KR20120102282A - Cigs-based compound thin film solarcells and the method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A CIGS compound based thin film solar cell and a manufacturing method thereof are provided to improve conductivity and adhesion by using molybdenum with high conductivity. CONSTITUTION: A stress reducing layer(15) is formed on a substrate(10) and includes titanium or chrome. A rear electrode layer(20) is formed on the stress reducing layer. A light absorbing layer(30) is formed on the rear electrode layer. A front electrode layer(40) is formed on the light absorbing layer.

Description

ＣＩＧＳ 화합물계 박막 태양전지 및 그 제조방법{CIGS-BASED COMPOUND THIN FILM SOLARCELLS AND THE METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}CIGS-based thin film solar cell and its manufacturing method {CIGS-BASED COMPOUND THIN FILM SOLARCELLS AND THE METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 CIGS 화합물계 박막 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a CIGS compound-based thin film solar cell and a method of manufacturing the same.

일반적으로 CIGS를 비롯한 CIS계 박막 태양전지는 Substrate/Mo/CIGS/CdS/ZnO/Al의 구조를 가지고 있다. 기판의 경우 소다회 유리가 가장 보편적으로 사용되며 공정의 저가화 및 용도의 다양화를 위해 다른 여러 가지 종류의 기판재료들이 사용되고, 또한 예를 들어 스테인레스스틸, 티타늄, 폴리머 등의 유연기판도 사용되고 있다. CIGS 태양전지의 개발초기 높은 공정온도를 적용하기 위하여 코닝 글래스(Corning glass)를 기판으로 사용하였으나, 기판의 저가화를 위해서 소다회 유리로 교체 사용하는 연구가 진행되었다. 그 과정에서 소다회 유리를 사용한 CIGS 태양전지의 경우 그렇지 않은 것에 비해 현저히 특성이 향상되는 현상이 발견되었고, 소다회 유리에서 CIGS 광흡수층으로 확산된 나트륨에 기인한 것으로 알려지고 있다. 나트륨이 CIGS 박막에 첨가되면 전하농도가 증가하여 태양전지의 개방전압과 충실도를 높인다. 하지만 나트륨의 기능과 그 원인에 대해서는 아직 논의가 정리되고 있지 않고 있다. 따라서 나트륨의 역할에 대한 정량적인 분석을 위하여 소다회로부터의 나트륨의 확산을 차단하고 별도의 나트륨을 공급하는 방법으로 공급량을 조절하는 방법도 사용되고 있다. 또한 소다회 유리를 기판으로 사용하지 않은 경우, 예를 들어 스테인레스스틸, 티타늄, 폴리머와 같은 유연기판의 경우 NaF를 별도로 도포하여 확산 소스로 사용하거나 CIGS와 함께 진공증발하는 방법이 사용하고 있다.In general, CIS-based thin film solar cells including CIGS have a structure of Substrate / Mo / CIGS / CdS / ZnO / Al. Soda ash glass is most commonly used in the case of substrates, and various other substrate materials are used in order to reduce the process cost and diversify the use. Also, flexible substrates such as stainless steel, titanium, and polymers are also used. In the early stage of development of CIGS solar cell, Corning glass was used as a substrate to apply high process temperature. However, research has been conducted to replace soda ash glass with low cost. In the process, it was found that the CIGS solar cell using soda ash glass is significantly improved compared to the other, and it is known that it is due to sodium diffused from the soda ash glass to the CIGS light absorbing layer. When sodium is added to the CIGS thin film, the charge concentration is increased to increase the open voltage and fidelity of the solar cell. But the function of sodium and its causes have not been discussed yet. Therefore, in order to quantitatively analyze the role of sodium, a method of controlling the supply amount by blocking the diffusion of sodium from soda ash and supplying a separate sodium is also used. In addition, when soda ash glass is not used as a substrate, for example, in the case of a flexible substrate such as stainless steel, titanium, and polymer, NaF is separately applied as a diffusion source or a vacuum evaporation method with CIGS is used.

한편, 기판 상에는 배면전극으로 사용되는 몰리브덴층이 스퍼터링법에 의하여 증착되어 형성된다. 이러한 배면전극으로 사용되는 몰리브덴은 3mTorr이하의 낮은 압력에서는 밀착력이 낮고 전도성이 우수하고 10 mTorr 이상의 높은 압력에서는 접착성이 우수하나 전도성은 떨어지게 되는 성질을 가지게 된다.
On the other hand, on the substrate, a molybdenum layer used as a back electrode is deposited by sputtering. Molybdenum used as the back electrode has the property of low adhesion and excellent conductivity at low pressure of 3mTorr or less and excellent adhesion at high pressure of 10mTorr or more but low conductivity.

도 1a 및 1b는 종래 기술에 따른 스퍼터링법에 의하여 형성된 CIGS 화합물계 태양전지의 배면전극의 표면 및 단면을 나타내는 도면이고, 도 1c는 종래 기술에 따른 스퍼터링법에 의하여 몰리브덴(Mo)이 증착된 CIGS 화합물계 박막 태양전지의 단면을 나타내는 도면이다. 구체적으로는, 도 1a는 1000W, 5mtorr의 공정조건에서 형성된 배면전극의 표면 및 단면이고, 도 1b는 1500W, 5mtorr의 공정조건에서 형성된 배면전극의 표면 및 단면이며, 도 1c는 스퍼터링법에 의하여 몰리브덴(Mo)이 증착된 후 CIGS/ITO처리된 CIGS 화합물계 박막 태양전지의 단면을 나타내는 것이다. 1A and 1B are diagrams illustrating the surface and cross-section of a back electrode of a CIGS compound-based solar cell formed by a sputtering method according to the prior art, and FIG. 1C is a CIGS on which molybdenum (Mo) is deposited by the sputtering method according to the prior art. It is a figure which shows the cross section of a compound type thin film solar cell. Specifically, FIG. 1A is a surface and a cross section of a back electrode formed under a process condition of 1000 W and 5 mtorr, and FIG. 1B is a surface and a cross section of a back electrode formed under a process condition of 1500 W and 5 mtorr, and FIG. 1C shows molybdenum by a sputtering method. (Mo) shows the cross section of the CIGS compound-based thin film solar cell treated with CIGS / ITO after deposition.

