KR20080009346A - 태양전지 버퍼층의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지의 p형 광흡수층과 n형 전면 윈도우층 사이에 버퍼층을 형성하는 방법으로서, 버퍼층을 형성할 물질('버퍼층 형성 물질')을 함유하고 있는 페이스트를 광흡수층 상에 도포한 후 열처리하여 버퍼층을 형성하고, 바람직하게는, 상기 버퍼층 상에 스퍼터링에 의한 추가적인 버퍼층을 형성하는 태양전지 버퍼층의 제조방법을 제공한다.
Description
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 태양전지의 단면 모식도이다;
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지의 단면 모식도이다;
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 p형 광흡수층과 버퍼층을 동시에 제조하는 과정에 관한 순서도이다.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
110: 기판(substrate)
120: 후면 전극층(conductive layer on the back side)
130: p형 광흡수층 (p-type light absorption layer)
140: 버퍼층(buffer layer)
150: n형 전면 윈도우층 (n-type window layer on the front side)
본 발명은 CI(G)S계 흡수층을 가지는 태양전지의 제조시 필요한 버퍼층의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양전지의 p형 광흡수층과 n형 전면 윈도우층 사이에 버퍼층을 형성하는 방법으로서, 버퍼층을 형성할 물질('버퍼층 형성 물질')을 함유하고 있는 페이스트를 광흡수층 상에 도포한 후 열처리하여 버퍼층을 형성하고, 바람직하게는 상기 버퍼층 상에 스퍼터링에 의한 추가적인 버퍼층을 형성하는 포함하는 것으로 구성되어 있는 버퍼층 제조방법에 관한 것이다.
최근 환경문제와 에너지 고갈에 대한 관심이 높아지면서, 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없으며 에너지 효율이 높은 대체 에너지로서의 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다.
태양전지는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 전지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양빛(photons)을 전기에너지로 변환시키는 태양광 전지로 나눌 수 있다. 그 중에서도 흡수된 광자에 의해 생성된 전자와 정공을 이용함으로써 광 에너지를 전기에너지로 변환하는 태양광 전지에 대한 연구가 활발히 행해지고 있다.
이러한 태양광 전지(이하에서는 "태양전지"로 약칭함) 중에서 CuIn(Ga)Se2 태양전지(CIGS solar cell)는 pn 이종접합 구조를 기본으로 하며, 일반적으로 몰리브덴(Mo)으로 코팅된 유리기판 위에 p형 반도체인 CI(G)S 층을 증착하고, 그 위에 버퍼층으로서 n형 CdS를 형성하며, 투명전극층인 ZnO를 스퍼터링법으로 증착한 후 금속전극을 형성하여 제조된다.
pn 이종접합 구조에서는, ZnO와 CI(G)S의 이종물질간 접촉 구조로 인해, 빛에 대해 가장 전류가 많이 흐를 수 있는 N+/P 공핍층이 많은 결함을 가지고 있는 부위에 존재하게 된다. 또한, n형 전면 윈도우층인 ZnO층은 일반적으로 PVD(physical vapor deposition) 방식인 스퍼터링 공정에 의해 증착되기 때문에, ZnO층의 이러한 형성 공정으로 인해 스퍼터링 결함이 p형 광흡수층인 CI(G)S층에 직접적으로 나타날 수 있다. 따라서, 상기와 같은 계면에서의 결함과 CI(G)S층에서의 스퍼터링 결함 문제를 해결하기 위하여, 일반적으로는 n형 전면 윈도우층과 p형 광흡수층의 계면에 버퍼층을 형성한다.
버퍼층 역시 스퍼터링에 의해 형성할 경우, CI(G)S층에서의 스퍼터링 결함 문제를 유발할 수 있기 때문에, 버퍼층 형성 물질을 포함하는 용액에 CI(G)S가 증착된 기판을 담금으로써 버퍼층을 형성하는 Chemical Bath Deposition(CBD) 법이 일반적으로 사용되고 있다(미국특허 제 2005/0236032호 참조).
