KR20100109315A - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
태양전지 및 이의 제조방법이 개시된다. 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 전극층; 상기 전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되며, 인듐 셀레나이드 또는 인듐 설파이드를 포함하는 제 1 버퍼층; 상기 제 1 버퍼층 상에 배치되며, 징크 셀레나이드 또는 징크 설파이드를 포함하는 제 2 버퍼층; 및 상기 제 2 버퍼층 상에 배치되는 윈도우층을 포함한다.
인듐, 설파이드, 셀레나이드, 징크, 버퍼
Description
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 에너지의 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지에 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.
실시예는 향상된 효율을 가지는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 전극층; 상기 전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치되며, 인듐 셀레나이드 또는 인듐 설파이드를 포함하는 제 1 버퍼층; 상기 제 1 버퍼층 상에 배치되며, 징크 셀레나이드 또는 징크 설파이드를 포함하는 제 2 버퍼층; 및 상기 제 2 버퍼층 상에 배치되는 윈도우층을 포함한다.
일 실시예에 따른 태양전지는 상기 제 2 버퍼층 및 상기 윈도우층 사이에 개재되는 고저항 버퍼층을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 고저항 버퍼층은 징크 옥사이드를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 제 1 버퍼층은 2 eV 내지 2.7 eV의 에너지 밴드갭을 가지고, 상기 제 2 버퍼층은 2.7 eV 내지 3.7 eV의 에너지 밴드갭을 가진다.
일 실시예에서, 상기 제 1 버퍼층 또는 제 2 버퍼층은 알루미늄 도펀트 또는 은 도펀트를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 기판 상에 전극층을 형성하는 단계; 상기 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 인듐 셀레나이드 또는 인듐 설파이드를 포함하는 제 1 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 제 1 버퍼 층 상에 징크 셀레나이드 또는 징크 설파이드를 포함하는 제 2 버퍼층을 형성하는 단계; 및 상기 제 2 버퍼층 상에 윈도우층을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 태양전지는 두 개의 버퍼층을 포함한다. 따라서, 실시예에 따른 태양전지는 하나의 버퍼층을 포함하는 기존의 태양전지보다 더 세분화된 밴드갭 에너지를 가진다.
따라서, 실시예에 태양전지는 외부의 태양광에 의해서 형성된 전자 및/또는 정공이 전극층 및 윈도우층에 용이하게 수송될 수 있고, 향상된 발전 효율을 가진다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 기판, 막, 전극, 홈 또는 층 등이 각 기판, 전극, 막, 홈 또는 층 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 태양전지의 일 단면을 도시한 단면도이다. 도 2는 실시예에 따른 태양전지의 각 층별 밴드갭 에너지를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 태양전지는 지지기판(100), 이면전극층(200), 광 흡수 층(300), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500) 및 윈도우층(600)을 포함한다.
상기 지지기판(100)은 플레이트 형상을 가지며, 상기 이면전극층(200), 상기 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500) 및 상기 윈도우층(600)을 지지한다.
상기 지지기판(100)은 절연체일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 유리기판, 플라스틱기판 또는 금속기판일 수 있다. 더 자세하게, 상기 지지기판(100)은 소다 라임 글래스(soda lime glass) 기판일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 투명할 수 있다. 상기 지지기판(100)은 리지드하거나 플렉서블할 수 있다.
상기 이면전극층(200)은 상기 지지기판(100) 상에 배치된다. 상기 이면전극층(200)은 도전층이다. 상기 이면전극층(200)으로 사용되는 물질의 예로서는 몰리브덴(Mo) 등의 금속을 들 수 있다.
또한, 상기 이면전극층(200)은 두 개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 층들은 같은 금속으로 형성되거나, 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 상기 이면전극층(200) 상에 배치된다. 상기 광 흡수층(300)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족계 화합물을 포함한다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계) 결정 구조, 구리-인듐-셀레나이드계 또는 구리-갈륨-셀레나이드계 결정 구조를 가질 수 있다.
상기 광 흡수층(300)의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1eV 내지 1.8eV일 수 있다.
상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치된다. 상기 버퍼층(400) 은 제 1 버퍼층(410) 및 제 2 버퍼층(420)을 포함한다.
상기 제 1 버퍼층(410)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치되며, 상기 제 1 버퍼층(410)은 인듐 설파이드 또는 인듐 셀레나이드를 포함한다. 예를 들어, 상기 제 1 버퍼층(410)은 In2S3 또는 In2Se3를 포함할 수 있다.
