KR20100136585A - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
태양전지 및 이의 제조방법이 개시되어 있다. 실시예에 따른 태양전지는, 기판 상에 형성된 후면전극; 상기 후면전극 상에 형성된 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 형성된 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 형성된 전면전극; 및 상기 버퍼층과 상기 전면전극 사이에 배치된 배리어층을 포함한다. 따라서, 상기 배리어층에 의하여 상기 전면전극을 이루는 도전성 불순물이 다른 층들로 확산되는 것을 방지하여 소자의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
태양전지, 전면전극
Description
실시예는 태양전지에 관한 것이다.
최근 에너지의 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지에 대한 개발이 진행되고 있다.
특히, 유리기판, 금속 후면 전극층, p형 CIGS계 광 흡수층, 고 저항 버퍼층, n형 윈도우층 등을 포함하는 기판 구조의 pn 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다.
이러한 태양전지에 있어서 낮은 저항, 높은 투과율 등의 전기적인 특성을 향상시키기 위한 연구가 진행되고 있다.
실시예는 향상된 효율을 가지는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 태양전지는, 기판 상에 형성된 후면전극; 상기 후면전극 상에 형성된 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 형성된 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 형성된 전면전극; 및 상기 버퍼층과 상기 전면전극 사이에 배치된 전도성 배리어층을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은, 기판 상에 후면전극을 형성하는 단계; 상기 후면전극 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 버퍼층 상에 배리어층을 형성하는 단계; 및 상기 배리어층 상에 전면전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 배리어층과 상기 전면전극은 서로 다른 공정 조건에 의하여 연속적으로 형성되는 것을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지 및 이의 제조방법은, 막 밀도가 서로 다른 배리어층 및 전면전극을 포함한다.
특히, 상기 배리어층은 낮은 전력 및 높은 압력에 의하여 형성될 수 있으므로, 상기 전면전극의 불순물이 확산되는 것을 방지할 수 있다.
따라서, 상기 배리어층에 의하여 태양전지는 향상된 효율을 가질 수 있다.
또한, 상기 배리어층과 상기 전면전극은 동일한 스퍼터링 챔버에서 연속적으 로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 배리어층을 형성하기 위한 추가적인 공정이 필요없고, 실시예에 따른 태양전지는 용이하게 형성될 수 있다.
상기 배리어층에 의하여 면저항 및 선저항 특성을 개선할 수 있게 되므로 상기 전면전극 및 고저항 버퍼층을 최소한의 두께로 형성할 수 있고, 실시예에 따른 태양전지의 광 효율을 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 1 내지 도 4는 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하여, 기판(100) 상에 후면전극(110)이 형성된다.
상기 기판은 유리(glass)가 사용될 수 있으며, 세라믹 기판, 금속 기판 또는 폴리머 기판 등도 사용될 수 있다.
예를 들어, 유리 기판으로는 소다라임 유리(sodalime glass) 또는 고변형점 소다유리(high strained point soda glass)를 사용할 수 있다.
상기 기판(100)은 투명할 수 있다. 상기 기판은 리지드(rigid)하거나 플렉서 블(flexible) 할 수 있다.
상기 후면전극(110)은 금속 등의 도전체로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 후면전극(110)은 몰리브덴(Mo) 타겟을 사용하는 스퍼터링(sputtering) 공정에 의하여 형성될 수 있다. 한편, 상기 후면전극(110)을 형성하는 물질은 이에 한정되지 않고 나트륨(Na)이 도핑된 몰리브덴(Mo)으로 형성할 수도 있다.
이는 몰리브덴(Mo)이 가진 높은 전도도, 광 흡수층과의 오믹(ohmic) 접합, Se 분위기 하에서의 고온 안정성 때문이다.
상기 후면전극(110)인 몰리브덴 박막은 전극으로서의 비저항이 낮아야 하고, 열팽창 계수의 차이로 인하여 박리현상이 일어나지 않도록 상기 기판(100)에의 점착성이 뛰어나야 한다.
