KR20100029414A - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
태양전지 및 이의 제조방법이 개시되어 있다. 태양전지는 기판; 기판 상에 배치되는 확산방지막; 확산방지막 상에 배치되는 후면전극; 및 후면전극 상에 배치되는 광 흡수층을 포함한다. 태양전지는 확산방지막을 포함하기 때문에, 후면전극에 포함된 불순물을 기판 등에 확산시키지 않고, 불순물의 원하는 양을 광 흡수층에 확산시킬 수 있고, 광 흡수층의 특성을 향상시킬 수 있다.
확산, 방지막, 탄탈륨, 나이트라이드, TaN
Description
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 에너지의 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지들에 대한 개발이 진행되고 있다.
특히, 유리기판, 금속 이면 전극층, p형 CIGS계 광 흡수층, 고 저항 버퍼층, n형 창층 등을 포함하는 기판 구조의 pn 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다.
이러한 태양전지의 광 흡수층은 향상된 특성을 가지기 위해서, 불순물들을 포함할 수 있다.
실시예는 광 흡수층의 특성을 향상시키기 위한 불순물의 광 흡수층으로의 확산되는 양을 조절할 수 있는 태양전지 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 확산방지막; 상기 확산방지막 상에 배치되는 후면전극; 및 상기 후면전극 상에 배치되는 광 흡수층을 포함한다.
또한, 다른 실시예에 따른 태양전지는 기판상에 불순물을 포함하는 후면전극을 형성하는 단계; 상기 후면전극 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 및 상기 불순물을 상기 광 흡수층으로 확산시키는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 태양전지는 확산방지막을 포함한다. 또한, 후면전극에 광 흡수층의 특성을 향상시키기 위한 불순물이 포함되고, 광 흡수층이 형성되는 과정에서 불순물이 광 흡수층으로 확산된다.
일반적으로 태양전지용 유리기판에 포함된 나트륨(Na) 등의 이온은 열처리에 의해 광 흡수층으로 확산될 경우, 태양전지의 개방전압과 충실도를 높이는 것으로 알려져 있으나, 본 불순물이 적정량 확산되었을 경우이며, 과량 확산될 경우 오히려 반도체 내부 격자의 구조를 파괴하여 결함을 발생시키게 되는데, 이 경우 트랩준위로 작용하게 되어 소자의 특성이 저하되는 문제가 발생한다.
따라서 적정량의 나트륨 이온을 흡수층으로의 확산하도록 제어하는 것이 요구되어지나, 기판의 재질, 조성, 형태 등에 따라 나트륨의 양은 가변적으로서 정량적인 제어가 어려운 단점이 있었다. 따라서, 나트륨 이온이 전혀 포함되지 않은 고가의 단결정 기판 또는 스테인리스 스틸, 티타늄, 폴리머 기판 등을 사용하고 인위적인 나트륨 공급을 통하여 정량적으로 불순물의 양을 조절하였으나, 별도의 추가 공정이 필요하다는 단점과 함께 목적하는 화학양론비로 흡수층을 제조하기 어렵다는 큰 문제점이 있었다.
실시예에 따른 태양전지는 기판의 종류와 관계없이 정량적으로 나트륨을 제어하여 광 흡수층에 공급할 수 있다.
즉, 실시예에 따른 태양전지는 후면전극에 포함된 불순물의 양이 조절되어, 광 흡수층으로 확산되는 불순물의 양을 조절할 수 있다.
이때, 확산방지막에 의해서, 기판에 포함된 불순물이 광 흡수층으로의 확산되는 것을 제어함과 동시에, 기판을 향하여 확산되는 불순물은 차단되고, 불순물은 광 흡수층만을 향하여 확산된다.
또한, 불순물이 광 흡수층만을 향하여 확산되기 때문에, 정량적으로 제어된 불순물이 광 흡수층으로 확산될 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지는 광 흡수층의 그레인의 크기를 향상시킬 수 있고, 광 흡수층의 전도도 등을 향상시킬 수 있다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 기판, 층, 막 또는 전극 등이 각 기판, 층, 막, 또는 전극 등의 "상(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 구성요소의 상 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
도 1은 실시예에 따른 CIGS계 태양전지의 단면을 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, CIGS계 태양전지는 기판(100), 확산방지막(200), 후면전극(300), 광 흡수층(400), 버퍼층(500), 고저항 버퍼층(600) 및 투명전극층(700)을 포함한다.
