KR20090034079A - 이셀렌화몰리브덴층을 포함하는 태양전지 및 그의 제조방법 - Google Patents
이셀렌화몰리브덴층을 포함하는 태양전지 및 그의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 이셀렌화몰리브덴층을 포함하는 태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것으로 구체적으로 기판, 윈도우층, 광흡수층, 이셀렌화몰리브덴(MoSe2)층으로 구성된 태양전지의 상부에 투명전극층 또는 금속반사층을 적층하여 투과형 및 반사형 태양전지를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 박막형 화합물 반도체 태양전지, 특히 씨아이지에스(CIGS) 태양전지의 제조에 있어서 이센렌화몰리브덴(MoSe2)막을 이용하여 전극의 접촉저항을 낮추며 광학적 특성을 향상시켜 태양전지의 효율을 향상시키는 장점이 있다.
태양전지, 화합물 반도체, 이셀렌화몰리브덴
Description
본 발명은 이셀렌화몰리브덴층을 포함하는 태양전지 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 CIGS와 같은 박막형 화합물 반도체 태양전지에서 배면전극을 이셀렌화몰리브덴으로 사용하고, 상기 이셀렌화몰리브덴의 상부에 투명전극막, 금속 또는 배면전극을 적층하는 구조를 가지는 태양전지와 이의 제조방법에 관한 것이다.
이셀렌화몰리브덴층을 포함하는 태양전지는 윈도우층을 먼저 형성하고 CIGS막은 나중에 형성하는 superstrate구조로서 배면전극을 이셀렌화몰리브덴을 사용하여 전극의 접촉저항을 낮추고 광학적 특성을 향상시켜 substrate구조로 형성된 태양전지와 유사한 효율을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 CIGS 와 같은 박막형 화합물 반도체 태양전지에 패터닝된 이셀렌화몰리브덴층을 형성한 후 배면전극을 적층시킴으로서 전극의 접촉저항을 향상시킴으로서 효율이 향상된 CIGS 태양전지를 제조하는 방법에 관한 것이다.
태양전지(Solar Cell 또는 Photovoltaic Cell)는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광발전의 핵심소자이다.
반도체의 pn접합으로 만든 태양전지에 반도체의 금지대폭(Eg : Band-gap Energy)보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되는데, 이들 전자-정공이 pn 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 됨에 따라 pn간에 기전력(광기전력 : Photovoltage)이 발생하게 된다. 이 때 양단의 전극에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 되는 것이 동작원리이다.
1980년대 이후 태양전지 제조에 가장 먼저 사용된 반도체 재료가 단결정실리콘이다. 현재 태양전지 시장에서 차지하는 비중이 이후 많이 떨어지긴 하였지만 현재로서도 시장, 특히 대규모 발전시스템 분야에서 가장 널리 이용되고 있다. 이는 단결정실리콘으로 만든 태양전지의 효율이 기타 재료로 만든 태양전지에 비해 변환효율이 높기 때문이다. 반면에 가격은 아직 높은데, 그 해결방안으로 보다 저급의 실리콘을 이용하는 방법, 대량생산 및 공정 개선에 의한 방법 등이 시도 또는 계획되고 있다. 다결정실리콘 태양전지는 원재료로 저급의 실리콘 웨이퍼를 사용하는데, 따라서 효율은 단결정실리콘에 비해 낮은 반면 가격은 싸다. 그리고 이용분야도 주택용 시스템 등이 주 대상이다.
단결정 및 다결정실리콘은 bulk 상태의 원재료로부터 태양전지를 만들기 때문에 원재료비가 비싸고, 공정 자체가 복잡하여 가격의 절감측면에서는 한계가 있을 수밖에 없다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 방안으로 기판의 두께를 혁신적으로 줄이는 기술, 또는 유리와 같이 값싼 기판 위에 박막형태의 태양전지를 증 착시키는 기술이 주목을 받고 있다. 기존의 박막 제조공정을 이용할 경우보다 값싼 방법으로 태양전지의 대량생산이 가능하기 때문이다.
