KR20110046196A - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
태양전지 및 이의 제조방법이 개시된다. 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 배치되며, 알루미늄을 포함하는 이면전극층; 상기 이면전극층 상에 배치되며, 알루미늄을 포함하는 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상에 배치되는 윈도우층을 포함한다.
알루미늄, CIAS, 몰리브덴, 알루미늄, 합금, 타겟
Description
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 에너지의 수요가 증가함에 따라서, 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지에 대한 개발이 진행되고 있다.
특히, 유리기판, 금속 이면 전극층, p형 CIGS계 광 흡수층, 고 저항 버퍼층, n형 창층 등을 포함하는 기판 구조의 pn 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다.
실시예는 용이하게 제조되고, 향상된 성능을 가지는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
일 실시예에 따른 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 배치되며, 알루미늄을 포함하는 이면전극층; 상기 이면전극층 상에 배치되며, 알루미늄을 포함하는 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상에 배치되는 윈도우층을 포함한다.
일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 기판 상에 알루미늄을 포함하는 이면전극층을 형성하는 단계; 상기 이면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 및 상기 광 흡수층 상에 윈도우층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 광 흡수층을 형성하는 단계에서, 상기 이면전극층에 포함된 알루미늄이 상기 광 흡수층에 확산된다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 이면전극에 알루미늄을 포함시키고, 광 흡수층을 형성하는 과정에서, 알루미늄을 확산시킨다. 이에 따라서, 알루미늄을 포함하는 광 흡수층이 용이하게 형성될 수 있다.
즉, 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 별도로 알루미늄을 증발시키지 않고, 구리-인듐-알루미늄-셀레나이드계 화합물을 포함하는 광 흡수층을 용이하게 제조할 수 있다.
특히, 희소하고, 가격이 비싼 갈륨 등의 물질이 알루미늄 등의 물질로 용이하게 대체될 수 있다.
또한, 이면전극층은 알루미늄을 포함하기 때문에, 낮은 전기저항을 가진다. 따라서, 실시예에 따른 태양전지는 향상된 성능을 가진다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 기판, 전극, 영역 또는 층 등이 각 기판, 전극, 영역 또는 층 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 1은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 단면도이다. 도 2는 높이에 따른 광 흡수층의 알루미늄 조성을 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시예에 따른 태양전지는 지지기판(100), 이면전극층(200), 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500) 및 윈도우층(600)을 포함한다.
상기 지지기판(100)은 플레이트 형상을 가지며, 상기 이면전극층(200), 상기 광 흡수층(300), 상기 버퍼층(400), 상기 고저항 버퍼층(500) 및 상기 윈도우층(600)을 지지한다.
상기 지지기판(100)은 절연체일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 유리기판, 플라스틱 기판 또는 금속기판일 수 있다. 더 자세하게, 상기 지지기판(100)은 소다 라임 글래스 기판 일 수 있다.
상기 지지기판(100)은 투명할 수 있다. 상기 지지기판(100)은 리지드하거나 플렉서블할 수 있다.
상기 이면전극층(200)은 상기 지지기판(100) 상에 배치된다. 상기 이면전극층(200)은 도전층이다. 상기 이면전극층(200)은 알루미늄을 포함한다. 더 자세하게, 상기 이면전극층(200)은 알루미늄 합금을 포함한다. 더 자세하게, 상기 이면전극층(200)은 몰리브덴-알루미늄(Mo-Al) 합금을 포함한다.
이때, 상기 이면전극층(200)의 알루미늄의 비율은 약 1wt% 내지 약 50wt% 일 수 있다. 더 바람직하게, 상기 이면전극층(200)의 알루미늄의 비율은 약 5wt% 내지 30wt%일 수 있다. 더 바람직하게, 상기 이면전극층(200)의 알루미늄의 비율은 약 10wt% 내지 20wt%일 수 있다.
상기 이면전극층(200)의 두께는 약 0.1㎛ 내지 약 100㎛ 일 수 있다. 더 자세하게, 상기 이면전극층(200)의 두께는 약 0.5㎛내지 약 30㎛ 일 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 상기 이면전극층(200) 상에 배치된다. 상기 광 흡수층(300)은 알루미늄(Al)을 포함한다. 더 자세하게, 상기 광 흡수층(300)은 알루미늄의 화합물을 포함한다. 더 자세하게, 상기 광 흡수층(300)은 Ⅰ-Al-(Ⅲ-)Ⅵ족계 화합물을 포함한다. 더 자세하게, 상기 광 흡수층(300)은 Ⅰ-Al-(Ⅲ-)Ⅵ족계 화합물로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 광 흡수층(300)은 상기 Ⅲ족 원소를 포함하 지 않을 수 있다.
