KR20110036153A - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 태양전지는 기판 상에 배치된 후면전극; 상기 후면전극 상에 배치된 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치된 제3버퍼층; 상기 제3버퍼층 상에 배치된 전면전극을 포함하며, 상기 제3버퍼층은 알루미늄(Al)을 포함하는 황화 카드뮴(CdS)이며, 상기 전면전극은 알루미늄(Al)이 도핑된 것을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 기판 상에 후면전극을 형성하는 단계; 상기 후면전극 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 제1버퍼층을 형성하는 단계; 상기 제1버퍼층 상에 알루미늄(Al)이 포함된 제2버퍼층을 형성하는 단계; 상기 제2버퍼층 상에 전면전극을 형성하는 단계; 및 상기 전면전극이 형성된 상기 기판에 열처리 공정을 진행하여 상기 제1버퍼층과 제2버퍼층 계면에 제3버퍼층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 열처리 공정으로 상기 전면전극은 알루미늄(Al)이 도핑(doping)된 것을 포함한다.
황화 카드뮴, 산화 알루미늄, 확산
Description
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 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.
이때, 상기 광 흡수층과 n형 창층을 형성함에 있어, 광 흡수층과 n형 창층 사이에 버퍼층을 형성하고 있으며, 광 흡수층과 n형 창층의 양호한 접합을 이루기 위해 많은 연구가 진행되고 있다.
실시예는 광 흡수층과 전면전극의 양호한 접합을 형성할 수 있는 버퍼층을 형성하는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 태양전지는 기판 상에 배치된 후면전극; 상기 후면전극 상에 배치된 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 배치된 제3버퍼층; 상기 제3버퍼층 상에 배치된 전면전극을 포함하며, 상기 제3버퍼층은 알루미늄(Al)을 포함하는 황화 카드뮴(CdS)이며, 상기 전면전극은 알루미늄(Al)이 도핑된 것을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 기판 상에 후면전극을 형성하는 단계; 상기 후면전극 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 제1버퍼층을 형성하는 단계; 상기 제1버퍼층 상에 알루미늄(Al)이 포함된 제2버퍼층을 형성하는 단계; 상기 제2버퍼층 상에 전면전극을 형성하는 단계; 및 상기 전면전극이 형성된 상기 기판에 열처리 공정을 진행하여 상기 제1버퍼층과 제2버퍼층 계면에 제3버퍼층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 열처리 공정으로 상기 전면전극은 알루미늄(Al)이 도핑(doping)된 것을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지 및 이의 제조방법은 CdS 버퍼층과 전면전극 사이에 알루미늄(Al)을 포함하는 버퍼층을 형성한 후, 열처리 공정을 진행하여, 알루미늄(Al)이 도핑된 전면전극을 형성하고, 동시에 CdS버퍼층과 알루미늄(Al)이 반응한 제3버퍼층을 형성하여, 광 흡수층과 전면전극의 양호한 접합을 형성할 수 있다.
또한, 알루미늄(Al)을 포함하는 버퍼층의 두께와 열처리 공정에 따라 전면전극으로 확산되는 알루미늄(Al)의 양을 조절할 수 있는 효과가 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 5는 실시예에 따른 태양전지를 도시한 단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 태양전지는 기판(100), 후면전극(200), 광 흡수층(300), 제1버퍼층(400), 제3버퍼층(450), 제2버퍼층(500) 및 알루미늄(Al)이 도핑된 전면전극(650)을 포함한다.
상기 제1버퍼층(400), 제3버퍼층(450), 제2버퍼층(500) 및 알루미늄(Al)이 도핑된 전면전극(650)은 상기 광 흡수층(300) 상에 차례로 적층되어 배치된다.
상기 제1버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 형성될 수 있으며, 황화 카드뮴(CdS)으로 형성될 수 있다.
이때, 상기 제1버퍼층(400)은 n형 반도체층이고, 상기 광 흡수층(300)은 p형 반도체층이다.
따라서, 상기 광 흡수층(300) 및 제1버퍼층(400)은 pn접합을 형성한다.
상기 제2버퍼층(500)은 알루미늄(Al) 단독층 또는 알루미늄(Al)이 포함된 투명한 물질인 산화 알루미늄(Al2O3)로 형성될 수 있다.