박막 태양전지 중 가장 처음으로 개발된 것이 비정질실리콘으로 기존 결정질실리콘 태양전지의 약 1/100에 해당하는 두께만으로도 태양전지의 제조가 가능하다. 하지만 결정질실리콘 태양전지에 비해 효율이 낮고, 특히 초기 빛에 노출될 경우 효율이 급격히 떨어지는 단점이 있다. 따라서 대규모 발전용으로는 사용되지 못하고, 시계, 라디오, 완구 등 소규모 가전제품의 전원용으로 주로 사용되고 있었는데, 최근 효율의 향상과 함께 초기 열화현상을 최소화할 수 있는 다중접합 구조의 비정질실리콘 태양전지의 개발과 함께 일부 전력용으로 이용이 되기 시작하였다.
뒤이어 출현한 박막 태양전지가 CdTe, CuInSe2계의 화합물 반도체를 소재로 한 것이다. 비정질 실리콘에 비해 효율이 높고, 또한 초기 열화현상이 없는 등 비교적 안정성이 높은 태양전지로 현재 CdTe는 대규모 전력용으로 사용을 위한 실증시험 중에 있다.
CuInSe2는 실험실적으로 만든 박막 태양전지 중에서 가장 높은 변환효율을 기록하고 있는데, 아직까지 파일럿 생산단계로 대량생산단계까지는 이르지 못하고 있다.
이들 박막 태양전지는 전력용으로 사용되기까지에는 앞으로도 더 많은 연구개발이 필요할 것으로 예상되고 있다.
CuInSe2로 대표되는 I-III-VI족 Chalcopyrite계 화합물 반도체는 직접천이형 에너지 밴드갭을 가지고 있고, 광흡수계수가 1x105 cm- 1 로 반도체 중에서 가장 높아 두께 1~2 μm의 박막으로도 고효율의 태양전지 제조가 가능하고, 또한 장기적으로 전기광학적 안정성이 매우 우수한 특성을 지니고 있다.
따라서 현재 사용되고 있는 고가의 결정질 실리콘 태양전지를 대체하여 태양광발전의 경제성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 저가, 고효율의 태양전지 재료로 부각되고 있다. CuInSe2는 밴드갭이 1.04 eV로 이상적인 밴드갭 1.4 eV를 맞추기 위해 In의 일부를 Ga으로, Se의 일부를 S로 치환하기도 하는데, 참고로 CuGaSe2의 밴드갭은 1.6 eV, CuGaS2 는 2.5 eV이다.
In의 일부를 Ga으로, Se의 일부를 S으로 대체한 오원화합물은 CIGSS [Cu(InxGa1-x)(SeyS1-y)2]로 표기되는데, 대표적으로 이들을 CIS, CIGS로 표기하기도 한다. 장점 중의 하나인 장기적 신뢰성의 경우 1988년 11월에 시작한 미국 NREL(National Renewable Energy Laboratory)의 장기 옥외 시험결과 10년 이후에도 효율의 변화가 없는 것으로 나타난 바 있다.
CuInSe2 화합물반도체 박막태양전지는 1980년대 미국 Boeing사가 기존의 단결정실리콘(20 W/kg) 태양전지를 대체할 수 있는 우주용의 경량 고효율 태양전지로 처음 연구되었을 만큼 효율이 높고 안정성이 우수한데, 우주용 태양전지에서 가장 중요한 요소인 단위 중량당의 발전량이 현재 단일접합에서도 약 100 W/kg으로 기존의 Si이나 GaAs 태양전지의 20～40 W/kg에 비해 월등히 우수하다. 또한 1980년대 말부터는 저가 고효율의 지상발전용 박막태양전지를 목표로 선진국에서 집중적으로 기술개발이 추진되고 있는데, 밴드갭 1.2eV의 단일접합 CuInGaSe2 태양전지에서 최고 변환효율 19.2% 달성하여 기존 웨이퍼 형태의 다결정실리콘 태양전지의 최고효율(19.8%)에 근접하고 있다.
이러한 박막 태양전지의 장점을 활용하여 광전변환효율의 초고효율화를 달성하고 공정 측면에서도 저가화가 달성되면 화력발전 등 기존 발전방식과 전력시장에서 충분히 경쟁할 수 있고, 장차 우주용 태양전지로도 그 활용도가 크게 기대된다.