더 자세하게, 상기 제 1 버퍼층(410)은 인듐 설파이드, 인듐 셀레나이드 또는 이들의 혼합물로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 버퍼층(410)은 In2S3, In2Se3 또는 이들의 혼합물로 이루어질 수 있다.
상기 제 1 버퍼층(410)은 2 eV 내지 2.7 eV의 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.
상기 제 1 버퍼층(410)의 두께는 약 30㎚ 내지 약 100㎚ 일 수 있다.
상기 제 2 버퍼층(420)은 상기 제 1 버퍼층(400) 상에 배치되며, 상기 제 2 버퍼층(420)은 징크 설파이드 또는 징크 셀레나이드를 포함한다. 예를 들어, 상기 제 2 버퍼층(420)은 ZnS 또는 ZnSe를 포함할 수 있다.
더 자세하게, 상기 제 2 버퍼층(420)은 징크 설파이드, 징크 셀레나이드 또는 이들의 혼합물로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 버퍼층(420)은 ZnS, ZnSe 또는 이들의 혼합물로 이루어질 수 있다.
상기 제 2 버퍼층(420)은 2.7 eV 내지 3.7 eV의 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.
상기 제 2 버퍼층(420)의 두께는 약 30㎚ 내지 약 100㎚ 일 수 있다.
상기 버퍼층(400)에는 은 및/또는 알루미늄이 도핑될 수 있다. 즉, 상기 제 1 버퍼층(410) 및/또는 상기 제 2 버퍼층(420)에 은 및/또는 알루미늄이 도핑될 수 있다.
즉, 상기 제 1 버퍼층(410) 및 상기 제 2 버퍼층(420)의 에너지 밴드갭은 상기 은 및/또는 알루미늄 도펀트에 의해서, 조절될 수 있다.
상기 고저항 버퍼층(500)은 상기 고저항 버퍼층(500)은 상기 버퍼층(400) 상에 배치된다. 상기 고저항 버퍼층(500)은 불순물이 도핑되지 않은 징크 옥사이드(i-ZnO)를 포함한다. 상기 고저항 버퍼층(500)의 에너지 밴드갭은 약 3.1eV 내지 3.3eV이다.
상기 윈도우층(600)은 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 배치된다. 상기 윈도우층(600)은 투명하며, 도전층이다. 상기 윈도우층(600)으로 사용되는 물질의 예로서는 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드(Al doped ZnO;AZO) 등을 들 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 버퍼층(400)의 에너지 밴드갭은 계단 형상, 즉, 순차적으로 증가한다. 즉, 상기 버퍼층(400)은 제 1 버퍼층(410) 및 제 2 버퍼층(420)으로 구분되기 때문에, 순차적인 에너지 밴드갭을 가진다.
따라서, 상기 버퍼층(400)을 통하여, 전자가 용이하게 수송될 수 있고, 실시예에 따른 태양전지는 향상된 효율을 가진다.
즉, 황화 카드뮴만으로 이루어진 버퍼층(400)을 가지는 기존 태양전지와 비교하여, 실시예에 따른 태양전지는 향상된 효율을 가진다.
도 3 내지 도 5는 실시예에 따른 태양전지를 제조하기 위한 공정을 도시한 단면도들이다. 본 제조방법에서는 앞서 설명한 태양전지를 참고하여 설명한다.
도 3을 참조하면, 지지기판(100) 상에 스퍼터링 공정에 의해서 몰리브덴 등과 같은 금속이 증착되고, 이면전극층(200)이 형성된다. 상기 이면전극층(200)은 공정 조건이 서로 다른 두 번의 공정들에 의해서 형성될 수 있다.
상기 지지기판(100) 및 상기 이면전극층(200) 사이에는 확산 방지막과 같은 추가적인 층이 개재될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 이면전극층(200) 상에 광 흡수층(300), 제 1 버퍼층(410), 제 2 버퍼층(420) 및 고저항 버퍼층(500)이 차례로 형성된다.
상기 광 흡수층(300)은 스퍼터링 공정 또는 증발법 등에 의해서 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 광 흡수층(300)을 형성하기 위해서 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발시키면서 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(300)을 형성하는 방법과 금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션(Selenization) 공정에 의해 형성시키는 방법이 폭넓게 사용되고 있다.
금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션 하는 것을 세분화하면, 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정에 의해서, 상기 이면전극(200) 상에 금속 프리커서 막이 형성된다.
이후, 상기 금속 프리커서 막은 셀레이제이션(selenization) 공정에 의해서, 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(300)이 형성된다.