도 1a 내지 1c를 참조하면, 종래 기술에 따른 스퍼터링법에 의하여 형성된 CIGS 화합물계 태양전지의 배면전극은 그 단면 미세 구조상의 결정립이 불규칙하게 형성되는 경향이 있다. 즉, 스퍼터링법에 의하여 형성된 배면전극은 몰리브덴의 높은 전도성과 기판과의 접착성 때문에, 배면전극의 증착공정시 압력에 많은 영향을 받게 되고, 이로 인하여 증착공정에 많은 시간이 소요된다는 문제점이 있었다.
1A to 1C, the rear electrode of the CIGS compound-based solar cell formed by the sputtering method according to the prior art tends to have irregular crystal grains on its cross-sectional microstructure. That is, the back electrode formed by the sputtering method is affected by the pressure during the deposition process of the back electrode due to the high conductivity of molybdenum and the adhesion to the substrate, and thus has a problem that the deposition process takes a lot of time.

본 발명의 일 실시예는 CIGS 화합물계 박막 태양전지의 배면전극을 기판 상에 아크 이온 플레이팅법을 이용하여 증착하는 것에 의하여, 기존의 스퍼터링에 의한 증착보다 상대적으로 고속 증착이 가능하게 되고, 높은 전도성을 가지는 몰리브덴을 사용하여 전도성과 밀착성이 향상된 CIGS 화합물계 박막 태양전지 및 그 제조방법을 제공한다.According to one embodiment of the present invention, by depositing a back electrode of a CIGS compound-based thin film solar cell using an arc ion plating method on a substrate, relatively high-speed deposition is possible than conventional deposition by sputtering, and high conductivity Provided is a CIGS compound-based thin film solar cell having improved conductivity and adhesion using molybdenum having a and a method of manufacturing the same.

또한, 본 발명의 일 실시예는 대면적화가 가능하고, 이에 따라 공정시간을 단축시킬 수 있으며, 나아가 생산효율을 높일 수 있는 CIGS 화합물계 박막 태양전지 및 그 제조방법을 제공한다.
In addition, an embodiment of the present invention provides a CIGS compound-based thin film solar cell and a method for manufacturing the same, which is possible to increase the area, thereby reducing the process time, and further increase the production efficiency.

본 발명의 일 실시예에 의한 CIGS 화합물계 박막 태양전지는, 기판; 상기 기판 상에 형성되는 배면전극층; 상기 배면전극층 상에 형성되는 광흡수층; 및 상기 광흡수층 상에 형성되는 전면전극층을 포함하고, 상기 배면전극층은 상기 기판 상에 아크 이온 플레이팅법에 의하여 증착되는 몰리브덴(Mo)으로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.CIGS compound-based thin film solar cell according to an embodiment of the present invention, the substrate; A back electrode layer formed on the substrate; A light absorption layer formed on the rear electrode layer; And a front electrode layer formed on the light absorption layer, wherein the back electrode layer is formed of molybdenum (Mo) deposited on the substrate by an arc ion plating method.

상기 기판과 상기 배면전극층 사이에 형성되는 응력완화층을 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 기판은 유리 기판, 세라믹 기판, 스테인레스 연성기판, Ni-Fe계 연성기판, 고분자 재질로 이루어진 연성기판 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 상기 응력완화층은 티타늄(Ti) 또는 크롬뮴(Cr)을 포함할 수 있다. It may further include a stress relaxation layer formed between the substrate and the back electrode layer. The substrate may be any one of a glass substrate, a ceramic substrate, a stainless flexible substrate, a Ni-Fe-based flexible substrate, and a flexible substrate made of a polymer material. In addition, the stress relaxation layer may include titanium (Ti) or chromium (Cr).

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS 화합물계 박막 태양전지의 제조방법은, 기판, 배면전극층, 광흡수층 및 전면전극이 순차적으로 형성된 CIGS계 화합물 태양전지를 제조하는 방법에 있어서, 상기 배면전극층은 상기 기판 상에 몰리브덴(Mo)이 아크 이온 플레이팅법에 의하여 증착되는 것을 특징으로 한다.
In addition, the method for manufacturing a CIGS compound-based thin film solar cell according to an embodiment of the present invention, in the method for manufacturing a CIGS-based compound solar cell sequentially formed with a substrate, a back electrode layer, a light absorption layer and a front electrode, the back electrode layer Molybdenum (Mo) is characterized in that the deposition on the substrate by the arc ion plating method.

기존에 스퍼터링법에 의하여 형성되는 CIGS 화합물계 박막 태양전지의 배면전극은, 주로 스퍼터링법으로 높은 압력에서는 밀착력과 전도성이 높고 낮은 압력에서는 밀착력이 낮고 전도성이 우수한 몰리브덴을 이중층으로 제조되거나 유리기판을 이용할 경우 Na+ 이온의 제어를 통한 CIGS 효율 향상을 높여왔으나, 이러한 공정에 많은 시간이 소요된다는 문제점이 있었다. The back electrode of CIGS compound-based thin film solar cell, which is formed by sputtering method, is mainly made of sputtering method, and it has high adhesion and high conductivity at high pressure and low adhesion and low-mobility molybdenum as double layer or glass substrate. In the case of improving the CIGS efficiency through the control of Na + ions, there was a problem that this process takes a lot of time.

