KR20110001798A - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 태양전지는 기판 상에 배치된 후면전극; 상기 후면전극 상에 배치된 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상에 배치된 전면전극을 포함하며, 상기 후면전극은 Na 화합물이 포함되며, 상기 Na 화합물은 Na이온이 0.01~10 %(atomic weight percent) 농도인 것을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 기판 상에 후면전극을 형성하는 단계; 상기 후면전극 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 및 상기 광 흡수층 상에 전면전극을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 후면전극은 Na 화합물이 포함된 것을 포함하고, 상기 Na 화합물은 Na이온이 0.01~10 %(atomic weight percent)의 농도인 것을 포함한다.
태양전지, 고온공정

Description

태양전지 및 이의 제조방법{SOLAR CELL AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
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, 유리 기판에 포함된 Na 이온이 CIGS계 광 흡수층에 확산되어 그레인 크기를 향상시킴으로써 그 효율이 증대될 수는 있으나, 확산되는 양을 조절하기 어렵다는 문제가 있다.
실시예는 고온공정이 가능하여 광 흡수층의 전기적 효율을 향상시킬 수 있는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 태양전지는 기판 상에 배치된 후면전극; 상기 후면전극 상에 배치된 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상에 배치된 전면전극을 포함하며, 상기 후면전극은 Na 화합물이 포함되며, 상기 Na 화합물은 Na이온이 0.01~10 %(atomic weight percent) 농도인 것을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 기판 상에 후면전극을 형성하는 단계; 상기 후면전극 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 및 상기 광 흡수층 상에 전면전극을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 후면전극은 Na 화합물이 포함된 것을 포함하고, 상기 Na 화합물은 Na이온이 0.01~10 %(atomic weight percent)의 농도인 것을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지 및 이의 제조방법은 기판을 내열성 글래스, 알루미나와 같은 세라믹 기판, 금속 기판, 플라스틱 기판 또는 폴리머 기판으로 사용하여, 고온 공정이 가능하다.
고온 공정은 광 흡수층의 그레인(grain) 크기를 향상시키고, 결정성을 향상시킬 수 있어, 광 흡수층의 전기적 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 후면전극에 포함되는 Na 화합물을 조절하여, Na 이온을 균일하게 형성시킬 수 있으며, 광 흡수층으로 확산되는 Na 이온의 농도를 원하는 양으로 조절할 수 있어, 태양전지의 특성이 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 4는 실시예에 따른 태양전지를 도시한 측단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 태양전지는 기판(100) 상에 배치된 후면전극(200), 광 흡수층(300), 전면전극(500)을 포함한다.
이때, 상기 광 흡수층(300)은 상기 후면전극(200) 상에 배치되며, 상기 전면전극(500)은 상기 광 흡수층 상에 형성된다.
이때, 상기 후면전극(200)은 Na 화합물로 형성되며, Na2Se, NaF, Na2S, NaCl 중 어느 하나의 화합물이 될 수 있다.
그리고, 상기 Na 화합물은 Na이온이 0.01~10 %(atomic weight percent)의 농 도가 될 수 있다.
또한, 상기 광 흡수층(300)과 후면전극(200) 사이에 상기 Na 화합물과 후면전극(200)의 반응에 의해 제1버퍼층(250)이 형성되며, 상기 제1버퍼층(250)은 MoSe2 또는 MoS2로 형성될 수 있다.
본 실시예의 태양전지에 관한 더 자세한 설명은 태양전지의 제조방법과 함께 설명하도록 한다.
도 1 내지 도 4는 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 측단면도이다.
우선, 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(100) 상에 후면전극(200)을 형성한다.
상기 기판(100)은 내열성 글래스, 알루미나와 같은 세라믹 기판, 금속 기판, 플라스틱 기판 또는 폴리머 기판이 사용될 수 있다.
금속 기판으로는 스테인레스 스틸 또는 티타늄을 포함하는 기판을 사용할 수 있다.
또한, 상기 기판(100)은 리지드(rigid)하거나 플렉서블(flexible)할 수 있다.
상기 후면전극(200)은 금속 등의 도전체로 형성될 수 있다.
예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 후면전극(200)은 나트륨(Na) 이온이 도핑된 몰리브덴(Mo) 타겟(50)을 사용한 진공챔버(10)에서 스퍼터 링(sputtering) 공정으로 형성될 수 있다.
