KR20090123645A - 고효율의 ｃｉｇｓ 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 소다석회 유리기판, 상기 소다석회 유리기판 위에 증착되며, 상기 소다석회 유리기판으로부터 나트륨(Na)이 확산되는 양을 조절할 수 있도록, 크롬 또는 니켈 또는 크롬과 니켈의 합금 중 어느 하나로 구성된 증착 두께가 5Å ~ 1000Å인 매개층, 상기 매개층 위에 증착된 하부전극층인 몰리브덴(Mo)층, 상기 몰리브덴층 위에 증착된 p형 태양광 흡수층인 CIGS층, 상기 CIGS층 위에 증착된 n형 버퍼층인 CdS층, 상기 CdS층 위에 증착된 ZnO층, 상기 ZnO층 위에 증착된 투명전극층을 포함하여 구성된 고효율의 CIGS 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 매개층에 의해 소다석회 유리기판에서 확산되는 나트륨 확산량이 조절됨으로써 태양전지의 광전효율이 향상된다. 또한, 이와 같은 매개층의 게재에 의해 몰리브덴층과 유리기판과의 접착력을 향상되어 고온공정 중 몰리브덴층이 유리기판으로부터 박리되는 형상을 방지할 수 있으며, 동시에 조절되는 나트륨 확산량에 의해 광전효율이 향상된다.
소다석회 유리기판, 매개층, 광전효율, 접착력, 니켈, 크롬, CIGS
Description
본 발명은 CIGS 태양전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 CIGS 태양전지에 있어서 소다석회(sodalime) 유리기판으로부터 나트륨(Na)이 과량 확산되어 태양전지의 효율을 저하시키는 것을 방지할 수 있도록 소다석회 유리기판과 몰리브덴(Mo)층 사이에 얇은 매개층(interlayer)이 형성된 고효율의 CIGS 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근, 에너지 및 환경문제로 인하여 태양전지에 대한 관심이 고조되고 있으며, 특히 CIGS 태양전지의 광전효율을 높이기 위한 많은 연구가 행해지고 있다.
종래의 CIGS 태양전지의 구조 중 하나는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 소다석회 유리기판(1)이 사용되며, 그 위에 하부전극으로 몰리브덴(Mo)층(3), 그 위에 CIGS층(4), CdS층(5), ZnO층(6), 투명전극층(7)이 순차적으로 적층되어 있으며, 최상부에 상부전극(8)이 연결된 구조를 갖는다.
이와 같은 종래의 CIGS 태양전지 제작시 소다석회 유리기판을 사용하는 이유는 코닝유리에 비해 가격이 저렴할 뿐만 아니라, CIGS 태양전지용 기판으로 사용되 기 위한 요건인 진공 적합성(Vacuum compatibility), 열적 안정성(Thermal Stability), 낮은 열팽장계수(Suitable thermal expansion), 내화학성(Chemical inertness), 낮은 투습율, 표면거칠기, 비용, 상용성 및 무게 등과 관련한 요구조건들에 부합되기 때문이다.
게다가, 소다석회 유리기판내에는 나트륨(Na)이 자연적으로 포함되어 있다. CIGS 태양전지에서 Na의 장점은 1993년 Hedstrom에 의해 발견되었으며, 일정한 0.1%의 나트륨 혼합물은 30%에서 50%까지 태양전지의 효율을 높인다고 알려져 있다.
이와 같은 소다석회 유리기판내에 포함된 Na은 공정 중에 자연적으로 확산되어 태양전지의 효율을 높이게 된다. 태양전지의 효율이 높아지는 이유 중 하나는 적절한 양의 나트륨이 확산되어 CIGS 박막의 전하농도를 증가시키기 때문이다.
그러나, 이와 같은 소다석회 기판 내부에 있는 나트륨 성분이 공정 중에 과량으로 몰리브덴(Mo)층과 CIGS층으로 확산되는 경우에는 CIGS 특성이 저하됨으로 인하여 태양전지의 효율이 낮아지게 되는 문제가 있다.
다시 말하면, 이와 같은 나트륨의 과량확산을 조절하여 적정량의 나트륨이 확산되도록 하여 태양전지의 효율을 최적화할 필요가 대두되었다.
