KR20100073717A - 태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

태양전지 및 그 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20100073717A
KR20100073717A KR1020080132465A KR20080132465A KR20100073717A KR 20100073717 A KR20100073717 A KR 20100073717A KR 1020080132465 A KR1020080132465 A KR 1020080132465A KR 20080132465 A KR20080132465 A KR 20080132465A KR 20100073717 A KR20100073717 A KR 20100073717A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
sulfur
concentration
solar cell
electrode layer
Prior art date
Application number
KR1020080132465A
Other languages
English (en)
Inventor
전국일
이우수
김동섭
김진석
김병동
이강희
안동기
이병주
박형진
김인기
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020080132465A priority Critical patent/KR20100073717A/ko
Priority to US12/635,660 priority patent/US8916767B2/en
Priority to EP09015528.4A priority patent/EP2202804A3/en
Publication of KR20100073717A publication Critical patent/KR20100073717A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
    • H01L31/0445—PV modules or arrays of single PV cells including thin film solar cells, e.g. single thin film a-Si, CIS or CdTe solar cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/58—After-treatment
    • C23C14/5846—Reactive treatment
    • C23C14/5866—Treatment with sulfur, selenium or tellurium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/032—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312
    • H01L31/0322—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312 comprising only AIBIIICVI chalcopyrite compounds, e.g. Cu In Se2, Cu Ga Se2, Cu In Ga Se2
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/036—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes
    • H01L31/0392—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes including thin films deposited on metallic or insulating substrates ; characterised by specific substrate materials or substrate features or by the presence of intermediate layers, e.g. barrier layers, on the substrate
    • H01L31/03923—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes including thin films deposited on metallic or insulating substrates ; characterised by specific substrate materials or substrate features or by the presence of intermediate layers, e.g. barrier layers, on the substrate including AIBIIICVI compound materials, e.g. CIS, CIGS
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier
    • H01L31/065—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier the potential barriers being only of the graded gap type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/541—CuInSe2 material PV cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/544—Solar cells from Group III-V materials

Abstract

태양전지 및 그 제조 방법이 제공된다. 태양전지는 기판, 기판 상에 형성된 배면 전극층, 배면 전극층 상에 형성된 광흡수층 및 광흡수층 상에 형성된 투명 전극층을 포함하되, 광흡수층은 구리(Cu), 갈륨(Ga), 인듐(In), 황(S), 및 셀레늄(Se)을 포함하고, 광흡수층은 배면 전극층으로부터 광흡수층을 향한 제1 방향으로 황(S)의 농도가 낮아지는 제1 농도 구간을 포함할 수 있다.
배면 전극층, 밴드갭 에너지, 몰리브덴, 개방 전압

Description

태양전지 및 그 제조 방법{Solar cell and method of fabricating the same}
본 발명은 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 효율이 향상된 태양전지에 관한 것이다.
태양전지(Solar Cell 또는 Photovoltaic Cell)는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심소자이다. 일반적으로 반도체의 pn접합으로 만들어진다. 태양전지에 반도체의 밴드갭 에너지(Band-gap Energy; Eg)보다 큰 에너지를 가진 태양빛이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되는데, 이들 전자-정공이 pn 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 됨에 따라 pn간에 기전력이 발생하게 된다. 이 때 양단의 전극에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 된다.
최근 들어 온실 가스 배출 및 화석연료의 공급 불안정 문제로 인하여, 무한정의 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생산하는 태양전지에 대한 관심이 급증하고 있다. 다만, 태양전지의 낮은 광전 변환 효율은 개선되어야 할 과제이다.
종래 태양전지의 경우, 태양전지의 효율의 척도가 되는 개방 전압을 높이기 위하여 태양전지를 구성하는 광흡수층에 특정 원소의 농도 구배를 형성하였다. 그러나, 이러한 태양전지의 제조 과정에서 태양전지를 구성하는 배면 전극층과 광흡수층을 형성하는 물질간에 부반응이 발생하여, 배면 전극층과 기판 간의 접착성이 저하되었다. 이에 의해, 태양전지의 안정성이 저하되었다. 또한, 온도에 민감한 부반응의 발생을 최소로 하기 위해 광흡수층의 형성시 온도를 낮추어 열처리를 하였으나, 이럴 경우 형성된 광흡수층의 특성이 저하되었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 광전 변환 효율이 향상되고 안정성이 확보된 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 태양전지의 제조시 수반 될 수 있는 부반응을 최소로 억제하면서 광흡수층에 특정 원소의 농도 구배를 형성할 수 있는 태양전지의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 기판, 상기 기판 상에 형성된 배면 전극층, 상기 배면 전극층 상에 형성된 광흡수층 및 상기 광흡수층 상에 형성된 투명 전극층을 포함하되, 상기 광흡수층은 구리(Cu), 갈륨(Ga), 인듐(In), 황(S), 및 셀레늄(Se)을 포함하고, 상기 광흡수층은 상기 배면 전극층으로부터 상기 광흡수층을 향한 제1 방향으로 상기 황(S)의 농도가 낮아지는 제1 농도 구간을 포함할 수 있다
한편, 상기 해결하고자 하는 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조 방법은 기판 상에 배면 전극층을 형성하는 단계, 상기 배면 전극층 상에 광흡수층을 형성하는 단계 및 상기 광흡수층 상에 투명 전극층을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 광흡수층은 구리(Cu), 갈륨(Ga), 인듐(In), 황(S), 및 셀레늄(Se)을 포함하고, 상기 광흡수층은 상기 배면 전극층으로부터 상기 광흡수층을 향한 제1 방향으로 상기 황(S)의 농도가 낮아지는 제1 농도 구간을 포함할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도 면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 개략도인 평면도 및 단면도를 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이고, 발명의 범주를 제한하기 위한 것은 아니다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 의한 태양전지에 대하여 상세히 설명한다.
도 1 내지 3b를 참조하여, 본 발명의 일 실시예 및 변형 실시예 에 따른 태양전지에 대하여 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예 및 변형 실시예에 따른 태양전지의 단면도이고, 도 2a는 도 1의 태양전지 중 광흡수층의 밴드갭 에너지의 분포를 나타내는 것이고, 도 2b는 도1의 태양전지 중 광흡수층의 밴드갭 에너지의 분포를 나타내는 것이고, 도 3a는 도 2a의 밴드갭 에너지의 분포를 갖는 광흡수층의 황(S) 원소의 농도 구간 분포를 나타내는 것이고, 도 3b는 도 2b의 밴드갭 에너지의 분포를 갖는 광흡수층의 황(S) 원소의 농도 구간 분포를 나타내는 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지는 기판(10), 배면 전극층(20), 광흡수층(30), 버퍼층(40), 창층(50), 투명 전극층(60), 반사 방지층(70)을 포함할 수 있다.