그러나, 본 발명에서는, CIGS 화합물계 박막 태양전지의 배면전극을 기판 상에 아크 이온 플레이팅법을 이용하여 증착하고 있기 때문에, 기존의 스퍼터링에 의한 증착보다 상대적으로 고속 증착이 가능하게 되고, 높은 전도성을 가지는 몰리브덴을 사용하여 전도성과 밀착성을 향상시킬 수 있게 된다. 나아가, 본 발명에서는 대면적화가 가능하고, 이에 따라 공정시간을 단축시킬 수 있으며, 나아가 생산효율을 높일 수 있게 된다.
However, in the present invention, since the back electrode of the CIGS compound-based thin film solar cell is deposited on the substrate by using the arc ion plating method, it is possible to deposit at a higher speed than the conventional deposition by sputtering, and to achieve high conductivity. Eggplants can use molybdenum to improve conductivity and adhesion. Furthermore, in the present invention, it is possible to increase the area, thereby shortening the process time and further increasing the production efficiency.

도 1a 및 1b는 종래 기술에 따른 스퍼터링법에 의하여 형성된 CIGS 화합물계 박막 태양전지의 배면전극층의 표면 및 단면을 나타내는 도면이다.
도 1c는 종래 기술에 따른 스퍼터링법에 의하여 몰리브덴(Mo)이 증착된 CIGS 화합물계 박막 태양전지의 단면을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS 화합물계 박막 태양전지의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 이온플레이팅법에 의하여 형성된 CIGS 화합물계 박막 태양전지의 배면전극층의 표면 및 단면을 나타내는 도면이다.
도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 아크방전법에 의하여 몰리브덴(Mo)이 증착된 CIGS 화합물계 박막 태양전지의 단면을 나타내는 도면이다.
도 4는 스퍼터링법과 아크 이온플레이팅법에 의하여 형성된 CIGS 화합물계 박막 태양전지의 배면전극층의 압력별 증착율을 나타내는 그래프이다.
도 5는 스퍼터링법과 아크 이온플레이팅법에 의하여 형성된 CIGS 화합물계 박막 태양전지의 배면전극층의 압력별 전도도를 나타내는 그래프이다.1A and 1B are views showing the surface and the cross section of the back electrode layer of the CIGS compound-based thin film solar cell formed by the sputtering method according to the prior art.
1C is a cross-sectional view of a CIGS compound based thin film solar cell in which molybdenum (Mo) is deposited by a sputtering method according to the prior art.
2 is a cross-sectional view showing the structure of a CIGS compound-based thin film solar cell according to an embodiment of the present invention.
3a and 3b are views showing the surface and the cross-section of the back electrode layer of the CIGS compound-based thin film solar cell formed by the arc ion plating method according to an embodiment of the present invention.
3C is a cross-sectional view of a CIGS compound based thin film solar cell in which molybdenum (Mo) is deposited by an arc discharge method according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing the deposition rate for each pressure of the back electrode layer of the CIGS compound-based thin film solar cell formed by the sputtering method and the arc ion plating method.
FIG. 5 is a graph showing pressure-specific conductivity of a back electrode layer of a CIGS compound based thin film solar cell formed by a sputtering method and an arc ion plating method.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, so that those skilled in the art can easily carry out the present invention.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS 화합물계 박막 태양전지의 구조를 나타내는 단면도이고, 도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 이온플레이팅법에 의하여 형성된 CIGS 화합물계 박막 태양전지의 배면전극의 표면 및 단면을 나타내는 도면이며, 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 아크방전법에 의하여 몰리브덴(Mo)이 증착된 CIGS 화합물계 박막 태양전지의 단면을 나타내는 도면이다.2 is a cross-sectional view showing the structure of a CIGS compound-based thin film solar cell according to an embodiment of the present invention, Figures 3a and 3b is a CIGS compound-based thin film solar cell formed by the arc ion plating method according to an embodiment of the present invention 3C is a view showing a cross section of a CIGS compound-based thin film solar cell in which molybdenum (Mo) is deposited by an arc discharge method according to an embodiment of the present invention.

도 2 내지 3c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 CIGS 화합물계 박막 태양전지는 기판(10), 배면 전극층(20), 광흡수층(30), 투명 전극층(40)을 포함할 수 있다.2 to 3C, the CIGS compound-based thin film solar cell according to the exemplary embodiment of the present invention may include a substrate 10, a back electrode layer 20, a light absorption layer 30, and a transparent electrode layer 40. .

기판(10)은 본 CIGS 화합물계 박막 태양전지의 베이스로써, 유리 기판, 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인레스 연성기판, 전주 기술을 통한 Ni-Fe계 연성기판, 고분자 재질로 이루어진 연성기판 등이 사용될 수 있다. 여기서, 유리 기판의 경우, 절연성이 있는 소다회(sodalime)유리가 사용될 수 있다. 이러한 소다회 유리에 함유된 나트륨(Na)은 태양전지의 제조 중에 구리(Cu)-인듐(In)-갈륨(Ga)-셀레늄(Se)의 화합물(이하, 'CIGS 화합물' 라 한다.)로 형성된 광흡수층(30)으로 확산될 수 있다. 이러한 나트륨(Na)의 확산에 의해, CIGS 화합물로 형성된 광흡수층(30)의 전하 농도가 증가될 수 있고, 이를 통하여 태양전지의 광전 변환 효율이 증가될 수 있게 된다. 그러나, 본 발명의 실시예에서는 상기 기판(10)의 종류를 한정하는 것은 아니다.As the base of the CIGS compound-based thin film solar cell, the substrate 10 may be a glass substrate, a ceramic substrate such as alumina, a stainless flexible substrate, a Ni-Fe-based flexible substrate through pole technology, a flexible substrate made of a polymer material, or the like. have. Here, in the case of a glass substrate, insulating soda lime glass may be used. Sodium (Na) contained in such soda ash glass is formed of a compound of copper (Cu)-indium (In)-gallium (Ga)-selenium (Se) (hereinafter referred to as "CIGS compound") during the manufacture of a solar cell. It may be diffused into the light absorbing layer 30. Due to the diffusion of sodium (Na), the charge concentration of the light absorption layer 30 formed of the CIGS compound may be increased, thereby increasing the photoelectric conversion efficiency of the solar cell. However, in the embodiment of the present invention, the type of the substrate 10 is not limited.