게다가, 소다석회 유리기판 위에 몰리브덴(Mo)을 바로 증착하는 경우 Mo 박막층과 유리기판과의 접착력이 약해서 몰리브덴(Mo) 박막층이 벗겨지는 문제도 발생하였다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 CIGS 태양전지에서 소다석회 유리기판에서 확산되는 나트륨 양을 조절하여 광전효율을 향상시킬 수 있고 몰리브덴 박막층과 유리기판과의 접착력 및 몰리브덴(Mo)층과 CIGS층과의 접착력을 향상시킬 수 있는 매개층을 더 포함한 고효율의 CIGS 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 고효율의 CIGS 태양전지는
소다석회 유리기판;
상기 소다석회 유리기판 위에 증착되며, 상기 소다석회 유리기판으로부터 나트륨(Na)이 확산되는 양을 조절할 수 있도록, 크롬 또는 니켈 또는 크롬과 니켈의 합금 중 어느 하나로 구성된 매개층;
상기 매개층 위에 증착된 하부전극층인 몰리브덴(Mo)층;
상기 몰리브덴층 위에 증착된 p형 태양광 흡수층인 CIGS층;
상기 CIGS층 위에 증착된 n형 버퍼층인 CdS층;
상기 CdS층 위에 증착된 ZnO층; 및
상기 ZnO층 위에 증착된 투명전극층;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 매개층의 증착두께는 5Å ~ 1000Å인 것이 바람직하다.
또한, 상기 소다석회 유리기판의 두께는 2~4mm, 상기 몰리브덴(Mo)층의 두께는 0.5㎛, 상기 CIGS 박막층의 두께는 1.5㎛, 상기 CdS층의 두께는 500Å, 상기 ZnO층의 두께는 500Å, 상기 투명전극층의 두께는 1.0㎛인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 고효율의 CIGS 태양전지 제조방법은
소다석회 유리기판을 준비하는 단계;
상기 소다석회 유리기판으로부터 나트륨(Na)이 확산되는 양을 조절할 수 있도록, 크롬 또는 니켈 또는 크롬과 니켈의 합금 중 어느 하나로 구성된 매개층을 상기 소다석회 유리기판 위에 스퍼터링법으로 증착하는 단계;
상기 매개층 위에 하부전극층인 몰리브덴(Mo)층을 스퍼터링법으로 증착하는 단계;
상기 몰리브덴층 및 매개층을 스트립 형태로 분할하는 패터닝공정(P1)을 수행한 후 그 위에 p형 태양광 흡수층인 CIGS층을 동시증착법으로 증착하는 단계;
상기 CIGS층 위에 n형 버퍼층인 CdS층을 용액성장법으로 증착하는 단계;
상기 CdS층 위에 ZnO층을 스퍼터링법으로 증착하는 단계;
증착된 상기 ZnO층, CdS층 및 CIGS층의 일부를 상기 패터닝공정(P1)에 의해 형성된 패턴을 기준으로 오프셋하여 스트립 형태로 분할하는 패터닝공정(P2)을 수행한 후, 그 위에 투명전극층을 스퍼터링법으로 증착하는 단계; 및
증착된 상기 투명전극층, ZnO층, CdS층 및 CIGS층의 일부를 상기 패터닝공정(P2)에 의해 형성된 패턴을 기준으로 오프셋하여 스트립 형태로 분할하는 패터닝공정(P3)을 수행하는 단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상술한 구성을 가진 CIGS 태양전지는 매개층에 의해 소다석회 유리기판에서 확산되는 나트륨 확산량이 조절됨으로써 태양전지의 광전효율이 향상되는 효과가 있다.
또한, 이와 같은 매개층의 게재에 의해 몰리브덴층과 유리기판과의 접착력이 향상되어 고온공정 중 몰리브덴층이 유리기판으로부터 박리되는 형상을 방지할 수 있으며, 동시에 조절되는 나트륨 확산량에 의해 몰리브덴층과 CIGS층의 접착력이 향상되는 효과가 있다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 CIGS 태양전지 구조의 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 CIGS 태양전지 구조는 소다석회 유리기판(10), 매개층(20), 몰리브덴(Mo)층(30), CIGS층(40), CdS층(50), ZnO층(60), 마지막으로 투명전극층(70)이 순차적으로 적층되어 구성된다.
