KR20120055588A - 장벽-코팅된 박막 광전지 - Google Patents
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Abstract
광전지의 수분-민감성 및/또는 산소-민감성 층의 수분 또는 대기 가스에 의한 공격에 저항하는 무기 산화물의 장벽 층을 이용한 원자 층 침착법에 의해 전지의 하나 이상의 층이 코팅되는 박막 광전지에 관한 것이다.
Description
본 출원은 2010년 8월 5일에 출원된 미국 가특허 출원 제61/231493호의 우선권 이익을 주장한다. 전술한 출원의 각각은 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다.
본 발명은 전지의 수분-민감성 및/또는 산소-민감성 층의 수분 및/또는 대기 가스에 의한 공격을 방지하기 위해 하나 이상의 층이 무기 산화물의 장벽 층으로 원자 층 침착법(atomic layer deposition)에 의해 코팅되는 박막 광전지를 제공한다.
태양 방사선 또는 광을 전기로 변환하는 광(PV)전지는 종종 가혹한 실외 조건에서 일년 내내 작동하여야 한다. 25년 이상의 수명을 보장하기 위하여, 태양 전지는 튼튼한 패키징을 필요로 한다. 옥상 멤브레인으로서 태양 전지를 빌딩 내로 통합하기 위해, PV 전지가 롤 형태의 가요성 제품인 것이 또한 바람직하다.
박막 PV 전지는 금속 포일 또는 플라스틱 기판 상의 롤 제품으로서 제작될 수 있다. 태양 방사선이 통과하여 수집되는 가요성 PV 전지용 상부 또는 전면 시트는 광학적으로 투명하고, 내후성이고 내오염성이어야 하며, 수분 및 기타 대기 가스에 대해 투과성이 낮아야 한다.
박막 PV 전지는 무정형 규소(a-Si), 카드뮴 텔루라이드(CdTe) 또는 구리 인듐 (갈륨) 다이-셀레나이드(CIS/CIGS)와 같은 무기 재료에 기반하거나 또는 염료-감응형, 유기 및 나노-재료에 기초한 최신 기술에 기반할 수 있다. 수분-민감성은 모든 박막 PV 기술에 있어서 쟁점(issue)이기는 하지만, CIGS에 대해 특히 매우 중요하다. CIGS PV 전지가 원하는 25년 수명을 이루기 위해, 장벽은 5x10-4 g-H2O/㎡/일 미만의 수증기 투과율을 제공하여야 하는 것으로 여겨진다. 이러한 엄격한 요구에도 불구하고, CIGS PV 전지는 그의 높은 효율(작은 실험실-크기 전지의 경우 약 20%) 때문에 매력적이다.
가요성 기판 상의 박막 PV 전지를 위한 전형적인 패키징 방식(packaging scheme)이 도 1에 예시된다. 이 구조체는 PV 전지(10)가 그 위에 제작되는 금속 포일 또는 중합체일 수 있는 기판(12), 봉지제 재료(14), 및 투명한 전면 시트(16)로 구성된다. 수분 장벽이 없으면, 이러한 구조체는 제한된 수명, 즉 전형적으로 수분-민감성 박막 PV 전지의 경우 1년 미만의 수명을 가질 것이다. 전면 시트는 약간의 수분 장벽 특성을 제공하며, 또한 중합체(예를 들어, 폴리에스테르, 플루오로중합체)의 하나 이상의 층(예를 들어, 18a, 18b)을 포함할 수 있는 개재되는 중합체 시트(18)가 있을 수 있다. 그러나, 중합체의 고유의 투과성은 일반적으로 너무 높아 CIGS PV 전지를 위해 필요한 보호의 수준을 이룰 수 없다.
ALD 공정을 통한 Al2O3 막의 침착은 유기 발광 다이오드(OLED)를 봉지하여 그러한 소자를 위한 잠재적인 장벽 막을 생성하기 위해 개시되었다. 수분 및 오존은 각각 ALD 공정에서 산화제로서 사용되었다.
Al2O3 층이 ALD에 의해 침착된 상층(superstrate) 구성의 펜타센/C60 헤테로접합 유기 태양 전지의 봉지에 대해 또한 개시되었다. 그러한 소자에서, 광은 유리 기판을 통해 수집된다.
현재 사용되는 수분 장벽 중 어느 것도 박막 PV 전지, 특히 CIGS가 원하는 기능적 수명을 얻기에 충분한 보호 수준을 제공하지 못했다. 따라서, 본 발명이 제공하는 개량된 수분 장벽이 여전히 필요하다.
본 발명은 다양한 실시 형태로 광전지 소자 및 그 제조 방법을 제공한다.
