KR101951019B1 - Cigs 박막 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판, 배면전극, CIGS 광흡수층, 버퍼층 및 투명전극을 구비하는 CIGS 박막 태양전지로서, 상기 투명전극은 Nd가 도핑된 ZnO 박막 및 Al이 도핑된 ZnO 박막이 순차적으로 적층된 것인, CIGS 박막 태양전지이 제공된다. 상기 마그네슘 모합금을 제조하는 방법은 순수 마그네슘 용탕 또는 마그네슘 합금 용탕을 제조하는 단계; 상기 용탕에 이산화티탄(TiO2)을 투입하는 단계; 및 상기 이산화티탄(TiO2)이 투입된 용탕을 주조하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

CIGS 박막 태양전지 및 이의 제조방법{CIGS thin film solar cell and method of manufacturing the same}
본 발명은 태양전지 및 이의 제조방법에 대한 것으로서, 더 상세하게는 CIGS 박막 태양전지 및 이의 제조방법에 대한 것이다.
지난 십수년간, Chalcopyrite계 CIGS(Cu,(In,Ga)Se2)기반 박막 태양 전지의 광전변환효율이 지속적으로 향상되었다. 2016년 ZSW에서 실험실 규모의 셀에서 광전변환효율이 약 22.6%로 공개되었다. 종래의 CIGS 박막 태양전지의 셀 구조는 기판 / Mo / CIGS 광흡수층 / CdS / i-ZnO / ZnO:Al / 그리드 전극으로 구성되어 있다. i-ZnO는 도핑되지 않은 고유한 ZnO를 나타내고, 각 층 및 인터페이스에 대한 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다.
최근에, 투명 전도성 산화물층(예 : CIGS 박막 태양전지의 i-ZnO/ZnO:Al) 내에서의 하향 변환 및 상향 변환과 같은 광자 변환은 광전변환효율을 더욱 향상시키는데 가능한 경로 중 하나로 간주 되고 있다. 부분적으로 채워진 4f 전자 오비탈(orbital)을 갖는 희토류 원소는 고유의 광학 특성으로 인해 주로 광자 변환기로 연구된다. 희토류 원소의 광학 특성은 호스트(또는 매트릭스)의 물질 특성 및 증착 과정에 의해 강하게 영향을 받는 것으로 알려져 있다.
현재, 다양한 Nd, Tm, Eu, Pr, Er, Yb 및 Dy를 포함하는 다양한 희토류 원소의 호스트로서, 분말, 나노 결정 및 박막과 같은 ZnO의 형태가 사용되어 왔으나, 아직까지 이에 대한 광전변환효율의 개선 효과 및 영향성은 확인되지 않았다.
(선행문헌 1) 특허등록번호 제10-0992483호
본 발명은 상기와 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로서, Nd가 도핑된 ZnO 박막을 포함하는 CIGS 박막 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로서, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, CIGS 박막 태양전지가 제공된다. 상기 CIGS 박막 태양전지는 기판, 배면전극, CIGS 광흡수층, 버퍼층 및 투명전극을 구비하는 CIGS 박막 태양전지로서, 상기 투명전극은 Nd가 도핑된 ZnO 박막 및 Al이 도핑된 ZnO 박막이 순차적으로 적층된 것일 수 있다.
상기 CIGS 박막 태양전지에 있어서, 상기 Nd가 도핑된 ZnO 박막의 두께는 80㎚ 내지 120㎚ 범위를 가질 수 있다.