소다석회 유리기판(10)은 열팽창계수가 20~300℃에서 대략 9×10-6/K이고 최대 600℃까지 견딜 수 있는 소재로서, 나트륨(Na)과 칼륨(K)을 함유하고 있다. 본 발명에서는 유리기판을 적정 두께인 2~4mm 로 준비한다.
매개층(20)은 소다석회 유리기판(10)위에 몰리브덴층(30)을 증착하기 전에 스퍼터링법에 의하여 매우 얇게 증착된 층으로서, 매개층(20)의 성분은 크롬(Cr) 또는 니켈(Ni) 또는 크롬과 니켈의 합금(alloy)으로 구성된다. 층 두께는 대략 5Å ~ 1000Å이 바람직하다.
이와 같은 매개층(20)은 열팽창계수의 차이가 큰 몰리브덴층(30)과 유리기판(10) 사이의 접착력을 향상시켜 몰리브덴층(30)이 유리기판(10)으로부터 박리되는 것을 방지하며, 유리기판(10)으로부터의 나트륨(Na)의 확산량을 정밀조절하여 태양전지의 광전효율을 높이기 위한 것이다.
매개층(20)의 역할을 상세하게 설명하기 위하여, 우선 나트륨 성분의 확산과정과 그에 따른 효과를 설명하면 다음과 같다.
CIGS 태양전지를 형성하는 500℃ 이상의 고온 공정 동안, 소다석회 유리기판(10)의 나트륨 성분은 몰리브덴층(30)과 CIGS층(40)으로 확산된다. 이와 같이 확산되는 나트륨 성분은 몰리브덴층(30)과 CIGS층(40) 사이에 MoSe2층이 잘 생기게 하여 몰리브덴층(30)과 CIGS층(40) 사이의 접착력을 좋게 한다. 또한, 몰리브덴층(30)과 CIGS층(40) 사이에 생성된 MoSe2층은 전자가 몰리브덴층(30)으로 빠져나가는 것을 막아주는 에너지 장벽 역할도 함으로써 궁극적으로 태양전지의 효율을 높여주게 된다.
이와 같이 나트륨 성분의 확산은 장점이 있는 반면, 고온공정으로 인하여 확산되는 나트륨 양이 너무 많아지는 경우 오히려 태양전지의 효율이 낮아지게 되고 나트륨의 과량으로 인하여 몰리브덴층(30)과 CIGS층(40) 사이의 접착력이 약해지는 현상이 발생한다.
이와 같은 나트륨의 확산되는 양은, 소다석회 유리기판(10)에 크롬(Cr) 또는 니켈(Ni) 또는 크롬과 니켈의 합금(alloy)으로 구성된 일정두께의 매개층(20)을 몰리브덴층(30)을 증착하기 전에 형성함으로써 조절될 수 있다.
몰리브덴(Mo)층(30)은 스퍼터링법에 의해 매개층(20) 위에 증착된 하부전극층으로서 박막 두께는 대략 0.5~1㎛, 바람직하게는 0.5㎛이다. 몰리브덴층(30)의 열팽장계수는 20~600℃에서 대략 4.8×10-6/K ~ 5.9×10-6/K 정도로 매우 낮은 편이기 때문에 박리현상이 일어나지 않도록 직류 스퍼터링법에 의해 증착한다.
CIGS층(40)은 동시증착법에 의해 Cu(In,Ga)Se2 반도체가 증착된 p형 태양광 흡수층으로서, 박막 두께는 대략 1~2.5㎛, 바람직하게는 1.5㎛이다.