일 실시 형태에서, 기판, 기판에 부착된 광전지, 및 수증기 전구체와 트라이메틸 알루미늄 반응물을 이용하여 ALD 공정에 의해 형성된 적어도 하나의 가스 투과 장벽 층을 포함하는 박막 광전지 소자가 제공된다. 광전지는 Cu(In, Ga)Se2 흡수기 층 및 CdS 윈도우(window) 층, 및 선택적인 추가 층을 포함한다.
다른 실시 형태에서, (i) 기판을 제공하는 단계; (ii) Cu(In, Ga)Se2 흡수기 층 및 CdS 윈도우 층을 포함하는 광전지를 기판 상에 형성하는 단계; 및 (iii) 수증기 전구체와 트라이메틸 알루미늄 반응물을 이용하여 ALD 공정에 의해 형성된 가스 투과 장벽 층으로 광전지를 코팅하는 단계를 포함하는 광전지 소자 구성 방법이 제공된다.
추가 실시 형태에서, 본 발명의 ALD 공정은 진공 챔버를 통합한 반응기 내에서 실행되며, (i) 챔버 내로 전구체의 증기를 도입하는 단계; (ii) 챔버로부터의 전구체의 증기를 퍼징하여 전구체의 얇은 흡착된 층을 남기는 단계; (iii) 전구체와의 반응을 촉진하는 열 조건 하에서 챔버로 반응물을 도입하여 원하는 가스 투과 장벽 층의 재료의 서브층을 형성하는 단계; (iv) 반응물 및 상기 반응에 의해 생성된 반응 생성물을 챔버로부터 퍼징하는 단계; 및 (v) 사전선택된 두께를 갖는 가스 투과 장벽 층을 형성하기에 충분한 횟수 동안 상기 단계들을 반복하는 단계를 순서대로 포함한다.
본 발명은 이어지는 본 발명의 바람직한 실시 형태의 상세한 설명과 첨부 도면을 참고할 때 더 완전히 이해될 것이고 추가의 효과가 명백해질 것이며, 첨부 도면에서 유사한 도면 부호는 여러 도면 전체에 걸쳐 유사한 요소를 나타낸다.
<도 1>
도 1은 PV 전지가 그 위에 제작되는 금속 포일 또는 중합체 기판, 봉지제 재료, 및 투명한 전면 시트를 포함하는 종래 기술의 PV 소자를 도시하는 도면.
<도 2>
도 2는 본 발명의 ALD 코팅된 PV 전지의 일 실시 형태의 구성을 도시하는 도면.
<도 3>
도 3은 본 발명의 ALD 코팅된 PV 전지의 다른 실시 형태의 구성을 도시하는 도면.
<도 4a 내지 도 4d>
도 4a 내지 도 4d는 황동광(chalcopyrite) 및 CdTe 태양 전지를 위한 소정의 구성을 도시하는 도면.
<도 5>
도 5는 무정형 또는 나노결정질 박막 규소 태양 전지를 위한 구성을 도시하는 도면.
<도 6>
도 6은 실시예의 전지의 개략 평면도.
<도 7>
도 7은 85℃ 및 85% 상대 습도에서 실시예의 코팅되고 봉지된 CIGS PV 전지의 안정성을 도시하는, 개방-회로 전압 Voc 대 시간의 그래프.
<도 1>
도 1은 PV 전지가 그 위에 제작되는 금속 포일 또는 중합체 기판, 봉지제 재료, 및 투명한 전면 시트를 포함하는 종래 기술의 PV 소자를 도시하는 도면.
<도 2>
도 2는 본 발명의 ALD 코팅된 PV 전지의 일 실시 형태의 구성을 도시하는 도면.
<도 3>
도 3은 본 발명의 ALD 코팅된 PV 전지의 다른 실시 형태의 구성을 도시하는 도면.
<도 4a 내지 도 4d>
도 4a 내지 도 4d는 황동광(chalcopyrite) 및 CdTe 태양 전지를 위한 소정의 구성을 도시하는 도면.
<도 5>
도 5는 무정형 또는 나노결정질 박막 규소 태양 전지를 위한 구성을 도시하는 도면.
<도 6>
도 6은 실시예의 전지의 개략 평면도.
<도 7>
도 7은 85℃ 및 85% 상대 습도에서 실시예의 코팅되고 봉지된 CIGS PV 전지의 안정성을 도시하는, 개방-회로 전압 Voc 대 시간의 그래프.
