KR20130074700A - Solar cell apparatus and method of fabricating the same - Google Patents
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Abstract
Description
실시예는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.An embodiment relates to a solar cell and a manufacturing method thereof.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지면서, 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생산하는 태양전지가 주목받고 있다.Recently, as energy resources such as petroleum and coal are expected to be depleted, interest in alternative energy to replace them is increasing, and solar cells that produce electric energy from solar energy are attracting attention.
태양전지(Solar Cell 또는 Photovoltaic Cell)는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광발전의 핵심소자이다.Solar cells (Solar Cells or Photovoltaic Cells) are the key elements of photovoltaic power generation that convert sunlight directly into electricity.
예로서 반도체의 pn접합으로 만든 태양전지에 반도체의 금지대폭(Eg: Band-gap Energy)보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되는데, 이들 전자-정공이 pn 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 됨에 따라 pn간에 기전력(광기전력: Photovoltage)이 발생하게 된다. 이때 양단의 전극에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 되는 것이 동작원리이다.For example, when solar light having energy greater than the band-gap energy (Eg) is incident on a solar cell made of a pn junction of a semiconductor, electron-hole pairs are generated, and these electron-holes are formed in an electric field formed at a pn junction. As a result, electrons are gathered into the n-layer and holes are gathered into the p-layer, whereby electromotive force (photovoltage) is generated between pn. At this time, when the load is connected to the electrodes at both ends, current flows.
본 발명은 전기화학적으로 금속을 침착시키는 전착(Electro Deposition)에 관한 것으로 용액 중에 전극판을 배치하여 직류 전압을 가하여 물질을 전극면에 부착시키는 기술에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to electrodeposition for depositing metal electrochemically, and to a technique for attaching a substance to an electrode surface by applying a direct current voltage by placing an electrode plate in a solution.
종래 전착의 공법으로 CIGS를 증착하게 되면, Cu/Ⅲ의 비(ratio)가 0.9에 가까워 질수록 그레인(Grain)은 우수하나 광 흡수층으로 동작하는 CIGS 막과 후면전극층과의 필링오프(peeling off) 현상이 쉽게 발생하게 된다.When CIGS is deposited by a conventional electrodeposition method, the closer the Cu / III ratio is to 0.9, the better the grain, but the peeling off between the CIGS film and the back electrode layer acting as a light absorbing layer. The phenomenon easily occurs.
이를 방지하기 위해 Cu의 비율을 감소시켜 CIGS를 증착할 수 있으나, 이 경우에는 광-전 변환 효율이 감소하게 되고, 그레인의 크기가 감소함으로써 필팩터(fill factor)가 낮아지는 문제점이 발생한다.In order to prevent this, CIGS may be deposited by reducing the ratio of Cu, but in this case, photo-electric conversion efficiency is reduced, and the size of grain is reduced, resulting in a problem of low fill factor.
발명의 실시예에 따르면 Cu/Ⅲ의 비를 0.9에 근접하도록 전착하여 그레인의 크기를 향상시켜 광-전 변환 효율이 향상될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the ratio of Cu / III is electrodeposited to approach 0.9, thereby improving the size of grain, thereby improving photoelectric conversion efficiency.
발명의 실시예에 따른 태양전지는 광 흡수층: 및, 상기 광 흡수층의 일면에 형성되는 버퍼층;을 포함하고, 상기 광 흡수층은 구리 및 3족 원소를 포함하고, 상기 구리 및 3족 원소의 성분비는 0.8 내지 1의 값을 갖도록 형성된다.A solar cell according to an embodiment of the present invention includes a light absorbing layer: and a buffer layer formed on one surface of the light absorbing layer, wherein the light absorbing layer includes copper and group 3 elements, and the component ratio of the copper and group 3 elements is It is formed to have a value of 0.8 to 1.