상기 CIGS 박막 태양전지에 있어서, 상기 CIGS 광흡수층은 구리(Cu), 인듐(In), 및 갈륨(Ga)을 포함하는 예비 광흡수층 상에 셀렌화(selenization) 및 황화(sulfurization)를 수행함으로써 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, CIGS 박막 태양전지의 제조방법이 제공된다. 상기 CIGS 박막 태양전지의 제조방법은, 배면전극이 구비된 기판 상에 CIGS 광흡수층을 형성하는 단계; 상기 CIGS 광흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 및 상기 버퍼층 상에 RF 마그네트론 스퍼터링(radio frequency magnetron sputtering) 방법을 이용하여 투명전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 투명전극을 형성하는 단계는 Nd가 도핑된 ZnO 박막 및 Al이 도핑된 ZnO 박막을 순차적으로 적층하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 CIGS 박막 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 CIGS 광흡수층은 구리(Cu), 인듐(In), 및 갈륨(Ga)을 포함하는 예비 광흡수층 상에 셀렌화(selenization) 및 황화(sulfurization)를 수행함으로써 형성될 수 있다.
상기 CIGS 박막 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 Nd가 도핑된 ZnO 박막은 상기 RF 마그네트론 스퍼터링 증착시, 25℃ 내지 300℃의 온도 범위로 상기 기판의 온도를 제어하면서 증착될 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 실시예에 따르면, 구조가 간단하며, 제조공정이 단순하고, 자외선 파장 대역에서의 광 흡수율을 개선함으로써 광전변환효율을 향상시킬 수 있는 CIGS 박막 태양전지 및 이의 제조방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS 박막 태양전지의 제조방법으로 구현한 CIGS 박막 태양전지를 개략적으로 도해하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실험예에 따른 CIGS 광흡수층의 as dep. 상태에서의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실험예에 따른 CIGS 광흡수층의 표면을 SEM 분석 결과를 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 ZnO 박막의 광투과도를 UV spectroscope로 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실험예에 따른 CIGS 박막 태양전지 샘플의 결정을 GI-XRD로 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
이하에서, 본 발명의 박막 태양전지는 CIGS 광흡수층을 구비하는 박막 태양전지로 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS 박막 태양전지의 제조방법으로 구현한 CIGS 박막 태양전지를 개략적으로 도해하는 단면도이다.
도 1을 참조하면, CIGS 박막 태양전지(1)의 구조는 일반적으로 유리를 기판(10)으로 하며, 배면전극(20), CIGS 광흡수층(30), 버퍼층(40), 투명전극(50), 반사방지막(60)의 5개의 단위 박막을 순차적으로 형성시키고, 그 위에 그리드 전극(70)을 형성시켜 제조된다.
기판(10)은 예를 들어, 값이 싼 소다라임글라스(sodalime glass)를 사용할 수 있으나, 이 밖에도 알루미나(Al2O3)와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸, 구리 테이프(Cu tape)와 같은 금속 기판 및 폴리머 등도 사용할 수 있다.
배면전극(20)은 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni) 또는 구리(Cu) 등으로 형성될 수 있다. 또한, 배면전극(20)은 단일층으로 형성될 수 있으나, 몰리브덴 사이에 확산방지층으로 몰리나이트라이드(MoN)를 개재하여 셀렌화(selenization) 공정 이후에, 몰리브덴층, 상기 몰리브덴층 상의 몰리나이트라이드층 및 상기 몰리나이트라이드층 상의 몰리셀레나이드층을 포함하는 다층으로 형성될 수도 있다.
CIGS 광흡수층(30)은 구리(Cu), 인듐(In) 및 갈륨(Ga)을 포함하는 예비 광흡수층(미도시) 상에 셀레늄화수소(H2Se) 분위기에서 셀렌화(selenization)를 수행하고, 황화수소(H2S) 분위기에서 황화(sulfurization)를 수행함으로써, CIGS 광흡수층(30)으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 예비 광흡수층은 배면전극(20)의 상부에 형성될 수 있다. 구리(Cu), 인듐(In) 및 갈륨(Ga)을 순차적으로 스퍼터링 방식, 증발법 또는 화학적인 방법 중 하나를 이용해 예비 광흡수층을 증착한 후 셀레늄 분위기에서 예를 들면, 약 450℃ 이상의 고온에서 셀렌화 또는 셀렌화/황화 반응을 통해 CIGS 광흡수층(30)을 제조할 수 있다. 이 경우, 광흡수층(30)의 상부층, 즉, 버퍼층(40)과 접합하는 CIGS 광흡수층(30)의 표면부는 황(S) 성분이 갈륨(Ga) 성분보다 더 많을 수 있다.