특히 유리와 같은 투명기판을 이용한 전형적인 구조의 CIGS(CuInGaSe2) 박막 태양전지의 저가·고효율화를 목표로 다양한 공정이 시도되고 있다. 금속원소의 3단계 Co-evaporation 방법으로 최고 15.4%의 변환효율을, 그리고 같은 3단계 공정으로 이원화합물을 사용한 경우 최고 13.4%의 변환효율을 얻는 기술이 개발되었다. Co-sputter에 의한 Cu-In-Ga 박막을 셀렌화하여 CIGS 광흡수층을 제조하는 기술도 일부 시도된 바 있으나 변환효율은 매우 낮은 수준이다.
CIGS 박막형 태양전지는 일반적으로 도 1에 게시한 바와 같은 구조를 가지고 있다.
도 1을 참조하면, 일반적인 CIGS 태양전지는 투명 기판(100) 위에 배면전극(101), 광흡수층(102), 버퍼층(103), 윈도우층을 포함하여 순차로 적층된 구조이다.
배면전극(101)은 주로 몰리브덴 등의 금속이 사용되고, 광흡수층(102)으로는 CIGS 계 화합물 반도체막이 형성되며, 버퍼층(103)은 황화카드뮴(CdS)이 사용된다.
윈도우층은 주로 금속 산화물이 사용되는데 도핑되지 않은 산화아연막(104)과 알루미늄과 같은 불순물이 도핑된 산화아연막(105)으로 형성되기도 한다.
일반적으로 이러한 윈도우층은 빛을 흡수하는 층으로 작용하고, 하부의 버퍼층은 광흡수층과 윈도우층 사이의 큰 밴드갭 차이를 완화하고 격자상수를 줄여주는 기능을 한다.
기판 위에 형성된 배면전극은 광흡수층에서 흡수한 광이 외부로 빠져나가지 못하도록 반사하는 기능을 수행할 수 있는데, 주로 몰리브덴이 사용되고 있지만 몰리브덴은 빛의 반사율이 떨어지므로 태양전지 효율을 높이기 위해서는 반사율이 높은 배면 전극 재료가 요구된다.
도 1과 같은 CIGS 태양전지는 CIGS막을 먼저 형성한 다음 그 위에 버퍼층 및 윈도우층을 형성하는 이른바 substrate 타입이 주로 이용되는 방법이지만, 그와 반대로 윈도우층을 먼저 형성하고 CIGS막은 나중에 형성하는 superstrate 타입도 연구되었으며 이런 구조는 encapsulation이 필요 없고 또 적층구조가 용이하다고 알려져 있다.
하지만 그 효율은 substrate타입에 비해 여전히 낮은 게 사실이다. 따라서, CIGS 태양전지의 효율을 높이기 위한 구조적 관점과 적층 공정의 관점에서의 연구가 더욱 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 광흡수층의 상부에 이센렌화몰리브덴층을 적층하고, 금속 산화물로 형성된 투명전극층 또는 금속반사층을 사용하여 투과형 또는 반사형 태양전지를 형성하여 전극의 접촉저항을 낮추고 효율을 향상시킨 이셀렌화몰리브덴층을 포함하는 태양전지 및 그의 제조방법을 제공하는 데에 목적이 있다.
또한, 패터닝 된 이셀렌화몰리브덴층을 사용하여 전극의 접촉저항을 더욱 낮추며 광학적 특성을 향상시켜 태양전지의 효율을 향상시킨 이셀렌화몰리브덴층을 포함하는 태양전지 및 그의 제조방법을 제공하는 데에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 이셀렌화몰리브덴층을 포함하는 태양전지 및 그의 제조방법에 있어서, 화합물 반도체를 이용한 태양전지에서 이셀렌화몰리브덴을 이용하여 전극을 형성함에 따라 투과형 또는 반사형 태양전지를 제조하여 효율을 증가시킨다.
