KR20100136762A - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
태양전지가 개시된다. 실시예에 따른 태양전지는 기판 상에 형성된 후면전극; 상기 후면전극 상에 형성된 질화물 반도체층; 상기 질화물 반도체층 상에 형성된 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상에 형성된 전면전극을 포함한다. 상기 질화물 반도체층은 입사광을 상기 광 흡수층으로 반사시킴으로써, 상기 광 흡수층의 광 효율을 향상시킬 수 있다.
태양전지, CIGS
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 창층 등을 포함하는 기판 구조의 pn 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다.
이러한 태양전지의 성능을 향상시키기 위해, 입광 효율을 향상시키기 위한 연구들이 진행 중이다.
실시예는 광 효율을 증가시킬 수 있는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 태양전지는, 기판 상에 형성된 후면전극; 상기 후면전극 상에 형성된 질화물 반도체층; 상기 질화물 반도체층 상에 형성된 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상에 형성된 전면전극을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은, 기판 상에 후면전극을 형성하는 단계; 상기 후면전극 상에 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 질화물 반도체층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 및 상기 광 흡수층 상에 전면전극을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 태양전지 및 이의 제조방법은, 광 흡수층의 하부에 반사층인 질화물 반도체층을 포함한다. 이에 따라, 상기 광 흡수층의 광 흡수율을 향상시킬 수 있다.
특히, 상기 질화물 반도체층의 표면에는 다수개의 돌기가 형성되어 상기 광 흡수층으로의 반사율을 높이고, 태양전지의 광 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 질화물 반도체층에 의하여 상기 광 흡수층은 최소한의 두께를 가지면서 향상된 광 효율을 가질 수 있다.
즉, 상기 질화물 반도체층에 의하여 입사광은 2배 이상으로 광 경로가 커지기 때문에 상기 광 흡수층의 흡수율을 향상시킬 수 있는 것이다.
이에 따라, 상기 광 흡수층의 두께를 감소시킴으로써, 재료비 절감 및 생산성을 향상시킬 수 있다.
상기 질화물 반도체층은 p형 불순물이 도핑된 질화막으로 형성된 것을 포함한다. 따라서, 상기 광 흡수층에 대하여 양호한 계면 특성을 가질 수 있다.
상기 질화물 반도체층은 MOCVD법에 의하여 형성할 수 있으므로 하부 막의 손상을 방지할 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 7은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 단면도이다. 도 8은 도 7의 사시도이다.
실시예에 따른 태양전지는, 기판(100) 상에 형성된 후면전극(110)과, 상기 후면전극(110) 상에 형성된 질화물 반도체층(120)과, 상기 질화물 반도체층(120) 상에 형성된 광 흡수층(130)과, 상기 광 흡수층(130) 상에 형성된 전면전극(160)을 포함한다.
상기 광 흡수층(130)과 상기 전면전극(160) 사이에는 버퍼층(140) 및 고저항 버퍼층(150)이 배치될 수 있다. 따라서, 상기 광 흡수층(130)과 전면전극(160)은 양호한 접합을 형성할 수 있다.
상기 질화물 반도체층(120)의 표면에는 다수 개의 돌기(125)가 형성되어 있다. 상기 돌기(125)는 피라미드 또는 원뿔 형태로 형성될 수 있다.
상기 질화물 반도체층(120)은 GaN, AlN, InN (AlGa)N, (InGa)N, (AlIn)N 및 (AlGaIn)N 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 질화물 반도체층(120)은 p형 불순물이 도핑된 질화막일 수 있다. 예를 들어, 상기 p형 불순물은 마그네슘(Mg)일 수 있다.
상기 질화물 반도체층(120)은 입사광의 반사막 역할을 하고, 상기 광 흡수층(130)의 광 흡수율을 높여줄 수 있다.
이는 상기 광 흡수층(130)을 통과한 광이 상기 질화물 반도체층(120)에 의하여 다시 상기 광 흡수층(120)으로 반사될 수 있기 때문이다. 이에 따라, 상기 광 흡수층(130)의 광 흡수율을 높여줄 수 있다.