태양전지에서 사용되는 기판(10)의 재질은 일반적으로 절연성이 있는 유리가 사용된다. 특히, 소다회(sodalime) 유리가 사용된다. 그 이유는 소다회 유리에 함유된 나트륨(Na)이 태양전지의 제조 공정 중에 구리(Cu)-인듐(In)-갈륨(Ga)-황(S)-셀레늄(Se)의 화합물(이하, 'CIGSS' 라 한다.)로 형성된 광흡수층(30)으로 확산될 수 있는데, 이에 의해 CIGSS로 형성된 광흡수층(30)의 전하 농도가 증가하게 될 수 있다. 이는 태양전지의 광전 변환 효율을 증가시킬 수 있는 요인이 될 수 있다. 따 라서, CIGSS로 형성된 광흡수층을 갖는 태양전지의 광전 변환 효율을 증가시키기 위하여 기판(10)으로 소다회 유리(sodalime glass)가 사용된다. 이외에, 기판(10)의 재질로 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸, 유연성이 있는 고분자 등이 사용될 수 있다.
배면 전극층(20)은 태양전지 중 광흡수층(30)에서 생성된 전하가 이동하도록 하여 태양전지의 외부로 전류를 흐르게 할 수 있다. 배면 전극층(20)은 이러한 기능을 수행하기 위하여 전기 전도도가 높고 비저항이 작아야 한다. 또한, 배면 전극층(20)은 광흡수층(30)을 형성하는 CIGSS 화합물과 접촉되므로, P-형 반도체인 CIGSS 화합물과 배면 금속층(20) 간에 접촉 저항치가 작은 저항성 접촉(ohmic contact)이 되어야 한다. 또한, 배면 전극층(20)은 CIGSS 화합물 형성 시 수반되는 황(S) 또는 셀레늄(Se) 분위기 하에서의 열처리 시 고온 안정성이 유지되어야 한다. 또한, 배면 전극층(20)은 열팽창 계수의 차이로 인한 기판(10)으로부터의 박리현상이 발생되지 않도록 기판(10)에의 접착성이 우수하여야 한다. 이러한 배면 전극층(20)은 몰리브덴(Mo), 금(Au), 알루미늄(Al) 및 구리(Cu)중 어느 하나로 형성될 수 있다. 이 가운데, 특히 몰리브덴(Mo)는 상술한 배면 전극층(20)에 요구되는 특성을 전반적으로 충족시킬 수 있는 재질 중의 하나이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광흡수층(30)은 구리(Cu)-인듐(In)-갈륨(Ga)-황(S)-셀레늄(Se)의 화합물로 이루어 질 수 있다. 이러한 CIGSS 화합물을 칼코파이라이트(Chalcopyrite)계 화합물이라고 하며, p형 반도체의 성질을 갖는다. CIGSS 화합물 반도체는 직접 천이형 밴드갭 에너지를 갖는다. 또한, 광 흡수계수가 1x105㎝-1로 반도체 중에서 가장 높아 수㎛ 두께의 박막으로도 고효율 태양전지의 제조가 가능하다. 또한, 장기적으로 전기광학적 안정성이 매우 우수한 특성을 지니고 있다.
본 발명에 따른 태양전지의 광흡수층(30)은 구리(Cu)-인듐(In)-갈륨(Ga)-황(S)-셀레늄(Se)의 오원 화합물로써, Cu(GaxIn1 -x)(SySe1 -y)2이다. 여기서, Cu(GaxIn1 -x)(SySe1 -y)2 화합물의 결정 격자 구조는 인듐(In)의 일부를 갈륨(Ga)이 대체하고, 황(S)의 일부를 셀레늄(Se)이 대체한 구조를 갖는다.
도 2a를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 광흡수층(30)의 밴드갭 에너지에 대하여 설명한다.
Ev는 가전자대 에너지 밴드를 나타내는 것이고, Ec는 전도대 에너지 밴드를 나타내는 것이다. 밴드갭 에너지(Eg)는 전도대 에너지 밴드(Ec)와 가전자대 에너지 밴드(Ev)간의 에너지 갭을 나타낸다.
일반적으로, 배면 전극층(20) 부근에서 밴드갭 에너지(Eg)가 크면, 광흡수층 내의 전자와 정공이 재결합(recombination) 되는 것이 방지되어 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 배면 전극층(20) 부근에서 밴드갭 에너지(Eg)가 크면, 태양전지의 개방전압(Voc)이 커지고, 태양전지의 효율이 향상된다.
여기서, 개방 전압(Voc)은 무한대의 임피던스가 걸린 상태에서 빛을 받았을 때, 태양전지의 양단에 형성되는 전위차이다. 이는 태양전지로부터 얻을 수 있는 최대 전압이다. 일반적으로, 개방 전압(Voc)은 개방 회로(open circuit)의 전류가 단락 회로(short circuit)의 전류보다 현저하게 작을 경우 입사광의 세기에 비례한다. 또한, p-n 접합(junction)이 잘 형성되면, 금지대폭이 큰 반도체일수록 개방 전압(Voc)이 커진다. 또한, 밴드갭 에너지(Eg)가 커지면 개방(open) 상태에서 전류가 감소하기 때문에, 개방 전압(Voc)이 증가한다.
따라서, 광흡수층(30)과 배면 전극층(20)의 계면에서 밴드갭 에너지(Eg)를 크게 하면, 재결합을 방지하고 개방전압(Voc)이 커져 전체적으로 태양전지의 효율이 향상될 수 있다.
도 2a를 참조하면, A영역은 배면 전극층(20)과 인접한 광흡수층(30)의 영역이다. 따라서, 상술한 이유로, A영역의 밴드갭 에너지(Eg)가 가장 크다.
한편, B영역은 A영역으로부터 광흡수층(30)의 상부까지의 영역으로 광흡수층의 내부영역이다. 이 영역에서는 밴드갭 에너지(Eg)가 점점 감소하는 경향이 있다. 이 영역은 태양빛을 받아 가전자대에 있는 전자가 전도대로 용이하게 여기될 수 있도록, 이 영역의 밴드갭 에너지(Eg)는 배면 전극층(20)과 인접한 광흡수층(30)의 영역의 밴드갭 에너지(Eg)보다 작은 것이 광기전 효과(photovoltaic effect) 향상에 유익하다. 만약, B영역에서도 A영역과 같이 밴드갭 에너지(Eg)가 높다면, 광흡수층(30)이 태양빛을 받더라도 가전자대에 있는 전자가 전도대로 여기되는 것이 용이하지 않아, 전체적으로 태양전지의 발전 효율이 저하될 수 있다.
