B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101843292B1 publication Critical patent/KR101843292B1/ko

Links

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
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/022425—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
    • H01L31/022441—Electrode arrangements specially adapted for back-contact 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
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/022425—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for 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
    • H01L31/036—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 their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes
    • H01L31/0392—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 their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes including thin films deposited on metallic or insulating substrates ; characterised by specific substrate materials or substrate features or by the presence of intermediate layers, e.g. barrier layers, on the substrate
    • H01L31/03923—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 their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes including thin films deposited on metallic or insulating substrates ; characterised by specific substrate materials or substrate features or by the presence of intermediate layers, e.g. barrier layers, on the substrate including AIBIIICVI compound materials, e.g. CIS, CIGS
    • 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
    • H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
    • H01L31/0445—PV modules or arrays of single PV cells including thin film solar cells, e.g. single thin film a-Si, CIS or 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
    • 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
    • Y02E10/541—CuInSe2 material PV cells
    • 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)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

본 발명이 일 실시예에 따른 박막 태양전지는, 기판; 상기 기판 상에 적층된 후면 전극; 상기 후면 전극 상에 적층된 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상에 형성되어 상기 광 흡수층에 입사되는 태양광의 반사를 억제하는 복수의 마이크로 와이어를 포함한다.

Description

박막 태양전지 및 그 제조 방법{Thin film solar cell and Method of fabricating the same}
본 발명은 박막 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 우수한 태양광 흡수율을 갖는 박막 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
전 세계 각 국에서는 화석연료에 대한 의존도를 줄이기 위해, 환경에 악영향을 끼치지 않으면서도 고갈될 염려도 없는 새로운 에너지원인 대체에너지 및 청정에너지에 대한 연구 및 개발이 활발히 진행 중이다.
한때, 원자력발전이 현실성 있는 대체에너지로 개발되어 높은 기여도를 보이기도 하였지만, 불안정성과 사고로 인한 심각한 피해 등의 문제가 제기됨으로써, 점차 이에 대한 의존도를 줄이는 추세이며, 그 대신 청정의 무한한 에너지원이라는 측면에서 태양에너지를 현실적으로 활용할 수 있는 방안이 더욱 각광받고 있다.
종래에는 이러한 태양에너지를 활용할 수 있는 방법 중 하나로서, 태양전지(Solar Cell)와 같은 반도체 소자를 이용하여, 태양광을 수광하고, 이를 다시 전기에너지로 변환하는 방법이 주를 이루었으나, 최근에는 이보다 태양광 흡수율이 높고, 태양광 또는 방사선에 대한 열화 현상이 적으며, 박막화가 가능하고, 제작상 재료비도 절감할 수 있는 CIGS계 박막 태양전지가 등장하였다.
