KR20110013009A - Photovoltaic device including plural back contact metal layers and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 박막 태양전지와 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 CdTe 박막 태양전지에서 후면전극과의 접촉 저항을 줄이기 위해 광흡수층과 금속 후면 전극 사이에 복수 개의 접촉 전극층을 삽입한 구조를 갖는 태양전지와 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a thin film solar cell and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a solar cell having a structure in which a plurality of contact electrode layers are inserted between a light absorption layer and a metal back electrode in order to reduce contact resistance with a rear electrode in a CdTe thin film solar cell; The manufacturing method is related.
최근 들어 지구 환경 문제와 자원 고갈의 문제로 친 환경의 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 아울러 지구 온난화를 방지하기 위한 기후 조약 발효에 이어 우리나라도 2013년부터 포스트 교토의정서 국제협약에 기준한 대기오염 해소 및 이산화탄소 가스 감축 등을 위한 정부차원의 대응방안 마련이 요구되고 있다. Recently, due to global environmental problems and resource depletion, interest in alternative energy of environment is increasing. In addition, following the entry into force of the climate treaty to prevent global warming, Korea has also been required to prepare government-level countermeasures to resolve air pollution and reduce carbon dioxide gas in accordance with the Post-Kyoto Protocol.
이러한 상황에서 사람들로부터 많은 관심을 모으고 있는 기술로 태양광 발전을 들 수 있다. In this situation, solar power is a technology that attracts much attention from people.
태양광은 지구상에서 가장 풍부하고 공해가 전혀 발생하지 않는 청정한 에너 지원으로서 지구상에 공급되는 총 태양광 에너지는 초당 약 12만 테라와트(120×1015 W)에 달한다. 이는 지구상의 인류가 사용하는 총 에너지의 10,000배에 해당되는 분량이며, 이 태양광에너지를 활용하는 기술을 개발하는 것은 국가의 당면한 에너지 및 환경문제를 해결하는 유력한 방안이 될 것이다.Sunlight is the richest, pollution-free clean energy source on the planet, with a total of about 120,000 terawatts (120 × 1015 W) of solar energy delivered to the earth. That's about 10,000 times the total energy used by humans on Earth, and developing technologies that make use of this solar energy would be a viable solution to the country's immediate energy and environmental problems.
태양광을 이용하여 전기를 생산하는 태양전지는 일반적으로 실리콘을 이용하여 제작하고 있으며, 현재 웨이퍼를 기반으로 하는 Bulk 실리콘 태양 전지는 높은 제조 단가 및 설치 비용으로 인하여 적극적인 활용이 이루어지지 못하는 상황이다. Solar cells that use electricity to generate electricity are generally manufactured using silicon. Currently, bulk silicon solar cells based on wafers cannot be actively utilized due to high manufacturing cost and installation cost.
이러한 비용 문제를 해결하기 위하여 저가의 제조 비용으로 생산할 수 있는 박막형 태양전지에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 고효율 태양전지 모듈을 제조 하기 위한 여러 가지 시도들이 제안, 연구되고 있다. In order to solve such a cost problem, researches on thin-film solar cells that can be produced at low cost have been actively conducted, and various attempts to manufacture high efficiency solar cell modules have been proposed and studied.
현재 여러 가지 박막형 태양전지 중에 CdTe를 이용한 태양전지가 시장 점유율을 높이며 주목 받고 있다. 하지만, CdTe 태양전지 양산 모듈의 효율은 현재 약 10% 정도로 시장 점유율 향상을 위한 CdTe 태양전지의 효율 증가를 위해 해결해야 하는 여러 이슈가 있다.Currently, solar cells using CdTe among various thin-film solar cells have attracted attention as they increase their market share. However, the efficiency of CdTe solar cell mass production module is currently about 10%, there are a number of issues that need to be resolved to increase the efficiency of CdTe solar cell for market share improvement.
본 발명은 박막 태양전지의 각 적층된 박막 간의 접촉 저항을 줄여서 박막 태양전지의 광전변환효율을 높이고자 하는데 목적이 있다. An object of the present invention is to increase the photoelectric conversion efficiency of a thin film solar cell by reducing the contact resistance between each stacked thin film of the thin film solar cell.
또한 본 발명은 전하 운송자의 도핑 농도가 높으면서도 열화 현상이 방지되어 소자의 품질 특성이 안정화된 박막 태양전지를 제공하고자 하는데 목적이 있다. Another object of the present invention is to provide a thin film solar cell having a high doping concentration of a charge carrier and preventing deterioration, thereby stabilizing quality characteristics of the device.
한편, 박막 태양전의의 접촉 저항을 줄여주는 배면전극층을 용이하게 형성하는 방법을 제공함으로써 고효율의 박막 태양전지의 양산성을 제고하고 생산비용의 면에서 경제적으로 공정 비용을 절감하는데 목적이 있다. On the other hand, by providing a method for easily forming a back electrode layer to reduce the contact resistance of the thin film solar field is to improve the mass production of high efficiency thin film solar cell and to reduce the process cost economically in terms of production cost.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다. The technical objects to be achieved by the present invention are not limited to the above-mentioned technical problems, and other technical subjects which are not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description of the present invention .
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지는 투명기판, 상기 투명기판 상에 형성되는 투명전도층, 상기 투명전도층 상에 형성되고 반도체로 이루어진 광흡수층, 및 상기 광흡수층상에 형성되는 후면전극을 포함하고, 상기 광흡수층과 후면전극 사이에 형성된 복수 개의 층으로서 각 층이 서로 다른 금속화합물로 이루어진 배면전극층을 포함한다.A thin film solar cell according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is a transparent substrate, a transparent conductive layer formed on the transparent substrate, a light absorption layer formed on the transparent conductive layer and made of a semiconductor, and the light absorption A back electrode is formed on the layer, and a plurality of layers formed between the light absorption layer and the back electrode, and each layer includes a back electrode layer made of different metal compounds.