그러나, 상기 CBD법은 공정 중 금속 염 용액의 농도 조절이 용이하지 않고, 증착 속도를 증가시키기 어려울 뿐만 아니라, 환경 오염문제와 CI(G)S층 형성후 후속 공정에 있어서 일련의 스퍼터링 공정에 의한 연속적인 양산 공정에 적용함에 한계가 있는 등 많은 문제점을 가지고 있다.
따라서, 금속 염 용액의 농도 조절 및 증착 속도 조절이 용이하고, 연속적 양산공정에 적합하도록 CIS계 태양전지용 버퍼층을 형성하는 방법에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명의 목적은 버퍼층 형성 물질을 함유하고 있는 페이스트를 광흡수층 상에 도포한 후 열처리하여 버퍼층을 형성함으로써, 버퍼층 형성 물질이 페이스트 형태로 도포(코팅)됨으로써 농도 조절이 용이하고, 증착 속도를 증가시킬 수 있으며, 버퍼층의 하부에 위치하는 CI(G)S층에 대한 손상을 최소화할 있고, 연속적인 양산 공정에 적용할 수 있는 태양전지 버퍼층의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기와 같은 방법으로 제조됨으로써 양산성이 우수한 고효율 태양전지를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양전지 버퍼층의 제조방법은, 태양전지의 p형 광흡수층과 n형 전면 윈도우층 사이에 버퍼층을 형성하는 방법으로서, 버퍼층을 형성할 물질('버퍼층 형성 물질')을 함유하고 있는 페이스트를 광흡수층 상에 도포한 후 열처리하여 버퍼층을 형성하는 과정을 포함하는 것으로 구성되어 있다.
본 발명의 제조방법에 따르면, 페이스트의 도포 및 열처리에 의해 버퍼층을 형성하므로, 버퍼층 형성 물질의 농도 조절이 용이하고, 증착 속도를 증가시킬 수 있으며, 연속 공정에의 적용이 용이하다.
도 1에는 여러 층들로 이루어진 태양전지의 구성을 보여주는 단면도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 태양전지(100)는 기판(110), 후면전극층(120), p형 광흡수층(130), 버퍼층(140) 및 n형 전면 윈도우층(150)이 순차적으로 적층되어 있는 구조로 이루어져 있다.
기판(110)은 유리, 알루미나, 폴리이미드, 도전성 재질인 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈륨, 티타늄, 알루미늄, 니켈, 흑연 등을 사용할 수 있다. 후면전극층(120)은 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈륨, 티타늄, 금 등 통상적인 금속을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 몰리브덴을 사용한다. 이때, 기판(110)으로서 도전성 재질을 사용할 경우에는 후면전극층(120)을 생략하여 하나의 층으로 기재를 구성할 수도 있다.
후면전극층(120) 상에 형성되어 있는 p형 광흡수층(130)은 작은 전자밀도(electron density)와 큰 정공밀도(hole density)를 가지고 있고, p형 반도체인 CuIn(Ga)Se2(이하, "CI(G)S"로 약칭함)를 증착한 CI(G)S계 광흡수층인 것이 바람직하다. CI(G)S계 광흡수층은 진공에서의 증착을 이용하는 방법, 비진공에서 전구체 물질을 도포한 후에 이를 고온 열처리하는 방법, 급속 열처리에 의한 방법 등 공지의 방법으로 제조할 수 있다.
버퍼층(140) 상에 형성되어 있는 n형 전면 윈도우층(150)은 일반적으로 스퍼터링법에 의해 증착되고, p형 광흡수층(130)과 정반대로 큰 전자밀도와 작은 정공 밀도를 가지고 있다. n형 전면 윈도우층(150)은 바람직하게는 ZnO, TiO2, ITO 등으로 형성된다.
CI(G)S 조성의 p형 광흡수층(130)은 수 ㎛의 큰 입자들로 이루어져 있으므로, 결정 입계 부위에서 낮은 션트(shunt) 저항으로 인한 누설 전류(leakage current)의 발생에 의해 태양전지의 변환 효율이 떨어지는 문제점을 방지하기 위하여, 결정 입계 부위에 대해 큰 저항을 가지는 버퍼층(140)을 광흡수층(130)에 형성한다.