원자 층 침착법(ALD)은 낮은 투과를 위한 기준 중 다수를 잠재적으로 충족시키는 막을 생성하는 막 성장법(film growth method)이다. 원자 층 침착 공정의 설명은 문헌["Atomic Layer Epitaxy," by Tuomo Suntola in Thin Solid Films, vol. 216 (1992) pp. 84-89]에서 찾을 수 있다. 그 명칭이 함축하듯이, ALD 공정은 재료의 층간(layer-by-layer) 침착을 가능하게 한다. 일반적으로, 이 공정은 2-단계 반응을 이용하여 챔버 내에서 이루어지며, 반복적으로 실행되어 층을 구축하고 필요한 두께의 코팅을 형성한다. 먼저, 막 전구체의 증기가 챔버 내로 도입된다. 어떤 이론에도 구애되지 않고, 보통 본질적으로 단층인, 전구체의 얇은 층이 챔버 내의 기판 또는 소자 상에 흡착되는 것으로 여겨진다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "흡착된 층"이라는 용어는 그 원자가 기판의 표면에 약하게 결합된 층을 의미하는 것으로 이해된다. 그 후, 증기는, 예를 들어 챔버를 배기시킴으로써 또는 불활성 퍼징 가스를 유동시킴으로써 챔버로부터 퍼징되어, 임의의 과량의 또는 비흡착된 증기를 제거한다. 이어서, 흡착된 전구체와의 반응을 촉진하는 열 조건 하에서 반응물이 챔버 내로 도입되어 원하는 장벽 재료의 서브층을 형성한다. 휘발성 반응 생성물 및 과량의 전구체가 이어서 챔버로부터 펌핑된다. 재료의 추가의 서브층은 사전선택된 두께를 가진 층을 형성하기에 충분한 횟수만큼 상기의 단계를 반복함으로써 형성된다.
일반적인 CVD 및 PVD 침착 방법은 별개의 핵형성 부위들에서 개시 및 막 성장을 수반한다. PVD 방법은 가스 투과가 쉬울 수 있는 경계를 가진 원주형 미세구조를 생성하기 쉽다. 대조적으로, ALD는 극히 낮은 가스 투과성을 갖는 매우 얇은 막을 생성하여, 그러한 막을 PV 전지와 같은 민감한 전자 소자를 보호하기 위한 장벽 층으로서 매력적이게 한다. ALD는 고도의 컨포멀 코팅(highly conformal coating)을 형성하므로 수분 및/또는 산소-민감성 소자를 보호하기에 특히 매력적인 방법이다. 이는 복잡한 토포그래피(topography)를 갖는 소자가 완전히 코팅되고 보호되게 한다.
본 발명의 일 실시 형태는 대기 가스의 통과를 방지하기 위해 ALD에 의해 형성된 장벽 층으로 코팅된 하나 이상의 층을 포함하는 PV 전지를 제공한다. 그러한 PV 전지 소자의 대표적인 실시 형태는 일반적으로 도 2에서 도면 부호 20으로 나타난다. 광전지(22)는 금속 또는 중합체로 제조될 수 있는 가요성 기판(24) 상부에 구성된다. 보호 층(26)은 ALD 침착 공정을 이용하여 전지(22) 상에 적용된다. 층(26)은 불투과성이며, 이는 전형적인 PV 소자의 성능을 열화시키는 것으로 알려진, 산소와 수증기를 비롯한 대기 가스의 투과를 105 배 이상으로 감소시킨다는 것을 말한다. ALD 층(26)과 PV 전지(22) 둘 모두를 위한 추가의 보호는 내후성 상부 층(28)에 의해 부여된다.
ALD에 의해 형성되며 장벽에 적합한 재료는 주기율표의 IVB족, VB족, VIB족, IIIA족 및 IVA족의 산화물 및 질화물과 그 조합을 포함한다. 이러한 군에서 특히 관심 있는 것은 SiO2, Al2O3, 및 Si3N4이다. 이러한 군에서 산화물의 한 가지 이점은 광학적 투명성이며, 이는 가시광이 소자에서 나가거나 또는 소자로 들어와야 하는 광전지를 비롯한 광전자 소자를 위해 매력적이다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이 "가시광"이라는 용어는 적외선 및 자외선 스펙트럼 영역에 속하는 파장뿐만 아니라 일반적으로 육안으로 지각할 수 있는 파장을 갖는 전자기 방사선을 포함하며, 이들 모두는 전형적인 광전자 소자의 작동 한계 내에 있음이 이해되어야 한다. Si 및 Al의 질화물은 또한 가시광선 스펙트럼에서 투명하다.