상기 투명기판은 빛이 잘 통과할 수 있도록 투명한 재질의 기판이면 사용될 수 있다. 특히 유리(glass) 기판이나 투명한 고분자 필름, 플라스틱 필름이 이용될 수 있다. 유리 기판으로 값싼 소다회 유리(sodalime glass)를 사용할 수 있고, 그 결과 제조비용을 줄일 수도 있다. The transparent substrate may be used as long as the substrate of the transparent material so that light can pass through well. In particular, a glass substrate, a transparent polymer film, or a plastic film may be used. Inexpensive sodalime glass can be used as the glass substrate, resulting in reduced manufacturing costs.
상기 투명전도층은 투명기판쪽에서 입사되는 태양광의 투과를 위하여 투명 전도성 산화물(Transparent conductive oxide: TCO) 박막으로 형성된 것을 포함한다. 또한 경우에 따라, FTO(Fluoride doped tin oxide), ITO(Indium tin oxide), AZO(Aluminium doped zinc oxide), IZO(Indium zinc oxide), ZnO(Zinc oxide), CdO, SnO2(Tin oxide), In2O3, CdSnO4 또는 TO(tin oxide) 등이 투명전도층으로 사용될 수 있으나 이에 반드시 제한되는 것은 아니다.The transparent conductive layer includes one formed of a transparent conductive oxide (TCO) thin film for the transmission of sunlight incident from the transparent substrate side. Also, in some cases, Fluoride doped tin oxide (FTO), Indium tin oxide (ITO), Aluminum doped zinc oxide (AZO), Indium zinc oxide (IZO), Zinc oxide (ZnO), CdO, SnO 2 (Tin oxide), In 2 O 3 , CdSnO 4 or TO (tin oxide) may be used as the transparent conductive layer, but is not necessarily limited thereto.
본 발명에서 상기 광흡수층은 주기율표상의 Ⅱ족 원소와 Ⅵ족 원소로 구성되는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체, 또는 Ⅲ족 원소와 Ⅴ족 원소로 구성되는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 이루어질 수 있다.In the present invention, the light absorption layer may be composed of a group II-VI compound semiconductor composed of group II elements and group VI elements on the periodic table, or a group III-V compound semiconductor composed of group III elements and group V elements.
특히 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체층은 모두 직접 천이형 에너지대 구조를 가지고 있으며, 흡수단 이하의 파장영역에서 광흡수 계수가 매우 크다. 태양전지의 구성 요소로서 캐리어를 발생시키기 위해서 광을 충분히 흡수하는 흡수층이 필요한데, Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체를 광흡수층 재료로 사용하면 반도체의 두께가 작아져 재료비가 절감되고, 과잉 소수 캐리어(Exess minority carrier)의 확산길이도 짧아지게 되고, 따라서 반도체의 품질에 대한 요구가 완화되어 제조가 쉬워지는 이점이 있다. In particular, all of the II-VI compound semiconductor layers have a direct transition energy band structure and have a very large light absorption coefficient in the wavelength region below the absorption edge. As a component of the solar cell, an absorbing layer that sufficiently absorbs light is required to generate a carrier. When the II-VI compound semiconductor is used as the light absorbing layer material, the thickness of the semiconductor is reduced, thereby reducing the material cost and exess minority. The diffusion length of the carrier is also shortened, and thus, the demand for quality of the semiconductor is alleviated, thereby making it easier to manufacture.
상기 광흡수층은 ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, MgO, MgS, MgSe, MgTe, HgO, HgS, HgSe, HgTe, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, TlN, TlP, TlAs, TlSb, 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹 중에서 선택될 수 있다.The light absorption layer is ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, MgO, MgS, MgSe, MgTe, HgO, HgS, HgSe, HgTe, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs GaSb, InN, InP, InAs, InSb, TlN, TlP, TlAs, TlSb, and mixtures thereof.
특히, 광전변환효율이 높은 태양전지를 제작하기 위해서는 태양광 스펙트럼과의 정합관계에서 광흡수층 재료의 에너지 밴드갭이 1.4eV전후가 적당하며, 전자의 확산길이가 정공의 확산길이에 비해 길기 때문에 p형 반도체가 유리하다. 에너지 밴드갭이 1.4eV에 가까운 물질로는 CdTe와 CdSe가 있지만, p,n 양측의 전도를 나타내는 것은 CdTe 뿐이므로, Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 중 광흡수층 재료로는 CdTe가 가장 적합하다. In particular, in order to manufacture a photovoltaic cell with high photoelectric conversion efficiency, the energy bandgap of the light absorption layer material is suitable around 1.4 eV in the matching relationship with the solar spectrum, and the diffusion length of the electron is longer than that of the hole. Type semiconductors are advantageous. CdTe and CdSe are materials close to 1.4 eV in energy bandgap. However, CdTe is the most suitable material for the light absorption layer of group II-VI compound semiconductors because only CdTe exhibits conduction at both sides of p and n.
본 발명에서 상기 금속화합물은 아연(Zn), 텔루륨(Te), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 셀레늄(Se), 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 안티모니(Sb) 중에서 선택된 어느 하나 이상의 금속원소를 포함할 수 있으나 이에 반드시 제한되는 것은 아니다.In the present invention, the metal compound is zinc (Zn), tellurium (Te), copper (Cu), molybdenum (Mo), nickel (Ni), titanium (Ti), tungsten (W), selenium (Se), tantalum ( One or more metal elements selected from Ta), vanadium (V), and antimony (Sb) may be included, but is not necessarily limited thereto.
