KR20100124741A - Ｃｉｓ계 태양전지의 집적 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직렬 저항을 증가시키는 일 없이, pn 헤테로(hetero) 접합 계면 특성을 향상한 고효율의 태양전지를 얻는 것이다. 본 발명에 의하면, 광 흡수층(13), 고저항 버퍼층(14), 창층(15)의 순서로 적층된 CIS계 박막 태양전지에 있어서, 광 흡수층(13)과 접하는 제1 버퍼층(14)은, 카드뮴(Cd), 또는 아연(Zn), 또는 인듐(In)을 포함하는 화합물로 이루어지고, 광 흡수층(13), 제1 버퍼층(141), 제2 버퍼층(142)에 배선 패턴(P2)을 형성함으로써 노출된 단면 및 제2 버퍼층(142)의 상단면을 덮는 제3 버퍼층(143)이 형성되어 있고, 제3 버퍼층(143)은 산화 아연계 박막으로 이루어지는 것으로 할 수 있다.

Description

ＣＩＳ계 태양전지의 집적 구조{Integrated structure of CIS-type solar battery}
본 발명은, CIS계 박막 태양전지의 집적 구조에 관한 것이다.
현재, CIS계 박막 태양전지는 광범위하게 실용화되고 있다. 이 CIS계 박막 태양전지를 제조할 때, CuInSe2 계 박막으로 이루어진 광(光) 흡수층 상에 고저항 버퍼층으로서, 황화 카드뮴(CdS)층을 성장시키는 것이 높은 교환 효율의 박막 태양전지를 얻을 수 있는 것으로 되어 있다.
특허 문헌 1에는, 용액으로부터 화학적으로 황화 카드뮴(CdS)박막을 막(膜) 형성하는 용액 성장법(CBD법)은, CuInSe2 박막 광 흡수층을 용액중에 침지함으로써, 박막 광 흡수층과 고품질의 헤테로(hetero) 접합을 형성하고, 또한 션트(shunt) 저항을 높이는 효과를 갖고 있다.
또한, 특허 문헌 2에는, p형 광 흡수층 상에 용액으로부터 화학적으로 성장한 산소, 유황 및 수산기를 포함한 아연 혼정 화합물, 즉, Zn(O, S, OH)x 을 고저항 버퍼층으로서 사용함으로써, 황화 카드뮴(CdS)층을 버퍼층으로 한 경우와 동등한 높은 변환 효율의 박막 태양전지를 얻을 수 있는 제조 방법이 개시되어 있다.
또한, 특허 문헌 3에는, 유기 금속 화학적 기상 성장법(MOCVD법)에 의해, 유리 기판 상에, 버퍼층과 창층을 순서대로 연속적으로 막 형성하는 기술이 개시되어 있다.
미국 특허 제 4611091호 일본 특허 제3249342호 공보 일본 특개2006-332440호
그러나, 종래의 특허 문헌 1에 기재된 발명에서는, 고저항 버퍼층으로서, 황화 카드뮴(CdS)층을 성장시키는 경우는, 독성이 높은 카드뮴(Cd)을 포함한 폐액을 최소로 하는 노력이 이루어지고 있는데, 고체의 황화 카드뮴(CdS)과 알칼리성 폐액이 대량으로 생성되기 때문에, 폐기물처리 비용이 높아지고, CIS 태양전지의 제조 비용이 높아지는 문제가 있다.
또한, 특허 문헌 2는, 높은 변환 효율의 박막 태양전지의 제조 방법에 있어서 필수라고 이해되고 있는 CdS 버퍼층을 배제하기 위하여, 유효한 제조 방법을 개시하고 있는데, 특허 문헌 2에 기재된 발명은 CBD 버퍼층에 의해 리크(leak) 억제를 하는 것이며, 또한 특허 문헌 3에 기재된 발명은, 유기 금속 화학적 기상 성장법(MOCVD법)에 의해 막 형성한 버퍼층에 의해 리크 억제를 하는 것으로, 어느 쪽도 개량의 여지가 있다.
특히, 광 흡수층의 고품질화를 위해, 황화 반응의 온도를 고온, 장시간으로서 막 형성한 광 흡수층 표면은, 저저항의 Cu-Se 화합물, Cu-S 화합물 등의 리크 성분이 많기 때문에, 태양전지 성능 향상을 위해, 리크 억제의 강화가 요구되고 있었다. 한편, 이 리크 억제를 위해, 리크 억제의 주체인 CBD 버퍼층을 두껍게 하여 리크 억제를 하는 것도 생각할 수 있는데, CBD 버퍼층을 두껍게 하면 직렬 저항 증가라고 하는 문제점이 발생하고, 또한, 결과적으로 리크 억제는 불충분하게 되어버리는 문제가 있다. 또한, 생성하는 폐기물의 양도 증대하기 때문에 제조 비용의 증대로도 이어지는 문제가 있다.