상기 Ⅰ-Al-(Ⅲ-)Ⅵ족계 화합물의 예로서는 구리-인듐-알루미늄-셀레나이드계 화합물, 구리-알루미늄-셀레나이드계 화합물, 구리-알루미늄-갈륨-셀레나이드계 화합물, 구리-인듐-알루미늄-설파이드계 화합물, 구리-알루미늄-설파이드계 화합물, 구리-알루미늄-갈륨-설파이드계 화합물 및 구리-인듐-알루미늄-셀레늄-설파이드계 화합물 등과 같은 알루미늄을 포함하는 Ⅰ-Al-(Ⅲ-)Ⅵ족계 화합물을 들 수 있다.
상기 광 흡수층(300)에 포함된 알루미늄의 조성은 상기 광 흡수층(300)의 위치에 따라서 달라질 수 있다. 더 자세하게, 상기 광 흡수층(300)에 포함된 알루미늄의 조성은 상기 이면전극층(200)에 가까워질수록 더 커질 수 있다. 또한, 상기 광 흡수층(300)에 포함된 알루미늄의 조성은 상기 이면전극층(200)으로부터 멀어질수록 작아질 수 있다.
즉, 상기 광 흡수층(300)은 높이가 높아짐에 따라서, 낮은 조성의 알루미늄을 포함하고, 높이가 낮아짐에 따라서, 높은 조성의 알루미늄을 포함할 수 있다.
다시 설명하면, 상기 광 흡수층(300)은 상기 이면전극층(200)에 인접하는 제 1 영역 및 상기 제 1 영역 상에 위치하는 제 2 영역을 포함할 수 있다. 상기 제 1 영역은 알루미늄의 조성이 높은 Ⅰ-Al-(Ⅲ-)Ⅵ족계 화합물을 포함하고, 상기 제 2 영역은 상기 제 1 영역보다 알루미늄의 조성이 낮은 Ⅰ-Al-(Ⅲ-)Ⅵ족계 화합물를 포함할 수 있다.
또한, 상기 광 흡수층(300)의 최하면의 Ⅰ-Al-(Ⅲ-)Ⅵ족계 화합물은 가장 높 은 알루미늄 조성을 가진다. 또한, 상기 광 흡수층(300)의 최상면의 Ⅰ-Al-(Ⅲ-)Ⅵ족계 화합물은 가장 낮은 알루미늄 조성을 가진다.
예를 들어, 상기 이면전극층(200)은 몰리브덴-알루미늄 합금으로 이루어지고, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-알루미늄-셀레나이드계 화합물, 구리-알루미늄-셀레나이드계 화합물, 구리-알루미늄-갈륨-셀레나이드계 화합물, 구리-인듐-아루미늄-설파이드계 화합물, 구리-알루미늄-설파이드계 화합물, 구리-알루미늄-갈륨-설파이드계 화합물 또는 구리-인듐-알루미늄-셀레늄-설파이드계 화합물 등과 같은 은 I-Al-(Ⅲ-)Ⅵ족계 화합물을 포함할 수 있다. 더 자세하게, 상기 I-Al-(Ⅲ-)Ⅵ족계 화합물은 다음의 화학식들로 표현될 수 있다.
화학식1 : CuXIn1 -Y,AlYSe2Z
화학식2 : CuXAlYSe2Z
화학식3 : CuXAlYGa1 - YSe2Z
화학식4 : CuXIn1 -Y,AlYS2Z
화학식5 : CuXAlYS2Z
화학식6 : CuXAlYGa1 - YS2Z
화학식7 : CuXIn(1-Y)AlY(Se,S)2Z
여기서, X, Y 및 Z는 0 보다 크고, 2 보다 작다.
이때, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 광 흡수층(300)은 상기 이면전극 층(200)에 가까워질수록, 높은 Y의 Ⅰ-Al-(Ⅲ-)Ⅵ족계 화합물을 포함한다. 반대로, 상기 광 흡수층(300)은 상기 이면전극층(200)으로부터 멀어질수록, 낮은 Y의 Ⅰ-Al-(Ⅲ-)Ⅵ족계 화합물을 포함한다.
즉, 상기 Ⅰ-Al-(Ⅲ-)Ⅵ족계 화합물의 Y는 상기 이면전극층(200)으로부터 멀어질수록 점차적으로 낮아질 수 있다.
따라서, 상기 광 흡수층(300)은 상기 이면전극층(200)과의 계면에서 가장 높은 알루미늄 조성을 가지는 Ⅰ-Al-(Ⅲ-)Ⅵ족계 화합물을 포함할 수 있다. 또한, 상기 광 흡수층(300)은 상기 버퍼층(400)과의 계면에서 가장 낮은 알루미늄 조성을 가지는 Ⅰ-Al-(Ⅲ-)Ⅵ족계 화합물을 포함할 수 있다.