도 2b를 참조하여, 본 발명의 변형 실시예에 따른 태양전지의 광흡수층(30) 의 밴드갭 에너지를 설명한다. 도 2b의 A 및 B영역은 상술한 도 2a의 A 및 B영역과 동일하므로, 반복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2b의 C영역은 버퍼층(40)과 인접한 광흡수층(30)의 영역이다. C영역은 n-형 반도체인 버퍼층(40)과의 계면에 해당하는 영역으로, C영역에서 생성된 전자와 정공이 재결합되는 것을 방지하기 위하여 C영역의 밴드갭 에너지(Eg)는 커지는 것이 바람직하다.
한편, 상술한 광흡수층(30)의 밴드갭 에너지(Eg) 분포는 갈륨(Ga)의 농도를 조절함으로써 형성될 수 있으나, 본 발명에 따른 CIGSS 화합물 반도체의 광흡수층(30)의 밴드갭 에너지(Eg) 분포는 황(S)의 농도를 조절하여 형성된다.
도 2a 내지 도 3b를 참조하여, 본 발명의 일 실시예 및 변형 실시예에 따른 광흡수층(30)에 형성된 밴드갭 에너지(Eg)의 분포와 황(S)의 농도 분포를 설명한다.
본 발명에 따른 태양전지 중 광흡수층(30)은 Cu(GaxIn1 -x)(SySe1 -y)2로 이루어진다(여기서, 0.1≤x≤0.3, 0.7≤y<1). x값은 CIGSS 화합물에서 인듐(In)의 일부를 갈륨(Ga)이 대체하는 비율을 나타내는 것이다.
도 3a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광흡수층(30)의 황(S)의 농도 분포 중 제1 농도 구간(B')은 배면 전극층(20)으로부터 광흡수층(30)을 향한 제1 방향으로 갈수록 황(S)의 농도가 낮아진다. 즉, 본 발명에 따른 태양전지의 광흡수층(30)을 이루는 Cu(GaxIn1-x)(SySe1-y)2 화합물(여기서, 0.1≤x≤0.3, 0.7≤y<1)에 서, 제1 농도 구간(B')의 y값은 제1 방향으로 갈수록 작아질 것이다. 한편, 도2 a의 밴드갭 에너지(Eg)는 황(S)의 농도 분포와 상응하는 분포를 갖는다. 즉, 황(S)의 농도가 낮은 영역에서는 대체로 밴드갭 에너지(Eg)도 작은 값을 갖고, 황(S)의 농도가 높은 영역에서는 대체로 밴드갭 에너지(Eg)도 큰 값을 갖는다. 본 발명에 따른 광흡수층(30)의 제1 농도 구간(B')은 제1 방향으로 갈수록 황(S)의 농도가 낮아지므로, 제1 방향으로 갈수록 밴드갭 에너지(Eg)의 값도 작아지는 경향을 보일 것이다. 이에 의해, 제1 농도 구간(B')의 광흡수층(30)에서는 태양빛을 받은 가전자대의 전자가 용이하게 전도대로 여기될 수 있어, 태양전지의 전체적인 발전 효율은 향상될 수 있을 것이다.
도3 b를 참조하면, 본 발명의 변형 실시예에 따른 광흡수층(30)의 황(S)의 농도 분포 중 제2 농도 구간(C')은 제1 농도 구간(B')과 버퍼층(40) 사이의 구간으로써, 황(S)의 농도가 증가한다. 즉, 본 발명에 따른 태양전지의 광흡수층(30)을 이루는 Cu(GaxIn1 -x)(SySe1 -y)2 화합물(여기서, 0.1≤x≤0.3, 0.7≤y<1)에서, 제2 농도 구간(C')의 y값은 제1 방향으로 갈수록 커질 것이다. 이에 따라, 본 발명에 따른 광흡수층(30)의 제2 농도 구간(C')은 제1 방향으로 갈수록 황의 농도가 커지므로, 도 2b와 같이 제1 방향으로 갈수록 밴드갭 에너지(Eg)의 값도 커질 것이다. 이에 의해, 제2 농도 구간(B')의 광흡수층(30)에서는 여기된 전자와 정공간에 재결합의 발생이 최소화 될 수 있어, 태양전지의 전체적인 발전 효율은 향상될 수 있을 것이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예 및 변형 실시예에 따른 광흡수층(30)의 황(S)의 농도 분포 중 제3 농도 구간(A')은 제1 농도 구간(B')과 배면 전극층(40) 사이의 구간으로써, 황(S)의 농도가 일정하다. 또한, 제3 농도 구간(A')의 황(S)의 농도는 제1 및 제2 농도 구간(B', C')의 황(S)의 농도 중 최대값에 상응한다. 즉, 본 발명에 따른 태양전지의 광흡수층(30)을 이루는 Cu(GaxIn1 -x)(SySe1 -y)2 화합물(여기서, 0.1≤x≤0.3, 0.7≤y<1)에서, 제3 농도 구간(A')의 y값은 1에 근접할 것이다. 이에 따라, 본 발명에 따른 광흡수층(30)의 제3 농도 구간(A')은 다른 농도 구간(B', C') 보다 황(S)의 농도가 크므로, 밴드갭 에너지(Eg)의 값도 다른 농도 구간(B', C') 보다 커질 것이다. 이에 의해, 제3 농도 구간(A')의 광흡수층(30)에서는 여기된 전자와 정공간에 재결합의 발생이 제1 및 제2 농도 구간에 비하여 최소화 될 수 있다. 또한, 배면 전극층(20)의 계면에서 밴드갭 에너지(Eg)가 커지므로, 개방 전압(Voc)도 커질 것이다. 따라서, 태양전지의 전체적인 발전 효율은 향상될 수 있을 것이다.
이러한, 제3 농도 구간(A')은 광흡수층(30) 중에서 제1 화합물층으로써, 제1 화합물층은 전체 광흡수층(30) 두께의 2.5 내지 5%이다. 제1 화합물층에 대해서는 후술하도록 한다.
한편, 황의 농도 구간인 제1 농도 구간(B'), 제2 농도 구간(C'), 제3 농도 구간(A') 각각은 도 2의 B영역, C영역, A영역에 대응된다. 즉, 황(S)의 농도 값의 프로파일과 밴드갭 에너지(Eg) 값의 프로파일은 서로 유사함을 알 수 있다.
