KR20110035797A - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 태양전지는, 기판 상에 형성된 후면전극층; 상기 후면전극층 상에 형성되고, Ⅰ족, Ⅲ족 및 Ⅰ족-Ⅲ족 화합물 중 어느 하나를 포함하는 합금층; 상기 합금층 상에 형성된 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 형성된 버퍼층; 상기 광 흡수층 및 버퍼층을 관통하여 상기 합금층을 선택적으로 노출시키는 관통홀; 및 상기 관통홀을 갭필하고, 상기 버퍼층 상에 형성된 전면전극을 포함한다. 따라서, 상기 합금층에 의하여 상기 후면전극층의 콘택저항 특성을 개선할 수 있다.
태양전지, CIGS 광 흡수층
Description
실시예는 태양전지에 관한 것이다.
최근 에너지 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지에 대한 개발이 진행되고 있다.
특히, 유리 기판, 금속 후면 전극층, p형 CIGS 계 광 흡수층, 고저항 버퍼층, n형 창층 등을 포함하는 기판 구조의 pn 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다.
이러한 태양전지는 복수개의 셀이 상호 연결되어 형성되는 것으로, 각의 셀들의 전기적인 특성을 향상시키기 위한 연구들이 진행되고 있다.
실시예는 태양전지 셀의 컨택 특성을 향상시킬 수 있는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 태양전지는, 기판 상에 형성된 후면전극층; 상기 후면전극층 상에 형성되고, Ⅰ족, Ⅲ족 및 Ⅰ족-Ⅲ족 화합물 중 어느 하나를 포함하는 합금층; 상기 합금층 상에 형성된 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 형성된 버퍼층; 상기 광 흡수층 및 버퍼층을 관통하여 상기 합금층을 선택적으로 노출시키는 관통홀; 및 상기 관통홀을 갭필하고, 상기 버퍼층 상에 형성된 전면전극을 포함한다.
실시에에 따른 태양전지의 제조방법은, 기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계; 상기 후면전극층 상에 Ⅰ족, Ⅲ족 및 Ⅰ족-Ⅲ족 화합물 중 어느 하나를 포함하는 합금층을 형성하는 단계; 상기 합금층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 및 버퍼층을 관통하여 상기 합금층을 선택적으로 노출시키는 관통홀을 형성하는 단계; 및 상기 관통홀을 갭필하도록 상기 버퍼층 상에 전면전극층을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 의하면, CIGS 광 흡수층의 백 컨택으로 사용되는 후면전극층의 표면에 Ⅰ족, Ⅲ족 및 Ⅰ족-Ⅲ족 화합물 중 어느 하나를 포함하는 합금층을 형성하여, 전면전극층과의 컨택저항을 낮출 수 있다.
일반적으로 CIGS 광 흡수층을 형성할 때 후면전극인 몰리브덴 박막과 셀레나이드계의 결합에 의하여 형성되는 MoSe2는 상기 후면전극층과 전면전극층의 컨택저항을 높일 수 있다.
실시에에서는 상기 광 흡수층의 전처리 공정에 의하여 상기 후면전극층 상에 상기 합금층을 형성함으로써, 상기 후면전극층의 컨택저항을 낮출 수 있다.
이에 따라, 태양전지의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 합금층에 의하여 상기 후면전극층의 표면이 손상되는 것을 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 1 내지 도 7을 참조하여, 실시예에 태양전지 및 이의 제조방법을 구체적으로 설명한다.
도 1을 참조하여, 기판(100) 상에 후면전극층(200)이 형성된다.
상기 기판(100)은 유리가 사용될 수 있으며, 세라믹 기판, 금속기판 또는 폴 리머 기판 등도 사용될 수 있다.
예를 들어, 유리 기판으로는 소다라임 유리(sodalime galss) 또는 고변형점 소다유리(high strained point soda glass)를 사용할 수 있다. 금속기판으로는 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 기판(100)은 리지드(rigid)하거나 플렉서블(flexible) 할 수 있다.