상기 질화물 반도체층(120)이 p형 불순물로 형성되고, 상기 광 흡수층(130)도 p형 불순물로 형성되어 계면특성이 양호할 수 있다.
상기 후면전극(110)과 상기 광 흡수층(130)의 두께는 1:1~1.5의 비를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(130)은 1000~1500nm의 두께를 가질 수 있다.
이는 상기 질화물 반도체층(120)에 의하여 입사광의 광 경로가 2배 이상 증가되기 때문에, 상기 광 흡수층(130)이 작은 두께를 가지더라도 광 흡수율은 향상될 수 있다.
도 1 내지 도 8은 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하여, 기판(100) 상에 후면전극(110)이 형성된다.
상기 기판(100)은 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. 금속 기판으로는 스테인레스 스틸 또는 티타늄을 포함하는 기판을 사용할 수 있다. 폴리머 기판으로는 폴리이미드(polyimide)를 사용할 수 있다.
상기 기판(100)은 투명할 수 있다. 상기 기판은 리지드(rigid)하거나 플렉서블(flexible) 할 수 있다.
상기 후면전극(110)은 금속 등의 도전체로 형성될 수 있다.
상기 후면전극(110)이 금속으로 형성되어 직렬저항 특성이 향상되고, 전기 전도도를 높일 수 있다. 예를 들어, 상기 후면전극(110)은 500~1500nm의 두께로 형성될 수 있다.
예를 들어 상기 후면전극(110)은 몰리브덴(Mo)을 타겟으로 사용하여, 스퍼터링(stuttering) 공정에 의해 형성될 수 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.
한편, 상기 후면전극(110)을 형성하는 물질은 이에 한정되지 않고, ITO(Indium tin oxide), 나트륨(Na) 이온이 도핑된 몰리브덴(Mo)으로 형성될 수 있다.
상기 후면전극(110)은 적어도 하나 이상의 층으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 후면전극(110)은 몰리브덴(Mo)을 타겟으로 하는 DC 스퍼터링에 의하여 약 1000nm의 두께로 형성될 수 있다.
이 경우, 상기 후면전극(110) 초기막인 300~500nm 두께는 저전력 및 고압력에서 성장될 수 있다. 그리고, 상기 후면전극(110)의 500~700nm 두께는 고전력 및 저압력에서 형성될 수 있다.
따라서, 상기 후면전극(110)은 서로 다른 결정밀도를 가지는 두 개의 층으로 형성되고, 밀착력 및 전도성을 향상시킬 수 있다.
상기 후면전극(110)이 복수개의 층으로 형성될 때, 상기 후면전극(110)을 이루는 층들은 서로 다른 물질로 형성될 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하여, 상기 후면전극(110) 상에 질화물 반도체층(120)이 형성된다.
상기 질화물 반도체층(120)은 입사광을 반사시키는 반사막일 수 있다.
상기 질화물 반도체층(120)은 p형 불순물이 도핑된 질화막(p-type doped Nitride layer)으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 질화물 반도체층(120)의 캐리어 농도(Carrier concentration)는 1×1016~ 1×1019 atom/㎠ 일 수 있다.
상기 질화물 반도체층(120)은 GaN, AlN, (AlGa)N, (InGa)N, (AlIn)N 또는 (AlGaIn)N 중 어느 하나에 p형 불순물이 도핑되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 질화물 반도체층(120)에 주입된 p형 불순물은 마그네슘(Mg)일 수 있다.
도 4 및 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 질화물 반도체층(120)은 복수개의 돌기(125)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 질화물 반도체층(120)의 돌기(125)는 피라미드 또는 원뿔 형태로 형성될 수 있다.
상기 질화물 반도체층(120)은 결정형 반도체로 형성되고, 입사광을 반사시킬 수 있다.
상기 복수개의 돌기(125)에 의하여 상기 질화물 반도체층(120)의 표면적이 확장되고, 입사광의 반사율을 더욱 높일 수 있다.