상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치된다. 상기 버퍼층(400)은 황화 카드뮴을 포함하며, 상기 버퍼층(400)의 에너지 밴드갭은 약 2.2eV 내지 2.4eV이다.
상기 고저항 버퍼층(500)은 상기 버퍼층(400) 상에 배치된다. 상기 고저항 버퍼층(500)은 불순물이 도핑되지 않은 징크 옥사이드(i-ZnO)를 포함한다. 상기 고저항 버퍼층(500)의 에너지 밴드갭은 약 3.1eV 내지 3.3eV이다.
상기 윈도우층(600)은 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 배치된다. 상기 윈도우층(600)은 투명하며, 도전층이다. 상기 윈도우층(600)으로 사용되는 물질의 예로서는 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드(Al doped ZnO;AZO) 등을 들 수 있다.
상기 이면전극층(200)은 알루미늄을 포함하기 때문에, 즉, 몰리브덴-알루미늄 합금을 포함하기 때문에, 낮은 저항을 가진다. 특히, 상기 이면전극층(200)은 몰리브덴 등으로 이루어진 전극보다 낮은 저항을 가지며, 향상된 전기적인 특성을 가진다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지는 향상된 효율을 가진다.
또한, 상기 광 흡수층(300)에 Ⅰ-Al-(Ⅲ-)Ⅵ족계 화합물의 알루미늄의 조성은 최적의 광-전 변환 효율을 가지도록 위치에 따라서 달라질 수 있다.
즉, 상기 광 흡수층(300)은 상기 이면전극층(200)에 가까워질수록 알루미늄의 조성이 높은 Ⅰ-Al-(Ⅲ-)Ⅵ족계 화합물을 포함할 수 있다.
이에 따라서, 실시예에 따른 태양전지는 상기 이면전극층(200)에 가까워질수록 낮은 밴드갭 에너지를 가지는 광 흡수층(300)을 포함할 수 있다. 상기 광 흡수층(300)은 효율적으로 태양광을 전기에너지로 변환시킬 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지는 향상된 효율을 가진다.
또한, 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 상기 이면전극층(200)에 알루미늄을 포함시키고, 상기 광 흡수층을 형성하는 과정에서, 알루미늄을 확산시킨다. 이에 따라서, 알루미늄을 포함하는 상기 광 흡수층이 용이하게 형성될 수 있다.
즉, 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 별도로 알루미늄을 증발시키지 않고, 구리-인듐-알루미늄-셀레나이드계 화합물 등을 포함하는 상기 광 흡수층을 용이하게 제조할 수 있다.
특히, 희소하고, 가격이 비싼 갈륨 등의 물질이 알루미늄 등의 물질로 용이하게 대체될 수 있다.
도 3 내지 도 6은 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도들이다. 본 실시예에 따른 제조방법을 설명하는데 있어서, 앞선 장치에 대한 설명이 본질적으로 결합될 수 있다.
도 3을 참조하면, 지지기판(100) 상에 알루미늄을 포함하는 이면전극층(200)이 형성된다. 예를 들어, 상기 이면전극층(200)은 몰리브덴-알루미늄 합금으로 이루어질 수 있다.
상기 이면전극층(200)은 스퍼터링 공정 등에 의해서 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 이면전극층(200)은 알루미늄 타겟 및 몰리브덴 타겟을 이용하여, 형성될 수 있다. 이와는 다르게, 상기 이면전극층(200)은 몰리브덴-알루미늄 합금타겟을 이용하여, 형성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 이면전극층(200) 상에 예비 광 흡수층(310)이 형성된다.
상기 예비 광 흡수층(310)은 I족 원소, Ⅲ족 원소(여기서, Ⅲ족 원소는 알루미늄을 제외함) 및 Ⅵ족 원소를 포함할 수 있다. 더 자세하게, 상기 예비 광 흡수층(310)은 I족 원소만을 포함할 수 있다. 더 자세하게, 상기 예비 광 흡수층(310)은 I족 원소 및 Ⅵ족 원소를 포함할 수 있다.
또한, 상기 예비 광 흡수층(310)은 하나의 층 또는 다수 개의 층으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 예비 광 흡수층(310)의 두께는 약 200㎚ 내지 약 2000㎚ 일 수 있다.
예를 들어, 상기 예비 광 흡수층(310)은 알루미늄을 포함하지 않는 Ⅰ-(Ⅲ-) Ⅵ족계 화합물을 포함하는 단일 층일 수 있다. 더 자세하게, 상기 예비 광 흡수층(310)은 구리-인듐-셀레나이드계 화합물, 구리-갈륨-셀레나이드계 화합물, 구리-셀레나이드계 화합물, 구리-인듐-설파이드계 화합물, 구리-갈륨-설파이드계 화합물, 구리-설파이드계 화합물 또는 구리-인듐-셀레늄-설파이드계 화합물로 이루어질 수 있다.