도 1을 참조하면, 광흡수층(30) 상에 버퍼층(40)이 위치한다. 본 발명과 같이 CIGSS 화합물을 광흡수층(30)으로 갖는 태양전지는 p형 반도체인 CIGSS 화합물 박막과 n형 반도체로 창(window)층(50) 또는 투명 전극층(60)으로 사용되는 산화아연(ZnO) 박막간에 pn 접합을 형성한다. 하지만 두 물질은 격자상수와 밴드갭 에너지의 차이가 크기 때문에 양호한 접합을 형성하기 위해서는 밴드갭이 두 물질의 중간에 위치하는 버퍼층(40)이 필요하다. 버퍼층(40)을 형성하는 물질로는 CdS, ZnS등이 있다. 태양전지의 발전 효율 측면에서 CdS가 상대적으로 우수하다. CdS박막은 n형 반도체이며, 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al) 등을 도핑함으로써 낮은 저항값을 얻을 수 있다.
버퍼층(40) 상에는 창(window)층(50)이 위치한다. 창층(50)은 n형 반도체로써, 버퍼층(40)과 더불어 CIGSS 화합물과 pn접합을 형성한다. 창층(50)은 태양빛이 광흡수층(30) 등으로 투과될 수 있도록 광 투과율이 높은 물질로 형성된다. 또한, 창층(50)은 전극층으로도 기능할 수 있도록 전도성 물질로 형성된다. 이러한 창층(50)의 기능을 확보하기 위하여, 창층(50)은 산화아연(ZnO) 물질로 형성된다. 산화아연(ZnO)은 전도성 물질로써, 밴드갭 에너지가 3.3 eV이고, 약 80 % 이상의 높은 광 투과도를 갖는다. 창층(50)은 3족이나 5족원소 등을 도핑하지 않은 i형 산화아연(ZnO)을 주로 사용한다.
한편, 창층(50) 상에는 투명 전극층(60)이 위치한다. 투명 전극층(50)은 태양빛이 광흡수층(30) 등으로 투과될 수 있도록 광 투과율이 높은 물질로 형성된다. 또한, 전극층으로 기능할 수 있도록 저항이 낮은 전도성 물질로 형성된다. 이러한 투명 전극층(50)을 형성하는 물질로는 붕소(B) 또는 알루미늄(Al)이 도핑된 산화아연(ZnO)이나 산화인듐주석(ITO; Indium Tin Oxide)이 사용된다. 붕소(B) 또는 알루미늄(Al)이 도핑된 산화아연(ZnO)은 저항치가 10-4 Ω*㎝이하의 값을 가져 전극으로 사용되기에 적합하다. 특히, 붕소(B)가 도핑된 산화아연(ZnO)은 근적외선 영역의 광 투과도를 증가시켜 태양전지의 단락 전류를 증가시키는 효과가 있다.
투명 전극층(60) 상에 추가적으로 반사 방지막(70)을 포함시킬 수 있다. 투명 전극층(60) 상에 반사 방지막(70)을 형성하여, 태양전지에 입사되는 태양광의 반사 손실을 줄이면, 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다. 반사 방지막(70)은 MgF2로 형성된다.
계속해서, 도 1 및 도 4a 내지 4i를 참조하여, 본 발명에 따른 태양전지의 제조 방법에 대해 설명한다.
도 4a를 참조하면, 기판(10) 상에 배면 전극층(20)을 형성한다. 배면 전극층(20)은 상술한 바와 같이, 배면 전극층(20)에 요구되는 성능을 전반적으로 만족시키는 물질인 몰리브덴(Mo)으로 형성한다. 배면 전극층(20)은 몰리브덴(Mo)을 타겟으로 하는 DC 스퍼터링(sputtering)의 방법으로 형성된다. 이외에, 배면 전극층(20)은 화학 기상 증착(chemical vapor deposition; CVD) 방법으로도 형성될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 배면 전극층(20) 상에 구리(Cu)-갈륨(Ga)층(31)을 형성한다. 이때, 구리(Cu)-갈륨(Ga)층(31)은 구리(Cu)-갈륨(Ga) 합금을 타겟 물질로 하는 스퍼터링(sputtering) 방법에 의하여 형성된다. 이때, 갈륨(Ga)은 단독으로 타겟 물질이 되기 어려운 물질이므로, 구리(Cu)-갈륨(Ga) 합금을 타겟 물질로 이용한다.
도 4c를 참조하면, 구리(Cu)-갈륨(Ga)층(31) 상에 인듐(In)층(32)을 형성한다. 인듐(In)층(32)은 인듐(In) 물질을 타겟으로 하여 스퍼터링(sputtering) 방법에 의하여 형성된다.
상술한 공정에 의하여, 배면 전극층(20) 상에 구리(Cu)-갈륨(Ga)층(31) 및 인듐(In)층(32)으로 이루어진 제1 전구체가 형성된다. 이때, 상술한 바와 같이, 2단계로 나눠서 제1 전구체를 형성할 수 있지만, 제1 전구체는 타겟 물질로 구리(Cu)-갈륨(Ga)-인듐(In)의 합금을 사용하는 스퍼터링(sputtering)에 의해서도 형성될 수 있다. 여기서, 제1 전구체는 구리(Cu)-갈륨(Ga)-인듐(In)층(미도시)으로 형성될 것이다.
도 4d 및 4e를 참조하면, 구리(Cu)-갈륨(Ga)층(31) 및 인듐(In)층(32)으로 이루어진 제1 전구체를 황(S)함유 가스(33)로 제1 열처리하여 제1 화합물층(34)을 형성한다.
제1 열처리를 위하여, 제1 열처리가 수행되는 챔버(100)내를 진공으로 만든다.
계속해서, 황(S) 함유 가스를 챔버(100)내로 주입한다. 여기서, 황(S) 함유 가스는 불활성 가스 및 황화수소(H2S) 가스를 포함할 수 있다. 배면 전극층(20)과의 계면에서 요구되는 밴드갭 에너지(Eg)와 전자의 여기(excitation) 정도를 고려할 때, 황화수소(H2S) 가스는 황(S) 함유 가스 전체 유량 중 10 내지 20%의 유량비를 차지하는 것이 좋다. 황(S) 함유 가스 전체 유량 중 황화수소(H2S) 가스의 유량 비가 10 내지 20%이면, 배면 전극층(20)과의 계면에서 요구되는 밴드갭 에너지(Eg)를 충분히 확보할 수 있고, 광 흡수층(30)의 전 영역에서 밴드갭 에너지(Eg)가 필요 이상으로 커지는 것을 방지할 수 있어 전자 여기(excitation)에 유리하다.
이러한 제1 열처리는 용이한 구리(Cu)-갈륨(Ga)층(31) 및 인듐(In)층(32)과 황화수소(H2S) 가스 간에 화합물 형성 및 기판 열적 변형 등을 고려하여 500 내지 600℃의 온도가 유지되는 챔버(100)내에서 수행된다.