버퍼층(140)은 또한 CI(G)S 상에 에피텍시 성장을 통해 형성되어 하부의 CI(G)S층과 에피텍스층을 형성함으로써 n형 전면 윈도우층(150)과 p형 광흡수층(130) 사이의 격자 불일치 현상을 줄이고, 이에 따라 계면에 생기는 결함을 줄이는 역할을 한다.
본 발명은 이러한 버퍼층의 형성을 위해, 앞서 설명한 바와 같이, 버퍼층 형성 물질을 함유하는 페이스트를 p형 광흡수층 상에 도포한 후 열처리하는 방법을 제시한다. 따라서, 본 발명에서는 버퍼층 형성 물질을 함유하고 있는 페이스트를 사용하는 바, 하나의 바람직한 예에서, 상기 페이스트는 버퍼층 형성 물질, 유기 용매, 바인더 및 융제 물질을 포함하는 것으로 구성될 수 있다.
상기 버퍼층 형성 물질은 바람직하게는 ZnS, CdS, ZnMgO, Zn(OH)2, ZnO 및 ZnSe로 이루어진 군에서 하나 또는 둘 이상이 선택될 수 있다. 이러한 버퍼층 형성 물질은 바람직하게는 나노 크기의 입자 형태로 사용될 수 있다.
상기 유기용매는 바람직하게는, 물, 알코올, 글리콜 등이 사용될 수 있고, 상기 바인더로서 바람직하게는 Ethyl Cellulose, Poly Vinyl Alcohol(PVA), Metyl Methacrylate 등을 사용할 수 있다.
상기 융제는 버퍼층을 형성하는 페이스트의 도포 후 열처리 공정에서 완전히 분해될 수 있는 물질로서, 초기 열처리 과정에서 우선적으로 용융되어 버퍼층 형성 입자가 더욱 용이하게 이동할 수 있도록 계면 특성을 향상시키며, 급속 열처리(RTA) 공정시 공정 온도를 낮출 수 있다.
페이스트 중 융제의 함량은 페이스트 전체 중량을 기준으로 5 ~ 10 중량%의 범위이며, 너무 적은 경우에는 첨가에 따른 효과를 기대하기 어렵고, 반대로 너무 많은 경우에는 융제간에 분리(segregation)되는 문제점이 있으므로, 상기와 같은 범위가 바람직하다.
상기 융제의 바람직한 예로는 할로겐 원소를 함유하는 금속 염 또는 유기 염을 들 수 있으며, 상기 할로겐 원소는 바람직하게는 염소(Cl)이다. 이러한 융제의 구체적인 예로는 ZnCl2, NH4Cl 등을 들 수 있다.
상기 페이스트는, 예를 들어, 닥터 블레이드 코팅법, 스프레이 프린팅, 그라비아 프린팅, 잉크 프린팅 등의 공지의 방법을 이용하여 p형 광흡수층 위에 도포할 수 있고, 도포층의 전체 두께는 대략 5 ~ 100 nm인 것이 바람직하다.
그런 다음, 상기 도포층을 열처리하는 바, 이러한 도포층의 열처리는 바람직하게는 급속 열처리(rapid thermal processing: RTP)로 행할 수 있다. 다양한 가 열 방식들 중 급속 열처리를 행하는 이유는, 기판에 가해지는 열적 부담(thermal load)을 최소화하면서, 도포층의 반응 및 결정 성장에 충분한 온도를 얻는데 적합하기 때문이다.
본 발명에서 상기 급속 열처리는 바람직하게는 약 200 ~ 400℃의 온도에서 수행할 수 있다. 열처리 공정시, 도포층에 포함되어 있던 융제는, 앞서 설명한 바와 같이, 열처리 온도를 낮출 뿐만 아니라, 버퍼층 형성 물질들 사이의 계면 상태를 줄여 이들의 확산 속도를 증가시키고 하부 p형 광흡수층의 입자 계면으로의 확산을 용이하게 한다.
본 발명의 하나의 바람직한 예에서, 상기 기형성된 버퍼층(이하, '제 1 버퍼층' 이라 함)은 다소 거친(rough) 표면 상태를 가지므로, 이를 개선하기 위하여, 상기 제 1 버퍼층 상에 그와 동일한 물질을 스퍼터링하여 제 2 버퍼층을 형성할 수 있다.