또한, 상기 예비 광흡수층은 구리(Cu), 아연(Zn) 및 주석(Sn)을 포함하는 예비 광흡수층 상에 셀레늄화수소(H2Se) 분위기에서 셀렌화(selenization)를 수행하고, 황화수소(H2S) 분위기에서 황화(sulfurization)를 수행함으로써, CIGS 광흡수층(30)으로 형성될 수도 있다. 고온 셀렌화는 예를 들어, 셀레늄의 증기가 약 450℃ 이상의 고온에서 배면전극(20) 상에 형성된 예비 광흡수층과 반응함으로써 CIGS 광흡수층(30)이 형성되도록 반응하는 공정이다.
한편, CIGS 광흡수층(30)을 형성한 이후에 버퍼층(40)은 CIGS 광흡수층(30)의 상부에 형성될 수 있다. 황화카드뮴(CdS)을 CBD(chemical bath deposition, 이하 CBD) 방법을 사용하여 제조할 수 있다. 이때 황화카드뮴 박막에 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al) 등을 도핑하여 사용할 수 있다. 또, 상기 황화카드뮴 이외에 황화아연(ZnS)을 사용할 수도 있다.
버퍼층(40)의 역할은 크게 두 가지이다. 첫째, CIGS 광흡수층(30)과 버퍼층(40)이 접합하는 접합의 전기적 성질에 영향을 주며 접합을 화학반응이나 기계적 손상으로부터 보호한다. 특히, 황화카드뮴(CdS) 버퍼층(40)은 소자의 밴드구조를 최적화할 수 있다. 그 이유는 충분히 넓은 공핍층을 형성하여 터널링을 최소화하고 접합포텐샬을 증가시켜 높은 개방전압에 이르게 할 수 있다.
둘째, 후공정인 산화물 증착에 의해 접합계면이 손상되는 것을 방지하는 역할을 한다. 특히 대면적 소자에서 CIGS 광흡수층(30)의 전기적 품질은 전체 면적에서 동일할 수 없고, 결정립계에서의 재결합 촉진이나 부분적인 션트가 발생할 수 있다. 이를 자연적으로 전기적 손실을 억제할 수 있도록 도움을 줄 수 있다.
또한, 버퍼층(40)은 CIGS 광흡수층(30)과 접합을 형성할 때, 상이한 전자친화도(Electron Affinity)로 인해, 전도띠 오프셋(Conduction Band Offset, 이하 CBO)을 형성한다. CIGS 광흡수층(30)보다 버퍼층(40)의 전자친화도가 통상적으로 더 작다. 일반적인 CBO 값은 약 0 내지 0.6eV 정도로서, CIGS 광흡수층(30)에서 버퍼층(40)으로의 전자이동에 대한 장벽처럼 작용한다. CBO 값이 약 0 내지 0.3eV일 경우, 광전변환효율은 증가하면, 상기와 같은 값을 갖도록 버퍼층(40)과 CIGS 광흡수층(30)의 표면 성질을 제어하려고 한다.
한편, CBO 값이 약 0.3eV 내지 0.6eV이거나, 버퍼층(40)의 두께가 CIGS 광흡수층(30)의 표면결함을 억제할 수 있도록 형성된 두께보다 더 두꺼워질 경우, 버퍼층(40) 자체가 광생성 전자의 이동을 방해하는 장벽 역할을 하게 되어 광전변환효율이 낮아지는데, 이 때, 장벽 크기인 CBO 혹은 버퍼층(40)의 두께는 광생성 전자가 장벽을 넘기 위한 활성화에너지에 비례하는 양으로서 작용한다. CIGS 박막 태양전지(1)의 작동온도를 증가시킬 경우, 활성화에너지를 극복하는 광생성 전자의 수가 증가하여 광전변환효율은 높아지게 되므로, 온도계수가 낮거나 또는 양(+)의 값을 가진 CIGS 박막 태양전지(1)의 제조가 가능해진다.