이는, 몰리브덴(Mo)이 가진 높은 전기전도도, 광 흡수층과의 오믹(ohmic) 접합, Se 분위기 하에서의 고온 안정성 때문이다.
이때, 상기 나트륨(Na) 이온이 도핑된 몰리브덴(Mo) 타겟(50)은 Na2Se, NaF, Na2S, NaCl 중 어느 하나의 화합물이 포함되어 형성될 수 있으며, Na이온이 0.01~10% (atomic weight percent)의 농도로 도핑될 수 있다.
즉, Na 이온의 농도를 원하는 양으로 조절하여, 이후 형성될 광 흡수층으로 Na 이온이 확산되는 양을 조절할 수 있다.
상기 후면전극(200)인 몰리브덴(Mo) 박막은 전극으로서 비저항이 낮아야 하고, 또한 열팽창 계수의 차이로 인하여 박리 현상이 일어나지 않도록 기판에의 점착성이 뛰어나야 한다.
또한, 상기 후면전극(200)은 적어도 하나 이상의 층으로 형성될 수 있다.
상기 후면전극(200)이 복수개의 층으로 형성될 때, 상기 후면전극(200)을 이루는 층들은 서로 다른 물질로 형성될 수 있다.
그리고, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 후면전극(200) 상에 광 흡수층(300)을 형성한다.
상기 광 흡수층(300)은 Ⅰb-Ⅲb-Ⅵb계 화합물을 포함한다.
더 자세하게, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In, Ga)Se2, CIGS계) 화합물을 포함한다.
이와는 다르게, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-셀레나이드계(CuInSe2, CIS계) 화합물 또는 구리-갈륨-셀레나이드계(CuGaSe2, CIS계) 화합물을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 광 흡수층(300)을 형성하기 위해서, 구리 타겟, 인듐 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하여, 상기 후면전극(200) 상에 CIG계 금속 프리커서(precursor)막이 형성된다.
이후, 상기 금속 프리커서막은 셀레니제이션(selenization) 공정에 의해서, 셀레늄(Se)과 반응하여 CIGS계 광 흡수층(300)이 형성된다.
또한, 상기 광 흡수층(300)은 구리,인듐,갈륨,셀레나이드(Cu, In, Ga, Se)를 동시증착법(co-evaporation)에 의해 형성할 수도 있다.
상기 광 흡수층(300)은 외부의 광을 입사받아, 전기 에너지로 변환시킨다. 상기 광 흡수층(300)은 광전효과에 의해서 광 기전력을 생성한다.
상기 광 흡수층(300)이 형성될 때, 상기 광 흡수층(300)과 후면전극(200) 사이에 상기 Na 화합물과 후면전극(200)의 반응에 의해 제1버퍼층(250)이 형성될 수 있다.
이때, 상기 제1버퍼층(250)은 MoSe2 또는 MoS2로 형성될 수 있다.
상기 제1버퍼층(250)이 형성됨으로 인해, 상기 광 흡수층(300)과 후면전극(200)의 접착력이 향상될 수 있으며, 접촉저항이 감소되어, 태양전지의 효율이 향상될 수 있다.
또한, 상기 후면전극(200)이 Na 화합물을 포함하는 몰리브덴(Mo) 박막으로 형성되어, 상기 기판(100)을 Na 이온이 함유된 유리(glass) 기판을 사용하지 않아도 된다.
즉, 상기 기판(100)을 내열성 글래스, 알루미나와 같은 세라믹 기판, 금속 기판, 플라스틱 기판 또는 폴리머 기판으로 사용하여, 고온 공정이 가능하다.
고온 공정은 상기 광 흡수층(300)의 그레인(grain) 크기를 향상시키고, 결정성을 향상시킬 수 있어, 상기 광 흡수층(300)의 전기적 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 후면전극(200)에 포함되는 Na 화합물을 조절하여, Na 이온을 균일하게 형성시킬 수 있으며, 상기 광 흡수층(300)으로 확산되는 Na 이온의 농도를 원하는 양으로 조절할 수 있어, 태양전지의 특성이 향상될 수 있다.
이어서, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 광 흡수층(300) 상에 버퍼층(400) 및 전면전극(500)을 형성한다.
상기 제1버퍼층(400)은 황화 카드뮴(CdS) 또는 황화아연(ZnS)이 적층되어 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(400)은 적어도 하나의 층으로 형성되며, 상기 광 흡수층(300)이 형성된 상기 기판(100) 상에 황화 카드뮴(CdS), ITO, ZnO, i-ZnO 중 어느 하나 또는 이들의 적층으로 형성될 수 있다.