한편, 제1 열처리는 10 내지 30분 동안 수행된다. 상기 공정 시간 구간 범위 내에서는 제1 전구체 및 황화가스(H2S)의 미반응 물질의 잔존을 억제할 수 있고 제조 공정 시간을 단축할 수 있다.
상술한 제1 열처리에 의하여, 구리(Cu)-갈륨(Ga)층(31) 및 인듐(In)층(32)으로 이루어진 제1 전구체와 황(S)간의 결합에 의하여 결정 구조를 갖는 제1 화합물층(34)이 형성된다. 제1 화합물층(34)은 이후의 공정을 통해 최종적으로 본 발명에 따른 광흡수층(30)의 일부로 형성된다. 제1 화합물층(34)은 이후의 공정을 통해 완성될 전체 광흡수층(30)의 황(S)의 농도 분포 중, 상대적으로 높은 황의 농도를 갖는다. 즉, 제1 화합물층(34)은 광흡수층(30)의 황의 농도 분포를 도시한 도 3a 및 3b의 A'영역에 해당될 것이다.
한편, 제1 화합물층(34)의 두께는 광흡수층(30)과 배변 전극층(20) 사이 계 면에서의 충분한 밴드갭 에너지(Eg)를 고려하여 이후의 공정을 통해 완성될 광흡수층(30)의 전체 두께에 대해 2.5 내지 5%일 것이다.
도 4f를 참조하면, 제1 화합물층(34) 상에 구리(Cu)-갈륨(Ga)층(35)을 형성한다. 계속해서, 구리(Cu)-갈륨(Ga)층(35) 상에 인듐(In)층(36)을 형성한다. 또는 구리(Cu)-갈륨(Ga)-인듐(In)층(미도시)을 형성한다. 이에 의해, 구리(Cu)-갈륨(Ga)층(35) 및 인듐(In)층(36)으로 이루어진 제2 전구체가 완성된다. 제2 전구체를 형성하는 방법은 상술한 제1 전구체를 형성하는 방법과 실질적으로 동일하므로, 반복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 4g 및 4h를 참조하면, 제1 화합물층(34) 및 구리(Cu)-갈륨(Ga)층(35) 및 인듐(In)층(36)으로 이루어진 제2 전구체를 셀레늄(Se)함유 가스(37)로 제2 열처리하여 광흡수층(30)을 형성한다. 제2 열처리를 위하여, 제2 열처리가 수행되는 챔버(100)내를 진공으로 만든다.
계속해서, 셀레늄(Se) 함유 가스를 챔버(100)내로 주입한다. 여기서, 셀레늄(Se) 함유 가스는 불활성 가스 및 H2Se 가스를 포함할 수 있다. H2Se 가스는 함유 가스 전체 유량 중 3 내지 10% 의 유량비를 차지한다. 상기 유량 범위에서는 CIGSS 화합물의 결정 격자 중 황의 일부를 대체할 충분한 셀레늄(Se)의 양을 확보할 수 있다.
이러한 제2 열처리는 형성되는 CIGSS 화합물 내의 전하 이동도 및 태양전지의 전체 효율과 기판의 열적 변형을 고려하여 550 내지 600℃의 온도가 유지되는 챔버(100)내에서 수행된다.
제2 열처리는 CIGSS 화합물 형성에 필요한 공정상의 잠복기와 CIGSS 화합물의 결정 격자에서 갈륨(Ga)의 위치 편재의 불균일에 기인한 태양전지 성능 저하를 고려할 때, 10 내지 60분 동안 수행된다.
상술한 제2 열처리에 의하여, 제1 화합물, 구리(Cu)-갈륨(Ga)층(35) 및 인듐(In)층(36)으로 이루어진 제2 전구체 및 셀레늄(Se)간의 결합에 의하여 결정 구조를 갖는 CIGSS 화합물층이 형성된다. 상술한 바와 같이 제조된 CIGSS 화합물층이 본 발명에 따른 태양전지의 광흡수층(30)이 된다. 결과적으로, 본 발명에 따른 태양전지의 광흡수층(30)은 구리(Cu)-인듐(In)-갈륨(Ga)-황(S)-셀레늄(Se)의 오원 화합물로써, Cu(GaxIn1 -x)(SySe1 -y)2이다(여기서, 0.1≤x≤0.3, 0.7≤y<1).
한편, 제2 열처리를 통해 제1 화합물, 제2 전구체 및 셀레늄(Se)이 CIGSS 화합물로 되는 과정에서, 제2 전구체 보다 제1 화합물층에 상대적으로 다량이 함유된 황(S)은 제2 열처리를 하는 동안 제2 전구체 방향으로 확산된다. 황(S)이 제1 화합물층에서 제2 전구체로 확산된다 하더라도, 열처리 시간 등에 따른 제약에 의해 제1 화합물층의 황(S)의 농도는 제2 전구체의 황(S)의 농도보다 상대적으로 높을 것이다. 즉, 제1 화합물층에서 제2 전구체로 갈수록 황의 농도가 낮을 것이다.
또한, H2Se 가스는 제2 전구체의 상방으로 유입되기 때문에, H2Se 가스는 제1 화합물층 보다는 제2 전구체와 상대적으로 접촉되기 쉬울 것이다. 이에 의해, 제2 전구체의 셀레늄(Se) 농도는 제1 화합물층의 셀레늄(Se) 농도보다 높아질 것이 다. 따라서, 광흡수층(30)이 형성되는 동안, 제1 화합물층 부근에서는 CIGSS 화합물의 결정 격자에서 셀레늄(Se)이 황(S)을 대체하는 경우가 줄어들 것이다. 반면에, 제2 전구체 부근에서는 셀레늄(Se)이 황(S)을 대체하는 경우가 늘어날 것이다. 따라서, 제2 열처리를 하는 동안 광흡수층(30)의 황(S)의 농도는 도 3에 도시된 바와 같이 광흡수층(30)의 구간마다 잘라질 것이다. 즉, 광흡수층(30)은 배면 전극층(20)으로부터 광흡수층(30)을 향한 제1 방향으로 황(S)의 농도가 낮아지는 제1 농도 구간(B')을 갖는다.
한편, 상술한 바와 같이 버퍼층(40)과 광흡수층(30)의 제1 농도 구간(B') 사이에 황의 농도를 증가시키기 위하여 제2 열처리 후에, 제2 열처리에 의해 형성된 광흡수층(30)을 황(S) 함유 가스로 제3 열처리한다. 이에 의해, 버퍼층(40)과 광흡수층(30)의 제1 농도 구간(B') 사이에 황의 농도가 증가되는 제2 농도 구간(C')이 형성된다. 즉, 광흡수층을 이루는 Cu(GaxIn1-x)(SySe1-y)2 (여기서, 0.1≤x≤0.3, 0.7≤y<1)에서, y값은 제2 농도 구간(도 3b의 C' 참조) 내에서 제1 방향으로 갈수록 커진다. 제3 열처리의 방법, 공정 조건 등은 상술한 제1 열처리와 실질적으로 동일하므로 반복되는 설명은 생략하기로 한다.
