KR20110060139A - 태양 전지 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
태양 전지 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지 제조 방법은 기판 위에 제1 전극을 형성하는 단계, 상기 제1 전극 위에 구리, 갈륨, 인듐을 포함하는 전구체를 형성하는 단계, 상기 전구체에 셀레늄(Se)을 공급하여 예비 광흡수층을 형성하는 단계, 상기 예비 광흡수층 위에 갈륨 또는 인듐을 증착하는 단계, 상기 갈륨 또는 상기 인듐이 증착된 상기 예비 광흡수층에 셀레늄(Se)을 공급하여 광흡수층을 형성하는 단계 그리고 상기 광흡수층 위에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
CIGS, 세렌화, 스퍼터링
Description
본 발명은 태양 전지 제조 방법에 관한 것이다.
태양 전지는 광전 효과를 이용하여 태양 광 에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치이다. CO2 배출에 따른 온실 효과를 일으키는 화석 에너지와 방사성 폐기물에 의한 대기 오염 등의 지구 환경을 오염시키는 원자력 에너지 등을 대체할 수 있는 청정 에너지 또는 차세대 에너지로 중요하다.
태양 전지는 기본적으로 P형 반도체와 N형 반도체라고 하는 2종류의 반도체를 사용하여 전기를 일으키며, 광흡수층으로 사용되는 물질에 따라 다양한 종류로 구분된다.
일반적인 태양 전지의 구조는 기판 위에 전면 투명 전도막, PN막, 후면 반사 전극막 순으로 증착된다. 이러한 구조의 태양 전지에 태양광이 입사되면 전자는 N층, 정공은 P층으로 수집되어 전류를 발생하게 된다.
화합물 태양 전지(예 : CIGS 화합물 태양 전지)는 유리 기판은 물론 스테인리스, 알루미늄 등 유연한 기판 위에 형성된 전극 위에 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se) 화합물을 증착하는 방식으로 기존 실리콘 계열 태양 전지와 달리 실리콘을 사용하지 않으면서도 태양광을 전기로 변환해 주고, 효율이 높은 것이 특징이다.
여기서, CIGS(Cu, In, Ga, Se) 화합물을 증착할 때, 증발 증착법(evaporation) 또는 스퍼터링법(sputtering)을 이용할 수 있다. 고효율의 태양 전지를 형성하기 위해서는 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga)의 조성비를 최적화하고, 결정성을 높이며, 계면 사이의 결함을 줄일 필요가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고효율 CIGS 태양 전지 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 태양 전지 제조 방법은 기판 위에 제1 전극을 형성하는 단계, 상기 제1 전극 위에 구리, 갈륨, 인듐을 포함하는 전구체를 형성하는 단계, 상기 전구체에 셀레늄(Se)을 공급하여 예비 광흡수층을 형성하는 단계, 상기 예비 광흡수층 위에 갈륨 또는 인듐을 증착하는 단계, 상기 갈륨 또는 상기 인듐이 증착된 상기 예비 광흡수층에 셀레늄(Se)을 공급하여 광흡수층을 형성하는 단계 그리고 상기 광흡수층 위에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 전구체는 구리/(갈륨+인듐)에 해당하는 조성비가 1.2 이상이 되도록 형성할 수 있다.
상기 예비 광흡수층을 형성하는 단계는 CIGS 화합물과 CuSe 화합물을 형성하는 것을 포함할 수 있다.
상기 예비 광흡수층 위에 갈륨 또는 인듐을 증착하는 단계는 상기 광흡수층의 조성비에 해당하는 구리/(갈륨+인듐) 의 값이 1 이하가 되도록 조절하는 것을 포함할 수 있다.
상기 전구체를 형성하는 단계는 상기 제1 전극 위에 구리와 갈륨 또는 인듐을 포함하는 제1 층을 형성하는 단계 그리고 상기 제1 층 위에 갈륨 또는 인듐을 포함하는 제2 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 층을 형성하는 단계와 상기 제2 층을 형성하는 단계는 스퍼터링 방법을 이용할 수 있다.
상기 전구체에 셀레늄(Se)을 공급하여 예비 광흡수층을 형성하는 단계는 열처리하는 것을 포함할 수 있다.
상기 예비 광흡수층을 형성하는 단계는 CuSe 화합물을 형성하는 것을 포함하고, 상기 CuSe 화합물은 액상일 수 있다.
상기 CuSe 화합물은 상기 CIGS 화합물과 상기 제1 전극 사이의 계면에 위치할 수 있다.
