KR20100109286A - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 제1버퍼층; 상기 제1버퍼층 상에 배치되는 제1전극; 및 상기 제1전극 상에 배치되는 광 흡수층을 포함하며, 상기 제1버퍼층은 상기 기판 및 제1전극 사이에 배치되어, 상기 제1버퍼층의 열팽창 계수는 상기 기판의 열팽창 계수와 제1전극의 열팽창 계수 사이의 값을 가지는 것을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 기판 상에 제1버퍼층을 형성하는 단계; 상기 제1버퍼층 상에 제1전극을 형성하는 단계; 및 상기 제1전극 상에 광 흡수층을 형성하는 단계를 포함한다.
태양전지
Description
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 에너지의 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지들에 대한 개발이 진행되고 있다.
특히, 유리 기판, 금속 후면 전극층, p형 CIGS계 광 흡수층, 고 저항 버퍼층, n형 창층 등을 포함하는 기판 구조의 pn 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다.
이때, 금속 후면 전극층과 유리 기판이 열팽창 계수의 차이로 인하여 박리 현상이 일어나 태양전지의 특성이 저하되는 문제가 발생하고 있다.
실시예는 기판과 후면전극의 결합력이 향상된 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 제1버퍼층; 상기 제1버퍼층 상에 배치되는 제1전극; 및 상기 제1전극 상에 배치되는 광 흡수층을 포함하며, 상기 제1버퍼층은 상기 기판 및 제1전극 사이에 배치되어, 상기 제1버퍼층의 열팽창 계수는 상기 기판의 열팽창 계수와 제1전극의 열팽창 계수 사이의 값을 가지는 것을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 기판 상에 제1버퍼층을 형성하는 단계; 상기 제1버퍼층 상에 제1전극을 형성하는 단계; 및 상기 제1전극 상에 광 흡수층을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 태양전지 및 이의 제조방법은 후면전극과 기판 사이에 열팽창 계수의 차이를 완화시켜줄 수 있는 제1버퍼층을 삽입시킴으로써, 후면전극과 기판과의 점착성을 증대시킬 수 있다.
즉, 제1버퍼층이 기판과 후면전극의 사이에 형성되어, 기판과 후면전극은 보다 결합력이 강해질 수 있다.
제1버퍼층은 기판에 포함된 알칼리(alkali) 물질이 과도하게 광 흡수층으로 열확산 되는 것을 방지할 수 있다.
즉, 제1버퍼층의 두께를 조절하여, 광 흡수층으로 알칼리 물질이 확산되는 양을 조절할 수 있다.
또한, 기판에서 알칼리 물질이 광 흡수층으로 과도하게 확산되는 것을 제1버퍼층이 방지할 수 있으며, 이온주입층에 형성된 나트륨(Na) 이온이 광 흡수층으로 확산되면서 태양전지의 효율이 향상될 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 1 내지 도 5는 실시예에 따른 CIGS계 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도이다.
우선, 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(100) 상에 제1버퍼층(110)을 형성한다.
상기 기판(100)은 유리(glass)가 사용되고 있으며, 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸, 티타늄기판 또는 폴리머 기판 등도 사용될 수 있다.
유리 기판으로는 소다라임 유리(sodalime glass)를 사용할 수 있다.
또한, 상기 기판(100)은 리지드(rigid)하거나 플렉서블(flexible)할 수 있다.
상기 제1버퍼층(110)은 상기 기판(100)에 진공 퍼니스(furnace)에서 1500~1700℃ 고온 열처리 공정을 진행하여 형성할 수 있다.
상기 열처리 공정으로 상기 소다라임 유리에 함유된 SnO 성분이 석출된 후, 냉각 과정에서 상기 기판(100) 표면에서 상기 SnO 성분이 산화되어 SnO2가 리치(rich)한 상기 제1버퍼층(110)을 형성할 수 있다.
상기 냉각 과정은 1300~1500 ℃ 에서 진행될 수 있다.
상기 제1버퍼층(110)이 상기 기판(100)에 열처리 공정을 진행하여 형성되어, 상기 제1버퍼층(110)은 상기 기판(100)과의 결합력이 강하게 형성될 수 있다.
즉, 상기 기판(100)에 추가적인 버퍼층을 증착하지 않고, 열처리 공정으로 상기 기판(100) 내부의 물질로 상기 기판(100) 상에 상기 제1버퍼층(110)을 형성하므로, 상기 제1버퍼층(110)이 외부의 충격에 의해 박리되지 않는 층을 형성할 수 있다.