상기 제2버퍼층(500)은 5~50㎚의 두께로 형성될 수 있다.
상기 제1버퍼층(400)과 제2버퍼층(500)은 상기 광 흡수층(300)과 이후 형성될 전면전극 사이에 배치된다.
또한, 상기 제1버퍼층(400)과 상기 제2버퍼층(500)의 계면에는 제3버퍼층(450)이 배치된다.
상기 제3버퍼층(450)은 CdxAl1 - xS(이때, x=0.1~0.9)막이 될 수 있다.
이때, 상기 제2버퍼층(500)은 1~15㎚의 두께가 될 수 있다.
이하, 태양전지 제조공정에 따라 상기 태양전지를 더 자세히 설명하도록 한다.
도 1 내지 도 7은 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도이다.
우선, 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(100) 상에 후면전극(200)을 형성한다.
상기 기판(100)은 유리(glass)가 사용되고 있으며, 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸, 티타늄기판 또는 폴리머 기판 등도 사용될 수 있다.
유리 기판으로는 소다라임 유리(sodalime glass)를 사용할 수 있으며, 폴리머 기판으로는 폴리이미드(polyimide)를 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, 상기 후면전극(200)은 몰리브덴(Mo) 타겟을 사용하여, 스퍼터링(sputtering) 공정에 의해 형성될 수 있다.
이는, 몰리브덴(Mo)이 가진 높은 전기전도도, 광 흡수층과의 오믹(ohmic) 접합, Se 분위기 하에서의 고온 안정성 때문이다.
상기 후면전극(200)은 후면전극막을 형성한 후, 상기 후면전극막에 패터닝 공정을 진행하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 후면전극(200)은 스트라이프(stripe) 형태 또는 매트릭스(matrix) 형태로 배치될 수 있으며, 각각의 셀에 대응할 수 있다.
그러나, 상기 후면전극(200)은 상기의 형태에 한정되지 않고, 다양한 형태로 형성될 수 있다.
또한, 도면에는 도시하지 않았지만, 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)이 형성된 상기 기 판(100) 상에 광 흡수층(300) 및 제1버퍼층(400)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, CGS계) 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 금속 프리커서막을 형성하는 공정 및 셀레니제이션 공정 동안에, 상기 기판(100)에 포함된 알칼리(alkali) 성분이 상기 후면전극(200)을 통해서, 상기 금속 프리커서막 및 상기 광 흡수층(300)에 확산된다.
알칼리(alkali) 성분은 상기 광 흡수층(300)의 그레인(grain) 크기를 향상시키고, 결정성을 향상시킬 수 있다.
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 제1버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 형성될 수 있으며, 황화 카드뮴(CdS)으로 형성될 수 있다.
상기 제1버퍼층(400)은 화학적 용액 성장법(Chemical Bath Deposition; CBD)으로 형성될 수 있으며, 50~70㎚의 두께로 형성될 수 있다.
이때, 상기 제1버퍼층(400)은 n형 반도체층이고, 상기 광 흡수층(300)은 p형 반도체층이다.
따라서, 상기 광 흡수층(300) 및 제1버퍼층(400)은 pn접합을 형성한다.
이어서, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1버퍼층(400) 상에 제2버퍼층(500)을 형성한다.
상기 제2버퍼층(500)은 알루미늄(Al) 단독층 또는 알루미늄(Al)이 포함된 투명한 물질인 산화 알루미늄(Al2O3)로 형성될 수 있다.
이때, 상기 제2버퍼층(500)은 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD), 금속유기화학증착법(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD), 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition; ALD), 도금법, 나노 입자를 스프레이(spray)하는 방법 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 제2버퍼층(500)은 5~50㎚의 두께로 형성될 수 있다.
상기 제1버퍼층(400)과 제2버퍼층(500)은 상기 광 흡수층(300)과 이후 형성될 전면전극 사이에 배치된다.
즉, 상기 광 흡수층(300)과 전면전극은 격자상수와 에너지 밴드 갭의 차이가 크기 때문에, 에너지 밴드 갭이 두 물질의 중간에 위치하는 상기 제1버퍼층(400)과 제2버퍼층(500)을 삽입하여 양호한 접합을 형성할 수 있다.