상기 알루미늄을 포함하지 않는 Ⅰ-(Ⅲ-)Ⅵ족계 화합물은 스퍼터링 공정에 의해서 증착될 수 있다. 즉, 상기 알루미늄을 포함하지 않는 Ⅰ-(Ⅲ-)Ⅵ족계 화합물을 포함하는 스퍼터링 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정에 의해서, 상기 예비 광 흡수층(310)이 형성될 수 있다.
상기 예비 광 흡수층(310)은 I족 원소, Ⅲ족 원소 및 Ⅵ족 원소를 동시에 증발하여 증착시키는 동시증발법에 의해서 형성될 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 예비 광 흡수층(310)이 형성된 후, 상기 이면전극층(200) 및 상기 예비 광 흡수층(310)은 열처리된다.
이에 따라서, 상기 이면전극층(200)에 포함된 알루미늄이 상기 예비 광 흡수층(310)으로 확산되고, 동시에, 상기 예비 광 흡수층(310)에 포함된 Ⅰ-(Ⅲ-)Ⅵ족계 화합물이 상기 이면전극층(200)의 일부로 확산된다.
또한, 상기 이면전극층(200)에 포함된 알루미늄 및 상기 예비 광 흡수층(310)에 포함된 알루미늄을 포함하지 않는 Ⅰ-(Ⅲ-)Ⅵ족계 화합물이 반응하여, 알루미늄을 포함하는 Ⅰ-Al-(Ⅲ-)Ⅵ족계 화합물이 형성된다.
이에 따라서, 상기 이면전극층(200) 상에 상기 Ⅰ-Al-(Ⅲ-)Ⅵ족계 화합물을 포함하는 광 흡수층(300)이 형성된다.
상기 열처리 공정은 약 400℃ 내지 약 650℃의 온도에서 진행되고, 약 5분 내지 약 60분 동안 진행될 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 광 흡수층(300) 상에 황화 카드뮴이 증착되어 버퍼층(400)이 형성된다. 이후, 상기 버퍼층(400) 상에 징크 옥사이드가 증착되어, 고저항 버퍼층(500)이 형성된다.
이후, 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드가 증착되어 윈도우층(600)이 형성된다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 광 흡수층(300)을 형성하기 위해서, 알루미늄을 증착하기 위한 공정을 필요로 하지 않는다. 즉, 통상적인 광 흡수층을 형성하는 공정에서, 알루미늄을 제어하기가 용이하지 않는데, 본 실시예에서는 상기 이면전극층(200)에 알루미늄을 포함시키기 때문에, 상기 광 흡수층(300)의 알루미늄의 조정을 조절하기가 용이하다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 용이하게 저렴하고, 향상된 효율을 가지는 태양전지를 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 상기 광 흡수층(300)의 알루미늄의 조성을 용이하게 조절할 수 있고, 향상된 효율을 가지는 광 흡수층(300)을 포함하는 태양전지를 용이하게 제공할 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 1은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 단면도이다. 도 2는 높이에 따른 광 흡수층의 알루미늄 조성을 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 6은 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도들이다.
Claims (8)
- 기판;상기 기판 상에 배치되며, 알루미늄을 포함하는 이면전극층;상기 이면전극층 상에 배치되며, 알루미늄을 포함하는 광 흡수층; 및상기 광 흡수층 상에 배치되는 윈도우층을 포함하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 이면전극층에 포함된 알루미늄의 양은 상기 광 흡수층에 포함된 알루미늄의 양보다 더 많은 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광 흡수층은 상기 이면전극층에 가까워질수록 더 많은 양의 알루미늄을 포함하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광 흡수층은 구리-인듐-알루미늄-셀레나이드계, 구리-알루미늄-셀레나이드계, 구리-인듐-알루미늄-설파이드계 또는 구리-알루미늄-설파이드계 화합물을 포함하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 이면전극층은 몰리브덴-알루미늄 합금을 포함하는 태양전지.
- 기판 상에 알루미늄을 포함하는 이면전극층을 형성하는 단계;상기 이면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 및상기 광 흡수층 상에 윈도우층을 형성하는 단계를 포함하며,상기 광 흡수층을 형성하는 단계에서, 상기 이면전극층에 포함된 알루미늄이 상기 광 흡수층에 확산되는 태양전지의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 이면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계는상기 이면전극층 상에 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족계 화합물을 증착하는 단계; 및상기 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족계 화합물에 상기 이면전극층에 포함된 알루미늄이 확산되어, Ⅰ-Ⅲ-알루미늄-Ⅵ족계 화합물을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 이면전극층을 형성하는 단계에서,몰리브덴-알루미늄 합금 소스를 사용하는 태양전지의 제조방법.
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