도면에는 도시하지 않았지만, 상기 제1버퍼층(110)은 적어도 하나 이상의 층으로 형성될 수도 있다.
그리고, 상기 제1버퍼층(110)은 이후 형성될 후면전극의 열팽창 계수와 상기 기판(100)의 열팽창 계수 사이의 열팽창 계수를 가지는 물질로 형성될 수 있다.
즉, 상기 제1버퍼층(110)은 상기 기판(100)과 이후 형성될 후면전극 사이에 배치되어, 상기 기판(100)과 후면전극을 보다 안정적으로 결합시킬 수 있다.
그리고, 상기 제1버퍼층(110)을 형성하는 물질은 상기의 물질에 한정되지 않고, 상기 기판(100)과 후면전극 사이의 열팽창 계수를 가지는 도전성 물질로 형성될 수도 있다.
예를 들어, 상기 제1버퍼층(100)은 유리를 구성하는 물질인 SiO2, P2O5, B2O3, TiO2, Li2O, BaO 등의 산화물 중 적어도 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 열처리 공정으로 상기 제1버퍼층(100)을 형성하였지만, 이에 한정되지 않고, 열처리 공정시 다른 가스를 유입시키거나 진공증착 또는 wet 코팅(wet coating) 등의 방법을 진행하여 상기 기판(100)과 후면전극 사이의 열팽창 계수를 가지는 물질로 형성될 수 있다.
본 실시예에서는 3.5×10-6/℃의 열팽창 계수를 가지는 SnO2를 상기 제1버퍼층(110)으로 사용하였다.
상기 제1버퍼층(110)은 20 nm~60 nm의 두께로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1버퍼층(110)은 상기 기판(100)에 포함된 알칼리(alkali) 물질이 이후 형성될 광 흡수층으로 열확산 되는 것을 방지할 수 있다.
즉, 상기 제1버퍼층(110)의 두께를 조절하여, 광 흡수층으로 알칼리 물질이 확산되는 양을 조절할 수 있다.
이어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1버퍼층(110) 상에 이온주입 공정을 진행하여 이온주입층(115)을 형성한다.
상기 이온주입층(115)은 상기 제1버퍼층(110) 상에 나트륨(Na) 이온을 주입하여 형성될 수 있으며, 상기 나트륨(Na)의 농도는 흡수층으로의 나트륨(Na) 흡수량이 0.1~0.9 wt%일 수 있다.
이때, 상기 이온주입층(115)은 200~1000 nm의 두께로 형성될 수 있으며, 알칼리(alkali) 물질인 나트륨(Na) 이온이 이후 형성될 광 흡수층으로 알칼리 물질을 확산시켜 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 이온주입층(115)에 주입되는 나트륨(Na) 이온의 양을 조절하여, 광 흡수층으로 확산되는 나트륨(Na) 이온의 양을 조절할 수 있다.
즉, 상기 기판(100)에서 알칼리 물질이 광 흡수층으로 과도하게 확산되는 것을 상기 제1버퍼층(110)이 방지할 수 있으며, 상기 이온주입층(115)에 형성된 나트륨(Na) 이온이 광 흡수층으로 확산되면서 태양전지의 효율이 향상될 수 있다.
또한, 상기 이온주입층(115)을 이루는 이온은 상기 나트륨 이온으로 한정되지 않고, 광 흡수층의 효율을 향상시킬 수 있는 알칼리 물질로 형성될 수 있다.
그리고, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 이온주입층(115) 상에 후면전극(120)을 형성한다.
상기 후면전극(120)은 금속 등의 도전체로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 후면전극(120)은 몰리브덴(Mo) 타겟을 사용하여, DC-스퍼터링(DC-sputtering) 공정에 의해 형성될 수 있다.
이는, 몰리브덴(Mo)이 가진 높은 전기전도도, 광 흡수층과의 오믹(ohmic) 접합, Se 분위기 하에서의 고온 안정성 때문이다.
상기 후면전극(120)인 몰리브덴(Mo) 박막은 전극으로서 비저항이 낮아야 하고, 또한 열팽창 계수의 차이로 인하여 박리 현상이 일어나지 않도록 기판에의 점착성이 뛰어나야 한다.
실시예에서는 상기 후면전극(120)과 상기 기판(100) 사이에 열팽창 계수의 차이를 완화시켜줄 수 있는 상기 제1버퍼층(110) 및 이온주입층(115)을 삽입시킴으로써, 상기 기판(100)과 상기 후면전극(120)의 점착성을 증대시킬 수 있다.