CdS층(50)은 CIGS층(40) 위에 용액성장법을 이용하여 증착된 n형 버퍼층으로 박막 두께는 최대 500Å가 바람직하다. CdS층(50)은 CIGS층(40)의 p형 반도체인 Cu(In,Ga)Se2와 윈도우 역할을 하는 ZnO층(60)을 이루는 n형 반도체인 ZnO와의 격자상수 및 에너지밴드 갭 차이가 너무 크므로 이를 완화해주기 위해 사용된다. CdS의 에너지밴드값은 p형 반도체와 n형 반도체의 에너지밴드갭 값의 중간 정도의 크기를 가진다.
ZnO층(60) 및 투명전극층(70)은 스퍼터링법에 의해 순차적으로 증착된 전극층으로, 광투과율과 전기전도성이 높아야 한다. ZnO층(60)의 박막 두께는 대략 최대 500Å이 바람직하며, 투명전극층(70)의 박막 두께는 대략 1.0㎛가 바람직하다.
여기서, ZnO층(60) 및 투명전극층(70)은 광투과율과 전기전도성이 높도록, ZnO층(60)의 산화아연은 무첨가(intrinsic) 산화아연인 ZnO:i 가 사용되는 것이 바람직하다. 또한, 투명전극층(70)은 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 또는 산화인듐주석(ITO) 등으로 구성될 수 있으나, 바람직하게는 광투과율과 전기전도성이 높은 알루미늄(Al)이 도핑된 산화아연인 AZO(ZnO:Al)가 많이 사용된다.
이때, 전극층에서의 전도율을 높일 수 있도록 투명전극층(70)이 증착된 이후에 소정간격으로 이격되게 금속선 전극을 배치하여 상부전극을 형성한다. 금속으로는 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au) 등과 같은 반사율이 높은 금속을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 투명전극층(70)은 하부의 몰리브덴층(30)과 연결되어 태양전지 셀이 전기적으로 직렬로 연결되도록 한다.
상술한 바와 같이 적층된 구조의 CIGS 태양전지는, 조절되는 나트륨 확산량에 의해 태양전지의 광전효율이 향상되며 결과적으로 몰리브덴층(30)과 CIGS층(40)간의 접착력도 향상되게 된다.
또한, 생산단가 면에서는 기존 스퍼터장치에서 다수개의 몰리브덴 스퍼터 타겟중에서 맨 앞의 한 개 타겟만 크롬이나 니켈의 타겟으로 변경하여 증착하면 되므로 추가 설치비용이 들어가지 않게 된다.
상술한 구조를 가진 본 발명에 따른 태양전지는 다음의 단계를 따라 제조된다.
우선, 일정 두께의 소다석회 유리기판(10)을 준비한다.
그런 다음, 소다석회 유리기판(10)으로부터 나트륨(Na)이 확산되는 양을 조절할 수 있도록, 크롬 또는 니켈 또는 크롬과 니켈의 합금 중 어느 하나로 구성된 매개층(20)을 소다석회 유리기판 위에 스퍼터링법으로 증착한다.
이때, 증착되는 매개층(20)의 두께는 대략 5Å ~ 1000Å인 것이 바람직하다.
그런 다음, 매개층(20) 위에 하부전극층에 해당되는 몰리브덴(Mo)층(30)을 스퍼터링법으로 증착한다.
몰리브덴층(30)을 증착한 후에는 레이저빔을 이용하여 몰리브덴층(30)과 매개층(20)을 스트립 형태로 분할하는 패터닝공정(P1)을 수행한다. 패터닝공정(P1)이 수행된 기판 위에 p형 태양광 흡수층인 CIGS층을 동시증착법으로 증착한다.
그런 다음, CIGS층 위에 n형 버퍼층인 CdS층을 용액성장법으로 증착한다.
증착된 CdS층 위로 윈도우 역할을 하는 ZnO층을 스퍼터링법으로 증착한다.
그런 다음, 증착된 ZnO층, CdS층 및 CIGS층의 일부를 상술한 패터닝공정(P1)에 의해 형성된 패턴을 기준으로 일정 간격 오프셋하여 기계적 스크라이빙법으로 스트립 형태로 분할하는 패터닝공정(P2)을 수행한다. 패터닝공정(P2)이 수행된 기판 위에 투명전극층을 스퍼터링법으로 증착한다.