본 발명은 상기 과제, 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 직렬 저항을 증가시키는 일 없이, 리크 억제가 가능하며, pn 헤테로 접합 계면 특성을 향상시키고, 고효율의 태양전지를 얻는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 하나의 관점에 따른 CIS계 박막 태양전지의 집적 구조는, p형 CIS계 광 흡수층, 버퍼층, n형 투명 도전막의 순서로 적층된 CIS계 박막 태양전지에 있어서, 상기 버퍼층은 3층 이상의 적층 구조이고, 상기 p형 CIS계 광 흡수층과 접하는 제1 버퍼층은 카드뮴(Cd), 또는 아연(Zn), 또는 인듐(In)을 포함하는 화합물로 이루어지고, 상기 제1 버퍼층과 접하는 제2 버퍼층은 산화 아연계 박막으로 이루어지며, 상기 p형 CIS계 광 흡수층, 제1 버퍼층, 제2 버퍼층에 배선 패턴을 형성함으로써 노출된 단면(端面) 및 상기 제2 버퍼층의 상기 n형 투명 도전막과의 사이의 단면을 덮는 제3 버퍼층이 형성되어 있고, 상기 제3 버퍼층은 산화 아연계 박막으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 제3 버퍼층의 저항율이 상기 제2 버퍼층의 저항율보다 적게 해도 좋다.
상기 제3 버퍼층의 막두께가 10-300nm의 범위 이내여도 좋다.
상기 제3 버퍼층이, 유기 금속 화학적 기상 성장법(MOCVD법)에 의해 형성되어도 좋다.
상기 제3 버퍼층에 포함된 도핑(doping) 불순물 원소 농도가, 1×1019 atoms/cm3 이하여도 좋다.
또한, 상기 도핑 불순물 원소가, 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 붕소(B)여도 좋다.
상기 제3 버퍼층의 저항율이 0.1 내지 100Ωcm의 범위 이내여도 좋다.
상기 제1 버퍼층의 막두께가 20nm 이하, 또한 상기 제2 버퍼층의 막두께가 100nm 이상이어도 좋다.
상기 제1 버퍼층의 막두께와, 상기 제2 버퍼층의 막두께의 비(제2 버퍼층의 막두께/제1 버퍼층의 막두께)가 5 이상이어도 좋다.
상기 제1 버퍼층이, 용액 성장법(CBD법)에 의해 형성되어도 좋다.
상기 제2 버퍼층이, 유기 금속 화학적 기상 성장법(MOCVD법)에 의해 형성되어도 좋다.
상기 제2 버퍼층에 포함된 도핑(doping) 불순물 원소 농도가, 1×1019 atoms/cm3 이하여도 좋다. 이 도핑 불순물 원소가, 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 붕소(B)여도 좋다.
상기 제1 버퍼층이, CdxSy, ZnxSy, ZnxOy, Znx(OH)y, InxSy, Inx(OH)y, InxOy (x, y는 자연수) 중 어느 하나를 포함한 화합물이어도 좋다.
상기 CIS계 광 흡수층 표면에 있어서의 유황 농도가, 0.5atoms% 이상이어도 좋다.
상기 제2 버퍼층의 저항율이 0.1Ωcm 이상이어도 좋다.
본 발명에 의하면, 고저항인 제2 버퍼층이 배선 패턴부에 존재하는 것에 의한 직렬 저항의 증가를 피할 수 있다. 또한, 제2 버퍼층의 저항율을 높임으로써, 리크 억제의 강화를 도모할 수 있다. 이 때문에, 제1 버퍼층의 막두께를 감소할 수 있고, pn 접합부에 있어서의 직렬 저항을 저감시킬 수 있다.
제3 버퍼층의 저항율이, 제2 버퍼층의 저항율보다 작음으로써, 배선 패턴부에 막 형성하더라도 직렬 저항으로서 문제를 일으키는 경우가 없어지고, 또한, 배선 패턴 형성에 의해 노출한 광 흡수층 및 제1 버퍼층, 제2 버퍼층의 단면을 덮음으로써, 단면에서의 리크를 억제할 수 있다. 또한 단면에 있어서의 패시베이션(passivation) 효과를 얻을 수 있다.