즉, CIGS 광흡수층(30)과 버퍼층(40)의 접합 계면의 CBO 또는 버퍼층(40)의 두께를 제어함으로써, 형성된 광전변환소자의 온도계수가 상기 전도띠 오프셋 또는 버퍼층(40)의 두께를 제어하지 않은 상기 광전변환소자의 온도계수보다 더 낮거나 양의 값을 갖게 됨으로써, 상기 광전변환소자의 동작온도가 증가할수록 상기 광전변환소자의 광전변환효율이 향상될 수 있다. 또, 전도띠 오프셋 값이 증가됨에 따라 상기 광전변환효율이 향상될 수 있다.
또한, 광전변환소자는 롤-오버(roll-over) 특성을 가질 수 있다. 상기 롤-오버는, 전류-전압 곡선 중 소정의 구간에서 상기 전압의 증가폭과 상기 전류의 증가폭의 비가 점점 감소되는 현상이다. 여기서, 상기 소정의 구간은 개방전압보다 높은 구간을 뜻하며, 버퍼층(40)의 두께가 소정의 두께이상으로 더 두꺼워질수록 광전변환효율이 더 향상될 수 있다. 상기 소정의 두께는 상기 CIGS 광흡수층(30)의 표면결함을 억제할 수 있도록 형성된 상기 버퍼층(40)의 두께일 수 있다.
버퍼층(40)을 형성한 이후에 버퍼층 상에 투명전극(50)을 형성할 수 있다. 투명전극(50)은 RF 마그네트론 스퍼터링(radio frequency magnetron sputtering) 방법을 이용하여 버퍼층(40) 상에 형성할 수 있다. 투명전극(50)은 예를 들어, Al이 도핑된 ZnO 박막(이하, ZnO:Al 박막)을 사용할 수 있다. 투명전극(50)은 상술한 박막을 단일막으로 사용할 수도 있으나, 종래에는 버퍼층(40)과의 접합력 및 밴드갭 차를 고려하여 i-ZnO 박막을 버퍼층(40)과 ZnO:Al 박막 사이에 개재하였다. 투명전극(50)은 RF 마그네트론 스퍼터링을 주로 사용하나, 경우에 따라, DC, 반응성 스퍼터링 및 유기금속화학증착법 등을 이용할 수도 있다.
여기에서, 상기 i-ZnO 박막 및 ZnO:Al 박막이 순차적으로 적층된 구조를 갖는 셀의 경우, 하향 변환 및 상향 변환과 같은 광자 변환이 발생하는 층으로서, 상기 광자 변환은 광전변환효율을 향상시키는 요소가 될 수 있다. 광전변환효율을 향상시키기 위해서, 본 발명에서는 Nd가 도핑된 ZnO 박막(이하, ZnO:Nd 박막) 및 ZnO:Al 박막을 순차적으로 적층시킨 투명전극(50)을 사용한다. 이하에서 첨부한 도면 및 실험예를 참조하여 ZnO:Nd 박막을 형성함으로써 광전변환효율이 개선되는 원리에 대해 상세하게 후술한다.
예컨대, ZnO:Nd 박막은 80㎚ 내지 120㎚ 범위의 두께를 가질 수 있으며, 버퍼층(40) 상에 RF 마그네트론 스퍼터링(radio frequency magnetron sputtering) 방법을 이용하여 형성할 수 있다. 여기서, ZnO:Nd 박막은 RF 마그네트론 스퍼터링 증착시 25℃ 내지 300℃의 온도 범위로 기판(10)의 온도를 제어하면서 증착할 수 있다. 특히, 기판(10)의 온도는 매우 중요한 변수로서, ZnO 박막에 도핑되는 Nd3+의 효과적인 방출을 위해서 적절한 온도 범위로 조절되어야 한다.
