KR101897073B1 - 태양전지 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 태양전지는, 기판; 상기 기판 상에 배치되는 후면 전극층; 상기 후면 전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되는 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 배치되는 전면 전극층을 포함하고, 상기 버퍼층은 황화아연(ZnS), 산화 아연(ZnO) 또는 수산화 아연(Zn(OH)2)을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지 제조 방법은, 기판 상에 후면 전극층을 형성하는 단계; 상기 후면 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 제 1 버퍼층을 형성하는 단계; 및 상기 제 1 버퍼층 상에 제 2 버퍼층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제 1 버퍼층 또는 상기 제 2 버퍼층은 황화 아연(ZnS), 산화 아연(ZnO) 또는 수산화 아연(Zn(OH)2)을 포함한다.

Description

태양전지 및 이의 제조 방법{SOLAR CELL AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
실시예는 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
태양광 발전을 위한 태양전지의 제조방법은 다음과 같다. 먼저, 기판이 제공되고, 상기 기판 상에 후면전극층이 형성되고, 레이저에 의해서 패터닝되어, 다수 개의 이면전극들이 형성된다.
이후, 상기 이면전극들 상에 광 흡수층, 버퍼층 및 고저항 버퍼층이 차례로 형성된다. 상기 광 흡수층을 형성하기 위해서 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발시키면서 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층을 형성하는 방법과 금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션(Selenization) 공정에 의해 형성시키는 방법이 폭넓게 사용되고 있다. 상기 광 흡수층의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1 내지 1.8 eV 이다.
이후, 상기 광 흡수층 상에 황화 카드뮴(CdS)을 포함하는 버퍼층이 스퍼터링 공정에 의해서 형성된다. 상기 버퍼층의 에너지 밴드갭은 약 2.2 내지 2.4 eV 이다. 이후, 상기 버퍼층 상에 징크 옥사이드(ZnO)를 포함하는 고저항 버퍼층이 스퍼터링 공정에 의해서 형성된다. 상기 고저항 버퍼층의 에너지 밴드갭은 약 3.1 내지 3.3 eV 이다.
이후, 상기 광 흡수층, 상기 버퍼층 및 상기 고저항 버퍼층에 홈 패턴이 형성될 수 있다.
이후, 상기 고저항 버퍼층 상에 투명한 도전물질이 적층되고, 상기 홈패턴이 상기 투명한 도전물질이 채워진다. 이에 따라서, 상기 고저항 버퍼층 상에 투명전극층이 형성되고, 상기 홈 패턴 내측에 접속배선들이 각각 형성된다. 상기 투명전극층 및 상기 접속배선으로 사용되는 물질의 예로서는 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드 등을 들 수 있다. 상기 투명전극층의 에너지 밴드갭은 약 3.1 내지 3.3 eV 이다.
이후, 상기 투명전극층 등에 홈 패턴이 형성되어, 다수 개의 태양전지들이 형성될 수 있다. 상기 투명전극들 및 상기 고저항 버퍼들은 각각의 셀에 대응한다. 상기 투명전극들 및 상기 고저항 버퍼들은 스트라이프 형태 또는 매트릭스 형태로 배치될 수 있다.
상기 투명전극들 및 상기 이면전극들은 서로 미스 얼라인되며, 상기 투명전극들 및 상기 이면전극들은 상기 접속배선들에 의해서 각각 전기적으로 연결된다. 이에 따라서, 다수 개의 태양전지들이 서로 전기적으로 직렬로 연결될 수 있다.
이와 같이, 태양광을 전기에너지로 변환시키기 위해서, 다양한 형태의 태양광 발전장치가 제조되고, 사용될 수 있다. 이와 같은 태양광 발전장치는 특허 공개 공보 10-2008-0088744 등에 개시된다.
한편, 종래 사용되는 황화 카드뮴의 경우에는 카드뮴의 문제로 인해 카드뮴이 제거된 버퍼층을 형성하기 위해, 황화 아연을 버퍼층으로 사용할 수 있다. 상기 황화 아연의 경우, 상기 황화 아연 상에 고저항 버퍼층을 생략하고, 상기 황화 아연 버퍼층 상에 바로 전면 전극층을 증착하게 된다.
그러나, 상기 황화 아연 버퍼층의 경우, 상기 황화 카드뮴 버퍼층에 비해 저항이 높기 때문에 버퍼층의 두께에 제한이 있어 상기 버퍼층 상에 전면 전극층을 증착시에 상기 버퍼층 및/또는 광 흡수층 상에 데미지(damage)를 줄 수 있는 문제가 있다.
