KR20120086445A - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

태양전지 및 이의 제조방법이 개시된다. 일 실시예에 따른 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 투명전극층; 상기 투명전극층 상에 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 이면전극층; 및 상기 투명전극층의 상면에 형성되고, 제1 사면 및 제2 사면을 갖는 복수의 리세스;를 포함한다.

Description

태양전지 및 이의 제조방법{SOLAR CELL APPARATUS 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 후면 전극층, p형 CIGS계 광 흡수층, 고저항 버퍼층, n형 투명전극층 등을 포함하는 기판 구조의 pn 헤테로 접합 장치인 CIGS계 태양전지가 널리 사용되고 있다.
또한, 이러한 태양전지의 효율을 증가시키기 위해서 다양한 연구가 진행 중이다.
실시예는 향상된 광-전 변환 효율을 가지는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
일 실시예에 따른 태양전지는 기판; 상기 기판 상에 투명전극층; 상기 투명전극층 상에 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 광 흡수층; 상기 광 흡수층 상에 이면전극층; 및 상기 투명전극층의 상면에 형성되고, 제1 사면 및 제2 사면을 갖는 복수의 리세스;를 포함한다.
일 실시예에 따른 태양전지의 제조방법은; 기판 상에 투명전극층을 형성하는 단계; 상기 투명전극층의 상면에 제1 사면 및 제2 사면을 포함하는 복수의 리세스를 형성하는 단계; 상기 투명전극층 상에 버퍼층을 형성하는 단계: 상기 버퍼층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 및 상기 광 흡수층 상에 이면전극층을 형성하는 단계;를 포함한다.
실시예에 따르면, 기판을 에칭하여 광 흡수층의 표면적이 증가된 태양전지를 제공한다. 이에 따라 외부의 태양광을 효율적으로 흡수하고, 향상된 광-전 변환 효율을 갖는다.
도 1은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1에서 A의 부분 확대도이다.
도 3 내지 도 6은 태양전지의 제조방법을 나타내는 도면이다.
실시예의 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 1은 실시예에 따른 태양전지를 도시한 단면도이고 도 2는 도 1에서 A의 부분 확대도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시예에 따른 태양전지는 지지기판(100)과, 투명전극층(200), 버퍼층(300), 광 흡수층(400) 및 이면전극층(500)을 포함한다.
상기 지지기판(100)은 플레이트 형상을 가지며, 상기 투명전극층(200), 버퍼층(300), 광 흡수층(400) 및 이면전극층(500)을 지지한다.
상기 지지기판(100)은 절연체일 수 있다. 상기 지지기판(100)은 유리기판(Glass Substrate), 플라스틱기판 또는 금속기판일 수 있다. 더 자세하게, 상기 지지기판(100)은 소다 라임 글래스(soda lime glass) 기판일 수 있다.
상기 지지기판(100)이 소다 라임 글래스로 사용되는 경우, 소다라임 글래스에 함유된 나트륨(Na)이 태양전지의 제조공정 중에 CIGS로 형성된 광 흡수층(400)으로 확산될 수 있는데, 이에 의해 광 흡수층(400)의 전하 농도가 증가하게 될 수 있다. 이는 태양전지의 광전 변환 효율을 증가시킬 수 있는 요인이 될 수 있다.
이외에, 지지기판(100)의 재질로 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 스틸, 유연성이 있는 고분자 등이 사용될 수도 있다. 상기 지지기판(100)은 투명할 수 있고 리지드하거나 플렉서블할 수 있다.
상기 지지기판(100) 상에는 투명전극층(200)이 형성될 수 있다. 상기 투명전극층(200)은 투명하며, 도전층으로서, 윈도우층으로 작용할 수 있다. 상기 투명전극층(200)은 산화물을 포함한다. 예를 들어, 상기 투명전극층(200)은 징크 옥사이드(zinc oxide), 인듐 틴 옥사이드(induim tin oxide;ITO) 또는 인듐 징크 옥사이드(induim zinc oxide;IZO) 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 산화물은 알루미늄(Al), 알루미나(Al2O3), 마그네슘(Mg) 또는 갈륨(Ga) 등의 도전성 불순물을 포함할 수 있다. 더 자세하게, 상기 투명전극층(200)은 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드(Al doped zinc oxide;AZO) 또는 갈륨 도핑된 징크 옥사이드(Ga doped zinc oxide;GZO) 등을 포함할 수 있다.
상기 투명전극층(200)의 상면에는 복수의 리세스(250)가 형성된다. 상기 복수의 리세스(250)는 상기 투명전극층(200)의 일부가 식각되어 형성될 수 있다.
상기 복수의 리세스(250)에 의해 투명전극층(200) 및 광 흡수층(300)의 면적이 증가하여 태양입사각이 시간에 따라 변화할 때, 태양광의 입사각도에 따라 광을 흡수할 수 있는 유효면적이 증가하므로 발전 시간이 증가하는 효과가 있다.