상기 후면전극(110)은 적어도 하나 이상의 층으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 후면전극(110)이 복수개의 층으로 형성될 때, 상기 후면전극을 이루는 층들은 서로 다른 물질로 형성될 수 있다.
도 2를 참조하여, 상기 후면전극(110) 상에 광 흡수층(120)이 형성된다.
상기 광 흡수층(120)은 Ⅰb-Ⅲb-Ⅵb계 화합물을 포함한다.
더 자세하게, 상기 광 흡수층(120)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In, Ga)Se2, CIGS계) 화합물 또는 구리-인듐-셀레나이드계(CuInSe2, CIS계) 화합물을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 광 흡수층(120)을 형성하기 위해서, 구리타겟, 인듐 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하여, 상기 후면전극(110) 상에 CIG계 금속 프리커서막(precusor)막이 형성된다.
이후, 상기 금속 프리커서막은 셀레니제이션(selenization) 공정에 의해서 셀레늄(Se)과 반응하여 CIGS계 광 흡수층(120)이 형성된다.
또한, 상기 광 흡수층(120)은 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레나이드(Se)를 동시증착법(co-evaporation)에 의해 형성할 수도 있다.
상기 광 흡수층(120)은 외부의 광을 입사받아, 전기 에너지로 변환시킨다. 상기 광 흡수층(120)은 광전효과에 의해서 광 기전력을 생성한다.
도 3을 참조하여, 상기 광 흡수층(120) 상에 버퍼층(130) 및 고저항 버퍼층(140)이 형성된다.
상기 버퍼층(130)은 상기 광 흡수층(120) 상에 적어도 하나 이상의 층으로 형성될 수 있으며, 황화 카드뮴(CdS)이 적층되어 형성될 수 있다.
이때, 상기 버퍼층(130)은 n형 반도체 층이고, 상기 광 흡수층(120)은 p형 반도체 층이다. 따라서, 상기 광 흡수층(120) 및 버퍼층(130)은 pn접합을 형성한다.
상기 버퍼층(130)은 산화 아연(ZnO)을 타겟으로 한 스퍼터링 공정을 진행하여, 상기 황화 카드뮴(CdS) 상에 산화 아연층이 더 형성될 수 있다.
상기 고저항 버퍼층(140)은 상기 버퍼층(130) 상에 투명전극층으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 고저항 버퍼층(140)은 ITO, ZnO, i-ZnO 중 어느 하나로 형 성될 수 있다.
상기 버퍼층(130) 및 고저항 버퍼층(140)은 상기 광 흡수층(120)과 이후 형성될 전면전극층의 사이에 배치된다.
즉, 상기 광 흡수층(130)과 전면전극은 격자상수와 에너지 밴드 갭의 차이가 크기 때문에, 밴드갭이 두 물질의 중간에 위치하는 상기 버퍼층(130) 및 고저항 버퍼층(140)을 삽입하여 양호한 접합을 형성할 수 있다.
실시예에서는 두개의 버퍼층을 상기 광 흡수층(120) 상에 형성하였지만, 이에 한정되지 않고, 버퍼층은 한개의 층으로만 형성될 수도 있다.
도 4를 참조하여, 상기 고저항 버퍼층(140) 상에 투명한 도전물질을 적층하여 전면전극으로 사용되는 윈도우층(150)을 형성한다.
상기 윈도우층(150)은 제1 윈도우층(151) 및 제2 윈도우층(152)을 포함한다.
예를 들어, 상기 제1 윈도우층(151) 및 제2 윈도우층(152)은 알루미늄(Al), 알루미나(Al2O3), 마그네슘(Mg), 갈륨(Ga) 등의 불순물을 포함하는 아연계 산화물 또는 ITO(Indim Tin Oxide)로 형성될 수 있다.
상기 제1 윈도우층(151)은 고저항 버퍼층(140) 상에 형성되고 상기 제2 윈도우층(152)은 상기 제1 윈도우층(151) 상에 형성된다.
상기 제1 윈도우층(151)의 그레인 사이즈(grain size)는 제1 크기일 수 있고, 상기 제2 윈도우층(152)의 그레인 사이즈는 제1 크기보다 큰 제2 크기로 형성될 수 있다.