이에 따라, 상기 황화 아연 버퍼층을 사용할 때 이와 같은 문제점을 해결할 수 있는 버퍼층의 제조 및 이를 포함하는 태양전지의 필요성이 대두된다.
실시예는 향상된 광-전 변환 효율을 가지는 태양전지 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 태양전지는, 기판; 상기 기판 상에 배치되는 후면 전극층; 상기 후면 전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되는 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 배치되는 전면 전극층을 포함하고, 상기 버퍼층은 황화아연(ZnS), 산화 아연(ZnO) 또는 수산화 아연(Zn(OH)2)을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지 제조 방법은, 기판 상에 후면 전극층을 형성하는 단계; 상기 후면 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 제 1 버퍼층을 형성하는 단계; 및 상기 제 1 버퍼층 상에 제 2 버퍼층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제 1 버퍼층 또는 상기 제 2 버퍼층은 황화 아연(ZnS), 산화 아연(ZnO) 또는 수산화 아연(Zn(OH)2)을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지 및 태양전지 제조 방법에 따르면 한번의 공정에 의해 복수의 버퍼층을 형성할 수 있다. 즉, 증착 공정에서 수용액에 포함되는 암모니아수의 농도를 조절하여 황화 아연을 포함하는 제 1 버퍼층과 산화 아연을 포함하는 제 2 버퍼층을 형성할 수 있다.
종래에는 상기 황화 아연을 포함하는 버퍼층의 경우, 고저항으로 인한 두께 제한으로 인해, 상기 버퍼층 증착 후 후 공정시에 상기 버퍼층 및/또는 상기 광 흡수층에 데미지를 줄 수 있는 문제가 있었다.
그러나, 실시예에 따른 태양전지 제조 방법에 따르면, 증착 공정시 버퍼 용액의 농도를 조절하는 것에 의해 상기 제 1 버퍼층을 증착하는 동시에, 상기 제 1 버퍼층 상에 산화 아연을 포함하는 제 2 버퍼층을 증착할 수 있다.
이에 따라서, 상기 황화 아연을 포함하는 상기 제 1 버퍼층의 두께를 얇게 하여도, 상기 제 1 버퍼층 상에 이를 보완하는 상기 제 2 버퍼층이 형성되므로, 버퍼층 공정 이후의 후 공정에서 발생할 수 있는 버퍼층 및/또는 광 흡수층의 데미지를 감소시킬 수 있어 전체적으로 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 한 번의 공정으로 동시에 2층 이상의 버퍼층을 형성할 수 있으므로, 공정 비용을 절감할 수 있으며, 공정 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 평면도이다.
도 2는 실시예에 따른 태양전지의 일 단면을 도시한 단면도이다.
도 3 내지 도 10은 실시예에 따른 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 “상/위(on)”에 또는 “하/아래(under)”에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들의 두께나 크기는 설명의 명확성 및 편의를 위하여 변형될 수 있으므로, 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
이하, 도 1 내지 도 10을 참조하여, 실시예에 따른 태양전지를 상세하게 설명한다. 도 1은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 평면도이고, 도 2는 실시예에 따른 태양전지의 일 단면을 도시한 단면도이며, 도 3 내지 도 10은 실시예에 따른 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 1 내지 도 10을 참조하면, 실시예에 따른 태양전지는, 지지 기판(100), 후면 전극층(200), 광 흡수층(300), 버퍼층(400) 및 전면 전극층(500)을 포함한다.
상기 지지 기판(100)은 플레이트 형상을 가지며, 상기 후면 전극층(200), 상기 광 흡수층(300), 상기 버퍼층(400) 및 상기 전면 전극층(500) 을 지지한다.
상기 지지 기판(100)은 절연체일 수 있다. 상기 지지 기판(100)은 유리 기판, 플라스틱 기판 또는 금속 기판일 수 있다. 더 자세하게, 상기 지지 기판(100)은 소다 라임 글래스(soda lime glass) 기판일 수 있다. 이와는 다르게, 상기 지지 기판(100)의 재질로 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸, 유연성이 있는 고분자 등이 사용될 수 있다. 상기 지지 기판(100)은 투명할 수 있다. 상기 지지 기판(100)은 리지드(rigid)하거나 플렉서블(flexible)할 수 있다.