CIGS계 박막 태양전지란, Cu(In1-xGax)Se2로 조성된 4원계 화합물로 형성된 직접천이형 반도체로서, 광흡수 계수가 높으며, 안정성이 뛰어나 박막 태양전지로서 커다란 응용 잠재력을 갖고 있다.
도 1은 종래의 박막 태양전지를 나타내는 부분 단면도이다. 도 1을 참조하여 종래의 박막 태양전지를 간략하게 설명하면, 기판(1, Substrate) 상부에 후면 전극(2, Back Contact) 및 CIGS계 화합물로 형성된 광 흡수층(3, Absorber Layer)이 순차로 적층된 구조를 갖는다.
그러나, 이러한 박막 태양전지의 광 흡수층(3)은 특정한 입사각을 가지며 입사된 태양광 중 많은 양을 반사시키고 일부만을 흡수하며, 이는 박막 태양전지의 에너지 효율을 높이는데 한계로 작용하게 된다.
따라서, 태양광 흡수율을 최대화 함으로써 높은 효율을 갖는 박막 태양전지에 대한 개발이 시급한 실정이다.
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 광 흡수층의 표면에서 반사되는 광자 에너지(photon energy) 손실을 줄이는 방식으로 태양광의 흡수율을 높임으로써 고에너지 효율을 달성할 수 있는 박막 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명이 일 실시예에 따른 박막 태양전지는, 기판; 상기 기판 상에 적층된 후면 전극; 상기 후면 전극 상에 적층된 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상에 형성되어 상기 광 흡수층에 입사되는 태양광의 반사를 억제하는 복수의 마이크로 와이어를 포함한다.
상기 광 흡수층은, CIGS 화합물로 이루어질 수 있다.
상기 박막 태양전지는, 마이크로 와이어를 덮는 형태로 형성되는 버퍼층을 더 포함할 수 있다.
상기 박막 태양전지는, 상기 버퍼층 상에 형성되는 윈도우 층을 더 포함할 수 있다.
상기 박막 태양전지는, 상기 윈도우 층 상에 형성되는 전면 전극을 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 박막 태양전지의 제조 방법은, 기판을 마련하는 단계; 상기 기판 상에 후면 전극을 적층시키는 단계; 상기 후면 전극 상에 광 흡수층의 형성을 위한 전구체 층을 적층시키는 단계; 상기 전구체 층 상에 금속 촉매를 형성시키는 단계; 및 상기 금속 촉매의 형성 이 후에 열처리를 통해 상기 전구체 층 상에 마이크로 와이어 층을 형성시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조방법은, 상기 마이크로 와이어 층의 형성 이 후에 셀렌화 공정을 진행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조방법은, 상기 셀렌화 공정의 진행 이 후에 상기 마이크로 와이어 층을 이루는 각각의 마이크로 와이어를 덮는 형태로 버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조방법은, 상기 버퍼층 상에 윈도우 층을 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조방법은, 상기 윈도우 층 상에 전면 전극을 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 광 흡수층에서의 태양광의 반사율을 최소화 함으로써 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 이러한 반사율 최소화를 위해 진행되는 공정 과정에서 발생될 수 있는 비용 증가를 최소화 할 수 있게 되며, 이로써 생산성 향상을 가져올 수 있고, 또한 대면적 박막 태양전지의 제작 시에도 비용이 크게 증가되는 것을 피할 수 있게 된다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래의 박막 태양전지를 나타내는 부분 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 박막 태양전지에 채용된 기판을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 기판 상에 후면 전극이 형성된 모습을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 후면 전극 상에 광 흡수층의 형성을 위한 전구체 층이 증착된 모습을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 전구체 층 상에 금속 촉매가 형성된 모습을 나타내는 도면이다.
도 7은 광 흡수층의 형성을 위한 전구체 층 상에 금속 촉매가 형성된 상태에서 열처리가 수행되는 과정을 나타내는 도면이다.
도 8은 도 7에 나타난 열처리를 통해 전구체 층 상에 마이크로 와이어가 성장된 모습을 나타내는 도면이다.
도 9 내지 도 11은 도 7에 나타난 열처리 조건에 따라 다양하게 나타나는 마이크로 와이어의 성장 형태를 보여주는 현미경 사진이다.
도 12 및 도 13은, 본 발명에 따른 열처리 온도 범위를 벗어난 경우의 성장 상태 형태를 보여주는 현미경 사진이다.
도 14는 셀렌화 공정의 수행에 따라 최종적인 광 흡수층이 형성되는 과정을 나타내는 도면이다.
도 15 및 도 16은 각각 박막 태양전지에 있어서 광 흡수층의 표면에 마이크로 와이어 층을 형성시킨 경우와 그렇지 않은 경우의 효율 차이를 나타내는 그래프 및 표이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
먼저, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지(10)의 전체적인 구성을 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지(10)는 순차적으로 적층된 기판(11), 후면 전극(12), 광 흡수층(14) 및 복수의 마이크로 와이어(16)를 포함하는 형태로 구현된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지(10)는 복수의 마이크로 와이어(16)를 덮는 형태로 형성되는 버퍼층과 버퍼층 상에 형성되는 윈도우 층, 그리고 윈도우 층 상에 형성되는 전면 전극을 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지(10)를 구성하는 각각의 구성요소들에 대해서 상세히 살펴보기로 한다.