광흡수층(30)의 제1 농도 구간과 배면 전극층(20) 사이의 영역은 제1 화합물층이 CIGSS 화합물로 형성된 영역으로, 황(S)의 농도가 제1 및 제2 구간보다 상대적으로 높은 제3 농도 구간(A')이다. 즉, 황(S)의 농도가 상대적으로 크고, 셀레늄(Se)의 농도가 상대적으로 적은 부분이므로, CIGSS 결정 격자에서 셀레늄(Se)이 황을 대체하는 경우도 상대적으로 적게 일어난다. 이에 의해, 제3 농도 구간(A')은 제1 및 제2 농도 구간(B', C')의 황의 농도 중 최대값과 상응되는 황(S)의 농도를 갖는다. 또한, 제3 농도 구간(A')은 전 구간에서 실질적으로 동일한 황(S)의 농도를 갖는다.
본 발명에 따른 제조 방법에 의해, 광흡수층(30)에 황(S)의 농도 구간을 형성함으로써, 광흡수층(30)의 밴드갭 에너지(Eg) 구간을 형성할 수 있다. 이에 의해, 태양전지의 개방 전압(Voc)이 향상된 고 효율의 태양전지를 제조할 수 있다.
또한, 황(S) 함유가스에 의한 제1 열처리에 의해, 배면 전극층(20)이 몰리브덴(Mo)으로 형성될 때 부반응으로 형성되는 MoSe2의 생성을 최소로 할 수 있다. 이에 의해, 양질의 결정성을 갖는 CIGSS 화합물을 포함하고 안정성이 향상된 태양전지를 제조할 수 있다. 즉, MoSe2는 500℃이상에서 비교적 급격히 생성되는 성질이 있어, MoSe2의 생성을 최소로 하기 위해 CIGSS 화합물의 생성을 위한 열처리는 550℃이하에서 수행되었다. 그런데, CIGSS 화합물은 550℃이상에서 양질의 결정성을 갖는 화합물로 형성될 수 있으므로, 양자간에 절충되는 온도를 선택하여 CIGSS 화합물의 생성을 위한 열처리를 하였다.
따라서, 본 발명에 의하면, 제1 화합물층에 의해 MoSe2의 생성을 최소로 할 수 있어, 550℃이상에서 열처리를 하더라도 MoSe2의 생성이 최소로 될 수 있으므로, CIGSS 화합물의 생성을 위해 550℃이상에서 열처리 할 수 있다. 이에 의해, 양질의 결정성을 갖는 CIGSS 화합물이 제조될 수 있다. 또한, MoSe2의 생성이 최소로 되므로, MoSe2에 의한 배면 전극층(20)과 기판(10) 간의 접착성 저하문제도 최소로 할 수 있다.
계속해서, 도 4i를 참조하면, 광흡수층(30) 상에 버퍼층(40)을 형성한다. 버퍼층(40)은 주로 CdS 물질을 사용하여 CBD(chemical bath deposition) 방법으로 형성된다. CdS 물질을 사용한 CBD법은 다음과 같다. 먼저, 용액 내에 적정량의 Cd2 +와 S2 - 이온을 만든다. 이후, 용액의 온도를 조절하여 각 이온 농도의 곱이 용액의 용해도 곱보다 큰 경우에 CdS의 형태로 석출시키는 방법이다. 이러한 방법으로 버퍼층(40)을 대략 50nm정도의 두께로 성막한다.
계속해서 도4i를 참조하면, 버퍼층(40) 상에 창층(50)을 형성한다. 또한, 창층(50) 상에 투명 전극층(60)을 형성하다. 창층(50)과 투명 전극층(60)은 주로 산화아연(ZnO)으로 형성된다. 이에 따라, 창층(50)과 투명 전극층(60)은 산화아연(ZnO) 타겟을 사용하는 RF 스퍼터링(sputtering)법, 아연(Zn) 타겟을 사용하는 반응성 스퍼터링(reactive sputtering)법 또는 유기금속화학증착(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD)법 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
추가적으로 투명 전극층(60) 상에 반사 방지막(70)이 형성될 수 있다. 반사 방지막(70)은 MgF2를 사용하여 전자 빔 증발 법으로 형성될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예 및 변형 실시예에 따른 태양전지의 단면도이다.
도 2a는 도 1의 태양전지 중 광흡수층의 밴드갭 에너지의 분포를 나타내는 것이다.
도 2b는 도 1의 태양전지 중 광흡수층의 밴드갭 에너지의 분포를 나타내는 것이다.
도 3a는 도 2a의 밴드갭 에너지의 분포를 갖는 광흡수층의 황(S) 원소의 농도 구간 분포를 나타내는 것이다.
도 3b는 도 2b의 밴드갭 에너지의 분포를 갖는 광흡수층의 황(S) 원소의 농도 구간 분포를 나타내는 것이다.
도 4a 내지 4i는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 제조 방법을 나타낸 단면도이다.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
10: 기판 20: 배면 전극층
30: 광흡수층 31, 35: 구리(Cu)-갈륨(Ga)층
32, 36: 인듐(In)층 33: 황(S) 함유 가스
34: 제1 화합물층 37: 셀레늄(Se) 함유 가스
40: 버퍼층 50: 창층
60: 투명 전극층 70: 반사 방지막

Claims (20)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 배면 전극층;
    상기 배면 전극층 상에 형성된 광흡수층; 및
    상기 투명 전극층 상에 형성된 투명 전극층을 포함하되,
    상기 광흡수층은 구리(Cu), 갈륨(Ga), 인듐(In), 황(S), 및 셀레늄(Se)을 포함하고,
    상기 광흡수층은 상기 배면 전극층으로부터 상기 광흡수층을 향한 제1 방향으로 상기 황(S)의 농도가 낮아지는 제1 농도 구간을 포함하는 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광흡수층은 Cu(GaxIn1-x)(SySe1-y)2로 이루어진 태양전지. (여기서, 0.1≤x≤0.3, 0.7≤y<1)
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광흡수층과 상기 투명 전극층 사이에 위치하는 버퍼층을 더 포함하는 태양전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 광흡수층은 상기 제1 농도 구간과 상기 버퍼층 사이에 상기 제1 방향으로 상기 황(S)의 농도가 증가하는 제2 농도 구간을 더 포함하는 태양전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 광흡수층은 Cu(GaxIn1-x)(SySe1-y)2로 이루어지고, 상기 y값은 상기 제2 농도 구간 내에서 상기 제1 방향으로 갈수록 커지는 태양전지. (여기서, 0.1≤x≤0.3, 0.7≤y<1)
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광흡수층은 상기 제1 농도 구간과 상기 배면 전극층 사이에 상기 황(S)의 농도가 일정한 제3 농도 구간을 더 포함하되,
    상기 제3 농도 구간의 상기 황(S)의 농도는 제1 농도 구간의 상기 황(S)의 농도 중 최대값과 상응하는 태양전지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광흡수층은 제1 화합물층을 포함하고, 상기 제 1 화합물층의 두께는 상기 광흡수층 두께의 2.5 내지 5%인 태양전지.