즉, 상기 제1 윈도우층(151)은 단위면적당 높은 밀도로 형성될 수 있으므로 상기 제1 윈도우층(151)은 확산 방지막 역할을 할 수 있다. 따라서, 상기 제1 윈도우층(151)은 전면전극 역할을 하는 제2 윈도우층(152)의 형성시 도전성 불순물이 하부의 층들로 확산되는 것을 방지할 수 있다.
상기 제1 윈도우층(151)은 상기 윈도우층(150) 두께의 5~40%의 두께를 가지도록 형성될 수 있다.
상기 제1 윈도우층(151) 및 제2 윈도우층(152)은 상기 광 흡수층(120)과 pn접합을 형성하고, 태양전지 전면의 투명전극 기능을 하기 때문에 광투과율이 높고 전기 전도성이 높은 산화 아연(ZnO)으로 형성된다.
예를 들어, 상기 제1 윈도우층(151) 및 제2 윈도우층(152)은 스퍼터링 공정을 진행하여 알루미늄 도핑된 산화 아연(Al doped ZnO)으로 형성할 수 있다.
따라서, 상기 제1 윈도우층(151) 및 제2 윈도우층(152)은 낮은 면저항 및 높은 투과율을 가지도록 형성할 수 있다.
상기 제1 윈도우층(151) 및 제2 윈도우층(152)은 연속적인 스퍼터링 공정으로 형성될 수 있다.
상기 제1 윈도우층(151)은 낮은 파워 및 높은 압력의 제1 스퍼터링 공정에 의하여 형성되고, 상기 제2 윈도우층(152)은 높은 파워 및 낮은 압력의 제2 스퍼터링 공정에 의하여 형성될 수 있다.
즉, 상기 제1 윈도우층(151) 및 제2 윈도우층(152)은 동일한 스퍼터링 챔버에서 공정 조건에 변화에 따라 연속적으로 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 윈도우층(151)을 형성하는 제1 스퍼터링 공정은 0.8 내 지 1.1 W/cm2 전력과, 100 내지 200sccm의 아르곤 가스(Ar gas) 및 5 내지 8mtorr의 공정압력으로 진행될 수 있다. 이때, 상기 제1 윈도우층(151)의 그레인 사이즈는 0.05~0.3㎛로 형성될 수 있다.
상기 제1 스퍼터링 공정의 저전력에 의하여 상기 제1 윈도우층(151)을 이루는 결정립은 작은 그레인 사이즈로 형성되고, 고압력에 의하여 상기 고저항 버퍼층(140) 상에 치밀한 막으로 증착될 수 있다.
이에 따라, 상기 제1 윈도우층(151)은 고밀도로 형성되고, 그 상하부에 위치한 막들과의 밀착력을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 제1 윈도우층(151)은 누설전류의 발생을 차단하여 소자의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다. 이것은 상기 제1 윈도우층(151)이 치밀한 막질을 가지므로 상기 제2 윈도우층(152) 형성 시 알루미늄 이온이 하부의 다른 막으로 확산되는 것을 방지하는 배리어 역할을 하기 때문이다.
상기 제1 스퍼터링 공정에 의하여 제1 윈도우층(151) 형성 후 제2 스퍼터링 공정이 진행된다.
예를 들어, 제2 스퍼터링 공정은 3.1 내지 3.9W/cm2 전력과, 100 내지 200sccm의 아르곤 가스(Ar gas) 및 1 내지 3mtorr의 공정압력으로 진행될 수 있다. 이때, 상기 제2 윈도우층(152)의 그레인 사이즈는 0.5~1.5㎛로 형성될 수 있다.
상기 제2 스퍼터링 공정의 고전력에 의하여 상기 제2 윈도우층(152)을 이루는 결정립은 큰 그레인 사이즈로 형성되고, 저압력에 의하여 증착속도를 높일 수 있게 되어 원하는 두께로 형성될 수 있다.
이에 따라, 상기 제2 윈도우층(152)은 전도성 및 투광성이 향상될 수 있다.