먼저, 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지(10)에 적용되는 기판(11)에 대해서 설명하기로 한다.
상기 기판(11)은 박막 태양전지의 적층 구조에 있어서 기초 층이 되는 것으로서, 박막 태양전지 제조에 있어서 가장 먼저 마련되는 구성요소이다.
본 발명에 적용되는 기판(11)으로는, 스테인리스 스틸(stainless steel)로 이루어진 기판이 이용될 수 있다. 다만, 이로써 본 발명에서 채용되는 기판(11)의 종류가 한정되는 것은 아니며, 그 외에도 적층 구조의 기초가 될 수 있는 다양한 재질의 기판이 사용될 수 있는 것이다. 또한, 상기 기판(11)이 갖는 면적 역시 얻고자 하는 박막 태양전지(10)의 면적에 따라 다양하게 결정될 수 있는 것이다.
다음으로, 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지(10)에 적용되는 후면 전극(12)에 대해서 설명하기로 한다.
상기 후면 전극(12)은 기판(11)의 상부에 적층되는 박막으로서, 소스 물질이 스퍼터링(sputtering)에 의해 기판(11) 면에 증착됨으로써 형성된다. 이러한 증착 공정에는 DC magnetron sputtering 장비가 사용될 수 있다.
이 때, 상기 후면 전극(12) 형성을 위한 소스로는 통상적으로 몰리브덴(Mo)이 사용된다. 다만, 이로써 상기 후면 전극(12)의 재질을 한정하는 것은 아니며, 전도성이 높은 금속 재질이라면 제한 없이 사용이 가능하다.
다음으로, 도 2와 함께 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지(10)에 적용되는 광 흡수층(14) 및 광 흡수층(14)의 형성을 위한 전구체 층(13)에 대해서 설명하기로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 광 흡수층(14)은 후면 전극(12)의 상부에 적층되는 것으로서, 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se)을 포함하는 4원계 화합물인 Cu(In1-xGax)Se2으로 이루어지는 태양광 흡수 층이다.
본 발명에 있어서, 상기 광 흡수층(14)을 이루는 CIGS계 화합물 층은, 먼저 도 5에 나타난 바와 같이 후면 전극(12) 상에 CIGS계 화합물의 전구체에 해당하는 CIG계 화합물로 이루어진 전구체 층을 먼저 증착한 다음, 후술할 바와 같이 추가적인 공정을 거침으로써 얻어지는 것이다.
이처럼 전구체 층(13)을 먼저 증착한 후 이를 통해 최종적인 광 흡수층(14)을 얻어내기 위해 수행되는 추가적인 공정, 즉 셀렌화 공정(selenization process)에 대해서는 도 14를 참조하여 상세히 후술하기로 한다.
다음으로, 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지(10)에 적용되는 마이크로 와이어(16)의 형성을 위한 금속 촉매(metal catalyst)(15)에 대해서 설명하기로 한다.
상기 금속 촉매(15)는 마이크로 와이어(16)의 형성 이 전 단계에서 전구체 층(13) 상에 증착되는 것으로서, 후술할 마이크로 와이어(16)의 성장을 위한 시드(seed)의 역할을 한다.
이러한 금속 촉매(15)로는, 전구체 층(13)을 이루는 화합물(CIG계 화합물)의 구성 성분을 고려하여 구리, 인듐 및 갈륨과 고용체를 만들 수 있는 금속이 이용되는 것이 바람직하다. 이러한 금속 촉매(15)로 이용되는 물질로는, 예시적으로 금(Au), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 은(Ag) 및 백금(Pt) 등을 들 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 이처럼 광 흡수층(14)의 전구체 층(13) 상에 금속 촉매(15)가 증착된 적층체는 챔버 내에서 열처리 과정을 거치며, 이로써 각각의 금속 촉매(15)를 시드로 하여 성장된 마이크로 와이어(microwires)(16)를 얻을 수 있다.
이 때 수행되는 열처리 온도와 시간은 이용되는 금속 촉매(15)의 종류에 따라서 달라지게 되는데, 금(Au)을 금속 촉매(15)로 이용하여 마이크로 와이어(16)를 성장시키는 경우에 있어서 온도 조건의 경우 대략 300℃ 내지 400℃ 의 온도 범위 내에서 열처리가 이루어지는 것이 바람직하다.
열처리 온도가 대략 300℃ 미만인 경우에는 금속 촉매(15)와 전구체 층(13) 간에 고용체 형성이 잘 이루어지지 않기 때문에 마이크로 와이어(16)의 성장이 제대로 이루어지지 않게 된다. 반면, 열처리 온도가 대략 400℃를 초과하는 경우에는 마이크로 와이어 형성 초기 단계에서 시드(seed)들이 서로 구분이 안되도록 합쳐지는 현상이 발생되고, 이로 인해 마이크로 와이어가 정상적으로 형성되지 못하고 매우 큰 직경의 드롭렛(droplet)이 형성된다.
이처럼 CIG 화합물 층 상에서 성장된 마이크로 와이어(16)는 구리 및 인듐으로 구성되는데, 이는 갈륨의 양이 적고, 갈륨이 구리 및 인듐과의 확산계수 차이가 커서 성장 과정에서 구리 및 인듐으로 이루어진 마이크로 와이어(16)가 성장되는 것이다. 따라서, 마이크로 와이어(16)로 이루어진 표면 층까지도 CIGS계 흡수층으로 만들고자 하는 경우에는 추가적인 갈륨의 증착 공정이 진행되어야 한다.