상기 후면전극층(200)은 금속 등의 도전체로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 후면전극층(200)은 몰리브덴(Mo)을 타겟(target)으로 사용하여, 스퍼터링(sputtering) 공정에 의해 형성될 수 있다.
이는, 몰리브덴(Mo)이 가진 높은 전기 전도도, 광 흡수층과의 오믹(ohmic) 접합, Se 분위기 하에서의 고온 안정성 때문이다.
상기 후면전극층(200)인 몰리브덴 박막은 전극으로서 비저항이 낮아야하고, 열팽창 계수의 차이로 인하여 박리현상이 일어나지 않도록 기판(100)에의 점착성이 뛰어나야 한다.
한편, 상기 후면전극층(200)을 형성하는 물질은 이에 한정되지 않고, 나트륨(Na) 이온이 도핑된 몰리브덴(Mo)으로 형성될 수도 있다.
도면에 도시되지는 않았지만, 상기 후면전극층(200)은 적어도 하나 이상의 층으로 형성될 수 있다. 상기 후면전극층(200)이 복수개의 층으로 형성될 때, 상기 후면전극층(200)을 이루는 층들은 서로 다른 물질로 형성될 수 있다.
상기 후면전극층(200)에 제1 관통홀(P1)이 형성되고, 상기 후면전극층(200)은 상호 분리될 수 있다.
상기 제1 관통홀(P1)은 상기 기판(100)의 상면을 선택적으로 노출시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 관통홀(P1)은 기계적 장치 또는 레이저 장치에 의하여 패터닝 될 수 있다. 상기 제1 관통홀(P1)의 폭은 80㎛±20 일 수 있다.
상기 제1 관통홀(P1)에 의하여 상기 후면전극층(200)은 스트라이프(stripe) 형태 또는 매트릭스(matrix) 형태로 배치될 수 있으며, 각각의 셀에 대응할 수 있다.
한편, 상기 후면전극층(200)은 상기의 형태에 한정되지 않고, 다양한 형태로 형성될 수 있다.
도 2를 참조하여, 상기 제1 관통홀(P1)을 포함하는 후면전극층(200) 상에 합금층(310)이 형성된다.
상기 합금층(310)은 금속간 화합물(intermetallic composite)이다.
상기 합금층(310)은 몰리브덴-Ⅰb족 원소의 화합물 또는 몰리브덴-Ⅲb족 원소의 화합물로 형성될 수 있다.
이와는 다르게 상기 합금층(310)은 몰리브덴-Ⅰb-Ⅲb족 원소의 화합물로 형성될 수도 있다.
예를 들어, 상기 합금층(310)은 MoIn, MoGa, MoCu, Mo(In,Ga), Mo(Ga,Cu) 및 Mo(In,Ga, Cu) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 합금층(310)은 10~50nm의 두께로 형성될 수 있다.
추가적으로, 상기 합금층(310)은 100~500℃의 온도에서 열처리 단계를 거칠 수 있다.
상기 합금층(310)은 상기 후면전극층(200)의 표면을 따라 형성될 수 있다.
즉, 상기 합금층(310)은 후면전극층(200)의 표면에만 선택적으로 형성되고, 상기 제1 관통홀(P1)의 바닥면에는 Ⅰb족 원소층, Ⅲb족 원소층 및 Ⅰb-Ⅲb족 화합물층(320)이 형성될 수 있다.
상기 합금층(310)은 도 3에 도시된 CIGS 광 흡수층(300)의 전처리 공정에 의하여 형성될 수 있다.
즉, 상기 합금층(310)은 상기 광 흡수층(300)을 형성할 때 상기 후면전극층(200)을 이루는 몰리브덴 박막과 상기 광 흡수층(300)을 이루는 원소들이 결합하여 형성된 금속간 화합물(intermetallic composite)층이다.
상기 합금층(310)의 형성방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
다시 도 2를 참조하여, 상기 광 흡수층(300) 형성을 위한 전처리 공정을 진행한다.
상기 전처리 공정은 Ⅵb계 원소를 제외한 분위기에서 Ⅰb족 또는 Ⅲb족 원소를 이용한 스퍼터링 또는 동시 증착법(co-evaporation)을 통해 형성될 수 있다.