상기 기판(100)은 플레이트 형상을 가진다. 상기 기판(100)은 플렉서블(flexible) 하거나 리지드(rigid)하다. 상기 기판(100)으로 사용되는 물질의 예로서는 유리, 스테인레스 스틸, 티타늄 또는 폴리머 등을 들 수 있다.
상기 확산방지막(200)은 상기 기판(100) 상에 배치된다. 상기 확산방지막(200)은 열처리 공정 등에서 불순물의 확산을 방지한다. 더 자세하게, 상기 확산방지막(200)은 열처리 공정 등에서 나트륨의 확산을 방지한다.
상기 확산방지막(200)의 두께는 약 0.1 내지 3㎛이며, 상기 확산방지막(200)으로 사용되는 물질의 예로서는 탄탈륨 나이트라이드(TaNx) 또는 실리콘 옥사이드(SiOx) 등을 들 수 있다.
상기 후면전극(300)은 상기 확산방지막(200) 상에 배치된다. 상기 후면전 극(300)으로 사용되는 물질의 예로서는 몰리브덴 등을 들 수 있다. 상기 후면전극(300)의 두께는 약 0.2 내지 3.0㎛일 수 있다.
상기 후면전극(300)은 제 1 후면전극(310) 및 제 2 후면전극(320)을 포함한다.
상기 제 1 후면전극(310)은 상기 확산방지막(200) 상에 배치되며, 상기 제 2 후면전극(320)보다 더 높은 저항을 가진다. 더 자세하게, 상기 제 1 후면전극(310)은 나트륨을 포함한다.
이는, 상기 기판(100) 상에 형성된 확산방지막(200)과의 밀착력을 확보함과 동시에 상기 광 흡수층(400)을 형성하는 과정에서, 상기 제 1 후면전극(310)에 포함된 나트륨이 상기 제 2 후면전극(320)을 통하여, 상기 광 흡수층(400)에 확산되는 것을 제어하기 위함이다.
또한, 상기 제 2 후면전극(320)은 상기 제 1 후면전극(310) 상에 배치되며, 상기 제 1 후면전극(310)보다 더 낮은 저항을 가진다.
상기 제 1 후면전극(310) 및 상기 제 2 후면전극(320)의 두께의 비는 약 1:10 내지 4:10 일 수 있다.
상기 광 흡수층(400)은 상기 후면전극(300) 상에 배치된다. 상기 광 흡수층(400)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2,CIGS계) 화합물을 포함한다.
이와는 다르게, 상기 광 흡수층(400)은 구리-인듐-셀레나이드계(CuInSe2,CIS계) 화합물 또는 구리-갈륨-셀레나이드계(CuGaSe2,CGS계) 화합물을 포함할 수 있다.
상기 광 흡수층(400)은 외부의 광을 입사받아, 전기에너지로 변환시킨다. 상기 광 흡수층(400)은 광전효과에 의해서 광 기전력을 생성한다.
상기 버퍼층(500)은 상기 광 흡수층(400) 상에 배치된다. 상기 버퍼층(500)으로 사용되는 물질의 예로서는 황화 카드뮴(CdS) 등을 들 수 있다.
상기 버퍼층(500)은 n형 반도체 층이고, 상기 광 흡수층(400)은 p형 반도체 층이다. 따라서, 상기 광 흡수층(400) 및 상기 버퍼층(500)은 pn 접합을 형성한다.
상기 고저항 버퍼층(600)은 상기 버퍼층(500) 상에 배치된다. 상기 고저항 버퍼층(600)은 상기 버퍼층(500)보다 더 높은 저항을 가지며, 상기 고저항 버퍼층(600)으로 사용되는 물질의 예로서는 징크 옥사이드(ZnO) 등을 들 수 있다.
상기 투명전극층(700)은 상기 고저항 버퍼층(600) 상에 배치되며, 상기 투명전극층(700)은 투명하며, 상기 고저항 버퍼층(600)보다 낮은 저항을 가진다. 상기 투명전극층(700)으로 사용되는 물질의 예로서는 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드 등을 들 수 있다.
실시예에 따른 CIGS계 태양전지는 상기 제 1 후면전극(310)에 나트륨 등의 불순물이 포함되고, 상기 불순물이 상기 광 흡수층(400)에 확산되어 형성될 수 있다. 이때, 상기 확산방지막(200)에 의해서, 상기 불순물은 상기 광 흡수층(400)에 용이하게 확산된다.