상기 후면 전극층(200)은 상기 지지 기판(100) 상에 배치된다. 상기 후면 전극층(200)은 도전층이다. 상기 후면 전극층(200)은 몰리브덴(Mo), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 텅스템(W) 및 구리(Cu) 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 이 가운데, 특히 몰리브덴은 다른 원소에 비해 상기 지지 기판(100)과 열팽창 계수의 차이가 적기 때문에, 접착성이 우수하여 박리 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 후면 전극층(200)은 두 개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 층들은 같은 금속으로 형성되거나 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.
상기 후면전극층(200)에는 제 1 관통홈들(TH1)이 형성된다. 상기 제 1 관통홈들(TH1)은 상기 지지기판(100)의 상면을 노출하는 오픈 영역이다. 상기 제 1 관통홈들(TH1)은 평면에서 보았을 때, 제 1 방향으로 연장되는 형상을 가질 수 있다.
상기 제 1 관통홈들(TH1)의 폭은 약 80㎛ 내지 200㎛ 일 수 있다.
상기 제 1 관통홈들(TH1)에 의해서, 상기 후면전극층(200)은 다수 개의 후면전극들로 구분된다. 즉, 상기 제 1 관통홈들(TH1)에 의해서, 상기 후면전극들이 정의된다.
상기 후면 전극들은 상기 제 1 관통홈들(TH1)에 의해서 서로 이격된다. 상기 후면 전극들은 스트라이프 형태로 배치된다.
이와는 다르게, 상기 후면 전극들은 매트릭스 형태로 배치될 수 있다. 이때, 상기 제 1 관통홈들(TH1)은 평면에서 보았을 때, 격자 형태로 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 상기 후면전극층(200) 상에 배치된다. 또한, 상기 광 흡수층(300)에 포함된 물질은 상기 제 1 관통홈들(TH1)에 채워진다.
상기 광 흡수층(300)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 계 화합물을 포함한다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계) 결정 구조, 구리-인듐-셀레나이드계 또는 구리-갈륨-셀레나이드계 결정 구조를 가질 수 있다.
상기 광 흡수층(300)의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1eV 내지 1.8eV일 수 있다.
상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치된다. 상기 버퍼층들(400)은 황화아연(ZnS), 산화 아연(ZnO) 또는 수산화 아연(Zn(OH)2)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 버퍼층(400)은 제 1 버퍼층(410) 및 제 2 버퍼층(420)을 포함한다. 자세하게, 상기 광 흡수층(300) 상에 상기 제 1 버퍼층(410)이 배치되고, 상기 제 1 버퍼층(420) 상에 상기 제 2 버퍼층(420)이 배치된다. 상기 제 1 버퍼층(410)과 상기 제 2 버퍼층(420)은 각각 황화아연, 산화 아연 또는 수산화 아연을 포함할 수 있다.
또한, 상기 후면 전극층(200)과 상기 광 흡수층(300)의 계면으로부터 상기 광 흡수층(300)과 상기 버퍼층(400)의 계면으로 갈수록 상기 황(S)의 농도가 감소할 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 버퍼층(410)은 상기 제 2 버퍼층(420)에 비해 상기 황화 아연을 더 포함할 수 있다. 즉, 상기 제 1 버퍼층(410)에서 상기 제 2 버퍼층(420)으로 갈수록 상기 황화 아연의 농도가 감소할 수 있다.
또한, 상기 제 1 버퍼층(410)은 상기 제 2 버퍼층(420)에 비해 상기 산화 아연을 더 적게 포함할 수 있다. 즉, 상기 제 1 버퍼층(410)에서 상기 제 2 버퍼층(420)으로 갈수록 상기 산화 아연의 농도는 증가할 수 있다.
또한, 상기 제 1 버퍼층(410)과 상기 제 2 버퍼층(420)의 계면에는 상기 황화 아연, 상기 산화 아연 및 상기 수산화 아연이 혼재할 수 있다.
상기 버퍼층(400)의 두께는 30㎚ 내지 100㎚ 일 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 버퍼층(410) 또는 상기 제 2 버퍼층(420)의 두께는 각각 50㎚ 이하일 수 있다. 바람직하게는, 상기 제 1 버퍼층(410) 또는 상기 제 2 버퍼층(420)의 두께는 15㎚ 내지 50㎚일 수 있다.
즉, 실시예에 따른 버퍼층(400)은 황화 아연을 포함하는 상기 제 1 버퍼층(410)과 함께 상기 제 1 버퍼층(410) 상에 형성되고, 산화 아연을 포함하는 상기 제 2 버퍼층(420)을 포함한다.