예컨대, Nd는 스퍼터링시 Ar/O2 분위기에서 Zn 타겟(target) 및 소정의 Nd 피스(pieces)를 챔버 내에 배치하여 ZnO 박막에 도핑시키되, Nd 피스의 양을 조절함으로써 Nd의 도핑농도를 제어한다.
이후에, 투명전극(50)의 상부에 반사방지막(60)이 형성될 수 있다. 예를 들면, 반사방지막(60)은 플루오르화마그네슘(MgF2)을 포함할 수 있다. 상기 플루오르화마그네슘은 물리적인 박막 제조법으로, 전자빔증발법을 사용할 수 있다.
또한, 투명전극(50) 또는 반사방지막(60) 상에 전자빔증발법을 이용함으로써, 그리드 전극(70)을 형성할 수 있다. 그리드 전극(70)은 Ag, Ni/Ag, Al 및 Ni/Al 재질이 일반적으로 사용될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 CIGS 박막 태양전지의 제조방법에 의해 구현된 CIGS 박막 태양전지 샘플의 광전변환효율이 효율적으로 개선된 것을 파악하기 위한 실험예들을 설명한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 실시예들이 아래의 실험예들만으로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실험예로서, 약 400㎚ 두께의 Mo가 코팅된 유리기판 상에 CuGa/In 예비 광흡수층을 스퍼터링 방법으로 증착하고, 이후에 셀렌화 및 황화를 수행하여 약 2㎛ 두께의 CIGS 광흡수층을 형성하였다. 이후에 CBD(Chemical Bath Deposition) 방법을 이용하여 약 50㎚ 내지 100㎚ 두께의 CdS 버퍼층을 CIGS 광흡수층 상에 형성하였다. 여기서, 상기 CdS 버퍼층을 형성하는 공정은 이미 공지된 기술로서, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이후에 RF 마그네트론 스퍼터링 방법을 이용하여 유리기판의 온도 약 25℃에서, 상기 CdS 버퍼층 상에 ZnO:Nd 박막 및 ZnO:Al 박막을 순차적으로 증착한 후, Ni:Ag 그리드를 전자빔증발증착 방법을 이용하여 형성하여 CIGS 박막 태양전지 샘플을 제조하였다. 이후 제조된 실험예 샘플에 대해서, XRD, SEM, ICP-AES, Solar Simulator 등의 장비를 이용하여 태양전지의 고유 특성을 분석하였다.
도 2는 본 발명의 실험예에 따른 CIGS 광흡수층의 as dep. 상태에서의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이고, 도 3은 본 발명의 실험예에 따른 CIGS 광흡수층의 표면을 SEM 분석 결과를 나타낸 사진이다.
고온 셀렌화 및 황화에 의한 CIGS 광흡수층 형성 후의 조성을 ICP-AES로 분석한 결과, [Cu]/[Ga]+[In]의 원자비가 0.96, [Ga]/[Ga]+[In]의 원자비가 0.33으로 측정되었으며, 이는 일반적인 CIGS 광흡수층 박막의 원자비 범위에 해당한다.
도 2를 참조하면, X-선 회절 분석 결과에 의하면, 실온에서의 X-선 회절 패턴은 증착된 CIGS 광흡수층이 (112) 면에 적절한 배향(즉, (112)/(220) 면의 강도 비가 2인 단상의 다결정 구조를 갖는다는 것을 확인했다. JCPDS # 00-035-1102의 CIGS 파우더와 비교함)을 갖는 것을 확인하였다. 일반적으로 셀렌화 및 황화를 이용한 CIGS 광흡수층은 랜덤(random) 또는 (112) 면에 배향되며, 동시증발진공증착 방법을 이용한 CIGS 광흡수층은 (220) 면에 배향된다고 알려져 있다.