본 발명에서 상기 배면전극층은 광흡수층과 후면전극 사이의 접촉저항을 줄여주는 역할을 수행할 수 있고, 장파장 투과율이 좋은 재료를 선택하여 증착하면 광흡수층에서의 광흡수도가 증가하여 광전변환효율의 향상을 극대화 할 수 있다. In the present invention, the back electrode layer may play a role of reducing contact resistance between the light absorption layer and the rear electrode, and by selecting and depositing a material having a good long wavelength transmittance, the light absorption in the light absorption layer is increased to increase the photoelectric conversion efficiency. The improvement can be maximized.
또한 본 발명의 일 실시예로서 상기 배면전극층은, 상기 광흡수층에 접촉하고, 광흡수층과의 접촉 장벽이 작은 금속화합물로 이루어진 적어도 하나 이상의 제1 배면전극층과, 및 상기 후면전극에 접촉하고, 전하 운송자 농도가 상기 제1 배면전극층보다 높은 금속화합물로 이루어진 적어도 하나 이상의 제2 배면전극층을 포 함할 수 있다.In addition, as an embodiment of the present invention, the back electrode layer may be in contact with the light absorbing layer, at least one first back electrode layer made of a metal compound having a small contact barrier with the light absorbing layer, and in contact with the back electrode. The carrier concentration may include at least one second back electrode layer made of a metal compound having a higher concentration than the first back electrode layer.
그러나 이는 하나의 실시예로서 배면전극층은 서로 다른 금속화합물로 이루어진 별개의 층이 두 개 층 이상 적층될 수도 있다.However, as an example, the back electrode layer may have two or more separate layers made of different metal compounds.
다수 개 층의 배면전극층의 배열은 광흡수층과의 접촉층일수록 접촉 장벽이 작아야 하고, 태양전지의 후면전극에 접촉하는 층일수록 금속전극으로의 전하 운송자 농도가 높아지는 층이 되도록 배열될 수 있다. 본 발명에서 상기 복수 개의 배면전극층의 두께는 각각 10nm 내지 500nm의 범위일 수 있다.The rear electrode layer of the plurality of layers may be arranged such that the contact barrier with the light absorbing layer has a smaller contact barrier, and the layer contacting the rear electrode of the solar cell has a higher charge carrier concentration to the metal electrode. In the present invention, the thickness of the plurality of back electrode layers may be in the range of 10 nm to 500 nm, respectively.
본 발명의 일 실시예로서 상기 제2 배면전극층의 금속화합물은 구리가 도핑된 텔루르화아연(ZnTe:Cu), 텔루르화구리(CuxTe), 황화구리(CuxS), 및 안티몬 텔루륨 화합물(Sb2Te3) 등일 수 있다.As an embodiment of the present invention, the metal compound of the second back electrode layer may include copper-doped zinc telluride (ZnTe: Cu), copper telluride (Cu x Te), copper sulfide (Cu x S), and antimony tellurium. Compound (Sb 2 Te 3 ), and the like.
제2 배면전극층에 있어서, 상기 전하 운송자는 상기 제2 배면전극층에 도핑된 구리(Cu) 또는 질소(N)일 수 있으나 이에 반드시 제한되는 것은 아니며, 광흡수층에서 분리된 전자-정공의 전하들이 전극으로 우송되도록 기능할 수 있는 물질이면 제2 배면전극층에 도핑될 수 있다.In the second back electrode layer, the charge transporter may be copper (Cu) or nitrogen (N) doped in the second back electrode layer, but is not limited thereto. The electron-hole charges separated from the light absorption layer may be If the material can function to be mailed to the second back electrode layer may be doped.
상기 구리(Cu) 또는 질소(N)와 같은 전하 운송자의 도핑 농도는 제1 배면전극층보다 후면전극과 인접하여 접촉하고 있는 제2 배면전극층이 더 높아야 한다.The doping concentration of the charge carriers such as copper (Cu) or nitrogen (N) should be higher in the second back electrode layer in contact with the back electrode than in the first back electrode layer.
바람직하게는 상기 제2 배면전극층의 전하 운송자 농도는 제2 배면전극층 내에서도 후면전극과의 접촉면으로 갈수록 고농도의 농도 구배(경사)를 가진다.Preferably, the charge carrier concentration of the second back electrode layer has a higher concentration gradient (inclination) toward the contact surface with the back electrode even in the second back electrode layer.
또한 상기 제1 배면전극층은 전하 운송자로서 별도의 도펀트가 도핑되지 않 을 수 있다. 즉, 제1 배면전극층은 구리(Cu) 또는 질소(N)가 도핑되지 않을 수 있거나, 또는 도핑된다고 하더라도 광흡수층과의 접촉면부터 구리(Cu) 또는 질소(N)의 도핑농도가 저농도에서 고농도로 농도 구배를 가진다.In addition, the first back electrode layer may not be doped with a separate dopant as a charge carrier. That is, the first back electrode layer may not be doped with copper (Cu) or nitrogen (N), or even if doped, the doping concentration of copper (Cu) or nitrogen (N) from the contact surface with the light absorbing layer is low to high. Have a concentration gradient.
그러나 상술한 바와 같이 제1 배면전극층에 도핑되는 구리(Cu) 또는 질소(N)의 전하 운송자 농도는 제 2 배면전극층의 도핑농도보다는 낮다.However, as described above, the charge carrier concentration of copper (Cu) or nitrogen (N) doped in the first back electrode layer is lower than the doping concentration of the second back electrode layer.