또한, 상기 황화 아연 버퍼층의 저항값을 고려하여 상기 제 1 버퍼층(410) 및/또는 상기 제 2 버퍼층(420)의 두께를 각각 50㎚ 이하로 형성할 수 있다.
따라서, 상기 버퍼층 상에 징크 옥사이드를 포함하는 고저항 버퍼층을 생략할 수 있는 것과 동시에, 상기 버퍼층의 얇은 두께에 의한 광 흡수층의 데미지를 감소시킬 수 있다.
상기 전면 전극층(500)은 상기 버퍼층(400) 상에 배치된다. 상기 전면 전극층(500)은 투명하며 도전층이다. 또한, 상기 전면 전극층(500)의 저항은 상기 후면 전극층(500)의 저항보다 높다.
상기 전면 전극층(500)은 산화물을 포함한다. 일례로, 상기 전면 전극층(500)으로 사용되는 물질의 예로서는 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드(Al doped ZnC;AZO), 인듐 징크 옥사이드(indium zinc oxide;IZO) 또는 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide;ITO) 등을 들 수 있다.
상기 전면 전극층(500)은 n 형 반도체의 특성을 가질 수 있다. 이 때, 상기 전면 전극층(500)은 상기 버퍼층(400)과 함께 n 형 반도체층을 형성하여 p 형 반도체층인 상기 광 흡수층(300)과 pn 접합을 형성할 수 있다. 상기 전면 전극층(500)의 두께는 약 100㎚ 내지 약 500㎚ 일 수 있다.
상기 전면 전극층(500)의 두께는 약 500㎚ 내지 약 1.5㎛일 수 있다. 또한, 상기 전면 전극층(500)이 알루미늄이 도핑되는 징크 옥사이드로 형성되는 경우, 알루미늄은 약 2.5wt% 내지 약 3.5wt%의 비율로 도핑될 수 있다.
상기 버퍼층(400) 및 상기 전면 전극층(500)에는 제 3 관통홈(TH3)들이 형성된다. 상기 제 3 관통홈들(TH3)은 상기 버퍼층(400)의 일부 또는 전부, 상기 고저항 버퍼층 및 상기 전면 전극층(500)을 관통할 수 있다. 즉, 상기 제 3 관통홈(TH3)들은 상기 후면 전극층(200)의 상면을 노출시킬 수 있다.
상기 제 3 관통홈(TH3)들은 상기 제 2 관통홈(TH2)들에 인접하는 위치에 형성된다. 더 자세하게, 상기 제 3 관통홈(TH3)들은 상기 제 2 관통홈(TH2)들 옆에 배치된다. 즉, 평면에서 보았을 때, 상기 제 3 관통홈(TH3)들은 상기 제 2 관통홈(TH2)들 옆에 나란히 배치된다. 상기 제 3 관통홈(TH3)들은 상기 제 1 방향으로 연장되는 형상을 가질 수 있다.
상기 제 3 관통홈(TH3)들은 상기 전면 전극층(500)을 관통한다. 더 자세하게, 상기 제 3 관통홈(TH3)들은 상기 광 흡수층(300), 상기 버퍼층(400)을 일부 또는 전부 관통할 수 있다.
상기 제 3 관통홈(TH3)들에 의해서, 상기 전면 전극층(500)은 다수 개의 전면 전극들로 구분된다. 즉, 상기 전면 전극들은 상기 제 3 관통홈(TH3)들에 의해서 정의된다.
상기 전면 전극들은 상기 후면 전극들과 대응되는 형상을 가진다. 즉, 상기 전면 전극들은 스트라이프 형태로 배치된다. 이와는 다르게, 상기 전면 전극들은 매트릭스 형태로 배치될 수 있다.
또한, 상기 제 3 관통홈(TH3)들에 의해서, 다수 개의 태양전지들(C1, C2...)이 정의된다. 더 자세하게, 상기 제 2 관통홈(TH2)들 및 상기 제 3 관통홈(TH3)들에 의해서, 상기 태양전지들(C1, C2...)이 정의된다. 즉, 상기 제 2 관통홈(TH2)들 및 상기 제 3 관통홈(TH3)들에 의해서, 실시예에 따른 태양광 발전장치는 상기 태양전지들(C1, C2...)로 구분된다. 또한, 상기 태양전지들(C1, C2...)은 상기 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향으로 서로 연결된다. 즉, 상기 태양전지들(C1, C2...)을 통하여 상기 제 2 방향으로 전류가 흐를 수 있다.