상기 질화물 반도체층(120)은 MOCVD법(Metal-Orgainc Chemical Vapor Deposition)에 의해 결정형 반도체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 질화물 반도체층(120)은 50~200nm의 두께로 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 질화물 반도체층(120)은 500~1500℃의 온도로 유지되는 MOCVD 챔버(미도시)에 소스 가스 및 p형 불순물 가스를 주입하여 형성할 수 있다.
상기 소스가스는 TMGa(Tri-methyl Galium), TMIn(Tri-methyl Indium) 또는 TMAl(Tri-methyl Aluminum) 중 어느 하나를 포함하는 제1 소스가스 및 NH3를 포함하는 제2 소스가스 일 수 있다. 상기 p형 불순물 가스는 Cp2Mg(Biscyclopentadienyl magnesium) 일 수 있다. 또한 캐리어 가스로는 H2 및 Ar 가스를 사용할 수 있다.
우선, 도 2를 참조하여, MOCVD 챔버(미도시) 내부를 저압력인 제1 압력으로 유지한다. 그리고, 상기 제1 소스가스를 챔버 내부로 주입하고, 상기 후면전극(110) 상에 다수개의 리퀴드 드롭(121)들을 형성하는 제1 공정을 진행한다.
예를 들어, 상기 제1 공정은 50~150mtorr의 압력을 인가하고, 1~3 Sccm의 TMGa 가스를 50~70초 동안 공급하여 진행할 수 있다.
상기 제1 공정에 의하여 갈륨(Ga)을 포함하는 리퀴드 드롭(121)들이 상기 후면전극(110) 상에 성장될 수 있다.
다음, 도 3을 참조하여, 상기 챔버(미도시) 내부를 제1 압력보다 높은 제2 압력으로 유지한다. 그리고, 상기 제1 소스가스, 제2 소스가스 및 p형 불순물 가스를 주입하여 상기 리퀴드 드롭(121)을 결정화시키는 제2 공정을 진행한다.
이때, 상기 제1 소스가스, 제2 소스가스 및 p형 불순물 가스의 주입비율은 1 : 500~1000 : 0.5으로 공급될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 공정은 150~250mtorr의 압력을 인가하고, 1~3 Sccm의 TMGa 가스, 800~1500 Sccm의 NH3 가스 및 1~2 Sccm의 Mg가스를 500~600초 동안 공급하여 진행할 수 있다.
상기 제2 공정에 의하여 상기 리퀴드 드롭(121)들에 질소 및 p형 불순물이 도핑되고, p형 갈륨 나이트라이드(p-doped GaN)막이 성장될 수 있다.
특히, 상기 제2 공정에 의하여 상기 리퀴드 드롭(121)들이 결정화되고, 피라미드 또는 원뿔 형태의 상기 돌기(125)로 형성될 수 있다.
그 다음, 도 4를 참조하여, 상기 챔버(미도시) 내부로 제2 소스가스만을 주입하고, 온도를 상온으로 내려 상기 p형 갈륨 나이트라이드막의 결정립을 안정화시키는 제3 공정을 진행한다.
예를 들어, 상기 제3 공정은 상기 챔버 온도를 1~30℃로 하강시키고, 상기 800~1500 Sccm의 NH3 가스를 공급하여 진행될 수 있다.
상기 제1 및 제2 공정 후 상기 p형 갈륨 나이트라이드막에서 질소이온이 이탈될 수 있다. 이를 방지하기 위해 상기 제3 공정인 쿨링(cooling) 공정을 진행하여 상기 p형 갈륨 나이트라이드막의 결정립들을 안정화시킬 수 있다.
상기와 같이, MOCVD법에 의한 제1 내지 제3 공정을 통하여 상기 질화물 반도체층(120)을 형성할 수 있다.
MOCVD법에 의하여 형성된 상기 질화물 반도체층(120)은 결정성이 매우 좋고, 높은 전도도를 가질 수 있다. 또한, 상기 질화물 반도체층(120)의 형성 시 하부에 형성된 후면전극(110)의 손상을 방지할 수 있다.