즉, 상기 제1 배면전극층은 구리(Cu) 또는 질소(N)의 도핑농도는 광흡수층과의 접촉면으로부터 제2 배면전극층과의 접촉면으로 갈수록 0wt% 내지 10wt%의 범위에서 저농도에서 고농도의 농도 구배를 가질 수 있다.That is, the doping concentration of copper (Cu) or nitrogen (N) in the first back electrode layer is a concentration gradient of high concentration at low concentration in a range of 0wt% to 10wt% from the contact surface with the light absorbing layer to the contact surface with the second back electrode layer. It can have
또한 본 발명의 일 실시예에서 상기 투명전도층과 광흡수층 사이에는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 또는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 이루어진 윈도우층을 추가로 더 포함할 수 있고, 특히 윈도우층은 황화카드늄(CdS)으로 이루어질 수 있다.In an embodiment of the present invention, the transparent conductive layer and the light absorbing layer may further include a window layer made of a II-VI compound semiconductor or a III-V compound semiconductor, and in particular, the window layer may include cadmium sulfide ( CdS).
본 발명의 일 실시예로서, 상기 투명전도층과 윈도우층 사이에는 CuS1-xOx, ZnS1-xOx, Zn2SnO4 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어진 완충층(buffer layer)을 추가로 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, a buffer layer made of any one material selected from CuS 1-x O x , ZnS 1-x O x , and Zn 2 SnO 4 is added between the transparent conductive layer and the window layer. It may further include.
본 발명에서, 상기 후면전극은 전도성 있는 금속전극으로 형성될 수 있으며 특별히 제한되지 않으나 Ag, Al, ZnO/Ag, ZnO/Al 등이 사용될 수 있다.In the present invention, the back electrode may be formed of a conductive metal electrode and is not particularly limited, but Ag, Al, ZnO / Ag, ZnO / Al, or the like may be used.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지의 제조방법은 투명기판 위에 투명전도층, 윈도우층 및 광흡수층을 순차로 형성하는 단계와, 상기 광흡수층 위에 서로 다른 금속화합물로 이루어진 적어도 두개 층 이상 의 배면전극층을 형성하는 단계와, 및 상기 배면전극층 위에 후면전극을 형성하는 단계를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a thin film solar cell, the method comprising sequentially forming a transparent conductive layer, a window layer, and a light absorbing layer on a transparent substrate, and using different metal compounds on the light absorbing layer. And forming a back electrode layer of at least two layers, and forming a back electrode on the back electrode layer.
상기 금속화합물은 아연(Zn), 텔루륨(Te), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 셀레늄(Se), 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 안티모니(Sb) 중에서 선택된 어느 하나 이상의 금속원소를 포함할 수 있으나 이에 반드시 제한되는 것은 아니다.The metal compound is zinc (Zn), tellurium (Te), copper (Cu), molybdenum (Mo), nickel (Ni), titanium (Ti), tungsten (W), selenium (Se), tantalum (Ta), One or more metal elements selected from vanadium (V) and antimony (Sb) may be included, but is not necessarily limited thereto.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 배면전극층을 형성하는 단계는, 상기 광흡수층 위에 텔루르화아연(ZnTe)으로 이루어진 제1 배면전극층을 형성하는 단계와, 및 상기 제1 배면전극층 위에 구리가 도핑된 텔루르화아연(ZnTe:Cu), 텔루르화구리(CuxTe), 황화구리(CuxS), 및 안티몬 텔루륨 화합물(Sb2Te3) 중 어느 하나 이상의 물질로 이루어진 제2 배면전극층을 형성하는 단계로 이루어질 수 있다.The forming of the bottom electrode layer according to an embodiment of the present invention may include forming a first back electrode layer made of zinc telluride (ZnTe) on the light absorption layer, and doping copper on the first back electrode layer. Forming a second back electrode layer made of at least one of zinc telluride (ZnTe: Cu), copper telluride (Cu x Te), copper sulfide (Cu x S), and antimony tellurium compound (Sb 2 Te 3 ) It can be made to the step.
상기 제1 배면전극층은 구리(Cu) 또는 질소(N)를 도핑하지 않거나, 또는 광흡수층과의 접촉면부터 저농도에서 고농도로 구리(Cu) 또는 질소(N)의 도핑 농도를 증가시켜 구리(Cu) 또는 질소(N)를 도핑할 수 있다.The first back electrode layer does not dope copper (Cu) or nitrogen (N), or increases the doping concentration of copper (Cu) or nitrogen (N) from low concentration to high concentration from the contact surface with the light absorbing layer. Or nitrogen (N).
구리(Cu) 또는 질소(N)는 제1 배면전극층에서 전하 운송자로 기능할 것인데, 이는 상술한 바와 같이 제2 배면전극층보다는 도핑 범위가 낮거나 도핑되지 않을 수 있는 것이다.Copper (Cu) or nitrogen (N) will function as a charge carrier in the first back electrode layer, which may be lower or undoped than the second back electrode layer as described above.
만일 도핑되는 경우라면 그 범위는 0wt% 내지 10wt%의 범위에서 저농도에서 고농도의 농도 경사를 가지도록 도핑될 수 있다.If doped, the range may be doped to have a low concentration gradient at low concentrations in the range of 0 wt% to 10 wt%.