본 소자에서 유용하게 이용되는 장벽 재료를 형성하기 위해 ALD 공정에서 이용되는 전구체와 반응물은, 당업자에게 알려져 있고 문헌[M. Leskela and M. Ritala, "ALD precursor chemistry: Evolution and future challenges," in Journal de Physique IV, vol. 9, pp 837-852 (1999)] 및 그 문헌 내의 참고 문헌과 같은 공개 문헌에서 표로 정리된 물질로부터 선택될 수 있다. 수증기 또는 오존이 전구체로서 유익하게 사용된다.
대표적인 구현 형태에서, ALD 공정은 하기 전체 반응(overall reaction)에 의해 기재될 수 있다:
2 Al(CH3)3 + 3 H2O → Al2O3 + 6 CH4.
실제 공정에서, 반응은 하기와 같이 나타내어질 수 있는 표면에서의 2개의 반쪽 반응(half-reaction)으로 진행된다:
Al-(CH3)* + H2O → Al-OH* + CH4
Al-OH* + Al(CH3)3 → Al-O- Al(CH3)2 + CH4
(여기서, "*"는 코팅되는 재료의 표면에 존재하는 화학종을 나타냄). 물론, ALD 공정은 다른 전구체와 반응물로 실행될 수 있다.
본 ALD 장벽 합성은 약 50℃ 내지 250℃ 범위 내의 온도로 유지된 PV 전지에서 실행될 수 있다. 너무 높은 온도(> 250℃)는 온도-민감성 중합체 기판의 가공과 양립하지 못하며, 그 이유는 기판의 큰 치수 변화로 인한 중합체(들)의 화학적 분해 또는 ALD 코팅의 파괴 때문이다. 반응 속도(reaction kinetics)는 일반적으로 50℃ 미만에서는 너무 느린 것으로 밝혀졌다.
장벽 막에 적합한 것으로 밝혀진 두께 범위는 2 ㎚ 내지 100 ㎚이다. 더욱 바람직한 범위는 2 ㎚ 내지 50 ㎚이다. 더 얇은 층은 막의 균열을 야기하지 않고도 굽힘에 대해 더 내성을 가질 것이다. 이는 가요성이 바람직한 특성이 되는 중합체 기판에 있어서 중요하다. 막 균열은 장벽 특성을 손상시킬 것이다. 얇은 장벽 막은 또한 투명성을 증가시킨다. 기판의 실질적으로 모든 결함이 장벽 막에 의해 덮이게 되는 연속적인 막 커버리지(film coverage)에 상응하는 최소 두께가 있을 수 있다. 거의 결함이 없는 기판의 경우, 허용가능한 장벽 특성을 위한 임계 두께(threshold thickness)는 2 ㎚ 이상으로 추정되지만, 10 ㎚만큼 두꺼울 수 있다. 25 ㎚ 두께의 ALD 장벽 층은 전형적으로 0.0005 g-H2O/㎡/일의 측정 감도 미만의 수준으로 중합체 막을 통한 산소 수송(oxygen transport)을 감소시키기에 충분한 것으로 밝혀졌다.
ALD에 의해 형성된 일부 산화물 및 질화물 장벽 층은 보호를 요하는 PV 전지에 ALD 층의 접착을 촉진하기 위해 "출발 층"(starting layer) 또는 "접착 층"(adhesion layer)을 포함시켜 효과를 볼 수 있다. 예를 들어, 본 PV 전지 소자는 광전지의 반도체와 보호 ALD 가스 투과 장벽 층 사이에 개재된 접착 층을 포함할 수 있다. 접착 층의 두께는 1 ㎚ 내지 100 ㎚ 범위이다. 바람직하게는, 접착 층을 위한 재료는 장벽 층의 재료와 동일한 군으로부터 선택된다. 산화알루미늄 및 산화규소가 접착 층으로 바람직하며, 이 접착 층 또한 ALD에 의해 침착될 수 있지만, 화학적 및 물리적 증착 또는 당업계에 알려진 다른 침착 방법과 같은 다른 방법이 또한 적합할 수 있다.
박막 PV 전지 소자의 다른 실시 형태가 일반적으로 도 3에서 도면 부호 30으로 도시된다. 여기서, CIGS PV 전지(32)는 유리 기판(34) 상에 형성되고 ALD 수분 장벽 코팅(26)에 의해 보호된다. 전지(32) 및 코팅(26)은 에폭시 코팅(36)에 의해 봉지되며, 이는 다시 테플론(TEFLON)(등록상표) FEP 260C 플루오로중합체일 수 있는 상부 층(38)에 의해 덮인다.