제3 버퍼층을 유기 금속 화학적 기상 성장법(MOCVD법)에 의해 막 형성함으로써, 배선 패턴의 단면이라고 하는 막 형성하기 어려운 부분이라고 하더라도, 커버리지(coverage)가 양호하게 막 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 CIS계 태양전지의 집적 구조를 도시한 도면.
도 2는 제2 버퍼층인 MOCVD 버퍼층 막두께와 변환 효율과의 관계를 도시한 그래프.
도 3은 제2 버퍼층인 MOCVD 버퍼층 막두께와 곡선 인자(FF)와의 관계를 도시한 그래프.
도 4는 제2 버퍼층인 MOCVD 버퍼층/제1 버퍼층인 CBD 버퍼층의 막 두께비와 변환 효율과의 관계를 도시한 그래프.
도 5는 제2 버퍼층인 MOCVD 버퍼층/제1 버퍼층인 CBD 버퍼층의 막 두께비와 곡선 인자(FF)와의 관계를 도시한 그래프.
도 6은 제3 버퍼층인 MOCVD 버퍼층 막두께와 변환 효율과의 관계를 도시한 그래프.
도 7은 제3 버퍼층인 MOCVD 버퍼층 막두께와 곡선 인자(FF)와의 관계를 도시한 그래프.
본 발명을 적용한 집적 구조의 일 실시 형태에 대해서 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 CIS계 박막 태양전지는, 유리 기판(11), 금속 이면(裏面) 전극층(12), p형 CIS계 광 흡수층(이하, 단순히 광 흡수층이라고 함.)(13), 고저항 버퍼층(14), n형 투명 도전막(이하, 단순히 창층이라고 함.)(15)의 순서로 적층된 서브-스트레이트(sub-straight) 구조의 pn 헤테로 접합 디바이스(device)를 구성하고 있다.
유리 기판(11)은, 그 위에 상기 각 층이 적층되는 기판으로 되어 있고, 청판(靑板)유리 등의 유리 기판이나 스테인리스(stainless)판 등의 금속 기판, 폴리이미드(polyimide)막 등의 수지 기판이 사용된다.
금속 이면 전극층(12)은, 유리 기판(11) 상에 제작되는 0.2~2μm의 두께의 몰리브덴(Mo) 또는 티탄(Ti) 등의 고(高) 내식성으로 고 융점의 금속이며, 이러한 금속을 타겟(target)으로서 DC 스퍼터(sputter)법 등에 의해서 막 형성된다.
광 흡수층(13)은, p형의 도전성을 갖는 I-III-VI2 족 칼코파이라이트(Chalcopyrite; 황동석) 구조의 두께 1~3μm의 박막이며, 예를 들면, CuInSe2, Cu(InGa)Se2, Cu(InGa)(SSe)2 등의 다원 화합물 반도체 박막이다. 광 흡수층(13)으로서는, 그 외에, 셀렌화물계 CIS계 광 흡수층, 황화물계 CIS계 광 흡수층 및 셀렌화·황화물계 CIS계 광 흡수층이 있다. 상기 셀렌화물계 CIS계 광 흡수층은, CuInSe2, Cu(InGa)Se2 또는 CuGaSe2 로 이루어지고, 상기 황화물계 CIS계 광 흡수층은, CuInS2, Cu(InGa)S2, CuGaS2 로 이루어지며, 상기 셀렌화·황화물계 CIS계 광 흡수층은, CuIn(SSe)2, Cu(InGa)(SSe)2, CuGa(SSe)2, 또한, 표면층을 갖는 것으로ㅅ서, CuIn(SSe)2 을 표면층으로서 갖는 CuInSe2, CuIn(SSe)2 을 표면층으로서 갖는 Cu(InGa)Se2, CuIn(SSe)2을 표면층으로서 갖는 Cu(InGa)(SSe)2, CuIn(SSe)2을 표면층으로서 갖는 CuGaSe2, Cu(InGa)(SSe)2을 표면층으로서 갖는 Cu(InGa)Se2, Cu(InGa)(SSe)2을 표면층으로서 갖는 CuGaSe2, CuGa(SSe)2을 표면층으로서 갖는 Cu(InGa)Se2 또는 CuGa(SSe)2을 표면층으로서 갖는 CuGaSe2 가 있다.
광 흡수층(13)은 대표적으로는 2종의 제법이 있으며, 1개가 셀렌화/황화법이고, 1개가 다원 동시 증착법이다.
셀렌화/황화법에서는, 금속 이면 전극층(12) 상에, 동(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga)을 포함한 적층 구조 또는 혼정(混晶)의 금속 프리커서(precursor) 막(Cu/In, Cu/Ga, Cu-Ga 합금/In, Cu-Ga-In 합금 등)을, 스퍼터법이나 증착법 등에 의해 막 형성한 후, 셀렌 및/ 또는 유황 함유 분위기속에서 열처리함으로써 광 흡수층(13)을 막 형성할 수 있다.