전하 운송자의 도핑 방법은 종래 공지된 기술이면 충분히 적용할 수 있다.The doping method of the charge transporter can be sufficiently applied as long as it is a conventionally known technique.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 배면전극층을 형성하는 단계는, 아연(Zn), 텔루륨(Te), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 셀레늄(Se), 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 안티모니(Sb) 중에서 선택된 어느 하나 이상의 금속원소를 동시(同時) 또는 이시(異時)에 증착한 후 열처리하거나, 또는 아연(Zn), 텔루륨(Te), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 셀레늄(Se), 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 안티모니(Sb) 중에서 적어도 하나 이상을 포함하는 금속 합금 소스를 형성하고 이를 증착하여 형성하는 것일 수 있다.Forming the back electrode layer according to an embodiment of the present invention, zinc (Zn), tellurium (Te), copper (Cu), molybdenum (Mo), nickel (Ni), titanium (Ti), tungsten ( At least one metal element selected from W), selenium (Se), tantalum (Ta), vanadium (V), and antimony (Sb) at the same time or at the same time and then heat-treated, or zinc (Zn), tellurium (Te), copper (Cu), molybdenum (Mo), nickel (Ni), titanium (Ti), tungsten (W), selenium (Se), tantalum (Ta), vanadium (V), It may be formed by forming a metal alloy source including at least one or more of antimony (Sb) by depositing it.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 배면전극층은, 증착법(evaporation), 스퍼터링법(sputtering), 이온 플레이팅법(ion plating), 이온빔 증착법(ion beam evaporation), 진공증착법, 전착법(electrodeposition), 스크린프린팅법, 근접승화법(Close-spaced sublimation, CSS), 유기금속화학기상증착(MOCVD), 물리기상증착법(PVD), 플라즈마화학기상증착법(PECVD), CBD법(Chemical bath deposition), VTD법(Vapor transport deposition) 등의 방법으로 적층될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the back electrode layer, evaporation (sputtering), sputtering (sputtering), ion plating (ion plating), ion beam evaporation (ion beam evaporation), vacuum deposition, electrodeposition (electrodeposition), Screen Printing, Close-spaced Sublimation (CSS), Organometallic Chemical Vapor Deposition (MOCVD), Physical Vapor Deposition (PVD), Plasma Chemical Vapor Deposition (PECVD), CBD (Chemical Bath Deposition), VTD Method It may be laminated by a method such as (Vapor transport deposition).
본 발명의 박막 태양전지의 제조방법에 있어서 상기 윈도우층 및 광흡수층은 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 또는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 이루어질 수 있으며, 바람직하게 상기 윈도우층은 CdS층일 수 있고, 상기 광흡수층은 CdTe층일 수 있다.In the method of manufacturing a thin film solar cell of the present invention, the window layer and the light absorbing layer may be made of a II-VI compound semiconductor or a III-V compound semiconductor. Preferably, the window layer may be a CdS layer, and the light absorption layer May be a CdTe layer.
상기 윈도우층 및 광흡수층은, 공지된 방법으로 적층될 수 있으며 특별히 적층 방법이 한정되는 것은 아니나, 스퍼터링법(sputtering), CVD법(Chemical vapor deposition), 유기금속화학기상증착(MOCVD), 근접승화법(Close-spaced sublimation, CSS), 스프레이 피롤리시스(Spray pyrolysis), 화학 스프레이법(Chemical spraying), 스크린프린팅법(Screeen printing), CBD법(Chemical bath deposition), VTD법(Vapor transport deposition), 및 전착법(electrodeposition) 등이 사용될 수 있다.The window layer and the light absorption layer may be laminated by a known method, and the lamination method is not particularly limited, but the sputtering method, chemical vapor deposition, organic metal chemical vapor deposition (MOCVD), and close sublimation Close-spaced sublimation (CSS), Spray pyrolysis, Chemical spraying, Screeen printing, CBD (Chemical bath deposition), VTD (Vapor transport deposition) , And electrodeposition may be used.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 투명전도층과 윈도우층을 형성하는 단계 사이에, CuS1-xOx, ZnS1-xOx, Zn2SnO4 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어진 완충층(buffer layer)을 형성하는 단계를 더 추가할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, between the step of forming the transparent conductive layer and the window layer, made of any one material selected from CuS 1-x O x , ZnS 1-x O x , Zn 2 SnO 4 A further step of forming a buffer layer may be added.
본 발명에 의하면, 광흡수층과 후면전극과의 접촉 저항을 최소화하는 배면전극층이 삽입된 구조를 제안하여 박막형 태양전지의 광전변환효율과 소자 품질 특성이 개선된 박막 태양전지, 특히 CdTe 박막 태양전지를 제공할 수 있다.According to the present invention, a thin film solar cell, in particular, a CdTe thin film solar cell, in which the photoelectric conversion efficiency and device quality characteristics of the thin film solar cell are improved by proposing a structure in which a back electrode layer is inserted to minimize the contact resistance between the light absorption layer and the rear electrode. Can provide.
본 발명에 의하면 박막 태양전지에 있어서 열화되지 않고 품질 신뢰성에서 안정화될 수 있는 태양전지 구조를 제안함으로써 태양전지 시장에서 양산성있고 경제적인 박막 태양전지를 제조,공급할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, by proposing a solar cell structure that can be stabilized in quality reliability without deterioration in a thin film solar cell, there is an effect of manufacturing and supplying a mass-productable and economical thin film solar cell in the solar cell market.
또한 본 발명은 저가의 고효율 박막 태양전지가 생산됨에 따라 재생 에너지 분야가 확대되어 이산화탄소 등 지구 온난화를 가속시키는 오염 물질 배출량이 줄어 환경 보호에도 도움이 될 수 있다.In addition, according to the present invention, as a low-cost, high-efficiency thin-film solar cell is produced, the renewable energy field is expanded, thereby reducing the emission of pollutants that accelerate global warming, such as carbon dioxide, and thus may be helpful for environmental protection.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하 기로 한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 광흡수층과 후면전극과의 접촉시 발생하는 접촉 장벽을 도시한 도면이다.FIG. 1 is a view illustrating a contact barrier generated when a light absorbing layer contacts a back electrode.