발명의 실시예에 따르면 Cu/Ⅲ의 비를 0.9에 근접하도록 전착하여 그레인의 크기를 향상시켜 광-전 변환 효율이 향상될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the ratio of Cu / III is electrodeposited to approach 0.9, thereby improving the size of grain, thereby improving photoelectric conversion efficiency.
도 1은 발명의 실시예에 따른 제1 전극층 상에 전착액을 전착시켜 전착막을 형성하는 방법을 도시한 단면도이다.
도 2 내지 도 4는 실시예에 따른 태양전지 셀을 제조하는 과정을 도시한 도면들이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 태양전지 셀을 도시한 도면이다.1 is a cross-sectional view illustrating a method of forming an electrodeposition film by electrodepositing an electrodeposition liquid on a first electrode layer according to an embodiment of the present invention.
2 to 4 are views illustrating a process of manufacturing a solar cell according to the embodiment.
5 is a diagram illustrating a solar cell according to another embodiment.
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.
In the description of the embodiments, where each substrate, layer, film, or electrode is described as being formed "on" or "under" of each substrate, layer, film, or electrode, etc. , “On” and “under” include both “directly” or “indirectly” other components. In addition, the upper or lower reference of each component is described with reference to the drawings. The size of each component in the drawings may be exaggerated for the sake of explanation and does not mean the size actually applied.
도 1은 발명의 실시예에 따른 제1 전극층의 표면에 전착액을 전착시켜 전착막을 형성하는 방법을 도시한 단면도이다. 도 2 내지 도 4는 실시예에 따른 태양전지 셀을 제조하는 과정을 도시한 도면들이다.1 is a cross-sectional view illustrating a method of forming an electrodeposition film by electrodepositing an electrodeposition liquid on a surface of a first electrode layer according to an embodiment of the present invention. 2 to 4 are views illustrating a process of manufacturing a solar cell according to the embodiment.
도 1을 참조하면, 전해조(310) 내에, 전해질 용액(10), 제1 전극층(320), 전착막(300), 전착전극(340)아 포함된다.Referring to FIG. 1, an
상기 전해조(310)에는 전해질 용액(10)이 함유된다. 본 발명의 전해조(310)는, 석영(quartz), 유리, 투명 유기 재료 등의 투명 내식성 재료로 제조될 수 있다.The
상기 전해조(310) 내 전해질 용액(10)은 황화구리(copper sulphate), 염화니켈(nickel chloride) 등과 같은 금속이온 및 산 라디칼들로 구성될 수 있다. 침착되는 금속에 대하여 요구되는 상이한 요건에 따라 전해질 용액(10)은 금속이온을 오직 하나 또는 그 이상을 포함할 수도 있다.The
그리고, 침착되는 금속에 대하여 요구되는 상이한 요건에 따라, 전해질 용액(10)은 황화물 라디칼, 질화물 라디칼과 같은 산 라디칼을 오직 하나 또는 그 이상을 포함할 수도 있다. 상기 전해질 용액(10)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 계 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전해질 용액(10)은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드(Cu(In,Ga)Se2;CIGS), 구리-인듐-셀레나이드 또는 구리-갈륨-셀레나이드의 화합물을 포함할 수 있다.And, depending on the different requirements required for the metal to be deposited, the
구체적으로, 상기 전해질 용액(10)은 CuCl2, InCl3, H2SeO3, GaCl3의 금속염(metal salt)을 포함할 수 있다. 상기 금속염은 각각 CuCl2가 1.5mM, InCl3가 2.4mM, H2SeO3가 4.47mM, GaCl3가 10mM의 비율로 합성될 수 있다.Specifically, the
지지전해질(Supporting Electrolyte)로는 LiCl을 포함할 수 있다. 상기 LiCl은 0.24M이 투입될 수 있다.Supporting electrolyte may include LiCl. The LiCl may be added 0.24M.
완충용액(Buffer Solution)으로는 칼륨 비프탈산(POTASSIUM BIPHTHALATE)을 포함할 수 있다. 상기 완충용액의 산성도는 2.5pH 내지 3pH일 수 있다.The buffer solution may include potassium biphthalic acid (POTASSIUM BIPHTHALATE). The acidity of the buffer solution may be 2.5pH to 3pH.