또한, 다원 동시 증착법에서는, 500℃ 정도 이상으로 가열한 이면 전극층(12)이 형성된 유리 기판(11) 상에, 동(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀렌(Se)을 포함한 원료를 적당한 조합으로 동시에 증착함으로써 광 흡수층(13)을 막 형성할 수 있다.
이 광 흡수층(13)의 표면(대략 표면에서 100nm까지)에 있어서의 유황 농도가 0.5 atoms% 이상, 보다 바람직하게는 3 atoms% 이상으로 함으로써, 광 입사측에서의 광학적 밴드갭(禁制帶幅, band gap)을 증대시킬 수 있기 때문에, 보다 효과적으로 광을 흡수시킬 수 있다. 또한, 후술하는 CBD 버퍼층과의 접합 계면 특성이 향상하는 효과가 있다.
창층(15)은, n형의 도전성을 갖는 밴드갭이 넓고, 투명하며 저저항으로 막두께 0.05~2.5μm의 투명 도전막이고, 대표적으로는 산화 아연계 박막이나 ITO 박막이다. 이 창층(15)은, 산화 아연계 박막의 경우, 주기율표 III족 원소, 예를 들면, 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 붕소(B) 중 어느 하나, 또는 이들을 조합시켜 도펀트(dopant)로 한다.
고저항 버퍼층(14)은, 본 실시 형태에서는, 제1 버퍼층인 CBD 버퍼층(141)과, 제2 버퍼층인 MOCVD 버퍼층(142)과 제3 버퍼층인 MOCVD 버퍼층(143)의 3층으로 구성되어 있는데, 4층 이상의 적층 구조로 하는 것도 가능하다.
CBD 버퍼층(141)은, 광 흡수층(13) 상단부와 접하고 있고, 카드뮴(Cd), 또는 아연(Zn), 또는 인듐(In)을 포함한 화합물로 구성된다. 이 CBD 버퍼층(141)의 막두께는, 20nm 이하, 보다 바람직하게는 10nm 이하로 형성되어 있다.
CBD 버퍼층(141)은, 용액 성장법(CBD법)에 의해 막 형성되어 있다. 용액 성장법(CBD법)이란 전구체가 되는 화학종을 포함한 용액에 기재를 담그고, 용액과 기재 표면과의 사이에서 불균일 반응을 진행시킴으로써, 박막을 기재 상에 석출시키는 방법이다.
구체적으로는, 예를 들면, 광 흡수층(13) 상에, 초산 아연을 액체 온도 80℃의 수산화 암모늄에 용해하여 아연 암모늄 착염을 형성하고, 그 용액중에 유황 함유염인 싸이오요소(THIOUREA)를 용해하고, 이 용액을 광 흡수층(13)에 10분간 접촉시켜, 광 흡수층(13) 상에 해당 용액으로부터 유황 함유 아연 혼정 화합물 반도체 박막을 화학적으로 성장시킨다. 또한 성장한 유황 함유 아연 혼정 화합물 반도체 박막을 대기중에서 설정 온도 200℃로 15분간 어닐(anneal)해서 건조하고, 또한 막 중의 수산화 아연의 일부를 산화 아연으로 전화(轉化)하는 동시에, 유황에 의한 개질을 촉진함으로써, 유황 함유 아연 혼정 화합물을 고품질화시킬 수 있다. 또한, 이 CBD 버퍼층(141)은, 용액을 조정함으로써, CdxSy, ZnxSy, ZnxOy, Znx(OH)y, InxSy, Inx(OH)y, InxOy(여기에서, x, y는 자연수)를 포함해도 좋다.
제2 버퍼층인 MOCVD 버퍼층(142)은, 산화 아연계 박막에 의해 구성되고, CBD 버퍼층(141)의 상단면을 덮도록 형성되어 있다.
MOCVD 버퍼층(142)에 포함된 도핑(doping) 불순물 원소로서는, 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 붕소(B) 중 어느 하나이고, 도핑(doping) 불순물 원소 농도는, 1×1019atoms/cm3 이하, 보다 바람직하게는 1×1018atoms/cm3 이하가 되도록 조정함으로써, 버퍼층으로서 매우 적합한 고저항의 막으로 할 수 있다.
그리고, 이 MOCVD 버퍼층(142)의 저항율은, 0. 1Ωcm 이상, 보다 바람직하게는 1Ωcm 이상으로 되어 있다.