도 1은 종래 박막 태양전지의 효율에 대한 문제점을 알 수 있는 것으로서, 도 1에서 보여지는 것과 같이 박막 태양전지, 특히 CdTe 태양전지의 광흡수층의 일함수(work function)가 크기 때문에 CdTe 광흡수층과 금속전극과의 큰 접촉 저항을 줄여야 하는 문제가 있다.1 illustrates a problem with the efficiency of a conventional thin film solar cell, and as shown in FIG. 1, the CdTe light absorbing layer and the work function of the light absorbing layer of the thin film solar cell, in particular, the CdTe solar cell are large. There is a problem that the large contact resistance with the metal electrode should be reduced.
따라서, 박막 태양전지의 광전변환효율을 고효율로 개선하는데 있어서 이러한 접촉 장벽(contact barrier)을 줄이는 것이 필요하다.Therefore, it is necessary to reduce such a contact barrier in improving the photoelectric conversion efficiency of the thin film solar cell with high efficiency.
본 발명의 박막 태양전지는 이러한 CdTe 광흡수층과 금속전극 사이의 접촉저항을 개선하기 위한 구조와 재료를 제안한 것으로서 도 2에서 본 발명의 일실시예에 따른 박막 태양전지의 구성 단면을 나타내었다.The thin film solar cell of the present invention proposes a structure and a material for improving the contact resistance between the CdTe light absorbing layer and the metal electrode, and shows a sectional view of the thin film solar cell according to the exemplary embodiment of the present invention.
도 2에 제시된 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지는 광흡수층이 CdTe층으로 이루어진 CdTe 태양전지일 수 있다.The thin film solar cell according to the exemplary embodiment of the present invention shown in FIG. 2 may be a CdTe solar cell in which a light absorption layer is formed of a CdTe layer.
도 2를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지는 투명기판(100)을 통과해서 빛이 입사하는 superstrate 구조로 제조된다. 상기 투명기판(100)은 바람직하게는 유리기판이지만 이에 한정되지 않는다.Referring to FIG. 2, the thin film solar cell according to the exemplary embodiment of the present invention is manufactured to have a superstrate structure in which light is incident through the
또한 상기 투명 유리 기판(100) 위에는 투과율이 좋은 투명 전극으로 기능하는 투명전도층(102)(TCO)이 형성된다. In addition, a transparent conductive layer 102 (TCO) is formed on the
다음으로 CdTe 태양전지의 n형층으로 사용되는 윈도우층(104)이 형성되는데 주로 CdS가 일반적으로 사용된다. Next, the
이후 상기 윈도우층(104) 위에 광흡수층(106)이 증착되는데, 특히 CdTe를 수 ㎛ 정도 증착한다. Thereafter, the
광흡수층(106) 위에는 접촉 저항을 줄여주는 배면전극층이 적어도 두 개층 이상 증착된다.At least two back electrode layers are deposited on the
종래 박막 태양전지는 접촉 저항을 줄여주는 삽입층은 ZnTe에 Cu가 도핑된 층을 사용하고 있으나, 이 재료는 CdTe와의 접촉 장벽이 작지만 전하 운송자 농도가 작아 금속 전극과의 접촉 저항이 커지는 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하기 위해 Cu의 도핑 농도를 크게 하여 운송자 농도를 증가시키면 잉여 Cu가 CdTe층으로 확산하여 오히려 효율 저하를 가져오기 때문에 도핑 양을 증가하는 것 역시 한계가 있다. 따라서 CdTe와의 접촉 장벽이 작으면서 금속 전극과의 터널링(tunneling)을 위해 전하 운송자(charge carrier) 농도가 커지도록 본 발명의 일 실시예에 따른 배면전극층의 복수 층 구조가 필요하다.Conventional thin film solar cells use a layer doped with Cu to ZnTe to reduce the contact resistance, but this material has a small contact barrier with CdTe, but has a disadvantage in that the contact resistance with a metal electrode is increased due to the low charge carrier concentration. . In order to solve this disadvantage, increasing the concentration of the carrier by increasing the doping concentration of Cu, since the excess Cu diffuses into the CdTe layer, rather, the efficiency is lowered, there is also a limit to increasing the amount of doping. Accordingly, a multi-layered structure of the back electrode layer according to the exemplary embodiment of the present invention is required so that the charge carrier concentration is increased for tunneling with the metal electrode while the contact barrier with the CdTe is small.
도 2의 실시예에는 두개 층의 배면전극층을 제안하고 있으나 반드시 이에 한정하는 것은 아니며, 사용 용도에 따라 삼중 또는 사중의 배면전극층을 삽입하여 제조할 수 있다. The embodiment of FIG. 2 proposes two layers of back electrode layers, but is not necessarily limited thereto, and may be manufactured by inserting triple or quadruple back electrode layers according to a use purpose.