ALD 장벽 층을 포함하는 본 PV 전지 소자의 다른 유용하고 예시적인 구성이 도 4 및 도 5에 도시된다. 일반적으로, 각 전지 소자는 기판, 전면 접점(f-접점)을 형성하는 투명 전도성 산화물(TCO) 층, 하나 이상의 흡수기 층, 및 후면 접점(b-접점)을 위한 층을 포함한다. 전력은 "+" 및 "-" 지표에 의해 도시된 바와 같이, f-접점 및 b-접점에의 접속을 통해 PV 전지로부터 종래의 방식으로 추출된다. 일부 전지 소자 실시 형태는 윈도우 층, 버퍼 층, 및 상호 접속 층, 및 그 조합으로부터 선택된 하나 이상의 층을 추가로 포함한다.
일반적으로, 기판은 금속, 중합체, 또는 유리로 본질적으로 이루어진다. 얇은 금속 및 중합체 기판은 가요성인 이점을 가지며; 유리 및 일부 중합체는 투명하거나 반투명한 이점을 갖는다. 적합한 중합체는 폴리에스테르(예를 들어, PET, PEN), 폴리아미드, 폴리아크릴레이트 및 폴리이미드를 포함한다. 기판이 가요성이고 PV 전지 성능을 열화시킬 수 있는 확산 이온 공급원 또는 대기 가스에 투과성일 경우, ALD 층은 기판의 일면 또는 양면 상에 코팅될 수 있다. ALD 코팅에 더하여, 기판은 또한 PV 소자의 광학적, 전기적 또는 기계적 특성을 향상시키기 위해 사용되는 다른 기능적 코팅을 포함할 수 있다.
TCO 층은 전형적으로 In2O3, SnO2, ZnO, CdO, 및 Ga2O3의 혼합물 또는 도핑된 산화물을 포함하며, PV 전지의 실질적으로 최대 활성 영역에 의해 생성된 전류가 흐를 수 있는 전도성 경로를 제공한다. PV 전지의 일반적인 예는 ITO (약 9 원자%의 Sn으로 도핑된 In2O3) 및 AZO (3-5 원자%의 Al로 도핑된 ZnO)를 포함한다.
흡수기 층은 입사광 스펙트럼(400 내지 1200 ㎚)으로부터 광을 흡수한다. 적합한 흡수기 재료에는 CuInSe2, CuInS2, CuGaSe2, CuInS2, CuGaS2, CuAlSe2, CuAlS2, CuAlTe2, CuGaTe2 및 그 조합과 같은 3원 황동광 화합물과, CdTe 및 관련 화합물이 포함된다.
윈도우 층은 흡수기 층과 헤테로접합부를 형성하는 얇은 반도체 막(흡수기가 p-타입이면 n-타입이고, 또는 흡수기가 n-타입이면 p-타입임)이며, 이에 의해 전하가 접합부에서 내부 전기장(built-in electric field)에 의해 분리된다. 윈도우 층에 적합한 재료에는, 황동석 흡수기를 위한 CdS, ZnS, ZnSe, In2S3, (Zn,Cd)S, 및 Zn(O,S)와, CdTe 흡수기를 위한 ITO, CdS 및 ZnO가 포함된다. 일부 구현 형태에서, 상기의 p-n 반도체 접합부 구조체는 개재되는 i-타입 반도체를 포함하여, p-i-n 구성을 형성한다.
b-접점을 위한 층은 전형적으로 TCO 층 또는 금속이다.
버퍼 층은 전형적으로 투명한, 전기 절연성 유전체로 본질적으로 이루어진다. 적합한 재료에는 ZnO, Ga2O3, SnO2, 및 Zn2SnO4, 및 그 혼합물이 포함된다.
도 4a의 구성에서, PV 전지 소자의 상부는 투명 기판(42) 상에 화살표에 의해 표시된 방향으로 입사하는 광을 수용하도록 구성되며, 따라서 이는 그 상부 위치 때문에 상층으로 불릴 수 있다. TCO 층(44)은 양의 f-접점을 제공한다. 윈도우(46)는 TCO(44)와 흡수기(48) 사이에 놓인다. 금속 층(50)은 음의 b-접점을 제공하며, 이 위에 ALD 장벽이 코팅되어 유해한 수분 및 가스 투과에 대해 PV 전지를 보호한다.
도 4b 및 도 4c의 구성에서, ALD 장벽은 금속화된 TCO 및/또는 버퍼 층 상에 코팅된다. 대안적으로, ALD 층은 자체가 버퍼 층으로 사용될 수 있다. 도 4b 구성은 전극(58; 전형적으로 스크린 인쇄 및 금속-분말 페이스트의 소성에 의해 형성됨)을 가진 상부 TCO 층(44)을 포함한다. 활성 반도체 윈도우(46)와 흡수기 층(48)은 버퍼 층(52)에 의해 TCO(44)와 분리된다. 하부 TCO 층(54)은 b-접점을 제공하고 기판(56) 상부에 형성된다. 투명 기판(60)을 이용함으로써, 도 4c의 구성은 후면 조명을 허용할 수 있다.