한편, 도 9 내지 도 11에 나타난 현미경 사진을 참조하면, CIG 화합물로 이루어진 전구체 층(13) 상에 금속 촉매(15)로 금(Au)을 증착시키고, 각각 300℃, 350℃, 400℃의 온도에서 90분간 열처리를 수행하여 성장된 마이크로 와이어(16)의 밀도 및 직경을 확인할 수 있다. 대략 300℃ 내지 400℃의 온도 범위를 유지하는 경우에는, 동일한 시간 조건을 적용한다는 전제하에, 열처리 온도가 높게 적용될수록 마이크로 와이어(16)의 성장 밀도가 높고 성장 두께 역시 더 두껍게 형성됨을 알 수 있다.
반면, 도 12 및 도 13에 나타난 현미경 사진을 참조하면, 도 9 내지 도 11의 현미경 사진에 나타난 마이크로 와이어와 온도를 제외한 나머지 조건들은 동일하게 유지하되, 열처리 온도에 있어서는 300℃ 미만의 온도(250℃) 및 400℃를 초과하는 온도(450℃)를 적용하여 마이크로 와이어를 성장시킨 경우의 결과를 확인할 수 있다.
즉, 열처리 온도가 지나치게 낮은 경우에는 금속 촉매(15)와 전구체 층(13) 간에 고용체 형성이 잘 이루어지지 않기 때문에 마이크로 와이어(16)의 성장이 제대로 이루어지지 않게 되고, 열처리 온도가 지나치게 높은 경우에는 마이크로 와이어 형성 초기 단계에서 시드(seed)들이 서로 구분이 안되도록 합쳐지는 현상이 발생되고, 이로 인해 마이크로 와이어가 정상적으로 형성되지 못하고 매우 큰 직경의 드롭렛(droplet)이 형성되는 것이다.
다음으로, 도 14를 참조하여, 셀렌화 공정(selenization process)을 통해 광 흡수층(14)을 형성하는 과정에 대해서 살펴보기로 한다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지(10)에 채용되는 광 흡수층(14)은 CIGS계 화합물로 이루어지는 것으로서, CIGS계 화합물의 전구체 물질에 해당하는 CIG계 화합물로 이루어진 전구체 층(13)을 이용하여 얻어지는 것이다.
즉, 상기 CIGS계 화합물로 이루어지는 광 흡수층(14)은 CIG계 화합물로 이루어지는 전구체 층(15)의 형성 이 후에 셀레늄(Se)의 공급을 위해 대략 300℃ 내지 600℃ 범위에 해당하는 고온에서의 셀렌화 공정을 거침으로써 형성될 수 있다.
한편, 도면에 도시되지는 않았으나, 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지(10)는 셀렌화 공정을 진행 한 이 후에 마이크로 와이어(16)의 표면을 덮는 형태로 버퍼층을 형성하고, 버퍼층 상에 윈도우 층을 형성하고, 그리고 윈도우 층 상에 전면 전극을 형성함으로써 완성될 수 있다.
상기 버퍼층은 일반적으로 광전도 셀의 소재로 이용되는 황화카드뮴(CdS)을 화학적 용액 성장법(chemical bath deposition; CBD)을 이용하여 증착시킴으로써 형성될 수 있다. 다만, 이러한 버퍼층의 형성 방법은 이에 한정되지 않으며, 당 업계에서 알려져 있는 다양한 방법들이 적용될 수 있다. 일 예로, 상기 버퍼층은 황화카드뮴을 스퍼터링 공정을 이용하여 증착시킴으로써 형성될 수도 있다.
상기 윈도우 층은 버퍼층의 상에 형성되는 것으로서, 예를 들어 ITO, ZnO 및 i-ZnO 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있다. 이러한 윈도우 층은 다양한 방식에 의해 형성될 수 있는데, 윈도우 층이 ZnO 층으로 이루어진 경우를 예로 들면, ZnO를 타겟으로 하는 스퍼터링 공정에 의해 ZnO 층을 형성할 수도 있고, 이와는 달리 산소 분위기 하에서 Zn 타겟을 이용하여 ZnO 층을 형성할 수도 있다.
상기 전면 전극은 윈도우 층 상에 형성되는 것으로서, 알루미늄(Al)이나 니켈(Ni) 등의 금속 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 전면 전극은 박막 태양전지(10) 전면의 투명 전극으로 기능할 수 있도록 투명 도전성 물질로 이루어질 수도 있을 뿐만 아니라, 저항 값을 낮추기 위해 ZnO 등의 투명 도전성 물질에 알루미늄 또는 알루미나(alumina) 등이 도핑된 물질로 이루어질 수도 있다.
한편, 상기 전면 전극은 예를 들어 RF 스퍼터링(ZnO 타겟을 이용), 반응성 스퍼터링(Zn 타겟을 이용) 또는 유기금속 화학 증착법 등 다양한 방법에 의해 형성될 수 있으며, 전기 광학적 특성이 뛰어난 ITO(Indium Tin Oxide) 박막을 ZnO 박막 상에 증착시킴으로써 이중 구조로 형성될 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지(10)는 광 흡수층(14) 상에 형성된 마이크로 와이어(16)들로 인해 광 흡수층(14) 표면에서 반사되는 광자 에너지 손실을 줄일 수 있게 된다.
이러한 광자 에너지 손실을 줄임에 따라 발생되는 효율 상승은 도 15에 나타나는 그래프 및 도 16에 나타나는 표를 통해 명확히 알 수 있다.
도 15 및 도 16은 각각 박막 태양전지에 있어서 광 흡수층의 표면에 마이크로 와이어 층을 형성시킨 경우와 그렇지 않은 경우의 효율 차이를 나타내는 그래프 및 표이다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 마이크로 와이어가 적용된 CIGS계 박막 태양전지와 마이크로 와이어가 적용되지 않은 일반적인 CIGS계 박막 태양전지의 에너지 밀도 및 에너지 효율이 확연히 차이가 나는 것을 확인할 수 있다.
한편, 박막 태양전지(10)의 광 흡수층(14) 표면에서 반사되는 광자 에너지 손실을 줄이기 위해 이처럼 광 흡수층(14) 표면에 마이크로 와이어(16)를 형성시키는 것은 단지 금속 촉매(15)의 증착 및 열처리 공정이 더해지는 것뿐이어서 추가 공정에 따라 발생되는 비용이 크지 않으며, 따라서 대면적 CIGS 박막 태양전지에 활용하는 데에도 큰 무리가 없다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10: 박막 태양전지 11: 기판
12: 후면 전극 13: CIG 층
14: 광 흡수층 15: 금속 촉매
16, 17: 마이크로 와이어