특히, 상기 전처리 공정은 500~1500℃의 온도에서 진행되는 고온공정일 수 있다. 이에 따라, 전처리 공정에 의하여 상기 합금층(310) 형성분위기가 조성될 수 있다.
상기 전처리 공정에 의하여 상기Ⅰb족, Ⅲb 또는 Ⅰb족-Ⅲb족 원소는 상기 후면전극층(200)과 금속간 반응을 하여 금속간 화합물(intermetallic composite)이 형성된다.
예를 들어, 상기 전처리 공정은 구리(Cu),인듐(In),갈륨(Ga), 구리-인듐, 구리-갈륨, 인듐-갈륨 및 구리-인듐-갈륨 중 어느 하나를 이용한 증착공정이다.
따라서, 상기 후면전극층(200)의 표면에는 MoIn, MoGa, MoCu, Mo(Cu,In) Mo(In,Ga), Mo(Ga,Cu) 및 Mo(In,Ga, Cu) 중 어느 하나로 이루어진 상기 합금층(310)이 형성될 수 있다.
이때, 상기 합금층(310)은 상기 후면전극층(200)인 몰리브덴 박막과의 반응에 의하여 형성되는 것이므로, 상기 기판(100)을 노출시키는 상기 제1 관통홀(P1)의 바닥면에는 형성되지 않는다.
도 3을 참조하여, 상기 합금층(310) 상에 광 흡수층(300)이 형성된다.
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, CGS계) 화합물을 포함할 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 후처리 공정에 의하여 형성될 수 있다.
상기 후처리 공정은 Ⅵb계 원소를 포함하는 분위기에서 형성될 수 있다.
상기 전처리 공정 및 후처리 공정은 연속공정일 수 있다.
예를 들어, 상기 광 흡수층(300)을 형성하기 위해서, 구리 타겟, 인듐 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하여, 상기 제1 관통홀(P1)을 포함하는 후면전극층(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.
이에 따라, 상기 후면전극층(200) 상에 상기 광 흡수층(300)이 형성될 수 있다.
특히, 상기 합금층(310)에 의하여 상기 광 흡수층(300)을 이루는 셀레나이드계 원소와 상기 후면전극층(200)을 이루는 몰리브덴의 금속결합이 이루어지지 않게 되어 MoSe2층의 형성을 방지할 수 있다.
이러한 MoSe2층은 상기 후면전극층(200)과 윈도우층의 컨택저항에 방해가 될 수 있다.
실시예에서는 상기 후면전극층(200) 상에 형성된 상기 합금층(310)에 의하여 MoSe2의 형성을 차단하고, 상기 후면전극층(200)과 윈도우층의 컨택저항을 낮출 수 있다.
한편, 상기 제1 관통홀(P1)의 바닥면에는 Ⅰb족 원소층, Ⅲb족 원소층 또는 Ⅰb-Ⅲb족 화합물층(320)은 상기 후처리 공정에 의하여 상기 광 흡수층(300)으로 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 외부의 광을 입사 받아, 전기 에너지로 변환시킨다. 상기 광 흡수층(300)은 광전효과에 의해서 광 기전력을 생성한다.
도 4를 참조하여, 상기 광 흡수층(300) 상에 버퍼층(400) 및 고저항 버퍼층(500)이 형성된다.
상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 적어도 하나 이상의 층으로 형성될 수 있다. 상기 버퍼층(400)은 화학 용액 증착법(chemical bath deposition: CBD)에 의하여 황화 카드뮴(CdS)으로 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 고저항 버퍼층(500)은 상기 버퍼층(400) 상에 투명전극층으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 고저항 버퍼층(500)은 ITO, ZnO 및 i-ZnO 중 어느로 형성될 수 있다.
상기 고저항 버퍼층(500)은 산화 아연(ZnO)을 타겟으로 한 스퍼터링 공정을 진행하여, 산화 아연층으로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(400) 및 고저항 버퍼층(500)은 상기 광 흡수층(300)과 이후 형 성될 전면전극의 사이에 배치된다.