상기 광흡수층을 형성하는 단계는 상기 CuSe 화합물과 갈륨 또는 인듐이 반응하여 CIGS 화합물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극은 반사성 금속으로 형성할 수 있다.
상기 제2 전극은 투명 전도성 물질로 형성할 수 있다.
상기 광흡수층과 상기 제2 전극 사이에 버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 한 실시예에 따르면, 공정 중간 단계에서 CuSe 화합물을 형성하고, 2 단계의 세렌화 공정을 수행함으로써 스퍼터링 방법을 이용한 고효율의 태양 전지를 제조할 수 있다.
첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1을 참고하면, 유리 기판 위에 제1 전극을 형성한다(S100). 제1 전극은 빛을 반사할 수 있는 금속 물질로 형성할 수 있다.
제1 전극 위에 스퍼터링 방법을 사용하여 구리갈륨(CuGa) 화합물과 인듐(In)을 차례로 증착한다(S200). 이 때, 구리갈륨(CuGa) 화합물과 인듐(In)은 전구체에 해당하고, 이러한 전구체는 구리/(갈륨+인듐)에 해당하는 조성비가 1.2 이상이 되도록 형성할 수 있다.
상기 전구체를 열처리하면서 제1 차 세렌화 공정(selenization)을 수행한다(S300). 제1 차 세렌화 공정을 수행하고 나면 CIGS 화합물을 형성하고, 상대적으로 풍부한 구리로 인해 CIGS 화합물을 형성하고 남은 구리가 셀레늄(Se)와 결합하여 CuSe 화합물을 형성할 수 있다. CIGS 화합물과 CuSe 화합물은 예비 광흡수층을 형성할 수 있다.
상기 예비 광흡수층 위에 추가적으로 인듐(In)을 증착한다(S400). 여기서 추가되는 인듐(In)의 함량은 최종 형성되는 CIGS 화합물의 구리/(갈륨+인듐)에 해당하는 조성비가 1.0 이하가 되도록 조절할 수 있다.
상기 예비 광흡수층을 열처리하면서 제2 차 세렌화 공정(selenization)을 수 행한다(S500). 이로써, 치밀한 구성을 갖는 CIGS 화합물로 이루어진 광흡수층이 형성된다.
상기 광흡수층 위에 버퍼층을 형성한다(S600).
상기 버퍼층 위에 제2 전극을 형성한다(S700). 상기 제2 전극은 광투과율과 전기 전도성이 좋은 물질로 형성할 수 있다. 추가적으로 상기 제2 전극 위에 상부 기판을 형성할 수 있다.
도 2 내지 도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.
이하에서는 도 2 내지 도 8을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지 제조 방법에 대해서 자세히 설명하기로 한다.
도 2를 참고하면, 기판(10) 위에 제1 전극(20)을 형성한다. 기판(10)은 세라믹스와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸과 같은 금속 또는 유리와 같은 비정질 재료로 형성될 수 있다. 제1 전극(20)은 알루미늄, 구리, 몰리브덴과 같은 반사 전도성 금속으로 형성할 수 있다.
제1 전극(20) 위에 구리갈륨(CuGa)의 화합물을 스퍼터링 방법을 이용하여 증착함으로써 제1 층(30)을 형성한다. 본 발명의 실시예에서는 구리갈륨(CuGa)의 화합물로 제1 층(30)을 형성하였으나, 다른 실시예로 구리인듐(CuIn)의 화합물로 제1 층(30)을 형성할 수도 있다.
도 3을 참고하면, 제1 층(30) 위에 스퍼터링 방법을 이용하여 갈륨(Ga) 또는 인듐(In)을 증착하여 제2 층(40)을 형성한다. 여기서, 제1 층(30) 및 제2 층(40) 은 추후에 형성되는 광흡수층의 전구체(P)에 해당한다. 본 발명의 실시예에 따르면 제1 층(30) 및 제2 층(40)을 포함하는 전구체(P)는 구리/(갈륨+인듐)에 해당하는 조성비가 1.2 이상이 되도록 형성한다. 즉, 갈륨(Ga)과 인듐(In)에 비해 상대적으로 구리(Cu)가 풍부하도록 형성한다.
도 4를 참고하면, 전구체(P)를 열처리하면서 셀레늄(Se)을 공급함으로써 예비 광흡수층(31)을 형성한다. 예비 광흡수층(31)은 CIGS 화합물층(31a)과 CuSe 화합물층(31b)으로 구성된다. 구체적으로, 전구체(P)를 열처리하면서 공급된 셀레늄(Se)이 전구체(P)에 포함된 구리(Cu), 갈륨(Ga), 인듐(In)과 반응하여 CIGS 화합물층(31a)과 CuSe 화합물층(31b)을 형성한다.