본 발명은 태양전지에 관한 것으로 기판 위에 순차로 적층된 윈도우층 및 광흡수층을 포함하는 태양전지에 있어서, 상기 광흡수층의 상부에 이셀렌화몰리브 덴(MoSe2)층을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 이셀린화몰리브덴(MoSe2)층의 상부에 투명전극층 또는 금속반사층을 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 도핑되지 않거나 p형 또는 n형 불순물로 도핑된 금속 산화물중에서 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 금속 산화물은 산화아연, 산화갈륨, 산화알루미늄, 산화인듐, 산화납, 산화구리, 산화티탄, 산화주석, 산화철, 이산화주석 및 인듐주석산화물로 구성된 그룹 중에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 금속반사층은 알루미늄(Al) 또는 은(Ag)을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 이셀린화몰리브덴(MoSe2)층을 패터닝하여 전극층을 적층하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 윈도우층은 도핑되지 않거나 p형 또는 n형 불순물로 도핑된 금속 산화물 중에서 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 광흡수층은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 화합물 반도체, Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 중에서 선택되는 화합물 반도체로 형성된 적어도 하나 이상의 층을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 윈도우층과 광흡수층 사이에, 상기 층간 밴드갭 에너지 차이와 격자상수 차이를 완화하는 버퍼층을 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 버퍼층은 황화카드뮴(CdS)인 것이 바람직하다.
본 발명은 태양전지 제조방법에 관한 것으로 기판의 상부에 윈도우층, 광흡수층이 적층되는 단계를 포함하고, 광흡수층의 상부에 적층 된 몰리브덴(Mo)층을 셀렌화(Selenization)하여 형성된 이셀렌화몰리브덴(MoSe2)층이 적층되는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 이셀렌화몰리브덴(MoSe2)층의 상부에 투명전극층 또는 금속반사층이 적층되는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 이셀린화몰리브덴(MoSe2)층을 형성한 후 패터닝하고 상기 패터닝된 이셀린화몰리브덴(MoSe2)층의 상부에 전극층을 적층하는 단계를 더 추가하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 이셀린화몰리브덴(MoSe2)층의 형성하는 단계는, 상기 몰리브덴(Mo)층의 상부에 불화나트륨(NaF)층을 더 적층하여 셀렌화하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면 이셀렌화몰리브덴을 이용하여 금속 산화물 또는 금속을 사용하여 투과형 또는 반사형 태양전지를 제작하여 전극의 접촉 저항을 절감시켜 태양전지의 효율을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 투명 기판을 출발로 하는 덴덤형 태양전지 등 다른 재료의 태양전지 제조에 다양하게 사용할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2a 내지 도 2e 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이셀렌화몰리브덴층을 포함하는 태양전지의 제조순서를 나타낸 단면도이다.
도 2a 및 도 2b 를 참조하면, 기판(200)의 상부에 하나 이상의 윈도우층(204, 205)을 적층한다.
상기 기판(200)은 유리, 플라스틱 등의 투명기판이 사용된다. 그 밖에 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸, Cu tape 같은 금속 기판, 폴리머 등도 사용이 가능하다. 유리기판으로 값싼 소다회 유리(sodalime glass)를 사용한다. 미국 NREL이 기록한 19.2%의 변환효율도 소다회 유리를 기판으로 사용한 것이다. 그 밖에 Polyimide와 같은 유연성 있는 고분자 재질이나 스테인레스 박판 등도 기판으로 사용될 수 있다.
상기 윈도우층(204, 205)은 하나 이상의 층으로 구성되며, 상기 기판(200)의 상부 또는 하부에 인접하게 적층되며, 일 실시 예로서 도 2a와 같이 상기 기판(200)의 상부에 적층될 수 있다.
상기 윈도우층(204, 205)으로는 도핑되지 않거나 p형 또는 n형 불순물로 도핑된 금속 산화물금속 산화물이 사용될 수 있는데, 바람직하게 산화아연, 이산화주석, 산화티탄 등이 사용된다. 일 실시예로서 상기 기판(100) 위에 알루미늄이 도핑된 산화아연(ZnO:Al)층(204)이 적층되고, 그 위에 도핑되지 않은 산화아연(ZnO)층(205)이 적층될 수 있다.
