KR20120136918A - 다층 금속 확산방지막을 포함하는 태양전지 기판 및 이를 이용한 태양전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 불순물의 확산을 효과적으로 억제할 수 있는 태양전지 기판과 이를 이용한 태양전지를 제공에 관한 것으로서,
하부기판 및 상기 하부기판 상부에 형성되는 하부전극을 포함하고,
상기 하부기판과 하부전극 사이에 적어도 2이상의 금속층으로 이루어지고, 서로 접하는 금속층은 이종의 금속인 다층 금속 확산방지막을 포함하는 태양전지 기판과 이를 이용한 태양전지를 제공한다.

Description

다층 금속 확산방지막을 포함하는 태양전지 기판 및 이를 이용한 태양전지{SOLAR CELL SUBSTRATE HAVING MULTI-LAYER METAL BARRIER LAYER AND SOLAR CELL USING THE SAME}
본 발명은 태양전지 기판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 CI(G)S 태양전지의 하부기판 및 하부전극 사이에 우수한 확산 방지 효과를 갖는 확산방지막을 포함하는 태양전지 기판과 이를 이용한 CI(G)S 태양전지에 관한 것이다.
지구의 온난화, 연료 자원의 고갈, 환경오염 등의 영향으로 화석연료를 사용하여 에너지를 채취하는 전통적인 에너지 채취 방법은 서서히 한계에 달하고 있다. 특히, 석유 연료의 경우에는 예측자마다 약간씩 상이하기는 하지만, 그리 멀지 않은 시간내에 바닥을 드러낼 것이라는 전망이 우세하다.
뿐만 아니라, 교토 의정서로 대표되는 에너지 기후 협약에 따르면, 화석 연료의 연소에 따라 생성되는 이산화탄소의 배출을 감소시킬 것을 강제적으로 요구하고 있다. 따라서, 현재의 체약국은 물론이며 향후에는 전세계 각국에 그 효력이 미쳐서 화석연료의 연간 사용량에 제약을 받을 것은 불을 보듯이 명확하다.
화석연료에 대체하기 위하여 사용되는 가장 대표적인 에너지 원으로서는, 원자력 발전을 들 수 있다. 원자력 발전은 원료가 되는 우라늄이나 플루토늄 단위 중량당 채취 가능한 에너지의 양이 크고, 이산화탄소 등의 온실가스를 발생시키지 않으므로, 상기 석유 등의 화석연료를 대체할 수 있는 유력한 무한에 가까운 대체 에너지원으로 각광 받아왔다.
그러나, 구소련 체르노빌 원자력 발전소나, 동일본 대지진에 의한 일본 후쿠시마 원자력 발전소 등의 폭발 사고는 무한의 청정 에너지원으로 간주되어 왔던 원자력의 안전성을 다시 검토하게 하는 계기가 되었으며, 그 결과 원자력이 아닌 또다른 대체 에너지의 도입이 어느 때보다도 절실히 요망되고 있다.
그 밖의 대체 에너지로서 많이 사용되고 있는 에너지 원으로서는 수력 발전을 들 수 있으나, 상기 수력 발전은 지형적인 인자와 기후적인 인자에 의해 많이 영향받기 때문에 그 사용이 제한적일 수 밖에 없다. 또한, 기타의 대체 에너지원들 역시 발전양이 적거나 또는 사용 지역이 크게 제한되는 등의 이유로 화석연료의 대체수단으로까지는 사용되기 어렵다.
그러나, 태양 전지는 적당한 일조량만 보장된다면 어디서나 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 발전용량과 설비규모가 거의 직선적으로 비례하기 때문에, 가정용과 같은 소용량 수요로 사용할 경우에는 건물 옥상 등에 작은 면적으로 전지판을 설치함으로써 발전이 가능하다는 잇점이 있어, 세계적으로 그 이용이 증가되고 있을 뿐만 아니라, 그와 관련된 연구 역시 증가하고 있다.
태양전지는 반도체의 원리를 이용한 것으로서, p-n 접합된 반도체에 일정 수준 이상의 에너지를 갖춘 빛을 조사하면 상기 반도체의 가전자가 자유롭게 이동될 수 있는 가전자로 여기되어 전자와 정공의 쌍(EHP : electron hole pair)이 생성된다. 생성된 전자와 정공은 서로 반대쪽에 위치하는 전극으로 이동하여 기전력을 발생시키게 된다.
상기 태양전지의 가장 최초 형태는 실리콘 기판에 불순물(B)을 도핑하여 p형 반도체를 형성시킨 다음 그 위에 또다른 불순물(P)을 도핑시켜 층의 일부를 n형 반도체화 함으로써 p-n 접합이 이루어지도록 한 실리콘계 태양전지로서 1세대 태양전지로 많이 불린다.