상기 배면 전극층(20)은 상기 기판(10) 상에 형성되어 광흡수층(30)에서 생성된 전하가 이동하도록 하여 태양전지의 외부로 전류를 흐르게 할 수 있다. 따라서, 상기 배면 전극층(20)은 이러한 기능을 수행하기 위하여 전기 전도도가 높고 비저항이 작아야 한다. 또한, 상기 배면 전극층(20)은 광흡수층(30)을 형성하는 CIGS 화합물과 접촉되므로, p형 반도체인 CIGS 화합물과 배면 전극층(20) 간에 접촉 저항치가 작은 저항성 접촉(ohmic contact)이 되어야 한다. 또한, 상기 배면 전극층(20)은 CIGS 화합물 형성 시 수반되는 셀레늄(Se)을 포함한 반응 가스 분위기에서 열처리할 때, 고온 안정성이 유지되어야 한다. 또한, 상기 배면 전극층(20)은 열팽창 계수의 차이로 인한 기판(10)으로부터의 박리현상이 발생되지 않도록 기판(10)에의 접착성이 우수하여야 한다.The back electrode layer 20 may be formed on the substrate 10 to allow electric charges generated in the light absorption layer 30 to move to allow current to flow out of the solar cell. Therefore, the back electrode layer 20 should have high electrical conductivity and low specific resistance in order to perform this function. In addition, since the back electrode layer 20 is in contact with the CIGS compound forming the light absorption layer 30, the back electrode layer 20 should be an ohmic contact having a small contact resistance between the CIGS compound, which is a p-type semiconductor, and the back electrode layer 20. In addition, the back electrode layer 20 should be maintained at a high temperature stability when the heat treatment in the reaction gas atmosphere containing selenium (Se) accompanying the formation of the CIGS compound. In addition, the back electrode layer 20 should be excellent in adhesion to the substrate 10 so that peeling from the substrate 10 does not occur due to a difference in thermal expansion coefficient.

이러한 특성을 전반적으로 갖춘 물질로는 몰리브덴(Mo)이 있다. 이러한 몰리브덴을 이용하여 상기 배면전극층(20)을 증착하는 방법으로는 스퍼터링법(sputtering process)이 널리 이용되고 있다. 그러나, 상기 스퍼터링법에 의하여 증착되는 몰리브덴은 3mTorr이하의 낮은 압력에서는 밀착력이 낮고 전도성이 우수하고 10mTorr 이상의 높은 압력에서는 접착성이 우수하나 전도성은 떨어지는 성질을 가지고 있다. 또한, 상기 몰리브덴은 압력의 변화에 따라 전기전도성에 많은 영향을 미치게 되는 성질때문에, 증착공정에 많은 시간이 소요되게 된다. 따라서, 본 발명에서는 상술한 스퍼터링법에 의한 문제점을 해소하기 위하여 상기 기판(10) 상에 상기 몰리브덴을 아크 이온플레이팅법에 의하여 증착한다. 여기서, 상기 아크 이온 플레이팅법(arc ion plating process)은 증발물질인 금속(즉, 몰리브덴)을 음극타겟으로 사용하여 아크방전에 의하여 냉각된 금속을 국부적으로 녹여 동시에 이온화하는 아크방전법으로서, 상기 기판에 음극을 걸어주어 글로우방전(glow discharge)에 의하여 이온화가 촉진되도록 하여 밀착력이 우수한 박막을 얻을 수 있는 방법이다. 한편, 이러한 아크 이온플레이팅법을 수행하는 아크 이온플레이팅 장치는 금속타겟물질에 고전류의 아크를 발생시키고 이와 동시에 용융되어 증발된 입자들을 이온화시키는 타겟과, 타겟에서 반응성 가스와 결합할 수 있는 바이어스 전위가 인가될 수 있는 기판장치로 이루어져 있다. 이때, 상기 기판은 공전과 자전이 가능하도록 설계되어 있다. 또한, 상기 아크 이온 플레이팅법을 이용하여 기판 상에 증착되는 몰리브덴의 두께는 수백 나노미터 이상이 되도록 하는 것이 바람직하다. Molybdenum (Mo) is an overall material having these characteristics. A sputtering process is widely used as a method of depositing the back electrode layer 20 using such molybdenum. However, the molybdenum deposited by the sputtering method has a low adhesion and excellent conductivity at a low pressure of 3mTorr or less and excellent adhesion but a low conductivity at a high pressure of 10mTorr or more. In addition, since the molybdenum has a great effect on the electrical conductivity according to the change in pressure, it takes a lot of time for the deposition process. Therefore, in the present invention, the molybdenum is deposited on the substrate 10 by the arc ion plating method in order to solve the problems caused by the above-mentioned sputtering method. The arc ion plating process is an arc discharge method in which a metal (ie, molybdenum), which is an evaporation material, is used as a cathode target to locally melt and simultaneously ionize a metal cooled by an arc discharge. It is a method to obtain a thin film having excellent adhesion by applying a cathode to the cathode to promote ionization by glow discharge. On the other hand, the arc ion plating apparatus performing such an arc ion plating method generates a high current arc in the metal target material and simultaneously ionizes the molten and evaporated particles, and a bias potential that can be combined with a reactive gas in the target. It consists of a substrate device that can be applied. At this time, the substrate is designed to be able to rotate and rotate. In addition, it is preferable that the thickness of the molybdenum deposited on the substrate by using the arc ion plating method is several hundred nanometers or more.