상기 알루미늄이 도핑된 산화아연(ZnO:Al)층(204) 및 도핑되지 않은 산화아연(ZnO)층(205)은 스퍼터(sputter)법으로 증착될 수 있으며, 그 두께는 수백 나노미터 이상이 된다.
상기 도 2c를 참조하면, 상기의 기판(100) 및 윈도우층(200)이 적층된 반도체층의 상부에 광흡수층(202)을 적층한다.
상기 광흡수층(202)은 화합물 반도체 중에서 CIS 또는 CIGS 등의 I-III-VI족 반도체가 사용된다.
상기 CIS(CuInSe2)는 에너지 밴드갭이 1.04eV정도로 단락 전류는 높으나 개방전압이 낮아 효율이 낮으므로 갈륨(Ga)의 첨가량을 조절하여 밴드갭 에너지를 적절히 조절하여 최적의 효율을 발생시킨다.
상기 CIGS는 출발원소 구리, 인듐, 갈륨 및 셀레늄의 네 개의 금속원소를 사 용한 동시증발법이나 나노입자를 이용한 스크린 프린팅법 등으로 1~3마이크로미터 정도의 두께로 상기 윈도우층(200)에 인접하게 증착한다.
상기 광흡수층(202)으로 이용될 수 있는 CIGS 박막 형성에 있어서 나트륨(Na)은 효율 향상을 위해 중요한 역할을 한다고 알려져 있다. 그래서, 기존 방법에서는 Soda Lime Glass가 일반적으로 높은 효율을 보이는 데, 본 발명의 일 실시예에 의한 구조에서는 CIGS가 나중에 형성되므로 CIGS막 형성 전 혹은 후에 Na을 공급하기 위해 NaF 등을 형성하여 Na이 CIGS 안으로 확산해 들어가 막질의 특성을 향상시키게 할 수 있다.
상기 도 2d 를 참조하면, 상기 도 2c에서 형성된 광흡수층(202)에 인접하게 몰리브덴층(2011)을 5~10nm의 두께로 스퍼터(sputter)법을 사용하여 증착한다.
상기 도 2e 를 참조하면, 상기 몰리브덴층(2011)이 셀렌화(Selenization) 방법을 통해 투명한 이센렌화몰리브덴층(2012)을 형성한다.
상기 이셀렌화몰리브덴층(2012)은 n-type으로 밴드갭은 약 1.4eV이므로 상기 광흡수층(202) 보다 밴드갭이 크게 되어 전극에 가까운 쪽의 에너지 레벨이 올라가게 되어, 전자에게는 에너지 장벽으로 작용하고 홀에게는 쉽게 통과할 수 있는 얇은 에너지 장벽을 형성하게 되어 접촉저항을 줄이며 전자-홀의 재결합을 줄여준다.
상기 에셀렌화몰리브덴층(2012) 형성 시 Na이 필요하므로 상기 몰리브덴(2011)을 증착한 후 NaF층을 증착하여 형성한다.
도 3a 및 도 3b 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이셀렌화몰리브덴층을 포함하는 투과형 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3a 를 참조하면, 상기의 도 2e의 이셀렌화몰리브덴층(2012)의 상부에 투명전극층(206)을 적층하여 상기 투명전극막(206)층의 상부에서 인입하는 빛이 기판(200)의 하부로 방출되는 투과형 태양전지를 제조한다.
상기 투명전극층(206)은 도핑되지 않거나 p형 또는 n형 불순물로 도핑된 산화아연, 산화갈륨, 산화알루미늄, 산화인듐, 산화납, 산화구리, 산화티탄, 산화주석, 산화철, 이산화주석 및 인듐주석산화물 등의 금속 산화물 및 아이티오(ITO) 등으로 형성된다.
그리고, 상기 투명전극층(206)은 스퍼터 방법을 사용하여 수백 나노미터의 두께로 형성할 수 있다.
도 3b 를 참조하면, 상기 도 3a 의 투과형 태양전기의 구조와 유사하되, 윈도우층(204,205)과 광흡수층(202) 사이에 버퍼층(203)을 포함한 구조이다.