즉, 상기 태양전지 패널(10)은 상기 지지 기판(100) 및 상기 태양전지들(C1, C2...)을 포함한다. 상기 태양전지들(C1, C2...)은 상기 지지 기판(100) 상에 배치되고, 서로 이격된다. 또한, 상기 태양전지들(C1, C2...)은 접속부들에 의해서 서로 직렬로 연결된다.
상기 접속부들은 상기 제 2 관통홈(TH2)들 내측에 배치된다. 상기 접속부들은 상기 전면 전극층(500)으로부터 하방으로 연장되며, 상기 후면 전극층(200)에 접속된다. 예를 들어, 상기 접속부들은 상기 제 1 셀(C1)의 전면전극으로부터 연장되어, 상기 제 2 셀(C2)의 후면전극에 접속된다.
따라서, 상기 접속부들은 서로 인접하는 태양전지들을 연결한다. 더 자세하게, 상기 접속부들은 서로 인접하는 태양전지들에 각각 포함된 전면 전극과 후면 전극을 연결한다.
상기 접속부들은 상기 전면 전극층(500)과 일체로 형성된다. 즉, 상기 접속부들로 사용되는 물질은 상기 전면 전극층(500)으로 사용되는 물질과 동일하다.
이하, 도 3 내지 도 10을 참조하여, 실시예에 따른 태양전지 제조 방법을 설명한다. 도 3 내지 도 10은 실시예에 따른 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
먼저, 도 3을 참조하면, 지지 기판(100) 상에 후면 전극층(200)이 형성된다. 상기 후면 전극층(200)은 PVD(Physical Vapor Deposition) 또는 도금의 방법으로 형성될 수 있다.
이어서, 도 4를 참조하면, 상기 후면 전극층(200)은 패터닝되어 제 1 관통홈들(TH1)이 형성된다. 이에 따라서, 상기 지지 기판(100) 상에 다수 개의 후면전극들이 형성된다. 상기 후면 전극층(200)은 레이저에 의해서 패터닝된다.
상기 제 1 관통홈들(TH1)은 상기 지지 기판(100)의 상면을 노출하며, 약 80㎛ 내지 약 200㎛의 폭을 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 지지 기판(100) 및 상기 후면 전극층(200) 사이에 확산방지막 등과 같은 추가적인 층이 개재될 수 있고, 이때, 상기 제 1 관통홈들(TH1)은 상기 추가적인 층의 상면을 노출하게 된다.
이어서, 도 5를 참조하면, 상기 후면전극층(200) 상에 광 흡수층(300)이 형성된다. 상기 광 흡수층(300)은 스퍼터링 공정 또는 증발법 등에 의해서 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 광 흡수층(300)을 형성하기 위해서 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발시키면서 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(300)을 형성하는 방법과 금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션(Selenization) 공정에 의해 형성시키는 방법이 폭넓게 사용되고 있다.
금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션 하는 것을 세분화하면, 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정에 의해서, 상기 후면전극(200) 상에 금속 프리커서 막이 형성된다.
이후, 상기 금속 프리커서 막은 셀레이제이션(selenization) 공정에 의해서, 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(300)이 형성된다.
이와는 다르게, 상기 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 상기 셀레니제이션 공정은 동시에 진행될 수 있다.
이와는 다르게, 구리 타겟 및 인듐 타겟 만을 사용하거나, 구리 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 셀레니제이션 공정에 의해서, CIS계 또는 CIG계 광 흡수층(300)이 형성될 수 있다.
이후, 도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 광 흡수층(300) 상에 버퍼층(400)이 형성된다. 상기 버퍼층(400)을 형성하는 단계는, 상기 광 흡수층 상에 제 1 버퍼층을 형성하는 단계; 및 상기 제 1 버퍼층 상에 제 2 버퍼층을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 버퍼층(400) 즉, 상기 제 1 버퍼층(410) 및 상기 제 2 버퍼층(420)을 형성하는 단계는 화학적 용액성장법(Chemical Bath Deposition)의 방법으로 형성될 수 있다.
상기 화학적 용액성장법은 원하는 증착 물질을 포함하는 수용액(solution) 내에 기판 등을 침지하여 상기 기판 내에 열 및 압력을 이용하여 기판 상에 증착 물질을 증착하는 박막 증착법 중의 하나이다.