이와는 다르게, 상기 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 상기 셀레니제이션 공정은 동시에 진행될 수 있다.
이와는 다르게, 구리 타겟 및 인듐 타겟 만을 사용하거나, 구리 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 셀레니제이션 공정에 의해서, CIS계 또는 CIG계 광 흡수층(300)이 형성될 수 있다.
이후, 상기 광 흡수층(300) 상에 인듐 셀레나이드 또는 인듐 설파이드가 증착되어 상기 제 1 버퍼층(410)이 형성된다.
상기 제 1 버퍼층(410)은 화학 용액 성장법(chemical bath depositon;CBD), 화학 기상 증착(chemical vapor deposition;CVD) 공정, 스프레이법 또는 물리 기상 증착(physical vapor deposition;PVD) 공정에 의해서 형성될 수 있다.
예를 들어, 제 1 버퍼층(410)은 CBD 공정에 의해서, 인듐 설페이트 및 싸이오 우레아(thio urea)를, 또는 인듐 아세테이트 화합물 및 싸이오 우레아(thio urea)를, 암모니아를 수용액에서, 70~80도에서, 반응하여 형성할 수 있다. 암모니아 대신 TEA(트리에탄올아민)을 사용하거나, TEA 및 암모니아를 동시에 사용하여 상기 제 1 버퍼층(410)이 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 1 버퍼층(410)에는 은 및/또는 알루미늄이 도핑될 수 있다.
이후, 상기 제 1 버퍼층(410) 상에 징크 셀레나이드 또는 징크 설파이드가 증착되어 상기 제 2 버퍼층(420)이 형성된다.
상기 제 2 버퍼층(420)은 CBD, CVD 공정, 스프레이법 또는 PVD 공정에 의해 서 형성될 수 있다.
예를 들어, 제 2 버퍼층(420)은 CBD 공정을 이용하여 형성할 수 있는데, 징크 설페이트 및 암모니아 싸이오 우레아를 암모니아 또는 하이드라진 등에서 반층시켜서 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 2 버퍼층(420)에는 은 및/또는 알루미늄이 도핑될 수 있다.
이후, 상기 제 2 버퍼층(420) 상에 징크 옥사이드가 스퍼터링 공정 등에 의해서 증착되고, 상기 고저항 버퍼층(500)이 형성된다.
도 5를 참조하면, 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 윈도우층(600)이 형성된다. 상기 윈도우층(600)을 형성하기 위해서, 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 투명한 도전물질이 적층된다. 상기 투명한 도전물질의 예로서는 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드 등을 들 수 있다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 제 1 버퍼층(410) 및 제 2 버퍼층(420)을 형성하여, 향상된 효율을 가지는 태양전지를 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 태양전지의 일 단면을 도시한 단면도이다.
도 2는 실시예에 따른 태양전지의 각 층별 밴드갭 에너지를 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 5는 실시예에 따른 태양전지를 제조하기 위한 공정을 도시한 단면도들이다.
Claims (6)
- 기판;상기 기판 상에 배치되는 전극층;상기 전극층 상에 배치되는 광 흡수층;상기 광 흡수층 상에 배치되며, 인듐 셀레나이드 또는 인듐 설파이드를 포함하는 제 1 버퍼층;상기 제 1 버퍼층 상에 배치되며, 징크 셀레나이드 또는 징크 설파이드를 포함하는 제 2 버퍼층; 및상기 제 2 버퍼층 상에 배치되는 윈도우층을 포함하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 버퍼층 및 상기 윈도우층 사이에 개재되는 고저항 버퍼층을 포함하는 태양전지.
- 제 2 항에 있어서, 상기 고저항 버퍼층은 징크 옥사이드를 포함하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 버퍼층은 2 eV 내지 2.7 eV의 에너지 밴드갭을 가지고, 상기 제 2 버퍼층은 2.7 eV 내지 3.7 eV의 에너지 밴드갭을 가지는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 버퍼층 또는 제 2 버퍼층은 알루미늄 도펀트 또는 은 도펀트를 포함하는 태양전지.
- 기판 상에 전극층을 형성하는 단계;상기 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계;상기 광 흡수층 상에 인듐 셀레나이드 또는 인듐 설파이드를 포함하는 제 1 버퍼층을 형성하는 단계;상기 제 1 버퍼층 상에 징크 셀레나이드 또는 징크 설파이드를 포함하는 제 2 버퍼층을 형성하는 단계; 및상기 제 2 버퍼층 상에 윈도우층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
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