즉, 상기 제1버퍼층(110) 및 이온주입층(115)이 상기 기판(100)과 후면전극(120)의 사이에 형성되어, 상기 기판(100)과 상기 후면전극(120)은 보다 결합력이 강해질 수 있다.
그리고, 상기 상기 제1버퍼층(110) 및 이온주입층(115)은 열 충격에 의한 박리현상도 방지할 수 있다.
또한, 상기 후면전극(120)은 적어도 하나 이상의 층으로 형성될 수 있다.
상기 후면전극(120)이 복수개의 층으로 형성될 때, 상기 후면전극(120)을 이루는 층들은 서로 다른 물질로 형성될 수 있다.
이어서, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 후면전극(120) 상에 광 흡수층(130)을 형성한다.
상기 광 흡수층(130)은 Ⅰb-Ⅲb-Ⅵb계 화합물을 포함한다.
더 자세하게, 상기 광 흡수층(130)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In, Ga)Se2, CIGS계) 화합물을 포함한다.
이와는 다르게, 상기 광 흡수층(130)은 구리-인듐-셀레나이드계(CuInSe2, CIS계) 화합물 또는 구리-갈륨-셀레나이드계(CuGaSe2, CIS계) 화합물을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 광 흡수층(130)을 형성하기 위해서, 구리 타겟, 인듐 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하여, 상기 후면전극(130) 상에 CIG계 금속 프리커서(precursor)막이 형성된다.
이후, 상기 금속 프리커서막은 셀레니제이션(selenization) 공정에 의해서, 셀레늄(Se)과 반응하여 CIGS계 광 흡수층(130)이 형성된다.
또한, 상기 광 흡수층(130)은 구리,인듐,갈륨,셀레나이드(Cu, In, Ga, Se)를 동시증착법(co-evaporation)에 의해 형성할 수도 있다.
상기 광 흡수층(130)은 외부의 광을 입사받아, 전기 에너지로 변환시킨다. 상기 광 흡수층(130)은 광전효과에 의해서 광 기전력을 생성한다.
이어서, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 광 흡수층(130) 상에 제2버퍼층(140) 및 제3버퍼층(150)을 형성한다.
상기 제2버퍼층(140)은 화학적 용액 성장법(Chemical Bath Deposition;CBD) 공정을 진행하여 황화 카드뮴(CdS)을 적층하여 형성할 수 있다.
이때, 상기 제2버퍼층(140)은 n형 반도체 층이고, 상기 광 흡수층(130)은 p형 반도체 층이다. 따라서, 상기 광 흡수층(130) 및 제2버퍼층(140)은 pn 접합을 형성한다.
그리고, 상기 제3버퍼층(150)은 산화 아연(ZnO)을 타겟으로하여 RF-스퍼터링 공정으로 형성될 수 있다.
상기 제2버퍼층(140) 및 제3버퍼층(150)은 상기 광 흡수층(130)과 이후 형성될 전면전극의 사이에 배치된다.
즉, 상기 광 흡수층(130)과 전면전극은 격자상수와 에너지 밴드 갭의 차이가 크기 때문에, 밴드갭이 두 물질의 중간에 위치하는 상기 제2버퍼층(140) 및 제3버퍼층(150)을 삽입하여 양호한 접합을 형성할 수 있다.
그리고, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제3버퍼층(150) 상에 전면전극(160)을 형성한다.
상기 전면전극(160)은 상기 제3버퍼층(150) 상에 DC-스퍼터링 공정을 진행하여 알루미늄 또는 알루미나로 도핑된 산화 아연으로 형성된다.
상기 전면전극(160)은 상기 광 흡수층(130)과 pn접합을 형성하는 윈도우(window)층으로서, 태양전지 전면의 투명전극의 기능을 하기 때문에 광투과율이 높고 전기 전도성이 좋은 산화 아연(ZnO)으로 형성된다.
이때, 상기 산화 아연에 알루미늄 또는 알루미나를 도핑함으로써 낮은 저항값을 갖는 전극을 형성할 수 있다.
상기 전면전극(160)인 산화 아연 박막은 RF 스퍼터링방법으로 ZnO 타겟을 사용하여 증착하는 방법과 Zn 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링, 그리고 유기금속화학증착법 등으로 형성될 수 있다.