상기 버퍼층(203)은 상기 윈도우층과 광흡수층의 밴드갭 에너지와 격자상수의 차이를 완화하는 기능을 수행한다.
특히 상기 광흡수층으로 사용되는 CIGS 박막과 상기 윈도우층으로 사용되는 ZnO 사이의 밴드갭 차이와 격자 상수차이가 크므로 황화카드뮴(CdS)을 약 50 nm정도로 증착하여 버퍼층으로 사용할 수 있다.
이 경우 CdS 이외에 ZnS, In2O3등 다른 버퍼 재료도 사용 가능하다.
이때 CIGS 형성시와 그 이후에 (예: Selenization) 높은 온도에서의 열처리 조건이 요구될 수 있는데, p-n계면 및 버퍼층이 손상되지 않는 조건을 고려해야 한 다.
예를 들어 ZnS을 버퍼층으로 증착한 후 열처리를 하면 아연(Zn)이 확산하여 ZnS에 가까운 CIGS 영역은 Zn가 도핑에 의해 n-type이 되므로 CIGS가 p-n homojunction을 이루어 그 효율은 향상된다고 알려져 있으므로 이를 이용할 수도 있다. 또한, ZnS의 경우 S 원자에 의한 Sulfur passivation도 기대할 수 있다.
도 4a 및 도 4b 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이셀렌화몰리브덴층을 포함하는 반사형 태양전지의 제조순서를 나타낸 단면도이다.
도 4a 를 참조하면, 상기 도 2e에서 형성된 태양전지의 이센렌화몰리브덴층(2012)에 인접하게 금속반사층(207)을 형성하여 기판(200)에서부터 인입된 입사광이 상기 금속반사층(207)에서 반사되는 반사형 태양전지를 형성한다.
상기 금속반사층(207)은 알루미늄(Al), 은(Ag)으로 형성하며, 스퍼터 방법을 사용하여 수백 나노미터의 두께로 형성할 수 있다.
도 4b 를 참조하면, 상기 도 4a 의 반사형 태양전지의 구조와 유사하되, 윈도우층(204, 205)과 광흡수층(202)의 밴드갭 에너지와 격자상수의 차이를 완화하기 위하여 상기 윈도우층(204, 205)과 광흡수층(202) 사이에 버퍼층(203)을 포함한 구조이다.
상기 버퍼층(203)의 자세한 내용은 상기의 도 3b 를 참조한다.
도 5a 내지 도 5d 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 패터닝된 이센렌화몰리브덴층을 포함하는 반사형 태양전지의 제조순서를 나타낸 단면도이다.
본 발명에 의한 패터닝된 이센렌화몰리브덴 배면전극을 이용한 반사형 태양 전지의 제조순서는 다음과 같다.
상기 도 5a 를 참조하면, 기판(200)의 상부에 윈도우층(204, 205), 광흡수층(202) 및 몰리브덴층(2011)을 증착한다.
상기 기판은 유리, 플라스틱, 등 투명 기판이 사용될 수 있고, 상기 윈도우층은 ZnO:Al(204) 및 i-ZnO(205)를 스퍼터(sputter)법으로 증착될 수 있다. 두께는 수백 나노미터 이상이 되도록 한다.
상기 광흡수층(202)은 CIGS 막으로 출발원소로 구리, 인듐, 갈륨 및 셀륨의 네 개의 금속원소를 사용한 동시증발법이나 나노입자를 이용한 스크린 프린팅법으로 증착하며 1~3 마티크로미터의 두께를 갖도록 한다.
상기 몰리브덴층(2011)은 스퍼터(sputter)법으로 증착할 수 있으며, 5~10nm의 두께를 형성한다.
상기 도 5b 를 참조하면, 상기 몰리브덴층(2011)을 Photolithography공정을 이용하여 패터닝하여 패터닝 된 이센렌화몰리브덴층(2012)을 형성한다.
이때, 패터닝 되는 면적 및 크기는 전기적 특성 및 광학적 특성을 고려하여 결정할 수 있다.