따라서, 도 3a 내지 3c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 이온 플레이팅법에 의하여 형성된 CIGS 화합물계 태양전지의 배면전극층은 그 단면 미세 구조상의 결정립이 규칙적으로 형성되고, 이에 따라 상기 배면전극층이 기판과의 접착이 고속으로 용이하게 이루어짐을 알 수 있다. Therefore, referring to FIGS. 3A to 3C, in the back electrode layer of the CIGS compound-based solar cell formed by the arc ion plating method according to the exemplary embodiment of the present invention, crystal grains of cross-sectional microstructures are regularly formed, thereby It can be seen that the electrode layer is easily adhered to the substrate at high speed.

상술한 바와 같이, 본 CIGS 화합물계 박막 태양전지는 기판(10) 상에 몰리브덴을 아크 이온플레이팅법을 통하여 증착하여 배면전극층(20)을 형성함으로써, 압력에 따른 전기전도성의 변화가 없도록 할 수 있고, 나아가 세라믹 기판, 스테인레스 연성기판, 전주 기술을 통한 Ni-Fe계 연성기판, 고분자 재질로 이루어진 연성기판 등에 높은 전도성을 가지는 몰리브덴으로 형성된 배면전극층(20)을 증착할 수 있게 된다. 또한, 이러한 배면전극층(20)은 스퍼터링법에 비해 고속으로 증착이 가능하게 되며, 약 10 uΩ-㎝ 이하의 높은 전도성을 갖는 몰리브덴 전극의 제조가 가능하게 된다. 또한, 이렇게 제조된 몰리브덴 전극은 유리 기판을 이용한 인라인 시스템(Inline system) 공정과 롤-투-롤(Roll-to-roll) 공정에 적용이 가능할 것이다.As described above, the CIGS compound-based thin film solar cell is formed by depositing molybdenum on the substrate 10 through an arc ion plating method to form the back electrode layer 20, thereby preventing the electrical conductivity from being changed by pressure. Further, the back electrode layer 20 formed of molybdenum having high conductivity may be deposited on a ceramic substrate, a stainless flexible substrate, a Ni-Fe-based flexible substrate through a pole technology, and a flexible substrate made of a polymer material. In addition, the back electrode layer 20 can be deposited at a higher speed than the sputtering method, and the molybdenum electrode having a high conductivity of about 10 uΩ-cm or less can be manufactured. In addition, the manufactured molybdenum electrode may be applicable to an inline system process using a glass substrate and a roll-to-roll process.

한편, 아크 이온 플레이팅법은 이온화율이 높고, 밀착력 및 증착율이 높은 장점을 가지고 있으나, 높은 증착율에 따른 잔류 압축응력이 박막에 존재하게 될 수 잇다. 따라서, 본 발명에서는 이러한 잔류 압축응력에 따른 영향을 최소화하기 위하여 몰리브덴으로 이루어진 배면전극층(20)을 형성하기 전에 기판(10)과의 접착성을 높일 수 있도록 기판(10) 상에 응력완화층(15)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 응력완화층(15)은 배면전극층(20)과는 다른 이종금속으로 이루어져 있다. 즉, 상기 응력완화층(15)은 티타늄(Ti), 크롬뮴(Cr) 등의 응력을 완화할 수 있는 물질로 구성될 수 있다. 이러한 응력완화층(15)을 통하여 응력을 제어하게 되면, 밀착성이 더욱 향상될 수 있고, 약 10 uΩ-㎝ 이하의 전도도를 가질 수 있게 된다. 그러나, 본 발명에서는 상기 응력완화층(15)의 재질에 대하여 한정하는 것은 아니다. 또한, 상기 기판(10)이 금속 기판일 경우에는 상기 금속기판에 바이어스를 인가하여 더욱 전도도를 낮출 수 있게 된다.On the other hand, the arc ion plating method has the advantages of high ionization rate, high adhesion and deposition rate, but the residual compressive stress due to the high deposition rate may be present in the thin film. Accordingly, in the present invention, in order to minimize the influence of the residual compressive stress, the stress relaxation layer (1) on the substrate 10 may be improved to improve adhesion with the substrate 10 before forming the back electrode layer 20 made of molybdenum. 15) is formed. Here, the stress relaxation layer 15 is made of a dissimilar metal different from the back electrode layer 20. That is, the stress relaxation layer 15 may be made of a material that can alleviate stress such as titanium (Ti), chromium (Cr). When the stress is controlled through the stress relaxation layer 15, the adhesion may be further improved, and the conductivity may be about 10 uΩ-cm or less. However, the present invention is not limited to the material of the stress relaxation layer 15. In addition, when the substrate 10 is a metal substrate, it is possible to further lower the conductivity by applying a bias to the metal substrate.