  8. 기판 상에 배면 전극층을 형성하는 단계;
    상기 배면 전극층 상에 광흡수층을 형성하는 단계; 및
    상기 버퍼층 상에 투명 전극층을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 광흡수층은 구리(Cu), 갈륨(Ga), 인듐(In), 황(S), 및 셀레늄(Se)을 포함하고,
    상기 광흡수층은 상기 배면 전극층으로부터 상기 광흡수층을 향한 제1 방향으로 상기 황(S)의 농도가 낮아지는 제1 농도 구간을 포함하는 태양전지의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 광흡수층을 형성하는 단계는,
    상기 배면 전극층 상에 구리(Cu), 갈륨(Ga), 및 인듐(In)으로 이루어진 제1 전구체를 형성하는 단계;
    상기 제1 전구체를 황(S) 함유 가스로 제1 열처리하여 제1 화합물층을 형성하는 단계;
    상기 제1 화합물층 상에 구리(Cu), 갈륨(Ga), 및 인듐(In)으로 이루어진 제2 전구체를 형성하는 단계; 및
    상기 제1 화합물층 및 상기 제2 전구체를 셀레늄(Se) 함유 가스로 제2 열처리하여 광흡수층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 광흡수층과 상기 투명 전극층 사이에 버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함하는 태양전지.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 광흡수층을 형성하는 단계 후에, 황(S) 함유 가스로 제3 열처리 하는 단계를 더 포함하는 태양전지의 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 광흡수층은 상기 제1 농도 구간과 상기 버퍼층 사이에 상기 제1 방향으로 상기 황(S)의 농도가 증가하는 제2 농도 구간을 더 포함하는 태양전지의 제조 방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 광흡수층은 상기 제1 농도 구간과 상기 배면 전극층 사이에 상기 황(S)의 농도가 일정한 제3 농도 구간을 더 포함하되,
    상기 제3 농도 구간의 상기 황(S)의 농도는 제1 농도 구간의 상기 황(S)의 농도 중 최대값과에 상응하는 태양전지의 제조 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 화합물층의 두께는 상기 광흡수층 두께의 2.5 내지 5%인 태양전지의 제조 방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 황(S) 함유 가스는 불활성 가스 및 황화수소(H2S) 가스를 포함하는 태양전지의 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 황화수소(H2S) 가스는 상기 황(S) 함유 가스 중 10 내지 20% 유랑비를 갖는 태양전지의 제조 방법.
  17. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 열처리의 온도는 500 내지 600℃인 태양전지의 제조 방법.
  18. 제 9 항에 있어서,
    상기 셀레늄(Se) 함유 가스는 불활성 가스 및 H2Se 가스를 포함하는 태양전지의 제조 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 H2Se 가스는 상기 셀레늄(Se) 함유 가스 중 3 내지 10% 유량비를 갖는 태양전지의 제조 방법.
  20. 제 9 항에 있어서,
    상기 제2 열처리의 온도는 550 내지 600℃인 태양전지의 제조 방법.
KR1020080132465A 2008-12-23 2008-12-23 태양전지 및 그 제조 방법 KR20100073717A (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080132465A KR20100073717A (ko) 2008-12-23 2008-12-23 태양전지 및 그 제조 방법
US12/635,660 US8916767B2 (en) 2008-12-23 2009-12-10 Solar cell and method of fabricating the same
EP09015528.4A EP2202804A3 (en) 2008-12-23 2009-12-16 Method of fabricating a CIGSS solar cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080132465A KR20100073717A (ko) 2008-12-23 2008-12-23 태양전지 및 그 제조 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20100073717A true KR20100073717A (ko) 2010-07-01

Family

ID=42224964

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020080132465A KR20100073717A (ko) 2008-12-23 2008-12-23 태양전지 및 그 제조 방법

Country Status (3)

Country Link
US (1) US8916767B2 (ko)
EP (1) EP2202804A3 (ko)
KR (1) KR20100073717A (ko)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101134892B1 (ko) * 2011-01-24 2012-04-13 엘지이노텍 주식회사 태양전지 및 이의 제조방법
KR101154765B1 (ko) * 2011-01-19 2012-06-18 엘지이노텍 주식회사 태양전지 및 이의 제조방법
WO2013069997A1 (en) * 2011-11-11 2013-05-16 Lg Innotek Co., Ltd. Solar cell and method of fabricating the same
KR101349596B1 (ko) * 2011-11-25 2014-01-10 엘지이노텍 주식회사 태양전지 및 이의 제조방법
KR101360548B1 (ko) * 2012-06-26 2014-02-13 주식회사 포스코 태양전지의 모듈화 방법과 이에 의해 제조된 태양전지 모듈
KR101389832B1 (ko) * 2012-11-09 2014-04-30 한국과학기술연구원 구리인듐셀레늄（ｃｉｇｓ） 또는 구리아연주석황（ｃｚｔｓ）계 박막형 태양전지 및 그의 제조방법

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011018857A (ja) * 2009-07-10 2011-01-27 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 光電変換装置の製造方法
CN102893410A (zh) * 2010-04-27 2013-01-23 京瓷株式会社 光电转换装置
US9461186B2 (en) 2010-07-15 2016-10-04 First Solar, Inc. Back contact for a photovoltaic module
KR101168810B1 (ko) * 2010-10-29 2012-07-25 엘지이노텍 주식회사 태양광 발전장치 및 이의 제조방법
KR101134730B1 (ko) * 2011-01-25 2012-04-19 엘지이노텍 주식회사 태양전지 및 이의 제조방법
JP2014513413A (ja) * 2011-03-10 2014-05-29 サン−ゴバン グラス フランス 五元化合物半導体ＣＺＴＳＳｅおよび薄膜太陽電池の製造方法
KR101262573B1 (ko) * 2011-07-29 2013-05-08 엘지이노텍 주식회사 태양전지 및 그의 제조방법
US8436445B2 (en) * 2011-08-15 2013-05-07 Stion Corporation Method of manufacture of sodium doped CIGS/CIGSS absorber layers for high efficiency photovoltaic devices
CN102956722B (zh) * 2011-08-19 2015-05-27 比亚迪股份有限公司 一种薄膜太阳能电池
JP5918041B2 (ja) * 2012-04-10 2016-05-18 京セラ株式会社 光電変換装置の製造方法
KR101349417B1 (ko) * 2012-04-18 2014-01-10 엘지이노텍 주식회사 태양전지 및 이의 제조방법