도 3을 참조하면, CIGS 광흡수층의 두께가 약 2㎛ 크기로 형성된 것을 확인할 수 있었으며, Mo 배면전극과 CIGS 광흡수층의 계면 사이에 기공이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 상기 기공은 고온 셀렌화 및 황화에 의한 전형적인 CIGS 박막 태양전지 제조시 발생하는 것으로서, 셀렌화에 의해 Ga이 In으로 치환되면서 Ga 결핍이 발생하기 때문이다. 이후 황화를 통해서 CIGS 광흡수층의 표면 영역 근처에서 Ga의 결핍을 보충하거나 CIGS 광흡수층을 가로지르는 Ga의 균일성을 개선하기 위해 사용되는 것으로 알려져 있다.
바닥 영역에서 CIGS 광흡수층의 결정립 크기는 CIGS 광흡수층의 두께를 통한 조성 불균일로 인해 상부 영역에서의 결정립 크기보다 작다. 또, 상부 영역 보다 하부 영역에서의 [Ga]/[Ga]+[In]의 원자비는 더 크다.
이는 Ga의 원자 크기가 In의 원자 크기보다 작기 때문에, CIGS 광흡수층의 상부 영역에 형성된 In이 풍부한 CIGS(또는 순수한 CIS)의 입자 크기는 하부 영역에 형성된 Ga가 풍부한 CIGS(또는 순수한 CGS)의 입자 크기보다 더 크기 때문이다. 상기 입자 크기는 도 2의 X-선 회절 피크(peak)에 의하면, In이 풍부한 CIGS 광흡수층 및 Ga이 풍부한 CIGS 광흡수층의 상분리는 또한 높은 2θ의 비대칭 회절 피크에 의해 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 ZnO 박막의 광투과도를 UV spectroscope로 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, ZnO:Nd 박막의 전체 투과율은 자외선 파장대역에서 ZnO 박막보다 더 높은 투과율을 보였다. 반면에, 400㎚ 내지 700㎚의 가시광선 파장대역에서, ZnO:Nd 박막의 투과율은 ZnO 박막의 투과율보다 낮은데, 이는 자유 캐리어에 의한 산란으로 인하여 투과율을 약간 감소시킨 것으로 판단된다.
도 5는 본 발명의 실험예에 따른 CIGS 박막 태양전지 샘플의 결정을 GI-XRD로 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실험예 샘플의 GI-XRD 스캔 데이터로서, 입사각 w = 0.5°에서의 CIGS 박막 태양전지의 결정을 분석 하였다. 일반적인 XRD는 ZnO 박막 및 ZnO:Nd 박막의 회절 피크는 강한 CIGS 광흡수층 및 Mo 배면전극의 회절 피크로 인해 검출 될 수 없으나, GI-XRD는 다층 구조의 상부 영역에서 박막(예를 들어, ZnO 박막)을 분석할 수 있다.
한편, 도 5에 의하면, (002) 면 및 (103) 면에서 ZnO 박막의 회절 피크가 확인되었으며, ZnO:Nd 박막의 (002) 면 회절 피크가 ZnO 박막의 (002) 면 회절 피크보다 2θ 값이 약간 더 낮은 곳으로 이동했다. 이는 Nd 도핑에 기인하는 격자 팽창에 의한 것으로 판단된다.
하기 표 1은 본 발명의 실험예에 따른 CIGS 박막 태양전지 샘플의 투명전극의 종류에 따른 전류-전압 특성을 정리한 것이다.