즉, 상기 광 흡수층(300)과 전면전극은 격자상수와 에너지 밴드 갭의 차이가 크기 때문에, 밴드 갭이 두 물질의 중간에 위치하는 상기 버퍼층(400) 및 고저항 버퍼층(500)을 삽입하여 양호한 접합을 형성할 수 있다.
본 실시예에서 두개의 버퍼층(400)을 상기 광 흡수층(300) 상에 형성하였지만, 이에 한정되지 않고, 상기 버퍼층(400)은 단일층으로 형성될 수도 있다.
도 5를 참조하여, 상기 고저항 버퍼층(500), 버퍼층(400) 및 광 흡수층(300)을 관통하는 제2 관통홀(P2)이 형성된다.
상기 제2 관통홀(P2)은 상기 합금층(310)을 노출시킬 수 있다.
상기 제2 관통홀(P2)은 상기 제1 관통홀(P1)에 인접하여 형성될 수 있다.
상기 제2 관통홀(P2)은 레이저(laser)를 조사하거나, 팁(Tip)과 같은 기계적(mechanical) 방법으로 형성될 수 있다.
상기 합금층(310)이 상기 후면전극층(200) 상에 형성되어 있으므로, 상기 제2 관통홀(P2)의 스크라이빙 공정에 의하여 상기 후면전극층(200)을 보호할 수 있다.
도 6을 참조하여, 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 투명한 도전물질을 적층하고, 전면전극층(600)이 형성된다.
상기 전면전극층(600)이 형성될 때, 상기 투명한 도전물질이 상기 제2 관통홀(P2)에도 삽입되어 접속배선(700)을 형성할 수 있다.
상기 접속배선(700)은 상기 제2 관통홀(P2)을 통해 상기 후면전극층(200)과 전기적으로 연결될 수 있다.
특히, 상기 접속배선(700)은 상기 후면전극층(200)의 표면에 형성된 상기 합금층(310)과 접촉하고, 상기 후면전극층(200)과 전기적으로 연결될 수 있다.
이에 따라, 상기 접속배선(700)과 상기 후면전극층(200)의 컨택특성이 향상될 수 있다. 특히, 상기 태양전지의 백 컨택(back contact)으로 사용되는 후면전극층(200)의 표면을 따라 흐르는 전류의 이동성 및 전도성이 향상될 수 있다.
상기 전면전극층(600)은 스퍼터링 공정을 진행하여 알루미늄(Al) 또는 알루미나(Al2O3)로 도핑된 산화 아연으로 형성된다.
상기 전면전극층(600)은 상기 광 흡수층(300)과 pn접합을 형성하는 윈도우(window)층으로서, 태양전지 전면의 투명전극의 기능을 하기 때문에 광투과율이 높고 전기 전도성이 좋은 산화 아연(ZnO)으로 형성된다.
따라서, 상기 산화 아연에 알루미늄 또는 알루미나를 도핑함으로써 낮은 저항값을 갖는 전극을 형성할 수 있다.
상기 전면전극층(600)인 산화 아연 박막은 RF 스퍼터링 방법으로 ZnO 타겟을 사용하여 증착하는 방법과, Zn 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링, 그리고 유기금속화학 증착법 등으로 형성될 수 있다.
또한, 전기광학적 특성이 뛰어난 ITO(Indium Tin Oxide) 박막을 산화 아연 박막 상에 증착한 2중 구조를 형성할 수도 있다.
도 7을 참조하여, 상기 전면전극층(600), 고저항 버퍼층(500), 버퍼층(400) 및 광 흡수층(300)을 관통하는 제3 관통홀(P3)이 형성된다.
상기 제3 관통홀(P3)은 상기 합금층(310)을 선택적으로 노출시킬 수 있다. 상기 제3 관통홀(P3)은 상기 제2 관통홀(P2)과 인접하도록 형성될 수 있다.
상기 제3 관통홀(P3)은 레이저(laser)를 조사하거나, 팁(Tip)과 같은 기계적(mechanical) 방법으로 형성될 수 있다.