도시되어 있지는 않지만, 상기 배면 전극층(20) 상에는 보호층이 형성될 수 있다. 보호층은 후술할 광흡수층(30)의 형성 시 사용되는 셀레늄(Se)과 배면 전극층(20)을 형성하는 몰리브덴(Mo) 간의 부반응을 억제한다. 즉, 셀레늄(Se)이 배면 전극층(20)으로 확산되는 것을 방지한다. 또한, 보호층은 광흡수층(30)을 이루는 CIGS와 접촉면에서 포텐셜을 형성하여, 광흡수층(30)에서 생성된 전자(electron) 및 정공(hole)이 수집되는 효율을 증가시킬 수 있다. 이러한 보호층은 실리콘(Si)으로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 보호층을 형성하는 실리콘(Si)은 비정질 실리콘(amorphoussilicone) 또는 다결정 실리콘(poly silicone)일 수 있다. 상기 보호층을 형성하는 실리콘은 3족 원소인 붕소(B), 알루미늄(Al) 등을 도펀트(dopant)로 하여 도핑된다. 이에 의해 보호층은 p-형 반도체의 성질을 갖는다. Although not shown, a protective layer may be formed on the back electrode layer 20. The protective layer suppresses side reactions between selenium (Se) used in forming the light absorption layer 30 to be described later and molybdenum (Mo) forming the back electrode layer 20. That is, the selenium Se is prevented from being diffused into the back electrode layer 20. In addition, the protective layer may form a potential at the contact surface with the CIGS forming the light absorbing layer 30, thereby increasing the efficiency of collecting electrons and holes generated in the light absorbing layer 30. This protective layer may be formed of silicon (Si). Here, the silicon (Si) forming the protective layer may be amorphous silicon (polymorph) or amorphous silicon (amorphoussilicone). The silicon forming the protective layer is doped with boron (B), aluminum (Al), or the like, which are a Group 3 element, as a dopant. As a result, the protective layer has the property of a p-type semiconductor.

상기 광흡수층(30)은 상기 배면 전극층(20) 또는 보호층상에 형성된다. 이러한 광흡수층(30)은 구리(Cu)와, 갈륨(Ga) 및 인듐(In)을 포함하는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질과, 셀레늄(Se)을 포함하는 화합물로 형성된다. 이에 따라, 상기 광흡수층(30)은 구리(Cu)-인듐(In)-갈륨(Ga)-셀레늄(Se)의 사원 화합물, 또는 구리(Cu)-갈륨(Ga)-셀레늄(Se) 및 구리(Cu)-갈륨(Ga)-셀레늄(Se)의 삼원 화합물에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 여기서, 사원 화합물로 형성된 광흡수층(30)은 Cu(GaxIn1-x)Se2의 화학식을 갖는다. 이때, Cu(GaxIn1-x)Se2 화합물의 결정 격자 구조는 인듐(In)의 일부를 갈륨(Ga)이 대체하는 구조를 갖는다. 이러한 CIGS 화합물을 칼코파이라이트(Chalcopyrite)계 화합물이라고 하며, p형 반도체의 성질을 갖는다. 이러한 CIGS 화합물 반도체는 1.0 eV 이상의 밴드갭 에너지, 즉 직접 천이형 밴드갭 에너지를 갖는다. 또한, 광 흡수계수가 1x105㎝-1로 반도체 중에서 가장 높아 수㎛두께의 박막으로도 고효율 태양전지의 제조가 가능하다. 또한, CIGS 화합물은 화학적으로 매우 안정하여, 장기적으로 전기광학적 안정성이 매우 우수하다.The light absorption layer 30 is formed on the back electrode layer 20 or the protective layer. The light absorption layer 30 is formed of at least one material selected from the group consisting of copper (Cu), gallium (Ga), and indium (In), and a compound including selenium (Se). Accordingly, the light absorption layer 30 may be formed of a compound of copper (Cu), indium (In), gallium (Ga), selenium (Se), or copper (Cu), gallium (Ga), selenium (Se), and copper. It may be any one selected from ternary compounds of (Cu) -gallium (Ga) -selenium (Se). Here, the light absorption layer 30 formed of the quaternary compound has a chemical formula of Cu (GaxIn1-x) Se 2 . In this case, the crystal lattice structure of the Cu (GaxIn1-x) Se 2 compound has a structure in which a part of indium (In) is replaced by gallium (Ga). Such a CIGS compound is called a chalcopyrite compound and has a property of a p-type semiconductor. Such CIGS compound semiconductors have a bandgap energy of 1.0 eV or more, that is, a direct transition bandgap energy. In addition, the light absorption coefficient is 1x10 5 cm -1 , which is the highest among semiconductors, and thus a high efficiency solar cell can be manufactured even with a thin film having a thickness of several μm. In addition, the CIGS compound is very chemically stable, and has excellent electro-optic stability in the long term.

한편, 상기 광흡수층(30)은 다원 화합물이기 때문에 제조공정이 매우 까다롭다. 이러한 광흡수층(30)을 형성하기 위한 물리적인 박막 제조 방법으로는 증발법, 스퍼터링 + 셀 렌화, 화학적인 방법으로는 전기도금 등이 있고 각 방법에 있어서도 출발물질(금속, 2원 화합물 등)의 종류에 따라 다양한 제조 방법이 이용될 수 있다.On the other hand, since the light absorption layer 30 is a multi-component compound, the manufacturing process is very difficult. Physical thin film manufacturing methods for forming the light absorption layer 30 include evaporation, sputtering + selenization, electroplating as a chemical method, and also in each of the starting materials (metals, binary compounds, etc.). Various manufacturing methods may be used depending on the kind.

상기 투명 전극층(40)은 광흡수층(30) 상에 형성된다. 상기 투명 전극층(40)은 태양빛이 광흡수층(20)으로 투과될 수 있도록 광 투과율이 높고 투명한 물질로 형성된다. 또한, 상기 투명 전극층(40)은 본 CIGS 화합물계 박막 태양전지의 전면 전극층으로 기능할 수 있도록 저항이 낮은 전도성 물질로 형성된다. 이러한 투명 전극층(40)을 형성하는 물질로는 산화아연(ZnO)이나 산화인듐주석(ITO; Indium Tin Oxide)등이 있다. 산화아연(ZnO)은 전도성 물질로써, 밴드갭 에너지가 3.3eV이고, 약 80 % 이상의 높은 광 투과도를 갖는다. 또한, n-형의 반도체 특성을 갖는다. 따라서, 상기 광흡수층(30)과 상기 투명 전극층(40)은 p-n접합을 이룬다.The transparent electrode layer 40 is formed on the light absorption layer 30. The transparent electrode layer 40 is formed of a transparent material having a high light transmittance so that sunlight can be transmitted to the light absorbing layer 20. In addition, the transparent electrode layer 40 is formed of a conductive material having a low resistance to function as a front electrode layer of the CIGS compound-based thin film solar cell. Examples of the material for forming the transparent electrode layer 40 include zinc oxide (ZnO) and indium tin oxide (ITO). Zinc oxide (ZnO) is a conductive material with a bandgap energy of 3.3 eV and high light transmittance of about 80% or more. It also has n-type semiconductor characteristics. Thus, the light absorption layer 30 and the transparent electrode layer 40 form a p-n junction.