상기 실리콘계 태양전지는 비교적 높은 에너지 전환효율과 셀 전환효율(실험실 최고의 에너지 전환효율에 대한 양산시 전환효율의 비율)이 높기 때문에, 가장 상용화 정도가 높다. 그러나, 상기 실리콘계 태양전지 모듈을 제조하기 위해서는 우선 소재로부터 잉곳을 제조하고 상기 잉곳을 웨이퍼화한 후 셀을 제조하고 모듈화한다고 하는 다소 복잡한 공정단계를 거쳐야 할 뿐만 아니라, 벌크 재질의 재료를 사용하기 때문에, 재료소비가 증가하여 제조비용이 높다는 문제가 있다.
이러한 실리콘계 태양전지의 단점을 해결하기 위하여, 2세대 태양전지로 불리우는 소위 박막형 태양전지가 제안되게 되었다. 박막형 태양전지는 상술한 과정으로 태양전지를 제조하는 것이 아니라, 기판 위에 순차적으로 필요한 박막층을 적층하는 형태로 제조하기 때문에, 그 과정이 단순하며, 두께가 얇아 재료비용이 저렴하다는 장점을 가진다.
그러나, 많은 경우 아직까지는 상기 실리콘계 태양전지와 비교할 때 에너지 전환효율이 높지 않아 상용화에 많은 걸림돌이 되고 있으나, 일부 높은 에너지 전환효율을 가진 태양전지가 개발되어 상용화 추진 중에 있다.
그 중 하나로서 CI(G)S계 태양전지를 들 수 있는데, 상기 태양전지는 구리(Cu), 인듐(In), 게르마늄(Ge)(게르마늄은 포함되지 않을 수 있음. 게르마늄이 포함되지 않을 경우에는 CIS로 불림), 셀레늄(Se)을 포함하는 CI(G)S 화합물 반도체를 기본으로 한 것이다.
상기 반도체는 3 또는 4가지 원소를 포함하고 있기 때문에 원소의 함량을 조절함으로써 밴드갭의 폭을 제어할 수 있어 에너지 변환효율을 상승시킬 수 있다는 장점을 가진다. 간혹 셀레늄(Se)을 황(S)으로 대체하거나 셀레늄(Se)을 황(S)과 함께 사용하는 경우도 있다. 본 발명에서는 이러한 경우 모두 CI(G)S 태양전지로 간주한다.
CIGS(게르마늄이 포함된 경우) 태양전지는 최하층에 하부기판이 존재하며, 상기 하부기판 위에 전극으로 사용되는 하부전극이 형성된다. 상기 하부기판과 하부전극을 포함하여 통상 태양전지 기판으로 칭한다. 상기 하부전극 위에는 p형 반도체로서 광흡수층(CIGS)과 n형 반도체로서 버퍼층(예를 들면 CdS), 투명창, 상부 전극이 순차적으로 형성된다.
한편, 상기 하부기판으로는 유리가 많이 사용되었다. 상기 유리내에는 Na이 포함되어 있고, 이러한 Na은 CIGS 층으로 확산되어 태양전지의 개방전압과 충실도를 높이는 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 그러나, 상기 적절한 양의 Na은 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있으나, 과도한 확산의 경우에는 오히려 태양전지의 효율을 저하시키는 문제가 있다.
최근에, 고가이고 대량 생산이 적지 않으며, 정형화된 형태로만 사용될 수 있는 유리 기판 대신에 유연성 기판을 사용하고자 하는 시도가 다수 이루어졌다. 유연성 기판은 유리에 비해서는 저렴하며, 롤 투 롤(Roll to Roll) 방식으로 태양전지를 제조할 수 있으며, 여러가지 형태로 가공할 수 있기 때문에 건물 일체형 모듈(BIPV) 뿐만 아니라 항공 우주용 등의 다양한 용도로 사용될 수 있다. 상기 유연성 기판으로는 스테인레스강, 알루미늄 호일, 폴리이미드 필름와 같은 금속판이나 플라스틱 계열의 기판이 많이 사용된다. 이러한, 유연성 기판의 경우에는 Fe를 비롯한 많은 불순물이 포함되어, 이러한 불순물이 하부전극이나 CIGS 층으로 확산되어 태양전지의 효율을 떨어뜨리는 문제를 일으키고 있다.