상기 전착층은 상기 금속염 및 지지전해질을 동시에 섞은 후, 지지전해질이 용해된 후에 완충용액을 전해조(310) 내에 투입하여 형성할 수 있으며, 이때의 전압은 -0.55V가 인가될 수 있으나 특정 값에 한정되는 것은 아니라고 할 것이다.The electrodeposition layer may be formed by mixing the metal salt and the supporting electrolyte at the same time, and then adding a buffer solution into the
상기에서 기술한 바와 같이, 전해질 용액(10)은 구리를 포함하고 3족 원소와의 비율인 Cu/Ⅲ은 0.8 내지 1의 값을 가질 수 있다.As described above, the
침착된 금속의 응력을 감소시키고 침착된 금속의 평탄도(flatness)를 향상시키기 위하여 적절한 첨가제가 전해질 용액(10)에 첨가될 수도 있는데, 이는 상이한 전해질 용액과 금속을 전기화학적으로 침착시키는 공정에 따른다.Appropriate additives may be added to the
상기 제1 전극층(320)에 음극을 연결하고 전착전극(340)에 양극을 연결하여 일정시간 동안 직류전원을 인가한다. 직류전계 하에서 반도체화합물 표면에 존재하는 금속 양이온이 음극인 제1전극(320)으로 이동하면서 반도체화합물도 함께 이동하게 되고, 반면 음이온은 양극인 전착전극(340)으로 이동하게 된다. The cathode is connected to the
상기 공정에 의해, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1전극(320)의 상면에 광 흡수층(300)이 형성된다. 상기 광 흡수층(300)은 p형 반도체 화합물을 포함한다. 더 자세하게, 상기 광 흡수층(300)은 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 계 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 1.1eV 내지 1.2eV일 수 있다.By the above process, as shown in FIG. 2, the
다음으로, 상기 광 흡수층(300)의 상면에 버퍼층(400)이 형성된다. CIGS 화합물을 광 흡수층(300)으로 갖는 태양전지는 p형 반도체인 CIGS 화합물 박막과 n형 반도체인 윈도우층(500) 간에 pn 접합을 형성한다. 하지만 두 물질은 격자상수와 밴드갭 에너지의 차이가 크기 때문에 양호한 접합을 형성하기 위해서는 밴드갭이 두 물질의 중간에 위치하는 버퍼층이 필요하다.Next, a
상기 버퍼층(400)의 에너지 밴드갭은 2.2eV 내지 2.5eV일 수 있다. 상기 버퍼층(400)을 형성하는 물질로는 CdS, ZnS등이 있고 태양전지의 발전 효율 측면에서 CdS가 상대적으로 우수하다. 상기 버퍼층(400)은 PVD 또는 도금의 방법으로 형성될 수 있다. The energy bandgap of the
상기 버퍼층(400)은 10nm 내지 100nm의 두께로, 바람직하게는 50nm 내지 80nm의 두께로 형성될 수 있다. The
상기 버퍼층(400) 상에 고저항 버퍼층(미도시)이 배치될 수 있다. 상기 고저항 버퍼층은 불순물이 도핑되지 않은 징크 옥사이드(i-ZnO)를 포함한다. 상기 고저항 버퍼층의 에너지 밴드갭은 약 3.1eV 내지 3.3eV이다.A high resistance buffer layer (not shown) may be disposed on the
상기 광 흡수층(300)과 제1 전극층(320)은, 상기 광 흡수층(300)의 Cu/Ⅲ 비율이 0.9에 인접하므로, 그레인의 크기가 커지게 되어 접착력이 감소하게 된다. 이에 따라, 상기 버퍼층(400)의 상면에 테이핑을 통해 상기 광 흡수층(300)과 제1 전극층(320)이 분리될 수 있다.Since the Cu / III ratio of the
다음으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 버퍼층(400) 상에 윈도우층(500)이 배치된다. 상기 윈도우층(500)은 투명하며, 도전층이다. 또한, 상기 윈도우층(500)의 저항은 상기 후면전극층(200)의 저항보다 높다.Next, as shown in FIG. 3, the
상기 윈도우층(500)은 산화물을 포함한다. 예를 들어, 상기 윈도우층(500)은 징크 옥사이드(zinc oxide), 인듐 틴 옥사이드(induim tin oxide;ITO) 또는 인듐 징크 옥사이드(induim zinc oxide;IZO) 등을 포함할 수 있다.The
또한, 상기 윈도우층(500)은 알루미늄 도핑된 징크 옥사이드(Al doped zinc oxide;AZO) 또는 갈륨 도핑된 징크 옥사이드(Ga doped zinc oxide;GZO) 등을 포함할 수 있다.In addition, the