US8586457B1 (en) * 2012-05-17 2013-11-19 Intermolecular, Inc. Method of fabricating high efficiency CIGS solar cells
KR20140066285A (ko) * 2012-11-22 2014-06-02 삼성에스디아이 주식회사 태양 전지 및 이의 제조 방법
WO2014095503A1 (de) * 2012-12-20 2014-06-26 Saint-Gobain Glass France Verfahren zur herstellung eines verbindungshalbleiters sowie dünnschichtsolarzelle
JP2016510179A (ja) * 2013-03-15 2016-04-04 ナノコ テクノロジーズ リミテッド 粒子サイズ及びＳ：Ｓｅ比が調整されたＰＶデバイス
JP2014187215A (ja) * 2013-03-23 2014-10-02 Kyocera Corp 光電変換装置
US9893220B2 (en) * 2013-10-15 2018-02-13 Nanoco Technologies Ltd. CIGS nanoparticle ink formulation having a high crack-free limit
CN115458616B (zh) * 2022-11-14 2023-03-10 成都中建材光电材料有限公司 双面发电玻璃及其制作方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3249407B2 (ja) * 1996-10-25 2002-01-21 昭和シェル石油株式会社 カルコパイライト系多元化合物半導体薄膜光吸収層からなる薄膜太陽電池
JP3249408B2 (ja) * 1996-10-25 2002-01-21 昭和シェル石油株式会社 薄膜太陽電池の薄膜光吸収層の製造方法及び製造装置
US6323417B1 (en) * 1998-09-29 2001-11-27 Lockheed Martin Corporation Method of making I-III-VI semiconductor materials for use in photovoltaic cells
US7115304B2 (en) * 2004-02-19 2006-10-03 Nanosolar, Inc. High throughput surface treatment on coiled flexible substrates
JP2006186200A (ja) 2004-12-28 2006-07-13 Showa Shell Sekiyu Kk プリカーサ膜及びその製膜方法
US7442413B2 (en) * 2005-11-18 2008-10-28 Daystar Technologies, Inc. Methods and apparatus for treating a work piece with a vaporous element
US7632701B2 (en) * 2006-05-08 2009-12-15 University Of Central Florida Research Foundation, Inc. Thin film solar cells by selenization sulfurization using diethyl selenium as a selenium precursor
US7867551B2 (en) 2006-09-21 2011-01-11 Solopower, Inc. Processing method for group IBIIIAVIA semiconductor layer growth
US20080302413A1 (en) * 2007-03-30 2008-12-11 Craig Leidholm Formation of photovoltaic absorber layers on foil substrates

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101154765B1 (ko) * 2011-01-19 2012-06-18 엘지이노텍 주식회사 태양전지 및 이의 제조방법
KR101134892B1 (ko) * 2011-01-24 2012-04-13 엘지이노텍 주식회사 태양전지 및 이의 제조방법
WO2013069997A1 (en) * 2011-11-11 2013-05-16 Lg Innotek Co., Ltd. Solar cell and method of fabricating the same
KR101371859B1 (ko) * 2011-11-11 2014-03-10 엘지이노텍 주식회사 태양전지 및 이의 제조방법
CN104025310A (zh) * 2011-11-11 2014-09-03 Lg伊诺特有限公司 太阳能电池及其制造方法
KR101349596B1 (ko) * 2011-11-25 2014-01-10 엘지이노텍 주식회사 태양전지 및 이의 제조방법
KR101360548B1 (ko) * 2012-06-26 2014-02-13 주식회사 포스코 태양전지의 모듈화 방법과 이에 의해 제조된 태양전지 모듈
KR101389832B1 (ko) * 2012-11-09 2014-04-30 한국과학기술연구원 구리인듐셀레늄（ｃｉｇｓ） 또는 구리아연주석황（ｃｚｔｓ）계 박막형 태양전지 및 그의 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
US20100154872A1 (en) 2010-06-24
US8916767B2 (en) 2014-12-23
EP2202804A3 (en) 2014-05-28
EP2202804A2 (en) 2010-06-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20100073717A (ko) 태양전지 및 그 제조 방법
US7632701B2 (en) Thin film solar cells by selenization sulfurization using diethyl selenium as a selenium precursor
KR20100098008A (ko) 태양전지
EP2485272A2 (en) Solar power generation apparatus and manufacturing method thereof
US20120266950A1 (en) Solar battery and method for manufacturing the same
US20140045295A1 (en) Plasma annealing of thin film solar cells
KR20110039697A (ko) 화합물 반도체 태양 전지 및 그 제조 방법
KR101012847B1 (ko) ＺｎＯ 나노막대를 이용한 화합물 태양전지의 제조방법 및 이에 의한 화합물 태양전지
KR101428146B1 (ko) 태양전지 모듈 및 이의 제조방법
KR20130042732A (ko) 태양전지 모듈 및 이의 제조방법
KR20140066963A (ko) 태양전지 및 이의 제조방법
KR20100096642A (ko) 상압 플라즈마 표면처리된 윈도우층을 가지는 화합물 태양전지의 제조방법 및 이에 의해 제조된 화합물 태양전지
EP2738817A2 (en) Solar cell
CN113571594B (zh) 铜铟镓硒电池及其制造方法
EP3419057B1 (en) Solar cell and method for preparing same
KR101504343B1 (ko) 화합물 반도체 태양전지의 제조방법
US9349901B2 (en) Solar cell apparatus and method of fabricating the same
KR101436538B1 (ko) 박막형 태양전지 및 그 제조방법
CN107068779B (zh) 一种太阳电池结构及其制备方法
KR20080105268A (ko) 태양전지의 부동층 형성방법, 태양전지의 제조방법 및태양전지
JP2014107556A (ja) 太陽電池、および太陽電池の製造方法
KR101372026B1 (ko) 태양전지 및 이의 제조방법
KR101273095B1 (ko) 태양전지 및 이의 제조방법
KR101536266B1 (ko) 전자빔을 이용하여 Ga 편석 방지가 가능한 CIGS 광흡수층 제조방법 및 이를 이용한 CIGS 태양전지 제조방법
KR20110003802A (ko) 탠덤형 박막 태양전지 및 그의 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
N231 Notification of change of applicant
N231 Notification of change of applicant
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right