유리 기판을 사용하는 경우에 Na의 과도한 확산을 억제하고, 유연성 기판의 불순물 확산을 억제하기 위해서, 종래에는 단일층으로 이루어진 확산방지막을 형성하는 기술을 적용해 왔다.
그러나, 태양전지의 박막화, 경량화 등의 요구에 따라, 상기 확산방지막이 두께가 매우 얇아지게 되면서, 상기 단일층으로 이루어진 확산방지막의 경우에는 효과적인 확산 방지 효과를 확보할 수 없는 문제가 새롭게 발생하게 되었다.
본 발명의 일측면은 태양전지의 하부기판 및 하부전극 사이에 형성되며, 금속 다층 구조를 갖는 확산방지막을 형성하여 불순물의 확산을 효과적으로 억제할 수 있는 태양전지 기판과 이를 이용한 태양전지를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은 하부기판 및 상기 하부기판 상부에 형성되는 하부전극을 포함하고,
상기 하부기판과 하부전극 사이에 적어도 2이상의 금속층으로 이루어지고, 서로 접하는 금속층은 이종의 금속인 다층 금속 확산방지막을 포함하는 태양전지 기판을 제공한다.
또한, 본 발명은 하부기판과, 상기 하부기판 상에 형성되며 적어도 2이상의 금속층으로 이루어지고, 서로 접하는 금속층은 이종의 금속인 다층 금속 확산방지막 및 하부전극을 포함하는 태양전지 기판;
상기 태양전지 기판상에 형성된 p형 광흡수층;
상기 광흡수층 위에 형성된 n형 버퍼층;
상기 버퍼층 위에 형성된 투명창; 및
상기 투명창 위에 형성된 상부전극을 포함하는 태양전지를 제공한다.
본 발명에 의하면, 하부기판에 포함된 Na, Fe 등의 불순물이 확산되는 것을 효과적으로 억제할 수 있다. 특히, 2층 이상의 다층으로 형성된 확산방지막은 다층간의 계면에 의해 동일한 두께의 단일층보다 우수한 확산 방지 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명 태양전지 기판의 일예를 나타낸 단면도임.
도 2는 본 발명 태양전지 기판의 또다른 일예를 나타낸 단면도임.
도 3은 본 발명의 태양전지의 일예의 일부를 나타낸 단면도임.
도 4는 실시예에서 비교예의 성분 분석 그래프임
도 5는 실시예에서 발명예의 성분 분석 그래프임.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 태양전지 기판은 하부기판 및 상기 하부기판 상부에 형성되는 하부전극을 포함하고, 상기 하부기판과 하부전극 사이에 적어도 2이상의 금속층으로 이루어지고, 서로 접하는 금속층은 이종의 금속인 다층 금속 확산방지막을 포함한다. 본 발명에서 상기 태양전지 기판은 하부기판과 구별되는 것으로서, 하부기판 뿐만 아니라, 확산방지막과 하부전극을 포함하는 것이다.
상기 다층 금속 확산방지막은 태양전지의 하부기판 및 하부전극 사이에 형성되고, 2이상의 금속층으로 이루어지는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 3개의 금속층으로 이루어진다.
본 발명의 태양전지 기판에서 확산방지막을 2이상의 금속층으로 형성하는 것은 Na, Fe 등의 불순물이 확산되는 것을 방지하며, 특히, 상기 2이상의 금속층 계면에 의해 상기 불순물의 확산 억제 효과를 극대화하기 위한 것이다.
즉, 상기와 같이 2이상의 금속층으로 형성된 다층 금속 확산방지막은 이종 물질 사이에 형성되는 계면에서 Na, Fe 등의 불순물이 확산하는데 장벽으로 작용한다. 다시 말해, 동일한 금속층 속에서 확산하던 상기 불순물은 새로운 금속층을 만나게 되면, 기존 금속층과의 확산 거동 차이에 의해 확산의 장벽을 느끼게 된다. 이와 같은 계면 효과 또는 장벽 효과에 의해 다층 구조의 확산방지막은 불순물의 확산을 억제하는 효과를 극대화 할 수 있다.
또한, 상기 금속층 계면에 의한 확산방지 효과를 통해, 단일층과 동일한 두께로 확산방지막을 형성하더라도, 단일층에 비해 월등히 우수한 확산 방지 효과를 확보할 수 있다. 가령, 150㎚의 단일층으로 이루어진 확산방지막과, 50㎚로 3개의 층으로 이루어지니 다층의 확산방지막을 비교하면, 다층의 확산방지막은 단일층으로 이루어진 확산방지막보다 2개 이상의 계면을 더 보유하고 있기 때문에 동일한 두께에서도 보다 우수한 확산 방지 효과를 가질 수 있다.
