KR20110092023A - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

태양전지 및 이의 제조방법이 개시된다. 태양전지는 지지기판; 상기 지지기판 상에 배치되며, 산란패턴을 포함하는 이면전극층; 상기 이면전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상에 배치되는 윈도우층을 포함한다. 산란패턴에 의해서, 태양전지의 광-전 변환 효율이 향상된다.

Description

태양전지 및 이의 제조방법{SOLAR CELL AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
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 향상된 효율을 가지는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
일 실시예에 따른 태양전지는 지지기판; 상기 지지기판 상에 배치되며, 산란패턴을 포함하는 이면전극층; 상기 이면전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상에 배치되는 윈도우층을 포함한다.
일 실시예에 따른 태양전지는 지지기판; 상기 지지기판 상에 배치되며, 상기 지지기판에 대하여 경사지는 경사면을 포함하는 이면전극층; 상기 이면전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 및 상기 광 흡수층 상에 배치되는 윈도우층을 포함한다.
일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 지지기판 상에 예비 이면전극층을 형성하고, 상기 예비 이면전극층의 상면에 산란패턴을 형성하여, 이면전극층을 형성하는 단계; 상기 이면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 및 상기 이면전극층 상에 윈도우층을 형성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 태양전지는 산란패턴을 포함하는 이면전극층을 포함한다. 이에 따라서, 광 흡수층을 통과하여, 이면전극층에 반사되는 광은 산란될 수 있다. 즉, 입사되는 광은 이면전극층에 의해서 상방으로 바로 반사되지 않고, 측방으로 반사될 수 있다.
즉, 산란패턴 및 경사면은 입사되는 광의 경로를 측방으로 변경하여, 광 흡수층 내의 광의 경로의 길이를 증가시킨다.
이에 따라서, 실시예에 따른 태양전지는 입사되었다가 이면전극층에 의해서 다시 상방으로 반사되는 광을 감소시키고, 향상된 발전 효율을 구현할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 태양전지의 단면을 도시한 단면도이다.
도 2는 이면전극층에 태양광이 반사되는 과정을 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 5는 실시예에 따른 태양전지를 제조하기 위한 공정을 도시한 도면들이다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 기판, 패턴, 전극, 면 또는 층 등이 각 기판, 전극, 패턴, 면 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 태양전지의 단면을 도시한 단면도이다. 도 2는 이면전극층에 태양광이 반사되는 과정을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 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), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500) 및 상기 윈도우층(600)을 지지한다.
상기 지지기판(100)은 절연체일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 유리기판, 플라스틱기판 또는 금속기판일 수 있다. 더 자세하게, 상기 지지기판(100)은 소다 라임 글래스(soda lime glass) 기판일 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)으로 사용되는 물질의 예로서는 몰리브덴(Mo) 등의 금속을 들 수 있다.
또한, 상기 이면전극층(200)은 두 개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 층들은 같은 금속으로 형성되거나, 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.
상기 이면전극층(200)은 베이스층(210) 및 산란패턴(220)을 포함한다.
상기 베이스층(210)은 상기 지기기판(100)상에 배치된다. 즉, 상기 베이스층(210)은 상기 지지기판(100)의 상면에 직접 접촉하며 배치될 수 있다.
상기 산란패턴(220)은 상기 베이스층(210) 상에 배치된다. 상기 산란패턴(220)은 상기 베이스층(210)의 상면으로부터 상방으로 돌출된다. 상기 산란패턴(220)은 뿔 형상, 반구 형상 또는 막대 형상 등 다양한 형상을 가질 수 있으며, 랜덤하게 형성될 수 있다.
상기 산란패턴(220)은 상기 지지기판에 대하여 경사지는 경사면(221)을 포함한다. 즉, 상기 경사면(221)은 상기 지지기판의 상면에 대하여 경사진다. 상기 경사면(221) 및 상기 지지기판의 상면 사이의 각도는 약 25° 내지 약 75°일 수 있다.
도 1 및 도 2에서는 상기 산란패턴(220)에는 두 개의 경사면(221)들이 도시되어 있지만, 상기 산란패턴(220)은 다른 각도로 경사지는 더 많은 수의 경사면(221)들을 포함할 수 있다.
상기 산란패턴(220)의 높이는 약 100㎚ 내지 약 600㎚ 일 수 있다. 즉, 상기 이면전극층의 상면의 거칠기는 상기 경사면(221)이 기울어진 각도 및 상기 산란패턴(220)의 높이에 따라서, 결정될 수 있다. 또한, 상기 산란패턴(220)의 형상은 규칙적인 형상을 가질 수 있지만, 불규칙적인 형상을 가질 수 있다. 즉, 상기 산란패턴(220)은 랜덤한 형상을 가질 수 있다.
상기 베이스층(210) 및 상기 산란패턴(220)은 일체로 형성된다. 즉, 상기 베이스층(210) 및 상기 산란패턴(220)은 동일한 금속을 포함한다. 예를 들어, 상기 베이스층(210) 및 상기 산란패턴(220)은 몰리브덴을 포함할 수 있다. 더 자세하게, 상기 베이스층(210) 및 상기 산란패턴(220)은 몰리브덴으로 이루어질 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 상기 이면전극층(200) 상에 배치된다. 더 자세하게, 상기 광 흡수층(300)은 상기 산란패턴(220)을 덮으며, 상기 산란패턴(220)과 직접 접촉될 수 있다. 더 자세하게, 상기 광 흡수층(300)은 상기 경사면(221)에 직접 접촉될 수 있다.
상기 광 흡수층(300)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족계 화합물을 포함한다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(300)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계) 결정 구조, 구리-인듐-셀레나이드계 또는 구리-갈륨-셀레나이드계 결정 구조를 가질 수 있다.