투명전극의 종류 실시예
증착 온도(℃) 25
Jsc(㎃/㎠) 33.47
Voc(V) 0.59
FF(%) 54.22
효율(%) 10.76
표 1을 참조하면, 본 발명의 실시예의 전류-전압 특성은 AM 1.5 조명에서 측정되었으며, 본 발명의 실시예는 양자 효율(QE)가 자외선 파장 대역에서 개선되는 반면, 가시광 및 적외선 파장 대역에서는 감소하였다. 자외선 파장 대역에서의 향상된 양자 효율은 하향 변환 효과와 관련이 있는 것으로 판단된다. 또, 자외선 파장 대역보다 더 긴 파장 대역에서의 감소된 양자 효율은 Nd 도핑으로 인한 투과율 감소로 판단된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 Nd가 도핑된 ZnO 박막을 이용함으로써, 자외선 파장 대역에서의 광 흡수율을 개선하여 광전변환효율을 향상시킬 수 있는 CIGS 박막 태양전지를 제공하는 것이다.
육방정의 ZnO 박막에 Nd가 도핑됨에 따라 격자가 팽창하고, 도핑된 Nd의 하향 변환 효과에 의해서 광전변환효율이 개선되며, ZnO:Nd 증착 온도의 최적화를 통해서 재현성을 확보할 수 있다. 본 발명의 실시예에 의한 CIGS 박막 태양전지는 상온에서 Nd가 도핑된 ZnO 박막을 증착하였음에도 박막의 투명도 개선 효과가 있고, 종래의 i-ZnO 박막을 사용한 태양전지와 유사한 광전변환효율을 보였다.
증착온도를 상승시키거나 최적화를 통하여 훨씬 더 높은 효율향상을 기대할 수 있으나, 증착온도는 350℃ 이하에서 제어되어야 한다. 이는 350℃ 이상에서 CIGS 박막 태양전지 하부의 CIGS/Cd 계면을 손상시킬 수 있기 때문이다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1 : CIGS 박막 태양전지
10 : 기판
20 : 배면전극
30 : 광흡수층
40 : 버퍼층
50 : 전면전극
60 : 반사방지막
70 : 그리드 전극

Claims (6)

  1. 기판, 배면전극, CIGS 광흡수층, 버퍼층 및 투명전극을 구비하는 CIGS 박막 태양전지로서,
    상기 투명전극은 Nd가 도핑된 ZnO 박막 및 Al이 도핑된 ZnO 박막이 순차적으로 적층된 것인,
    CIGS 박막 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 Nd가 도핑된 ZnO 박막의 두께는 80㎚ 내지 120㎚ 범위를 갖는,
    CIGS 박막 태양전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 CIGS 광흡수층은 구리(Cu), 인듐(In), 및 갈륨(Ga)을 포함하는 예비 광흡수층 상에 셀렌화(selenization) 및 황화(sulfurization)를 수행함으로써 형성된,
    CIGS 박막 태양전지.
  4. 배면전극이 구비된 기판 상에 CIGS 광흡수층을 형성하는 단계;
    상기 CIGS 광흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 및
    상기 버퍼층 상에 RF 마그네트론 스퍼터링(radio frequency magnetron sputtering) 방법을 이용하여 투명전극을 형성하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 투명전극을 형성하는 단계는 Nd가 도핑된 ZnO 박막 및 Al이 도핑된 ZnO 박막을 순차적으로 적층하는 단계를 포함하는,
    CIGS 박막 태양전지의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 CIGS 광흡수층은 구리(Cu), 인듐(In), 및 갈륨(Ga)을 포함하는 예비 광흡수층 상에 셀렌화(selenization) 및 황화(sulfurization)를 수행함으로써 형성되는,
    CIGS 박막 태양전지의 제조방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 Nd가 도핑된 ZnO 박막은 상기 RF 마그네트론 스퍼터링 증착시, 25℃ 내지 300℃의 온도 범위로 상기 기판의 온도를 제어하면서 증착되는,
    CIGS 박막 태양전지의 제조방법.
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