그리고, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제2버퍼층(500) 상에 전면전극(600)을 형성한다.
상기 전면전극(600)은 상기 기판(100) 상에 스퍼터링 공정을 진행하여 산화 아연(ZnO)으로 형성된다.
상기 전면전극(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.
상기 전면전극(600)인 산화 아연 박막은 RF 스퍼터링방법으로 ZnO 타겟을 사용하여 증착하는 방법과 Zn 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링, 그리고 유기금속화학증착법 등으로 형성될 수 있다.
이어서, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 기판(100)에 열처리 공정을 진행하여, 상기 제1버퍼층(400)과 제2버퍼층(500) 사이에 제3버퍼층(450)을 형성하고, 알루미늄(Al)이 도핑된 전면전극(650)을 형성한다.
이때, 상기 열처리 공정은 퍼니스(Furnace) 또는 급속 열처리(Rapid Thermal Process; RTP) 장비를 통해 진행될 수 있으며, 질소 분위기에서 150~400°로 5~30분 동안 진행될 수 있다.
상기 열처리 공정으로, 상기 제2버퍼층(500)에 포함된 알루미늄(Al) 성분이 상기 전면전극(600) 및 제1버퍼층(400)으로 확산된다.
따라서, 상기 전면전극(600)은 알루미늄(Al)이 확산되어, 알루미늄(Al)이 도핑(doping)된 전면전극(650)이 될 수 있다.
또한, 상기 제1버퍼층(400)과 상기 제2버퍼층(500)의 계면에는 제3버퍼층(450)이 형성될 수 있다.
상기 제3버퍼층(450)은 CdxAl1 - xS(이때, x=0.1~0.9)막이 될 수 있다.
이때, 상기 제2버퍼층(500)이 상기 전면전극(600)으로 확산되고, 상기 제1버퍼층(400)과 반응하여, 상기 제2버퍼층(500)은 1~15㎚의 두께로 남겨질 수 있다.
따라서, 상기 열공정에 의한 알루미늄(Al)의 확산(diffusion)으로 상기 산화 아연(ZnO)에 알루미늄을 도핑함으로써 낮은 저항값을 갖는 전극을 형성할 수 있다.
또한, 상기 광 흡수층(300)은 1.0~1.4 eV, 상기 제1버퍼층(400)은 2.46 eV, 제3버퍼층(450)은 2.0~2.8 eV, 제2버퍼층(500)은 2.4~2.8 eV, 상기 전면전극(600)은 3.4 eV의 에너지 밴드 갭을 가지므로, 상기 제2버퍼층(500) 및 제3버퍼층(45)에 의해 양호한 접합을 형성할 수 있다.
그리고, 상기 제2버퍼층(500)의 두께와 열처리 공정에 따라 상기 전면전극(600)으로 확산되는 알루미늄(Al)의 양을 조절할 수 있는 효과가 있다.
도 6은 다른 실시예를 도시한 태양전지로서, 상기 제2버퍼층(500)의 두께, 상기 열처리 공정시 공정조건과 공정 시간에 따라 상기 제1버퍼층(400)이 상기 제2버퍼층(500)과 모두 반응한 경우를 도시한 것이다.
상기 열처리 공정시, 공정 조건과 공정 시간에 따라 상기 제1버퍼층(400)이 상기 제2버퍼층(500)과 모두 반응하여, 상기 제2버퍼층(500)과 광 흡수층(300) 사이에는 상기 제3버퍼층(450)만 남겨질 수도 있다.
즉, 상기 열처리 공정으로 상기 제2버퍼층(500)의 알루미늄(Al)이 상기 전면전극(600)으로 확산되어, 알루미늄(Al)이 도핑된 전면전극(650)이 형성된다.
그와 동시에 상기 제1버퍼층(400) 전체가 알루미늄(Al)과 반응하여 상기 제3버퍼층(450)이 형성될 수 있다.
이때, 상기 광 흡수층(300)과 상기 제3버퍼층(450)이 직접 접촉하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2버퍼층(500)은 1~15㎚의 두께로 남겨질 수 있다.
도 7은 다른 실시예를 도시한 태양전지로서, 상기 제2버퍼층(500)의 두께, 상기 열처리 공정시 공정조건과 공정 시간에 따라 상기 제1버퍼층(400)과 상기 제2버퍼층(500)이 서로 모두 반응한 경우를 도시한 것이다.