또한, ALD 장벽 층은 일반적으로 전체 입사 스펙트럼에 걸쳐 소자의 변환 효율을 개선하기 위하여 적층 구성의 다수의 흡수기를 이용하는 탠덤 구성에서 유익하다. ALD 장벽 층은 금속화된 TCO 및/또는 버퍼-윈도우 층 상에 다시 코팅될 수 있다. 도 4d의 탠덤 구성은 기판(56) 상에 구성되며 각각의 버퍼-윈도우 층(62, 70)과 함께 제1 흡수기(64) 및 제2 흡수기(76)를 포함한다. 2개의 흡수기/버퍼-윈도우 층은 상이한 스펙트럼 범위에 걸쳐 민감성을 제공한다. 광은 제1 TCO 층(44; 전면 접점으로 기능함)을 통해 입사하고 먼저 제1 흡수기(64) 상에 부딪힌다. 흡수되지 않은 광은 계속 진행하여 제2 흡수기(72)에 도달한다. 흡수기(64)를 제2 TCO 층(68)에 접속하는 상호 접속 층(66)에 의해 직렬 전기 접속이 제공된다. 제2 흡수기(72)의 후면은 금속 층(50)에 접속되고, 이 금속 층은 후면 접점을 제공한다.
ALD 층은 또한 무정형 또는 나노결정질 박막 규소(a-Si, nc-Si) 태양 전지를 보호하기 위해 사용될 수 있다. 도 5는 단일 접합 태양 전지의 일 형태를 예시하지만, 이중 및 삼중 접합 전지 또한 알려져 있다. 하나 이상의 ALD 층은 각각에서 유익하게 이용된다.
PV 응용에 사용되는 무정형 또는 나노결정질 Si는 보통 a-Si:H 또는 nc-Si:H로 표시되는, 수소를 갖는 합금이다. n-타입 또는 p-타입을 생성하기 위한 도핑은 결정질 Si를 위해 통상 사용되는 동일한 도펀트를 이용하여 이루어질 수 있다. 적합한 p-타입 도펀트는 III족 원소(예를 들어, B)를 포함한다. 적합한 n-타입 도펀트는 V족 원소(예를 들어, P)를 포함한다. Ge 또는 C를 이용한 합금은 또한 광학적 흡수 특성 및 다른 전기 파라미터를 변화시키기 위해 사용될 수 있다.
박막 a-Si 및 nc-Si 규소 태양 전지는 전형적으로 TCO 층(44), p-타입 Si 합금 층(82), i-Si 합금 층(84), 및 n-타입 Si 합금 층(86)을 갖는 p-i-n 반도체 구조체(80), 버퍼 층(88), 및 b-접점을 위한 금속 층(90)을 포함하는 일련의 층들을 포함하는데, 이들 모두는 기판(92) 상에 형성된다. 도 4의 구성에 이용된 동일한 기판 및 TCO 재료가 적합하다. 높은 효율을 갖는 탠덤 전지는 기본 전지의 반도체 구조체(80)의 층을 한번 이상 반복하고 스택의 흡수를 최적화함으로써 제조된다.
단일 p-i-n 전지에서, 금속화된 TCO 층 상의 ALD 장벽 층은 PV 전지 내로의 수분 유입을 방지할 수 있다. 탠덤 전지에서, ALD 장벽 층은 금속화된 TCO 및/또는 버퍼 층 상에 코팅될 수 있다. 대안적으로, ALD 층은 버퍼 층 중 하나 또는 모두에 이용될 수 있다.
예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이 일부 실시 형태에서, ALD 코팅은 또한 PV 전지의 층의 가장자리를 보호할 수 있다.
실시예
CIGS 광전지에 직접 침착된 ALD 장벽.
광(PV)전지 소자를 CIGS 전지 제작 분야에 잘 알려진 방법을 이용하여 51 ㎜ x 51 ㎜ (2 인치 x 2 인치) 유리 기판 상에 제작하였다. ALD 침착 전의 전지 소자(100)의 개략 평면도를 도 6에 나타낸다. 일련의 층은 유리 기판(102) 상의 몰리브덴 금속 층; Cu(In, Ga)Se2 (CIGS)의 흡수기 층, CdS의 얇은 윈도우 층, ZnO의 얇은 절연 버퍼 층, 인듐-주석 산화물 (ITO)의 투명 전도성 산화물 (TCO) 층(104), 및 Ni/Al 합금의 금속 그리드 전극(106)을 포함하였다. 전지 크기 (1 ㎠)는 1 ㎝ x 1 ㎝ 섀도 마스크(shadow mask)를 통해 침착된 ITO 층(104)에 의해 한정되었다.