따라서, 정량적으로 제어된 상기 제 1 후면전극(310)의 불순물은 상기 광 흡수층(400)에 효과적으로 확산됨과 동시에, 상기 불순물은 상방으로만 확산되기 때문에, 상기 불순물은 상기 광 흡수층(400)의 특성을 향상시킬 수 있으며, 상기 기 판(100)에서의 불순물 확산을 제어하여, 궁극적으로 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 CIGS계 태양전지는 향상된 특성을 가지는 광 흡수층(400)을 가지며, 이에 따라서, 향상된 성능 및 효율을 가질 수 있다.
또한, 상기 확산방지막(200)에 의해서, 상기 불순물의 상기 광 흡수층(400)으로의 확산되는 양이 조절될 수 있다.
이에 따라서, 상기 광 흡수층(400)은 최적의 성분비로 상기 불순물을 포함할 수 있고, 실시예에 따른 CIGS계 태양전지는 향상된 효율을 구현할 수 있다.
도 2a 내지 도 2d는 실시예에 따른 CIGS계 태양전지의 제조공정을 도시한 단면도들이다.
도 2a를 참조하면, 기판(100) 상에 확산방지막(200)이 형성된다.
상기 기판(100)은 유리기판, 스테인레스기판, 티타늄 기판 또는 폴리머 기판 등일 수 있다. 또한, 상기 기판(100)은 리지드하거나 플렉서블 할 수 있다.
상기 확산방지막(200)은 상기 기판(100) 상에 탄탈륨 나이트라이드 또는 실리콘 옥사이드 등이 물리적 기상 증착(physical vapor deposition;PVD), 화학적 기상 증착(chemical vapor deposition;CVD) 또는 스프레이 방식 등에 의해서, 증착되어 형성된다.
또한, 상기 확산방지막(200)은 전이금속 질소화합물(예를 들어, TiN, HfN, W2N) 또는 산화물(예를 들어, Al2O3) 등을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 확산방지막은 약 1 내지 10 mTorr의 아르곤 및 질소 분위기에서 진행되는 스퍼터링 공정에 의해서 형성될 수 있다. 이때, 질소의 분압비는 약 0.1 내지 0.5이고, 증착시 기판의 온도는 약 25 내지 450℃이다. 또한, 상기 스퍼터링 공정은 RF 또는 DC 마그네트론 스퍼터를 사용하여 진행된다.
도 2b를 참조하면, 상기 확산방지막(200) 상에 제 1 후면전극(310) 및 제 2 후면전극(320)이 차례로 적층되어, 후면전극(300)이 형성된다.
상기 제 1 후면전극(310)은 나트륨이 도핑된 몰리브덴 타겟을 사용하여 스퍼터링 공정에 의해서 진행된다. 이때, 상기 제 1 후면전극(310)은 약 5 내지 15 mTorr의 아르곤 분위기에서 형성된다.
이에 따라서, 상기 제 1 후면전극(310)은 나트륨을 포함하여 형성되며, 높은 저항을 가지며, 상기 확산방지막(200)에 대해서 향상된 결합력을 가진다.
상기 제 2 후면전극(320)은 몰리브덴 타겟을 사용하여 스퍼터링 공정에 의해서 진행된다. 이때, 상기 제 2 후면전극(320)은 약 1 내지 4 mTorr의 아르곤 분위기에서 형성된다.
이에 따라서, 상기 제 2 후면전극(320)은 상기 제 1 후면전극(310)보다 더 낮은 저항을 가지며, 향상된 전기적인 특성을 가진다.
도 2c를 참조하면, 상기 후면전극(300)이 형성된 후, 상기 제 2 후면전극(320) 상에 광 흡수층(400)이 형성된다.
상기 광 흡수층(400)을 형성하기 위해서, 구리 타겟, 인듐 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하여, 상기 제 2 후면전극(320) 상에 CIG계 금속 프리커서 막이 형성된 다. 이후, 상기 금속 프리커서 막은 셀레니제이션 공정에 의해서, 셀레늄과 반응하여, CIGS계 광 흡수층(400)이 형성된다.