도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 태양전지의 구성을 모식적으로 보여주는 단면도가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 태양전지(200)는 유리기판(110), 후면전극층(120), p형 광흡수층(130), 제 1 버퍼층(140), 제 2 버퍼층(142) 및 n형 전면 윈도우층(150)이 순차적으로 적층되어 있는 구조로 이루어져 있다.
제 1 버퍼층(140)은, 앞서 설명한 바와 같이, 버퍼층 형성 물질들을 포함하는 페이스트를 도포한 후 급속 열처리 방법(RTA)으로 소결시켜 형성하고, 그 위에 동일한 버퍼층 형성 물질을 스퍼터링 공정을 통해 추가적으로 제 2 버퍼층(142)을 형성한다. 즉, 버퍼층(140, 142)이 페이스트 도포 및 급속 열처리와 스퍼터링 공정의 혼성 (hybrid) 제조법에 의해 제조된다.
페이스트 도포 및 급속 열처리에 의해 형성됨으로써 크랙이나 틈이 존재할 수 있는 제 1 버퍼층(140)의 결정 계면 위에 제 2 버퍼층(142)이 스퍼터링법에 의해 형성됨으로써, 버퍼층의 연속성이 개선되고, 더욱이 제 1 버퍼층(140)을 형성한 후의 n형 전면 윈도우층(150)의 제조 공정이 일련의 스퍼터링 공정으로 수행됨으로써 연속적인 양산 공정에 적용할 수 있으며, 이로 인해 궁극적으로 태양전지의 생산성을 높일 수 있다.
여기서, 제 2 버퍼층(142)은 바람직하게는 3 ~ 50 nm 의 두께로 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 예에서, 상기 광 흡수층인 CI(G)S층을 페이스트 도포 방식으로 형성하고 그 위에 버퍼층 형성 물질을 함유하는 페이스트를 도포한 후, 일괄 열처리에 의해 p형 광흡수층과 제 1 버퍼층을 동시에 형성할 수도 있다. 또한, 상기 광 흡수층 및 제 1 버퍼층의 형성 후, 제 1 버퍼층 상에 버퍼층 형성물질을 스퍼터링 하여 제 2 버퍼층을 형성할 수도 있다.
상기 광 흡수층인 CI(G)S층은, 바람직하게는, 구리 셀레나이드 입자와 인듐 셀레나이드 및/또는 갈륨 셀레나이드 입자를 포함하는 페이스트를 후면 전극층 위에 도포함으로써 형성된다. 이와 관련하여, 본 출원인은 한국 특허출원 제2005-82723호에서 구리 셀레나이드 화합물 입자를 InSe, In2Se3 등의 인듐 셀레나이드 화 합물 입자와 혼합하여 준비한 혼합물 페이스트를 기재 상에 도포하고, 상기 도포층을 급속 열처리하여 CI(G)S계 흡수층을 제조하는 방법을 제시하는 바, 상기 출원의 내용은 참조로서 본 발명의 내용에 합체된다.
도 3에는 일괄 열처리에 의해 p형 광흡수층과 버퍼층을 제조하는 과정에 관한 순서도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 후면전극 층 위에 구리 셀레나이드 입자와 인듐 셀레나이드 및/또는 갈륨 셀레나이드 입자를 포함하는 페이스트 도포층을 형성하는 단계(S200), 버퍼층 형성 물질을 함유하는 페이스트를 도포하는 단계(S210), 일괄 열처리를 통해 광 흡수층 및 제 1 버퍼층을 형성하는 단계(S220)를 순차적으로 거쳐 p형 광흡수층과 제 1 버퍼층을 동시에 형성(S230)하게 된다. 상기 광 흡수층 및 제 1 버퍼층을 형성하는 단계(S230)를 거친 후, 스퍼터링 공정 단계(S240)을 통한 제 2 버퍼층을 형성하는 단계(S250)를 더 포함할 수 있다.