다음으로 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1 전극층(320)과 분리되어 노출된 상기 광 흡수층(300)의 하면에 후면전극층(200)이 배치된다. 상기 후면전극층(200)은 도전층이다. 상기 후면전극층(200)은 태양전지 중 상기 광 흡수층(300)에서 생성된 전하가 이동하도록 하여 태양전지의 외부로 전류를 흐르게 할 수 있다. 상기 후면전극층(200)은 이러한 기능을 수행하기 위하여 전기 전도도가 높고 비저항이 작아야 한다.Next, as shown in FIG. 4, a
또한, 상기 후면전극층(200)은 CIGS 화합물 형성시 수반되는 황(S) 또는 셀레늄(Se) 분위기 하에서의 열처리 시 고온 안정성이 유지되어야 한다. 또한, 상기 후면전극층(200)은 열팽창 계수의 차이로 인하여 지지기판(미도시)과 박리현상이 발생되지 않도록 상기 지지기판(100)과 접착성이 우수하여야 한다.In addition, the
이러한 후면전극층(200)을 형성하는 물질로는 상기 지지기판과 열팽창 계수의 차이가 적기 때문에 접착성이 우수하여 박리현상이 발생하는 것을 방지할 수 있는 물질이 고려되어야 한다. 이러한 물질로는 몰리브덴(Mo)이 사용될 수 있다. As the material for forming the
도 5는 다른 실시예에 따른 태양전지 셀을 도시한 도면이다. 도 5는 도 4의 실시예와 달리, 후면전극층(200)이 최상층에 배치되는 수퍼스트레이트 방식으로 제조될 수 있다.5 is a diagram illustrating a solar cell according to another embodiment. 5 is different from the embodiment of FIG. 4, the
상기에서 검토한 바와 같이, 발명의 실시예에 따른 태양전지는 광 흡수층(300)의 그레인의 크기를 향상시켜 광-전 변환 효율이 향상될 수 있다.As discussed above, the solar cell according to the embodiment of the present invention may improve the photo-electric conversion efficiency by improving the size of the grains of the
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.Features, structures, effects, and the like described in the above embodiments are included in at least one embodiment of the present invention, and are not necessarily limited to only one embodiment. Furthermore, the features, structures, effects, and the like illustrated in the embodiments may be combined or modified with respect to other embodiments by those skilled in the art to which the embodiments belong. Therefore, it should be understood that the present invention is not limited to these combinations and modifications.
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.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It will be understood that various modifications and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiments can be modified and implemented. It is to be understood that all changes and modifications that come within the meaning and range of equivalency of the claims are therefore intended to be embraced therein.
Claims (13)
상기 광 흡수층의 일면에 형성되는 버퍼층;을 포함하고,
상기 광 흡수층은 구리 및 3족 원소를 포함하고, 상기 구리 및 3족 원소의 성분비는 0.8 내지 1의 값을 갖도록 형성되는 태양전지.Light absorbing layer: and,
And a buffer layer formed on one surface of the light absorbing layer.
