KR20110043358A - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 태양전지는, 기판 상에 적층된 후면전극층, 광 흡수층 및 버퍼층; 상기 광 흡수층 및 버퍼층을 관통하고 상기 후면전극층을 선택적으로 노출시키는 관통홀; 상기 버퍼층 상에 배치되고 제1 전도도를 가지는 제1 윈도우층; 및 상기 제1 윈도우층 상에 배치되고 상기 제1 전도도 보다 낮은 제2 전도도를 가지는 제2 윈도우층을 포함한다.
태양전지, 전극층
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.
이러한 태양전지는 각 층의 전기적인 특성이 전체 태양전지의 효율에 영향을 미칠 수 있다.
실시예는 향상된 효율을 가지는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공한다.
실시예에 따른 태양전지는, 기판 상에 적층된 후면전극층, 광 흡수층 및 버퍼층; 상기 광 흡수층 및 버퍼층을 관통하고 상기 후면전극층을 선택적으로 노출시키는 관통홀; 상기 버퍼층 상에 배치되고 제1 전도도를 가지는 제1 윈도우층; 및 상기 제1 윈도우층 상에 배치되고 상기 제1 전도도 보다 낮은 제2 전도도를 가지는 제2 윈도우층을 포함한다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은, 기판 상에 후면전극층, 광 흡수층 및 버퍼층을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 후면전극층이 노출되도록 상기 광 흡수층 및 버퍼층을 관통하는 관통홀을 형성하는 단계; 상기 버퍼층 상에 제1 전도도를 가지는 제1 윈도우층을 형성하는 단계; 및 상기 제1 윈도우층 상에 제1 전도도 보다 낮은 제2 전도도를 가지는 제2 윈도우층을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 의하면, 태양전지의 전면전극이 제1 윈도우층 및 제2 윈도우층이 적층된 이중구조로 형성될 수 있다.
특히, 하부에 위치한 제1 윈도우층은 상기 제2 윈도우층보다 낮은 저항 및 높은 전도도를 가질 수 있다.
이에 따라, 상기 제1 윈도우층에서 연장된 상기 접속배선과 상기 후면전극층 의 접촉저항이 감소되고, 전류 이동도를 향상시킬 수 있다.
특히, 상기 접속배선과 후면전극층은 ITO-MO 접합을 가지므로, 계면 부식 방지에 의한 저항이 감소될 수 있다.
이에 따라, 태양전지의 전기적 특성이 향상될 수 있다.
상기 ITO층은 저항이 낮고 수분에 의한 열화가 적은 특성을 가지고 있다.
이에 따라, 상기 제1 윈도우층에 의하여 상기 제2 윈도우층의 면저항을 감소시킬 수 있고, 수분에 의한 열화를 방지하여 태양전지의 성능을 향상시킬 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 폴리머 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.
예를 들어, 상기 후면전극층(200)은 1000nm±100의 두께로 형성될 수 있다.
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 다수개로 패터닝 될 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 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.
예를 들어, 상기 광 흡수층(300)을 형성하기 위해서, 구리 타겟, 인듐 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하여, 상기 후면전극층(200) 및 제1 관통홀(P1) 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.
예를 들어, 상기 광 흡수층(300)은 약 2000±500nm의 두께로 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 3을 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.
예를 들어, 상기 버퍼층(400)은 약 50±10nm의 두께로 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 상에 투명전극층을 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.
예를 들어, 상기 고저항 버퍼층(500)은 약 50±10nm의 두께로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(400) 및 고저항 버퍼층(500)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, 밴드 갭이 두 물질의 중간에 위치하는 상기 버퍼층(400) 및 고저항 버퍼층(500)을 삽입하여 양호한 접합을 형성할 수 있다.
본 실시예에서 두개의 버퍼층(400,500)을 상기 광 흡수층(300) 상에 형성하였지만, 이에 한정되지 않고, 이러한 버퍼층은 단일층으로 형성될 수도 있다.
도 4를 참조하여, 상기 고저항 버퍼층(500), 버퍼층(400) 및 광 흡수층(300)을 관통하는 제2 관통홀(P2)이 형성된다.