또한, 전기광학적 특성이 뛰어난 ITO(Indium tin Oxide) 박막을 산화 아연 박막 상에 층착한 2중 구조를 형성할 수도 있다.
이상에서 설명한 실시예에 따른 태양전지 및 이의 제조방법은 후면전극과 기판 사이에 열팽창 계수의 차이를 완화시켜줄 수 있는 제1버퍼층을 삽입시킴으로써, 후면전극과 기판과의 점착성을 증대시킬 수 있다.
즉, 제1버퍼층이 기판과 후면전극의 사이에 형성되어, 기판과 후면전극은 보다 결합력이 강해질 수 있다.
제1버퍼층은 기판에 포함된 알칼리(alkali) 물질이 과도하게 광 흡수층으로 열확산 되는 것을 방지할 수 있다.
즉, 제1버퍼층의 두께를 조절하여, 광 흡수층으로 알칼리 물질이 확산되는 양을 조절할 수 있다.
또한, 기판에서 알칼리 물질이 광 흡수층으로 과도하게 확산되는 것을 제1버퍼층이 방지할 수 있으며, 이온주입층에 형성된 나트륨(Na) 이온이 광 흡수층으로 확산되면서 태양전지의 효율이 향상될 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 1 내지 도 5는 실시예에 따른 CIGS계 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도이다.
Claims (12)
- 기판;상기 기판 상에 배치되는 제1버퍼층;상기 제1버퍼층 상에 배치되는 제1전극; 및상기 제1전극 상에 배치되는 광 흡수층을 포함하며,상기 제1버퍼층은 상기 기판 및 제1전극 사이에 배치되어,상기 제1버퍼층의 열팽창 계수는 상기 기판의 열팽창 계수와 제1전극의 열팽창 계수 사이의 값을 가지는 태양전지.
- 제 1항에 있어서,상기 제1버퍼층은 SnO2, SiO2, P2O5, B2O3, TiO2, Li2O 및 BaO 중 적어도 하나 이상의 물질로 이루어진 태양전지.
- 제 1항에 있어서,상기 제1버퍼층과 제1전극 사이에 배치된 이온주입층을 더 포함하는 태양전지.
- 제 3항에 있어서,상기 이온주입층은 나트륨(Na) 이온을 포함하는 태양전지.
- 기판 상에 제1버퍼층을 형성하는 단계;상기 제1버퍼층 상에 제1전극을 형성하는 단계; 및상기 제1전극 상에 광 흡수층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 5항에 있어서,상기 제1버퍼층은 상기 기판에 열처리 공정을 진행하여 형성되며,상기 열처리 공정 진행 후, 냉각 과정을 거쳐 형성되는 태양전지의 제조방법.
- 제 6항에 있어서,상기 열처리 공정은 1500~1700℃의 온도로 진행되는 것을 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 6항에 있어서,상기 냉각 과정은 1300~1500℃의 온도로 진행되는 것을 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 5항에 있어서,상기 제1버퍼층은 SnO2, SiO2, P2O5, B2O3, TiO2, Li2O 및 BaO 중 적어도 하나 이상의 물질로 이루어진 것을 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 5항에 있어서,상기 제1버퍼층은 상기 기판 및 제1전극 사이에 배치되어,상기 제1버퍼층의 열팽창 계수는 상기 기판의 열팽창 계수와 제1전극의 열팽창 계수 사이의 값을 가지는 태양전지의 제조방법.
- 제 5항에 있어서,상기 제1버퍼층 상에 제1전극을 형성하기 전,상기 제1버퍼층 상에 이온주입층을 형성하는 단계를 포함하며,상기 이온주입층은 상기 제1버퍼층과 제1전극 사이에 배치되는 태양전지의 제조방법.
- 제 11항에 있어서,상기 이온주입층은 나트륨(Na) 이온으로 이온주입 공정을 진행하여 형성되는 태양전지의 제조방법.
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|---|---|---|---|---|
| CN102148291A (zh) * | 2011-03-18 | 2011-08-10 | 天威新能源（扬州）有限公司 | 低欧姆接触的背接触电池的制造方法 |
| KR20130040019A (ko) * | 2011-10-13 | 2013-04-23 | 엘지이노텍 주식회사 | 태양전지 및 이의 제조방법 |
| WO2014142401A1 (ko) * | 2013-03-12 | 2014-09-18 | 한국에너지기술연구원 | 성능이 향상된 ci(g)s 박막 제조 방법과 이를 이용한 태양전지. |
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