The light absorbing layer includes copper and a group 3 element, and the component ratio of the copper and group 3 elements is formed to have a value of 0.8 to 1.
상기 광 흡수층은 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)를 포함하는 태양전지.The method of claim 1,
The light absorbing layer is a solar cell including a copper-indium-gallium-selenide-based (Cu (In, Ga) Se 2 ; CIGS-based).
상기 광 흡수층의 상면에 버퍼층을 형성하는 단계;
상기 버퍼층 상에 테이프를 형성하는 단계; 및,
상기 테이프를 제거하면서 상기 광 흡수층의 하면이 노출되도록 상기 광 흡수층과 제1 전극층을 분리하는 단계;를 포함하는 태양전지의 제조방법.Forming a light absorbing layer on the upper surface of the first electrode layer by an electrodeposition method using an electrolyte solution;
Forming a buffer layer on an upper surface of the light absorbing layer;
Forming a tape on the buffer layer; And
Separating the light absorbing layer and the first electrode layer so that the bottom surface of the light absorbing layer is exposed while removing the tape.
상기 광 흡수층은 구리 및 3족 원소를 포함하고, 상기 구리 및 3족 원소의 성분비는 0.8 내지 1의 값을 갖도록 형성하는 태양전지의 제조방법.The method of claim 3,
The light absorbing layer includes a copper and a group 3 element, and the component ratio of the copper and group 3 element is formed to have a value of 0.8 to 1.
상기 광 흡수층의 하면에 후면전극층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.The method of claim 3,
Forming a rear electrode layer on the lower surface of the light absorbing layer.
상기 버퍼층의 상면에 윈도우층을 형성하는 단계;를 포함하는 태양전지의 제조방법.The method of claim 3,
Forming a window layer on the upper surface of the buffer layer; manufacturing method of a solar cell comprising a.
상기 제1 전극층은 음극과 연결하는 태양전지의 제조방법.The method of claim 3,
The first electrode layer is a manufacturing method of a solar cell connected to the cathode.
상기 전해질 용액은 CuCl2, InCl3, H2SeO3, GaCl3의 금속염(metal salt)을 포함하는 태양전지의 제조방법.The method of claim 3,
The electrolyte solution is a method of manufacturing a solar cell containing a metal salt (CuCl 2 , InCl 3 , H 2 SeO 3 , GaCl 3 ).
상기 금속염은 각각 CuCl2가 1.5mM, InCl3가 2.4mM, H2SeO3가 4.47mM, GaCl3가 10mM의 비율로 합성되는 태양전지의 제조방법.9. The method of claim 8,
The metal salt is a method of manufacturing a solar cell is synthesized in a ratio of CuCl 2 1.5mM, InCl 3 2.4mM, H 2 SeO 3 4.47mM, GaCl 3 10mM.
상기 전해질 용액에는 지지전해질(Supporting Electrolyte)이 포함되고, 상기 지지전해질은 LiCl을 포함하는 태양전지의 제조방법.The method of claim 3,
The electrolyte solution includes a supporting electrolyte (Supporting Electrolyte), the supporting electrolyte manufacturing method of a solar cell containing LiCl.
상기 LiCl은 0.24M이 투입되는 태양전지의 제조방법.The method of claim 10,
LiCl is a manufacturing method of the solar cell is 0.24M is injected.
상기 전해질 용액에는 완충용액(Buffer Solution)이 포함되고, 상기 완충용액으로는 칼륨 비프탈산(POTASSIUM BIPHTHALATE)을 포함하는 태양전지의 제조방법.The method of claim 3,
The electrolyte solution includes a buffer solution (Buffer Solution), the buffer solution manufacturing method of a solar cell containing potassium biphthalic acid (POTASSIUM BIPHTHALATE).
상기 완충용액의 산성도는 2.5pH 내지 3pH인 태양전지의 제조방법.The method of claim 12,
The acidity of the buffer solution is 2.5pH to 3pH method of manufacturing a solar cell.
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