상기 복수의 리세스(250) 사이의 간격(d)은 1μm 내지 2μm의 범위로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 투명전극층(200)의 두께(h)가 너무 두꺼우면 태양전지의 투과율이 저하될 수 있으므로 이러한 점을 고려하여 상기 투명전극층(200)의 두께(h)는 0.5μm 내지 1μm의 범위로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 복수의 리세스(250)는 상기 범위 내에서 각각 다른 형성길이를 가질 수 있다. 상기 복수의 리세스(250)가 형성되는 두께는 상기 투명전극층(200) 두께의 10% 내지 70%의 범위를 가질 수 있다.
상기 복수의 리세스(250)에 의해 투명전극층(200)이 돌출되고 상기 투명전극층(200) 상에 적층되는 버퍼층(300), 광 흡수층(400) 및 이면전극층(500)이 상기 복수의 리세스(250)가 형성된 위치에 대응하여 연속적으로 돌출되어 와플(waffle) 구조를 형성하게 된다. 이때 단면은 사각형으로 형성될 수 있으나 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 복수의 리세스(250)에 의해 투명전극층(200)은 상부로 갈수록 폭이 좁아지는 돌출구조를 갖도록 형성될 수 있다. 또한, 이와 반대로 상부로 갈수록 폭이 넓어지는 형상으로 형성될 수도 있다.
결과적으로 상기 복수의 리세스(250)에 의해 광을 흡수하는 광 흡수층(400)의 면적이 증가하므로 외부의 태양광을 효율적으로 흡수하고, 향상된 광-전 변환 효율을 갖는다.
상기 버퍼층(300)은 상기 투명전극층(200) 상에 배치된다. 본 발명과 같이 CIGS 화합물을 광흡수층(400)으로 갖는 태양전지는 p형 반도체인 CIGS 화합물 박막과 n형 반도체인 투명전극층(200) 박막간에 pn 접합을 형성한다. 하지만 두 물질은 격자상수와 밴드갭 에너지의 차이가 크기 때문에 양호한 접합을 형성하기 위해서는 밴드갭이 두 물질의 중간에 위치하는 버퍼층이 필요하다. 버퍼층(300)을 형성하는 물질로는 CdS, ZnS등이 있으나 태양전지의 발전 효율 측면에서 CdS가 상대적으로 우수하다. CdS박막은 n형 반도체이며, 인듐(In), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al) 등을 도핑함으로써 낮은 저항값을 얻을 수 있다.
상기 버퍼층(300) 상에는 광 흡수층(400)이 형성될 수 있다. 상기 광 흡수층(400)은 p형 반도체 화합물을 포함한다. 더 자세하게, 상기 광 흡수층(400)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 계 화합물을 포함한다. 예를 들어, 상기 광 흡수층(400)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(400)의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1eV 내지 1.8eV일 수 있다.
상기 광 흡수층(400) 상에는 이면전극층(500)이 형성될 수 있다. 상기 이면전극층(500)은 도전층이다. 상기 이면전극층(500)은 태양전지 중 상기 광 흡수층(400)에서 생성된 전하가 이동하도록 하여 태양전지의 외부로 전류를 흐르게 할 수 있다. 상기 이면전극층(500)은 이러한 기능을 수행하기 위하여 전기 전도도가 높고 비저항이 작아야 한다.
또한, 상기 이면전극층(500)은 CIGS 화합물 형성시 수반되는 황(S) 또는 셀레늄(Se) 분위기 하에서의 열처리 시 고온 안정성이 유지되어야 한다.
이러한 이면전극층(500)은 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 텅스텐(W) 및 구리(Cu)중 어느 하나로 형성될 수 있다. 이 가운데, 특히 몰리브덴(Mo)은 상술한 이면전극층(500)에 요구되는 특성을 전반적으로 충족시킬 수 있다.
상기 이면전극층(500)은 두 개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 층들은 같은 금속으로 형성되거나, 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 태양전지에 따르면, 굴곡을 갖는 광 흡수층을 형성함으로써 태양양 발전장치로 입사되는 빛의 양을 효과적으로 흡수하여 광-전 변환효율이 향상될 수 있다.
또한 기존의 박막 태양전지 구조와는 반대로 윈도우층이 투명한 기판과 접하도록 형성되기 때문에 공기/유리/투명전극층의 굴절율 차이가 완만한 구조로 형성되므로 태양전지로 입사된 빛의 반사 손실이 적어 향상된 광-전 변환 효율을 갖고, 윈도우층이 물(H2O) 또는 산소(O2) 등에 의해 산화되어 전기적 특성이 악화되는 것을 방지할 수 있으므로 신뢰성이 향상된 태양전지를 제공할 수 있다.