상기 제2 관통홀(P2)은 상기 후면전극층(200)을 선택적으로 노출시킬 수 있다.
상기 제2 관통홀(P2)은 상기 제1 관통홀(P1)에 인접하여 형성될 수 있다.
상기 제2 관통홀(P2)은 팁(Tip)을 이용한 기계적(mechanical) 스크라이빙 공 정을 통해 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 관통홀(P2)의 폭은 80㎛±20이고 상기 제2 관통홀(P2)과 상기 제1 관통홀(P1)의 갭은 80㎛±20일 수 있다.
도 5를 참조하여, 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 투명한 도전물질을 적층하고, 제1 윈도우층(600)이 형성된다.
상기 제1 윈도우층(600)이 형성될 때, 상기 투명한 도전물질이 상기 제2 관통홀(P2)에 삽입되어 접속배선(700)을 형성할 수 있다.
상기 제1 윈도우층(600)은 ITO(Indium Tin Oxide)로 형성될 수 있다.
상기 제1 윈도우층(600)은 스퍼터링 공정을 통해 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 윈도우층(600)은 약 10~200nm의 두께로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 윈도우층(800)은 약 0.1~0.2Ω/□의 면저항 및 80~95%의 투광도를 가질 수 있다.
상기 제1 윈도우층(600)이 형성될 때 상기 투명 도전 물질이 상기 제2 관통홀(P2)에 갭필되고 상기 접속배선(700)을 형성할 수 있다.
상기 접속배선(700)이 ITO 물질로 형성될 수 있으므로 상기 후면전극층(200)과의 접촉저항을 개선할 수 있다.
이는 상기 제1 윈도우층(600)을 이루는 물질인 ITO가 높은 전도도를 가지고 있기 때문이다.
도 6을 참조하여, 상기 제1 윈도우층(600) 상에 투명한 도전물질을 적층하여 제2 윈도우층(800)이 형성된다.
상기 제2 윈도우층(800)은 스퍼터링 공정을 진행하여 알루미늄(Al) 또는 알루미나(Al2O3)로 도핑된 산화 아연으로 형성된다.
예를 들어, 상기 제2 윈도우층(800)은 800nm±100의 두께로 형성될 수 있고, 약 0.2~0.5Ω/□의 면저항 및 80~95%의 투광도를 가질 수 있다.
상기 제2 윈도우층(800)은 상기 광 흡수층(300)과 pn접합을 형성하는 n형 창층으로서, 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.
특히, 상기 제1 윈도우층(600) 상에 제2 윈도우층(800)이 형성되므로 계면 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 제2 윈도우층(800)인 산화 아연 박막은 RF 스퍼터링방법으로 ZnO 타겟을 사용하여 증착하는 방법과 Zn 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링, 그리고 유기금속화학증착법 등으로 형성될 수 있다.
상기와 같이, 태양전지의 전면전극이 상기 제1 윈도우층(600) 및 제2 윈도우층(800)이 적층된 2중 구조로 형성되고, 태양전지의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 제1 윈도우층(600)인 ITO는 상기 제2 윈도우층(800)인 알루미늄이 도핑된 산화 아연층보다 낮은 저항 및 높은 전도도를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 윈도우층(600)은 제1 전도성을 가지고 상기 제2 윈도우층(800)은 상기 제1 전도성 보다 낮은 제2 전도성을 가질 수 있다.
이에 따라, 상기 제1 윈도우층(600)에서 연장된 상기 접속배선(700)과 상기 후면전극층(200)의 접촉저항을 감소시키고, 전류 이동도를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 접속배선(700)에 의하여 Mo-ITO 접합이 이루어져 계면 부식을 방지에 의한 저항이 감소될 수 있으므로, 태양전지의 전기적 특성이 향상될 수 있다.
상기 ITO층은 저항이 낮고 수분에 의한 열화가 적은 특성을 가지고 있다.