한편, 산화아연(ZnO) 또는 산화인듐주석(ITO; Indium Tin Oxide)의 전기 전도성을 증가시키기 위하여 산화아연(ZnO)에 붕소(B) 또는 알루미늄(Al)을 도핑할 수도 있다. 붕소(B) 또는 알루미늄(Al)이 도핑된 산화아연(ZnO)은 저항치가 10-4Ω㎝이하의 값을 가져 전극으로 사용되기에 적합하다. 특히, 붕소(B)가 도핑된 산화아연(ZnO)은 근적외선 영역의 광 투과도를 증가시켜 태양전지의 단락 전류를 증가시키는 효과가 있다.Meanwhile, in order to increase the electrical conductivity of zinc oxide (ZnO) or indium tin oxide (ITO), boron (B) or aluminum (Al) may be doped into zinc oxide (ZnO). Zinc oxide (ZnO) doped with boron (B) or aluminum (Al) has a resistance of 10 −4 Ωcm or less and is suitable for use as an electrode. In particular, zinc oxide (ZnO) doped with boron (B) increases the light transmittance in the near infrared region, thereby increasing the short circuit current of the solar cell.

도시하지는 않았지만, 상기 투명 전극층(40) 상에 추가적으로 반사 방지막 및 그리드 전극이 형성될 수 있다. 여기서, 상기 투명 전극층(40)상에 반사 방지막을 형성하여, 태양전지에 입사되는 태양광의 반사 손실을 줄일 수 있다. 이에 의해, 태양전지의 효율이 향상될 수 있다. 상기 반사 방지막은 마그네슘 플루오라이드(MgF2)로 형성될 수 있다. Although not shown, an anti-reflection film and a grid electrode may be additionally formed on the transparent electrode layer 40. Here, by forming an anti-reflection film on the transparent electrode layer 40, it is possible to reduce the reflection loss of the sunlight incident on the solar cell. Thereby, the efficiency of the solar cell can be improved. The anti-reflection film may be formed of magnesium fluoride (MgF 2 ).

또한, 상기 그리드 전극은 태양 전지 표면에서의 전류를 수집하는 기능을 수행하며, 알루미늄(Al) 또는 니켈/알루미늄(Ni/Al)으로 형성된다. 이러한 그리드 전극은 상기 반사 방지막의 패터닝된 영역에 형성된다. 이와 같은 구조를 갖는 CIGS 화합물계 박막 태양 전지에 태양광이 입사되면 p형 반도체막인 광흡수층(30)과 n형 반도체막인 투명전극층(40) 사이에서 전자-정공 쌍이 생성되고, 그 생성된 전자는 상기 투명전극층(40)으로 모이게 되며, 그 생성된 정공은 상기 광흡수층(30)으로 모이게 되어, 광기전력(photovoltage)이 발생한다. In addition, the grid electrode performs a function of collecting current on the surface of the solar cell, and is formed of aluminum (Al) or nickel / aluminum (Ni / Al). This grid electrode is formed in the patterned area of the anti-reflection film. When sunlight is incident on a CIGS compound-based thin film solar cell having such a structure, electron-hole pairs are generated between the light absorption layer 30, which is a p-type semiconductor film, and the transparent electrode layer 40, which is an n-type semiconductor film. Electrons are collected in the transparent electrode layer 40, and the generated holes are collected in the light absorbing layer 30, thereby generating photovoltage.

이 상태에서, 상기 기판(10)과 그리드 전극에 전기 부하를 연결하면, 전류가 흐르게 된다.
In this state, when the electrical load is connected to the substrate 10 and the grid electrode, current flows.

도 4는 스퍼터링법과 아크 이온플레이팅법에 의하여 형성된 CIGS 화합물계 박막 태양전지의 배면전극층의 압력별 증착율을 나타내는 그래프이고, 도 5는 스퍼터링법과 아크 이온플레이팅법에 의하여 형성된 CIGS 화합물계 박막 태양전지의 배면전극층의 압력별 전도도를 나타내는 그래프이다.4 is a graph showing deposition rates of pressures of the back electrode layers of the CIGS compound thin film solar cells formed by the sputtering method and the arc ion plating method, and FIG. 5 is a back surface of the CIGS compound thin film solar cells formed by the sputtering method and the arc ion plating method. It is a graph which shows the conductivity by pressure of an electrode layer.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 2가지 조건(100A/100A, -30V)하에 아크 이온플레이팅법에 의하여 형성된 CIGS 화합물계 태양전지의 배면전극층의 압력별 증착율은 3가지 조건(500W, 1000W, 1500W)하에서 스퍼터링법(SP)에 의하여 형성된 CIGS 화합물계 박막 태양전지의 배면전극의 압력별 증착율보다 높게 나타남을 알 수 있다.Referring to FIG. 4, the deposition rate for each pressure of the back electrode layer of the CIGS compound-based solar cell formed by the arc ion plating method under two conditions (100A / 100A, -30V) according to an embodiment of the present invention is based on three conditions ( It can be seen that the deposition rate for each pressure of the back electrode of the CIGS compound-based thin film solar cell formed by the sputtering method (SP) under 500W, 1000W, 1500W).