상기 2이상의 금속층은 서로 접하는 금속층간에는 서로 다른 물질로 이루어진 것이 바람직하며, 상기 2이상의 금속층은 서로 다른 금속 물질로 이루어진 것이 보다 바람직하다.
상기 금속층은 Cr, Ni, Ti, Mo 등의 금속을 적용할 수 있다.
상기 다층 금속 확산방지막은 전체 두께가 100~500㎚인 것이 바람직하다. 확산방지막으로서의 역할을 확보하기 위해서는 100㎚ 이상의 두께를 확보하는 것이 바람직하며, 500㎚를 초과하면 두께에 비해 확산방지 효과의 상승을 기대하기 어려우므로 500㎚는 넘지 않는 것이 바람직하다.
한편, 상기 다층 금속 확산방지막을 이루는 각 금속층의 두께는 특별히 한정하는 것은 아니나, 이종금속으로서 확산방지를 위한 상기 계면 효과를 확보하기 위해서는 최소 10㎚의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
상기 확산방지막을 이루는 금속층을 형성하는 방법은 본 발명에서 특별히 한정하는 것은 아니며, 스퍼터링(sputtering)법, 증착(evaporation)법, 금속 전기도금 등 다양한 방법이 적용될 수 있다.
이하, 도 1 및 2를 참조하여, 본 발명 태양전지 기판의 실시형태에 대하여 상세히 설명한다. 상기 도 1 및 2는 본 발명의 일예를 나타낸 것일 뿐, 이에 반드시 한정되는 것은 아니다.
도 1은 하부기판(10)과 하부전극(30)사이에 총 3개의 금속층(21, 22, 23)으로 형성된 다층 금속 확산방지막(20)이 포함된 태양전지 기판의 단면을 나타낸 도면이다. 도 1에서는 확산방지막을 형성하는 각각의 금속층(21, 22, 23)이 서로 다른 물질로 형성되어 있음을 나타낸다. 가령 제1금속층(21)이 Cr이면, 제2금속층(22)은 Ni, 제3금속층(23)은 Ti로 형성되어 다층 금속 확산방지막이 서로 다른 금속 물질로 이루어진 것을 나타낸다.
도 2는 도 1과 마찬가지로, 하부기판(10)과 하부전극(30)사이에 총 3개의 금속층으로 형성된 다층 금속 확산방지막(20)이 포함된 태양전지 기판의 단면을 나타낸 도면이다. 도 1과의 차이는 제1금속층(21)과 제2금속층(22)이 서로 다른 물질이나, 제1층(21)과 제3금속층(21')은 서로 같은 물질로 이루어진 것을 나타낸다. 예를 들면, 제1금속층(21)이 Ni이고 제2금속층(22)이 Ti이면, 제3금속층(21')이 제1금속층과 같은 Ni인 샌드위치 형태의 다층 금속 확산방지막이 형성되어 있는 태양전지 기판을 나타낸다.
이하, 본 발명의 태양전지에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 태양전지는 상기 다층 금속 확산방지막을 포함하는 태양전지 기판을 포함한다.
즉, 본 발명은 하부기판과, 상기 하부기판 상에 형성되며 적어도 2이상의 금속층으로 이루어지고, 서로 접하는 금속층은 이종의 금속인 다층 금속 확산방지막 및 하부전극을 포함하는 태양전지 기판; 상기 태양전지 기판상에 형성된 p형 광흡수층; 상기 광흡수층 위에 형성된 n형 버퍼층; 상기 버퍼층 위에 형성된 투명창; 및 상기 투명창 위에 형성된 상부전극을 포함한다.
구현하고자 하는 태양전지의 종류에 따라, 상기 광흡수층, 버퍼층 등의 재질이 달라질 수 있다. 일예로서, CIGS 태양전지는 광흡수층으로서 CIGS를, n형 반도체로서 버퍼층은 CdS, 투명창은 ZnO로 이루어진다.
한편, 상기 하부기판의 재질은 유리 뿐만 아니라, 유연성 기판도 적용된다. 상기 유연성 기판이라 함은 금속재질(스테인레스, 알루미늄 호일, Fe-Ni계 금속판, Fe-Cu계 금속판 등)이나, 폴리이미드와 같은 플라스틱 계열 등을 모두 포함한다.
상기 다층 금속 확산방지막을 이루는 금속층의 재질로는 Cr, Ni, Ti 등이 사용될 수 있다.