열처리 온도는 500도 내지 600도의 고온일 수 있다. CuSe 화합물층(31b)은 고온에서 액상이 되어 CIGS 화합물층(31a) 사이의 빈공간(void)을 채운다. 이 때, 제1 전극(20)과 CIGS 화합물층(31a) 사이의 계면에 발생한 빈공간(void)을 CuSe 화합물이 채울 수 있다.
도 5를 참고하면, 예비 광흡수층(31) 위에 스퍼터링 방법을 이용하여 추가적으로 갈륨(Ga) 또는 인듐(In)을 증착하여 제3 층(50)을 형성한다. 본 발명의 실시예에 따르면 최종적으로 형성되는 광흡수층의 구리/(갈륨+인듐) 의 조성비가 1 이하가 되도록 할 수 있다. 그러기 위해 예비 광흡수층(31) 위에 증착하는 갈륨 또는 인듐의 양을 조절한다. CIGS 태양 전지에서 구리/(갈륨+인듐)의 조성비는 0.9 전후에서 최적의 효율을 낼 수 있다.
도 6을 참고하면, 제3 층(50) 및 예비 광흡수층(31)을 열처리하면서 셀레 늄(Se)을 공급하여 광흡수층(32)을 형성한다. 여기서, 제3 층(50)에 포함된 갈륨(Ga) 또는 인듐(In)과 셀레늄(Se)이 예비 광흡수층(31)에 포함된 CIGS 화합물 및 CuSe 화합물과 반응하여 그레인(grain) 크기가 증가한 CIGS 결정층(32a)을 형성한다. 이 때, CuSe 화합물은 대부분이 제거되어 전도성 물질인 CuSe 화합물이 태양 전지 내부에 남아 누설 경로로 작용하여 태양 전지가 동작하지 않는 것을 방지할 수 있다.
CIGS 결정층(32a)은 광흡수층(32)을 구성하고, CIGS 결정층(32a)의 그레인 크기는 예비 광흡수층(31)에 포함된 CIGS 화합물층(31a)의 그레인 크기보다 상대적으로 크다. 또한, CIGS 결정층(32a)은 제1 전극(20)과의 계면에서 빈공간(void) 없이 치밀하게 위치하고 있다.
광흡수층(32)은 실제로 빛을 흡수하는 P형 반도체 역할을 한다.
도 7을 참고하면, 광흡수층(32) 위에 버퍼층(60)을 형성한다. 버퍼층(60)은 PN 접합 사이에 형성되어 P형 반도체와 N형 반도체와의 격자 상수 및 에너지 밴드갭의 차이를 완화시키는 역할을 한다. 따라서, 버퍼층(60)으로 사용되는 물질의 에너지 밴드값은 N형 반도체와 P형 반도체의 에너지 밴드갭의 중간 정도의 값을 가질 수 있다. 버퍼층(60)은 CdS, Zn(O,S,OH), In(OH)xSy, ZnInxSey, ZnSe 등으로 형성할 수 있다.
도 8을 참고하면, 버퍼층(60) 위에 제2 전극(70)을 형성한다. 제2 전극(70)은 N형 반도체로써 투명 전도성 물질로 형성할 수 있다. 제2 전극(70)은 ZnO:Al 로 형성할 수 있다.
도면으로 표시하지 않았지만, 제2 전극(70) 위에 상부 기판을 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 제1 전극(20)이 반사성 전극이고, 제2 전극(70)은 투명 전극인 경우를 설명하였으나, 반대로 제1 전극(20)이 투명 전극이고, 제2 전극(70)이 반사성 전극인 경우에도 본 발명을 적용할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지 제조 방법은 구리, 갈륨, 인듐을 포함하는 전구체를 형성할 때, 구리를 과량으로 공급하고, 갈륨 또는 인듐의 추가 공정시에 구리, 갈륨, 인듐의 최종 조성비를 조절함으로써 광흡수층과 제1 전극 사이의 계면에 보이드(void)를 제거하고, 그레인(grain) 크기가 큰 CIGS 결정층을 형성할 수 있다. 따라서, 광효율이 높은 태양 전지를 제조할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2 내지 도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 태양 전지 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 기판 20 제1 전극
30 제1 층 40 제2 층
31 예비 광흡수층 31a CIGS 화합물층
31b CuSe 화합물층 50 제3 층
32 광흡수층 32a CIGS 결정층
60 버퍼층 70 제2 전극
P 전구체
Claims (20)
- 기판 위에 제1 전극을 형성하는 단계,상기 제1 전극 위에 구리, 갈륨, 인듐을 포함하는 전구체를 형성하는 단계,상기 전구체에 셀레늄(Se)을 공급하여 예비 광흡수층을 형성하는 단계,상기 예비 광흡수층 위에 갈륨 또는 인듐을 증착하는 단계,상기 갈륨 또는 상기 인듐이 증착된 상기 예비 광흡수층에 셀레늄(Se)을 공급하여 광흡수층을 형성하는 단계 그리고상기 광흡수층 위에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지 제조 방법.