이 MOCVD 버퍼층(142)은, 본 실시 형태에서는 유기 금속 화학적 기상 성장법(MOCVD법)에 의해 형성되어 있다.
이 MOCVD 버퍼층(142)은, 예를 들면, 아연(Zn)의 유기 금속 화물(예를 들면, 디에틸아연, 디메틸아연)과 순수(純水)를 원료로 하여, 이것을 버블러(bubbler) 등에 충전(充塡)하고, 헬륨(He), 아르곤(Ar) 등의 불활성가스로 거품내고, 동반시켜서 MOCVD 장치 내에서 막 형성한다.
또한, MOCVD 버퍼층(142)은, 유기 금속 화학적 기상 성장법(MOCVD법)뿐만 아니라, 스퍼터법 등에 의해 형성해도 좋지만, 광 흡수층과 양호한 pn 접합 계면을 얻기 위해서는, 고에너지 입자가 막 형성종이 되는 스퍼터법보다도 막 형성시에 데미지(damage)가 생기지 않는 유기 금속 화학적 기상 성장법(MOCVD법)이 매우 적합하다.
여기에서, MOCVD 버퍼층(142)의 막두께는, 100nm 이상으로 형성되어 있다. 따라서, CBD 버퍼층(141)의 막두께와, MOCVD 버퍼층(142)의 막두께의 비{(MOCVD 버퍼층(142))의 막두께/(CBD 버퍼층(141))의 막두께}≥5로 되어 있다.
종래는 리크 억제를 주로 CBD 버퍼층이 담당하고 있었기 때문에, 대략 CBD 버퍼층의 막두께는 50nm 이상으로 할 필요가 있었지만, 본 발명에 있어서는 리크 억제를 주로 MOCVD 버퍼층(142)에서 담당하도록 MOCVD 버퍼층(142)의 막두께를 두껍게 함으로써, CBD 버퍼층(141)의 막두께를 20nm이하로 하는 것이 가능해졌다. 이 때문에 CBD 버퍼층(141)의 막 형성 시간을 대폭적으로 단축할 수 있어서 고 생산성이 실현되고, 제조 비용의 절감 뿐만 아니라, CBD 버퍼층(141) 막 형성시의 폐기물의 생성도 종래의 것보다 대폭적으로 감소시킬 수 있기 때문에, 제조 비용을 더욱 저감하는 데 유효하다.
또한, 리크 억제를 주로 MOCVD 버퍼층(142)에서 담당하기 때문에, 통상으로는 리크 억제의 보완적인 역할을 담당하기 위해서는 50nm 정도 이하로 얇은 MOCVD 버퍼층의 막두께를 100nm 이상의 막두께로 하고, 또한, 도핑(doping) 불순물 농도나 저항율을 조정하고 있다.
제3 버퍼층인 MOCVD 버퍼층(143)은, 산화 아연계 박막에 의해 구성되고, 이 MOCVD 버퍼층(143)이 광 흡수층(13), CBD 버퍼층(141) 및 MOCVD 버퍼층(142)에 배선 패턴(P2)을 형성함으로써 노출된 단면 및 MOCVD 버퍼층(142)의 상단면을 덮도록 형성되어 있다.
MOCVD 버퍼층(143)에 포함된 도핑(doping) 불순물 원소로서는, 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 붕소(B) 중 어느 하나이고, 도핑(doping) 불순물 원소 농도는, 1×1019atoms/cm3 이하, 보다 바람직하게는 1×1018atoms/cm3 이하로 되어 있다.
또한, MOCVD 버퍼층(143)의 막두께는 10 내지 300nm 범위 내, 보다 바람직하게는 50 내지 200nm 범위 내로 되어 있다.
또한, 제3 버퍼층인 MOCVD 버퍼층(143)의 저항율이 제2 버퍼층인 MOCVD 버퍼층(142)의 저항율보다 적게 구성되어 있다. 구체적으로는, 제2 버퍼층인 MOCVD 버퍼층(142)의 저항율은, 0. 1Ωcm 이상, 바람직하게는 1Ωcm 이상, 보다 바람직하게는 10Ωcm 이상으로 되어 있고, 제3 버퍼층인 MOCVD 버퍼층(143)의 저항율은, 0.1 내지 100Ωcm 이상, 바람직하게는 0.1 내지 10Ωcm로 되어 있다. 이것으로, 제3 버퍼층인 MOCVD 버퍼층(143)은 제2 버퍼층인 MOCVD 버퍼층(142)보다 저항율이 낮게 되어 있다.