상기 질화물 반도체층(120)은 p형 불순물을 포함한다. 따라서, 상기 질화물 반도체층(120)의 오믹(ohmic) 접합 및 면저항을 특성을 개선할 수 있다.
상기 질화물 반도체층(120)은 리퀴드 드롭(121)이 결정화되어 형성된 돌 기(125)를 포함하므로 그 표면적을 확장시킬 수 있다.
상기 질화물 반도체층(120)에 의하여 입사광의 반사율을 높이고, 광 경로(light path)를 높일 수 있다.
이에 따라, 상기 질화물 반도체층(120) 상에 형성되는 광 흡수층의 광 흡수율을 향상시킬 수 있다.
도 5를 참조하여, 상기 질화물 반도체층(120) 상에 광 흡수층(130)이 형성된다.
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) 화합물 또는 구리-인듐-셀레나이드계(CuInSe2, CIS계) 화합물을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 광 흡수층(130)을 형성하기 위해서, 구리타겟, 인듐 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하여, 상기 질화물 반도체층(120) 상에 CIG계 금속 프리커서막(precusor)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(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레나이드(Se)를 동시증착법(co-evaporation) 또는 MOCVD법에 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.
예를 들어, 상기 광 흡수층(130)은 1000~1500nm의 두께로 형성될 수 있다. 또한, 상기 광 흡수층(130)의 캐리어 농도(Carrier concentration)는 1×1014~ 1×1016 atom/㎠ 일 수 있다.
즉, p형 불순물이 도핑된 상기 질화물 반도체층(120) 상에 p형 반도체층인 상기 광 흡수층(130)이 형성되어 양호한 계면특성을 얻을 수 있다.
상기 광 흡수층(130)의 두께를 기존에 비하여 1/2 이하로 줄일 수 있다. 이것은 상기 질화물 반도체층(120)이 반사막 역할을 하기 때문이다.
즉, 상기 광 흡수층(130)을 통과한 광은 상기 질화물 반도체층(120)에 의하여 반사되어 다시 상기 광 흡수층(130)으로 진행할 수 있다. 이에 따라, 입사광의 진행 경로가 두배가 되어 상기 광 흡수층(130)의 광 흡수율을 향상시킬 수 있다.
특히, 상기 질화물 반도체층(120)의 표면에 피라미드 형태의 돌기(125)들이 형성되어 있으므로, 입사광의 광 경로는 더 길어질 수 있고, 광 흡수율은 더 향상될 수도 있다.
상기 광 흡수층(130)의 두께를 줄일 수 있으므로, 재료비 절감 및 생산성(throughput)을 향상시킬 수 있다.
도 6을 참조하여, 상기 광 흡수층(130) 상에 버퍼층(140) 및 고저항 버퍼층(150)이 형성된다.
상기 버퍼층(140)은 상기 광 흡수층(130) 상에 적어도 하나 이상의 층으로 형성될 수 있으며, 황화 카드뮴(CdS)이 적층되어 형성될 수 있다.
이때, 상기 버퍼층(140)은 n형 반도체 층이고, 상기 광 흡수층(130)은 p형 반도체 층이다. 따라서, 상기 광 흡수층(130) 및 버퍼층(140)은 pn접합을 형성한다.
상기 버퍼층(140)은 산화 아연(ZnO)을 타겟으로 한 스퍼터링 공정을 진행하여, 상기 황화 카드뮴(CdS) 상에 산화 아연층이 더 형성될 수 있다.
상기 고저항 버퍼층(150)은 상기 버퍼층(140) 상에 투명전극층으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 고저항 버퍼층(150)은 ITO, ZnO, i-ZnO 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(140) 및 고저항 버퍼층(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 버퍼층(140) 및 고저항 버퍼층(150)을 삽입하여 양호한 접합을 형성할 수 있다.