상기 광 흡수층(300)의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1eV 내지 1.8eV일 수 있다.
상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300) 상에 배치된다. 상기 버퍼층(400)은 상기 광 흡수층(300)에 직접 접촉한다. 상기 버퍼층(400)은 황화 카드뮴(CdS)을 포함할 수 있다. 상기 버퍼층(400)의 에너지 밴드갭은 약 1.9eV 내지 약 2.3eV일 수 있다.
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 3.3eV일 수 있다.
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 산란패턴(220)은 입사되는 광을 산란시킬 수 있다. 상기 산란패턴(220)은 상방으로부터 입사되는 광을 여러 방향으로 반사시킬 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 경사면(221)은 상방으로부터 하방으로 입사되는 광을 측방으로 반사시킬 수 있다.
상기 광 흡수층(300)을 통과하여, 상기 이면전극층(200)의 상면에 반사되는 광은 상기 산란패턴(220)에 의해서, 산란된다. 상방으로부터 하방으로 입사되는 광은 상기 이면전극층(200)의 상면에 의해서 측방으로 반사된다.
이에 따라서, 태양광이 상기 광 흡수층(300)에 입사되어, 상기 이면전극층(200)의 상면에 반사될 때, 상기 광 흡수층(300)을 통과하는 광의 경로가 증가된다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지는 상기 광 흡수층(300)을 통과하는 광의 경로를 증가시켜서, 향상된 광-전 변환 효율을 구현할 수 있다.
또한, 상기 이면전극층(200)의 상면은 높은 거칠기를 가진다. 즉, 상기 이면전극층(200)의 상면에는 상기 산란패턴(220)과 같은 요철이 형성된다. 이에 따라서, 상기 이면전극층(200)의 상면은 넓은 표면적을 가진다.
이에 따라서, 상기 이면전극층(200) 및 상기 광 흡수층(300)은 넓은 접촉면적을 가진다. 상기 이면전극층(200) 및 상기 광 흡수층(300)은 향상된 물리적 및 전기적인 접촉 특성을 가진다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지는 향상된 강도를 가지고, 향상된 전기적인 특성을 가진다.
도 3 내지 도 5는 실시예에 따른 태양전지를 제조하기 위한 공정을 도시한 도면들이다. 본 제조방법에서는 앞서 설명한 태양전지를 참고하여 설명한다. 본 제조방법에 대한 설명에, 앞선 태양전지에 관한 설명은 본질적으로 결합될 수 있다.
도 3을 참조하면, 지지기판(100) 상에 스퍼터링 공정에 의해서 몰리브덴 등과 같은 금속이 증착되어, 예비 이면전극층(201)이 형성된다. 상기 예비 이면전극층(201)은 도전층이다. 상기 예비 이면전극층(201)은 이후의 공정에서 일부가 식각되므로, 충분한 두께로 증착될 수 있다. 예를 들어, 상기 예비 이면전극층(201)은 약 700㎚ 내지 약 1300㎚의 두께로 증착될 수 있다.
또한, 상기 예비 이면전극층(201)은 공정 조건이 서로 다른 두 번의 공정들에 의해서, 두 개의 층으로 형성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 예비 이면전극층(201)의 상면은 표면처리되어, 상기 지지기판(100) 상에 이면전극층(200)이 형성된다.
상기 예비 이면전극층(201)은 습식 식각 공정 또는 샌드 블래스터 공정에 의해서 일부 식각될 수 있다. 예를 들어, 상기 예비 이면전극층(201)의 상면에 식각액이 분사되어, 상기 예비 이면전극층(201)의 상면은 표면처리될 수 있다. 또한, 상기 예비 이면전극층(201)의 상면에 미세한 모래와 같은 식각입자들이 분사되어, 상기 예비 이면전극층(201)의 상면은 표면처리될 수 있다.
이와 같은 공정에 의해서, 산란패턴(220)이 형성된다. 상기 산란패턴(220)은 랜덤하게 형성될 수 있다. 이때, 상기 산란패턴(220)의 높이는 약 100㎚ 내지 약 600㎚일 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 이면전극층(200) 상에 광 흡수층(300), 버퍼층(400), 고저항 버퍼층(500) 및 윈도우층(600)이 차례로 형성된다.
상기 광 흡수층(300)은 스퍼터링 공정 또는 증발법 등에 의해서 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 광 흡수층(300)을 형성하기 위해서 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발시키면서 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(300)을 형성하는 방법과 금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션(Selenization) 공정에 의해 형성시키는 방법이 폭넓게 사용되고 있다.
금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션 하는 것을 세분화하면, 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정에 의해서, 상기 이면전극(200) 상에 금속 프리커서 막이 형성된다.
이후, 상기 금속 프리커서 막은 셀레이제이션(selenization) 공정에 의해서, 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(300)이 형성된다.
이와는 다르게, 상기 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 상기 셀레니제이션 공정은 동시에 진행될 수 있다.
이와는 다르게, 구리 타겟 및 인듐 타겟 만을 사용하거나, 구리 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 셀레니제이션 공정에 의해서, CIS계 또는 CIG계 광 흡수층(300)이 형성될 수 있다.
이후, 상기 버퍼층은 상기 광 흡수층(300) 상에 황화 카드뮴(CdS)이 화학용액 성장법(chemical bath deposition;CBD)에 의해서 증착되어 형성된다.
이후, 상기 버퍼층(400) 상에 징크 옥사이드가 스퍼터링 공정 등에 의해서 증착되고, 상기 고저항 버퍼층(500)이 형성된다.
이후, 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 윈도우층(600)이 형성된다. 상기 윈도우층(600)을 형성하기 위해서, 상기 고저항 버퍼층(500) 상에 투명한 도전물질이 적층된다. 상기 투명한 도전물질의 예로서는 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드 등을 들 수 있다.
실시예에 따른 태양전지의 제조방법은 간단한 표면처리 공정에 의해서, 향상된 광-전 변환효율을 가지고, 향상된 물리적인 특성 및 향상된 전기적인 특성을 가지는 태양전지를 제공한다.
또한, 이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
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.