도 2의 일 실시예에서는 광흡수층(106) 위에 제1 배면전극층(108)과 제2 배면전극층(110)이 형성된다.In the exemplary embodiment of FIG. 2, the first
상기 제1 배면전극층(108)은 광흡수층(106)과 직접 접촉하는 층으로서 CdTe층과 접촉 저항이 작은 물질을 증착할 수 있다. 일 실시예로서 ZnTe와 같은 물질을 적층할 수 있으며, 경우에 따라서 ZnTe의 특성을 고려하여 소량의 도핑 원소를 포함할 수 있다. 도핑 원소는 특별히 제한되지 않으나 구리(Cu) 또는 질소(N) 등의 원소일 수 있다.The first
상기 제2 배면전극층(110)은 후면전극(112)와 접촉하는 층으로서, 금속 전극과 저항을 줄일 수 있는 전하 운송자 농도가 높은 물질을 증착할 수 있다. 일 실시예로서 Cu2Te와 같은 물질을 적층할 수 있으나 이에 반드시 제한되지 않으며, 텔루르화아연(ZnTe:Cu), 황화구리(CuxS), 안티몬 텔루륨 화합물(Sb2Te3) 등의 물질이 적층될 수 있다.The second
일 실시예로서 상기 제2 배면전극층(110)의 증착 공정에서 전하 운송자 농도와 도핑되는 원소의 확산에 의한 영향을 고려하여 각 원소의 양을 선택하여 증착할 수 있다. 즉, Cu2Te와 같은 물질을 제2 배면전극층으로 증착하는 경우 도핑되는 원소인 구리(Cu)의 확산에 의한 영향을 고려하여 Cu와 Te의 양을 선택 후 증착할 수 있다. For example, the amount of each element may be selected and deposited in consideration of the influence of the charge carrier concentration and the diffusion of the doped elements in the deposition process of the second
상기 제1 배면전극층(108)과 제2 배면전극층(110)의 두께는 각각 수십 nm에서 수백 nm 정도로 증착할 수 있으며 바람직하게는 10 nm 내지 500 nm 정도로 증착할 수 있다. 각 증착 조건이나 특성에 맞도록 두께를 결정하면 된다.The thicknesses of the first
상술한 바와 같이 배면전극층은 삼중 또는 사중 또는 그 이상의 층으로도 증착할 수 있는데, 본 발명의 일 실시예에 의하면 각 배면전극층은 구성하는 금속화합물이 다르게 조절되어 광흡수층과 후면전극 사이의 접촉저항을 개선할 수 있도록 증착될 수 있다.As described above, the back electrode layer may be deposited as a triple, quadruple, or more layers. According to an embodiment of the present invention, each back electrode layer may have different contact resistances between the light absorbing layer and the rear electrode due to different metal compounds. It can be deposited to improve the.
도 2의 실시예에서 제2 배면전극층(110) 위에는 후면전극(112)이 증착된다. 후면전극은 전도성있는 금속 전극층을 말하며, 이때 금속 전극층은 Au, Al, Ti 등의 적당한 금속을 선택하여 증착한다. In the embodiment of FIG. 2, a
도 2에는 도시되어 있지 않으나, 상기 투명전극층(102)과 윈도우층(104)사이에는 CuS1-xOx, ZnS1-xOx, Zn2SnO4 등의 물질로 이루어진 완충층(buffer layer)이 더 포함될 수 있다. 상기 완충층은 윈도우층의 두께를 줄일 수 있고, 누설전류가 발생하지 않도록 하며 단파장 영역에까지 광 투과도를 높일 수 있는 장점이 있다.Although not shown in FIG. 2, a buffer layer made of a material such as CuS 1-x O x , ZnS 1-x O x , Zn 2 SnO 4, or the like, is disposed between the
도 3의 그래프는 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 박막 태양전지의 일부 구조의 에너지 밴드갭을 나타낸 것이다.3 shows an energy band gap of a structure of a thin film solar cell according to an embodiment of the present invention as described above.
도 3의 그래프에 표시된 막층의 물질은 CdTe, ZnTe, Cu2Te, 및 금속으로서 각각 광흡수층, 제1 배면전극층, 제2 배면전극층, 후면전극을 구성하는 물질이다.The material of the film layer shown in the graph of FIG. 3 is CdTe, ZnTe, Cu 2 Te, and a metal, respectively, which constitutes a light absorption layer, a first back electrode layer, a second back electrode layer, and a back electrode.
도 3에 따르면 CdTe층과 금속층 사이에 배면금속층으로서 ZnTe과 Cu2Te 물질층을 삽입한 상태에서의 에너지 밴드갭 수준을 알 수 있다. 즉, CdTe층과 제1 배면전극층의 경계면에서 접촉장벽이 낮아지는 것을 확인할 수 있으며, 한편 제2 배면전극층과 메탈 금속 전극 사이의 계면에서는 높은 전하 운송자 밀도에 의해 접촉 장벽이 낮아진 것을 확인할 수 있다.According to Figure 3 can be seen the energy bandgap level when the ZnTe and Cu 2 Te material layer is inserted as the back metal layer between the CdTe layer and the metal layer. That is, it can be seen that the contact barrier is lowered at the interface between the CdTe layer and the first back electrode layer, while the contact barrier is lowered due to the higher charge carrier density at the interface between the second back electrode layer and the metal metal electrode.