이때, 상기 버퍼층(400)은 n형 반도체 층이고, 상기 광 흡수층(300)은 p형 반도체 층이다. 따라서, 상기 광 흡수층(300) 및 버퍼층(400)은 pn 접합을 형성한다.
상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300)과 이후 형성될 전면전극의 사이에 배치된다.
즉, 상기 광 흡수층(300)과 전면전극은 격자상수와 에너지 밴드 갭의 차이가 크기 때문에, 밴드갭이 두 물질의 중간에 위치하는 상기 버퍼층(400)을 삽입하여 양호한 접합을 형성할 수 있다.
본 실시예에서는 한 개의 버퍼층을 상기 광 흡수층(300) 상에 형성하였지만, 이에 한정되지 않고, 상기 버퍼층은 복수개의 층으로 형성될 수도 있다.
상기 전면전극(500)은 투명전도층으로 형성될 수 있으며, 알루미늄(Al), 알루미나(Al2O3), 마그네슘(Mg), 갈륨(Ga) 등의 불순물을 포함하는 아연계 산화물 또는 ITO(Indium tin Oxide)로 형성될 수 있다.
상기 전면전극(500)은 상기 광 흡수층(300)과 pn접합을 형성하는 윈도우(window)층으로서, 태양전지 전면의 투명전극의 기능을 하기 때문에 광투과율이 높고 전기 전도성이 좋은 물질로 형성된다.
이때, 상기 산화 아연에 알루미늄 또는 알루미나를 도핑함으로써 낮은 저항값을 갖는 전극을 형성할 수 있다.
또한, 상기 전면전극(500)은 전기광학적 특성이 뛰어난 ITO(Indium tin Oxide) 박막을 산화 아연 박막 상에 층착한 2중 구조로 형성될 수도 있다.
이상에서 설명한 실시예에 따른 태양전지 및 이의 제조방법은 기판을 내열성 글래스, 알루미나와 같은 세라믹 기판, 금속 기판, 플라스틱 기판 또는 폴리머 기판으로 사용하여, 고온 공정이 가능하다.
고온 공정은 광 흡수층의 그레인(grain) 크기를 향상시키고, 결정성을 향상시킬 수 있어, 광 흡수층의 전기적 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 후면전극에 포함되는 Na 화합물을 조절하여, Na 이온을 균일하게 형성시킬 수 있으며, 광 흡수층으로 확산되는 Na 이온의 농도를 원하는 양으로 조절할 수 있어, 태양전지의 특성이 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 4는 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 측단면도이다.

Claims (7)

  1. 기판 상에 배치된 후면전극;
    상기 후면전극 상에 배치된 광 흡수층; 및
    상기 광 흡수층 상에 배치된 전면전극을 포함하며,
    상기 후면전극은 Na 화합물이 포함되며,
    상기 Na 화합물은 Na이온이 0.01~10 %(atomic weight percent) 농도인 것을 포함하는 태양전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 후면전극은 Na2Se, NaF, Na2S, NaCl 중 어느 하나의 화합물이 포함된 것을 포함하는 태양전지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 광 흡수층과 후면전극 사이에 상기 Na 화합물과 후면전극의 반응에 의해 형성된 버퍼층을 포함하며,
    상기 버퍼층은 MoSe2 또는 MoS2인 것을 포함하는 태양전지.
  4. 기판 상에 후면전극을 형성하는 단계;
    상기 후면전극 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 및
    상기 광 흡수층 상에 전면전극을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 후면전극은 Na 화합물이 포함된 것을 포함하고,
    상기 Na 화합물은 Na이온이 0.01~10 %(atomic weight percent)의 농도인 것을 포함하는 태양전지의 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 후면전극은 Na 화합물이 포함된 Mo 타겟(target)을 이용한 스퍼터링(sputtering) 공정을 진행하여 형성되는 것을 포함하는 태양전지의 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 Mo 타겟은 Na2Se, NaF, Na2S, NaCl 중 어느 하나의 Na 화합물을 포함하는 태양전지의 제조방법.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 광 흡수층 형성과 동시에, 상기 광 흡수층과 후면전극 사이에 상기 Na 화합물과 후면전극의 반응에 의해 형성된 버퍼층을 포함하며,
    상기 버퍼층은 MoSe2 또는 MoS2인 것을 포함하는 태양전지의 제조방법.
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