상기 도 5c 를 참조하면, 상기 도 5b에서 형성된 패터닝 된 이센렌화몰리브덴층(2012)의 상부에 전극층(208)을 적층하여 태양전지의 효율을 향상시킨다.
상기 전극층(208)은 산화제이주석, 삼산화인듐 및 이산화티탄 등의 투명전극 또는 반사형 전극으로 형성된다.
상기 패터닝 된 부분은 상기 전극층(208)의 전극재료와 상기 광흡수층(202) 의 CIGS가 직접 접촉하는 곳으로 이를 통해 상기 이센렌화몰리브덴층(2012)에 의해 흡수되는 빛의 양을 줄일 수 있으며, 전극-CIGS-이센렌화몰리브덴의 세 접합점 부근은 각 재료들의 밴드갭 차이 및 에너지 장벽 차이로 인해 국소적으로 높은 전기장이 생기며 이에 의해 접촉 저항이 향상된다.
이때, 나노패터닝을 이용하여 홀을 형성할 겨웅 나노사이즈의 컨택을 형성하게 되며 이는 공핍층의 감소로 인한 오믹 접촉의 특성이 더욱 향상되기 때문에 태양전지의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 도 5d 를 참조하면, 상기 도 5c 의 태양전지 구조와 유사하되, 윈도우층(204, 205)과 광흡수층(202)의 밴드갭 에너지와 격자상수의 차이를 완화하기 위하여 상기 윈도우층(204, 205)과 광흡수층(202) 사이에 버퍼층(203)을 포함한 구조이다. 상기 버퍼층(203)의 자세한 내용은 상기의 도 3b 를 참조한다.
본 발명에 태양전지 제조방법에 의하면 이셀렌화몰리브덴층을 형성 및 그 패터닝을 통해 CIGS 태양전지의 효율을 높일 수 있으며, 상기 CIGS 태양전지 이외의 다른 태양전지에서도 그 효율을 높이는데 이용할 수 있다.
공정의 마지막으로 레이저 절단기를 이용한 레이저스크라이빙법(Laser scribing) 또는 다이싱쏘우(Dicing saw) 등을 이용한 기계적 절단법(mechanical scribing)으로 태양전지 셀을 분리해 태양전지를 제조한다.
이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 당업자는 본 발명의 범위를 벗 어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 범위에 속한다. 또한, 본 명세서에서 설명한 각 구성요소는 이와 실질적으로 동일한 다양한 구성으로 대체할 수 있다. 또한 당업자는 본 명세서에서 설명된 구성요소 중 일부를 성능의 열화 없이 생략하거나 성능을 개선하기 위해 구성요소를 추가할 수 있다. 뿐만 아니라, 당업자는 공정 환경이나 장비에 따라 본 명세서에서 설명한 방법 단계의 순서를 변경할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.
도 1 은 종래의 일 실시 예에 따른 CIGS 태양전지의 구조를 나타낸 단면도.
도 2a 내지 도 2e 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이셀렌화몰리브덴층을 포함하는 태양전지의 제조순서를 나타낸 단면도.
도 3a 및 도 3b 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이셀렌화몰리브덴층을 포함하는 투과형 태양전지의 구조를 나타낸 단면도.
도 4a 및 도 4b 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이셀렌화몰리브덴층을 포함하는 반사형 태양전지의 제조순서를 나타낸 단면도.
도 5a 내지 도 5d 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 패터닝된 이센렌화몰리브덴층을 포함하는 반사형 태양전지의 제조순서를 나타낸 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100, 200 : 기판 101, 2011 : 몰리브덴층
102, 202 : 광흡수층(CIGS) 103, 250 : 버퍼층
104, 105, 204 ,205 : 윈도우층 2012 : 이센렌화몰리브덴층
206 : 투명전극층 207 : 금속반사층
208 : 전극층
Claims (14)
- 기판 위에 순차로 적층된 윈도우층 및 광흡수층을 포함하는 태양전지에 있어서, 상기 광흡수층의 상부에 이셀렌화몰리브덴(MoSe2)층을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 이셀린화몰리브덴(MoSe2)층의 상부에 투명전극층 또는 금속반사층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이셀렌화몰리브덴층을 포함하는 태양전지.