이하, 본 발명 태양전지 일예의 일부를 도 3에 나타내었다. 상기 도 3은 본 발명의 일예를 나타낸 것일 뿐, 이에 반드시 한정되는 것은 아니다. 도 3은 하부 기판(10) 위에 상기 도 1의 다층 금속 확산방지막(20)이 형성되고, 상기 다층 금속 확산방지막(20) 위에 하부전극(30)이 형성되고, 상기 하부전극(30) 위에 광흡수층(40)이 형성되어 있는 태양전지의 일부를 나타낸다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 위한 것으로, 이에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
(실시예)
다층 금속 확산방지막을 갖는 태양전지 기판의 확산방지 효과를 확인하기 위해서, 스테인레스 스틸(STS 430)을 하부기판으로 하여, 상기 스테인레스 스틸 하부기판상에 Cr을 100㎚로 증착하여 확산방지막을 형성하였다(비교예). 또한, 상기와 동일한 조건상의 스테인레스 스틸 하부기판상에 Mo를 10㎚로 증착하고, 다시 그 위해 Cr을 100㎚로 증착하여, Mo/Cr의 2층 금속 확산방지막을 형성하였다(발명예).
상기 증착은 스퍼터링 방법으로 행하고, 7mTorr의 압력과 Ar 10sccm 유량하에서 1200W의 파위를 인가하여 증착하였다.
상기와 같이 제조된, 비교예와 발명예를 연료전지의 작동 조건과 유사한 상태인 600℃에서, 20분간 열처리하여 상기 스테인레스 스틸 하부기판상의 Fe가 어느 정도 확산되어 있는지 관찰하여 상기 비교예와 발명예의 확산방지 효과를 관찰하여, 그 결과를 각각 도 4 및 도 5에 나타내었다.
도 4는 상기 비교예의 확산방지막의 표면에서부터 깊이방향으로의 원자의 농도를 관찰한 그래프로서, 표면에서의 Fe 농도는 약 3*102 cps 이고, 60㎚ 깊이에서는 약 1.5*104 cps임을 확인할 수 있었으나, 상기 발명예를 관찰한 도 5에서는 표면에서의 Fe 농도는 약 6*101 cps이고, 60㎚ 깊이에서는 약 3*103 cps로 상기 비교예에 비해 약 50% 이상의 확산방지 개선효과가 있음을 확인할 수 있었다.
이를 통해, 본 발명에서와 같이, 2이상의 금속층을 형성하여 제조된 다층 금속 확산방지막을 포함하는 태양전지 기판은 종래의 단일층 금속으로 이루어진 확산방지막을 포함하는 태양전지 기판에 비해, 우수한 확산방지효과를 갖는 것을 확인할 수 있다.
10.....하부기판 20.....다층 금속 확산방지막
21, 21', 22, 23.....확산방지막 금속층
30.....하부전극
40.....광흡수층

Claims (9)

  1. 하부기판 및 상기 하부기판 상부에 형성되는 하부전극을 포함하고,
    상기 하부기판과 하부전극 사이에 적어도 2이상의 금속층으로 이루어지고, 서로 접하는 금속층은 이종의 금속인 다층 금속 확산방지막을 포함하는 태양전지 기판.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 2이상의 금속층은 서로 다른 금속물질로 이루어진 다층 금속 확산방지막을 포함하는 태양전지 기판.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속은 Cr, Ti, Ni, Mo 중 어느 하나인 다층 금속 확산방지막을 포함하는 태양전지 기판.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 다층 금속 확산방지막은 100~500㎚의 두께를 갖고, 각 금속층의 두께는 10㎚ 이상인 다층 금속 확산방지막을 포함하는 태양전지 기판.
  5. 하부기판과, 상기 하부기판 상에 형성되며 적어도 2이상의 금속층으로 이루어지고, 서로 접하는 금속층은 이종의 금속인 다층 금속 확산방지막 및 하부전극을 포함하는 태양전지 기판;
    상기 태양전지 기판상에 형성된 p형 광흡수층;
    상기 광흡수층 위에 형성된 n형 버퍼층;
    상기 버퍼층 위에 형성된 투명창; 및
    상기 투명창 위에 형성된 상부전극
    을 포함하는 태양전지.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 2이상의 금속층은 서로 다른 금속물질로 이루어진 태양전지.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 금속은 Cr, Ti, Ni 및 Mo 중 어느 하나인 태양전지
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 하부기판은 유리, 스테인레스, 알루미늄 호일, Fe-Ni계 금속, Fe-Cu계 금속, 폴리이미드로 이루어진 그룹에서 선택된 1종인 태양전지.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 광흡수층은 CIGS이고, n형 반도체로서 버퍼층은 CdS이고, 투명창은 ZnO인 태양전지.
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