실시예에 따른 태양전지 제조 방법은, 상기 화학적 용액성장법을 사용하며, 상기 수용액의 농도를 조절하여 상기 제 1 버퍼층(410) 및 상기 제 2 버퍼층(420)을 순차적으로 증착할 수 있다. 자세하게, 상기 수용액에 포함되는 암모니아수(NH4OH)의 농도를 조절하여 상기 제 1 버퍼층(410) 및 상기 제 2 버퍼층(420)을 증착할 수 있다.
상기 광 흡수층(300) 상에 상기 버퍼층(400)을 형성하기 위해, 상기 후면 전극층(200) 및 상기 광 흡수층(300)이 배치된 상기 지지 기판(100)을 상기 버퍼층 증착 물질이 용해된 수용액 상에 침지할 수 있다.
상기 용액은 pH 9 이상의 알칼리 수용액일 수 있다. 상기 수용액은 다양한 버퍼층 증착 물질을 포함할 수 있다.
자세하게, 아연의 공급원으로 각각 수용액 상태의 아연 솔트(Zn salt)를 포함할 수 있다. 상기 아연 솔트로는 황산 아연(zinc sulfuric acid, ZnSO4), 염화아연(Zinc Chloride, ZnCl2), 아연 아세트산(Zinc acetate, Zn(CH3COO)2), 질산 아연(Zinc nitrate, Zn(NO3)) 를 포함할 수 있다. 황의 공급원으로는 티오요소(thiourea, CH4N2S)를 포함할 수 있다. 또한, 착화합물(complex) 및 pH 조절제로는 수용액 상태의 수산화암모늄(NH4OH) 즉, 암모니아수를 포함한다.
상기 암모니아수는 상기 지지 기판(100) 즉, 상기 지지 기판(100) 상에 배치되는 상기 광 흡수층(300)에 증착되는 버퍼층(300) 상에 황화 아연 증착을 활성화 하는 역할을 한다. 즉, 상기 암모니아수의 농도에 의해 상기 광 흡수층 상에 증착되는 버퍼층(400) 내에 포함되는 황화 아연의 비율울 조절할 수 있다.
상기 제 1 버퍼층(410)을 형성하는 단계에서는, 아연과 황의 공급원으로 각각 수용액 상태의 황산 아연, 티오요소를 사용하고, 착화합물(complex) 및 pH 조절제로는 암모니아수를 사용한다. 이때, 상기 암모니아수의 농도는 1M 내지 4M 일 수 있다.
또한 반응 용액 내에 아연 이온의 생성을 촉진시키기 위해 적정량의 히드라진 하이드레이트(hydrozinehydrate)용액을 첨가할 수 있다. 즉, 황화아연(ZnS) 박막의 성장을 위하여 적정량의 탈 이온수가 들어있는 반응용기에 황산아연, 암모니아, 히드라진 하이드레이트 및 티오요소 순서로 수용액 상태의 시약을 첨가시킨다. 이때, 반응용기 내에 설치된 가열기를 이용하여 광 흡수층(300)이 형성된 지지 기판(100)의 온도를 약 50℃ 내지 약 90℃로 조절할 수 있다.
상기 제 1 버퍼층(410)을 형성하는 공정에 의해, 상기 제 1 버퍼층(410)에는 황화 아연, 산화 아연 및 수산화 아연을 포함할 수 있다. 특히, 상기 제 1 버퍼층(410)에는 황화 아연의 비율이 높을 수 있으며, 상기 제 1 버퍼층(410) 및 상기 제 2 버퍼층(420)의 계면에는 상기 황화 아연, 산화 아연 및 수산화 아연이 혼재할 수 있다.
또한, 상기 제 1 버퍼층(410) 상에 상기 제 2 버퍼층(420)을 형성하는 단계에서는, 암모니아수의 농도만을 달리하여 상기 제 1 버퍼층(410)을 형성하는 방법과 동일하게 진행한다. 즉, 상기 제 2 버퍼층(420)을 형성하는 단계에서는 상기 암모니아수의 농도가 5M 내지 7M 일 수 있다. 상기 제 2 버퍼층에서는 상기 암모니아수가 과다하게 첨가되어 수산화아연(ZnOH2)의 비율이 높을 수 있다. 상기 수산화아연은 밴드갭에 영향을 주어 효율을 저하시키기 때문에 100℃ 내지 300℃의 온도에서 열처리를 통해 상기 수산화아연(ZnOH2)을 산화 아연으로 이온화할 수 있다.