이에 따라, 상기 제1 윈도우층(600)에 의하여 상기 제2 윈도우층(800)의 면저항을 감소시킬 수 있고, 수분에 의한 열화를 방지하여 태양전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 높은 전도도를 가지는 상기 제1 윈도우층(600)에 의하여 상기 제2 윈도우층(800)은 작은 두께로 형성될 수 있다.
즉, 상기 제2 윈도우층(800)의 두께 감소에 따라 태양광의 입사율이 향상될 수 있다.
도 7을 참조하여, 상기 제1 및 2 윈도우층(600,800), 고저항 버퍼층(500), 버퍼층(400) 및 광 흡수층(300)을 관통하는 제3 관통홀(P3)이 형성된다.
상기 제3 관통홀(P3)은 상기 후면전극층(200)을 선택적으로 노출시킬 수 있다.
상기 제3 관통홀(P3)은 상기 제2 관통홀(P2)과 인접하도록 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 제3 관통홀(P3)의 폭은 80㎛±20이고 상기 제3 관통홀(P3) 과 상기 제2 관통홀(P2)의 갭은 80㎛±20일 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)에 의하여 상기 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500) 및 제1, 제2 윈도우층(800)은 셀(C1,C2)별로 분리될 수 있다.
그리고, 상기 제3 관통홀(P3)에 의해 상기 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500) 및 제1,제2 윈도우층(600,800)은 스트라이프 형태 또는 매트릭스 형태로 배치될 수 있다. 상기 제3 관통홀(P3)은 상기의 형태에 한정되지 않고 다양한 형태로 형성될 수 있다.
이때, 상기 접속배선(700)에 의해 각각의 셀(C1,C2)은 서로 연결될 수 있다. 즉, 상기 접속배선(700)은 상호 인접하는 셀의 후면전극층(200)과 제1,제2 윈도우층(600,800)을 물리적, 전기적으로 연결할 수 있다.
상기와 같이 태양전지의 전면전극 역할을 하는 윈도우층이 이중구조로 형성되고, 태양전지의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
특히, 상기 하부에 위치한 윈도우층이 높은 전도도를 가짐으로써 후면전극층과의 접합특성을 향상시킬 수 있다.
이에 따라, 태양전지의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
따라서, 태양전지의 전기적인 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 실 시예의 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 도면이다.
Claims (7)
- 기판 상에 적층된 후면전극층, 광 흡수층 및 버퍼층;상기 광 흡수층 및 버퍼층을 관통하고 상기 후면전극층을 선택적으로 노출시키는 관통홀;상기 버퍼층 상에 배치되고 제1 전도도를 가지는 제1 윈도우층; 및상기 제1 윈도우층 상에 배치되고 상기 제1 전도도 보다 낮은 제2 전도도를 가지는 제2 윈도우층을 포함하는 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 제1 윈도우층에서 연장되고 상기 관통홀을 통해 상기 후면전극층과 접속하는 접속배선을 더 포함하는 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 제1 윈도우층은 ITO(Indium Tin Oxide)로 형성되고, 상기 제2 윈도우층은 알루미늄(Al) 또는 알루미나(Al2O3)로 도핑된 산화 아연으로 형성된 것을 포함하는 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 제1 윈도우층 및 제2 윈도우층의 두께는 1:2~5의 비를 가지는 것을 포 함하는 태양전지.
- 기판 상에 후면전극층, 광 흡수층 및 버퍼층을 순차적으로 형성하는 단계;상기 후면전극층이 노출되도록 상기 광 흡수층 및 버퍼층을 관통하는 관통홀을 형성하는 단계;상기 버퍼층 상에 제1 전도도를 가지는 제1 윈도우층을 형성하는 단계; 및상기 제1 윈도우층 상에 제1 전도도 보다 낮은 제2 전도도를 가지는 제2 윈도우층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 제1 윈도우층이 형성될 때 상기 관통홀에 상기 제1 윈도우층이 갭필되어 접속배선을 형성하는 단계를 더 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 제1 윈도우층은 ITO(Indium Tin Oxide)로 형성되고, 상기 제2 윈도우층은 알루미늄(Al) 또는 알루미나(Al2O3)로 도핑된 산화 아연으로 형성되는 것을 포함하는 태양전지의 제조방법.
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