이때, 상기 금속 프리커서 막을 형성하는 과정 및 상기 셀레니제이션 공정은 약 350 내지 550℃의 온도에서 진행되고, 상기 제 1 후면전극(310)에 포함된 나트륨은 상기 제 2 후면전극(320), 상기 금속 프리커서 막 및 상기 CIGS계 광 흡수층(400)에 확산된다.
즉, 상기 나트륨의 확산공정 및 상기 광 흡수층(400)을 형성하는 공정은 동시에 진행된다.
도 2d를 참조하면, 상기 광 흡수층(400) 상에 황화 카드뮴이 적층되어, 버퍼층(500)이 형성되고, 상기 버퍼층(500) 상에 징크 옥사이드가 적층되어, 고저항 버퍼층(600)이 형성된다.
이후, 상기 고저항 버퍼층(600) 상에 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드가 적층되어, 투명전극층(700)이 형성된다.
상기 제 1 후면전극(310)에 포함된 나트륨이 상기 제 2 후면전극(320)에 확산되기 때문에, 상기 제 1 후면전극(310)은 상기 제 2 후면전극(320)보다 더 많은 양의 나트륨을 포함하게 된다.
또한, 상기 확산방지막(200)에 의해서, 하방으로 나트륨이 확산되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 상기 제 1 후면전극(310)에 포함된 나트륨은 상기 광 흡수층(400)만을 향하여 확산되고, 상기 기판(100)을 향하여 확산되지 않는다.
따라서, 상기 제 1 후면전극(310)에 포함된 나트륨의 양을 조절하여, 상기 광 흡수층(400)에 포함된 나트륨을 조절할 수 있다.
이에 따라서, 상기 광 흡수층(400)이 최적의 특성을 가질 수 있도록, 상기 광 흡수층(400)으로 확산되는 나트륨의 양이 조절될 수 있다.
또한, 실시예에 따른 CIGS계 태양전지의 제조방법은 상기 광 흡수층(400)에 나트륨을 확산시키기 위한 추가적인 공정이 필요하지 않는다.
따라서, 실시예에 따른 CIGS계 태양전지의 제조방법은 다양한 소재의 기판을 포함한다. 특히, 실시예에 따른 CIGS계 태양전지의 제조방법은 플렉서블한 기판을 사용하여, 플렉서블한 태양전지를 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 CIGS계 태양전지의 제조방법은 상기 확산방지막(200)에 의해서, 나트륨을 정량적으로 상기 광 흡수층(400)에 확산시킬 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 CIGS계 태양전지의 제조방법은 향상된 결정성 및 성능을 가지는 광 흡수층을 제공할 수 있다.
이상에서 실시예를 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, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 실시예에 따른 CIGS계 태양전지의 단면을 도시한 단면도이다.
도 2a 내지 도 2d는 실시예에 따른 CIGS계 태양전지의 제조공정을 도시한 단면도들이다.
Claims (10)
- 기판;상기 기판 상에 배치되는 확산방지막;상기 확산방지막 상에 배치되는 후면전극; 및상기 후면전극 상에 배치되는 광 흡수층을 포함하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 확산방지막은 탄탈륨 나이트라이드 또는 실리콘 옥사이드를 포함하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 후면전극은상기 확산방지막 상에 배치되는 제 1 후면전극; 및상기 제 1 후면전극 상에 배치되는 제 2 후면전극을 포함하는 태양전지.
- 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 후면전극은 나트륨을 포함하는 태양전지.
- 제 3 항에 있어서, 상기 제 2 후면전극은 상기 제 1 후면전극보다 더 저항이 낮은 태양전지.
- 기판상에 불순물을 포함하는 후면전극을 형성하는 단계;상기 후면전극 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 및상기 불순물을 상기 광 흡수층으로 확산시키는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 불순물을 상기 광 흡수층으로 확산시키는 단계에서,상기 불순물은 나트륨이며, 상기 광 흡수층의 특성을 향상시키는 태양전지의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 기판 및 후면전극 사이에 확산방지막을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 8 항에 있어서, 상기 확산방지막을 형성하는 단계에서,상기 확산방지막은 탄탈륨 나이트라이드 또는 실리콘 옥사이드를 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 8 항에 있어서, 상기 후면전극을 형성하는 단계는상기 확산방지막 상에 불순물을 포함하는 제 1 후면전극을 형성하는 단계; 및상기 제 1 후면전극 상에 제 2 후면전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
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