상기 제 1 버퍼층(410)을 형성하는 단계와 상기 제 2 버퍼층(420)을 형성하는 단계에 있어서, 상기 암모니아수의 농도 차이는 3M 내지 6M 일 수 있다.
상기 제 2 버퍼층(420)을 형성하는 공정에 의해, 상기 제 2 버퍼층(420)에는 황화 아연, 산화 아연 및 수산화 아연을 포함할 수 있다. 특히, 상기 제 2 버퍼층(420)에는 산화 아연의 비율이 높을 수 있으며, 상기 제 1 버퍼층(410) 및 상기 제 2 버퍼층(420)의 계면에는 상기 황화 아연, 산화 아연 및 수산화 아연이 혼재할 수 있다.
상기 제 1 버퍼층(410)을 형성하는 공정에 의해 상기 제 1 버퍼층(410)과 상기 제 2 버퍼층(420)은 황화 아연, 산화 아연 및 수산화 아연을 포함할 수 있다, 특히, 상기 제 1 버퍼층(410)에서 상기 제 2 버퍼층(420)으로 갈수록 상기 황화 아연의 비율이 감소할 수 있다. 또한, 상기 제 1 버퍼층(410)에서 상기 제 2 버퍼층(420)으로 갈수록 상기 산화 아연의 비율이 증가할 수 있다.
상기 제 1 버퍼층(410)을 형성하는 공정과 상기 제 2 버퍼층(420)을 형성하는 공정은 연속적으로 진행될 수 있다. 즉, 상기 제 1 버퍼층(410)을 증착하는 공정과 동시에 상기 수용액의 암모니아수의 농도를 조절하여 상기 제 2 버퍼층(420)을 증착할 수 있다.
상기 버퍼층(400)은 30㎚ 내지 100㎚ 두께로 제조될 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 버퍼층(410) 또는 상기 제 2 버퍼층(420)의 두께는 각각 50㎚ 이하일 수 있다. 바람직하게는, 상기 제 1 버퍼층(410) 또는 상기 제 2 버퍼층(420)은 15㎚ 내지 50㎚의 두께로 제조될 수 있다.
실시예에 따른 태양전지 제조 방법에 따르면 한번의 공정에 의해 복수의 버퍼층을 형성할 수 있다. 즉, 증착 공정에서 수용액에 포함되는 암모니아수의 농도를 조절하여 황화 아연을 포함하는 제 1 버퍼층과 산화 아연을 포함하는 제 2 버퍼층을 형성할 수 있다.
종래에는 상기 황화 아연을 포함하는 버퍼층의 경우, 고저항으로 인한 두께 제한으로 인해, 상기 버퍼층 증착 후 후 공정시에 상기 버퍼층 및/또는 상기 광 흡수층에 데미지를 줄 수 있는 문제가 있었다.
그러나, 실시예에 따른 태양전지 제조 방법에 따르면, 증착 공정시 버퍼 용액의 농도를 조절하는 것에 의해 상기 제 1 버퍼층을 증착하는 동시에, 상기 제 1 버퍼층 상에 산화 아연을 포함하는 제 2 버퍼층을 증착할 수 있다.
이에 따라서, 상기 황화 아연을 포함하는 상기 제 1 버퍼층의 두께를 얇게 하여도, 상기 제 1 버퍼층 상에 이를 보완하는 상기 제 2 버퍼층이 형성되므로, 버퍼층 공정 이후의 후 공정에서 발생할 수 있는 버퍼층 및/또는 광 흡수층의 데미지를 감소시킬 수 있어 전체적으로 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 한 번의 공정으로 동시에 2층 이상의 버퍼층을 형성할 수 있으므로, 공정 비용을 절감할 수 있으며, 공정 효율을 향상시킬 수 있다.
이어서, 도 8을 참조하면, 상기 광 흡수층(300) 및 상기 버퍼층(400)의 일부가 제거되어 제 2 관통홈(TH2)들이 형성된다.
상기 제 2 관통홈(TH2)들은 팁 등의 기계적인 장치 또는 레이저 장치 등에 의해서 형성될 수 있다.
예를 들어, 약 40㎛ 내지 약 180㎛의 폭을 가지는 팁에 의해서, 상기 광 흡수층(300) 및 상기 버퍼층(400)은 패터닝될 수 있다. 또한, 상기 제 2 관통홈들(TH2)은 약 200 내지 600㎚의 파장을 가지는 레이저에 의해서 형성될 수 있다.