도 3 내지 도 6은 실시예에 따른 태양전지의 제조방법을 도시한 단면도들이다. 본 제조방법에 관한 설명은 앞서 설명한 태양전지에 대한 설명을 참고한다. 앞서 설명한 태양전지에 대한 설명은 본 제조방법에 관한 설명에 본질적으로 결합될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 지지기판(100) 상에 윈도우층(200)을 형성할 수 있다. 상기 윈도우층(200)은 CVD 공정 또는 스퍼터링 공정에 의해서 증착되어 형성될 수 있다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 상기 윈도우층(200)의 일부를 식각하여 복수의 리세스(250)를 형성할 수 있다. 상기 복수의 리세스(250)는 식각 공정에 의하여 형성될 수 있다. 식각 용액은 불산, 황산, 질산을 혼합하여 만들 수 있고, 불소의 농도는 10?25wt%로 하였고, 여기에 황산 15wt%, 질산 15wt% 등의 산을 첨가한 혼산 용액을 제조하여 약 10분 정도 상온에서 에칭하여 형성될 수 있다.
상기 복수의 리세스(250)가 형성되는 깊이(h')는 상기 윈도우층(200) 두께(h)의 절반 이하로 형성하는 것이 바람직하나. 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 복수의 리세스(250)는 제1 사면(210)과 제2 사면(220)을 포함할 수 있다. 상기 지지기판(100)의 법선과 상기 제1 사면(210)이 이루는 각(θ)은 1<θ<45˚의 범위로 형성될 수 있다.
또한, 상기 지지기판(100)의 법선과 상기 제1 사면(210)이 이루는 각(θ)을 복수의 리세스(250)와 관련하여 살펴보면, θ의 값이 필요이상으로 크게 되면 유효면적의 증가에 제한적이므로 1<θ<tan-1(d/h)의 범위로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 리세스(250)의 형성과정에서 제1 사면(210) 및 제2 사면(220)과 경사를 이루는 절곡면(l)이 형성될 수 있다. 상기 절곡면의 폭은 θ의 값이 증가함에 따라 감소할 수 있고, 제1 사면(210) 및 제2 사면(220)이 접하는 임계각도에서 상기 절곡면은 형성되지 않는다. 상기 절곡면은 상기 지지기판(100)과 평행할 수도 있다.
도 5를 참조하면, 상기 윈도우층(200) 상에 버퍼층(300)이 형성될 수 있다. 상기 버퍼층(300)은 황화 카드뮴이 스퍼터링 공정 또는 용액성장법(chemical bath deposition;CBD) 등에 의해서 증착되어 형성될 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 버퍼층(300) 상에 광 흡수층(400) 및 이면전극층(500)이 형성된다.
상기 광 흡수층(400)은 예를 들어, 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발시키면서 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계 (Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(400)을 형성하는 방법과 금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션(Selenization) 공정에 의해 형성시키는 방법이 폭넓게 사용되고 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(400)이 형성될 수도 있다.
다음으로, 광 흡수층(400) 상에 이면전극층(500)이 형성될 수 있다. 상기 이면전극층(500)은 몰리브덴을 사용하여 PVD(Physical Vapor Deposition) 또는 도금의 방법으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 향상된 광 흡수율을 갖는 태양전지가 제공될 수 있다.
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 (11)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 투명전극층;
    상기 투명전극층 상에 버퍼층;
    상기 버퍼층 상에 광 흡수층;
    상기 광 흡수층 상에 이면전극층; 및
    상기 투명전극층의 상면에 형성되고, 제1 사면 및 제2 사면을 갖는 복수의 리세스;를 포함하는 태양전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 리세스가 형성되는 두께는 상기 투명전극층 두께의 10% 내지 70%의 범위를 갖는 태양전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 사면과 상기 지지기판의 법선이 이루는 제1 각도(θ)는 1<θ<45˚의 범위로 형성되는 태양전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 리세스의 중심 사이의 간격은 d이고, 상기 투명전극층의 두께는 h일 때, 제1 각도(θ)는 1<θ<tan-1(d/h)의 범위로 형성되는 태양전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 리세스는 상부로 갈수록 폭이 넓어지도록 형성되는 태양전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 리세스의 저면에 형성되고, 상기 제1 사면 및 제2 사면과 접하는 절곡면을 포함하는 태양전지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 투명전극층의 두께(h)는 0.5μm 내지 1μm로 형성되는 태양전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 투명전극층, 버퍼층, 광 흡수층, 이면전극층은 상기 복수의 리세스에 대응하는 돌출부를 갖는 태양전지.
  9. 기판 상에 투명전극층을 형성하는 단계;
    상기 투명전극층의 상면에 제1 사면 및 제2 사면을 포함하는 복수의 리세스를 형성하는 단계;
    상기 투명전극층 상에 버퍼층을 형성하는 단계:
    상기 버퍼층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 및
    상기 광 흡수층 상에 이면전극층을 형성하는 단계;를 포함하는 태양전지의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 리세스는 불소 10?25wt%, 황산 15wt%, 질산 15wt%의 산을 첨가한 혼산 용액으로 에칭하여 형성하는 태양전지의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 투명전극, 버퍼층, 광 흡수층, 이면전극층은 상기 복수의 리세스에 대응하는 돌출부를 갖도록 형성하는 태양전지의 제조방법.
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