상기 열처리 단계(S220)에서 온도가 너무 낮으면 CI(G)S층 등 페이스트 도포층이 미반응 되거나 또는 결정 크기가 작아지는 문제점이 있으며, 반대로 열처리 온도가 너무 높으면 기판의 변형이 일어나는 문제점이 있으므로, 바람직하게는 300 ~ 500℃의 온도로 수행한다.
상기와 같은 일괄 열처리 방식에 의해 태양전지의 제조공정이 더욱 짧아지고, 화학 용액을 사용하지 않음으로써 상부 버퍼층부터 스퍼터링 방법이 사용되는 후속 공정까지 일련의 공정으로 진행할 수 있으며, 연속된 스퍼터링 공정에서 제 1 버퍼층에 형성된 계면 결함을 줄일 수 있다.
본 발명의 상기 제조방법에는 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 범위 내에서 기타의 과정이 추가될 수도 있으며, 이들은 모두 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 또한 상기 방법으로 제조된 버퍼층을 포함하고 있는 태양전지 모듈 및 상기 태양전지 모듈을 다수 포함하는 것으로 구성된 태양전지 시스템을 제공하는 바, 이러한 태양전지 모듈 및 태양전지 시스템의 제조방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양전지 버퍼층의 제조방법은, 종래의 제조방법과 비교하여, 버퍼층 형성 물질의 농도 조절이 용이하고, 증착 속도를 증가시킬 수 있으며, 스퍼터링 결함을 크게 줄일 수 있고, 연속적인 양산 공정에 적용할 수 있으므로, 고효율의 버퍼층 및 이를 포함하는 태양전지를 제조할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
Claims (18)
- 태양전지의 p형 광흡수층과 n형 전면 윈도우층 사이에 버퍼층을 형성하는 방법으로서, 버퍼층을 형성할 물질('버퍼층 형성 물질')을 함유하고 있는 페이스트를 광흡수층 상에 도포한 후 열처리하여 버퍼층을 형성하는 과정을 포함하는 것으로 구성된 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 p형 광흡수층은 후면전극 상에 형성되어 있는 CuIn(Ga)Se ("CI(G)S")계 광흡수층인 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 n형 전면 윈도우층은 ZnO, TiO2 또는 ITO인 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 페이스트는 버퍼층 형성 물질, 유기용매, 바인더 및 융제(flux)를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 방법,
- 제 3 항에 있어서, 상기 버퍼층 형성 물질은 ZnS, CdS, ZnMgO, Zn(OH)2, ZnO 및 ZnSe로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 융제는 열처리시 완전히 분해되는 할로겐 원소-함유 금속 염 또는 유기 염인 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 할로겐 원소는 염소인 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 융제는 ZnCl2 또는 NH4Cl이며, 페이스트 전체 중량을 기준으로 5 ~ 10 중량%로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 페이스트의 도포층은 5 ~ 100 nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 9 항에 있어서, 상기 페이스트 도포층은 200 ~ 400℃의 온도로 열처리되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기형성된 버퍼층 상에 동일 물질을 스퍼터링 하여 제 2 버퍼층을 형성하는 과정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 제 2 버퍼층은 3 ~ 50 nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 p형 광흡수층을 페이스트 도포 방식으로 형성하고 그 위에 버퍼층 형성 물질-함유 페이스트를 도포한 후, 일괄 열처리에 의해 p형 광흡수층과 버퍼층을 동시에 형성하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 13 항에 있어서, 상기 기형성된 버퍼층 상에 동일 물질을 스퍼터링 하여 제 2 버퍼층을 형성하는 과정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 13 항에 있어서, 상기 열처리는 300 ~ 500℃의 온도로 수행하는 것을 특징으로 하는 제조방법,
- 제 13 항에 있어서, 상기 p형 광흡수층의 페이스트 도포층은 구리 셀레나이드 입자와 인듐 셀레나이드 및/또는 갈륨 셀레나이드 입자를 포함하는 페이스트를 후면전극 층 위에 도포하여 형성하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 하나에 따른 방법으로 제조된 버퍼층을 포함하고 있는 태양전지 모듈.
- 제 16 항에 따른 태양전지 모듈을 다수 개 포함하는 것으로 구성된 태양전지 시스템.
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