이렇게 복수의 층으로 증착된 배면전극층은 접촉 저항의 감소를 가져오는 특성 외에 CdTe와 접하고 있는 제1 배면전극층이 도핑원소로서 Cu를 포함하고 있지 않을 경우에, 금속 전극과의 접촉 저항을 줄이기 위해 잉여의 Cu를 사용하지 않아도 되기 때문에 Cu에 의한 열화 현상을 줄일 수 있어 안전화 효율 감소를 현저히 줄일 수 있는 특징을 갖게 된다.The back electrode layer deposited as a plurality of layers has a property of reducing contact resistance, and in order to reduce contact resistance with a metal electrode when the first back electrode layer contacting CdTe does not contain Cu as a doping element. Since Cu does not need to be used, deterioration due to Cu can be reduced, and the reduction in safety efficiency is markedly reduced.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지의 배면전극층을 형성하는 방법에 대한 간략도이다.4 to 6 are simplified views of a method of forming a back electrode layer of a thin film solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 4 내지 도 6에서 제안하는 방법은 이미 투명기판(100) 위에 투명전극(102), 윈도우층(104), 및 광흡수층(106)을 모두 증착하고 난 후 배면전극층을 복수 개의 층으로 형성할 때의 방법만을 도시한 것이다.In the method proposed in FIGS. 4 to 6, after the
도 4를 참조하면 그 하나의 방법으로서, 광흡수층이 증착된 기판 위에 각각의 원소(도면에서는 배면전극층을 이루는 금속화합물의 각 구성 원소를 A,B로 표시함)를 증착 후 적정한 열처리를 수행하여 금속화합물로 이루어진 배면전극층을 형성하는 것을 나타낸 것이다. 상기 열처리 후 배면전극층을 구성하는 금속화합물로서 AB화합물 박막층이 형성되는 것이다.Referring to FIG. 4, as one method, an appropriate heat treatment is performed after depositing each element (in the drawing, each constituent element of the metal compound constituting the back electrode layer as A and B) on the substrate on which the light absorption layer is deposited. It shows forming a back electrode layer made of a metal compound. After the heat treatment, the AB compound thin film layer is formed as the metal compound constituting the back electrode layer.
도 5는 다른 실시예에 따른 배면전극층의 형성방법으로서, 배면전극층을 구성하는 금속화합물의 각 구성원소, 즉 A와 B를 광흡수층이 증착된 기판 위에 동시 증착하면서 열처리하여 AB화합물 합금층으로 형성되는 것을 나타내었다.FIG. 5 is a method of forming a back electrode layer according to another embodiment, wherein each element of the metal compound constituting the back electrode layer, that is, A and B, is simultaneously deposited on a substrate on which the light absorption layer is deposited, and then heat-treated to form an AB compound alloy layer. It is shown.
또한, 도 6은 다른 실시예에 따른 배면전극층의 형성방법으로서, 증착 시 원료 소스 가스의 제작단계에서 금속화합물의 각 구성원소, 즉 A와 B를 혼합하여 합금 소스 가스를 제작한 후, 이를 광흡수층이 증착된 기판 위에 공급하여 증착하는 공정이다.In addition, FIG. 6 is a method of forming a back electrode layer according to another embodiment, and after manufacturing each alloying element of the metal compound, that is, A and B in the manufacturing step of the raw material source gas during deposition, to produce an alloy source gas It is a process of depositing by supplying an absorption layer on the deposited substrate.
이러한 배면 전극층의 제조방법은 여러 원소가 합금(alloy) 형태로 존재하기 때문에 다양한 방법으로 제작될 수 있으며 반드시 상기 설명한 방법에 제한되지 않고 다양한 공지된 방법으로도 형성될 수 있음은 물론이다.The method of manufacturing the back electrode layer may be manufactured by various methods because various elements exist in the form of an alloy, and may be formed by various known methods without necessarily being limited to the above-described methods.
상기 배면전극층의 증착 방법은 그 특성이나 제조 용이성을 고려하여 적당한 증착 방법을 선택하여 제조할 수 있다. The deposition method of the back electrode layer may be manufactured by selecting an appropriate deposition method in consideration of its characteristics and ease of manufacture.
이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 범위에 속한다. 또한, 본 명세서에서 설명한 각 구성요소의 물질은 당업자가 공지된 다양한 물질로부터 용이하게 선택하여 대체할 수 있다. 또한 당업자는 본 명세서에서 설명된 구성요소 중 일부를 성능의 열화 없이 생략하거나 성능을 개선하기 위해 구성요소를 추가할 수 있다. 뿐만 아니라, 당업자는 공정 환경이나 장비에 따라 본 명세서에서 설명한 방법 단계의 순서를 변경할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.The present invention has been described above in connection with specific embodiments of the present invention, but this is only an example and the present invention is not limited thereto. Those skilled in the art can change or modify the described embodiments without departing from the scope of the present invention, and such changes or modifications are within the scope of the present invention. In addition, the materials of each component described herein can be readily selected and substituted for various materials known to those skilled in the art. Those skilled in the art will also appreciate that some of the components described herein can be omitted without degrading performance or adding components to improve performance. In addition, those skilled in the art may change the order of the method steps described herein depending on the process environment or equipment. Therefore, the scope of the present invention should be determined by the appended claims and equivalents thereof, not by the embodiments described.
도 1은 광흡수층과 후면전극과의 접촉시 발생하는 접촉 장벽을 도시한 도면.1 is a view illustrating a contact barrier generated when a light absorbing layer contacts a back electrode.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 박막 태양전지의 구성을 나타내는 단면도.Figure 2 is a cross-sectional view showing the configuration of a thin film solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 박막 태양전지의 일부 구조의 에너지 밴드갭을 나타낸 도면. 3 is a view showing an energy band gap of a structure of a thin film solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 4 내지 도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 태양전지의 배면전극층을 형성하는 방법에 대한 간략도.4 to 5 are simplified views of a method of forming a back electrode layer of a thin film solar cell according to an embodiment of the present invention.
{도면의 주요부호에 대한 설명}{Description of major symbols in the drawing}
100: 투명 기판 102: 투명 전도층100: transparent substrate 102: transparent conductive layer
104: 윈도우층 106: 광흡수층104: window layer 106: light absorption layer
108: 제1 배면전극층 110: 제2 배면전극층108: first back electrode layer 110: second back electrode layer
112: 후면전극112: rear electrode
Claims (25)
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KR1020090070963A KR20110013009A (en) | 2009-07-31 | 2009-07-31 | Photovoltaic device including plural back contact metal layers and manufacturing method thereof |
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2009
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