증착된 투명전극층, ZnO층, CdS층 및 CIGS층의 일부를 상술한 패터닝공정(P2)에 의해 형성된 패턴을 기준으로 일정 간격 오프셋하여 기계적 스크라이빙법으로 스트립 형태로 분할하는 패터닝공정(P3)을 수행한 후, 상부전극을 연결하여 고효율의 CIGS 태양전지를 제조한다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정이나 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 발명의 진정한 범위 내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함함은 물론이다.
도 1은 종래의 CIGS 태양전지 구조도,
도 2는 종래의 CIGS 태양전지 구조 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 CIGS 태양전지 구조 단면도.
[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]
1,10: 유리기판 2: 매개층
3,30: 몰리브덴층 4,40: CIGS층
5,50: CdS층 6,60: ZnO층
7,70: 투명전극층 8: 상부전극
Claims (5)
- 소다석회 유리기판;상기 소다석회 유리기판 위에 증착되며, 상기 소다석회 유리기판으로부터 나트륨(Na)이 확산되는 양을 조절할 수 있도록, 크롬 또는 니켈 또는 크롬과 니켈의 합금 중 어느 하나로 구성된 매개층;상기 매개층 위에 증착된 하부전극층인 몰리브덴(Mo)층;상기 몰리브덴층 위에 증착된 p형 태양광 흡수층인 CIGS층;상기 CIGS층 위에 증착된 n형 버퍼층인 CdS층;상기 CdS층 위에 증착된 ZnO층; 및상기 ZnO층 위에 증착된 투명전극층;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고효율의 CIGS 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 매개층의 증착 두께는 5Å ~ 1000Å인 것을 특징으로 하는 고효율의 CIGS 태양전지.
- 제 2 항에 있어서,상기 소다석회 유리기판의 두께는 2~4mm,상기 몰리브덴(Mo)층의 두께는 0.5㎛,상기 CIGS층의 두께는 1.5㎛,상기 CdS층의 두께는 500Å,상기 ZnO층의 두께는 500Å,상기 투명전극층의 두께는 1.0㎛인 것을 특징으로 하는 고효율의 CIGS 태양전지.
- 소다석회 유리기판을 준비하는 단계;상기 소다석회 유리기판으로부터 나트륨(Na)이 확산되는 양을 조절할 수 있도록, 크롬 또는 니켈 또는 크롬과 니켈의 합금 중 어느 하나로 구성된 매개층을 상기 소다석회 유리기판 위에 스퍼터링법으로 증착하는 단계;상기 매개층 위에 하부전극층인 몰리브덴(Mo)층을 스퍼터링법으로 증착하는 단계;상기 몰리브덴층 및 상기 매개층을 스트립 형태로 분할하는 패터닝공정(P1)을 수행한 후 그 위에 p형 태양광 흡수층인 CIGS층을 동시증착법으로 증착하는 단계;상기 CIGS층 위에 n형 버퍼층인 CdS층을 용액성장법으로 증착하는 단계;상기 CdS층 위에 ZnO층을 스퍼터링법으로 증착하는 단계;증착된 상기 ZnO층, CdS층 및 CIGS층의 일부를 상기 패터닝공정(P1)에 의해 형성된 패턴을 기준으로 오프셋하여 스트립 형태로 분할하는 패터닝공정(P2)을 수행한 후, 그 위에 투명전극층을 스퍼터링법으로 증착하는 단계; 및증착된 상기 투명전극층, ZnO층, CdS층 및 CIGS층의 일부를 상기 패터닝공정(P2)에 의해 형성된 패턴을 기준으로 오프셋하여 스트립 형태로 분할하는 패터닝공정(P3)을 수행하는 단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고효율의 CIGS 태양전지 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 소다석회 유리기판의 두께는 2~4mm,상기 매개층의 증착두께는 5Å ~ 1000Å,상기 몰리브덴(Mo)층의 두께는 0.5㎛,상기 CIGS층의 두께는 1.5㎛,상기 CdS층의 두께는 500Å,상기 ZnO층의 두께는 500Å,상기 투명전극층의 두께는 1.0㎛인 것을 특징으로 하는 고효율의 CIGS 태양전지 제조방법.
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