즉, 상기 제2버퍼층(500)의 알루미늄(Al)이 상기 전면전극(600)으로 확산되고, 상기 제2버퍼층(500)과 상기 제1버퍼층(400)이 모두 반응하여 제3버퍼층(450)이 형성된다.
따라서, 알루미늄(Al)이 도핑된 전면전극(650)과 상기 광 흡수층(300) 사이에는 상기 제3버퍼층(450)만 형성될 수 있다.
이상에서 설명한 실시예에 따른 태양전지 및 이의 제조방법은 CdS 버퍼층과 전면전극 사이에 알루미늄(Al)을 포함하는 버퍼층을 형성한 후, 열처리 공정을 진행하여, 알루미늄(Al)이 도핑된 전면전극을 형성하고, 동시에 CdS버퍼층과 알루미늄(Al)이 반응한 제3버퍼층을 형성하여, 광 흡수층과 전면전극의 양호한 접합을 형성할 수 있다.
또한, 알루미늄(Al)을 포함하는 버퍼층의 두께와 열처리 공정에 따라 전면전극으로 확산되는 알루미늄(Al)의 양을 조절할 수 있는 효과가 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 제조방법을 도시한 단면도이다.
Claims (10)
- 기판 상에 배치된 후면전극;상기 후면전극 상에 배치된 광 흡수층;상기 광 흡수층 상에 배치된 제3버퍼층;상기 제3버퍼층 상에 배치된 전면전극을 포함하며,상기 제3버퍼층은 알루미늄(Al)을 포함하는 황화 카드뮴(CdS)이며,상기 전면전극은 알루미늄(Al)이 도핑된 것을 포함하는 태양전지.
- 제 1항에 있어서,상기 제3버퍼층은 CdxAl1 - xS(x=0.1~0.9)막인 것을 포함하는 태양전지.
- 제 1항에 있어서,상기 광 흡수층과 제3버퍼층 사이에 배치된 제1버퍼층을 더 포함하며,상기 제1버퍼층은 황화 카드뮴(CdS)인 태양전지.
- 제 1항에 있어서,상기 제3버퍼층과 전면전극 사이에 배치된 제2버퍼층을 더 포함하며,상기 제2버퍼층은 알루미늄(Al)의 단독층 또는 산화 알루미늄(Al2O3)이며,상기 제2버퍼층은 1~15㎚의 두께인 것을 포함하는 태양전지.
- 기판 상에 후면전극을 형성하는 단계;상기 후면전극 상에 광 흡수층을 형성하는 단계;상기 광 흡수층 상에 제1버퍼층을 형성하는 단계;상기 제1버퍼층 상에 알루미늄(Al)이 포함된 제2버퍼층을 형성하는 단계;상기 제2버퍼층 상에 전면전극을 형성하는 단계; 및상기 전면전극이 형성된 상기 기판에 열처리 공정을 진행하여 상기 제1버퍼층과 제2버퍼층 계면에 제3버퍼층을 형성하는 단계를 포함하며,상기 열처리 공정으로 상기 전면전극은 알루미늄(Al)이 도핑(doping)된 것을 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 5항에 있어서,상기 제3버퍼층은 CdxAl1 - xS(x=0.1~0.9)막인 것을 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 5항에 있어서,상기 제1버퍼층은 황화 카드뮴(CdS)이며,상기 제2버퍼층은 알루미늄(Al)의 단독층 또는 산화 알루미늄(Al2O3)층인 것 을 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 5항에 있어서,상기 열처리 공정으로 상기 제1버퍼층이 상기 제2버퍼층과 모두 반응하여, 상기 제2버퍼층과 광 흡수층 사이에는 상기 제3버퍼층만 남겨진 것을 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 5항에 있어서,상기 열처리 공정으로 상기 제1버퍼층과 상기 제2버퍼층이 서로 모두 반응하여, 상기 전면전극과 광 흡수층 사이에는 상기 제3버퍼층만 남겨진 것을 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 5항에 있어서,상기 제2버퍼층은 1~15㎚의 두께인 것을 포함하는 태양전지의 제조방법.
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