Claims (9)

  1. 지지기판;
    상기 지지기판 상에 배치되며, 산란패턴을 포함하는 이면전극층;
    상기 이면전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 및
    상기 광 흡수층 상에 배치되는 윈도우층을 포함하는 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 산란패턴은 상기 지지기판에 대하여 경사지는 경사면을 포함하는 태양전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 산란패턴의 높이는 100㎚ 내지 600㎚ 인 태양전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 이면전극층은 상기 지지기판 상에 배치되는 베이스층을 포함하고,
    상기 산란패턴은 상기 베이스층으로부터 상방으로 돌출되며, 상기 베이스층과 일체로 형성되는 태양전지.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 베이스층 및 상기 산란패턴은 몰리브덴을 포함하는 태양전지.
  6. 지지기판;
    상기 지지기판 상에 배치되며, 상기 지지기판에 대하여 경사지는 경사면을 포함하는 이면전극층;
    상기 이면전극층 상에 배치되는 광 흡수층; 및
    상기 광 흡수층 상에 배치되는 윈도우층을 포함하는 태양전지.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 경사면은 상기 광 흡수층과 직접 접촉되는 태양전지.
  8. 지지기판 상에 예비 이면전극층을 형성하고, 상기 예비 이면전극층의 상면에 산란패턴을 형성하여, 이면전극층을 형성하는 단계;
    상기 이면전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 및
    상기 이면전극층 상에 윈도우층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 산란패턴을 형성하는 단계에서, 상기 도전층의 상면에 식각액 또는 식각입자들을 분사하는 태양전지의 제조방법.
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