한편, 상기 버퍼층(140) 및 고저항 버퍼층(150)은 MOCVD법에 의하여 형성될 수도 있다.
실시예에서는 두개의 버퍼층을 상기 광 흡수층(130) 상에 형성하였지만, 이에 한정되지 않고, 버퍼층은 한개의 층으로만 형성될 수도 있다.
도 7을 참조하여, 상기 고저항 버퍼층(150) 상에 투명한 도전물질을 적층하 여 전면전극(160)을 형성한다.
상기 전면전극(160)은 알루미늄(Al), 알루미나(Al2O3), 마그네슘(Mg), 갈륨(Ga) 등의 불순물을 포함하는 아연계 산화물 또는 ITO(Indim Tin Oxide)로 형성될 수 있다.
한편, 상기 전면전극(160)은 MOCVD법에 의하여 형성될 수도 있다.
예를 들어, 상기 전면전극(160)은 스퍼터링 공정을 진행하여 알루미늄 또는 알루미나로 도핑된 산화 아연으로 형성하여, 낮은 저항값을 갖는 전극을 형성할 수 있다.
즉, 상기 전면전극(160)은 상기 광 흡수층(130)과 pn접합을 형성하는 윈도우(window)층으로서, 태양전지 전면의 투명전극 기능을 하기 때문에 광투과율이 높고 전기 전도성이 높은 산화 아연(ZnO)으로 형성된다.
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 7은 실시예에 따른 태양전지의 제조공정을 도시한 단면도이다.
도 8은 도 7의 사시도이다.
Claims (11)
- 기판 상에 형성된 후면전극;상기 후면전극 상에 형성된 질화물 반도체층;상기 질화물 반도체층 상에 형성된 광 흡수층; 및상기 광 흡수층 상에 형성된 전면전극을 포함하는 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 질화물 반도체층은 다수 개의 돌기를 포함하는 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 질화물 반도체층은 GaN, AlN, InN (AlGa)N, (InGa)N, (AlIn)N 및 (AlGaIn)N 중 어느 하나를 포함하는 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 질화물 반도체층은 p형 불순물이 도핑된 질화막으로 형성된 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 후면전극과 광 흡수층은 1:1~1.5의 두께의 비를 가지는 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 광 흡수층은 제1 불순물 농도를 가지고, 상기 질화물 반도체층은 제1 불순물 농도보다 높은 제2 불순물 농도를 가지는 태양전지.
- 기판 상에 후면전극을 형성하는 단계;상기 후면전극 상에 질화물 반도체층을 형성하는 단계;상기 질화물 반도체층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 및상기 광 흡수층 상에 전면전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제7항에 있어서,상기 질화물 반도체층은 p형 불순물이 도핑된 질화막으로 형성되는 태양전지의 제조방법.
- 제7항에 있어서,상기 질화물 반도체층은 다수 개의 돌기를 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제7항에 있어서,상기 질화물 반도체층은 TMGa, TMIn 및 TMAl를 포함하는 제1 소스 가스 및 NH3를 포함하는 제2 소스 가스를 이용한 MOCVD 공정으로 형성되고,상기 질화물 반도체층을 형성하는 단계는,상기 제1 소스 가스가 주입된 챔버에 제1 압력을 인가하여 리퀴드 드롭을 형성하는 제1 공정; 및상기 제1, 제2 소스가스 및 p형 소스가스를 상기 챔버에 주입하고, 상기 제1 압력보다 높은 제2 압력을 인가하여 상기 리퀴드 드롭을 결정화 시키는 제2 공정을 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제10항에 있어서,상기 제2 공정에 의하여 상기 리퀴드 드롭을 결정화한 다음,상기 챔버 내부에 상기 제2 소스가스를 제공하고 상기 챔버의 온도를 상온으로 유지하여 결정화된 상기 리퀴드 드롭을 쿨링하는 제3 공정을 포함하고,상기 제2 공정을 진행할 때 p형 불순물을 포함하는 제3 소스가스가 공급되는 태양전지의 제조방법.
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