Ni/Al 상부 전극(106)의 폭이 1 내지 2 ㎜인 부분(108)을 후속 전기 접속을 위하여 유리의 가장자리 근처에서 마스킹하였으며, 마스킹된 CIGS PV 전지는 ALD 공정을 실행하기 위하여 반응기 (캠브리지 나노테크 사반나(Cambridge Nanotech Savannah) 200) 내에 두었다. 반응기는 20 sccm으로 질소 가스를 이용하여 연속 퍼징하고 소형의 기계식 펌프를 이용하여 약 40 Pa (0.3 Torr)의 배경 압력(background pressure; 반응물 또는 전구체 없음)으로 펌핑하였다. 질소 가스는 반응물용 담체 및 퍼징 가스 둘 모두로서 이용하였다. 반응물 트라이메틸 알루미늄 증기 및 전구체 수증기는 순차적으로 반응기 내로 도입하였다. 더 구체적으로, 일련의 순서의 각 침착 단계의 경우, CIGS PV 전지에 15 밀리초 동안 질소 가스에 의해 운반된 수증기를 투여한 후, 흐르는 질소로 30초 동안 반응기를 퍼징하였다. 이어서, PV 전지에 질소 가스에 의해 운반된 트라이메틸 알루미늄 증기를 15초 동안 투여한 후, 흐르는 질소를 15초 퍼징하였다. 이러한 반응 순서는 PV 전지 상에 Al2O3 층을 생성하였다. 이러한 침착 단계는 전지를 120℃에 유지하면서 500회(사이클) 동안 연속적으로 반복하였다. 형성된 Al2O3의 두께는 Si 위트니스 슬라이드(witness slide) 상에서 약 55 ㎚로 광학적으로 결정되며, 이는 약 0.11 ㎚/사이클의 침착 속도에 해당된다.
Al2O3 장벽 층의 ALD 침착 후, 테플론(등록상표) FEP 200C (0.05 ㎜ (0.002 인치) 두께) 막을 UV-경화성 에폭시 봉지제를 이용하여 광전지에 부착시키고, 전기 리드를 부착하기 위해 전지의 가장자리에 공간을 남겼다. 테플론 FEP(등록상표)는 ALD Al2O3 장벽과 전지 상의 수증기 응축을 방지하는 내후 층으로 작용하여, 최종 사용 동안 PV 전지의 열화에 대한 추가 보호를 부가한다.
상부 Ni/Al 전극의 마스킹 영역에 대한 전기 접점을 와이어를 납땜함으로써 제조하였다. 전지 영역으로부터 먼 쪽의, 후면 Mo 전극에 대한 접점은 Al2O3, ZnO, CdS 및 Cu(In, Ga)Se2의 얇은 상부 층을 통해 기계적으로 스크래칭한 후 납땜함으로써 제조하였다.
장벽 층(즉, ALD-유도된 Al2O3 및 테플론(등록상표) FEP 200C의 막)의 장벽 특성을 시험하기 위하여, 봉지된 PV 전지를 환경 챔버(environmental chamber) 내에 두고 85℃ 및 85% 상대 습도(RH)에서 에이징하면서, 동시에 솔라 시뮬레이터(solar simulator)로부터의 1000 W/㎡의 일정한 조명에 노출시켰다. 이 시험 동안, 개방 회로 전압을 시간의 함수로 모니터하여, 도 7의 그래프에 도시된 결과를 산출하였다. 이들 조건 하에서 1000 시간 동안의 노출 후에도, 개방 회로 전압의 측정가능한 변화는 검출될 수 없었다는 것을 알 수 있는데, 이는 테플론(등록상표) FEP 200C 코팅 막과 함께 ALD-유도된 Al2O3가 수분 및 다른 대기 가스로 인한 예상되는 열화로부터 광전지를 보호하였음을 나타낸다. CIGS PV 전지가 ALD 장벽 층의 침착 동안 전구체로서의 수증기에 노출되었음에도 불구하고 전지가 만족스럽게 작동하였음에 특히 주목할 수 있다.