CIS계 박막 태양전지의 적층 구조로 한 경우, pn 접합부에 있어서의 리크 억제는 주로 MOCVD 버퍼층(142)이 담당하고, 또한 CBD 버퍼층(141)도 리크 억제의 일부를 담당하고 있다. MOCVD 버퍼층(143)은 리크 억제의 보완적인 역할은 담당하고 있지만, 적층 구조로서는 불필요하다.
한편, 박막 태양전지의 특징인 집적 구조로 한 경우, 광 흡수층(13)을 분리하는 패턴 2부에 있어서 고저항 버퍼층이 형성되어 있지 않으면, 광 흡수층(13)의 단부에 n형 창층(15)이 직접 접하게 되어, 리크가 발생한다. 반대로 패턴 2부에, pn 접합부에 있어서의 리크 억제가 가능할 정도의 고저항 버퍼층이 형성되면, 패턴 2부를 통해서 집전(集電)되어야 할 전류에 대해서 저항 손실로 되고, 태양전지의 출력이 저하되어버린다.
이 때문에, 본 발명에 있어서는, 적층 구조로부터의 요구와 집적 구조로부터의 요구를 동시에 충족시키는 구조로서, 패턴 2부에는 MOCVD 버퍼층(143)만을 형성하는 구조로 했다. 즉, 적층 구조로서 리크 억제에 충분한 CBD 버퍼층(141)과 MOCVD 버퍼층(142)을 형성한 후에 패턴 2부를 형성하고, 노출한 광 흡수층(13) 단면을 MOCVD 버퍼층(143)이 덮는 구조로 한다. 여기에서 MOCVD 버퍼층의 저항율은 광 흡수층 단부에 있어서의 리크 억제와, 패턴 2부에 있어서의 저항 손실을 최소한으로 하기 위해서, 그 저항율 및 막두께를 조정하고 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 고저항 버퍼층(14)은 3층이지만, 본 발명에서는, 고저항 버퍼층(14)은, 3층 이상으로 적층해도 좋다. 이 경우도, 가장 상단에 적층되어 있는 버퍼층을, 상술한 MOCVD 버퍼층(143)과 동일하게 구성함으로써, 동일한 효과를 얻을 수 있다.
상술한 실시 형태에 따른 태양전지의 특성에 관하여 설명한다.
도 2 내지 도 7에 도시한 결과는 모두, 30cm×30cm 기판 사이즈의 집적 구조로 되어 있다. 도 2에 MOCVD 버퍼층(142)의 막두께(nm)와, 태양전지의 변환 효율의 특성의 그래프를 도시하고, 도 3에 MOCVD 버퍼층(142)의 막두께(nm)와, 태양전지의 곡선 인자(FF)의 관계를 도시한다.
도 4에 MOCVD 버퍼층(142)/CBD 버퍼층(141)의 막두께비와, 변환 효율(%)의 관계를 도시하고, 도 5에 MOCVD 버퍼층(142)/CBD 버퍼층(141)의 막두께비와, 곡선 인자(FF)와의 관계를 각각 도시한다. 또한, 도 6에 MOCVD 버퍼층(143)의 막두께와, 태양전지의 변환 효율의 특성의 그래프를 도시하고, 도 7에 MOCVD 버퍼층(143)의 막두께(nm)와, 태양전지의 곡선 인자(FF)의 관계를 도시한다.
도 2의 그래프에서는, 횡축에 MOCVD 버퍼층(142)의 막두께, 종축에 변환 효율(%), 도 3의 그래프에서는, 횡축에 MOCVD 버퍼층(142)의 막두께, 종축에 곡선 인자(FF)를 도시하고 있다. 도 4의 그래프에서는, 횡축에 MOCVD 버퍼층(142)/CBD 버퍼층(141)의 막두께비, 종축에 변환 효율(%), 도 5의 그래프에는, 횡축에 MOCVD 버퍼층(142)/CBD 버퍼층(141)의 막두께비, 종축에 변환 효율(%)을 도시하고 있다. 그리고, 각각의 그래프에 있어서, CBD 버퍼층(141)의 막두께에 대응된 변환 효율, 곡선 인자(FF)의 변화를 나타내고 있다. 도 2 내지 도 5에 있어서는, MOCVD 버퍼층(143)의 막두께는 70nm, 저항율은 0.5Ωcm이다.
도 6의 그래프에서는, 횡축에 MOCVD 버퍼층(143)의 막두께, 종축에 변환 효율(%), 도 7의 그래프에서는, 횡축에 MOCVD 버퍼층(143)의 막두께, 종축에 곡선 인자(FF)를 도시하고 있다. 그리고, 각각의 그래프에 있어서, MOCVD 버퍼층(143)의 저항율에 대응된 변환 효율, 곡선 인자(FF)의 변화를 나타내고 있다.