- 제1항에서,상기 전구체는 구리/(갈륨+인듐)에 해당하는 조성비가 1.2 이상이 되도록 형성하는 태양 전지 제조 방법.
- 제2항에서,상기 예비 광흡수층을 형성하는 단계는 CIGS 화합물과 CuSe 화합물을 형성하는 것을 포함하는 태양 전지 제조 방법.
- 제3항에서,상기 예비 광흡수층 위에 갈륨 또는 인듐을 증착하는 단계는 상기 광흡수층의 조성비에 해당하는 구리/(갈륨+인듐) 의 값이 1 이하가 되도록 조절하는 것을 포함하는 태양 전지 제조 방법.
- 제4항에서,상기 전구체를 형성하는 단계는상기 제1 전극 위에 구리와 갈륨 또는 인듐을 포함하는 제1 층을 형성하는 단계 그리고상기 제1 층 위에 갈륨 또는 인듐을 포함하는 제2 층을 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지 제조 방법.
- 제5항에서,상기 제1 층을 형성하는 단계와 상기 제2 층을 형성하는 단계는 스퍼터링 방법을 이용하는 태양 전지 제조 방법.
- 제1항에서,상기 전구체에 셀레늄(Se)을 공급하여 예비 광흡수층을 형성하는 단계는 열처리하는 것을 포함하는 태양 전지 제조 방법.
- 제7항에서,상기 예비 광흡수층을 형성하는 단계는 CuSe 화합물을 형성하는 것을 포함하고, 상기 CuSe 화합물은 액상인 태양 전지 제조 방법.
- 제8항에서,상기 광흡수층을 형성하는 단계는 상기 CuSe 화합물과 갈륨 또는 인듐이 반응하여 CIGS 화합물을 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지 제조 방법.
- 제1항에서,상기 제1 전극은 반사성 금속으로 형성하는 태양 전지 제조 방법.
- 제10항에서,상기 제2 전극은 투명 전도성 물질로 형성하는 태양 전지 제조 방법.
- 제1항에서,상기 광흡수층과 상기 제2 전극 사이에 버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함하는 태양 전지 제조 방법.
- 제1항에서,상기 예비 광흡수층을 형성하는 단계는 CIGS 화합물과 CuSe 화합물을 형성하는 것을 포함하는 태양 전지 제조 방법.
- 제13항에서,상기 CuSe 화합물은 상기 CIGS 화합물과 상기 제1 전극 사이의 계면에 위치하는 태양 전지 제조 방법.
- 제14항에서,상기 예비 광흡수층을 형성하는 단계는 열처리하는 것을 포함하는 태양 전지 제조 방법.
- 제15항에서,상기 CuSe 화합물은 액상으로 존재하는 태양 전지 제조 방법.
- 제16항에서,상기 예비 광흡수층 위에 갈륨 또는 인듐을 증착하는 단계는 상기 광흡수층의 조성비에 해당하는 구리/(갈륨+인듐) 의 값이 1 이하가 되도록 조절하는 것을 포함하는 태양 전지 제조 방법.
- 제1항에서,상기 전구체를 형성하는 단계는상기 제1 전극 위에 구리와 갈륨 또는 인듐을 포함하는 제1 층을 형성하는 단계 그리고상기 제1 층 위에 갈륨 또는 인듐을 포함하는 제2 층을 형성하는 단계를 포함하는 태양 전지 제조 방법.
- 제18항에서,상기 전구체는 구리/(갈륨+인듐)에 해당하는 조성비가 1.2 이상이 되도록 형성하는 태양 전지 제조 방법.
- 제19항에서,상기 예비 광흡수층 위에 갈륨 또는 인듐을 증착하는 단계는 상기 광흡수층의 조성비에 해당하는 구리/(갈륨+인듐) 의 값이 1 이하가 되도록 조절하는 것을 포함하는 태양 전지 제조 방법.
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