상기 제1 윈도우층(151)은 조밀한 막 형태로 형성되어 있으므로, 상기 제2 윈도우층(152)의 형성 시 알루미늄 이온이 하부의 막으로 확산되는 것을 방지하여 소자의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
특히, 상기 제1 및 제2 윈도우층(151,152)은 100~150℃의 온도에서 형성될 수 있다. 이는 상기 제1 윈도우층(151)이 고 전력 및 저 압력에 의하여 형성되어 그 막질이 치밀하므로 알루미늄 이온의 확산을 방지할 수 있기 때문이다. 이에 따라, 상기 제2 윈도우층(152)의 결정성을 개선하고, 전도성 및 투광성을 향상시킬 수 있다.
상기 제1 윈도우층(151)과 상기 제2 윈도우층(152)은 동일한 물질로 형성되고, 밀착력은 향상될 수 있다.
상기 제1 및 제2 스퍼터링 공정의 타겟 물질인 알루미늄 도핑된 산화 아연(Al doped ZnO)의 알루미늄 도핑 농도의 변화 없이 하나의 타겟으로 상기 제1 윈도우층(151) 및 제2 윈도우층(152)을 형성할 수 있다. 즉, 공정의 추가 없이 공정 조건에만 변화를 주어 배리어 역할을 하는 상기 제1 윈도우층(151)을 형성할 수 있으므로 소자의 생산성을 향상시킬 수 있다.
상기 제1 윈도우층(151)에 의하여 알루미늄 이온이 확산되는 것을 방지할 수 있으므로, 상기 고저항 버퍼층(140)의 두께를 최소한으로 형성할 수 있다. 이에 따라, 광 흡수층(120)으로의 광 투과율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 제1 윈도우층(151)에 의하여 선저항 손실을 방지할 수 있고, 윈 도우층(150)의 전체 두께를 낮출 수 있으므로 광투과율을 향상시킬 수 있다.
한편, 유사한 목적으로 어느 원소가 포함된 막의 증착시 확산이 문제가 되는 소자에서 실시예의 2단계 스퍼터링 공정을 적용할 수 있다. 즉, 증착조건(예를 들어, 전력 및 압력)을 변화시켜 초기 계면에 배리어막을 형성하여 확산을 방지할 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 4는 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도이다.
Claims (8)
- 기판 상에 후면전극을 형성하는 단계;상기 후면전극 상에 광 흡수층을 형성하는 단계;상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계;상기 버퍼층 상에 전도성 배리어층을 형성하는 단계; 및상기 배리어층 상에 전면전극을 형성하는 단계를 포함하고,상기 배리어층과 상기 전면전극은 서로 다른 공정 조건에 의하여 형성되는 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 배리어층은 제1 전력 및 제1 압력이 인가되는 제1 공정에 의하여 형성되고,상기 전면전극은 상기 제1 전력 보다 높은 제2 전력 및 제1 압력보다 낮은 제2 압력이 인가되는 제2 공정에 의하여 동일 챔버에서 연속적으로 형성되는 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 배리어층과 상기 전면전극은 동일한 물질을 타겟으로 하여 형성되는 태양전지의 제조방법.
- 기판 상에 형성된 후면전극;상기 후면전극 상에 형성된 광 흡수층;상기 광 흡수층 상에 형성된 버퍼층;상기 버퍼층 상에 형성된 전면전극; 및상기 버퍼층과 상기 전면전극 사이에 배치된 전도성 배리어층을 포함하는 태양전지.
- 제4항에 있어서,상기 전면전극과 상기 배리어층은 동일한 물질로 형성된 태양전지.
- 제4항에 있어서,상기 배리어층과 상기 전면전극의 그레인 사이즈의 비는 1:3~10 인 것을 포함하는 태양전지.
- 제4항에 있어서,상기 배리어층은 상기 전면전극 두께의 5~40%에 해당하는 두께로 형성된 태양전지.
- 제4항에 있어서,상기 배리어층과 상기 전면전극은 알루미늄 도핑된 산화아연으로 형성된 태양전지.
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