도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, MOCVD 버퍼층(142)의 막두께를 60nm 이상으로 함으로써, 더욱 바람직하게는, MOCVD 버퍼층(142)의 막두께를 100nm 이상으로 함으로써, CBD 버퍼층 5nm, 10nm, 15nm, 20nm의 어느 경우도, 변환 효율 13.5% 이상을 달성할 수 있었다.
또한, (MOCVD 버퍼층(142))/(CBD 버퍼층(141))의 막두께비의 관계에서는, 이 막두께비를 5 이상, 바람직하게는 10 이상, 보다 바람직하게는 20 이상으로 함으로써, CBD 버퍼층 5nm, 10nm, 15nm, 20nm의 어느 경우도, 변환 효율 13.5% 이상을 달성할 수 있었다.
또한 FF는 0.65 이상이며 큰 면적·집적 구조의 CIS계 박막 태양전지로서는 높은 값을 달성할 수 있었다. 이것은 본 발명의 버퍼층 구조에 의한 직렬 저항의 저감과 리크 억제의 양립(兩立)에 의해서 달성할 수 있었다. 본 실시 형태에 있어서는, MOCVD 버퍼층(143)의 막두께를 70nm, 저항율을 0.5Ωcm로 한 경우의 결과를 나타냈는데, MOCVD 버퍼층(143)의 막두께가 10 내지 300nm, 저항율이 0.1 내지 100Ωcm의 경우에, 동일한 결과로 된다.
다음에, 도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이, MOCVD 버퍼층(143)의 막두께를 10~300nm으로 함으로써, 더욱 바람직하게는, MOCVD 버퍼층(143)의 막두께를 50~200nm으로 함으로써, MOCVD 버퍼층(143)의 저항율 0.15Ωcm, 0.5Ωcm, 10Ωcm, 80Ωcm의 어느 경우도, 변환 효율 13.5% 이상을 달성할 수 있었다. 한편, MOCVD 버퍼층(143)의 저항율이 0.1Ωcm 미만의 경우는, 광 흡수층(13) 단면에 있어서의 리크 억제 효과가 충분하지 않기 때문에, 약간의 FF 저하가 인정되고, 또한 MOCVD 버퍼층(143)의 저항율이 100Ωcm보다 큰 경우는, 직렬 저항의 증가로부터 FF의 저하가 인정된다.
상술한 실시 형태의 집적 구조의 제조 방법에 관하여 설명한다.
먼저, 유리 기판(11) 상에 금속 이면 전극층(12)의 전극 패턴(P1)을 형성하고, 그 위에 광 흡수층(13) 및 CBD 버퍼층(141),MOCVD 버퍼층(142)을 막 형성한다.
그리고, MOCVD 버퍼층(142)을 막 형성한 시점에서, 메커니컬 스크라이브(mechanical scribe) 장치 또는 레이저 스크라이브(laser scribe) 장치에 의해 광 흡수층(13) 및 CBD 버퍼층(141), MOCVD 버퍼층(142)를 깍아서 패턴 2를 형성하고, 그 위에 유기 금속 화학적 기상 성장법(MOCVD법)에 의해 제3 버퍼층으로서 MOCVD 버퍼층(143)을 막 형성한 것이다.
또한, MOCVD 버퍼층(142)과 MOCVD 버퍼층(143)은, 유기 금속 화학적 기상 성장법(MOCVD법) 뿐만 아니라 스퍼터법 등에 의해서 형성되어도 좋지만, 광 흡수층과 양호한 pn 접합 계면을 얻기 위해서는, 고에너지 입자가 막 형성종이 되는 스퍼터법보다도 막 형성시에 데미지가 발생하지 않는 유기 금속 화학적 기상 성장법(MOCVD법)이 적합하다.
이와 같이, 상술한 실시 형태에 의하면, 고저항의 제2 버퍼층인 MOCVD 버퍼층(142)이, 배선 패턴(P2)부에 존재하는 것에 따른 직렬 저항의 증가를 피하는 것이 가능하고, 또한, MOCVD 버퍼층(142)의 저항율을 높임으로써 리크 억제의 강화를 도모할 수 있다.
또한, 제3 버퍼층인 MOCVD 버퍼층(143)의 저항율을, 제2 버퍼층인 MOCVD 버퍼층(142)의 저항율보다 작게 함으로써, 배선 패턴(P2)부에 막 형성하더라도 직렬 저항으로서 문제를 일으키지 않고, 또한, 배선 패턴(P2)을 형성함으로써 노출된 광 흡수층(13) 및 CBD 버퍼층(141), MOCVD 버퍼층(142)의 측단면을 덮음으로써, 단면에서의 리크를 억제할 수 있다. 또한 단면에 있어서의 패시베이션(passivation) 효과를 얻을 수 있다.