이때, 상기 제 2 관통홈들(TH2)의 폭은 약 100㎛ 내지 약 200㎛ 일 수 있다. 또한, 상기 제 2 관통홈들(TH2)은 상기 후면전극층(200)의 상면의 일부를 노출하도록 형성된다.
이어서, 도 9를 참조하면, 상기 버퍼층(400) 상에 전면 전극층이 형성될 수 있다. 일례로, 상기 전면 전극층(800)은 RF 스퍼터링 방법으로 ZnO 타겟을 사용하여 증착하는 방법과 Zn 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링, 또는 유기금속화학증착법 등으로 형성될 수 있다.
이어서, 도 10을 참조하면, 상기 광 흡수층(300), 상기 버퍼층(400) 및 상기 전면 전극층(500)의 일부가 제거되어 제 3 관통홈(TH3)들이 형성된다. 이에 따라서, 상기 전면 전극층(500)은 패터닝되어, 다수 개의 전면전극들 및 제 1 셀(C1), 제 2 셀(C2) 및 제 3 셀들(C3)이 정의된다. 상기 제 3 관통홈(TH3)들의 폭은 약 80㎛ 내지 약 200㎛ 일 수 있다.
상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
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  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 기판 상에 후면 전극층을 형성하는 단계;
    상기 후면 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계;
    상기 광 흡수층 상에 제 1 버퍼층을 형성하는 단계; 및
    상기 제 1 버퍼층 상에 제 2 버퍼층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 제 1 버퍼층 및 상기 제 2 버퍼층은 알칼리 수용액을 이용한 화학적 용액성장법(Chemical Bath Deposition)의 방법으로 형성되고,
    상기 알칼리 수용액은 아연 솔트(Zn salt), 착화제 및 티오요소(thiourea, CH4N2S)를 포함하고,
    상기 착화제는 수산화암모늄(NH4OH)을 포함하고,
    상기 제 1 버퍼층을 형성하는 공정과 상기 제 2 버퍼층을 형성하는 공정은 한번의 공정에서 연속적으로 진행되고,
    상기 제 1 버퍼층을 형성하는 공정과 동시에 상기 수산화암모늄의 농도를 조절하여 상기 제 2 버퍼층이 형성되고,
    상기 제 1 버퍼층을 형성하는 단계에서는 상기 수산화암모늄의 농도는 1M 내지 4M이고,
    상기 제 2 버퍼층을 형성하는 단계에서는 상기 수산화암모늄의 농도가 5M 내지 7M이고,
    상기 제 1 버퍼층을 형성하는 단계와 상기 제 2 버퍼층을 형성하는 단계에 있어서, 상기 수산화암모늄의 농도 차이는 3M 내지 6M이고,
    상기 제 1 버퍼층은 황화아연(ZnS), 산화 아연(ZnO) 및 수산화 아연(Zn(OH)2)을 포함하고,
    상기 제 1 버퍼층은 상기 황화아연(ZnS), 상기 산화 아연(ZnO) 및 상기 수산화 아연(Zn(OH)2) 중 상기 황화아연(ZnS)을 가장 많이 포함하고,
    상기 제 2 버퍼층은 황화아연(ZnS), 산화 아연(ZnO) 및 수산화 아연(Zn(OH)2)을 포함하고,
    상기 제 2 버퍼층은 상기 황화아연(ZnS), 상기 산화 아연(ZnO) 및 상기 수산화 아연(Zn(OH)2) 중 상기 산화 아연(ZnO)을 가장 많이 포함하고,
    상기 제 1 버퍼층에서 상기 제 2 버퍼층으로 갈수록 상기 황화 아연의 비율이 감소하고,
    상기 제 1 버퍼층에서 상기 제 2 버퍼층으로 갈수록 상기 산화 아연의 비율이 증가하고,
    상기 제 2 버퍼층을 형성하는 단계는 100℃ 내지 300℃의 온도에서 수산화아연을 산화아연으로 이온화하는 열처리 단계를 포함하는 태양전지 제조방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 후면 전극층과 상기 광 흡수층의 계면으로부터 상기 광 흡수층과 상기 버퍼층의 계면으로 갈수록 황의 농도가 감소하는 태양전지 제조 방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1 버퍼층 또는 상기 제 2 버퍼층의 두께는 50㎚ 이하인 태양전지 제조 방법.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 버퍼층의 두께는 30㎚ 내지 100㎚ 인 태양전지 제조 방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
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