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 기판을 마련하는 단계;
    상기 기판 상에 후면 전극을 적층시키는 단계;
    상기 후면 전극 상에 광 흡수층의 형성을 위한 CIG 화합물로 이루어진 전구체 층을 적층시키는 단계;
    상기 전구체 층 상에 금속 촉매를 형성시키는 단계;
    상기 금속 촉매의 형성 이 후에 열처리를 통한 물질 확산에 따라 상기 CIG 화합물로 이루어진 전구체 층 상에 마이크로 와이어 층을 형성시키되, 구리 및 인듐과 갈륨 간의 확산계수 차이로 인해 갈륨을 제외하고 구리 및 인듐으로 이루어진 마이크로 와이어가 성장되도록 하는 단계; 및
    상기 마이크로 와이어 층의 형성 이 후에 셀렌화 공정을 통해 CIG 화합물로 이루어진 전구체 층을 CIGS로 이루어진 광 흡수층으로 만드는 단계;를 포함하는 박막 태양전지의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 박막 태양전지의 제조방법은,
    상기 셀렌화 공정의 진행 이 후에 상기 마이크로 와이어 층을 이루는 각각의 마이크로 와이어를 덮는 형태로 버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 박막 태양전지의 제조방법은,
    상기 버퍼층 상에 윈도우 층을 형성시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 박막 태양전지의 제조방법은,
    상기 윈도우 층 상에 전면 전극을 형성시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지의 제조방법.
KR1020160157668A 2016-11-24 2016-11-24 박막 태양전지 및 그 제조 방법 KR101843292B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160157668A KR101843292B1 (ko) 2016-11-24 2016-11-24 박막 태양전지 및 그 제조 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160157668A KR101843292B1 (ko) 2016-11-24 2016-11-24 박막 태양전지 및 그 제조 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101843292B1 true KR101843292B1 (ko) 2018-03-28