상기 제3 관통홀(P3)이 형성될 때 상기 합금층(310)에 의하여 상기 후면전극층(200)의 표면이 보호될 수 있다.
즉, 상기 합금층(310)이 상기 후면전극층(200)의 표면에 형성되어 있으므로, 상기 레이저 또는 팁을 사용한 식각 공정시 상기 합금층(310)이 상기 후면전극층(200)의 보호층 역할을 할 수 있다. 이에 따라, 상기 후면전극층(200)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
상기 제3 관통홀(P3)에 의하여 광 흡수층(300), 버퍼층(400, 고저항 버퍼층(500) 및 전면전극층(600)은 셀 별로 상호 분리될 수 있다.
이때, 상기 접속배선(700)에 의해 각각의 셀은 서로 연결될 수 있다. 즉, 상기 접속배선(700)은 상호 인접하는 셀의 후면전극층(200)과 전면전극층(600)을 물리적, 전기적으로 연결할 수 있다.
실시예에서는 CIGS 광 흡수층의 전처리 공정에 의하여 후면전극 상에 합금층이 형성될 수 있다.
상기 합금층에 의하여 상기 광 흡수층을 형성할 때 MoSe2의 형성을 억제하여, 상기 후면전극의 컨택특성을 향상시킬 수 있다.
이에 따라, 태양전지의 전기적 특성을 향상시킬 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 7은 실시예에 따른 태양전지의 제조공정을 나타내는 단면도이다.
Claims (8)
- 기판 상에 형성된 후면전극층;상기 후면전극층 상에 형성되고, Ⅰ족, Ⅲ족 및 Ⅰ족-Ⅲ족 화합물 중 어느 하나를 포함하는 합금층;상기 합금층 상에 형성된 광 흡수층;상기 광 흡수층 상에 형성된 버퍼층;상기 광 흡수층 및 버퍼층을 관통하여 상기 합금층을 선택적으로 노출시키는 관통홀; 및상기 관통홀을 갭필하고, 상기 버퍼층 상에 형성된 전면전극을 포함하는 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 광 흡수층은 Ⅰ족-Ⅲ족-Ⅵ족계 화합물로 형성되고,상기 합금층은 Mo-Ⅰ족의 화합물, Mo- Ⅲ족의 화합물 및 Mo-Ⅰ족- Ⅲ족 화합물 중 어느 하나인 것을 포함하는 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 합금층은 MoIn, MoGa, MoCu, Mo(In,Ga), Mo(Ga,Cu) 및 Mo(In,Ga, Cu) 중 어느 하나인 것을 포함하는 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 합금층은 10~50nm의 두께를 가지는 태양전지.
- 기판 상에 후면전극층을 형성하는 단계;상기 후면전극층 상에 Ⅰ족, Ⅲ족 및 Ⅰ족-Ⅲ족 화합물 중 어느 하나를 포함하는 합금층을 형성하는 단계;상기 합금층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계;상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계;상기 광 흡수층 및 버퍼층을 관통하여 상기 합금층을 선택적으로 노출시키는 관통홀을 형성하는 단계; 및상기 관통홀을 갭필하도록 상기 버퍼층 상에 전면전극층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 광 흡수층을 형성하는 단계는,상기 후면전극층 상에 Ⅰ족 원소, Ⅲ족 원소 및 Ⅰ족-Ⅲ족 원소 중 어느 하나를 제공하여 전처리 공정을 진행하는 단계;상기 후면전극층 상에 Ⅰ족-Ⅲ족-Ⅵ족 원소를 제공하여 후처리 공정을 진행하는 단계를 포함하고,상기 합금층은 상기 전처리 공정 시 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 합금층은 MoIn, MoGa, MoCu, Mo(In,Ga), Mo(Ga,Cu) 및 Mo(In,Ga, Cu) 중 어느 하나로 형성되는 태양전지의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 합금층은 스퍼터링 공정 또는 증발 공정으로 형성되는 태양전지의 제조방법.
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