- 제 2 항에 있어서, 상기 투명전극층은,도핑되지 않거나 p형 또는 n형 불순물로 도핑된 금속 산화물중에서 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 이셀렌화몰리브덴층을 포함하는 태양전지.
- 제 3항에 있어서, 상기 금속 산화물은,산화아연, 산화갈륨, 산화알루미늄, 산화인듐, 산화납, 산화구리, 산화티탄, 산화주석, 산화철, 이산화주석 및 인듐주석산화물로 구성된 그룹 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 이셀렌화몰리브덴층을 포함하는 태양전지.
- 제 2 항에 있어서, 상기 금속반사층은알루미늄(Al) 또는 은(Ag)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이셀렌화몰리브덴층을 포함하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 이셀린화몰리브덴(MoSe2)층을 패터닝하여 전극층을 적층하는 것을 특징으로 하는 이셀렌화몰리브덴층을 포함하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 윈도우층은도핑되지 않거나 p형 또는 n형 불순물로 도핑된 금속 산화물 중에서 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 이셀렌화몰리브덴층을 포함하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광흡수층은Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 화합물 반도체, Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 중에서 선택되는 화합물 반도체로 형성된 적어도 하나 이상의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 이셀렌화몰리브덴층을 포함하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 윈도우층과 광흡수층 사이에, 상기 층간 밴드갭 에너지 차이와 격자상수 차이를 완화하는 버퍼층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이셀렌화몰리브덴층을 포함하는 태양전지.
- 제 9 항에 있어서,상기 버퍼층은 황화카드뮴(CdS)인 것을 특징으로 하는 이셀렌화몰리브덴층을 포함하는 태양전지.
- 기판의 상부에 윈도우층, 광흡수층이 적층되는 단계;광흡수층의 상부에 적층 된 몰리브덴(Mo)층을 셀렌화(Selenization)하여 형성된 이셀렌화몰리브덴(MoSe2)층이 적층되는 단계를 포함하는 이셀렌화몰리브덴층을 포함하는 태양전지 제조방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 이셀렌화몰리브덴(MoSe2)층의 상부에 투명전극층 또는 금속반사층이 적층되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이셀렌화몰리브덴층을 포함하는 태양전지 제조방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 이셀린화몰리브덴(MoSe2)층을 형성한 후 패터닝하고 상기 패터닝된 이셀린화몰리브덴(MoSe2)층의 상부에 전극층을 적층하는 단계를 더 추가하는 것을 특징으로 하는 이셀렌화몰리브덴층을 포함하는 태양전지 제조방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 이셀린화몰리브덴(MoSe2)층의 형성하는 단계는, 상기 몰리브덴(Mo)층의 상부에 불화나트륨(NaF)층을 더 적층하여 셀렌화하는 것을 특징으로 하는 이셀렌화몰리브덴층을 포함하는 태양전지 제조방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020070099241A KR20090034079A (ko) | 2007-10-02 | 2007-10-02 | 이셀렌화몰리브덴층을 포함하는 태양전지 및 그의 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR20090034079A true KR20090034079A (ko) | 2009-04-07 |
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ID=40760130
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Country Status (1)
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| KR (1) | KR20090034079A (ko) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20110001798A (ko) * | 2009-06-30 | 2011-01-06 | 엘지이노텍 주식회사 | 태양전지 및 이의 제조방법 |
| KR101300642B1 (ko) * | 2010-12-27 | 2013-08-28 | 주식회사 아바코 | 태양전지 |
| KR101497955B1 (ko) * | 2013-07-25 | 2015-03-03 | 한국에너지기술연구원 | 광투과 후면전극과 이를 이용한 태양전지 및 이들의 제조방법 |
| US9478695B2 (en) | 2011-12-05 | 2016-10-25 | Nexcis | Interface between a I/III/VI2 layer and a back contact layer in a photovoltaic cell |
-
2007
- 2007-10-02 KR KR1020070099241A patent/KR20090034079A/ko not_active Application Discontinuation
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