다소 상세하게 본 발명을 기술하였지만, 그러한 상세 사항은 엄격하게 고수할 필요가 없으며 추가적인 변화와 변경 자체가 당업자에게 제안될 수 있음이 이해될 것이다. 본 발명의 PV 전지 및 그 제조는 다양한 방식으로, 즉 상이한 장비를 이용하여 그리고 본 명세서에 개시된 단계를 상이한 순서로 실행하여 실행될 수 있음이 이해되어야 한다. 이러한 모든 변화와 변경은 첨부된 특허청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 범주 내에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
Claims (21)
- (a) 기판;
(b) 상기 기판에 부착되며 Cu(In, Ga)Se2 흡수기 층 및 CdS 윈도우 층 및 전면과 후면 전기 접점을 포함하는 광전지; 및
(c) 수증기 전구체와 트라이메틸 알루미늄 반응물을 이용하여 ALD 공정에 의해 상기 광전지 상에 형성된 적어도 하나의 가스 투과 장벽 층을 포함하는 박막 광전지 소자. - 제1항에 있어서, 상기 광전지는 상기 전지에 의해 생성된 전류가 통과하여 전도되는 투명 전도성 산화물 층을 추가로 포함하며, 상기 투명 전도성 산화물 층은 상기 전면 및 후면 전기 접점 중 적어도 하나를 제공하도록 배치되는 박막 광전지 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 가스 투과 장벽 층은 두께가 약 2 내지 100 ㎚ 범위인 박막 광전지 소자.
- 제2항에 있어서, 상기 투명 전도성 산화물 층은 상기 전면 전기 접점을 제공하며, 상기 전면-접점 투명 전도성 산화물 층과 상기 윈도우 층 사이에 배치된 절연 버퍼 층을 추가로 포함하는 박막 광전지 소자.
- 제4항에 있어서, 상기 절연 버퍼 층은 ZnO로 본질적으로 이루어지는 박막 광전지 소자.
- 제1항에 있어서, 플루오로중합체 상부 층을 추가로 포함하는 박막 광전지 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 기판은 유리로 본질적으로 이루어지는 박막 광전지 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 기판은 중합체로 본질적으로 이루어지는 박막 광전지 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 기판은 금속으로 본질적으로 이루어지는 박막 광전지 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 가스 투과 장벽 층과 상기 광전지 사이에 개재된 접착 층을 추가로 포함하는 박막 광전지 소자.
- 제10항에 있어서, 상기 접착 층은 ALD 공정에 의해 적용되는 박막 광전지 소자.
- 제1항에 있어서, ALD 공정에 의해 상기 기판 상에 형성된 적어도 하나의 가스 투과 장벽 층을 추가로 포함하는 박막 광전지 소자.
- (a) 기판을 제공하는 단계;
(b) Cu(In, Ga)Se2 흡수기 층 및 CdS 윈도우 층을 포함하는 광전지를 상기 기판 상에 형성하는 단계; 및
(c) 수증기 전구체와 트라이메틸 알루미늄 반응물을 이용하여 ALD 공정에 의해 형성된 가스 투과 장벽 층으로 상기 광전지를 코팅하는 단계를 포함하는 광전지 소자의 구성 방법. - 제13항에 있어서, 상기 ALD 공정은 반응기 내에서 실행되며,
(a) 상기 챔버 내로 수증기를 도입하여 상기 전지 상에 흡착된 층을 형성하는 단계;
(b) 상기 챔버를 퍼징하는 단계;
(c) 상기 트라이메틸 알루미늄과 상기 흡착된 물의 반응을 촉진하는 열 조건하에서 상기 챔버에 트라이메틸 알루미늄 반응물을 도입하는 단계;
(d) 휘발성 반응물 및 상기 반응에 의해 생성된 반응 생성물을 상기 챔버로부터 퍼징하는 단계; 및
(e) 사전선택된 두께를 가진 상기 가스 투과 장벽 층을 형성하기에 충분한 횟수 동안 상기 단계 (a), (b), (c), 및 (d)를 반복하는 단계를 순서대로 포함하는 방법. - 제13항에 있어서, 상기 열 조건은 약 50℃ 내지 약 250℃ 범위의 온도에서 상기 광전지를 유지하는 것을 포함하는 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 퍼징하는 단계는 상기 챔버를 배기시키는 단계를 포함하는 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 퍼징하는 단계는 상기 챔버를 통해 불활성 가스를 유동시키는 단계를 포함하는 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 사전선택된 두께는 약 2 ㎚ 내지 약 100 ㎚ 범위인 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 광전지와 상기 가스 투과 장벽 층 사이에 개재된 접착 층을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
- 제19항에 있어서, 상기 접착 층은 ALD 공정에 의해 형성되는 방법.
- 제13항에 있어서, ALD 공정에 의해 상기 기판 상에 적어도 하나의 가스 투과 장벽 층을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
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