또한, MOCVD 버퍼층(143)은 배선 패턴 단면이라고 하는 막 형성하기 어려운 부분이지만, 유기 금속 화학적 기상 성장법(MOCVD법)에 의해 막 형성함으로써, 커버리지(coverage)가 양호하게 형성할 수 있다.
11 : 유리 기판 12 : 금속 이면 전극층
13 : 광 흡수층 14 : 고저항 버퍼층
15 : 창층 141 : CBD 버퍼층(제1 버퍼층)
142 : MOCVD 버퍼층(제2 버퍼층) 143 : MOCVD 버퍼층(제3 버퍼층)
P1 : 패턴 1 P2 : 패턴 2 P3 : 패턴 3

Claims (16)

  1. p형 CIS계 광 흡수층, 버퍼층, n형 투명 도전막의 순서로 적층된 CIS계 박막 태양전지에 있어서,
    상기 버퍼층은 3층 이상의 적층 구조이며,
    상기 p형 CIS계 광 흡수층과 접하는 제1 버퍼층은 카드뮴(Cd), 또는 아연(Zn), 또는 인듐(In)을 포함하는 화합물로 이루어지고,
    상기 제1 버퍼층과 접하는 제2 버퍼층은 산화 아연계 박막으로 이루어지며,
    상기 p형 CIS계 광 흡수층, 제1 버퍼층, 제2 버퍼층에 배선 패턴을 형성함으로써 노출된 단면 및 상기 제2 버퍼층의 상기 n형 투명 도전막과의 사이의 단면을 덮는 제3 버퍼층이 형성되어 있고,
    상기 제3 버퍼층은 산화 아연계 박막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 CIS계 박막 태양전지의 집적 구조.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제3 버퍼층의 저항율이 상기 제2 버퍼층의 저항율보다 적은 것을 특징으로 하는 CIS계 박막 태양전지의 집적 구조.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제3 버퍼층의 막두께가 10~300nm의 범위 이내인 것을 특징으로 하는 CIS계 박막 태양전지의 집적 구조.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제3 버퍼층이, 유기 금속 화학적 기상 성장법(MOCVD법)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 CIS계 박막 태양전지의 집적 구조.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제3 버퍼층에 포함되는 도핑(doping) 불순물 원소 농도가, 1×1019 atoms/cm3 이하인 것을 특징으로 하는 CIS계 박막 태양전지의 집적 구조.
  6. 제5항에 있어서, 상기 도핑 불순물 원소가, 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 붕소(B) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 CIS계 박막 태양전지의 집적 구조.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제3 버퍼층의 저항율이 0.1 내지 100Ωcm의 범위 이내인 것을 특징으로 하는 CIS계 박막 태양전지의 집적 구조.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 버퍼층의 막두께가 20nm 이하, 또한, 상기 제2 버퍼층의 막두께가 100nm 이상인 것을 특징으로 하는 CIS계 박막 태양전지의 집적 구조.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 버퍼층의 막두께와, 상기 제2 버퍼층의 막두께의 비(제2 버퍼층의 막두께/제1 버퍼층의 막두께)가 5 이상인 것을 특징으로 하는 CIS계 박막 태양전지의 집적 구조.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 버퍼층이, 용액 성장법(CBD법)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 CIS계 박막 태양전지의 집적 구조.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 버퍼층이, 유기 금속 화학적 기상 성장법(MOCVD법)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 CIS계 박막 태양전지의 집적 구조.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 버퍼층에 포함된 도핑(doping) 불순물 원소 농도가, 1×1019 atoms/cm3 이하인 것을 특징으로 하는 CIS계 박막 태양전지의 집적 구조.
  13. 제12항에 있어서, 상기 도핑 불순물 원소가, 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 붕소(B) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 CIS계 박막 태양전지의 집적 구조.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 버퍼층이, CdxSy, ZnxSy, ZnxOy, Znx(OH)y, InxSy, Inx(OH)y, InxOy (x, y는 자연수) 중 어느 하나를 포함하는 화합물인 것을 특징으로 하는 CIS계 박막 태양전지의 집적 구조.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 CIS계 광 흡수층 표면에 있어서의 유황 농도가, 0.5atoms% 이상인 것을 특징으로 하는 CIS계 박막 태양전지의 집적 구조.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 버퍼층의 저항율이 0.1Ωcm 이상인 것을 특징으로 하는 CIS계 박막 태양전지의 집적 구조.
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