이와는 반대로, 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 2가지 조건(100A/100A, -30V)하에 아크 이온플레이팅법에 의하여 형성된 CIGS 화합물계 박막 태양전지의 배면전극층의 압력별 전도도는 3가지 조건(500W, 1000W, 1500W)하에서 스퍼터링법(SP)에 의하여 형성된 CIGS 화합물계 박막 태양전지의 배면전극의 압력별 증착율보다 낮게 나타남을 알 수 있다.On the contrary, referring to FIG. 5, the pressure-specific conductivity of the back electrode layer of the CIGS compound based thin film solar cell formed by the arc ion plating method under two conditions (100A / 100A, -30V) according to an embodiment of the present invention is Under three conditions (500W, 1000W, 1500W) it can be seen that the lower the deposition rate for each pressure of the back electrode of the CIGS compound-based thin film solar cell formed by the sputtering method (SP).

따라서, 본 발명에서는, CIGS 화합물계 박막 태양전지의 배면전극을 기판 상에 아크 이온 플레이팅법을 이용하여 증착하고 있기 때문에, 기존의 스퍼터링에 의한 증착보다 상대적으로 고속 증착이 가능하게 되고, 높은 전도성을 가지는 몰리브덴을 사용하여 전도성과 밀착성을 향상시킬 수 있게 된다.
Therefore, in the present invention, since the back electrode of the CIGS compound-based thin film solar cell is deposited on the substrate by using the arc ion plating method, it is possible to deposit at a higher speed than the conventional deposition by sputtering, and to achieve high conductivity. Eggplants can use molybdenum to improve conductivity and adhesion.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 CIGS 화합물계 박막 태양전지를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
What has been described above is just one embodiment for carrying out the CIGS compound-based thin film solar cell according to the present invention, the present invention is not limited to the above-described embodiment, as claimed in the following claims Without departing from the gist of the present invention, those skilled in the art to which the present invention pertains to the technical spirit of the present invention to the extent that various modifications can be made.

10: 기판 15: 응력완화층
20: 배면전극층 30: 광흡수층
40: 투명전극층10: substrate 15: stress relaxation layer
20: back electrode layer 30: light absorption layer
40: transparent electrode layer

Claims (8)

기판;
상기 기판 상에 형성되는 배면전극층;
상기 배면전극층 상에 형성되는 광흡수층; 및
상기 광흡수층 상에 형성되는 전면전극층을 포함하고,
상기 배면전극층은 상기 기판 상에 아크 이온 플레이팅법에 의하여 증착되는 몰리브덴(Mo)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 CIGS 화합물계 박막 태양전지.
Board;
A back electrode layer formed on the substrate;
A light absorption layer formed on the rear electrode layer; And
A front electrode layer formed on the light absorption layer;
And the back electrode layer is formed of molybdenum (Mo) deposited on the substrate by an arc ion plating method.
제1항에 있어서,
상기 기판과 상기 배면전극층 사이에 형성되는 응력완화층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CIGS 화합물계 박막 태양전지.
The method of claim 1,
CIGS compound-based thin film solar cell further comprises a stress relaxation layer formed between the substrate and the back electrode layer.
제1항에 있어서,
상기 기판은 유리 기판, 세라믹 기판, 스테인레스 연성기판, Ni-Fe계 연성기판, 고분자 재질로 이루어진 연성기판 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 CIGS 화합물계 박막 태양전지.
The method of claim 1,
The substrate is a CIGS compound-based thin film solar cell, characterized in that any one of a glass substrate, a ceramic substrate, a stainless flexible substrate, a Ni-Fe-based flexible substrate, a flexible substrate made of a polymer material.
제2항에 있어서,
상기 응력완화층은 티타늄(Ti) 또는 크롬뮴(Cr)을 포함하는 것을 특징으로 하는 CIGS 화합물계 박막 태양전지.
The method of claim 2,
The stress relaxation layer is a CIGS compound-based thin film solar cell, characterized in that containing titanium (Ti) or chromium (Cr).
기판, 배면전극층, 광흡수층 및 전면전극이 순차적으로 형성된 CIGS계 화합물 태양전지를 제조하는 방법에 있어서,
상기 배면전극층은 상기 기판 상에 몰리브덴(Mo)이 아크 이온 플레이팅법에 의하여 증착되는 것을 특징으로 하는 CIGS 화합물계 박막 태양전지의 제조방법.
In the method for manufacturing a CIGS-based compound solar cell having a substrate, a back electrode layer, a light absorption layer and a front electrode sequentially,
The back electrode layer is a method of manufacturing a CIGS compound-based thin film solar cell, characterized in that the molybdenum (Mo) is deposited on the substrate by an arc ion plating method.
제5항에 있어서,
상기 기판은 유리 기판, 세라믹 기판, 스테인레스 연성기판, Ni-Fe계 연성기판, 고분자 재질로 이루어진 연성기판 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 CIGS 화합물계 박막 태양전지의 제조방법.
The method of claim 5,
The substrate is a method of manufacturing a CIGS compound-based thin film solar cell, characterized in that any one of a glass substrate, a ceramic substrate, a stainless flexible substrate, a Ni-Fe-based flexible substrate, a flexible substrate made of a polymer material.
제5항에 있어서,
상기 배면전극층을 형성하기에 앞서 상기 기판 상에 응력완화층을 형성하는 것을 특징으로 하는 CIGS 화합물계 박막 태양전지의 제조방법.
The method of claim 5,
A method of manufacturing a CIGS compound-based thin film solar cell, wherein a stress relaxation layer is formed on the substrate before the back electrode layer is formed.
제7항에 있어서,
상기 응력완화층은 티타늄(Ti) 또는 크롬뮴(Cr)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 CIGS 화합물계 박막 태양전지의 제조방법.The method of claim 7, wherein
The stress relaxation layer is a method of manufacturing a CIGS compound-based thin film solar cell, characterized in that formed of titanium (Ti) or chromium (Cr).
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