Family

ID=61901657

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160157668A KR101843292B1 (ko) 2016-11-24 2016-11-24 박막 태양전지 및 그 제조 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101843292B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220121295A (ko) 2021-02-24 2022-09-01 전북대학교산학협력단 GaN 나노와이어를 적용한 CIGS계 태양전지 및 그의 제조 방법

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101220022B1 (ko) 2011-10-18 2013-01-21 엘지이노텍 주식회사 태양전지 및 이를 이용한 태양전지 모듈
KR101373250B1 (ko) * 2012-10-25 2014-03-12 전북대학교산학협력단 박막 태양전지 및 그 제조 방법
US8829341B2 (en) 2010-07-30 2014-09-09 Lg Innotek Co., Ltd. Solar cell and method for manufacturing same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8829341B2 (en) 2010-07-30 2014-09-09 Lg Innotek Co., Ltd. Solar cell and method for manufacturing same
KR101220022B1 (ko) 2011-10-18 2013-01-21 엘지이노텍 주식회사 태양전지 및 이를 이용한 태양전지 모듈
KR101373250B1 (ko) * 2012-10-25 2014-03-12 전북대학교산학협력단 박막 태양전지 및 그 제조 방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220121295A (ko) 2021-02-24 2022-09-01 전북대학교산학협력단 GaN 나노와이어를 적용한 CIGS계 태양전지 및 그의 제조 방법

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20100243043A1 (en) Light Absorbing Layer Of CIGS Solar Cell And Method For Fabricating The Same
US8044477B1 (en) Photovoltaic device and method for making
US9935211B2 (en) Back contact structure for photovoltaic devices such as copper-indium-diselenide solar cells
KR101172206B1 (ko) 태양 전지
TW201108425A (en) Solar cell and fabrication method thereof
US8227291B2 (en) Method of manufacturing stacked-layered thin film solar cell with a light-absorbing layer having band gradient
KR101870236B1 (ko) 투명 전도 산화막 기판을 이용한 양면 czts계 태양전지의 제조방법 및 이로부터 제조된 태양전지
CN109638100B (zh) 具有背面反射体的光伏器件
KR101415251B1 (ko) 다중 버퍼층 및 이를 포함하는 태양전지 및 그 생산방법
CN102628161A (zh) 用于制造半导体膜和光伏装置的方法
US9640685B2 (en) Solar cell and method of fabricating the same
CN108172645A (zh) 一种CIGS/CdTe叠层太阳能电池及其制作方法
KR101843292B1 (ko) 박막 태양전지 및 그 제조 방법
KR101631970B1 (ko) 박막 태양 전지의 제조방법
KR101210110B1 (ko) 태양전지 및 이의 제조방법
CN105789353B (zh) 具有掺杂缓冲层的太阳能电池和制造太阳能电池的方法
KR101455832B1 (ko) 박막 태양전지 및 그 제조 방법
CN102856421A (zh) 一种新型三结薄膜太阳能电池及其生产方法
JP5594949B2 (ja) 光起電力素子、および、その製造方法
KR20090065894A (ko) 탠덤 구조 ｃｉｇｓ 태양전지 및 그 제조방법
US20120080306A1 (en) Photovoltaic device and method for making
US20130133735A1 (en) Solar cell module and method of manufacturing the same
KR101373250B1 (ko) 박막 태양전지 및 그 제조 방법
CN109768101B (zh) 复合薄膜太阳能电池及其制备方法
KR101349596B1 (ko) 태양전지 및 이의 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant